KR20010008168A - 물혼합연료용 디젤기관의 물혼합장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 물혼합연료용 디젤기관의 물혼합장치에 관한 것으로서, 분사펌프(6)에서 가압되는 유압을 이용하여 물을 공급하고 고속와류의 상호충돌을 이용하여 물과 오일을 혼합하며 분사밸브입구에 직접부착하는 장치로서, 물혼합연료를 분사펌프 전에서 공급하는 종래시스템의 경우와 비교할 때 (a)물의 재결합 방지를 위하여 첨가하는 유화제를 사용하지 않으며 (b)분사공급계통에 물혼합에 의한 부식과 윤활 등의 문제가 없으며 (c)분사펌프에서 공급하는 오일을 전부 연소실에 공급함으로서 물공급에 의한 출력감소가 없고 (d)분사밸브입구에서 물을 공급하기 때문에 엔진조건변동에 물혼합율을 신속하게 제어할 수 있어 산업용, 박용뿐아니고 부하변동이 심한 자동차용으로도 적용이 가능한 것을 특징으로 함에 따라, 출력과 연비를 저하시키지 않으면서 질소산화물과 매연미립자의 배출을 감소시켜 디젤기관에 의한 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

Description

물혼합연료용 디젤기관의 물혼합장치{WATER MIXING UNIT OF DIESEL ENGINE USING WATER/OIL EMULSIFIED FUEL}

본 발명은 물혼합연료용 디젤기관의 물혼합장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력과 연비를 저하시키지 않으면서 질소산화물과 매연미립자의 배출을 감소시켜 디젤 차량에 의한 환경오염을 방지하는 물혼합연료용 디젤기관의 물혼합장치에 관한 것이다.

일반적으로 대마력화가 가능한 디젤기관은 효율성, 내구성, 신뢰성이 우수하기 때문에 선박용, 산업용 및 대형 자동차용으로 넓게 사용되고 있으며, 기술개발에 의한 효율향상 및 저렴한 연료비에 기인한 경제성 때문에 소형차량에도 적용되는 사례가 늘어가고 있다.

그러나 환경에 관한 사회적 관심사가 증대되면서 질소산화물과 매연미립자의 배출이 많은 디젤기관에 대한 사회적 인식이 악화되고 있고 이에 따라 각국에서는 디젤기관에 의한 배기규제를 강화하게 되는 바 디젤 배출물의 저감대책이 긴급하게 요구되고 있다.

디젤기관의 주요 유독배출물은 질소산화물과 매연미립자이며 디젤기관의 저공해 기술개발도 이러한 배출물의 저감에 중점을 두고 있다. 질소산화물은 산소가 충분하며 고온인 상태에서 발생하기 때문에 저감을 위해서는 연소를 억제하고 연소 실내의 온도를 감소함이 요구되는데 분사시기지연기술, 배기재순환기술(EGR)과 물 분사기술이 주로 사용되고 있다. 분사시기지연기술은 연료가 분사되는 시점을 지연시켜 예연소를 억제하여 연소온도를 낮게 하는 기술로 쉽게 조절이 가능하지만 연비의 저하와 매연미립자의 배출이 증대되는 문제가 있으며 배기재순환기술과 물분사기술 역시 질소산화물 저감을 위하여 연소실 온도를 낮게 유지하기 때문에 연비의 저하와 매연미립자 배출이 증가하는 단점이 있다. 반대로 매연미립자를 줄이기 위한 대부분의 엔진기술은 연소활성화를 위하여 연소실내의 온도를 상승시키기 때문에 질소산화물 배출을 증가시키는 문제가 있다. 즉, 디젤기관에서 질소산화물과 매연미립자를 저감하기 위한 기술은 서로 상반된 특성을 가지고 있기 때문에 기존의 기술로써는 어려움이 있으며 동시저감을 위한 새로운 기술의 개발이 필요하다.

물혼합 에멀젼기술은 질소산화물과 매연미립자를 동시에 저감하는 기술로서 받아 드려지고 있는 데, 종래의 기술은 모터와 믹서를 이용하여 물과 기름을 혼합하고 이를 분사펌프(6)에 공급하는 시스템이다. 따라서 물혼합연료를 공급하기 위해서는 분사펌프(6)에서 분사기(5)까지 긴 거리를 오랜 시간 동안 지나게되며 이에 따른 주요한 문제는 다음과 같이 정리된다. (a)물액적의 재결합을 방지하기 위하여 유화제를 첨가하여야하며 (b)물혼합연료가 지나는 모든 통로에 부식과 윤활 등의 문제가 있으며 (c)혼합된 물의 양 만큼 기름이 적게 공급되기 때문에 전부하(full load) 운전시에 출력저하를 피할 수 없으며 (d)엔진부하변동에 따른 물혼합율 제어를 신속하게 할 수 없는 문제가 있기 때문에 실용화되는 경우가 극히 부족한 상태이다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 종래기술의 상기 네 가지 문제점을 해결하면서 출력과 연비를 저하시키지 않고 질소산화물과 매연미립자의 배출을 감소시켜 디젤기관에 의한 환경오염을 방지하는 물혼합연료용 디젤기관의 물혼합장치를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 혼합장치를 장착한 디젤기관의 연료공급 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 물혼합장치의 내부를 확대하여 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명의 니들(16)에 미치는 압력과 스프링력에 대한 설명도,

도 4는 본 발명의 오일과 물의 분사압력관계를 나타내는 설명도,

도 5는 본 발명의 물공급 방법을 전자밸브를 이용하는 혼합장치의 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1 : 물탱크 2 : 물펌프

4 : 혼합장치 5 : 연료분사기

6 : 분사펌프 7 : 연료펌프

10 : 연료오일탱크 11 : 혼합부

12 : 물공급부 15 : 인젝터캡

17 : 연결유니트

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 분사펌프(6)에서 고압화된 연료오일의 압력에 의하여 물을 공급하고 혼합기내에서 와류의 발생에 의하여 자연적으로 혼합되도록 함으로서 소형화하여 연료분사기입구에 직접부착할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 혼합장치를 장착한 디젤기관의 연료공급 흐름도가 도시된다.

연료탱크(10)에 있는 연료오일이 연료펌프(7)에 의하여 분사펌프(6)에 공급되고 분사펌프(6)에서 고압화된 연료오일은 물혼합장치(4)에 들어가는 데, 동시에 오일의 고압력을 이용하여 물탱크(1)에 저장된 물이 물펌프(2)와 필터(3)을 통하여 혼합장치(4)에 공급된다. 혼합장치(4)에서 4차에 걸친 자연혼합을 수행한 물혼합연료는 분사기(5)에 공급되고 연소실에 분사된다.

본 발명의 핵심부분인 물혼합장치(4)를 도 2와 함께 상세하게 설명한다. 분사펌프(6)에서 고압화된 연료오일은 혼합부(11)와 물공급부(12)로 동시에 공급된다. 혼합부(11)에 공급된 오일은 스프링(13)의 힘으로 받치고 있는 볼(14)이 밀리면서 인젝터캡(15)의 구멍을 통과하게된다. 한편, 물공급부(12)로 공급된 고압의 오일은 니들(16)을 밀어 니들(16) 아래의 물을 압출하여 혼합부(11)로 압송하게 되면, 고압의 물이 연결유니트(17)의 외부 나선형의 안내홈을 따라 강력히 선회하면서 인젝터캡(15)을 통과하는데, 이때 혼합부(11)에서 공급되는 오일과 일차적으로 충돌 혼합된다. 일차 혼합된 오일은 혼합부(11) 아래부에 있는 세 개의 나선형홀을 통과하게되는데 나선형홀사이에는 적정간격을 두어서 혼합연료의 회전과 혼합을 반복할 수 있도록 함으로서 모터에 의한 강제적인 혼합방법을 사용하지 않고도 충분히 정도가 높은 물혼합연료를 얻게된다. 이 혼합연료는 분사기(5)를 통하여 연소실에 분사된다.

도 3은 니들(16)의 설계를 위한 압력과 스프링(18)력에 대한 설명도이다. 니들(16)이 물을 혼합부(11)에 공급하기 위해서는 공급부(11)의 오일압력보다 높은 압력으로 공급되어야하고 물의 공급이 끝나면 오일의 잔류압력을 이기고 니들(16)이 원래의 위치로 되돌아 가야하며 동시에 적정한 물압출 압력을 가져야한다. 따라서 니들스프링(18)의 압축력(F_s)는 다음 식에 의하여 주어진다.

F_s=P_w(A₁-A₂) and P₂A₂〈 F_s〈 P₁(A₁-A₂)

여기서 P_w는 물공급시작압력, P₁과 P₂는 오일이 니들(16)에 미치는 압력으로 각각 분사중의 압력과 분사후 잔류압력을 나타내며 A₁과 A₂는 각각 니들(16)의 오일측과 물측의 접촉면적을 나타낸다. 이때 면적비는 다음 식으로 주어진다.

도 4는 본 발명의 오일과 물의 분사압력관계를 나타내는 설명도이다. 분사펌프(6)가 작동되면 혼합장치(4)에 들어오는 오일의 압력이 엔진의 부하에 따라 달라지는데, 고부하에서는 도 4의 위의 압력선도(full)과 같이 최고압력이 높이 올라가며, 저부하의 경우에는 도 4의 아래 압력선도(idle)와 같이 낮은 압력을 유지한다. 이러한 특성을 이용하여 스프링압력을 적절히 유지함으로서 물공급압력을 조절하여 고부하영역에서만 물을 혼합할 수 있도록함으로서, 고부하에서 주로 배출되는 디젤기관의 질소산화물과 매연미립자를 동시에 저감할 수 있도록 한다. 또한 오일의 분사는 물이 공급되기전에 시작하고 물이 공급되어 혼합연료가 분사된 후에 종료함으로서 분사기내에는 항상 오일만이 존재할 수 있도록 하여 물에 의한 부식 등의 문제를 제거할 수 있다. 물공급시작압력(P_w)의 조절은 스프링력 조정볼트(20)로 조절하는데 이는 엔진조건에 따라 자동조절도 가능하다. 물공급이 끝나면 압축된 스프링(18)이 니들(16)을 밀어 올리면서 외부에서 물을 흡입하게된다. 이를 위하여 체크밸브(19)가 있어 혼합부에서의 물의 역류를 방지한다. 따라서 오일의 분사압력 커브는 전부하(full load)에서 점선과 같이 바뀌게 되면서 분사펌프(6)에서 공급된 모든 연료오일이 분사된다.

물혼합 에멀젼연료기술은 질소산화물과 매연미립자를 동시에 저감할 수 있는 대표적인 기술로서, 각종 연구발표에 의하면 에멀젼연료가 두 가지 배출물을 동시에 효과적으로 저감하는 것으로 주장하고 있지만 실용화되지 않고 있다.

이는 종래의 장치가 물과 연료를 기관외부에서 혼합하여 공급하기 때문인데, 앞에서 지적한 4가지의 주요 문제가 발생하게된다.

본 발명에 따르면 연료펌프(6)에서 공급되는 오일의 압력을 이용하고 자연혼합에 의하여 물을 고정도로 혼합하는 물혼합장치(4)를 부사기에 직접부착하는 장치이다.

전술한 바와 같은 수분에 의한 부식·마모, 출력저하 및 엔진의 불안정·정지 문제를 해결하기 위해서는 물과 연료의 혼합위치를 분사기(5)와 최대한 가까이 위치시켜야 하며 연료와 물의 공급계통을 분리하여야 한다. 본 고안에서는 분사기(5) 직전에 물과 연료오일을 혼합함으로서 부식방지와 함께 신속한 물혼합율의 조절이 가능하여 선박용, 산업용, 차량용 등의 디젤엔진이 환경친화적인 동력원으로 사용될 수 있게 된다.

이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 물혼합연료용 디젤기관의 물혼합장치는 출력과 연비를 저하시키지 않으면서 질소산화물과 매연미립자의 배출을 감소시켜 디젤기관에 의한 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 물을 혼합장치(4)에 공급하는 물공급부(12)와 고압으로 공급되는 물과 오일을 와유동을 이용하여 혼합하는 혼합부(11)로 이루어진 물혼합장치에 있어서;

   분사펌프(6)에서 압출된 연료오일의 압력과 스프링(18)을 이용하여 니들(16)을 왕복운동함으로서 물을 혼합부(11)에 공급하는 물혼합장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 물 공급을 분사펌프(6)에서 압출된 연료오일의 압력을 이용하는 대신에 도 5와 같이 전자밸브를 이용하는 것을 특징으로 하는 물혼합장치.