KR101058766B1 - 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진 - Google Patents

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Abstract

수소 엔진 (10) 은 수소를 연소시키기 위해 작동 매체로서 역할하는 수소, 산소, 및 아르곤 기체를 연소실 (21) 에 공급한다. 연소실 (21) 로부터 방출되는 재순환 기체 내의 H2O는 응축기 (66) 에 의해 기체로부터 분리 및 제거된다. 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도가 소정의 농도보다 더 높은 경우, 3방 밸브 (72) 는 재순환 기체가 생성물 제거부 (70)(이산화탄소 흡수 유닛 (71)) 를 통해 흐르는 방식으로 전환되어, 이산화탄소가 재순환 기체로부터 분리 및 제거된다.
Figure R1020087020650
생성물 제거 수단, 모노에탄올아민 용액, 메인 통로, 바이패스 통로, 분기점, 합류 지점, 경로 전환 수단, 흡수 물질, 분리 촉진 수단, 방출 개구부, 전환 제어 수단

Description

재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진 {HYDROGEN ENGINE USING A RECIRCULATING WORKING MEDIUM}
본 발명은 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진에 관한 것이며, 수소, 산소, 및 단원자 기체로 구성된 작동 매체는 수소를 연소하기 위해 연소실에 공급되고, 연소실로부터 방출되는 배출 기체에 포함된 작동 매체는 연소실로 재순환(또는 귀환, 재공급)된다.
재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이 제안되어왔으며, 여기서 수소, 산소, 및 작동 매체로서 역할하는 단원자 기체로 구성된 기체 아르곤이 수소를 연소하기 위해 연소실에 제공되고, 연소실로부터 방출되는 배출 기체에 포함된 작동 매체는 재순환 통로를 통해 연소실로 재순환된다(예를 들어, 일본 특허 출원 공보(kokai) 제11-93681 호, 청구항 제 1 항, 문단 0021-0029, 및 도 1 참조). 아르곤 기체는 매우 높은 비열비(specific heat ratio)를 갖는 비활성 기체이다. 그러므로, 상기의 통상적인 수소 엔진은 비열비가 낮은 작동 매체를 이용하는 엔진과 비교하여 더 큰 열효율로 작동될 수 있다. 상기 수소 엔진의 배출 기체는 H2O(증기) 및 아르곤 기체를 포함한다. 따라서, 이 엔진은 배출 기체로부터 H2O 를 분리/제거하며, H2O 가 제거된 기체를 연소실에 재공급한다.
그러나, 상기 엔진의 배출 기체는 H2O 및 아르곤 기체 외에 연소실에 생성되는 반응 생성물을 함유할 수 있다. 그러한 반응 생성물의 예는 이산화탄소(CO2), 산화 질소(NOx), 탄화수소(HC), 등이다. 예를 들어, 이산화 탄소는 엔진 윤활유가 연소실 내에서 연소(또는 화학적으로 변화)될 때 생성된다. 더 구체적으로, 실린더 라이너에 머무르는 엔진 윤활유의 일부가 연소되거나 흡입 밸브 또는 배출 밸브의 오일 봉합부를 통해 연소실로 누출되는 엔진 윤활유가 연소되는 경우, 이산화탄소는 필연적으로 배출 기체에 함유된다.
그런데, 이산화탄소는 3원자로 구성되어 있다. 이 이산화탄소를 포함하여, 연소실에서 생성되는 생성물(산화질소, 탄화수소 등)은, 각각이 2 이상의 원자로 구성되어 있는 기체이다. 이후, 편의상, 2 이상의 원자로 구성된 기체는 "복수 원자 기체" 라고 한다. 복수 원자 기체의 비열비는 단원자 기체의 비열비보다 더 작다. 그러므로, 엔진의 열효율은 재순환 기체에서의 "연소실 내에서 형성되는 생성물의 농도" 가 더 높아질수록 더 낮아진다.
상기 열효율의 문제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 수소 엔진은 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이다. 이 엔진은 수소, 산소, 및 단원자 기체로 구성된 작동 매체를 수소를 연소시키기 위해 연소실에 공급하며, 연소실로부터 방출되는 배출 기체에 포함된 작동 매체를 재순환 통로를 통해 연소실로 재순환(또는 재공급, 귀환)시킨다. 이 엔진은 연소실 내에서 생성된(또는 발생된, 형성된) H2O(증기) 이외의 생성물을 제거하기 위해 재순환 통로에 배치되는 생성물 제거 수단을 더 포함한다.
일반적으로, 단원자 기체는 큰 비열비를 갖는다. 반대로, 연소실 내에서 생성된 H2O 이외의 각각의 생성물은 그 생성물이 복수 원자 기체이기 때문에 일반적으로 단원자 기체의 비열비보다 더 작은 비열비를 갖는다. 그러므로, 상기 구성된 수소 엔진은 연소실 내에서 생성된 H2O 이외의 생성물(즉, 작동 매체의 비열비보다 더 작은 비열비를 갖는 생성물)이 생성물 제거 수단에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에 항상 높은 열효율로 작동될 수 있다.
이 경우, 상기 생성물 제거 수단은 연소실 내에서 생성되는 H2O 이외의 생성물인 이산화탄소를 제거하기 위해 구성되는 것이 바람직하다.
일반적으로, 윤활유는 엔진에 사용되는 오일이다. 따라서, 상기 설명하였듯이 비교적 낮은 비열비를 갖는 이산화탄소가 연소실 내에서 불가피하게 생성된다. 따라서, 수소 엔진은 상기 구성을 이용하여 재순환 기체로부터 이산화탄소를 제거함으로써 항상 높은 열효율로 작동될 수 있다.
이 경우, 이산화탄소를 제거하기 위한 상기 생성물 제거 수단은
재순환 통로의 일부를 구성하는 통로를 갖는 콘테이너; 및
콘테이너의 통로에 함유된 모노에탄올아민 용액 또는 콘테이너의 통로에 함유된 제올라이트계 흡수제를 포함하는 것이 바람직하다.
모노에탄올아민 (MEA) 용액은 이산화탄소를 높은 용해도로 용해시킬 수 있다. 제올라이트계 흡수제는 이산화탄소를 높은 효율로 흡수할 수 있다. 그러므로, 상기 구성에 따르면, 배출 기체를 이 물질들 중 하나를 함유하는 통로를 통해 흐르게 함으로써 재순환 기체 내에 포함된 이산화탄소가 흡수되고 재순환 기체로부터 효율적으로 분리/제거될 수 있다.
재순환 통로는 메인 통로, 및 분기점에서 메인 통로로부터 갈라지고 분기점하류의 합류 지점에서 메인 통로에 합류하는 바이패스 통로를 포함하고,
생성물 제거 수단은 상기 바이패스 통로에 배치되며,
수소 엔진은 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 메인 통로를 통해 분기점으로부터 합류 지점으로 흐르게 되는 제 1 상태, 또는 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 바이패스 통로를 통해 분기점으로부터 합류 지점으로 흐르게 되는 제 2 상태 중 어느 하나를 선택하는 경로 전환 수단을 포함하는 것이 또한 바람직하다.
상기 구성에 따르면, 재순환 기체가 분기점과 합류 지점 사이로 통과하여 흐르는 경로가, 필요한 경우 경로 전환 수단에 의해 바이패스 통로로 선택되면, 재순환 기체 내에 포함된 생성물은 바이패스 통로에 배치된 생성물 제거 수단에 의해 제거된다. 그 결과, 재순환 기체 내의 생성물의 농도가 감소될 수 있다. 한편, 재순환 기체가 분기점과 합류 지점 사이로 통과하여 흐르는 경로가 경로 전환 수단에 의해 메인 통로로 선택되면, 재순환 기체는 생성물 제거 수단을 통해 흐르지 않는다. 그 결과, 재순환 기체는 바이패스 통로 및 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 생성물 제거 수단을 통해 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
또한, 본 수소 엔진에 있어서,
상기 생성물 제거 수단은
생성물을 흡수하는 흡수 물질;
흡수 물질에 의해 흡수된 생성물이 흡수 물질로부터 분리되는 것이 촉진되도록 물리적 작용을 흡수 물질에 가하는 분리 촉진 수단; 및
흡수 물질로부터 분리된 생성물을 재순환 통로 바깥으로 방출하는 방출 개구부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구성에 따르면, 흡수 물질에 의해 흡수된 생성물이 분리 촉진 수단에 의해 흡수 물질로부터 분리되도록 촉진된다. 그러므로, 흡수 물질은 생성물을 흡수하는 그 능력을 회복할 수 있다. 그 결과, 흡수 물질은 그 흡수 물질을 새로운 흡수 물질로 대체하지 않고 긴 기간 동안 사용될 수 있다.
분리 촉진 수단을 갖는 수소 엔진에서,
상기 흡수 물질은 이산화탄소를 용해시킴으로써 생성물로서의 이산화탄소를 흡수하는 모노에탄올아민 용액 또는 이산화탄소를 흡착함으로써 이산화탄소를 흡수하는 제올라이트계 흡수제 중의 어느 하나이며,
상기 분리 촉진 수단은 흡수 물질을 가열하는 가열 수단인 것이 바람직하다.
모노에탄올아민 용액은 그의 온도가 증가함에 따라 이산화탄소의 용해도가 급격히 감소하는 특성을 갖는다. 제올라이트계 흡수제는 그의 온도가 증가함에 따라 이산화탄소의 흡수 효율이 급격히 감소하는 특성을 갖는다. 그러므로, 상기 구성에 따르면, 가열 수단으로 모노에탄올아민 용액 또는 제올라이트계 흡수제를 가열함으로써 이 용액 또는 흡수제에 흡수된(용해된 또는 흡착된) 이산화탄소를 모노에탄올 아민 또는 제올라이트계 흡수제로부터 용이하게 분리(또는 제거)할 수 있다. 그 결과, 모노에탄올아민 용액 및 제올라이트계 흡수제의 이산화 탄소 흡수 능력을 회복할 수 있다.
생성물 제거 수단이 배치되는 바이패스 통로, 및 재순환 기체가 흐르는 경로로서 메인 통로 또는 바이패스 통로 중 어느 하나를 선택하는 경로 전환 수단을 갖는 수소 엔진은
메인 통로(예를 들어, 분기점의 상류 위치에 있는 메인 통로 또는 합류 지점의 하류 위치에 있는 메인 통로)를 통해 흐르는 기체 내에 함유된 이산화탄소의 농도를 얻기 위한 이산화탄소 농도 획득 수단; 및
얻어진 이산화탄소의 농도가 소정의 농도보다 더 높은 경우 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 분기점과 합류 지점 사이의 바이패스 통로를 통해 흐르도록 하는 방식으로 경로 전환 수단을 전환시키는 전환 제어 수단을 포함하는 것이 또한 바람직하다.
상기 구성으로, 얻어진 이산화탄소 농도가 소정의 농도보다 높아지면, 즉 엔진의 열효율이 용인할 수 없는 수준으로 감소하면, 재순환 기체는 바이패스 통로를 통해 흐른다. 따라서, 이산화탄소가 생성물 제거 수단에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다. 게다가, 재순환 기체가, 필요하지 않으면 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 바이패스 통로 및 생성물 제거 수단을 통해 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
이 경우, 이산화탄소 농도 획득 수단은 이산화탄소 농도를 검출(또는 측정)하는 이산화탄소 농도 센서일 수 있거나, 또는 수소 엔진 작동의 축적된 기간(엔진이 작동하는 총 시간)에 기초하여 이산화탄소 농도를 추정하는 이산화탄소 농도 추정 수단일 수 있다. 이산화탄소 농도가 수소 엔진 작동의 축적된 기간에 기초하여 추정되면, 비싼 이산화탄소 농도 센서를 사용할 필요가 없기 때문에, 엔진 비용이 낮아질 것이다.
본 수소 엔진은
엔진의 크랭크 각도가 압축 스트로크의 상사점 근처의 소정의 크랭크 각도와 일치하는 경우 연소실 내의 압력인 실린더 압력을 얻기 위한 실린더 압력 획득 수단; 및
얻어진 실린더 압력이 소정의 압력보다 작은 경우, 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 분기점과 합류 지점 사이의 바이패스 통로를 통해 흐르게 하는 방식으로 경로 전환 수단을 전환시키는 전환 제어 수단을 포함할 수 있다.
상기 언급하였듯이, 이산화탄소 기체는 3개의 원자로 구성되며, 따라서, 그의 비열비가 단원자 기체로 구성된 작동 매체의 비열비보다 더 작다. 그러므로, 압축 스트로크의 상사점 근처의 실린더 압력은 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도가 높아질수록 더 작아진다. 따라서, 엔진의 크랭크 각도가 압축 스트로크의 상사점 근처의 소정의 크랭크 각도와 일치하는 경우 실린더 압력이 소정의 압력보다 더 작다는 사실은 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도가 높아짐을 의미한다. 이 관점에서, 상기 구성에 따르면, 압축 스트로크의 상사점 근처의 소정의 크랭크 각도에서의 실린더 압력이 소정의 압력보다 더 작아지는 경우, 재순환 기체가 흐르는 경로는 재순환 기체가 바이패스 통로를 통해 흐르는 방식으로 선택된다. 따라서, 이산화탄소가 생성물 제거 수단에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다. 또한, 재순환 기체가, 필요하지 않으면 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 바이패스 통로(이산화탄소 흡수 기구)를 통해 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
대안적으로, 본 수소 엔진은
엔진의 연소 상태를 나타내는 연소 상태 지시값을 얻기 위한 연소 상태 지시값 획득 수단; 및
얻어진 연소 상태 지시값이 연소 상태가 소정의 연소 상태보다 더 나쁨을 나타내는 경우, 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 분기점과 합류 지점 사이의 바이패스 통로를 통해 흐르도록 하는 방식으로 경로 전환 수단을 전환시키는 전환 제어 수단을 포함할 수 있다.
상기 언급하였듯이, 이산화탄소 기체는 3개의 원자로 구성되어 있으며, 따라서, 그 비열비는 단원자 기체로 구성된 작동 매체의 비열비보다 더 작다.
그러므로, 수소 엔진이 확산 연소를 위해 수소가 고온 및 고압 기체에 주입되는 유형의 엔진이라면, 이산화탄소의 농도가 높아질수록 연소 속도(율)는 더 낮아지며, 따라서 연속적인 사이클 사이에 연소 상태의 변동이 커지거나, 또는 자가 점화 타이밍이 지연된다. 따라서, 도시 평균 유효 압력의 변동율, 자가 점화 타이밍, 또는 자가 점화 타이밍의 변동율이 연소 상태 지시값으로서 이용되면, 이산화탄소의 농도가 연소 상태 지시값에 기초하여 용인할 수 있는 농도보다 더 높은지 아닌지를 판단할 수 있다.
또한, 수소 엔진이 수소가 스파크 점화를 이용한 불꽃 전파에 의해 연소되는 유형의 엔진이라면, 불꽃 전파 속도는 이산화탄소의 농도가 높아짐에 따라 더 낮아지며, 따라서 연소 스트로크(또는 팽창 스트로크) 동안의 실린더 압력은 더 점차적으로 변화된다. 따라서, 실린더 압력의 변화율이 연소 상태 지시값으로서 이용되면, 이산화탄소의 농도가 연소 상태 지시값에 기초하여 용인할 수 있는 농도보다 더 높아지는지 아닌지를 판단할 수 있다.
게다가, 엔진의 유형에 관계없이, 이산화탄소의 농도가 높아질수록 열효율은 더 낮아진다. 따라서, 도시 열효율이 연소 상태 지시값으로서 이용되면, 이산화탄소의 농도가 도시 열효율에 기초하여 용인할 수 있는 농도보다 더 높아지는지 아닌지를 판단할 수 있다. 도시 열효율은 예를 들어 실린더 압력 및 연소실의 부피에 기초하여 얻어지는 행해진 도시 일 (Q1) 과 공급된 수소량(예를 들어, 수소 주입량)에 기초하여 얻어지는 엔진에 공급되는 에너지 (Q0) 의 비(예를 들어, Q1/Q0)의 값으로서 얻어질 수 있다.
이들 관점에서, 상기 구성에 따르면, 연소 상태 지시값이 소정의 연소 상태보다 더 나쁜 연소 상태를 나타내는 경우, 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 분기점과 합류 지점 사이의 바이패스 통로를 통해 흐르게 되는 경로를 선택하기 위해 경로 전환 수단이 전환된다면, 이산화탄소의 농도가 과도하게 증가하는 것을 피할 수 있으며, 따라서 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다. 또한, 재순환 기체가, 필요하지 않으면 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 바이패스 통로 및 생성물 제거 수단을 통해 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 제 1 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진을 포함하는 시스템의 개략적인 구성이다.
도 2 는 도 1 에서 보여지는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 3 은 도 1 에 의해 보여지는 전기 제어 장치의 상기 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 4 는 도 1 에 의해 보여지는 전기 제어 장치의 상기 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 5 는 본 발명에 따른 제 2 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진을 포함하는 시스템의 개략적인 구성이다.
도 6 은 도 5 에 의해 보여지는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 7 은 도 5 에 의해 보여지는 전기 제어 장치의 상기 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 8 은 본 발명에 따른 제 3 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이 포함하는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 9 는 본 발명에 따른 제 4 내지 제 7 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이 포함하는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 10 은 본 발명에 따른 제 4 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이 포함하는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 11 은 본 발명에 따른 제 5 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이 포함하는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 12 는 본 발명에 따른 제 6 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이 포함하는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
도 13 은 본 발명에 따른 제 7 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진이 포함하는 전기 제어 장치의 CPU가 실행하는, 플로우 차트에 의해 보여지는 과정이다.
본 발명에 따른 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진(다중 실린더 엔진)의 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다.
[제 1 실시형태]
도 1 은 본 발명에 따른 제 1 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진을 포함하는 시스템의 개략적인 구성을 보여준다.
이 시스템은 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진 (10), 수소 공급부 (40), 산소 공급부 (50), 작동 매체 재순환 통로부 (60), 생성물 제거부 (70), 및 전기 제어 장치 (80) 를 포함한다. 수소 엔진 (10) 은 작동 매체로서 역할하는 산소 기체 및 아르곤 기체를 연소실에 공급하며, 수소의 확산 연소를 위해 산소 기체와 아르곤 기체를 압축함으로써 얻어지는 높은 압력의 기체에 수소 기체를 주입하는 유형의 엔진이다. 도 1 은 수소 엔진 (10) 의 특정 실린더의 단면도를 보여주지만, 다른 실린더도 같은 구성을 갖는다.
수소 엔진 (10) 은 왕복 내연 기관이다. 이 수소 엔진 (10) 은 실린더 헤드부로 구성된 실린더 헤드 (11), 실린더 블록부로 구성된 실린더 (12), 실린더 (12) 내에서 왕복운동하는 피스톤 (13), 크랭크 샤프트 (14), 피스톤 (13) 의 왕복 운동을 크랭크 샤프트 (14) 의 회전 운동으로 변환하기 위하여 피스톤 (13) 과 크랭크 샤프트 (14) 사이를 연결하는 연결 로드 (15), 및 실린더 블록에 연결되는 오일 팬 (16) 을 포함한다. 피스톤 링 (13a) 이 피스톤 (13) 의 측면에 배치된다.
실린더 헤드 (11), 실린더 (12), 및 오일 팬 (16) 에 의해 형성되는 공간은 피스톤 (13) 에 의해 피스톤 (13) 의 헤드 측에 위치된 연소실 (21) 및 크랭크 샤프트 (14) 를 지지하는 크랭크 케이스 (22) 로 나뉜다.
연소실 (21) 과 통하는 흡입 포트 (31) 및 연소실 (25) 과 통하는 배출 포트 (32) 가 실린더 헤드 (11) 에 제공된다. 흡입 포트 (31) 를 개폐하는 흡입 밸브 (33) 가 흡입 포트 (31) 에 제공된다. 배출 포트 (32) 를 개폐하는 배출 밸브 (34) 가 배출 포트 (32) 에 제공된다. 수소(수소 기체)를 연소실 (21) 에 직접 주입하는 수소 주입 밸브(주입기) (35) 가 실린더 헤드 (11) 에 배치된다.
수소 공급부 (40) 는 수소 탱크(수소 기체 탱크) (41), 수소 기체 통로 (42), 수소 기체 압력 조절기 (43), 수소 기체 유량계 (44), 및 서지 탱크 (45) 를 포함한다.
수소 탱크 (41) 는 10 내지 70 MPa 의 높은 압력하에 연료로서 역할하는 수소 기체를 저장한다. 수소 기체 통로 (42) 는 수소 탱크 (41) 와 수소 주입 밸브 (35) 와 연통시키는 통로(도관, 파이프)이다. 수소 기체 압력 조절기 (43), 수소 기체 유량계 (44), 및 서지 탱크 (45) 는 수소 탱크 (41) 로부터 수소 주입 밸브 (35) 로 이 순서로 수소 기체 통로 (42) 를 따라 배치된다.
수소 기체 압력 조절기 (43) 는 잘 알려진 압력 조절기이며 압력을 일정한 압력으로 유지하기 위하여 수소 통로 (42) 에서 수소 기체 압력 조절기 (43) 의 하류 위치에서(즉, 서지 탱크 (45) 의 측에서) 압력을 조절한다. 수소 기체 유량계 (44) 는 수소 통로 (42) 를 통해 흐르는 수소 기체의 양(즉, 수소 기체 유량)을 측정하여 수소 기체 유량 (FH2) 을 나타내는 신호를 출력한다. 서지 탱크 (45) 는 수소 기체가 주입될 때 수소 통로 (42) 에서 발생하는 맥동을 억제하도록 되어 있다.
산소 공급부 (50) 는 산소 탱크(산소 기체 탱크) (51), 산소 기체 통로 (52), 산소 기체 압력 조절기 (53), 산소 기체 유량계 (54), 및 산소 기체 혼합기 (55) 를 포함한다.
산소 탱크 (51) 는 적절한 압력하에 산소 기체를 저장한다. 산소 기체 통로 (52) 는 산소 탱크 (51) 와 산소 기체 혼합기 (55) 를 연통시키는 통로(도관, 파이프)이다. 산소 기체 압력 조절기 (53) 및 산소 기체 유량계 (54) 는 산소 탱크 (51) 로부터 산소 기체 혼합기 (55) 로 이 순서로 산소 기체 통로 (52) 를 따라 배치된다.
산소 기체 압력 조절기 (53) 는 압력을 조절할 수 있는 잘 알려진 조절가능한 압력 조절기이다. 즉, 산소 기체 압력 조절기 (53) 는 지시 신호에 따라 압력을 목표 조정가능 압력 (RO2tgt) 과 일치시키도록 하기 위해 산소 통로 (52) 에서 산소 기체 압력 조절기 (53) 의 하류 위치에서(즉, 산소 기체 혼합기 (55) 의 측에서) 압력을 조절한다. 다시 말해, 산소 기체 압력 조절기 (53) 는 지시 신호에 응답하여 산소 통로 (52) 를 통해 흐르는 산소 기체의 유량을 제어할 수 있다.
산소 기체 유량계 (54) 는 산소 통로 (52) 를 통해 흐르는 산소 기체의 양(즉, 산소 기체 유량)을 측정하여 산소 기체 유량 (FO2) 을 나타내는 신호를 출력한다. 산소 기체 혼합기 (55) 는 후에 설명되는 재순환 기체 통로부 (60) 의 제 5 통로 (65) 에 배치(삽입)된다. 산소 기체 혼합기 (55) 는 산소 통로 (52) 를 통해 산소 기체 혼합기 (55) 에 공급되는 산소를 제 5 통로 (65) 를 통해 산소 기체 혼합기 (55) 의 유입부로 공급되는 기체와 혼합시키며 이에 의해 산소 기체 혼합기 (55) 의 배출부로부터 혼합 기체를 방출한다.
재순환 기체 통로부 (60) 는 제 1 내지 제 5 통로(제 1 내지 제 5 흐름 통로관) (61-65), 응축기(또는 증기 응축기, 기체-액체 물 분리기) (66), 및 아르곤 기체 유량계 (67) 를 포함한다.
제 1 통로 (61) 는 배출 포트 (32) 를 응축기 (66) 의 유입부와 연결한다. 제 2 통로 (62) 는 응축기 (66) 의 배출부를 후에 설명되는 3방 밸브(경로를 전환하는 전환 수단) (72) 의 유입부와 연결한다. 제 3 통로 (63) 는 3방 밸브 (72) 의 배출부 중 하나를 후에 설명되는 합류 지점 (PG) 과 연결한다. 제 4 통로 (64) 는 합류 지점 (PG) 을 아르곤 기체 유량계 (67) 의 유입부와 연결한다. 제 5 통로 (65) 는 아르곤 기체 유량계 (67) 의 배출부를 흡입 포트 (31) 와 연결한다. 산소 기체 혼합기 (55) 는 제 5 통로 (65) 에 삽입된다.
응축기 (66) 는 제 1 통로 및 응축기 (66) 의 유입부를 통해 연소실 (21) 로부터 방출되는 배출 가스를 도입하도록 구성된다. 응축기 (66) 는 유입부로부터 도입된 배출 기체를 냉각수 (W) 로 냉각시킴으로써 배출 기체 내에 포함된 수증기(또는 증기, H2O)를 응축/액화시킨다. 따라서, 응축기 (66) 는 물을 바깥으로 방출하기 위해 비응축성 기체로부터 수증기를 분리함으로써 배출 기체 내에 포함된 수증기를 물로 변화시킨다. 게다가, 응축기 (66) 는 분리된 비응축성 기체를 그 배출부를 통해 제 2 통로 (62) 에 공급한다.
아르곤 기체 유량계 (67) 는 제 4 통로 (64) 및 제 5 통로 (65) 를 통해 흐르는 아르곤 기체의 양(즉, 아르곤 기체 유량)을 측정하여 아르곤 기체 유량 (FAr) 을 나타내는 신호를 출력한다.
생성물 제거부 (70) 는 이산화탄소 흡수 유닛(CO2 흡수 유닛) (71), 3방 밸브(경로를 전환하는 전환 수단) (72), 바이패스 상류 통로 (73), 및 바이패스 하류 통로 (74) 를 포함한다.
이산화탄소 흡수 유닛 (71) 은 콘테이너 (71a) 및 모노에탄올아민 용액 (71b) 을 포함한다. 콘테이너 (71a) 는 중공의 원형 실린더 또는 그 내부에 통로를 갖는 중공 직사각형 평행6면체를 형성하는 케이스이다. 콘테이너 (71a) 는 통로 내에서 모노에탄올아민 용액을 수용(또는 저장, 함유)한다. 모노에탄올아민 용액은 "MEA 용액" 이라고 한다. 모노에탄올아민 용액은 많은 양의 이산화탄소를 선택적으로 용해시킴으로써 효율적으로 이산화탄소를 흡수할 수 있다. 콘테이터 (71a) 는 바닥에 유입부를, 상부에 배출부를 갖는다. 콘테이너 (71a) 는 수소 엔진 (10) 을 갖는 차량에 제거 가능하게(분리할 수 있게) 설치(고정)된다.
3방 밸브 (72) 는 하나의 유입부와 두개의 배출부를 갖는다. 3방 밸브 (72) 는 구동 신호(지시 신호)에 응답하여 하나의 유입부를 두개의 배출부 중 어느 하나와 연통(연통가능하게 연결)시킨다. 상기 설명하였듯이, 3방 밸브 (72) 의 유입부는 제 2 통로 (62) 를 경유하여 응축기 (66) 의 배출부와 연결된다. 3방 밸브 (72) 의 배출부 중 하나는 바이패스 상류 통로 (73) 를 경유하여 콘테이너 (71a) 의 유입부와 연결된다. 3방 밸브 (72) 의 배출부 중 다른 하나는 제 3 통로 (63) 와(그리고 합류 지점 (PG) 에서 제 4 통로와) 연결된다. 바이패스 하류 통로 (74) 의 일단부는 콘테이너 (71a) 의 배출부와 연결된다. 바이패스 하류 통로 (74) 의 다른 단부는 제 4 통로 (64) 와(즉, 합류 지점 (PG) 과) 연결된다.
편의상, 3방 밸브 (72) 가 배치되는 위치는 "제 2 통로 (62), 제 3 통로 (63), 및 제 4 통로(실제로, 제 1 통로 (61) 와 제 5 통로 (65) 를 더 포함)를 포함하는 메인 통로" 및 "바이패스 상류 통로 (73), 바이패스 하류 통로 (74), 및 콘테이너 (71a) 에 형성된 통로로 구성된 바이패스 통로" 의 분기점(branch point) (PB) 이라고 한다. 또한, 상기 언급하였듯이, 제 4 통로 (64) 가 바이패스 하류 통로 (74) 와 연결되는 위치는 "합류 지점 (PG)" 이라고 한다. "메인 통로" 는 작동 매체의 재순환 통로를 구성한다. "바이패스 통로" 는 작동 매체의 재순환 통로의 일부를 구성한다.
전기 제어 장치 (80) 는 CPU, ROM, RAM 및 인터페이스를 포함하는 주 구성요소로서 잘 알려진 마이크로컴퓨터를 갖는 전자 장치이다. 전기 제어 장치 (80) 는 수소 기체 유량계 (44), 산소 기체 유량계 (54), 아르곤 기체 유량계 (67), 액셀 페달 스트로크 센서 (81), 엔진 회전 속도 센서 (82), 산소 농도 센서 (83), 수소 농도 센서 (84), 이산화탄소 농도 센서 (85), 및 서지 탱크 압력 센서 (86) 와 연결된다. 전기 제어 장치 (80) 는 측정된(검출된) 신호를 이들 센서로부터 입력한다.
액셀 페달 스트로크 센서 (81) 는 액셀 페달 (AP) 의 스트로크를 검출하여 액셀 페달 스트로크를 나타내는 신호 (Accp) 를 출력한다. 엔진 회전 속도 센서 (82) 는 엔진 회전 속도 (NE) 를 나타내는 신호 및 크랭크 샤프트 (14) 의 회전 속 도에 기초한 크랭크 각도를 출력한다.
산소 농도 센서 (83), 수소 농도 센서 (84), 및 이산화탄소 농도 센서 (85) 는 제 4 통로 (64)(합류 지점 (PG) 과 아르곤 기체 유량계 (67) 사이)에 배치된다. 산소 농도 센서 (83) 는 산소 농도 센서 (83) 의 배치 위치(제 4 통로 (64))에서 흐르는 기체 내 산소의 농도를 검출하여 산소의 농도를 나타내는 신호 (Vox) 를 출력한다. 수소 농도 센서 (84) 는 수소 농도 센서 (84) 의 배치 위치(제 4 통로 (64)) 에서 흐르는 기체 내 수소의 농도를 검출하여 수소의 농도를 나타내는 신호 (VH2) 를 출력한다.
이산화탄소 농도 센서 (85) 는 이산화탄소 농도 센서 (85) 의 배치 위치(제 4 통로 (64))에서 흐르는 기체 내 이산화탄소 농도를 검출하여 이산화 탄소의 농도를 나타내는 신호 (DenCO2) 를 출력한다. 서지 탱크 압력 센서 (86) 는 서지 탱크 (45) 내 수소 기체의 압력을 검출하여 서지 탱크 내 압력(즉, 주입된 수소 기체의 압력인 서지 탱크 압력)을 나타내는 신호 (Psg) 를 출력한다.
게다가, 전기 제어 장치 (80) 는 각각의 실린더의 수소 주입 밸브 (35), 산소 기체 압력 조절기 (53), 및 3방 밸브 (72) 와 연결되며, 그들에 지시 신호 또는 구동 신호를 보낸다.
다음으로, 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진 (10) 을 포함하는 시스템의 작동이 도 2 내지 4 를 참조하여 설명될 것이다.
전기 제어 장치 (80) 의 CPU는 엔진 (10) 의 크랭크 각도가 소정의 크랭크 각도(예를 들어,각 실린더의 압축 스트로크의 상사점(top dead center) 이전 90°) 와 일치하는 때마다 도 2 의 플로우 차트에 의해 보여지는 주입 제어 과정을 실행한다. 따라서, 엔진 (10) 의 크랭크 각도가 소정의 크랭크 각도와 일치하는 경우, CPU는 단계 200 으로부터 본 과정의 프로세스를 시작하며, 단계 205 로 진행하여, 현재 타이밍에서 검출된 액셀 페달 스트로크 (Accp)(엔진 로드), 현재 타이밍에서 검출된 엔진 회전 속도 (NE), 및 함수 (f1) 에 기초하여 필요 수소량 (SH2) 을 결정한다(얻는다). 함수 (f1) 는 액셀 페달 스트로크 (Accp) 및 엔진 회전 속도 (NE) 에 기초하여 결정된 필요 토크에 응답하여 필요 수소량 (SH2) 을 얻기 위한 소정의 함수(예를 들어, 검색 테이블)이다.
다음으로, CPU 는 단계 210 으로 진행하여, 필요 수소량 (SH2), 현재 타이밍에서 검출된 서지 탱크 압력 (Psg), 현재 타이밍에서 검출된 엔진 회전 속도 (NE), 및 소정의 함수(예를 들어, 검색 테이블) (f2) 에 기초하여, 필요 수소량 (SH2) 을 수소 주입 밸브 (35) 가 열려 있는 동안인 수소 주입 시간(지속 시간) (TAU) 으로 변환한다. 이후, CPU는 단계 215 로 진행하여 압축 스트로크의 상사점 이전에 크랭크 각도가 90° 에 달하는 실린더의 수소 주입 밸브 (35) 를 수소 주입 시간 (TAU) 동안 열기 위해 구동 신호를 수소 주입 밸브 (35) 에 보낸다. 그리고, CPU는 단계 295 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다. 상기 작동으로, 수소는 필요 토크를 출력하기 위해 필요한 양만큼 연소실 (21) 에 공급된다.
또한, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 도 3 의 플로우 차트에 의해 보여지는 조절기 제어 과정을 실행한다. 따라서, CPU는 적절한 타이밍에 단계 300 으로부터 본 과정의 프로세스를 시작하여, CPU가 현재 타이밍에서 필요 수소량 (SH2) 의 시간 당 평균값 (SH2ave) 을 계산하는 단계 305 로 진행한다. 이 계산은 단위 시간 동안 상기 도 2 의 단계 205 에서 얻어진 필요 수소량 (SH2) 을 더함으로써 수행된다. 이어서, CPU는 단계 310 으로 진행하여 얻어진 평균값 (SH2ave) 및 소정의 함수(예를 들어, 검색 테이블) (f3) 에 기초하여 목표 산소 유량 (FO2tgt) 를 얻는다.
상기 설명하였듯이, 엔진 (10) 은 연료로서 수소를 연소시킨다. 그러므로, 단지 수소의 연소에 의해 물을 생성하기 위해 1 몰의 산소가 2 몰의 수소에 공급되어야 한다. 따라서, 함수 (f3) 는 평균값 (SH2ave) 에 의해 표현되는 수소의 몰의 1/2 몰의 산소(실제로, 같은 몰의 산소와 여유분의 합계에 상당하는 산소의 양)가 연소실 (21) 에 공급되는 방식으로 목표 산소 유량 (FO2tgt) 을 결정하도록 구성된다.
다음으로, CPU는 단계 315 로 진행하여 현재 타이밍에서 검출된 산소 기체 유량 (FO2) 이 목표 산소 유량 (FO2tgt) 이상인지 아닌지를 판단한다. CPU가 현재 타이밍에서 검출된 산소 기체 유량 (FO2) 이 목표 산소 유량 (FO2tgt) 이상인지 판단할 때, CPU는 단계 320 으로 진행하여 산소 기체 압력 조절기 (53) 의 목표 조절가능 압력 (RO2tgt) 을 양의 상수값 "a" 만큼 감소시킨다. 그 결과, 산소 기체 혼합기 (55) 에 공급되는 산소의 양은 감소된다.
한편, 단계 315 에서, CPU가 현재 타이밍에서 검출된 산소 기체 유량 (FO2) 이 목표 산소 유량 (FO2tgt) 보다 더 작다고 판단하면, CPU는 단계 325 로 진행하여 산소 기체 압력 조절기 (53) 의 목표 조절가능 압력 (RO2tgt) 을 양의 상수값 "b" 만큼 증가시킨다. 그 결과, 산소 기체 혼합기 (55) 에 공급되는 산소의 양은 증가된다. 따라서, 필요한 충분한 양의 산소가 산소 기체 혼합기 (55) 를 경유하여 연소실 (21) 에 공급된다. 이후, CPU는 단계 395 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
또한, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 도 4 의 플로우 차트에 보여지는 3방 밸브 제어 과정(경로 전환 제어 과정, 또는 경로를 전환하는 제어 과정)을 실행한다. 우선, 재순환 통로를 통해 흐르는 재순환 기체의 이산화탄소의 농도 (DenCO2)(제 1 내지 제 5 통로 (61-65) 로 구성된 메인 통로를 통해 흐르는 재순환 기체, 특히 분기점 (PB) 상류의 메인 통로의 일부를 구성하는 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 재순환 기체, 또는 합류 지점 (PG) 하류의 메인 통로의 일부를 구성하는 제 4 통로 (64) 를 통해 흐르는 재순환 기체의 이산화 탄소의 농도 (DenCO2)) 가 소정의 고농도(높은 문턱값, 소정의 값) (DenCO2thH) 보다 더 낮고 이산화 탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의한 아산화탄소의 분리/제거가 수행되지 않는 상태에 관하여 설명될 것이다. 소정의 고농도 (DenCO2thH) 가 재순환 기체에 과도하게 포함된 이산화탄소에 의해 수소 엔진 (10) 의 열효율에의 감소의 문제를 야기할 수 있는 이산화탄소의 농도로 설정된다는 점에 주의해야 한다.
CPU는 적절한 타이밍에서 단계 400 으로부터 도 4 에서 보여지는 과정의 프로세스를 시작하여 CPU가 이산화탄소 농도 센서 (85) 로부터 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 를 얻는 단계 405 로 진행한다. 다음으로, CPU는 단계 410 으로 진행하여 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 가 소정의 고농도 (DenCO2thH) 이상인지 아닌지를 판단한다.
상기 가정에 따르면, 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 는 소정의 고농도 (DenCO2thH) 보다 낮다. 따라서, CPU는 단계 410 에서 "아니오" 의 판단을 내리고나서, CPU가 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "1" 인지 아닌지를 판단하는 단계 415 로 진행한다. 후에 설명되듯이, 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값은 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의한 이산화탄소의 분리/제거가 수행될 때 "1" 로 설정된다. 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값은 점화 키 스위치가 오프 상태로부터 켜졌을 때 초기 과정(도시되지 않음)에 의해 "0" 으로 설정된다.
상기 가정에 따르면, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의한 이산화탄소의 분리/제거는 수행되지 않는다. 따라서, 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값은 "0" 이며 따라서, CPU는 단계 415 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 단계 495로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다. 그 결과, 연소실 (21) 로부터 방출된 배출 기체(재순환 기체)는 제 1 통로 (61), 제 2 통로 (62), 제 3 통로 (63), 제 4 통로 (64) 및 제 5 통로 (65) 로 구성된 메인 통로를 통해 재순환된다. 다시 말해, 연소실 (21) 로부터 방출된 배출 가스는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해 흐르지 않는다.
다음으로, 메인 통로에서 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 가 소정의 고농도 (DenCO2thH) 보다 더 높아지는 상태에 관해 설명될 것이다. 이 상태는 피스톤 링 (13a) 를 경유하는 오일 손실에 의해 또는 밸브 가이드를 경유하는 오일 손실에 의 해 연소실 (21) 로 흘러들어간 엔진 윤활유의 일부가 연소실 (21) 내에서 연소된 후에 발생할 수 있으며, 이에 의해 엔진 (10) 이 상기 작동을 반복하는 동안 이산화탄소가 생성된다.
상기 가정하에, CPU는 단계 405 옆의 단계 410 에서 "예" 의 판단을 내려 3방 밸브 (72) 의 유입부가 바이패스 상류 통로 (73) 와 연결되는 3방 밸브 (72) 의 배출부 중 하나와 연결(또는 연통)되도록 변화되는 방식으로 CPU가 3방 밸브 (72) 를 제어하는 단계 420 으로 진행된다. 다시 말해, 3방 밸브 (72) 는 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 모든 기체(H2O 가 분리되고 제거된 기체)가 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 삽입하는 바이패스 통로(바이패스 상류 통로 (73), 바이패스 하류 통로 (74), 및 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 콘테이너 (71a) 에 형성된 통로로 구성된 바이패스 통로)를 통해 분기점 (PB) 으로부터 합류 지점 (PG) 으로 흐르는 방식으로 전환된다.
그 결과, 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 재순환 기체는 제 3 통로 (63) 를 통해서는 흐르지 않지만 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해(이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 통로 내에 수용된 모노에탄올아민 용액 (71b) 을 통해) 흐른다. 그러므로, 재순환 기체에 포함된 이산화탄소는 모노에탄올아민 용액 (71b) 에 의해(또는 용액 안으로) 흡수되어 재순환 기체로부터 분리된다. 이산화탄소가 분리된 재순환 기체는 합류 지점 (PG) 으로부터 콘테이너 (71a) 의 배출부와 바이패스 하류 통로 (74) 를 경유하여 제 4 통로 (64) 에 공급된다. 이후, CPU는 단계 425 로 진 행하여 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값을 "1" 로 설정하고 단계 495 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
상기 상태가 계속되면, 메인 통로에서 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 는 점차 감소하며, 소정의 고농도 (DenCO2thH) 보다 더 낮아지고 소정의 저농도 (DenCO2thL) 보다 더 높아진다. 소정의 저농도 (DenCO2thL) 는 소정의 고농도 (DenCO2thH) 보다 더 낮은 값으로 설정되며 재순환 기체에 포함된 이산화탄소에 의해 수소 엔진 (10) 의 열효율의 감소의 문제를 야기하지 않는 이산화탄소 농도와 같다.
이 경우, CPU는 단계 405 옆의 단계 410 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 단계 415 에서 "예" 의 판단을 내려 이에 의해 단계 430 으로 진행한다. 단계 430 에서, CPU는 메인 통로를 통해 흐르는 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 가 소정의 저농도 (DenCO2thL) 이하인지 아닌지를 판단한다. 이 때, 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 는 소정의 저농도 (DenCO2thL) 보다 더 높다. 따라서, CPU는 단계 430 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 단계 495 로 직접 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다. 그 결과, 3방 밸브 (72) 는 전환되지 않고, 따라서 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 재순환 기체는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해 계속 흐른다. 따라서, 재순환 기체에 포함된 이산화탄소는 재순환 기체로부터 더욱 분리 및 제거된다.
상기 상태가 더 계속되면, 메인 통로의 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 는 소정의 저농도 (DenCO2thL) 이하가 된다. 이 경우, CPU는 단계 430 에서 "예" 의 판 단을 내리고 이어서 단계 405, 단계 410, 및 단계 415 로 이어진다. 그리고, CPU는 단계 435 로 진행하여, 3방 밸브 (72) 의 유입부가 제 3 통로 (63) 와 연결되는 3방 밸브 (72) 의 배출부 중 다른 하나와 연결(연통)되도록 변화되는 방식으로 3방 밸브 (72) 를 제어한다. 다시 말해, 3방 밸브 (72) 는 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 모든 기체가 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 이 삽입되는 바이패스 통로를 통해 흐르지 않고 제 3 통로 (63) 를 통해 분기점 (PB) 으로부터 합류 지점 (PG) 으로 흐르는 방식으로 전환된다. 따라서, 연소실 (21) 로부터 방출된 배출 기체는 제 1 내지 제 5 통로 (61-65) 로 구성된 메인 통로를 통해 다시 재순환된다. 이후, CPU는 단계 440 에서 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값을 "0" 으로 설정하고, 단계 495 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
상기 설명하였듯이, 본 발명에 따른 제 1 실시형태의 재순환 작동 매체를 사용하는 수소 엔진 (10) 은 수소, 산소, 및 단원자 기체로 구성된 작동 매체(아르곤 기체)를 수소를 연소하기 위해 연소실 (21) 에 공급하고, 연소실 (21) 로부터 연소실 (21) 로 방출되는 배출 기체에 포함된 작동 매체를 재순환 통로(메인 통로 및 바이패스 통로)를 통해 재순환시키는 엔진이다. 엔진 (10) 은 연소실 (21) 에서 발생되는(또는 형성되는) H2O 이외의 생성물인 이산화탄소를 제거하기 위해 재순환 통로(바이패스 통로)에 배치되는 생성물 제거 수단(이산화탄소 흡수 유닛 (71))을 포함한다.
그러므로, 연소실에서 발생되는 H2O 이외의 생성물(예를 들어, 작동 매체로 서 역할하는 아르곤 기체의 비열비보다 더 작은 비열비를 갖는 생성물인 이산화탄소)이 생성물 제거 수단에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에, 수소 엔진은 항상 높은 열효율로 작동될 수 있다.
게다가, 수소 엔진은 분기점 (PB) 의 상류 위치에 있는 메인 통로(제 2 통로 (62))를 통해 또는 합류 지점 (PG) 의 하류 위치에 있는 메인 통로(제 4 통로)를 통해 흐르는 기체 내에 함유된 이산화탄소의 농도를 얻기 위한 이산화탄소 농도 획득 수단 (이산화탄소 농도 센서 (85)); 및
이산화탄소의 얻어진 농도 (DenCO2) 가 소정의 농도(높은 문턱값) (DenCO2thH) 이상인 경우, 분기점 (PB) 상류의 메인 통로인 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 기체가 분기점 (PB) 과 합류 지점 (PG) 사이(또는 분기점으로부터 합류 지점으로)의 바이패스 통로를 통해 흐르도록 하는 방식으로 경로 전환 수단(3방 밸브 (72))을 전환하는 전환 제어 수단(단계 410 및 단계 420, 등)을 포함한다.
따라서, 재순환 기체에 포함된 이산화탄소의 농도를 감소시킬 수 있다. 한편, 재순환 기체가 분기점 (PB) 으로부터 합류 지점 (PG) 으로 흐르는 경로(통로)가 전환 제어 수단에 의해 메인 통로(제 3 통로 (63))로 설정되면, 재순환 기체는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해 흐르지 않는다. 그 결과, 재순환 기체가 바이패스 상류 통로 (73), 바이패스 하류 통로 (74), 및 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해 흐르지 않기 때문에, 수소 엔진 효율이 감소되는 것을 피할 수 있다.
게다가, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 은 차량에 분리 가능하게 설치될 수 있 는 방식으로 구성된다. 따라서, 모노에탄올아민 용액 (71b) 이 이산화탄소를 충분히 흡수했을 때, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 새로운 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 으로 교체할 수 있다. 대안적으로, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 이 차량으로부터 제거될 수도 있으며, 그리고나서 이산화탄소를 충분히 흡수한 모노에탄올아민 용액 (71b) 은 새로운 모노에탄올아민 용액 (71b) 으로 또는 분해된 이산화탄소가 가열에 의해 분리되고 제거된 모노에탄올아민 용액 (71b) 으로 교체되고, 이후 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 은 다시 차량에 고정된다.
[제 1 실시형태의 변형예 ]
제 1 실시형태의 재순환 작동 매체를 사용하는 변형된 수소 엔진은 단지 모노에탄올아민 용액 (71b) 대신에 제올라이트계 흡수제가 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 채워져 있다는 점에서 제 1 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 제올라이트계 흡수제는 고체이며 높은 효율로 이산화탄소를 흡수할 수 있다.
[제 2 실시형태]
본 발명에 따른 제 2 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진은 단지 도 5 에서 보여지듯이 제 1 실시형태의 생성물 제거부 (70) 가 생성물 제거부 (90) 로 대체된다는 점에서 제 1 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 그러므로, 이하에 그 차이점이 주로 설명될 것이다.
생성물 제거부 (90) 는 이산화탄소 흡수 유닛 (91), 3방 밸브(경로 전환 수단) (92), 바이패스 상류 통로 (93), 바이패스 하류 통로 (94), 이산화탄소 방출 통로 (95), 작동 매체 귀환 밸브 (96), 및 방출 밸브 (97) 를 포함한다.
이산화탄소 흡수 유닛 (71) 과 유사하게 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 은 콘테이너 (91a) 및 모노에탄올아민 용액 (91b) 을 포함한다. 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 은 히터 (91c) 를 더 포함한다. 콘테이너 (91a) 는 콘테이너 (71a) 와 같은 구조를 가지며, 수소 엔진 (10) 을 갖는 차량에 제거 가능하게(분리 가능하게) 설치(고정)된다. 콘테이너 (91a) 는 그 안에 형성된 통로 내에서 모토에탄올아민 용액 (91b) 을 수용(함유)한다. 히터 (91c) 는 콘테이너 (91a) 주위에 배치되며, 모노에탄올아민 용액 (91b) 을 가열하기 위한 구동 신호에 응답하여 열을 생성한다.
3방 밸브 (92), 바이패스 상류 통로 (93) 및 바이패스 하류 통로 (94) 는 각각 3방 밸브 (72), 바이패스 상류 통로 (73) 및 바이패스 하류 통로 (74) 의 구조와 같은 구조를 가지며, 3방 밸브 (72), 바이패스 상류 통로 (73) 및 바이패스 하류 통로 (74) 와 같은 방식으로 배치(배열)되고 연결된다. 이산화탄소 방출 통로 (95) 의 한 단부는 콘테이너 (91a) 의 상부에 제공되는 방출부(방출 개구)와 연결된다.
작동 매체 귀환 밸브 (96) 는 바이패스 하류 통로 (94) 에 배치(또는 삽입)된다. 작동 매체 귀환 밸브 (96) 는 바이패스 하류 통로 (94) 가 연통을 위해 열려 있는 개방 상태 또는 바이패스 하류 통로 (94) 가 구동 신호에 응답하여 닫혀 있는 폐쇄 상태 중 어느 하나를 유지하도록 구성된다.
방출 밸브 (97) 는 이산화탄소 방출 통로 (95) 에 배치(또는 삽입)된다. 방출 밸브 (97) 는 이산화탄소 방출 통로 (95) 가 연통을 위해 열려있는 개방 상태 또는 이산화탄소 방출 통로 (95) 가 구동 신호에 응답하여 닫혀 있는 폐쇄 상태 중 어느 하나를 유지하도록 구성된다.
다음으로, 이렇게 구성된 제 2 실시형태의 시스템의 작동이 설명될 것이다. 제 2 실시형태의 CPU는 소정의 시간이 경과하는 소정의 시간마다 도 2 내지 4 에 더하여 도 6 및 7 에 보여지는 과정을 실행한다. 도 6 은 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 을 위한 유지보수 작동을 수행하는 과정을 보여준다. 도 7 은 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 을 위한 유지보수 작동을 수행할지 안할지를 판단하는 과정을 보여준다.
제 2 실시형태의 CPU가 도 4 의 단계 420 의 프로세스를 실행할 때, CPU는 3방 밸브 (92) 의 유입부가 바이패스 상류 통로 (93) 와 연결되는 3방 밸브 (92) 의 배출부 중 하나와 연결(또는 연통)되도록 변화되는 방식으로 3방 밸브 (92) 를 전환시키고, 작동 매체 귀환 밸브 (96) 를 개방함으로써 바이패스 하류 통로 (94) 를 열고, 방출 밸브 (97) 를 폐쇄함으로써 이산화탄소 방출 통로 (95) 를 닫는다. 또한, 제 2 실시형태의 CPU가 도 4 의 단계 435 의 프로세스를 실행하는 경우, CPU는 3방 밸브 (92) 의 유입부가 제 3 통로 (63) 와 연결되는 3방 밸브 (92) 의 배출부 중 다른 하나와 연결(또는 연통)되도록 변화되는 방식으로 3방 밸브 (92) 를 전환시키고, 작동 매체 귀환 밸브 (96) 를 폐쇄함으로써 바이패스 하류 통로 (94) 를 닫고, 방출 밸브 (97) 를 폐쇄함으로써 이산화탄소 방출 통로 (95) 를 닫는다.
이제, 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 을 위한 유지보수 작동을 수행하게 하는 조건이 만족되는 경우가 설명될 것이며, 따라서 현재 시간은 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값이 도 7 의 과정의 실행에 의해 "0" 부터 "1" 까지 변화된 직후의 타이밍이 된다. 이 경우, CPU는 도 6 의 단계 600 으로부터의 과정의 프로세스를 적절한 타이밍에 시작하며 CPU가 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값이 "1" 인지 아닌지를 판단하는 단계 605 로 진행한다. CPU는 단계 605 에서 "예" 의 판단을 내리고 CPU가 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 인지 아닌지를 판단하는 단계 610 으로 진행한다. 즉, CPU는 현재 시간에 재순환 기체가 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 을 통해 흐르는지 아닌지(즉, 이산화탄소가 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 에 의해 흡수되고 있는지 아닌지)를 판단한다.
이 때, 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "1" 이면, CPU는 단계 610 에서 "아니오" 의 판단을 내리고, 단계 615 에서 히터 (91c) 에 대한 전기 에너지 공급을 중단한다. 그리고, CPU는 단계 620 에서 방출 밸브 (97) 를 폐쇄함으로써 이산화탄소 방출 통로 (95) 를 닫고, 단계 695 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
상기 설명하였듯이, 재순환 기체가 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 을 통해 흐르고 있는 경우, 히터 (91c) 에 대한 전기 에너지 공급이 중단되고(히터 (91c) 가 꺼지고, 히터 (91c) 가 열을 발생시키지 않음), 이산화탄소 방출 통로 (95) 는 닫히며, 따라서 이산화탄소가 분리된 재순환 기체는 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 으로부터 제 4 통로 (64) 로 귀환한다.
한편, CPU가 단계 610 으로 진행할 때(즉, 재순환 기체가 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 을 통해 흐르지 않는 경우) 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 이면, CPU는 단계 610 에서 "예" 의 판단을 내려 CPU가 전기 에너지를 히터 (91c) 에 공급하기 시작하는 단계 625 로 진행하게 된다. 그리고, CPU는 단계 630 으로 진행하여 방출 밸브 (97) 를 개방함으로써 이산화탄소 방출 통로 (95) 를 개방한다.
그 결과, 모노에탄올아민 용액 (91b) 은 가열된다. 모노에탄올아민 용액 (91b) 은 그 이산화탄소에 대한 용해도가 온도가 증가함에 따라 급격히 감소되는 특성을 갖는다. 따라서, 전기 에너지를 히터 (91c) 에 공급함으로써 모노에탄올아민 용액 (91b) 에 흡수된 이산화탄소는 모노에탄올아민 용액 (91b) 으로부터 분리되어 이산화탄소 기체가 되며, 이산화탄소 기체는 이산화탄소 방출 통로 (95) 및 방출 밸브 (97) 를 통해 공기중으로 방출된다. 그 결과, 모노에탄올아민 용액 (91b) 의 이산화탄소 흡수 능력이 회복되기 시작한다.
다음으로, CPU는 단계 635 로 진행되어 타이머(히터 온 지속 타이머)의 값 (T) 이 "1" 만큼 증가되고 나서 CPU가 타이머의 값 (T) 이 소정의 문턱값 (Tth) 이상인지 아닌지를 판단하는 단계 640 으로 진행한다. 현재 시간은 전기 에너지를 히터에 공급하기 시작함으로써 타이머의 값 (T) 이 증가되기 시작한 직후이다. 따라서, CPU는 단계 640 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 단계 695 로 진행하여 CPU는 임시로 본 과정을 종료한다. 타이머의 값 (T) 은 도시되지 않은 초기 과정에 의해 "0" 으로 설정됨에 유의해야 한다.
이후, 상기 상태가 계속되면, 단계 635 의 프로세스가 반복된다. 따라서, 타이머의 값 (T) 은 소정의 문턱값 (Tth) 이상이 된다. 이 때 CPU가 단계 640 의 프로세스를 실행하면, CPU는 단계 640 에서 "예" 의 판단을 내리고 단계 645 로 진행하여 CPU는 히터 (91c) 에 전기 에너지를 공급하는 것을 중단하고, CPU는 단계 650 에서 방출 밸브 (97) 를 폐쇄함으로써 이산화탄소 방출 통로 (95) 를 닫는다. 따라서, 모노에탄올아민 용액 (91b) 의 이산화탄소 흡수 능력을 회복시키는 작동은 종료하고, 즉 유지보수 작동은 완료된다.
다음으로, 단계 655 에서 CPU는 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값을 "0" 으로 설정하고, 단계 660 에서 타이머의 값 (T) 을 "0" 으로 설정한다. 그리고나서, CPU는 단계 695 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
때로, CPU가 본 과정의 프로세스를 시작할 때 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값이 "0" 이면, CPU는 단계 605 에서 "아니오" 의 판단을 내린다. 따라서, CPU는 단계 615 및 단계 620 의 프로세스를 실행하며, 단계 695 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다. 여기까지의 설명이 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 의 유지보수 작동에 관한 것이다.
다음으로, CPU가 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값이 "1" 로 설정되는 경우의 작동이 도 7 을 참조하여 설명될 것이다. 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값은 카운트(이산화탄소 흡수 카운터의 값) (CN) 가 소정의 카운트 (CNth) 이상이 되면 "1" 로 설정된다. 카운트 (CN) 는 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화되는 경우의 수를 나타낸다. 다시 말해, 카운트 (CN) 가 소정의 카운트 (CNth) 이상이 되기 때문에, 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값은 모노에탄올아민 용액 (91b) 의 이산화탄소 흡수 능력의 회복이 필요하다고 판단된 경우 "1" 로 설정되고, 따라서 모노에탄올아민 용액 (91b) 은 많은 양의 이산화탄소를 흡수하는 상태에 있다. 카운트 (CN) 는 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 의 사용에 의해 재순환 기체 내 이산화탄소의 분리 및 제거의 횟수이며, 이산화탄소의 분리 및 제거는 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 가 소정의 고농도(높은 문턱값) (DenCO2thH) 이상인 경우에 수행된다.
더 구체적으로, CPU는 적절한 타이밍에서 단계 700 으로부터 프로세스를 시작하여 CPU가 현재 시간이 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화된 직후인지 아닌지를 판단하는 단계 705 로 진행된다. 만약 현재 시간이 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화된 직후가 아니라면, CPU는 단계 705 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 단계 795 로 진행하여 CPU는 임시로 본 과정을 종료한다. 따라서, 이산화탄소 흡수 카운터 (CN) 의 값은 변화되지 않는다.
한편, 현재 시간이 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화된 직후라면, CPU는 단계 705 에서 "예" 의 판단을 내리고 단계 710 으로 진행하여 CPU는 이산화탄소 흡수 카운터 (CN) 의 값을 "1" 만큼 증가시킨다. 이산화탄소 흡수 카운터 (CN) 의 값은 백업 RAM에 저장된다. 다음으로, CPU는 이산화탄소 흡수 카운터 (CN) 의 값이 소정의 카운트 (CNth) 이상인지 아닌지를 판단한다. 만약 이산화탄소 흡수 카운터 (CN) 의 값이 소정의 카운트 (CNth) 보다 작다면, CPU는 "아니오" 의 판단을 내려 단계 795 로 진행하여 CPU는 임시로 본 과정을 종료한다. 따라서, 유지보수 허용 플래그 (XMT) 는 "0" 으로 유지된다.
이후, 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화되는 경우의 수가 증가하면, 이산화탄소 흡수 카운터 (CN) 의 값은 소정의 카운트 (CNth) 이상이 된다. 이 경우, CPU가 단계 715 로 진행하면, CPU는 단계 715 에서 "예" 의 판단을 내려 CPU가 유지보수 허용 플래그 (XMT) 의 값을 "1" 로 설정하는 단계 720 으로 진행한다. 이어서, CPU는 단계 725 로 진행하여, 이산화탄소 흡수 카운터 (CN) 의 값을 "0" 으로 설정하고, 단계 795 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
상기 설명하였듯이, 제 2 실시형태에 따른 수소 엔진은 생성물 제거 수단(이산화탄소 흡수부 (91) 를 포함하는 생성물 제거부 (90))에 의해 재순환 기체로부터 이산화탄소를 제거한다. 따라서, 수소 엔진 (10) 은 항상 높은 열효율로 작동될 수 있다.
게다가, 제 2 실시형태에 따른 수소 엔진에서, 생성물 제거 수단(생성물 제거부 (90)) 는 생성물(이산화탄소)을 흡수하는 흡수 물질(MEA 용액 (91b));
물리적 작용(열)을 MEA 용액 (91b) 에 가하여 MEA 용액 (91b) 에(또는 용액에 의해) 흡수된 이산화탄소가 MEA 용액 (91b) 으로부터 분리되는 것을 촉진하는 분리 촉진 수단으로서 역할하는 히터 (91c);
히터 (91c) 에 의해 재순환 통로(바이패스 통로를 포함)의 바깥쪽으로 분리되는 이산화탄소를 방출하는 방출 개구(부)와 이산화탄소 방출 통로 (95); 및
이산화탄소 방출 통로 (95) 가 개방되어 있는 개방 상태 또는 이산화탄소 방출 통로 (95) 가 폐쇄되어 있는 폐쇄 상태 중 어느 하나를 유지하는(방출 통로 (95) 를 개방 또는 폐쇄하기 위해) 방출 밸브 (97) 를 포함한다.
따라서, 흡수 물질로서 역할하는 MEA 용액 (91b) 에(또는 용액에 의해) 흡수된 생성물(이산화탄소)은 분리 촉진 수단으로서 역할하는 히터 (91c) 에 의해 MEA 용액 (91b) 으로부터 분리(제거)된다. 따라서, MEA 용액 (91b) 은 그 이산화탄소 흡수 능력을 회복할 수 있다. 그 결과, 동일한(단일) 이산화탄소 흡수 유닛 (91)(생성물 제거 수단) 이 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 을 대체하지 않고 오랜 기간 동안 사용될 수 있다.
상기 실시형태에서, 단계 705 및 단계 715 는 흡수 물질인 MEA 용액 (91b) 이 소정의 양 이상의 양만큼 이산화탄소를 흡수했는지 아닌지를 판단하는 판단 수단을 구성함에 유의하여야 한다. 이 판단 수단은 축적된 기간이 소정의 기간 이상인지 아닌지를 판단하는 다른 판단 수단으로 대체될 수 있으며, 이 축적된 기간은 전기 에너지를 히터 (91c) 에 공급함으로써 흡수 물질의 이산화탄소 흡수 능력이 회복된 이래(즉, 마지막(이전의) 유지보수 작동이 수행된 이래) 수소 엔진이 작동되는 총 시간이다. 게다가, 판단 수단은 마지막 유지보수 작동이 수행된 이래 수소 엔진에 공급되는 축적된 양의 수소가 소정의 양 이상이 되는지 아닌지를 판단하는 또다른 판단 수단으로 또한 대체될 수 있다.
[제 2 실시형태의 변형예 ]
제 2 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 변형된 수소 엔진은 단지 제올라이트계 흡수제가 모노에탄올아민 용액 (91b) 대신에 이산화탄소 흡수 유닛 (91) 에 채워진다는 점에서 제 2 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 모노에탄올아 민 용액 (91b) 과 유사하게, 제올라이트계 흡수제는 제올라이트계 흡수제의 온도가 가열에 의해 높아질 때 제올라이트계 흡수제가 흡수한 이산화탄소를 방출한다. 따라서, 제올라이트계 흡수제의 이산화탄소 흡수 능력은 상기 유지보수 작동에 의해 회복될 수 있다.
[제 3 실시형태]
본 발명에 따른 제 3 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진은 단지 CPU가 제 1(또는 제 2) 실시형태의 CPU가 실행하는 도 4 에 보여지는 3방 밸브 제어 과정 대신에 도 8 의 플로우 차트에 의해 보여지는 3방 밸브 제어 과정을 실행하고 제 3 실시형태의 수소 엔진은 이산화탄소 농도 센서 (85) 를 포함하지 않는다는 점에서 제 1 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 따라서, 이하에 그 차이가 주로 설명될 것이다.
제 3 실시형태의 수소 엔진은 수소 엔진의 작동의 축적된 기간(또는 엔진이 작동하는 총 시간)에 기초하여 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도를 추정하고, 축적된 기간이 소정의 소정 기간 이상이 되는 경우 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 이용하여 이산화탄소를 분리 및 제거한다.
더 구체적으로, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 800 으로부터 도 8 에 보여지는 과정의 프로세스를 시작하여 단계 805 로 진행하여 CPU는 작동 축적 타이머 (TD) 의 값을 "1" 만큼 증가시키며, 이 작동 축적 타이머 (TD) 의 값은 수소 엔진의 작동의 축적된 기간을 나타낸다. 작동 축적 타이머 (TD) 의 값은 백업 RAM에 저장된다. 다음으로, 단계 810 으로 진행하여 CPU는 작동 축적 타이머 (TD) 의 값이 소정 시간(작동 기간 문턱값) (TDth) 이상인지 아닌지를 판단한다.
이제, 작동 축적 타이머 (TD) 의 값이 소정의 시간 (TDth) 보다 작고 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의해 이산화탄소의 분리/제거가 수행되지 않는(이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0") 경우에 대해 설명할 것이다. 이 경우, CPU는 단계 810 에서 "아니오" 의 판단을 내리며, 단계 815 에서 "아니오" 의 판단을 내려 CPU는 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "1" 인지 아닌지를 판단한다. 따라서, CPU는 단계 895 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
그 결과, 연소실 (21) 로부터 방출된 배출 기체(재순환 기체)는 제 1 통로 (61), 제 2 통로 (62), 제 3 통로 (63), 제 4 통로 (64), 및 제 5 통로 (65) 로 구성된 메인 통로를 통해 재순환된다. 다시 말해, 연소실 (21) 로부터 방출된 배출 기체는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해 흐르지 않는다.
이후, 작동 축적 타이머 (TD) 의 값은 수소 엔진이 작동될 때 단계 805 에 의해 증가되며, 결국 소정의 시간 (TDth) 이상이 된다. 이 경우, CPU가 단계 805 옆의 단계 810 에서 "예" 의 판단을 내리고, CPU는 단계 820 으로 진행하여 CPU는 3방 밸브 (72) 의 유입부가 바이패스 상류 통로 (73) 와 연결되는 3방 밸브 (72) 의 배출부 중 하나와 연결(또는 연통)되도록 변화되는 방식으로 3방 밸브 (72) 를 제어(전환)한다.
그 결과, 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 재순환 기체는 제 3 통로 (63) 를 통해 흐르지 않지만, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해(이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 통로 내에 수용된 모노에탄올아민 용액 (71b) 을 통해) 흐른다. 그러므 로, 재순환 기체 내에 포함된 이산화탄소는 모노에탄올아민 용액 (71b) 에 의해(또는 용액에) 흡수되어 재순환 기체로부터 분리된다. 이산화탄소가 분리된 재순환 기체는 콘테이너 (71a) 의 배출부와 바이패스 하류 통로 (74) 를 경유하여 합류 지점 (PG) 으로부터 제 4 통로 (64) 에 공급된다. 이후, CPU는 단계 825 로 진행하여 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값을 "1" 로 설정하고 단계 830 으로 진행하여 작동 축적 타이머 (TD) 의 값을 "0" 으로 설정한다. 그리고나서, CPU는 단계 895 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
이 상태하에 도 8 의 단계 800 에서 CPU가 프로세스를 시작하면, CPU는 단계 805 를 경유하여 단계 810 으로 진행한다. 현재 시간은 작동 축적 타이머 (TD) 의 값이 "0" 으로 귀환된 직후이다. 따라서, 작동 축적 타이머 (TD) 의 값은 소정의 시간 (TDth) 보다 충분히 작다. 따라서, CPU는 단계 810 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 단계 815 로 진행하여 CPU는 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "1" 인지 아닌지를 판단한다.
현재 시간에서, 이전 단계 825 에서 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값은 "1" 로 설정된다. 따라서, CPU는 단계 815 에서 "예" 의 판단을 내리고 단계 835 로 진행하여, CPU는 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화된 타이밍 이후 소정의 기간(이산화탄소 분리 지속) (TSth) 이 경과되었는지 아닌지를 판단한다. 기간 (TSth) 은 시간 (TDth) 보다 충분히 더 짧음에 유의해야 한다. 현재 시간에서, 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화된 타이밍 이후 소정의 기간 (TSth) 이 경과되지 않았다. 그러 므로, CPU는 단계 835 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 단계 895 로 진행하여 CPU는 임시로 본 과정을 종료한다.
이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화된 타이밍 이후 소정의 기간 (TSth) 이 경과된 경우, 메인 통로에서 이산화탄소의 농도 (DenCO2) 는 소정의 저농도 (DenCO2thL) 보다 낮다고 여겨진다. 따라서, 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "0" 부터 "1" 까지 변화된 타이밍 이후 소정의 기간 (TSth) 이 경과된 경우, CPU는 단계 835 에서 "예" 의 판단을 내리고 단계 800-815 에 이어 단계 840 으로 진행한다. 단계 840 에서, CPU는 3방 밸브 (72) 의 유입부가 제 3 통로 (63) 와 연결된 3방 밸브 (72) 의 배출 부 중 다른 하나와 연결(연통)되도록 변화되는 방식으로 3방 밸브 (72) 를 제어한다. 따라서, 연소실 (21) 로부터 방출된 배출 기체는 제 1 내지 제 5 통로 (61-65) 로 구성된 메인 통로를 통해 재순환되도록 재개된다. 이후, CPU는 단계 845 에서 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값을 "0" 으로 설정하고, 단계 895 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
상기 설명하였듯이, 제 3 실시형태에 따른 수소 엔진은 수소 엔진의 작동의 축적된 기간 (TD) 에 기초하여 이산화탄소 농도를 추측정하는(단계 805 에 해당) 이산화탄소 농도 추정 수단을 포함한다. 수소 엔진은 축적된 기간 (TD) 이 소정의 시간 (TDth) 보다 긴 경우 이산화탄소 농도가 과도하게 커짐을 판단하며, 따라서 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 의해 재순환 기체로부터 이산화탄소를 분리한다. 따라서, 제 1 실시형태에서 사용하는 비싼 이산화탄소 농도 센서 (85) 를 사용할 필요가 없기 때문에, 수소 엔진이 낮은 비용으로 제공될 수 있다.
제 3 실시형태에서, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 함유된 모노에탄올아민 용액 (71b) 은 제올라이트계 흡수제로 대체될 수 있음에 유의해야 한다. 또한, 제 2 실시형태와 유사하게, 히터 (91c) 는 콘테이너 (71a) 주위에 배치될 수 있고 필요하면 열을 발생시키도록 될 수 있어서, 모노에탄올아민 용액 (71b) 또는 제올라이트계 흡수제의 이산화탄소 흡수 능력이 회복된다.
[제 4 실시형태]
본 발명의 제 4 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진은 단지 CPU가 제 1(또는 제 2) 실시형태의 CPU가 실행하는 도 4 에 보여지는 3방 밸브 제어 과정 대신에 도 9 및 10 의 플로우 차트로 보여지는 과정을 실행하고, 제 4 실시형태의 수소 엔진이 이산화탄소 농도 센서 (85) 대신에 특정 실린더의 연소실 (21) 내의 압력(실린더 압력)을 검출하는 실린더 압력 센서를 포함한다는 점에서 제 1 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 따라서, 이하 이 차이점이 주로 설명될 것이다.
제 4 실시형태에 따른 수소 엔진은 특정 실린더의 크랭크 각도가 압축 스트로크의 상사점 근처의 소정의 크랭크 각도(특정 실린더의 압축 스트로크의 상사점 이전의 At°에서)와 일치하는 경우 얻어지는 특정 실린더의 실린더 압력에 기초하여 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도를 추정한다. 얻어진 실린더 압력(이하, "특정 실린더 압력" 이라고 한다)이 소정의 압력 이하가 되는 경우 수소 엔진은 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의해 이산화탄소를 흡수 및 분리한다. 다시 말해, 특정 실린더 압력이 소정의 압력 이하가 되는 경우, 수소 엔진은 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도가 소정의 고농도(높은 문턱값) (DenCO2thH) 이상인 것으로 판단한다.
더 구체적으로, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 900 으로부터 도 9 에 보여지는 과정의 프로세스를 시작한다. 도 4 에 보여지는 몇몇 단계와 동일한 도 9 에 보여지는 몇몇 단계에는 도 4 에서와 같은 기호가 주어지며, 그 상세한 설명은 생략됨에 유의한다.
CPU는 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 을 얻기 위해 단계 900 으로부터 단계 905 로 진행한다. 본 실시형태에서, 특정 실린더의 크랭크 각도가 특정 실린더의 압축 스트로크의 상사점 이전의 At°와 일치하는 경우 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 은 특정 실린더의 실린더 압력(특정 실린더 압력)이 된다. 특정 실린더 압력은 이후 설명되는 도 10 의 과정에 의해 얻어진다.
다음으로, CPU는 단계 910 으로 진행하여 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 에 의해 나타나는 이산화탄소의 농도가 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 상당하는 농도 이상인지를 판단한다. 더 구체적으로, CPU는 단계 910 에서 특정 실린더 압력 (Pcyl(=IND)) 이 소정의 실린더 압력 (Pcylth) 이하인지 아닌지를 판단한다.
이산화탄소는 3개의 원자로 구성되며, 따라서 그 비열비는 단원자 기체로 구성된 작동 매체로서 역할하는 아르곤 기체의 비열비보다 작다. 그러므로, 압축 스트로크의 끝 근처(상사점 근처의 소정의 크랭크 각도에서)의 실린더 압력은 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도가 높아질수록 더 작아진다. 따라서, 특정 실린더 압력 (Pcyl) 이 소정의 실린더 압력 (Pcylth) 이하라는 사실은 재순환 기체에 함유된 이산화탄소의 농도가 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 상당하는 농도 이상이 된다는 것을 의미한다(나타낸다). 다시 말해, 소정의 실린더 압력 (Pcylth) 은 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 상응하는 값으로 선택된다.
만약 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로 나타나는 이산화탄소의 농도가 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 상당하는 상기 언급한 농도 이상이라면, CPU는 단계 420 및 단계 425 의 프로세스를 실행한다. 그 결과, 제 2 통로 (62) 를 통해 흐르는 재순환 기체는 제 3 통로 (63) 를 통해 흐르지 않지만, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 을 통해 흐른다. 그러므로, 재순환 기체 내에 포함된 이산화탄소는 모노에탄올아민 용액 (71b) 에 의해(또는 용액에) 흡수되어 재순환 기체로부터 분리된다.
한편, 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 에 의해 나타나는 이산화탄소의 농도가 CPU가 단계 910 의 프로세스를 실행할 때 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 상당하는 상기 언급한 농도 이상이 아니라면, CPU는 단계 415 로 진행하여 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "1" 인지 아닌지를 판단한다. 이 때, 이산화탄소 분리 수행 플래그 (F) 의 값이 "1" 이고, 단계 915 에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 에 의해 나타나는 이산화탄소의 농도가 소정의 저농도 (DenCO2thL) 에 상당하는 상기 언급한 농도 이하인 것으로 판단되면, CPU는 단계 435 및 단계 440 의 프로세스를 실행한다.
그 결과, 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 의한 이산화탄소의 분리 및 흡수가 정지되고, 연소실 (21) 로부터 방출된 배출 기체는 제 1 내지 제 5 통로 (61-65) 로 구성된 메인 통로를 통해 재순환되도록 재개된다.
또한, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 도 10 에 보여지는 과정의 프로세스를 시작한다. 따라서, CPU는 적절한 시기에서 단계 1000 으로부터 프로세스를 시작하고 단계 1010 으로 진행하여 CPU는 특정 실린더의 크랭크 각도가 실린더의 압축 스트로크의 상사점 근처 및 이전의 소정의 크랭크 각도 (BTDC At°) 와 일치하는지 아닌지를 판단한다. 소정의 크랭크 각도 (BTDC At°) 는 수소 주입 밸브 (35) 로부터의 수소 주입 타이밍 이전의 크랭크 각도가 되도록 선택된다.
만약 특정 실린더의 크랭크 각도가 실린더의 압축 스트로크의 상사점 이전의 소정의 크랭크 각도 (At°) 와 일치한다면, CPU는 단계 1020 으로 진행하여 특정 실린더 압력(이산화탄소 농도 지시값) (IND) 으로서 실린더 압력 (Pcyl) 을 얻으며, 그리고 단계 1095 로 진행해 임시로 본 과정을 종료한다. 한편, 특정 실린더의 크랭크 각도가 실린더의 압축 스트로크의 상사점 이전의 소정의 크랭크 각도 (At°) 와 일치하지 않으면, CPU는 단계 1010 으로부터 단계 1095 로 직접 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
상기 설명하였듯이, 제 4 실시형태에 따른 수소 엔진은 수소 엔진의 크랭크 각도(특정 실린더의 크랭크 각도)가 압축 스트로크의 상사점 근처의 소정의 크랭크 각도와 일치하는 경우 특정 실린더의 연소실 내 압력인 실린더 압력 (Pcyl) 을 얻는 실린더 압력 획득 수단(실린더 압력 센서 및 도 10 에 보여지는 과정); 및
얻어진 실린더 압력 (Pcyl(=IND)) 이 소정의 압력 (Pcylth) 보다 작은 경우, 분기점 (PB) 상류의 메인 통로 (제 2 통로 (62)) 를 통해 흐르는 기체가 바이패스 상류 통로 (73), 바이패스 하류 통로 (74), 및 콘테이너 (71a) 에 형성된 통로를 포함하는 분기점 (PB) 과 합류 지점 (PG) 사이의(분기점으로부터 합류 지점으로의) 바이패스 통로를 통해 흐르게 하는 방식으로 경로 전환 수단(3방 밸브 (72))을 전환시키는 전환 제어 수단(단계 420, 등)을 포함한다.
따라서, 재순환 기체 내의 이산화탄소가 생성물 제거 수단으로서 역할하는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에, 수소 엔진의 열효율의 감소를 피할 수 있다. 또한, 필요하지 않으면 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 바이패스 통로(예를 들면, 이산화탄소 흡수 유닛 (71))를 통해 재순환 기체가 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
[제 5 실시형태]
본 발명에 따른 제 5 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진은 단지 CPU가 제 1(또는 제 2) 실시형태의 CPU가 실행하는 도 4 에 보여지는 3방 밸브 제어 과정 대신에 도 9 및 도 11 의 플로우 차트에 보여지는 과정을 실행하고, 제 5 실시형태의 수소 엔진은 이산화탄소 농도 센서 (85) 대신에 특정 실린더의 연소실 (21) 내 압력(실린더 압력)을 검출하는 실린더 압력 센서를 포함한다는 점에서 제 1 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 그러므로, 이하에 이 차이점에 대해 주로 설명할 것이다.
제 5 실시형태에 따른 수소 엔진은 다른 실시형태의 엔진과 유사하게 확산 연소를 위해 수소가 고온 및 고압의 기체에 주입되는 엔진의 유형이다. 그러므로, 연소 속도(율)는 더 낮아지며, 따라서 자가 점화 타이밍은 재순환 기체 내의 이산화탄소의 농도가 높아짐에 따라 늦어진다. 이 관점에서, 수소 엔진은 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 실린더 압력에 기초하여 자가 점화 타이밍을 얻는다. 또한, 얻어진 자가 점화 타이밍이 기준 자가 점화 타이밍에 비해 지연된 타이밍에 도달할 때 수소 엔진은 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의해 이산화탄소를 흡수 및 분리한다. 다시 말해, 얻어진 자가 점화 타이밍이 기준 자가 점화 타이밍에 비해 지연된 타이밍이 될 때 수소 엔진은 재순환 기체 내의 이산화탄소의 농도가 소정의 고농도(높은 문턱값) (DenCO2thH) 이상인 것으로 판단한다.
더 구체적으로, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 900 으로부터 도 9 에 보여지는 과정의 프로세스를 시작한다. 본 실시형태의 엔진은 단계 905 및 단계 910 에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 자가 점화 타이밍을 이용하여 자가 점화 타이밍이 기준 자가 점화 타이밍에 대해 지연된 측에 있는지 아닌지를 판단한다. 자가 점화 타이밍은 도 11 에 보여지는 과정에 의해 얻어진다. 기준 자가 점화 타이밍은 이산화탄소의 농도가 상기 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 상당하는 경우 얻어지는 자가 점화 타이밍으로 설정된다.
게다가, 단계 915 에서, 자가 점화 타이밍은 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 이용되며, 자가 점화 타이밍이 기준 자가 점화 타이밍에 대해 소정의 크랭크 각도로 진각된 진각 측 기준 자가 점화 타이밍에 대해 진각 측에 있는지 아닌지가 판단된다. 진각 측 기준 자가 점화 타이밍은 이산화탄소의 농도가 상기 소정의 저농도 (DenCOthL) 에 상당하는 경우 얻어지는 자가 점화 타이밍(값)으로 설정된다. 도 9 에 보여지는 다른 점은 이미 제 4 실시형태에 관한 기재에서 설명되 었고, 따라서 상세한 설명은 생략된다.
도 11 에 보여지는 과정은 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 크랭크 각도에 의해 나타나는 자가 점화 타이밍을 얻기 위한 과정이다. CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 1100 으로부터 본 과정의 프로세스를 시작하며, 단계 1110 으로 진행하여 특정 실린더의 크랭크 각도가 특정 실린더의 압축 스트로크의 상사점과 팽창 스트로크의 하사점 사이에 있는지 아닌지를 판단한다. 특정 실린더의 크랭크 각도가 특정 실린더의 압축 스트로크의 상사점과 팽창 스트로크의 하사점 사이에 있지 않다면, CPU는 단계 1110 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 바로 단계 1195 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
한편, 단계 1110 에서 특정 실린더의 크랭크 각도가 특정 실린더의 압축 스트로크의 상사점과 팽창 스트로크의 하사점 사이에 있다면, 아래 기재된 단계 1120-1140 의 프로세스에 의해 CPU는 실린더 압력이 자가 점화 타이밍(즉, 이산화탄소 농도 지시값 (IND))으로서 최대 압력이 되는 크랭크 각도 (θ) 를 얻는다.
단계 1120: CPU는 실린더 압력 (Pcyl(현재)) 이 본 과정이 이미 실행되었을 때(즉, 소정의 시간 이전에) 얻어진 실린더 압력 (Pcyl(-1)) 이하인지 아닌지를 판단한다. CPU는 단계 1130 으로 진행되어 현재 실린더 압력 (Pcyl(현재)) 이 실린더 압력 (Pcyl(-1)) 이하인지를 판단한다. 그렇지 않으면 CPU는 바로 단계 1195 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
단계 1130: CPU는 이전의 실린더 압력 (Pcyl(-1)) 이 본 과정이 2회 전에 실행되었을 때(즉, 소정의 시간의 두배 이전에) 얻어진 실린더 압력 (Pcyl(-2)) 보다 큰지 아닌지를 판단한다. CPU는 단계 1140 으로 진행되어 이전의 실린더 압력 (Pcyl(-1)) 이 하나를 제외한 마지막 실린더 압력 (Pcyl(-2)) 보다 큰지를 판단한다. 그렇지 않으면, CPU는 바로 단계 1195 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
단계 1110 으로부터 단계 1130 까지의 모든 단계에서 "예" 의 판단은 현재 타이밍이 특정 실린더의 압축 스트로크의 상사점과 팽창 스트로크의 하사점 사이에 있다는 것을 의미한다(나타낸다). 이 관점에서, CPU는 단계 1140 에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 현재 크랭크 각도 (θ) 를 얻는다. 얻어진 크랭크 각도 (θ) 는 도 9 에서 보여지는 과정에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 이용되며, 이 크랭크 각도 (θ) 는 자가 점화 타이밍 또는 자가 점화 타이밍에 상응하는 타이밍이다.
상기 설명하였듯이, 자가 점화 타이밍은 이산화탄소 농도 지시값이며 수소 엔진에서 연소의 상태를 나타내는 연소 상태 지시값이다. 제 5 실시형태에 따른 수소 엔진은 연소 상태 지시값(자가 점화 타이밍)을 얻기 위한 연소상태 지시값 획득 수단(실린더 압력 센서 및 도 11 에 보여지는 과정); 및
얻어진 연소 상태 지시값이 소정의 연소 상태보다 더 나쁜 연소 상태를 나타내는 경우, 즉 자가 점화 타이밍이 과도하게 높은 농도의 이산화탄소에 의해 소정의 타이밍(기준 자가 점화 타이밍)에 대해 지연된 측에 있는 경우에, 분기점 (PB) 상류의 메인 통로(제 2 통로 (62)) 를 통해 흐르는 기체가 바이패스 상류 통로 (73), 바이패스 하류 통로 (74), 및 콘테이너 (71a) 에 형성된 통로를 포함하는 분 기점 (PB) 과 합류 지점 (PG) 사이의(분기점으로부터 합류 지점으로의) 바이패스 통로를 통해 흐르게 되는 방식으로 경로 전환 수단 (3방 밸브 (72)) 을 전환시키는 전환 제어 수단 (단계 420, 등) 을 포함한다.
따라서, 연소 상태의 악화를 야기하는 재순환 기체 내의 이산화탄소가 생성물 제거 수단으로서 역할하는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에, 수소 엔진의 열효율의 감소를 피할 수 있다. 또한, 필요하지 않으면 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 바이패스 통로(예를 들면, 이산화탄소 흡수 유닛 (71))를 통해 재순환 기체가 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
[제 6 실시형태]
본 발명에 따른 제 6 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진은 단지 CPU가 제 1(또는 제 2) 실시형태의 CPU가 실행하는 도 4 에 보여지는 3방 밸브 제어 과정 대신에 도 9 및 도 12 의 플로우 차트에 보여지는 과정을 실행하고, 제 6 실시형태의 수소 엔진은 이산화탄소 농도 센서 (85) 대신에 특정 실린더의 연소실 (21) 내의 압력(실린더 압력)을 검출하는 실린더 압력 센서를 포함하는 점에서 제 1 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 그러므로, 이하에 이 차이점이 주로 설명될 것이다.
제 6 실시형태에 따른 수소 엔진은 다른 실시형태의 엔진과 유사하게 수소가 확산 연소를 위해 고온 및 고압의 기체에 주입되는 유형이다. 그러므로, 후에 설명되는 연소 상태에의 변동(변화)은 재순환 기체 내의 이산화탄소의 농도가 높아질 수록 연소 속도의 감소에 의해 더 커진다.
이 관점에서, 수소 엔진은 연소 변동율을 얻고, 이 얻어진 연소 변동율을 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 이용한다. 또한, 얻어진 연소 변동율이 기준 연소 변동율 이상인 경우 수소 엔진은 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의해 이산화탄소를 흡수 및 분리한다. 다시 말해, 연소 변동율이 기준 연소 변동율 이상인 경우, 수소 엔진은 재순환 기체 내의 이산화탄소의 농도가 소정의 고농도(높은 문턱값) (DenCO2thH) 이상인 것으로 판단한다.
더 구체적으로, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 900 으로부터 도 9 에 보여지는 과정의 프로세스를 시작한다. 본 실시형태의 엔진은 단계 905 및 단계 910 에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 연소 변동율을 사용하여 연소 변동율이 기준 연소 변동율 이상인지 아닌지를 판단한다. 이 연소 변동율은 도 12 에 보여지는 과정에 의해 얻어진다. 기준 연소 변동율은 이산화탄소의 농도가 상기 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 상당하는 경우에 얻어지는 연소 변동율에 상당하는 값으로 설정된다.
게다가, 단계 915 에서, 연소 변동율은 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 이용되며, 연소 변동율이 기준 연소 변동율보다 작은 안정된 연소 변동율보다 작은지 아닌지가 판단된다. 안정된 연소 변동율은 이산화탄소의 농도가 상기 소정의 저농도 (DenCO2thL) 에 일치하는 경우에 얻어지는 연소 변동율에 상당하는 값으로 설정된다. 도 9 에 보여지는 다른 점은 상기 제 4 실시형태에 관한 기재에 이미 설명되어 있으므로, 상세한 설명은 생략된다.
도 12 에 보여지는 과정은 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 연소 변동율을 얻기 위한 과정이다. CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 1200 으로부터 본 과정의 프로세스를 시작하며, 단계 1210 으로 진행하여 샘플링 카운터 (N) 의 값을 "1" 만큼 증가시킨다. 다음으로, 단계 1220 에서, CPU는 샘플링 카운터 (N) 의 값이 소정의 값 (Nth) 이상인지 아닌지를 판단한다. 만약 샘플링 카운터 (N) 의 값이 소정의 값 (Nth) 이상이 아니면, CPU는 단계 1220 에서 "아니오" 의 판단을 내리고 바로 단계 1295 로 진행하여 임시로 본 과정을 종료한다.
한편, 단계 1220 에서 판단 타이밍에서 샘플링 카운터 (N) 의 값이 소정의 값 (Nth) 이상이라면, CPU는 아래 설명된 단계 1230-1250 의 프로세스에 의해 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 연소 변동율(σPmi/PmiAve)을 얻는다.
단계 1230: CPU는 평균값 (PmiAve) 으로서의 도시 평균 유효 압력 (Pmi) 의 마지막 N개의 평균값을 얻는다. 도시 평균 유효 압력 (Pmi) 은 잘 알려진 방법에 따라 실린더 압력 센서 및 크랭크 각도로부터의 출력에 기초하여 특정 실린더의 각 사이클에 대해 얻어진다.
단계 1240: CPU는 도 12 의 단계 1240 의 블록에 보여지는 공식에 따라 도시 평균 유효 압력의 변동값 (σPmi) 을 계산한다. 즉, CPU는 도시 평균 유효 압력 (Pmi) 의 마지막 N개에 대해 도시 평균 유효 압력 (Pmi) 과 평균값 (PmiAve) 사이의 차의 제곱의 제곱근을 얻으며, 변동값 (σPmi) 을 얻기 위해 이 얻어진 값들을 합한다.
단계 1250: CPU는 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서, 얻어진 변동값 (σ Pmi) 을 도시 평균 유효 압력 (Pmi) 의 평균값 (PmiAve) 으로 나눔으로써 얻어지는 값인 연소 변동율(σPmi/PmiAve)을 얻는다.
이렇게 얻어진 연소 변동율(σPmi/PmiAve)은 도 9 의 과정에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 이용된다.
상기 설명하였듯이, 연소 변동율(σPmi/PmiAve)은 이산화탄소 농도 지시값이며, 또한 수소 엔진에서 연소 상태를 나타내는 연소 상태 지시값이다. 제 6 실시형태에 따른 수소 엔진은 연소 상태 지시값(연소 변동율)을 얻기 위한 연소 상태 지시값 획득 수단(실린더 압력 센서와 도 12 에 보여지는 과정); 및
얻어진 연소 상태 지시값이 소정의 연소 상태보다 더 나쁜 연소 상태를 나타내는 경우, 즉 연소 변동율(σPmi/PmiAve)이 과도하게 높은 농도의 이산화탄소에 의해 기준 연소 변동율보다 큰 경우에, 분기점 (PB) 상류의 메인 통로(제 2 통로 (62)) 를 통해 흐르는 기체가 바이패스 상류 통로 (73), 바이패스 하류 통로 (74), 및 콘테이너 (71a) 에 형성된 통로를 포함하는 분기점 (PB) 과 합류 지점 (PG) 사이의(분기점으로부터 합류 지점으로의) 바이패스 통로를 통해 흐르게 되는 방식으로 경로 전환 수단 (3방 밸브 (72)) 을 전환시키는 전환 제어 수단 (단계 420, 등) 을 포함한다.
따라서, 연소 상태의 저하를 야기하는 재순환 기체 내의 이산화탄소가 생성물 제거 수단으로서 역할하는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에, 수소 엔진의 열효율의 감소를 피할 수 있다. 또한, 재순환 기체가, 필요하지 않으면 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 바이패스 통로(예를 들면, 이산화탄소 흡수 유닛 (71))를 통해 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
[제 7 실시형태]
본 발명에 따른 제 7 실시형태의 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진은 단지 CPU가 제 1(또는 제 2) 실시형태의 CPU가 실행하는 도 4 에 보여지는 3방 밸브 제어 과정 대신에 도 9 및 도 13 의 플로우 차트에 보여지는 과정을 실행하고, 제 7 실시형태의 수소 엔진은 이산화탄소 농도 센서 (85) 대신에 특정 실린더의 연소실 (21) 내의 압력(실린더 압력)을 검출하는 실린더 압력 센서를 포함하는 점에서 제 1 실시형태의 수소 엔진과 다르다. 그러므로, 이하에 이 차이점이 주로 설명될 것이다.
상기 설명하였듯이, 이산화탄소 기체의 비열은 아르곤 기체의 비열보다 더 작다. 그러므로, 수소 엔진의 열효율은 재순환 기체 내 이산화탄소의 농도가 높아질수록 감소된다. 이 관점에서, 본 수소 엔진은 수소 엔진의 도시 열효율을 계산하여 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 을 얻는다. 또한, 얻어진 도시 열효율이 기준 도시 열효율 이하인 경우 수소 엔진은 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 의 사용에 의해 이산화탄소를 흡수 및 분리한다. 다시 말해, 도시 열효율이 기준 도시 열효율 이하인 경우, 수소 엔진은 재순환 기체 내의 이산화탄소 농도가 소정의 고농도(높은 문턱값) (DenCO2thH) 이상인 것으로 판단한다.
더 구체적으로, CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 900 으로부터 도 9 에 보여지는 과정의 프로세스를 시작한다. 본 실시형태의 엔진은 단계 905 및 단 계 910 에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 도시 열효율을 이용하여 도시 열효율이 기준 도시 열효율 이하인지 아닌지를 판단한다. 도시 열효율은 도 13 에 보여지는 과정에 의해 얻어진다. 기준 도시 열효율은 이산화탄소의 농도가 상기 소정의 고농도 (DenCO2thH) 에 일치하는 경우 얻어지는 도시 열효율에 상당하는 값으로 설정된다.
게다가, 단계 915 에서, 도시 열효율은 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 이용되며, 도시 열효율이 기준 도시 열효율보다 더 높은 고기준 도시 열효율 이상인지 아닌지가 판단된다. 고기준 도시 열효율은 이산화탄소의 농도가 상기 소정의 저농도 (DenCO2thL) 에 일치하는 경우에 얻어지는 도시 열효율에 상당하는 값으로 설정된다. 도 9 에 보여지는 다른 점은 상기 제 4 실시형태에 관한 기재에서 이미 설명되었으므로, 상세한 설명은 생략된다.
도 13 에 보여지는 과정은 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 도시 열효율을 얻는 과정이다. CPU는 소정의 시간이 경과할 때마다 단계 1300 으로부터 본 과정의 프로세스를 시작하고 단계 1310 으로 진행하여 특정 실린더의 실린더 압력(실린더 압력 센서로부터의 출력) (P) 과 실린더의 연소실의 부피 (V) 에 따라 그려진 압력 부피 선도(P-V 선도)에 기초하여 행해진 도시 일 (Q1) 을 계산한다. 다음으로, 단계 1320 에서, CPU는 필요 수소량 (SH2) 또는 수소 주입 시간 (TAU) 에 기초하여 행해진 도시 일 (Q1) 이 얻어지는 사이클에서 특정 실린더에 주입된 수소의 양을 계산하며, 이후 특정 실린더에 주입된 수소의 양에 기초하여 특정 실린더에 공급된 에너지 (Q0) 를 계산한다.
다음으로, CPU는 단계 1330 으로 진행하여 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서, 행해진 도시 일 (Q1) 을 에너지 (Q0) 로 나눔으로써 얻어지는 값인 도시 열효율(Q1/Q0)을 얻는다. 얻어진 도시 열효율(Q1/Q0)은 도 9 에 보여지는 과정에서 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 이용된다.
상기 설명하였듯이, 도시 열효율(Q1/Q0)은 이산화탄소 농도 지시값이며, 또한 수소 엔진에서 연소의 상태를 나타내는 연소 상태 지시값이다. 제 7 실시형태에 따른 수소 엔진은 연소 상태 지시값(도시 열효율)을 얻기 위한 연소 상태 지시값 획득 수단(실린더 압력 센서와 도 13 에 보여지는 과정); 및
얻어진 연소 상태 지시값이 소정의 연소 상태보다 더 나쁜 연소 상태를 나타내는 경우, 즉 얻어진 도시 열효율(Q1/Q0)이 과도하게 높은 농도의 이산화탄소에 의해 기준 도시 열효율 이하인 경우에, 분기점 (PB) 상류의 메인 통로(제 2 통로 (62)) 를 통해 흐르는 기체가 바이패스 상류 통로 (73), 바이패스 하류 통로 (74), 및 콘테이너 (71a) 에 형성된 통로를 포함하는 분기점 (PB) 과 합류 지점 (PG) 사이의(분기점으로부터 합류 지점으로의) 바이패스 통로를 통해 흐르게 되는 방식으로 경로 전환 수단 (3방 밸브 (72)) 을 전환시키는 전환 제어 수단 (단계 420, 등) 을 포함한다.
따라서, 연소 상태에의 저하를 야기하는 재순환 기체 내의 이산화탄소가 생성물 제거 수단으로서 역할하는 이산화탄소 흡수 유닛 (71) 에 의해 재순환 기체로부터 제거되기 때문에, 수소 엔진의 열효율의 감소를 피할 수 있다. 또한, 재순환 기체가, 필요하지 않으면 흐름에 대한 높은 통로 저항을 갖는 바이패스 통로(예 를 들면, 이산화탄소 흡수 유닛 (71))를 통해 흐르지 않기 때문에, 엔진 효율의 감소를 피할 수 있다.
상기 설명하였듯이, 본 발명에 따른 실시형태의 재순환 작동 매체와 그 시스템을 이용하는 각각의 수소 엔진은 불가피하게 생성되고 재순환 기체 내에 포함된 이산화탄소를 재순환 기체로부터 분리 및 제거한다. 그러므로, 상기와 같이 구성된 수소 엔진은 항상 높은 열효율로 작동될 수 있다.
본 발명은 상기 실시형태에 제한되지 않으나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 적절하게 변형될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 엔진 (10) 은 수소의 확산 연소를 이용하지만, 수소 엔진은 수소가 자가 점화되도록 압축되는 유형의 엔진 또는 수소가 연소실 (21) 에 배치된 스파크 플러그에 의해 발생된 스파크 점화를 이용한 불꽃 전파에 의해 연소되는 유형의 엔진일 수 있다.
또한, 상기 설명된 각각의 수소 엔진에서, 수소 기체는 직접 연소실에 주입된다. 그러나, 수소 주입 밸브 (35) 는 수소 기체가 수소 주입 밸브 (35) 로부터 흡입 밸브 (31) 에 주입되는 방식으로 배치될 수 있다. 또, 상기 각각의 실시형태에서, 아르곤 기체가 작동 매체로서 사용된다. 그러나, 비열비가 이산화탄소 기체의 비열비보다 높은 어떠한 다른 단원자 기체(예를 들어, He 와 같은 아르곤 기체 이외의 비활성 기체, 등)도 작동 매체로서 사용될 수 있다.
게다가, 각각의 실시형태에 있어서, 이산화탄소는 연소실에서 생성(형성)되는 H2O 이외의 생성물로서 재순환 기체로부터 제거된다. 그러나, 다른 생성물(예 를 들어, Nox 및/또는 HC)이 유사한 방법으로 재순환 기체로부터 제거될 수 있다. 또한, MEA 용액 또는 제올라이트계 흡수제가 이산화탄소를 흡수하는 물질로서 사용된다. 그러나, 이 대신에, 제거되어야 하는 이산화탄소 등과 같은 생성물을 선택적으로 흡수할 수 있는 다른 물질이 사용될 수 있다.
또한, 자가 점화 타이밍의 변동율이 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 으로서 및/또는 연소 상태 지시값으로서 이용될 수 있다. 게다가, 수소 엔진이 수소가 스파크 점화를 이용한 불꽃 전파에 의해 연소되는 유형의 엔진이라면, 불꽃 전파 속도는 이산화탄소의 농도가 높아질수록 낮아진다. 따라서, 이산화탄소의 농도가 높아질수록 연소 스트로크(또는 팽창 스트로크) 동안의 실린더 압력은 더 점차적으로 변화한다. 그러므로, 연소 스트로크에서의 실린더 압력의 변화율 또는 변화 방식은 예를 들어 이산화탄소 농도 지시값 (IND) 및/또는 연소 상태 지시값으로서 이용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 수소, 산소, 및 단원자 기체로 구성된 작동 매체가 수소를 연소시키기 위해 연소실에 공급되며, 연소실로부터 방출되는 배출 기체에 포함된 작동 매체는 재순환 통로를 통해 연소실로 재순환되는 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진에 있어서,
    연소실 내에서 생성된 H2O 이외의 생성물을 제거하기 위해 재순환 통로에 배치되는 생성물 제거 수단을 포함하며,
    재순환 통로는 메인 통로, 및 분기점에서 메인 통로로부터 갈라지고 분기점하류의 합류 지점에서 메인 통로에 합류하는 바이패스 통로를 포함하고, 생성물 제거 수단은 상기 바이패스 통로에 배치되며,
    분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 메인 통로를 통해 분기점으로부터 합류 지점으로 흐르게 되는 제 1 상태, 또는 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 바이패스 통로를 통해 분기점으로부터 합류 지점으로 흐르게 되는 제 2 상태 중 어느 하나를 선택하는 경로 전환 수단을 더 포함하고,
    상기 생성물 제거 수단은 연소실 내에서 생성되는 H2O 이외의 생성물인 이산화탄소를 제거하기 위해 구성되는 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성물 제거 수단은
    재순환 통로의 일부를 구성하는 통로를 갖는 콘테이너; 및
    콘테이너의 통로에 함유된 모노에탄올아민 용액 또는 콘테이너의 통로에 함유된 제올라이트계 흡수제를 포함하는 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성물 제거 수단은
    생성물을 흡수하는 흡수 물질;
    흡수 물질에 의해 흡수된 생성물이 흡수 물질로부터 분리되는 것이 촉진되도록 물리적 작용을 흡수 물질에 가하는 분리 촉진 수단; 및
    흡수 물질로부터 분리된 생성물을 재순환 통로 바깥으로 방출하는 방출 개구부를 포함하는 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 흡수 물질은 이산화탄소를 용해시킴으로써 생성물로서의 이산화탄소를 흡수하는 모노에탄올아민 용액 또는 이산화탄소를 흡착함으로써 이산화탄소를 흡수하는 제올라이트계 흡수제 중의 어느 하나이며,
    상기 분리 촉진 수단은 흡수 물질을 가열하는 가열 수단인 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서,
    메인 통로를 통해 흐르는 기체 내에 함유된 이산화탄소의 농도를 얻기 위한 이산화탄소 농도 획득 수단; 및
    얻어진 이산화탄소의 농도가 소정의 농도보다 더 높은 경우 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 분기점과 합류 지점 사이의 바이패스 통로를 통해 흐르도록 하는 방식으로 경로 전환 수단을 전환시키는 전환 제어 수단을 더 포함하는 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서,
    이산화탄소 농도 획득 수단은 이산화탄소 농도를 검출하는 이산화탄소 농도 센서인 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
  9. 제 7 항에 있어서,
    이산화탄소 농도 획득 수단은 수소 엔진 작동의 축적된 기간에 기초하여 이산화탄소 농도를 추정하는 이산화탄소 농도 추정 수단인 재순환 작동 매체를 이용 하는 수소 엔진.
  10. 제 1 항에 있어서,
    엔진의 크랭크 각도가 압축 스트로크의 상사점 근처의 소정의 크랭크 각도와 일치하는 경우 연소실 내의 압력인 실린더 압력을 얻기 위한 실린더 압력 획득 수단; 및
    얻어진 실린더 압력이 소정의 압력보다 작은 경우, 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 분기점과 합류 지점 사이의 바이패스 통로를 통해 흐르게 하는 방식으로 경로 전환 수단을 전환시키는 전환 제어 수단을 더 포함하는 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
  11. 제 1 항에 있어서,
    엔진의 연소 상태를 나타내는 연소 상태 지시값을 얻기 위한 연소 상태 지시값 획득 수단; 및
    얻어진 연소 상태 지시값이 연소 상태가 소정의 연소 상태보다 더 나쁨을 나타내는 경우, 분기점 상류의 메인 통로를 통해 흐르는 기체가 분기점과 합류 지점 사이의 바이패스 통로를 통해 흐르도록 하는 방식으로 경로 전환 수단을 전환시키는 전환 제어 수단을 더 포함하는 재순환 작동 매체를 이용하는 수소 엔진.
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