KR950003760B1 - 가스 분사식 연료분사 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

가스 분사식 연료분사 시스템

도면에 있어서, 제1도는 연료분사 엔진의 다이어그램식 도면.

제2도는 제1도에 도시된 시스템에서 사용된 것과 같이 계량 및 분사기 유니트의 전형적인 형태를 도시한 단면도.

본 발명은 계량된 양의 연료가 공기와 같은 가스에 실린 상태로 엔진에 제공되는 형태의 내연기관 엔진용 연료분사 시스템에 관한 것이다.

종래에, 연료분사 시스템의 상기와 같은 형태는 통상 디이젤이나 중유 형태를 사용하는 대형 엔진에서 주로 사용하게 된다. 그러나, 본 출원은 공기와 같은 압축된 가스에 의해 엔진으로 연료의 계량된 양을 공급하는 원리를 이용한 상대적으로 고속 엔진용 개선된 성유나 가솔린 연료분사 시스템을 구비하고 있다.

자동차 및 기관을 외부에 장치한 해상 엔진에 딸린 연료분사 시스템의 상기 형태의 출원에서 상업적인 고려는 폭넓은 범위의 조건하에서 엔진 시동기간을 상대적으로 짧게하는 것이 요구되었다. 상기 시간 한계내에서 시동을 하기 위하여, 적당한 압력에서 압축가스의 유효성은 시동이 되기 전에 필수적이라는 것이 인식될 것이다. 그러나, 간격 및 다른 고려할 점에 대하여 상대적으로 크게 압축된 공기저장 용량을 제공하는 것이 편리하지 않으며 누설에 대하여 압력 손실의 위험 특히, 엔진이 적당한 시간동안 작동하지 않는 위험이 있다.

분사 시스템에 압축된 공기를 제공한 수단으로서 엔진에 의해 구동된 압축기를 제공하는 것이 통상적이며, 경제적 및 에너지 소모 이유에 대하여, 엔진에 공기 소모율에 근접하여 접촉하도록 압축기 용량을 선택하는 것이 관례적이다. 그래서, 적절한 압력에서 공기의 공급을 남겨두지 않는 시동조건하에서, 압축기는 연료의 분사를 위한 공기이용이 요구된 압력에서 되기 전에 다수의 사이클을 완성해야만 한다.

상기 인자는 연료의 분사를 위하여 요구된 압력에서 공기의 유효성과 엔진의 시동 연속의 개시 사이에서 시간을 늘리는데 기여한다. 따라서, 본 발명의 목적은 엔진 시동에 대하여 충분한 압력까지 연료분사 시스템에 의해 사용된 가스를 생기도록 요구한 주기를 감소하는 것이다.

실제적인 목적은 엔진 시동 연속의 존재에 대하여 분사노즐을 통한 엔진 연소실로부터 가스 공급 시스템안으로 가스를 공급하는 단계와 연료가 가압가스 시스템으로부터 가스에 의해 엔진의 연소실안으로 직접 선택적으로 개방가능한 분사노즐을 통하여 분사하게 되는 연료분사 시스템을 갖는 내연기관의 작동을 제공하는 것이다.

더 상세하게, 선택적으로 개방가능한 분사기 노즐은 엔진의 최소 한개의 연소실의 한개의 사이클 또는 각 다수의 사이클동안 주기에 대하여 시동 연속의 개시에 대하여 개방하게 되며, 주기 또는 주기동안 주로 공기로 된 가스는 가스 공급 시스템에서 가스의 압력을 증가하도록 연소실로부터 가스 공급 시스템으로 공급하게 된다.

다실린더 엔진에서, 각 실린더의 연료 분사노즐은 단일 가스 시스템으로부터 가스를 수용할 것이며, 따라서 단시 한개의 실린더의 분사노즐은 가스 공급 시스템으로 가스를 공급하도록 개방되는 것을 요구할 것이다. 그러나, 만일 원한다면, 엔진의 어떤 수의 실린더의 분사기 노즐은 각 실린더의 최소 하나의 사이클의 부분동안 개방하게 될 것이다. 단지 하나의 분사기 노즐은 가스 시스템으로 가스를 공급하도록 개방하게 되며 노즐은 특별한 실린더의 하나 또는 그 이상의 부분에 대하여 개방하게 될 것이다. 그러나, 한개의 실린더보다 많은 분사기 노즐은 주의 깊게 설계된 가스 공급 시스템으로 각 사이클동안 개방하게 될 것이며 각 실린더의 한개의 사이클보다 오랫동안 각 분사기 노즐을 개방하는데 통상적으로 필요하지는 않다.

분사기 노즐은 실린더내에 압력이 시동시 가스 공급 시스템에 의해 상기와 같이 제공될 때 실린더 사이클 내에 어떤 시간에도 개방하게 될 것이다. 실린더내에 가장 높은 압력은 압축 스트로크로부터 팽창 스트로크로 사이클내에서 변화의 점으로 근접하도록 접근한다. 따라서, 분사기 노즐은 압축 스트로크의 후반부와 종속 팽창 스트로크의 전반부를 포하한 주기에 대하여 편리하게 개방할 수 있을 것이다.

엔진의 시동 작동의 개시는 수동으로 작동가능한 스위치의 작동에 대하여 통상적으로 되며, 상기 스위치의 작용은 각 실린더의 사이클에서 적절한 시간으로 분사기 노즐 또는 노즐의 개방에 영향을 미치는 기구를 트리거하도록 사용될 것이다. 현대 연료분사 시스템의 정상 작동동안, 연료의 분사에 영향을 주는 분사기 노즐의 개방 및 폐쇄는 전자 제어 유니트(ECU)의 제어하에서 되며 시동동안 노즐의 개방은 엔진의 스위치 제어 시동의 작용시 발생된 입력신호에 상응하여 프로그램된 동일 전자 제어 유니트의 제어하에서 유사하게 될 것이다.

전자 제어 유니트가 연료분사 시스템을 제어하도록 사용될 경우 엔진 사이클내에 참고점과 엔진의 회전속도를 지적하도록 전자 제어 유니트로 입력을 발생하게 하는 센서를 제공하는 것이 필요하다. 따라서, 엔진의 시동의 개시는 엔진의 크랭킹의 개시와 같은 정체 주기후 엔진의 회전의 개시를 인식하도록 전자 제어 유니트를 적절히 프로그램함에 의해 탐지되게 될 것이다.

상기 능력은 엔진 실린더나 실린더들로부터 가스 공급 시스템안으로 공기가 제공되므로 가스 공급 시스템은 실린더의 단일 사이클이 여러배 즉, 연료분사 시스템으로 공기 공급은 정상적으로 유지하도록 제공된 한개의 사이클로부터 이용가능한 양동한 엔진의 각 실린더로부터 이용가능한 공기의 실제적인 양으로서 매우 빠르게 엔진 시동을 위하여 충분한 압력을 생기게 한다. 결과적으로 공기 공급 시스템은 보다 빠르게 작동압력을 생기게 한다. 추가해서, 상기의 것은 종래의 전기 고정자 모터와 같은 엔진 크랭킹 기구로 제공된 부하내에서 감소함에 의해 공기 공급 시스템과 연결하는 동안 실린더내에 상승된 압축 압력내에서 발생되어 이득을 본 것이다. 번갈아, 고정자 모터상의 부하내에서 상기 감소는 고정자 모터에 의해 요구된 전기 에너지를 감소하고 시동 작동동안 엔진의 크랭킹 속도에서 증가를 초래할 수 있다.

본 발명은 첨부 도면에서 도시된 바와 같이 내연기관용 연료 계량 시스템의 한개의 실질적인 배열의 하기 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.

이제 제1도에 따르면, 어떤 종래의 형태일 엔진(70)은 공기 흡입 시스템(71), 점화 시스템(72), 연료 펌프(73) 및 연료 저장실(74)을 구비한다. 또한 엔진은 고정자 스위치(78)의 작동시 배터리(76)에 의해 여기된 전기 고정자 모터(75)를 포함한다. 공기 압축기(77)는 엔진 크랭크축 풀리(80)로부터 벨트(79)에 의해 구동하게 된다.

연료 계량 및 분사 유니트(81)(멀티 실린더식 엔진에서의 각 실린더에 대한 것)가 엔진(70)의 실린더 헤드(90)에 장착되어 있다. 연료 계량 및 분사 유니트(81)는 도관(82)을 통해 연료 펌프(73)로부터 연료를 받아들이며 도관(83)을 통해 컴프레서(77)로부터 공기를 받아들인다. 공기압 조절기(84)가 도관(83)에 마련되며, 도관(83)은 엔진의 각 실린더의 연료 계량 및 분사 유니트가 공기를 받아들이기 위해 연결되는 공기 매니폴드(85)에 공기를 전달한다. 전자 제어 유니트(ECU)(86)가 리드(93)를 통해 크랭크축 속도 및 위치 센서(87)로부터, 그리고 리드(96)를 통해 공기 흡입 장치(71)에 위치한 공기 유동 센서(88)로부터 신호를 받는다. ECU(86)는 또한 엔진의 다른 조건들, 예를들면, 엔진 온도, 대기 온도(도시되지 않음)들을 지시하는 신호들을 받아들일 수 있으며, 모든 입력신호에 의해 각 실린더의 매 사이클마다 요구되는 연료량을 결정한다. 이러한 일반적 형식의 ECU는 전자 제어식 연료분사 시스템의 기술에 있어 잘 알려져 있으므로 이하에 더욱 상세히 설명하지는 않겠다.

제2도에 도시한 바와 같이 연료 계량 및 분사 유니트(81)는 내부에 연료실(132)을 가지고 있는 인젝터몸체(131)와 결합한 자동식 드로틀 바디 인젝터와 같은 적당한 연료 계량 장치(130)를 포함하고 있다. 연료는 엔진의 요구에 따라 연료실(132)로 공급되어야 할 연료량을 측정하는 계량 장치(130)로 연료 펌프(73)로 부터 연료 유입 포트(133)를 통해 전달된다. 계량 장치로 공급된 과도한 연료는 연료 귀환 포트를 거쳐 연료 저장실로 돌아간다. 연료 계량 장치(130)의 특별한 구조가 본 발명에 있어 그다지 중요한 것은 아니며 적당한 것이 사용될 수 있다.

인젝터 노즐(142)의 밸브(143)는 연료실(132)을 통과하는 밸브 시스템(144)을 경유하여 인젝터 몸체(131)내에 위치한 솔레노이드(147)의 고정자(141)에 연결된다. 밸브(143)는 디스크 스프링(140)에 의해 폐쇄 위치로 편향되고, 솔레노이드(147)를 여기하므로써 개방된다. 솔레노이드(147)의 여기는 리드(95)를 거쳐 ECU(86)에 의해 제어되는데, 연료실(132)로부터 엔진(70)의 실린더로 연료를 전달하는 걸리는 엔진 사이클에 대한 시간 관계에서 이루어진다.

연료실(132)은 공기 유입 포트(145)를 통해 공기 매니폴드(85)와 항상 소통되어 있고, 따라서 정상 작동하에서 사실상 안정된 공기압으로 유지된다. 솔레노이드(147)가 여기되자마자 밸브(143)가 노즐(142)을 개방시키기 위해 하방으로 변위되고, 연료실(132)에 보유된 측정된 양의 연료가 연료실(132)중의 공기에 의해 노즐(142)을 통해 엔진의 실린더의 연소실로 전해진다.

제2도의 연료실(132)을 포함하는 연료 계량 및 분사 시스템의 작동에 대한 세부사항은 참고상 병합된 오스트레일리아 특허출원 제567037호와 미합중국 제4693224호에 게재되어 있다.

노즐(142)이 엔진의 실린더 헤드(90)내에 위치하며 엔진 실린더내에 형성된 연소실(91)과 소통하고 있음을 상기 설명으로부터 알 수 있을 것이다. 상기 설명과 같이 노즐(142)이 개방되고, 공기 유입 포트(145)를 경유하여 사용될 수 있는 공기가 엔진 실린더의 압력보다 높을때, 그곳에서 실린 연료 혼합 공기가 포트(145), 연료실(132)과 노즐(142)을 거쳐 공기 매니폴드(85)로부터 엔진의 연소실로 유동된다. 그러나, 만일 공기 매니폴드(85)내의 공기 공급이 충분히 높은 압력으로 되지 않는다면, 그것은 연료실(132)로부터 노즐(142)을 거쳐 연소실로 연료를 효과적으로 전달하지 못하게 된다. 엔진이 처음으로 시동되고, 도관(83)과 컴프레서(87) 및 공기 매니폴드(85)로 이루어진 공기 공급 시스템에 압력을 허용하기 위한 엔진의 이전의 작동이 주로 공기 누설 때문에 감소된 이래 충분한 시간 경과가 있은 후에 이러한 작동을 수행하기에 불충분한 압력이 존재할 수 있다.

현재로서는 시동기 스위치가 시동기 모터(75)에 동력을 부여하도록 작동될 때 시동기 스위치(78)로부터 리드(92)를 거쳐 ECU(86)로 신호를 주도록 제안되고 있다. ECU는 이 신호를 받고 계량 장치(130)에게 연료를 연료실(132)로 전달하도록 지시하는 것이 아니라, 솔레노이드(147)를 여기시켜 노즐(142)을 개방시키도록 프로그램된다. 이 프로그램은 또한 크랭크축 위치 센서(87)에 의해 감지되고 리드(93)에 의해 ECU에 전해지는 엔진 실린더의 사이클에 맞추어 솔레노이드(147)의 여기 시간을 정하며, 그리하여 엔진의 특성 실린더의 압축 행정시 미리 예정된 시점에서 솔레노이드(147)가 여기되어 노즐(142)이 개방되게 한다.

따라서, 노즐(142)이 개방되고 엔진이 엔진 시동 시퀀스의 일부로서 크랭크되면 실린더내 압력은 충분한 수준으로 상승되어 공기로 하여금 개방된 노즐(142)을 통해 엔진 실린더로부터 연료실(132)로, 그 다음 공기 유입 포트(145)를 통해 공기 매니폴드(85)로 유동학 한다. 공기 매니폴드(85)의 체적과 공기 매니폴드에 연결된 각각의 인젝터의 공기 공간 체적과 비교한 엔진 실린더의 변위 체적에 주의하면, 공기 매니폴드(85)내의 공기 압력을 특정 엔진 실린더의 단 한 두 사이클에서 작동 압력으로 상승시킬 수 있다.

체크밸크(89)가 공기 통로(83)에 제공되므로써 공기 매니폴드(85)내의 압력이 엔진 실린더로부터 전달되어지는 공기에 의해 상승될때 그 공기가 역류되어 컴프레서(77)로 들어가지 않게 한다. 만일 고압력의 공기가 컴프레서에 들어가게 된다면 그 공기는 컴프레서의 피스톤에 높은 하중을 가하므로써 결국 컴프레서의 손상과 고장을 일으킨다.

엔진 실린더내의 압력은 압축 행정시 점진적으로 증가하고 팽창 행정시 점진적으로 감소한다. 그러므로 실린더내의 압력은 엔진 사이클의 상사점에 이르는 압축행정중 상당 부분 동안과 상사점으로부터 뻗는 팽창 행정중 상당부분동안 공기 공급 시스템에 공기를 전달하기에 충분하다. 따라서 엔진 실린더내의 압력을 최대 효과적으로 이용하기 위하여 ECU는 노즐(142)이 노즐과 소통되는 실린더의 압축 행정의 후기와 팽창행정의 초기에 개방되도록 프로그램되어야 한다.

ECU는 노즐(42)이 개방되도록 엔진 사이클수를 제어하도록 프로그램된다. 실행에 의하면 한 실린더의 한 두 사이클이 공기 매니폴드(85)의 압력을 필요한 작동 압력으로 상승시키기에 족하였다. 공기 매니폴드내의 압력이 연료를 엔진에 효과적으로 공급하기에 충분한 수준 이상으로 될때 신호를 발생하도록 압력 센서를 공기 매니폴드(85)에 마련할 수 있다. 공기 압력이 엔진 시동의 초기에 이미 충분하면 시동 시퀀스가 엔진 실린더로부터 공기 매니폴드로 공기를 전달하는 절차가 없이 진행하도록 ECU를 프로그램할 수 있다. 공기 매니폴드내의 압력 센서는 또한 공기 매니폴드내의 압력이 예정 수준으로 상승되었을 때 공기 매니폴드로의 공기 공급을 종결하도록 ECU에 신호를 보내는데 사용될 수도 있다.

제2도에 도시한 바와 같은 노즐(142)의 밸브(143)같은, 분사기 노즐의 솔레노이드 작동 연료 공급 밸브를 작동시킬때는 노즐을 개방시키도록 솔레노이드에 초기 고속류를 제공하고 그후 나머지 노즐 개방기간동안 흐름을 감소시키는 것이 보통이다. 이런 방법은 고정자가 솔레노이드 코일로부터 격리되어 그 사이에 공기갭이 있을 때 고정자와 노즐 밸브를 개방 위치로 이동시키기 위해 필요한 충분한 자계 강도를 일으키기 위해 고속류가 필요하다는 사실을 기초로 하고 있다. 일단 고정자가 솔레노이드 코일 코어에 근접 혹은 그와 결합하도록 이동되면 저강도 자계는 그 위치를 유지하고 또 노즐 밸브를 유지하는데는 충분하다.

솔레노이드가 여기되면 엔진 실린더로부터 급기 시스템으로 가스를 공급하도록 엔진 시동중 노즐(142)을 개방시키도록 밸브(143)가 이동되어, 연료 분사중 노즐(143)을 개방 위치에서 유지시키도록 보통 사용하는 것보다 큰 자계 강도를 제공하는 것이 바람직하다는 것을 알았다. 연료 공급중에, 연료 공급 시스템이 엔진실린더로부터 공기를 공급받을때 압력구배가 밸브 개방을 유지하도록 솔레노이드에 의해 가해진 힘에 대항하면서 압력구배가 솔레노이드가 밸브개방을 유지하도록 밸브(143)을 가로지른다는 것은 주목할만하다. 따라서, 엔진 실린더로부터 급기 시스템까지 가스를 공급하는 도중에 분사기 노즐(142) 개방기간중 솔레노이드에 제공된 흐름은 분사기 노즐을 통해 엔진 실린더로 연료를 공급하는 도중에 제공된 감소된 흐름보다 크게 할 수 있다. 분사기 노즐을 개방하기 위해 제공된 흐름보다 크게할 수 있다. 분사기 노즐을 개방하기 위해 제공된 초기 고속류는 분사노즐이 급기 시스템에 가스를 공급하도록 개방된 기간동안 계속 유지하는 것이 편리하다.

본 발명은 시동시간을 짧게 하는 것이 중요한 차량 및 원양 선박 엔진에 적용되지만, 다른 엔진의 연료분사 시스템에 채용할 수도 있다. 본 발명은 2행정 사이클에서 작동하는 것이 좋으나, 2행정 사이클 및 4행정 사이클에서 작동하는 엔진에 적용할 수 있다.

Claims (12)

1. 연료가 가압 가스 공급 시스템으로부터의 가스에 의해 선택적으로 개방가능한 분사기 노즐을 통해 엔진(70)의 연소실(71)로 직접 분사되는 연료분사 시스템(81)을 갖는 내연기관(70) 작동방법에 있어서, 엔진 시동 시퀀스 발생에 응답하여, 엔진 연소실(91)로부터 분사기 노즐(142)을 통해 가스 공급 시스템(77:83:84)내로 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동방법.
2. 제1항에 있어서, 선택적으로 개방가능한 분사기 노즐(142)은 연소실로부터 가스 공급 시스템(77:83:84)으로 가스를 공급하도록 엔진(70)의 적어도 1사이클동안 예정기간에 걸쳐 개방되는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동방법.
3. 제2항에 있어서, 선택적으로 개방가능한 분사기 노즐(142)이 개방되어 있는 예정기간은 상기 엔진 사이클의 압축 행정중에 개시되어 그 사이클의 팽창 행정까지 연장되는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동방법.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 엔진(70)은 각 실린더에 대하여 선택적으로 개방가능한 개별적 분사기 노즐(142)을 가진 다기통(multi-cylinder) 엔진이며, 상기 분사기 노즐(142)의 적어도 하나는 가스를 가스 공급 시스템(77:83:84)으로 공급할 수 있도록 상기 엔진 시동 시퀀스에 응답하여 개방되는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동방법.
5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사기 노즐(142)은 엔진 시동 시퀀스 개시에 응답하여 개방되는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동방법.
6. 연료가 가압 가스 공급 시스템으로부터의 가스에 의해 선택적으로 개방가능한 분사기 노즐(142)을 통해 엔진 연소실(91)로 직접 분사되는 연료분사 시스템(81)을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사식 내연기관에 있어서, 엔진 작동을 확립하기 위한 엔진 시동 시퀀스를 개시하도록 작동가능한 수단(86:75:78)과 가스가 상기 시동 시퀀스중 연소실(91)로부터 가스 공급 시스템(77:83:84)에 공급되도록 해주기 위해 시동 시퀀스 발생에 응답하여 상기 분사기 노즐(142)을 개방하도록 작동가능한 수단(143:147)을 갖는 것을 특징으로 하는 연료분사식 내연기관.
7. 제6항에 있어서, 상기 분사식 노즐을 개방하도록 작동가능한 수단(143:147)은 엔진(70)의 적어도 1 사이클중 예정기간동안 상기 분사기 노즐(142)을 개방하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료분사식 내연기관.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 각 실린더의 연소실(91)을 위해 하나의 분사기 노즐을 갖는 다기통 엔진(70)이며, 상기 분사노즐(142)의 적어도 하나는 엔진 개시 시퀀스 발생에 응답하여 개방되는 것을 특징으로 하는 연료분사식 내연기관.
9. 연료가 가압 가스 공급 시스템(77:83:84)으로부터의 가스에 의해 선택적으로 개방가능한 분사기 노즐(142)을 통해 엔진 연소실(91)로 직접 분사되는 연료분사 시스템을 갖는 연료 분사식 내연기관에 있어서, 상기 엔진(70)의 시동중 엔진을 크랭킹하도록 작동가능한 크랭킹 수단과, 상기 크랭킹 수단을 작동하는 수단과, 상기 연소실을 상기 가스 공급 시스템(77:83:84)과 연통하도록 상기 작동기 수단의 작동에 응답 작동하여 가스가 엔진 크랭킹중 연소실로부터 가스 공급 시스템에 공급되게 하는 노즐 제어 수단(86)을 구비한 것을 특징으로 하는 연료분사식 내연기관.
10. 제9항에 있어서, 상기 노즐 제어 수단(86)은 상기 작동기 수단의 작동에 응답하여 선택된 기간동안 분사노즐(142)을 개방하도록 전기적으로 여자가능한 수단(143,147)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료분사식 내연기관.
11. 제10항에 있어서, 상기 선택된 기간은 엔진(70)의 사이클에 대해 고정적 관계에 있는 것을 특징으로 하는 연료분사식 내연기관.
12. 제11항에 있어서, 상기 선택된 기간은 엔진 사이클 압축행정중 개시되며 그 사이클 팽창 행정까지 연장되는 것을 특징으로 하는 연료분사식 내연기관.

Images