KR101841453B1

KR101841453B1 - 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템

Info

Publication number: KR101841453B1
Application number: KR1020160054123A
Authority: KR
Inventors: 최영; 김용래; 이선엽; 박철웅; 김창기
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2018-05-04
Also published as: KR20170124344A

Abstract

본 발명은 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템에 대한 것으로서, 내연기관의 연소실 및 연소실 인접부근 흡배기계의 잔류가스연료 및 수증기를 배출하기 위해 흡배기계의 통로를 연통하는 잔류가스연료 배출용 바이패스 라인을 형성함으로써, 잔류가스에 의한 재료 취화 문제 해결, 실링 러버 경화 문제 해결 등의 효과를 발휘하기 위한 시스템에 대한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 4행정 내연기관의 연소실 및 흡배기계의 잔류가스(G)를 배출하기 위한 잔류가스 배출시스템(10)에 있어서, 연료가 분사되는 연료분사구(103)가 설치된 실린더(101)와 상기 실린더(101) 내에 왕복동하는 피스톤(102)과 이를 둘러싸는 엔진 연소실(110), 상기 연소실(110) 상부의 일측에 연결되는 흡기 통로(111)와 상기 흡기 통로(111)와 실질적으로 마주보며 상기 연소실(110) 상부의 타측에 연결되는 배기 통로(112), 상기 연소실(110)을 관통하면서 상기 흡기 통로(111)의 일측에서 상기 배기 통로(112)의 일측을 가로질러 상호 연통하도록 형성되는 바이패스 유로(120), 상기 바이패스 유로(120)를 개폐하는 바이패스 유로 밸브(121), 상기 연소실(110)에 인접 설치되어 가스량을 검출하는 가스 센서(200) 및 검출된 가스량에 따라 잔류가스연료를 배출하기 위해 상기 흡기 통로(111) 내의 상기 바이패스 유로(120) 전단에 설치되어 흡기 방향을 대향하도록 배치되는 압축공기 인젝터(300)를 포함함으로써 상기 바이패스 유로(120)를 통해 상기 연소실(110)과 흡배기계 내 잔류가스연료를 배기 통로(112) 측으로 배출하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템을 제공한다.

Description

내연기관의 잔류가스연료 배출시스템{Residual Gas Fuel Exhaust System of an Internal Combustion Engine}

본 발명은 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템에 대한 것으로서, 내연기관의 연소실 및 연소실 인접부근 흡배기계의 잔류가스 및 수증기를 배출하기 위해 흡배기계의 통로를 연통하는 잔류가스연료 배출용 바이패스 라인을 형성함으로써, 잔류가스에 의한 재료 취화 문제 해결, 실링 러버 경화 문제 해결, 응축수 문제 해결 등의 효과를 발휘하기 위한 시스템에 대한 것이다.

엔진의 연소 시에 연료로 쓰이는 화석연료로는 대표적으로 석유와 천연가스가 있는데, 이들 화석연료의 매장량의 한계와 연소시의 오염물질에 의한 환경문제로 인하여 청정연료의 개발과 그 이용방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 알려진 대표적인 청정연료로는 수소, 바이오 디젤, 바이오 에탄올 등이 있다.

특히 수소는 석유에 포함되는 탄소 성분이 포함되지 않아 이산화탄소가 배출되지 않아 친환경적이라는 장점이 있으며, 연료로서의 빠른 연소속도와 넓은 가연한계라는 특징상 엔진의 효율을 높일 수 있는 장점이 있고, 부존량이 거의 무한정이라는 최대의 장점을 가진다.

다만, 수소는 가연한계가 매우 넓고 점화에너지가 낮으며 무색, 무취, 무미인 기체상 연료로서 엔진의 연소 후 잔류 수소는 육안으로 확인이 어려우며, 수소연료가 점화시 폭발의 위험성이 상주하기 때문에 인해 수소연료의 취급에 주의를 기울여야 한다. 특히 밀폐된 공간에서의 잔류 수소는 안전을 위해 배출시켜야 할 필요가 있다. 또한, 수소는 작은 분자구조로 인해 탄소강과 같은 재료들에 침투하여 재료를 취화시켜 충격이나 잦은 진동 발생 시 파손될 수 있으며 엔진을 구성하는 각종부품의 조인트부에 위치하는 누설방지용 실링재료들을 경화시켜 그 내구성을 현저히 낮출 수 있는 문제가 발생한다. 아울러, 잔류 수소가 연소실내에 많이 남아있고 이에 대한 유동제어가 원활하지 않는다면 엔진 연소시 역화(Back-fire)문제가 발생할 수 있으며, 내연기관의 조기 점화(pre-ignition)의 요인이 될 수도 있다. 또한, 연소 후 생성되는 수증기는 배기계 냉각시 응축수를 생성하여 배기계 부품의 부식을 초래할 수 있다.

그럼에도 불구하고 수소 엔진은 전술한 바와 같이 대기오염 등의 우려가 없다는 점에서 미래의 내연기관으로서 주목받고 있으며 수소의 높은 단위 중량당 에너지 밀도로 인해 심해나 우주환경과 같이 통상적인 엔진으로 고출력을 낼 수 없을 때 유용하게 쓰일 수 있다는 장점이 있어 개발의 필요성이 상당하며, 이에 따라 각종 연구기관 및 관련분야 산업체에서 수소 엔진의 안전성 확보를 위한 각종 연구가 진행 중이다.

도 1은 종래기술에 따른 수소 엔진의 잔류가스 방출구조에 대한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술은 수소엔진의 정지시 연료라인 내에 잔류하는 가스를 외부로 방출하여 화재 등의 위험성을 제거하기 위한 것인데, 이는 수소엔진의 실린더 내부 잔류 수소를 배출하는 구성이 아닌 연료 라인 내에 잔류가스를 방출하기 위한 방법일 뿐이다. 따라서, 여전히 연소실 또는 기타 흡배기계에 잔류하는 수소의 취급에 대한 위험성이 남게되어 전술했던 수소를 이용한 엔진 연소시의 문제가 본질적으로 해결되지 않는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 1997-0045287 과 대한민국 공개특허 2004-0063719 처럼 수소를 이용한 자동차의 연료 시스템 등이 다수 개시되었고, 도 1에서 살펴본 대한민국 공개실용신안 1999-0020411과 같이 엔진의 연소후 잔류 수소를 배출하기 위한 기술은 더러 소개되었으나, 아직까지 엔진 연소실과 그 주변부의 잔류 수소에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 연소실과 흡배기계의 잔류가스연료, 특히 잔류 수소를 배출하기 위한 목적을 갖는 잔류 가스 배출시스템을 제공함으로써, 가스 엔진의 구동 안정성을 확보하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 내연기관의 기존 구조에서 큰 변형없이도 효과적으로 연소실 및 흡배기계의 잔류 가스를 배출하는 시스템을 제공하여 가스 엔진의 실용성을 높이는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 내연기관 정지시뿐만 아니라 피스톤의 왕복동 동작에 있어서 연소실과 흡배기계의 잔류가스연료 배출을 위한 제어 알고리즘을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 4행정 내연기관의 연소실 및 흡배기계의 잔류가스를 배출하기 위한 잔류가스 배출시스템에 있어서, 연료가 분사되는 연료분사구가 설치된 실린더와 상기 실린더 내에 왕복동하는 피스톤과 이를 둘러싸는 엔진 연소실; 상기 연소실 상부의 일측에 연결되는 흡기 통로와 상기 흡기통로와 실질적으로 마주보며 상기 연소실 상부의 타측에 연결되는 배기 통로; 상기 연소실을 관통하면서 상기 흡기 통로의 일측에서 상기 배기 통로의 일측을 가로질러 상호 연통하도록 형성되는 바이패스 유로; 상기 연소실에 인접 설치되어 가스량을 검출하는 가스 센서; 및 검출된 가스량에 따라 잔류 가스를 배출하기 위해 상기 흡기 통로 내의 상기 바이패스 유로 전단에 설치되어 흡기 방향을 대향하도록 배치되는 압축공기 인젝터를 포함함으로써 상기 바이패스 유로를 통해 상기 연소실과 흡배기계 내 잔류가스를 배기 통로 측으로 배출하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스 배출시스템을 제공할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 흡기통로 내에 연소실 방향으로 가스연료를 분사하기 위한 가스 인젝터가 설치될 수 있으며, 여기서 상기 가스는 수소가 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면 상기 점화플러그는 상기 연소실의 내주연에 설치될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 바이패스 유로는 상기 연소실의 상부측에 연소실을 직선적으로 가로질러 연통하도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 상기 배기 통로 후단에 상기 잔류가스가 배출되는 방향을 대향하여 설치되는 보조 압축공기 인젝터를 더 포함할 수 있고,

삭제

일 실시예에 따라 상기 연소실에 인접한 상기 흡기 통로 내부에 온도를 측정하는 온도 센서가 구비될 수도 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 내연기관의 압축공기 분사시기를 결정하는 VCU 를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 VCU는 엔진 정지 상태이거나 엔진 구동 중 이상 연소시 압축공기 인젝터를 작동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또는, 본 발명의 VCU는 내연기관의 인렛 밸브가 개방되고 아웃렛 밸브가 폐쇄되거나, 인렛과 아웃렛 밸브가 모두 폐쇄된 상태, 또는 인렛 밸브가 폐쇄되고 아웃렛 밸브가 개방된 상태에서 상기 압축공기 인젝터를 작동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

삭제

본 발명의 일 실시예에 따르면 내연기관의 연소실 및 연소실 인접부근 흡배기계의 잔류가스연료를 배출하기 위해 흡배기계의 통로를 연통하는 잔류가스 연료 배출용 바이패스 라인을 형성함으로써 가스 엔진 개발에 있어서 요구되는 안정성 문제를 만족할 수 있게 된다.

구체적으로, 바이패스 유로를 흡배기계 통로 사이에 연통하도록 설치함으로써 기존의 엔진구조를 크게 변형시키지 않고도 잔류가스연료를 충분히 배출할 수 있다.

이에 따른 효과로서, 잔류가스연료에 의한 재료 취화 문제와 실링 러버 경화 문제가 해결될 수 있고, 실링 러버 경화가 방지되므로 가스 누설에 따른 안전문제에서 자유로울 수 있게 된다. 아울러, 잔류가스연료에 의한 역화(back fire)를 방지하며, 조기점화(Pre-Iginition) 또는 노킹(Knocking)문제를 해결에 도움을 줄 수 있으므로 연료 분사 장치와 구동장치가 엇박자로서 작동되는 것을 방지할 수 있다.

여러 가스 엔진 중에서 특히, 수소를 연료로서 이용하는 엔진에서 잔류 수소에 의한 문제점을 효과적으로 해결함으로써 고효율 엔진으로서의 완성도를 높일 수 있게 된다.

이와 더불어 연소 후 다량 발생하는 수증기로 인해 배기계 냉각시 응축수가 발생하여 배기계 부품에 부식을 초래하는 문제 또한 해결할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수소 엔진의 잔류가스 방출구조에 대한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스연료 배출시스템에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잔류가스연료 배출시스템에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스연료 배출방법을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스연료 배출조건을 나타내는 개념도이다.

이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결을 의미할 수 있다.

또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.

이하의 설명에서 '잔류가스'는 '잔류가스연료'와 동일한 의미로 해석될 수 있으며, 잔류 수소는 잔류가스에 포함되는 일 예시임을 유의해야 한다.

이하, 도 2와 도 3를 참조하여 본 발명의 잔류가스연료 배출시스템에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스연료 배출시스템에 대한 개념도이다.도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잔류가스연료 배출시스템에 대한 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스연료(G) 배출시스템은 점화플러그(103)가 설치된 실린더(101)와 상기 실린더(101) 내에 왕복동하는 피스톤(102)과 이를 둘러싸는 엔진 연소실(110); 상기 연소실의 일측에 연결되는 흡기 통로(111)와 상기 연소실의 타측에 연결되는 배기 통로(112); 상기 흡기 통로(111)의 일측에서 상기 배기 통로(112)의 일측을 상호 연통하도록 형성되는 바이패스 유로(120); 상기 바이패스 유로(120)를 개폐하는 바이패스 유로 밸브(121); 잔류 가스를 배출하기 위해 상기 흡기 통로(111) 내의 상기 바이패스 유로(120) 전단에 설치되어 흡기 방향을 대향하도록 배치되는 압축공기 인젝터(300)를 포함할 수 있다.

본 발명의 내연기관에는 열에너지를 기계적인 에너지로 바꾸어 동력을 발생시킬 수 있는 것이면 모두 포함될 수 있다. 예컨대, 자동차 또는 오토바이 등의 원동기를 포함하며, 구조적 기능적인 측면에서 4행정 연소기관 및 2행정 연소기관을 포함한다. 참고로 4행정 연소기관은 통상적으로 피스톤의 흡기->압축->폭발->배기의 과정을 피스톤의 2회 왕복동에 수행하는 것을 말하며, 2행정 연소기관은 흡기-> 압축분사->폭발&배기&흡입->압축분사의 과정을 피스톤의 1회 왕복동에 수행하는 것을 의미한다. 이에 대해서는 당업자에게 널리 알려진 것이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 연소실(110)은 실린더(101)와 피스톤(102)을 실질적으로 둘러싸는 구성으로서, 일 측에 흡기 통로(111)와 배기 통로(112)가 구비되어 있다. 흡기 통로(111)와 배기 통로(112)는 본 발명의 실린더(101)와 피스톤(102)이 복수 개 구비되어 나란히 정렬되어 있을 때 다기관(manifold) 형태로서 연소실(110)과 연결될 수 있다.

도 2 및 도 3에는 흡기 통로(111)와 배기 통로(112)의 형상 및 유로의 크기가 대략 동일한 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 흡기 통로(111)와 배기 통로(112)의 형상과 크기는 서로 상이할 수 있고, 연소실(110)에 연결되는 방향과 형태도 다소 상이하게 형성될 수 있다.

예컨대, 흡기 통로(111)와 배기 통로(112)가 도 2와 같이 서로 마주보고 있는 타입이 아니라 대략 동일한 측면에서 서로 이웃하고 있는 타입도 가능하다.

기본적으로 점화플러그(103)는 피스톤 헤드가 대향하게 되는 연소실 내측 상부면에 돌출되도록 형성된다. 점화플러그가 연소실의 대략 중앙에 있을 때, 화염전파 거리가 짧아 혼합기가 빠르게 연소될 수 있기 때문이다.

다만, 본 발명에서는 점화플러그(103)가 반드시 연소실(110)의 중앙부, 실린더 상부에 위치되는 것은 아니며 다양한 실시례에 따라 랜덤하게 위치시킬 수 있다.

바이패스 유로(120)는 본 발명의 핵심적인 기술요소로서 잔류가스연료를 배출시키기 위한 유동로를 의미한다. 일 실시예에 따르면, 본 발명의 바이패스 유로(120)는 연소실을 관통하여 형성되거나 관통하지 않고 연소실을 우회하여 연결되는 구조일 수도 있다.

바이패스 유로(120)가 연소실을 관통하는 경우 바이패스 유로(120)의 형상은 연소실 및 흡배기계 내의 잔류 가스가 배출되는 과정에서 압력 손실이 없도록 직선적인 형태로서 연소실(110)을 관통하는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 소정의 꺾임각을 가지며 절곡되어 있을 수도 있다. 바이패스 유로(120)의 유체유동 인입구와 유출구의 방향은 흡기 통로(111)와 배기 통로(112)의 일 측을 연통하도록 설치되어야 한다.

바이패스 유로(120) 상에는 잔류가스연료 배출하는 경우에만 바이패스 유로(120)가 개폐되도록 바이패스 유로 밸브(121)가 형성될 수 있고, 여기서의 바이패스 유로 밸브(121)는 후술하는 VCU에 의해 제어될 수 있다.

점화플러그(103)를 연소실의 중앙부에 위치시키는 경우 본 발명의 바이패스 유로(120)는 점화플러그(103)와 간섭되지 않도록 점화플러그(103)와 겹치지 않는 방향에서 연소실(110)을 관통하며 형성될 수 있다. 즉, 점화플러그(103)가 대략 원통형상 연소실의 중심축을 지날 때 바이패스 유로(120)는 점화플러그(103)가 설치되는 방향과 어긋나도록 다소 편심되도록 설치될 수 있다. 또한 본 발명의 바이패스 유로(120)는 소정의 내경을 갖는 관로가 두 개 이상 복수의 관로로 마련되어 잔류 가스연료를 배출할 수도 있다.

일 실시예에 따른 가스 센서(200)는 흡착형 반도체식(CZ), 열선형 반도체식(CH), 박막형 반도체식(AET), 기체열전도식(CT), 정전위전해식(COS), 접촉연소식(CS), 액체민감소자식(OR) 등의 다양한 센서가 해당될 수 있으며, 기체 속에 포함되어 있는 가스의 종류 및 농도를 감지하여, 후술하는 VCU(Ventilation Control Unit)에 송신한다. 가스 센서(200)는 연소실(110)에 인접하여, 더욱 구체적으로는 연소실(110)의 인렛 밸브(inlet valve) 및/또는 아웃렛 밸브(Outlet valve)측에 인접하여 설치됨으로써 연소실과 흡배기계의 잔류 가스량을 검출한다.

일 실시예에 따른 온도 센서(400)는 연소실(110)에 인접한 흡기 통로(111) 내부의 온도를 측정한다. 온도 센서(400)로는 열전대(thermocouple)등이 해당될 수 있다. 엔진의 연소 후 잔류가스연료가 가지고 있는 열 에너지를 온도 센서(400)를 통해 감지할 수 있으며 역화(Back-Fire) 발생 유무 또한 검출해 낼 수 있다. 상기한 가스 센서(200)와 온도 센서(400)는 각각 독립적으로 작용하여 VCU에 관련정보를 송신한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 인젝터(300)는 검출된 가스량에 따라 잔류 가스를 배출하기 위해 마련되는 것으로서, 흡기 통로(111) 내의 바이패스 유로(120) 전단에 설치된다. 분사구의 방향은 흡기의 유동방향과 대략 평행하도록 형성됨이 좋으나, 경우에 따라서는 흡기의 유동방향에 대하여 다소 기울어져 바이패스 유로(120)의 레벨(level)을 대향하거나 이와 반대로 연소실(110)의 레벨(level)을 대향할 수도 있게 된다.

압축공기 인젝터(300)는 콤프레서(Comp)로부터 공급된 압축된 공기를 분사하여 흡기 통로(111) 및/또는 배기 통로(112) 및/또는 연소실(110) 내의 잔류 가스연료를 배기 통로(112) 후방 측으로 밀어내어 배출시키는 역할을 한다.

그리고 본 발명의 잔류가스연료 배출시스템에는 흡기 통로 내에 연소실 방향으로 가스연료를 분사하기 위한 가스 인젝터가 설치될 수도 있는데, 여기서의 가스는 특히 수소(H₂)가 해당될 수 있다. 이에 따라 잔류가스량을 검출하기 위한 가스 센서(200)는 수소의 농도를 검출하는 센서가 설치됨이 바람직하다.

한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 점화플러그(103)는 연소실(110)의 내주연 즉 실린더의 측면에 설치될 수 있다. 그리고 상기 바이패스 유로(120)는 상기 연소실(110)의 상단벽을 직선적으로 연통하도록 형성되는 것을 특징으로 할 수도 있다. 도 2에서 점화플러그(103)가 연소실 상부의 중앙 측에 설치되는 것과 달리 본 실시예에서 점화플러그(103)는 연소실(110)의 내주연에 설치될 수 있다. 전술한 바와 같이 일반적인 엔진에서는 연소효율 측면에서 점화플러그(103)가 연소실(110)의 중앙부에 위치함이 바람직하나, 본 발명이 대상으로 하는 수소 가스 엔진의 경우에는 일반 가솔린 엔진의 경우보다 동일 체적대비 열효율이 좋으므로 점화플러그(103)의 위치를 조정하여 바이패스 유로(120)를 연소실(110) 상부에 보다 용이하게 형성할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스 배출시스템은 상기 배기 통로(112) 후단에 상기 잔류가스가 배출되는 방향을 대향하여 설치되는 보조 압축공기 인젝터(300')를 더 포함할 수도 있다. 즉, 전술한 압축공기 인젝터(300)의 역할을 보조하기 위한 수단으로서 보조 압축공기 인젝터(300')를 구비하여 잔류가스를 배기 통로(112) 후방으로 신속하게 배출시킬 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스 배출시스템은 상기 압축공기 인젝터(300) 및 보조 압축공기 인젝터(300')에 압축공기를 공급하는 콤프레서(Comp)와 함께, 압축공기를 저장하는 챔버(미도시)를 마련하여 엔진이 정지한 후에도 압축공기 분사 동작을 수행하도록 할 수도 있다.

다음으로 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 내 잔류가스연료 배출방법에 대하여 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스연료 배출방법을 나타내는 블록도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류가스연료 배출조건을 나타내는 개념도이다.

전술한 바와 같이 본 발명은 내연기관의 압축공기 분사시기를 결정하는 VCU (500)를 더 포함할 수 있는데, 상기 VCU(500)는 엔진 정지상태에서만 압축공기 인젝터(300)를 작동하도록 설정될 수 있고, 경우에 따라서는 일반행정(stroke)의 경우에도 압축공기 인젝터(300)를 작동하도록 설정될 수도 있다. 나아가, 일반행정(stroke)의 경우 압축공기 인젝터(300)의 작동시점은 엔진의 이상 연소임이 판단되는 조건으로 한정할 수 있다.

여기서의 엔진 정지상태란 엔진의 구동이 중지되어 사용하고 있지 않거나 명령을 대기하고 있는 상태를 의미하는 것으로, 예컨대 차량 엔진의 시동이 꺼진 상태를 의미한다.

일방행정(stroke)은 4행정 내연기관을 기준으로, 흡기->압축->분사&폭발->배기의 일련의 과정을 의미한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 연소실(110) 또는 흡배기계 잔류가스 농도 또는 온도를 측정하고, 측정된 정보를 VCU(500)에 전송한다. VCU(500)에서는 전달된 정보를 토대로 압축공기 인젝터(300) 작동 명령을 내릴지 여부를 결정한 다음, 엔진 정지상태 또는 일반행정에서 작동할 지 여부가 기 설정된 상태에서 설정된 모드(엔진 정지상태 또는 일반행정)에 따라 압축공기 인젝터(300)에 분사명령을 내려 압축공기를 연소실(110) 및 흡배기계 측으로 고압 분사함으로써 잔류가스연료를 배기 통로(112) 후방으로 배출한다. 일반행정에서는 연소의 이상 시에만 압축공기 인젝터(300)에 분사명령을 내려 압축공기를 연소실(110) 및 흡배기계 측으로 고압분사함으로써 잔류 가스연료를 배기 통로(112) 후방으로 배출한다.

한편, 여기서의 압축공기에는 산소(O2) 성분을 배제할 수 있다. 이에 따르면 연소실 또는 흡기, 배기 통로에 존재하는 잔류가스에 의한 연소반응을 방지할 수 도 있다.

도 6에는 정지상태 또는 일반행정 상에서 압축공기 인젝터(300)의 작동에 의해 잔류가스연료가 배출되는 개념을 도시한다. 도 5(a)는 인렛 밸브가 개방되고 아웃렛 밸브가 폐쇄된 동작에서 엔진이 정지하여 유휴상태가 되었을 때, 압축공기에 의해 잔류가스연료(G)가 바이패스 유로를 통해 배출되는 것을 나타낸다. 여기서 인렛 밸브를 통해 유입된 압축공기의 유동에 의해 연소실 내부에 남아있는 잔류수소가 연소실 인렛 밸브 측으로 나와 바이패스 유로(120) 측으로 배출되게 된다.

도 5(b)는 인렛 밸브와 아웃렛 밸브가 폐쇄된 엔진 정지상태 또는 일반행정(stroke)의 이상 연소시에 압축공기에 의해 잔류가스연료(G)가 바이패스 유로를 지나 배기 통로로 배출되는 과정을 나타낸다. 여기서의 일반행정(stroke)는 흡기->압축->분사&폭발->배기의 4행정에서 압축과 분사&폭발행정 단계가 해당될 수 있다.

도 5(c)는 인렛 밸브가 폐쇄되고 아웃렛 밸브가 개방된 배기행정에서 압축공기에 의해 잔류가스연료(G)가 바이패스 유로를 지나 배기 통로로 배출되는 과정을 나타낸다. 도 5(c)는 폭발-> 배기행정과정을 나타내므로 잔류 가스의 배출과 동시에 배기가스(exhaust gas)가 연소실 내로부터 배기 통로 방향으로 배출된다. 이때, 간단히 압축공기 인젝터(300)의 분사압을 높이면, 배기가스의 역류문제를 방지하면서도 흡배기계 내의 잔류가스연료(G)를 효율적으로 배출할 수 있게 된다.

마지막으로 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잔류가스연료 배출시스템에 대하여 설명하기로 한다.

이에 따르면, 4행정 내연기관의 연소실 및 흡배기계의 잔류가스(G)를 배출하기 위한 잔류가스연료 배출시스템(100)에 있어서, 연료가 분사되는 연료분사구(103)가 설치된 실린더(101)와 상기 실린더(101) 내에 왕복동하는 피스톤(102)과 이를 둘러싸는 엔진 연소실(110); 상기 연소실(110) 상부의 일측에 연결되는 흡기 통로(111)와 상기 흡기 통로(111)와 실질적으로 마주보며 상기 연소실(110) 상부의 타측에 연결되는 배기 통로(112); 상기 연소실(110)을 관통하면서 상기 흡기 통로(111)의 일측에서 상기 배기 통로(112)의 일측을 가로질러 상호 연통하도록 형성되는 바이패스 유로(120); 상기 바이패스 유로(120)를 개폐하는 바이패스 유로 밸브(121); 상기 연소실(110)에 인접 설치되어 가스량을 검출하는 가스 센서(200); 및 검출된 가스량에 따라 잔류가스연료를 배출하기 위해 상기 흡기 통로(111) 내의 상기 바이패스 유로(120) 전단에 설치되어 흡기 방향을 대향하도록 배치되는 압축공기 인젝터(300)를 포함함으로써 상기 바이패스 유로(120)를 통해 상기 연소실(110)과 흡배기계 내 잔류가스를 배기 통로(112) 측으로 배출하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예는 전술했던 잔류가스연료 배출시스템의 실시예 중에서 가장 실용적인 실시례에 대한 것으로서,

기본적으로 본 발명의 기술적 특징에 적합한 4행정 내연기관을 채택함과 동시에, 바이패스 유로(120)를 엔진 연소실(110) 상부에 형성되는 것으로 한정하고 있고, 이때 흡기 통로(111)와 배기 통로(112)가 서로 마주보며 형성되는 것을 한정하고 있다.

이와 같은 실시예에 따르면, 내연기관의 연소실 및 연소실 인접부근 흡배기계의 잔류가스연료 및 수증기를 배출하기 위해 흡배기계의 통로를 연통하는 잔류가스연료 배출용 바이패스 라인을 형성함으로써 수소 엔진 개발에 있어서 요구되는 안정성 문제를 만족할 수 있게 된다.

또한, 바이패스 유로를 흡배기계 통로 사이에 연통하도록 설치함으로써 기존의 엔진구조를 크게 변형시키지 않고도 잔류가스연료를 충분히 배출할 수 있다.

아울러, 잔류가스연료에 의한 재료 취화 문제와 실링 러버 경화 문제가 해결될 수 있고, 실링 러버 경화가 방지되므로 가스 누설에 따른 안전문제에서 자유로울 수 있게 된다. 아울러, 잔류가스에 의한 역화(back fire)를 방지하며, 조기점화(Pre-Ignition 또는 Knocking)문제를 해결하여 연료 분사 장치와 구동장치가 엇박자로서 작동되는 것을 방지할 수 있다.

본 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 의해 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 발명의 일 실시예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 잔류가스연료 배출시스템
101 : 실린더
102 : 피스톤
103 : 점화플러그
110 : 연소실
111 : 흡기 통로
112 : 배기 통로
120 : 바이패스 유로
121 : 바이패스 유로 밸브
131, in : 인렛 밸브
132, out : 아웃렛 밸브
200 : 가스 센서
210 : 가스연료 저장부
220 : 가스 인젝터
300 : 압축공기 인젝터
300' : 보조 인젝터
301 : 콤프레서
400 : 온도 센서
500 : VCU
G : 잔류가스연료

Claims

4행정 내연기관의 연소실 및 흡배기계의 잔류가스(G)를 배출하기 위한 잔류가스 배출시스템(10)에 있어서,
연료가 분사되는 연료분사구(103)가 설치된 실린더(101)와 상기 실린더(101) 내에 왕복동하는 피스톤(102)과 이를 둘러싸는 엔진 연소실(110);
상기 연소실(110) 상부의 일측에 연결되는 흡기 통로(111)와 상기 흡기 통로(111)와 실질적으로 마주보며 상기 연소실(110) 상부의 타측에 연결되는 배기 통로(112);
상기 연소실(110)을 관통하면서 상기 흡기 통로(111)의 일측에서 상기 배기 통로(112)의 일측을 가로질러 상호 연통하도록 형성되는 바이패스 유로(120);
상기 바이패스 유로(120)를 개폐하는 바이패스 유로 밸브(121);
상기 연소실(110)에 인접 설치되어 가스량을 검출하는 가스 센서(200); 및
검출된 가스량에 따라 잔류가스연료를 배출하기 위해 상기 흡기 통로(111) 내의 상기 바이패스 유로(120) 전단에 설치되어 흡기 방향을 대향하도록 배치되는 압축공기 인젝터(300)를 포함함으로써 상기 바이패스 유로(120)를 통해 상기 연소실(110)과 흡배기계 내 잔류가스연료를 배기 통로(112) 측으로 배출하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
제1항에 있어서,
상기 흡기통로 내에 연소실 방향으로 가스연료를 분사하기 위한 가스 인젝터(220)가 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
제2항에 있어서,
상기 가스연료는 수소인 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
제1항에 있어서,
점화플러그(103)는 상기 연소실(110)의 내주연에 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
제1항에 있어서,
상기 배기 통로(112) 후단에 상기 잔류가스연료가 배출되는 방향을 대향하여 보조 압축공기 인젝터(300')를 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
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제1항에 있어서,
상기 연소실(110)에 인접한 상기 흡기 통로(111) 내부에 온도를 측정하는 온도센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
제1항에 있어서,
상기 내연기관의 압축공기 분사시기를 결정하는 VCU(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
제8항에 있어서,
상기 VCU(500)는 엔진 정지상태 또는 엔진 구동 중 이상 연소시에만 압축공기 인젝터(300)를 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
제8항에 있어서,
상기 VCU(500)는 내연기관의 인렛(131) 밸브가 개방되고 아웃렛 밸브(132)가 폐쇄되거나, 인렛(131)과 아웃렛 밸브(132)가 모두 폐쇄된 상태, 또는 인렛(131) 밸브가 폐쇄되고 아웃렛 밸브(132)가 개방된 상태에서 상기 압축공기 인젝터(300)를 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 잔류가스연료 배출시스템.
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