KR101782274B1 - 내연기관용 다중-연료 시스템 - Google Patents

내연기관용 다중-연료 시스템 Download PDF

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Abstract

디젤 엔진용 다중-연료 시스템에서, 천연 가스는 디젤 연료와 혼합되고, 엔진의 혼합 챔버에 분사되기 전에 혼합 챔버에서 상태조절된다. 여과된 블로-바이 가스도 연소실에 도입될 수 있다. 전자 컨트롤러는 디젤 연료, 천연 가스 연료의 비율, 이들 연료의 혼합과 상태조절, 및 여과된 블로-바이 가스의 공급을 결정 및 제어하기 위해 사용된다.

Description

내연기관용 다중-연료 시스템{MULTI-FUEL SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES}
관련 출원
본 출원은 2013년 6월 27일자 미국 가출원 제61/840,129호의 이익을 청구한다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 내연기관용 연료 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 디젤과 천연 가스를 둘 다 사용하는 내연기관용 다중-연료 시스템에 관한 것이다.
오늘날 미국 도로에는 삼억 대의 차량이 있는 것으로 추정된다. 매일, 평균 미국인은 차량 운전으로 거의 한 시간을 소비한다. 또한, 미국에서 출하되는 상품의 대략 70퍼센트가 상용차로 이동된다. 분명히, 자동차는 미국에서 일상 생활의 필수 요소이다. 이는 세계적으로 대부분의 국가에서 마찬가지이다. 자동차에 대한 세계적인 의존은 이들 자동차에 동력을 공급하기 위한 연료원에 대한 유사한 의존을 낳는다. 오늘날 도로 상의 대부분의 차량은 가솔린 또는 디젤 연료를 연료로 한다. 대부분의 상용차는 디젤 연료를 연료로 한다.
화석 연료에 대한 의존은 많은 문제를 발생시킨다. 디젤 연료 가격은 매일 변동되지만, 연료 가격설정은 명확히 상향 추세에 있다. 이들 연료 가격이 예측 가능한 미래에 하락할 것임을 시사하는 지표는 전혀 없다. 가솔린을 연료로 하는 내연기관 및 디젤유를 연료로 하는 내연기관의 작동에 있어서 고유한 공기 오염 문제는 주지되어 있다. 이들 공기 오염물질은 일산화탄소, 이산화질소, 입자상 물질, 오존, 이산화황 및 납을 포함한다. 이들 모든 오염물질은 사람들의 여러가지 건강 문제뿐 아니라 환경 상의 오존층 파괴 및 산성비의 공지된 원인이다. 많은 사람들은 공기 오염이 지구의 점진적이고 돌이킬 수 없는 온난화를 초래하고 있다고 추측한다.
이들 이유로, 다양한 배기 제어 장치가 현재 사용되고 있으며, 이 장치는 내연기관에 의해 대기 중에 배출되는 오염물질의 양을 감소시키기 위해 연방 규정에 의해 요구될 수 있다. 이들 배기 제어 장치는 대기 오염 방지법을 포함하는, 환경보호청(Environmental Protection Agency: EPA)이 규정한 다양한 대기질 기준에 대응한다. 각각의 주는 또한 그 독자적인 환경 보호 시행 규칙 및 시행 수단을 갖는다. 캘리포니아 대기 자원 위원회(California's Air Resources Board: CARB)는 국가 내에서 오염에 관한 가장 엄격한 규제 기관이다. CARB가 규정한 배기 기준은 특히 스모그가 되는 탄화수소 및 질소산화물 배출과 관련하여 연방 EPA 기준보다 엄격하다. 현재, 열여섯 개의 다른 주가 캘리포니아의 엄격한 배기 기준을 채택했거나 채택 중에 있다.
그러나, 배기 제어 장치는 오염물질의 일부를 제거할 뿐이며 시간 경과에 따라 열화된다. 또한, 이들 장치는 보통 엔진이 최대 효율로 작동하는 것을 방해한다. 이러한 배기 제어 장치는 또한 그 오염물질 제거 능력이 다소 제한되며, 자동차 가격을 상당히 증가시킨다.
블로-바이(blow-by) 가스의 배출 또는 연소도 배기에 기여한다. 디젤 엔진에서는, 크랭크샤프트 및 커넥팅 로드 베어링을 윤활하기 위해 오일이 사용된다. 크랭크케이스는 주로 공기와 오일로 채워진다. 연료와 공기를 별도의 소스로부터 수용하여 혼합하는 것은 흡기 매니폴드이다. 흡기 매니폴드 내의 연료/공기 혼합물은 연소실로 흡인되고, 연소실에서는 점화플러그에 의해 또는 피스톤 샤프트의 운동으로 인한 연소실 내의 압축에 의해 점화된다. 피스톤 실린더 내의 피스톤 외경 주위에 배치되는 피스톤 링은 연소실 내에 주입된 미연소 및 연소 연료 및 공기를 크랭크케이스로부터 밀봉하도록 의도되지만, 피스톤 링은 피스톤 실린더를 완전히 밀봉할 수 없다. 따라서, 폐기 가스가 크랭크케이스에 진입하며, 이것은 "블로-바이" 가스로 통칭된다.
블로-바이 가스는 주로 탄화수소(미연소 연료), 이산화탄소 및/또는 수증기와 같은 오염물질로 구성되며, 이것들은 모두 엔진 크랭크케이스에 유해하다. 블로-바이 가스가 크랭크케이스 내에 갇히면 오염물질이 시간 경과에 따라 응축되어 엔진 크랭크케이스에 축적될 수 있다. 응축된 오염물질은 크랭크케이스의 내부에 부식성 산과 슬러지를 형성한다. 이것은 크랭크케이스 내의 엔진 오일이 실린더와 크랭크샤프트를 윤활하는 능력을 저하시킨다. 크랭크샤프트 부품을 적절히 윤활하는데 실패한 열화 오일은 엔진 내의 증가된 마모 및 인열(tear)뿐 아니라 취약한 엔진 성능에서의 요인일 수 있다.
블로-바이 가스를 재연소되도록 PCV(positive crankcase ventilation: 블로바이 가스 환원장치) 밸브로부터 흡기 매니폴드 내로 토출하기 위해 크랭크케이스 환기 시스템이 개발되었다. 그러나, 크랭크케이스로부터 제거되는 이러한 블로-바이 가스는 보통 비교적 높은 레벨의 윤활 오일 등을 함유하며, 이는 공기 흡기 매니폴드 내에 도입되고 따라서 연소실 내로 도입되며, 이는 차량에 의해 발생되는 오염을 증가시킨다.
이들 사안은 디젤 엔진에서 특히 문제가 되는 바, 디젤 엔진이 가솔린보다 훨씬 더 기름지고 무거운 디젤 연료를 연소시키기 때문이다. 따라서, 디젤 엔진의 크랭크케이스에 의해 생성된 블로-바이 가스는 가솔린 블로-바이 가스보다 훨씬 더 기름지고 무겁다. 물론, 이러한 디젤 블로-바이 가스의 연소는 훨씬 더 큰 오염 우려를 낳는다.
최근에, 미국에서는 상당한 천연 가스 소스가 발견되었다. 천연 가스는 가끔 내연기관용 연료로서 사용되기도 한다. 이것은 복잡한 배기 제어 장치 없이 연소 오염물질을 덜 생성하고 엔진 작동 비용을 감소시킬 가능성을 갖는다. 그 사용은 세계 화석 연료 소비율을 감소시킬 것으로 예상된다.
현재의 운송 기반은 차량용 천연 가스의 소매 공급자가 널리 다수 분포되어 있지 않기 때문에, 범위 한계로 인해 천연 가스와 같은 기체 연료만을 연료로 하는 차량을 생산하는 것은 비실용적이다. 대신에, 차량에 디젤 연료와 같은 액체 연료를 공급하고 천연 가스와 같은 기체 연료를 보조로 공급하는 것이 보다 실용적이다.
따라서, 디젤 연료뿐 아니라 디젤 연소 기관의 배기를 감소시키기 위해 천연 가스와 조합된 디젤 연료를 연소시킬 수 있는 시스템이 지속적으로 요구된다. 추가로, 시스템의 복잡성 및 비용을 감소시키고 또한 기존 디젤 엔진의 개조를 가능하게 하기 위해 이것이 기존 연료 흡기 시스템 및 구성에 대한 개조를 가능한 한 거의 하지 않고서 이루어지는 시스템이 요구된다. 또한, 크랭크케이스 내에서 여과된 청정 윤활 오일을 유지하는 한편으로 연소실 내에 도입되는 블로-바이 가스의 환경 영향을 감소시키기 위해 디젤 엔진 크랭크케이스의 블로-바이 가스를 여과하는 시스템이 요구된다. 본 발명은 이들 요구를 실현하며, 기타 관련 장점을 제공한다.
본 발명은 다중-연료 엔진 시스템에 관한 것이다. 다중-연료 엔진 시스템은 제1 공급 라인에 의해 연소실에 유체식으로 연결되는 디젤 탱크를 갖는 디젤 엔진에 의해 기동된다. 디젤 엔진은 연료 분사기 레일 및 연소실로 연장되는 연료 분사기를 구비할 수 있으며, 이 경우에 제1 공급 라인은 연료 분사기 레일과 연료 분사기를 통해서 연소실에 유체식으로 연결된다. 연료 분사기는 후술하듯이 마이크로컨트롤러에 응답한다.
엔진은 엔진 내의 복수의 피스톤의 임의의 개수에 대응하는 복수의 연소실을 갖는 것이 바람직하다. 복수의 피스톤 및 연소실과 더불어, 엔진은 또한 연료분사기 레일로부터 각각의 연소실 내로 연장되는 복수의 연료 분사기를 구비할 수 있다.
상기 시스템은 또한 제2 공급 라인에 의해 연소실에 유체식으로 연결되는 천연 가스 탱크를 가지며, 제2 공급 라인은 또한 연료 분사기 레일 및 연료 분사기가 존재할 경우 이를 통과할 수 있다. 천연 가스 탱크는 펑크 내성(puncture resistant) 재료 또는 탄소 섬유로 제조되는 것이 바람직하다. 천연 가스 탱크와 제2 공급 라인은 가압되는 것이 바람직하다.
상기 시스템은 또한 제1 및 제2 공급 라인과 직렬 배치되는 혼합 챔버를 가지며, 혼합 챔버는 연소실 이전에 다중-연료 혼합물을 형성하기 위해 디젤 탱크로부터의 디젤 연료와 천연 가스 탱크로부터의 천연 가스를 혼합한다. 디젤 엔진의 작동 특성, 특히 엔진 온도, 배터리 충전, 엔진 RPM, 가속도, 배기 특징, 또는 PCV 밸브 위치를 모니터링하는 센서에는 마이크로컨트롤러가 결합된다.
혼합 챔버는 다중-연료 혼합물의 형성을 선택적으로 조절하기 위해 마이크로컨트롤러에 응답한다. 혼합 챔버는 마이크로컨트롤러로부터의 신호에 응답하여 이루어지는 팽창, 폭기(aerating), 가압, 가열 또는 냉각에 의해 다중-연료 혼합물을 처리하는 것이 바람직하다. 혼합 챔버는, 역시 마이크로컨트롤러로부터의 신호에 응답하여 디젤 연료와 천연 가스를 순수 디젤 내지 1:1 비율까지의 범위로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 시스템은 디젤 엔진의 크랭크케이스에서 혼합 챔버까지 연장되는 재순환 라인과 직렬 배치되는 PCV 밸브를 포함하는 블로-바이 가스 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 블로-바이 가스 시스템은 재순환 라인에서 크랭크케이스와 PCV 밸브 사이에 오일 필터를 추가로 구비한다.
본 발명의 다른 특징과 장점은, 본 발명의 원리를 예시적으로 도시하는 첨부도면을 참조하여 이루어지는 하기 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
첨부도면은 본 발명을 예시한다. 이러한 도면에서:
도 1은 본 발명의 다중-연료 시스템을 구비한 차량의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다중-연료 시스템을 포함하는 엔진의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다중-연료 시스템의 연료 분사기 레일 및 연료 분사기의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다중-연료 시스템의 개략도이다.
도 5는 다수의 센서에 작동적으로 결합되는 마이크로컨트롤러와 PCV 밸브를 갖는 본 발명의 다중-연료 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다중-연료 시스템의 일반적인 기능성의 개략도이다.
도 7은 흡기구, 배기구 및 오일 배출구의 배치를 도시하는, 블로-바이 필터의 입면도이다.
도 8은 블로-바이 필터의 캐니스터(canister)의 폐쇄 상부를 도시하는, 도 7의 원(8)으로 도시된 영역의 확대 측면도이다.
도 9는 블로-바이 필터의 캐니스터의 하부를 도시하는, 도 7의 원(9)으로부터 취한 확대 부분도이다.
도 10은 상이한 게이지의 금속 메시 층이 다수 구비되는 여과 조립체를 도시하는, 블로-바이 필터의 절취 측면도이다.
첨부도면에 도시하듯이, 도시의 목적으로, 본 발명은 디젤 연소 엔진용 이중 디젤 및 천연 가스 시스템에 속한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 디젤 엔진 시스템은 디젤 연료와 천연 가스 연료의 조합으로 작동하는 다중 연료 엔진으로 변환된다. 바람직한 실시예에서, 다중 연료 시스템은 제1 연료로서의 디젤 및 배출 저감을 위해 디젤과 조합되는 제2 연료로서의 천연 가스로 작동한다. 본 발명의 시스템은 또한 잠재적으로 엔진 효율의 급격한 증가를 초래할 수 있으며, 따라서 사용자는 자신의 차량을 표준 디젤 엔진에 연료를 공급하는데 드는 비용보다 훨씬 저렴하게 연료공급되게 유지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 디젤 엔진은 표준 디젤 엔진에 대한 수정을 가능한 한 거의 하지 않고서 개조될 수 있다. 예를 들어, 표준 디젤 엔진에 요구되는 유일한 추가는 천연 가스 및 연료 라인을 위한 탱크, 연료의 혼합을 위한 혼합 챔버, 마이크로컨트롤러, 및 일 실시예에서 PCV 밸브와 블로-바이 가스 필터가 될 것이다. 수정된 연료 분사기가 사용될 수도 있지만, 이것은 필수적이지 않으며, 실제 엔진에 대해서는 어떠한 추가 변경도 필요치 않다.
이제 도 1을 참조하면, 이중 연료 시스템은 여기에서 전반적으로 참조부호 10으로 지칭된다. 차량(12)은 엔진(14), 연료 분사기 레일(24) 및 네 개의 연료 분사기(26)와 함께 도시되어 있다. 대체로, 연료 분사 시스템은 예전의 기화기 시스템을 대체하였다. 기화기는 흡입에 기초하여 엔진에 연료를 공급했지만, 연료 분사 시스템은 직접 분사를 통해서 연료를 공급한다. 엔진의 연소실 내에 분사되는 연료의 양은 엔진에 진입하는 공기의 양에 대응할 수 있으며, 그 결과 연료 분사 시스템은 엔진을 훨씬 더 효과적으로 만든다.
보통, 연료 분사 시스템은 한 가지 형태의 연료만으로 기능한다. 본 발명의 이중 연료 시스템은 표준 디젤 연료뿐 아니라 천연 가스 연료의 양자에 의해 기능한다. 이중 연료 시스템(10)은 기존 차량에 개조 설치될 수 있거나, 신규 차량에 공장 설치될 수 있다. 도 1에 도시된 차량(12)은 단지 예시적인 것이다. 본 발명의 시스템(10)은 다양한 차량에 사용될 수 있으며 실제로 차량의 부분이 아닌 디젤 엔진과 관련하여 사용될 수 있음을 알 것이다.
본 발명의 시스템(10)은 표준 디젤 탱크(16)뿐 아니라 별도의 천연 가스 탱크(18)를 둘 다 요구한다. 천연 가스 탱크(18)는 탄소 섬유 또는 펑크 내성이 있는 일부 다른 재료로 제조될 수 있으며 재료를 가압 하에 운송할 수 있다. 통상적으로, 차량은 천연 가스 탱크(18)가 차량의 충분히 큰 공간, 차량(12)의 차대, 또는 탱크(18)가 차량(12)의 안전과 기능을 손상시키지 않으면서 끼워질 임의의 다른 장소에 장착되도록 개조된다.
이제 도 2를 참조하면, 통상적인 엔진의 부분 단면 개략도가 도시되어 있다. 흡기 캠 샤프트(42)가 끌려올라갈 때 공기가 흡기 매니폴드(30)를 통해서 연소실(38) 내에 수용된다. 이것은 공기를 흡인하기에 필요한 진공을 생성한다. 흡기 캠 샤프트(42)가 밀려내려가면, 연료 분사기(26)에 의해 연료가 연소실(38) 내에 분사된다. 연료 분사기(26)는 기본적으로 무화기로서 작용하고, 피스톤(32)이 크랭크샤프트(36)에 의해 상승됨에 따라 점화 플러그(40)에 의해 쉽게 점화되는 연료의 미세 스프레이를 생성하며, 연료를 점화점까지 압축한다. 결과적인 연소는 피스톤(32)을 크랭크케이스(34) 내로 강제 하강시키며, 이는 다시 크랭크샤프트(36)를 회전시킨다. 이 시점에서, 배기 캠샤프트(44)는 배기를 연소실(38)로부터 배기 매니폴드(46)를 통해서 추방하는데 필요한 진공을 생성하도록 되돌아간다.
연료 분사기(26)는 탱크(16)로부터의 디젤 연료(52) 및/또는 탱크(18)로부터의 천연 가스(54)가 공급되는 팽창 및 혼합 챔버(20)로부터의 연료 공급 라인(50)에 의해 공급된다. 통상적으로, 엔진은 공급 라인(52)으로부터의 디젤 연료 만으로 작동하거나, 라인(52)으로부터의 디젤 연료와 라인(54)으로부터의 천연 가스의 조합으로 작동할 것이다.
호스 또는 연료 공급 라인(28)은 디젤 및 천연 가스 탱크(16, 18)를 혼합 및 팽창 챔버(20)와 상호연결한다. 이제 도 3을 참조하면, 디젤 연료 공급 탱크(16)는 혼합 및 팽창 챔버(20)로의 그 공급 라인(52)과 함께 도시되어 있다. 마찬가지로, 천연 가스 공급 탱크(18)는 혼합 및 팽창 챔버(20)로의 공급 라인(54)과 함께 도시되어 있다. 팽창 및 혼합 챔버(20)에서, 연료는 적절한 혼합 및 사용을 위해 필요에 따라 폭기 및 상태조절된다. 공급되는 각각의 연료의 비율은 엔진 파라미터에 따라서 변경될 수 있다. 연료는 혼합 챔버(20) 내에서 가열 또는 냉각될 수 있다. 혼합 및 상태조절된 연료는 이후 라인(50)을 거쳐서, 연료 분사기(26) 자체로 이어지는 개구(56)를 갖는 도시된 연료 분사기 레일(24)과 같은 엔진으로 직접 보내진다. 연료 분사기(26)를 통한 엔진 실린더 내로의 연료 입력을 제어하기 위해 마이크로컨트롤러 또는 ECU(58)가 사용된다. 전자 제어 유닛(ECU: electronic control unit)(58)은 연료를 언제 분사할지 및 연료를 얼마나 분사할지를 연료 분사기(26)에 전달한다. ECU(58)는 통상적으로 차량의 컴퓨터 제어 시스템의 부분이다. 본 발명에 의하면 혼합된 연료가 흡기 매니폴드(30)로 송출되고 그곳에서 공기의 일부와 혼합되어 실린더 및 연소실(38) 내로 도입되는 것도 고려된다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 시스템의 개략도가 도시되어 있다. 디젤 연료(16) 및 천연 가스 연료(18)의 공급물은 팽창 및 혼합 챔버(20)로 이송된다. 센서 입력부를 갖는 마이크로컨트롤러(60)는 임의의 주어진 시점에서 디젤 연료 대 천연 가스 연료의 비율을 결정하기 위해 사용된다. 폭기, 가압, 가열 또는 냉각 등에 의한 혼합 연료의 상태조절 또한 마이크로컨트롤러(60)에 의해 제어된다. 마이크로컨트롤러(60)는 ECU(58)와 별개의 마이크로컨트롤러일 수도 있지만, ECU(58) 또는 변형 ECU(58)를 포함할 수도 있다.
이제 도 5를 참조하면, 컨트롤러(58 및/또는 60)는 이들 결정을 수행하기 위해 센서 입력부를 갖는다. 센서는 엔진 온도 센서(62), 배터리 센서(64), PCV 밸브 센서(66), 엔진 RPM 센서(68), 가속도계 센서(70) 및 배기 센서(72)를 포함할 수 있다. 차량에 통상적으로 구비되어 데이터 및 신호를 ECU(58)에 제공하는 다른 센서도 사용될 수 있다. 사실, 센서로부터의 데이터는 마이크로컨트롤러(60)에 직접 송신되거나 ECU(58)에 송신될 수 있으며, ECU는 다시 그 데이터를 마이크로컨트롤러(60)에 공급한다.
도 3을 다시 참조하면, 본 발명은 조합 및 혼합된 디젤 및 천연 가스 연료를 엔진 실린더의 연소실에 공급하도록 설계된 고유한 연료 분사기 레일(24)의 사용을 고려하고 있음을 알 것이다. 이러한 경우에는, 미리 예비혼합된 연료 공급물을 공급하기 위해 엔진의 각 실린더의 각각의 연소실에 단일의 연료 분사기(26)가 사용될 것이라는 것도 고려된다. 본 발명에 의하면, 차량 또는 엔진 개조의 복잡성 및 비용을 최소화하기 위해 엔진을 가능한 한 거의 개조하지 않도록 엔진의 기존의 연료 흡기 및 분사 시스템이 사용되는 것도 고려된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 특히 바람직한 실시예에서, 마이크로컨트롤러(60)에 의해 제어되는 PCV 밸브(74)는 엔진 크랭크케이스(34)로부터 흡인되고 연소를 위해 엔진에 공급되는 블로-바이 가스의 유동을 조절한다. 이것은 예를 들어 PCV 밸브(74)의 디지털 제어를 통해서 연소 엔진 내의 엔진 진공을 조절함으로써 이루어질 수 있다. 컨트롤러(58 및/또는 60)에 의해 센서(62-72)로부터 취득된 데이터는 PCV 밸브(74)뿐 아니라 오일 필터(76)를 조절하기 위해 사용될 수 있다.
도 4에 도시하듯이, 블로-바이 가스를 여과하기 위해 필터(76)가 사용되며, 상기 필터는 여과된 오일을 엔진(14)의 크랭크케이스(34)로 되돌리고, 여과된 순수 블로-바이 가스를 엔진(14)에서 연소되도록 PCV 밸브(74)를 통해서 공급하는 바, 이는 여과된 블로-바이 가스를 디젤 및/또는 천연 가스 연료와 조합되도록 팽창 챔버(20) 내에 도입하는 등에 의해서 이루어진다.
여기에서 도면에 도시된 오일 필터(76)는 통상적으로, 오일 자체가 오염물질을 제거하기 위해 여과되는 정규 오일 필터에 추가된다. 대신에, 이 필터(76)는 크랭크케이스에서 제거된 블로-바이 가스로부터 오일을 여과시키기 위한 것이다. 통상 원통형인 필터(76)는 필요에 따라 적소에 클램핑되거나 나사결합될 수 있다. 재고 애프터 마켓 분리기 또는 오일 필터 또는 본 명세서에 도시 및 기술된 독창적 설계의 필터(76)가 사용될 수 있다. 크랭크케이스로 복귀된 오일이 여과되어 양호한 효능 및 수명을 갖도록 오일로부터의 불순물이 제거될 수 있지만, 본 발명에서 특히 관심의 대상이 되는 것은 배기의 감소가 아닌 증가를 초래하게 될 오일 또는 오염물질이 연소실에 도입되지 않도록 블로-바이 가스로부터 액체 오일을 제거하는 것이다.
이제 도 6을 참조하면, 엔진(14)의 개략도와 PCV 밸브(74) 및 블로-바이 필터(76)의 작동이 도시되어 있다. 도시하듯이, 블로-바이 필터(76)와 PCV 밸브(74)는 엔진(14)의 크랭크케이스(34)와 엔진(14)의 흡기 매니폴드(30) 및 연료 라인(50) 사이의 재순환 라인(75)에 직렬로 배치된다. 디젤 엔진에서, 흡기 매니폴드(30)는 연료 라인(50)과 공기 라인(78)을 거쳐서 연료 공기 혼합물을 수용한다. 연료 라인(50)은 또한 연소실(38) 내에 직접 분사하기 위한 연료를 제공한다. 가솔린 엔진에서, 연료 라인(50)은 연료를 연소실(38) 내에 직접 분사하지 않으며, 대신에 연료 라인(50)은 흡기 매니폴드(30)에 연결될 뿐이다. 공기 필터(80)는 신선한 공기(82)를 수용하며, 이 공기는 피스톤(32)이 실린더(84) 내에서 상사점으로부터 하강함에 따라 흡기 매니폴드(30)를 통해서 피스톤 실린더 및 연소실(38)로 송출된다. 피스톤(32)이 실린더(84) 내에서 하강함에 따라, 연소실(38) 내에는 진공이 생성된다. 따라서, 크랭크샤프트(36)와 타이밍조절된 속도로 회전하는 입력 캠샤프트(42)는 입력 밸브(88)를 개방하여 흡기 매니폴드(30)를 엔진 진공에 노출시키도록 설계된다. 따라서, 흡기 매니폴드(30)로부터 연소실(38) 내로 공기가 흡인된다.
피스톤(32)이 피스톤 실린더의 저부에 있으면, 진공 효과가 종료되고 공기는 더 이상 흡기 매니폴드(30)로부터 연소실(38)로 흡인되지 않는다. 이 시점에서, 피스톤(32)은 다시 피스톤 실린더(84)에서 상향 이동하기 시작하며, 연소실(38) 내의 공기가 압축된다. 디젤 엔진에서는, 연료가 연료 라인(50)으로부터 연소실(38) 내로 직접 분사된다. 이 분사는 압축 공기 라인(90)으로부터의 더 압축된 공기에 의해 더 보조될 수 있다. 압축 공기 라인(90)은 가솔린 엔진에는 존재하지 않는다. 연소실(38) 내의 공기와 연료가 압축됨에 따라, 이는 연료가 점화되고 연소가 발생할 때까지 가열된다.
연소실(38) 내의 점화된 연료/공기의 급속 팽창은 피스톤(32)이 실린더(84) 내에서 하향 이동되게 한다. 연소 이후, 배기 캠샤프트(44)는 연소실(38)로부터의 연소 가스가 배기 매니폴드(46)를 빠져나갈 수 있도록 배기 밸브(92)를 개방한다.
통상적으로, 연소 사이클 도중에, 초과 배기 가스는 피스톤(32)의 헤드(96)에 장착된 한 쌍의 피스톤 링(94)을 빠져나간다. 이들 "블로-바이 가스"는 크랭크케이스(34)에 고압 고온 가스로서 진입한다. 시간이 경과함에 따라, 탄화수소, 일산화탄소, 산화질소 및 이산화탄소와 같은 유해 배기 가스는 기체 상태로부터 응축되어 크랭크케이스(34)의 내부를 코팅할 수 있고, 크랭크케이스(34) 내의 기구를 윤활하는 오일(95)과 혼합될 수 있다. 전술했듯이, PCV 밸브(74)는 크랭크케이스(34)로부터의 이들 블로-바이 가스를 엔진(14)에 의해 재연소되도록 재순환시키도록 설계된다. 이것은 크랭크케이스(34)와 흡기 매니폴드(30) 사이의 압력차를 이용하여 달성된다. 이 과정은 마이크로컨트롤러에 의해 디지털 방식으로 조절될 수 있다.
PCV 밸브(74)는 흡기 매니폴드(30)와 크랭크케이스(34) 사이의 진공이 충분히 강할 때 블로-바이 가스가 밸브(74)를 통과할 수 있도록 개방되는 일방 체크 밸브(도시되지 않음)를 구비한다. 체크 밸브가 개방된 상태에서, 블로-바이 가스는 흡기 매니폴드(30)를 통해서 재순환되도록 PCV 밸브(74)를 통과한다. 체크 밸브는 또한 부가 연료 효율을 위해서 마이크로컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.
블로-바이 가스는 순수 연료 증기가 아니다. 오히려, 점화되지 않은 연료가 피스톤 링(94)을 지나서 크랭크케이스(34) 내로 흡인될 때, 연료 증기는 크랭크케이스(34) 내의 기구를 윤활하는 오일(95)과 혼합된다. 시간이 경과함에 따라, 탄화수소, 일산화탄소, 산화질소 및 이산화탄소와 같은 유해 배기 가스는 기체 상태로부터 응축되어 오일(95) 및 연료 증기와 혼합될 수 있다. 따라서, 결과적인 블로-바이 가스는 이 가스를 엔진 내에서 재연소되기에 부적합하게 만드는 유해 불순물을 함유한다. 디젤 엔진에서, 디젤 연료는 가솔린보다 오일을 많이 함유하며, 따라서 블로-바이 가스는 상당히 더 기름지다. 기름지고 질척한 블로-바이 가스는 재연소되기에 부적합할 뿐 아니라, PCV 밸브(74)를 끈적이게 하여 블로-바이 가스가 전혀 재순환될 수 없게 만드는 경향이 있다.
따라서, 본 발명은 블로-바이 가스가 PCV 밸브(74)에 진입하기 전에 블로-바이 가스로부터 불순물을 제거하기 위해 필터(76)를 포함한다. 블로-바이 필터(76)는 또한 여과된 엔진 오일(95)을 추가 사용을 위해 복귀 라인(77)에 의해 크랭크케이스(34) 내로 복귀시킨다. 일 실시예에서, 크랭크 케이스로의 오일 복귀에는 체크 밸브가 사용된다. 체크 밸브는 미처리 오일이 필터(76)의 오일 배출구에 진입하는 것을 방지한다. 필터(76)가 너무 가득차는지를 검출하기 위해 센서가 사용될 수 있으며, OEM에 의지하기 위해 퍼징(purging) 시스템이 사용될 수 있다. 이러한 상황을 조작자에게 알리기 위해 알람, LED 라이트 등을 포함하는 경고 시스템이 사용될 수 있다.
블로-바이 필터(76)는 도 7 내지 도 10에 구체적으로 도시되어 있다. 도 7에서, 블로-바이 필터(76)는 측면도로 도시되어 있다. 블로-바이 필터(76)는 폐쇄 상부 또는 뚜껑(100)과 하부(102)를 갖는 캐니스터(98)를 구비한다. 캐니스터(98)는 금속, 플라스틱, 또는 고온 고압 작업에 사용하기에 적합한 임의의 기타 재료 또는 복합재로 제조될 수 있다. 캐니스터(98)의 폐쇄 상부(100)는 블로-바이 흡기구(104) 및 연료 증기 배기구(106)를 구비한다. 블로-바이 흡기구(104)는 블로-바이 가스를 캐니스터(98)의 내부로 수용한다. 연료 증기 배기구(106)는 도 6에 도시하듯이 정제된 블로-바이 가스를 캐니스터(98)의 내부로부터 PCV 밸브(74)로 배출한다.
도 7에 도시하듯이, 캐니스터(98)의 폐쇄 상부(100)는 통상적으로 캐니스터(98)로부터 제거될 수 없다. 그러나, 캐니스터(98)의 하부(102)는 클램프(110)를 갖는 제거가능한 커버(108)를 구비한다. 제거가능한 커버(108)는 정제 오일(95)이 엔진(14)의 크랭크케이스(34)로 배출 복귀될 수 있게 하는 오일 배출구(112)를 구비한다. 도 8 및 도 9는 오일 필터 캐니스터(98)의 상부(100)와 하부(102)를 도시하는, 도 7의 "8" 및 "9" 영역의 확대도이다. 도 9를 참조하면, 오일 배출구(112)는 블로-바이 필터(76)가 차량(12)에 대해 장착될 때 블로-바이 필터(76)의 각도를 책임지기 위해 제거가능한 커버(108)의 중심으로부터 오프셋될 수 있다. 제거가능한 커버(108)는 캐니스터(98)의 내부에 대한 용이한 접근을 허용하며, 캐니스터(98)의 내용물의 세척 및 교체를 쉽게 만든다.
이제 도 10을 참조하면, 블로-바이 필터(76)는 절취 측면도로 도시되어 있다. 여기에서, 여과 조립체(114)는 상세하게 도시되어 있다. 여과 조립체(114)는 상이한 게이지의 금속 메시(86) 층을 다수 포함한다. 이들 금속 메시(86) 층은 커버(108) 제거 이후 캐니스터의 개방 단부를 통해서 캐니스터(98)에 로딩된다. 금속 메시(86) 층은 동일한 형태의 금속일 수 있거나 또는 상이한 형태의 금속일 수 있다. 사용될 수 있는 금속 형태는 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 황동, 청동 등을 포함하지만 이것에 한정되지 않는다.
작동 시에, 여과되지 않은 블로-바이 가스는 캐니스터(98)의 폐쇄 상부(100)에 있는 블로-바이 흡기구(104)에 의해 수용된다. 블로-바이 가스는 캐니스터(98) 내의 금속 메시(86) 층을 통해서 순환하기 시작한다. 메시의 게이지와 금속의 형태에 따라서 상이한 오염물질 및 불순물이 각각의 금속 메시(86) 층에 포획된다. 큰 오염물질은 큰 게이지의 금속 메시(86)에 의해 여과된다. 작은 오염물질 및 불순물은 미세한 게이지의 금속 메시(86)에 의해 여과된다. 마찬가지로, 일부 불순물은 특정 형태의 금속에 의해 포획될 수 있다. 블로-바이 가스가 여과 조립체(114)를 통과함에 따라, 오염물질 및 불순물이 포획되어 두 가지의 주요 부산물을 남기는 바, 즉 정화된 엔진 오일(95)과 정제된 연료 증기를 남긴다. 정화된 엔진 오일(95)은 결국 캐니스터(98)의 하부(102)에 수집되고, 오일 배출구(112)를 거쳐서 엔진(14)의 크랭크케이스(34)로 배출 복귀된다. 정제된 연료 증기는 캐니스터(98)의 폐쇄 상부(100)에 있는 연료 증기 배기구(106)를 통해서 배출되어 PCV 밸브(74)로 이동하여 흡기 매니폴드(30)를 통해서 재순환되거나, 엔진(14)의 연소실(38)에 도입되기 전에 팽창 챔버에서 디젤 및/또는 천연 가스 연료 혼합물에 추가된다.
여과 조립체(114)가 주기적인 청소 및 보수를 요할 때, 여과 조립체는 클램프(110)를 래칭해제하고 캐니스터(98)의 하부로부터 뚜껑(108)을 제거함으로써 캐니스터(98)로부터 쉽게 제거될 수 있다. 블로-바이 오일 필터(76)는 오일 및 기타 오염물질의 누설을 방지하기 위해 캐니스터(98)와 제거가능한 뚜껑(108) 사이에 시일을 생성하기 위해 필요에 따라 밀봉 개스킷 등을 구비할 수도 있음을 알 것이다. 본 발명은 여과 조립체(114)의 오일 분리기/필터 요소를 교체할 때 프라이밍(priming)이 수반될 수도 있음을 고려한다.
전자 컨트롤러(60)는 블로-바이 가스의 여과 공정과 PCV 밸브(74)를 모니터링하기 위해서 그리고 정제된 블로-바이 가스가 PCV 밸브(74)를 통해서 연료 라인(50), 팽창 및 혼합 챔버(20) 내로 이동하는지 아니면 흡기 매니폴드(30) 또는 공기 라인(78)으로 직접 이동하는지와 그 정도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 어느 경우에나, 여과된 블로-바이 가스는 바람직하지 않은 배기를 덜 발생시키는 훨씬 더 깨끗한 가스를 제공한다.
예시를 목적으로 여러가지 실시예를 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위와 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 청구범위에 의한 것을 제외하고, 한정되지 않아야 한다.

Claims (22)

  1. 다중-연료 엔진 시스템(10)이며,
    제1 공급 라인(52)에 의해 연소실(38)에 유체식으로 연결되는 디젤 탱크(16)를 갖는 디젤 엔진(14);
    제2 공급 라인(54)에 의해 연소실(38)에 유체식으로 연결되는 천연 가스 탱크(18);
    상기 제1 공급 라인 및 제2 공급 라인과 직렬 배치되는 혼합 챔버(20)로서, 연소실(38) 이전에 다중-연료 혼합물을 형성하기 위해 디젤 탱크로부터의 디젤 연료와 천연 가스 탱크로부터의 천연 가스를 혼합하는 혼합 챔버(20);
    디젤 엔진의 작동 특성을 모니터링하는 센서에 결합되는 마이크로컨트롤러(58)로서, 혼합 챔버는 다중-연료 혼합물의 형성을 선택적으로 조절하기 위해 마이크로컨트롤러에 응답하는 마이크로컨트롤러(58); 및
    디젤 엔진의 크랭크케이스(34)에서 혼합 챔버까지 연장되는 재순환 라인(75)과 직렬 배치되는 PCV 밸브(74)를 구비하는 블로-바이 가스 시스템을 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합 챔버(20)는 팽창, 폭기, 가압, 가열 및/또는 냉각에 의해 다중-연료 혼합물을 처리하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  3. 제2항에 있어서, 상기 혼합 챔버(20)는 다중-연료 혼합물을 처리하기 위해 마이크로컨트롤러(58)에 응답하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼합 챔버(20)는 마이크로컨트롤러(58)로부터의 신호에 응답하여 디젤 연료와 천연 가스를 순수 디젤 내지 1:1까지의 비율의 범위로 혼합하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  5. 제1항에 있어서, 상기 천연 가스 탱크(18)는 펑크 내성 재료 또는 탄소 섬유를 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  6. 제1항에 있어서, 상기 천연 가스 탱크(18)와 상기 제2 공급 라인(54)은 가압되는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  7. 제1항에 있어서, 센서(62-72)에 의해 모니터링되는 작동 특성은 엔진 온도, 배터리 충전, 엔진 RPM, 가속도, 배기 특징, 및/또는 PCV 밸브 위치를 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  8. 제1항에 있어서, 상기 블로-바이 가스 시스템의 재순환 라인(75)은 크랭크케이스(34)와 PCV 밸브(74) 사이에 오일 필터(76)를 추가로 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 디젤 엔진(14) 상의 연료 분사기 레일(24)과 상기 연료 분사기 레일로부터 연소실(38)로 연장되는 연료 분사기(26)를 추가로 포함하며, 상기 연료 분사기는 마이크로컨트롤러(58)에 응답하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  10. 다중-연료 엔진 시스템(10)이며,
    제1 공급 라인(52)에 의해 연소실(38)에 유체식으로 연결되는 디젤 탱크(16)를 갖는 디젤 엔진(14);
    제2 공급 라인(54)에 의해 연소실(38)에 유체식으로 연결되는 천연 가스 탱크(18);
    상기 제1 공급 라인 및 제2 공급 라인과 직렬 배치되는 혼합 챔버(20)로서, 연소실(38) 이전에 다중-연료 혼합물을 형성하기 위해 디젤 탱크로부터의 디젤 연료와 천연 가스 탱크로부터의 천연 가스를 혼합하고, 디젤 연료와 천연 가스는 순수 디젤 내지 1:1 비율까지의 범위로 혼합되며, 다중-연료 혼합물을 팽창, 폭기, 가압, 가열 및/또는 냉각에 의해 처리하는 혼합 챔버(20);
    디젤 엔진의 크랭크케이스(34)에서 혼합 챔버(20)까지 연장되는 재순환 라인(75)과 직렬 배치되는 PCV 밸브(74)를 구비하는 블로-바이 가스 시스템; 및
    디젤 엔진의 작동 특성을 모니터링하는 센서에 결합되는 마이크로컨트롤러(58)를 포함하고,
    상기 혼합 챔버는 디젤 연료와 천연 가스의 혼합을 선택적으로 조절하여 다중-연료 혼합물을 형성하기 위해 마이크로컨트롤러에 응답하며, 상기 혼합 챔버는 다중-연료 혼합물을 처리하기 위해 마이크로컨트롤러에 응답하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  11. 제10항에 있어서, 상기 천연 가스 탱크(18)는 펑크 내성 재료 또는 탄소 섬유를 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  12. 제10항에 있어서, 상기 천연 가스 탱크(18)와 상기 제2 공급 라인(54)은 가압되는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  13. 제10항에 있어서, 센서(62-72)에 의해 모니터링되는 작동 특성은 엔진 온도, 배터리 충전, 엔진 RPM, 가속도, 배기 특징, 및/또는 PCV 밸브 위치를 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  14. 제10항에 있어서, 상기 블로-바이 가스 시스템의 재순환 라인(75)은 크랭크케이스(34)와 PCV 밸브(74) 사이에 오일 필터(76)를 추가로 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 디젤 엔진(14) 상의 연료 분사기 레일(24)과 상기 연료 분사기 레일로부터 연소실(38)로 연장되는 연료 분사기(26)를 추가로 포함하며, 상기 연료 분사기는 마이크로컨트롤러(58)에 응답하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  16. 다중-연료 엔진 시스템(10)이며,
    연료 분사기 레일(24), 상기 연료 분사기 레일로부터 연소실(38)로 연장되는 연료 분사기(26), 및 상기 연료 분사기 레일과 연료 분사기를 통해서 제1 공급 라인(52)에 의해 연소실에 유체식으로 연결되는 디젤 탱크(16)를 갖는 디젤 엔진(14);
    제2 공급 라인(54)에 의해 연소실(38)에 유체식으로 연결되는 천연 가스 탱크(18);
    상기 제1 공급 라인 및 제2 공급 라인과 직렬 배치되는 혼합 챔버(20)로서, 연소실 이전에 다중-연료 혼합물을 형성하기 위해 디젤 탱크로부터의 디젤 연료와 천연 가스 탱크로부터의 천연 가스를 혼합하는 혼합 챔버(20);
    디젤 엔진(14)의 작동 특성을 모니터링하는 센서(62-72)에 결합되는 마이크로컨트롤러(58)로서, 혼합 챔버(20)는 다중-연료 혼합물의 형성을 선택적으로 조절하기 위해 마이크로컨트롤러에 응답하며, 연료 분사기(26)는 다중-연료 혼합물을 연소실에 추가하기 위해 마이크로컨트롤러(58)에 응답하는 마이크로컨트롤러(58); 및
    디젤 엔진의 크랭크케이스(34)에서 혼합 챔버(20)까지 연장되는 재순환 라인(75)과 직렬 배치되는 PCV 밸브(74)와 오일 필터(76)를 구비하는 블로-바이 가스 시스템을 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  17. 제16항에 있어서, 상기 혼합 챔버(20)는 팽창, 폭기, 가압, 가열 및/또는 냉각에 의해 다중-연료 혼합물을 처리하기 위해 마이크로컨트롤러(58)에 응답하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  18. 제16항에 있어서, 상기 혼합 챔버(20)는 마이크로컨트롤러(58)로부터의 신호에 응답하여 디젤 연료와 천연 가스를 순수 디젤 내지 1:1 비율까지의 범위로 혼합하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  19. 제16항에 있어서, 상기 천연 가스 탱크(18)는 펑크 내성 재료 또는 탄소 섬유를 포함하고, 상기 천연 가스 탱크와 상기 제2 공급 라인(54)은 가압되는 다중-연료 엔진 시스템(10).
  20. 제16항에 있어서, 센서(62-72)에 의해 모니터링되는 작동 특성은 엔진 온도, 배터리 충전, 엔진 RPM, 가속도, 배기 특징, 및/또는 PCV 밸브 위치를 포함하는 다중-연료 엔진 시스템(10).
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