KR20070022420A - 전자제어식 디젤 연료분사시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고압/다중 연료 분사를 위한 전자제어식 디젤 연료분사시스템에 관한 것으로서, 캠 구동 방식의 플런저로 인젝터 내의 연료를 압축하므로 초고압 연료 분사가 가능하면서도 연료의 초고압 압축상태에서 분사노즐을 선택 개폐할 수 있는 피에조 밸브가 설치되어 초고압 연료에 대한 다중 분사가 가능하도록 구성한 전자제어식 디젤 연료분사시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따르면, 다중 분사가 가능하여 기존 EUI 방식 대비 연소 최적화, 연소소음 및 진동 저감, NOx 저감, 배기가스 제어가 용이한 장점이 있게 된다.

자동차, 전자제어, 디젤, 연료분사시스템, 초고압, 다중분사, 인젝터, 피에조, 밸브

Description

전자제어식 디젤 연료분사시스템{AN ELECTRONIC CONTROLLED DIESEL FUEL INJECTION SYSTEM}

도 1a는 일반적인 커먼레일 연료분사시스템의 구성을 도시한 개략도,

도 1b는 일반적인 디젤 엔진의 EUI 및 캠의 설치상태를 보인 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 디젤 연료분사시스템의 구성을 도시한 블럭도,

도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 디젤 연료분사시스템의 인젝터 구성 및 작동상태를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21 : 연료탱크 22 : 연료펌프

23 : 연료통로 24 : 솔레노이드 밸브

30 : 인젝터 31 : 플런저

32 : 리턴 스프링 33 : 플런저실

34 : 밸브실 35 : 분사노즐

36 : 밸브수단 37 : 피에조 밸브

38 : 피에조 액튜에이터 39 : 니들 밸브

40 : 캠 기구 41 : 캠

50 : 엔진 ECU

본 발명은 초고압/다중 연료 분사를 위한 전자제어식 디젤 연료분사시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캠 구동 방식의 플런저로 인젝터 내의 연료를 압축하므로 초고압 연료 분사가 가능하면서도 연료의 초고압 압축상태에서 분사노즐을 선택 개폐할 수 있는 피에조 밸브가 설치되어 초고압 연료에 대한 다중 분사가 가능하도록 구성한 전자제어식 디젤 연료분사시스템에 관한 것이다.

최근 자동차 디젤 엔진에서 사용되는 연료분사시스템에는 크게 두 가지 형태를 들 수 있다.

하나는 승용/소형 디젤 엔진에 주로 사용되는 커먼레일 방식이고, 다른 하나는 상용/대형 디젤 엔진에 주로 사용되는 EUI 방식이다.

우선, 커먼레일 방식에 대해 설명하면, 도 1a는 일반적인 커먼레일 연료분사시스템(CRDI:Common Rail Direct Injection)의 구성을 도시한 개략도로서, 저압펌프(3)가 연료탱크(1) 내 연료필터(1차)(2)를 거친 연료를 흡입하여 저압라인(4)을 통해 펌핑하면, 연료는 이후 연료필터(2차)(5)를 거친 뒤 고압펌프(6)에 의해 펌핑되어 고압라인(7)을 따라 커먼레일(8)로 공급된다.

여기서, 고압펌프(6)는 엔진 작동조건에 필요한 연료압을 발생시키는 부분으 로, 커먼레일(8)에서 필요한 시스템 압력을 지속적으로 발생시킨다.

또한, 상기 커먼레일(8)은 고압펌프(6)로부터 이송된 연료가 압축 저장되는 곳으로, 모든 실린더에 공통적으로 사용되며, 각 실린더의 인젝터(13)에 연료를 공급한다.

상기 커먼레일(8)에는 내부의 순간적인 연료압을 측정하여 상응하는 전압신호를 엔진 ECU(14)에 출력하는 압력센서(9)와, 커먼레일(8) 내의 연료압을 제한하는 압력제한밸브(11)가 설치되고, 이 압력제한밸브(11)를 통해 리턴되는 연료는 고압펌프(6)에서 리턴되는 연료와 함께 연료리턴라인(12)을 따라 연료탱크(1)로 회수된다.

상기와 같이 커먼레일(11)에 공급된 고압 연료는 엔진 ECU(분사제어유닛)(14)의 분사제어에 따라 전기적으로 작동하는 인젝터(13)를 통해 실린더의 연소실로 분사된다.

상기 인젝터(13)는 연료를 연소실로 분사하는 장치로서, 엔진 ECU(14)의 전기적인 신호에 의해 분사노즐이 열리고 닫히면서 분사시기와 분사량이 제어된다.

이와 같이 구성된 커먼레일 연료분사시스템은 엔진 ECU에 의해 분사시기 및 분사량, 분사횟수, 분사압력의 제어가 가능하며, 특히 전분사 및 후분사 등의 다중 분사가 가능하여 연소 최적화, 연소소음 및 진동 저감, 배기가스 제어가 용이하다는 장점이 있다.

그러나, 커먼레일 연료분사시스템에서는 2000bar 이상의 초고압 형성에 불리하고, 고압펌프를 구동시키므로 펌핑 토크(pumping torque)가 크며, 고압펌프 및 커먼레일 등의 가격이 고가이면서 고장시에 수리비 부담이 크다는 단점이 있다.

한편, EUI 방식은 캠(19a)에 의해 내부의 플런저(18a)가 동작하여 내부 연료를 초고압 상태로 압축, 분사하게 되는 도 1b의 EUI(Electronic Unit Injector)를 채용한 것으로, 내부에 플런저(18a)가 상하 동작 가능하게 설치되어 상기 플런저(18a)가 하기 캠 기구(19)의 구동에 의해 하강하면서 플런저실의 연료를 압축하도록 된 인젝터(EUI)(18)와, 엔진 회전력을 전달받아 캠(19a)이 회전하면서 상기 플런저(18a)를 눌러 하강시키는 캠 기구(19)와, 연료탱크(15)의 연료를 펌핑하여 연료통로를 통해 인젝터(18)의 플런저실로 공급하는 연료펌프(16)와, 엔진 ECU(14)의 제어에 따라 인젝터(18)에 연결된 연료통로를 선택적으로 개폐하여 연료의 분사시기 및 분사량을 조절하게 되는 솔레노이드 밸브(17) 등을 포함하여 이루어진다.

이 EUI 방식의 연료분사시스템에서는 연료펌프(16)에 의해 연료탱크(15)의 연료가 인젝터(18) 내부 플런저실로 공급된 후, 솔레노이드 밸브(17)에 의해 연료통로가 차단된 상태에서, 캠(19a)에 의해 플런저(18a)가 눌러지면, 플런저(18a)가 플런저실의 연료를 초고압 상태로 압축함과 동시에 연료 분사가 이루어지게 된다.

여기서, 연료펌프(16)는 연료를 적정한 압력으로 유지시켜 인젝터(18)로 이송시켜 주는 역할을 할 뿐이며, 실제 압축은 인젝터(18) 상측에 장착되어 있는 캠(19a)이 플런저(18a)를 직접 눌러줌으로써 이루어지게 된다.

하지만, 상기한 EUI 방식에서는 초고압 형성이 가능함은 물론 고가의 고압펌프나 커먼레일 등의 장치가 필요 없다는 장점은 있으나, 다중 분사가 불가능하다는 단점이 있다.

즉, EUI에서는 엔진 회전력을 전달받아 구동하는 캠(19a) 및 플런저(18a)에 의해 연료의 초고압 압축이 이루어지므로, 압축행정에서 여러 차례의 연료분사가 필요하더라도 1회 분사만이 가능하고(다중 분사 불가능), 분사횟수의 제어가 불가능하다.

예컨대, 솔레노이드 밸브(17)가 닫혀진 상태에서 캠(19a)이 회전하여 플런저(18a)를 눌러줄 경우 1회 연료분사만이 가능하다.

결국, EUI 방식에서는 연료의 다중 분사가 불가능하기 때문에 연소 최적화 및 배기가스 제어가 힘들다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 캠 구동 방식의 플런저로 인젝터 내의 연료를 압축하므로 초고압 연료 분사가 가능하면서도 연료의 초고압 압축상태에서 분사노즐을 선택 개폐할 수 있는 피에조 밸브가 설치되어 초고압 연료에 대한 다중 분사가 가능하도록 구성한 전자제어식 디젤 연료분사시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 자동차용 전자제어식 디젤 연료분사시스템에 있어서,

플런저가 하기 캠 기구의 구동에 의해 하강하면서 플런저실의 연료를 압축하 도록 된 인젝터와, 엔진 회전력을 전달받아 캠이 회전하면서 상기 플런저를 눌러 하강시키는 캠 기구와, 연료를 펌핑하여 연료통로를 통해 상기 인젝터의 플런저실로 공급하는 연료펌프와, 엔진 ECU에 의해 제어되면서 상기 연료통로를 선택 개폐하는 솔레노이드 밸브를 포함하여 이루어지되,

상기 인젝터가 플런저실 하측으로 엔진 ECU에 의해 제어되면서 분사노즐을 선택 개폐하는 밸브수단을 가지는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 밸브수단이, 엔진 ECU에 의해 인가되는 전기적 신호에 의해 종방향 변형되는 피에조 액튜에이터와, 상기 피에조 액튜에이터의 하부에 일체로 길게 설치되어 피에조 액튜에이터의 종방향 변형에 의해 상하 동작하면서 분사노즐을 개폐하는 니들 밸브를 포함하여 구성되는 피에조 밸브인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존 커먼레일 방식(CRDI) 및 EUI 방식의 문제점을 모두 해결하면서 두 방식의 장점을 동시에 가지는 새로운 전자제어식 디젤 연료분사시스템을 제공하고자 한 것이다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 디젤 연료분사시스템의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 디젤 연료분사시스템의 인젝터 구성 및 작동상태를 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 전자제어식 디젤 연료분사시스템은 연료의 초고압 형성에 있어서는 EUI와 유사하나 분사제어 방식은 CRDI와 유사한 것으로, 두 시스템의 단점 을 없애고 장점만을 살린 새로운 디젤 연료분사시스템이다.

그 구성을 설명하면, 본 발명의 연료분사시스템은, 내부에 플런저(31)가 상하 동작 가능하게 설치되어 상기 플런저(31)가 하기 캠 기구(40)의 구동에 의해 하강하면서 플런저실(33)의 연료를 압축하도록 된 인젝터(30)와, 엔진 회전력을 전달받아 캠(41)이 회전하면서 상기 플런저(31)를 눌러 하강 동작시키는 캠 기구(40)와, 연료를 펌핑하여 연료통로(23)를 통해 인젝터(30)의 플런저실(33)로 공급하는 연료펌프(22)와, 엔진 ECU(50)의 제어에 따라 인젝터(30)에 연결된 연료통로(23)를 선택적으로 개폐하여 연료의 분사시기 및 분사량을 조절하게 되는 솔레노이드 밸브(24) 등을 포함한다.

본 발명에서 인젝터(30)의 플런저(31)를 구동시키는 캠 기구(40)는 기존의 EUI를 채용한 연료분사시스템의 캠 기구와 동일하며, 밸브 시스템의 캠 기구와 마찬가지로 엔진 회전력을 전달받아 작동한다.

상기 연료펌프(22)는 연료를 적정한 압력으로 유지시켜 인젝터(30)로 이송시켜 주는 역할을 할 뿐이며, 실제 압축은 인젝터(30) 상측에 장착되어 있는 캠(41)이 플런저(31)를 직접 눌러줌으로써 이루어지게 된다.

즉, 연료펌프(22)에 의해 연료탱크(21)의 연료가 인젝터 내부 플런저실(33)로 공급된 후, 솔레노이드 밸브(24)에 의해 연료통로(23)가 차단된 상태에서, 캠(41)에 의해 플런저(31)가 눌러지면, 플런저(31)가 플런저실(33)의 연료를 초고압 상태로 압축함과 동시에 연료 분사가 이루어지게 된다.

또한, 캠(41)의 누르는 힘이 해제될 경우 플런저(31)는 리턴 스프링(32)의 탄성력에 의해 상방으로 리턴 동작한다.

한편, 본 발명에서는 플런저실(33) 하측으로 분사노즐(35)을 선택 개폐하는 별도 밸브수단을 가진 인젝터(30)가 사용되며, 이와 같이 추가된 밸브수단은 엔진 ECU(50)가 출력하는 전기적 신호에 의해 개폐동작이 제어되어진다.

바람직하기로는, 상기 밸브수단으로서 피에조 밸브(37)가 설치되는 것이 바람직하다.

만약, 피에조 밸브(37) 대신 솔레노이드 밸브가 설치되는 경우에는 플런저실(33) 내부에 초고압 압축이 이루어지는 상황에서 솔레노이드 밸브의 개폐동작이 어렵게 된다.

상기 피에조 밸브(37)는 엔진 ECU(50)가 출력하는 전기적 신호에 따라 인젝터(30) 하단의 분사노즐(35)을 선택 개폐할 목적으로 설치되며, 개폐상태에 따라 플런저실(33) 내의 압축된 연료가 분사노즐(35)을 통해 분사되거나 또는 차단된다.

상기 피에조 밸브(37)는 플런저실(33) 하측에 마련된 밸브실(34) 공간에 설치되는데, 기본적으로 이 밸브실(34)은 연료가 통과할 수 있는 통로역할을 하여, 도 3b에 도시한 바와 같이 피에조 밸브(37)가 인젝터(30) 하단의 분사노즐(35)을 열고 있는 상태에서는 플런저실(33)의 압축된 연료가 밸브실(34)을 거처 분사노즐(35)을 통해 분사되도록 되어 있다.

상기 피에조 밸브(37)는 밸브실(34) 내에 설치되는 피에조 액튜에이터(38)와, 피에조 액튜에이터(38)의 종방향 변형에 따라 상하 이동하면서 인젝터(30)의 분사노즐(35)을 개폐하는 니들 밸브(39)를 포함하여 이루어진다.

상기 피에조 액튜에이터(38)는 피에조 세라믹 판이 적층된 다층판(piezo-ceramic multilayer) 구조로 구비되며, 피에조 세라믹 다층판에 전기적 신호가 인가되면 세라믹 판마다 생기는 변형 변위의 총합에 의하여 니들 밸브(39)가 동작하게 된다.

상기 피에조 액튜에이터(38)의 하부는 니들 밸브(39)와 함께 안정적인 상하 동작이 이루어질 수 있도록 스프링(38a)에 의해 탄지된다.

상기 니들 밸브(39)는 피에조 액튜에이터(38)의 하부에 일체로 길게 형성되어 피에조 액튜에이터(38)의 변형에 의해 승강 동작하면서 분사노즐(35)을 개폐하게 된다.

상기 피에조 밸브(37)는 피에조 액튜에이터(38)에 전기적 신호가 인가되지 않을 경우 도 3a에 도시된 바와 같이 인젝터(30) 하단의 분사노즐(35)을 닫아주나, 엔진 ECU(50)에 의해 전기적 신호가 인가되면 피에조 액튜에이터(38)가 수축되면서 인젝터(30) 하단의 분사노즐(35)을 열어주게 된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료분사시스템의 작동상태에 대하여 설명하면 다음과 같다.

기본적으로 솔레노이드 밸브(24)의 개방상태에서 연료탱크(21)의 연료는 연료펌프(22)에 의해 펌핑되어 인젝터(30)의 플런저실(33)로 공급된다.

또한, 분사시점에 맞추어 엔진 ECU(50)의 전기적 신호에 의해 솔레노이드 밸브(24)가 폐작동되고, 동시에 캠(41)이 플런저(31)를 눌러주게 되면 플런저실(33)의 연료가 초고압 상태로 압축된다.

또한, 분사시점에 맞추어 엔진 ECU(50)는 피에조 밸브(37)를 열어주게 되는데, 이때 플런저실(33)에서 초고압 상태로 압축된 연료가 인젝터(30)의 분사노즐(35)을 통해 연소실로 공급된다.

이러한 본 발명의 연료분사시스템에서는 엔진 ECU(50)의 제어하에 다중 분사가 가능하다.

솔레노이드 밸브(24)의 폐작동 및 캠(41)이 플런저(31)를 눌러주고 있는 상황, 즉 플런저실(33) 내의 연료가 초고압 상태로 압축된 상황에서, 엔진 ECU(50)는 피에조 밸브(37)의 개방시기 및 개방시간을 제어하여 인젝터(30)의 연료 분사시기, 분사량, 분사횟수를 자유롭게 제어할 수 있으며, 특히 피에조 밸브(37)의 개폐동작을 순간적으로 반복 제어하여 다중 분사를 수행할 수 있다.

본 발명의 구성에서, 피에조 밸브에 의해 연료의 분사시기, 분사량, 분사횟수 등을 모두 제어할 수 있으므로, 플런저가 적당히 눌러질 경우 자동적으로 플런저실에 유입되는 연료가 차단될 수 있도록 캠 프로파일 및 인젝터 형상의 적절한 튜닝만 이루어진다면, 솔레노이드 밸브는 삭제가 가능하다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연료분사시스템은 EUI의 고압 형성 방식을 그대로 응용하면서 피에조 밸브(37)를 통해 커먼레일 방식의 분사제어를 구현할 수 있는 바, 초고압 분사 및 다중 분사가 모두 가능한 장점을 가진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자제어식 디젤 연료분사시스 템에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

1)캠 구동 방식의 플런저로 인젝터 내의 연료를 압축하므로 초고압 연료 분사가 가능하면서도 연료의 초고압 압축상태에서 분사노즐을 선택 개폐할 수 있는 피에조 밸브가 설치되어 초고압 연료에 대한 다중 분사가 가능하다. 결국, 기존 EUI 방식 대비 연소 최적화, 연소소음 및 진동 저감, NOx 저감, 배기가스 제어가 용이한 장점이 있게 된다.

2)고압펌프 및 커먼레일 등 고가의 부품 삭제로 원가 절감이 가능하고, 펌핑 토크가 감소하며, 커먼레일 및 복잡한 주변 연료 파이프 등의 삭제로 엔진의 설계/패키징 용이, 개발 비용 절감, 엔진 내부에 통합 설계 가능, 미관 우수, 고장시 정비 비용 감소 등의 장점이 있다.

3) 유체 안정성이 뛰어나며, 내구 신뢰성이 우수하다.

Claims (2)

1. 자동차용 전자제어식 디젤 연료분사시스템에 있어서,

   플런저가 하기 캠 기구의 구동에 의해 하강하면서 플런저실의 연료를 압축하도록 된 인젝터와, 엔진 회전력을 전달받아 캠이 회전하면서 상기 플런저를 눌러 하강시키는 캠 기구와, 연료를 펌핑하여 연료통로를 통해 상기 인젝터의 플런저실로 공급하는 연료펌프와, 엔진 ECU에 의해 제어되면서 상기 연료통로를 선택 개폐하는 솔레노이드 밸브를 포함하여 이루어지되,

   상기 인젝터가 플런저실 하측으로 엔진 ECU에 의해 제어되면서 분사노즐을 선택 개폐하는 밸브수단을 가지는 것을 특징으로 하는 전자제어식 디젤 연료분사시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 밸브수단이, 엔진 ECU에 의해 인가되는 전기적 신호에 의해 종방향 변형되는 피에조 액튜에이터와, 상기 피에조 액튜에이터의 하부에 일체로 길게 설치되어 피에조 액튜에이터의 종방향 변형에 의해 상하 동작하면서 분사노즐을 개폐하는 니들 밸브를 포함하여 구성되는 피에조 밸브인 것을 특징으로 하는 전자제어식 디젤 연료분사시스템.

Images