KR20150138887A - 수소 가스를 이용한 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템 - Google Patents

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KR20150138887A
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조용석
이성욱
윤여빈
김형근
김인구
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Abstract

듀열 퓨얼 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진부; 상기 엔진부로 연소 공기 및 연료를 제공하는 흡기 포트; 상기 흡기 포트 내 LPG 연료를 분사하는 LPG 공급부; 및 상기 흡기 포트 내 수소 가스를 분사하는 수소 공급부;를 포함하고, 상기 엔진부로 LPG 연료 및 수소 가스가 혼합되어 공급되는 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템이 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템은 LPG 연료에 수소 가스를 혼합하여 제공함으로써, 질소산화물, 탄화수소 등의 유해 배출물을 저감시킬 수 있으며, 엔진 출력 또한 향상시킬 수 있게 된다.

Description

수소 가스를 이용한 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템 {DUAL FUEL INJECTION SYSTEM USING HYDROGEN GAS}
본 발명은 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수소 가스를 이용한 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템에 관한 것이다.
차량에서 배출되는 유해 배기가스가 대기오염의 주원인 중 하나로 지적되면서 유로 규제 등 전세계적으로 배기가스에 대한 규제가 강화되고 있으며, 청정 에너지, 대체 에너지 개발에 대한 요구가 증가되고 있다. 그 중 청정 에너지 중 하나로 주목받고 있는 LPG(Liquified Petroleum Gas) 연료는 차량 등에의 적용이 급증되고 있으며, 일 예로 국내의 경우, 승용차량 중 16 퍼센트 이상이 LPG 연료 차량으로, 높은 비중을 차지하고 있다.
상기와 같은 LPG 연료는 종래 일반적인 차량 연료로 사용되던 가솔린(Gasoline)에 비해 수소 대 탄소 원자비(H/C)가 높아 이산화탄소(CO2) 등의 배출량이 적고 황 화합물 등의 공해요소가 적은 장점이 있으나, 탄화수소계열 연료의 특성상 유해 배출물이 완전히 차단되는 것은 아니며, 따라서 현재까지도 유해 배출물을 저감을 위한 LPG 연료 기관 등이 지속적으로 연구 개발되고 있다. 일 예로, 한국공개특허 제10-2012-0090212호에는 가솔린 및 엘피지 겸용 차량의 연료공급 제어장치를 개시한 바 있으며, 한국공개특허 제10-2010-0091577호 및 한국공개특허 제10-2009-0108900호에서는 각각 LPLI 차량의 연료장치 및 LPG와 DME의 혼합연료 최적 혼합장치에 대해 개시한 바 있다.
한국공개특허 제10-2012-0090212호 (2012년 08월 17일 공개) 한국공개특허 제10-2010-0091577호 (2010년 08월 19일 공개) 한국공개특허 제10-2009-0108900호 (2009년 10월 19일 공개)
본 발명의 실시예들은 저비용으로 용이하게 구현 가능하면서도 엔진 출력 향상과 유해 배출물의 저감 효과를 도모할 수 있는 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진부; 상기 엔진부로 연소 공기 및 연료를 제공하는 흡기 포트; 상기 흡기 포트 내 LPG 연료를 분사하는 LPG 공급부; 및 상기 흡기 포트 내 수소 가스를 분사하는 수소 공급부;를 포함하고, 상기 엔진부로 LPG 연료 및 수소 가스가 혼합되어 공급되는 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템은, LPG 연료에 수소 가스를 혼소하여 공급함으로써, 탄화수소, 질소산화물 등의 유해 배출물을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 엔진 출력 향상이나 연소 안정성 증대 등의 효과를 기대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템은, 기존의 LPG 엔진 또는 LPLi 엔진에 수소 공급부 등을 추가함으로써 쉽게 구현이 가능하여 기술적 호환성 및 활용도가 높은 이점이 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 듀열 퓨얼 시스템의 변형예를 도시한 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 니플의 사시도 및 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 또한, 이하의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템(이하, '시스템(S)'으로 약칭함)은 엔진부(10)를 포함할 수 있다.
엔진부(10)는 LPG(Liquified Petroleum Gas)를 연료로 구동될 수 있다. 예컨대, 엔진부(10)는 감압기화장치 등에 의해 LPG를 기화기로부터 기관 내 흡입하는 LPG 엔진 또는, LPG를 가압하여 액상 상태로 펌프하고 이를 흡기 포트에서 분사하는 연료공급방식의 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 엔진을 포함할 수 있다. 이와 같은 LPG 엔진 또는 LPLi 엔진은 당업계에 공지된 바 있으며, 본 실시예의 경우 엔진부(10)로 LPLi 엔진이 채용된 경우를 예시하고 있다. 엔진부(10)는 밸브(11), 연소실(12), 점화 플러그(13), 피스톤(14), 커넥팅 로드(15) 등을 구비하고, 밸브(11)로부터 연소실(12) 내 흡입된 연료를 통해 구동될 수 있으며, 이는 기 공지된 LPG 엔진 또는 LPLi 엔진 등과 유사하게 구성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 시스템(S)은 흡기 포트(20) 및 배기 포트(30)를 포함할 수 있다.
흡기 포트(20)는 연소에 필요한 연료 및 연소 공기를 엔진부(10)로 제공할 수 있다. 흡기 포트(20)의 일측은 외기와 연통될 수 있으며 흡기 공기량을 조절하기 위한 스로틀 밸브(throttle valve, 21)가 마련될 수 있다. 차량에의 적용을 가정할 경우, 알려진 바와 같이, 이와 같은 스로틀 밸브(21)는 가속 페달에 연동하여 개도가 조절될 수 있다. 필요에 따라, 흡기 포트(20)는 복수의 흡기 통로를 가지는 흡기 매니폴드(intake manifold)로 구성될 수 있다.
배기 포트(30)는 엔진부(10)의 배기 가스를 외부 배출시키기 위한 배출 통로를 제공할 수 있다. 흡기 포트(20)와 마찬가지로 배기 포트(30) 또한 필요에 따라 배기 매니폴드(exhaust manifold)로 구성될 수 있으며, 배기 포트(30)의 일측에는 배기 가스 중에 함유된 미연소 탄화수소(THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등을 정화시키기 위한 3원 촉매기(3-way catalytic, 31)가 마련될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 시스템(S)은 LPG 공급부(40)를 포함할 수 있다.
LPG 공급부(40)는 흡기 포트(20)로 LPG 연료를 제공할 수 있다. 예컨대, 본 실시예와 같이 엔진부(10)가 LPLi 엔진으로 구성된 경우, LPG 공급부(40)는 가압된 액상의 LPG를 펌핑하여 흡기 포트(20) 내로 분사할 수 있다.
보다 구체적으로, LPG 공급부(40)는 LPG 연료가 저장되는 LPG 탱크(41), LPG 탱크(41) 내 연료를 흡기 포트(20)로 공급하기 위해 펌핑하는 연료 펌프(42), 펌핑된 LPG 연료의 유동 경로를 제공하는 LPG 이송 라인(43) 및, 흡기 포트(20)에 장착되어 이송된 LPG 연료를 흡기 포트(20) 내 분사하는 LPG 인젝터(44)로 구성될 수 있다. 이와 같은 LPG 공급부(40)는 LPG 탱크(41) 내 저장된 연료를 연료 펌프(42)를 통해 펌핑하여 LPG 이송 라인(43)으로 공급할 수 있으며, LPG 인젝터(44)를 통해 흡기 포트(20) 내 분사함으로써, LPG 연료가 흡기 공기와 함께 엔진부(10)로 공급될 수 있도록 한다.
한편, 본 실시예에 따른 시스템(S)은 수소 공급부(50)를 포함할 수 있다.
수소 공급부(50)는 흡기 포트(20)로 수소 가스를 제공할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 시스템(S)은 전술한 LPG 공급부(40)를 통해 LPG 연료가 흡기 포트(20)로 제공되는 한편, 본 수소 공급부(50)를 통해 수고 가스가 흡기 포트(20)로 함께 제공될 수 있으며, 따라서 엔진부(10)에는 LPG, 수소 가스 및 연소 공기가 혼합된 형태의 이종(異種) 연료가 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 수소 공급부(50)는 수소 가스가 저장되는 수소 탱크(51), 수소 가스의 유동 경로를 제공하는 가스 이송 라인(52) 및, 흡기 포트(20)에 장착되어 이송된 수소 가스를 흡기 포트(20) 내 분사하는 가스 인젝터(53)로 구성될 수 있다. 이와 같은 수소 공급부(50)는 후술할 제어부(60) 등의 제어에 따라 소정 주기 또는 비율로 수소 가스를 흡기 포트(20) 내 분사함으로써, LPG 및 수소 가스가 혼합된 이종 연료가 엔진부(10)로 공급될 수 있도록 한다.
또한, 가스 인젝터(53)는 전술한 LPG 인젝터(44)에 비해 후방에 배치될 수 있다. 또는, 가스 인젝터(53)는 LPG 인젝터(44)에 비해 후방에서 수소 가스를 분사할 수 있다. 이때, 상기의 후방은 흡기 포트(20)를 통해 흡입되는 공기의 유동 방향을 기준으로 엔진부(10) 쪽을 향한 방향을 지칭함을 알려둔다. 즉, 가스 인젝터(53)는 LPG 인젝터(44)에 비해 엔진부(10) 또는 밸브(11)와 인접한 위치에 배치되어, LPG 연료의 분사 위치보다 엔진부(10) 또는 밸브(11)에 인접한 위치에서 수소 가스를 분사할 수 있다. 이는 상대적으로 가벼운 수소 가스가 흡기 포트(20) 내 흡입 압력을 통해 충분히 엔진부(10)로 공급될 수 있도록 하기 위함이다.
상기와 같은 수소 가스의 혼합은 LPG 단일 연료를 사용하는 경우에 비해, 이산화탄소(CO2)의 배출량을 저감시킴과 동시에, 엔진 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로, 수소 가스의 경우, 높은 단위 질량당 발열량을 가지는 바, 동일한 부하 조건에서 보다 적은량의 연료로 구동이 가능해진다. 또한, 수소 가스는 빠른 연소 속도 및 넓은 가연 범위를 가지기 때문에 엔진의 희박연소한계(Lean misfire limit) 또한 증가될 수 있다. 나아가, 알려진 바와 같이, 수소 가스는 연소 후 생성물이 대부분 수증기인 청정 연료기 때문에 배기 가스 중의 유해 배출물 또한 최소화될 수 있는 이점이 있다.
본 출원인의 실험 결과에 따르면, 상기와 같은 수소 가스의 혼합은 최대 60 퍼센트의 이산화탄소(CO2) 저감 효과를 기대할 수 있으며, 아이들(idle) 구간에서 수소 가스를 혼소할 경우 최대 10 퍼센트 정도의 연소 안정성(Combustion stability) 향상 효과가 있는 것으로 나타난 바 있다. 또한, 수소 가스의 넓은 가연 범위 특성으로 인해 희박 연소 조건으로 연소가 이뤄질 수 있으며, 이는 최대 98 퍼센트 이상의 질소산화물 저감 효과가 있는 것으로 나타난 바 있다. 나아가, 수소 가스의 낮은 점화 에너지나 빠른 연소 속도는 탄화수소(HC)의 배출 또한 감소시킬 수 있으며, 냉시동(cold start) 조건에서 수소 가스의 혼합시 초당 탄화수소의 배출률은 최대 40 퍼센트 가량 저감시킬 수 있는 것으로 실험된 바 있다.
한편, 본 실시예에 따른 시스템(S)은 제어부(60)를 포함할 수 있다.
제어부(60)는 엔진부(10), LPG 공급부(40), 수소 공급부(50) 등을 구동 제어할 수 있다. 특히, 제어부(60)는 LPG 공급부(40) 및 수소 공급부(50)를 구동 제어하여 흡기 포트(20)로 제공되는 LPG 연료 및 수소 가스의 혼합 비율을 조절할 수 있다. 또한, 제어부(60)는 LPG 인젝터(44) 및 가스 인젝터(53)로부터 분사되는 LPG 연료 및 수소 가스의 분사량, 분사 주기 등을 제어할 수 있다.
예컨대, 제어부(60)는 흡기 포트(20)로 제공되는 LPG 연료의 분사량에 대해, 수소 가스가 소정 비율로 지속적 분사되도록 LPG 공급부(40) 및 수소 공급부(50)를 구동 제어할 수 있다. 다른 예로, 제어부(60)는 LPG 연료의 분사 시간 동안, 소정 주기로 수소 가스가 흡기 포트(20) 내 분사되도록 LPG 공급부(40) 및 수소 공급부(50)를 구동 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 듀열 퓨얼 시스템의 변형예를 도시한 구성도이다.
설명의 편의를 위해, 도 2에서는 도 1과 상이한 일부 구성만을 도시하고, 나머지 구성에 대하여는 도시를 생략하고 있음을 알려둔다.
도 2를 참고하면, 흡기 포트(20)는 복수의 흡기 통로를 가지는 흡기 매니폴드로 구성될 수 있으며, 이와 같은 경우, 수소 공급부(50)는 복수의 가스 인젝터(미표기)를 가지는 인젝터 레일(54) 및, 인젝터 레일(54)의 각 가스 인젝터에 연결되어 흡기 매니폴드의 각 흡기 통로로 수소 가스를 분사하는 니플(Nipple, 55)을 구비할 수 있다.
인젝터 레일(54)은 가스 이송 라인(52)에 연결되어 수소 탱크(51)로부터 수소 가스를 제공받고 이를 각 가스 인젝터로 균일한 압력으로 공급하게 되며, 니플(55)은 흡기 매니폴드의 각 흡기 통로에 장착 설치되어, 흡기 통로 내로 수소 가스를 분사하게 된다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 니플(55)은 LPG 인젝터(44)와 비교하여 흡기 통로의 중심부 측으로 돌출 배치될 수 있다. 다시 말하면, 수소 가스의 분사 위치는 LPG 연료의 분사 위치와 비교하여 흡기 통로의 중심부 측에 배치될 수 있다. 이는 비교적 강한 흡입 압력을 가지는 중심부 측에 수소 가스를 분사시킴으로써, 분사된 수소 가스가 원활히 엔진부(10)로 흡입될 수 있도록 하기 위함이다.
도 3은 도 2에 도시된 니플의 사시도 및 단면도이다.
도 3을 참고하면, 니플(55)은 전술한 인젝터 레일(54)의 각 가스 인젝터로부터 수소 가스가 공급되는 유입구(55a)와, 공급된 수소 가스를 흡기 포트(20)로 분사하기 위한 배출구(55e)를 구비할 수 있다. 배출구(55e)는 흡기 포트(20) 내에 배치될 수 있으며, 니플(55)의 내측에는 유입구(55a)에서 배출구(55e)까지 연장된 유동 통로가 형성될 수 있다.
또한, 니플(55)은 흡기 포트(20)에 장착 설치되기 위한 나사부(55d) 및 플랜지(55c)를 구비할 수 있다. 나사부(55d)는 니플(55) 외면에 하단의 배출구(55e)로부터 상방으로 연장 형성될 수 있으며, 플랜지(55c)는 나사부(55d)의 상단에 형성될 수 있다. 니플(55)은 이와 같은 나사부(55d)를 통해 흡기 포트(20)에 장착 설치될 수 있으며, 따라서 사용자는 니플(55)의 회전을 통해 니플(55)의 장착 위치 또는 수소 가스의 흡기 포트(20) 내 분사 위치를 조절할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바, 본 발명의 실시예들에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템(S)은 LPG 연료에 수소 가스를 혼소하여 공급함으로써, 탄화수소, 질소산화물 등의 유해 배출물을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 엔진 출력 향상이나 연소 안정성 증대 등의 효과를 기대할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템(S)은 기존의 LPG 엔진 또는 LPLi 엔진에 수소 공급부(50) 들을 추가함으로써 쉽게 구현이 가능하여 기술적 호환성 및 활용도가 높은 이점이 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
S: 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템 10: 엔진부
20: 흡기 포트 30: 배기 포트
40: LPG 공급부 50: 수소 공급부
60: 제어부

Claims (6)

  1. 엔진부(10);
    상기 엔진부(10)로 연소 공기 및 연료를 제공하는 흡기 포트(20);
    상기 흡기 포트(20) 내 LPG 연료를 분사하는 LPG 공급부(40); 및
    상기 흡기 포트(20) 내 수소 가스를 분사하는 수소 공급부(50);를 포함하고,
    상기 엔진부(10)로 LPG 연료 및 수소 가스가 혼합되어 공급되는, 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진부(10)는,
    가압된 액상 상태의 LPG 연료가 상기 흡기 포트(20)로 펌핑(pumping)되어 분사되는 방식의 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 엔진을 포함하며,
    상기 LPG 공급부(40)는,
    가압된 액상 상태의 LPG 연료가 저장되는 LPG 탱크(41);
    상기 LPG 탱크(41) 내 LPG 연료를 펌핑하는 연료 펌프(42);
    펌핑된 LPG 연료의 유동 경로를 제공하는 LPG 이송 라인(43); 및
    상기 흡기 포트(20)에 장착되어 상기 LPG 이송 라인(43)을 통해 이송된 LPG 연료를 상기 흡기 포트(20) 내 분사하는 LPG 인젝터(44);를 포함하는, 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 공급부(50)는,
    수소 가스가 저장되는 수소 탱크(51);
    상기 수소 탱크(51) 내 수소 가스의 유동 경로를 제공하는 가스 이송 라인(52); 및
    상기 흡기 포트(20)에 장착되어 상기 가스 이송 라인(52)을 통해 이송된 수소 가스를 상기 흡기 포트(20) 내 분사하는 가스 인젝터(53);를 포함하는, 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 공급부(50)가 상기 흡기 포트(20) 내 수소 가스를 분사하는 위치는, 상기 LPG 공급부(40)가 상기 흡기 포트(20) 내 LPG 연료를 분사하는 위치와 비교하여, 상기 흡기 포트(20)의 흡기 경로을 기준으로 후방에 위치되는, 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 공급부(50)는, 상기 흡기 포트(20)에 장착되어 상기 흡기 포트(20) 내 수소 가스를 분사하는 니플(55)을 구비하되,
    상기 니플(55)은, 상기 흡기 포트(20)에 나합되는 나사부(55d)를 구비하는, 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 공급부(50)를 구동 제어하는 제어부(60)를 더 포함하되,
    상기 제어부(60)는,
    상기 흡기 포트(20)로 분사되는 수소 가스가, 상기 LPG 공급부(50)에 의해 분사되는 LPG 연료에 대해 소정 비율을 유지하도록 상기 수소 공급부(50)를 제어하거나,
    상기 흡기 포트(20)로 분사되는 수소 가스가, 소정 주기로 분사되도록 상기 수소 공급부(50)를 제어하는, 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템.
KR1020140065611A 2014-05-30 2014-05-30 수소 가스를 이용한 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템 KR20150138887A (ko)

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KR1020140065611A KR20150138887A (ko) 2014-05-30 2014-05-30 수소 가스를 이용한 듀얼 퓨얼 인젝션 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102112950B1 (ko) 2019-04-12 2020-05-19 이정용 엔진 구동용 수소혼합가스 공급장치
EP4148318A1 (en) 2021-08-18 2023-03-15 Iljin Hysolus Co., Ltd. High-pressure gas storage and supply device

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