KR100953683B1 - 연소가스 발생부를 갖는 압축착화 엔진 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 압축 착화 엔진 시스템은 압축착화 방식으로 점화되는 엔진과 상기 엔진에 연료 및 공기를 공급하는 흡기관과, 상기 흡기관에 연결 설치되어 상기 흡기관 내로 가열된 연소가스를 공급하는 연소가스 발생부, 및 상기 엔진에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기관을 포함한다.

압축 착화, 연소가스 발생부, 촉매 담지체, 전기 히터

Description

연소가스 발생부를 갖는 압축착화 엔진 시스템{Homogeneous Charge Compression Ignition Engine System with Burned Gas Generator}

본 발명은 압축착화 엔진 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소가스 발생부가 설치된 압축착화 엔진 시스템에 관한 것이다.

내연기관의 연비 향상을 위하여 희박 한계를 넓히고 질소산화물(NOx) 등의 배출물을 획기적으로 줄이기 위한 기술로 여러 가지 기술들이 연구되고 있으나 가장 가능성 있는 기술로 예혼합 압축착화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition) 연소기술을 들 수 있다.

예혼합 압축착화 연소기술은 연료의 자발화 특성을 이용하여 연료공기 혼합기를 점화플러그를 사용하지 않고 연소실 내에서 압축 착화시키는 기술이다.

연료 혼합기를 압축 착화시키기 위해서는 고온, 고압의 분위기가 조성되어야 하기 때문에 예혼합기를 예열하는 기술에 대한 연구와 내부 배기가스재순환(EGR)을 이용하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있으며 또한 압축비를 높이는 방법도 고려되고 있다. 그러나 압축비를 높일 경우, 고출력 운전조건에서 펌핑손실 등의 원인으로 운전영역을 제한받기 때문에 가변 압축비를 갖는 엔진이 아닐 경우 적용하기 어려운 문제가 있다.

예혼합 압축 착화 연소의 가장 큰 문제점은 모든 영역에서 운전이 가능하지 않다는 점이다. 일반적으로 시동 초기나 전부하 영역에서는 전기 점화 등의 기존의 연소방식에 의존해야 하며 이를 제외한 일부 영역에서만 예혼합 압축착화 운전이 가능하다.

따라서 예혼합 압축 착화 연소를 일반적으로 적용하기 위해서는 운전영역의 확장과 운전 조건에 따른 연소 방식의 전환 문제를 해결해야 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연소가스 발생부를 포함하는 압축착화 엔진 시스템을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압축착화 엔진 시스템은 압축착화 방식으로 점화되는 엔진과, 상기 엔진에 연료 및 공기를 공급하는 흡기관과, 상기 흡기관에 연결 설치되어 상기 흡기관 내로 가열된 연소가스를 공급하는 연소가스 발생부, 및 상기 엔진에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기관을 포함할 수 있다.

또한, 상기 연소가스 발생부는 표면에 산화 촉매층이 형성된 촉매 담지체를 포함할 수 있으며, 상기 촉매 담지체는 복수 개의 관통공을 구비할 수 있다.

또한, 상기 촉매 담지체는 세라믹 허니콤(ceramic honeycomb), 세라믹 비드(ceramic bead), 세라믹 폼(ceramic foam), 세라믹 섬유, 금속 폼, 금속 섬유, 금속 분말로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 연소가스 발생부는 연료 및 상기 촉매 담지체를 가열하는 전기 히터를 포함할 수 있으며, 상기 전기 히터는 코일 또는 양성온도소자(PTC; positive temperature coefficient)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 연소가스 발생부는 외형을 이루는 하우징을 포함하고 하우징에는 산소를 포함하는 산화제 유입공과 연료 유입구가 형성될 수 있다. 그리고 상기 산화제 유입공에는 공기 유도관이 설치되고, 상기 공기 유도관은 상기 흡기관과 연통될 수 있다. 또한, 상기 흡기관에는 엔진으로 유입되는 공기의 양을 조절하는 스로틀 밸브가 설치되고, 상기 공기 유도관은 상기 스로틀 밸브의 앞쪽에 설치될 수 있다.

상기 산화제 유입공에는 공기 유도관이 설치되고, 상기 공기 유도관은 공기가 저장된 압축 공기 탱크와 연결될 수 있으며, 상기 산화제 유입공에는 공기 유도관이 설치되고, 상기 공기 유도관은 상기 배기관과 연결될 수 있다.

한편, 상기 연소가스 발생부는 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 고압 전극과 접지 전극을 구비할 수 있으며, 상기 연소가스 발생부는 플라즈마에 의하여 가열된 연료를 연소시킬 수 있도록 점화기를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 연소가스 발생부는 연료를 증발시킬 수 있는 증발기를 구비할 수 있으며, 상기 연소가스 발생부는 상기 증발기에 의해 가열된 연료를 연소시킬 수 있도록 점화기를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 압축착화 엔진 시스템은 엔진의 흡기계통으로 가열된 연소가스를 공급하여 엔진으로 유입되는 연료를 안정적으로 가열할 수 있다. 이에 따라 엔진 내부의 온도가 낮은 경우에도 압축착화를 용이하게 수행할 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 착화 엔진 시스템은 촉매 담지체와 전기 히터를 구비하여 전기 히터가 연료를 예열하고, 예열된 연료를 촉매 담지체가 산화시킬 수 있으므로 보다 안정적으로 연료를 연소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 착화 엔진 시스템은 플라즈마를 이용하여 연료를 가열함으로써 오염이 적고, 고온 가열이 가능하여 고온의 연소가스 발생이 용이하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 착화 엔진 시스템은 증발기를 구비하여 연료를 보다 효율적으로 증발시키고 증발된 연료를 점화기를 통해 연소시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압축착화 엔진 시스템을 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료를 연소시켜 운동 에너지를 발생시키는 엔진(engine)(100)과 엔진(100)으로 연료 및 공기가 유입되는 통로를 제공하는 흡기관(145)과, 엔진(100)에 연결 설치되어 배기가스가 배출되는 통로를 제공하는 배기관(120)과, 흡기관(145)에 설치되어 연료를 분사하 는 연료 인젝터(injector)(141)와 흡기관(145)에 연결 설치되어 엔진(100)으로 가열된 연소가스를 공급하는 연소가스 발생부(150)를 포함한다.

본 실시예에서 엔진(100)이라 함은 연료를 연소시켜 기계적인 일을 하는 통상적인 내연기관을 말한다. 엔진(100)은 실린더실(110)과 실린더실(110) 내에 설치되어 왕복 운동하는 피스톤(112)과 피스톤(112)에 연결된 커넥팅 로드(114)와 플라이 휠(116)을 포함한다. 그리고 실린더실(110)의 상부에는 실린더 헤드(132)가 설치되는데, 실린더 헤드(132)에는 흡기와 배기를 조절하는 흡기 밸브(131)와 배기 밸브(135)가 설치된다.

본 실시예에서는 연료로 가솔린 연료를 사용하는 엔진 시스템을 예로서 설명하나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 디젤 등의 연료가 적용될 수도 있다.

흡기관(145)에는 연소에 필요한 공기를 정화시키는 공기 필터(147)가 설치되며, 공기 필터(147)의 후방(공기의 진행방향을 기준)에는 흡입되는 공기의 양을 조절하는 스로틀 밸브(143a)가 내부에 설치된 스로틀 바디(143)가 위치한다. 본 명세서에서는 공기 흐름을 기준으로 상류 쪽을 전방 또는 앞쪽이라 하고, 하류 쪽을 후방 또는 뒤쪽이라 한다.

일반적으로 가솔린용 예혼합 압축착화 엔진에서는 압축비가 디젤 엔진에 비해 낮기 때문에 순수한 압축행정만으로 연료를 압축착화하기가 어렵다. 따라서 연소 후 발생하는 고온의 배기가스를 배기 및 흡기 행정동안 실린더실(110) 내에 가두어 두거나 배기관(120)에서 다시 유입함으로써 배기가스가 갖는 에너지를 이용하여 예혼합 압축착화를 쉽게 한다. 그러나 시동 초기인 저속 저부하 조건에서는 배 기가스의 온도가 낮고, 부하가 큰 조건에서는 연료 및 공기의 소모가 크기 때문에 고온의 연소가스를 연소실에 가두기엔 사실상 불가능하기 때문에 예혼합 압축 착화를 실현하기가 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 본 엔진 시스템은 고온의 연소가스를 발생시키는 연소가스 발생부(150)를 포함한다. 연소가스 발생부(150)는 공기를 공급할 수 있도록 흡기관(145)과 연결된 공기 유도관(158)과 연소가스 발생부(150) 내로 연료를 공급하는 연료 주입기(156)와, 표면에 산화촉매가 도포되어 연료를 산화시키는 촉매 담지체(152), 및 촉매 담지체(152)와 인접하게 설치되어 촉매 담지체(152) 및 연료를 가열하는 전기 히터(154)를 포함한다.

공기 유도관(158)은 스로틀 바디(143)의 앞쪽에서 흡기관(145)과 연결된다. 스로틀 밸브(143a)에 의하여 공기의 흐름이 방해를 받으므로 스로틀 바디(143)의 앞쪽에는 상대적으로 큰 압력이 발생하는 바, 이에 따라 압력차를 이용하여 용이하게 공기를 연소가스 발생부(150)로 유입시킬 수 있다.

본 실시예에서는 공기 유도관(158)이 흡기관(145)에 연결된 것을 예로서 설명하지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

따라서 도 2에 도시된 바와 같이 공기 유도관(158)은 별도의 공기 탱크(155)와 연결될 수 있으며, 이때 공기 탱크(155)는 압축 공기 탱크일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 공기 유도관(158)은 배기관(120)에 연결될 수도 있다.

도 4는 본 제1 실시예에 따른 연소가스 발생부를 도시한 절개 사시도이다. 도 4를 참조하여 연소가스 발생부에 대하여 보다 자세히 설명한다.

연소가스 발생부(150)는 원통형상의 하우징(153)과 하우징(153)에 결합되어 하우징(153)의 바닥을 이루는 바닥판(157)을 포함하여 구성된다. 하우징(153)에는 연소가스를 흡기관(145) 내로 배출시키는 연소가스 배출공(153a)이 형성되며, 하우징(153)의 외주면에는 공기 유도관(158)과 연결되어 공기를 유입시키는 산화제 유입공(153b)이 형성된다. 그리고 바닥판(157)에는 연료가 유입되는 연료 유입공(157a)이 형성된다.

하우징(153)의 내에는 표면에 산화촉매가 도포된 촉매 담지체(152)가 설치되는데, 촉매 담지체(152)는 세라믹으로 이루어지며 육각형의 관통공(152a)이 연속적으로 형성된 허니콤(honeycomb) 타입으로 형성된다.

다만, 이러한 촉매 담지체(152)의 구조는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서 촉매 담지체는 세라믹 비드(ceramic bead), 세라믹 폼(ceramic foam), 세라믹 섬유, 금속 폼, 금속 섬유, 금속 분말 등으로 이루어질 수도 있다.

촉매 담지체(152)는 연료가 관통공(152a)을 지날 때, 연료와 촉매가 반응하여 연료를 산화시키는 역할을 한다. 산화된 연료는 고온의 연소가스로 변화게 된다. 연료와 촉매가 잘 반응하기 위해서는 연료 및 촉매 담지체(152)의 온도가 높아야 한다. 이를 위해서 본 실시예에서는 촉매 담지체(152)와 인접하게 전기 히터(154)를 설치하여 전기 히터(154)가 촉매 담지체(152)와 연료를 가열하도록 한다.

전기 히터(154)는 하우징(153)의 내벽에 고정된 지지체(154a)와 지지 체(154a)에 연결된 코일(154b)을 포함한다. 전기 히터(154)는 하우징(153) 내로 유입된 공기 및 연료와 촉매 담지체(152)를 가열하여 연료가 안정적으로 산화될 수 있도록 한다.

다만, 상기한 전기 히터 구조는 예시적인 것이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서 전기 히터(154)는 공기와 연료를 가열할 수 있는 양성온도소자(PTC; positive temperature coefficient) 등으로 이루어질 수도 있다.

이와 같이 하우징(153) 내에 전기 히터(154)와 촉매 담지체(152)가 설치되면, 하우징(153)으로 유입된 연료는 전기 히터(154)에 의하여 1차적으로 가열되고, 촉매 담지체(152)에 의하여 산화되어 고온의 연소가스로 변화게 된다.

이러한 연소가스를 흡기관(145)으로 유입시키면 연소가스와 연료가 혼합되어 연료의 온도가 상승하고, 실린더실(110) 내에서 보다 용이하게 압축 착화될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소가스 발생부를 도시한 절개 사시도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연소가스 발생부(250)는 외형을 이루는 하우징(253)과 하우징(253)에 결합된 바닥판(257)을 포함한다. 하우징(253)은 연소가스가 배출되는 연소가스 배출공(253a)과 연료가 유입되는 연료 유입공(253b)을 갖는다.

그리고 바닥판(257)에는 높은 전압으로 대전된 고압 전극(254)이 절연체(256)를 매개로 끼워져 설치된다.

연소가스 배출공(253a)의 둘레에는 접지 전극(258)이 설치되는데, 이에 따라 고압 전극(254)과 접지 전극(258) 사이에는 플라즈마가 발생하게 된다. 고압 전극(254)의 단부와 인접한 부분에는 플라즈마가 발생하는 영역으로 연료를 분사하는 연료 분사관(210)이 설치된다. 이에 따라 연료 분사관(210)을 통해서 하우징(253) 내로 유입된 연료는 플라즈마에 의하여 가열된다.

또한, 연소가스 배출공(253a)과 인접한 부분에는 점화기(252)가 설치되는데, 점화기(252)는 플라즈마에 의하여 가열된 연료를 연소시키는 역할을 한다.

이에 따라, 플라즈마에 의해 가열되고 점화기(252)에 의하여 연소된 연소가스가 흡기관(145) 내로 공급될 수 있으며, 연소가스가 연료와 혼합되어 연료의 온도를 상승시키게 된다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연소가스 발생부를 도시한 절개 사시도이다.

도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연소가스 발생부(350)는 하우징(353)과 하우징(353) 내에 설치된 증발기(360)를 포함한다.

하우징(353)은 연소가스가 배출되는 연소가스 배출공(353a)과 공기 유입구(353b)를 갖는다. 하우징(353)에는 하우징(353)의 바닥을 이루는 바닥판(357)이 설치되는데, 바닥판(357)에는 연료가 유입되는 연료 유입구(357a)가 설치된다.

증발기는 케이스(361)와 케이스 내에 설치되어 화염을 발생시키는 토치(363)를 구비하고, 케이스(361)의 상면에는 토치(363)에 의하여 가열된 공기가 하우징(353) 내로 배출될 수 있도록 통기공(361a)이 형성되어 있다.

이에 따라 하우징(353)으로 유입된 연료는 증발기(360)에 의하여 직접적으로 가열되어 증발된다.

연소가스 배출공(353a)과 인접한 부분에는 점화기(352)가 설치되는데, 점화기(352)는 증발된 연료를 연소시켜서 연소가스를 생성하는 역할을 한다.

이와 같이 연소가스 발생부에서 생성된 연소가스는 흡기관(145)으로 공급되는데, 흡기관(145)으로 공급된 연소가스는 연료와 함께 실린더실(110) 내로 유입된다. 이때, 연소가스는 연료의 온도를 상승시켜서 연료가 보다 용이하게 압축 착화되도록 한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압축 착화 엔진 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 압축 착화 엔진 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 압축 착화 엔진 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소가스 발생부를 도시한 절개 사시도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소가스 발생부를 도시한 절개 사시도이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연소가스 발생부를 도시한 절개 사시도이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

100: 엔진 110: 실린더실

120: 배기관 141: 연료 인젝터

143: 스로틀 바디 143a: 스로틀 밸브

145: 흡기관 150, 250, 350: 연소가스 발생부

152: 촉매 담지체 154: 전기 히터

156: 연료 주입기 158: 공기 유도관

254: 고압 전극 258: 접지 전극

360: 버너

Claims (17)

1. 배기가스를 연료와 함께 엔진으로 공급하여 압축착화 방식으로 점화되는 가솔린용 예혼합 압축 착화 엔진 시스템에 있어서,

   압축착화 방식으로 점화되는 엔진;

   상기 엔진에 연료 및 공기를 공급하는 흡기관;

   상기 흡기관에 연결 설치되어 상기 흡기관 내로 가열된 연소가스를 공급하는 연소가스 발생부; 및

   상기 엔진에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기관

   을 포함하며

   상기 연소가스 발생부는 표면에 산화 촉매층이 형성된 촉매 담지체와 연료 및 상기 촉매 담지체를 가열하는 전기 히터를 포함하는 압축 착화 엔진 시스템.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,

   상기 촉매 담지체는 복수 개의 관통공을 갖는 압축 착화 엔진 시스템.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 촉매 담지체는 세라믹 허니콤(ceramic honeycomb)으로 이루어진 압축 착화 엔진 시스템.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 촉매 담지체는 세라믹 비드(ceramic bead), 세라믹 폼(ceramic foam), 세라믹 섬유, 금속 폼, 금속 섬유, 금속 분말로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 압축 착화 엔진 시스템.
6. 삭제
7. 제1 항에 있어서,

   상기 전기히터는 코일을 포함하는 압축 착화 엔진 시스템.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 전기히터는 양성온도소자(PTC; positive temperature coefficient)를 포함하는 압축 착화 엔진 시스템.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 연소가스 발생부는 외형을 이루는 하우징을 포함하고 하우징에는 산소를 포함하는 산화제 유입공과 연료 유입구가 형성된 압축 착화 엔진 시스템.
10. 제9 항에 있어서,

    상기 산화제 유입공에는 공기 유도관이 연결 설치되고, 상기 공기 유도관은 상기 흡기관과 연통된 압축 착화 엔진 시스템.
11. 제10 항에 있어서,

    상기 흡기관에는 엔진으로 유입되는 공기의 양을 조절하는 스로틀 밸브가 설치되고,

    상기 공기 유도관은 상기 스로틀 밸브의 앞쪽에 설치된 압축 착화 엔진 시스템.
12. 제9 항에 있어서,

    상기 산화제 유입공에는 공기 유도관이 설치되고, 상기 공기 유도관은 공기가 저장된 압축 공기 탱크와 연결된 압축 착화 엔진 시스템.
13. 제9 항에 있어서,

    상기 산화제 유입공에는 공기 유도관이 설치되고, 상기 공기 유도관은 상기 배기관과 연결된 압축 착화 엔진 시스템.
14. 압축착화 방식으로 점화되는 엔진;

    상기 엔진에 연료 및 공기를 공급하는 흡기관;

    상기 흡기관에 연결 설치되어 상기 흡기관 내로 가열된 연소가스를 공급하는 연소가스 발생부; 및

    상기 엔진에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기관

    을 포함하며,

    상기 연소가스 발생부는 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 고압 전극과 접지 전극을 갖고,

    상기 연소가스 발생부는 플라즈마에 의하여 가열된 연료를 연소시킬 수 있도록 점화기를 갖는 압축 착화 엔진 시스템.
15. 삭제
16. 삭제
17. 압축착화 방식으로 점화되는 엔진;

    상기 엔진에 연료 및 공기를 공급하는 흡기관;

    상기 흡기관에 연결 설치되어 상기 흡기관 내로 가열된 연소가스를 공급하는 연소가스 발생부; 및

    상기 엔진에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기관

    을 포함하며,

    상기 연소가스 발생부는 증발기와 상기 증발기에 의해 가열된 연료를 연소시킬 수 있도록 점화기를 갖는 압축 착화 엔진 시스템.

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