KR20220077510A - 연료 노즐이 설치된 수소 엔진 - Google Patents

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KR20220077510A
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Abstract

연료 노즐이 설치된 수소 엔진이 개시된다. 연료 노즐이 설치된 수소 엔진은, 흡기관과 배기관이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더와, 실린더의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터와, 연료 인젝터와 연소실의 사이를 연결하며 연료 인젝터에서 분사된 연료를 연소실로 전달하는 연료 노즐을 포함한다.

Description

연료 노즐이 설치된 수소 엔진{HYDROGEN ENGINE WITH FUEL NOZZLE}
본 발명은 조기 착화 발생을 방지하고 엔진 효율이 향상되는 연료 노즐이 설치된 수소 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 수소엔진 개발의 가장 큰 문제는 조기 착화의 발생이다.
수소기관의 조기 착화는 실린더 내에 발생된 모종의 점화원이 정상적인 스파크가 주어지기 전에 흡입된 혼합기를 조기 착화시켜 점화플러그의 착화 시기와 관계없이 조기 착화하는 현상이다.
조기 착화 발생인자 중 모종의 점화원으로 많이 지목된 것은 가솔린 엔진과 마찬가지로 실린더 내에 형성되는 열점이며, 수소의 낮은 착화에너지와 높은 단열화염온도에 기인한다는 것이다.
이러한 조기 착화 현상은 피스톤 간극에 정체되어 있던 오일 액적이 연소실에 유입되어 착화되는 것에 기인하며, 이를 억제하기 위해 오일의 산화반응을 억제하여 조기 착화의 발생 빈도를 낮추는 연구 등이 진행되고 있다.
그러나 엔진을 동력원으로 이용하는 이동체 등에서 윤활 성능을 보장해야하는 오일의 성분 변화 및 오일 액적의 증발 억제는 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 연료 인젝터와 연소실의 사이에 연료 노즐을 설치하여, 연소실의 내부로 토출된 수소 연료의 연소실내 거동을 변화시켜, 조기 착화 발생을 억제하는 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 흡기관과 배기관이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더와, 실린더의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터와, 연료 인젝터와 연소실의 사이를 연결하며 연료 인젝터에서 분사된 연료를 연소실로 전달하는 연료 노즐을 포함한다.
연료 노즐은 연소실에 연결되는 부분이 일측으로 경사지게 연결될 수 있다.
연료 노즐은 상기 연소실에 연결되는 부분이 상기 흡기관 방향으로 경사지게 연결될 수 있다.
연료 노즐은, 일단은 연료 인젝터에 연결되고 타단은 연소실 방향으로 연장되는 제1 노즐 라인과, 제1 노즐 라인의 타단에 연결되어 흡기관이 연결된 방향으로 경사지게 연장되어 연소실에 연결되는 제2 노즐 라인을 포함할 수 있다.
연료 노즐은, 일단은 연료 인젝터에 연결되고 타단은 직경이 감소되면서 연소실에 연결될 수 있다.
연료 노즐은, 연료 인젝터에 연결된 일단 부분에서 최대 직경으로 형성되고, 상기 연소실에 연결된 타단 위치에서 최소 직경으로 형성될 수 있다.
연료 노즐에는 연소실로부터 연료 인젝터 방향으로 연료의 역류를 방지하는 체크 밸브가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 인젝터와 연소실의 사이에 연료 노즐이 설치되는 바, 열점인 점화 플러그 또는 배기가스와 혼합기가 접촉되는 것을 효과적으로 억제하여 열점과 혼합기의 접촉에 따른 조기 자착화가 발생되는 것을 방지하는 것이 가능하여 엔진 효율의 향상이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소실의 내부로 토출된 수소 연료가 넓은 면적으로 확산되지 않고 피스톤 방향으로 움직이는 것이 가능한 바, 수요 연료가 점화 플러그와 이른 시기에 접촉되는 것을 방지하여 비정상적인 조기 착화가 발생되지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 노즐에서 토출되어 연소실의 내부로 공급되는 수소 연료가 온도가 상대적으로 높은 배기관 방향이 아닌 흡기관 방향으로 분사되도록 하여, 수소 연료의 비정상적인 조기 착화가 발생되지 않도록 하여 엔진 효율의 향상이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 노즐에 체크 밸브를 설치하여 연소실의 압력 증가에 따른 연료 인젝터 방향으로 압축 혼합가스의 역류 발생을 방지하여, 엔진 효율의 향상이 가능하고 엔진 내구성의 향상이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 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 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진(100)은, 흡기관(11)과 배기관(13)이 연결되고 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더(10)와, 실린더(10)의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터(20)와, 연료 인젝터(20)와 연소실(14)의 사이를 연결하며 연료 인젝터(20)에서 분사된 연료를 연소실(14)로 전달하는 연료 노즐(30)을 포함한다.
실린더(10)는 수소 엔진에 적용되는 것으로 흡기관(11)과 배기관(13)이 연결되고, 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된다.
실린더(10)에는 흡기관(11)과 배기관(13)이 각각 연결될 수 있다.
흡기관(11)은 수소 엔진의 작동을 위한 에어가 유입되는 부분에 연결되어. 혼합기의 형성을 위한 에어를 흡입하도록 연결될 수 있다.
한편, 흡기관(11)에는 역화가 발생되는 것을 방지하기 위해 물이 분사될 수 있다. 여기서, 역화는 엔진 실린더의 내부에서 발생된 모종의 점화원이 정상적인 스파크가 발생되기 전에, 흡입되는 혼합기가 조기 착화되어 빠른 연소 속도에 의해 화염이 흡기관의 내부로 역류하는 것을 말한다. 따라서, 수소 엔진에 역화가 발생되는 것을 방지하고자 흡기관(11)의 내부에 물이 분사될 수 있다.
연료 인젝터(20)는 실린더 헤드(12)에 설치되는 것으로, 수소 연료를 실린더(10)의 연소실로 공급하도록 설치될 수 있다.
이와 같이, 연료 인젝터를 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, 연료 인젝터(20)와 실린더(10)의 연소실(14)의 사이에는 연료 노즐(30)이 설치될 수 있다.
연료 노즐(30)은 일단은 연료 인젝터(20)에 연결되고 타단은 연소실(14)에 연결되는 바, 연료 인젝터(20)에서 분사된 연료를 연소실(14)로 전달하도록 설치될 수 있다.
이와 같이, 연료 인젝터(20)와 연소실(14)의 사이를 연직선으로 연결하는 바, 연료 인젝터(20)에서 수소 연료의 분사 이후에 연소실(14) 내의 거동을 변화시켜, 연소실(14)의 내부에서 점화 플러그 또는 배기 가스와 혼합기가 접촉되는 것을 억제할 수 있다.
따라서 본 실시예는 열점인 점화 플러그 또는 배기가스와 혼합기가 접촉되는 것을 효과적으로 억제하는 것이 가능한 바, 열점과 혼합기의 접촉에 따른 조기 자착화가 발생되는 것을 효과적으로 방지하는 것이 가능하여 엔진 효율의 향상이 가능하다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다. 도 1과 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진(200)의 연료 노즐(130)은 연소실(14)에 연결되는 부분이 일측으로 경사지게 형성될 수 있다.
연료 노즐(130)은, 연소실(14) 위치에 연결되는 일부분이 흡기관(11) 방향으로 경사지게 연결될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 연료 노즐(30)은, 일단은 연료 인젝터(20)에 연결되고 타단은 연소실(14) 방향으로 연장되는 제1 노즐 라인(131)과, 제1 노즐 라인(131)의 타단에 연결되어 흡기관(11)이 연결된 방향으로 경사지게 연장되어 연소실에 연결되는 제2 노즐 라인(133)을 포함할 수 있다.
제1 노즐 라인(131)은 연소실(14) 방향으로 직선 형상으로 형성되고, 제2 노즐 라인(133)은 흡기관(11) 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
이와 같이, 연료 노즐(30)이 연소실(14) 위치에 연결되는 일부분이 경사지게 연결되는 것은, 연료 노즐(30)에서 토출되어 연소실(14)의 내부로 공급되는 수소 연료가 온도가 상대적으로 높은 배기관(13) 방향이 아닌 흡기관(11) 방향으로 분사되도록 하기 위함이다. 이에 따라, 연소실(14)의 내부로 분사된 수소 연료의 비정상적인 조기 착화가 발생되지 않도록 하여 엔진 효율의 향상이 가능하다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다. 도 1 및 도 2와 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진(300)의 연료 노즐(230)은, 일단은 연료 인젝터(20)에 연결되고 타단은 직경이 감소되면서 연소실(14)에 연결될 수 있다.
이와 같이, 연료 노즐(230)이 연소실(14) 방향으로 점차 감소되는 것으로, 연료 인젝터(20)에 연결된 일단 부분에서 최대 직경으로 형성되고 연소실에 연결된 타단 위치에서 최소 직경으로 형성될 수 있다.
따라서, 연료 노즐(230)에서 토출되는 수소 연료는, 토출된 상태에서 연소실(14)의 내부에서 넓은 면적으로 확산되지 않고 피스톤 방향으로 움직이는 것이 가능하여 점화 플러그와 이른 시기에 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 연소실(14)의 내부로 분사된 수소 연료의 비정상적인 조기 착화가 발생되지 않도록 하여 엔진 효율의 향상이 가능하다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다. 도 1 내지 도 3과 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 노즐이 설치된 수소 엔진(400)의 연료 노즐(330)에는, 연소실(14)로부터 연료 인젝터(20) 방향으로 연료의 역류를 방지하는 체크 밸브(310)가 설치될 수 있다.
따라서, 체크 밸브(310)는 연소실(14)의 압력 증가에 따른 연료 인젝터(20) 방향으로 압축 혼합가스가 역류되는 것을 방지하도록 연료 노즐(330)에 설치되는 바, 엔진 효율의 향상이 가능하다.
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...흡기관
12...실린더 헤드 13...배기관
14...연소실 20...연료 인젝터
131...제1 노즐 라인 133..제2 노즐 라인
30, 130, 230, 330 ...연료 노즐

Claims (7)

  1. 흡기관과 배기관이 연결되고, 내부에는 왕복 운동하는 피스톤이 설치된 실린더;
    상기 실린더의 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터; 및
    상기 연료 인젝터와 상기 연소실의 사이를 연결하며, 상기 연료 인젝터에서 분사된 연료를 연소실로 전달하는 연료 노즐;
    을 포함하는, 연료 노즐이 설치된 수소 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 노즐은 상기 연소실에 연결되는 부분이 일측으로 경사지게 연결되는, 연료 노즐이 설치된 수소 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 노즐은 상기 연소실에 연결되는 부분이 상기 흡기관 방향으로 경사지게 연결되는, 연료 노즐이 설치된 수소 엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 노즐은,
    일단은 상기 연료 인젝터에 연결되고 타단은 상기 연소실 방향으로 연장되는 제1 노즐 라인; 및
    상기 제1 노즐 라인의 타단에 연결되어 상기 흡기관이 연결된 방향으로 경사지게 연장되어 상기 연소실에 연결되는 제2 노즐 라인;
    을 포함하는, 연료 노즐이 설치된 수소 엔진.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 노즐은, 일단은 상기 연료 인젝터에 연결되고 타단은 직경이 감소되면서 상기 연소실에 연결되는, 연료 노즐이 설치된 수소 엔진.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료 노즐은, 상기 연료 인젝터에 연결된 일단 부분에서 최대 직경으로 형성되고, 상기 연소실에 연결된 타단 위치에서 최소 직경으로 형성되는, 연료 노즐이 설치된 수소 엔진.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 노즐에는 상기 연소실로부터 상기 연료 인젝터 방향으로 연료의 역류를 방지하는 체크 밸브가 설치되는, 연료 노즐이 설치된 수소 엔진.
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