KR20010086423A

KR20010086423A - 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진

Info

Publication number: KR20010086423A
Application number: KR1020010047011A
Authority: KR
Inventors: 이신재
Original assignee: 이신재
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2001-09-12

Abstract

본 발명은 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디젤엔진에 설치된 각 실린더의 폭발행정시 물과 연료를 교대로 분사시켜, 연료의 연소과정에서 발생한 실린더 내부의 고열을 다음에 분사되는 물의 기화에 이용함으로서, 물이 증기로 기화되면서 발생하는 부피팽창력으로 크랭크축을 회전시키도록 함과 동시에 별도의 냉각장치를 사용하지 않더라도 물의 기화열에 의하여 엔진의 냉각기능을 수행할 수 있도록 한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진에 관한 것이다.

본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진은, 엔진의 본체를 이루는 실린더블록(10a)의 상부에는 실린더(1~4)와 피스톤(5)이 내부에 구비되는 실린더헤드(10b)가 설치되고, 상기 실린더블록(10a)의 일측에는 크랭크축(7)에 의한 밸브캠축(8)의 구동을 위하여 크랭크기어(71)와 캠기어(83)가 치합되는 기어박스(10c)가 설치되고, 상기 실린더블록(10a)의 전방측에는 타이머(14)와 조속기(15)에 의하여 컨트롤되는 연료분사펌프(20)가 실린더헤드(10b)측의 연료분사노즐(51~54)과 연결 설치되며, 상기 연료분사펌프(20)는 연료필터(22)와 연료공급펌프(21)를 거쳐 연료탱크(23)와 연결 설치된 것에 있어서, 상기 연료분사펌프(20)의 일측에는 타이머(14)와 조속기(15)에 의하여 연료분사펌프(20)와 함께 콘트롤되고, 필터(32)와 물공급펌프(31)를 거쳐 물탱크(33)와 연결되는 물분사펌프(30)가 설치되고, 상기 물분사펌프(30)는 실린더헤드(10b)측에서 연료분사노즐(51~54)과 함께 각 실린더(1~4)의 내부로 관통되는 물분사노즐(41~44)과 연결 설치되며, 상기의 기어박스(10c)에는 캠기어(83)와 함께 밸브캠축(8)에 연결된 아이들기어(84)에 치합되어 크랭크기어(71)와 4 : 1의 비율로 회전하는 캠기어(95)가 분사캠축(9)에 연결 설치되고, 상기 분사캠축(9)에는 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30) 내부의 롤러태핏(9a)(90a)과 접촉하여 실린더(1~4)의 내부로 물과 연료를 교대로 분사시키는 연료분사캠(91~94)과 물분사캠(901~904)이 설치되며, 상기의 실린더블록(10a)에는 실린더헤드(10b)에 설치된 온도감지센서(61)와 연결되어 연료공급펌프(21)와 물공급펌프(31)로의 유입유량을 제어하는 유량제어밸브(62)가 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

물과 연료의 교대분사식 디젤엔진{Diesel engine with alternative injection type of water and fuel}

일반적으로 디젤엔진은 가솔린보다 기화성이 나쁘고 기화기에서 쉽게 기화시킬 수 없는 석유연료인 등유나 경유 또는 중유 등을 사용하는 왕복운동형 내연기관으로서, 실린더블록과 실린더헤드가 엔진의 몸체를 이루고, 피스톤, 크랭크축, 커넥팅로드, 플라이휘일 등으로 이루어지는 크랭크 기구와, 혼합공기의 유입과 연소가스의 배출을 위하여 흡,배기밸브, 로커암, 캠축, 캠기어, 크랭크기어 등으로 이루어지는 밸브기구가 실린더블록의 내부에 설치되며, 실린더의 연소실에 연료를 분사시키기 위한 분사기구로서 연료탱크, 연료공급펌프, 연료분사펌프, 연료분사노즐이 실린더 블록의 외부에 설치된 구성으로 이루어지며, 엔진의 출력에 따라 연료분사시기와 연료분사량을 컨트롤하기 위한 타이머와 조속기가 상기한 연료분사펌프와 연결되어 설치된다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 디젤엔진은 흡기밸브를 통하여 실린더 내부로 혼합공기를 흡입시키는 흡입행정과, 실린더의 내부로 흡입된 혼합공기를 용적비로 약 20배 정도 압축시킴으로서 혼합공기의 온도를 500∼700℃까지 상승시키는 압축행정과, 고온고압의 압축공기가 형성된 실린더의 연소실 내부로 연료를 분사시켜 연료를 자연발화시키는 폭발행정과, 실린더 내부의 연소가스를 배기밸브를 통하여 외부로 배출시키는 배기행정의 4행정 사이클이 피스톤의 왕복운동에 의하여 반복됨으로서 엔진이 작동되며, 엔진의 출력은 연료분사노즐을 통하여 연소실의 내부로 분사되는 연료의 량에 의하여 조절된다.

그러나, 상기와 같은 일반적인 디젤엔진은 연료의 연소과정에서 발생하는 고열에 의하여 엔진의 온도가 지속적으로 상승하기 때문에, 엔진이 과열되는 것을 방지하기 위하여 순환펌프와 라디에이터(Radiator) 및 온도조정기로 이루어지는 냉각장치와 냉각팬 등이 부가적으로 설치되어야 하는 문제점이 있었으며, 상기한 냉각장치로부터 냉각수나 냉각유를 실린더블록과 실린더헤드로 순환시키기 위하여 실린더블록과 실린더헤드 내부에 매우 복잡한 구조의 유로나 배관을 형성시켜야 하는 문제점이 있었다.

또한, 디젤엔진에 설치된 각 실린더의 폭발행정시마다 화석연료만을 분사시켜 동력을 얻어야 하기 때문에 화석연료의 낭비를 가져오게 될 뿐만 아니라, 화석연료의 연소에 따른 배기가스로 인하여 환경오염을 가중시키는 문제점이 있었으며, 연료의 연소과정에서 발생하는 높은 열에너지를 방열에 의하여 소비하게 됨으로서 에너지의 효율적인 사용측면에서도 바람직하지 못한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진은 각 실린더의 폭발행정시 물과 연료를 교대로 분사시켜, 연료의 연소과정에서 발생한 실린더 내부의 고열을 다음에 분사되는 물의 기화에 이용함으로서, 물이 증기로 기화되면서 발생하는 부피팽창력으로 크랭크축을 회전시키도록 함과 동시에 별도의 냉각장치를 사용하지 않더라도 물의 기화열에 의하여 엔진의 냉각기능을 수행할 수 있도록 하는 것을 본 발명의 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 타이머와 조속기에 의하여 연료분사펌프와 함께 콘트롤되고, 필터와 물공급펌프를 거쳐 물탱크와 연결되는 물분사펌프가 연료분사펌프와 함께 실린더블록의 외측에 설치되고, 상기의 물분사펌프는 실린더헤드 측에서 연료분사노즐과 함께 각 실린더의 내부로 관통되는 물분사노즐과 연결 설치되며, 상기 실린더블록 일측의 기어박스에는 캠기어와 함께 밸브캠축에 연결된 아이들기어에 치합되어 크랭크기어와 4 : 1의 비율로 회전하는 캠기어가 분사캠축에 연결 설치되고, 상기 분사캠축에는 연료분사펌프와 물분사펌프 내부의 롤러태핏과 접촉하여 실린더의 내부로 물과 연료를 교대로 분사시키는 연료분사캠과 물분사캠이 설치되며, 상기의 실린더블록에는 실린더헤드에 설치된 온도감지센서와 연결되어 연료공급펌프와 물공급펌프로의 유입유량을 제어하는 유량제어밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진을 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 디젤엔진에서 물과 연료의 분사계통을 나타내는 배관도.

도 3은 본 발명에 의한 디젤엔진에서 물과 연료의 교대분사를 위한 캠 구동기구를 나타내는 장치도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 ~ 4 : 제 1 ~ 제 4실린더 5 : 피스톤 6 : 커넥팅로드

7 : 크랭크축 8 : 밸브캠축 9 : 분사캠축

9a, 90a : 롤러태핏 10 : 디젤엔진 10a : 실린더블록

10b : 실린더 헤드 10c : 기어박스 11 : 구동풀리

12 : 발전기 14 : 타이머 15 : 조속기

16 : 플라이휘일 20 : 연료분사펌프 21 : 연료공급펌프

]22 : 연료필터 23 : 연료탱크 30 : 물분사펌프

31 : 물공급펌프 32 : 필터 33 : 물탱크

41 ~ 44 : 제 1 ~ 제 4물분사노즐 41a ~ 44a : 제 1 ~ 제 4물분사구

51 ~ 54 : 제 1 ~ 제 4연료분사노즐 51a ~ 54a : 제 1 ~ 제 4연료분사구

61 : 온도감지센서 62 : 유량제어밸브 63 : 배관

71 : 크랭크 기어 81 : 흡기밸브 캠 81a : 흡기밸브 플랜저

82: 배기밸브 캠 82a : 배기밸브 플랜저 83 : 캠기어

84 : 아이들 기어 91 ~ 94 : 제 1 ~ 제 4연료분사캠

95 : 캠기어 901 ~ 904 : 제 1 ~ 제 4물분사캠

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하며, 본 발명의 상세한 설명에서는 디젤엔진의 내부에 4개의 실린더가 설치된 4기통 디젤엔진을 하나의 실시예로 하여, 그 구성과 작용관계에 대하여 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 디젤엔진에서 물과 연료의 분사계통을 나타내는 배관도이고, 도 3은 본 발명에 의한 디젤엔진에서 물과 연료의 교대분사를 위한 캠 구동기구를 나타내는 장치도이며, 도면 중 미설명 부호 11a는 벨트, 13은 기동전동기, 15a는 컨트롤레버, 24,34 및 26, 36은 공급라인, 25 및 35는 여과라인, 27 및 37은 분사라인, 28 및 38은 리턴라인, 29 및 39는 오버플로우라인을 나타내는 것이다.

본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 디젤엔진(10)의 본체를 이루는 실린더블록(10a)의 상부에는 실린더와피스톤이 내부에 구비되는 실린더헤드(10b)가 설치되고, 상기 실린더블록(10a)의 일측에는 피스톤의 왕복운동에 의한 크랭크축의 회전을 흡,배기밸브의 작동을 위한 밸브캠축과 분사노즐(41~44)(51~54)의 작동을 위한 분사캠축에 전달시키기 위하여 크랭크기어와 캠기어가 치합되는 기어박스(10c)가 설치되고, 상기 기어박스(10c)의 일측에는 크랭크축과 연결되어 회전하는 구동풀리(11)가 벨트(11a)에 의하여 발전기(12)와 연결되도록 설치된다.

그리고, 상기 실린더블록(10a)의 전방측에는 타이머(14; Injection timer)와 조속기(15; Governer)에 의하여 연료분사시기와 연료분사량이 컨트롤되는 연료분사펌프(20)가 설치되며, 상기의 연료분사펌프(20)는 배관에 의하여 연료필터(22)와 연료공급펌프(21)를 거쳐 연료탱크와 연결 설치되고, 상기 연료분사펌프(20)의 상부측으로 돌출 형성된 4개의 연료분사구(51a~54a)는 실린더헤드(10b)측에서 각 실린더의 연소실 내부로 관통되는 4개의 연료분사노즐(51~54)과 배관에 의하여 연결 설치된다.

그리고, 상기 연료분사펌프(20)의 일측에는 타이머(14)와 조속기(15)에 의하여 연료분사펌프(20)와 함께 콘트롤되는 물분사펌프(30)가 연료분사펌프(20)와 나란히 설치되며, 상기의 물분사펌프(30)는 배관에 의하여 필터(32)와 물공급펌프(31)를 거쳐 물탱크와 연결 설치되고, 상기 물분사펌프(30)의 상부측에 형성된 4개의 물분사구(41a~44a)는 실린더헤드(10b)측에서 연료분사노즐(51~54)과 함께 각 실린더의 연소실 내부로 관통되는 4개의 물분사노즐(41~44)과 배관에 의하여 연결 설치되어 있다.

상기한 타이머(14)는 디젤엔진(10)의 회전속도 상승시에 연료의 분사지연과 착화지연을 보상하기 위하여 고압연료의 송출개시점을 진각시키는 역할을 하는 것으로서, 대표적인 예로는 디젤엔진(10)의 회전속도가 상승함에 따라 2개의 원심추가 원심력에 의하여 외측방향으로 벌어지게 됨과 동시에 분사기시가 진각되는 방향으로 타이머-디스크를 회전시킴으로서, 타이머-디스크에 고정된 허브와, 허브에 너트로 고정된 분사캠축이 진각방향으로 회전하여 연료의 분사시기를 앞당기도록 한 원심형 타이머가 있다.

또한, 상기한 조속기(15)는 실린더 내부로의 연료분사량을 조절하여 디젤엔진(10)의 회전속도를 제어하기 위한 것으로서, 대표적인 예로는 가속페달과 연결되는 컨트롤레버(15a)의 회전에 따라 링크포크가 분사펌프 내부에 설치된 컨트롤롯드의 위치를 제어하여 펌프플랜저의 유효행정을 변화시키도록 한 기계식 조속기가 있으며, 상기한 타이머(14)와 조속기(15)는 연료분사펌프(20)와 함께 디젤엔진(10)에 매우 일반적으로 사용되는 것일 뿐만 아니라, 그 구조와 기능에 대하여도 이미 상세하게 알려져 있는 내용이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기한 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30)는 분사펌프(20)(30)의 내부를 유동하는 유체의 차이점을 제외하고는, 독일의 보쉬(Bosch)사에서 생산되는 M type, A type, MW type, P type 과 같은 직렬형 분사펌프 중에서 디젤엔진(10)의 용량에 맞추어 동일한 것을 선택하여 사용하며, 각각의 분사펌프(20)(30)가 하나의 분사캠축과 하나의 컨트롤롯드로 작동될 수 있도록 실린더블록(10a)의 전방측에 나란히 설치함으로서, 하나의 타이머(14)와 조속기(15)에 의하여 동시에 컨트롤 될수 있도록 설치되어 있다.

그리고, 상기한 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30)로부터 각 실린더(1~4)의 내부로 연료와 물을 분사시키기 위한 분사계통은 도 2의 배관도에 도시되어 있는 바와 같이, 연료탱크(23)와 물탱크(33)가 공급라인(24)(34)에 의하여 각각 연료공급펌프(21)와 물공급펌프(31)로 연결되고, 상기 연료공급펌프(21)와 물공급펌프(31)가 여과라인(25)(35)에 의하여 각각 연료필터(22)와 물필터(32)로 연결되며, 상기 연료필터(22)와 물필터(32)가 공급라인(26)(36)에 의하여 각각 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30)로 연결된다.

그리고, 상기 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30)의 각 분사구(53a)(43a)는 분사라인(27)(37)에 의하여 실린더(3)의 연소실측으로 관통 형성된 연료분사노즐(53)과 물분사노즐(43)에 연결되며, 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30) 및 연료분사노즐(53)과 물분사노즐(43)은 오버플로우라인(29)(39)과 리턴라인(28)(38)에 의하여 각각 연료탱크(23)와 물탱크(33)에 연결되는 배관구성으로 이루어지는 것으로서, 배관의 복잡성을 피하기 위하여 도 2상에서는 연료분사탱크(20) 상부의 제 3연료분사구(53a)와 물분사탱크(30) 상부의 제 3물분사구(43a)가 각각 제 3실린더(3)에 설치된 제 3연료분사노즐(53)과 제 3물분사노즐(43)에 연결되는 상태만을 대표적으로 도시하였다.

또한, 상기 연료탱크(23)와 연료공급펌프(21) 및 물탱크(33)와 물공급펌프(31)를 연결하는 각 공급라인(24)(34)상에는 유량제어밸브(62)가 설치되고, 상기 유량제어밸브(62)는 실린더헤드(10b)측에 설치되는 온도감지센서(61)와배관(63)으로 연결되며, 상기 온도감지센서(61)와 배관(63)의 내부에는 수은이나 알코올과 같이 온도의 상승에 따라 팽창하는 유체(이하, "열팽창 유체"라 한다)가 저장되어, 실린더헤드(10b)의 온도상승에 따라 연료공급펌프(21)와 물공급펌프(31)로의 유입유량을 제어하도록 되어 있다.

상기한 유량제어밸브(62)는 최초(디젤엔진의 냉간시동시) 물탱크(33)와 연결된 공급라인(34)은 완전히 폐쇄시키고, 연료탱크(23)와 연결된 공급라인(24)은 완전히 개방시킨 상태로 세팅되어 있으며, 디젤엔진(10)의 작동에 따라 실린더헤드(10b)의 온도가 600℃~ 700℃정도로 상승될 경우, 상기한 열팽창 유체의 압력에 의하여 물탱크(33)와 연결된 공급라인(34)은 개방이 시작되고, 연료탱크(23)와 연결된 공급라인(24)은 연료의 통과유량이 감소되는 식으로 각 공급라인(24)(34)을 통과하는 유량을 실린더헤드(10b)의 온도에 따라 비례제어할 수 있도록 되어 있다.

상기와 같은 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30)의 분사계통을 통하여 실린더(1~4)의 내부에 물과 연료를 교대로 분사시키기 위한 캠 구동기구는 도 3의 장치도에 도시되어 있는 바와 같이, 도면상에서 좌측으로부터 제 1 ~ 제 4실린더(1~4)가 설치되고, 상기한 각각의 실린더(1~4) 내부에는 피스톤(5)이 커넥팅로드(6)에 연결 설치되고, 상기 커넥팅로드(6)는 피스톤(5)의 상하 왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크축(7)에 연결 설치되며, 상기 크랭크축(7)의 양단에는 크랭크기어(71)와 플라이휘일(16)이 설치되어 있다.

그리고, 상기 크랭크기어(71)에는 크랭크기어(71)와 2 : 1의 비율로 회전하는 캠기어(83)가 치합되고, 상기한 캠기어(83)는 흡,배기밸브의 개폐를 위한 밸브캠축(8)에 연결 설치되며, 상기 밸브캠축(8)에는 흡기밸브플랜저(81a) 및 배기밸브플랜저(82a)와 접촉하여 실린더(1~4)의 상면에 설치된 흡, 배기밸브를 개폐시키는 4쌍의 흡기밸브캠(81)과 배기밸브캠(82)이 설치되어 있다.

또한, 상기 밸브캠축(8)에 일단에 캠기어(83)와 함께 연결 설치된 아이들기어(84; 크랭크기어와 동일한 크기를 가진다)에는 크랭크기어(71)와 4 : 1의 비율로 회전하는 캠기어(95)가 치합되고, 상기한 캠기어(95)는 연료분사노즐(51~54)과 물분사노즐(41~44)의 작동을 위한 분사캠축(9)에 연결 설치되며, 상기 분사캠축(9)에는 연료분사펌프(20) 내부의 롤러태핏(9a)과 접촉하여 제 1 ~ 제 4연료분사노즐(51~54)을 작동시키기 위한 제 1 ~ 제 4 연료분사캠(91~94)과, 물분사펌프(30) 내부의 롤러태핏(90a)과 접촉하여 제 1 ~ 제 4물분사노즐(41~44)을 작동시키기 위한 제 1 ~ 제 4 물분사캠(901~904)이 양측에 설치되어 있다.

상기한 연료분사캠(91~94)과 물분사캠(901~904)이 분사캠축(9)에 설치되는 것은, 각 실린더(1~4)의 폭발행정순서가 제 1, 제 3, 제 4, 제 2 실린더 순으로 진행될 경우, 제 1실린더(1)의 폭발행정시 제 1연료분사캠(91), 제 3 실린더(3)의 폭발행정시 제 3물분사캠(903), 제 4실린더(4)의 폭발행정시 제 4연료분사캠(94), 제 2실린더(2)의 폭발행정시 제 2물분사캠(902)이 각각 작동하여 연료와 물을 분사시키고, 다음으로 이어지는 실린더(1~4)의 폭발행정시에는 이와 반대되는 분사캠이 작동하여 물과 연료를 분사시킬수 있도록 각 분사캠(91~94)(901~904)이 분사캠축(9)에 설치되며, 실린더(1~4)의 개수와 연료분사펌프(20) 및물분사펌프(30)의 성능에 따라 분사캠(91~94)(901~904)의 위치와 각도를 연료의 최적분사시기에 맞도록 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진의 작용관계를 도 3에 도시된 제 1실린더(1)를 폭발시점으로 하여 상세하게 설명하며, 각 실린더(1~4)의 폭발행정이 진행되는 순서는 일반적인 디젤엔진에서와 같이 제 1, 제 3, 제 4, 제 2실린더 순으로 진행되는 것으로 한다.

최초 냉각상태에 있는 디젤엔진(10)은 공기압축시의 누설과 열손실 때문에 압축압력과 압축온도가 낮아져서 시동이 어렵게 되는 데, 이러한 냉각상태의 디젤엔진(10)의 시동을 용이하게 하기 위하여 예열플러그와 제어회로로 이루어지는 도시되지 않은 예열장치가 디젤엔진(10)에 설치되어 있으며, 상기한 예열장치에 의하여 제 1실린더(1)의 연소실 내부공기 온도가 상승됨으로서 제 1실린더(1)의 내부로 분사되는 연료가 자연착화되어 폭발행정이 이루어지게 된다.

상기와 같이 제 1실린더(1)의 폭발행정이 이루어지게 되면, 제 1실린더(1) 내부의 피스톤(5)이 하강하면서 크랭크축(7)을 회전시키게 되고, 이와 동시에 제 2실린더(2)와 제 3실린더(3)의 피스톤(5)이 상승하면서 각각 배기행정과 압축행정이 이루어지고, 제 4실린더(4)는 피스톤(5)이 하강하면서 흡입행정이 이루어지게 되며, 제 3실린더(3)의 압축행정 종료시점에서 분사캠축(9)에 설치된 제 3물분사캠(903)이 상부에 있는 물분사펌프(30)의 롤러태핏(90a)을 밀어올리게 된다.

상기와 같이 제 3물분사캠(903)이 롤러태핏(90a)을 밀어올리는 시점은 디젤엔진(10)의 초기 구동시점이 되기 때문에 실린더헤드(10b)의 온도가 비교적 낮게 되고, 이로 인하여 도 2에 도시된 유량제어밸브(62)가 물탱크(33)와 연결된 공급라인(34)을 완전히 폐쇄시킨 상태로 유지됨으로서, 물분사펌프(30)로부터 제 3물분사노즐(43)을 통하여 제 3실린더(3) 내부로의 물분사는 이루어지지 않게 되지만, 제 1실린더(1)의 초기 폭발력에 의하여 크랭크축(7)에 설치된 플라이휘일(16)이 큰 관성력으로 회전하기 때문에 크랭크축(7)의 회전이 계속되어 제 3실린더(3)의 피스톤(5)은 폭발없이 하강하게 된다.

상기와 같이 제 3실린더(3)의 피스톤(5)이 하강함과 동시에 제 1실린더(1)와 제 4실린더(4)의 피스톤(5)이 상승하면서 각각 배기행정과 압축행정이 이루어지게 되고, 제 2실린더(2)는 피스톤(5)이 하강하면서 흡입행정이 이루어지게 되며, 제 4실린더(4)의 압축행정 종료시점에서 분사캠축(9)에 설치된 제 4연료분사캠(94)이 상부에 있는 연료분사펌프(20)의 롤러태핏(9a)을 상부로 밀어올려 제 4실린더(4)의 내부로 연료를 분사시킴으로서, 제 4실린더(4)의 폭발행정이 이루어지게 된다.

상기와 같이 제 4실린더(4)의 폭발행정이 이루어지게 되면, 제 4실린더(4) 내부의 피스톤(5)이 하강하면서 크랭크축(7)을 회전시키게 되고, 이와 동시에 제 2실린더(2)와 제 3실린더(3)의 피스톤(5)이 상승하면서 각각 압축행정과 배기행정이 이루어지고, 제 1실린더(1)는 피스톤(5)이 하강하면서 흡입행정이 이루어지게 되며, 제 2실린더(2)의 압축행정 종료시점에서 분사캠축(9)에 설치된 제 2물분사캠(902)이 상부에 있는 물분사펌프(30)의 롤러태핏(90a)을 밀어올리게 된다.

상기와 같이 제 2물분사캠(902)이 롤러태핏(90a)을 밀어올리는 시점 또한, 디젤엔진(10)의 초기 구동시점이기 때문에, 물분사펌프(30)로부터 제 2물분사노즐(42)을 통하여 제 2실린더(2) 내부로의 물분사는 이루어지지 않게 되지만, 제 4실린더(4)의 폭발행정에 의하여 플라이휘일(16)이 큰 관성력으로 회전하게 됨으로서, 크랭크축(7)의 회전이 계속되어 제 2실린더(2)의 피스톤(5)은 폭발없이 하강하게 되며, 이로 인하여 다음으로 압축되는 제 1실린더(1)의 폭발행정부터 상기한 순서대로 피스톤(5)의 왕복행정이 다시 이루어지게 된다.

상기와 같이 다음에 오는 제 1실린더(1)와 제 4실린더(4)까지의 피스톤(5) 행정은 각 실린더(1~4)의 폭발행정시 제 1실린더(1)의 경우 제 1물분사캠(901), 제 3실린더(3)의 경우 제 3연료분사캠(93), 제 4실린더(4)의 경우 제 4물분사캠(904), 제 2실린더(2)의 경우 제 2연료분사캠(92)이 작동됨으로서, 제 2실린더(2)와 제 3실린더(3)에서만 연료에 의한 폭발행정이 일어나고, 제 1실린더(1)와 제 4실린더(4)에서는 폭발행정 대신 플라이휘일(16)의 관성력에 의해서만 피스톤(5) 행정이 이루어지는 것을 제외하고는 동일한 순서대로 작동된다.

상기와 같이 본 발명에 의한 디젤엔진(10)의 초기구동은 실린더헤드(10b)의 온도가 600℃ ~ 700℃정도로 상승할 때 까지는 연료의 연소에 의해서만 이루어게 됨으로서, 물과 연료의 교대분사에 의한 엔진구동이 가능하기까지는 약 1분 정도의 초기 워밍업이 반드시 필요하지만, 별도의 냉각장치가 설치되어 있지 않기 때문에 실린더헤드(10b)측의 온도가 매우 빠르게 상승할 뿐만 아니라, 일반적인 디젤엔진에서도 기관의 정상운전과 배기가스의 개선을 위하여 1 ~ 3분 정도의 워밍업은 필수적인 것이기 때문에, 이와 같은 초기 워밍업은 엔진의 정상적인 운전에 문제가 되지 않는다.

상기와 같은 워밍업 단계를 지나서 실린더헤드(10b)의 온도가 600℃ ~ 700℃정도로 상승하게 되면, 실린더헤드(10b)측에 설치된 온도감지센서(61)로부터 배관(63)을 통하여 열팽창 유체에 의한 압력이 유량제어밸브(62)에 가해지게 되고, 이로 인하여 물탱크(33)와 연결된 공급라인(34)의 개방이 시작됨으로서, 물분사펌프(30)로부터 물분사노즐(41~44)을 통한 실린더(1~4) 내부로의 물분사가 이루어지게 되어 물과 연료의 교대분사에 의한 디젤엔진(10)의 구동이 시작된다.

상기와 같은 물과 연료의 교대분사에 의한 디젤엔진(10)의 구동을 도 3에 도시된 제 1실린더(1)를 연료에 의한 폭발시점으로 하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료에 의한 제 1실린더(1)의 폭발행정이 이루어지게 되면, 제 1실린더(1) 내부의 피스톤(5)이 하강하면서 크랭크축(7)을 회전시키게 되고, 이와 동시에 제 2실린더(2)와 제 3실린더(3)의 피스톤(5)이 상승하면서 각각 배기행정과 압축행정이 이루어지고, 제 4실린더(4)는 피스톤(5)이 하강하면서 흡입행정이 이루어지게 되며, 제 3실린더(3)의 압축행정 종료시점에서 분사캠축(9)에 설치된 제 3물분사캠(903)이 상부에 있는 물분사펌프(30)의 롤러태핏(90a)을 밀어올리게 된다.

상기와 같이 제 3물분사캠(903)이 롤러태핏(90a)을 밀어올게 되면, 물분사펌프(30)의 제 3물분사구(43a)로부터 제 3물분사노즐(43)을 통하여 제 3실린더(3)의 내부로 물이 무화식으로 분사되고, 이와 같이 분사된 물이 실린더(3)의 고온고압하에서 순간적으로 증기화 되며, 물이 증기로 상변화되면서 발생하는 부피팽창력(약 1560배)에 의하여 제 3실린더(3)의 피스톤(5)이 하강하여 크랭크축(7)을 회전시키게 됨과 동시에 물의 기화열(539 kcal/kg)에 의하여 실린더(3)가 냉각된다.

상기와 같이 제 3실린더(3)의 피스톤(5)이 물의 팽창력에 의하여 하강하게 되면, 이와 동시에 제 1실린더(1)와 제 4실린더(4)의 피스톤(5)이 상승하면서 각각 배기행정과 압축행정이 이루어지게 되고, 제 2실린더(2)는 피스톤(5)이 하강하면서 흡입행정이 이루어지게 되며, 제 4실린더(4)의 압축행정 종료시점에서 분사캠축(9)에 설치된 제 4연료분사캠(94)이 상부에 있는 연료분사펌프(20)의 롤러태핏(9a)을 상부로 밀어올려 제 4실린더(4)의 내부로 연료를 분사시킴으로서, 제 4실린더(4)의 폭발행정이 이루어지게 된다.

상기와 같이 제 2물분사캠(902)이 롤러태핏(90a)을 밀어올리게 되면, 물분사펌프(30)의 제 2물분사구(42a)로부터 제 2물분사노즐(42)을 통하여 제 2실린더(3) 내부로 물이 무화식으로 분사되고, 이와 같이 분사된 물이 순간적으로 증기화되면서 발생하는 부피팽창력에 의하여 제 2실린더(2)의 피스톤(5)이 하강하여 크랭크축(7)을 회전시키게 됨과 동시에 물의 기화열에 의하여 실린더(2)가 냉각된다.

상기와 같이 제 2실린더(2)의 피스톤(5)이 물의 팽창력에 의하여 하강하게 되면, 이와 동시에 제 1실린더(1)와 제 4실린더(4)의 피스톤(5)이 상승하면서 각각 압축행정과 배기행정이 이루어지게 되고, 제 3실린더(2)는 피스톤(5)이 하강하면서 흡입행정이 이루어지게 되며, 제 1실린더(1)의 압축행정 종료시점에서 분사캠축(9)에 설치된 제 1물분사캠(901)이 상부에 있는 물분사펌프(30)의 롤러태핏(90a)을 상부로 밀어올려 제 1실린더(1)의 내부로 물을 분사시킴으로서, 물의 팽창력에 의한 제 1실린더(1)의 폭발행정부터 상기 순서대로 피스톤(5)의 왕복행정이 다시 이루어지게 된다.

상기와 같이 다음에 오는 제 1실린더(1)와 제 4실린더(4)까지의 피스톤(5) 행정은 각 실린더(1~4)의 폭발행정시 제 1실린더(1)의 경우 제 1물분사캠(901), 제 3실린더(3)의 경우 제 3연료분사캠(93), 제 4실린더(4)의 경우 제 4물분사캠(904), 제 2실린더(2)의 경우 제 2연료분사캠(92)이 작동됨으로서, 제 2실린더(2)와 제 3실린더(3)에서는 연료에 의한 폭발행정이 일어나고, 제 1실린더(1)와 제 4실린더(4)에서는 물의 팽창력에 의한 폭발행정이 일어나는 것을 제외하고는 동일한 순서대로 작동된다.

상기와 같이 본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진(10)은 각 실린더(1~4)마다 흡입행정, 압축행정, 연료에 의한 폭발행정, 배기행정, 흡입행정,압축행정, 물의 팽창에 의한 폭발행정, 배기행정으로 이루어지는 8행정 사이클이 크랭크축(7)의 4회전당 1회씩 이루어지게 되며, 크랭크축(7)에 설치된 크랭크기어(71)와 4 : 1의 비율로 회전하도록 치합되는 캠기어(95)를 분사캠축(9)에 설치하여 상기한 8행정 사이클마다 실린더(1~4)의 내부로 물과 연료를 교대로 한번씩 분사시킴으로서, 한번은 연료의 폭발력에 의하여 동력을 얻고, 다른 한번은 물의 팽창력에 의하여 동력을 얻을 수 있게 된다.

따라서, 디젤엔진(10)의 구동에 소모되는 화석연료의 양을 기존의 디젤엔진에 비하여 현저히 감소시킬 수 있게 됨으로서 화석연료의 낭비를 방지할 수 있게 되고, 물이 증기화되면서 발생하는 부피팽창력으로 동력을 얻는 과정에서는 별도의 연소가스가 발생하지 않기 때문에 배기가스에 의한 환경오염을 줄일 수 있게 될 뿐만 아니라, 연료의 연소시 실린더(1~4)의 내부 표면에 부착되는 각종 연소이물질이 증기에 포획되어 배출됨으로서 실린더(1~4) 내부를 청결한 상태로 유지시킬 수 있게 된다.

그리고, 물과 연료의 교대분사에 의하여 디젤엔진(10)이 작동되는 과정에서 실린더헤드(10b)의 온도가 상승할 경우에는, 연료의 공급라인(24)상에 설치된 유량제어밸브(62)가 연료의 통과유량을 감소시키는 방향으로 작동되고, 물의 공급라인(34)상에 설치된 유량제어밸브(62)가 물의 통과유량을 증가시키는 방향으로 작동되어 실린더(1~4)의 내부로 분사되는 물의 양을 증가시킴으로서, 별도의 냉각장치를 설치하지 않더라도 물의 기화열에 의하여 실린더(1~4)의 내부온도를 낮추어 줄 수 있게 되며, 상기한 냉각장치를 포함하여 냉각수나 냉각유를 냉각장치로부터 순환시키기 위한 복잡한 유로나 배관을 실린더블록(10a)과 실린더헤드(10b)측에 별도로 형성시킬 필요가 없기 때문에 디젤엔진(10)의 전체적인 구조를 간단하게 할 수 있게 된다.

또한, 실린더헤드(10b)측의 온도가 높아질 경우에는 공급라인(34)을 통과하는 물을 유량을 증가시키는 방향으로 유량제어밸브(62)가 작동되고, 실린더헤드(10b)측의 온도가 낮아질 경우에는 공급라인(24)을 통과하는 연료의 유량을 증가시키는 방향으로 유량제어밸브(62)가 작동됨으로서, 각 공급라인(24)(34)을 통과하는 물과 연료의 유량을 실린더헤드(10b)의 온도에 따라 비례제어하여 실린더(1~4) 내부의 온도를 항상 일정하게 수준으로 유지시킬 수 있게 되는 것이다.

그리고, 상기에서 설명되어진 바와 같은 본 발명의 실시예에서는 4개의 실린더(1~4)가 디젤엔진(10)에 설치된 것으로 하여 그 구성과 작용관계를 설명하였으나, 6개 또는 8개의 실린더가 설치된 중,대형 디젤엔진에도 본 발명을 적용할 수 있으며, 실린더(1~4)의 내부에 물과 연료를 교대로 분사시키기 위한 캠 구동기구로서 상기한 기어구동기구 대신 벨트와 풀리로 이루어지는 다른 구동기구를 사용하여도 무방하다.

상기와 같이 본 발명에 의한 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진은 각 실린더의 폭발행정시 한번은 연료의 폭발력에 의하여 동력을 얻고, 다른 한번은 물의 팽창력에 의하여 동력을 얻을 수 있게 됨으로서, 엔진의 구동에 소모되는 화석연료의 양을 현저히 감소시켜 화석연료의 낭비를 방지할 수 있는 효과가 있으며, 물이 증기화되면서 발생하는 부피팽창력을 동력원으로 하여 배기가스에 의한 환경오염을 줄일 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 각종 연소이물질이 증기에 포획되어 배출되도록 함으로서 실린더의 내부를 청결한 상태로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 냉각장치를 설치하지 않더라도 물의 기화열에 의하여 실린더의 내부온도를 낮추어 주게 됨으로서, 상기한 냉각장치를 포함하여 냉각수나 냉각유를 순환시키기 위한 복잡한 유로나 배관을 실린더블록과 실린더헤드측에 형성시킬 필요가 없기 때문에 디젤엔진의 전체적인 구조를 간단하게 할 수 있는 효과가 있으며, 유량제어밸브가 실린더헤드의 온도에 따라 물과 연료의 유량을 실린더헤드의 온도에 따라 비례제어하게 됨으로서, 실린더 내부의 온도를 항상 일정하게 수준으로 유지시키는 효과가 있는 것이다.

Claims

디젤엔진(10)의 본체를 이루는 실린더블록(10a)의 상부에는 실린더(1~4)와 피스톤(5)이 내부에 구비되는 실린더헤드(10b)가 설치되고, 상기 실린더블록(10a)의 일측에는 크랭크축(7)에 의한 밸브캠축(8)의 구동을 위하여 크랭크기어(71)와 캠기어(83)가 치합되는 기어박스(10c)가 설치되고, 상기 실린더블록(10a)의 전방측에는 타이머(14)와 조속기(15)에 의하여 컨트롤되는 연료분사펌프(20)가 실린더헤드(10b)측의 연료분사노즐(51~54)과 연결 설치되며, 상기 연료분사펌프(20)는 연료필터(22)와 연료공급펌프(21)를 거쳐 연료탱크(23)와 연결 설치된 것에 있어서,

상기 연료분사펌프(20)의 일측에는 타이머(14)와 조속기(15)에 의하여 연료분사펌프(20)와 함께 콘트롤되고, 필터(32)와 물공급펌프(31)를 거쳐 물탱크(33)와 연결되는 물분사펌프(30)가 설치되고,

상기 물분사펌프(30)는 실린더헤드(10b)측에서 연료분사노즐(51~54)과 함께 각 실린더(1~4)의 내부로 관통되는 물분사노즐(41~44)과 연결 설치되며,

상기의 기어박스(10c)에는 캠기어(83)와 함께 밸브캠축(8)에 연결된 아이들기어(84)에 치합되어 크랭크기어(71)와 4 : 1의 비율로 회전하는 캠기어(95)가 분사캠축(9)에 연결 설치되고,

상기 분사캠축(9)에는 연료분사펌프(20)와 물분사펌프(30) 내부의 롤러태핏(9a)(90a)과 접촉하여 실린더(1~4)의 내부로 물과 연료를 교대로 분사시키는 연료분사캠(91~94)과 물분사캠(901~904)이 설치되며,

상기의 실린더블록(10a)에는 실린더헤드(10b)에 설치된 온도감지센서(61)와 연결되어 연료공급펌프(21)와 물공급펌프(31)로의 유입유량을 제어하는 유량제어밸브(62)가 설치된 것을 특징으로 하는 물과 연료의 교대분사식 디젤엔진.