KR20130136917A - 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템 - Google Patents

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Abstract

NOx 감소를 위한 압축 착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템에 있어서, 종래기술의 분사노즐이외에 추가의 분사노즐이 제공된다. 이와 관련하여, 제 1 분무시점에 추가의 분사노즐을 통해 제 1 연료량이 증발 표면에 도포되어, 희박 연소 혼합물이 형성된다. 또한, 제 2 분무시점에 연료량이 연소실내에 주입되어, 농후한 연소혼합물이 형성된다.

Description

압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템{INJECTION SYSTEM FOR COMPRESSION INGNITION DIESEL ENGINE}
본 발명은, 제어될 수 있는 흡기 밸브 및 배기밸브를 가지고 실린더와 피스톤으로 구성된 연소실내에서 분사노즐에 의해 연료를 제어하며 주입하기 위한 압축 착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템으로서, 분사노즐이 대략 연소실의 상부 중앙에 배열되는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템에 관한 것이다.
엔진내부에서 연소가 이루어질 때 고온에 의해 NOx 화합물이 형성된다. 연소온도가 상승함에 따라, NOx 배출물도 증가한다. NOx의 발생을 제한하기 위해, 희박 연소(lean burn)가 요구된다(과잉 공기).
디젤연소의 경우, 불균질한 혼합물(heterogeneous mixture)의 형성에 기인하여 상기 연소가 (과잉공기 없이) 화학양론적으로 처리되는 영역이 발생된다. 상기 이유에 의해, 균질 혼합물 형성을 가진 동일 챔버 공정보다 과잉 공기를 가진 동일압력 연소작용에 의해 이론적으로 더 많은 NOx 배출물이 발생된다.
디젤 연소시 NOx의 발생을 제한하기 위하여, 균질 연소가 필수적이다. 동시에, 디젤연소의 장점이 유지될 수 있도록 연소과정 동안 또한 연료가 유체형태로 연소실로 직접 안내되어야 한다. 상기 기술은, 디젤연료가 너무 조기에 주입되어 종래기술의 인젝션 시스템이 폭발(detonation)형태의 연소가 발생( 디젤 녹킹)되므로, 기계적 손상이 형성되기 때문에, 최근 기술과 목적이 상충된다.
본 발명의 목적은, 상대적으로 균질인 공기- 디젤 혼합물을 형성하기 위해 주입된 디젤 연료의 증발기능을 가지며 희박 혼합물(lean mixture)을 형성하기 위해 조합될 수 있고 NOx 배출물의 형성을 제한하기 위해 디젤 연료의 점화 주입을 보장하는 형태의 인젝션 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의하면, 연료 공급을 위한 주입각을 가지며 독립적으로 제어될 수 있는 분사노즐이, 연료의 비등온도보다 높은 주어진 형성온도를 가진 연소실의 상부벽 또는 경계 영역내에 배열되고, 상기 추가의 분사노즐을 통해 우선 균질한 혼합물이 자체발화(self- ignition) 경계값아래에서 형성되고, 또 다른 분사노즐을 통해 실린더 내부에서 상기 온도 및 압력가 상태변화된 후에 점화분무로서 연료량이 유입될 수 있다.
디젤연료가 증발표면과 접촉하여, 연료의 증발 따라서 연소실내에 존재하는 공기와 접촉하며 혼합물을 형성한다. 이것은 다음에, 연소실내부에 제공된 극도의 공기과잉 및 온도에 기인하여 자체 점화되지 않는 균질상태의 혼합물(homogeneous mixture)의 형성에 영향을 준다. 따라서 연소시 NOx 비율이 감소될 수 있다. 또한, 연소실내에 존재하고 점화되지 않은 균질상태의 혼합물을 통해 연소실내부의 온도는 감소되고, 다음에 점화작용에 필요한 디젤연료의 주입이 종래기술에 따라 수행된다.
또한, 공급된 연료를 충분히 증발시키기 위해, 공급된 연료를 위한 주입각을 가진 추가의 분사노즐이 연소링의 영역 및/또는 배기밸브의 영역내부를 향한다.
선택적 실시예들의 특징들이, 제 3 항 내지 제 5 항의 특징부를 통해 제공된다.
연료의 최적화된 증발을 보장하기 위하여, 제 1 주입시점에 대한 증발표면은 200℃ 내지 500℃, 특히 200℃ 내지 350℃의 온도를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 추가의 분사노즐은, 변화가능한 분사각 및/또는 변화가능한 구멍 직경을 포함한다.
본 발명에 의하면, 연료는, 한 개이상의 상기 분사노즐을 통해 상기 흡기밸브가 밀폐된 후에 그리고 주요분사(main injection)작용 전에 공급된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 연료는 추가의 분사노즐을 통해, 종래기술의 디젤엔진에서 10°KW nUTP 내지 40°KW nUTP 특히 17°KW nUTP 내지 23°KW nUTP에서 공급되고 밀러(Miller)사이클 또는 아트킨슨(Atkinson) 사이클을 가진 디젤엔진에서 80°KW nUTP 내지 40°KW nUTP에서 공급되며, 또 다른 분사노즐(107)을 통한 점화분사는 20°KW vOTP 내지 0°KW vOTP에서 발생된다.
이와 관련하여 특히, 연료는 추가의 분사노즐을 통해, 17°KW nUTP 내지 23°KW nUTP에서 공급된다.
"하사점 다음에(after the bottom dead center)"는 nUTP로 약칭하고, 하사점에 앞서(vUTP)에 대해 "앞서"를 의미하는 "v"가 사용된다. 상기 약칭 OTP 는 "상사점(Top dead center)에 대해 이용되고 "다음에"를 의미하는 "n" 및 "앞서"를 의미하는 "v"가 이용된다. 단위 "°KW"는 크랭크 각도(degree)를 의미한다.
도면들에서, 본 발명의 실시예가 개략적으로 도시된다.
도 1은, 추가의 분사노즐이 배기밸브를 향하고 분사노즐들을 가진 실린더를 도시한 단면도.
도 2는, 선택적으로 연소링을 향하는 추가의 분사노즐을 가진 도 1의 실린더를 도시한 도면.
도 3은, 선택적으로 피스톤 표면을 향하는 추가의 분사노즐을 가진 도 1의 실린더를 도시한 도면.
도 4는, 추가의 분사노즐을 통해 분사된 후에 활성화된 종래기술의 분사노즐을 가진 실린더를 도시한 도면.
도 5는, 도시된 추가의 연료 주입기능을 가지고 정적 및 정압 연소시 이론적인 디젤엔진 과정을 도시한 선도.
도시된 장치는, 운동하는 피스톤(113)을 가진 실린더(115)로 형성되고, 연소 링(119)을 통해 실린더헤드는 상기 실린더(115)와 연결된다. 상기 실린더(115), 실린더 헤드 및 운동 피스톤(113)내에 연소실(117)이 형성된다.
제어되는 흡기밸브(105)와 배기밸브(103)를 통해 폐쇄될 수 있는 흡입구(110)와 배출구(109)가 실린더헤드내에 배열된다.
또한, 상기 실린더헤드는 종래기술의 분사노즐(107) 및 90 도만큼 오프셋 배열된 분사노즐(101)을 추가로 포함한다.
도 1의 실시예에 의하면, 분무상태로 주입되는 연료공급(122)이 배기밸브(103)를 향하도록 또 다른 분사노즐(101)이 배열된다. 도 2에 도시된 또 다른 선택적 실시예에서, 방향을 가진 분사노즐(101)은 연료공급(121)이 연소링(115)을 향하도록 구성된다.
상기 분사노즐(107)은 실린더 헤드내에 구성되고, 연소실(117)내부의 연료량(123)은 점화주입(ignition injection)으로서 유입될 수 있다.
우선, 추가로 형성된 분사노즐(101)을 통해 연료는, 배기밸브(103) 또는 연소링(115) 또는 피스톤 표면상에 분무된다. 배기밸브(103) 또는 연소링(115)의 벽 또는 피스톤 표면에서 230℃의 정상적인 발생온도에 의해 분무된 디젤연료는 충분히 증발되어, 최소 요구 공기량의 약 3.2배인 공기량 비율을 가진 희박 연소 혼합물이 형성된다. 따라서, 피스톤 위치는 약 20°KW nUTP이다. 상기 연료는 상기 분사노즐(101)을 통해 배기밸브(103), 연소링(115) 및 피스톤 표면에 분무될 수 있다. 분무작용이 두 부분으로 수행될 수 있는 것이 자명하다.
실린더 헤드내에 장착된 분사노즐(107)을 통해 연료(123)는 다음 시점에 대해 연소실(117)내에 위치한다. 따라서, 상기 피스톤(113)은 위치 18°KW를 포함한다.
현재 분무된 연료(123)를 통해, 약 1.3의 공기량 비율을 가진 농후한 연소혼합물에 대해 앞서 발생된 희박 연소혼합물은 공급된 연료(123)와 혼합된다. 연소실 체적의 감소를 통해 충분한 압축이 이루어져서 상기 연료- 공기- 혼합물은 연소실(117)내에서 연속적으로 점화되고 피스톤(113)이 운동한다.
또한, 일반적으로 공기량 비율이 연료를 연소하기 위해 필요한 최소량보다 클 때 "희박 연소 혼합물"이 제공된다는 것에 주목한다. 특히, 공기량 비율이 최소 소요 공기량의 약 1.5배 내지 5배일 때 희박 연소 혼합물이 제공된다.
다음에, 공기량 비율이 연료를 연소하기 위해 필요한 최소량보다 작을 때 "농후한 연소 혼합물"이 제공된다. 공기량 비율이 최소 소요 공기량의 약 1.5배 아래일 때 농후한 연소 혼합물이 제공된다.
디젤연료의 연소를 위해 필요한 공기량은 약 14.2 Kg 공기/Kg 연료를 가진다.
추가로, 도 5에 도시된 선도에 의하면, 추가의 연료 주입(118)이 제공되는 것으로 도시된다.
101, 107....분사노즐,
105....흡기밸브,
103....배기밸브,
115....실린더.

Claims (9)

  1. 제어될 수 있는 흡기 밸브 및 배기밸브를 가지고 실린더와 피스톤으로 구성된 연소실내에서 분사노즐에 의해 연료를 제어하며 주입하기 위하여 분사노즐이 대략 연소실의 상부 중앙에 배열되는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템에 있어서,
    연료 공급(121,122)을 위한 주입각을 가지며 독립적으로 제어될 수 있는 분사노즐(101)이, 연료의 비등온도보다 높은 주어진 형성온도를 가진 연소실(117)의 상부벽 또는 경계영역(103,115)내에 배열되고, 상기 추가의 분사노즐(101)을 통해 우선 균질한 혼합물이 자체발화(self ignition) 경계값아래에서 형성되고, 또 다른 분사노즐(107)을 통해 실린더 내부에서 상기 온도 및 압력가 상태변화된 후에 점화분무로서 연료량이 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 공급된 연료를 위한 주입각을 가진 추가의 분사노즐(101)이 연소링(115)의 영역 및/또는 배기밸브(103)의 영역내부를 향하는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 공급된 연료를 위한 주입각을 가진 추가의 분사노즐(101)이 연소링(115)의 영역 및/또는 피스톤표면의 영역내부를 향하는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 공급된 연료를 위한 주입각을 가진 추가의 분사노즐(101)이 배기밸브(103) 및/또는 피스톤표면의 영역을 향하는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 공급된 연료를 위한 주입각을 가진 추가의 분사노즐(101)이 연소링(115)의 영역내에서 배기밸브(103)와 피스톤표면의 영역내부를 향하는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가의 분사노즐(101)은, 변화가능한 분사각 및/또는 변화가능한 구멍 직경을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 연료의 공급은, 한 개이상의 상기 분사노즐(101)을 통해 상기 흡기밸브(105)가 밀폐된 후에 그리고 주요분사(main injection)작용 전에 발생되는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가의 분사노즐(101)을 통한 연료공급은, 종래기술의 디젤엔진에서 10°KW nUTP 내지 40°KW nUTP에서 발생되고 밀러(Miller)사이클 또는 아트킨슨(Atkinson) 사이클을 가진 디젤엔진에서 80°KW nUTP 내지 40°KW nUTP에서 발생되며, 또 다른 분사노즐(107)을 통한 점화분사는 20°KW vOTP 내지 0°KW vOTP에서 발생되는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가의 분사노즐(101)을 통한 연료공급은, 17°KW nUTP 내지 23°KW nUTP에서 발생되는 것을 특징으로 하는 압축착화식 디젤엔진용 인젝션 시스템.
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