KR101135527B1 - 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템은, 연료탱크에서 디젤연료를 고압으로 펌핑하는 고압펌프, 상기 고압펌프에서 보내진 연료가 담기는 연료레일, 상기 연료레일에서 보내진 연료가 실린더 내부로 인젝션되는 노즐을 구비한 인젝터, 및 상기 연료레일의 입구측에 배치되어 연료의 분자들을 화학적으로 분해하기 위해서 연료의 온도를 설정된 온도 범위로 가열하는 가열소자를 포함한다.
따라서, 일반적인 디젤연료를 설정된 온도 범위 내에 속하도록 가열소자로 가열하여, 화학적으로 분해(cracking, 쪼갬)시킴으로써 증발성을 증가시켜 완전연소가 가능하다.
fuel, processing, 가열소자, heating, element, glow, plug, fuel, rail, 디젤

Description

연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템{INJECTION SYSTEM THAT IS FITTED WITH FUEL TREATMENT DEVICE}
본 발명은 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소 특성을 개선하고 배기가스오염물질을 줄이도록 연료를 처리하는 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템에 관한 것이다.
오늘날 잘 알려진 사실은 디젤이나 가솔린엔진의 주요 문제는 소위 말해서 "Soot-NOx conflict" 로, 이것은 둘 중 하나를 감소시키면 다른 하나가 증가하는 것을 의미한다.
이것은 매우 낮은 NOx 값을 요구하는 미래의 법규를 고려할 때, 매우 큰 불리한 점임에 틀림없다. 엔진연소기간 동안 매연(soot)이 형성되는 것은 소위 말해서 연료와 공기와의 혼합의 품질에 달려있다는 것도 잘 알려진 사실이며, 특히 연소가 시작된 상태에서 기화되지 않은 액체(liquid)의 양이 중요하다.
연소기간 동안에 형성되는 액체연료방울은 중심부가 분해될 정도의 온도까지 뜨거워져, 연소기간의 마지막 기간 동안 낮은 온도 환경에서 더 이상 연소되지 않는 탄소물질을 야기한다. 결과적으로 탄소물질이 배기가스로 배출된다. 이러한 형 상은 NOx를 제거하기 위해 배기가스를 재순환시킬 때 더 증가된다.
연료의 화학적인 조성이 연소효율이나 배출가스 품질에 매우 큰 영향을 주는 것은 잘알려진 사실이다. 불행하게도, 오늘날 엔진 연료는 좋은 배출가스 성능을 달성하기 위해서 화학적으로 좋은 특성을 갖고 있지 않으며, 배출가스 성능에 유리한 연료특성들은 윤활성이나 원하지 않게 배출되는 HC의 배출제어성과 같은 인자에 불리한 영향을 주기 때문에 실질적으로 실현되지 못하고 있다. 좋은 연소 특성을 갖는 연료가 현재 연구 중에 있으나, 충분하게 시장에서 활용되지 못할 것이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 연소 특성을 높이고 배기가스 오염물질을 줄이기 위해서 연료를 처리하는 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템은, 연료의 분자들을 화학적으로 분해(cracking)하기 위해서 연료의 온도를 설정된 온도 범위로 가열하는 가열소자를 포함한다.
연료탱크에서 디젤연료를 고압으로 펌핑하는 고압펌프, 상기 고압펌프에서 보내진 연료가 담기는 연료레일, 및 상기 연료레일에서 보내진 연료가 실린더 내부로 인젝션되는 노즐을 구비한 인젝터를 더 포함하고, 상기 가열소자는 상기 연료레일의 입구측에 배치된다.
상기 설정된 온도는 섭씨 450도 내지 600도의 범위에 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 가열소자는 글로우플러그(glow plug)를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 연료레일 내부의 압력은 1500 내지 2500 bar 의 범위에 포함되는 것이 바람직하다.
내부에 담긴 연료의 온도를 제어하기 위한 쿨러가 상기 연료레일에 부착된 것을 특징으로 한다.
단열부재가 상기 연료레일 또는 상기 가열소자에 부착된 것을 특징으로 한다.
가열된 연료의 온도를 감지하고 엔진의 가동 상태에 따라서 상기 가열소자를 피드백 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템에 의하면, 일반적인 디젤연료를 설정된 온도 범위 내에 속하도록 가열소자로 가열하여, 화학적으로 분해(cracking, 쪼갬)시킴으로써 증발성을 증가시켜 완전연소가 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
연료 인젝션 시스템은 연료가 열, 촉매, 또는 다른 방법으로 처리되는 연료 처리장치를 구비하고 있어서, 연료탱크에서 공급된 연료의 연료분자들은 작은 분자들로 쪼개져서 더 좋은 연소성능을 달성한다.
연료를 처리하는 챔버는 연료가 지나는 어떤 부분에도 가능하나, 안정성과 제어 반응 속도를 위해서 연소실과 거리를 고려해야 한다.
연료 처리장치의 레이아웃이나 위치는 변형가능하나 연료분자의 분해(cracking)를 보장해야 하며, 본 발명의 실시예에서 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템은 다음과 같이 구성된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진 시스템은 연료탱크(100), 고압펌프(110), 공급라인(115a), 회수라인(115b), 가열소자(120), 쿨러(130), 단열부재(140), 연료레일(150), 인젝터(160), 노즐(170), 및 제어유닛(180)을 포함한다.
상기 연료탱크(100)에는 일반적인 디젤연료가 충진되고, 상기 공급라인(115a)에 설치된 상기 고압펌프(110)는 상기 연료탱크(100)에서 상기 연료레일(150)로 디젤연료를 고압으로 공급한다.
상기 연료레일(150)의 내부 압력은 1500bar에서 2500bar의 범위에 속하고, 상기 연료레일(150)에서 각각의 상기 인젝터(160)로 연료를 공급한다.
상기 연료레일(150)의 입구측에는 상기 가열소자(120)가 구비되고, 상기 가열소자(120)는 공급되는 일반적인 디젤연료의 온도를 섭씨 450도 내지 600도의 범위 내로 가열한다.
본 발명의 실시예에서, 디젤연료는 360도 이상에서 화학적인 분자의 분해(쪼개짐, cracking) 현상이 발생하며 안정적으로 화학적인 분해를 유도하기 위해서는 450도 이상이 유지되는 것이 바람직하다.
특히, 연료가 400도 이하로 가열되는 경우 단순히 물리적인 연료의 점도가 낮아져 증발능력이 향상될 수는 있으나 화학적으로 분자가 쪼개지지 않으므로 본 발명의 기술적인 효과를 달성하기 힘들다.
디젤연료가 상기 가열소자(120)에 도달하기 전에는 윤활성은 비교적 높고 증 발성(volatility)은 낮은 특성을 갖고 있으나, 일반적인 디젤연료가 상기 가열소자(120)를 통해서 가열되면 분자들이 화학적으로 쪼개져, 윤활성은 낮아지고 증발성이 증가한다.
좀 더 상세하게 설명하면, 상기 가열소자(120)를 통과하기 전 디젤연료의 끊는점은 섭씨 170도 내지 390도의 범위에 포함되지만, 상기 가열소자(120)를 통과한 후 디젤연료의 끊는 점은 섭씨 25도 내지 210도의 범위에 포함되며 윤활성은 떨어진다.
상기 연료레일(150)에는 상기 가열소자(120) 후단부에 연료의 온도를 제어하고, 과열을 막기 위해서 상기 쿨러(130)가 장착되며, 일반적으로 상기 가열소자(120)와 상기 쿨러(130)를 통과하여 상기 연료레일(150)에 충진된 디젤연료의 온도는 섭씨 100도 미만인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서, 상기 쿨러(130)는 섭씨 400도 이상으로 가열된 연료를 쿨링하기 위한 것으로, 상기 연료레일의 내부 온도를 섭씨 100도 미만으로 제어하기 위한 것이다.
상기 가열소자(120)를 통과하면서 가열되어 화학적으로 그 특성이 변형된 디젤연료는 끊는점과 윤활성이 다르므로 상기 연료탱크(100)로 회수되는 것이 최소화되는 것이 바람직하다.
경우에 따라서, 상기 회수라인(115b)에 쿨러를 구비하여 회수되는 디젤연료를 화학적으로 다시 원상태로 복구하는 것을 고려할 수 있다.
상기 가열소자(120)와 접하는 모든 부품은 높은 온도를 참을 수 있는 스틸이나 세라믹 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 가열소자(120)는 전기적인 글로우 플러그(electrical glow plug)로 준비될 수 있다.
디젤연료가 상기 가열소자(120)를 통과하면, 상기 가열소자(120)가 작동되고 설정된 온도범위에서 디젤연료의 분자들이 분해되(쪼개져), 휘발성이 좋아져 연소특성이 좋아진다.
여기서, 연료를 가열하면서 상기 가열소자(120)의 길이방향으로 온도가 다르게 되며, 디젤연료와 접하는 면적과 연료의 흐름량에 따라서 처리시간이 달라지게 되며, 상기 가열소자(120)의 히팅시간을 조절함으로써 디젤연료의 분자가 화학적으로 쪼개지는 것을 제어할 수 있다.
상기 가열소자(120)의 과열을 막고 연료의 온도를 제어하기 위해서 상기 쿨러(130)가 배치되며, 특히 실린더와 가깝게 설치되는 경우 인접한 부품들의 온도가 섭씨 300도에 이르므로 냉각이 필요하다.
일반적인 디젤이 분사되면 섭씨 170도에서 증발이 일어나고 390도에서 증발이 완료되며, 이 기간 동안에 디젤연료의 세탄값(cetane number)은 50cn 내지 60cn에 포함되어 연소기간 중에 연료 방울(droplet)이 존재한 상태에서 연소가 시작되어 미연소 탄소가 발생하게 된다.
본 발명의 실시예에서 설명한 바와 같이, 디젤연료가 설정된 온도 범위에서 화학적으로 분자가 쪼개지게 되면, 더 많은 작은 분자들이 섭씨 170도 온도 미만에서 빠르게 증발될 뿐만 아니라 분자가 쪼개진 연료의 세탄값도 작아진다.
세탄값이 작아지면 연소지연시간이 증가되어 연료는 증발될 더 많은 시간을 확보하며, 증발되지 않은 연료 방울이 거의 없고 공기와 증발연료가 균일하게 석인 상태에서 연소가 진행되므로 미연소 탄소의 발생이 획기적으로 줄어드는 것이다.
도면에서, 상기 가열소자(120)가 상기 연료레일(150)의 입구측에 구비되어 있으나, 실시예에 따라서, 상기 고압펌프(110) 후단, 상기 공급라인(115a), 상기 인젝터(160), 상기 노즐(170) 등 다른 부분에 설치되어 공급되는 디젤연료를 설정된 온도로 가열함으로써 화학적으로 분자가 쪼개지도록 할 수 있다.
아울러, 상기 연료레일(150)에는 상기 가열소자(120)와 인접하여 상기 단열부재(140)가 형성되어 가열효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 가열소자(120)에 의해서 가열된 연료의 온도를 감지하기 위한 온도센서(미도시) 또는 화학센서(미도시)가 구비될 수 있다.
상기 제어유닛(180)은 상기 가열소자(120)를 통과한 연료의 온도와 엔진의 가동상태에 따라서 상기 가열소자(120)를 피드백 제어하여 변형된(분자가 쪼개져 화학적으로 디자인된) 엔진 가동상태에 따라서 연료의 품질을 변화시키는 것이 바람직하다.
아울러, 엔진의 온도가 낮은 상태, 연소 소음, 엔진 성능 등에 따라서 상기 가열소자(120)를 제어하여 모든 엔진 가동 모드에 적합하게 화학적으로 디자인된 연료를 공급하는 것이 바람직하다.
엔진 가동 상태에 따라서 상기 가열소자(120)를 통과하는 연료에서, 많은 양이 화학적으로 변형될 수 있고, 작은 양이 화학적으로 변형될 수 있으며, 경우에 따라서는 연료가 변형되지 않도록 상기 가열소자(120)가 작동되지 않을 수 있다.
배기가스를 재순환시켜 연료지연시간을 늘리는 것이 아니라, 본 발명의 실시예에서는 연료를 가열하여 화학적으로 분자를 쪼갬으로써 연료지연시간을 늘리기 때문에 미연소탄소를 줄일 뿐만 아나라, NOx의 배출도 줄일 수 있다.
상기 가열소자(120)를 통과한 디젤연료는 휘발성이 증가하고 윤활성이 낮아지므로 상기 인젝터(160)나 상기 노즐(170)의 작동 내구성과 윤활성이 높아야 한다.
본 발명의 실시예에서, 디젤연료가 과도하게 가열되어 들뜬상태(exited condition)에 이르러 자연점화(hypergolic) 상태에 이르면 안되며, 이 자연점화 상태에서는 연료의 점화지연이 발생되지 않아, NOx가 다량 발생될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 연료탱크
110: 고압펌프
115a: 공급라인
115b: 회수라인
120: 가열소자
130: 쿨러
140: 단열부재
150: 연료레일
160: 인젝터
170: 노즐
180: 제어유닛

Claims (12)

  1. 연료탱크에서 디젤연료를 고압으로 펌핑하는 고압펌프(110);
    상기 고압펌프(110)에서 보내진 연료가 담기는 연료레일(150);
    상기 연료레일(150)에서 공급된 연료를 실린더 내부로 인젝션하는 노즐을 구비한 인젝터(160);
    상기 디젤연료가 상기 연료레일(150)의 안으로 유입되는 입구측에 배치되어 연료의 분자들을 화학적으로 분해하기 위해서 섭씨 450도 내지 600도로 가열하는 가열소자(120);
    상기 연료레일(150)의 내부에 담긴 디젤연료의 온도를 하강시키도록 상기 연료레일에 부착되는 쿨러(130); 및
    상기 가열소자(120)를 거쳐서 상기 연료레일(150)에 충진된 연료의 온도가 100도 미만으로 되도록, 상기 가열소자(120)와 상기 쿨러(130)를 피드백 제어하는 제어유닛(180);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가열소자는 글로우플러그(glow plug)를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 연료레일 내부의 압력은 1500 내지 2500 bar 의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    단열부재가 상기 연료레일 또는 상기 가열소자에 부착된 것을 특징으로 하는 연료 처리장치를 구비한 엔진 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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