KR20050084834A - 가스 연료형 내연 기관의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

가스 연료형 내연 기관의 제어 방법 및 장치 Download PDF

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KR20050084834A
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구오웨이 리
올리비어 레바스타드
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웨스트포트 리서치 인코포레이티드.
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Abstract

연료의 자동 점화 및 연소에 적합한 내연 기관의 연소 챔버 내의 환경을 생성하고, 그 이외의 경우에는 자동 점화될 수 없는, 방법 및 장치가 개시된다. 고부하 조건 하에서, 파일럿량의 연료가 피스톤의 압축 행정 동안에 내연 기관의 연소 챔버 내에 분사된다. 연료의 양 및 시기는 동력 행정 동안에 피스톤을 구동하기 위해 연료의 메인 분사에 요구되는 시간에 연료의 자동 점화 온도 이상의 온도로 연소 챔버 내의 흡기 차지를 가열하도록 선택된다. 일반적으로, 자동 점화 온도는 피스톤의 상사점 또는 거의 상사점에 도달해야 한다. 또한, 상기 방법에 의해 교시된 방식으로 연료를 전달하기 위한 분사기 설계가 개시된다.

Description

가스 연료형 내연 기관의 제어 방법 및 장치{CONTROL METHOD AND APPARATUS FOR GASEOUS FUELLED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 직접 분사식 내연 기관의 연소 챔버 내에 연소 이벤트를 생성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
천연 가스를 사용하여 디젤 엔진을 운전시키는 것은 배출물 이점이 있다. 천연 가스는, 예로서 청정 연소 연료(디젤에 비해)이다. 특히, 천연 가스는 일반적으로 감소된 배출 레벨의 미립자 물질(PM), 탄화수소, 온실 가스 및 질소 산화물(NOx)로 엔진이 운전하게 한다.
부가적으로, 비교적 풍부하고 광범위하게 이용 가능한 연료인 천연 가스로의 종래의 연료의 대체는 석유에 대한 의존성을 감소시키는 것을 보조한다.
본 명세서에서, 본 발명은 천연 가스 연료형 엔진에 관해 설명될 것이다. 그러나, 다른 가스 연료가 유사한 이점으로 대체될 수도 있다. 예로서, 메탄, 에탄, 프로판 및 경량의 가연성 탄화수소 유도체, 뿐만 아니라 수소 및 하이탄(hythane)TM(천연 가스와 수소의 혼합물)과 같은 가스 연료 및 다른 이러한 가스 연료가 또한 본 발명에 사용될 수 있다.
천연 가스 연료형 엔진 기술의 최근의 개발은 고압에서 연소 챔버 내로 분사된 천연 가스는 디젤 엔진 성능과 유사한 엔진 성능을 초래할 수 있다는 것을 나타낸다. 본 출원인에 의해 개발되고 있는 이러한 고압 직접 분사 기술은 디젤 연료형 엔진 성능에 관한 불리한 점을 거의 또는 전혀 발생시키지 않고 디젤 연료형 엔진과 관련된 배출물 레벨에 대한 해결책을 제공하는 HPDITM 기술로서 공지되어 있다.
현재의 디젤 엔진 기술을 사용하는 천연 가스는 점화 보조 전략을 요구한다. 디젤 연료와는 달리, 천연 가스는 전형적인 운전 디젤 엔진에서 설정된 연소 챔버 환경 내로 분사될 때 신속하게 자동 점화되지 않는다. 따라서, 이러한 엔진에서의 천연 가스의 적시의 점화 및 연소를 보장하기 위해, 점화 보조가 제공된다. 본 명세서를 위해, 연료의 자동 점화 온도는 그 연료의 자동 점화 및 연소를 발생할 수 있는 연소 챔버 내의 흡기 차지(intake charge)의 온도이다. 자동 점화는 피스톤에 요구 에너지를 제공하는데 적합한 연료의 직접 분사 후의 시간 기간 내에 발생해야 한다. 명료화를 위해, 점화 보조 전략은 상술한 다른 가스 연료 뿐만 아니라 메탄올과 같은 몇몇 액체 연료 및 비교적 높은 자동 점화 온도를 갖는 다른 연료에 요구된다.
하나의 이러한 점화 보조 전략은 연소 챔버 내로 돌출된 글로우 플러그 또는 다른 고온 표면을 이용한다. 이러한 고온 표면 상에 충돌하는 천연 가스가 점화되고 연소될 수 있다.
제2 점화 보조 전략은 파일럿 연료로서 소량의 디젤을 사용하는 것이다. 여기서, 피스톤이 거의 상사점에 있을 때 디젤이 천연 가스가 분사될 때의 직전에 또는 거의 동시에 연소 챔버 내로 분사된다. 피스톤이 거의 상사점에 있을 때 디젤이 챔버 내에 설정된 조건 하에서 일반적으로 자동 점화됨에 따라, 이 디젤의 연소는 천연 가스와 같은 메인 기체 연료의 점화를 개시할 수 있다.
본 명세서에서, "거의 상사점"은 상사점의 30°이내를 의미한다.
양 접근과 관련된 기술적 과제가 존재한다. 고온 표면 점화에서, 연소가 연소 챔버 내의 일 지점에서 초기화되면, 불완전 연소가 발생하여 증가된 탄화수소 배출물 및 이외의 경우에 피스톤을 구동하는데 사용될 수 있는 연소 에너지의 손실을 초래할 수 있다. 완전 연소를 촉진하기 위해, 고온 표면에서 발생하는 화염이 연소 챔버 전체에 걸쳐 전파되어 분사된 천연 가스 전체가 점화되어야 한다. 그러나, 화염 전파는 불완전할 수 있기 때문에, 글로우 플러그로부터 가장 멀리 제거된 챔버의 부분 내로 분사된 가스가 점화 실패되거나 불완전 연소할 수도 있다. 예로서, 뮐러 씨. 제이.(Mueller, C. J.) 및 무스큘러스 엠. 피.(Musculus, M. P.)의 "광학 DI 디젤 엔진에서의 메탄올의 글로우 플러그 보조 점화 및 연소(Glow Plug Assisted Ignition and Combustion of Methanol in an Optical DI Diesel Engine", SAE 페이퍼 2001-01-2004를 참조하라. 화염 전파가 연소 챔버 내의 가스의 연소를 초기화하는데 충분히 신속하지 않으면, 천연 가스의 직접 분사량이 점화에 너무 희박하게 될 수 있다.
점화 보조 전략을 위해 파일럿 연료를 사용할 때, 2개의 연료가 수용되어야 한다. 즉, 개별 연료 공급 시스템이 요구되어, 엔진의 복잡성을 추가한다. 또한, 파일럿 연료의 양 및 유형에 따라, 파일럿 연료의 연소에 의해 발생되는 바람직하지 않은 배출물이 존재할 수 있다.
또한, 파일럿 연료 시스템은 천연 가스 엔진에 비용을 추가시킨다. 파일럿 연료 시스템과 관련된 자본 비용 뿐만 아니라 유지 보수 시간 및 이러한 유지 보수를 위한 비용이 존재한다.
다른 수단이 HPDITM 천연 가스 엔진을 점화하는 것을 보조하는데 사용될 수 있다. 예로서, 천연 가스는 가스가 직접 분사된 후에 스파크 점화될 수 있다. 그러나, 직접 분사 천연 가스의 스파크 점화는 글로우 플러그 점화와 동일한 다수의 과제를 갖는다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결한다.
도 1은 가스 연료 분사 밸브 및 글로우 플러그를 갖는 내연 기관의 연소 챔버의 측단면도로서, 연소 챔버가 연소 챔버 내로의 천연 가스의 분사 전의 압축 행정 동안에 도시되어 있는 측단면도.
도 2a 및 도 2b는 파일럿량의 가스 연료가 연소 챔버 내로 도입될 때의 압축 행정의 후기에서의 도 1과 동일한 실시예의 2개의 도면을 도시하며, 도 2a는 연소 챔버의 측단면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 단면 라인 2B-2B를 따른 연소 챔버의 상면도.
도 3a 및 도 3b는 피스톤이 연소 행정의 완료 부근에서 상사점 또는 거의 상사점에 있고 메인량의 가스 연료가 연소 챔버 내로 도입될 때의 도 1 및 도 2와 동일한 실시예의 2개의 도면을 도시하며, 도 3a는 연소 챔버의 측단면도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 단면 라인 3B-3B를 따른 연소 챔버의 상면도.
도 4는 크랭크각에 대한 흡기 차지 온도 및 천연 가스 열 방출을 예시하는 그래프.
도 5는 파일럿량의 연료 및 메인량의 연료를 분사하기 위한 연료 분사 밸브의 하부 부분의 실시예의 측단면도로서, 연료 분사 밸브가 폐쇄되어 있는 측단면도.
도 6은 밸브 니들이 파일럿량의 가스 연료가 연소 챔버 내로 분사되는 것을 허용하도록 위치 설정된 도 5의 연료분사 밸브의 하부 부분의 측단면도.
도 7은 밸브 니들이 메인량의 가스 연료가 연소 챔버 내로 분사되는 것을 허용하도록 위치 설정된 경우의 분사 밸브의 하부 부분의 측단면도.
도 8은 내연 기관의 연소 챔버 내로의 임의의 연료의 분사 이전의 폐쇄 위치에서의 연료 분사 밸브의 하부 부분의 다른 실시예의 측단면도.
도 9는 밸브 니들 조립체가 내연 기관의 연소 챔버 내로 파일럿량의 가스 연료의 분사를 허용하도록 위치 설정된 도 8의 실시예의 측단면도.
도 10은 밸브 니들 조립체가 내연 기관의 연소 챔버 내로 메인량의 가스 연료의 분사를 허용하도록 위치 설정된 도 8의 실시예의 측단면도.
도 11은 밸브용 상류측 제어부를 갖는 분사 밸브의 부가의 실시예의 측단면도.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 사용하기 위한 고온 표면 조립체의 실시예의 2개의 도면이며, 도 12a는 시간(t1)에서의 고온 표면 조립체의 측면도를 도시하고, 도 12b는 시간(t2)에서의 고온 표면 조립체의 상부 단면도.
본 발명은 내연 기관의 운전에 관련한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태는 직접 분사식 가스 연료의 점화를 보조하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 상기 방법은 연소 챔버 내에서 발견되는 조건 하에서 천연 가스의 자동 점화 온도 이상으로 흡기 차지를 예열한다.
상기 방법 및 장치는 연소 챔버 내로의 메인량의 가스 연료의 도입 이전에 흡기 차지 전체에 걸쳐 점화 환경을 설정할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향시키고, 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하고, 엔진의 부하가 미리 결정된 임계 부하 이상인지를 결정하는 내연 기관의 운전 방법을 제공한다. 엔진 부하가 미리 결정된 임계 부하 이상일 때, 엔진은 제1 운전 모드로 운전된다. 제1 운전 모드는 연소 챔버 내로 파일럿량의 가스 연료를 직접 분사하고 연료의 자동 점화 온도를 초과하여 흡기 차지의 온도를 상승시키도록 제1 양의 연료를 점화시키는 단계를 포함한다. 다음, 제2 양의 연료는 흡기 차지의 온도가 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 연소 챔버 내로 직접 분사된다.
본 발명의 몇몇 실시예는 각각의 지점이 개별 부하 조건에 대응하는 엔진 부하 맵 상의 일련의 지점을 결정하는 단계를 포함한다. 제1 양의 연료는 글로우 플러그에 의해 점화될 수 있다. 제1 양은 상사점 이전의 60°와 30°크랭크각 사이에 도입될 수 있다.
피스톤이 상사점에 있을 때 흡기 차지 내에 연료의 자동 점화 온도를 제공하는 것이 바람직하다.
제2 양은 제1 양보다 큰 연료의 매스를 포함할 수 있다.
제2 양의 연료의 분사는 대부분의 제2 양이 점화되고 피스톤의 동력 행정 동안에 연소되도록 시기 설정될 수 있다. 예를 들면, 제2 양의 연료는 피스톤이 거의 상사점에 있을 때 분사될 수 있다.
몇몇 실시예는 연료가 연소 챔버 내로 직접 분사되는 제2 운전 모드를 제공한다. 연료의 분사 시기는 피스톤의 동력 행정 동안에 대부분의 연료가 연소되는 것을 제공한다. 연료는 글로우 플러그에 의해 점화될 수 있다. 연료는 제2 운전 모드에서 운전할 때 글로우 플러그의 방향으로 분사될 수 있다. 제2 운전 모드는 저부하 모드일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제2 운전 모드에서는, 연료가 상사점 이전의 -20°와 20°사이에 분사된다. 피스톤의 동력 행정 동안에 점화되어 연소되는 2차 연료 분사가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 저부하 또는 고부하를 선택하는 고부하 조건 하에서 가스 연료형 내연 기관의 운전 방법이 제공된다. 고부하 하에서, 방법은 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향하는 단계와 피스톤의 압축 행정 동안에 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하는 단계를 포함한다. 피스톤의 압축 행정 동안에, 파일럿량의 연료가 연소 챔버 내의 압축된 흡기 차지 내로 제공된다. 이 파일럿량은 이어서 연소된다. 흡기 차지의 온도가 상승되고 이 온도가 연료의 자동 점화 온도에 부합하거나 초과하면 메인량의 연료가 흡기 차지 내로 지향된다.
본 발명의 부가의 양태는 운전 가스 연료형 내연 기관의 연소 챔버 내에 자동 점화 환경을 설정하는 방법을 제공한다. 이 방법은 흡기 차지를 압축하는 단계와 연소 챔버 내에서 제1 량의 연료를 연소하는 단계와 흡기 차지의 온도를 상승시키는 단계를 포함한다. 이는 압축 행정 동안에 수행된다. 일단 온도가 연료의 자동 점화 온도 이상이면, 제2 양의 연료가 연소 챔버 내로 직접 분사된다.
본 발명은 천연 가스 또는 메탄을 포함하는 연료를 연료로서 사용하는 것을 또한 고려한다.
본 발명의 몇몇 실시예는 메인량의 가스 연료 이전에 고온 표면 상에 지향된 파일럿량의 가스 연료를 전달하는 고압 분사 밸브를 제공한다. 연료 분사 밸브는 연소 챔버 내로 삽입 가능한 밸브 팁을 포함하는 중공 밸브 본체를 포함한다. 가스 연료의 점화를 보조하기 위한 디바이스의 방향으로 연료를 분사하기 위해 밸브 팁 내에 제공된 파일럿 연료 노즐 오리피스가 또한 포함된다. 또한, 파일럿 연료 노즐 오리피스에 비교할 때 더 큰 연소 챔버의 부분 내로 연료를 분사하기 위한 복수의 메인 연료 노즐이 중공 밸브 본체 내에 배치된 밸브 니들과 함께 포함된다. 밸브 니들은 3개의 위치 사이에서 이동 가능하다. 제1 위치는 압축량의 연료가 중공 밸브 본체 내에 포함되는 폐쇄 위치이다. 제2 위치는 연료가 파일럿 연료 노즐 오리피스만을 통해 분사 가능한 제1 개방 위치이다. 제3 위치는 연료가 파일럿 연료 노즐 오리피스 및 복수의 메인 연료 노즐 오리피스를 통해 분사 가능한 제2 개방 위치이다. 연료는 예를 들면 천연 가스 또는 메탄을 포함하는 연료를 포함하는 가스 연료를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 분사 밸브는 니들 팁보다 큰 단면적을 갖는 밸브 니들의 스템부로부터 연장되는 니들 팁을 포함한다. 환형 숄더가 니들 팁과 스템부 사이에 배치되고, 환형 숄더는 밀봉면이 밸브 시트에 대해 압박될 때 중공 밸브 본체 내의 가스 연료를 밀봉하기 위해 밸브 시트와 협동하는 밀봉면을 포함한다. 또한, 분사 밸브 니들 팁은 밸브 니들이 제1 개방 위치에 있을 때 중공 밸브 본체로부터 메인 연료 노즐을 통해 연료가 유출되는 것을 방지하기 위해 중공 밸브 본체의 내부면과 협동한다.
분사 밸브에서, 니들 팁의 반경방향 표면은 밸브 팁 내의 오목부(well) 내에 긴밀하게 끼워맞춰질 수 있다. 니들 팁과 오목부의 측벽 사이의 여유 간극은 밸브 니들이 제1 개방 위치에 있을 때 가스 연료가 메인 연료 노즐 오리피스로 유동하는 것을 실질적으로 방지하는 유체 제한부를 제공한다. 밸브 니들은 니들 팁이 오목부로부터 상승하여 가스 연료가 메인 연료 노즐 오리피스로 유동할 수 있도록 중공 밸브 본체 내에서 후퇴 가능할 수 있다.
니들 팁은 밸브 니들의 스템에 대해 이동 가능할 수 있다. 니들 팁의 단부면은 밸브 니들이 제1 개방 위치에 있을 때 중공 밸브 본체의 내부면에 의해 제공된 제2 밸브 시트에 대해 안착될 수 있다. 니들 팁은 밸브 니들이 제2 개방 위치에 있을 때 제2 밸브 시트로부터 이격되어 상승될 수 있다. 니들 팁은 밸브 니들이 폐쇄 위치 또는 제1 개방 위치에 있을 때 니들 팁과 스템 사이에 배치된 스프링 또는 다른 편향 기구에 의해 제2 밸브 시트에 대해 압박될 수 있다. 니들 팁은 스템의 립과 협동함으로써 미리 결정된 거리를 지나는 중공 밸브 본체 내로의 스템의 후퇴가 제2 시트로부터 이격되어 니들 팁을 상승시키는 플랜지를 포함할 수 있다.
파일럿 연료 노즐 오리피스는 복수의 메인 연료 노즐 오리피스의 조합 개방 면적보다 작은 조합 개방 면적을 갖는 복수의 파일럿 연료 노즐 오리피스 중 하나일 수 있다. 파일럿 연료 오리피스는 점화를 보조하기 위한 디바이스를 포함하는 연소 챔버의 섹터 내로 가스 연료를 분사시키도록 배향될 수 있다.
복수의 메인 연료 노즐 오리피스가 제공될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 메인 연료 노즐 오리피스는 점화를 보조하기 위한 디바이스의 방향으로 연료를 분사시키는데 사용되지 않는다.
부가의 실시예는 제1 폐쇄 바이어스, 제2 폐쇄 바이어스, 제3 폐쇄 바이어스, 제1 개방 바이어스 및 제2 개방 바이어스를 사용하여 폐쇄 위치, 제1 개방 위치 및 제2 개방 위치 사이에서 니들을 작동시키는 것을 포함한다. 제1 폐쇄 바이어스, 제2 폐쇄 바이어스 및 제3 폐쇄 바이어스는 각각 제1 개방 바이어스 및 제2 개방 바이어스에 대해 니들에 작용하는 제1 유체력, 제2 유체력 및 제3 유체력일 수 있다. 제1 유체력은 제1 개방 바이어스에 의해 전달된 제1 개방력 및 제2 개방 바이어스에 의해 전달될 제2 개방력보다 커서 니들을 폐쇄 위치로 작동시킬 수 있다. 제2 유체력은 제1 개방력보다 크고 제2 개방력보다 작아서, 니들을 제1 개방 위치로 작동시킬 수 있다. 제3 유체력은 제1 개방력 및 제2 개방력보다 작아서, 니들을 제2 개방 위치로 작동시킬 수 있다.
부가의 실시예에서, 제1 개방 바이어스는 강성 스프링에 의해 제공되고, 제2 개방 바이어스는 연성 스프링에 의해 제공된다. 강성 스프링 및 연성 스프링은 니들과 밸브 팁 사이에 작용할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 실린더, 실린더 내에서 왕복 가능한 피스톤 및 실린더 헤드의 파이어 데크에 의해 실질적으로 규정된 연소 챔버를 포함하는 내연 기관을 제공한다. 디바이스가 가스 연료의 점화를 보조하기 위해 연소 챔버 내에 배치된다. 가스 연료를 연소 챔버 내로 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브가 제공된다. 연료 분사 밸브는 연소 챔버 내에 삽입 가능한 밸브 팁을 포함하는 중공 밸브 본체, 디바이스의 방향으로 연료를 분사하기 위한 밸브 팁 내의 파일럿 연료 노즐 오리피스, 파일럿 연료 노즐 오리피스에 비교할 때 더 큰 부분의 연소 챔버 내로 연료를 분사하기 위한 복수의 메인 연료 노즐 오리피스를 포함한다. 복수의 메인 연료 노즐 오리피스는 파일럿 연료 노즐 오리피스와 관련된 개방 면적보다 큰 조합 개방 면적을 갖는다. 밸브 니들은 중공 밸브 본체 내에 배치된다. 밸브 니들은 압축량의 가스 연료가 중공 밸브 본체 내에 포함되는 폐쇄 위치, 가스 연료가 파일럿 연료 노즐 오리피스만을 통해 삽입 가능한 제1 개방 위치 및 가스 연료가 파일럿 연료 노즐 오리피스 및 복수의 메인 연료 노즐 오리피스를 통해 분사 가능한 제2 개방 위치 사이에서 이동 가능하다.
밸브 팁은 파이어 데크 상에 실질적으로 중심에 위치될 수 있고, 점화를 보조하기 위한 디바이스는 밸브 팁으로부터 반경방향 거리로 이격될 수 있다. 점화를 보조하기 위한 디바이스는 글로우 플러그를 포함할 수 있다.
또한, 글로우 플러그가 사용되면, 엔진은 글로우 플러그 실드를 추가로 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 실드의 적어도 일부는 글로우 플러그와 연료 분사 밸브 사이에서 연소 챔버 내에 배치된다. 실드는 또한 글로우 플러그를 둘러쌀 수 있다. 부가의 실시예에서, 실드는 적어도 2개의 연료 통로, 적어도 하나의 입구 통로 및 적어도 하나의 출구 통로를 규정할 수 있다. 적어도 하나의 입구 통로는 제1 양의 가스 연료가 글로우 플러그에 의해 점화되는 제1 양의 가스 연료를 수용하기 위한 것일 수 있다. 적어도 하나의 출구 통로는 출구 통로를 너머 제2 양의 가스 연료 내로 화염을 지향하고 실드 주위로 지향되는 것일 수 있다. 화염은 제1 양의 가스 연료의 연소 중에 생성될 수 있다. 부가의 실시예에서, 제1 양의 연료는 파일럿 연료 노즐 오리피스에 의해 입구 통로 내로 지향된다.
엔진은 밸브 니들을 명령하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 제어기가 고부하 운전 모드 하에서 운전하도록 명령할 때, 제어기는 피스톤이 엔진의 운전 동안 상사점 이전의 60°와 30°크랭크각 사이에 있을 때 제1 개방 위치로 밸브 니들을 명령한다. 제어기는 또한 미리 결정된 임계 부하 이상으로 운전하도록 밸브 니들을 명령할 수 있다. 제어기는 피스톤이 상사점 이전의 60°와 30°크랭크각 사이에 있을 때 제어기가 밸브 니들을 제1 개방 위치로 명령하는 제1 운전 모드에서 운전한다. 제어기는 또한 연소 챔버가 가스 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 제2 개방 위치로 밸브 니들을 명령할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제어기는 엔진 부하 맵 상의 일련의 지점으로부터 임계 부하를 결정할 수 있고, 각각의 지점은 개별 부하 조건에 대응한다.
본 발명의 부가의 실시예는 본 명세서에 교시된 방법을 사용하는 가스 연료형 직접 분사식 내연 기관의 연소 챔버에 사용하기 위한 글로우 플러그 실드를 제공한다. 글로우 플러그 실드는 외부면과 외부면에 대향하는 내부면을 포함한다. 실드는 적어도 하나의 입구 반경방향 평면과 적어도 하나의 출구 반경방향 평면을 규정한다. 각각의 반경방향 평면은 적어도 하나의 입구 반경방향 평면과 적어도 하나의 출구 반경방향 평면의 각각이 각각의 적어도 하나의 입구 반경방향 평면 및 적어도 하나의 출구 반경방향 평면에 대해 내부면으로부터 후방 돌출되는 적어도 하나의 교선을 규정하는 외부면으로부터 돌출된다. 또한, 적어도 하나의 입구 반경방향 평면과 적어도 하나의 출구 반경방향 평면의 각각은 적어도 하나의 입구 반경방향 평면이 외부면을 교차하는 적어도 하나의 입구 라인을 규정하고 적어도 하나의 출구 반경방향 평면이 외부면을 교차하는 적어도 하나의 출구 라인을 규정한다. 적어도 하나의 교선에서의 모든 적어도 하나의 입구 반경방향 평면과 모든 적어도 하나의 출구 반경방향 평면 사이의 모든 각도는 45°보다 커야 한다. 실드는 또한 적어도 2개의 통로, 입구 통로 및 출구 통로를 규정하고, 입구 통로는 적어도 하나의 입구 라인 각각 상에 중심 설정되고, 출구 통로는 적어도 하나의 출구 라인 각각 상에 중심 설정된다. 마찬가지로, 글로우 플러그 실드는 원통형 형상일 수 있다. 부가의 실시예에서, 글로우 플러그 실드는 실드가 내연 기관의 연소 챔버 내의 파이어 데크로부터 현수될 수 있는 상부 평면을 규정할 수 있다. 이와 같은 입구 통로 및 출구 통로는 상부 평면으로부터 등간격에 있다. 통로는 또한 바람직한 실시예에서 구멍일 수 있다.
본 발명의 부가의 실시예는 내연 기관 운전 방법을 포함한다. 방법은 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향하는 단계, 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하는 단계, 및 엔진 부하가 미리 결정된 임계 부하 이상인지를 결정하는 단계를 포함한다. 엔진 부하가 미리 결정된 엔진 부하 이상이면, 엔진은 제1 운전 모드에서 운전할 수 있다. 제1 운전 모드는, 흡기 차지를 압축하는 동안 연소 챔버 내로 연장된 글로우 플러그 실드에 의해 규정된 입구 통로에 제1 양의 연료를 분사하는 단계를 포함한다. 글로우 플러그 실드는 분사기와 실드에 근접한 글로우 플러그 사이에 배치된다. 제1 양의 연료는 입구 통로를 통고한 후에 글로우 플러그 상에서 점화된다. 제1 양의 연료의 연소로부터의 화염은 실드 내에 규정된 출구 통로를 통해 제2 양의 연료에 지향된다. 제2 양의 연료는 실드를 지나고 출구 통로를 넘어서 지향된다. 화염은 제2 양의 연료가 점화되게 한다. 제1 및 제2 양의 연소는 연소 챔버 내의 흡기 차지의 온도를 증가시킨다. 마지막으로, 흡기 차지의 온도가 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 제3 양의 연료가 흡기 차지의 완료 부근에서 연소 챔버 내에 직접 분사된다.
부가의 실시예에서, 방법은 연료가 가스 연료인 것을 포함한다. 가스 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 수소 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 부가의 양태 및 본 발명의 특정 실시예의 특징을 이하에 설명한다.
도면에는 본 발명의 비한정적인 실시예가 예시된다.
본 발명에 있어서, 연소 챔버 내에 천연 가스의 자동 점화 및 연소에 적합한 연소 챔버 내의 환경을 생성하기 위한 방법 및 장치가 제공된다.
도 1을 참조하면, 연소 챔버의 측단면도가 도시된다. 도시된 실시예에서, 피스톤(20)은 실린더(24) 내에서 화살표(22)의 방향으로 이동한다. 연소 챔버(26)는 부분적으로는 실린더(24), 피스톤(20) 및 실린더 헤드(28)의 파이어 데크(fire deck)에 의해 규정된다. 연소 챔버(26) 내로 돌출된 분사 밸브(30) 및 글로우 플러그(32)가 또한 도시되어 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 1에 도시된 것과 동일한 실시예가 엔진의 압축 사이클의 후기에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 동일한 도면 부호가 모든 도면에서 동일한 특징부를 식별하기 위해 이용된다. 천연 가스는, 파일럿 연료 연소 구역(36) 내에서 연소가 발생하는 글로우 플러그(32)를 향해 지향된 파일럿 연료 제트(34) 내의 연소 챔버(26) 내로 직접 분사된다. 도 2a는 측단면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 단면 라인 2B-2B를 통해 본 연소 챔버(26)의 상면도이다.
도 3을 참조하면, 피스톤(20)이 화살표(22)의 방향으로 이동하는 압축 행정의 완료 부근에 상사점 또는 거의 상사점에 있을 때의 도 1 및 도 2의 실시예가 도시된다. 여기서, 메인량의 천연 가스가 메인 연료 제트(35) 내의 연소 챔버(26)에 걸쳐 직접 분사된다. 이 단계에서, 연소 구역(38)은 파일럿 연료 제트(34) 및 메인 연료 제트(35) 주위에 형성된다.
도 4는 개시된 방법을 이용하는 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예의 회전 각도에서 측정된 크랭크각에 대한 연소 챔버(26) 내의 열 방출율(라인 50) 및 연소 챔버 온도(라인 52)를 플롯하는 그래프를 제공한다. 라인(50, 52)에 대한 비교를 위해, 온도 곡선인 라인(54)과 내연 기관의 동일한 연소 챔버에 대한 열 방출율 곡선인 라인(56)이 또한 도시된다. 이들 라인은 파일럿량의 천연 가스가 흡기 차지의 예비 조건에 사용되지 않을 때의 연소 챔버 내의 조건을 도시한다. 이러한 디젤 엔진에 대해 측정될 때 고부하 조건 하에서의 천연 가스로 연료 공급받는 전형적인 압축 점화식 디젤 엔진에 대한 자동 점화 온도를 도시하는 라인(58)이 또한 도시된다.
도 1 내지 도 4는 엔진이 고부하 조건 하에서 운전할 때의 장치의 바람직한 실시예의 운전 방법의 바람직한 단계들을 도시한다. 도 1 및 도 2는 또한 저부하 조건 하의 바람직한 운전 방법을 설명하는 것을 보조한다. 고부하 및 저부하 모두에서의 이 방법의 단계들은 이하에 더 상세히 설명할 것이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 피스톤(20)은 엔진의 압축 행정 중에 상사점을 향해 화살표(22)의 방향으로 이동하는 것으로 도시되어 있다. 피스톤(20)은 흡입 행정 중에 연소 챔버 내로 도입된 흡기 차지를 압축한다. 도시하지 않은 흡입 행정은 즉시 압축 행정으로 진행한다. 흡기 차지는 당 기술 분야의 숙련자들에게 이해될 수 있는 바와 같이 소정의 배기 가스 재순환(EGR) 또는 다른 흡기 차지 조성물을 갖거나 갖지 않는 신선한 공기의 매스(mass) 체적일 수 있다.
압축 행정 중에 흡기 차지 온도가 증가한다. 엔진의 소정의 압축비에서, 압축 중의 온도 상승은 제한된다. 도 4를 참조하면, 상사점 이전의 대략 30°에서, 흡기 차지의 압축만이 흡기 차지의 온도 증가의 원인이 된다. 도 2 및 도 4를 참조하면, 흡기 차지의 온도 증가를 증대시키기 위해, 파일럿 연료 제트(34)가 압축 행정의 후반부 동안에 연소 챔버(26) 내로 천연 가스를 도입한다. 파일럿 연료 제트(34)는 글로우 플러그(32)를 향해 지향된다. 글로우 플러그(32) 부근에서, 이 파일럿량의 천연 가스가 파일럿 연료 연소 구역(36) 내에서 점화된다. 파일럿량의 천연 가스의 연소는, 압축 행정의 완료 중에 흡기 차지의 부가의 압축과 함께 연소 챔버(26) 내의 흡기 차지의 온도를 상당히 증가시킨다. 글로우 플러그에 근접한 부근에서의 파일럿량의 천연 가스의 연소는 연소 챔버 전체에 걸쳐 흡기 차지의 온도가 증가되게 한다. 도 4를 참조하면, 파일럿 연료가 상사점 이전의 45°와 40°사이에서 제공될 때 일정량의 천연 가스가 분사된다. 열 방출 라인(50)은 상사점 이전의 25°와 30°사이에서 연소가 개시되는 것을 나타낸다. 열 방출은 상사점 이전의 5°와 0°사이의 지점에서 흡기 차지의 온도를 상승시킨다. 이 동일한 범위에서, 챔버 내의 온도는 라인(58)에 의해 도시된 천연 가스 자동 점화 온도를 초과한다.
도시되지 않은 글로우 플러그 실드가 글로우 플러그를 보호하고 파일럿 연료의 연소를 향상시키기 위해 제공될 수 있다.
도 3을 참조하면, 피스톤(20)이 동력 행정의 개시 또는 그 부근에 있는 상사점 또는 거의 상사점에 있을 때, 메인 가스 연료가 메인 연료 제트(35)에 도입된다. 이 지점에서의 흡기 차지는 파일럿 연료의 연소 후에 천연 가스가 자동 점화될 수 있는 연소 환경을 제공한다. 마찬가지로, 직접 분사된 메인 연료 제트(35)의 일부를 점화시킬 수 있는 파일럿 연료의 연료를 연소하는 잔류 포켓이 존재할 수 있다. 예로서, 이러한 잔류 연소는 파일럿량이 압축 행정의 후기에 도입되고 및/또는 파일럿량이 천연 가스의 메인 분사를 통해 천연 가스의 연소를 유지하기에 충분한 양인 연소 챔버 내에 존재할 수 있다.
천연 가스 파일럿 연료 제트의 양, 시기 및 유량은 메인량의 천연 가스의 직접 분사의 개시시에 연소 챔버 내의 자동 점화 환경을 전달하기에 충분하도록 결정된다. 도 4에 예시된 예에서 및 상술한 바와 같이, 가스 파일럿 연료는 상사점 이전의 45°와 40°사이에서 도입된다. 그러나, 엔진 및 운전 조건에 따라서, 파일럿량의 천연 가스의 도입은 상사점 이전의 60°와 30°사이의 시간에서 발생하는 것이 바람직하다. 상사점 이전의 60°보다 조기의 및 상사점 이전의 30°보다 후기의 분사는 메인량의 가스 연료가 거의 상사점에서 분사되기 전에 흡기 차지의 온도를 자동 점화 조건으로 상승시키는 것이 가능하지 않을 수 있다. 또한, 상사점 이전의 파일럿 연료의 연소는 실린더를 통한 소정의 열 손실을 부여한다. 이들 손실은 파일럿 연료 연소가 압축 행정의 조기에 개시될 때 더 상당해질 수 있다. 더욱이, 가열 후에 흡기 차지를 압축하는데 요구되는 부가의 에너지는 자동 점화 온도가 압축 행정의 조기에 대향하여 상사점 또는 거의 상사점에 있을 때 감소된다.
상술한 바와 같이, 상기 방법은 고부하 조건 하에서 엔진이 운전할 때 바람직하게 실시된다. 고부하 조건 하에서, 피스톤을 구동하는데 사용된 메인 연료에 비교할 때 흡기 차지 내에 자동 점화 온도를 생성하는데 요구되는 파일럿 연료의 양은 비교적 적다.
저부하 조건 하에서, 파일럿 연료의 양과 메인 연료의 양 사이의 차이는 작다. 더 적은 메인 연료가 피스톤을 구동하기 위해 저부하 조건 하에서 요구된다. 이와 같이, 저부하 조건 하에서는, 고부하 조건에 바람직한 방법을 사용하여, 자동 점화 온도에 도달하기 위해 압축 행정 동안에 부여되는 에너지는 일반적으로 동력 행정 동안에 부여되는 에너지에 상응할 수 있게 된다. 이와 같이, 천연 가스의 파일럿량의 연소는 엔진 운전을 방해하기 시작할 수 있다.
예로서, 파일럿 연료의 양(매스)은 소정 사이클에 걸쳐 연소 챔버로 전달되는 연료의 총량(매스)의 50% 미만인 것이 바람직하다. 본 명세서를 위해, 연소 챔버 내에 자동 점화 조건을 성취하는데 요구되는 파일럿 연료의 양(매스)이 제공된 파일럿 연료의 관점에서 운전자의 부하 요구에 부합하는데 요구되는 메인 연료의 100% 이상인 경우, 엔진은 저부하 운전 모드 하에서 운전하는 것으로 고려될 수 있다. 그렇지 않으면, 엔진은 고부하 운전 모드 하에서 운전하는 것으로 고려될 수 있다.
상술한 실시예를 이용하는 저부하 조건 하에서 운전하는 것이 가능할 수 있지만, 대안적인 저부하 운전 모드가 바람직하다. 저부하 조건 하에서, 동일한 장치가 파일럿 연료 노즐 오리피스를 통해 연료를 분사하는데 이용될 수 있다. 그러나, 자동 점화 환경을 설정하기 위한 압축 행정의 조기에 파일럿 연료 노즐 오리피스를 통한 연료 분사 대신에, 가스 연료는 상사점 또는 거의 상사점, 바람직하게는 상사점의 20°이내에서 후기에 분사되어, 파일럿 연료 노즐 오리피스를 통해 분사된 가스 연료의 연소가 동력 행정 동안에 엔진을 구동한다. 연료 요구는 저부하 조건 하에서 비교적 작기 때문에, 파일럿 연료 노즐 오리피스를 통해 분사된 연료는 광범위한 저부하 운전 조건을 통해 엔진을 구동하기 위한 소정의 에너지 요건을 만족시키기에 충분하다. 또한, 이 바람직한 저부하 운전 조건 하에서 사용된 모든 연료는 분사 밸브의 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)를 통해 제공될 수 있기 때문에, 이는 모두 글로우 플러그로 지향된다. 따라서, 연료의 대부분이 연소되어, 탄화수소 배출물 및 효율과 관련된 문제점을 감소시킨다.
저부하 하에서 운전할 때, 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)를 통해 분사된 천연 가스의 양이 피스톤을 구동하는데 필요한 모든 에너지를 제공하기에 충분하지 않으면, 보충 에너지가 메인 연료 노즐 오리피스(들)를 통해 연료를 도입함으로써 제공될 수 있다. 이 연료는 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)를 통해 도입된 연료에 이어서 또는 이와 동시에 도입될 수 있다. 이 바람직한 저부하 방법에서, 임의의 이러한 보충 연료의 점화는 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)를 통해 제공된 연료의 연소에 의해 보조된다. 일반적으로, 저부하 조건 하에서, 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)를 통해 분사된 연료의 연소는 보충량의 연료의 도입 이전에 자동 점화 온도 이상으로 흡기 차지의 온도를 증가시키지 않을 수 있다. 따라서, 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)를 통해 분사된 연료의 연소로부터 발생하는 화염 전파가 자동 점화보다는 보충량의 연료를 연소시키는데 사용된다.
운전 모드는 또한 제어기에 의해 결정될 수 있다. 엔진은 맵 상의 각각의 지점이 개별 하중 조건에 대응할 수 있는 엔진 부하 맵을 제공하도록 교정될 수 있다. 일단, 제어기가 엔진이 소정 세트의 엔진 운전 파라미터에 대해 식별된 부하 조건을 상회하여 운전하고 있는 것으로 결정하면, 제어기는 개시된 방법이 사용되는 것을 명령할 수 있다. 부하 맵을 결정하기 위한 교정은 연소 챔버 내에 자동 점화 환경을 설정하는데 필요한 상대 파일럿 연료 요건 및 파일럿 요건을 고려하여 부하 요건에 부합하는데 요구되는 메인 연료의 양을 포함하는 다수의 엔진 파라미터에 기초할 수 있다. 소정 세트의 운전 파라미터에 대한 주어진 부하에 대한 비율이 엔진 성능의 허용 불가능한 손실을 초래하는 양을 초과하면, 엔진 부하 맵은 이를 임계 부하로서 지시할 수 있다. 다음, 제어기는 이에 따라 엔진에 명령하도록 이 정보를 사용할 수 있다. 임계치를 상회하면, 연료의 조기 파일럿량이 자동 점화 조건을 성취하도록 추가되고(상술한 고부하 모드에 사용된 방법), 이 양을 하회하면 연료는 거의 상사점에서 추가될 수 있다(상술한 저부하 모드).
당 기술 분야의 숙련자들은 바람직한 고부하 운전 방법 및 바람직한 저부하 운전 방법이 상이한 방식으로 작용하고, 각각의 방법은 이를 저부하 및 고부하 운전 조건에 적합하게 하는 각각의 장점을 갖는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서, 피스톤은 크랭크샤프트 회전 각도에서 측정할 때 상사점의 30°이내에 있으면 "거의 상사점"에 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 개시된 방법과 함께 사용하기 위한 분사 밸브의 제1 실시예가 제공된다. 도 5 내지 도 7 및 분사 밸브의 제2 실시예가 제공되어 있는 도 8 내지 도 10은 각각 밸브의 하부 부분의 상세만을 도시한다는 것을 주목하라. 밸브 팁(100)은 밸브 니들(102)이 밸브 팁(100) 내에 이동 가능하게 배치되어 있는 상태로 도시되어 있다. 밸브 시트(104)는 밸브 니들(102)이 도 5에 도시된 바와 같이 폐쇄 위치에 있을 때 파일럿 연료 노즐 오리피스(112)로부터 연료 캐비티(108)를 분리하도록 니들 밀봉면(106)과 협동하는 밸브 팁(100) 내의 표면이다. 스프링 부재(도시 생략)가 통상적으로 밸브 시트(104)에 대해 밀봉면(106)을 압박함으로써 폐쇄 위치에 밸브 니들(102)을 편향시키는데 이용된다. 도 2b 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112)는 밸브 팁(100)의 원주 둘레에 균일하게 분포되어 있지 않다. 오히려, 하나 이상의 파일럿 연료 노즐 오리피스가 글로우 플러그 부근에만 연료 제트를 지향하도록 배향되어 있는 것이 바람직하다.
밸브 팁(100)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 내연 기관의 연소 챔버 내에 설치 가능하다. 분사 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 가스 연료는 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112) 또는 메인 연료 노즐 오리피스(들)(120)를 통해 연소 챔버로 진입하는 것이 방지된다.
커먼레일형 분사 밸브에서, 가스 연료는 연료 캐비티(108) 내에서 가압되므로, 연료 분사 밸브가 개방될 때, 연료가 연소 챔버 내로 분사된다. 4행정 엔진에 적용 가능한 대부분의 운전 조건에서, 도 5에 도시된 폐쇄 위치는 배기, 흡입 및 압축 행정의 조기부에 밸브 팁(100)의 상태일 수 있다.
개시된 분사 밸브의 특징은 2개의 개별 개방 위치를 갖는다는 것이다. 도 6에서, 분사 밸브는 단지 파일럿 연료 노즐 오리피스(112)만을 통해 연소 챔버 내로 연료가 분사되는 것을 허용하도록 부분적으로 개방된다. 도 7에서, 분사 밸브는 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112) 및 메인 연료 노즐 오리피스(120) 모두를 통해 연소 챔버 내로 연료가 분사되는 것을 허용하도록 완전히 개방된다.
이제, 도 6을 참조하면, 밸브 니들(102)의 밀봉면(106)은 밸브 시트(104)로부터 이격 상승되어, 연료 캐비티(108) 내에 포함된 가압 연료가 밀봉면(106)과 밸브 시트(104) 사이의 공간을 통해 및 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112)를 통해 연소 챔버 내로 유동할 수 있게 한다. 그러나, 니들 팁(116)과 노즐 팁(100)의 내부면 사이의 억지 끼워맞춤은 실질적으로 임의의 연료가 연료 캐비티(108)로부터 메인 연료 노즐 오리피스(120)로 유동하는 것을 방지한다. 도 6에 도시된 부분 개방 위치는 도 2에 도시된 바와 같이 가스 연료가 단지 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112)를 통해서만 분사될 때의 시간에 대응한다. 바람직한 방법의 설명에 개시된 바와 같이, 이 부분 개방 위치는 고부하 운전 조건 동안에 파일럿량의 가스 연료를, 또는 저부하 조건 동안에 메인량의 연료를 분사하도록 선택된다.
이제, 도 7을 참조하면, 밸브 니들(102)은 연료가 연료 캐비티(108)로부터 밸브 시트(104)와 밀봉면(106) 사이의 공간 및 니들 팁(116)과 밸브 팁(100) 사이의 개방 공간을 통해 유동할 수 있도록 후퇴되어 있는 완전 개방 위치에 있다. 이 완전 개방 위치에서, 가스 연료가 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112) 및 메인 연료 노즐 오리피스(120) 모두를 통해 연소 챔버 내로 분사되고, 이는 도 3에 도시된 바와 같이 연료가 연소 챔버 내로 도입될 때의 시간에 대응한다.
따라서, 이 분사 밸브의 제1 실시예는 상술한 방법을 수행하는데 이용될 수 있다.
분사 밸브의 제1 실시예는 밸브 니들(102)의 상승을 정확하게 제어하는 능력을 필요로 한다. 예로서, 분사 밸브의 소정 운전 모드에 따라 상승을 제어하도록 설계된 기계식 또는 유압식 "래치"가 사용될 수 있다. 이러한 래치는 작동시에 분사 밸브 내의 특정 지점을 지나 밸브 니들(102)이 진행하는 것을 물리적으로 중단할 수 있다. 또한, 예로서 당 기술 분야의 숙련자들에게 이해될 수 있는 바와 같이, 밸브 니들(102)의 상승은 압전 기구, 솔레노이드, 자왜 디바이스 또는 밸브 니들(102)의 제어된 상승을 허용하기 위한 다른 유형의 기계적 디바이스에 의해 제어될 수 있다.
제1 실시예의 특징은 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112) 단독 또는 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(112) 및 메인 연료 노즐 오리피스(120) 모두를 통한 유동을 제어하는 단일의 모놀리식 니들 설계의 단순성이다.
개시된 방법에 이용될 수 있는 분사 밸브의 제2 실시예는 도 8 내지 도 10에 도시된다. 밸브 팁(200)은 밸브 니들(202)이 밸브 팁(200) 내에 이동 가능하게 배치된 상태로 도시되어 있다. 도 8에 도시된 폐쇄 위치에서, 제2 실시예는 제1 실시예와 매우 유사하다. 연료 캐비티(208) 내에 포함된 가압 연료는 밸브 시트(204)에 대해 압박되는 밸브 니들(202)의 밀봉면(206)에 의해 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(212) 또는 메인 연료 노즐 오리피스(220)로 유동하는 것이 방지된다. 제1 및 제2 실시예 사이의 차이점은 도 9 및 도 10을 참조하여 설명되는 부분 개방 및 완전 개방 위치에서 어떠한 방식으로 각각의 분사 밸브가 기능하는가에 관련한다.
연료 분사 밸브의 제2 실시예는 밸브 니들(202)에 대해 이동 가능한 니들 팁(216)을 포함한다. 밸브 니들(202)이 폐쇄 위치에 있을 때, 액추에이터(217)는 니들 팁(216)이 도 8에 도시된 바와 같이 챔버(215) 내에서 후퇴될 수 있게 한다. 예를 들면, 액추에이터(217)가 스프링 부재일 때, 스프링은 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 압축된다.
이제, 도 9를 참조하면, 밸브 니들(202)의 밀봉면(206)이 밸브 시트(204)로부터 이격 상승될 때 가스 연료가 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(212)를 통해 연소 챔버 내로 분사될 수 있다. 가스 연료는 2차 밸브 시트(214)에 대해 안착된 니들 팁(216)의 단부면에 의해 연료 캐비티(208)로부터 메인 연료 노즐 오리피스(220)로 유동하는 것이 방지된다. 액추에이터(217)는 밸브 니들(202)이 부분적으로 상승될 때 2차 밸브 시트(214)에 대해 니들 팁(216)의 단부면을 편향시키도록 팽창 가능하다. 도 9에 도시된 부분 개방 분사 밸브는 도 2에 도시된 분사 이벤트에 대응하여 파일럿 연료 노즐 오리피스(212)를 통해서만 연료를 분사하기 위한 장치를 제공한다.
이제, 도 10을 참조하면, 도 9의 위치보다 멀리 밸브 니들(202)을 후퇴시킴으로써, 플랜지(218)가 립(219)에 결합되고, 이에 의해 니들 팁(216)이 2차 밸브 시트(214)로부터 이격 상승된다. 따라서, 연료 캐비티(208)로부터의 가스 연료는 이어서 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(212) 및 메인 연료 노즐 오리피스(220)를 통해 유동할 수 있다. 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(212)에 부가하여 메인 연료 노즐 오리피스(220)를 통해 가스 연료를 분사함으로써, 더 큰 유동 면적이 가능하여 연소 챔버 내로의 더 큰 연료 질량 유량을 가능하게 한다. 메인 연료 노즐 오리피스(220)의 추가는 또한 단지 글로우 플러그의 부근 대신에 연소 챔버 내의 연료의 광범위한 분포를 가능하게 한다.
분사 밸브의 제1 실시예와 마찬가지로, 니들(202)의 상승은 압전 기구, 솔레노이드, 자왜 디바이스 또는 밸브 니들(202)의 제어된 상승을 허용하는 다른 유형의 기계적 디바이스에 의해 제어될 수 있다.
이제, 도 11을 참조하면, 도 5 내지 도 7에 도시된 설계에 실시된 바와 유사한 팁 설계를 갖는 분사 밸브가 도시되어 있다. 도시된 실시예는 밸브를 위한 상류측 제어 시스템을 포함한다. 도시된 것은 밸브 팁(300) 내에 위치 설정된 밸브 니들(302)을 갖는 밸브 팁(300)이다. 밸브 시트(304)는, 밸브 니들(302)이 시트(304)가 니들 장착부(306)에 접하는 폐쇄 위치에 있을 때 파일럿 연료 노즐 오리피스(312)로부터 연료 캐비티(308)를 분리하는 수단을 제공하도록 니들 장착부(306)와 협동하는 밸브 팁(300) 내의 표면이다. 상술한 이전의 실시예의 경우와 마찬가지로, 파일럿 연료 노즐 오리피스(312)(또는 오리피스들)는 밸브 팁(300)의 원주 주위에 균일하게 분포되지 않는다. 파일럿 연료 노즐 오리피스(312)는 분사기가 파이어 데크 내에 위치 설정될 때 고온 표면 또는 글로우 플러그를 향해서만 파일럿 연료 제트를 지향하기 위한 오리피스의 배향을 허용하도록 제공된다.
이전의 실시예와 마찬가지로, 니들 팁(316)과 노즐 팁(300)의 내부면 사이의 억지 끼워맞춤은 연료 캐비티(308)로부터 메인 연료 노즐 오리피스(320)로 연료가 유동하는 것을 실질적으로 방지한다. 도 11에 도시된 부분 개방 위치는 가스 연료가 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(312)를 통해서만 분사될 때의 시간 tp1에 대응한다.
가스 연료가 시간 tp2에 오리피스(320)를 통해 요구되는 경우, 니들(302)은 밸브 팁(300)의 내부면으로부터 니들 팁(316)을 견인하여 상술한 바와 같이 오리피스(들)(312)를 통한 조기의 파일럿 분사에 의해 가열된 연소 챔버 내로 오리피스(320)를 통한 가스 유동을 허용한다.
연료는 일반적으로 분사기 연료 라인(322)을 통해 연료 캐비티(308)로 공급된다.
밸브 팁(300) 내의 작동 니들(302)은 제1 저압 라인(334) 및 제2 저압 라인(332) 내에 배치된 제1 저압 솔레노이드 밸브(328)와 제2 저압 솔레노이드 밸브(330)의 작용의 결과로서 니들 헤드(342) 상에 작용하는 유압 공급원과 상호 작용하는 강성 스프링(324)과 연성 스프링(326) 사이의 상호 작용에 의해 수행될 수 있다. 고압 라인(340)은 니들 헤드(342)의 표면과 제1 저압 라인(334) 및 제2 저압 라인(332)과 연통한다.
시간 tp0에서, 파일럿 연료 노즐 오리피스(들)(312) 또는 메인 연료 노즐 오리피스(320)를 통해 실질적으로 가스 유동이 요구되지 않을 때, 양 솔레노이드 밸브(328, 330)가 폐쇄되어 제1 저압 라인(334) 및 제2 저압 라인(332)을 통한 유체 유동을 제한한다. 이와 같이, 고압 라인은 강성 스프링(324) 및 연성 스프링(326) 모두를 압축하도록 작용하는 니들 헤드(342)의 표면에 고압 유체를 전달하여, 니들 장착면(306)이 밸브 시트(304)에 대해 밀봉되게 한다. 메인 연료 오리피스(320)를 통해 여전히 제한되는 동안 연료가 파일럿 오리피스(312)를 통해 요구되는 시간 tp 1에서, 밸브(330)가 개방되어 라인(332)을 통한 유체의 제한된 유동을 허용하고 이와 같이 니들 헤드(342) 상의 압력을 경감한다. 이와 같이, 강성 스프링(324)의 작용은 밸브 시트(304)와 밀봉면(306) 사이에 규정된 경로를 강제로 개방시킨다. 다음, 이는 파일럿 연료 오리피스(들)(312)를 통한 연료의 유동을 허용한다. 연성 스프링은 니들 헤드(342) 상에 발생하는 압력에 대항할 수 없도록 교정된다는 것을 주목하라. 시간 tp2에서, 밸브(328)가 개방되어 라인(334)을 통한 유체의 제2 제한된 유동을 허용하고 니들 헤드(342) 상의 압력을 더욱 감소시킨다. 이 부가의 압력의 감소는 연성 스프링(326)이 니들(302)에 작용하여 니들 팁(316)이 밸브 팁(300)의 내부면으로부터 엔진의 연소 챔버 내로 유출하도록 메인 연료 오리피스(320)로 통하는 경로를 개방시키도록 한다.
당 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 솔레노이드 밸브(330, 328)는 라인(332, 334)을 통한 유체 유동을 제한하는 다른 수단으로 대체될 수 있다. 당 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 밸브 선택시에, 밸브가 신속하게 작용할 수 있는 능력이 고려되어야 한다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 바람직한 글로우 링 및 실드 구성의 실시예가 본 발명에 사용하기 위해 제공된다. 여기서, 파일럿 연료 제트(400)는 도 12a에서 글로우 플러그 실드(402)에 접근하여 도시되어 있고 도 12b에는 글로우 플러그(406)에 충돌하여 도시되어 있다. 실드 입구 구멍(들)(408) 및 출구 구멍(404)이 도시되어 있다. 도 12b에서, 화염(410)은 글로우 플러그(406)와 상호 작용한 후에 점화되어 있는 것으로 도시되어 있다.
실제로, 파일럿 연료 제트(400)의 유동과 대략 일렬로 입구 구멍(들)(408)을 배향함으로써, 연료 제트(400)는 실드(402)에 의해 돌출된 글로우 플러그(406)로 도입된다. 다음, 실드(402)는 화염(410)이 실드(402)에 근접하여 연료 제트(400) 내로 지향되는 출구 구멍(404)을 지나 실드(402) 주위에 연료 제트(400)의 일부를 지향시키는 것을 보조한다. 이는 일단 분사된 메인 연료의 연소를 위해 연소 챔버를 상승시키거나 조절하는 파일럿 연료(400)의 신속한 점화 및 비교적 완전한 연소를 제공한다.
도 12를 참조하면, 입구 및 출구 구멍(408, 404) 각각은 실드 및 실드로부터 돌출된 반경방향 평면 사이의 교점에 의해 규정된 라인 상에 중심 설정된 것으로 관찰될 수 있다. 도 12에서, 입구 구멍(408)과 관련된 반경 방향 평면과 출구 구멍(404) 중 하나와 관련된 반경방향 평면 사이의 각도는 대략 90°이다. 그러나, 이는 변경될 수 있다. 바람직하게는, 일반적으로 입구 구멍과 출구 구멍 사이의 45°이상의 각도가 또한 작용할 수 있다. 45°보다 훨씬 작은 각도는 실드 내부로부터의 화염과 이 구멍을 통한 부가의 파일럿 연료의 도입 사이의 원하지 않는 간섭을 유발할 수 있다. 이 각도 제한은 또한 적용에 따라 반경방향 평면을 따라 화염을 일반적으로 지향시키는 구멍의 경우일 수도 있는 바와 같이 실드의 외부의 동일 구역에 표적화될 수 있는 반경방향 평면으로부터 오프셋된 각도로 출구 구멍에 의해 화염이 지향되는 입구 및 출구 구멍 사이의 유효 각도를 포함할 수 있다.
마찬가지로, 바람직하게는 실린더 형상이 상술한 바람직한 실시예에 도시되었지만, 실드는 글로우 플러그와 실드 사이에 보호 공간을 제공하는 다양한 형상일 수 있고, 여기서 실드는 분사기와 글로우 플러그 사이에 일반적으로 위치 설정된다. 또한, 연료의 글로우 플러그로의 접근 및 실드의 외부의 최종 화염에 대한 접근을 제공하기 위한 입구 및 출구 통로가 또한 도시된 바람직한 통로, 입구 및 출구 구멍(408, 404)에 걸쳐 작용할 수 있다.
또한, 연료 제트(400)의 분사 압력은 원하는 바에 따라 연료가 입구 구멍(들)(408)에 진입하는 것을 허용하도록 제어되어야 한다는 것을 주목하라.
제공된 실시예에서, 하나의 입구 구멍(408)이 도시되고 2개의 출구 구멍(404)이 도시되었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 입구 구멍은 이들이 연료 제트(400)에 의해 표적화되고 관통될 수 있게 하는 방식으로 실드(402) 상에 분포될 수 있다. 유사하게, 출구 구멍(404)은 실드(402) 내의 연료 제트(400)의 점화부로부터 돌출된 화염이 일반적으로 실드(402) 주위에 지향된 연료 제트(410)의 부분 내로 돌출되도록 실드(402) 상에 위치 설정되어야 한다.
또한, 출구 구멍(404) 및 입구 구멍(들)(408)의 크기는 일부 연료가 입구 구멍(들)(408)을 통과하고 일부 연료를 실드(402) 주위로 안내하도록 치수 설정되어야 한다.
당 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 글로우 플러그(406)는 내연 기관 내에서 발견되는 온도 및 압력에 적합한 재료로 제조될 수 있다. 실드(402)에 대해 선택된 재료는 당 기술 분야에 공지되어 있는 것이다. 실드 상의 촉매 코팅이 또한 연료 제트(400)에 대한 부가의 점화 지원을 제공하는데 사용될 수 있다.
바람직한 방법은 파일럿 분사 및 메인 분사에 대해 동일한 연료를 이용하였지만, 또한 메인 연료의 자동 점화 조건을 전달할 수 있는 상이한 연료가 사용될 수 있다. 이는 제공된 분사 밸브 설계 뿐만 아니라 분사 전략에 대한 적용을 필요로 할 수 있다. 즉, 당 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이 시스템은 2중 연료 시스템이고 이에 따라 수정될 필요가 있을 수도 있다.
당 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 분사 밸브 설계가 개시된 방법을 실시하도록 적용될 수 있다.
본 발명의 특정 요소, 실시예 및 적용이 도시되고 설명되었지만, 물론 본 발명은 상기 교시의 관점에서 본 발명의 개시의 범주로부터 일탈하지 않고 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 수정이 이루어질 수 있기 때문에 이에 한정되는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (58)

  1. 피스톤을 갖는 적어도 하나의 실린더를 구비한 내연 기관 운전 방법에 있어서,
    상기 실린더에 의해 부분적으로 규정된 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향시키는 단계와,
    상기 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하는 단계와,
    엔진의 부하가 미리 결정된 임계 부하 이상일 때, 제1 운전 모드로 운전하는 단계, 및
    엔진의 부하가 미리 결정된 임계 부하 미만일 때, 제2 운전 모드로 운전하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 운전 모드는, 상기 흡기 차지를 압축하는 동안 상기 연소 챔버 내로 파일럿량의 가스 연료를 직접 분사하고 상기 가스 연료의 자동 점화 온도를 초과하여 흡기 차지의 온도를 상승시키도록 제1 양의 가스 연료를 연소시키는 단계와, 상기 흡기 차지의 온도가 상기 가스 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 상기 연소 챔버 내로 직접 제2 양의 가스 연료를 분사하는 단계를 포함하고, 상기 제2 양은 상기 피스톤의 동력 행정을 구동하는 챔버 내에서 연소되도록 분사되고,
    상기 제2 운전 모드는, 상기 피스톤이 실린더 내에서 거의 상사점에 있을 때 상기 연소 챔버 내로 직접 제1 양의 가스 연료를 분사하는 단계와, 상기 제1 양의 가스 연료를 점화하여 상기 피스톤의 동력 행정을 구동하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 엔진 맵으로부터 엔진의 부하를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 글로우 플러그에 의해 상기 제1 양의 가스 연료를 점화하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 글로우 플러그의 방향으로 제1 양의 가스 연료를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 피스톤이 상사점 이전에 60°와 30°크랭크각 사이에 있을 때 제1 양을 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 흡기 차지의 온도는 상기 피스톤이 상사점에 있을 때 상기 가스 연료의 자동 점화 온도 이상인 방법.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 제1 운전 모드에서, 상기 제2 양의 가스 연료는 상기 제1 양의 가스 연료보다 큰 연료 매스를 갖는 방법.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제1 운전 모드에서, 상기 제2 양의 가스 연료가 상기 피스톤의 동력 행정 동안에 연소되도록 상기 제2 양의 가스 연료의 분사가 시기 조절되는 방법.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제1 운전 모드에서, 상기 제2 양의 가스 연료는 엔진 맵으로부터 결정되는 방법.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 제1 양의 가스 연료 및 상기 제2 양의 가스 연료는 단일 분사기로부터 상기 연소 챔버 내로 직접 분사되는 방법.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 연소 챔버는 디젤 엔진 범위 내의 압축비를 규정하는 방법.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 연소 챔버는 14:1 이상의 압축비를 규정하는 방법.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 제2 운전 모드에서, 상기 제1 양의 연료는 상사점 이전의 20°크랭크각과 상사점 이후의 20°크랭크각 사이에서 분사되는 방법.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 제2 운전 모드에서, 제2 양의 가스 연료를 분사하여 상기 제2 양의 가스 연료가 피스톤의 동력 행정 동안에 연소되도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 연소 챔버를 부분적으로 규정하는 적어도 하나의 실린더를 포함하는 가스 연료형 내연 기관 운전 방법에 있어서,
    엔진의 부하 요구가 고부하 범위 내에 있는지의 여부를 결정하는 단계, 및
    상기 부하 요구가 고부하 범위 내에 있을 때, 엔진의 고부하 운전 모드를 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 고부하 운전 모드는,
    상기 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향시키는 단계와,
    피스톤의 압축 행정 동안에 상기 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하는 단계와,
    상기 피스톤의 압축 행정 동안에, 상기 연소 챔버 내의 압축된 흡기 차지 내로 제1 양의 가스 연료를 직접 분사하는 단계와,
    상기 제1 양의 가스 연료를 점화하는 단계와,
    상기 흡기 차지의 온도를 상기 가스 연료의 자동 점화 온도 이상의 온도로 상승시키는 것을 보조하도록 상기 제1 양의 가스 연료를 연소하는 단계, 및
    상기 흡기 차지의 온도가 가스 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 상기 흡기 차지 내로 제2 양의 가스 연료를 직접 분사하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 양의 가스 연료의 연소는 피스톤의 동력 행정을 구동하는데 기여하는 방법.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 부하 요구가 엔진의 저부하 범위 내에 있는지를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 부하 요구가 저부하 범위 내에 있을 때, 엔진의 저부하 운전 모드를 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 저부하 운전 모드는,
    상기 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향시키는 단계와,
    피스톤의 압축 행정 동안에 상기 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하는 단계와,
    상기 피스톤이 상사점 또는 거의 상사점에 있을 때, 상기 연소 챔버 내의 압축된 흡기 차지 내로 제1 양의 가스 연료를 직접 분사하는 단계와,
    상기 제1 양의 가스 연료를 점화하는 단계, 및
    상기 제1 양의 가스 연료를 연소하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 양의 가스 연료의 연소는 피스톤의 동력 행정을 구동하는데 기여하는 방법.
  17. 피스톤에 의해 부분적으로 규정되고 디젤 엔진에 의해 규정된 범위 이내의 압축비를 갖는, 운전 가스 연료형 내연 기관의 연소 챔버 내에 자동 점화 환경을 설정하는 방법에 있어서,
    상기 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향시키는 단계와,
    상기 연소 챔버 내의 흡기 차지를 압축하는 동안, 제1 양의 가스 연료를 분사기를 통해 상기 연소 챔버 내로 직접 분사하는 단계, 상기 제1 양의 가스 연료를 점화하는 단계, 상기 제1 양의 가스 연료를 연소하는 단계 및 상기 흡기 차지의 온도를 상승시키는 단계, 및
    상기 분사기를 통해, 상기 흡기 차지의 온도가 상기 가스 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 제2 양의 가스 연료를 상기 연소 챔버 내로 직접 분사하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 양의 가스 연료의 연소는 상기 피스톤의 동력 행정을 구동하는데 기여하는 방법.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 제1 양의 가스 연료는 상기 연소 챔버 내에 배치된 글로우 플러그에 지향되는 방법.
  19. 제17 항에 있어서, 상기 제2 양의 가스 연료는 상기 연소 챔버 전체에 걸쳐 지향되는 방법.
  20. 제17 항에 있어서, 상기 제1 양의 가스 연료는 상기 실린더의 파이어 데크로부터 측정될 때 제1 각도로 상기 연소 챔버 내로 지향되고, 상기 제2 양의 가스 연료는 상기 파이어 데크로부터 측정할 때 제2 각도로 상기 연소 챔버 내로 지향되는 방법.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 제1 각도는 상기 제2 각도보다 작은 방법.
  22. 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 연료는 천연 가스인 방법.
  23. 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 연료는 메탄을 포함하는 방법.
  24. 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 연료는 수소를 포함하는 방법.
  25. 피스톤에 의해 부분적으로 규정되는, 운전 가스 연료형 내연 기관의 연소 챔버 내에 자동 점화 환경을 설정하는 방법에 있어서,
    상기 연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향시키는 단계와,
    상기 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하는 동안 상기 연소 챔버 내로 제1 양의 가스 연료를 직접 분사하는 단계와,
    상기 제1 양의 가스 연료를 점화하는 단계와,
    상기 제1 양의 가스 연료를 연소하고 상기 연소 챔버 내에서 흡기 차지를 압축하는 동안 상기 흡기 차지의 온도를 상승시키는 단계, 및
    상기 흡기 차지의 온도가 상기 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 상기 연소 챔버 내로 제2 양의 가스 연료를 직접 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 내연 기관의 연소 챔버 내로 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브에 있어서,
    상기 연소 챔버 내에 삽입 가능한 밸브 팁을 포함하는 중공 밸브 본체와,
    가스 연료의 점화를 보조하기 위해 디바이스의 방향으로 연료를 분사하기 위한 밸브 팁을 구비한 파일럿 연료 노즐 오리피스와,
    상기 파일럿 연료 노즐 오리피스에 비교할 때 더 큰 비율의 상기 연소 챔버 내로 연료를 분사하기 위한 적어도 하나의 메인 연료 노즐 오리피스, 및
    상기 중공 밸브 본체 내에 배치된 밸브 니들을 포함하고,
    상기 밸브 니들은, 압축량의 연료가 상기 중공 밸브 본체 내에 포함되는 폐쇄 위치와, 연료가 상기 파일럿 연료 노즐 오리피스를 통해서만 분사 가능한 제1 개방 위치와, 연료가 상기 파일럿 연료 노즐 오리피스 및 상기 메인 연료 노즐 오리피스를 통해 분사 가능한 제2 개방 위치 사이에서 이동 가능한 연료 분사 밸브.
  27. 제26 항에 있어서, 상기 연료는 가스 연료인 연료 분사 밸브.
  28. 제27 항에 있어서, 상기 연료는 천연 가스인 연료 분사 밸브.
  29. 제26 항에 있어서, 상기 밸브 니들은 니들 팁보다 큰 단면적을 갖는 밸브 니들의 스템부로부터 연장하는 니들 팁 및 상기 니들 팁과 스템부 사이에 배치된 환형 숄더를 포함하고, 상기 환형 숄더는 밀봉면이 밸브 시트에 대해 압박될 때 상기 중공 밸브 본체 내의 가스 연료를 밀봉하도록 상기 밸브 시트와 협동하는 밀봉면을 포함하는 연료 분사 밸브.
  30. 제29 항에 있어서, 상기 니들 팁은 상기 밸브 니들이 제1 개방 위치에 있을 때 상기 중공 밸브 본체로부터 상기 메인 연료 노즐 오리피스를 통해 가스 연료가 유출되는 것을 방지하도록 상기 중공 밸브 본체의 내부면과 협동하는 연료 분사 밸브.
  31. 제30 항에 있어서, 상기 니들 팁의 반경방향 표면은 상기 밸브 팁 내의 오목부 내에 긴밀하게 끼워맞춰지고, 상기 니들 팁과 상기 오목부의 측벽 사이의 여유 간극은 상기 밸브 니들이 제1 개방 위치에 있을 때 가스 연료가 상기 메인 연료 노즐 오리피스로 유동하는 것을 실질적으로 방지하는 유체 제한부를 제공하는 연료 분사 밸브.
  32. 제29 항에 있어서, 상기 밸브 니들은 상기 니들 팁이 오목부로부터 상승되어 가스 연료가 메인 연료 노즐 오리피스로 유동할 수 있도록 상기 중공 밸브 본체 내에서 후퇴 가능한 연료 분사 밸브.
  33. 제29 항에 있어서, 상기 니들 팁은 밸브 니들의 스템에 대해 이동 가능하고, 상기 니들 팁의 단부면은 상기 밸브 니들이 제1 개방 위치에 있을 때 상기 중공 밸브 본체의 내부면에 의해 제공된 제2 밸브 시트에 대해 안착되고, 상기 니들 팁은 상기 밸브 니들이 제2 개방 위치에 있을 때 상기 제2 밸브 시트로부터 이격 상승되는 연료 분사 밸브.
  34. 제33 항에 있어서, 상기 니들 팁은 상기 밸브 니들이 폐쇄 위치 또는 제1 개방 위치에 있을 때 상기 니들 팁과 상기 스템 사이에 배치된 스프링에 의해 상기 제2 밸브 시트에 대해 압박되는 연료 분사 밸브.
  35. 제33 항에 있어서, 상기 니들 팁은 스템의 립과 협동하여 미리 결정된 거리를 지나는 상기 중공 밸브 본체 내로의 스템의 후퇴가 제2 시트로부터 이격하여 니들 팁을 상승시키는 플랜지를 포함하는 연료 분사 밸브.
  36. 제26 항 내지 제35 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파일럿 연료 노즐 오리피스는 상기 메인 연료 노즐 오리피스의 조합 개방 면적보다 작은 조합 개방 면적을 갖는 복수의 파일럿 연료 노즐 오리피스 중 하나인 연료 분사 밸브.
  37. 제36 항에 있어서, 상기 복수의 파일럿 연료 노즐 오리피스는 점화를 보조하기 위한 디바이스를 포함하는 연소 챔버의 섹터 내로 가스 연료를 분사하도록 배향되는 연료 분사 밸브.
  38. 제37 항에 있어서, 상기 메인 연료 노즐 오리피스는 점화를 보조하기 위한 디바이스의 방향으로 연료를 분사시키지 않는 연료 분사 밸브.
  39. 제26 항에 있어서, 상기 폐쇄 위치, 상기 제1 개방 위치 및 상기 제2 개방 위치 사이에서 상기 니들을 작동하기 위해, 제1 폐쇄 바이어스, 제2 폐쇄 바이어스, 제3 폐쇄 바이어스, 제1 개방 바이어스 및 제2 개방 바이어스를 추가로 포함하는 연료 분사 밸브.
  40. 제39 항에 있어서, 상기 제1 폐쇄 바이어스, 상기 제2 폐쇄 바이어스 및 상기 제3 폐쇄 바이어스는 각각 상기 제1 개방 바이어스 및 상기 제2 개방 바이어스에 대해 상기 니들에 작용하는 제1 유체력, 제2 유체력 및 제3 유체력이고,
    상기 제1 유체력은, 상기 제1 개방 바이어스에 의해 전달된 제1 개방력 및 상기 제2 개방 바이어스에 의해 전달된 제2 개방력보다 커서, 이에 의해 상기 니들을 상기 폐쇄 위치로 작동시키고,
    상기 제2 유체력은, 상기 제1 개방력보다 크고 상기 제2 개방력보다 작아서, 이에 의해 상기 니들을 상기 제1 개방 위치로 작동시키고,
    상기 제3 유체력은, 상기 제1 개방력 및 상기 제2 개방력보다 작아서, 이에 의해 상기 니들을 상기 제2 개방 위치로 작동시키는 연료 분사 밸브.
  41. 제40 항에 있어서, 상기 제1 개방 바이어스는 강성 스프링에 의해 제공되고, 상기 제2 개방 바이어스는 연성 스프링에 의해 제공되며, 상기 강성 스프링 및 상기 연성 스프링은 상기 니들과 상기 밸브 팁 사이에 작용하는 연료 분사 밸브.
  42. 내연 기관에 있어서,
    실린더, 상기 실린더 내에서 왕복 가능한 피스톤 및 실린더 헤드의 파이어 데크에 의해 실질적으로 규정되는 연소 챔버와,
    가스 연료의 점화를 보조하기 위해 상기 연소 챔버 내에 배치된 디바이스, 및
    상기 연소 챔버 내로 가스 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브를 포함하고,
    상기 연료 분사 밸브는,
    상기 연소 챔버 내에 삽입 가능한 밸브 팁을 포함하는 중공 밸브 본체와,
    가스 연료의 점화를 보조하기 위해 디바이스의 방향으로 연료를 분사하기 위한 밸브 팁을 구비한 파일럿 연료 노즐 오리피스와,
    상기 파일럿 연료 노즐 오리피스에 비교할 때 더 큰 비율의 상기 연소 챔버 내로 연료를 분사하기 위한 적어도 하나의 메인 연료 노즐 오리피스, 및
    상기 중공 밸브 본체 내에 배치된 밸브 니들을 포함하고,
    상기 메인 연료 노즐 오리피스는 상기 파일럿 연료 노즐 오리피스와 관련된 개방 면적보다 큰 조합 개방 면적을 갖고,
    상기 밸브 니들은, 압축량의 연료가 상기 중공 밸브 본체 내에 포함되는 폐쇄 위치와, 가스 연료가 상기 파일럿 연료 노즐 오리피스를 통해서만 분사 가능한 제1 개방 위치와, 가스 연료가 상기 파일럿 연료 노즐 오리피스 및 상기 메인 연료 노즐 오리피스를 통해 분사 가능한 제2 개방 위치 사이에서 이동 가능한 내연 기관.
  43. 제42 항에 있어서, 상기 밸브 팁은 상기 파이어 데크 상에 실질적으로 중심에 위치되고, 상기 점화를 보조하기 위한 디바이스는 상기 밸브 팁으로부터 반경방향 거리로 이격되는 내연 기관.
  44. 제42 항에 있어서, 상기 점화를 보조하기 위한 디바이스는 글로우 플러그인 내연 기관.
  45. 제44 항에 있어서, 글로우 플러그 실드를 추가로 포함하고, 상기 실드의 부분은 상기 글로우 플러그와 상기 연료 분사 밸브 사이에서 상기 연소 챔버 내에 위치 설정되는 내연 기관.
  46. 제45 항에 있어서, 상기 실드는 상기 글로우 플러그를 둘러싸는 내연 기관.
  47. 제45 항에 있어서, 상기 실드는 적어도 2개의 연료 통로, 적어도 하나의 입구 통로 및 적어도 하나의 출구 통로를 규정하고, 상기 적어도 하나의 입구 통로는 상기 제1 양의 가스 연료를 수용하기 위한 것이고, 상기 제1 양의 가스 연료는 상기 글로우 플러그에 의해 점화되고, 상기 적어도 하나의 출구 통로는 상기 출구 통로를 지나 제2 양의 가스 연료 내로 화염을 지향시키고 상기 출구 통로를 지나 상기 실드에 의해 안내되도록 하기 위한 것이고, 상기 화염은 상기 제2 양의 가스 연료를 점화시키고 상기 제1 양의 가스 연료의 연소 중에 생성되는 내연 기관.
  48. 제42 항 내지 제47 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 니들에 명령을 하기 위한 제어기를 포함하는 내연 기관.
  49. 제48 항에 있어서, 상기 제어기가 고부하 운전 모드 하에서 운전하도록 명령할 때, 상기 제어기는 상기 피스톤이 상사점 이전의 60°와 30°크랭크각 사이에 있을 때 상기 밸브 니들을 상기 제1 개방 위치로 명령하는 내연 기관.
  50. 제48 항에 있어서, 상기 제어기가 미리 결정된 임계 부하 이상으로 운전하도록 명령할 때, 상기 제어기는 상기 피스톤이 상사점 이전의 60°와 30°크랭크각 사이에 있을 때 상기 밸브 니들을 상기 제1 개방 위치로, 상기 연소 챔버가 상기 가스 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 제2 개방 위치로 명령하는 내연 기관.
  51. 제48 항 내지 제50 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미리 결정된 임계 부하는 엔진 부하 맵 상의 일련의 지점을 포함하고, 상기 각각의 지점은 개별 부하 조건에 대응하는 내연 기관.
  52. 외부면과 상기 외부면에 대향하는 내부면을 포함하고, 가스 연료형 직접 분사식 내연 기관의 연소 챔버 내에 사용하기 위한 글로우 플러그 실드에 있어서,
    적어도 하나의 입구 반경방향 평면 및 적어도 하나의 출구 반경방향 평면을 규정하고,
    상기 각각의 반경방향 평면은 상기 외부면으로부터 돌출되고,
    상기 각각의 적어도 하나의 입구 반경방향 평면 및 상기 적어도 하나의 출구 반경방향 평면은,
    상기 각각의 적어도 하나의 입구 반경방향 평면 및 상기 적어도 하나의 출구 반경방향 평면에 대해 상기 내부면으로부터 후방으로 돌출되는 적어도 하나의 교선과,
    상기 적어도 하나의 입구 반경방향 평면이 상기 외부면과 교차하는 적어도 하나의 입구 라인, 및
    상기 적어도 하나의 출구 반경방향 평면이 상기 외부면과 교차하는 적어도 하나의 출구 라인을 규정하고,
    상기 적어도 하나의 교선에서의 모든 상기 적어도 하나의 입구 반경방향 평면과 모든 상기 적어도 하나의 출구 반경방향 평면 사이의 모든 각도는 45°보다 크고,
    상기 실드는 적어도 2개의 통로, 입구 통로 및 출구 통로를 규정하고, 상기 입구 통로는 상기 각각의 적어도 하나의 입구 라인 상에 중심 설정되고 상기 출구 통로는 상기 적어도 하나의 출구 라인 상에 중심 설정되는 글로우 플러그 실드.
  53. 제52 항에 있어서, 상기 실드는 원통형 형상을 규정하는 글로우 플러그 실드.
  54. 제53 항에 있어서, 상기 실드는 상기 실드가 내연 기관의 연소 챔버 내의 파이어 데크로부터 현수될 수 있는 상부 평면을 규정하고, 상기 입구 통로 및 상기 출구 통로는 상기 상부 평면으로부터 등간격에 있는 글로우 플러그 실드.
  55. 제52 항에 있어서, 상기 통로는 구멍인 글로우 플러그 실드.
  56. 내연 기관 운전 방법에 있어서,
    연소 챔버 내로 흡기 차지를 지향시키는 단계와,
    상기 연소 챔버 내에 상기 흡기 차지를 압축하는 단계와,
    엔진 부하가 미리 결정된 임계 부하 이상인지를 결정하는 단계, 및
    엔진 부하가 상기 미리 결정된 임계 부하 이상일 때 제1 운전 모드에서 운전하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 운전 모드는,
    상기 흡기 차지를 압축하는 동안, 분사기와 실드에 근접한 글로우 플러그 사이에 배치되고 상기 연소 챔버 내로 연장되는 글로우 플러그 실드에 의해 규정된 입구 통로에서 제1 양의 연료를 분사시킴으로써 제1 양의 연료가 상기 입구 통로를 통과한 후에 상기 글로우 플러그 상에서 제1 양의 연료를 점화시키도록 하는 단계와,
    상기 실드 내에 규정된 출구 통로를 통해 제2 양의 연료에 상기 제1 양의 연료의 연소로부터의 화염을 지향시키는 단계, 및
    상기 흡기 차지가 상기 연료의 자동 점화 온도 이상일 때 상기 흡기 차지의 압축의 완료 부근에서 상기 연소 챔버 내로 제3 양의 연료를 직접 분사하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 양의 연료는 상기 실드를 지나고 상기 출구 통로를 넘어서 지향되고, 상기 화염은 상기 제2 양의 연료가 점화되도록 하며, 상기 제1 및 제2 양의 연소는 상기 연소 챔버 내의 상기 흡기 차지의 온도를 증가시키는 방법.
  57. 제56 항에 있어서, 상기 연료는 가스 연료인 방법.
  58. 제57 항에 있어서, 상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 수소 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
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