KR20060015466A - 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한방법 - Google Patents

디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기 가스 터보 과급기를 포함하는 커먼 레일 분사식 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최소 유해물질 방출과 관련해서 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 연료는 적어도 주분사(HE)와 상기 주분사에 후속하는 후분사(BOOST)에 의해 디젤 엔진의 각각의 연소실 내로 분사되며, 전자 제어 유닛 및 이 전자 제어 유닛에 저장된 맵은 상기 후분사(BOOST)의 시작 및 양을 상기 주분사(HE)의 종료 및 디젤 엔진의 작동 파라메터에 따라 제어한다. 본 발명의 목적은 상기 방법을, 배기 가스의 엔탈피가 짧은 기간 내에 증가될 수 있어서, 배기 가스 터빈에서 송출 출력이 증가되고 공기 유동률 및 급기압이 터빈과 압축기의 기계적 결합에 의해 압축기 측에서 증가되도록 개선시키는 것이다. 이를 위해, 본 발명에서는 후분사(BOOST)가 상기 주분사(HE)의 완료 후 30°내지 180°KW에서 시작되고, 상기 후분사(BOOST)의 양은 상기 주분사(HE)의 양의 20% 내지 30%로 조절된다.
디젤 엔진, Z터보 과급기, 커먼 레일 분사, 주분사, 후분사, 터빈, 압축기

Description

디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법{METHOD FOR OPTIMIZING THE OPERATING MODE AND COMBUSTION MODE OF A DIESEL ENGINE}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 커먼 레일 분사식 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최소 유해물질 방출과 관련해서 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다.
특히, 고정 설비, 발전소, 펌프 스테이션 및 압축기 설비의 방출 한계값(TA 공기)이 점점 더 엄격해짐에 따라, 엔진 개발 분야에서는 산화 질소에 대한 유해물질 값을 줄이는데 점점 더 중점을 두고 있다.
예컨대 DE 198 36 053 A1호에는 커먼 레일 분사 시스템을 포함하는 연료 분사 장치의 제어/조절 장치가 공지되어 있고, 분사 과정은 전분사, 주분사 및 후분사로 세분되는 방식으로 최소 유해물질 방출과 관련해서 최적화된다. 특히, 후분사는 배기 가스의 현저한 개선을 가능하게 한다. 이것은 주분사의 연소 후에 분사기에 의해 조량되고 배기 가스로 방출되며 추가의 촉매 변환기에서 산화 질소와 함께 반응하여 무해한 성분을 만든다.
공지된 바와 같이, 디젤 엔진의 전자 제어식 분사 시스템에서, 예컨대 모든 엔진 작동점에서 자유로이 선택 가능한 분사압을 제공할 수 있는 커먼 레일 분사 시스템에서, 연료 분사는 솔레노이드 또는 압전 밸브에 의해 제어된다. 종종 ECU(Engine Control Unit)라 하는 전자 제어 유닛이 솔레노이드 밸브의 전류 공급을 수행하는데, 분사 시작, 분사 지속 시간 및 분사량은 엔진의 작동 파라메터에 따라, 예컨대 최적화 방법에 의해 결정되어 ECU에 저장된 특성 맵으로부터 유도된다.
따라서, 이미 선행 기술에서는 저장기 분사 시스템에서 가능한 바와 같은 분사 진행 형성의 전략, 즉 예컨대 DE 197 47 231 A1에 기재된 바와 같이 회전수-부하 특성 맵 내의 각각의 점에 대한 분사압 및 전류 공급 시작에 따라 조정하려는 전략이 최적화를 위한 적합한 조치로서 고려되었다.
배기 가스 터보 과급기를 디젤 엔진의 작동 및 연소 과정에 포함시키면, 디젤 엔진 프로세스의 공기 측에서 NOx 감소를 위한 조치로서, 특히 배기 가스 피드백이 중요시된다. 연료 측에서는 전술한 바와 같이 커먼 레일 분사가 효과적인 최적화 조치로 보인다. 이것은, 특히 각각의 적합한 분사 레이트의 제공에 있어서의 유연성으로 인해 그리고 혼합 강도로 인해 회전수 및 엔진 부하와 무관하게 가능하다.
NOx 방출을 줄이려는 목적과 더불어, 배기 가스 터보 과급기를 구비한 디젤 엔진에서는, 엔진 내에서 공기 측의 NOx 감소를 위해 급기압을 높일 필요가 있다. 공지된 방법은 이에 대한 해결책을 제시하지 않는다.
선행 기술에서 후분사는 분사되는 양의 약 90%가 후속하는 작은 분사(선행 기술에서는 끝나는 연소에서 이루어짐)에 통합되어 그것을 따르는 주분사를 의미한다. 따라서, 모든 다른 값을 유지하면서 유해 물질(NOX 또는 카본 블랙)의 방출 또는 연료 소비를 감소할 수 있다. 주분사와 후분사 사이의 간격은 일정한 한계 내에서 변동될 수 있다. 그러나 상기 간격이 너무 짧으면, 재현 가능한 결과가 더 이상 불가능하다. 물론, 상기 간격이 너무 길면, 나중에 투입된 양 자체가 다시 카본 블랙을 형성하기 때문에, 특히 카본 블랙의 값이 증가된다. 실험결과, 특히 과급된 디젤 엔진의 경우 높은 부하 범위에서 작은(주분사량의 10% 보다 큰), 바로 뒤의(주분사의 종료 후 약 5 내지 15°KW) 분사의 사용이 양호한 결과를 나타냈다.
지금까지는 엔진 내 유해물질 방출을 줄이기 위해 다중 분사(특히 후분사)가 적용되었다. 또한, 전분사의 감소가 유해물질 방출, 특히 NOx 방출을 개선시킬 수 있다고 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 배기 가스용 터보 과급기를 포함하는 커먼 레일 분사식 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최소 오염물질 방출과 관련해서 최적화하는 방법을, 배기 가스의 엔탈피가 엔진 내에서 분사 진행 형성을 통해 단기간에 증가됨으로써, 배기 가스 터빈에서의 송출 출력 및 터빈과 압축기의 기계적 결합에 의해 공기 유동률 및 급기압이 압축기 측에서 소정 방식으로 증가되도록 개선하는 것이다.
이것은, 예컨대 부하 접속이 이루어지고 카본 블랙 방출이 공기 결핍으로 인해 증가하는 경우에 특히 바람직하다.
상기 목적은 "부스트 분사"라는 용어로 요약될 수 있는 청구항 1의 특징에 의해, 즉 부하점에 대해 필요한 주분사가 이루어진 후에 청구항 1에 언급된 경계 조건 하에서 엔진 연소실 내로의 연료의 분사에 의해 달성된다.
특히 바람직하게는 본 발명에 따라 급기압 및 압축기 질량 흐름의 증가가 엔진 내에서 이루어짐으로써, 예컨대 "제트 보조수단"과 같은 다이내믹 엔진 작동을 위한 추가 장치, 즉 배기 가스 터보 과급기의 가속을 위한 추가 장치(부하 접속시 공기 송풍)가 본 발명에 따른 "부스트 분사"로 간단히 대체될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 배기 가스 터보 과급기 및 디젤 엔진이 서로 최적으로 조정되지 않고 연료 소비가 하위의 역할을 하는, 엔진 특성 맵 내의 부하점에서 "부스트 분사"를 사용하는 것이 바람직하다. 이 부하 범위에서는 "부스트 분사"에 의해 상기와 같은 부족이 보상될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1은 사용될 연료 조량 시스템의 개략도.
도 2는 크랭크 각에 의존하는 후분사의 그래프.
예컨대, 터보 과급기를 구비하는 여기에 도시되지 않은 다기통 디젤 내연기관에서 연료 조량은 전자 밸브에 의해 또는 솔레노이드 밸브에 의해 제어된다. 도 1에 도시된 커먼 레일 분사 시스템은 내연기관의 각각의 실린더(6기통 엔진의)에 하나의 분사기(1)가 할당되어 있다. 분사기(1)는 내연기관의 솔레노이드 밸브의 제어(8)에 의존해서 연료를 조량한다. 분사기(1)는 공지된 방식으로 고압 연료 저장기(2)와 유압식으로 연결되고, 상기 저장기에는 고압 펌프(3)[여기서는 캠 샤프트(9)에 의해 제어됨]에 의해 연료 저장 용기(4)로부터 연료가 공급된다. 이 경우, 고압 펌프(3)에 의해 가급적 분사기(1)에 의해 꺼내지는 연료만이 상기 고압 연료 저장기(2)에 공급된다.
이를 위해, 고압 펌프(3)의 송출량은 고압 연료 저장기(2) 내의 압력에 의존해서 제어될 수 있다. 압력을 검출하기 위해, 압력 센서(5)가 제공되며, 상기 센서의 출력값은 제어 유닛(ECU)에 공급된다. 상기 제어 유닛은 압력 센서 신호를 평가하고, 특성 맵에 저장된 설정값과 관련시키고, 상기 설정값과의 편차에 따라 고압 펌프의 고압 송출량을 제어한다. 이를 위해, 예컨대 고압 펌프(3)의 공급 라인 내의 스로틀 부재(7)에 영향을 줄 수 있다.
동시에 특성 맵은 연료 분사량과 연료 분사 시점의 결정에 중요한 내연기관의 작동 파라메터를 저장하는데 사용된다. 실질적으로, 분사 시점은 특성 맵에 저장된 최적화된 값으로 유지된다. 상기 특성 맵에서는 또한 부하에 의존해서, 즉 주 분사량, 급기압 또는 터보 과급기 회전수(ECU의 또 다른 입력 10, 11 참고)에 의존해서 후분사, 즉 "부스트 분사의 분사량 및 분사 시작이 정해진다.
솔레노이드 밸브의 코일의 전류 공급(8)에 의해 상응하는 분사기(1)가 제어된다. 코일에 대한 제어 신호는 분사기에 의한 연료의 분사 시작과 분사 끝을 정 한다. 각각 2개의 분사량, 즉 주분사의 분사량과 "부스트-분사"의 분사량이 전기 제어되는 동일한 분사기(1)를 통해 실린더 중 하나의 각각의 연소실에 조량된다.
도 2에는 유입 및 유출 밸브 제어 시간, 주분사(HE) 및 "부스트 분사"(BOOST)와 같은 상이한 값이 엔진의 크랭크 샤프트의 각 위치(°KW)에 대해 도시되어 있다. 실린더의 상사점은 OT로 표시되어 있다. 실린더의 개별 상사점(OT)은 360°KW의 간격을 갖는다. 또한, 개별 실린더에서 주분사(HE) 및 후분사(BOOST)가 이루어지는 시간, 유출 밸브 개방 시간(AV) 및 유입 밸브 개방 시간(EV)이 표시되어 있다.
실린더 중 하나에서 과급되는 디젤 엔진의 주분사(HE)는 상사점(OT)의 범위에서 360°KW에서 이루어진다. (HE)는 OT 전 약 20°KW 에서 시작하고, 약 30 내지 40°KW의 지속 시간을 가지며, OT 후 10 내지 20°KW에서 끝난다.
배기 가스 방출에 대한 후분사(BOOST)의 양호한 작용을 얻기 위해, "부스트 분사"는 크랭크 샤프트의 각 위치(°KW)가 할당될 수 있는 특정한 주기 동안 이루어져야 한다(도 2 참고).
주분사 바로 다음에(주분사 후 약 5 내지 15°KW) 특정 양(주분사의 약 10%)이 분사되는 공지의 후분사와는 달리, "부스트 분사"에서는 훨씬 늦게 연료가 분사된다. 상세하게는 주분사 종료 후 30 내지 180°KW, 바람직하게는 약 50°KW에서, 즉 도시된 실시예에서는 약 400 내지 550°KW, 바람직하게는 약 420°KW 에서 분사된다. 또한, "부스트 분사"에서는 주분사량의 약 20 내지 30%인 훨씬 더 많은 양이 분사된다. 이 경우, 필요량은 보통 분사 지속시간을 결정하거나, 또는 분사 지 속 시간이 필요량을 결정한다.
"부스트 분사"(BOOST)가 주분사로부터 멀리 떨어질수록, 분사량(HE 량의 20 내지 30%)이 더 많아질수록, 분사된 양이 더 많이 열량으로, 따라서 기계적 출력으로 변환된다. 이 경우, NOX 및 카본블랙 감소에 대한 요구가 상기 관계를 제한한다. 분사량이 적어질수록 HE 에 시간적으로 더 가깝게 이동될 수 있다.
특히, 폭풍우에서 GPS 제어식 위치 추적 장치를 구비한, 예컨대 연근해 선박에서 다이내믹 부하 접속을 위해, ECU는 특성 맵에 따라 카본 블랙 방출을 막기 위한 "부스트 분사"를 야기한다.
ECU 에 특성 맵이 저장되는데, 상기 특성 맵에서 전술한 바와 같이 부하에 따라, 즉 주분사, 급기압 또는 터보 과급기 회전수에 따라 신속한 부하 접속시에도 "부스트 분사"의 분사량 및 분사 시작이 야기될 수 있다.
ECU는 특정 시간에 걸쳐 분사량 증가에 의해 부하 접속을 검출하고, "부스트 분사"를 시간 제어식으로 자유로이 처리하거나, 또는 터보 과급기 회전수 또는 급기압의 특정 증가까지 수행한다.
소위 부스트 분사의 지속 시간은 필요한 분사량에 의존한다.

Claims (6)

  1. 터보 과급기를 포함하는 커먼 레일 분사식 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법으로서, 연료가 적어도 주분사(HE)와 상기 주분사에 후속하는 후분사(BOOST)에 의해 디젤 엔진의 각각의 연소실 내로 분사되며, 전자 제어 유닛(ECU) 및 이 전자 제어 유닛에 저장된 맵은 상기 후분사(BOOST)의 시작 및 양을 상기 주분사(HE)의 종료 및 디젤 엔진의 작동 파라메터에 따라 제어하는, 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법에 있어서, 상기 후분사(BOOST)가 상기 주분사(HE)의 종료 후 30°내지 180°KW에서 시작되고, 상기 후분사(BOOST)의 양은 상기 주분사(HE)의 양의 20% 내지 30%로 조절되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 후분사(BOOST)가 상기 주분사(HE)의 종료 후 약 50°KW에서 시작되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 특성 맵이 적어도 주분사량 및 급기압 또는 터보 과급기 회전수에 의존해서 상기 후분사(BOOST)의 시작을 정하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후분사(BOOST)는 상기 ECU에 의해 시간 제어식으로 자유로이 처리되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후분사는 상기 ECU에 의해 상기 터보 과급기 회전수 또는 상기 급기압의 특정 증가에 의존해서 처리되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 다이내믹 부하 접속시에 상기 특성 맵에 따라 카본 블랙의 형성을 방지하기 위한 상기 후분사(BOOST)가 시작되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 작동 모드 및 연소 모드를 최적화하기 위한 방법.
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