KR102463443B1 - 희박-농후 순차 연소 엔진 - Google Patents

희박-농후 순차 연소 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 연소실 중에서 희박연소와 농후연소가 순차적으로 연소되도록 하는 희박-농후 순차 연소 엔진에 관한 것이다.
본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진은, 실린더 블록(12)의 내부에 복수의 연소실이 형성된 엔진에 있어서, 상기 연소실 중 일부 연소실은 이론공연비보다 낮은 공연비로 연소되는 희박연소로 연소가 제어되고, 나머지 연소실은 이론공연비로 연소되는 농후연소로 연소가 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

희박-농후 순차 연소 엔진{LEAN-RICH SEQUENTIAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 복수의 연소실 중에서 희박연소와 농후연소가 순차적으로 연소되도록 하는 희박-농후 순차 연소 엔진에 관한 것이다.
도 1와 같은 엔진에서는 흡기매니폴드(111)를 통하여 공기를 실린더 블록(112)내의 연소실 내로 공급한 후, 압축후 연료를 분사시켜 연소 후 발생한 배기가스는 배기매니폴드(113)와 촉매(114)를 통하여 외부로 배기된다.
상기와 같은 종래기술의 엔진에서는 상기 연소실 내에서 연소가 한 가지 공연비에 의해 제어된다. 예컨대, 이론공연비보다 낮은 공연비로(λ≥1)로 제어되는 희박연소 또는 이론공연비(λ=1)로 제어되는 농후연소 중에서 한가지를 선택하여 운용된다.
연비를 우선으로 하는 경우에는 상기 희박연소로 연소를 제어하면서, 촉매(114)로는 LNT(Lean NOx Trap)와 SCR(Selective Catalytic Reduction)이 함께 적용된다.
한편, 원가를 우선으로 하는 경우에는 상기 촉매(114)로 삼원촉매가 적용된다.
그러나, 상기와 같은 종래기술에 따른 엔진에서는 실린더 블록(112)의 각 연소실을 동일한 공연비로 제어할 수 밖에 없어서, 연비향상과 원가개선에 한계를 가질 수 밖에 없었다.
한편, 하기의 선행기술문헌에는, '가솔린 직접 분사　엔진의 희박/농후 모드 제어시스템'에 관한 기술이 개시되어 있다.
KR 10-0330264 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 복수의 연소실 중 일부는 희박연소로 제어되고, 일부는 농후연소로 제어되도록 한 희박-농후 순차 연소 엔진을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 희박연소의 배기가스를 농후연소에 사용함으로써 연비가 향상되고 배기가스를 정화시킬 수 있는 희박-농후 순차 연소 엔진을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진은, 실린더 블록의 내부에 복수의 연소실이 형성된 엔진에 있어서, 상기 연소실 중 일부 연소실은 이론공연비보다 낮은 공연비로 연소되는 희박연소로 연소가 제어되고, 나머지 연소실은 이론공연비로 연소되는 농후연소로 연소가 제어되는 것을 특징으로 한다.
희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 배기가스는 농후연소로 연소가 제어되는 연소실로 유입되는 것을 특징으로 한다.
희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 배기포트와 농후 연소로 제어되는 연소실의 흡기포트를 연결하는 연결라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
흡기매니폴드로부터 농후 연소로 제어되는 연소실의 흡기포트의 사이에는 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
희박연소로 연소가 제어되는 연소실과 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 동수(同數)로 형성되고, 희박연소로 연소가 제어되는 연소실과 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 일대일(1:1)로 연결되는 것을 특징으로 한다.
희박연소로 연소가 제어되는 연소실과 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 서로 교번(交番)하여 연소되는 것을 특징으로 한다.
상기 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 직전에 연소된 희박연소로 연소가 제어되는 연소실로부터 배기가 배기가스가 유입되는 것을 특징으로 한다.
희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 배기포트는 배기매니폴드로 연결되지 않고, 상기 연결라인을 통하여 농후연소로 연소가 제어되는 연소실로 배기가스를 배기하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어밸브의 개도를 제어하여, 희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 공연비를 제어하는 것을 특징으로 한다.
농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 상기 제어밸브로부터 동일하게 흡기매니폴드로부터 공기가 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진에 따르면, 일부 연소실에서는 희박연소로 연소가 제어되기 때문에 연비를 향상시킬 수 있고, 일부 연소실에서는 농후연소로 제어되기 때문에 삼원촉매에서의 정화효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 연소순서를 희박연소로 제어되는 연소실과 농후연소로 제어되는 연소실에서 교번하여 연소되도록 함으로써, 엔진 회전수의 불균일을 최소화할 수 있다.
아울러, 희박연소의 배기가스를 농후연소로 제어되는 연소실로 유입되도록 함으로써, 농후연소의 연소실은 높은 흡기온을 이용하여 고온연소가 가능하여, 농후연소로 제어되는 연소실의 연비가 향상되고, 수트(soot)의 산화가 가능하며, 상기 삼원촉매의 온도를 빠르게 높여 삼원촉매의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 엔진을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진을 도시한 개략도.
도 3는 본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진에서 배기가스의 흐름을 도시한 개략도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진은, 실린더 블록(12)의 내부에 복수의 연소실이 형성된 엔진에서, 상기 연소실 중 일부 연소실은 이론공연비보다 낮은 공연비로 연소되는 희박연소로 연소가 제어되고, 나머지 연소실은 이론공연비로 연소되는 농후연소로 연소가 제어되도록 한다.
상기 복수의 연소실 중에서 절반의 연소실은 이론공연비보다 낮은 회박연소로 연소가 제어되도록 하고, 나머지 절반의 연소실은 이론공연비로 연소되는 농후연소로 연소가 제어된다. 즉, 희박연소로 제어되는 연소실과 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 동수(同數)가 된다.
희박연소로 연소가 제어된 희박연소 연소실의 배기가스는 농후연소로 연소가 제어되는 농후연소 연소실로 유입되도록 한다. 이를 위하여, 상기 희박연소로 연소가 제어되는 연소실 배기포트(12b)와 농후연소로 연소가 제어되는 연소실을 연결하도록 연결라인(22)(23)이 설치되고, 하나의 연결라인(22)(23)은 하나의 희박연소 연소실과 하나의 농후연소 연소실을 연결된다.
한편, 흡기매니폴드(11)는 모든 연소실과 연결되는데, 상기 흡기매니폴드(11)와 상기 농후연소 연소실 사이에는 제어밸브(21)가 설치된다.
연소시에는 희박연소 연소실과 농후연소 연소실에서 교번(交番)하여 연소가 진행되고, 농후연소 연소실에서는 직전 희박연소 연소실이 배기가스를 이용하여 연소가 진행된다.
본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진을 도 2을 이용하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2에는 실린더 블록(12)에 4개의 연소실이 형성된 예가 도시되어 있는데, 가장 좌측의 연소실이 1번 연소실(#1)이 되고, 가장 우측의 연소실이 4번 연소실(#4)로 칭하기로 한다.
상기 실린더 블록(12)의 4개의 연소실 중에서 2개의 연소실(#1, #4)에서는 희박연소로 연소가 제어되고, 나머지 2개의 연소실(#2, #3)에서는 농후연소로 연소가 제어된다. 도 2에서, 희박연소로 연소가 제어되는 연소실에는 'L'이 표시되어 있고, 농후연소로 연소가 제어되는 연소실에는 'R'이 표시되어 있다.
희박연소로 연소가 제어되는 희박연소 연소실(#1, #4)의 배기가스는 농후연소로 연소가 제어되는 농후연소 연소실(R)로 유입된다. 상기 희박연소 연소실(L)과 상기 농후연소 연소실(R)은 일대일(1:1)로 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 1번 연소실(#1)의 배기가스는 3번 연소실(#3)로 유입되고, 4번 연소실(#4)의 배기가스는 2번 연소실(#2)로 유입된다. 이를 위하여, 희박연소 연소실(L)의 배기포트(12b)와 농후연소 연소실(R)의 흡기포트(12a)를 연결하는 연결라인(22)(23)이 구비된다. 상기 1번 연소실(#1)과 3번 연소실(#3)을 연결하는 제1연결라인(22)이 구비되고, 상기 4번 연소실(#4)과 2번 연소실(#2)을 연결하는 제2연결라인(22)이 구비된다.
상기 농후연소 연소실(R)의 배기포트(12b)는 바로 배기매니폴드(13)로 연결되지만, 상기 희박연소 연소실(L)의 배기포트(12b)는 상기 배기매니폴드(13)로 연결되지 않고, 상기 연결라인(22)(23)을 통하여 상기 희박연소 연소실(L)의 흡기포트(12a)로 연결된다. 물론, 상기 희박연소 연소실(L)의 배기포트(12b)는 상기 농후연소 연소실(R)과 상기 배기매니폴드(13)로 분기되도록 연결되고, 분기점에 제어밸브를 설치하여 상기 희박연소 연소실(L)의 배기가스가 상기 농후연소 연소실(R) 또는 상기 배기매니폴드(13)로 선택적으로 배기되도록 할 수 있다. 또는 일정 비율로 일부는 상기 농후연소 연소실(R)로 배기되고 나머지는 상기 배기매니폴드(13)로 배기되도록 할 수도 있다.
상기 흡기매니폴드(11)는 모두 4개의 연소실과 연결된다. 이때, 상기 흡기매니폴드(11)와 상기 희박연소 연소실(L)은 바로 연결되지만, 상기 흡기매니폴드(11)와 상기 농후연소 연소실(R)의 사이에는 제어밸브(21)가 설치된다. 상기 흡기매니폴드(11)와 상기 농후연소 연소실(R)을 각각 연결할 수도 있지만, 하나의 연결라인이 분기되어 상기 농후연소 연소실(R)에 각각 연결되고, 상기 제어밸브(21)는 분기점 이전에 하나가 설치될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 희박-농후 순차 연소 엔진의 작용에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
4개의 연소실은 정해진 순서대로 연소된다.
예컨대, '1번 연소실(#1)-3번 연소실(#3)-4번 연소실(#4)-2번 연소실(#2)'의 순으로 연소가 진행될 수 있다. 이때, 희박연소 연소실(L)의 연소 후에는 농후연소 연소실(R)에서 연소가 된다.
희박연소 연소실(L)인 1번 연소실(#1)로 흡기매니폴드(11)로부터 공기가 공급되고 압축된 후 연료가 분사되어 연소되면, 상기 1번 연소실(#1)의 배기가스는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1연결라인(22)을 통하여 3번 연소실(#3)로 배출된다. 상기 1번 연소실(#1)에서는 연소가 희박연소로 진행되기 때문에 상기 1번 연소실(#1)의 배기가스에도 다량의 산소가 존재한다. 상기 1번 연소실(#1)로부터 배출된 배기가스는 상기 흡기매니폴드(11)로부터 공급된 공기와 함께 상기 3번 연소실(#3)의 내부로 유입된다. 상기 3번 연소실(#3)에서 이론공연비로 연소되는데 필요한 산소의 양이 상기 3번 연소실(#3)로 공급될 수 있도록 상기 제어밸브(21)의 개도를 제어한다. 상기 1번 연소실(#1)에서 배출되는 배기가스에 포함된 산소의 양은 상기 1번 연소실의 공연비에 따라 정해지게 되므로, 3번 연소실(#3)에서 이론 공연비로 연소되는데 부족한 공기의 양만큼이 상기 흡기매니폴드(11)로부터 공급될 수 있도록 상기 제어밸브(21)의 개도가 제어된다.
따라서, 농후연소로 제어되는 3번 연소실(#3)에서 이론공연비로 연소되는데 필요한 공기(산소)는 직전의 희박연소된 1번 연소실(#1)의 배기가스와 상기 1번 연소실(#1)의 배기가스에서 부족한 산소의 양이 공급되도록 상기 흡기매니폴드(11)로부터 공기가 유입된다.
상기 3번 연소실(#3)에 공기의 흡기가 완료되면, 상기 3번 연소실(#3)의 내부로 연료가 분사되어 연소가 진행된다. 이때, 상기 3번 연소실(#3)에서는 수트(soot), 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)의 산화와 이론공연비 연소에 맞도록 농후연소된다.
상기 3번 연소실(#3)에서는 이론공연비에 맞게 농후연소되므로, 상기 1번 연소실(#1)의 배기가스와 기 흡기매니폴드(11)의 공기를 함께 유입되도록 한다. 이후, 정해진 크랭크각으로 압축되면 연료를 분사하여 연소가 진행되도록 한다.
상기 3번 연소실(#3)에서 연소 이후에, 4번 연소실(#4)에서 희박연소, 2번 연소실(#2)에서 농후연소가 순차적으로 진행된다. 상기 4번 연소실(#4)의 배기가스는 연소 후 상기 2번 연소실(#2)로 유입되고, 앞서 살펴본 바와 같은 방식으로 연소가 진행된다.
이와 같은 과정을 반복하면서, '1번 연소실(#1)-3번 연소실(#3)-4번 연소실(#4)-2번 연소실(#2)'의 순으로 희박연소와 농후연소가 번갈아 진행된다.
희박연소와 농후연소가 교번(交番)하여 진행되므로, 엔진의 회전이 불균일 해지는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 희박연소 연소실(L)에서는 희박연소를 극대화할 수 있으므로, 연비를 향상시킬 수 있다.
아울러, 농후연소 연소실(R)에서는 상기 삼원촉매(14)로 유입되는 배기가스의 정화효율의 극대화되도록 이론공연비로 연소된다.
희박연소 연소실(L)의 배기가스가 농후연소 연소실(R)로 유입되도록 하여 희박연소 연소실(L)의 배기가스를 활용함으로써, 상기 농후연소 연소실(R)의 배기가스의 온도를 빠르게 승온시킨다. 상기 농후연소 연소실(R)의 배기가스의 온도가 빠르게 높아지게 되므로, 상기 농후연소 연소실(R)에서 배기되어 삼원촉매(14)로 충분히 승온된 배기가스가 유입되므로, 상기 삼원촉매(14)의 정화효율이 높아진다.
그리고, 상기 농후연소 연소실(R)에서는 높은 흡기온으로 인하여, 고온 연소가 가능해지기 때문에, 연비가 향상되고 수트를 산화시켜 제거할 수 있다.
11 : 흡기매니폴드
12 : 실린더 블록
12a : 흡기포트
12b : 배기포트
13: 배기매니폴드
14 : 촉매
21 : 제어밸브
22 : 제1연결라인
23 : 제2연결라인
111 : 흡기매니폴드
112 : 실린더 블록
113: 배기매니폴드
114 : 촉매

Claims (10)

  1. 실린더 블록의 내부에 복수의 연소실이 형성된 엔진에 있어서,
    상기 연소실 중 일부 연소실은 이론공연비보다 낮은 공연비로 연소되는 희박연소로 연소가 제어되고,
    나머지 연소실은 이론공연비로 연소되는 농후연소로 연소가 제어되며,
    희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 배기가스는 농후연소로 연소가 제어되는 연소실로 유입되고,
    희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 배기포트와 농후 연소로 제어되는 연소실의 흡기포트를 연결하는 연결라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    흡기매니폴드로부터 농후 연소로 제어되는 연소실의 흡기포트의 사이에는 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.
  5. 제1항에 있어서,
    희박연소로 연소가 제어되는 연소실과 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 동수(同數)로 형성되고,
    희박연소로 연소가 제어되는 연소실과 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 일대일로 연결되는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.
  6. 제5항에 있어서,
    희박연소로 연소가 제어되는 연소실과 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 서로 교번(交番)하여 연소되는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 직전에 연소된 희박연소로 연소가 제어되는 연소실로부터 배기가 배기가스가 유입되는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.
  8. 제1항에 있어서,
    희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 배기포트는 배기매니폴드로 연결되지 않고, 상기 연결라인을 통하여 농후연소로 연소가 제어되는 연소실로 배기가스를 배기하는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제어밸브의 개도를 제어하여,
    희박연소로 연소가 제어되는 연소실의 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.
  10. 제4항에 있어서,
    농후연소로 연소가 제어되는 연소실은 상기 제어밸브로부터 동일하게 흡기매니폴드로부터 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 희박-농후 순차 연소 엔진.


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