KR20030068563A - 열교환 수단을 포함하는 내연 기관용 액상 가스 연료 분사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주위 온도보다 낮은 비등점을 갖는 연료를 주위 압력에서 내연 엔진의 흡기 라인(6)으로 분사하기에 적합한 분사 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 흡기 분배기(7)의 베이스 플레이트에 고정된 하나 이상의 인젝터(1)와, 인젝터 출구 포트와 상기 흡기 라인 사이에 상기 연료를 운반하는 적어도 하나의 채널(10, 14)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 채널(10, 14)은 엔진의 고온부(9)와 상기 채널의 내벽 부분 사이의 열전달을 위한 수단(8)을 포함한다.

Description

열교환 수단을 포함하는 내연 기관용 액상 가스 연료 분사 장치{LIQUID-PHASE GASEOUS FUEL INJECTION DEVICE FOR AN INTERNAL-COMBUSTION ENGINE COMPRISING HEAT TRANSFER MEANS}

그러나, 분사 장치는 현재 액체 형태로 LPG의 분사에 의해 야기되는 모든 문제점을 해소하기 못하는 것으로 밝혀졌다.

따라서, 액체 형태로 LPG의 분사와 그것의 증발은 증발 영역 근처에서의 유입 공기 온도 감소를 초래하며, 이에 따라 유입 공기에 계획적으로 포함된 물의 동결을 조장하게 된다. 그 결과로 생성된 서리가 인젝터 노즐의 둘레 형성될 경우, 이 서리는 축적에 의해 인젝터의 연료 유량 제어를 방해할 수 있다. 달리 말하면, 서리는 또한 공기 공급 라인(혹은 흡기 분배기)을 점진적으로 막게 된다. 따라서, 서리 형성은 점진적인 축적에 의해 분사 교란 및/또는 흡기 라인의 점진적인 막힘으로 초래할 수 있고, 결과적으로 실린더의 충전 및 엔진 성능을 저하시킨다. 더욱이, 서리 차단은 연소 부족이 엔진의 급작스런 동작을 야기할 뿐만 아니라 흡기 밸브의 레벨에서 큰 손해를 초래할 수 있다.

더욱이, 공기 흡기 분배기는 예컨대 폴리머 재료, 복합물 등의 열전도성이 약한 재료로 구성될 수 있다. 이 경우, 유입 공기는 분배기 벽과 접촉하여 약하게 가열되고 연료 확장 영역에서 비교적 낮은 온도가 되고, 또한 이 영역에서 서리가 형성되기 쉽다.

종래에는 알루미늄 등의 열전도성 경량의 합금으로 제조된 흡기 분배기 혹은 분사 램프를 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 해법은 모든 경우에 있어서 서리 형성을 방지하지 못하였다. 실제로, 공기 스트림의 온도는 완전하게 균일화가 되지 않으며, 공기의 평균 온도는 그 세기가 엔진 운전 조건에 주로 관련되는 대류 및 복사 현상에 의한 공기와 외부 매체 사이의 열량 교환의 결과에 따라 정해진다. 더욱이, 경량 합금으로 된 흡기 분배기의 사용함으로써, 흡기 분배기의 고온의 벽과 접촉한 유입 공기의 가열에 의해 엔진의 충전이 실질적으로 감소하게 된다는 결점이 생긴다.

액체 LPG 분사의 경우에 인젝터 노즐 상에 서리 형성 문제를 해결하려는 또 다른 최근의 해결책이 제안되었다.

따라서, 국제 특허 출원 번호 WO-98/10,184에는 흡기 라인으로 연료를 분사하는 장치가 개시되어 있으며, 이 흡기 라인의 출구에 열전도성 재료로 피복된 절연 물질의 로드를 포함하며, 상기 로드는 흡기 매니폴드의 중심으로 실질적으로 연장한다. 액체 LPG의 신속한 증발을 위해 상기 종래 기술에서 요구되는 열은 어떠한 외부의 열 공급 장치 없이 유입 공기에 의해 주로 제공된다. 유입 공기의 상대적으로 낮은 온도와 액체 LPG의 증발 반응의 높은 온형 성질 때문에, 상기 해결책은 서리 형성의 효과적인 방지를 행하는 것이 곤란하다.

특허 출원 EP-915,248은 전술한 장치와 유사한 장치를 제공하며, 이 장치는 또한 인젝터 노즐의 연장부를 형성하고 흡기 라인의 중간으로 실질적으로 연장하는 관상의 부분을 포함한다. 상기 출원에 따른 인젝터 노즐은 서리 형성을 방지하는 수단과 부분적으로 열접촉한다. 그러나, 이러한 레이아웃은 인젝터 노즐 내에서 연료의 증발을 유발하게 된다.

전술한 2개의 장치에 따르면, 상당한 추가의 비용으로 흡기 분배기의 외형을 개조하여, 그에 따라 액체 가솔린 분사용으로 통상 사용되는 매니폴드와 인젝터를 대체하여 LPG 등의 대체 연료의 분사용의 별도의 흡기 매니폴드와 인젝터를 제작할 필요성이 요구된다.

본 발명의 목적은 주위 온도보다 낮은 비등점을 갖는 LPG(액화 석유 가스) 등의 연료를 주위 압력(약 0.1 MPa)에서 액체 분사 조건을 개선하여 이러한 연료를 사용하는 엔진의 운전 조건을 개량하는 데 있다. 따라서, 문제의 연료는 대부분의 작동 온도 범위의 주위의 압력에서 기체 상태이다.

본 발명의 대상인 장치는 연료가 엔진으로 분사될 때 연료 증발 영역의 근처에서의 서리 형성을 제어하여 최적의 운전 조건을 제공하게 된다.

본 발명의 장치에 따르면, 간단하고, 신속하고 그리고 저비용으로, 현저한 개조 없이, 차량(P=0.1MPa, T는 약 -20℃ 내지 약 +40℃ 사이)에 사용하는 도중에 통상적으로 겪게 되는 압력 및 온도에서 액체 연료 분사용의 종래의 시스템을 예컨대, LPG 등의 보통의 기체상의 연료의 액체 분사를 위한 장치로 유익하게 개조할 수 있다.

본 발명은 주위 온도(약 20℃)보다 낮은 비등점을 갖는 LPG(액화 석유 가스) 등의 연료를 주위 압력(약 0.1 MPa)에서 예컨대, 내연 엔진의 흡기 라인으로 분사하기에 적합한 분사 장치에 관한 것이다.

내연 엔진은 분사 램프(ramp)에 혹은 엔진의 흡기 분배기에 고정된 본체를 포함하며, 전자석 수단에 의해 일반적으로 제어되는 인젝터에 의해 통상적으로 연료가 공급되고, 상기 인젝터는 흡기 라인으로의 연료 분사용 포트가 마련된 노즐을 포함한다.

LPG 타입의 연료를 액체 형태로 분사함으로써 비교적 작은 체적의 연료를 분사에 의해 유입시키고, 그 결과 가솔린 인젝터에 적용되는 것과 유사한 기술에 따라 비교적 컴팩트한 인젝터를 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 더욱이, LPG 등의 대체 연료가 차량에 사용될 때, 차량의 초기 설비를 추후에 상기 용도에 맞게 개조할 수 있다는 경제적인 이유로 유리하다. 이는 예컨대, 추후에 LPG로 운전하기 적합해지도록 개조 가능한 가솔린 차량의 경우에 해당한다. 그 다음, 액체 분사는 이것이 낮은 비용으로 초기 액체 연료의 주입용으로 초기에 제공된 제어 시스템을 사용할 수 있도록 해주기 때문에 유리하다. 따라서, 엔진이 가솔린 분사로 얻어지는 것과 유사하게 기능을 할뿐만 아니라 실린더를 최적으로 충전할 수 있다.

도 1은 제1 형태의 흡기 분배기를 포함하는 분사 장치의 단면도이며,

도 2는 다른 형태의 흡기 분배기를 포함하는 분사 장치의 단면도이다.

일반적인 표현에 따르면, 예컨대 LPG 등의 액체 연료를 내연 엔진의 흡기 라인으로 분사하기 위한 본 발명의 장치는 흡기 분배기의 베이스 플레이트(base plate)에 고정된 적어도 하나의 인젝터와, 인젝터 출구 포트와 흡기 라인 사이에 연료를 운반하는 적어도 하나의 채널을 포함한다. 본 발명에 따르면, 채널은 엔진의 고온부와 채널의 내벽 부분 사이의 열전달을 위한 수단을 포함한다.

상기 열전달 수단은 적어도 하나의 열전달 물질을 갖는 플레이트를 포함할 수 있으며, 상기 플레이트는 흡기 분배기의 베이스 플레이트와 상기 엔진의 실린더 헤드 사이에 삽입되며, 상기 채널 벽의 적어도 일부가 상기 플레이트 내에 마련된다. 플레이트는 2개의 실질적으로 평행한 표면을 포함할 수 있다.

전달 수단은 또한 적어도 하나의 열전달 물질을 포함하는 관형의 슬리브를 포함할 수 있으며, 상기 슬리브는 상기 채널의 적어도 일부를 형성한다.

슬리브는 상기 플레이트에 고정되어도 좋다.

플레이트는 흡기 분배기와 상기 엔진의 실린더 헤드 사이에 설치될 수 있고, 상기 엔진의 실린더 헤드와 흡기 분배기 사이에 있는 공동 표면의 거의 전체와 열적으로 접촉한다. 본 명세서에 기재한 공동 표면의 거의 전체라는 것은 공동 표면의 적어도 50%, 양호하게는 적어도 75%, 가장 양호하게는 90%를 의미한다.

브레이스 플레이트(brace plate)는 이것을 상기 엔진에 설치할 때, 상기 엔진의 구조적인 부품의 개조 혹은 그것의 위치 전체를 받아들이기 어려운 개조를 필요로 하지 않는 방법에 따라 해당 분야의 종사자에 알려진 임의의 기술에 의해 일반적으로 치수가 정해진다. 예컨대, 상기 브레이스 플레이트의 두께는 열량 전달을 위한 상기 플레이트의 원하는 효율, 유입 공기와 접촉 상태로 있는 표면 혹은 상기 플레이트의 성형 조건 등과 같은 다양한 변수에 따라 선택될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 브레이스 플레이트에 설치된 채널은 인젝터로부터 분출되는 액체의 평균 축과 실질적으로 일치하는 축을 구비한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 수단은 적어도 하나의 열전달 물질을 포함하며, 브레이스 플레이트를 통해 연장하고 상기 플레이트와 열적으로 접촉 상태로 있는 중공의 슬리브이며, 상기 슬리브는 그 축이 인젝터로부터 분출된 액체의 평균 축과 실질적으로 일치하는 채널의 경계를 정한다. 따라서, 이러한 슬리브는 LPG 분사시 공기가 없는 영역 내에 연료를 감금하여 그 영역 근처에 서리 형성의 방지를 허용한다.

상기 슬리브와 브레이스 사이의 열적 접촉과 열교환은 본 발명에 따라 해당 분야의 종사자들에게 공지된 임의의 기술을 적용하여 최적화될 수 있다. 예컨대, 슬리브는 억지 끼워 맞춤, 밀폐, 나사 체결, 용접 혹은 브레이스 플레이트와 함께 직접 주조 및 기계 가공될 수 있고, 혹은 인발 가공의 의해 형성될 수 있다. 상기 슬리브는 높은 열전달 물질, 대개는 금속으로 구성되어 상기 슬리브와 브레이스 플레이트 사이의 열교환이 최적으로 된다.

상기 슬리브는 브레이스 플레이트의 벽을 지나 연장하여 예컨대 일측에서는 인젝터 노즐과의 열접촉 없이 인젝터 노즐을 향하며, 타측에서는 흡기 라인을 향할 수 있기 때문에, 접촉 표면, 나아가 유입 공기와의 접촉 상태에서 슬리브의 외벽에서 얻을 수 있는 열량을 증가시켜 서리 형성을 제어하는 데 기여한다. 상기 브레이스 플레이트와 상기 중공 슬리브는 열전달 물질, 일반적으로 금속 물질 양호하게는 성형 및/또는 기계 가공이 용이한 적어도 하나의 물질을 포함할 것이다. 양호하게는, 상기 플레이트와 상기 슬리브는 황동, 청동, 알루미늄, 구리, 강철로 이루어진 그룹으로부터 비제한적인 방법으로 선택된 적어도 하나의 물질을 독립적으로포함할 것이다.

흡기 분배기는 예컨대, 복합 재료, 또는 폴리아미드와 같은 폴리머 재료 등의 열적으로 단열된 재료로 제조되는 것이 유리하다. 본 발명의 범위 내에서, 상기 흡기 분배기는 또한 열전도성 재료를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 브레이스 플레이트를 상기 엔진에서의 각 연료 분사 포인트와 연결하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 상기 엔진에서의 모든 연료 분사 포인트를 위한 단일의 브레이스 플레이트를 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 장치가 분사되는 연료의 증발 영역 부근에서의 서리 형성을 효율적으로 제어할 수 있고, 엔진의 고온부에서 나온 열량을 전달 및 전송함으로써, 분사 노즐 부근에서의 그러한 서리 형성을 방지할 수 있지만, 상기 플레이트 또는 상기 슬리브를 위한 추가적인 가열 시스템이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 고려될 수 있다. 예컨대, 상기 추가적인 가열 시스템은 주울 효과(Joule effect)에 의해 작동되거나, 유리하게는 예컨대 엔진 오일 또는 냉각 회로용 물과 같은 엔진에서 이용할 수 있는 고온 유체의 순환을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징과 이점은 비한정적 예인 이하의 상세한 설명을 첨부된 도면을 참조하여 읽음으로써 명백해질 것이다

도 1에 도시되어 있는 분사 장치는 종래에는 가솔린 분사를 위해 사용되는 공지의 형태의 전자기식 인젝터(1)에 의해 LPG 연료를 분사할 수 있다. 이 분사 장치는 연료 유입구(2), 본체(3), 그리고 연료 유입 포트(도시 생략)를 구비한 노즐(4)을 포함한다. 인젝터의 개폐는 전기적 도체(5)를 매개로 하여 컴퓨터(도시 생략)에 의해 제어된다. 분사 장치는 단열 재료로 만들어진 흡기 분배기(7)와 연통하는 흡기 라인(6) 안으로 연료를 분사할 수 있다. 분배기(7)는 유입 공기를 엔진의 흡기 라인(6)의 유입구로 안내한다. 높은 열전도성의 금속 재료로 만들어진 브레이스 플레이트(8)는 엔진의 실린더 헤드(9)와 흡기 분배기(7)의 베이스 플레이트 사이의 접점의 전체 표면에 위로 삽입된다. 도 1에 따르면, 상기 플레이트(8)는 분배기로부터 흡기 라인(6)으로의 유입 공기의 통행을 방해하지 않도록 구성 및 배치된다. 따라서, 분배기(7)의 라인의 치수 및 형상과 유사한 치수 및 형상을 갖는 개구(11)가 상기 플레이트에 마련된다.

더욱이, 브레이스 플레이트는 인젝터(1)의 노즐(4)로부터의 연료 제트의 평균 축과 실질적으로 일치하는 축을 갖는 채널(10)에 의해, 분사 노즐에 대향하는 부분에서 뚫려 있다.

인젝터(1)는 가솔린 분사에 사용되는 경우에 통상적으로 체결되는 것과 같이 분배기의 베이스 플레이트에 체결되어, 그 위치가 엔진의 흡기 라인에 대해 동일한 방향으로 유지되지만, 플레이트(8)의 두께만큼 후퇴되어 있어 브레이스로서의 기능을 한다. 따라서, 채널이 실린더 헤드 상의 유입 포트와 분사 노즐 사이에 마련되어, LPG 연료를 액체 형태로 분사한다. 이 채널의 내부에서 액체 분사가 발생하며, 상기 라인은 흡기 라인으로 개방된다는 것은 명백하다.

엔진의 흡기 단계 중에, 컴퓨터가 인젝터의 작동을 전기적으로 제어한다. 상기 인젝터(1)에서부터 나온 액체 형태의 연료 제트가 이어서 실린더 헤드(9)에 의해 가열되는 브레이스 플레이트에 마련된 채널을 통해 유동한다. 따라서, 흡열 반응이 가장 우세한 영역에서, 채널의 벽은 서리 형성을 방지하기에 충분하도록 고온으로 된다. 상기 플레이트와 실린더 헤드 사이의 열교환은 상기 장치 및 그 중에서도 인젝터 노즐 레벨에서의 결빙 현상을 방지할 수 있다. 더욱이, 그러한 구성에 있어서, 인젝터는 장치의 소정 고온부, 특히 브레이스 플레이트로부터 단열되어, 인젝터(1)의 본체(3)를 통해 인젝터 노즐(4) 레벨에서의 인젝터의 출구 포트로의 연료 흐름이 실린더 헤드(9)에 의해 가열된 브레이스(8)에 의해 생성되는 열 공급으로부터 차폐된 채로 유지된다.

더욱이, 공기 분배기 파이프에 대한 인젝터 노즐의 후퇴 위치는 인젝터에 인접하는 습한 공기가 존재하게 되는 것을 제한하여, 서리의 제거에 유리하다.

또한, 유입 공기는 브레이스(8)와 접촉 상태로 가열된다.

도 2에 개략적으로 도시되어 있는 실시예에서는 제조업자들에 의해 통상적으로 사용되는 그러한 흡기 분배기를 사용하며, 제조업자의 요구로 인해 중공 영역(12)을 포함하고 있다. 도 1에 따른 구성이 중공 영역을 포함하는 분배기의 형태로 사용되는 경우, 액체 형태의 LPG로 운전되는 동안에 서리가 형성되는 것이 실험적으로 관찰되었다. 이러한 서리의 축적은 흡기 라인(6)에서의 공기의 유입을방해한다. 실제로, 중공 영역(12)은 축적이 일어나기 쉬운 "데드(dead)" 흐름 영역인 것이 명백하다.

도 2는 그러한 형태의 분배기에 있어서, 전술한 실시예와 대부분이 동일하지만, 브레이스 플레이트(8)를 통해 상기 연료를 제공하는 통로(14)가 관형 슬리브(13)에 의해 구획되어 있는 본 발명의 제2 실시예를 도시한다. 그렇게 배치된 중공 슬리브는 중공 영역(12)을 차폐할 수 있고, 임의의 적절한 기술을 사용하여 플레이트(8)에 고정된다. 슬리브(13)는, 한편으로는 브레이스 플레이트간에, 다른 한편으로는 중공 영역(12)에 존재하는 유입 공기와의 열교환이 쉽도록 전도성이 큰 재료로 만들어진다. 상기 슬리브(13)가 브레이스 플레이트의 벽을 지나 연장하여, 일측에서는 열적 접촉 없이 분사 노즐을 향하며, 타측에서는 흡기 라인(6)을 향한다. 이러한 변형은 인젝터에 대향한 라인과 브레이스 사이의 열교환 표면을 증대시킬 수 있다. 실제로, 고온의 벽 표면은 도 1에 따른 변형의 경우보다 클 수 있다.

이러한 제2 실시예가 중공 영역(12)을 구비하는 분배기에 대해 특히 적합하지만, 물론 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 임의의 형태의 분배기, 특히 도 1에 도시된 분배기에 적용될 수 있다는 것은 명백하다.

Claims (10)

1. 주위 온도보다 낮은 비등점을 갖는 연료를 주위 압력에서 내연 엔진의 흡기 라인(6)으로 분사하기에 적합한 분사 장치로, 흡기 분배기(7)의 베이스 플레이트에 고정된 하나 이상의 인젝터(1)와, 인젝터 출구 포트(4)와 상기 흡기 라인(6) 사이에 상기 연료를 운반하는 적어도 하나의 채널을 포함하는 장치에 있어서,

   상기 채널은 엔진의 고온부(9)와 상기 채널의 내벽 부분 사이의 열전달을 위한 수단(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 열전달 수단은 하나 이상의 열전달 물질을 갖는 플레이트(8)를 포함하며, 상기 플레이트는 흡기 분배기(7)의 베이스 플레이트와 상기 엔진의 실린더 헤드(9) 사이에 삽입되며, 상기 채널(10) 벽의 적어도 일부가 상기 플레이트(8) 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전달 수단은 하나 이상의 열전달 물질을 포함하는 관형의 슬리브(13)를 구비하며, 상기 슬리브는 상기 채널의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 슬리브(13)는 상기 플레이트(8)에 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 슬리브(13)는 상기 플레이트(8)의 벽을 지나 연장하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트(8)는 황동, 청동, 알루미늄, 구리, 강철로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리브(13)는 황동, 청동, 알루미늄, 구리, 강철로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 플레이트는 상기 엔진에서의 각 연료 분사 포인트와 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트는 공기 분배기의 베이스 플레이트의 전체 표면과 일치하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 수단은 주울 효과 및 고온 유체의 순환 중 하나 이상의 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.