KR20190108368A - 역화 방지 수소 엔진 - Google Patents

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Abstract

역화 방지 수소 엔진이 개시된다. 역화 방지 수소 엔진은, 일측에 공기가 유입되는 흡기 라인이 연결되고 타측에는 배기 라인이 형성되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더와, 흡기 라인에 설치되어 수소 연료를 분사하는 연료 인젝터와, 연료 인젝터와 실린더의 사이에서 흡기 라인의 내부에 물을 분사하는 워터 분사기와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 워터 분사기의 물 분사량을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

역화 방지 수소 엔진{HYDROGEN ENGINE FOR PREVENTING PRE-IGNITION}
본 발명은 수소 엔진의 역화 발생의 방지가 가능한 역화 방지 수소 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 연료로 널리 쓰이는 화석연료는 점차적인 고갈과 환경오염 문제로 인하여 이를 대체하기 위한 청정연료의 개발이 활발히 진행되고 있다.
이러한 청정 연료인 바이오 에탄올, 바이오 디젤, 수소 등을 사용하는 엔진이 개발되고 있으며, 이중에 수소는 거의 무한정한 부존량과 연료 성분에 탄소가 없어서 이산화탄소 배출을 근본적으로 해결할 수 있다는 장점이 있다.
또한 기존의 화석연료에 소량의 수소를 첨가하더라도 수소의 빠른 연소속도와 넓은 가연한계라는 특징으로 인해 엔진 효율을 높일 뿐만 아니라, 불완전 연소로 인한 스모크(Smoke)가 상당히 줄어들며 초희박 연소가 가능하여 질소산화물(NOx)이 상당히 감소된다.
또한, 수소는 중량당 에너지 밀도가 높아서 한 번 충전으로 장시간 운항을 지속할 수 있고 환경적인 측면에서도 무공해 연료라는 긍정적인 부분이 존재한다.
이와 같이, 유망한 미래 동력 기술로 떠오르고 있는 수소를 이용한 연료전지의 도입은 가까운 미래에 있어서 그 실현에 불확실한 면이 있다.
반면에 수소의 독특한 연소특성인 넓은 가연한계 및 작은 점화에너지를 이용하고자 미국 및 독일 등이 수소기관개발에 착수하여 유용성을 입증하였고, 수소경제로 인도하는 교두보의 역할을 할 것으로 평가하고 있다.
이러한 수소는 탄소를 포함하지 않고 배출물이 물뿐인 청정연료로 주목받고 있으며 거의 무한에 가까운 양으로 머지않아 수소 경제 시대가 도래할 것으로 전망하고 있다.
그러나 수소엔진 개발의 가장 큰 문제는 역화가 발생되는 문제점이 있다.
역화 및 출력의 측면에서 흡기관분사식이 열세하다는 인식으로 직분식 수소기관의 연구가 수행되었으나, 고압 인젝터의 내구성 등은 상용화에 걸림돌이 된다.
반면에 흡기관분사식은 역화를 제외하면 고효율이며 구조가 간단하고 저압수소를 사용하여 상용화가 용이하므로 역화제어에 관한 방안이 모색되어야 한다.
수소기관의 역화는 실린더 내에 발생된 모종의 점화원이 정상적인 스파크가 주어지기 전에 흡입되는 혼합기를 조기 착화시켜 빠른 연소속도에 의해 화염이 흡기관내로 역류하는 현상이다.
역화발생인자 중 모종의 점화로 주로 지목된 것은 가솔린 엔진과 마찬가지로 실린더 내에 형성되는 열점이며 수소의 높은 단열화염온도에 기인한다는 것이다.
따라서, 수소 엔진의 안정적이고 효율적인 엔진 구동을 위해, 실린더 내에서 조기착화에 따른 역화 현상이 발생되는 것을 방지하는 것이 요구된다.
본 발명의 일 실시예는, 수소 엔진의 구동 과정에서 역화가 발생되지 않고 효율적이고 안정적인 엔진 구동이 이루어지는 역화 방지 수소 엔진을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 일측에 공기가 유입되는 흡기 라인이 연결되고 타측에는 배기 라인이 형성되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더와, 흡기 라인에 설치되어 수소 연료를 분사하는 연료 인젝터와, 연료 인젝터와 실린더의 사이에서 흡기 라인의 내부에 물을 분사하는 워터 분사기와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 워터 분사기의 물 분사량을 제어하는 제어부를 포함한다.
워터 분사기는, 물이 저장되는 워터 탱크와, 워터 탱크에 저장된 물을 펌핑하는 워터 펌프와, 흡기 라인에 설치되며 워터 펌프의 구동으로 공급된 물을 흡기 라인의 내부에 분사하는 워터 인젝터를 포함할 수 있다.
워터 인젝터에서 상기 물은 4기압으로 분사될 수 있다.
워터 분사기는, 일측은 흡기 라인에 연결되고 타측은 흡기 라인의 외부로 돌출되는 분사 바디와, 분사 바디의 내부에 물을 공급하는 물 공급부와, 분사 바디의 일측에 형성되어 물을 상기 흡기 라인의 내부에 분사하는 오리피스부를 포함할 수 있다.
오리피스부에서 물은 4기압으로 분사될 수 있다.
제어부는, 차량의 시동 초기의 저부하 조건에서 워터 분사 분사기의 작동을 정지하여 물을 분사하지 않도록 제어하고, 차량의 저속 고부하 조건에서는 연료 인젝터의 수소 연료 분사량의 질량 대비 5% 내지 15%의 범위의 질량으로 물을 분사하며, 차량의 고속 고부하 조건에서는 연료 인젝터의 수소 연료 분사량의 질량 대비 15% 내지 30%의 범위의 질량으로 물을 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 엔진의 공기가 유입되는 흡기 라인의 내부에 물을 분사하여 수소 엔진의 구동 과정에서 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡기 라인의 내부에 분사되는 물의 량을 차량 엔진의 저부하 조건과, 저속 고부하 조건과, 고속 고부하 조건 등의 부하 조건의 변동에 대응하여 가변하는 바, 엔진의 역화가 발생되지 않은 상태에서 효율적인 엔진 구동이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡기 라인의 내부에 4기압의 압력으로 물을 분사하여, 분사된 물이 흡기 라인의 내벽면에 부착되지 않은 상태로 미립화 상태로 분사되어 효과적인 역화 발생 작용이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역화 방지 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역화 방지 수소 엔진의 워터 분사기를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 역화 방지 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 역화 방지 수소 엔진(100)은, 일측에 공기가 유입되는 흡기 라인(11)이 연결되고 타측에는 배기 라인(13)이 형성되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤(15)이 설치된 실린더(10)와, 흡기 라인(11)에 설치되어 수소 연료를 분사하는 연료 인젝터(20)와, 연료 인젝터(20)와 실린더(10)의 사이에서 흡기 라인(11)의 내부에 물을 분사하는 워터 분사기(30)와, 차량의 부하 조건의 변경에 따라 워터 분사기(30)의 물 분사량을 제어하는 제어부(40)를 포함한다.
실린더(10)는 수소 연료를 적용하는 수소 엔진에 적용되는 것으로 흡기 라인(11)과 배기 라인(13)이 각각 연결될 수 있다. 실린더(10)의 내부에는 왕복 운동하는 피스톤(15)이 설치된다.
흡기 라인(11)은 수소 엔진의 작동을 위한 에어가 유입되는 부분이며, 흡기 라인(11)의 일 위치에는 연료 인젝터(20)가 설치될 수 있다.
연료 인젝터(20)는 흡기 라인(11)에 설치되어 수소 연료를 실린더(10)의 연소실로 공급할 수 있다.
이와 같이, 연료 인젝터(20)를 이용하여 수소 연료를 실린더(10)의 내부에 공급하고, 점화 플러그의 스파크 발생에 의해 엔진 구동이 이루어질 수 있다.
이러한 수소 연료는 중량당 에너지 밀도가 높아 한번 충전으로 장시간 차량 운행을 지속하는 것이 가능하고 무공해 연료로서 환경 오염이 발생되지 않고 안정적인 엔진 구동이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 흡기 라인(11)에는 수소 연료의 조기 착화를 방지하는 워터 분사기(30)가 설치될 수 있다.
이러한, 워터 분사기(30)는 수소 엔진의 내부에서 수소 연료의 비정상 점화에 의한 역화가 발생되는 것을 방지하기 위해 설치될 수 있다.
즉, 종래 수소 엔진의 내부에서는 점화 플러그의 정상적인 점화가 아닌 소정의 점화원에 의해 조기 착화되어 역화가 빈번하게 발생될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 워터 분사기(30)는 흡기 라인(11)의 내부에 물을 분사하여 조기 착화에 따른 역화가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 워터 분사기(30)는, 물이 저장되는 워터 탱크(31)와, 워터 탱크(31)에 저장된 물을 펌핑하는 워터 펌프(33)와, 흡기 라인에 설치되며 워터 펌프(33)의 구동으로 공급된 물을 흡기 라인(11)의 내부에 분사하는 워터 인젝터(35)를 포함할 수 있다.
워터 탱크(31)는 내부에 물이 저장되는 것으로 흡기 라인(11)의 내부에 물을 적절하게 공급하도록 설치될 수 있다.
이러한 워터 탱크(31)의 내부에 저장된 물은 워터 펌프(33)의 구동으로 펌핑되어 워터 인젝터(35)로 공급될 수 있다.
워터 인젝터(35)는 흡기 라인(11)에 설치되어 물을 흡기 라인(11)의 내부에 분사하도록 설치될 수 있다.
이러한 워터 인젝터(35)는 연료 인젝터(20)와 실린더(10)의 사이에서 흡기 라인(11)에 설치되는 바, 흡기 라인(11)의 내부에 물을 적절하게 분사할 수 있다.
이와 같이, 워터 인젝터(35)가 흡기 라인(11)에 설치되어 물을 분사하는 것은, 실린더(10) 내에서 발생된 소정의 점화원에 의해 혼합기를 조기 착화시켜 비정상적인 점화가 발생되는 것을 방지하여 수소 엔진에 역화가 발생되는 것을 방지하기 위한 것이다.
즉, 워터 인젝터(35)는 흡기 라인(11)의 내부에 물을 분사하여 흡기 라인(11)의 온도를 하강시키고 실린더(10)의 내부에 소정의 열점의 발생 가능성을 감소시키는 바, 수소 엔진의 역화 발생 없이 공급 연료량이 증가되도록 하는 것이 가능하다.
이와 같이, 본 실시예의 수소 엔진은 역화 발생 가능성이 현저하게 감소되는 바, 공급 연료량의 안정적인 증가에 따른 엔진 고출력 달성이 가능하다.
아울러, 워터 인젝터(35)의 분사된 물에 의해 연소 온도의 저감이 발생되어도, 수소 연료의 빠른 연소 속도에 의해 고효율 운전이 가능하다.
여기서, 워터 인젝터(35)로 분사되는 물의 분사 압력은 4기압으로 분사될 수 있다. 따라서, 워터 인젝터(35)에 의해 분사된 물은 흡기 라인(11)의 내벽면에 부착되지 않은 상태로 미립화되어 분사되는 것이 가능하여, 수소 엔진의 구동 과정에서 역화 방지 및 고효율 운전이 가능하도록 할 수 있다.
한편, 제어부(40)는 차량의 부하 조건의 변경에 따라 워터 분사기(30)로부터 분사되는 물의 분사량을 제어할 수 있다. 이러한 제어부(40)는 차량 ECU로 적용될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제어부(40)는, 차량의 시동 초기의 저부하 조건에서 워터 분사기(30)의 작동을 정지하여 물을 분사하지 않도록 제어할 수 있다.
즉, 차량의 시동 초기의 저부하 조건에서는 수소 엔진의 높은 출력이 요구되지 않기 때문에 수소의 넓은 가연한계를 이용하여, 흡기 라인(11)의 내부에 물 분사는 하지 않고 스로틀의 개도를 높게 하여 희박한 혼합기로 운전되도록 제어할 수 있다.
다음, 제어부(40)는 차량의 저속 고부하 조건에서는, 연료 인젝터(20)의 수소 연료 분사량의 질량 대비 5% 내지 15%의 범위의 질량으로 물을 분사할 수 있다.
즉, 차량의 조속 고부하 조건에서는, 상대적으로 농후한 혼합기에서도 역화없이 수소 엔진의 운전이 가능하기 때문에 물분사량을 수소 연료의 질량 대비 5% 내지 15%의 범위로 분사하여 효율적인 엔진 운전이 이루어질 수 있다.
이어서, 제어부(40)는 차량의 고속 고부하 조건에서는, 연료 인젝터(20)의 수소 연료 분사량의 질량 대비 15% 내지 30%의 범위의 질량으로 물을 분사할 수 있다.
즉, 차량의 고속 고부하 조건에서는, 수소 엔진의 역화 가능성이 상대적으로 높기 때문에, 물분사량을 수소 연료의 질량 대비 15% 내지 30%의 범위의 질량으로 물을 분사하여 역화가 발생되지 않은 상태로 효율적인 수소 엔진 구동이 이루어지도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 역화 방지 수소 엔진은, 수소 엔진의 공기가 유입되는 흡기 라인(11)의 내부에 물을 분사하고, 분사되는 물의 량을 차량 엔진의 저부하 조건과, 저속 고부하 조건과, 고속 고부하 조건 등의 부하 조건의 변동에 대응하여 가변하는 바, 엔진의 역화가 발생되지 않은 상태에서 효율적인 엔진 구동이 이루어질 수 있다.
아울러, 흡기 라인(11)의 내부에 4기압의 압력으로 물을 분사하여, 워터 인젝터(35)에 의해 분사된 물이 흡기 라인(11)의 내벽면에 부착되지 않은 상태로 미립화되어 분사되는 것이 가능하여, 효율적인 운전이 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역화 방지 수소 엔진의 워터 분사기를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다. 도 1과 동일 참조 번호는 동일 도는 유사 기능의 동일 또는 유사 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역화 방지 수소 엔진의 워터 분사기(130)는, 일측은 흡기 라인(11)에 연결되고 타측은 흡기 라인(11)의 외부로 돌출되는 분사 바디(131)와, 분사 바디(131)의 내부에 물을 공급하는 물 공급부(133)와, 분사 바디(131)의 일측에 형성되어 물을 흡기 라인(11)의 내부에 분사하는 오리피스부(135)를 포함할 수 있다.
분사 바디(131)는 연료 인젝터(20)와 실린더(10)의 사이에서 흡기 라인(11)에 연결될 수 있다. 이러한 분사 바디(131)의 측면에는 물이 공급되는 물 공급부(133)가 설치될 수 있다.
물 공급부(133)는 분사 바디(131)의 상측으로 돌출되는 것으로, 흡기 라인(11)의 내부에 역화 방지를 위한 물이 공급될 수 있다.
물 공급부(133)를 통해 분사 바디(131)의 내부로 공급된 물은 오리피스부(135)를 통해 흡기 라인(11)의 내부로 분사될 수 있다.
오리피스부(135)는 분사 바디(131)의 측면에서 흡기 라인(11)의 내부로 물을 분사하도록 형성될 수 있다.
오리피스부(135)에서 분사되는 물의 압력은 4기압으로 분사될 수 있다. 따라서, 따라서, 워터 인젝터(35)에 의해 분사된 물은 흡기 라인(11)의 내벽면에 부착되지 않은 상태로 미립화되어 분사되는 것이 가능하여, 수소 엔진의 구동 과정에서 역화 방지 및 고효율 운전이 가능하도록 할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10...실린더 11...흡기 라인
13...배기 라인 15...피스톤
20...연료 인젝터 30, 130...워터 분사기
31...워터 탱크 33...워터 펌프
35...워터 인젝터 40...제어부
131..분사 바디 133..물 공급부
135..오리피스부

Claims (6)

  1. 일측에 공기가 유입되는 흡기 라인이 연결되고 타측에는 배기 라인이 형성되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더;
    상기 흡기 라인에 설치되어 수소 연료를 분사하는 연료 인젝터;
    상기 연료 인젝터와 상기 실린더의 사이에서 상기 흡기 라인의 내부에 물을 분사하는 워터 분사기; 및
    차량의 부하 조건의 변경에 따라 상기 워터 분사기의 물 분사량을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 역화 방지 수소 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 워터 분사기는,
    물이 저장되는 워터 탱크;
    상기 워터 탱크에 저장된 물을 펌핑하는 워터 펌프; 및
    상기 흡기 라인에 설치되며, 상기 워터 펌프의 구동으로 공급된 물을 상기 흡기 라인의 내부에 분사하는 워터 인젝터;
    를 포함하는 역화 방지 수소 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 워터 인젝터에서 상기 물은 4기압으로 분사되는 역화 방지 수소 엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 워터 분사기는,
    일측은 상기 흡기 라인에 연결되고 타측은 상기 흡기 라인의 외부로 돌출되는 분사 바디;
    상기 분사 바디의 내부에 물을 공급하는 물 공급부; 및
    상기 분사 바디의 일측에 형성되어 물을 상기 흡기 라인의 내부에 분사하는 오리피스부;
    를 포함하는, 역화 방지 수소 엔진.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 오리피스부에서 물은 4기압으로 분사되는, 역화 방지 수소 엔진.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    차량의 시동 초기의 저부하 조건에서 상기 워터 분사 분사기의 작동을 정지하여 물을 분사하지 않도록 제어하고,
    차량의 저속 고부하 조건에서는, 상기 연료 인젝터의 수소 연료 분사량의 질량 대비 5% 내지 15%의 범위의 질량으로 물을 분사하며,
    차량의 고속 고부하 조건에서는, 상기 연료 인젝터의 수소 연료 분사량의 질량 대비 15% 내지 30%의 범위의 질량으로 물을 분사하는, 역화 방지 수소 엔진.
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