KR101629608B1 - 예연소 암모니아 엔진 및 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일면에 따른 예연소 암모니아 엔진은, 흡입 행정에서는 실린더 내부로 공기가 흡입될 때 암모니아의 이론당량비의 20%미만인 소량의 예연소용 암모니아를 예비 분사하되, 압축 행정에서는 상기 실린더 내 연소용 암모니아를 주 분사하는 분사기; 및 상기 흡입 행정에서 상기 실린더 내 상사점(Top Dead Centor)에서 하사점(Bottom Dead Centor)으로 움직여 상기 실린더 내부로 연소용 공기를 흡입하며, 상기 압축 행정에서 상기 상사점으로 이동하여 상기 실린더의 내기를 압축하며, 팽창 행정에서 상기 실린더 내 주 분사된 상기 암모니아의 연소로 인한 팽창력을 받아 상기 하사점으로 이동하는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

예연소 암모니아 엔진 및 제어 방법{Pre-combustion Ammonia Engine and the Control Method thereof}
본 발명은 암모니아 연료를 이용하는 엔진에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 암모니아를 주 연료로 이용하는 예연소 암모니아 엔진 및 제어 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 각 발전 시스템에서 생산된 에너지 저장 매체로 암모니아를 활용하기 위한 연구가 진행중에 있다. 암모니아는 상온 10기압에서 액체로 존재할 수 있어, 수송 및 저장에 용이한 장점이 있다.
그런데, 암모니아는 자발화 온도가 높고(651℃), 화염전파속도가 느린 등 연소 특성이 좋지 않아, 연료로 활용되기 어렵다.
이에, 종래에는 암모니아 연료와 탄화수소계열의 연료를 섞어서 사용하는 듀얼 연료(Dual Fuel) 방식을 이용한 압축 또는 불꽃 점화 엔진이 연구되고 있다.
그런데, 이 같은 듀얼 연료 방식의 암모니아 연소 엔진은 저장된 암모니아 이외의 첨가제(탄화수소계열의 연료)가 필요하고 암모니아 비율도 낮을 뿐만 아니라, 미연 탄화수소나 그을음(soot)이 발생하였다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 직접 분사된 암모니아 연료를 이용하여 동력을 생성할 수 있는 예연소 암모니아 엔진 및 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일면에 따른 예연소 암모니아 엔진은, 흡입 행정에서는 실린더 내부로 공기가 흡입될 때 암모니아의 이론당량비의 20%미만인 소량의 예연소용 암모니아를 예비 분사하되, 압축 행정에서는 상기 실린더 내 연소용 암모니아를 주 분사하는 분사기; 및 상기 흡입 행정에서 상기 실린더 내 상사점(Top Dead Centor)에서 하사점(Bottom Dead Centor)으로 움직여 상기 실린더 내부로 연소용 공기를 흡입하며, 상기 압축 행정에서 상기 상사점으로 이동하여 상기 실린더의 내기를 압축하며, 팽창 행정에서 상기 실린더 내 주 분사된 상기 암모니아의 연소로 인한 팽창력을 받아 상기 하사점으로 이동하는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 실린더, 피스톤 및 분사기를 포함하는 예연소 암모니아 엔진의 제어 방법은, 흡입 행정에서 실린더 내부로 공기가 흡입될 때 분사기가 암모니아의 이론당량비의 20%미만인 소량의 예연소용 암모니아를 상기 실린더 내부로 예비 분사하는 단계; 상기 분사기가 압축 행정에서 상기 실린더 내부로 연소용 암모니아를 주 분사하는 단계; 및 팽창 행정에서 상기 피스톤이 상기 암모니아의 연소에 의한 압력에 의해 하강되는 단계를 포함하고, 상기 예비 분사하는 단계 내지 상기 주 분사하는 단계는 엔진 제어 유닛의 제어에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 암모니아 연료를 자발화(Self-Ignition)할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 엔진의 흡입, 압축 및 팽창 행정을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진의 각 행정에 따른 온도 변화의 시뮬레이션 결과 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진 제어 방법을 도시한 흐름도.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진의 흡입, 압축 및 팽창 행정을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진의 각 행정에 따른 온도 변화의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진은 실린더(110), 피스톤(120), 흡기 밸브(130), 배기 밸브(140), 분사기(160) 및 제어기(170)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진은 저장 탱크(150)를 더 포함할 수 있다.
실린더(110)의 제1영역에는 그 내부에 암모니아 등을 분사하는 분사기(160)의 분사구가 포함된다. 여기서, 제1영역은 피스톤의 상사점에 근접 위치하는 것이 좋다.
실린더(110)에는 그 내부로 연소용 공기를 흡기하는 흡기용 통로와 연소 후 잔존하는 배기가스를 배출하는 배기용 통로가 구비된다. 여기서, 흡기용 통로와 배기용 통로는 각기 흡기 밸브(130)와 배기 밸브(140)에 의해 개폐된다. 다만, 흡기용 통로와 배기용 통로는 실린더(110)의 흡기와 배기에 유리하도록 피스톤(120)의 상사점에 근접 위치하는 것이 좋다.
또한, 실린더(110)는 피스톤(120)이 상사점과 하사점 사이를 왕복 운동하는 공간을 포함하고 암모니아 연료의 압축 및 연소를 위한 공간을 제공한다.
그리고, 실린더(110)는 흡기 밸브(130)와 배기 밸브(140)가 닫힌 상태에서는 그 내부 압력이 피스톤(120)의 왕복 운동에 의해 변화된다.
흡기 밸브(130)는 제어기(170)의 제어에 따라 개폐되는 밸브로서, 개방시에 암모니아 연료의 연소에 사용될 연소용 공기를 실린더(110) 내부로 흡입하는 흡기용 통로를 개방한다.
배기 밸브(140)는 제어기(170)의 제어에 따라 개폐되는 밸브로서, 개방시에 실린더(110) 내에 연소 후 남아 있는 배기가스를 배출하는 배기용 통로를 개방한다.
분사기(Injector)(160)는 저장탱크(150)를 통해 연료 전달용 배관을 통해 전달받은 암모니아를 기설정된 시기에 기설정된 양만큼 실린더(110) 내 구비된 분사구를 통해 분사한다.
상세하게는, 분사기(160)는 흡입 행정에서는 실린더 내부로 공기가 흡입될 때 암모니아의 이론당량비의 20%미만인 소량의 예연소용 암모니아를 예비 분사하고(예컨대, 수 mg), 압축 행정에서는 암모니아를 충분히 주 분사한다.
이때, 실린더 내 예연소용 암모니아와 흡입된 공기는 압축 행정에서 피스톤(120)이 상사점에 도달하기 이전에 균질 혼합기로 형성되어, 혼합기가 된다.
예컨대, 혼합기에서 암모니아와 공기의 비는 암모니아와 공기의 비는 2.72%(이론당량비의 10%): 97.28%일 수 있다. 여기서, 이론당량비는 암모니아의 연소시 실린더 내 산소가 모두 이용되어 연소 후 남아 있는 산소가 없는 연료와 공기의 비율(1 : 3.57) 또는 연료와 산소의 비율(1 : 0.75)일 수 있다.
여기서, 예비 분사량은 예비 분사된 암모니아의 자발화로 인해 실린더 내부의 온도를 주 분사의 연소에 유리한 수준으로 올릴 수 있는 정도일 수 있다. 또한, 주 분사량은 주 분사된 암모니아의 연소로 에너지를 기설정된 임계치 이상 생산 가능한 양일 수 있다.
여기서, 예비 분사 시기는 흡입 행정의 말기 즉, 피스톤(120)이 하사점에 기설정된 간격(예컨대, 1cm) 이내로 근접한 때일 수 있다. 또한, 주 분사 시기는 예연소용 암모니아의 자발화로 인해 실린더 내부의 온도가 기설정된 기준온도 이상으로 상승한 이후 및 피스톤(120)이 상사점에 근접하기 이전 중 적어도 하나에 해당하는 때일 수 있다. 예를 들면, 주 분사 시기는 기준온도는 1600K 이상이면서, 피스톤(120)의 위치는 상사점 이전 5도(bTDC 5)인 때일 수 있다.
피스톤(120)은 흡입, 압축, 팽창 및 배기 행정에서 상사점과 하사점 사이를 왕복한다. 상세하게는, 피스톤(120)은 도 2의 (a)와 같이, 흡입 행정에서 실린더(110) 내 상사점(Top Dead Center)에서 하사점(Bottom Dead Center)으로 움직여 흡기용 통로를 통해 실린더(110) 내부로 연소용 공기를 흡입하며, 도 2의 (b) 및 (c)와 같이 압축 행정에서 상사점으로 이동하여 실린더(110)의 내기를 압축한다.
또한, 도 2의 (d)와 같이 피스톤(120)은 주 분사된 암모니아의 상사점 전후에서의 연소로 인한 팽창 행정의 암모니아 팽창력에 의해 하사점으로 이동한다. 이후, 피스톤(120)은 배기 행정에서 다시 상사점으로 이동하여 실린더(110) 내 배기가스를 배기용 통로를 통해 배출한다.
제어기(170)는 흡입, 압축, 팽창 및 배기 행정에서 흡기 밸브(130)와 배기 밸브(140)의 개폐, 분사기(160)의 분사량, 분사 시기 등을 제어한다.
예컨대, 제어기(170)는 엔진 제어 유닛(ECU; Engine Control Unit)일 수 있으며, 예비 분사량, 예비 분사 시기, 주 분사량, 주 분사 시기 등을 더 제어할 수 있다.
이때, 각 행정에서 제어기(170)는 온도 감지부(미도시)에 의해 실린더 내의 온도가 기설정된 온도범위임이 감지하거나, 피스톤의 위치가 기설정된 위치임을 감지하면, 분사기(160)로 하여금 예비 분사 및 주 분사 중 하나를 수행하도록 할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 전술한 엔진의 4행정에서 실린더 내부의 변화를 기준으로 암모니아의 연소 과정을 다시 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 암모니아는 희박하면 연소되기 쉬운 특징을 가지므로, (a)와 같은 흡입 행정에서 예비 분사되어 공기와 혼합된 예연소용 암모니아는 500K 정도의 온도이지만, (b)와 같이 압축 행정이 진행됨에 따라 피스톤(120)이 점점 상승하면, 실린더 내부의 온도와 압력은 점점 높아진다. 이어서, (c)와 같이 압축 행정의 진행에 따라 실린더 내부의 온도가 대략 1300K 정도되면, 예연소용 암모니아가 자발화되어 실린더 내부의 온도는 더욱 상승해 대략 1600K 이상이 될 수 있다. 도 3과 같이 암모니아 자발화로 인해 실린더 내부 온도는 대략 400도 정도 상승할 수 있다. 또한, 예비 분사된 암모니아는 희박하여 그 연소에 산소를 많이 사용하지 않으므로, 예연소용 암모니아의 자발화 이후에도 실린더 내에는 주 분사의 연소에 필요한 충분한 산소가 남아 있을 수 있다.
이 전후에, (c)와 같이 연소용 암모니아가 주 분사되면, 주 분사된 암모니아 연료는 안정적으로 연소될 수 있다. 이후, 암모니아의 연소로 인해 실린더 내부의 압력은 더 상승하여 도 2의 (d)와 같이 그 팽창력에 의해 피스톤(120)이 하강하는 팽창 행정이 진행된다.
이와 같이, 본 발명에서는 흡입된 공기와 희박한 비율로 혼합된 예연소용 암모니아를 예연소하여 주 분사된 암모니아의 연소에 적합한 환경을 조성함에 따라 탄화수소계열의 연료 등의 첨가제 없이도 암모니아 연료를 이용하여 종래의 압축 점화용 엔진과 유사하거나 그 이상의 연소 효율을 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 분자구조상 탄소원자를 포함하지 않는 암모니아 연료를 사용하여 배기물질(그을음(soot), CO, CO2 등)을 배출하지 않을 수 있어, 디젤 엔진보다 사용되는 후처리 장치의 개수를 줄일 수 있다.
더욱이, 본 발명에서 사용되는 암모니아는 10 기압 이상에서 액체상태로 있는 특징이 있으므로, 실린더로 분사 후 바로 기화될 수 있어, 실린더 내 연소용 공기와 골고루 혼합될 수 있어 연소 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 예연소 암모니아 엔진 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 흡입 행정에서 분사기(160)는 실린더 내에 소량의 예연소용 암모니아를 예비 분사한다(S420). 이때, 실린더 내 예연소용 암모니아와 흡입된 공기는 피스톤(120)이 상사점에 도달하기 이전에 균질 혼합기로 형성되어, 혼합기가 된다. 또한, 혼합기에서 암모니아와 공기의 비는 암모니아와 공기의 비는 2.72%(이론당량비의 10%): 97.28%일 수 있다.
분사기(160)는 압축 행정에서 예연소용 암모니아의 자발화된 후 실린더(110) 내부로 연소용 암모니아를 주 분사한다(S430). 이때, 분사기(160)는 연소에 사용될 암모니아를 충분히 분사할 수 있다. 여기서, 암모니아의 주 분사 시기는 예연소용 암모니아의 자발화로 인해 실린더 내부의 온도가 기설정된 기준온도 이상(예컨대, 1600K 이상)으로 상승한 이후일 수 있다. 또한, 피스톤(120)이 상사점에 근접하기 이전(예컨대, 상사점 이전 5도(bTDC 5))에 암모니아를 분사하는 것이 좋다.
이후, 압축 행정이 계속 진행되어, 실린더(110) 내부 압력이 계속 상승하고 상사점 근방에서 주 분사된 암모니아가 자발화되어, 팽창 행정으로 넘어가며 실린더 내부 압력 상승에 의해 피스톤(120)은 하사점으로 이동한다(S440).
또한, 팽창 행정 이후에는 피스톤(120)은 다시 상사점으로 이동하면서 배기 밸브(140)가 개방되어 실린더 내부의 배기가스가 배기용 통로를 통해 배출되는 배기 행정이 진행된다(S450).
이와 같이, 본 발명에서는 흡입된 공기와 희박한 비율로 혼합된 예연소용 암모니아를 예연소하여 주 분사된 암모니아의 연소에 적합한 환경을 조성함에 따라 탄화수소계열의 연료 등의 첨가제 없이도 암모니아 연료를 이용하여 종래의 압축 점화용 엔진과 유사하거나 그 이상의 연소 효율을 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 분자구조상 탄소원자를 포함하지 않는 암모니아 연료를 사용하여 배기물질(그을음(soot), CO, CO2 등)을 배출하지 않을 수 있어, 디젤 엔진에 비해 후처리 장치를 덜 사용할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서 사용되는 암모니아는 10 기압 이상에서 액체상태로 있는 특징이 있으므로, 실린더로 분사 후 바로 기화될 수 있어, 실린더 내 연소용 공기와 골고루 혼합될 수 있어 연소 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 실린더 내부로 공기가 흡입되는 흡입 행정의 말기에 암모니아의 이론당량비의 20% 미만인 희박한 예연소용 암모니아를 소량 예비 분사하고, 압축 행정에서 상기 예연소용 암모니아의 자발화(spontaneous combustion) 후이면서 피스톤이 상사점에 근접하기 이전에 상기 실린더 내 연소용 암모니아를 주 분사하는 분사기; 및
    상기 흡입 행정에서 상기 실린더 내 상사점(Top Dead Center)에서 하사점(Bottom Dead Center)으로 움직여 상기 실린더 내부로 연소용 공기를 흡입하며, 상기 압축 행정에서 상기 상사점으로 이동하여 상기 실린더의 내기를 압축하며, 팽창 행정에서 상기 실린더 내 주 분사된 상기 암모니아의 연소로 인한 팽창력을 받아 상기 하사점으로 이동하는 피스톤을 포함하며,
    상기 흡입 행정의 말기는, 상기 피스톤이 상기 하사점에 기설정된 간격만큼 근접할 때인 예연소 암모니아 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 예비 분사된 상기 예연소용 암모니아와 흡입된 상기 공기는, 상기 압축 행정에서 상기 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 균질의 혼합기로 형성되는 것인 예연소 암모니아 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 혼합기에서, 상기 예연소용 암모니아와 공기의 비는 2.72%: 97.28%인 것인 예연소용 암모니아 엔진.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 분사기는,
    상기 실린더 내부의 온도가 1600K 이상 및 상기 피스톤이 상기 상사점에 도달하기 전 5도(bTDC5) 중 적어도 하나인 때에 상기 암모니아를 주 분사하는 것인 예연소 암모니아 엔진.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤의 움직임, 상기 분사기의 예비 분사 및 주 분사를 제어하는 제어기
    를 더 포함하는 예연소 암모니아 엔진.
  8. 실린더, 피스톤 및 분사기를 포함하는 예연소 암모니아 엔진의 제어 방법으로서,
    실린더 내부로 공기가 흡입되는 흡입 행정의 말기에 분사기가 암모니아의 이론당량비의 20%미만인 희박한 예연소용 암모니아를 상기 실린더 내부로 소량 예비 분사하는 단계;
    상기 분사기가 압축 행정에서 상기 예연소용 암모니아의 자발화(spontaneous combustion) 후 및 상기 피스톤이 상사점에 근접하기 이전에 상기 실린더 내부로 연소용 암모니아를 주 분사하는 단계; 및
    팽창 행정에서 상기 피스톤이 상기 암모니아의 연소에 의한 압력에 의해 하강되는 단계를 포함하고,
    상기 예비 분사하는 단계 내지 상기 주 분사하는 단계는 엔진 제어 유닛의 제어에 의해 수행되며,
    상기 흡입 행정의 말기는, 상기 피스톤이 하사점에 기설정된 간격만큼 근접할 때인 암모니아 엔진 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    예비 분사된 상기 예연소용 암모니아와 흡입된 상기 공기는, 상기 압축 행정에서 상기 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 균질의 혼합기로 형성되는 것인 암모니아 엔진 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 혼합기에서 상기 예연소용 암모니아와 공기의 비는 2.72%: 97.28%인 것인 암모니아 엔진 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서, 상기 암모니아를 주 분사하는 단계는,
    상기 실린더 내부의 온도가 1600K 이상 및 상기 피스톤이 상기 상사점에 도달하기 전 5도(bTDC5) 중 적어도 하나인 때에 수행되는 것인 암모니아 엔진 제어 방법.
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