KR20030011606A - 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 제트의 냅프각(nappe angle)이 a1인 분사기(20), 실린더(10), 실린더 헤드(12), 상기 실린더 내에서 활주하고 크랭크축과 연결되는 피스톤(18), 그리고 상기 실린더의 벽면(26)과 실린더 헤드(12) 및 피스톤(18)의 상부면(24)에 의하여 구성되는 연소실을 최소한 포함하는 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 상기 방법은 상기 피스톤(18)의 하한 위치(PL) 아래에서 상기 실린더의 벽면(26)이 상기 분사기로부터의 연료 제트에 의하여 젖게 되는 상기 피스톤(18)의 하한 위치(PL)를 결정하는 단계와, 상기 피스톤의 유효 위치를 결정하는 단계와, 상기 하한 위치에 대한 상기 피스톤의 유효 위치를 결정하는 단계와, 상기 하한 위치에 대한 상기 피스톤의 유효 위치에 따라 연료 분사 매개 변수를 조정하는 단계를 포함한다.

Description

직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법 {FUEL INJECTION CONTROL METHOD FOR A DIRECT-INJECTION INTERNAL-COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법에 관한 것이다. 더구체적으로 말하자면, 본 발명은 공기 또는 재순환된 배기 가스와 공기의 혼합물을 이용하여 분사된 연료를 균질하게 혼합할 수 있도록 하는 연료 분사 방법에 관한 것이다.
내연 기관의 개발은 내구성 기준과의 일치성을 유지하는 한편, 배기 가스의 감소, 연료 소모량, 토크 및 비출력(比出力) 증가, 연소 소음 감소에 대한 요건을 충족시키지 않으면 안 된다.
그러므로, 분사 시스템의 어떤 매개 변수(예컨대, 압력, 제어 법칙 등) 또는 연료 제트(fuel jet)의 일정한 매개 변수, 예컨대 이들 연료 제트에 의하여 분사기 노즐에 형성되는 냅프(nappe) 각도를 변화시키는 것이 가능하다.
그러나, 이들 매개 변수 중의 한 가지 매개 변수를 개선하게 되면, 또 다른 매개 변수가 악화되는 결과를 가져오게 된다.
따라서, 이는 액체 연료를 분사시키는 연소실 내에서, 예컨대 사용되는 분사기의 형식에 의하여 결정되는 냅프각(nappe angle)으로 액체 연료가 분사되는 경우이다.
상기 냅프각을 수정하면 실린더 벽면 위에 연료가 분사되게 되는데, 이는 이 실린더 벽면 위에 존재하는 윤활유의 작용을 악화시키고 검댕이를 생성시키는 원인이 된다.
이것은 배기 가스의 증가 및(또는) 전부하(全負荷) 성능의 감소 및(또는) 소음의 증가를 초래하게 되는 결점이 있다.
유럽 특허 출원 제849,448호 또는 제589,178호에 기재되어 있는 바와 같이,연료는 각 실린더와 일직선으로 배열되고 냅프각이 140°내지 160°정도로 매우 넓은 분사기에 의하여 연소실 내에 공급된다.
상기 분사기에 의하여, 연료 제트는 실린더 벽면과 접촉하는 일이 없이, 따라서 실린더 벽면의 윤활유에 영향을 미치는 일이 없이 배출되어 증발한다.
이러한 효과를 얻으려면, 피스톤은 당연히 그의 상사점(上死點; PMH)에 오히려 가까워야 하기 때문에, 연료 분사 시간을 선택하는 데에는 한정된 시간 범위만이 이용될 뿐이다.
조기 및(또는) 지연 연료 분사는 다수의 장점을 제공한다는 사실도 역시 알려져 있기 때문에, 전술한 결점은 결코 예사로운 일이 아니다.
예컨대, 상사점 전의 선분사(先噴射; pilot injection) 및 그 뒤의 주분사(主噴射)는 연소 소음을 감소시켜 준다.
나아가, 잘 알려져 있는 바와 같이, 배기시의 온도 증가에 의하여 시작되는 입자 여과기의 재생은 배기 밸브를 개방하기 직전에 연료 분사를 행할 것을 요한다.
팽창 단계 또는 배기 단계 중의 연료 분사도 역시 NOx트랩의 재생에 유리한 배기 조건을 얻는 데 유용할 수 있다.
더욱이, 연료의 조기 분사 역시 균질한 연료 혼합물을 얻는 데에 바람직한 경우도 있다.
보통 이용되는 분사기는 냅프각이 140°및 160°의 범위이기 때문에, 분사조절 범위를 감소시킴으로써 연료에 의한 윤활유의 희석 문제가 제한받는다.
본발명은 매우 다양한 분사 조건을 이용하게 하는 연료 분사 방법에 의하여 전술한 결점들을 극복하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 방법을 이용하는 내연 기관을 도식적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 방법을 이용하는 내연 기관의 피스톤에 연결되는 크랭크축의 편향각을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
10 : 실린더
12 : 실린더 헤드
18 : 피스톤
20 : 분사기
24 : 피스톤의 상부면
이러한 취지로, 연료 제트 냅프각이 a1인 분사기, 실린더, 실린더 헤드, 상기 실린더 내에서 활주하고 크랭크축에 연결된 피스톤, 그리고 상기 실린더의 벽면과 실린더 헤드 및 피스톤의 상부면에 의하여 구성되는 연소실을 최소한 포함하는 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법은 다음의 단계들로 이루어진다.
- 상기 실린더 벽면이 상기 피스톤의 하한 위치 아래에서 상기 분사기로부터의 연료 제트에 의하여 젖게 되는 피스톤의 하한(下限) 위치를 결정하는 단계와,
- 상기 피스톤의 유효 위치를 결정하는 단계와,
- 상기 하한 위치에 대한 상기 피스톤의 유효 위치를 결정하는 단계와,
- 상기 하한 위치에 대한 피스톤의 유효 위치에 따라 연료 분사 매개 변수를 조정하는 단계.
상기 방법은 분사 매개 변수를 조정함으로써 피스톤의 하한 위치와 실린더 헤드로부터 가장 먼 위치 사이의 어떠한 피스톤의 위치에 대해서도 연소실 내에서의 연료 제트의 침투를 억제하는 단계를 포함할 수 있다는 유리한 점이 있다.
상기 방법은, 매우 고압, 좋기로는 1000 바아(bar) 이상의 압력하에 측정량의 연료를 분사하는 단계를 포함하는 것이 좋다.
상기 방법은 매우 단시간 동안에 측정량의 연료를 분사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 연료의 총분사량을 얻을 때까지 측정량의 연료 분사를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료 측정량은 연료의 총분사량의 25%를 초과할 수 없다.
상기 방법은 식 D xtan(a1/2)(여기서, D는 연료 제트의 발생점과 실린더 벽면 사이의 반경 방향 거리임)에 의하여 피스톤의 하한 위치를 정할 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 방법은 피스톤의 하한 위치와 실린더 헤드에 가장 가까운 위치 사이의피스톤의 어떠한 위치에 대해서도 종래의 방법으로 연료를 분사하기 위한 분사 매개 변수를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기타의 특징 및 장점들은 본 발명을 한정하기 위한 의도가 아니라 실시예에 지나지 않는 첨부 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1에 있어서, 예컨대 디젤형의 직접 분사식 내연 기관은 축이 XX'이며 직경이 CD인 실린더(10), 상부에서 상기 실린더를 폐쇄하는 실린더 헤드(12), 공기 운반 수단과 연소 가스 배출 수단 및 각각 1개 이상의 흡입 밸브(14), 1개 이상의 배기 밸브(16), 상기 실린더(10) 내에서 활주하고 크랭크축(도시되지 않음)에 연결된 피스톤(18) 및 바람직하게는 상기 실린더의 XX'축과 일직선으로 배열되고 본실시예에서는 공동축(共同軸)이 상기 실린더의 축과 일치하는 연료 제트 냅프(22)를 형성하는 연료 분사기(22)로 최소한 구성되어 있다.
물론, 상기 분사기가 XX'축과 일직선으로 배치되지 않게 하는 것이 가능하지만, 이 경우 상기 연료 분사기에 의하여 이루어지는 연료 제트 냅프의 공동축은 상기 XX'축과 적어도 평행하다.
더 정확하게 말하자면, 상기 연료 분사기는 냅프각이 a1인소형의 것으로서, 최대 냅프각 a1은 120°인데, 40°및 100°범위의 냅프각을 선택하는 것이 좋다.
상기 연소실은 종래 방식으로 한 쪽면은 실린더 헤드(12)에 의하여, 다른 쪽면은 피스톤(18)의 상부면(24)에 의하여, 그리고 측면은 실린더(10)의 벽면(26)에 의하여 구성된다.
선택된 냅프각 a1에 따라, 피스톤(18)의 하한 위치(PL)가 정해지게 되는데, 이 냅프각 때문에 연료 제트는 상기 하한 위치와 상기 피스톤의 상부 위치 사이에서 실린더(10)의 벽면(26)과 접촉하지 않게 된다.
상기 하한 위치는 분사기(20)의 노즐로부터의 연료 제트의 발생점(O)과 피스톤의 상부면(24) 사이의 거리 F에 의하여 결정되며, 그 값은 D xtan(a1/2)과 같다.상기 식에서, D는 연료 제트의 발생점(O)과 이 점에 가장 가까운 실린더(10)의 벽면(26) 사이의 반경 방향 거리이다.
도시되어 있는 실시예에 있어서, 거리 D는 CD/2(여기서, CD는 상기 실린더의 직경임)이다.
도 2에서 더 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 피스톤과 크랭크축 사이에 일반적으로 배치되는 연결봉-크랭크 시스템의 기하학적 계산에 의하여, 거리 F는 크랭크축의 각위치(角位置)를 결정하게 되는데, 이것은 하사점(下死點: PMB)으로부터의 크랭크축의 각도α를 낳게 된다.
이 크랭크축의 각도α를 결정함으로써, 실린더(10)의 벽면(16)은 크랭크축의 각이 0°및 180°-α범위와 180°+α및 360°범위인 임의 위치의 피스톤(18)에 대하여 연료에 의하여 결코 젖지 않는다고 지적할 수 있는데, 여기서 0°및 360°는 상기 피스톤의 상부 위치에 해당하는 상사점(PMH)에서의 크랭크축의 각도를 나타내고, 180°는 상기 피스톤의 하부 위치에 해당하는 하사점(PMB)에서의 크랭크축의 각도를 나타낸다.
상기 상사점(PMH) 및 하사점(PMB)은 특히 흡입, 압축 또는 배기 단계 중에 연료를 분사하기에 바람직한 엔진의 운전 단계에 해당한다.
그러므로, 피스톤의 행정(行程)에 각각 대응하는 크랭크축의 2 가지 편향각 영역이 정해지는데, 허용 영역이라고 부르는 제1 편향각 영역은 0°및 180°-α범위 또는 180°+α및 360°범위의 크랭크축 편향각에 해당하고, 제한 영역이라 부르는 제2 편향각 영역은 180°-α및 180°+α범위의 크랭크축 편향각에 해당한다.
상기 피스톤 행정과 관련하여, 이것은 상기 허용 영역 내에서는 피스톤(18)의 하한 위치와 상부 위치[실린더 헤드(12)와 가장 가까운 위치] 사이에 있는 실린더 벽면(26)이 결코 연료에 의하여 젖지 않게 된다는 것을 의미한다.
따라서, 상기 제한 영역에 대하여는, 상기 피스톤이 하한 위치와 실린더 헤드로부터 가장 먼 위치 사이에 있게 되는 것이다.
상기 피스톤이 위치하는 영역의 형식에 따라, 허용 영역에 대하여는 통상적으로 연료를 분사하기 위한 연료 분사의 매개 변수를 조정하고, 제한 영역에 대하여는 특정한 연료 분사를 위한 매개 변수 조정이 이루어지게 되는 것이다.
더 정확하게 말하자면, 제한 영역에서의 분사는 연소실 내에서의 연료 제트의 침투가 억제되도록 조정된다.
그러므로, 제한 영역 내에서의 연료의 분사는, 냅프의 최측단에서 고려하여 보면, 연료 제트의 침투가 그 연료 제트의 발생점(O)과 실린더(10)의 벽면(26) 사이의 거리보다 더 작아지도록 조정된다.
도 1에서 문자 G에 의하여 나타내는 이 거리는 D xsin(a1/2)와 같다. 여기서, D는 위에서 정의한 거리로서, 전술한 실시예에서의 CD/2에 대응한다.
이 침투를 억제하기 위하여, 연료의 총분사량의 최대 25%를 나타내는 한정량의 연료가 1000 바아 이상의 고압하에 매우 단시간의 분사 시간 동안에 분사되는데, 이는 연료가 실린더 벽면(26)에 도달하기 전에 그 연료가 공기 중에서 또는 재순환된 배기 가스와 공기의 혼합물 중에서 증발되도록 해준다.
물론, 이 한정량의 연료 분사는 여러 번 반복되게 되는데, 더 정확하게 말하자면, 전술한 실시예에서는, 연료 총분사량의 25%와 동등한 4회의 연료 분사에 의하여 이루어진다.
연료 분사는 매우 고압하에서 수행된다는 사실 때문에, 공기 중에서 또는 재순환된 배기 가스와 공기의 혼합물 중에서 액체 연료 제트보다 더 쉽게 증발하는 운무(雲霧)를 형성하는 매우 미세한 연료 방울을 얻을 수 있게 된다.
물론, 이들 미세한 연료 방울의 생성을 돕기 위하여, 100 ㎛ 정도로 작아야 하는 분사기의 분사구(噴射口)의 직경과 같은 기타의 매개 변수를 분사 압력 조정 및 분사 시간 조정과 조합시킬 수 있다.
실제로, 엔진 내에 통상 포함되는 예컨대 엔진 컴퓨터와 같은 분사 시스템 제어 수단은 그의 데이터베이스 내에 피스톤(18)의 하한 위치(PL)와 이 하한 위치에 대응하는 크랭크축의 각도α를 포함하고 있다.
이 컴퓨터는 허용 영역(크랭크축의 각도가 0°및 180°-α범위와 180°+α및 360°범위인 영역)과 제한 영역(크랭크축의 각도가 180°-α및 180°+α범위인 영역)에 따른 연료 분사 매개 변수들도 역시 포함하고 있다.
상기 엔진 컴퓨터가 상기 분사기에 분사를 명령하려고 할 경우에, 그 컴퓨터는 먼저 연소실 내에서의 피스톤(18)의 유효 위치를 결정한다.
이 피스톤의 위치는 예컨대 크랭크축 위에 마련되어 있는 각위치 감지기에 의하여 추론될 수 있는데, 그 위치에 의하여 상사점으로부터의 크랭크축의 각도가 결정된다.
크랭크축의 각도(및 이에 따르는 피스톤의 실제 위치)가 결정되고 나면, 상기 컴퓨터는 상기 크랭크축의 각도가 허용 영역에 포함되는지 제한 영역에 포함되는지를 확인한다.
상기 크랭크축의 각도가 허용 영역 중의 하나의 영역 내에 있을 경우, 상기 컴퓨터는 종래의 분사 공정에 대응하여 엔진의 분사 시스템에 연료 분사를 명령하게 된다.
상기 크랭크축의 각도가 제한 영역 내에 있을 경우에는, 상기 컴퓨터는 전술한 바와 같이 연소실 내에서의 연료 제트의 침투를 억제하기 위하여 분사 매개 변수를 수정하게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 전술한 방법은 실린더 벽면을 젖게 하지 아니 하는 연료 제트의 냅프를 형성시키기 때문에, 광범위한 분사 시간의 선택을 얻는 것이 가능하다.
본 발명은 전술한 실시예에만 한정되지 아니하며, 어떠한 변형예도 포함한다.
본 발명은 특히 공기 또는 재순환된 배기 가스 및 공기의 혼합물과의 균질한 혼합을 얻도록 해주는 가솔린식 연료 분사 방법을 포함한다.
본 발명은 분사 매개 변수를 조정함으로써 피스톤의 하한 위치와 실린더 헤드로부터 가장 먼 위치 사이의 어떠한 피스톤의 위치에 대해서도 연소실 내에서의 연료 제트의 침투를 억제하는 효과가 있고, 피스톤의 하한 위치와 실린더 헤드에 가장 가까운 위치 사이의 피스톤의 어떠한 위치에 대해서도 종래의 방법으로 연료를 분사하기 위한 분사 매개 변수를 이용할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 실린더 벽면을 젖게 하지 아니하는 연료 제트의 냅프를 형성시키기 때문에, 광범위한 분사 시간의 선택을 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 연료 제트 냅프각이 a1인 분사기(20), 실린더(10), 실린더 헤드(12), 상기 실린더 내에서 활주하고 크랭크축에 연결된 피스톤(18), 그리고 상기 실린더의 벽면(26)과 실린더 헤드(12) 및 피스톤(18)의 상부면(24)에 의하여 구성되는 연소실을 최소한 포함하는 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법으로서,
    상기 실린더의 벽면(26)이 상기 피스톤의 하한 위치(PL)의 아래에서 상기 분사기로부터의 연료 제트에 의하여 젖게 되는 피스톤(18)의 하한(下限) 위치(PL)를 결정하는 단계와,
    상기 피스톤의 유효 위치를 결정하는 단계와,
    상기 하한 위치에 대한 상기 피스톤의 유효 위치를 결정하는 단계와,
    상기 하한 위치에 대한 피스톤의 유효 위치에 따라 연료 분사 매개 변수를 조정하는 단계
    를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 분사 매개 변수를 조정함으로써 피스톤(18)의 하한 위치(PL)와 실린더 헤드(12)로부터 가장 먼 위치 사이의 어떠한 피스톤의 위치에 대해서도 상기 연소실 내에서의 연료 제트의 침투를 억제하는 단계를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 극히 고압하에 측정량의 연료를 분사하는 단계를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 1000 바아(bar) 이상의 압력하에 측정량의 연료를 분사하는 단계를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 매우 단시간 동안에 측정량의 연료를 분사하는 단계를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연료의 총분사량을 얻을 때까지 측정량의 연료 분사를 반복하는 단계를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연료의 총분사량의 25%를 초과하지 않는 측정량의 연료를 분사하는 단계를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서, 식 D xtan(a1/2)[여기서, D는 연료 제트의 발생점(O)과 실린더(10)의 벽면(26) 사이의 반경 방향 거리임]에 의하여 상기 피스톤의 하한 위치(PL)를 결정하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서, 피스톤(18)의 하한 위치(PL)와 실린더 헤드(12)에 가장 가까운 위치 사이의 피스톤의 어떠한 위치에 대해서도 종래의 방법으로 연료를 분사하기 위한 분사 매개 변수를 이용하는 단계를 포함하는 것이 특징인 직접 분사식 내연 기관의 연료 분사 제어 방법.
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