KR101940819B1 - 왕복 피스톤 내연 기관의 작동 방법 - Google Patents

왕복 피스톤 내연 기관의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 왕복 피스톤(20)이 상사점(OT)과 하사점(UT) 사이에서 선형적으로 이동할 수 있게 내부에 수납된 적어도 하나의 연소 실린더(10)를 포함하는 왕복 피스톤 내연 기관(1)을 작동하는 방법에 관한 것으로서, 본 작동 방법은 연료와 연소 공기의 연소를 이용하여 왕복 피스톤(20)의 팽창 행정을 구현하기 위해 연료와 연소 공기를 연소 실린더(10)의 연소실(13)에 도입하는 단계, 및 첨가 유체(ZF)를 이용하여 연소에 영향을 미치기 위해 첨가 유체(ZF)를 연소실(13)에 도입하는 단계를 포함한다. 연소 실린더의 연소실에서의 최적의 연소를 달성하기 위해, 연료 및 연소 공기와는 별개로 연소실 내에 첨가 유체를 직접 주입한다.

Description

왕복 피스톤 내연 기관의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A RECIPROCATING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 왕복 피스톤이 상사점과 하사점 사이에서 선형적으로 이동할 수 있게 내부에 수납된 적어도 하나의 연소 실린더를 포함하는, 왕복 피스톤 내연 기관을 작동하기 위해 청구항 1의 전제부에 따라 구성된 방법에 관한 것이다.
서두에 언급한 타입의 방법은 예컨대 DE 10 2006 054 227 A1로부터 공지되어 있다.
본 발명의 과제는 연소 실린더의 연소실 내에서 더욱 최적의 연소가 달성될 수 있도록 하는 청구항 1의 전제부에 따른 방법을 제공하는 것이다.
그러한 과제는 청구항 1에 따른 방법에 의해 해결된다. 본 발명의 부가의 구성들이 종속 청구항들에 정의되어 있다.
본 발명에 따라, 왕복 피스톤이 상사점과 하사점 사이에서 선형적으로 이동할 수 있게 내부에 수납된 적어도 하나의 연소 실린더를 포함하는, 왕복 피스톤 내연 기관을 작동하는 방법으로서, 연료와 연소 공기의 연소를 이용하여 왕복 피스톤의 팽창 행정을 구현하기 위해 연료와 연소 공기를 연소 실린더의 연소실에 도입하는 단계; 첨가 유체를 이용하여 연소에 영향을 미치기 위해 바람직하게는 연료 및 연소 공기와는 상이한 첨가 유체를 연소실에 도입하는 단계를 포함하는, 왕복 피스톤 내연 기관의 작동 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 방법은 첨가 유체를 연료 및 연소 공기와는 별개로 연소실 내에 직접 주입하는 것을 특징으로 한다.
첨가 유체를 연료 및 연소 공기와는 별개로 연소실 내에 직접 주입하기 때문에, 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 연소 과정 및/또는 점화 시점과는 상관없이 첨가 유체를 연소실에 도입하는 것을 제어할 수 있고, 그럼으로써 연소에 대해 달성하고자 하는 영향에 맞춰 최적으로 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 첨가 유체를 연소실 내에 직접 분사 또는 주입하는 것은, 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 연소 전에, 연소 중에, 및/또는 연소 후에 행하는 것이 가능하다. 따라서 연소 실린더의 연소실 내에서의 연소에 더욱 융통성 있게 영향을 미치는 것과 그에 따라 내연 기관의 최적화를 개선하는 것을 달성할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 왕복 피스톤이 하사점(UT)의 부근에 있을 때에 첨가 유체를 연소실 내에 주입한다. 바람직하게는, 왕복 피스톤이 하사점에 있을 때에 첨가 유체를 연소실 내에 주입한다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 첨가 유체를 연소실 내에 주입하기 위한 하사점으로서, 왕복 피스톤의 팽창 행정에 바로 선행하는 상사점(OT) 직전의 하사점을 선택한다. 즉, 왕복 피스톤의 압축 행정과 팽창 행정 사이에서 점화(OT) 직전의 하사점을 선택한다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 첨가 유체로서 물을 연소실 내에 주입한다.
그러한 물 직접 주입(water direct injection - WDI)에 의해, 왕복 피스톤 내연 기관의 유해 물질 방출이 감소되고, 출력 증대 및 노킹 최소화가 달성될 수 있다. 점화(OT) 직전의 하사점에서 물의 형태의 첨가 유체를 분사 또는 주입하면, 압축된 물의 기화 냉각에 의해 연소의 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 연료로서 난연성 기체를 연소실에 도입하되, 첨가 유체로서 착화성이 높은 기체를 연소실 내에 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 그러한 구성에 따라, 착화성이 나쁜 기체 또는 난연성 기체의 연소를 착화성이 좋거나 높은 기체 또는 점화성 기체의 첨가 주입에 의해 최적화할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 점화를 위해 제공되어 연소실에 들어오는 파일럿 연료 제트(pilot fuel jet) 또는 예연소실 토치(prechamber torch)와 첨가 유체가 겹쳐지도록 첨가 유체를 연소실 내에 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 이러한 구성에 따라, 첨가 유체의 분사 또는 주입은, 예컨대 연료와 연소 공기로 이루어진 혼합기의 국부적인 농축에 의해 혼합기의 착화성을 지원하거나 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 첨가 유체를 연소실의 적어도 하나의 압착 영역에 의도적으로 주입한다. 일측에 따르면, 첨가 유체는 연료 및 연소 공기와는 별개로 연소실의 적어도 하나의 압착 영역을 향하여 직접 주입되고, 첨가 유체 공급 어셈블리가 왕복 피스톤의 왕복운동 방향에 대해 경사진다.
압착 영역들 또는 압착 에지들(예컨대, 왕복 피스톤의 피스톤 헤드에 있음)은 예컨대 연소실 내에서 연료와 연소 공기로 이루어진 혼합기를 와류시키는 역할을 한다. 압착 영역들은, 왕복 피스톤이 연소 실린더의 실린더 헤드에 접근함에 기인하여 혼합기가 밀어내어지고, 이에 따라 이 영역들이 부분적으로 또는 전적으로 연소로부터 배제될 수 있는 영역들이다.
첨가 유체를 바람직하게는 압착 영역들과 같은 정해진 연소 공간들에 의도적으로 분사하는 것은, 유효 연소 공간의 확대에 의해 더 좋은 전환율(conversion rate) 및 그에 따른 연소 또는 왕복 피스톤 내연 기관의 더 좋은 효율을 가능하게 하고, 연소실 내에서의 부가의 흡입 유동(charge motion) 및 그에 따라 배기 가스로서 생성되는 탄화수소의 감소를 일으킨다.
본 발명의 또 다른 실시 양태에 따르면, 연료(바람직하게는 착화성이 높은 고급 연료)와 연소 공기로 형성된 혼합기의 점화 중에 첨가 유체로서 난연성 기체를 연소실 내에 주입한다.
따라서 본 발명에 따른 방법의 이러한 구성에 따라, 등급을 낮춘 연료를 의도적으로 분사하거나 주입할 수 있고, 그것은 왕복 피스톤 내연 기관의 작동 비용의 감소에 기여할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 첨가 유체를 연소실 내에 주입하기 위한 하사점으로서, 왕복 피스톤의 팽창 행정에 바로 선행하는 상사점(OT) 직후의 하사점을 선택한다. 즉, 점화(OT) 직후의 하사점을 선택한다. 이때, 첨가 유체로서 배기 가스 후처리제, 바람직하게는 암모니아를 연소실 내에 주입하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 이러한 구성에 따라, 왕복 피스톤 내연 기관의 배기 가스 중의 질소 산화물의 환원을 위해 마련될 수 있는 SCR(선택적 촉매 환원 - Selective Catalytic Reduction) 촉매 변환기 및/또는 SCR 촉매 변환기의 상류에 있는 혼합 섹션을 생략할 수 있게 된다. 그것은 첨가제에 의한 배기 가스 후처리의 다른 형태들에도 마찬가지로 적용된다.
본 발명은 청구항들의 명시적 인용들로부터 나오는 특징 조합들에 의해서는 주어지지 않는 실시 형태들로도 확장되는 것임이 명백하고, 그러므로 본 발명의 개시된 특징들은, 그것이 기술적으로 의미가 있는 한, 임의로 서로 조합될 수 있다.
본 발명에 의하면, 연료 및 연소 공기와는 별개로 연소실 내에 첨가 유체를 직접 주입함으로써, 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 연소 과정 및/또는 점화 시점과는 상관없이 첨가 유체를 연소실에 도입하는 것을 제어할 수 있고, 이에 따라 연소에 대해 달성하고자 하는 영향에 맞춰 첨가 유체의 도입을 최적으로 설정할 수 있게 된다. 또한, 첨가 유체를 연소실 내에 직접 분사 또는 주입하는 것은 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 연소 전에, 연소 중에, 및/또는 연소 후에 행하는 것이 가능하므로, 연소 실린더의 연소실 내에서의 연소에 융통성 있게 영향을 미치는 것 그리고 이에 따라 내연 기관의 최적화를 개선하는 것을 달성할 수 있게 된다.
이하, 첨부 도면들을 참조해서 바람직한 실시 형태들에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 왕복 피스톤 내연 기관의 연소 실린더의 길이 방향 단면도.
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 바라본 도 1의 연소 실린더의 횡단면도.
도 1 및 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 예컨대 2 행정 프로세스 또는 4 행정 프로세스로 작동하는 디젤 엔진 또는 오토 엔진(Otto engine)으로서 형성될 수 있는 본 발명에 따른 왕복 피스톤 내연 기관(1)(전부 도시되지는 않음)은 왕복 피스톤(20)이 상사점(OT)(왕복 피스톤이 "20.1"로 추가로 지시되어 있음)과 하사점(UT)(왕복 피스톤이 "20.2"로 지시되어 있음) 사이에서 선형적으로 이동할 수 있게 내부에 수납된 적어도 하나의 연소 실린더(10)를 포함한다.
그러한 연소 실린더(10)는 연료와 연소 공기를 연소 실린더(10)의 연소실(13)에 도입할 수 있는 연료/연소 공기 공급 어셈블리(12)가 수납된 실린더 헤드(11)를 구비한다.
연료/연소 공기 공급 어셈블리(12)는 예컨대 연료 분사 노즐 및 하나 이상의 흡기 밸브를 구비한다.
또한, 연소 실린더(10)의 실린더 헤드(11)에는, 연료 및 연소 공기와는 별개로 첨가 유체(ZF)를 연소 실린더(10)의 연소실(13) 내에 주입할 수 있는 첨가 유체 공급 어셈블리(14)가 수납된다.
첨가 유체 공급 어셈블리(14)는 예컨대 분사 노즐을 구비할 수 있고, 통상의 왕복 피스톤 내연 기관의 개조를 위해 예컨대 배출 밸브용으로 마련된 실린더 헤드(11)의 개구부 또는 통로에 배치될 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 왕복 피스톤 내연 기관(11)을 작동하는 본 발명에 따른 방법의 실시 형태들을 설명하기로 한다.
본 발명에 따르면, 왕복 피스톤 내연 기관(1)의 작동 방법은 연료와 연소 공기의 연소를 이용하여 왕복 피스톤(20)의 팽창 행정을 구현하기 위해 연료/연소 공기 공급 어셈블리(12)에 의해 연료와 연소 공기를 연소 실린더(10)의 연소실(13)에 도입하는 단계, 및 첨가 유체(ZF)를 이용하여 연소에 영향을 미치기 위해 첨가 유체 공급 어셈블리(14)에 의해 바람직하게는 연료 및 연소 공기와는 상이한 첨가 유체(ZF)를 연소실에 도입하되, 첨가 유체(ZF)를 연료 및 연소 공기와는 별개로 연소실(13) 내에 직접 주입하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시 형태에 따르면, 왕복 피스톤(20)이 하사점(UT) 부근에 있을 때에 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입한다. 바람직하게는, 왕복 피스톤(20)이 하사점(UT)(20.2)에 있을 때에 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시 형태에 따르면, 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입하기 위한 하사점(UT)으로서, 왕복 피스톤(20)의 압축 행정과 팽창 행정 사이의 점화(OT)[OT - 왕복 피스톤(20)의 상사점] 직전의 하사점(UT)을 선택한다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시 형태에 따르면, 왕복 피스톤(20)의 점화(OT) 직전의 하사점(UT)(또는 그 부근)에서 첨가 유체(ZF)로서 물을 연소실(13) 내에 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 대안적 실시 형태에 따르면, 연료로서 난연성 기체를 연소실(13)에 도입하되, 예컨대 왕복 피스톤(20)의 점화(OT) 직전의 하사점(UT)(또는 그 부근)에서 첨가 유체(ZF)로서 착화성이 높은 기체를 연소실(13) 내에 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 일 구성 형태에 따르면, 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 점화를 위해 제공되어 연소실(13)에 들어오는 파일럿 연료 제트 또는 예연소실 토치(도시되지 않음)와 첨가 유체(ZF)가 겹쳐지도록 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시 형태에 따르면, 첨가 유체(ZF)를 연소실(13)의 적어도 하나의 압착 영역(13.1)에 의도적으로 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 대안적 실시 양태에 따르면, 연료(바람직하게는 고급의 그리고 착화성이 높은 연료)와 연소 공기로 형성된 혼합기의 점화 중에 첨가 유체(ZF)로서 난연성 기체를 연소실(13) 내에 주입한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시 형태에 따르면, 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입하기 위한 하사점(UT)으로서, 점화(OT) 직후의 하사점(UT)을 선택하되, 이때 첨가 유체(ZF)로서 바람직하게는 암모니아와 같은 배기 가스 후처리제를 연소실(13) 내에 주입하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 다른 배기 가스 후처리제들도 고려될 수 있다.
1: 왕복 피스톤 내연 기관 10: 연소 실린더
11: 실린더 헤드 12: 연료/연소 공기 공급 어셈블리
13: 연소실 13.1: 압착 영역
14: 첨가 유체 공급 어셈블리 20: 왕복 피스톤
20.1: 상사점에 있는 왕복 피스톤 20.2: 하사점에 있는 왕복 피스톤
ZF: 첨가 유체 OT: 상사점
UT: 하사점

Claims (10)

  1. 왕복 피스톤(20)이 상사점(OT)과 하사점(UT) 사이에서 선형적으로 이동할 수 있게 내부에 수납된 적어도 하나의 연소 실린더(10)를 포함하는, 왕복 피스톤 내연 기관(1)을 작동하는 방법으로서,
    연료와 연소 공기의 연소를 이용하여 왕복 피스톤(20)의 팽창 행정을 구현하기 위해 연료와 연소 공기를 연소 실린더(10)의 연소실(13)에 도입하는 단계;
    첨가 유체(ZF)를 이용하여 연소에 영향을 미치기 위해 첨가 유체(ZF)를 연소실(13)에 도입하는 단계
    를 포함하는 왕복 피스톤 내연 기관(1)의 작동 방법에 있어서,
    첨가 유체(ZF)는 연료 및 연소 공기와는 별개로 연소실(13)의 적어도 하나의 압착 영역(13.1)을 향하여 직접 주입되고,
    첨가 유체 공급 어셈블리(14)가 상기 왕복 피스톤(20)의 왕복운동 방향에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 왕복 피스톤(20)이 하사점(UT)에 있을 때에 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입하기 위한 하사점(UT)으로서, 왕복 피스톤(20)의 팽창 행정에 바로 선행하는 상사점(OT) 직전의 하사점(UT)을 선택하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 첨가 유체(ZF)로서 물을 연소실(13) 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 연료로서 난연성 기체를 연소실(13)에 도입하고, 첨가 유체(ZF)로서 착화성이 높은 기체를 연소실(13) 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 점화를 위해 제공되어 연소실(13)에 들어오는 파일럿 연료 제트 또는 예연소실 토치와 첨가 유체(ZF)가 겹쳐지도록 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 연료와 연소 공기로 형성된 혼합기의 점화 중에 첨가 유체(ZF)로서 난연성 기체를 연소실(13) 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 첨가 유체(ZF)를 연소실(13) 내에 주입하기 위한 하사점(UT)으로서, 왕복 피스톤(20)의 팽창 행정에 바로 선행하는 상사점(OT) 직후의 하사점(UT)을 선택하고, 첨가 유체(ZF)로서 배기 가스 후처리제를 연소실(13) 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
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