KR940009683B1

KR940009683B1 - 물분사 디이젤엔진

Info

Publication number: KR940009683B1
Application number: KR1019910008212A
Authority: KR
Inventors: 요조오 토사; 요시노리 나가에
Original assignee: 미쯔비시주우고오교오 가부시기가이샤; 우에다 쇼오지
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1991-05-22
Publication date: 1994-10-15
Also published as: DE459083T1; KR910020311A; EP0459083B1; EP0459083A1; DE69104265D1; DK0459083T3; JPH0427757A; DE69104265T2; JP2772114B2

Abstract

내용 없음.

Description

물분사 디이젤엔진

제 1 도는 본 발명의 연료, 물분사장치의 구성단면도

제 2 도는 연료, 물분사밸브의 단면도

제 3 도는 동 분사상황설명도

제 4 도는 시험결과의 성능곡선도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 연료분사펌프본체 4 : 플런저

7 : 압력조절체크밸브 12 : 유류부(油溜部)

13 : 물의 체크밸브 16 : 물공급제어밸브

20 : 제어장치 31 : 합류점

40 : 연료, 물분사밸브

본 발명은 물분사디이젤엔진에 관한 것이다.

디이젤엔진의 배기가스중의 질소산화물(Nox)을 저감시키는 수단으로서, 종래 연료중에 물을 혼합시키거나, 에멀산연료를 사용하거나, 연료와는 별도로 연료실내에 물을 독립해서 분사시키는 물첨가 디이젤엔진등이 유효한 것은 공지의 사실이다.

그러나 이 경우, 연료와 물을 혼합시키기 위한 첨가제를 필요로하거나, 물을 연소실내에 분사시키기 위한 새로운 분사장비를 필요로하는등, 실용성이 적은 결점이 있었다.

또 엔진의 성능면에 있어서도, 물첨가량의 증대에 따라서 Nox의 저감효과가 충분하지 못하거나, 배기매연(黑煙)의 증대나 연료소비용의 악화등, 물첨가의 효과를 충분히 발견하는데에 이르지 못하고 있다.

본 발명의 목적을 상기 종래장치의 문제점을 해소하여, 종래의 연료시스템을 크게 변경하는일 없이, 콤팩트하며 실용성이 높고, 또 엔진의 기동시나 정지시에는 용이하게 물분사가 정지할 수 있는 동시에, 디이젤엔진의 배기가스중의 질소산화물(Nox)을 저감하고, 또한 엔진의 배기매연이나 연료소비율의 저감까지도 동시에 달성할 수 있는 신뢰성이 높은 물분사디이젤엔진용 제공하는데 있다.

본 발명의 물분사디이젤엔진은, 연료 및 물을 1개의 연료분사밸브로부터 동시에 분사할 수 있도록한 것으로서, 일본국 특개소 63-227951호 공보(동 특원소 62-59816)에 개시되어 있는 「2중연료엔진의 분사시스템」의 일부를 개조한 것이며, 다음과 같은 구성으로 되어 있다.

상기 장치는 디이젤엔젠의 무연료분사펌프의 토출밸브(6) 병렬로 설치되고 이 토출밸브와 반대방향의 흐름만을 허용하는 압력조절체크밸브(7)와, 급유펌프에 의해서 가압된 물을 제어장치를 개재해서 적절한 양과 타이밍을 가지고 연료분사밸브에 송유하는 제어밸브(16)와, 상기 물공급로내에서 연료분사밸브 근처에 설치된 체크밸브(13)를 가지고 이루어지며, 또 상기 압력조절체크밸브, 체크밸브, 연료분사밸브의 개방밸브압을 각각 P_R, P_P, P_O로 하였을때, P_R〈 P_O, P_P〈P_O로 되도록 설정하고, 또한 물의 공급이 주연료분사펌프에 의한 분사종료후로부터 다음의 분사까지의 사이에 행하여지며, 1회의 분사중에 전체연료분사량의 5% 이상75% 이하의 연료가 먼저 분사되고, 잇따라서 전체연료분사량에 대해서 10% 내지 8%의 용적비의 물의 전량이 분사되고, 최후에 나머지의 연료가 전량분사되도록 구성되어 있다.

주연료분사펌프의 토출이 개시되고, 연료분사밸브내의 연료 및 물이 압축되어, 압력이 상승해서 연료밸브의 개방밸브압 P_O이상으로 되면, 연료밸브가 열리고 분사가 개시된다.

분사는 먼저 전체연료분사량의 5% 이상 75% 이하의 연료가 연소실내에 분사되고, 점화지연기간이 경과한 후 연소를 개시한다. 동시에 잇따라서 공급된 물이 연소중의 선행 연료분무화염을 목표로해서 분사되고, 이때 물자체도 분무로 되어서 내부에 연소실내의 공기를 가두고 있기 때문에, 선행연료에 공기를 공급하는 형식으로 되어서 연소가 활발화 된다.

최후에 나머지의 연료가, 선생한 공분무속에 분사되어 연소한다. 또 이때 열적 영향에 의해 화염의 온도상승이 억제되어 Nox의 발생도 억제된다.

이와같은, 연료프로세스에 의해, 선행분사된 연료의 양이 연소성능의 양부 및 Nox 발생의 억제에 큰 영향을 미치고, 선행연료의 양이 너무 적으면 후속물분사의 열적영향에 의해 점화후의 연소지속이 곤란하게 되어 연소변동이나 연소불량을 야기하고, 반대로 선행연료가 너무 많으면, 선행연료의 연소에 위한 Nox의 발생이 많아져서, 물분사에 의한 Nox 발생의 억제효과가 감쇄된다.

본 발명에 의한 연료, 물분무시스템을 사용한 엔진의 연소시험의 결과 Nox의 발생을 효과적으로 억제하고, 또 엔진의 배기매연이나 연료소비율의 저감을 동시에 달성시키기 위한 연료의 물분무장치의 적용범위로서는, 전체연료분사량의 5% 이상 75% 이하의 연료가 먼저 분사되고, 잇따라서(전체연료분사량에 대해서 10% 내지 80%의 용적비의)물의 전량이 분사되고, 최후에 나머지의 연료가 전량 분사되는 것이 필요조건인것을 발견하였다.

또 본 발명의 물분사장치에서는, 엔진의 기동이나 정지시등 물첨가에 의해 엔진에 대하여 불편을 발생하는 운전상태에 있어서는, 물공급경과의 제어장치의 작동을 정지하므로서, 용이하게 물공급을 정지할 수 있고, 연료만의 운전으로 절환할 수 있다.

이하 제 1~제 4 도를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 대해서 설명한다.

제 1 도는 제 1 실시예에 관한 연료, 물분사장치의 주요부단면도, 제 2 도는 연료, 물분사밸브의 단면도, 제 3 도는 연료 및 물의 분사상황을 표시한 설명도, 제 4 도는 동장치의 시험결과의 설명도이다.

(1)은 연료탱크, (2)는 연료급유펌프, (3)은 연료분사펌프본체, (4)는 동플린저, (5)는 플런저배럴, (6)은 토출밸브, (7)은 이 토출밸브 (6)의 옆길에 설치된 압력조절체크밸브, (8)은 연교분사관, (40)은 연료, 물분사밸브이고, (9)는 동본체, (10)은 분사구멍, (11)은 침밸브, (12)는 유류부, (14)는 침밸브(11)의 가압스프링이다.

한편, (19)는 물탱크, (18)은 물공급펌프, (17)은 물공급관, (16)은 물공급 제어밸브, (15)는 물공급관, (13)은 물공급의 체크밸브로서 물의 제어밸브쪽으로의 역류를 방지한다. 또, (20)은 물의 공급량 및 공급시기를 제어하는 제어장치로서, 엔진의 크랭크각신호 및 그외의 엔진작동조건을 입력하여, 제어밸브(16)에 개폐신호를 회선(23)을 개재해서 출력한다.

연료, 물분사밸브(40)의 본체(9)에서 연료통로(22)가 구멍뚫려져 있으며, 연료분사관(8) 및 연료, 물분사밸브의 유류부(12)를 연통시키고 있다. 또 물공급의 체크밸브(13)는, 마찬가지로 연료, 물분사밸브(40)의 본체에 구멍뚫려진 물통로(30)를 개재해서 상부 연료통로(22)의 도중의 합류부(31)에 접속되어 있다.

여기서 합류부(31)의 위치는, 제 2 도에 표시한 바와같이 연료통로(22)중의 합류부(31)로부터 유류부(12)까지의 용적을 V₁으로하고, 침밸브(11)가 닫혀진 상태에서의 유류부의 용적을 V₂로하고, 또 1회의 연료의 전체분사량을 V_F로 하였을때

가 되도록 합류점(31)의 위치를 설정한다.

또 압력조절체크밸브(7), 채크밸브(13), 연료분사밸의 침밸브(11)의 밸브개방압을 각각 P_R, P_P, P_O로 하였을때, P_O〉P_R, P_O〉 P_P가 되도록 설정되어 있다.

다음에 상기 실시예의 작용에 대해서 설명한다.

물탱크(19)로부터 물공급펌프(18)에 의해 압송된 물은, 공급관(17)을 통과하여 제어밸브(16)에 보내지고, 연료분사펌프(3)의 플런저가 연료를 압송하고 있지않는 중지기간중에, 상기 제어밸브(16)는 제어장치를 개재해서 소정의 기간 밸브개방상태로 유지되고, 소정량의 물을 공급관(15)은 개재해서 연료, 물분사밸브(40)에 보내준다. 이때, 상기와 같은 연료펌프(3)의 압력조절체크밸브(7)의 밸브개방압력 P_R및 물공급의 체크밸브(13)의 밸브개방압력을 P_P로 할때, 침밸브(11)의 밸브개방입력 P_O에 대해서

P_O〉P_R, P_O〉 P_P

로 되어 있으므로, 공급된 물은 체크밸브(13)를 거쳐서 물통로(30) 및 합류부(31)를 통과하여 연료통로(22)내에 유입한다.

연료통로(22)내의 합류부(31)로부터 상류쪽 즉 연료분사펌프(3)쪽에 있는 연료는 연료분사펌프(3)의 방향으로 분사관(8)을 통과해서 되밀려지고, 압력조절체크밸브(7)를 밀어열고서 플런저실로 역류한다.

그 결과, 제 2 도에 표시한 바와 같이 연료, 물분사밸브(40)내에는, 유류부(12)의 용적 V₂및 합류부(31)로부터 유류부(12)까지의 연료통로(22)의 용적 V₁의 합인 V₁+V₂의 용적의 연료로 채워지고, 상기 합류부(31)의 상류쪽의 연료통로(22)내에는 소정량의 물이 채워지고, 또 그 상류에는 재차 연료가 채워진 상태로 되어 있다.

다음에 연료펌프(3)의 플런저(4)가 상승해서 연료의 압축이 개시되면, 분사관(8), 연료통로(22) 및 유류부(12)내의 압력이 상승하고, 침밸브(11)의 밸브개방압력 P_O이상으로 되면 침밸브(11)가 개방된다. 이때 체크밸브(13)의 작용에 의해 물통로(30)내의 물은 물탱크(19)쪽으로는 되밀리는 일은 없다.

침밸브(11)가 밸브개방압력 P_O에 달하면, 제 3 도와 같이 연료, 물분사밸브(40)의 분사구멍(10)으로부터는, 먼저 유류부(12) 및 연료통로(22)내의 합류부까지의 용적에 채워져 있던 V₁+V₂의 용적의 연료가 분사되고 이어서 소정량 공급되어 있던 물이 분사되며, 최후에 나머지의 연료가 전량분사되게 된다. 1회의 분사로 분사되는 연료의 양을 Q_F로 하면, 최초에 분사되는 연료의 양 Q_FP는 상기한 바와같이 Q_FP=V₁+V₂로 되고 이어서 Q_W의 물의 전량이 분사되고, 최후에 나머지의 연료를 Q_FS로 하면 Q_FS=Q_F-Q_FP가 분사된다.

본 실시예에 의거한 엔진을 사용하여 상기 합류점(31)의 위치를 변경해서 연료분사량 Q_FP및 물공급량 Q_W를 변화시켜서 시험하고, 그 결과를 Q_W/Q_F를 파라미터로 하여, 가로축에 Q_FP/Q_F, 세로축에 연기농도, 또는 a_OX의 변화율을 잡아 정리한 결과를 제 4a,b 도에 표시한다.

도면에 있어서 파라미터의 물공급비율 Q_W/Q_F를 증대함에 따라서 엔진배기 가스중의 N_OX및 매연농도의 저감을 얻을 수 있고, 또한 선행분사연료비율 Q_FP/Q_F가 5% 이상 75% 이하의 범위에서 그 저감효과가 현저한 것을 발견하였다. 또 도면중 X 표시는 그점보다도 Q_FP/Q_F가 적은 영역에서는 실화나 연소변동에 의해 정상적인 엔진운전이 곤란하게 되는 점을 표시한다. Q_X/Q_F가 80% 이상으로 되면 Q_FP/Q_F가 큰곳에서 밖에 정상운전은 얻을 수 없고, 또 N_OX의 저감량도 한계점으로 되기 때문에, Q_W/Q_Z는 10% 이상 80% 이하의 범위가 효과적이다.

이상의 결과로부터 디이젤엔진에 있어서, 연료 및 물을 동일 연료분사밸브로부터 동시에 분사할 수 있도록한 본 실시예의 연료물분사장치에 있어서, 1회의 분사에 있어서, 전체연료분사량의 5% 이상 75% 이하의 연료가 먼저 분사되고, 잇따라서 전체연료분사량에 대하여 10% 내지 80%의 용적비의 물의 전량이 분사되며, 최후에 나머지의 연료가 전량분사되도록 연료ㆍ물분사밸브의 유료형상 및 물공급의 위치를 설정하므로서, 디이젤엔진의 배기중의 N_OX의 저감 및 매연농도 저감을 효과적으로 실현할 수 있으며, 또한 연소개선에 의한 연료비저감도 얻을 수 있다.

또 본 실시예 이외의 구성으로 이루어진 장치에 있어서도, 본 발명에서 명확하게 된 바와같이 연료와 물을 동일한 분사밸브로부터 분사하고, 또한 1회의 분사중에 전체연료분사량의 5% 이상 75% 이하의 연료가 먼저 분사되고, 잇따라서 물의 전량이 분사되며 최후에 나머지의 연료가 전량분사되도록 하므로서, 본 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명의 물분사 디이젤엔진은 상기와 같이 구성하였으므로, 배기중의 질소산화물(N_OX)을 효과적으로 저감할 수 있는 동시에, 배기매연이나 연료소비율의 저감을 동시에 실현할 수 있다.

Claims

연료 및 물을 동일한 연료분사밸브(40)로부터 동시에 분사할 수 있도록한 연료, 물분사장치로서, 연료분사펌프(3)의 토출밸브(6)와 병렬로 설치되고 이 토출밸브와 반대방향의 흐름만을 허용하는 압력조절체크밸브 (7)와, 물공급펌프(18)에 의해 가압된 물을 제어장치(20)를 개재하여 적절한 양과 타이밍을 가지고 연료분사밸브(40)로 송수하는 제어밸브(16)와, 상기 연료분사밸브(40)의 수로내에서 이 분사밸브의 유류부(12) 근처에 설치된 체크밸브(13)를 가지고 이루어지고, 또 상기 압력조절 체크밸브(7), 체크밸브(13), 연료분사밸브의 침밸브(11)의 밸브개방압을 각각 P_R, P_P, P_O로 했을때 P_O〉P_R, P_O〉P_P가 되도록 설정하고, 또한 물의 공급을 연료분사펌프에 의한 분사종료시로부터 다음 분사까지의 사이에 행하도록 제어하는 것에 있어서, 상기 연료분사밸브(40)는 유류부(12)보다도 상류쪽에 연료통로(22)와 물통로(22)가 합류하는 합류부(30,31)를 가지고, 1회의 분사중에 전체연료의 5% 이상 75% 이하의 연료가 먼저 분사되고, 잇따라서 물의 전량이 분사되며, 최후에 나머지의 연료가 전량분사되도록, 연료, 물분사장치의 연료분사밸브의 유로형상 및 물공급의 위치를 설정한 것을 특징으로 하는 물분사디이젤엔진.
제 1 항에 있어서, 상기 연료분사밸브로부터 분사되는 물이, 전체 연료분사량에 대해서, 10~80%의 용적비인 것을 특징으로 하는 물분사디이젤엔진.