KR101239981B1 - 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진 및 예혼합 압축착화 방법 - Google Patents

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Abstract

브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 예혼합 압축착화 엔진은, 연소실 및 연소실로 공기를 유입하는 흡기포트를 구비하는 예혼합 압축착화 엔진으로서, 흡기포트에 장착되어 흡기포트 내로 연료를 분사하는 연료분사노즐; 브라운 가스를 발생시키는 브라운 가스 발생기; 및 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 흡기포트 내로 공급하는 브라운 가스 공급장치;를 포함한다.

Description

브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진 및 예혼합 압축착화 방법{HOMOGENEOUS CHARGED COMPRESSED IGNITION ENGINE AND METHOD USING BROWN GAS}
본 발명은 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진 및 예혼합 압축착화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진의 경우 가솔린 엔진에 비해 열효율과 내구성이 높기 때문에 선박의 동력원으로 이용되고 있다. 또한, 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해, 공연비가 높아 희박연소(lean burn) 조건에서 엔진이 작동하므로 연료가 적게 소모되는 장점이 있다. 따라서, 가솔린 엔진에 비하여 CO, CO2 및 탄화수소의 배출량이 적어 지구 온난화를 덜 유발하는 장점이 있다.
그러나, 디젤엔진은 높은 압축비에서 작동하므로 연소실의 높은 온도로 인해 NOx가 많이 발생하는 단점이 있다. 배출가스 중의 NOx는 광화학 스모그, 산성비 및 오존(O3) 발생의 원인이 되고, 매연(SOOT) 등의 입자상 물질은 도시에서 발생하는 다른 어떤 입자보다 많은 빛을 흡수하기 때문에 대기 및 시야를 탁하게 만든다.
특히, 선박에 사용되는 디젤 엔진의 경우, 엔진의 구동을 위해 사용되는 연료는 비용 절감을 위해서 점도성이 높고, 휘발성이 낮으며 가연성이 낮은 저급 연료인 HFO(HeavyFuel Oil)가 사용되고 있는 실정이다. 이로 인해, 불완전 연소로 인한 입자상 물질(PM, Particulate Material)이 많이 발생한다.
또한, 질소화합물은 광화학 스모그의 원인이 되고 산성비를 내리게 하는 주요원인이며 입자상 물질은 그 입자가 미세하고 많은 화학물질을 포함하고 있어 환경의 주요한 관심사항으로 부각되고 있다.
최근 들어, 엔진의 효율을 증가시키고 배기가스 중의 오염물질, 특히 고온의 연소과정에서 발생하는 오염물질인 NOx의 배출을 줄이고, 연료를 절감시키기 위해서 공연비를 높여서 연소시키는 희박연소에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만, 공연비가 증가하면 연료절감 및 배기가스의 오염물질을 줄일 수 있는 반면에, 일정 공연비에 도달하게 되면 연료가 더 이상 안정적으로 연소할 수 없는 가연한계(flammability limit)에 도달하게 된다. 이러한 경우에는 실화(misfire)가 발생하게 되어 엔진의 연소실에서 연소자체가 불안정하게 발행하므로 희박연소는 한계에 이르게 된다. 즉, 불안정한 연소로 인해 미연소 HC 및 PM의 양이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 화염안정성의 저하는 불완전 연소와 소음진동의 증가로 이어지기 때문에, 희박연소에는 기술적인 어려움이 따르게 된다. 따라서, 희박연소를 가능하게 하면서도 연소의 효율을 증가시킬 수 있는 장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예는, 가연한계를 증가시켜 연소효율을 증대시키고 배기가스의 오염물질을 저감시킬 수 있는 구성을 가지는 예혼합 압축착화 엔진 및 예혼합 압축착화 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연소실 및 상기 연소실로 공기를 유입하는 흡기포트를 구비하는 예혼합 압축착화 엔진으로서,
상기 흡기포트에 장착되어 상기 흡기포트 내로 연료를 분사하는 연료분사노즐; 브라운 가스를 발생시키는 브라운 가스 발생기; 및 상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 상기 흡기포트 내로 공급하는 브라운 가스 공급장치;를 포함하고,
상기 흡기포트에서 연료와 흡입공기 및 브라운 가스가 혼합된 상태로 상기 연소실로 유입된 후, 압축착화되어 연소되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진이 제공될 수 있다.
또한, 상기 브라운 가스 공급장치는, 상기 흡기포트에 장착되어 상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 분사하는 브라운 가스 분사노즐일 수 있다.
또한, 상기 브라운 가스 공급장치는, 상기 브라운 가스 발생기와 상기 흡기포트 사이에 유체연통가능하게 연결되는 브라운 가스 공급관; 및 상기 브라운 가스 공급관에 마련되어, 상기 흡기포트 내로 유입되는 브라운 가스의 양을 조절하기 위한 밸브;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연소실 및 상기 연소실로 공기를 유입하는 흡기포트를 구비하는 예혼합 압축착화 엔진으로서,
상기 엔진의 흡기포트와 외부 공기원 사이에 유체연통가능하게 연결되는 예혼합실;
상기 예혼합실에 장착되어 상기 예혼합실 내로 연료를 분사하는 연료분사노즐;
브라운 가스를 발생시키는 브라운 가스 발생기; 및
상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 상기 예혼합실로 공급하는 브라운 가스 공급장치;를 포함하고,
상기 예혼합실에서 연료와 흡입공기 및 브라운 가스가 미리 혼합된 상태로 상기 연소실로 유입되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진이 제공될 수 있다.
또한, 상기 브라운 가스 공급장치는, 상기 예혼합실에 장착되어 상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 분사하는 브라운 가스 분사노즐일 수 있다.
또한, 상기 브라운 가스 공급장치는, 상기 브라운 가스 발생기와 상기 예혼합실 사이에 유체연통가능하게 연결되는 브라운 가스 공급관; 및 상기 브라운 가스 공급관에 마련되어, 상기 예혼합실 내로 유입되는 브라운 가스의 양을 조절하기 위한 밸브;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸브는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)일 수 있다.
또한, 상기 엔진의 부하조건에 따라 상기 브라운 가스 분사노즐의 분사량을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진의 부하 조건에 따라 상기 밸브의 개폐시기 및 개폐량을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 브라운 가스 공급장치에 의해 공급된 브라운 가스 및 상기 연료분사노즐에 의해 분사된 연료에 와류를 형성하도록, 상기 흡기포트에는 스월 밸브가 마련될 수 있다.
또한, 상기 엔진의 실린더 헤드에 장착되어 상기 연소실 내로 연료를 직접 분사하는 주 인젝터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진은 선박의 동력원으로 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법으로서,
브라운 가스 발생기에서 브라운 가스를 생성하는 브라운 가스 생성단계; 공기를 유입하는 공기 흡입단계; 상기 흡입된 공기에 브라운 가스를 공급하고, 연료를 분사하여 연료와 공기 및 브라운 가스를 혼합시키는 혼합단계; 및 연료-공기-브라운 가스 혼합물을 상기 엔진의 연소실로 유입시켜 압축착화시키는 압축착화단계;를 포함하는 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 압축착화단계는, 상기 엔진의 연소실 내로 연료를 직접 분사시켜 상기 연료-공기-브라운 가스 혼합물을 압축착화시키는 것일 수 있다.
본 실시예에 따른 예혼합 압축착화 엔진 및 예혼합 압축착화 방법에 따르면, 희박조건에서의 연소를 가능하게 함으로써 연료를 절감하는 동시에 배기가스 중의 오염물질을 줄일 수 있다.
도 1은 디젤 엔진에서의 공연비에 따른 배기가스의 특성 및 출력의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다.
도 3은 도 2에 있어서, 엔진의 흡기포트에 스월 밸브가 마련된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법을 도시하는 개략적 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
도 1은 디젤 엔진에서의 공연비에 따른 배기가스의 특성 및 출력의 관계를 도시하는 도면이다.
도시된 바와 같이, 이론 공연비 1.0인 영역에서는 NOx의 배출량이 최대가 되며, 희박연소로 진행될수록 연소온도가 낮추어져 NOx의 배출량이 줄어들고 있다. 또한, 엔진의 효율 역시 희박연소로 진행될수록 증가되는 추세를 보이고 있다. 반대로, 농후한 영역에서는 엔진의 출력이 급감하고 엔진의 폭굉(detonation)이 발생하게 된다.
따라서, 엔진의 출력을 증대시키고 NOx의 배출량을 감소시키기 위해서는, 희박한 조건에서의 연소가 이뤄지도록 하여야 한다. 그러나, 도시된 바와 같이, 공연비가 1.8 초과의 초희박 영역에서는 연소가 원활하게 이뤄지지 않아 실화(misfire)가 발생하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 예혼합 압축착화 엔진은, 초희박 조건에서도 안정적인 연소가 이뤄질 수 있도록 하기 위하여, 즉 희박조건에서의 가연한계를 증대할 수 있도록 하기 위해 마련된 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다.
도시된 엔진은 일례로 선박의 동력원으로 사용될 수 있는 압축착화 엔진인 것으로서, 엔진의 연소실(10)은 실린더 헤드(13)와 실린더 블록(12) 및 피스톤(11)에 의해 구획되는 공간의 형태로 마련된다. 또한, 상기 엔진의 연소실(10)로 공기의 유입을 안내하기 위하여, 상기 연소실(10)과 유체연통하는 흡기포트(14)가 마련되어 있다. 상기 흡기포트(14)로 유입된 공기는 상기 연소실(10)에서 연료와 함께 연소된 후, 상기 연소실(10)과 유체연통하는 배기포트(16)를 통하여 배출되게 된다.
한편, 상기 흡기포트(14)에는 상기 연소실(10)로의 공기의 유입로를 개폐하기 위한 흡기밸브(17)가 마련되어 있다. 또한, 상기 배기포트(16)에는 상기 연소실(10)로부터의 연소된 배기가스의 배출로를 개폐하기 위한 배기밸브(18)가 마련되어 있다.
상기 예혼합 압축착화 엔진은, 연료분사노즐(110), 브라운 가스 발생기(122), 및 브라운 가스 공급장치를 포함한다.
연료탱크(112)에 저장된 연료는 연료펌프(미도시)에 의해 상기 연료분사노즐(110)로 공급되어, 상기 연료분사노즐(110)을 통하여 상기 연소실(10) 내로 연료를 분사시킨다. 상기 연료분사노즐(110)에 의해 분사된 연료는 상기 연소실(10) 내로 유입된 공기와 함께 연소된다. 도시된 실시예에서, 상기 연료분사노즐(110)은 상기 흡기포트(14)에 장착된다.
상기 브라운 가스 발생기(122)는 브라운 가스를 생성하기 위하여 마련된 것이다. 여기서, 브라운 가스란 잘 알려진 바와 같이, 물의 전기 분해에 의해 발생한 수소와 산소가 2 대 1의 혼합비율로 정량적으로 공존하는 가스로서, 완전연소에 필요한 알맞은 산소를 자체 함유하고 있어, 차세대 연료로서 각광받고 있다. 특히, 브라운 가스는 기존의 화석연료와 비교할 때, 연소시 온도가 빠르게 올라가는 승온 특성이 좋고, 단열화염온도가 높으며, 화염속도 또한 현저히 빠른 장점이 있다. 또한, 브라운 가스는 완전연소 후에 수증기만이 발생하므로 근본적으로 환경오염이 없는 청정 에너지원이다.
상기 브라운 가스 공급장치는, 상기 브라운 가스 발생기(122)에서 생성된 브라운 가스를 상기 흡기포트(14) 내로 공급하기 위해 마련된 것이다. 본 실시예에서, 상기 브라운 가스 공급장치로서, 상기 흡기포트(14)에 장착되어 상기 브라운 가스 발생기(122)에서 생성된 브라운 가스를 상기 흡기포트(14) 내로 분사하는 브라운 가스 분사노즐(120)이 마련된다.
상기 브라운 가스 분사노즐(120)은 브라운 가스 발생기(122)에 연결되어 있다. 상기 브라운 가스 발생기(122)에서 발생된 브라운 가스는 상기 브라운 가스 분사노즐(120)에 공급된 후, 브라운 가스 분사노즐(120)을 통하여 필요한 양만큼이 분사된다. 이 경우, 제어부(130)는 상기 엔진의 부하조건에 따라 브라운 가스 분사노즐(120)의 분사량을 제어하여, 최적량의 브라운 가스가 공기 및 화석연료와 혼합되도록 한다. 도시된 실시예에서, 상기 브라운 가스 분사노즐(120)은 상기 흡기포트(14)에 설치되어 있어, 상기 흡기포트(14)로 유입되는 공기를 향하여 브라운 가스를 분사한다. 분사된 브라운 가스는 공기, 및 상기 연료분사노즐(110)에 의해 분사된 연료와 혼합된 후, 상기 연소실(10)로 유입된다. 즉, 브라운 가스, 연료 및 공기가 연소실로 유입되기 전에, 브라운 가스, 연료 및 공기를 미리 예혼합시킨 후, 브라운 가스-연료-공기의 예혼합물을 상기 연소실(10)로 유입시켜 압축착화에 의해 자연발화시켜 연소시킨다.
연료 및 공기를 미리 혼합시켜 상기 연소실(10)로 유입시키기 때문에, 높은 압축비 및 공연비를 유지하면서도 연소온도가 낮아 배기가스 중의 NOx의 배출을 줄일 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 브라운 가스를, 연료 및 공기와 미리 혼합시킨 후 상기 연소실(10)로 유입시켜 연소를 진행하고 있다. 이 경우, 상기 브라운 가스의 수소의 가연한계가 화석연료보다 훨씬 크므로, 화석연료와 혼소시 화염안정제로서 가연한계를 넓힐 수 있어 초희박 연소가 가능해지고, 연소온도가 낮아지므로 연료절감 효과 및 NOx 저감효과를 극대화할 수 있다.
도 3은 도 2에 있어서, 엔진의 흡기포트에 스월 밸브가 마련된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 흡기포트(14) 내에는 격벽(15)이 설치되어 흡기포트(14)를 2개의 포트로 분기시키고, 그 중 어느 하나의 포트에는 스월 밸브(128)가 설치될 수 있다. 이 경우에는, 상기 제어부(130)가 상기 스월 밸브(128)의 개폐를 제어함으로써, 도시된 바와 같이, 상기 흡기포트(14) 내로 유입되는 공기에 와류를 형성시킨다. 이 덕분에, 상기 브라운 가스 분사노즐(120)을 통하여 분사되는 브라운 가스 및 상기 연료분사노즐(110)을 통하여 분사되는 화석연료에도 와류가 형성됨으로써, 상기 브라운 가스와 연료 및 공기의 혼합이 더욱 잘 이뤄질 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다. 본 실시예를 설명하는 데 있어서, 전술한 실시예와의 차이점에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 예혼합 압축착화 엔진은, 전술한 실시예에서의 브라운 가스 분사노즐(120)을 사용하지 않는다. 그 대신에, 본 실시예에서의 브라운 가스 공급장치는, 브라운 가스 공급관(140) 및 밸브(142)를 포함한다.
상기 브라운 가스 공급관(140)은, 상기 브라운 가스 발생기(122)와 상기 흡기포트(14) 사이에 유체연통가능하게 연결된다. 상기 엔진의 피스톤(11)이 하강하여 연소실(10)이 팽창하고, 상기 흡기밸브(17)가 열리게 되면, 상기 흡기포트(14) 내에는 부압이 형성되게 된다. 따라서, 상기 브라운 가스 발생기(122)에서 생성된 브라운 가스는, 상기 흡기포트(14) 내의 부압에 의해 상기 브라운 가스 공급관(140)을 통하여 상기 흡기포트(14) 내로 유입되게 된다.
상기 밸브(142)는, 상기 흡기포트(14) 내로 유입되는 브라운 가스의 양을 조절하기 위해 마련된 것으로, 상기 브라운 가스 공급관(140)에 마련되어 있다. 상기 밸브(142)는 일례로, 전자식 솔레노이드 밸브(solenoid valve)일 수 있다. 이 경우, 상기 제어부(130)는 상기 엔진의 부하 조건에 따라 상기 밸브(142)의 개폐시기 및 개폐량을 제어함으로써, 최적량의 브라운 가스가 상기 흡기포트(14) 내로 유입되도록 한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다. 본 실시예를 설명하는 데 있어서, 전술한 실시예들과의 차이점에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 예혼합 압축착화 엔진은, 연료분사노즐(110), 브라운 가스 발생기(122), 브라운 가스 분사노즐(120), 및 예혼합실(150)을 포함한다. 여기서, 연료분사노즐(110) 및 브라운 가스 발생기(122)는 전술한 실시예들과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 예혼합실(150)은 엔진의 흡기포트(14)와 외부 공기원으로부터 공기를 흡입하는 덕트(19) 사이에 유체연통가능하게 연결되는 것으로서, 흡입공기와 브라운 가스 및 연료를 보다 효율적으로 혼합시키기 위해 마련된 것이다. 상기 예혼합실(150)의 양단에는 각각, 흡기포트 연결부(151) 및 덕트 연결부(152)가 마련되어 있어, 각각 흡기포트(14) 및 덕트(19) 내에 삽입되어 상기 예혼합실(150)을 연결시킨다.
상기 연료분사노즐(110)은 상기 예혼합실(150)에 장착되어 상기 예혼합실(150) 내로 연료를 분사한다. 또한, 예혼합실(150)에는, 브라운 가스 공급장치로서 브라운 가스 분사노즐(120)이 장착되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 상기 흡기포트(14) 와는 별도로 예혼합실(150)이 마련되어 있기 때문에, 상기 덕트(19)를 통하여 빠른 속도로 유입되는 흡입공기는, 공간이 넓은 상기 예혼합실(150)에서 유속이 느려져 연료 및 브라운 가스와 보다 원활하게 혼합될 수 있다. 따라서, 연료와 흡입공기 및 브라운가스가 미리 충분히 혼합된 상태로, 연소실(10) 내로 유입되어 연소될 수 있다. 또한 상기 연료분사노즐(110) 및 상기 브라운 가스 분사노즐(10)이 흡기포트(14)가 아닌 상기 예혼합실(150)에 장착되어 있기 때문에, 상기 연료와 상기 브라운 가스가 상기 흡기포트(14)에 부착되는 벽류(wall film) 현상을 막을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 예혼합 압축착화 엔진의 개략도이다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 도 5에 도시된 실시예와 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.
본 실시예의 예혼합 압축착화 엔진은, 도 5에 도시된 예혼합 압축착화 엔진과는 달리, 브라운 가스 분사노즐을 사용하지 않는다. 본 실시예의 예혼합 압축착화 엔진은, 브라운 가스 공급장치로서, 브라운 가스 공급관(160) 및 밸브(162)를 포함한다.
상기 브라운 가스 공급관(160)은, 브라운 가스 발생기(122)에서 생성된 브라운 가스를 예혼합실(150)로 공급하기 위해 마련된 것이다. 예혼합실(150)에는, 공급관 연결부(153)가 마련되어 있어, 상기 브라운 가스 공급관(160) 내에 삽입되어, 상기 예혼합실(150)과 상기 브라운 가스 공급관(160)을 유체연통가능하게 연결시킨다.
엔진의 피스톤(11)이 하강하여 연소실(10)이 팽창하고, 흡기밸브(17)가 열리게 되면, 흡기포트(14) 및 상기 예혼합실(150) 내에는 부압이 형성되게 된다. 따라서, 상기 브라운 가스 발생기(122)에서 생성된 브라운 가스는, 상기 예혼합실(150) 내의 부압에 의해 상기 브라운 가스 공급관(160)을 통하여 상기 예혼합실(150) 내로 유입되게 된다.
상기 밸브(162)는, 상기 예혼합실(150) 내로 유입되는 브라운 가스의 양을 조절하기 위해 마련된 것으로, 상기 브라운 가스 공급관(160)에 마련되어 있다. 상기 밸브(162)는 일례로, 전자식 솔레노이드 밸브(solenoid valve)일 수 있다. 이 경우, 상기 제어부(130)는 상기 엔진의 부하 조건에 따라 상기 밸브(162)의 개폐시기 및 개폐량을 제어함으로써, 최적량의 브라운 가스가 상기 예혼합실(150) 내로 유입되도록 한다.
상술한 실시예에 있어서, 도 3에 도시된 실시예에서와 같이, 상기 덕트(19) 내에 스월 밸브를 설치하여 흡입되는 공기에 와류를 형성하게 함으로써, 상기 예혼합실(150) 내에서 브라운 가스, 공기 및 연료의 혼합이 보다 잘 이뤄지도록 할 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 예혼합 압축착화 엔진은, 도 7에 도시된 바와 같이, 엔진의 실린더 헤드(13)에 창착되어 연소실(10) 내로 연료를 직접분사하는 주 인젝터(114)를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 흡기포트(14)에 장착된 연료분사노즐(110) 및 예혼합실(150)에 장착된 연료분사노즐(110; 도 5 참조)에 의해 분사된 연료는 상기 연소실(10) 내로 유입되기 전에 충분히 공기 및 브라운 가스와 혼합이 되고 무화성이 뛰어나 점화력의 향상을 가져다 주기 때문에, 상기 주 인젝터(114)에서는 미량의 연료가 분사되어 희박한 조건이 되어도 완전연소가 가능해질 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법을 도시하는 개략적 순서도이다.
도 5 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법은, 예컨대 선박의 엔진에 있어서, 가연한계를 높이기 위한 방법으로서, 브라운 가스 생성단계(S101), 공기 흡입단계(S102), 혼합단계(S103), 및 압축착화단계(S104)를 포함한다.
상기 브라운 가스 생성단계(S101)에서는, 브라운 가스 발생기(122)에서 브라운 가스를 생성한다. 이 경우, 상기 브라운 가스 발생기(122)는 미리 상당한 양의 브라운 가스를 생성하여 별도의 저장소(미도시)에 저장시킨 후, 필요량만큼 브라운 가스를 공급할 수도 있고, 연속적으로 브라운 가스를 생성할 수도 있다.
상기 공기 흡입단계(S102)는, 흡입공기를 예혼합실(150) 또한 흡기포트(14; 도 2참조)로 유입시키는 단계이다. 이 경우, 상기 흡입공기는 엔진의 부압에 의해 흡입될 수도 있고, 이에 추가적으로 터보챠져와 같은 과급기(미도시)의 도움을 받아 흡입될 수도 있다.
상기 혼합단계(S103)에서는, 상기 브라운 가스 발생기(122)에서 생성된 브라운 가스를 상기 예혼합실(150)로 공급하고, 상기 예혼합실(150) 내로 연료를 분사하여 연료와 공기 및 브라운 가스를 혼합시킨다.
상기 압축착화단계(S104)에서는, 혼합된 연료-공기-브라운 가스 혼합물을 상기 엔진의 연소실(10) 내로 유입시키고, 압축착화에 의해 자발화시켜 연소시킨다. 이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 엔진의 연소실(10) 내로 연료를 추가적으로 직분사시켜 혼합된 연료-공기-브라운 가스 혼합물을 연소시킬 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 연소실 11: 피스톤
12: 실린더 블록 13: 실런더 헤드
14: 흡기포트 15: 격벽
16: 배기포트 17: 흡기밸브
18: 배기밸브 19: 덕트
110: 연료분사노즐 112: 연료탱크
120: 브라운 가스 분사노즐 122: 브라운 가스 발생기
128: 스월 밸브 130: 제어부
140, 160 : 브라운 가스 공급관 142, 162: 밸브
150: 예혼합실

Claims (14)

  1. 연소실 및 상기 연소실로 공기를 유입하는 흡기포트를 구비하는 예혼합 압축착화 엔진으로서,
    상기 흡기포트에 장착되어 상기 흡기포트 내로 연료를 분사하는 연료분사노즐;
    브라운 가스를 발생시키는 브라운 가스 발생기; 및
    상기 흡기포트에 연결되어 상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 상기 흡기포트 내로 공급하는 브라운 가스 공급장치;를 포함하고,
    상기 흡기포트 내에서 연료와 흡입공기 및 브라운 가스가 미리 혼합된 상태로 상기 연소실로 유입된 후, 압축착화되어 연소되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 브라운 가스 공급장치는, 상기 흡기포트에 장착되어 상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 분사하는 브라운 가스 분사노즐인 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 브라운 가스 공급장치는,
    상기 브라운 가스 발생기와 상기 흡기포트 사이에 유체연통가능하게 연결되는 브라운 가스 공급관; 및
    상기 브라운 가스 공급관에 마련되어, 상기 흡기포트 내로 유입되는 브라운 가스의 양을 조절하기 위한 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  4. 연소실 및 상기 연소실로 공기를 유입하는 흡기포트를 구비하는 예혼합 압축착화 엔진으로서,
    상기 엔진의 흡기포트와 외부 공기원 사이에 유체연통가능하게 연결되는 예혼합실;
    상기 예혼합실에 장착되어 상기 예혼합실 내로 연료를 분사하는 연료분사노즐;
    브라운 가스를 발생시키는 브라운 가스 발생기; 및
    상기 예혼합실에 연결되어 상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 상기 예혼합실로 공급하는 브라운 가스 공급장치;를 포함하고,
    상기 예혼합실 내에서 연료와 흡입공기 및 브라운 가스가 미리 혼합된 상태로 상기 연소실로 유입되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 브라운 가스 공급장치는, 상기 예혼합실에 장착되어 상기 브라운 가스 발생기에서 생성된 브라운 가스를 분사하는 브라운 가스 분사노즐인 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 브라운 가스 공급장치는,
    상기 브라운 가스 발생기와 상기 예혼합실 사이에 유체연통가능하게 연결되는 브라운 가스 공급관; 및
    상기 브라운 가스 공급관에 마련되어, 상기 예혼합실 내로 유입되는 브라운 가스의 양을 조절하기 위한 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  7. 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 밸브는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)인 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  8. 청구항 2 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 엔진의 부하조건에 따라 상기 브라운 가스 분사노즐의 분사량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  9. 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진의 부하 조건에 따라 상기 밸브의 개폐시기 및 개폐량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  10. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 브라운 가스 공급장치에 의해 공급된 브라운 가스 및 상기 연료분사노즐에 의해 분사된 연료에 와류를 형성하도록, 상기 흡기포트에는 스월 밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  11. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 엔진의 실린더 헤드에 장착되어 상기 연소실 내로 연료를 직접 분사하는 주 인젝터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  12. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 엔진은 선박의 동력원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화 엔진.
  13. 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법으로서,
    브라운 가스 발생기에서 브라운 가스를 생성하는 브라운 가스 생성단계;
    상기 엔진의 연소실과 연결된 흡기포트 내로 공기를 유입하는 공기 흡입단계;
    상기 흡기포트 내로 흡입되는 공기에 브라운 가스를 공급하고 연료를 분사하여 상기 엔진의 연소실로 유입되기 전에 연료와 공기 및 브라운 가스를 미리 혼합시키는 혼합단계; 및
    연료-공기-브라운 가스 혼합물을 상기 엔진의 연소실로 유입시켜 압축착화시키는 압축착화단계;를 포함하는 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 압축착화단계는, 상기 엔진의 연소실 내로 연료를 직접 분사시켜 상기 연료-공기-브라운 가스 혼합물을 압축착화시키는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진의 예혼합 압축착화 방법.
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