KR20020054831A

KR20020054831A - 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템

Info

Publication number: KR20020054831A
Application number: KR1020000084037A
Authority: KR
Inventors: 이석재
Original assignee: 이계안; 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-08

Abstract

본 발명의 목적은 직렬형 하이브리드 자동차의 취지를 살리면서 이상 연소가 없고 질소산화물의 배출도 거의 없는 영역에서 운전되는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템은, 수소를 연료로 사용하고 고정된 운전 조건에서 발전기를 구동시키는 전용 수소 내연기관, 이 수소 내연기관에 압축된 수소를 공급하는 수소 공급장치, 이 수소 공급장치에서 상기 수소 내연기관으로 공급되는 수소를 제어하는 수소 제어장치를 포함하여 구성된다.

Description

직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템{HYDROGEN INTERNAL COMBUSTION ENGINE GENERATING SYSTEM FOR A SERIES TYPE HYBRID VEHICLE}

본 발명은 직렬형 하이브리드 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직렬형 하이브리드 자동차의 취지를 살리면서 이상 연소가 없고 질소산화물의 배출도 거의 없는 영역에서 운전되는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차는 주행시 공해 배출이 없는 장점이 있으나 주행 거리가 짧은 단점 등으로 인하여 일반화가 지연되고 있다. 이 단점을 극복하기 위하여 개발된 것이 직렬형 하이브리드 자동차이다.

이 직렬형 하이브리드 자동차는 전기 자동차에 탑재된 보조 발전 장치에서전기를 공급하는 구조를 지니고 있다.

이 직렬형 하이브리드 자동차는 동일한 전기 모터를 사용하는 경우, 배터리의 용량이 1/3로 감소되고, 연료의 충전 시간이 짧아지며, 그리고 병렬형 하이브리드 자동차에 비해 구조가 단순하게 되는 특징을 가지고 있다.

이러한 직렬형 하이브리드 자동차에서 모터 등의 파워 트레인은 일반적으로 전기 자동차와 동등한 용량으로 선택되며, 보조 발전 장치는 다양하게 사용될 수 있다.

이 보조 발전 장치로 널리 사용되는 것은 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진이며 이외에 가스 터빈 등도 사용된다. 이 모든 경우에 있어 운전 조건은 고정되며 이 운전 조건의 고정은 열효율을 극대화시키고 유해 물질의 배출을 극소화시키는 방향으로 최적화 된다.

그러나 상기와 같은 직렬형 하이브리드 자동차에 적용되는 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 가스 터빈은 유해 물질의 배출로 인하여 전기 자동차의 기본 장점인 주행중 무공해라는 틀에서 벗어나게 하고, 무공해에 가장 근접하기 위하여 유해 물질의 배출이 가장 적은 대체 연료 또는 대체 동력원의 적용을 필요로 하고; 수소 내연기관은 수소의 특성상 이상 연소 및 질소산화물로 인하여 출력 성능을 제한시키는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 직렬형 하이브리드 자동차의 취지를 살리면서 이상 연소가 없고질소산화물의 배출도 거의 없는 영역에서 운전되는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소 내연기관 발전 시스템이 적용되는 직렬형 하이브리드 자동차의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템의 구성도이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템은,

수소를 연료로 사용하고 고정된 운전 조건에서 발전기를 구동시키는 전용 수소 내연기관,

상기 전용 수소 내연기관에 압축된 수소를 공급하는 수소 공급장치,

상기 수소 공급장치에서 상기 전용 수소 내연기관으로 공급되는 수소를 제어하는 수소 제어장치

를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 수소 내연기관 발전 시스템이 적용되는 직렬형 하이브리드 자동차의 구성도로서, 전기 자동차 구동 시스템(1)과 수소 내연기관 발전 시스템(3)을 포함하여 구성된다.

전기 자동차 구동 시스템(1)은 공기의 것이 그대로 사용될 수 있으므로 이에 대한 설명을 간단히 한다.

즉, 전기 자동차 구동 시스템(1)은 배터리계(5)와 모터 제어계(7), 감속기(9)와 모터(11), 그리고 보조 배터리(13)를 포함한다.

배터리계(5)는 주 전원을 공급하는 구동 배터리(15)와 배터리 제어기(17)로 구성된다. 구동 배터리(15)는 통상 Ni-MH 배터리가 사용된다.

모터 제어계(7)는 배터리계(5)에서 공급되는 전원을 공급받아 모터(11)를 제어하는 모터 제어기(19), 직류전압 변환기(21), 그리고 탑재형 충전기(23)를 포함하여 구성된다.

그리고 모터(11)는 모터 제어기(19)에 의하여 제어되어 감속기(9)로 구동력을 출력할 수 있도록 구동축(25)에 연결된다. 이 구동축(25)에는 구동륜(27,29)이 장착된다.

한편, 수소 내연기관 발전 시스템(3)은 전용 수소 내연기관(31), 수소 공급장치(33), 그리고 수소 제어장치(35)를 포함하여 구성된다.

전용 수소 내연기관(31)은 수소를 연료로 사용하여 고정된 운전 조건에서 발전기(37)를 구동시킬 수 있도록 연결된다.

이 전용 수소 내연기관(31)은 크랭크 샤프트에 발전기(37)를 장착하고, 도 2에 도시된 바와 같이 흡기 매니폴드(39)에 수소를 분사하는 수소 인젝터(41)를 설치하여 구성된다. 이 전용 수소 내연기관(31)은 비용을 줄일 수 있도록 가솔린 엔진을 사용할 수 있다. 그리고 플라이 휠을 제거하고 그 자리에 발전기(37)를 장착한다. 또 수소의 희박 연소의 특성을 이용하기 위하여 스로틀 바디를 제거하고 수소 인젝터(41)로 수소를 분사한다. 이 전용 수소 내연기관(31)의 운전 조건은 4000rpm에서 과잉 공기율 3.0으로 공급하여 17.5kW의 출력을 얻는다.

수소 공급장치(33)는 전용 수소 내연기관(31)에 압축된 수소를 공급하도록구성된다.

이 수소 공급장치(33)는 고압 수소 용기(43), 솔레노이드 차단 밸브(45), 그리고 차단 밸브(47)를 포함하여 구성된다.

고압 수소 용기(43)는 압축된 고압의 수소를 저장할 수 있도록 구성된다. 솔레노이드 차단 밸브(45)는 고압 수소 용기(43)에서 수소 인젝터(41)로 공급되는 수소의 양을 제어할 수 있도록 전자제어유닛(ECU)에 연결된다. 그리고 차단 밸브(47)는 솔레노이드 차단 밸브(45)에서 공급되는 수소의 압력이 일정압을 유지할 수 있도록 솔레노이드 차단 밸브(45)와 수소 인젝터(41) 사이에 설치된다.

한편, 수소 제어장치(35)는 수소 공급장치(33)에서 전용 수소 내연기관(31)으로 공급되는 수소의 양을 제어하도록 구성된다.

이 수소 제어장치(35)는 연료 제어계(49)와 발전기 제어계(51)로 구성된다. 연료 제어계(49)는 수소 인젝터(41)로 분사되는 수소의 양을 제어하도록 구성된다. 발전기 제어계(51)는 발전기(37)와 전기 자동차 구동계(1)의 구동 배터리(15) 사이에서 발전기(37)를 제어하도록 구성된다.

이 수소 제어장치(35)는 전용 수소 내연기관(31)이 고정된 운전 조건에서만 구동되므로 전자제어유닛(ECU)의 다양한 기능은 필요없다. 단지 각 부품의 고정 상태 여부를 감시하는 로직만 필요하다. 덧붙이면 광역 산소센서(미도시)를 사용하여 전용 수소 내연기관(31)으로부터 발생하는 질소산화물의 농도가 원하는 배기 규제의 수준에 이르도록 제어를 수행할 수는 있다.

그리고 본 실시예의 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템은 안전 밸브(53), 압력 게이지(55), 공급 차단밸브(57), 수소 주입구(59), 서지 탱크(61), 압력 센서(63), 그리고 온도 센서(65)를 더 포함하여 구성된다. 이 구성품들은 공지의 것이 사용될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

상술한 바와 같이 구성되는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템의 작용을 설명한다.

전기 자동차 구동계(1)는 공지와 같이 작용하므로 이에 대한 설명은 생략하고, 전기 자동차 구동계(1)와 별도로 전류를 발생시켜 공급하는 수소 내연기관 발전 시스템(3)에 대해서만 설명한다.

고압 수소 용기(43)에 충진된 수소는 전자제어유닛(ECU)에 의하여 제어되는 솔레노이드 차단 밸브(45)와 차단 밸브(47)를 통하여 수소 인젝터(45)로 공급된다.

이때 전자제어유닛(ECU)이 수소 인젝터(45)를 제어함에 따라 수소는 흡기 매니폴드(39)로 분사된다.

이 수소에 의하여 전용 수소 내연기관(31)이 구동되면서 발전기(37)를 구동시킨다.

이 발전기(37)의 구동으로 발생된 전류는 전기 자동차 구동계(1)의 구동 배터리(15)로 공급되어 모터(11)를 구동시키는 전원으로 공급된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템은 수소 제어장치로 수소 공급장치를 제어하므로 전용 수소 내연기관이 고정된 운전 조건에서 구동될 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템은 직렬형 하이브리드 자동차의 취지를 살리면서 이상 연소와 질소산화물의 배출도를 없앨 수 있다.

Claims

a)수소를 연료로 사용하고 고정된 운전 조건에서 발전기를 구동시키는 전용 수소 내연기관,

b)상기 전용 수소 내연기관에 압축된 수소를 공급하는 수소 공급장치, 그리 고

c)상기 수소 공급장치에서 상기 전용 수소 내연기관으로 공급되는 수소를 제 어하는 수소 제어장치

를 포함하는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 전용 수소 내연기관은 크랭크 샤프트에 발전기를 장착하고, 흡기 매니폴드에 수소를 분사하는 수소 인젝터를 설치함을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 수소 공급장치는 고압의 수소를 저장하는 고압 수소 용기,

상기 고압 수소 용기로부터 흡기 매니폴드에 설치되는 수소 인젝터로 공급되는 수소를 제어하는 솔레노이드 차단 밸브와 압력 조절기를 포함하는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 수소 제어장치는 수소 인젝터로 분사되는 수소의 양을 제어하는 연료 제어계,

발전기와 전기 자동차 구동계의 구동 배터리 사이에서 상기 발전기를 제어하는 발전기 제어계를 포함하는 직렬형 하이브리드 자동차용 수소 내연기관 발전 시스템.