KR20040010054A - 디젤엔진의 연료분사장치 - Google Patents

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Abstract

연료와 물(불활성재)의 혼합비를, 부하의 크기에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에 변화시키는 제어를 행하는 것이 가능하고, 또한 종래의 물에멀션연료와 동등하게 연료실 내에서 연료와 물(불활성재)을 균일하게 혼합시킴으로서 종래와 동등하게 질소산화물의 생성을 억제한다.
연료분사노즐(8)로부터 연료가, 물유지부(16)에 유지된 물(불활성재)을 향하여 분사된다. 또는 연료분사노즐(8)로부터 연료가, 물공급로(15)로부터 공급되는 물(불활성재)을 향하여 분사된다.

Description

디젤엔진의 연료분사장치{FUEL INJECTOR FOR DIESEL ENGINE}
본 발명은, 디젤엔진에 관한 것이다.
디젤엔진은, 가솔린엔진에 비교하여 열효율에 우수하여 과혹한 조건(고부하연속운전)에 견디는 등의 이점을 가지고 있다. 또한 일방에서 질소산화물(NOX)이나 매연(입자형상 배출물)이 배출되는 등 배기가 청정되지 않고, 환경적으로 바람직하지 않는 등의 불리한 점도 있다. 따라서 NOX저감, 매연의 저감이 디젤엔진에는 요구되고 있다.
디젤엔진에서는, 피스톤에 의해서 압축된 연료실(압축실) 내에 연료분사노즐의 분사구멍으로부터 연료를 분사하여 분무를 생성하여 연료를 연소시킨다.
통상의 디젤엔진에서는, 연료분사노즐의 분사구멍으로부터 상사점(T.R.C) 부근의 소정의 분사기간 중의 연료를 연소실 내(통내)에 분사시켜서 연료에너지를 발생시키도록 하고 있다.
그러나 연료실이 고온으로 되기 때문에 질소산화물(NOX)이 많이 발생한다. 또한 연료실 내에서 국소적으로 혼합기가 과도한 부분이 생겨서, 매연이 발생한다.
그래서, 종래보부터, 미리 연료와 물을 혼합한 물에멀션연료를 연료분사노즐로부터 연료실 내에 분사하고, 질소산화물이 생성을 억제하는 시험이 이루어지고 있다.
즉 물에멀션연료가 연료분사노즐로부터 분사되면, 물의 증발 잠열, 물이 가지는 큰 비열의 영향에 의해서 연료실 내의 열용량이 증대한다. 이 때문에 연소실의 연소온도가 저하한다.
또한 물에멀션연료를 분사하면, 연소실 내에서 연료와 물이 균등하게 분산되고, 마이크로적으로 보면 불활성의 수증기에 의해서 연료의 입자가 덮여진 상태로 되기 때문에, 연료의 착화지연이 생기고, 연료와 흡입공기의 혼합이 촉진된 상태로 연소가 시작된다. 이 때문에 국소적인 연소공간에 있어서의 고온화를 피할 수 있다.
이와 같이 연소실의 연소온도가 저하함과 아울러 국소적인 연소공간에 있어서의 고온화를 피할 수 있기 때문에 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다. 또한 국소적으로 혼합기가 과도하게 되는 것을 피할 수 있기 때문에, 매연의 생성을 억제할 수 있다.
물에멀션연료를 이용하면, 질산화물은 1/5까지 저감되는 것으로 말해진다.
그러나 물에멀션연료는, 연료와 물을 미리 혼합한 상에서 분사해야만 하기 때문에, 디젤엔진에 걸리는 부하의 크기나 온도조건 등에 따라서, 혼합비를 임의로, 또한 단시간 사이에 변화시키는 제어를 행하는 것이 곤란하고, 연료와 물의 혼합비를 일정한 비율로 사용할 수가 없게 된다.
일정부하로 가동되는 발전기 등의 용도에 디젤엔진을 이용하는 경우에는, 연료와 물의 혼합비를 일정한 비율로 한 것이어도 문제는 없지만, 부하나 온도조건 등이 끊어지지 않고 변동하는 건설기계 등의 용도에 디젤엔진을 이용하는 경우에는, 부하의 크기나 온도조건 등에 의해서는 연소상태가 악화된다라는 문제가 발생한다.
가령 정격점에서 가동하는 등의 고부하에 맞추어서 물을 많이 혼합한 경우에는, 저공전시 등의 저부하일 때에 연료온도가 적당한 온도로 되지 않고 미연소연료가 대량으로 배출된다라는 문제가 있다. 반대로 저부하에 맞추어서 물을 적게 혼합한 경우에는 고부하일 때에 연소온도가 높게 되고 질소산화물이 대량으로 배출된다라는 문제가 발생한다.
그래서 연료와 물의 혼합비를, 부하의 크기나 온도조건 등에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에 변화시키는 방법이 이하와 같이 시험되고 있다.
1) 연료와 물의 분사노즐을 각각 설치하고, 양 분사노즐로부터 분사된 물과 연료을 연소실 내에서 혼합시킨다.
2) 분사노즐에, 물과 연료를 교대로 소정량씩 공급하여, 분사노즐로부터 물과 연료를 교대로 분사하여 연료실 내에서 혼합시킨다.
상기 어느 하나의 방법1), 2)도, 연료실 내에서 물이 분사되는 경우에, 연료가 분사되기 때문에, 연료실 내에서 연료와 물이 균등하게 분산되기 어렵다. 이 때문에, 마이크로적으로 봐서 불활성 수증기에 의해서 연료의 입자가 덮여진 상태로 되어 있지 않은 국소적인 연소공간이 생성되고, 이 국소적인 연소공간에서의 고온화가 피해지지 않고, 질소산화물의 생성을 충분히 억제하는 것이 가능하지 않다라는 문제가 있다.
본 발명은 이렇게 한 실상을 감안하여 이루어진 것이고, 연료와 물(불활성재)의 혼합비를, 부하의 크기에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에 변화시키는 제어를 행하는 것이 가능하고, 또한 종래의 물에멀션연료와 동등하게 연소실내에서 연료와 물(불활성재)을 균등하게 분산시킴으로써 물에멀션연료와 동등하게 질소산화물의 생성을 억제하는 것을, 해결과제로 하는 것이다.
도 1은, 제1실시형태의 구성을 나타내는 도이다.
도 2(a),(b)는, 도 1의 연료분사노즐 및 그 주변의 구성을 나타내는 도이다.
도 3은, 연료분사노즐의 주위에 물공급용 보디를 설치한 구성예를 나타내는 도이다.
도 4(a),(b),(c)는 도 3의 물공급용 보디의 상세한 구성을 나타내는 도이고, 도 4(d)는 연료가 물과 함께 물공급용 보디로부터 분출되는 형태를 개념적으로 나타낸 도이다.
도 5(a)~(h)는 크랭크각도에 대응하여 착화시기, 연료분사시기, 물주입시기를 나타낸 타이밍챠트이고, 도 5(a),(e)는 통상의 디젤엔진의 타이밍챠트를 나타낸 도이고, 도 5(b),(c),(d), 도 5(f),(g),(h)는 제1실시형태의 디젤엔진의 타이밍챠트를 나타낸 도이다.
도 6은, 제2실시형태의 구성을 나타내는 도이다.
도 7은, 도 1에 나타내는 수증기 발생실의 구성을 나타내는 도이다.
도 8은, 도 3에 대응하는 도이며 연료분사노즐의 주위에 수증기 공급용 보디를 설치한 구성예를 나타내는 도이다.
도 9(a)~(h)는 크랭크각도에 대응하여 착화시기, 연료분사시기, 물주입시기를 나타낸 타이밍챠트이고, 도 9(a),(e)는 통상의 디젤엔진의 타이밍챠트를 나타낸 도이고, 도 9(b),(c),(d), 도 9(f),(g),(h)는 제2실시형태의 디젤엔진의 타이밍챠트를 나타낸 도이다.
도 10은, 실시형태의 변형예를 나타낸 도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 … 엔진(디젤엔진) 2 … 연소실
5 … ECU 8 … 연료분사노즐
13 … 연료분사노즐 13 … 분사구멍
15 … 물공급로(15' 수증기공급로) 16 … 물유지부(16' 물유지부)
17 … 연료통로
제1발명은,
젤엔진(1)의 연소실(2) 내를 향하여 연료를 분사하는 연료분사노즐(8)과,
상기 연료에 대해서 불활성인 불활성재가 공급되는 불활성재 공급로(15)를구비하고,
상기 연료분사노즐(8)로부터 연료를, 상기 불활성재 공급로(15)로부터 공급되는 불활성재를 향하여 분사시키는 것을 특징으로 한다.
제3발명에 의하면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 연료분사노즐(8)로부터 연료가, 물공급로(15)로부터 공급되는 물(연료에 대해서 물활성, 즉 착화성이 나쁜 불활성재이면 좋고, 물 이외에 수증기, 알콜, 물메멀션연료 등이어도 좋다)을 향하여 분사된다.
물공급로(15)로부터 공급되는 물을 향하여 연료가 분사되는 것이므로, 연소실(2) 내에서 연료와 물이 균등하게 분산되고, 마이크로적으로 보면 불활성 수증기에 의해서 연료의 입자가 덮여진 상태로 되기 때문에, 연료의 착화지연이 생기고, 연료와 흡입공기의 혼합이 촉진된 상태로 연소가 시작된다. 이 때문에 국소적인 연소공간에 있어서의 고온화를 피할 수 있다. 이 결과, 종래의 물에멀션연료를 이용한 경우와 동등하게 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다.
또한 물공급로(15)로부터 공급되는 물의 공급량을 조정하는 것에서, 부하의 크기나 온도조건 등에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에, 연료와 물의 혼합비율을 변화시키는 제어를 행하는 것이 가능하다.
또한 물공급로(15)로부터 공급되는 물을, 물유지부(16)에서 유지하여도 좋다. 이 경우, 물유지부(16)에서 유지되어 있는 물을 향하여 연료가 분사된다.
제2발명은, 제1발명에 있어서,
상기 불활성재 공급로(15)로부터 공급되는 불활성재의 양을 제어하는 제어수단(15)을 구비한 것을 특징으로 한다.
제2발명에 의하면, 도 1에 나타내는 바와 같이 ECU(제어수단(5)에 의해서, 물공급로(15)로부터 공급되는 물의 양을 변화시키는 것이 가능하다. 이 때문에 부하의 크기나 온도조건 등에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에, 연료와 물의 혼합비율을 변화시키는 것이 가능하다.
제3발명은, 제1발명에 있어서,
상기 불활성재 공급로(15)에 연통하고, 상기 연료분사노즐(8)로부터 분사된 연료가 통과하는 연료통로(16,17)를 구비하고,
상기 불활성재 공급로(15)는, 상기 연료통로(16,17)의 단면 중심으로부터 오프세트된 위치에서, 상기 연료통로(16,17)에 연통되어 있는 것을 특징으로 한다.
제3발명에 의하면, 물공급로(15)로부터 공급되는 물을 향하여 연료가 분사되는 것이므로, 제1발명과 마찬가지의 효과가 얻어진다.
또한 제3발명에 의하면, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 물공급로(15)는, 물유지부(연료통로이기도 하다)(16), 연료통로(17)의 단면 중심으로부터 오프세트된 위치에서, 물유지부(16)에 연통되어 있다. 이 때문에 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 물공급로(15)로부터 물유지부(16)에 물이 공급되면, 물은 원심력에 의해 주로 물유지부(16)의 내주면 상에 유지된다. 이 때문에 물은, 내측을 통과하는 연료를 감싸들어가서 혼합되고 외주부에 수분을 많이 포함한 혼합연료상태로 연료유출구 (17b)로부터 연소실(2) 내에 분출된다. 이로써 불활성의 수증기에 의해서 분무가 덮여진 상태로 되기 때문에, 연료의 착화지연이 더욱 촉진되고, 연료와 흡입공기의혼합이 더욱 촉진된 상태로 연소가 시작된다. 이 때문에 국소적인 연소공간에 있어서의 고온화를 더욱 억제할 수 있고, 질소산화물의 생성이 더나은 억제가 도모된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시형태에 관해서 설명한다.
도 1은 디젤엔진의 연료분사장치의 제1의 실시형태의 전체구성을 나타내고 있다.
즉 디젤엔진(1)은, 크게는, 실린더(3)와, 실린더(3) 내에 슬라이딩가능하게 배치되고, 실린더(3) 내를 상하로 왕복이동하는 피스톤(4)과, 피스톤(4)에 커넥팅로드(1b)를 통해서 연결되고 피스톤(4)의 왕복운동에 따라서 회동하는 크랭크축 (1a)으로 구성되어 있다.
피스톤(4)의 도중 상부와 실린더실이 연소실(압축실)(2)을 구성한다. 연소실 (2)은 피스톤(4)에 의해서 온합기가 압축되는 압축실도 있고, 혼합기 중의 연료가 연소하는 연소실도 있다. 피스톤(4)에 형성된 공동은, 연소실(2) 내에서 주요한 용적을 점유하고 있다.
연소실(2)에 있어서의 연소결과 생성된 배기가스는, 도시하지 않은 배기밸브, 배기관을 통해서 외기로 배출된다.
엔진(1)에는 공기를 공급하기 위하여 도시하지 않은 흡기관, 흡기밸브가 설치되어 있다. 이 흡기관과 흡기밸브를 통해서 연소실(2) 내에 공기가 공급된다.
연소실(2)의 도중 상부에서 실린더(3)의 머리부 즉 실린더헤드(3a)에는, 연료용 주입기 즉 연료분사노즐(8)이 설치되어 있다.
실시형태에서는 일반레일식 시스템을 가정하고 있다.
즉 연료탱크 내의 연료는 연료용 고압펌프(6)에 의해서 흡입되고 일반레일 (7)을 통해서 연료분사노즐(8)에 압송된다. 연료용 고압펌프(6)는 엔진(1)의 회전에 따라서 구동되는 펌프이고 일회전당 일정용적의 연료를 토출한다. 또한 유닛주입시스템이나 저크식 열형(列型) 펌프를 이용하여도 좋다.
연료분사노즐(8)의 선단에는, 가령 6개의 분사구멍(13)이 형성되어 있다(도 2(a) 참조). 분사구멍(13)을 통해서 실린더(3) 내(기통 내) 즉 연소실(2) 내에 연료가 분사된다.
연료분사노즐(8)로부터 연료가 분사될 때에, 연료는 미립화되고, 연소실(2) 내에 분무가 생성된다. 이 분무가, 흡기관을 통해서 공급된 공기와 혼합하여, 혼합기로 된다. 또한 연소실(2)이 압축되어서 착화온도에 이르면 혼합기가 연소한다.
본 실시형태에서는, 후술하는 바와 같이, 연료에 대해서 불활성의, 즉 착화성이 나쁜 물을, 연료분사노즐(8)의 분사구멍(13)의 출구근방에 공급하는 것이므로, 연료와 물을 소정의 혼합비율로 연소실(2) 내에 분사하도록 하고 있다.
즉 물탱크(9) 내의 물은 수압송펌프(10)에 의해서 흡입되고 물통로(11)를 통해서 연료분사노즐(8)의 분사구멍(13)의 출구 근방에 공급된다. 물통로(11)에는 물주입 컨트롤러밸브(12)가 설치되어 있다. 물주입 컨트롤러밸브(12)가 개방되어 있는 시간에 비례한 양의 물이 연료분사노즐(8)의 분사구멍(13)의 출구 근방에 공급되게 된다.
또한 연료분사노즐(8) 내의 니들밸브에 의해서 분사구멍(13)이 개구되어 있는 시간(니들밸브가 올라가고 있는 시간)에 비례한 양의 연료가 연소실(2) 내에 분사되게 된다.
연소실(2) 내에서의 연료와 물의 혼합비율은, 엔진(1)의 크랭크축(1a)의 1회전당 연료분사노즐(8)의 분사구멍(13)으로부터 분사되는 연료의 양(이하 연료분사량)과, 동일하게 크랭크축(1a)의 1회전당 물통로(11)를 통해서 분사구멍(13)의 출구 근방에 공급되는 물의 양(이하 물주입량이라함)과의 비율에 따라서 정하다. 따라서 연소실(2) 내에서의 연료와 물의 혼합비율은, 크랭크축(1a)의 1회전당 분사구멍(13)의 개구시간과, 동일하게 크랭크축(1a)의 1회전당 물주입 컨트롤러밸브(12)의 밸브개방시간과의 비율에 따라서 정한다.
ECU(electricalㆍcontrolㆍunit)(5)는, 상기 분사구멍(13)의 개구시간, 물주입 컨트롤밸브(12)의 밸브개방시간을 제어하는 제어수단이고, 실시형태에서는, 엔진(1)의 회전수, 크랭크축(1a)의 회전각도(이하 크랭크각도), 엔진(1)의 부하, 엔진(1)의 오일온도, 수온, 흡기온도, 배기온도 등을 각종 센서의 출력신호로서 얻고, 연소실(2) 내에 있어서의 연료와 물의 혼합비율이 최적의 값으로 되도록 연료부낫량, 물주입량을 제어한다. 즉 ECU(5)는, 연료분사노즐(8)에 분사구멍 개구지령을, 또한 물주입 컨트롤밸브(12)에 물통로 밸브개방지령을 출력하여, 연료분사량, 물주입량을 제어하고, 연소실(2) 내에 있어서의 연료와 물의 혼합비율을 최적의 값으로 한다.
또한 ECU(5)는 연료용 고압펌프(6), 수압이송펌프(10)를 제어한다.
연료분사노즐(8)과, 이 연료분사노즐(8)의 외측에 설치된 물공급기구와 연료통로에 관해서 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2(a)는 연료분사노즐(8)의 종단면도를 나타내고 있다. 실린더헤드(3a)에는, 연소실(2)측(도중 하측)에 돌출되도록 돌출부(3b)가 형성되어 있다. 연료분사노즐(8)은, 분사구멍(13)이, 실린더헤드 돌출부(3b)에 위치되도록, 실린더헤드(3a)에 배치되어 있다.
실린더헤드(3a)에는, 물통로(11), 물주입로(11a), 고리형상 수로(14)가 형성됨과 아울러, 실린더헤드 돌출부(3b)에는, 물공급로(15), 물유지부(16), 연료통로 (17)가 형성되어 있다.
물통로(11)는 물주입로(11a)에 연통하고, 이 물주입로(11a)는 고리형상 수로 (14)에 연통하고, 이 고리형상 수로(14)는 물공급로(15)에 연통하고, 이 물공급로 (15)는 물유지부(16)에 연통되어 있다. 또한 분사구멍(13)은 약간의 공극을 통해서 연료통로(17)에 연통하고, 이 연료통로(17)는 물유지부(16)에 연통되어 있다. 물유지부(16)의 출구인 연료유출구(17b)는, 연소실(2)을 향하여 개구되어 있다.
물통로(11)와 물주입로(11a)의 사이에는 물주입 컨트롤밸브(12)가 개재되어 있다.
도 2(b)는 도 2(a)를 화살표A로부터 바라본 도이고, 연료분사노즐(8)의 선단부 외주의 구성을 나타내고 있다. 고리형상 수로(14)는, 연료분사노즐(8)의 선단부의 외주를 둘러싸도록 고리형상으로 형성되어 있다. 물공급로(15), 물유지부(16)는, 연료분사노즐(8)의 선단부의 외주를 따르고, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 6개의 분사구멍(13)에 대응하는 위치에 6개 형성되어 있다. 연료통로(17)에 관해서도 마찬가지로, 연료분사노즐(8)의 선단부의 외주를 따르고, 6개의 분사구멍(13)에 대응하는 위치에 6개 형성되어 있다.
이 때문에 물주입 컨트롤밸브(12)가 개방되는 것에 따라서 물통로(11)로부터 물주입로(11a)에 물이 유입되고, 물주입로(11a), 고리형상 수로(14), 물공급로(15)를 통해서 물유지부(16)에 물이 공급되고 물이 유지된다. 물주입 컨트롤밸브(12)의 밸브개방시간에 따라서 물공급로(15)에 공급되는 물의 공급량, 물유지부(16)에서 유지되는 물의 유지량이 정해진다.
또한 분사구멍(13)이 개구하면, 연료는 연료통로(17), 물유지부(16)를 통과한다. 이와 같이 물유지부(16)는 물과 공급, 유지되는 부위임과 아울러 연료가 통과하는 부위도 있고, 연료가 물유지부(16)에 유지되어 있는 물에 분사되는 것이므로, 연료와 물이 혼합한 혼합비율이 연료분출구(17b)로부터 연소실(2) 내에 분출된다.
도 2에서는 연료분사노즐(8)의 외측의 물공급기구(물통로(11), 물주입로 (11a), 고리형상 수로(14), 물공급로(15), 물유지부(16)), 연료통로(17)를 실린더헤드 (3a)에 형성하고 있지만, 도 3에 나타내는 바와 같이 연료분사노즐(8)의 외측에 물공급용 보디(18)를 설치하여, 이 물공급용 보디(18) 내에, 도 2와 마찬가지의 물공급기구(물통로(11), 물주입로(11a), 고리형상 수로(14), 물공급로(15), 물유지부(16)), 연료통로(17)를 형성하여도 좋다.
도 4(a),(b),(c)는, 도 3에 나타내는 공급용 보디(18)의 일부를 파단면으로 나타내고 있고, 분사구멍(13)의 출구 근방의 구성을 나타내고 있다.
도 4(a)는 연료분사노즐(8)의 종단면도를 나타내고, 도 4(b)는 도 4(a)를 화살표Bㄹ로부터 바라본 도 즉 분사구멍(13)의 정면으로부터 바라본 도이고, 도 4(c)는 도 4(b)를 화살표C로부터 바라본 도이다.
도 4(a)에 나타내는 바와 같이 연료통로(17), 물유지부(16)는 이들 통로 중심축이, 분사구멍(13)으로부터의 연료분사방향과 일치하도록 물공급용 보디(18)에 형성되어 있다. 연료통로(17)의 입구인 연료유입구(17a)는, 분사구멍(13)을 향하여 개구하고 있다. 연료통로(17)와 물유지부(16)는 이들 통로단면이 원형 또는 대략 원형상으로 형성되어 있고, 단면 중심(원중심)이 일치하고 있다. 연료통로(17), 물유지부(16)는 각각, 물유지부(16)의 지름쪽이 큰 다른 지름의 단면을 가지고 있다.
도 4(b)에 나타내는 바와 같아, 물공급로(15)는, 연료통로(17), 물유지부 (16)의 단면 중심으로부터 오프세트된 위치에서, 물유지부(16)에 연통되어 있다.
이하 제1실시형태의 동작에 관해서 설명한다. 또한 이하의 설명에서는 실시형태의 엔진(1)이 건설기계 등, 가동 중에 부하가 크게 변동하는 기계에 탑재된 경우를 가정하여 설명한다.
제1실시형태의 타이밍챠트는 도 5(b),(c),(d), 도 5(f),(g),(h)에 나타낸다. 도 5(b),(c),(d)는 엔진(1)이 저공전점(저공전 회전수, 무부하)에서 가동하고 있는 경우 등, 저부하시의 제어예1, 제어예2, 제어예3를 각각 나타내고, 도 5(f),(g),(h)는 엔진(1)이 정격점(정격회전수, 최대출력)에서 가동되고 있는 경우 등, 고부하시의 제어예1, 제어예2, 제어예3를 각각 나타내고 있다.
도 5는 횡축에 피스톤(4)의 왕복이동에 따라서 회전하는 크랭크축(1a)의 크랭크각도를 가지고, 크랭크각도에 대응하여, 착화(화살표로 나타낸다), 연료분사(볼록하게 나타낸다), 물주입(해칭으로 나타낸다)의 타이밍을 나타낸 것이다. 연료분사의 볼록부의 길이는, 연료분사량에 대응하고, 이 연료분사량은 상기한 바와 같이 분사구멍(13)의 개구시간에 대응하고 있다. 물주입의 해칭부의 길이는, 물주입량에 대응하고, 이 물주입량은 상기한 바와 같이 물주입 컨트롤밸브(12)의 밸브개방시간에 대응하고 있다.
도 5(a),(e)는 각각 저부하시, 고부하시에 있어서의 통상의 디젤엔진의 타이밍챠트를 나타내고 있고, 상기한 바와 같이 압축행정(하사점(B.D.C)~ 상사점 (T.D.C)) 중 상사점(T.D.C) 근방의 소정의 시기에 연료가 분사되고, 착화한다.
이하 제어예1이 ECU(5)에서 실행되는 경우에 관해서 설명한다.
ECU(5)에서 현재 엔진(1)이 저부하인 것으로 판명되면, ECU(5)는, 연료분사가 개시되는 0~ 수밀리sec 이전부터 물주입이 개시되고 연료분사의 도중에 물주입이 종료하도록, 물통로 밸브개방지령을 물주입 컨트롤밸브(12)에 출력한다. 또한 ECU(5)는, 통상의 연료분사기간(도 5(a))보다 빠른 시기에 연료분사가 개시되도록 분사구멍 개구지령을 연료분사노즐(8)에 출력한다(도 5(b)참조).
연료분사개시 전에 물주입을 시작하도록 한 것은, 분사구멍(13)으로부터 연료의 분사가 개시되기 전에 미리 물유지부(16)에 물을 유지하여 두기 위해서이다. 물유지부(16)의 최대 물유지량은, 엔진(1)이 정격점(최대출력)에서 가동하고 있는 경우의 연료량에 따른 양으로 설정하여 둔다.
물주입 컨트롤밸브(12)가 개방되면, 물통로(11)로부터 물주입로(11a)에 물이유입되고, 물주입로(11a), 고리형상 수로(14), 물공급로(15)를 통해서 물유지부 (16)에 물이 공급되고 물이 유지된다.
또한 분사구멍(13)이 개구하면, 연료분사노즐(8)로부터 연료가, 물공급로 (15)로부터 공급되고 물유지부(16)에 유지되어 있는 물을 향하여 분사된다.
물공급로(15)로부터 공급되고 물유지부(16)에 유지되어 있는 물을 향하여 연료가 분사되는 것이므로, 연료와 물이 혼합된 혼합연료가 연료유출구(17b)로부터 연소실(2) 내에 분출된다. 이 때문에 연소실(2) 내에서 연료와 물이 균등하게 분산되고, 마이크로적으로 보면 불활성의 수증기에 의해서 연료의 입자가 덮여진 상태로 되기 때문에, 연료의 착화누출이 생기고, 연료와 흡입공기의 혼합이 촉진된 상태로 연소가 시작된다. 이때문에 국소적인 연소공간에 있어서의 고온화를 피할 수 있다. 이 결과, 종래의 물에멀션 연료를 이용한 경우와 동등 이상으로 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다.
또한 도 4(b)에 나타내는 구성에 의하면, 물공급로(15)는, 연료통로(17), 물유지부(16)의 단면 중심으로부터 오프세트된 위치에서, 물유지부(16)에 연통되어 있다. 이 때문에 도 4(d)에 나타내는 바와 같이, 물공급로(15)로부터 물유지부(16)에 물이 공급되면, 물은 원심력에 의해 주로 물유지부(16)의 내주면 상에 유지된다. 이 때문에 물은, 내측을 통과하는 연료를 감싸넣도록 하여 혼합되고 외주부에 수분을 많이 포함한 혼합연료상태로 연료유출구(17b)로부터 연소실(2) 내에 분출한다. 이로써 불활성 수증기에 의해서 분무가 덮여진 상태로 되기 때문에, 연료의 착화누출이 더욱 촉진되고, 연료와 흡입공기의 혼합이 더욱 촉진된 상태로 연소가 시작된다. 이 때문에 국소적인 연소공간에 있어서의 고온화를 더욱 억제할 수 있고, 질소산화물의 생성이 더나은 억제가 도모된다.
이것을 도 5(b)에서 보면, 통상의 디젤엔진(도 5(a))보다도 빠른 시기에 연료가 분사됨에 상관없이, 착화시기가 통상의 디젤엔진보다 느리게 되어 있는 것을 알았다(도 5(a),(b) 참조).
ECU(5)에서 현재 엔진(1)이 고부하인 것이 판단되면, ECU(5)는, 마찬가지로 물통로 밸브개방지령을 물주입 컨트롤밸브(12)에 출력하고, 분사구멍 개구지령을 연료분사노즐(8)에 출력한다(도 5(f) 참조). 단 ECU(5)는, 고부하에 맞추어서, 저부하시보다 물주입량, 분사량의 절대치를 크게 하고, 양자의 비율이 다르도록 물주입량, 분사량을 변화시킨다(도 5(b),(f)참조). 이 결과, 물공급로(15)에는, 저부하시와 다른 양의 물이 공급되고, 물유지부(16)에서, 저부하시와 다른 양의 물이 유지된다. 이 때문에 물공급로(15)로부터 공급되고 물유지부(16)에 유지되어 있는 물을 향하여 분사구멍(13)으로부터 연료가 분사되면, 저부하시와 마찬가지로 하여, 연소실(2) 내에서 연료와 물이 균일하게 혼합되고, 질소산화물의 생성이 억제된다.
또한 본 제1실시형태에 의하면, 연료와 물의 혼합비를, 부하의 크기에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에 변화시킬 수 있으므로, 건설기계의 가동중, 엔진(1)에서 항시 최적의 연소가 실현된다.
또한 엔진(1)의 시동시에는, 시동성 향상을 위하여 물주입량을 영이거나 거의 영으로 하도록 제어하는 것이 바람직하다.
이상 제어예1의 경우에 관해서 설명하였지만, 제어예2의 경우에는, ECU(5)는, 제어예1의 경우보다도 빠른 시기에 물주입이 개시되고 연료분사 개시전에 물주입이 종료하도록, 물통로 밸브개방지령을 물주입 컨트롤밸브(12)에 출력한다(도 5(c),(g)참조).
또한 제어예3의 경우에는, ECU(5)는, 제어예1의 경우보다 느린 시기에 물주입이 개시되고 연료분사 종료후에 물주입이 종료하도록, 물통로 밸브개방지령을 물주입 컨트롤밸브(12)에 출력한다(도 5(d),(h) 참조).
제어예2, 제어예3의 경우도 제어예1의 경우와 마찬가지로, 종래의 물에멀션 연료를 이용한 경우와 동등 이상으로 질소산화물의 생성을 억제할 수 있고, 또한 부하가 변동하였더라도 엔진(1)에서 항시 최적의 연소를 행하게 할 수 있다.
제2의 실시형태
제1의 실시형태에서는, 물을 불활성재로서 사용하였지만 물 대신에 수증기를 불활성재로서 사용하여도 좋다.
이하 제1실시형태와 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고, 마찬가지의 것에 제1의 실시형태의 것에는 부호에 대시를 붙이는 것으로 하고, 적당 설명을 생략하여 다른 부분에 관해서 설명한다.
도 6은 도 1에 상당하는 구성을 나타내고 있다.
즉 물탱크(9) 내의 물은 물압송펌프(10)에 의해 흡입되고 물분사노즐(19)에 공급된다. 물분사노즐(19)로부터 수증기 발생실(21) 내에 물이 분사되고 수증기 발생실(21) 내에서 수증기가 생성된다. 수증기 발생실(21)은, 엔진(1)의 배기관 (20) 내에 설치되어 있다. 수증기 발생실(21)에서 발생한 수증기는 수증기 통로 (11')를통해서 연료분사노즐(8)의 분사구멍(13)의 출구 근방의 수증기 공급로 (15')(도 2참조)에 공급되고, 수증기 유지부(16')(도 2참조)에서 유지된다. 수증기 통로(11')에는 수증기 주입 컨트롤밸브(12')가 설치되어 있다. 수증기 주입 컨트롤밸브(12')가 개방되어 있는 시간에 비례한 양의 수증기가 연료분사노즐(8)의 분사구멍(13)의 출구 근방의 수증기 공급로(15')(도 2참조)에 공급되고, 수증기 유지부 (16')(도 2참조)에서 유지되게 된다.
도 7은 수증기 발생실(21)의 구성을 나타내고 있다.
수증기 발생실(21)에는 압력센서(23), 온도센서(24)가 설치되어 있음과 아울러, 배기관(20)의 배기통로(20a)에는 배기온도센서(22)가 설치되어 있다.
압력센서(23)에서 수증기 발생실(21) 내의 수증기의 압력이 검출되고, 온도센서(24)에서 수증기 발생실(21) 내의 수증기의 온도가 검출되고, 배기온도센서 (22)에서 배치통로(22a) 내의 배기의 온도가 검출되고, 이들 각 센서의 출력신호는 ECU(5)에 얻어진다. ECU(50)는 각 센서(22,23,24)의 출력을 피드백하여, 수증기 발생실(21) 내의 수증기가 소정의 압력, 온도로 되도록, 물분사노즐(19)로부터 수증기 발생실(21) 내에 분사되는 물의 분사량을 제어한다.
연료분사노즐(8)의 외측에 설치된 수증기 공급기구와 연료통로에 관해서의 구성은 상기 도2와 마찬가지이고, 동 도 2에 나타내는 바와 같이, 수증기 주입 컨트롤밸브(12')가 개방됨에 따라서 수증기 통로(11')로부터 수증기 주입로(11a')에 수증기에 유입하고 수증기 주입로(11'a), 고리형상 수증기로(14'), 수증기 공급로(15')를 통해서 수증기 유지부(16')에 수증기가 공급되고 수증기가 유지된다. 수증기 주입 컨트롤밸브(12')의 밸브개방시간에 따라서 수증기 공급로(15')에 공급되고 수증기 유지부(16')에 유지되는 수증기의 양(이하 수증기주입량이라함)이 정해진다.
도 2에서는 연료분사노즐(8)의 외측의 수증기 공급기구(수증기통로(11'), 수증기 주입로(11'a), 수증기통로(14'), 수증기 공급로(15'), 수증기 유지부(16')), 연료통로(17)를 실린더헤드(3a)에 형성되어 있지만, 도 8에 나타내는 바와 같이 연료분사노즐(8)의 외측에 수증기 공급용 보디(18')를 설치하여, 이 수증기 공급용 보디(18') 내에, 도 2와 마찬가지의 수증기 공급기구(수증기 주입로(11a), 고리형상 수증기로(14'), 수증기 공급로(15'), 수증기 유지부(16')), 연료통로(17)를 형성하여도 좋다.
도 8에 나타내는 수증기 공급용 보디(18)의 분사구멍(13) 근방의 구성은, 상기 도 4(a),(b),(c)와 마찬가지이다.
제2실시형태의 타이밍챠트는 도 9(b),(c),(d), 도 9(f),(g),(h)에 나타내진다. 도 9(b),(c),(d)는 제1실시형태의 도 5(b),(c),(d)에 상당하고, 엔진(1)이 저부하시의 제어예1, 제어예2, 제어예3를 각각 나타내고 있다. 도 9(f),(g),(h)는 제1실시형태의 도 5(f),(g),(h)에 상당하고, 엔진(1)이 고부하시의 제어예1, 제어예2, 제어예3를 각각 나타내고 있다.
도 9에 있어서의 수증기주입의 해칭부의 길이는, 상기 수증기주입량에 대응하고, 이 수증기주입량은 상기한 바와 같이 수증기주입 컨트롤밸브(12')의 밸브개방시간에 대응하고 있다.
도 9(a),(e)는 각각 저부하시, 고부하시에 있어서의 통상의 디젤엔진의 타이밍챠트를 나타내고 있다.
도 5와 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 물의 경우보다 빠른 시기로부터 분사구멍(13)의 근방에 수증기를 공급하도록 하고 있다. 이것은 수증기는, 물과 비교하면 이송속도가 느리고, 분사구멍(13)의 근방에 도달시키기에 시간이 필요로 되기 때문이다.
ECU(5)는, 제1의 실시형태의 경우와 마찬가지로 하여, 수증기 통로 밸브개방지령을 수증기주입 컨트롤밸브(12')에 출력하고, 분사구멍 개구지령을 연료분사노즐(8)에 출력한다. 단 ECU(5)는, 저부하, 고부하에 따라서, 물주입량, 분사량의 절대치를 변화시킴과 아울러, 양자의 비율이 다르도록 수증기주입량, 분사량을 변화시킨다.
이 결과, 수증기 공급로(15')에는, 부하의 크기에 따른 양의 수증기가 공급되고, 수증기 유지부(16')에서, 부하의 크기에 다른 양의 수증기가 유지된다. 이 때문에 수증기 공급로(15')로부터 공급되고 수증기 유지부(16')에 유지되어 있는 수증기를 향하여 분사구멍(13)으로부터 연료가 분사되면, 제1실시형태와 마찬가지로 하여, 연소실(2) 내에서 연료와 수증기가 균일하게 혼합되고, 착화누출이 생기고 질소산화물의 생성이 억제된다.
또한 본 제2실시형태에 의하면, 연료와 수증기의 혼합비를, 부하의 크기에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에 변화시킬 수 있으므로, 건설기계의 가동중, 엔진(1)에서 항시 최적의 연소가 실현된다.
또한 수증기는 배기관(20)의 배기열에 의해서 생성되어 있고, 배기에너지가 수증기의 압력으로 되어서 연소실(2) 내에 얻어지므로, 연비가 향상한다라는 효과가 얻어진다.
또한 상기 실시형태에 의하면, 연소실(2) 내에서 착화누출이 생기고 연료가 충분히 연소실(2) 내에서 분산된 상태에서 연소하기 위하여 국소적으로 과농축된 부분이 생기는 일없이, 매연의 생성을, 종래의 물에멀션 연료를 이용한 경우와 동등이상으로 억제할 수 있다.
상기 실시형태에서는, 분사구멍(13)으로부터 연료를 물 내지 수증기를 향하여 분사하고 있지만, 분사구멍(13)으로부터 연료를 분사하기 위해서는, 연료에 대해서 불활성, 즉 착화성이 나쁜 불활성재이면 좋고, 물, 수증기 대신에, 알콜, 물에멀션 연료를 이용하여도 좋다.
또한 본 실시형태에서는, 물유지부(16)에서 유지하도록 하고 있지만, 도 10에 나타내는 바와 같이, 물을 유지하는 일없이 물공급로(15)로부터 공급되는 물을 향하여 연료통로(17)를 통해서 연료를 분사하여도 좋다. 수증기에 관해서도 마찬가지이다.
본 발명의 디젤엔진의 연료분사장치는 연료와 물(불활성재)의 혼합비를, 부하의 크기에 따라서 임의로, 또한 단시간 사이에 변화시키는 제어를 행할 수 있으며, 또한 종래의 물에멀션연료와 동등하게 연소실 내에서 연료와 물(불활성재)을 균등하게 분산시킴으로써 물에멀션연료와 동등하게 질소산화물의 생성을 억제할 수있다.

Claims (3)

  1. 디젤엔진(1)의 연소실(2) 내를 향하여 연료를 분사하는 연료분사노즐(8); 및
    상기 연료에 대해서 불활성인 불활성재가 공급되는 불활성재 공급로(15)를 구비하고,
    상기 연료분사노즐(8)로부터 연료를, 상기 불활성재 공급로(15)로부터 공급되는 불활성재를 향하여 분사시키는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연료분사장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불활성재 공급로(15)로부터 공급되는 불활성재의 양을 제어하는 제어수단(15)을 구비한 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연료분사장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불활성재 공급로(15)에 연통하고, 상기 연료분사노즐 (8)로부터 분사된 연료가 통과하는 연료통로(16,17)를 구비하고,
    상기 불활성재 공급로(15)는, 상기 연료통로(16,17)의 단면 중심으로부터 오프세트된 위치에서, 상기 연료통로(16,17)에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연료분사장치.
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