KR101233501B1 - 내연 엔진을 위한 연료 분사 제어 방법 및 이 방법을 사용하는 엔진 - Google Patents

내연 엔진을 위한 연료 분사 제어 방법 및 이 방법을 사용하는 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실린더(10)와, 이 실린더 내에서 주행하고 오목한 보울(bowl)(32) 내에 융기부(34)가 배치되어 있는 하나의 피스톤(30)과, 연료 분사 장치(22), 그리고 연소실(26)을 포함하는 특히 직분식 내연 엔진을 위한 연료 분사 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 높은 엔진 부하 중에 제1 연료량이 상기 피스톤의 상사점 전의 35°내지 70 °의 피스톤(30) 위치에서 분사되고, 이어서 적어도 제2 연료량이 분사되며, 제1 연료량은 제2 연료량보다 적고, 내프각(a1)이
Figure 112011001129762-pct00007
[여기서, CD는 실린더(10)의 직경, F는 분사 노즐로부터의 연료 제트의 기점과 피스톤의 상사점(TDC)에 대하여 50°의 크랭크 각도에 해당하는 피스톤 위치 사이의 거리] 이하인 연료 분사 장치(22)에 의해 상기 연소실로 연료가 분사된다.
피스톤, 실린더, 분사 노즐, 상사점, 내프각, 크랭크각

Description

내연 엔진을 위한 연료 분사 제어 방법 및 이 방법을 사용하는 엔진{FUEL INJECTION CONTROL METHOD FOR AN INTERNAL-COMBUSTION ENGINE AND ENGINE USING SAME}
본 발명은 특히 직분식 내연 엔진을 위한 연료 분사 제어 방법 및 이 방법을 사용하는 엔진에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 2개의 연소 모드에 따라 작동 가능한 디젤 엔진을 위한 방법에 관한 것이다. 낮은 엔진 부하 및 중간 엔진 부하를 위한 균질 모드는 연소가 시작되기 전에 연료 분사로 인해 연료와 공기나 연료와 공기 혼합물 및 재활용되는 배기 가스 혼합물의 균질한 혼합을 얻을 수 있게 하는 것이다. 통상 연소라고 칭하는 다른 연소 모드는 피스톤의 상사점 근처에서의 연료 분사와 확산 연소(diffusion combustion)로 이루어지며, 이 모드는 바람직하게는 높은 부하에서 사용된다.
프랑스 특허 출원 제2,818,324호 및 제2,818,325호에 잘 설명되어 있는 바와 같은 그러한 엔진 타입은 적어도 실린더와, 이 실린더 내에서 슬라이딩하는 피스톤과, 오목한 보울(bowl)의 중앙에 배치된 티트(teat)를 포함하는 피스톤의 상면에 의해 일측면의 경계가 정해지는 연소실, 그리고 내프각(nappe angle)이
Figure 112007066566404-pct00001
(여기서, CD는 실린더의 직경, F는 분사 노즐로부터의 연료 제트의 기점과, 상사점에 대하여 50°의 크랭크각에 해당하는 피스톤 위치 사이의 거리) 이하인 적어도 하나의 연료 분사용 분사 노즐을 포함한다.
따라서, 조기 분사의 경우, 즉 피스톤의 위치가 피스톤의 상사점에 관하여 선택된 분사 단계를 위한 50°의 크랭크각에 근접한 경우, 연료는 실린더 벽과 접촉하지 않고, 연소실에 존재하는 공기나 공기 혼합물 및 재순환되는 배기 가스 혼합물과 혼합된다.
그러나, 예컨대 4000 rpm에서의 매우 높은 부하의 경우, 엔진은 통상의 연소 모드로 작동한다. 이 연소 모드에 있어서 비교적 낮은 압축율(14 정도)을 고려하면, 연료는 통상 한번에 연소실로 분사되지만, 연료 제트와 피스톤 벽의 상호 작용과 관련된 소정 시간이 경과된 후에만 연소되며, 이에 따라 본 출원인은 균질 연소 타입을 개발하기에 이르렀다. 이것은 특히 출력에 관하여 성능 감소를 초래한다.
본 발명의 목적은 연료가 자기 착화(self ignition) 지연이 감소되는 방식으로 도입되게 하는 방법에 의해 전술한 결점을 극복하는 것이다.
따라서, 본 발명은 적어도 실린더와, 이 실린더 내에서 슬라이딩하고 오목한 보울에 티트가 배치되어 있는 피스톤과, 연료 분사 노즐, 그리고 연소실을 포함하는 특히 직분식 내연 엔진을 위한 연료 분사 제어 방법에 있어서, 엔진의 부하가 매우 높은 경우에, 제1 연료량을 상기 피스톤의 상사점 전의 35°내지 70°범위의 피스톤 위치 동안에 분사하고, 이어서 적어도 제2 연료량을 분사하며, 상기 제1 연료량은 제2 연료량보다 적고, 내프각(a1)이
Figure 112011001129762-pct00002
[여기서, CD는 실린더의 직경, F는 분사 노즐로부터의 연료 제트의 기점과, 피스톤의 상사점(TDC)에 대하여 50°의 크랭크각에 해당하는 피스톤 위치 사이의 거리] 이하인 분사 노즐에 의해 상기 연소실로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어 방법에 관한 것이다.
바람직하게는, 제2 연료량의 분사는 피스톤의 상사점 전의 20°내지 35°에서 시작할 수 있다.
제2 연료량의 분사는 피스톤의 상사점 이후에도 계속될 수 있다.
연료는 1/10 내지 1/20의 범위의 제1 연료량 대 제2 연료량의 비율로 분사될 수 있다.
본 발명은 또한 적어도 실린더와, 이 실린더 내에서 슬라이딩하는 피스톤과, 오목한 보울의 중앙에 티트가 배치되어 있는 상기 피스톤의 상면에 의해 일측면의 경계가 정해지는 연소실, 그리고 연료 분사 노즐을 포함하는 특히 직분식 내연 엔진에 있어서, 상기 내연 엔진은 내프각(a1)이
Figure 112011001129762-pct00003
[여기서, CD는 실린더의 직경, F는 분사 노즐로부터의 연료 제트의 기점과, 상사점(TDC)에 대하여 50°의 크랭크각에 해당하는 피스톤 위치 사이의 거리] 이하인 분사 노즐과, 엔진의 부하가 매우 높은 경우에, 제1 연료량을 상기 피스톤의 상사점 전의 35°내지 70°범위의 피스톤 위치 동안에 분사하고, 이어서 적어도 제2 연료량을 분사하기 위한 제어 및 연산 수단을 포함하며, 상기 제1 연료량은 제2 연료량보다 적은 것을 특징으로 하는 내연 엔진에 관한 것이다.
첨부 도면을 참고하여 비제한적인 예로서 주어지는 이하의 설명을 읽어봄으로써 본 발명의 다른 특징 및 장점이 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 엔진의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 방법에 의한 연소 소음 감소를 나타낸 그래프이며,
도 3은 본 발명에 따른 방법을 사용하는 엔진과 그렇지 않은 엔진에 의해 생성되는 출력 수준을 나타내는 그래프이다.
도 1과 관련하여, 디젤 내연 엔진은 적어도 직경이 CD인 실린더(10)와, 흡기 수단 및 연소 가스 배출 수단- 본 명세서에서는 각각 공기나 공기 혼합물 및 재활용되는 배기 가스(EGR) 혼합물 등의 가스상 유체를 위한 하나 이상의 흡기 파이프(14)와, 하나 이상의 연소 가스 배출 파이프(16) -이 마련된 실린더 헤드(12)를 포함하며, 상기 파이프들의 개폐는 흡기 밸브(18) 및 배기 밸브(20)에 의해 제어된다. 실린더 헤드는, 바람직하게는 실린더의 축과 동축이고 노우즈(24) 근처에 연료를 제트(28) 형태로 연소실(26) 내로 분무하는 복수 개의 오리피스를 포함하는 연료 분사 노즐(22)도 포함한다. 연소실은 실린더(10) 내에서 직선 왕복 운동식으로 슬라이딩하는 피스톤(30)의 상면과, 이 피스톤과 대향하는 실린더 헤드(12)의 내면, 그리고 이들 2개의 면 사이에 위치하는 실린더(10)의 원형 벽에 의해 경계가 정해진다. 또한, 피스톤의 상면은, 티트(34)가 실질적으로 중앙에 위치하고 실린더 헤드(12)를 향해 융기된 오목한 보울(32)을 포함한다.
참고에 의해 본 명세서에 포함되는 본 출원인이 출원한 프랑스 특허 출원 제2,818,324호 및 제2,818,325호에 잘 설명되어 있는 바와 같이, 연료 분사 노즐(22)은 제트 내프각(a1)이 작은 타입의 것이다. 이 내프각(a1)은 + 50°내지 + α 또는 - 50°내지 - α의 임의의 피스톤(30)의 위치에 있어서 실린더(10)의 벽이 연료에 의해 절대 젖지 않도록 선택되며, 여기서 α는 피스톤의 상사점에 관하여 선택된 분사 단계에 대한 크랭크각을 나타내고, 이 각 α는 균질식 연소를 얻기 위해 50°보다 크고 180°미만이다.
CD가 실린더(10)의 직경(단위 mm)을 나타내고, F가 연료 제트(28)의 기점과 50°의 크랭크각에 해당하는 피스톤의 위치 사이의 거리(단위 mm)를 나타내면, 내프각(a1)(단위: 도)은
Figure 112011001129762-pct00004
이하이다.
내프각이라고 하는 것은 노즐로부터의 원뿔에 의해 형성되고, 그 가상의 둘레 벽이 연료 제트(28)의 모든 축을 지나는 꼭지각이다.
유리하게는, 내프각(a1)의 각도 범위는 최대 120°로, 40°내지 100°인 것이 바람직하다.
이러한 엔진은 또한 컨덕터(일부는 양방향성임)에 의해 상이한 요소와 엔진의 검출기[도면에서는 박스(38)로 개략적으로 나타냄]에 연결되어 있는, 엔진 계산기라고도 칭하는 제어 및 연산 유닛(36)을 더 포함하여, 통상 이 엔진에 장착된 크랭크샤프트에 연결된 위치 검출기를 통해 피스톤(30)의 위치 등의, 이러한 검출기에 의해 송출된 다양한 신호를 수신할 수 있어, 엔진의 원활한 작동을 허용하도록 연산에 의해 이들 신호를 처리한 후 이 엔진의 요소를 제어한다. 이러한 유닛은 또한 운전자의 요청, 예컨대 액셀러레이터의 페달(40)의 위치에 대한 정보도 수신한다. 이러한 정보에 따라, 테이블 또는 맵핑을 포함하는 엔진 계산기(36)는 운전자의 요청에 응답하기 위해 엔진의 다양한 요소에 명령을 송신한다.
이러한 유닛은 노즐(22)에 의해 연소실에 분사되는 연료의 양 및 엔진의 통상적인 연소 사이클에서의 분사 시간 등의 연료 분사 파라메터의 제어에 특히 적절하다. 이에 따라, 엔진 계산기(36)는 제어 라인(42)에 의해 노즐(22)의 다양한 제어 요소(도시하지 않음)에 연결된다.
따라서, 작동중에 엔진 계산기(36)는 어느 때라도 엔진의 작동 순서나 운전자의 요청을 식별할 수 있다.
이에 따라, 낮은 부하 및 중간 부하의 경우에, 엔진 계산기는 연소실에서 균질한 연료 혼합물을 얻도록 연료 분사를 제어함과 동시에, 이 연료가 실린더 벽을 젖게 하는 것을 방지한다.
매우 높은 부하와 약 4000 rpm의 엔진 회전에 있어서, 엔진 계산기(36)는 피스톤이 연소 상사점에 도달하기 전에, 1차 분사라고도 칭하는 제1 연료 분사를 달성한 후 적어도 주(主) 분사라고도 칭하는 대량의 제2 연료 분사를 달성하도록 분사 노즐(22)을 제어한다. 1차 분사 대 주 분사의 비율은 약 1/10 내지 1/20이다. 1차 분사는 연료에 의해 벽이 젖는 것을 방지하기 위해 너무 조기에 수행되지는 않는다.
매우 높은 부하라고 하는 것은 매우 높은 부하에서부터 최고 부하까지의 엔진 작동 범위이다.
실제로, 유닛(36)은 페달의 가압 및 이러한 가압 정도 등의 액셀러레이터의 페달에 대한 운전자의 압박력으로부터 초래되는 명령을 수신한다. 이러한 명령은 엔진 계산기에 포함된 맵핑에 따라 엔진 계산기에 의해 분석 및 비교된다. 엔진 계산기가, 수신된 명령이 매우 높은 부하에 대한 요청에 대응한다는 것을 도출한 경우, 엔진 계산기(36)는 상사점 전의 35°내지 70° 범위의 피스톤의 위치에 대한 1차 연료 분사를 제어한 다음 피스톤의 상사점(TDC) 전의 20°내지 35°에서 주 분사를 개시하며, 필요하다면 TDC 이후에 이러한 주 분사를 지속한다.
이에 의해, 제1 연료량이 연소될 수 있고, 이는 연소실에 존재하는 혼합물의 압력 및 온도가 상승되게 한다. 후속하는 주 연료 분사는 통상 이러한 연료가 자기 착화 지연이 감소되어 연소할 수 있도록, 상당한 크기의 압력/온도 파라메터로 연소실에서 수행된다.
도 2 및 도 3에 예시한 바와 같이, 이에 따라 1차 연료 분사는 연소 소음을 약 2 dB(도 2 : 1차 분사가 없는 연료 분사에 대한 바 A1과 1차 분사가 있는 연료 분사에 대한 바 B1)만큼 저감하게 하고, 엔진 출력을 약 4 %(도 3 : 1차 분사가 없는 연료 분사에 대한 바 A2과 1차 분사가 있는 연료 분사에 대한 바 B2)만큼 증가하게 한다.
본 발명은 전술한 실시예로만 제한되는 것이 아니며, 임의의 등가물 또는 변형물을 포함한다.

Claims (5)

  1. 적어도 실린더(10)와, 이 실린더 내에서 슬라이딩하고 오목한 보울(bowl)(32)에 티트(teat)(34)가 배치되어 있는 피스톤(30)과, 연료 분사 노즐(22), 그리고 연소실(26)을 포함하는 내연 엔진을 위한 연료 분사 제어 방법에 있어서,
    엔진 회전수가 4000 rpm 이상인 경우, 제1 연료량을 상기 피스톤의 상사점 전의 35°내지 70°범위의 피스톤 위치 동안에 분사하고, 이어서 적어도 제2 연료량을 분사하며, 상기 제1 연료량은 제2 연료량보다 적고, 내프각(nappe angle)(a1)이
    Figure 112012068629749-pct00005
    [여기서, CD는 실린더(10)의 직경, F는 분사 노즐(22)로부터의 연료 제트의 기점과, 피스톤의 상사점(TDC)에 대해 50°의 크랭크각에 해당하는 피스톤 위치 사이의 거리] 이하인 연료 분사 노즐(22)에 의해 상기 연소실로 연소를 분사하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료량의 분사는 피스톤의 상사점 전의 20°내지 35°에서 개시되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 연료량의 분사는 피스톤의 상사점 이후에도 지속되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료는 1/10 내지 1/20의 제1 연료량 대 제2 연료량의 비율로 분사되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어 방법.
  5. 적어도 실린더(10)와, 이 실린더 내에서 슬라이딩하는 피스톤(30)과, 오목한 보울(32)의 중앙에 티트(34)가 배치되어 있는 상기 피스톤의 상면에 의해 일측면의 경계가 정해지는 연소실(26), 그리고 연료 분사 노즐(22)을 포함하는 내연 엔진에 있어서,
    상기 연소 분사 노즐(22)은 내프각(a1)이
    Figure 112012068629749-pct00006
    [여기서, CD는 실린더의 직경, F는 분사 노즐로부터의 연료 제트의 기점과, 상사점(TDC)에 대하여 50°의 크랭크각에 해당하는 피스톤(30) 위치 사이의 거리] 이하이며,
    상기 내연 엔진은, 엔진 회전수가 4000 rpm 이상인 경우에 제1 연료량을 상기 피스톤의 상사점 전의 35°내지 70°범위의 피스톤 위치 동안에 분사하고, 이어서 적어도 제2 연료량을 분사하기 위한 제어 및 연산 수단(36)을 더 포함하며, 상기 제1 연료량은 제2 연료량보다 적은 것을 특징으로 하는 내연 엔진.
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