KR200189567Y1 - 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진 - Google Patents

Abstract

본 고안은 엘피지를 연료로하여 구동되도록 경운기용 석유엔진을 개조하여 유해물질 배출을 저감시킬 수 있으면서 기존의 석유엔진과 같은 출력을 얻을 수 있는 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진에 관한 것이다.

본 고안은 엘피지를 저장할 수 있는 봄베와, 상기 봄베로부터 배출되는 엘피지를 여과하는 여과기와, 엘피지의 공급을 차단하는 전자밸브와, 엘피지의 압력을 조절하면서 기화시키는 베이퍼라이저와, 상기 베이퍼라이저로 유입되는 액상의 엘피지에 실린더블록과 실린더헤드로부터 배출되는 냉각수의 열을 가하는 예열기와, 냉각수를 순환시키는 워터펌프와, 액화석유가스와 공기를 혼합시켜 연소실로 유입시키는 가스 혼합기를 구비하여 엘피지를 연료로하여 구동될 수 있도록 기존의 경운기용 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진을 개조한 것을 특징으로 한다.

Description

석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진{Kerosene engine-modified power tiller LPG engine}

본 고안은 동력 경운기용 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화석유가스(LPG:Liquefied Petroleum Gas)를 연료로하여 구동되도록 동력 경운기용 석유엔진을 개조하여 유해물질 배출을 저감시킬 수 있으면서 기존의 석유엔진과 같은 출력을 얻을 수 있는 동력 경운기용 엘피지엔진에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이 동력 경운기는 논이나 밭을 갈아 일구거나 농작물 또는 토사등을 운반하기 위한 것으로서, 엔진을 갖추고 있는 기관부 및 변속부, 구동부, 작업기 등으로 구성되며 적재함을 갖추고 힛치와 연결 및 분리가 가능하면서 상기 동력 경운기의 힛치에 의해 견인되는 트레일러 등으로 이루어진다.

그리고 동력 경운기 힛치 부위의 경운축(PTO)에는 쟁기, 로터리, 파종기 등과 같은 각종 부속작업기를 장착할 수 있도록 구성하여 논이나 밭을 경운, 쇄토하거나 농작물의 방제, 탈곡, 양수작업 등을 할 수 있게 하였다.

한편, 동력 경운기는 비교적 무게가 무거운 토사를 운반하여야 하고, 논이나 밭을 갈아 일구어야 하기 때문에 저속 토오크 및 내구력이 요구되며, 이같은 요구에 의해 동력 경운기 엔진은 비교적 소형이면서 구성이 간단하고, 강력한 힘을 발휘하며, 가격이 저렴한 석유를 연료로 하는 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진이 탑재되었다.

이러한 동력 경운기용 석유엔진을 도 1을 참고로하여 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 즉, 동력 경운기용 석유엔진은 실린더(1a)가 형성되는 실린더블록(1)을 가지며, 실린더(1a)에는 피스톤(2)이 왕복운동가능하게 배치된다. 피스톤(2)은 커넥팅 로드(2a)에 의해 크랭크 샤프트(3)와 연결되어 직선운동을 회전운동으로 전환시킨다. 그리고 실린더블록(1)에는 연소실(4a)이 형성되도록 실린더헤드(4)가 설치되며, 실린더헤드(4)에는 밸브장치(5)와, 점화장치(6)가 각각 설치된다. 한편, 연소실(4a)은 주연소실(4b)과 예연소실(4c)로 이루어지며, 예연소실(4c)에는 점화장치(6)가 설치된다.

밸브장치(5)는 연소실(4a)로 혼합기를 유입시키거나 연소실(4a)로부터 연소가스를 배출시키도록 연소실(4a)을 개방하거나 폐쇄하는 것으로, 타이밍 기어(도시하지 않음)에 의해 크랭크 샤프트(3)와 작동적으로 연결되는 캠(5a)과, 이 캠(5a)에 의해 상,하로 왕복이동하는 푸쉬로드(5b)와, 푸쉬로드(5b)에 의해 요동운동하는 로커아암(5c)과, 로커아암(5c)에 의해 눌려져 연소실(4a)을 개방하거나 폐쇄하는 흡기 및 배기밸브(5d)로 이루어진다. 한편, 흡기밸브에는 흡입구를 통하여 유입되는 공기를 선회시킬 수 있도록 시라우드가 부착된다.

또한, 점화장치(6)는 연소실(4a)로 유입된 혼합기가 연소될 수 있도록 불꽃을 발생시키는 것으로, 실린더헤드(4)의 예연소실(4c)에 설치되어 불꽃을 발생시키는 점화플러그(6a)와, 플라이휠에 설치되어 점화플러그(6a)에 고압의 전류를 제공하는 마그네토 발전기(도시하지 않음)로 구성된다. 마그네토 발전기는 플라이휠과 함께 회전할 수 있는 원형의 영구자석과, 철심위에 1차코일과 2차코일을 감아진 상태에서 영구자석의 내측에 고정적으로 배치되는 발전자로 이루어지는 것으로, 영구자석이 회전함에 따라 도시하지 않은 단속기(배전기)는 1차전류를 단속시켜 결국, 1차코일과 2차코일에 발생하는 고압의 전류를 점화플러그(6a)에 공급한다. 뿐만 아니라 마그네토 발전기는 발전자에서 발생되는 전류를 헤드램프 등과 같은 점등장치에 공급하기도 한다.

한편, 단속기는 엔진의 회전수 또는 기관에 걸린부하에 따라 작동되는 원심진각장치에 의해 그 점화시기가 조정됨은 물론이다.

그리고 도 1에서 보는 바와 같이 동력 엔진블럭의 상부에는 연료를 저장할 수 있는 연료탱크(7) 및 실린더블록(1)과 실린더헤드(4)에서 가열된 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(8) 및 도시하지 않은 냉각팬이 각각 설치된다.

이와 같은 구성을 갖는 동력 경운기용 석유엔진은 흡기밸브를 통하여 혼합기를 연소실(4a)로 유입한 다음, 피스톤(2)으로 연소실(4a)의 혼합기를 압축시키고, 동시에 점화플러그(6a)를 통해 고온의 혼합기를 연소시킴으로써 상기 피스톤(2)을 왕복운동시켜 동력이 발생되도록 한 것이다.

그러나 이러한 동력 경운기용 석유엔진은 가볍고 큰 출력을 얻을 수 있으며 진동과 소음이 적은 반면, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 납산화물 등과 같은 많은 양의 유해물질을 배출하는 단점이 있었다. 이러한 유해물질들은 대기오염의 주원인이 되어 농작물과 인체에 피해를 준다. 또한, 석유엔진은 불완전 연소로 인한 일부 연료가 연소실 벽을 따라 흘러 오일팬에 유입된다. 오일팬으로 유입된 연료는 오일을 상승시킨다.

최근에는 대형화된 비닐 하우스내에서 원예작물을 재배하는 농가가 늘어남에 따라 비닐 하우스내에서 동력 경운기를 이용한 작업이 더욱 증가되고 있는 바, 동력 경운기에서 배출되는 각종 유해물질은 밀폐된 공간인 비닐 하우스의 내부를 더욱 빨리 그리고 더욱 쉽게 오염시킨다. 더우기, 밀폐된 비닐 하우스 내부는 자연통풍이 되지 않고 외부와의 온도차가 심하기 때문에 동력 경운기에서 배출된 유해물질은 비닐 하우스내부에 정체되어 있으면서 농작물의 성장을 저해하고, 작업자의 건강에 해치는 등 심각한 문제를 일으킨다. 특히, 작업자가 오염된 비닐 하우스내에서 장시간동안 작업하는 경우, 상기 유해물질이 작업자의 인체에 유입되어 발암성분으로 작용하거나 폐에 축적되어 만성 폐질환을 일으키는 등 인체에 치명적인 영향을 준다.

한편, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 알콜과 수소 및 전기를 동력원으로 하는 저공해 엔진이 개발되기도 하지만, 이는 제작비용이 비싸며, 원하는 출력을 얻을 수 없는 등의 문제가 있다.

따라서, 석유엔진과 동일한 출력을 얻을 수 있으면서 유해물질의 배출이 저감되고, 무엇보다도 가계의 부담을 덜어줄 수 있도록 제작비가 저렴한 저공해 엔진의 개발이 시급히 요구되는 것이다.

한편, 이와 같은 요구에 따라 본 고안자는 각고의 실험과 연구 끝에 청정에너지인 액화석유가스(이하, '엘피지'라 약칭함.)를 연료로하여 유해물질 배출이 저감되면서 석유엔진과 같은 출력을 얻을 수 있으며, 특히, 가계의 부담을 덜어줄 수 있도록 기존의 석유엔진을 활용할 수 있는 저공해 엔진을 개발하였다.

따라서, 본 고안의 목적은 엘피지를 연료로하여 유해물질이 저감되면서 석유엔진과 같은 출력을 얻을 수 있는 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진을 제공하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 기존의 석유엔진을 이용하면서 유해물질을 저감시킬 수 있도록 구성하여 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 경운기용 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진의 구성을 나타내는 측단면도,

도 2는 본 고안에 따른 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 엔진 20: 봄베

30: 여과기 40: 전자밸브

50: 예열기 60: 베이퍼라이저

70: 가스 혼합기

이러한, 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 실린더를 갖는 실린더블록과, 상기 실린더에 왕복운동가능하게 설치되는 피스톤과, 연소실이 형성되도록 상기 실린더블록에 설치되는 실린더헤드와, 상기 연소실로 혼합기를 유입시키거나 연소실로부터 연소가스를 배출시키도록 상기 연소실을 개방하거나 폐쇄하는 밸브장치와, 상기 연소실의 혼합기가 연소될 수 있도록 불꽃을 발생시키는 점화장치를 구비하는 동력 경운기용 횡형 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진에 있어서, 엘피지를 저장할 수 있는 봄베와, 상기 봄베로부터 배출되는 엘피지를 여과하는 여과기와, 엘피지의 공급을 차단하는 전자밸브와, 엘피지의 압력을 조절하면서 기화시키는 베이퍼라이저와, 상기 베이퍼라이저로 유입되는 액상의 엘피지에 상기 실린더블록과 실린더헤드로부터 배출되는 냉각수의 열을 가하는 예열기와, 냉각수를 순환시키는 워터펌프와, 엘피지와 공기를 혼합시켜 연소실로 유입시키는 가스 혼합기를 구비하여 엘피지를 연료로하여 구동될 수 있도록 기존의 동력 경운기용 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진을 개조한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안에 따라 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진에 대한 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 고안에 따른 동력 경운기용 엘피지엔진의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 이에 따르면, 본 고안의 동력 경운기용 엘피지엔진은 기존의 동력 경운기용 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진(10)을 개조한 것으로, 액상의 엘피지를 저장할 수 있는 봄베(bombe:20)를 갖는다. 이 봄베(20)는 강철제 고압 용기이며, 일측에는 충전밸브(22)와, 기상 엘피지배출밸브(24) 및 액상 엘피지배출밸브(25)와, 도시하지 않은 액면표시계, 용적표시계, 과류방지밸브, 안전밸브 등이 설치되어 있다.

그리고 본 고안의 동력 경운기용 엘피지엔진은 여과기(30)와 전자밸브(40)를 갖는다. 여과기(30)는 엘피지속에 포함된 불순물을 여과하는 것으로, 엘피지압력을 충분히 견딜 수 있으면서 엘피지속에 포함된 금속분말 및 불순물 등을 깨끗하게 여과할 수 있도록 다공질 도기 여과 엘리먼트와 영구자석을 구비하고 있다.

전자밸브(40)는 봄베(20)와 여과기(30)를 거쳐서 배출되는 액상 및 기상 엘피지를 차단하는 연료 차단밸브로서, 코일과 이 코일에 공급되는 전류에 따라 여자 및 소자되면서 작동하는 플런저로 구성된다. 전자밸브(40)의 상세한 구성과 그 작동에 대한 설명은 이미 공지된 것이므로 생략한다.

이러한 전자밸브(40)는 엔진의 냉각수의 온도에 따라 작동되어 액상 및 기상 LP 가스를 공급하거나 차단하도록 구성된다. 즉, 엔진 냉각수의 온도, 상온 15°C를 기준으로, 엔진 냉각수의 온도가 상온 15°C이하일 때는 봄베(20)에 저장된 기상 엘피지를 기상 엘피지배출밸브(24)를 통하여 후술하는 베이퍼라이저(60)로 공급하며, 엔진(10) 냉각수의 온도가 상온 15°C이상일 때는 봄베(20)에 저장된 액상 엘피지를 액상 엘피지배출밸브(25)를 통하여 베이퍼라이저(60)로 공급하는 것이다. 이는 동절기에 비교적 발화점이 낮은 기상의 엘피지를 엔진의 연소실로 공급하여 시동이 걸리기 쉽도록 하기 위함이다. 한편, 상기 전자밸브(40)는 비상시에 운전자가 신속히 연료공급을 차단할 수 있도록 핸들에 설치되는 작동스위치(42)에 의해서도 온/오프되도록 구성됨은 물론이다.

또한, 본 고안의 동력 경운기용 엘피지엔진은 예열기(50)와, 베이퍼라이저(60)와, 가스 혼합기(70)를 구비한다. 예열기(50)는 전자밸브(40)를 통하여 배출되는 액상의 엘피지에 냉각수의 열을 가하여 기화가 용이하도록 예열하는 것이며, 베이퍼라이저(60)는 전자밸브(40)와 예열기(50)를 통하여 공급되는 액상의 엘피지를 감압시키면서 기화시키고, 동시에 엘피지 사용량에 따른 봄베(20)내의 압력을 적절하게 유지시켜 공급압력을 일정하게 하며, 엔진에 발생되는 부압의 증감에 따라 실린더에 공급되는 엘피지량을 적절히 조절해주는 것이다. 특히, 베이퍼라이저(60)는 공기와 연료비를 조절하기 위한 미터링밸브와 아이들조절밸브와 거버너 장치 등을 갖추고 있어 엔진으로 하여금 최적의 운전상태를 유지하도록 하였다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 예열기(50)와 베이퍼라이저(60)는 엔진(10)에서 배출되는 냉각수가 예열기(50)와 베이퍼라이저(60)를 거치면서 다시 엔진(10)으로 복귀될 수 있도록 냉각수관(P)에 의해 서로 연결되어 있다. 여기서, 엔진(10)의 일측에는 전자식 워터펌프(10a)가 설치되며, 이 워터펌프(10a)는 엔진에 설치되는 마그네토 발전기의 전류를 구동원으로하여 작동되어 냉각수를 강제로 순환시킨다.

그리고 가스 혼합기(70)는 상기 베이퍼라이저(60)에 의해 기화된 엘피지와 공기를 혼합하여 엔진의 연소실에 공급하는 것으로, 본 고안의 동력 경운기용 엔진에는 2배럴 1벤튜리 하향식이 주로 사용되며, 엘피지의 이론 공연비인 15.6:1을 실현하도록 구성하였다. 여기서, 엘피지의 유량조절은 가스 혼합기(70)에 설치되는 메인조정 스크루와 피이드백 전자밸브에 의해 제어된다. 또한, ECU(Elec tronic Contol Unit)를 이용하여 전자밸브 각센서로부터 입력되는 신호값에 따라 엘피지의 유량을 조절할 수도 있다. 예열기(50)와 베이퍼라이저(60)와 가스 혼합기(70)의 구성과 그 작동에 대한 설명은 이미 공지된 것이므로 생략하기로 한다.

그리고 본 고안의 동력 경운기용 엘피지엔진은 기존의 석유엔진과 같이 점화플러그에 의한 불꽃점화방식을 취하고 있으며, 이에 따라, 기존의 석유엔진(10)에 설치되는 점화플러그와 마그네토 발전기를 그대로 이용하면 된다. 이와는 다르게 축전지와, 전류를 발생시키는 발전기 및 고전압을 발생시키는 점화코일과, 고전압을 실린더로 분배하는 무접점 전자 배전기와, 상기 축전지와 발전기와 점화코일과 배전기를 잇는 고압케이블 등을 별도로 구비하여 점화플러그에 전류를 공급할 수도 있다. 또한, 엔진의 회전수 또는 기관에 걸린부하에 따라 단속기의 점화시기를 조정할 수 있도록 하는 원심진각장치 역시 그대로 이용하면 된다.

한편, 본 고안의 연료로 사용되는 엘피지의 옥탄가는 105로 석유의 옥탄가(30-40)보다 높기 때문에 엘피지 기관의 열효율을 증대시키고, 석유엔진과 같은 출력을 얻기위하여 압축비를 증가시킬 필요성이 있는 것이다. 이에 따라, 실린더헤드의 밑면을 절삭하여 연소실의 체적을 조절함으로써 압축비를 변경시킬 수 있도록 하였다. 이때, 연소실의 체적은 엘피지 기관에서 요구되는 최적의 압축비인 9.5:1로 이루어지도록 조절함이 바람직하다.

한편, 실험결과에 의하면, 상기와 같은 구성을 갖는 동력 경운기용 엘피지엔진은 시동초기의 출력은 기존의 석유엔진에 비해 다소 떨어지지만 회전수가 증가함에 따라 그 출력도 점차적으로 증가하여 기존의 석유엔진과 유사하게 나타났다.

즉, 그림 1에 나타난 바와 같이 시동초기의 엔진회전수에 따른 출력은 엘피지 엔진이 1000rpm에서 대략 3.0kw, 기존의 석유엔진이 1000rpm에서 약 4.0kw로 나타나 엘피지 엔진의 출력이 기존의 석유엔진의 출력에 비해 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나, 회전수가 1600rpm을 지나 2000rpm으로 점차 증가함에 따라 제동출력 다시말해, 실제 기관에서 이용되는 출력이 대략 9.0kw로 기존의 석유엔진의 출력과 유사한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 본 고안의 주연료인 엘피지는 단위 질량 당 발열량이 높고, 연소실 내에서의 증발과정이 없어 완전연소가 가능한 것으로 나타났다.

그리고 본 고안의 엔진은 기존의 석유엔진에 비해 평균유효압력이 낮은 특성 때문에 엔진에서 발생하는 소음 및 진동이 현저하게 줄어드는 것으로 나타났다.

또한, 본 고안의 동력 경운기용 엘피지엔진은 기존의 석유엔진에 보다 인체와 농작물에 영향을 주는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배출농도가 기존의 석유엔진보다 약, 66%와 90%정도까지 감소되는 것으로 나타났다. 즉, 그림 2에 나타난 바와 같이 엔진의 초기시동시 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 농도는 엘피지 엔진이 1000rpm에서 대략 160ppm과 0.4%, 기존의 석유엔진이 1000rpm에서 대략 400ppm과 6,8%로 나타나 엘피지 엔진에서 배출되는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 농도가 기존의 석유엔진에 비해 현저하게 감소된 것을 알 수 있다. 그리고 엔진 회전수가 증가하면 증가할수록 엘피지 엔진에서 배출되는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 농도는 기존의 석유엔진보다 감소되는 것으로 나타남을 알 수 있다. 이는 본 고안의 연료인 엘피지가 저탄소 혼합물이고, 엔진회전수의 증가함에 따라 연소실 내의 엘피지 연소압력 및 온도가 증가하여 완전연소가 이루어지기 때문인 것이다.

이상과 같이 본 고안의 동력 경운기용 엘피지엔진은 기존의 석유엔진보다 유해물질 배출이 현저하게 감소되어 농작물 또는 인체에 피해를 주지 않는 장점을 가지며, 특히, 기존의 석유엔진을 개조하여 구성함으로써 저렴한 비용으로 저공해 엔진을 구비할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 가격이 저렴한 엘피지를 사용함에 따라 농가의 가계부담을 덜어주는 장점도 갖는다.

상기한 실시예는 본 고안의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 고안의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어 본 고안의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 동력 경운기용 엘피지엔진은 기존의 석유엔진보다 유해물질 배출이 현저하게 감소되어 농작물 또는 인체에 피해를 주지 않는 장점을 갖는다. 또한, 기존의 석유엔진을 개조하여 구성함으로써 저렴한 비용으로 저공해 엔진을 구비할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 가격이 저렴한 엘피지를 연료로 사용함에 따라 농가의 가계부담을 덜어주는 효과도 있다.

Claims (2)

1. 실린더를 갖는 실린더블록과, 상기 실린더에 왕복운동가능하게 설치되는 피스톤과, 연소실이 형성되도록 상기 실린더블록에 설치되는 실린더헤드와, 상기 연소실로 혼합기를 유입시키거나 연소실로부터 연소가스를 배출시키도록 상기 연소실을 개방하거나 폐쇄하는 밸브장치와, 상기 연소실의 혼합기가 연소될 수 있도록 불꽃을 발생시키는 점화장치를 구비하는 동력 경운기용 횡형 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진에 있어서,

   엘피지를 저장할 수 있는 봄베와, 상기 봄베로부터 배출되는 엘피지를 여과하는 여과기와, 엘피지의 공급을 차단하는 전자밸브와, 엘피지의 압력을 조절하면서 기화시키는 베이퍼라이저와, 상기 베이퍼라이저로 유입되는 액상의 엘피지에 상기 실린더블록과 실린더헤드로부터 배출되는 냉각수의 열을 가하는 예열기와, 냉각수를 순환시키는 워터펌프와, 엘피지와 공기를 혼합시켜 연소실로 유입시키는 가스 혼합기를 구비하여 엘피지를 연료로하여 구동될 수 있도록 기존의 동력 경운기용 수냉식 4사이클 단기통 석유엔진을 개조한 것을 특징으로 하는 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엘피지엔진.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연소실의 체적을 조절하여 최적의 압축비를 얻을 수 있도록 실린더헤드의 밑면을 절삭하여 장착한 것을 특징으로 하는 석유엔진을 개조한 동력 경운기용 엔진.