KR20170124335A

KR20170124335A - 순산소 가스 엔진

Info

Publication number: KR20170124335A
Application number: KR1020160054110A
Authority: KR
Inventors: 최영; 김창기; 김용래; 박철웅; 조규백
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2017-11-10

Abstract

본 발명은 왕복동 방식의 내연기관 엔진에 대한 것으로서, 질소와 산소가 주성분인 공기 대신 순수한 산소만을 산화제로 사용할 수 있는 순산소 가스 엔진의 구조에 대한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소를 위해 마련되는 적어도 하나 이상의 실린더와, 상기 실린더 내부에 형성된 연소실과, 연소 후 상기 연소실 내 배기를 배출하는 적어도 하나 이상의 배기관을 포함하되, 상기 연소실 내부에 외기를 공급하는 흡기 매니폴드는 구비하지 않는 내연기관으로서, 상기 연소실의 상사점과 하사점 사이를 왕복동하는 피스톤 어셈블리; 상기 실린더 상부의 일 측에 위치하는 적어도 하나 이상의 배기관; 상기 연소실 내부에 순산소를 공급하는 순산소 공급라인; 상기 순산소의 피산화제로서 상기 연소실 내부에 소정의 가스를 공급하기 위한 가스 공급라인; 및 상기 피스톤 어셈블리의 스트로크 동작에 따른 연소실 내부 유체 혼합률을 조절하는 제어부를 포함하는 순산소-가스 내연기관를 제공한다.

Description

순산소 가스 엔진{PURE OXYGEN GAS ENGINE}

본 발명은 왕복동 방식의 내연기관 엔진에 대한 것으로서, 질소와 산소가 주성분인 공기 대신 순수한 산소만을 산화제로 사용할 수 있는 순산소 가스 엔진의 구조에 대한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 내연기관에 대한 정면 투시도이다.

종래의 통상적인 내연기관의 구조는 내부에 연소실(10)이 형성되는 실린더(11)와 피스톤(12)이 구비되고, 피스톤(12)의 왕복 구동을 회전 구동으로 전환시키는 커넥팅로드(13), 실린더(11)의 일측과 타측에 구비되는 흡기계(14) 및 배기계(15)와 흡기계(14)와 배기계(15)를 통과하는 유체 유동을 제한하는 역할을 하는 흡기밸브(16) 및 배기밸브(17)등으로 구성된다.

도 1과 같은 일반적인 왕복동 엔진의 경우 산화제로서 질소와 산소가 주요 성분인 공기를 사용하여 연료를 연소시키기 때문에 대기 중에 존재하는 공기를 엔진 연소실로 유입시켜주는 흡기계(14)가 존재한다. 이러한 흡기계(14)는 도 1에 미도시된 필터와 터보챠져 등과도 연계될 수 있기 때문에 그 부분만으로도 상당한 부피를 차지하게 되어 엔진의 소형화에 불리하다.

한편, 내연기관의 고질적인 문제점 중 하나인 환경오염 문제와 관련하여 엔진 연소 시 고온의 분위기에서 공기 중에 다량 존재하는 질소의 산화에 의해 발생하는 질소산화물(Nitrogen Oxides, NOx)은 산성비의 주요 원인이 되고 건물 부식 및 생태계 파괴를 일으킨다. 인체에도 기관지염, 폐렴, 천식과 같은 각종 호흡기 질환의 원인으로 지목되고 있는 등 질소산화물(NOx)은 세계보건기구(WHO)에서 지정한 발암물질의 일종으로서 선진국을 비롯한 세계 여러 나라에서 매우 엄격한 규제가 이루어지고 있다.

왕복동 엔진이 적용되는 대상 중에 자동차를 일 예로 들면, 우리나라는 자동차의 배기가스규제에 대한 기준으로서 유럽의 기준을 따르는 바, 2014년부터 적용(상용차에는 2015년부터 적용)되는 유로 6의 기준에 발맞추어 더욱 강화된 규제를 시행하고 있다. 유로 6에 따르면 예컨대, 질소산화물(NOx)의 배출허용치를 중대형 디젤상용차의 경우 0.4g/kWh이하로 낮추어야 한다. 이와 같은 디젤차량에 대한 질소산화물에 대한 엄격한 규제의 추세는 가솔린 차량, 하이브리드 차량의 배기가스 배출규제 강화에도 영향을 주고 있다.

배기가스 배출규제 강화추세에 따라 자동차를 비롯하여 내연기관과 관련된 각종 산업계에서는 질소산화물을 저감시키는 기술개발(DeNOx System)이 화두이며, 과거에는 질소산화물을 완전 연소하도록 하는 기술에서 현재는 배기가스를 후처리 하는 기술로 발전하고 있다. 현재는 질소산화물을 완전히 연소하기란 불가능할 뿐만 아니라 그 처리방법의 실용성이 매우 떨어져 최근에는 배기가스 후처리 기술을 중심으로 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다.

배기가스 후처리와 관련된 DeNOx 기술은 크게 두 가지로 분류되는데, 하나는 배기가스를 재순환시키는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)이며, 다른 하나는 선택적 촉매환원 기술인 SCR(Selective Catalytic Reduction)이다.

상기 두 방식의 차이점은 EGR은 엔진 내부의 연소 온도 자체를 낮춰 2000도 부근의 고온에서 생성되는 질소산화물의 발생량 자체를 줄이도록 하는 기술이고, SCR은 엔진에서 연소되어 배출된 배기가스를 촉매를 이용하여 정화하는 기술이라는 점이다. 그런데 EGR의 경우는 배기가스를 흡기 매니폴드 측으로 재순환시켜 질소산화물을 저감시키기 때문에 연소온도 자체를 낮추므로 엔진에 의한 출력이 감소되고 연료소비율이 높아진다는 큰 문제가 있다.

반면 SCR의 경우는 출력감소가 없어 EGR에 비해 연비가 높으며, EGR밸브 수준의 내열장치를 갖추지 않아도 된다. SCR의 원리는 배기가스 중에 암모니아(NH3)를 주입하여 촉매와 반응시켜 질소산화물을 인체에 무해한 성분인 질소와 수소로 환원시키는 것이다. 다만, SCR에는 상기와 같은 장점이 있는 한편 몇 가지 단점도 존재하는데, 촉매 반응을 유도하기 위해 별도의 요소수(Urea)를 저장하는 탱크가 필요하다는 점과 주기적으로 요소수를 교체/보충해주어야 한다는 점이 바로 그것이다.

질소산화물을 최소화시키고자 할 때, 경우에 따라서는 하나의 내연기관에 EGR가스와 SCR 기술을 접목하기도 한다. 그러나 위와 같은 EGR 시스템과 SCR 기술을 이용하여도 질소산화물(NOx)을 완전히 제거할 수는 없어 근본적인 해결책이 되지는 않으며, 강화되는 배기가스 규제에 따른 산업계의 요구를 충족시키기는 미흡한 실정이다.

살펴본 바와 같이 현재까지의 질소산화물을 저감시키는 기술은 실용성이 매우 떨어지거나, EGR 또는 SCR, EGR과 SCR의 기술 접목 등의 방법에 의하여도 기술적 한계가 명백하였다.

이하 소개하는 본 발명에서는 이와 같은 한계를 극복하기 위해 종래의 질소산화물 저감기술이 적용된 내연기관이 아닌, 새로운 개념의 내연기관을 제공하고자 한다.

한편, 향후 내연기관의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되는 극한의 환경, 즉 고고도 상공이나 심해, 우주공간에서는 내연기관의 연소에 필요한 공기가 매우 소량이거나 존재하지 않기 때문에 종래 기술에 따른 내연기관의 효용성이 매우 떨어졌다. 또한, 종래 기술에 따른 내연기관의 구조적 한계로 인해 고고도 비행체나 잠수정과 같은 특수 목적의 운송유닛에는 그 설치에 있어서 공간적으로나 웨이트 측면에서 많은 제약이 따르는 문제가 있었다.

이하 소개하는 본 발명에서는 내연기관의 장착이 필요한 고고도 비행체나 잠수정 등의 특수 목적 운송유닛 등에도 적용이 용이한 새로운 개념의 내연기관을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 질소산화물이 완전히 배제되는 새로운 개념의 내연기관을 제공하는데 그 목적이 있다. 이에 따르면 왕복동 방식의 내연기관 엔진에 산화제로서 질소와 산소가 주성분인 공기 대신 순수한 산소만을 산화제로 사용할 수 있는 엔진구조를 새로이 개시한다.

이로써, 엔진 내부에서 연료와 산화제의 연소 시 공기 중에 다량 존재하는 질소의 출입을 원척적으로 차단하여 발암물질로 분류된 질소산화물(Nitrogen Oxides, NOx)의 발생과 배출을 방지함으로써 질소산화물 배출가스에 의한 환경오염과 건강문제를 해결하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은, 체적을 최소화하여 내연기관이 장착되는 대상물에의 공간효율성을 증대시키는 새로운 개념의 내연기관을 제공하는 것이다. 구체적으로 흡기계를 생략시켜 왕복동 방식의 내연기관 엔진의 체적을 종래에 비해 현저히 축소시킴으로써 공간효율성을 증대시키고자 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 향후 수요가 크게 증가할 것으로 예상되는 극한 환경, 즉 고고도 상공이나 심해, 우주공간에서도 활용이 용이한 내연기관을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면 연소를 위해 마련되는 적어도 하나 이상의 실린더와, 상기 실린더 내부에 형성된 연소실과, 연소 후 상기 연소실 내 배기를 배출하는 적어도 하나 이상의 배기관을 포함하되, 상기 연소실 내부에 외기를 공급하는 흡기 매니폴드는 구비하지 않는 내연기관으로서, 상기 연소실의 상사점과 하사점 사이를 왕복동하는 피스톤 어셈블리; 상기 실린더 상부의 일 측에 위치하는 적어도 하나 이상의 배기관; 상기 연소실 내부에 순산소를 공급하는 순산소 공급라인; 상기 순산소의 피산화제로서 상기 연소실 내부에 소정의 가스를 공급하기 위한 가스 공급라인; 및 상기 피스톤 어셈블리의 스트로크 동작에 따른 연소실 내부 유체 혼합률을 조절하는 제어부를 포함하는 순산소-가스 내연기관을 제공한다.

여기서 상기 가스는 수소, LPG, 천연가스, 바이오가스, 가솔린 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 내연기관의 실린더를 향해 EGR 가스를 공급하는 EGR 시스템을 더 포함할 수 있다.

여기서 상기 EGR 시스템은 상기 배기관으로부터 분기되는 재순환라인과 EGR 밸브 및 쿨러를 포함하는 것을 일 특징으로 할 수 있으며,

상기 제어부는 상기 순산소, 가스 및 EGR 가스의 혼합률을 제어하는 것을 일 특징으로 할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관은 스파크 플러그(spark plug) 또는 글로 플러그(glow plug)를 더 포함할 수 있고,

상기 가스의 직관적인 검출이 용이하도록 가스 공급시 부취제를 첨가하는 부취시스템을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 ECU(ENGINE CONTROL UNIT)인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관은 순수한 산소만을 산화제로 이용하기 때문에 공기를 이용하였을 경우와 같은 질소산화물(NOx) 배출을 원천적으로 차단하여 미래 배기규제 기준을 만족시킬 수 있으며, DeNOx 시스템과 같은 고가의 후처리 장치가 불필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관은 흡기 매니폴드를 삭제하기 때문에 엔진의 공간효율성이 매우 좋아지는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관은 공기가 희박하거나 존재하지 않는 환경에서 운행이 예상되는 고고도 비행체 또는 심해 잠수정, 우주 비행체 등 특수 목적 운송유닛의 고출력 엔진으로도 활용 가능한 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관은 비열이 큰 배기재순환(EGR)가스의 비율을 높일 경우에, 동일한 열효율을 기준으로 연소실의 압축비를 낮출 수 있게 되어 엔진 내구도 저하 방지 측면에서도 유리하다.

도 1은 종래 기술에 따른 내연기관에 대한 정면 투시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관에 대한 정면 투시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관에 대한 정면 투시도이다.
도 4는 도 2의 내연기관을 A-A'방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 시스템에 대한 블록도이다.

이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결 또는 전기적인 연결을 의미할 수 있다.

또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.

도면 설명에 앞서, 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관에 대한 정면 투시도이다.

일 실시예에 따르면, 본 발명의 순산소-가스 내연기관은 연소를 위해 마련되는 적어도 하나 이상의 실린더(110)와, 상기 실린더(110) 내부에 형성된 연소실(100)과, 연소 후 상기 연소실(100) 내 배기를 배출하는 적어도 하나 이상의 배기관(150)을 포함하되, 상기 연소실(100) 내부에 외기를 공급하는 흡기 매니폴드는 구비하지 않는 내연기관으로서, 상기 연소실(100)의 상사점(top dead point)과 하사점(bottom dead point) 사이를 왕복동하는 피스톤 어셈블리(120); 상기 실린더(110) 상부의 일 측에 위치하는 적어도 하나 이상의 배기관(150); 상기 연소실(100)의 내부에 순산소를 공급하는 순산소 공급라인(210); 상기 순산소의 피산화제로서 상기 연소실(100) 내부에 소정의 가스를 공급하기 위한 가스 공급라인(220); 및 상기 피스톤 어셈블리(120)의 스트로크 동작에 따른 연소실(100) 내부 유체 혼합률을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 내연기관은 일반적으로 4행정 사이클 기관(four stroke cycle engine)에 적용됨이 가장 바람직하지만 반드시 그에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 내연기관은 가솔린 엔진이 해당될 수 있지만 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 디젤 엔진이나 하이브리드(hybrid)형 엔진도 본 발명의 일 실시예에 해당될 수 있음을 유의하여야 한다.

다시 한번 강조하지만 본 발명의 주요 특징 중 하나는 도 1을 위시한 종래 기술의 내연기관과 달리 흡기 매니폴드 내지 흡기계를 구비하지 않는다는 것이다. 여기서 흡기 매니폴드 내지 흡기계란 내연기관 또는 내연기관이 장착되는 운송유닛에 제공되는 외기를 연소실 내부로 능동적 또는 수동적으로 공급하기 위한 구성이다. 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이 흡기 매니폴드 내지 흡기계는 그 자체의 체적과 무게가 상당할 뿐만 아니라, 외기를 공급하는 터보챠저(turbo charger)등의 부속품과도 연계되는 것이 보통이므로 운송유닛 설계에 있어서 매우 큰 비중을 차지한다. 그러나 본 발명에서는 이와 같은 흡기 매니폴드 혹은 흡기계를 완전히 제거함으로서 종래 개시된 내연기관들과 전혀 상이한 구조를 가지게 된다.

대신 본 발명의 내연기관은 피스톤 어셈블리(120)의 일반적인 스트로크(stroke, 행정)인 흡기->압축->연소팽창->배기(4행정 기준)과정에서, 흡기 행정시 질소가 혼합되는 공기(외기)가 아닌 순수한 산소와 가스가 연소실(100)에 공급될 수 있다.

여기서 연소실(100)에 공급되는 가스는 수소, LPG, 천연가스, 바이오가스, 가솔린의 군 중에서 어느 하나의 군이 선택될 수 있다. 예컨대, 연소실(100)에 공급되는 가스로서 수소가 해당되는 경우에는 순수한 산소와 수소가 서로 혼합되어 압축되고 착화됨으로써 피스톤은 큰 폭발력을 얻어 기계적인 에너지를 얻게 되는데 이러한 과정에서 나오는 배기에는 질소산화물이 전혀 배출되지 않는 장점이 있다. 다만, 순수한 산소를 연소할 경우 연소 온도가 매우 높게 상승하게 되어 연소실의 과도한 열화에 따른 문제가 유발될 수 있는데, 이에 대한 보완방법은 이하 EGR 시스템과 관련하여 후술하기로 한다.

본 발명의 제어부는 피스톤 어셈블리(120)의 스트로크 동작에 따른 연소실(100) 내부 유체 혼합률을 조절할 수 있다. 피스톤 어셈블리(120)의 상승동작 또는 하강동작에 대응하여 순산소 공급라인(210)과 가스 공급라인(220) 측에 공급신호를 전송함으로써 연소에 필요한 각 유체의 양과 비율을 조절할 수 있다. 여기서 제어부는 공급되는 산소와 가스연료의 유량을 MFM(질량유량계)을 통해 실시간 측정하여 피드백(feedback)함으로서 밸브 개폐량을 조절하고 이를 통해 엔진의 연소조건의 조절이 가능하다. 여기서 개폐되는 밸브는 배기밸브(170), 순산소 공급라인의 밸브, 가스 공급라인의 밸브 등이 해당될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관에 대한 정면 투시도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관은 상기 내연기관의 연소실을 향해 EGR 가스를 공급하는 EGR 시스템을 더 포함할 수 있다.

종래의 내연기관에서는 흡기매니폴드 측을 통해 외부에서 유입한 외부 신기와 EGR 가스를 혼합하여 연소실(100) 내부로 유입시키는 방식을 취했으나, 본 발명의 일 실시예에서는 비열성능이 좋은 배기재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 가스만을 공급하는 방식을 취할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배기재순환 가스는 순산소와 가스(수소, LPG, 천연가스, 바이오가스, 가솔린 등)의 혼합유체가 연소 후 배기되어 재순환되는 것이기 때문에, 종래기술의 재순환 가스와 달리 질소산화물이 생성되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소의 경우 대략 산화 온도가 대략 섭씨 3000도 부근까지 매우 높게 상승할 수 있는데, 다량의 배기재순환 가스가 다시 연소실 내부로 공급될 수 있도록 재순환라인(230)을 구축함으로써, 재순환된 배기가스에 의해 연소온도가 낮아지게 되므로 연소실 열화에 따른 각종 문제를 완화할 수 있다.

한편, 순산소의 연소에 의한 연소 온도 상승 효과를 저감시키기 위해 본 발명의 내연기관은 일반적인 불꽃점화 엔진보다 낮은 압축비의 연소실을 갖도록 구성할 수 있다. 이때, 낮은 압축비로 야기될 수 있는 효율 저감 문제는 순산소-가스에 대한 배기재순환가스의 혼합비율을 높임으로써 해결할 수 있다. 즉, 내연기관의 안전을 위해 연소실 내 압축비를 줄이되 상대적으로 다량의 배기재순환가스 공급을 통해 압축비를 어느 정도 수준까지 유지시킴으로써 내연기관에 요구되는 효율을 적정한 수준으로 유지시킬 수 있게 된다.

위와 같은 효과를 얻기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 EGR 시스템은 상기 배기관으로부터 분기되는 재순환라인(230)과 EGR 밸브(231) 및 EGR 쿨러(232)를 포함할 수 있다. 재순환되는 배기가스는 연소실에 공급되는 양뿐만 아니라 재순환되는 배기가스의 온도가 매우 중요하다. 전술한 바와 같이 재순환되는 가스를 냉각시켜 연소 온도를 낮추면 연소실 내 온도 상승 효과를 저감시킬 수 있기 때문이다.

다시 말하면, EGR 시스템에서는 엔진쪽으로 리턴되는 배기가스의 양과 온도가 중요한데 여기서 리턴되는 배기가스(이하 'EGR 가스'라 칭함)의 양을 제어하는 것이 EGR 밸브(231)이며, 배기가스의 온도를 제어하는 것이 냉각식 배기가스 재순환 장치(Cooled exhaust-gas recirculation, CEGR)의 EGR 쿨러(232)이다. 본 발명의 EGR 쿨러(232)는 재순환되는 EGR 가스가 EGR 쿨러(232)의 배관 내부에서 지그재그 형식으로 유동하여 EGR 쿨러(232)의 길이와 대비하여 최대한 넓은 표면적에서 냉각수와 열교환 하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 본 발명의 순산소-가스 내연기관은 엔진과 EGR 쿨러(232)측에 냉각수를 제공하기 위한 워터펌프(400) 및 워터펌프로부터 연결되는 냉각수 공급라인을 포함할 수 있다.

EGR 쿨러(232)를 통과하여 열교환된 재순환가스(EGR 가스)는 EGR 밸브(231)를 거쳐 적정한 유량이 연소실에 공급되도록 제어될 수 있다.

도 4는 도 2의 내연기관을 A-A'방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관의 연소실 내부 모습이 도시된다. 도 4는 연소실 내부에서 실린더 상부 측을 바라보는 모습을 나타낸 것으로서, 배기구(151)가 마련된 배기관(150), 순산소유입구(211)가 마련된 순산소 공급라인(210), 가스유입구(221)가 마련된 가스 공급라인(220) 및 EGR 가스 유입구(230) 등이 구비될 수 있다. 여기서도 확인할 수 있지만 본 발명에서는 흡기계 내지 흡기 매니폴드가 구비되지 않는다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관의 실린더(110)의 일 측에는 스파크 플러그(spark plug) 또는 글로 플러그(glow plug)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서는 순산소를 이용하므로 과도한 압축비는 그 위험성이 높은바 높은 압축비(대략 20부근)가 요구되는 디젤 엔진보다는 상대적으로 낮은 압축비(대략 8에서 10부근) 환경 하에서 가동되는 가솔린 엔진에 적용하는 것이 바람직한 실시예가 될 수 있으며, 이에 따라 혼합유체를 착화시키기 위한 스파크 플러그 또는 글로 플러그를 실린더(110)의 일 측에 구비할 수 있다. 전술한 바와 같이 낮은 압축비로 인해 수반되는 엔진효율 감소의 문제는 비열이 높은 EGR 가스를 공급함으로써 보완할 수 있다.

다음으로 도 5를 참조하여 본 발명 순산소-가스 내연기관의 운용시스템에 대하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 시스템에 대한 블록도이다. 도 5에는 엔진의 구성, EGR 시스템, 순산소 공급 시스템, 가스 공급 시스템의 개념이 도시되어 있다.

EGR 재순환 라인(230), EGR 쿨러(232), EGR 밸브(231)를 포함하여 구성되는 EGR 시스템과 순산소 공급라인(210), 순산소 저장부(212), 순산소 공급 밸브(213)를 포함하여 구성되는 순산소 공급 시스템 및 가스 공급라인(220), 가스 저장부(222), 가스 공급 밸브(224)를 포함하여 구성되는 가스 공급 시스템은 상호 독립적으로 작동될 수 있으나, 바람직하게는 최적의 엔진효율을 얻을 수 있도록 제어부(300)에 의해 상호 연계되어 작동될 수도 있다. 여기서 본 발명의 제어부는 도 5에 도시된 바와 같이 ECU(ENGINE CONTROL UNIT)가 해당될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 공급 시스템은 가스 연료의 누설 여부를 감지할 수 있도록 암모니아(NH3)와 같은 부취제를 가스 공급라인(220)상에서 혼합 가능하도록 마련될 수 있다.

예컨대, 수소를 연료로 사용하는 경우는 무색, 무취한 수소의 특성상 수소의 누설 또는 연소실 내 잔류여부를 알기가 어렵고, 수소가 연소실 부근에서 누설되거나 잔류할 때 발생하는 재료의 취화 문제, 내연기관을 구성하는 각종 실링 재료의 경화 문제, 조기점화(pre-ignition), 역화(back fire), 노킹(Knoking)등의 이상 연소가 발생될 위험성이 내포한다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 가스의 직관적인 검출이 용이하도록 가스 공급시 부취제를 첨가하는 부취시스템을 더 포함할 수 있다. 부취시스템은 간단히 부취제 저장부(223)에 저장된 부취제(Odor)를 가스 공급 밸브(224)의 개폐량 조절을 통해 가스와 혼합되도록 함으로써 사용자로 하여금 내연기관 시스템의 안전성 점검이 용이하도록 할 수 있다. 보다 구체적으로 수소를 기화시켜 연소실에 공급할 때, 소량의 부취제를 가스 공급라인(220)상에 흘려 보내면 수소와 부취제가 혼합되어 연료의 누설 또는 잔류 유무를 알 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관은 순수한 산소만을 산화제로 이용하기 때문에 공기를 이용하였을 경우와 같은 질소산화물(NOx) 배출을 원천적으로 차단하여 미래 배기규제 기준을 만족시킬 수 있으며, DeNOx 시스템과 같은 고가의 후처리 장치가 불필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순산소-가스 내연기관은 비열이 큰 배기재순환(EGR)가스의 비율을 높여 사용함으로서 상대적으로 일정 수준의 연소실 압축비를 유지할 수 있게 되어 열효율의 향상을 도모할 수 있으며 엔진 내구도 저하 방지 측면에서도 유리하다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 연소실
110 : 실린더
120 : 피스톤 어셈블리
130 : 커넥팅로드
150 : 배기관
151 : 배기구
170 : 배기밸브
180, 181 : 플러그
210 : 순산소 공급라인
211 : 순산소 유입구
212 : 순산소 저장부
213 : 제1밸브
220 : 가스 공급라인
221 : 가스유입구
222 : 가스 저장부
223 : 부취제 저장부
224 : 제2밸브
230 : EGR 가스 재순환라인
231 : EGR 밸브
232 : EGR 쿨러
300 : ECU
400 : 워터펌프

Claims

연소를 위해 마련되는 적어도 하나 이상의 실린더와, 상기 실린더 내부에 형성된 연소실과, 연소 후 상기 연소실 내 배기를 배출하는 적어도 하나 이상의 배기관을 포함하되, 상기 연소실 내부에 외기를 공급하는 흡기 매니폴드는 구비하지 않는 내연기관으로서,
상기 연소실의 상사점과 하사점 사이를 왕복동하는 피스톤 어셈블리;
상기 실린더 상부의 일 측에 위치하는 적어도 하나 이상의 배기관;
상기 연소실 내부에 순산소를 공급하는 순산소 공급라인;
상기 순산소의 피산화제로서 상기 연소실 내부에 소정의 가스를 공급하기 위한 가스 공급라인; 및
상기 피스톤 어셈블리의 스트로크 동작에 따른 연소실 내부 유체 혼합률을 조절하는 제어부를 포함하는 순산소-가스 내연기관.
제1항에 있어서,
상기 가스는 수소, LPG, 천연가스, 바이오가스, 가솔린 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 순산소-가스 내연기관.
제1항에 있어서,
상기 내연기관의 연소실을 향해 EGR 가스를 공급하는 EGR 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소-가스 내연기관.
제3항에 있어서,
상기 EGR 시스템은 상기 배기관으로부터 분기되는 재순환라인과 EGR 밸브 및 쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소-가스 내연기관.
제3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 순산소, 가스 및 EGR 가스의 혼합률을 제어하는 것을 특징으로 하는 순산소-가스 내연기관.
제1항에 있어서,
스파크 플러그(spark plug) 또는 글로 플러그(glow plug)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소-가스 내연기관.
제1항에 있어서,
상기 가스의 직관적인 검출이 용이하도록 가스 공급시 부취제를 첨가하는 부취시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소-가스 내연기관.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 ECU(ENGINE CONTROL UNIT)인 것을 특징으로 하는 순산소-가스 내연기관.