KR20150100659A - 내연기관용 내부 냉각 배기가스 재순환 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

내연기관용 내부 냉각 배기가스 재순환 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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노스트럼 에너지 피티이. 리미티드
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Abstract

내연기관에 배기가스 재순환(EGR) 시스템과 무화된 물을 점화에 앞서 재순환된 배기가스로 분무하는 것에 의해 내부적으로 상기 배기가스를 냉각하기 위한 수단이 갖춰지도록 제공된다. 무화된 물 분무는 흡기 매니폴드 내부 또는 직접적으로 실린더 내부 일 수도 있다. 상기 엔진은 불꽃 점화 또는 압축 착화를 이용할 수도 있다. 내연기관은 12:1보다도 큰 압축비와 희박 공기:연료비로 작동된다. 또한, 상기 엔진 내에서 재순환된 배기가스의 양을 제어하고 부가된 물의 양을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 본 발명의 엔진은 높은 열역학적 효율과 양호한 NOx 배출을 갖는다.

Description

내연기관용 내부 냉각 배기가스 재순환 시스템 및 그 작동 방법 {INTERNALLY COOLED EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD THEREOF}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2012년 11월 20일에 출원된 미국 가특허출원 61/728,516호 및 2013년 1월 17일에 출원된 미국 가특허출원 61/753,719호로부터의 우선권을 주장하며, 이들 양 출원의 내용은 참고로 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 일반적으로 내연기관에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 배기가스가 재순환되는 내연기관에 관한 것이다.
본 발명은, 직접적으로 냉각된 배기가스 재순환(EGR)으로 작동하는 적어도 하나의 피스톤을 갖는 내연기관에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 원리는 가솔린(페트롤), 천연 가스, 또는 에탄올 혼합물로 보통 작동하는 불꽃-점화(SI) 기관, 또는 디젤유, 바이오 디젤유, JP-8 또는 다른 제트 연료 변형물, 케로신(kerosene), 또는 중유로 보통 작동하는 압축-점화(CI) 기관 모두에 사용될 수 있다. 본 발명은 배기가스가 재순환되는 자연 흡기 내연기관 및 강제 흡기 내연기관 모두에 적용이 가능하다. 본 발명은 직접 연료 분사 엔진과 포트 연료 분사 엔진에 적용 가능하다.
내연기관에서 EGR의 사용은 잘 알려져 있고, 상업 제품에 널리 적용되어 있다. 가솔린 엔진의 연소실로 재순환된 배기가스가 실린더 내에서 가연성 충진물을 대체하고, 디젤 엔진에서는 배기가스가 예비-연소 혼합물 내의 과잉 산소를 대체한다. 가연성 충진물을 대체함으로써 연소 온도를 낮출 수 있으며, 이는 질소와 산소 혼합물이 1371℃(1644K) 이상의 온도에서 주로 형성되는 NOx의 형성을 감소시키는데 효과적이다. 재순환된 배기가스는 흡입 공기를 대체하고 가열되며 충진물 밀도를 감소시킨다. 이러한 조합된 효과는 펌핑 손실(pumping losses)을 감소시키는데 기여하며, 출력이 감소함에도 불구하고, 엔진 효율은 증가한다. 따라서, EGR은 오토 사이클(Otto-cycle) 엔진 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, SI 엔진 및 CI 엔진 모두에서 질소산화물("NOx") 배출물을 감소시키기 위한 효과적인 방법이다.
연소실로 배기가스를 다시 재도입하면 최대 연소 온도가 감소된다. 이러한 온도의 감소는 주로 재순환된 배기가스가 연소에 참여하지 않으며, 이에 따라 어떠한 연소 에너지를 생성하지 않기 때문이다. 상기 배기가스는 부가적인 열질량(thermal mass)을 제공하여, 질량과 열용량(heat capacity)의 곱(m*Cv)이 EGR이 없을 때보다 EGR을 가질 때 더 높다는 점에서, 상기 배기가스는 연소 에너지를 보다 높은 전체 열질량에 걸쳐 분배되는 것을 허용한다. EGR 재순환에 의해 제공되는 온도 감소는 연소 온도를 감소시키고, 이에 따라 NOx 제어 및 생성을 제어하고 감소시키는데 효과적이다. EGR은 임의의 주어진 부하에서도 보다 높은 매니폴드 압력을 허용하여, 충진 싸이클 작업의 감소 결과를 가져와, 연료 소비를 낮춘다.
연소실로 다시 배기가스 경로를 변경하는 2가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 밸브 페이징(valve phasing) 또는 밸브 오버랩(valve overlap)에 의한 내부 배기가스 재순환(i-EGR)이다. 밸브 오버랩은 흡기 밸브가 배기 행정 중에 배기가스가 흡기 트랙에 진입할 수 있도록 조기에 개방되는 상태이거나 배기 밸브가 흡기 행정 중에 배기가스가 연소실로 복귀하는 것을 허용할 수 있도록 계속 개방되는 상태이다. 이는 통상적으로 EGR 이점을 최적화하기 위해 엔진의 작동 위치(operating point)에 따라 밸브 이벤트(valve event)를 조정할 수 있도록 캠축 페이징을 가변시키는 가변 밸브 타이밍 시스템을 이용함으로써 달성된다. 이는 도 1에 예시되어 있는데, 도 1은 흡기 밸브(11)를 통과하는 내부 EGR에 의한 배기가스 흐름을 나타내는 종래 기술에 의한 엔진의 개략도를 도시하고, 상기 흡기 밸브는, 피스톤(12) 배기 행정 중에 배기가스(14)가 연소실(15)로부터 흡기 트랙(16)으로 진입하고, 피스톤(12) 흡기 행정 중에, 연소실(15)로 진입하는 흡입 충진 공기(13)와 혼합하도록, 상기 배기 행정 말기에 조기 개방된다.
도 2를 참조하면, 종래 기술에 의한 엔진의 개략도가 배기 밸브(21)를 통과하는 내부 EGR에 의한 배기가스의 흐름을 도시한다. 상기 배기 밸브(21)는 피스톤(22) 배기 행정 후에 늦게까지 열린 상태를 유지하여, 상기 피스톤(22)의 흡기 행정 중에 배기 트랙(26)내의 배기가스(23)가 연소실(25)로 복귀(24)하는 것을 허용한다.
배기가스 재순환의 두 번째 방법은 대응하는 제어된 EGR 밸브(e-EGR)를 포함하거나 포함하지 않을 수도 있는 상기 연소실의 외부의 배기가스 루프(exhaust gas loop)를 경유하는 것이다. 상기 EGR 밸브는 신선한 흡입 공기-연료 혼합물로 다시 적당량의 배기가스를 공급할 수 있도록 엔진의 작동 위치에 따라 전자적으로 작동된다. 도 3은 EGR이 EGR 냉각기(34)를 갖는 외부 루프를 통해 제공된 종래 기술 엔진의 개략도를 도시한다. 배기가스(31)는 피스톤(32)의 배기 행정 중에 연소실(33)로부터 배출된다. 상기 배기가스는 튜브, 파이프, 채널 및 다른 수단에 의해, 배기 트랙(37)으로부터 배기가스를 냉각하는 열교환기 또는 동일한 실시 형태의 외부 열전달 장치(34)로 운반된다. 냉각된 배기가스(35)는 열전달 장치(34)로부터 흡입 공기 트랙(38)의 앞에 또는 내부에 있는 흡입 공기 흐름(36)으로 운반된다. 전술한 바와 같이, 추가적인 EGR 가스가 혼합된 흡입 충진물의 열질량을 증가시킨다.
상기 해결 방안 모두는 단점이 있다. e-EGR의 경우, 엔진 관리시스템에 의해 요청되는 EGR 퍼센트 및 엔진 유입구에서의 배기가스 도착 사이에 시간 지연이 발생된다. 이러한 시간 지연은 제어 문제를 일으키고, 궁극적으로 엔진 효율로 낮추게 된다. i-EGR의 경우, 제어 문제는 개선되지만, 매우 높은 온도의 가스가 재순환되어, 체적 효율의 손실과 얼마나 많은 EGR이 노킹 발생 전에 달성될 수 있는지에 대한 제한으로 이어진다. 산업 및 학술 연구가 배기가스를 냉각하는 외부 열교환기를 이용하는 냉각된 EGR에 대해 수행되어져 왔고, 모든 관심이 중심이 외부 EGR 루프 냉각에 맞춰져 있어 왔는데, 이는 외부 EGR 루프 냉각이 냉각된 EGR을 실시하는 가장 효과적이고 실현 가능한 방법이기 때문이다.
EGR 시스템의 배출물 감소 가능성은 냉각된 EGR 시스템을 통해 더 개선될 수 있다. 냉각된 EGR 시스템은 압축 착화 기관에 폭넓게 이용되는데, 여기서 상기 EGR 시스템은 터보차저 디젤 엔진의 고압 배기 및 충진 루프에 통합된다. 배기가스는 실린더와 배기가스 터빈의 주배기 흐름(main exhaust flow)으로부터 재순환된다. 배기가스는, 제2 외부 냉각원을 이용하는, 내부 냉각기 또는 열교환기를 통과하여, 열교환기의 형태로 된 고체 매체를 통해 배기가스로부터의 열을 전달한다. 냉각된 배기가스는 이후, 상기 압축기와 상기 실린더 사이의 고압 루프 또는 상기 압축기의 저압 루프 중 어느 하나의, 엔진의 흡입 공기 흐름에 도입된다.
냉각된 외부 EGR 시스템은 엔진 제어 시스템, 배기관, 배기가스 냉각기와 흡기 파이프에 의해 제어되는 재순환된 배기가스의 체적을 조절하도록 밸브를 사용할 수도 있다. 이러한 시스템은 실린더 챔버로 배기가스를 도입하기 전에 고온의 배기가스로부터 열을 추출하기 위해 열교환기의 형태를 통해 외부의 냉각제를 이용한다. 냉각된 EGR 시스템은 배기 가스 냉각기를 승용차에서는 약 450℃까지 및 상용 차량에서는 700℃까지의 극한 온도에 노출시킨다.
본 발명은 흡기 트랙(매니폴드) 내에 재순환되는 배기가스로 분사되거나 표준보다 큰 기계 압축비에서 작동하는 엔진의 연소실 내에 직접 분사되는 물과 직접 열 교환하여 내부적으로 냉각된 배기가스(EGR)와, 극도 희박(extremely lean) 연료 혼합물로 작동하는 내연기관을 제공한다. 이 장치 및 방법은 불꽃 점화 기관 및 압축 점화 기관 모두에 적용할 수 있다.
불꽃 점화 기관의 경우, 압축비는 12:1보다도 크고, 실시예들에 있어서 압축비는 13:1, 15:1, 16:1 또는 그 이상일 수 있다. 높은 압축비는 희박 연료 혼합물, EGR 및 EGR 트랙, 흡기 트랙, 또는 점화 전 상기 실린더로 내에 직접적으로 물 분사하는 것에 의해 실현 가능하다. 상기 연료 혼합물은 화학 양론보다 크거나, 1보다 큰 λ일 것이다. 실시예들에 있어서, 불꽃 점화 기관에 대한 λ는 약 1.1 내지 약 3 범위이다. 다양한 실시예들에 있어서, 불꽃 점화 기관에 대한 λ는 약 1.5, 약 1.75, 약 2.0, 또는 약 2.25이다. 이러한 요소들을 조합함으로써 조기-점화(pre-ignition)(엔진 노킹)가 최소화되어, 본 명세서에서 개시된 내연기관이 종래의 엔진보다 더 높은 압축비로 작동되도록 한다.
압축 점화 기관의 경우, 압축비는 14:1보다도 크며, 최대 약 40:1에 이른다. 연료 혼합물은 λ가 1보다 크고 최대 약 7이다. 실시예들에서, 연료 혼합물의 λ는 약 2.0, 약 3.0, 약 4.0, 또는 약 5.0일 수 있다.
본 발명의 직접 냉각 EGR 시스템은 EGR 바이패스 내의 EGR 루프 내부, 흡기 트랙 내 또는 내연기관의 연소실 내에 직접적으로 재순환되는 배기가스를 내부적으로 냉각하는 물 분사 시스템을 제공한다. 본 발명은 통상적으로 멀티-플레이트, 멀티-튜브, 판 또는 핀이 달린 열교환 장치 및 구성요소를 포함하는 EGR 냉각 시스템을 구비하는 간접 방식의 배기가스 냉각요소를 사용하지 않도록 한다. 또한, 본 발명은 무화된 물로 재순환 배기가스를 직접 냉각함으로써, 교환 매체를 통한 열역학적 전달을 제거한다.
본 발명의 실시예는 내연기관을 포함하며, 이 내연기관은 일 부분에서 연소실이 형성된 적어도 하나의 실린더; 상기 연소실로 공기 흐름을 제공하는 적어도 하나의 공기 흡기 밸브를 갖는 공기 흡기 매니폴드; 상기 연소실로부터의 배기가스의 배출흐름을 제공하는 적어도 하나의 배기 밸브를 갖는 배기 매니폴드; 상기 연소실 내에 연료를 도입하기 위한 연료 분사기를 갖고, 1보다 크고 7.0보다 작은 공기 중 산소 대 연료의 화학양론비(λ)를 갖는 공연비를 제공하는 연료 처리 시스템; 상기 적어도 하나의 실린더의 각각의 내부에 배치하고 흡기 행정, 압축 행정, 폭발 행정 및 배기 행정을 통해 왕복 운동하도록 구성되고, 12:1보다 크고 40:1보다 작은 기계 압축비를 제공하도록 구성된 피스톤; 상기 압축 행정의 말기 부분에 상기 연소실 내의 연료를 점화하기 위한 점화 시스템; 배기가스를 상기 배기 매니폴드로부터 상기 연소실로 재순환하기 위한 배기가스 재순환 수단; 및 상기 재순환된 배기가스를 배기가스로 분사되는 사전에 정해진 양의 무화된 물(atomized water)과의 직접적인 접촉에 의해 냉각하기 위한 수단을 갖는다. 상기 재순환하는 배기가스는 상기 사전에 정해진 양의 무화된 물에 의해 냉각되기 전에 적어도 하나의 배기 밸브로 배출되는 배기가스보다 실질적으로 더 낮은 온도를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예는 배기가스 재순환 시스템을 갖춘 내연기관 내의 재순환된 배기가스를 내부적으로 냉각하는 방법을 포함하고, 이 방법은 일 부분에서 연소실이 형성된 적어도 하나의 실린더, 상기 연소실로 공기 흐름을 제공하는 적어도 하나의 공기 흡기 밸브를 갖는 공기 흡기 매니폴드, 상기 연소실로부터의 배기가스의 배출흐름을 제공하는 적어도 하나의 배기 밸브를 갖는 배기 매니폴드, 연료 분사기를 갖는 연료 처리 시스템 및 점화 시스템을 구비한다. 상기 방법은 1보다 큰 공기 중 산소 대 연료의 화학양론비(λ)를 갖는 공연비에서 상기 연소실로 연료를 도입하고; 흡기 행정, 압축 행정, 폭발 행정 및 배기 행정을 통해 상기 실린더 내에서 13:1보다 큰 기계 압축비를 제공하는 피스톤을 왕복시키며, 상기 압축 행정의 말기 부분에 상기 연소실 내의 연료를 점화하며; 배기가스를 흡기 행정의 일부 중에 상기 배기 매니폴드로부터 상기 연소실로 재순환하고; 상기 재순환된 배기가스를 상기 배기가스로 분사된 사전에 정해진 양의 무화된 물과의 직접적인 접촉에 의해 냉각한다. 상기 재순환하는 배기가스는 상기 사전에 정해진 양의 무화된 물에 의해 냉각되기 전에 적어도 하나의 배기 밸브로 배출되는 배기가스보다 실질적으로 더 낮은 온도를 갖는다.
도 1은 흡기 밸브를 통과하는 내부 EGR에 의한 배기가스 흐름을 도시하는 종래 기술 엔진의 부분 개략도이다.
도 2는 배기 밸브를 통과하는 내부 EGR에 의한 배기가스 흐름을 도시하는 종래 기술 엔진의 부분 개략도이다.
도 3은 EGR 냉각기를 갖는 외부 루프를 통과하는 외부 EGR에 의한 배기가스의 흐름을 도시하는 종래 기술 엔진의 부분 개략도이다.
도 4는 직접 연료 분사되고, 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 통해서, 연소실 내로 직접적으로 향하는 물 분사기에 의해 직접 EGR 냉각을 하는 내부 EGR을 나타내는 엔진 시스템을 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 도시한다.
도 5는 직접 연료 분사되고, 연소실 내로 직접적으로 향한 물 분사기를 통해 직접 EGR 냉각을 하는 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 도시하는 엔진 시스템을 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 도시한다
도 6은 포트 연료 분사되고, 연소실 내부로 직접적으로 향하는 물 분사기에 의해 직접 EGR 냉각을 하는 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 도시하는 엔진 시스템을 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 예시한다.
도 7은 포트 연료 분사되고, 흡기 트랙으로의 물 분사에 의한 직접 EGR 냉각을 하는 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 나타내는 엔진 시스템을 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 예시한다.
도 8은 직접 연료 분사되고, 연소실 내부로 직접적으로 향하는 물 분사기에 의해 직접 EGR 냉각을 하는, 고압 및 저압의, 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 도시하는 엔진 시스템을 갖는 터보차저 내연기관의 개략도를 예시한다.
도 9는 포트 연료 분사되고, 연소실 내부로 직접적으로 향하는 물 분사기에 의해 직접 EGR 냉각을 하는, 고압 및 저압 외부의, 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 도시하는 엔진 시스템을 갖는 터보차저 내연기관의 개략도를 예시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의해 수행되는 제어 처리의 흐름도이다.
본 발명은 희박 연료 혼합물, 고압축비, 높은 작동 온도, 배기가스 재순환(EGR) 및 EGR 경로, 흡기 매니폴드 또는 실린더로의 물 분사의 사용을 통해 종래의 엔진보다 상당히 더 높은 열역학적 효율로 작동하는 4행정 불꽃 점화 기관 또는 압축 점화(디젤) 기관을 제공한다.
본 발명의 문맥에서, 용어 "흡기 트랙"은 주위 환경 즉 공기 흡기구와 연소실 사이에 있는 신선한 공기 경로의 임의의 부분을 지칭한다. 이와 같이, 흡기 트랙은 공기 흡기구, 공기 유입구, 임의의 신선한 공기 도관 및 흡기 매니폴드를 포함한다. 본 발명의 문맥에서, 용어 "배기 트랙"은 예를 들면, 실린더 유출구, 배기 매니폴드, 임의 배기가스 도관 및 연결부를 포함하는 배기가스 통로의 임의 부분을 지칭하고, 주위로 배기가스를 배출하는 머플러 및 배기관을 포함할 수도 있다. 용어 "EGR 트랙"은 배기가스의 일부를 EGR 시스템으로 전환하는 배기 트랙의 분로(shunt)와 EGR 가스가 흡기 트랙으로 도입될 때까지 재순환된 배기가스 경로를 정의하는 EGR 시스템의 임의 도관, 밸브, 연결부, 또는 그외 다른 부분 사이의 배기가스 재순환 시스템의 일부를 지칭한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이 용어 "λ"는 공기 중 산소에 대한 연료의 화학양론비(stoichiometric ratio of oxygen in air to fuel)를 지칭한다. 화학양론적 공기 및 산소는 탄화수소 연료 내의 탄소 각각의 몰에 대해 (공기 중) 산소 1몰이 있고, 연료 내의 수소 매 2몰에 대해 산소 1몰이 있음을 의미한다. 이러한 화학양론비(stoichiometry)는 가솔린에 대해 약 14.7:1의 중량비(w/w, 가솔린:공기)로 변환된다. 보다 높은 λ값은 보다 희박한 혼합물, 또는 연료의 단위당 보다 많은 공기를 나타낸다. 이와 같이, 1보다 큰 λ는 14.7:1 w/w보다 큰 (가솔린에 대한) 비를 의미한다. 다른 연료 유형은 다른 화학양론비를 필요로 한다. 예를 들면, 메탄올에 대한 화학양론적 공기 대 연료는 약 6.5:1, 에탄올에 대해 약 9.0:1 디젤유에 대해 14.4:1, 천연 가스에 대해 16.6:1, 메탄에 대해 17.2:1이다.
배기가스 재순환 장치가 장착된 종래의 내연기관은 연소실 내로 배기가스가 재도입되기 전에, 배기가스를 냉각시키기 위하여 배기가스의 재순환 경로에 라디에이터와 같은 열교환기를 제공한다. 이와는 달리, 본 명세서에 개시된 본 발명의 엔진은 열교환기를 전혀 필요로 하지 않기 때문에, 주변으로의 열손실을 최소화할 수 있다. 본 발명에서 내부 온도 제어와 엔진 냉각은, 희박 연료 혼합물, EGR에 의해, 그리고 흡기 매니폴드 내로 또는 엔진의 실린더 내로 직접 물을 분사함으로써 이루어진다. 이에 따라, 본 발명의 엔진은 최대 50%의 열역학적 효율로 작동되는 것이 입증되었다.
종래의 오토 사이클 엔진은, 불꽃 점화 기관에서 고옥탄가 연료를 사용할 때, 12:1 이하의 압축비로 한정되고, 압축 착화 기관에서는 23:1 이하의 압축비로 한정된다. 위에 언급한 이들 압축비보다 높은 압축비는 예를 들면, 연소실 내에서 연료의 조기 폭발을 유도함으로써 엔진 손상을 야기하고, 과도한 열손실이 발생되는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 그러나, 실린더 압력이 적절하게 제어될 될 수 있는 경우에는, 압축비를 높이게 되면 연료의 연소를 기계 에너지로 변환시키는 효율을 증가시킬 수 있다는 이점을 얻을 수 있다.
종래에는, EGR 냉각은 펌핑 손실을 최소화하고, 엔진 온도를 제어하며, NOx의 생성을 최소화하는데 바람직한 것으로 인식되었다. 본 발명의 일 실시예에서, EGR 가스는 외부 열교환기(EGR 냉각기)를 사용하지 않고 내부적으로 냉각된다. 본 발명의 방법은 노킹 한계 불이익, 충진 밀도 감소 및 체적 효율 손실 없이도 훨씬 더 많은 양의 EGR이 이용되는 것을 허용한다. 이는, 본 발명이 EGR 재순환의 어떠한 방법과도 함께 사용될 수 있지만, 포트 연료 분사 엔진과 직접 연료 분사 엔진 모두에서 뿐만이 아니라 터보차저 엔진 및 비-터보차저 엔진에 대해서 EGR 루프에서 가장 효과적일 수도 있다.
종래에는, 통상적으로 외부 EGR 냉각이 이용된다. 본 발명의 엔진은 종래의 엔진보다 더 높은 내부 온도에서 가동되도록 설계되어 있는데, 이는 희박 연료 혼합물, EGR 시스템, 물에 의한 EGR의 내부 냉각에 의해 실현 가능하다. 액체로부터 증기로의 물의 상변이는 재순환된 배기가스에 존재하는 열 에너지를 소비하여, 재순환된 배기가스의 온도를 도입되기 전의 재순환된 배기가스의 온도보다 낮은 온도로 낮춘다.
재순환된 배기가스의 냉각은, 이와 같이, 재순환된 배기가스로 직접적으로 무화된 물의 분무를 통해 EGR 트랙 및 흡기 트랙을 따르는 하나 또는 그 이상의 위치에서 발생한다. 이와 같이, 배기가스가 흡기 트랙 내로 도입된 후 냉각되는 경우, 예를 들면, 재순환된 배기가스는 흡기 트랙 내에서 냉각되기 직전 시점에 배기 매니폴드에서와 같은 본질적으로 동일한 온도를 가진다.
일 실시예에서, 본 발명의 EGR은 물 저장 탱크, 파이프 또는 튜브 및 강성 분배 레일과 하나 이상의 물 분사기(들)로 구성되는 수처리 시스템과, 엔진 부하, 속도 및 현재 EGR 상태에 따라 변화하는 수량(varying amounts of water)을 분사하도록 참조표를 사용하는 컴퓨터 제어 시스템을 포함한다.
물은 어느 하나의 흡기 포트에서 엔진으로 분사될 수도 있고(포트 분사) 또는 연소실 내에 직접적으로 분사될 수 있다(직접 분사). 직접 분사가 바람직한 실시예인데 이는 직접 분사가 포트 분사에 비교하여, 물 분사 타이밍 및 위치에 대해 보다 정확하고 정밀한 제어를 허용하기 때문이다.
이 시스템은 EGR을 이용한 다음 어느 하나의 임의의 내연기관의 함께 사용될 수 있다; 2행정 또는 4행정, 가솔린, 디젤유, 에탄올, 메탄올, 수소, 천연 가스, 또는 이들의 혼합물에 의해 어느 하나의 연료를 공급받고, 불꽃 기관 또는 압축 점화 기관. 본 명세서에서 논의된 예시적인 실시예는 불꽃 점화 또는 압축 점화 중 어느 하나를 사용하는 4행정 기관에 관한 것이다. 그러나, 본 명세서에 개시에 제공된 개시 내용에 기초하여, 당해 기술분에서 통상의 기술자 중 하나는 본 발명을 왕복운동 내연기관의 다른 형태뿐만 아니라 2행정 기관에 적용하는데 필요한 변형예 및 수정예을 용이하게 인식할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 내연기관은, 내부적으로 냉각된 배기가스 재순환을 갖는 탄화수소 연료로 작동하고, 적어도 하나의 실린더 및 그 내부의 왕복 피스톤, 상기 실린더 내부의 연소실, 적어도 하나의 흡기 밸브를 갖는 흡기 매니폴드, 적어도 하나의 배기 밸브를 갖는 배기 매니폴드, 연료 분사기를 갖는 연료 처리 시스템, 및 점화 시스템이 제공되며; 상기 엔진은 12:1보다 크고 40:1보다 작은 기계 압축비를 갖고; 1보다 크고 7보다 작은 λ의 공연비로 작동하고; 상기 엔진은 배기가스를 내부 또는 외부적으로 재순환하기 위한 수단을 갖고; 상기 엔진은 재순환된 배기가스를 식히는 혼합 매체 열교환기를 사용하지 않고도 재순환된 배기가스를 배기가스로 분사된 사전에 정해진 양의 무화된 물과의 직접적인 접촉에 의해 냉각시킨다.
희박 연료 혼합물은 엔진이 정속 작동할 때 발생하는 것처럼 부분적으로 닫힌 교축 상태로 엔진을 작동하여야만 하는 것으로부터 기인한 교축 손실을 감소시키기 위해 바람직하다. 그러나 보다 희박한 연료 혼합물은 1보다 큰 λ의 특정 범위에서 더 고온에서 연소가 될 수 있으며, 이는 1보다 큰 λ에서 NOx의 배출이 증가하는 결과를 낳을 수 있다. 희박 혼합물로 내연기관을 작동하는 것은 2500°F를 초과하는 연소실 온도를 빨리 초래할 수 있다. NOx을 생성을 증가시키는 것에 부가하여, 연소실 내에서의 과도하게 높은 온도는, 연료의 조기 폭발(노킹)과 엔진의 다양한 구성 요소의 뒤틀림(warping)으로 이어질 수 있다.
일 실시예에서, 내연기관 작동 방법에는, 상기 엔진이 내부적으로 냉각된 배기가스 재순환을 갖는 탄화수소 연료를 사용하고, 적어도 하나의 실린더 및 그 내부의 왕복 피스톤, 상기 실린더 내부의 연소실, 적어도 하나의 흡기 밸브를 갖는 흡기 매니폴드, 적어도 하나의 배기 밸브를 갖는 배기 매니폴드, 연료 분사기를 갖는 연료 처리 시스템, 및 점화 시스템이 제공된다. 상기 엔진은 12:1보다 크고 40:1보다 작은 기계 압축비를 갖고; 1보다 크고 7보다 작은 λ의 공연비로 작동한다. 부가적으로, 상기 엔진은 배기가스를 내부 또는 외부적으로 재순환하기 위한 수단을 갖고 있어서, 재순환된 배기가스를 식히는 혼합 매체 열교환기를 사용하지 않고도 재순환된 배기가스를 배기가스로 분사되는 사전에 정해진 양의 무화된 물과의 직접적인 접촉에 의해 냉각시킨다. 다른 실시예에서, 내연기관에서 EGR 가스를 냉각하는 방법이 제공된다.
본 발명의 엔진에 대한 최적 λ는 점화 형식에 의존한다. 가솔린, (예를 들면, 에탄올을 갖는) 가솔린 블렌드, 또는 천연 가스(주로 메탄)로 가동되는 불꽃 점화 기관에 대해서, λ는 1보다 크고 약 3.0까지의 최대 범위에서 있을 것이다. 변형 실시예에서, 본 발명에 따른 불꽃 점화 기관에서의 λ는 약 1.2에서 약 2.8까지, 또는 약 1.2에서 약 2.3까지, 약 1.5에서 약 2.0 까지, 또는 약 1.5, 또는 약 1.75, 또는 약 2.0의 범위에 있을 것이다. 압축 착화 기관(디젤)에 대해서, λ는 1보다 크고 약 7.0까지의 최대 범위에 있을 것이다. 변형 실시예에서, 본 발명의 엔진에서의 λ는 약 1.4에서 약 6.0까지, 또는 약 1.5에서 약 5.0까지, 약 2.0에서 약 4.0까지, 또는 약 1.5, 또는 약 2.0, 또는 약 2.5, 또는 약 3.0, 또는 약 3.5, 또는 약 4.0의 범위에 있을 것이다.
본 발명의 엔진에 대한 최적의 압축비는 점화 형식에 의존한다. 가솔린, 가솔린 블렌드, 또는 천연 가스로 가동되는 불꽃 점화 기관에 대해서, 종래의 엔진은, 보통 압축비 10:1을 갖고, 보다 높은 옥탄가 연료를 사용하여 약 12:1의 최대 압축비를 갖는다. 이러한 압축비 제한은 이와 같이 압축비를 제한하지 않을 경우 보다 높은 압축비에서 발생하는 엔진 노킹을 제어하기 위해서 필요하다. 종래 엔진보다 더 높은 압축비를 사용함으로써, 본 발명의 엔진은 열역학적 효율이 압축비의 함수인 오토 사이클에 따라 열역학적 효율이 우수한 이점을 갖는다.
불꽃 점화 모드에서 본 발명의 엔진의 압축비는 12:1보다 크고 약 20:1까지의 범위에 있다. 다른 변형 실시예에서, 압축비는 13:1 내지 약 18:1, 또는 약 14:1 내지 또는 약 16:1, 또는 약 14:1, 또는 약 15:1, 또는 약 16:1, 또는 약 18:1이다. 압축 착화 기관에 대해서, 압축비는 약 14:1 내지 약 40:1이 될 것이다. 변형 실시예에서, 압축비는 약 14:1 내지 약 30:1, 또는 약 15:1 내지 약 25:1, 또는 약 16:1 내지 약 20:1, 또는 약 16:1, 또는 약 17:1, 또는 18:1, 또는 약 19:1, 또는 20:1, 또는 약 21:1 또는 22:1의 범위이다.
위에 언급한 바와 같이, 불꽃 점화를 이용한 내연기관은 조기 폭발을 방지하기 위해서 12:1 이하의 압축비로 일반적으로 제한된다. 따라서, 본원 발명에서와 같이 12:1 이상의 압축비의 사용은, 내연기관의 일반적인 지식을 고려할 때, 자명하지 않다. 본 발명은 내부적으로 냉각된 EGR의 사용에 의하여, 12:1보다 높은 압축비와 관련된 위험을 회피한다.
EGR은 내연기관에 여러 가지 이점을 제공하는 것으로 공지되어 있고, 일반적으로 사용된다. 그러나, EGR의 단점은 연소실 내로의 과도한 열증가이고, 이는 조기 점화(노킹)를 증가시키는 경향이 있고, 연소 온도에 의존하는 NOx 배출을 증가시킬 수도 있다. 결론적으로, 무화된 물은 본 발명의 엔진에서 EGR 트랙 또는 흡기 트랙에 직접적으로 분사되어 재도입된 배기가스를 제어된 온도로 냉각한다.
수랭식의 EGR이 연소실 내의 온도를 감소시키기 때문에, 상당하게 보다 희박한 연료 혼합물이 NOx 배출의 상승 또는 노킹 없이 사용될 수 있다. 보다 희박한 연료는 본 발명에서 고압축비를 실현하는 두 번째 특징이다.
분사된 물의 양은 연료 유동 및 이용된 EGR 양의 함수이다. 현대의 엔진에서 연료 흐름은, 연료 분사기에 공급되는 연료의 양을 결정하는 엔진 제어 컴퓨터에 데이터를 제공하는, 공기 질량 유량 센서(mass air flow sensor) 또는 매니폴드 압력 센서에서 보통 결정된다. 엔진으로 다시 분로된 EGR 가스의 양은 엔진 제어 시스템에 의해 또한 제어된다. 외부 EGR의 경우, EGR의 양은 EGR 밸브에 의해 제어된다. 내부 EGR의 실시예에서, 상기 밸브 타이밍은 가변 밸브 타이밍으로 예를 들면, 캠 페이징으로 독립적으로 제어 가능하다. 다른 승산기(multipliers)가 연료 흐름 및 EGR을 제어할 수 있도록 엔진 제어 컴퓨터에 의해 보통 사용되며, 엔진 부하, 흡입 공기 흐름, 배기 산소 센서, 엔진 회전 수를 포함한다. 본 발명의 엔진에서, 물의 흐름은 동일한 파라미터를 사용하는 컴퓨터에 의해 결정될 것이다.
분사된 물의 양은 점화 전에 실린더 내로 분사된 EGR 가스의 중량 백분율로서 표현될 수 있다. 일 실시예에서, 분사된 물의 양은 중량 기준(w/w)으로 재순환된 배기가스(EGR)의 약 10% 내지 약 125%이다. 일 실시예에서, 분사된 물의 양은 EGR w/w의 약 10% 내지 약 100% , 또는 EGR w/w의 약 25% to 약 100%, 또는 EGR w/w의 약 20% 약 100%, 또는 EGR w/w의 약 75% 약 125%, 또는 약 25% w/w, 또는 약 50% w/w, 또는 약 75% w/w, 또는 약 100% w/w이다.
본 발명의 엔진에 분사된 물의 양은 점화 중에 실린더 내의 물 또는 수증기의 양을 감소시키지 않고도, 종래의 물 분사기 실시예들에 비해 감소되는데, 이는 물이 탄화수소 연료의 연소 생성물이므로 EGR 가스가 수증기 상당량 포함하고 있기 때문이다. EGR 가스가 (종래의 EGR 시스템에 대비하여) 본 발명의 엔진에서 처리되거나 냉각되지 않기 때문에, EGR 가스에서 수증기의 전부하(full load)는 다시 엔진으로 순환될 것이다. 일 측면으로는, 본 발명의 EGR 시스템의 이러한 특징은 임의의 주어진 순간에 (차량 엔진에 대해) 차량에 탑재되어 실시되어야만 하는 엔진 내로의 분사를 위해 필요한 액체수의 양을 감소시킬 것이다.
상기 물은 엔진 흡기 매니폴드 또는 실린더 내에 액체를 분사하기에 적합한 분사기로 분사될 수도 있다. 일 실시예에서, 물 분사기는, 점화 전에 실린더 내로 흡인 또는 분사되기 전에, EGR 가스가 존재하는, 흡기 매니폴드 내로 물의 무화된 분무를 분사할 수도 있다. 일 실시예에서, 물 분사기는, EGR 가스가 분사 또는 실린더 내로 흡인된 후, 실린더 내에 직접적으로 물의 무화된 분무를 분사할 수도 있다.
"내부적으로 냉각된 배기가스 재순환"이란 문구는, 본 발명의 문맥에서 이해되는지는 바와 같이, 혼합된 매체 열교환기가 EGR 트랙에 이용되지 않았음을 의미하도록 의도된 것이다. 이와 같이, 내부적으로 냉각된 배기가스 재순환을 이용하는 엔진에서, EGR 트랙에는 열교환기, 라디에이터, 냉각 코일, 자켓 냉각(jacketed cooling), 공기 냉각 핀(fins), 또는 다른 외부 냉각 장치가 없다. EGR 트랙은, 본 발명의 문맥 내에서, 배기가스의 일부가 배기 트랙으로부터 우회되어 우회된 배기가스가 흡기 트랙으로 분사되는 지점 사이의 배기가스 경로로서 정의된다.
이에 반해서, 열교환기에 의한 EGR 냉각은 종래 기술에 공지되어 있다. 본 발명에 따르면, EGR 가스의 냉각만은 EGR 트랙 또는 EGR 가스가 분사된 후의 흡기트랙 내로 직접적으로 분사된 물에 의한 내부 냉각, 또는 EGR 가스가 그 내부로 도입된 후 살기 실린더의 내로 물의 직접적인 분사에 의한 내부 냉각으로 기인한다.
배기가스로 분사되는 사전에 정해진 양의 무화된 물은 순수한 물일 필요는 없다. 일 실시예에서, 물은 저급 알코올, 특히 C1 내지 C4 알코올, 예를 들면 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, 또는 부틸 알코올의 임의 이성질체를 포함 할 수도 있다. 물에서의 알코올 용액의 사용은 예를 들면, 추운 기후에서 EGR 냉각을 위한 물의 융점을 낮추기 위한 것일 수도 있다. 예를 들면, 물에서 에탄올의 30% 혼합물(w/w)은 -20 ℃의 융점/동결점을 갖는다.
본 발명의 내부 EGR의 실시예가 도 4에 예시되어 있고, 이는 직접 연료 분사 되고 내부 EGR을 나타내는 엔진 시스템을 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 도시한다. 내부 EGR에 의해, 외부 배기가스 재순환 경로가 제공되지 않는다. 오히려, 배기가스는 밸브 페이징이나 밸브 오버랩으로 "내부적으로" 재순환되고, 연소실 내로 직접적으로 향하는 물 분사기에 의해 직접 EGR 냉각을 한다. 이 실시예에서, 흡기 밸브(5) 또는 배기 밸브(6)의 타이밍은 밸브 페이징 또는 밸브 오버랩 EGR을 제공할 수 있도록 독립적으로 컴퓨터 제어되어야만 한다.
도 4에 도시된, 본 발명의 내연기관의 작동은, 4행정 기관의 표준을 일반적으로 따른다. 공기 흡기 밸브(5)는 공기가 연소실(1) 내로 유동하는 것을 허용할 수 있도록 상기 피스톤의 흡기 행정의 시작 시점에 열린다. 상기 공기 흡기 밸브(5)는 상기 피스톤(2)이 연소실(1) 내에서 공기 및 연료를 압축하는 압축 행정의 개시 전에 닫힌다. 상기 피스톤(2)이 상부로 이동할 때, 즉 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하기 직전에, 점화 시스템, 즉 점화 플러그(24)가 연료/공기 혼합물을 연소실(1) 내에서 점화한다. 피스톤이 상사점(TDC)을 지난 피스톤 사이클 이후에, 점화된 연료는 동력 행정에서 실린더를 하방으로 밀어 크랭크 샤프트(26)를 회전시킨다. 상기 피스톤이 동력 행정 중에 실린더 내에서 가장 낮은 지점 즉 하사점(BDC)에 이르면, 내연기관은 배기 행정을 시작한다. 배기 행정에서 배기 밸브(4)가 열리고, 피스톤(2)이 상향 이동하여 배기가스를 연소실(1) 밖으로 강제 배출한다.
본 내부 EGR의 실시예에서, 배기가스는 배기 밸브(4) 또는 흡기 밸브(5)의 특정 순서에 의한, 밸브 페이징이나 밸브 오버랩을 통해 내부적으로 재순환된다. 예를 들면, 상기 흡기 밸브는 배기 행정의 일부 동안에 열려 약간의 배기가스가 흡기 매니폴드 내로 진입하는 것을 허용한다. 이들 가스는 이후 흡기 행정 중에 실린더 내로 다시 재순환된다. 다른 실시예에서, 상기 배기 밸브는 흡기 행정 동안 개방될 수 있어, 배기 매니폴드 내의 약간의 배기가스를 실린더로 진입하는 것을 허용한다. 이와 같이, 도 4의 실시예에서, 흡배기 밸브 중 하나 또는 모두는 필요한 밸브 페이징을 수행할 수 있도록 독립적으로 제어되어야만 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 탱크(8)로부터 물은 펌프(9)에 의해 가압되고, 분사기(7)를 통해 연소실(1) 내에 직접적으로 분사되어 재순환된 배기가스를 냉각시킨다. 분사된 물의 양은 엔진 제어 컴퓨터(30)에 의해 결정 및 제어된다. 또한, 도 4에는 연료 탱크(21), 연료 펌프(20), 연료 분사기(12), 코일(23)과 피스톤 로드(25)가 도시되어 있다.
상기 엔진 제어 컴퓨터(30)는 매니폴드 압력 센서(29), 물 펌프(9), 연료 펌프(20) 및 (미도시된) 가변 밸브 타이밍 제어부에 대한 연결부을 갖는다. 도 4에 도시된 엔진의 실시예는, 본 발명에 따라 고압축비, 희박 연료 혼합물 및 사전에 정해진 양의 분사되는 물로 작동한다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 5에 표현되어 있고, 이는 직접 연료 분사되고 물을 연소실(1) 내로 직접적으로 분사하는 물 분사기(7)에 의해 직접 EGR 냉각을 하는 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 도시하는 엔진 시스템을 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 도시한다. 이와 같이, 고압축 연소실(1)로부터의 배기가스는 고압축 피스톤(2)의 배기 행정 중에 배기 트랙(3)으로 배출된다. 엔진 제어 컴퓨터(30)에 의해 제어되는 EGR 밸브(10)는 제어된 양의 배기가스가 외부 열교환기를 통과하지 않고 흡기 트랙(6)에 전달될 수 있도록 EGR 트랙(11)으로 진입하는 것을 허용한다. 재순환된 배기가스 온도는 흡입 공기 충진 온도보다 높다.
물 분사기(7)는 제어된 양의 물을, 분사기(12)를 통해 연소실 내로 직접적으로 분사된 연료와 함께, EGR 트랙(11)으로부터 재순환된 배기가스를 갖는 연소실로 분사한다. 상기 연소실 내로 분사된 물은 본 발명에 따라 재순환된 배기가스의 상승된 온도를 직접적으로 감소시킨다. 또한, 도 5에는 매니폴드 압력 센서(29), 물 펌프(9), 연료 펌프(20) 및 EGR 밸브(10)에 대한 연결부를 갖는 엔진 제어 컴퓨터(30)가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 엔진의 일 실시예는, 본 발명에 따라 고압축비에서 희박 연료 혼합물로 작동한다.
또 다른 실시예가 도 6에 도시되어 있고, 이는 포트 연료 분사, 직접 물 분사 및 연소실 내부로 직접적으로 향하는 물 분사기에 의해 직접 EGR 냉각을 하는 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 도시하는 엔진 시스템을 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 예시한다. 고압축 연소실(1)로부터의 배기가스는 고압축 피스톤(2)의 배기 행정 중에 배기 트랙(3)으로 배출된다. EGR 밸브(10)는 소정 양의 배기가스가 외부 열교환기를 통과하지 않고 흡기 트랙(6)에 전달될 수 있도록 EGR 트랙(11)으로 진입하는 것을 허용한다. 재순환된 배기가스 온도는 물 분사전에 흡입 공기 충진 온도보다 높다. 이 실시예에서, 연료는 실린더 내로 직접 분사되지 않고, 연료 분사기(12)를 통해 흡기 트랙(포트 분사) 내로 분사된다.
물 분사기(7)는 EGR 트랙(11)으로부터 재순환된 배기가스를 갖는 연소실 내로 직접적으로 특정하게 제어된 양의 물을 분사하고, 점화에 앞서 상승된 가스 온도를 냉각한다.
또 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있고, 이는 포트 연료 분사 및 포트 물 분사를 갖는 자연 흡기 내연기관의 개략도를 예시한다. 엔진 시스템은 흡기 트랙으로의 물 분사에 의한 EGR 냉각을 하는 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 나타내는 것으로 도시되어 있다. 고압축 연소실(1)로부터의 배기가스는 고압축 피스톤(2)의 배기 행정 중에 배기 트랙(3)으로 배출된다. EGR 밸브(10)는 제어된 량의 배기가스가 외부 열교환기를 통과하지 않고 흡기 트랙(6)에 전달되어질 수 있도록 EGR 트랙(11)으로 진입하는 것을 허용한다. 상기 흡기 트랙(6)으로 진입된 재순환된 배기가스는 흡입 공기 흐름보다도 더 높은 온도를 갖는다. 상기 EGR 가스는 펌프(9)를 통해 가압된 탱크(8)로부터의 물에 의해 냉각되고 분사기(7)에 의하여 흡기 트랙으로 분사된다. 신선한 공기, 냉각된 EGR 가스, 물, 수증기, 연료를 갖는 가스는 흡기 행정시에, 연소실(1) 내로 흡입된다. 엔진 제어 컴퓨터, 센서, 관련된 연결부는 간결성을 위한 도 7로부터 생략되었다.
또 다른 실시예가 도 8에 도시되어 있고, 이는 직접 연료 분사, 직접 물 분사 및 외부 EGR을 갖는 터보차저 내연기관의 개략도를 예시한다. 엔진 시스템은, 고압 루프(11) 또는 저압 루트(17) 중 어느 하나이고, 또는 모두일 수도 있는, 외부 EGR 루프를 통과하는 배기가스의 흐름을 나타내는 것으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 고압축 연소실(1)로부터의 점화에 후속하는 배기가스는 고압축 피스톤(2)의 배기 행정 중에 배기 트랙(3)으로 배출된다. 이 실시예에서, 엔진 배기가스는 터빈(14)을 구동하며, 이 터빈은 흡기 경로(28)로부터 신선한 공기(15)와 흡기 매니폴드(6) 내의 다른 가스를 가압하는 압축기(13)에 연결되어 있다. 고압 EGR 바이패스(11)에서, 배기관(3)으로부터의 배기가스는 터빈(14) 전에서 흡기 매니폴드로 분로된다. EGR 밸브(10)는, 전술한 바와 같이 컴퓨터의 제어하에서, 고압 흡기 트랙(6)으로 전달될 수 있도록 EGR 바이패스(11)로 진입하는 배기가스의 양을 제어한다.
따라서, EGR 가스는 외부 열교환기를 통과하지 않고 흡입 매니폴드(6)로 진입하는데, 이 열교환기는 흡입 공기 충진 온도보다 더 높은 재순환된 배기가스 온도를 제공한다. 저압 EGR 루프의 경우, 배기가스 흐름(16)의 일 부분은, 터보차저 터빈(14)을 나온 후, 밸브(18)에 의해 제어되는 EGR 바이 패스(17)를 통해 신선한 공기 흡기구(28)로의 공기 흡기되게 분로된다.
탱크(8)로부터의 물은 펌프(9)에 의해 가압되고, 분사기(12)를 통해 연소실에 직접적으로 분사된 연료와 함께, 재순환된 배기가스를 함유하는 연소실로 직접적으로 제어된 양의 물을 분사하도록 분사기(7)에 공급된다. 상기 챔버(1) 내에 분사된 물은 재순환된 배기가스의 상승된 온도를 직접적으로 감소시킨다. 구성을 간결하게 표현하기 위해, 도 8에서 엔진 제어 컴퓨터, 센서, 관련된 연결부를 도시하지 않았다.
또 다른 실시예가 도 9에 도시되어 있고, 이는 포트 연료 분사, 직접 물 분사 및 매니폴드(6) 내의 물 분사기에 의해 직접 EGR 냉각으로 고압 및 저압의 외부 EGR을 통과하는 배기가스의 흐름을 도시하는 엔진 시스템을 갖는 터보차저 내연기관의 개략도를 예시한다. 이 실시예는 고저 EGR 바이패스 실시예를 갖지만, 직접 연료 분사보다 포트 연료 분사를 갖는 도 8의 터보차저 실시예에 대한 작동과 유사하다.
(미도시된) 또 다른 실시예에서, 터보차저 엔진은 본 발명의 EGR 및 물 분사를 이용할 수 있고, 포트 연료 및 포트 물 분사를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서 슈퍼차저가 사용된다. 용어 "터보차저"는 배기가스에 의해 구동되는 공기 압축기를 의미한다. 용어 "슈퍼차저"는 엔진에 기계적 결합에 의해 구동되는 공기 압축기를 의미한다.
다른 실시예에서, 도 4 내지 도 9에 예시된 실시예는 불꽃 점화 시스템이 아닌 압축 점화 기관에 사용될 수도 있다.
표 1은 압축비 19:1, 각각의 실린더 내에 물 분사기가 포함되도록 개조된 외부 EGR을 갖는 VW 1.9 L 4 실린더 터보차저 직접 분사 디젤 엔진의 실험 결과를 도시한다. λ는 엔진 부하에 따라 변화하지만, 이 테스트 엔진에서 적어도 1.1이고, 약 1.5까지의 범위를 포함했다. EGR 및 λ는 반비례하여 높은 λ에서 EGR은 감소되었다. EGR은 0%에서 30%까지 변화되었다. 물은 0%에서 100%까지 변화되었다. 최고 작동 효율(행 17-21)은 NOx을 생성을 상승시켰다. 물의 양 또는 EGR 양 증가는 실험 5, 11, 21 및 23에 도시된 바와 같이, 전체 효율에 대한 영향을 최소화하면서, NOx 생성을 상당히 감소시켰다.
Figure pct00001
[표 1] 4기통 디젤 엔진 실험 결과
표 1의 엔진 테스트 결과는 10%의 EGR 및 25% 또는 50%의 물 분사(실험 20 및 21)에서 최대 39.5%의 효율을 나타낸다.
본 발명에서, 임의의 주어진 시간에 사용된 무화된 물의 양, 공기:연료 혼합물, 연료의 EGR 양은 엔진 컨트롤러(ECU)에 의해 제어된다. 특히, 상기 엔진 컨트롤러는 액셀러레이터의 위치, 배기 온도, 차량 속도, 밸브 타이밍 및 위치, 공기:연료비를 수신한다. 이러한 신호들은, 당 업계에 공지된 바와 같이 각각의 센서에 의해 생성되며, 엔진 컨트롤러에 전자적으로 제공된다. 상기 신호는 재순환된 배기가스의 요구되는 온도에 얻을 수 있도록 EGR 트랙으로 분사된 무화된 물의 양뿐만이 아니라 EGR 양을 조절하기 위한 제어 파라미터들을 제공한다. 부가적으로, 공기:연료 혼합물은 엔진 아이들링 또는 크루즈 조건(cruising conditions) 중에 출력을 최적화하고 스로트링 손실(throttling loss)을 최소화하도록 상기 신호들에 기초하여 조절된다.
본 발명의 엔진을 이용한 차량이 순항하는 상황에서, 공기:연료 혼합물은 그 최대 희박 상태(at its leanest)이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이는 연소실 내에서 상당한 양의 열을 발생시킨다. 이에 따라, 상기 EGR은 상기 EGR 트랙 내에 보다 큰 체적의 무화된 물을 도입함으로써 보다 낮은 온도로 냉각된다. 이러한 방식으로 압축비가 높게 유지될 수 있고, 공기:연료비가 최적화될 수 있다.
상기 연소실로 도입되는 EGR의 체적은 위에 구분된 신호에 기초한 연소실의 열질량을 최적화하도록 또한 제어된다. 본 발명의 엔진에 의해 제공된 미세 제어는 외부 EGR 열교환기에서는 가능하지 않은데, 이는 상기 열교환기가 상기 시스템으로 응답 지연을 가져오기 때문이다. 다시 말해, 열교환기에서 재순환된 배기가스의 냉각에 대해 가해진 조정이,상기 열교환기 내의 배기가스가 최종적으로, 몇 초가 걸릴 수 있는, 연소실에 도달할 때까지는, 상기 연소실에서 실현될 수는 없을 것이다.
본 발명의 실시예에서, 본 발명의 엔진은 직접 냉각으로 내부 EGR을 이용하는데, 이것이 EGR 체적와 배기가스의 온도 제어의 가장 즉각적이고 정확한 제어를 제공하기 때문이다.
물 분사 체적 및 EGR 체적은 엔진 컨트롤러에 의해 접근 가능하게 미리 저장되거나 주기적으로 생성된 표에 기초하여 제어된다. 하나의 실시예에서, 상기 표는 분사 스윕(injection sweeps)를 가동함으로써 실험적으로 생성된다. 특히, 상기 엔진은 물 분사 및 EGR 양 변화시 일정한 속도 및 부하로 유지된다. 분사 스윕은 최적 값, 또는 최적 값들의 세트가 대부분의 작동 조건하에서 물 분사 및 EGR 대해 구분되도록 다양한 속도 및 부하에서 수행된다. 데이터는 실제 시험 포인트 사이에 놓인 포인트들에 대한 전체 행렬을 생성할 수 있도록 테스트 결과 사이에서 보간된다(interpolated). 이와 같이, ECU는 엔진이 다양한 부하와 속도로 가동될 때, 요구되는 작동 파라미터를 유지할 수 있도록 연소실에 최적화된 물 분사 및 EGR 체적을 제공하는 것이 가능하다.
보다 상세하게는, 내부 연소실의 각각의 실린더에 대한 물 및 EGR을 제어하기 위한 방법(1000)이 도 10에 기재되어 있다. 단계 "1010"에서, 상기 ECU는 예를 들면 엔진 RPM, 부하, 질량 공기 흐름을 포함하는 현재의 엔진 작동 상태를 결정한다. 단계 "1015"에서, 요구되는 소정의 공기/연료 혼합물이 예들 들어, 질량 공기 흐름 및 RPM과 같은 작동 파라미터에 기초하여 결정된다.
EGR 양은 공기/연료 혼합물뿐만 아니라, 작동 파라미터에 기초하여 단계 "1020"에서 획득된다. EGR 양은 경험적으로 획득될 수도 있고, 상기 ECU에 의해 저장된 참조표에 기초하여 획득될 수도 있다. 부가적으로, 배기가스의 온도는 단계 "1025"에 감지되고 상기 ECU에 보고된다.
상기 공기/연료 혼합물, 압축비 및 배기 온도에 기초하여, 필요한 냉각량이 계산되고, 물 분사의 적정량은 상기 ECU에 의해 단계 "1030"에서 결정된다. 분사될 물의 양은 경험적으로 계산될 수도 있고, 상기 ECU에 의해 접근 가능가게 미리 저장된 참조표에 기초하여 결정될 수도 있다.
공기/연료 혼합물, EGR 레벨 및 물 분사 체적에 대한 상기 결정된 값에 기초하여, 상기 ECU는, 단계 "1035"에서 상기 피스톤의 상사점(TDC) 이전에, 계산된 공기/연료 비로 공기와 연료를 상기 연소실 내부로 분사할 수 있도록 현재의 실린더의 연료 분사를 제어한다. 부가적으로, 단계 "1040"에서 상기 물 분사기 및 이와 동시에 단계 "1045"에서 상기 EGR 밸브는, 하사점TDC 이전에 무화된 물과 배기가스의 결정된 양을 상기 연소실 내로 도입할 수 있도록 제어된다. 본 발명에 있어서, 상기 EGR 밸브는, 위에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 외부 EGR 트랙상에 배치된 밸브, 배기가스가 상기 연소실 내로 다시 재순환하는 것을 허용하는 기간 동안 개방이 유지되는 배기 밸브, 또는 EGR 트랙에 연결된 공기 흡입 값을 구성할 수도 있다.
무화된 물과 배기가스는, 분사된 물에 의해 보다 철저한 혼합 및 냉각을 유도할 수 있도록 동시에 도입되어야만 하며, 이에 따라 연소실 내에서 연료의 조기 점화의 위험성을 감소시키게 된다. 다른 실시예로서, 물과 배기가스가 공기/연료 혼합물의 도입 전에 도입될 수도 있다.
상기 ECU는 상기 엔진의 성능을 지속적으로 모니터링 할 수 있으며, 각각의 참조표 내의 물과 EGR의 값을 조정할 수도 있다.
즉, 하나 또는 그 이상의 물 분사 및 EGR 표에 저장된 사전에 정해진 정보를 사용하는 하나의 실시예에서, 엔진 컨트롤러는, 연소실 내로 분사되어질 무화된 물과 배기가스의 양과 같은 엔진 출력 상태에 영향을 주는 상기 제어 파라미터를 계산할 것이다. 이러한 조정은, 본 명세서에 기재된 실시예에 따라, 연료 분사기 작동{예를 들면, 지속 시간(dwell time)}을 제어하기 위한 메시지를 통신하고, 물 분사의 타이밍 및 무화된 물 분사의 {상사점(TDC)전} 체적을 제어하기 위한 메시지를 통신하고, 연소실 내로 도입된 배기가스의 {상사점(TDC)전} 체적을 제어하는 상기 엔진 컨트롤러에 의해 영향을 받는다.
엔진 사이클별 기준에서, 주어진 현재 감지된 상태 값과, 현재의 온도와 압력 판독값, 및 그외 변수, 예를 들면, 대기 온도 등과 같은 환경 상태에 응답하여, 엔진 컨트롤러는, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 연료 분사량 및 타이밍을 수정하기 위한 제어 메시지와, 최대의 효율, 압축 및 냉각을 위해 압축 행정 중에 실린더에서 (미리) 불꽃 점화의 타이밍에 대해 (포트 또는 실린더로 직접 분사되었는지 여부로) 물 분사의 양을 제어하는 제어 메세지를 전송함으로써 상기 시스템의 작동을 조정할 것이다.
엔진의 작동의 어느 특정한 사이클에서 엔진 작동의 모니터링 및 제어는 점화를 보장하기 위해 (수개의 이전 사이클 시간 평균을 포함하는) 이전의 사이클 동안의 작동에 기초하여 조절될 수도 있어, 물 분사가 적절한 크랭크 샤프트 각도(들)에서 발생한다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예는 제한적이라기 보다 오히려 예시적인 것으로 의도되었으며, 본 발명의 모든 실시예를 대표하는 것으로 의도된 것은 아니다. 다양한 수정례 및 변형례가 이하의 청구 범위에서 제시된 바와 같이 문헌적으로뿐만 아니라 법에서 인정되는 균등 범위로 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (27)

  1. 각각이 연소실, 피스톤, 공기 흡기 밸브 및 배기 밸브를 구비하며, 기계 압축비가 12:1보다 크고 40:1보다 작은 적어도 하나의 실린더;
    각각의 흡기 밸브와 연통하는 흡기 트랙;
    각각의 배기 밸브와 연통하는 배기 트랙;
    상기 연소실 또는 상기 흡기 트랙 내에 연료를 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 분사기를 갖고, 1보다 크고 7.0보다 적은 공기 대 연료 비(λ)를 갖는 공연비를 제공하는 연료 처리 시스템;
    상기 피스톤의 압축 행정의 말기 부분에 상기 연소실 내에서 연료를 점화하기 위한 점화 시스템;
    배기가스를 배기 포트로부터 엔진 흡기구로 재순환하기 위한 배기가스 재순환(EGR) 수단; 및
    상기 EGR 트랙 내로 분사되는 사전에 정해진 양의 무화된 물과 직접 접촉하여 상기 재순환된 배기가스를 냉각하기 위한 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내연기관의 감지된 작동 파라미터에 기초하여, 상기 연소실 내로 도입되는 재순환 배기가스의 양을 조절하고, 상기 사전에 정해지는 무화된 물의 양과, 공연비를 조절하도록 구성된 엔진 제어 유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 점화 시스템은 불꽃 점화 시스템이고, λ는 1보다 크고 3.0보다 작은 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압축비는 12:1보다 크고, 약 20:1보다 작은 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 점화 시스템은 압축 착화 시스템인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제5항에 있어서,
    λ는 약 1.4 내지 약 6.0 사이인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 압축비는 약 14:1 내지 약 40:1 사이인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제1항에 있어서,
    재순환 배기가스가 상기 적어도 하나의 실린더 내에 도입된 후, 사전에 정해진 양의 무화된 물이 상기 적어도 하나의 실린더 내에 직접 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제1항에 있어서,
    사전에 정해진 양의 무화된 물이 상기 흡기 매니폴드 내에서 재순환된 배기가스가 존재하는 흡기 매니폴드 내로 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 EGR의 배기가스는 적어도 하나의 배기 밸브와의 밸브 오버랩을 이용하여 내부적으로 재순환되고, 상기 배기 밸브가 상기 피스톤의 배기 행정의 말기 부분에서와 흡기 행정의 초기 부분 중 부분적으로 열린 상태를 유지하여, 상기 배기가스의 일부가 상기 흡기 행정의 초기 부분 중 배기 트랙으로부터 배출되어 상기 피스톤으로 유입되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스는 적어도 하나의 흡기 밸브와의 밸브 오버랩을 이용하여 내부적으로 재순환되고, 상기 배기 밸브가 상기 피스톤의 배기 행정의 말기 부분에서 부분적으로 열린 상태를 유지하여 상기 배기가스의 일부가 흡기 트랙으로 유동되는 것을 허용하여, 상기 배기가스의 일부가 흡기 행정 중 상기 흡기 트랙으로부터 배출되어 상기 피스톤으로 유입되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 EGR 트랙은 상기 배기가스를 외부로 재순환하기 위한 EGR 밸브 및 도관을 더 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 재순환하는 배기가스가 상기 사전에 정해진 양의 무화된 물에 의하여 냉각되기 전에 상기 적어도 하나의 배기 밸브로 배출되는 배기가스와 실질적으로 동일한 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 흡기 밸브 또는 상기 배기 밸브 중 하나가 열려있는 중에, 사전에 정해진 양의 물이 연소실 내로 직접적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 흡기 밸브 또는 상기 배기 밸브 중 하나가 닫힌 후 그리고 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하기 전에, 사전에 정해진 양의 물이 상기 연소실 내로 직접 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  16. 제1항에 있어서,
    사전에 정해진 양의 물이 상기 압축 행정의 하사점과 상기 압축 행정의 상사점 사이의 상기 연소실 내로 직접 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 사전에 정해진 양의 물이 상기 피스톤의 흡기 행정 중 상기 연소실 내로 직접적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스로 분사된 사전에 정해진 양의 물이, 내연기관이 점화되기 전에 상기 적어도 하나의 실린더 내에 EGR에 의해 분사된 배기가스의 중량을 기준으로 약 5% 내지 125%인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 자연 흡기되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 터보차저 또는 슈퍼차저로부터 선택된 강제 흡입 방식인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  21. 현재의 엔진 작동 파라미터를 결정하는 단계;
    상기 작동 파라미터들에 기초하여 1보다 큰 공기 대 연료의 화학양론비(λ)를 갖는 공기/연료 혼합물을 계산하는 단계;
    상기 작동 파라미터 및 상기 공기/연료 혼합물에 기초하여 요구되는 EGR 레벨을 획득하는 단계;
    배기가스의 온도를 감지하는 단계;
    상기 EGR 레벨, 상기 감지된 배기 가스 온도 및 상기 계산된 공기/연료 혼합물에 기초하여 물 분사 체적을 결정하는 단계;
    상기 요구되는 EGR 레벨과 동일한 양의 배기가스를 상기 내연기관의 배기 트랙으로부터 연소실로 재순환하도록 밸브를 제어하는 단계;
    상기 결정된 물의 체적을 상기 재순환된 배기가스로 분사하도록 물 분사기를 제어하는 단계;
    상기 계산된 공기/연료 혼합물을 상기 연소실 내에 도입하도록 연료 분사기를 제어하는 단계;
    상기 밸브, 상기 물 분사기 및 상기 연료 분사기의 제어는 피스톤이 상기 연소실을 형성하는 실린더 내에서 상사점 위치에 도달하기 전에 간격을 두고 발생하며, 상기 피스톤은 13:1보다 큰 기계 압축비를 제공하는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 배기가스를 재순환하도록 제어되는 밸브는, 피스톤이 하사점으로 이동하는 중에 간격을 두고 열린 상태를 유지하는 실린더의 배기 밸브인 것을 특징으로 하는 내연기관 작동 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 배기가스를 재순환하도록 제어되는 밸브는 배기 트랙에 결합된 실린더의 공기 흡기 밸브인 것을 특징으로 하는 내연기관 작동 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상사점 이전에 상기 연소실 내에 물이 분무된 형태로 직접 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 물은 상기 재순환된 배기가스가 상기 연소실 내에 도입되기 이전에 상기 재순환된 배기가스에 직접적으로 무화된 형태로 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동 방법.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 내연기관은 압축 착화 기관인 것을 특징으로 하는 내연기관 작동 방법.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 내연기관은 불꽃 점화 기관인 것을 특징으로 하는 내연기관 작동 방법.
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