KR20030017825A

KR20030017825A - 디젤엔진의 압축비 가변장치

Info

Publication number: KR20030017825A
Application number: KR1020010050856A
Authority: KR
Inventors: 최민선
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-04

Abstract

디젤엔진의 예혼합 연소영역 이외는 그대로 두고, 예혼합 연소영역 구간에서만 압축비를 낮추어 점화지연의 효과를 얻을 수 있도록 함으로서, 질소산화물(NOx)의 발생을 줄 일 수 있도록 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치를 제공할 목적으로,

엔진의 RPM을 검출하여 그 신호를 출력하는 엔진 RPM센서와; 엔진의 토크를 검출하여 그 신호를 출력하는 토크센서와; 디젤엔진의 연소실에 대응하는 실린더 헤드 하부면의 흡,배기구 사이사이에 구성되어 엔진 오일압을 작동압으로 하여 엔진의 예혼합 연소구간의 해당 조건 영역에서 연소실 체적을 가변하는 연소실 체적가변수단과; 상기 연소실 체적가변수단에 엔진오일을 공급 또는 배출하는 공급 및 배출 오일관로 상의 일측에 각각 장착되며, 상기 엔진 RPM센서와 토크센서로부터 각 신호를 입력받는 ECU에 의해 상기 해당 조건 영역에서 제어되는 공급 및 배출 솔레노이드 밸브를 포함하는 디젤엔진의 압축비 가변장치를 제공한다.

Description

디젤엔진의 압축비 가변장치{VARIABLE DEVICE OF COMPRESSION RATIO FOR DIESEL ENGINE}

본 발명은 디젤엔진의 압축비 가변장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디젤엔진의 예혼합 연소영역 이외는 그대로 두고, 예혼합 연소영역 구간에서만 압축비를 낮추어 점화지연의 효과를 얻을 수 있도록 함으로서, 질소산화물(NOx)의 발생량을 줄 일 수 있도록 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치에 관한 것이다.

일반적으로 직접분사식 디젤엔진의 경우는 압축과정 말기에 연료를 고압 분사하여 연소실로 유입시키고, 압축열에 의해 점화되어 연소가 일어난다. 이 때, 연소실내 공간에서는 평균적으로는 희박 공연비 상태이지만, 공간적인 공연비 분포가 희박한 영역과 과농한 영역이 존재하게 되며, 이 두 영역 사이의 이론 혼합영역에서 점화되어 고온연소가 이루어져 질소산화물(NOx)이 생성되며, 확산연소에서 형성되기 쉬운 스모크는 농후영역에서 발생된다.

또, 화염온도는 연소 시작과 함께 최대 2600K까지 올라가나, 연소실내 가스의 평균온도는 서서히 상승하여 20~30°ATDC(After Top Dead Center)에서 최대 2000K까지 상승하게 되는데, 일반적으로 질소산화물(NOx)은 약 1800K 이상에서 발생하며, 온도가 높아질수록 발생량은 증가한다고 알려져 있다.

그러므로 연료를 연소실내에서 균일하게 분포시켜 국소적인 고온의 화염이 발생되지 않게 한다면 질소산화물(NOx)의 발생을 줄일 수 있을 것이며, 이는 착화가 일어나기 전에 연료를 연소실내의 공기와 균일하게 예혼합시킴으로써 질소산화물(NOx)의 발생을 줄이는 예혼합 압축착화 디젤연소의 기본 개념이기도 하다.

그런데, 일반적인 예혼합 연소는 국부적으로 발생되며, 예혼합 압축착화 연소가능 영역이 확대되기 위해서는 먼저, EGR량이 확대되어 연소실 온도가 상승시에도 점화지연(Ignition Delay)을 연장하거나 분무기간(Injection Duration)을 가능한 짧게 하여 점화지연(Ignition Delay)과 분무기간(Injection Duration)의 차이를 줄여야 적용영역을 확대할 수 있게 된다.

즉, 압축시 연소실 온도를 낮추기 위해서는 압축비(Compression Ratio)를 낮추고, EGR 가스(Gas)를 최대한 냉각시켜며, 분무기간(Injection duration)을 감소시키기 위해서 분사압(Injection Pressure)를 높이든지, 노즐 홀(Nozzle Hole)를확대시키는 방식을 검토할 수 있다.

상기한 바와 같이, 예혼합 압축착화 연소가능 영역을 확대하기 위한 상기 방식들 중, 예혼합 연소영역 이외는 그대로 두고, 예혼합 구간만 압축비를 낮추면, 점화지연의 효과를 얻을 수 있으므로 배기 영향이 큰 2000RPM이하, 60% Load이하 영역을 설정하여 이 영역으로 엔진이 운전될 때는 상기 압축비를 가변하여 낮출 수 있도록 하는 요구가 절실하다 하겠다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 요구에 의해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 디젤엔진의 예혼합 연소영역 이외는 그대로 두고, 예혼합 연소영역 구간에서만 압축비를 낮추어 점화지연의 효과를 얻을 수 있도록 함으로서, 질소산화물 (NOx)의 발생을 줄 일 수 있도록 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤엔진의 압축비 가변장치의 전체 구성도이다.

도 2는 도 1의 A-A선에 따른 실린더 헤드의 하부 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 디젤엔진의 압축비 가변장치의 작동 전 상태를 도시한 도 1의 B부분의 확대 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 디젤엔진의 압축비 가변장치의 작동 시 상태를 도시한 도 1의 B부분의 확대 단면도이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 디젤엔진의 압축비 가변장치는 엔진의 RPM을 검출하여 그 신호를 출력하는 엔진 RPM센서와; 엔진의 토크를 검출하여 그 신호를 출력하는 토크센서와; 디젤엔진의 연소실에 대응하는 실린더 헤드 하부면의 흡,배기구 사이사이에 구성되어 엔진 오일압을 작동압으로 하여 엔진의 예혼합 연소구간의 해당 조건 영역에서 연소실 체적을 가변하는 연소실 체적가변수단과; 상기 연소실 체적가변수단에 엔진오일을 공급 또는 배출하는 공급 및 배출 오일관로 상의 일측에 각각 장착되며, 상기 엔진 RPM센서와 토크센서로부터 각신호를 입력받는 ECU에 의해 상기 해당 조건 영역에서 제어되는 공급 및 배출 솔레노이드 밸브를 포함하며,

상기 연소실 체적가변수단은 상기 디젤엔진의 연소실에 대응하는 실린더 헤드 하부면의 흡,배기구 사이사이의 다수의 개소에 형성되는 요입챔버와; 상기 요입챔버의 중앙부에 구성되어 이를 오일챔버와 스프링챔버로 구분하며, 중앙에는 작동홀이 형성되는 고정판과; 상기 고정판의 작동홀에 기밀을 유지하며, 슬라이딩되도록 장착되는 플런저 샤프트와; 상기 플런저 사프트의 하단에 장착되어 상기 고정판과의 사이에 리턴 스프링이 개재되며, 상기 디젤엔진의 연소실에 대응하는 플런저와; 상기 오일챔버 내에 위치하여 플런저 사프트의 상단에 장착되며, 상기 고정판과의 사이에, 상기 공급 및 배출 오일관로를 동하여 공급 및 배출되는 엔진 오일압에 의해 상기 플런저를 유동시키는 오일 압력판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤엔진의 압축비 가변장치의 전체 구성도이고, 도 2는 도 1의 A-A선에 따른 실린더 헤드의 하부 도면으로서, 본 발명에 따른 디젤엔진의 압축비 가변장치의 구성은 엔진의 RPM을 검출하여 그 신호를 출력하는 엔진 RPM센서(1)와, 엔진의 토크를 검출하여 그 신호를 출력하는 토크센서(3)를 구비하며, 상기 신호들은 ECU(5)에 인가된다.

또한, 도 2에서와 같이, 디젤엔진의 연소실에 대응하는 실린더 헤드(7) 하부면의 흡,배기구(9,11) 사이사이에는 엔진 오일압을 작동압으로 하여 엔진의 예혼합 연소구간의 해당 조건 영역에서 연소실 체적을 가변하는 연소실 체적가변수단(13)이 구성되며, 상기 연소실 체적가변수단(13)에 엔진오일을 공급 또는 배출하는 공급 및 배출 오일관로(15,17) 상의 일측에는 각각 상기 엔진 RPM센서(1)와 토크센서(3)로부터 각 신호를 입력받는 ECU(5)에 의해 상기 해당 조건 영역에서 제어되는 공급 및 배출 솔레노이드 밸브(19,21)가 구성되어 이루어진다.

즉, 상기 연소실 체적가변수단(13)의 구체적인 구성은, 도 3에서와 같이, 상기 디젤엔진의 연소실(23)에 대응하는 실린더 헤드(7) 하부면의 흡,배기구(9,11) 사이사이의 3개소에 요입챔버(25)를 형성하고, 상기 요입챔버(25)의 중앙부에는 고정판(31)을 구성하여 상기 요입챔버(25)를 오일챔버(29)와 스프링챔버(27)로 구분하며, 이 고정판(31)의 중앙에는 작동홀(33)을 형성한다.

또, 상기 고정판(31)의 작동홀(33)에는 기밀을 유지하며, 슬라이딩되도록 플런저 샤프트(37)가 설치되며, 상기 플런저 사프트(37)의 하단에는 상기 디젤엔진의 연소실(23)에 대응하는 플런저(39)가 장착되고, 상기 고정판(31)과 이 플런저(39) 사이에는 리턴 스프링(41)이 개재된다.

또한, 상기 오일챔버(29) 내에 위치하여 플런저 사프트(37)의 상단에는 오일 압력판(43)이 장착되며, 이 오일 압력판(43)은 상기 고정판(31)과의 사이에, 상기 공급 및 배출 오일관로(15,17)를 동하여 공급 및 배출되는 엔진 오일압에 의해 상기 플런저(39)를 유동시키게 되는 것이다.

이때, 상기 고정판(31)의 작동홀(33)에는 상기 플런저 샤프트(37)와의 사이에 기밀을 유지하기 위한 실링부재(35)가 개재되며, 상기 플런저(39)는 그 단면의 형상이, 상기 도 2에서와 같이, 5각형으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 연소실(23)에 대응하여 보다 넓은 면적을 차지하도록 하는 것이 중요하다.

또, 상기 플런저(39)의 유동거리는 2mm정도로 유지하는 것이 안정적이며, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고 상기 공급 및 배출 오일관로(15,17)는 각각 오일펌프와 오일탱크로 연결되며, 상기 ECU(5)에 의해 작동하는 공급 및 배출 솔레노이드 밸브(19,21)가 각각 장착된 상태로 이의 작동에 의해 오일의 공급 및 배출을 유도하게된다.

따라서, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 디젤엔진의 압축비 가변장치에 의하면, 도 3에서와 같이, 디젤엔진의 압축비 가변장치의 작동 전에, 즉 예혼합 연소영역 이외의 구간(즉, 엔진 RPM 센서로부터 검출된 엔진의 RPM신호가 2000RPM 이상이고, 토크센서로부터 검출된 로드가 60% LOAD 이상인 경우)에서는 ECU(5)가 상기 공급 솔레노이드 밸브(15)는 OFF 시키며, 배출 솔레노이드 밸브(17)를 ON 시켜, 상기 고정판(31)과 오입 압력판(43)사이에 엔진 오일압을 제거한다.

이에 따라 상기 플런저(39)는 리턴 스프링(41)의 탄성력에 의해 연소실(23) 체적(V=V1)을 최초상태로 유지하게 된다.

이러한 상태에서, 엔진의 운전조건이 예혼합 연소영역(즉, 엔진 RPM 센서로부터 검출된 엔진의 RPM신호가 2000RPM 이하이고, 토크센서로부터 검출된 로드가 60% LOAD 이하인 경우) 내에 들어오게 되면, 디젤엔진의 압축비 가변장치가 작동하게 되는데, 먼저 ECU(5)가 상기 공급 솔레노이드 밸브(15)는 ON 시키며, 배출 솔레노이드 밸브(17)는 OFF 시켜, 상기 고정판(31)과 오입 압력판(43)사이에 엔진 오일압을 공급하게 된다.

이에 따라 상기 플런저(39)는 리턴 스프링(41)의 탄성력을 극복하고, 상기 오일 압력판(43)의 작동에 연동하여 후퇴하게 되며, 이에 따라 연소실(23) 체적(V)은 최초 연소실 체적(V1)에 비하여 상기 플런저(39)의 단면적(s)과 후퇴한 길이(h)의 곱으로 나타나는 체적(V2) 만큼 늘어난 상태, 즉, 3개의 플런저(39)의 구성에 의하여 전체적으로 늘어난 연소실 체적(V)는 최초 연소실 체적(V1)과 상기 플런저(39)에 의해 늘어난 체적(3×V2)의 합으로 나타나게 된다.

이로 인하여, 예혼합 연소영역에서 압축비는 약 10%정도(실험치) 낮출 수 있게 되며, 이로서 디젤엔진은 연료분사 후, 점화지연의 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 디젤엔진의 압축비 가변장치에 의하면, 디젤엔진의 예혼합 연소영역 이외는 그대로 두고, 예혼합 연소영역 구간에서만 압축비를 낮출 수 있도록 엔진 오일압에 의해 작동하는 연소실 체적가변수단을 통하여 예혼합 연소영역과 그 이외의 영역에서 각각 연소실 체적을 다르게 하여 예혼합 연소영역에서는 점화지연의 효과를 얻을 수 있도록 함으로서, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)의 발생량을 줄 일 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

엔진의 RPM을 검출하여 그 신호를 출력하는 엔진 RPM센서와;

엔진의 토크를 검출하여 그 신호를 출력하는 토크센서와;

디젤엔진의 연소실에 대응하는 실린더 헤드 하부면의 흡,배기구 사이사이에 구성되어 엔진 오일압을 작동압으로 하여 엔진의 예혼합 연소구간의 해당 조건 영역에서 연소실 체적을 가변하는 연소실 체적가변수단과;

상기 연소실 체적가변수단에 엔진오일을 공급 또는 배출하는 공급 및 배출 오일관로 상의 일측에 각각 장착되며, 상기 엔진 RPM센서와 토크센서로부터 각 신호를 입력받는 ECU에 의해 상기 해당 조건 영역에서 제어되는 공급 및 배출 솔레노이드 밸브와;

를 포함하는 디젤엔진의 압축비 가변장치.
청구항 1에 있어서, 연소실 체적가변수단은

상기 디젤엔진의 연소실에 대응하는 실린더 헤드 하부면의 흡,배기구 사이사이의 다수의 개소에 형성되는 요입챔버와;

상기 요입챔버의 중앙부에 구성되어 이를 오일챔버와 스프링챔버로 구분하며, 중앙에는 작동홀이 형성되는 고정판과;

상기 고정판의 작동홀에 기밀을 유지하며, 슬라이딩되도록 장착되는 플런저 샤프트와;

상기 플런저 사프트의 하단에 장착되어 상기 고정판과의 사이에 리턴 스프링이 개재되며, 상기 디젤엔진의 연소실에 대응하는 플런저와;

상기 오일챔버 내에 위치하여 플런저 사프트의 상단에 장착되며, 상기 고정판과의 사이에, 상기 공급 및 배출 오일관로를 동하여 공급 및 배출되는 엔진 오일압에 의해 상기 플런저를 유동시키는 오일 압력판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치.
청구항 2에 있어서, 상기 고정판의 작동홀에는

상기 플런저 샤프트와의 사이에 기밀을 유지하기 위한 실링부재가 개재되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치.
청구항 1에 있어서, 상기 플런저는

그 단면의 형상이 5각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치.
청구항 1에 있어서, 상기 플런저의 유동거리는

2mm인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치.
청구항 1에 있어서, 상기 공급 및 배출 오일관로는

각각 오일펌프와 오일탱크로 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 압축비 가변장치.