KR101471167B1 - 디젤­가스 혼소 엔진의 연료공급장치 - Google Patents

디젤­가스 혼소 엔진의 연료공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 연료 및 가스 연료를 함께 사용하는 디젤-가스 혼소 엔진의 가스 연료를 공급하는 연료공급장치에 관한 것으로, 엔진의 연소실로 공기가 유입되는 흡기덕트와 흡기매니폴드 사이에 가스 연료를 분배하여 공급할 수 있는 어댑터를 설치하고, 어댑터에는 다수개의 인젝터 및 노즐을 설치하여, 가스 연료와 흡기 공기가 혼합된 혼합기를 엔진의 각 연소실로 균일하게 공급할 수 있는 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치에 관한 것이다.

Description

디젤­가스 혼소 엔진의 연료공급장치 {Fuel supply apparatus for diesel­gas dual fuel engine}
본 발명은 디젤 연료 및 가스 연료를 함께 사용하는 디젤-가스 혼소 엔진의 가스 연료를 공급하는 연료공급장치에 관한 것으로, 엔진의 연소실로 공기가 유입되는 흡기덕트와 흡기매니폴드 사이에 가스 연료를 분배하여 공급할 수 있는 어댑터를 설치하여, 가스 연료와 흡기 공기가 혼합된 혼합기를 엔진의 각 연소실로 균일하게 공급할 수 있는 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치에 관한 것이다.
최근 점차적인 원유의 고갈 및 배출가스 규제에 따라 친환경 연료를 사용하는 기술에 관한 연구가 진행되고 있다. 그리고 디젤엔진은 환경적인 측면에서 가솔린엔진 및 저탄소 연료(LNG, CNG, LPG, 수소 등) 엔진에 비해 배출가스의 배출량이 많으며, 경제적인 측면에서 저탄소 연료가 디젤 연료보다 저렴하기 때문에 환경적 및 경제적인 측면에서 불리한 점을 가지고 있다.
이에 따라, 디젤 엔진의 단점 극복하고 저탄소 연료를 혼합하여 사용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 특히 환경적 제반사항을 극복하고자 디젤 연료와 저탄소 연료를 혼합하여 사용하는 디젤연료-가스 혼소 엔진으로의 전환기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그리고 디젤연료-가스 혼소 엔진으로의 전환 기술은 디젤엔진의 시스템 변경 없이 가스 공급 시스템 및 제어 시스템만 추가 장착되어 디젤엔진의 연소 사이클을 그대로 적용하기 때문에 개조가 간단하며 가스 공급 시스템에 문제 발생 시 기존 디젤시스템으로 안정적인 주행이 가능하며 배출가스 제거 및 경제성에서 효율이 높은 장점을 가졌다.
이러한 디젤-가스 혼소 엔진은 도 1과 같이 디젤탱크(11), 연료필터(12), 고압펌프(13) 및 인젝터(15)를 통해 엔진(50)의 연소실로 디젤 연료를 분사하는 디젤공급부(10); 흡기관(30)으로 가스 연료를 공급하여 흡기관(30)에서 엔진(50)의 각 연소실로 공기와 가스 연료가 혼합된 혼합기가 공급되도록 하는 가스공급부(40); 및 디젤 연료와 가스 연료의 공급량을 제어하여 혼소율을 조절하는 제어부(20);를 포함하여 이루어진다.
이때, 가스 연료는 흡기관(30)에 연결된 가스 인젝터를 통해 흡기관 내로 분사되므로, 흡입되는 공기와 가스 연료가 혼합된 혼합기는 각 연소실로 고르게 분배되기 어려워 배출가스의 과다 생성, 이상연소, 후 연소(after fire) 및 엔진의 내구성 감소 등의 문제가 발생할 수 있다.
이와 관련된 종래 기술로는 한국공개특허(10-2009-0027810)인 "커먼레일 디젤엔진의 디젤 엘엔지 혼소 시스템"이 개시되어 있다.
KR 10-2009-0027810 A (2009.03.18.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진의 연소실로 공기가 유입되는 흡기덕트와 흡기매니폴드 사이에 가스 연료를 분배하여 공급할 수 있는 어댑터를 설치하고, 어댑터에는 다수개의 인젝터 및 노즐을 설치하여, 가스 연료와 흡기 공기가 혼합된 혼합기를 엔진의 각 연소실로 균일하게 공급할 수 있는 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치는, 흡기매니폴드와 흡기덕트 사이에 개재되며, 상기 흡기매니폴드와 흡기덕트가 연통되도록 하는 중공부가 형성되는 어댑터; 상기 어댑터에 장착되는 다수개의 가스 인젝터; 및 상기 어댑터에 설치되어 상기 가스 인젝터에서 토출되는 가스 연료를 흡기매니폴드 내부로 분사하는 다수개의 노즐; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 어댑터는 가스 인젝터들이 장착되는 장착홈이 형성되고, 상기 장착홈들이 연결되며 상기 가스 인젝터들의 유입구에 연결되는 공급 유로가 형성되며, 상기 장착홈에는 가스 인젝터의 토출구에 연결되며 노즐이 설치되는 배출 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 장착홈은 상기 공급 유로의 중심선 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 인젝터는 하측에 토출구가 형성되고 상기 토출구의 상측에 유입구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 어댑터는 흡기매니폴드 방향 측면에 배출 유로가 형성되고, 상기 배출 유로에 노즐이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 어댑터는 둘레에 다수개의 관통공이 형성되되, 상기 관통공은 흡기덕트와 흡기매니폴드가 결합되는 체결부에 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치는, 가스 연료와 흡기 공기가 혼합된 혼합기를 엔진의 각 연소실로 균일하게 분배할 수 있어 배출가스의 저감, 엔진의 효율 향상 및 엔진의 내구성이 향상되는 장점이 있다.
또한, 다수개의 인젝터 및 노즐이 장착된 어댑터를 흡기덕트와 흡기매니폴드 사이에 간단하게 설치하여 가스 연료의 분사 방식을 다중시점분사(MPI; Multi Point Injection) 방식으로 개조하기 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 디젤-가스 혼소 시스템을 나타낸 구성도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치를 나타낸 평면개략도, 측면단면도 및 정면도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 어댑터를 나타낸 정면단면도 및 상측평면도.
도 7은 본 발명에 따른 어댑터에 가스 인젝터가 장착된 단면 개략도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 가스 인젝터의 작동에 따른 가스 연료의 흐름을 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 어댑터, 가스 인젝터 및 노즐을 나타낸 측면단면도.
도 11은 본 발명에 따른 가스 인젝터를 나타낸 사시도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치를 나타낸 평면개략도, 측면단면도 및 정면도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 어댑터를 나타낸 정면단면도 및 상측평면도이며, 도 7은 본 발명에 따른 어댑터에 가스 인젝터가 장착된 단면 개략도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치(1000)는, 흡기매니폴드(200)와 흡기덕트(600) 사이에 개재되며, 상기 흡기매니폴드(200)와 흡기덕트(600)가 연통되도록 하는 중공부(340)가 형성되는 어댑터(300); 상기 어댑터(300)에 장착되는 다수개의 가스 인젝터(400); 및 상기 어댑터(300)에 설치되어 상기 가스 인젝터(400)에서 토출되는 가스 연료를 흡기매니폴드(200) 내부로 분사하는 다수개의 노즐(500); 을 포함하여 이루어진다.
우선, 본 발명에 따른 디젤-가스 혼소 엔진은 디젤 연료 및 가스 연료가 혼합되어 엔진(100)의 연소실(110) 내부에서 함께 연소되는 엔진이다. 이때, 디젤 연료는 디젤 연료펌프에 연결되는 디젤 유닛 인젝터를 통해 엔진(100)의 연소실(110)로 디젤 연료를 직접 분사할 수 있도록 구성될 수 있다. 그리고 가스 연료는 가스 연료탱크에 연결된 연료필터, 감압기, 차단 밸브 등을 거쳐 가스 인젝터(400)를 통해 가스 연료를 분사하여 흡입된 공기와 혼합되어 엔진(100)의 연소실(110)로 가스 연료를 분사할 수 있도록 구성된다.
여기에서 엔진(100)의 일측에는 흡기매니폴드(200)가 결합되고 흡기매니폴드(200)에는 흡기덕트(600)가 결합되어, 흡기덕트(600)에 형성된 흡기포트(620)를 통해 흡입되는 공기가 흡기덕트(600)로 유입되어 흡기매니폴드(200)를 거쳐 각각의 연소실(110)로 분배되도록 구성된다.
그리고 어댑터(300)는 흡기매니폴드(200)와 흡기덕트(600) 사이에 개재되어 밀착된다. 이때, 어댑터(300)에는 흡기매니폴드(200)와 흡기덕트(600)가 연통되도록 하는 중공부(340)가 형성된다. 즉, 흡기덕트(600)로 유입된 공기가 어댑터(300)의 중공부(340)를 통해 흡기매니폴드(200)로 유동되도록 구성되며, 중공부(340)는 흡기덕트(600) 및 흡기매니폴드(200) 내부의 공기가 유동되는 공간에 대응되도록 길이 방향으로 길게 형성될 수 있다.
가스 인젝터(400)는 공급되는 가스 연료를 조절하여 토출하는 역할을 하며, 다수개의 가스 인젝터(400)가 어댑터(300)에 장착된다.
노즐(500)은 어댑터(300)에 설치되어 각각의 가스 인젝터(400)에서 토출되는 가스 연료를 흡기매니폴드(200) 내부로 분사한다. 이때, 하나의 가스 인젝터(400)에 하나의 노즐(500)이 연결되며, 노즐(500)은 흡기매니폴드(200) 내부에 배치되어 일측이 어댑터(300)에 결합되고 타측은 각각의 연소실(110)을 향하도록 형성된다. 그리하여 각각의 가스 인젝터(400)에서 토출되는 가스 연료가 연결된 노즐(500)을 통해 분사되어 해당 연소실(110)로 각각 가스 연료를 분사할 수 있도록 구성되어, 분사되는 가스 연료는 흡기매니폴드(200)에서 공기와 혼합되어 연소실(110)로 혼합기가 공급될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치는, 가스 연료와 흡기 공기가 혼합된 혼합기를 엔진의 각 연소실로 균일하게 분배할 수 있어 배출가스의 저감, 엔진의 효율 향상 및 엔진의 내구성이 향상되는 장점이 있다. 또한, 다수개의 인젝터 및 노즐이 장착된 어댑터를 흡기덕트와 흡기매니폴드 사이에 간단하게 설치하여 가스 연료의 분사 방식을 다중시점분사(MPI; Multi Point Injection) 방식으로 개조하기 용이한 장점이 있다.
또한, 상기 어댑터(300)는 가스 인젝터(400)들이 장착되는 장착홈(330)이 형성되고, 상기 장착홈(330)들이 연결되며 상기 가스 인젝터(400)들의 유입구(410)에 연결되는 공급 유로(310)가 형성되며, 상기 장착홈(330)에는 가스 인젝터(400)의 토출구(420)에 연결되며 노즐(500)이 설치되는 배출 유로(320)가 형성될 수 있다.
이는 도 5 내지 도 7과 같이 어댑터(300)에 다수개의 가스 인젝터(400)들이 삽입되어 장착될 수 있도록 장착홈(330)이 형성되고, 장착홈(330)들이 연결되도록 가스 연료가 공급되는 공급 유로(310)가 형성되되 하나의 공급 유로(310)를 통해 다수개의 가스 인젝터(400)로 가스 연료가 공급될 수 있도록 연결되는 것이며, 장착홈(330)에 배출 유로(320)가 각각 형성되는 것이다. 그리하여 어댑터(300)의 장착홈(330)들에 가스 인젝터(400)가 각각 삽입되어 장착되면, 공급 유로(310)로 공급된 가스 연료가 각각의 가스 인젝터(400)에 형성된 유입구(410)로 유입되어 토출구(420)를 통해 토출되어 배출 유로(320)를 거쳐 노즐(500)들을 통해 분사될 수 있다.
즉, 어댑터(300)에 가스 연료의 공급을 위한 공급 유로(310), 배출을 위한 배출 유로(320) 및 가스 인젝터(400)의 장착을 위한 장착홈(330)이 형성되어, 가스 인젝터(400)들을 어댑터(300)의 장착홈(330)에 장착하면 공급 유로(310)와 가스 인젝터(400)의 유입구(410)가 연결되고 가스 인젝터(400)의 토출구(420)는 배출 유로(320)와 연결되어 흡기매니폴드(200) 내부로 가스 연료를 분사할 수 있도록 용이하게 구성될 수 있다. 다시 말하면 가스 연료의 유입 및 토출을 위한 유로의 연결을 위해 어댑터 외부에 별도의 튜브를 형성하지 않을 수 있어 간단하게 유로를 구성할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 장착홈(330)은 상기 공급 유로(310)의 중심선 상에 형성될 수 있다. 즉, 도 6과 같이 공급 유로(310)의 중심선 상에 장착홈(330)들이 형성되어 공급 유로(310)와 가스 인젝터(400)의 유입구(410)가 연결되기 용이하며, 어댑터(300)의 두께를 얇게 형성할 수 있어 흡기매니폴드(200)와 흡기덕트(600) 사이에 어댑터(300)를 개재하여 결합하기 용이한 장점이 있다.
여기에서 공급 유로(310)는 장착홈(330)에 삽입되어 장착된 가스 인젝터(400)의 한 쌍의 실링부재 사이의 공간 및 가스 인젝터(400)의 유입구(410)를 통해 다수개의 가스 인젝터(400)로 가스 연료가 공급되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 가스 인젝터(400)는 하측에 토출구(420)가 형성되고 상기 토출구(420)의 상측에 유입구(410)가 형성될 수 있다.
즉, 도 7 내지 도 11과 같이 가스 인젝터(400)가 어댑터(300)의 장착홈(330)에 삽입되는 부분의 측면에 유입구(410)가 형성되고 유입구(410)가 형성된 하측에 토출구(420)가 형성되어, 토출구(420)에 설치되는 노즐(500)이 공기가 유동되는 중공부(340)에 가깝게 배치될 수 있어 공기의 유동방향과 나란하게 노즐(500)이 형성될 수 있고, 노즐(500)이 흡기매니폴드(200) 내부에 배치되기 용이하며, 공기가 유동되는 중공부(340)를 크게 형성할 수 있어 공기의 유동저항을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 어댑터(300)는 흡기매니폴드(200) 방향 측면에 배출 유로(320)가 형성되고, 상기 배출 유로(320)에 노즐(500)이 설치될 수 있다.
즉, 도 3 및 도 10과 같이 배출 유로(320)가 어댑터(300)의 흡기매니폴드(200) 방향 측면에 형성됨으로써, 흡기덕트(600)를 통해 흡기매니폴드(200)로 유동되는 공기의 유동저항을 줄일 수 있으며, 노즐(500)을 연소실(110) 방향으로 직선 형태로 형성할 수 있으므로 노즐의 형상을 단순하게 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 어댑터(300)는 둘레에 다수개의 관통공(350)이 형성되되, 상기 관통공(350)은 흡기덕트(600)와 흡기매니폴드(200)가 결합되는 체결부(610, 210)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
이는 도 3 내지 도 5와 같이 흡기매니폴드(200)와 흡기덕트(600) 사이에 어댑터(300)를 개재하여 결합할 때, 체결수단이 흡기덕트(600)의 체결부(610)와 어댑터(300)의 관통공(350)을 관통하여 흡기매니폴드(200)의 체결부(210)에 체결되어 결합되도록 하는 구성이며, 어댑터(300)의 두께에 따라 체결수단의 길이를 선정하여 쉽게 흡기덕트(600), 어댑터(300) 및 흡기매니폴드(200)를 결합할 수 있다. 이때, 흡기매니폴드(200)와 어댑터(300)가 결합되는 면에는 가스켓을 도포 또는 개재하여 기밀이 유지되도록 하고, 마찬가지로 어댑터(300)와 흡기덕트(600) 사이에도 가스켓을 도포 또는 개재하여 기밀이 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 가스 인젝터(400)는 외주면에 고정홈이 형성되고 어댑터(300)에는 나사산 형태의 고정부가 형성되어, 별도의 고정 플레이트에 의해 가스 인젝터(400)가 어댑터(300)에 결합되어 고정될 수 있다. 즉, 도 7과 같이 가스 인젝터(400)를 장착홈(330)에 삽입한 후 가스 인젝터(400)의 고정홈에 고정 플레이트의 일측이 삽입되도록 하고 타측에 체결수단을 이용하여 어댑터(300)의 고정부에 고정되도록 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 엔진 110 : 연소실
200 : 흡기매니폴드 210 : 체결부
300 : 어댑터
310 : 공급 유로 320 : 배출 유로
330 : 장착홈 340 : 중공부
350 : 관통공
400 : 가스 인젝터
410 : 유입구 420 : 토출구
500 : 노즐
600 : 흡기덕트 610 : 체결부
620 : 흡기포트

Claims (6)

  1. 흡기매니폴드와 흡기덕트 사이에 개재되며, 상기 흡기매니폴드와 흡기덕트가 연통되도록 하는 중공부가 형성되는 어댑터;
    상기 어댑터에 장착되는 다수개의 가스 인젝터; 및
    상기 어댑터에 설치되어 상기 가스 인젝터에서 토출되는 가스 연료를 흡기매니폴드 내부로 분사하는 다수개의 노즐; 을 포함하여 이루어지며,
    상기 어댑터는 가스 인젝터들이 장착되는 장착홈이 형성되고, 상기 장착홈들이 연결되며 상기 가스 인젝터들의 유입구에 연결되는 공급 유로가 형성되며, 상기 장착홈에는 가스 인젝터의 토출구에 연결되며 노즐이 설치되는 배출 유로가 형성되며,
    상기 가스 인젝터는 하측에 토출구가 형성되고 상기 토출구의 상측에 유입구가 형성되되, 가스 인젝터가 어댑터의 장착홈에 삽입되는 부분의 측면에 유입구가 형성되고, 유입구가 형성된 하측에 토출구가 형성되어,
    상기 가스 인젝터들을 어댑터의 장착홈에 장착하면 공급 유로와 가스 인젝터의 유입구가 연결되고 가스 인젝터의 토출구는 배출 유로와 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장착홈은 상기 공급 유로의 중심선 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 어댑터는 흡기매니폴드 방향 측면에 배출 유로가 형성되고, 상기 배출 유로에 노즐이 설치되는 것을 특징으로 하는 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 어댑터는 둘레에 다수개의 관통공이 형성되되, 상기 관통공은 흡기덕트와 흡기매니폴드가 결합되는 체결부에 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤-가스 혼소 엔진의 연료공급장치.
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