KR20060127363A - 수소 천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 천연가스엔진의 엔진부하별 수소첨가량을 자동 조절함으로써 엔진의 전 운전영역에서 엔진 성능 향상 및 배출가스 저감을 이루도록 하는 부압식 수소연료량 조절장치에 관한 것이다. 수소연료를 자동차 연료로 사용할 경우, 빠른 연소속도, 넓은 가연한계, 탄소성분이 없음으로 인한 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 발생이 없는 청정 연료인 장점이 있는 반면, 높은 단열화염온도로 인한 질소 산화물(NOx)이 증가하는 특징이 있다. 한편 천연가스를 자동차 연료로 사용할 경우 느린 연소속도, 상대적으로 좁은 가연한계, 비교적 낮은 화염온도, 청정연료라는 특징이 있다. 따라서 천연가스를 연료로 사용하는 차량에 적정 비율로 수소연료를 혼합하여 연소시킬 경우 수소연료의 빠른 연소 특성을 이용하여 미연 탄화수소(HC) 배출을 줄일 수 있고, 희박연소 한계를 개선할 수 있다. 본 발명에 따른 부압식 수소연료량 조절장치는 수소 천연가스엔진의 수소연료 공급관에 설치되며 흡기 매니폴드의 부압에 따라 듀티 컨트롤됨으로써 엔진의 부하 및 rpm조건에 따라 수소연료 공급량을 최적화 되도록 조절하여 수소 천연가스 엔진의 성능을 극대화한다.

천연가스엔진, 수소연료, 미연탄화수소, 부압식밸브

Description

수소 천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치{VACUUM TYPE HYDROGEN FUEL CONTROL VALVE FOR HYDROGEN-NATURAL GAS FUELED ENGIN}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치의 개략도이고,

도 2는 본 발명에 따른 부압식 수소연료량 조절장치의 부압식 수소연료량 조절밸브를 개략적으로 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명에 따른 부압식 수소연료량 조절장치에서 흡기매니폴드의 부압의 변화에 따른 수소연료 공급량의 변화를 나타낸 도표이다.

본 발명은 이중 연료를 사용하는 수소 천연가스엔진에 사용되는 부압식 수소연료량 조절장치에 관한 것으로서, 흡기 매니폴드 내부에 형성된 부압을 이용하여 엔진부하별 수소첨가량을 자동 조절함으로써 엔진의 전 운전영역에서 엔진 성능 향상 및 배출가스 저감을 이루기 위한 것이다.

천연가스 차량의 도입으로 인한 배출가스 저감 효과는 경유차 기준으로 약 70%정도이며 매연은 전혀 배출되지 않는 장점이 있다. 따라서 최근 저공해 차량으 로서 천연가스 차량 보급이 국외는 물론 국내에서도 활성화되고 있다. 그러나 천연가스차량은 디젤이나 가솔린차량 등에 비해 상대적으로 저공해인 것이지 수소나 전기차량과 같은 무공해 차량은 아니다. 특히 온실효과에 관여하는 CO₂ 발생의 측면에서는 제약이 따른다. 이에 반해 수소를 첨가하는 수소-천연가스 혼합연료 자동차는 유해배기가스 및 CO₂ 발생을 동시에 해결할 수 있는 신기술이다.

한편 천연가스를 자동차 연료로 사용할 경우 느린 연소속도, 상대적으로 좁은 가연한계, 비교적 낮은 화염온도, 청정연료라는 특징이 있다. 따라서 천연가스를 연료로 사용하는 차량에 적정 비율로 수소연료를 혼합하여 연소시킬 경우 수소연료의 빠른 연소 특성을 이용하여 미연 탄화수소(HC) 배출을 줄일 수 있고, 희박연소 한계를 개선할 수 있다.

수소-천연가스 혼합연료의 사용에 의한 배기 및 연소성능향성은 수소가 첨가되는데 따른 혼합연료중의 탄소성분 감소, 연소속도와 연료의 비열비 증가와 고압축비사용 등에 기인한다.

수소연료를 자동차 연료로 사용할 경우, 빠른 연소속도, 넓은 가연한계, 탄소성분이 없음으로 인한 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 발생이 없는 청정 연료인 장점이 있는 반면, 높은 단열화염온도로 인한 질소 산화물(NOx)이 증가하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발 명의 목적은 엔진의 전 운전영역에서 엔진 성능 향상 및 배출가스 저감을 달성하기 위한 수소 천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 수소 천연가스 엔진의 수소연료량 조절장치는 엔진의 흡기 매니폴드의 부압에 의해 듀티 컨트롤되는 부압식 수소연료량 조절밸브를 수소연료 공급관에 설치함으로써 엔진 부하 및 rpm조건에 따라 수소연료 공급량이 최적화 되도록 하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 천연가스엔진의 연료레일과 수소연료탱크를 연결하는 수소연료공급관; 상기 수소연료공급관에 설치되는 압력조절기; 및 상기 수소연료공급관 중에서 상기 연료레일과 상기 압력조절기 사이에 설치되며 상기 천연가스엔진의 흡기 매니폴드와 압력조정용배관을 통해 연결되는 부압식 수소연료량 조절밸브를 포함하는 수소천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치에 의해 달성된다.

상기 목적을 달성하기 위해, 상기 부압식 수소연료량 조절밸브는; 내부 위쪽에서 탄성지지되는 다이어프램에 의해 상하로 차단되는 내부공간을 구비하고, 상기 다이어프램 위쪽 내부공간은 상기 압력조정용배관이 연결되며, 상기 다이어프램의 아래쪽 내부공간에 압력조절기측 수소연료공급관이 결합되는 입구와 연료레일측 수소연료공급관이 결합되는 출구가 형성된 본체; 및 상기 본체의 입구를 개폐하기 위해서 상기 본체의 입구를 향하도록 상기 다이어프램의 일면에 형성되는 핀틀을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 부압식 수소연료량 조절밸브는 상기 천연가스엔진이 중저속 또는 부하 상태인 경우 수소연료량을 증가시키고, 상기 천연가스엔진이 고속 또는 고부하 상태인 경우 수소연료량을 감소시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 그밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치의 구성에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소연료량 조절장치는 수소연료탱크(1), 수소연료탱크(1)를 연료레일(9)에 연결하는 수소연료공급관(5), 수소연료공급관(5)에 설치되는 압력조절기(2) 및 부압식 수소연료량 조절밸브(10)를 포함한다. 상기 연료레일(9)은 천연가스연료공급관(120) 및 압력조절기(110)를 통해 압축천연가스탱크(100)와 연결된다.

수소연료탱크(1)로부터 수소연료공급관(5)을 통해 공급되는 고압의 수소연료는 압력조절기(2)에 의해 엔진에서 사용하기에 적절한 압력으로 감압되고, 감압된 수소연료의 유량은 부압식 수소연료량 조절밸브(10)를 통해 듀티 컨트롤된다.

부압식 수소연료량 조절밸브(10)는 수소천연가스엔진의 흡기 매니폴드(8)에 부압이 발생하는 것을 이용한 것으로서 엔진의 운전조건에 따라 흡기 매니폴드(8)에 발생하는 부압의 변화에 의해 작동하도록 형성된 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 부압식 수소연료량 조절장치의 부압식 수소연료량 조절밸브를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 부압식 수소연료량 조절밸브(10)는 내부공간을 구비한 본체(11)를 구비하며, 본체(11)의 내부 상면에는 다이어프램(20)이 스프링(22)으로 탄성지지되어 본체(11)의 내부공간을 상부공간(13) 및 하부공간(14)으로 차단분리한다.

본체(11)의 상부공간(13)은 흡기 매니폴드(8)와 상호간에 소통하도록 압력조정용배관(6)으로 각각 연결된다. 압력조정용배관(6)은 본체(11)의 상부공간(13)의 압력을 흡기 매니폴드(8) 내부의 압력에 따라 변화시킨다.

본체(11)의 하부공간(14)에는 수소연료 입구(16) 및 수소연료 출구(17)가 형성되며, 수소연료 입구(16)는 압력조절기(2)를 지나온 수소연료공급관(5)과 연결되고 수소연료 출구(17)는 연료레일(9)로 이어지는 수소연료공급관(5)과 연결된다.

본체(11)에 설치된 다이어프램(20)의 하부면에는 그 단부가 본체(11)의 수소연료 입구(16)를 향하도록 핀틀밸브(21)가 고정된다. 따라서 다이어프램(20)의 상하이동에 따라 핀틀밸브(21)가 수소연료 입구(16)를 개폐한다.

천연가스엔진(이하 '엔진'이라 함)이 중,저속 또는 저부하 상태에 있을 때에는 쓰로틀밸브가 작게 열린 상태에서 연소실의 흡입행정이 이루어지므로 흡기 매니폴드(8)의 내부는 부압(negative pressure)이 크게 발생한다. 따라서 흡기 매니폴드(8)와 압력조정용배관(6)을 통해 연결된 부압식 수소연료량 조절밸브(10)의 본체(11)의 상부공간(13)의 부압 역시 커지게 된다. 따라서 본체(11) 상부공간(13)의 부압에 의해 다이어프램(20)이 스프링력을 이기고 위로 상승하면 핀틀밸브(21)가 위로 들어올려지면서 수소연료 입구(16)가 개방되어 수소연료가 수소연료 입구(16)를 통해 본체(11)의 하부공간(14)으로 유입되고 수소연료 출구(17)를 통해 연료레일(9)로 공급된다. 이 때 부압이 크면 클수록 수소연료 입구(16)의 개방정도가 커져서 수소연료공급량이 커지게 된다.

이와 반대로 엔진이 고속 또는 고부하 상태에 있을 때에는 쓰로틀밸브가 거의 완전히 열린 상태에서 연소실의 흡입행정이 이루어지므로 흡기 매니폴드(8)의 내부의 부압은 작게 된다. 그 결과 본체(11) 상부공간(13)의 부압이 다이어프램(20)의 스프링력을 이기지 못하면 다이어프램(20)이 아래로 하강하고 핀틀밸브(21) 역시 하강하여 수소연료 입구(16)를 조금만 열거나 닫아버리게 된다.

따라서 입구를 통해 본체(11)의 하부공간(14)으로 유입되는 수소연료의 유량이 작아지므로 연료레일(9)로 공급되는 수소연료량이 작아진다. 엔진이 다시 저속 또는 저부하 상태로 되면 본체(11) 상부공간(13)의 부압이 다시 커지므로 수소연료 입구(16)가 더 크게 개방되고 수소연료공급량도 증가한다.

핀틀밸브(21)는 온/오프 타입이 아니며 흡기 매니폴드(8)의 부압의 크기에 따라 상하로의 이동이 연속적으로 변화되는 것이므로 듀티 컨트롤에 의한 제어방식이다.

도 3은 본 발명에 따른 부압식 수소연료량 조절장치에서 흡기매니폴드의 부압의 변화에 따른 수소연료 공급량의 변화를 나타낸 도표이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 부압이 1㎪에서 수소연료의 유량은 0~1.8g/sec(총연료의 0~5%)이며, 부압이 증가하면 수소연료 유량이 비례적으로 증가하여 부압이 12㎪에서는 수소연료 유량 은 5.2~9.3g/sec(총연료의 25~50%)에 달한다.

수소연료가 총연료에서 차지하는 비율은 질량을 기준으로 총연료의 0~50%인 것이 바람직하다. 수소연료의 비율이 이 상한을 넘어서면 연소시에 연소 온도압력의 증가로 질소 산화물이 급격하게 증가한다. 또한 수소의 제조원가가 매우 높기 때문에 경제적 관점에서 보아도 수소의 양을 늘려사용하는 것은 실용성이 떨어진다.

부압식 수소연료량 조절밸브(10)의 본체(11)의 상부공간(13)의 부압이 커질수록 수소연료공급 유량이 비례하여 커지는 것이 확인된다. 부압과 수소연료공급 유량은 거의 비례적으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 수소 천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치의 작용효과에 대하여 상세히 설명한다.

엔진이 고부하 또는 고속으로 운전하는 조건에서는 연소실내의 연소속도가 충분히 크기 때문에 미연 탄화수소의 배출량이 저부하 저속의 조건에 비해 상대적으로 감소한다. 따라서 이와 같은 엔진조건에서는 폭발압력 상승을 낮추고 질소 산화물 생성을 줄이도록 수소연료의 공급량을 감소시킬 필요가 있다. 따라서 엔진이 고속 또는 고부하로 운전하는 상태에서는 흡기 매니폴드(8) 내부의 부압이 작아서 다이어프램(20)이 스프링력을 이기지 못하고 핀틀밸브(21)가 수소연료 입구(16)를 폐쇄하거나 약간만 열린 상태로 하게 된다.

그러나 천연가스엔진은 특히 중저속, 저부하 영역에서는 연소 속도가 느려 미연 탄화수소의 배출이 증가한다. 따라서, 이러한 엔진 조건에서는 수소연료 공급 량을 증가시켜서 연소실내의 연소속도를 빠르게 함으로써 미연 탄화수소 배출을 줄일 수 있고 또한 가연한계를 늘릴 수 있어 연비향상을 이룰 수 있다. 수소는 메탄에 비해 가연한계의 범위가 넓은 특성을 갖는다. 따라서 엔진이 중,저속 또는 저부하로 운전하는 상태에서는 흡기 매니폴드(8) 내부의 부압이 크기 때문에 다이어프램(20)이 스프링력을 이기고 위로 들어올려짐으로써 핀틀밸브(21)가 수소연료 입구(16)를 열어주게 되고 수소연료의 공급량이 증가된다.

본 발명의 수소연료량 조절장치는 엔진의 운전조건에 따라 수소연료량을 자동적으로 제어하기 때문에 미연 탄화수소 배출량의 감소와 질소산화물 배출량의 감소를 동시에 균형있게 추구한다.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 부압식 수소연료량 조절장치에 의하면 천연가스를 연료로 사용하는 차량에 적정 비율로 수소연료를 혼합하여 연소시킴으로써 수소연료의 빠른 연소 특성을 이용하여 미연 탄화수소(HC) 배출을 줄일 수 있고, 희박연소 한계를 개선하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 부압식 수소연료량 조절장치를 수소 천연가스엔진에 사용함으로써 엔진 부하 및 rpm조건에 따라 수소연료 공급이 엔진 운전 조건에 맞게 최적으로 조절됨으로써 수소 천연가스엔진의 성능이 극대화되는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이 나 변형을 포함할 것이다.

Claims (3)

1. 천연가스엔진의 연료레일과 수소연료탱크를 연결하는 수소연료공급관;

   상기 수소연료공급관에 설치되는 압력조절기; 및

   상기 수소연료공급관 중에서 상기 연료레일과 상기 압력조절기 사이에 설치되며 상기 천연가스엔진의 흡기 매니폴드와 압력조정용배관을 통해 연결되는 부압식 수소연료량 조절밸브를 포함하는 수소천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부압식 수소연료량 조절밸브는,

   내부 위쪽에서 탄성지지되는 다이어프램에 의해 상하로 차단되는 내부공간을 구비하고, 상기 다이어프램 위쪽 내부공간은 상기 압력조정용배관이 연결되며, 상기 다이어프램의 아래쪽 내부공간에 압력조절기측 수소연료공급관이 결합되는 입구와 연료레일측 수소연료공급관이 결합되는 출구가 형성된 본체; 및

   상기 본체의 입구를 개폐하기 위해서 상기 본체의 입구를 향하도록 상기 다이어프램의 일면에 형성되는 핀틀밸브를 포함하여 구성되는 것인 수소천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 부압식 수소연료량 조절밸브는 상기 천연가스엔진이 중저속 또는 부하 상태인 경우 수소연료량을 증가시키고, 상기 천연가스엔진이 고속 또는 고부하 상태인 경우 수소연료량을 감소시키는 것인 수소천연가스엔진의 부압식 수소연료량 조절장치.

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