KR940004362B1

KR940004362B1 - 연료 전달 방법

Info

Publication number: KR940004362B1
Application number: KR1019860008384A
Authority: KR
Inventors: 레너드 맥케이 마이클; 리어 마크
Original assignee: 오비탈 엔진 캄파니 프로프라이어터리 리미티드; 죤 노만 대위
Priority date: 1985-10-07
Filing date: 1986-10-07
Publication date: 1994-05-23
Also published as: BR8604872A; MX161732A; JPS6293481A; AU594708B2; SE8604239D0; AU6357386A; US4800862A; SE463983B; SE8604239L; IT8621933A0; IT8621933A1; FR2592435A1; IT1197367B; KR870004224A; DE3634509A1; FR2592435B1; CA1272082A; BE905565A; ES2002815A6; JP2885793B2

Abstract

내용 없음.

Description

연료 전달 방법

제1도는 본 발명을 이용한 엔진의 부분도.

제2도는 제1도에 도시된 엔진에 사용되는 연료 분사기의 도시도.

제3도는 분사기가 종래 기술의 방법으로 작동될때 엔진 크랭크 각에 대한 분사기 밸브 위치와 유체 유동율을 나타낸 그래프.

제4도는 분사기가 본 발명에 따른 방법으로 작동될때 크랭크 각에 대한 분사기 밸브 위치와 유체 유동율을 도시한 그래프.

제5도 내지 제10도는 종래 기술에 대한 본 발명의 비교 성능 특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

9 : 엔진 10 : 실린더

11 : 크랭크 케이스 12 : 피스톤

13 : 연결봉 14 : 크랭크

15 : 흡입 포트 19 : 리드 밸브(read valve)

20 : 배기 포트 21 : 실린더 헤드

22 : 연소 동공 23 : 점화 플러그

24 : 연료 분사 노즐 30 : 계량 장치

31 : 분사기 몸체 32 : 예정실

35 : 연료 저장기 36 : 연료 펌프

37 : 연료 압력 조정기 38 : 공기 공급원

39 : 공기 압력 조정기 42 : 분사 노즐

43 : 분사 밸브 50 : 프로세서

51 : 속도 감지기 52 : 부하 감지기

본 발명은 내연기관의 연소실에 연료를 전달하는 것에 관한 것이다.

종래부터, 압축 가스에 의해 기관 연소실이나 공기 도입 시스템에 연료를 분사해주는 연료 분사 시스템들이 제안되어 왔다. 그러한 시스템의 한 실시예가 오스트레일리아 특허출원 제32132/84호에 기술되어 있다. 그 실예에 있어서, 연료는 가스, 양호하게는 공기에 의해 가압되는 예정실(scheduling chamber)로 지칭되는 것에 공급되며, 예정실은 분사 노즐의 개구에 의해 연소실 또는 공기 도입 시스템과 선택적으로 연통된다. 연료는 노즐을 통해 연소실 속으로 또는 공기 유동을 통해 연소실로 연통-가스 혼합물 분무로서 분사된다.

전술한 시스템에 있어서, 분사 노즐을 통한 연료 유동율(연료 플럭스라고도 칭함)은 분사 노즐의 유동 면적과, 노즐을 가로지르는 압력 강하 및, 노즐로 부터 발사되는 혼합물내의 연료대 공기비에 의해 조절된다.

상기 특허출원에 기술된 분사 시스템의 경우에 있어서, 분사 노즐을 통한 연료 유동율은 분사 노즐이 개방될때 급격히 증가하고, 계량된 연료량이 예정실로부터 크게 방출될때까지 일반적으로 안정 상태를 유지하며, 다음에 예정실이 연료를 빼앗겼을때 강하한다.

기관으로부터의 배기 가스내에 있는 유해 성분을 조절하기 위한 노력으로써, 연소실내에서의 연료 분배량을 조절하면 유익하다는 것이 발견되었다. 이러한 조절을 위하여 제안된 한가지 방법은 실린더의 입구 포트와 관련하여 유동 방향 조절기를 제공하므로서 연료가 분사되는 실린더내에서의 원하는 가스 유동을 야기시키는 것이다. 입구 포트에 유동방향 조절기를 제공하면, 자연적으로 공기 유동에 대한 차단이 이루어지며 따라서 체적 효율에 해를 끼치게 된다. 게다가, 유동방향 조절기는 고장을 일으키기 쉬워 부가적인 제조 비용이 필요하다.

연소실의 축방향에서 연료의 층화도를 얻을 목적으로, 사이클당 복수의 연료 전달로써 내연기관을 작동시키는 것은 이미 제안되어 있다. 위쯔키등의 미합중국 특허 제3,154,059호에 의하면, 공기 도입 시스템에 계량된 연료량을 전달하고 연소실속으로 직접 계량된 연료량을 전달하기 위해 각각 분사기가 제공되어 있는 4행정 사이클 기관을 설명하고 있다. 또한, 연소실에 대한 직접 분사를 두개 이상의 펄스로 분할해주는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 제안은 연료층화에 대한 주 분배로서의 연소실의 가스 연료에 유입될 소용돌이 운동을 필요로 한다. 또한, 액체 연료는 가스내에 편승함이 없이 직접 분사기에 의해 연소실에 단일 유체로서 전달되며, 복수 연료 펄스를 설정하기 위해 액체 연료 라인내의 공명 상태에 의존한다.

심코의 미합중국 특허 제4,446,830호에는 또다른 제안이 설명되어 있는데, 여기서는 엔진 사이클 마다 두가지 뚜렷한 연료 분사가 이루어지며, 한 분사는 도입 행정의 개시에 인접하여 발생하고 제2분사는 압축 행정의 말기 바로 전에 일어난다는 것이 발표되어 있다. 이러한 제안은 점화전에 연료를 증발시키기 충분한 열과 시간을 제공하도록 도입 행정의 개시시에 그 대부분이 분사되는 메탄올과 같은 고잠열 연료에 의해 작동되는 엔진에 특히 관련된다. 제2분사는 점화시에 스파크 플러그에 연료가 풍부한 혼합물을 제공하기 위한 것이다.

기관 사이클당 복수의 연료 분사에 관련한 다른 종래의 미합중국 특허, 예를 들면 로이드의 제4,187,825호, 액케르트의 제4,022,165호, 아라야등의 제3,722,490호 및, 에자트의 제3,216,407호와 제3,439,655호가 공지되어 있지만, 이들은 본 발명에 직접 관련되지는 않는다고 생각된다.

본 발명의 목적은 연소 효율을 개선하기 위해 엔진 연소실내의 연료 분배를 조절하도록 엔진에 연료를 전달해주는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 연료-가스 혼합물을 형성하도록 계량된 연료량을 가스체 속으로 도입해주고, 엔진 사이클에 대한 시간 관계로 상기 연료-가스 혼합물을 엔진에 전달해주고, 점화시에 엔진 연소실에서 예정된 연료 분배를 얻을 수 있도록 가스에 대한 연료의 도입을 조절해 주는 것을 포함하는, 엔진에 연료를 전달해주는 방법이 제공된다.

예정된 연료 분배는 투입량의 점화가 개시되는 연소실 부분에서 연료가 풍부한 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 연료 분배는 연소 투입량이 연소실의 실린더 헤드 단부에서 연료의 풍부를 초래하고 실린더 헤드로부터의 거리가 증가함에 따라 연료 밀도가 감소하도록 되어 있는 것이 편리하다. 이러한 분배는 연소실내에서 축방향 연료 층화로서 간주될 수도 있을 것이다.

기관에 연료-가스 혼합물을 도입하기 전에 그리고 도입하는 동안, 엔진에 연료를 운반해주는 가스속으로 연료를 유입하는 비율의 제어는 엔진 연소실내에 필요한 연료 분배를 얻기 위해 사용될 수도 있다. 한 실시예에 있어서, 연료는 공기로 충전된 예정실 속으로 유입되며, 이 예정실은 엔진의 도입 매니폴드 또는 연소실과 선택적으로 연통될 수 있다. 계량된 총 연료량의 일부는 예정실과 도입 매니폴드 또는 연소실의 연통을 설정하기 전에 예정실에 도입될 수도 있으며, 연료의 나머지 부분은 예정실과 연소실 또는 도입 매니폴드 사이에 연통이 이루어지는 주기동안의 선택된 일부에 걸쳐 예정실에 도입된다.

각 기간중에 도입되는 연료량은 점화시 연소실에서의 소요의 연료 분배를 달성하게끔 조정된다. 특히, 이송 개시후 예정실에의 연료 도입은 점화가 일어나는 실린더 헤드 근방의 연료 풍부 혼합물을 제공하는 적절한 제어 순서이다.

연소실에서의 연료 분배를 조절하는 다른 수단으로서는 연소실 또는 매니폴드에 연료-공기 혼합물이 이송되는 포트를 통한 압력차를 조절하는 것으로서 연료-가스 혼합물의 속도 그리고 침투 정도를 조정하게 된다.

연소실에서 연료 분배를 조절하는 상기 특수한 두 방법은 소요의 연료 분배를 달성하는데 조합될 수 있음을 알 수 있다.

연소실 또는 내연기관의 공기 흡입 시스템에 연료를 분사하는 방법으로서, 계량된 연료량을 예정실에 도입시키고, 예정실을 연소실이나 공기 흡입 시스템에 엔진 사이클과 시간상의 관계로 선택적으로 연통시키며, 연료-공기 혼합물을 분사하기 위하여 상기 연통중 연소실이나 공기 흡입 시스템내의 압력보다 높은 압력의 예정실에 공기를 공급하고, 점화시에 내연기관안의 예정된 연료 분배를 달성하기 위하여 예정실과 연소실이나 흡입 시스템과의 연통 기관과 관련하여 예정실로의 연료 도입 비율 및 시간을 조절하는 본 발명이 제공된다.

연소실이나 공기 흡입 시스템으로서의 분사의 말기에 연료 공급율이 증가되도록 조정이 이루어진다. 이렇게 해서 점화가 용이해지도록 연료가 풍부한 연소 혼합물은 점화점 근방에 위치할 수 있다. 이렇게 증가된 연료 공급율은 연료 분사 초기부 전체중에 안정한 연료 공급율과 대조가 될 수 있다. 연료 분사 말기에서의 감소된 비율로부터 증가에 따른 연료 분사의 초기중에 연료 공급율의 감소가 생길 수 있다. 양호하게는 엔진에의 공급 말기중 연료-가스 혼합물의 연료/가스비는 나머지 공급중의 비율보다 작지 않다.

매 사이클 엔진에 공급되는 총 연료량은 엔진 부하와 속도에 따라 결정됨을 알 수 있고 본 발명은 이렇게 결정된 양으로부터 벗어나는 것은 아니다. 본 발명은 연소실내에서의 연료의 효율적인 분배를 얻기 위하여 결정된 연료량의 엔진 연소실로의 도입 비율을 조정한다. 효율적인 연료 분배로 연료 절약이 보다 잘 이루어지며, 그러나 주 잇점은 엔진 배기 가스내의 불필요한 오염물의 감소에 있다.

이점에 관해 연소실에서의 최적 연료 분배는 엔진 작동 조건에 따라 변한다는 것을 알 수 있다. 특히 안정한 가연성 혼합물 양호하게는 점화점에서 이론적인 혼합물보다 풍부한 혼합물을 제공하기 위하여 분배가 제한되어야 하는 저부하에서 균일치 못한 연료 분배를 가지는 것이 더 중요하다. 높은 엔진 부하에서, 모든 연료를 연소시키도록 충분한 산화제에 연료를 노출시키기 위해 연소실의 가스 충전을 통해 연료를 보다 균일하게 분배시키는 것이 중요하다. 따라서, 균일치 못한 연료 분배를 달성하기 위해 연료 분배를 조절하는 것은 엔진의 완전 부하 범위에 걸쳐 영향을 받지 않으나, 양호하게는 엔진 작동의 적어도 낮은 부하 범위에 걸쳐 영향을 받는다.

저부하 및 고부하라는 용어는 본 기술 분야에 숙련된 자가 보통 이해하는 상대적인 용어이다. 그러나, 일반적으로 현대 자동차 엔진의 내용에서 고부하는 특수한 엔진 속도에서 얻어질 수 있는 최대 부하의 75%보다 큰 것이고, 저부하는 상기 특수 속도에서의 최대 부하의 25%보다 작은 것으로 간주할 수 있다.

연료 분사 방법의 한 실시예와 상기 방법을 수행하는 장치에 대한 다음의 기술로부터 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

제1도에서, 엔진(9)은 종래 구조의 단기통 2행정 엔진으로서 실린더(10), 크랭크 케이스(11) 및 실린더(10)내에서 왕복 운동하는 피스톤(12)을 갖는다. 피스톤(12)은 연결봉(13)에 의해 크랭크 축(14)에 연결되고, 크랭크 케이스에는 종래의 리드 밸브(19)와 연합하는 흡입 포트(15)가 구비되고, 3개의 전달 통로(16)(단지 하나만 도시)는 각 전달 포트를 구비한 크랭크 케이스와 통하고, 상기 포트의 2개는 참고번호(17, 18)로 도시되며, 세번째 포트는 포트(18)의 반대쪽의 포트(17)와 같다.

전달 포트는 각각 실린더의 동일 직경 평면에 위치한 각 상부 가장자리를 구비한 실린더(10)의 벽에 형성된다. 배기 포트(20)는 중앙 전달 포트(18) 반대편 실린더 벽에 형성된다. 배기 포트의 상부 가장자리는 전달 포트의 상부 가장자리의 직경 평면보다 약간 위에 있고, 따라서 엔진 사이클에서 보다 늦게 폐쇄된다.

착탈 가능한 실린더 헤드(21)는 점화 플러그(23)와 연료 분사 노즐(24)이 돌출되는 연소 공동(22)을 갖는다. 공동(22)은 전달 포트(18)와 배기 포트(20) 중앙을 통해 연장하는 실린더의 축방향 평면에 대해 거의 대칭적으로 위치한다. 공동(22)은 전달 포트(18) 바로 위의 실린더 벽으로부터 실린더 중앙선을 지난 거리까지 실린더를 가로질러 연장한다.

분사 노즐(24)은 공동(22)의 가장 깊은 부분에 위치하고, 점화 플러그(23)는 전달 포트(18)에서 먼 공동면에서 공동(22)으로 돌출한다. 따라서, 실린더로 들어오는 공기는 분사 노즐(24)을 지나 공동을 따라 점화 플러그 쪽으로 통과하고 노즐로부터 점화 플러그까지 연료를 운반한다.

공동(22)의 형태와 그에 따른 연소 과정에 대한 상세한 내용은 영국 특허출원 제8612601호와 1986년 5월 23일자의 대응 미합중국 특허출원 제866427호에 개시되어 있으며, 각 내용은 참고로 본원과 관계된다.

분사 노즐(24)은 연료 계량에 필수적인 요소이며 분사 시스템내에서 연료는 공기 공급의 압력에 의해 공기속으로 들어가며 엔진의 연소실로 운반된다. 그러한 연료 계량 및 분사 유니트의 한 특징적인 형태가 제2도에 도시되어 있다.

연료 계량 및 분사 유니트는 그 안에 보유 또는 예정실(32)을 갖는 분사기 몸체(31)에 연결된 자동형 드로틀형체 분사기와 같은 적당한 상업적으로 유용한 계량 장치(30)을 구성한다. 연료는 연료 펌프(36)에 의해 연료 저장기(35)로부터 유인되어 연료 유입부(33)를 통해서 연료 압력 조정기(37)를 거쳐서 계량 장치(30)에 운반된다. 공지의 방법으로 작동하는 계량 장치는 요구된 엔진의 연료에 수반되어 실(32)로 들어간 연료의 양을 측정한다. 계량 장치에 공급된 과다한 연료는 연료 복귀부(34)를 거쳐서 연료 저장기(35)에 복귀된다. 연료 계량 장치(30)의 어떤 특징적인 구조가 본 발명에 결정적인 것은 아니며 어떠한 적당한 장치도 사용될 수 있다.

작동에서 예정실(32)은 공기 공급원(38)으로부터 공기 압력 조정기(39)를 거쳐서 몸체(31)의 공기 유입부(45)까지 선택된 공급 압력으로 유지된다. 예정실(32)안으로의 연료의 운반은 그 안의 공기의 압력에 대항하여 작용되며 따라서 연료와 공기 사이의 압력차는 실 안으로의 연료의 운반율에 관계된다. 분사 밸브(43)는 실(32)내의 공기의 압력이 연료가 분사 노즐(42)을 통해서 엔진의 예정실안으로 분사하는 것을 허용하도록 작동된다. 분사 밸브(43)는 연소실에서 내향되고 예정실(32)로부터 외향되게 뚫린 포펫 밸브 구조이다.

분사 밸브(43)는 실(32)을 통과하는 밸브 스템을 거쳐서 분사기 몸체(31)안에 위치된 솔레노이드(47)의 아마츄어(41)에 연결된다. 그 밸브(43)는 판 스프링(40)에 의해 인접 위치로 편위되며, 솔레노이드(47)를 활동하게 함에 의해 열리게 된다.

이 연료 분사 시스템 작동의 더 상세한 것은 오스트레일리아 특허출원 제32132/84호와 1985년 3월에 출원된 같은 미합중국 출원 제740067호에 기재되었으며 이들의 특허는 참고로 해서 이 안에 같이 설명하였다.

솔레노이드(47)의 에너지화는 엔진 사이클에 관하여 적당한 전기 프로세서(50)에 의해 맞춰진다. 프로세서는, 신호는 엔진 속도를 나타내고 또 엔진 사이클에 관하여 엔진 작동이 맞춰짐에 대해서 엔진 사이클에서 기준점을 확인하는 속도 감지기(51)로부터 입력 신호를 받는다. 프로세서(50)는 또한 직접으로 엔진 부하에 관계되는 엔진 공기 유입 시스템에서 공기 유동율을 나타내는 부하 감지기(52)로부터 신호를 받는다. 프로세서는 공기 유동율 신호로부터 엔진에 필요한 부하와 계량 장치(30)에 의해 예정실(32)속으로 전달되는 연료 요구량을 결정하기 위하여 프로그램이 짜여진다.

프로세서(50)는 또 엔진의 속도와 부하 상태로 부터 연소실 속으로 연료의 요구된 분사 타이밍을 결정하기 위하여 프로그램이 짜여진다. 편리하게 프로세서는 소요 엔진력과 배기 배출 수준을 얻기 위해 행해진 시험으로부터 결정된 엔진 부하와 속도에 대해 요구된 분사 타이밍을 나타내는 다점도를 만든다.

프로세서는, 프로세서의 결정에 따라 연소실속에 연료 요구량을 계량하며 예정실(32)속에 연료 분사를 위한 엔진 사이클 요구 시간에서 솔레노이드(47)를 에너지화 하기 위하여, 연료 계량 장치(30)의 작동기(55)와 솔레노이드(47)의 에너지화를 제어하는 분사기 작동기에 적절한 신호를 제공한다. 상기 용도에 적합한 부하와 속도 감지기의 일반적인 구성은 프로세서(50)에 의해 요구되는 기능을 수행하기 위한 프로세서로서 공업계에서 주지되어 있다.

연료의 점화 시기는 연료의 분사 시기가 변함에 맞춰 적합하게 변하며, 또 이것은 프로세서(50)에 의해 제어됨을 알 수 있다. 분사 시기와 점화 시기의 변화 원리는 연료 분사 엔진 분야에서 공지되어 있으며 또 실시되고 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않는다.

전술한 바와 같이 연소실(32)에 대한 공기 공급압은 공기압 조절기(39)에 의해 조정되고, 계량 장치(30)에 대한 연료 공급압은 연료압 조절기(37)에 의해 조정된다. 연료압과 공기압간의 압력차가 계량 장치(30)의 계량 기능에 관련되어 있기 때문에 압력차는 일정하게 유지하는 것이 좋다. 따라서 연료 공급압은 대기압으로 조정하고, 공기 공급압은 연료 공급압에 관련하여 조정함으로써 연료와 공기 공급압간의 요구 압력차를 연료압에 무관하게 유지할 것을 제안한다.

상기 제안한 방식으로 연료압과 공기압을 조정하는 통합된 연료압과 공기압 조절기는 우리의 오스트레일리아 특허원 제PH1560호와 1986년 7월 18일자 출원된 대응 국제특허원 PCT/AU86/00203호에 기재되어 있다. 본원에서는 상기 두 특허원의 내용을 참조용으로 반영하고 있다. 선택한 엔진 작동 조건에 호응하여 조정된 연료압을 변경하기 위하여 상기 항목에 관해 언급한 특허원에 기재된 조절기와 그 특징은 본 발명의 실시에 사용된다. 공기압은 연료압에 관련하여 조정하고, 조정된 연료압에서의 어떠한 변경도 연료-공기 압력차에 또 연료 계량에 영향을 미치지 않음을 주시하기 바란다.

연료압을 증가시키는 원인이 되는 공기압의 증가는 지정된 시차로 연료와 함께 연소실에 공급된 공기 양을 증가시킨다. 그래서 고엔진 부하에서 연료를 운반하기 위한 공기는 연료계량 기능을 조정할 필요없이 동일한 분사 주기를 유지하는 동안 공기압을 증가시킴으로써 증가된다. 또한 공기압의 증가는 고엔진 부하에 적합한 엔진 연소실내로의 연료의 투입 정도를 증가시킨다.

전술한 연료 계량 및 분사 설비에 있어서 엔진 부하 요구를 맞추기 위해 엔진 주기당 필요한 것을 프로세서(50)로 결정한 바 대로 계량한 연료의 총량은 밸브(43)의 개구부보다도 먼저 연소실(32)에 운반된다. 따라서 계량한 연료량은 연소실(32)내의 일반적으로 고정된 공기량에 편승된다. 밸브(43)의 개방시에 연소실(32)에서의 공기와 여기에 편승된 연료는 밸브(43)를 통하여 엔진 실린더 헤드의 공동(22)으로 들어간다.개방중에 밸브(43)를 통해 운반된 공기량은 연소실(32)내의 최초의 공기량보다 크므로, 밸브의 개방직후 운반된 공기는 나중에 운반된 공기보다도 연료가 농후하다.

이러한 작동 방식은 종래 기술의 작동방식으로서, 제3도에 대략적으로 도시했다. 제3도는 피스톤 상사점 중심위치 후에 측정한 크랭크 각을 표시한 것으로서, 플롯(61)은 연소실(32)로의 연료 운반, 플롯(62)은 밸브(43)위치, 그리고 플롯(63)은 연소실(32)로의 연료 급기비를 나타낸다. 이와 같은 플롯은 중간의 엔진 속도 범위에서 고정 속도로 엔진을 작동시키기 위한 것이다.

플롯 61에서 알 수 있는 바와 같이, 계량 장치(20)는 상사점후 약 15°에서 예정실(22)에 연료를 도입하기 시작하고, 상사점후 약 70°에서 종료하는데 전달비는 실질적으로 당해 주기동안 일정하다. 플롯(62)는 분사 밸브(33)가 상사점후 약 250°에서 개방되기 시작하여 상사점후 약 260°에서 완전히 개방되며, 상사점후 약 305°에서 폐쇄되기 시작하여 상사점후 약 320°에서 완전히 폐쇄되는 것을 나타내고 있다. 플롯(63)으로 나타낸 바와 같이 분사 밸브(33)를 통해 연소실로 들어가는 연료 속도는 분사 밸브의 개방시에 급격히 증가하고, 20°크랭크 회전시에는 보통 안정된 상태로 지속되며, 이 다음 실질적으로 연소실내로 통과하는 공기만이 잔류할때까지 예정실(32)내의 연료량이 감소함에 따라 점차 감소한다. 연료 계량과 연료 분사간의 전술한 시간 상관은 분사 주기 초기에 비교적 높은 %의 계량 연료량이 이송되도록 하여 분사 주기 종료시에 비교적 연료 희박 혼합기를 유도하는 경향을 보인다.

또한 초기에 분사된 연료는 후에 분사된 연료보다 연소실내에 재차 관통 및/또는 혼합된다. 따라서 제3도에 도시한 종래 기술의 분사 모드의 사용은 저엔진 부하에서 저연료 주입 속도가 필요할때 스파크 플러그의 중간 부분 근처에서 비교적 희박한 혼합기를 발생시켜 점화성능을 나쁘게 한다. 이러한 상태는 연소 개스에서의 미연소 연료 증가의 원인이 되고 연료 소비와 탄화수소 방출을 증가시킨다.

본 발명에 따른 연료 분사기의 한 작동 모드는 제3도와 유사한 제4도에서 설명한다.

플롯(71)은 측정 장치(30)에서부터 예정실(32)내로 흐르는 연료의 유동을 도시한다. 플롯(72)은 분사 밸브(43)의 위치를 도시하고, 플롯(73)은 분사 밸브(43)를 통과하는 연료 유량을 도시한다. 계량 장치(30)는 15°크랭크각에서 40°크랭크각까지 예정실내로 연료를 주입하고, 다시 270°내지 300°크랭크각에 이르는 제2계량 주기에서 주입한다. 분사 밸브(43)는 제3도에 도시된 플롯(61)에서와 같이 동일한 시간에 개방 및 폐쇄된다. 분사 밸브(43)를 통과하는 연료 유량은 분사 밸브가 초기에 개방될때 상승하고, 15°내지 40°크랭크각의 주기동안에 예정실(32)내에서 이미 측정된 연료가 상승할때 감소하기 시작한다. 그러나, 270°크랭크각에서 제2계량 주기는 제2연료 공급 주기중에 기관으로 공급되는 연료 공급율을 시키면서 예정실(32)로 연료가 주입될때 시작한다. 그후에 다시 연료 공급율은 예정실(32)내의 연료량이 배출될때 감소된다.

제4도에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료 유량의 재분포는 다른 방법으로 이용하는 것보다 점화 플러그의 부위에서 더 풍부한 연료-공기 혼합물을 만들 수 있는 방법을 제공한다. 이것은 사이클당 연료의 총계량을 증가시키지 않고, 또한 하나의 엔진 사이클내에서 2개 이상으로 연료 분사를 분리시킴이 없이 달성된다. 이러한 풍부한 혼합물은 피스톤 부근의 영역과 비교하여 연소실에서 더 많이 있게 되고, 이에 따라 점화 플러그에서 용이하게 연소될 수 있는 혼합물을 제공하고, 또한 원통형 연소실의 축방향으로 연료의 층리화를 제공한다. 연료 분포의 층리 형태는 특히 저부하에서 개량된 연소 상태를 제공하고, 게다가 연료 소모를 개량시키고 및 배기 방출, 즉 HC를 감소시킨다.

예정실(32)로 주입되는 연료의 주입 시간은 연료 계량 장치(30)를 제어하는 전자 프로세서의 적절한 프로그램 작성에 따라 용이하게 제어될 수 있다. 통상적으로 연료 분사 시스템에서 사용되는 여러가지 연료 계량 장치와 같이 상기에 언급한 특정한 계량 장치는 솔레노이드 작동식 계량 밸브를 가진다. 에너지를 받으면 솔레노이드는 밸브를 개방시켜서 예정실(32)로 연료가 흐르게 하고, 따라서 솔레노이드의 동작 주기와 분사 밸브(43)의 작동에 관련된 시간을 제어함으로써 제4도에 도시한 모드에서 또는 다른 유사한 분류 공급에 따라 연료를 예정실(32)로 공급할 수 있다.

프로세서(50)는 엔진 부하 상태를 지시하는 신호에 반응하여 각각의 사이클에서 예정실(32)로 공급하는데 필요한 총 연료량을 결정한다. 본 발명을 수행하기 위하여 프로세서는 제4도에 "a" 및 "b"로 나타낸 바와 같이 상기에 결정한 연료량을 2개의 성분으로 나누고, 각각의 시간 주기에 대하여 기관 사이클의 요구 시간에서 계량 장치(30)의 솔레노이드에 에너지를 부여한다. 이러한 방법에 따라 실린더에서 예정된 연료 분포가 이루어진다.

프로세서는 결정된 연료량을 기관 부하 또는 속도에 관계없이 고정비로서 2개 이상의 성분으로 나누도록 배치될 수 있고, 또는 엔진 부하 및/또는 속도에 반응하여 비율을 변화시키도록 배치될 수 있다. 여기에서 프로세서는 기관이 저부하 범위와 같이 선택한 부하 및/또는 속도 범위내에서 작동하고 있을때 연료량을 성분으로 분할하도록 배치될 수 있다. 또한 유사하게 프로세서는 엔진 사이클 및/또는 분사 사이클에 관련된 각각의 성분과 타이밍 시간의 시간 간격에 관하여 연료량의 각각의 성분 공급 시간을 변화시키도록 배치될 수 있다.

제1도 내지 제4도에 의하여 이미 설명한 바와 같이, 본 발명은 엔진의 연소실안으로의 연료의 직접 분사를 제어하는 형태에 관한 것이다. 그러나, 명세서의 서두에 언급한 바와 같이, 또한 본 발명은 엔진의 공기 유도 시스템내로 연료를 분사하는데 적용시킬 수 있다. 특히 본 발명은 4행정 사이클로 작동하는 기관에 적용시킬 수 있고, 4행정 사이클 기관에서 흡입 밸브 부근의 공기 유도 시스템내로 또는 연소실로 직접 연료를 공급하는데 본 발명을 적용함으로써 엔진 성능이 유사하게 개량된 점에 주목하였다.

공기 유도 시스템내로 연료를 분사하는데 본 발명을 적용시킴에 있어서, 제2도를 참고하여 설명한 연료 계량 및 예정 장치는 기관 요구에 따라 필요한 연료량을 계량하고, 유도 매니폴드로 연료를 공급하는 타이밍과 공급율을 계획하는데 사용될 수 있다.

프로세서의 프로그램을 적절히 작성함으로써 유도 매니폴드로의 연료 공급 타이밍 및 공급율은 점화 시간에 기관 연소실에서 필요로한 연료 분포를 얻도록 배열될 수 있다. 적어도 저부하 상태에서 이러한 연료 분포는 연료비(실린더 헤드에서 축방향으로 떨어진)의 나머지에 관하여 점화점(실린더 헤드에서 축방향으로 가까운) 부근에서 더 풍부한 연료비를 가지게 함이 양호하다. 따라서 실린더에서 축방향으로 층리화된 연료비가 얻어진다.

영국의 포드에 의해 제작된 "켄트(kent)" 엔진으로 알려진 기관 용량 1.6ℓ인 4행정 4실린더 기관중 하나의 실린더를 사용하여 비교 실험을 실시하였다.

하나의 시험에서 제2도에 도시한 형식의 분사기와 보쉬 게엠베하(Bosch GMBH)에 의해 제작된 엘-제트로닉(L-Jetronic : 상표) 형식 분사기로 일련된 단일 유체 분사기를 사용하여 실린더내로의 직접 연료 분사를 비교하였다.

이들 테스트로부터 얻어진 공기-연료비 도표가 제5도 및 제6도에 도시되어 있다. 제5도는 본 발명에 따라 제2도에서 분사기를 작동시킴으로써 얻어진 공기-연료 도표이며, 제6도는 보쉬 분사기 시스템을 사용하여 얻어진다. 본 발명은 대부분의 부하 및 속도에서, 특히 저속 및 중속에서 보쉬 분사가 시스템보다 실제로 훨씬 더 높은 공기-연료비의 사용을 허용한다는 것이 명료하게 밝혀질 수 있을 것이다.

제7도는 공기-연료비에 대한 실린더의 도시 평균 유효 압력의 변화의 백분율 계수의 각 플롯에 의해 보쉬 분사기 시스템에 대하여 본 발명에 의해 성취된 개선된 연소 안정성을 보여준다. 플롯(81)은 보쉬 분사기에서 얻어진 플롯(82)에 비해 본 발명에 따라 작동되는, 제2도의 형태의 연료 분사기를 사용하는 엔진의 안정성을 나타낸다. 플롯(83)은 제2도의 연료 분사기를 사용하지만 본 발명에 의해 제안된 예정실에 대한 연료 공급을 제어하지 않고 엔진의 안정성을 나타낸다.

제8도는 각 분사 시스템에서의 엔진의 연료 옥탄가 요구치를 보여준다. 제2도의 직접 연료 분사 시스템은 플롯(92)에 의해 나타낸 보쉬 분사기 시스템 보다 더 낮은 플롯(91)에 의해 나타난 옥탄가에서 엔진을 가동시킨다. 제8도에서 표시된 바와 같은 엔진의 옥탄 감도에 영향을 주기 위한 능력은 저부하에서 고부하까지의 엔진의 변화에 특히 중요하다.

제5도 내지 제8도에 관련하여 위에서 언급된 테스트에서, 제2도를 참조로 하여 설명된 분사기에 의한 연료 분사는 엔진 사이클의 분사 타이밍이 최적 결과를 얻기 위해 변화되었다고 해도 15ms의 고정 분사 주기에 의해 달성되었다. 실제 분사 타이밍 변화가 속도와 함께 제9도 및 제10도에 도시된다. 이에 관련하여 엔진 사이클에 관한 분사 타이밍 변화가 보쉬 분사 시스템의 성능에 대해 유일한 한계 효과를 가지며, 상기 테스트에서 분사 타이밍이 변화되지 않고 테스트의 엔진 부하 및 속도 범위에 대해 전반적으로 양호한 타이밍에서 설정되었다는 사실이 발견되었다.

저 연료 소모를 제공하는 것에 부가하여, 제2도의 연료 분사 시스템에서 얻을 수 있는 빈약한 연소 상태는 배기 가스에서 질소 산화물을 감소시킨다. 이 테스트는 제2도의 연료 분사 시스템에서 탄화수소의 방출물의 손실없이 질소 산화물의 방출물들의 개선된 연료 절약 및 보다 낮은 산화물을 제공하기 위해 프로세서를 측정하는 것이 가능하다는 것을 증명하였다.

연소실 속으로의 직접 분사가 성취될때 공기 도입 시스템으로의 연료 분사를 사용하면, 연료 충전물의 축방향 층리에 관련하여, 연료 유동 제어 효과의 실제 유사성이 4행정 엔진에 대해 존재한다. 직접 분사에서 사용키 위해 앞에서 논의된 것과 같은 기본적인 계량 및 분사 장비는 매니폴드 속으로 분사하기 위해 사용될 수 있다. 분사기 노즐은 매니폴드와 연소실을 연통시키는 입구에 가까운 매니폴드 내에 배치된다. 다 실린더 엔진에서 각 분사기 노즐이 각 실린더에 대해 제공된다. 분사 타이밍은 연료가 연소실 속으로 직접 운반되도록 입구가 개방되는 동안 연료가 매니폴드로 공급되도록 선정된다. 유도 매니폴드의 공기 속으로 연료가 공급되는 동안 설정된 연료 분배는, 연소실내에 과도한 난류가 존재하지 않는다면, 연소실내에 층리된 연료 분배를 설정하기 위해 실질적으로 유지된다. 따라서, 유입구가 폐쇄되기 직전 연소실로 들어가는 공기내의 연료 공급율을 증대시킴으로써 연소실 내에서 연료 층리 증감을 강화시키며, 그리하여 빈약한 연소가 연소 안정성의 손실없이 보다 높은 공기-연료 비율까지 확장될 수 있다.

본 발명은 모든 사용을 위해 내연기관에 적용할 수 있지만, 자동차, 모터 사이클 및 선회 박용 엔진을 포함하는 보우트를 포함하여, 운송수단용 엔진에서 연료 절약 및 배기 방출물의 제어에 기여하는데 특히 유용하다.

Claims

연료를 점화 및 연소시키는 연소실을 갖는 엔진에 연료를 전달하는 방법에 있어서, 연료-가스 혼합물을 마련하도록 가스체안으로 개량량의 연료를 주입시키고, 엔진 사이클에 대한 시간 관계에 따라 엔진에 상기 연료-가스 혼합물을 유입시키고, 엔진 부하 범위의 적어도 일부분에 걸쳐 점화시 연소실안에 미리 설정된 연료 분배가 이루어지도록 연료-가스 혼합물을 엔진에 전달할때 가스에 대한 연료의 주입을 제어하는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제1항에 있어서, 상기 부분의 부하 범위에 걸친 연소실로의 전달 후기의 연료-가스 혼합물의 연료/가스비가 특정 엔진 사이클의 나머지 전달시보다 크도록 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제1항에 있어서, 엔진에 연료-가스 혼합물의 전달 개시전에 예정실(scheduling chabmer)안으로 연료의 상기 계량량의 제1부분을 전달하고 연료 계량량의 나머지를 엔진으로의 연료-가스 혼합물의 전달시에 예정실 안으로 송출시켜 연료-가스 혼합물을 형성하도록 가스를 내장한 예정실 안으로 계량량의 연료를 전달하는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제3항에 있어서, 엔진과 예정실을 선택적으로 연통시키고 상기 연통시에 예정실로부터 엔진으로 연료-가스 혼합물을 이동시키기에 충분한 압력으로 예정실에의 가스 공급을 유지시킴으로써 엔진으로의 연료-가스 혼합물의 전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 연료-가스 혼합물이 엔진 연소실로 직접 전달되는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
연소실을 갖는 불꽃 점화 내연기관에 연료를 전달하는 방법에 있어서, 연소실의 각 연료 공급 사이클동안 연료-가스 혼합물을 마련하도록 가스체안으로 개량량의 연료를 주입시키고, 단일 전달로서 연소실로 유입하는 연료-가스 혼합물을 전달하고, 엔진의 작동 부하 범위의 적어도 일부분에 걸쳐 점화시 연소실안에 미리 결정된 연료 분배가 이루어지도록 전달 주기동안 상기 혼합물의 연료-가스비를 제어하는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제6항에 있어서, 엔진의 각 연료 공급 사이클동안 연료-가스 혼합물 전달 개시전에 계량량의 연료의 일부를 가스에 주입시키고 계량량의 연료의 나머지를 연료-가스 혼합물의 전달시에 가스에 주입시키는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 부하 범위의 적어도 일부분에 걸친 연소실로의 전달 후기의 연료-가스 혼합물의 연료/가스비가 특정 엔진 사이클의 나머지 전달시보다 크도록 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 점화 위치에서 연료실안의 연료-가스비가 점화시에 대략 화학량론적으로 되도록 하는 연료-가스비의 제어인 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제8항에 있어서, 점화 위치에서 연소실안의 연료-가스비가 점화시에 대략 화학량론적으로 되도록 하는 연료-가스비의 제어인 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 혼합물의 연료-공기비의 제어가 엔진 부하 범위의 저부하 부분에 걸쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제10항에 있어서, 혼합물의 연료-공기비의 제어가 엔진 부하 범위의 저부하 부분에 걸쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
내연기관의 연소실 또는 주입 시스템에 연료를 분사시키는 방법에 있어서, 예정실안으로 계량량의 연료를 주입시키고, 엔진 사이클에 대한 시간 관계에 따라 연소실 또는 주입 시스템과 예정실을 선택적으로 연통시키고, 예정실에 연료-가스 혼합물을 전달시키도록 상기 연통시에 연소실 또는 주입 시스템안의 압력 이상의 압력으로 예정실에 가스를 공급하고, 점화시 연소실안에 미리 설정된 연료 분배가 이루어지도록 연소실 또는 주입 시스템과 예정실의 연통 주기에 대한 예정실로의 연료 주입의 비율 및 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제13항에 있어서, 엔진의 각 연료 공급 사이클동안 연료-가스 혼합물의 전달을 개시하기 전에 계량의 연료 일부를 가스에 주입시키고 계량량의 연료중 나머지를 연료-가스 혼합물의 전달시에 가스에 주입시키는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제13항에 있어서, 엔진에 연료-가스 혼합물의 전달 개시전에 예정실(scheduling chamber)안으로 연료의 상기 계량량의 제1부분을 전달하고 연료 계량량의 나머지를 엔진으로의 연료-가스 혼합물의 전달시에 예정실 안으로 송출시켜 연료-가스 혼합물을 형성하도록 가스를 내장한 예정실 안으로 계량량의 연료를 전달하는 것을 특징으로 하는 연료 전달 방법.
제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 작동되는 수단에 의해 연료를 전달하는 내연기관.
제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 작동되는 수단에 의해 연료를 전달하는 자동차용 내연기관.
제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 작동되는 수단에 의해 연료를 전달하는 선외장착식 선박용 엔진.
불꽃 점화 내연기관에 연료를 전달하는 방법에 있어서, 연료의 연소를 보조하도록 연소실에 공기를 주입시키고, 유입된 공기와 독립적으로 연료-가스 혼합물을 마련하도록 가스체 안으로 계량량의 연료를 도입시키고, 엔진 사이클에 대한 시간 관계에 따라 연소실에 연료-가스 혼합물을 유입시키고, 엔진의 부하 범위의 적어도 일부분에 걸쳐 점화시 연소실안에 미리 설정된 연료 분배가 이루어지도록 연료-가스 혼합물을 엔진에 전달시킬때 가스로의 연료의 도입을 제어하는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 불꽃 점화 내연기관의 연료 전달 방법.
제19항에 있어서, 공기가 연소실에 도입될때 공기에 연료-가스 혼합물을 유입시키는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화 내연기관의 연료 전달 방법.
제19항에 있어서, 연료가스 혼합물이 엔진의 연소실로 직접 유입되는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화 내연기관의 연료 전달 방법.