KR20180002672A - 내연 기관의 물 분사 장치, 및 이러한 물 분사 장치의 작동 방법 - Google Patents

내연 기관의 물 분사 장치, 및 이러한 물 분사 장치의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물을 저장하기 위한 물 탱크(5), 상기 물 탱크(5)에 연결되며 물을 송출하기 위한 송출 요소(3), 상기 송출 요소(3)에 연결되며 물을 분사하기 위한 적어도 하나의 물 분사기(6), 상기 송출 요소(3)와 상기 물 분사기(6) 사이의 라인 영역(8) 내에 배치된 압력 센서(14), 및 상기 압력 센서(14)의 압력 데이터를 기초로, 물 분사기(6)가 폐쇄되고 송출 요소(3)가 스위치 오프될 때 상기 라인 영역(8) 내의 증기 형성을 결정하도록 설계된 제어 유닛(10)을 포함하는 내연 기관(2)의 물 분사 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 물 분사 장치(1)를 포함하는 내연 기관, 및 본 발명에 따른 물 분사 장치(1)의 작동 방법에 관한 것이다.

Description

내연 기관의 물 분사 장치, 및 이러한 물 분사 장치의 작동 방법
본 발명은 내연 기관의 물 분사 장치 및 이러한 내연 기관에 관한 것이다. 본 발명의 다른 양상은 이러한 물 분사 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
이산화탄소 배출량 감소에 대한 요구가 커짐에 따라, 내연 기관의 연비가 점차 최적화된다. 그러나, 노킹 경향 및 높은 배기 가스 온도에 의해 작동이 제한되기 때문에, 공지된 내연 기관은 고부하 작동점에서 연비의 측면에서 최적으로 작동될 수 없다. 노킹 경향을 줄이기 위한 그리고 배기 가스 온도를 낮추기 위한 가능한 방법은 물의 분사이다. 이 경우, 물 분사를 가능하게 하기 위해, 일반적으로 별도의 물 분사 시스템이 제공된다. 예컨대, WO 2014/080266 A1은 배기 가스 재순환을 이용하는 내연 기관용 물 분사 시스템을 개시하며, 이 시스템에서 물은 배기 가스 재순환 시스템의 질량 흐름 내로 분사된다.
물 분사 시스템이 작동되는 작동점들 사이에서, 물의 송출을 위해 사용되는 펌프는 스위치 오프된다. 이는 물이 분사기 및 물 분사 시스템의 라인 내에 있음을 의미한다. 물 분사 시스템 부근의 내연 기관 부품들의 고온으로 인해, 물이 가열되어 증발할 수 있다. 이 효과는 기압이 낮은, 높은 고도에서 주행할 때 심해진다. 증기의 형성은 물 분사 시스템을 재시동할 때 기능상의 손상을 초래할 수 있는데, 그 이유는 시스템 압력이 증기에 의해 지연되어서만 형성될 수 있기 때문이다. 따라서, 물 분사 시스템의 작동 준비가 지연된다. 이러한 지연된 작동 준비로 인해, 급격한 부하 변동 시에 배기 가스의 온도 피크 및 연소 중 노킹(knocking)이 발생할 수 있다.
본 발명의 과제는 초기 증기 형성이 간단하고 직접적인 방식으로 검출되는 물 분사 장치를 제공하는것이다.
청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 물 분사 장치는 초기 증기 형성이 간단하고 직접적인 방식으로 검출된다는 장점을 갖는다. 이는 본 발명에 따라, 물을 저장하기 위한 물 탱크, 상기 물 탱크에 연결되며 물을 송출하기 위한 송출 요소, 상기 송출 요소에 연결되며 물을 분사하기 위한 적어도 하나의 물 분사기, 상기 송출 요소와 상기 물 분사기 사이의 라인 영역에 배치된 압력 센서, 및 제어 유닛을 포함하는 내연 기관의 물 분사 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따라 제어 유닛은 압력 센서의 압력 데이터를 기초로 물 분사기가 폐쇄되고 송출 요소가 스위치 오프될 때 상기 라인 영역 내의 증기 형성을 결정하도록 설계된다. 본 발명에 따른 제어 유닛에 의해 증기 형성이 결정되기 때문에, 증기가 더 발생하는 것을 방지하고 및/또는 이미 형성된 증기를 감소시키기 위한 조치가 신속하게 개시될 수 있다. 따라서, 추가 컴포넌트, 예컨대 차단 요소가 필요하지 않으면서, 짧은 압력 형성 시간 및 신속한 분사 방출이 보장된다. 이로 인해, 물 분사 장치의 비용 효율적이며 컴팩트한 구성 및 간단한 제어가 달성된다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시 예들을 제시한다.
바람직하게, 제어 유닛은, 제 1 압력 값과 제 2 압력 값을 비교하고, 상기 제 1 압력 값과 상기 제 2 압력 값 사이의 차이가 제 1 설정 값보다 큰 경우, 송출 요소와 물 분사기 사이의 라인 영역 내의 증기 형성을 결정하도록, 설계되고, 상기 제 1 압력 값은 제 1 시점에 그리고 상기 제 2 압력 값은 제 2 시점에 검출되며, 상기 제 1 설정 값은 증기 없는 물 분사 장치에서 결정된다. 측정된 압력 차가 기대 압력 차보다 크면, 이는 상기 라인 영역 내에 증기가 있다는 것을 지시한다.
특히, 제 1 압력 값과 제 2 압력 값의 차이가 0.1 × 105 Pa보다 큰 경우, 특히 바람직하게는 0.2 × 105 Pa보다 큰 경우, 증기 형성이 검출된다. 이 경우, 상기 라인 영역 내에 심한 증기 형성이 보다 확실하게 나타내질 수 있다.
대안으로서, 제 2 압력 값이 제 2 설정 값보다 크면, 증기 형성이 검출된다. 제 2 설정 값은 그 아래에서 물 분사 장치가 증기 없는 것으로 간주되는 압력으로 정의된다.
또한 바람직하게, 압력 센서는 제 1 압력 값으로부터 적어도 10초, 특히 100초의 시간 간격을 두고 제 2 압력 값을 검출하도록 설계된다. 따라서, 물 분사 장치 내의 압력 변동들이 짧은 시간 내에 발생하더라도, 증기 형성의 확실한 검출이 가능해진다.
본 발명의 특히 바람직한 실시 예에 따르면, 송출 요소는 용적형 펌프로서 설계된다. 변위 원리에 따라 작동하는 송출 요소의 사용에 의해, 거의 폐쇄된 시스템이 형성된다. 이로써, 송출 요소와 물 분사기 사이의 라인 영역 내의 증기 형성이 더 신속하게 검출될 수 있다.
물 분사 장치 내의 증기 형성이 검출되면, 제어 장치는 송출 요소와 물 분사기 사이의 라인 영역 내에 있는 증기를 제거하기 위해 송출 요소와 물 분사기를 제어하도록 설계된다. 따라서, 송출 요소는 물의 분사를 위한 압력을 더 빨리 형성할 수 있다. 결국, 물 분사 장치는 내연 기관에 의해 물 분사가 요구되면 가능한 한 빨리 작동 준비된다.
대안으로서 또는 추가로, 제어 유닛은 증기 형성이 결정될 때 물을 분사하기 위해 송출 요소 및 물 분사기를 제어하도록 설계된다. 특히 연소에 관련되지 않은, 물 분사에 의해, 내연 기관 부품의 온도, 예컨대 물 분사기가 다수일 때 분배기의 온도가 낮아질 수 있다. 이로 인해, 수증기가 적어도 부분적으로 응축될 수 있다. 이를 위해, 한번 이상의 물 분사가 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 물 분사기와 압력 센서 사이에 배치된 분배기에 연결된 다수의 물 분사기들이 제공된다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명에 따른 물 분사 장치를 포함하는 내연 기관에 관한 것이다. 이 경우, 본 발명에 따른 장치와 관련하여 얻어지는 장점들도 또한 얻어진다.
특히 바람직하게, 내연 기관은 오토(Otto) 원리에 따라 가솔린으로 작동된다. 오토 원리에 따라 작동되는 내연 기관은, 점화 플러그의 형태로 불꽃 점화에 의해 가솔린 또는 가솔린-공기 혼합물의 연소가 이루어지는 내연 기관을 의미한다. 이러한 내연 기관에서는 불꽃 점화에 의한 점화 시점이 정확히 미리 정해져 있고, 물 분사에 의해 연소가 개선되기 때문에, 본 발명에 따른 물 분사 장치와 관련하여 설명된 장점들이 완전히 이용될 수 있다. 증기 형성의 신속한 검출에 의해, 짧은 압력 형성 시간 및 가능한 가장 빠른 분사 방출을 보장하기 위해 이미 언급된 조치들이 취해질 수 있다. 따라서, 급격한 부하 변동 시에도 노킹이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명은 물을 송출하기 위한 송출요소, 상기 송출 요소에 연결된 물을 분사하기 위한 적어도 하나의 물 분사기, 및 상기 송출 요소와 상기 물 분사기 사이의 라인 영역 내에 배치된 압력 센서를 포함하는, 내연 기관의 물 분사 장치를 작동하는 방법에 관한 것이며, 상기 압력 센서의 압력 데이터를 기초로, 물 분사기가 폐쇄되고 송출 요소가 스위치 오프될 때, 상기 라인 영역 내의 증기 형성이 결정된다.
바람직하게는, 제 1 압력 값은 제 1 시점에서 그리고 제 2 압력 값은 제 2 시점에서 검출된다. 상기 제 1 압력 값과 상기 제 2 압력 값의 차이가 제 1 설정 값보다 크면, 송출 요소와 물 분사기 사이의 라인 영역 내의 증기 형성이 결정된다.
대안으로서, 제 2 압력 값이 제 2 설정 값보다 크면, 상기 라인 영역 내의 증기 형성이 결정된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부한 도면을 참조로 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 물 분사 장치를 구비한 내연 기관의 개략도.
도 2는 바람직한 실시 예에 따른 물 분사 장치의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 라인 영역 내의 온도의 시간에 따른 프로파일 및 압력의 시간에 따른 프로파일을 나타낸 다이어그램.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 내연 기관(2)의 물 분사 장치(1)가 이하에서 도 1 내지 도 3을 참조로 상세히 설명된다. 특히, 내연 기관(2)은 오토(Otto) 원리에 따라 그리고 가솔린 직접 분사 방식으로 작동된다.
도 1은 다수의 실린더 및 본 발명에 따른 물 분사 장치(1) 중 일부를 포함하는 내연 기관(2)을 개략적으로 도시한다. 내연 기관(2)은 실린더당 하나의 연소실(20)을 포함하고, 이 연소실(20)에서 피스톤(21)은 왕복 이동할 수 있다. 또한, 내연 기관(2)은 바람직하게는 실린더당 2개의 유입 밸브(25)를 포함하고, 상기 유입 밸브들(25)은 각각 하나의 유입 채널(22)을 포함한다. 유입 밸브들(25)을 통해 공기가 연소실(20)에 공급된다. 배기 가스는 배기 가스 채널(23)을 통해 배출된다. 이를 위해, 배기 가스 채널(23)에는 배출 밸브(26)가 배치된다. 도면 부호 24는 연료 분사 밸브를 나타낸다.
또한, 각각의 유입 채널(22) 상에는 물 분사기(6)가 배치되고, 상기 물 분사기(6)는 제어 유닛(10)을 통해 물을 내연 기관(2)의 유입 채널(22) 내로 분사한다. 이 실시 예에서는, 실린더마다 2개의 물 분사기(6)가 제공되고, 이로 인해, 더 나은 처리가 이루어지거나 또는 연소 사이클당 최대로 분사 가능한 물의 양이 증가한다. 대안으로서, 실린더당 하나의 물 분사기가 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 물 분사 장치를 상세히 도시한다. 물 분사 장치(1)는 펌프의 형태로 형성된 송출 요소(3), 및 펌프를 구동하기 위한 전기 구동 장치(4)를 포함한다. 상기 펌프는 특히 용적형 펌프이다.
또한, 제 1 라인(7)에 의해 송출 요소(3)에 연결된 물 탱크(5)가 제공된다. 제 2 라인(8; 라인 영역)은 송출 요소(3)를 분배기(9) 또는 레일에 연결하고, 상기 분배기 또는 레일에는 다수의 물 분사기(6)가 연결된다. 분배기(9)를 가진 제 2 라인(8)은 송출 요소(3)와 물 분사기(6) 사이의 라인 영역에 상응한다.
내연 기관(2)의 유입 채널(22) 내로 물을 분사하기 위해, 물 탱크(5)로부터 나온 물은 송출 요소(3)에 의해 물 분사기(6) 내로 송출된다. 이를 위해, 공기 조화 시스템의 도시되지 않은 증발기의 응축물이 바람직하게 사용되며, 이를 위해 본 발명에 따른 물 분사 장치(1)는 공급 라인(11)을 포함한다.
상기 응축물에 대한 대안으로서 또는 추가로, 탈 이온수가 리필 라인(12)을 통해 물 탱크(5) 내로 송출될 수 있다. 리필 라인(12) 내에는 선택적으로 체(sieve)가 제공될 수 있다. 또한, 제 1 라인(7) 내에 예비 필터(16)가 배치되고 제 2 라인(8) 내에 미세 필터(17)가 배치된다. 예비 필터(16) 및 미세 필터(17)는 선택적으로 가열 가능하다. 또한, 물 탱크(5) 내의 물에 대한 수위 및/또는 온도 센서(18)가 제공되고, 상기 센서는 제어 유닛(10)을 통해 제어 가능하다.
물 분사기(6)가 폐쇄되고 송출 요소(3)가 스위치 오프될 때, 물 분사 장치(1) 내에 증기가 형성되는지의 여부를 결정하기 위해, 압력 센서(14)가 제 2 라인(8) 내에 제공된다. 압력 센서(14)는 제어 유닛(10)을 통해 제어된다. 물 분사기들(6)이 폐쇄되고 송출 요소(3)가 스위치 오프되는 경우는, 즉 비활성 물분사에 상응하는 경우는 예컨대 스톱-스타트 시스템의 스톱 단계 중에 일어날 수 있다. 이 단계 중에는, 내연 기관이 스위치 오프되어 있기 때문에 물 분사는 필요하지 않다. 이 경우, 제 2 라인(8) 및 분배기(9) 내의 물이 가열되어 증기를 형성할 수 있다.
이는 도 3을 참조하여 설명되며, 도 3은 바람직한 실시예에 따른 분배기(9) 상의 제 2 라인(8) 내에서 검출된 시스템 압력(P)의 시간에 따른 프로파일과 분배기(9)의 온도(T)의 시간에 따른 프로파일을 나타내는 다이어그램을 도시한다.
검출된 시스템 압력(P)의 시간에 따른 프로파일은 도면 부호 15로 표시되고, 온도(T)의 시간에 따른 프로파일은 도면 부호 16으로 표시된다. 시스템 압력(P)의 프로파일(15)은 제 1 다이어그램 영역(I) 및 제 2 다이어그램 영역(II)으로 분할된다. x 축은 시간(t)을 s로 나타내고, y 축은 온도를 °C로 그리고 검출된 압력(Px105)을 Pa로 나타낸다. 분배기(9) 상에서 온도를 검출하기 위해, 도 2에 도시되지 않은 온도 센서가 제공될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 다이어그램 영역(I) 내의 압력은 실질적으로 변함없이 유지된다. 제 1 다이어그램 영역(I)은 송출 요소(3)와 물 분사기(6) 사이의 라인 영역(8) 내의 물이 예컨대 여전히 고온인 내연 기관에 의해 가열되는 단계에 상응한다. 이것은 제 1 다이어그램 영역(I)에서 분배기(9)의 온도 상승과 일치한다.
특정 시점부터 물의 끓는점에 도달하여 증기가 발생한다. 증기가 이 방향으로 팽창하고 라인 영역(8) 내의 압력이 크게 증가하기 때문에, 송출 요소(3)를 통해 압력 강하가 발생한다. 이것은 도 3의 제 2 다이어그램 영역(II)에 상응한다.
제 2 라인(8) 및 분배기(9)에서 이러한 증기 형성을 검출하기 위해, 압력 센서(14)에 의해 검출된 압력 데이터는 제어 유닛(10)에 의해 처리되어 서로 비교된다.
특히 제 1 압력 값(P1)은 제 1 시점(t1)에서 그리고 제 2 압력 값(P2)은 상기 제 1 시점(t1) 이후에 놓인 제 2 시점(t2)에서 압력 센서(14)를 통해 검출된다.
제어 유닛(10)은 제 1 압력 값(P1)과 제 2 압력 값(P2)을 비교하도록 설계된다. 특히, 제 1 압력 값(P1)과 제 2 압력 값(P2) 사이의 차이가 제 1 설정 값보다 큰지의 여부가 제어 유닛(10)에 의해 결정된다. 제 1 설정 값은, 그 아래에서 증기 형성이 되지 않는 것으로 검출되는, 압력 차로서 정의된다.
대안으로서, 제 2 압력 값(P2)은 제 2 설정 값과 비교될 수 있다. 제 2 설값은, 그 아래에서 어떠한 증기 형성도 일어나지 않는다고 검출되는 압력에 상응한다. 즉, 제 2 압력 값(P2)이 제 2 설정 값보다 작은 경우에는 증기가 존재하지 않는다.
본 발명의 범위에서, 더 많은 수의 압력 값들을 검출하는 것도 가능하다. 즉, 시점(t1) 및 (t2)에서만 압력이 검출될 수 없다.
압력이 변함없이 유지되는 기간의 경과 후에(이 경우, 시점 t2 후에) 압력 상승이 검출되면, 제 2 라인(8) 및 분배기(9)에서 증기 형성이 발생했다고 결정된다.
압력 센서(14)의 검출된 압력 값들을 기초로 제어 유닛(10)에 의해 증기가 라인 영역(8) 내에 존재하는 것이 검출되면, 송출 요소(3) 및 물 분사기(6)는 이미 형성된 증기가 물 분사 장치(1)로부터 제거되도록 작동된다. 또한, 하나 이상의 물 분사들이 수행될 수 있어서, 증기의 적어도 일부가 응축한다. 분사된 물에 의해 분배기(9)가 냉각됨으로써, 증기가 더 발생되는 것이 방지된다.
필요한 시스템 압력이 형성된 후에, 연소로 인한 물 분사가 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 물 분사 장치(1)는 그 작동 준비 상태의 신속한 전달 및 필요한 시스템 압력에서 분사 방출의 장점을 제공한다. 또한, 증기 형성 시에 지연된 압력 형성이 신속하게 검출될 수 있다. 이를 위해, 송출 요소(3)와 물 분사기(6) 사이의 라인 영역에 추가 부품, 예컨대 차단 요소가 생략될 수 있어서, 본 발명에 따른 물 분사 장치(1)의 비용 효율적이고 컴팩트한 구성이 이루어진다.
1 : 물 분사 장치
2 : 내연 기관
3 : 송출 요소
5 : 물 탱크
6 : 물 분사기
9 : 분배기
10 : 제어 유닛
14 : 압력 센서
16, 17 : 필터
18 : 센서

Claims (11)

  1. - 물을 저장하기 위한 물 탱크(5);
    - 상기 물 탱크(5)에 연결되며, 물을 송출하기 위한 송출 요소(3),
    - 상기 송출 요소(3)에 연결되며, 물을 분사하기 위한 적어도 하나의 물 분사기(6),
    - 상기 송출 요소와 상기 물 분사기(6) 사이의 라인 영역(8) 내에 배치된 압력 센서, 및
    - 상기 압력 센서(14)의 압력 데이터를 기초로, 상기 물 분사기(6)가 폐쇄되고 상기 송출 요소가 스위치 오프될 때 상기 라인 영역(8) 내의 증기 형성을 결정하도록 설계된 제어 유닛(10)을 포함하는, 내연 기관(2)의 물 분사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 유닛(10)은, 제 1 압력 값(P1)과 제 2 압력 값(P2)을 비교하고, 상기 제 1 압력 값(P1)과 상기 제 2 압력 값(P2) 사이의 차이가 제 1 설정 값보다 크면, 상기 송출 요소(3)와 상기 물 분사기(6) 사이의 라인 영역(8) 내의 증기 형성을 결정하도록 설계되고, 상기 제 1 압력 값(P1)은 제 1 시점(t1)에서 그리고 상기 제 2 압력 값(P2)은 제 2 시점(t2)에서 검출되며, 상기 제 1 설정 값은 증기 없는 물 분사 장치에서 결정되는, 물 분사 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 압력 센서(14)는 상기 제 2 압력 값(P2)을 상기 제 1 압력 값(P1)으로부터 적어도 10초, 특히 100초의 시간 간격을 두고 검출하도록 설계되는, 물 분사 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송출 요소는 용적형 펌프로서 형성되는, 물 분사 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛(10)은, 증기 형성이 결정되면, 상기 송출 요소(3)와 상기 물 분사기(6) 사이의 라인 영역(8) 내에 있는 증기를 제거하기 위해 상기 송출 요소(3)와 상기 물 분사기(6)를 제어하도록 설계되는, 물 분사 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛(10)은, 증기 형성이 결정되면, 물을 분사하기 위해 상기 송출 요소(3) 및 상기 물 분사기(6)를 제어하도록 설계되는, 물 분사 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 분사기(6)와 상기 압력 센서(14) 사이에 배치된 분배기(9)에 연결된 다수의 물 분사기(6)가 제공되는, 물 분사 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 물 분사 장치(1)를 포함하는 내연 기관.
  9. 제 8 항에 있어서, 오토(Otto) 원리에 따라 가솔린으로 작동되도록 설계된 내연 기관.
  10. 물을 송출하기 위한 송출 요소(3), 상기 송출 요소(3)에 연결되며 물을 분사하기 위한 적어도 하나의 물 분사기(6), 및 상기 송출 요소(3)와 상기 물 분사기(6) 사이의 라인 영역(8)에 배치된 압력 센서(14)를 포함하는, 내연 기관(2)의 물 분사 장치를 작동하는 방법으로서, 상기 압력 센서(14)의 압력 데이터를 기초로, 상기 물 분사기(6)가 폐쇄되고 상기 송출 요소(3)가 스위치 오프될 때 상기 라인 영역(8) 내의 증기 형성이 결정되는, 물 분사 장치의 작동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 제 1 압력 값(P1)은 제 1 시점(t1)에 그리고 제 2 압력 값(P2)은 제 2 시점(t2)에 검출되고, 상기 제 1 압력 값(P1)과 상기 제 2 압력 값(P2) 사이의 차이가 제 1 설정 값보다 크면, 상기 송출 요소(3)와 상기 물 분사기(6) 사이의 라인 영역(8) 내의 증기 형성이 결정되며, 상기 제 1 설정 값은 증기 없는 물 분사 장치에서 결정되는, 물 분사 장치의 작동 방법.
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