KR20030081096A - 연료 이송 시스템 - Google Patents

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KR20030081096A
KR20030081096A KR10-2003-0022226A KR20030022226A KR20030081096A KR 20030081096 A KR20030081096 A KR 20030081096A KR 20030022226 A KR20030022226 A KR 20030022226A KR 20030081096 A KR20030081096 A KR 20030081096A
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KR
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fuel
droplet ejector
droplets
engine
droplet
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KR10-2003-0022226A
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Inventor
다쿤하존엠
바버마이클제이
Original Assignee
휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

연료 분사기(14)는 디지털 방식으로 가연성 액체의 액적(液滴)을 불연속적으로 배출시키기 위한 액적 배출기(drop ejector)(30)를 포함한다. 전자 회로(76)는 액적 배출기(30)의 작동을 제어하며, 특히 소정의 시간 프레임 동안에 배출된 액적의 수를 조정함으로써 액적 배출기에 의해 공급된 연료의 양을 제어한다.

Description

연료 이송 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR DELIVERING COMBUSTIBLE LIQUIDS}
본 발명은 일반적으로 엔진 연료 시스템에 관한 것이며, 특히 내연 기관과 같은 가연성 증기를 발생시키는 가연성 연료 장치에 관한 것이다.
지금까지, 가연성 증기는 기화기 또는 연료 분사기를 사용하는 내연 기관의 실린더내로 배향되었다. 연료 분사기는 연속적이거나 맥동적(pulsed)이었다. 연속적인 연료 분사기는 흡입 매니폴드내로 가연성 증기를 배향시켰으며, 흡입 밸브가 개방될 경우 피스톤에 의해 실린더내로 증기가 인입(引入)되었다. 맥동적인 연료 분사기는 각각의 흡입 밸브의 상류영역 또는 연소실내로 직접 지시를 받아 연료 증기를 배향시켰다. 이러한 연료 이송 시스템은 둘 다 고도로 개발되었고, 널리 공지되었으며, 수십 년 동안 사용되어 왔다.
환경 규정이 점점 더 엄격해짐에 따라, 엔진의 연소실 내에 연료/공기 화학량론(fuel/air stoichiometry)에 대한 보다 정밀한 제어의 필요성이 증가하고 있다. 종래의 연료 이송 기술에 있어서는 몇몇의 문제점이 남아 있다. 예를 들면, 과도한 연료가 사용되거나 너무 적은 공기가 연료와 혼합되는 경우, 탄화수소 방출량은 상응하게 증가된다. 또한, 연료 분사기에 대해서는, 오리피스(orifice)의 크기가 계속적으로 변하는 바, 상기 오리피스는 기계적인 마모에 기인하여 더 커지며, 연료 내의 조성물 및 연료 필터에 의해 제거되지 않은 작은 입자 양자로부터의 응고(clogging)에 기인하여 더 작아진다. 게다가, 환경 및 연료 경제 규정을 만족하는 보다 정밀한 연료와 공기의 계측을 위한 요구조건이 기화기와 연료 분사기 양자를 점점 더 비싸지게 하여왔다.
또한, 저렴하며 단순한 소형 산업 엔진용 연료 이송 시스템이 필요하며, 이는 약 25 이하의 마력을 갖는다. 예를 들면, 잔디 깎는 기계, 회전 경운기, 선외엔진 보트 및 스쿠터에 사용되는 엔진이 있다. 이들 엔진은 환경 규정에 더욱 더 영향을 받아오고 있지만, 기계의 나머지보다 훨씬 더 비용이 드는 종래의 연료 이송 시스템을 결합하는 것은 비현실적이다.
또한, 이들 종래의 연료 이송 시스템의 경우, 신뢰성이 계속적으로 문제된다. 예를 들면, 종래의 연료 분사 시스템은 고압 펌프와, 작동 온도에서 일정한 진동과 극도의 진동을 견뎌내야만 하는 주의 깊게 처리된 연료 도관(conduit), 배관(tubing) 및 연결부를 필요로 한다.
잘 개발된 엔진 연료 이송 시스템이 있지만, 증가하는 엄격한 환경 규정을 만족시키며, 신뢰성 있고 저렴하며, 연소실 내의 연료-공기 화학량론을 보다 정밀하게 제어하는 접근에 대한 필요성이 전술한 것으로부터 명백하다.
간략히 그리고 일반적인 용어로, 본 발명에 따른 장치는, (i) 디지털 방식으로 가연성 액체를 불연속적으로 배출 가능하게 하는 액적 배출기와, (ii) 상기 액적 배출기에 펄스-조정된 제어 신호를 제공하기 위한 수단을 포함하며, 상기 펄스-조정된 제어 신호는 소정의 시간 프레임(time frame) 내에서 상기 액적 배출기로부터 배출되는 소망하는 수의 액적(drop)을 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예와 장점은, 첨부된 도면과 관련하여 취해지고, 본 발명의 원리를 예시하여 설명하는 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예의 블록 다이어그램,
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 내연 기관용 가연성 증기를 발생시키기 위한 장치의 부분적으로 개략적인 평면, 측면 및 사시도,
도 3은 도 2의 장치의 부분적으로 개략적인 저면, 측면 및 사시도,
도 4는 도 2의 장치의 부분적으로 개략적인 분해도,
도 5 내지 도 8은 도 2의 장치의 몇몇 구성 요소의 사시도,
도 9는 도 2의 장치의 마이크로 펌프의 분해도,
도 10은 도 2의 장치의 부분적으로 절단된 사시도,
도 11은 본 발명의 실시예에서 분사된 연료의 양을 제어하기 위해 사용된 예시적인 펄스 트레인(pulse train)을 도시한 도면,
도 12는 도 1에 도시된 신호와 전기적 제어 회로의 블록 다이어그램.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
14 : 연료 분사기 16 : 흡입 매니폴드(intake manifold)
20 : 제어 회로 30 : 액적 배출기
32 : 압력 조정기 36 : 작동 직립관
76 : 전자 제어기
본 발명은 다음의 도면을 참조하여 보다 잘 이해되어진다. 도면의 요소가 반드시 서로에 대해 비율에 따라 정해진 것은 아니다. 오히려, 본 발명을 명확히 도시하는 데 있어서 강조하기 위함이다. 또한, 동일한 참조번호는 몇 개의 도면을 통해 대응하는 유사한 부품을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 블록 다이어그램이다. 참조부호(14)는 일반적으로 이후 간략히 "연료 분사기(fuel injector)"로 불리는 내연 기관용 가연성 증기를 발생시키는 장치를 나타낸다. 연료 분사기(14)는 액적 배출기(drop ejector)(30)와 기류 제어 밸브(34)를 포함한다. 액적 배출기(30)는 실질적으로 고정된 양의 크기의 상이한 수의 액적을 생성한다. 액적 배출기(30)는, 바람직하게는 저압 하에서, 가연성 연료를 담고 있는 연료 저장소(18)에 유체적으로 연결된다. 연료 저장소(18)로부터의 연료는, 비사용 상태에서 액적 배출기(30)로부터 연료 누출을 방지하기 위하여, 압력 조정기(32)와 작동 직립관(operational standpipe)(36)을 사용하는 액적 배출기로 이송되는 것이 바람직하다, 바람직하게는, 액적 배출기(30)는 일반적인 소비자에 의해 제거가능하거나 또는 교체가능하다. 제어 회로(20)는 액적 배출기(30)와 기류 제어 밸브(34)를 제어한다. 제어 회로(20)는 사용자에 의해 제어되는 스로틀(throttle)(23)과, 가연성 연료 장치의 하중을 모니터링하고 감지(sensing)하는 하중 센서(27)에 연결되는 것이 바람직하다. 기류 제어 밸브(34)는 액적 배출기(30)로부터 배출된 연료와 혼합되는 공기의 흐름을 조정하여, 내연 기관 또는 다른 가연성 연료 장치에 의해 사용된 가연성 증기(17)를 생성한다.
도 2 내지 도 10은 본 발명의 실시예의 다양한 도면 및 사시도를 도시한 것이며, 도 1의 블록 선도에 대해 연료 분사기(14)에 대한 추가적인 세부 사항을 포함한다. 먼저 도 2 및 도 3을 참조하면, 연료 분사기(14)는 흡입 매니폴드(16)상에 또는 내연 기관의 흡입 밸브(도시하지 않음) 근접하여 장착되는 본체(15)를 갖는다. 본원에서 달리 언급되지 않으면, 본체(15) 및 모든 부품은 가솔린과 기타 엔진 연료에 저항성이 있는 사출 성형된 중합체인 나일론 6으로 제조되는 것이 바람직하다. 연료 분사기는 2 행정 또는 4 행정 불꽃 점화 기관이거나 2 행정 또는 4 행정 압축 점화 기관에 사용될 수 있다. 연료 분사기는 가연성 연료의 매우 작고, 계량된 양 또는 디지털식의 액적을 생성하며, 이 액적을 통해 제어된 양의 공기를 보내는 기능을 하여, 이에 의해 가연성 증기(17)를 발생시킨다. 가연성 증기(17)는, 피스톤(들)의 운동에 의해 생성된 진공에 의해 또는 과급기(supercharger) 및/또는 터보과급기(turbocharger)와 같은 외측의 에어 펌프(도시하지 않음)에 의해 엔진의 실린더내로 인입된다.
도 2 및 도 3에 있어서, 연료 저장소(18)가 본체(15)에 연결된다. 연료 저장소는, 연료 펌프(도시하지 않음)에 연결될 수도 있고 연결되지 않을 수도 있으나, 연료의 중력 공급(gravity feed)은 저렴하며, 연료 분사기를 위해 최소의 연료 압력만이 필요하기 때문에 바람직하다. 연료는 가솔린, 디젤 연료, 알코올, 연료유 및 등유의 어떠한 유형, 요컨대 내연 기관 또는 랜턴, 스토브, 히터 및 발전기와 같은 다른 가연성 연료 장치를 가동시킬 어떠한 가연성 연료 또는 연료 조합이 될 수 있다.
도 2 및 도 3에 있어서, 연료 분사기(14)는 전자 제어 모듈(20)에 연결된다. 이러한 모듈(20)과 그의 기능은 도 12와 관련하여 후술된다. 참조번호(22)는 수동 스로틀 또는 발 페달(도시하지 않음)에 연결되는 스로틀 케이블(throttle cable)을 나타낸다. 후술된 바와 같이, 스로틀 케이블(22)이 본체(15)로부터 벗어날(pulled away) 경우, 연료 분사기(14)는 장치를 통하여 또는 엔진내로 보다 큰 체적의 공기를 보낸다. 종래의 공기 필터(24)는 연료 분사기(14)에 유입되는 공기 흐름에서의 어떠한 미립자를 제거하여, 이에 따라 공기를 여과(filtering)시킨다.
도 9를 참조하면, 참조번호(26)는 일반적으로 연료용 마이크로-펌프와, 상기 마이크로-펌프에 의해 형성된 연료 방울(droplet)의 흐름내로 배향되는 공기의 양을 조정하는 공기 제어 밸브 둘 다의 기능을 하는 바람직하게는 교체가능한 미끄럼 몸체(slide body)를 나타낸다. 미끄럼 몸체(26)는, 열상 잉크젯 프린트 카트리지(thermal ink jet print cartridge)와 유사하게 구성되어 본질적으로 동일한 방식으로 작동된다. 그러나, 몇 가지를 들자면 표면 장력, 화학 반응성 및 휘발성과 같이 사용된 소망하는 연료의 다양한 특성은, 종래의 열상 잉크젯 프린트 카트리지의 설계에서 변형이 요구되므로, 잉크를 연료로 간단히 교체하는 것은 어렵다. 그러한 변화는, 배압 조정기(32)와 액적 배출기(30) 사이의 직립관(36)에서 모세관 크기를 감소시키는 것을 포함하므로, 보다 낮은 표면 장력을 차지하게 된다. 다른 변화는, 나일론 6과 같은 연료의 가용성(solubility)을 방해하는 몸체(15) 및 배압 조정기(32)용 재료의 선택을 포함한다. 또한, 배압 조정은 연료의 보다 높은 휘발성을 감당하기에 적합해야 한다
이러한 예시적인 실시예에 있어서, 미끄럼 몸체(26)는 TAB 회로(29)가 장착되는 하우징(28)을 포함한다. 상호연결부에 대한 다른 형태는 당업자에게 알려져 있고, TAB 회로(29)를 대체할 수 있으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 여전히 있다. TAB 회로(29)는 도 12와 관련하여 후술될 전자 제어 모듈(20)에 전기적으로 연결된다. TAB 회로(29)는 또한 하우징(28)의 하부벽상에 위치된 액적 배출기(30)에 전기적 및 물리적으로 연결된다. 예시적인 액적 배출기는, 첸 등에게 2000년 12월 19일자로 허여된 "직접 이미징 중합체 유체 젯 오리피스(Direct Imaging Polymer Fluid Jet Orifice)"라는 명칭의 미국 특허 제 6,162,589 호에 개시되어 있으며, 본원에 참고로서 인용된다. 바람직한 액적 배출기(30)는 다수의 연료 점화실을 포함하는 바, 각 점화실은 하나 또는 그 이상의 노즐, 연료 유입 채널, 및 전자 제어 모듈(20)에 의해 맥동된 저항기 또는 유연성 장치(flextentional device)와 같은 에너지 소산 요소를 갖는다. 내연 기관 적용에서 실시될 경우, 전자 제어 모듈(20)은 엔진 하중과 스로틀 위치에 반응하는 것이 바람직하다. 액적배출기(30)는, 도 1, 도 4 및 도 9에 도시된 바와 같은 점화실로부터 수직 아래로의(이러한 실시예에 있어서는, 어떠한 배향이 가능하지만) 각기 오리피스에 대한 가연성 액체를 액적식으로 방출시킨다. 가솔린에 대해서는, 액적이 1mm의 개수(個數) 중앙 지름(Number Median Diameter;NMD)까지와 같이 액적 배출기의 설계에 따라 맞춰질 수 있지만, 액적 각각이 약 30 미크론(micron) 미만의 개수 중앙 지름과 약 14 피코리터(picoliter)의 체적을 갖는 것이 바람직하다.
도시한 바와 같은 망상 폼(reticulated foam), 스프링 백(spring bag) 또는 가요성 격판이 될 수 있는 압력 조정기(32)가 도 9의 하우징(28)내에 있다. 배압을 제어하기 위한 몇몇의 다른 압력 조정기가 당업자에게 알려져 있어 교체될 수 있으며, 본 발명의 범위와 정신에 여전히 포함된다. 압력 조정기(32)는, 하우징(28)의 하부에 위치한 직립관(도시하지 않음)내의 슬롯 또는 슬롯들을 통하여 액적 배출기(30)와 유체적으로 연통한다. 압력 조정기는 액적 배출기(30)의 배면측상에 약간의 부압을 두어, 가연성 액체가 액적 배출기의 외부로 누출되거나 똑똑 떨어지지 않게 된다.
도 9의 미끄럼 몸체(26)는 또한 미끄럼 몸체 상부(35)를 포함하며, 하우징(28)과 상부(35)는 개스킷(33)으로 밀봉되어 가연성 액체가 미끄럼 몸체 밖으로 누출되지 않는다. 개스킷은 에틸렌 프로필렌 디엔 삼원혼성중합체(Ethylene Propylene diene Terpolymers) 또는 폴리우레탄으로 형성되는 것이 바람직하다. 압축 복귀 스프링(compression return spring)(도 4)을 제 자리에 유지시키는 2개의 원통형 특징부(feature)(37)와, 아치(arch)(40)는 미끄럼 몸체 상부(35)의 상부벽상에 있다. 스로틀 케이블(22)(도 2)은 아래에 기술된 바와 같이 아치(40)에 연결되며, 스로틀 케이블의 움직임은 미끄럼 몸체(26)가 연료 분사기의 본체(15)내의 슬롯(38)(도 7)내에서 수직으로 상하 이동하게끔 하여, 에어웨이(airway)(85)(도 7 참조)를 통하여 연료 분사기에 유입되는 공기의 양을 제어한다.
또한, 연료 저장소(18)(도 2)와 유체적으로 연통하는 가연성 연료 유입 도관(41)은 미끄럼 몸체(26)(도 9 참조)의 상부벽상에 위치한다. 본체(15)내의 연료 유입 도관(41)은 유연하고 탄성적으로 변형가능하여, 미끄럼 몸체(26)가 지장없이 연료 분사기내에서 상하 이동할 수 있다. 유체 유입 도관(41)은 또한 압력 조정기(32)(도 8)와 유체적으로 연통한다.
도 8 및 도 10을 참조하면, 참조번호(43)는 본체(15)의 상부벽의 후방부를 나타낸다. 2개의 이격된 원통형 특징부(44)는 이러한 벽(43)(도 8)의 하측상에 위치한다. 연료 분사기의 조립 후에, 이러한 원통형 특징부(44)는 미끄럼 몸체 상부(35)(도 9)상의 원통형 특징부(37)와 동축에 있다. 4개의 특징부는 서로 결합하고 2개의 복귀 스프링(46)(도 4)을 보유한다. 복귀 스프링(46)은 압축 스프링이며 스테인리스강으로 제조되는 것이 바람직하다. 복귀 스프링은 본체(15) 아래로 그리고 연료 분사기(14)를 통하여 공기의 흐름을 차단하는 위치로 미끄럼 몸체(26)를 가압한다. 미끄럼 몸체(26)가 스로틀 케이블(22)에 의해 위쪽으로 당겨지는 경우, 복귀 스프링(46)은 압축된다. 또한, 스로틀 케이블(22, 54)용 가이드(45)는 상부벽(43)의 하측에 위치한다. 가이드(45)는 도 3 및 도 9에 도시한 바와 같이, 스로틀 케이블(54)을 휘게 하는 기능을 한다. 명료함을 위해, 가이드(45)는 도 4및 도 10에 도시하지 않는다.
도 6을 참조하면, 참조번호(48)는 일반적으로 스로틀 휠(throttle wheel)을 나타낸다. 스로틀 휠은 축(51)에 견고히 장착된 작은 스풀(spool)(49)과 큰 스풀(50)을 갖는다. 스로틀(도시하지 않음)에 연결된 스로틀 케이블(22)(도 2)은, 본체(15)내의 작은 구멍(53)(도 7)을 지나고 큰 스풀(50)주위를 감싸게 된다. 보다 작은 스풀(49)주위를 감싸는 제 2 케이블(54)이 있다. 이 제 2 케이블(54)은 가이드(45)(도 8)를 지나고 미끄럼 몸체 상부(35)(도 9)상의 아치(40)에 연결된다. 상이한 지름을 갖는 2개의 스풀(spool)(49, 50)은 연료 분사기(14)의 전체적인 높이를 감소시기는 기능을 한다. 또한, 스로틀 위치 센서(52), 바람직하게는 전위차계(potentiometer)가 축(51)에 연결된다. 이러한 센서는, 연료 분사기(14)내의 미끄럼 몸체(26)의 수직 위치에 상응하는 스로틀 휠(48)의 반경 위치를 측정한다. 이러한 센서는 위치 신호(68)를 후술된 제어 회로(도 12 참조)에 전송한다. 스로틀 휠(48)은, 도 4 및 도 6에서 4개의 포크(fork)(56)상에서 회전가능하도록 장착된다. 포크(56)중의 2개는 본체(15)의 상부벽의 전방부(57)의 하부상에 위치된다. 다른 2개의 포크(48)는 본체(15)내의 중앙벽(58)상에 위치한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료 분사기로부터 이송된 연료의 양은, 주어진 고정된 기간동안 연료 분사기에 의해 이송되는 연료 액적의 수를 조절함으로써 제어된다. 따라서, 연료 액적은 펄스-조정된 구성에 따라 이송된다. 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 예시적인 펄스 조정된 연료 액적 이송 구성을 도시한 것이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 펄스 흐름은 연료 액적이 펄스흐름에서 각 펄스에 대한 연료 분사기로부터 이송되는 것으로 정해진다. 소정의 고정된 시간 프레임(τ1)에 대하여, 다양한 개수의 펄스(n)가 적용될 수 있다. 각 펄스는, 연료 분사기가 고정된 양 크기의 하나 또는 그 이상의 연료 액적을 이송하는 동안의 시간 주기를 나타내는 τ2의 고정된 주기를 갖는다. 도 11은 각각이 τ1의 주기를 갖는 3개의 상이한 시간 프레임을 도시한 것이다. 제 1 시간 프레임에는 2개의 펄스가 적용되고, 제 2 시간 프레임에는 6개의 펄스가 적용되며, 제 3 시간 프레임에는 8개의 펄스가 적용된다. 주어진 시간 프레임에서 펄스의 수가 많을수록, 연료 분사기로부터 이송된 연료가 더 많게 되므로, 엔진에 이송된 연료/공기 혼합물이 더 농후하게 된다. 이러한 방식에 있어서, 연료 분사기로부터 이송된 연료의 양을 제어하는 바람직한 방법은, 펄스 조정된 구성에 따른 것이다.
도 12는, 예시적인 전자 제어 회로 및 엔진에 이송된 연료의 양을 제어하는 전술한 방법론을 실시하는 전자 제어 모듈(20)(도 1)내의 신호의 흐름을 도시한 것이다. 전자 제어 회로는 아날로그, 디지털 또는 마이크로프로세서를 포함하는 전기 회로의 이들의 조합을 이용하여 설계되어 구성될 수 있다. 회로는 연료 분사기(14)용 모든 전자 부품에 전력을 공급하는 12-볼트 직류 전력 공급원(60)을 포함한다. 전력 공급원은 배터리 또는 엔진에 의해 구동되는 발전기일 수 있다. 화살표(61 내지 65)는 다양한 부회로에 분배된 12-볼트 전력을 나타낸다.
도 6 및 도 10에 도시된 스로틀 휠(48)은 스로틀 케이블(22, 54)의 동작에 응답하여 돌고, 축(51)의 위치는 화살표(67)에 의해 나타내어진다. 본체(15)내의스로틀 휠(48)의 반경 위치와, 차례로, 미끄럼 몸체(26)(도 9)의 수직 위치는, 스로틀 위치 센서(52), 전형적이며 바람직하게는 위치 전위차계(positioning potentiometer)에 의해 측정된다. 화살표(68)는 연료 분사기내의 미끄럼 몸체(26)의 수직 위치와, 차례로, 연료 분사기내의 에어웨이의 개구 크기에 대응하는 가변 전압이다. 이러한 가변 전압은 전자 제어기(76)로의 입력이다.
도 12의 참조번호(72)는 엔진 하중 센서를 지시한다. 하중 센서(72)는 적용에 따라 많은 형태를 취할 수 있다. 한 적용에 있어서, 하중 센서(72)는 엔진의 분당 회전수를 측정하는 회전 속도계이다. 다른 적용에 있어서, 하중 센서(72)는 연료 분사기에 유입되는 공기의 양을 측정하는 기류계(airflow meter)이다. 공냉 기관에서, 하중 센서(72)는 팬(fan)에 의해 이동하는 공기의 양을 측정하는 유량계(flow meter)이다. 엔진 하중 센서(72)로부터의 출력 전압 신호는 화살표(73)로 나타내어지며 전자 제어기(76)로의 제 2 입력이다.
전자 제어기(76)는, 스로틀 위치 센서(52)와 엔진 하중 센서(72) 각각으로부터의 입력 신호(68 및 73)에 근거하여 액적 배출기로부터 배출된 가연성 연료의 양을 제어한다. 더욱이, 도 12에 도시하진 않지만, 엔진에 공급되는 소망하는 연료의 양에 관련된 기술에서 알려진 다른 변수가 이러한 목적을 위한 전자 제어기(76)로의 입력으로서 사용될 수도 있다. 총괄적으로, 엔진 하중, 스로틀 위치 및 다른 공지된 변수는, 연료 이송을 수용하는 장치의 "작동 조건"으로 불린다. 일반적으로, 엔진 하중이 높거나 및/또는 스로틀의 작동이 많을수록, 액적 배출기(30)로부터 배출되어야 하는 연료의 양은 더 많아진다. 따라서, 소정의 시간 프레임(τ1)내에 액적 배출기(30)로부터 배출되어야 하는 소망하는 수의 액적이 더 많아지게 된다. 전자 제어기(76)와 펄스 계수기(79)는, 소정의 시간 프레임내에 소망하는 수의 연료 액적을 배출하기에 적합한 펄스 트레인(pulse train)을 생성한다.
전자 제어기(76)는 프레임 클락킹 신호(frame clocking signal)(96)를 매 τ1초마다 펄스 계수기(79)에 제공한다. 이러한 방식에 있어서, 프레임 클락킹 신호 사이의 주기는 τ1이다. 프레임 클락킹 신호(96)는 펄스 계수기(79)를 시작케 하는 기능을 한다. 제어기(76)는 또한 τ2클락킹 신호(95)를 매 τ2초마다 펄스 계수기(79)에 제공한다. 결과로서, 펄스 트레인은 τ2의 주기를 가지며 정해진다. 마지막으로, 제어기(76)는 하중 계수기 신호(77)를 펄스 계수기(79)에 제공하여, 액적 배출기(30)로부터 배출되어야 하는 연료 액적의 수를 나타낸다. 하중 계수기 신호(77)에 근거하여, 펄스 계수기(79)는 일정한 수(n)의 펄스(80)를 구동 회로(91)에 제공한다. 작동에 있어서, 프레임 클락킹 신호(96)는 펄스 계수기(79)를 시작케 하고, 그 후 펄스 계수기(79)가 τ2클락킹 신호를 받을 때마다 펄스가 구동 회로(91)를 지나게 된다. 펄스 계수기(79)는, 이것이 다음의 프레임 클락킹 신호(96)를 받을 때까지 펄스를 제공하는 것을 멈추게 할 때, 이것이 일정한 수(n)의 펄스들을 이송할 때까지 이러한 공정이 계속된다.
펄스(80)는 구동 회로(91)에 제공됨으로써, 펄스(80)를 충분히 증폭하여 액적 배출기(30)를 작동시킨다. 액적 배출기가 펄스를 받을 때마다, 액적 배출기는 연료 액적을 배출한다. 따라서, 액적 배출기가 주어진 고정된 기간 τ1동안에 받는 펄스가 많을수록, 엔진에 이송되는 연료의 양도 많아진다.
바람직한 시스템의 작동이 보다 상세하게 설명될 것이다. 작동에 있어서, 연료 분사기(14)(도 2)를 통한 공기의 유동 경로는 공기 필터(24)에서 시작한다. 공기는 공기 펌프(도시하지 않음)에 의해 또는 엔진에서 피스톤의 동작에 의해 발생된 진공에 의해 연료 분사기로 인입된다. 공기는, 공기 필터(24)를 통해, 본체(15)내의 에어웨이(85)(도 7) 아래, 미끄럼 몸체(26)상의 액적 배출기(30)(도 4 및 도 9) 바로 아래, 본체(15) 밖에, 그리고 흡입 매니폴드(16)(도 2)내로 흐른다. 기류는 도 2에서 우측에서 좌측으로 흐른다.
가연성 액체의 유동 경로는 연료 저장소(18)(도 2)에서 시작한다. 액체는, 저장소로부터 본체(15)로, 그 후 저압(예를 들면, 약 3 psi보다 낮음)에서 탄성적으로 변형가능한 도관을 통해 미끄럼 몸체(26)(도 9)상의 연료 유입구(41)로 저압 도관(예를 들면, 약 3 psi보다 낮음)내에서 흐른다. 액체는, 하우징(28)의 하부내의 직립관(도시하지 않음)내의 몇 개의 슬롯을 지나 압력 조정기(32)를 통하여 액적 배출기(30)로 흐른다. 예시적인 압력 조정기, 바람직하게는 폼(foam)이 액적 배출기의 후방에서 약간의 부압(배압을 생성하는 게이지에 대해)을 유지하여, 비사용시 가연성 액체가 액적 배출기(30)에서 흘러나오거나 바닥나지 않는다. 액체 연료는, 배출된 체적을 대체하는 액적 배출기와 직립관 슬롯내의 유체의 모세관 작용때문에 폼 밖으로 인출되거나 액적 배출기내로 인입된다. 액적 배출기(30)는, 미끄럼 몸체(26) 바로 아래에서 보내는 공기의 빠른 흐름으로 수직 아래로 액적식으로 액체를 발사한다. 액적이 공기 흐름에 도달할 때, 이러한 예시에서 그들의 유동 경로가 수직방향에서 수평방향으로 바뀐다. 액적은 개개의 배출된 크기 때문에 충분히 작게 된다. 기류는 공기와 일정양의 연료 액적 사이에서 혼합이 이루어져, 가연성 증기(17)(도 2)가 형성되도록 설계된다.
도 10을 참조하면, 화살표(87)에 의해 나타낸 바와 같이, 스로틀 케이블(22)의 움직임은, 화살표(88)에 의해 나타낸 바와 같이 스로틀 휠(48)이 회전하게끔 하고, 화살표(89)에 의해 나타낸 바와 같이 미끄럼 몸체(26)를 상하 이동하게끔 한다. 미끄럼 몸체(26)는 에어웨이(85)를 차단하는 통상 슬롯(38)(도 7)의 하부에 놓이며, 복귀 스프링(46)(도 4)에 의해 아래로 가압된다. 스로틀 케이블(22)이 본체(15)로부터 밀려질 경우, 케이블(22)은 스로틀 휠(48)이 회전하게끔 하고, 그 후 제 2 스로틀 케이블(54)로 미끄럼 몸체(26)를 상측으로 당기게끔 한다. 제 2 스로틀 케이블은 가이드(45)(도 8)를 지나며, 그의 움직임은 도 10에 도시한 바와 같이 수평방향에서 수직방향으로 재배향된다. 제 2 스로틀 케이블은 미끄럼 몸체 상부벽(35)(도 9)상의 아치(40)에 부착된다. 미끄럼 몸체가 상측으로 이동할 경우, 에어웨이(85)가 더 많이 열리며 더 많은 공기가 연료 분사기(14)내로 흐르도록 허용된다. 게다가, 복귀 스프링(48)은 압축된다. 스로틀 휠(48)의 회전은 또한, 에어웨이(85)가 더 많이 열리며 더 많은 공기가 연료 분사기내로 흐르는 것을 나타내는 전자 제어 모듈(20)에 신호(68)를 보내는 스로틀 위치 센서(52)를 구동시킨다.
도 12의 회로를 참조하면, 스로틀 케이블(22)(도 2)이 연료 분사기로부터 당겨질 경우, 스로틀 위치 센서(52)로부터의 출력 신호(68)는 증가한다. 그 후, 전자 제어기(76)는 하중 계수기 출력 신호(77)를 증가시켜, 액적 배출기(30)로부터 배출되는 연료 액적의 수(n)를 지시한다. 보다 높은 하중 계수기 출력 신호(77)는, 펄스 계수기(79)가 주어진 시간 프레임(τ1)내에 구동 회로(91)에 보다 많은 펄스(80)를 제공하게끔 한다. 따라서, 구동 회로(91)는 더 많은 펄스를 액적 배출기(30)에 제공하여, 액적 배출기(30)로부터 배출되는 연료 액적이 더 많아지고, 궁극적으로 엔진에 제공되는 연료가 더 많아지게 된다.
엔진이 안정 상태에서 작동되며 증가된 하중이 엔진상에 놓일 경우, 엔진의 속도는 느려지며, 또한 연료 분사기를 통한 공기의 흐름이 감소된다. 엔진의 회전이 감소하거나 기류 감소 또는 둘 다는 엔진 하중 센서(72)에 의해 감지되어지며, 엔진 하중 센서(72)로부터의 출력 전압 신호(73)는 증가된 하중을 반영하도록 변환된다. 증가된 입력 전압(73)에 근거하여, 전자 제어기(76)는 배출하는 연료 액적의 수를 나타내는 하중 계수기 출력 신호(77)를 증가시킨다. 보다 많은 가연성 액체가 공기 흐름내로 배출되어짐에 따라, 엔진은 전형적으로 가연성 혼합기가 매우 농후한 어떠한 점까지 보다 높은 토오크를 생성하고, 그것은 더 이상 토오크를 증가시키지 않는다. 이러한 공정은 모두 스로틀 케이블(22)을 이동시킴 없이 일어난다. 변형예로서, 하중 센서는 또한 스토틀 위치에 영향을 줄 수 있다. 증가된 하중이 제거되어지면, 엔진은 전형적으로 과도 전력이 발생되어지므로 가속되고, 회로는 다음 시간 프레임(τ1) 동안에 배출된 연료 액적의 수를 감소시키기 위해 작동한다. 이것은 방금 위에서 기술된 공정의 반대가 된다.
도 12를 참조하면, 전자 제어기(76)는 스로틀 위치 센서(52)와 엔진 하중 센서(72)로부터 입력(68, 73)을 각각 받아서, 그 결과 회로가 액적 배출기(30)로부터 배출된 연료 액적 수를 증가시키거나 감소시키도록 한다. 특히, 안정 상태에서, 연료 분사기내의 미끄럼 몸체(26)(도 10)의 위치는 공기 흐름의 주요 화학양론비 및 엔진내로 유입되는 공기양을 결정한다. 가속 및 감속 동안에, 제어기(76)는 하중 센서(27)로부터의 신호에 근거한 화학양론비를 변형시킨다.
매우 작은 하중의 조건 하에서, 미끄럼 몸체(26)가 에어웨이(85)를 개방할 때, 보다 많은 공기가 연료 분사기(14)로 유입되게 한다. 엔진상에 매우 적은 하중이 있으므로, 엔진의 속도가 매우 빨리 반응하고, 엔진의 회전수는 매우 쉽게 가속된다. 이러한 작은 하중의 상태에서는, 엔진 하중 센서(72)로부터의 출력 신호(73)는 어떠한 소정의 시간 프레임(τ1) 동안에 액적 배출기(30)로부터 배출된 연료 액적의 수에 대해 매우 적은 영향을 받는다.
엔진 하중이 증가됨에 따른 스로틀 위치를 변환시킴 없이 증가된 하중의 조건 하에서, 엔진 하중 센서(72)로부터의 출력 전압 신호(73)는 제어기(76)로의 전압 입력을 변환시킨다. 이에 대하여, 전자 제어기(76)는 하중 계수기 신호(77), 즉 소망하는 연료 액적의 수(n)를 증가시킨다. 보다 많은 가연성 액체의 액적이 공기 흐름내로 분사되며, 화학량론비는 엔진에 의해 발생된 토오크를 증가시키도록변한다. 따라서, 엔진이 하중에 응답하여, 평형 상태가 복귀된다.
본 발명의 장치는, 내연 기관의 실린더 또는 램프, 스토브, 발전기 및 휴대용 히터와 같은 다른 가연성 연료 장치내의 연료/공기 화학량론을 정밀하게 제어하기 위한 저렴하고, 단순하며, 신뢰성 있는 전기-기계 연료 이송 시스템을 제공한다. 본 발명의 장치는, 마이크로-펌프에 의해 이송되는 연료의 액적의 크기와 줄량 모두가 이산된 액적식 방식으로 정밀 제어되기 때문에, 나노그램의 범위로의 분해(resolution)를 갖는 실린더 또는 장치로 얼마나 많은 연료가 이송되는지를 정밀 계량하는 특성을 갖는다. 이러한 특징은, 엔진 또는 장치가 특히 시동시 대기중으로 방출된 탄화수소의 양을 감속시키며, 증가된 엄격한 환경 규정을 만족시키도록 한다. 본 장치는, 변경되는 액적 크기를 갖는 연료의 분무를 형성하는 것보다는, 마이크로-펌프내의 액적식 발전기가 분리되어 배출되고 공기와 혼합될 때 쉽게 증기화되는 고정된 크기의 액적내의 하나 이상의 연료의 양을 생성한다는 점에서 종래의 연료 분사기와는 다르다. 다양한 양을 갖는 크기의 액적으로 구성된 고정된 양의 연료를 제공하는 이러한 성능은, 엔진에 연료를 디지털 방식으로 이송하는 방법을 생성하므로, 향상된 자동 제어 및바람직하게는 컴퓨터 처리된 제어를 허용하게 된다. 연료와 공기를 효과적으로 혼합할 수 있음으로써, 소정의 적용에 대해 보다 저급 연료들이 사용될 수 있어 보다 경제성을 이끌 수 있는 것이 하나의 잇점이다.
더욱이, 본 장치는 예를 들면 제곱 인치당 약 3 파운드보다 낮은 저압 연료 공급 시스템을 포함한다. 이러한 저압 연료 공급 시스템은 종래의 연료 분사 시스템에서 확인된 높은 압력보다 훨씬 낮은 압력에서 작동한다. 액적 배출기는 미세 노즐과, 사용되는 연료 유형에 대해 맞춤 설계되어 크기 설정되는 직립관내의 모세관 채널을 포함한다. 액적 배출기/직립관과 저압 연료 이송 시스템 사이에 배압 조정기를 추가함으로써, 연료가 엔진내로 누출되는 것을 방지한다. 바람직하게는, 본 장치는 액적 배출기가 소비자에 의해 쉽게 교체가능하도록 설계된다. 이러한 액적 배출기의 교환가능성은, 노즐이 연료내의 불순물 때문에 막히게 될 때와 같이 연료 분사 시스템의 유지 보수를 쉽게 한다. 또한, 액적 배출기의 제거 및 교체를 가능하게 함으로써, 다양한 연료 종류가 소정의 장치에 사용될 수 있으며, 선택된 연료 종류에 대해 적당한 액적 배출기가 간단히 교환되어 설치된다.
또한, 펄스-조정된 구성에 따른 연료의 액적(및 이러한 방법을 실시하는 회로)을 배출하기 위한 상술된 방법은, 정밀한 방식으로 액적 배출기를 디지털 방식으로 제어하기 위한 복잡하지 않은 방법이기 때문에 유익하다. 펄스-조정된 구성을 실시하는 회로 설계는 배출되는 연료 액적의 정밀한 제어를 가능하게 한다.
본 발명은 전술한 바람직하고 변형적인 실시예를 참조하여 자세히 나타내어지고 기술되는 반면, 당업자들은 이후의 특허청구범위에서 규정된 바와 같은 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 이러한 본 발명의 기술은 여기서 설명된 요소들의 모든 신규성과 진보성이 있는 조합을 포함하도록 이해되어야 하며, 특허청구범위는 이러한 요소들의 어떠한 신규성과 진보성이 있는 조합에 본 적용 또는 이후의 적용에 제공될 수 있다. 전술한 실시예는 예시적인 것이며, 본 적용 또는 이후의 적용에 청구될 수 있는 가능한 모든 조합들에 단일 특징 또는 요소가 본질적이지는 않다. 특허청구범위가 그의 동등물의 "하나" 또는 "제 1"을 인용한 경우, 이러한 특허청구범위는 하나 이상의 요소들의 인용을 포함하도록 이해되어져야 하고, 두 개 이상의 이러한 요소를 요구하거나 배제하기 않아야 한다. 본 발명은 이후의 특허청구범위에 의해 제한되어진다.
본 발명에 따른 장치는, 내연 기관의 실린더 또는 램프, 스토브, 발전기 및 휴대용 히터와 같은 다른 가연성 연료 장치를 정밀하게 제어하기 위한 저렴하고, 단순하며, 신뢰성 있는 전기-기계 연료 이송 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 장치는, 마이크로-펌프에 의해 이송되는 연료의 액적의 크기와 무게가 분리된 액적식으로 정밀하게 제어되기 때문에, 나노그램의 범위로의 분해(resolution)를 갖는 실린더 또는 장치로 얼마나 많은 연료가 이송되는지를 정밀하게 계량하는 특성을 갖는다.

Claims (6)

  1. 연료 이송 시스템(14)에 있어서,
    디지털 방식으로 가연성 액체를 이산하게 배출할 수 있는 노즐을 갖는 액적 배출기(30)와,
    소정의 시간 프레임 동안에 소망하는 수의 액적이 상기 액적 배출기(30)로부터 배출되도록 하기에 적합한 전자 제어기(76)를 포함하는
    연료 이송 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 제어기(76)는 작동 조건 입력에 반응하여 소정의 시간 프레임내에서 배출된 상기 소망하는 수의 액적을 조정하기에 적합한
    연료 이송 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    연료 이송 시스템(14)은 내연 기관과 유체적으로 연통하며, 상기 작동 조건 입력은 상기 엔진상의 하중에 관련된
    연료 이송 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 작동 조건 입력은 스로틀 위치에 관련된
    연료 이송 시스템.
  5. 연료 분사기(14)에 있어서,
    디지털 방식으로 가연성 액체를 이산하게 배출할 수 있는 노즐을 갖는 액적 배출기(30)와,
    상기 액적 배출기와 전자적으로 연통하는 전자 회로(76, 79)로서, 상기 전자 회로(76, 79)는 소정의 시간 프레임 동안에 상기 액적 배출기(30)에 의해 배출되는 소망하는 수의 액적을 결정하며, 상기 소망하는 수의 액적을 나타내는 상기 액적 배출기(30)에 펄스-조정된 제어 신호를 제공하는, 상기 전자 회로(76, 79)를 포함하는
    연료 분사기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전자 회로(76, 79)는 연료-소모 장치의 작동 조건을 나타내는 신호에 근거한 상기 소망하는 수의 액적을 결정하며, 상기 작동 조건은 (i) 상기 연료-소모 장치상의 하중, 및 (ii) 상기 연료-소모 장치의 스로틀 위치로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    연료 분사기.
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