내연 기관용 미터링 밸브를 갖는 캐필러리 연료 분사기
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내연 기관용 미터링 밸브를 갖는 캐필러리 연료 분사기{CAPILLARY FUEL INJECTOR WITH METERING VALVE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관에서의 연료 전달에 관한 것이다.
1970년대 이후로, 포트-연료 분사 엔진들은 NO x , CO 및 미연 탄화수소 배출을 최소화하고자 하기 위하여 삼원 촉매들 및 폐쇄-루프 엔진 제어들을 사용하였다. 이 방법은 엔진과 배기장치 요소들이 충분한 온도들에 도달하는 통상적인 작동 동안 특히 유효하다는 것이 판명되었다. 그러나, NO x , CO 및 미연소 탄화수소들의 바람직한 변환 효율들을 달성하기 위하여, 삼원 촉매는 자신의 본래의 활성화 온도를 넘어야만 한다.
또한, 엔진은 이것이 포트 벽들 및/또는 밸브들의 배면과 같은 흡기 요소들에 영향을 주기 때문에, 액체 연료의 기화를 허용하기 위하여 충분한 온도가 되어야만 한다. 이 공정의 유효성은 이것이 연료/공기 혼합물의 화학량론(stoichiometry)에 대해 적절한 정도로 제어하므로, 유휴 품질(idle quality) 및 삼원 촉매의 성능에 결합한다는 점, 및 엔진에 공급된 연료가 연소중에 연소됨으로, 충분히 기화하지 않고 흡기 요소들 상에 쌓이는 액체 연료를 보상하기 위한 과-연료공급에 대한 필요성을 제거한다는 점에서 중요하다.
연소가 화학적으로 완료되도록 하기 위하여, 연료-공기 혼합물은 화학량적인 가스-상태 혼합물로 기화되어야만 한다. 화학량적인 가연성 혼합물은 완전 연소를 위해 필요로 되는 연료 및 공기(산소)의 정확한 양들을 포함한다. 가솔린에 대하여, 이 공기-대-연료 비는 중량당 대략 14.7:1이다. 완전하게 기화되지 않고/않거나, 화학량적인 연료량 이상을 포함하는 연료-공기 혼합물은 불완전 연소를 초래하고, 열 효율을 감소시킨다. 이상적인 연소 공정의 산물들은 물(H 2 O)과 이산화탄소(CO 2 )이다. 연소가 불완전한 경우, 일부의 탄소는 완전히 산화되지 않아서, 일산화탄소(CO) 및 미연소 탄화수소들(HC)을 발생시킨다.
냉시동(cold-start) 및 웜-업(warm-up) 상황들 하에서, 연료 배출을 감소시키고 고품질 연료 증기를 전달하기 사용된 공정들은 비교적 차가운 온도들로 인해 실패한다. 특히, 삼원 촉매들의 유효성은 대략 250℃ 이하에서 현저하지 않고, 결과적으로, 미연소 탄화수소들의 큰 부분이 변화없이 환경으로 통과된다. 이러한 상황들 하에서, 탄화수소 배출의 증가는 냉시동 및 웜-업 동안 필요로 되는 과-연료공급에 의해 악화된다. 즉, 연료가 차가운 흡기 매니폴드 요소들(intake manifold component)에 대한 영향으로 인하여 쉽게 기화되지 않기 때문에, 엔진 시동 및 수용 가능한 유휴 품질에 대한 가연성 혼합물을 생성하기 위하여 과-연료공급이 필요하다.
전세계적인 공기 오염을 감소시키기 위한 요구로 인해, 다수의 연료 시스템 및 엔진 변경들로 연소 비효율성을 보상하는 것이 시도되었다. 연료 준비 및 전달 시스템에 관한 종래 기술에 의해 명시된 바와 같이, 액체 연료 드롭렛 크기를 감소시키고, 시스템 난류(system turbulence)를 증가시키며 더 완전한 연소를 허용하도록 연료를 기화하는데 충분한 열을 제공하는데, 많은 노력이 행해졌다.
그러나, 낮은 엔진 온도들에서의 비효율적인 연료 준비는 후-처리 및 복잡한 제어 방법들을 필요로 하는 더 높은 배출량을 초래하는 문제가 존재한다. 이와 같은 제어 방법들은 배기 가스 재순환, 가변 밸브 타이밍, 지체된 점화 타이밍, 감소된 연소비, 촉매 컨버터들의 사용 및 미연소 탄화수소들을 산화시키고 촉매 컨버터의 활성화에 이익이 되는 발열 반응을 발생시키기 위한 공기 분사를 포함할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 냉시동 및 웜-업 동안 엔진으로의 과-연료공급은 종래의 엔진들에서 미연소 탄화수소 배출의 중요한 원인이다. 통상적인, 현대의 포트 연료 분사(PFI) 가솔린 엔진 승용차에 의해 발생된 총 탄화수소 배출의 80% 만큼이 냉시동 및 웜-업 기간 동안 발생된다는 것이 추정되었고, 여기서 엔진은 과-연료공급되고 촉매 컨버터는 본질적으로 비활성이다.
비교적 큰 비율의 미연소 탄화수소들이 시동 동안 배출되기 때문에, 승용차 엔진 작동의 이 양상은 상당한 기술 개발 노력들의 초점이 되어왔다. 또한, 점점 엄격한 배출 기준이 법률로 규정되고, 소비자가 가격책정과 성능에 민감해졌기 때문에, 이러한 개발 노력은 상당히 지속될 것이다. 종래의 엔진들로부터 시동 배출물을 감소시키기 위한 이와 같은 노력들은 일반적으로 두 개의 카테고리들: 1) 삼원 촉매 시스템들의 웜-업 시간을 감소시키는 것 및 2) 연료 기화에 대한 기술들을 개선시키는 것이 된다. 지금까지 삼원 촉매들에 대한 웜-업 시간을 감소시키기 위한 노력들은 배기 온도를 상승시키기 위하여 점화 타이밍을 지체시키는 것; 배기 밸브를 조기에 개방하는 것; 촉매를 전기적으로 가열하는 것; 촉매를 버너 또는 플레임(flame) 가열하는 것; 및 촉매로 촉매를 가열하는 것을 포함한다. 대체적으로, 이러한 노력은 비용이 많이 들고, 냉시동 동안 그리고 냉시동 직후에 HC 배출물을 처리하지 않는다.
연료 기화 문제를 처리하기 위한 다양한 기술들이 제안되었다. 연료 기화 기술을 제안하는 미국 특허들은 Hudson, Jr. 등에 의한 미국 특허 제5,195,477호, Clarke에 의한 미국 특허 제5,331,937호, Asmus에 의한 미국 특허 제4,886,032호, Lewis 등에 의한 미국 특허 제4,955,351호, Oza에 의한 미국 특허 제4,458,655호, Cooke에 의한 미국 특허 제6,189,518호, Hunt에 의한 미국 특허 제5,482,023호, Hunt에 의한 미국 특허 제6,109,247호, Awarzamani 등에 의한 미국 특허 제6,067,970호, Krohn 등에 의한 미국 특허 제5,947,091호, Nines에 의한 미국 특허 제5,578,826호, Thring에 의한 미국 특허 제5,836,289호, 및 Cikanek, Jr. 등에 의한 미국 특허 제5,813,388을 포함한다.
제안된 다른 연료 전달 장치는 연료 전지 시스템에서 사용하기 위한 연료-미터링 장치를 개시하는 미국 특허 제3,716,416호를 포함한다. 연료 전지 시스템은 자동-조절식이며, 소정 레벨로 전력을 발생시키기 위한 것이다. 제안된 연료 미터링 시스템은 그 후의 연소를 위한 개선된 연료 준비를 제공하는 것보다 오히려, 연료 전지의 전력 출력에 응답하여 연료 흐름을 스로틀링(throttling)하기 위한 캐필러리 흐름 제어 장치를 포함한다. 그 대신에, 연료는 H 2 로의 변환을 위하여 연료 리포머(fuel reformer)로 제공되고 나서, 연료 전지에 제공되게 된다. 바람직한 실시예에서, 캐필러리 관은 금속으로 이루어지고, 캐필러리 그 자체는 연료 전지의 전력 출력과 전기적으로 접촉하고 있는 저항으로서 사용된다. 증기의 흐름 저항이 액체의 흐름 저항보다 크기 때문에, 흐름은 전력 출력이 증가할 때 스로틀링된다. 사용하기 위하여 제안된 연료는 열을 인가함으로써 액상에서 기상(vapor phase)으로 쉽게 변형되어 캐필러리를 통해 자유롭게 흐르는 임의의 유체를 포함한다. 기화는 증기 록(vapor lock)이 자동차의 엔진들에서 발생하는 방식으로 달성될 것이다.
미국 특허 제6,276,347호는 초임계(supercritical) 또는 초임계-부근의 분무기 및 액체의 분무(atomization) 또는 기화를 달성하는 방법을 제안한 것이다. 미국 특허 제6,276,347호의 초임계 분무기는 통상적으로 가솔린을 연소시키는 작고, 중량이 가볍고, 연소 비율이 낮은 스파크-점화 피스톤 엔진들을 발화하는데 무거운 연료를 사용하는 것을 가능하게 한다. 상기 분무기는 연료들을 자신의 초임계 온도를 향해 이동시키고 연료들을 상기 연료들과 관련된 상태도에서 가스 안정성 필드 상의 저압 영역으로 방출하여, 연료의 미세한 분무 또는 기화를 발생시킴으로써, 액체, 또는 액체와 같은 연료들로부터 미세한 드롭렛들의 스프레이를 생성하도록 한다. 내연 기관, 과학적인 장비, 화학적인 프로세싱, 폐기물 처리 제어, 세척, 에칭, 해충 제어, 표면 변경, 가습 및 기화와 같은 애플리케이션을 위한 용도가 개시된다.
분해(decomposition)를 최소화하기 위하여, 미국 특허 제6,276,347호는 연료를 분무를 위하여 리스트릭터(restrictor)의 말단부를 통과할 때까지, 초임계 온도 아래로 유지하는 것을 제안한 것이다. 어떤 애플리케이션들에 대하여, 단지 리스트릭터의 팁(tip)만을 가열하는 것은 화학적인 반응들 또는 침전(precipitation)을 최소화하는 것이 바람직하다. 이것은 다른 경우라면, 용제, 클로깅 라인들(clogging line) 및 필터들로부터 구동되는 경향이 있는 연료 스트림에서 불순물들, 반응물들 또는 재료들과 관련된 문제들을 감소시키게 된다. 초임계 압력에서 또는 그 부근에서의 동작은 연료 공급 시스템이 300 내지 800 psig의 범위에서 작동하는 것을 제안한다. 초임계 압력들 및 온도들을 사용하는 것이 분무기의 클로깅을 감소시킬 수 있지만, 이러한 높아진 압력에서 작동할 수 있는 비교적 더 값비싼 연료 펌프뿐만 아니라, 연료 라인, 피팅(fitting) 등을 사용하는 것을 필요로 할 것이다.
도1은 바람직한 형태에 따른 측면-공급 캐필러리 유동 통로를 포함하는 캐필러리 연료 분사기의 부분적인 단면도를 도시한 도면.
도2A는 플런저가 솔레노이드에 의해 완전히 들어가서, 증기 전달을 위해 필요로 되는 이중 방사 유동 통로를 노출시키는 다른 바람직한 형태의 개략도를 도시한 도면.
도2B는 플런저가 절반이 들어가서 액체 연료의 전달을 위한 단일 방사 유동 통로를 노출시키는 도2A의 바람직한 형태를 도시한 도면.
도2C는 플런저가 완전히 확장되어 방사 유동 통로로의 연료의 흐름을 차단하는 도2A의 바람직한 형태를 도시한 도면.
도3A는 슬리브가 솔레노이드에 의해 완전히 들어가서 증기 전달을 위해 필요로 되는 이중 방사 유동 통로를 노출시키는 다른 바람직한 형태의 개략도를 도시한 도면.
도3B는 슬리브가 절반이 들어가서 액체 연료의 전달을 위한 단일 방사 유동 통로를 노출시키는 도3A의 바람직한 형태를 도시한 도면.
도3C는 슬리브가 완전히 확장되어 방사 유동 통로로의 연료의 흐름을 차단하는 도3A의 바람직한 형태를 도시한 도면.
도4는 바람직한 형태에 따른, 변경된 종래의 측면-공급 포트 연료 분사기의 상부에 통합된 전기적으로 가열된 캐필러리를 갖는 직렬-가열된 분사기를 부분적인 단면도로 도시한 도면.
도5는 또다른 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 부분적인 단면도.
도6은 또다른 바람직한 형태에 따른 캐필러리 연료 분사기의 다른 실시예의 부분적인 단면도.
도7은 부분적인 단면도로 도시된 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 도면.
도8은 부분적인 단면도로 도시된 바람직한 형태에 따른 연료 분사기의 다른 실시예의 측면도.
도9는 이에 따른 연료 분사기의 또다른 바람직한 형태의 측면도.
도10은 부분적인 단면도로 도시된 연료 분사기의 다른 실시예의 측면도.
도11은 분사기로 공급된 전력을 최소화하는 것과 상이한 가열 질량들에 대한 분사기와 관련된 웜-업 시간을 최소화하는 것 사이의 트레이드-오프(trade-off)를 도시한 차트.
도12는 흡기 밸브가 개방되는 엔진 사이클의 부분 동안에만 증기를 분사함으로써 최대 배출 감소가 달성될 수 있는 것을 도시한 차트.
도13은 바람직한 형태에 따른 연료 전달 및 제어 시스템의 개략도.
도14는 본 발명의 연료 전달 장치를 사용한 엔진에서 시동의 처음 20초 동안 엔진 파라미터들을 도시한 차트.
도15는 본 발명의 연료 전달 장치로부터의 엔진 배출들의 종래의 포트-연료 분사기들과의 비교를 도시한 차트.
도16은 다양한 람다 밸브들에서 행해지는 냉시동 과도현상 테스팅의 결과를 나타낸 차트.
도17은 캐필러리 분사기로의 상이한 레벨의 가열 입력들에서의 람다 및 총 탄화수소 배출들 사이의 관계를 도시한 차트.
도18은 다양한 캐필러리 분사기 밸브 설계들에 대한 예상된 온도 상승 특성들을 나타내는 차트.
도19는 200 밀리초에서의 노즐 출구 온도 및 젖은 영역 사이의 관계를 도시한 차트.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 연료 분사기
12: 캐필러리 유동 통로
14: 입구단
16: 출구단
18: 니들 밸브 어셈블리
28: 솔레노이드
30: 전기 커넥터
32: 코일 권선
한 양상에서, 본 발명은 내연 기관에 액체 연료를 기화시키고 미터링하는 연료 분사기에 관한 것이며, 상기 연료 분사기는:
(a) 입구단 및 하나 이상의 출구단을 갖는 하나 이상의 캐필러리 유동 통로;
(b) 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로를 따라 배열되고, 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로에서의 액체 연료를 적어도 그 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로의 상기 출구단으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능한 열원; 및
(c) 내연 기관으로의 연료를 미터링하고, 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로의 상기 출구단에 인접하게 위치되며, 내연 기관으로의 연료의 스트림을 실질적으로 폐색하기 위한 낮은 질량 부재를 포함하는 밸브를 구비하며;
내연 기관으로의 연료의 스트림을 실질적으로 폐색하기 위한 상기 낮은 질량 부재는 낮은 질량 및/또는 낮은 열 전도도 계수를 갖는 재료로 형성된다.
다른 양상에서, 본 발명은 내연 기관에서 사용하기 위한 연료 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은:
(a) (i) 입구단 및 출구단을 갖는 하나 이상의 캐필러리 유동 통로; (ii) 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로를 따라 배열되고, 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로에서의 액체 연료를 적어도 그 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로의 상기 출구단으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능한 열원; 및 (iii) 내연 기관으로의 연료를 미터링하고, 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로의 상기 출구단에 인접하게 위치되며, 내연 기관으로의 연료의 스트림을 실질적으로 폐색하기 위한 낮은 질량 부재를 포함하는 밸브를 각각 구비하는 다수의 연료 분사기들로서, 내연 기관으로의 연료의 스트림을 실질적으로 폐색하기 위한 상기 낮은 질량 부재는 낮은 질량 및/또는 낮은 열 전도도 계수를 갖는 재료로 형성되는, 상기 다수의 연료 분사기들;
(b) 상기 다수의 연료 분사기들과 유체 연통되어 있는 액체 연료 공급 시스템; 및
(c) 상기 다수의 연료 분사기들로의 연료의 공급을 제어하는 제어기를 구비한다.
또다른 양상에서, 본 발명은 내연 기관으로 연료를 전달하는 방법을 제공하며, 상기 연료 전달 방법은:
(a) 연료 분사기의 하나 이상의 캐필러리 유동 통로로 공급하는 단계;
(b) 하나 이상의 캐필러리 유동 통로에서 액체 연료를 가열함으로써, 실질적으로 기화된 연료의 스트림이 하나 이상의 캐필러리 유동 통로의 출구를 통과하도록 하는 단계; 및
(c) 하나 이상의 캐필러리 유동 통로의 출구단에 인접하게 위치되며 내연 기관으로의 연료의 스트림을 실질적으로 폐색하기 위한 낮은 질량 부재를 포함하는 밸브를 통하여 내연 기관의 연소실로 기화된 연료를 미터링하는 단계를 포함하며;
내연 기관으로의 연료의 스트림을 실질적으로 폐색하기 위한 상기 낮은 질량 부재는 낮은 질량 및/또는 낮은 열 전도도 계수를 갖는 재료로 형성된다.
본 발명은 종래의 포트-연료 분사, 하이브리드-전기장치, 가솔린 직접-분사 및 알코올-연료공급 엔진들을 포함한 다수의 구성들에서 사용될 수 있는 고압 연료 공급 시스템을 필요로 함이 없이, 최소 전력과 웜-업 시간을 필요로 하면서, 기화된 연료를 공급할 수 있는 연료 분사기 및 전달 시스템을 제공한다.
본 발명은 단지 예로서 제공된 본 발명의 바람직한 실시예, 및 첨부 도면을 참조하여 이하에 보다 상세히 서술될 것이다.
전체에 걸쳐 동일한 부분에서 동일한 참조 번호가 사용되는 도 1~19에서 도시된 실시예가 이제 참조된다.
내연 기관의 냉시동, 웜-업 및 통상적인 작동에 유용한 미터링 밸브 및 이 밸브를 사용하는 연료 시스템을 갖는 캐필러리 연료 분사기가 본원에 개시된다. 연료 시스템은 액체 연료를 가열하여 실질적으로 기화된 연료가 엔진 실린더 내로 공급되도록 할 수 있는 캐필러리 유동 통로를 갖는 연로 분사기를 포함한다. 실질적으로 기화된 연료는 종래의 연료 분사기 시스템들에 비하여 배출물들이 감소된 채로 연소될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료 전달 시스템은 더 적은 전력을 필요로 하며, 다른 기화 기술들보다 더 짧은 웜-업 시간들을 갖는다.
일반적으로, 가솔린들은 낮은 온도들에서 쉽게 기화하지 않는다. 냉 시동 및 웝-업 기간 동안, 액체 연료의 비교적 적은 기화가 발생한다. 이와 같이, 연소될 공기/연료 혼합물을 얻기 위하여 엔진의 각 실린더에 액체 연료의 여분(excess)을 제공하는 것이 필요하다. 액체 연료의 여분으로부터 발생되는 연료 증기의 점화시에, 실린더들로부터 배출된 연소 가스들은 미연소 연료 및 바람직하지 않은 가스의 배출물들을 포함한다. 그러나, 통상적인 작동 온도에 도달시, 액체 연료는 쉽게 기화되어, 쉽게 연소될 공기/연료 혼합물을 얻기 위하여 더 적은 연료가 필요로 된다. 유용하게도, 통상적인 작동 온도에 도달시, 공기/연료 혼합물은 화학량론에서 또는 그 부근에서 제어됨으로써, 미연소 탄화수소들 및 일산화탄소의 배출을 감소시킬 수 있다. 부가적으로, 연료공급이 화학량론에서 또는 그 부근에서 제어될 때, 미연소 탄화수소들 및 일산화탄소의 동시 산화 및 삼원 촉매(TWC) 시스템에 대한 질소 산화물들의 감소를 위해 배기 스트림에서 충분한 공기가 사용 가능하다.
본원에 개시된 연료 분사기 및 연료 시스템은 실질적으로 흡기 유동 통로 내로, 또는 엔진 실린더에 직접적으로 기화되는 연료를 분사함으로써, 엔진의 시동 및 웜-업 기간 동안 여분의 연료에 대한 필요성을 제거한다. 연료는 공기, 또는 공기와 희석액(diluent)을 갖는 화학량적이거나 소연료의 혼합물(fuel-lean mixture)로 엔진에 전달되어, 거의 모든 연료가 냉시동 및 웜-업 기간 동안 연소되도록 하는 것이 바람직하다.
종래의 포트-연료 분사에 의하면, 강건하고, 빠른 엔진 시동들을 보장하기 위하여 과-연료공급이 필요로 된다. 다연료(fuel-rich) 상황하에서, 삼원 촉매에 도달하는 배기 스트림은 촉매가 데워질 때, 여분의 연료와 미연소 탄화수소들을 산화시키는데 충분한 산소를 포함하지 않는다. 이 문제를 처리하는 하나의 방법은 촉매 컨버터 상부의 배기 스트림에 부가적인 공기를 공급하는 공기 펌프를 사용하는 것이다. 그 목적은 일단 촉매가 활성화 온도에 도달하는 경우, 촉매 표면에 대해 반응할 수 있는 화학량적이거나 소연료의 배기 스트림을 발생시키는 것이다. 대조적으로, 본 발명의 시스템 및 방법은 엔진이 냉시동 및 웜-업 기간 동안 화학량적이거나 또는 소연료 상황들에서도 작동하도록 하며, 과-연료공급에 대한 필요성 및 부가적인 배기 공기 펌프에 대한 필요성 모두를 제거하며, 비용 및 처리 시스템 이후의 배기의 복잡성을 감소시킨다.
상술된 바와 같이, 냉시동 및 웜-업 기간 동안, 삼원 촉매는 처음에 차갑고 촉매를 통과하는 상당한 양의 미연소 탄화수소들을 감소시킬 수 없다. 냉시동 및 웜-업 기간 동안 배출된 미연소 탄화수소들의 보다 큰 부분을 변환시키기 위하여 삼원 촉매들에 대한 웜-업 시간을 감소시키는데 많은 노력이 행해졌다. 하나의 이와 같은 개념은 냉시동 및 웜-업 기간 동안 고의로 엔진을 다연료로 작동시키는 것이다. 이 다연료 배기 스트림에서 공기를 공급하기 위하여 배기 펌프를 사용하면, 자동-점화 또는 촉매 컨버터의 상부 또는 촉매 컨버터 내의 어떤 점화 소스중 하나에 의하여 연소되는 가연성 혼합물이 발생될 수 있다. 이 산화 공정에 의해 발생된 엑소섬(exotherm)은 배기 가스를 상당히 가열하고, 열은 배기가스가 촉매를 통과할 때 주로 촉매 컨버터로 전달된다. 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하면, 엔진은 동일한 효과를 달성하지만 공기 펌프에 대한 필요성이 없이, 다연료 및 소연료로 실린더들을 교대시키는 동작을 행하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 네 개의 실린더 엔진를 사용하면, 두 개의 실린더들은 배기 스트림에서 미연소 탄화수소들을 발생시키기 위하여 냉시동 및 웜-업 기간 동안 다연료로 동작될 수 있다. 두 개의 잔여 실린더들은 배기 스트림에서 산소를 제공하기 위하여 냉시동 및 웜-업 동안 소연료로 동작될 것이다.
본 발명의 시스템 및 방법은 또한 가솔린 직접 분사 엔진들(GDI)과 함께 사용될 수 있다. GDI 엔진들에서, 연료는 점화 이전에 공기 및 기화된 연료의 사전혼합된 차지(premix charge)를 형성하기 위하여 증발되고 공기와 혼합되는 미세한 분무되는 스프레이로서 직접 실린더 내로 분사된다. 현대의 GDI 엔진들은 연료 스프레이를 분무하기 위하여 높은 연료 압력들을 필요로 한다. GDI 엔진들은 종래의 간접 분사되는 엔진들에서 본래의 펌핑 손실들을 감소시키기 위하여 파트 로드(part load)에서 계층화된 차지로 작동한다. 계층화된-차지, 스파크-점화되는 엔진은 개선된 연료 경제성 및 감소된 배출을 위하여 희박 혼합물들(lean mixture)을 연소시킬 수 있다. 바람직하게는, 전체의 희박 혼합물은 연소실에서 형성되지만, 점화시에 스파크 플러그의 주위에 화학량적이거나 다소 다연료가 되도록 제어된다. 따라서, 화학량적인 부분은 쉽게 점화되며, 이것은 차례로 잔여 희박 혼합물들을 점화시킨다. 펌핑 손실들이 감소되는 반면, 계층화된 차지를 위한 현재 달성 가능한 작동 윈도우는 엔진 속도들 및 비교적 가벼운 엔진 로드들로 제한된다. 제한 팩터들은 더 높은 엔진 속도들에서의 기화와 혼합을 위한 불충분한 시간 및 더 높은 로드들에서의 불충분한 혼합 또는 양호하지 않은 공기 활용을 포함한다. 기화된 연료를 제공함으로써, 본 발명의 시스템 및 방법은 계층화된 차지 작동을 위한 작동 윈도우를 넓힐 수 있고, 기화 및 혼합을 위한 불충분한 시간과 관련된 문제를 해결한다. 유용하게도, 종래의 GDI 연료 시스템들과 다르게, 본 발명의 실시예에서 사용된 연료 압력이 낮아질 수 있고, 전체 비용 및 연료 시스템의 복잡도를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 압력 하에서 액체 연료를 공급하는 가압된 액체 연료 공급원, 상기 액체 연료 공급원에 접속된 하나 이상의 캐필러리 유동 통로, 및 상기 하나 이상의 캐필러리 유동 통로를 따라 배열된 열원을 포함하는 내연 기관용 연료 전달 장치를 제공한다. 열원은 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 충분하게 하나 이상의 캐필러리 유동 통로에서의 액체 연료를 가열하도록 동작될 수 있다. 연료 전달 장치는 내연 기관의 시동, 웜-업 및 다른 작동 상황들 동안 내연 기관의 하나 이상의 연소실들에 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 작동되는 것이 바람직하다. 바람직한 경우, 하나 이상의 캐필러리 유동 통로는 통상적인 작동 상황들 하에서, 엔진에 액체 연료를 전달하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 내연 기관에 연료를 전달하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하나 이상의 캐필러리 유동 통로에 가압된 액체 연료를 공급하는 단계, 및 기화된 연료의 스트림이 내연 기관의 시동, 웜-업 및 다른 작동 상황들 동안 내연 기관의 하나 이상의 연소실로 전달되도록 하는데 충분하게 하나 이상의 캐필러리 유동 통로에서의 가압된 액체 연료를 가열하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전달 시스템은 연소를 위해 엔진 내로 분사되기 이전에, 가압된 연료가 흐르는 하나 이상의 캐필러리-크기의 유동 통로를 포함한다. 캐필러리-크기의 유동 통로는 바람직하게는 2mm보다 적고, 보다 바람직하게는 1mm보다 적으며, 가장 바람직하게는 0.5mm보다 적은 수력학적 직경(hydraulic diameter)을 가지고 있을 수 있다. 수력학적 직경은 유체 운송 요소를 통한 유체 흐름을 계산할 때 사용된다. 수력학적 반경은 유체와 접촉하고 있는 고체 경계의 주변(일반적으로 "젖은" 주변이라 칭함)에 의해 나누어진 유체 운송 요소의 흐름 영역으로서 규정된다. 원형 단면의 유체 운송 요소의 경우에, 상기 요소가 가득 차서 흐르고 있을 때의 유체 반경은 (πD 2 /4)/πD=D/4이다. 비원형 유체 운송 요소들에서의 유체들의 흐름에 대하여, 수력학적 직경이 사용된다. 수력학적 반경의 정의로부터, 원형 단면을 갖는 유체 운송 요소의 직경은 자신의 수력학적 반경의 네 배이다. 따라서, 수력학적 직경은 수력학적 반경의 네 배로서 규정된다.
캐필러리 통로를 따라 열이 인가되어, 유동 통로에 들어가는 액체 연료의 적어도 일부가 상기 통로를 따라 이동될 때 증기로 변화되게 된다. 연료는 기화되지 않은 적은 비율의 가열된 액체 연료를 임의로 포함하는 증기로서 캐필러리 통로에서 나간다. 실질적으로 기화된다는 것은 액체 연료량의 적어도 50%가 열원에 의해 기화된다는 것, 더 바람직하게는 적어도 70%, 그리고 가장 바람직하게는 액체 연료의 80%가 기화된다는 것을 의미한다. 발생하는 복잡한 물리적인 영향들로 인해, 100% 기화를 달성하는 것이 어려울 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 완전한 기화가 바람직하다. 이러한 복잡한 물리적인 영향들은 연료의 끓는점의 변화를 포함하는데, 그 이유는 끓는점이 압력에 의존하고 압력이 캐필러리 유동 통로에서 변화될 수 있기 때문이다. 따라서, 연료의 대부분이 캐필러리 유동 통로에서의 가열 동안 끓는점에 도달한다고 여겨지지만, 일부의 액체 연료가 기화된 유체와 함께 캐필러리 유동 통로의 출구를 통과하게 되어, 액체 연료의 일부는 완전히 기화될 만큼 충분히 가열되지 않을 수 있다.
캐필러리-크기의 유체 통로는 단일 또는 다중층 금속, 세라믹 또는 유리 몸체와 같은 캐필러리 몸체로 형성되는 것이 바람직하다. 통로는 입구와 출구에 대한 밀폐 용적 개구(enclosed volume opening)를 가지며, 그것들 중 하나 또는 둘 모두는 캐필러리 몸체의 외부로 개방되거나, 동일한 몸체 또는 다른 몸체 내의 다른 통로 또는 피팅에 접속될 수 있다. 히터는 스테인리스강 관의 섹션과 같이 몸체의 일부에 의해 형성되거나, 캐필러리 내 또는 캐필러리 상에 일체화된 재료를 가열하는 저항의 와이어 또는 이산층일 수 있다. 유체 통로는 입구 및 출구에 대한 둘러싸여진 부피 개구를 포함하며 유체가 통과할 수 있는 임의의 형태일 수 있다. 유체 통로는 바람직한 단면이 균일한 직경의 원인 임의의 바람직한 단면을 가질 수 있다. 다른 캐필러리 유체 통로 단면들은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 다른 형상과 같은 비-원형 형상들을 포함하며, 유체 통로의 단면은 균일할 필요는 없다. 유체 통로는 직선 또는 비직선으로 연장할 수 있고, 단일 유체 통로 또는 다중 유체 통로일 수 있다. 캐필러리 통로가 금속 캐필러리 관에 의해 규정되는 경우에, 관은 0.01 내지 3mm, 바람직하게는 0.1 내지 1 mm, 가장 바람직하게는 0.15 내지 0.5mm의 내부 직경을 가질 수 있다. 대안으로, 캐필러리 통로는 8x10 -5 내지 7 mm 2 , 바람직하게는 8x10 -3 내지 8x10 -1 mm 2 , 그리고 가장 바람직하게는 2x10 -3 내지 2x10 -1 mm 2 일 수 있는 통로의 횡단면 영역에 의해 규정될 수 있다. 단일 또는 다중 캐필러리들의 많은 조합들, 다양한 압력들, 다양한 캐필러리 길이들, 캐필러리에 인가된 가열의 양들, 및 상이한 단면 영역들이 소정의 애플리케이션에 적합할 것이다.
액체 연료는 적어도 0.7 kg/cm 2 (10 psig), 바람직하게는 적어도 1.4 kg/cm 2 (20 psig)의 압력 하에서 캐필러리 유동 통로에 공급될 수 있다. 캐필러리 유동 통로가 대략 0.051 cm(0.020 in)의 내부 직경 및 대략 15.2 cm(6 in)의 길이를 갖는 스테인리스강 관의 내부에 의해 규정되는 경우에, 연료는 (100-200mg/s 정도의) 통상적인 크기의 자동차 엔진 실린더의 화학량적인 시동을 위해 필요로 되는 질량 흐름 속도들을 달성하기 위하여 7 kg/cm 2 (100 psig) 또는 그보다 적은 압력에서 캐필러리 통로에 공급되는 것이 바람직하다. 하나 이상의 캐필러리 통로는 바람직하지 않는 고 레벨의 미연소 탄화수소들 또는 다른 배출물들을 발생시키지 않고, 엔진의 실린더(들) 내에서 점화되어 연소될 수 있는 연료와 공기의 화학량적인 또는 거의 화학량적인 혼합을 보장하기 위하여 실질적으로 기화된 연료의 충분한 흐름을 제공한다. 캐필러리 관은 또한 낮은 열적 관성을 갖는 것을 특징으로 하여, 캐필러리 통로는 매우 빨리, 바람직하게는 2.0초, 더 바람직하게는 0.5초, 가장 바람직하게는 0.1초 내에 연료를 기화하는 바람직한 온도가 될 수 있고, 이것은 엔진을 냉시동시키는 것과 관련된 애플리케이션들에서 유익하다. 낮은 열적 관성은 또한 엔진 동력 요구들의 갑작스러운 변화들에 대한 연료 전달의 반응성을 개선시키는 것과 같이, 엔진의 통상적인 동작 동안 장점들을 제공할 수 있다.
본원에 개시된 낮은 열적 관성 캐필러리 통로들을 통하여 연료를 미터링하기 위하여, 캐필러리 통로를 통합한 연료 분사기의 말단부로부터 증기 흐름을 조정하는데 효과적인 몇 개의 밸브 장치들이 제안된다. 본원에 고려된 캐필러리 유동 통로들의 작은 열량(<1g) 때문에, 증기 흐름을 조정하는데 사용된 밸브 장치들은 가열된 시스템에 최소 열 중량을 부가하여, 웜-업 시간 및 효율성이 저하되지 않도록 설계되어야만 한다.
이하에 서술된 바람직한 형태들은 연료 증기의 펄스화된 전달을 각각 고려하며, 일부의 경우에, 액체 연료 분사로 전환하기 위한 성능을 제공한다. 본원에 서술된 각각의 형태에서, 캐필러리 유동 통로를 통과하는 증기 흐름은 능동적으로 또는 수동적으로 가열되어, 동작하는 유체가 밸브와 접촉할 때 기상이 되도록 한다. 밸브 그 자체는 능동으로 가열되지 않는 것이 바람직하다. 유용하게도, 본원에 사용된 미터링 밸브들은 세라믹 또는 테플론과 같은 방열 재료로 이루어질 수 있다. 인식할 수 있는 바와 같이, 누설-방지 실(leak-proof seal)은 이와 같은 누설-방지 실이 바람직할지라도, 내연 기관 애플리케이션에서 펄스폭 변조에 필요한 연소비(turndown ratio)를 달성하는데 중요하지 않다.
도1은 바람직한 형태에 따른 액체 연료를 기화하는 연료 분사기(10)를 나타낸 것이다. 연료 분사기(10)는 입구단(14) 및 출구단(16)을 갖는 캐필러리 유동 통로(12)를 포함하며, 입구단(14)은 캐필러리 유동 통로(12) 내로 실질적으로 액상의 액체 연료를 도입하기 위하여 액체 연료 소스(F)와 유체 연통되어 있다.
바람직한 바와 같이, 저-질량 니들 밸브 어셈블리(18)는 솔레노이드(28)에 의해 작동된다. 솔레노이드(28)은 전기 커넥터(30)에 접속된 코일 권선들(32)을 갖는다. 코일 권선들(32)에 전류가 공급될 때, 솔레노이드 소자(36)는 코일 권선들(32)의 중심으로 당겨진다. 전기가 코일 권선들(32)로부터 차단될 때, 스프링(38)은 자신의 원래 위치로 솔레노이드 소자를 복귀시킨다. 니들(40)은 솔레노이드 소자(36)에 접속된다. 코일 권선들(32)에 전기를 인가함으로써 발생되는 솔레노이드 소자(36)의 이동은 니들(40)이 당겨져서 오리피스(42)로부터 떨어지게되어 연료가 오리피스(42)를 통해서 흐르도록 한다.
열원(20)은 캐필러리 유동 통로(12)를 따라 배열된다. 가장 바람직한 바와 같이, 열원(20)은 전기 저항성 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(12)를 형성하고, 캐필러리 유동 통로(12)의 일부는 전류원이 그들을 통해 전류를 전달하는 접속부(22 및 24)에서 관에 접속될 때, 가열 소자를 형성함으로써 제공된다. 그리고 나서, 열원(20)은 인식할 수 있는 바와 같이, 캐필러리 유동 통로(12)에서의 액체 연료를 그 적어도 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 캐필러리 유동 통로(12)의 출구단(16)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능하다. 인식할 수 있는 바와 같이, 분사기의 몸체 내로 증기를 전달하는 이 방법은 기화된 연료와 접촉하는 재료의 부피를 최소화하므로, 증기의 조기 응축(premature condensation)을 방지하기 위하여 가열되어야만 하는 열량을 또한 최소화한다.
도2a 내지 도2c는 플런저(140)가 캐필러리 유동 통로(112)의 축을 따라서, 솔레노이드(128)에 의해 구동되는 연료 분사기(100)의 다른 바람직한 형태를 도시한 것이다. 도2b를 참조하면, 솔레노이드(128)의 구동은 플런저(140)를 이동시켜, 유체 유동 통로의 방사 방향의 개구(142)가 노출됨으로써, 가열되지 않을 때 액체 연료의 흐름을 허용한다. 도2a를 참조하면, 축 방향으로의 플런저(140)의 부가적인 이동은 다른 방사 흐름 경로 개구(144)를 노출시키고, 이것은 증기 전달을 위해 필요로 되는 바와 같은 부가적인 개구 영역을 제공한다. 바람직한 바와 같이, 기화된 연료를 공급하는데 개구들(142 및 144) 둘 모두가 사용된다.
도2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이, 연료 분사기 미터링부(100)는 입구단(114) 및 출구단(116)을 갖는 캐필러리 유동 통로(112)를 포함하며, 입구단(114)은 캐필러리 유동 통로(112) 내로 실질적으로 액상의 액체 연료를 도입하기 위하여 액체 연료 소스(F)와 유체 연통되어 있다. 저-질량 플런저 어셈블리(118)는 솔레노이드(128)에 의해 작동된다. 솔레노이드(128)는 코일 권선들(132)을 갖는다. 코일 권선들(132)에 전류가 공급될 때, 솔레노이드 소자(136)는 코일 권선들(132)의 중심으로 당겨진다. 도2c를 참조하면, 전기가 코일 권선들(132)로부터 차단될 때, 플런저 어셈블리(118)는 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 폐쇄 위치로 복귀한다. 플런저(140)는 솔레노이드 소자(136)에 접속된다. 코일 권선들(132)에 전기를 인가함으로써 발생되는 솔레노이드 소자(136)의 이동은 플런저(140)가 당겨져서 방사 유동 통로 개구들(142 및 144)에서 떨어지도록 하여, 오리피스를 통해 연료가 흐르도록 한다. 미터링부(100)가 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에서 통상적으로 사용된 형태의 종래의 액츄에이터부들과 결합될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
열원(120)은 캐필러리 유동 통로(112)를 따라 배열된다. 열원(120)은 전기 저항성 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(112)를 따라 형성되며, 캐필러리 유동 통로(112)의 일부는 전류원이 관에 접속될 때, 가열 소자를 형성한다. 그리고 나서, 열원(120)은 캐필러리 유동 통로(112)에서의 액체 연료를 그 적어도 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 캐필러리 유동 통로(112)의 출구단(116)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능하다. 플런저(140)의 설계에 따른 이 증기 전달 방법은 기화된 연료와 접촉하는 재료의 부피를 최소화하므로, 증기의 조기 응축을 방지하기 위하여 가열되어야만 하는 열량을 최소화한다.
도3a 내지 도3c는 도2a 내지 도2c의 연료 분사기 미터링부의 변형을 제공하며, 여기서 도2a 내지 도2c의 플런저(140)는 캐필러리 유동 통로(212)의 출구단(216) 위로 슬라이딩되는 슬리브 밸브(240)로 대체된다. 도3b를 참조하면, 솔레노이드(228)의 구동은 슬리브 밸브(240)를 이동시켜, 증기 유동 통로의 방사 방향으로의 개구(242)가 노출됨으로써, 가열되고 있지 않을때, 액체 연료의 흐름을 허용한다. 도3a를 참조하면, 축 방향으로의 슬리브 밸브(240)의 부가적인 이동은 다른 방사 유동 통로 개구(244)를 노출시키고, 이것은 증기 전달을 위해 필요로 되는 부가적인 개구 영역을 제공하며, 기화된 연료를 공급하는데 개구들(242 및 244) 둘 모두가 사용된다.
도3a 내지 도3c에 도시된 바와 같이, 연료 분사기 미터링부(200)는 입구단(214) 및 출구단(216)을 갖는 캐필러리 유동 통로(212)를 포함하며, 입구단(214)은 캐필러리 유동 통로(212) 내로 실질적으로 액상의 액체 연료를 도입하기 위하여 액체 연료 소스(F)와 유체 연통되어 있다. 저-질량 슬리브 어셈블리(218)는 코일 권선들(232)을 갖는 솔레노이드(228)에 의해 작동된다. 코일 권선들(232)에 전류가 공급될 때, 솔레노이드 소자(236)는 코일 권선들(232)의 중심으로 당겨진다. 도3c를 참조하면, 전기가 코일 권선들(232)로부터 차단될 때, 슬리브 어셈블리(218)는 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 폐쇄 위치로 복귀한다. 슬리브 밸브(240)는 솔레노이드 소자(236)에 접속된다. 코일 권선들(232)에 전기를 인가함으로써 발생되는 솔레노이드 소자(236)의 이동은 슬리브 밸브(240)가 당겨져서 방사 유동 통로 개구들(242 및 244)에서 떨어지도록 하여, 오리피스를 통해 연료가 흐르도록 한다. 미터링부(200)가 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에서 통상적으로 사용된 형태의 종래의 액츄에이터부들과 결합될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
도2a 내지 도2c의 바람직한 형태에서와 같이, 열원(220)은 캐필러리 유동 통로(212)를 따라 배열되고 전기 저항성 재료로부터 캐필러리 유동 통로(212)를 따라 형성되며, 캐필러리 유동 통로(212)의 일부는 전류원이 관에 접속될 때, 가열 소자를 형성한다. 그리고 나서, 열원(220)은 캐필러리 유동 통로(212)에서의 액체 연료를 그 적어도 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 캐필러리 유동 통로(212)의 출구단(216)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능하다. 슬리브 밸브(240)의 설계에 따른 이 증기 전달 방법은 기화된 연료와 접촉하는 재료의 부피를 최소화하므로, 증기의 조기 응축을 방지하기 위하여 가열되어야만 하는 열량을 최소화한다.
도4a 및 도4b는 다른 형태에 따라서, 액체 연료를 기화하기 위한 연료 분사기 미터링부(300)를 나타낸다. 연로 분사기 미터링부(300)는 입구단(316) 및 출구단(316)을 갖는 하나 이상의 캐필러리 유동 통로(312)를 포함하며, 입구단(316)은 캐필러리 유동 통로(312) 내로 실질적으로 액상의 액체 연료를 도입하기 위해 액체 연료 소스(F)와 액체 연통되어 있다. 유용하게도, 연료 분사 미터링부(300)는 두 개, 세 개 또는 그 이상의 캐필러리들을 포함하여, 전체 작동 범위가 분사기에 의해 제공될 수 있도록 한다(도4b 참조). 플런저 밸브 어셈블리(318)는 코일 권선들을 갖는 솔레노이드에 의해 작동된다(도시되지 않음). 도 1 내지 도 3의 바람직한 형태에서와 같이, 코일 권선들에 전류가 공급될 때, 솔레노이드 소자(336)는 코일 권선들의 중심으로 당겨진다. 전기가 차단될 때, 솔레노이드 소자(336)은 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 자신의 본래 위치로 복귀한다. 플런저(340)는 솔레노이드 소자(336)에 접속된다. 코일 권선들에 전기가 인가됨으로써 발생되는 솔레노이드 소자(336)의 이동은 플런저(340)가 당겨져서 캐필러리 유동 통로(312)의 출구단(316)에서 떨어지도록 하여, 연료를 개구(342)를 통해 흐르도록 한다. 미터링부(300)는 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에서 통상적으로 사용된 형태의 종래의 액츄에이터부들과 결합될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
열원(320)은 캐필러리 유동 통로(312)를 따라 배열되고, 전기 저항성 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(312)를 형성하고, 캐필러리 유동 통로(312)의 일부는 전류원이 전류를 전달하기 위한 접속부들(322 및 324)에서 관에 접속될 때 히터 소자를 형성함으로써 제공된다. 그리고 나서, 열원(320)은 캐필러리 유동 통로(312)에서의 액체 연료를 그 적어도 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 캐필러리 유동 통로(312)의 출구단(316)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능하다. 다시 한번, 기화된 연료와 접촉되는 재료의 부피가 최소화되어, 증기의 조기 응축을 방지하기 위해 가열되어야만 되는 열량을 최소화한다.
도5는 다른 실시 형태에 따라서, 액체 연료를 기화하기 위한 연료 분사기 미터링부(700)를 도시한 것이다. 연료 분사기 미터링부(700)는 입구단(714) 및 출구단(716)을 갖는 하나 이상의 캐필러리 유동 통로(712)를 포함하며, 입구단(714)은 캐필러리 유동 통로(712) 내로 액체 연료를 도입하기 위해 액체 연료 소스와 유체 연통되도록 위치된다. 유용하게도, 연료 분사기 미터링부(700)는 두 개, 세 개 또는 그 이상의 캐필러리들을 포함하여 전체 작동 범위가 분사기에 의해 제공될 수 있다(도5b 참조).
플런저 밸스 어셈블리(718)는 하우징(750) 내에 위치될 수 있고, 코일 권선들을 갖는 솔레노이드(도시되지 않음)에 의해 작동된다. 바람직한 바와 같이, 작동 시에, 코일 권선들에 전류가 공급될 때, 솔레노이드 소자(736)는 코일 권선들의 중심(도시되지 않음)으로 당겨진다. 전기가 차단될때, 솔레노이드 소자(736)는 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 자신의 본래 위치로 복귀한다. 플런저 어셈블리(740)는 솔레노이드 소자(736)에 접속된다. 코일 권선들에 전기를 인가함으로써 발생되는 솔레노이드 소자(736)의 이동은 플런저 어셈블리(740)가 당겨져서 캐필러리 유동 통로(712)의 출구단(716)에서 떨어지도록 하여, 연료를 개구(742)를 통해 흐르도록 한다. 알 수 있는 바와 같이, 실링은 하우징(750)의 원뿔 실링면(752)과 플런저 어셈블리(740)의 프루스토-원뿔 부분(frusto-conical section)(744)의 정합에 의해 이루어진다. 인식될 수 있는 바와 같이, 미터링부(700)는 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에 통상적으로 사용된 형태의 종래의 액츄에이터 부분들과 결합될 수 있다.
열원(720)은 캐필러리 유동 통로(712)를 따라 배열되고, 전기 저항성 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(712)를 형성하고, 열원(720)은 캐필러리 유동 통로(712)의 일부가 전류원이 전류를 전달하기 위한 접속부들(722 및 724)에서 관에 접속될 때 히터 소자를 형성함으로써 제공된다. 그리고 나서, 열원(720)은 캐필러리 유동 통로(712)에서의 액체 연료를 그 적어도 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 캐필러리 유동 통로(712)의 출구단(716)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능하다. 인식될 수 있는 바와 같이, 기화된 연료와 접촉하는 플런저 어셈블리(740)의 재료의 부피가 최소화되어, 증기의 조기 응축을 방지하기 위해 가열되어야만 하는 열량을 작게 한다.
도6은 또 다른 실시 형태에 따라서, 액체 연료를 기화하기 위한 연료 분사기 미터링부(800)를 나타낸 것이다. 연료 분사기 미터링부(800)는 입구단(814)과 출구단(816)을 갖는 적어도 하나의 캐필러리 유동 통로(812)를 포함하며, 입구단(814)은 캐필러리 유동 통로(812) 내로 액체 연료를 도입하기 위해 액체 연료 소스와 유체 연통되도록 위치된다. 유용하게도, 연료 분사 미터링부(800)는 두 개, 세 개 또는 그 이상의 캐필러리들을 포함하여 전체 작동 범위가 분사기에 의해 제공될 수 있도록 한다(도6b 참조).
열원(820)은 캐필러리 유동 통로(812)를 따라 배열되고, 전기 저항성 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(812)를 형성하고, 캐필러리 유동 통로(812) 일부가 전류원이 전류를 전달하기 위한 접속부들(822 및 824)에서 관에 접속될 때 히터 소자를 형성함으로써 제공된다. 그리고 나서, 열원(820)은 캐필러리 유동 통로(812)에서의 액체 연료를 그 적어도 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 캐필러리 유동 통로(812)의 출구단(816)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능하다.
하우징(850) 내에 위치될 수 있고, 코일 권선들을 갖는 솔레노이드(도시되지 않음)에 의해 작동되는 플런저 밸스 어셈블리(818)에 대한 다른 설계는 도시되어 있다. 작동시에, 코일 권선들에 전류가 공급될 때, 솔레노이드 소자(836)는 코일 권선들의 중심(도시되지 않음)으로 당겨진다. 전기가 차단될 때, 솔레노이드 소자(836)은 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 자신의 본래 위치로 복귀한다. 도시된 바와 같이, 플런저 어셈블리(840)는 솔레노이드 소자(836)에 접속된다. 코일 권선들에 전기를 인가함으로써 발생되는, 솔레노이드 소자(836)의 이동은 플런저 어셈블리(840)가 당겨져서 캐필러리 유동 통로(812)의 출구단(816)으로부터 떨어지도록 하여, 연료를 개구(842)를 통해 흐르도록 한다. 알 수 있는 바와 같이, 플런저 밸브 어셈블리(818)는 플런저 슬리브(854) 내에서 이동한다. 플런저 슬리브(854)는 슬리브 핀(856)에 의해 작동되는 동안 회전되는 것을 방지한다. 실링은 하우징(850)의 원뿔 실링면(852)과 플런저 어셈블리(840)의 프루스토 원뿔 부분(844)의 감합에 의해 이루어진다. 이 바람직한 형태에서, 이 설계에서 최소화되는 플런저 어셈블리(840)의 재료의 부피는 증기의 조기 응축을 방지하기 위해 가열되어야만 하는 열량을 작게 한다.
다시, 미터링부(800)는 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에 통상적으로 사용된 형태의 종래의 액츄에이터 부분들과 결합될 수 있다.
이제 도7을 참조하면, 액체 연료를 기화하기 위한 다른 연료 분사기 미터링 부(900)가 다른 바람직한 형태에 따라서 제공된다. 연료 분사기 미터링부(900)는 입구단(914)과 출구단(916)을 갖는 적어도 하나의 캐필러리 유동 통로(912)를 포함하며, 입구단(914)은 캐필러리 유동 통로(912) 내로 액체 연료를 도입하기 위해 액체 연료 소스와 유체 연통되도록 위치된다. 유용하게도, 연료 분사 미터링부(900)는 두 개, 세 개 또는 그 이상의 캐필러리들을 포함하여, 전체 범위가 분사기에 의해 제공될 수 있도록 한다(도7b 참조).
플런저 밸스 어셈블리(918)는 하우징(950) 내에 위치될 수 있고, 코일 권선들을 갖는 솔레노이드(도시되지 않음)에 의해 작동된다. 바람직한 바와 같이, 작동시에, 코일 권선들에 전류가 공급될 때, 솔레노이드 소자(936)는 코일 권선들의 중심(도시되지 않음)으로 당겨진다. 전기가 차단될때, 솔레노이드 소자(936)은 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 자신의 본래 위치로 복귀한다. 플런저 어셈블리(940)는 솔레노이드 소자(936)에 접속된다. 코일 권선들에 전기가 인가됨으로써 발생되는 솔레노이드 소자(936)의 이동은 플런저 어셈블리(940)가 당겨져서 캐필러리 유동 통로(912)의 배출구 끝단(916)으로부터 떨어지도록 하여, 연료를 개구(942)를 통해 흐르도록 한다. 알 수 있는 바와 같이, 실링은 하우징(950)의 원뿔 실링면(952)과 플런저 어셈블리(940)의 프루스토 원뿔 부분(944)의 감합에 의해 이루어진다. 다시, 미터링부(900)는 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에 통상적으로 사용된 형태의 종래의 액츄에이터 부분들과 결합될 수 있다는 것을 당업자들은 인식할 것이다.
본원에 개시된 다른 바람직한 형태들에서와 같이, 열원(920)은 캐필러리 유동 통로(912)를 따라 배열되고, 전기 저항성 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(912)를 형성하고, 캐필러리 유동 통로(912)의 일부가 전류원이 전류를 전달하기 위한 접속부들(922 및 924)에서 관에 접속될 때 히터 소자를 형성함으로써 제공된다. 그리고 나서, 열원(920)은 캐필러리 유동 통로(912)에서의 액체 연료를 그 적어도 일부를 액상에서 기상으로 변화시키는데 충분한 레벨로 가열하고 캐필러리 유동 통로(912)의 출구단(916)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하는데 동작 가능하다. 인식될 수 있는 바와 같이, 기화된 연료와 접촉되는 플런지 어셈블리(940)의 재료의 부피가 최소화되어, 증기의 조기 응축을 방지하기 위해 가열되어야만 하는 열량을 작게 한다.
지금부터 도8을 참조하면, 도7의 바람직한 형태에 대한 수정이 도시되어 있다. 연료 분사기 미터링 밸브(1000)는 입구단(1014) 및 출구단(1016)을 갖는 하나 이상의 모세관 유동 통로(1012)를 포함하는데, 상기 입구단(1014)은 액체 연료와 유체 연통되도록 배치되어 액체 연료를 캐필러리 유동 통로(1012)로 도입시킨다. 연료 분사기 미터링부(1000)는 2개, 3개 또는 4개의 캐필러리를 포함하여, 전체 동작 범위가 분사기에 의해 제공될 수 있도록 하는 것이 바람직하다(도8B 참조).
열원(1020)은 캐필러리 유동 통로(1012)를 따라서 배열되고 전기 저항 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(1012)를 형성함으로써 제공되는데, 캐필러리 유동 통로(1012)의 일부분은 전류원이 접속부들(1022 및 1024)에서 관에 접속되어 전류를 전달할 때 히터 소자를 형성한다. 그 후, 열원(1020)은 모세관 유동 통로(1012) 내의 액체 연료를 적어도 그 일부를 액상으로부터 기상으로 변화시킬 정도로 충분한 레벨로 가열하여 캐필러리 유동 통로(1012)의 출구단(1016)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작될 수 있다.
플런저 밸브 어셈블리(1018)는 하우징(1050)내에 위치될 수 있고 코일 권선들을 갖는 솔레노이드(도시되지 않음)에 의해 동작된다. 동작시, 코일 권선들이 에너지 공급받을 때, 솔레노이드 소자(1036)는 코일 권선들(도시되지 않음)의 중심(으로 당겨진다. 전기가 차단될 때, 솔레노이드 소자(1036)는 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 자신의 원래 위치로 복귀한다. 전기를 코일 권선들에 인가함으로써 초래되는 솔레노이드 소자(1036)의 이동은 플런저 어셈블리(1040)가 당겨져 캐필러리 유동 통로(1012)의 출구단(1016)이 떨어지도록 하여 연료가 오리피스(1042)를 통과하도록 한다. 도시된 바와 같이, 실링은 플런저 어셈블리(1040)의 프루스토-원뿔을 하우징(1050)의 원뿔형 실링 표면(1056)과 정합시킴으로써 성취된다. 도시된 바와 같이, 더욱 정교한 스프레이는 니들(1046)을 제공함으로써 이루어질 수 있는데, 이 니들은 도7에 제공된 오리피스 형태보다 작은 오리피스(1042)내로 돌출된다. 미터링 � �(1000)는 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에 통상적으로 사용되는 유형의 종래 액츄에이터부와 결합될 수 있다.
도9는 또 다른 바람직한 형태를 따른 또 다른 연료 분사기 미터링 부(1100)를 제공한다. 연료 분사기 미터링 부(1100)는 입구단(1114) 및 출구단(1116)을 갖는 하나 이상의 캐필러리 유동 통로(1112)를 포함하는데, 상기 입구단(1114)는 액체 연료원과 유체 연통되도록 배치되어 액체 연료를 캐필러리 유동 통로(1112) 내로 도입시킨다. 연료 분사기 미터링 부(1100)는 2개, 3개 또는 4개의 캐필러리들을 포함하여, 전체 동작 범위가 분사기에 의해 제공될 수 있도록 하는 것이 바람직하다(도9B 참조).
열원(1120)은 캐필러리 유동 통로(1112)를 따라서 배열되고 전기 저항 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(1112)를 형성함으로써 제공되는데, 캐필러리 유동 통로(1112)의 일부분은 전류원이 접속부들(1122 및 1124)에서 관에 접속되어 전류를 전달할 때 히터 소자를 형성한다. 그 후, 열원(1120)은 모세관 유동 통로(1112) 내의 액체 연료를 액체 연료의 적어도 일부를 액체 상태로부터 기화 상태로 변화시킬 정도로 충분한 레벨로 가열하여 캐필러리 유동 통로(1112)의 출구단(1116)으로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작될 수 있다.
플런저 밸브 어셈블리(1118)에 대한 또 다른 설계가 도시되어 있는데, 이 어셈블리는 하우징(1150)내에 위치될 수 있고 코일 권선들(도시되지 않음)을 갖는 솔레노이드에 의해 동작된다. 동작시, 코일 권선들이 에너지 공급받을 때, 솔레노이드 소자(1136)는 코일 권선들(도시되지 않음)의 중심으로 당겨진다. 전기가 차단될 때, 솔레노이드 소자(1136)는 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 자신의 원래 위치로 복귀하여, 캐필러리 유동 통로(1112)의 출구단(1116)으로부터 연료의 흐름을 실링 오프한다. 도시된 바와 같이, 플런저(1140)는 솔레노이도 소자(1136)에 연결된다. 코일 권선들에 전기를 인가함으로써 초래되는 솔레노이드 소자(1136)의 이동은 플런저 어셈블리(1140)가 당겨져 캐필러리 유동 통로(1112)의 출구단(1116)으로부터 떨어지도록 하여 연료가 오리피스(1142)를 통해 흐르도록 한다.
도시된 바와 같이, 플런저 밸브 어셈블리(1118)는 플런저 슬리브(1154) 내에서 이동한다. 플런저 슬리브(1154)는 슬리브 핀(1156)에 의한 동작 동안 회전으루부터 유지된다. 실링은 플런저 어셈블리(1140)의 프루스토-원뿔부(1144)를 하우징(1150)의 코니컬 실링 표면(1152)과 정합함으로써 성취된다. 도시된 바와 같이, 더욱 정교한 스프레이는 가능한 큰 니들(1146)을 제공함으로써 이루어질 수 있는데, 이 니들은 오리피스(1142)내로 돌출된다. 미터링 부(1000)는 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에 통상적으로 사용되는 유형의 종래 액츄에이터부와 결합될 수 있다.
지금부터 도10을 참조하면, 연료 분사기 미터링 부(1200)는 입구단(1214) 및 출구단(1216)을 갖는 하나 이상의 캐필러리 유동 통로(1212)를 포함하는데, 상기 입구단(1214)는 액체 연료원과 유체 연통되도록 배치되어 액체 연료를 캐필러리 유동 통로(1212) 내로 도입시킨다. 연료 분사기 미터링 부(1200)는 2개, 3개 또는 4개의 캐필러리들을 포함하여, 전체 동작 범위가 분사기에 의해 제공될 수 있도록 하는 것이 바람직하다(도10B 참조).
열원(1220)은 캐필러리 유동 통로(1212)를 따라서 배열되고 전기 저항 재료의 관으로부터 캐필러리 유동 통로(1212)를 형성함으로써 제공되는데, 캐필러리 유동 통로(1212)의 일부분은 전류원이 접속부들(1222 및 1224)에서 관에 접속되어 전류를 전달할 때 히터 소자를 형성한다. 그 후, 열원(1220)은 모세관 유동 통로(1212) 내의 액체 연료를 액체 연료를 가열하도록 동작될 수 잇다.
플런저 밸브 어셈블리(1218)가 도시되어 있는데, 이 어셈블리는 하우징(1250)내에 위치될 수 있고 코일 권선들(도시되지 않음)을 갖는 솔레노이드에 의해 동작된다. 동작시, 코일 권선들이 에너지 공급받을 때, 솔레노이드 소자(1236)는 코일 권선들(도시되지 않음)의 중심으로 당겨진다. 전기가 차단될 때, 솔레노이드 소자(1236)는 스프링(도시되지 않음)을 사용하여 자신의 원래 위치로 복귀하여, 캐필러리 유동 통로(1212)의 출구단(1216)으로부터 연료의 흐름을 실링 오프한다. 도시된 바와 같이, 플런저 로드(1240)는 솔레노이도 소자(1236)에 연결된다. 코일 권선들에 전기를 인가함으로써 초래되는 솔레노이드 소자(1236)의 이동은 플런저 로드(1240)가 당겨져 실링가능한 슬리브(1254)와 더불어 캐필러리 유동 통로(1212)의 출구단(1216)으로부터 떨어지도록 하여 연료가 오리피스(1242)를 통해 흐르도록 한다.
플런저 로드(1240)는 실링가능한 슬리브(1254) 내에서 압입된다. 실링은 실링가능한 슬리브(1254)의 프루스토-원뿔부(1244)를 하우징(1250)의 원뿔형 실링 표면(1252)과 정합시킴으로써 성취된다. 도시된 바와 같이, 더욱 정교한 스프레이는 가능한 큰 니들(1246)을 제공함으로써 이루어질 수 있는데, 이 니들은 오리피스(1242)내로 돌출된다. 미터링 부(1100)는 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 분사기들에 통상적으로 사용되는 유형의 종래 액츄에이터부와 결합될 수 있다.
콜드 엔진 환경에서 기화를 성취하기 위하여, 도11에 도시된 바와 같이 가열을 위하여 분사기에 공급되는 전력을 최소화하는 것과 관련된 웜-업 시간을 최소화하는 것 간의 균형을 잡아야 한다. 알 수 있는 바와 같이, 분사기를 가열하는데 이용가능한 전력은 이용가능한 배터리 전력으로 제한되는 반면, 분사기 웜-업 시간은 소비자 수행성능 요건들에 의해 제한된다.
상기 개요적으로 설명된 설계 및 수행성능 요건들 이외에도, 배기 후-처리 방식 및/또는 시동 제어 전력에 의해 필요로 되는 바와 같은 연료/공기 비에 대해 어느 정도의 제어를 할 필요가 있다. 연료 분사기는 다른 엔진 동작 조건들에 대해 크랭킹으로부터 아이들까지 필수적인 연소비를 수용할 성능을 최소한 가져야 한다. 그러나, 어떤 형태들에서, 최대 배출물 감소는 흡기 밸브들이 개방되는 엔진 사이클의 부분 동안에만 증기를 분사함으로써 성취된다. 이와 같은 분사 프로필이 4-스트로크 사이클의 각 부분과 관련된 적절한 시간과 함께 도12에 도시된다. 표시된 바와 같이, 1500rpm에서, 개방 밸브 분사는 증기 흐름 속도의 제어에 의해서 성취됨으로써, 거의 또는 전혀 증기가 엔진에 전달되지 않는 60ms 기간보다 앞서 20ms 동안 분사가 발생되도록 한다.
증기 연료 분사기들의 흐름을 조절하기 위하여 밸브들을 사용하는 종래 설계들은 바람직하지 않게 열량을 증가시킨다는 것이 공지되었는데, 이는 액체를 기화시키기 위한 충분한 온도들 성취하기 위해선 가열되어야만 하는 질량이다. 이 열량 증가는 바람직하지 않는데, 그 이유는 분사기(도11 참조)의 웜-업 시간을 증가시키고, 이로 인해, 시동 및/또는 과도 동작 동안 분사기로부터 나오는 증기 품질을 손상시키기 때문이다.
지금부터 도13을 참조하면, 제어 시스템(2000)의 전형적인 개요도가 도시된다. 제어 시스템(2000)은 액체 연료 공급부(2010) 및 액체 연료 분사 통로(2260)와 유체 연통되는 액체 연료 공급 밸브(2220), 액체 연료 공급부(2010) 및 캐필러리 유동 통로들(2080)과 유체 연통되는 기화된 연료 공급 밸브(2210) 및 산화 가스 공급부(2070) 및 캐필러리 유동 통로들(2080)과 유체 연통되는 산화 가스 공급 밸브(202)을 포함하는 내연 기관(2110)을 동작시키도록 사용된다. 제어 시스템은 제어기(2050)를 포함하는데, 이 제어기는 전형적으로 엔진 속도 센서(2060), 흡기 매니폴드 공기 열결합 및 흡기 압력 센서(2062), 냉각제 온도 센서(2064), 배기 공기-연교 비 센서(2150), 연료 공급 압력 센서(2012) 등과 같은 다양한 엔진 센서들로부터의 여러 입력 신호들을 수신한다. 동작시, 제어기(2050)는 하나 이상의 입력 신호들을 토대로 제어 알고리즘을 실행한 다음, 출력 신호(2024)를 산화제 공급 밸브(202)에 발생시켜 본 발명에 따라서 클로깅된 캐필러리 통로들을 세척하며, 출력 신호(2014)를 액체 연료 공급 밸브(2220)에 발생시키며, 출력 신호(2034)를 연료 공급 밸브(2210)에 발생시키고 가열 전력 명령(2044)를 전력을 전달하여 캐필러리들(2080)을 가열시키는 전원에 발생시킨다.
동작시, 본 발명을 따른 시스템은 배기 가스 재생 가열을 사용하여 연소 동안 발생되는 열을 피드백하도록 구성됨으로써, 액체 연료가 캐필러리 유동 통로들(2080)을 통과할 때 액체 연료를 실질적으로 기화시킬 정도로 충분하게 가열되어, 전기 필요성을 감소 또는 제거하거나 보충하며, 그렇치 않다면 캐필러리 유동 통로들(208)을 가열한다.
알 수 있는 바와 같이, 도1 내지 도13에 도시된 연료 분사기들의 바람직한 형태들은 또한 본 발명의 또 다른 실시예와 관련하여 사용될 수 있다. 도1을 다시 참조하면, 분사기(10)는 또한 분사기(10)의 동작 동안 형성되는 침착물을 세척하는 수단을 포함할 수 있다. 침착물 세척 수단은 열원(20) 및 산화제 제어 밸브(도13의 (2020) 참조)을 포함하여 산화제의 소스와 유체 연통되는 캐필러리 유동 통로(12)를 배치시킨다. 알 수 있는 바와 같이, 산화제 제어 밸브는 캐필러리 유동 통로(12)의 양단에 또는 그 근처에 위치되거나 캐필러리 유동 통로(12)의 양단과 유체 연통되도록 구성될 수 있다. 산화제 제어 밸브가 캐필러리 유동 통로(12)의 출구단(16)에 또는 그 근처에 위치되며, 캐필러리 유동 통로(12)의 출구단(16)과 유체 연통되도록 산화제 소스를 배치시키도록 작용한다. 동작시, 열원(20)은 캐필러리 유동 통로(12) 내에서 산화제를 액체 연료(F)의 가열 동안 형성되는 침착물을 산화시키는데 충분한 레벨로 가열하도록 사용된다. 일 실시예에서, 연료공급 모드를 세척 모드로 스위칭하기 위해선, 산화제 제어 밸브(도13의 (2020) 참조)는 액체 연료(F)를 캐필러리 유동 통로(12)에 도입하고 산화제를 이 통로에 도입하는 것 간에서 교대로 동작할 수 있고 산화제가 하나 이상의 캐필러리 유동 통로 내로 도입될 때 캐필러리 유동 통로(12)를 원래 위치에서 세척할 수 있도록 한다.
침착물들을 산화시키는 한 가지 기술은 공기 또는 증기를 캐필러리로 통과시키는 것이다. 유동 통로는 세척 동작 동안 바람직하게 가열되어, 산화 공정을 개시하여 참착물들이 소모될 때까지 배양시킨다. 이 세척 동작을 향상시키기 위하여, 캐필러리 벽 상의 코팅 또는 이 캐필러리 벽의 성분으로서 촉매 물질이 사용되어 세척을 성취하는데 필요로 되는 온도 및/또는 시간을 감소시킨다. 연료 전달 시스템의 연속적인 동작 동안, 하나 이상의 캐필러리 유동 통로가 사용되어, 클로깅된 조건을 가령 센서를 사용하여 검출하거나 캐필러리 저항의 변화, 즉 연료 흐름이 또 다른 캐필러리 흠 통로로 향하도록 하고 산화제 흐름이 세척될 클로깅된 캐필러리 유동 통로를 통해서 개시되도록 한다. 예로서, 캐필러리 본체는 그 내에서 다수의 캐필러리 유동 통로들을 포함할 수 있고, 밸빙(valving) 배열은 액체 연료 또는 공기를 각 유동 통로에 선택적으로 공급하도록 제공될 수 있다.
대안적으로, 연료 흐름은 캐필러리 유동 통로로부터 전환되거나 산화제 흐름은 프리셋 구간들에서 개시될 수 있다. 도13에 도시된 바와 같이, 캐필러리 유동 통로로의 연료 전달은 제어기(2050)에 의해 실행될 수 있다. 예를 들어, 제어기(2050)는 프리셋 시간 기간 동안 연료 전달을 활성화시키고 프리셋 시간 량 후 연료 전달을 비활성화시킨다. 제어기(2050)는 또한 액체 연료의 압력 및 하나 이상의 감지된 조건들을 토대로 캐필러리 유동 통로에 공급되는 열량을 조정할 수 있다. 감지된 조건들은 특히, 연료 압력, 캐필러리 온도, 및 공기 연료 혼합물을 포함할 수 있다. 제어기(2050)는 또한 애플리케이션에 부착되는 다수의 연료 전달 장치들을 제어할 수 있다. 제어기(2050)는 또한 하나 이상의 캐필러리 유동 통로들을 제어하여 침작물 또는 클로그들을 이로부터 세척할 수 있다. 예를 들어, 캐필러리 유동 통로의 세척은 캐필러리 유동 통로에 열을 인가하고 산화제 소스의 흐름을 캐필러리 유동 통로로 공급함으로써 성취될 수 있다.
대안적으로, 도1 내지 도13에 도시된 바람직한 형태들은 또한 본 발명의 또 다른 실시예와 관련하여 사용될 수 있다. 도1을 다시 참조하면, 침착물들을 세척하는 수단은 용제와 유체 연통되도록 캐필러리 유동 통로(12)를 배치하여, 용제가 캐필러리 유동 통로(12) 내로 도입될 때 원래 장소에서 캐필러리 유동 통로(12)를 세척하도록 한다. 각종 다양한 용제들이 사용되지만, 이 용제는 액체 연료원으로부터의 액체 연료를 포함할 수 있다. 이것이 그 경우일 때, 부가 밸브가 필요로 하지 않는데, 그 이유는 연료 및 용제 간을 교대로 행할 필요가 없기 때문이다. 열원은 시간에 걸쳐서 단계적으로 제거되거나 캐필러리 유동 통로(12)의 세척 동안 비활성화되어야 한다.
도1을 다시 참조하면, 연료 분사기(10)의 가열된 캐필러리 유동 통로(12)는 연료의 기화된 스트림을 발생시킬 수 있는데, 이는 공기를 응축하여 기화된 연료의 혼합들, 연료 드롭렛들, 및 통상적으로 에어로졸이라 칭하는 공기를 형성한다. 종래의 자동차 포트-연료 분사기와 비교하면, 이는 150 내지 200㎛ SMD(Sauter Mean Diameter) 범위, 바람직하게는 15SMD에서 드롭렛들로 이루어진 연료 스프레이를 전달한다. 따라서, 본 발명을 따른 가열된 캐필러리에 의해 발생된 다수의 연료 드롭렛들은 유동 통로와 관계없이 공기 스트림에 의해 연소실 내로 운반된다.
본원에 개시된 종래의 분사기 및 연료 분사기들의 드롭렛 크기 분포들 간의 차이는 특히 냉시동 및 웜-업 조건들 동안 중요하게 된다. 특히, 종래의 포트-연료 분사기를 사용하면, 상내적으로 냉 흡기 매니폴드 요소들은 과-연료공급을 필요로 함으로써, 흡기 요소들상에 충돌하는 많은 연료 드롭렛들의 충분한 프랙션이 기화되어 점화가능한 연료/공기 혼합물을 발생시킨다. 역으로, 본원에 서술된 연료 분사기들에 의해 발생된 기화된 연료 및 미세 드롭렛들은 기동시에 엔진 요소들의 온도에 의해 근본적으로 영향받지 않고 이로 인해, 엔진 시동 조건들 동안 과-연료공급에 대한 필요성을 제거한다. 본원에 서술된 가열된 캐필러리 분사기를 사용함으로써 엔진으로의 연료/공기 비에 대한 더욱 정밀한 제어와 결합되는 과-연료공급의 제거는 냉 시동 및 웜-업 동안 소연료 동작을 실행하는데, 이것이 촉매 컨버터가 웜-업 동안 배기관 배출물을 크게 감소시킨다.
도1을 또한 참조하면, 캐필러리 유동 통로(12)는 스테인레스 강철 캐필러리 관과 같은 금속관 및 전류를 통과시키는 관(20)의 길이를 포함하는 히터를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 캐필러리 관에는 대략 0.051 내지 0.076cm(0.020 내지 0.030 인치)의 내경, 대략 5.08 내지 25.4cm(2 내지 10인치)의 가열 길이 및 가지며, 연료는 7.0kg/cm 2 (100psig) 보다 작게, 바람직하게는 4.9kg/cm 2 (70psig) 보다 작게, 보다 바람직하게는 4.2kg/cm 2 (60psig) 보다 작게, 더욱 더 바람직하게는 3.1kg/cm 2 (45psig) 보다 작은 압력에서 관(12)에 공급될 수 있다. 이 실시예는 기화된 연료가 주위 온도에서 공기중에서 응축될 때, 약 5 내지 15의 평균 드롭렛 크기를 지닌 주로 2 내지 30㎛ SMD의 크기의 범위에 있는 에어로졸 드롭렛들의 분포를 형성하는 기화된 연료를 발생시킨다. 냉 시동 온도에서 고속 및 이에 근사한 완전 기화를 성취하기 위한 바람직한 연료 드롭렛들의 크기는 약 25㎛ 보다 작다. 이 결과는 기화된 연료의 에너지 량의 2-3%에 대응하는 전력의 10,2 내지 40.8kg/sec(100 내지 400W), 예를 들어 20.4kg/sec(200W)를 6인치 스테인레스 캐필러리 관에 인가함으로써 성취된다. 전력은 스테인레스 강철과 같은 도전성 재료로부터 전체적으로 관을 형성 또는 전기 저항 재료를 라미네이팅 또는 코팅함으로써 관 또는 라미네이트 상에 저항 히터를 형성하는 것과 같이 유동 통로를 갖는 비도전성 관 또는 라미네이트의 적어도 일부분을 거쳐서 도전성 재료를 제공함으로써 캐필러리 관에 인가될 수 있다. 전기 리드들은 도전성 재료에 접속되어 전류를 히터에 공급함으로써, 관이 자신의 길이를 따라서 가열되도록 한다. 자신의 길이를 따라서 관을 가열하기 위한 대안들은 유동 통로 주위에 배치된 전기 코일과 같은 유도성 가열 또는 유동 통로에 대해 위치된 다른 열원을 포함하여, 도전성, 대류성 또는 방사성 열 전달중 하나 또는 이들의 조합을 통해서 유동 통로의 길이를 가열할 수 있다.
바람직한 캐필러리 관은 대략 15.2cm(6인치)의 가열된 길이 및 대략 0.051cm(0.020인치)의 내경을 갖지만, 캐필러리들의 다른 구성들은 수용가능한 증기 품질을 제공한다. 예를 들어, 내경은 0.05 내지 0.08cm(0.02 내지 0.03 인치)의범위일 수 있고, 캐필러리 관의 가열된 부분은 2.5 내지 25.4cm(1 내지 10인치) 범위일 수 있다. 냉 시동 및 웜-업 후, 가열되지 않은 캐필러리 관이 정상 온도에서 동작하는 엔지에 적절한 액체 연료를 공급하도록 사용될 수 있도록 캐필러리 관을 가열할 필요가 없다.
연료 캐필러리로부터 방출되는 기화된 연료는 기존 포트-연료 분사기들과 동일한 위치 또는 흡기 매니폴드를 따른 또 다른 위치에 있는 엔진 흡기 매니폴드 내로 분사될 수 있다. 그러나, 원하는 경우, 연료 캐필러리는 엔진의 각 실린더 내로 기화된 연료를 직접 전달하도록 배치될 수 있다. 본원에 서술된 연료 분사기들은 엔진을 시동하면서 폐쇄된 흡기 밸브의 이면 측에 대해서 분사되어야만 되는 연료의 보다 큰 드롭렛들을 발생시키는 시스템들에 비해 우수한 장점들을 제공한다. 캐필러리 관의 출구는 종래의 연료 분사기들의 출구들의 배열과 유사한 흡기 매니폴드 벽과 동일한 평면에 위치된다.
엔지 시동으로부터 대략 20초 후(또는 바람직하게는 이 보다 짧은), 정상 엔진 동작 동안, 캐필러리 유동 통로(12)를 가열하기 위하여 사용되는 전력은 턴오프되고 액체 분사가 개시된다. 정상 엔진 동작은 당업자가 인지하는 바와 같이 연속적인 분사 또는 펄싱된 분사를 통해서 액체 연료 분사에 의해 수행될 수 있다.
예 1
포드 4.6 리터 V8 엔진을 사용하여 시험시, 일군의 4개의 실린더들은 도1에 도시된 바와 같은 본 발명의 연료 전달 장치들을 포함하도록 수정된다. 캐필러리 가열 소자들에는 흡기 포트 벽과 동일 평면에 위치되는 캐필러리의 팁이 설치되는데, 이는 스톡 연료 분사 노즐의 위치이다. 이 시험들은 연속적인 분사(100% 듀티 사이클)로 실행됨으로, 연료 압력은 연료 증기 흐름 속도를 조절하도록 사용된다.
도14를 참조하면, 엔진의 냉 시동의 처음 20초 동안 캐필러리 연료 전달 장치의 결과들을 도시한 그래프가 제공된다. 파일로트 라인(1)은 시간이 x-축을 따라 진행함에 따라서 엔진 속도를 분당 회전수로 표시한다. 파일로트 라인(2)는 시간이 x-축을 따라 진행함에 따라서 연료 흐름을 초당 그램으로 표시한다. 파일로트 라인 3은 시간이 x-축을 따라 진행함에 따라서 람다(lambda)를 표시하는데, 여기서 1 람다(lambda of unity) 공기 대 연료의 화학량적인 비를 표시한다. 파일로트 라인(40)은 시간이 x-축을 따라 진행함에 따라서 엔진의 배기로부터의 총 탄화수소 배출 출력을 백만 당 메탄 등가 파트로 표시한다.
도14에서 파일로트 3으로 도시된 바와 같이, 스톡 엔진 하드웨어 및 제어 전략에 필요로 되는 초기 과-연료공급은 본 발명의 연료 전달 장치를 사용하여 제거된다. 즉, 본 발명의 연료 전달 장치는 초기 시동 기간 동안 액체 연료를 효율적으로 기화시켜, 엔진이 근-화학량적인 연료/공기 비로 시작되도록 한다. 도15는 종래의 과-연료 시동 전략(파일로트 라인 5)와 비교하여 본 발명의 연료 전달 장치(파일로트 라인 6)으로 성취되는 근-화학량적인 시작으로부터 발생되는 배출물 감소를 도시한 그래프이다. 특히, 도12의 결과들은 본 발명의 연료 전달 장치가 과-연료공급을 필요로 하는 스톡 구성과 비교하여 냉 시동의 처음 10초 동안 집적된 탄화수소 배출물들을 46% 만큼 감소시킨다는 것을 입증한다. 원(7)으로 표시된 영역은 엔진을 시동시키는 처음 4초 동안 탄화수소 배출물을 크게 감소시킨다는 것을 도시한다.
예 2
시뮬레이트된 냉 시동 과도 시험들은 역량계가 설치된 예1의 포드 46 리터 V8 엔진을 사용하여 행해지는데, 여기서 일군의 4개의 실린더들은 도4에 도시된 바와 같은 연료 전달 장치들을 포함하도록 수정된다. 도4의 연료 분사기들은 스톡 연료 분사 노즐의 위치에 설치된다.
냉 시동 과도 시험들은 900RPM에서 엔진을 초기에 감시함으로써 행해지는데, 스파크 플러그들은 표준 점화 진각(spark advance)에서 그리고 20의 프리셋 엔진 냉각제 온도에서 불꽃을 일으킨다. 연료 분사 펄스-폭은 과도 보상을 사용함이 없이 목표 람다 값을 성취하도록 설정되는데, 1.17(대략 170℃)과 동일한 R/R O 캐필러리 히터 저항값이 설정되고 연료 분사기들이 실행된다. 셋-포인트 값의 10%와 동일한 람다 값에 도달하는 시간은 총 탄화수소 배출들과 함께 측정된다. 각 테스트는 각 람다 값 셋 포인트에 대해 3회 반복된다. 람다 값들은 0.9, 1.0, 1.1 및 1.2(화학량적인 공기-연료=1.0)으로 설정된다. 각 시뮬레이트된 냉-시동 과도 시험은 30초동안 행해진다. 측정된 과도 배기 공기-연료 비 응답 특성들은 연료 운반 현상의 정성적 표시를 제공한다.
냉-시동 과도 시험의 결과들은 도16에 제공된다. 표준 포트 연료 분사기들(PIF)와 도4 분사기들에 대한 입증된 과도 응답 시간을 비교하면 베이스라인 포트 연료 분사기, 양호한 증발의 표시자 보다 크게 우수하다. 게다가, 미연소 탄화수소의 "콜드-아이들" 배출의 상당한 개선은 λ=1.2에서 25% 만큼 높은 이점과 함께 관찰된다.
예 3
린 제한 확장(lean limit extension)에 대한 캐필러리 히터 온도의 영향은 도 4의 캐필러리 연료 분사기들을 사용하는 역량계 설치된 포트 4.6 리터 V8 엔진을 사용하여 연구된다. 캐필러리 히터 저항의 값들(R/Ro)는 1.15 내지 1.26의 범위(대략 170 내지 280℃) 범위에 걸쳐서 가변되고 탄화수소 방출 레벨들이 측정된다.
이들 시험들의 결과들은 도17에 제공된다. 도시된 바와 같이, 표준 포트 연료 분사기들에 비해서 상단한 개선이 이루어진다. 게다가, 저항 세팅들(캐필러리 통로 온도들)을 증가시킬 때 임계값이 신속하게 도달된다는 것이 관찰되는데, 이를 넘어서 탄화수소 배출은 부가적인 증가에 상대적으로 민감하지 않게 된다. 도4의 캐필러리 분사기에 대해서, 관찰된 임계값은 최대 동작 온도보다 아래인 것이 바람직하다.
예들 4-9
실험실의 시험들은 시동 조건을 시뮬레이트하기 위하여 마이크로-다이어퍼램 펌프 시스템으로 20℃에서 각종 캐필러리 분사기들에 일정 압력으로 공급되는 가솔린을 사용하여 수행된다. 피크 드롭렛 크기들 및 드롭렛 크기 분포들은 Malvern사에 의해 제조된 Spray-Tech 레이저 회절 시스템을 사용하여 측정된다. 시동시에 피크 값들로 지정된 이들 값들을 제외하면, 드롭렛 크기들은 SMD(Sauter Mean Diameter)에 있다. SMD는 표면 대 부피 비가 전체 스프레이의 것과 동일하게 되는 드롭렛의 직경이고 스프레이의 질량 전달 특성들과 관계한다.
상기 제공된 결과들로부터 알 수 있는 바와 같이, 목표 드롭렛 크기 범위는 본원에 개시된 시장에서 입수가능한 밸브를 사용하여 성취될 수 있다. 게다가, 동작의 10초 후, 대부분의 분사기들은 열량이 중요한 차동 팩터(differentiating factor)를 유지하면서 30 미크론 임계값보다 충분히 아래인 드롭렛 크기들을 발생시킨다는 것이 관찰되었다.
예들 10-17
본 발명의 이점들을 더욱 평가하기 위하여, 계산 유체 동력학, 즉 CFD가 이하에 설명된 구성들을 평가하는데 사용된다. CFD 분석은 기본적인 제어 등식을 풀어 솔루션 도메인 내의 모든 점에서 유체 속도, 종들, 연소 반응들, 압력, 열 전달 및 온도값들을 제공할 수 있다. Fluent Inc.로부터의 FLUENT TM 소프트웨어는 분석을 수행하기 위하여 사용된다(Flunet. Inc., USA, 10 Cavendish Court, Centerra Resource Park, Lebanon, NH, 03766-1442).
본 발명의 이점들을 입증하기 위하여, 본원에 서술된 캐필러리 분사기들을 사용하는 엔진의 동작은 FLUENT 소프트웨어 패키지를 사용하여 시뮬레이트 된다. 사용되는 모델링 조건들은 다음을 포함한다:3 바 게이지 입구 압력에서 연료 n-옥탄, 즉 입구에서 연료는 200℃에서 증기가 되는 것으로 추정되며, 런 실행된 추정 증기(run conducted assuming vapor)는 응축되지 않으며, 주위 공기는 0 바 게이지 압력으로 설정되고 공기 온도 27℃로 추정된다. 분사기 재료는 스테인레스 강철로 추정되며, 온도에 따른 열 전도도 변화는 모델링되고 사용되는 난류 모델은 k-ε 신뢰가능한 모델이 됨으로써, 제트 작용을 더욱 정확하게 모델링 한다. 비평형 벽 함수들(non-equilibrium wall functions)은 중앙 본체상에 충돌하는 제트들을 더욱 모델링하기 위하여 선택된다.
연구된 기하학적 배열을 위한 금속 부피들, 웨팅된 영역들(wetted area) 및 가스 부피들은 다음과 같다:
기하학적 배열 XVA100042는 도8에, XVA100051은 도10에, XVA100037은 도7에, LO 100007은 도4에, XVA100046은 도9에 그리고 XVA100027은 도5에 도시된다.
각종 캐필러리 분사기 설계들을 위한 FLUENT 계산 유체 동력학 소프트웨어를 사용하여 얻어진 냉-시동은 도18에 제공된다. 도19는 캐피러리 분사기 수행성능에 대한 이 설계 팩터의 중요도를 입증하면서 각종 설계들을 위하여 200밀리초들에서 웨팅된 영역 대 노즐 배출 온도의 관계를 입증한다.
도19 및 도2O에 도시된 바와 같이, CFD 결과들은 예들 4-9에 제공된 실험실 발견들을 지원하고 증기가 분사기의 미터링 부에 근접하여 도입되는 동안 고속 시동이 성취될 수 있다는 것을 제안한다.
본 발명이 도면 및 상기 설명에서 상세하게 예시하고 설명하였지만, 서술된 실시예들은 예시를 위한 것이지 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 영역 내에 있는 모든 변경들 및 수정들은 본 발명의 범위 내에서 보호된다.
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8 燃料供給装置
