KR20200118624A - 과잉산소 재순환을 이용한 준무배기 엔진 및 그 제어 방법 - Google Patents

과잉산소 재순환을 이용한 준무배기 엔진 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에 개시된 기술은 과잉산소 재순환을 이용하여 배기가스를 원천적으로 배제시키는 준무배기 엔진에 관한 것으로서, 내부에 연소실이 형성된 실린더; 상기 연소실 내부로 순산소를 공급하도록 상기 실린더의 흡기구와 연결되는 순산소 공급 라인; 상기 연소실 내부로 수소를 공급하도록 상기 실린더의 흡기구와 연결되는 수소 공급 라인; 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키도록 상기 실린더의 배기구와 연결되는 배기 라인; 및 상기 배기 라인에 위치되어 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 열교환기를 포함할 수 있다.

Description

과잉산소 재순환을 이용한 준무배기 엔진 및 그 제어 방법{Near-zero emission engine with exhaust oxygen recirculation and control method thereof}
본 명세서에 개시된 기술은 과잉산소 재순환을 이용하여 배기가스를 원천적으로 배제시키는 준무배기 엔진에 관한 것으로서, 구체적으로는 질소와 산소가 주성분인 공기 대신 순수한 산소만을 산화제로 과잉 사용하여 동력을 발생시키는 동시에 배출가스를 발생시키지 않는 준무배기 엔진에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 내연기관의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 통상적인 내연기관의 구조는 내부에 연소실(11)이 형성되는 실린더(10)와 피스톤(12)이 구비되고, 피스톤(12)의 왕복 구동을 회전 구동으로 전환시키는 커넥팅로드(13), 실린더(10)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 배기 밸브(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 미도시된 필터와 터보차저(Turbo Charger) 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 공기중에 다량 존재하는 질소의 산화에 의해 발생하는 질소산화물(Nitrogen Oxides, NOx)은 산성비의 주요 원인이 되고 건물 부식 및 생태계 파괴를 일으키며, 인체에도 악영향을 미쳐 선진국을 비롯한 세계 여러 나라에서 매우 엄격하게 규제하고 있다.
왕복동 엔진이 적용되는 대상 중에 자동차를 일 예로 들면, 우리나라는 자동차의 배기가스규제에 대한 기준으로서 유럽의 기준을 따른다. 즉 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. 이에 따라 자동차를 비롯하여 내연기관과 관련된 각종 산업계에서는 질소산화물을 저감시키는 기술개발(DeNOx System)이 화두이며, 질소산화물을 연소 처리하는 방식에서 실용성 높은 배기가스 후처리 방식으로 기술이 발전하고 있다.
배기가스 후처리와 관련된 DeNOx 기술은 크게 두 가지로 분류될 수 있다. 하나는 배기가스를 재순환시키는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 방식이며, 다른 하나는 선택적 촉매환원 기술인 SCR(Selective Catalytic Reduction) 방식이다. EGR은 엔진 내부의 연소 온도 자체를 낮춰 고온에서 생성되는 질소산화물의 발생량을 줄이는 기술이고, SCR은 촉매를 이용하여 배기가스를 정화하는 기술이다.
그런데 EGR의 경우는 배기가스를 흡기 매니폴드 측으로 재순환시켜 연소온도를 낮추는 것이기 때문에 출력 감소와 연비가 떨어지는 단점이 있다. 반면 SCR은 출력 감소 없는 높은 연비 구현이 가능하며, EGR밸브 수준의 내열장치를 갖추지 않아도 된다. 다만 촉매 반응을 유도하기 위해 별도의 요소수(Urea)를 저장하는 탱크가 필요하고 주기적으로 요소수를 교체/보충해주어야 한다.
경우에 따라서는 하나의 내연기관에 EGR가스와 SCR 기술을 접목하기도 한다. 그러나 EGR과 SCR을 접속시킨 기술에 의하더라도 연소 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 완전히 제거할 수는 없어 근본적인 해결책이 될 수 없으며, 따라서 날로 강화되는 배기가스 규제에 따른 산업계의 요구를 충족시키기는 미흡한 실정이다.
이처럼 현재까지 알려진 질소산화물 저감 기술은 실용성이 매우 떨어지거나, EGR 또는 SCR, EGR과 SCR의 기술 접목 등의 방법에 의하여도 기술적 한계가 분명히 존재한다. 이에 따라, 이와 같은 한계를 극복하기 위해 종래의 질소산화물 저감기술이 적용된 내연기관이 아닌, 새로운 개념의 내연기관에 대한 연구가 진행되어 왔다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법의 기술적 과제는, 질소와 산소가 주성분인 공기 대신 순수한 산소만을 산화제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 완전히 배제시키고 배기가스 자체를 원천적으로 제거할 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법의 다른 기술적 과제는, 흡기계와 배기계를 생략하여 왕복동 방식의 내연기관의 체적을 현저히 줄임으로써 장착 대상부의 공간효율성을 극대화시킬 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법의 또 다른 기술적 과제는, 연소 후 배출되는 가스(수증기)로부터 생성된 응축수를 순산소 공급 라인에 분사하여 연소실 내의 과도한 온도 상승을 억제하여 안정적인 순산소 연소를 달성할 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법의 또 다른 기술적 과제는, 연소후 배출되는 수증기로부터 생성된 응축수를 엔진 및 차량 냉각계에 사용하여 극한 지역에서의 동력시스템 운용성을 확대시킬 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법의 또 다른 기술적 과제는, 과잉 산소 조건을 유지하면서 기상으로 배출되는 잉여 산소를 연소실 흡기구 측으로 재순환시킴으로써, 연소실 내의 과도한 온도 상승을 억제하여 안정적인 순산소 연소를 달성할 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법의 또 다른 기술적 과제는, 과잉 산소 조건을 유지하면서 기상으로 배출되는 잉여 산소를 연소실 흡기구 측으로 재순환시킴으로써, 최소한의 산소량만 연소에 사용할 수 있도록 하여 산소 이용 효율의 극대화를 달성할 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진은, 내부에 연소실이 형성된 실린더; 상기 연소실 내부로 순산소를 공급하도록 상기 실린더의 흡기구와 연결되는 순산소 공급 라인; 상기 연소실 내부로 수소를 유도하는 수소 공급 라인; 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키도록 상기 실린더의 배기구와 연결되는 배기 라인; 및 상기 배기 라인에 위치되어 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 준무배기 엔진은 상기 열교환기를 통과하여 배출되는 산소를 상기 흡기구로 유도하는 EOR(Exhaust Oxygen Recirculation) 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 EOR 장치는, 상기 열교환기와 상기 순산소 공급 라인을 연결하는 재순환 라인; 및 상기 재순환 라인을 통한 산소의 유동을 개폐시키는 EOR 밸브를 포함할 수 있다.
상기 준무배기 엔진은, 상기 열교환기로부터 배출되는 응축수를 저장하는 응축수 저장소를 더 포함할 수 있다.
상기 준무배기 엔진은 상기 응축수 저장소에 저장된 응축수를 외부로 배출시키는 응축수 배출 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 준무배기 엔진은, 상기 응축수 저장소에 저장된 응축수를 상기 실린더 측으로 유도하는 응축수 공급 라인; 및 상기 순산소 공급 라인 또는 상기 연소실에 설치되어 응축수 공급 라인을 통해 공급된 응축수를 내부에 분사하는 응축수 분사기를 더 포함할 수 있다.
상기 준무배기 엔진은, 냉각수가 유동되는 냉각수 라인을 더 포함하고, 상기 열교환기는 상기 냉각수 라인과 연결되어, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 상기 냉각수로 냉각시킬 수 있다.
상기 준무배기 엔진은, 순산소를 저장하는 순산소 저장 탱크; 및 상기 순산소 저장 탱크에 저장된 순산소를 상기 순산소 공급 라인으로 공급하는 순산소 저장 탱크 라인을 더 포함하되, 상기 열교환기는 상기 순산소 저장 탱크 라인을 통해 유동하는 순산소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
상기 준무배기 엔진은, 수소를 저장하는 수소 저장 탱크; 및 상기 수소 저장 탱크에 저장된 수소를 상기 수소 공급 라인으로 공급하는 수소 저장 탱크 라인을 더 포함하되, 상기 열교환기는 상기 수소 저장 탱크 라인을 통해 유동하는 수소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
순산소 공급 라인과 수소 공급 라인 중 어느 하나는 나머지 하나를 감싸며 상기 실린더의 흡기구를 향해 연장될 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 열교환기는, 내부에 연소실이 형성된 하나 이상의 실린더 및 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키는 배기 라인을 포함하는 준무배기 엔진에 설치되는 열교환기로서, 상기 배기 라인에 위치되어 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시킬 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 열교환기로부터 배출되는 응축수를 저장하는 응축수 저장소; 상기 응축수 저장소에 저장된 응축수를 상기 실린더 측으로 유도하는 응축수 공급 라인; 및 상기 순산소 공급 라인 또는 상기 연소실에 설치되어 응축수 공급 라인을 통해 공급된 응축수를 내부에 분사하는 응축수 분사기를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 준무배기 엔진을 냉각시키는 냉각수가 유동되는 냉각수 라인과 연결되어, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 상기 냉각수로 냉각시킬 수 있다.
상기 열교환기는 순산소를 순산소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동시키는 순산소 저장 탱크 라인을 포함하되, 순산소 저장 탱크 라인 내로 유동하는 순산소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
상기 열교환기는, 수소를 수소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동시키는 수소 저장 탱크 라인을 포함하되, 수소 저장 탱크 라인 내로 이동하는 수소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 EOR(Exhaust Oxygen Recirculation) 장치는, 내부에 연소실이 형성된 하나 이상의 실린더, 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키는 배기 라인 및 상기 배기 라인에 위치되어 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 열교환기를 포함하는 준무배기 엔진에 설치되는 EOR 장치로서, 상기 연소실 내부로 순산소를 공급하도록 상기 실린더의 흡기구와 연결되는 순산소 공급 라인과 상기 열교환기를 연결하는 재순환 라인; 및 상기 재순환 라인을 통한 산소의 유동을 개폐시키는 EOR 밸브를 포함하되, 상기 열교환기를 통과하여 배출되는 산소를 상기 실린더의 흡기구로 유도할 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진의 제어 방법은, (a) 내부에 연소실이 형성된 실린더의 흡기구와 연결되는 순산소 공급 라인을 통해 상기 연소실 내부로 순산소를 공급하는 단계; (b) 상기 연소실로 유도되는 수소를 이동시키는 수소 공급 라인을 통해 상기 연소실 내부로 수소를 공급하는 단계; (c) 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시키는 단계; (d) 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 상기 실린더의 배기구와 연결되는 배기 라인를 통해 배기시키는 단계; 및 (e) 상기 배기 라인에 위치된 열교환기로 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 준무배기 엔진의 제어 방법은, EOR 장치를 이용하여 상기 열교환기를 통과하여 배출되는 산소를 상기 흡기구로 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 준무배기 엔진의 제어 방법은, 상기 열교환기로부터 배출되는 응축수를 상기 순산소 공급 라인 또는 상기 연소실로 유도하여 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (e) 단계는, 상기 준무배기 엔진을 냉각시키는 냉각수로 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
상기 (e) 단계는, 순산소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동되는 순산소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
상기 (e) 단계는, 수소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동되는 수소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은, 준무배기 엔진의 제어부에서 상기 단계들을 실행시키기 위하여 매체에 저장될 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법의 효과는 아래와 같다.
(1) 준무배기 엔진은 순수한 산소를 산화제로 이용하기 때문에 공기를 이용할 경우 발생하는 질소산화물(NOx) 배출을 원천적으로 차단할 수 있어 배기규제 기준을 만족시킬 수 있으며, 질소산화물(NOx) 저감을 위한 DeNOx 시스템과 같은 고가의 후처리 장치가 불필요하다.
(2) 준무배기 엔진은 종래 화석연료를 사용하는 내연기관에서와 같은 흡기 매니폴드가 필요 없기 때문에 장착 대상부, 예를 들어 엔진룸의 공간효율성을 극대화시킬 수 있다.
(3) 준무배기 엔진은 연소 후 배출되는 가스(수증기)로부터 생성된 응축수를 순산소 공급 라인에 분사하여 연소실 내의 과도한 온도 상승을 억제하여 안정적인 순산소 연소를 달성할 수 있다.
(4) 준무배기 엔진은 연소후 배출되는 수증기로부터 생성된 응축수를 엔진 및 차량 냉각계에 사용할 수 있으며, 이에 따라 극한 지역에서의 동력시스템 운용성을 확대시킬 수 있다.
(5) 준무배기 엔진은 과잉 산소 조건을 유지하면서 기상으로 배출되는 잉여 산소를 연소실 흡기구 측으로 재순환시킴으로써, 연소실 내의 과도한 온도 상승을 억제하여 안정적인 순산소 연소를 달성할 수 있다.
(6) 준무배기 엔진은 기상으로 배출되는 잉여 산소를 연소실 흡기구 측으로 재순환시킴으로써 최소한의 산소량만 연소에 사용할 수 있도록 하여 산소 이용 효율의 극대화를 달성할 수 있다.
다만, 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진 및 그 제어 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따른 내연기관의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 기술의 제 1 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 기술의 제 2 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 기술의 제 2 실시예에 따른 준무배기 엔진의 시스템 블록도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 기술의 제 3 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 기술의 제 4 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 명세서에 개시된 기술의 제 1 실시예에 따른 준무배기 엔진에 있어서, 연소실로 수소가 공급되는 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 기술의 제 2 실시예에 따른 준무배기 엔진에 있어서, 연소실로 수소가 공급되는 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 명세서에 개시된 기술의 제 3 실시예에 따른 준무배기 엔진에 있어서, 연소실로 수소가 공급되는 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 명세서에 개시된 기술의 제 4 실시예에 따른 준무배기 엔진에 있어서, 연소실로 수소가 공급되는 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
본 명세서에 개시된 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "결합된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결 또는 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
다양한 실시예에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
이하, 본 명세서에 개시된 기술의 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 기술의 제 1 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진은 하나 이상의 실린더(110), 순산소 공급 라인(120), 수소 공급 라인(130), 배기 라인(140), 열교환기(200) 및 EOR(Exhaust Oxygen Recirculation) 장치(300)를 포함할 수 있다.
실린더(110)의 내부에는 연소실(111)이 형성되며, 순산소 공급 라인(120)은 연소실(111) 내부로 연료인 순수한 산소(이하 "순산소"라 한다)를 공급하도록 실린더(110)의 흡기구(112)와 연결되고, 수소 공급 라인(130)은 연소실(111) 내부로 피산화제인 수소를 공급하도록 실린더(110)의 흡기구(112)와 연결될 수 있다. 흡기구(112)는 흡기 밸브(115)에 의해 개폐될 수 있다.
배기 라인(140)은 연소실(111) 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키도록 실린더(110)의 배기구(113)와 연결될 수 있으며, 열교환기(200)는 배기 라인(140)에 위치되어 배기 라인(140)을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 기능을 수행한다.
EOR 장치(300)는 열교환기(200)를 통과하여 기상으로 배출되는 잉여 산소를 흡기구(112)로 유도할 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 준무배기 엔진은 일반적인 4행정 사이클 기관(four stroke cycle engine)에 적용됨이 가장 바람직하지만 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 또한 준무배기 엔진은 기본적인 메커니즘이 점화 플러그를 갖는 가솔린 엔진과 유사하지만 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 디젤 엔진이나 하이브리드 엔진 메커니즘 역시 본 명세서에 개시된 기술의 범주에 포함된다.
일반적으로 흡기 매니폴드 내지 흡기계란 내연기관 또는 내연기관이 장착되는 운송 유닛에 제공되는 외기를 연소실 내부로 능동적 또는 수동적으로 공급하는 구성요소로서, 그 자체의 체적과 무게가 상당하다. 본 명세서에 개시된 기술의 특징 중 하나가 종래의 내연기관과 달리 흡기 매니폴드 내지 흡기계를 필요로 하지 않는다는 점이다.
본 명세서에 개시된 준무배기 엔진은 피스톤(114)의 일반적인 스트로크(stroke, 행정)인 흡기-압축-팽창-배기(4행정 기준)과정에서, 흡기 행정 시 질소가 혼합된 일반적인 공기(외기)가 아닌 순산소와 가스(바람직하게는 피산화제인 수소)가 실린더(110)의 연소실(111)에 공급되어 서로 고르게 혼합되고 피스톤(114)에 의하여 강하게 압축된 상태에서 점화 플러그(117)에 의해 불꽃 착화됨으로써 동력을 발생시키도록 구성될 수 있다. 또한 산소가 압축된 상태에서 연료 인젝터(118)(바람직하게는 피산화제인 수소 인젝터)의 실린더 내 수소 분사에 의해 압축 착화됨으로써 동력을 발생시키도록 구성될 수 있다 (도 7 내지 10 참조).
순산소와 피산화제인 수소는 각각 순산소 공급라인(120)과 수소 공급 라인(130)을 통해 흡기 행정 시 연소실(111)에 소량씩 공급될 수 있다. 순산소 공급라인(120)과 수소 공급 라인(130)은 각 라인을 독립적으로 분리하여 형성시킨 구성도 가능하지만, 순산소 공급라인(120)과 수소 공급 라인(130)이 동심 구조를 이루는 2 개의 관으로 구성된 이중관 형태로 구성하여 내관 내부와 내관과 외관 사이의 유로를 따라 순산소와 수소가 각각 이동하여 연소실(111)에서 혼합될 수 있도록 함이 바람직하다. 수소 공급 라인(130)이 내관이 되면, 순산소 공급라인(120)이 외관이 되고, 그 반대의 구성도 가능하다.
또한, 내관의 종단이 폐쇄되고, 외주면에 내부와 연통되는 복수개의 관통구가 종단 주변에 형성될 수 있으며, 이러한 구성에 의해 내관을 유동하는 기체는 내관의 관통구를 통해서만 배출되며, 이로 인해 내관과 외관 사이의 유로를 따라 유동하던 기체와 고르게 혼합된 후에 흡기구(112)로 들어갈 수 있다. 관통구는 내관의 외주면에 대하여 소정 각도를 가지는 노즐 형태로 구성되어, 소정 방향으로 내관의 유체를 외관을 향해 분사하는 것이 가능하고, 이러한 구성에 의해 흡기구(112)로 들어가기 전에 순산소와 수소가 더 고르게 혼합될 수 있다.
또한, 순산소와 수소가 함께 흡기구(112)로 들어가는 방식 외에, 순산소는 순산소 공급라인(120)을 통해 흡기구로 유입되고, 수소 공급 라인(130)은 순산소 공급라인(120)과 분리된 상태로 연소실(111)에 연결되며, 수소를 연소실(111)에 직접 분사하도록 하는 구성도 가능하다.
열교환기(200)는 배기 라인(140)에 배치되고 연소실(111)에서 연소 후 기상으로 배출되는 배기가스를 액상으로 응축시켜 고온의 기상 가스가 그대로 배출됨에 따른 온난화를 방지하는 역할을 한다.
응축수 저장소(210)는 열교환기(200)로부터 배출되는 응축수를 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 응축수 저장소(210)에 저장된 응축수는 응축수 배출 라인(220)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 응축수 배출 라인(220)에는 배출 밸브가 설치될 수 있으며, 배출 밸브는 응축수 저장조(210)의 수위 감지 센서가 출력하는 검출 정보에 기초하여 개폐될 수 있다. 응축수 저장소(210)에 저장된 응축수는 순산소 연소에 따른 연소실(111)의 과열을 막는 냉각수로 사용될 수 있으며, 이에 대하여는 후술한다.
열교환기(200)는 준무배기 엔진 냉각을 위한 냉각수가 유동되는 냉각수 라인(250)에 연결할 수 있으며, 이 경우에 연소실(111)에서 연소 후 배기되는 가스를 냉각수를 이용하여 응축시키는 것이 가능하게 되므로, 별도의 냉각수단이 필요하지 않게 된다.
EOR 장치(300)는 열교환기(200) 후단에서 기상으로 배출되는 잉여 산소를 순산소 공급라인(120) 또는 수소 공급 라인(130)으로 재순환시켜 흡기구(112)로 유도할 수 있다.
EOR 장치(300)는 재순환 라인(310) 및 EOR 밸브(320)를 포함할 수 있다. 재순환 라인(310)은 열교환기(200)와 순산소 공급 라인(120)을 연결하거나, 열교환기(200)와 수소 공급 라인(130)을 연결할 수 있으며, EOR 밸브(320)는 재순환 라인(310) 상에 설치되며 재순환 라인(310)을 통해 잉여 산소가 유동되는 것을 개폐시켜 흡기구(112) 측으로의 잉여 산소 재순환을 단속할 수 있다.
순산소 연소의 경우 산화 온도가 대략 섭씨 3000도 정도로 매우 높기 때문에 연소실(111) 열화 문제가 발생될 수 있다. 그러나 EOR 장치(300)를 통해 잉여 산소를 다시 연소실(111) 내부로 공급될 수 있도록 하면, 잉여 산소의 재활용을 통한 연비 상승 효과와 더불어, 연소 온도를 낮추는 효과가 있어 열적 특성에 맞는 적절한 연소가 가능하고 연소실(111) 열화 문제가 해소될 수 있다.
도 3은 본 명세서에 개시된 기술의 제 2 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
본 명세서에 개시된 기술의 제 2 실시예에 따른 준무배기 엔진은, 제 1 실시예에 따른 준무배기 엔진에 응축수 공급 라인(230) 및 응축수 분사기(240)를 더 포함한다.
응축수 공급 라인(230)은 응축수 저장소(210)에 저장된 응축수를 실린더(110)의 흡기구(112) 측으로 유도할 수 있으며, 순산소 공급 라인(120) 또는 수소 공급 라인(130)으로 유도할 수도 있다.
응축수 분사기(240)는 응축수 공급 라인(230)의 종단에 연결되어 응축수 공급 라인(230)을 통해 공급된 응축수를 흡기구(112) 측에 분사할 수 있다. 응축수 공급 라인(230)이 순산소 공급 라인(120) 또는 수소 공급 라인(130)에 연결되는 경우에는 순산소 공급 라인(120) 또는 수소 공급 라인(130) 내부에 응축수를 분사할 수 있다. 또한, 응축수 분사기(240)가 연소실(111)에 연결되어 연소실(111) 내부에 응축수를 분사하는 것도 가능하다.
응축수는 열교환기(200)를 거치면서 냉각되고 응축됨으로써 온도가 낮아진 상태가 되며, 이러한 응축수를 제어부(600)의 제어에 따라 흡기구(112) 측에 분사함으로써 연소실(111)의 과열 또는 열화를 막을 수 있게 된다. 응축수의 분사에 EOR 장치(300)에 의한 잉여 산소의 재순환이 더해지면, 연소 온도 저감은 물론 산소의 혼합 비율을 높여 장치 성능을 향상시키는 효과와 에너지 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 본 명세서에 개시된 기술의 제 2 실시예에 따른 준무배기 엔진의 시스템 블록도이다.
도 4를 참조하면, 준무배기 엔진은 재순환 라인(310)과 EOR 밸브(320)를 포함하는 EOR 장치(300)와, 순산소 공급을 위한 순산소 공급라인(120)과 피산화제인 수소 공급을 위한 수소 공급라인(130)을 포함한다. 순산소와 피산화제인 수소는 순산소 저장 탱크(400)와 수소 저장 탱크(500)에 각각 저장되며, 이들 저장 탱크에 저장된 순산소와 수소는 제어부(600)가 제어하는 연료 밸브(150)의 개폐를 통해 연소실(111)로의 공급 여부가 결정될 수 있다.
제어부(600)는 피스톤(114)의 승강 상태, 흡기 밸브(115) 및 배기 밸브(116)의 개폐 상태 정보, 엔진의 회전수 정보 및 요구 출력 정보, 질량 유량계(Mass flowmeter)가 제공하는 검출 정보 등에 기초하여 제어값을 결정하며, 결정된 제어값을 기초로 하여 EOR 밸브(320)와 연료 밸브(150)를 각각 개폐함으로써 요구 출력 및 상황에 맞는 최적의 연소가 얻어질 수 있다.
연소실(111)에서 연소 후 기상으로 배출되는 배기가스는 열교환기(200)에서 냉각수와의 열교환을 통해 대부분 액상으로 전환되며, 응축되지 않은 잉여 산소는 EOR 장치(300)을 통해 다시 흡기구(112) 측으로 공급되어 연소용 연료로 재사용됨으로써 에너지 효율이 극대화될 수 있다. 냉각수는 준무배기 엔진의 냉각을 위해 워터 펌프(260)에 의해 냉각수 라인(250)을 따라 순환한다.
순산소의 연소에 의한 연소 온도 상승을 저감시키기 위한 다른 방안으로서, 일반적인 불꽃점화 엔진보다 낮은 압축비의 연소실(111)을 갖도록 구성하는 방안이 고려될 수도 있다. 이 경우 낮은 압축비로 야기될 수 있는 효율 저감 문제는 순산소-수소에 대한 재순환 잉여 산소의 혼합 비율을 높임으로써 해결할 수 있다.
즉, 준무배기 엔진의 손상을 방지하기 위해 연소실(111) 내의 압축비를 줄이되, 상대적으로 다량의 잉여 산소 공급을 통해 압축비를 어느 정도 수준까지 유지시킴으로써 엔진에 요구되는 효율을 적정한 수준으로 유지시킬 수 있다.
순산소 공급라인(120)과 수소 공급 라인(130)을 통해 연소실(111)에 공급되는 순산소와 피산화제인 수소, 그리고 재순환된 잉여 산소의 혼합률은 제어부(600)에 의해 조절된다. 제어부(600)는 ECU(Engine Control Unit)일 수 있으며, 실린더(110) 내의 피스톤(114)의 상승 또는 하강 동작에 따라 연료 밸브(150) 및 EOR 밸브(320)에 상응하는 공급신호를 인가함으로써 연소에 필요한 각 유체의 양과 비율을 공급할 수 있다.
제어부(600)는 질량 유량계(Mass flowmeter, 도시 생략)를 통한 실시간 검출 정보, 즉 연소실(111)에 공급되는 순산소와 피산화제인 수소, 그리고 재순환 잉여 산소의 유량 정보에 기초하는 피드백(feedback) 제어를 통해 밸브의 개폐 및 개도량을 조절함으로써 연소 및 출력을 조절할 수 있다. 여기서 밸브에는 배기 밸브(116), 연료 밸브(150) 및 EOR 밸브(320)가 포함될 수 있다.
도 5는 본 명세서에 개시된 기술의 제 3 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이고, 도 6은 본 명세서에 개시된 기술의 제 4 실시예에 따른 준무배기 엔진의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
본 명세서에 개시된 기술의 제 3 실시예에 따른 준무배기 엔진은, 제 1 실시예에 따른 준무배기 엔진에 순산소 저장 탱크(400), 순산소 저장 탱크 라인(410), 수소 저장 탱크(500) 및 수소 저장 탱크 라인(510)를 더 포함하고, 본 명세서에 개시된 기술의 제 4 실시예에 따른 준무배기 엔진은, 제 2 실시예에 따른 준무배기 엔진에 순산소 저장 탱크(400), 순산소 저장 탱크 라인(410), 수소 저장 탱크(500) 및 수소 저장 탱크 라인(510)를 더 포함한다.
순산소 저장 탱크(400)는 순산소를 액체 또는 기체 상태로 저장할 수 있으며, 순산소 저장 탱크 라인(410)은 순산소 공급 라인(120)에 연결되어, 순산소 저장 탱크(400)에 저장된 순산소를 순산소 공급 라인(120)으로 공급하는 기능을 수행한다.
열교환기(200)는 순산소 저장 탱크 라인(410)을 통해 유동하는 순산소의 팽창 또는 기화되는 과정에서 발생하는 온도 강하를 이용하여 배기 라인(140)을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
수소 저장 탱크(500)는 수소를 액체 또는 기체 상태로 저장할 수 있으며, 수소 저장 탱크 라인(510)은 수소 공급 라인(130)에 연결되어, 수소 저장 탱크(500)에 저장된 수소를 수소 공급 라인(130)으로 공급하는 기능을 수행한다.
열교환기(200)는 수소 저장 탱크 라인(510)을 통해 유동하는 수소의 팽창 또는 기화되는 과정에서 발생하는 온도 강하를 이용하여 배기 라인(140)을 통해 배기되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
이상, 본 명세서에 개시된 기술을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
110: 실린더 111: 연소실
112: 흡기구 113: 배기구
115: 흡기 밸브 116: 배기 밸브
117: 점화 플러그 118: 연료 인젝터
120: 순산소 공급 라인 130: 수소 공급 라인
140: 배기 라인 150: 연료 밸브
200: 열교환기 210: 응축수 저장소
220: 응축수 배출 라인 230: 응축수 공급 라인
240: 응축수 분사기 250: 냉각수 라인
260: 워터 펌프 300: EOR 장치
310: 재순환 라인 320: EOR 밸브
400: 순산소 저장 탱크 410: 순산소 저장 탱크 라인
500: 수소 저장 탱크 510: 수소 저장 탱크 라인
600: 제어부

Claims (23)

  1. 내부에 연소실이 형성된 실린더;
    상기 연소실 내부로 순산소를 공급하도록 상기 실린더의 흡기구와 연결되는 순산소 공급 라인;
    상기 연소실 내부로 수소를 유도하는 수소 공급 라인;
    상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키도록 상기 실린더의 배기구와 연결되는 배기 라인; 및
    상기 배기 라인에 위치되어 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진은
    상기 열교환기를 통과하여 배출되는 산소를 상기 흡기구로 유도하는 EOR(Exhaust Oxygen Recirculation) 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 EOR 장치는
    상기 열교환기와 상기 순산소 공급 라인을 연결하는 재순환 라인; 및
    상기 재순환 라인을 통한 산소의 유동을 개폐시키는 EOR 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진은
    상기 열교환기로부터 배출되는 응축수를 저장하는 응축수 저장소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진은
    상기 응축수 저장소에 저장된 응축수를 외부로 배출시키는 응축수 배출 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진은
    상기 응축수 저장소에 저장된 응축수를 상기 실린더 측으로 유도하는 응축수 공급 라인; 및
    상기 순산소 공급 라인 또는 상기 연소실에 설치되어 응축수 공급 라인을 통해 공급된 응축수를 내부에 분사하는 응축수 분사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진은
    냉각수가 유동되는 냉각수 라인을 더 포함하고,
    상기 열교환기는
    상기 냉각수 라인과 연결되어, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 상기 냉각수로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진은
    순산소를 저장하는 순산소 저장 탱크; 및
    상기 순산소 저장 탱크에 저장된 순산소를 상기 순산소 공급 라인으로 공급하는 순산소 저장 탱크 라인을 더 포함하되,
    상기 열교환기는 상기 순산소 저장 탱크 라인을 통해 유동하는 순산소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진은
    수소를 저장하는 수소 저장 탱크; 및
    상기 수소 저장 탱크에 저장된 수소를 상기 수소 공급 라인으로 공급하는 수소 저장 탱크 라인을 더 포함하되,
    상기 열교환기는 상기 수소 저장 탱크 라인을 통해 유동하는 수소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  10. 제 1 항에 있어서,
    순산소 공급 라인과 수소 공급 라인 중 어느 하나는 나머지 하나를 감싸며 상기 실린더의 흡기구를 향해 연장되는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진.
  11. 내부에 연소실이 형성된 하나 이상의 실린더 및 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키는 배기 라인을 포함하는 준무배기 엔진에 설치되는 열교환기에 있어서,
    상기 배기 라인에 위치되어 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 열교환기는
    상기 열교환기로부터 배출되는 응축수를 저장하는 응축수 저장소;
    상기 응축수 저장소에 저장된 응축수를 상기 실린더 측으로 유도하는 응축수 공급 라인; 및
    상기 순산소 공급 라인 또는 상기 연소실에 설치되어 응축수 공급 라인을 통해 공급된 응축수를 내부에 분사하는 응축수 분사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 열교환기는
    상기 준무배기 엔진을 냉각시키는 냉각수가 유동되는 냉각수 라인과 연결되어, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 상기 냉각수로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 열교환기는
    순산소를 순산소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동시키는 순산소 저장 탱크 라인을 포함하되,
    순산소 저장 탱크 라인 내로 유동하는 순산소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 열교환기는
    수소를 수소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동시키는 수소 저장 탱크 라인을 포함하되,
    수소 저장 탱크 라인 내로 이동하는 수소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 내부에 연소실이 형성된 하나 이상의 실린더, 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 배기시키는 배기 라인 및 상기 배기 라인에 위치되어 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 열교환기를 포함하는 준무배기 엔진에 설치되는 EOR(Exhaust Oxygen Recirculation) 장치에 있어서,
    상기 연소실 내부로 순산소를 공급하도록 상기 실린더의 흡기구와 연결되는 순산소 공급 라인과 상기 열교환기를 연결하는 재순환 라인; 및
    상기 재순환 라인을 통한 산소의 유동을 개폐시키는 EOR 밸브를 포함하되,
    상기 열교환기를 통과하여 배출되는 산소를 상기 실린더의 흡기구로 유도하는 것을 특징으로 하는 EOR 장치.
  17. (a) 내부에 연소실이 형성된 실린더의 흡기구와 연결되는 순산소 공급 라인을 통해 상기 연소실 내부로 순산소를 공급하는 단계;
    (b) 상기 연소실로 유도되는 수소를 이동시키는 수소 공급 라인을 통해 상기 연소실 내부로 수소를 공급하는 단계;
    (c) 상기 연소실 내부에서 순산소와 수소를 연소시키는 단계;
    (d) 순산소와 수소를 연소시켜 발생된 가스를 상기 실린더의 배기구와 연결되는 배기 라인를 통해 배기시키는 단계; 및
    (e) 상기 배기 라인에 위치된 열교환기로 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 액상으로 응축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진의 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진의 제어 방법은
    EOR(Exhaust Oxygen Recirculation) 장치를 이용하여 상기 열교환기를 통과하여 배출되는 산소를 상기 흡기구로 유도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진의 제어 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 준무배기 엔진의 제어 방법은
    상기 열교환기로부터 배출되는 응축수를 상기 순산소 공급 라인 또는 상기 연소실로 유도하여 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진의 제어 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 (e) 단계는,
    상기 준무배기 엔진을 냉각시키는 냉각수로 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진의 제어 방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 (e) 단계는,
    순산소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동되는 순산소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진의 제어 방법.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 (e) 단계는,
    수소 저장 탱크로부터 상기 연소실로 이동되는 수소의 팽창 또는 기화를 이용하여, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 준무배기 엔진의 제어 방법.
  23. 준무배기 엔진의 제어부에서 제17항 내지 제22항의 단계들을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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