KR101143825B1

KR101143825B1 - 플라즈마 인젝터 및 이를 가지는 엔진

Info

Publication number: KR101143825B1
Application number: KR1020110118474A
Authority: KR
Inventors: 이대훈; 김창업; 이재옥; 김관태; 송영훈; 허민; 강우석
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2012-05-15

Abstract

본 발명의 목적은 연소 후 오염물질이 줄어들도록 분사되는 연료를 적은 탄소 개수를 가지는 탄화수소 연료 또는 수소로 개질 하는 플라즈마 인젝터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 인젝터는, 일측으로 공급되는 고압의 연료를 분사하고 잔여 연료를 리턴 시키는 바디, 상기 바디의 일측에 구비되어 분사구를 형성하는 팁, 상기 바디의 내부에서 상기 팁의 후방에 배치되어 상기 분사구를 개폐하는 니들, 및 상기 팁에서 상기 분사구의 외곽에 배치되어, 인가되는 전압으로 아크를 발생시켜 분사되는 연료를 플라즈마 처리하여 개질 하는 1쌍의 제1 전극과 제2 전극을 포함한다.

Description

플라즈마 인젝터 및 이를 가지는 엔진 {PLASMA INJECTOR AND ENGINE WITH THE SAME}

본 발명은 플라즈마 인젝터 및 이를 가지는 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분사되는 연료를 플라즈마 처리하여 개질 하는 플라즈마 인젝터 및 이를 가지는 엔진에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진의 배기가스에 포함되는 오염물질을 줄이기 위하여 배기관에 연결되는 배기가스 후처리 시스템이 사용된다. 즉 배기가스 후처리 시스템은 기상 또는 액상의 탄화수소를 연료로 하는 엔진에서 연소되어 배출되는 배기가스를 후처리 하여 오염물질 저감시킨다.

그러나 배기가스를 후처리 하는 방법은 발생된 오염물질을 제거하므로 오염물질의 제거율에 한계를 가진다. 따라서 엔진으로 공급되는 연료로부터 오염물질의 발생 원인을 줄일 필요성이 제기된다. 오염물질의 발생이 줄어들도록 연료를 전처리 할 수 있다.

본 발명의 목적은 연소 후 오염물질이 줄어들도록 분사되는 연료를 적은 탄소 개수를 가지는 탄화수소 연료, 탄소 입자 또는 수소로 개질 하는 플라즈마 인젝터 및 이를 가지는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 플라즈마에 의해 액상의 연료가 기상으로 변화하여 공기와의 혼합 및 연소를 원활하게 하여 오염물질을 줄이는 플라즈마 인젝터 및 이를 가지는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 분사되는 연료를 플라즈마 처리하여 개질 하는 플라즈마 인젝터 및 이를 가지는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 인젝터는, 일측으로 공급되는 고압의 연료를 분사하고 잔여 연료를 리턴 시키는 바디, 상기 바디의 일측에 구비되어 분사구를 형성하는 팁, 상기 바디의 내부에서 상기 팁의 후방에 배치되어 상기 분사구를 개폐하는 니들, 및 상기 팁에서 상기 분사구의 외곽에 배치되어, 인가되는 전압으로 아크를 발생시켜 분사되는 연료를 플라즈마 처리하여 개질 하는 1쌍의 제1 전극과 제2 전극을 포함한다.

상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 분사구의 관통 방향을 따라 이격 배치될 수 있다.

상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 고리 원판으로 형성되어, 관통구의 내면을 상기 분사구의 내측에 노출할 수 있다.

상기 관통구의 내면은 상기 분사구의 내면에 일치하여 형성될 수 있다.

상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 관통구의 관통 방향으로 설정되는 제1 두께 및 제2 두께를 형성하며, 상기 제1 두께 및 상기 제2 두께 각각은, 상기 관통구의 관통 방향으로 이격되는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 이격 거리보다 작을 수 있다.

상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 원통으로 형성되어, 상기 팁에 매립될 수 있다.

상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 관통구의 관통 방향으로 설정되는 제1 높이 및 제2 높이를 형성하며, 상기 제1 높이 및 상기 제2 높이 각각은, 상기 관통구의 관통 방향으로 이격되는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 이격 거리보다 클 수 있다.

상기 팁은, 전기 절연재로 형성될 수 있다.

상기 팁은, 상기 분사구로 공기를 공급하는 공기 통로를 더 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진은, 상기 플라즈마 인젝터, 상기 플라즈마 인젝터를 설치하여 공기, 연료 및 상기 플라즈마 인젝터에서 개질된 개질 연료를 공급하는 흡기관, 상기 흡기관에 연결되어 동력을 발생시키는 엔진 본체, 및 상기 엔진 본체에 연결되어 배기가스를 배출하는 배기관을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진은, 상기 팁에 형성되는 공기 통로를 상기 흡기관에 연결하는 공기 공급관을 더 포함할 수 있다.

상기 공기 통로는, 상기 분사구 상에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 후방에 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사구의 외곽에 제1, 제2 전극을 구비하여 분사되는 연료를 플라즈마 처리하여 개질 함으로써, 연소 후 배기가스에 포함되는 오염물질을 줄이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 인젝터를 적용하는 엔진의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 인젝터의 단면도이다.
도 3은 도 2에 적용되는 제1 전극과 제2 전극의 부분 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 인젝터의 단면도이다.
도 5는 도 4에 적용되는 제1 전극과 제2 전극의 부분 단면 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 인젝터를 적용하는 엔진의 구성도이다.
도 7은 도 6에 적용되는 플라즈마 인젝터의 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 플라즈마 인젝터(10)를 적용하는 엔진(20)의 구성도이다. 제1 실시예의 엔진(20)은 연료를 공급하는 플라즈마 인젝터(10), 공기를 공급하는 흡기관(31), 흡기관(31)에 연결되어 공기와 연료로 동력을 발생시키도록 내연기관으로 이루어지는 엔진 본체(32) 및 엔진 본체(32)에 연결되어 엔진 본체(32)에서 발생되는 배기가스를 배출하는 배기관(33)을 포함한다.

플라즈마 인젝터(10)는 흡기관(31)에 설치되어, 분사되는 연료 중 일부를 플라즈마 처리하여 개질된 연료를 흡기관(31)으로 공급하도록 형성된다. 따라서 흡기관(31)은 공기, 연료, 및 개질 연료를 엔진 본체(32)로 공급한다. 즉 플라즈마 인젝터(10)는 배기가스에 포함되는 오염물질이 줄어들도록 엔진 본체(32)의 전방에서 연료를 전처리 한다.

플라즈마 인젝터(10)는 연료 공급구(41)로 공급되는 연료를 분사하고, 남은 잔여 연료를 리턴 시키는 연료 리턴구(42)를 구비한다. 연료 공급구(41)는 연료 펌프(미도시)에 연결되어 고압의 연료를 플라즈마 인젝터(10)로 공급하며, 연료 리턴구(42)는 연료탱크(미도시)에 연결되어 잔여 연료를 플라즈마 인젝터(10)에서 연료탱크로 리턴 시킨다.

도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 인젝터(10)의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 인젝터(10)는 바디(11), 분사구(12)를 형성하는 팁(13), 분사구(12)를 개폐하는 니들(16) 및 팁(13)에서 분사구(12)의 외곽에 배치되는 제1 전극(14)과 제2 전극(15)을 포함한다.

바디(11)는 니들(16)을 내장하고 니들(16)의 작동 공간을 제공하며 니들(16)의 외측으로 연료의 공급 통로를 형성한다. 연료 공급구(41)와 연료 리턴구(42)는 바디(11)의 일측에 각각 형성되어, 바디(11)로 연료를 공급하고 잔여 연료를 리턴 시킨다.

팁(13)은 바디(11)의 일측 단부에 결합되어 니들(16)의 단부에 대응하여 분사구(12)를 형성한다. 니들(16)은 바디(11) 내부에서 팁(13)의 후방에 배치되어 분사구(12)를 개폐한다. 예를 들면, 니들(16)은 솔레노이드(미도시)로 작동되어 분사구(12)를 개폐할 수 있다.

플라즈마 인젝터(10)의 바디(11) 내에서 니들(16)이 분사구(12)에 대하여 전후진 작동함에 따라서, 연료 공급구(41)로 공급되는 고압의 연료는 분사구(12)를 통하여 설정된 양으로 분사되고, 잔여 연료는 연료 리턴구(42)로 리턴 된다.

팁(13)은 흡기관(31) 내부에 설치되므로 분사구(12)로 분사되는 연료는 흡기관(31) 내부로 분사되어 흡기관(31)으로 공급되는 공기와 혼합되어 엔진 본체(32)로 공급된다. 이때, 흡기관(31)으로 분사되는 연료는 개질된 연료를 포함한다.

이를 위하여, 제1, 제2 전극(14, 15)은 분사구(12)의 외곽을 둘러싸는 구조로 팁(13)에 구비되어, 인가되는 전압에 의하여 아크를 발생시키고, 아크에 의하여 분사구(12)를 경유하는 일부 연료로 플라즈마를 발생시킨다. 즉 일부 연료는 플라즈마 처리되어 개질 된다.

제1, 제2 전극(14, 15)은 분사구(12)의 관통 방향(도 2에서 상하 방향)을 따라 이격 배치된다. 제1 전극(14)을 접지하고 제2 전극(15)에 고전압(HV)을 인가하면, 제1, 제2 전극(14, 15) 사이에 아크가 발생되어 연료 중 일부로 플라즈마를 형성한다. 일부 연료가 플라즈마 처리된다.

연료는, 일부 연료가 플라즈마 처리됨에 따라 연소시 오염물질의 발생을 줄일 수 있는 상태로 개질 된다. 즉 연료는 적은 탄소 개수를 가지는 탄화수소 연료 또는 수소로 개질 된다.

도 3은 도 2에 적용되는 제1 전극(14)과 제2 전극(15)의 부분 단면 사시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1, 제2 전극(14, 15)은 고리 원판으로 형성되어, 관통구(141, 151)의 내면을 분사구(12)의 내측에 노출하여 형성된다.

따라서 제1, 제2 전극(14, 15)에서 관통구(141, 151)의 내면은 이격 거리(D1)를 두고 면방전 구조를 형성한다. 이격 거리(D1)의 대소에 따라 아크의 강도가 조절되고, 이에 따라 연료 중의 플라즈마 처리되는 연료의 양이 조절될 수 있다.

또한, 관통구(141, 151)의 내면은 분사구(12)의 내면에 일치하므로 분사구(12)로 분사되는 연료의 분사 저항을 최소화할 수 있다. 즉 분사구(12)의 작은 공간 내에서 관통구(141, 151)의 내면에 의하여 플라즈마가 발생되므로 분사되는 연료의 플라즈마 처리 효율이 높아질 수 있다.

한편, 제1, 제2 전극(14, 15) 각각은 관통구(141, 151)의 관통 방향(도 3의 상하 방향)으로 설정되는 제1, 제2 두께(T1, T2)를 형성한다. 제1, 제2 두께(T1, T2) 각각은 제1, 제2 전극(14, 15)의 이격 거리(D1)보다 작다.

즉 팁(13)에서 제1, 제2 두께(T1, T2)의 점유율이 낮으므로 제1, 제2 전극(14, 15)에 의한 팁(13)의 성형성 및 기계적 강도 저하를 최소화 할 수 있다. 팁(13)은 전기 절연재로 형성된다.

또한, 제1 실시예의 플라즈마 인젝터(10)는 팁(13)에 제1, 제2 전극(14, 15)을 형성하므로 플라즈마 발생을 위한 전극을 설치하기 위한 별도의 전극 지지 구조물을 필요로 하지 않는다. 따라서 플라즈마 인젝터(10)의 컴팩트화가 가능하다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 인젝터(50)의 단면도이고, 도 5는 도 4에 적용되는 제1 전극(61)과 제2 전극(62)의 부분 단면 사시도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 제1, 제2 전극(61, 62)은 원통으로 형성되어, 분사구(22)를 가지는 팁(23)에 매립된다.

팁(23)은 유전체로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 전극(61)을 접지하고 제2 전극(62)에 전압을 인가하면, 제1, 제2 전극(61, 62)를 둘러싸는 팁(23)에 벽전하가 형성되어 방전하는 유전체 장벽 방전 방식으로 플라즈마가 발생된다.

유전체의 팁(23)에 벽전하가 쌓이므로 벽전하를 형성하지 않는 경우의 구동 전압에 비하여, 제1, 제2 전극(61, 62)은 저전압으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

제1, 제2 전극(61, 62) 각각은 관통구(611, 621)의 관통 방향(도 5에서 상하 방향)으로 설정되는 제1, 제2 높이(H1, H2)를 형성한다. 제1, 제2 높이(H1, H2) 각각은 관통구(611, 621)의 관통 방향으로 이격되는 제1, 제2 전극(61, 62)의 이격 거리(D2)보다 크다.

분사구(22)의 관통 방향(도 4의 상항 방향)으로 설정되는 전체 범위에 대하여, 제1, 제2 전극(61, 62)의 제1, 제2 높이(H1, H2)의 점유 범위가 길어진다. 따라서 분사되는 연료는 제1, 제2 전극(61, 62)에 오랫동안 노출된다. 즉 분사되는 연료 중 개질된 연료량이 증대될 수 있다. 개질 연료량의 증가는 배기가스에 포함되는 오염물질을 더욱 줄일 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 인젝터(70)를 적용하는 엔진(80)의 구성도이고, 도 7은 도 6에 적용되는 플라즈마 인젝터(70)의 단면도이다.

제1, 제2 실시예의 플라즈마 인젝터(10, 50)는 연료를 플라즈마 처리하여 단순 분해하여 개질 한다. 이에 비하여, 제3 실시예의 플라즈마 인젝터(70)는 연료의 단순 분해가 아니라 연료의 부분 산화를 통하여 연료의 개질을 유도한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 제3 실시예의 플라즈마 인젝터(70)는 연료의 부분 산화를 통하여 연료를 개질 하도록 흡기관(31)에서 일부 공기를 분기하여 분사구(74)로 공급하도록 구성된다.

즉 플라즈마 인젝터(70)에서 팁(73)은 공기 통로(75)를 더 형성한다. 공기 통로(75)는 팁(73) 내에 형성되는 분사구(74)에 연결되어 분사구(74)로 공기를 공급한다.

공기 통로(75)는 분사구(72) 상에서 제1, 제2 전극(71, 72)의 후방에 배치된다. 플라즈마 인젝터(70)를 적용하는 엔진(80)은 팁(73)에 형성되는 공기 통로(75)를 공기 공급관(76)으로 흡기관(31)에 연결한다.

공기 통로(75)를 통하여 분사구(72)로 유입되는 공기의 유입량은 분사 연료 전체의 부분 산화를 가능하게 하도록 적정 수준 이하로 설정됨으로써, 공기 통로(75)로 공급되는 공기와 분사구(74) 내로 공급되는 연료에 의한 연소 폭발을 방지할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10, 60, 70 : 플라즈마 인젝터 11 : 바디
12, 22, 74 : 분사구 13, 23, 73 : 팁
14, 61, 71 : 제1 전극 15, 62, 72 : 제2 전극
16 : 니들 20, 80 : 엔진
31 : 흡기관 32 : 엔진 본체
33 : 배기관 41 : 연료 공급구
42 : 연료 리턴구 75 : 공기 통로
76 : 공기 공급관 141, 151, 611, 621 : 관통구
D1, D2 : 이격 거리 H1, H2 : 제1, 제2 높이
T1, T2 : 제1, 제2 두께

Claims

일측으로 공급되는 고압의 연료를 분사하고 잔여 연료를 리턴 시키는 바디(11);
상기 바디의 일측에 구비되어 분사구(12, 22, 74)를 형성하는 팁(13, 23, 73);
상기 바디의 내부에서 상기 팁의 후방에 배치되어 상기 분사구를 개폐하는 니들(16); 및
상기 팁에서 상기 분사구의 외곽에 배치되어, 인가되는 전압으로 아크를 발생시켜 분사되는 연료를 플라즈마 처리하여 개질 하는 1쌍의 제1 전극(14, 61, 71)과 제2 전극(15, 62, 72)
을 포함하며,
상기 팁(13, 23, 73)은,
상기 분사구(12, 22, 74)로 공기를 공급하는 공기 통로(75)를 더 형성하는 플라즈마 인젝터.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극(14, 61, 71)과 상기 제2 전극(15, 62, 72)은,
상기 분사구(12, 22, 74)의 관통 방향을 따라 이격 배치되는 플라즈마 인젝터.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극(14)과 상기 제2 전극(15)은,
고리 원판으로 형성되어, 관통구(141, 151)의 내면을 상기 분사구(12)의 내측에 노출하는
플라즈마 인젝터.
제3 항에 있어서,
상기 관통구(141, 151)의 내면은 상기 분사구(12)의 내면에 일치하여 형성되는
플라즈마 인젝터.
제4 항에 있어서,
상기 제1 전극(14)과 상기 제2 전극(15)은,
상기 관통구(141, 151)의 관통 방향으로 설정되는 제1 두께(T1) 및 제2 두께(T2)를 형성하며,
상기 제1 두께(T1) 및 상기 제2 두께(T2) 각각은,
상기 관통구(141, 151)의 관통 방향으로 이격되는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 이격 거리(D1)보다 작은
플라즈마 인젝터.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극(61)과 상기 제2 전극(62)은,
원통으로 형성되어, 상기 팁(23)에 매립되는
플라즈마 인젝터.
제6 항에 있어서,
상기 제1 전극(61)과 상기 제2 전극(62)은,
관통구(22)의 관통 방향으로 설정되는 제1 높이(H1) 및 제2 높이(H2)를 형성하며,
상기 제1 높이(H1) 및 상기 제2 높이(H2) 각각은,
관통구(22)의 관통 방향으로 이격되는 상기 제1 전극(61)과 상기 제2 전극(62)의 이격 거리(D2)보다 큰
플라즈마 인젝터.
제1 항에 있어서,
상기 팁(13, 23, 73)은,
전기 절연재로 형성되는
플라즈마 인젝터.
삭제
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항의 플라즈마 인젝터(10, 60, 70);
상기 플라즈마 인젝터를 설치하여 공기, 연료 및 상기 플라즈마 인젝터에서 개질된 개질 연료를 공급하는 흡기관(31);
상기 흡기관에 연결되어 동력을 발생시키는 엔진 본체(32); 및
상기 엔진 본체에 연결되어 배기가스를 배출하는 배기관(33)
을 포함하는 엔진.
제10 항에 있어서,
상기 팁(73)에 형성되는 상기 공기 통로(75)를 상기 흡기관에 연결하는 공기 공급관(76)을 더 포함하는 엔진.
제11 항에 있어서,
상기 공기 통로(75)는,
상기 분사구(74) 상에서 상기 제1 전극(71)과 상기 제2 전극(72)의 후방에 형성되는 엔진.