KR100687833B1 - 디젤 연소 기관 및 그 실린더에 대한 유체 분사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 디젤 연소 기관, 구체적으로는 대형 디젤 엔진의 실린더 내부에 유체를 분사하는 장치는 분사될 유체용 고압 저장부(3)에 연결되는 적어도 하나의 분사 노즐(2), 고압 저장부(3)와 분사 노즐(2) 사이의 연결을 개폐하기 위한 제어 유닛(4, 6) 및 제어 유닛(4, 6)의 사전 제어를 위한 사전 제어 장치(5)를 포함한다. 사전 제어 장치(5)는 분사될 유체로 제어 유닛(4, 6)을 제어한다. 또한, 본 발명에서는 상기 유체 분사 장치를 포함하는 디젤 연소 기관이 제공된다.

디젤 연소 기관, 실린더, 유체 분사, 고압 저장부, 분사 노즐, 제어 유닛, 사전 제어 장치

Description

디젤 연소 기관 및 그 실린더에 대한 유체 분사 장치 {APPARATUS FOR THE INJECTION OF LIQUIDS INTO A CYLINDER OF A DIESEL COMBUSTION ENGINE AND A DIESEL COMBUSTION ENGINE}

도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 실시예에 대해 일부를 기호로 예시하는 도면.

도 2는 상기 제1 실시예의 변형을 기호로 예시하는 도면.

도 3은 제2 실시예를 기호로 예시하는 도면.

본 발명은 디젤 연소 기관, 구체적으로는 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 대형 디젤 엔진의 실린더에 대한 유체 분사 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기와 유사한 장치를 갖는 디젤 연소 기관, 특히 대형 디젤 엔진에 관한 것이다.

특히, 예를 들어 선박을 추진(propulsion)하는데 사용되는 것과 같은 대형 디젤 엔진에서, 오염 물질인 질소산화물(NOx)의 배출을 효과적으로 감소시키기 위해 공지된 효과적인 방법은 상기 실린더의 연소실 내부에 연료와 더불어 물을 분사 하는 것이다. 상기에서는 예를 들어 상기 실린더 내에서 피스톤의 압축 행정 부분 동안 상기 물을 연료와 별도로 분사하는 것(직접 물 분사: direct water injection), 또는 먼저 물과 연료의 유제(乳劑; emulsion)를 제조하고 상기 유제를 연소실 내부에 분사하는 것이 가능하다.

특히, 종 방향으로 소기되는(longitudinally scavenged) 대형 2행정 디젤 엔진에서는 각 실린더에 복수의, 예를 들어 세 개의 연료 분사 노즐이 상기 실린더 커버의 중앙에 배열되고 배기 밸브를 중심으로 분포되어(distributedly) 제공되는 것이 일반적이다. 상기 종류의 엔진이 직접 물 분사 방식으로 가동되는 경우, 상기 실린더 내에서 물이 가급적 균일하게 분포되도록 하기 위해, 그리고 최고 온도가 낮추어지도록 화염(flame)을 의도적으로 냉각시키기 위해 일반적으로 연료 분사 노즐과 동일한 개수의 물 분사 노즐이 상기 실린더 커버 내에 제공된다.

상기 분사를 제어하기 위해―여기서 제어되는 것은 물 또는 연료임―, 상기 분사 노즐과 연결되고, 콘트롤 샤프트(control shaft) 상의 캠에 의해 작동되어 작동 사이클과 관련하여 원하는 시간 간격으로 상기 분사가 되도록 부합되는 각 실린더용 분사 펌프가 제공되는 것이 공지되어 있다.

다른 한편으로, 커먼 레일(common rail) 원리에 따른 분사를 실행하는 것이 공지되어 있다. 분사되는 상기 유체, 예를 들어 물 또는 연료는, 고압 펌프에 의해 모든 실린더의 분사 노즐과 연결되는 고압 저장부로 이송된다. 상기 고압 저장부 내의 상기 유체 압력은 대체로 상기 분사 압력과 일치한다. 제어 밸브 또는 다른 제어 장치를 이용함으로써, 상기 고압 저장부와 상기 대응하는 실린더의 분사 노즐 사이의 연결은 상기 엔진의 작동 사이클과 관련하여 원하는 시간 간격 동안에 개방되고 상기 유체는 상기 분사 노즐에 의해 실린더 내부에 분사된다.

상기 제어 밸브 또는 제어 장치는 상기 연료와는 상이한 특별한 작동유에 의해 유압식으로 작동되며, 상기 작동유를 위한 공급장치, 펌프 장치, 차단 장치를 구비하는 적어도 하나의 별도 순환 시스템(circulatory system)이 제공되어야 한다.

본 발명의 기본적인 목적은, 예를 들어 물 또는 연료와 같은 유체가 디젤 연소 기관, 구체적으로 대형 디젤 엔진의 실린더 내부에 보다 간단하고 보다 경제적으로 분사될 수 있는 방식의 장치를 제안하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 물 및/또는 연료용으로 보다 간단한 분사 장치를 구비하는 디젤 연소 기관, 구체적으로 대형 디젤 엔진을 제안하는 것이다.

상기 목적을 충족하는 본 발명의 요지는 각 범주에 해당하는 첨부된 특허청구범위의 독립항의 특징을 갖는다.

따라서, 본 발명에 따른 디젤 연소 기관, 구체적으로 대형 디젤 엔진의 실린더 내부에 유체를 분사하기 위한 장치는, 상기 분사될 유체용 고압 저장부와 연결되는 적어도 하나의 분사 노즐을 포함하고, 상기 고압 저장부와 상기 분사 노즐 사이의 연결을 개폐하기 위한 제어 유닛을 포함하며, 상기 제어 유닛의 사전 제어(pre-control)를 위한 사전 제어 장치―여기서 사전 제어 장치는 상기 분사될 유체로 제어 유닛을 사전 제어함―를 포함하는 것으로 제안된다.

따라서, 분사될 유체, 예를 들어 물 또는 연료로 상기 제어 유닛을 사전 제어하는 방법을 사용함으로써, 상기 사전 제어를 위해 더 이상의 특별한 제어 오일이 필요하지 않으며, 이렇게 함으로써 특히 제조 원가 및 상기 장치와 구조의 복잡성이 현저히 저감될 수 있다. 또한, 연료 및 제어 오일과 같이 상이한 매체들(media)을 서로에 대해 기밀 유지(seal off)를 하기 위한 특별한 조치가 필요하지 않다.

상기 제어 유닛은 자신이 가지고 있는 매체에 의해 작동되는 것이 바람직하며 이로 인해 상기 분사될 유체가 상기 제어 유닛을 작동시킨다. 따라서, 즉, 상기 전체 분사 장치의 작동을 위해 분사될 유체 외에 추가의 작동 유체 또는 제어 유체는 더 이상 필요하지 않으며, 이렇게 함으로써 상기 장치는 특히 간단하고 경제적으로 된다.

상기 제어 유닛과 분사 노즐을 공간적으로 서로 분리하여 배열하는 것, 즉 구조적 유닛(constructional unit)이 아닌 형태로 더욱 유리하게 배열할 수 있기 때문에 종래의 간단한 분사 노즐을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어 전자석(electromagnet)과 같이 신속하게 제어되는 작동 요소들이 별도로 제공되는, 보다 복잡한 분사 노즐이 사용되지 않아도 된다.

상기 제어 유닛과 분사 노즐을 공간적으로 분리하는 것은 단지 하나의 제어 유닛만으로 상기 고압 저장부와 연결되는 복수의 분사 노즐을 작동시키는 유리한 방법을 또한 가능하게 한다. 상기에서, 상기 제어 유닛은 모든 분사 노즐과 상기 고압 저장부와의 연결을 개폐할 수 있다.

상기 제어 유닛을 사전 제어하는 상기 사전 제어 장치는 자기 방식으로(magnetically) 작동되는 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에 따른 상기 제어 유닛은 상기 고압 저장부와 각 분사 노즐 사이의 연결을 위한 공급 라인(supply line)을 개폐할 수 있는, 밸브 슬라이더(valve slider)를 갖는 슬라이더 시트 밸브(slider seat valve)를 포함하며, 상기 슬라이더 시트 밸브를 사용함으로써, 간단하고 저렴한 방법으로 상기 실린더 내부에 원하지 않는 지속적 분사(permanent injection)를 방지하는 안정성(security)이 크게 확보될 수 있다. 상기 종류의 방법은 상기 밸브 슬라이더의 위치를 측정하기 위해 제공되는 센서를 포함한다. 상기 분사 지속 시간(injection duration) 또한 상기 센서에 의해 감시(monitor)될 수 있다. 상기 센서에 의해 지나치게 개방 시간이 긴 것이 감지되는 경우, 상기 실린더 내부에 손상을 주는 지속적 분사를 방지하기 위해, 예를 들어 상기 고압 저장부의 공급 작용이 해제될 수 있거나 비상 밸브가 폐쇄될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 디젤 연소 기관, 구체적으로 대형 디젤 엔진, 특히 종 방향으로 소기하는 대형 2행정 디젤 엔진은 본 발명에 따른 적어도 하나의 분사 장치를 구비한다. 상기 장치는 상기 연료 분사용으로, 물 분사용으로, 또는 물-연료 유제 분사용으로 또한 사용된다.

본 발명의 주제에 따른 또 다른 유리한 방법 및 바람직한 실시예는 첨부된 특허청구 종속항에 따른다.

본 발명은 예시적 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 다음과 같이 기술된다. 도시되는 개략도는 축척이 적용되지 않는다.

본 발명에 따른 예시적 실시예를 참조하는 디젤 연소 기관의 실린더 내부에 유체를 분사하기 위한 상기 장치에 대한 다음 기술에서, 주로 상기 장치에 의해 상기 종 방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 실린더 내부로 물이 분사되는 방식에 사용되도록 참조가 이루어진다. 그러나 상기 장치는 이러한 종류에만 사용되도록 한정되지 않는다. 상기 장치는 연료 분사용 또는 물-연료 유제 분사용의 유사한 방식에 또한 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 2행정 디젤 엔진에만 한정되지 않고, 예를 들어 4행정 방식에 따라 작동하는 것과 같은 다른 유형의 디젤 연소 기관에도 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 상기 장치의 제1 실시예에 대해 일부를 기호로 예시하며, 그 전체가 참조부호 (1)로 표시된다. 상기 예시적 실시예에서는 종 방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 동일한 실린더의 실린더 커버(도시되지 않음) 내에 모두 설치되는 세 개의 분사 노즐(2)이 제공된다. 각 분사 노즐(2)의 단부에는 분사될 유체―상기 경우에는 물임―가 통과되는 연결 라인(27)이 대응되는 분사 노즐에 상기 분사 압력으로 연결된다. 연결 라인(27)은 모두 분사될 유체가 머물고 있는 고압 저장부(3)에 연결되는 공통 공급 라인(common supply line; 7)의 부분(7a)으로 개구된다. 고압 저장부(3)는 예를 들어 커먼 레일 방법에서 일반적인 것처럼 상기 엔진을 따라 연장되고, 고압에 견디는 종 방향의 라인(longitudinal line)으로 설계된다. 또한, 공급 라인(7)을 통해 통로를 개폐할 수 있는 제어 유 닛(4)이 제공됨으로써 고압 저장부(3)와 분사 노즐(2) 사이의 연결이 공급 라인(7)의 부분(7a)을 통해 개폐될 수 있다. 제어 유닛(4)은 이러한 방식으로 상기 분사를 제어한다. 제어 유닛(4)은 자기 방식으로 작동되는 밸브(5)를 포함하는 사전 제어(pre-control) 장치에 의해 사전 제어될 수 있으며, 어느 정도는 다음에서 보다 상세히 기술된다. 고압 펌프(8)는 분사될 유체를 고압 저장부(3)로 이송시킨다. 상기 유체가 물인 경우, 예를 들어 약 400 bar의 압력에서 고압 저장부(3)로 이송된다.

제어 유닛(4)은 내부에 밸브 슬라이더(61)를 수용하기 위해 종 방향의 보어(bore; B)가 제공되는 하우징(60)을 구비한 슬라이더 시트 밸브(6)를 포함한다. 밸브 슬라이더(61)는 종 방향 축(A)의 방향으로 의미되는 축 방향으로 연속하여 배열되는 다음 부분들을 포함한다: 밸브 슬라이더(61)의 한쪽 축 방향 단부가 대체로 원통형인 콘트롤 피스톤(611)을 형성하고, 여기에 직경이 콘트롤 피스톤(611)의 직경보다 작으며 대체로 봉 모양인 제1 샤프트(612)가 인접한다. 제1 샤프트(612)는 자신보다 직경이 큰 제2 샤프트(613)와 결합된다. 제2 샤프트(613)에는 이보다 직경이 작으며 대체로 봉 모양(bar-shape)인 제3 샤프트(614)가 인접한다. 제3 샤프트(614)에는 밸브 슬라이더(61)의 다른 쪽 축 방향 단부를 형성하는 폐쇄 부재(closure element; 615)가 인접된다. 폐쇄 부재(615)는 제2 샤프트(613)의 직경과 대체로 동일한 크기의 직경을 갖는 원반 모양의 폐쇄 부재(615a), 및 상기 시트 밸브의 원리에 따라 종 방향 보어(B)에 제공되는 밸브 시트(62)와 협동하고, 대체로 원추형으로 설계되는 시트 부분(seat part; 615b)을 포함한다.

콘트롤 피스톤(611)의 영역에서, 종 방향 보어(B)는 자신의 내부에서 콘트롤 피스톤(611)이 안내되고 상기 종 방향으로 이동될 수 있는 크기의 직경을 갖는다. 종 방향 보어(B)의 상기 부분은 상기 축 방향 범위와 관련한 콘트롤 피스톤(611)보다 길어서, 콘트롤 피스톤(611)의 양쪽 단부 면은 하우징(60)의 내벽과 함께 각 콘트롤 체임버(control chamber), 즉 제1 콘트롤 체임버(S1) 및 제2 콘트롤 체임버(S2)의 경계를 이룬다. 제1 샤프트(612)의 영역에서, 종 방향 보어(B)의 직경은 대체로 제1 샤프트(612)의 외경과 일치하여 상기 제1 샤프트가 종 방향 보어(B) 내에서 안내되고 이동 가능하다. 제2 샤프트(613) 및 제3 샤프트(614)의 영역에서, 종 방향 보어(B)의 직경은 대체로 제2 샤프트(613)의 외경과 일치하여 제2 샤프트(613)가 종 방향 보어(B) 내에서 안내되고 이동 가능하다. 제3 샤프트(614)는 제2 샤프트(613)보다 직경이 작기 때문에, 제3 샤프트(614)와 하우징(60)의 내벽 사이에는 링 스페이스(ring space)가 형성된다. 종 방향 보어(B)의 상기 부분은 원반 모양을 한 폐쇄 부재(615a)의 영역에서 끝난다. 상기 원반 모양의 폐쇄 부재(615a)에 축상으로 인접한 종 방향 보어(B)는 밸브실(valve chamber; 67)을 형성하는 확장부(widening)를 가지며, 상기 확장부의 축상 단부는 밸브 시트(62)에 의해 형성된다. 밸브 시트(62)의 다른 편에는 분사될 유체용 입구(63)를 갖는 전실(前室; antechamber; 69)이 제공된다. 상기 전실에는 예시되지 않은 복원 스프링(restoring spring)이 또한 바람직하게 제공될 수 있으며, 상기 스프링은 밸브 슬라이더(61)에 작용하고 상기 밸브 슬라이더를 밸브 시트(62)쪽으로 치우 치게 한다.

제1 샤프트(612)와 제2 샤프트(613) 사이의 전이 영역(transition region)에서, 종 방향 보어(B)는 밸브 슬라이더(61)의 위치 측정용 센서(12)를 위한 측정실(measurement chamber; M)을 형성하는 확장부를 갖는다.

한 쪽 단부가 고압 저장부(3)에 연결되는 공급 라인(7)은 다른 쪽 단부가 슬라이더 시트 밸브(6)의 입구(63)에 연결되어, 전실(69) 내의 분사될 유체가 대체로 고압 저장부(3) 내와 동일한 압력, 즉 상기 분사 압력이 되도록 한다. 링 스페이스(68)는 분사 노즐(2)용 공급 라인의 부분(7a)으로 개구되는 출구(64)를 갖는다. 분사 노즐(2)로 유도되는 세 개의 연결 라인(27)이 상기 부분(7a)으로부터 분기된다.

제1 콘트롤 체임버(S1)는 제1 콘트롤 라인(10)을 통해 고압 저장부(3)에 연결되고, 제2 콘트롤 체임버(S2)는 제2 콘트롤 라인(11)을 통해 고압 저장부(3)에 연결된다. 고압 저장부(3)로부터 나오는 제2 콘트롤 라인(11)은 분기점(111)에서 제2 콘트롤 체임버(S2)로 유도되는 제1 분기(11a), 및 회수 라인(14)의 통로를 개폐할 수 있도록 자기 방식으로 작동되는 밸브(5)로 유도되는 제2 분기(11b)로 분기된다. 분기점(111)의 상류에는 유동 단면(flow cross-section)에 축소부(contraction)로서 형성되는 리스트릭터(restrictor; 13)가 제공되어 리스트릭터(13) 영역에서의 유동 단면은 상기 제2 콘트롤 라인의 제2 분기(11b)에서의 유동 단면보다 작게 된다.

자기 방식으로 작동되는 밸브(5)는 예를 들어 전기자기(electromagnetic) 밸 브로서 또는 간단히 말해 자기 밸브로서 설계되고, 스프링력을 받는 밸브 태핏(tappet)의 동작 결과로써 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 움직이는 전기적으로 여자(勵磁)되는 코일(electronically excitable coil)을 갖는다. 자기 밸브(5)는 예시되지 않은 공급 유닛 및 여자 유닛에 의해 공지된 방식으로 동작한다.

분사 노즐(2)은 니들 시트(needle seat)와 협동하는 스프링력을 받는 노즐 니들을 갖는 원래 공지된 방식의 종래 분사 노즐로서 설계된다. 상기 노즐 니들이 상기 니들 시트에 눌려짐으로써, 분사 노즐(2)에 존재하는 상기 유체의 압력이 상기 스프링에 의해 발생되는 바이어스(bias) 압력보다 커지는 경우(개방 압력),상기 노즐 니들은 상기 니들 시트로부터 들어 올려지고 노즐 구멍으로 가는 통로를 개방하며 상기 노즐 구멍을 통해 유체는 실린더의 연소실 내부로 분사된다. 유체의 압력이 폐쇄 압력 아래로 떨어지는 경우, 스프링에 의해 발생되는 바이어스 압력이 우세하여, 상기 노즐 니들은 상기 니들 시트에 밀봉되도록 눌려지고 상기 분사는 종료된다.

상기 디젤 연소 기관이 직접 물 분사 방식으로 가동되는 경우, 각각 연관된 노즐 구멍을 갖는 두 개의 별도 분사 채널(channel)이 제공되는 소위 탠덤(tandem) 노즐을 분사 노즐로서 사용하는 것이 가능하며, 하나의 분사 채널은 물 분사용으로 사용되고 다른 하나의 분사 채널은 연료 분사용으로 사용된다. 상기 물 분사 및 연료 분사의 각 경우에 별도의 분사 노즐을 사용하는 것 또한 당연히 가능하다.

상기 물 분사는 자기 밸브(5)를 포함한 사전 제어 장치에 의해 사전 제어되는 제어 유닛(4)에 의해 제어된다. 다음에서는 본 발명에 따른 상기 장치의 기능 을 수행하는 상기 방법이 제1 예시적 실시예를 참조하여 보다 상세히 기술될 것이다. 고압 펌프(8)는 분사될 물을 분사 압력까지 상승시키고 고압 저장부(3) 내부로 이송시킨다. 상기 물은 상기 고압 저장부로부터 공급 라인(7) 및 입구(63)를 통해 슬라이더 시트 밸브(6)의 전실(69) 내부로 들어가며, 여기에서도 마찬가지로 분사 압력 상태이다. 분사가 일어나지 않는 동안, 슬라이더 시트 밸브(6)는 폐쇄 위치에 있어서 공급 라인(7)은 폐쇄된다. 상기 폐쇄 위치에서, 밸브 슬라이더(61)의 폐쇄 부재(615)는 상기 공급 라인의 부분(7a)과 슬라이더 시트 밸브(6)의 상류에 놓이는 공급 라인(7)의 상기 부분 사이의 연결을 폐쇄(close off)시킨다. 상기에서, 폐쇄 부재(615)의 상기 폐쇄 기능은 이중(two-fold)이다. 한편으로, 시트 부분(615b)은 시트 밸브의 원리에 따라 밸브 시트(62)에 눌려지고, 다른 한편으로, 원반 모양의 폐쇄 부분(615a)은 슬라이드 밸브의 원리에 따라 밸브실(67)과 링 스페이스(68) 사이의 연결을 폐쇄시킨다. 자기 밸브(5)는 마찬가지로 폐쇄 위치에 있으며, 이것은 제2 분기(11b)와 회수 라인(14) 사이의 연결이 폐쇄되는 것을 의미한다. 제2 콘트롤 체임버(S2)가 제2 콘트롤 라인(11) 및 이것의 제1 분기(11a)를 통해 고압 저장부(3)에 연결되므로, 상기 분사될 유체는 콘트롤 체임버(S2) 내에서도 상기 분사 압력이 된다. 제1 콘트롤 라인(10)으로 인해 제1 콘트롤 체임버(S1) 내에는 상기 분사 압력이 또한 존재한다. 결과적으로, 각 경우에 두 개의 콘트롤 체임버(S1, S2) 및 전실(69) 내에는 동일한 압력이 존재한다. 콘트롤 피스톤(611)의 직경, 제1 샤프트(612)의 직경 및 전실(69) 내부로 연장되는 밸브 슬라이더(61) 단부의 직경은, 유체가 한편으로 전실(69) 내에서 밸브 슬라이더(61)의 폐쇄 부재(615) 상에 그리고, 다른 한편으로 제2 콘트롤 체임버(S2) 내에서 콘트롤 피스톤(611) 상에 작용하는 힘의 합계가 제1 콘트롤 체임버(S1) 내에서 유체가 콘트롤 피스톤(611) 상에 작용하는 힘보다 크게 되도록 서로 적절하게 조합된다. 결과적으로, 시트 부분(615b)이 밸브 시트(62)에 밀봉되도록 눌려져서 연결 라인(27)으로 유체가 들어갈 수 없게 된다.

분사가 개시되는 경우, 자기 밸브(5)는 공급 유닛 및 여자 유닛에 의해 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 전환되며, 이를 통해 제2 콘트롤 라인(11)의 제2 분기(11b)와 회수 라인(14) 사이의 연결이 개방된다. 리스트릭터(13)에 의해 분기점(111)의 상류가 축소되는 유동 단면으로 인해, 유체는 제1 분기(11a) 및 제2 분기(11b)를 통해 제2 콘트롤 체임버(S2)로부터 회수 라인(14)으로 유동되며, 이를 통해 제2 콘트롤 체임버(S2)에 압력이 해제되고 따라서 이와 경계를 이루는 콘트롤 피스톤(611)의 단부 면에도 압력이 해제된다. 결과적으로, 이제 제2 콘트롤 체임버 내에는 제1 콘트롤 체임버(S1) 및 전실(69)과 비교하여 저하된 압력이 존재한다. 이를 통해, 상기 유체에 의해 밸브 슬라이더(61) 상에 작용하는 힘은 상기 밸브 슬라이더가 개방 위치(도 1에서 우측 방향)로 이동되도록 변경되며, 이는 상기 유체에 의해 압력을 받는 면이 상기 유체가 제1 콘트롤 체임버(S1) 내에서 콘트롤 피스톤(611) 상에 작용하는 힘이 상기 유체가 전실(69) 내에서 밸브 슬라이더(61) 상 및 압력이 해제된 제2 콘트롤 체임버(S2) 내에 작용하는 힘의 합보다 커지는 것을 의미한다.

개방 운동 중에, 폐쇄 부재(615)의 시트 부분(615b)이 먼저 밸브 시트(62)로 부터 밀려나와 상기 유체가 전실(69)로부터 밸브실(67) 내부로 유동될 수 있게 된다. 그러나 상기에서는 원반 모양의 폐쇄 부분(615a)이 또한 먼저 링 스페이스(68)로 가는 통로를 폐쇄한다. 폐쇄 부분(615a)이 대체로 밸브실(67) 내에 완전히 위치할 때까지 밸브 슬라이더(61)의 개방 운동이 진행될 때 비로소 링 스페이스(68)로 가는 통로가 개방된다. 이제 분사가 개시된다. 상기 유체는 밸브실(67)로부터 링 스페이스(68)로, 출구(64)를 통해 상기 링 스페이스로부터 공급 라인의 부분(7a)으로, 그 다음에 연결 라인(27)을 통해 분사 노즐(2)로 유동되고, 상기 유체는 상기 분사 노즐을 통해 실린더 내부로 분사된다.

상기 분사를 종료시키기 위해 자기 밸브(5)가 폐쇄된다. 이를 통해 상기 유체는 제2 콘트롤 라인(11) 및 이것의 제1 분기(11a)를 통해 제2 콘트롤 체임버(S2)로 재차 유동되어 상기 제2 콘트롤 체임버 내에서 재차 분사 압력이 생성된다. 이를 통해 밸브 슬라이더(61)는 폐쇄 위치로 다시 이동되며, 이것은 예시에서 좌측으로의 이동이다. 폐쇄 부분(615a)은 밸브실(67)과 링 스페이스(68) 사이의 통로를 폐쇄시키고, 시트 부분(615b)은 밸브 시트(62)에 밀봉되도록 다시 눌려진다. 결과적으로, 추가의 유체가 연결 라인(27) 내부로 유입될 수 없으므로 상기 연결 라인의 유체 압력은 분사 노즐(2)의 폐쇄 압력 아래로 떨어지게 된다. 따라서 분사는 종료된다.

본 발명에 따른 상기 장치에서, 상기 분사를 제어하는 제어 유닛(4)은 분사될 유체에 의해, 즉 본 명세서에 기술된 예시적 실시예에서는 자기 밸브(5) 및 두 개의 콘트롤 라인(10, 11)에 의해 사전 제어된다. 따라서, 예를 들어 제어 오일과 같은 별도의 사전 제어용 제어 유체가 필요하지 않고, 결과적으로 연관된 펌프, 밸브 등을 구비한 추가의 유체 순환 시스템 또한 필요하지 않으며, 이를 통해 본 발명에 따른 장치는 특히 간단하고 경제적이 된다.

또한, 본 명세서에 기술된 예시적 실시예에서는 슬라이더 시트 밸브(6)가 자신이 가지고 있는 매체에 의해 작동되며, 이것은 슬라이더 시트 밸브(6)의 개폐가 분사될 유체 자신에 의해 이루어지는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어 특별한 제어 오일과 같이 분사될 유체 이외에 상기 분사의 전체 제어를 위한 추가의 작동 유체 또는 제어 유체가 필요하지 않다.

상기에서 기술된 바와 같이, 밸브 슬라이더(61) 상에 작용하고 상기 밸브 슬라이더를 밸브 시트(62)쪽으로 치우치게 하는 복귀 스프링이 또한 전실(69) 내에 제공될 수 있다. 상기 방법은 또한 밸브 슬라이더(61)가 정해진 위치에, 즉 폐쇄 위치에 있게 됨으로써 상기 장치가 아직 압력을 받고 있는 경우, 이것은 예를 들면 스위치가 폐쇄된 상태이므로 유리하다.

또한, 특히 슬라이더 시트 밸브(6)를 통한 간단한 방법으로 상기 실린더 내부로 바람직하지 않고 불리하게 지속적인 분사가 되는 것을 방지하는 보장성을 크게 얻을 수 있으므로 특히 유리하다. 상기와 같은 종류의 지속적 분사는 예를 들어, 밸브 슬라이더(61)가 개폐될 때에 자신의 행정 운동(stroke movement)의 일부분 뒤에 고착되는 경우에 일어날 수 있다. 제1 예시적 실시예에서는 이러한 이유 때문에 슬라이더 시트 밸브(6)의 측정실(M) 내부로 돌출되는 센서(12)가 제공된다. 상기 센서(12)는 예시되지 않은 감시 제어 유닛(monitoring and control unit)과 연결되고, 비접촉식이 바람직하며, 밸브 슬라이더(61)의 개방 운동 및 폐쇄 운동 모두에 있어서의 위치를 감시 한다. 센서(12)는 예를 들어 근접(proximity) 센서 또는 이격(distance) 센서로서 설계될 수 있으며, 제1 샤프트(612)와 제2 샤프트(613) 사이의 전이 영역의 위치를 감지하여 상기 위치 정보를 상기 감시 제어 유닛으로 전송한다. 원래 공지되었으며 밸브 슬라이더(61)의 위치가 측정될 수 있는 모든 센서, 예를 들어 자기 센서, 유도(inductive) 센서 또는 광(optical) 센서가 상기 센서(12)로서 적당하다. 밸브 슬라이더(61) 상에는 센서(12)에 의해 감지될 수 있는 표시(marking)가 또한 제공될 수 있다.

밸브 슬라이더(61)가 개방 운동을 하는 동안, 센서(12)에 의해 감지되는 밸브 슬라이더(61)의 행정이 설정 한계값, 예를 들어 0.4mm를 초과하는 순간 슬라이더 시트 밸브(6)는 상기 감시 제어 유닛에 개방된 것으로 기록된다. 상기 한계값은 시트 부분(615b)이 실제로 밸브 시트(62)로부터 밀려나가는, 즉 전실(69)과 밸브실(67) 사이의 유동 연결은 이미 개방되었지만 원반 모양의 폐쇄 부분(615a)은 아직 밸브실(67)과 링 스페이스(68) 사이의 연결을 막고 있기 때문에 이를 폐쇄하게 되는 방식으로 선택된다. 슬라이더 시트 밸브(6)가 개방된 것으로 감지됨과 동시에 슬라이더 시트 밸브(6)가 개방되는 동안의 시간이 측정된다. 상기 시간이 원하는 분사의 지속 시간 및 허용오차 시간으로 설정된 한계를 초과하는 경우, 상기 개방 시간이 너무 긴 것은 상기 감시 제어 유닛에 의해 에러로 간주된다. 지속적 분사를 방지하기 위한 대응책으로서 감시 제어 유닛은, 예를 들어 공급 라인(7) 내에 제공되는 고압 펌프(8)의 정지 또는 안전 밸브의 폐쇄, 또는 고압 펌프(8) 및 분사 노즐(2) 사이의 유동 연결 내에 설치되는 유동 차단(flow-off) 밸브를 개방할 수 있다.

밸브 슬라이더(6)가 예를 들어 상기 슬라이더 시트 밸브가 개방된 것으로 기록되는 범위를 벗어나는 상기 기술된 한계값보다 작은 행정 후의 개방 운동에서 이미 고착된 경우, 일어날 수 있는 압력 상승은, 원반 모양의 폐쇄 부분(615a)을 지나는 틈새를 통해서, 그리고 한편으로 제1 샤프트(612) 및 제2 샤프트(613)와 다른 한편으로 종 방향 보어(B)의 내벽 사이의 작동 유격(clearnce)을 통해서 방지된다. 이를 위해, 제1 콘트롤 샤프트(612) 및 제2 콘트롤 샤프트(613)에, 그리고 대응하는 부분에 대하여 주위 방향으로 연장되는 콘트롤 피스톤(611)에 원래 공지된 방식으로 그루브(groove)가 제공될 수 있다.

도 2는 디젤 연소 기관, 구체적으로는 대형 디젤 엔진에서 실시되는 제1 예시적 실시예의 변형을 개략적 예시를 도시한다. 실린더(30) 내부로 연료 또는 물 또는 연료-물 유제가 분사되도록 상기 실린더 커버 내에 각각 세 개의 분사 노즐(2)을 갖는 두 개의 실린더(30)가 개략적으로 표시된다. 각 실린더(30)에는 각 경우에 자기 밸브(5)를 포함하는 사전 제어 장치에 의해 이미 기술된 바와 같이 각 경우에 사전 제어될 수 있는 슬라이더 시트 밸브(6)를 각 경우에 구비하는 별도의 제어 유닛(4)이 제공된다. 도 2에는 두 개의 콘트롤 라인(10, 11; 도 1 참조)만이 각 경우에 자기 밸브(5)와 슬라이더 시트 밸브(6) 사이 또는 자기 밸브(5)와 고압 저장부(3) 사이 각각에 단지 하나의 연결에 의한 매우 간단한 방식으로 표시된다. 그러나 분사될 유체에 의한 슬라이더 시트 밸브(6)의 사전 제어는 상기에서 추가로 기술한 것과 동일한 방식으로 각 슬라이더 시트 밸브(6)에서 일어난다.

고압 저장부(3)는 고압에 견디고 상기 엔진을 따라 연장되는 종 방향의 라인(커먼 레일)으로서 설계된다. 사전 제어용 콘트롤 라인(10, 11)은 상기 고압 저장부에 연결된다. 각 실린더(30)의 분사 노즐(2)에는 고압 저장부(3)와 연결되는 별도의 공급 라인(7)이 제공되고, 각각 연관되는 슬라이더 시트 밸브(6)에 의해 개폐될 수 있으며, 이를 통해 각각 연관되는 실린더(30) 내부로의 분사가 이미 기술된 방식에 의해 제어된다. 각 공급 라인(7)에는 수동 또는 예시되지 않은 감시 제어 유닛에 의해 작동되는 차단 밸브(blocking valve; 71)가 제공된다. 하나의 실린더(30) 또는 하나의 연관되는 슬라이더 시트 밸브(6) 각각에 에러가 발생하는 경우, 상기 연관되는 차단 밸브(71)는 폐쇄될 수 있고, 그 다음에 상기 분사 장치는 계속하여 작동될 수 있으며, 상기 에러가 발생한 실린더(30)의 내부에는 자연히 더 이상 분사가 일어나지 않는다.

상기 제1 예시적 실시예와는 달리 본 명세서에 기술되는 변형에서는, 상기 분사 압력과 관련한 슬라이더 시트 밸브(6) 또는 콘트롤 유닛(4) 각각의 압력을 저하시키기 위해 콘트롤 라인(10, 11)에 감압 밸브(DR)가 제공된다. 상기 변형에서는, 슬라이더 시트 밸브(6)가 폐쇄되었을 때 상기 분사 압력과 비교하여 저하된 압력이 제1 콘트롤 체임버(S1) 및 제2 콘트롤 체임버(S2) 양쪽 모두 내에 존재하게 된다. 상기 사전 제어용 압력을 받는 면, 즉 구체적으로 콘트롤 피스톤(611)의 양쪽 단부 면은, 상기에서 기술된 슬라이더 시트 밸브(6)가 기능을 하도록 하는 방법이 여전히 보장되도록 상기 사전 제어용으로 감압된 유체에 적합하도록 개조된다. 회수 라인(R)은 감압 밸브(DR)로부터 고압 펌프(8)용 공급 용기(80)로 연결된다.

상기 분사 압력과 관련하여 상기 사전 제어를 위한 감압은 상기 사전 제어를 위한 압력이 대체로 상기 분사 압력으로부터 독립적이므로 상기 분사 장치는 실질적으로 임의의 원하는 분사 압력에서도 작동될 수 있는 장점을 갖는다. 이것은 특히 매우 고압의 분사 압력, 예를 들어 대형 2행정 디젤 엔진에서 일반적으로 연료 분사가 일어나는 1000 bar의 압력에서 유리하다.

마찬가지로, 도 2에는 메인 탱크(81)로부터 필터(83)를 거쳐 고압 펌프(8)에 유체를 공급해주는 공급 용기(80)에 분사될 유체를 이송하는 사전 펌프(preliminary pump; 82)가 예시된다. 고압 펌프(8)와, 압력 변동을 완충하기 위한 역할을 하는 저장부(8a)로 연결되는 고압 저장부(3) 사이에는 또 다른 분기가 제공될 수 있다. 상기 저장부(8a)는 압력 제한 밸브(pressure limitation valve; 8b)를 거쳐 공급 용기(80)로 가는 회수 라인에 연결된다.

도 3은 본 발명에 따른 분사 장치의 제2 예시적 실시예를 도시하며, 도 1 및 도 2와 관련하여 기술된 것과 동일한 의미의 참조 부호를 갖는다. 상기 제1 예시적 실시예와의 본질적인 차이는 각각 다른 실린더(30)에 있는 복수의 분사 노즐을 위해 공통 슬라이더 시트 밸브(6)를 갖는 공통 제어 유닛(4)이 사용되는 것이다. 그밖에는 상기 제1 예시적 실시예와 관련되는 동일한 기술이 제2 예시적 실시예에 대해서도 또한 마찬가지로 적용된다.

제2 예시적 실시예에서는 두 개의 실린더(30)에 분사하는 것을 제어하는 공통 제어 유닛(4)이 제공된다. 제어 유닛(4)의 사전 제어를 위해 자기 밸브(5)가 또한 제공된다. 제어 유닛(4)은 이미 기술된 방식으로 자기 밸브(5)에 의해 사전 제어되는 공통 슬라이더 시트 밸브(6)를 포함한다. 또한 제어 유닛(4)은 상기 슬라이더 시트 밸브의 뒤쪽에 설치되는 3방 밸브(three-way valve; 90)를 포함하며, 이것의 작동 위치에 따라 슬라이더 시트 밸브(6)의 출구(64)는 한쪽 실린더(30)의 분사 노즐(2)에, 또는 다른 쪽 실린더(30)의 분사 노즐(2)에 연결된다.

공통으로 사전 제어되는 단지 하나의 제어 유닛(4)으로 복수의 실린더(30) 내에 분사하는 것을 제어하는 상기 방법을 통해, 상기 장치의 제조 원가 및 복잡성이 저감되고, 이를 통해 상기 장치는 한층 보다 경제적으로 된다. 제어 유닛의 개수가 보다 적어서 고장 확률 또한 보다 낮아진다. 당연히 두 개 이상의 다른 실린더(30) 내부로의 분사 또한 공통 제어 유닛(4)의 수단에 의한 유사한 방식으로 제어될 수 있다.

이미 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 유체의 분사 장치는 물 또는 연료 또는 물-연료 유제에 대하여 유사한 방식으로 적합하다. 또한 대형 디젤 엔진에서 물 분사를 위해 본 발명에 따른 장치 및 연료 분사를 위해 본 발명에 따라서 또 다른 장치를 제공하는 것 또한 가능하다.

본 발명에 따른 유체 분사 장치는 분사될 유체, 예를 들어 물 또는 연료로 상기 제어 유닛을 사전 제어하는 방법을 사용함으로써, 상기 사전 제어를 위해 더 이상의 특별한 제어 오일이 필요하지 않으며, 이렇게 함으로써 특히 제조 원가 및 상기 장치와 구조의 복잡성이 현저히 저감될 수 있다. 또한, 연료 및 제어 오일과 같이 상이한 매체들(media)을 서로에 대해 기밀 유지(seal off)를 위한 특별한 조치가 필요하지 않다.

Claims (12)

1. 디젤 연소 기관, 구체적으로는 대형 디젤 엔진의 실린더 내부에 유체를 분사하는 장치에 있어서,

   분사될 유체용 고압 저장부(3)에 연결되는 적어도 하나의 분사 노즐(2);

   상기 고압 저장부(3)와 분사 노즐(2) 사이의 연결을 개폐하는 제어 유닛(4, 6); 및

   상기 제어 유닛(4, 6)의 사전 제어용 사전 제어 장치(5)

   를 포함하고,

   사전 제어 장치(5)가 상기 분사될 유체를 사용하여 상기 제어 유닛(4, 6)을 사전 제어하며,

   상기 제어 유닛(4, 6)은 밸브 슬라이더(61)를 갖는 슬라이드 밸브를 포함하고, 상기 밸브 슬라이더(61)는 폐쇄 부재(615)에 의해서 고압 저장부(3)와 각 분사 노즐(2) 사이를 연결하는 공급 라인(7)을 개폐하고, 상기 폐쇄 부재(615)는 시트 밸브와 슬라이드 밸브를 조합하여 형성되는 것을 특징으로 하는

   유체 분사 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분사될 유체가 제어 유닛(4, 6)을 작동하도록 상기 제어 유닛(4, 6)이 자신이 가지고 있는 매체에 의해 작동되는 유체 분사 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어 유닛(4, 6)과 분사 노즐(2)이 공간적으로 분리되어 있는 유체 분사 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 고압 저장부(3)와 연결되는 복수의 분사 노즐(2)을 포함하되, 상기 제어 유닛(4, 6)이 모든 분사 노즐(2)에 대해 고압 저장부(3)와의 연결을 개폐하는 것이 가능한 유체 분사 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제어 유닛(4, 6) 및 사전 제어 장치(5)가 고압 저장부(3)와 연결되는 유체 분사 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 사전 제어 장치가 자기 방식으로 작동 가능한(magnetically actuatable) 밸브(5)를 포함하는 유체 분사 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제어 유닛(4, 6)의 사전 제어를 위해 압력을 저하시키도록 감압 밸브(DR)가 제공되는 유체 분사 장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,

   상기 밸브 슬라이더(61)의 위치를 측정하는 센서(12)를 포함하고, 상기 센서(12)로 분사의 지속 시간(injection duration)을 감시하는 것이 가능한 유체 분사 장치.
10. 하나 또는 복수의 실린더(30), 및

    상기 각각의 실린더 내에 왕복이동 가능하게 설치되는 피스톤을 포함하는 디젤 연소 기관에 있어서,

    상기 실린더 내에 액체를 분사하기 위한 제1항 내지 제7항 및 제9항 중 어느 한 항에 따른 분사 장치를 하나 또는 복수개 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 연소 기관.
11. 제10항에 있어서,

    사전 제어 장치(5)를 구비한 개별 제어 유닛(4, 6)이 각 실린더(30)용으로 제공되는 디젤 연소 기관.
12. 제10항에 있어서,

    서로 상이한 실린더(30)에 있는 복수의 분사 노즐(2)에 대해 적어도 하나의 공통 제어 유닛(4, 6)을 포함하는 디젤 연소 기관.

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