KR100612055B1 - 가스상 연료의 간헐적인 및/또는 연속적인 도입용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다 실린더 기관에 가스상 연료를 간헐적으로 도입하는 시스템에 관한 것이다. 비교적 많은 가스량을 처리할 수 있기 위해서, 각각의 실린더에 대해 계량 밸브(6)가 사용되며, 계량 밸브는 주 밸브와 보조 밸브(16)로 구성된다. 보조 밸브(16)는 전기적으로 제어되며, 기계적인 압력 제어 증폭기 기구를 통해서 계량 밸브(6) 내의 주 오리피스가 개방된다.

Description

가스상 연료의 간헐적인 및/또는 연속적인 도입용 시스템{SYSTEM FOR THE INTERMITTENT AND/OR SEQUENTIAL INTRODUCTION OF A GASEOUS FUEL}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 연료의 도입용 시스템에 관한 것이다.

개개의 실린더에 정확한 주입량(투여량:dose)을 제공하기 위하여 공통 가스 공급부가 설치된다는 것과, 다양한 홈이 있는 차단 밸브(cut-off valve)의 도움으로 각각의 실린더에는 정확하게 계량된 양의 가스가 따로 따로 공급된다는 것이 알려져 있고, 상기 홈들의 위치는 전기적으로 제어되고 또 얼마나 많은 가스가 공급되는지를 결정한다. 그러한 시스템이 λ-프로브를 갖는 폐루프(closed loop)에 연결된다면, 환경 요구조건이 부합될 수 있다. 이러한 예를 유럽 특허 0,563,223에서 찾아볼 수 있다.

그러나, 변화하는 환경 하에서 최적 연료 혼합에 대한 높은 요구조건이 증대하고 있다. 이는 가령 내연 기관의 부하 그리고 회전수의 변화를 포함할 수 있다.

가솔린 구동식 내연 기관에 있어서, (액체)가솔린의 간헐적인 또는 연속적인 도입을 위한 제어가 개발되어 왔다. 만일 간헐적인 제어가 내연 기관의 캠 샤프트 회전수보다 더 높거나 동일한 주파수에서 일어난다면, 이러한 제어는 각각의 연소 사이클에 대해 연료의 최적량을 공급하는 가능성을 제공한다. 이는 연료 공급에 소요되는 기간이 내연 기관의 사이클 시간보다 짧기 때문이다. 그러나 연료 공급의 스위칭 온 또는 오프 중에, 별개의 실린더들에 정확한 양의 연료를 공급함에 있어 문제점이 발생할 수 있다. 몇 개의 실린더의 연료 공급을 동시에 스위칭 온 또는 오프함으로써, 하나 또는 그 이상의 실린더는 소요 연료의 일부만을 수용하고, 그 결과 부정확한 혼합이 발생할 수 있다. 만일 상기 제어가 완전히 연속적이라면, 즉 각각의 독립된 실린더에 대해 정확한 양의 연료 공급의 스위칭 온 또는 오프가 정확한 시간에 이루어진다면, 연료 공급의 스위칭 온 및 오프 중에 주입량(dose) 또한 정확하게 공급될 수 있다.

스타팅과 스위칭 오프 시의 장점과는 별도로, 특정 실린더에 대해 최적 시간에서 발생하는 연료의 도입에 의한 연속적인 제어에 의해 방출(emissions)의 추가 감소가 이루어진다.

'SAE 기술 논문 시리즈' 951913 'Ultra Rapid Natural Gas Port Injection'으로부터, 천연가스(메탄)용 멀티포인트 연속 분사 시스템이 알려져 있다. 여기서 사용되는 분사기는 코일에 의해 조작되는 디스크 형태의 금속 밸브이다. 그러한 시스템은 단지 비교적 높은 예압(수 bar)에 의해 기능을 발휘하며, 상당한 전력을 요구하는데 반해, 마모(wear)는 무시할 수 없으며 다른 기관 요소들의 수명보다 더 길다. 특히, 코일이 크기 때문에 이러한 구성을 실현하는데 장해가 된다. 결국, 현대의 내연 기관에는 가스상 연료용 분사기의 (후)설치를 위한 가용 공간이 제한되며, 설치 위치에 있어 상당한 자유도가 있어야 한다. 간헐적으로 또는 연속적으로 분사함으로써 밸브 타이밍과 매니폴드 형상에 관하여 더 큰 자유도가 달성된다.

본 발명의 목적은 앞서 기술한 결점을 회피하는 것이다. 이 목적은 전술한 시스템에서 청구항 1의 수단을 특징으로 함으로써 실현된다.

비교적 간단한 보조/주 밸브 구조에 의해, 주 밸브의 개방 특성으로부터 허용가능하지 않은 편차(deviations)가 발생되지 않고, 특히 높은 주파수로 스위칭이 가능하다는 것을 발견하게 되었다. 이러한 구조는 또한 주 밸브의 장착 크기(seating dimensions)와 작업 압력에 관해 큰 자유도를 부여한다.

네덜란드 출원 9101106에서 주입(dosing) 밸브가 공압용으로 공지되어 있는 것이 주목된다. 상기 출원에서 사용되는 보조 밸브는 일 측이 가스 출구에 연결된다. 보조 밸브의 다른 측은 가스 공급부에 직접 연결되는 것이 아니라 맴브레인이 사이에 연결된다. 출구에서의 가압에 의해 보조 밸브가 개방되는 경우에 맴브레인은 상기 공급부로부터 흡수되므로 더 큰 공급량이 방출된다. 공지된 상기 구조에서 맴브레인은 2개의 작은 파이프를 폐쇄하고 이들은 채널을 통해 맴브레인의 다른 측과 연결되므로 상기 제어를 제공하게 된다. 따라서, 작은 파이프들에 대한 맴브레인의 폐쇄 동작 중에 특히 시간 지연 효과가 생성되며 이는 셔터 거동에 있어 최고조에 달할수 있게 된다. 그러한 구조는 혼합기에 의한 연료의 중앙 도입을 목표로 하며, 본 출원은 각각의 실린더에 대해 하나 또는 그 이상의 분사기를 사용하는 것을 목표로 한다(멀티포인트 분사).

본 발명의 유익한 다른 실시예에 따르면, 내연 기관의 작동 조건에 의존하여 각각의 주입 밸브의 별개의 제어를 하는 제어기가 존재한다.

본 발명의 유익한 실시예에 따르면, 보조 밸브는 일 측이 직접 가스 공급부에 연결되며 다른 측이 가스 출구에 연결되고, 주 밸브의 용적부는 교축부(restriction)를 통해 가스 공급부에 연결된다. 더욱 특수한 주 밸브는 맴브레인 제어 밸브를 포함하고, 맴브레인의 일 측 상에서 가스 공급 압력이 교축부를 통해 작용하며 맴브레인의 다른 측의 일부 상에서 동일한 가스 공급 압력이 작용하고 상기 다른 측의 다른 부분 상에서 가스 출구 압력이 가해진다.

본 발명의 유익한 다른 실시예에 따르면, 주 밸브와 보조 밸브는 가스 출구를 공유한다.

맴브레인은 당 업계에 알려진 소정의 재료로 구성될 수 있고 특히 고무재가 바람직하다. 보조 밸브는 니들 밸브 또는 디스크 밸브와 같은 당업계에 알려진 소정의 밸브로 될 수 있다.

본 발명의 유익한 실시예에 따르면, 주 밸브와 보조 밸브는 가스의 총량의 최고 30%가 보조 밸브를 통해 흐르도록 그리고 최저 70%가 주 밸브를 통해 흐르도록 제조된다.

이하 도면에 도시한 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템에 구비된 내연 기관의 일부를 매우 개략적으로 도시한 도면이고

도 2는 상기 시스템에 합체된 주입 밸브의 상세도이며

도 3은 실제 사용되는 본 발명에 따른 주입 밸브의 디자인을 나타낸다.

도 1 에는 참조부호 1로 지시된 내연 기관을 도시한다.

단지 내연 기관과 조합한 시스템의 용례만을 도시하였다. 물론 가솔린으로 작동하는 시스템이 있다는 것을 이해할 수 있으며, 이 경우 소정의 센서들이 공유될 수 있다.

내연 기관의 다양한 부품들을 개략 도시하였는데, 이들은 적어도 두개의 피스톤(2)과 두 개의 실린더(3)로 이루어진다. 입구 밸브(5)는 입구 채널(4)에 설치된다. 입구 밸브들의 상류에는 항상 가스용 흡입부(12)가 있으며, 이 흡입부는 주입(dosing) 밸브(6)를 통해 가스 공급부(10)의 분기부(11:branch)에 연결된다. 가스를 어떻게 공급하는 지에 대해서는 도시하지 아니하였다. 이는 증발기 또는 당업계에 공지된 소정의 다른 구성을 통해 이루어질 수 있다. 내연 기관은 이동식(mobile) 기관은 물론이고 고정식(stationary) 기관으로 구성될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

도 2에서 알 수 있듯이, 주입 밸브(6)(분사기)는 주 밸브와 보조 밸브로 구성되는데, 보조 밸브는 제어기(8)에 연결된 케이블(7)을 통하여 전기적으로 제어된다. 제어기(8)에서 다른 기관의 센서들(도시하지 않음)에 연결된 케이블(9)과 같은 더 많은 케이블이 합류하게 된다.

그러한 센서들은 예컨대 캠 샤프트 및/또는 크랭크 샤프트에 설치되어 기관(1)의 위치를 정확하게 확립한다. 또한, 가솔린 분사에 대해서와 같이, 기관에 이미 존재하는 제어기로부터의 신호들을 보내는(tap) 것도 가능하다. 케이블(13)은 센서(14)에 연결되고, 이 센서는 내연 기관의 플라이휠(31)의 위치를 검출한다.

도 2에는 주입 밸브(6)를 상세히 도시하였다. 이 도면에서는 분기부(11)가 하우징(15)의 가스 흡입부(22) 내로 지나는 것을 나타낸다. 또한 가스 출구(23)도 하우징(15) 내에 설치되며 가스 출구(12) 내로 통과한다. 보조 밸브(1(6))는 하우징의 측부에 설치된다. 보조 밸브는 전기 케이블(7)을 통해 조작되는 고정 전기 코일(17)로 이루어진다. 내부에는 니들 밸브(18)의 스템(21:stem)이 있는데, 이는 스프링(19) 및 코일(17)에 의해 발생되는 자력의 상호작용에 의해 전후로 이동될 수 있다. 니들 밸브(18)는 밸브 시팅(seating)(20) 상에서 동작하며 이는 출구 채널(30)로 안내된다.

하우징(15)은 챔버(25)와 링형 챔버(29)로 분리된다. 이들 두 챔버의 분리는 맴브레인(27)에 의해 실현된다. 가스 흡입부(22)는 일 측에서 직접 링형 챔버(29)와 연결되고 다른 측에서 교축부(restriction)(26)를 통해 챔버(25)에 연결된다. 챔버(25)는 다른 측에서 니들 밸브(18)에 연결된다. 또한, 맴브레인(27)은 가스 출구(23)에 연결된다.

도 2를 참조하여 설명한 구성의 기능은 다음과 같다:

니들 밸브(18)가 폐쇄된다면, 맴브레인(27)은 다양한 면들의 크기로 인해 밀봉 링(28)에 대해 압박되는데, 그 이유는 가스 출구(23)가 일반적으로 가스 공급 압력보다 더 낮으며 어떤 경우에도 더 높지 않은 압력을 갖기 때문이다. 따라서, 가스는 맴브레인(27)을 통하지도 않고 또 폐쇄된 니들 밸브(18) 또는 가스 흡입부(22)를 통하지도 않고 가스 출구(23)로 들어간다.

가스 출구(23)로의 가스 유동이 필요하다면, 보조 밸브(16)는 코일(17)의 여기(energizing)에 의해 개방된다. 그 결과, 가스는 가스 흡입부(22)로부터 교축부(26)를 통해 니들 밸브(18)를 따라 채널(30)로 흐르게 된다. 교축부(26)와 가스 출구(23)에서의 가압(흡입 압력)으로 인하여, 챔버(25) 내의 압력은 가스 공급 압력 즉, 링형 챔버(29) 내의 압력보다 더 낮아질 것이다. 따라서, 맴브레인(27)은 위로 이동하게 되고 챔버(29)로부터 가스 출구(23)로의 직접 유동이 발생된다.

그 후 니들 밸브(18)를 폐쇄하면, 맴브레인(27) 위의 압력 즉, 챔버(25) 내의 압력은 상승하는데, 그 이유는 교축부(26)의 효과가 없어지기 때문이다. 그 결과, 맴브레인(27)은 다시 링(28)에 압박된다.

테스트 중에 그러한 구성은 매우 빠른 속도로 스위치할 수 있다는 것을 알게 되었다. 테스트는 수백 헤르츠(Hertz)로 수행되었는데, 이 때 직면한 문제는 없었다. 4행정 원리로 작동하는 통상적으로 빨리 회전하는 내연 기관에 있어서, 실제 주파수는 대략 20Hz일 것이고 최대 구동 주파수는 고회전 기관에 대해 60 내지 70Hz에 있게 될 것이다.

맴브레인의 동작(운동)은 네덜란드 특허 출원 9101106에 개시된 구성에서와 같이, 그 제어에 어떠한 영향도 미치지 않기 때문에, 가능한 수반 지연 효과는 존재하지 않을 것이다. 즉, 교축부(26)를 통해 공급되는 가스는 폐쇄된 차단 밸브에 대한 맴브레인(27) 상의 압력을 증강시키며, 맴브레인의 위치에 의존하는 교축부를 통해 안내되지 않는다. 이 때문에, 잘 형성된 개방 및 셔팅(shutting) 동작이 보장될 수 있다.

다양한 채널과 면들과 맴브레인(27)의 양측의 지배 압력과 교축부(26)의 출구에 대해 적절한 크기를 사용함으로써, 맴브레인의 개방 및 셔팅 속력을 제어할 수 있다. 이러한 그리고 또 다른 변형이 첨부한 청구범위의 범주 내에 있다는 것을 당업자라면 전술한 설명으로부터 명확히 알 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 구성에 있어서, 가스를 고압하에 공급할 필요가 없다. 결국, 주 밸브는 비교적 저압으로 가스를 도입할 수 있게 하기에 충분히 넓은 면을 가지므로, 부탄을 함유하는 가스로 인해 사용하는 중에 생기는 문제는 전혀 없는데, 고압에서는 액상으로 변이될 위험이 있다. 앞서 설명한 주 출구(23)는 가령 3mm의 직경일 수 있으며, 적용된 가스압은 약 1-2 bar의 과압일 수 있다.

가령, 단순하게 직경을 변화시키거나 2-4 mm의 다른 링들 또는 스페이서들을 배치함으로써, 밸브는 연료 및/또는 연소 기관의 특정 형태에 적용될 수 있다.

보조 밸브를 통해 약 5 용적%의 가스를 공급하고 주 밸브를 통해 95 용적% 이상의 가스를 통과시켜서, 주 밸브를 충분히 정확하게 제어할 수 있다는 것을 알아 내었다. 이것은 보조 밸브를 특히 소형이고 고속인 작용 형태로 제조할 수 있음을 의미한다.

보조 밸브를 통해 흐르는 가스량과 주 밸브를 통해 흐르는 가스량 사이의 관계가 극단적으로 작동 조건들에 의존한다는 것을 이해할 것이다. 만일 개방/폐쇄 동작이 비교적 개방 시간의 대부분을 차지한다면, 보조 밸브를 통해 흐르는 가스의 백분율은 개방/폐쇄 시간에 관하여 다양한 밸브들의 폐쇄 시간이 덜 관련되는 상황과 상당히 상이할 것이다. 더욱이 다양한 보조 밸브들이 서로에 대해 뒤에 연결되어 스텝형 '증폭기'를 실현할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명에 따른 구성에 있어서, 현재 시판되고 있는 간헐적인 멀티포인트 가스 분사기와 대조적으로 그것을 구동하는 데 필요한 전력량은 아주 작게 된다.

도 3에서, 본 발명에 따른 구성을 실제적으로 실현한 예를 도시하였다. 이는 도면 부호 36으로 나타내었다. 전기 구동 케이블(37)은 제어기(도시하지 않음)와 연결된다. 이는 코일(47)에 에너지를 공급한다. 코일에는 이것이 여기될 때 코일을 향해 이동되는 전기자 판(41)이 마련된다. 이러한 이동은 다이어프램 스프링(49)에 의하여 방해된다. 차단 밸브(48)는 시팅(sitting)(50)을 밀봉하는 고무재로 구성된다. 가스는 파이프(41)에 의해 도입되고 코일(47) 주위를 흐른다. 이 결과 코일(47)이 냉각된다. 채널(54)과 교축부(46)를 통과한 가스는 맴브레인(57) 위의 챔버(55)로 들어간다. 이 맴브레인(57)은 밀봉 연부(58)를 밀봉하며 여기에 또한 챔버(59)가 존재할 수 있다. 가스 출구(53)는 개략적으로 도시한 흡입 매니폴드(40)의 일부와 통한다.

도 3은 극히 콤팩트하게 제작할 수 있는 장치를 나타낸다. 실시된 장치의 주요 부분들의 직경을 2cm 미만으로 제작할 수 있다는 것이 기술적으로 입증되었다.

이상에서는 본 발명을 단지 몇몇 실시예를 참고해서 설명하였지만, 당업자라면 다양한 변화가 용이하게 이루어질 수 있고 또 이는 첨부하는 청구범위의 범주 내에 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (10)

1. 멀티 실린더 내연 기관에서 가스 연료를 간헐적 또는 연속적으로 도입하는 시스템에 있어서,

   계량(metering) 밸브(6)가 설치된 상기 내연 기관 각각의 실린더(3)에 대한 가스 연료의 공급부(11, 12)를 포함하며,

   상기 계량 밸브는 하나 이상의 보조 밸브(16)를 구비하고, 상기 보조 밸브는 상기 계량 밸브 양단의 압력차를 통해 상기 계량 밸브에 배치된 주 밸브(27)를 제어하는 것인 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 각각의 실린더(3)에 대해 개별 공급부(11, 12)를 포함하는 것인 시스템.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 개별 공급부에 대한 제어부(8)를 포함하며, 상기 제어부는 내연 기관의 작동 조건에 의존하여 각각의 계량 밸브를 제어하는 것인 시스템.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 보조 밸브는 주 밸브의 용적부(25)를 한 쪽으로는 가스 공급부(11)에 연결하고 다른 쪽으로는 가스 출구(12)에 연결할 수 있는 것인 시스템.
5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 보조 밸브는 한 쪽으로는 상기 주 밸브의 용적부(25)에 연결되며, 다른 쪽으로는 상기 가스 출구(12)에 연결되고, 상기 주 밸브의 용적부(25)는 교축부(26)를 통해 가스 출구에 연결되는 것인 시스템.
6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 주 밸브는 맴브레인(27) 제어 차단 밸브를 포함하고, 상기 맴브레인의 한 쪽에서는 가스 공급 압력이 교축부를 통해 가해지며 그로 인해 맴브레인의 다른 쪽의 부분(29) 위에서 동일한 가스 압력이 가해지고 상기 다른 쪽의 추가적인 부분(23) 상에서 가스 출구 압력이 가해지는 것인 시스템.
7. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 주 밸브와 보조 밸브의 가스 출구는 공유되는 것인 시스템.
8. 청구항 3에 있어서, 상기 제어부(8)가 기관의 위치 센서(14)에 연결되는 것인 시스템.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 맴브레인(27)은 고무재 또는 수지재로 구성되는 것인 시스템.
10. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 주 밸브와 보조 밸브는 가스 흐름 총량의 최대 30%가 상기 보조 밸브를 통해 흐르도록 그리고 최소 70%가 상기 주 밸브를 통해 흐르도록 제조되는 것인 시스템.

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