KR102587151B1 - 교대 착화 방식의 수소 엔진 - Google Patents

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Abstract

교대 착화 방식의 수소 엔진이 개시된다. 교대 착화 방식의 수소 엔진은, 흡기관과 배기관이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤과 실린더의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터가 설치된 실린더와, 실린더의 실린더 헤드에 복수개로 설치되어 연료와 공기가 혼합되는 혼합기를 점화하는 복합 점화 플러그와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 상기 복수개의 복합 점화 플러그를 교대 작동 제어하여, 혼합기를 교대 착화 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

교대 착화 방식의 수소 엔진{ALTERNATING IGNITION TYPE HYDROGEN ENGINE}
본 발명은 조기 착화 발생을 방지하고 내구성의 향상이 가능한 교대 착화 방식의 수소 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 수소엔진 개발의 가장 큰 문제는 조기 착화의 발생이다.
수소기관의 조기 착화는 실린더 내에 발생된 모종의 점화원이 정상적인 스파크가 주어지기 전에 흡입된 혼합기를 조기 착화시켜 점화플러그의 착화 시기와 관계없이 조기 착화하는 현상이다.
조기 착화 발생인자 중 모종의 점화원으로 많이 지목된 것은 가솔린 엔진과 마찬가지로 실린더 내에 형성되는 열점이며, 수소의 낮은 착화에너지와 높은 단열화염온도에 기인한다는 것이다.
이러한 조기 착화 현상은 피스톤 간극에 정체되어 있던 오일 액적이 연소실에 유입되어 착화되는 것에 기인하며, 이를 억제하기 위해 오일의 산화반응을 억제하여 조기 착화의 발생 빈도를 낮추는 연구 등이 진행되고 있다.
그러나 엔진을 동력원으로 이용하는 이동체 등에서 윤활 성능을 보장해야하는 오일의 성분 변화 및 오일 액적의 증발 억제는 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 복수개의 점화 플러그를 설치하여 교대 착화 작동에 의해 점화 플러그의 온도 상승 방지 작용으로, 조기 착화 발생을 방지하는 교대 착화 방식의 수소 엔진을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 흡기관과 배기관이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤과 실린더의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터가 설치된 실린더와, 실린더의 실린더 헤드에 복수개로 설치되어 연료와 공기가 혼합되는 혼합기를 점화하는 복합 점화 플러그와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 상기 복수개의 복합 점화 플러그를 교대 작동 제어하여, 혼합기를 교대 착화 제어하는 제어부를 포함한다. 흡기관의 내부에는 물이 분사될 수 있다.
복합 점화 플러그는, 실린더 헤드에 설치되어 혼합기를 점화하는 제1 복합 점화 플러그와, 실린더 헤드에서 상기 제1 복합 점화 플러그로부터 이격된 위치에 설치되어 혼합기를 점화하는 제2 복합 점화 플러그를 포함할 수 있다.
제어부는, 차량의 고속 고부하 운전 조건에서 복합 점화 플러그를 교대 착화 작동 제어할 수 있다.
복합 점화 플러그의 작동 불량 상태를 감지하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
제어부는, 센서부의 센싱 신호를 수신하여, 상기 복수개의 복합 점화 플러그 중에서 작동 불량 상태의 복합 점화 플러그의 작동을 정지시키고, 정상 상태의 복합 점화 플러그를 이용하여 혼합기의 정상 착화 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수개의 복합 점화 플러그가 서로 간에 번갈아 작동되는 바, 혼합기의 교대 착화가 이루어져 조기 착화 발생이 이루어지는 원인인 열점의 하나인 점화 플러그의 전극의 온도를 낮추는 것이 가능하여, 점화 플러그의 상승 온도에 의해 조기 착화가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 교대 착화 방식의 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 교대 착화 방식의 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
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 교대 착화 방식의 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 교대 착화 방식의 수소 엔진(100)은, 왕복 운동하는 피스톤과 실린더(10)의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터 설치된 실린더(10)와, 실린더(10)의 실린더 헤드(15)에 복수개로 설치되어 연료와 공기가 혼합되는 혼합기를 점화하는 복합 점화 플러그(50)와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 복수개의 복합 점화 플러그(50)를 교대 작동 제어하여 혼합기를 교대 착화 제어하는 제어부(60)를 포함한다.
실린더(10)는 수소 엔진에 적용되는 것으로 흡기관(20)과 배기관(30)이 연결되고, 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된다.
실린더(10)는 피스톤이 내부에 설치되는 실린더 블록(11)과, 실린더 블록(11)의 하부에 설치되는 크랭크 케이스(13)와, 실린더 블록(11)의 상부에 설치되는 실린더 헤드(15)를 포함할 수 있다.
실린더(10)에는 흡기관(20)과 배기관(30)이 각각 연결될 수 있다.
흡기관(20)은 수소 엔진의 작동을 위한 에어가 유입되는 부분에 연결되어. 혼합기의 형성을 위한 에어를 흡입하도록 연결될 수 있다.
한편, 흡기관(20)에는 역화가 발생되는 것을 방지하기 위해 물이 분사될 수 있다. 여기서, 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(20)의 내부에 물이 분사될 수 있다.
연료 인젝터(미도시)는 실린더 헤드(15)에 설치되는 것으로, 수소 연료를 실린더(10)의 연소실로 공급하도록 설치될 수 있다.
이와 같이, 연료 인젝터를 이용하여 수소 연료를 실린더(10)의 내부에 공급하고, 복합 점화 플러그(50)의 스파크 발생에 의해 엔진 구동이 이루어질 수 있다.
이러한 수소 연료는 중량당 에너지 밀도가 높아 한번 충전으로 장시간 차량 운행을 지속하는 것이 가능하고 무공해 연료로서 환경 오염이 발생되지 않고 안정적인 엔진 구동이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 복합 점화 플러그(50)는 실린더 헤드(15)에 설치되어, 수소 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 차량의 부하 조건에 따라 작동을 달리하면서 착화 작동될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 복합 점화 플러그(50)는, 실린더 헤드(15)에 설치되어 혼합기를 점화하는 제1 복합 점화 플러그(51)와, 실린더 헤드(15)에서 제1 복합 점화 플러그(51)로부터 이격된 위치에 설치되어 혼합기를 점화하는 제2 복합 점화 플러그(53)를 포함할 수 있다.
제1 복합 점화 플러그(51)는 실린더 헤드(15)에 설치되어 스파크 발생에 의해 연소실에 공급되는 혼합기를 점화하도록 설치될 수 있다.
제1 복합 점화 플러그(51)는, 제어부(60)의 제어 작동에 따라 작동되는 것으로, 차량의 부하 조건에 따라 작동되어 혼합기를 점화하도록 설치될 수 있다.
제2 복합 점화 플러그(53)는, 실린더 헤드(15)에서 제1 복합 점화 플러그(51)로부터 이격된 위치에 설치되어 스파크 발생에 의해 연소실에 공급되는 혼합기를 점화하도록 설치될 수 있다.
제2 복합 점화 플러그(53)는, 제어부(60)의 제어 작동에 따라 작동되는 것으로, 차량의 부하 조건에 따라 작동되어 혼합기를 점화하도록 설치될 수 있다.
제1 복합 점화 플러그(51)와 제2 복합 점화 플러그(53)는 서로간에 동일 또는 유사한 구성으로 설치되어, 제어부(60)의 제어 작동에 따라 선택적으로 혼합기를 점화하도록 설치될 수 있다.
본 실시예의 복합 점화 플러그(50)는 실린더 헤드(15)에 제1 복합 점화 플러그(51)와 제2 복합 점화 플러그(53)의 2개가 서로간에 이격된 위치에 설치는 것을 예시적으로 설명하지만, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고, 실린더 헤드(15)에 적어도 적어도 2개 이상의 복수개로 적절하게 설치될 수 있다.
제어부(60)는 차량의 부하 조건에 따라 복합 점화 플러그(50)를 구성하는 제1 복합 점화 플러그(51)와 제2 복합 점화 플러그(53)를 선택적으로 작동 제어할 수 있다. 이러한 제어부(60)는 ECU(Engine Control Unit)로 적용될 수 있다.
제어부(60)는 차량의 운전 부하 조건을 확인하고, 차량의 고속 고부하 조건에서 제1 복합 점화 플러그(51)와 제2 복합 점화 플러그(53)가 교대로 착화되도록 제어할 수 있다.
이는, 차량의 고속 고부하 조건에서는 혼합기의 조기 착화 발생 빈도가 높다. 따라서, 제어부(60)는 혼합기 조기 착화 발생을 방지하도록 제1 복합 점화 플러그(51)와 제2 복합 점화 플러그(53)가 교대로 착하되도록 제어하는 바, 점화 플러그의 온도 상승을 억제하면서 교대 착화 작동에 따른 혼합기의 최적 점화가 이루어지도록 제어할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 복합 점화 플러그(50)에 인가되는 시간인 드웰(dwell) 시간은 1ms 이내로 감소될 수 있다. 따라서. 본 실시예는 점화 플러그의 잔류 에너지를 제거하여, 잔류 에너지로 인한 역화 및 조기 착화가 발생되는 것을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 교대 착화 방식의 수소 엔진(100)은, 차량의 부하 조건을 확인하여 고속 고부하 조건인 경우, 복합 점화 플러그(50)를 구성하는 제1 복합 점화 플러그(51)와 제2 복합 점화 플러그(53)가 서로 간에 번갈아 작동되는 바, 혼합기의 교대 착화가 이루어질 수 있다.
따라서, 복합 점화 플러그(50)의 교대 착화 작동에 의해, 조기 착화 발생이 이루어지는 원인인 열점의 하나인 점화 플러그의 전극의 온도를 낮추는 것이 가능하여, 점화 플러그의 상승 온도에 의해 조기 착화가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한 복합 점화 플러그(50)에 전기 에너지 인가되는 드웰(dwell) 시간을 1ms 이내로 단축하는 것이 가능한 바, 점화 플러그 내에 잔류하는 잔류 에너지에 의한 역화 및 조기 착화 발생 가능성을 감소시키고 점화 플러그의 내구성의 확보가 가능하다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 교대 착화 방식의 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 사시도이다. 도 1과 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말하다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 교대 착화 방식의 수소 엔진(200)은, 복합 점화 플러그(50)의 작동 불량 상태를 감지하는 센서부(110)가 설치될 수 있다.
센서부(110)는 복합 점화 플러그(50)를 구성하는 제1 복합 점화 플러그(51)와 제2 복합 점화 플러그(53)의 작동 오류 상태를 센싱하도록 설치될 수 있다. 이와 같이, 센서부(110)에서 센싱된 센싱 신호는 제어부(60)로 전송될 수 있다.
제어부(60)는 센서부(110)의 센싱 신호를 수신하여, 제1 복합 점화 플러그(51) 또는 제1 복합 점화 플러그(51)의 고장 상태를 확인하여 어느 하나의 점화 플러그의 고장으로 확인되는 경우, 다른 하나의 점화 플러그의 단독 작동이 이루어지도록 할 수 있다. 이때 복합 점화 플러그(50)는 교대 착화 작동되지 않고 제1 복합 점화 플러그(51) 또는 제2 복합 점화 플러그(53) 중의 정상 점화 플러그의 단독 작동으로 혼합기의 착화 작동이 이루어질 수 있다.
따라서, 본 실시예의 복합 점화 플러그(50)를 구성하는 제1 복합 점화 플러그(51) 또는 제2 복합 점화 플러그(53)의 어느 하나의 고장이 발생되어도, 엔진의 정상 작동이 이루어질 수 있다.
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...실린더 블록
13...크랭크 케이스 15...실린더 헤드
20...흡기관 30...배기관
50...복합 점화 플러그 51...제1 복합 점화 플러그
53...제2 복합 점화 플러그 60...제어부
110..센서부

Claims (5)

  1. 흡기관과 배기관이 연결되고, 내부에는 왕복 운동하는 피스톤과 실린더의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터가 설치된 실린더;
    상기 실린더의 실린더 헤드에 복수개로 설치되어, 연료와 공기가 혼합되는 혼합기를 점화하는 복합 점화 플러그;
    차량의 부하 조건의 변경에 따라 상기 복수개의 복합 점화 플러그를 교대 작동 제어하여, 혼합기를 교대 착화 제어하는 제어부; 및
    상기 복합 점화 플러그의 작동 불량 상태를 감지하는 센서부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 센서부의 센싱 신호를 수신하여, 상기 복수개의 복합 점화 플러그 중에서 작동 불량 상태의 복합 점화 플러그의 작동을 정지시키고, 정상 상태의 복합 점화 플러그를 이용하여 혼합기의 정상 착화 제어하며,
    상기 흡기관의 내부에는 물이 분사되는, 교대 착화 방식의 수소 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 점화 플러그는,
    상기 실린더 헤드에 설치되어 혼합기를 점화하는 제1 복합 점화 플러그; 및
    상기 실린더 헤드에서 상기 제1 복합 점화 플러그로부터 이격된 위치에 설치되어 혼합기를 점화하는 제2 복합 점화 플러그;
    를 포함하는, 교대 착화 방식의 수소 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 차량의 고속 고부하 운전 조건에서 상기 복합 점화 플러그를 교대 착화 작동 제어하는, 교대 착화 방식의 수소 엔진.
  4. 삭제
  5. 삭제
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