KR20030066315A

KR20030066315A - 내연 기관 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR20030066315A
Application number: KR1020020086945A
Authority: KR
Inventors: 아일츠페터; 뢰셀스테판
Original assignee: 맨 비앤드더블유 디젤 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2003-08-09
Also published as: DE10204182B4; FI20030049A; FI20030049A0; KR100821818B1; DE10204182A1; FI123029B

Abstract

본 발명은 피스톤을 수납하고 하나 이상의 흡기 밸브가 마련된 하나 이상의 실린더와, NO_x의 감소를 위한 물을 공급하는 장치를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다. 그러한 내연 기관에서는 적은 구조 비용으로 정확하게 계량될 수 있는 물의 양을 첨가할 수 있도록 하기 위해 흡기 행정의 시작 시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브가 흡기 밸브의 구역에 마련되어 있다.

Description

내연 기관 및 그 작동 방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND ITS OPERATING METHOD}

본 발명은, 피스톤을 수납하고 하나 이상의 흡기 밸브가 마련된 하나 이상의실린더와, NO_x의 감소를 위한 물을 공급하는 장치를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 적은 구조 비용으로 정확하게 계량될 수 있는 물의 양을 첨가할 수 있도록 전제된 유형의 내연 기관을 구성하는 것이다.

도 1은 제1 실시예의 개략적인 단면도이고,

도 2는 도 1과 상응하는 제2 실시예의 단면도이고,

도 3 및 도 4는 연소 공기의 온도를 상승시키는 두 가지 장치를 각각 개략적으로 나타내고 있는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 실린더

3 : 흡기 채널

5 : 흡기 밸브

7, 12 : 분사 밸브

8, 13 : 분무 노즐

15 : 실린더 헤드

그러한 목적은, 본 발명에 따라 흡기 행정의 시작 시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브가 흡기 밸브의 구역에 마련되도록 함으로써 달성된다. 물은 상대적으로 낮은 압력에 맞서 분사되기 때문에, 낮은 분사 압력으로도 작업이 이루어질 수 있다. 그러한 형식으로 분사하는 데는 저렴하고 작은 공간을 점유하는 부품만이 필요하다. 각각의 실린더의 흡기 밸브 바로 근방에서 분사를 행함으로써, 매우 정확한 계량이 가능하게 된다.

분사 밸브는 물을 연소 공기의 흐름 중에 분사하는 분무 노즐을 구비하는 것이 바람직하다. 그러한 조치로 인하여, 물과 연소 공기의 혼합이 촉진된다.

본 발명의 방법상의 구성에 따르면, 본 발명에 따른 내연 기관의 작동을 위해 터보 과급기(turbo supercharger)가 마련되어 적어도 과급기에 의해 공급되는 연소 공기의 온도값 및 압력값에 의해 연소 공기/물 혼합물의 이슬점 온도가 상회되지 않도록 최대 분사 수량(水量)을 결정한다. 그러한 조치로 인하여, 기화될 수 있는 정도의 물만이 분사되기 때문에, 물방울이 실린더 내로 유출되는 것을 방지하게 된다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상승된 연소 공기 온도에서 작업을 행함으로써 액적을 형성하지 않고 터보 과급기에 의해 공급되는 연소 공기에 첨가될 수 있는 물의 양이 상당히 증대될 수 있게 된다. 이에 의하여, 연소 공기 중의 습도를 현저히 상승시킬 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 물의 온도를 상승시킬 수도 있다.

본 발명의 또 다른 특징 및 장점은 본 발명의 나머지 종속 청구항들 및 첨부 도면에 의거하여 이루어지는 2개의 실시예에 관한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예는 자기 점화 장치 및 하나 이상의 터보 과급기를 구비한 내연 기관으로부터 출발하는데, 본 발명은 그러한 내연 기관으로 한정되는 것은 아니다.

첨부 도면은 실린더(1) 및 피스톤(2)을 도시하고 있다. 실린더(1)로는 공기 흡기 채널(3) 및 배기 채널(4)이 안내되고, 그들 채널에는 흡기 밸브(5) 및 배기 밸브(6)가 배치되어 있다. 실린더에는 다수의 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브가 배속될 수 있다.

본 실시예에서는 흡기 채널(3) 내에서 흡기 밸브(5)의 시트 바로 위의 분무 노즐(8)로 종결되는 분사 밸브(7)가 마련되어 있다. 분사 밸브(7)의 분사 방향은 화살표로 지시된 연소 공기의 흐름 방향을 대략 가로질러 정향되는데, 연소 공기는 과급 공기 라인(9)을 경유하여 흡기 채널(3)에 공급된다.

물 공급 라인(10)에 접속된 분사 밸브(7)는 주기적으로 개폐된다. 이를 위해, 제어 장치(11)가 마련되는데, 그 제어 장치(11)에는 한편으로 흡기 밸브(5)의 위치를 탐지하는 제어치가 입력된다. 그러한 제어치는 예컨대 캠 축으로부터 수신되어 흡기 밸브(5)의 개방 시에 분사 밸브(7)의 개방을 결정할 수 있다. 다른 한편으로, 가장 간단한 경우에 실린더(1)에 공급되는 연소 공기의 온도값 및 압력값이 제어 장치(11)에 입력된다. 이로부터, 이슬점 온도를 넘지 않고서 기화될 수 있는 최대 수량이 제공된다. 그러한 값이 공급된 물에 의해 이슬점에 도달되었음을 나타내면, 제어 장치는 분사 밸브(7)에 대한 폐쇄 임펄스를 출력한다. 즉, 공급된 물이 완전히 기화될 수 있는 것이 보장되게 된다. 그러나, 분사 밸브(7)는 늦어도 흡기 밸브(5)가 폐쇄될 때에 폐쇄된다.

가능한한 많은 물의 양이 실린더 내에 공급되도록 하기 위해, 상승된 연소 공기 온도로 작업을 하는 것이 바람직하다. 그것은 연소 공기를 단지 제한적으로만 냉각시킴으로써 달성된다. 그 경우, 덜 엄격한 배기 가스 규정이 적용되는 사용 장소에서는 냉각액의 온도를 낮출 수 있다. 극단적인 경우에는 과급 공기 냉각기를 차단시킬 수도 있다.

상승된 연소 공기 온도를 얻기 위해, 도 3에 따른 장치가 사용된다. 도 3에서는 급송 펌프(18)가 마련되어 있는 냉각수 공급 라인(17) 및 냉각수 배출 라인(19)을 구비하는 과급 공기 냉각기(16)가 터보 과급기(15)에 후속 접속된다. 냉각수 공급 라인(17)과 냉각수 배출 라인(19) 사이에는 흐름 방향으로 급송 펌프(18) 전에 배치되는 접속 라인(20)이 마련되어 있다. 그러한 접속 라인(20)에는 조절할 수 있는 양의 고온 냉각수를 냉각수 배출 라인(19)으로부터 냉각수 공급라인(17)으로 통과시킬 수 있는 제어 밸브(21)가 마련되어 있다. 고온 냉각수를 저온 냉각수에 첨가 혼합시키는 그러한 방안에 의해, 과급 공기 냉각기(16)에 유입되는 저온 냉각수의 온도가 상승될 수 있다. 즉, 과급 공기 냉각기의 냉각액의 온도가 상승되어 그 냉각 출력이 줄어든다. 따라서, 터보 과급기(15)로부터 과급 공기 냉각기(16)를 통해 통과되는 연소 공기가 상승된 온도로 과급 공기 라인(9)에 공급될 수 있게 된다.

도 4는 연소 공기의 온도를 상승시키는 또 다른 방안을 나타내고 있다. 도 4에서는 급송 펌프(25)가 마련되어 있는 냉각수 공급 라인(24)을 경유하여 저온 냉각수를 공급받고, 고온 냉각수용 냉각수 배출 라인(26)을 구비하는 과급 공기 냉각기(23)가 터보 과급기(22)에 후속 접속된다. 터보 과급기(22)와 과급 공기 냉각기(23) 사이의 접속 라인(27)으로부터 과급 공기 냉각기(23)를 우회하는 라인(28)이 분기되는데, 그 라인(28)은 과급 공기 냉각기(23)와 가급 공기 라인(9) 사이의 접속 라인(29)과 연통된다. 그러한 우회 라인(28)에는, 우회 라인(28)의 통과 흐름 횡단면을 조절할 수 있는 제어 밸브(30)가 배치된다. 제어 밸브(30)가 보다 더 많이 또는 보다 더 적게 개방되면, 과급기(22)로부터 나오는 보다 더 많거나 보다 더 적은 분율의 고온 연소 공기가 냉각되지 않은 채로 과급 공기 냉각기(23)를 통해 통과된 연소 공기에 첨가 혼합되어 온도의 상승을 야기할 수 있게 된다.

제어 밸브(21, 30)는 수동으로 조절되거나 제어 장치(11)에 의해 조절될 수 있다. 그러한 밸브를 제어 장치에 의해 제어 작동하는 것은, 간단하게 연소 공기의 최대 온도를 조절하여 피스톤 내연 기관의 열적 고부하를 방지할 수 있다는 추가의 장점을 제공한다.

첨가하려는 물의 양을 정확히 제어하기 위하여, 터보 과급기에 의해 흡입되는 주위 공기의 온도, 압력, 및 상대 습도와, 내연 기관의 순간 회전 속도 및 출력이 제어 장치에 추가로 입력될 수도 있다. 제어 장치(11)에 의해 처리된 연소 공기의 온도 및 압력에 관한 값은 분사 밸브(7)를 통해 통과되는 물의 양을 수압에 의해 제어하는 데도 사용될 수 있다. 그러한 형식의 장치는 제어 밸브의 변동 및 그에 따른 내연 기관의 순간 부하에 신속하고도 정밀하게 응답한다.

도 2에 따른 실시예에는 도 1에 따른 실시예와 동일한 부분에 동일한 도면 부호가 부여되어 있다.

도 2에서 분사 밸브(12)는 실린더(1)의 상부 에지(13)에, 특히 본 실시예의 경우에는 흡기 밸브(5)의 행정로의 높이에 배치된다. 다수의 흡기 밸브가 마련될 경우에는 그 각각의 밸브에 분사 밸브(2)가 배속될 수 있다. 각각의 분사 밸브(2)의 분사 방향은 밸브 판(14)에 의해 전향된 연소 공기의 화살표 "b"로 지시된 부분의 흐름 방향과 반대로 정향된다. 그러한 구성은 흡기 밸브(5)가 폐쇄되어 피스톤(2)의 압축 행정이 시작된 경우에도 물이 분사될 수 있다는 장점을 제공한다. 그와 동시에, 압축에 의해 물의 기화를 더욱 촉진하는 온도 상승이 일어나게 된다. 그 경우, 분사되는 물의 양은 분사 밸브의 통과 횡단면 및 수압에 의존하여 실린더 내의 압축 압력이 상승될 때에 분사가 종료되도록 제어된다.

또 다른 선택적 구성에 따르면, 분사 밸브는 흡기 밸브 부근에서 실린더 헤드(1)에 배치되어 물이 위쪽으로부터 실린더(1) 내로 유입되도록 한다.

특히 자유롭게 흡입되는 내연 기관에서는 분사 밸브(7 또는 12)의 제어가 단지 흡기 밸브(5)의 위치에 의존해서만 이루어질 수 있다.

전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 도시된 실시예로 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 내연 기관 및 그 작동 방법에서는 흡기 행정의 시작 시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브가 흡기 밸브의 구역에 마련되도록 함으로써, 적은 구조 비용으로 정확하게 계량될 수 있는 물의 양을 연소 공기에 첨가할 수 있게 된다.

Claims

피스톤을 수납하고 하나 이상의 흡기 밸브가 마련된 하나 이상의 실린더와 NO_x의 감소를 위한 물을 공급하는 장치를 구비하는 내연 기관에 있어서,

흡기 행정의 시작 시에 개방되는 물 공급용 분사 밸브(7, 12)가 흡기 밸브(5)의 구역에 마련되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제1항에 있어서, 분사 밸브(7, 12)는 연소 공기 중에 물 입자를 분사하는 분무 노즐(8, 13)을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 분사 노즐(7)은 흡기 채널(3) 내에서 흡기 밸브(5)의 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 분사 밸브(12)는 실린더(1)의 상부 에지에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제4항에 있어서, 분사 밸브(12)는 흡기 밸브(5)의 행정로의 높이에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 분사 밸브는 실린더 헤드(15)에서 흡기 밸브(5)의 옆에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
터보 과급기를 구비하는 선행항 중 어느 한 항에 따른 내연 기관의 작동 방법에 있어서,

연소 공기/물 혼합물의 이슬점 온도가 상회되지 않도록 적어도 연소 공기의 온도값 및 압력값에 의해 최대 분사 수량(水量)을 결정하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
제7항에 있어서, 상승된 연소 공기 온도에서 작업을 행하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상승된 물 온도에서 작업을 행하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
제8항에 있어서, 터보 과급기에 후속 배치된 과급 공기 냉각기의 냉각 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
제8항에 있어서, 터보 과급기로부터 나오는 연소 공기의 일부를 과급 공기 냉각기를 우회시켜 흡기 채널로 직접 안내하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.