KR101423726B1

KR101423726B1 - Ｅｇｒ 벤츄리 디젤 분사

Info

Publication number: KR101423726B1
Application number: KR1020120091072A
Authority: KR
Inventors: 라르스 토마스 홀름
Original assignee: 콘센트릭 스코네스 파게르훌트 에이비
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-07-31
Also published as: US20130047959A1; JP2013044331A; US8453626B2; EP2562397A1; RU2012136428A; CN102966469A; KR20130023093A

Abstract

제1 가스 유동과 제2 가스 유동, 예를 들어 유입 유동과 디젤 엔진에서의 배기 가스 회수 유동을 혼합하기 위한 장치가 제공된다. 공기 도관은 상기 혼합을 이루기 위하여 제1 유동을 위한 유입부와 제2 유동을 위한 유입부를 갖는다. 밸브 몸체는, 가변 벤츄리 효과를 얻음으로써 가변 흡입 효과 및 혼합된 유동의 혼합을 얻기 위하여, 제2 유동을 위한 유입부에서 공기 도관의 길이방향으로 변위될 수 있게 구성된다. 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기는, 연소를 위하여 엔진 실린더에 도달하기 전에, 연료를 제1 가스 유동 및 제2 가스 유동과 사전혼합시키도록, 연료를 공기 도관 안으로 분사한다.

Description

ＥＧＲ 벤츄리 디젤 분사{EGR Venturi Diesel Injection}

본 발명은 일반적으로는 내부 연소 엔진에서의 배기 가스 재순환에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 디젤 연료 분사식 배기 가스 재순환 시스템(diesel fuel-injected exhaust gas recirculation system)에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 내부 연소 엔진(내연 기관)은 연료를 연료 실린더들 안으로 도입시킴으로써 작동한다. 에너지는 연료의 급속한 연소로 인하여 팽창하는 가스의 형태로 배출되고, 그 가스의 팽창은 피스톤들에 작용하여 연료의 화학적 에너지가 기계적 에너지로 변환된다. 피스톤들은 크랭크샤프트에 연결되는바, 피스톤들의 선형적인 상하 움직임은 차량의 바퀴들을 회전시키는데에 필요한 회전 움직임으로 전환된다. 급속한 연소를 생성하기 위하여, 흡기된 공기는 공기가 압축되기 전에 또는 그 후에 연료와 혼합되고, 그 다음에 연소를 유발하도록 점화된다. 이 연소가 일어난 후에, 남겨진 배기 가스는 실린더 밖으로 강제되고, 후속하여 주위환경으로 배출되거나, 또는 최근에는, 처리(treat)되고 그리고/또는 엔진 흡기부 안으로 재순환(배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR)으로 알려짐)된다.

예를 들어 디젤의 터보 과급(turbo charging) 중에는(이에 국한되는 것은 아님), 대부분의 경우에서 배기 가스의 압력이 흡기 공기보다 적고, 따라서 배기 가스의 충분한 공급을 얻기 위한 조치가 취해지지 않고서는 배기 가스가 효율적으로 재순환될 수 없다. 그러한 조치는, 예를 들어 벤츄리 활용방안(venturi solutions), 배기 쓰로틀(exhaust throttles), 또는 유입 쓰로틀(inlet throttles)의 형태를 취할 수 있다.

벤츄리를 유입 유동 안에 배치시킴으로써, 벤츄리 안에서 국부적으로 공기 흡기 유입 채널 측과 배기 채널 측 간의 유리한 압력 차이가 얻어지고, 터보의 상류에서 제거된 배기 가스가 엔진의 유입 파이프 안으로 공급될 수 있게 된다. 낮은 연소 온도로부터, 감소된 NOx 레벨(NOx level)이 얻어지는 결과가 얻어진다. 그러나, 전통적인 벤츄리 활용방안은, 예를 들어 연료 소비 증가 및 연기 발생과 함께, 고압 손실로 인한 엔진 출력 감소와 같은 형태의 단점을 수반한다.

(베르그렌(Berggren) 등이 발명자인) 미국 특허 제7,036,529호(그 전체가 참조로서 여기에 포함됨)는, EGR 유입부 가까이에 라인의 길이방향으로 변위되도록 구성된 유선형 몸체(streamlined body)를 포함하는 EGR 시스템을 제공함으로써 종래 기술에서의 문제점들을 해소한다. 상기 몸체는 가변 벤츄리 효과에 의하여, 혼합된 유동의 혼합과 가변 흡입 효과를 얻음을 가능하게 한다. 또한, 상기 시스템은 상기 몸체를 라인의 전방 및 후방으로 변위시키는 액츄에이터를 포함한다.

그러면 흡기 공기 및 EGR 은 엔진으로 유동한다. 통상적으로 연료는 디젤 엔진의 실린더들 안으로 직접 분사되는바, 이것은 불균일한 충전물(inhomogeneous charge) 및 분산되는 화염으로 귀결되는데, 이 경우 연료의 분사량은 동력 출력을 제어하도록 계량된다. 그러나, 실린더들 안으로 직접 연료를 분사함은, 연소를 위한 최적의 연료/공기 혼합을 허용하지 않는다.

그러므로, 배기 가스 재순환(EGR)에 있어서의 벤츄리 디젤 분사를 위한 향상된 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

여기에서 설명된 필요성은 물론, 추가적이거나 다른 필요성과 장점들은 본 발명의 실시예들에 의하여 설명될 것인바, 아래에서는 그 실시예들의 해결방안 및 장점들에 대해 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 제1 가스 유동을 위한 유입부(inlet)를 가지며, 공기가 엔진으로 유동하는 통로가 되며, 감축부(reduced portion)를 갖는, 공기 도관(air conduit)을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 밸브 몸체(valve body)는, 가변 벤츄리 효과(variable venturi effect)를 얻음으로써 가변 흡입(variable suction)을 달성하도록, 공기 도관의 길이방향으로 변위될 수 있게 구성된다. 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기는, 공기 도관 안으로 연료를 분사하기 위하여, 밸브 몸체에 또는 밸브 몸체의 상류에 위치된다. 이와 같은 방식으로, 상기 공기 도관 안으로 분사된 연료는 가스 유동과 혼합되어, 연소를 위하여 엔진으로 유동하기 전에 혼합물을 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법은: 감축부를 갖는 공기 도관을 통해서 제1 가스 유동을 엔진으로 공급하는 단계; 가변 벤츄리 효과를 얻음으로써 가변 흡입을 달성하도록, 공기 도관 내에서 길이방향으로 밸브 몸체를 위치시키는 단계; 상기 밸브 몸체의 위치 또는 밸브 몸체의 상류 위치에서 공기 도관 안에 연료를 분사하는 단계;를 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 공기 도관 안으로 분사된 연료는 가스 유동과 혼합되어, 연소를 위하여 엔진으로 유동하기 전에 혼합물을 형성한다.

상기 시스템 및 방법의 다른 실시예들은 아래에서 상세히 설명되며, 이들 또한 본 발명의 일부를 이룬다.

본 발명의 실시예들, 그리고 이 실시예들의 다른 추가적인 사항들에 대한 보다 명확한 이해를 위하여, 첨부 도면들 및 상세한 설명이 참조될 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 기재될 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 엔진의 흡기 공기유동(intake airflow)을 제어하기 위한 시스템의 일 실시예의 개략도이고;
도 2 는 도 1 의 시스템의 개략도로서, 여기에는 일 실시예에서의 센서들을 위한 압력 트랜스듀서(pressure transducer)들이 이용되고;
도 3a 내지 도 3c 는 도 1 의 시스템을 이용한 흡기 공기유동의 쓰로틀링(throttling) 및 차단(shutoff)을 도시하는 부분단면 측면도들이고;
도 4 는 도 3b 의 공기 도관의 부분단면도로서, 여기에서는 배기 가스를 재순환시키기 위한 공급 부분이 이용되지 않고;
도 5 는 흡기 공기유동 안으로의 연료 분사의 실시예들을 도시하는 부분단면 측면도이다.

아래에서는, 본 발명의 실시예들이 도시되어 있는 첨부 도면들을 참조로 하여 본 발명이 보다 충분히 설명된다. 하기의 상세한 설명은 예시를 위한 목적으로서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 이 실시예들에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 엔진 흡기 제어 시스템(engine intake control system; 10)의 일 실시예의 기본적인 구성요소들이 도 1 에 도시되어 있다. 본 설명에서 이용되는 용어들인 "상부(top)", "저부(bottom)", "위(above, over)", "아래(below, under, beneath, underneath)", "위에(on top)", "상(up)", "하(down)", "상측(upper)", "하측(lower)", "전방(front)", "후방(rear)", "뒤(back)", "앞으로(forward)", 및 "뒤로(backward)"는 도면들에 도시된 방위를 기준으로 하여 대상물의 위치 또는 방위를 지시하는 것이며, 이와 같은 용어들이 본 발명의 대상물을 구현함에 있어서 절대적인 의미를 갖는 것은 아니다.

본 발명은, 내부 연소 엔진(디젤 엔진 및 가솔린 엔진을 포함하되, 이에 국한되는 것은 아님)을 위한 배기 가스 재순환(EGR) 시스템 안으로의 연료 분사에 관련된 것이다. 일반적으로, 엔진의 상류측에는 가변 벤츄리가 배치되고, 가변 벤츄리는 신선 공기 흡기(fresh air intake)를 위한 메인 유입부(main inlet)와 엔진 배출부로부터 재순환되는 배기 가스를 도입시키기 위한 다른 유입부를 포함한다. 벤츄리의 테이퍼진 구조(tapered structure)는 배기 가스를 라인 안으로 '펌핑(pumping)'시키는 역할을 하고, 밸브 몸체는 배기 가스가 유입 공기와 혼합되는 비율(rate)을 제어하기 위하여 이용될 수 있다.

통상적으로, 디젤 연료는 디젤 엔진의 실린더들 안으로 직접 분사된다. 그러나, 실린더들 안으로 직접 연료를 분사하면 연소를 위한 연료/공기 혼합이 우수하게 되지 못한다. 보다 완전한 혼합은, 연료가 실린더들에 도달하기 전에 연료가 공기와 사전혼합되도록 EGR 시스템 안에 연료 분사기를 제공함에 의하여 얻어질 수 있다. 이것으로 인하여 연료를 실린더들 안으로 직접 분사할 필요가 완전히 없어지지 않을 수도 있으나, 이것은 뛰어난 연료/공기 혼합을 제공하여 실린더 안으로 분사되어야 하는 연료의 양을 감소시키며, 연료가 실린더 안으로 보다 신속히 분사됨을 가능하게 하고, 또한 연료 분사 시스템의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 시스템은 연료 소비 및 낭비를 감소시키는데에 도움이 된다.

이제 도 1 을 참조하면, 여기에는 본 발명에 따른 엔진의 흡기 공기유동을 제어하기 위한 시스템의 일 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 상기 시스템(10)은 엔진(22)에 공기를 공급하는 공기 도관(20)을 포함한다. 공기가 도관(20)을 통해 유동함에 따라서, 공기는 공기를 압축하는 하나 이상의 압축기들(예를 들어, 수퍼차저(supercharger), 터보차저(turbocharger), 등)(미도시)를 통해 유동하거나 또는 그렇지 않을 수 있으며, 후속하여 공기는 (화살표 A 에 의해 표시된 바와 같이) 흡기 매니폴드(intake manifold; 28)를 거쳐서 엔진(22)의 실린더(26)들 안으로 도입된다.

실린더(26)들 안에서는, 연료가 분사되고 연료는 연소를 위하여 공기와 혼합된다. 연료가 부가된 공기가 연소를 위하여 점화된 후에는, 실린더(26)들로부터 배기 가스가 방출되고, 그 배기 가스는 (화살표 B 에 의하여 표시된 바와 같이) 배기 매니폴드(exhaust manifold; 32)를 거쳐서 배기 가스 도관(30)으로 안내된다. 배기 가스가 배기 가스 도관(30)을 통하여 유동함에 따라서, 배기 가스는 전술된 압축기/터보차저를 통과하여 유동하거나 또는 그렇지 않을 수 있는데, 통과하는 경우에는 그 내부의 터빈을 회전시키고, 이로써 압축기가 회전하며, 이로써 공기 도관(20)을 통하여 유동하는 유입 공기가 압축된다.

통상적으로는, 모든 가스가 배기 매니폴드(32)를 거쳐서 배출되는 것이 아니다. 이것은, 엔진(22)이 실린더(26) 내부에서의 가스의 압축 및 팽창을 거쳐 압축 및 연소 행정들을 발생시켜서 그 내부의 피스톤의 움직임을 유발하고, 이 과정에서 가스의 일부가 피스톤 링들을 지나 아래로 누설되어 크랭크케이스(crankcase)로 향하기 때문이다. 그러므로, 이러한 크랭크케이스 가스에 대처하기 위한 장치가 배기 시스템에 도입되기도 하는데, 그러한 시스템은 예를 들면 발명자가 홀름(Holm)인 미국 특허 제7,721,530호에 기술되어 있는바, 이 문헌은 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.

배기 가스는 배기 가스 도관(30)을 통한 진행을 계속하여 배기 가스의 후처리 장치(after-treatment device; 40)로 가는바, 여기에서 배기 가스가 여과된 후에 대기 중으로 배출되고 그리고/또는 상기 시스템을 통한 재순환을 위하여 유입 도관(20)으로 복귀된다. 후처리 장치(40)는, 예를 들어 입자 필터(particulate filter)를 포함할 수 있는데, 입자 필터로서 예를 들면 상류측 디젤 입자 필터(upstream diesel particulate filter) 또는 벽-유동 디젤 입자 필터(wall-flow diesel particulate filter)와 같은 것이 있으며, 여기에는 산화 및/또는 환원 촉매와 입자 필터가 포함된다.

배기 가스가 재순환되기 전에 EGR 시스템이 배기 가스를 여과시키는 경우, 이것은 "저압(Low Pressure)" 또는 "장 경로(Long Route)" 시스템이라고 알려져 있다. "고압" 또는 "단 경로(Short Route)" EGR 시스템에서는, 재순환용 배기 가스가 어떠한 처리 시스템을 통과하거나 또는 터빈 안으로 도입되기 전에 배기 매니폴드로부터 직접 유입부로 되돌아가는 경로를 갖는다.

적어도 하나의 센서(42)가 후처리 장치(40) 내에 위치될 수 있는바, 이로써 그 내부의 온도 및/또는 압력 강하를 반영하는 파라미터(parameter)가 측정될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 온도 센서(42)가 후처리 장치(40) 내부의 온도를 측정하기 위하여 이용될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는, 상기 적어도 하나의 센서가 직접적으로는 다른 파라미터들을 측정하고, 그 파라미터들로부터 온도가 도출되거나 또는 평가될 수 있다. 예를 들어, 도 2 에 도시된 바와 같이, 센서는 압력 강하를 측정하기 위한 압력 트랜스듀서(48)들을 포함할 수 있다.

센서(42)는 센서 신호(sensor signal)를 발생시킬 수 있는바, 그 센서 신호는 센서(42)와 소통되는 프로세서(44)로 통신된다. 프로세서(44)는, 센서(42)로부터 수신된 센서 신호에 적어도 부분적으로 기초를 둔 제어 신호를 발생시킬 수 있고, 그 제어 신호를 액츄에이터(50)로 통신시킨다. 액츄에이터(50)는 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 공기 도관(20) 안에서 밸브 몸체(52)를 작동시킨다.

프로세서(44)는 디지털 프로세서, 아날로그 프로세서, 또는 이들에 의해 구성된 하이브리드 프로세서를 포함할 수 있고, 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 등으로서 구현될 수 있는바, 프로세서(44)가 여기에서 설명되는 작동을 수행할 수 있는한, 프로세서(44)의 구체적인 구성형태가 중요하지는 않다는 것이 이해될 것이다. 센서(들)(42)과 액츄에이터(50)를 위하여 단일의 통신 링크(communication link)가 제공될 수 있고, 두 개의 분리된 통신 링크들(예를 들어, 하나는 센서(들)로부터 프로세서(44)로 연결되는 통신 링크, 다른 하나는 액츄에이터를 프로세서(44)에 연결시키는 통신 링크)이 제공될 수도 있으며, 다중의 통신 링크들이 제공될 수도 있다. 어떤 경우에 있어서는, 통신 링크(들)을 제어 영역 네트워크 버스(control area network bus; CAN bus)로서 또는 CAN 버스의 일부로서 구성함이 바람직한 것으로 밝혀졌다.

프로세서(44)는 제어 신호를 발생시키기 위하여 임의의 다양한 수단을 이용할 수 있는바, 그 수단으로서는 예를 들면(이에 국한되는 것은 아님) 공식 또는 알고리즘이 이용되거나, 또는 참조 테이블(look-up table) 등이 채택될 수 있다. 어떤 경우들에 있어서는, 프로세서(44)에 소정 유형의 메모리(46)를 제공함이 바람직할 수 있는바, 이로써 공식들, 알고리즘들, 테이블 등이 그 안에 저장될 수 있다. 프로세서(44)는, 상기 온도가 후처리 장치의 적절한 작동을 위하여 적절한 특정의 정해진 온도보다 위 또는 아래에 있는 정도의 차이에 적어도 부분적으로 기초하여 제어 신호를 발생시킬 수 있고, 따라서 그 온도 값을 메모리(46) 내에 저장하는 것이 바람직할 수 있다. 어떤 경우들에 있어서는, 이 온도가 정적인 값일 수 있고, 다른 경우들에 있어서는 그 온도가 작동 상태에 따라서 변화하는 것으로서, 참조 테이블로부터 도출되거나 공식 또는 알고리즘에 기초하여 산출되는 것일 수 있다.

이제 도 3a 내지 도 3c 를 참조하면, 여기에는 도 1 의 시스템을 이용한 흡기 공기유동의 쓰로틀링 및 차단의 실시예들이 도시되어 있는 부분단면 측면도들이 도시되어 있다. 밸브 몸체(52)는 공기 도관(20) 내에 배치될 수 있는바, 여기에서는 홀더(54)에 의하여 유지되고 또한 그 안에서 길이방향으로 움직일 수 있다. 공기 도관(20)은 감축부(60)를 구비할 수 있는데, 감축부는 도관(20)의 유동 방향으로 감소하는 단면적을 갖는다. 그 결과, 감축부(60)는 하류로 갈수록 테이퍼져서, 공기 도관(20)의 최소 직경을 갖는 작은 목부(throat; 62)를 형성하게 된다. 도 3a 에 도시된 바와 같이, 밸브 몸체(52)는 감축부를 통한 공기유동을 쓰로틀링시키기 위하여 감축부(60) 내에서 변위가능한 제1 단부(64)를 구비할 수 있다.

어떤 유리한 실시예들에서는, 재순환된 배기 가스를 공기 도관(20) 안으로 도입시키기 위하여 공급 부분(70)이 채택될 수 있고, 베르그렌 등의 미국 특허 제7,036,529호에 개시된 바와 같이, 유입 공기와 재순환된 배기 가스의 혼합을 제어하기 위하여 밸브 몸체(52)가 이용될 수 있는바, 그 미국 특허의 명세서는 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다. 따라서, 여기에서 참조로 되는 만큼 공기 또는 공기유동이 공기 도관(20)을 통하는 바, 이것은 신선 유입 공기(fresh inlet air), 재순환되는 배기 가스, 및/또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 의미한다는 점이 이해되어야 할 것이다.

본 시스템에서 EGR 시스템의 일 장점은, 냉간 시동(cold start) 중에 SCR 시스템(SCR (Selective Catalytic Reduction) system)을 작동시키지 않고서 (NOx) 배기 수준에 부합하도록, EGR 비율(EGR-rate)을 보통 값(normal value) 너머로 증가시키기 위하여 쓰로틀링이 이용될 수 있다는 점인데, 이와 같이 매우 높은 EGR 비율은 연소 온도를 증가시켜서 연소 안정성을 향상시키는바, 많은 배기 열 에너지가 EGR 냉각기(EGR-cooler)를 거쳐서 냉각 시스템으로 전달되기 때문에 그것은 엔진 가열(engine warm-up)을 촉진시키기도 할 것이다.

(도 1 및 도 2 에 도시된) 적어도 하나의 센서(42)는 온도를 감시하기 위하여 채택될 수 있는바, 이로써 온도가 소정의 문턱 온도(threshold temperature) 아래로 떨어지는 때에는 프로세서(44)가 적절한 제어 신호를 액츄에이터(50)로 통신시키고, 액츄에이터(50)는 밸브 몸체(52)의 위치를 제어한다. 밸브 몸체(52)의 작동 및 유지를 위하여는 다양한 구성들이 채택될 수 있다는 것에 유의하여야 할 것인바, 예를 들면 베르그렌 등의 미국 특허 제7,036,529호에 개시된 구성이 있다.

도 3b 에 도시된 바와 같이, 액츄에이터(50)가 제어 신호를 수신하는 때에는 밸브 몸체(52)가 하류로 움직이도록 작동하는바, 이로써 밸브 몸체(52)의 단부(64)는 감축부(60)를 통하여 움직여서 공기유동이 쓰로틀링되는 정도를 변화시킨다. 그 결과, 더 적은 공기가 엔진(22) 안으로 유동하게 되고, 따라서 연소에 의하여 생성되는 열을 흡수할 질량이 적게 되기 때문에 더 적은 양의 배기 가스가 더 뜨거워진다.

측정되거나 산출된 온도는 제어 신호를 발생시키는데에 이용되는 유일한 제어 변수이거나, 또는 제어 신호를 발생시키는데에 이용되는 복수의 제어 변수들 중 단 하나일 뿐일 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은, 다양한 추가적인 파라미터들을 감지하고 그러한 추가적인 파라미터들을 나타내는 센서 신호들을 발생시켜서 프로세서(44)로 전송하는 적어도 하나의 추가적인 센서를 포함할 수 있는바, 예를 들면 홀름(Holm)의 미국 특허 제6,886,545호에 개시된 센서가 있으며, 이 미국 특허의 명세서는 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.

밸브 몸체(52)는 제2 단부(66)를 갖는다. 어떤 유리한 실시예에서는, 밸브 몸체가 유선형 몸체이고, 이 제2 단부(66)는 전체적으로 난형(계란형)의 형상을 갖지만, 밸브 몸체는 벤츄리를 변화시키기 위한 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 도 3c 에 도시된 바와 같이, 밸브 몸체는 최대 직경(68)을 갖는데, 이 최대 직경은 적어도 목부(62)의 최소 직경 만큼 큰 것일 수 있다 (그리고, 어떤 경우들에서는 목부의 최소 직경보다 클 수 있다). 따라서, 밸브 몸체는, 공기 도관(20)의 단면적이 완전히 막힐 만큼 충분히 하류측으로 멀리 있는 위치까지 움직여질 수 있다. 어떤 실시예에 있어서는, 이것은 프로세서(44)(또는 별도의 프로세서)에 의하여 수신되는 비상 차단 신호에 응답하여 이루어질 수 있다. 이와 같은 방식으로 공기 공급을 제한함으로써, 엔진 차단의 과정이 더 신속히 이루어질 수 있고 또한 그 과정에서 더 적은 소음이 발생할 수 있게 된다.

도 3a 내지 도 3c 에 도시된 쓰로틀링 메카니즘은, 재순환되는 배기 가스를 공기 도관(20)의 감축부(60)의 벤츄리 효과를 이용하여 도입시키기 위한 공급 부분(70)을 채택하는 조립체를 기준으로 하여 도시되어 있지만, 엔진의 흡기 공기유동의 전술된 쓰로틀링은 공급 부분(70) 없이도 유사하게 이루어질 수 있다는 점에 유의하여야 할 것이다. 이제 도 4 를 참조하면, 여기에는 배기 가스의 재순환을 위한 공급 부분을 이용하지 않는, 도 3b 의 공기 도관의 부분단면도가 도시되어 있다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 연료가 실린더들에 도달하기 전에 연료를 공기와 혼합시키기 위하여 연료 분사기(80)가 이용될 수 있다.

이제 도 5 를 참조하면, 여기에는 흡기 공기유동 안으로 연료 분사가 이루어지는 실시예들이 도시된 부분단면 측면도가 도시되어 있다. 예를 들어 디젤 엔진(이에 국한되는 것은 아님)에서는 통상적으로 실린더 내부에서 연료와 공기가 혼합되는데, 이것은 불균일한 충전물(inhomogeneous charge)과 화염 분산(diffusing flame)으로 귀결되고, 여기에서는 동력 출력을 제어하기 위하여 연료의 분사량이 계량되어야 한다. 본 발명에 따른 일 실시예에서는, 연료가 연소를 위하여 (예를 들어 전통적인 직접 분사 등에 의하여) 실린더 안으로 도입되기 전에, 연료를 EGR 및 흡기 공기와 사전혼합하기 위하여 하나 이상의 연료 분사기(80)가 이용될 수 있다. 그러므로, 실린더에 들어가는 혼합물은 공기, EGR, 그리고 바람직하게는 연소가능하지 않은 양의 연료를 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

EGR 과 공기의 혼합을 제어하기 위하여, 연료 분사에서 벤츄리가 이용될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 엔진 안으로의 공기유동을 제어하기 위하여 밸브 몸체(52)가 이용될 수 있다. 여기에서, 공기속도는 매우 높아서, 연료가 엔진에 도달하기 전에 연료가 공기유동과 사전혼합될 기회가 제공된다. 연료 분사는 하나 이상의 센서(40)들에 의하여 감시 및 제어될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 사전혼합된 충전물(premixed charges)에 있어서의 일 문제점은, 그 충전물이 (공기만이 압축되고 나중에 연료가 분사되는 전통적인 디젤 엔진의 경우에 비하여) 엔진 압축 중에 연소될 수 있다는 점이다. 가스가 압축되는 때에는 온도가 상승하고, 연료가 존재하기 때문에, 균일한 충전물은 자발적으로 점화될 수 있는바, 이로써 제어되지 않은 연소(예를 들어, 엔진 노크(engine knock) 등)와 엔진 손상이 유발되기도 한다. 그러므로, 공기 도관(20) 내의 연료를 연소불가능한 레벨로 사전혼합하는 것이 바람직하다. 그러면 혼합물이 실린더(26) 안으로 들어가서 압축이 시작되고, 적은 체적의 연료가 (예를 들어, 전통적인 분사 등에 의하여) 추가적으로 도입되어 연소가능한 혼합물이 얻어지게 된다. 연료가 실린더에 도달하기 전에 연료를 사전혼합함으로써 연료 소비가 향상되는데, 이것은, 실린더 안에서 추가적으로 직접 분사되는 연료가 소량이라는 사실 때문에 더 잘 혼합되고, 또한 미연소된 연료가 적게 남게 되기 때문이다.

연료는 공기 도관(20)을 따른 임의의 지점에서 공기유동 안으로 분사될 수 있고, 본 발명은 여기에서 설명된 특정의 실시예에 국한되는 것이 아니라는 점이 이해되어야 할 것이다. 그러나, 밸브 몸체(52)에 의하여 형성되는 혼합 구역(82) 안에 연료를 도입시키는 것이 바람직하다. 공급 부분(70)은 밸브 몸체(52)에 또는 밸브 몸체의 상류에 배치된 공기 도관(20)에 인접한 유입부를 가질 수 있다. 그러므로, 연료는 밸브 몸체(52)에 또는 밸브 몸체의 상류에서 도입될 수 있다. 여기에서, (공급 부분(70)을 통해 들어가는) EGR과 흡기 공기의 혼합은 적어도 부분적으로 높은 공기 속도로 인한 연료와의 효과적인 혼합을 보장한다. 따뜻한 EGR 은 연료를 적절히 기화시킬 수도 있다.

일 실시예(본 발명이 이에 국한되는 것은 아님)에서, 연료는 하나 이상의 연료 분사기(80)에 의하여 도입될 수 있다. 도 5 에서 밸브 몸체(52)의 위와 아래에 있는 연료 분사기(80)들에 의하여 도시되는 바와 같이, 하나 이상의 연료 분사기(80)들은 공기 도관(20)에 인접하여 배치되거나 또는 공기 도관(20)으로부터 연장된 것일 수 있다. 이와 같은 방식으로, 연료는, 연료와 공기의 적절한 혼합을 보장하기 위하여, 상기 도관을 따라 있는 바람직한 지점들에서 공기의 유동에 도입될 수 있다. EGR 공기와 흡기 공기의 혼합에 의하여 형성되는 혼합 구역(82) 내에서 도입된다면, 공기의 높은 속도와 EGR의 열이 연료의 기화 및 혼합에 도움이 된다.

다른 실시예에서는, 하나 이상의 연료 분사기(80)들 중의 적어도 하나가 밸브 몸체(52)로부터 연장될 수 있다. 이 실시예에서, 연료는 홀더(holder; 54)를 통하여 들어갈 수 있고(이에 국한되는 것은 아님), 또한 밸브 몸체(52)의 배치로 인하여 공기의 속도가 증가되는 혼합 구역(82)의 중간에서 분산될 수 있다. 밸브 몸체(52) 내의 작은 오리피스(orifice)를 통한 연료 분사는, 실린더에의 도달 전에 공기, EGR, 및 연료의 우수한 혼합을 제공한다. 하나 또는 복수 개로 제공될 수 있는 연료 분사기(80)는 공기 도관(20)의 길이를 따라서 아무곳에나 위치될 수 있고, 본 발명은 여기에서 설명된 예시적인 실시예에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다.

위에서 본 발명은 특정의 실시예들에 관하여 설명되었으나, 본 발명은 그 설명된 실시예들에 국한되는 것이 아니라는 점이 이해되어야 할 것이다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형예들 및 다른 실시예들을 생각할 수 있을 것이며, 이들은 본 출원 및 첨부된 청구범위에 의하여 포괄된다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위의 구성, 및 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서 및 첨부된 도면들에 근거하여 이해하는 법률적인 균등물이 적절히 해석됨에 의하여 결정되어야 할 것이다.

Claims

디젤 엔진에서 가스 유동(gas flow)과 연료를 사전혼합(pre-mix)시키기 위한 장치로서,
제1 가스 유동을 위한 유입부(inlet)를 가지며, 공기가 엔진으로 유동하는 통로가 되며, 감축부(reduced portion)를 갖는, 공기 도관(air conduit);
가변 벤츄리 효과(variable venturi effect)를 얻음으로써 가변 흡입(variable suction)을 달성하도록, 공기 도관의 길이방향으로 변위될 수 있게 구성된 밸브 몸체(valve body)로서, 혼합 구역(mixing zone)을 형성하는, 밸브 몸체; 및
공기 도관 내에서 연료를 분사하기 위한, 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기로서, 연료 분사기는 밸브 몸체 및 혼합 구역에 또는 밸브 몸체 및 혼합 구역의 상류에 위치되고, 분사된 연료는 상기 혼합 구역에서 가스 유동과 혼합되는, 연료 분사기;를 포함하고,
상기 공기 도관 안으로 분사된 연료는 가스 유동과 혼합되어, 연소를 위하여 엔진으로 유동하기 전에 혼합물을 형성하며,
상기 연료는 디젤 연료인, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중 적어도 하나는 상기 공기 도관에 인접하게 배치된, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중 적어도 하나는 상기 밸브 몸체에 인접하게 배치된, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합물은 상기 공기 도관 안에서는 연소될 수 없는, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 사전혼합 장치는 하나 또는 그보다 많은 실린더를 더 포함하고, 상기 혼합물은 상기 하나 또는 그보다 많은 실린더 안으로 유동하며, 상기 혼합물의 연소를 위하여 상기 하나 또는 그보다 많은 실린더 안으로 추가량의 연료가 분사되는, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 사전혼합 장치는, 제2 가스 유동을 공기 도관 안으로 도입시키기 위하여 공기 도관에 인접한 유입부를 갖는 공급 부분(supply part)을 더 포함하고,
상기 유입부는 상기 밸브 몸체에 또는 상기 밸브 몸체의 상류에 있으며,
제1 가스 유동 및 제2 가스 유동이 연료와 혼합되어 혼합물을 형성하는, 사전혼합 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 제1 가스 유동과 제2 가스 유동에는 유입 유동(inlet flow)과 배기 가스 재순환 유동(exhaust gas recirculation flow)이 포함되는, 사전혼합 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 밸브 몸체는 유입부에서 공급 부분의 길이방향 축에 대해 직각인 평면을 관통하는, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 사전혼합 장치는, 공기 도관 내에서 밸브 몸체를 앞뒤로 변위시키는 액츄에이터(actuator)를 더 포함하고,
상기 밸브 몸체와 공급 부분은 그들 사이에 벤츄리를 한정하는, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 도관의 감축부는 테이퍼(taper)져 있는, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 도관의 감축부 내에 위치될 수 있는 상기 밸브 몸체의 단부는 테이퍼져 있는, 사전혼합 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 밸브 몸체는 상기 테이퍼진 단부의 상류에 제2 단부를 가지며, 상기 제2 단부는 난형(ovoid)인, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 도관의 감축부는 최소 직경을 가지고,
상기 밸브 몸체는 최대 직경을 가지며,
상기 밸브 몸체의 최대 직경은 적어도 상기 공기 도관의 최소 직경 만큼 큰, 사전혼합 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 밸브 몸체는 상기 공기 도관의 감축부를 통해서 감축부의 단면적이 완전히 막히는 정도까지 움직여질 수 있는, 사전혼합 장치.
디젤 엔진에서 가스 유동과 연료를 사전혼합시키기 위한 장치로서,
제1 가스 유동을 위한 유입부를 가지며, 공기가 엔진으로 유동하는 통로가 되며, 감축부를 갖는, 공기 도관;
가변 벤츄리 효과를 얻음으로써 가변 흡입을 달성하도록, 공기 도관의 길이방향으로 변위될 수 있게 구성된 밸브 몸체로서, 혼합 구역(mixing zone)을 형성하는, 밸브 몸체;
밸브 몸체 및 혼합 구역에 또는 밸브 몸체 및 혼합 구역의 상류에 위치된 공급 부분으로서, 공급 부분은 제2 가스 유동을 공기 도관 안으로 도입시키기 위하여 공기 도관에 인접한 유입부를 구비하고, 분사된 연료는 상기 혼합 구역에서 제1 가스 유동 및 제2 가스 유동과 혼합되는, 공급 부분; 및
공기 도관 내에서 연료를 분사하기 위한, 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기로서, 밸브 몸체에 또는 밸브 몸체의 상류에 위치된, 연료 분사기;를 포함하고,
상기 공기 도관 안으로 분사된 연료는 가스 유동들과 혼합되어, 연소를 위하여 엔진으로 유동하기 전에 혼합물을 형성하며,
상기 연료는 디젤 연료인, 사전혼합 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중 적어도 하나는 상기 공기 도관에 인접하게 배치된, 사전혼합 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중 적어도 하나는 상기 밸브 몸체에 인접하게 배치된, 사전혼합 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 혼합물은 상기 공기 도관 안에서는 연소될 수 없는, 사전혼합 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 사전혼합 장치는 하나 또는 그보다 많은 실린더를 더 포함하고, 상기 혼합물은 상기 하나 또는 그보다 많은 실린더 안으로 유동하며, 상기 혼합물의 연소를 위하여 상기 하나 또는 그보다 많은 실린더 안으로 추가량의 연료가 분사되는, 사전혼합 장치.
제 15 항에 있어서,
제1 가스 유동과 제2 가스 유동에는 유입 유동과 배기 가스 재순환 유동이 포함되는, 사전혼합 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 사전혼합 장치는, 공기 도관 내에서 밸브 몸체를 앞뒤로 변위시키는 액츄에이터를 더 포함하고,
상기 밸브 몸체와 공급 부분은 그들 사이에 벤츄리를 한정하는, 사전혼합 장치.
디젤 엔진에서 가스 유동과 연료를 사전혼합시키기 위한 방법으로서,
감축부를 갖는 공기 도관을 통해서 제1 가스 유동을 엔진으로 공급하는 단계;
가변 벤츄리 효과를 얻음으로써 가변 흡입을 달성하도록, 혼합 구역을 형성하는 밸브 몸체를 공기 도관 내에서 길이방향으로 위치시키는 단계;
상기 밸브 몸체 및 혼합 구역의 위치 또는 밸브 몸체 및 혼합 구역의 상류 위치에서 공기 도관 안에 연료를 분사하는 단계로서, 분사된 연료는 상기 혼합 구역에서 가스 유동과 혼합되는, 연료를 분사하는 단계;를 포함하고,
공기 도관 안으로 분사된 연료는 가스 유동과 혼합되어, 연소를 위하여 엔진으로 유동하기 전에 혼합물을 형성하며,
상기 연료는 디젤 연료인, 사전혼합 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 사전혼합 방법은, 공기 도관에 인접한 유입부를 갖는 공급 부분에 의하여 제2 가스 유동을 공기 도관으로 공급하는 단계를 더 포함하고,
상기 유입부는 상기 밸브 몸체에 또는 상기 밸브 몸체의 상류에 있으며,
제1 가스 유동 및 제2 가스 유동이 연료와 혼합되어 혼합물을 형성하는, 사전혼합 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 제1 가스 유동과 제2 가스 유동에는 유입 유동과 배기 가스 재순환 유동이 포함되는, 사전혼합 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 연료는 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기에 의하여 분사되고, 상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중의 적어도 하나는 공기 도관에 인접하게 배치되는, 사전혼합 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 연료는 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기에 의하여 분사되고, 상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중의 적어도 하나는 밸브 몸체에 인접하게 배치되는, 사전혼합 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 혼합물은 상기 공기 도관 안에서는 연소될 수 없는, 사전혼합 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 혼합물은 하나 또는 그보다 많은 실린더 안으로 유동하고,
상기 사전혼합 방법은, 혼합물의 연소를 위하여 상기 하나 또는 그보다 많은 실린더 안으로 추가량의 연료를 분사하는 단계를 더 포함하는, 사전혼합 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 사전혼합 장치는 주입된 연료와 가스 유동의 상기 혼합 구역 내에서의 사전혼합으로 인하여 상기 하나 또는 그보다 많은 실린더 안으로 분사되는 연료를 최소화시키는, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 사전혼합 장치는 센서를 더 포함하고, 상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기는 적어도 부분적으로 상기 센서에 의해 감시 및 제어되는, 사전혼합 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중의 적어도 하나는 상기 밸브 몸체에 있는 오리피스(orifice)를 포함하는, 사전혼합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중의 적어도 하나는 상기 밸브 몸체에 있는 오리피스를 포함하는, 사전혼합 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 연료는 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기에 의하여 분사되고, 상기 하나 또는 그보다 많은 연료 분사기 중의 적어도 하나는 상기 밸브 몸체에 있는 오리피스를 포함하는, 사전혼합 방법.