KR20030054921A - System for providing high pressure air of diesel engine - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료분사 후반부(실린더의 압축상사점 위치)에서 공기의 과부족이 발생하게 되는 인젝터의 주변에 고압의 압축 공기를 충분히 공급해주어, 연소 후반부에 분사된 연료의 연소효율을 향상시키는 동시에 디젤엔진의 주매연인 입자상 물질(PM:Particulate Matter)의 저감 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a high-pressure air supply system of a diesel engine for automobiles, and more particularly, to supply the high-pressure compressed air to the periphery of the injector, which is caused by the lack of air in the latter part of the fuel injection (compression top dead center position of the cylinder). In order to improve the combustion efficiency of fuel injected in the second half of combustion, it is possible to obtain a reduction effect of particulate matter (PM), which is a main soot of a diesel engine.
이를 위해, 본 발명은 터보챠져와 인터쿨러 사이의 흡기라인에서 분기되어 인젝터의 주변에까지 연장되며 설치되는 분기관과; 상기 분기관의 일정 위치에 설치되는 고압공기 제어용 밸브와; 엔진 실린더에 장착되어 실린더 헤드의 상사점 위치를 감지하는 실린더 위치감지센서와; 상기 고압공기 제어용 밸브 및 실린더 위치감지센서와 신호 교환가능하게 연결된 ECU로 구성하여서, 연료분사 후반부에서도 상기 인젝터 주변에 위치된 분기관으로부터 고압의 공기가 분사되도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 제공한다.To this end, the present invention includes a branch pipe branched from the intake line between the turbocharger and the intercooler and extended to the periphery of the injector; A high pressure air control valve installed at a predetermined position of the branch pipe; A cylinder position detection sensor mounted on the engine cylinder and sensing a top dead center position of the cylinder head; The high pressure air control valve and the cylinder position sensor is composed of an ECU connected to the signal exchange, so that the high-pressure air is injected from the branch pipe located around the injector in the latter part of the fuel injection Provide a high pressure air supply system.
Description
본 발명은 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료분사 후반부(실린더의 압축상사점 위치)에서 공기의 과부족이 발생하게 되는 인젝터의 주변에 고압의 압축 공기를 충분히 공급해주어, 연소 후반부에 분사된 연료의 연소효율을 향상시키는 동시에 디젤엔진의 주매연인 입자상 물질(PM:Particulate Matter)의 저감 효과를 얻을 수 있도록 한 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a high-pressure air supply system of a diesel engine for automobiles, and more particularly, to supply the high-pressure compressed air to the periphery of the injector, which is caused by the lack of air in the latter part of the fuel injection (compression top dead center position of the cylinder). The present invention relates to a high-pressure air supply system for an automotive diesel engine, which improves the combustion efficiency of fuel injected in the second half of combustion and at the same time reduces the particulate matter (PM: Particulate Matter) of a diesel engine.
통상적으로 디젤 엔진은 저연비이면서 고출력 및 고부하의 운전이 가능하여 현재 수요가 계속 증가하고 있는 추세에 있지만, 디젤 엔진 차량에 의한 대기오염이 총대기오염의 40% 정도를 차지할 정도로 대기오염의 주범으로 인식되고 있고, 이러한 문제점에 대응하기 위하여 디젤 엔진의 배기가스를 저감시키는 장치 및 시스템을 계속 연구개발중에 있다.In general, diesel engines have low fuel consumption, high power and high load operation, and the demand is continuously increasing. However, air pollution caused by diesel engine vehicles accounts for 40% of total air pollution. In order to cope with these problems, devices and systems for reducing the exhaust gas of diesel engines are continuously being researched and developed.
최근 각광받고 있는 승용차용 전자식 디젤엔진의 경우, ECU에서 독립적으로 제어된 인젝터로부터 고압연료가 고온 고압의 연소실 분위기에 분사되는 방식을 채택함으로써, 기존의 엔진에 비해 부연소실을 통해 손실된 열량이 행정일로 소모되어, 연비를 향상시키고 연소소음을 줄일 수 있었다.In the case of an electric diesel engine for passenger cars, which has recently been in the spotlight, by adopting a method in which high-pressure fuel is injected into the combustion chamber atmosphere of high temperature and high pressure from an injector independently controlled by the ECU, the amount of heat lost through the sub-combustion chamber is compared with that of a conventional engine. It was consumed to work, improving fuel economy and reducing combustion noise.
이러한 성능 향상에도 불구하고, 고온고압 연소에 수반되는 고온의 연소온도에 의하여 질소산화물(NOx)가 발생하고 있고, 이 질소산화물의 저감을 위해 연료분사 전의 연소실 온도를 낮추어야 하지만, 이는 매연으로 배출되는 입자상 물질(PM)의 발생량과 상관관계를 갖기 때문에 연소실의 온도를 낮출 수만도 없다.In spite of the improvement in performance, NOx is generated by the high temperature combustion temperature accompanying high temperature and high pressure combustion, and in order to reduce the NOx, the combustion chamber temperature before fuel injection should be lowered. Since it has a correlation with the generation amount of particulate matter (PM), it is not only possible to lower the temperature of the combustion chamber.
따라서, 디젤 엔진 차량에 의한 대기오염은 배기가스에 포함된 채 배출되는 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM:Particulate Matter)에 의한 것으로 알려지고 있다.Accordingly, air pollution by diesel engine vehicles is known to be caused by nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) discharged while being contained in exhaust gas.
대개, 디젤 엔진은 예혼합연소에 의한 가솔린엔진과 달리, 그 연소특성상 압축공기에 연료분사를 하여, 성층화된 연소분위기를 만들어주고, 분사된 연료에 주변공기가 섞이며 확산연소를 하게 되는 바, 연료분사 후반부에 분사된 연료분무는 연소를 위한 충분한 공기를 공급받지 못한다.In general, diesel engines, unlike gasoline engines with premixed combustion, inject combustion fuel into compressed air due to its combustion characteristics to create a stratified combustion atmosphere, and mix the injected air with ambient air to diffuse combustion. The fuel spray injected in the latter part of the fuel injection does not receive enough air for combustion.
그 이유는 연료분사 후반부 즉, 실린더 헤드가 압축 상사점 위치에 있는 경우, 공기의 공급이 충분히 이루어질 만큼의 공간이 확보되지 않기 때문이다.The reason for this is that, when the latter part of the fuel injection, i.e., the cylinder head is in the compression top dead center position, there is not enough space for sufficient air supply.
그에따라 상기 입자상 물질(PM)이 연료분사가 나중에 이루어지는 연료분사 후반부, 즉 실린더의 압축상사점 위치(TDC:Top Dead Center)에서 공기의 부족이 발생되는 영역인 인젝터의 바로 아래쪽 영역에서 발생하게 된다.Accordingly, the particulate matter (PM) is generated in the latter half of the fuel injection, which is a fuel injection later, that is, in the region immediately below the injector, which is a region where air shortage occurs at the TDC (Top Dead Center) position of the cylinder. .
보다 상세하게는, 첨부한 도 3에 은선으로 표시한 바와 같이 상기 실린더 헤드(22)의 상단부와 인접된 상기 인젝터(14)의 바로 아래쪽 영역에서 공기의 과부족으로 인하여 미연소된 입자상 물질(PM)이 발생하게 된다.More specifically, the particulate matter PM unburned due to the lack of air in the region immediately below the injector 14 adjacent to the upper end of the cylinder head 22 as indicated by the hidden line in FIG. This will occur.
이에, 현재 및 향후 강화되는 배출가스규제에 대응하기 위해서는 상기 입자상 물질을 걸러주는 장치 및 트랩등의 후처리장치가 필요하게 되지만, 이러한 후처리 장치들을 향후 연구개발하는 비용이 많이 소모될 전망이어서 난점이 있다.Therefore, in order to cope with the current and future tightened emission regulations, post-treatment devices such as a filter and trap to filter particulate matter are required, but it is difficult to research and develop these post-treatment devices in the future. There is this.
따라서, 본 발명은 상기와 같이 발생하는 입자상 물질(PM)을 저감시키기 위하여 발명한 것으로서, 디젤 엔진의 배기 시스템에 장착된 터보챠져를 이용하여, 연료분사 후반부(실린더의 압축상사점 위치)에 공기의 과부족이 발생하는 인젝터 주변에 고압의 압축공기를 일시적으로 공급해줌으로써, 인젝터 주변에서 공기의 과부족 연소시 발생하던 입자상 물질(PM)의 발생을 크게 줄일 수 있도록 한 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is invented to reduce the particulate matter (PM) generated as described above, and air is used in the latter part of the fuel injection (compression top dead center position of the cylinder) by using a turbocharger mounted on the exhaust system of the diesel engine. High pressure air supply system for automotive diesel engines by temporarily supplying high-pressure compressed air around the injector where excessive and shortage occurs, thereby greatly reducing the generation of particulate matter (PM) generated during over-under combustion of air around the injector The purpose is to provide.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은:The present invention for achieving this purpose is:
터보챠져와 인터쿨러 사이의 흡기라인에서 분기되어 인젝터의 주변에까지 연장되며 설치되는 분기관과; 상기 분기관의 일정 위치에 설치되는 고압공기 제어용 밸브와; 엔진 실린더에 장착되어 실린더 헤드의 상사점 위치를 감지하는 실린더 위치감지센서와; 상기 고압공기 제어용 밸브 및 실린더 위치감지센서와 신호 교환가능하게 연결된 ECU로 구성하여서, 연료분사 후반부에서도 상기 인젝터 주변에 위치된 분기관으로부터 고압의 공기가 분사되도록 한 것을 특징으로 한다.A branch pipe branched from an intake line between the turbocharger and the intercooler and extending to the periphery of the injector; A high pressure air control valve installed at a predetermined position of the branch pipe; A cylinder position detection sensor mounted on the engine cylinder and sensing a top dead center position of the cylinder head; The high pressure air control valve and the cylinder position sensor is configured to be connected to the signal exchange ECU, it is characterized in that the high-pressure air is injected from the branch pipe located around the injector in the second half of the fuel injection.
바람직한 구현예로서, 상기 고압공기 제어용 밸브의 열림 시점은 실린더 헤드의 상사점 위치에서 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the opening time of the high-pressure air control valve is characterized in that made in the top dead center position of the cylinder head.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 고압공기 제어용 밸브의 닫힘 시점은 연료분사 종료후에 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the closing time of the high-pressure air control valve is characterized in that made after the end of the fuel injection.
이러한 본 발명의 특징으로 인하여, 연료분사 후반부에 분사된 연료의 연소효율을 높일 수 있는 동시에 입자상 물질(PM)의 발생을 크게 줄일 수 있게 된다.Due to the characteristics of the present invention, it is possible to increase the combustion efficiency of the fuel injected in the latter part of the fuel injection and at the same time greatly reduce the generation of particulate matter (PM).
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 나타내는 개략도,1 is a schematic view showing a high pressure air supply system of a diesel engine for automobiles according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 있어서, 실린더헤드의 상사점 위치에서 고압공기가 분사되는 상태를 나타내는 단면도,2 is a cross-sectional view showing a state in which high pressure air is injected at a top dead center position of a cylinder head in a high pressure air supply system of an automotive diesel engine according to the present invention;
도 3은 종래의 디젤엔진의 연소실에서 입자상 물질이 발생되는 상태를 나타내는 단면도.3 is a cross-sectional view showing a state in which particulate matter is generated in a combustion chamber of a conventional diesel engine.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 분기관12 : 고압공기 제어용 밸브10: branch pipe 12: high pressure air control valve
14 : 인젝터16 : ECU14 Injector 16 ECU
18 : 터보챠져20 : 인터쿨러18: turbocharger 20: intercooler
22 : 실린더헤드24 : 실린더 위치감지센서22: cylinder head 24: cylinder position sensor
26 : 흡기라인26: intake line
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings an embodiment of the present invention will be described in detail.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a high pressure air supply system of an automotive diesel engine according to the present invention.
도 1에서 보는 바와 같이, 디젤 엔진에는 고속 주행시 흡기의 과급으로 고속주행의 용이성을 제공하고, 또한 배기가스 규제등에 대응하기 위하여 기본적으로 터보 차져(18)(Turbo Charger)와 인터쿨러(Intercooler)(20)가 설치되고 있다.As shown in FIG. 1, a diesel engine basically provides a turbocharger 18 and an intercooler 20 in order to provide high-speed driving ease by supercharging intake at high speed, and to cope with exhaust gas regulation. ) Is installed.
상기 터보차져(18)는 일종의 송풍기와 같으며, 엔진의 배기 매니폴드로 빠져나가는 배기가스의 유동에너지를 이용하기 위한 것으로서, 배기가스에 의하여 터보차져(18)의 터빈(미도시됨)이 회전을 하게 되고, 동시에 맞은편에 동축을 이루며 설치된 컴프레서(미도시됨)가 회전됨으로써, 이 컴프레서에 의하여 흡기가 흡입 및 가압되어 엔진 실린더의 연소실로 과급으로 공급되어진다.The turbocharger 18 is a kind of blower, and is for utilizing the flow energy of the exhaust gas exiting the exhaust manifold of the engine, and the turbine (not shown) of the turbocharger 18 is rotated by the exhaust gas. At the same time, by rotating the compressor (not shown) coaxially opposite to each other, the intake air is sucked and pressurized by the compressor and supplied to the combustion chamber of the engine cylinder.
이때, 상기 터보챠져(18)만 장착한 디젤 엔진의 경우에 흡입 공기의 압력은 증대시킬 수 있으나, 공기를 압축하는 과정에서 공기의 온도가 상승하는 문제로 연소온도 및 배기 온도의 증가와 더불어 실질적인 충진 효율 개선폭의 저하 현상이 문제가 된다.At this time, in the case of the diesel engine equipped with only the turbocharger 18, the pressure of the intake air can be increased, but as the temperature of the air increases in the process of compressing the air, the combustion temperature and the exhaust temperature are substantially increased. The problem of lowering the filling efficiency improvement range is a problem.
이에, 흡기라인(26)에 인터쿨러(20)를 설치하여, 과급되는 흡기를 인터쿨러에서 냉각시켜, 과급으로 인한 흡기의 열발생을 차단함과 함께 냉각된 흡기를 연소실로 공급함으로써, 연소실의 충진 효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, by installing the intercooler 20 in the intake line 26, the supercharged intake air is cooled in the intercooler, and the heat generation of intake air due to supercharging is blocked and the cooled intake air is supplied to the combustion chamber, thereby filling the combustion chamber. Can improve.
이와 같이, 터보차져(18)와 인터쿨러(20)를 이용한 디젤엔진의 흡기 시스템은 흡기공기량을 증대시켜 배기가스 저감 및 연비향상, 엔진소음 저감, 연비 개선등의 효과를 얻고 있다.As described above, the intake system of the diesel engine using the turbocharger 18 and the intercooler 20 increases the amount of intake air, thereby achieving the effects of reducing exhaust gas, improving fuel efficiency, reducing engine noise, and improving fuel efficiency.
여기서, 상기 터보챠져(18)와 인터쿨러(20) 사이의 흡기라인(26) 일정 부위에 분기관(10)을 분기시켜 설치하게 되는데, 이 분기관(10)의 끝단 토출구는 인젝터(14)의 주변에까지 연장되어 위치되어진다.Here, the branch pipe 10 is branched and installed at a predetermined portion of the intake line 26 between the turbocharger 18 and the intercooler 20, and the discharge port of the end of the branch pipe 10 is formed in the injector 14. It is positioned to extend to the periphery.
바람직하게는, 상기 인젝터(14)의 분사구 둘레를 따라 상기 분기관(10)의 끝단에 형성된 토출구가 위치되도록 하고, 그에따라 상기 분기관(10)으로부터 실린더의 압축상사점 위치(TDC:Top Dead Center)에서 공기의 부족이 발생되는 영역인 인젝터의 바로 아래쪽 영역으로 고압공기가 분사되도록 한다.Preferably, the discharge port formed at the end of the branch pipe 10 is located along the circumference of the injection hole of the injector 14, and accordingly the compression top dead center position (TDC: Top Dead) of the cylinder from the branch pipe 10 High pressure air is injected into the area just below the injector, which is the area where air shortage occurs in the center).
특히, 상기 분기관(10)의 일정 위치에는 고압공기 제어용 밸브(12)가 설치되는 바, 이 고압공기 제어용 밸브(12)에는 ECU(16)가 연결됨으로써, 고압공기 제어용 밸브(12)의 개폐 작동 시점은 ECU(16)의 제어로 이루어지게 된다.In particular, the high pressure air control valve 12 is installed at a predetermined position of the branch pipe 10, and the ECU 16 is connected to the high pressure air control valve 12 to open and close the high pressure air control valve 12. The operation point is made by the control of the ECU 16.
한편, 상기 엔진 실린더에는 실린더 위치감지센서(24)가 장착되어, 실린더 헤드(22)의 상사점 위치를 감지하게 되고, 이 실린더 위치감지센서(24)도 ECU(16)와 연결된다.On the other hand, the engine cylinder is equipped with a cylinder position sensor 24, to detect the top dead center position of the cylinder head 22, this cylinder position sensor 24 is also connected to the ECU (16).
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.Referring to the operating state of the high-pressure air supply system of the automotive diesel engine of the present invention having such a configuration as follows.
우선, 디젤 엔진의 구동에 따라, 배기메니폴드를 빠져나온 배기가스에 의하여 상기 터보차져(18)의 터빈이 회전을 하게 되고, 동시에 맞은편에 동축을 이루며 설치된 컴프레서가 회전되며, 동시에 컴프레서에 의하여 흡기가 흡입 및 가압되면서 상기 인터쿨러(20)를 경유하여 엔진 실린더의 연소실로 과급으로 공급된다.First, in accordance with the driving of the diesel engine, the turbine of the turbocharger 18 is rotated by the exhaust gas exiting the exhaust manifold, and at the same time, the compressor installed coaxially on the opposite side is rotated, and at the same time, the intake air is compressed by the compressor. Is sucked and pressurized and is supercharged to the combustion chamber of the engine cylinder via the intercooler 20.
이때, 상기 분기관(10)으로 흡기가 과급되며 이동되지만, 고압공기 제어용 밸브(12)가 닫힘상태이므로, 분기관(10)을 따라 더 이상의 이동은 되지 않는다.At this time, the intake air is supercharged and moved to the branch pipe 10, but since the high pressure air control valve 12 is closed, no further movement is performed along the branch pipe 10.
여기서, 상기 실린더 위치감지센서(24)에서 실린더 헤드(22)의 위치를 상사점 위치로 감지한 후, 그 감지 신호를 ECU(16)로 전송하게 되면, ECU(16)에서는 상기 고압공기 제어용 밸브(12)에 열림 작동을 위한 전류신호를 송출하게 된다.Here, if the cylinder position sensor 24 detects the position of the cylinder head 22 as the top dead center position, and transmits the detection signal to the ECU 16, the ECU 16 controls the high pressure air control valve. At 12, a current signal for the opening operation is sent out.
따라서, 상기 고압공기 제어용 밸브(12)가 열리게 되면, 상기 분기관(10)으로 과급된 공기는 고압공기 제어용 밸브(12)를 지나서 분기관(10)의 토출구로부터 고압으로 분사되어진다.Therefore, when the high pressure air control valve 12 is opened, the air charged to the branch pipe 10 is injected at a high pressure from the outlet of the branch pipe 10 through the high pressure air control valve 12.
즉, 첨부한 도 2에 도시한 바와 같이 상기 분기관(10)의 토출구로부터 분사되는 고압의 공기는 실린더 헤드(22)의 압축상사점 위치(TDC:Top Dead Center)에서 공기의 부족이 발생되는 영역인 상기 인젝터(14)의 바로 아래쪽 영역으로 분사된다.That is, as shown in FIG. 2, high-pressure air injected from the outlet of the branch pipe 10 may cause a shortage of air at a compression dead center position (TDC: Top Dead Center) of the cylinder head 22. It is injected into an area immediately below the injector 14 which is an area.
이에따라, 상기 ECU(16)의 전자제어에 따라 인젝터(14)는 연료를 분사하는 바, 연료분사 시점의 후반부(실린더 헤드의 압축상사점 위치)에서 고압의 공기가 일시적으로 분사됨으로써, 연료 분사 후반부의 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.Accordingly, according to the electronic control of the ECU 16, the injector 14 injects fuel, and the high pressure air is temporarily injected in the latter part of the fuel injection timing (compression top dead center position of the cylinder head), whereby the latter part of the fuel injection is performed. It is possible to greatly improve the combustion efficiency.
또한, 기존에 연료분사 시점의 후반부(실린더 헤드의 압축상사점 위치)에서 공기의 부족으로 발생하던 입자상 물질(PM)의 발생을 크게 줄일 수 있게 된다.In addition, it is possible to greatly reduce the generation of particulate matter (PM), which has been generated due to the lack of air in the second half (fuel top dead center position of the cylinder head) at the time of the fuel injection time.
한편, 상기 고압공기 제어용 밸브(12)의 닫힘 시점은 ECU(16)의 제어에 따라연료분사 종료후에 이루어지도록 한다.On the other hand, the closing time of the high-pressure air control valve 12 is to be made after the end of the fuel injection under the control of the ECU (16).
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 의하면, 터보챠져와 인터쿨러 사이의 흡기라인에 고압공기 제어용 밸브를 포함하는 분기관을 인젝터의 주변에까지 연장시켜 설치함으로써, 연료분사 시점의 후반부(실린더 헤드의 압축상사점 위치)에서 고압의 공기를 일시적으로 분사시켜줌으로써, 연료 분사 후반부의 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the high-pressure air supply system of the automotive diesel engine according to the present invention, by installing a branch pipe including a high-pressure air control valve in the intake line between the turbocharger and the intercooler to extend around the injector, By temporarily injecting high-pressure air in the second half of the fuel injection point (compression top dead center position of the cylinder head), there is an advantage that the combustion efficiency in the second half of the fuel injection can be greatly improved.
또한, 기존에 연료분사 시점의 후반부(실린더 헤드의 압축상사점 위치)에서 공기의 부족으로 발생하던 입자상 물질(PM)의 산화를 촉진하여 그 발생율을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.In addition, there is an advantage that the generation rate can be greatly reduced by promoting oxidation of particulate matter (PM), which has been generated due to the lack of air in the second half of the fuel injection time point (compression top dead center position of the cylinder head).
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