KR102168221B1

KR102168221B1 - 수분 분리 수소 엔진

Info

Publication number: KR102168221B1
Application number: KR1020190066085A
Authority: KR
Inventors: 박철웅; 이선엽; 장형준; 영 최
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2020-10-20

Abstract

수분 분리 수소 엔진이 개시된다. 수분 분리 수소 엔진은 흡기관과 배기관이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더와, 실린더의 크랭크 케이스와 실린더 헤드의 사이에 형성되어 블로바이 가스가 이동되는 블로바이 유로와, 일측은 블로바이 유로에 연결되어 블로바이 가스가 유입되며 타측은 흡기관에 연결되는 제1 배출 유로와, 제1 배출 유로에 설치되어 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리하여 수분 분리된 블로바이 가스가 흡기관에 공급되도록 하는 수분 분리기와, 수분 분리기에 연결되어 수분이 저장되는 워터 탱크와, 일측은 실린더 블록에 연결되고 타측은 흡기관에 연결되는 제2 배출유로와, 제2 배출 유로를 개폐하도록 설치되는 개폐밸브와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 개폐 밸브를 개폐하는 제어부를 포함한다.

Description

수분 분리 수소 엔진{WATER SEPARATION HYDROGEN ENGINE}

본 발명은 엔진의 윤활 특성의 유지와 내구성의 향상이 가능한 수분 분리 수소 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동 엔진에 수소 연료를 적용하는 기술은 현행으로써 적합하다고 평가되어 진다.

수소는 중량당 에너지 밀도가 높아서 한 번 충전으로 장시간 운항을 지속할 수 있고 환경적인 측면에서도 무공해 연료라는 긍정적인 부분이 존재한다.

수소를 이용한 연료전지의 도입은 유망한 미래 동력 기술로 떠오르고 있는지만, 가까운 미래에 있어서 그 실현에 불확실한 면이 있다.

반면에 수소의 독특한 연소특성인 넓은 가연한계 및 작은 점화에너지를 이용하고자, 미국 및 독일 등이 수소기관개발에 착수하여 유용성을 입증하였고, 수소경제로 인도하는 교두보의 역할을 할 것으로 평가하고 있다.

수소는 탄소를 포함하지 않고 배출물이 물뿐인 청정연료로 주목받고 있으며 거의 무한에 가까운 양으로 머지않아 수소 경제 시대가 도래할 것으로 전망하고 있다.

이러한 수소엔진 개발의 가장 큰 문제는 역화발생이다.

수소 엔진은 역화 및 출력의 측면에서 흡기관분사식이 열세하다는 인식으로 직분식 수소 기관의 연구가 수행되었으나, 고압 인젝터의 내구성 등은 상용화에 걸림돌이 된다.

반면에 흡기관 분사식은 역화를 제외하면 고효율이며 구조가 간단하고 저압수소를 사용하여 상용화가 용이하므로 역화제어에 관한 방안이 모색되어야 한다.

수소 기관의 역화는 실린더 내에 발생된 모종의 점화원이 정상적인 스파크가 주어지기 전에 흡입되는 혼합기를 조기 착화시켜 빠른 연소속도에 의해 화염이 흡기관내로 역류하는 현상이다.

상기 역화발생인자 중 모종의 점화으로 많이 지목된 것은 가솔린엔진과 마찬가지로 실린더 내에 형성되는 열점이며, 수소의 높은 단열화염온도에 기인한다는 것이다.

이러한 역화현상을 억제하기 위해 기존의 흡기관에 물을 분사하여 역화를 억제하는 연구 등이 진행되고 있으나, 엔진을 동력원으로 이용하는 이동체 등에서 분사가 가능한 양의 물을 확보하기 어렵다.

아울러, 수소엔진이 갖는 또 하나의 문제점은 연소 생성물의 대부분이 물이라는 점인데, 물은 엔진이 폭발과 연소를 일으키는 과정에서 연소가스의 일부가 크랭크케이스로 유입된다.

이와 같이, 피스톤을 통과한 연소 가스는 고온이고 수분을 다량 함유하고 있는 바, 엔진 구동 과정에서 엔진 오일을 빠른 속도로 열화 및 산화시키는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예는, 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리하여 수분에 의한 오일 열화 및 산화가 발생되는 것을 방지하여, 오일의 윤활 특성을 향상시키고 엔진의 내구성의 향상이 가능한 수분 분리 수소 엔진을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는, 흡기관과 배기관이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더와, 실린더의 크랭크 케이스와 실린더 헤드의 사이에 형성되어 블로바이 가스가 이동되는 블로바이 유로와, 일측은 블로바이 유로에 연결되어 블로바이 가스가 유입되며 타측은 흡기관에 연결되는 제1 배출 유로와, 제1 배출 유로에 설치되어 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리하여 수분 분리된 블로바이 가스가 흡기관에 공급되도록 하는 수분 분리기와, 수분 분리기에 연결되어 수분이 저장되는 워터 탱크와, 일측은 실린더 블록에 연결되고 타측은 흡기관에 연결되는 제2 배출유로와, 제2 배출 유로를 개폐하도록 설치되는 개폐밸브와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 개폐 밸브를 개폐하는 제어부를 포함한다.

흡기관에는 흡기 매니 폴드가 형성되고, 제2 배출 유로의 타측은 흡기 매니 폴드에 연결될 수 있다.

제어부는, 차량의 저부하 운전 조건에서 상기 개폐 밸브를 개방하여 블로바이 가스가 제2 배출 유로를 통해 흡기 매니 폴드에 공급되도록 제어할 수 있다.

제어부는, 차량 고부하 운전조건에서 개폐밸브를 폐쇄하고, 수분 분리기를 작동하여 블로바이 가스에서 분리된 수분은 워터탱크에 저장하고 블로바이 가스는 제1 배출 유로를 통해 흡기관에 공급되도록 제어할 수 있다.

블로바이 유로는, 배기관이 연결된 위치에서 실린더 블록에서 크랭크 케이스와 실린더 헤드의 사이에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리 저장하여, 분리 저장된 물을 적절한 시기에 흡기라인에 충분하게 공급하는 것이 가능한 바, 수소 엔진을 역화 방지된 상태로 안정적으로 구동하는 것이 가능하여 엔진 내구성의 향상이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리하여, 블로바이 가스에 포함된 수분에 의해 크랭크 케이스 내부의 엔진 오일이 열화 또는 산화되는 것을 방지하여, 엔진 오일의 윤활 특성을 유지하면서 엔진 내구성을 확보하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 분리 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 도면이다.
도 2는 도 1의 수분 분리 수소 엔진에서 차량 저부하 조건에서 개폐 밸브의 폐쇄 상태를 개략적으로 도시한 요부 도면이다.
도 3은 도 1의 수분 분리 수소 엔진에서 차량 고부하 조건에서 개폐 밸브의 개방 상태에서 블로바이 가스의 이동 상태를 개략적으로 도시한 요부 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 분리 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수분 분리 수소 엔진(100)은, 흡기관(11)과 배기관(13)이 연결된 실린더(10)와, 실린더(10)에서 크랭크 케이스(14)와 실린더 헤드(16)의 사이에 형성되어 블로바이 가스가 이동되는 블로바이 유로(20)와, 일측은 블로바이 유로(20)에 연결되어 블로바이 가스(21)가 배출되며 타측은 흡기관(11)에 연결되는 제1 배출 유로(30)와, 제1 배출 유로(30)에 설치되어 블로바이 가스(21)에 포함된 수분을 분리하여 수분 분리된 블로바이 가스가 흡기관(11)에 공급되도록 하는 수분 분리기(40)와, 수분 분리기(40)에 연결되어 수분이 저장되는 워터 탱크(50)와, 일측은 실린더 블록(12)에 연결되고 타측은 흡기관(11)에 설치된 흡기 매니 폴드(11a)에 연결되는 제2 배출 유로(60)와, 제2 배출 유로(60)를 개폐하도록 설치되는 개폐 밸브(70)와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 개폐 밸브(70)를 개폐하는 제어부(80)를 포함한다.

실린더(10)는 수소 엔진에 적용되는 것으로 흡기관(11)과 배기관(13)이 연결되고, 내부에는 왕복 운동하는 피스톤(15)이 설치된다. 실린더(10)는 피스톤(15)이 내부에 설치되는 실린더 블록(12)과, 실린더 블록(12)의 하부에 설치되는 크랭크 케이스(14)와, 실린더 블록(12)의 상부에 설치되는 실린더 헤드(16)를 포함할 수 있다.

이러한 실린더 블록(12)에는 블로바이 유로(20)가 형성될 수 있다.

블로바이 유로(20)는 엔진 실린더(10)를 구성하는, 크랭크 케이스(14)와 실린더 헤드(16)의 사이를 연결하도록 형성될 수 있다.

블로바이 유로(20)는 크랭크 케이스(14)와 실린더 헤드(16)의 사이에 형성되는 것으로, 엔진의 연소 과정에서 발생된 블로바이 가스(21)가 이동되도록 형성될 수 있다.

여기서 블로바이 가스(21)는 수소 엔진의 연소 과정에서 발생된 연소 가스의 일부가 크랭크 케이스(14)의 내부로 유입된 것을 말한다. 이러한 블로바이 가스(21)는 다량의 수분이 포함된다.

즉, 종래 수소 엔진은 역화가 발생되는 것을 방지하기 위해 흡기관에 물을 분사한다. 역화는 엔진 실린더의 내부에서 발생된 모종의 점화원이 정상적인 스파크가 발생되기 전에, 흡입되는 혼합기가 조기 착화되어 빠른 연소 속도에 의해 화염이 흡기관의 내부로 역류하는 것을 말한다. 따라서, 수소 엔진에 역화가 발생되는 것을 방지하고자 흡기관(11)의 내부에 물을 분사하는 바, 크랭크 케이스로 유입된 블로바이 가스에는 수분이 포함될 수 있다.

본 실시예에서 블로바이 유로(20)는 실린더 블록(12)에서 배기관(13)이 연결된 위치에 근접되는 위치에 형성되도록 하여, 블로바이 가스(21)가 블로바이 유로(20)를 통과하는 과정에서 배기관(13)의 열에 의해 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 블로바이 유로(20)에서 블로바이 가스(21)와 오일이 함께 이동되는 과정에서 배기관(13)의 열이 전달되는 바, 블로바이 가스(21)에 포함된 수분이 응축되는 것을 방지하여 수분과 오일과 혼합되는 것을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다.

한편, 실린더(10)에는 블로바이 유로(20)에 연결되는 제1 배출 유로(30)가 설치될 수 있다.

제1 배출 유로(30)는 일측은 블로바이 유로(20)에 연결되어 블로바이 가스(21)가 배출되며 타측은 흡기관(11)에 연결되어 블로바이 가스(21)가 배출되도록 설치될 수 있다.

이와 같이, 제1 배출 유로(30)가 블로바이 유로(20)에 연결되게 설치되는 것은, 크랭크 케이스(14)와 실린더 헤드(16)의 사이에서 블로바이 유로(20)를 통해 이동되는 블로바이 가스(21)에 포함된 수분을 적절하게 분리하기 위함이다.

이를 위해, 제1 배출 유로(30)에는 수분 분리기(40)가 설치될 수 있다.

수분 분리기(40)는 제1 배출 유로(30)에서 블로바이 유로(20)에 연결된 위치에 근접되게 설치되는 것으로, 블로바이 가스(21)에 포함된 수분을 분리하여 워터 탱크(50)로 공급할 수 있다.

즉, 워터 탱크(50)는 수분 분리기(40)에 수분 유로(51)에 의해 연결되는 바, 제1 배출 유로(30)에 유입된 블로바이 가스(21)에 포함된 수분이 저장될 수 있다.

이와 같이 워터 탱크(50)에 저장된 수분은 수소 엔진의 내부에 원하는 시기에 흡기관(11)의 내부에 재공급될 수 있다. 따라서, 수소 엔진의 구동 과정에서 역화 방지를 위한 물을 적절한 시기에 충분하게 공급하는 것이 가능한 바, 역화 방지된 상태로 안정적인 엔진 구동이 가능하여 내구성의 향상이 가능하다.

수분 분리기(40)에서 수분이 분리된 블로바이 가스(21)는 흡기관(11)에 재공급될 수 있다. 따라서, 수분이 분리된 블로바이 가스(21)가 흡기관(11)을 통해 엔진에 재공급되는 바, 엔진 오일의 윤활 특성을 적절하게 유지하는 것이 가능하여 엔진 내구성의 확보가 가능하게 된다.

한편, 실린더(10)에는 제2 배출 유로(60)가 설치될 수 있다.

제2 배출 유로(60)는 일측은 실린더 블록(12)에 연결되고 타측은 흡기관(11)에 형성된 흡기 매니 폴드(11a)에 연결될 수 있다. 제2 배출 유로(60)는 개폐 밸브(70)의 개폐 작동에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.

이와 같이, 제2 배출 유로(60)가 설치되는 것은 차량의 부하조건에 따라 제어부(80)의 제어에 의해 개폐 밸브(70)가 선택적으로 개폐되는 바, 흡기 매니 폴드(11a)로 블로바이 가스(21)가 선택적으로 공급되도록 하기 위한 것이다. 이에 대해서는 이하에서 제어부(80)를 설명하면서 보다 구체적으로 설명한다.

제어부(80)는 차량의 부하 조건에 따라 개폐 밸브(70)를 선택적으로 개폐하는 것으로, 저부하 조건에서는 개폐 밸브(70)를 개방하고, 고부하 조건에서는 개폐 밸브(70)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다. 제어부(80)는 ECU(Engine Control Unit) 으로 적용될 수 있다.

여기서, 개폐 밸브(70)는 차량 제어부(80)의 제어 신호에 따라 개폐되는 PCV(Positive Crankcase Ventilation) 밸브로 적용될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 차량 저부하 조건에서는, 개폐 밸브(70)를 개방하여, 흡기 매니 폴드(11a)에 실린더 헤드(16)에 잔존하는 블로바이 가스(61)가 이동되도록 하고, 물은 워터 탱크(50)에 저장된 상태를 유지하도록 제어할 수 있다.

도 2는 도 1의 수분 분리 수소 엔진에서 차량 저부하 조건에서 개폐 밸브의 폐쇄 상태를 개략적으로 도시한 요부 도면이다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 차량 저부하 조건에서는, 물은 흡기관(11)에 공급되지 않은 상태로 워터 탱크(50)에 저장되고, 제어부(80)의 제어 작동에 따라 개폐 밸브(70)가 개방되어 실린더 블록(12) 내부의 블로바이 가스(61)가 흡기 매니 폴드(11a)로 유입되도록 할 수 있다.

이는 차량 저부하 조건에서는 엔진의 역화 발생 가능성이 낮은 상태인 바, 역화 방지를 위한 물은 흡기관(11)에 공급하지 않고 워터 탱크(50)에 저장된 상태를 유지하고, 블로바이 가스(61)는 흡기 매니 폴드(11a)에 공급하여 공기와 혼합되도록 할 수 있다.

다음, 차량 고부하 조건에서는, 제어부(80)는 개폐 밸브(70)를 폐쇄하여 과급 압력과 혼합기가 엔진의 내부 크랭크실로 유입되지 않도록 제어한다.

그리고, 제어부(80)는 수분 분리기(40)를 작동하여 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리하여 워터 탱크(50)에 저장하고, 워터 탱크(50)에 저장된 물을 적절한 시기에 흡기관(11)에 충분하게 공급하는 것이 가능한 바, 수소 엔진을 역화 방지된 상태로 안정적으로 구동하는 것이 가능하여 엔진 내구성의 향상이 가능하다.

도 3은 도 1의 수분 분리 수소 엔진에서 차량 고부하 조건에서 개폐 밸브의 개방 상태에서 블로바이 가스의 이동 상태를 개략적으로 도시한 요부 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(80)는 차량 고부하 조건에서 수분이 분리된 블로바이 가스를 흡기관(11)에 공급하는 바, 수분이 분리된 블로바이 가스(21)가 흡기관(11)을 통해 엔진에 재공급되도록 하여 엔진 오일의 윤활 특성을 적절하게 유지하는 것이 가능하여 엔진 내구성의 확보가 가능하게 된다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 수분 분리 수소 엔진(100)은, 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리 저장하여, 저장된 물을 적절한 시기에 흡기관(11)에 충분하게 공급하는 것이 가능한 바, 수소 엔진을 역화 방지된 상태로 안정적으로 구동하는 것이 가능하여 엔진 내구성의 향상이 가능하다.

또한, 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리하여, 블로바이 가스에 포함된 수분에 의해 크랭크 케이스 내부의 엔진 오일이 열화 또는 산화되는 것을 방지하여, 엔진 오일의 윤활 특성을 유지하면서 엔진 내구성을 확보하는 것이 가능하다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10...실린더 11...흡기관
12...실린더 블록 13...배기관
15...피스톤 16...실린더 헤드
20...블로바이 유로 21, 61...블로바이 가스
30...제1 배출 유로 40...수분 분리기
50...워터탱크 51...수분 유로
60...제2 배출 유로 70...개폐 밸브
80...제어부

Claims

흡기관과 배기관이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더;
상기 실린더의 크랭크 케이스와 실린더 헤드의 사이에 형성되어 블로바이 가스가 이동되는 블로바이 유로;
일측은 블로바이 유로에 연결되어 상기 블로바이 가스가 유입되며 타측은 흡기관에 연결되는 제1 배출 유로;
상기 제1 배출 유로에 설치되어 상기 블로바이 가스에 포함된 수분을 분리하여, 수분 분리된 블로바이 가스가 상기 흡기관에 공급되도록 하는 수분 분리기;
상기 수분 분리기에 연결되어, 상기 수분이 저장되는 워터 탱크;
일측은 실린더 블록에 연결되고 타측은 상기 흡기관에 연결되는 제2 배출유로;
상기 제2 배출 유로를 개폐하도록 설치되는 개폐밸브; 및
차량의 부하 조건의 변경에 따라 상기 개폐 밸브를 개폐하는 제어부;
를 포함하는 수분 분리 수소 엔진.
제1항에 있어서,
상기 흡기관에는 흡기 매니 폴드가 형성되고,
상기 제2 배출 유로의 타측은 상기 흡기 매니 폴드에 연결되는 수분 분리 수소 엔진.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
차량의 저부하 운전 조건에서 상기 개폐 밸브를 개방하여 상기 블로바이 가스가 상기 제2 배출 유로를 통해 상기 흡기 매니 폴드에 공급되도록 제어하는 수분 분리 수소 엔진.
제3항에 있어서,
상기 제어부는,
차량 고부하 운전조건에서, 상기 개폐밸브를 폐쇄하고, 상기 수분 분리기를 작동하여 상기 블로바이 가스에서 분리된 수분은 상기 워터탱크에 저장하고 상기 블로바이 가스는 상기 제1 배출 유로를 통해 상기 흡기관에 공급되도록 제어하는 수분 분리 수소 엔진.
제1항에 있어서,
상기 블로바이 유로는,
상기 배기관이 연결된 위치에서 상기 실린더 블록에서 상기 크랭크 케이스와 상기 실린더 헤드의 사이에 형성되는 수분 분리 수소 엔진.