KR100568994B1

KR100568994B1 - 열기관의 에너지 증가장치

Info

Publication number: KR100568994B1
Application number: KR1020030072446A
Authority: KR
Inventors: 유재철
Original assignee: 유재철
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2006-04-07
Also published as: KR20050037045A

Abstract

본 발명은 열기관의 에너지 증가장치에 관한 것으로, 그 목적은 물탱크에서 공급되는 물을 예열기로 가열하여 수소와 산소가 완전 분해되는 온도까지 가열하도록 하는 열기관의 에너지 증가장치를 제공함에 있다. 이는 상부에 흡기메니폴드(13) 및 배기메니폴드(14)가 형성되고, 내부에서 피스톤(11)이 크랭크축(12)에 의해 왕복운동되는 실린더(10)와, 연료탱크(21)에서 공급되는 연료를 상기 흡기매니폴더(13)에 연료인젝터(25)로 분사하는 연료공급수단(20)과, 물탱크(31)에서 공급되는 물을 증기화하여 압력조절기(35)에서 설정된 적정압력으로 조절한 후 상기 실린더(10)의 내부에 공급되도록 하는 수증기 공급수단(30)을 포함하는 열기관의 에너지 증가장치에 있어서, 상기 물탱크(31)와 압력조절기(35) 사이의 배관상에 공급되는 물을 고온으로 가열하는 예열기(34)를 설치하되, 상기 예열기(34)는 배관상의 외주면에 권선된 히터(34a)와, 상기 히터(34a)의 주위에 충진되어진 세라믹(34b)과, 상기 히터(34a)와 세라믹(34b)을 감싸는 단열재 케이스(34c)로 구성됨과 아울러 배관상에 설치된 체크밸브(34d)를 기준으로 1차 예열부(A)와 2차 예열부(B)로 분리되며, 상기 예열기(34)에서 가열된 물을 실린더(10) 내부에 수증기인젝터(36)로 직접분사되도록 하는 것이다.

흡기메니폴드, 배기메니폴드, 예열기, 인젝터, 수증기, 혼합기

Description

열기관의 에너지 증가장치{ENERGY INCREMENT DEVICE OF HEAT ENGINE}

도 1은 종래에 따른 열기관의 에너지 증가장치를 설명하기 위한 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 열기관의 에너지 증가장치를 설명하기 위한 개략도.

도 3은 본 발명의 열기관의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 예열기를 상세히 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명에서 수증기가 엔진의 흡입구를 통해 공급되는 과정을 설명하기 위한 블록도.

(도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10: 실린더 11: 피스톤

12: 크랭크축 13: 흡기메니폴드

14: 배기메니폴드 15: 흡입구

16: 배기구 20: 연료 공급수단

21:연료탱크 22: 연료필터

23: 연료펌프 24: 압력조절기

25: 연료인젝터 30: 수증기 공급수단

31: 물탱크 31a: 수온센서

32: 필터 33: 펌프

34: 예열기 34a: 히터

34b: 세라믹 34c: 단열재 케이스

34d: 체크밸브 34e: 온도센서

A: 1차 예열부 B: 2차 예열부

35: 압력조절기 36: 수증기인젝터

37: 바이패스관 38: 리턴호스

39: 맥동댐퍼 40: ECU

V: 삼방밸브

본 발명은 열기관의 에너지 증가장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물탱크에서 공급되는 물을 예열기로 가열하여 수소와 산소가 완전 분해되는 온도까지 가열하도록 하여 실린더 내부에 혼합기와 함께 연소시키도록 하여 적은 양의 연료로 큰 에너지를 발생시키도록 하는 열기관의 에너지 증가장치에 관한 것이다.

일반적으로 열기관은 원동기 중에서 열에너지를 이용하여 사용하기 편리한 기계적 에너지로 바꾸는 장치를 말하며, 이러한 열기관은 여러 가지 종류가 개발되어 널리 사용되고 있고, 이를 사용연료에 의해 분류해 보면 가스기관, 가솔린기관, 등유기관(석유기관), 경유기관, 중유기관, 다종 연료기관 등으로 나눌 수 있다.

이러한 열기관 등은 원유를 정제하는 과정에서 비점의 차이에 의해 분류되고 있으며, 한정된 원유의 매장에 따라 적은 양의 연료로 고효율을 높일 수 있는 방법이 다방면에 걸쳐 제안되고 있다.

상기와 같이 적은 연료로 고효율을 높이기 위한 방법으로 본 출원인이 2001년 4월 6일자로 출원한 출원번호 특허 2001년 0018298호 "열기관의 에너지 증가장치"를 출원한 바 있다.

도 1은 종래의 열기관의 에너지 증가장치를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 열기관의 에너지 증가장치는 흡기메니폴드(1a)를 통해 혼합기가 실린더(1) 내로 유입되고, 이를 연소시켜 동력을 발생시킴과 아울러 연소된 연소가스를 배기메니폴드(1b)를 통해 배출시키는 열기관에 있어서, 상기 배기메니폴드(1b)의 내측에 설치된 코아(2)에 물탱크(3)에서 물이 공급됨과 아울러 폭발 후에 배기되는 연소가스의 고온에 의해 수증기로 상변화시키고, 이를 흡기메니폴드(1a)에 설치된 수증기인젝터(4)로 혼합기와 미량의 수증기를 실린더(1) 흡입구(1c)를 통해 분사하여 혼합기와 함께 연소시키도록 하는 것이다.

상기와 같은 열기관은 연료와 공기가 혼합된 혼합기에 미량의 수증기를 혼합하도록 하여 수증기내의 수소의 폭발력을 이용하여 열기관의 효율을 향상시키도록 하는 것으로서, 열기관에 미량의 수증기가 공급되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

물탱크(3)에 저장되어진 물이 필터(3a)와 펌프(3b)를 거쳐 배기메니폴드 (1b)에 설치된 코아(2)에 공급되고, 공급된 물은 폭발 후 배기되는 고온의 연소가스에 의해 쉽게 수증기 상태로 변환되게 된다.

그리고, 변환된 수증기는 압력조절기(3c)에 의해 적정 압력으로 흡입메니폴 트(1a)에 수증기인젝터(4)로 분사되어 흡입과정에서 혼합기와 혼합된 상태로 실린더(1)의 흡입구(1c)를 통해 공급되어 연소가 이루어지는 것이다.

또한, 이상 압력의 수증기는 바이패스(bypass)관(3d)에 의해 물탱크(3)로 복귀하게 되며, 이러한 과정은 ECU(미도시)에서 제어하게 된다.

그러나, 상기와 같은 열기관의 에너지 증가장치는 코어가 배기메니폴드에 위치해 있어 물탱크에서 공급되는 물이 코어에서 수증기화되기는 하나 수소와 산소로 완전 분해되는 온도까지 증가하지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 물탱크에서 공급되는 물을 예열기로 가열하여 수소와 산소가 완전 분해되는 온도까지 가열하도록 하는 열기관의 에너지 증가장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 해결하기 위한 본 발명은 상부에 흡기메니폴드 및 배기메니폴드가 형성되고, 내부에서 피스톤이 크랭크축에 의해 왕복운동되는 실린더와, 연료탱크에서 공급되는 연료를 상기 흡기매니폴더에 연료인젝터로 분사하는 연료공급수단과, 물탱크에서 공급되는 물을 증기화하여 압력조절기에서 설정된 적정압력으로 조절한 후 상기 실린더의 내부에 공급되도록 하는 수증기 공급수단을 포함하는 열기관의 에너지 증가장치에 있어서, 상기 물탱크와 압력조절기 사이의 배관상에 공급되는 물을 고온으로 가열하는 예열기를 설치하되, 상기 예열기는 배관상의 외주면에 권선된 히터와, 상기 히터의 주위에 충진되어진 세라믹과, 상기 히터와 세라믹을 감싸는 단열재 케이스로 구성됨과 아울러 배관상에 설치된 체크밸브를 기준으로 1차 예열부와 2차 예열부로 분리되며, 상기 예열기에서 가열된 물을 실린더 내부에 수증기인젝터로 직접분사되도록 하는 것이다.

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또한, 상기 수증기인젝터에서 분사되고 남는 수증기는 엔진이 구동 중에는 리턴호스 상에 설치된 삼방밸브를 통해 상기 예열기 측으로 유동되게 하게 엔진이 정지하게 되면 상기 삼방밸브를 통해 다시 상기 물탱크에 복귀되도록 하는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 열기관을 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 열기관은 실린더(10), 연료공급수단(20) 및 수증기 공급수단(30)으로 크게 구성되어 있다.

상기 실린더(10)는 실린더 블록내에 설치되는 것으로 갯수에 따라 기통수가 결정되는 것이고, 실린더(10) 내부에는 피스톤(11)이 상ㆍ하 왕복 운동하면서 크랭크축(12)을 회전시키며 이 회전동력을 이용하여 일을 하도록 하는 것이다.

또한, 실린더(10)에는 흡기메니폴드(13) 및 배기메니폴드(14)가 형성되어 있고, 상기 흡기메니폴드(13)에는 혼합기를 흡입하는 흡기구(15)가 형성되어 있으며, 상기 배기메니폴드(14)에는 폭발된 연소가스를 배출하는 배기구(16)가 마련되어 있다.

상기 연료공급수단(20)은 연료를 저장하는 연료탱크(21)와, 연료속에 있는 수분과 먼지 등을 제거하는 연료필터(22)와, 연료를 압송하는 연료펌프(23)와, 연료계통내의 압력을 조정하는 압력조정기(24)와, 압송된 연료를 흡기메니폴더(13)에 분사하는 연료인젝터(25)로 구성되어져 있다.

상기 수증기 공급수단(30)은 수온센서(31a)가 설치된 물탱크(31)와, 불순물을 제거하는 필터(32)와, 상기 물탱크(31)에서 공급되는 물을 예열기(34) 측으로 압송하는 펌프(33)와, 상기 물탱크(31)에서 공급되는 물을 증기화하는 예열기(34)와, 상기 예열기(34)에서 증기화된 수증기를 실린더(10)에 공급하기 전에 압력을 조절하는 압력조절기(35)와, 상기 압력조절기(35)에 설정된 적정압력으로 실린더(10) 내부에 분사하는 수증기인젝터(36)와, 상기 압력조절기(35)를 통해 적정 압력 이상의 수증기를 물탱크(31)에 복귀시키는 바이패스(Bybass)관(37)으로 구성되어져 있다.

또한, 상기 예열기(34)는 산소와 수소가 완전 분리되는 온도까지 가열하는 것으로, 배관상의 외주면에 권선된 히터(34a)와, 상기 히터(34a)의 주위에 충진되어진 세라믹(34b)과, 상기 히터(34a)와 세라믹(34b)을 감싸는 단열재 케이스(34c)로 구성되어 있다.

또한, 상기 예열기(34)는 배관상의 설치된 체크밸브(34d)를 기준으로 1차 예열부(A)와 2차 예열부(B)로 분리되도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 1차 예열부(A)의 온도는 200℃ ∼ 400℃로 가열되도록 하고, 상기 2차 예열부(B)는 600℃ ∼ 1000℃ 까지 가열되게 하여 물분자를 산소와 수소로 분리시키도록 하는 것이다.

또한, 상기 예열기(34)의 배관 외,내측를 세라믹으로 코팅처리하도록 하여 고온의 증기로 인한 과열을 방지할 수 있다.

즉, 예열기(34)의 배관이 강철로 이루어져 있으면 증기로 과열이 손쉽게 되지만 세락믹으로 코팅처리함으로서, 과열을 방지할 수 있다.

또한, 예열기(34)에는 온도센서(34e)가 설치되어 히터(34a)에서 발생되는 열에 의해 과열되는 것을 방지하고, 적정한 온도의 수증기를 수증기인젝터(36)로 공급하도록 할 수 있다.

또한, 상기 수증기인젝터(36)에서 분사되고 남는 수증기는 엔진이 구동 중에는 리턴호스(38) 상에 설치된 삼방밸브(V)를 통해 다시 필터(32)와 펌프(33) 사이로 유동되게 하게 엔진이 정지하게 되면 삼방밸브(V)를 통해 다시 물탱크(31)에 복귀되고, 리턴호스(38) 상에는 수증기인젝터(36)의 작동 직후의 상측 압력을 감쇠시키기 위해서 맥동댐퍼(39)가 설치되어 있다.

또한, 압력조절기(35)는 ECU(40)와 전기적으로 연결되어 수증기인젝터(36)에서 분사되는 증기의 양을 조정하도록 구성되어 있다.

한편, 미설명 부호 17은 점화플러그, 18은 커넥팅 로드를 나타내고 있다.

본 발명에 따른 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기와 같은 열기관은 연료와 공기가 혼합된 혼합기에 미량의 수증기를 혼합 하도록 하여 수증기 내의 수소의 폭발력을 이용하여 열기관의 효율을 향상시키도록 하는 것은 종래와 동일하며, 다만 본 발명은 물탱크(31)에 저장되어진 물을 예열기(34)에 통과하도록 하여 물 분자를 수소와 산소로 분해하여 실린더(10) 내부에 수증기인젝터(36)로 직접분사시키는 것이다.

이를 4행정 사이클 기관을 참고로 설명하면 다음과 같다.

먼저 흡입행정시에서는 실린더(10) 내의 피스톤(11)이 하강하면서 흡입구(15)를 개방하게 된다.

이때 연료는 연료필터(22)와 연료펌프(23)에 의해 공기와 혼합되어 혼합기를 생성하면서 흡기매니폴트(13)에 유입됨과 아울러 수증기인젝터(36)를 통해 실린더(10) 내부로 혼합기를 공급하게 된다.

이와 동시에 물은 펌프(33)에 의해 물탱크(31)에서 필터(32)를 통과하면서 여과되어 예열기(34)에 유입되어지고, 유입된 물분자는 제1예열부(A)와 제2예열부(B)를 통과하면서 히터(34a)에 의해 고온으로 가열되어 수소와 산소로 분리되어지는 과정을 거치게 되며, 상기와 같은 물분자는 실린더(10)에 공급되어지기 전에 압력조절기(35)에 의해 적정한 압력을 유지한 상태에서 수증기인젝터(36)로 실린더(10) 내부에 직접 분사되어진다.

또한, 상기 예열기(34)의 배관은 세락믹으로 내,외측이 코팅되어지고, 외면에 세락믹으로 충진되어져 히터(34a)에 의해 가열되더라도 과열을 방지할 수 있는 것이다.

또한, 수증기인젝터(36)에 공급되어 남는 수증기는 리턴호스(38)를 통해 물 탱크(31)로 복귀되고, 리턴호스(38) 상에 설치된 맥동댐퍼(39)에 의해 수증기인젝터(36)의 작동 직후의 압력을 감쇠시키는 것이다.

이와 같은 상태에서 피스톤(11)이 하사점에 이르면 곧 상승 행정이 시작되고 잠시후 흡기구(15) 닫히게 되고, 흡ㆍ배기구(15)(16)가 완전히 닫혀 혼합기와 수증기는 압축되어 피스톤(11)이 상사점에 이르게 된다.

그리고, 압축행정의 끝부분에서 점화 플러그(17)에 의해 혼합기와 고압의 물분자가 점화되면서 급격히 연소하여 실린더(10) 내의 압력을 상승시켜 피스톤(11)에 내려 미는 힘을 가하게 되고, 이 힘이 커넥팅 로드(18)를 거쳐 크랭크축(12)에 전달되어 회전력을 발생하게 된다. 피스톤(11)이 하사점에 이르기 조금 전에 배기구(16)가 열려 연소가스의 배기가 시작된다.

또한, 배기구(16)가 열리고 피스톤(11)이 상승하여 혼합기의 연소로 인하여 생긴 연소가스를 배출하게 되는데 이때 배기과정에서 발생되는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물 (NO_X) 등의 유해물질이 감소한다.

즉, 일산화탄소는 증기가 산소(O)를 포함하고 있기 때문에 수소(H)의 폭발력에 의해 완전연소가 가능한 것이고, 탄화수소(HC)는 엔진의 실린더(10) 내에서 가솔린과 수소가 완전연소에 가깝게 연소되므로 연료가 분해되어 증발가스의 발생이 작게 되며, 질소산화물(NO_X)은 연료가 연소되면서 수소의 폭발력이 크기 때문에 높은 열보다 압력이 상승되므로 질소산화물이 줄어드는 것이다.

한편, 연료와 수증기의 혼합시간은 1분∼5분 사이에 이루어지며, 엔진과 예 열기(34)의 히터(34a)가 가열된 상태에서는 점차적으로 연료의 양은 감소하면서 수증기의 양은 증가하게 되는데 연료와 수증기의 비율은 약 50:50 까지 이루어지게 되어 연료가 절약되는 것이다.

본 발명에서는 4행정 가솔린기관에 대해서 일예를 들어 설명하였지만 여기에 한정되는 것이 아니고, 2행정 가솔린 기관은 물론 디젤기관 등의 어는 열기관에도 적용할 수 있으면 당연한 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 열기관의 에너지 증가장치는 물탱크에서 공급되는 물을 예열기로 가열하여 수소와 산소가 완전 분해되는 온도까지 가열하도록 하여 실린더 내부에 혼합기와 함께 연소시키도록 하여 적은 양의 연료로 큰 에너지를 발생시킬 수 있는 것이다.

Claims

상부에 흡기메니폴드(13) 및 배기메니폴드(14)가 형성되고, 내부에서 피스톤(11)이 크랭크축(12)에 의해 왕복운동되는 실린더(10)와, 연료탱크(21)에서 공급되는 연료를 상기 흡기매니폴더(13)에 연료인젝터(25)로 분사하는 연료공급수단(20)과, 물탱크(31)에서 공급되는 물을 증기화하여 압력조절기(35)에서 설정된 적정압력으로 조절한 후 상기 실린더(10)의 내부에 공급되도록 하는 수증기 공급수단(30)을 포함하는 열기관의 에너지 증가장치에 있어서,

상기 물탱크(31)와 압력조절기(35) 사이의 배관상에 공급되는 물을 고온으로 가열하는 예열기(34)를 설치하되,

상기 예열기(34)는 배관상의 외주면에 권선된 히터(34a)와, 상기 히터(34a)의 주위에 충진되어진 세라믹(34b)과, 상기 히터(34a)와 세라믹(34b)을 감싸는 단열재 케이스(34c)로 구성됨과 아울러 배관상에 설치된 체크밸브(34d)를 기준으로 1차 예열부(A)와 2차 예열부(B)로 분리되며,

상기 예열기(34)에서 가열된 물을 실린더(10) 내부에 수증기인젝터(36)로 직접분사되도록 하는 것을 특징으로 하는 열기관의 에너지 증가장치.
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제1항에 있어서, 상기 수증기인젝터(36)에서 분사되고 남는 수증기는 엔진이 구동 중에는 리턴호스(38) 상에 설치된 삼방밸브(V)를 통해 상기 예열기 측으로 유동되게 하게 엔진이 정지하게 되면 상기 삼방밸브(V)를 통해 다시 상기 물탱크(31)에 복귀되도록 하는 것을 특징으로 하는 열기관의 에너지 증가장치.