KR100559128B1 - 촉매 변환기를 가진 4 행정 디젤 기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기 가스에 있는 질소산화물의 촉매환원을 위한 엔진 배기 시스템(23)에 있는 촉매 변환기(24)와 유닛 인젝터(6)를 가진 4 행정 디젤 엔진에 관한 것이다. 유닛 인젝터는 펌프 피스톤을 가지고 있으며, 각각의 상기 펌프 피스톤은, 엔진의 통상적인 분사 단계에서 연료의 분사를 실행하는 제 1 캠 리지(20)를 가지고 있고, 촉매 변환기로 기화된 연료를 공급하기 위해 엔진의 배기 단계시 엔진 연소실에서 후속분사라고 명명된 것을 성취하는 제 2 캠 리지(21,22)를 가지고 있는 캠 만곡부(B,C)를 가진 각각의 캠 요소(12,13)에 의해 구동된다.
Figure 112003005674155-pct00001
인젝터, 캠 리지, 캠 요소, 캠 만곡부, 펌프 행정, 촉매 변환기, 전자제어유닛, 바이패스 밸브, 후속분사

Description

촉매 변환기를 가진 4 행정 디젤 기관{FOUR-STROKE DIESEL ENGINE WITH CATALYTIC CONVERTER}
본 발명은 연소실을 각각 가지고 있는 하나 또는 그 이상의 실린더, 각각의 실린더 실로 개방하는 연료 인젝터, 각각의 인젝터에 연료를 주입하기 위한 연료 펌프 장치, 배기가스 안에 있는 NOx를 촉매환원시키기 위하여 각각의 연소실로부터 시작하여 촉매 변환기 장치 내로 통하게 되는 배기관, 그리고 촉매 변환기 장치에 연료를 공급하기 위한 수단을 포함하는 4 행정 내연기관에 관한 것이다.
디젤 기관에서 질소산화물의 촉매환원을 위하여 저질소산화물(DENOX) 촉매 변환기를 사용하는 것은 공지되어 있다. 이러한 촉매 변환기는 비교적 낮은 효율을 갖고 이들이 기능하는 온도의 범위가 매우 좁으며 탄화수소의 첨가는 효율을 높이고 온도의 범위를 넓힌다는 것 역시 잘 공지된 사실이다. 이것은 디젤 연료가 기화물질의 형태로 촉매 변환기에 도달하게 하는 수단으로 추가적인 디젤 연료를 첨가함으로써 실행 할 수 있다. 촉매 변환기에 앞서 연소가 발생하지 않는 이상 공급되는 연료는 중요한 사항이 아니다.
촉매 변환기로 연료를 공급하는 여러 가지 방법들과 체계들이 알려져 있다. 하나의 방법은 촉매 변환기에 앞서 배기관으로 연료를 분사하는 별도의 연료 시스템을 사용한다. 예를 들어 WO96/03572에 의해 알려져 있는 또 하나의 방법에서는, 통상적인 연료 분사 단계 이후에, 통상적인 연료 인젝터가 배기 단계에서 소량의 연료를 하나 또는 그 이상의 엔진 연소실 내로 직접 분사하여 기화물 형태인 연료가 배기 가스와 함께 촉매 변환기로 이송되게 한다. 이러한 목적을 위해 엔진에서는, 차량 연료 탱크와 그 사이에 있고 각각의 인젝터와 상호 작용하는 전자 제어 밸브를 통하여 모든 인젝터와 연통하는 고압 펌프에 의해 계속 고압으로 유지되는 고압 용기를 포함하고 있는 "커먼래일(Common Rail)"로 알려진 연료 분사 시스템을 사용한다. 이러한 시스템은 일정한 압력 하에 있기 때문에, 이론적으로 연료는 엔진의 작동 사이클 동안에 임의의 시간에 임의의 횟수로 분사될 수 있다. 통상적인 분사 단계와 추가적인 후속분사 단계에서의 분사 제어는 제어 유닛(제어 컴퓨터)에 의해 성취되는데, 이 제어 유닛은 제어 유닛 내로 입력되는 다양한 엔진 데이터에 따라 밸브를 개방 및 폐쇄한다. 커먼래일 연료 분사 시스템에서는, 통상적으로 발생하는 캠축 구동식 연료 분사 시스템의 경우에서와 같은 가변연료압력 사이클을 고려하지 않기 때문에 후속분사 단계가 자유롭게 선택될 수 있다.
본 발명의 목적은, 소개의 방식으로 설명된 타입의 내연 기관에서, 알려진 커먼래일 시스템 또는 다른 별도의 투액량 시스템을 사용하지 않고 상기된 후속분사를 성취하는 것이다.
이것은 본 발명에 따라 연료 펌프 장치가 각각의 인젝터를 위한 개별적인 연료 펌프 수단 그리고 엔진 크랭크축에 의해 구동되며 각각의 연료 펌프 수단을 위한 캠 요소를 가지고 있는 캠축을 포함하고 있고, 상기 캠 요소는 관련된 연료 펌프 수단에서 제 1 펌프 행정을, 작동 사이클 당 한 번 수행하도록 배열된 제 1 캠 리지(ridge)와, 관련된 연료 펌프 수단에서 제 2 펌프 행정을, 제 1 펌프 행정 후 소정된 수의 크랭크축 각도로 작동 사이클 당 한 번 수행하도록 배열된 적어도 하나의 제 2 캠 리지를 가지고 있으며, 그리고 제어 유닛에 입력되는 크랭크축의 회전속도, 캠축의 각도상의 위치 및 가속기 위치와 같은 다양한 제어 매개변수에 따라, 각각의 펌프 행정시의 분사량과 시기를 조정하기 위해 각각의 인젝터와 상호작용하는 바이패스 밸브를 제어하도록 전자제어 유닛이 배열되는 사실로 인하여 성취된다.
이러한 경우에서의 제 2 분사 단계를 위한 시간 간격은 제 1 캠 리지에 대한 제 2 캠 리지의 기하학적 위치에 의해 결정되고 각각의 인젝터로부터의 정확한 분사 시기와 분사량은 엔진의 작동 상태에 따라 바이패스 밸브에 의해 변경될 수 있으며, 바이패스 밸브는 분사량이 있어야 하는지의 여부를 결정하는 데에 또한 사용될 수 있어, 분사량이 없도록 제어될 수 있다.
본 발명에 따라 적어도 두 개의 실린더를 갖는 엔진의 일 실시예에서, 캠 요소는 제 1 펌프 행정으로부터 일정 수의 크랭크축 각도로 제 2 펌프 행정을 성취하는 캠 만곡부를 가진 제 2 캠 리지를 가지고 있고, 그리고 제 2 캠 요소는 제 1 펌프 행정 후 또 다른 소정된 수의 크랭크축 각도로 제 2 펌프 행정을 성취하는 캠 만곡부를 가진 제 2 캠 리지를 가지고 있다. 이러한 경우에서의 제어 유닛은 엔진 부하에 따라 인젝터의 바이패스 밸브를 제어하도록 배열되어서 촉매 변환기로 분사되는 부가적인 연료가 엔진 부하가 낮을 때(부분 부하) 보다 이른 후속 분사를 가 진 인젝터를 통하여 분사되고 부하가 높을 때(완전 부하) 보다 늦은 후속 분사를 가진 인젝터를 통하여 분사되도록 한다. 이러한 방식으로, 작동 중에 있어서의 분사 시기에 관해서는 커먼래일 시스템과 동일한 자유로움을 제공하는 시스템이 성취된다.
본 발명은 첨부된 도면에서 도시된 예를 참조하여 보다 상세히 하기 설명될 것이다.
도 1은 다기통 직렬기관 반쪽의 개략도이다.
도 2는 도 1의 캠 형상을 확대한 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 캠 형상에 대한 연료 분사 펌프의 상승 곡선과 흡입 및 배기 밸브의 상승 곡선에 대한 도면이다.
도 1에서, 1과 2는 4 행정 디젤기관의 2 개의 실린더를 명시하고 있다. 점선은 4 기통기관에서 제 3 및 제 4 실린더가 될 수 있는 추가적인 실린더 3 및 4를 나타내고 있다.
각각의 실린더에 있는 연소실 내로, 인젝터 부분(7) 및 해당 전자제어 바이패스 밸브(9)를 가진 펌프 부분(8)을 포함하고 전반적으로 6으로 명시되는 연료 인젝터가 개방하고 있다. 이러한 타입의 연료 인젝터는 펌프(8)와 인젝터(7)가 유닛을 형성하므로 통상적으로 전자 유닛 인젝터라 명명된다. 펌프(8)는 피스톤 펌프이며 피스톤 운동은 알려진 방식인 엔진 크랭크축(10)에 의해 구동되는 캠축(11)으로 성취되며 캠축은 각각의 인젝터(6)를 위한 캠 요소(12) 또는 캠 요소(13)를 가지고 있다.
유닛 인젝터(6)를 가진 종래의 엔진에는, 모든 캠 요소들이 펌프 행정을 성취하는 하나의 상승 리지를 가진 동일한 캠 만곡부를 가지고 있다. 상승 리지는 점화 순서에 따라 서로에 대하여 배치되어 있고 그들의 위치는 각각의 실린더에서의 가능한 분사 간격을 결정하는 한편, 실제적인 연료량과 시기는 전자기적으로 작동되고 전자제어 유닛(15)에 의해 제어되는 바이패스 밸브(9)에 의해 조정된다. 센서(16)와 센서(17)는 크랭크축(10)의 회전속도와 캠축(11)의 각도상의 위치를 상징하는 신호를 제어 유닛(15)으로 제공한다. 더하여, 가속기 위치를 상징하는 신호(18)가 제어 유닛(15)으로 입력된다. 본 발명을 설명하는 데에 무관한 제어 유닛(15)에 연결되는 추가적인 센서들은 생략되었다.
캠 요소(12,13)는 압축 행정의 말기와 팽창 행정의 초기에 연소실 내로 연료를 분사하기 위한 통상적인 펌프 행정을 성취하는 동일한 제 1 상승 리지(20)를 가지고 있다. 본 발명에 따라, 캠 요소(12,13)는 예에서, 각각 21과 22로 명시된 제 2 상승 리지를 형성하도록 만들어진다. 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 캠 요소(12)의 상승 리지(21)는 캠 요소(13)의 상승 리지(22)보다 통상적인 상승 리지(20)으로부터 더 먼 각도상의 거리에 위치 결정된다.
상승 리지(21,22)로 인해, 제 1 펌프 행정 후 실린더의 배기 밸브가 폐쇄되기 전의 시기에 연소실 내로 소량의 연료를 분사하기 위한 보다 짧은 제 2 펌프 행정이 제공된다. 분사 시기는 연료가 기화되지만 실린더에서 점화되지 않도록 선택 되는데, 이것은 기화된 연료가 배기 가스와 함께 엔진의 배기관(23)을 통하여 촉매 변환기(24)로 이송될 것이라는 것을 의미한다.
도 3에서, 곡선 B는 상승 리지(21)에 의해 발생된 펌프 행정을 예시하고, 곡선 C는 상승 리지(22)에 의해 발생된 펌프 행정을 예시한다. 도 3에서, 흡입 밸브 및 배기 밸브의 각각의 상승 곡선 D 및 E가 도시되어 있다. 도 3의 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 상승 리지(21)는 상승 리지(22)보다 시간에 있어서 보다 늦은 시기에 분사를 제공한다. 도면에서의 펌프 행정은 20a, 21a 및 22a로 명시된다.
제어 유닛(15)으로 입력되는 신호로 인해, 제어 유닛은 부가적 연료량의 분사가 일어나야 되는 시기를 계산하고 캠 요소(12) 또는 캠 요소(13)가 가지고 있는 바이패스 밸브의 작동을 선택한다. 다양한 상승 곡선 B 및 C를 제공하는 캠 형상은 도 2에서 상응하는 지시 B 및 C가 주어졌다.
상기 설명된 디자인의 4 기통기관은 캠 요소(12)에 상응하는 추가적인 캠 요소를 가지고 있고 캠 요소(13)에 상응하는 추가적인 캠 요소를 가지고 있는 한편, 6 기통기관은 캠 요소(12)에 상응하는 2 개의 추가적인 캠 요소 그리고 캠 요소(13)에 상응하는 2 개의 추가적인 캠 요소를 가지고 있다. 각각의 캠 요소는 최대 요구 연료량을 촉매 변환기에 제공하는 해당 분사 펌프의 부가적인 펌프 행정을 성취하도록 배치될 수 있다. 이러한 경우에는, 제어 유닛(15)이 배열되어서 균등한 마모를 위하여 상이한 인젝터들 사이에 번갈아 수행하도록 분사를 제어한다. 이러한 디자인은 또한, 바이패스 밸브의 비교적 느린 반응의 영향이 적을 것이기 때문에, 정확한 연료량 투액을 가능하게 만든다. 또 하나의 실시예에서, 캠 요소는 최대 요구 연료량의 반(4 기통기관) 또는 3분의 1(6 기통기관)을 공급하는 부가적인 펌프 행정을 제공하도록 배치될 수 있다. 여기에서, 제어 유닛(15)은 한 개의 작동 사이클에서 2 개(4 기통기관) 또는 3 개(6 기통기관)의 인젝터를 통하여 연료의 분사를 제어하도록 배열되어 있다.
인젝터들 간의 교호 수행은 여러 가지 방법으로 행하여질 수 있다. 6 기통기관과 3 개의 동일한 캠 형상의 2 개 그룹을 가지고, 상이한 인젝터간의 교호 수행은 다음과 같이 행할 수 있다:
- 부가적인 분사들 사이에 720°(각각의 사이클에 동일한 인젝터)
- 부가적인 분사들 사이에 480°(상이한 인젝터)
- 부가적인 분사들 사이에 960°(상이한 인젝터)
- 부가적인 분사들 사이에 통상적으로 240°의 배수
명백하게, 본 발명의 범주 내에서 후속 분사에 있어서 상이한 2 개 이상의 분사 시기가 얻어지도록 캠 요소를 만드는 것이 가능하다. 4 기통기관은 4 개, 그리고 6 기통기관은 6 개의 상이한 분사 시기를 가질 수 있어 엔진 부하에 대한 연료 분사 타이밍의 보다 우수한 순응을 가능하게 한다. 여기에서, 각각의 캠 요소는 최대 요구 연료량을 촉매 변환기에 가져다주는 펌프 행정을 제공할 수 있도록 만들어져야 한다. 펌프 행정이 요구 연료량의 반을 제공하고 제어 유닛(15)이 엔진의 한 번의 작동 사이클에서 2 개의 인젝터로 분사를 나누도록 캠 요소가 만들어져, 3 개의 상이한 후속분사 시기를 가진 6 기통기관을 또한 생각해 볼 수 있다.
본 발명은 유닛 인젝터라 명명된 것을 갖춘 다기통 기관의 일예를 참조하여 상기 설명되었지만, 펌프 인젝터라 명명된 것을 갖춘 1 기통 기관에서도 사용할 수 있는데, 이것은 인젝터와 펌프 장치가 별개이지만 각각의 인젝터가 캠 요소에 의해 구동되는 자체의 펌프 피스톤을 가지고 있는 연료 시스템을 가진 엔진이다. 이론적으로, 펌프는 직렬펌프, 레이디얼피스톤펌프 또는 축류피스톤펌프일 수 있다. 또한, 본 발명의 기본적인 정신의 범주 내에서 부가적인 분사를 위한 하나 이상의 부가적인 캠 리지를 배열하는 것이 또한 가능하다.













Claims (8)

  1. 연소실(5)을 각각 가지고 있는 하나 또는 그 이상의 실린더(1,2,3), 각각의 실린더 실로 개방하는 연료 인젝터(7), 각각의 인젝터에 연료를 주입하기 위한 연료 펌프 장치(8), 배기가스 안에 있는 NOx를 촉매환원시키기 위하여 각각의 연소실로부터 시작하여 촉매 변환기 장치(24)내로 통하게 되는 배기관(23), 그리고 촉매 변환기 장치에 연료를 공급하기 위한 수단을 포함하는 4 행정 내연기관에 있어서,
    연료 펌프 장치가 각각의 인젝터(7)를 위한 개별적인 연료 펌프 수단(8) 그리고 엔진 크랭크축(10)에 의해 구동되며 각각의 연료 펌프 수단을 위한 캠 요소(12,13)를 가지고 있는 캠축(11)을 포함하고 있고, 상기 캠 요소는 관련된 연료 펌프 수단에서 제 1 펌프 행정을, 작동 사이클 당 한 번 수행하도록 배열된 제 1 캠 리지(20)와, 관련된 연료 펌프 수단에서의 제 2 연료 펌프 행정을, 제 1 펌프 행정 후 소정된 수의 크랭크축 각도로 작동 사이클 당 한 번 수행하도록 배열된 적어도 하나의 제 2 캠 리지(21,22)를 가지고 있으며, 그리고 제어 유닛에 입력되는 크랭크축의 회전속도, 캠축의 각도상의 위치 및 가속기 위치와 같은 다양한 제어 매개변수에 따라, 각각의 펌프 행정시의 분사량과 시기를 조정하기 위해 각각의 인젝터와 상호작용하는 바이패스 밸브(9)를 제어하도록 전자제어 유닛(15)이 배열되는 것을 특징으로 하는 4 행정 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 2 개의 실린더를 가지고 있으며,
    각각의 캠 요소(12,13) 상에 있는 제 2 캠 리지(21,22)는, 제 2 캠 리지(21,22)가 제 2 펌프 행정을 수행하도록 만들어진 캠 만곡부(B,C)를 가지고 있어 인젝터(7)로부터의 최대 요구 연료량의 분사를 가능하게 하며, 제어 유닛(15)은 한 개 그리고 다른 하나의 인젝터에 의해 교호로 연료가 분사되게 하기 위하여 각각의 바이패스 밸브를 제어하도록 배열된 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 실린더를 가지고 있으며,
    각각의 캠 요소(12,13) 상에 있는 제 2 캠 리지(21,22)는, 제 2 캠 리지(21,22)가 제 2 펌프 행정을 수행하도록 만들어진 캠 만곡부(B,C)를 가지고 있어 인젝터(7)로부터의 최대 요구 연료량보다 적은 양의 분사를 가능하게 하며, 제어 유닛(15)이 요구되는 연료량에 따라, 한 번의 작동 사이클에서 하나 이상의 인젝터(7)를 통하여 분사하기 위하여 바이패스 밸브를 제어하도록 배열된 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    캠 요소(12)가 제 1 펌프 행정 후 소정된 수의 크랭크축 각도로 제 2 펌프 행정을 성취하는, 캠 만곡부(B)를 가진 제 2 캠 리지(21)를 가지고 있고, 제 2 캠 요소(13)가 제 1 펌프 행정 후 또 다른 소정된 수의 크랭크축 각도로 제 2 펌프 행정을 성취하는, 캠 만곡부(C)를 가진 제 2 캠 리지(22)를 가지고 있으며, 제어 유닛(15)이 배열되어서 엔진 부하에 따라, 제 2 펌프 행정에 의해 발생된 분사가 높은 부하보다 낮은 부하에서 더 이른 시기에 발생하게 하기 위하여 인젝터의 바이패 스 밸브(9)를 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제 4 항에 있어서, 적어도 4 개의 실린더를 가지고 있으며,
    모든 캠 요소에 있는 상기 제 2 캠 리지가 상이한 캠 만곡부로 만들어진 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제 4 항에 있어서,
    캠 요소가 적어도 2 개의 그룹으로 분류되어 있고, 여기에서 상기 제 2 캠 리지의 캠 만곡부가 각각의 그룹 내에서는 동일하지만, 그룹간에는 상이한 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    해당 펌프 수단(8)을 가지고 있는 각각의 인젝터(7)는 엔진의 실린더 헤드에 배열된 유닛 인젝터(6)로서 일체 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 인젝터가 인젝터로부터 떨어져 있는 연료 펌프 수단과 연통 상태인 것을 특징으로 하는 내연기관.
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