KR100840410B1

KR100840410B1 - 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용연료공급장치

Info

Publication number: KR100840410B1
Application number: KR1020070057042A
Authority: KR
Inventors: 박철웅; 김창업; 강건용
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-06-23

Abstract

본 발명은 연료탱크와, 상기 연료탱크의 연료를 엔진에 압송하는 연료공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 연료탱크의 연료를 펌핑하는 연료펌프와; 상기 펌핑된 연료를 공급받아 엔진에 제공하고, 과잉공급된 연료는 상기 연료탱크에 회수시키는 인젝터와; 상기 엔진에 공급된 연료와 대응하여 공기를 제공하는 에어클리너와; 상기 엔진의 흡기포트의 일측에 구비되고 상기 연료펌프로부터 연료를 공급받아 연료를 미립화한 다음 엔진에 제공하는 초음파분사기와; 상기 연료탱크의 일측과 연료펌프 일측, 상기 연료펌프의 일측과 인젝터의 일측, 상기 연료펌프와 초음파분사기의 일측에 각각 연결된 연료공급라인과 연료회수라인;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치에 관한 것이다.

이와 같은 연료공급장치는 연비저감 및 최근 강화되고 있는 배출가스 규제에 대응할 수 있는 효과를 갖는다.

초음파분사기, 초음파, 디젤기관, 연료공급장치, 인젝터

Description

초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치{Fuel supplying device}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 도 1의 초음파분사기를 나타낸 도면,

도 3은 입자가속도의 무화현상을 나타낸 사진,

도 4는 초음파 주파수에 따른 입자크기를 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 초음파발생부 20: 니들 밸브

31: 코일 32: 플런저

33: 스프링 40: 전원라인

50: 연료공급라인 60: 배선용 커넥터

70: 초음파 분사기 81: 연료탱크

82: 에어클리너 83: 연료펌프

84: 인젝터 91: 연료회수라인

92,93: 연료공급라인 100: 엔진

200: 배기가스 저감장치

본 발명은 연비가 향상되며 최근 강화되고 있는 배출가스 규제에 대응할 수 있는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치에 관한 것이다.

최근 고유가 시대를 맞이하여 국내외 완성차 메이커들의 기술개발 동향은 에너지 효율 향상에 집중되면서, 향후 엄격한 배출가스 규제를 충족시키고 보다 향상된 연비와 운전성능을 가진 디젤엔진의 개발을 위한 분사시스템 및 연소기술에 대한 관심과 중요성이 높아지고 있다.

디젤엔진은 가솔린엔진보다 에너지 소비효율이 우수하고, 지구 온난화 가스인 이산화탄소의 배출이 적은 장점이 있으나, PM(Particulate Matter; 입자상 물질)과 NOx의 배출량이 많은 단점이 있다.

이에, 예혼합 압축착화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition) 기술은 공기와 연료를 균일하게 예혼합시킴으로써 연소온도를 저하시켜 NOx를 줄임과 동시에 매연을 줄일 수 있는 기술로써, 일본에서는 이미 차세대 디젤엔진으로서 연구를 진행중이며 미국에서도 다양한 National Lab.과 대학들이 자동차회사 및 미국 환경청 등의 지원을 받아 HCCI관련 연구에 박차를 가하고 있다.

HCCI 엔진은 예혼합기 형성방법에 따라 흡기포트 분사방법과 이른 분사시기 및 늦은 분사시기 등으로 분류되고, 각 운전영역에 따라 그 배기 및 연소상태가 기 존의 디젤 엔진과는 달리 매우 큰 폭의 변화를 가지므로 실용화를 위해서는 정밀한 연소 제어를 위한 연료 분사시스템의 성능향상과 더불어 안정된 운전 영역 확보를 위한 연소 제어 기술이 필요하다.

국내에서도 차세대 저공해 디젤엔진 연소 기술로서 여러 대학 및 연구소 등에서 수년 전부터 연구를 수행 중에 있으며, HCCI 엔진의 실용화를 위해 기존의 연료공급장치를 개조하여 디젤엔진에 적용하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 분사기의 변경만으로 신개념 연소 엔진(HCCI)의 실용성 확대하고, 정밀한 연소제어를 가능하게 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 연료탱크와, 상기 연료탱크의 연료를 엔진에 압송하는 연료공급장치에서, 상기 연료탱크의 연료를 펌핑하는 연료펌프와; 상기 펌핑된 연료를 공급받아 엔진에 제공하고, 과잉공급된 연료는 상기 연료탱크에 회수시키는 인젝터와; 상기 엔진에 공급된 연료와 대응하여 공기를 제공하는 에어클리너와; 상기 엔진의 흡기포트의 일측에 구비되고 상기 연료펌프로부터 연료를 공급받아 연료를 미립화한 다음 엔진에 제공하는 초음파분사기와; 상기 연료탱크의 일측과 연료펌프 일측, 상기 연료펌프의 일측과 인젝터의 일측, 상기 연료펌프와 초음파분사기의 일측에 각각 연결된 연료공급라인과 연료회수라인;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 초음파 분사기는 전자제어유닛(ECU)으로부터 분사신호를 인가받아 연료를 분사하는 솔레노이드 밸브와; 상기 솔레노이드 밸브의 플런저와 일체로 연결되고, 상기 플런저와 함께 분사출구를 개방하여 연료공급라인의 압력에 의해 연료를 분사하는 니들밸브와; 상기 니들밸브의 일측에 연결되고, 상기 니들밸브에서 분사되는 연료의 무화현상을 촉진하는 초음파발생부와; 상기 초음파발생부 및 솔레노이드 밸브에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하여 구성되는 것이 특징이다.

한편, 본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하되, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 하며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 초음파분사기를 나타낸 도면이고, 도 3은 입자가속도의 무화현상을 나타낸 사진이고, 도 4는 초음파 주파수에 따른 입자크기를 나타낸 그래프이다.

상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 연료탱크(81)에 수용된 연료를 엔진(100)에 압송하는 연료공급장치임을 알 수 있고, 보다 구체적으로는 상기 연료탱크(81)의 연료를 펌핑하는 연료펌프(83)와, 상기 펌핑된 연료를 공급받아 엔진(100)에 제공하고 과잉공급된 연료는 상기 연료탱크(81)에 회수시키는 인젝터(84)와, 상기 엔진(100)에 공급된 연료와 대응하여 공기를 제공하는 에어클리너(82)와, 상기 엔진(100)의 흡기포트의 일측에 구비되고 상기 연료펌프(83)로부터 연료를 공급받아 연료를 미립화한 다음 엔진에 제공하는 초음파분사기(70)와, 상기 연료탱크(81)의 일측과 연료펌프(83) 일측, 상기 연료펌프(83)의 일측과 인젝터(84)의 일측, 상기 연료펌프(83)와 초음파분사기(70)의 일측에 각각 연결된 연료공급라인(92,93)과 연료회수라인(91)을 포함한다.

여기서, 상기 연료펌프(83)와 인젝터(84)에 연결된 연료공급라인(93)은 하나의 라인에서 인젝터(84)와 초음파분사기(70)에 각각 연료를 공급하기 위해 일측에서 분기되어 이루어진다.

상기 초음파 분사기(70)는 전자제어유닛(ECU)으로부터 보내온 분사신호에 의해 연료를 분사하는 솔레노이드 밸브(30)가 내장된 분사 노즐이며, 상기 인젝터의 일단에 초음파발생부(10)가 구비되고, 상기 솔레노이드 밸브(30)와 초음파발생부에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성된다.

상기 전원공급부는 솔레노이드 밸브(30)와 초음파발생부의 각각에 대해 독립적으로 전원을 인가하도록 제1 전원공급부와 제2 전원공급부로 이원화될 수 있고, 하나의 전원공급부로 솔레노이드 밸브(30)와 초음파발생부에 전원을 공급할 수도 있다.

초음파발생부(10)는 니들밸브(20)로부터 분사되는 연료를 받아들이는 인입부(11)와 상기 인입부(11)의 연료의 밀도를 증가시키는 분사구(12)로 구성되고, 여기서 상기 분사구(12)의 직경은 인입부(12)의 직경 보다 작게 구성된다.

초음파 분사기(70)는 연료 공급라인(50)과 연결되어 있고, 솔레노이드 밸브(30)에 내장된 플런저(Plunger)(32)와 일체로 연결된 니들밸브(Needle valve)(20)를 통하여 연료가 분사될 때 초음파발생부(32)에 전원을 인가하여 700kHz 이상의 고주파 영역인 초음파를 발생시켜 초음파로 인한 캐비테이션(cavitation:추진기 등의 뒤에 생기는 진공현상) 및 입자가속도의 무화 현상이 일어나 연료의 미립화를 촉진한다.

이와 같은 현상은 도 3에 도시된 바와 같고, 도 4의 그래프를 참조하면 700kHz 이상에서부터 수 마이크로미터 크기의 연료분무가 발생하는 것을 알 수 있으며, 이는 700kHz 이상의 고주파수 영역에서는 입자의 가속도가 중력가속도의 1백만배에 해당할 정도의 고속이기에 가능하다.

한편, 전자제어유닛(ECU)은 전원공급부가 이원화되었을 경우 솔레노이드 밸브(30)에 분사신호를 인가(제1 전원공급부로부터 전원공급)함과 동시에 초음파발생부(10)에 전원을 공급하는 제2 전원공급부에 전원인가 신호를 전달하여 연료가 니들밸브(20)를 통과할 때 초음파발생부(10)에도 전원을 공급하여 연료의 미립화를 위한 초음파발생부(10)와 솔레노이드 밸브(30)의 제어를 담당한다.

한편, 상기 엔진(100)에 연료를 공급하는 인젝터(84)와 초음파분사기(70)의 연료분사 비율은 10:0 또는 5:5 ~ 2:8의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이는 기존의 디젤엔진의 연소방식과 병행으로 사용할 수 있도록 하기 위한 것으로, 고속 고부하의 엔진운전조건에서는 연료탱크(81)로부터 연료펌프(83)를 거쳐 인젝터(84)에서 분사되는 기존의 직접분사식 연료공급장치의 구성을 그대로 사용하고, 엔진 아이들링과 같은 저속 저부하 조건이나 중속 중부하에서는 HCCI 연소가 일어날 수 있도록 하기 위함이다. 참고로 중속 중부하에서는 인젝터(84)와 초음파분사기(70)의 연료소모 비율을 5:5로 하고, 저속 저부하일 때는 2:8로 조절한다.

이하에서는, 상기와 같이 구성된 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치 중 초음파 분사기의 동작을 설명한다.

초음파 분사기(70)는 분사출구의 면적과 연료의 압력이 일정하기 때문에 니들밸브(20)의 개방시간, 즉 솔레노이드 코일(31)의 통전시간에 의해 연료의 분사량이 결정된다.

따라서, 전자제어유닛(ECU)은 솔레노이드 코일(31)의 통전시간을 제어하게 됨으로써 연료분사량을 증감시킬 수 있는데, 이는 결국 전자제어유닛(ECU)이 전원공급부를 통하여 솔레노이드 코일(31)에 전원을 인가하는 시간과 일치한다.

솔레노이드 코일(31)에 전원의 공급 유무에 따라 플런저(32)는 스프링(33)과 자기력에 의해 직선왕복 운동을 하게 되고, 이와 함께 연동되는 니들밸브(20)에 의해 연료가 분사된다.

이때 전자제어유닛(ECU)는 전원공급부를 통해 솔레노이드 코일(31)에 전원을 인가함과 동시에 초음파발생부(10)에도 전원을 공급하여 상기 분사된 연료의 미립화를 달성한다.

전원공급부는 기본적으로 솔레노이드 밸브(30)와 동일한 전원을 사용할 수 있으나, 상기 구성에도 기재된 바와 같이 필요에 따라 이원화 전원을 적용하여 고주파의 초음파 발생에 필요한 전압 및 전류를 원하는 시기에 공급할 수 있도록 하는 것이 가능하다.

이하에서는, 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치의 동작을 설명한다.

엔진(100)이 고속 고부하일 경우 기존의 디젤엔진의 연소방식을 그대로 사용하고, 중속 중부하와 저속 저부하일 경우는 인젝터(84)와 초음파분사기(70)의 연료공급비율을 5:5 ~ 2:8로 조절한다. 즉, 엔진(100)이 고속 고부하일 경우는 연료펌프(83)와 초음파분사기(70)에 연결된 연료공급라인은 닫히고, 연료펌프(83)와 인젝터(84)에 연결된 연료공급라인은 개방되어 엔진(100)의 연료공급은 인젝터(84)로 조절된다. 여기서 과잉공급된 연료는 연료회수라인(91)을 통해 연료탱크(81)로 회수된다.

한편, 엔진(100)이 중속 중부하 또는 저속 저부하일 경우, 엔진(100)에 공급되는 연료는 인젝터(84)와 초음파분사기(70)에 의해 이루어지며, 중속 중부하일때 엔진(100)에 공급되는 연료는 인젝터(84)와 초음파분사기(70)의 연료분사비율은 5:5로 이루어지고, 저속 저부하일때 엔진(100)에 공급되는 연료는 인젝터(84)와 초음파분사기(70)의 연료분사비율은 2:8로 이루어진다.

전술한 바와 같은 본 발명은 상용화 중인 HCCI엔진 등 신개념 연소 엔진을 탑재한 수송기계 및 엔진 등의 모든 작동체에 적용할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인한 연비저감과 배출가스 규제에 대응할 수 있는 장점이 있다.

이상 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

연료탱크(81)와, 상기 연료탱크(81)의 연료를 엔진(100)에 압송하는 연료공급장치에 있어서,

상기 연료탱크(81)의 연료를 펌핑하는 연료펌프(83)와;

상기 펌핑된 연료를 공급받아 엔진(100)에 제공하고, 과잉공급된 연료는 상기 연료탱크(81)에 회수시키는 인젝터(84)와;

상기 엔진(100)에 공급된 연료와 대응하여 공기를 제공하는 에어클리너(82)와;

상기 엔진(100)의 흡기포트의 일측에 구비되고 상기 연료펌프(83)로부터 연료를 공급받아 연료를 미립화한 다음 엔진(100)에 제공하는 초음파분사기(70)와;

상기 연료탱크(81)의 일측과 연료펌프(83) 일측, 상기 연료펌프(83)의 일측과 인젝터(84)의 일측, 상기 연료펌프(83)와 초음파분사기(70)의 일측에 각각 연결된 연료공급라인(92,93)과 연료회수라인(91);을 포함하여 구성하되,

상기 초음파 분사기(70)는 전자제어유닛(ECU)으로부터 분사신호를 인가받아 연료를 분사하는 솔레노이드 밸브(30)와,

상기 솔레노이드 밸브(30)의 플런저(32)와 일체로 연결되고, 상기 플런저(32)와 함께 분사출구를 개방하여 연료공급라인(50)의 압력에 의해 연료를 분사하는 니들밸브(20)와,

상기 니들밸브(20)의 일측에 연결되고, 상기 니들밸브(20)에서 분사되는 연료의 무화현상을 촉진하는 초음파발생부(10)와,

상기 초음파발생부(10) 및 솔레노이드 밸브(30)에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 연료펌프(83)와 인젝터(84)에 연결된 연료공급라인(93)은 하나의 라인에서 인젝터(84)와 초음파분사기(70)에 각각 연료를 공급하기 위해 일측이 분기되 어 이루어진 것이 특징인 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 전원공급부는 솔레노이드 밸브(30)와 초음파발생부(10)의 각각에 대해 독립적으로 전원을 인가하도록 제1 전원공급부와 제2 전원공급부로 이원화된 것을 특징으로 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 전자제어유닛(ECU)은 솔레노이드 밸브(30)에 분사신호를 인가함과 동시에 초음파발생부(10)에 전원을 공급하는 제2 전원공급부에 전원인가 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 초음파발생부(10)는 연료의 미립화를 촉진하기 위하여 700kHz 이상의 고주파를 발생하는 것이 특징인 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 초음파발생부(10)는 니들밸브(20)로부터 분사되는 연료를 받아들이는 인입부(11)와 상기 인입부(11)의 연료의 밀도를 증가시키는 분사구(12)로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
제 6항에 있어서,

상기 분사구(12)의 직경은 인입부(11)의 직경 보다 작은 것을 특징으로 하는 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 엔진(100)에 연료를 공급하는 인젝터(84)와 초음파분사기(70)의 연료분사 비율은 10:0 또는 5:5 ~ 2:8의 범위 내인 것이 특징인 초음파 분사기를 이용한 흡기포트 분사식 디젤엔진용 연료공급장치.
삭제