KR20050029199A - 엔진용 작동 시스템, 키트 및 방법 - Google Patents

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KR20050029199A
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러너모세
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그린테크 모터스(이스라엘) 엘티디.
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Abstract

적어도 일부의 연료가 엔진의 연소 시스템으로의 송출 이전에 예비 가열되는 엔진용 작동 시스템 및 방법이 제공된다. 보통의 과잉 공기 비율보다 더 높은 과잉 공기 비율에서 엔진을 작동시키기 위한 제어 시스템 또한 제공된다. 시스템은 기존의 엔진 내에 설치하기 위한 키트 형태로 제공될 수 있다.

Description

엔진용 작동 시스템, 키트 및 방법 {Operating System, Kit and Method for Engine}
본 발명은 연소를 위해 엔진의 연소실에 연료를 제공하기 위한 연료 시스템 및 방법에 관한 것이고, 특히 연료는 연소실 내에서의 기화를 최대화하도록 적당한 압력에서 예비 가열되고, 지금까지보다 대체로 더 희박한 연료 공기 혼합기가 제공되고, 연료 소비의 실질적인 장점이 달성된다. 본 발명은 엔진 수명을 개선하기 위해 연소 안정성을 제공하기 위한 수단을 또한 포함하는 시스템에 관한 것이다.
내연 기관에서, 각각의 실린더의 연소실 내에서의 연소 과정을 위해 필요한 연료/공기 혼합기는 전형적으로 흡입 매니폴드 상류 또는 내부의 연료 분사 시스템 또는 카뷰레터에 의해 제공되고, 연소 가능한 혼합기는 공기 스트림 내에 동반된 크기가 다른 연료의 액적을 포함한다. 공지된 바와 같이, 상대적으로 더 낮은 온도에서, 연료 액적은 상대적으로 더 높은 온도에서보다 직경이 더 크고 공기 스트림 내에서 덜 균질적으로 분포되는 경향이 있다.
(전형적으로 카뷰레터 또는 연료 분사기에 의한) 연료 진입 지점은 통상 각각의 연소실의 흡기 포트로부터 덕트의 길이만큼 이격된다. 전형적으로, 고온 벽으로부터 멀리 이격된 연료 액적은 상대적으로 저온으로 유지되어 완전한 연료 기화를 억제하고, 더욱이 공기 스트림의 효과는 액적들의 더 큰 액적으로의 상호 흡수를 향상시킨다. 결과는 연소실에 도달하는 연료/공기 혼합기가 상대적으로 큰 크기와 상대적으로 큰 체적:표면적 비율 그리고 공기 및 연료의 비균질 혼합으로 인한 열악한 산소 이용성 때문에, 점화되었을 때 충분히 신속하게 연소될 수 없는 연료 액적을 높은 비율로 포함하는 대체로 연료가 농후한 중심 유동 부분을 포함하는 것이다. 엔진 rpm이 높을 수록, 연료가 공기 스트림의 중심으로 이동하는 경향이 크다.
따라서, 전형적으로 10% 내지 30% 사이 또는 그 이상의 연료 부분은 동력을 발생시키도록 엔진에 의해 적절하게 이용되지 않으며, 동력 사이클 내에서 불연소되어 남아있거나 늦게 연소되어, 적어도 부분적으로 오염물로 변환되고, 이는 대기로 배출되는 것을 방지하기 위해 그의 중화를 위한 배기 시스템 내의 고가의 촉매 컨버터를 요구한다. 더욱이, 연료의 불완전 연소는 또한 탄소 침착물의 형성을 생성하여, 통상 점화 유닛, 피스톤, 밸브 및 엔진의 사용 수명을 감소시킨다.
연소 효율을 증가시키려는 한 가지 시도는 연료를 분사 또는 기화 이전에 예비 가열하는 것에 초점을 맞췄다. 이 주제에 대한 많은 특허는 연료의 분무화 및/또는 부분적인 기화를 언급한다. 기화 시스템은 연료가 기화되는, 즉 연료의 가스 상태로 변환되는 시스템에 관련되어 있다. 분무화 시스템에서, 다른 한편으로, 연료 액적은 공기 스트림에 의해 동반되는 미세 액체 입자로 분해되지만, 일정량의 기화도 일어날 수 있다. 그러나, 액적 또는 입자의 존재는 아무리 미세하더라도 연소의 효율을 감소시킨다. 화학 양론적인 공연비 (즉, 공기 인자, λ(사용되는 공기/이론 공기 요구의 질량 비율)가 단위임)가 사용되더라도, 연소 과정에서의 비효율성이 여전히 있다. 통상, 이러한 비효율성은 점진적으로 연소되는 각각의 연료 액적의 외부 층의 관점에서 설명될 수 있고, 따라서 전체 연소 과정은 피스톤이 동력 행정에서 이동하기 시작할 때 계속된다. 따라서, 연소의 일부는 이러한 하강 행정 중에 존재하는 낮은 압력에서 일어나고, 따라서 연소 과정의 효율이 감소된다. 최적 성능을 얻기 위해, 모든 연소는 상사점(TDC) 근방에서 일어나고, 압력은 최고이다.
미국 특허 제4,372,278호는 연료가 많은 다른 유형의 표면상의 "기화 시스템"과 대조적으로 연료 자체의 고압 및 고온의 조합에 의해 기화된다고 말하는 엔진을 위한 연료 시스템을 설명하고, 이는 이러한 참고 문헌에 따르면 진정한 분무화 시스템이다. 그러한 높은 온도 및 압력은 각각 250℃ 및 600 psi에 달한다. 그러나, 미국 특허 제4,372,278호에 의해 설명된 시스템은 여러 단점을 갖는다. 예를 들어, 연료를 상승된 온도 및 압력으로 가열하는 것은 연료 시스템이 연료 시스템 둘레를 순환하는 고온 연료를 견디도록 설계되도록 요구한다. 그러한 시스템은 엔진의 비용을 증가시키고, 게다가 연료의 높은 온도 및 압력은 사고의 경우에 손상 및 부상의 위험을 증가시킨다.
미국 특허 제3,762,378호에서, 연료가 실린더의 연소실 내로 직접 분사되는 연료 분사 시스템이 설명된다. 연료는 실린더 내로의 분사 이전에 분사기 장치 내에서 예비 가열된다. 분사기로의 연료 라인은 실린더의 배기 도관 내에 열 교환기 장치를 포함하고, 이는 또한 연료를 예비 가열하도록 역할한다. 연료는 그의 점화 온도 위로 예비 가열되고, 연소실 내에서 점화되어 그 결과 분사기 내에서보다 더 낮은 압력 및 연소를 지원하는 산소를 가지고 주위 환경으로 도입된다. 분사기로의 연료 도관 내의 리트랙터(retractor) 밸브가 분사기 내의 연료 압력을 압력 펄스들 사이에서 연료의 임계 압력 위로 그리고 분사기의 밸브 헤드의 개방 압력 아래로 유지한다.
미국 특허 제2,881,828호는 연료 온도가 분사기로의 입구 및 출구 연료 라인들 사이의 열 교환에 의해 열역학적으로 제어되는, 디젤 엔진을 위한 연료 분사 시스템을 설명한다.
미국 특허 제3,738,334호에서, 예비 가열기 장치가 배기 가스에 결합된 열 교환기 장치를 사용하여 카뷰레터 이전에 연료를 가열한다.
또한, 종래 기술의 연료 가열 시스템은 다음의 문제점을 겪는다. 연료 액적을 고온으로 가열함으로써, 액적이 완전히 분무화되거나 기화되기 전에도 액적의 조기 연소의 가능성이 증가한다. 조기 점화 문제점이 발생될 수 있고, 연료는 완전히 연소되지 않아서, 낮은 운전 효율 및 대기로 방출되는 오염물의 증가로 이어진다. 그러한 문제점은 그러한 종래의 높은 압력 및 온도의 연료 가열 시스템에 대해 논의되거나 암시되지 않는다.
WO 00/25015호에서, 연소실 상류에서 공기-연료 혼합기 내의 연료 액적의 분무화 및 혼합을 개선하기 위한 장치가 제공된다. 더욱이, 유도 행정 중에 연소실에 분무화된 매체를 제공하기 위한 연소 안정 수단이 제공된다. 매체는 공기 혼입되어 엔진의 공기 흡입 시스템으로 흡인되는 메탄올 및 아세트산을 포함하는 것으로 설명된다. 메탄올은 아세트산의 기화 특성을 개선한다. 본 발명의 이러한 태양에 따르면, 분무화 장치가 매체의 고도의 분무화를 보장하기 위해 제공된다. 그러한 시스템은 통상 엔진의 부품을 세척하고 연료-공기 혼합기의 조기 점화 가능성을 감소시키는 것을 도울 수 있다.
미세 미스트 상태의 물을 제공함으로써 엔진 성능을 향상시키기 위한 다른 장치가 예를 들어 미국 특허 제3,767,172호 및 제4,076,002호에 설명된 바와 같이 공지되어 있다. 그러나, 내연 기관 내에서의 물 분사의 사용은 엔진 성능을 개선하지만, 밸브, 피스톤 및 점화 플러그 상의 칼슘 및 슬래그 침착물의 형성을 포함한 몇몇 결점을 갖는다.
그러므로, 본 발명의 목적은 종래 기술의 연료/공기 시스템의 한계를 대체로 극복하는 작동 시스템 (및 대응 방법), 특히 연료 시스템을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 액체 연료가 대체로 기화되는 것을 가능케 하는 것과 같은 연료를 예비 가열할 수 있는 상대적으로 낮은 압력에서 작동하는 연료 시스템을 포함하는 작동 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 엔진이 종래 기술에서보다 훨씬 더 높은 과잉 공기 비율에서 작동하는 것을 가능케 하는 작동 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 엔진 효율, 연료 소비 및 성능, 그리고 공기 오염물 감소에 있어서 현저한 개선을 제공하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특히 사고의 관점에서 사용자의 안전을 대체로 감소시키지 않는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특히 키트의 형태로 기존의 내연 기관 내에, 엔진 또는 주위의 엔진 베이 영역의 최소 또는 근소한 변형으로 설치될 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 설치 및 작동이 간단한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계적으로 비교적 간단하여 제작 및 유지가 경제적인 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제어 시스템을 간섭하거나 제어 시스템이 오작동이 있다고 믿게 하지 않으면서 엔진의 제어 시스템에 연결될 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연료의 완전 연소에 의해 내연 기관에 대해 달성되는 높은 수준의 연료 효율 및 낮은 수준의 오염을 제공하는 연료 시스템과 관련하여 적합한 연소 안정화 시스템을 제공하는 것이다.
도1은 종래 기술의 내연 기관의 공기 흡입 및 연소 시스템의 전반적인 배치를 도시한다.
도2는 종래 기술의 내연 기관의 연료 시스템의 주요 요소의 전반적인 배치를 도시한다.
도3a 및 도3b는 종래 기술의 엔진(SE)과 비교하여 본 발명의 작동 시스템을 포함하는 엔진(ME)의 연료 소비 및 토크에 대한 공기 과잉 비율의 영향을 도시한다.
도4는 본 발명의 연료 시스템의 제1 실시예의 주요 요소를 사시도로 도시한다.
도5는 본 발명의 연료 가열 시스템의 제1 실시예의 주요 요소를 사시도로 도시한다.
도6a 및 도6b는 각각 공통 도관이 있고 없는 도5의 열 교환기 장치를 사시도로 도시한다.
도7은 본 발명의 첨가제 분무화 시스템의 제1 실시예의 주요 요소를 사시도로 도시한다.
도8은 도7의 첨가제 분무화 유닛을 횡단면도로 도시한다.
도9는 본 발명의 시스템의 제1 실시예의 주요 요소를 사시도로 도시한다.
도10은 본 발명의 시스템의 제2 실시예의 주요 요소를 사시도로 도시한다.
도11은 본 발명의 시스템의 제3 실시예의 주요 요소를 사시도로 도시한다.
도12는 본 발명의 시스템의 제4 실시예의 주요 요소를 사시도로 도시한다.
도13은 도12의 시스템의 예비 가열기를 도시한다.
도14는 도12 및 도13의 예비 가열기를 부분 단면도로 도시한다.
도15는 도12 내지 도14의 예비 가열기의 일부를 단면도로 도시한다.
도16은 도15의 예비 가열기를 선X-X를 따라 취한 단면도로 도시한다.
도17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 예비 가열기의 일부를 단면도로 도시한다.
도18은 도17의 실시예의 회전자 장치를 상세하게 도시한다.
도19a 및 도19b는 도18의 실시예의 회전자의 블레이드에 대한 원심력의 효과를 부분 단면도로 도시한다.
도20은 도17의 실시예의 스크린 장치를 상세하게 도시한다.
본 발명은 내연 기관용 작동 시스템에 관한 것이고,
작동 시스템은,
(a) 연료의 적어도 일부를 연료 상기 부분의 엔진의 연소 시스템 내로의 송출 이전에, 소정의 온도로 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 연료 시스템을 포함하고,
상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 연소 시스템의 압력에서의 기화 온도를 초과하고, 즉 연료의 상기 부분이 연소 시스템의 압력에서 대체로 기화되는 것을 가능케 하기에 충분한 온도이다.
소정의 온도는 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내일 수 있다.
제1 실시예에서, 연료 시스템은,
(ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
(ⅱ) 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 부 연료 회로와,
(ⅲ) 상기 주 연료 회로 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 포함하고,
상기 분사 수단은 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 도관에 작동식으로 연결된다.
상기 분사기 수단은 하류 부 복귀 도관을 거쳐 상기 복귀 도관에 작동식으로 연결될 수 있고, 주 연료 도관은 연료가 펌프 수단 및 상기 부 연료 회로를 통해 순환되는 것을 가능케 하기 위해 적합한 펌프 수단을 포함할 수 있다.
부 연료 시스템은 탱크로부터 제1 연료 회로에 의해 제공되는 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있을 수 있다. 이러한 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함할 수 있다. 연료의 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량일 수 있다.
양호하게는, 부 연료 회로는 상기 부 복귀 도관 내에 적합한 제2 압력 밸브를 포함하고, 가열 수단은 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단을 포함할 수 있고, 상기 온도 감지 수단은 적합한 제어기에 작동식으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 제2 압력 밸브에 작동식으로 연결된다. 제어기는 양호하게는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있다.
제2 실시예에서, 연료 시스템은,
(ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
(ⅱ) 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 부 연료 회로와,
(ⅲ) 상기 주 연료 회로 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단과,
(ⅳ) 상기 주 복귀 도관 내의 연료를 냉각하기 위해 적합한 연료 냉각 수단을 포함하고,
상기 분사 수단은 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 도관에 작동식으로 연결된다.
이러한 실시예에서, 주 연료 회로는 연료가 펌프 수단 및 상기 부 연료 회로를 통해 순환되는 것을 가능케 하기 위해 적합한 펌프 수단을 포함한다. 양호하게는, 부 연료 시스템은 탱크로부터 제1 연료 회로에 의해 제공되는 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있다. 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함하고, 양호하게는 연료의 상기 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량이다.
제3 실시예에서, 연료 시스템은,
(ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
(ⅱ) 상기 주 연료 회로 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 포함하고,
상기 연료 분사 수단은 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통한다.
이러한 실시예에서, 주 연료 회로는 연료가 펌프 수단을 통해 순환되는 것을 가능케 하기 위해 적합한 펌프 수단을 포함한다. 양호하게는, 상기 펌프에 의해 순환되는 연료는 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량이다. 양호하게는, 주 연료 회로는 상기 주 복귀 도관 내에 적합한 제2 압력 밸브를 포함한다. 가열 수단은 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단을 포함할 수 있고, 상기 온도 감지 수단은 적합한 제어기에 작동식으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 제2 압력 밸브에 작동식으로 연결된다. 제어기는 양호하게는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있다.
제4 실시예 및 제5 실시예에서, 연료 시스템은,
(ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 상기 엔진의 연소 시스템과 관련된 적어도 하나의 제1 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
(ⅱ) 상기 가열 수단을 포함하는 예비 가열기 수단과 선택적으로 연통하며, 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 도관에 작동식으로 연결되어 연료의 상기 부분을 상기 예비 가열기 수단에 제공하도록 되어 있는 제2 연료 분사 수단과,
(ⅲ) 내부에서 공기와 연료의 상기 부분을 혼합하도록 되어 있는 상기 예비 가열기 수단에 소정의 공기 유동을 제공하기 위해 상기 예비 가열기 수단과 연통하는 엔진 공기 흡기 시스템으로부터의 공기 취출부를 포함하고,
(ⅳ) 상기 예비 가열기 수단은 상기 예비 가열기 수단을 거쳐 상기 소정의 온도로 가열된 공기 연료 혼합기를 연소 시스템에 제공하기 위해 상기 연소 시스템과 연통하는 부 하류 도관을 더 포함한다.
주 연료 시스템은 상기 제2 상류 연료 도관을 거쳐 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있고, 상기 부분은 전형적으로 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함한다. 연료의 상기 부분은 전형적으로 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량보다 더 적다.
예비 가열기 수단은 상기 제2 연료 분사 수단 및 상기 공기 취출부와 연통하는 챔버를 갖는 하우징을 포함한다.
제4 실시예에서, 챔버는 상기 챔버에 제공된 공기와 연료를 혼합하고 연료를 상기 소정의 온도로 가열하도록 되어 있는, 복수의 통로를 갖는 코어부를 포함한다.
제5 실시예에서, 상기 챔버는 내부에서 회전하도록 장착된 한 쌍의 대향 회전 가능한 회전자와, 상기 제2 연료 분사 수단에 의해 제공된 연료 및 상기 공기 취출부에 의해 제공된 공기를 상기 회전자를 향해 유도하여 그 위에 충돌시키기 위한 노즐 수단과, 기화된 연료 및 공기만을 통과시키도록 되어 있는 스크린 수단을 포함하고, 연료의 상기 부분을 상기 소정의 온도로 유지하기 위해 예비 가열기로부터 상기 연료로의 추가의 열 전달을 위한, 복수의 통로를 갖는 하류 코어부를 더 포함한다. 노즐 수단은 상기 제2 연료 분사 수단에 의해 제공된 상기 연료 및 상기 공기 취출부에 의해 제공된 상기 공기를 상기 회전자들 사이의 영역으로 유도하여 상기 회전자들을 대향 회전시키도록 되어 있다. 각각의 상기 회전자는 복수의 베인을 포함하고, 각각의 상기 베인은 베인의 루트에서 회전자 허브에 연결되며 베인의 선단부에서 서로 결합된 한 쌍의 벽을 포함한다. 벽들은 서로로부터 이격되어 있으며, 회전자들이 소정의 고속으로 회전될 때 상기 벽들이 서로 압박되도록 가요성 재료로부터 만들어진다. 벽은 양호하게는 메시형 재료로부터 만들어지고, 상기 벽의 메시 패턴은 상기 벽들이 서로 압박될 때, 하나의 벽의 메시의 개방 공간의 적어도 일부가 다른 벽의 메시의 개방 공간 위에 중첩되지 않도록 되어 있다.
제5 실시예의 스크린 수단은 전형적으로 서로에 대해 중첩된 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재를 포함하고, 상기 제1 메시 부재 및 상기 제2 메시 부재 중 적어도 하나는 각각 상기 제2 메시 부재 또는 상기 제1 부재에 대해 회전 가능하고, 상기 제1 메시 부재의 개방 공간의 적어도 일부는 제2 메시 부재의 개방 공간 위에 중첩되지 않는다. 양호하게는, 상기 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재는 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재가 서로에 대해 회전될 때 그들 사이의 유효 개방 영역이 증가되거나 감소되지 않도록 메시 형상을 포함한다. 스크린 장치는 양호하게는 상기 유효 개방 영역을 증가시키거나 감소시키기 위해 상기 제2 메시 부재에 대해 상기 제1 메시 부재를 자동으로 그리고 선택적으로 회전시키기 위해 적합한 메커니즘을 더 포함한다.
제4 및 제5 실시예는 양호하게는 상기 부 연료 분사 수단을 원하는 대로 작동시키기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함한다.
모든 실시예에서, 가열 수단은 적합한 열 교환기 장치를 포함하고, 이에 의해 엔진의 냉각 시스템 내에서 발생한 열이 가열되는 연료에 제공된다. 열 교환기 장치는 엔진의 냉각 시스템에 작동식으로 연결된 열 교환 도관을 포함하고, 상기 열 교환 도관은 상기 분사기 수단을 통해 유동하는 연료가 가열되는 것을 가능케 하도록 상기 분사기 수단을 통과한다. 선택적으로, 열 교환 도관은 적합하게는 상기 연료와의 열 교환을 향상시키도록 주름진다. 가열 수단은 상기 연료를 엔진의 온도에 관계없이 가열하기 위해 적합한 보조 가열 수단을 선택적으로 또는 추가로 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 보조 가열 시스템은 전기 가열기를 포함한다.
모든 실시예에서, 연료 분사 수단은 복수의 연료 분사기를 포함할 수 있고, 각각의 분사기는 엔진의 실린더와 관련되고, 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 단부를 포함한다. 복수의 연료 분사기들은 공통 도관을 거쳐 상호 유체 연통한다.
모든 실시예에서, 분사 수단은 연료를 엔진의 연소실에 직접 제공할 수 있다. 선택적으로, 분사 수단은 연료를 엔진의 연소실 상류의 공기 흡기 시스템에 제공한다.
양호하게는, 작동 시스템은,
(b) 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하고,
상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 엔진이 (a) 내에 연료 가열 수단을 포함하는 연료 시스템 대신에 보통의 연료 시스템에 의해 작동될 때, 상기 작동 시스템이 없이 작동되는 상기 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된다.
기준 과잉 공기 비율은 전형적으로 약 0.96 내지 약 1.04 사이이고, 상기 목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.3이다.
양호하게는, 목표 공기 과잉 비율은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함하는 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공한다. 기준 과잉 공기 비율은 전형적으로 질량 기준으로 약 14.7 내지 1의 공연비에 대응한다.
모든 실시예에서, 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때, (b)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 그러한 경우에, 상기 제어 수단은 엔진의 상기 연료 분사 수단에 작동식으로 연결될 수 있다.
임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때, (b)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출될 수 있고, 상기 제어 수단은 상기 공기 흡기 수단에 작동식으로 연결된다.
상기 제어 수단은 적합한 컴퓨터 또는 전자 수단을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 제어 수단은 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함된다.
특히 제4 및 제5 실시예에 대해, 상기 제어 수단은 양호하게는 상기 엔진의 제어 시스템으로부터 분리되어 있고, 상기 제어 수단은 상기 부 연료 분사 수단의 작동을 제어하고, 상기 주 연료 분사 수단을 상기 목표 과잉 공기 비율에서 작동시키도록 엔진의 상기 제어 시스템에 적절한 신호를 제공하도록 되어 있다. 유리하게는, 상기 제어 수단은 상기 엔진의 공기 흡기를 결정하기 위해 사용되는 적어도 하나의 엔진 센서에 작동식으로 연결되고, 상기 제어 수단은 상기 적어도 하나의 센서에 의해 정상적으로 제공되는 신호를 모방한 적합한 신호를 상기 제어 시스템에 제공하고, 상기 모방 신호는 상기 제어 시스템이 상기 부 연료 분사 수단을 거쳐 제공되는 연료에 대해 교정된, 상기 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 요구되는 연료 유동을 제공하도록 상기 주 분사 수단을 작동시키는 것을 가능케 한다.
본 발명은 또한 상기 엔진 내에 포함된 연소실로 분무화된 매체를 송출하기 위해, 본원에서 한정된 바와 같은 엔진 작동 시스템과 함께 사용하기 위한 첨가제 분무화 유닛에 관한 것이고,
상기 첨가제 분무화 유닛은,
상기 매체의 체적을 보유하기 위한 재충전 가능한 저장소와,
분무화 유닛과,
상기 저장소와 상기 분무화 유닛 사이와, 상기 분무화 유닛과 상기 엔진의 상기 흡기 시스템 사이에 각각 유체 연통을 제공하기 위해 적합한 제1 및 제2 유체 라인을 포함한다.
첨가제 분무화 유닛은 상기 제1 유체 라인 내에 적합한 필터를 더 포함할 수 있다. 분무화 유닛은 바닥 측면에 공기 흡입 수단을 갖는 하우징과, 상기 매체를 공기 혼입하기 위한 공기 혼입 장치와, 공기 혼입되고 기화된 매체를 수집하기 위한 상부 수집 체적과, 상기 제2 유체 라인을 거쳐 상기 엔진 흡기 시스템과 유체 연통하는 출구 수단을 포함할 수 있다. 공기가 적합한 공기 필터와 연통하는 적합한 공기 파이프를 거쳐 상기 공기 흡입 수단에 제공될 수 있다. 첨가제 분무화 유닛은 상기 분무화 유닛 내에서 매체의 레벨을 유지하기 위해 적합한 레벨 검출기에 작동식으로 연결된 자동 충전기 수단을 더 포함할 수 있다. 매체는 전형적으로 메탄올과 아세트산의 혼합물을 포함하고, 혼합물은 전형적으로 약 60 내지 80 체적%의 메탄올과 약 40 내지 20 체적%의 아세트산을 포함한다.
첨가제 분무화 유닛은 양호하게는 상기 분무화 유닛과 상기 엔진의 상기 흡기 시스템 사이에 유체 연통을 제공하기 위해 엔진의 공기 흡기 시스템 내에 설치된 분배 칼라를 더 포함한다.
본 발명은 또한 내연 기관을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이며,
방법은,
(A) 연료의 적어도 일부를 연료의 상기 부분의 엔진의 연소실 내로의 송출 이전에, 소정의 온도로 가열하는 단계를 포함하고,
상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 연소 시스템의 압력에서의 기화 온도를 초과하고, 즉 연료의 상기 부분이 연료의 부분이 송출되는 연소 시스템 내의 압력에서 대체로 기화되는 것을 가능케 하기에 충분한 온도이다.
소정의 온도는 전형적으로 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내이다. 연료의 상기 적어도 일부는 본원에서 한정된 바와 같은 연료 시스템에 의해 가열될 수 있다.
방법은 양호하게는,
(B) 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 과잉 공기 비율을 제공하기 위해 상기 엔진으로의 공연비를 제어하는 단계를 더 포함하고,
상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 엔진이 단계(A)가 상기 엔진에 적용되지 않는 대응하는 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된다.
상기 기준 과잉 공기 비율은 전형적으로 0.96 내지 1.04 사이이고, 상기 목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.3이다. 양호하게는, 상기 목표 공기 과잉 비율은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공한다. 상기 기준 과잉 공기 인자는 전형적으로 질량 기준으로 약 14.7의 공연비에 대응한다.
임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태로 운전될 때, (B)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 상기 과잉 공기 비율은 엔진의 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 적합한 제어 수단에 의해 제어될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태로 운전될 때, (B)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출될 수 있고, 상기 과잉 공기 비율의 상기 제어는 예를 들어 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함될 수 있는 적합한 컴퓨터 수단 및/또는 전자 제어 수단을 포함한, 적합한 제어 수단에 의해 수행된다.
본 발명은 또한 내연 기관에 작동 시스템을 설치하기 위한 키트에 관한 것이고,
키트는,
연료의 적어도 일부를 연료의 상기 부분의 엔진의 연소 시스템 내로의 송출 이전에, 가열하기 위한 가열 수단을 포함하고,
상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 상기 연소 시스템의 압력에서의 연료의 기화 온도를 초과하고, 즉 연료의 상기 부분이 연료의 부분이 송출되는 연소 시스템 내의 압력에서 대체로 기화되는 것을 가능케 하기에 충분하다. 소정의 온도는 전형적으로 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내이다.
키트는 기존의 엔진에 대해 설치되도록 되어 있는, 제1, 제2, 제3, 제4 또는 제5 실시예 중 하나에 따른 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예의 스템으로부터 얻어진 키트는 전형적으로 상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와 하류 주 복귀 도관을 포함하며, 상기 압력 밸브 상류에 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 주 연료 회로를 포함하는 엔진과 함께 사용하기 위한 것이고,
상기 키트는,
(ⅰ) 상기 주 도관을 상기 탱크로부터 상기 연료 분사 수단으로가 아닌 탱크로부터 직접 상기 압력 밸브로 재유도하기 위한 제1 도관 수단과,
(ⅱ) 상기 연료 분사 수단을 상기 제1 도관 수단에 작동식으로 연결하기 위한 제2 도관 수단과,
(ⅲ) 상기 연료 분사 수단의 하류 단부를 상기 압력 밸브가 아닌 상기 주 복귀 도관에 작동식으로 연결하기 위한 제3 도관 수단과,
(ⅳ) 상기 연료 분사 수단 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 포함한다.
상기 제1 도관 수단 및 상기 제2 도관 수단은 전형적으로 탱크로부터 주 연료 도관에 의해 제공되는 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있다. 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 이상, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함할 수 있고, 양호하게는 연료의 상기 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량이다.
상기 제3 도관 수단 회로는 양호하게는 상기 부 복귀 도관 내에 적합한 제2 압력 밸브를 포함한다.
키트의 가열 수단은 양호하게는 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단을 포함하고, 상기 온도 감지 수단은 적합한 제어기에 작동식으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 제2 압력 밸브에 작동식으로 연결된다. 제어기는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있다.
키트는 양호하게는,
기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하고,
상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 키트의 부재 시의 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된다.
목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.3이고, 양호하게는 상기 목표 공기 과잉 비율은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공한다.
키트는 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율이 상기 키트의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되도록 될 수 있고, 상기 제어 수단은 엔진의 상기 연료 분사 수단에 작동식으로 연결될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율은 상기 키트의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출될 수 있고, 제어 수단은 상기 공기 흡기 수단에 작동식으로 연결될 수 있으며, 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함될 수 있는 적합한 컴퓨터 수단을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 제4 또는 제5 실시예의 시스템으로부터 얻어진 키트는 전형적으로 상류 주 도관을 거쳐 복수의 주 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 연료 탱크와 하류 주 복귀 도관을 포함하며, 요구되는 작동 연료 송출 압력을 제공하기 위해 적합한 수단을 포함하는 주 연료 회로를 포함하는 엔진과 함께 사용하기 위한 것이고,
상기 주 연료 회로는 상기 압력 밸브 상류에 제1 연료 분사 수단을 포함하고, 상기 주 연료 분사 수단은 엔진의 연소 시스템과 관련되고, 상기 엔진은 상기 연소 시스템에 공기를 제공하기 위한 공기 흡기 시스템과, 상기 주 연료 분사 수단을 작동시키기 위한 제어 시스템을 더 포함하고,
상기 키트는,
(ⅰ) 상기 주 연료 도관을 상기 주 복귀 도관과 작동식으로 연결하며, 상기 키트가 없이 작동될 때 상기 엔진에 대한 작동 연료 송출 압력을 감소시키기 위한 압력 밸브 및 탭을 포함하는 우회 도관과,
(ⅱ) 상기 가열 수단을 포함하며, 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 연료 도관에 작동식으로 연결되어 연료의 상기 부분을 상기 예비 가열기 수단에 제공하도록 되어 있는 제2 연료 분사 수단을 더 포함하는 예비 가열기 수단과,
(ⅲ) 내부에서 상기 공기와 연료의 상기 부분을 혼합하도록 되어 있는 상기 예비 가열기 수단에 소정의 공기 유동을 제공하기 위해 상기 엔진 공기 흡기 시스템과 상기 예비 가열기 수단 사이에 연통을 제공하는 공기 취출 도관을 포함하고,
(ⅳ) 상기 예비 가열기 수단은 상기 예비 가열기 수단을 거쳐 상기 소정의 온도로 가열된 공기 연료 혼합기를 연소 시스템에 제공하기 위해 상기 연소 시스템과 연통하는 부 하류 도관을 더 포함한다.
이러한 키트에서, 상기 제2 연료 도관은 송출 연료 유동의 상기 부분을 상기 예비 가열기로 채널링하도록 되어 있고, 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함할 수 있고, 연료의 상기 부분은 전형적으로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량보다 대체로 더 적다. 예비 가열기는 제4 또는 제5 실시예에 대해 설명된 것과 대체로 유사하다.
이러한 키트는 또한 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 또한 포함하고, 상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 키트가 없이 작동될 때의 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된다. 이러한 제어 수단은 제4 또는 제5 실시예의 작동 시스템에 대해 설명된 것과 대체로 유사하고, 상기 부 연료 분사 수단의 작동을 제어하고 상기 주 연료 분사 수단을 상기 목표 과잉 공기 비율에서 작동시키도록 엔진의 상기 제어 시스템에 적절한 신호를 제공하도록 되어 있다. 따라서, 전형적으로, 제어 수단은 상기 엔진의 공기 흡기를 결정하기 위해 사용되는 적어도 하나의 엔진 센서에 작동식으로 연결되고, 상기 제어 수단은 상기 적어도 하나의 센서에 의해 정상적으로 제공되는 신호를 모방한 적합한 신호를 상기 제어 시스템에 제공하고, 상기 모방 신호는 상기 제어 시스템이 상기 부 연료 분사 수단을 거쳐 제공되는 연료에 대해 교정된, 상기 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 요구되는 연료 유동을 제공하도록 상기 주 분사 수단을 작동시키는 것을 가능케 한다. 제어 수단은 또한 상기 공기 흡기 수단에 작동식으로 연결된다. 제어 수단은 전형적으로 적합한 컴퓨터 수단 또는 적합한 전자 제어 수단을 포함한다.
본 발명은 또한 내연 기관에 전형적으로 키트 형태인 제1 실시예와 유사한 작동 시스템을 설치하기 위한 방법에 관한 것이고,
상기 엔진은,
상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와 하류 주 복귀 도관을 포함하며, 상기 압력 밸브 상류에 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 주 연료 회로를 포함하고,
상기 방법은,
(ⅰ) 상기 주 도관을 상기 탱크로부터 상기 연료 분사 수단으로가 아닌 탱크로부터 직접 상기 압력 밸브로 재유도하는 단계와,
(ⅱ) 상기 연료 분사 수단을 상기 재유도된 주 도관에 작동식으로 연결하는 단계와,
(ⅲ) 상기 연료 분사 수단의 하류 단부를 상기 압력 밸브가 아닌 상기 주 복귀 도관에 작동식으로 연결하는 단계와,
(ⅳ) 상기 연료 분사 수단 내에 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 제공하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 또한 내연 기관에 엔진 작동 시스템을 설치하기 위한 방법에 관한 것이고,
시스템의 제4 또는 제5 실시예에 따른 키트를 상기 엔진에 제공하는 단계를 포함하고,
(ⅰ) 상기 키트가 없이 작동될 때 상기 엔진에 대한 작동 연료 송출 압력을 감소시키기 위해 상기 주 연료 도관 및 상기 주 복귀 도관을 우회하는 단계와,
(ⅱ) 주 연료 도관을 예비 가열기 수단에 작동식으로 연결하는 단계와,
(ⅲ) 엔진 공기 흡기 시스템으로부터 예비 가열기로 공기를 취출하는 단계와,
(ⅳ) 예비 가열기 수단의 출구 단부를 엔진의 연소 시스템으로 유도하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 본 명세서의 개시 내용에 포함되는 것으로 읽혀지는 내용의 청구범위에 의해 한정되며, 이제 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 설명될 것이다.
상대적인 위치 용어 "상류" 및 "하류"는 본원에서 달리 지정되지 않으면, 대체로 공기, 연료 및 그의 혼합기를 포함하는 유체의 각각의 유동 방향으로부터 멀어지는 방향 및 유동 방향을 따른 방향을 언급한다.
기화 온도라는 용어는 연료가 주어진 압력에서 대체로 기화되는 온도를 언급한다. 따라서, 연료 시스템 압력에서와 같은 고온에서의 연료의 기화 온도는 엔진의 상류 연소 시스템 내에 전형적으로 존재하는 것과 같은 주위 기압 또는 주위보다 낮은 기압에서의 기화 온도보다 더 높다.
본 발명은 연료가 연소실 내에서의 그의 연소 이전에 대체로 완전히 기화되는 것을 가능케 하기 위해 예비 가열된 연료를 적당한 압력에서 내연 기관으로 공급하도록 되어 있는 연료 시스템을 포함하는 내연 기관용 작동 시스템에 관한 것이다. 특히, 작동 시스템은 종래 기술에 의해 제안된 것보다 대체로 더 희박한 연료-공기 혼합기가 엔진에 제공되어 연료 소비를 포함한 성능을 개선하도록 공연비를 제어하기 위한 수단을 또한 포함한다. 본 발명은 또한 기화된 매체를 상기 엔진 내에 포함된 연소실로 송출하여, 가열 연료 시스템에 대한 추가의 이점을 제공하기 위한 개선된 연소 안정 시스템에 관한 것이다.
다음의 설명은 오토 사이클로 작동하는 내연 기관에 관한 것이지만, 필요한 변경을 가하여 디젤 엔진을 포함한 다른 내연 기관에도 적용될 수 있다. 유사하게, 다음의 설명은 왕복 피스톤 엔진의 실린더에 관한 것이지만, 예를 들어 반켈 엔진을 포함한 임의의 다른 유형의 내연 기관에도 적용될 수 있다.
도1을 참조하면, 전형적인 종래의 내연 불꽃 점화 엔진(1)은 (도시되지 않은) 크랭크 샤프트에 작동식으로 연결된 내부 왕복 피스톤(123) 및 상부 연소실(122)을 갖는 적어도 하나의 실린더(110)를 포함한다.
상기 실린더(110)는 공기 및 연료를 분리하여 도입하기 위한 수단을 더 포함한다. 엔진(1)의 공기 흡입 시스템은 전형적으로 공기 흡입 덕트(160) 및 흡기 매니폴드(165)를 포함한다. 공기 흡입 덕트(160)는 흡입 밸브(112)를 갖는 흡입 포트(162), 및 전형적으로 대기로부터 직접 흡기 매니폴드(165)를 거쳐 또는 (도시되지 않은) 과급 시스템을 거쳐 제공되는 공기 공급과 유체 연통한다. 공기 흡입 덕트(160)는 전형적으로 엔진 블록 상에 장착된 엔진(1)의 실린더 헤드 내에 포함된다. 액체 연료가 공기 흡입 덕트(160)와 유체 연통하는 연료 흡입 파이프 또는 분사기(170)에 의해 제공된다. 전형적으로, 흡기 매니폴드(165) 내에 위치되거나 연소실(122) 자체 내에 분사기 노즐을 갖는, 엔진(1)의 각각의 실린더(110)에 대한 분리된 연료 분사기(170)가 있다. (선택적으로, 상기 실린더(110)는 예를 들어 (도시되지 않은) 카뷰레터 내에서 이미 어느 정도 예비 혼합된 공기 및 연료를 도입하기 위한 수단을 포함하고, 상기 수단은 상기 흡기 매니폴드(165)를 거쳐 상기 공기 흡입 덕트(160)와 유체 연통한다.) 전형적으로, 매니폴드(165)는 상류 단부를 포함하고, 하류에서 엔진(1) 내의 상기 실린더(110)의 개수와 관련된 개수의 분지부로 분지된다. 다른 배열이 본 기술 분야에서 공지되어 있다. 상기 실린더(110)는 배기 밸브(114)를 갖는 연소실(122) 내의 배기 포트(131)와 유체 연통하는 배기 덕트(130)를 포함하는, 동력 행정 후에 실린더의 유체 내용물을 배기시키기 위한 수단을 더 포함한다. 상기 실린더(110)는 점화 플러그 등과 같은 점화기 수단(118)을 더 포함한다.
대부분의 종래의 내연 불꽃 점화 엔진은 4행정 사이클로 작동하지만, 몇몇 엔진은 2행정 사이클로 작동한다. 전형적인 4행정 오토 사이클에서, 제1 흡입 행정은 피스톤(123)의 하향 이동으로 구성되고, 흡입 밸브(112)는 개방되어 흡입 매니폴드로부터 적절한 공기/연료 혼합기를 흡입하도록 동기화되고, 연료 분사기(170)는 소정의 파라미터에 따라 전형적으로 엔진 컴퓨터에 의해 제어되는 동기화된 시간에 소정량의 연료를 공기 스트림 내로 도입한다. 압축 행정으로도 알려진 제2 행정에서, 피스톤(123)은 상향 이동하여 공기/연료 혼합기를 연소실(122) 내로 압축시킨다. 전형적으로, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하기 직전에, 공기/연료 혼합기는 점화기 수단(118)에 의해 점화된다. 신속한 연소가 일어나고, 높은 온도 및 압력을 갖는 연소 가스의 생성이 수반된다. 동력 행정인 제3 행정에서, 고압 연소 가스는 피스톤(123)을 하방으로 이동시켜서, 크랭크 샤프트를 거쳐 회전 출력을 제공한다. 제4 배기 행정에서, 배기 밸브(114)는 피스톤(123)이 다른 사이클을 다시 시작하기 위해 상사점으로 상방으로 이동할 때 연소 가스가 실린더(110)로부터 외부로 유동할 수 있도록, 개방되도록 동기화된다.
불꽃의 시점 및 지속 시간과, 공기/연료 혼합기의 비율은 엔진 속도 및 부하에 따라 변하며 신중하게 제어되어야 하는 중요한 파라미터이다. 정상 상태 조건에서, 공연비는 약 14.7:1에서 대체로 일정하게 유지된다. 기계식 시스템이 과거에 제어를 위해 사용되었지만, 적합한 연료 분사 시스템에 작동식으로 연결된 전자식 마이크로 프로세서가 더 우수하고 더 신뢰할 수 있는 제어를 제공하며 본 기술 분야에서 공지되어 있다.
종래 기술의 연료 시스템에서, 연료가 주어진 시스템 압력에서 공기 흡기 시스템에 제공될 때, 흡기 시스템의 상대적으로 낮은 주위 압력은 내부에서 연료의 팽창 및 냉각을 일으킨다. 이는 결국 연료 기화의 가능성을 감소시키고, 대신에 연료는 이미 전술한 문제점에 의해 액적을 형성할 수 있다.
도2를 참조하면, 종래 기술의 전형적인 연료 시스템(250)은 송출 도관(210)을 거쳐 분사기(170)에 (전형적으로 2-3 바아의 게이지 압력으로) 가압된 액체 연료를 제공하기 위한 (도시되지 않은) 연료 펌프를 갖는, 전형적으로 감압된 연료 탱크(201)를 포함한다. 복귀 도관(220)은 송출 연료 압력을 소정의 한계 사이에 유지하도록 역할하는 압력 밸브(204)를 거쳐 탱크(201)로 미사용 연료 대부분을 복귀시킨다. 전형적으로 유동의 10%보다 훨씬 적은 공급 도관(210)으로부터의 소량의 연료가 분사기(170)에 의해 실제로 분사되고, 나머지는 탱크로 복귀된다. 그러한 배열이 보통 양호하고, 이는 일정한 연료 송출 압력이 분사기에 연료를 제공하기 위해 엄격하게 요구되는 적은 유량보다 훨씬 더 높은 연료 유량에서 더 쉽고 더 경제적으로 제공될 수 있기 때문이다.
도2를 계속 참조하면, 엔진의 냉각 시스템(260)은 전형적으로 냉각 재킷 및 물 도관(265)을 거쳐 엔진 케이스를 통해 물을 순환시키는 방열기(206)를 포함하는 수냉식이다.
본 발명에 따른 작동 시스템(900)은 연소 행정에서 연료의 완전 연소가 TDC에서, 즉 동력 행정 내에서 이용 가능한 최고 압력에서 대체로 즉각적으로 달성될 수 있도록, 연료가 대체로 엔진의 각각의 실린더 또는 연료 분사 시스템으로 송출되도록 연료를 적당하게 예비 가열하는 것에 관한 것이다.
본 발명자는 본 발명에 따른 연료 시스템이 내연 기관에 적용되었을 때, 연료 소비의 실질적인 개선이 과잉 공기 비율(공기 인자(λ)로도 알려짐)을 1.8까지 증가시킴으로써 달성될 수 있다는 것을 관찰하였다. 사실, 본 발명에 따르면, 토크의 감소가 (약 1.4인) 최적 과잉 공기 비율에서 얻어지는 것과 비교하여 더 높은 과잉 공기 비율에서 경험될 수 있지만, 이는 더 높은 과잉 공기 비율에서 작동하기 어려운 본 기술 분야의 표준 엔진과 잘 비교된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 작동 시스템(900)은 종래 기술에 의해 제안된 것보다 훨씬 더 높은 과잉 공기 비율을 제공하기 위해 적합한 수단을 포함하여, 낮은 수준의 오염과 결합된 증가된 연료 효율로 이어진다. 특히, 작동 시스템(900)은 전형적으로 본 발명의 연료 가열 시스템과 함께 작동했을 때, 엔진의 출력, 토크 및 연료 소비를 최적화하는 과잉 공기 비율을 제공한다.
본 발명자는 또한 본 발명에 따른 작동 시스템 및 특히 연료 시스템이 본 발명에 따른 연소 안정 수단을 더 포함할 때, 연료 시스템의 잠재적인 이점이 훨씬 더 긴 기간에 걸쳐 그리고 그러한 수단이 없는 것보다 더 신뢰할 수 있게 실현될 수 있다는 것을 관찰하였다.
본 발명에서, 연료는 보통의 연료 송출 압력(전형적으로 2-3 바아 게이지)에서의 연료의 기화 온도의 충분히 아래의 온도로 예비 가열된다. 전형적으로, 연료는 60℃ 내지 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 85℃ 사이로 가열된다. 온도의 정밀한 최적 범위는 통상 특정 연료에 의존하고, 몇몇 연료에 대해, 최적 온도는 100℃ 위이거나 실제로 60℃ 아래일 수 있다. 이러한 연료 온도 및 압력은 액체 연료 분사기 노즐을 거쳐, 연료가 공기 흡기 시스템 내로 분출됨과 동시에, 연료가 시스템 내에서 대체로 완전히 액체인 것을 보장하기에 충분히 낮지만, 갑작스런 압력 저하가 흡기 시스템 내에서 발생하고, 연료의 냉각은 그의 기화를 방지하기에 불충분하다. 더욱이, 연료 시스템은 액체 연료만이 연료 탱크로부터 공기 흡기 시스템 내의 연료 출구로 제공되는 것을 보장하고, 적당한 연료 온도 및 압력에서, 대체로 기상의 연료는 시스템의 이러한 부분을 통과하지 않는다. 몇몇의 종래 기술의 시스템에서, 공기 흡기 시스템의 벽이 연료에 대한 냉각 효과를 제공하고, 그러므로 연료는 이러한 효과를 상쇄하기 위해 매우 높은 온도로 가열될 필요가 있으며 동시에 고압 시스템이 시스템 내에서 조기 기화를 방지하도록 요구된다고 가정되었다.
도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이, 엔진이 전형적으로 종래 기술의 경우에서와 같이 약 1 또는 약 0.96 내지 약 1.04의 범위 내의 표준 과잉 공기 비율(공기 인자 또는 "λ"로도 알려짐)에서, 즉 약 14.7:1의 공연비에서 작동할 때, 본 발명의 연료 예비 가열 시스템(ME)은 이러한 예비 가열이 없는 보통의 엔진(SE)에 비해 연료 소비 및 토크의 관점에서, 성능에 있어서 몇몇 이점을 제공한다. 연료의 예비 가열이 없는 그러한 엔진은 본원에서 기준 엔진으로 언급된다. 그러나, 과잉 공기 비율이 증가됨에 따라, 최대 토크와 거의 동일한 토크는 λ=1에서 작동하는 보통의 엔진에서 얻어지는 바와 같이, λ=1.28에서 예비 가열 시스템을 사용하여 얻어지지만, 비연료 소비(specific fuel consumption)가 상당히 감소된다. 본 발명의 작동 시스템을 사용하는 임의의 특정 엔진에 대한 최적 과잉 공기 인자는 엔진마다 변할 수 있고, 전형적으로 엔진은 그에 대한 이상적인 과잉 공기 비율을 결정하기 위해 적합한 보정을 요구한다. 당연히, 임의의 특정 엔진에 대한 실제 과잉 공기 인자는 부하, rpm, 점화 시점 및 연료 온도를 포함한 엔진 상태에 따라 변할 수 있다.
본 발명에 따라 요구되는 더 희박한 연료 공기 혼합기는 분사기로의 연료량을 감소시킴으로써 제공될 수 있으며, 이는 연료 소비를 감소시키고, 선택적으로 이는 예를 들어 과급에 의해 실린더로 도입되는 공기의 체적 유량을 증가시킴으로써 달성될 수 있으며, 이는 적당한 연료 소비를 유지하면서 엔진에 의해 발생되는 토크를 증가시키고, 이는 유사한 과급식 보통 엔진보다 연료 소비가 더 낮지만 보통의 과잉 공기 비율에서 연료 예비 가열이 없이 운전된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 작동 시스템(900)은,
(a) 연료의 적어도 일부를 연료의 상기 부분의 엔진의 연소실 내로의 분사 이전에, 적합한 온도로 가열하도록 되어 있는 적합한 연료 시스템을 포함하고,
상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 연료의 상기 부분이 연료의 부분이 분사되는 연소 시스템 내의 압력에서 기화되는 것을 가능케 하기에 충분하다.
특히, 작동 시스템은,
(b) 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하고,
상기 기준 과잉 공기 비율은 대응하는 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련되고, 상기 대응하는 엔진은 (a) 내에 가열하기 위한 상기 수단을 포함하지 않는다.
전형적으로, 송출 연료 압력은 5 바아 게이지보다 더 작고, 더욱 전형적으로 3 바아 또는 1.8 바아 게이지보다 더 작다.
본 기술 분야의 보통의 엔진에 대한 기준 과잉 공기 비율은 정상 상태(주행 또는 아이들링)에서 보통 1.0이고, 실제로 약 0.96 내지 약 1.04 사이의 범위일 수 있다. 본 발명에 따르면, 엔진이 운전되는 목표 과잉 공기 비율은 동일 유형의 엔진에 대한 공칭 또는 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 크다.
따라서, 적합한 제어 수단은 전형적으로 연료 분사 유량을, 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.27 내지 약 1.3 사이의 과잉 공기 비율을 제공하도록 제어하고, 그리고 훨씬 더 양호하게는 최적 연료 소비 및/또는 최적 토크를 제공하기 위한 과잉 공기 비율로 제어하도록 되어 있다.
연소 시스템이라는 용어는 본원에서 주로 엔진의 실린더의 연소실 상류의 공기 흡기 시스템의 일부를 언급하고, 또한 특히 연소실이 그에 연결된 상류 공기 흡기 시스템과 유체 연통할 때 연소실도 포함한다. 따라서, 연료의 이러한 부분은 연소 이전에, 특히 압축 행정 이전에 연소실 내로 직접 분사될 수 있지만, 더욱 전형적으로 흡입 밸브를 거쳐 흡입 공기와 함께 연소실 내로 이후에 진입하도록 상류 공기 흡기 시스템으로 분사될 수 있다.
따라서, 도4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진 작동 시스템(900)은 연료를 소정의 온도로 가열하기 위한 연료 시스템(100)과, 과잉 공기 비율을 제어하기 위해 적합한 제어 수단(500)을 포함한다. 그 자체로도 신규한 연료 시스템(100)은 주 연료 도관(15) 등을 거쳐 압력 밸브(25)에 작동식으로 연결된, 연료 펌프(8)를 갖는 연료 탱크(10), 전형적으로 감압 탱크와, 하류 주 복귀 도관(18)을 포함하는 제1 연료 회로를 포함한다. 부 연료 회로는 T-접합부(28) 등을 거쳐 밸브(25) 상류의 주 도관(15)으로부터 분지되어, 전형적으로 플리넘 또는 공통 도관(27)을 거쳐 인접한 실린더들의 분사기 수단(20)에 작동식으로 연결된 부 도관(16)을 포함한다. 분사기 수단(20)은 연료를 연소 시스템에 원하는 대로 선택적으로 제공하거나 제공하지 않도록 연소 시스템과 선택적으로 연통한다. 주 도관(15) 및 부 도관(16)은 전형적으로 약 10%보다 적은 주 도관(15) 내의 연료 유동의 작은 부분만이 부 도관(16)을 통해 유동하도록 방향 전환되도록 하는 크기이다. 압력 밸브(25)는 주 도관(15) 및 부 도관(16) 내의 상류에서 전형적으로 약 2 바아 내지 약 3 바아 게이지 압력의 범위 내의 대체로 일정한 압력을 유지하도록 되어 있다. 기화된 연료를 포함할 수 있는 저압 연료는 상기 밸브(25)로부터 주 복귀 도관(18)을 거쳐 탱크(10)로 복귀된다.
연료 분사 수단(20)은 양호하게는 엔진의 각각의 실린더에 대해 개별 연료 분사기를 포함한다. 전형적으로, 연료 분사 수단(20)은 전형적으로 "대기압" 엔진에 대해 약 -0.6 내지 0 바아 게이지 압력의 압력이고 과급식 엔진에 대해 -0.6 내지 1.5 바아 게이지 압력인 연료를 공기 흡기 시스템에 (또는 디젤 엔진에서는 실린더에 직접) 제공한다.
연료 시스템(100)은 부 연료 유동, 즉 부 도관(16)을 거쳐 분사기 수단으로 유동하는 연료를 적합하게 제어되는 소정의 온도로 가열하기 위해 적합한 주 가열 수단(300)을 더 포함한다. 그러한 가열 수단은 임의의 접합한 가열 시스템을 포함할 수 있고, 예를 들어 직접 전기 가열, (수냉 시스템, 오일 섬프, 배기 가스, 엔진 블록 등과 같은) 고온 매체에 대한 열 교환, 또는 임의의 다른 수단을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 적합한 온도는 전형적으로 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 동시에 연료가 분사되는 공기 흡기 시스템 내에 존재하는 압력에서 연료를 대체로 기화시키기에 충분하다.
도5, 도6a 및 도6b를 참조하면, 양호하게는, 주 가열 수단(300)은 연료를 예비 가열하기 위해 엔진 냉각 시스템으로부터의 폐열을 이용한다. 이러한 실시예에서, 주 가열 수단(300)은 열 교환 장치(350)를 포함하고, 적합한 열 교환 도관(340)이 냉각 시스템의 방열기(303)와 유체 연통하며 분사기 수단(20)의 공통 도관(27)을 통과하여 내부 열 교환 체적을 형성한다. 열 교환 도관(340)은 양호하게는 내측 열 교환 도관(340)을 통과하는 냉각수와, 공통 도관(27)과 열 교환 도관(340) 사이에 형성된 재킷을 통해 유동하는 연료 사이의 열 교환을 최대화하기 위해, 주름지고 그리고/또는 베인을 포함한다. 도5에 도시된 바와 같이, 열 교환 장치(350)는 펌프(324)를 거쳐 그와 방열기(303)에 작동식으로 결합된 공급 도관(322)으로부터 대체로 고온의 물을 받아서, 물을 복귀 도관(326)을 거쳐 방열기(303)로 재순환시킨다. 따라서, 냉각수는 엔진 냉각 시스템을 통과하여 엔진 블록으로부터 과잉의 열을 제거하고, 이후에 이 열을 분사 수단(20)에 의한 공기 흡기 시스템 내로의 분사 이전에 공통 도관(27) 내에서 연료를 가열하도록 사용한다. 특히 추운 날씨에 그리고 엔진을 시동한 후에 엔진의 예열 기간 중에, 통상 냉각 시스템 내에 연료를 요구되는 온도로 가열하기에 불충분한 열이 있다. 따라서, 도4에 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에서 공통 도관(27) 상류의 부 도관(16) 내에 포함된 전기 가열 요소를 포함하는 부 가열 시스템(390)이 양호하게 제공된다.
도4를 참조하면, 연료 시스템(100)은 니들 밸브 또는 오리피스 밸브를 전형적으로 포함하는 밸브(26)를 거쳐 공통 도관(27)의 하류 단부를 주 복귀 도관(18)에 작동식으로 연결하는 부 복귀 도관(19)을 더 포함한다. 부 복귀 도관(19)은 한편으로 과잉의 연료가 부 도관(16)으로부터 탱크(10)로 복귀되는 것을 가능케 한다. 추가적으로, 공통 도관(27) 또는 그의 상류 내의 공기 또는 연료 증기는 복귀 도관(18)으로 그리고 그 후에 탱크(10)로 취출될 수도 있다. 밸브(26)는 부 도관(16)을 통해 유동하는 연료 부분의 온도를 제어하도록 사용될 수 있으며, 과열의 경우에 안전 밸브로서, 밸브(26)가 더 개방될 수록, 연료는 부 도관(16)을 거쳐 더 많이 유동하고, 이는 결국 공통 도관(27) 내의 연료의 온도를 감소시킨다. 양호하게는, 밸브(26)는 자동화된 방식으로 조정 가능하고, 기계식, 전기식, 공압식, 또는 유압식 수단을 포함한 임의의 적합한 방식으로 작동될 수 있으며 양호하게는 적합한 제어 컴퓨터에 작동식으로 연결된다.
따라서, 이러한 실시예에서, 전형적으로 탱크로부터의 연료 유동의 3 내지 6% 그리고 몇몇 경우에 연료의 10%까지의 연료의 작은 부분만이 실제로 가열된다. 이는 여러 장점을 갖는다. 첫째, 가열되지 않은 연료의 나머지는 연료를 예비 가열하지 않는 종래 기술의 엔진에서와 대체로 동일한 방식으로 탱크(10)로 계속되고, 따라서 이러한 부분과 관련하여 추가의 하드웨어가 요구되지 않고, 따라서 본 발명에 따른 연료 시스템은 기존의 엔진 내로 비교적 쉽게 설치될 수 있다. 둘째, 연료의 작은 부분만이 가열되므로, 엔진으로부터의 과잉의 열은 엔진 성능에 대한 불이익이 없이, 통상 연료를 예비 가열하기 위해서만 사용될 수 있다. 셋째, 연료의 작은 부분만이 가열되기 때문에, 가열된 연료가 지니는 위험이 상대적으로 적고, 어떠한 경우에도 부 복귀 도관(19) 및 밸브(26)는 잠재적으로 위험한 연료 과열 상황을 감소시키도록 상대적으로 빨리 반응할 수 있다. 모든 연료가 가열되는 시스템 상에서, 복귀 라인 내의 연료는 탱크에 도달하기 전에 냉각되어야 하고, 연료 시스템 내의 기화된 연료가 지니는 위험이 증가하고, 이는 결국 연료 시스템의 복잡성 및 비용을 증가시킨다.
본 발명은 작동 과잉 공기 비율이 연료의 예비 가열이 없는 동일한 엔진에 대한 경우보다 대체로 더 큰 것을 특징으로 한다. 전술한 바와 같이, 대부분의 종래 기술의 엔진은 약 0.96 내지 약 1.04 사이의 과잉 공기 비율에서 작동하고, 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이, 그러한 엔진이 대체로 더 높은 과잉 공기 비율, 즉 1.3 또는 1.4에서 작동하면, 엔진에 의해 발생되는 토크는 거의 50%만큼 감소하고, 연료 소비는 증가한다. 본 발명에서, 작동 시스템은 운전 상태가 최적 토크 또는 연료 소비를 제공하도록, 즉 본 발명에 의해 제공되는 연료 예비 가열이 없는 유사한 엔진에 비해, 유사한 출력에서 개선된 연료 소비 또는 동일한 연료 소비에서 개선된 출력을 제공하도록, 변경되는 것을 가능케 한다. 따라서, 본 발명의 작동 시스템(900)은 1.1보다 더 크고, 양호하게는 1.2 내지 1.4 사이, 더욱 양호하게는 1.25 내지 1.3 사이이지만 1.4보다 클 수도 있는 과잉 공기 비율을 제공하기 위해, 과잉 공기 비율을 제어하는 것과 동일한 의미인 공연비를 제어하기 위해 적합한 제어 수단(500)을 더 포함한다. 그러한 제어는 전형적으로 분사 수단(20)의 작동을 제어하는 컴퓨터에 의해 수행된다. 종래 기술의 엔진 내의 분사 수단을 작동시키는 것과 유사한 방식으로, 제어 수단(500)은 부하 및 rpm 등과 같은 엔진 운전 파라미터에 따라 각각의 실린더로의 연료량을 결정하지만, 추가적으로 또한 임의의 특정 조건에서 과잉 공기 비율이 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 연료 시스템(100)과 관련하여 얻어질 수 있는 토크 및/또는 연료 소비를 최적화하기 위한 밸브를 포함하도록 연료량을 감소시킨다. 추가적으로 또는 선택적으로, 제어 시스템(500)은 엔진이 실제로 공기 체적 유량을 증가시키기 위한 장치를 포함할 때, 엔진 과급기(550)에 작동식으로 연결될 수 있고, 이러한 경우에 제어 시스템(500)은 분사기 수단(20)에 공급되는 연료량 및 과급기(550)에 의해 제공되는 공기의 체적 유량 중 하나 또는 모두를 제어할 수 있다. 임의의 주어진 상황 또는 엔진 상태에 대해 적용하기 위한 과잉 공기 비율의 값을 결정하기 위한 정밀한 알고리즘, 참값 표, 또는 다른 수단은 엔진의 각각의 특정 유형, 사용되는 연료의 유형, 과급기가 사용되는지, 연료가 얼마나 많이 예비 가열될 것인지, 엔진이 정상 상태, 가속, 감속, 또는 아이들링으로 운전되는지, 본 발명의 연료 시스템의 수단에 의한 연료의 기화 효율 등에 의존할 수 있고, 공연비 제어 수단은 이에 따라 적합하게 프로그램된다. 따라서, 제어 수단(500)은 엔진의 분사기 수단(20), 및 엔진 상태에 관한 데이터를 제어 수단(500)에 제공하는 (도시되지 않은) 임의의 개수의 적합한 센서에 작동식으로 연결된다. 제어 시스템(500)은 엔진 컴퓨터 또는 연료 분사 제어기에도 작동식으로 연결된 분리된 장치의 형태일 수 있다. 선택적으로, 제어 시스템(500)은 엔진 컴퓨터 또는 연료 분사 제어기 내에 통합될 수 있고, 바꾸어 말하면, 엔진 컴퓨터 또는 연료 분사 제어기는 제어 시스템(500)에 대해 설명된 방식으로 작동하도록 대응하여 프로그램된다.
양호하게는, 본 발명의 작동 시스템, 및 특히 연료 시스템은 적합한 매체 또는 첨가제 분무화 시스템과 함께 엔진 내에 설치된다.
도7 및 도8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 첨가제 분무화 시스템(400)은 적합한 체적의 적합한 매체 또는 첨가제(482)를 보유하여 이를 라인 또는 도관(481)을 거쳐 적합한 첨가제 분무화 유닛(460)에 공급하기 위한 재충전 가능한 저장소(480)를 포함한다.
첨가제 분무화 유닛(460)은 상기 매체(482)를 분해, 분무화, 및 공기 혼입하기 위해 제공된다. 첨가제 분무화 유닛(460)은 전형적으로 첨가제 분무화 유닛(460)으로의 열 전달을 최대화하기 위해 엔진에 근접하거나 그 위에 장착된다.
첨가제 분무화 유닛(460)은 양호하게는 내측 챔버(494)를 한정하는 하우징(410)을 포함한다. 공기는 적합한 필터를 전형적으로 포함하는 두 개의 분리된 흡입 도관(483, 485)을 거쳐 챔버(494)의 바닥 단부(483)로 공급된다. 각각의 흡입 도관(483, 485)은 매체(482)를 공기 혼입하기 위해 공기를 하나 이상의 공기 혼입 장치(490)를 통해 챔버(494)로 송출한다.
첨가제 분무화 유닛(460)과 엔진 사이의 열 교환은 매체(482)를 가열하여 매체가 적어도 부분적으로 기화되는 것을 가능케 한다. 선택적으로, 둘 이상의 그러한 챔버가 제공될 수 있다. 기화되고 공기 혼입된 매체(482)는 챔버(494)의 상부 공간(492) 또는 체적 내에 수집되고, 그 다음 선택적으로 (도시되지 않은) 조정 가능한 진공 펌프 및 라인(489)을 거쳐 엔진 공기 흡기 시스템으로 흡인된다. 양호하게는, 공기 흡기 시스템은 요구되는 필요한 저압을 제공한다. 첨가제 분무화 유닛(460)은 라인(481) 및 (도시되지 않은) 적합한 자동 충전기 수단, 전형적으로 적합한 레벨 검출기(425)에 의해 검출되는 매체(482)의 레벨 강하에 응답하는 전기 제어식 밸브를 거쳐 매체(482)를 공급받는다. 선택적으로, 충전은 적합한 진공을 이용함으로써 행해질 수 있다. 레벨 검출기(425)는 전형적으로 예를 들어 플로트 및 솔레노이드를 포함하는 장치를 포함하고, 적합한 가아드(428)가 첨가제 분무화 유닛(460) 내에서 플로트의 과도한 이동을 방지하도록 이용될 수 있다. 적합한 제어 수단은 스로틀에 연결된 컴퓨터 또는 마이크로 스위치에 의해 공기 도관(483, 485)들 중 하나 또는 모두가 엔진의 운전 상태에 따라 공기를 챔버(494)로 송출하는 것을 가능케 한다. 전형적으로, 하나의 공기 도관, 즉 예를 들어 도관(483)은 분무화 유닛(460)이 작동하는 모든 시간에 걸쳐 공기를 송출하고, 높은 엔진 부하 상태에서, 모든 도관(483, 485)이 사용된다. 증기는 저압 및 저온이다.
도7을 참조하면, 유리하게는, 첨가제 분무화 유닛(460)으로부터의 라인 또는 도관(489)의 하류 단부는 공기 매니폴드 수단의 바로 상류에서 엔진의 공기 흡기 시스템(165) 내에 위치되거나 실제로 그 안에 통합된 분배 칼라(90)를 포함한다. 분배 칼라(90)는 대체로 반경 방향으로 균일하게 배치되어 공기 흡기 덕트 내로 내측으로 향하는 복수의 분출 노즐 또는 개구를 포함하여, 공기 흡입 시스템(165) 내에서, 특히 흡기 덕트 또는 흡기 매니폴드에서 공기 혼입된 매체의 대체로 균질인 분배를 제공한다.
매체(482)는 양호하게는 에탄올 및 임의의 유기 알콜을 포함하는 메탄올 등과 아세트산 등의 혼합물을 포함한다. 메탄올 등의 백분율은 전형적으로 60 내지 80 체적% 사이이고, 따라서 아세트산 등의 백분율은 20 내지 40 체적% 사이이다. 아세트산 등은 전형적으로 물 속에서 3 내지 5 체적% 농도 사이이다. 공기 혼입된 매체(482)는 기화된 연료와 혼합된 공기의 스트림 내의 매체의 미세 액적의 현탁 물질을 포함한다.
선택적으로, 매체는 매체를 미리 공기 혼입하지 않고, 저장소(480)와 연통하는 적합한 분무 분사기 또는 노즐에 의해 흡기 매니폴드 내로 직접 분무될 수 있다.
도9는 연료 시스템(100), 가열 시스템(300), 및 첨가제 분무화 시스템(400)의 주요 요소를 간략하게 도시한다.
이러한 실시예의 연료 시스템(100)은 보통의 엔진에 설치되기에 특히 적합하다. 따라서, 도2 및 도4를 참조하면, 도2에 도시된 종래 기술의 보통의 엔진은 다음과 같이 변형될 수 있다. 첫째, T-접합부가 도관(210) 내에 제공되어, 주 연료 유동은 도4에 도시된 바와 같이, 선택적인 가열기(390)를 거쳐 분사기 수단(170)과의 유체 연통을 유지하면서 압력 밸브(204)로 유도된다. 분사기 수단으로부터의 복귀 도관(220)은 도4에 도시된 바와 같이 밸브(204)로부터 취출 밸브(26)로 재유도되고, T-접합부는 압력 밸브(204)의 하류 단부를 취출 밸브(26) 및 복귀 도관(220)에 연결한다. 그 다음, 분사기 수단은 예를 들어 엔진의 공기 흡입 시스템 내로의 분사 이전에 연료에 대한 가열을 제공하도록 도4, 도5, 도6a, 및 도6b에 도시된 바와 같이 변형될 수 있거나, 또는 선택적으로 임의의 적합한 수단이 연료를 가열하기 위해 채용될 수 있다. 선택적으로 그리고 양호하게는, 첨가제 분무화 시스템(400)은 도7 및 도8에 도시된 바와 같이, 엔진에 제공될 수도 있다. 선택적으로, 과급기(550)가 엔진 내에 설치될 수도 있다. 마지막으로, 엔진은 본 발명의 작동 시스템이 완전히 설치될 수 있고, 전술한 변형에 추가하여, 제어 유닛(500)이 엔진 내에 설치될 수도 있거나, 또는 선택적으로 엔진 컴퓨터 또는 연료 분사 제어기가 상기 엔진 제어기로서 작동하도록 조정되거나 재프로그램될 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 연료의 적어도 일부를 연료의 상기 부분의 엔진의 연소 시스템 내로의 송출 이전에, 소정의 온도로 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는, 내연 기관에 작동 시스템을 설치하기 위한 키트에 관한 것이고, 상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 연료의 상기 부분이 연료의 부분이 송출되는 연소 시스템 내의 압력에서 대체로 기화되는 것을 가능케 하기에 충분하다. 소정의 온도는 전형적으로 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내이다.
키트는 전형적으로,
상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하며, 상기 압력 밸브 상류에 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 주 연료 회로를 포함하는 엔진에서 사용하기 위한 것이고,
상기 키트는,
(ⅰ) 상기 주 도관을 상기 탱크로부터 상기 연료 분사 수단으로가 아닌 탱크로부터 직접 상기 압력 밸브로 재유도하기 위한 제1 도관 수단과,
(ⅱ) 상기 연료 분사 수단을 상기 제1 도관 수단에 작동식으로 연결하기 위한 제2 도관 수단과,
(ⅲ) 상기 연료 분사 수단의 하류 단부를 상기 압력 밸브가 아닌 상기 주 복귀 도관에 작동식으로 연결하기 위한 제3 도관 수단과,
(ⅳ) 상기 연료 분사 수단 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 포함한다.
상기 제1 도관 수단 및 상기 제2 도관 수단은 전형적으로 탱크로부터 주 연료 도관에 의해 제공되는 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있다. 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 이상, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함하고, 양호하게는 연료의 상기 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량이다.
상기 제3 도관 수단 회로는 양호하게는 상기 부 복귀 도관 내에 적합한 제2 압력 밸브를 포함한다.
키트의 가열 수단은 양호하게는 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단을 포함하고, 상기 온도 감지 수단은 적합한 제어기에 작동식으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 제2 압력 밸브에 작동식으로 연결된다. 제어기는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터의 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있다.
키트는 양호하게는,
기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하고, 상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 키트의 부재 시의 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된다.
목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.3이고, 양호하게는 상기 목표 공기 과잉 비율은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함하는 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공한다.
키트는 임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율이 상기 키트의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되도록 되어 있고, 상기 제어 수단은 엔진의 상기 연료 분사 수단에 작동식으로 연결될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율은 상기 키트의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출될 수 있고, 제어 수단은 상기 공기 흡기 수단에 작동식으로 연결될 수 있으며 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함될 수 있는 적합한 컴퓨터 수단을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 내연 기관에 작동 시스템을 설치하기 위한 방법에 관한 것이고,
상기 엔진은,
상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하며, 상기 압력 밸브 상류에 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 주 연료 회로를 포함하고,
상기 방법은,
(ⅰ) 상기 주 도관을 상기 탱크로부터 상기 연료 분사 수단으로가 아닌 탱크로부터 직접 상기 압력 밸브로 재유도하는 단계와,
(ⅱ) 상기 연료 분사 수단을 상기 재유도된 주 도관에 작동식으로 연결하는 단계와,
(ⅲ) 상기 연료 분사 수단의 하류 단부를 상기 압력 밸브가 아닌 상기 주 복귀 도관에 작동식으로 연결하는 단계와,
(ⅳ) 상기 연료 분사 수단 내에 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 제공하는 단계를 포함한다.
단계(ⅱ)에서, 탱크로부터의 연료 유동의 일부는 상기 연료 분사 수단으로 채널링될 수 있다. 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 이상, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함할 수 있고, 양호하게는 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량이다.
방법은 양호하게는 상기 연료 분사 수단의 하류 단부와 상기 주 복귀 도관 사이에 적합한 부 압력 밸브를 제공하는 단계를 더 포함한다. 방법은 양호하게는 상기 가열 수단에 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단과, 상기 온도 감지 수단 및 상기 제2 압력 밸브에 작동식으로 연결된 적합한 제어기를 더 제공하는 단계를 포함한다. 상기 제어기는 양호하게는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터의 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있다.
설치 방법은 양호하게는,
(ⅲ) 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 가열 수단의 부재 시의 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된다.
상기 목표 과잉 공기 비율은 양호하게는 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.3이다. 양호하게는, 목표 공기 과잉 비율은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함하는 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공한다.
설치 방법에서, 임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율은 상기 설치의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 제어 수단은 엔진의 상기 연료 분사 수단에 작동식으로 연결될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율은 상기 설치의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있고, 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡기 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출될 수 있다. 제어 수단은 상기 공기 흡기 시스템에 작동식으로 연결될 수 있으며, 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함될 수 있는 적합한 컴퓨터 수단을 포함할 수 있다.
도10을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에서, 작동 시스템은 제1 실시예에 대해 전술한 바와 같은 필요한 변경을 가한 제어 시스템과, 도면 부호 1100에 의해 표시된 연료 시스템을 포함한다. 제2 실시예에 따른 연료 시스템(1100)은 하나 이상의 주 연료 라인 또는 도관(1015)을 거쳐 연료 분사기 수단(1020)에 작동식으로 연결된 연료 탱크(1010)를 포함한다. 연료 분사기 수단(1020)은 양호하게는 엔진의 각각의 실린더에 대해 개별 연료 분사기를 포함한다. 전형적으로, 연료 분사기 수단(1020)은 전형적으로 "대기압" 엔진에 대해 -0.6 내지 1 바아 게이지 압력이며 과급식 엔진에 대해 -0.6 내지 1.5 바아 게이지 압력인 연료를 공기 흡기 시스템에 (또는 디젤 엔진에서는 실린더에 직접) 제공한다.
제1 실시예와 대조적으로, 제2 실시예에서, 본원에서 상세하게 설명된 바와 같이, 탱크(1010)로부터 유동하는 모든 연료가 가열되고, 연료의 작은 부분이 실린더 내로 분사되며 나머지는 냉각된 후에 탱크(1010)로 복귀된다.
따라서, 연료 가열 수단(1030)이 도관(1015)에 대해 제공되어 도관 내의 연료가 연료 분사기 수단(1020)으로 유동할 때 소정의 온도로 가열되는 것을 가능케 하고, (도시되지 않은) 적합한 제어 수단이 연료가 이러한 온도 위로 과열되지 않도록 보장하기 위해 제공된다. 제1 실시예에서와 같이, (이하에서 설명되는 바와 같은) 성능의 현저한 개선은 약 60℃의 연료 온도에서 현저해지기 시작한다. 최적 연료 온도는 약 70℃ 내지 85℃인 것으로 발견되었고, 이를 넘어 증가하는 연료 온도는 성능에 대해 거의 영향을 주지 않는다. 그러나, 모든 연료를 가열하고 그 다음 미사용 연료를 탱크로 복귀될 수 있도록 냉각함으로써, 제1 실시예에서보다 추가의 에너지가 요구된다.
연료 가열 수단(1030)은 가열기, 양호하게는 엔진의 전기 시스템에 작동식으로 연결된 전기 가열기를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 연료 가열 수단(1030)은 제1 실시예에 대해 예를 들어 설명된 바와 같은, 엔진의 냉각 시스템 또는 임의의 다른 고온 부품에 작동식으로 연결된 열 교환기를 필요한 변경을 가하여 포함할 수 있다.
주 연료 도관(1015)에 작동식으로 연결된 (도시되지 않은) 적합한 펌프는 연료를 약 2 내지 3 바아 게이지 압력의 압력으로 가압한다.
연료 분사기 수단 바로 상류에서, 주 연료 도관은 부 연료 도관(1017)으로 분지하고, 이는 주 연료 도관(1015)을 통한 전체 연료 유동의 전형적으로 90% 이상, 양호하게는 약 94% 내지 97%인 연료 유동의 대부분을 적합한 밸브(1016)를 거쳐 액체 트랩(1050)으로 방향 전환한다. 따라서, 주 도관(1015)의 하류부를 통해, 분지부(1017)와 분사 수단(1020) 사이에서, 분사 수단(1020)에 제공될 상대적으로 적은 연료가 유동한다.
밸브(1016) 하류의 부 연료 라인 또는 도관(1017) 내의 압력은 압력 밸브(1016)에 의해 전형적으로 약 0.15 바아 게이지 압력으로 감소되고, 따라서 이는 분사기 수단에서 상대적으로 높은 연료 압력을 유지한다.
양호하게는, 주 연료 라인(1015)은 연료를 더 가열하기 위해 연료 분사기 수단(1020) 바로 상류에 보조 가열기(1070)를 포함하고, 이는 특히 추운 날씨에 엔진을 처음으로 시동할 때 유용하다.
부 도관(1017)은 과잉의 고온 연료를 액체 트랩(1050)으로 송출하고, 여기서 연료 증기가 액체 연료로부터 분리된다. 액체 트랩(1050)은 공기 입구(1052)를 또한 포함한다. 액체 연료는 연료가 안전한 방식으로 도관(1055)을 거쳐 탱크(1010)로 복귀되는 것을 가능케 하기에 충분히 액체 연료의 온도를 냉각시키기 위해, 예를 들어 대류 팬(1066)에 결합된 방열기 장치(1058)를 포함할 수 있는 냉각 시스템(1200)으로 채널링된다.
제2 실시예는 또한 양호하게는 제1 실시예에 대해 설명된 것과 유사한 첨가제 분무화 시스템(1400)을 필요한 변경을 가하여 포함하고, 차이점이 본원에서 설명된다. 제1 실시예에서와 같이, 첨가제 분무화 시스템(1400)은 적합한 체적의 적합한 매체(482)를 보유하여 이를 라인 또는 도관(1481)을 거쳐 적합한 첨가제 분무화 유닛(460)으로 공급하기 위한 재충전 가능한 저장소(1480)와, 분무화된 매체를 엔진의 공기 흡기 시스템(165)에 제공하기 위해 적합한 칼라(1090)를 또한 포함한다. 그러나, 하부 공기 입구를 거쳐 공기만을 제공하기보다는, 액체 트랩(1050)으로부터의 공기 및 기체 연료의 혼합기가 필터 및 흡입 파이프(1485)를 거쳐 챔버의 바닥 단부로 대신 공급된다.
도11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에서, 작동 시스템은 제1 실시예에 대해 전술한 바와 같은 필요한 변경을 가한 제어 시스템과, 도면 부호 2100에 의해 표시된 연료 시스템을 포함한다. 제3 실시예에 따른 연료 시스템(2100)은 하나 이상의 주 연료 라인 또는 도관(2015)을 거쳐 연료 분사기 수단(2020)에 작동식으로 연결된 연료 탱크(2010)를 포함한다. 연료 분사기 수단(2020)은 양호하게는 엔진의 각각의 실린더에 대해 개별 연료 분사기를 포함한다. 전형적으로, 연료 분사기 수단(2020)은 전형적으로 "대기압" 엔진에 대해 -0.6 내지 1 바아 게이지 압력이며 과급식 엔진에 대해 -0.6 내지 1.5 바아 게이지 압력인 연료를 공기 흡기 시스템에 또는 실린더에 직접 제공한다.
제1 또는 제2 실시예에 반해, 제3 실시예에서는, 요구되는 연료만이 탱크(2010)로부터 필요시에 제공되고, 따라서 탱크(2010)로부터의 연료 유량은 제1 및 제2 실시예에서보다 대체로 더 적다. 그럼에도 불구하고, 본원에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 탱크(2010)로부터 유동하는 모든 연료가 가열되어 이후에 실린더 내로 분사되고, 전형적으로 탱크(2010)로 복귀될 연료가 남지 않는다.
따라서, 연료 가열 수단(1300)이 도관(2015)에 대해 제공되어, 도관 내의 연료가 연료 분사기 수단(2020)으로 유동할 때 소정의 온도로 가열되는 것을 가능케 한다. 상기 연료 가열 수단(1300)은 필요한 변경을 가하여 제1 또는 제2 실시예에 대해 설명된 것과 유사할 수 있다. 제1 및 제2 실시예에서와 같이, (이하에서 설명되는 바와 같은) 성능의 현저한 개선은 약 60℃의 연료 온도에서 현저해지기 시작한다. 최적 연료 온도는 약 70℃ 내지 85℃인 것으로 발견되었고, 이를 넘어 증가하는 연료 온도는 성능에 거의 영향을 주지 않는다.
주 연료 도관(2015)에 작동식으로 연결된 (도시되지 않은) 적합한 펌프 및 제어 시스템이 요구되는 낮은 연료 유량에서도, 연료를 약 2 내지 8 바아 게이지 압력의 압력으로 가압한다.
양호하게는, 연료 시스템(2100)은 공통 도관(27)의 하류 단부를 밸브(2026)를 거쳐 탱크(2010)에 작동식으로 연결하는 복귀 도관(2019)을 더 포함한다. 복귀 도관(2019)은 한편으로 과잉의 연료가 공통 도관(27)으로부터 탱크(2010)로 복귀되는 것을 가능케 한다. 추가적으로, 공통 도관(27) 또는 그의 상류부 내의 공기 또는 연료 증기 또한 복귀 도관(2019)으로 그리고 그 후에 탱크(2010)로 취출될 수 있다. 밸브(2026)는 주 도관(2015)을 통해 유동하는 연료의 부분의 온도를 제어하도록 사용될 수 있고, 과열의 경우에 안전 밸브로서, 밸브(2026)가 더 개방될 수록, 연료는 도관(2015)을 통해 더 많이 유동하고, 이는 결국 공통 도관(27) 내의 연료의 온도를 감소시킨다. 양호하게는, 밸브(2026)는 자동화된 방식으로 조정 가능하고, 기계식, 전기식, 공압식 또는 유압식 수단을 포함한 임의의 적합한 방식으로 작동될 수 있으며 양호하게는 적합한 제어 컴퓨터에 작동식으로 연결된다. 따라서, 밸브(2026)가 폐쇄되거나 단지 약간 개방될 때, 이는 분사기 수단에서 상대적으로 높은 연료 압력을 유지한다.
양호하게는, 주 연료 라인(2015)은 연료를 더 가열하기 위해 연료 분사기 수단(2020) 바로 상류에 보조 가열기(2390)를 포함하고, 이는 특히 추운 날씨에 엔진을 처음으로 시동할 때 유용하다.
제3 실시예는 또한 양호하게는 적합한 체적의 적합한 매체(482)를 보유하여 이를 라인 또는 도관(2481)을 거쳐 적합한 첨가제 분무화 유닛(2460)에 공급하기 위한 재충전 가능한 저장소(2480)와, 분무화된 매체를 엔진의 공기 흡기 시스템(165)에 제공하기 위해 적합한 칼라(2090)를 포함하는, 제1 실시예에 대해 설명된 것과 유사한 첨가제 분무화 시스템(2400)을 포함한다.
제1 실시예에서와 같이, 제2 및 제3 실시예는 또한 양호하게는 필요한 변경을 가하여, 제1 실시예에 대해 설명된 것과 유사한 방식으로, 종래 기술에 의해 제안된 것보다 더 희박한 공연비에서 작동된다.
도12를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에서, 작동 시스템은 제어 시스템(3500)과 연료 시스템(3100)을 포함한다. 제4 실시예에 따른 연료 시스템(3100)은 하나 이상의 주 연료 라인 또는 도관(3015)을 거쳐 연료 분사기 수단(3020) 및 엔진(3000)에 작동식으로 연결된 연료 탱크(3010)를 포함한다. 연료 분사 수단(3020)은 양호하게는 엔진의 각각의 실린더에 대해 개별 연료 분사기를 포함한다. 전형적으로, 연료 분사기 수단(3020)은 전형적으로 "대기압" 엔진에 대해 -0.6 내지 1 바아 게이지 압력이며 과급식 엔진에 대해 -0.6 내지 1.5 바아 게이지 압력인 연료를 공기 흡기 시스템에 또는 실린더에 직접 제공한다.
제4 실시예에서, 본원에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 연료 유동의 일부 및 엔진(3000)으로의 연료 유동의 일부는 특수한 공기-연료 예비 가열기(3800)로 방향 전환되고, 여기서 연료는 공기와 혼합되어 상기 소정의 온도로 예비 가열되고 이후에 연소 시스템 및 실린더 내로 분사되고, 전형적으로 탱크(3010)로 복귀될 연료가 남지 않는다.
제1, 제2 및 제3 실시예에서와 같이, 성능의 현저한 개선은 연료의 유형에 따라, 약 60℃의 연료 온도에서 현저해지기 시작한다. 최적 연료 온도는 70℃ 내지 85℃ 부근이고, 이를 넘어 증가하는 연료 온도는 전형적으로 성능에 대해 거의 영향을 주지 않는다.
따라서, 도12를 참조하면, 연료 시스템(3100)은 주 연료 도관(3015)으로부터 분지된 부 도관(3101)을 포함하고, 이는 연료 시스템(3100)을 예비 가열기(3800)의 연료 흡입 포트(3810)에 연결한다.
양호하게는, 연료 시스템(3100)은 분사기(3020)의 하류 단부를 (도시되지 않은) 밸브를 거쳐 탱크(3010)에 작동식으로 연결하는 복귀 도관(3019)을 더 포함한다. 복귀 도관(3019)은 과잉의 연료가 탱크(3010)로 복귀되는 것을 가능케 한다.
우회 도관(3016)이 주 연료 도관(3015)과 복귀 도관(3019) 사이에 제공되고, 압력 밸브(3017)와 탭(3014)을 포함하고, 탭은 본원에서 상세하게 설명되는 바와 같이 저압이 요구될 때에만 개방된다. 주 연료 도관(3015)에 작동식으로 연결된 (도시되지 않은) 적합한 펌프 및 제어 시스템이 요구되는 낮은 연료 유량에도 불구하고, 연료를 약 2 내지 3 바아 게이지 압력의 압력으로 가압하고, 우회 도관은 게이지 압력을 약 1.8 내지 1.9 바아로 감소시킨다. 연료 압력은 (예비 가열기(3800) 내의) 추가의 연료 분사기의 추가를 보상하기 위해 기준 엔진 (즉, 본 발명의 작동 시스템을 갖지 않는 엔진)에 대해 낮아진다. 추가의 연료 분사기는 보통 동일한 압력에서 더 많은 연료를 제공하여, 과잉 공기 비율을 감소시킨다.
특히 도13 내지 도16을 참조하면, 예비 가열기(3800)는 혼합 챔버(3870) 및 적합한 가열 수단을 포함하는 대체로 견실한 하우징(3850)을 포함한다. 가열 수단은 전형적으로 하우징 내의 적합한 도관(3863) 또는 채널을 거쳐 출수 포트(3862)에 연결된 입수 포트(3861)를 갖는 열 교환기 장치의 형태이다. 따라서, 엔진 냉각 시스템(300)은 냉각 시스템의 고온부로부터 분지되어 상기 예비 가열기(3800) 내의 입수 포트(3861)에 연결된 도관(301)과, 냉각 시스템의 저온부로부터 분지되어 상기 예비 가열기(3800) 내의 출수 포트(3862)에 연결된 제2 도관(302)을 갖는 부 회로를 포함한다. 엔진 냉각 시스템 내에서 가열된 고온수는 열 교환기 장치를 거쳐 하우징(3850)을 통과하고, 이에 의해 하우징과 그로 흡입되는 연료 및 공기를 가열하고, 이는 이하에서 명확해질 것이다. (도시되지 않은) 써모스탯이 본 발명에 따라 하우징 및 특히 그 안의 연료의 온도를 소정의 한계 내에 유지하도록 제공된다. 선택적으로, 써모스탯은 적절한 온도가 예비 가열기 내에서 도달되었을 때 본 발명에 따라 엔진을 작동시키기 위해 사용될 수 있고, 온도가 요구되는 온도 아래일 때, 엔진은 보통의 방식으로, 즉 예를 들어 정상 상태 조건에서 대략 1인 종래 기술의 λ값에서 작동된다. 하우징(3850)은 전형적으로 예를 들어 고체 알루미늄 또는 임의의 다른 적합한 금속과 같은 열 전도성 재료로부터 만들어지고, 따라서 열을 가열 시스템으로부터 챔버(3870)로 쉽게 전도시킨다. 선택적으로, 하우징은 상기 챔버(3870)를 한정하는 내측 케이싱을 갖는 대체로 중공일 수 있고, 이러한 경우에 임의의 적합한 액체, 고체, 기체 또는 다른 열 전달 매체가 하우징과 케이싱 사이의 체적 내에 제공된다.
도관(3811)은 적합한 리드(3910)를 거쳐 챔버에 작동식으로 연결된 제어기(3900)로부터 수신된 명령에 따라, 연료 흡입 포트(3810)를 챔버(3870)의 상류 단부 내로 계량된 양의 연료를 분배하는 연료 분배 출구(3813)를 갖는 연료 분사기(3812)와 연결한다.
도관(3310)은 약간의 공기를 엔진의 공기 흡기 시스템(165)으로부터 하우징(3850) 내에 포함된 공기 흡입 포트(3320)로 취출하고, 하우징은 이러한 공기 취출을 챔버(3870)의 상류 단부 내로 도입한다.
챔버(3870)는 그의 상류 단부(3871)에 혼합 플리넘(3873)과, 그의 하류 단부(3872)에 가열부(3874)를 포함한다. 적어도 가열부(3874)는 전형적으로 원통형이고, 챔버(3870)의 종방향 길이는 양호하게는 가열부(3874)의 직경보다 대체로 더 크다.
가열부(3874)는 플리넘(3871) 내로 도입되는 공기 및 연료의 혼합을 향상시키고 하우징(3850)으로부터 연료/공기 혼합기로의 열 전달을 최대화하도록 되어 있다. 양호하게는, 가열부(3874)는 유선형 상류부(3881)를 갖는 대체로 원통형인 코어부(3880), 본체부(3882), 및 대체로 무딘 하류 단부(3883)를 포함한다. 복수의 종방향 채널(3880; 본 실시예에서 네 개이지만 넷보다 많거나 적을 수 있음)이 개방 하류 단부(3886)를 갖는 본체부(3882)의 원통형 표면 상에 형성되고, 각각의 채널(3885)은 상류 단부에서 개구부(3887)를 갖는 코어부(3880) 내에 형성된 대응하는 도관(3884) 위에 중첩되고 채널(3885)의 길이를 따라 배열된 복수의 개구(3889)를 거쳐 대응하는 채널(3885)과 유체 연통한다. 본체부(3882)의 외경은 가열부(3874)의 내경보다 약간 더 작아서, 두 구성요소 사이에 밀착 끼워 맞춤을 제공한다.
따라서, 취출 도관(3310)으로부터의 공기 및 분사기(3812)로부터의 연료가 플리넘(3873) 내로 도입된다. 공기와 연료는 그 다음 개구부(3887)를 거쳐 도관(3884)으로 그리고 개구(3889)를 통해 대응하는 채널(3885)로 진입하고, 이 때 혼합된다. 동시에, 도관(3884) 및 채널(3885)의 상대적으로 작은 폭 또는 직경 치수는 단부(3886)로의 상대적으로 긴 통로와 함께, 다량의 열 전달이 하우징(3850)과 코어부(3880) 사이에서 발생하도록 보장하고, 그를 통과하는 연료 공기 혼합기가 효율적인 방식으로 가열된다. 그 후에, 적합하게 가열된 공기-연료 혼합기는 각각 출구(3851) 및 도관(3852)을 거쳐 공기 흡기 시스템 및 연료 분사기에 의해 제공되는 나머지 공기 및 연료와 함께, 엔진의 연소 시스템으로 공급된다.
연료 시스템(3100)의 연료 분사기(3020)의 활성은 보통의 엔진 관리 시스템 또는 컴퓨터(3120)에 의해 조절된다. 전형적으로, 본 기술 분야의 보통의 엔진에 대해, 컴퓨터(3120)는 예를 들어 산소 센서(3122)와 같은 임의 개수의 상이한 센서를 거쳐 감지된 엔진의 범위 또는 상태에 대해 분사기(3020)를 거쳐 연소 시스템에 얼마나 많은 연료를 제공할지를 제어한다. 그러한 산소 센서(3122)는 일반적으로 본 기술 분야에서 엔진에 제공되는 산소의 양이 실시간으로 결정되는 것을 가능케 하기 위해 사용되고, 사실 전형적으로 배기 가스 내의 산소의 레벨을 감지한다. 예를 들어, 센서가 배기 가스 내에 너무 많은 산소가 있다고 결정하면, 이는 더 많은 연료가 요구되는 것을 의미한다. 따라서, 엔진의 속도 및 부하에 대해 적절한 과잉 공기 비율에 기초하여, 산소 센서로부터의 입력은 컴퓨터가 연소실에 제공되도록 요구되는 연료를 결정하는 것을 가능케 한다. 따라서, 보통의 정상 상태 조건에서, 제공되는 연료량은 과잉 공기 비율이 (정상 상태 조건 하에서) 약 1이고 공연비가 대략 화학 양론적인 비율이도록 되어 있다. 가속 또는 고부하 하에서, 과잉 공기 비율은 더 많은 연료를 추가함으로써 낮아지고, 아이들링 시에, 과잉 공기 비율은 증가되지만 전형적으로 1을 초과하지 않는다.
또한, 제4 실시예에 따른 작동 시스템은 제어기(3900)를 또한 포함하고, 이의 기능은 본 발명의 다른 실시예에서와 같이 본 발명의 작동 시스템이 없는 대응하는 엔진에 대해서보다 대체로 더 큰 엔진이 작동하는 과잉 공기 비율을 본 발명에 따라 제어하는 것이다. 따라서, 제어기(3900)는 소프트웨어 및/또는 하드웨어의 관점에서 엔진 컴퓨터(3120)의 일부이고, 따라서 그 안에 통합될 수 있다. 선택적으로, 제어기(3900)는 컴퓨터(3120)로부터 분리되어 있고, 분리된 컴퓨터 또는 다른 전자 제어 수단을 포함할 수 있고, 따라서 예비 가열기(3800)와 함께 설치 키트로서 기존의 차량에 설치 가능하다. 그러한 경우에, 제어기(3900)는 컴퓨터(3120) 및 예비 가열기(3800)의 연료 분사기(3812), 당연히 적합한 전원, 그리고 적절하게는 과급기에도 작동식으로 연결된다.
제어기(3900)는 한편으로 엔진의 현재 운전 상태, 예를 들어 엔진이 가속, 아이들링, 또는 주행 등을 하고 있는지를 결정하도록 컴퓨터(3120)에 질의한다. 그 다음, 이러한 상태에 대해 요구되는 과잉 공기 인자에 대한 컴퓨터의 결정에 기초하여, 제어기(3900)는 본 발명에 따라 적절한 과잉 공기 비율을 산출하고, 이는 컴퓨터(3120)에 의해 결정된 것보다 대체로 더 높은, 전형적으로 약 1.3이다.
선택적으로, 산소 센서(3122)와 같은 하나 이상의 센서가 컴퓨터(3120)가 아닌 제어기(3900)에 연결된다. 제어기(3900)는 그 다음 엔진의 작동 상태, 즉 속도 및 부하에 따라, 종래 기술의 엔진에서보다 대체로 더 높은, 전형적으로 약 1.3인 본 발명에 따른 적절한 과잉 공기 비율에 대해 엔진에 의해 요구되는 연료량을 산출하고, 공기 또는 산소의 양이 엔진에 제공된다. 이와 관련하여, 밸브(3017) 및 탭(3014)을 포함하는 우회 도관(3016)은 연료 압력을 약 1.8 바아 또는 1.9 바아 게이지 압력으로 감소시키고, 따라서 연료 분사기로의 연료 유동이 감소되는 것을 가능케 한다.
제어기(3900)는 그 다음 과잉 공기 비율의 요구되는 더 높은 값은 제공하기 위해, 분사기(3020)에 의해 분사되는 연료량을 적절한 양만큼 감소시키도록 적절한 신호를 컴퓨터(3120)로 보낸다.
제어기(3900)는 그 다음 그럼에도 불구하고 공연비가 올바르다는 것을 확인하기 위해 다른 신호를 컴퓨터(3120)로 보낸다. 이러한 후자의 신호가 없으면, 컴퓨터(3120)는 (훨씬 더 높은 과잉 공기 비율 때문에) 공연비가 너무 낮다고 감지하여, 공연비를 (본 발명의 작동 시스템의 부재 시의) 화학 양론적인 비율 또는 엔진에 의해 정상적으로 요구되는 비율로 증가시킬 것이다. 실제로, 컴퓨터가 요구되는 과잉 공기 비율을 계산하는 것을 가능케 하기 위해 필요한 입력을 컴퓨터(3120)에 정상적으로 제공하는 센서가 대신에 제어기(3900)에 연결될 것이다. 결국, 제어기(3900)는 엔진이 보통의 과잉 공기 비율에서 운전되고 있으면, 컴퓨터가 이러한 센서로부터 수신하는 신호를 모방한 적절한 신호를 컴퓨터(3120)에 제공한다. 따라서, 컴퓨터(3120)는 엔진이 보통의 과잉 공기 비율에서 작동되고 있는 것처럼 작동할 것이다.
더욱이, 제어기(3900)는 또한 예비 가열기(3800)의 연료 분사기(3812)의 활성을 제어하고, 따라서 엔진의 상태에 따라 적절한 신호를 분사기(3812)에 제공한다. 엔진으로의 연료의 일부가 분사기(3812)를 거쳐 제공되고 있으므로, 분사기(3812)에 의해 제공되는 연료는 실제로 더욱 감소되어, 분사기(3020)에 제공되는 연료 및 공기 흡기 시스템에 의해 제공되는 공기 유동의 관점에서 효과적인 작동 과잉 공기 인자는 정상 상태 주행 조건에 대해 1.4보다 대체로 작고, 전형적으로 약 1.287이다. 다른 상태에서의 과잉 공기 비율은 필요한 변경을 가하여 유사한 방식으로 조정된다. 엔진에 과급기가 설치된 경우에, 공기 유동은 요구되는 과잉 공기 비율을 제공하기 위해 연료 흡입과 함께 제어기(3900)에 의해 제어될 수도 있다.
선택적으로, 제어기(3900)는 또한 엔진이 특정 상태 하에서 보통의 과잉 공기 비율에서 작동하는 것을 가능케 하도록 될 수 있다. 예를 들어, 가속할 때, 본 발명에 따른 더 높은 과잉 공기 비율이 아닌 보통의 또는 기준 과잉 공기 비율에서 엔진을 작동시키는 것이 양호할 수 있다. 그러한 경우에, 제어기(3900)는 탭(3014) 및 예비 가열기 연료 분사기(3812)로의 연료 공급을 폐쇄하고, 그 다음 연료 분사기(3020)에 적절한 연료를 공급하도록 적절한 신호를 엔진 컴퓨터(3120)로 보낸다.
전술한 제1, 제2 및 제3 실시예에 따른 설치에서, 제어기(3900)와 유사한 제어기가 엔진 관리 시스템 또는 엔진의 보통의 컴퓨터와 상호 작용하여 엔진의 작동에 대한 변형을 최소화하도록, 필요한 변경을 가하여 사용될 수 있다.
선택적으로, 제4 실시예는 또한 양호하게는 적합한 부피의 적합한 매체를 보유하여 이를 라인 또는 도관을 거쳐 적합한 첨가제 분무화 유닛으로 공급하기 위한 재충전 가능한 저장소와, 분무화된 매체를 엔진의 공기 흡기 시스템에 제공하기 위해 적합한 칼라를 포함하는, 제1 실시예에 대해 설명된 것과 유사한 (도시되지 않은) 첨가제 분무화 시스템을 필요한 변경을 가하여 포함한다. 선택적으로, 매체는 매체를 공기 혼입하지 않고서도, 매체 저장소와 연통하는 적절한 분사기를 거쳐 연소실(122) 내로 직접 분사될 수 있다. 선택적으로, 분무화된 매체는 적합한 덕트를 거쳐 예비 가열기(3800)의 플리넘(3873)으로 직접 공급될 수 있다.
따라서, 제4 실시예는 예를 들어 다음과 같이, 보통의 엔진에 쉽게 설치될 수 있다. 주 연료 라인(3015)은 예비 가열기(3800)의 연료 흡입 포트(3810)에 연결된 부 도관을 제공하기 위해, T-접합부를 연결함으로써 변형된다. 우회 도관(3016)이 주 연료 도관(3015)과 복귀 도관(3019) 사이에 제공되고, 압력 밸브(3017)와 탭(3014)을 포함한다. 유사하게, 엔진의 냉각 시스템, 특히 방열기 내로 그리고 그로부터 외부로 이어지는 물 도관은 고온수의 일부를 포트(3861, 3862)를 거쳐 예비 가열기(3800)로 취출하도록 유사하게 변형된다. 공기 취출부가 그 다음 공기 흡기 시스템으로부터 공기 흡입 포트(3320)를 거쳐 예비 가열기(3800)에 제공된다. 그 다음, 제어기(3900)는 예비 가열기(3800) 및 차량 컴퓨터(3120) 그리고 당연히 적합한 전기 전원에 연결된다.
도17 내지 도20을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에서, 작동 시스템은 대체로 제4 실시예에 대해 전술한 바와 같은 제어 시스템 및 연료 시스템을 필요한 변경을 가하여 포함하고, 예비 가열기에 대해 다음의 차이점을 갖는다.
제4 실시예에서와 같이, 제5 실시예에서, 적당한 변경을 가하여 전형적으로 제4 실시예에서 설명된 바와 같이, 연료 유동의 일부 및 엔진으로의 연료 유동의 일부가 특수한 공기-연료 예비 가열기(4800)로 방향 전환되고, 여기서 연료는 공기와 혼합되어 상기 소정의 온도로 예비 가열되고 이후에 연소실 및 실린더 내로 분사되고, 탱크로 복귀될 연료가 남지 않는다. 제4 실시예와 공통적으로, 예비 가열기는 엔진의 연소 시스템과 연통하고, 따라서 예비 가열기는 연소 시스템과 대체로 동일한 압력이다. 따라서, 예비 가열기는 연료의 일부 (및 약간의 공기)를 연료의 상기 부분의 엔진의 연소 시스템 내로의 송출 이전에, 소정의 온도로 가열한다. 이러한 소정의 온도는 송출 연료 압력에서의 기화 온도 아래이지만, 연료의 이러한 부분이 예비 가열기 내에 존재하는 상기 연소 시스템의 주위 압력에서 대체로 기화되는 것을 가능케 하기에 충분하다.
본원에서 설명된 다른 실시예에서와 같이, 성능의 현저한 개선은 연료의 유형에 따라, 약 60℃의 연료 온도에서 현저해지기 시작한다. 최적 연료 온도는 70℃ 내지 85℃ 부근일 수 있고, 이를 넘어 증가하는 연료 온도는 전형적으로 성능에 대해 거의 영향을 주지 않는다.
제4 실시예에서와 같이, 부 연료 도관은 주 연료 도관으로부터 분지하여, 연료 시스템을 예비 가열기(4800)의 연료 흡입 포트(4810)에 연결하고, 양호하게는 연료 시스템은 엔진 연료 분사기의 하류 단부를 밸브를 거쳐 탱크에 작동식으로 연결하는 복귀 도관을 더 포함한다. 복귀 도관은 과잉의 연료가 탱크로 복귀되는 것을 가능케 한다. 제4 실시예에 대해 설명된 바와 같이, 필요한 변경을 가하여, 우회 도관이 주 연료 도관과 복귀 도관 사이에 제공되어, 압력 밸브와 탭을 포함하고, 탭은 저압이 요구될 때에만 개방된다. 주 연료 도관에 작동식으로 연결된 적합한 펌프 및 제어 시스템이 요구되는 낮은 연료 유량에서도, 연료를 약 2 내지 3 바아 게이지 압력의 압력으로 가압하고, 우회 도관은 게이지 압력을 약 1.8 내지 1.9 바아로 감소시킨다. 연료 압력은 (예비 가열기(4800) 내의) 추가의 연료 분사기의 추가를 보상하기 위해 기준 엔진 (즉, 본 발명의 작동 시스템을 갖지 않는 엔진)에 대해 낮아진다. 추가의 연료 분사기는 보통 동일한 압력에서 더 많은 연료를 제공하여, 과잉 공기 비율을 감소시킨다.
특히 도17 내지 도20을 참조하면, 예비 가열기(4800)는 혼합 챔버(4870) 및 적합한 가열 수단을 포함하는 대체로 견실한 하우징(4850)을 포함한다. 가열 수단은 전형적으로 하우징 내에서 적합한 도관(4869) 또는 채널을 거쳐 출수 포트에 연결된 입수 포트를 갖는 열 교환기 장치의 형태이다. 따라서, 엔진 냉각 시스템은 냉각 시스템의 고온부로부터 분지하여 상기 예비 가열기(4800) 내의 입수 포트에 연결된 도관과, 냉각 시스템의 저온부로부터 분지하여 상기 예비 가열기(4800) 내의 출수 포트에 연결된 제2 도관을 갖는 부 회로를 포함한다. 엔진 냉각 시스템 내에서 가열된 고온수는 아래에서 명확해지는 바와 같이, 열 교환기 장치를 거쳐 하우징(4850)을 통과하고, 이에 의해 하우징과 그에 유입되는 연료 및 공기를 가열한다. (도시되지 않은) 써모스탯이 본 발명에 따라 하우징 및 특히 그 안의 연료의 온도를 소정의 한계 내에 유지하도록 제공된다. 선택적으로, 써모스탯은 적절한 온도가 예비 가열기 내에서 도달되었을 때 본 발명에 따라 엔진을 작동시키기 위해 사용될 수 있고, 온도가 요구되는 온도 아래일 때, 엔진은 보통의 방식으로, 즉 예를 들어 정상 상태 조건에서 대략 1인 종래 기술의 λ값에서 작동된다. 하우징(4850)은 전형적으로 예를 들어 고체 알루미늄 또는 임의의 다른 적합한 금속과 같은 열 전도성 재료로부터 만들어지고, 따라서 열을 가열 시스템으로부터 챔버(4870)로 쉽게 전도시킨다. 선택적으로, 하우징은 상기 챔버(4870)를 한정하는 내측 케이싱을 갖는 대체로 중공일 수 있고, 이러한 경우에 임의의 적합한 액체, 고체, 기체 또는 다른 열 전달 매체가 하우징과 케이싱 사이의 체적 내에 제공된다.
도관(4811)은 적합한 리드(4910)를 거쳐 연료 분사기에 작동식으로 연결된 제어기로부터 수신된 명령에 따라, 연료 흡입 포트(4810)를 챔버(4870)의 상류 단부 내로 계량된 양의 연료를 분배하는 연료 분배 출구(4813)를 갖는 연료 분사기(4812)와 연결한다.
도관(4310)은 약간의 공기를 엔진의 공기 흡기 시스템(165)으로부터 하우징(4850) 내에 포함된 공기 흡입 포트(4320)로 취출하고, 이러한 공기 취출을 챔버(4870)의 상류 단부 내로 도입한다. 제5 실시예에서, 공기 도관(4310)은 제4 실시예에서보다 더 커서, 상대적으로 더 많은 공기가 예비 가열기(4800) 내로 도입되는 것을 가능케 한다.
챔버(4870)는 공기 흡입 포트(4320) 및 연료 분사기 출구(4813) 바로 하류에 혼합 및 기화 구역(4873)과, 챔버(4870)의 하류 단부(4872)에 보조 가열부(4874)를 포함한다. 가열부(4874)는 전형적으로 원통형이고, 구역(4873)은 전형적으로 사각형 단면이고, 챔버(4870)의 종방향 길이는 양호하게는 가열부(4874)의 직경보다 대체로 더 크다.
제4 및 제5 실시예 사이의 주요 차이점은 구역(4873)이다. 제5 실시예에서, 구역(4873)은 적어도 하나, 양호하게는 두 개의 패들형 회전자(4620), 그의 상류의 노즐(4610), 및 그의 하류의 이중 네트 다이어프램 또는 스크린 장치(4650)를 포함한다.
노즐(4610)은 긴 측면이 축에 대해 직교하는 원형 또는 대체로 사각형일 수 있는 출구를 갖는 챔버(4870)의 종방향 축(4690)과 대체로 정렬된다. 노즐(4610)은 챔버(4870)의 상류 단부에 제공되는 공기 및 연료를 가속하여, 이 혼합기를 회전자(4620)로 유도한다.
특히 도18을 참조하면, 각각의 회전자(4620)는 예비 가열기(4900)의 종방향 축(4690)에 대해 직교하여 회전하도록 장착되고, 복수의 베인(4625)을 포함한다. 회전자(4620)들은 노즐(4610)로부터의 공기 연료 혼합기가 회전자(4620)들 사이의 영역(4640)으로 유도되어 회전자(4620)를 대향 회전시키도록, 도18에 도시된 바와 같이 그들의 축이 평행하게 장착된다. 특히 도19a 및 도19b를 참조하면, 각각의 베인(4625)은 그의 루트(root)에서 회전자(4620)의 허브(4630)에 결합되며 선단부(4628)에서 서로 결합된 한 쌍의 외측으로 불룩한 벽(4621)을 포함한다. 벽(4621)은 원심력 하에서 두 개의 벽(4621)이 각각의 베인(4625) 내에서 모이도록 변형되는 얇은 메시 재료로 만들어지고, 메시는 전형적으로 대체로 일치하지 않게 중첩되고, 즉 하나의 메시 내의 개방 공간 모두가 다른 메시 내의 개방 공간 위에 중첩되지는 않고, 따라서 두 메시의 유효 개방 영역은 감소된다. 따라서, 노즐을 통한 유동이 상대적으로 느릴 때, 회전자(4620)는 상대적으로 낮은 속도로 회전하고, 그를 통해 유동하는 연료의 액적은 각각의 베인의 양쪽 벽을 통과해야 하므로, 연료를 분무화하고 가열 수단에 의해 제공되는 열 유입에 의해 연료를 기화시키는 베인의 능력을 향상시킨다. 회전자가 더 빨리 회전하게 되어 베인의 벽들을 모으는 더 높은 유동에서, 연료 액적은 더 큰 힘으로 베인 상에 충돌하고, 이제 중첩된 메시 내에서 이용 가능한 상대적으로 더 작은 개구가 연료를 분무화하여 기화시키는 것을 돕는다.
스크린 장치(4650)는 회전자(4620) 하류에 제공되어, 기화된 연료만을 공기와 함께 가열부(4874)를 향해 그를 통과시킨다. 특히 도20을 참조하면, 스크린 장치는 구역(4873) 내의 축(4690)에 대해 대체로 직교하게 장착된 기부 메시(4652)와 구역(4873)의 축(4690)과 대체로 평행하거나 동축인 축 둘레에서 기부 메시(4652)에 대해 회전하도록 장착된 부 메시(4654)를 포함하는 적어도 하나, 양호하게는 한 쌍의 메시를 포함한다. 기부 메시(4652)는 대체로 반구형이거나, 대체로 반구형이거나 오목부 내에서 기부 메시(4652)에 대해 상보적인 형상을 갖는 부 메시(4654)를 수용하는 하류 방향으로 볼록한 다른 적합한 형상이다. 부 메시(4654)가 그의 회전축 둘레에서 일 방향으로 기부 메시에 대해 회전될 때, 하나의 메시의 몇몇 노드는 다른 메시의 개방 공간을 덮고 반대도 성립하여, 스크린 장치(4650)의 유효 개방 영역을 효과적으로 감소시킨다. 부 메시가 반대 방향으로 회전하면, 유효 개방 영역은 다시 증가된다.
따라서, 이중 메시 또는 네트 장치(4650)는 각각의 메시 또는 네트의 개방 및 폐쇄 영역의 상대 위치에 따라, 개방 네트 영역이 폐쇄되거나 개방되는 것을 가능케 한다. 가속할 필요가 있을 때, 예를 들어 예비 가열기(4800) 내의 연료의 갑작스런 증가가 진공을 감소시키고, 즉 공기 압력을 증가시키고, 따라서 실린더로의 유동이 감소된다. 따라서, 네트 장치(4650)는 개방되어 엔진으로의 공기 유동을 증가시킨다. 엔진 rpm이 증가되고 예비 가열기(4800)와 엔진 사이의 압력 차이가 다시 복원되면, 네트 장치(4650)는 다시 폐쇄되어 원래의 유동 영역을 제공한다. 적합한 메커니즘이 특정 압력에서 유효 유동 영역을 개방하고 압력이 강하되면 폐쇄하도록 네트 장치를 작동시키기 위해 제공된다. 그러한 메커니즘은 양호하게는 네트 장치(4800)가 완전 유효 개방 영역으로 개방되는 압력 차이 값을 설정하기 위해 예비 가열기(4800)로부터 외부에서 조정 가능하다.
네트 장치(4650)는 연료의 액적이 통과하는 것을 방지하지만, 공기와 혼합된 임의의 분무화되거나 기화된 연료는 통과할 수 있다. 요구되는 가속이 달성되고 압력 차이가 다시 증가할 때, 네트 장치(4650)는 그의 원래의 위치로 다시 이동하고, 유효 유동 영역은 다시 감소한다. 이러한 실시예에서, 공기 흡입 도관(4310)은 제4 실시예에 비해 더 커서, 가속 요구에 대해 더 빠른 응답 시간을 가능케 한다.
가열부(4874)는 공기 및 연료의 혼합기에 대해 예비 가열기(4800)를 빠져나가기 전에 추가의 가열을 제공하여, 하우징(4850)으로부터 연료/공기 혼합기로의 열 전달을 최대화하도록 되어 있다. 양호하게는, 가열부(4874)는 유선형 상류부(4881), 본체부(4882), 및 대체로 무딘 하류 단부(4883)를 갖는 대체로 탄환형인 코어부(4880)를 포함한다. 본체부는 제4 실시예에서보다 대체로 더 짧다. 복수의 종방향 채널(4885; 본 실시예에서 네 개이지만 넷보다 더 많거나 더 적을 수 있음)이 본체부(4882)의 표면 상에 형성되어, 개방 하류 단부(4886) 및 그의 상류 단부의 개구부(4887)를 갖는다. 본체부(4882)의 외경은 가열부(4874)의 내경보다 약간 더 작아서, 두 구성요소들 사이에 밀착 결합을 제공한다.
따라서, 취출 도관(4310)으로부터의 공기와 분사기(4812)로부터의 연료가 노즐(4610)을 거쳐 구역(4873) 내로 도입된다. 연료는 그 다음 회전자(4620)에 의해 분무화되고 기화되고, 열이 유입되어 공기와 혼합된다. 공기 및 기화된 연료 혼합기는 그 다음 네트 장치(4650)를 통해 가열부(4874)로 통과하고, 여전히 기화되지 않은 임의의 연료는 구역(4873) 내로 다시 순환되어 결국에는 기화된다. 공기 연료 혼합기는 그 다음 개구부(4887)를 거쳐 채널(4885)로 진입하고, 열 전달이 하우징(4850)과 코어부(4880) 사이에서 일어나고, 연료 공기 혼합기는 효율적인 방식으로 그를 통과한다. 구역(4873)은 엔진의 연소 시스템과 대체로 동일한 압력이고, 예비 가열기(4800) 내에서의 연료로의 열 전달은 연료를 이러한 압력에서의 기화 온도로 가열한다. (당연히, 이러한 온도는 송출 연료 압력 자체에서는 연료를 기화시키기에 너무 낮다.) 그 후에, 적합하게 가열된 공기-연료 혼합기는 출구(4851) 및 도관(4852)을 각각 거쳐 공기 흡기 시스템 및 연료 분사기에 의해 제공되는 나머지 공기 및 연료와 함께, 도관(4852)을 거쳐 엔진의 연소 시스템으로 공급된다.
엔진의 원래의 연료 시스템의 연료 분사기의 활성은 필요한 변경을 가하여 제4 실시예에 대해 설명된 것과 유사한 방식으로 보통의 엔진 관리 시스템 또는 컴퓨터에 의해 조절된다.
따라서, 제5 실시예는 예를 들어 다음과 같이 보통의 엔진에 즉시 설치될 수 있다. 연료 시스템의 주 연료 라인은 예비 가열기(4800)의 연료 흡입 포트(4810)에 연결된 부 도관을 제공하기 위해, T-접합부를 연결함으로써 변형된다. 우회 도관이 주 연료 도관과 복귀 도관 사이에 제공되고, 압력 밸브와 탭을 포함한다. 유사하게, 엔진의 냉각 시스템, 특히 방열기 내로 그리고 그로부터 외부로 이어지는 물 도관은 고온수의 일부를 물 포트를 거쳐 예비 가열기(4800)로 취출하도록 유사하게 변형된다. 공기 취출부가 그 다음 공기 흡기 시스템으로부터 공기 흡입 포트(4320)를 거쳐 예비 가열기(4800)에 제공된다. 그 다음, 제어기(3900)는 제4 실시예에서와 같이, 예비 가열기(4800) 및 차량 컴퓨터(3120) 및 센서, 그리고 당연히 적합한 전기 전원에 연결된다.
본 발명은 또한 내연 기관을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이고,
방법은,
(A) 연료의 적어도 일부를 (선택적으로 공기와 함께) 연료의 상기 부분의 엔진의 연소 시스템 내로의 송출 이전에 소정의 온도로 가열하는 단계를 포함하고,
상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 연료의 상기 부분이 연소 시스템의 압력에서 대체로 기화되는 것을 가능케 하기에 충분하다.
소정의 온도는 전형적으로 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내이다. 연료의 적어도 일부는 본원에서 한정된 바와 같은 연료 시스템에 의해 가열될 수 있다.
방법은 양호하게는,
(B) 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 과잉 공기 비율을 제공하도록 상기 엔진으로의 공연비를 제어하는 단계를 더 포함하고,
상기 기준 과잉 공기 비율은 대응하는 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련되고, 단계(A)는 상기 대응하는 엔진에 적용되지 않는다.
상기 기준 과잉 공기 비율은 전형적으로 0.96 내지 1.04 사이이고, 상기 목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.287 또는 약 1.3이다. 양호하게는, 상기 목표 공기 과잉 비율은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공한다. 기준 과잉 공기 인자는 전형적으로 질량 기준으로 약 14.7 내지 1의 공연비에 대응한다.
임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때, (B)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 상기 과잉 공기 비율은 엔진의 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 적합한 제어 수단에 의해 제어될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때, (B)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공될 수 있다. 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출될 수 있고, 상기 과잉 공기 비율의 제어는 예를 들어 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함될 수 있는 적합한 컴퓨터 수단을 포함하는 적합한 제어 수단에 의해 수행된다.
예
자동차에 설치된 표준 VW Golf 2000cc 엔진(2002년식)이 15 kW의 엔진 출력 등급에 대해, 표1에 나열된 조건의 테스트 설비에서 운전되었다. 연료 소비 및 배기 가스 성분이 측정되었고, 이러한 결과는 표2에 나열되어 있다. 엔진은 그 다음 본원에서 설명된 제1 실시예에 따른 본 발명의 작동 시스템을 포함하도록 변형되었고, 테스트는 그 다음 표1에 나열된 바와 같이, 약 1.26의 과잉 공기 비율 및 본원에서 설명된 바와 같이 예비 가열된 연료로, 대체로 유사한 조건에서 반복되었다. 연료 소비 및 배기 가스 성분 또한 기록되었고, 표2에 나열되어 있다. 각각의 표준 테스트는 제어된 부하에서 계획대로 292초동안 실행되었다.
표준 엔진(1차 테스트) 변형 엔진(2차 테스트)
과잉 공기 비율 0.996 1.26
부하(N) 430 430
RPM 3535 3483
속도(kph) 125.0 125.0
엔진 출력(KW) 14.9 15.0
주위 온도 22.95℃ 33.06℃
연료 입구 온도 22.37℃ 32.21℃
연료 출구 온도 23.30℃ 34.43℃
측정 압력(바아) 1.026 1.014
연료 입구 압력(바아) 2.58 2.41
연료 출구 압력(바아) 0.17 0.18
배기 온도 709℃ 656.9℃
표준 및 변형 엔진에 대한 운전 조건
15 kW의 엔진 출력(촉매 컨버터 없음)
표준 엔진(1차 테스트) 변형 엔진(2차 테스트)
연료 소비(테스트 사이클당 그램) 0.617 0.517
CO(체적%) 0.78 0.14
HC(체적 ppm) 86 57
CO2(체적%) 14.5 11.7
O2(체적%) 0.39 4.59
NOx(체적 ppm) 3194 2009
표준 및 변형 엔진에 대한 결과
15 kW의 엔진 출력(촉매 컨버터 없음)
쉽게 알 수 있는 바와 같이, 연료 예비 가열을 제공하고 과잉 공기 비율을 증가시킨 효과는 16% 이상의 연료 소비의 감소와, 일산화탄소, 탄화수소 및 NOx 방출 레벨의 실질적인 감소의 결과를 낳았다.
테스트는 그 다음 25 kW의 엔진 출력 등급에 대해 표3에 나열된 조건에서 반복되었고, 연료 소비 및 배기 가스 성분이 측정되었고, 이러한 결과는 표4에 나열되어 있다. 다시, 각각의 표준 테스트는 제어된 부하에서 계획대로 292초동안 실행되었다.
표준 엔진(1차 테스트) 변형 엔진(2차 테스트)
과잉 공기 비율 1.000 1.280
부하(N) 842 840
RPM 2996 3017
속도(kph) 106 108
엔진 출력(KW) 25 25.0
주위 온도 ℃ ℃
연료 입구 온도 27.69℃ 82.44℃
연료 출구 온도 27.69℃ 35.8℃
측정 압력(바아) 1.024 1.013
연료 입구 압력(바아) 2.77 2.87
연료 출구 압력(바아) 0.14 0.15
배기 온도 732.5℃ 688.7℃
표준 및 변형 엔진에 대한 운전 조건
25 kW의 엔진 출력(촉매 컨버터 없음)
표준 엔진(1차 테스트) 변형 엔진(2차 테스트)
연료 소비(테스트 사이클당 그램) 0.696 0.593
CO(체적%) 0.75 0.12
HC(체적 ppm) 83 54
CO2(체적%) 14.4 11.6
O2(체적%) 0.43 4.81
NOx(체적 ppm) 3166 1433
표준 및 변형 엔진에 대한 결과
25 kW의 엔진 출력(촉매 컨버터 없음)
쉽게 알 수 있는 바와 같이, 연료 예비 가열을 제공하고 과잉 공기 비율을 증가시킨 효과는 14% 이상의 연료 소비의 감소와, 일산화탄소, 탄화수소 및 NOx 방출 레벨의 실질적인 감소의 결과를 낳았다.
일련의 다른 비교 테스트가 그 다음 먼저 변형되지 않은 보통의 엔진과, 제4 실시예에 따른 작동 시스템을 포함한 동일한 엔진에 대해 수행되었다.
과잉 공기 비율 15 kW 25 kW
표준 변형 표준 변형
부하(N) 606 606 430 430
RPM 2529 2560 3535 3514
속도(kph) 90 92 125 125
엔진 출력(kW) 15 15 25 25
주위 온도(℃) 43.37 33.31 55.73 33.6
연료 입구 온도 25.2 33.8 27.89 32.38
연료 출구 온도 25.89 35.9 28.62 33.6
측정 압력(바아) 1.022 1.014 1.022 1.014
연료 입구 압력(바아) 2.67 2.62 2.56 2.45
배기 온도(℃) 643.9 625.6 714 662
연료 소비(테스트 사이클당 그램) 490 413 625 536
CO2(체적%) 0.80 0.12 0.77 0.18
HC(ppm) 101 65 83 57
CO2(체적%) 14.4 11.8 14.5 11.8
O2(체적%) 0.46 4.68 0.41 4.47
NOx(체적 ppm) 2879 1267 3231 2069
표준 및 변형 엔진에 대한 운전 조건
15 kW 및 25 kW의 엔진 출력(촉매 컨버터 없음)
쉽게 알 수 있는 바와 같이, 연료 예비 가열을 제공하고 과잉 공기 비율을 증가시킨 효과는 약 14% 내지 16%의 연료 소비의 감소와, 일산화탄소, 탄화수소 및 NOx 방출 레벨의 실질적인 감소의 결과를 낳았다.
이러한 테스트들이 개방 루프 제어로 수행되었지만, 더 양호한 비교 결과는 실제 작동 조건과 더 잘 일치하도록 폐쇄 루프 제어를 사용하여, 본 발명에 따른 변형 전후에, 엔진을 운전할 때 얻어질 수 있다.
본 발명의 작동 시스템은 과급기가 있거나 없는, 모든 유형의 연료 분사 시스템을 포함하는 내연 기관에서 사용될 수 있다.
유사하게, 본 발명의 작동 시스템은 필요한 변경을 가하여, 본원에서 설명된 것과 유사한 방식으로 디젤 엔진에 적용될 수 있다. 특히, 커먼 레일 분사 시스템을 통합한 디젤 엔진은 필요한 변경을 가하여 본원에서 설명된 제1, 제2, 제3 및 제4 실시예에 대해 설명된 것과 유사한 방식으로 변형될 수 있지만, 연료는 전형적으로 예를 들어 약 200℃ 내지 약 300℃의 더 높은 온도로 가열된다.
상기 설명이 본 발명의 몇몇 특정 실시예만을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 형태 및 세부 사항의 다른 변경이 본원에 개시된 본 발명의 범주 및 취지를 벗어나지 않고서 가능할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (133)

  1. 내연 기관용 작동 시스템이며,
    (a) 연료의 적어도 일부를 연료 상기 부분의 엔진의 연소 시스템 내로의 송출 이전에, 소정의 온도로 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 연료 시스템을 포함하고,
    상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 상기 연소 시스템의 압력에서의 연료의 기화 온도를 초과하는 작동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정의 온도는 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내인 작동 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료 시스템은,
    (ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
    (ⅱ) 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 부 연료 회로와,
    (ⅲ) 상기 주 연료 회로 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 포함하고,
    상기 분사 수단은 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 도관에 작동식으로 연결된 작동 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분사기 수단은 하류 부 복귀 도관을 거쳐 상기 복귀 도관에 작동식으로 연결된 작동 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 주 연료 도관은 연료가 펌프 수단 및 상기 부 연료 회로를 통해 순환되는 것을 가능케 하기 위해 적합한 펌프 수단을 포함하는 작동 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 부 연료 시스템은 탱크로부터 제1 연료 회로에 의해 제공되는 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있는 작동 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함하는 작동 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 연료의 상기 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량인 작동 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 상기 부 연료 회로는 상기 부 복귀 도관 내에 적합한 제2 압력 밸브를 포함하는 작동 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가열 수단은 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단을 포함하고,
    상기 온도 감지 수단은 적합한 제어기에 작동식으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 제2 압력 밸브에 작동식으로 연결된 작동 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어기는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있는 작동 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 연료 시스템은,
    (ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
    (ⅱ) 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 수단을 포함하는 부 연료 회로와,
    (ⅲ) 상기 주 연료 회로 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단과,
    (ⅳ) 상기 주 복귀 도관 내의 연료를 냉각하기 위해 적합한 연료 냉각 수단을 포함하고,
    상기 분사 수단은 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 도관에 작동식으로 연결된 작동 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 주 연료 회로는 연료가 펌프 수단 및 상기 부 연료 회로를 통해 순환되는 것을 가능케 하기 위해 적합한 펌프 수단을 포함하는 작동 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 부 연료 시스템은 탱크로부터 제1 연료 회로에 의해 제공되는 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있는 작동 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함하는 작동 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 연료의 상기 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량인 작동 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 연료 시스템은,
    (ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
    (ⅱ) 상기 주 연료 회로 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 포함하고,
    상기 연료 분사 수단은 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 작동 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 주 연료 회로는 연료가 펌프 수단을 통해 순환되는 것을 가능케 하기 위해 적합한 펌프 수단을 포함하는 작동 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 펌프에 의해 순환되는 상기 연료는 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량인 작동 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 주 연료 회로는 상기 주 복귀 도관 내에 적합한 취출 밸브를 포함하는 작동 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 가열 수단은 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단을 포함하고,
    상기 온도 감지 수단은 적합한 제어기에 작동식으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 취출 밸브에 작동식으로 연결된 작동 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제어기는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있는 작동 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 연료 시스템은,
    (ⅰ) 상류 주 도관을 거쳐 상기 엔진의 연소 시스템과 관련된 적어도 하나의 제1 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로와,
    (ⅱ) 상기 가열 수단을 포함하는 예비 가열기 수단과 선택적으로 연통하며, 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 도관에 작동식으로 연결되어 연료의 상기 부분을 상기 예비 가열기 수단에 제공하도록 되어 있는 제2 연료 분사 수단과,
    (ⅲ) 내부에서 공기와 연료의 상기 부분을 혼합하도록 되어 있는 상기 예비 가열기 수단에 소정의 공기 유동을 제공하기 위해 상기 예비 가열기 수단과 연통하는 엔진 공기 흡기 시스템으로부터의 공기 취출부를 포함하고,
    (ⅳ) 상기 예비 가열기 수단은 상기 예비 가열기 수단을 거쳐 상기 소정의 온도로 가열된 공기 연료 혼합기를 연소 시스템에 제공하기 위해 상기 연소 시스템과 연통하는 부 하류 도관을 더 포함하는 작동 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 주 연료 시스템은 상기 제2 상류 연료 도관을 거쳐 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있는 작동 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함하는 작동 시스템.
  26. 제24항에 있어서, 연료의 상기 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량보다 더 적은 작동 시스템.
  27. 제23항에 있어서, 상기 예비 가열기 수단은 상기 제2 연료 분사 수단 및 상기 공기 취출부와 연통하는 챔버를 갖는 하우징을 포함하는 작동 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 챔버는 상기 챔버에 제공된 공기와 연료를 혼합하고 연료를 상기 소정의 온도로 가열하도록 되어 있는, 복수의 통로를 갖는 코어부를 포함하는 작동 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 상기 챔버는 내부에서 회전하도록 장착된 한 쌍의 대향 회전 가능한 회전자와, 상기 제2 연료 분사 수단에 의해 제공된 연료 및 상기 공기 취출부에 의해 제공된 공기를 상기 회전자를 향해 유도하여 그 위에 충돌시키기 위한 노즐 수단과, 기화된 연료 및 공기만을 통과시키도록 되어 있는 스크린 수단을 포함하고, 연료의 상기 부분을 상기 소정의 온도로 유지하기 위해 예비 가열기로부터 상기 연료로의 추가의 열 전달을 위한, 복수의 통로를 갖는 하류 코어부를 더 포함하는 작동 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 노즐 수단은 상기 제2 연료 분사 수단에 의해 제공된 상기 연료 및 상기 공기 취출부에 의해 제공된 상기 공기를 상기 회전자들 사이의 영역으로 유도하여 상기 회전자들을 대향 회전시키도록 되어 있는 작동 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 각각의 상기 회전자는 복수의 베인을 포함하고,
    각각의 상기 베인은 베인의 루트에서 회전자 허브에 연결되며 베인의 선단부에서 서로 결합된 한 쌍의 벽을 포함하는 작동 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 상기 벽들은 서로로부터 이격되어 있으며, 회전자들이 소정의 고속으로 회전될 때 상기 벽들이 서로 압박되도록 가요성 재료로부터 만들어진 작동 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 벽은 메시형 재료로부터 만들어진 작동 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 벽의 메시 패턴은 상기 벽들이 서로 압박될 때, 하나의 벽의 메시의 개방 공간의 적어도 일부가 다른 벽의 메시의 개방 공간 위에 중첩되지 않도록 되어 있는 작동 시스템.
  35. 제29항에 있어서, 상기 스크린 수단은 서로에 대해 중첩된 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재를 포함하고,
    상기 제1 메시 부재 및 상기 제2 메시 부재 중 적어도 하나는 각각 상기 제2 메시 부재 또는 상기 제1 부재에 대해 회전 가능하고, 상기 제1 메시 부재의 개방 공간의 적어도 일부는 제2 메시 부재의 개방 공간 위에 중첩되지 않는 작동 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재는 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재가 서로에 대해 회전될 때 그들 사이의 유효 개방 영역이 증가되거나 감소되지 않도록 메시 형상을 포함하는 작동 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 상기 유효 개방 영역을 증가시키거나 감소시키기 위해 상기 제2 메시 부재에 대해 상기 제1 메시 부재를 자동으로 그리고 선택적으로 회전시키기 위해 적합한 메커니즘을 더 포함하는 작동 시스템.
  38. 제23항에 있어서, 상기 부 연료 분사 수단을 원하는 대로 작동시키기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하는 작동 시스템.
  39. 제1항에 있어서, 상기 가열 수단은 적합한 열 교환기 장치를 포함하고, 이에 의해 엔진의 냉각 시스템 내에서 발생한 열이 가열되는 연료에 제공되는 작동 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 상기 열 교환 장치는 엔진의 냉각 시스템에 작동식으로 연결된 열 교환 도관을 포함하고,
    상기 열 교환 도관은 상기 분사기 수단을 통해 유동하는 연료가 가열되는 것을 가능케 하도록 상기 분사기 수단을 통과하는 작동 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 상기 열 교환 도관은 적합하게는 상기 연료와의 열 교환을 향상시키도록 주름진 작동 시스템.
  42. 제39항에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 연료를 엔진의 온도에 관계없이 가열하기 위해 적합한 보조 가열 수단을 더 포함하는 작동 시스템.
  43. 제42항에 있어서, 상기 보조 가열 시스템은 전기 가열기를 포함하는 작동 시스템.
  44. 제1항에 있어서, 상기 연료 시스템은 복수의 연료 분사기를 포함하는 연료 분사 수단을 포함하고,
    각각의 분사기는 엔진의 실린더와 관련되고, 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하는 연료 분사 단부를 포함하는 작동 시스템.
  45. 제44항에 있어서, 상기 복수의 연료 분사기들은 공통 도관을 거쳐 유체 연통하는 작동 시스템.
  46. 제44항에 있어서, 상기 분사 수단은 연료를 엔진의 연소실에 직접 제공하는 작동 시스템.
  47. 제44항에 있어서, 상기 분사 수단은 연료를 엔진의 연소실 상류의 공기 흡기 시스템에 제공하는 작동 시스템.
  48. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
    (b) 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하고,
    상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 엔진이 (a) 내에 연료 가열 수단을 포함하는 상기 연료 시스템 대신에 보통의 연료 시스템에 의해 작동될 때, 상기 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된 작동 시스템.
  49. 제48항에 있어서, 상기 기준 과잉 공기 비율은 약 0.96 내지 약 1.04 사이인 작동 시스템.
  50. 제49항에 있어서, 상기 목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.287 또는 약 1.3인 작동 시스템.
  51. 제48항에 있어서, 상기 목표 공기 과잉 비율은 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공하는 작동 시스템.
  52. 제51항에 있어서, 상기 적어도 하나의 최적 운전 특성은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함하는 작동 시스템.
  53. 제48항에 있어서, 상기 기준 과잉 공기 비율은 질량 기준으로 약 14.7 내지 1의 공연비에 대응하는 작동 시스템.
  54. 제48항에 있어서, 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때, (b)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되는 작동 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 상기 제어 수단은 엔진의 상기 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 작동 시스템.
  56. 제48항에 있어서, 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때, (b)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되는 작동 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 상기 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출되는 작동 시스템.
  58. 제57항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 공기 흡기 수단에 작동식으로 연결된 작동 시스템.
  59. 제48항에 있어서, 상기 제어 수단은 적합한 컴퓨터 수단 및 적합한 전자 수단 중 적어도 하나를 포함하는 작동 시스템.
  60. 제59항에 있어서, 상기 제어 수단은 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함된 작동 시스템.
  61. 제48항에 있어서, 상기 연료 시스템은 제23항의 예비 가열기를 포함하고,
    상기 제어 수단은 상기 엔진의 제어 시스템으로부터 분리된 작동 시스템.
  62. 제61항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 부 연료 분사 수단의 작동을 제어하고, 상기 주 연료 분사 수단을 상기 목표 과잉 공기 비율에서 작동시키도록 엔진의 상기 제어 시스템에 적절한 신호를 제공하도록 되어 있는 작동 시스템.
  63. 제62항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 엔진의 공기 흡기를 결정하기 위해 사용되는 적어도 하나의 엔진 센서에 작동식으로 연결되고,
    상기 제어 수단은 상기 적어도 하나의 센서에 의해 정상적으로 제공되는 신호를 모방한 적합한 신호를 상기 제어 시스템에 제공하고,
    상기 모방 신호는 상기 제어 시스템이 상기 부 연료 분사 수단을 거쳐 제공되는 연료에 대해 교정된, 상기 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 요구되는 연료 유동을 제공하도록 상기 주 분사 수단을 작동시키는 것을 가능케 하는 작동 시스템.
  64. 상기 엔진 내에 포함된 연소실로 분무화된 매체를 송출하기 위해, 내연 기관 내에 포함된 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에서 한정된 엔진 작동 시스템과 함께 사용하기 위한 첨가제 분무화 유닛이며,
    상기 매체의 체적을 보유하기 위한 재충전 가능한 저장소와,
    분무화 유닛과,
    상기 저장소와 상기 분무화 유닛 사이와, 상기 분무화 유닛과 상기 엔진의 상기 흡기 시스템 사이에 각각 유체 연통을 제공하기 위해 적합한 제1 및 제2 유체 라인을 포함하는 첨가제 분무화 유닛.
  65. 제64항에 있어서, 상기 제1 유체 라인 내에 적합한 필터를 더 포함하는 첨가제 분무화 유닛.
  66. 제65항에 있어서, 상기 분무화 유닛은 바닥 측면에 공기 흡입 수단을 갖는 하우징과, 상기 매체를 공기 혼입하기 위한 공기 혼입 장치와, 공기 혼입되고 기화된 매체를 수집하기 위한 상부 수집 체적과, 상기 제2 유체 라인을 거쳐 상기 엔진 흡기 시스템과 유체 연통하는 출구 수단을 포함하는 첨가제 분무화 유닛.
  67. 제66항에 있어서, 공기가 적합한 공기 필터와 연통하는 적합한 공기 파이프를 거쳐 상기 공기 흡입 수단에 제공되는 첨가제 분무화 유닛.
  68. 제67항에 있어서, 상기 분무화 유닛 내에서 매체의 레벨을 유지하기 위해 적합한 레벨 검출기에 작동식으로 연결된 자동 충전기 수단을 더 포함하는 첨가제 분무화 유닛.
  69. 제68항에 있어서, 상기 매체는 메탄올과 아세트산의 혼합물을 포함하는 첨가제 분무화 유닛.
  70. 제69항에 있어서, 상기 혼합물은 약 60 내지 80 체적%의 메탄올과 약 40 내지 20 체적%의 아세트산을 포함하는 첨가제 분무화 유닛.
  71. 제64항에 있어서, 상기 분무화 유닛과 상기 엔진의 상기 흡기 시스템 사이에 유체 연통을 제공하기 위해 엔진의 공기 흡기 시스템 내에 포함된 분배 칼라를 더 포함하는 첨가제 분무화 유닛.
  72. 내연 기관을 작동시키기 위한 방법이며,
    (A) 연료의 적어도 일부를 연료의 상기 부분의 엔진의 연소실 내로의 송출 이전에, 소정의 온도로 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 연소 시스템의 압력에서의 기화 온도를 초과하는 방법.
  73. 제72항에 있어서, 상기 소정의 온도는 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내인 방법.
  74. 제72항에 있어서, 연료의 상기 적어도 일부는 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항의 연료 시스템에 의해 가열되는 방법.
  75. 제72항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서,
    (B) 기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 과잉 공기 비율을 제공하기 위해 상기 엔진으로의 공연비를 제어하는 단계를 더 포함하고,
    상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 엔진이 단계(A)가 상기 엔진에 적용되지 않고서 작동될 때의 상기 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된 방법.
  76. 제75항에 있어서, 상기 기준 과잉 공기 비율은 0.96 내지 1.04 사이인 방법.
  77. 제75항에 있어서, 상기 목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.287 또는 약 1.3인 방법.
  78. 제75항에 있어서, 상기 목표 공기 과잉 비율은 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공하는 방법.
  79. 제78항에 있어서, 상기 적어도 하나의 최적 운전 특성은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  80. 제75항에 있어서, 상기 기준 과잉 공기 인자는 질량 기준으로 약 14.7의 공연비에 대응하는 방법.
  81. 제75항에 있어서, 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태로 운전될 때, (B)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되는 방법.
  82. 제81항에 있어서, 상기 과잉 공기 비율은 엔진의 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 적합한 제어 수단에 의해 제어되는 방법.
  83. 제75항에 있어서, 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 대체로 동일한 엔진 상태로 운전될 때, (B)에서 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되는 방법.
  84. 제83항에 있어서, 상기 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출되는 방법.
  85. 제75항에 있어서, 상기 과잉 공기 비율의 상기 제어는 적합한 제어 수단에 의해 수행되는 방법.
  86. 제85항에 있어서, 상기 제어 수단은 적합한 컴퓨터 수단을 포함하는 방법.
  87. 제86항에 있어서, 상기 제어 수단은 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함된 방법.
  88. 내연 기관에 작동 시스템을 설치하기 위한 키트이며,
    연료의 적어도 일부를 연료의 상기 부분의 엔진의 연소 시스템 내로의 송출 이전에, 가열하기 위한 가열 수단을 포함하고,
    상기 온도는 송출 연료 압력에서의 연료의 기화 온도 아래이지만, 상기 연소 시스템의 압력에서의 상기 연료의 기화 온도를 초과하는 키트.
  89. 제88항에 있어서, 상기 소정의 온도는 약 60℃ 내지 약 100℃ 사이, 양호하게는 70℃ 내지 약 85℃ 사이의 범위 내인 키트.
  90. 제88항에 있어서, 상기 엔진은,
    상류 주 도관을 거쳐 압력 밸브에 작동식으로 연결된 연료 탱크와, 하류 주 복귀 도관을 포함하는 주 연료 회로를 포함하고, 상기 주 연료 회로는 상기 압력 밸브 상류에 연료 분사 수단을 포함하고, 상기 연료 분사 수단은 엔진의 연소 시스템과 선택적으로 연통하고,
    상기 키트는,
    (ⅰ) 상기 주 도관을 상기 탱크로부터 상기 연료 분사 수단으로가 아닌 탱크로부터 직접 상기 압력 밸브로 재유도하기 위한 제1 도관 수단과,
    (ⅱ) 상기 연료 분사 수단을 상기 제1 도관 수단에 작동식으로 연결하기 위한 제2 도관 수단과,
    (ⅲ) 상기 연료 분사 수단의 하류 단부를 상기 압력 밸브가 아닌 상기 주 복귀 도관에 작동식으로 연결하기 위한 제3 도관 수단과,
    (ⅳ) 상기 연료 분사 수단 내의 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 포함하는 키트.
  91. 제90항에 있어서, 상기 제1 도관 수단 및 상기 제2 도관 수단은 탱크로부터 주 연료 도관에 의해 제공되는 송출 연료 유동의 상기 부분을 채널링하도록 되어 있는 키트.
  92. 제91항에 있어서, 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 이상, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함하는 키트.
  93. 제92항에 있어서, 연료의 상기 부분은 대체로 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량인 키트.
  94. 제90항에 있어서, 상기 제3 도관 수단 회로는 상기 부 복귀 도관 내에 적합한 제2 압력 밸브를 포함하는 키트.
  95. 제90항에 있어서, 상기 가열 수단은 내부의 연료 온도를 감지하기 위해 적합한 온도 감지 수단을 포함하고,
    상기 온도 감지 수단은 적합한 제어기에 작동식으로 연결되고,
    상기 제어기는 상기 제2 압력 밸브에 작동식으로 연결된 키트.
  96. 제95항에 있어서, 상기 제어기는 상기 온도 감지 수단에 의해 감지된 상기 연료 온도가 소정의 한계를 초과할 때, 상기 제2 압력 밸브를 개방하여 상기 가열 수단으로부터 연료 유동을 방향 전환하도록 되어 있는 키트.
  97. 제90항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서,
    기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하고,
    상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 키트가 없이 작동될 때의 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된 키트.
  98. 제97항에 있어서, 상기 목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.287 또는 약 1.3인 키트.
  99. 제98항에 있어서, 상기 목표 공기 과잉 비율은 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공하는 키트.
  100. 제88항에 있어서, 상기 엔진은,
    상류 주 도관을 거쳐 복수의 주 연료 분사 수단에 작동식으로 연결된 연료 탱크와 하류 주 복귀 도관을 포함하며, 요구되는 작동 연료 송출 압력을 제공하기 위해 적합한 수단을 포함하는 주 연료 회로를 포함하고,
    상기 주 연료 회로는 상기 압력 밸브 상류에 제1 연료 분사 수단을 포함하고,
    상기 주 연료 분사 수단은 엔진의 연소 시스템과 관련되고,
    상기 엔진은 상기 연소 시스템에 공기를 제공하기 위한 공기 흡기 시스템과, 상기 주 연료 분사 수단을 작동시키기 위한 제어 시스템을 더 포함하고,
    상기 키트는,
    (ⅴ) 상기 주 연료 도관을 상기 주 복귀 도관과 작동식으로 연결하며, 상기 키트가 없이 작동될 때 상기 엔진에 대한 작동 연료 송출 압력을 감소시키기 위한 압력 밸브 및 탭을 포함하는 우회 도관과,
    (ⅵ) 상기 가열 수단을 포함하며, 상류 부 도관을 거쳐 상기 주 연료 도관에 작동식으로 연결되어 연료의 상기 부분을 상기 예비 가열기 수단에 제공하도록 되어 있는 제2 연료 분사 수단을 더 포함하는 예비 가열기 수단과,
    (ⅶ) 내부에서 상기 공기와 연료의 상기 부분을 혼합하도록 되어 있는 상기 예비 가열기 수단에 소정의 공기 유동을 제공하기 위해 상기 엔진 공기 흡기 시스템과 상기 예비 가열기 수단 사이에 연통을 제공하는 공기 취출 도관을 포함하고,
    (ⅷ) 상기 예비 가열기 수단은 상기 예비 가열기 수단을 거쳐 상기 소정의 온도로 가열된 공기 연료 혼합기를 연소 시스템에 제공하기 위해 상기 연소 시스템과 연통하는 부 하류 도관을 더 포함하는 키트.
  101. 제100항에 있어서, 상기 제2 연료 도관은 송출 연료 유동의 상기 부분을 상기 예비 가열기로 채널링하도록 되어 있는 키트.
  102. 제101항에 있어서, 상기 부분은 상기 송출 연료 유동의 약 10% 미만, 양호하게는 상기 송출 연료 유동의 약 2% 내지 약 5%를 포함하는 키트.
  103. 제101항에 있어서, 연료의 상기 부분은 연료 분사 수단을 거쳐 엔진에 제공되도록 요구되는 연료량보다 대체로 더 적은 키트.
  104. 제101항에 있어서, 상기 예비 가열기 수단은 상기 제2 연료 분사 수단 및 상기 공기 취출부와 연통하는 챔버를 갖는 하우징을 포함하는 키트.
  105. 제104항에 있어서, 상기 챔버는 상기 챔버에 제공된 공기와 연료를 혼합하고 연료를 상기 소정의 온도로 가열하도록 되어 있는, 복수의 통로를 갖는 코어부를 포함하는 키트.
  106. 제104항에 있어서, 상기 챔버는 내부에서 회전하도록 장착된 한 쌍의 대향 회전 가능한 회전자와, 상기 제2 연료 분사 수단에 의해 제공된 연료 및 상기 공기 취출부에 의해 제공된 공기를 상기 회전자를 향해 유도하여 그 위에 충돌시키기 위한 노즐 수단과, 기화된 연료 및 공기만을 통과시키도록 되어 있는 스크린 수단을 포함하고, 연료의 상기 부분을 상기 소정의 온도로 유지하기 위해 예비 가열기로부터 상기 연료로의 추가의 열 전달을 위한, 복수의 통로를 갖는 하류 코어부를 더 포함하는 키트.
  107. 제106항에 있어서, 상기 노즐 수단은 상기 제2 연료 분사 수단에 의해 제공된 상기 연료 및 상기 공기 취출부에 의해 제공된 상기 공기를 상기 회전자들 사이의 영역으로 유도하여 상기 회전자들을 대향 회전시키도록 되어 있는 키트.
  108. 제106항에 있어서, 각각의 상기 회전자는 복수의 베인을 포함하고,
    각각의 상기 베인은 베인의 루트에서 회전자 허브에 연결되며 베인의 선단부에서 서로 결합된 한 쌍의 벽을 포함하는 키트.
  109. 제108항에 있어서, 상기 벽들은 서로로부터 이격되어 있으며, 회전자들이 소정의 고속으로 회전될 때 상기 벽들이 서로 압박되도록 가요성 재료로부터 만들어진 키트.
  110. 제109항에 있어서, 상기 벽은 메시형 재료로부터 만들어진 키트.
  111. 제110항에 있어서, 상기 벽의 메시 패턴은 상기 벽들이 서로 압박될 때, 하나의 벽의 메시의 개방 공간의 적어도 일부가 다른 벽의 메시의 개방 공간 위에 중첩되지 않도록 되어 있는 키트.
  112. 제106항에 있어서, 상기 스크린 수단은 서로에 대해 중첩된 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재를 포함하고,
    상기 제1 메시 부재 및 상기 제2 메시 부재 중 적어도 하나는 각각 상기 제2 메시 부재 또는 상기 제1 부재에 대해 회전 가능하고, 상기 제1 메시 부재의 개방 공간의 적어도 일부는 제2 메시 부재의 개방 공간 위에 중첩되지 않는 키트.
  113. 제112항에 있어서, 상기 제1 메시 부재 및 상기 제2 메시 부재는 제1 메시 부재 및 제2 메시 부재가 서로에 대해 회전될 때 그들 사이의 유효 개방 영역이 증가되거나 감소되지 않도록 메시 형상을 포함하는 키트.
  114. 제113항에 있어서, 상기 유효 개방 영역을 증가시키거나 감소시키기 위해 상기 제2 메시 부재에 대해 상기 제1 메시 부재를 자동으로 그리고 선택적으로 회전시키기 위해 적합한 메커니즘을 더 포함하는 키트.
  115. 제100항에 있어서, 상기 가열 수단은 엔진의 냉각 시스템에 작동식으로 연결된 적합한 열 교환기 장치를 포함하고, 이에 의해 엔진의 냉각 시스템 내에서 발생한 열이 가열되는 연료에 제공되는 키트.
  116. 제115항에 있어서, 상기 열 교환 장치는 엔진의 냉각 시스템에 작동식으로 연결된 열 교환 도관을 포함하고,
    상기 열 교환 도관은 상기 분사기 수단을 통해 유동하는 연료가 가열되는 것을 가능케 하도록 상기 분사기 수단을 통과하는 키트.
  117. 제116항에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 연료를 엔진의 온도에 관계없이 가열하기 위해 적합한 보조 가열 수단을 더 포함하는 키트.
  118. 제117항에 있어서, 상기 보조 가열 수단은 전기 가열기를 포함하는 키트.
  119. 제100항에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 예비 가열기 수단의 온도를 대략 상기 소정의 온도로 유지하기 위해 적합한 써모스탯 수단을 포함하는 키트.
  120. 제100항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서,
    기준 과잉 공기 비율보다 대체로 더 큰 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 공연비를 상기 엔진에 제공하기 위해 적합한 제어 수단을 더 포함하고,
    상기 기준 과잉 공기 비율은 상기 키트가 없이 작동될 때의 엔진의 적어도 하나의 최적 운전 특성과 관련된 키트.
  121. 제120항에 있어서, 상기 목표 과잉 공기 비율은 약 1.05보다 대체로 더 크고, 양호하게는 약 1.05 내지 약 2.0 사이, 더욱 양호하게는 약 1.1 내지 약 1.6 사이, 더욱 양호하게는 약 1.15 내지 약 1.5 사이, 더욱 양호하게는 약 1.2 내지 약 1.4 사이, 더욱 양호하게는 약 1.25 내지 약 1.35 사이, 더욱 양호하게는 약 1.287 또는 약 1.3인 키트.
  122. 제121항에 있어서, 상기 목표 공기 과잉 비율은 상기 엔진에 대한 적어도 하나의 최적 운전 특성을 제공하는 키트.
  123. 제121항에 있어서, 상기 적어도 하나의 최적 운전 특성은 엔진에 대한 최적 연료 소비 및 최적 토크 중 적어도 하나를 포함하는 키트.
  124. 제123항에 있어서, 임의의 엔진 상태에서의 상기 목표 과잉 공기 비율은 상기 키트의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 연료 유동에 비해 더 낮은 연료 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되는 키트.
  125. 제123항에 있어서, 임의의 엔진 상태에서의 목표 과잉 공기 비율은 상기 키트의 부재 시에 대체로 동일한 엔진 상태에서 운전될 때 상기 대응하는 엔진 내에서 송출되는 대응하는 공기 유동에 비해 더 높은 공기 유동을 상기 연소 시스템으로 송출함으로써 제공되는 키트.
  126. 제125항에 있어서, 상기 더 높은 공기 유동은 엔진의 공기 흡입 시스템 내에 포함된 과급기에 의해 송출되는 키트.
  127. 제120항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 부 연료 분사 수단의 작동을 제어하고, 상기 주 연료 분사 수단을 상기 목표 과잉 공기 비율에서 작동시키도록 엔진의 상기 제어 시스템에 적절한 신호를 제공하도록 되어 있는 키트.
  128. 제124항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 엔진의 공기 흡기를 결정하기 위해 사용되는 적어도 하나의 엔진 센서에 작동식으로 연결되고,
    상기 제어 수단은 상기 적어도 하나의 센서에 의해 정상적으로 제공되는 신호를 모방한 적합한 신호를 상기 제어 시스템에 제공하고,
    상기 모방 신호는 상기 제어 시스템이 상기 부 연료 분사 수단을 거쳐 제공되는 연료에 대해 교정된, 상기 목표 과잉 공기 비율에 대응하는 요구되는 연료 유동을 제공하도록 상기 주 분사 수단을 작동시키는 것을 가능케 하는 키트.
  129. 제120항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 공기 흡기 수단에 작동식으로 연결된 키트.
  130. 제120항에 있어서, 상기 제어 수단은 적합한 컴퓨터 수단 또는 적합한 전자 제어 수단을 포함하는 키트.
  131. 제120항에 있어서, 상기 제어 수단은 엔진의 연료 분사 제어 컴퓨터 내에 포함된 키트.
  132. 내연 기관에 엔진 작동 시스템을 설치하기 위한 방법이며,
    제90항 내지 제99항 중 어느 한 항에 따른 키트를 상기 엔진에 제공하는 단계를 포함하고,
    (ⅰ) 상기 주 도관을 상기 탱크로부터 상기 연료 분사 수단으로가 아닌 탱크로부터 직접 상기 압력 밸브로 재유도하는 단계와,
    (ⅱ) 상기 연료 분사 수단을 상기 재유도된 주 도관에 작동식으로 연결하는 단계와,
    (ⅲ) 상기 연료 분사 수단의 하류 단부를 상기 압력 밸브가 아닌 상기 주 복귀 도관에 작동식으로 연결하는 단계와,
    (ⅳ) 상기 연료 분사 수단 내에 연료를 가열하기 위해 적합한 연료 가열 수단을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  133. 내연 기관에 엔진 작동 시스템을 설치하기 위한 방법이며,
    제100항 내지 제131항 중 어느 한 항에 따른 키트를 상기 엔진에 제공하는 단계를 포함하고,
    (ⅰ) 상기 키트가 없이 작동될 때, 상기 엔진에 대한 작동 연료 송출 압력을 감소시키기 위해 상기 주 연료 도관 및 상기 주 복귀 도관을 우회하는 단계와,
    (ⅱ) 주 연료 도관을 예비 가열기 수단에 작동식으로 연결하는 단계와,
    (ⅲ) 엔진 공기 흡기 시스템으로부터 예비 가열기로 공기를 취출하는 단계와,
    (ⅳ) 예비 가열기 수단의 출구 단부를 엔진의 연소 시스템으로 유도하는 단계를 더 포함하는 방법.
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