KR100774835B1 - 다중연료분사장치를 가진 디젤기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중연료분사장치를 가진 디젤기관에 관한 것으로, 그 목적은 대형 박용엔진의 각 실린더 연소실에 연료 분사시기 및 형태를 조정하여 엔진의 역회전시에도 효율적인 성능을 갖는 다중 연료분사장치를 가진 디젤기관을 제공함에 있다.

본 발명은 각 실린더의 연소실마다 설치된 다수개의 연료인젝터를 통해 연료를 분사시켜주는 디젤기관에 있어서, 엔진 크랭크축의 일측으로 연장 형성되어 구동되는 캠 축과; 하트형상을 갖고 상기 캠 축에 소정간격을 두고 각각 서로 다른 각도로 설치되어 캠 축에 의해 회전되며 각각의 실린더에 설치되어있는 연료펌프들을 각각 구동시키는 다수의 연료 캠과; 상기 각 연료 캠에 의해 연동되도록 설치되어 각각의 연료 캠 굴곡에 부응하여 서로 다른 시간 간격을 두고 구동되는 연료펌프들과; 상기 각 연료펌프를 통해 공급되는 연료를 하나의 연소실 내에 각각 소정의 시간차를 두고 분사시켜주는 다수개의 연료인젝터;로 구성한 것을 그 기술적 요지로 한다.

캠, 연료분사펌프, 역회전, 하트캠, 분배관, 연료탱크, 연료분사장치.

Description

다중연료분사장치를 가진 디젤기관 {Diesel engine with multi fuel injection system}

도 1 은 크랭크 축 회전방향에 따른 엔진의 연료분사형태를 나타낸 개략도,

도 2 는 종래의 엔진 역회전 분사시기 조절방식을 나타낸 개략도,

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예를 보인 정면예시도,

도 4 는 본 발명에 따른 개별 연료 캠의 순차적 실시예를 보인 단면예시도,

도 5 는 본 발명에 따른 또 다른 응용 실시예를 보인 정면예시도,

도 6 은 본 발명에 따른 연료 캠의 연료분사시작점을 도시한 예시도,

도 7 은 본 발명에 따른 연소실에 분사되는 연료분사형태를 도시한 예시도,

도 8 은 본 발명에 따른 연소실 내의 각 연료인젝터 분사량의 합을 도시한 예시도,

도 9 는 본 발명에 따른 연소실에 분사되는 연료분사형태를 도시한 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(100) : 캠 축 (110) : 연료 캠

(120) : 피동절 (121) : 롤러

(122) : 롤러가이드 (123) : 탄성부재(Spring)

(124) : 플런저(Plunger)

(130) : 연료펌프 (140) : 연료제어부

(141) : 릴리프밸브(RELIEF VALVE) (142) : 유로

(150) : 레귤레팅샤프트(Regulating shaft)

(160) : 고압파이프 (170) : 연료인젝터

(171) : 연료출입부

(180) : 분배관 (181) : 논리턴밸브(Non-return Valve)

(182) : 연료배출구

본 발명은 다중 연료분사장치를 가진 디젤기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대형 박용엔진의 각 실린더 연소실에 연료 분사시기 및 형태를 조정하여 엔진의 역회전시에도 효율적인 성능을 갖는 다중 연료분사장치를 가진 디젤기관을 제공함에 있다.

일반적으로 종래의 디젤엔진 연료분사는 캠 축에 설치된 각 실린더 당 각각 하나의 연료 캠과 연료펌프로 작동하게 되어 있다. 이는 연료분사 시기를 캠 제작 시 및 엔진 조립 시에 결정하므로 운전 중에는 그 값을 변화시킬 수 없으며 운전 중 연료분사시기를 변화시키기 위해서는 별도의 가변 연료분사시기 조정장 치(Variable Injection Timing)가 필요하다. 또한 대형저속 디젤엔진과 같은 직접 역회전 방식(Direct Reversible)엔진의 경우 연료분사시작이 상사점 이전에 이루어져야 하는 특성 때문에 엔진의 역회전 시, 역회전에 대응하는 연료의 분사시기 조절을 위하여 부가적으로 역전장치가 필요하게 된다.

도 1 은 크랭크 축 회전방향에 따른 엔진의 연료분사형태를 도시한 개략적인 그래프로서, 엔진의 역회전에 대한 별도의 보정장치가 없다면 엔진의 역회전시 연료분사시점은 정회전시와 다르게 된다. 이와 같은 역회전시 연료분사형태(시점,양)는 엔진 성능 즉, 매연, 연비, 토크 등에 매우 좋지 않으므로, 역회전시에도 정회전과 비슷한 분사형태를 가지도록 별도의 역전장치의 구성이 필요하다.

이에 따라 도 2 에 도시된 바와 같이, 종래의 역전장치 방식으로는 역회전 분사 시작점 조절을 위해 캠의 회전운동을 직선 상하운동으로 바꾸어주는 롤러의 위치를 이동시키는 방식(MAN-B&W 방식)과, 캠 자체를 유압 베인(vane) 방식에 의해 회전시키는 방식(Wartsila-Sulzer)이 있다. 이러한 장치는 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 별도의 공기압 또는 유압의 제어장치가 필요하다.

또한 종래의 기계식 연료분사장치는 분사패턴이 캠의 분사각도에 따라 고정되어 다양한 분사패턴의 구현이 불가능하다.

더불어 대형 저속 디젤엔진은 통상 실린더 당 3개 정도의 연료인젝터가 설치되는데, 하나의 연료펌프로 하나 또는 둘 이상의 연료 인젝터로 연료를 보내게 되므로 연료분사의 형태 및 각 연료 인젝터에 보내지는 연료량의 조정이 기술적으로 어려울 뿐만 아니라, 대형 엔진의 경우 하나의 연료펌프를 이용할 경우 연소실 용 량에 따라 펌프의 용량도 커질 수밖에 없고 큰 용량의 연료펌프는 작은 용량의 연료펌프에 비해 제작상의 어려움이 있고, 실제 운전 시 많은 문제점이 발생하고 있다. 또한 하나의 연료펌프로 전 영역의 엔진부하에 대응하다 보니 모든 부하영역에서 최적의 성능을 나타내기 어렵고 부하에 능동적으로 대처하지 못해 연비와 배기가스 배출문제가 생기고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 그 목적은 실린더당 두 개 이상의 연료 캠과 연료펌프를 두고 각 캠의 연료분사 각을 달리함으로써, 연료분사 패턴의 다양화를 통한 엔진 성능의 향상을 이루고 엔진부하에 따라 연료펌프의 개별 동작유무의 조정을 통해 연료 분사 량을 조절하여 연비절감과 오염물질 배출 저감의 효과를 얻을 수 있으며, 별도의 역전장치를 없앰으로서 구조를 단순화하여 단가의 절감을 이룰 수 있는 다중 연료분사장치를 가진 디젤기관을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 각 실린더의 연소실마다 설치된 다수개의 연료인젝터를 통해 연료를 분사시켜주는 디젤기관에 있어서, 엔진 크랭크축의 일측으로 연장 형성되어 구동되는 캠 축과; 하트형상을 갖고 상기 캠 축에 소정간격을 두고 각각 다른 분사 시점을 가지도록 서로 다른 각도로 설치되어 캠 축에 의해 회전되며 각각의 실린더에 설치되어있는 연료펌프들을 각각 구동시키는 다수의 연료 캠과; 상기 각 연료 캠에 의해 연동되도록 설치되어 각각의 연료 캠 굴곡에 부응하여 서로 다른 시간 간격을 두고 구동되는 연료펌프들과; 상기 각 연료펌프를 통해 공급되는 연료를 하나의 연소실 내에 각각 소정의 시간차를 두고 분사시켜주는 다수개의 연료인젝터;로 구성한 것을 특징으로 한다.

일반적으로 선박의 대형 디젤엔진의 연료분사장치는 엔진의 크랭크축에서 연장되어 회전되는 캠 축과 캠 축에 일률적으로 구비된 연료캠과, 상기 연료캠으로 인해 구동되는 연료펌프가 구비되고, 상기 연료펌프 내로 연료를 공급해주는 연료탱크가 유로로 연결되어 있으며, 상기 연료탱크로 공급된 연료가 연료펌프 내에 구비된 플런져에 의해 고압파이프에 송출되고 송출된 연료는 연료인젝터로 인해 엔진의 실린더로 연료를 분사하게 되는 구조로 구성되어 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예를 보인 정면예시도이고, 도 4 는 본 발 명에 따른 개별 연료 캠의 순차적 실시예를 보인 단면예시도이며, 도 5 는 본 발명에 따른 또 다른 응용 실시예를 보인 정면예시도이다.

도 3 및 도 4 를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다중연료분사장치는 각 실린더의 연소실마다 다수개의 연료인젝터(170)가 연료를 분사시켜주는 디젤기관에서, 엔진 크랭크축의 일측으로 연장 형성되어 구동되는 캠 축(100)과, 상기 캠 축(100)에 소정간격을 두고 각각 서로 다른 각도로 설치되어 캠 축(100)에 의해 회전되며 각각의 실린더에 설치되어 있는 연료펌프(130)들을 각각 구동시키는 다수의 연료 캠(110)과, 상기 각 연료 캠(110)에 의해 연동되도록 설치되어 각각의 연료 캠(110) 굴곡에 부응하여 서로 다른 시간 간격을 두고 구동되는 연료펌프(130)들과, 상기 각 연료펌프(130)를 통해 공급되는 연료를 하나의 연소실 내에 각각 소정의 시간차를 두고 분사시켜주는 다수개의 연료인젝터(170)로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 각 연료인젝터(170)와 상기 연료펌프(130)는 고압파이프(160)에 의해 일대일로 직접 연결하거나 도 5와 같이 연료를 수합, 분배하게 응용 구성할 수 있다.

상기 연료펌프(130)는 상기 연료 캠(110)의 굴곡에 의해 연동되는 피동절(120)과, 상기 피동절(120) 상부에 결합되되 상기 피동절(120)과 함께 연동되어 연료탱크로부터 연료를 공급받아 고압으로 배출하는 플런저(124)로 구성되어 있다.

상기 피동절(120)은 상기 연료 캠(110)의 주연부에 접동되어 회동되며 연료 캠(110)의 곡률에 부응하여 수직왕복이동시켜주는 롤러(121)와, 일단부는 롤러(121)를 구속하여 축지되고 하단부는 플런저(124)에 축지된 구성을 갖고 상기 롤러(121)를 통해 전달되는 연료 캠(110)의 회전 곡률에 부응하여 수직왕복운동하여 플런저(124)를 작동시키는 롤러가이드(122)와, 상기 롤러(121)가 상기 연료 캠(110)에 밀착되도록 상기 롤러가이드(122)를 탄성 지지하는 탄성부재로 구성되어 있다.

또한, 상기 연료펌프(130)들의 연료배출구(182)에는 압력상태에 따라 제어장치로 통솔되는 릴리프밸브(141)와, 유로(142)로 구성되어 과공급된 연료를 연료탱크로 돌려보내는 연료제어부(140)가 구비되어 있다.

또 다른 실시 예로써, 도 5 를 참조하면 상기 고압파이프(160) 상에 있는 상기 연료인젝터(170)의 연료출입부(171)에는 역류를 방지하는 논리턴밸브(181)를 각각 설치함과 동시에 상기 논리턴밸브(181)의 출구들을 하나의 관체를 통해 일체로 연결하여 각각의 연료인젝터(170)에 공통접속하게 하는 분배관(180)을 더 설치하여 구성되어 있다.

이하 본 발명의 실시 예에 의한 작용을 첨부도면과 연계하여 설명하면 다음과 같다.

도 3 과 도 4 에 도시된 바와 같이, 디젤엔진 크랭크 축에 연장되어 회전되는 캠 축(100)이 회전함에 따라 상기 캠 축(100)에 소정간격으로 구비되어 편심각도가 일정한 각도로 회전되어 연료캠이 설치되어 있다.

그로 인해 각 연동되어 구비된 연료펌프(130)들이 각각의 소정의 시간차를 두고 상기 연료인젝터(170)에 연료를 공급한다.

이는 엔진이 역방향으로 구동될 때도 각 실린더의 연소실에 구비된 개개의 연료인젝터(170)들이 하나씩 직접 연결된 개개의 연료펌프(130)들에 의해 연료가 분사할 수 있게 한다.

도 6 은 본 발명에 설치된 하트형태의 연료 캠(110)을 도시한 것으로,

디젤엔진의 정회전시 시계방향으로 회전하면 B 와 A 사이의 오목부에서 연료펌프(130)가 연료탱크에서 연료를 빨아들인 후, 연료분사 시작점 A 에서 연료분사를 시작하여 볼록부에서 연료펌프(130)가 상승하면 상기 연료인젝터(170)로 연료가 계속 분사되어 정회전시 연료분사 끝점인 A' 에서 연료분사를 멈춘다.

이와 반대로 역회전시 시계반대방향으로 회전하면 A 와 B 사이의 오목부에서 연료펌프(130)가 연료탱크에서 연료를 빨아들인 후, 다시 연료분사 시작점인 B 에서 연료분사를 시작하여 볼록부에서 연료펌프(130)가 상승하면 상기 연료인젝터(170)로 연료가 계속 분사되어 역회전시 연료분사 끝점인 B' 에서 연료분사를 멈춘다.

도 7 은 상기 연료 분사에 의해 실린더 내 연소실에 분사되는 연료분사형태 를 도시한 그래프로써,

위와 같이 다수개인 연료 캠(110)들의 구동이 순차적으로 일어남에 따라 한 회전 당 한 개의 연소실에 분사되는 연료분사량이 정회전시 일률적으로 분사되고 역회전시에는 도 7의 역회전 그래프처럼 분사형태를 이루는데, 이와 같은 분사형태는 별도의 보정장치가 없어도 좋은 엔진 성능을 나타낸다.

이는 도 8 에 도시된 바와 같이, 시간당 전체 연료분사량의 합이 일정한 양을 이루며 이는 역회전시에도 동일한 효과를 발휘한다.

또한, 상기 도 7의 역회전시 전체분사기간이 길어지는 단점이 있어 각 펌프의 연료 토출량을 조절하는 레귤레팅 샤프트 (Regulating shaft)를 구비 조정하여 펌프별 연료토출량을 아래 표 1과 같이 분사한다.

	정회전시	역회전시
1번 펌프 토출량	많이	적게
2번 펌프 토출량	보통	보통
3번 펌프 토출량	적게	많이

상기 표 1과 같이 하면 역회전시 도 9와 같이 정회전시와 분사형태가 거의 유사하게된다.

상기 레귤레팅 샤프트는 도 3 및 도 5에서와 같이, 상기 연료펌프 상단에 장착되되 상기 플런저에 반쯤 물린 원형막대기로써, 상기 레귤레팅 샤프트를 밀고 당김으로 상기 플런저를 축 방향으로 회전조절함으로써 상기연료펌프의 연료토출량을 시기에 따라 많고 적게 조절하여 분출하게 한다.

상기 레귤레팅 샤프트는 각 연료펌프마다 설치되어 상기 표 1과 같이 연료토출량을 조절함으로 역회전시에도 정회전시와 같은 동일한 효율이 나타나도록 한다.

또, 본 발명에 있어 상기 연료펌프(130)의 연료배출구(182)에는 릴리프밸브(141)가 연료탱크로 연결된 유로(142)를 통해 연료를 배출하는 연료제어부(140)가 구비되어 있는데 이는 비상시 연소실에 연료공급을 중단하여 엔진을 멈추게 하거나, 저부하시 원하는 펌프의 동작을 멈추게 하여 효율적인 엔진 운전을 가능하게 한다.

이는 상기 개개의 연료인젝터(170)가 상기 연료제어부(140)에 의해 단독 연료분사가 가능하다.

도 5 는 위와 같은 효과를 더 효과적으로 활용하기 위해 응용한 것으로,

상기 연료펌프(130)의 연료배출구(182)에서 배출된 연료가 상기 논리턴밸브(181)에 의해 역류가 방지되고 이와 동시에 각 논리턴밸브(181)에서 빠져나온 연료를 하나의 관체에 일체로 연결하여 연료를 모은 후 상기 분배관(180)을 통해 각 연료인젝터(170)로 공통접속하게 한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 연소실의 용량에 따라 2개 이상의 연료캠과 연료펌프를 두고, 연료캠은 그 분사시기를 결정하는 형상을 각기 다르게 두어 연소실 내 다양한 연료분사패턴에 가능하게 하고, 펌프의 선택적 운전을 통해 연소성능의 향상과 연비절감 및 배기가스 감소를 통해 전체적인 엔진의 성능향상을 이룰 수 있다. 또한 대용량의 연료펌프를 하나를 쓰는 대신 상대적으로 제작이 용이한 소용량의 연료펌프 여러 대를 사용하므로 엔진의 신뢰도를 높이고, 역회전 기능과 가변연료분사시기 조절 기능을 여러 개의 펌프에 의해 가능케 함으로써 별로의 부가장치를 없애고 궁극적으로 연료분사시스템 전체를 단순화시켜 단가의 절감을 이룰 수 있으며 신뢰성과 성능을 향상시켜 생산성을 크게 높이는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 각 실린더의 연소실마다 설치된 연료인젝터를 통해 연료를 분사시켜주는 디젤기관에 있어서,

   엔진 크랭크축의 일측으로 연장 형성되어 구동되는 캠 축과;

   하트형상을 갖고 상기 캠 축에 소정간격을 두고 각각 서로 다른 각도로 설치되어 캠 축에 의해 회전되며 각각의 실린더에 설치되어있는 연료펌프들을 각각 구동시키는 두 개의 연료 캠과;

   상기 각 연료 캠에 의해 연동되도록 설치되어 각각의 연료 캠 굴곡에 부응하여 서로 다른 시간 간격을 두고 구동되는 연료펌프들과;

   상기 각 연료펌프를 통해 공급되는 연료를 하나의 연소실 내에 각각 소정의 시간차를 두고 분사시켜주는 두 개의 연료인젝터;로 구성되되,

   상기 연료 인젝터의 연료출입부에는 역류를 방지하는 논리턴밸브가 설치되고, 상기 논리턴밸브의 출구들은 하나의 관체를 통해 일체로 연결되어 각각의 연료인젝터에 공통접속된 것을 특징으로 하는 다중연료분사장치를 가진 디젤기관.
5. 삭제
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 연료펌프들의 연료배출구에는 릴리프밸브와 유로가 설치되어 과공급된 연료를 연료탱크로 돌려보내도록 한 것을 특징으로 하는 다중연료분사장치를 가진 디젤기관.

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