KR101296921B1 - 오목부 및 돌출부가 마련된 피스톤을 포함하는 직접분사식의 내연기관용 연료 분사 방법 - Google Patents

오목부 및 돌출부가 마련된 피스톤을 포함하는 직접분사식의 내연기관용 연료 분사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 균질의 연소 모드에 따라 그리고 통상의 연소 모드에 따라 동작될 수 있는, 특히 디젤 타입의 직접 분사식 4 행정 내연기관의 실린더의 연소실(16)에 연료를 분사하는 분사 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 내연기관의 통상의 연소 모드를 위하여, 상기 분사 방법은 흡기 단계의 초기에 피스톤의 상사점 근처에서 제1양의 연료를 연소실 내로 공급하고, 압축 단계의 말기에 상기 피스톤의 상사점 근처에서 다른 양의 연료를 공급하는 것을 포함한다.

Description

오목부 및 돌출부가 마련된 피스톤을 포함하는 직접 분사식의 내연기관용 연료 분사 방법{FUEL INJECTION METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE, NOTABLY OF DIRECT INJECTION TYPE, COMPRISING A PISTON PROVIDED WITH A BOWL AND A TEAT}
도 1은 본 발명에 따른 방법을 이용하는 내연기관을 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 방법에 있어서 제2 구조에 따른 내연기관을 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 실린더
12 : 피스톤
14 : 실린더 헤드
16 : 연소실
32 : 연료 분사 노즐
34 : 오목부(bowl)
36 : 돌출부(teat)
본 발명은 돌출부가 있는 오목부를 갖춘 피스톤을 포함하는, 특히 디젤 엔진의 직접 분사식 내연기관의 연료 분사 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 2 가지 연소 모드에 따라 동작할 수 있는 4 행정 디젤식 직접 분사 엔진에 관한 것이다. "예혼합 압축 점화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition)"로 더 잘 알려져 있는 균질의 모드(Homogeneous mode)로 지칭되는 모드는 압축 중에 적어도 1회의 연료 분사에 의해 낮은 엔진 부하 및 중간 엔진 부하에 사용된다. 이러한 분사로 인하여, 자연 발화에 의한 연소 개시 이전에 연료를 공기와 또는 공기 및 재순환 배기 가스의 혼합물과 균일하게 혼합할 수 있다. 다른 연소 모드는 통상의 연소 모드(conventional combustion mode)로서 지칭되며, 압축 상사점 근처에서의 연료 분사와 확산 연소를 포함하며, 이 모드는 바람직하게는 고부하에서 사용된다.
본원 출원인 명의의 프랑스 특허 출원 2,818,324; 2,818,325; 및 2,827,913에 잘 개시되어 있는 그러한 엔진 타입은 적어도 하나의 실린더, 이 실린더 내에서 활주하는 피스톤, 오목부(bowl)의 중앙에 돌출부(teat)가 배치되어 있는 피스톤의 상면에 의해 일측 경계가 구획되는 연소실 및
Figure 112013034239100-pat00001
이하의 냅 각도(nappe angle)로 연료를 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐을 포함하며, 여기서 CD는 실린더의 직경을 나타내고 F는 연료 노즐로부터의 연료 제트의 기점과 상사점에 대하여 50°의 크랭크각에 대응하는 피스톤의 위치 사이의 거리를 나타낸다.
그에 따라 연료는 실린더 벽과 접촉하지 않게 되고, 연소실 내에 존재하는 재순환 배기 가스와 공기의 혼합물 또는 공기와 혼합될 수 있다.
이러한 레이아웃은 만족스럽지 않고 일부 심각한 단점을 수반한다.
따라서 통상의 연소 모드에서, 연료는 피스톤이 압축 단계의 상사점 근처에 있을 때 분사된다. 이러한 상황에서 제트의 냅 각도가 작은 것을 고려하면, 증기-액체의 2상 형태의 이러한 연료는 돌출부의 벽을 따라 활주하고, 오목부의 바닥으로 흐르며, 상기 오목부의 측벽에 의해 안내되어, 연소실에 도달한다. 보다 구체적으로, 이러한 연료는 한편으로 피스톤 위의 스퀴시 영역(squish zone)으로 보내지고, 다른 한편으로 상기 오목부의 중앙으로 보내진다.
연료가 따르는 경로를 고려하면, 오목부의 중앙으로 보내지는 연료는 오목부 내에 존재하는 공기와 용이하게 혼합될 수 없으며, 엔진의 작동을 위해 도달되는 최대 연료/공기 비율이 제트의 냅 각도가 대략 140° 정도로 큰 분사 노즐을 이용하는 통상의 엔진에 비하여 낮게 유지될 수 있다. 그 결과, 연소실에 수용된 공기, 특히 스퀴시 영역에 있는 공기를 부적절하게 사용하게 된다.
또한, 돌출부는 연소 중에 방출된 에너지에 기인하여 높은 열 응력을 겪게 되고, 고온 영역이 그 돌출부 상에, 특히 돌출부의 상부 근처에 위치하게 된다.
본 발명은 연료를 오목부 내에 수용된 공기와 적절하게 혼합시킬 수 있는 2단계의 연료 분사 방법에 의해 전술한 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다.
따라서 본 발명은 균질의 연소 모드에 따라 그리고 통상의 연소 모드에 따라 동작될 수 있는, 특히 디젤 타입의 직접 분사식 4 행정 내연기관의 실린더의 연소실 내로 연료를 분사하는 분사 방법에 관한 것으로, 이 분사 방법은 내연기관의 통상의 연소 모드를 위하여, 흡기 단계의 초기에 피스톤의 상사점 근처에서 제1양의 연료를 연소실 내로 공급하고, 압축 단계의 말기에 상기 피스톤의 상사점 근처에서 다른 양의 연료를 공급하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
유리하게는, 상기 연료 분사 방법은 제1양의 연료를 적어도 1회의 분사에 의해 도입하는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료 분사 방법은 피스톤이 0° 내지 50°의 크랭크각 범위에 대응하는 위치에 있는 동안에 제1양의 연료를 도입하는 것을 포함할 수 있다.
상기 연료 분사 방법은 제1양의 연료를 흡기 단계 및 압축 단계를 위하여 공급되는 연료의 총 양의 2% 내지 10%로 도입하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 그 외의 장점 및 이점은 첨부 도면을 참고로 하고 한정의 의도는 없는 예에 대한 이하의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
도 1의 내연기관은 2개의 연소 모드, 즉 균질의 연소 모드 및 통상의 연소 모드에 따라 동작할 수 있는, 특히 디젤 타입의 4 행정 내연기관의 타입을 나타내는 한정의 의도는 없는 예이다.
이러한 내연기관은 적어도 하나의 실린더(10), 이 실린더 내에서 왕복 선형 운동으로 활주하는 피스톤(12), 및 실린더의 상부를 덮고 있는 실린더 헤드(14)를 포함한다. 이 피스톤은 실린더의 측벽 및 대향 실린더 헤드의 표면과 함께 연소 실(16)을 구획하고, 이 연소실 내에서는 연소를 위한 조건이 만족된 때에 연료 혼합물의 연소가 발생할 수 있다. 이러한 피스톤은 로드(18)에 의해 크랭크샤프트(도시 생략)에 연결되어 있고, 따라서 크랭크샤프트의 작용에 의해, 연소실이 제한된 용적을 갖는 상부 위치〔상사점(TDC)으로 지칭〕와 연소실의 용적이 최대로 되는 하부 위치〔하사점(BDC)으로 지칭〕 사이에서 요동한다.
이하의 설명에서, 물론 상사점 및 하사점에서의 피스톤 위치가 지칭하는 것은 피스톤이 TDC로부터 BDC로 운동하는 동안에 대략 0° 내지 180° 범위의 크랭크각에 대응하는 것이다.
도 1에서, 실린더 헤드는, 흡기 밸브(24)와 같은 차단 수단(shutoff means)에 의해 제어되고 흡기 파이프(22)를 갖춘 적어도 하나의 흡기 수단(20)과, 배기 밸브(30)와 같은 차단 수단에 의해 제어되고 연소 가스 배기 파이프(28)를 갖춘 적어도 하나의 배기 수단(26)과, 연소실(16) 내로 연료를 공급할 수 있는, 바람직하게는 멀티-제트 타입의 연료 분사 노즐(32)을 구비한다. 바람직하게는, 상기 노즐은 예컨대 분사 램프(ramp) 및 펌프와 함께 분사 수단의 일부를 이루며, 이 노즐은 엔진에 장착되어 있는 임의의 수단과, 특히 엔진 컴퓨터(도시 생략)에 의해 제어된다.
그에 따라 연소실은 실린더 헤드(14)의 내면과, 실린더(10)의 원형 벽 및 피스톤(12)의 상면에 의해 구획된다.
피스톤의 상면에는 오목부(34; concave bowl)가 마련되어 있고, 이 오목부 내에서 오목부의 중앙에 위치한 돌출부(36; teat)가 실린더 헤드(14)를 향하여 융 기되어 있다.
대략 절두 원추형의 돌출부는 바람직하게는 둥근 상부(38)를 포함하고, 이 둥근 상부로부터 오목부의 바닥(40) 방향으로 실질적으로 선형으로 경사진 플랭크(42)가 연장되며, 이 바닥으로부터 실질적으로 선형으로 돌출부의 방향으로 경사지게 경사진 측벽(44)이 연장되어, 실질적으로 피스톤 상면의 대략 수평면(46)에 결합된다.
연료 분사 노즐은 제트의 냅 각도(a1; jet nappe angle)가 작은 타입으로서, +50°내지 +α 또는 -50°내지 -α의 피스톤(12)의 어떠한 위치에서도 실린더(10)의 벽이 연료에 의해 결코 젖지 않도록 선택되는데, 여기서 α는 상사점(TDC)과 관련하여 선택된 분사 단계에 대한 크랭크각을 나타내며, 이러한 각도 α는 50°이상 180°이하이다.
CD가 실린더(10)의 직경(mm 단위)을 나타내고 F가 연료 제트의 기점과 50°의 크랭크각에 대응하는 피스톤의 위치 사이의 거리(mm 단위)를 나타내는 경우, 냅 각도(a1; °단위)는
Figure 112013034239100-pat00002
이하로 된다.
냅 각도는 노즐(32)로부터의 원추형 분사류(cone)에 의해 형성되는 정점의 각도(vertex angle)를 지칭하며, 이 냅 각도의 가공의 둘레 벽이 연료 제트의 모든 축을 통과한다.
냅 각도(a1)의 일반적인 각도 범위는 최대 120°이고, 바람직하게는 예컨대 40°내지 100°이다.
유리하게는, 돌출부의 정점의 각도는 연료 제트의 냅 각도(a1)보다 0° 내지 60°의 값만큼 크도록 선택되고, 오목부(34)의 측벽(44)의 경사각이 최대로 냅 각도(a1)의 절반과 동일하다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 그러한 엔진은 4 행정(4 단계), 즉 피스톤이 흡기용 상사점(TDC)으로부터 하사점(BDC)으로 이동하는 흡기 단계, 이어서 피스톤이 BDC로부터 압축 상사점(TDC)으로 이동하는 압축 단계, 그 후 피스톤이 압축 TDC로부터 BDC로 이동하는 팽창 단계, 마지막으로 피스톤이 BDC로부터 배기흡기 이동하는 배기 단계에 따라 동작한다.
작동 중에, 엔진의 컴퓨터는 엔진 및 차량의 다양한 검출기로부터, 특히 액셀 페달을 밟을 때에 운전자가 필요로 하는 회전 속도 또는 토크와 같은 신호를 수신한다. 이들 다양한 신호에 의존하여, 컴퓨터는 그 내부에 수납된 매핑(mapping)으로부터 엔진의 필요 작동 모드와 연소실 내로 분사되는 전체 연료의 양을 결정한다.
따라서, 엔진이 통상의 모드로 동작할 때에, 피스톤은 흡기 TDC 근처에 있게 되고, 도 1에 화살표 A로 표시된 바와 같이 BDC를 향해 이동한다. 이러한 구조에서, 흡기 밸브(24)는 개방 위치로 있고, (과급되거나 과급되지 않은) 공기 또는 공기와 재순환 배기 가스(EGR)의 혼합물이 연소실(16) 내로 공급된다. 엔진의 컴퓨터는 흡기 단계의 개시 중에, 바람직하게는 0° 내지 50°의 크랭크각에 대응하는 피스톤의 행정 중에 제1의 예정 양의 연료를 도입하도록 노즐(32)을 제어한다. 유리하게는 이러한 예정 양의 연료를 도입하는 것은, 0° 내지 50°의 크랭크각 진행 범위에 대응하는 피스톤 행정 중에 균일하거나 불균일한 분포로 동일하거나 상이한 양을 연속해서 복수 회 분사하는 것으로 세분된다. 유리하게는, 이러한 예정 양의 연료는 분사된 총 연료 양의 2% 내지 10%를 나타낸다.
이러한 분사(또는 이들 연속 분사)와 노즐의 근처에 오목부를 마련한 결과로, 연료는 돌출부(36)의 벽(42)을 따라 미끄러질 뿐 아니라, 오목부(34)의 중공 용적을 지나가게 되며, 이에 따라 오목부에 존재하는 공기와 분사된 연료가 보다 양호하게 혼합된다. 또한 이러한 분사(또는 이들 분사)로 인하여, 특히 압축 TDC에서의 연료 분사 중에 통상적으로 도달하기 곤란한 연소실의 영역, 예컨대 돌출부 위의 영역에 연료를 보낼 수 있게 된다. 그에 따라 연소실에 수용된 공기를 보다 양호하게 사용할 수 있게 되고, 연료/공기 비율 및 엔진 파워를 증가시킬 수 있다. 피스톤은 연료 증발에 관여하기에 충분히 높은 온도로 유지되고, 그에 따라 연료가 액체 형태로 오목부의 벽에 부착될 위험이 최소화된다는 것을 이해할 것이다. 피스톤이 BDC로 하강 이동함에 의해 액체 연료의 막이 오목부의 벽으로부터 분리되므로 상기 위험은 한층 더 제한된다. 또한, 연료 분사와 공기 흡입을 동시에 실시함으로써, 연료가 공기의 열을 흡수하며, 연료에 의해 공기가 냉각되므로, 동일한 용적에 대량의 공기를 흡수할 수 있게 되어 연소실의 충전율을 증가시킬 수 있다. 게다가, 도입된 연료 및/또는 상기와 같이 냉각된 공기는 오목부의 여러 다른 표면, 특히 돌출부와 접촉하게 되며, 이로 인하여 이들 표면을 냉각할 수 있고 돌출 부 상에 열점(hot spot)의 출현을 제한할 수 있다.
그에 따라, 피스톤(12)이 BDC 위치에 도달한 때에, 연소실(12)은, 어느 정도 균질하지만, 소량의 연료가 분사되기 때문에 낮은 연료/공기 비율을 갖는 연료 혼합물을 수용하며, 도 2에 도시된 바와 같이 다른 양의 연료를 계속해서 분사할 수 있다.
도 2에 도시된 위치에서, 엔진은 압축 단계로 있고, 흡기 밸브(24) 및 배기 밸브(30)는 폐쇄되어 있고, 피스톤(12)은 화살표 C로 도시된 바와 같이 BDC로부터 압축 TDC로 이동한다.
피스톤이 TDC를 향하여 상승하는 행정 중에 다른 양의 연료가 연소실 내로 공급된다. 일반적으로, 전부하 및 높은 엔진 속도(4000 rpm 정도)에서의 작동점(working point)에 대하여, 피스톤이 20° 내지 40°의 크랭크각에 이르는 TDC에 근접한 위치에 도달하고 그 TDC를 넘어선 때에 상기 분사가 실시되므로, 연료 혼합물의 물리-화학적 특성은 TDC의 근처에서 이 압축 단계에 이어지는 팽창 단계 중에 연료 혼합물을 자연 발화시킬 수 있도록 되어 있다. 이러한 사실이 당업자에게 공지되어 있으므로, 연료 분사를 위한 피스톤의 위치는 엔진 압축비, 엔진의 속도 및 부하, 흡기 압력, 실린더 내의 허용 가능한 최대 압력, 배기 가스 최대 온도 등과 같은 많은 파라미터에 의존한다.
바람직하게는, 연소실 내로 공급된 제1양의 연료는 흡기 단계 및 압축 단계 중에 연소실 내로 공급되는 연료의 총 양의 2% 내지 10% 범위로 있다. 보다 바람직하게는, 제1양의 연료는 연료의 총 양의 약 5%에 대응한다.
본 발명은 전술한 실시예로 한정되지 않고, 임의의 균등물 또는 변형물을 포함한다.
본 발명에 따르면, 오목부 내에 수용된 공기와 연료를 적절하게 혼합시킬 수 있는 2단계의 연료 분사 방법이 제공된다.

Claims (4)

  1. 균질의 연소 모드에 따라 그리고 통상의 연소 모드에 따라 동작될 수 있는, 디젤 타입의 직접 분사식 4 행정 내연기관의 실린더의 연소실(16) 내로 연료를 분사하는 분사 방법으로서,
    상기 실린더의 연소실의 일측 경계가 오목부를 포함한 피스톤의 상면에 의해 형성되고, 상기 오목부 안에는 각을 이룬 정점을 가진 볼록부가 마련되며,
    상기 방법은,
    내연기관의 통상의 연소 모드를 위하여, 흡기 단계의 초기에 피스톤의 상사점 근처에서 제1양의 연료를 연소실 내로 공급하되, 제1양의 연료는 피스톤이 0° 내지 50°의 크랭크각 범위에 대응하는 위치에 있는 동안에 공급하고,
    압축 단계의 말기에 상기 피스톤의 상사점 근처에서 다른 양의 연료를 공급하는 것을 포함하고,
    상기 다른 양의 연료는 연료 분사 노즐로부터
    Figure 112013034239100-pat00005
    이하의 제트 냅 각도(a1; °단위)로 공급되고, 여기서, CD는 실린더(10)의 직경이며, F는 분사 노즐로부터 분사되는 연료의 기점과 상사점에 대한 50°의 크랭크각에 대응하는 피스톤의 위치 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 연료 분사 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1양의 연료를 적어도 1회의 분사에 의해 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1양의 연료를 흡기 단계 및 압축 단계를 위하여 공급되는 연료의 총 양의 2% 내지 10%로 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 방법.
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