KR20020081526A - 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관의 배기가스를 연료분사에 적용한 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치로서, 고온의 배기가스 중의 일부를 EGR라인에 의해 연료 분사 인젝터의 출구 전방으로 유도하여 고온의 배기가스가 연료의 미립화 및 증발을 촉진하고, 그로 인해 연료의 효율을 높임과 아울러, 이 배기가스 중의 일부를 연소실로 순환시켜 질소산화물의 생성을 억제할 수 있는 효과가 있다.
그리고, EGR라인을 통해 연소실로 재유입된 배기가스는 연료 분사 인젝터에서 분사되는 연료의 증발열에 의해 냉각이 이루어지므로, 연소실로 재순환되는 배기가스를 냉각시키기 위해 별도의 냉각장치를 설치할 필요가없는 이점이 있다.

Description

내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치{Exhaust Gas Assisted Fuel Injection System of Internal combustion engine}
본 발명은 내연기관의 연료분사장치에 관한 것으로서, 특히 EGR파이프에 의해 연소실로 재 순환되는 배기가스를 연소실 또는 흡기포트로 연료를 분사하는 연료 분사 인젝터 측으로 공급되도록 하여 분사되는 연료의 미립화 및 증발을 돕도록 한 내연기관의 배기가스 보조 연료분사장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 연소실내에 연료를 공급하는 시스템은 흡기포트에 연료를 분사하는 PFI(Port Fuel Injection) 시스템이나 연소실 내로 직접 연료를 분사하는 DI(Direct Injection) 시스템이 적용된다.
상기 PFI 시스템이나 DI 시스템의 가장 큰 차이는 PFI 시스템은 3bar전후의 압력으로 분사되지만 DI시스템은 50bar에서 120bar 정도로 분사되고, 분사시기도 PFI 시스템은 분사된 연료가 공기와 혼합되어 연소실로 유입되기 때문에 충분히 기화될 수 있는 시간만 있으면 큰 영향을 받지 않지만, DI시스템의 경우엔 연소실 내 연료의 성층화를 위해 분사시기가 엄격히 제한된다.
상기 DI시스템은 연료가 충분히 기화되지 않아 액적상태로 연료가 연소되기도 하고 피스톤이나 연소실 벽면에 부딪힘으로써 매연이 발생하며 연료의 효율이 떨어지고 희박한 상태에서 연소가 일어나기 때문에NO X 의 발생율도 상당히 높다.
상기 PFI 시스템의 경우에도 연료가 연소실 벽면에 부딪혀 액막을 형성하는경우가 대부분이며, 이는 연료의 효율을 떨어트리고 엔진의 응답성을 나쁘게 할 뿐만 아니라 배출가스에도 악영향을 미친다.
그래서, 종래에는 공기를 연료의 미립화를 위한 보조수단으로 사용하는 공기보조 분사장치를 사용하는데, 이러한 공기 보조 분사장치(Air Assisted Fuel Injection System)는 스로틀 전후의 압력차를 이용하여 분사된 연료의 미립화를 촉진하였으나, 이 경우에 압력차가 큰 저속 저부하 영역에는 효과가 있으나 압력차가 작은 고속 영역에서는 효과가 없는 문제점이 있다. 그리고 고속영역에서도 동일한 효과를 얻기 위해 보조 공기펌프를 사용하기도 하나 펌프 구동에 의한 동력손실이 크기 때문에 사실상 자동차에는 적용되지 않는다.
한편, 자동차의 엔진에는 배기가스중의 인체에 유해한 질소산화물(NO X )의 양을 줄이기 위해 배기가스 중의 일부를 흡기계통으로 재순환하여, 혼합기가 연소할 때 최고 온도를 낮게 함으로써 질소산화물(NO X )의 발생을 억제하는 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation: EGR)가 설치된다.
이와 같은 배기가스 재순환장치는 배기 매니폴드에서 배기되는 배기 가스 중의 일부를 흡기매니폴드로 재순환되도록 하는 EGR파이프와, 상기 EGR파이프 중간에 설치되어 EGR양을 조절하는 EGR 밸브와, 엔진의 작동조건에 따라 EGR밸브에 제어 신호를 출력하는 제어부로 구성된다.
또한, 상기 EGR파이프 중간 일측에 순환되는 배기가스의 온도를 낮춤으로서 질소산화물(NO X ) 의 생성을 최대한 억제하도록 하기 위해 별도의 냉각 장치가 설치되는데, 이러한 냉각 장치의 설치로 인해 내연기관의 구조가 복잡해지고, 비용이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고온의 배기가스 중의 일부를 연료분사 인젝터로 유도하여 고온의 배기가스가 연료의 미립화 및 증발을 향상시킴으로서, 연료의 효율을 높임과 아울러, 배기가스 중의 일부를 다시 연소실로 재순환시켜 질소 산화물의 생성을 억제할 수 있는 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 순환하는 배기가스가 분사된 연료의 증발열에 의해 냉각되도록 하여 종래의 순환되는 배기가스의 온도를 낮추 질소산화물의 생성을 억제하기 위해 별도의 냉각 장치를 설치하는 불편함이 제거된 제작의 편의성 및 비용저감에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 보조 연료분사 장치의 제 1 실시예를 나타낸 주요 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 연료분사 인젝터와 배기가스 분사장치(또는 EGR밸브)가 결합된 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 보조 연료분사 장치의 제 2 실시예를 나타낸 주요 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 연료분사 인젝터와 배기가스 분사장치(또는 EGR밸브)가 결합된 상태를 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10: 엔진12: 흡기포트
14: 배기 매니폴드20: 연료 분사 인젝터
30: EGR 라인40: 배기가스 분사장치(EGR밸브)
50: 제어부60: 압력조절기
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치는 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위해 흡기포트에 설치된 연료 분사 인젝터와; 상기 엔진에서 배기되는 배기가스 중 일부가 상기 연료 분사 인젝터에서 분사되는 연료 주위를 둘러쌈으로써 분사된 연료의 미립화 및 증발을 촉진할 수 있도록 엔진의 배기 매니폴드 일측과 연료 분사 인젝터 사이에 배치된 EGR라인과; 상기 배기가스를 단속하도록 상기 EGR라인 일측에 설치된 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)와; 상기 엔진의 작동조건에 따라 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)를 개폐작동 시키는 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치의 제 1 실시예를 나타낸 주요 단면도이다.
본 발명에 의한 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치의 제 1 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 연소실에 연료를 공급하기 위해 흡기포트(12)에 설치된 연료 분사 인젝터(20)와; 상기 엔진(10)에서 배기되는 배기가스 중 일부가 상기 연료 분사 인젝터(20)에서 분사되는 연료 주위를 둘러쌈으로써 분사된 연료의 미립화 및 증발을 촉진할 수 있도록 엔진(10)의 배기 매니폴드(14) 일측과 연료 분사 인젝터(20) 사이에 배치된 EGR라인(30)과; 상기 EGR라인(30) 내측의 배기가스를 단속하도록 상기 EGR라인(30) 일측에 설치된 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)와; 상기 엔진(10)의 작동조건에 따라 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)를 개폐작동 시키는 제어부(50)로 구성된다.
상기 EGR라인(30)의 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)와 배기 매니폴드(14) 사이에는 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)로 이동되는 배기가스의 압력을 일정하게 조절시키는 압력조절기(60)가 설치되어 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40) 측으로 일정한 압력의 배기가스를 공급한다.
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 연료분사 인젝터와 배기가스 분사장치가 결합된 상태를 나타낸 단면도로서, 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)는 배기가스가 유입되는 입구가 상기 EGR라인(30)에 통하도록 연결되고 배기가스가 배기되는 출구(44)가 상기 연료 분사 인젝터(20)와 이격된 상태로 배치된 밸브 몸체(42)와, 상기 밸브 몸체(42) 내측에 설치되어 상기 제어부(50)의 신호에 따라 전원이 공급되는 솔레노이드(45)와, 상기 솔레노이드(45)에 형성된 자계에 의해 상기 솔레노이드(45) 내측을 직선 왕복운동하면서 상기 출구(44)를 개폐하고 배기가스가 통하는 홀(46a)이 형성된 플런저(46)와, 상기 플런저(46)에 탄성력을 제공하는 스프링(47)으로 구성된다.
한편, 상기 연료 분사 인젝터(20)의 연료가 분사되는 출구(22)와 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)의 출구(44)는 상기 흡기포트(12)의 일측에 형성된 하우징부(70)에 삽입되어 설치되고, 상기 하우징부(70)에는 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)에서 배기된 배기가스가 상기 연료 분사 인젝터(20)의 출구(22) 앞으로 안내된 후 분사된 연료와 함께 흡기포트(12) 내측으로 순환 될 수 있도록 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)의 출구(44)와 흡기포트(12) 내측을 통하는 연통홀부(72)가 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 제 1 실시예의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 엔진(10)의 구동 중 연료는 상기 연료탱크(2)에서 배관(4) 등을통해 상기 연료 분사 인젝터(20)로 유입되고, 상기 연료 분사 인젝터(20)는 상기 제어부(50)의 제어신호에 따라 흡입포트(12) 내측으로 연료를 분사하며, 이렇게 분사된 연료는 공기 흡입계통(11)을 통해 외부에서 흡입된 공기와 함께 연소실 내로 흡입된다.
이때, 상기 엔진(10)의 연소실에서 배기되는 배기가스는 그 중 일부가 상기 EGR 라인(30)과 압력 조절기(60)와 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)를 통해 연료 분사 인젝터(20)의 출구(22) 앞으로 배기되어 상기 연료 분사 인젝터(20)의 출구(22)를 통해 분사되는 연료의 미립화 및 증발을 돕는다.
이를 좀더 상세히 설명하면, 상기 EGR 라인(30)으로 유입된 고온의 배기가스는 상기 압력 조절기(60)에서 일정하게 조절된 후, 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)의 입구(43)로 유입된다. 여기서, 상기 제어부(50)는 엔진의 작동상태 및 연료 분사량에 따라 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)의 개폐 시기 및 개폐도를 판단하여 상기 솔레노이드(45)에 전원을 연속적으로 또는 간헐적으로 공급하고, 상기 솔레노이드(45)의 자계에 의해 상기 플런저(46)는 직선 이동되어 상기 출구(44)를 개방하며, 이 개방된 출구(44)를 통해 고온의 배기가스는 상기 하우징부(70)의 내측 연통홀부(72)로 이동된다. 이와 같이, 연통홀부(72)로 이동된 고온의 배기가스는 상기 연료 분사 인젝터(20)의 출구(22) 전방으로 배기되어 분사되는 연료의 주위를 둘러쌈으로써 연료의 미립화 및 증발을 돕게 되고, 이 미립화된 연료와 함께 엔진(10)의 연소실로 흡입된다.
한편, 연료의 주위를 둘러싼던 고온의 배기가스는 분사된 연료의 중발열에의해 일정온도 냉각되어 엔진(10)의 연소실 내부로 유입되므로, 흡입공기의 체적효율 저하를 최소화하면서 배기가스 재순환 효과에 의해 질소산화물(NO_X)의 생성이 억제된다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 보조 연료분사 장치의 제 2 실시예를 나타낸 주요 단면도이다.
본 발명에 의한 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치의 제 2 실시예는 엔진(10)의 연소실에 연료를 분사시키도록 엔진(10)의 연소실 일측에 설치된 연료 분사 인젝터(120)와; 상기 엔진(10)에서 배기되는 배기가스 중 일부가 상기 연료 분사 인젝터(120)에서 분사되는 연료 주위를 둘러쌈으로써 분사된 연료의 미립화 및 증발을 촉진할 수 있도록 엔진(10)의 배기 매니폴드(14) 일측과 연료 분사 인젝터(120) 사이에 배치된 EGR라인(30)과; 상기 배기가스를 단속하도록 상기 EGR라인(30) 일측에 설치된 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)와; 상기 엔진(10)의 작동조건에 따라 상기 EGR 밸브를 개폐작동 시키는 제어부(50)로 구성된다.
상기 EGR라인(30)과 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)와 제어부(50)의 구성은 제 1 실시예와 동일하고, 상기 EGR라인(30)의 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)와 배기 매니폴드(14) 사이에는 EGR밸브(40)로 이동되는 배기가스의 압력을 일정하게 조절시키는 압력조절기(60)가 설치되어 상기 EGR밸브(40) 측으로 일정한 압력의 배기가스를 공급한다.
도 4는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 연료분사 인젝터와 배기가스분사장치(또는 EGR 밸브)가 결합된 상태를 나타낸 단면도로서, 상기 엔진(10)의 일측벽에는 상기 연료 분사 인젝터(120)의 연료가 분사되는 출구(122)와 상기 EGR밸브(40)의 배기가스가 배기되는 출구(44)가 삽입되어 설치되는 하우징부(170)가 형성된다.
상기 하우징부(170)에는 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)에서 배기된 배기가스가 상기 연료 분사 인젝터(120)의 출구(122) 앞으로 안내된 후 분사된 연료와 함께 연소실 내측로 순환 될 수 있도록 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)의 출구(44)와 연소실 내측을 통하는 원통형 연통홀부(172)가 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 제 2 실시예의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 엔진(10)의 구동 중 연료는 연료탱크(미도시)에서 배관(4) 등을 통해 상기 연료 분사 인젝터(120)로 유입되고, 상기 연료 분사 인젝터(120)는 상기 제어부(50)의 제어신호에 따라 엔진(10)의 연소실 내측으로 직접 연료를 분사하며, 이렇게 분사된 연료는 공기 흡입계통(11)을 통해 외부에서 흡입된 공기와 함께 연소실 내에서 연소된다.
여기서, 상기 엔진(10)의 연소실에서 배기되는 배기가스는 그 중 일부가 상기 EGR 라인(30)과 압력 조절기(60)와 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)를 통해 연료 분사 인젝터(20)의 출구(22) 앞으로 배기되어 상기 연료 분사 인젝터(20)의 출구(22)를 통해 분사되는 연료의 미립화 및 증발을 돕고, 상기 하우징부(170)의 연통홀(172)을 통해 연소실 내로 유입되어 엔진에서 배기되는 배기가스 중의 질소산화물(NO_X)의 생성이 억제되도록 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치는 고온의 배기가스 중의 일부를 연료 분사 인젝터의 출구 전방으로 유도하여 고온의 배기가스가 연료의 미립화 및 증발을 촉진하고, 그로 인해 연료의 효율을 높임과 아울러, 배기가스 중의 일부를 다시 연소실로 순환시켜 질소산화물의 생성을 억제할 수 있는 효과가 있다.
그리고, EGR라인을 통해 연소실로 재유입된 배기가스는 연료 분사 인젝터에서 분사되는 연료의 증발열에 의해 냉각이 이루어지므로, 연소실로 재순환되는 배기가스를 냉각시키기 위해 별도의 냉각 장치를 설치할 필요없는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위해 흡기포트에 설치된 연료 분사 인젝터와; 상기 엔진에서 배기되는 배기가스 중 일부가 상기 연료 분사 인젝터에서 분사되는 연료 주위를 둘러쌈으로써 분사된 연료의 미립화 및 증발을 촉진할 수 있도록 엔진의 배기 매니폴드 일측과 연료 분사 인젝터 사이에 배치된 EGR라인과; 상기 배기가스를 단속하도록 상기 EGR라인 일측에 설치된 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)와; 상기 엔진의 작동조건에 따라 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)(40)를 개폐작동 시키는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치.
  2. 엔진의 연소실에 연료를 분사시키도록 엔진의 연소실 일측에 설치된 연료 분사 인젝터와; 상기 엔진에서 배기되는 배기가스 중 일부가 상기 연료 분사 인젝터에서 분사되는 연료 주위를 둘러쌈으로써 분사된 연료의 미립화 및 증발을 촉진할 수 있도록 엔진의 배기 매니폴드 일측과 연료 분사 인젝터 사이에 배치된 EGR라인과; 상기 배기가스를 단속하도록 상기 EGR라인 일측에 설치된 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)와; 상기 엔진의 작동조건에 따라 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)를 개폐작동 시키는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)는 배기가스가 유입되는 입구가 상기 EGR라인에 통하도록 연결되고 배기가스가 배기되는 출구가 상기 연료 분사 인젝터와 이격된 상태로 배치된 밸브 몸체와, 상기 밸브 몸체 내측에 설치되어 상기 제어부의 신호에 따라 전원이 공급되는 솔레노이드와, 상기 솔레노이드에 형성된 자계에 의해 상기 솔레노이드 내측을 직선 왕복운동하면서 상기 출구를 개폐하고 배기가스가 통하는 홀이 형성된 플런저와, 상기 플런저에 탄성력을 제공하는 스프링으로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치.
  4. 제 1 항또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 분사 인젝터의 연료가 분사되는 출구와 상기 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)의 배기가스가 배기되는 출구는 상기 흡기포트의 일측에 형성된 하우징부에 삽입되어 설치되고, 상기 하우징부에는 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)에서 배기된 배기가스가 상기 연료 분사 인젝터의 출구 앞으로 안내된 후 분사된 연료와 함께 흡기포트 내측으로 순환 될 수 있도록 배기가스 분사장치(또는 EGR 밸브)의 출구와 흡기포트 내측을 통하는 연통홀부가 형성된 것을 특징으로 한 내연기관의 배기가스 보조 연료분사 장치.
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