KR20110133649A - 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치 - Google Patents

디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치에 관한 것으로, 그 목적은 하나의 연료분사밸브내에서 스프링 장력 및 연료압력에 의해 서로 다른 2가지 연료를 각각 분사할 수 있는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 디젤기관이나 가스엔진에서 실린더에 연료를 분사시켜주는 연료분사밸브장치에 있어서, 연료밸브 안으로 들어오는 두가지 연료의 압력 및 니들스프링의 장력에 의해 하나의 밸브에서 두가지 연료가 각각의 노즐홀을 통해 서로 섞이지 않고 순차적으로 분사되도록 되어 있다.

Description

디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치{Dual fuel injector valve by hybrid nozzle with dual fuel injection valve for diesel and gas engine}
본 발명은 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치에 관한 것으로, 연료의 압력 및 스프링의 장력에 의해 하나의 밸브에서 두가지 연료를 각각 분사할 수 있는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 디젤엔진은 개방 압력(Opening pressure) 보다 높은 압력의 연료가 들어오면 열리고 낮은 압력이 들어오면 닫히는 하나의 니들밸브와 스프링을 가지고 있다. 이를 통해 연료펌프에서 형성된 고압의 연료가 연료밸브에 들어올 때, 연료밸브 안에서 개방 압력보다 높은 압력이 형성이 되면 연료유의 압력을 통해 스프링이 니들밸브를 누르는 힘을 이겨내고 니들밸브를 들어 올려 노즐 끝단에 위치한 여러 개의 노즐홀을 통해 연료가 실린더 내로 분사되게 된다. 이와 같은 방법은 정해진 하나의 개방 압력에 따라 모든 노즐홀이 개방되는 하나의 메커니즘으로 구성되어 있어 개방 압력 형성 이후에 그 보다 더 높은 압력이 연료밸브로 들어오게 되더라고 정해진 개수의 노즐홀을 통해 지속적으로 분사하는 방법 밖에 없다. 가스엔진의 경우 두개의 연료분사밸브를 이용하여 하나는 Pilot밸브로 하나는 가스를 주로로 사용하는 밸브로 두개의 밸브, 또는 두개의 니들실린더를 구비하여 사용하고 이에따른 밸브의 두가지 연료공급로를 위하여 두개의 밸브에 맞는 연료관로를 설치 해야하기 때문에 타이밍을 맞추는 두개의 가버너, 링크장치등이 필요하게 된다.
종래의 연료밸브의 대표적인 형태인 Wartsila-Sulzer 방식, MAN-B&W 방식과 중형엔진의 경우를 보면, Wartsila-Sulzer은 개방 압력을 넘어서지만 보다 고압이 형성되지 않을 경우 노즐에 가공된 여러 개의 노즐홀을 통해 연료가 실린더 내로 분무되는 것이 아니라, 연료가 실린더로 흘러 들어가는 형태를 취하게 된다. 그리고 연료 분사가 다 끝나고 난 후에도 닫혀진 니들밸브와 노즐홀 사이의 공간(SAC volume)이 커, 이 공간에 남은 잔여 연료가 실린더로 흘러들어가 상기에서 기술한 문제점이 생긴다.
또한, MAN-B&W 방식은 SAC volume을 줄이기 위해 슬라이드 방식의 니들밸브를 채택하였지만 개방 압력을 넘어선 압력에 대해선 능동적으로 대처하지 못하는 한계가 있다. 즉 SAC volume 이 고정되어 있지만, 실제 분사가 끝난 후의 SAC volume은 저압 니들밸브와 노즐 사이의 공간이기 때문에 SAC volume을 최소화 할 수 있다. 이중연료의 형태인 연료분사밸브는 실린더를 두개로 작동하도록하여 두개의 가버너와 두개의 링크가 필요하도록 되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 하나의 연료분사밸브내에서 스프링 장력 및 연료압력에 의해 서로 다른 2가지 연료를 각각 분사할 수 있는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 이중연료, 즉 HFO, MDO와 같은 디젤엔진에 사용하는 연료와 천연가스를 이용한 가스연료를 한(One)개의 인젝터내의 한 개의 노즐에서 분사가 가능토록 하고, 같은계열의 연료계통, 즉 HFO를 메인연료로하고 파일롯연료로 MDO를 사용할때도 효과적으로 분사가 가능하며, 특히, 이중연료를 사용할 경우에는 MDO를 사용하여 점화할수 있고 메인은 가스를 이용하여 분사할 수 있는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 디젤기관이나 가스엔진에서 실린더에 연료를 분사시켜주는 연료분사밸브장치에 있어서,
연료가 공급되는 연료파이프와 연결되어 연료를 공급받으며, 공급되는 연료가 유동하는 메인연료통로 및 파일럿 연료통로가 구비된 연료밸브블록;
상기 연료밸브블록의 하부에 위치되도록 노즐홀더에 의해 결합되고, 메인연료통로와 연결되어 메인연료를 분사하는 메인노즐홀 및, 파일럿 연료통로와 연결되어 파일럿 연료를 분사하는 파일럿노즐홀을 각각 구비한 하이브리드 노즐;
상기 하이브리드 노즐의 내부에 위치하도록 설치되고 파일럿압력에 의해 파일럿 노즐홀로 파일럿 연료를 공급하는 파일럿 연결홀 및, 메인연료압력에 의해 메인노즐홀로 메인연료를 공급하는 메인연결홀을 구비하는 파일럿 니들밸브;
상기 파일럿 니들밸브 내부에 위치하도록 설치되고, 파일럿 연료분사 후 메인분사의 압력에 의해 메인노즐홀로 메인연료를 공급하는 메인니들밸브;
상기 메인니들밸브에 스프링받침대에 의해 연결되고 분사에 사용되는 탄성력을 구비한 니들스프링;을 포함한다.
이와 같이 본 발명은 이중연료를 사용하는 엔진에 연료분사장치가 별도의 두개가 필요 없는 하나의 밸브에서 내부장치를 통해서 순차적인 두 가지의 연료를 섞이지 않게 연소실내로 분사하여 연소되도록 하여, 두 가지의 연료를 이용한 연소패턴, 즉, MDO+HFO효과와 MDO+Gas연료의 효과로 연소실 내에 유해가스(Smoke, Nox)를 줄이고 연비를 좋게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 대형 박용엔진과 중형엔진, 가스엔진에 연료펌프 또는 가스관로에서 배출된 연료의 압력과 스프링의 장력에 따라 실린더에 연료를 분사시키는 연료분사밸브내에 하나의 밸브, 하나의 관로에서 두가지의 연료를 분사할 수 있도록 하여 이중연료를 사용하는 엔진에 적용하며, 니들의 위치가 노즐 바닥까지 연결이 되어있어 1차,2차분사를 통한 SAC Volume을 최소화하여 나은 연소성능과 보다 높은 연비를 낼 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 연료밸브로 들어오는 두가지의 연료를 이용하여 초기분사시에 워밍업과 파일럿분사를 할 수 있고, 이후에 메인연료를 분사하도록 하면서 연소성능이 순차적인 이중연료를 사용하여,연소성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 종래의 방법보다 간단하게 한 실린더 축에서 니들을 조정하 수 있도록 되어 있어, 연소실 내부의 하나의 조립공간만이 필요하므로 연소실 내부에 간단히 구성하여 조립할 수 있는 등 많은 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 실시 예를 보인 단면예시도
도 2 는 본 발명에 따른 이중연료가 연료개방전 연료압이 작동전 실시 예를 보인 단면예시도
도 3 은 본 발명에 따른 1차연료(파일럿연료) 개방시기인 연료압이 작동후 연료유를 배출하는 실시 예를 보인 단면예시도
도 4 는 본 발명에 따른 메인연료 개방시기인 연료압이 작동후 연료유를 배출하는 실시 예를 보인 단면예시도
도 5 는 본 발명에 따른 밸브 노즐과 파일럿 니들, 메인니들을 조립하여 반 단면한 예시도(왼쪽 빨강색 입구가 메인연료 주유구이며, 오른편의 노랑색 주유구가 Pilot 주유구임)
도 6 은 본 발명에 따른 노즐의 전체 구성의 내부(상단의 구멍이 4개이며 두개는 주유구 홀이며 2개는 Cooling Hole 임)을 보인 예시도
도 7 은 본 발명에 따른 파일럿니들의 내부 연결홀을 나타낸 예시도(Pilot 주유가 압력에 의하여 작동될 때 노즐 바닥까지 연결한 홀을 나타냄)
본 발명은 디젤기관과 가스엔진에서 실린더에 연료를 분사시켜주는 연료밸브에 있어서, 별도 두가지의 밸브장치가 필요없이 하나의 밸브에서 하나의 실린더축에서 하나의 스프링을 이용하여 두 연료의 압력차와 두연료의 개방압력에 따라서 한 연료만이 배출되도록 니들과 노즐이 교차하도록 하여 항시 연소시에는 한가지의 연료를 분사하도록 되어 있다.
즉, 본 발명은 디젤기관이나 가스엔진에서 실린더에 연료를 분사시켜주는 연료분사밸브장치에 있어서,
연료가 공급되는 연료파이프와 연결되어 연료를 공급받으며, 공급되는 연료가 유동하는 메인연료통로(11) 및 파일럿 연료통로(12)가 구비된 연료밸브블록(10,Fuel valve block)과;
상기 연료밸브블록(10)의 하부에 위치되도록 노즐홀더(20,Nozzle holder)에 의해 결합되고, 메인연료통로(11)와 연결되어 메인연료를 분사하는 메인노즐홀(31)과 파일럿 연료통로(12)와 연결되어 파일럿 연료를 분사하는 파일럿노즐홀(32)을 각각 구비한 하이브리드 노즐(30)과,
상기 하이브리드 노즐(30)의 내부에 위치하도록 설치되고 파일럿압력에 의해 파일럿 노즐홀(32,Pilot nozzle hole)로 파일럿 연료를 공급하는 파일럿 연결홀(42) 및 메인연료압력에 의해 메인노즐홀(31)로 메인연료를 공급하는 메인연결홀(41)을 구비하는 파일럿 니들밸브(40)와;
상기 파일럿 니들밸브(40) 내부에 위치하도록 설치되고, 파일럿 연료분사 후 메인분사의 압력에 의해 메인노즐홀(Main nozzle hole)로 메인연료를 공급하는 메인니들밸브(50)와;
상기 메인니들밸브(50)에 스프링받침대(61)에 의해 연결되고 분사에 사용되는 탄성력을 구비한 니들스프링(60);을 포함한다.
상기 연료밸브블록(10)은 내부에 메인연료통로(11) 및 파일럿 연료통로(12)를 구비하며, 연료가 공급되는 고압 연료파이프(도시없음)와 연결되어 있다. 미설명부호 13 은 배출구(Drain Line)이다.
상기 하이브리드 노즐(30)은 일측이 메인연료통로(11)와 연결되고 타측이 메인연료공간(35)으로 연결되는 메인유로관(33)과, 일측이 파일럿 연료통로(12)와 연결되고 타측이 파일럿연료공간(36)으로 연결되는 파일럿유로관(34)과, 상기 파일럿유로관(34) 하부에 위치하도록 형성되어 메인연료를 실린더내로 분사하는 메인노즐홀(31)과, 상기 메인노즐홀(31) 하부에 위치하도록 형성되어 파일럿 연료를 실린더내로 분사하는 파일럿 노즐홀(32)을 구비한다.
또한,상기 하이브리드 노즐(30)에는 파일럿 니들밸브(40)와 메인니들밸브(50)가 설치되는 중앙홀(37)을 구비하며, 상기 중앙홀(37)에는 파일럿연료공간(36) 및 메인연료공간(35)이 위치하고, 상기 파일럿연료공간(36)은 메인연료공간(35) 하부에 위치하도록 형성되어 있다.
상기 파일럿 니들밸브(40)는 파일럿 연료의 압력에 의해 움직여 파일럿 노즐홀(32)을 통해 파일럿 연료를 실린더내로 분사하는 것으로, 파일럿 연결홀(42) 및 메인 연결홀(41)이 각각 형성되어 있다.
즉, 상기 파일럿 니들밸브(40)는 내부 중앙에 메인니들밸브(50)가 위치하는 메인홀(44)과, 상기 메인홀(44)과 연통되는 메인연료 유입홀(43)과, 상기 메인연료 유입홀(43)과 연통되는 메인연결홀(41)과, 파일럿 연결통로(12)와 연결되는 파일럿연결홀(42)을 포함하도록 되어 있다.
상기 메인니들밸브(50)는 하이브리드 노즐(30) 내부에 위치하도록 설치되고, 스프링 받침대(61)에 의해 니들스프링(60)의 탄성력을 전달받도록 되어 있다.
상기 니들스프링(60)은 장력조정볼트(62)와 스프링 받침대(61) 사이에 위치하도록 연료밸브 블록(10)내에 설치된다. 즉, 상기 니들스프링은 하나의 실린더 축으로 장력조절볼트에 의해 압력을 조정된다. 이때, 미설명부호 63 은 장력 조정너트(Pressure Nut)이다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 파일럿 연료압에 의해 파일럿 니들밸브(40)가 움직여 파일럿 유로관(34), 파일럿 연결홀(42) 및 파일럿 노즐홀(31)을 통해 실린더 내부로 파일럿 연료를 분사하고,
파일럿 연료연료 분사 후, 메인연료압에 의해 파일럿 니들밸브(40)가 움직여 메인유로관(33), 메인연료 연결홀(41) 및 메인노즐홀(31)을 통해 실린더 내부로 메인연료를 분사하게 된다.
이와 같이 본 발명은 연료가 메인연료통로와 파일럿 연결통로를 통해 동시에 압력을 가해도 내부 장치인 메인니들밸브 및 파일럿 니들밸브의 압력차로 두가지의 연료가 섞이지 않고 각각의 노즐홀을 통해 한가지의 연료만을 순차적으로 분사하게 된다.
이하, 본 발명의 작동을 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.
먼저, 도 2 에 도시된 바와 같이, 메인연료통로(11)와 파일럿 연료통로(12)을 통하여 니들밸브(40,50)까지 연료압이 대기하게 된다. 즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, 연료 분사가 시작되기 전에는 두가지의 연료펌프에서 고압파이프로 이어져 연료밸브로 들어온 연료가 연료밸브의 유로 안에 가득 차 있으나, 그 압력이 니들스프링(60)의 탄성에 이기지 못해 밖으로 배출되지 못하고 압력상승을 하면서 대기하고 있다. 이럴때는 메인노즐홀(31) 및 파일럿노즐홀(32)이 닫힘(Closing)상태로 분사대기가 되는 형상이 된다.
또한, 도 3 과 도 4 는 순차적이고 순간적으로 이루어지는 분사형태이나, 본발명의 핵심적인 내용을 위하여 도 3 및 도 4 로 분리하여 설명하면,
도 3 은 파일럿 노즐홀(32)을 통한 분사(Injecting) 및, 메인 노즐홀(31)의 닫힘(Closing) 형태를 도시한 것으로, 파일럿연료통로(12)에서 들어온 연료의 압력이 메인연료의 압보다 크게 작용하여 파일럿 니들밸브(40)와 메인니들밸브(50)을 밀어 올리면, 메인연료의 통로(메인연료 연결홀 및 메인노즐홀)은 닫히게 됨과 동시에, 파일럿 니들밸브(40)의 파일럿 연결홀(42)을 통해 파일럿 연료가 노즐바닥으로 유입되어 파일럿 노즐홀(32)을 통해 1차 연료분사가 이루어진다.
즉, 이때는 파일럿연료펌프에서 오는 파일럿 연료의 압력이 메인연료에서 오는 압력보다 큰 상태이므로 파일럿 니들밸브(40)와 메인니들밸브(50)를 동시에 밀어올려 파일럿 노즐홀을 통해 파일럿 연료의 분사가 이루어지게 된다.
또한, 도 4 는 파일럿 노즐홀(32)의 닫힘(Closing) 및 메인노즐홀(31)의 분사( Injecting) 형태를 도시한 것으로, 도 3 과 같이, 파일럿 분사가 끝남과 동시에 파일럿(Pilot) 압력이 떨어지는 시점 즉, 메인연료압력보다 파일럿 연료의 압력이 떨어지는 시점에서는 파일럿니들밸브(40)가 메인연료의 압력에 의하여 아래로 내려가게 되고 이때 메인니들밸브(50)와 파일럿 니들밸브(40)간의 개방(메인니들밸브와 파일럿 니들밸브 사이의 공간)으로 메인연료공간내에 위치하는 메인연료가 메인연결홀(41)로 유입되어 메인노즐홀(31)을 통해 2차 연료분사가 이루어지게 된다.
즉, 파일럿연료가 분사되고 압력이 떨어지는 동시에 파일럿 니들밸브와 메인 니들밸브내에서 공간이 생기게 되며, 그 틈으로 메인연료가 유입되어 메인노즐홀을 통해 분사되게 된다.
이와 같이 본 발명은 두가지의 연료를 사용하고 있는 하나의 밸브는 본 발명의 핵심인 하나의 밸브 하나의 실린더축으로 인입되어 한가지 연료가 순차적으로 두가지의 연료를 분사토록 니들밸브의 압력차를 이용하여 분사하도록 되어 있다.
또한, 본 발명에서 말하는 보통 디젤엔진에서 파일럿 연료라 함은 연소분무가 좋은 MDO를 말하는 것이며, 메인연료는 HFO 연료라 할 수 있다. 또한, 가스엔진의 경우도 파일럿연료 분사시에는 MDO같은 연료로 착화되도록하고 메인연료인 LNG나 일반적인 가스엔진에 사용하는 가스를 의미할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
(10) : 연료밸브블럭(Fuel valve block)
(11) : 메인연료통로(Fuel oil inlet)
(12) : 파일럿 연료통로(Pilot Inlet)
(20) : 노즐 홀더(Nozzle holder)
(30) : 하이브리드 노즐(Hybrid Nozzle)
(31) : 메인노즐홀(Main nozzle hole)
(32) : 파일럿 노즐홀(Pilot nozzle hole)
(33) : 메인 유로관
(34) : 파일럿 유로관
(35) : 메인연료공간
(36) : 파일럿 연료공간
(40) : 파일럿 니들밸브(Pilot Needle valve)
(41) : 메인연결홀
(42) : 파일럿 연결홀
(50) : 메인니들밸브(Main Needle valve)
(60) : 니들 스프링(Neddle spring)
(61) : 장력 조정볼트(Pressure bolt)
(62) : 스프링 받침대(Spring support)

Claims (4)

  1. 디젤기관이나 가스엔진에서 실린더에 연료를 분사시켜주는 연료분사밸브장치에 있어서,
    연료밸브 안으로 들어오는 두가지 연료의 압력 및 니들스프링의 장력에 의해 하나의 밸브에서 두가지 연료가 각각의 노즐홀을 통해 순차적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치.
  2. 청구항 1 에 있어서;
    상기 연료분사밸브장치는 연료가 공급되는 연료파이프와 연결되어 연료를 공급받으며, 공급되는 연료가 유동하는 메인연료통로 및 파일럿 연료통로가 구비된 연료밸브블록;
    상기 연료밸브블록의 하부에 위치되도록 노즐홀더에 의해 결합되고, 메인연료통로와 연결되어 메인연료를 분사하는 메인노즐홀 및, 파일럿 연료통로와 연결되어 파일럿 연료를 분사하는 파일럿노즐홀을 각각 구비한 하이브리드 노즐;
    상기 하이브리드 노즐의 내부에 위치하도록 설치되고 파일럿압력에 의해 파일럿 노즐홀로 파일럿 연료를 공급하는 파일럿 연결홀 및, 메인연료압력에 의해 메인노즐홀로 메인연료를 공급하는 메인연결홀을 구비하는 파일럿 니들밸브;
    상기 파일럿 니들밸브 내부에 위치하도록 설치되고, 파일럿 연료분사 후 메인분사의 압력에 의해 메인노즐홀로 메인연료를 공급하는 메인니들밸브;
    상기 메인니들밸브에 스프링받침대에 의해 연결되고 분사에 사용되는 탄성력을 구비한 니들스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치.
  3. 청구항 2 에 있어서;
    상기 하이브리드 노즐은 일측이 메인연료통로와 연결되고 타측이 메인연료공간으로 연결되는 메인유로관과, 일측이 파일럿 연료통로와 연결되고 타측이 파일럿연료공간으로 연결되는 파일럿유로관과, 상기 파일럿유로관 하부에 위치하도록 형성되어 메인연료를 실린더내로 분사하는 메인노즐홀과, 상기 메인노즐홀 하부에 위치하도록 형성되어 파일럿 연료를 실린더내로 분사하는 파일럿 노즐홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치.
  4. 청구항 3 에 있어서;
    상기 파일럿 니들밸브는 내부 중앙에 메인니들밸브가 위치하는 메인홀과, 상기 메인홀과 연통되는 메인연료 유입홀과, 상기 메인연료 유입홀과 연통되어 메인노즐홀로 메인연료를 공급하는 메인연결홀과, 파일럿 연결통로와 연결되어 파일럿 노즐홀로 파일럿연료를 공급하는 파일럿연결홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진과 가스엔진용 하이브리드형 노즐을 구비한 이중 연료분사밸브장치.
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