KR100579235B1 - 가솔린 직접 분사 엔진 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템은 공기를 공급하는 공기 레일 및 연료를 공급하는 연료레일과 연결되어 공기와 연료의 혼합기를 인젝터 내부에서 형성하고, 상기 인젝터 내부에서 형성된 혼합기를 직접 실린더 내부로 분사함으로써 웨팅(wetting)이 적으며, 구조가 간단한 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템을 제공한다.
가솔린 직접 분사, 엔진, 인젝터

Description

가솔린 직접 분사 엔진 시스템{SYSTEM FOR GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진 시스템의 유압 회로도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진 시스템에 사용되는 인젝터의 단면도; 및
도 3은 도2의 인젝터의 사시도.
본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료와 공기의 혼합기를 직접 상기 가솔린 엔진의 실린더 내부로 분사할 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진 시스템에 관한 것이다.
가솔린 직접 분사 엔진(gasoline direct injection engine)은 부분 부하 시에는 압축 행정 후 연료 분사(late injection)가 이루어지며, 만곡형 피스톤(bowl piston)과 직립형 흡기 포트에 의해 유도되는 강한 텀블 유동(tumble flow)을 이용하여, 분사된 연료의 확산 억제 및 성층화를 통해 초 희박 연소를 실현하고, 전부 하 시에는 흡기 과정 중 연료 분사(early injection)가 이루어져 연소실내에 균질의 혼합기를 공급하여 연료의 기화열로 연소실내 가스를 냉각함으로써 충진율을 증가시켜 높은 출력을 얻을 수 있게 된다.
종래의 가솔린 직접 분사 엔진에서는, 압축된 실린더에 연료를 직접 분사하기 위해서 캠 축에 의해 구동되는 고압 연료 펌프, 연료가 회전하면서 분사되는 고압 스월 인젝터(High Pressure Swirl Injector) 및 흡입통로를 수직으로 세운 흡기포트가 사용되어 연료와 공기가 보다 용이하게 혼합되도록 하였다.
그러나 종래의 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템은 NOx의 정화 효율이 높은 배기가스 온도 범위 및 초 희박 연소의 동작 범위가 제한적이어서, 연비 저감 효과 또한 제한적이었다.
또한, 만곡형 피스톤 및 직립형 포트를 사용함에 따라 유동 저항이 증가하는 문제점이 있었으며, 일반적인 엔진의 구성에 비하여 고압 연료 펌프, 스월 인젝터 등의 추가적인 구성요소에 의해 그 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.
더하여, 종래의 직접 분사형 엔진 시스템의 인젝터에서 분사되는 연료 입자는 50㎛ 내외의 크기를 갖고 있으나, 상기 크기의 입자를 갖는 연료가 점화 플러그에 직접 분사되면 점화 플러그의 웨팅(wetting), 점화 플러그 파울링(plug fouling), 탄소 집적(carbon deposits), 및 점화 플러그의 내구성 저하 등과 같은 현상이 발생하여 엔진의 성능이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 간단한 구조를 갖는 가솔린 직접 분사 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 점화 플러그의 웨팅 현상을 줄일 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템은, 공기를 공급하는 공기 레일과 연료를 공급하는 연료레일이 개별적으로 구비된 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템에서, 흡입 공기량 및 흡기 압력을 조절하여 압축된 공기를 공기 레일로 공급하는 공기 공급 장치; 연료 탱크에 저장된 연료를 압축하고 압력을 조절하여 연료 레일로 공급하는 연료 공급 장치; 상기 공기 레일 및 상기 연료 레일과 연결되어 공기와 연료의 혼합기를 상기 엔진에 형성된 각각의 실린더로 분사하는 하나 이상의 인젝터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 공기 공급 장치는 엔진으로 공급되는 흡기량을 제어하는 스로틀 밸브; 상기 스로틀 밸브를 통하여 공급되는 공기를 압축하는 공기 압축기; 및 상기 공기 압축기에서 압축되는 공기의 압력을 제한하는 공기압 제한 밸브(air pressure limit valve)를 포함하며, 상기 연료 공급 장치는 부분부하 시 연료를 압축하여 공급하는 저압 연료 펌프; 전부하 시 연료를 압축하여 공급하는 고압 연료 펌프; 상기 저압 연료 펌프에서 압축되는 연료의 압력을 제한하는 제1 연료압 제한 밸브(fuel pressure limit valve); 및 상기 고압 연료 펌프에서 압축되는 연료의 압력을 제한하는 제2 연료압 제한 밸브를 포함한다.
바람직하게는, 상기 공기 공급 장치는 상기 연료 탱크의 연료 증발 가스를 저장하는 카본 캐니스터(carbon canister); 및 상기 카본 캐니스터와 상기 공기 압축기 사이에 개재되어 연료 증발 가스의 유동을 제어하는 개폐 밸브(shut-off valve)를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 연료 공급 장치는 상기 저압 연료 펌프에 의해 압축되는 연료의 역류를 방지하는 제1 체크밸브; 및 상기 고압 연료 펌프에 의해 압축되는 연료의 역류를 방지하는 제2 체크밸브를 더 포함한다.
이 때, 상기 인젝터는 상기 연료 레일로부터 공급되는 연료를 분사하는 연료용 인젝터; 상기 연료 분사부에서 분사된 연료가 상기 공기 레일로부터 공급되는 공기와 혼합되어 혼합기를 실린더 내부로 분사하는 혼합기 인젝터를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 연료 인젝터와 상기 혼합기 인젝터는 직렬로 연결되며, 상기 인젝터의 연료 분사 및 혼합기 분사는 엔진 제어 유닛(ECU)과 연결된 인젝터 드라이버(injector driver)에 의해 제어된다.
바람직하게는, 상기 인젝터 드라이버는 압축 행정에서 혼합기가 분사되도록 상기 인젝터를 제어된다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 상기의 특징을 가지는 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템의 유압 회 로도(hydraulic circuit diagram)가 도시되어 있다.
저장된 연료 탱크(10) 내부에는 고압 연료 펌프(11) 및 저압 연료 펌프(14)가 장착된다. 엔진의 전부하 시에는 고압 연료 펌프(11)에 의해 연료가 압축되어 엔진(30)으로 공급되며, 부분부하 시에는 저압 연료 펌프(14)에 의해 연료가 압축되어 엔진(30)으로 공급된다.
제1 연료압 제한 밸브(13)는 저압 연료 펌프(14)에서 압축되는 연료의 압력이 설정된 제한 압력을 초과하지 않도록 하며, 제2 연료압 제한 밸브(12)는 고압 연료 펌프(11)에서 압축되는 연료의 압력이 설정된 제한 압력을 초과하지 않도록 한다.
제1 체크 밸브(16) 및 제2 체크 밸브(15)는 저압 연료 펌프(14) 및 고압 연료 펌프(11)로부터 공급되는 연료가 역류하는 것을 방지한다. 또한 상기 제2 체크 밸브(15)의 스프링 압력을 상기 제1 연료압 제한 밸브(15)의 설정된 제한 압력과 동일하게 설정함으로써, 저압에서는 상기 저압 연료 펌프(14)로부터 압축된 연료가 상기 엔진(30)으로 공급되고, 고압에서는 상기 고압 연료 펌프(15)로부터 압축된 연료가 상기 엔진(30)으로 공급될 수 있다.
상기 연료 펌프(11,14)로부터 압축되어 공급되는 연료의 압력은 연료압 검출 센서(19)에 의해 검출되며, 검출된 연료압을 기초로 연료압 조절기(17)에 의해 연료압이 조절되어 연료 레일(18)로 공급되며, 스로틀 밸브(21)는 엔진 제어 유닛(40)에 의해 개도량이 제어되어, 흡입 공기의 양을 조절한다.
한편, 카본 캐니스터(carbon canister)(27)가 구비되어 상기 연료 탱크(10) 와 연결되어 상기 연료 탱크(10) 내부의 증발가스를 그 내부에 저장한다.
상기 스로틀 밸브(21)와 상기 카본 캐니스터(27)는 공기 압축기(22)와 연결되며, 상기 공기 압축기(22)는 상기 스로틀 밸브(21)로부터의 흡입 공기와 상기 카본 캐니스터(27)로부터의 증발 가스를 압축한다.
상기 카본 캐니스터(27)와 상기 공기 압축기(22) 사이에는 개폐 밸브(shut-off valve)(28)가 개재되어, 상기 카본 캐니스터(27)과 상기 공기 압축기(22) 사이의 증발가스의 흐름을 제어한다.
공기압 제한 밸브(23)는 설정된 압력을 초과하는 공기를 바이패스 하여 공기 압축기(22)에 의해 압축된 공기의 압력이 설정된 압력을 초과하지 않도록 한다.
공기 압축기(22)에서 압축된 공기의 압력은 공기압 검출 센서(26)에 의해 검출되며, 검출된 공기압을 기초로 공기압 조절기(24)에 의해 공기압이 조정되어 공기 레일(25)로 공급된다.
상기 연료압 조절기(17) 및 공기압 조절기(24)는 엔진 제어 유닛에 의해 제어된다.
연료 레일로 공급된 연료 및 공기 레일로 공급된 공기는 복수의 인젝터(33) 내부에서 혼합되어 혼합기를 형성하며, 엔진(30)의 실린더 내부로 직접 분사된다. 각각의 상기 복수의 인젝터(33)는 연료 인젝터(31a,31b,31c,31d)와 혼합기 인젝터(32a,32b,32c,32d)가 직렬로 연결 및 결합되어 구성된다.
상기 복수의 인젝터(33)는 엔진 제어 유닛(50)에 의해 제어되는 인젝터 드라이버(50)에 의해 제어되어, 연료 및 혼합기의 분사 시기 및 분사량이 조절된다.
바람직하게는 상기 인젝터 드라이버(50)는 압축 행정에서 혼합기가 분사되도록 상기 복수의 인젝터(33)를 각각 제어한다.
도 2 및 도 3에는 상기 인젝터(33)가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 상기 인젝터(33)는 연료 인젝터(31a)와 혼합기 인젝터(32a)가 직렬로 연결되어 하나의 인젝터(33a)를 형성한다. 상기 인젝터(33a)는 본 발명에 따른 연료 직접 분사형 엔진의 실린더 중 어느 하나에 구비되며, 상기 인젝터(33a) 이외의 다른 인젝터(33b,33c,33d) 역시 상기 인젝터(32a)와 동일한 방식으로 구성되어 실린더에 구비된다.
상기 인젝터(33a)의 동작을 구체적으로 살펴보면, 연료 레일(18)과 연결된 연료 인젝터(33a)로부터 연료가 분사되며, 연료 인젝터(33a)로부터 분사된 연료는 공기 레일(25)로부터 공급되어 대기하고 있는 공기와 혼합되면서 인젝터(33a) 내부에서 기회된다. 연료 인젝터(33a)의 분사 시기는 상기 인젝터 드라이버(50)에 의해 제어된다.
연료와 공기가 혼합된 혼합기는 혼합기 인젝터(32a)를 통하여 피스톤의 압축 행정 과정에서 상기 엔진(30)의 실린더 내부로 분사되며, 점화 플러그에 의해 점화되어 연소된다.
바람직하게는 상기 피스톤의 상부면에는 리세스(recess)가 형성되며, 압축 과정 중에 분사된 혼합기는 상기 리세스(recess)에 의해 점화 플러그 근처로 집중되어 혼합기의 연소가 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 가솔린 직접 분사용 엔진 시스템에 의하면, 연료와 공기의 혼합기를 실린더 내부로 직접 분사함으로써, 점화 플러그의 웨팅(wetting) 현상을 감소시킬 수 있으며, 초 희박 운전 영역을 확대시킬 수 있다.
더하여, 연료와 공기를 인젝터를 통해 직접 공급함으로써 종래의 가솔린 직접 분사 엔진에 비하여 간단한 구조를 가지며, 실린더 내에서 텀블 유동 및 와류를 형성하기 위하여 별도의 구성을 갖출 필요가 없게 된다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 공기를 공급하는 공기 레일과 연료를 공급하는 연료레일이 개별적으로 구비된 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템에서,
    흡입 공기량 및 흡기 압력을 조절하여 압축된 공기를 공기 레일로 공급하는 공기 공급 장치;
    연료 탱크에 저장된 연료를 압축하고 압력을 조절하여 연료 레일로 공급하는 연료 공급 장치; 및
    상기 공기 레일 및 상기 연료 레일과 연결되어 공기와 연료의 혼합기를 형성하고 형성된 혼합기를 상기 엔진에 형성된 각각의 실린더로 분사하는 하나 이상의 인젝터;
    를 포함하되,
    상기 공기 공급 장치는 엔진으로 공급되는 흡기량을 제어하는 스로틀 밸브; 상기 스로틀 밸브를 통하여 공급되는 공기를 압축하는 공기 압축기; 및 상기 공기 압축기에서 압축되는 공기의 압력을 제한하는 공기압 제한 밸브(air pressure limit valve)를 포함하며,
    상기 연료 공급 장치는 부분부하 시 연료를 압축하여 공급하는 저압 연료 펌프; 전부하 시 연료를 압축하여 공급하는 고압 연료 펌프; 상기 저압 연료 펌프에서 압축되는 연료의 압력을 제한하는 제1 연료압 제한 밸브(fuel pressure limit valve); 및 상기 고압 연료 펌프에서 압축되는 연료의 압력을 제한하는 제2 연료압 제한 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 공기 공급 장치는 상기 연료 탱크의 연료 증발 가스를 저장하는 카본 캐니스터(carbon canister); 및 상기 카본 캐니스터와 상기 공기 압축기 사이에 개재되어 연료 증발 가스의 유동을 제어하는 개폐 밸브(shut-off valve)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 연료 공급 장치는 상기 저압 연료 펌프에 의해 압축되는 연료의 역류를 방지하는 제1 체크밸브; 및 상기 고압 연료 펌프에 의해 압축되는 연료의 역류를 방지하는 제2 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템.
  5. 제3항에서,
    상기 인젝터는 상기 연료 레일로부터 공급되는 연료를 분사하는 연료용 인젝터; 상기 연료 분사부에서 분사된 연료가 상기 공기 레일로부터 공급되는 공기와 혼합되어 혼합기를 실린더 내부로 분사하는 혼합기 인젝터를 포함하는 것을 특징으 로 하는 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 연료 인젝터와 상기 혼합기 인젝터는 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템.
  7. 제5항에서,
    상기 인젝터의 연료 분사 및 혼합기 분사는 엔진 제어 유닛(ECU)과 연결된 인젝터 드라이버(injector driver)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템
  8. 제7항에서,
    상기 인젝터 드라이버는 압축 행정에서 혼합기가 분사되도록 상기 인젝터를 제어하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사형 엔진 시스템.
KR1020030068372A 2003-10-01 2003-10-01 가솔린 직접 분사 엔진 시스템 KR100579235B1 (ko)

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