KR20140043127A - 연료 분사 시스템 - Google Patents

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KR20140043127A
KR20140043127A KR20147001644A KR20147001644A KR20140043127A KR 20140043127 A KR20140043127 A KR 20140043127A KR 20147001644 A KR20147001644 A KR 20147001644A KR 20147001644 A KR20147001644 A KR 20147001644A KR 20140043127 A KR20140043127 A KR 20140043127A
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젠나로 카푸토
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바르실라 핀랜드 오이
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Abstract

왕복 엔진용 연료 분사 시스템 (1) 은 엔진 실린더들에 연료를 분사하기 위한 연료 분사기들 (2), 연료 분사기들 (2) 에 연료를 공급하기 위한 분사 펌프들 (3) 을 포함하고, 각각의 분사 펌프는 분사될 연료를 가압하기 위한 적어도 하나의 펌프 요소 (5) 를 포함한다. 각각의 연료 분사기 (2) 는 연료 라인 (4) 에 의해서 별개 펌프 요소 (5) 에 연결된다. 복귀 라인 (10) 은 연료 라인 (4) 에 연결되고, 이 복귀 라인 (10) 은 연료 라인 (4) 의 압력을 제어하기 위한 압력 제어 밸브 (12) 를 구비한다. 연료 분사 시스템 (1) 은 압력 제어 밸브 (12) 를 제어하도록 구성된 제어 유닛 (29) 을 구비한다.

Description

연료 분사 시스템{FUEL INJECTION SYSTEM}
본 발명은 왕복 엔진의 연료 분사 시스템에 관한 것이다.
연료 분사 펌프들은, 가압된 연료를 연료 분사기 안으로, 그리고 또한 연료 분사기를 거쳐서 엔진 실린더 안으로 주기적으로 분사하기 위하여 왕복 엔진들에 이용된다. 연료 분사 펌프는 왕복 플런저가 배치된 연료 챔버를 포함하고, 이 플런저의 운동은 연료의 압력 증가를 유발한다. 연료 분사 펌프는 적어도 하나의 연료 포트를 포함하고, 연료는 이 연료 포트를 통해서 연료 챔버의 외부에 위치된 입구 챔버로부터 연료 챔버 안으로 도입된다. 플런저는 2 개의 제어 에지들 (control edges) 을 포함하고, 이 중 제 1 에지는 연료 분사의 개시 시기 (moment) 를 규정하고 그리고 제 2 에지는 종료 시기를 규정한다. 압력 챔버에서 최상측 데드 센터를 향해서 이동되는 플런저 측부상의 제 1 제어 에지가 연료 포트의 개구를 덮을 때, 압력 챔버 내 연료 압력은 증가하고, 그리고 가압된 연료가 압력 챔버로부터, 연료 분사기로 이어지는 연료 라인으로 유동된다. 플런저의 측부 상의 제 2 제어 에지가 연료 포트의 개구에 도달되고 연료 채널을 개방하면, 압력 챔버의 압력은 연료 포트를 통해서 입구 챔버 안으로 방출되고, 그리고 연료 분사기 안으로의 연료 유동은 종료된다. 제 2 제어 에지는 나선형이고, 이에 의해서 연료 분사의 종료 시기는 플런저를 그 종방향 축선을 중심으로 회전시킴으로써 변경될 수 있다.
본 발명의 목적은 향상된 분사 압력 제어 수단을 갖는 연료 분사 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1 에 설명된 바와 같이 달성된다.
본 발명에 따른 연료 분사 시스템은 엔진 실린더들 안으로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기들, 연료 분사기들에 연료를 공급하기 위한 분사 펌프들을 포함하고, 각각의 분사 펌프들은 분사될 연료를 가압하기 위한 적어도 하나의 펌프 요소를 포함한다. 각각의 연료 분사기는 별개의 펌프 요소에 연료 라인에 의해서 연결된다. 복귀 라인은 연료 라인에 연결되고, 이 복귀 라인은 연료 라인의 연료 압력을 제어하기 위한 압력 제어 밸브를 구비한다. 연료 분사 시스템은 압력 제어 밸브를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 구비한다.
본 발명에 따른 연료 분사 시스템은 엔진의 전체 운전 범위에 걸쳐서 분사 압력을 제어하는 넓은 유연성을 제공한다. 빠르고 유연한 분사 압력의 제어에 의해서, 정확한 연료 분사률 쉐이핑 (shaping) 및 낮은 배출물 레벨 및 연료 소비 요건들이, 분사 시스템 구성, 엔진 자동화 및 비용에 대해 매우 적은 영향을 주면서 달성될 수 있다. 추가적으로, 본 발명에 따른 연료 분사 시스템은, 종래 연료 분사 시스템들을 구비하는 2 행정 디젤 엔진 및 4 행정 디젤 엔진의 상이한 타입들에도 적용될 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
첨부된 도면은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 분사 시스템의 부분을 개략적으로 도시한다.
도면은 왕복 엔진을 위한 연료 분사 시스템 (1) 을 개시한다. 엔진은 2 행정 엔진 또는 4 행정 엔진의 대형 디젤 엔진일 수 있다. 여기서, 대형 왕복 엔진은, 예를 들어, 열 및/또는 전기의 생산을 위해서 선박들 또는 발전 플랜트들에서 메인 및 보조 엔진들로서 이용될 수 있는 그런한 엔진들을 가리킨다. 연료 분사 시스템 (1) 은 또한 더 작은 디젤 엔진들에서 이용될 수 있다.
연료 분사 시스템 (1) 은 엔진 실린더들 안으로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기들 (2) 을 포함한다. 또한, 연료 분사 시스템 (1) 은 연료 라인들 (4) 을 통해서 분사기들 (2) 에 연료를 공급하기 위한 연료 분사 펌프들 (3) 을 포함한다. 각각의 연료 분사 펌프 (3) 는 분사될 연료를 가압하기 위한 적어도 하나의 펌프 요소 (5) 를 포함한다. 도면에 도시된 연료 분사 펌프 (3) 는 하나의 펌프 요소 (5) 를 포함하나, 연료 분사 펌프 (3) 는 2 개 이상의 펌프 요소들을 포함할 수도 있다. 펌프 요소 (5) 는 왕복 플런저 (7) 가 배치되는 연료 챔버 (6) 를 포함한다. 비록 연료 분사 시스템 (1) 은 복수의 연료 분사기들 (2) 및 연료 분사 펌프들 (3) 을 포함하나, 명확화를 위해서, 도면은 단지 하나의 연료 분사기 (2) 및 하나의 연료 분사 펌프 (3) 를 도시한다. 각각의 연료 분사기 (2) 는 연료 라인 (4) 에 의해서 각자의 펌프 요소 (5) 에 연결된다. 연료 분사 펌프 (3) 는 도면에서 부분 단면도로서 도시된다.
엔진이 작동될 때, 플런저 (7) 는 연료 챔버 (6) 에서 왕복운동된다. 플런저 (7) 의 왕복운동은 연료 챔버 (6) 내 연료의 가압을 유발한다. 플런저 (7) 의 왕복운동은 회전가능한 캠샤프트 (9) 의 캠 (8) 에 의해서 생성된다. 플런저 (7) 는 스프링 (도시 안됨) 으로 캠 (8) 에 대해서 가압된다.
펌프 요소 (5) 는 가압된 연료를 연료 챔버 (6) 로부터 제거하기 위한 하나의 출구 포트 (15) 또는 둘 이상의 출구 포트들 (15) 을 갖는다. 출구 포트 (15) 로부터 연료 분사기 (2) 까지 이어진 연료 라인 (4) 은, 연료 챔버 (6) 내 압력이 일정 제한 값을 초과하면 개방되고 연료 챔버 (6) 내 압력이 이 제한 값 아래로 감소되면 폐쇄되는 메인 유동 밸브 (16) 를 구비한다. 메인 유동 밸브 (16) 는 체크 밸브이고, 즉 이 유동 밸브는 연료 챔버 (6) 로부터 연료 분사기 (2) 를 향한 유동을 허여하나, 연료 분사기 (2) 로부터 연료 챔버 (6) 로의 유동은 방지한다.
몸체부 (17) 는 펌프 요소 (5) 둘레에 배치된다. 입구 챔버 (18) 는 몸체부 (17) 와 펌프 요소 (5) 사이에 배치된다. 입구 챔버 (18) 는 환형이다. 입구 챔버 (18) 는 공급 라인 (19) 을 통해서 연료 소스, 예를 들어 연료 탱크 (11) 에 연결된다. 공급 라인 (19) 은 연료 소스로부터 입구 챔버 (18) 안으로 연료를 공급하기 위해서 펌프 (20) 를 구비한다. 입구 챔버 (18) 는 하나 이상의 연료 포트들 (21) 을 통해서 연료 챔버 (6) 에 연결된다. 연료 복귀 라인 (22) 은 입구 챔버 (18) 로부터 다시 연료 소스 (11) 로 이어진다. 연료 복귀 라인 (22) 은 복귀 라인 (22) 에서 연료 압력을 조정하기 위한 조정 밸브 (30) 를 구비한다.
플런저 (7) 는 플런저 (7) 의 측부에 위치된 제 1 제어 에지 (23) 를 포함한다. 제 1 제어 에지 (23) 는 연료 분사의 개시 시기를 결정한다. 제 2 제어 에지 (24) 는 또한 플런저 (7) 의 측부에 위치된다. 제 2 제어 에지 (24) 는 연료 분사의 종료 시기를 결정한다. 제 2 제어 에지 (24) 는 제 1 제어 에지 (23) 아래에 있다. 제 2 제어 에지 (24) 는 나선형이고, 이에 의해서 연료 분사 종료 시기는 종방향 축선 (25) 을 중심으로 플런저 (7) 를 회전시킴으로써 변경될 수 있다. 플런저의 종방향 축선 (25) 의 방향으로 연장되는 종방향 그루브 (26) 는 플런저 (7) 의 측부에 배치된다.
분사 펌프 (3) 는 종방향 축선을 중심으로 플런저 (7) 를 회전시킴으로써 연료 분사의 종료 시기 및 분사 기간을 조정하기 위한 액츄에이터 (27) 를 더 포함한다. 액츄에이터 (27) 는, 예를 들어 플런저 로드 둘레에 배치된 나사산식 휠 및 이와 함께 작동하는 나사산식 랙을 포함한다. 랙의 종방향 운동은 플런저 (7) 를 종방향 축선 (25) 을 중심으로 회전시킨다.
각각의 분사기 (2) 는 연료 라인 (4) 에 의해서 별개의 펌프 요소 (5) 에 유체적으로 연결된다. 복귀 라인 (10) 은 연료 라인 (4) 으로부터 연료를 배출하기 위해서 각각의 연료 라인 (4) 에 연결된다. 복귀 라인 (10) 은 연료 탱크 (11) 와 유동 연통상태일 수 있다. 각각의 복귀 라인 (10) 은 연료 라인 (4) 의 연료 압력을 제어하기 위한 압력 제어 밸브 (12) 를 구비한다. 복귀 라인 (10) 은 압력 제어 밸브 (12) 의 하류에 장착된 전달 밸브 (13) 를 또한 구비한다. 전달 밸브 (13) 는, 압력 제어 밸브 (12) 와 전달 밸브 (13) 사이의 복귀 라인 (10) 의 압력이 일정 제한 값을 초과할 때 개방되고 압력이 이 제한 값 아래로 감소되면 폐쇄되도록 구성된 체크 밸브이다. 연료 라인 (4) 은 연료 라인 (4) 의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 (14) 를 구비한다. 압력 센서 (14) 는 복귀 라인 (10) 의 분기점의 하류에 장착된다.
연료 분사 시스템 (1) 은, 압력 제어 밸브들 (12) 를 제어하도록 구성된 제어 유닛 (29) 을 구비한다. 연료 라인들 (4) 의 압력 센서들 (14) 의 측정 데이타는 제어 유닛 (29) 에 전송된다. 압력 제어 밸브들 (12) 은 펄스 폭 변조 (PWM) 제어에 의해서 제어될 수 있고, 이 제어에 있어서 압력 제어 밸브 (12) 의 액츄에이터의 제어 신호는 PWM 테크닉에 의해서 생성된다. PWM 에 있어서, 액츄에이터에 공급된 제어 전압 (또는 전류) 의 평균 값은 공급부와 액츄에이터 사이에서 스위치를 빠른 페이스로 온 (on) 및 오프 (off) 함으로써 제어된다. 스위치가 오프 기간들에 비하여 더 길게 온 될 수록, 액츄에이터에 공급되는 전력이 더 높다. 대안적으로, 다른 제어 기술들이 또한 이용될 수 있다.
제어는 폐쇄 루프 또는 개방 루프 제어에 기초될 수 있다. 폐쇄 루프 제어에 있어서, 제어 유닛 (29) 은 압력 센서 (14) 의 압력 측정에 기초하여 압력 제어 밸브 (12) 의 운전을 제어한다. 제어는 분사 발생 동안에 연료 라인 (4) 중의 최대 압력의 측정에 기초될 수 있다. 제어 유닛 (29) 은 측정된 압력 값을 기준 값과 비교하고, 측정된 압력 값이 기준 값에 접근하도록 압력 제어 밸브 (12) 를 제어한다.
개방 루프 제어에 있어서, 제어 유닛 (29) 은, 연료 라인 (4) 의 연료 압력에 대한 기준 값들 및 대응하는 압력 제어 밸브 (12) 의 위치를 규정하는 연료 압력 매트릭스를 갖는다. 제어 유닛 (29) 은 연료 압력 값 매트릭스의 기준 값들에 기초하여 압력 제어 밸브 (12) 를 제어하도록 구성된다.
폐쇄 루프 제어 및 개방 루프 제어 모두에 있어서, 연료 압력을 위한 기준 값들은 엔진 제어 전략에 의존된다. 기준 값들은, 예를 들어 어떤 엔진 스피드 및/또는 하중 또는 배출 레벨의 파라미터로서 규정될 수 있다.
연료 분사 펌프 (3) 의 운전은 다음에서 더욱 상세히 설명된다. 엔진이 작동될 때, 캠샤프트 (9) 와 캠 (8) 은 캠샤프트의 회전 축선 (28) 을 중심으로 회전된다. 연료는 연료 탱크 (11) 로부터 입구 챔버 (18) 안으로 펌프 (20) 에 의해서 공급된다. 플런저 (7) 가 최하측 데드 센터에 있을 때, 연료는 입구 챔버 (18) 로부터 연료 포트 (21) 를 통해서 연료 챔버 (6) 안으로 유동된다. 플런저 (7) 가 위로, 즉 연료 챔버 (6) 의 최상측 데드 센터를 향해서 이동되기 시작한다. 제 1 제어 에지 (23) 는 연료 포트 (21) 의 개구를 덮는다. 이후에, 위로 움직이는 플런저 (7) 는 연료 챔버 (6) 의 연료를 가압한다. 연료 챔버 (6) 의 연료 압력이 메인 유동 밸브 (16) 의 개방 압력을 초과할 때, 연료는 출구 포트 (15) 및 메인 유동 밸브 (16) 를 통해서 연료 라인 (4) 및 연료 분사기 (2) 안으로 유동된다. 제어 유닛 (29) 은, 연료 라인 (4) 의 연료 압력이 조정될 수 있도록 압력 제어 밸브 (12) 를 제어한다. 압력 제어 밸브 (12) 가 개방될 때, 연료의 일부는 연료 라인 (4) 으로부터 압력 제어 밸브 (12) 및 전달 밸브 (13) 를 통해서 연료 탱크 (11) 로 유동된다.
폐쇄 루프 제어에 있어서, 연료 라인 (4) 의 연료 압력은 압력 센서 (14) 에 의해서 측정된다. 제어 유닛 (29) 은 측정된 압력 값을 기준 값과 비교하고, 그리고 연료 라인 (4) 의 측정된 압력 값이 기준 값에 도달되도록 압력 제어 밸브 (12) 를 제어한다. 개방 루프 제어에 있어서, 제어 유닛 (29) 은 연료 압력 값 매트릭스의 기준 값들에 기초하여 압력 제어 밸브 (12) 를 제어한다.
연료 라인 (4) 및 연료 분사기 (2) 로의 연료 유동은, 플런저 (7) 의 제 2 제어 에지 (24) 가 연료 포트 (21) 의 개구에 도달되고 개구를 개방시킬 때까지 계속된다. 따라서 연료 챔버 (6) 의 연료 압력은 플런저 (7) 의 측부 상의 종방향 그루브 (26) 및 연료 포트 (21) 를 통해서 입구 챔버 (18) 안으로 방출된다. 메인 유동 밸브 (16) 및 전달 밸브 (13) 는 폐쇄된다.
플런저 (7) 는 최상측 데드 센터에 도달되고, 그리고 이어서 연료 챔버 (6) 내에서 아래로 이동되기 시작한다. 제 2 제어 에지 (24) 는 다시 연료 포트 (21) 의 개구를 덮는다. 최하측 데드 센터의 근처에서 제 1 제어 에지 (23) 는 연료 포트 (21) 의 개구에 도달되고 개구를 개방하고, 그리고 연료는 연료 포트 (21) 를 통해서 연료 챔버 (6) 안으로 유동된다. 플런저 (7) 는 최하측 데드 센터에 도달되고 잠시 동안 여기에 머물고, 이에 의해서 연료는 연료 포트 (21) 를 통해서 연료 챔버 (18) 안으로 유동된다.
플런저 (7) 가 종방향 축선 (25) 을 중심으로 회전될 때, 제 2 제어 에지 (24) 의 위치는 연료 포트 (21) 의 개구에 대해서 변경된다. 따라서, 최상측 데드 센터를 향해서 이동되는 플런저의 제 2 제어 에지 (24) 는 더 일찍 또는 더 늦게 연료 포트 (21) 의 개구에 도달되고, 대응하여 더 일찍 또는 더 늦게 연료 분사에 도달된다. 따라서, 연료 분사의 종료 시기는 늦어지거나 또는 빨라질 수 있다. 연료 분사 기간이 종방향 축선 (25) 을 중심으로 플런저 (7) 를 회전시킴으로써 변경될 수 있다.

Claims (9)

  1. 왕복 엔진용 연료 분사 시스템 (1) 으로서,
    - 엔진 실린더들 안으로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기들 (2),
    - 상기 연료 분사기들 (2) 에 연료를 공급하기 위한 분사 펌프들 (3) 로서, 상기 분사 펌프들 (3) 각각은 분사될 연료를 가압하기 위한 적어도 하나의 펌프 요소 (5) 를 포함하는, 상기 분사 펌프들을 포함하고,
    상기 연료 분사기 (2) 각각은 연료 라인 (4) 에 의해서 별개의 펌프 요소 (5) 에 연결되는, 상기 연료 분사 시스템에 있어서,
    복귀 라인 (10) 은 상기 연료 라인 (4) 에 연결되고, 상기 복귀 라인 (10) 은 상기 연료 라인 (4) 의 연료 압력을 제어하기 위한 압력 제어 밸브 (12) 를 구비하고, 또한 상기 연료 분사 시스템 (1) 은 상기 압력 제어 밸브 (12) 를 제어하도록 구성된 제어 유닛 (29) 을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 라인 (4) 은 상기 연료 라인 (4) 의 연료 압력을 측정하기 위한 압력 센서 (14) 를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (29) 은 상기 압력 센서 (14) 에 의해서 측정된 압력에 기초하여 상기 압력 제어 밸브 (12) 를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (29) 은 측정된 압력 값을 기준 값과 비교하고, 상기 측정된 압력 값이 상기 기준 값에 접근하도록 상기 압력 제어 밸브 (12) 를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (29) 은 상기 연료 라인 (4) 의 연료 압력에 대한 기준 값들을 규정하는 연료 압력 값 매트릭스를 구비하고, 그리고 상기 제어 시스템 (29) 은 상기 기준 값들에 기초하여 상기 압력 제어 밸브 (12) 를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복귀 라인 (10) 은 상기 압력 제어 밸브 (12) 의 하류에 장착된 전달 밸브 (13) 를 구비하고, 상기 전달 밸브 (13) 는 상기 복귀 라인 (10) 의 압력이 일정 한계를 초과할 때 개방되도록 구성된 체크 밸브인 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 제어 밸브 (12) 는 펄스 폭 변조 제어에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 펌프의 펌프 요소 (5) 는 연료 챔버 (6), 상기 연료 챔버 (6) 내에 배치된 왕복 플런저 (7), 상기 연료 챔버 (6) 와 유체 연통으로 배치된 연료를 위한 연료 포트 (21) 및 출구 포트 (15) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 플런저 (7) 는 연료 분사의 시작 시기 (moment) 를 결정하는 제 1 제어 에지 (23) 및 연료 분사의 종료 시기를 결정하는 제 2 제어 에지 (24) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 시스템.
KR1020147001644A 2011-06-23 2012-06-15 연료 분사 시스템 KR101781791B1 (ko)

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