KR100598472B1 - 연료 가스 혼합물을 엔진으로 분사하는 방법 - Google Patents

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조프레이파울 캐쓰카르트
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오비탈 엔진 캄파니(오스트레일리아) 피티와이 리미티드
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Abstract

계측된 연료량을 연소실로 분배하기 위해, 계측된 연료량을 연료 계측수단으로부터 연소실 및 압축 가스(49)의 공급부와 교통하는 분배 분사기(34)로 분배하는 공정을 포함하고, 가스 혼합물을 엔진의 연소실(32)로 분사함으로써 내연기관에 연료를 공급하는 방법에 있어서,
하나 이상의 연료 계측 수단과 분배 분사기는 다중 이벤트에서 제어되고 점화시에 연소실에서 소정의 연료 분배가 실행된다.
엔진, 분배 분사기, 연소실, 가스 혼합물, 연료 분배

Description

연료 가스 혼합물을 엔진으로 분사하는 방법{Method of injection of a fuel-gas mixture to an engine}
본 발명은 통상적으로 2행정 또는 4행정 사이클에서 작동하는 엔진의 연소실로 연료 가스 혼합물을 분사함으로써 엔진에 연료를 공급하는 공정에 관한 것이다.
연료 가스 혼합물로 직접 분사된 연소실 또는 실린더를 갖는 엔진으로부터의 배기 가스의 저방출(low emission)의 장점은 인식하고 있으며 다른 요소들 이외에, 기화기 방식 엔진(carburetted engines)에서 실행할 수 있는 것 보다 연료 분배 및 연료량을 더 양호하게 제어한다.
여기서, 예를 들어, 미국 특허 제 4800862호에는 엔진으로부터 배기되는 가스에서의 유해 성분을 제어하고, 엔진의 연소실에서 연료 분배를 제어하는 것이 유익하다는 사실이 출원인에 의해서 공개되어 있다. 따라서, 상기 특허는 점화 시기에 엔진의 연소실에서 소정의 연료 분배를 얻을 목적으로, 개별적으로 계측된 연료량을 동반하여 내연기관으로 전달하고, 가스로 연료가 도입되는 공정을 제어하기 위해, 압축 가스를 사용하는, 특히 이중 유체 연료 분사시스템을 공개한다. 특히, 불꽃 점화 내연기관에서는 소정 연료 분배가 점화 시기에 점화 수단 부근에서 상대적으로 연료가 농후한 혼합물을 포함하는 것이 가장 바람직한 것으로 기재되어 있 다.
일반적으로, 점화 수단은 엔진의 실린더 헤드에 위치하고, 그에 따라, 점화시에 연료 농후성 영역(fuel rich region)이 실린더의 상기 지역에 형성되는 것이 바람직하다. 통상적으로 직접 분사시스템이 중앙에 설치되는 어떤 내연기관에서, 이것은, 실린더의 축선 방향으로 잔여 연소 충전물의 공연비를 약간 증가시킴으로써(즉, 점차 희박으로 되면서) 달성된다. 이러한 연소 충전물은 성층화 방식(stratified type)이라고 하며, 특히 저부하 조건하에서는 점화에 유익한 것으로 인식되고 있다. 저부하 조건은 일반적으로 특정한 엔진 속도에서 얻을 수 있는 최대 부하의 25％ 이하인 부하로서 기술될 수 있다.
통상적으로, 실린더에서의 양호한 연료 분배는 출원인의 미국 특허 제 4800862호에 기재된 바와 같이, 엔진 부하 및 속도 등에 따라 변화되고, 엔진의 실린더로 도입되는 소정 연료량의 비율은 특수한 엔진 작동 조건에 대해서 가장 효율적인 분배를 달성하도록 제어된다. 따라서, 고부하에서, 실린더 내에 있는 모든 연료를 연소하기에 충분한 공기에 연료가 노출되도록, 실린더를 통해서 거의 균일한 공연비를 갖는 것이 종종 매우 중요하다. 고부하는 일반적으로 특정한 엔진 속도에서 얻을 수 있는 최대 부하의 75％ 이상의 부하로 규정된다.
본 발명의 목적은 비효율적인 엔진 작동과 연관된 NOX, 탄화수소 및 기타 오염물질을 허용가능한 수준으로 낮게 방출하도록, 엔진의 효율적인 동작을 가능하게 하는 내연기관에 연료를 공급하는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적을 위해, 본 발명은 계측된 연료량을 연소실로 분배하기 위한 압축가스의 공급부와, 연소실 양쪽다 교통하는 분배 분사기를 향하여 연료 계측수단으로부터 계측된 연료량을 분배하는 공정을 포함하고, 연료 가스 혼합물을 엔진의 연소실로 분사함으로써 내연기관에 연료를 공급하는 방법을 제공하며, 이 방법에 있어서, 연료 계측 수단과 분배 분사기중 적어도 하나는 엔진 동작 사이클 동안 다수의 이벤트(event: 장치가 그 기능을 수행하는데 필요한 동작을 실행하는 것, 예로서 분사기의 분사 동작)로서 제어되고 점화시에 연소실에서 소정의 연료 분배가 달성된다.
상기 다수의 이벤트는, 엔진 동작 사이클 동안에 점화시 연소실에서 소정의 연료 분배가 얻어지도록, 엔진 동작 사이클 중에 일어날 수 있다. 연료 계측 수단은 계측된 연료량을 분배 분사기에 제공하기 위해, 제어된 기간의 단일 펄스를 실행하도록 제어될 수 있다. 그와 같이 연료 계측 수단의 펄스에 따른 제어된 개방 동작은 "연료 계측 이벤트"로서 언급된다.
계측된 연료량은 분배 분사기의 개방에 의해서 압축 가스에 동반되어 연소실로 분배되며, 여기서, 상기 분배 분사기의 펄스에 따른 개방 동작은 "가스 공급 이벤트"로서 언급된다. 분배 분사기는 연료를 엔진의 연소실 또는 실린더 안으로 직접 운반하는 복수의 가스 공급 이벤트를 실행하도록 바람직하게 제어될 수 있다. 분배 분사기는 경우에 따라서 바람직한 엔진 제어 방식이 실행되게 하고 계측된 연료량이 엔진에 분배되도록, 단일 실린더 사이클 동안 제어 기간의 복수의 펄스를 실행하도록 제어될 수 있다. 실린더 사이클은 상사점(top dead centre:TDC)과 이 상사점으로 차후의 복귀동작 사이에서 피스톤 왕복 주기로 규정될 수 있다. 더욱 간단하게 설명하면, 실린더 사이클은 실린더에서 어떤 위치를 갖는 피스톤과 상기 위치로 차후에 복귀하는 동작 사이의 주기에 의해서 측정될 수 있다. 따라서, 반복가능한 이벤트의 연속은 복수의 실린더 사이클에 대해서 발생할 수 있다. 연료 계측 및 가스 공급 이벤트의 연속은 통상적으로 엔진이 2행정 또는 4행정 사이클에서 작동하는 지에 따라서 3600 또는 7200 에 대해서 발생한다. 따라서, 연속된 일부 이벤트는 상사점 이후에 발생하고 상사점 앞에 발생한 상기의 초기 계측 또는 가스 공급 이벤트로서 동일한 사이클 동안 발생하도록 고려될 수 있다.
연료 계측 수단은 편리하게는 연료 계측 분사기의 형태이며, 압축가스를 분배 분사기로 공급하는 공정은 통상적으로 압축 가스의 공급부 즉, 공기 압축기와 분배 분사기의 홀딩 챔버(holding chamber)를 교통하는 도관 또는 통로를 통해서 이루어진다. 홀딩 챔버는 엔진 작동 동안 항상 압축상태를 유지하고 각 실린더 사이클마다 복수의 가스 또는 공기 공급 이벤트 동안 양호하게는 연소실과 선택적으로 직접 교통한다.
여기서, 본 발명의 방법은, 엔진용 제어 장치, 통상적으로 전자 제어 장치에 의해서, 점화 타이밍과 서로에 대해서 제어가능하게 시간설정되는, 연료 계측 분사기 및 연료 분배 분사기의 개폐 타이밍(다른 말로는 연료 계측 이벤트 및 가스 공급 이벤트로서 각각 기재됨)을 따라 여러 방식으로 실행될 수 있다. 연료 계측 이벤트 및/또는 가스 공급 이벤트의 타이밍 및/또는 기간은 엔진 속도 또는 엔진 부하 또는 양자 모두의 함수로 구성될 수 있다. 또한, 연료 계측 이벤트 및 가스 공급 이벤트는 어떤 상황에서는 중복될 수 있다.
실린더 사이클에서 가스 또는 공기 공급 이벤트의 개수는 하나를 초과하여 배열될 수 있고, 통상적인 수는 사이클당 2개이다. 계측된 연료량은 가스 공급 이벤트에 대한 실린더 사이클에서 어떤 시간으로 시간설정된 연료 계측 이벤트에서 연료 계측 수단에 의해서 분배 분사기로 분배될 수 있다. 예를 들어, 제 1 가스 공급 이벤트가 개시되면, 바람직하게는, 특별한 엔진 작동 조건 하에서 실린더 사이클에 비례하여 엔진에 대해서 계측된 필요 연료량의 대부분을 연소실에 분배할 수 있다. 후에, 그러나 동일한 엔진 사이클 동안, 제 2 가스 또는 공기 공급 이벤트는 미리 계측된 연료량의 잔여부분을 연소실에 분배할 수 있다. 어떤 상황에서는, 상기 제 2 공기 공급 이벤트는 연료 분배 분사기 내에 남아있는 어떤 "지체된(hang-up)" 연료를 배출하도록 개시되며, 그것은 점화 이벤트와 연관되거나 또는 필요에 따라 다르게 개시될 수 있다. 즉, 통상적인 분배 분사기는 연료가 통과하거나 또는 유지되는 구멍 또는 홀딩 챔버를 구비할 수 있다. 연료막은 제 1 공기 공급 이벤트 이후에 표면 장력 효과로 인하여 챔버 또는 구멍의 벽에 고착될 수 있으며, 이러한 현상은 연료 "지체(hang-up)" 또는 "지체" 연료로 기술된다.
제 1 및 차후의 가스 공급 이벤트에서 연소실로 분배된 연료비율은 각 가스 공급 이벤트의 타이밍, 기간 및/또는 분배 압력을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 가스 공급 이벤트는 그때 어떤 주어진 엔진 작동 조건 하의 점화 시점에서 최종적으로 연소실에서의 소정 연료 분배를 달성함으로써, 효율적인 엔진 동작을 용이하게 하는 공지된 특성의 불연속 펄스로 계측된 연료량을 분할하도록 하는데 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제 1 가스 공급 이벤트의 결과로 연소실에 분배된 연료량은 연소실 전체를 통해서 일반적으로 균일한 혼합물을 얻도록 결정될 수 있지만, 균일한 혼합물이 반드시 용이하게 점화될 수 있는 것은 아니다.
그때, 점화 시점 직전에, 제 2 가스 공급 이벤트는 점화 수단에서 바람직한 점화가능한 공연비를 달성하기에 충분한 연료량을 분배할 수 있게 하는 동일한 작동 또는 실린더 사이클에서 발생할 수 있다. 상기 공연비는 점화가능한 범위 내의 것으로서 당기술에 숙련된 자가 인식할 수 있다. 이 방식에서 엔진으로 연료가 공급되는 것을 제어하면, 저방출의 안정한 엔진 동작에 크게 이바지할 수 있다.
상기 기술된 바와 같이, 개별의 공기 공급 이벤트 동안 분배된 실제 연료량은 각 공기 공급 이벤트와 연관된 개방 타이밍, 기간 및/또는 분배 압력의 함수이다. 따라서, 상기 보기에 대해서, 분배 분사기는 통상적으로 제 2 공기 공급 이벤트와 비교하여 제 1 공기 공급 이벤트에 대해서 더욱 긴 기간 동안 개방상태를 유지하며, 이것은 분배 분사기를 가로지르는 압력 강하 차이에 따라 좌우되지만, 대부분의 경우에 적용된다.
다른 방식으로, 특정 적용 상황에서는 제 1 및 제 2 가스 공급 이벤트 동안, 엔진에 분배된 연료량이 크게 상이하지 않게 실행되는 것이 유리하다. 즉, 각 가스 공급 이벤트에서 분배된 연료량은 거의 동일할 수 있다. 따라서, 개별 가스 공급 이벤트는 양호하게는 유사 기간에서 공기에 동반된 유사 연료량이 엔진의 연소실로 분배되는 것을 촉진한다.
이러한 개념을 확대하면, 계측된 모든 연료량은 점화시에 연소실에서 소정의 연료 분배를 확립하도록, 다중 가스 공급 이벤트중 한 이벤트 동안 분배 분사기에 의해서 분배될 수 있다. 다른 가스 공급 이벤트(들)는 하기 기술된 바와 같이, 다른 바람직한 제어방식을 실행하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 또한 하기 기술된 바와 같이, 복수의 연료 계측 이벤트에서 연료가 분배 분사기에 공급되는 경우에도 적용될 수 있다. 또한, 기술된 다른 제어 방식은 특정 상황에서, 실린더 사이클 내의 가스 공급 이벤트가 연료량을 연소실로 분배하기 위해 사용될 때, 복수의 가스 공급 이벤트중 한 이벤트 동안 실행될 수 있다.
예를 들어, 실린더 사이클에 비례하여 두 가스 공급 이벤트가 영향을 받는 경우에, 차후의 가스 공급 이벤트는 연료 분배를 실행한 이후에, 분배 분사기가 실린더 압력이 분배 분사기의 챔버 또는 구멍의 압력을 초과할 때, 개방상태를 유지하도록, 엔진 작동 사이클에서 충분히 늦게 발생할 수 있다. 따라서, 실린더 가스는 포획되어서, 참고로 본원에서 그 내용을 합체한 출원인의 미국 특허 제 4936279 호에 기재된 것과 유사 방식으로 차후의 가스 공급 이벤트에 대한 압축 가스의 소스로서 사용될 수 있다.
다른 방식으로, 차후의 가스 공급 이벤트는 계측된 모든 연료량이 제 1 가스 공급 이벤트 동안 분배 분사기에 의해서 분배되는 상태에서, 여기에 필요한 기능을 위해서 단독으로 사용될 수 있다. 그러므로, 상기 방법은 다른 때에 엔진의 공기 압축기의 부하를 감소시키기 위해, 또는 예를 들어, 시동할 때 공기 레일(air rail)의 압축작업을 가속시키기 위해 사용될 수 있다. 또한, 많은 연료 또는 모든 연료는 제 1 가스 공급 이벤트 동안 이미 엔진으로 분배되었기 때문에, 상기 가스 포획 기능은 정상시에 상기 기능에 도움이 되지 않는 엔진 작동 조건 하에서 타이밍 때에 영향을 받을 수 있다.
또한, 참고로 본원에서 그 내용을 합체한 출원인의 미국 특허 제 5195482호에 기재된 바와 같이, 분사기 세척을 작용시키기 위해, 차후의 가스 공급 이벤트를 사용할 수 있다. 즉, 차후의 가스 공급 이벤트는 이전의 가스 포획 개념과 같이, 분배 분사기의 구멍 안으로 유동하도록 유발되는, 통상적으로 고온의 실린더 가스가 "세척 절차"에서 (분배 분사기의 연료 분배의 정확도에 악영향을 미칠 수 있는) 카본 증착물이 적용된 분배 분사기의 표면을 세척하기 위해 사용되도록, 엔진 작동 사이클에서 충분히 늦게 작용될 수 있다. 따라서, 분배 분사기에 실린더 가스를 인가하면, 바람직하지 않은 카본 증착물을 연소하여 분사기 표면을 세척할 수 있다. 이전의 가스 포획 개념으로서, 본 발명에 따른 이중 분사 개념을 사용하면, 정상상태에서 상기 기능에 도움이 되지 않는 엔진 작동 조건과 타이밍에서 상기 세척 과정이 실행되게 한다. 특히, 상기 분사기의 세척 방식은 엔진 동작이 제 1 가스 또는 공기 공급 이벤트 동안 엔진에 분배된 연료를 통해서 유지되거나 또는 조절되므로, 엔진 부하 및 엔진 속도 범위에서 한 시점에서 실행될 수 있다.
상기 개념을 더욱 확장하면, 차후의 가스 공급 이벤트는 배기 시스템 촉매의 신속한 워밍(warming) 동작을 보조하기 위해, 증가된 연료량을 엔진에 제공하는 수단으로 사용될 수 있다. 이러한 촉매 워밍 또는 "빠른 활성화(fast light-off)" 방식은 참고로 본원에서 그 내용을 합체한 출원인의 미국 특허 제 5655365호에 기재되어 있다. 미국 특허 제 5655365호의 방식 대신에, 또는 이 방식에 추가해서, 엔진 배기 시스템의 하류의 촉매(downstream catalyst)에 증가된 수준의 열에너지를 제공하기 위해, 본 발명에 따른 이중 분사 방식의 제 2 또는 차후의 가스 공급 이벤트를 통해서, 연소실 안으로 추가 연료를 늦게 분사할 수 있다. 이러한 추가 연료는 이전의 점화 이벤트에 대한 연소실 안으로의 연료 분배의 조절로 인하여, 연소실 및/또는 배기 시스템에서 연소될 수 있다. 다시, 본 발명에 따른 이중 분사 개념을 사용하면, 정상상태의 엔진 작동에 영향을 적게 주는 방식으로 또한 정상상태에서 그러한 기능에 도움이 되지 않았던 타이밍으로 촉매의 빠른 활성화 방식이 실행될 수 있게 한다. 또한, 배기 가스 온도는 가벼운 부하 운행 조건에서 활성화 이상으로 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 이중 분사 개념의 다른 실행 방식에서, 연료 분배 분사기가 복수의, 통상적으로는 두개의 연료 분배 펄스 또는 가스 공급 이벤트를 실행하도록 제어되지만, 연료 계측 분사기는 복수의, 통상적으로는 두개의 연료 계측 이벤트를 실행하도록 제어될 수 있다. 즉, 제 1 연료량은 실린더 사이클에서 일찍 분배 분사기 안으로 계측되어 들어가며 이 계측된 연료량은 실린더 사이클에서 일찍 엔진으로 분배된다. 상기 제 1 연료량은 엔진의 연소실에서 통상적으로 균일한 혼합물을 생성하도록 작용한다. 일반적으로 비교적 작은 제 2 연료량은 그 후에 분배 분사기 안으로 계측되어 들어가서 제 2 가스 공급 이벤트를 통해서 연소실로 분배된다. 상기 제 2 가스 공급 이벤트는 점화시에 또는 점화 이전에 점화 수단 주위로 농후한 점화성 혼합물을 제공하기 위해, 실린더 사이클에서 일반적으로 더욱 늦게 시간설정된다.
그러므로, 이 방식에서, 유사한 바람직한 연료 분배작업은 상기 기술된 바와 같이, 두 개의 개별 연료 계측 이벤트와 두 개의 개별 가스 공급 이벤트를 통해서 연소실에서 달성된다. 분사된 공기 비율이 연료 계측 분사기와 분배 분사기의 펄스폭 또는 개방 기간을 각각 변화시킴으로써 변화될 때, 각 연료 계측 이벤트에서 계측된 연료 비율도 변화될 수 있다는 사실을 이해할 것이다. 다시, 어떤 적용상황 또는 실행방식에서, 제 1 및 제 2 연료 계측 이벤트 동안 분배 분사기에 분배된 연료량이 크게 상이하지 않는 것이 더욱 유리하다. 즉, 각 연료 계측 이벤트에서 분배된 연료량은 거의 동일할 수 있다. 따라서, 개별 연료 계측 이벤트는 분배 분사기에 유사량의 연료를 분배하는 것을 촉진하기 위해 양호하게는 유사 기간을 가질 수 있다.
또한, 상기 기술된 바와 같이, 다른 바람직한 제어방식을 실행하기 위해 연료 계측 및 가스 공급 이벤트의 조합을 사용할 수 있다. 즉, 나중의 가스 공급 이벤트가 연료실에 연료량을 분배하기 위해 사용되든지, 또는 동일한 실린더 사이클에서 초기 가스 공급 이벤트 동안 모든 연료가 분배되는 지, 나중의 가스 공급 이벤트는 상기 기술된 바와 같이, 실린더 압력 엔트랩먼트(entrapment), 분사기 세척 및 촉매의 빠른 활성화 등과 같은 방식을 실행하기 위해 특정 상황에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 이중 분사 개념의 또 다른 실행방식에서, 연소실의 바람직한 연료분배작업은 두 연료 계측 이벤트 및 단일 가스 공급 이벤트를 통해서 달성되며, 여기서, 제 1 연료 계측 이벤트는 모든 상기 연료량을 엔진에 분배하도록 차후에 개방되는 분배 분사기로 계측되며 들어가도록 대부분의 연료를 분배할 수 있다. 그러나, 일단 상기 모든 연료량이 분배되면, 분배 분사기를 폐쇄하기 보다는 개방상태를 유지하여 짧은 제 2 연료 계측 이벤트를 통해서 분배 분사기로 차후에 계측되며 들어가는 더욱 작은 제 2 연료량을 분배한다. 일단, 상기 제 2 연료량이 가스 공급 이벤트에서 연소실로 분배되면, 분배 분사기는 폐쇄되며, 단지 단일 가스 공급 이벤트에 대해서만 개방된다. 이와 같은 실행방식은, 참고로 본원에서 그 내용을 합체한 출원인의 미국 특허 제 4800862호에 더욱 상세하게 기재된 바와 같이,더욱 큰 연료 유동 제어를 제공한다.
또한, 어떤 적용상황에서, 연소실로의 연료 분배작업을 종료한 후에, 분배 분사기를 개방상태로 유지함으로써, 공기 레일 압축["펌프공급(pump up)" 방식] 또는 분배 분사기 세척형 제어 방식이 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 이중 분사 개념의 이전 기술된 각 실행방식의 공통사항은 이중 유체 연료 분사시스템이 엔진의 연소실 내에서 바람직한 연료 분배를 제공하도록 양호하게 사용되는 방식이다. 즉, 이중 유체 연료 분사시스템은 엔진 작동 사이클에서 상대적으로 초기 시점에서 계측된 연료량의 대부분을 연소실로 분배하는 방식으로 양호하게 제어되고, 그 후에 엔진 작동 사이클에서 매우 늦은 시점에서 계측된 연료량의 잔여 부분을 분배하도록 제어된다.
양호하게는, 이중 유체 연료 분사시스템은 엔진 실린더 사이클에서 상대적으로 초기 시점에서 일반적으로 균일한 혼합물을 연소실에 제공하도록 제어된다.
양호하게는, 이중 유체 분사시스템은 엔진 실린더 사이클에서 상대적으로 늦은 시점에서와 일반적으로 인접한 시점, 즉, 점화 타이밍 바로 직전에 점화 수단 주위에서 작으면서 농후한 점화성 혼합물을 제공하도록 제어된다.
상기 방법에 따라 엔진에 분배된 불균일한 연료량과는 대조적으로, 본 발명에 따른 이중 분사방식의 다른 실행방식은 상기 기술된 바와 같이, 개별적이면서 균일한 연료량을 엔진에 분배하도록 동일하게 구성될 수 있다. 즉, 계측된 연료량의 대부분을 엔진에 분배하는 제 1 가스 공급 이벤트와 그 보다 작은 연료량을 엔진에 분배하는 제 2 가스 공급 이벤트 보다는, 개별 이벤트들이 동일하거나 또는 다른 적당한 비율의 연료를 엔진의 연소실에 분배할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이중 분사 방식의 상기 다른 실행방식은 점화 이전에 엔진의 연소실에서 소정의 연료분배가 확립되게 하면서, 다른 바람직한 제어방식에 영향을 미치도록 사용될 수 있다. 제 2 가스 공급 이벤트가 필요한 엔진 제어방식에 영향을 미치기 위해서 단독으로 사용되는 어떤 경우에, 연소실에서 소정의 연료분배가 제 1 가스 공급 이벤트에 의해서 확립될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 2행정 또는 4행정의 양쪽 방식의 다기통 엔진에서 실행될 수 있다. 상기 방법은 상기 엔진 작동 특성이 다중 연료 계측 및/또는 가스 공급 이벤트가 실행되는 비교적 긴 엔진 실린더 사이클에 대해서 제공되므로 4행정 엔진에 특별한 적용성을 가진다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 기술된 양호한 실시예의 설명으로부터 더욱 상세하게 이해된다.
도 1은 본 발명의 방법의 한 실시예에 따라 작동한 엔진을 도시하는 개략도.
도 2는 계측 공정의 한 실시예에 따른 횡단면도이고 분사기 레일 유닛은 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따라 작동한 엔진에서 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 모드에서 작동할 때, 도 2의 연룔 분사기와 레일 유닛의 연료 공급 이벤트와 가스 공급 이벤트의 어떤 특정 타이밍과 기간의 한 보기를 도시하는 플롯 시리즈.
도 1은 연결봉(conrod: 58)을 통해서 내연기관(20;이하, 엔진과 병행하여 기재함)의 크랭크축(33)에 연결된 피스톤(59)이 왕복운동하는 실린더(60)를 구비하는, 직접 분사형 이중 오버헤드 캠축 다기통 4행정 엔진(20)을 도시한다. 엔진(20)은 공기 흡입시스템(22)과, 점화수단(24), 연료 펌프(23), 연료 저장소(28) 및 배기시스템(25)을 포함한다. 연료 및 공기 레일 유닛(11)은 엔진(20)의 실린더 헤드(30)에 설치된다. 공기 압축기(29)는 엔진(20)에 대해서 작동가능하게 배열되고 적당한 벨트(도시생략)를 경유하여 엔진의 크랭크축(33)으로 구동된다. 연료 펌프(23)는 연료 공급 라인(55)을 통해서 연료 및 공기 레일 유닛(11)에 공급되는 연료 저장소(28)로부터의 연료를 이끌어낸다. 종래 입구 및 배출 밸브(15,16)는 이 밸브(15,16)를 작동하기 위해 종래 캠수단(17)과 함께 공지된 방식으로 실린더 헤드(30)에 설치된다. 밸브(15,16)는 실린더 사이클 동안 신선한 공기를 흡입하고 엔진 실린더(60)로부터 배출 가스를 제거하기 위해, 대응하는 입구 및 배출 포트(18,19)를 개폐하도록 배치된다.
착탈가능한 실린더 헤드(30)는 그 내부에 형성된 캐비티(cavity: 31)를 가지며, 이 캐비티의 가장 깊은 지점에 연료 및 공기 레일 유닛(11)의 분배 분사기(12)의 분사 노즐(34)이 배치되어 있다. 캐비티(31)는 피스톤(59) 및 실린더(60)와 함께 연소실(32)을 형성한다. 실린더 헤드(30)에서 적당한 형상으로 배치된 캐비티(31)의 영역은 그 내용이 본원에서 참고로 합체된 출원인의 미국 특허 제 4719880 호에 공개된 내용에 따라, 특히 저부하에서 연소실(32)에서의 분류된 연료 분배를 형성하는 것을 보조한다. 저부하의 엔진 작동 조건하에서 분사 노즐(34)을 통해서 캐비티(31) 안으로 연료 분사를 늦게 하면, 흡입 조건에서 연소실(32)에서의 분류된 변화를 형성하는 데 보조한다. 작은 스프레이 관통 노즐은 이러한 목적으로 사용될 수 있다.
도 2에는, 연료 및 공기 레일 유닛(11)이 더욱 상세하게 도시되어 있다. 연료 및 공기 레일 유닛(11)은 연료 계측 분사기(10)와 공기 또는 분배 분사기(12)를 구비하며, 그 사이에는 적당한 경계면(15)이 있다. 각 연료 계측 및 연료 분배 분사기(10,12)는 엔진(20)의 각 실린더(60)마다 제공된다. 연료 및 공기 레일 유닛(11)의 몸체(8)는 종방향 연장 공기 덕트(13)와 연료 공급 덕트(14)를 갖는 압출성형된 구성부품일 수 있다. 다른 방식으로, 공기 덕트(13) 및/또는 연료 덕트(14)는 개별적인 연장 관형 부재의 형태로 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레일 유닛(11)과 각각의 공기 및 연료 공급부를 연통시키는 커넥터(connector) 및 적당한 덕트와, 공기 덕트(13)와 공기 압축기(29)를 연통시키는 공기 라인(49)과, 공기를 공기 흡입시스템(22)에 복귀시키는 공기 출구를 제공하는 공기 라인(53)과, 원한다면 연료 복귀 통로를 제공하는 연료 저장소(28)에 연료 공급 덕트(14)를 연통시키는 연료 라인(52)이 적당한 위치에 제공된다. 공기 덕트(13)는 공기 압축기(29)에 의해서 공기 덕트(13)로 제공된 압축 공기의 공기 압력을 조절하는 적당한 공기 조절기(27)와 교통한다. 유사하게, 연료 조절기(26)는 연료 펌프(23)에 의해서 공급된 연료의 압력을 조절하기 위해서 제공된다.
공기 압축기(29)에 의해서 공급된 압축 공기는 참고로 본원에서 그 내용을 합체한, 출원인의 공동 계류중인 PCT 특허 출원 제 PCT/AU97/00438호에 기재된 바와 같이, 펌프공급 방식을 사용함으로써 보충될 수 있다. 이 방식은 공기 덕트(13)에서 만족스러운 작동 압력을 달성하기 전에 엔진 개시로부터 지연 시간을 감소시키는 관점에서 장점을 가진다. 또한, 이 방식은 엔진(20)에서 공기 압축기(29)의 부하를 감소시키는데 사용될 수 있다.
연료 계측 분사기(10)는 분배 분사기(12)의 밸브 스템 내에 형성된 챔버(51)와 교통하는 계측 노즐(21)을 구비한다. 본 발명의 특수한 실시예에서, 연료 계측 분사기(10)는 각 실린더 사이클 동안과 전자 제어 유닛(ECU;100)의 명령 시에 제어된 기간의 펄스 또는 연료 계측 이벤트의 연료의 단일 계측량을 경계면(15)을 통해서 분배 분사기(12)의 챔버(51)로 분배한다. 계측된 연료량은 연료 계측 분사기(10)의 개방 기간과 상관되는 것으로 이해될 것이다.
분배 분사기(12)는 하단부에서부터 보호하는 원통형 덮개(spigot;71)를 갖는 하우징(70)을 구비하고, 상기 덮개(71)는 경계면(15)을 통과하는 통로(120)와 교통하는 분사 포트(72)를 형성한다. 분사 노즐(34)은 참고로 본원에서 그 내용을 합체한 출원인의 미국 특허 제4934329호에 기재된 것와 유사한 방식으로 작동하는, 솔레노이드 작동식의 선택적으로 개방가능한 포핏(poppet) 밸브(35)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전자 제어 유닛(ECU;100)으로부터의 명령에 따라 솔레노이드가 활성화되면, 밸브(35)는 엔진(20)의 연소실(32)에 연료 가스 혼합물을 분배하기 위해 개방되도록 실행된다. 그러나, 밸브는 상기 기술된 방식의 구성으로 국한되지 않으며, 다른 밸브, 예를 들어, 핀틀 밸브(pintle valve) 구성을 대신에 사용할 수 있다.
전자 제어 유닛(ECU;100)은 통상적으로 엔진(도시생략) 내에서 적당하게 위치한 센서로부터 공기 흐름과 크랭크축 속도를 표시하는 신호를 수신한다. 엔진 온도 및 대기 온도(도시생략)와 같이, 다른 엔진 작동 조건을 표시하는 신호도 역시 수신할 수 있는 전자 제어 유닛(ECU;100)은 수신된 모든 입력 신호로부터 엔진(20)의 각 실린더(60)에 전달되기에 필요한 연료량을 결정한다. 이러한 일반적인 유형의 ECU는 전자 제어 연료 분사시스템의 기술에서 공지되어 있으므로 본원에서는 더 이상 상세하게 기술하지 않는다.
각 분배 분사기(12)의 개방 기간 및 시기는 분사 포트(72)로부터 연료를 엔진(20)의 연소실(32)로 분배하기 위해, 엔진 사이클에 대한 적당한 시기에 각 통신 수단(101)을 통해서 전자 제어 유닛(ECU;100)에 의하여 제어된다. 시스템의 두 유체 성질에 의해서, 연료는 가스에 동반되어서 엔진(20)의 연소실(32)로 분배된다. 통로(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 도관(80)을 통해서 공기 덕트(13)와 일정하게 교통하므로, 정상 동작에서 거의 일정한 공기 압력으로 유지된다. 분배 분사기(12)의 솔레노이드가 활성화될 때, 연료 계측 분사기(10)에 의해서 분배 분사기(12) 안으로 전달된 바람직한 비율로 계측된 연료량은 공기에 의해서 분사 포트(72)를 통하여 엔진(20)의 실린더(60)의 연소실(32) 안으로 운반된다.
연료 계측 및 분배 분사기(10,12)의 개폐 시기는 엔진 실린더 사이클, 예를 들어, 점화 이벤트 및 서로에 대해서 전자 제어 유닛(ECU;100)에 의해서 시간이 정해진다. 이러한 타이밍은 속도와 엔진(20)의 부하 조건과 상관되는 연료 계측 및 가스 공급 이벤트에 대응한다. 적당한 점화 시기는 통상적으로 전자 제어 유닛(ECU;100) 내의 맵(map)을 검토함으로써 제공된다. 크랭크 영역 및/또는 시간 영역 제어공정은 상기 이벤트들에 대해서 실행할 수 있다.
본 발명에 따른 이중 분사 연료시스템의 제어 방식의 한 실시예에서, 엔진(20)의 각 실린더 사이클 동안, 연료의 단일 펄스는 단일 연료 계측 이벤트에서 연료 계측 분사기(10)에 의해서 분배 분사기(12)의 챔버(51)로 분배된다. 다중 가스 공급 이벤트는 연료를 연소실(32)로 분배하기 위해 동일한 실린더 사이클 동안 발생하도록 제어된다. 상기 기술된 바와 같이, 상기 이벤트들의 타이밍은 엔진(20)의 속도 및 부하 조건에 따라 전자 제어 유닛(ECU;100)에 의해서 표시된다. 엔진 온도와 같은, 다른 요소들도 고려할 수 있다. 가스 공급 이벤트의 타이밍은 점화시 연소실(32) 내에서 최적의 연료 분배의 목적을 달성하기 위해 연료 계측 이벤트의 타이밍과 연관될 수 있다.
한 경우에, 예를 들어, 연료 계측 분사기(10)는 계측된 양의 연료가 분배 분 사기(12)의 챔버(51)로 분배되는 연료 펄스 또는 연료 계측 이벤트를 실행하는 분배 분사기(12) 보다 일찍 개방될 수 있다.
제어된 기간의 제 1 가스 공급 이벤트는 분배 분사기(12)의 밸브(35)를 개방함으로써 실행될 수 있다. 공기가 정상상태에서 분무 및 연소 지지 가스가 되듯이 본원의 아래의 설명에서 이러한 이벤트를 기술하기 위해 "공기 공급 이벤트" 라는 용어를 사용할 것이다. 이 과정에서, 필요한 연료의 일부, 일반적으로 부피(bulk)는 이러한 제 1 공기 공급 이벤트에서 엔진 연소실(32)로 분배된다.
2 행정 기관에서, 제 1 공기 공급 이벤트는 포트를 배출하기 전에 바람직하게 시간설정될 수 있고 상기 단계에서 계측된 연료량의 80％ 이상을 전달하는 것이 바람직할 것이다. 4행정 기관에서, 제 1 공기 공급 이벤트는 유도 행정(induction stroke) 동안 어떤 시점에서 실행되도록 바람직하게 시간설정될 수 있다. 분배 분사기(12)의 개방은 연료 계측 이벤트의 순서에 맞출 필요가 없다는 것을 아는 것이 중요하다. 각 연료 계측 및 공기 공급 이벤트는 어떤 바람직한 방식으로 시간설정될 수 있다. 여기서, 연료 계측 및 분배 분사기(10,12)가 중복으로 개방될 수 있다. 또한, 분배 분사기(12)의 폐쇄 동작과 점화 동작 사이의 시간 관계는 종종 중요할 수 있다. 어떤 또는 모든 이벤트의 타이밍은, 예를 들어, 참고로 본원에서 그 내용을 합체한 출원인의 공동 계류중인 유럽 특허 출원 제 0852668호에 기재된 바와 같이, 시간 또는 크랭크 영역에서 행해질 수 있다.
제 1 공기 공급 이벤트는 분배 분사기(12)의 챔버(51) 내에 제공된 모든 연료를 방출하지 않을 수 있다. 예를 들어, 연료는 통상적으로 챔버(51)의 벽 상에 고착 필름을 형성할 수 있다(즉, 연료 "지체(hang up)"가 발생할 수 있다). 따라서, 제 1 공기 공급 이벤트 후의 어떤 시간에, 제 1 공기 공급 이벤트에 의해서 분배되지 않은 어떤 연료를 연소실(32) 안으로 배출하기 위해, 분사기 노즐(34)의 차후 개방에 의해서 다른 공기 공급 이벤트가 실행될 수 있다. 다른 방식으로, 분배 분사기(12)에서 진행이 지연되는 어떤 연료를 배출할 뿐 아니라 또는 상기 연료를 배출하기 보다는, 제 2 공기 공급 이벤트가 제 1 공기 공급 이벤트 동안 분사되지 않은, 제 2의, 통상적으로는 더욱 작은 연료량을 연소실(32) 안으로 분배하도록 실행될 수 있다[즉, 단일 연료공급 이벤트 동안, 연료 계측 분사기(10)에 의해서 계측된 연료량의 균형]. 4 행정 기관에서, 제 2 공기 공급 이벤트는 통상적으로 압축 행정 동안 한 시점에서 발생하도록 시간설정될 수 있다.
그러므로, 독립된 공기 공급 이벤트마다 연소실(32)에 분배된 연료량은 연료 계측 분사기(10)에 대한 개방 타이밍과 실린더 사이클 뿐아니라, 분배 분사기(12)의 개방 기간의 변화에 의해서 제어될 수 있다. 예를 들어, 고부하시에, 공기 공급 이벤트의 타이밍은 엔진 작동 사이클에서 일찍 발생하여, 그러한 부하 조건에서 균등한 충전물 형성을 도와준다. 또한, 상기 기술된 바와 같이, 개별적인 제 1 및 제 2 공기 공급 이벤트에서 유사하거나 다른 적당한 연료 비율 또는 연료량이 엔진(20)에 분배될 수 있다.
상기 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 분사 방식의 이중 유체 분사시스템의 다른 실행방식을 사용할 수 있다. 예를 들어, 공기에 동반된 두 개별적인 연료량은 두 개별적인 연료 공급 이벤트와 두 개별적인 각 공기 공급 이벤트를 통해서 엔진(20)의 연소실(32)로 분배될 수 있다. 연료 계측 및 공기 공급 이벤트는 독립적으로 계측된 연료량 각각이 연료를 연소실(32) 안으로 분배하기 위해, 차후에 공기 공급 이벤트가 따라오도록 또는 공기 공급 이벤트와 중복되도록, 서로에 대해서 적당하게 시간설정될 수 있다. 상기 기술된 실행방식으로서, 개별적인 제 1 및 제 2 공기 공급 이벤트에서 유사하거나 다른 비율 또는 다른 양의 연료가 엔진(20)에 분배될 수 있다.
본 발명에 따른 이중 분사 방식의 다른 실행과정에서, 공기에 동반된 다른 개별 연료량을 엔진(20)으로 분배하는 다른 방식으로서, 단일 공기 공급 이벤트가 두개의 독립된 연료 계측 이벤트와 결합하여 실행될 수 있다. 이러한 실행 방식은 출원인의 미국 특허 제4800826호에 기재된 것에 따라서 다른 바람직한 연료 유동 효과(fuel fluxing effects)를 달성하는데 도움이 될 수 있다.
이중 유체 분사시스템에 의한 이중 분사의 상기 기술된 각 가능한 형태에서, 공기와 동반하여 엔진(20)에 분배된 제 1 연료량은 통상적으로 점화되기 전에 균일한 혼합물을 달성하기에 충분한 만큼 실린더 사이클에서 일찍 시간설정된다. 양호하게도, 이 혼합물은 화학량론(stoichiometric) 보다 농후해질 것이다. 일반적으로, 이러한 제 1 연료량은 (예로서: 제 2 공기 공급 이벤트에서) 엔진(20)에 분배된 차후의 양 보다 클 수 있다. 또한, 공기와 동반되어 엔진(20)에 분배된 제 2 연료량은 점화시기 직전에, 또는 점화시기에, 스파크 플러그(spark plug: 24) 주위에서 국부적인 농후성의 점화가능한 혼합물을 달성하기 충분한 만큼 늦게 실린더 사이클에서 시간설정된다. 양호하게도, 이 혼합물은 화학량론 보다 농후하게 될 것이다. 일반적으로, 이러한 제 2 연료량은 초기에(예로서: 제 1 공기 공급 이벤트에서) 분배된 연료량에 대하여 비교적 작다.
이점을 강조하기 위해, 단일 실린더 사이클에서 발생하는 연료 계측 및 공기 공급 이벤트를 설명할 것이다. 이 설명은 도 3에 도시된 플롯(plot)을 참고하여 기술된다. 도 3은 하나의 연료공급 이벤트와 두개의 공기 공급 이벤트가 실행되어서 전체 계측된 연료량은 두 직접 분사 이벤트에 대해서 분배되는 이중 분사 방식에 관한 것이다. 따라서, 이 도면은 단지 예시적인 것이며, 제한하기 위한 것이 아니다.
플롯(61)은 연료 계측 분사기(10)로부터 분배 분사기(12)의 챔버(51) 안으로 연료의 펄스 분배를 도시한다(즉, 단일 연료 공급 이벤트). 플롯(62)은 두 개별적인 분배 이벤트에서 분배 분사기(12)에 의해서 연소실(32) 안으로 상기 계측된 연료량을 분배하는 것을 도시한다(즉, 두개의 공기 공급 이벤트). 플롯(63)은 연료 계측 분사기(10)에 의한 연료 계측 및 분배 분사기(12)에 의한 공기에 동반된 연료 분배에 대해서 점화수단(24)에 의한 점화 타이밍을 도시한다. 각 플롯(61,62,63)은 플롯(64)과 관련되어 도시되어 있는데, 상기 플롯(64)은 실린더(60)에서 피스톤(59)의 TDC 폭발 위치(firing position)를 표시하는 플롯의 두 피크 사이의 주기에 의해서 규정된 대로 단일 실린더 사이클을 대표한다. 도시된 바와 같이, 타이밍은 4 행정 사이클 엔진에 대해서 개략적으로 주어진다. 그러므로, 피스톤(59)의 TDC 폭발 위치 사이의 주기는 크랭크 각도 회전의 7200 와 같다. 그럼에도 불구하고, 비례한 유사 타이밍과 기간이 단일 기통이든지 또는 다기통이든지, 2행정 사이클에 대해서 적용될 수 있다.
플롯(61,62,63)에 도시된 각 이벤트의 특정 타이밍은 여러 요소들, 특히 엔진 속도 및 엔진 부하에 따라 좌우될 수 있다. 하기 설명에서, 단지 실예로서만 제공된 타이밍 표시는 약 3200 rpm 에서 작동하는 4행정 사이클 엔진을 나타낸다. 이러한 타이밍(즉, 이벤트의 개시 및 중지)은 공지된 종래 기술에 따라 알려진 바와 같이, 크랭크 각도 영역 또는 시간 영역 또는 양자의 결합에서 계획될 수 있다. 예를 들어, 이러한 계획은 출원인의 공동 계류중인 유럽특허 제 0852668 호에 기재되어 있다.
플롯(61)에서 알 수 있는 바와 같이, 모든 계측된 연료량은 실린더 사이클에서 일찍 연료 계측 분사기(10)에 의해서 챔버(51) 내로 분배된다. 상기 연료 계측 이벤트는 통상적으로 실린더 사이클 동안 흡입 행정의 초기 부분 동안 또는 배기 행정의 나중 부분 동안 개시되도록 시간설정될 수 있다. 단지 예를 들면, 연료공급 이벤트는 실린더 사이클에서 4650 내지 3350 BTDC(before Top Dead Centre:상사점이전)(폭발) 사이에서 발생할 수 있다.
제 1 공기 공급 이벤트는 통상적으로 연료 계측 이벤트가 중지된 후 바로 개시할 수 있도록 시간설정될 수 있으므로 제 2 공기 공급 이벤트 보다 실린더 사이클에서 비교적 일찍 개시된다. 이 제 1 공기 공급 이벤트는 흡입 행정의 초기 부분 동안 개시되도록 시간설정되므로 통상적으로 챔버(51)에서 계측된 대부분의 연료를 직접 연소실(32)로 분배하는 작용을 하며, 이것은 제 2 공기 공급 이벤트와 차후의 점화 이벤트 이전에 상대적으로 희박한 균일 혼합물이 연소실(32)에서 확립되기에 충분한 시간을 제공한다. 단지, 예를 들면, 제 1 공기 공급 이벤트는 실린더 사이클에서 3300 와 2700 BTDC(폭발) 사이에 발생할 수 있다.
플롯(62)에서 더욱 잘 나타난 바와 같이, 제 2 공기 공급 이벤트는 통상적으로 실린더 사이클에서 더욱 늦게 발생하도록 시간설정되어서 일반적으로 피스톤(59)의 압축 행정 동안 발생할 수 있다. 일반적으로, 제 2 공기 공급 이벤트는 제 1 공기 공급 이벤트 보다 기간이 크게 짧으며 계측된 연료량의 잔여 부분이 연소실(32)로 분배되도록 실행된다. 제 2 공기 공급 이벤트는 분배 분사기의 챔버(51)로부터 진행이 지체된 연료를 배출하도록 실행될 수 있고 점화 직전에 스파크 플러그(24) 주위에 더욱 농후한 점화가능한 공기/연료 혼합물을 제공하도록 실행된다. 따라서, 단지 예를 들면, 제 2 공기 공급 이벤트는 1800과 1550 BTDC(폭발) 사이에 발생하도록 계획될 수 있다. 플롯(63)에 도시된 바와 같이, 연소실(32) 내의 연료/공기 혼합물의 점화는 통상적으로 TDC(폭발) 직전에 발생하고, 예를 들어, 대략 300 BTDC(폭발)에서 발생하도록 계획될 수 있다.
따라서, 엔진 작동 사이클에서, 각 공기 공급 이벤트의 타이밍과 기간에 기초하여, 복수의 공기 공급 이벤트를 사용해서, 플롯(62)에 도시된 바와 같이, 다중 불연속 공기 공급 이벤트 사이에서 계측된 연료량을 분할할 수 있다.
ECU(100)는 연료 계측, 연료 분사의 어떤 매개변수의 타이밍과 다른 특성, 점화 타이밍을 제어하도록 사용될 수 있으므로, 최적의 연료 분배는 연료 및 가스 이벤트의 적당한 타이밍에 의하여, 엔진 속도 및/또는 부하에 대해서, 또는 상기 변수들과 독립적으로, 점화동작시에 또는 원하는 다른 동작에서 엔진(20)의 연소실(32)에서 달성될 수 있다.
상기 실행 방식은 연소시스템이 연소 안정성을 해치지 않으면서 더욱 높은 가스/연료 비율에서 작동하도록 하며, 이것은 더욱 높은 수준의 EGR이 적용되도록 실행할 수 있게 한다. 이 방식은 통상적으로 일부 직접 분사식의 4행정 엔진에서, 희박 성층화 연소로부터 희박 균일 동작으로의 변이 영역에 대응하는 중간 내지 고부하 영역(medium to high load region)에서 특히 효과적이다. 또한, 주로 더욱 희박한 상태에서 작동하는 능력과 EGR의 수준이 증가함으로써, 상기 방식을 사용하여 엔진 방출물에 영향을 주지 않고 연료 절약 효과의 개선이 가능해진다.
상기 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 유체 연료 분사방식은 다른 바람직한 제어 방식을 실행하기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 특히 다중 공기 공급 또는 공기 분사 이벤트를 사용하는 이중 유체 연료 분사 방식을 실행하기 위해 사용된다.
예를 들어, 상기 기술된 바와 같이, 제 2 공기 공급 이벤트는 분배 분사기(12) 내의 챔버(51)가 실린더(60) 내의 압력 보다 낮아서, 실린더 가스가 챔버(51) 내로 유동하는 것을 허용하도록, 엔진 작동/실린더 사이클에서 충분히 늦게 발생할 수 있으며, 이것은 출원인의 PCT 특허 출원 제 PCT/AU97/00438호에 기재된 방법과 유사한 분배 분사기(12)에 대해서 대안적인 압축 공기 소스로서 사용될 수 있다. 즉, 제 1 공기 공급 이벤트를 통해서 모든 계측된 연료량 또는 일부 계측된 연료량을 엔진 실린더(60)로 분배한 후, 공기 덕트(13)의 어떤 압력을 제공하기 위해 제 2 공기 공급 이벤트를 사용한다. 이 제 2 공기 공급 이벤트는 상기 필요한 압력을 작용시키기 위해 단독으로 사용될 수 있고, 또는 추가의 연료 부분을 실린더(60)에 전달하기 위해 사용될 수도 있다. 후자의 관점에서, 분배 분사기(12)의 동작은 부가의 연료량을 분배한 후, 고압 가스가 분사 포트(72)를 통해서 공기 덕트(13) 안으로 유동할 수 있게 하기 위해, 분사기 노즐(34)이 소정 주기 동안, 개방 상태를 유지하도록, 간단하게 시간설정된다.
유사한 방식에서, 제 2 또는 차후의 공기 공급 이벤트는 상기 기술된 바와 같이, 분배 분사기(12)의 세척작업을 실행하기 위해 사용될 수 있다. 여기서, 실린더 가스의 온도는 어떤 시간에 분배 분사기(12)의 포핏 밸브(35)와 분사기 노즐(34) 상에 형성될 수 있는 어떤 카본 증착물을 태워버릴 수 있을 만큼 충분히 높다는 사실을 이해할 것이며, 이것은 연소실(32)로의 정확한 반복성 연료 분배를 보장하기 위해 분사기 노즐(34)을 세척할 때, 귀중한 목적으로 작용한다. 이러한 방식은 참고로 본원에서 그 내용을 합체한 출원인의 미국 특허 제 5195482 호에 기재된 방법과 유사하다. 통상적으로 제 2 공기 공급 이벤트가 엔진 동작 사이클에서 늦게 발생하도록 시간 설정되는 경우에 상기 "세척 과정(clean routine)"이 달성된다.
여기서, 일부 연료를 실린더(60)에 분배하는 것과 마찬가지로, 차후의 공기 공급 이벤트는 연료가 분배되어 점화된 후 분사 포트(32)를 개방 상태로 유지시켜서 고온의 실린더 가스를 통과시켜 분사기 노즐(34)과 분배 분사기(12)의 포핏 밸브(35)를 세척할 수 있도록 시간설정될 수 있다. 다른 방식으로, 차후의 공기 공급 이벤트는 단독으로 세척 과정이 실행될 수 있도록 제어된다. 이 과정에서, 연소실에서 소정의 연료 분배는 제 1 공기 공급 이벤트에 의해서 진행되고, 제 2 공기 공급 이벤트는 단독으로 세척 과정이 실행될 수 있게 하기 위해 사용된다. 따라서, 제 2 공기 공급 이벤트는 실린더(60) 내의 온도와 압력이 분배 분사기(12) 내의 온도 및 압력을 초과하는 실린더 사이클의 한 시점에서 발생하도록 제어된다. 그러므로, 본 발명의 이중 분사 방식에 따라 차후의 공기 공급 이벤트를 실행함으로써, 달성된 상기 세척 과정은 통상적으로 제 1 공기 공급 이벤트 동안 실린더(60) 안으로 분배된 연료를 점화한 후에 발생한다.
또한, 본 발명에 따른 이중 유체 연료 분사 방식을 실행하는 것은 엔진 배기시스템(25)에서 작동가능하게 배열될 수 있는 배기 방출물 촉매를 신속하게 워밍(warming)하는데 사용된다. 이러한 방식은 출원인의 미국 특허 제 5655365 호에 기재된 제어 방식과 어떤 유사점을 공유한다. 상기 특허에는 통상적으로 엔진을 시동하는 동안, 촉매에 초과 에너지를 제공함으로써, "활성화(light-off)"를 촉진하기 위해 촉매를 신속하게 워밍하는 작업이 성취된다는 것이 기재되어 있으며, 상기 초과 에너지는 정상 보다 많은 양의 열에너지가 촉매 기판에 전달되도록, 통상적으로 촉매에서 또는 촉매의 상류 부위에서 연소되는 연료 형태로 도입된다. 상기 초과 열에너지는 통상적으로 만족스러운 가스 전환 효율이 얻어지도록, 촉매의 작동 온도를 활성화 온도 이상으로 상승시키는 작용을 한다.
따라서, 이중 분사 방식이 제 2 또는 차후의 공기 공급 이벤트의 사용을 통합하는 경우에는, 상기 공기 공급 이벤트를 사용하여 정상 보다 많은 연료량을 엔진으로 전달할 수 있다. 예를 들어, 제 2 공기 공급 이벤트 동안 분배된 어떤 연료가 이전의 연소 이벤트로 인하여 실린더 및/또는 배기시스템(25)에서 연소되게 될 실린더 사이클의 한 시점에서 제 2 공기 공급 이벤트가 점화 이벤트에 이어서 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 제 2 공기 공급 이벤트는 팽창 행정 또는 배기 행정 동안 피스톤(59)의 상사점(TDC) 뒤의 한 점에서 영향을 받을 수 있다. 상기 제어방식의 용도는 특히 엔진 작동이 개시될 때 적용할 수 있지만, 촉매가 활성화 온도 이하로 떨어지고 촉매의 작용 온도를 신속하게 증가시키기 위해 초과 열에너지가 필요한 엔진 작동 조건에서도 동일하게 적용할 수 있다.
다른 방식으로, 제 2 또는 차후의 가스 공급 이벤트에 의해서 연소실(32)로 분배된 초과 연료는 관련된 제 2 지체 점화 이벤트에 의해서 실린더(60) 및/또는 배기시스템에서 연소될 수 있다. 또한, 촉매 활성화를 촉진하기 위해, 초과 연료가 제 2 연료 계측 이벤트에 의해서 분배 분사기(12)로 분배되지만, 큰 단일 연료 계측 이벤트의 부분으로서 촉매 활성화를 촉진하는 데 필요한 연료를 분배하는 것이 가끔 장점이 될 수 있다. 필요한 연료량이 촉매 활성화를 촉진하기 위해 엔진에 공급되도록, 제 2 공기 공급 이벤트가 제어되는 상태에서, 상기 양은 두 공기 공급 이벤트에 대해서 엔진(20)에 분배된다.
이중 분사 방법은 4행정 엔진(20)을 도시한 도면을 참고하여 기술되었지만, 상기 방법은 직접 분사식의 2행정 기관에서 동일하게 실행될 수 있다. 사실, 적합한 연료 계측 및 분사 유닛과 제어 유닛을 다른 종래 방식 설계에 따른 4행정 또는 2행정 기관에 재장착(retro-fitting)함으로써 상기 방법을 실행할 수 있다. 상기 재장착 작업은, 예를 들어, 참고로 본원에서 그 내용을 합체한, 1998년 4월 28일자에 출원된 출원인의 오스트레일리아 특허 출원 제 PP3239 호에 기재된 종류의 서브 어셈블리(sub-assembly)를 사용하여 용이하게 진행된다.
본원에 기재된 발명은 당기술에 숙련된 자가 이해할 수 있는 바와 같이, 변형 및 수정될 수 있으며, 이러한 변형 및 수정은 본 발명의 범주 내에 있다.

Claims (41)

  1. 계측된 연료량을 연소실로 분배하기 위한 압축 가스의 공급부와, 연소실 양쪽다 교통하는 분배 분사기를 향하여 연료 계측수단으로부터의 계측된 연료량을 분배하는 공정을 포함하고, 연료 가스 혼합물을 엔진의 연소실로 분사함으로써 내연기관에 연료를 공급하는 방법에 있어서,
    연료 계측 수단과 분배 분사기중 적어도 하나는 엔진 작동의 사이클 동안 다중 이벤트에서 제어되고, 점화시에 연소실에 소정의 연료 분배를 달성하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 계측 수단은 계측된 연료량을 분배 분사기에 제공하기 위해, 제어된 기간의 단일 연료 계측 이벤트를 실행하도록 제어되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 계측 수단은 계측된 연료량을 분배 분사기에 제공하기 위해, 제어된 기간의 복수의 연료 계측 이벤트를 실행하도록 제어되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 연료는 단일 가스 공급 이벤트에서 엔진의 연소실로 분배되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 계측된 연료량을 엔진의 연소실에 분배하기 위해, 복수의 가스 공급 이벤트를 실행하도록 제어되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 계측된 연료량을 엔진의 연소실안으로 직접 분배하도록 설치되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 각 연료 계측 이벤트와 가스 공급 이벤트의 타이밍은 점화 타이밍에 대해서 제어가능하게 시간설정되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 연료 계측 이벤트와 가스 공급 이벤트의 타이밍은 서로에 대해서 제어가능하게 시간설정되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 연료 계측 이벤트와 가스 공급 이벤트의 타이밍 및/또는 기간은 엔진 속도와 엔진 부하중 적어도 하나의 함수인 내연기관의 연료 공급 방법.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 연료 계측 이벤트와 가스 공급 이벤트는 중복되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 실린더 사이클에서 가스 공급 이벤트에 대하여 시간 설정된 연료 계측 이벤트의 연료 계측 수단에 의하여 계측된 연료량은 분배 분사기로 분배되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  12. 제 5 항에 있어서, 제 1 공기 공급 이벤트에서, 계측된 연료량의 대부분은 엔진의 연소실로 분배되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 차후의 가스 공급 이벤트에서, 계측된 연료량의 잔여 부분은 엔진의 연소실로 분배되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  14. 제 5 항에 있어서, 차후의 가스 공급 이벤트는 분배 분사기에서 지체된 연료(fuel hang-up)를 배출하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  15. 제 5 항에 있어서, 가스 공급 이벤트에 대해서 공기가 분배 분사기를 향하는 타이밍, 기간 및 분배 압력으로 구성되는 그룹중 적어도 하나를 변화시킴으로써, 상기 가스 공급 이벤트에서 분배되는 연료 비율을 제어하는 공정을 포함하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 균일한 혼합물이 엔진의 실린더 사이클에서 비교적 일찍 실린더에 형성되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 균일한 혼합물은 희박한 공기/연료 비율을 갖는 내연기관의 연료 공급 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 농후한 점화성 혼합물이 엔진 실린더 사이클에서 늦게 점화수단에 형성되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 농후한 점화성 혼합물이 점화 타이밍 부근에 형성되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  20. 제 5 항에 있어서, 점화 전에, 제 2 가스 공급 이벤트는 점화수단에서 필요한 점화가능한 공연비를 달성하는데 충분한 연료를 분배하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  21. 제 5 항에 있어서, 각각의 가스 공급 이벤트에서 연소실로 분배된 연료량은 동일한 내연기관의 연료 공급 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 각 가스 공급 이벤트의 기간은 각 가스 공급 이벤트에서 동일한 연료량을 연소실로 분배하도록 제어되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  23. 제 5 항에 있어서, 필요한 엔진 제어방식을 실행하기 위해 하나 이상의 가스 공급 이벤트가 사용되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  24. 제 5 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 차후의 가스 공급 이벤트를 위해 압축 가스의 소스로서 실린더 가스를 포획하기 위해, 실린더 압력이 분배 분사기 내의 압력을 초과할 때, 개방되거나 또는 개방상태를 유지하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 압축 가스의 소스로서 실린더 가스를 포획하기 위해, 제 2 가스 공급 이벤트에서 개방되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  26. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 계측된 연료량의 일부를 연소실로 분배한 후 개방상태를 유지하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  27. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 실린더 가스가 분배 분사기를 세척하도록 허용하기 위해, 개방되거나 또는 개방상태를 유지하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  28. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 실린더 가스가 분배 분사기를 세척하도록 허용하기 위해 점화 이벤트 후에 개방되거나 또는 개방상태를 유지하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  29. 제 25 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 엔진 속도 또는 엔진 부하 범위의 한 지점에서 분사기 세척을 위해, 개방되거나 또는 개방상태를 유지하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  30. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 촉매의 활성화를 위해 부가 연료를 엔진에 분배하도록 개방되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 부가 연료의 분배 동작은 제 2 또는 차후의 가스 공급 이벤트에 의해서 실행되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 분배 분사기는 점화 이벤트 이후에 팽창 또는 배기 행정 동안 개방되는 내연기관의 연료 공급 방법.
  33. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 계측 수단의 펄스폭을 변화시킴으로써, 각 연료 계측 이벤트에서 계측된 연료 비율을 제어하는 공정을 포함하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  34. 제 16 항에 있어서, 제 1 가스 공급 이벤트에서 분배된 연료는 엔진 실린더 사이클에서 비교적 일찍 실린더에서 균일한 혼합물을 형성하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  35. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스는 공기인 내연기관의 연료 공급 방법.
  36. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진은 다기통 기관인 내연기관의 연료 공급 방법.
  37. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진은 4행정 기관인 내연기관의 연료 공급 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 제 1 가스 공급 이벤트는 흡입 행정 동안 발생하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  39. 제 37 항에 있어서, 제 2 또는 차후의 가스 공급 이벤트는 압축 행정 동안 발생하는 내연기관의 연료 공급 방법.
  40. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진은 2행정 기관인 내연기관의 연료 공급 방법.
  41. 삭제
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