KR20200088496A - 연료 분사 배열체 및 피스톤 엔진을 작동하는 방법 - Google Patents

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Abstract

4 행정 피스톤 엔진의 실린더 (33) 를 위한 연료 분사 배열체는, 제 1 연료 분사 노즐 (3) 및 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 포함하고, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 총 단면적은 상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 의 총 단면적보다 크며, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 더 많은 부분이 배기 밸브측 (26) 을 향하기 보다는 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 배열된다.

Description

연료 분사 배열체 및 피스톤 엔진을 작동하는 방법
본 발명은 청구항 1 에 따른 4 행정 피스톤 엔진의 실린더를 위한 연료 분사 배열체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 다른 독립항에 규정된 바와 같이 피스톤 엔진을 작동하는 방법에 관한 것이다.
피스톤 엔진 개발의 일반적인 추세는 출력 동력과 실린더 체적 간의 비가 지속적으로 증가하고 있다는 것이다. 이는 엔진의 열적 효율을 높이는데 도움이 된다. 하지만, 이러한 개발의 결과로 현대식 4 행정 엔진은 매우 높은 열적 부하를 견뎌야 한다. 몇몇 경우에, 연소실의 구성요소들의 열적 부하는 제한 요인일 수 있고, 이는 엔진의 출력 동력의 증가를 방지한다. 대안으로, 예를 들어 보다 효과적인 냉각 시스템의 형태로 엔진 설계의 실질적인 변경이 요구될 수 있거나, 일부 구성요소의 재료가 우수한 내열성을 가진 재료로 교체될 필요가 있다. 이는 물론 제조 비용을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 4 행정 피스톤 엔진의 실린더를 위한 개선된 연료 분사 배열체를 제공하는 것이고, 상기 실린더에는, 상기 실린더의 축방향에 평행하고 상기 실린더를 2 개의 섹션들로 분할하는 가상 평면의 흡기 밸브측에 배열된 2 개의 흡기 밸브들 및 상기 가상 평면의 배기 밸브측에 배열된 2 개의 배기 밸브들이 제공된다.
본 발명에 따른 연료 분사 배열체의 특징부들은 청구항 1 에 주어진다. 본 발명의 다른 목적은 피스톤 엔진을 작동시키는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법의 특징부들은 다른 독립항에 주어진다.
본 발명에 따른 연료 분사 배열체는 복수의 노즐 구멍들을 포함하는 제 1 연료 분사 노즐, 복수의 노즐 구멍들을 포함하는 제 2 연료 분사 노즐, 제 1 노즐을 통한 연료 분사를 제어하기 위한 제 1 분사기 니들 및 제 2 노즐을 통한 연료 분사를 제어하기 위한 제 2 분사기 니들을 포함한다. 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 총 단면적은 제 1 노즐의 노즐 구멍들의 총 단면적보다 크고, 제 2 노즐의 노즐 구멍들은, 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 더 많은 부분이 실린더의 배기 밸브측을 향하기 보다는 흡기 밸브측을 향해 분사되도록 배열된다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 엔진 부하가 미리 정해진 한계값 미만일 때 제 1 노즐만을 사용하여 실린더 내로 연료가 분사되고, 엔진 부하가 미리 정해진 한계값을 초과할 때 적어도 제 2 노즐을 사용하여 실린더 내로 연료가 분사된다.
피크 온도는 종종 배기 밸브들의 주위에 제한된 영역에서 경험된다. 본 발명에 따른 연료 분사 배열체 및 방법에 의해, 배기 밸브들 주위의 열적 부하가 감소될 수 있다. 종종 연소실 구성요소의 나머지의 열적 부하가 설계 한계보다 훨씬 낮고, 그리하여 연료 분사기들의 설계에서 비교적 작은 변화는 다른 구성요소들을 재설계할 필요없이 출력 동력을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐의 노즐 구멍들은 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 적어도 55 % 가 실린더의 흡기 밸브측을 향해 분사되도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐의 노즐 구멍들은 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 적어도 60 % 가 실린더의 흡기 밸브측을 향해 분사되도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐의 노즐 구멍들은 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 적어도 65 % 가 실린더의 흡기 밸브측을 향해 분사되도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐의 노즐 구멍들은 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 최대 75 % 가 실린더의 흡기 밸브측을 향해 분사되도록 구성된다. 연료의 일부를 배기 밸브측을 향해 분사함으로써, 제 2 노즐의 구조적 응력들이 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐의 노즐 구멍들은 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 최대 70 % 가 실린더의 흡기 밸브측을 향해 분사되도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 분무 패턴은 가상 평면에 대해 비대칭이다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐을 통해 분사된 연료의 분무 패턴은 제 2 노즐의 중심 평면에 대해 비대칭이고, 중심 평면은 실린더를 2 개의 섹션들로 분할하는 가상 평면에 평행하다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 노즐은 배기 밸브측에 위치되고, 제 2 노즐은 가상 평면의 흡기 밸브측에 위치된다. 제 2 노즐로부터 메인 연료 분사 방향이 흡기 밸브측을 향하기 때문에, 제 1 노즐이 배기 밸브측에 위치되면 연료 분사가 덜 방해받는다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 더 많은 개수가 실린더의 배기 밸브측보다 흡기 밸브측에 대면한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 흡기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들 각각은 실린더의 배기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 임의의 노즐 구멍들보다 더 큰 단면적을 가진다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 배기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 개별 단면적은 실린더의 흡기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 개별 단면적보다 5 ~ 20 % 더 작다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 가상 평면은 실린더를 동일한 크기의 2 개의 하프들로 분할한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 실린더의 반경 방향과 실린더의 배기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 분사 방향 사이의 각도는 실린더의 반경 방향과 실린더의 흡기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 분사 방향 사이의 각도와 상이하다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 실린더의 반경 방향과 실린더의 배기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 분사 방향 사이의 각도는 실린더의 반경 방향과 실린더의 흡기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 분사 방향 사이의 각도보다 크다. 이는 배기 밸브측의 피크 온도를 더욱 낮추는데 도움이 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 실린더의 반경 방향과 실린더의 배기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 분사 방향 사이의 각도는 실린더의 반경 방향과 실린더의 흡기 밸브측에 대면하는 제 2 노즐의 노즐 구멍들의 분사 방향 사이의 각도보다 적어도 2 도 더 크다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 흡기 밸브측 및 배기 밸브측의 분사 방향들의 각도 차이는 2 ~ 10 도 범위이다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 노즐의 노즐 구멍들은, 제 1 노즐을 통해 분사된 연료의 더 많은 부분이 실린더의 흡기 밸브측을 향하기 보다는 배기 밸브측을 향해 분사되도록 배열된다. 이는, 저 엔진 부하에서 배기 가스 온도를 증가시키는데 도움이 되어, 터보차저들 및 선택적 촉매 환원 시스템들의 작동을 향상시킨다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 노즐의 노즐 구멍들은 연료의 적어도 60 % 가 배기 밸브측을 향해 분사되도록 구성된다. 본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 제 1 노즐의 노즐 구멍들은 연료의 적어도 75 % 가 배기 밸브측을 향해 분사되도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 방법에서, 엔진 부하가 미리 정해진 한계값을 초과할 때 제 2 노즐만을 사용하여 실린더 내로 연료가 분사된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 상기 미리 정해진 한계값은 상기 엔진의 정격 출력 동력의 30 ~ 60 % 범위이다. 제 1 연료 분사 노즐이 엔진의 정격 동력의 60 % 를 초과하는 부하에서 부분 부하에 대해 최적화되면, 연료 분사 기간이 너무 길어져, 연소 불량 및 과도한 배기 가스 온도를 초래한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 상기 미리 정해진 한계값은 상기 엔진의 정격 출력 동력의 50 ~ 60 % 범위이다. 50 ~ 60 % 의 부하까지 제 1 연료 분사 노즐만을 사용함으로써, 부분 부하에서의 NOx 배출이 효과적으로 감소될 수 있다. 또한, 제 2 연료 분사 노즐은 더 높은 부하에 대해 더 잘 최적화될 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 아래에 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
도 1 은 피스톤 엔진의 연료 분사 유닛의 단면도를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 연료 분사 유닛의 다른 단면도를 도시한다.
도 3 은 피스톤 엔진의 실린더와 관련된 도 1 의 연료 분사 유닛을 도시한다.
도 4 는 연료 분사기의 노즐의 간략화된 단면도를 도시한다.
도 5 는 연료 분사기의 노즐의 다른 단면도를 도시한다.
도 6 은 연료 분사기의 연료 분사 패턴의 예를 도시한다.
도 7 은 연료 분사기의 연료 분사 패턴의 다른 예를 도시한다.
도 1 및 도 2 는 선박 또는 파워 플랜트에서 사용되는 엔진과 같은 대형 내연 기관용 연료 분사 유닛 (1) 을 도시한다. 엔진의 실린더 보어는 적어도 150 mm 이다. 엔진은 다기통 4 행정 피스톤 엔진이다. 엔진은 엔진의 실린더들에 직접 분사되는 액체 연료를 사용하여 작동될 수 있다. 엔진의 각각의 실린더에는 피스톤이 제공되고, 이 피스톤은 실린더 내에서 왕복운동 방식으로 이동하도록 배열된다.
엔진의 각각의 실린더에는 유사한 연료 분사 유닛 (1) 이 제공된다. 도 3 에는 도 1 및 도 2 의 연료 분사 유닛 (1) 이 내연 기관의 실린더 헤드 (21) 와 관련하여 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3 의 연료 분사 유닛 (1) 은 연료 분사 펌프 (22) 로부터 가압 연료를 직접 수용하도록 배열된다. 연료 분사 유닛 (1) 은 분사기 부분 (20), 중간 부분 (30), 제어 밸브 (9) 및 공압식 액츄에이터 (11) 를 포함한다. 연료 분사 유닛 (1) 은 연료 전달 덕트 (23) 에 의해 연료 분사 펌프 (22) 에 연결된다. 엔진의 각각의 실린더 (33) 에는 자체 연료 분사 펌프 (22) 가 제공된다. 연료 분사 펌프 (22) 는 분사 타이밍 및 분사된 연료의 양을 제어하기 위한 수단을 포함하는 고압 펌프이다.
연료 분사 유닛 (1) 은 여러 부분들로 구성될 수 있는 본체 (29) 를 포함한다. 연료 분사 유닛 (1) 의 분사기 부분 (20) 에는 2 개의 연료 분사 노즐들 (3, 4) 이 배열된다. 제 1 연료 분사 노즐 (3) 은 적은 양의 연료를 분사하도록 의도되고, 제 2 연료 분사 노즐 (4) 은 엔진의 실린더 (33) 내로 대량의 연료를 분사하도록 의도된다. 동일한 종류의 연료가 연료 분사 노즐 (3, 4) 을 통해 분사된다. 연료 분사 노즐들 (3, 4) 둘 다는 경질 연료유 또는 중질 연료유와 같은 액체 연료를 분사하도록 구성된다. 제 1 연료 분사 노즐 (3) 은, 예를 들어 엔진 부하가 엔진의 최대 부하의 50 % 이하일 때 사용될 수 있고, 제 2 연료 분사 노즐 (4) 은 엔진 부하가 최대 부하의 50 % 를 초과할 때 사용될 수 있다. 또한, 노즐들 (3, 4) 둘 다가 높은 엔진 부하에서 사용될 수 있다. 종래에, 연료 분사 노즐들은 전부하에 대해 최적화되어, 부분 부하에서 더 높은 연료 소비 및 연기 형성으로 이어졌다. 또한, NOx, CO 및 탄화수소 배출도 높아졌다. 2 개의 다른 연료 분사 노즐들 (3, 4) 을 사용하면, 각각의 노즐은 상이한 엔진 부하에 최적화될 수 있다. 따라서, 낮은 부하에서 높은 엔진 효율과 낮은 배출물을 달성하면서, 높은 부하에서 너무 긴 연료 분사 기간을 방지할 수 있다.
제 1 연료 분사 노즐 (3) 로부터 상류의 연료 분사 유닛 (1) 의 본체 (29) 내부에는 제 1 연료 갤러리 (31) 가 배열되고, 제 2 연료 분사 노즐 (4) 로부터 상류에 제 2 연료 갤러리 (32) 가 배열된다. 연료 갤러리들 (31, 32) 은 분사 전에 연료를 저장하는데 사용된다. 연료 분사 유닛 (1) 은 제 1 분사기 니들 (7) 및 제 2 분사기 니들 (8) 을 더 포함한다. 제 1 분사기 니들 (7) 은 제 1 연료 갤러리 (31) 와 제 1 연료 분사 노즐 (3) 사이의 유동 연통을 개방 및 폐쇄한다. 제 2 분사기 니들 (8) 은 제 2 연료 갤러리 (32) 와 제 2 연료 분사 노즐 (4) 사이의 유동 연통을 개방 및 폐쇄한다. 제 1 분사기 니들 (7) 의 직경은 제 2 분사기 니들 (8) 의 직경보다 작다. 따라서, 제 1 분사기 니들 (7) 을 통과한 유동 영역은 제 2 분사기 니들 (8) 을 통과한 유동 영역보다 작다. 분사기 니들들 (7, 8) 은 스프링들 (27, 28) 에 의해 폐쇄 위치를 향해 밀린다. 분사기 니들들 (7, 8) 은 연료 분사 펌프 (22) 에 의해 연료 분사 유닛 (1) 에 공급되는 연료의 압력에 의해 작동된다. 연료 분사 유닛 (1) 은 분사 유닛 (1) 으로부터 누출을 배출하기 위한 누출 보어 (5) 를 더 포함한다.
연료 분사 노즐들 (3, 4) 중 어느 것을 통하여 연료를 실린더 (33) 내로 분사할지를 선택하기 위해, 연료 분사 유닛 (1) 에는 제어 밸브 (9) 가 제공된다. 제어 밸브 (9) 는 연료 분사 유닛 (1) 의 연료 유입구 (2) 와 유동 연통하는 유입구 포트를 포함한다. 연료 분사 펌프 (22) 로부터의 연료 전달 덕트 (23) 는 연료 분사 유닛 (1) 의 연료 유입구 (2) 에 연결된다. 제어 밸브 (9) 는 2 개의 유출구 포트들을 더 포함한다. 제 1 유출구 포트는 제어 밸브 (9) 를 제 1 연료 갤러리 (31) 에 연결하는 제 1 연료 덕트에 연결되고, 제 2 유출구 포트는 제어 밸브 (9) 를 제 2 연료 갤러리 (32) 에 연결하는 제 2 연료 덕트에 연결된다. 제어 밸브 (9) 는 적어도 2 개의 상이한 위치들을 가진 밸브 부재 (10) 를 포함한다. 밸브 부재 (10) 의 제 1 위치에서, 유입구 포트로부터 제 1 유출구 포트를 통해 제 1 연료 덕트로의 연료 유동이 허용된다. 유입구 포트로부터 제 2 유출구 포트로의 연료 유동이 방지된다. 밸브 부재 (10) 의 제 2 위치에서, 유입구 포트로부터 제 2 연료 포트를 통해 제 2 연료 덕트로의 연료 유동이 허용된다. 유입구 포트로부터 제 1 유출구 포트로의 연료 유동이 방지된다. 밸브 부재 (10) 는 또한 제 1 연료 덕트 및 제 2 연료 덕트 둘 다로의 유동이 허용되는 제 3 위치를 가질 수 있다. 제어 밸브 (9) 는 밸브 부재 (10) 를 제 2 위치 쪽으로 미는 스프링 (17) 을 포함한다. 따라서, 제어 밸브 (9) 는 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통한 연료 분사가 허용되는 위치로 편향된다.
제어 밸브 (9) 는 또한, 연료 분사 유닛 (1) 에 통합되는 대신에, 연료 분사 펌프 (22) 에 통합될 수 있다. 이 경우에, 제 1 연료 분사 노즐 (3) 과 제 2 연료 분사 노즐 (4) 에 별도의 연료 전달 덕트들이 필요하게 될 것이다. 제어 밸브 (9) 의 제 1 유출구 포트로부터의 제 1 연료 전달 덕트는 연료 분사 유닛 (1) 의 제 1 연료 덕트에 연결될 것이고, 제 2 유출구 포트로부터의 제 2 연료 전달 덕트는 제 2 연료 덕트에 연결될 것이다.
제어 밸브 (9) 의 위치를 선택하기 위해, 연료 분사 유닛 (1) 에는 액추에이터가 제공된다. 도면들의 실시형태에서, 액추에이터는 공압식 액추에이터 (11) 이다. 하지만, 예를 들어 기계식, 유압식 또는 전기식 액추에이터들과 같은 다른 유형의 액추에이터들이 또한 사용될 수 있다. 도면들의 실시형태에서, 액추에이터 (11) 는 원통형 챔버 (24) 에 배열된 제 1 피스톤 (18) 을 포함한다. 제 1 피스톤 (18) 의 내부에는 제 2 피스톤 (12) 이 배열된다. 제 2 피스톤 (12) 에는 제어 밸브 (9) 의 밸브 부재 (10) 와 접촉하는 로드 (19) 가 제공된다. 공압식 액추에이터 (11) 가 작동되지 않으면, 제어 밸브 (9) 의 스프링 (17) 은 제어 밸브 (9) 의 밸브 부재 (10) 를 통하여 제 2 피스톤 (12) 의 로드 (19) 를 상방으로 민다. 제 2 피스톤 (12) 은 또한 제 1 피스톤 (18) 을 상방으로 민다. 스프링 (13) 은 제 1 피스톤 (18) 을 하방으로 가압하기 위해 제 1 피스톤 (18) 위에 배열된다. 스프링 (13) 은, 공압식 액추에이터 (11) 가 작동되지 않더라도, 제 1 피스톤 (18) 이 제 2 피스톤 (12) 과 접촉하고 제 2 피스톤 (12) 의 로드 (19) 가 제어 밸브 (9) 의 밸브 부재 (10) 와 접촉하도록 유지한다. 가압된 공기가 제 1 피스톤 (18) 과 제 2 피스톤 (12) 사이에 도입될 때, 제 2 피스톤 (12) 은 하방으로, 즉 제어 밸브 (9) 를 향해 밀려진다. 제 2 피스톤 (12) 의 로드 (19) 는 제어 밸브 (9) 의 밸브 부재 (10) 를 제 1 위치로 민다. 이 위치는 엔진이 저부하에서, 예를 들어 엔진 최대 동력의 50 % 이하인 부하에서 작동될 때 사용된다.
가압된 공기가 제 1 피스톤 (18) 위의 챔버 (24) 내로 도입될 때, 제 1 피스톤 (18) 은 하방으로, 즉 제어 밸브 (9) 를 향해 밀려진다. 제 1 피스톤 (18) 은 또한 제 2 피스톤 (12) 을 하방으로 밀고, 제 2 피스톤 (12) 의 로드 (19) 는 제어 밸브 (9) 의 밸브 부재 (10) 를 제 3 위치로 민다. 제 3 위치는 때때로 분사기 니들들 (7, 8) 의 고착을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 엔진이 고부하에서 장기간 작동될 때, 제어 밸브 (9) 는 제 1 노즐 (3) 을 통해서도 연료 분사를 허용하기 위해 단기간 동안 제 3 위치로 전환될 수 있다. 이러한 플러싱은 미리 정해진 일정에 따라 실시될 수 있다.
도 4 는 실린더 헤드 (21) 의 방향에서 본 제 2 노즐 (4) 의 단순화된 단면도를 도시한다. 도 5 는 제 2 노즐 (4) 의 측단면도를 도시한다. 제 2 노즐 (4) 은 복수의 노즐 구멍들 (4a) 을 포함한다. 바람직하게는, 제 2 노즐 (4) 은 적어도 4 개의 노즐 구멍들 (4a) 을 포함한다. 도 4 의 예에서, 제 2 노즐 (4) 은 10 개의 노즐 구멍들 (4a) 을 포함한다. 노즐 구멍들 (4a) 을 통하여, 연료는 엔진의 연소실내로 직접 분사된다. 노즐 구멍들 (4a) 은, 각각의 노즐 구멍 (4a) 이 실린더 (33) 의 축방향에 수직인 평면에서 볼 때 다른 방향으로 연료를 분사하도록 제 2 노즐 (4) 의 주변을 따라 분포된다. 노즐 구멍들 (4a) 을 통해 실린더 (33) 의 벽들을 향해 연료가 분사된다. 각각의 노즐 구멍 (4a) 은 실린더 (33) 의 축방향 (35) 에 수직하는 평면 (34) 에 대해 각도 (α) 로 배열된다. 노즐 구멍들 (4a) 은 피스톤을 향해 경사져 있다. 따라서, 실린더 헤드 (21) 로부터 연료가 분사된다. 연료 분사 방향과 반경방향 평면 (34) 사이의 각도 (α) 는 각각의 노즐 구멍 (4a) 에 대해 동일할 필요는 없지만, 노즐 구멍들 (4a) 은 실린더 (33) 의 반경 방향에 대해 상이한 각도일 수 있다.
제 1 노즐 (3) 은 제 2 노즐 (4) 과 유사하다. 하지만, 제 1 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 의 총 단면적은 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 총 단면적보다 작다. 제 2 노즐 (4) 은 제 1 노즐 (3) 보다 많은 노즐 구멍들 (4a) 을 포함할 수 있고/있거나 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은 제 1 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 보다 클 수 있다. 따라서, 제 2 노즐 (4) 은 제 1 노즐 (3) 보다 많은 양의 연료를 분사하도록 구성된다.
도 6 은 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 분무 패턴의 예를 도시한다. 노즐 구멍들 (4a) 로부터 제트 (36) 는 점선으로 형태들 (36) 로 도시되어 있다. 엔진의 각각의 실린더 (33) 에는 2 개의 흡기 밸브들 (15) 및 2 개의 배기 밸브들 (16) 이 제공된다. 실린더 (33) 의 축방향에 평행한 가상 평면 (27) 은 실린더 (33) 를 2 개의 섹션들 (25, 26) 로 분할한다. 흡기 밸브들 (15) 은 가상 평면 (27) 의 흡기 밸브측 (25) 에 위치되고, 배기 밸브 (16) 는 가상 평면 (27) 의 배기 밸브측 (26) 에 위치된다. 도면들의 실시형태에서, 가상 평면 (27) 은 실린더 (33) 를 동일한 크기의 2 개의 하프들로 분할한다. 하지만, 가상 평면 (27) 은 실린더 (33) 의 중심 평면일 필요는 없다. 예를 들어, 흡기 밸브들 (15) 의 직경은 배기 밸브들 (16) 의 직경보다 클 수 있다. 따라서, 흡기 밸브측 (25) 은 배기 밸브측 (26) 보다 더 클 수 있다. 이에 따라서, 가상 평면 (27) 은 실린더 (33) 의 중심 평면으로부터 오프셋될 수 있다.
본 발명에 따라서, 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은 제 2 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 더 많은 부분이 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 을 향하기 보다는 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 배열된다. 고온 배기 가스는 배기 밸브 (16) 를 통해 배출되는 반면, 냉각기 흡기 공기는 흡기 밸브들 (15) 을 통해 실린더 (33) 내로 도입된다. 따라서, 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 은 통상적으로 흡기 밸브측 (25) 보다 더 높은 온도를 경험한다. 배기 밸브측 (26) 보다는 흡기 밸브측 (25) 을 향해 더 많은 연료를 분사함으로써, 온도 차이가 감소될 수 있고, 배기 밸브측 (26) 에서 더 낮은 피크 온도를 경험한다. 연료 분사 시스템의 구성에서 비교적 간단한 변경으로, 엔진의 냉각 시스템을 재설계할 필요없이 엔진의 구성요소의 열적 부하가 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은 제 2 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 적어도 55 % 가 실린더 (33) 의 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성된다. 본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 연료의 적어도 60 % 가 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성된다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라서, 연료의 적어도 65 % 가 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성된다. 하지만, 바람직하게는 연료의 일부는 배기 밸브측 (26) 으로 분사된다. 이는 연료 분사기의 구조적 응력들을 감소시키는데 도움을 준다. 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은 제 2 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 최대 75 % 가 실린더 (33) 의 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성된다. 본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 연료의 최대 70 % 가 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사된다.
흡기 밸브측 (25) 상의 더 큰 연료 분사량은 많은 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 더 많은 개수가 도 6 에 도시된 바와 같이 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 보다 흡기 밸브측 (25) 에 대면할 수 있다. 도 4 에서는 해당하는 노즐 (4) 을 도시한다. 도 6 의 실시형태에서, 6 개의 연료 제트 (36) 가 흡기 밸브측 (25) 을 향해 지향된다. 4 개의 연료 제트 (36) 는 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 을 향해 지향된다. 대안으로 또는 이에 더하여, 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 은 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 보다 더 클 수 있다. 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 각각은 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 제 2 노즐 (4) 의 임의의 노즐 구멍들 (4a) 보다 큰 단면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 개별 단면적은 실린더 (33) 의 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 개별 단면적보다 5 ~ 20 % 더 작을 수 있다.
도 6 및 도 7 의 실시형태에서, 제 1 연료 분사 노즐 (3) 은 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 에 위치되고, 제 2 연료 분사 노즐 (4) 은 실린더 (33) 의 흡기 밸브측 (25) 에 위치된다. 더 많은 연료가 제 2 노즐 (4) 로부터 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되고, 배기 밸브측 (26) 상에 제 1 노즐 (3) 을 배열함으로써, 제 2 노즐 (4) 을 통한 연료 분사가 덜 방해받는다.
배기 밸브들 (16) 주위의 열적 부하를 추가로 감소시키기 위해, 제 2 연료 분사 노즐 (4) 로부터의 연료 제트 (36) 는 흡기 밸브측 (25) 보다는 배기 밸브측 (26) 상의 피스톤을 향해 더 지향될 수 있다. 반경방향 평면 (34) 과 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 는 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 보다 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 에 대해 더 클 수 있다. 따라서, 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 은 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 보다 피스톤을 향하여 더 지향된다. 이는 배기 밸브들 (16) 근방에서 연료량을 더 감소시킨다. 분사 방향은 노즐 구멍 (4a) 을 통해 분사된 분무 중심축의 방향을 지칭한다. 분무는, 예를 들어 원추형일 수 있고, 분사 방향은 원추의 중심축의 방향이다. 예로서, 반경방향 평면 (34) 과 실린더 (33) 의 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 는 반경방향 평면 (34) 과 실린더 (33) 의 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 제 2 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 보다 더 큰 적어도 2 도일 수 있다. 흡기 밸브측 (25) 및 배기 밸브측 (26) 의 분사 방향들의 각도들 (α) 의 차이는, 예를 들어 2 ~ 10 도의 범위일 수 있다. 각도들의 적절한 차이는 주로 피스톤 상단의 형상에 의존한다. 또한, 노즐들 (3, 4) 의 위치들이 고려될 수 있다. 제 2 노즐 (4) 이 가상 평면 (27) 으로부터 멀리 위치되면, 각도 (α) 는 더 작아질 수 있다. 일부 적용들에서, 제 2 연료 분사 노즐 (4) 로부터 연료 제트들 (36) 은 배기 밸브측 (26) 보다는 흡기 밸브측 (25) 측의 피스톤을 향해 보다 더 지향될 수 있다. 따라서, 반경방향 평면 (34) 과 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 는 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 에 대해서 보다는 실린더 (33) 의 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 노즐 구멍들 (4a) 에 대해서 더 크게 될 수 있다. 이는, 예를 들어 제 2 노즐 (4) 이 배기 밸브측 (26) 으로부터 멀리 위치되는 경우일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 은, 제 1 노즐 (3) 을 통해 분사된 연료의 더 많은 부분이 실린더 (33) 의 흡기 밸브측 (25) 보다는 배기 밸브측 (26) 을 향해 분사되도록 배열된다. 따라서, 더 적은 연료 분사 노즐 (3) 이 배기 밸브들 (16) 을 향해 더 많은 연료를 분사한다. 저 부하에서, 이는 배기 가스 온도를 증가시켜, 터보차저들 및 선택적 촉매 환원 시스템의 작동을 향상시킨다. 도 7 은 제 1 연료 분사 노즐 (3) 의 분무 패턴의 예를 도시한다. 또한, 제 1 노즐 (3) 의 경우에, 흡기 밸브측 (25) 및 배기 밸브측상에 상이한 연료 분사량은 많은 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 더 많은 노즐 구멍들 (3a) 이 흡기 밸브측 (25) 보다는 배기 밸브측 (26) 에 대면할 수 있고/있거나 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 노즐 구멍들 (3a) 은 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 노즐 구멍들 (3a) 보다 더 클 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 노즐 (3) 은 연료의 적어도 60 % 를 배기 밸브측 (26) 을 향해 분사하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 노즐 (3) 은 연료의 적어도 75 % 를 배기 밸브측 (26) 을 향해 분사하도록 구성된다.
전술한 연료 분사 배열체를 포함하는 피스톤 엔진을 작동하는 방법에서, 엔진 부하가 미리 정해진 한계값 미만일 때 제 1 노즐 (3) 만을 사용하여 실린더 (33) 내로 연료가 분사된다. 엔진 부하가 미리 정해진 한계값을 초과하면, 적어도 제 2 노즐 (4) 을 사용하여 실린더 (33) 내로 연료가 분사된다. 엔진 부하가 미리 정해진 한계값을 초과하면, 제 2 노즐 (4) 만을 사용하여 실린더 (33) 내로 연료가 분사될 수 있다. 한계값은 엔진의 정격 출력 동력의 30 ~ 60 % 범위에 있을 수 있다. 제 1 연료 분사 노즐 (3) 이 엔진의 정격 동력의 60 % 를 초과하는 부하에서 부분 부하에 대해 최적화되면, 연료 분사 기간이 너무 길어져, 이는 연소 불량 및 과도한 배기 가스 온도를 초래한다. 한계값은 엔진의 정격 출력 동력의 50 ~ 60 % 범위에 있을 수 있다. 50 ~ 60 % 의 부하까지 제 1 연료 분사 노즐 (3) 만을 사용함으로써, 부분 부하에서의 NOx 배출이 효과적으로 감소될 수 있다. 또한, 제 2 연료 분사 노즐 (4) 은 더 높은 엔진 부하에 대해 더 잘 최적화될 수 있다.
본 발명의 다른 변형들이 가능하다. 예를 들어, 제 1 연료 분사 노즐 (3) 및 제 2 연료 분사 노즐 (4) 은 동일한 연료 분사 유닛에 배열될 필요는 없지만, 엔진의 각각의 실린더 (33) 에는 2 개의 별개의 연료 분사기들이 제공될 수 있다. 본 발명은 또한 커먼 레일 연료 분사 시스템을 갖는 엔진에 적용될 수 있다. 따라서, 엔진의 각각의 실린더 (33) 에는 자체 연료 분사 펌프 (22) 가 제공될 필요는 없지만, 하나의 고압 펌프는 여러 개의 실린더들 (33) 의 연료 분사기들에 연료를 공급할 수 있다. 분사기 니들들 (7, 8) 은, 예를 들어 전기적으로 제어될 수 있다.
본 발명이 전술한 실시형태들에 제한되지 않고, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 변경될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 당업자는 이해할 것이다.

Claims (25)

  1. 4 행정 피스톤 엔진의 실린더 (33) 를 위한 연료 분사 배열체로서,
    상기 실린더 (33) 에는, 상기 실린더 (33) 의 축방향에 평행하고 상기 실린더 (33) 를 2 개의 섹션들 (25, 26) 로 분할하는 가상 평면 (27) 의 흡기 밸브측 (25) 에 배열된 2 개의 흡기 밸브들 (15), 및 상기 가상 평면 (27) 의 배기 밸브측 (26) 에 배열된 2 개의 배기 밸브들 (16) 이 제공되며,
    상기 연료 분사 배열체는,
    - 복수의 노즐 구멍들 (3a) 을 포함하는 제 1 연료 분사 노즐 (3),
    - 복수의 노즐 구멍들 (4a) 을 포함하는 제 2 연료 분사 노즐 (4),
    - 상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 을 통한 연료 분사를 제어하기 위한 제 1 분사기 니들 (7), 및
    - 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통한 연료 분사를 제어하기 위한 제 2 분사기 니들 (8)
    을 포함하고,
    - 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 총 단면적은 상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 의 총 단면적보다 크며,
    - 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 더 많은 부분이 상기 실린더 (33) 의 상기 배기 밸브측 (26) 을 향하기 보다는 상기 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 배열되는, 연료 분사 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 적어도 55 % 가 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성되는, 연료 분사 배열체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 적어도 60 % 가 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성되는, 연료 분사 배열체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 적어도 65 % 가 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성되는, 연료 분사 배열체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 최대 75 % 가 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성되는, 연료 분사 배열체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 은, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 최대 70 % 가 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 을 향해 분사되도록 구성되는, 연료 분사 배열체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 분무 패턴은 상기 가상 평면 (27) 에 대해 비대칭인, 연료 분사 배열체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 통해 분사된 연료의 분무 패턴은 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 중심 평면에 대해 비대칭이고, 상기 중심 평면은 상기 실린더 (33) 를 2 개의 섹션들 (25, 26) 로 분할하는 상기 가상 평면 (27) 에 평행한, 연료 분사 배열체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 은 상기 배기 밸브측 (26) 에 위치되고, 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 은 상기 가상 평면 (27) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 에 위치되는, 연료 분사 배열체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 더 많은 개수가 상기 실린더 (33) 의 상기 배기 밸브측 (26) 보다 상기 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는, 연료 분사 배열체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 각각은 상기 실린더 (33) 의 상기 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 임의의 노즐 구멍들 (4a) 보다 더 큰 단면적을 가지는, 연료 분사 배열체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 개별 단면적은 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 개별 단면적보다 5 ~ 20 % 더 작은, 연료 분사 배열체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상 평면 (27) 은 상기 실린더 (33) 를 동일한 크기의 2 개의 하프들 (25, 26) 로 분할하는, 연료 분사 배열체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더 (33) 의 반경 방향과 상기 실린더 (33) 의 상기 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 는 상기 실린더 (33) 의 반경 방향과 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도와 상이한, 연료 분사 배열체.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더 (33) 의 반경 방향과 상기 실린더 (33) 의 상기 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 는 상기 실린더 (33) 의 반경 방향과 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도보다 큰, 연료 분사 배열체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더 (33) 의 반경 방향과 상기 실린더 (33) 의 상기 배기 밸브측 (26) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 는 상기 실린더 (33) 의 반경 방향과 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 에 대면하는 상기 제 2 연료 분사 노즐 (2) 의 노즐 구멍들 (4a) 의 분사 방향 사이의 각도 (α) 보다 적어도 2 도 더 큰, 연료 분사 배열체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 배기 밸브측 (25) 및 상기 흡기 밸브측 (26) 의 분사 방향들의 각도 (α) 차이는 2 ~ 10 도인, 연료 분사 배열체.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 은, 상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 을 통해 분사된 연료의 더 많은 부분이 상기 실린더 (33) 의 상기 흡기 밸브측 (25) 을 향하기 보다는 상기 배기 밸브측 (26) 을 향해 분사되도록 배열되는, 연료 분사 배열체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 은 연료의 적어도 60 % 가 상기 배기 밸브측 (26) 을 향해 분사되도록 구성되는, 연료 분사 배열체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 의 노즐 구멍들 (3a) 은 연료의 적어도 75 % 가 상기 배기 밸브측 (26) 을 향해 분사되도록 구성되는, 연료 분사 배열체.
  21. 4 행정 피스톤 엔진으로서,
    상기 엔진은 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 배열체를 포함하는, 4 행정 피스톤 엔진.
  22. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 배열체를 포함하는 피스톤 엔진을 작동하는 방법으로서,
    엔진 부하가 미리 정해진 한계값 미만일 때 상기 제 1 연료 분사 노즐 (3) 만을 사용하여 상기 실린더 (33) 내로 연료가 분사되고, 상기 엔진 부하가 상기 미리 정해진 한계값을 초과할 때 적어도 제 2 연료 분사 노즐 (4) 을 사용하여 상기 실린더 (33) 내로 연료가 분사되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 엔진 부하가 상기 미리 정해진 한계값을 초과할 때 상기 제 2 연료 분사 노즐 (4) 만을 사용하여 상기 실린더 (33) 내로 연료가 분사되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 한계값은 상기 엔진의 정격 출력 동력의 30 ~ 60 % 인, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 한계값은 상기 엔진의 정격 출력 동력의 50 ~ 60 % 인, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
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