KR100821818B1 - Internal combustion engine and its operating method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피스톤을 수납하고 하나 이상의 흡기 밸브가 마련된 하나 이상의 실린더와, NOx의 감소를 위한 물을 공급하는 장치를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다. 그러한 내연 기관에서는 적은 구조 비용으로 정확하게 계량될 수 있는 물의 양을 첨가할 수 있도록 하기 위해 흡기 행정의 시작 시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브가 흡기 밸브의 구역에 마련되어 있다. The present invention relates to an internal combustion engine having one or more cylinders for receiving pistons and provided with one or more intake valves and a device for supplying water for reducing NO x . In such internal combustion engines, an injection valve for water supply is provided in the region of the intake valve, which opens at the beginning of the intake stroke to enable the addition of an amount of water which can be accurately metered at low construction costs.

Description

내연 기관 및 그 작동 방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND ITS OPERATING METHOD}Internal combustion engines and how they work {INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND ITS OPERATING METHOD}

도 1은 제1 실시예의 개략적인 단면도이고,1 is a schematic cross-sectional view of the first embodiment,

도 2는 도 1과 상응하는 제2 실시예의 단면도이고,2 is a cross-sectional view of a second embodiment corresponding to FIG. 1,

도 3 및 도 4는 연소공기의 온도를 상승시키는 두 가지 장치를 각각 개략적으로 나타내고 있는 도면이다.3 and 4 schematically show two devices for raising the temperature of the combustion air, respectively.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 실린더1: cylinder

3 : 흡기 채널3: intake channel

5 : 흡기 밸브5: intake valve

7, 12 : 분사 밸브7, 12: injection valve

8, 13 : 분무 노즐
15 : 터보 과급기8, 13: spray nozzle
15: turbocharger

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본 발명은, 피스톤을 수납하고 하나 이상의 흡기 밸브가 마련된 하나 이상의 실린더와, NOx의 감소를 위한 물을 공급하는 장치를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다. The present invention relates to an internal combustion engine having one or more cylinders for receiving pistons and provided with one or more intake valves and a device for supplying water for reducing NO x .

본 발명의 목적은 적은 구조 비용으로 정확하게 계량될 수 있는 양의 물을 첨가할 수 있도록 전제된 유형의 내연 기관을 구성하는 것이다. It is an object of the present invention to construct an internal combustion engine of the type premised so as to add an amount of water which can be accurately metered at low construction costs.

그러한 목적은, 본 발명에 따라 흡기 행정의 시작 시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브가 흡기 밸브의 구역에 마련되도록 함으로써 달성된다. 물은 상대적으로 낮은 압력에 맞서 분사되기 때문에, 낮은 분사 압력으로도 작업이 이루어질 수 있다. 그러한 형식으로 분사하는 데는 저렴하고 작은 공간을 점유하는 부품만이 필요하다. 각각의 실린더의 흡기 밸브의 근처에서 분사를 행함으로써, 매우 정확한 계량이 가능하게 된다. Such an object is achieved according to the invention by having an injection valve for water supply which is opened at the start of the intake stroke be provided in the region of the intake valve. Since water is sprayed against a relatively low pressure, work can be done even at low spray pressures. Spraying in such a form requires only parts that are inexpensive and occupy little space. By injecting near the intake valve of each cylinder, highly accurate metering is possible.

분사 밸브는 물을 연소공기의 흐름 중에 분사하는 분무 노즐을 구비하는 것이 바람직하다. 그러한 조치로 인하여, 물과 연소공기의 혼합이 촉진된다. The injection valve preferably has a spray nozzle for injecting water into the flow of combustion air. Such measures promote the mixing of water and combustion air.

본 발명의 방법상의 구성에 따르면, 본 발명에 따른 내연 기관의 작동을 위해 터보 과급기(turbo supercharger)가 마련되어 적어도 과급기에 의해 공급되는 연소공기의 온도값 및 압력값이 연소공기/물 혼합물의 이슬점 온도를 초과하지 않도록 최대 분사 수량(水量)을 결정한다. 그러한 조치로 인하여, 기화될 수 있는 정도의 물만이 분사되기 때문에, 물방울이 실린더 내로 유출되는 것을 방지하게 된다. According to the method configuration of the present invention, a turbo supercharger is provided for the operation of the internal combustion engine according to the present invention so that at least the temperature value and the pressure value of the combustion air supplied by the turbocharger are the dew point temperature of the combustion air / water mixture. Determine the maximum injection volume so as not to exceed Such measures prevent water droplets from leaking into the cylinder because only water that can be vaporized is injected.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 연소공기의 상승된 온도에서 작업을 행함으로써 액적을 형성하지 않고 터보 과급기에 의해 공급되는 연소공기에 첨가될 수 있는 물의 양이 상당히 증대될 수 있게 된다. 이에 의하여, 연소공기 중의 습도를 현저히 상승시킬 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 물의 온도를 상승시킬 수도 있다. According to another configuration of the present invention, by working at the elevated temperature of the combustion air, the amount of water that can be added to the combustion air supplied by the turbocharger without forming droplets can be significantly increased. Thereby, the humidity in combustion air can be raised significantly. Alternatively or additionally, the temperature of the water may be raised.

본 발명의 또 다른 특징 및 장점은 본 발명의 나머지 종속 청구항들 및 첨부 도면에 의거하여 이루어지는 2개의 실시예에 관한 설명으로부터 명확해질 것이다.Further features and advantages of the invention will be apparent from the description of two embodiments made on the basis of the remaining dependent claims of the invention and the accompanying drawings.

본 발명의 실시예는 자기 점화 장치 및 하나 이상의 터보 과급기를 구비한 내연 기관으로부터 출발하는데, 본 발명은 그러한 내연 기관으로 한정되는 것은 아니다. Embodiments of the present invention start from an internal combustion engine having a self-ignition device and one or more turbochargers, but the invention is not limited to such internal combustion engines.

첨부 도면은 실린더(1) 및 피스톤(2)을 도시하고 있다. 실린더(1)로는 공기 흡기 채널(3) 및 배기 채널(4)이 안내되고, 그들 채널에는 흡기 밸브(5) 및 배기 밸브(6)가 배치되어 있다. 실린더에는 다수의 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브가 배속될 수 있다. The accompanying drawings show a cylinder 1 and a piston 2. An air intake channel 3 and an exhaust channel 4 are guided to the cylinder 1, and an intake valve 5 and an exhaust valve 6 are arranged in these channels. The cylinder may be assigned a plurality of intake valves and / or exhaust valves.

본 실시예에서는 흡기 채널(3) 내에서 흡기 밸브(5)의 시트 바로 위의 분무 노즐(8)에서 종결되는 분사 밸브(7)가 마련되어 있다. 분사 밸브(7)의 분사 방향은 화살표로 지시된 연소공기의 흐름 방향을 대략 가로질러 정향되는데, 연소공기는 과급 공기 라인(9)을 경유하여 흡기 채널(3)에 공급된다. In this embodiment, an injection valve 7 is provided which terminates at the spray nozzle 8 directly above the seat of the intake valve 5 in the intake channel 3. The injection direction of the injection valve 7 is directed approximately across the flow direction of the combustion air indicated by the arrow, which is supplied to the intake channel 3 via the boost air line 9.

물 공급 라인(10)에 접속된 분사 밸브(7)는 주기적으로 개폐된다. 이를 위해, 제어 장치(11)가 마련되는데, 이 제어 장치(11)에는 한편으로 흡기 밸브(5)의 위치를 탐지하는 제어치가 입력된다. 그러한 제어치는 예컨대 캠 축으로부터 수신되어 흡기 밸브(5)의 개방 시에 분사 밸브(7)의 개방을 결정할 수 있다. 다른 한편으로, 가장 간단한 경우에 실린더(1)에 공급되는 연소공기의 온도값 및 압력값이 제어 장치(11)에 입력된다. 이로부터, 이슬점 온도를 넘지 않고서 기화될 수 있는 최대 수량이 제공된다. 그러한 값이 공급된 물에 의해 이슬점에 도달되었음을 나타내면, 제어 장치는 분사 밸브(7)에 대한 폐쇄 임펄스를 출력한다. 즉, 공급된 물이 완전히 기화될 수 있는 것이 보장되게 된다. 그러나, 분사 밸브(7)는 늦어도 흡기 밸브(5)가 폐쇄될 때에 폐쇄된다. The injection valve 7 connected to the water supply line 10 is opened and closed periodically. For this purpose, a control device 11 is provided, on which the control value for detecting the position of the intake valve 5 is input. Such a control value can be received from the camshaft, for example, to determine the opening of the injection valve 7 upon opening of the intake valve 5. On the other hand, in the simplest case, the temperature value and the pressure value of the combustion air supplied to the cylinder 1 are input to the control device 11. This gives the maximum quantity that can be vaporized without exceeding the dew point temperature. If such a value indicates that the dew point has been reached by the supplied water, the control device outputs a closed impulse to the injection valve 7. That is, it is ensured that the water supplied can be completely vaporized. However, the injection valve 7 is closed at the latest when the intake valve 5 is closed.

가능한 한 많은 양의 물이 실린더 내에 공급되도록 하기 위해, 상승된 온도의 연소공기에서 작업을 하는 것이 바람직하다. 그것은 연소공기를 단지 제한적으로만 냉각시킴으로써 달성된다. 그 경우, 덜 엄격한 배기 가스 규정이 적용되는 사용 장소에서는 냉각액의 온도를 낮출 수 있다. 극단적인 경우에는 과급 공기 냉각기를 차단시킬 수도 있다.In order to ensure that as much water as possible is supplied into the cylinder, it is desirable to work in elevated temperature combustion air. This is accomplished by cooling combustion air only limitedly. In that case, the temperature of the coolant can be lowered at the place of use where less stringent exhaust gas regulations apply. In extreme cases, the supercharged air cooler may be shut off.

연소공기의 온도를 상승시키기 위해서, 도 3에 따른 장치가 사용된다. 도 3에서는 급송 펌프(18)가 마련되어 있는 냉각수 공급 라인(17) 및 냉각수 배출 라인(19)을 구비하는 과급 공기 냉각기(16)가 터보 과급기(15)에 후속 접속된다. 냉각수 공급 라인(17)과 냉각수 배출 라인(19) 사이에는 흐름 방향으로 급송 펌프(18) 전에 배치되는 접속 라인(20)이 마련되어 있다. 그러한 접속 라인(20)에는 조절 가능한 양의 고온 냉각수를 냉각수 배출 라인(19)으로부터 냉각수 공급 라인(17)으로 통과시킬 수 있는 제어 밸브(21)가 마련되어 있다. 고온 냉각수를 저온 냉각수에 첨가 혼합시키는 그러한 방안에 의해, 과급 공기 냉각기(16)에 유입되는 저온 냉각수의 온도가 상승될 수 있다. 즉, 과급 공기 냉각기의 냉각액의 온도가 상승하여 그 냉각 출력이 감소한다. 따라서, 터보 과급기(15)로부터 과급 공기 냉각기(16)를 통과하는 연소공기가 상승된 온도로 과급 공기 라인(9)에 공급될 수 있게 된다.In order to raise the temperature of the combustion air, the apparatus according to FIG. 3 is used. In FIG. 3, a boost air cooler 16 having a coolant supply line 17 provided with a feed pump 18 and a coolant discharge line 19 is subsequently connected to the turbocharger 15. A connection line 20 is provided between the cooling water supply line 17 and the cooling water discharge line 19 that is disposed before the feed pump 18 in the flow direction. Such a connection line 20 is provided with a control valve 21 capable of passing an adjustable amount of hot cooling water from the cooling water discharge line 19 to the cooling water supply line 17. By such a method of adding and mixing the hot cooling water with the cold cooling water, the temperature of the cold cooling water flowing into the boost air cooler 16 can be raised. That is, the temperature of the cooling liquid of the boost air cooler rises and its cooling output decreases. Thus, combustion air passing from the turbocharger 15 through the boost air cooler 16 can be supplied to the boost air line 9 at an elevated temperature.

도 4는 연소공기의 온도를 상승시키는 또 다른 방안을 나타내고 있다. 도 4에서는 급송 펌프(25)가 마련되어 있는 냉각수 공급 라인(24)을 경유하여 저온 냉각수를 공급받고, 고온 냉각수용 냉각수 배출 라인(26)을 구비하는 과급 공기 냉각기(23)가 터보 과급기(22)에 후속 접속된다. 터보 과급기(22)와 과급 공기 냉각기(23) 사이의 접속 라인(27)으로부터 과급 공기 냉각기(23)를 우회하는 라인(28)이 분기되는데, 그 라인(28)은 과급 공기 냉각기(23)와 과급 공기 라인(9) 사이의 접속 라인(29)과 연통된다. 그러한 우회 라인(28)에는, 우회 라인(28)의 통과 흐름 횡단면을 조절할 수 있는 제어 밸브(30)가 배치된다. 제어 밸브(30)가 보다 더 많이 또는 보다 더 적게 개방되면, 과급기(22)로부터 나오는 보다 더 많거나 보다 더 적은 분율의 고온 연소공기가 냉각되지 않은 채로 과급 공기 냉각기(23)를 통과한 연소공기에 첨가 혼합되어 온도의 상승을 야기할 수 있게 된다. Figure 4 shows another way to increase the temperature of the combustion air. In FIG. 4, the supercharger 22 receives a low temperature coolant via a coolant supply line 24 provided with a feed pump 25, and a turbocharger 22 includes a supercharged air cooler 23 having a coolant discharge line 26 for high temperature coolant. Is subsequently connected to. A line 28 is diverted from the connecting line 27 between the turbocharger 22 and the charge air cooler 23, bypassing the charge air cooler 23, the line 28 being connected to the charge air cooler 23. It is in communication with the connection line 29 between the charge air line 9. In such a bypass line 28, a control valve 30 is arranged that can adjust the passage flow cross section of the bypass line 28. If more or less control valve 30 is opened, more or less fraction of the hot combustion air from supercharger 22 passes through supercharged air cooler 23 without cooling. It can be added and mixed to cause an increase in temperature.

제어 밸브(21, 30)는 수동으로 조절되거나 제어 장치(11)에 의해 조절될 수 있다. 그러한 밸브를 제어 장치에 의해 제어 작동하는 것은, 연소공기의 최대 온도를 조절하여 피스톤 내연기관의 열적 고부하를 간단하게 방지할 수 있다는 추가의 장점을 제공한다. The control valves 21, 30 can be adjusted manually or by the control device 11. Controlled operation of such a valve by a control device provides the further advantage of being able to simply adjust the maximum temperature of the combustion air to prevent thermal high loads on the piston internal combustion engine.

첨가하려는 물의 양을 정확히 제어하기 위하여, 터보 과급기에 의해 흡입되는 주위 공기의 온도, 압력, 및 상대 습도와, 내연 기관의 순간 회전 속도 및 출력이 제어 장치에 추가로 입력될 수도 있다. 제어 장치(11)에 의해 처리된 연소공기의 온도 및 압력에 관한 값은 분사 밸브(7)를 통과하는 물의 양을 수압에 의해 제어하는 데도 사용될 수 있다. 그러한 형식의 장치는 제어 밸브의 변동 및 그에 따른 내연 기관의 순간 부하에 신속하고도 정밀하게 응답한다. In order to precisely control the amount of water to be added, the temperature, pressure and relative humidity of the ambient air sucked by the turbocharger, and the instantaneous rotational speed and output of the internal combustion engine may be further input to the control device. The values relating to the temperature and pressure of the combustion air treated by the control device 11 can also be used to control the amount of water passing through the injection valve 7 by hydraulic pressure. Such a type of device responds quickly and precisely to fluctuations in the control valve and hence the instantaneous load of the internal combustion engine.

도 2에 따른 실시예에는 도 1에 따른 실시예와 동일한 부분에 동일한 도면 부호가 부여되어 있다. In the embodiment according to FIG. 2, the same reference numerals are given to the same parts as the embodiment according to FIG. 1.

도 2에서 분사 밸브(12)는 실린더(1)의 상부 에지에, 특히 본 실시예의 경우에는 흡기 밸브(5)의 행정로(stroke way)의 높이에 배치된다. 이때 상기 행정로는 흡기 행정시 실린더 상부에서 흡기 밸브가 개방되어 흡기가 인입되는 통로를 의미한다. 다수의 흡기 밸브가 마련될 경우에는 그 각각의 밸브에 분사 밸브(12)가 배속될 수 있다. 각각의 분사 밸브(12)의 분사 방향은 밸브 판(14)에 의해 전향된 연소공기의 화살표 "b"로 지시된 부분의 흐름 방향과 반대로 정향된다. 그러한 구성은 흡기 밸브(5)가 폐쇄되어 피스톤(2)의 압축 행정이 시작된 경우에도 물이 분사될 수 있다는 장점을 제공한다. 그와 동시에, 압축에 의해 물의 기화를 더욱 촉진하는 온도 상승이 일어나게 된다. 그 경우, 분사되는 물의 양은 분사 밸브의 통과 횡단면 및 수압에 의존하여 실린더 내의 압축 압력이 상승될 때에 분사가 종료되도록 제어된다. In FIG. 2 the injection valve 12 is arranged at the upper edge of the cylinder 1, in particular in the case of this embodiment, at the height of the stroke way of the intake valve 5. In this case, the stroke refers to a passage through which the intake valve is opened at the upper portion of the cylinder during the intake stroke. When a plurality of intake valves are provided, the injection valve 12 may be assigned to each valve. The injection direction of each injection valve 12 is oriented opposite to the flow direction of the portion indicated by arrow "b" of the combustion air redirected by the valve plate 14. Such a configuration provides the advantage that water can be injected even when the intake valve 5 is closed and the compression stroke of the piston 2 has started. At the same time, the compression causes a temperature rise which further promotes vaporization of the water. In that case, the amount of water to be injected is controlled such that the injection ends when the compression pressure in the cylinder is increased depending on the passage cross section of the injection valve and the water pressure.

또 다른 선택적 구성에 따르면, 분사 밸브는 흡기 밸브 부근에서 실린더 헤드에 배치되어 물이 위쪽으로부터 실린더(1) 내로 유입되도록 한다.According to another alternative arrangement, an injection valve is arranged in the cylinder head near the intake valve to allow water to flow into the cylinder 1 from above.

특히 자유롭게 흡입되는 내연 기관에서는 분사 밸브(7 또는 12)의 제어가 단지 흡기 밸브(5)의 위치에 의존해서만 이루어질 수 있다. Particularly in freely sucked internal combustion engines the control of the injection valves 7 or 12 can only be achieved depending on the position of the intake valve 5.

전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 도시된 실시예로 한정되지 않는다. As can be seen from the foregoing description, the present invention is not limited to the illustrated embodiment.

본 발명에 따른 내연 기관 및 그 작동 방법에서는 흡기 행정의 시작 시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브가 흡기 밸브의 구역에 마련되도록 함으로써, 적은 구조 비용으로 정확하게 계량될 수 있는 양의 물을 연소공기에 첨가할 수 있게 된다. In the internal combustion engine and its operating method according to the present invention, an injection valve for water supply, which is opened at the start of an intake stroke, is provided in the region of the intake valve, so that an amount of water that can be accurately metered to the combustion air can be accurately measured at a low construction cost. It becomes possible to add.

Claims (11)

피스톤을 수납하고 하나 이상의 흡기 밸브가 마련된 하나 이상의 실린더와 NOx의 감소를 위해 물을 공급하는 장치를 구비하는 내연 기관에 있어서,An internal combustion engine comprising one or more cylinders for receiving a piston and having one or more intake valves and a device for supplying water for reduction of NO x . 흡기 행정의 시작시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브(7, 12)가 흡기 밸브(5)의 구역에 마련되고,Injection valves 7 and 12 for water supply which are opened at the start of the intake stroke are provided in the region of the intake valve 5, 분사 밸브(12)는 흡기 밸브(5)의 행정로(stroke way)의 높이에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.The injection valve (12) is characterized in that it is arranged at the height of the stroke way of the intake valve (5). 제1항에 있어서, 분사 밸브(7, 12)는 연소공기 중에 물 입자를 분사하는 분무 노즐(8, 13)을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the injection valve (7, 12) has a spray nozzle (8, 13) for injecting water particles into the combustion air. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 흡기 행정의 시작시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브(7, 12)가 흡기 밸브(5)의 구역에 마련된 터보 과급기를 구비하는 내연 기관의 작동 방법에 있어서,In the operating method of an internal combustion engine provided with the turbocharger provided in the area | region of the intake valve 5, the injection valve 7 and 12 for water supply opened at the start of an intake stroke, 공급된 물의 온도가 연소공기/물 혼합물의 이슬점 온도를 넘지 않도록 적어도 연소공기의 온도값 및 압력값에 의해 최대 분사 수량(水量)을 결정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.A method of operating an internal combustion engine, characterized in that the maximum injection quantity is determined by at least the temperature value and the pressure value of the combustion air so that the temperature of the supplied water does not exceed the dew point temperature of the combustion air / water mixture. 제7항에 있어서, 상승된 연소공기 온도에서 분사를 행하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.8. The method of operating an internal combustion engine according to claim 7, wherein the injection is carried out at an elevated combustion air temperature. 제7항에 있어서, 상승된 물 온도에서 분사를 행하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.8. The method of operating an internal combustion engine according to claim 7, wherein the injection is carried out at an elevated water temperature. 제8항에 있어서, 터보 과급기에 후속 배치된 과급 공기 냉각기의 냉각 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.The method of operating an internal combustion engine according to claim 8, wherein the cooling output of the boost air cooler disposed subsequent to the turbocharger is reduced. 제8항에 있어서, 터보 과급기로부터 나오는 연소공기의 일부가 과급 공기 냉각기를 우회하여 흡기 채널로 직접 안내되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.9. A method according to claim 8, wherein a portion of the combustion air coming from the turbocharger is directed directly to the intake channel bypassing the boost air cooler.
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