KR100549364B1 - 디이젤 연료 유해배출물 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디이젤 연료 유해배출물 저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디이젤 내연기관의 연료공급로 겉표면상에 부착 설치하여서 연료의 화학분자구조와 그 분자활동을 개선하는 전처리 장치로써, 특히 전자파 및 자장의 유도가 효과적으로 이루어지도록 자석과 세라믹 봉 및 코일 등을 배치 구성하여서 연료공급로를 지나는 연료에 대한 화학적, 물리적 변화를 유도하여 완전 연소조건을 만들어 주어서 연소 후 배기가스에 유해성분 배출을 크게 억제하고 연비를 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 형태의 디이젤 연료 유해배출물 저감장치에 관한 것이다.

Description

디이젤 연료 유해배출물 저감장치

본 발명은 디이젤 연료 유해배출물 저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디이젤 내연기관의 연료공급로 겉표면상에 부착 설치하여서 연료의 화학분자구조와 그 분자활동을 개선하는 전처리 장치로써, 특히 전자파 및 자장의 유도가 효과적으로 이루어지도록 자석과 세라믹 봉 및 코일 등을 배치 구성하여서 연료공급로를 지나는 연료에 대한 화학적, 물리적 변화를 유도하여 완전 연소조건을 만들어 주어서 연소 후 배기가스에 유해성분 배출을 크게 억제하고 연비를 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 형태의 디이젤 연료 유해배출물 저감장치에 관한 것이다.

디이젤 연료의 배기가스 중에 유해물질의 생성(formation of Toxic substances)과정을 살펴보면, 디이젤 기관에서 연소가 진행될 때에 공기와 연료는 서로 반응중에 부분적으로 혼합되게 된다. 즉, 공기의 연료는 혼합기체, 형성, 착화, 연소폭발이 순서적이면서도 단독적으로 진행되는 것이 아니라 서로 상호간에 영향을 미치면서 동시에 진행된다. 따라서, 혼합기체의 농도 또는 공기비가 균일하지 못하기 때문에 일부에서는 연소가 진행되고 일부에서는 가열과정 즉, 기화과정이 진행된다.

연료와 공기의 반응대역의 농후영역을 가열하는 동안, 연료입자 표면의 증기포켓(vapor pocket)에서 반응이 진행되며, 이때 탄화수소로부터 탄소입자들이 유리(free carbon)된다. 이와 같은 반응에 의해 유리된 탄소입자들이 연소를 방해받게되면 연소되지 못하고 흑연상태로 대기중에 배출된다. 이러한 배출과정에서 가스상 유해배출물일 CO, HC, NOx, SOx 등이 함께 배출된다. 특히, 디이젤 기관에서는 공기과잉상태에서 연소가 이루어지기 때문에 CO의 배출량은 큰 문제가 되지 않지만 저부하 운전시와 냉간운전시에 발생되는 미연 탄화수소는 심각한 문제가 된다.

이와같이, 디이젤 기관으로부터 배출되는 입자상 물질들은 환경오염 물질들인데, 그중에서도 예컨대 흑연을 보면 우선 시계(視界)방해, 악취 등을 생각할 수 있다. 그리고, 매연에 흡착되어 있는 방향족 탄화수소(aromatic hydrocarbons)가 인체에 어떤 영향을 미치느냐하는 문제는 아직 논란의 대상이 되고 있지만 여하튼 대기중에 떠돌다가 인간의 호흡기관에 유입될 경우 좋지 못하다.

디이젤 기관의 정상연소와 이상연소시 발생하는 문제들을 기계적, 화학적 상태를 통해 고찰해 보면, 디이젤 기관의 연소는 가솔린 기관과는 달리 연료의 분사가 어느 기간동안 계속되므로 연료분사 시기가 연료연소에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 일반적으로 디이젤 기관은 공기의 압축행정 끝에 실린더 속에 분사된 연료가 적당한 혼합기체로 형성된 이후 자연착화를 하기 때문에 여러개의 화염핵(火焰核)이 동시에 발행하고 연소는 실린더 전면에 걸쳐서 거의 동시 다발적으로 이루어진다.

참고로 첨부도면 도 1은 디이젤 기관의 연소과정을 설명하기 위해 나타낸 그래프로써, 도 1의 A점에서 연료가 분사되어서 가열과 화학적인 변화 때문에 극히 짧은 시간동안 착화지연이 A, B 기간에 생기게 되는데, 이때 착화지연이 길면 도 2와 같이 높은 최고 폭발압력에 도달한다. 이와 반대로 착화지연이 짧으면 분사연료는 분사되는 순서대로 천천히 연소하게 되므로 실린더 내의 압력상승은 급격히 상승하지 않고 압력은 완만하기 때문에 실린더 내에서 최고 폭발력도 실린더내의 형성된 압력에 의하여 유지된다. 따라서, 착화지연이 짧으면 도 3과 같이 최고 폭발압력이 상기의 도 2에 비하여 낮아진다.

디이젤 연소는 디이젤 기관내에서 정압연소를 하기 때문에 완만한 연소과정이 요구된다. 착화지연이 긴 연료를 사용하게 되면 급격한 연소가 이루어지므로 정압연소와는 상반된 상태가 발생하여 디이젤 노크(disel knock) 현상이 생기는 것이다. 도 1의 B, C 기간은 착화와 동시에 폭발적으로 압력이 급상승하기 때문에 A, B 사이에 축적되었던 연료가 일시에 연속폭발하게 된다. 이것은 기본 사이클의 정적연소에 상당하는 변화로서 아직까지는 외부에서 다른 방법으로 제어할 수 없다.

도 1의 C, D 기간은 연소실의 압력 및 온도가 충분히 필요온도에 도달하므로써 분사된 연료가 분사되는 순서대로 연소되므로 거의 정압적인 과정으로 유지된다. 그러나, 이 기간을 너무 길게하면 연료의 차단비(遮斷比)가 커지고 열효율이 저하되므로 한정된 실린더 내부에서 최고 출력으로서 최대의 효율을 발휘하려면 분사량과 무화(霧化) 및 공기와의 혼합을 잘 시켜서 최소의 과잉공기로써 최대 연소 효과를 올릴 수 있도록 고려되어야 한다.

또한, 도 1의 D 점에서는 아직 연소되지 않고 그대로 남아있던 약간의 연료가 후기연소(after burning) 상태를 유지하는데, 이는 연소배기 온도를 높이고 또한 배출가스의 배기색을 흑화시킬 뿐이지 별 도움이 되지 못한다. 이러한 현상은 착화지연이 긴 연료를 사용할 경우와 고착된 연료밸브가 다시 열려 누적현상이 생겼을 때 일어난다.

이와같이, 디이젤 노크는 이상전열로 인한 열적 파손을 야기시키는 원인은 되지 않지만 토크(torque)변동이 커지기 때문에 정숙 운전은 되지 못하고 그 충격은 과다한 응력을 일으키는 위험을 초래하게 된다(자동차공학, 배원섭 저, 1992, 동명사 발행, p222 ∼ 230 ; 디이젤 엔진, 김응서 저, 1996, 세문사 발행, p367 ∼ 370 ; 자동차 기관(Ⅱ)(디이젤 기관), 김재휘 저, 1997, 중원사 발행, p442 ∼ 444).

그런데, 디이젤 기관은 가솔린 기관과 달라서 노크현상의 한계가 그다지 분명하지 못하므로 과소평가할 수 있기 때문에 근본적으로 디이젤 노크를 피하려면 착화지연을 짧게 해주면 된다. 이와 같이, 디이젤 노크의 원인이 착화지연에 있으므로 이를 억제하기 위해서는 필연적으로 착화성이 좋은 연료를 사용하던가 아니면 이런점을 극복할 대안이 요구된다.

이러한 디이젤 기관의 연소과정에서 나타나는 문제점을 해결할 수 있는 대안으로서 압축비와 흡기온도 및 실린더 온도를 고려해야 한다. 여기서, 압축온도 및 흡기온도가 높은 것이 바람직한데, 이것은 연소실에 흡입된 공기에 보다 높은 압축을 가했다는 의미가 된다.

이와 같은 상태에서 흡기의 유동과 연료의 분사시기를 결정해야 하는데, 흡기의 와류상태 또는 난류상태는 혼합기의 화학적 반응을 촉진시키며, 더욱이 흡기온도가 높을 경우에는 그의 증발을 도와 가일층 분유를 미립화시켜서 착화지연을 단축시키고 연료의 분사시기를 상사점을 중심으로하는 경우에는 평균 온도 및 압력이 최고가 되어 착화지연이 더욱 짧아진다.

그러나, 기계에는 한계성이 있기 때문에 기계적 한계를 극복하려면 역시 연료의 문제점인 착화지연 시기를 결정하는 연료의 성상 또는 성질의 제어를 통해 착화지연 시기를 단축하려는 시도가 반드시 필요하다고 볼 수 있다. 이러한 시점에서 연료의 성상과 성질, 무화 및 분산에서 생각해 볼 수 있는 방안은 발화온도가 높은 연료는 착화지연이 길어지므로 디이젤 연료는 세탄가가 높은 연료를 사용하고 분사되는 연료는 고온공기와의 접촉이 잘되도록 무화분산을 기계적으로도 잘 고려해야겠지만 물리적 화학적 원인에 따른 문제점에 접근해서 해결하는 방안으로는 연료의 특성상 발생되는 문제점을 해결하는 다음과 같은 제어법를 생각할 수 있다.

첫째, 점도(viscosity)면에서 살펴본다면 탄화수소의 점도는 탄소수가 증가함에 따라서 상승하고 탄소수가 같을 경우에는 나프텐계는 올레핀계나 파라핀계에 비해 점도가 더 높다. 일반적으로 연료의 비등점이 낮아짐에 따라서 점도도 낮게 나타난다. 그리고 연료의 점도는 분무와 깊은 관계가 있다. 점도가 낮을수록 분산성이 좋고, 미립화 분산되기 때문에 가열, 증발도 빠라져 착화지연이 단축되고 연소성도 개선된다. 그러나 문제는 점도가 지나치게 낮으면 연소실내에서 관통력이 약해져 실린더내에서 균일분포성이 감소하고 또한 공기와의 접촉이 불량해지므로 연소상태가 불균일해진다. 그리고 분사펌프나 분사노즐이 윤활불량을 유발시키고 누설가능성이 증대된다. 반면에, 점도가 너무 높으면 기관에 잔류분을 퇴적시키고 연기와 악취를 발생시키게 된다.

연료의 성질상 점도 변화가 큰 연료의 경우에는 연료온도를 일정수준으로 유지해야 하기 때문에 일반적으로 연료의 점도는 30℃ 또는 37.8℃에서 2 ∼ 5.8 ㎟/s로 규정하고 있다. 그러나, 문제는 위에서도 지적했듯이 관통력이 보장되면서 분산성이 좋고 보다 미립화되어야 한다는 문제가 있다.

둘째, 디젤기관에서 노크를 동반하지 않는 정상연소가 성립되려면 연료의 착화성이 우수해야 한다. 보통 이를 규정하기 위하여 세탄가를 말하는데 고속 디이젤 기관 연료의 세탄가가 최저 45 이상이어야 한다고 규정하고 있다. 세탄가가 높으면 시동성이 개선되고 운전이 원활해지지만 너무 높으면 노말 파라핀계 탄화수소의 함량이 많으므로 밀도와 점도가 낮아 분사연료의 관통성이 감소하여 결과적으로 불완전 연소의 원인이 된다.

셋째, 매연 형성도에서 본다면 분자구조의 조밀성이 증대됨에 따라 매연 배출경향성도 상승한다. 즉, 파라핀족, 나프텐족, 방향족 순으로 매연배출 경향이 높다.

다음 화학식 1에서 볼 수 있듯이 노말 파라핀은 분자식 CnH_2n+2의 탄화수소 결합으로 직선 사슬형(직쇄형 : 直鎖形)이다.

[화학식 1]

또 다음 화학식 2에서 볼 수 있듯이 나프텐족은 링 모양으로 단일결합된 탄화수소로서 그 분자식은 CnH_2n이며, 이중결합이 없으므로 화학적으로 안정된 상태이다.

[화학식 2]

그리고, 다음 화학식 3에서 볼 수 있듯이 방향족은 이중결합을 갖는 링 형상의 탄화수소로써, 기본구조는 6개의 탄소원자와 3개의 이중결합을 가진 벤젠링이다. 벤젠링에는 또 다른 여러개의 분자가 결합될 수 있으며, 착화성은 낮고 항노크성은 강하다.

[화학식 3]

상기한 화학식 1과 화학식 2 및 화학식 3에서 알 수 있듯이 연소시 탄소의 분자구성적 요인이 매연을 유발시키고 있다고 생각할 수 있다.

그런데, 디이젤 연료가 연소후 배출되는 입자상 고형물질은 크기가

0.01 ∼ 10 ㎛정도가 대부분으로써, 평균질량의 입자크기는 직경

1 ㎛ 이하이며 흑연으로 배출되는 이러한 고형물질을 분리시키든가 아니면 연소전에 연료성상을 제어해야만 한 것이다. 이와같은 입자상 고형물질이 생성되는 것은 위에서 관찰한 결과로 볼 때 탄화수소의 화학적 반응에 문제가 있는 것이다.

한편, 탄화수소 중에서 상기 화학식 2와 화학식 3과 유사한 성분은 연료입자 표면의 포켓에서 가열반응이 진행되는 과정 중에 탄화수소로부터 탄소입자들이 유리된 후에 계속되는 반응에 의해서 이들 탄소입자들의 연소가 방해를 받게 되고, 그때 탄소입자들은 연소되지 못하고 흑연상태로 대기중에 배출되게 된다. 이러한 유리상태에서 연소의 방해를 받는 요인은 위와 같이 복합적인 원인이 있겠으나, 상기 화학식 2와 화학식 3의 분자구조인 링 모양의 탄화수소 중에서 수소만 분리되고 이중결합 상태의 탄소분자구조가 분리되지 않고 있다가 연소중에 산소부족상태에서 연소과정, 기관의 운전상태 등의 복합적인 이유로 입자상 고형물질로 형성되어 매연으로 배출된다.

따라서, 위에 설명한 점도, 착화성, 매연형성도 등 세가지 관점에서 가정하여 생각할 수 있는 것은 디이젤 연료는 분사성이 좋음과 동시에 착화성은 높아야 하는 상반된 문제점과 입자상 고형물질이 생성되지 않는 연소조건을 해결해야 할 문제점을 지적할 수 있다.

이상과 같은 관점에서 볼 때 디이젤 내연기관에서 매연을 줄이고 연비를 절약할 수 있도록 연소효율을 증대시키기 위해서 고려해야 할 점은 다음과 같다.

첫째, 흡입되는 건조공기 문제이다. 즉, 건조공기의 조성은 질소(N₂) 78 vol%(75 wt%), 산소(O₂) 21 vol%(23.2 wt%)로써 질소와 산소가 대부분인 대기중에서 질소와 산소가 실린더내에 흡입되어 고압으로 압축되었을 때 질소는 가급적 반응하지 않고 산소는 즉시 탄화수소의 기화상태에서 결합반응하여 산화가 되도록 공기흡입전에 산소에게 어떠한 제어를 할 필요가 있다.

둘째, 탄화수소가 기화상태에서 산소와 반응을 할 수 있도록 수소와 탄소가 산소와 결합반응이 잘 되어 완전연소가 되도록 수소와 탄소가 유리된 상태에서 어떠한 필요조치를 해야 할 필요가 있다.

이에 본 발명자는 위와 같은 여러 문제점과 개선점에 착안하여 연료가 연료탱크에서 공급호스나 파이프로 유동하여 공급될 때 연료의 연소조건을 개선하기 위해서, 연료를 구성하는 탄화수소의 광범위한 종류(약 170∼370℃ 범위에서 비등하는 탄소수 약 10∼20개의 탄화수소 혼합물)의 연료를 탄화수소의 분자의 성질을 완전 연소에 근접하도록 전자적 제어방법으로 유도하고 또, 이를 더욱 효과적으로 연소되도록 하기 위해서는 흡입 압축된 공기중 산소를 흡기구에서 전자적 제어방법으로 제어하여 공기 과잉상태에서도 산소결핍으로 고형화되는 입자상 탄소가 생기지 않도록 하고 어느 대역에서나 탄소가 산소와 충분히 반응하도록 여건을 조성함으로써, 가스상 유해배출물과 입자상 유해배출물을 배출을 억제하는 동시에 연비도 크게 향상시킬 수 있다는 것으로부터 출발하여 본 발명을 완성하게 된 것이다.

따라서, 본 발명은 종래에 알려진 바 없는 전혀 새로운 구조의 장치로서, 디이젤 연료의 주입호스나 파이프 외부표면상에 연료탱크와 근접한 지점에 부착 사용하는 연소의 전처리 장치로 적용하는 경우 디이젤 연료 연소조건을 개선시켜주는 디이젤 유해배출물 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 첨부도면과 함께 상세하면 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고무밴드 몸체(1)에 동박판(2)과 알루미늄 박판(3)이 차례로 적층되어 있고, 그 몸체(1)내측면의 상부면 좌우 선단부에는 각각 육면체형의 고무 마감재(4a,4b)가 부착 설치되어 있으며, 상기 고무 마감재(4a,4b)에 연접한 내측의 중심부에는 각각 ㄷ자형 자장 유도핀(5a,5b,5c)이 상부가 개방된 채 부설되어 그 내부에 각각 자석(6a,6b,6c)이 안착되어 있고, 상기 자장 유도핀(5a,5b,5c) 사이에는 세라믹 삼각봉(7a,7b)이 각각 연결 설치되어 있으며, 그 세라믹 삼각봉(7a,7b)중 어느하나의 중앙부에는 코일(8)을 내장한 전자파 유도핀(9)이 부착 설치되어 있고, 이러한 몸체(1)는 사각 알루미늄 파이프(10) 속에 삽입된 채 그 파이프(10) 외면이 절연체(11)로 코팅 처리되어 있는 구조로 이루어진 디이젤 연료 유해배출물 저감장치를 그 특징으로 한다.

여기서, 미설명부호 12a, 12b, 12c는 세라믹 삼각봉(7a,7b)에 형성된 구멍이고, 13은 알루미늄 파이프(10)의 밀봉을 위한 밀봉재, 20은 디이젤 내연기관에 공기가 흡입되는 흡기부 21은 흡기부(20)에서의 공기흡기구, 22는 연소실, 23은 공기청정기, 24는 흡기다기관, 31은 공기흡기구(21)에 설치된 펄스파 발생 코일이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도 4a, 도 4b, 도 4c에 도시한 바와같은 구조의 구조물이 조립된 장치이다. 본 발명에 따르면 도 4a, 도 4b 및 도 4c에서와 같이 고무로된 좌우측 마감재(4a,4b)를 고무밴드몸체(1) 위에 접착설치하고 고무밴드몸체(1) 위에는 동박판(2)을 같은 너비로 부착하며 그 윗면에 다시 알루미늄 박판(3)이 접착설치되어 있다. 또한, 그 몸체(1) 위의 좌우측과 중앙부는 자장 유도핀(5a,5b,5c)를 접착 설치하고 영구자석 또는 전자석으로 된 자석(6a,6b,6c)를 각각 자장 유도핀(5a,5b,5c) 내부에 밑면만 부착하고 양쪽 핀날개 부분은 절연물을 삽입시켜 설치한다. 그 다음, 상기 알루미늄 막판(3)보다 밑면이 약간 좁은 세라믹 삼각봉(7a,7b)을 좌측 자장 유도핀(5a,5c)과 정중앙에 위치한 자장 유도핀(5b) 사이에 각각 삽입하여 알루미늄 박판(3) 위에 부착 설치한다. 이때, 세라믹 삼각봉(7a, 7b)은 도 5와 같은 구조를 갖는다.

특히, 본 발명에 따르면 세라믹 삼각봉(7a,7b)중 어느 하나, 좋기로는 우측 자장 유도핀(5c)과 정중앙의 자장 유도핀(5b) 사이에 삽입 부착되어 있는 우측 세라믹 삼각봉(7b)의 정중앙 위에는 전자파 유도핀(9)을 부착 설치한다. 이때 전자파 유도핀(9)은 양날개부위가 형성되어 있고 그 내부에 코일(8)이 배치되어 있다. 이렇게 형성된 구조물은 도 4a와 같이 사각 알루미늄 파이프(10) 속에 삽입한 후에 봉합 처리한 후 전체 외피를 절연체(11)로 코팅하여 감싼 상태의 디이젤 연료 유해배출물 저감장치를 구성한다.

본 발명의 장치는 디이젤 내연기관의 연료탱크에서 엔진에 연료를 공급하기 위한 호스 또는 파이프에 연결 설치할 수 있는 바, 연료탱크에서 가능한 근접한 위치에 호스나 파이프를 손상시키거나 절단 또는 제거치 않고 호스나 파이프 겉 표면에 부착하여 사용할 수 있는 유해배출물 저감을 위한 전처리 장치이다.

이러한 본 발명의 장치는 디이젤 연료를 사용하는 고속 자동차 디이젤엔진, 중속, 저속 내연기관들을 모두 포함하는 내연기관을 위해 연료를 공급하는 연료탱크에 연결된 호스 또는 파이프 겉 표면상에 연료탱크로부터 가능한 근접한 지점에 부착 사용하는 것으로서, 내연기관에서 연료가 연소시 완전연소에 근접하도록 연료의 연소조건을 만들어 주므로써, 특히 공해가스로 지목되는 CO, HC, NOx, SOx, 그리고 입자상 유해배출물인 입자상 고형물체인 흑연(soot)외에 탄화수소 결합물(일부분은 탄소입자에 흡착된 상태), 유황화합물, 에어러졸(aerosols) 형태의 화합물 등과 같은 매연입자들(soot particles)이 배기가스와 함께 배출되지 못하게 엔진에 연료가 도달하기 전에 제어하는 전자제어 방식에 관한 원리를 일부 이용하여 공기흡입구와 연료공급 호스나 파이프에서 미리 연료분자구조와 분자활동을 개선하여 주므로써 기관내에서 완전연소에 가깝도록 전처리하는 것이다. 여기에서 전처리 장치라함은 연료가 내연기관에 주입되기 전에 유해물질 배출을 사전에 조정 억제하는 물리적 화학적 방법에 의하여 전처리하는 장치이며, 이에 대응되는 후처리 장치는 내연기관에서 연소되어 배출되는 유해물질중 특히 입자상 고형물체인 흑연을 휠터로 거르거나 또한 다른 열원으로 소각하여 처리하는 장치이다.

상기에서 매연형성과정을 통해 설명한 바와같이, 연료에서 분자의 조밀성이 증대됨에 따라서 흑연 배출 경향성이 상승하게 되는데 파라핀족, 나프텐족, 방향족 순으로 상승한다. 따라서, 탄소의 수소 결합형태가 직쇄형에서 환형-링으로 갈수록 상승하는데 이는 곧 탄소의 이중결합인 안정성이 있는 부위에서 수소와 유리되면서 그대로 원형상 분자구조 형태를 유지한다는 것을 의미한다. 그러므로 안정되어 있는 링 형의 탄소군을 미립분쇄하기 위해서는 압축열원 이외에 이런형태를 무력화시킬 수 있는 에너지가 필요한 것이다.

이와같은 점에 착안하여 본 발명에서는 탄소가 산화 잘되는 온도의 상태에서 발생하는 다량의 원적외선의 파장을 역으로 이용한다고 생각하고 탄화수소의 액상 연료상태에서 같은 파장의 비열 원적외선 파장을 주입시키므로써 연소되기전에 공진공명 운동을 시켜 탄소를 산소와 반응시키는 매카니즘을 적용한 것이다.

이와같이, 본 발명에 따른 수소와 탄소가 일정 이상의 기전력을 가질 때 액상의 점도와 온도에 관계치 않고 외부로부터 또는 전자파에 민감한 성질을 갖는다는 점을 이용하기 위하여, 우선 탄화수소 액상 상태에서 기전력을 발생시킴과 동시에 외부로부터 전자파로 공진공명을 시키는 것이 필요하다.

또, 액상상태 탄화수소가 기전력을 얻으려면 먼저 해결해야 할 것은 내연기관 구조물 자체에서 여러 가지 원인으로 발생된 정전류 또는 각종 파장을 방전 또는 소거 후 안정을 시켜야 하며, 탄화수소는 이렇게 안정된 상태로 전환되어야 필요한 기전력과 공진공명을 가능케 하는 에너지파를 안정적으로 받아들일 수 있다.

또한, 순간적으로 탄화수소가 액상상태에서 활발한 분자운동에 필요한 기전력을 얻으려면 낮은 자장내에서 보다 높은 자장대역으로 연료가 움직여야 한다.

그러기 위해서는 N극이나 S극중 하나를 연속적으로 선택하여 자장의 자속방향에 90°각을 유지하는 상태로 급히 이동해야 한다. 이와 같은 운동방향과 속도를 유지할 수 있는 방법은 엔진쪽으로 연료가 이동되는 호스나 파이프가 적격인 것이다. 이와 같은 목적을 달성하기 위한 위치선정에 있어서 엔진룸속은 불가하고 가능하면 전자제어 회로가 많은 엔진룸에서 멀리 떨어진 곳이 유리하므로 그 위치선정은 연료탱크에서 연결된 송유파이프에 접근한 위치가 좋다.

도 6에서 보면 본 발명의 저감장치가 연료파이프에 인접 설치된 상태를 보여주는 바, 여기서 엔진으로 유동하는 연료파이프에 일정한 간격으로 자석 6a(0.22 wb/㎡), 6b(0.21 wb/㎡), 6c(0.2 wb/㎡)가 배치되어 있게 되므로 ㉮에서 ㉯방향으로 흐르는 연료는 자석 6c → 자석 6b → 자석 6a의 N극 위를 90°각도로 지나게 된다.

이때 연료는 파이프 크기, 재질, 유량 등의 요소 때문에 기전력의 차이는 있겠지만 자속이 미치는 자장범위

8 ㎝ 이내에서는 목적하는 기전력을 얻을 수 있다. 도 6에서 3개의 자석(6a,6b,6c)의 각 지점을 통과하는 사이에 탄화수소는 액상상태에서 기전력이 생기고 탄화수소에 저주파 전자파를 방사하면 탄화수소는 공진공명 운동을 하게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 저감장치의 한 구성요소인 도 5의 구조를 갖는 세라믹 삼각봉(7a,7b)과 ㄷ자형 단면의 자장 유도핀(5a,5b,5c)이 저주파 전자파인 8 ∼ 20 Hz 사이의 원적외선 파장과 같은 전자파를 자장파로 발행시키게 되는데, 이때 전자파는 2.5 ∼ 3 V/11 ㎂이다. 이러한 연료공급로에 설치한 경우의 전자파 및 발생의 회로구성은 도 7a에 도시되어 있다. 전자파는 자장 유도핀(5a,5b,5c)에 의해서 연료쪽으로 유도케되며 연료는 10 ∼ 18 Hz 사이의 파장에 의하여 공진공명되게 되는데, 특히 탄소가 유도되고 세라믹 삼각봉(7a,7b) 대역위로 지나는 연료중에서 수소는 8 ∼ 20 Hz 사이의 세라믹 비열원적외선 파장에 의해 공진공명된다.

한편, 본 발명의 저감장치에서 사용되는 자석(6a,6b,6c)의 재료는 Nd-Fe-B 합금의 주상인 Nd₂Fe₁₄B와 다른 Nd₄Fe₁₄B와 유사한 것으로 사용하였는데, 단위포속에는 72개의 원자가 포함되며, Fe 만으로 구성된 층과 Nd와 B의 층이 번갈아 구성된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 네오딤철(Neodymium-ion)을 재료로 하는 초고자석은 착자시 특수 전자파내에서 실시하므로 탄화수소 액상상태의 분자구조에 적합한 기전력을 유발시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용된 세라믹 삼각봉(7a,7b)은 통상의 세라믹 재질을 사용할 수 있고 특히, Al-Si-Ca-Na-K-Ti계 재질이 바람직한 바, 예컨대 그 물질의 화학조성비는 Al₂O₃ 42%, SiO₂ 31%, Ca 10%, NaO 7%, K₂O 3%, TiO₂ 3%와 기타 히토류계 희귀원소 3 ∼ 5%의 중량%로 조합된 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 그 입경은 1 ∼ 10 ㎛로된 혼합물로서 1,200 ∼ 1,300℃ 사이에서 소성시켜 제조한 것이 사용될 수 있다. 이러한 세라믹 삼각봉(7a,7b)의 내부에는 양측 삼각형 모서리마다 서로 관통한 일직선형의 구멍이 3개 형성되어 비철합금봉과 철합금봉을 설치할 수 있는 공간배치를 가능하게 하며, 삼각봉(7a,7b)의 단면에서 그 구멍크기는 삼각형 빗변과의 크기비가 9 : 2로 하는 것이 좋고, 그 빈 공간 구멍속에는 전자파를 증력유도시키는 착자되지 않은 네오딤 철봉 2개와 알루미늄 99.4%의 봉 1개가 삽입 설치되어 있어서 삼각봉(7a, 7b)에서 발생하는 전자파를 조절하는 역할을 한다.

또한, 세라믹 삼각봉(7a,7b)은 그 삼각봉이 방사하는 전자파를 N 방향으로 방사하도록 되어 있다. 이때 코일(8)이 내장된 전자파 유도핀(9)은 세라믹 삼각봉(7a,7b)과 접촉한 면이 0.01 ∼ 0.1 ㎜ 가량의 18K 금으로 구성되어 있고, 반대쪽 대칭면은 99.4% 이상의 동으로 되어있어서, 삼각봉(7a, 7b)의 밑면에서 링 방향으로 이동하는 이온전하를 흡수하고 도 7a 회로도에 의하여 발생되는 파장을 조합하여 N극 방향으로 방사하게 된다. 이때 전자파는 불과 2.5 ∼ 3.0 V/81 ㎂의 파장에 불과하지만 탄소에게는 강한 반응을 주어 연료를 활성화시킨다.

한편, 디이젤 연료의 구성이 탄소와 수소가 분자결합된 탄화수소이므로 흡입되는 고압의 압축공기중에 있는 산소가 무리없이 탄소와 결합 연소하도록 산소의 성질을 잘 이용하여 흡입전 산소상태에서 그 성질의 촉진 에너지를 가할 필요가 있고 유리되어 있는 탄소끼리 서로 고형화 하지 않고 산소와 반응 연소되도록 유도할 필요가 있다. 이러한 조건을 만들기 위하여 활동이 활발한 산소와 수소가 물로 결합하는 상태 이상으로 산소가 탄소와 쉽게 반응되도록 산소의 영역을 극대화 해야 한다. 만일 이와 같은 제어방법이 있다면 탄소의 입자상 고형물체가 발생되는 원인을 제거할 수 있다는 가정하에 산소와 탄소의 물리적 화학적 성질을 최대한 이용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명의 장치가 설치되는 연료공급로의 연료활성화와 함께 공기흡입구에서의 공기 활성화도 이루어지면 더욱 바람직한 바, 공기흡입구에는 별도의 펄스파 제공장치인 코일(31)을 설치하여 도 7b의 회로도에 의하여 발생되는 8,000 ∼ 20,000 Hz의 전자파에 의하여 공기흡입시 산소를 공진시키므로써 결국 연료속의 탄소와 산화시 반응력을 크게 향상시켜 연소효율을 크게 증진시키는 조건을 부여할 수 있다.

이러한 연료와 흡기산소에 대한 상관관계와 관련하여 디이젤 연료에서 점도와 착화지연 단축, 그리고 흑연의 발생 등의 문제는 서로 상반되는 상태임을 상술한 바 있다. 따라서, 이러한 문제해결을 위해 탄소의 성질을 재차 고려하는 것이 필요한데, 일반적으로 탄화수소의 액상은 예열을 받으면 구조적 성질 때문에 점도가 낮아지는 경향이 있다.

그런데, 디이젤 엔진에서 연료가 액상으로 분사되는 상태에서는 실린더 내에 도달해야하는 점도성이 필요하고, 실린더 내에 도달된 후에는 미립화되어 분무화되는 과정에서 산화과정이 발생하는 되는데, 이때 순간적으로 산소가 과잉상태이면서도 흑연이 발생하게 된다. 이런 원인은 탄소의 원자성질에서 기인한다. 그러나, 디이젤 연료에서 탄소는 수소의 변각운동이 활발할 때는 미립분산시까지 수소에서 유리되지 않으려는 성질을 가지므로, 이러한 특성을 이용하게 되면 탄화수소가 미립자로 분무화된 후 그 연료입자의 표면의 포켓에서 가열반응이 진행되는 과정중에 수소로부터 탄소가 유리되고, 이때 착화지연을 짧게하고 탄소는 공기과잉 상태의 실린더내에서 산소와 산화하는데 전혀 지장을 받지 않게 된다. 반면에 수소의 성질은 변각운동이 줄어들때까지 역할을 다하는데 이것이 착화지연을 짧게하는 결과를 가져온다.

또한, 탄소는 산소와 산화하기 위해서 압축열 에너지가 필요하게 되는데, 디이젤의 특성상 증발잡열(heat of vaporization)이 약 250 ∼ 300 KJ/㎏로서 비교적 적기 때문에 증발속도가 빠르고 미립화하여 기화하는 과정에서 가능한 연료입자 표면포켓의 면적을 넓히는 것은 산소와 반응할 수 있는 공간 즉 대역을 넓힌다는 것을 의미한다. 탄소는 기전력을 가질수록 탄소입자끼리 서로 입자상 고형물질을 만드는 과정인 탄소간의 부착을 거부하는 성질이 있다. 그러므로 탄화수소의 액상연료가 에너지화되고 배출가스와 배출물이 배출되기까지 반드시 거쳐야 하는 과정이 있다.

즉, 연료 → 기전력발생 → 전자파로 공진공명 운동유도 → 분사 → 기화(연료미립화로 표면포켓 면적 넓힘 - 산소와 반응대역 확대) → 착화 → 폭발 → 배출의 과정을 거치게 되어 있다. 이 과정중 기화상태는 흡입압축된 고온공기의 상태를 고려해야 하며 공기흡입시 공기중 21%의 산소의 상태를 점검할 필요가 있다.

그런데, 도 8의 흡기부에서 보듯이 대기중의 약 21%의 산소와 78%의 질소상태에 공기가 공기흡기구(21)를 통하여 흡입될 때 21%의 산소는 와류되어야 고른분포의 압축공기 상태가 될 수 있으며 고온으로 압축되었다 해도 그 실린더 연소실(22)에서 산소는 활발하게 확산활동을 할 준비가 되어 있어야 한다.

따라서, 본 발명에서는 저감장치를 사용함에 있어 도 8의 공기 흡기부(20)에서 a지점에다가 코일(31)을 설치하여 함께 사용하므로써, 도 7b의 회로에서 발행하는 펄스파의 작용으로 인해 흡입공기가 연소실-실린더내에서 활발한 활동을 할 수 있을뿐더러 흡입공기중의 산소는 연료중의 수소와 탄소를 물과 이산화탄소로 환원 또는 산화하는 완전연소가 되도록 유도하여 연료와 흡기산소의 효율적 연소조건을 만들어 줄 수 있다.

이때, 펄스 전자파를 발생하는 도 7b의 회로는 2.5 ∼ 3.0 V/81 ㎂의 용량으로서 약 2,000 ∼ 20,000 Hz의 가변되는 전자파로 산소가 탄화수소가 기화상태에서 수소로부터 유리될 때 이들과 결합하여 H₃O⁺, OH^-의 물과 CO₂인 이산화탄소로 완전연소되는 과정에 필요한 산소활동을 촉진하는 역할을 하는 한편 고온(700℃)에서 산소와 질소가 반응하려는 성질을 어느정도 억제할 수 있다. 또 성질이 다른 산소와 질소는 공기중에서는 안정되어 있으나 고온에서도 그 상태를 유지하려면 같은 펄스파의 전자파에 의하여 자극을 받은 후에는 가능하다. 즉 고온압축된 상태에서 산소와 질소가 어느정도 시간적 억제력을 가질 수 있기 때문에 실린더내에서 서로간 질소 산화물 발생이 억제될 수 있다.

그리고, 도 8에서 연소실(22)로 외부공기가 흡입되기 전에 도 8의 b 지점에서 흡입공기가 와류현상을 발생하게 되면 연소실(22)에 흡입된 후에도 고온압축 상태에서 흡입된 공기의 와류작용으로 인해 연료에서 활성화 조건을 갖춘 탄소와 수소가 산소와 반응할 수 있는 대역을 완전연소에 근접되도록 넓힐 수 있다. 그런데, 이러한 와류현상은 산소가 도 8의 a지점에서 발생된 펄스 전자파의 영향에 의하여 유지가 가능하다.

결국, 본 발명에서는 일단 도 8의 b지점에서 물리적 방법(기계적 방법)에 의하여 와류상태가 발생한다해도 고온고압상태의 실린더내의 상황에서는 산소활동이 제한되게 되는데, 이와 같은 제한성을 극복하기위해 산소 자신에게 운동에너지를 가해주는 방법으로 도 8의 a 지점에서 펄스 전자파를 발생시켜 흡입공기중의 산소에 운동에너지를 부여하므로써 완전연소를 이룰 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 상기 저감장치에서 전자유도핀(9)내에 안착되어 있는 코일(8)은 통상의 방법으로 전원(도시하지 않음)에 연결되어 있어서 도 7a와 같은 회로구성으로 전자기파를 발생시켜서 연료를 활성화시켜 주게되고, 이러한 본 발명의 장치외에 연료의 연소를 위해 공기가 주입되는 공기흡기구(21)에는 펄스파를 발생하는 코일(31)을 간단히 설치하여 도 7b를 이용하여 자장 펄스파 발생을 유도하게 되면 공기휠터를 지나기전 공기 흡입구에서 펄스파가 공기 흡입전에 흡입되는 공기중 산소에게 운동에너지를 부여하여 활성화시키므로써 연료의 활성화와 주입공기의 활성화를 통해 연소효율을 최대로 증대시키는 상승효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면 상기와 같은 본 발명의 구조물과 회로에 의하여 조합된 장치를 구비한 본 발명에 따른 저감장치를 이용하여 실제 디이젤 연료의 연소상태와 유해배출물 배출 저감상태를 측정하기 위해 디이젤 자동차에 본 발명 장치를 부착하여 실험하여 본 결과, 다음 표 1과 같이 유해배출가스와 입자상 고형물질인 유해배출물이 배출되는 것을 억제하여 현저한 저감상태를 측정할 수 있었으며 그 효율을 고무적이고 매우 놀라운 효과를 나타내었다.

[표 1]

배출가스 및 유해배출물 측정결과
시험항목	배출가스농도(CVS)						무부하 가속시매연농도(%)
	CO(g/km)		HC(g/km)		NOx(g/km)
자동차(제조회사별)	F	G	F	G	F	G	F	G
본발명 장치 부착전	0.34	0.40	0.09	0.10	0.7	0.8	39	43
본발명 장치 부착후	0.01	0.02	0.01	0.01	0.4	0.5	8	10
본발명 장치 부착후 누적주행후	0.01	0.02	0.01	0.02	0.3	0.3	7.6	9
배출가스 및 유해배출물 저감율(%)	96	95	99	98	50	45	83	80
(주) (1) 배출가스농도 : CVS - 컴퓨터 측정사용 표 1의 배출가스농도의 매연측정은 CVS 컴퓨터 측정장치와 세계 각국에서 보편적으로 검사소에 사용되는 검사기기중 광반사, 스포트 채취식 매연 측정기의 측정치의 평균값임 (2) 상기 측정통계는 비교측정치의 값을 얻기 위해서 제조회사별로 엔진상태가 같을 수 없으므로 생산출고후 3년 이내된 차량으로 50,000 km 주행한 차량을 기준으로하여 디이젤 엔진을 탑재한 동급 2,500 cc 급으로 2종 선택하여 비교하고 그의 평균값을 나타낸 것임 (3) 위 표 1의 값은 장치부착전 1개월간에 5회 측정하고 장치부착후 1개월간 사용하면서 5회 측정값의 평균값임

상술한 바와같이, 본 발명에 따른 디이젤 연료 유해배출물 저감장치는 디이젤 연료를 사용하는 내연기관에 외부에서의 부착사용이 매우 용이하고 사용할 때 연료공급기관의 어떠한 상태도 손상시키지 않은 채 사용할 수 있는 것이다.

또한, 이와 함께 공기흡입구의 산소를 활성화시키는 방법을 동시에 적용시키므로써 본 발명의 저감장치의 사용효율을 극대화시켜서 완전연소에 근접한 연소효율을 통해 유해물질의 저감과 연비절감의 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 저감장치는 내연기관의 유해배출물의 대책을 보완해 줄 수 있는 이상적인 장치로서, 날로 심해지는 탄화수소 연료에 의한 대기오염문제를 해결하는데 일익을 담당할 수 있을뿐더러 완전연소에 의한 에너지 저감효율 또한 매우 큰 효과가 있다.

도 1은 디이젤 기관의 연소과정을 설명하기 위해 나타낸 그래프이고,

도 2는 디이젤 기관의 착화지연과 폭발압력의 상관관계를 나타낸 그래프이고,

도 3은 도 2의 또 다른 상태에서의 상관관계를 나타낸 그래프이며,

도 4a는 본 발명에 따른 디이젤 연료 유해배출물 저감장치의 구조를 도시한 분리사시도,

도 4b는 도 4a의 내부구조물에 대한 측면도,

도 4c는 도 4a의 내부구조물에 대한 평면도이며,

도 5는 상기 도 4a에서의 세라믹 삼각봉의 구조를 나타낸 사시도이고,

도 6은 본 발명의 저감장치가 연료공급로에 부착 설치된 상태의 개념도이고,

도 7a는 본 발명에 따른 저감장치가 부착된 디이젤 내연기관의 연료공급로에서의 회로도이고,

도 7b는 디이젤 내연기관으로 공기가 흡입되는 흡기부에서 펄스발생 전자파를 제공하는 경우의 회로도이고,

도 8은 디이젤 기관에서 공기가 흡입되는 흡기부를 나타낸 단면구조도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 - 고무밴드 몸체 2 - 동 박판

3 - 알루미늄 박판 4a, 4b - 고무 마감재

5a, 5b, 5c - 자장유도핀 6a, 6b, 6c - 자석

7a,7b - 세라믹 삼각봉 8, 31 - 코일

9 - 유도핀 10 - 알루미늄 파이프

11 - 절연체 12a, 12b, 12c - 구멍

13 - 밀봉재 20 - 흡기부

21 - 공기흡기구 22 - 연소실

23 - 공기청정기 24 - 흡기다기관

Claims (8)

1. 고무밴드 몸체(1)에 동박판(2)과 알루미늄 박판(3)이 차례로 적층되어 있고, 그 몸체(1)내측면의 상부면 좌우 선단부에는 각각 육면체형의 고무 마감재(4a,4b)가 부착 설치되어 있으며, 상기 고무 마감재(4a,4b)에 연접한 내측의 중심부에는 각각 ㄷ자형 자장 유도핀(5a,5b,5c)이 상부가 개방된 채 부설되어 그 내부에 각각 자석(6a,6b,6c)이 안착되어 있고, 상기 자장 유도핀(5a,5b,5c) 사이에는 세라믹 삼각봉(7a,7b)이 각각 연결 설치되어 있으며, 그 세라믹 삼각봉(7a,7b)중 어느하나의 중앙부에는 코일(8)을 내장한 전자파 유도핀(9)이 부착 설치되어 있고, 이러한 몸체(1)는 사각 알루미늄 파이프(10) 속에 삽입된 채 그 파이프(10) 외면이 절연체(11)로 코팅 처리되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자석(6a,6b,6c)는 각각 0.22 wb/㎡, 0.21 wb/㎡, 0.2 wb/㎡ 자력을 갖는 것임을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 삼각봉(7a,7b)은 Al₂O₃ 42%, SiO₂ 31%,Ca 10%, NaO 7%, K₂O 3%, TiO₂ 3% 및 히토류계 희귀원소 3 ∼ 5%의 중량비로 조합된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 세라믹 삼각봉(7a,7b)에는 양측면 삼각형 모서리마다 서로 관통한 일직선형의 구멍이 3개 형성되어 있고, 그 구멍내부에 네오딤철봉 2개와 알루미늄 봉 1개가 삽입 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전자파 유도핀(9)은 세라믹 삼각봉(7b)과 접촉한 면이 18K 금으로 구성되어 있고 그 반대쪽 대칭면은 동으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전자파 유도핀은 2.5 ∼ 3.0 V/11μA의 파장을 유도하는 것을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치.
7. 상기 제 1 항에 따른 디이젤 연료 유해배출물 저감장치를 연료공급로의 겉표면상에 부착 설치하여 연료를 활성화시킴과 동시에, 연소를 위해 공급되는 공기흡기구(21)에는 코일(31)을 설치하여서 흡입공기중의 산소를 활성화시키는 것을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치의 사용방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 코일(31)은 2.5 ∼ 3.0 V/81μA의 파장을 유도하도록 하는 것을 특징으로 하는 디이젤 연료 유해배출물 저감장치의 사용방법.

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