KR101185059B1 - 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치는, 수소가스를 발생시키기 위한 수소발생부(10)와, 상기 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스의 압력을 일정하게 유지하기 위한 컴퓨레셔(50)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스를 왕복운동형 내연기관의 연료로 공급하기 위한 수소공급부(60)와, 상기 수소발생부(10)의 수소발생량을 제어하기 위한 릴레이부(30)와, 상기 릴레이부(30)와 컴퓨레셔(50) 및 수소공급부(60)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 전자제어장치(ECU, 40)를 포함하고, 상기 수소공급부(60)는, 상기 왕복운동형 내연기관에 장착되는 메니폴드(65)와, 화석연료를 분사하기 위한 다수의 연료인젝터(66)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스의 압력차를 상쇄시키면서 상기 메니폴드(65)에 장착된 다수의 수소연료 인젝터에 균등하게 공급하기 위한 수소탱크(61)와, 상기 수소탱크(61)와 상기 수소연료 인젝터를 연결하는 수소공급로(63)를 포함하고, 상기 전자제어장치(40)는, 상기 릴레이부(30)를 제어하여 상기 수소발생부(10)에 공급되는 전원을 제어하고, 상기 수소탱크(61)로부터 상기 수소연료 인젝터로 공급되는 수소연료의 공급을 차단하는 다수의 솔레노이드 밸브(62)를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치{CONTROL APPARATUS FOR HYDROGEN FUEL SUPPLY OF HYDROGEN ENGINE}
본 발명은 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진의 회전수에 따라 적정량의 수소를 생성하여 일정한 압력으로 수소연료가 공급되도록 하여 노킹현상의 발생을 최대한 억제하면서 수소를 고효율로 자동차의 연료로 사용되도록 하여 경제성과 실용성을 확보할 수 있도록 하는 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치에 관한 것이다.
수소는 무색, 무취, 무독성의 기체로서 단위 질량당 에너지가 매우 큰 특성을 지니고 있어 자동차의 연료로도 우수한 성질을 지니고 있다. 수소 연료 중에는 탄소가 포함되지 않으므로 CO2, HC, CO의 배출이 전혀 없고 미량의 NOx성분만 배출되기 때문에 환경오염을 완화할 수 있다. 또한 최소 점화에너지가 작고 소염거리가 작으므로 취급에 주의를 기울여야 하는 특성도 갖고 있으나, 공기보다 가볍고 확산이 빠르므로 밀폐된 공간만 아니면 누설되는 경우에도 폭발의 위험은 없다.
자동차의 경우 수소를 내연기관의 연료로 직접 사용하는 방법과 연료전지(Fuel Cell)에 사용하여 전기에너지를 얻는 방법의 2가지 방향의 연구가 진행되고 있다. 수소연료를 생성하기 위한 장치는 양극과 음극이 구비된 본체에 물을 충진하고 전기분해하는 방식이 보편적이다.
종래의 수소연료엔진은 도 3에 도시된 바와 같이, 화석연료 인젝터와 별도의 수소연료 인젝터(71)를 실린더헤드에 끼워서 연소실(72)로 수소연료가 직접 분사되도록 구성되었다. 이러한 수소연료 공급장치는 수소연료 인젝터(71)에서 직접분사되는 수소연료가 노즐구멍을 통하여 연소실(72) 내로 분사되며, 이와 동시에 흡기포트를 통하여 유입되는 공기와 혼합되어 점화되도록 하였다.
그러나 상기와 같은 종래의 수소연료엔진은 구조가 복잡하여 원가인상의 요인이 되었고, 특히 연소의 안정성이 저하되는 문제점이 있었다. 다시 말해, 직접분사식 수소연료 인젝터를 갖는 수소연료엔진의 경우 수소연료 인젝터가 고압용(13bar)이므로 흡입공기량이 부족한 아이들 구동이나 부하가 낮은 저속 운전 영역에서는 혼합기가 너무 진해져 안정된 연소를 저해하고 노킹현상이 심하게 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 저부하 및 고부하 운전영역에서 연소의 안정성을 높이기 위해 연소실 내로 공급되는 수소의 생성과 공급을 전자제어장치의 제어신호에 따라 변동되도록 하여 내연기관의 효율을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 연료의 소모를 최대한 억제할 수 있는 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치는, 수소가스를 발생시키기 위한 수소발생부(10)와, 상기 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스의 압력을 일정하게 유지하기 위한 컴퓨레셔(50)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스를 왕복운동형 내연기관의 연료로 공급하기 위한 수소공급부(60)와, 상기 수소발생부(10)의 수소발생량을 제어하기 위한 릴레이부(30)와, 상기 릴레이부(30)와 컴퓨레셔(50) 및 수소공급부(60)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 전자제어장치(ECU, 40)를 포함하고, 상기 수소공급부(60)는, 상기 왕복운동형 내연기관에 장착되는 메니폴드(65)와, 화석연료를 분사하기 위한 다수의 연료인젝터(66)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스의 압력차를 상쇄시키면서 상기 메니폴드(65)에 장착된 다수의 수소연료 인젝터에 균등하게 공급하기 위한 수소탱크(61)와, 상기 수소탱크(61)와 상기 수소연료 인젝터를 연결하는 수소공급로(63)를 포함하고, 상기 전자제어장치(40)는, 상기 릴레이부(30)를 제어하여 상기 수소발생부(10)에 공급되는 전원을 제어하고, 상기 수소탱크(61)로부터 상기 수소연료 인젝터로 공급되는 수소연료의 공급을 차단하는 다수의 솔레노이드 밸브(62)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컴퓨레셔(50)는, 상기 수소발생부(10)와 수소포집관(52)을 통해 연결되어 상기 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스의 압력을 일정하게 유지하면서, 상기 수소가스에 의한 압력파를 감쇄시켜 급격한 수소연료의 공급을 방지하는 기능을 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 릴레이부(30)는 다수의 렐레이(31 ~ 33)를 포함하여 구성되며, 자동차에 내장된 배터리(20)의 전원을 상기 전자제어장치(40)의 제어신호에 상기 수소발생부(10)의 전극판(11 ~ 13)에 개별적으로 공급하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 화석연료를 사용하여서 운행하는 차량에 수소연료를 왕복운동형 내연기관에 공급함으로써 휘발유나 디젤과 같은 화석연료를 절감할 수 있고, 또한 왕복운동형 내연기관에 공급되는 수소연료는 순수한 물로 산화되어 배출가스에 의한 오염을 현저하게 줄일 수 있게 된다.
또한, 수소연료의 생성과 공급을 전자제어장치의 제어신호에 따라 조절함으로써 왕복운동형 내연기관의 출력을 최대로 할 수 있을 뿐만 아니라 연료소모를 최대한 억제할 수 있게 되고, 왕복운동형 내연기관의 회전수에 따라 적정량의 수소연료를 공급함으로써 노킹현상을 최대한 억제할 수 있어 높은 출력을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
한편, 별도로 다수개의 수고연료 인젝터를 구비하지 않고서도 간단한 구조로 적정량의 수소연료를 공급할 수 있어 장비의 가격을 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 수소연료엔진에서 수소연료 공급제어장치의 개략적인 구성도,
도 2는 도 1에서 주요부의 확대구성도,
도 3은 종래의 일반적인 수소연료엔진의 개략적인 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 수소연료엔진에서 수소연료 공급제어장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에서 주요부의 확대구성도이다.
상기 도면의 구성 요소들에 인용부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있으며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, '상부', '하부', '앞', '뒤', '선단', '전방', '후단' 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면(들)의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시 예의 구성요소는 다양한 배향으로 위치설정될 수 있기 때문에 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 일실시 예에 의한 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치는, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 수소가스를 발생시키기 위한 수소발생부(10)와, 상기 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스의 압력을 일정하게 유지하기 위한 컴퓨레셔(50)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스를 왕복운동형 내연기관의 연료로 공급하기 위한 수소공급부(60)와, 상기 수소발생부(10)의 수소발생량을 제어하기 위한 릴레이부(30)와, 상기 릴레이부(30)와 컴퓨레셔(50) 및 수소공급부(60)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 전자제어장치(ECU: Electronic control unit, 40)를 포함하여 구성된다.
상기 왕복운동형 내연기관은 수소가스를 연료로 사용하기 위한 공지된 수소연료엔진으로, 왕복운동형 내연기관의 구조 및 상세한 기능은 이미 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 수소발생부(10)는, 공지된 바와 같이 물을 전기분해하여 수소가스를 발생시키는 장치로써, 하나 이상의 전극판(11 ~ 13)이 일정 간격을 두고 적층하는 형태로 형성되어 있다. 전극판(11 ~ 13)은 부식을 방지하고, 수소와 산소의 발생량을 증가시키기 위한 스텐레스 재질이 바람직하나 이에 한정하지 않는다. 상기 수소발생부(10)는 산소 발생을 위한 +전극, 수소 발생을 위한 -전극 또는 접지로 연결하며, 물(증류수)에 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 전해질로 사용하여 수소와 산소를 발생시킨다. 도면부호 14는 마개를 도시한 것이다.
한편, 상기 전해질로 사용되기 위한 전해액 저장부가 별도로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 전해액 저장부는 도시되지는 않았지만, 수소와 산소를 발생시키기 위한 전해액을 공급하며 전해액 저장부에서 공급한 전해액과 전원부의 전류를 이용하여 수소발생부(10)에서 수소와 산소를 2:1의 비율로 발생되도록 한다. 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스는 왕복운동형 내연기관의 연료와 혼합하여 사용하도록 한다.
또한, 사용자의 관리소홀로 전해액 저장부에 전해액이 기준치보다 낮으면 수소발생부(10), 전해액 저장부, 전자제어장치(40)에 전원을 공급하지 않아 수소와 산소를 생성하지 않음으로써, 사고발생에 대비한다. 그리고, 전원이 끊기거나 문제가 발생할 경우에는 기존의 전자제어장치(40)에 의한 제어방식으로 엔진이 구동되도록 전환하는 것이 바람직하다.
상기 컴퓨레셔(50)는, 상기 수소발생부(10)와 수소포집관(52)을 통해 연결되며, 상기 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스의 압력을 일정하게 유지하는 기능을 수행한다. 따라서, 서지탱크나 레귤레이터 등으로도 대체가 가능할 것이다.
상기 수소공급부(60)는, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 엔진에 장착되는 메니폴드(65)와, 화석연료를 분사하기 위한 다수의 연료인젝터(66)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스의 압력차를 상쇄시키면서 상기 메니폴드(65)에 장착된 다수의 수소연료 인젝터에 균등하게 공급하기 위한 수소탱크(61)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 수소탱크(61)와 상기 수소연료 인젝터는 수소공급로(63)로 각각 연결되며, 상기 수소탱크(61)에서 상기 수소연료 인젝터로의 개폐는 각각 솔레노이드 밸브(62)에 의해 제어된다. 또한, 상기 솔레노이드 밸브(62)는 상기 전자제어장치(40)와 전기적으로 연결되어 동작하게 되고, 상기 컴퓨레셔(50)와 상기 수소탱크(61)는 수소공급관(54)을 통해 연결된다.
상기 릴레이부(30)는 다수의 렐레이(31 ~ 33)를 포함하여 구성되며, 자동차에 내장된 배터리(20)의 전원을 공급받도록 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 릴레이부(30)는 상기 전자제어장치(40)의 제어신호에 따라 온-오프되어 상기 배터리(20)의 전원을 상기 수소발생부(10)의 전극판(11 ~ 13)에 개별적으로 공급하게 된다. 또한, 엔진이 정지된 경우에는 상기 수소발생부(10)에서 수소가스가 발생되지 않도록 하여 불필요한 수소가스의 폭발을 예방하여야 한다.
상기 전자제어장치(40)는, 공지된 바와 같이 엔진의 회전수, 흡입 공기량, 흡입 압력, 액셀레이터의 개방 정도 등에 맞추어 미리 정해놓은 점화시기 MAP(Manifold Absolute Pressure)값과 연료분사 MAP값 등을 조회하여 수온센서, 산소센서 등을 보정하고 인젝터의 개폐율 조정을 통해 연료의 분사량과 점화시기를 결정하고, 엔진이 손상되지 않도록 각 제어 항목별 임계값이 설정되어 있는 차량의 핵심적인 부품이다. 즉, 전자제어장치(40)는 엔진과 관련된 각종 센서에서 수집된 정보를 토대로 엔진을 최적 제어하기 위한 장치이다.
본 발명에서 상기 전자제어장치(40)는, 상기 릴레이부(30)의 릴레이(31 ~ 33)를 각각 제어하여 상기 수소발생부(10)에 상기 배터리(20)의 전원이 공급되는 것을 제어하게 되고, 상기 엔진이 정지된 경우에는 수소발생부(10)의 구동을 정지시키게 된다. 따라서, 상기 전자제어장치(40)의 제어에 따라 상기 배터리(20)로부터 전원을 공급받도록 연결되는 전극판(11 ~ 13)의 개수가 변경되기 때문에 상기 수소발생부(10)를 통해 발생하는 수소가스량을 제어할 수 있게 된다.
또한, 상기 컴퓨레셔(50)의 구동을 제어하여 상기 수소발생부(10)로부터 발생하는 수소연료의 압력을 항상 일정하게 유지한다. 한편, 상기 수소발생부(10)에서 발생한 수소가스에 의한 압력파를 감쇄시켜 급격한 수소연료의 공급을 방지하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용효과를 상기 전자제어장치(40)의 제어를 중심으로 살펴본다.
먼저, 수소연료는 공기와 혼합된 화석연료와 30 대 70의 비율로 실린더에 유입되는 것이 가장 바람직한 것으로 알려져 있다. 따라서, 수소연료가 30% 초과로 실린더에 유입되게 되면, 과다한 에너지로 노킹현상이 발생하기 쉽고, 30% 미만으로 실린더에 유입되게 되면 화석연료의 과다소모를 효과적으로 방지할 수 없게 된다. 즉, 엔진의 회전수에 따라 화석연료의 실린더로의 주입량이 변동되게 되는데, 이러한 화석연료의 주입량에 따라서 수소연료의 주입량도 변동되어 항상 30 대 70의 비율이 유지되도록 제어하는 것이 본 발명의 목적이다.
전자제어장치(40)를 통해 각 부의 상태를 점검하고, 엔진이 구동됨에 따라 전자제어장치(40)는 연료인젝터(66)와 연결된 인젝터제어선(67)을 통해 적당량의 혼합가스를 주입하도록 제어신호를 출력하게 된다.
또한, 동시에 상기 인젝터제어선(67)과 병렬로 연결된 수소제어선(64)을 통해서 적당량의 수소연료가 수소공급로(63)를 통해 엔진의 실린더에 주입되도록 제어신호를 출력하게 된다. 여기서, 상기 수소연료를 실린더에 공급시키기 위한 수소연료 인젝터는 도 1 및 도 2에 그 도시가 생략되었다.
한편, 상기 전자제어장치(40)는 상기 릴레이부(30)에 수소연료 공급량에 따라 적정량의 수소가스를 발생시키도록 특정의 릴레이(31 ~ 33)만 동작되도록 제어신호를 출력하게 된다. 따라서, 상기 릴레이부(30)는 상기 배터리(20)의 전원을 상기 수소발생부(10)의 특정 전극판(11 ~ 13)에만 전원을 공급하게 되고, 상기 전자제어장치(40)의 제어에 의한 적정량의 수소가스만 생성되어 수소포집관(52)과 컴퓨레셔(50) 및 수소공급관(54)을 통해 수소탱크(61)로 공급되게 된다. 이때, 상기 컴퓨레셔(50)는 상기 수소발생부(10)에서 발생되는 수소가스의 압력을 일정하게 유지시키고, 발생되는 수소가스의 압력파를 제거하게 된다. 여기서 상기 컴퓨레셔(50)에 의한 수소가스의 압력은 0.3 ~ 0.8 bar를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 수소탱크(61)로 이동된 수소연료는 상기 전자제어장치(40)의 제어신호를 받아 솔레노이드 밸브(62)가 개폐되어, 수소공급로(63)를 통해 실린더로 수소연료를 공급하게 된다.
따라서, 엔진 회전수의 증감을 전자제어장치(40)를 통해 전달받아 수소가스의 생성을 증감시키고, 수소연료가 항상 일정한 압력을 갖도록 제어하여 실린더에 공급하기 때문에 수소연료의 에너지를 최대한 이용할 수 있게 된다.
또한, 수소연료를 공급하는 구성이 비교적 간단하기 때문에 수소연료 엔진의 구성을 저렴하게 구성할 수 있으며, 기존의 화석연료엔진에 본 발명에 의한 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치를 간편하게 부가할 수 있어, 수소연료의 보급을 활성화하는 한편 화석연료의 소모를 절감시켜 환경오염을 사전에 방지할 수 있게 된다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 경우에는 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10: 수소발생부 11 ~ 13: 전극판
14: 마개 20: 배터리
30: 릴레이부 31 ~ 33: 릴레이
40: 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit)
50: 컴퓨레셔 52: 수소포집관
54: 수소공급관 60: 수소공급부
61: 수소탱크 62: 솔레노이드밸브
63: 수소공급로 64: 수소제어선
67: 인젝터제어선 65: 메니폴드
66: 연료인젝터

Claims (3)

  1. 수소가스를 발생시키기 위한 수소발생부(10)와, 상기 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스의 압력을 일정하게 유지하기 위한 컴퓨레셔(50)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스를 왕복운동형 내연기관의 연료로 공급하기 위한 수소공급부(60)와, 상기 수소발생부(10)의 수소발생량을 제어하기 위한 릴레이부(30)와, 상기 릴레이부(30)와 컴퓨레셔(50) 및 수소공급부(60)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 전자제어장치(ECU, 40)를 포함하고,
    상기 수소공급부(60)는, 상기 왕복운동형 내연기관에 장착되는 메니폴드(65)와, 화석연료를 분사하기 위한 다수의 연료인젝터(66)와, 상기 컴퓨레셔(50)를 통한 수소가스의 압력차를 상쇄시키면서 상기 메니폴드(65)에 장착된 다수의 수소연료 인젝터에 균등하게 공급하기 위한 수소탱크(61)와, 상기 수소탱크(61)와 상기 수소연료 인젝터를 연결하는 수소공급로(63)를 포함하고,
    상기 전자제어장치(40)는, 상기 릴레이부(30)를 제어하여 상기 수소발생부(10)에 공급되는 전원을 제어하고, 상기 수소탱크(61)로부터 상기 수소연료 인젝터로 공급되는 수소연료의 공급을 차단하는 다수의 솔레노이드 밸브(62)를 제어하는 것을 특징으로 하는 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컴퓨레셔(50)는, 상기 수소발생부(10)와 수소포집관(52)을 통해 연결되어 상기 수소발생부(10)에서 발생된 수소가스의 압력을 일정하게 유지하면서, 상기 수소가스에 의한 압력파를 감쇄시켜 급격한 수소연료의 공급을 방지하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 릴레이부(30)는 다수의 렐레이(31 ~ 33)를 포함하여 구성되며, 자동차에 내장된 배터리(20)의 전원을 상기 전자제어장치(40)의 제어신호에 상기 수소발생부(10)의 전극판(11 ~ 13)에 개별적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 수소연료엔진의 수소연료 공급제어장치.
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JP2009114878A (ja) 2007-11-02 2009-05-28 Mazda Motor Corp 水素生成システムを備えた車両の制御装置

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