KR101032557B1 - 내연 기관용 연료 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

내연 기관용 연료 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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로베르토 오. 펠리자리
존 바론
잔-로저 린나
피터 로프투스
피터 팔머
존 폴 멜로
스튜어트 베네트 스프래그
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필립 모리스 유에스에이 인코포레이티드
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Abstract

내연 기관에서 사용하기 위한 연료 시스템은 인렛(inlet) 단부 및 아웃렛(outlet) 단부를 구비하는 적어도 하나의 모세관류 통로를 각각 포함하는 복수의 연료 분사기들과, 상기 적어도 하나의 모세관류 통로를 따라 배치되고 액체 연료의 적어도 일부를 액체 상태에서 증기 상태로 전환하기에 충분한 레벨까지 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에서 액체 연료를 가열할 수 있는 열원과, 및 상기 내연 기관에 대한 연료를 조절하기 위한 밸브와, 소정의 목표 온도를 달성하기 위해 상기 복수의 연료 분사기들 각각의 상기 열원에 제공되어 파워를 제어하기 위한 컨트롤러와, 엔진 기류를 판정하기 위한 센서와, 상기 내연 기관의 엔진 예열도를 표시하는 값을 측정하기 위한 센서를 포함한다.
연료 시스템

Description

내연 기관용 연료 시스템 및 그 제어 방법{FUEL SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR CONTROLLING SAME}
본 발명은 내연 기관에서의 연료 분배에 관한 것이다.
California Low Emission Vehicle II(LEV II) 규정, Federal USA EPA Tier 2 규정, 및 European Union EU-IV 규정을 포함하는 다음 몇년 동안 효력이 발휘되도록 법제화된 영구적으로 엄중한 방출 규정으로 미루어보아, 특히 저온 시동 및 예열 중에 전촉매 엔진 아웃 HC 배출물(pre-catalyst engine-out HC emissions)은 연구 개발에서 상당한 성과를 내고 있다. 이것은 Federal Test Procedure(FTP) 중에 보통의 현대적인 경량 차량에 의해 생성된 총 탄화 수소 방출의 80 퍼센트가 시험 초기의 120초 동안에 발생된다는 사실에 상당 부분 기인하고 있다.
이와 같은 높은 레벨의 배출은 주로 저온의 엔진 및 배기 부품 온도에 기인한다. 특히, 저온 엔진 부품은 연료 과잉 동작을 필요로 하는 것으로서, 흡입 시스템 및 연소실의 벽에 부착되는 연료의 일부를 보상하기 위해 과도한 연료가 사용되고, 그에 따라 용이하게 연소되지 않는다. 또한, 저온 삼원 촉매는 저온 시동 중에 엔진을 통과하는 비연소된 상당량의 탄화 수소를 줄일 수 없다. 그 결과, 고농도의 비연소된 탄화 수소는 테일 파이프(tail pipe)로부터 방출된다. 저온 시동 중의 과 도한 탄화 수소 방출에 대응하는 과도한 연료 공급은 액체 가솔린 보다는 가솔린 증기를 사용함에 의해 제거될 수 있다는 것은 말할 것도 없다.
엔진의 예열 이후에 비교적 잘 동작되는 내연 기관에 대해, 미세한 액체 연료의 액적(droplet) 및 공기를 공급하기 위한 다양한 시스템들이 개발되었다. 상기 시스템들은 연료를 점화실에 직접 공급하거나(직접 분사), 또는 기화기 또는 연료 분사기(들)을 사용하여 흡입 다기관을 통해 연소실에 혼합기를 공급한다(간접 분사). 현재 채택된 시스템에서, 연료-공기 혼합기는 액체 연료를 분무하고 이를 미세 액적으로서 공기 흐름에 공급함에 의해 생성된다.
포트-연료 분사(port-fuel injection)을 채택하는 종래의 스파크 점화 엔진에 있어서, 분사된 연료는 액체 연료 액적을 흡입 포트 또는 다기관의 고온 부품으로 향하게 함으로써 기화된다. 정상 동작 조건하에서, 액체 연료는 고온 부품의 표면상에서 얇은 막이 생기고 그 후에 기화 된다. 기화된 연료 및 흡입 공기의 혼합기는 그 후 흡입 밸브가 개구되고 피스톤이 하사점을 향해 이동함에 따라 상이하게 발생된 압력에 의해 실린더 속에 빨려 들어간다. 현대적인 엔진과 어울리는 제어 도를 보장하기 위해, 이러한 기화 기술은 1 미만의 엔진 사이클에서 발생하도록 일반적으로 최적화된다.
대부분의 엔진 동작 조건하에서, 흡입 부품의 온도는 충돌하는 액체 연료 액적을 급속히 기화하기에 충분하다. 그러나, 언급된 바와 같이 저온 시동 및 예열 등의 조건하에서, 연료는 비교적 저온 엔진 부품들상의 임핀지먼트(impingement)를 통해 기화되지 않는다. 그 대신에, 상기 조건하의 엔진 동작은 저온 흡입 부품상에 서 충돌하기 이전에, 충분한 프랙션(fraction)이 공기를 통해 이동함에 따라 상기 충분한 프랙션이 가열 및 물질 이동에 의해 증발되도록, 과잉 연료를 공급함에 의해 보장된다. 상기 메커니즘에 의한 증발 속도는 연료 성질, 온도, 압력, 상대 액적 및 공기 속도, 및 액적의 직경과 상관 관계가 있다. 물론, 상기 방식은 극단적인 환경에서는 실패로 돌아가는 것이고, 연료 휘발성은 공기와의 점화 가능 농도에서 증기를 생성하기에는 불충분하다.
화학적인 완전 연소를 위해, 연료-공기 혼합기는 이론적인(stoichiometric) 또는 연료-부족 가스-단계 혼합물로 기화되어야 한다. 이론적으로 연소 가능한 혼합기는 완전 연소를 위해 요구되는 정량적인 공기(산소) 및 연료를 포함한다. 가솔린에 있어서, 상기 공연비(air-fuel ratio)는 중량비로 약 14.7: 1이다. 완전히 기화되지 않거나 또는 이론적이지 않는 연료-공기 혼합기는 결과적으로 불완전 연소 및 열 효율의 저하로 이어진다. 이상적인 연소 공정의 생성물은 물(H20) 및 이산화 탄소(CO2)이다. 연소가 불완전하면 몇몇의 탄소는 완전히 산화되지 않아 일산화 탄소(CO) 및 비연소된 탄화 수소(HC)를 생성한다.
모든 공기 오염을 줄이라는 명령은 복수의 연료 시스템 및 엔진 변형에 의해 연소의 비효율성을 보상하는 시도로 이어졌다. 연료 준비 및 분배 시스템에 관한 종래 기술에 의해 증명된 바와 같이, 보다 완전한 연소를 허용하도록 액체 연료 액적의 크기를 줄이고 시스템 난류를 증가시기고 연료를 기화하는데 충분한 열을 제공하는데 많은 노력이 기울여 졌다.
그러나, 저온 엔진 온도에서 불충분한 연료 준비는 보다 많은 방출이 되는 결과가 되어 후처리 및 복잡한 제어 전략을 요구한다는 문제를 갖고 있다. 상기 제어 전략들은, 비연소된 탄화 수소를 산화하고 촉매 전환기 착화(ligh-off)에 유리한 발열 반응을 일으키기 위해, 배기 가스 재순환, 가변 밸브 개폐 시기, 지연 점화 시기, 감소된 압축률, 탄화 수소 포착기의 이용, 및 밀결합 촉매 전환기와 공기 분사를 포함한다.
시동 중에 비교적 많은 양의 비연소 탄화 수소가 방출되었는 점을 가정하면, 상기 경량 차량 엔진 동작의 이러한 양상은 상당한 기술 개발 성과가 집중된 것이다. 또한, 점점 더 엄격해지는 방출물 표준이 제정되고 소비자들이 가격과 성능에 민감해짐에 따라, 이러한 개발 성과는 계속 탁월해 질 것이다. 종래 엔진으로부터 시동 방출량을 줄이려는 상기와 같은 노력은 보통 3개의 카테고리로 모아진다. 즉, 1) 삼원 촉매 시스템에 대한 예열 시간을 줄이는 것, 2) 연료 기화를 위한 기술을 개선하는 것, 3) 촉매가 착화될 때까지 비연소 탄화 수소를 포획하는 것이다. 삼원 촉매에 대한 예열이 시작되는 시간을 줄이는 노력은, 배기 온도를 높이기 위해 점화 시간을 지연시키는 것; 사전에 배기 밸브를 개방하는 것; 촉매를 전기적으로 가열하는 것; 촉매를 가열하는 버너 또는 불꽃; 및 접촉식으로 촉매를 가열하는 것을 포함한다. 전체로서, 대부분의 이러한 성과들은 비용이 많이 들고 저온 시동 중의 그리고 직후의 HC 방출을 아무도 처리하지 못한다.
연료 기화라는 논점을 처리하도록 다양한 기술들이 제안되었다. 연료 기화 기술을 제안하는 미국 특허는, Hudson, Jr. 등에게 허여된 미국 특허 제5,195,477 호, Clarke에게 허여된 미국 특허 제5,331,937호, Asmus에게 허여된 미국 특허 제4,886,032호, Lewis 등에게 허여된 미국 특허 제4,955,351호, Oza에게 허여된 미국 특허 제4,458,655호, Cooke에게 허여된 미국 특허 제6,189,518호, Hunt에게 허여된 미국 특허 제5,482,023호, Hunt에게 허여된 미국 특허 제6,109,247호, Awarzamani 등에게 허여된 미국 특허 제6,067,970호, Krohn 등에게 허여된 미국 특허 제5,947,091호, Nines에게 허여된 미국 특허 제5,758,826호 및 미국 특허 제6,102,303호, Thring에게 허여된 미국 특허 제 5,836,289호, 및 Cikanek,Jr. 등에게 허여된 미국 특허 제5,813,388호를 포함한다.
기화된 연료를 제공하는 중요한 한 방식은 연료 증기 계측이 문제가 있고 그에 따라 저온 방출을 줄이는 대부분의 접근 방식은 연료를 액체로서 계랑하고 그 후에 연료를 기화하는 것에 촛점을 맞추고 있다는 사실을 포함한다. 가열된 연료 분사기는 연료 히터 개념을 생각하고 또는 히터가 일단 꺼지면 분사기의 아웃렛에서 상부에 덧붙여진 기화기는 보통 분무화의 불량 및 연료 표시화가 불량을 겪는다. 또한, 가열된 분사기 및 가열된 임핀지먼트(impingement) 플레이트는 가열 소자에 요구되는 전원을 최소로 하는 것과 기화기 예열 시간을 최소로 하는 것 사이에서 본질적인 설계상의 문제를 겪는다. 실용적인 목적을 위해, 가열된 분사기 및 가열된 임핀지먼트 플레이트 양쪽 모두에 대응하는 가열 시간은, 과도한 전력이 공급되지 않는다면, 너무 길다.
제안된 다른 연료 분배 장치는 연료 셀 시스템에서 사용하기 위한 연료 조절 장치를 개시하는 미국 특허 제3,716,416호를 포함한다. 연료 셀 시스템은 자체 조 정, 및 소정의 레벨에서 파워를 생성하는 것이 의도된다. 상기 제안된 연료 조절 시스템은 후속적인 연소를 위한 개선된 연료 준비라기 보다는 연료 셀의 파워 출력에 응답하여 연료 흐름을 스로틀링하는 모세관류 제어 장치를 포함한다. 그 대신에, 연료는 H2로의 전환을 위해 연료 개질기(fuel reformer)로 공급되고 그 후 연료 셀로 공급되는 것으로 의도된다. 양호한 실시예에 있어서, 모세관 튜브는 금속으로 구성되고 모세관 그 자체는 저항기로서 사용되고, 상기는 연료 셀의 파워 출력과 전기 접촉한다. 증기의 흐름 저항이 액체의 흐름 저항보다 더 크기 때문에, 흐름은 파워 출력이 증가함에 따라 스로틀링 된다. 사용하기 위해 제안된 연료들은 열을 가함에 의해 액체에서 증기 단계로 용이하게 변환되고 모세관을 통해 자유롭게 흐르는 어떠한 유체도 포함한다. 증기화는 스로틀링이 자동차 엔진에서 발생하는 방식으로 달성되는 것 처럼 보인다.
미국 특허 제6,276,347호는 내연 기관용 연료 분사 시스템을 제안하는 것으로서, 상기 시스템은 배출 아웃렛의 연료 직상류를 가열하기 위한 전기 가열 소자를 포함한다. 엔진의 정상 작동 온도 이하의 엔진 온도에서 연료는 분사될 연료의 대부분(preponderant portion)이 배출 아웃렛을 떠난 직후 보다 더 늦지 않게 가스 단계로 전환될 정도로 가열된다고 한다.
미국 특허 제6,276,347호는 초임계 또는 거의 초임계 분무기 및 액체의 분무화 또는 증기화를 달성하기 위한 방법을 제안한다. 상기 미국 특허 제6,276,347호 의 초임계 분무기는 중량 가연물의 사용이 소규모 발화, 경량, 저압축비, 일반적으 로 가솔린을 연소하는 스파크 점화 피스톤 엔진들을 가능하게 한다고 한다. 상기 분무기는 연료를 그 초임계 온도로 향해 이동시키고 상기 연료와 대응하는 상(phase) 다이어그램의 가스 평형계상의 저압 영역 속으로 연료를 방출함에 의해 액체 또는 액체와 유사한 연료로부터 미세 액적의 스프레이를 생성하여, 연료의 미세 분무화 또는 증기화를 유발한다. 연소 엔진, 과학용 장치, 화학 공정, 폐기물 처리 제어, 세정, 식각(etching), 살충 제어, 표면 처리, 가습 및 증기화 등의 응용에 대한 부대 설비(utility)가 개시되어 있다.
분포(decomposition)를 최소화하기 위해, 미국 특허 제6,276,347호는 분무용의 수축기(restrictor)의 말단부를 통과할 때까지 연료를 초임계 온도 이하로 유지하는 것을 제안하고 있다. 일정한 응용에 있어서, 수축기의 선단만을 가열하는 것은 화학 반응 또는 침전에 대한 포텐셜을 최소로 하도록 요구된다. 상기는 용액으로부터 배격되는 경향이 있는 연료 흐름, 폐쇄관 및 필터에서의 불순믈, 반응물 또는 물질과 관련된 문제점을 낮춘다고 한다. 거의 초임계 압력 또는 그 근방의 압력에서의 동작은 연료 공급 시스템이 21 내지 56kg/cm2(300 내지 800psig)의 범위 내에서 작동한다는 것을 시사한다. 초임계 압력 및 온도의 사용은 분무기의 폐쇄(clogging)를 줄일 수는 있겠지만, 상기와 같이 높아진 압력에서 동작할 수 있는 비교적 보다 고가의 연료 펌프 뿐 만 아니라 연료관, 배관 부속(fittings) 등을 사용할 것을 요구한다.
미국 특허 제6,276,347호의 분할 출원인 미국 특허 제6,390,076호 역시 거의 초임계 분무기 및 액체의 분무화 또는 증기화를 달성하기 위한 방법을 제안하는 것으로서, 그 청구항들은 버너에서의 이용에 주의를 돌리고 있다. 초임계점 이하로 유지하는 것은 대부분의 응용에서 액체 또는 유체 내의 성분의 분해 및/또는 침전을 방지한다고 한다. 또한, 분무 장치로의 열 입력을 제어함에 의해 액체 용액은 많이 증기화될 수 있다는 것이 또한 제안된다. 개시된 장치는 수축기 밸브의 말단부가 열 제어 유닛에 의해 제어되는 가열 소자에 결합되는 것을 제안한다. 이용하기 위해 제안된 저항형 가열 소자는 가스 분배 시스템의 가열 파이프용으로 보통 채택되는 형태 중에서 저항형 테이프 히터(resistive tape heater)일 수 있다. 상기 열 제어 유닛은 종래의 설계일 수도 있고, 또는 토오크 또는 RPM 등의 엔진의 동작 파라미터에 응답하여 선택적으로 동작하여 엔진 실린더속으로 분출되는 연료의 분무화 정도를 변경할 수 있다고 한다.
본 발명의 한 특징에 있어서, 적어도 하나의 모세관류 통로와, 상기 적어도 하나의 모세관류 통로를 따라 배치되고 액체 연료의 적어도 일부를 액체 상태에서 증기 상태로 전환하기에 충분한 레벨까지 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에서 액체 연료를 가열할 수 있는 열원을 포함하는 연료 시스템을 제어하고 내연 기관에 대해 연료를 분배하는 방법에 있어서,
(a) 엔진 기류를 판정하는 스텝과,
(b) 엔진 예열도를 나타내는 값을 측정하는 스텝과,
(c) 액체 연료의 일부가 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에 의해 증기 상태로 전환될 것인지를 판정하고, 상기 스텝 (a), (b)에서 측정된 값을 채택하는 스텝과,
(d) 액체 연료의 상기 일부분을 스텝 (c)에서 판정된 증기 상태로 전환할 수 있는 미리 정해진 목표 온도를 달성하기 위해, 상기 적어도 하나의 연료 분사기의 사이 열원에 공급되는 전원(power)을 제어하는 스텝과,
(e) 상기 내연 기관의 연소실에 상기 연료를 분배하는 스텝을 포함하고,
상기 증기 상태로 전환될 액체 연료의 상기 일부는 최소의 배기 방출량을 달성하기 위해 판정되는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법이 개시된다.
본발명의 다른 특징에 있어서, 내연 기관용 연료 시스템에 있어서,
인렛(inlet) 단부 및 아웃렛(outlet) 단부를 구비하는 적어도 하나의 모세관류 통로(i)와, 상기 적어도 하나의 모세관류 통로를 따라 배치되고 액체 연료의 적어도 일부를 액체 상태에서 증기 상태로 전환하기에 충분한 레벨까지 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에서 상기 액체 연료를 가열할 수 있는 열원(ii)과, 상기 내연 기관으로의 연료를 측정하고 상기 적어도 하나의 모세관류 통로의 상기 아웃렛에 근접하게 배치된 밸브(iii)를 포함하는 복수의 연료 분사기(a)와,
상기 복수의 연료 분사기들과 유동적으로 통하는 액체 연료 공급 시스템(b)과,
액체 연료의 상기 일부를 증기 상태로 전환할 수 있는 미리 정해진 목표 온도를 달성하도록, 상기 복수의 연료 분사기 각각의 상기 열원에 공급된 전원을 제어하는 컨트롤러(c)와,
엔진 기류를 판정하고 상기 컨트롤러에 접속되는 수단들(d)과,
엔진 예열도를 나타내는 값을 측정하고 상기 컨트롤러에 접속되는 센서(e)를 포함하고,
상기 증기 상태로 전환될 액체 연료의 상기 일부는 최소의 배기 방출량을 달성하기 위해 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템이 개시된다.
상기 연료 시스템은 내연 기관의 저온 시동 및 예열 배출물을 줄이는데 효과적이다. 효율적인 연소는 거의 증기화된 연료가 공기에서 응축되는 경우에 미세한 액적의 크기로 된 에어졸을 형성함에 의해 촉진된다. 증기화된 연료는 엔진의 저온 시동 및 예열 중에 연소실로 공급되고 감소된 배출물이 얻어진다.
다른 양상에 있어서, 퇴적물을 세정하게 하는 수단들이 제공된다. 퇴적물을 세정하게 하는 수단들은 모세관류 통로의 현장내 세척(in-situ cleaning)을 가능하게 한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시로서 본 발명의 양호한 형태를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 양호한 실시예에 따른 전기 가열된 모세관을 갖는 인라인 가열식 분사기의 부분 단면도로서, 변형된 종래의 측면 공급 포트형 분사기와의 일체화된 상류(upstream)를 도시하는 도면.
도 2는 다른 양호한 실시예에 따른 전기 가열된 모세관을 구비하고 액체 연 료의 흐름을 또한 제공할 수 있는 다른 증기-액체 인라인 가열식 분사기의 부분 단면도.
도 3은 다른 양호한 실시예에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 단면도.
도 4는 또 다른 양호한 실시예에 따른 이중 분사기를 채택한 다른 실시예의 단면도.
도 5는 별도의 증기 연료 분사기가 종래의 연료 분사기와 관련되어 사용되는 연료 분배 및 엔진/컨트롤러 시스템의 개략도.
도 6은 또 다른 양호한 실시예에 따른 증기/액체 연료 분사기가 엔진에 대해 증기화 연료 및 액체 연료를 분배하는데 사용되는 엔진/컨트롤러 구성의 개략도.
도 7은 또 다른 양호한 실시예에 따른 2진(하이/로우) 전원을 경유하여 분사기에 대한 파워가 제어되는 증기/액체 연료 분사기 제어 알고리즘.
도 8은 또 다른 양호한 실시예에 따른 비례 적분 미분 컨트롤러를 경유하여 분사기에 대한 파워가 제어되는 증기/액체 연료 분사기 제어 알고리즘.
도 9는 증기 연료 분사기에 대한 실험적으로 판정된 저항 설정치를 도시하는 도면.
도 10은 상이한 압력에서 상업용 가솔린에 대한 일반적인 연료 증기 커브를 도하는 도면.
도 11은 상이한 압력에서 상업용 가솔린에 대한 50% 증기화 온도를 도시하는 도면.
도 12는 100% 듀티 사이클에서 종래의 포트형 연료 분사기에 대한 액체 및 증기화 연료의 질량 유속을 도시하는 도면.
도 13은 양호한 실시예에 따른 인라인 가열식 연료 분사기에 대한 상이한 동작 모드를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 연료 분배 장치를 사용하여 엔진에서의 시동의 초기의 20초 동안의 엔진 파라미터들을 도시한 챠트.
도 15는 본 발명의 연료 분배 장치로부터의 엔진 배출물과 종래의 포트형 연료 분사기로부터의 엔진 배출물을 비교한 챠트.
유사한 도면 번호가 유사한 부분을 가리키는데 사용되고 있는 도 1 내지 15에 도시된 실시예들에 대한 설명이 이루어질 것이다.
내연 기관의 저온 시동, 예열 및 정상 동작에 대해 유용한 연료 시스템 및 그 제어 방법이 제공된다. 상기 연료 시스템은 액체 연료를 가열하여 실질적으로 증기화된 연료가 엔진 실린더에 공급되도록 할 수 있는 모세관류 통로를 구비하는 연료 분사기를 포함한다. 실질적으로 증기화된 연료는 연소 가능하고 종래의 연료 분사기 시스템에 비해 연소 배출물이 적다. 또한, 연료 시스템은 저 전력을 필요로 하고, 다른 증기화 기술 보다 단축된 예열 시간을 갖는다.
일반적으로, 가솔린은 저온에서 용이하게 증기화되지 않는다. 저온 시동 및 예열 기간 중에, 액체 연료의 증기화는 상대적으로 거의 발생하지 않는다. 이와 같기 때문에, 연소될 공기/연료 혼합기를 달성하기 위해 엔진의 각각의 실린더에 대해 과도한 액체 연료를 공급하는 것이 필요하다. 과도한 액체 연료로부터 생성된 연료 증기의 점화시에, 실린더로부터 배출된 가스들은 비연소된 연료 및 바람직하지 않은 가스 배출물을 포함한다. 그러나, 정상 동작 온도에 도달한 때에, 액체 연료는 용이하게 증기화되어 적은 연료가 용이하게 연소될 공기/연료 혼합기를 달성하는데 요구된다. 유익하게도, 정상 동작 온도에 도달한 때에 공기/연료 혼합기는 이론적인(stoichometric) 또는 거의 이론적인 혼합비로 제어되고, 그에 따라 비연소된 탄화 수소 및 일산화 탄소의 배출물을 줄일 수 있다. 또한, 연료 공급이 이론적인 또는 거의 이론적인 혼합비에서 제어되는 경우에, 충분한 공기만 있으면 비연소된 탄화 수소 및 일산화 탄소의 동시적인 산화 및 3원 촉매(TWC)를 거치는 질소 산화물의 감소에 이용될 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 거의 증기화 된 연료를 흡입 유로속으로 또는 엔진 실린더속으로 직접 분사하고, 그에 의해 엔진의 시동 및 예열 중에 과도한 연료에 대한 요구를 제거할 수 있다. 연료는 양호하게는 공기 또는 공기 희석제와 함께 이론적인 또는 연료-부족 혼합기 상태로 엔진에 분배되어, 사실상 모든 연료는 저온 시동 및 예열 기간 중에 연소된다.
종래의 포트형 연료 분사에 있어서, 과도한 연료 공급은 강력하고 신속한 엔진 시동을 보장하기 위해 요구된다. 연료-과잉 상태하에서, 3원 촉매에 도달하는 배기 흐름은 촉매가 예열되기 때문에 과도한 연료 및 비연소된 탄화 수소를 산화하기에 충분한 공기를 포함하지 않는다. 상기 논점을 처리하는 하나의 접근 방식은 공기 펌프를 이용하여 배기 흐름의 촉매 전환기의 상류에 추가적으로 공기를 공급하는 방식이다. 그 목적은 일단 촉매가 그 착화 온도에 도달하면 촉매 표면상에서 반응할 수 있는 이론적인 또는 약간 연료-부족 배기 흐름을 생성하고자 하는 것이다. 이와 다르게, 본 발명의 시스템 및 방법은 엔진이 저온 시동 및 예열 기간 중에 이론적인 또는 심지어 약간 연료 부족 상태에서 동작하게 하여, 과도한 연료 공급의 필요성 및 추가적인 배기 공기 펌프의 필요성을 제거하여 배기 후처리 시스템의 비용 및 복잡성을 낮추고자 하는 것이다.
저온 시동 및 예열 기간 중의 촉매 예열을 처리하는 다른 접근 방식은 상기 기간 중에 매우 연료-과잉 상태에서 엔진을 천천히 동작하는 것이다. 이러한 연료-과잉의 배기 흐름에 공기를 공급하기 위해 배기 공기 펌프를 사용함에 의해, 연소 가능한 혼합기가 생성되고 그 혼합기는 자동 점화에 의해 또는 촉매 전환기의 또는 촉매 전환기에서의 몇몇의 점화원 상류에 의해 연소된다. 상기 산화 공정에 의해 생성된 발열은 배기 가스를 현저하게 가열하고 그 열은 배기가 촉매를 통과함에 따라 주로 촉매 전환기로 옮겨진다. 본 발명의 시스템 및 방법을 이용함에 의해, 엔진은 동일한 효과를 달성하지만 공기 펌프가 필요함이 없이도, 교호하는 실린더를 연료-과잉 상태 또는 연료-부족 상태에서 동작하게 제어된다. 예를 들면, 4 실린더 엔진에서, 2개의 실린더는 저온 시동 및 예열 기간 중에 연료-과잉 상태에서 동작되어 배기 흐름에 비연소된 탄화 수소를 생성한다. 남은 2개의 실린더는 저온 시동 및 예열 중에 연료-과잉 상태에서 동작하여 배기 스트림에 산소를 제공한다.
본 발명에 따른 연료 시스템은 연소를 위해 엔진속으로 분사되기 이전에 압력을 받은 연료가 통과해서 흐르는 적어도 하나의 모세관 크기의 유로(flow passage)를 포함한다. 모세관 크기의 유로에는 양호하게는 2mm 보다 더 작고, 보다 양호하게는 1mm 보다 더 작고, 가장 양호하게는 0.5mm 보다 더 작은 유체 역학 지름(hydraulic diameter)이 마련될 수 있다. 유체 역학 지름은 유체 운반 요소를 통해 유체 흐름을 계산하는데 사용된다. 유체 역학 반경은 유체와 접촉하는 입체 경계(solid boundary)의 페리미터(perimeter)(보통, "웨트(wetted)" 페리미터라고 한다)에 의해 나누어진 유체 운반 요소의 흐름 면적으로서 정의된다. 원형 단면으로 된 유체 운반 요소의 경우에, 상기 요소가 완전히 흐르고 있는 때의 유체 역학 반경은 (πD2)/πD=D/4이다. 원형이 아닌 유체 운반 요소의 유체의 흐름에 대해서는 유채 역학 지름이 사용된다. 유체 역학 반경의 정으로부터, 원형 단면을 갖는 유체 유반 요소의 지름은 유체 역학 반경의 4배이다.
모세관류 통로를 따라 열이 가해지고 그 결과 유로에 들어간 액체 연료의 적어도 일부분은 상기 통로를 따라 이동함에 따라 증기로 전환된다. 연료는 증기화되지 않은 소량의 가열된 연료를 임의로(optionally) 포함하는 실질적인 증기로서 상기 모세관류 통로를 빠져 나간다. 실질적으로 증기화됨에 의해, 액체 연료 부피의 적어도 50%가 열원에 의해 증기화되고, 보다 양호하게는 적어도 70%, 가장 양호하게는 액체 연료의 80%가 증기화 된다는 것을 의미한다. 비록, 100%의 증기화는 복잡한 물리적인 영향에 의해 달성되기가 곤란하지만, 그럼에도 불구하고 완전한 증기화는 바람직할 것이다. 이와 같은 복잡한 물리적인 영향은 비등점이 압력에 의존하고 압력은 모세관류 통로에서 변하기 때문에 연료의 비등점의 변동을 포함한다. 따라서, 대부분의 연료가 모세관류 통로에서 가열 중에 비등점에 도달한다고 믿어 지지만, 액체 연료 약간은 액체 연료가 증기화된 유체와 함께 모세관류 통로의 아웃렛(outlet)을 통과하는 결과 완전히 증기화될 정도로 충분히 가열되지 않을 수 있다.
모세관 크기의 유체 통로는 양호하게는 단일한 또는 다층 금속, 세라믹 또는 유리 바디(body) 등의 모세관 바디에 형성된다. 상기 통로는 모세관 바디의 외부에 대해 개방될 수 있거나 또는 동일한 바디 또는 다른 바디 내의 다른 통로에 접속될 수 있거나 또는 배관 부품(fitting)에 접속될 수 있는 인렛(inlet) 및 아웃렛(outlet)에 대해 개방된 폐쇄된 입체를 갖는다. 히터는 스테인레스 스틸관의 한 부분 등의 상기 바디의 일부분에 의해 형성될 수 있거나 또는 히터는 불연속층이거나 모세관 바디내에 또는 그 상부에 넣어진 저항성 가열 재료의 배선일 수 있다. 유체 통로는 유체가 통과할 수 있는 인렛 및 아웃렛에 대해 개방된 막힌 입체를 포함하는 어떠한 형상이어도 무방하다. 유체 통로는 어떠한 소요의 단면을 가져도 무방하고 그 단면이 일정한 지름으로 된 원(circle)이면 양호하다. 다른 모세관 유체 통로 단면은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 다른 형상 등의 비원형 형성을 포함할 수 있고 유체 통로의 단면은 일정할 필요는 없다. 유체 통로는 직선적으로 또는 비직선적으로 연장될 수 있고, 단일한 유체 통로 또는 다중 패스의 유체 통로일 수 있다. 모세관류 통로가 금속 모세관 튜브로 정의되는 경우에, 상기 튜브는 0.01 내지 3mm의 내경을 가질 수 있고, 양호하게는 0.1 내지 1mm, 가장 양호하게는 0.15 내지 0.5mm의 내경을 가질 수 있다. 또한, 모세관류 통로는 8×10-5내지 7mm2, 양호하게는 8×10-3 내지 8×10-1mm2, 보다 양호하게는 2×10-2 내지 2×10-1mm2 인 통로의 횡단 면적에 의해 정위될 수 있다. 단일한 또는 복수의 모세관의 많은 조합, 다양한 압력, 다양한 모세관 길이, 모세관에 가해진 열량, 및 상이한 단면적은 주어진 응용에 적합할 것이다.
액체 연료는 적어도 0.7kg/cm2(10psig), 양호하게는 적어도 1.4kg/cm2(20psig)의 압력하에서 모세관류 통로에 공급될 수 있다. 모세관류 통로가 개략 0.051cm(0.020 in)의 내경과, 개략 15.2cm(6 in)의 길이를 갖는 스테인레스 스틸의 내부에 의해 정의되는 경우에, 연료는 보통 크기의 자동차 엔진 실린더의 이론적인 시동에 대해 요구되는 질량 유속(mass flow rate)을 달성하기 위해, 7.0kg/cm2(100 psig)의 압력(100 내지 200 mg/s와 비슷)으로 모세관류 통로에 공급되면 양호하다. 적어도 하나의 모세관류 통로는 바람직하지 않는 높은 레벨의 비연소된 탄화 수소 또는 다른 배출물을 발생시킴이 없이 엔진의 실리더(들) 내에서 점화 및 연소될 수 있는 연료와 공기의 이론적인 또는 거의 이론적인 혼합기를 보장하기 위해 실질적으로 증기화된 연료의 충분한 흐름을 제공한다. 모세관 튜브는 또한 낮은 열적 관성(themal inertia)을 갖음에 의해 모세관류 통로는 매우 빨리, 양호하게는 2.0초 내에, 보다 양호하게는 0.5초 내에, 가장 양호하게는 0.1초 내에 연료를 기화하기 위한 소요 온도에 도달할 수 있고, 이는 엔진을 저온 시동거는 것을 포함하는 응용에서 유익하다. 저온 열적 관성은 엔진 파워 요구시의 갑작스런 변경에 대해 연료 분배의 응답성을 개선함에 의한 것과 같은 엔진의 정상 동작 중에 장점을 또한 제공한다.
가열된 모세관류 통로내의 액체 연료의 증기화 도중에, 탄소 및/또는 중탄화 탄소의 퇴적물은 모세관 벽상에 응집되고 연료의 흐름은 심각하게 제한을 받고 이는 결국 모세관류 통로의 막힘으로 이어질 수 있다. 상기 퇴적물이 응축되는 속도는 모세관 벽의 온도, 연료 흐름 속도 및 연료 종류와 상관 관계에 있다. 연료 첨가제는 상기 퇴적물을 줄이는데 유용하다고 믿어진다. 그러나, 막힘이 발생되더라도 상기 막힘은 퇴적물을 산화함에 의해 제거될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액체 연료원으로부터 빨려 들어온 액체 연료를 증기화하는 분사기(10)를 도시한다. 장치(10)는 실질적으로 액체 상태의 액체 연료를 모세관류 통로(12)속으로 유입하기 위한 액체 연료원(F)과 유동적으로 통하는 인렛 단(14) 및 아웃렛 단(16)을 구비하는 모세관류 통로(12)을 포함한다.
양호하게는 핀틀 밸브(pintle valve) 어셈블리(18)는 솔레노이드(28)에 의해 작동된다. 솔레노이드(28)는 전기 커넥터(30)에 접속된 코일 권선(32)을 구비한다. 코일 권선(32)에 전압이 가해지면 솔레노이드 소자(36)는 코일 권선(32)의 중심으로 끌어 당겨진다. 전기가 코일 권선(32)으로부터 차단되는 경우에, 스프링(38)은 상기 솔레노이드 소자를 그 원래 위치로 복귀시킨다. 핀틀(40)은 솔레노이드 소자(36)에 접속된다. 코일 권선(32)에 대해 전기를 인가함에 의해 발생된 솔레노이드 소자(36)의 이동은 핀틀(40)이 오리피스(42)로부터 끌어 내어지도록하여, 연료가 오리피스(42)를 통해 흐르도록 허용한다.
열원(20)은 모세관류 통로(12)를 따라 배치된다. 가장 양호하게는 열원(20)은 전기 저항성 물질로 된 튜브로부터 모세관류 통로(12)를 형성함에 의해 제공되 고, 모세관류 통로(12)의 일부는 전류원이 전류를 분배하기 위해 접속부(22, 24)에서 상기 튜브에 접속되는 경우에 히터 소자를 형성한다. 열원(20)은 이해될 수 있듯이 그 후 모세관류 통로(12)내의 액체 연료를 액체 상태에서 증기 상태로 액체 연료의 적어도 일부를 바꾸고 모세관류 통로(12)의 아웃렛 단(16)으로부터 실질적으로 증기화된 연료의 흐름을 분배하는데 충분한 정도까지 가열할 수 있다.
본 발명에 따른 모세관류 통로(12)는 연료의 증기화된 흐름을 생성할 수 있고, 상기는 공기중에서 응축되어 증기화된 연료의 혼합기, 연료 액적, 및 에어졸이라고 하는 공기를 형성한다. 150 내지 200㎛ Sauter Mean Diameter(SMD) 범위내의 액적으로 구성된 연료 스프레이를 분배하는 종래의 자동차 포트형 연료 분사기에 비해, 상기 에어졸은 평균 액적 크기가 25㎛ SMD 보다 작고, 양호하게는 15㎛ SMD 보다 작다. 따라서, 본 발명에 따른 가열된 모세관에 의해 생성된 대부분의 연료 액적은 흐름 경로(path)에 불구하고 기류에 의해 연소실로 운반된다.
종래 분사기의 액적 크기 분포와 본 발명에 따른 가열된 모세관류 통로 사이의 차이는 저온 시동 및 예열 상태에서 특히 중요하다. 특히, 종래의 포트형 연료 분사기를 사용함에 의해, 비교적 저온의 흡입 다기관(intake manifold)은 과도한 연료 공급을 필요로 하여 흡입 부품상에 충돌하는 많은 연료 액적의 프랙션(fraction)이 점화성 공기/연료 혼합기를 생성하기 위해 증기화된다. 역으로, 본 발명의 분사기에 의해 생성된 증기화된 연료 및 미세 액적은 필수적으로 시동시의 엔진 부붐의 온도에 의해 영향을 받지 않아 엔진 시동 중에 과잉-연료 공급의 필요성을 제거한다. 본 발명의 가열된 모세관 분사기의 사용에 의해 공급된 엔진으로의 연료/공기비에 대한 보다 정밀한 제어와 결합된 과잉-연료 공급의 제거는 결과적으로 종래의 연료 분사기 시스템을 채택한 엔진에 의해 생성된 배출물에 비해 저온 시동 배출물이 크게 감소된다. 과잉-연료 공급의 감소 이외에, 본 발명에 따른 가열된 모세관 분사기는 저온 시동 및 예열 중에 연료-부족 동작이 가능하게 하여, 촉매 전환기가 예열되는 동안에 테일 파이프 배출물의 큰 감소로 이어진다는 점을 유의해야 한다.
도 1에 있어서, 모세관류 통로(12)는 스테인레스 스틸 모세관 튜브 등의 금속 튜브, 및 전류가 통과하는 튜브(20)의 길이를 포함하는 히터를 포함할 수 있다. 양호한 실시예에 있어서, 모세관 튜브는 개략 0.051 내지 0.076cm(0.02 내지 0.03 in)의 내경, 개략 2.54 내지 25.4cm(1 내지 10 in)의 가열된 길이가 제공되어, 연료는 7.0kg/cm2(100 psig) 보다 낮은 압력으로, 양호하게는 4.9kg/cm2(70 psig) 보다 낮은 압력으로, 보다 양호하게는 4.2kg/cm2(60 psig) 보다 낮은 압력으로, 보다 더 양호하게는 3.1kg/cm2(45 psig) 보다 낮은 압력으로 모세관류 통로(12)에 공급될 수 있다. 본 실시예는, 증기화된 연료가 대기 온도에서 공기중에 응축되는 경우에, 대부분이 크기가 2 내지 30㎛ SMD의 범위내에 있고 평균 액적의 크기가 약 5 내지 15 ㎛ SMD인 에어졸 액적의 분포를 형성하는 증기화된 연료를 형성한다. 저온 시동 온도에서 급속 및 거의 완전한 증기화를 달성하기 위한 연료 액적의 양호한 크기는 약 25㎛ 보다 더 작다. 상기 결과는 개략 10.2 내지 40.8kg/sec(100 내지 400W), 예를 들면, 15.2 cm (6 in) 스테인레스 스틸 모세관 튜브에 대해 증기화된 연료의 에너지 함유량의 2 내지 3%에 대응하는 20.4 /kg/sec (200 W)의 전원을 인가함에 의해 달성될 수 있다. 전원은 스테인레스 스틸 등의 전도성 재료로부터 완전히 튜브를 형성함에 의해, 또는 비도전성 튜브의 일부분의 상부에 도전성 재료, 및 튜브 또는 적층체 상에 저항성 히터를 형성하기 위해 전기 저항성 재료를 코팅하거나 적층함에 의해 흐름 통로를 구비한 적층제를 제공함으로써 모세관 튜브에 인가된다. 모세관의 저항성 부품은 재료의 온도 저항 계수에 기초하여 선택된다. 재료의 온도는 목표 저항을 달성하기 위해 전원을 인가함에 의해 제어 가능하다. 전기 리드(lead)는 길이에 따라 튜브를 가열하기 위해 히터에 전류를 공급하는 전기 전도성 재료에 접속 가능하다. 그 길이에 따라 튜브를 가열하는 다른 변형예는 흐름 통로 주위에 위치한 전기 코일에 의해, 또는 도전성, 대류성 또는 복사열 전달의 하나 또는 그 조합을 통하는 흐름 통로의 길이를 가열하기 위해 흐름 통로에 호응하여 위치된 다른 열원 등에 의한 유도 가열을 포함한다.
비록, 양호한 모세관 튜브는 개략 15.2 cm(6 in)의 가열된 길이, 및 개략 0.051 cm(0.020 in)의 내경을 갖지만, 다른 모세관의 구성은 수용 가능한 증기의 품질을 제공한다. 예들 들면, 내부 지름은 0.05 내지 0.08 cm(0.02 내지 0.03 in) 범위내에 있을 수 있고 모세관 튜브의 가열부는 2.5 내지 25.4 cm(1 내지 10 in) 범위내에 있을 수 있다. 저온 시동 및 예열 이후에 모세관 튜브를 가열하는 것이 필요치 않아 비가열된 모세관은 정상 온도에서 동작하는 엔진에 대해 적당한 액체 연료를 공급하도록 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 모세관을 빠져 나가는 증기화된 연료는 현재의 포트 연 료 분사기와 동일한 위치에서 또는 흡입 다기관을 따르는 다른 위치에서 엔진 흡입 다기관으로 분사 가능하다. 그러나, 필요하다면, 연료 모세관은 엔진의 실린더 각각에 직접 증기화된 연료를 분배하도록 배치될 수 있다. 연료 모세관은 엔진을 시동하는 동안에 폐쇄된 흡입 밸브의 이면측에 대해 분사되어야 하는 연료의 큰 액적을 생성하는 시스템에 대한 장점을 제공한다. 양호하게는, 연료 모세관 튜브의 아웃렛은 종래의 연료 분사기의 아웃렛의 배치와 유사한 흡입 다기관 벽과 동일 평면상에 위치한다.
엔진 시동으로부터 거의 20초 이후(양호하게는 보다 짧게)에, 모세관류 통로(12)를 가열하는데 사용한 전력은 차단되고 정상 엔진 동작을 위해 종래의 연료 분사기를 사용하여 시작되는 액체 분사가 개시된다. 정상 엔진 동작은 또한 연속 분사 또는 가능하다면 맥동화된 분사에 의해 비가열된 모세관류 통로(12)를 통한 액체 연료 분사에 의해 실행 가능하다.
도 2에 있어서, 본 발명에 따른 이중 증기/액체 연료 분사기(100)가 도시된다. 이중 증기/액체 연료 분사기(100)는 실질적으로 액체 상태의 액체 연료를 액체 통로(102)속으로 유입하기 위한 액체 연료원(F)과 유동적으로 통하는 인렛 단(114) 및 아웃렛 단(116)을 구비하는 모세관류 통로(112)를 포함한다.
핀틀 밸브(pintle valve) 어셈블리(118)는 솔레노이드(128)에 의해 작동되고 모세관류 통로(112) 및/또는 액체 통로(102)로부터의 연료의 흐름을 제어하기 위해 사용된다. 솔레노이드(128)는 전기 커넥터(130)에 접속된 코일 권선(132)을 구비한다. 코일 권선(132)에 전력이 가해지면 솔레노이드 소자(136)는 코일 권선(132)의 중심으로 끌어 당겨진다. 이전에 언급된 바와 같이, 전기가 코일 권선(132)으로부터 차단되는 경우에, 스프링(138)은 상기 솔레노이드 소자를 그 원래 위치로 복귀시킨다. 핀틀(140)은 솔레노이드 소자(136)에 접속된다. 코일 권선(132)에 대해 전기를 인가함에 의해 발생된 솔레노이드 소자(136)의 이동은 핀틀(140)이 오리피스(142)로부터 꺼내지도록하여, 연료가 오리피스(142)를 통해 흐르도록 허용한다.
열원(120)은 모세관류 통로(112)를 따라 배치된다. 가장 양호하게는 열원(120)은 전기 저항성 물질로 된 튜브로부터 모세관류 통로(112)를 형성함에 의해 제공되고, 모세관류 통로(112)의 일부는 전류원이 전류를 분배하기 위해 접속부(122, 124)에서 상기 튜브에 접속되는 경우에 히터 소자를 형성한다. 열원(120)은 이해될 수 있듯이 그 후 모세관류 통로(112)내의 액체 연료를 액체 상태에서 증기 상태로 액체 연료의 적어도 일부를 바꾸고 모세관류 통로(112)의 아웃렛 단(116)으로부터 실질적으로 증기화된 연료의 흐름을 분배하는데 충분한 정도까지 가열할 수 있다. 엔진 시동으로부터 약 20초 이후에, 또는 양호하게는 그보다 짧게 모세관류 통로(112)에 대한 흐름은 종결되고 종래의 액체 통로(102)는 엔진의 연속 동작을 위해 활성화된다.
도 3에 있어서, 본 발명의 다른 예시적인 실시예가 도시된다. 연료 분사기(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 연료 분사기(200)의 내부 안에서 권선(coiling)된 비선형(나사선(helical) 형상의) 가열된 모세관 흐름 통로(212)를 구비한다. 본 실시예에 있어서, 모세관류 통로(212)는 솔레노이드 어셈블리(228) 주위에서 권선되고 전기 접속부(222, 224)에 의해 정의된 가열된 길이(220)를 따라 가열된다. 본 실시예는 공간이 한정되고 선형 모세관 튜브가 적합하지 않은 경우에 유용하다. 또한, 본 실시예는 정상 동작 상태 중에 엔진에 연료를 분배하기 위해 종래의 연료 분사기(도 4)와 함께 사용하기 위해 개조될 수 있다.
도 4에 있어서, 엔진 흡입 포트(300)는 가열된 모세관 분사기(10)(도 1을 참조하여 기술된 형태) 및 종래의 액체 연료 분사기(350)와 정합된다. 본 실시에에 있어서, 연료는 모세관류 통로(312)에 의해 엔진에 분배되고, 길이(320)를 따라 엔진의 저온 시동 및 예열 중에 그 길이(320)를 따라 가열될 것이다. 엔진 시동으로 부터 약 20초 이후에, 또는 양호하게는 보다 더 짧게 가열된 모세관 분사기(10)는 비활성화되고 종래의 연료 분사기(350)가 엔진의 정상 동작을 위해 활성화 될 것이다.
자명한 바와 같이, 도 1 내지 도 4에 도시된 연료 준비 및 분배용 장치 및 시스템은 본 발명의 다른 실시예와 관련하여 또한 사용될 수 있다. 도 1에 있어서, 장치(10)는 장치(10)의 동작 중에 형성된 퇴적물을 세정(cleaning)하게 하는 수단을 더 포함할 수 있다. 퇴적물 세정용 수단은 열원(20), 및 산화제의 소스와 유동적으로 통하는 모세관 흐름 통로(12)를 배치하기 위한 산화제 제어 밸브(도 4의 420을 참조)를 포함 가능하다. 자명하듯이, 상기 산화제 제어 밸브는 모세관류 통로(12)의 양단에 또는 양단의 근처에 배치될 수 있다. 동작시에, 열원(20)은 액체 연료(F)의 가열 중에 형성된 퇴적물을 산화하기에 충분한 정도까지 모세관류 통로(12) 내의 산화제를 가열하는데 사용된다. 한 실시예에 있어서, 연료 공급 모드에서 세정 모드로의 전환을 위해, 산화제 제어 밸브(도 5의 420을 참조)는 액체 연료 (F)의 유입과 산화제의 모세관류 통로(12)속으로의 유입을 번갈아 하고 산화제가 적어도 하나의 모세관류 통로(12)속으로 유입되는 경우에 모세관류 통로(12)의 현장내(in-situ) 세정을 가능하게 한다.
퇴적물을 산화하기 위한 하나의 기술은 도 5에 도시된 바와 같이 모세관을 통해 공기를 통과시키는 방법을 포함한다. 상기 흐름 통로는 양호하게는 세정 동작 중에 가열되어 산화 처리가 개시되고 퇴적물이 없어질 때가지 계속된다. 상기 세정 동작을 강화하기 위해, 세정을 달성하기 위해 요구된 온도 및/또는 시간을 줄이기 위해 모세관의 벽상의 피막으로서 또는 모세관의 벽의 부품으로서 촉매 물질이 채택 가능하다. 연료 분배 시스템의 연속 동작에 있어서, 모세관 저항의 변화 또는 센서의 사용에 의해 막힘 상태가 검출되는 경우에 연료 흐름이 다른 모세관 흐름 통로로 전환이 가능하고 세정될 폐쇄된 모세관 흐름 통로를 통한 산화제의 흐름이 개시되도록, 하나 이상의 모세관 흐름 통로가 사용 가능하다. 예시로서, 모세관 바디는 복수의 모세관 흐름 통로를 포함하고 밸브 구성은 각각의 흐름 통로에 대해 액체 연료 또는 공기를 선택적으로 공급하도록 제공된다.
또한, 연료 흐름은 모세관 흐름 통로로부터 전환가능하고 산화제 흐름은 미리 조정된 시간 간격으로 개시될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 모세관 흐름 통로에 대한 연료 분배는 컨트롤러(450)에 의해 달성 가능하다. 예컨대, 컨트롤러(450)는 미리 정해진 시간 기간 동안 연료 분배를 활성화 할 수 있고 미리 정해진 시간 이후에 연료 분배를 비활성화 할 수 있다. 컨트롤러(450)는 또한 액체 연료의 압력 및/또는 이하에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 감지된 조건에 기초하여 모세관 흐름 통로에 공급된 열량의 조절을 달성할 수 있다. 감지된 조건들은 그중 에서도, 압력(412), 모세관 온도, 및 공기 연료 혼합기(550)이다. 컨트롤러(450)는 또한 응용 장치에 부착된 다중 연료 분배 장치를 제어할 수 있다. 본 분야의 당업자에게는 자명한 바와 같이 컨트롤러(450)는 또한 퇴적물을 제거하기 위해 하나 이상의 모세관류 통로를 제어한다. 예를 들면, 모세관류 통로의 세정은 모세관류 통로에 열을 가하고 산화제 소스의 흐름을 모세관류 통로에 공급함에 의해 달성 가능하다.
변형예로서, 도 1 내지 도 4에 도시된 연료를 분배하기 위한 장치 및 시스템은 퇴적물을 세정하기 위한 다른 수단을 포함할 수 있다. 도 1에 있어서, 퇴적물을 세정하기 위한 수단은 용매와 유동적으로 통하는 모세관류 통로(12)를 배치하여 용매가 모세관류 통로(12)에 유입되는 경우에 모세관류 통로(12)의 현장내 세정을 가능하게 하는 수단을 포함할 수 있다. 매우 다양한 용매가 사용되지만, 상기 용매는 액체 연료원으로부터의 액체 연료를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 연료와 용매를 교대로 할 필요성이 없기 때문에, 추가적인 밸브는 요구되지 않는다. 열원은 시간 경과에 따라 단계적으로 제거되야 하고 또는 모세관류 통로(12)의 세정 중에 비활성화되어야 한다.
도 1에 도시된 형태의 모세관 연료 분사기는 도 4에 도시된 바와 같은 종래의 액체 연료 분사기와, 도 5에 도시된 제어 시스템과 함께 사용 가능하다. 도 5는 액체 연료 서플라이(410) 및 액체 연료 분사 경로(660)와 유동적으로 통하는 액체 연료 공급 밸브(620)와, 액체 연료 서플라이(410) 및 모세관류 통로(480)와 유동적 으로 통하는 증기화된 연료 공급 밸브(610)와, 산화 가스 서플라이(470) 및 모세관류 통로(480)와 유동적으로 통하는 산화 가스 공급 밸브(420)를 포함하는 내연 기관(510)을 동작하도록 사용된 제어 시스템(400)의 예시적인 개략도이다. 상기 제어 시스템은 엔진 속도 센서(460), 흡입 다기관 공기 온도 및 압력(462), 냉각제 온도 센서(464), 배기 공기-연료비 센서(550), 연료 공급 압력(412) 등의 여러 엔진 센서로부터의 복수의 입력 신호를 일반적으로 수신하는 컨트롤러(450)를 포함한다. 동작시에, 컨트롤러(450)는 하나 이상의 입력 신호들에 기초하여 제어 알고리즘을 실행하고 그 이후에 본 발명에 따른 페쇄된 모세관류 통로를 세정하기 위해 산화제 공급 밸브(420)에 대한 출력 신호(424), 및 액체 연료 공급 밸브(620)에 대한 출력 신호(414), 증기화된 연료 공급 밸브(610)에 대한 출력 신호(434), 및 모세관(480)에 대해 가열하는 전력을 분배하는 전원에 대한 가열 전원 명령(444)을 생성한다.
동작시에, 본 발명에 따른 시스템은 배기 가스 재순환 가열을 이용하여 연소 중에 생성된 열을 피드백하도록 구성 가능하여, 액체 연료는 모세관류 통로(480)를 통과함에 따라 액체 연료를 실질적으로 충분히 증기화 하도록 가열되어 모세관류 통로(480)를 전기적으로 또는 다르게 가열할 필요성을 줄이거나 제거하거나 보충할 수 있다.
도시된 바와 같이, 도 5의 구성에 있어서, 엔진 제어 유닛(ECU)(450)에 대한 입력 신호 각각은 연료 공급 압력(412), 냉각제 온도(464), 흡입 다기관 공기 온도 및 압력(462), 엔진 속도(460), 스로틀 각도(520), 및 배기 공기/연료비(550)를 포함한다. 이와 유사하게, ECU(450)로부터의 출력 신호는 공기 공급 명령(424), 연료 공급 명령(434), 연료 분사 명령(452), 및 가열 전원 명령(444)을 포함하는 것으로 도시된다.
또한, 연료 분사기는 도 2에 도시된 바와 같이 액체 및 증기 연료의 분배를 조정하도록 구성 가능하다. 도 6은 액체 연료 서플라이(710) 및 연료 분사 경로(900)와 유동적으로 통하는 연료 공급 밸브(940)와, 산화 가스 서플라이(770) 및 모세관 흐름 통로와 유동적으로 통하는 산화 가스 공급 밸브(720)를 포함하는 내연 기관(810)을 동작하는데 사용된 제어 시스템(700)의 예시적인 개략도이다. 상기 제어 시스템은 엔진 속도 센서(760), 흡입 다기관 공기 열전대(762), 냉각제 온도 센서(764), 배기 공기/연료비 센서(850), 및 연료 공급 압력(712) 등의 여러 엔진 센서로부터의 복수의 입력 신호를 일반적으로 수신하는 컨트롤러(750)를 포함한다. 동작시에, 컨트롤러(750)는 하나 이상의 입력 신호들에 기초하여 제어 알고리즘을 실행하고 그 이후에 본 발명의 하나의 실시예에 따른 페쇄된 모세관류 통로를 세정하기 위해 산화제 공급 밸브(720)에 대한 출력 신호(724), 및 연료 공급 밸브(940)에 대한 출력 신호(930), 연료 공급 밸브(910)에 대한 출력 신호(734), 및 모세관에 대해 가열하는 전력을 분배하는 전원에 대한 가열 전원 명령(74)을 생성한다.
다시 도 6에 있어서, 엔진 제어 유닛(ECU)(750)에 대한 입력 신호 각각은 연료 공급 압력(712), 냉각제 온도(764), 흡입 다기관 공기 온도 및 압력(762), 엔진 속도(760), 스로틀 각도(820), 및 배기 공기/연료비(850)를 포함한다. 이와 유사하게, ECU(850)로부터의 출력 신호는 공기 공급 명령(724), 연료 공급 명령(734), 연료 분사 명령(920), 및 가열 전원 명령(744)을 포함하는 것으로 도시된다. 밸브 위 치 명령 제어 신호(930)는 증기화된 연료 흐름이 개방 밸브 분사를 위해 펄스화 될 수 있기 때문에, 사용된다. 도 2를 참조하여 알 수 있듯이, 연료 및 증기는 분사기로부터 동일한 출구 경로를 통해 흐를 것이다. 그러나, 액체 연료의 흐름에 대해 요구되는 개방 영역은 증기 연료 분사에 대해 요구되는 것 보다 작다.
자명한 바와 같이, 도 5 및 도 6의 각각의 실시예에 있어서, 엔진으로부터의 신호들은 엔진 컨트롤러에 전송되고, 상기 엔진 컨트롤서는 상기 신호들을 사용하여 최소의 배출물을 위해 엔진에 분배되어야 하는 연료(액체 또는 증기)의 종류를 판정하고, 엔진을 시동 및 예열하고 배출물을 최소로 하기 위해 적정량의 연료를 분사하고, 요구되는 목표 온도 및 액체 연료 분사로의 단계 전환(phasing over)으로 해석되는 목표 저항을 달성하기 위해 모세관류 통로에 공급된 전원을 제어하는 것을 포함하는 증기화된 연료의 분사에 관한 몇몇의 기능(function)을 실행하기 위해 상기 신호들을 사용한다.
양호한 제어 알고리즘의 예시는 도 7에 개략적으로 도시된다. 도 7의 연료 분사기 제어 알고리즘(1000) 2진(하이/로우) 전원을 경유하여 분사기에 대한 전원을 제어한다. 엔진에 분배될 연료 종류(액체 또는 증기)의 판정에 있어서, 시작 제어 알고리즘(1020)은 자동차의 키 스위치 온(1010)으로 시작한다. 연료 분사기 제어 알고리즘(1000)의 시작시에, 냉각제 온도 또는 엔진의 예열 정도를 나타내는 다른 신호(예를 들면, 윤활제 온도, 대기 온도 또는 엔진 시동으로부터 경과된 시간)일 수 있는 신호(1030)는 설정치와 비교된다. 냉각제 또는 윤활제 또는 주위 온도가 경우에 따라서 설정치와 동등하거나 더 높다면, 엔진 컨트롤러는 엔진(1040)에 대해 액체 연료 분배를 지정할 것이다. 유사하게, 엔진 시동으로부터 경과된 시간이 설정치(예를 들면 5분)와 동등하거나 또는 보다 더 크다면, 엔진 컨트롤러는 엔진(1040)에 대해 액체 연료 분배를 지정할 것이다.
또한, 냉각제 온도 등의 엔진 예열의 정도를 표시하는 신호가 설정치 이하라면, 상기 ECU는 모세관류 통로(1060)를 예열하고 크랭킹 시간의 증가에 의한 개방 밸브 분사를 위해 엔진(1090)을 임의로 동조시킨다. 도 7의 실시예에 있어서, 모세관 흐름 통로 예비 가열 온도는 목표 온도(1070)(저항)가 측정될 때까지 열이 모세관에 공급되는 기본적인 on/off 제어 루프를 통해 달성된다. 온도가 목표치(1070)에 도달하고 엔진이 아직 크랭킹 중인 경우에, 모세관류 통로에 대한 가열은 단기간 동안에 제거되어(1080) 온도를 약간 떨어뜨린다. 상기 짧은 "off" 기간 이후에, 온도를 측정하기 위해 파워가 다시 모세관류 통로에 공급된다. 이 시점에서, 제어 루프는 계속된다.
일단 모세관 목표 온도(1070)에 도달하고, 엔진이 개방 밸브 분사(1090)를 위해 동조되면, 분사기는 ECU로부터의 연료 분사 명령을 수신하도록 설정된다. 가열된 분배 방법과 대응하는 비교적 낮은 열 질량(thermal mass)을 가정하면, 상기 예열 공정은 0.5초 보다 상당히 짧게, 보다 상세하게는 0.1초와 비슷하게 걸린다고 예측된다. 따라서, 상기 공정이 엔진 시동 전략에 포함되면, 분사 동작의 이 단계에서의 속도-제한 스텝은 엔진(1090)의 동기화일 것이다.
엔진의 저온 시동 및 예열을 위한 적정량의 연료의 분사에 있어서, 저온 시동 및 예열 중에 엔진에 유입되는 액체 연료의 양은 도 5 및 도 6에 개략적으로 도 시된 수단에 따라 판정된다. 도 5 및 도 6을 다시 참조하면, 자명한 바와 같이, 연료 분사의 상기 단계는, 분사된 연료의 양이 각각의 엔진 속도(460, 760), 각각의 액셀레이터 위치(520, 820) 등의 인자에 기초하여 탐색 지도(look-up map)을 통해 판정되는 개방-루프 제어 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. 또한, 연료 분사는, 배출 공기/연료비 신호(550, 850) 각각이 스로틀 위치 신호(520, 820)에 의해 지배된 예측 제어 알고리즘 또는 연료의 분사량을 판정하기 위해 사용되는 피드백 제어 루프에 의해 결정될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 스로틀 위치 신호(520, 820) 각각은 ECU(450, 750)에 전해지고 예측 제어 전략은 주어진 엔진 조건에 대해 요구되는 연료의 양을 판정하는데 사용된다.
도 7에 있어서, 고품질의 증기가 저온 시동 및 예열 기간 내내 엔진속으로 분사되는 것을 보장하기 위해, 모세관류 통로에 대한 전원을 제어하는 기술이 제공되어 연료 분배가 펄스화 되고 또는 엔진 연료 공급 요구 조건이 변함에 따라 목표 저항(즉, 온도)을 유지한다. 상기는 도 7의 "Control Loop"(100)에 도시된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 모세관류 통로의 저항은 모세관류 통로에 대한 파워의 적절한 조정을 판정하기 위한 피드백으로서 사용되어 저온 모세관류 통로 저항에 대한 측정된 저항의 목표 비율(R/R0)을 유지한다.
도 7에도시된 실시예는 단계적 또는 디지털 제어 알고리즘을 도시하는 것으로서, R/R0(1130)이 설정치와 동등하거나 보다 낮다면 높은 파워(1140)가 모세관을 가열하도록 공급된다. 역으로, R/R0(1130)이 설정치 보다 더 큰 경우에는 낮은 파워 (1150)가 모세관류 통로에 공급된다. 상기와 같은 낮은 파워 조건하에서 저항이 측정되고 컨트롤러에 다시 넘겨지는 동안에 상기 장치는 대류성 냉각이 된다.
도 8에 있어서, 분사기에 대한 파워가 비례 적분 미분 컨트롤러(PID)에 의해 제어되는 증기/액체 연료 분사기 제어 알고리즘(2000)이 도시된다. PID 컨트롤러는 West Instrument, LFE, Watlow, alc Gentran을 포함하는 여러 회사 뿐만 아니라 자동차 제어 공급자로부터 입수 가능하다. PID 컨트롤러는 이롭게도 제어 출력을 조절함으로써 제어 설정치를 정확히 유지한다. 상기는 설정치 주위에서 온도가 최소 변동으로 제어되도록 한다.
도 8의 제어 알고리즘에서, 증기/액체 연료 분사 제어 알고리즘(2000)은 자동차의 키 스위치 온(2010) 상태에서 시작한다. 상기 제어 알고리즘(2000)의 시작시에, 냉각제 온도(2030) 또는 엔진 예열의 정도를 나타내는 다른 신호(예를 들면, 윤활제 온도, 대기 온도 또는 엔진 시동으로부터 경과된 시간)는 설정치와 비교된다. 냉각제 또는 윤활제 또는 대기 온도가 경우에 따라 설정치와 동등하거나 또는 보다 더 크면, 엔진 컨트롤러는 엔진(2040)에 대해 액체 연료 분배를 지정할 것이다. 유사하게, 엔진 시동으로부터 경과된 시간이 설정치(예를 들면 5분)과 동등하거나 또는 더 크다면, 엔진 컨트롤러는 엔진(204)에 대해 액체 연료 분배를 지정할 것이다.
또한, 냉각제 온도 등의 엔진 예열의 정도를 표시하는 신호가 설정치 이하라면, 상기 ECU는 모세관류 통로(2060)를 예열하고 크랭킹 시간의 증가에 의한 개방 밸브 분사를 위해 엔진(2090)을 임의로 동조시킨다. 모형에 기반을 둔 제어를 포함 하는 몇몇의 제어 방법의 형태가 사용 가능하다는 것을 인식하는 것은 중요하다.
일단 모세관 목표 온도(2060)에 도달하고, 엔진이 개방 밸브 분사(2090)에대해 동조되면, 분사기는 ECU로부터의 연료 분사 명령을 수신하도록 설정된다. 다시, 상기 예열 공정은 0.5초 보다 상당히 짧게, 보다 상세하게는 0.1초와 비슷하게 걸린다고 예측되기 때문에, 따라서, 상기 공정이 엔진 시동 전략에 포함되면, 분사 동작의 이 단계에서의 속도-제한 스텝은 엔진(2090)의 동기화일 것이다.
다시 도 8을 참조함에 있어서, 엔진의 저온 시동 및 예열을 위한 적정량의 연료의 분사를 보장하기 위해, 저온 시동 및 예열 중에 엔진에 유입되는 액체 연료의 양은 도 5 및 도 6에 개략적으로 도시된 수단에 따라 판정된다. 도 5 및 도 6을 다시 참조하면, 자명한 바와 같이, 연료 분사의 상기 단계는, 분사된 연료의 양이 각각의 엔진 속도(460, 760), 각각의 액셀레이터 위치(520, 820) 등의 인자에 기초하여 탐색 지도(look-up map)을 통해 판정되는 개방-루프 제어 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. 또한, 연료 분사는, 배출 공기/연료비 신호(550, 850) 각각이 스로틀 위치 신호(520, 820)에 의해 지배된 예측 제어 알고리즘 또는 연료의 분사량을 판정하기 위해 사용되는 피드백 제어 루프에 의해 결정될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 스로틀 위치 신호(520, 820) 각각은 ECU(450, 750)에 전해지고 예측 제어 전략은 주어진 엔진 조건에 대해 요구되는 연료의 양을 판정하는데 사용된다.
다시 도 8을 참조함에 있어서, 고품질의 증기가 저온 시동 및 예열 기간 내내 엔진속으로 분사되는 것을 보장하기 위해, 본 발명은 모세관류 통로에 대한 전원을 제어하는 방법을 지정하여, 연료 분배가 펄스화 되고 또는 엔진 연료 공급 요 구 조건이 변함에 따라 목표 저항(즉, 온도)(2130)을 유지한다. 상기는 "Control Loop"(2200)으로서 도시된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 모세관류 통로의 저항은 모세관류 통로에 대한 파워의 적절한 조정을 판정하기 위해 피드백으로서 사용되어 저온 모세관류 통로 저항에 대한 측정된 저항의 목표 비율(R/R0)을 유지한다.
도 8에 도시된 실시예는 아날로그 제어 알고리즘(PID 컨트롤러)을 도시하는 것으로서, 이전의 시간-단계에서의 모세관류 통로의 저항은 현재의 시간-단계에서 모세관류 통로에 공급된 파워에 대한 유한 수정(finite correction)에 대한 기초로서 사용된다. 상기와 같은 아날로그 제어 방법론을 통해, 모세관류 통로에 공급된 파워는 제로(0)로부터 최대 허용 가능치까지의 전체 스펙트럼에 미칠 수 있다. 그러나, 이상적으로 모세관류 통로에 대한 파워는 유효 전력보다 더 작아서 제어 알고리즘은 엔진 동작 조건의 갑작스런 변동에 효과적으로 응답할 수 있다.
본 분야의 당업자들이 용이하게 이해할 수 있듯이, 예견 제어는 모세관류 통로 제어 알고리즘에 포함된다. 특히, 흡입 밸브 조작 신호는 제어 알고리즘에 포함되어 상기 신호는 하나 이상의 모세관류 통로를 통하는 연료의 흐름에 대한 선구자(precursor)로서 작용한다. 흡입 밸브 조작 신호를 수신하자 마자, 모세관류 통로에 대한 파워는 증가되어 일단 연료 분사가 개장이면 모세관류 통로는 연료 흐름을 완전히 증기화할 수 있을 충분한 온도에 있게 된다.
이전에 넌지시 언급된 바와 같이, 적절한 저항 설정치의 사용은 모세관류 통로 기반의 연료 분사기의 성능에 중요하다. 즉, 낮은 설정치는, 엔진에 대해 불량 한 증기의 분배라는 결과가 될 연료에 대해 분배된 열의 부족이라는 결과가 될 것이다. 역으로, 높은 설정치는 모세관의 단 근처에서 국부적인 과열부(hot spot)가 되어, 모세관의 나머지의 온도는 모세관의 저항에 의해 표시된 바와 같이 평균 온도 보다 상당히 더 낮다는 결과가 된다. 따라서, 상기 조건을 결과적으로 역시 불량항 증기 품질로 이어진다.
이러한 관찰에 기초하여, 주어진 모세관에 대한 양호한 저항 설정치는 모세관을 통하는 질량 흐름에 대한 파워의 비율이 최대로 되는 지점에 대응한다는 것이 실험적으로 판명되었다. 모세관류 통로에 대한 실험적으로 판정된 저항 설정치의 예는 도 9에 도시된다. 주어진 모세관류 통로에 대한 양호한 저항 설정치는 연료 압력에 크게 영향을 받지 않는다는 것을 인식하는 것이 중요하다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, R/R0(1130, 2130) 각각의 제어에 병행하여, 냉각제 온도(1160, 2160)는 완전한 예열 엔진 조건을 의미하는 설정점과 연속 비교된다. 냉각제 온도가 각각의 설정점 미만이면, 열은 모세관류 통로 제어 루프(1200, 2200)를 각각 경유하여 모세관류 통로에 대해 연속 공급되고, 그에 따라, 고품질의 연료 증기가 엔진에 계속 분배된다. 역으로, 냉각제 온도(1160, 2160)가 예열 엔진 동작에 대한 설정점 이상이면, 냉각제 알고리즘이 액제 연료에의 단계 전환(phase over)을 시작한다.
도 5을 다시 참조하면, 증기화된 연료에서 액체 연료에의 전환 공정은 몇가지 형태를 취할 수 있고 채택된 특정한 모세관류 통로 분사기 구성과 상관 관계 (function)가 있를 것이다. 액체 연료로 전환하는 한 접근 방식에서, 냉각제 온도 신호(464)는 전환 밸브(610, 620)을 조작하는데 사용되고, 모세관류 통로(480)로부터 떠나서 종래의 액체 연료 분사 흐름 통로(660)을 향하게 하는 모세관 흐름 통로에 대한 파워를 임의로 억제한다. 특히, 상기 접근 방식은 도 4에 개략 도시된 연료 분사기 구성을 필요로 할 것이다.
도 6에 일반적으로 도시된 분사기 구성과 관련하여, 증기화된 연료 및 액체 연료 양쪽 모두는 동일한 흐름 통로(900)를 경유하여 엔진에 분배되고, 냉각제 온도 신호(764)는 모세관 흐름 통로에 대한 파워를 억제하고 분사기 출구(940)에서의 변동 또는 소형 오리피스(orifice) 크기가 될 분사기 듀티 사이클의 변동을 조작하는데 사용된다. 분사기 출구(940)에서의 상기 오리피스 크기는 분사기를 빠져 나가는 증기 품질과 상관 관계가 있다. 그러나, 연료를 증기화 하기 위해 여기서 사용된 막힌 모세관 흐름 통로에 대응하는 매우 낮은 열적 관성(thermal inertia)을 고려하면, 모세관에 대한 파워의 제거에 의한 증기 연료 분사에서 액체 연료 분사로의 변동은 실제로 2진법과 개략 비슷하다.
본 발명의 제어 전략은 여러 상이한 모드들을 채태하는데 있어 유용하다. 상기 상이한 모드들이 포함하는 것은, 완전히 증기화된 연료(주로 크랭킹 및 엔진의 시동시에), 주로 저온 시동 공운전 상태 및 제1의 FTP 천이 중에 연료 분사기로부터 흡입 다기관속으로 빠져 나올 때 갑작스런 압력 강하를 겪음에 따라 순간적으로 증기화되는 가열된 연료, 및 주로 저온 시동 및 초기의 예열 이후에 정상 동작을 위한 비가열된 액체 연료를 포함한다.
상기 전략을 실현하고자 요구되는 설정치를 설계하기 위해서, 관심있는 연료에 대한 증류(또는 증기) 곡선을 알아야 한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 대기압 조건(1 bar)에서 상업용 가솔린에 대한 증기 곡선은 보통 20℃ 근방의 초기의 비등점에서 200℃ 근방의 최종 비등점의 범위 내에 있다. 연료의 50%가 기화되는 온도(T50)는 일반적으로 80℃ 내지 120℃ 범위내에 해당된다. 상기 증기 곡선은 준 대기압 조건(가동 엔진의 흡입 다기관 등)에서 보다 저온으로 이동하고, 높은 압력(연료 시스템 및 연료 분사기에서의 연료 압력 등)에서 보다 고온으로 이동한다.
일반적인 상업용 가솔린에 대해, 50%가 증기화 되는 온도는 연료 분사기에서 거의 160℃이지만, 공운전 중에 흡입 다기관에서는 80℃ 정도로 낮을 수 있다(도 11을 참조). 도 10에 있어서, 연료 분사기의 연료가 100℃로 유지되면, 단지 바로 그 작은 프랙션(fraction)(〈 5%)이 증기화 될 것이다. 이러한 연료가 분사기 노즐을 떠나고 공운전 조건(0.4 bar)에서 흡입 다기관에 입력함에 따라, 대기압이 이제 75%의 증기압 보다 더 낮기 때문에 대부분의 액체 연료는 일순간 증기화 될 것이다.
약 2.8kg/cm2(40 psig)의 보통의 연료 압력에서 가동되는 종래의 액체 포트 연료 분사기에 있어서, 증기화된 가솔린에 대한 100%의 듀티 사이클 질량 흐름 속도는 도 12에 도시된 바와 같은 대응하는 액체 연료 흐름 속도의 15%^이다. 주어진 분사기 기하학 구조(즉, 고정된 개방 영역)에 있어서, 이러한 교차(discrepancy)는 액체 단계와 증기 단계 사이의 밀도차의 결과이다. 그 결과, 증기화된 가솔린의 질 량 흐름 속도는 고부하 동작을 위해서는 너무 느리다. 그러나, 보다 높은 듀티 사이클에서, 증기화된 연료의 질량 흐름 속도 용량은 엔진 시동 및 공회전에 대해서 충분하다.
동작의 상이한 모드들이 도 13에 도시되어 있다. 크랭킹 중에, 흡입 다기관 압력은 대기압이고 따라서 연료 분사기의 연료 압력은 단지 흡입 다기관 압력보다 4배 더 높다. 양호한 형태와 일관되게, 연료 온도는 천천히 제어되어 4 bar에서 FBP 이상으로 대등하게 된다. 상기는 분사기 노즐을 급속히 가열하고 엔진에 시동을 위한 고품질의 증기화된 연료가 공급된다는 것을 보장하기 위해 행해진다. 연료가 분사기 노즐을 빠져나감에 따라(도 13의 1 내지 1'를 참조), 상기 연료는 과열 증기로 유지된다. 고분사 듀티 사이클을 이용함에 의해, 이러한 동작 모드 중의 질량 흐름 속도는 엔진을 시동 및 공회전 하는데 충분하다.
도 13을 다시 참조하면, 저온 시동 공회전 중에, 흡입 다기관 압력은 준 대기압(0.4 bar)이고 그에 따라 연료 분사기내의 연료 압력은 흡입 다기관 압력 보다 약 10배 더 높다. 양호한 형태에 따르면, 연료 온도는 분사기 내의 대부분의 연료가 액체로 유지되도록 낮아진다. 연료가 분사기 노츨을 빠져나와 흡입 다기관의 준 대기압 조건으로 들어감에 따라, 대부분의 연료는 순간적으로 증기화된다. 분사기 내의 대부분의 연료는 액체이기 때문에, 훨씬 짧은 분사기 듀티 사이클은, 요구된 연료 질량 흐름 속도에, 차량 발진시에 증가된 엔진 부하에 대해 유효한 상당한 질량 흐름 마진을 제공하는데 사용된다.
저온 시동 및 초기 엔진 예열 이후에, 연료 온도는 4 bar의 압력에서 IBP 이 하로 더 낮아진다. 그 결과로서, 분사기 내의 모든 연료는 액체 상태에 있고 분사기의 연료 질량 흐름 용량은 최대 부하까지 전체 엔진 동작 범위를 견딜 수 있다. 소량(공회전 중에 50%까지)의 연료는, 흡입 다기관에 들어감에 따라 아직까지 순간적으로 증기화 될 것이다. 본 분야의 당업자들에게 자명하듯이, 모세관 흐름 통로내에서의 약간 상승한 온도는, 엔진 부품을 퇴적물이 없게 유지 하려고 선정된 몇몇의 연료 참가제가 온도에 민감하고 저온에서 작용하지 않기 때문에, 퇴적물이 쌓여지는 것을 막는데 유리하다.
최종적으로 정상 동작에 있어서, 모세관은 비가열 상태로 남겨지고 연료 분사기는 종래의 포트 연료 분사기처럼 기능한다.
산업상의 관례에 일치하게, 컨트롤러는 시스템 오작동의 경우에 림프-홈 용량(limp-home capability)을 제공하도록 프로그래밍 된다. 예견되는 바와 같이, 상기 림프-홈 용량은 모세관 흐름 통로의 가열을 종결하여, 엔진에 대한 액체 연료의 분배를 가능하게 할 것이다. 림프-홈 모드에서, 엔진을 연료-과잉 상태에서 조작하여, 임계 시간 중에 부드러운 작동을 가능하게 하는 것도 역시 바람직하다.
시험예 1
마이크로-다이어프램 펌프 시스템(micro-diaphragm pump system)에 의해 일정한 압력에서 가열된 모세관 흐름 통로에 대해 연료를 공급함에 의해 JP 8 제트 연료가 증기화된 시험이 실시 되었다. 상기 시험에서, 지름 및 길이가 상이한 모세관 튜브가 사용되었다. 상기 튜브는 길이가 2.5 내지 7.6cm(1 내지 3 in)이고, 내경(ID) 및 외경(OD)이 cm(in) 단위로하여 다음과 같이, 즉, 0.25 ID/0.046 OD(0.010 ID/0.018 OD, 0.033 ID/0.083OD(0.013 ID/0.033 OD, 및 0.043 ID/0.064 OD(0.017 ID/0.025 OD인, 304 스테인레스 스틸로 구성되었다. 액체 연료를 증기화하는 열은 전류를 금속 튜브의 일부에 통과시킴으로써, 생성되었다. 액적의 크기 분포는 Malvern에 의해 제조된 스프레이-텍 레이저 회절 시스템(Spray-Tech laser diffraction system)을 사용하여 측정되었다. 1.7 및 4.0㎛ 사이의 Sauter Mean Diameter(SMD)를 갖는 액적은 표면적대 체적비가 전체 스프레이의 표면적대 체적비와 동등한 액적의 지름이고 상기 스프레이의 질량 전달 특성과 관련이 있다.
시험예 2
마이크로-다이어프램 펌프 시스템(micro-diaphragm pump system)에 의해 일정한 압력에서 가열된 모세관 흐름 통로에 대해 연료를 공급함에 의해 증기화된 가솔린을 사용하여 재차 시험이 실시 되었다. 상기 시험에서, 상이한 지름 및 직경을 갖는 모세관 흐름 통로가 사용되었다. 이하의 표는 여러 모세관 튜브 구성에 대해 실험으로 알아낸 것을 도시한다.
내경
(cm(in))		 가열된 길이
(cm(in))		 연료 압력
(kg/cm2(psig))		 결과
0.069(0.027) 17.2(6.75) 5.3(75) 완전히 증기화된 흐름이 생성되고, 흐름 속도는 180 mg/s
0.074(0.029) 18.4(7.25) 4.6(65) 가열 전압 20V에 의해 높은 흐름 속도가 생성됨
0.051(0.020) 15.2(6.0) 4.9(70) 실질상 적절한 증기 특성에 의해, 적어도 200 mg/s의 흐름 속도가 생성됨
시험예 3
Ford 4.6 리터 V8 엔진을 사용하는 시험에서, 4개의 실린더로 이루어진 하나 의 뱅크(bank)는 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 연료 분배 장치를 포함하도록 변형되었다. 모세관의 선단(tip)이 흡입 포트 벽과 동일 평면이 되게 위치된 상태로, 모세관 가열 소자가 장착되었고, 이는 스토크(Stock) 연료 분사 노즐의 배치이다. 시험은 연속 분사(100% 듀티 사이클)에 의해 실행되었고, 따라서, 연료 압력은 연료 증기 흐름 속도를 조절하도록 사용되었다.
도 14에 있어서, 엔진의 저온 시동의 처음 20초 동안의 모세관 연료 분배 장치의 결과를 도시하는 그래프가 표시된다. 도면선 1은 시간이 X축을 따라 진행됨에 따른 분(minute)당 회전수로 엔진 속도를 나타낸다. 도면선 2는 시간이 X축을 따라 진행됨에 따른 초(second)당 그램(gram)으로 연료 흐름을 나타낸다. 도면선 3은 시간이 X축을 따라 진행됨에 따른 람다(lambda)를 나타내는 것으로서, 유니티의 람다(lambda of unity)는 연료에 대한 이론 공연비를 나타낸다. 도면선 4는 시간이 X축을 따라 진행됨에 따른 엔진의 배기 가스로부터 ppm(parts per million)으로 환산한 메탄이 탄화 수소 배출량을 나타낸 것이다.
도 14의 도면선 3에 의해 도시된 바와 같이, 스토크 엔진(Stock engine) 하드웨어 및 제어 전략에 대해 요구된 초기의 과잉 연료 공급은 본 발명의 연료 분배 장치를 사용하여 제거되었다. 즉, 본 발명의 연료 분배 장치는 초기 시동 기간 중에 액체 연료를 효율적으로 증기화하여, 엔진은 준 이론적인(nea-stoichiometric) 연료/공기비 상태로 시동되었다. 도 15는 종래의 과잉-연료 시동전략(도면선 5)에 비해 본 발명의 연료 분배 장치에 의해 달성된 상기 준 이론적인 시동의 결과인 배출량 감소(도면선 6)를 나타낸다. 특히, 도 15의 결과는 본 발명의 연료 분배 장치 는 과잉 연료 공급을 필요로 하는 스토크 구성(stock configulation)에 비해 저온 시동의 초기의 10초 동안 누적된 탄화 수소를 46% 감소시켰다는 것을 증명한다. 원(7)에 의해 표시된 영역은 엔진 시동의 처음 4초 동안 탄화 수소의 배출량의 획기적인 감소를 보여준다.
본 발명은 도면 및 상술한 설명으로 자세히 기술되었지만, 개시된 실시예는 예시적인 것으로서, 한정적인 것이 아니다. 본 발명의 범위에 해당하는 모든 변형 및 변경은 보호받기를 요망된다. 예시로서, 복수의 모세관류 통로가 제공되었고, 보다 높은 용량 흐름 속도가 요구되는 경우에 병행하여 연료는 상기 통로를 통해 흐르게 된다.
상기 연료 시스템은 내연 기관의 저온 시동 및 예열 배출물을 줄이는데 효과적이다. 효율적인 연소는 거의 증기화된 연료가 공기에서 응축되는 경우에 미세한 액적의 크기로 된 에어졸을 형성함에 의해 촉진된다. 증기화된 연료는 엔진의 저온 시동 및 예열 중에 연소실로 공급되고 감소된 배출물이 얻어진다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 모세관류 통로를 갖는 적어도 하나의 연료 분사기와, 상기 적어도 하나의 모세관류 통로를 따라 배치되고 액체 연료의 적어도 일부를 액체 상태에서 증기 상태로 전환하기에 충분한 레벨까지 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에서 액체 연료를 가열할 수 있는 열원을 포함하는 연료 시스템을 제어하고 내연 기관에 연료를 분배하는 방법에 있어서,
    (a) 엔진 유입 공기량을 결정하는 스텝과,
    (b) 엔진 예열도를 나타내는 값을 측정하는 스텝과,
    (c) 상기 스텝 (a), (b)에서 측정된 값을 채택하여 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에 의해 증기 상태로 전환될 액체 연료의 일부 량을 결정하는 스텝과,
    (d) 상기 액체 연료의 일부 량을 증기 상태로 전환할 수 있는 미리 정해진 목표 온도를 달성하기 위해, 상기 적어도 하나의 연료 분사기의 열원에 공급되는 전력(power)을 제어하는 스텝과,
    (e) 상기 내연 기관의 연소실에 상기 연료를 분배하는 스텝과,
    (f)상기 적어도 하나의 모세관류 통로를 주기적으로 세정(cleaning)하는 스텝을 포함하고,
    상기 주기적으로 세정하는 스텝은 (i) 상기 적어도 하나의 모세관류 통로의 가열을 중지하는 스텝과, (ii) 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에 용제(solvent)을 공급하는 스텝을 포함하고, 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에서 형성된 퇴적물은 실질적으로 제거되고, 상기 용제는 액체 연료를 포함하며,
    상기 증기 상태로 전환될 액체 연료의 상기 일부는 최소의 배기 방출량을 달성하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진 유입 공기량을 결정하는 스텝은 (i) 엔진 속도를 측정하는 스텝과, (ii) 상기 내연 기관의 흡입 다기관(intake manifold)의 압력을 측정하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  3. 제 1 또는 2항에 있어서,
    상기 전력을 제어하는 스텝(d)은 상기 미리 정해진 목표 온도에 대해 관련지을 수 있는(relatable) 전기 저항치를 설정하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력을 제어하는 스텝(d)은 2진 전원(binary power source)을 채택하는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 분사기의 상기 열원에 대해 공급된 전원을 제어하는 상기 스텝은 비례 적분 미분 컨트롤러를 채택하는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    엔진 크랭킹 중에, 상기 적어도 하나의 연료 분사기의 상기 열원에 대해 공급된 전원은, 연료 시스템 공급 압력과 동일한 압력으로 상기 연료의 최종 비등점과 동일하거나 또는 보다 더 큰 미리 정해진 온도를 달성하기에 충분한 전기 저항치까지 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내연 기관의 저온 공회전 중에, 상기 적어도 하나의 연료 분사기의 상기 열원에 대해 공급된 전원은, 연료의 최종 비등점 미만인 미리 정해진 목표 온도를 달성하기에 충분하며 분사기의 오리피스(orifice)를 빠져 나감에 따라 연료의 순간적인 증기화를 달성하기에 충분한 전기 저항치까지 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    엔진 예열 중에 완전한 예열 상태를 달성하기 이전에, 상기 적어도 하나의 연료 분사기의 상기 열원에 대해 공급된 전원은, 연료가 연료 시스템 압력과 동등한 압력인 경우에 연료의 초기 비등점 미만인 미리 정해진 목표 온도를 달성하기에 충분한 전기 저항치까지 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    스텝 (b)에서 측정된 엔진 예열도를 나타내는 값은 엔진 냉각제 온도, 엔진 윤활제 온도, 대기 온도, 및 엔진 시동으로부터 경과된 시간으로 구성된 군(group)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 분사기는 상기 내연 기관으로의 연료를 계측하고, 상기 적어도 하나의 모세관류 통로의 아웃렛 단부(outlet end)에 근접하게 위치하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 시스템 제어 및 연료 분배 방법.
  14. 내연 기관용 연료 시스템에 있어서,
    인렛(inlet) 단부 및 아웃렛(outlet) 단부를 구비하는 적어도 하나의 모세관류 통로(i)와, 상기 적어도 하나의 모세관류 통로를 따라 배치되고 액체 연료의 적어도 일부를 액체 상태에서 증기 상태로 전환하기에 충분한 레벨까지 상기 적어도 하나의 모세관류 통로에서 상기 액체 연료를 가열할 수 있는 열원(ii)과, 상기 내연 기관으로의 연료를 측정하고 상기 적어도 하나의 모세관류 통로의 상기 아웃렛에 근접하게 배치된 밸브(iii)를 포함하는 복수의 연료 분사기(a)와,
    상기 복수의 연료 분사기들과 유동적으로 통하는 액체 연료 공급 시스템(b)과,
    액체 연료의 상기 일부를 증기 상태로 전환할 수 있는 미리 정해진 목표 온도를 달성하도록, 상기 복수의 연료 분사기 각각의 상기 열원에 공급된 전원을 제어하는 컨트롤러(c)와,
    엔진 유입 공기량을 결정하고 상기 컨트롤러에 접속되는 수단들(d)과,
    엔진 예열도를 나타내는 값을 측정하고 상기 컨트롤러에 접속되는 센서(e)를 포함하고,
    상기 증기 상태로 전환될 액체 연료의 상기 일부는 최소의 배기 방출량을 달성하기 위해 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 연료 분사기 각각의 상기 열원에 공급된 전원은 상기 미리 정해진 목표 온도에 대해 관련지을 수 있는(relatable) 전기 저항치를 설정함에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 열원에 대해 공급된 전원을 제어하는 상기 컨트롤러는 2진 전원인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
  17. 제 14 또는 15항에 있어서,
    상기 열원에 대해 공급된 전원을 제어하는 상기 컨트롤러는 비례 적분 미분 컨트롤러인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    엔진 크랭킹 중에, 상기 적어도 하나의 연료 분사기의 상기 열원에 대해 공급된 전원은, 4배의 대기압의 압력으로 연료의 최종 비등점과 동일하거나 또는 보다 더 큰 미리 정해진 온도를 달성하기에 충분한 전기 저항치까지 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 내연 기관의 저온 공회전 중에, 상기 적어도 하나의 연료 분사기의 상기 열원에 대해 공급된 전원은, 연료의 최종 비등점 미만인 미리 정해진 목표 온도를 달성하기에 충분하며 분사기의 오리피스(orifice)를 빠져 나감에 따라 연료의 순간적인 증기화를 달성하기에 충분한 전기 저항치까지 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 연료 분사기는 상기 적어도 하나의 모세관류 통로의 상기 아웃렛에 근접한 연료 분사기 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
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