KR20120019023A - Apparatus and method for stabilizing combustion in internal combustion engine - Google Patents

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KR20120019023A
KR20120019023A KR1020100082097A KR20100082097A KR20120019023A KR 20120019023 A KR20120019023 A KR 20120019023A KR 1020100082097 A KR1020100082097 A KR 1020100082097A KR 20100082097 A KR20100082097 A KR 20100082097A KR 20120019023 A KR20120019023 A KR 20120019023A
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최재웅
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Abstract

PURPOSE: An apparatus and a method for stabilizing the combustion of an internal combustion engine are provided to reduce contaminants contained in exhaust gas. CONSTITUTION: An apparatus for stabilizing the combustion of an internal combustion engine comprises a fuel injection nozzle, a brown gas injection nozzle, and an electric field generation unit. The fuel injection nozzle injects fuel to a combustion chamber. The brown gas injection nozzle injects brown gas to the combustion chamber. The electric field generation unit generates an electric field inside the combustion chamber to stabilize flames caused by the combustion of the fuel and brown gas flowing into the combustion chamber.

Description

내연기관의 연소 안정화 장치 및 연소 안정화 방법{Apparatus and method for stabilizing combustion in internal combustion engine}Apparatus and method for stabilizing combustion in internal combustion engine

본 발명은 내연기관의 연소 안정화 장치 및 연소 안정화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a combustion stabilization device and a combustion stabilization method of an internal combustion engine.

일반적으로 디젤엔진의 경우 가솔린 엔진에 비해 열효율과 내구성이 높기 때문에 선박의 동력원으로 이용되고 있다. 또한, 가솔린 엔진에 비하여 CO, CO2 및 탄화수소의 배출량이 적어 지구 온난화를 덜 유발하는 장점이 있다.In general, diesel engines are used as a power source for ships because they have higher thermal efficiency and durability than gasoline engines. In addition, there is an advantage of less global warming due to less emissions of CO, CO 2 and hydrocarbons than gasoline engines.

그러나 배출가스 중의 NOx는 광화학 스모그, 산성비 및 오존(O3) 발생의 원인이 되고, 매연(SOOT) 등의 입자상 물질은 도시에서 발생하는 다른 어떤 입자보다 많은 빛을 흡수하기 때문에 대기 및 시야를 탁하게 만든다. However, NOx in the exhaust gas causes photochemical smog, acid rain, and ozone (O 3 ) generation, and particulate matter such as soot absorbs more light than any other particles generated in the city, so that the atmosphere and the view are blurred. Make.

특히, 선박에 사용되는 디젤 엔진의 경우, 엔진의 구동을 위해 사용되는 연료는 비용 절감을 위해서 점도성이 높고, 휘발성이 낮으며 가연성이 낮은 저급 연료인 HFO(HeavyFuel Oil)가 사용되고 있는 실정이다. 이로 인해, 불완전 연소로 인한 입자상 물질(PM, Particulate Material)이 많이 발생한다. In particular, in the case of diesel engines used in ships, the fuel used to drive the engine is a high viscosity, low volatility, low combustible low fuel HFO (Heavy Fuel Oil) is used to reduce the cost. As a result, a lot of particulate matter (PM) occurs due to incomplete combustion.

또한, 질소화합물은 광화학 스모그의 원인이 되고 산성비를 내리게 하는 주요원인이며 입자상 물질은 그 입자가 미세하고 많은 화학물질을 포함하고 있어 환경의 주요한 관심사항으로 부각되고 있다.In addition, nitrogen compounds are a major cause of photochemical smog and lower acid rain. Particulate matter is a major concern of the environment because the particles are fine and contain many chemicals.

최근 들어, 엔진의 효율을 증가시키고 배기가스 중의 오염물질, 특히 고온의 연소과정에서 발생하는 오염물질인 NOx의 배출을 줄이기 위해서 희박연소에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Recently, researches on lean combustion have been actively conducted to increase engine efficiency and reduce emission of pollutants in exhaust gas, especially NOx, which is a pollutant generated in a high temperature combustion process.

그러나, 이러한 희박 연소는 NOx의 발생량을 저감시킬 수 있으나, 화염안정성을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 즉, 불안정한 연소로 인해 미연소 HC 및 PM의 양이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 화염안정성의 저하는 불완전 연소와 소음진동의 증가로 이어지기 때문에, 희박연소에는 기술적인 어려움이 따르게 된다. 따라서, 희박연소를 가능하게 하면서도 화염을 안정적으로 유지시켜 연소의 효율을 증가시킬 수 있는 장치가 요구되고 있는 실정이다.However, such lean combustion can reduce the amount of NOx generated, but has a problem of deteriorating flame stability. That is, there is a problem that the amount of unburned HC and PM increases due to unstable combustion. In addition, deterioration of flame stability leads to an incomplete combustion and an increase in noise vibration, so that lean combustion involves technical difficulties. Therefore, there is a need for an apparatus capable of increasing combustion efficiency by maintaining lean flame while enabling lean burn.

본 발명의 실시예는, 내연기관에서의 연소를 안정화시킬 수 있는 구성을 가지는 내연기관의 연소 안정화 장치 및 연소 안정화 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a combustion stabilization apparatus and a combustion stabilization method of an internal combustion engine having a configuration capable of stabilizing combustion in an internal combustion engine.

본 발명의 일 측면에 따르면, 내연기관의 연소실에서의 연소를 안정화하도록, 상기 내연기관에 장착되는 연소 안정화 장치로서,According to an aspect of the present invention, as a combustion stabilization device mounted to the internal combustion engine, to stabilize the combustion in the combustion chamber of the internal combustion engine,

연소실로 연료를 공급하는 연료분사노즐; 상기 연소실로 브라운 가스를 공급하는 브라운 가스 분사노즐; 및 상기 연소실로 흡입된 공기와, 상기 연료 및 브라운 가스의 혼합물의 연소에 의해 발생된 화염을 안정화시키도록, 상기 연소실 내에 전기장을 형성시키는 전기장 발생부;를 포함하는 것인 내연기관의 연소 안정화 장치가 제공될 수 있다.A fuel injection nozzle for supplying fuel to the combustion chamber; Brown gas injection nozzle for supplying Brown gas to the combustion chamber; And an electric field generator for forming an electric field in the combustion chamber so as to stabilize the flame generated by the combustion of the air sucked into the combustion chamber and the mixture of the fuel and the brown gas. May be provided.

또한, 상기 브라운 가스 분사노즐은, 상기 연소실 내로 브라운 가스를 직접 분사하도록 상기 내연기관의 실린더 헤드에 장착될 수 있다.In addition, the brown gas injection nozzle may be mounted to a cylinder head of the internal combustion engine to directly inject brown gas into the combustion chamber.

또한, 상기 브라운 가스 분사노즐은, 상기 내연기관의 흡기포트에 장착되어 상기 흡기포트로 유입되는 공기를 향하여 브라운 가스를 분사하는 것일 수 있다.In addition, the brown gas injection nozzle may be mounted to an intake port of the internal combustion engine to inject brown gas toward air flowing into the intake port.

또한, 상기 브라운 가스 분사노즐에 의해 분사된 브라운 가스에 와류를 형성하도록, 상기 흡기포트에는 스월 밸브가 마련될 수 있다.In addition, a swirl valve may be provided at the intake port to form a vortex in the brown gas injected by the brown gas injection nozzle.

또한, 상기 내연기관의 부하조건에 따라 상기 브라운 가스 분사노즐의 분사량을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a controller configured to control the injection amount of the brown gas injection nozzle according to the load condition of the internal combustion engine.

또한, 상기 전기장 발생부는, 상기 연소실 내에 전기장을 형성하는 전극; 및 상기 전극에 고전압을 인가하기 위한 전원 공급부;를 포함할 수 있다.The electric field generating unit may include an electrode forming an electric field in the combustion chamber; And a power supply unit for applying a high voltage to the electrode.

또한, 상기 연료분사노즐의 외벽은 도전성 물질로 이루어져 있으며, 상기 연료분사노즐의 외벽이 상기 전극의 역할을 할 수 있다.In addition, the outer wall of the fuel injection nozzle is made of a conductive material, the outer wall of the fuel injection nozzle may serve as the electrode.

또한, 상기 연료분사노즐의 외벽을 전기적으로 절연시키도록, 상기 연료분사노즐의 외벽을 둘러싸는 절연체가 마련될 수 있다.In addition, an insulator surrounding the outer wall of the fuel injection nozzle may be provided to electrically insulate the outer wall of the fuel injection nozzle.

또한, 상기 전극은 상기 연료분사노즐의 배출구 부분을 둘러싸도록 배치되는 원통형 형상일 수 있다.In addition, the electrode may have a cylindrical shape disposed to surround the outlet portion of the fuel injection nozzle.

또한, 상기 전극을 전기적으로 절연시키도록, 상기 전극을 둘러싸는 절연체가 마련될 수 있다.In addition, an insulator surrounding the electrode may be provided to electrically insulate the electrode.

또한, 상기 전극에서의 전압 및 주파수를 검출하는 오실로스코프;를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include an oscilloscope for detecting the voltage and the frequency at the electrode.

또한, 상기 내연기관은 선박의 동력원으로 이용될 수 있다.In addition, the internal combustion engine can be used as a power source of the vessel.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 내연기관의 연소실에서의 연소를 안정화하기 위한 방법으로서,According to another aspect of the present invention, there is provided a method for stabilizing combustion in a combustion chamber of an internal combustion engine,

상기 연소실로 브라운 가스를 분사하여 공기와 혼합시키는 브라운 가스-공기 혼합단계; 상기 연소실로 연료를 분사하는 연료 분사단계; 및 상기 연소실 내에 전기장을 형성하여 연소에 의한 화염을 안정화시키는 전기장 형성단계;를 포함하는 것인 내연기관의 연소 안정화 방법이 제공될 수 있다.Brown gas-air mixing step of injecting the brown gas into the combustion chamber and mixing with air; A fuel injection step of injecting fuel into the combustion chamber; And an electric field forming step of stabilizing a flame caused by combustion by forming an electric field in the combustion chamber. The combustion stabilization method of an internal combustion engine may be provided.

또한, 상기 브라운 가스-공기 혼합단계에서는, 상기 브라운 가스에 와류를 형성시켜 상기 공기와 혼합시킬 수 있다.In the brown gas-air mixing step, a vortex may be formed in the brown gas and mixed with the air.

본 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치 및 연소 안정화 방법에 따르면, 희박한 조건에서의 연소를 가능하게 함으로써 엔진의 출력을 높이는 동시에 배기가스 중의 오염물질을 줄일 수 있다.According to the combustion stabilization apparatus and the combustion stabilization method of the internal combustion engine according to the present embodiment, by enabling the combustion in lean conditions, it is possible to increase the output of the engine and reduce the pollutants in the exhaust gas.

도 1은 디젤엔진에서의 공연비에 따른 배기가스의 특성 및 출력의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2에 있어서, 엔진의 흡기포트에 스월 밸브가 마련된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 개략도이다.
도 5는 도 4에 있어서, 연료분사노즐에 대한 전극의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 방법의 개략적 순서도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the relationship of the characteristic and output of exhaust gas with the air fuel ratio in a diesel engine.
2 is a schematic diagram of a combustion stabilization apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a case in which a swirl valve is provided in an intake port of an engine in FIG. 2.
4 is a schematic diagram of a combustion stabilization apparatus for an internal combustion engine according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the arrangement of electrodes with respect to the fuel injection nozzle in FIG. 4.
6 is a schematic diagram of a combustion stabilization apparatus for an internal combustion engine according to another embodiment of the present invention.
7 is a block diagram of a combustion stabilization apparatus of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
8 is a schematic flowchart of a combustion stabilization method of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present embodiments are not intended to be limiting.

도 1은 디젤엔진에서의 공연비에 따른 배기가스의 특성 및 출력의 관계를 도시하는 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the relationship of the characteristic and output of exhaust gas with the air fuel ratio in a diesel engine.

도시된 바와 같이, 디젤 엔진의 경우 이론 공연비 1.0인 영역에서는 NOx의 배출량이 최대가 되며, 희박연소로 진행될수록 연소온도가 낮추어져 NOx의 배출량이 줄어들고 있다. 또한, 엔진의 효율 역시 희박연소로 진행될수록 증가되는 추세를 보이고 있다. 반대로, 농후한 영역에서는 엔진의 출력이 급감하고 엔진의 폭굉(detonation)이 발생하게 된다.As shown, in the case of a diesel engine, the emission of NOx is the maximum in the region having a theoretical air-fuel ratio of 1.0, and as the lean combustion proceeds, the combustion temperature is lowered, thereby reducing the emission of NOx. In addition, the efficiency of the engine also shows a tendency to increase as the lean burn proceeds. On the contrary, in the rich region, the output of the engine is drastically reduced and engine detonation occurs.

따라서, 엔진의 출력을 증대시키고 NOx의 배출량을 감소시키기 위해서는, 희박한 조건에서의 연소가 이뤄지도록 하여야 한다. 그러나, 도시된 바와 같이, 공연비가 1.8 초과의 초희박 영역에서는 연소가 원활하게 이뤄지지 않아 실화(misfire)가 발생하게 된다.Therefore, in order to increase the output of the engine and reduce the emission of NOx, combustion in lean conditions should be performed. However, as shown, in the ultra-lean region having an air-fuel ratio of more than 1.8, combustion does not occur smoothly, causing misfire.

본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치는, 초희박 조건에서도 안정적인 연소가 이뤄질 수 있도록 하기 위하여, 즉 희박조건에서의 가연한계를 증대할 수 있도록 하기 위해 마련된 것이다.The combustion stabilization apparatus of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention is provided to enable stable combustion even in ultra-lean conditions, that is, to increase the flammability limit in lean conditions.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 개략도이다. 2 is a schematic diagram of a combustion stabilization apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.

도시된 내연기관은 선박의 동력원으로 사용될 수 있는 것으로서, 내연기관의 연소실(10)은 실린더 헤드(13)와 실린더 블록(12) 및 피스톤(11)에 의해 구획되는 공간의 형태로 마련된다. 또한, 상기 내연기관의 연소실(10)로 공기의 유입을 안내하기 위하여, 상기 연소실(10)과 유체연통하는 흡기포트(14)가 마련되어 있다. 상기 흡기포트(14)로 유입된 공기는 상기 연소실(10)에서 연료와 함께 연소된 후, 상기 연소실(10)과 유체연통하는 배기포트(16)를 통하여 배출되게 된다.The illustrated internal combustion engine may be used as a power source of a ship, and the combustion chamber 10 of the internal combustion engine is provided in the form of a space partitioned by the cylinder head 13, the cylinder block 12, and the piston 11. In addition, in order to guide the inflow of air into the combustion chamber 10 of the internal combustion engine, an intake port 14 in fluid communication with the combustion chamber 10 is provided. The air introduced into the intake port 14 is combusted together with fuel in the combustion chamber 10 and then discharged through the exhaust port 16 in fluid communication with the combustion chamber 10.

한편, 상기 흡기포트(14)에는 상기 연소실(10)로의 공기의 유입로를 개폐하기 위한 흡기밸브(17)가 마련되어 있다. 또한, 상기 배기포트(16)에는 상기 연소실(10)로부터의 연소된 배기가스의 배출로를 개폐하기 위한 배기밸브(18)가 마련되어 있다.On the other hand, the intake port 14 is provided with an intake valve 17 for opening and closing the inflow path of air into the combustion chamber 10. In addition, the exhaust port 16 is provided with an exhaust valve 18 for opening and closing the exhaust passage of the exhaust gas combusted from the combustion chamber 10.

상기 내연기관의 연소 안정화 장치는, 내연기관에 장착되는 것으로서, 연료분사노즐(110), 브라운 가스 분사노즐(122) 및 전기장 발생부를 포함하여 구성된다.The combustion stabilization apparatus of the internal combustion engine is mounted to the internal combustion engine and includes a fuel injection nozzle 110, a brown gas injection nozzle 122, and an electric field generator.

상기 연료분사노즐(110)은 상기 연소실(10) 내로 연료를 분사시킨다. 상기 연료분사노즐(110)에 의해 분사된 연료는 상기 연소실(10) 내로 유입된 공기와 함께 연소된다. 도시된 실시예에서, 상기 연료분사노즐(110)은 상기 내연기관의 실린더 헤드(13)에 장착된다.The fuel injection nozzle 110 injects fuel into the combustion chamber 10. The fuel injected by the fuel injection nozzle 110 is combusted together with the air introduced into the combustion chamber 10. In the illustrated embodiment, the fuel injection nozzle 110 is mounted to the cylinder head 13 of the internal combustion engine.

상기 브라운 가스 분사노즐(122)은, 상기 연소실(10)로 브라운 가스를 공급하기 위해 마련된 것이다. 상기 브라운 가스 분사노즐(122)은 브라운 가스 발생기(120)에 연결되어 있다. 상기 브라운 가스 발생기(120)에서 발생된 브라운 가스는 공급관(미도시)을 통하여 상기 브라운 가스 분사노즐(122)에 공급된 후, 브라운 가스 분사노즐(122)을 통하여 필요한 양만큼이 분사된다. 도시된 실시예에서, 상기 브라운 가스 분사노즐(122)은 상기 흡기포트(14)에 설치되어 있어, 상기 흡기포트(14)로 유입되는 공기를 향하여 브라운 가스를 분사한다. 분사된 브라운 가스는 공기와 혼합된 후, 상기 연소실(10)로 유입된다.The brown gas injection nozzle 122 is provided to supply brown gas to the combustion chamber 10. The brown gas injection nozzle 122 is connected to the brown gas generator 120. The brown gas generated by the brown gas generator 120 is supplied to the brown gas injection nozzle 122 through a supply pipe (not shown), and then injected by the required amount through the brown gas injection nozzle 122. In the illustrated embodiment, the brown gas injection nozzle 122 is installed in the intake port 14 to inject Brown gas toward the air flowing into the intake port 14. The injected Brown gas is mixed with air and then introduced into the combustion chamber 10.

여기서, 브라운 가스란 잘 알려진 바와 같이, 물의 전기 분해에 의해 발생한 수소와 산소가 2 대 1의 혼합비율로 정량적으로 공존하는 가스로서, 완전연소에 필요한 알맞은 산소를 자체 함유하고 있어, 차세대 연료로서 각광받고 있다. 특히, 브라운 가스는 기존의 화석연료와 비교할 때, 연소시 온도가 빠르게 올라가는 승온 특성이 좋고, 단열화염온도가 높으며, 화염속도 또한 현저히 빠른 장점이 있다. 또한, 브라운 가스는 완전연소 후에 수증기만이 발생하므로 근본적으로 환경오염이 없는 청정 에너지원이다. Here, Brown gas, as is well known, is a gas in which hydrogen and oxygen generated by electrolysis of water quantitatively coexist in a ratio of 2 to 1, and contain self-contained suitable oxygen for complete combustion, thereby becoming a next generation fuel. I am getting it. In particular, compared with conventional fossil fuels, Brown gas has a good temperature rising property in which the temperature rises rapidly during combustion, and has a high adiabatic flame temperature and a flame speed that is remarkably fast. In addition, Brown gas is a clean energy source that is essentially free of environmental pollution since only water vapor is generated after complete combustion.

이러한 브라운 가스를 공기와 함께 상기 연소실(10)로 유입시키면, 희박조건에서의 가연한계를 높일 수 있다. 따라서, 브라운 가스를 이용하지 않을 때와 비교하여, 초희박 영역에서의 안정적인 연소가 수행될 수 있다.When the brown gas is introduced into the combustion chamber 10 together with air, the flammable limit in lean conditions can be increased. Thus, as compared with when no brown gas is used, stable combustion in the ultra-lean region can be performed.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 흡기포트(14) 내에는 격벽(15)이 설치되어 흡기포트(14)를 2개의 포트로 분기시키고, 그 중 어느 하나의 포트에는 스월밸브(124)가 설치될 수 있다. 이 경우에는, 상기 제어부(130)가 상기 스월 밸브(124)의 개폐를 제어함으로써, 도시된 바와 같이, 상기 흡기포트(14) 내로 유입되는 공기에 와류를 형성시킨다. 이 덕분에, 상기 브라운 가스 분사노즐(122)을 통하여 분사되는 브라운 가스에도 와류가 형성됨으로써, 상기 브라운 가스와 상기 공기와의 혼합이 더욱 잘 이뤄질 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, a partition wall 15 is installed in the intake port 14 to branch the intake port 14 into two ports, and a swirl valve 124 is provided at any one of them. Can be installed. In this case, the controller 130 controls the opening and closing of the swirl valve 124 to form a vortex in the air flowing into the intake port 14 as shown. Due to this, the vortex is also formed in the brown gas injected through the brown gas injection nozzle 122, so that the mixing of the brown gas and the air can be made better.

상기 전기장 발생부는, 상기 연소실(10)로 흡입된 공기 및 브라운 가스와, 상기 연료분사노즐(110)로부터 분사된 연료의 혼합물의 연소에 의해 발생된 화염을 안정화시키기 위해 마련된 것이다. 상기 전기장 발생부는 상기 연소실(10) 내에 고전압의 전기장(144)을 형성시킴으로써 상기 화염을 안정화시킨다. The electric field generating unit is provided to stabilize the flame generated by the combustion of a mixture of air and brown gas sucked into the combustion chamber 10 and fuel injected from the fuel injection nozzle 110. The electric field generator stabilizes the flame by forming the electric field 144 of the high voltage in the combustion chamber 10.

구체적으로, 상기 전기장 발생부는 상기 연소실(10) 내에 강한 전기장(144)을 형성시키게 되고, 화염에 의하여 상기 연료분사노즐(110)의 출구 부분에 생성된 각종 이온 및 전자들과 상호작용하여 연소상태를 안정적으로 유지하게 된다.Specifically, the electric field generating unit forms a strong electric field 144 in the combustion chamber 10, and the combustion state by interacting with various ions and electrons generated at the outlet of the fuel injection nozzle 110 by the flame Will be kept stable.

상기 전기장 발생부는 전극 및 전원 공급부(140)를 포함한다. 상기 전극은 상기 연소실 내에 고전압의 전기장을 형성하기 위해 마련된 것이다. 본 실시예에서는 상기 연료분사노즐(110)의 외벽이 도전성 물질로 이루어져서, 상기 전극의 역할을 수행한다.The electric field generator includes an electrode and a power supply unit 140. The electrode is provided to form a high voltage electric field in the combustion chamber. In this embodiment, the outer wall of the fuel injection nozzle 110 is made of a conductive material, and serves as the electrode.

또한, 상기 연료분사노즐(110)의 외벽을 전기적으로 절연시키기 위하여, 상기 연료분사노즐(110)의 외벽을 둘러싸는 절연체(142)가 마련되어 있다. 상기 절연체(142)는 상기 연료분사노즐(110)의 외벽과, 상기 실린더 헤드(13)를 포함한 도전성 요소로부터 상기 연료분사노즐(110)을 절연시킨다.In order to electrically insulate the outer wall of the fuel injection nozzle 110, an insulator 142 surrounding the outer wall of the fuel injection nozzle 110 is provided. The insulator 142 insulates the fuel injection nozzle 110 from the outer wall of the fuel injection nozzle 110 and a conductive element including the cylinder head 13.

상기 전원 공급부(140)는 산기 전극, 즉 상기 연료분사노즐(110)의 외벽에 고전압을 인가하기 위해 마련된 것이다. 상기 전원 공급부(140)는 상기 전극에 전기적으로 연결되어 있어, 상기 전극에 교류 또는 직류 형태의 고전압을 인가하게 된다.The power supply unit 140 is provided to apply a high voltage to an outer wall of the diffuser electrode, that is, the fuel injection nozzle 110. The power supply unit 140 is electrically connected to the electrode to apply a high voltage in the form of alternating current or direct current to the electrode.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치는, 제어부(130) 및 오실로스코프(150)를 더 포함할 수 있다.In addition, the combustion stabilization apparatus of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention may further include a controller 130 and an oscilloscope 150.

상기 제어부(130)는, 상기 브라운 가스 분사노즐(122)에서 분사되는 브라운 가스의 양을 조절하고, 상기 전기장 발생부를 제어하기 위해 마련된 것이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 블럭도이다. 이하, 도 2 및 도 7를 참조하여 상기 제어부(130)의 제어방법에 대해 설명하기로 한다.The controller 130 is provided to control the amount of brown gas injected from the brown gas injection nozzle 122 and to control the electric field generator. 7 is a block diagram of a combustion stabilization apparatus of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a control method of the controller 130 will be described with reference to FIGS. 2 and 7.

먼저, 상기 제어부(130)는 상기 브라운 가스 분사노즐(122)을 제어하여, 브라운 가스 분사노즐(122)을 통하여 분사되는 브라운 가스의 양과 분사 타이밍을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제어부(130)는 엔진의 구동을 제어하는 ECU(Engine Control Unit; 미도시)와의 통신에 의해 현재 엔진의 부하를 입력받고, 엔진의 부하에 따라, 상기 브라운 가스 분사노즐(122)의 분사 타이밍과 분사량을 제어할 수 있다. First, the controller 130 may control the brown gas injection nozzle 122 to adjust the amount and timing of the brown gas injected through the brown gas injection nozzle 122. For example, the controller 130 receives a load of the current engine by communication with an engine control unit (ECU) (not shown) that controls the driving of the engine, and according to the load of the engine, the control unit 130 of the Brown gas injection nozzle 122 Injection timing and injection amount can be controlled.

또한, 상기 전극에 의해 형성되는 전기장의 강도가 엔진의 부하에 따라 적정한 값을 유지할 수 있도록, 상기 제어부(130)는 상기 전원 공급부(140)의 공급전압을 조절한다.In addition, the controller 130 adjusts the supply voltage of the power supply unit 140 so that the strength of the electric field formed by the electrode can maintain an appropriate value according to the load of the engine.

한편, 상기 제어부(130)는 상기 오실로스코프(150)와 통신가능하게 연결되어 있다. 따라서 상기 제어부(130)는, 상기 오실로스코프(150)가 측정한 상기 전극(130)의 실제 전압 및 주파수를 입력받고, 상기 전극(130)에 필요 전압이 실제적으로 공급되도록 상기 전원 공급부(140)를 피드백 제어할 수 있다.Meanwhile, the controller 130 is communicatively connected to the oscilloscope 150. Accordingly, the controller 130 receives the actual voltage and frequency of the electrode 130 measured by the oscilloscope 150 and supplies the power supply unit 140 so that the required voltage is actually supplied to the electrode 130. Feedback can be controlled.

이하, 상기 구성에 의한 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 작용에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of the combustion stabilization apparatus of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention by the above configuration will be described in detail.

먼저, 흡기포트(14)를 통하여 공기가 연소실(10)로 흡입된다. 이 경우, 흡기포트(14)에는 흡입되는 공기의 양을 증대시키기 위한 과급기(미도시)가 설치될 수도 있다. 이때, 제어부(130)는 브라운 가스 분사노즐(122)을 제어하여, 흡입되는 공기를 향하여 분사되는 브라운 가스의 분사 타이밍과 분사량을 조절한다.First, air is sucked into the combustion chamber 10 through the intake port 14. In this case, the intake port 14 may be provided with a supercharger (not shown) for increasing the amount of air sucked in. In this case, the controller 130 controls the brown gas injection nozzle 122 to adjust the injection timing and the injection amount of the brown gas injected toward the inhaled air.

상술한 바와 같이, 브라운 가스는 승온 특성이 좋고, 단열화염온도가 높으며, 화염속도가 빠르므로, 연소가 보다 안정적으로 이뤄질 수 있도록 해준다.As described above, Brown gas has a good temperature rising property, a high adiabatic flame temperature, and a high flame speed, so that combustion can be made more stable.

공기와 브라운 가스의 혼합기체가 연소실(10) 내로 유입된 후, 피스톤(11)에 의해 혼합기체가 압축되면, 상기 제어부(130)는 연료분사노즐(110)을 제어하여 적절한 양의 연료를 분사시킨다. 이와 동시에, 압축된 혼합기체의 압축열에 의해 연료가 점화되면서, 연소가 시작된다. 이 경우, 상기 제어부(130)는 전원 공급부(140)를 제어하여, 상기 전원 공급부(140)가 전극, 즉 본 실시예에서는 상기 연료분사노즐(110)의 외벽에 고전압을 인가하게 된다. 상기 전극에 고전압이 인가되면, 상기 전극(130)은 상기 연소실(10) 내에 강한 전기장(144)을 발생시키고 상기 전기장에 의해 화염이 안정적으로 유지되므로, 연소가 보다 안정적으로 수행되도록 할 수 있다.After the mixed gas of air and brown gas flows into the combustion chamber 10 and the mixed gas is compressed by the piston 11, the controller 130 controls the fuel injection nozzle 110 to inject an appropriate amount of fuel. Let's do it. At the same time, fuel is ignited by the heat of compression of the compressed gas mixture, and combustion starts. In this case, the controller 130 controls the power supply unit 140 so that the power supply unit 140 applies a high voltage to an electrode, that is, the outer wall of the fuel injection nozzle 110 in this embodiment. When a high voltage is applied to the electrode, since the electrode 130 generates a strong electric field 144 in the combustion chamber 10 and the flame is stably maintained by the electric field, combustion may be more stably performed.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치에 따르면, 연소실(10)로 흡입되는 공기에 브라운 가스를 혼합시키고, 연소실(10) 내에 강한 전기장을 형성시킴으로써, 안정한 연소가 이뤄질 수 있도록 해준다. 따라서, 희박조건에서의 가연한계가 높아지므로, 엔진의 출력을 증대시키고, 배출가스 중의 NOx를 저감시킬 수 있다.As described above, according to the combustion stabilization apparatus of the internal combustion engine according to the present embodiment, stable combustion can be achieved by mixing Brown gas with air sucked into the combustion chamber 10 and forming a strong electric field in the combustion chamber 10. To make it work. Therefore, since the flammable limit in lean conditions becomes high, the output of an engine can be increased and the NOx in exhaust gas can be reduced.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a combustion stabilization apparatus of an internal combustion engine according to another embodiment of the present invention will be described.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 장치의 개략도이고, 5는 도 4에 있어서, 연료분사노즐에 대한 전극의 배치를 설명하기 위한 도면이다.4 is a schematic diagram of a combustion stabilization apparatus for an internal combustion engine according to another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram for explaining an arrangement of electrodes with respect to a fuel injection nozzle in FIG. 4.

도시된 실시예에서는, 연료분사노즐(110)과 전극(112)의 배치관계를 제외하고는 전술한 실시예와 차이점이 없다. 따라서, 이하에서는 상기 연료분사노즐(110)과 전극(112)의 배치관계에 대해서만 설명하기로 한다.In the illustrated embodiment, there is no difference from the above-described embodiment except for the arrangement relationship between the fuel injection nozzle 110 and the electrode 112. Therefore, hereinafter, only the arrangement relationship between the fuel injection nozzle 110 and the electrode 112 will be described.

도시된 바와 같이, 연료분사노즐(110)은 원통형 형태를 가지며, 일단에는 연료가 분사되는 배출구가 마련되어 있다. 전술한 실시예에서는, 상기 연료분사노즐(110)의 외벽이 도전성 물질로 이루어져 전극의 역할을 수행하였다. 그러나, 본 실시예에서는, 전극(112)이 상기 연료분사노즐(110)과는 별도로 마련된다. 상기 전극(112)은, 도시된 바와 같이, 상기 연료분사노즐(110)의 배출구 부분을 둘러싸도록 배치되는 원통형 형상이다. 또한, 상기 전극(112)을 절연시키기 위하여, 상기 전극(112)을 둘러싸는 원통형 형상의 절연체(142)가 마련된다.As shown, the fuel injection nozzle 110 has a cylindrical shape, and is provided with an outlet through which fuel is injected. In the above-described embodiment, the outer wall of the fuel injection nozzle 110 is made of a conductive material to serve as an electrode. However, in this embodiment, the electrode 112 is provided separately from the fuel injection nozzle 110. As shown in the drawing, the electrode 112 has a cylindrical shape disposed to surround the outlet portion of the fuel injection nozzle 110. In addition, in order to insulate the electrode 112, a cylindrical insulator 142 surrounding the electrode 112 is provided.

상술한 실시예들에 있어서, 상기 브라운 가스 분사노즐(122)이 흡기포트(14)에 마련되는 것을 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 브라운 가스 분사노즐(122)은 상기 실린더 헤드(13) 상에 장착될 수도 있다. 이 경우에는, 상기 브라운 가스 분사노즐(122)은, 연료분사노즐(110)과 마찬가지로, 연소실(10) 내로 직접 브라운 가스를 분사시킴으로써, 상기 연소실(10) 내로 유입된 공기와 혼합시킨다.In the above-described embodiments, for example, the brown gas injection nozzle 122 is provided in the intake port 14, but is not limited thereto. As illustrated in FIG. 6, the brown gas injection nozzle 122 is provided. The nozzle 122 may be mounted on the cylinder head 13. In this case, the brown gas injection nozzle 122 is mixed with the air introduced into the combustion chamber 10 by injecting Brown gas directly into the combustion chamber 10, similarly to the fuel injection nozzle 110.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 방법에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a combustion stabilization method of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 방법의 개략적 순서도이다.8 is a schematic flowchart of a combustion stabilization method of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 내연기관의 연소 안정화 방법은, 예컨대 선박의 엔진에서의 연소를 안정화시키기 위한 방법으로서, 브라운 가스-공기 혼합단계(S1), 연료 분사단계(S2), 및 전기장 형성단계(S3)를 포함한다.The combustion stabilization method of the internal combustion engine according to the present embodiment is, for example, a method for stabilizing combustion in an engine of a ship, and includes a brown gas-air mixing step S1, a fuel injection step S2, and an electric field forming step S3. ).

상기 브라운 가스-공기 혼합단계(S1)에서는, 내연기관의 흡기포트를 통하여 유입되는 공기에 브라운 가스를 분사시켜 공기와 브라운 가스를 혼합시킨 후, 혼합기를 내연기관의 연소실로 유입시키거나, 연소실 내로 브라운 가스를 직접 분사시킨다.In the Brown gas-air mixing step (S1), after the Brown gas is injected into the air introduced through the intake port of the internal combustion engine to mix the air and Brown gas, the mixer is introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine, or into the combustion chamber Direct injection of Brown gas.

상기 연료분사단계(S2)에서는, 연소실 내에서 압축된 공기 및 브라운 가스의 혼합기를 향하여 연료를 분사시킨다. In the fuel injection step (S2), the fuel is injected toward the mixer of the compressed air and brown gas in the combustion chamber.

상기 전기장 형성단계(S3)에서는, 상기 연소실 내로 전기장을 형성하여 연소에 의한 화염을 안정화시킨다.In the electric field forming step (S3), an electric field is formed into the combustion chamber to stabilize the flame by combustion.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 연소실 11: 피스톤
12: 실린더 블록 13: 실런더 헤드
14: 흡기포트 16: 배기포트
17: 흡기밸브 18: 배기밸브
110: 연료분사노즐 112: 전극
120: 브라운 가스 발생기 122: 브라운 가스 분사노즐
124: 스월 밸브 130: 제어부
140: 전원 공급부 142: 절연체
144: 전기장 150: 오실로스코프<Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: combustion chamber 11: piston
12: cylinder block 13: cylinder head
14: intake port 16: exhaust port
17: intake valve 18: exhaust valve
110: fuel injection nozzle 112: electrode
120: Brown gas generator 122: Brown gas injection nozzle
124: swirl valve 130: control unit
140: power supply 142: insulator
144: electric field 150: oscilloscope

Claims (14)

내연기관의 연소실에서의 연소를 안정화하도록, 상기 내연기관에 장착되는 연소 안정화 장치로서,
연소실로 연료를 분사하는 연료분사노즐;
상기 연소실로 브라운 가스를 분사하는 브라운 가스 분사노즐; 및
상기 연소실로 흡입된 공기와, 상기 연료 및 브라운 가스의 혼합물의 연소에 의해 발생된 화염을 안정화시키도록, 상기 연소실 내에 전기장을 형성시키는 전기장 발생부;를 포함하는 것인 내연기관의 연소 안정화 장치.A combustion stabilization device mounted to the internal combustion engine to stabilize combustion in a combustion chamber of an internal combustion engine,
A fuel injection nozzle for injecting fuel into the combustion chamber;
Brown gas injection nozzle for injecting Brown gas into the combustion chamber; And
And an electric field generating unit for forming an electric field in the combustion chamber so as to stabilize the flame generated by the combustion of the air sucked into the combustion chamber and the mixture of the fuel and the brown gas. 청구항 1에 있어서,
상기 브라운 가스 분사노즐은, 상기 연소실 내로 브라운 가스를 직접 분사하도록 상기 내연기관의 실린더 헤드에 장착되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method according to claim 1,
And the brown gas injection nozzle is mounted to a cylinder head of the internal combustion engine to directly inject brown gas into the combustion chamber. 청구항 1에 있어서,
상기 브라운 가스 분사노즐은, 상기 내연기관의 흡기포트에 장착되어 상기 흡기포트로 유입되는 공기를 향하여 브라운 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method according to claim 1,
The brown gas injection nozzle is installed in the intake port of the internal combustion engine, the combustion stabilization apparatus of the internal combustion engine, characterized in that for injecting brown gas toward the air flowing into the intake port. 청구항 3에 있어서,
상기 브라운 가스 분사노즐에 의해 분사된 브라운 가스에 와류를 형성하도록, 상기 흡기포트에는 스월 밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method according to claim 3,
And a swirl valve is provided in the intake port so as to form a vortex in the brown gas injected by the brown gas injection nozzle. 청구항 1에 있어서,
상기 내연기관의 부하조건에 따라 상기 브라운 가스 분사노즐의 분사량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method according to claim 1,
And a control unit for controlling the injection amount of the brown gas injection nozzle according to the load condition of the internal combustion engine. 청구항 1에 있어서,
상기 전기장 발생부는,
상기 연소실 내에 전기장을 형성하는 전극; 및
상기 전극에 고전압을 인가하기 위한 전원 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method according to claim 1,
The electric field generating unit,
An electrode forming an electric field in the combustion chamber; And
And a power supply for applying a high voltage to the electrode. 청구항 6에 있어서,
상기 연료분사노즐의 외벽은 도전성 물질로 이루어져 있으며,
상기 연료분사노즐의 외벽이 상기 전극의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method of claim 6,
The outer wall of the fuel injection nozzle is made of a conductive material,
Combustion stabilization device of the internal combustion engine, characterized in that the outer wall of the fuel injection nozzle serves as the electrode. 청구항 7에 있어서,
상기 연료분사노즐의 외벽을 전기적으로 절연시키도록, 상기 연료분사노즐의 외벽을 둘러싸는 절연체가 마련되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method according to claim 7,
And an insulator surrounding the outer wall of the fuel injection nozzle so as to electrically insulate the outer wall of the fuel injection nozzle. 청구항 6에 있어서,
상기 전극은 상기 연료분사노즐의 배출구 부분을 둘러싸도록 배치되는 원통형 형상인 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method of claim 6,
The electrode is a combustion stabilization apparatus of the internal combustion engine, characterized in that the cylindrical shape disposed to surround the outlet portion of the fuel injection nozzle. 청구항 9에 있어서,
상기 전극을 전기적으로 절연시키도록, 상기 전극을 둘러싸는 절연체가 마련되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method according to claim 9,
An insulator surrounding the electrode is provided to electrically insulate the electrode. 청구항 6에 있어서,
상기 전극에서의 전압 및 주파수를 검출하는 오실로스코프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The method of claim 6,
And an oscilloscope for detecting the voltage and the frequency at the electrode. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 내연기관은 선박의 동력원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 장치.The internal combustion engine of any one of Claims 1-11 is used as a power source of a ship, The combustion stabilization apparatus of an internal combustion engine. 내연기관의 연소실에서의 연소를 안정화하기 위한 방법으로서,
상기 연소실로 브라운 가스를 분사하여 공기와 혼합시키는 브라운 가스-공기 혼합단계;
상기 연소실로 연료를 분사하는 연료 분사단계; 및
상기 연소실 내에 전기장을 형성하여 연소에 의한 화염을 안정화시키는 전기장 형성단계;를 포함하는 것인 내연기관의 연소 안정화 방법.As a method for stabilizing combustion in a combustion chamber of an internal combustion engine,
Brown gas-air mixing step of injecting the brown gas into the combustion chamber and mixing with air;
A fuel injection step of injecting fuel into the combustion chamber; And
And an electric field forming step of stabilizing a flame caused by combustion by forming an electric field in the combustion chamber. 청구항 13에 있어서,
상기 브라운 가스-공기 혼합단계에서는, 상기 브라운 가스에 와류를 형성시켜 상기 공기와 혼합시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 안정화 방법.The method according to claim 13,
In the Brown gas-air mixing step, the combustion stabilization method of the internal combustion engine, characterized in that the vortex is formed in the Brown gas and mixed with the air.
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