KR20070118232A - 대향 피스톤, 균질 차지 파일럿 점화 기관 - Google Patents

대향 피스톤, 균질 차지 파일럿 점화 기관 Download PDF

Info

Publication number
KR20070118232A
KR20070118232A KR1020077021558A KR20077021558A KR20070118232A KR 20070118232 A KR20070118232 A KR 20070118232A KR 1020077021558 A KR1020077021558 A KR 1020077021558A KR 20077021558 A KR20077021558 A KR 20077021558A KR 20070118232 A KR20070118232 A KR 20070118232A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
main
cylinder
fuel
fuel injector
charge
Prior art date
Application number
KR1020077021558A
Other languages
English (en)
Inventor
제임스 유 렘크
Original Assignee
아카테스 파워, 아이엔씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아카테스 파워, 아이엔씨 filed Critical 아카테스 파워, 아이엔씨
Publication of KR20070118232A publication Critical patent/KR20070118232A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/282—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders the pistons having equal strokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B7/00—Engines characterised by the fuel-air charge being ignited by compression ignition of an additional fuel
    • F02B7/02—Engines characterised by the fuel-air charge being ignited by compression ignition of an additional fuel the fuel in the charge being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B7/00—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F01B7/02—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons
    • F01B7/14—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons acting on different main shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/12—Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/14—Direct injection into combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/08—Engines with oppositely-moving reciprocating working pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3017—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
    • F02D41/3035—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode
    • F02D41/3041—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode with means for triggering compression ignition, e.g. spark plug
    • F02D41/3047—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode with means for triggering compression ignition, e.g. spark plug said means being a secondary injection of fuel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

대향 피스톤, 2-행정, 압축점화식의 기관은, 압축 행정의 나머지 기간동안 연료가 증발되어 공기와 혼합되도록 허용하기 위해서, 압축 행정 초기에 대향 피스톤 사이에서 실린더의 보어 내로 액체 연료의 메인 차지를 분사하기 위한 준비를 포함하는데, 여기에서 혼합기의 화학량적 성분은 자기점화에 불충분하다. 또 다른 준비가 압축 행정 말기에 압축된 공기/연료 혼합기 내로 액체 연료의 파일럿 차지를 분사하기 위하여 만들어진다. 이 파일럿 차지는 자기점화되는 화학량적 성분을 제공하여, 그에 따라 압축된 공기/연료 혼합기의 점화가 일어난다.
압축 점화 기관, 대향 피스톤, 메인 차지, 파일럿 차지, 자기점화

Description

대향 피스톤, 균질 차지 파일럿 점화 기관 {OPPOSED PISTON, HOMOGENEOUS CHARGE PILOT IGNITION ENGINE}
(관련 출원에 대한 참조)
2004년 6월 10일자로 출원되고 여기에 공통적으로 개시된 미국 특허출원 제 10/865,707 호는 여기에 설명된 주제와 관련된 주제를 포함한다.
(기술분야)
본 발명은, 압축 행정의 나머지 기간 동안 메인 차지가 증발되어 공기와의 희박한 균질 혼합기를 형성하도록 하기 위해서 기관의 압축 행정 초기에 실린더 내로 액체 연료의 메인 차지를 분사하기 위한 준비를 가지는 대향 피스톤, 압축점화식 기관에 관한 것이다. 압축된 공기/연료 혼합기가 자기점화 온도 영역에 들어설 때까지는 자기점화를 일으키기 위한 충분한 화학량적 성분이 부족하다. 그러므로, 압축 행정 말기에 압축된 공기/연료 혼합기 내로 액체 연료의 파일럿 차지를 분사하기 위하여 또 다른 준비가 이루어진다. 이 파일럿 차지는 액체 연료의 작은 액적의 미세한 연무 내에 자기점화를 위한 화학량적 성분을 제공하여, 그에 따라 메인 차지의 점화가 일어난다.
종래의 압축점화(CI; compression ignition) 기관에 있어서는, 단일의 피스 톤이 실린더 내에 미끄럼 가능하게 배치되고 있다. 실린더 내에서 이 피스톤은, 피스톤의 상단부가 실린더의 폐쇄 단부에 가장 가까운 위치인 상사점(TDC; top dead center)과, 피스톤의 상단부가 실린더의 폐쇄 단부로부터 가장 먼 위치인 하사점(BDC; bottom dead center)과의 사이에서 움직인다. 실린더 내로 도입된 공기는 피스톤이 압축 행정 동안에 TDC를 향하여 움직임에 따라 이 피스톤에 의하여 압축된다. 공기의 압축은 공기의 온도를 상승시킨다. 액체 연료는 피스톤이 압축 행정의 정점에 도달할 즈음에 뜨거워진 공기 내로 분사된다. 압축된 공기의 상승된 온도는 연료의 자기점화를 야기시키고, 그에 따라 연료는 자기점화하여 연소되며, 에너지를 방출하여 동력행정으로서 BDC를 향하여 피스톤을 구동시킨다.
대향 피스톤, 2-행정, 압축점화 기관에 있어서는, 2개의 피스톤이 각각의 피스톤의 BDC 부근에서 흡입 및 배기포트를 가지는 실린더의 보어 내에서 상단부끼리 마주하도록 미끄럼 가능하게 배치되어 있으며, 피스톤은 포트들에 대하여 밸브로서 기능한다. 피스톤은, TDC 및 BDC 위치 사이에서, 서로를 향하여 또한 서로로부터 멀어지도록, 실린더 내에서 동축 방향으로 움직인다. 실린더 내로 도입된 공기는 피스톤이 압축 행정 동안에 각각의 TDC 위치까지 서로를 향하여 움직임에 따라 이들 피스톤에 의하여 압축된다. 전형적인 대향 피스톤 CI 기관은, 통상 실린더의 길이방향 중심인, 또는 이 중심에 매우 가까운 위치인, 피스톤 상단부의 TDC 위치 부근의 위치에서 실린더에 장착된 액체 연료 분사기를 가진다. 분사된 연료는 압축된 공기와 혼합되고 공기/연료 혼합기는 자기점화하여, 동력행정으로서 BDC 위치를 향하여 서로로부터 멀어지도록 피스톤을 구동시킨다. 그러한 대향 피스톤 기관 중 하나가 참조된 '707 특허출원에 개시되어 있다.
압축 점화 기관은 다수의 바람직하지 않은 특징들을 가지고 있다. 그 중 하나의 단점은, 연료 분사기가 피스톤의 TDC에서 또는 근처에서 분사가 일어나도록 위치되어, 자기점화가 일어나기 전에 분사된 연료가 증발되어 압축된 공기와 혼합되기 위해 짧은 시간만이 주어진다는 것이다. 이질적인 공기와 연료의 혼합물은 불균일하게 연소된다. 또한, 분사된 연료 중 일부는 실린더 보어의 표면 상에 모이고 완전히 연소되지 못하는 장소인 분사기의 오리피스 내에 잔존한다. 그 결과 NOx(질소 산화물) 및 분진(연기)이 발생된다. 나아가서, 피스톤의 TDC 부근에서 실린더 상의 연료 분사 사이트의 위치는 실린더 내에서 야기되는 가장 높은 압력 및 온도에 분사기를 노출시킨다. 최대 연소 온도는 분사기의 오리피스 내에 잔존하는 연료가 동력행정 동안에 비등하도록 야기시킬 수 있으며, 이것은 일산화탄소(CO), 불완전 연소된 탄화수소, 및 그을음과 같은 오염물질을 생성시킨다. 시간이 흐름에 따라 극도의 열기는 탄소가 분사기의 오리피스에 축적되도록 야기시킬 수 있으며, 그에 따라 연료 분사 패턴을 훼손시키고 동력 사이클 중 NOx, 탄화수소 및 미세한 분진을 증가시키는 불균일한 연소를 일으킨다.
CI 기관에서의 공기/연료 혼합기의 불균질로부터 야기되는 문제를 극복해기 위한 노력으로, 균질 차지 압축 점화(HCCI) 기관이 제안되었다. 이 제안은 전형적으로 단일의 피스톤 구성을 위한 것이다. 이러한 관점에서, HCCI 운전은 공기 및 액체 연료의 균질 혼합기가 혼합기의 압축에 의해 점화되는 과정이다. HCCI 기관에 있어서, 연료는, 공기의 온도가 자기점화를 개시할 수 있는 수준에 도달하기 전 에, 압축 행정 초기에 실린더 내로 분사된다. 조기 분사는 자기점화가 일어날 때까지 더욱 압축되는 실질적으로 균일한 공기/연료 혼합기(균질 차지)를 형성할 목적으로 실린더 내의 공기를 전체적으로 증발시켜 분배시키는 것을 돕는다. 분사된 연료의 양은 종래의 CI 기관에 비하여 NOx 및 분진의 상당한 감소를 야기시키기 위해서 연소 과정을 제어하기 위해 또한 희박한 공기/연료 혼합기를 제공하기 위해서 제어된다.
HCCI 연소는 1979년에 2 사이클 내연기관을 위한 불꽃 점화(SI)에 대한 변형으로서 소개되었다. 내연기관 배출 오염물의 획기적인 감소를 요구하는 연방 EPA 기준이 1990년대 초에 도입되었을 때, HCCI 기술에 있어서의 연구 및 개발은 극적인 증가를 보였다. "최근 7년에 걸쳐, 수많은 연구가 이 기술의 잠재성을 탐구하기 위해서 보고 되었으며 혼합기 준비, 연소 제어, 부하 연장 및 배출물 감소를 위하여 많은 혁신적인 방법이 자동차 회사, 디젤기관 제조자, 부품 공급자, 및 연구기관에 의해 제안되고 개발되어 왔다."[균질 차지 압축 점화(HCCI) 기관, Key Research and Development Issues, SAE Order No. PT-94, 2003]
비록 HCCI가 연료 효율, NOx 감소 및 분진 배출 저감과 같은 가능한 이점을 제공하였지만, 이러한 연소 모드는 일반적으로 산업 및 연구개발이 아직 해결하지 못한 문제들도 가지고 있다. HCCI의 단점들 중에는 일정한 기관 운전 조건 하에서 높은 탄화수소 및 CO가 배출되는 점, 연소 타이밍을 제어하기 어렵다는 점, 그리고 넓은 하중 영역에 걸쳐, 특히 최대 출력의 30%를 초과하는 출력 수준에서 운전될 수 없다는 점이 있다.
HCCI 기관의 낮은 부하 운전 동안에, 분사된 연료는 불완전하게 연소되어, 불꽃 점화(SI) 기관보다 상당히 높은 수준의 탄화수소 및 CO 배출을 야기한다. HCCI 기관의 높은 부하 운전시, 점화를 위한 공기/연료 구성성분의 화학량 제어의 어려움으로 인하여 자기점화를 제어하기 매우 어렵다. 이른 연소는 큰 기관 소음과 기관 손상을 초래한다. 이러한 이유 및 또 다른 이유로, 다중모드 HCCI 기관이 제안되었다. 운전 부하 영역의 중간에서 다중모드 기관은 HCCI 기관으로서 운전되고, 낮은 부하 조건 및 높은 부하 조건에서 종래의 CI 또는 SI 기관으로서 운전된다. 다중모드 설계는 복잡한 연료 분사 시스템을 요구하거나 2개의 상이한 연료를 필요로 한다. 양쪽 모두 해법은 번거롭고 제조 및 운전비용을 증대시킨다.
따라서, NOx, CO, 탄화수소 및 분진을 포함하는 배출 오염물을 낮은 수준으로 생성하는 한편 넓은 부하 운전 영역에 걸쳐 운전할 수 있는, 압축 점화 타입의 단일-모드 균질 차지 기관이 절실하게 요구되고 있다.
대향 피스톤 기관의 압축행정 초기에 액체 연료의 희박한 메인 차지의 분사는 압축행정이 거의 완료될 때까지는 연료가 실질적으로 완벽하게 증발될 수 있도록 한다. 그에 따른 희박한 동질의 공기/연료 혼합기는 자기점화 온도 영역에 도달했을 때 자기점화를 일으키기에 부적절한 화학량적 공기/연료 성분을 함유한다. 피스톤의 TDC 부근에서 압축된 균질의 메인 차지 내로 작은 액적의 미세한 연무 상태로 액체 연료의 작은 질량으로 이루어진 파일럿 차지의 분사는, 자기점화되어 메인 차지의 점화를 일으키는 화학량적 성분을 도입한다. 희박한 메인 차지의 균질 혼합은 바람직하지 않은 연소 부산물을 감소시킨다. 파일럿 차지 분사의 제어는 희박한 균질의 메인 차지의 정확한 점화 타이밍을 가능하게 한다.
2 사이클, 대향 피스톤 내연 기관은, 액체 연료의 희박한 메인 차지의 완전한 증발 및 분사를 위한 준비에 의해 지금까지의 HCCI 기관과 관련된 문제를 극복한다. 이러한 관점에서, "완전한 증발"은 자기점화를 일으키기에는 메인 차지의 부적절하게 남아있는 액체 성분이 존재한다는 것을 의미한다. 메인 차지의 점화는, 작은 액적의 미세한 연무 상태로 액체 연료의 작은 질량으로 이루어진 파일럿 차지의 분사에 의해 제어된다. 본 명세서에서 설명되는 대향 피스톤 HC 기관은 실린더의 보어 내에 배치되는 대향 피스톤에 의해 작동되는, 서로 이격된 흡입 및 배기 포트 그리고 피스톤이 BDC 부근에 있는 동안에 실린더 내로 메인 연료 차지의 전부 또는 일부를 분사하기 위해 위치되는 적어도 하나의 메인 연료 분사기를 갖는 실린더를 포함하는 한편, 파일럿 연료 분사기는 대향 피스톤의 TDC에서 또는 그 부근에서 파일럿 차지를 분사하기 위해서 위치된다.
예를 들어, 연료의 메인 차지를 분할하는, 2개의 메인 연료 분사기는, 실린더 벽 상의 메인 연료 분사 사이트와 연통하도록 장착될 수 있는데, 하나는 흡입 포트 부근에(약간 TDC를 향하도록 배치됨) 그리고 나머지 하나는 배기 포트 부근에(약간 TDC를 향하도록 배치됨) 장착될 수 있다. 이러한 구성은 기관 운전중 상대적으로 차갑고 피스톤이 이동하는 대부분 시간동안 피스톤에 의해 덮이는 실린더의 일부분에 각각의 메인 연료 분사 사이트를 위치시키며, 그에 따라 고온 및 고압에 대한 분사기의 노출에 의해 야기되는 바람직하지 않은 태생적인 영향을 최소화한다. BDC 직후에 흡입 및 배기 포트 부근에서 메인 차지를 분사함으로써, 실린더 내의 내부압력 및 온도가 상대적으로 낮아, 분사된 분무의 완전한 확장을 촉진하며, 연료는 피스톤이 압축행정에 있어서 TDC를 향하여 이동함에 따라 증발하기 위한 긴 기간의 시간을 갖는다. 피스톤이 TDC에 근접할 때까지는, 메인 차지는 소용돌이의 도움으로 완전히 증발되어 혼합되며, 따라서 메인 공기/연료 차지는 실질적으로 균질하게 된다. 그렇지만 증발된 메인 차지는 압축된 공기/연료 혼합기가 자기점화 온도 영역에 도달할 때까지 자기점화를 일으키기에 충분한 화학량적 성분이 부족하다. 메인 차지를 점화시키기 위해서, 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기가 대향 피스톤에 대한 적어도 TDC 부근에서 또는 실린더의 길이방향 중심선에서 또는 그 부근에서 실린더 상의 파일럿 연료 분사 사이트와 연통하도록 위치된다. 파일럿 연료 분사기는, 피스톤의 TDC 부근에서 압축된 균질의 메인 차지 내로, 파일럿 차지, 즉 화학량적 성분을 제공하는 작은 액적의 미세한 연무 상태의 액체 연료의 작은 질량을 분사한다. 이 화학량적 성분은 파일럿 차지의 자기점화를 야기하여, 그에 따라 메인 차지의 점화를 일으킨다.
피스톤이 BDC 부근에 있을 때인, 압축행정의 초기에 메인 차지의 배급을 위해 위치되는 메인 연료 분사, 그리고 점화를 제어하기 위한 대향 피스톤의 TDC 부근에서의 파일럿 연료 분사에 의해, 여기에 설명된 대향 피스톤 압축 점화 기관은, 액체 연료를 활용하고 공회전, 냉간시동, 그리고 중간 및 무거운 부하를 포함하는 넓은 기관 부하 범위에 걸쳐 운전되는 한편, NOx, 탄화수소, CO 및 분진을 실질적으로 감소시킴으로써 지금까지의 HCCI 기관의 단점을 극복할 수 있는 균질 차지 파일럿 분사(HCPI) 기관을 구성한다.
하기된 도면들은 이어지는 상세한 설명에서 논의되는 원리 및 실시예들을 설명하기 위한 것이다. 이것들은 반드시 일정한 비율로 만들어질 필요는 없다.
도 1은, 독창적인 균질 차지 파일럿 점화(HCPI)(homogeneous charge pilot ignition) 원리가 실행될 수 있는, 대향 피스톤이 하사점(BDC)에 위치한 또는 하사점에 가깝게 위한 상태의, 부분적으로 도시된 대향 피스톤 기관의 측단면도,
도 2는 도 1의 기관에서 사용되기 위한 메인 및 파일럿 연료 분사 시스템의 개략도,
도 3은 도 1의 기관에서 사용되는 기관 제어 유닛의 블록도,
도 4는 도 1의 기관에서 사용되기 위한 변형예로서의 메인 및 파일럿 연료 분사 시스템의 개략도,
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 기관에서 사용되는 실린더의 개략적인 측단면도,
도 6a 내지 도 6c는, 파일럿 점화의 전기적인 촉진 및 연료 분사 사이트를 나타내는, 도 1의 기관에서 사용되는 실린더의 부분적으로 도시된 측단면도이다.
2 사이클, 대향 피스톤 내연기관은, 피스톤이 BDC 부근에 있을 때 압축 행정 초기에 액체 연료의 메인 차지(main charge)를 분사하고, 피스톤이 TDC를 향하여 이동함에 따라 희박한 조건 하에서 메인 차지를 증발시키고, 양쪽 피스톤의 TDC 부근에서 자기점화를 일으키기 위해 충분한 화학량적 성분을 갖는 액체 연료의 파일 럿 차지(pilot charge)를 분사함에 의해 메인 차지의 점화를 제어함으로써, 지금까지의 HCCI 기관에 관련된 문제점들을 극복한다.
본 상세한 설명에 있어서 사용되는 바와 같이, "메인 차지(main charge)"는 실린더 내에서 공기와 혼합되고 피스톤 사이에서 압축되도록 HCPI 기관 내로 분사되는 액체 연료의 희박한 차지이다. 서로를 향한 피스톤의 이동과 흡입 매니폴드에 의해 유발된 소용돌이는 공기와 메인 차지가 혼합되도록 한다. 공기와 희박한 연료의 혼합기는, 그것들이 혼합됨에 따라 피스톤에 의해 압축되는데, 연료가 자기점화 온도 영역에 도달할 때까지는 완전히 증발되기 때문에, 압축된 공기/연료 혼합기는 자기점화될 수 없다.
본 상세한 설명에 있어서 사용되는 바와 같이, "파일럿 차지(pilot charge)"는, 메인 차지를 점화시킬 목적으로 실린더 내의 압축된 공기/연료 혼합기 내로 분사되는 액체 연료의 차지이다. 이 파일럿 차지는, 기화되어 공기/연료 혼합기가 자기점화를 위해 필요한 화학량적 비율을 가지는 영역을 포함하는 연료 농도 구배를 나타내는, 매우 작은 많은 액적(예를 들어 대략 20 미크론의 초기 평균 직경을 가지는 대략 50,000 개의 액적)으로 이루어지는 미세한 연무(fine mist)로서 분사된다. 결과적으로 파일럿 차지는 자기점화되어 실린더 내에서 희박한 압축된 공기/연료 혼합기의 점화를 활성화시킨다.
메인 차지와 파일럿 차지는 동일하거나 상이한 액체 연료를 포함할 수 있다. 바람직하게, 메인 차지와 파일럿 차지는 디젤 연료로 이루어진다.
완전한 증발과 기관의 실린더 내에서의 공기와의 혼합을 위하여 메인 차지의 전부 또는 일부분을 공급하는 것이 메인 연료 분사기의 역할이다. 메인 차지의 점화를 활성화시키기 위해서 압축된 메인 차지 내로 액체 연료의 파일럿 차지를 공급하는 것이 파일럿 연료 분사기의 역할이다.
본 명세서에서 설명된 대향 피스톤 기관에 있어서, 적어도 하나의 메인 연료 분사기는, 피스톤이 BDC 부근에 있으며 실린더의 배기 및 흡입 포트 양쪽 모두는 폐쇄되어 있을 때, 실린더 벽 상의 적어도 하나의 메인 분사 사이트를 통하여 실질적으로 메인 차지의 전부를 분사한다. 예를 들어, 적어도 하나의 메인 분사 사이트가 대향 피스톤 중 하나의 BDC 부근에 존재할 수 있다. 그 대신에, 흡입 및 배기 포트를 향하는 방향으로 액체 연료를 분사하기 위해 적합하도록, 적어도 하나의 메인 분사 사이트가 피스톤의 TDC 부근에 존재할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 2개의 메인 연료 분사기는 대향 피스톤 압축 점화 기관의 각각의 실린더에 대하여 연료의 메인 차지를 분할하여, 하나는 (약간 TDC를 향하는) 흡입 포트 부근에서 그리고 다른 하나는 (약간 TDC를 향하는) 배기 포트 부근에서, 실린더 벽 내의 분사 사이트를 통하여 메인 차지의 일부를 분사한다. 이것은 실린더의 가장 차가운 부분에서 메인 연료가 분사되도록 하여 메인 분사기 노즐이 기관 운전 중 긴 시간동안 피스톤에 의해 보호될 수 있게 되며, 그에 따라 종래의 HCCI 기관 고유의 고온 노출에 의한 바람직하지 않은 영향을 완화시킨다.
메인 연료 분사기는 최대 기관 출력시 배급(delivery)될 수 있도록 메인 차지의 전부 또는 일부의 배급을 위한 크기의 연료 제트 오리피스를 갖는 노즐로 이루어진다. 메인 연료 분사기 노즐은 메인 분사 사이트에 수직방향으로 향할 수 있 어 실린더의 직경 중심을 따라 연료 패턴을 분사시킨다. 예를 들어, 1 리터의 변위를 가지며 100 마력으로 운전하는 대향 피스톤 HCPI 기관에 있어서, 메인 연료 분사기는 대략 2 리터의 공기와 혼합되고 압축되기 위해 대략 90㎣의 최대 메인 차지의 전부 또는 일부를 배급할 수 있는 노즐을 가진다. 흡입 또는 배기 포트 부근에 위치되는 노즐은, 메인 연료 차지가 피스톤의 상단부분 및 실린더의 내부 보어 상에 접촉되어 응축되는 것을 방지하기 위해서 TDC의 방향으로 연료 패턴을 분사시키도록 구성될 수 있다. 피스톤이 BDC 부근에 있을 때 흡입 및 배기 포트 부근에 메인 차지를 분사함으로써, 실린더 내의 내부 압력은 상대적으로 낮고 피스톤이 TDC를 향하여 이동함에 따라 액체 연료의 액적은 상승하는 온도 하에서 증발하기 위한 상대적으로 긴 기간을 갖는다. 또한, 메인 분사기 노즐이 폐쇄되었을 때, TDC를 향하여 이동하는 대향 피스톤이 노즐을 덮어 노즐의 오리피스 및 선단 통로(tip wells) 내에 갇혀있는 연료가 실린더 챔버 내로 들어갈 수 없게 되며, 그에 따라 동력행정 동안에 CO 또는 탄화수소의 형성을 방지한다. 피스톤이 TDC에 가까워질 때까지는, 메인 차지는 완전히 증발되고 압축된다. 그렇지만, 메인 차지의 압축으로 초래되는 상승된 온도에서조차, 자기 점화를 시작하기에 충분한 화학량적 성분이 부족하다.
또 다른 실시예로서, 메인 연료 분사기의 노즐이 실린더의 길이방향 중심 근처에서 흡입 또는 배기 포트 사이에 위치되어, 메인 연료 차지가 피스톤의 상단부분 및 실린더의 내부 보어 상에 접촉되어 응축되지 않도록 방지하기 위해서, 연료 패턴을 양방향으로, 즉 배기 포트를 향하는 하나의 방향으로 또한 흡입 포트를 향 하는 반대 방향으로 분사하도록 구성될 수도 있다. 메인 연료 분사기는 압축 행정의 초기에 피스톤이 BDC 부근에 있고 양쪽 포트가 폐쇄되어 있을 때 상기된 방식으로 분사되도록 작동된다. 압축 행정의 시작시 흡입 및 배기 포트를 향하여 메인 차지를 분사함으로써, 실린더 내의 내부 압력은 상대적으로 낮고 피스톤이 TDC를 향하여 이동함에 따라 액체 연료의 액적은 상승하는 온도 하에서 증발하기 위한 상대적으로 긴 기간을 갖는다. 피스톤이 TDC에 가까워질 때까지는, 메인 차지는 완전히 증발되고 공기/연료 혼합기는 높게 압축된다. 그렇지만, 메인 차지의 압축으로 초래되는 상승된 온도에서조차, 압축된 공기/연료 혼합기가 자기 점화를 시작하기에는 화학량적 성분이 부족하다.
대향 피스톤 HCPI 기관에 있어서 적어도 하나의 파일럿 분사기가 TDC 부근에서 실린더 상의 사이트를 통하여 파일럿 차지를 분사하기 위하여 구비된다. 비록 제한이 없기는 하지만, 바람직하게 파일럿 차지는, 최대 메인 차지의 총 질량의 0.2% 이하의 질량으로 이루어질 수 있다. 파일럿 분사기의 노즐은, 액체 연료의 많은 개수의 매우 작은 액적을 갖는 액체 연료의 미세한 연무를 배급하기에 적합한 매우 작은 직경을 갖는 하나 이상의 오리피스를 가질 수 있다. 상기에 주어진 예에 있어서, 파일럿 분사기의 노즐은 대략 10-20 미크론의 직경을 갖는 오리피스를 가질 수 있으며, 이것은 합하면 0.2㎣ 이하 정도인 연료의 대략 10,000 내지 100,000개의 매우 작은 액적의 미세한 연무를 배급하기에 적합하다. 액적의 작은 크기 및 많은 개수는 파일럿 차지가 뜨겁고 고압인 공기/연료 혼합기 내의 자기점화되는 화학량적 혼합 영역 또는 성분을 제공하도록 할 수 있으며, 그에 따라 메인 차지의 점화를 활성화시킨다. 파일럿 연료 분사 시스템에 의해 파일럿 분사를 적절히 제어함으로써, 메인 차지의 점화는 기관 운전 상태에 따라 최적의 시점에 촉발될 수 있다. 그러므로 파일럿 연료 분사기는 기관의 연소 활성화 요소(combustion activating element)이다.
설명된 바와 같이, 대향 피스톤 HCPI 기관은 연속적인, 단일 모드 작동을 제공할 수 있다. 파일럿 연료 분사기는 차가운 시동 조건에서 일관된 점화를 보장할 수 있다.
파일럿 연료 분사기는 기관의 유일한 연소 구동 구성요소일 수도 있고, 혹은 연소를 강화시키기 위해서 점화 플러그 또는 충분한 에너지(예컨대 레이저)의 또 다른 수단과 같은 전기적으로 작동되는 점화 구성요소에 의해 보충될 수도 있다.
여기에 설명된 대향 피스톤 HCPI 기관은, 공회전, 냉간 시동, 그리고 중간 및 무거운 부하를 포함하는 거친 부하 범위에 걸친 운전에 의해 지금까지의 모든 HCCI 기관의 가장 까다로운 요소를 극복하는 한편, NOx, 탄화수소, CO 및 분진을 포함하는 배기 오염물을 실질적으로 감소시킨다.
대향 피스톤 HCPI 내연 기관은, 제임스 유. 렘케(James U. Lemke) 등이 2004년 6월 10일자로 출원되고 본 출원의 양수인에게 양도된 미국 특허출원 10/865,707 호에 개시된 2 사이클, 대향 피스톤 압축 점화 기관으로부터 알 수 있을 것이며, '707 특허 출원은 여기에 참조로서 편입되어 있다. 이것은 단지 예시를 위한 것이며 여기에서 설명되는 원리를 '707 출원의 특정 기관에만 한정하고자 하는 것은 아니다.
이제 도 1을 참조하면, 내연 기관(8)이 예시되어 있다. 이 기관(8)은 하나 이상의 실린더를 가지는 대향 피스톤 디젤 기관이며, 도면에는 하나의 그러한 실린더(10)가 나타나 있다. 한 쌍의 피스톤(12 및 14)은 실린더(10)의 중심 보어(15) 내에서 미끄럼 가능하게 배치되어 있다. 피스톤(12 및 14)은 서로를 향하여 그리고 서로로부터 멀리, 대향되는 움직임으로 실린더(10) 내에서 동축방향으로 이동한다. 도 1은 하사점 부근에서의 피스톤(12 및 14)을 나타내고 있으며, 여기에서 이것들은 배기/동력 행정의 끝에 있다. 피스톤(12)은 피스톤(14)의 상단부분(14a)을 향하는 상단부분(12a)을 가진다. 각각의 피스톤(12, 14)은, 실린더(10)의 측면에 대해 예각을 갖도록, 실린더(10)의 측면을 따라서 피스톤으로부터 각각의 크랭크축(30, 32)까지 연장되는 로드에 의해, 2개의 측면-장착식 크랭크축(30, 32)에 결합되어 있다. 이들 결합 구조는 편입된 '707 특허출원 내에 상세하게 설명되어 있다. 실린더(10)의 각각의 끝에 고정된 포트 매니폴드(42 및 44)는 배기 및 흡입 포트(45 및 46)를 구비한다. 흡입 포트(46) 및 배기 포트(45)는 흡입 포트(46)를 통하여 실린더의 보어(15)로 들어오는 압축된 공기의 소용돌이를 유도하기 위해서 소용돌이 형상을 가질 수 있다. 피스톤(12 및 14)은 BDC 및 TDC 사이에서 이동함에 따라 포트(45 및 46)를 제어한다. 연소 생성물은 배기 매니폴드(47)를 통하여 각각의 실린더(10)로부터 배기되며, 공기는 흡입 매니폴드(48)를 통하여 각각의 실린더(10)에 공급된다.
기관(8)은 각각의 실린더(10)에 공급되는 적어도 하나의 메인 연료 분사기(55)를 포함한다. 도 1의 실시예에 있어서, 2개의 메인 연료 분사기(55)가 각각 의 실린더(10)에 구비되어 있다. 각각의 메인 연료 분사기(55)는 실린더의 측벽을 통하여 개구되는 메인 분사 사이트(57)를 통하여 액체 연료의 메인 차지(main charge) 전부 또는 일부를 제공하기 위해 위치결정된 노즐을 포함한다. 각각의 메인 분사 사이트(57)는, 포트 매니폴드의 내측에서, 포트를 제어하는 피스톤의 TDC를 약간 향하도록, 포트 부근에 위치된다.
기관(8)은 각각의 실린더(10)에 공급되는 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기(59)를 포함한다. 도 1의 실시예에 있어서, 단일의 파일럿 연료 분사기가 각각의 실린더(10)에 제공된다. 각각의 파일럿 연료 분사기(59)는 실린더(10)의 측벽을 통하여 개구되는 파일럿 분사 사이트(61)를 통하여 액체 연료의 파일럿 차지(pilot charge) 전부 또는 일부를 제공하기 위해 위치결정된 노즐을 포함한다. 각각의 파일럿 분사 사이트(61)는 실린더(10)의 길이방향 중간에서 혹은 그 부근에서 피스톤 상단부분(12a 및 14a)의 TDC 위치 사이에 위치된다.
HCPI 대향 피스톤 기관의 일 측면에 있어서 각각의 메인 차지 및 파일럿 차지는 액체 연료로 구성된다. 동일한 액체 연료가 메인 차지 및 파일럿 차지를 위해 공급될 수 있다. 예를 들어, 액체 연료는 디젤 연료로 이루어질 수 있다. 그밖에도, 액체 연료는 다른 연료일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 공통의 레일 구성 및 전자 구동을 이용한 연료 분사 시스템의 일례가 예시되어 있으며, 여기서 연료 탱크(80)는 메인 연료 분사기(55) 및 파일럿 연료 분사기(59)에 액체 연료를 공급한다. 이들 도면에서, 메인 연료 분사 시스템은 변화하는 기관 운전 조건에 응답하여 메인 연료 분사기를 작동 시키며, 그에 따라 메인 연료 차지의 분사를 변화하는 기관 운전 조건과 동조시킬 수 있다. 파일럿 분사 시스템은 기관 운전 조건에 응답하여 파일럿 연료 분사기를 작동시키며, 그에 따라 파일럿 연료 차지의 분사를 변화하는 기관 운전 조건과 동조시킬 수 있다. 기관(8)은 3개의 실린더를 가지는 것으로 가정될 수 있다. 연료 분사 시스템 설계를 설명함에 있어서 편의상 피스톤은 도면에 도시하지 않았다.
도 2에 있어서, 연료 탱크(80)로부터 연료는, 프리 펌프(86), 필터(88), 인-라인 연료-분사 펌프(90), 및 노드(node)(87)를 통하여 메인 및 파일럿 연료 분사 시스템(81 및 91)까지 공급된다. 메인 연료 분사 시스템(81)은, 연료 탱크(80)로부터의 액체 연료를 받아들이기 위해 각각의 메인 연료 분사기(55)를 연결하는, 노드(87) 이후의 공통의 레일(82)과, 각각의 메인 연료 분사기(55)로부터 연료 탱크(80)까지 복귀되는 복귀 라인(84)을 포함한다. 파일럿 연료 분사기 시스템(91)은, 연료 탱크(80)로부터의 액체 연료를 받아들이기 위해 각각의 파일럿 연료 분사기(59)를 연결하는, 노드(87) 이후의 공통의 레일(92)과, 각각의 파일럿 연료 분사기(59)로부터 연료 탱크(80)까지 복귀되는 복귀 라인(94)을 포함한다. 액체 연료는 디젤 연료인 것이 바람직하다.
기관(8)에서 사용되는 메인 연료 분사기(55)는, 메인 차지의 전부 또는 일부를 메인 분사 사이트(57)를 통하여 실린더(10)의 보어 내로 분무시키기 위해서 배열되는 오리피스들을 갖는 노즐을 포함하는, 전기적으로 제어되는 기계 구동식 연료 분사기로 구성될 수 있다. 예를 들어 2개의 메인 연료 분사기(55)가 실린더(10)에 구비되어 있을 때, 그 각각은 실린더의 보어 내로 메인 차지의 절반을 분 사하도록 작동될 것이다. 도 2의 메인 연료 분사 시스템(81)에 있어서, 배급 밸브 기구 및 노즐을 포함하는 각각의 메인 연료 분사기(55)는, 메인 분사 사이트에서의 실린더에 이 분사 사이트에서의 노즐과 함께 종래 방식으로 장착될 수 있다. 그밖에도, 메인 연료 분사기는, 배급 밸브 기구를 노즐에 연결하는 고압 라인을 가지는 상태로, 노즐로부터 분리되어 장착되는 배급 밸브 기구를 가질 수 있다. 대향 피스톤 기관(8)에 있어서, 각각의 메인 연료 분사기 노즐의 오리피스들은, 메인 연료 분사기가 가깝게 위치된 포트로부터 멀리, TDC의 방향으로, 실질적으로 실린더의 길이방향 중심선을 따라서 향하는 액적의 연무(cloud or mist) 상태로 연료가 분사되도록 배열된다.
기관(8)에서 사용되는 파일럿 연료 분사기(59)는, 메인 차지의 전부 또는 일부를 파일럿인 분사 사이트(61)를 통하여 실린더의 보어 내로 분무시키기 위해서 배열되는 오리피스들을 갖는 노즐을 포함하는, 압력 증강형 어큐물레이터 타입의 전기적으로 제어되는 기계 구동식 연료 분사기로 구성될 수 있다. 배급 밸브 기구 및 노즐이 분리되어 장착되고 고압 라인과 연결될 수 있지만, 바람직하게 단일의 파일럿 연료 분사기는 파일럿 분사 사이트에서 실린더에 종래 방식으로 장착된다. 대향 피스톤 기관에 있어서, 각각의 파일럿 연료 분사기의 노즐 오리피스들은, 실린더의 길이방향 중심선에 대하여 수직방향으로 향하는 매우 작은 액적의 연무(cloud or mist) 상태로 연료가 분사되도록 배열된다.
도 3에 도시된 바와 같이 기관(8)은 전기 제어 유닛(ECU)(121)을 포함한다. ECU(121)는 기관 파라미터를 모니터하고 기관 운전 상태를 관리 및 제어하기 위하 여 기관(8) 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 및 파일럿 연료 분사 시스템이 전기적으로 제어된다면, ECU(121)는 이들 시스템의 작동 역시 제어할 수 있다. ECU(121)는, 기관 운전의 파라미터를 모니터하고, 공통의 레일(82 및 92)에 가압 상태의 액체 연료를 제공하기 위해 인-라인 연료 분사 펌프(90)의 작동을 제어하고, 액체 연료를 기관 내로 분사시킴에 있어서 메인 및 파일럿 연료 분사기(55 및 59)의 작동을 제어함으로써 이들 역할을 수행할 수 있다. 모니터되는 파라미터들은, 제한은 없지만, 공통의 레일(82 및 92) 내의 연료 압력, 기관 속도, 크랭크축 각도, 흡입 포트에서의 공기 온도, 배기 포트에서의 배기 온도, 배기 및 흡입 매니폴드(47 및 48)에서의 압력, 그리고 엔진 노크(knock) 레벨을 포함한다. ECU(121)는, 공통의 레일(82 및 92) 내에서의 압력을 유지 또는 변화시키기 위하여 인-라인 연료 분사 펌프(90)를 위한 제어 신호와, 메인 및 파일럿 연료 분사기(55 및 59)의 작동을 제어하고 시기를 조정하기 위한 제어 신호를 생성한다. 또 다른 기관 파라미터들(도시생략)이 또 다른 기관 기능(도시생략)을 제어하기 위해 ECU(121)에 제공될 수 있다.
ECU(121)는, 기관 파라미터 값들을 수용 및 변환하기 위해 상관관계(functionality)를 처리하고 프로그래밍하는 메모리를 포함하고, 변환된 값에 대한 수학적 계산 및 논리적 연산을 수행하며, 기관 구동과 동조되는 출력으로서 펌프 및 분사기 제어 신호를 생성한다. 각각의 메인 및 파일럿 연료 분사기에 대하여, ECU(121)는, 분사기에 의해 분사될 연료의 양, 공통의 레일 내에서 요구되는 압력, 그리고 분사기 작동 타이밍을 계산한다. 분사기에 의한 연료 분사의 개시는 타이밍에 상응하는 크랭크축 각도에 응답하여 개시된다.
메인 및 파일럿 연료 분사 시스템은 변화하는 기관 조건의 측면에서 연료 배급의 제어를 유지하기 위해 ECU(또는 다른 구성)에 의해 작동된다. 이러한 관점에서, 기관의 운전 부하가 변화됨에 따라, 메인 연료 분사기 시스템을 통하여 기관에 배급되는 메인 차지를 이루는 액체 연료의 질량은 기관의 변화 요구를 수용하기 위해 수정될 수 있다. 예를 들어, 메인 차지 질량은, 기관 공회전 속도를 유지하기 위해 필요한 양과 최대 기관 속도를 위하여 필요한 양 사이에서 일반적으로 변화될 것이다. 그렇지만 양호한 실시를 위해, 파일럿 차지를 이루는 액체 연료의 질량이, 공회전 속도로 기관을 유지하기 위해 필요한 메인 차지 질량의 양보다 작은, 일정한 양으로 유지될 필요가 있을 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 기관(8)은 기계적으로 제어되고 작동되는 메인 및 파일럿 연료 분사기를 이용할 수도 있으며, 이러한 관점에서 도 1을 참조하라. 도 4에 있어서, 메인 및 연료 분사 시스템은 변화하는 기관 운전 조건에 응답하여 메인 연료 분사기를 작동시키며, 그에 따라 메인 연료 차지의 분사를 변화하는 기관 운전 조건과 동조시킨다. 기관(8)은 3개의 실린더를 가지는 것으로 가정할 수 있다. 연료 분사 시스템 설계 및 작동을 설명함에 있어서 편의상 피스톤은 도면에 도시하지 않았다.
도 1 및 도 4에 있어서, 인-라인 연료 분사 펌프 구성 및 기계적인 작동을 이용하는 연료 분사 시스템의 일례가 예시되어 있으며, 여기에서 연료 탱크(80)는 프리 펌프(106), 필터(108) 및 연료 라인(129)을 통하여 메인 및 파일럿 연료 분사 기에 액체 연료를 공급한다. 연료 라인(129)은 메인 및 파일럿 연료 분사 시스템(101 및 102)에 연료를 공급한다. 도 4에 있어서, 메인 연료 분사 시스템(101)은, 연료 라인(129)으로부터의 액체 연료를 받아들이기 위한 인-라인 연료 분사 펌프(130)와, 연료 탱크(80)에 펌프(130)를 연결하는 복귀 라인(131)을 포함한다. 펌프(130)는 3개의 배급 밸브 기구(130a, 130b 및 130c)를 포함한다. 각각의 배급 밸브 기구는 각각의 라인(135a, 135b, 135c)을 통하여 메인 연료 분사 사이트(57)에서의 한 쌍의 메인 연료 분사 노즐(55n)까지 제공되는 메인 연료 차지를 배급한다. 도 4에 있어서, 파일럿 연료 분사 시스템(102)은 연료 라인(129)으로부터의 액체 연료를 받아들이기 위한 인-라인 연료 분사 펌프(132)와, 연료 탱크(80)까지 펌프(132)를 연결하는 복귀 라인(133)을 포함한다. 펌프(132)는 3개의 배급 밸브 기구(132a, 132b 및 132c)를 포함한다. 각각의 배급 밸브 기구는 각각의 라인(137a, 137b, 137c)을 통하여 연료 분사 사이트(61)에서의 파일럿 연료 분사 노즐(59n)까지 제공되는 파일럿 연료 차지를 배급한다.
각각의 메인 연료 분사기 노즐(55n)은 실린더(10)의 보어 내로 메인 분사 사이트(57)를 통하여 메인 차지의 전부 또는 일부를 분무하기 위해서 배열되는 오리피스들을 가진다. 대향 피스톤 기관(8)에 있어서, 각각의 메인 연료 분사기 노즐의 오리피스들은, 메인 연료 분사기가 가깝게 위치된 포트로부터 멀리, TDC의 방향으로, 실질적으로 실린더의 길이방향 중심선을 따라서 향하는 액적의 연무 상태로 연료가 분사되도록 배열된다.
기관(8) 내에서 사용되는 각각의 파일럿 연료 분사기 노즐(59n)은, 메인 차 지의 전부 또는 일부를 파일럿 분사 사이트(61)를 통하여 실린더의 보어 내로 분무시키기 위해서 배열되는 오리피스들을 포함하는 압력 증강형 어큐물레이터 타입의 연료 분사기 배급 밸브 기구에 의해 구동될 수 있다. 단일의 파일럿 연료 분사기 노즐은 각각의 파일럿 분사 사이트에서 실린더에 종래 방식으로 장착된다. 대향 피스톤 기관에 있어서, 각각의 파일럿 연료 분사기의 노즐 오리피스들은, 실린더의 길이방향 중심선에 대하여 수직방향으로 향하는 매운 작은 액적의 연무 상태로 연료가 분사되도록 배열된다.
도 4의 인-라인 연료 분사 시스템에 있어서, 펌프(130 및 132)는 도 1에 도시된 적어도 하나의 크랭크축(30, 32)에 공지된 수단(도시생략)에 의해 연결된 캠 장치에 의해 종래 방식으로 구동된다. 조절기(134)(도 3에 도시)는 도 2의 연료 분사 시스템과 관련하여 상기 설명된 바와 같이 변화하는 기관 조건의 측면에서 연료 배급의 제어를 유지하기 위해서 펌프들(130 및 132) 중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 구비될 수 있다.
상술한 도면에 나타난 것들 이외의 또 다른 연료 분사 기구 및 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일체화된 유닛 분사기 또는 유닛 펌프가 각각의 분사 사이트에 대하여 각각의 실린더에 또는 각각의 실린더 부근에 개별적으로 장착될 수 있다.
기관(8)의 균질 차지 파일럿 점화 작동이 도 5a 내지 5d에 도시되어 있다. 이들 도면에 있어서, HCPI 작동은 도 2의 연료 분사 구성에 기초한 것으로서, 실린더(10)에 대하여 2개의 메인 분사기(55)가 구비되며, 각각의 메인 분사기는 분사 사이트(57)를 통하여 메인 차지의 절반을 제공하기 위해 기관(8) 내에 장착된다. 또, 단일의 파일럿 분사기(59)만이 나타나 있다. 이들 도면에 도시된 2개의 메인 분사기 중 어느 하나의 위치에, 단일의 메인 분사기(55) 또는 2 이상의 메인 분사기(55)가 사용될 수도 있으며, 이는 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또, 하나 이상의 파일럿 분사기(59)가 사용될 수 있다.
도 5a 내지 5d는 대향 피스톤 HCPI 기관의 작동을 나타내는 시간순서에 따른 단계, 특히 기관(8)의 흡입/압축 행정을 나타내는 도 1의 실린더(10) 및 피스톤(12 및 14)을 개략적으로 도시한다. 이러한 순서는 단지 설명을 위한 것으로, 이것은 다른 가능한 순서들을 배제하고자 하는 것은 아니다. 도 5a를 참조하면, 실린더(10)는 실린더의 축선과 일치하는 길이방향 중심선(139) 및 중심선 상에서의 길이방향 중심점(140)을 갖는다. "하사점(bottom dead center)"이라는 용어는, 피스톤이 제어하는 포트가 완전히 또는 최대로 개방되었을 때 피스톤의 위치를 말하는 것이다. 도 5a 및 도 5d를 참조하면, "상사점(top dead center)"이라는 용어는, 피스톤(12 및 14)의 상단부분(12a 및 14a) 사이의 공간이 최소이며 메인 차지가 실질적으로 동질이고 실린더의 보어 내에서 높게 압축되는 지점을 말하는 것이다.
이어지는 설명에서 이루어지는 바와 같이, 피스톤들이 그 하사점 위치를 지나고 있을 때 피스톤 사이의 위상 차이와 관련되는, 피스톤 길이, 실린더의 길이, 및 실린더 매니폴드에 의해 실린더 보어에 추가되는 길이 사이의 관계는, 포트 작동을 조절하고 피스톤을 정확하게 순서대로 나열한다. 이러한 관점에서, 배기 및 흡입 포트(45 및 46)는, 실린더의 끝 부근에서, 실린더(10)의 길이방향 중심으로부 터 축선방향으로 배치되어 있다. 피스톤(12 및 14)은 동일한 길이를 가질 수 있다. 각각의 피스톤(12 및 14)은, 피스톤이 그 하사점 위치에 접근할 때까지 실린더의 해당 포트(45 또는 46)를 폐쇄 유지한다. 하사점 위치 사이에서 오프셋된 위상은 순서를 만들어 내는데, 여기에서 배기 포트(45)가 피스톤(12)에 의해 덮이지 않고 있어, 그 결과 피스톤(12)이 그 하사점 부근에서 이동하고 있을 때 개방되고, 그 다음 흡입 포트(46)는 피스톤(14)에 의해 덮이지 않고 있어, 그 결과 피스톤(14)이 그 하사점 위치 부근에서 이동하고 있을 때 개방되고, 이어서 배기 포트(45)는 피스톤(12)에 의해 덮여, 그 결과 피스톤(12)이 그 하사점 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 이후에 폐쇄되고, 그 다음 흡입 포트(46)는 피스톤(14)에 의해 덮여, 그 결과 피스톤(14)이 그 하사점 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 이후에 폐쇄된다.
본 실시예에 있어서, 피스톤(12 및 14)이 그 BDC 위치 부근에 있을 때, 상단부분(12a 및 14a)은 배기 및 흡입 포트(45 및 46)의 외측방향으로 위치된다. 피스톤(12)은 BDC를 통과한 후 TDC를 향하여 전진하기 시작한다. 피스톤(14)은 여전히 BDC를 향하여 이동하고 있다. 양쪽 포트(45 및 46)는 폐쇄되지 않고 개방되며, 연소 생성물은, 흡입 매니폴드(48)를 통하여 실린더 내로 유동하는 가압상태 공기에 의해 일소됨으로써, 실린더 밖으로 배기 포트(45)를 통하여 배기 매니폴드(47) 내로 강제 배기된다. 포트(45 및 46)가 소용돌이 형상을 가지면, 실린더(10) 내에서 공기(145)는 소용돌이친다. 메인 연료 분사기(55)나 파일럿 연료 분사기(59)는 모두 작동되고 있지 않다.
도 5b에 있어서, 피스톤(12)은 배기 포트(45)를 덮어 폐쇄하도록 TDC를 향하여 충분히 멀리 전진되어 있다. 피스톤(14)은 BDC를 통과한 후 TDC를 향하여 전진하기 시작한다. 흡입 포트(46)는 여전히 개방되어 있고 연소를 위한 공기가 실린더 내로 유동한다. 다시, 포트가 소용돌이 형상을 가진다면, 실린더(10) 내에서 공기(145)는 소용돌이친다. 메인 연료 분사기(55)나 파일럿 연료 분사기(59)는 모두 작동되고 있지 않다.
도 5c에 있어서, 피스톤(14)은 연소 공기가 가둬지도록 흡입 포트(46)를 덮어 폐쇄하기 위해 TDC를 향하여 충분히 멀리 전진해 있다. 피스톤(12)은 계속해서 TDC를 향하여 전진한다. 배기 포트(45)는 폐쇄된 상태이다. 양쪽 메인 연료 분사기(55)는 ECU(121)에 의해 작동되어, 가둬진 공기 내로 메인 차지(200)의 대략 절반을 각각 분사한다. 메인 차지의 양은 희박한 공기/연료 혼합기를 야기하며, 여기에서 λ, 즉 연소에 필요한 공기의 화학량적 양에 대한 공기의 양의 비율은, 2 이상이다. 메인 연료 분사기의 노즐 내의 오리피스들은, 길이방향 중심선(139)을 따라서 그리고 길이방향 중심점(140)을 향하여, 실린더(10)의 보어 및 상단부분(12a 및 14a)으로부터 멀리, 연료 액적의 패턴으로서 메인 차지의 일부를 각각 분사하도록 배열된다. 이것은 이들 표면 상에 응축되어 적셔지는 연료의 양을 감소시켜 기관(8)에 의해 불완전 연소되는 탄화수소의 발생을 완화시킨다. 메인 차지가 분사될 때, 피스톤(12 및 14)은 여전히 BDC 부근에 있다. 따라서 분사된 메인 차지는 피스톤이 TDC에 접근하는 동안 압축에 의해 가열되는 공기와 혼합될 수 있는 상대적으로 긴 시간을 가진다. 결과적으로, 실질적으로 모든 분사된 연료는 피스톤(12 및 14)이 TDC 부근에 있을 때까지는 증발될 것이다. 그 결과, 공기/연료 혼합기는 피스톤(12 및 14)이 TDC 부근에 있을 때 실질적으로 균질해질 것이다. 그렇지만, 연료가 실질적으로 완전하게 증발되었기 때문에, 그 결과 공기/연료 혼합기는 화학량적 혼합비의 영역을 가지지 못하여 자기점화는 일어나지 않는다.
이제 도 5d를 참조하면, 피스톤(12 및 14)이 TDC에 도달하기 직전에, 파일럿연료 분사기(59)는 검출된 크랭크 각도에 응답하여 ECU(121)에 의해 작동되어, 매우 작은 액적(예를 들어 대략 10 미크론의 초기 평균 직경을 가지는 액적)을 이루는 액체 연료의 매우 미세한 연무로 구성된 파일럿 차지(210)가 높게 압축되어 매우 뜨거워진 공기/연료 혼합기 내로 분사된다. 파일럿 차지(210)는 급격하게 기화되어 공기/연료 혼합기가 자기점화를 위하여 필요한 화학량적 비율을 가지는 영역을 포함하는 연료 농도 구배를 나타낸다. 결과적으로, 파일럿 차지(210)는 자연점화되어 피스톤의 상단부분 사이의 실린더 내에서 희박한 압축 공기/연료 혼합기의 점화를 일으킨다.
메인 차지(200)가 희박하고 점화 시점에서 완전하지는 않더라도 거의 증발되어 있기 때문에, 전체 연료의 연소는 NOx, 탄화수소, CO 및 분진을 포함하는 배기 오염물을 실질적으로 감소시킬 것이다.
메인 차지(200)가 압축 행정 초기에 분사되기 때문에, 높은 하중 조건 하에서조차 연료는 완전히 증발되어 공기와 혼합될 적절한 시간을 가진다. 공회전과 같은, 운전 중의 매우 낮은 하중의 기간 동안에, 파일럿 연료 분사기(59)는 메인 연료 분사기(55)를 작동시키지 않고 동작을 유지시키기 위한 적절한 연료를 제공할 수 있다.
기관(8)의 HCPI 운전에 의하여 알 수 있는 또 다른 장점들은 도 5a 내지 5d를 참조하여 이해될 수 있다. 그러한 장점들은 공기/연료 혼합기가 연소될 때 실린더 내에서 야기되는 압축 및 연소로 초래되는 고압 및 고온으로부터 메인 연료 분사기(55)의 보호를 포함한다. 도 5c 및 도 5d에 가장 잘 도시된 바와 같이, 분사 사이트(57)는 피스톤이 TDC를 향하여 또한 그로부터 움직임에 따라 피스톤(12 및 14)에 의해 덮이게 되며, 그에 따라 이들 분사기의 노즐들은 연소의 열 및 난류로부터 그리고 압축된 공기/연료 혼합기의 고압 및 고온으로부터 보호된다.
상기 예들은 모두 2개의 메인 연료 분사기를 가지는 것으로 설명되었으며, 파일럿 분사기는 단일의 점화 요소로서 사용되었다. 도 6a 내지 6c는 또 다른 변형예들을 나타낸다. 도 6a에 있어서, 단일의 메인 분사기(55)를 가지는 단일의 메인 연료 분사 사이트(57)가 제공되어 있다. 메인 연료 분사 사이트(57)는 포트를 제어하는 피스톤의 TDC를 약간 향하도록 변위된 포트(45 또는 46) 중 하나 부근에서 실린더(10) 내에 존재한다. 도 6a에 있어서, 메인 연료 분사 사이트(57)는 배기 포트(45) 부근에 존재한다. 이러한 구성에서 연료 분사기 노즐은 마주하는 포트의 방향으로 전체 메인 차지를 분사하도록 배치되는 오리피스들을 가진다. 도 6b에 있어서, 적어도 하나의 메인 연료 분사 사이트(57)는 중심점(140)을 통과하는 직경에서 또는 그 부근에서 실린더(10)에 위치된다. 이러한 구성에서 연료 분사기 노즐은 중심점(140)으로부터 멀리, 포트(45 및 46)를 향하여 전체 메인 차지를 분사하도록 배치되는 오리피스들을 갖는다. 도 6a 및 도 6b의 구성에 있어서, 메인 연료 분사 시스템(도시생략)은 압축 행정 초기에 메인 차지를 분사하도록 작동되는 한편, 피스톤(도시생략)은 BDC 위치 부근에 있으며 포트(45 및 46)는 폐쇄된다. 도 6c에 있어서, 점화 플러그와 같은, 전기적으로 작동되는 점화 요소(160)가 파일럿 분사기(59)의 점화 기능을 증대시키도록 구비된다. 이 점화 요소(160)는 중심점(140) 부근에 위치되며 파일럿 분사 사이트(61)로부터 옆방향으로 또는 아치형으로 변위되어 위치될 수 있다. 참고로, 메인 연료 분사기(55)를 위한 하나 이상의 가능한 사이트(57)가 실린더(10) 내에 나타나 있다.
여기에 설명된 본 발명의 원리는, 단지 예시를 위한 실시예로 제한되는 것은 아님을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 추가적인 메인 연료 분사기(55)가 메인 차지의 다단계 분사를 제공하기 위해서 TDC의 방향으로 실린더 벽을 따라서 길이방향으로 설치될 수 있다. 또, 여기에 설명된 원리들은 2 사이클 또는 4 사이클 이중 피스톤 또는 단일 피스톤 기관에 적용될 수 있다. 이들 원리들은 이어지는 청구범위에 의해서만 한정되는 것이다.

Claims (37)

  1. 실린더, 상기 실린더의 보어 내의 한 쌍의 대향 피스톤들, 및 상기 피스톤들에 의해 제어되는 서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트를 포함하는 대향 피스톤 압축점화 기관을 운전하는 방법으로서,
    상기 피스톤들 사이에서 상기 실린더 내로 공기를 도입하는 단계;
    서로를 향하여 상기 피스톤들을 이동시키는 단계;
    상기 흡입 포트와 상기 배기 포트 사이에서 상기 실린더 상의 적어도 하나의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 피스톤들 사이의 상기 실린더 내로 액체 연료의 희박한 메인 차지를 분사하는 단계;
    상기 피스톤들의 이동에 응답하여, 자기점화 온도에 도달하기 전에 상기 메인 차지를 완전히 증발시키는 단계; 및
    적어도 하나의 파일럿 분사 사이트를 통하여 액체 연료의 파일럿 차지를 분사하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파일럿 차지의 질량은 기관을 공회전하기에 필요한 상기 메인 차지의 질량보다 작은 것을 특징으로 하는 운전방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 기관 운전 조건에 응답하여 메인 차지의 질량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 차지를 분사하는 단계는, 상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제1 부분을 분사하는 단계와, 상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 피스톤들은 서로를 향하여 이동하는 동안 상기 메인 분사 사이트를 덮는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 차지를 분사하는 단계는, 상기 실린더의 길이방향 중심선을 따라서 상기 흡입 포트로부터 멀어지는 방향으로 상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제1 부분을 분사하는 단계와, 상기 길이방향 중심선을 따라서 그리고 상기 배기 포트로부터 멀어지는 방향으로 상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 피스톤들은 서로를 향하여 이동하는 동안 상기 메인 분사 사이트를 덮는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 차지를 분사하는 단계는, 피스톤의 상사점 부근에서 상기 실린더 상의 적어도 하나의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 적어도 일부를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 내로 도입된 상기 공기를 소용돌이치게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 차지의 점화를 전기적으로 증대시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 차지는 디젤 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 파일럿 차지는 디젤 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  13. 실린더 내부에 배치된 대향 피스톤들과 서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트를 갖는 상기 실린더를 포함하는 대향 피스톤 압축점화 기관을 운전하는 방법으로서,
    상기 피스톤들 사이에서 상기 실린더 내로 공기를 도입하는 단계;
    서로를 향하여 상기 피스톤들을 이동시키는 단계;
    상기 흡입 포트와 상기 배기 포트 사이에서 상기 실린더 상의 적어도 하나의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 피스톤들 사이의 상기 실린더 내로 액체 연료의 희박한 메인 차지를 분사하는 단계;
    상기 피스톤들의 이동에 응답하여, 자기점화 온도에 도달하기 전에 상기 메인 차지를 완전히 증발시키는 단계; 및
    상기 실린더의 길이방향 중심점 부근에서 적어도 하나의 파일럿 분사 사이트를 통하여 액체 연료의 파일럿 차지를 분사하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 파일럿 차지의 질량은 기관을 공회전하기에 필요한 상기 메인 차지의 질량보다 작은 것을 특징으로 하는 운전방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 메인 차지를 분사하는 단계는, 상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제1 부분을 분사하는 단계와, 상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 피스톤들은 서로를 향하여 이동하는 동안 상기 메인 분사 사이트를 덮는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 메인 차지를 분사하는 단계는, 상기 실린더의 길이방향 중심선을 따라서 상기 흡입 포트로부터 멀어지는 방향으로 상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제1 부분을 분사하는 단계와, 상기 길이방향 중심선을 따라서 그리고 상기 배기 포트로부터 멀어지는 방향으로 상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 피스톤들은 상기 공기/연료 혼합기를 압축시키기 위해서 서로를 향하여 이동하는 동안 상기 메인 분사 사이트를 덮는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 메인 차지를 분사하는 단계는, 상기 흡입 및 배기 포트를 향하는 방향으로 상기 실린더의 길이방향 중심점 부근에서 상기 실린더 상의 적어도 하나의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 적어도 일부를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 메인 차지 및 상기 파일럿 차지는 디젤 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전방법.
  21. 압축점화 기관으로서,
    실린더;
    상기 실린더 내에 미끄럼 가능하게 배치되는 한 쌍의 대향 피스톤들;
    상기 실린더의 각각의 끝 부근에서 서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트;
    상기 흡입 포트와 상기 배기 포트 사이에서 상기 실린더 내의 분사기 사이트를 통하여 상기 실린더의 보어와 연통되는 적어도 하나의 메인 연료 분사기;
    상기 실린더의 길이방향 중심점 부근에서 상기 실린더 내의 분사기 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기; 및
    상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기와 상기 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기에 결합되며, 상기 피스톤이 하사점 위치 부근에 있을 때 상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기를 작동시키고 상기 피스톤이 상사점 위치 부근에 있을 때 상기 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기를 작동시키는 연료 분사 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축점화 기관.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기는, 상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제1 부분을 분사하기 위한 제1 메인 연료 분사기와, 상기 배기 포트 부근에서 상기 실 린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하기 위한 제2 메인 연료 분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축점화 기관.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기는, 상기 길이방향 중심점을 향하는 방향으로 상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제1 부분을 분사하기 위한 제1 메인 연료 분사기와, 상기 길이방향 중심점을 향하는 방향으로 상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하기 위한 제2 메인 연료 분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축점화 기관.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기는, 상기 흡입 및 배기 포트를 향하는 방향으로 상기 피스톤들의 상사점 위치 부근에서 상기 실린더의 적어도 하나의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 메인 차지의 적어도 일부를 분사하기 위한 메인 연료 분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축점화 기관.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 연료 분사 시스템은, 적어도 하나의 기관 운전 조건에 응답하여 상기 메인 차지의 질량을 제어하며, 상기 파일럿 차지의 질량의 크기를 기관 공회전에 필요한 상기 메인 차지의 질량의 크기보다 작게 유지하는 것을 특징으로 하는 압축점화 기관.
  26. 내연기관으로서,
    서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트를 갖는 실린더;
    상기 실린더의 중심 보어 내에 배치되는 대향 피스톤들;
    상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 분사 사이트에 위치되는 제1 메인 연료 분사기;
    상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상의 분사 시이트에 위치되는 제2 메인 연료 분사기;
    상기 메인 연료 분사기에 연결되는 메인 연료 분사 시스템;
    상기 피스톤들의 각각의 상사점 위치 사이의 분사 사이트에 위치되는 파일럿 연료 분사기; 및
    상기 파일럿 연료 분사기에 연결되는 파일럿 연료 분사 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 제1 메인 연료 분사기는 상기 흡입 포트로부터 멀어지는 방향으로 액체 연료의 메인 차지의 제1 부분을 분사하며, 상기 제2 메인 연료 분사기는 상기 배기 포트로부터 멀어지는 방향으로 액체 연료의 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 메인 연료 분사 시스템은 상기 제1 및 제2 메인 연료 분사기에 디젤 연료를 제공하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 파일럿 연료 분사 시스템은 상기 파일럿 연료 분사기에 디젤 연료를 제공하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  30. 내연기관으로서,
    서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트를 갖는 실린더;
    상기 실린더의 보어 내에 배치되는 대향 피스톤들;
    상기 흡입 포트와 상기 배기 포트 사이에서 상기 실린더 상의 적어도 하나의 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 적어도 하나의 연료 분사기;
    상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기에 연결되며, 상기 피스톤들이 하사점 위치에 있을 때 상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기를 작동시키는 메인 연료 분사 시스템;
    상기 실린더의 길이방향 중심점 부근에서 적어도 하나의 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 파일럿 연료 분사기;
    상기 파일럿 연료 분사기에 연결되며, 상기 피스톤들이 상사점 위치 부근에 있을 때 상기 파일럿 연료 분사기를 작동시키는 파일럿 연료 분사 시스템; 및
    상기 실린더에 장착되는 전기 점화 요소; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 흡입 포트 내의 소용돌이 형상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  32. 대향 피스톤 압축점화 기관을 위한 연료 분사 장치로서,
    서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트를 갖는 실린더;
    상기 실린더의 보어 내에 배치되는 대향 피스톤들;
    상기 흡입 포트와 상기 배기 포트 사이에서 상기 실린더 상의 적어도 하나의 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 적어도 하나의 메인 연료 분사기; 및
    상기 실린더의 길이방향 중심점 부근에서 적어도 하나의 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 메인 연료 분사기 및 상기 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기는 디젤 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  34. 대향 피스톤 압축점화 기관을 위한 연료 분사 장치로서,
    서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트를 갖는 실린더;
    상기 실린더의 보어 내에 배치되는 대향 피스톤들;
    상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 제1 메인 연료 분사기와 상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상 의 메인 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 제2 메인 연료 분사기; 및
    상기 실린더의 길이방향 중심점 부근에서 적어도 하나의 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되는 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 메인 연료 분사기 및 상기 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기는 디젤 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  36. 대향 피스톤 압축점화 기관을 위한 연료 분사 장치로서,
    서로 이격되어 있는 흡입 및 배기 포트를 갖는 실린더;
    상기 실린더의 보어 내에 배치되는 대향 피스톤들;
    상기 흡입 포트 부근에서 상기 실린더 상의 제1 메인 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되며, 길이방향 중심점을 향하는 방향으로 상기 제1 메인 분사 사이트를 통하여 액체 연료의 메인 차지의 제1 부분을 분사하는 제1 메인 연료 분사기; 및
    상기 배기 포트 부근에서 상기 실린더 상의 제2 메인 분사 사이트를 통하여 상기 보어와 연통되며, 상기 길이방향 중심점을 향하는 방향으로 상기 제2 메인 분사 사이트를 통하여 액체 연료의 상기 메인 차지의 제2 부분을 분사하는 제2 메인 연료 분사기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 메인 연료 분사기 및 상기 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기는 디젤 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
KR1020077021558A 2005-03-31 2006-03-30 대향 피스톤, 균질 차지 파일럿 점화 기관 KR20070118232A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/095,250 2005-03-31
US11/095,250 US7270108B2 (en) 2005-03-31 2005-03-31 Opposed piston, homogeneous charge pilot ignition engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070118232A true KR20070118232A (ko) 2007-12-14

Family

ID=36693098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077021558A KR20070118232A (ko) 2005-03-31 2006-03-30 대향 피스톤, 균질 차지 파일럿 점화 기관

Country Status (10)

Country Link
US (1) US7270108B2 (ko)
EP (1) EP1869300A1 (ko)
JP (1) JP2008534857A (ko)
KR (1) KR20070118232A (ko)
CN (1) CN101151444B (ko)
BR (1) BRPI0609616A2 (ko)
CA (1) CA2600349A1 (ko)
MX (1) MX2007011745A (ko)
RU (1) RU2395700C2 (ko)
WO (1) WO2006105390A1 (ko)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4033160B2 (ja) * 2004-03-30 2008-01-16 トヨタ自動車株式会社 予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関の制御装置
US7156056B2 (en) * 2004-06-10 2007-01-02 Achates Power, Llc Two-cycle, opposed-piston internal combustion engine
AT413932B (de) * 2004-07-07 2006-07-15 Blum Gmbh Julius Doppelwandige zarge
FR2933449B1 (fr) * 2008-07-03 2010-07-30 Inst Francais Du Petrole Procede pour ameliorer la vaporisation d'un carburant utlise pour un moteur a combustion interne, notamment a injection directe, en particulier a autoallumage et plus particulierement de type diesel
DE102009051137A1 (de) * 2009-06-26 2011-01-05 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors
US9512779B2 (en) 2010-04-27 2016-12-06 Achates Power, Inc. Swirl-conserving combustion chamber construction for opposed-piston engines
EP2547868B1 (en) 2010-04-27 2016-08-03 Achates Power, Inc. Combustion chamber constructions for opposed-piston engines
US10180115B2 (en) 2010-04-27 2019-01-15 Achates Power, Inc. Piston crown bowls defining combustion chamber constructions in opposed-piston engines
CN103168148B (zh) * 2010-08-16 2015-09-02 阿凯提兹动力公司 对置活塞发动机的燃料喷射的喷洒模式
WO2013058802A1 (en) * 2011-02-23 2013-04-25 Achates Power Inc. Two stroke, opposed-piston engines with engine braking
EP2712394B1 (en) * 2011-05-18 2016-12-14 Achates Power, Inc. Combustion chamber construction for opposed-piston engines
WO2013037366A2 (de) * 2011-09-14 2013-03-21 Arno Mecklenburg Verbrennungsmotor mit hohem wirkungsgrad
US20130104848A1 (en) 2011-10-27 2013-05-02 Achates Power, Inc. Fuel Injection Strategies in Opposed-Piston Engines with Multiple Fuel Injectors
DE102012011149A1 (de) * 2012-06-05 2013-12-05 Abb Turbo Systems Ag Einspritzsystem für kompressionsgezündete Dieselmotoren
JP5983196B2 (ja) * 2012-08-31 2016-08-31 株式会社Ihi ユニフロー掃気式２サイクルエンジン
GB2515254B (en) * 2013-04-05 2016-07-20 Osp Engines Ltd Opposed stepped piston engine power cylinder lubrication system
WO2015020867A1 (en) 2013-08-05 2015-02-12 Achates Power, Inc. Dual-fuel constructions for opposed-piston engines with shaped combustion chambers
GB2517763B (en) 2013-08-30 2017-12-27 Newlenoir Ltd Piston arrangement and internal combustion engine
DK177936B9 (en) * 2013-11-01 2015-05-11 Man Diesel & Turbo Deutschland A method of operating an internal combustion engine, and an internal combustion engine
US9211797B2 (en) 2013-11-07 2015-12-15 Achates Power, Inc. Combustion chamber construction with dual mixing regions for opposed-piston engines
US9032927B1 (en) * 2013-11-08 2015-05-19 Achates Power, Inc. Cold-start strategies for opposed-piston engines
EP3105430B1 (en) 2014-02-12 2017-08-16 Achates Power, Inc. A low reactivity, compression-ignition, opposed-piston engine
US10329997B2 (en) 2017-07-19 2019-06-25 Ford Global Technologies, Llc Diesel engine with dual fuel injection
US10711729B2 (en) 2017-07-19 2020-07-14 Ford Global Technologies, Llc Diesel engine dual fuel injection strategy
EP3434874A1 (de) * 2017-07-27 2019-01-30 Winterthur Gas & Diesel AG Verfahren zum betreiben eines grossdieselmotors, sowie grossdieselmotor
WO2021011528A1 (en) 2019-07-15 2021-01-21 The Research Foundation For The State University Of New York Method for control of advanced combustion through split direct injection of high heat of vaporization fuel or water fuel mixtures
JP7285795B2 (ja) * 2020-01-31 2023-06-02 三菱重工業株式会社 エンジン
NL2024838B1 (en) * 2020-02-05 2021-09-13 Andreas Van Oosten Mattheus Internal combustion engine
US11371424B1 (en) * 2021-07-28 2022-06-28 Jose Oreste Mazzini Piston external pin boss, longer combustion time, and power control valve
WO2023158615A1 (en) 2022-02-21 2023-08-24 Achates Power, Inc. Hydrogen opposed-piston engine

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB527873A (en) * 1939-04-22 1940-10-17 Herbert Frank Percy Purday Improvements in two-stroke cycle internal combustion engines using liquid and gaseous fuel alternatively or simultaneously
GB552850A (en) * 1940-12-18 1943-04-28 Sulzer Ag Improvements in or relating to reciprocating engines
JPS5838611B2 (ja) * 1978-10-06 1983-08-24 トヨタ自動車株式会社 二サイクルデイ−ゼルエンジン
FR2571096A1 (fr) * 1984-10-01 1986-04-04 Lehir J Pierre Moteur double action a un cylindre avec deux pistons travaillant en sens oppose.
US4605166A (en) 1985-02-21 1986-08-12 Stanadyne, Inc. Accumulator injector
USRE33278E (en) * 1986-07-03 1990-07-31 Continuously variable transmission and torque retaining differential
US5392745A (en) * 1987-02-20 1995-02-28 Servojet Electric Systems, Ltd. Expanding cloud fuel injecting system
US5467754A (en) * 1988-02-03 1995-11-21 Servojet Electronic Systems, Ltd. Accumulator fuel injection system
US5241935A (en) * 1988-02-03 1993-09-07 Servojet Electronic Systems, Ltd. Accumulator fuel injection system
US5058537A (en) * 1989-04-21 1991-10-22 Paul Marius A Optimized high pressure internal combustion engines
US5042441A (en) * 1989-10-03 1991-08-27 Paul Marius A Low emission combustion system for internal combustion engines
US5450829A (en) * 1994-05-03 1995-09-19 Servojet Products International Electronically controlled pilot fuel injection of compression ignition engines
US5553781A (en) * 1995-01-03 1996-09-10 Servojet Products International Conversion of jerk type injector to accumulator type injector
US5553575A (en) * 1995-06-16 1996-09-10 Servojet Products International Lambda control by skip fire of unthrottled gas fueled engines
US5641121A (en) * 1995-06-21 1997-06-24 Servojet Products International Conversion of non-accumulator-type hydraulic electronic unit injector to accumulator-type hydraulic electronic unit injector
US5673673A (en) * 1996-04-30 1997-10-07 Servojet Products International Method and apparatus for the high Mach injection of a gaseous fuel into an internal combustion engine
US5823429A (en) * 1996-07-12 1998-10-20 Servojet Products International Hybrid hydraulic electronic unit injector
US5685273A (en) 1996-08-07 1997-11-11 Bkm, Inc. Method and apparatus for controlling fuel injection in an internal combustion engine
US6230683B1 (en) * 1997-08-22 2001-05-15 Cummins Engine Company, Inc. Premixed charge compression ignition engine with optimal combustion control
US5853124A (en) * 1997-05-05 1998-12-29 Servojet Products International Bottom seated pintle nozzle
US6170442B1 (en) * 1997-07-01 2001-01-09 Sunpower, Inc. Free piston internal combustion engine
US6273076B1 (en) * 1997-12-16 2001-08-14 Servojet Products International Optimized lambda and compression temperature control for compression ignition engines
US6250264B1 (en) * 1998-04-22 2001-06-26 Sinus Holding As Internal combustion engine with arrangement for adjusting the compression ratio
JP2000008929A (ja) * 1998-06-19 2000-01-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ディーゼルエンジンの予混合強制点火燃焼方法
US6293231B1 (en) * 1999-09-29 2001-09-25 Ingo Valentin Free-piston internal combustion engine
JP3873560B2 (ja) * 2000-01-27 2007-01-24 日産自動車株式会社 内燃機関の燃焼制御装置
US6418885B1 (en) * 2000-03-17 2002-07-16 Marius A. Paul Total energy general optimized engine cycle
AT5133U1 (de) * 2000-10-03 2002-03-25 Avl List Gmbh Verfahren zum betreiben einer mit selbstzündbarem kraftstoff betriebenen brennkraftmaschine
US6505600B1 (en) * 2000-11-06 2003-01-14 Bombardier Motor Corporation Of America Direct injection two stroke engine combustion mapping
US6598584B2 (en) * 2001-02-23 2003-07-29 Clean Air Partners, Inc. Gas-fueled, compression ignition engine with maximized pilot ignition intensity
US6668789B1 (en) * 2001-08-23 2003-12-30 Wisconsin Alumni Research Foundation Internal combustion engine using premixed combustion of stratified charges
US6742335B2 (en) * 2002-07-11 2004-06-01 Clean Air Power, Inc. EGR control system and method for an internal combustion engine
US6948475B1 (en) * 2002-11-12 2005-09-27 Clean Air Power, Inc. Optimized combustion control of an internal combustion engine equipped with exhaust gas recirculation
US7156056B2 (en) * 2004-06-10 2007-01-02 Achates Power, Llc Two-cycle, opposed-piston internal combustion engine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2395700C2 (ru) 2010-07-27
US20060219213A1 (en) 2006-10-05
RU2007135829A (ru) 2009-05-10
JP2008534857A (ja) 2008-08-28
CA2600349A1 (en) 2006-10-05
WO2006105390A1 (en) 2006-10-05
EP1869300A1 (en) 2007-12-26
CN101151444B (zh) 2013-05-15
US7270108B2 (en) 2007-09-18
BRPI0609616A2 (pt) 2010-04-20
MX2007011745A (es) 2008-03-10
CN101151444A (zh) 2008-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20070118232A (ko) 대향 피스톤, 균질 차지 파일럿 점화 기관
US6619254B2 (en) Method for operating an internal combustion engine operated with a self-ignitable fuel
US6845746B2 (en) Internal combustion engine with injection of gaseous fuel
US6213086B1 (en) Combustion engine
US5560326A (en) Internal combustion engine
US5365902A (en) Method and apparatus for introducing fuel into a duel fuel system using the H-combustion process
US20130081592A1 (en) Combustion control for internal combustion engines through fuel temperature and pressure
WO2001086128A2 (en) Internal combustion engine operable in pcci mode with early control injection and method of operation
CN108561233A (zh) 一种柴油/天然气双燃料发动机排放控制策略
WO2013016713A2 (en) Methods for low temperature combustion and engines using the same
CN110145405A (zh) 多孔喷油嘴双喷射汽油稀燃发动机
US8069835B2 (en) Internal combustion engine and operating method therefor
EP0958450B1 (en) Direct injection spark ignition engine
US11359590B1 (en) Igniter for dual fuel engine having liquid fuel outlet checks and spark ignition source
GB2328717A (en) Two stage fuel injection for a compression ignition engine
Ganesan Combustion Aspects of Non-Conventional Reciprocating Internal Combustion Engines
CN110195661A (zh) 均质压燃控制方法及均质压燃发动机
Canova et al. Dynamics and control of DI and HCCI combustion in a multi-cylinder diesel engine
CN1304739C (zh) 双燃料源的柴油机
Goering et al. COMPRESSION-IGNITION ENGINES
CN110145404A (zh) 多孔喷油嘴双喷射乙醇汽油稀燃发动机
CN101346536A (zh) 内燃机
CN116677532A (zh) 小型非增压航空活塞发动机
Carling et al. Review of heavy-duty engine combustion research at sandia national laboratories
Grieshaber et al. Basic principles of diesel fuel injection

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid