KR100299064B1

KR100299064B1 - 연소기관용연소유도장치

Info

Publication number: KR100299064B1
Application number: KR1019980041949A
Authority: KR
Inventors: 변홍식; 최경호
Original assignee: 김상렬; 학교법인 계명기독학원; 변홍식; 최경호
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 2001-11-22
Also published as: KR19990007562A

Abstract

본 발명은 산소와 가연성 연료에 의해 연소되어 그 연소효율을 향상시키는 연소기관용 연소유도장치에 관한 것이다. 본 연소유도장치는 공기와 가연성 연료가 불꽃 반응하여 소정의 에너지를 발생시키는 연소수단과, 상기 연소수단 내에 산소부화공기를 공급하기 위한 산소과급수단을 포함한다. 이에 따라, 연소수단에 산소부화공기를 충분히 공급하기 때문에 연비를 향상시키고, 더욱이 매연을 감소시켜 쾌적한 환경을 제공할 수 있다.

Description

연소기관용 연소유도장치

본 발명은 연소기관용 연소유도장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산소와 가연성 연료를 연소시켜 그 연소효율을 향상시키는 연소기관용 연소유도장치에 관한 것이다.

일반적으로 연소기관은 가연성 연료가 타도록 하는 장치로서, 기름과 가스보일러 및 내연기관을 포함하고 있다. 상기 내연기관은 실린더 내에서 공기와 혼합된 가연성 연료를 폭발적으로 연소시켜 피스톤에 왕복운동을 주는 열기관이며, 대표적으로 디젤엔진과 가솔린엔진 등으로 나누어진다.

이와 같은 디젤엔진은 공기만을 실린더 내에 흡입하고 압축하여 높은 온도가 되면 중유를 분출시켜 자연 발화하는 장치로서 CO의 배출량이 적고, 열효율이 크며, 큰 마력을 얻을 수 있다. 그러나, 디젤엔진의 매연과 질소산화물은 최근 환경오염의 심화로 대기오염에 대한 규제가 강화되고 있는 추세에 따라 대기오염의 주요원인으로 작용하고 있어, 규제대상이 되고 있다. 특히, 대기오염원 중에서 중대한 관심사로 부각되고 있는 매연은 디젤차량에 질소화합물의 제거장치인 삼원촉매장치의 부착을 불가능케하여 더욱더 문제가 되고 있다.

따라서, 현재, 디젤차량에서 매연의 저감이 필수적임에 따라 매연저감의 목적으로 기계들이 개발되고 있다.

이와 같이 디젤차량의 배기가스 저감기술로는 고압분사장치, 흡기포트와 연소실 형상에 따른 연소실 내에서의 공기유동을 증가시키는 방법, 매연필터나 EGR 촉매에 의한 후처리장치에 의한 방법, 사용연료의 개량 등의 전처리에 의한 방법 등이 연구 개발되어져 오고 있으나, 이는 근본적으로 낮은 연소효율에 따른 불완전연소로 인하여 배기가스의 저감을 위한 특별한 효과가 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로써, 연소기관 또는 내연기관의 연소효율을 향상시켜 저연비 및 저공해를 실현하도록 한 연소기관용 연소유도장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연소기관용 연소유도장치와 이를 테스트하는 장치를 나타낸 블록도이고,

도 2는 도 1의 연소유도장치의 산소과급부를 나타낸 단면도이고,

도 3은 산소부화율에 따른 연소기관의 매연밀도를 나타낸 그래프이고,

도 4는 산소부화율에 따른 단위발열당 NO_X와 HC의 농도변화를 나타낸 그래프이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 ; 연소기기 2 ; 산소과급부

3 ; 공급안내관 4 ; 연료탱크

5 ; 공기유량계 6 ; 산소분석기

7 ; 연료유량계 8 ; 중공사막

9 ; 하우징 10 ; 디젤엔진 검연기

11 ; 배기가스분석기 12 ; 역량계

13 ; 역량계제어부 14 ; 압전센서

15 ; 표시부 16 ; 엔코더

17 ; A/D변환기 18 ; 증폭부

상기 목적은, 본 발명에 따라, 공기와 가연성 연료가 불꽃 반응하여 소정의 에너지를 발생시키는 연소수단과, 상기 연소수단 내에 산소부화공기를 공급하기 위한 산소과급수단을 포함하는 연소기관용 연소유도장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 연소수단은 차량용 디젤엔진과 가솔린엔진 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 상기 산소부화공기는 산소와 질소로 혼합된 공기에서 산소의 비율이 적어도 22wt%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 산소과급수단은 상기 공기 중에 포함된 산소의 확산을 유도하여 산소부화공기와 질소부화공기로 분리하는 확산용 중공사막과, 주입구와 산소부화공기와 질소부화공기를 각각 배출하는 배출구를 가지고 있으며, 상기 중공사막을 수용하는 원통형 하우징을 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 중공사막은 폴리다이메틸실록센(Polydimethyl siloxane)과 폴리셀폰 (Polysulphone) 중 적어도 하나가 복합되어 있는 비다공질체인 것이 바람직하다.

한편, 상기 연소수단과 상기 산소과급수단 사이에 개재되어 상기 연소기기를 향하도록 상기 산소부화공기의 공급을 안내하는 공급안내관과, 상기 산소과급수단을 향하여 상기 공기를 강제적으로 공급하는 에어펌프를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 산소과급수단은 산소만을 수용하는 산소통인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연소기관용 연소유도장치를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 연소기관용 연소유도장치와 이를 테스트하는 장치를 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 연소유도장치의 산소과급부를 나타낸 단면도이고, 도 3은 산소부화율에 따른 연소기관의 매연밀도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 산소부화율에 따른 단위발열당 NO_X와 HC의 농도변화를 나타낸 그래프이다.

본 연소기관용 연소유도장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 공기와 가연성 연료가 불꽃 반응하여 소정의 에너지를 발생시키는 연소기기(1)와, 상기 연소기기(1) 내에 산소부화공기를 공급하기 위한 산소과급부(2)를 가지고 있다. 상기 연소기기(1)와 상기 산소과급부(2) 사이에는 상기 연소기기(1)를 향하여 연결되어 상기 산소부화공기의 공급을 안내하는 공급안내관(3)이 개재되어 있다. 그리고, 연소기기(1) 내에 상기 가연성 연료를 공급하기 위한 연료탱크(4)가 마련되어 있으며, 상기 산소과급부(2)를 향하여 상기 공기를 강제적으로 공급하는 에어펌프(미도시)가 상기 산소과급부(2)의 주입구에 설치되어 있다.

연소기기(1)는 실린더 내에서 공기와 혼합된 가연성 연료를 폭발적으로 연소시켜 피스톤에 왕복운동을 발생하는 엔진(미도시)을 포함하고, 그 왕복운동을 회전운동으로 변환하는 메카니즘으로 구성되어 있다. 즉, 연소기기(1)는 디젤엔진을 대상으로 한다.

산소과급부(2)는 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 중에 포함된 산소와 질소 중에서 산소의 확산이 더 빠르게 되도록 유도하여 산소부화공기와 질소부화공기로 분리시키는 확산용 중공사막(8)과, 상기 중공사막(8)을 수용하고 외부의 공기를 받아들이는 주입구와 상기 산소부화공기를 상기 연소기기(1)로 배출하는 산소배출구와 상기 질소부화공기를 외부로 배출하는 질소배출구가 형성되어 있는 원통형 하우징(9)을 가지고 있다. 반면에 산소만을 수용하는 산소통을 직접 상기 공급안내관(3)에 연결하여 사용할 수도 있다.

중공사막(8)은 비다공질체이고, 산소부화용 기체분리막의 일종으로서, 수많은 모세관을 갖고 내면의 산소를 선별하여 투과하는 덴서(dense)분리막으로 구성되어 있으며, 그 분리막은 폴리다이메틸실록센(Polydimethyl siloxane)과 폴리셀폰 (Polysulphone)의 복합물이다. 예를 들어, 중공사막(8)은 산소와 질소의 비율이 21wt% : 79wt%인 공기가 유입되면 산소의 확산운동이 질소의 경우보다 더 활발하게 되어 산소배출구에서는 산소와 질소의 비율이 35wt% : 65wt%인 공기가 배출되도록 한 것이다. 이 때, 질소배출구에서는 유입된 공기의 비율보다 산소의 비율이 더 낮은 공기를 배출한다.

상기와 같은 중공사막(8)의 성능은 다음과 같다.

사용압력 : 0.62Mpa	사용압력 : 0.75Mpa
공급공기유량(m³/hr)	산소부화공기유량(m³/hr)	산소부화공기내의 산소농도(%)	공급공기유량(m³/hr)	산소부화공기유량(m³/hr)	산소부화공기내의 산소농도(%)
10.7	6.4	32.3	13.5	7.5	33.9
13.5	6.5	35.8	14.8	7.6	35.2
19.2	6.7	39.4	23.9	8.2	40.6
26.5	7.5	41.2	32.8	8.5	42.6

통상적으로 디젤엔진에서 요구되는 산소의 비율은 25wt%이고, 산소부화공기의 유량은 90liter/minute(5.4 m³/hr)이다. 본 중공사막(8)의 성능은 디젤엔진에서 요구되는 사양을 휠씬 상회하는 것으로서, 산소농도와 산소부화공기의 유량도 충분히 만족하는 성능을 가지고 있다.

상기와 같은 연소유도장치를 실험하기 위해서 도 1에 도시된 바와 같이 구성하면, 상기 연소유도장치의 공급안내관(3)에는 상기 산소부화공기의 유량을 검출하는 공기유량계(5)와, 산소의 비율을 검출하는 산소분석기(6)가 순서대로 설치되어 있으며, 상기 연료탱크(4)와 상기 연소기기(1) 사이에는 상기 가연성 연료의 량이 얼마나 상기 연소기기(1)를 향하여 공급되는지 그 연료를 계량하는 연료유량계(7)가 개재되어 있다.

그리고, 연소기기(1) 즉 디젤엔진의 배기구에는 배기가스로부터 매연을 검출하는 디젤엔진 검연기(10)와, 배기가스의 성분을 분석하는 배기가스분석기(11)가 순차적으로 설치되어 있다. 또한, 디젤엔진의 메카니즘 출력단에는 역량계(12)와 역량계제어부(13)가 설치되어 있고, 디젤엔진의 실린더 압력을 검출하는 압전센서(14)가 엔진 내에 설치되어 있다. 여기서, 역량계(12)로부터 그 정보와 상기 압전센서(14)로부터의 정보를 받아 사용자에게 디스플레이하는 표시부(15)가 부가적으로 설치되어 있다. 상기 표시부(15)와 상기 역량계(12) 사이에는 표시부(15)에 상기 정보를 전송하는 엔코더(16)와 A/D변환기(17)가 순차적으로 마련되어 있으며, 상기 압전센서(14)와 상기 A/D변환기(17) 사이에는 압전센서(14)로부터 정보를 증폭하는 증폭부(18)가 마련되어 있다.

이와 같은 실험장치의 동작은 먼저, 디젤엔진이 동작하게 되면 엔진으로부터의 배출되는 배기가스는 필터(미도시)를 통하여 여과된 후 기체상태를 유지하기 위하여 가열관(미도시)에서 180°로 유지하고 그 기체는 배기가스분석기(11)에서 분석되어 진다. 이 때, 채취된 가스는 2내지 5초 정도로 분석되는데, 그 신뢰성을 향상시키기 위하여 1분정도 측정한 후에 평균을 취하여 분석한다.

또한, 배출되는 배기가스는 디젤검연기(10)에서 포집되어 그 농도가 검출되는데, 필터여지에 통과시킨 후에 빛의 투과율을 백분율로 하여 그 농도가 표시된다. 또한, 압전센서(14)를 통하여 측정된 데이터를 100싸이클을 평균한 값을 취하여 압력선도를 구하고, 그 압력선도로부터 열발생율과 열누적율을 산출하므로 연소해석을 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 매연을 측정하면 본 연소기관용 연소유도장치로부터 도 3(a), (b)에 도시된 결과를 얻을 수 있다.

즉, 기관부하 70%와 90%조건에서 산소를 첨가함에 따른 매연배출량을 측정한 결과는, 산소비율이 21%일 때 기관부하 70%일 경우보다 기관부하 90%일 경우가 매연의 농도가 현져하게 증가하고 있음을 보여주고 있다, 하지만, 산소비율이 21%이상 증가할 경우에는 기관부하가 70%일 경우 저속구간에서는 1%와 2%만의 산소를 증가하여도 현격히 감소하여 거의 배출되지 않은 상태를 보여주며, 기관부하를 90%로 상승할 경우에도 산소의 첨가량을 증가함에 따라 매연량이 전체적으로 감소하고 있는 것을 보여주고 있다. 따라서, 산소농도 25%인 경우, 산소를 첨가하지 않은 경우에 비하여 평균 75%정도의 감소효과가 있어 산소비율이 증가할수록 매연이 현격하게 줄어든다.

또한, NO_X(질소화합물)와 HC(탄화수소)의 배출량을 측정하면 본 연소기관용 연소유도장치로부터 도 4(a), (b)에 도시된 결과를 얻을 수 있다.

즉, 배출가스의 성분을 분석하기 위하여 연료의 단위발열당 NO_X와 HC의 배출량을 배기가스분석기(11)로 측정하면, 기관의 회전수가 증가할수록 NO_X와 HC의 배출량이 감소하고 있으나, 산소의 첨가량이 많아질수록 모든 기관의 회전수에서 NO_X배출량은 증가하고, HC배출량은 감소하고 있음을 나타내고 있다. 예를 들어, 기관부하의 90%에서는, 산소를 4%첨가하여 산소농도 25%일 때의 NO_X배출량이 산소를 첨가하지 않은 때에 비하여 약 40%정도 증가하고 HC는 약 52%정도 감소하고 있다.

상술한 바와 같은 본 연소유도장치는 매연을 감소하기 위하여 산소를 첨가하는 것이며, 이 때의 산소량은 매연의 발생과 상반된 NO_X의 증가를 최소화하기 위하여 미량을 공급하고 이에 따라, 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이 매연이 약 73%정도 감소된다.

부연하여, 동일한 기관회전수와 기관부하에서 산소의 첨가량이 많아질수록 착화지연시간이 짧아지고 최고 열발생율은 감소한다. 즉, 산소농도의 경우 점화지연시간은 약 2크랭크각도 정도 단축되며, 최고 열발생율은 약 24%정도 감소한다. 그리고, 기관부하 90%에서 산소첨가량을 1%, 2%, 4%로 증가시킬수록 매연의 배출량은 각각 35%, 39%, 73%의 저감 효과를 보인다.

또한, 동일조건에서 산소의 첨가량이 증가할수록 단위 발열량당 NO_X의 배출량은 증가하는데, 그 이유는 연소에 의한 영향보다 산소라디칼의 증가에 의한 것으로 판단된다. 산소첨가로 인해 후기연소기간 동안에 HC의 발생여건이 축소되기 때문에 산소의 첨가량이 증가할수록 단위 발열량당 HC 배출량이 감소된다.

본 발명은 연소기기에 산소부화공기를 충분히 공급하기 때문에 부하상태에 관계없이 연비를 향상시키고, 특히, 매연을 현격히 감소시키므로 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

공기와 가연성 연료가 불꽃 반응하여 소정의 에너지를 발생시키는 차량용 디젤엔진과 가솔린엔진 중 어느 하나인 연소기기와; 상기 공기 중에 포함된 산소의 확산을 유도하여 산소부화공기와 질소부화 공기로 분리하는 확산용 중공사막과; 주입구와 산소부화공기와 질소부화공기를 각각 배출하는 배출구를 가지고 있으며, 상기 중공사막을 수용하는 원통형 하우징과; 상기 연소기기와 상기 하우징 사이에 개재되어 상기 연소기기를 향하도록 상기 산소부화공기의 공급을 안내하는 공급안내관과; 상기 하우징을 향하여 상기 공기를 강제적으로 공급하는 에어펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기관용 연소유도장치.
제1항에 있어서; 상기 산소부화공기는 산소와 질소로 혼합된 공기에서 산소의 비율이 적어도 22wt%인 것을 특징으로 하는 연소기관용 연소유도장치.
제1항에 있어서; 상기 중공사막은 폴리다이메틸실록센(Polydimethyl siloxane)과 폴리셀폰(Polysulphone) 중 적어도 하나가 복합되어 있는 비다공질체인 것을 특징으로 하는 연소기관용 연소유도장치.