KR20050103909A - 내연기관용 분사 장치 - Google Patents

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KR20050103909A
KR20050103909A KR1020057013659A KR20057013659A KR20050103909A KR 20050103909 A KR20050103909 A KR 20050103909A KR 1020057013659 A KR1020057013659 A KR 1020057013659A KR 20057013659 A KR20057013659 A KR 20057013659A KR 20050103909 A KR20050103909 A KR 20050103909A
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빅토르 구린
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바이어, 토마스
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Abstract

본 발명은 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 연료는 기체 또는 기체 혼합물, 특히 산소 또는 공기로 기체축적장치(20)를 먼저 축적한다. 상기 연료가 분무되고 기체 또는 기체 혼합물이 분무된 연료 안으로 주입되고, 축적된 연료가 하나 이상의 실린더(12) 안으로 직접 분사되거나, 전방 영역(17), 특히 엔진의 흡기 매니폴드 안으로 간접적으로 분사된다. 적어도 축적된 상태의 연료는 최종 분무가 수행되기 전에 연료로부터 기체 또는 기체 혼합물이 방출되는 것을 막기 위해서 최종 분무가 수행될때까지 냉각된다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 분사 장치에 관한 것이다.

Description

내연기관용 분사 장치{INJECTION UNIT FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법에 관한 것으로, 연료가 분무(atomization)되고 분무된 연료에 기체/기체 혼합물이 공급되는 방식으로 연료가 기체축적장치(gas enrichment device)에서 기체 또는 기체 혼합물, 특히 산소 또는 공기로 축적되고 나서, 축적된 연료가 실린더에 직접 분사되거나, 전방 영역, 특히 분무가 종료되는 경로에 있는 엔진의 흡기 매니폴드(inlet manifold)에 간접적으로 분사된다.
또한, 본 발명은 상기 방법을 실시하기 위한 내연기관용 분사 장치에 관한 것으로, 상기 분사 장치는 기체 또는 기체 혼합물, 특히 산소 또는 공기로 연료를 축적하기 위한 공간을 갖는 기체축적장치, 하나 이상의 분무 수단, 하나 이상의 기체 흡입용 개구, 연료 및 기체/기체 혼합물을 축적공간에 공급하기 위한 펌프 수단 그리고 축적된 연료를 기체축적장치로부터 최종 분무 수단으로 안내하기 위한 공급 라인을 포함하는데, 상기 최종 분무 수단은 축적된 연료를 실린더 또는 전방 영역, 특히 흡기 매니폴드에 직·간접적으로 분사하기 위해 제공된다.
따라서 상기와 같은 방법에서는, 연소실 안에 또는 연소실 앞에 공급된 공기에 의한 가능한 한 최적의 혼합물 형성을 보장하기 위해, 통상적으로 연소 직전에 노즐을 이용하여 직·간접적으로 최대한 미세하게 분무되는 연료가 이와 같은 분무 과정 전에 이미 한번 분무되고 산소와 같은 기체로 축적된다.
이와 같이 축적된 연료가 통상적으로 예컨대 흡기 매니폴드에 분사되거나 엔진 실린더에 직접 분사되면(재차 분무되면), 연료 내에 함유된 기체가 방출하고, 이와 같은 "기체 제거"를 통해 축적되지 않은 연료의 분무에 비해 개선된 소·대형 연료 드롭(drop)의 분쇄나 분무가 수행될 뿐만 아니라, 추가로 공급된 공기와 연료의 균질한 혼합이 형성된다.
공지된 방식에 따르면, 연료 드롭이 작을수록 공기/연료 혼합물은 더 많이 감소된다. 따라서 예비 분무과정 동안 기체로 연료를 미리 축적함으로써, 실제 분사 과정에서 그 다음 분무 작용이 이 경우 진행되는 기체 제거에 의해 높아진다. 따라서 전술한 분사 방법에 의해서 특히 연소 혼합물의 불균일성으로 인해 더 개선된 연소가 달성되고, 그 결과 연료 소비가 감소된다.
엔진 개발의 첫 번째 목적은 소비를 축소시키는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 연료 소비를 더 절감시킬 수 있도록 전술한 분사 방법 및 전술한 분사 장치를 개선시키는 것이다.
상기 목적은 한편으로는 청구항 1항에 따른 분사 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 연료는 적어도 축적된 상태에서 그 다음 분무에 이르기까지 냉각되어서, 분무가 종결되기 전에, 즉 미리 수행되는 기체 제거 전에 기체/기체 혼합물이 연료로부터 배출되는 것이 방지된다. 따라서 수용된 기체/기체 혼합물의 대부분이 연료에 남아서 그 다음 분무시에야 비로소 배출된다.
본 발명에 따른 분사 장치를 갖는 엔진 유형에 따라 연료 소비가 엔진의 기본 변형예, 즉 본 발명에 따른 분사 방법을 제외한 엔진에 비해 25% 이하로 감소될 수 있다. 이와 동시에, 탄소 산화물 함량이 5.6% 이하로 감소한다.
실험을 통해, 분사시 축적된 연료의 온도가 1℃ 내지 10℃, 바람직하게는 1℃ 내지 3℃로 나타나는 것이 특히 바람직한 것으로 판명되었다.
동일한 간격, 즉 1℃ 내지 10℃, 바람직하게는 1℃ 내지 3℃가 전체 특성곡선, 즉 기체축적장치에서 그리고 기체축적장치로부터 분무 종료에 이르는 경로 상에서 주어져야 하는 온도에 대해 적용된다.
첫 번째 분무가 수행될 때 연료 축적시 나타나는 기체 압력은 최종 분사과정, 즉 두 번째 분무시에 전방 영역 또는 실린더 내 공기 압력 보다 더 높을 경우, 특히 효과적인 방식으로 두 번째 분무의 종결이 수행된다. 그런 다음, 기본적인 연료 부피의 용액으로부터 기체의 효과적인 방출이 수행된다.
전술한 바와 같이, 소형 및 대형의 연료 드롭이 통상의 노즐 분무에 대해 추가로 분쇄된다. 왜냐하면, 이러한 소형 및 대형 연료 드롭이 과잉 기체의 방출에 의해 분산되기 때문이다. 연료 입자 또는 연료 드롭의 거대 분쇄로 인해, 실린더(직접 분사) 내에 또는 전방 영역(간접 분사), 예컨대 흡입 매니폴드 내 연료-공기 혼합물의 균질도가 상승한다.
이를 통해서, 본 발명에 따른 분사 장치없이, 다시 말해 표준 분사 방법 또는 표준 분사 장치를 이용하는 표준 엔진에 비해서 더 균일하고, 더 신속하고, 더 완전한 연료 분사가 나타난다. 기체/기체 혼합물이 산소 또는 공기일 때, 통상적인 방식으로 공급되는 공기 이외에 방출되는 산소가 연소에 추가로 기여하거나, 실린더 또는 전방 영역 내 연료 공기 혼합물의 구성 성분이 된다.
바람직하게는 첫 번째 분무 과정에서 연료 축적시 나타나는 기체 압력이 최종 분사 과정에서 실린더 내 또는 전방 영역의 공기 압력보다 1.2배 지 50배 더 높다는 사실이 발견되었다.
본 발명에 따른 목적은 상기 방법을 실시하기 위한 청구항 6항에 따른 연소 엔진용 분사장치에 의해 달성된다.
따라서 적어도 축적된 연료가 최종 분무 수단에 의한 최종 분무에 이르기까지 냉각되어서, 이러한 최종 분무 전에 연료로부터 기체/기체 혼합물이 배출되는 것이 방지되도록 하는 냉각 시스템이 제공된다.
분사 장치의 냉각 시스템은 축적된 연료를 냉각시킬 뿐만 아니라, 전체 기체축적장치 및 공급 라인을 냉각시키도록 형성될 수 있다. 따라서 연료로부터 기체를 제거하는 것은 매우 효과적으로 방지된다.
첨부된 종속항, 실시예에 대한 상세한 설명 및 실시예에 대한 도면에 본 발명의 또 다른 특징들이 제시된다. 즉,
도 1은 본 발명에 따른 분사 장치의 원리를 보여주는 개략도이다.
도 1의 왼쪽 영역에 분사 장치(10)가 도시되며, 상기 분사 장치(10)는 본 발명에 따른 방식에서 엔진 유형에 따라 예컨대 디젤 또는 가솔린과 같은 연료를 연소 영역(combustion region)(11)으로 공급한다. 연소 영역(11)은 실린더(12)를 포함하고, 상기 실린더(12) 내에서 피스톤(13)이 커넥팅 로드(connecting rod)(14)에 의해 위·아래로 이동한다. 흡입 밸브(inlet valve)(15) 및 배출 밸브(outlet valve)(16)가 종래기술에 공지된 방식으로 연료/공기 혼합물의 유입 및 연소 이후 연료/공기 혼합물의 배출을 위해 제공된다.
흡기-수집 라인(17) 내에서 공기가 연료/공기 혼합물의 형성을 위해 공급된다. 공기 또는 기체로 축적된 연료가 노즐(18)에 의해 흡기-수집 라인(17) 안으로 고압 분사된다. 이 경우 노즐 상에서 발생하는 압력에 대해서는, 당업자에게 공지되어 있으므로 더 이상 설명하지 않는다.
배기가스 라인(19)은 실린더(12) 내에서 점화 플러그(ignition plug)(34)에 의해 점화된 후에 연소된 연료/공기 혼합물을 엔진실(engine compartment) 밖으로 배출시킨다.
분사 장치(10)는 기체 및 액체가 새지 않도록 밀폐된 챔버(20)를 갖는 기체축적장치를 가지며, 분무 노즐(21)을 이용하여 기체축적장치 안으로 연료가 분사된다. 이러한 연료는 탱크(도시되지 않음)로부터 나오며, 이 탱크로부터 공급 라인(22), 고압 펌프(23) 및 체크 밸브(check valve)(24)에 의해 연료가 노즐(21)로 공급된다. 이와 동시에, 공급 라인(25), 고압 압축기 및 압력 조절기(26)에 의해 산소 또는 공기가 고압 하에서 챔버(20) 안으로 유입된다.
공급 라인(25)과 이어지는 라인(27)은 이중 작용 방식으로 형성된다. 즉 상기 라인(27)은 기체 또는 공기를 위한 공급 라인 및 챔버 내에 남은 기체를 위한 배기 라인으로 동시에 사용된다. 이와 같은 과잉 기체는 배기 라인(28) 및 안전 밸브(safety valve)(29)에 의해 연료 탱크(도시되지 않음)로 공급된다.
챔버(20)와 분사 노즐(18) 사이에 공급 라인(30)이 배치되며, 상기 공급 라인(30)은 산소로 축적된 연료를 챔버(20)로부터 분사 노즐(18)로 공급한다. 또한, 축적된 연료를 압력 하에서 운반하기 위해, 연료 분사 펌프(31)가 공급 라인(30) 상에 배치된다.
마지막으로, 분사 장치는 챔버(20) 내 연료 레벨을 측정하는 레벨 감지기(32)를 갖는다.
챔버(20) 및 공급 라인(30)은 상기 챔버(20) 및 공급 라인(30)을 둘러싸는 냉각 시스템(cooling system)(33)(파선으로 표시됨)에 의해서 냉각된다.
분사 장치(10)의 작동 방식 및 그 작동 방식을 수행하는 방법을 더 자세히 설명하면 아래와 같다:
본 발명의 방법에서는 연료가 분사 노즐(18)에 의해 흡기 수집 라인(17) 안으로 분사되기 전(분무되기 전), 먼저 기체(여기서는 산소) 또는 공기에 의해 연료가 축적되는 과정이, 그 이후에 수행되는 - 통상적으로 연소 직전에 나타나는 - 분무 과정을 최적화하기 위해서 중요하다. 이와 같은 공기 또는 산소에 의한 축적(아래에서는 단지 산소에 의한 축적만이 언급됨)은 챔버(20) 내에서 나타난다: 고압 펌프(고압 압축기)(23)에 의해 노즐(21)에 연료가 공급되고 노즐로부터 분무되어, 공급 라인(25, 26)에 의해 마찬가지로 고압 하에서, 특히 10MPa하에서 유입되는 산소와 혼합된다. 고압 펌프(23)는 특히 12.5MPa의 압력 강하(drop of pressure)를 갖는다.
여기서, 전체적인 조건은 연료 자체 점화(self-ignition)가 차단되는 방식으로 선택되어야 한다. 챔버 내 기체 압력(gas pressure)은 압력 조절기(23) 및 안전 밸브(29)를 이용하여, 흡기 라인(17) 내 공기 압력(air pressure) 보다 1.2배 이상 높은 압력으로 유지된다.
축적된 연료는 챔버(20) 바닥에 액상 형태로 퇴적된다. 레벨 표시기 및 적합한 제어 시스템(control system)에 의해서, 챔버(20) 내 연료량이 엔진의 순간적인 개별 소비 전력과 무관하게 항상 목표 레벨로 유지된다. 이는 연료 분무 및 기체 공급이 관련 펌프의 온/오프에 의해 차단되거나 중단되는 방식으로 이루어질 수 있다. 물론 이와 유사한 다른 조치들도 생각될 수 있다.
이와 같이 축적된 연료는 최종 분무를 위해서 특히 공급 라인(30)을 통해 노즐(18)로 공급되며, 고압 펌프(31)는 필요한 분사 압력을 공급 및 생성하기 위해 추가로 제공된다. 이러한 노즐(18)을 이용하여 축적된 연료의 소형 및 대형 드롭(drop)이 최적으로 분무, 즉 분쇄될 수 있다. 왜냐하면, 연료 내에 존재하는 산소가 축적된 연료로부터 배출되고, 배출시에 연료 드롭의 추가 분쇄가 야기되기 때문이다.
그리고 나서, 분무된 연료가 흡기 수집 라인(17)을 통해 유입되는 공기와 혼합하여, 연소가능한 연료/공기 혼합물을 형성한다. 이러한 연료/공기 혼합물은 흡입 밸브(15)에 의해 - 피스톤(13) 아래쪽으로 제한되는 - 실린더(12) 연소실 안으로 유입되어, 연소된다. 이와 같이 연소된 혼합물이 배출 밸브(16)에 의해 배기가스 라인(19) 안으로 유입되고, 유입된 혼합물이 배출된다.
여기서 특히 중요한 점은, 챔버(20) 및 공급 라인(30)의 냉각에 의해 한편으로는 연료 내 산소 축적이 더 개선되고, 다른 한편으로는 연료로부터 미리 기체를 제거하는 것, 즉 분무가 종결되기 전에 산소를 방출하는 것이 차단된다는 점이다. 이와 같은 기체 제거는 축적된 연료를 바람직하게는 1℃ 내지 3℃의 온도로 유지시키는 냉각으로 인해, 거의 분사 과정에 진입한 후에야, 다시 말해 노즐(18)에 의한 분무가 실행된 후에야 나타난다. 축적된 연료의 냉각에 의해 연료 소비에 긍정적인 작용을 하는 추가의 효과들이 나타난다.
전술한 분사 장치를 갖는 2리터 가솔린 엔진 "Zetek"이 장착된 표준형 자동차 "Ford-Mondeo(포드-몬데오)"에 의한 실험 주행시 아래와 같은 결과들이 나타났다:
180kg 내지 300kg의 유효 하중에 의한 125,000km의 주행 시간 동안, 표준형 차량에 비해 아래와 같은 경제적 효과 상승이 달성되었다(차량 테스트는 진단 검사대 AP500 112 K4000에서 수행되었다):
냉각된 상태일 때, 산화탄소 함량이 5.6% 감소하면서 엔진 효율이 18.6% 만큼 상승하였다. 가열된 상태일 때 14.8% 내지 6.5%의 값이 나타난다.
이 경우, 물론 본 발명의 범주 내에서 본 발명에 따른 분사장치 및 분사방법을 갖춘 상이한 엔진 유형이 제공될 수 있다. 따라서 하나 이상의 실린더, 직·간접 분사장치 및 추가의 상이한 분사 제어 방법을 갖는 디젤 엔진 및 가솔린 엔진이 사용될 수 있다.
*도면부호 리스트*
10 분사 장치
11 연소 영역
12 실린더
13 피스톤
14 커넥팅 로드
15 흡입 밸브
16 배출 밸브
17 흡기-수집 라인
18 노즐
19 배기가스 라인
20 챔버
21 노즐
22 공급 라인
23 고압 펌프
24 체크 밸브
25 공급 라인
26 압력 제어기
27 공급 및 배출 라인
28 배기 라인
29 안전 밸브
30 공급 라인
31 분사 펌프
32 레벨 감지기
33 냉각 시스템
34 점화 플러그

Claims (10)

  1. 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법으로서, 상기 연료가 분무(atomization)되고 분무된 연료에 기체/기체 혼합물이 공급되는 방식으로 연료가 기체축적장치(gas enrichment device)(20)에서 기체 또는 기체 혼합물, 특히 산소 또는 공기로 축적되고 나서, 축적된 연료가 하나 이상의 실린더(12)에 직접 분사되거나, 전방 영역(17), 특히 최종 분무가 수행되는 경로에 있는 엔진의 흡기 매니폴드(inlet manifold)에 간접적으로 분사되는, 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법에 있어서, 상기 연료는 적어도 축적된 상태에서 최종 분무에 이르기까지 냉각되어서, 상기 최종 분무 이전에 연료로부터 상기 기체/기체 혼합물이 배출되는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 축적된 연료의 온도가 최종 분무시에 1℃ 내지 10℃, 바람직하게는 1℃ 내지 3℃인 것을 특징으로 하는 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 축적된 연료의 온도가 상기 기체축적장치로부터 최종 분무에 이르기까지 1℃ 내지 10℃, 바람직하게는 1℃ 내지 3℃인 것을 특징으로 하는 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 연료 축적시 상기 기체/기체 혼합물의 기체 압력(gas pressure)이 최종 분무 과정시 상기 전방 영역 또는 상기 실린더 내 공기 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 기체 압력이 최종 분사시 상기 전방 영역 또는 상기 실린더 내 공기 압력보다 50배 더 높은 것을 특징으로 하는 내연기관에 연료를 분사하기 위한 방법.
  6. 제 1항에 따른 방법을 실시하기 위한 내연기관용 분사 장치로서, 상기 분사 장치는 기체 또는 기체 혼합물, 특히 공기로 연료를 축적하기 위한 기체축적장치 - 상기 기체축적장치는 기체 또는 기체 혼합물, 특히 산소 또는 공기로 연료를 축적하기 위한 축적 공간(20)을 가짐 - , 상기 축적 공간 내 기체 흡입구를 위한 하나 이상의 개구, 상기 연료 및 상기 기체/기체 혼합물을 상기 축적 공간에 공급하기 위한 하나 이상의 펌프 수단 그리고 축적된 연료를 상기 축적 공간(20)으로부터 최종 분무 수단(18)으로 안내하기 위한 공급 라인(30)을 포함하며, 상기 최종 분무 수단(18)은 상기 축적된 연료를 실린더(12) 또는 전방 영역, 특히 흡기 매니폴드(17)에 직·간접적으로 분사하기 위해 제공되는, 내연기관용 분사 장치에 있어서,
    상기 적어도 축적된 연료가 상기 최종 분무 수단(18)에서 최종으로 분무될 때까지 냉각되어서, 상기 최종 분무가 수행되기 전에 상기 연료로부터 상기 기체/기체 혼합물이 배출되는 것이 방지되도록 냉각 시스템(33)이 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 분사 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 적어도 축적 공간(20), 바람직하게는 상기 공급 라인(30)이 냉각되도록 상기 냉각 시스템(33)이 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 분사 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 축적 공간(20)이 특히 밀폐된 챔버(20)이며, 상기 챔버(20)는 상기 기체 또는 기체 혼합물이 공급될 수 있는 하나 이상의 흡입구, 특히 흡입 밸브를 가지며, 바람직하게는 상기 챔버(20) 안으로 상기 연료를 분사시킬 수 있는, 특히 분무시킬 수 있는 하나 이상의 노즐(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 분사 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 펌프 수단(23) 및 압력 제어 수단(26)이 제공되어서, 상기 기체/기체 혼합물 및/또는 상기 연료가 제어된 압력 하에서 상기 챔버(20) 안으로 유입될 수 있어서, 상기 챔버 내 압력이 제어된 압력 하에서 유지될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 분사 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 챔버 내에 존재하는 축적된 연료량을 측정하는 레벨 감지기(32)가 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 분사 장치.
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