KR100299288B1 - 왕복연소기관용연료분사밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료분사밸브(1)는 밸브체의 벽(3')에 의해 연료 측에서 상호 분리되어 최소한 2 열의 노즐구멍(9,10)을 형성하고, 각 열의 노즐구멍(9,10)에는 밸브시트(15,28)와 결합되는 밸브니들(16,29)이 배설되고, 제1 밸브니들(16)은 밸브체의 중앙에 배열되며, 제 2 밸브니들(29)은 밸브체의 벽(3')의 외측에 배열된 중공니들로서 형성되는 밸브체(2,3,4)로 구성되고, 상기 제1 밸브니들(16)은 디젤유를 분사하며, 분사펌프(52)에 의해 발생되는 디젤유의 압력에 의해 밸브시트(15)로부터 적시에 상승되며, 스프링(22)에 의해 폐쇄위치로 하강되고, 상기 제2 밸브니들(29)은 기체연료를 분사하며, 상기 밸브니들(29)의 주기적인 개방을 위해 일측에 스트로크트랜스미터펌프(54)에 의해 제어되는 유압매체의 압력에 의해 작용하는 피스톤(30)이 설치되며. 상기 제2 밸브니들(29)의 폐쇄는 피스톤(30)의 다른 측에 작용하는 압력 하에서 블로킹오일에 의해 이루어진다.

Description

왕복연소기관용 연료분사밸브
본 발명은 주연료로서 디젤유나 기체연료를 선택적으로 사용하여 동작할 수있는 왕복연소기관용 연료분사밸브에 관한 것이다.
EP-PS 235569호에는 실린더헤드 내에 디젤유용 분사밸브와 이 분사밸브와는 별도로 기체연료용 공급장치가 설치되어 디젤유 또는 기체연료를 선택적으로 사용하여 동작하는 왕복연소기관이 알려져 있다.
이 경우, 디젤유용 분사밸브는 분사될 디젤유가 고압으로 저장된 어큐뮬레이터(accumulator)공간을 제공하는 이른바 시간제어밸브(time-controlled valve)로서 구성되고, 기체공급을 위한 구조적 설계에 대해서는 그 특허명세서에 전혀 개시되어 있지 않다.
상기 발명에 있어서의 문제는 주연료로서 디젤유를 사용하여 왕복연소기관이 동작하는 경우에 디젤유가 분사될 수 있어야 하고, 또 주연료로서 기체연료를 사용하는 경우에 그 연료와 동시에 기화를 위해 소량의 디젤유가 분사될 수 있도록 연료분사밸브를 구성하는 것이다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 왕복연소기관용 연료분사밸브는 밸브체의 벽에 의해 연료측에서 상호 분리되어 최소한 2열의 노즐구멍을 형성하고, 각 열의 노즐구멍에는 밸브시트와 결합되는 밸브니들이 배설되고, 제1 밸브니들은 밸브체의 중앙에 배열되며, 제2 밸브니들은 밸브체의 벽의 외측에 배열된 중공니들로서 형성되는 밸브체로 구성되고, 상기 제1 밸브니들은 디젤유를 분사하며, 분사펌프에 의해 발생되는 디젤유의 압력에 의해 밸브시트로부터 적시에 상승되며, 스프링에 의해 폐쇄위치로 하강되고, 상기 제2 밸브니들은 기체연료를 분사하며, 상기 밸브니들의 주기적인 개방을 위해 일측에 스트로크트랜스미터펌프에 의해 제어되는 유압매체의 압력에 의해 작용하는 피스톤이 설치되며, 상기 제 2 밸브니들의 폐쇄는 피스톤의 다른 측에 작용하는 압력 하에서 블로킹오일에 의해 이루어진다.
각각 밸브니들과 결합된 2 열의 노즐구멍에 의해 상호 독립하여 분사밸브로서 2 종의 연료가 공급될 수 있다. 실린더헤드에는 두 연료의 공급을 위해 하나의 개구만이 형성되므로, 주지의 구성에 비해 이와 같은 구성은 구조가 단순해진다. 또한, 제2 밸브니들의 폐쇄는 블로킹오일압력에 의해 이루어지므로, 블로킹오일이 분사밸브내측을 밀봉할 목적으로도 이용될 수 있다는 이점이 있다. 또한, 블로킹오일에 의해 제2 밸브니들에 폐쇄력을 가하므로, 폐쇄스프링의 수납을 위한 공간이 분사밸브 내에 추가로 설치되지 않으므로, 구조의 단순화를 도모할 수 있다.
다음에, 본 발명의 일실시예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도에 있어서, 디젤유용과 기체연료용 연료분사밸브(1)는 4 행정으로 동작하는 왕복연소기관의 실린더(50)상에 장착된 실린더헤드(6) 내에 배치된다. 또, 실린더(50)내에서 작동피스톤(51)은 상세히 도시되지 않은 경로로 상하 이동하도록 안내되고, 제1도에 도시된 그 상면과 실린더헤드(6)사이에 연소실(8)이 형성된다. 디젤유는 파이프(11)를 통하여 연료분사밸브(1)에 공급되고, 캠제어분사펌프(52)에 의해 예를 들어 1200 바의 분사압력으로 된다. 이 압력은 주연료로서 디젤유를 사용하는 연소기관의 운전 중 최대부하로 된다 이 디젤유와 격리되어서, 기체연료도 분사밸브(1) 즉 기체를 예를 들어 250 바로 상승시키는 압축기(53)에 접속된 파이프(25)를 통하여 공급될 수 있다. 상기 연료분사밸브(1)는 제l도에 상세히 도시되지 않은 2 개의 밸브니들을 가지고, 연소실(8)에 대한 연료의 공급이 적시에 제어되도록 한다. 기체연료의 공급을 제어하는 밸브니들을 동작시키기 위해 캠제어스트로크 트랜스미터펌프(54)가 설치되어 해당 밸브니들을 개방방향으로 동작시키는 유압매체를 파이프(55)를 통하여 분사밸브(1)로 공급한다. 이 밸브니들을 폐쇄시키기 위해 블로킹오일 펌프(57)에 접속된 파이프(56)를 통하여 블로킹오일을 분사밸브 (1)에 공급한다. 분사펌프(52)와 스트로크트랜스미터펌프(54)에 대해서는 각 캠 (58,59)이 왕복연소기관의 크랭크샤프트(도시되지 않음)에 의해 종동하는 상세히 도시되지 않은 축상에 함께 설치된다. 파이프(11, 25) 사이에서 파이프(65)가 분사밸브(1)에 접속되고, 이 파이프(65)는 제5도를 참조하여 상세히 후술하는 세정유로의 일부를 구성한다.
제2a도 및 제2b도에 있어서, 분사밸브(1)는 제2a도에 상부만이 도시된 캡너트(5)에 의해 함께 고정되는 상부(2), 중간부(3) 및 하부(4)로 이루어진 밸브체로 된다. 이 밸브체는 상세히 도시되지 않은 실린더헤드(6)에 있어서, 하부(4)의 저단 근방에 형성된 스텝부(60)(제 2b도)에 의해 지지된다. 또, 상기 밸브체는 실린더헤드를 관통하여 그 중간부(3)와 하부(4)의 저단이 연소실(8)내로 돌출된다. 중간부(3)의 하단에는 중심선이 원추형면상에 위치하는 1 열의 노즐구멍(9)이 형성된다. 이 1 열의 노즐구멍(9)은 디젤유를 분사한다. 제2b도에 있어서, 상기 노즐구멍(9)과 유사한 방법으로 하부(4)의 하단에 제2 열의 노즐구멍(10)이 형성된다. 이 노즐구멍(10)의 중심선도 원추형면상에 위치하며, 이 노즐구멍(1O)의 원추형면의 정점각은 노즐구멍(9)의 원추형면의 정점각보다 약간 작다. 노즐구멍(10)은 연소실 (8)내에 예를 들어 천연가스와 같은 기체연료를 분사한다. 각 노즐구멍(9)과 노즐구멍(10)의 열은 연료 측에서 중간부(3)의 원형벽(3')에 의해 상호 분리되어 있다.
제2a도에 있어서, 디젤유의 공급을 위한 파이프(11)는 밸브체의 상부(2)에 견고하게 접속되고, 파이프(11)는 채널(12)에 연통되어 상부(2)와 중간부(3)를 통하여 챔버(13)로 연통된다. 챔버(13)로부터 구멍(14)이 중간부(3)의 저단을 향해 연통되고, 제1 밸브니들(16)의 원추형 밸브시트(15)로 연통된다. 밸브시트(15)의 아래에서 중간부(3)는 노즐구멍(9)이 개시되는 공간(17)을 제공한다. 하부(14')보다 직경이 약간 큰 구멍(14)의 상부에는 안내영역으로서 축방향홈(18)이 형성되어 니들(16)이 밸브시트(15)로부터 상승되는 경우 디젤유가 챔버(13)로부터 상기 공간 (17)으로 흐르도록 한다. 제2b도에 있어서, 챔버(13)에서 개시되는 구멍(19)은 상향으로 연장되어 구멍(14)과 동축으로 배설되고, 구멍(19)의 직경은 구멍(14)과 동일한 직경을 가지며, 이 구멍(19)의 직경은 더 크게 할 수도 있다. 밸브니들(16)의 상부(20)는 구멍(19)내에서 안내된다. 제2b도에 도시된 밸브니들(16)의 상단은 제2a도에 도시된 로드(21)의 강제로킹 접속되고, 그 상단의 스프링판은 밸브니들 (16)상에 폐쇄압력을 가하는 나선형 스프링(22)을 지지한다.
디젤유공급파이프(11)와 함께 기체연료공급용 파이프(25)가 밸브체의 상부 (2)에 접속된다. 파이프(25)는 상부(2)내의 채널(26)에 연통된다. 채널(26)은 그 중간부(3)와 하부(4)를 통하여 환형챔버(27) 내로 연통되는 3 개의 채널(26')(제4도)로 형성된다. 제2b도에 있어서, 환형챔버(27)는 그 하단에서 중공니들로 형성되는 제2 밸브니들(29)과 결합하는 밸브시트(28)에 연장된다. 제2 밸브니들(29)은 그 원통형내면이 중간부(3)의 벽(3')에 따라 슬라이드된다. 제2b 도의 제2 밸브니들(29)의 상단은 두껍게 형성되어 하부(4)의 원형구멍(31)내에서 슬라이드되는 피스톤(30)을 형성한다.
제2b도에 있어서, 피스톤(30)의 하측에는 원통형 공간(32)이 형성되고, 공간 (32)은 제 3b도에 도시된 바와 같애 채널(33)에 연통되며, 채널(33)은 밸브체의 하부(4), 중간부(3) 및 상부(2)를 통해 연장되어 파이프(55)(제1도)의 유압매체가 약 600 바의 압력으로 공급된다.
제l도에 도시된 스트로크트랜스미터펌프(54)에 의해 이송되는 압력매체는 제2 밸브니들(29)에 개방방향으로 작용한다. 제2b도 및 제3b도에 있어서, 피스톤의 상측에도 원통형공간(34)이 형성되고 제3b도에 도시된 바와 같이 채널(35)에 연통되어 밸브체의 중간부(3)와 상부(2)를 통해 연통되어 파이프(56)(제1도)의 블로킹오일을 300 바의 안정된 압력으로 공급한다. 따라서, 원통형 공간에 작용하는 블로킹오일 압력에 의해 제2 밸브니들(29)에 대하여 폐쇄압력이 작용한다.
원통형 공간(34)에서 개시되는 다수의 채널(36)(제3b도)은 제2 밸브니들(29)의 외면에 개구된 환형 홈(37)까지 피스톤(30)과 피스톤(30)의 하측에 연결되는 제2 밸브니들(29)의 일부를 통해 연통된다. 이러한 블로킹오일의 공급에 의해 환형챔버(27)로부터 720°의 크랭크각에서 약 30° 범위에서만 유압매체의 압력하에서 원통형 공간(32)으로 기체가 집중되는 것은 피할 수 있다. 또한, 왕복연소기관이 기체를 사용하는 동작시에는 유압매체와 동일한 블로킹오일이 제2 밸브니들(29)과 벽(3')사이의 간극을 밀폐하여 기체의 침투를 방지한다.
원통형 공간(34)으로부터의 블로킹오일은 복수의 축방향홈(38)을 통하여 중간부(3)와 하부(4)사이를 분리하는 수평의 면과 같은 높이로 배설된 환형홈(39)에 도달된다. 분리면의 채널(33) 외측에 제2b도와 같이 환형홈(40)이 형성되고, 홈 (40)은 중간부(3)를 통해 축방향으로 연장되는 채널(41)을 통하여 블로킹오일이 공급된다. 또, 환형홈(40)은 기체연료가 공급되는 채널(26')의 외측에 있다. 반경방향 연결홈(도시되지 않음)이 환형홈(39,40)사이에 배치되어 블로킹오일이 채워지며, 채널(33)로부터 기체를 이송하는 채널(26')을 분리한다. 채널(26', 33)의 각 영역에는 환형홈(39,40) 및 반경방향 홈 내의 블로킹오일에 의해 에워싸이는 금속성밀봉재가 배설된다.
동종의 금속성밀봉재가 2 개의 동심환형홈(42,43)에 의해 에워싸인 채널(12, 26', 26, 33)영역에서 중간부(3)와 상부(2)사이에 배설된다. 제4도에 도시된 바와 같이, 2 개의 환형홈(42,43)은 2 개의 반경 방향홈(44,45)에 의해 상호 연통되고, 상부(2)내의 채널(35)은 홈(44) 내에 개구된다. 따라서, 블로킹오일압력도 홈(42∼45)내에서 감압된다.
전술한 세정유파이프(65)의 상부(2)에 대한 접속이 제2a도에 도시되지 않았으나, 세정유파이프(65)는 제3b도에 점선으로 표시된 채널(66)을 통해 환형챔버 (27)내에 연통된다. 중간부(3)의 하단근방에서 채널(66)에는 체크밸브(67)가 설치되어 환형챔버(27)로 흐르는 세정유의 흐름을 개폐한다. 제4도에 도시된 바와 같이, 채널(66)은 밸브체내에서 기체연료용 상부채널(26')과 블로킹오일용 채널(35) 사이에 배설된다.
제5도에 도시된 바와 같이, 파이프(65)는 세정유펌프(68)의 토출 측에 접속되고, 이 세정유펌프(68)에는 블로킹오일로서의 윤활유인 세정유를 수용하는 탱크(69)에 흡입파이프가 접속된다. 또, 파이프((65)로부터 파이프(70)가 분기되어 분사밸브의 바이패싱에 의해 전환밸브(71)로 유도된다. 제5도에 있어서, 전환밸브의 케이싱(72)의 우단에는 파이프(70)내의 세정유의 압력 하에서 가동밸브부재(73)가 배설된다. 제5도의 타단에 있어서, 밸브부재(73)의 좌단을 압축기(53)로부터 도입되는 기체연료용 파이프(25)와 접속되는 채널(74)을 도시된 위치에서 차단한다. 채널(74)로부터 이격되어 케이싱(72)에는 채널(75)이 배설되고, 이 채널(75)은 파이프(25)와 접속되어 분사밸브(1)로 유도된다. 상기 채널(75)의 개시부근방의 영역에서 밸브부재(73)에는 구멍(76)이 형성되어 있다. 세정유용 귀환파이프(77)는 케이싱(72)에 접속되어 탱크(69)내로 연통된다. 귀환파이프(77)의 접속점영역에서 구멍(78)은 밸브부재(73)내에 배설되어 축공(79)을 통해 구멍(76)과 접속된다.
분사밸브의 기능을 다음과 같다. 주연료로서 디젤유를 사용하는 왕복연소기관의 동작 중에 디젤유는 연료분사펌프(52)로부터 파이프(11)를 통해 1200 바정도의 압력으로 공급되고, 채널(12)을 통해 제1 밸브니들(16)과 원형벽(3')사이의 환형공간 및 챔버(13)내에 도달된다. 잘 알려진 바와 같이 연료압의 작용을 받는 밸브니들(16)은 스프링(22)의 힘을 이기게 되어 밸브시트(15)로부터 상승되고, 디젤유가 하부의 노즐구멍(9)을 통해 연소실(8)로 분사된다. 연료분사펌프(52)에 의해 발생된 연료압이 감압되면, 바로 밸브니들(16)이 스프링(22)에 의해 밸브시트(15)로 복귀됨으로써, 분사행정이 종료된다.
디젤유를 사용하는 동작시에 환형홈(37)으로부터의 블로킹오일이 제2 밸브니들(29)의 외면과 하부(4)의 주위 원통면과의 사이를 통해 환형 챔버(27)내로 침투하게 되고, 챔버(27)내에 모인 블로킹오일은 높은 온도로 인해 코크스화된다. 이러한 코크스화는 기관의 동작이 기체연료를 사용한 동작으로 변경되면 분사밸브의 기능에 장애를 초래할 수 있다. 이와 같은 장애를 방지하기 위해 세정유로가 배설된다. 디젤유를 사용하는 동작시에 밸브부재(73)는 제5도에 도시된 위치에 있고, 펌프(68)는 세정유를 6 바의 압력으로 파이프(65) 및 채널(66)을 통해 환형챔버(27)로 이송시킨다. 다음에, 세정유는 채널(26', 26)을 통해 파이프(25)로 흐름으로써, 환형챔버(27)내에 침투한 블로킹오일이 세정유와 함께 흐르게 된다. 다음에, 파이프(25)내의 세정유는 전환밸브(71)의 채널(75), 구멍(76,79,78) 및 귀환파이프(77)를 통해 탱크(69)로 흐른다. 이와 같은 세정유의 흐름으로 인해 환형챔버(27) 내에 모여 코크스화된 블로킹오일이 제거되고, 세정유에 의해 분사밸브(1)가 더 냉각된다.
압축기(53)에 의해 250 바의 압력으로 이송되는 기체연료를 사용하는 동작시에는 밸브부재(73)는 가스압에 의해 제5도의 위치에서 우측으로 이동하여 구멍(76)이 귀환파이프(77)와의 연결지점에 도달한다. 밸브부재(73)가 이 위치에 오면 기체연료가 채널(74,75)을 통해 분사밸브(1)로 흐른다. 이 때, 공급된 기체연료는 환형챔버(27)와 채널(26,26')내에 250 바 이상의 압력으로 유지되고, 기체연료는 채널(33)을 통해 공급된 유압매체가 피스톤(30)을 상향 이동시키는 순간에 노즐구멍(10)으로부터 연소실(8)로 분사된다. 이와 같은 이동은 스트로크트랜스미터펌프 (54)로부터 600 바의 압력으로 이송된 원통형공간(32)내의 유압매체의 압력이 피스톤(30)의 상부면에 작용하는 원통형 공간(34)내의 블로킹오일에 의한 힘보다 크게 되면 일어난다. 다음에, 스트로크트랜스미터펌프(54)에 의해 발생된 압력이 강하되면, 다시 공간(34)내의 블로킹오일압력이 우세하여 제2 밸브니들(29)이 밸브시트 (28)로 복귀함으로써 기체연료가 더 공급되는 것을 차단한다. 이 때, 기체연료의 분사는 크랭크각이 약 306도 정도에서 일어난다. 기체연료의 분사가 개시될 무렵에 소량의 디젤유가 잠깐 동안 분사되어 기체연료의 점화를 돕는다. 즉, 기체연료로 작동할 때에 점화오일이 사용되며, 여기서 사용되는 점화오일의 양은 최대 부하에서 순수하게 디젤유로 작동 할 때 필요한 디젤유의 약 5% 정도다. 다시 말해서, 상기 디젤기관은 순수한 디젤유로만 작동하거나 또는 기체연료로도 작동할 수 있다. 상기 기체연료로 작동할 때, 단지 약 5% 의 디젤유가 소위 점화오일로서 사용된다. 이러한 양의 디젤유는 기체연료의 점화를 위해 하부노즐구멍(9)을 통해 연소실(8)로 분사되며, 이러한 점화오일의 분사는 순수한 디젤유동작시와 마찬가지로 분사펌프(52)에 의해 제어된다.
기체연료를 사용하는 동작시에는 세정유펌프(68)가 정지된다. 가스가 채널 (66)을 통해 파이프(65)로 침투하는 것을 방지하기 위해 체크밸브(67)(제3b도)가 설치된다. 그리고, 밸브부재(73)는 기체연료를 사용하는 동작이 종료하고, 다시 디젤유를 사용하는 동작이 개시되면 제5도에 도시된 위치로 복귀한다.
제l도는 본 발명에 따른 왕복연소기관의 실린더의 연료분사밸브의 구성도.
제2a도는 연료분사밸브의 상부의 제4도의 I-I 선 단면도.
제2b도는 제2a도의 연료분사밸브의 하부를 제2a도보다 확대하여 도시한 단면도.
제3a도는 제2a도의 연료분사밸브의 상부의 제4도의 Ⅱ-Ⅱ 선 단면도.
제3b도는 제4도의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따라서 연료분사밸브의 하부를 제3a도보다 확대하여 도시한 단면도.
제4도는 연료분사밸브의 하부의 평면도.
제5도는 세정유로의 일부를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1): 연료분사밸브, (6): 실린더헤드, (8): 연소실, (9),(10): 노즐구멍
(16): 제1 밸브니들, (29): 제2 밸브니들

Claims (3)

  1. 밸브체의 벽(3')에 의해 연료측에서 상호 분리되어 최소한 2열의 노즐구멍(9,10)을 형성하고, 각 열의 노즐구멍(9,10)에는 밸브시트(15,28)와 결합되는 밸브니들(16,29)이 배설되고, 제1 밸브니들(16)은 밸브체의 중앙에 배열되며, 제2 밸브니들(29)은 밸브체의 벽(3')의 외측에 배열된 중공니들로서 형성되는 밸브체(2,3,4)로 구성되고, 상기 제1 밸브니들(16)은 디젤유를 분사하며, 분사펌프(52)에 의해 발생되는 디젤유의 압력에 의해 밸브시트(15)로부터 적시에 상승되며, 스프링(22)에 의해 폐쇄위치로 하강되고, 상기 제2 밸브니들(29)은 기체연료를 분사하며, 상기 밸브니들(29)의 주기적인 개방을 위해 일측에 스트로크트랜스미터펌프 (54)에 의해 제어되는 유압매체의 압력에 의해 작용하는 피스톤(30)이 설치되며, 상기 제2 밸브니들(29)의 폐쇄는 피스톤(30)의 다른 측에 작용하는 압력 하에서 블로킹오일에 의해 이루어지며,
    상기 제2 밸브니들(29)의 밸브시트(28)근방의 밸브체(2,3,4)에는 환형챔버 (27) 및 최소한 하나의 기체연료용 공급채널(26', 26)이 배설되고, 상기 공급채널은 환형챔버(27)로부터 기체연료공급파이프(25)에 접속되며, 상기 기체연료 공급파이프(25), 상기 공급채널(26', 26) 및 환형챔버(27)는 디젤유를 사용하는 동작시에는 기체연료의 공급을 차단하는 동시에 세정유를 환형챔버(27) 및 공급채널(26', 26) 내를 흐르도록 하며, 기체연료를 사용하는 동작시에는 공급채널(26', 26)을 통해 환형챔버(27)내로 기체연료를 흐르도록 하며, 기체연료공급파이프(25)에 배치되는 전환밸브(71)를 가진 세정유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 디젤유 또는 기체연료를 선택적으로 사용하여 동작하는 왕복연소기관용 연료분사밸브.
  2. 제1항에 있어서, 디젤유를 사용하는 동작시에 디젤유를 분사해주는 노즐구멍 (9)이 기체연료를 사용하는 동작시에도 점화용 디젤유를 분사하도록 하는 것을 특징으로 하는 왕복연소기관용 연료분사밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 밸브니들(29)은 블로킹오일에 의해 작용하는 피스톤(30)쪽으로부터 유압매체에 의해 작용하는 밸브시트(28) 방향으로 배설되고, 제2 밸브니들(29) 외면의 환형홈(37)에 연통되는 최소한 하나의 채널(36)을 가지며, 환형홈(37) 내에 유입된 블로킹오일은 유압매체에 의해 작용하는 피스톤(30)쪽으로 기체가 통과하지 못하도록 하는 것을 특징으로 하는 왕복연소기관용 연료분사밸브.
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