KR100764529B1 - 내연기관용 연료 분사기 - Google Patents

내연기관용 연료 분사기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관에 사용하기 위한 액체 연료를 기화하기 위한 연료 분사기에 관한 것이다. 연료 분사기는 입구 단부(14) 및 출구 단부(16)를 갖고, 세라믹, 폴리머, 금속 및 이들의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 단일체의 본체 또는 다층 세라믹 본체 내에 형성된 채널을 포함하는 적어도 하나의 모세관 유동 통로(12), 상기 적어도 하나의 모세관 유동 통로의 입구 단부를 액체 연료 공급원(F)과 유체 연통 상태로 배치하고 실질적으로 액체 상태로 액체 연료를 도입하기 위한 유체 제어 밸브(18), 및 상기 적어도 하나의 모세관 유동 통로(12)를 따라 배열되고, 상기 적어도 하나의 모세관 유동 통로 내의 상기 액체 연료의 적어도 일부를 상기 액체 상태로부터 증기 상태로 변화시키기에 충분한 레벨까지 가열하고 상기 적어도 하나의 모세관 유동 통로(12)의 상기 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 공급하도록 작동 가능한 열원 열원(20)을 포함한다.
연료 분사기, 모세관 유동 통로, 액체 연료 공급원, 유체 제어 밸브, 열원

Description

내연기관용 연료 분사기{Fuel injector for an internal combustion engine}
본 발명은 내연기관에서의 연료 공급에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 내연기관에 공급된 연료를 기화하기 위한 적어도 하나의 가열된 모세관 유동 통로를 제공하는 것이다.
미세 액체 연료 액적 및 공기를 내연기관에 공급하기 위한 다양한 시스템이 고안되어 있다. 이들 시스템은 연소 챔버 내로 직접 연료를 공급(직접 분사식)하거나 흡기 매니폴드를 통해 연소 챔버 내로 혼합물을 공급하기 위해 기화기(carburetor) 또는 연료 분사기(들)를 이용(간접 분사식)한다. 현재 이용되는 시스템에서, 연료-공기 혼합물은 액체 연료를 분무화하여 이를 미세 액적으로서 공기 스트림에 공급함으로써 생성된다.
포트 연료 분사(port-fuel injection)를 채용하는 종래의 불꽃 점화식 엔진에서, 분사된 연료는 정상 작동 조건 하에서 흡기 포트 또는 매니폴드 내의 고온 성분에 액체 연료 액적을 지향시킴으로써 기화된다. 액체 연료는 고온 부품의 표면 상에 성막되고 이어서 기화된다. 다음, 기화된 연료와 흡입 공기의 혼합물은 흡기 밸브가 개방되고 피스톤이 하사점을 향해 이동함에 따라 생성된 압력 차이에 의해 실린더 내로 흡인된다. 현대식 엔진과 호환될 수 있는 제어 정도를 보장하기 위해, 이 기화 기술은 통상적으로 1 미만의 엔진 사이클에서 발생하도록 최적화된다.
현대식 엔진 작동 조건 하에서, 흡기 부품의 온도는 충돌하는 액체 연료 액적을 급속하게 기화하기에 충분하다. 그러나, 냉간 시동 및 워밍업과 같은 조건 하에서는, 연료가 비교적 저온의 엔진 부품 상으로의 충돌을 통해 기화되지 않는다. 대신에, 이들 조건 하에서의 엔진 작동은 충분한 부분이 저온의 흡기 부품에 충돌하기 전에 공기를 통해 진행함에 따라 열 및 질량 전달을 통해 증발되도록 과잉의 연료를 공급함으로써 보장된다. 이 메카니즘을 통한 증발율은 연료 특성, 온도, 압력, 상대 액적 및 공기 속도, 및 액적 직경의 함수이다. 물론, 이 접근법은 연료 휘발성이 공기와의 점화 가능한 농도의 증기를 생성하기에 불충분한 극한 분위기의 냉간 시동에서는 실패한다.
화학적으로 완전한 연소를 행하기 위해, 연료-공기 혼합물은 이론 가스상 혼합물(stoichiometric gas-phase mixture)로 기화되어야 한다. 이론 연소 가능 혼합물은 완전 연소를 위해 요구되는 정확한 양의 공기(산소) 및 연료를 함유한다. 가솔린에 대해서, 이 공연비는 약 14.7:1 중량비이다. 완전하게 기화되지 않거나 이론비가 아닌 연료-공기 혼합물은 불완전 연소 및 감소된 열 효율을 초래한다. 이상 연소 프로세스의 생성물은 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)이다. 연소가 불완전하면, 몇몇 탄소가 완전히 산화되지 않고, 일산화탄소(CO) 및 미연소 탄화수소(HC)를 생성한다.
공기 오염을 감소시키기 위한 방침은 다양한 연료 시스템 및 엔진 변형으로 연소 비효율성을 보상하기 위한 시도를 초래하였다. 연료 준비 및 공급 시스템에 관한 종래 기술에서 명백한 바와 같이, 액체 연료 액적 크기를 감소시키고, 시스템 난류를 증가시키고, 더 완전한 연소를 허용하도록 연료를 기화시키기 위해 충분한 열을 제공하는 것에 대한 다수의 노력이 수행되었다.
그러나, 낮은 엔진 온도에서의 비효율적인 연료 준비는 더 높은 배기물을 발생시켜 후처리 및 복잡한 제어 계획을 필요로 하는 문제점을 잔류시킨다. 이러한 제어 계획은 배기 가스 재순환, 가변 밸브 시기, 점화 시기 지연, 압축비 감소, 촉매 변환기의 사용 및 미연소 탄화수소를 산화하고 촉매 변환기 활성화(light-off)를 이점으로 하는 발열 반응을 생성하기 위한 공기 분사를 포함할 수 있다.
냉간 시동 및 워밍업 중의 엔진의 과잉 연료 공급이 종래의 엔진에서의 미연소 탄화수소 배기물의 중요한 원인이다. 또한, 촉매 변환기는 이 작동 기간 동안 저온이고 따라서 엔진 배기부를 통과하는 상당한 양의 미연소 탄화수소를 감소시키지 않는다는 사실이 문제를 심각하게 한다. 그 결과, 높은 엔진 유출(engine-out) 농도의 미연소 탄화수소가 촉매 변환기를 통해 실질적으로 반응하지 않고 통과되어 배기관으로부터 배출된다. 전형적인 현대식 승용차에 의해 생성되는 총 탄화수소 배기물의 80% 정도가, 엔진에 연료가 과잉 공급되고 촉매 변환기가 실질적으로 비활성 상태인 냉간 시동 및 워밍업 기간 중에 발생하는 것으로 추정된다.
시동 중에 배출되는 미연소 탄화수소의 비교적 큰 부분을 고려하여, 이 승용차 엔진 작동의 양태는 중요한 기술 개발 노력의 초점이 되어 왔다. 더욱이, 더욱 더 엄격한 배기 표준이 법률로 제정되고 소비자들은 가격 및 성능에 여전히 민감하기 때문에, 이들 개발 노력은 주안점으로 계속될 것이다. 종래의 엔진으로부터 시동 배기물을 감소하기 위한 이러한 노력은 일반적으로 2개의 카테고리, 즉 1) 3방향 촉매 시스템을 위한 워밍업 시간의 감소, 및 2) 연료 기화를 위한 기술의 개선으로 분류된다. 종래 3방향 촉매를 위한 워밍업 시간의 감소를 위한 노력은, 배기 온도를 상승시키기 위한 점화 시기의 지연, 배기 밸브의 조기 개방, 촉매의 전기적 가열, 촉매를 가열하는 버너 또는 화염, 및 촉매의 촉매 작용에 의한 가열을 포함한다. 전체적으로, 이들 노력은 비용이 많이 들고 냉간 시동 중의 및 직후의 HC 배기물을 대처하지 못한다.
연료 기화의 논점에 대처하기 위한 다양한 기술이 제안되어 있다. 연료 기화 기술을 제안하고 있는 미국 특허들은, 허드슨 2세(Hudson, Jr.) 등에 허여된 미국 특허 제5,195,477호, 클락(Clarke)에 허여된 미국 특허 제5,331,937호, 아스머스(Asmus)에 허여된 미국 특허 제4,88,032호, 루이스(Lewis) 등에 허여된 미국 특허 제4,955,351호, 오자(Oza)에 허여된 미국 특허 제4,458,655호, 쿡(Cooke)에 허여된 미국 특허 제6,189,518호, 헌트(Hunt)에 허여된 미국 특허 제5,482,023호, 헌트에 허여된 미국 특허 제6,109,247호, 아와자마니(Awarzamani) 등에 허여된 미국 특허 제6,067,970호, 크론(Krohn) 등에 허여된 미국 특허 제5,947,091호, 나인스(Nines)에 허여된 미국 특허 제5,758, 826호, 스링(Thring)에 허여된 미국 특허 제5,836,289호, 시카넥 2세(Cikanek, Jr.) 등에 허여된 미국 특허 제5,813,388호를 포함한다.
제안된 다른 연료 공급 장치는, 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 연료 계량 장치를 개시하고 있는 미국 특허 제3,716,416호를 포함한다. 연료 전지 시스템은 미리 결정된 레벨로 자체 조절되어 전력을 생성하도록 구성된다. 제안된 연료 계량 시스템은 후속의 연소를 위한 개선된 연료 준비를 제공하기보다는, 연료 전지의 전력 출력에 응답하여 연료 유동을 교축하기 위한 모세관 유동 제어 장치를 포함한다. 대신에, 연료는 H2로의 변환을 위해 연료 개질제로 공급되도록 의도되고 이어서 연료 전지로 공급된다. 바람직한 실시예에서, 모세관 튜브는 금속으로 제조되고, 모세관 자체는 연료 전지의 전압 출력부에 전기적으로 접촉하는 레지스터로서 사용된다. 증기의 유동 저항은 액체보다 크기 때문에, 유동은 전력 출력이 증가함에 따라 교축된다. 사용을 위해 제안된 연료는 열을 인가함으로써 액상으로부터 기상으로 용이하게 변환되고 모세관을 통해 자유롭게 유동하는 임의의 유체를 포함한다. 기화는 증기 로크(vapor lock)가 자동차 엔진 내에서 발생하는 방식으로 성취되는 것으로 판명된다.
미국 특허 제6,276,347호에는 액체의 분무화 또는 기화를 성취하기 위한 초임계 또는 근초임계(near-supercritical) 분무기 및 방법이 제안되어 있다. 미국 특허 제6,276,347호의 초임계 분무기는 통상적으로 가솔린을 연소하는 소형, 경량, 저압축비의 불꽃 점화 피스톤 엔진을 점화하기 위해 중유의 사용을 가능하게 한다고 기재되어 있다. 분무기는 그들의 초임계 온도를 향해 연료를 이동시키고 연료와 연관된 상 다이어그램에서의 가스 안정화 필드의 더 낮은 압력의 구역으로 연료를 방출시킴으로써 액체 또는 액상 연료로부터 미세 액적의 스프레이를 생성하여, 연료의 미세 분무화 또는 기화를 발생시키도록 구성된다. 연소 엔진, 과학적 설비, 화학 처리, 폐기물 폐기 제어, 세척, 에칭, 곤충 제어, 표면 개질, 가습 및 기화와 같은 적용에 대한 실용성이 개시되어 있다.
분해를 최소화하기 위해, 미국 특허 제6,276,347호에는 분무화를 위한 제한기의 말단부를 통과하기 전에 연료를 초임계 온도 이하로 유지하는 것을 제한하고 있다. 특정 적용에서, 단지 제한기의 팁만의 가열이 화학 반응 또는 침전의 가능성을 최소화하도록 요구된다. 이는 이외의 경우에 용액으로부터 배출되어 라인 및 필터를 폐색하는 경향이 있는 연료 스트림 내의 불순물, 반응물 또는 재료와 연관된 문제점을 감소시킨다고 기재되어 있다. 초임계 또는 근초임계 압력에서의 작동은, 연료 공급 시스템이 21.1 내지 56.2Kg/㎠(300 내지 800psi)의 범위에서 작동하는 것을 제안한다. 초임계 압력 및 온도의 사용은 분무기의 폐색을 감소시킬 수는 있지만, 이들 상승된 압력에서 작동하는 것이 가능한 비교적 더 고가의 연료 펌프, 뿐만 아니라 연료 라인, 피팅(fitting) 등의 사용을 필요로 하는 것으로 판명된다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 본 발명에 따른 액체 연료 기화용 연료 분사기는, 내연기관에 사용하기 위한 액체 연료를 기화하기 위한 연료 분사기로서,
(a) 입구 단부 및 출구 단부를 가지며, 세라믹, 폴리머, 금속 및 세라믹, 폴리머, 금속의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 단일체 본체 또는 다층 세라믹 본체 내에 형성된 채널을 포함하는 적어도 하나의 모세관 유동 통로;
(b) 상기 모세관 유동 통로의 입구 단부를 액체 연료 공급원과 유체 연통시키고 실질적으로 액체 상태로 액체 연료를 도입시키는 유체 제어 밸브; 및
(c) 상기 모세관 유동 통로를 따라 배열되고, 액체 상태로부터 증기 상태로 상기 액체 연료의 적어도 일부를 변화시키는데 충분한 레벨로 상기 모세관 유동 통로 내의 액체 연료를 가열하고 상기 모세관 유동 통로의 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 공급하도록 작동 가능한 열원을 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명에 따른 연료 시스템은, 내연기관에 사용하기 위한 연료 시스템으로서,
(a) (i) 입구 단부 및 출구 단부를 가지며, 세라믹, 폴리머, 금속 및 세라믹, 폴리머, 금속의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 단일체 본체 또는 다층 세라믹 본체 내에 형성된 채널을 포함하는 적어도 하나의 모세관 유동; (ⅱ) 상기 모세관 유동 통로의 입구 단부를 액체 연료 공급원과 유체 연통시키고 실질적으로 액체 상태로 액체 연료를 도입시키는 유체 제어 밸브; 및 (ⅲ) 상기 모세관 유동 통로를 따라 배열되고, 액체 상태로부터 증기 상태로 상기 액체 연료의 적어도 일부를 변화시키는데 충분한 레벨로 상기 모세관 유동 통로 내의 액체 연료를 가열하고 상기 모세관 유동 통로의 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 공급하도록 작동 가능한 열원을, 각각 포함하는 복수의 연료 분사기;
(b) 상기 복수의 연료 분사기와 유체 연통하는 액체 연료 공급 시스템; 및
(c) 상기 복수의 연료 분사기로의 연료의 공급을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명에 따른 내연기관에 연료를 공급하는 방법은,
(a) 연료 분사기의 적어도 하나의 모세관 유동 통로에 액체 연료를 공급하는 단계;
(b) 상기 적어도 하나의 모세관 유동 통로 내의 액체 연료를 가열함으로써 실질적으로 기화된 연료의 스트림이 상기 적어도 하나의 모세관 유동 통로의 출구를 통과하도록 하는 단계;
(c) 상기 내연기관의 연소 챔버에 기화된 연료를 공급하는 단계를 포함하고,
상기 모세관 유동 통로는 세라믹, 폴리머, 금속 및 세라믹, 폴리머, 금속의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 단일체 본체 또는 다층 세라믹 본체 내에 형성된 채널을 포함한다.
본 발명은 종래의 포트 연료 분사식, 하이브리드 전기식, 가솔린 직접 분사식, 및 알코올 연료식 엔진을 포함하는 다수의 구조에 이용될 수도 있는, 고압 연료 공급 시스템에 대한 필요성 없이 최소 전력 및 워밍업 시간을 요구하면서 기화된 연료를 공급할 수 있는 연료 분사기 및 공급 시스템을 제공한다.
이제, 예시적으로만 제공된 본 발명의 바람직한 형태를 참조하고, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 바람직한 형태에 따른 모세관 유동 통로를 포함하는 변형된 연료 분사기의 부분 단면도.
도 2는 다른 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 실시예의 측면도.
도 2a는 도 2에 도시된 실시예의 모세관의 출구의 등척도.
도 3은 다른 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 측면도.
도 3a는 도 3에 도시된 실시예의 모세관의 다른 출구 디자인의 등척도.
도 4는 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 또 다른 실시예의 측면도.
도 4a는 도 4에 도시된 실시예의 모세관의 다른 출구 디자인의 등척도.
도 5는 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 또 다른 실시예의 개략도.
도 6은 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 또 다른 실시예의 측면도.
도 7은 또 다른 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 단면도.
도 8은 또 다른 바람직한 형태에 따른 2중 분사기(dual injector)를 채용하는 다른 실시예의 측면도.
도 9는 부분 단면도로 도시된 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 측면도.
도 9a는 도 9에 도시된 실시예의 동일 부분의 확대도.
도 10은 부분 단면도로 도시된 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 측면도.
도 10a는 도 10에 도시된 실시예의 동일 부분의 확대도.
도 11은 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 또 다른 바람직한 형태의 측면도.
도 11a는 도 11에 도시된 실시예의 모세관의 다른 출구 디자인의 등척도.
도 12는 재순환된 배기 가스에 의해 가열된 모세관 통로를 갖는 연료 분사기의 다른 실시예의 측면도.
도 13은 바람직한 형태에 따른 연료 공급 및 제어 시스템의 개략도.
도 14는 본 발명의 연료 공급 장치를 사용하는 엔진의 시동의 최초 20초 동안의 엔진 파라미터를 설명하는 차트.
도 15는 종래의 포트 연료 분사기와 본 발명의 연료 공급 장치로부터의 엔진 배기물의 비교를 설명하는 차트.
도 16은 본 발명의 산화 세척 방법의 사용을 통해 성취되는 작동에 대한 이점을 도시하는 시간의 함수로서의 가솔린 질량 유동의 그래프.
도 17은 상업용 가솔린에 있어서의 연료 유량 대 시간의 그래프.
도 18은 다양한 가솔린을 비교하는 연료 유량 대 시간의 그래프.
도 19는 No.2 디젤 연료와 제트 연료를 비교하는 연료 유량 대 시간의 그래프.
도 20은 산화 세척의 효과를 도시하는 미첨가 디젤 연료에 있어서의 연료 유량 대 시간의 그래프.
도 21은 오염 방지 첨가제를 함유하는 디젤 연료와 미첨가 디젤 연료를 비교하는 연료 유량 대 시간의 그래프.
이하에서, 첨부된 도 1 내지 도 21 을 참조하여 실시예를 설명한다. 유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내는데 사용된다.
본 발명은 내연기관의 냉간 시동, 워밍업 및 정상 작동에 유용한 연료 준비 및 공급을 제공한다. 연료 시스템은 실질적으로 기화된 연료가 엔진 실린더 내로 공급되도록 액체 연료를 가열하는 것이 가능한 모세관 유동 통로를 갖는 연료 분사 기를 포함한다. 실질적으로 기화된 연료는 종래의 연료 분사기 시스템과 비교하여 감소된 배기물로 연소될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 연료 공급 시스템은 낮은 전력을 필요로 하고, 다른 기화 기술보다 짧은 워밍업 시간을 갖는다.
일반적으로, 가솔린은 낮은 온도에서 즉시 기화하지 않는다. 냉간 시동 및 워밍업 기간 중에, 비교적 적은 액체 연료의 기화가 발생한다. 이와 같이, 연소될 수 있는 공기/연료 혼합물을 성취하기 위해 엔진의 각각의 실린더로 과잉의 액체 연료를 제공해야 할 필요가 있다. 과잉의 액체 연료로부터 생성된 연료 증기의 점화시에, 실린더로부터 배출된 연소 가스는 미연소 연료 및 바람직하지 않은 기체 배기물을 포함한다. 그러나, 정상 작동 온도에 도달할 때, 액체 연료는 즉시 기화되어 즉시 연소될 수 있는 공기/연료 혼합물을 성취하는데 적은 연료가 요구된다. 유리하게는, 정상 작동 온도에 도달할 때, 공기/연료 혼합물은 이론비 또는 거의 이론비로 제어되어 미연소 탄화수소 및 일산화탄소의 배기물을 감소시킬 수 있다. 부가적으로, 연료 공급이 이론비 또는 거의 이론비로 제어되면, 단지 필요한 공기가 미연소 탄화수소 및 일산화탄소의 동시 산화 및 3방향 촉매(TWC)에 걸친 질소 산화물의 감소를 위해 배기 스트림 내에 이용 가능하다.
본 발명의 시스템 및 방법은 실질적으로 기화되어 있는 연료를 흡기 유동 통로 내로 또는 엔진 실린더 내로 직접 분사하여, 엔진의 시동 및 워밍업 기간 동안의 과잉 연료의 필요성을 제거한다. 연료는 이론 또는 공기, 또는 공기 및 희석제를 갖는 연료 희박(fuel-lean) 혼합물로 엔진으로 공급되어 실질적으로 모든 연료가 냉간 시동 및 워밍업 기간 중에 연소되는 것이 바람직하다
종래의 포트 연료 분사에서는, 과잉 연료 공급이 확고하고 신속한 엔진 시동을 보장하도록 요구되었다. 연료 과잉(fuel-rich) 조건 하에서, 3방향 촉매에 도달하는 배기 스트림은 촉매가 워밍업 함에 따라 과잉의 연료 및 미연소 탄화수소를 산화시키는데 충분한 공기를 함유하지 않는다. 이 문제점에 대처하기 위한 하나의 접근법은 촉매 변환기의 상류의 배기 스트림에 부가의 공기를 공급하도록 공기 펌프를 이용하는 것이다. 그 목적은 촉매가 그의 활성화 온도에 도달하면 촉매 표면 상에서 반응할 수 있는 이론 또는 근소한 연료 희박 배기 스트림을 생성하는 것이다. 대조적으로, 본 발명의 시스템 및 방법은 엔진이 냉간 시동 및 워밍업 기간 동안 이론 또는 심지어는 근소한 연료 희박 조건에서 작동할 수 있게 하여, 과잉 연료 공급이 필요성 및 부가의 배기 공기 펌프의 필요성 모두를 제거하고, 배기 후처리 시스템의 비용 및 복잡성을 감소시킨다.
상술한 바와 같이, 냉간 시동 및 워밍업 기간 동안, 3방향 촉매는 초기에는 저온이고 촉매를 통과하는 상당한 양의 미연소 탄화수소를 감소시키는 것이 불가능하다. 다수의 노력이 냉간 시동 및 워밍업 기간 동안 방출되는 미연소 탄화수소의 더 많은 부분을 변환하도록 3방향 촉매의 워밍업 시간의 감소에 전념되었다. 하나의 이러한 개념은 냉간 시동 및 워밍업 기간 동안 매우 연료 과잉 상태로 엔진을 의도적으로 작동시키는 것이다. 이 연료 과잉 배기 스트림에 공기를 공급하기 위해 배기 공기 펌프를 사용하여, 촉매 변환기의 상류의 또는 그 내부의 소정의 점화원에 의해 또는 자동 점화에 의해 연소되는 연소 가능 혼합물이 생성될 수 있다. 이 산화 프로세스에 의해 생성되는 발열은 배기 가스를 상당히 가열하고 열은 배기 가 촉매를 통과할 때 촉매 변환기로 대부분 전달된다. 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하여, 엔진은 공기 펌프의 필요성 없이 동일한 효과를 성취하기 위해 실린더를 연료 과잉 및 연료 희박 상태로 교번적으로 작동시키도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 4-실린더 엔진에서, 2개의 실린더는 배기 내에 미연소 탄화수소를 생성하도록 냉간 시동 및 워밍업 기간 동안 연료 과잉 상태로 작동할 수 있다. 2개의 나머지 실린더는 배기 스트림에 산소를 제공하도록 냉간 시동 및 워밍업 동안 연료 희박 상태로 작동할 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 가솔린 직접 분사식 엔진(GDI)에 또한 이용될 수도 있다. GDI 엔진에서, 연료는 점화 전에 공기 및 증발 연료의 미리 혼합된 충전물(charge)을 형성하도록 증발되어 공기와 혼합하는 미세하게 분무화된 스프레이로서 실린더 내로 직접 분사된다. 최신의 GDI 엔진은 연료 스프레이를 분무화하기 위해 높은 연료 압력을 요구한다. GDI 엔진은 종래의 직접 분사식 엔진에서 고유한 펌핑 손실을 감소시키도록 부분 부하에서 성층 충전으로 작동한다. 성층 충전, 불꽃 점화식 엔진은 개선된 연료 소비 및 감소된 배기물을 위해 희박 혼합물을 연소하는 가능성을 갖는다. 바람직하게는, 전체적인 희박 혼합물이 연소 챔버 내에 형성되지만, 점화시에 점화 플러그의 부근에는 이론 또는 근소한 연료 과잉 상태로 제어된다. 따라서, 이론 상태 부분은 용이하게 점화되고, 이는 이어서 잔여 희박 혼합물을 점화시킨다. 펌핑 손실이 감소될 수 있지만, 성층 충전에 현재 이용 가능한 작동 윈도우는 낮은 엔진 속도 및 비교적 경량의 엔진 부하에 제한된다. 제한 팩터는 높은 엔진 속도에서의 혼합 및 기화를 위한 불충분한 시간과, 높은 부하 에서의 불충분한 혼합 또는 열악한 공기 이용을 포함한다. 기화된 연료를 제공함으로써, 본 발명의 시스템 및 방법은 성층 충전 작동을 위한 작동 윈도우를 확장시켜, 기화 및 혼합을 위한 불충분한 시간과 관련된 문제점을 해결할 수 있다. 유리하게는, 종래의 GDI 연료 시스템과는 달리, 본 발명의 실시에 채용되는 연료 압력이 낮아져, 연료 시스템의 전체 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 압력 하에서 액체 연료를 공급하는 가압 액체 연료 공급원, 액체 연료 공급원에 연결된 적어도 하나의 모세관 유동 통로, 및 적어도 하나의 모세관 유동 통로를 따라 배열된 열원을 포함하는 내연기관용 연료 공급 장치를 제공한다. 열원은 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 충분히 공급하기 위해 적어도 하나의 모세관 유동 통로 내의 액체 연료를 가열하도록 작동 가능하다. 연료 공급 장치는 내연기관의 시동, 워밍업 및 다른 작동 조건 중에 내연기관의 하나 이상의 연소 챔버에 기화된 연료의 스트림을 공급하도록 작동되는 것이 바람직하다. 원한다면, 적어도 하나의 모세관 유동 통로는 정상 작동 조건 하에서 엔진에 액체 연료를 공급하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 모세관 유동 통로에 가압 액체 연료를 공급하는 단계와, 내연기관의 시동, 워밍업 및 다른 작동 조건 중에 내연기관의 적어도 하나의 연소 챔버에 기화된 연료의 스트림이 충분히 공급될 수 있도록 적어도 하나의 모세관 유동 통로 내의 가압 액체 연료를 가열하는 단계를 포함하는 내연기관에 연료를 공급하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 연료 공급 시스템은, 연소를 위해 엔진 내로 분사되기 전에 가압 연료가 그를 통해 유동하는 적어도 하나의 모세관-크기 유동 통로를 포함한다. 모세관 크기의 유동 통로는 바람직하게는 2mm 미만, 더욱 바람직하게는 1mm 미만, 가장 바람직하게는 0.5mm 미만인 유압 직경을 구비할 수 있다. 유압 직경은 유체 운반 요소를 통하는 유체 유동을 계산하는데 사용된다. 유압 반경은 유체와 접촉하는 고체 경계의 주변 길이(perimeter)[일반적으로 "접수(wetted)" 주변 길이라 칭함]에 의해 분할된 유체 운반 요소의 유동 영역으로서 정의된다. 원형 단면의 유체 운반 요소의 경우, 유압 반경은 요소가 완전히 유동할 때 (πD2/4)/πD=D/4이다. 비원형 유체 운반 요소에서의 유체의 유동의 경우, 유압 직경이 사용된다. 유압 반경의 정의로부터, 원형 단면을 갖는 유체 운반 요소의 직경은 그의 유압 반경의 4배이다. 따라서, 유압 직경은 유압 반경의 4배로서 정의된다.
열이 모세관 통로를 따라 인가되어, 유동 통로로 유입되는 액체 연료의 적어도 일부가 통로를 따라 이동할 때 증기로 변환되게 한다. 연료는 기화되지 않은 소수의 비율의 가열된 액체 연료를 선택적으로 함유하는 증기로서 모세관 통로로부터 유출된다. 실질적으로 기화되는 것은, 액체 연료의 체적의 적어도 50%가 열원에 의해 기화되는, 더욱 바람직하게는 적어도 70%, 가장 바람직하게는 액체 연료의 적어도 80%가 기화되는 것을 의미한다. 발생하는 복잡한 물리적 영향들에 기인하여 100% 기화를 성취하는 것이 곤란할 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 완전한 기화가 바람직할 수 있다. 이들 복잡한 물리적 영향들은 비등점이 압력 의존성이고 압력은 모세관 유동 통로에서 변화될 수 있기 때문에 연료의 비등점에서의 편차를 포함한다. 따라서, 연료의 대부분이 모세관 유동 통로 내에서 가열 중에 비등점에 도달한 것으로 고려되더라도, 액체 연료의 일부가 기화된 액체와 함께 모세관 유동 통로의 출구를 통과하는 것에 의해 액체 연료의 일부는 완전히 기화되도록 충분히 가열되지 않을 수도 있다.
모세관 크기의 유체 통로는 단일 또는 다층 금속, 세라믹 또는 글래스 본체와 같은 모세관 본체에 형성되는 것이 바람직하다. 통로는, 그 중 하나 또는 모두가 모세관 본체의 외부로 개방될 수도 있거나 또는 동일한 본체 또는 다른 본체 내의 다른 통로, 또는 피팅에 연결될 수도 있는 입구 및 출구로의 포위 체적 개구를 갖는다. 가열기는 스테인레스 강관의 섹션과 같은 본체의 일부로 형성될 수 있고, 또는 가열기는 모세관 본체 내에 또는 그 상부에 합체된 저항 가열 재료의 와이어 또는 개별층일 수 있다. 유체 통로는 그를 통해 유체가 통과될 수도 있는 입구 및 출구로의 포위 체적 개구를 포함하는 임의의 형상일 수도 있다. 유체 통로는 균일한 직경의 원인 바람직한 단면을 갖는 임의의 소정의 단면을 가질 수도 있다. 다른 모세관 유체 통로 단면은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 다른 단면과 같은 비원형 형상을 포함하고 유체 통로의 단면은 균일할 필요는 없다. 유체 통로는 직선형 또는 비직선형으로 연장될 수 있고, 단일 유체 통로 또는 다중 경로 유체 통로일 수도 있다. 모세관 통로가 금속 모세관 튜브에 의해 규정되는 경우, 튜브는 0.01 내지 3mm, 바람직하게는 0.1 내지 1mm, 가장 바람직하게는 0.15 내지 0.5mm의 내경을 가질 수 있다. 대안적으로, 모세관 통로는 8×10-5 내지 7㎟, 바람직하게는 8×10-3 내지 8×10-1㎟, 더욱 바람직하게는 2×10-3 내지 2×10-1㎟ 일 수 있는 통로의 횡단면적에 의해 규정될 수 있다. 단일 또는 다중 모세관, 다양한 압력, 다양한 모세관 길이, 모세관에 인가된 열량, 및 상이한 단면적의 다수의 조합이 소정 적용에 적합할 수 있다.
액체 연료는 적어도 0.7kg/㎠(10psig), 바람직하게는 적어도 1.4kg/㎠(20psig)의 압력하에서 모세관 유동 통로에 공급될 수 있다. 모세관 유동 통로가 대략 0.051cm(0.020in)의 내경 및 대략 15.2cm(5in)의 길이를 갖는 스테인레스 강관의 내부에 의해 규정되는 경우, 연료는 통상의 크기의 자동차 엔진 실린더(100 내지 200mg/s 정도)의 이론 상태 시동에 요구되는 질량 유량을 성취하기 위해 7kg/㎠(100psig)의 압력에서 모세관 통로에 공급되는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 통로가, 바람직하지 않은 높은 레벨의 미연소 탄화수소 또는 다른 배기물을 생성하지 않고 엔진의 실린더(들) 내에서 점화되어 연소될 수 있는 연료 및 공기의 이론 또는 거의 이론 혼합물을 보장하기 위해 실질적으로 기화된 연료의 충분한 유동을 제공한다. 모세관 튜브는 또한, 모세관 통로가 엔진의 냉간 시동과 관련된 적용에서 이점이 있는 매우 신속한, 바람직하게는 2.0초 이내, 더욱 바람직하게는 0.5초 이내, 가장 바람직하게는 0.1초 이내로 연료를 기화하기 위한 소정의 온도까지 도달할 수 있도록, 낮은 열 관성을 갖는 것을 특징으로 한다. 낮은 열 관성은 또한, 엔진 동력 요구의 급격한 변화에 대한 연료 공급의 응답성을 향상시키는 등에 의해 엔진의 정상 작동 중에 장점을 제공할 수 있다.
가열된 모세관 통로 내의 액체 연료의 기화 중에, 탄소 및/또는 대량의 탄화수소의 적층물이 모세관 벽에 축적될 수 있고 최종적으로 모세관 유동 통로의 폐색을 유도할 수 있는 연료의 유동이 엄격하게 규제될 수 있다. 이들 적층물이 축적되는 속도는 모세관 벽 온도, 연료 유량 및 연료 유형의 함수이다. 연료 첨가제는 이러한 적층물을 감소시키는데 유용할 수도 있는 것으로 고려된다. 그러나, 폐색이 전개되면, 이러한 폐색은 적층물을 산화함으로써 해소될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액체 연료 공급원으로부터 흡인된 액체 연료를 기화하기 위한 연료 분사기(10)를 나타낸다. 연료 분사기(10)는 입구 단부(14) 및 출구 단부(16)를 갖는 모세관 유동 통로(12)를 포함한다. 유체 제어 밸브(18)가 액체 연료 공급원(F)과 모세관 유동 통로(12)의 입구 단부(14)를 유체 연통시키고 모세관 유동 통로(12) 내로 실질적으로 액체 상태인 액체 연료를 도입하기 위해 제공된다.
바람직한 바와 같이, 유체 제어 밸브(18)는 솔레노이드(28)에 의해 작동될 수도 있다. 솔레노이드(28)는 전기 커넥터(30)에 접속된 코일 권선(32)을 갖는다. 코일 권선(32)이 여기될 때, 솔레노이드 소자(36)는 코일 권선(32)의 중심 내로 견인된다. 전기가 코일 권선(32)으로부터 차단되면, 스프링(38)은 그의 원래 위치로 솔레노이드 소자를 복귀시킨다. 핀틀(pintle)(40)이 솔레노이드 소자(36)에 접속된다. 코일 권선(32)에 전기를 인가함으로써 발생되는 솔레노이드 소자(36)의 모멘트는 핀틀을 오리피스(42)로부터 이격 견인하여 오리피스(42)를 통해 연료를 유동시킨다.
열원(20)이 모세관 유동 통로(12)를 따라 배열된다. 가장 바람직한 바와 같이, 열원(20)은 전기 저항 재료의 튜브로부터 모세관 유동 통로(12)를 형성함으로써 제공되고, 모세관 유동 통로(12)의 부분은 전류원이 그를 통해 전류를 공급하기 위해 접속부(22, 24)에서 튜브에 접속되면 가열기 소자를 형성한다. 다음, 이해될 수 있는 바와 같이, 열원(20)은 액체 상태로부터 증기 상태로 그의 적어도 일부를 변화시키기에 충분한 레벨로 모세관 유동 통로(12) 내의 액체 연료를 가열하고 모세관 유동 통로(12)의 출구 단부(16)로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 공급하도록 작동 가능하다.
연료 분사기(10)는 또한 연료 분사기(10)의 작동 중에 형성된 적층물을 세척하기 위한 수단을 포함한다. 도 1에 도시된 적층물 세척 수단은 유체 제어 밸브(18), 열원(20) 및 산화제(C)의 소스와 유체 연통하여 모세관 유동 통로(12)를 배치하기 위한 산화제 제어 밸브(26)를 포함한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 산화제 제어 밸브는 모세관 유동 통로(12)의 양 단부에 또는 양 단부에 인접하여 위치되거나 또는 모세관 유동 통로(12)의 양 단부와 유체 연통하도록 구성될 수 있다. 산화제 제어 밸브가 모세관 유동 통로(12)의 출구 단부(16)에 또는 그에 인접하여 위치되면, 이는 모세관 유동 통로(12)의 출구 단부(16)와 유체 연통하여 산화제(C)의 소스를 배치시키는 기능을 한다. 작동시에, 열원(20)은 액체 연료(F)의 가열 중에 형성된 적층물을 산화시키기에 충분한 레벨로 모세관 유동 통로(12) 내의 산화제를 가열하는데 사용된다. 일 실시예에서, 연료 공급 모드로부터 세척 모드로 전환하기 위해, 산화제 제어 밸브(26)는 모세관 유동 통로(12) 내로의 액체 연료(F)의 도입과 산화제(C)의 도입을 교대로 수행하고 산화제가 적어도 하나의 모세관 유동 통로 내로 도입될 때 모세관 유동 통로(12)의 제자리에서의 세척을 가능하게 하도록 작동 가능하다.
적층물을 산화하기 위한 하나의 기술은 모세관을 통해 공기 또는 스팀을 통과시키는 것을 포함한다. 유동 통로는, 적층물이 소비될 때까지 산화 프로세스가 초기화되어 양성되도록 세척 작동 중에 가열되는 것이 바람직하다. 이 세척 작동을 향상시키기 위해, 세척을 성취하기 위해 요구되는 온도 및/또는 시간을 감소시키도록 촉매 물질이 모세관 벽 상의 코팅으로서 그의 부품으로서 채용될 수도 있다. 연료 공급 시스템의 연속적인 작동을 위해, 폐색 상태가 센서의 사용 등에 의해 검출될 때 연료 유동이 다른 모세관 유동 통로로 전환되고 산화제 유동이 세척될 폐색된 모세관 유동 통로를 통해 초기화될 수 있도록, 하나 이상의 모세관 유동 통로가 사용될 수 있다. 일례로서, 모세관 본체는 내부에 복수의 모세관 유동 통로를 포함할 수 있고, 밸브 장치가 각각의 유동 통로에 액체 연료 또는 공기를 선택적으로 공급하도록 제공될 수 있다.
대안적으로, 연료 유동은 미리 설정된 간격으로 초기화된 모세관 유동 통로 및 산화제 유동으로부터 전환될 수 있다. 모세관 유동 통로로의 연료 공급은 제어기에 의해 실행될 수 있다. 예를 들면, 제어기는 미리 설정된 시간 기간 동안 연료 공급을 활성화하고 미리 설정된 양의 시간 후에 연료 공급을 비활성화할 수 있다. 제어기는 또한 하나 이상의 감지된 조건에 기초하여 모세관 유동 통로에 공급된 열량 및/또는 액체 연료의 압력의 조절을 실행할 수도 있다. 감지된 조건은 특 히 연료 압력, 모세관 온도, 및 공기 연료 혼합물을 포함할 수도 있다. 제어기는 또한 설비에 부착된 다중의 연료 공급 장치를 제어할 수도 있다. 제어기는 또한 그로부터 폐색물 또는 적층물을 제거하도록 하나 이상의 모세관 유동 통로를 제어할 수도 있다. 예를 들면, 모세관 유동 통로의 세척은 모세관 유동 통로에 열을 인가하고 모세관 유동 통로에 산화제 소스의 유동을 공급함으로써 성취될 수 있다.
가열된 모세관 유동 통로(12)는 본 발명에 따르면, 통상적으로 에어로졸이라 칭하는 기화된 연료의 혼합물, 연료 액적, 및 공기의 혼합물을 형성하도록 공기 내에서 응축되는 연료의 기화된 스트림을 생성할 수 있다. 150 내지 200㎛ 사우터 평균 입경(Sauter Mean Diameter; SMD)의 범위의 액적으로 구성된 연료 스프레이를 공급하는 종래의 자동차 포트 연료 분사기와 비교할 때, 에어로졸은 25㎛ SMD 미만, 바람직하게는 15㎛ SMD 미만의 평균 액적 크기를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 가열된 모세관에 의해 생성된 연료 액적의 대부분은 유동 경로와 무관하게 연소 챔버 내로 공기 스트림에 의해 운반될 수 있다.
종래의 분사기와 본 발명에 따른 가열된 모세관 유동 통로의 액적 크기 분포 사이의 차이는 냉간 시동 및 워밍업 상태 동안 특히 중요하다. 구체적으로, 종래의 포트 연료 분사기를 사용하면, 비교적 저온의 흡기 매니폴드 부품은 흡기 부품에 충돌하는 대량의 연료 액적의 충분한 부분이 점화 가능한 연료/공기 혼합물을 생성하기 위해 기화되도록 과잉 연료 공급을 필요로 한다. 반대로, 본 발명의 연료 분사기에 의해 생성된 기화된 연료 및 미세 액적은 시동 시에 엔진 부품의 온도에 의해 본질적으로 영향을 받지 않고, 이와 같이 엔진 시동 조건 동안 과잉 연료 공급의 필요성을 제거한다. 본 발명의 가열된 모세관 분사기의 사용을 통해 얻어진 엔진의 공연비에 걸친 더욱 정밀한 제어와 조합된 과잉 연료 공급의 제거는 종래의 연료 분사기 시스템을 채용하는 엔진에 의해 생성된 것과 비교할 때 매우 감소된 냉간 시동 배기물을 발생시킨다. 과잉 연료 공급의 감소에 부가하여, 또한 본 발명에 따른 가열된 모세관 분사기는 냉간 시동 및 워밍업 동안 연료 희박 작동을 가능하게 하고, 이는 촉매 변환기가 워밍업하는 동안 배기관 배기물의 상당한 감소를 유도한다는 것을 주목해야 한다.
도 1을 계속 참조하면, 모세관 유동 통로(12)는 스테인레스강 모세관 튜브와 같은 금속 튜브와, 그를 통해 전류가 통과되는 소정 길이의 튜브(20)를 구비하는 가열기를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 모세관 튜브는 대략 0.051 내지 0.076cm(0.020 내지 0.030in)의 내경, 대략 5.08 내지 25.4cm(2 내지 10in)의 가열 길이를 구비하고, 연료는 7.0kg/㎠(100psig) 미만, 바람직하게는 4.9kg/㎠(70psig) 미만, 더욱 바람직하게는 4.2kg/㎠(60psig) 미만, 더욱 더 바람직하게는 3.1kg/㎠(45psig) 이하의 압력에서 튜브(12)에 공급될 수 있다. 본 실시예는 기화된 연료가 주위 온도에서 공기 내에서 응축될 때 대부분 5 내지 15㎛ SMD의 평균 액적 크기를 갖는 2 내지 30㎛ SMD의 크기의 범위인 에어로졸 액적의 분포를 형성하는 기화된 연료를 생성하는 것으로 도시되어 있다. 냉간 시동 온도에서 급속하고 거의 완전한 기화를 성취하기 위한 연료 액적의 바람직한 크기는 약 25㎛ 미만이다. 이 결과는 대략 10.2 내지 40.8kg/sec(100 내지 400W), 예를 들면 기화된 연료의 에너지 함량의 2 내지 3%에 대응하는 20.4kg/sec(200W)의 전력을 15.24cm (6in) 스테인 레스강 모세관 튜브에 인가함으로써 성취될 수 있다. 전력은 스테인레스강과 같은 전기 도전성 재료로 튜브를 전적으로 형성하거나, 또는 튜브 또는 적층체 상에 저항 가열기를 형성하도록 전기 저항 재료를 적층하거나 코팅하는 등에 의해 내부에 유동 통로를 갖는 비전기 도전성 튜브 또는 적층체의 적어도 일부에 걸쳐 도전성 재료를 제공함으로써 모세관 튜브에 인가될 수 있다. 전기 도선이 그 길이를 따라 튜브를 가열하기 위해 가열기에 전류를 공급하도록 전기 도전성 재료에 접속될 수 있다. 그의 길이를 따라 튜브를 가열하기 위한 대안은 유동 통로 둘레에 위치된 전기 코일 또는 전도, 대류 또는 복사 열 전달 중 하나 또는 조합을 통해 소정 길이의 유동 통로를 가열하기 위해 유동 통로에 대해 위치된 다른 열원에 의한 유도 가열을 포함할 수 있다.
바람직한 모세관 튜브는 대략 15.2cm(6in)의 가열 길이 및 대략 0.051cm (0.020in)의 내경을 갖지만, 다른 모세관 형상이 허용 가능한 증기 품질을 제공한다. 예를 들면, 내경은 0.05 내지 0.08cm(0.02 내지 0.03in)의 범위일 수 있고 모세관 튜브의 가열부는 2.5 내지 25.4cm(1 내지 10in)의 범위일 수 있다. 냉간 시동 및 워밍업 후에, 미가열 모세관 튜브가 정상 온도에서 작동하는 엔진에 적절한 액체 연료를 공급하는데 사용될 수 있도록 모세관 튜브를 가열하는 것이 불필요하다.
본 발명에 따른 연료 모세관으로부터 유출되는 기화된 연료는 현존하는 포트 연료 분사기와 동일한 위치 또는 흡기 매니폴드를 따르는 다른 위치에서 엔진 흡기 매니폴드 내로 분사될 수 있다. 그러나, 원한다면, 연료 모세관은 엔진의 각각의 실린더 내로 직접 기화된 연료를 공급하도록 배열될 수 있다. 연료 모세관은 엔진을 시동하는 동안 폐쇄된 흡기 밸브의 후방면에 대해 분사되어야 하는 연료의 더 큰 액적을 생성하는 시스템에 비해 장점을 제공한다. 바람직하게는, 연료 모세관 튜브의 출구는 종래의 연료 분사기의 출구의 배열과 유사한 흡기 매니폴드 벽과 동일 높이에 위치된다.
엔진의 시동으로부터 대략 20초(또는 바람직하게는 그 이하) 후에, 모세관 유동 통로(12)를 가열하는데 사용된 전력이 턴 오프되고 정상 엔진 작동을 위해 종래의 연료 분사기를 사용하여 액체 분사가 초기화된다. 정상 엔진 작동은 대안적으로 연속 분사 또는 가능하게는 펄스식 분사에 의해 미가열 모세관 유동 통로(12)를 통하는 액체 연료 분사에 의해 수행될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 연료 분사기(100)는 모세관 유동 통로(112)를 갖는다. 모세관 유동 통로(112)는 도 1에 도시된 바와 유사한 방식으로 전기 접속부에 의해 규정된 가열 길이(20)를 따라 가열된다. 모세관 유동 통로(112)는 도 2a에 도시된 바와 같이 전개형 단부(flared end)(150)를 덮는 플레이트(154)에 복수의 천공부(152)를 갖는 전개형 단부(150)를 구비한다. 연료 분사기(100)는, 모세관 유동 통로(112)로의 가압 액체 연료의 공급을 허용하는 도 1에 도시되고 상술된 유형의 솔레노이드 밸브와 같은 유체 제어 밸브를 포함할 수 있다. 엔진이 충분히 워밍업된 후에, 모세관 유동 통로(112)의 가열은 종료될 수 있고 액체 연료는 모세관 유동 통로(112)를 통해 공급될 수 있다.
이제, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 3 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 연료 분사기(200)는 모세관 유동 통로(212)를 갖고 도시되어 있다. 모세관 유동 통로(212)는 도 1에 도시된 바와 유사한 방식으로 전기 접속부에 의해 규정된 가열 길이(220)를 따라 가열된다. 모세관 유동 통로(212)는 도 3a에 도시된 바와 같이 편평 단부(250)를 덮는 플레이트(254)에 복수의 천공부(252)를 갖는 편평 단부(250)를 구비한다. 연료 분사기(200)는, 모세관 유동 통로(212)로의 가압 액체 연료의 공급을 허용하는 도 1에 도시되고 상술한 유형의 솔레노이드 밸브와 같은 유체 제어 밸브를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 복수의 연료 분사기(200)를 이용하는 엔진이 충분히 워밍업된 후, 모세관 유동 통로(212)의 가열은 종료될 수 있고 액체 연료가 모세관 유동 통로(212)를 통해 공급될 수 있다. 분사기(200)는 상술한 산화 기술의 사용에 의해 세척될 수 있는 것이 바람직하다.
이제, 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 4 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 모세관 유동 통로(312)를 갖는 연료 분사기(300)가 도시되어 있다. 모세관 유동 통로(312)는 도 1에 도시된 바와 유사한 방식으로 전기 접속부에 의해 규정된 가열 길이(320)를 따라 가열된다. 모세관 유동 통로(312)는 도 4a에 도시된 바와 같이 원추형 단부(350)를 덮는 원추형 플레이트(354)에 복수의 천공부(352)를 갖는 원추형 단부(350)를 구비한다. 연료 분사기(300)는, 모세관 유동 통로(312)로의 가압 액체 연료의 공급을 허용하는 도 1에 도시되고 상술된 유형의 솔레노이드 밸브와 같은 유체 제어 밸브를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 복수의 연료 분사기(300)를 이용하는 엔진이 충분히 워밍업된 후, 모세관 유동 통로(312)의 가열이 종 료될 수 있고 액체 연료는 모세관 유동 통로(212)를 통해 공급될 수 있다. 분사기(300)는 상술된 산화 기술의 사용에 의해 세척될 수 있는 것이 바람직하다.
이제, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 2중 연료 분사기(400)가 도시되어 있다. 도 5는 종래의 유형의 연료 분사기(460) 및 가열된 모세관 분사기(410)를 포함할 수도 있는 2중 기능 연료 분사기(400)를 도시한다. 본 실시예에서, 가열된 모세관 유동 통로(412)는 연료 분사기(400) 내에 일체화된다. 엔진 시동으로부터 약 20초, 또는 그 이하의 시간 후에, 모세관 분사기(410)는 솔레노이드 작동식 플런저(436)를 경유하여 비활성화되고 종래의 분사기(460)는 엔진의 연속 작동을 위해 다른 솔레노이드 작동식 플런저(470)를 경유하여 활성화될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예는 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 연료 분사기(500)는 가열된 모세관 유동 통로(512) 및 액체 연료 분사기 노즐(560)을 구비할 수도 있다. 연료 유동은 도 6에 도시된 바와 같이 기화된 연료를 제공하기 위해 가열된 모세관 유동 통로(512) 또는 밸브 장치(540)의 사용에 의해 액체 연료를 제공하기 위해 노즐(560)로 선택적으로 지향될 수 있다. 엔진의 시동으로부터 대략 20초, 또는 그 이하의 시간 후에, 연료 유동은 엔진의 정상 작동을 위한 밸브 장치(540)에 의해 모세관 유동 통로(512)로부터 액체 유동 노즐(560)로 전환될 수 있다. 밸브 장치(540)는 전자식 엔진 제어 시스템의 부분을 형성하는 제어기에 의해 작동될 수 있다.
이제, 도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 연료 분사기(600)는 도 7에 도시된 바와 같이 연료 분사기(600)의 내부에, 권취되어 있 는 나선형 가열된 모세관 유동 통로(612)를 갖는다. 본 실시예에서, 모세관 유동 통로(612)는 솔레노이드 조립체(628)의 둘레에 권취되고, 전기 접속부(622, 624)에 의해 규정된 가열 길이(620)를 따라 가열된다. 본 실시예는 공간이 한정되고 선형 모세관 튜브가 가능하지 않은 경우에 유용하다. 게다가, 본 실시예는 정상 작동 조건 중에 엔진에 연료를 공급하기 위한 종래의 연료 분사기(도 8 참조)와 함께 사용하기 위해 적응될 수 있다.
이제, 도 8을 참조하면, 엔진 흡기 포트(700)는 가열된 모세관 분사기(10)(도 1을 참조하여 설명된 유형) 및 종래의 액체 연료 분사기(750)를 구비한다. 본 실시예에서, 연료는 엔진의 냉간 시동 및 워밍업 동안 그의 길이(20)를 따라 가열된 모세관 유동 통로(12)에 의해 엔진에 공급될 수 있다. 엔진 시동으로부터 대략 최초 20초, 또는 그 이하의 시간 후에, 가열된 모세관 분사기(10)는 비활성화될 수 있고, 종래의 연료 분사기(750)는 엔진의 정상 작동 동안 활성화된다.
이해될 수 있는 바와 같이, 도 1 내지 도 4 및 도 7에 도시된 연료 준비 및 공급을 위한 장치 및 시스템은 또한 본 발명의 다른 실시예와 연관하여 사용될 수도 있다. 도 1을 재차 참조하면, 적층물 세척 수단은 유체 제어 밸브(18), 모세관 유동 통로(12)를 용제와 유체 연통하여 배치하기 위한 용제 제어 밸브(26)를 포함하고, 용제 제어 밸브(26)는 모세관 유동 통로(12)의 일 단부에 배치된다. 용제 세척을 채용하는 장치의 일 실시예에서, 용제 제어 밸브(26)(상술된 산화 세척 기술을 채용하는 바람직한 형태의 산화제 제어 밸브)는 모세관 유동 통로(12) 내로의 액체 연료의 도입 및 용제의 도입을 교대로 수행하도록 작동 가능하여, 용제가 모 세관 유동 통로(12) 내로 도입될 때 모세관 유동 통로(12)의 제자리에서의 세척을 가능하게 한다. 광범위한 용제가 유용성을 갖지만, 용제는 액체 연료 공급원으로부터의 액체 연료를 포함할 수도 있다. 이 경우에, 용제 제어 밸브가 요구되지 않는데, 이는 연료와 용제를 교대로 공급할 필요가 없기 때문이며, 열원이 모세관 유동 통로(12)의 세척 중에 시간 경과에 따라 단계적으로 정지(phased-out)하거나 비활성화되어야 한다.
본 발명의 다른 실시예는 도 9의 부분 단면도에 도시되어 있다. 내연기관에 연료를 공급하기 위한 가열된 모세관 유동 통로 튜브(812)를 갖는 연료 분사기(800)가 도 9에 도시되어 있다. 내연기관에 연료를 공급하기 위한 튜브의 상세는 도 9a에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 축방향 가동 로드(850)가 모세관 유동 통로(812)의 내부에 위치된다. 모세관 유동 통로(812)의 말단부(816)는 전개형이고 축방향 가동 로드(850)의 말단부(852)는 밸브(854)를 형성하도록 테이퍼지며, 여기서 로드(850)의 축방향 이동이 밸브(854)를 개폐한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 축방향 가동 로드(850)의 반복 이동이 본 발명의 연료 분사기의 작동 중에 형성된 적층물을 마찰 제거하기 위해 실행된다.
이제, 도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예가 부분 단면도로 도시된다. 내연기관에 연료를 공급하기 위한 가열된 모세관 유동 통로 튜브(912)를 갖는 연료 분사기(900)가 도 10에 도시되어 있다. 내연기관에 연료를 공급하기 위한 튜브의 상세는 도 10a에 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 축방향 가동 로드(950)가 모세관 유동 통로(912)의 내부에 위치된다. 모세관 유동 통로(912)의 말단부 (916)는 전개형이고 축방향 가동 로드(950)의 말단부(952)는 밸브(954)를 형성하도록 테이퍼지며, 여기서 로드(950)의 축방향 이동은 밸브(954)를 개폐한다. 모세관 유동 통로(912)의 내부에 또한 배열된 복수의 브러시(960)는 모세관 유동 통로(912)를 세척하기 위해 축방향 가동 로드(950)를 따라 배열된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 축방향 가동 로드(950)의 반복 이동은 본 발명의 연료 분사기의 작동 중에 형성된 적층물을 마찰 제거하기 위해 실행된다.
이제, 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 예시적인 실시예가 부분 단면도로 도시되어 있다. 연료 분사기(1000)는 내연기관에 연료를 공급하기 위해 평행하게 배열된 다수의 모세관(1012)을 갖는다. 본 실시예에서, 연료는 특정 엔진 작동 기간(예를 들면, 냉간 시동, 워밍업 및 가속 상태) 동안에 도 1에 도시된 바와 유사한 방식으로 전기 접속부에 의해 규정된 그의 길이(1020)를 따라 가열된 모세관 유동 통로(1012) 중 하나 이상에 의해 엔진에 공급될 수 있다. 더 적은 기화된 연료가 미연소 탄화수소의 감소를 위해 요구되기 때문에 이 형태의 하나 이상의 모세관에 대한 가열은 비활성화될 수 있다.
도 12는 모세관 유동 통로(12)를 갖는 연료 분사기(10)가 어떠한 방식으로 배열되어 그를 통해 진행하는 액체 연료가 연료 기화 저항 가열기(20)의 전력 요구를 감소시키도록 재순환 배기 가스(EGR)의 사용을 통해 상승된 온도로 가열될 수 있는지를 단순한 형태로 도시한다. 도시된 바와 같이, 모세관 유동 통로(12)는 가열을 위해 EGR 통로(1100)를 통과한다. 초기 엔진 시동 동안, 모세관 유동 통로(12)의 섹션 또는 개별 저항 가열기를 포함하는 저항 가열기(20)가 액체 연료(F)를 초기에 기화하도록 배터리와 같은 전원에 접속된다. 작동의 약 20초 후에, 모세관 유동 통로(12)는 이외의 경우에 저항 가열기(20)에 의해 연료의 연속적인 기화를 위해 요구되는 전력을 감소시키도록 EGR의 열에 의해 가열될 수 있다. 따라서, 모세관 유동 통로(12) 내의 연료는 전력이 보존될 수 있도록 저항 가열기(20)를 사용하지 않고 기화될 수 있다.
도 13은 액체 연료 공급원(2010) 및 액체 연료 분사 경로(2260)와 유체 연통하는 액체 연료 공급 밸브(2220), 액체 연료 공급원(2010) 및 모세관 유동 통로(2080)와 유체 연통하는 기화 연료 공급 밸브(2210), 및 산화 가스 공급원(2070) 및 모세관 유동 통로(2080)와 유체 연통하는 산화 가스 공급 밸브(2020)를 구비하는 내연기관(2110)을 작동하는데 사용되는 제어 시스템(2000)의 예시적인 개략도를 도시한다. 제어 시스템은 엔진 속도 센서(2060), 흡기 매니폴드 공기 열전대(2062), 냉각수 온도 센서(2064), 배기 공연비 센서(2150), 연료 공급 압력(2012) 등과 같은 다양한 엔진 센서로부터의 복수의 입력 신호를 통상적으로 수신하는 제어기(2050)를 포함한다. 작동시에, 제어기(2050)는 하나 이상의 입력 신호에 기초하여 제어 알고리즘을 실행하고 이어서 본 발명에 따라 폐색된 모세관 통로를 세척하기 위한 산화제 공급 밸브(2020)에 대한 출력 신호(2024), 액체 연료 공급 밸브(2220)에 대한 출력 신호(2014), 기화 연료 공급 밸브(2210)에 대한 출력 신호(2034), 및 모세관(2080)을 가열하기 위한 전력을 공급하는 전원에 대한 가열 전력 명령(2044)을 생성한다.
작동시에, 본 발명에 따른 시스템은 배기 가스 재순환 가열의 사용을 통해 연소 중에 생성된 열을 피드백하도록 구성될 수 있어, 액체 연료는 모세관 유동 통로(2080)를 통과하여 전기적으로 또는 다른 방식으로 모세관 유동 통로(2080)를 가열하기 위한 필요성을 감소시키거나 제거하거나 보충함에 따라 액체 연료를 실질적으로 기화하기에 충분하게 가열된다.
예
예 1
JP8 제트 연료가 마이크로 다이어프램 펌프 시스템에 의해 일정 압력에서 가열된 모세관 유동 통로에 연료를 공급함으로써 기화되는 시험이 수행되었다. 이들 시험에서, 상이한 직경 및 길이의 모세관 튜브가 사용되었다. 튜브는 2.5 내지 7.6cm(1 내지 3in)의 길이 및 이하와 같이 cm(in)의 순서로 나타낸 내경(ID) 및 외경(OD), 즉 0.025 ID/0.046 OD(0.010 ID/0.018 OD), 0.033 ID/0.083 OD(0.013 ID/0.033 OD), 및 0.043 ID/0.064 OD(0.017 ID./0.025 OD)를 갖는 304 스테인레스강으로 구성된다. 액체 연료를 기화하기 위한 열은 금속 튜브의 부분을 통해 전류를 통과시킴으로써 생성된다. 액적 크기 분포가 맬번(Malvern)에 의해 제조되는 스프레이-테크 레이저 회절 시스템(Spray-Tech laser diffraction system)을 사용하여 측정된다. 1.7 내지 4.0㎛의 사우터 평균 입경(SMD)을 갖는 액적이 생성되었다. SMD는 그의 표면 대 체적비가 전체 스프레이의 것과 동일한 액적의 직경이고 스프레이의 질량 전달 특성에 관련된다.
예 2
마이크로 다이어프램 펌프 시스템에 의해 일정 압력에서 가열된 모세관 유동 통로에 연료를 공급함으로써 기화되는 가솔린을 사용하여 시험이 재차 수행되었다. 이들 시험에서, 상이한 직경 및 길이의 모세관 유동 통로가 사용되었다. 이하의 표는 다양한 모세관 튜브 형태에 대한 실험 결과값을 나타낸다.
내경 cm(in) 가열 길이 cm(in) 연료 압력 kg/㎠(psig) 결과
0.069(0.027) 17.2(6.75) 5.3(75) 완전 기화 유동 및 180mg/s의 유량 생성
0.074(0.029) 18.4(7.25) 4.6(65) 20V의 가열 전압을 갖는 고유량 생성
0.051(0.020) 15.2(6.0) 4.9(70) 실질적으로 적절한 증기 특성을 갖는 적어도 200mg/s의 유량 생성

예 3
포드 4.6 리터 V8 엔진을 사용하는 시험에서, 4개의 실린더의 하나의 뱅크(bank)가 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 연료 공급 장치를 포함하도록 변형되어 있다. 모세관 가열 요소는 흡기 포트벽과 동일 높이에 위치된 모세관의 팁으로 장착되고, 이는 스톡 연료 분사 노즐의 위치이다. 연속 분사(100% 듀티 사이클)로 시험이 수행되고 따라서 연료 압력이 연료 증기 유량을 규제하는데 사용된다.
도 14를 참조하면, 엔진의 냉간 시동의 최초 20초 동안의 모세관 연료 공급 장치의 결과를 도시하는 그래프가 제공된다. 플롯 라인 1은 시간이 x-축을 따라 경과함에 따른 엔진 속도를 rpm으로 나타낸다. 플롯 라인 2는 시간이 x-축을 따라 경과함에 따른 연료 유량을 g/s로 나타낸다. 플롯 라인 3은 시간이 x-축을 따라 경과함에 따른 람다(lambda)를 나타내고, 여기서 람다 1은 이론 공연비를 나타낸 다. 플롯 라인 4는 시간이 x-축을 따라 진행함에 따른 엔진의 배기로부터의 총 탄화수소 배기물 출력을 메탄가 ppm으로 나타낸다.
도 14의 플롯 라인 3에 의해 도시된 바와 같이, 스톡 엔진 하드웨어 및 제어 계획에 요구되는 초기 과잉 연료 공급이 본 발명의 연료 공급 장치의 사용에 의해 제거된다. 즉, 본 발명의 연료 공급 장치는 엔진이 거의 이론 공연비에서 시동되도록 초기 시동 기간 동안 액체 연료를 효율적으로 기화한다. 도 15는 종래의 과잉 연료 공급 시동 계획(플롯 라인 5)과 비교할 때 본 발명의 연료 공급 장치에 의해 성취되는 거의 이론 상태 시동(플롯 라인 6)으로부터 발생하는 배기물 감소를 도시하는 그래프이다. 구체적으로, 도 15의 결과는 과잉 연료 공급을 필요로 하는 스톡 형태에 비교할 때 본 발명의 연료 공급 장치가 냉간 시동의 최초 10초 동안 46% 만큼 총 탄화수소 배기물을 감소하는 것을 나타낸다. 원 7로 나타낸 영역은 엔진 시동 후 최초 4초 동안 탄화수소 배기물의 극적인 감소를 도시한다.
예 4
고레벨의 적층물 조성을 생성하는 것을 공지된 미첨가 무황 기반 가솔린을 사용하여 가열된 모세관 유동 통로에 대한 산화 세척 기술의 이점을 설명하기 위해 시험이 수행되었다. 이들 시험에 채용된 모세관 유동 통로는 0.058cm(0.023in)의 내경을 갖는 스테인레스강으로 구성된 5.1cm(2in) 길이의 가열된 모세관 튜브이다. 연료 압력은 0.7kg/㎠(10psig)로 유지된다. 전력이 다양한 레벨의 R/R0를 성취하기 위해 모세관에 공급되고, 여기서 R은 가열된 모세관 저항이고, R0는 주위 조건 하에서의 모세관 저항이다.
도 16은 연료 유량 대 시간의 그래프를 도시한다. 도시된 바와 같이, 세정 첨가제가 함유되지 않은 이 가솔린에 대해, 10분 정도 동안 50% 유량 손실이 관찰된 상태로 상당한 폐색이 매우 짧은 시간 기간 동안 경험되었다.
상당한 폐색이 경험된 후에, 연료 유동은 단속되고 0.7kg/㎠(10psig)에서의 공기가 치환되었다. 이 기간 동안 가열이 제공되어 1분 정도 후에 상당한 세척이 유량이 이전 레벨로 복귀된 상태로 성취되었다.
예 5
본 예는 유효 첨가제 패키지를 채용하는 상업용 등급의 가솔린이 이용될 때 예 4의 가열된 모세관 유동 통로에서 폐색이 훨씬 덜 심각한 것을 나타낸다. 도 17에 도시된 바와 같이, 연료 유량의 10% 미만의 감소가 거의 4시간 동안 장치의 운전 후에 경험되었다.
예 6
다양한 가솔린 및 폐색에 대한 세정 첨가제의 영향을 비교하기 위해, 5개의 시험 연료가 예 4의 가열된 모세관 유동 통로에 유동되었다. 시험된 연료는 300ppm 황을 함유하는 미첨가 기반 가솔린, 황을 함유하지 않는 미첨가 기반 가솔 린, 상업적으로 이용 가능한 상용 첨가제(첨가제 A)가 첨가된 무황 기반 가솔린, 및 다른 상업적으로 이용 가능한 상용 첨가제(첨가제 B)가 첨가된 무황 기반 가솔린을 포함한다.
도 18에 도시된 바와 같이 첨가 연료는 유사하게 작용되고, 미첨가 연료는 1시간 미만의 작동 후에 심각한 폐색을 경험한다.
예 7
본 예는 미첨가 제트 연료(JP-8)에 작용하는 모세관 유동 통로의 시간 경과 작동과, 0.036cm(0.014in)의 I.D. 및 5.1cm(2in) 길이를 갖는 모세관 유동 통로에서 작동하는 미첨가 No.2 디젤 연료에 작용하는 동일한 모세관 유동 통로를 비교한다. 연료 압력은 1.1kg/㎠(15psig)으로 설정된다. 1.19의 R/R0의 레벨을 성취하기 위해 전력이 모세관에 공급되고, 여기서 R은 가열된 모세관 저항이고, R0는 주위 조건 하에서의 모세관 저항이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 연료는 작동 후 최초 10분에 걸쳐 유사하게 작용하고, 그 후에 디젤 연료가 더욱 심각한 폐색을 경험한다.
예 8
고레벨의 적층 조성물을 생성하는 것으로 공지된 미첨가 No.2 디젤 연료를 사용하여 가열된 모세관 유동 통로에 대한 산화 세척 기술의 효율을 설명하기 위해 실험이 수행되었다. 이들 시험에 채용된 모세관 유동 통로는 0.036cm(0.014in)의 내경을 갖는 스테인레스강으로 구성된 5.1cm(2in) 길이의 가열된 모세관 튜브이다. 연료 압력은 1.1kg/㎠(15psig)으로 유지된다. 1.19의 R/R0의 레벨을 성취하기 위해 전력이 모세관에 공급되고, 여기서 R은 가열된 모세관 저항이고, R0는 주위 조건 하에서의 모세관 저항이다.
도 20은 연료 유량 대 시간의 그래프를 도시한다. 도시된 바와 같이, 세정 첨가제가 함유되지 않은 이 연료에 대해, 약 35분의 연속 작동 후에 50% 유량 손실이 관찰된 상태로 상당한 폐색이 매우 짧은 시간 기간 동안 경험되었다.
제 2 운전시에, 5분 작동 후에, 연료 유동은 단속되고 0.7kg/㎠(10psig)에서의 공기가 5분 동안 대체된다. 이 절차는 매 5분마다 반복된다. 도 20에 도시된 바와 같이, 산화 세척 프로세스는 실질적으로 매 순간에 연료 유량을 증가시키고 시간 경과에 따른 연료 유량의 전체 감소를 늦추는 경향이 있다. 그러나, 프로세스의 효율은 에 4에 설명된 바와 같이 미첨가 가솔린을 사용하여 성취되는 것보다 다소 적다.
예 9
가열된 모세관 유동 통로의 시간 경과에 따른 연료 유량에 대한 예 8의 No.2 디젤 연료와 혼합된 상업용 등급의 오염 방지 세정 참가제의 영향을 설명하기 위해 시험이 수행되었다. 이들 시험을 위해 채용된 모세관 유동 통로는 마찬가지로 0.036cm(0.014in)의 내경을 갖는 스테인레스강으로 구성된 5.1cm(2in) 길이의 가열된 모세관 튜브이다. 연료 압력은 1.1kg/㎠(15psig)으로 유지되고, 1.19의 R/R0의 레벨을 성취하기 위해 전력이 모세관에 공급된다.
도 21은 첨가 No.2 디젤 연료 및 미첨가 디젤 연료에 대한 연료 유량 대 시간의 비교를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 세정 첨가제를 함유하지 않은 연료에 있어서, 상당한 폐색이 약 35분의 연속 작동에서 관찰된 유량의 50% 손실로 매우 짧은 시간 기간에 경험되었지만, 세정제를 함유하는 동일한 기반의 연료는 연장된 시간 기간 동안 훨씬 적은 폐색을 나타낸다.
본 발명을 도면 및 상기 설명에서 상세하게 예시하고 설명하였지만, 개시된 실시예는 예시적인 것이고 특징을 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 범주 내에 있는 모든 변경 및 수정이 보호되는 것으로 요구된다. 예로서, 더 높은 체적 유량이 요구되는 경우 연료가 평행하게 통로를 통과하는 복수의 모세관 통로가 제공될 수 있다.

Claims (20)

  1. 내연기관에 사용하기 위한 액체 연료를 기화를 위한 연료 분사기로서,
    (a) 입구 단부 및 출구 단부를 갖고, 세라믹, 폴리머, 금속 및 세라믹, 폴리머, 금속의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 단일체 본체 또는 다층 세라믹 본체 내에 형성된 채널을 포함하는 모세관 유동 통로;
    (b) 상기 모세관 유동 통로의 입구 단부를 액체 연료 공급원과 유체 연통시키며 액체 상태로 액체 연료를 도입하는 유체 제어 밸브;
    (c) 상기 모세관 유동 통로를 따라 배열되고, 상기 모세관 유동 통로의 상기 출구 단부로부터 기화된 연료의 스트림이 공급될 수 있는 레벨로 상기 모세관 유동 통로 내의 상기 액체 연료를 가열 가능한 열원; 및
    (d) 상기 연료 분사기의 작동 중에 형성된 적층물을 세척하기 위한 적층물 세척수단을 포함하여 구성되며,
    상기 적층물 세척 수단은 상기 유체 제어 밸브를 포함하고, 상기 유체 제어 밸브는 상기 모세관 유동 통로를 용제와 유체 연통되도록 하며, 상기 용제가 상기 모세관 유동 통로 내로 도입되었을 때 상기 모세관 유동 통로가 제자리에서의 세척이 가능한 것을 특징으로 하는 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모세관 유동 통로는 세라믹 본체 내에 형성된 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적층물 세척 수단은 상기 유체 제어 밸브 및 상기 모세관 유동 통로를 용제와 유체 연통시키는 용제 제어 밸브를 포함하고, 상기 용제 제어 밸브는 상기 모세관 유동 통로의 일 단부에 배치되며, 상기 모세관 유동 통로를 용제와 유체 연통시키는 상기 용제 제어 밸브는 상기 모세관 유동 통로 내로의 상기 용제의 도입 및 상기 액체 연료의 도입을 교대로 수행하고 상기 용제가 상기 모세관 유동 통로 내로 도입될 때 상기 모세관 유동 통로의 제자리에서의 세척을 가능하게 하도록 작동 가능한 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용제는 상기 액체 연료 공급원으로부터 제공된 액체 연료를 포함하고, 상기 열원은 상기 모세관 유동 통로의 세척 중에 단계적으로 정지(phased-out)되는 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액체 연료의 일부를 분무화하기 위한 노즐을 더 포함하는 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 입구 단부를 상기 액체 연료 공급원과 유체 연통시키는 상기 유체 제어 밸브를 작동시키는 솔레노이드를 더 포함하는 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 제어 밸브는 상기 모세관 유동 통로의 상기 출구 단부를 개폐하기 위해 상기 모세관 유동 통로의 상기 출구 단부에 밸브 요소를 갖는 솔레노이드 작동식 밸브 스템을 포함하는 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    비모세관 액체 연료 유동 통로를 더 포함하되, 상기 비모세관 액체 연료 유동 통로는 입구 단부 및 출구 단부를 가지며, 상기 입구 단부는 상기 액체 연료 공급원과 유체 연통하고, 상기 비모세관 액체 연료 유동 통로는 상기 출구 단부에 연료 분사기 노즐을 구비하는 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열원은 저항 가열기를 포함하는 액체 연료 기화용 연료 분사기.
  16. 내연기관에 사용하기 위한 연료 시스템으로서,
    (a) (i) 입구 단부 및 출구 단부를 갖고, 세라믹, 폴리머, 금속 및 세라믹,폴리머, 금속의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 단일체의 본체 또는 다층 세라믹 본체 내에 형성된 채널을 포함하는 하나의 모세관 유동 통로; (ⅱ) 상기모세관 유동 통로의 상기 입구 단부를 액체 연료 공급원과 유체 연통시키고 액체 상태로 상기 액체 연료를 도입시키는 유체 제어 밸브; (ⅲ) 상기 모세관 유동 통로를 따라 배열되고, 상기 모세관 유동 통로의 출구 단부로부터 기화된 연료의 스트림이 공급되는 레벨로 상기 모세관 유동 통로 내의 액체 연료를 가열하도록 작동 가능한 열원; 및 (iv) 상기 연료 분사기의 작동 중에 형성된 적층물을 세척하기 위한 적층물 세척수단을 각각 포함하되,
    상기 적층물 세척 수단은 상기 유체 제어 밸브를 포함하고, 상기 유체 제어 밸브는 상기 모세관 유동 통로를 용체와 유체 연통되도록 하며, 상기 용제가 상기 모세관 유동 통로 내로 도입되었을 때 상기 모세관 유동 통로가 제자리에서의 세척이 가능한 복수의 연료 분사기;
    (b) 상기 복수의 연료 분사기와 유체 연통하는 액체 연료 공급 시스템; 및
    (c) 상기 복수의 연료 분사기로의 연료의 공급을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 연료 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 모세관 유동 통로는 세라믹 본체 내에 형성되는 연료 시스템.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 용제는 상기 액체 연료 공급원으로부터 제공된 액체 연료를 포함하고, 상기 열원은 상기 모세관 유동 통로의 세척 중에 단계적으로 정지(phased-out)되는 연료 시스템.
  19. 내연기관에 연료를 공급하는 방법으로서,
    (a) 연료 분사기의 모세관 유동 통로에 액체 연료를 공급하는 단계;
    (b) 상기 모세관 유동 통로 내의 상기 액체 연료를 가열함으로써 기화된 연료의 스트림이 상기 적어도 하나의 모세관 유동 통로의 출구를 통과하도록 하는 단계;
    (c) 상기 내연기관의 연소 챔버에 상기 기화된 연료를 공급하는 단계; 및,
    (d) 상기 모세관 유동 통로를 용제와 유통 연통시켜, 상기 용제가 상기 모세관 유동 통로 내로 도입되었을 때 상기 모세관 유동 통로의 제자리에서의 세척이 가능하게 하여 상기 모세관 유동 통로를 주기적으로 세척하는 단계를 포함하며,
    상기 모세관 유동 통로는 세라믹, 폴리머, 금속 및 세라믹과 폴리머와 금속의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 단일체의 본체 또는 다층 세라믹 본체 내에 형성된 채널을 포함하는 내연기관에 연료를 공급하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 용제는 액체 연료를 포함하고, 상기 세척하는 단계 중에는 상기 가열이 단계적으로 정지(phased-out)되는 내연기관에 연료를 공급하는 방법.
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