KR20230107352A - 기체 연료로 작동되는 구동 유닛의 작동 방법 - Google Patents

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KR20230107352A
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헬레르슨 켐머
카이 베버
마르틴 슐테 묀팅
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 기체 연료로 작동되는 구동 유닛(11)을 작동하는 방법에 관한 것이며, 상기 기체 연료는 다수의 압력 탱크들(3; 3a; 3b; 3c)에 고압으로 제공되고, 상기 압력 탱크들(3; 3a; 3b; 3c)은 공급 라인(7)을 통해 계량 밸브(12)에 연결될 수 있고, 상기 계량 밸브(12)는 상기 기체 연료를 구동 유닛(11)에 분배할 수 있다. 압력 탱크들 중 하나는 상기 구동 유닛(11)이 고부하일 때만 상기 공급 라인(7)에 연결되는 고부하 압력 탱크(3)로 설계되며, 동시에 상기 고부하 압력 탱크(3)보다 낮은 가스 압력이 주어진 압력 탱크들(3a; 3b; 3c)은 상기 공급 라인(7)으로부터 분리된다.

Description

기체 연료로 작동되는 구동 유닛의 작동 방법
본 발명은 기체 연료로 작동되는 구동 유닛, 예를 들어 기체 연료로 작동되는 내연 기관 또는 예를 들어 차량에 사용되는 것과 같은, 기체 연료로 작동되는 연료 전지를 작동하는 방법에 관한 것이다.
기체 연료로 작동되는 구동 유닛들은 종래 기술에 알려져 있다. 이들은 예를 들어, 액체 연료 대신 기체 연료, 특히 수소 또는 천연 가스로 작동되는 내연 기관의 형태로 알려져 있다. 또한, 기체 연료로 작동되는 다른 구동 유닛들, 예를 들어 기체 연료로부터 전기 모터를 구동할 수 있는 전기를 생성하는 연료 전지들이 알려져 있다. 기체 연료로 작동되는 내연 기관 및 전기 모터 유닛을 구비한 연료 전지는 승용차나 트럭을 구동하기 위해 사용되거나 발전기와 같은 고정식 구동 유닛에 사용될 수 있다. 기체 연료는 상압에서 부피당 에너지 밀도가 낮기 때문에 심하게 냉각되어 액화되거나 수백 bar의 압력으로 압축되어 적절한 압력 용기에 저장된다. 일반적으로 차량에는 여러 개의 압력 탱크들이 사용되며 다양한 장점이 있다. 한편으로는, 가스 실린더와 같은 상대적으로 작은 압력 탱크들이 비교적 작은 벽 두께로 제조될 수 있는 반면, 대형 가스 탱크는 훨씬 더 큰 벽 두께와 추가적인 안정화 요소들을 필요로 한다. 다른 한편으로는, 작은 압력 탱크는 차량에 더 쉽게 배치될 수 있으므로 사용 가능한 설치 공간을 더 잘 활용할 수 있다. 그러한 배치는 예를 들어 DE 10 2017 212 485 A1으로부터 알려져 있다.
기체 연료로 작동되는 구동 유닛에 공급하려면 특정 가스 압력이 필요하다. 특히 구동 유닛이 고부하일 때 매우 많은 양의 기체 연료가 단시간에 공급되어야 하며 이는 특정 최소 압력에서만 가능하다. 장시간 작동으로 인해 가스 탱크가 이미 부분적으로 비어 있는 경우, 여전히 사용 가능한 가스 압력은 매우 높은 부하에서도 충분한 연료를 내연 기관 또는 기체 연료로 작동되는 기타 구동 유닛에 공급하기에 더 이상 충분하지 않을 수 있어서, 최대 부하가 더 이상 호출될 수 없다.
기체 연료로 작동되는 구동 유닛을 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법은 짧은 시간에 많은 양의 기체 연료가 요구되는 전부하(full load)가 구동 유닛이 오래 작동된 후에도 호출될 수 있다는 장점을 갖는다. 이 방법에서 기체 연료는 다수의 압력 탱크들에 고압으로 제공되며, 상기 압력 탱크들은 공급 라인을 통해 계량 밸브에 연결될 수 있고, 상기 계량 밸브를 통해 기체 연료가 구동 유닛으로 분배될 수 있다. 압력 탱크들 중 하나는 고부하 압력 탱크로 설계되어 구동 유닛이 고부하일 때만 공급 라인에 연결되고, 동시에 상기 고부하 압력 탱크보다 낮은 가스 압력이 주어진 압력 탱크들은 공급 라인으로부터 분리된다.
압력 탱크들은 예를 들어 700 bar(70 MPa)의 초기 압력에서 수소로 채워진다. 구동 유닛의 작동에 의해 기체 연료가 점차적으로 소비되고 그에 따라 압력 탱크의 압력이 떨어진다. 모든 압력 탱크가 고르게 비워지면 모든 압력 탱크의 압력도 임계값 아래로 떨어질 때까지 강하한다. 구동 유닛이 내연 기관의 고속과 관련된 전부하 상태에서 작동되는 경우, 짧은 시간에 매우 많은 양의 기체 연료가 필요하며 이는 내연 기관의 해당 연소실로 유입되어야 한다. 압력 탱크가 더 이상 필요한 압력을 제공하지 않으면 구동 유닛의 최대 출력이 더 이상 호출될 수 없다.
따라서, 본 발명에 따르면, 하나 이상의 압력 탱크를 고부하 압력 탱크로 작동하고, 구동 유닛이 전부하 또는 고부하 상태로 작동될 때만 공급 라인에 연결하는 것이 제안된다. 더 낮은 압력이 주어진 나머지 압력 탱크들은 전부하에서 공급 라인으로부터 분리된다. 그런 다음 구동 유닛의 더 낮은 출력이 다시 호출되면, 고부하 압력 탱크들(또는 고부하 압력 탱크)은 공급 라인으로부터 다시 분리되고 나머지 압력 탱크들은 공급 라인에 연결되는데, 그 이유는 이 작동점들에서는 낮은 가스 압력이 충분하기 때문이다. 이러한 방식으로 압력 탱크가 이미 부분적으로 비어 있는 경우에도 추가 구조적 조치(예: 중간 압축기) 없이 구동 유닛의 최대 출력을 호출하기 위해 요구되는 충분히 높은 가스 압력이 항상 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 개선예에서, 고부하 압력 탱크는 나머지 압력 탱크들의 가스 압력이 고부하에서 구동 유닛의 공급을 위해 더 이상 충분하지 않을 때에만 공급 라인에 연결된다. 이를 통해, 고부하 압력 탱크가 가능한 한 오랫동안 최대 가스 압력을 유지하고 구동 유닛의 최대 부하 상황을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 개선예에서, 각각의 압력 탱크는 연결 라인을 통해 공급 라인에 연결될 수 있으며, 차단 밸브는 각각의 연결 라인에 배치된다. 바람직하게는 전기적으로 제어 가능한 차단 밸브는 각 압력 탱크를 공급 라인에 개별적으로 연결하거나 공급 라인으로부터 분리한다. 이것은 또한 안전 관점에서 압력 탱크에 결함이 있는 경우 해당 연결을 차단할 수 있게 하는데 바람직하다. 차단 밸브의 자유로운 제어 가능성으로 인해 하나 이상의 압력 탱크가 고부하 압력 탱크로 작동될 수 있다. 즉, 이러한 압력 탱크들은 구동 유닛이 최대 부하 또는 전부하일 때만 사용되는 한편, 나머지 압력 탱크들은 정상 작동을 위해 제공된다.
본 발명에 따른 방법의 일 개선예에서, 다수의 고부하 압력 탱크들이 있으며, 그 중 적어도 하나는 구동 유닛의 고부하 하에서 공급 라인에 연결된다. 예를 들어, 2개의 압력 탱크가 고부하 압력 탱크로 제공되는 경우, 구동 유닛이 전부하일 때 처음에는 고부하 압력 탱크들 중 하나만 공급 라인에 연결될 수 있다. 이 고부하 압력 탱크의 가스 공급이 소진된 후, 제 2 고부하 압력 탱크가 이 과제를 수행한다. 결과적으로, 구동 유닛에서 이용될 수 있는 높은 압력 레벨이 고부하 압력 탱크들에서 장기간에 걸쳐 유지될 수 있다. 대안적으로, 모든 고부하 압력 탱크들이 항상 공급 라인에 함께 연결되도록 제공될 수도 있다.
다수의 고부하 압력 탱크들이 제공되고 한 번에 하나만 공급 라인에 연결되는 경우, 구동 유닛의 정상 작동 부하에서 사용되는 다른 압력 탱크들과 동일한 가스 압력이 고부하 압력 탱크가 주어질 때까지, 구동 유닛이 전부하일 때 상기 고부하 압력 탱크 중 하나만 비워진다.
이 방법의 바람직한 개선예에서, 기체 연료로 작동되는 구동 유닛은 내연 기관, 또는 연료 전지에 의해 전기가 공급되는 전기 모터를 구비한 연료 전지이다. 두 경우 모두, 기능을 유지하기 위해 특정 압력 하의 기체 연료가 필요하므로, 본 발명에 따른 방법은 압력 탱크에 존재하는 기체 연료의 영구적인 작동 및 최적의 이용을 보장한다.
본 발명에 따른 방법의 개선예에서, 감압기는 압력 탱크와 계량 밸브 사이의 공급 라인에 배치된다. 이렇게 하면 구동 유닛의 작동점에 따라 계량 밸브 작동을 위한 최적의 가스 압력이 보장된다. 압력 탱크들의 압력이 너무 많이 떨어지면, 압력 탱크들의 전체 압력이 계량 밸브에서 이용될 수 있도록 감압기가 비활성화될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 개선예에서, 예를 들어 내연 기관의 다수의 실린더에 또는 다수의 연료 전지에 기체 연료를 공급하기 위해 다수의 계량 밸브들이 제공되어 공급 라인에 연결된다.
도면들은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 작동될 수 있는 장치들의 다양한 실시예들을 보여준다.
도 1은 기체 연료로 작동되는 구동 유닛을 이 구동 유닛에 공급하기 위한 압력 탱크 어셈블리와 함께 개략도로 도시한다.
도 2는 개별 압력 탱크의 대안적 배선을 갖는 압력 탱크 어셈블리의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 흐름도를 도시한다.
본 발명에 따른 방법을 설명하기 위해, 기체 연료로 작동되는 구동 유닛이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 구동 유닛(11)은 여기에서 내연 기관으로 설계되고 4개의 연소실들(14)을 포함하며, 상기 연소실들 내로 각각 하나의 계량 밸브(12)가 열린다. 기체 연료는 계량 밸브(12)를 통해 각각의 연소실(14) 내로 계량될 수 있으며, 여기서 기체 연료가 연소하여 알려진 방식으로 각각 피스톤을 움직인다. 기체 연료를 구동 유닛(11)에 공급하기 위해, 압력 탱크 어셈블리(1)가 제공된다. 압력 탱크 어셈블리(1)는 다수의 압력 탱크(3, 3a, 3b, 3c)를 포함하며, 이들 중 압력 탱크(3)는 고부하 압력 탱크(3)로서 사용된다. 상기 고부하 압력 탱크(3)는 다른 압력 탱크들(3a, 3b 및 3c)과 구조적으로 다르지 않다. 압력 탱크들(3, 3a, 3b, 3c)은 실질적으로 원통형 고압 가스 용기의 형태이며, 압력 탱크(3, 3a, 3b, 3c) 내부의 가스 압력은 각각의 압력 센서(15, 15a, 15b, 15c)에 의해 측정되고, 그 측정값들은 도 1에 개략적으로 도시된 제어 장치(9)로 전송된다.
구동 유닛(11)에 기체 연료를 공급하기 위해, 모든 압력 탱크들(3, 3a, 3b, 3c)은 연결 라인들(4, 4a, 4b, 4c)을 통해 공급 라인(7)에 연결되고, 상기 공급 라인(7)은 개별 계량 밸브들(12)로 분기된다. 연결 라인들(4, 4a, 4b, 4c) 내에는 각각 차단 밸브(5, 5a, 5b, 5c)가 배치되고, 상기 차단 밸브들(5, 5a, 5b, 5c)은 전기적으로 제어될 수 있으며 전기 연결 라인(8)을 통해 제어 장치(9)에 연결된다. 따라서 개별 차단 밸브들(5, 5a, 5b, 5c)은 서로 독립적으로 열리고 닫힐 수 있다. 공급 라인(7)에 감압기(10)가 배치되고, 압력 탱크로부터 공급되는 기체 연료가 너무 높은 기체 압력을 갖는 경우 상기 감압기(10)를 통해 계량 밸브에서 기체 연료의 요구 기체 압력이 조정될 수 있다.
구동 유닛을 작동시키고 구동 유닛에 기체 연료를 공급하기 위한 본 발명에 따른 방법은 도 3의 흐름도를 사용하여 더 상세히 설명된다. 제 1 단계 100에서, 구동 유닛이 작동되며, 예를 들어 내연 기관이 시동된다. 제 2 단계 200에서, 적어도 하나의 압력 탱크(3a, 3b, 3c)의 차단 밸브, 일반적으로 - 내연 기관의 정상(normal) 부하 상태에서 - 차단 밸브들(5a, 5b, 5c) 중 하나가 열리는 한편, 고부하 압력 탱크(3)의 차단 밸브(5)는 닫힌 상태를 유지한다.
다음 단계 300에서, 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)의 압력 임계값이 최대 부하에서 구동 유닛(11)의 공급이 더 이상 보장되지 않는 소정의 임계값 아래로 떨어지는지 여부가 검사된다. 이것은 개별 압력 센서(15a, 15b, 15c)가 측정하여 제어 장치(9)로 전송하는 압력을 사용하여 수행된다. 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)의 압력이 충분하면(분기 "N"), 차단 밸브(5)는 닫힌 상태를 유지하고(단계 600) 차단 밸브들(5a, 5b, 5c)은 열린 상태를 유지하므로, 여기서 내연 기관인 구동 유닛은 계속해서 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)로부터 기체 연료를 공급받는다. 그러나, 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)의 압력이 임계값 아래로 떨어지면(분기 "J"), 다음 단계 400에서 구동 유닛(11)이 고부하 상태에 있는지 여부가 검사된다. 그렇지 않은 경우(분기 "N") 차단 밸브들(5a, 5b, 5c)은 열린 상태로 유지되고 차단 밸브(5)는 닫힌다. 그런 경우(분기 "J"), 단계 500에서 차단 밸브들(5a, 5b, 5c)이 닫히고 차단 밸브(5)가 열리므로 기체 연료는 이제 고부하 압력 탱크(3)로부터 높은 압력으로 공급 라인(7)으로 흐르고 거기서부터 계량 밸브(12)로 흐른다. 감압기(10)는 가스 압력이 너무 높은 경우에만 사용된다. 후속해서 단계 300에서 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)의 압력 임계값을 검사하는 방법 단계 및 후속 단계는 구동 유닛(11)이 더 이상 전부하 또는 최대 부하 상태가 아님을 제어 장치가 인식할 때까지 다시 실행된다. 이것이 확인되면, 단계(600)에서 고부하 압력 탱크의 차단 밸브(5)가 닫히고 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)의 차단 밸브들(5a, 5b, 5c)이 다시 열린다.
도 2는 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)의 대안적인 배선을 도시한다. 각 연결 라인(4a, 4b, 4c)이 차단 밸브(5a, 5b, 5c)를 통해 공급 라인에 직접 연결되는 대신, 여기서 연결 라인들(4a, 4b, 4c)은 추가 연결 라인(4')으로 열리며, 상기 추가 연결 라인(4')에는 정상 차단 밸브(6)가 배치된다. 이 경우, 공급 라인(7)에 대한 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)의 연결은 정상 차단 밸브(6)에 의해 차단될 수 있는 한편, 차단 밸브들(5a, 5b, 5c)은 전부하 경우에도 계속 열린 상태를 유지한다.
여기에 도시된 압력 탱크 어셈블리(1)에는 4개의 압력 탱크들(3, 3a, 3b, 3c)이 제공되며, 그 중 하나는 고부하 압력 탱크(3)로 설계된다. 이 압력 탱크는 다른 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)과 구조적으로 다를 필요는 없고, 그 사용을 통해서만, 전부하에서 구동 유닛의 공급을 수행하는 고부하 압력 탱크가 된다. 더 많은 수의 압력 탱크들이 사용되고 하나 이상의 압력 탱크가 고부하 압력 탱크로 작동될 수도 있다. 예를 들어, 2개의 압력 탱크들이 고부하 압력 탱크로 제공되는 경우, 먼저 고부하 압력 탱크 중 하나는 이 고부하 압력 탱크의 압력 레벨이 더 이상 충분하지 않을 때까지, 구동 유닛의 전부하에서 필요한 기체 연료 압력을 제공하는 과제를 수행할 수 있다. 그런 다음 제 2 고부하 압력 탱크가 사용될 수 있으며, 이는 전부하에서도 그리고 - 구동 유닛이 내연 기관인 경우 - 매우 높은 속도에서도 구동 유닛(11)의 공급을 보장한다.
3, 3a, 3b, 3c: 압력 탱크
4, 4a, 4b, 4c: 연결 라인
5, 5a, 5b, 5c: 차단 밸브
7: 공급 라인
10: 감압기
11: 구동 유닛
12: 계량 밸브

Claims (10)

  1. 기체 연료로 작동되는 구동 유닛(11)의 작동 방법으로서, 상기 기체 연료는 다수의 압력 탱크들(3; 3a; 3b; 3c)에 고압으로 제공되고, 상기 압력 탱크들(3; 3a; 3b; 3c)은 공급 라인(7)을 통해 계량 밸브(12)에 연결될 수 있고, 상기 계량 밸브(12)는 상기 기체 연료를 상기 구동 유닛(11)에 분배할 수 있는, 상기 작동 방법에 있어서,
    상기 압력 탱크들 중 하나는 상기 구동 유닛(11)이 고부하일 때만 상기 공급 라인(7)에 연결되는 고부하 압력 탱크(3)로 설계되며, 동시에 상기 고부하 압력 탱크(3)보다 낮은 가스 압력이 주어진 압력 탱크들(3a, 3b, 3c)은 상기 공급 라인(7)으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고부하 압력 탱크(3)는 나머지 압력 탱크들(3a; 3b; 3c)의 가스 압력이 고부하에서 상기 구동 유닛(11)의 공급에 더 이상 충분하지 않은 경우에만 상기 공급 라인(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 압력 탱크(3; 3a; 3b; 3c)는 연결 라인(4; 4a; 4b; 4c)을 통해 상기 공급 라인(7)에 연결될 수 있고, 각 연결 라인(4; 4a; 4b; 4c)에는 차단 밸브(5; 5a; 5b; 5c)가 배치되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 차단 밸브들(5; 5a; 5b; 5c)은 전기적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 고부하 압력 탱크들(3)이 있고, 그들 중 적어도 하나는 상기 구동 유닛이 고부하일 때 상기 공급 라인(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 모든 고부하 압력 탱크들(3)은 항상 상기 공급 라인(7)에 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 구동 유닛(11)이 고부하일 때 상기 고부하 압력 탱크들(3) 중 하나는, 상기 고부하 압력 탱크(3)가 나머지 압력 탱크들(3a; 3b; 3c)과 동일한 가스 압력을 가질 때까지, 상기 공급 라인(7)에 연결된 다음, 상기 구동 유닛(11)이 고부하일 때 다음 고부하 압력 탱크(3)가 상기 공급 라인(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 연료로 작동되는 상기 구동 유닛(11)은 내연 기관, 또는 연료 전지에 의해 공급받는 전기 모터를 구비한 연료 전지인 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 감압기(10)는 상기 압력 탱크들(3; 3a; 3b; 3c)과 상기 계량 밸브(12) 사이의 상기 공급 라인(7)에 배치되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 계량 밸브들(12)은 상기 공급 라인(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
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