KR20110023733A - 혼소 엔진 - Google Patents

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KR20110023733A
KR20110023733A KR1020100070511A KR20100070511A KR20110023733A KR 20110023733 A KR20110023733 A KR 20110023733A KR 1020100070511 A KR1020100070511 A KR 1020100070511A KR 20100070511 A KR20100070511 A KR 20100070511A KR 20110023733 A KR20110023733 A KR 20110023733A
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신순성
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Abstract

본 발명은 혼소 엔진에 관한 것으로서, 안정성 및 경제성이 뛰어난 혼소 엔진을 공급하기 위하여, 가스연료 및 점화연료를 이용하는 혼소 엔진에 있어서, 엔진의 실린더 내부로 연소공기를 공급하는 흡기 통로와, 상기 흡기통로와는 별도로 상기 실린더에 직접 연결되어 상기 실린더 내부에 상기 가스연료를 분사하는 가스연료용 연료분사기가 구비되어, 상기 흡입행정 단계에서 상기 연소공기가 공급된 후 상기 압축행정의 초기 단계인 하사점 부근에서 상기 가스연료가 분사되는 것을 특징으로 하여, 흡기 통로가 아닌 실린더 내부로 직접 가스연료가 분사되므로 흡기 통로에서 잔존하는 가스연료에 의한 폭발 사고를 방지할 수 있으며, 연소공기와 가스연료의 혼합 비율을 정확하게 제어할 수 있으므로 연소 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 낮은 압력으로 가스연료를 실린더 내부에 직접 분사하므로 경제성 및 연소 효율이 향상된 혼소 엔진을 공급할 수 있는 장점이 있다.

Description

혼소 엔진{a duel fuel engine}
본 발명은 혼소 엔진에 관한 것으로서, 가스연료 및 점화연료를 연료로 이용하는 혼소 엔진의 연료 공급 시기와 압력을 조정하여 엔진의 안정성과 효율성을 향상시킨 혼소 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 디젤 엔진은 과급기를 장착, 흡입 공기 유량을 극대화하여 엔진의 효율 향상을 꾀함과 동시에, 압축비를 올리거나 연료의 분사 시기를 늦추어 희박한 환경에서도 연소가 잘 일어나게 함으로써 질소산화물(NOx)를 저감시키는 효과도 얻고 있다.
그러나, 가솔린 또는 가스 엔진에 비해 환경적 성능이 취약하여 최근에는 대형 디젤 엔진에서 청정 연료인 천연가스나 석유가스 등의 가스를 주 연료로 사용하는 기술에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다.
그 중 엔진의 큰 구성 변경 없이도 가스연료 공급시스템과 제어 시스템을 추가 장착함으로써 개조가 용이한 혼소(duel-fuel) 방식에 관한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
이러한 혼소 엔진에는 대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2008-0061388, 공개번호10-2007-0073697호, 미국 특허청에 출원된 출원번호 09/708,848호 등이 있다.
도 1은 종래의 혼소 엔진을 예시하는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 혼소 엔진은 엔진(10)과, 상기 엔진(10)의 실린더로 흡입되는 공기가 유통되는 흡기 통로(31)와, 상기 엔진(10)의 실린더로부터 배기되는 공기가 유통하는 배기 통로(32)와, 가스 저장 탱크(7)와 같은 가스 공급원으로부터 가스를 공급받아 가스연료를 분배하는 가스연료 레일(3)과, 상기 엔진(10)의 실린더 내부로 가스연료를 공급하는 가스 인젝터(11), 디젤 연료를 상기 엔진(10)의 실린더 내부로 공급하는 디젤 인젝터(6) 및 각 구성요소를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성된다.
또한, 엔진의 정상 작동 여부를 체크하기 위하여 흡입 공기 센서, 온도 센서, 트리거휠 센서 등이 부가적으로 설치될 수 있다.
특히, 선박에서는 액화천연가스 운반선 등에서 기화된 가스연료를 이용하여 엔진의 연료로 이용하는 혼소 엔진의 개발이 점차적으로 확대되고 있다.
이러한 혼소 엔진은 크게 4행정기관과 2행정기관으로 구분되며, 연소 공기와 가스연료가 혼합된 혼합가스의 점화를 위한 점화연료(pilot fuel)를 압축 행정이 끝나는 시점인 상사점 부근에서 분사하여 폭발이 일어나도록 설계되고 있다.
먼저, 4행정 기관의 경우에는 가스연료가 실린더 입구에서 연소공기와 혼합되어 실린더의 흡기밸브를 통해 실린더로 유입되도록 설계되며, 이 경우 가스연료의 압력은 차지 에어의 압력에 대응되는 수준이면 되므로, 가스 공급 장치 및 엔진 내부 연소공기계통의 압력저하를 고려하여 외부에서 5~6bar.g정도의 압력으로 가스를 공급해주면 되었다.
그러나, 이러한 종래 기술의 경우에는 실린더 외부에서 혼합된 가스연료와 연소공기의 일부가 잔존하여 연소공기계통에서 폭발을 일으킬 수 있는 위험이 존재하며, 실린더 외부에서 분사된 가스연료의 일부가 실린더로 모두 흡입되지 않는 단점이 있어 공연비 조절 및 출력 특성이 나빠지는 문제가 있다.
다음으로, 2행정기관의 경우에는 가스연료를 연료로 사용하는 디젤사이클로 작동되도록 개발되어 있다.
2행정기관의 경우에는 가스연료가 압축 행정이 끝나는 단계에서 실린더에 분사되며, 동시에 점화연료가 분사되면서 폭발이 일어나게 된다.
이러한 경우에는 가스연료의 압력은 실린더의 최대압력에 대응되는 수준이 되어야 하며, 가스공급장치 및 엔진 내부 연소공기계통의 압력저하를 고려하여 외부에서 200 bar.g정도의 높은 압력으로 가스를 공급하여야 하는 문제점이 있었다.
특히, 현재의 기술로 200bar.g정도의 높은 압력을 형성하기에 어려움이 있고, 이를 해결하기 위하여 액화된 천연가스를 이송하는 액체펌프와 기화장치를 이용하기도 하지만 액체펌프를 이용하는 경우 액화천연가스 운반선의 화물창에서 발생된 증발가스(BOG)를 이용할 수 없다는 문제점이 있고, 가스 압축기를 이용하는 경우에는 고압의 가스연료 압축으로 인한 진동과 소음이 발생되며, 에너지 손실이 크다는 단점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명은 흡기 통로에 잔류하는 연소 공기와 혼합된 가스연료의 폭발위험을 제거한 혼소 엔진을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가스연료를 저압으로 공급할 수 있어 경제성이 뛰어난 혼소 엔진을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진은 흡입행정, 압축행정, 폭발행정, 배기행정의 4행정 기관을 이루며 가스연료 및 점화연료를 이용하는 혼소 엔진에 있어서, 상기 엔진의 실린더 내부로 연소공기를 공급하는 흡기 통로와, 상기 흡기통로와는 별도로 상기 실린더에 직접 연결되어 상기 실린더 내부에 상기 가스연료를 분사하는 가스연료용 연료분사기가 구비되어, 상기 흡입행정 단계에서 상기 연소공기가 공급된 후 상기 압축행정의 초기 단계인 하사점 부근에서 상기 가스연료가 분사되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 실린더 내부에 점화연료용 연료분사기가 직접 연결 설치되어 압축행정이 끝나는 시점인 상사점 부근에서 점화연료가 분사되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스연료의 분사 압력이 점화연료의 분사압력보다 상대적으로 낮은 것을 특징으로 하고, 상기 가스연료의 분사 압력은 실린더 내부의 최대 압력보다 낮은 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 가스연료는 원심식 가스압축기에 의해 가압됨을 특징으로 한다.
다음으로 본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진은 가스연료 및 점화연료를 이용하여 2행정 기관을 이루는 혼소 엔진에 있어서, 실린더 상부에 연결되어 점화원료를 실린더 내부에 직접 분사시키는 점화연료용 연료분사기와, 천연가스 운반선에서 발생되는 증발 가스를 압축시키는 원심식 가스 압축기를 통해서 공급되는 가스원료를 상기 점화연료보다 낮은 압력으로 실린더 내부에 직접 분사시키는 가스연료용 연료분사기와, 상기 가스연료용 연료분사기와 점화연료용 연료분사기를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지되, 상기 제어부는 압축행정의 초기 단계인 하사점 부근에서 상기 가스연료를 실린더 내부로 분사시키고 압축행정의 마지막 단계인 상사점 부근에서 상기 점화연료를 실린더 내부로 분사시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가스연료용 연료분사기는 가스연료가 분사되는 노즐의 입구를 개폐하는 스핀들이 전자석을 통해서 제어됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 혼소 엔진은 흡기 통로가 아닌 실린더 내부로 직접 가스연료가 분사되므로 흡기 통로에서 잔존하는 가스연료에 의한 폭발 사고를 방지할 수 있으며, 연소공기와 가스연료의 혼합 비율을 정확하게 제어할 수 있으므로 연소 효율을 향상시키고 출력 특성을 정확히 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 압축 행정의 초기 단계인 하사점 부근에서 가스연료가 실린더 내부로 분사되어 공급되는 가스연료의 압력을 줄일 수 있으므로 가스압축기의 사용으로 인한 전력 소모 및 소음 진동 발생을 현저히 감소시킬 수 있고, 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 액화천연가스 운반선에서 발생되는 증발가스를 이용할 수 있고, 가스연료와 연소공기의 혼합 균질성을 향상시켜서 경제성이 뛰어난 엔진을 공급할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 혼소 엔진을 예시하는 개념도.
도 2는 종래의 4행정 혼소 엔진에서 가스연료의 공급 개념도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4행정 혼소 엔진을 도시하는 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진의 플로 차트.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4행정 혼소 엔진의 작동 순서를 도시하는 개념도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2행정 혼소 엔진을 도시하는 개념도.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2행정 혼소 엔진의 작동 순서를 도시하는 개념도.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 가스연료용 연료분사기를 도시하는 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명 혼소 엔진을 보다 상세히 설명하기로 한다.
<실시예1>
도 2는 종래의 4행정 혼소 엔진에서 가스연료의 공급 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진을 도시하는 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 종래의 혼소 엔진은 가스연료용 연료분사기(11)가 흡기 통로(31)에 연결되어 연소 공기와 혼합된 상태에서 실린더(12)의 내부로 공급된다.
따라서, 흡기 통로(31)에는 잔존하는 연소 공기와 가스연료의 혼합 가스가 잔존하게 되므로 폭발 행정에서 흡기 통로상에서 폭발이 일어날 수 있는 위험성이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진은 도 3에 도시된 바와 같이 실린더(13) 내부로 가스연료용 연료분사기가 직접 연결되어 이러한 문제점을 해결한다.
또한, 본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진은 흡입 행정, 압축 행정, 폭발 행정, 배기 행정의 4행정을 이루게 되며, 상기 압축 행정의 초기 단계인 실린더의 하사점 부근에서 가스연료가 실린더(13)내에 분사되고, 압축 행정이 끝나는 시점에 실린더의 상사점 부근에서 점화연료가 실린더(13)내에 분사된다.
즉, 본 발명의 핵심적인 특징은 압축 행정의 초기 단계에서 가스연료를 실린더 내에 분사하고, 압축 행정이 끝나는 시점에서 점화연료를 분사하도록 한 것이다.
따라서, 가스연료와 연소공기의 비율은 압축과정에서 점화 또는 폭발되지 않도록 희박연소 원리(lean burn principal)를 적용하여야 한다.
본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진의 작동은 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 4행정 혼소 엔진의 플로 차트이다.
도 4에 도시된 바와 같이 먼저 흡기 통로를 통해서 연소 공기가 흡입되고, 압축 행정이 진행되는 초기 단계에 가스연료가 실린더 내부로 직접 분사하게 된다.
다음으로 압축 행정이 진행되며, 압축 행정이 완료되면 점화연료가 바로 분사된다.
이후 점화연료에 의해서 폭발 행정이 진행되며, 폭발 및 배기 행정이 순차적으로 진행하게 된다.
이를 순차적으로 살펴보면, 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4행정혼소 엔진의 작동 순서를 도시하는 개념도이다.
도 5의 (a)는 흡입 행정을 도시하고 있으며 피스톤이 하강하면서 흡기 통로(31)를 따라서 연소 공기가 실린더 내부로 유입되며, 도 5의 (b)는 압축 행정이 시작되는 시점, 즉 피스톤의 하사점에서 가스연료가 분사되는 것을 도시하고, 도 5의 (c)는 압축 행정을 도시하는 것으로 피스톤이 상승하면서 상사점에 이르게 된다. 마지막으로 도 5의 (d)는 압축 행정이 완료되는 시점 즉, 피스톤이 상사점에 이르게 되면 점화연료가 점화연료용 연료분사기(6)를 통해서 실린더 내부로 분사하게 된다.
다음으로, 가스연료와 연소공기의 비율은 압축과정에서 점화 또는 폭발되지 않도록 희박연소 원리(lean burn principal)를 적용하여야 한다.
일반적으로, 천연가스와 공기의 혼합가스의 자연발화(auto ignition) 온도는 600도~800도 정도이며, 디젤유는 210도 정도에서 천연가스와 공기의 혼합가스를 압축하는 과정에서 점화/폭발이 일어나기 위한 조건이 만들어 지지 않도록 설계되어야 한다.
그리고 상기 가스연료는 압축 행정 초기에 분사되므로 분사 압력이 압축 행정이 완료 후에 분사되는 점화연료의 분사압력보다 상대적으로 낮게 되며, 상기 가스연료의 분사 압력은 실린더 내부의 최대 압력보다 낮게 된다.
본 발명에 따른 혼소 엔진은 가스연료의 공급 압력을 30bar.g 이하의 수준으로 줄일 수 있으며, 이 경우에 종래에 사용하지 못한 원심식 가스 압축기의 사용이 가능해지므로 천연가스 운반선에서 증발가스를 추진용 또는 발전용 엔진의 가스연료로 이용할 수 있게 된다.
또한, 피스톤 형식의 가스 압축기에 비해서 저압이므로 상대적으로 낮은 에너지 소모와 소음 및 진동 발생이 현저히 감소될 수 있다.
특히, 엔진의 압축행정 과정에서 가스연료와 연소 공기가 혼합되므로 혼합가스의 균질성(homogeneity)이 향상된다.
<실시예2>
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2행정 혼소 엔진을 도시하는 개념도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2행정 혼소 엔진의 작동 순서를 도시하는 개념도이다.
다음으로 본 발명에 따른 2행정 혼소 엔진은 실린더 상부에 연결되어 점화원료를 실린더 내부에 직접 분사시키는 점화연료용 연료분사기(6)와, 천연가스 운반선에서 발생되는 증발 가스를 압축시키는 원심식 가스 압축기를 통해서 공급되는 가스원료를 상기 점화연료보다 낮은 압력으로 실린더 내부에 직접 분사시키는 가스연료용 연료분사기(11)와, 상기 가스연료용 연료분사기(11)와 점화연료용 연료분사기(6)를 제어하는 제어부(40)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 앞서 살펴본 실시예1과 달리 2행정 기관은 실린더(12)의 측면에 흡기 통로(31)가 형성된다.
상기 제어부(40)는 압축행정의 초기 단계인 하사점 부근에서 상기 가스연료를 실린더 내부로 분사시키고 압축행정의 마지막 단계인 상사점 부근에서 상기 점화연료를 실린더 내부로 분사시키게 된다.
구체적인 작동 과정을 살펴보면,
도 7의 (a)는 소기 행정(scavenging)을 도시하고 있으며 피스톤이 하강하면서 흡기 통로(31)를 따라서 연소 공기가 실린더 내부로 유입되고 배기 통로(32)를 통해서 연소된 공기는 배출된다.
다음으로, 도 7의 (b)는 압축 행정이 시작되는 시점, 즉 피스톤의 하사점에서 가스연료용 연료분사기(11)로부터 가스연료가 분사되는 것을 도시하고, 도 7의 (c)는 압축 행정을 도시하는 것으로 피스톤이 상승하면서 상사점에 이르게 된다.
즉, 배기 통로가 닫히고 연소공기 흡입 통로가 피스톤(13)의 상승에 의해 막히는 순간 연료 가스연료가 분사되는 것이다.
마지막으로 도 7의 (d)는 압축 행정이 완료되는 시점 즉, 피스톤이 상사점에 이르게 되면 점화연료가 점화연료용 연료분사기(6)를 통해서 실린더 내부로 분사되면서 폭발 행정으로 실린더(12)가 하측으로 이동된 상태를 도시하고 있다.
그리고, 상기 가스연료용 분사기(11)는 가스연료가 분사되는 노즐의 입구를 개폐하는 스핀들이 전자석을 통해서 제어된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 가스연료용 연료분사기를 도시하는 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 가스연료용 연료분사기(11)는 유입 통로(11c)의 단부에설치된 분사 노즐(11a)을 개폐하는 스핀들(11b)의 상하 이동을 제어부(40)에 연결된 전자석(11d)을 통해서 제어하게 된다.
일반적인 가스연료용 연료분사기는 고압(200bar 이상)용이며, 유압 작동유(control oil)을 사용하지만, 본 발명에서는 상대적으로 저압인 30bar 이하에서 사용되기 때문에 스핀들을 작동시키기 위해서 전자석을 이용하는 방식을 통해서도 충분히 작동가능하며, 보다 미세한 가스 연료의 분사를 제어할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 가스연료를 분사 시점을 개선한 혼소 엔진을 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.
6: 점화연료용 연료분사기
10: 엔진
11: 가스연료용 연료분사기
12: 실린더
13: 피스톤
31: 흡기 통로
32: 배기 통로
40: 제어부

Claims (7)

  1. 흡입행정, 압축행정, 폭발행정, 배기행정의 4행정 기관을 이루며 가스연료 및 점화연료를 이용하는 혼소 엔진에 있어서,
    상기 엔진의 실린더 내부로 연소공기를 공급하는 흡기 통로와;
    상기 흡기통로와는 별도로 상기 실린더에 직접 연결되어 상기 실린더 내부에 상기 가스연료를 분사하는 가스연료용 연료분사기;가 구비되어,
    상기 흡입행정 단계에서 상기 연소공기가 공급된 후 상기 압축행정의 초기 단계인 하사점 부근에서 상기 가스연료가 분사되는 것을 특징으로 하는 혼소 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실린더 내부에 점화연료용 연료분사기가 직접 연결 설치되어 압축행정이 끝나는 시점인 상사점 부근에서 점화연료가 분사되는 것을 특징으로 하는 혼소 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스연료의 분사 압력이 점화연료의 분사압력보다 상대적으로 낮은 것을 특징으로 하는 혼소 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스연료의 분사 압력은,
    실린더 내부의 최대 압력보다 낮은 것을 특징으로 하는 혼소 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스연료는 원심식 가스압축기에 의해 가압됨을 특징으로 하는 혼소 엔진.
  6. 가스연료 및 점화연료를 이용하여 2행정 기관을 이루는 혼소 엔진에 있어서,
    실린더 상부에 연결되어, 점화원료를 실린더 내부에 직접 분사시키는 점화연료용 연료분사기와;
    천연가스 운반선에서 발생되는 증발 가스를 압축시키는 원심식 가스 압축기를 통해서 공급되는 가스원료를 상기 점화연료보다 낮은 압력으로 실린더 내부에 직접 분사시키는 가스연료용 연료분사기와;
    상기 가스연료용 연료분사기와 점화연료용 연료분사기를 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지되,
    상기 제어부는,
    압축행정의 초기 단계인 하사점 부근에서 상기 가스연료를 실린더 내부로 분사시키고, 압축행정의 마지막 단계인 상사점 부근에서 상기 점화연료를 실린더 내부로 분사시키는 것을 특징으로 하는 2행정 혼소 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스연료용 연료분사기는,
    가스연료가 분사되는 노즐의 입구를 개폐하는 스핀들이 전자석을 통해서 제어됨을 특징으로 하는 2행정 혼소 엔진.
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