KR100843447B1 - 고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관내에 공급되는 흡입기중 산소농도가 21% 이상 100%이하의 상태로 공급되는 고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 방법을 제공하여, 연소사용량으로 감소시킬 수 있는 것으로 무게나 부피에 구애받지 아니하는 대형선박 및 대형 트럭 등에는 100%의 산소를 연소촉진제로 사용할 수 있는 내연기관을 제공하고자 하는 것이다.

그리고, 무게나 부피에 제한을 받고 있는 자동차 등에는 기존의 공기와 산소를 혼합하여 공급되게 하여 산소의 농도가 고농도의 상태로 실린더에 인입될 수 있는 내연기관을 제공하여 완전연소에 근접한 연소상태를 유지하는 동시에 이산화탄소의 발생원인으로 연료사용량을 줄임으로써 이산화탄소의 발생을 억제하는 동시에 질소산화물의 발생문제를 해결할 수가 있도록 한 것이다.

액체산소, 레규레이터, 기체산소 저장탱크, 산소저장용기, 실린더

Description

고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 장치{the output reinforcement system of the internal combustion engine due to high concentration oxygen}

본 발명은 산소를 연소촉진제로 사용하여, 내연기관의 연소효율을 향상시키는 방법을 제공하여 완전연소를 실현하여 연료의 사용량을 줄이고, 배기가스의 배출량을 감소시키는 동시에 엔진의 출력을 극대화시킬 수 있도록 한 고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 장치에 관한 것이다.

완전 연소를 실현하는 최상의 방법으로서 산소를 이용하는 방법은, 전부터 알려져 있지만 산소를 이용할 수 있는 적절한 방법이 개발되지 않아서 지금까지 일반화되지 않았다.

또한 배기가스의 감소효과는 산소농도가 높아질수록 감소하여, 산소농도가 27%인 공기를 사용할 경우, 산소농도 21%인 공기에 비하여 배기가스의 부피가 약 20%정도 감소하는 것으로 알려져 있다(차재호 외 13인 공저 에너지총설 상권 545p).

이와같이 고농도의 산소를 공급하여 연소하는 것이 효율적인 것을 알고 있으나, 기존의 내연기관에는 공기중에 불필요한 질소 및 기타 성분이 78% 이상되는 공기가 연소활동에 사용되고 있기 때문에 연소 효율이 떨어지고, 불필요한 공해를 촉발시키는 원인이 되고 있다.

본 발명은 순수한 산소를 연소촉진제로 사용할 수 있는 방안을 강구하고, 이와 같은 산소를 연소촉진제로 사용하는 내연기관에서 생기는 문제점을 해결하고자 한 것이다.

본 발명의 목적은 내연기관내에 공급되는 흡입기중 산소농도가 21% 이상 100%이하의 상태로 공급되는 고농도의 산소에 의하여 구동되는 내연기관의 출력증강장치를 제공하고자 하는 것이다.

다른 목적은 무게나 부피에 구애받지 아니하는 대형선박 및 대형 트럭 등에는 100%의 산소를 연소촉진제로 사용할 수 있는 내연기관을 제공하고자 하는 것이다.

또 다른 목적은 무게나 부피에 제한을 받고 있는 자동차 등에는 기존의 공기와 산소를 혼합하여 공급되게 하여 산소의 농도가 고농도의 상태로 실린더에 인입될 수 있는 내연기관을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에서는 산소함량 21%의 자연공기를 흡입하여 연소시키는 방법으로 일관된 기존 엔진 문제점을 전혀 새로운 방법을 사용하여 해결하고 개선하고자 하는 것이다.

즉, 산소농도 21%의 자연공기 대신, 산소농도가 21% 초과하는 공기를 연소에 사용하여 다음과 같은 기술적인 과제를 풀어 나가려는 것이다.

1. 완전연소에 근접한 연소상태를 유지하여 CO와 HC의 발생량을 줄일 수 있다.

2. 이산화탄소의 발생원인 연료사용량을 줄임으로써 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있다.

3. 질소산화물의 발생문제를 전혀 새로운 방법으로 해결할 수 있다.

d. 연소사용량으로 대폭 줄일 수 있다.

5. 소음과 진동이 감소하여 쾌적한 운전상태를 유지할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 방법은 21%의 산소가 포함된 공기와, 연료공급부를 통하여 인입되는 연료가 혼합되어 내연기관내에서 연소시키는 방법에 있어서,

연료공급부를 통하여 인입되는 연료에 산소농도가 21% 이상에서 100%의 범위로 공급되어 혼합된 후 연소되도록 하는 것이다.

또한 무게나 부피에 구애받지 아니하는 대형선박 및 대형 트럭 등에는 연료공급제어부(5)를 통하여 인입되는 연료가 공급되는 내연기관(4)과,

기화기를 통하여 배출되는 순수한 액체산소가 저장된 산소저장용기(1)와,

산소저장용기(1)와 내연기관(4) 사이에 연결되며, 내부 산소가스의 압력을 일정하게 유지하여 공급하기 위한 레큐레이터(3)로 구성되어 100%의 산소가스를 제공하여 산소를 연소촉진제로 사용할 수 있는 내연기관을 제공하고자 하는 것이다.

그리고 무게나 부피에 제한을 받고 있는 자동차 등에는 인젝터(11)를 통하여 공급되는 연료가 인입되는 실린더(10)와, 상기 실린더의 일측의 흡기매니폴더(19)에 공기가 인입되는 흡기파이프(12)로 구성되어 연료와 혼합된 공기로서 연소시키는 내연기관에 있어서, 상기 흡기매니폴더(19)에 산소가스를 일정한 압력으로 공급하기 위하여 설치된 산소센서(16) 및 레규레이터(3)와,

상기 산소센서(16) 및 레규레이터(3) 사이에 연결되어 산소가스를 공급하는 기체산소저장탱크(15)와,

상기 기체산소 저장탱크(15)에 기체가스를 공급하기 위하여 액체산소가 저장된 산소저장용기(1)가 파이프를 통하여 연결되어 기존의 공기와 산소가스가 혼합하여 공급되게 하여 산소의 농도가 고농도의 상태로 실린더에 인입될 수 있는 내연기관을 제공하고자 하는 것이다.

연료를 연소시키기 위해서는 산소가 꼭 필요하며, 공기 중에는 부피를 기준 으로 하여 약 21% 무게를 기준으로 약 23.2%의 산소가 함유되어 있다.

본 발명에서는 내연기관, 선박, 대형트럭 등의 연소촉진과 매연감소 그리고 연료절감을 위하여 연소촉진제로 고농도산소를 사용함으로써 다음과 같은 구체적인 효과를 거둘 수 있게 된다.

1. 일산화탄소와 탄화수소의 감소효과를 볼 수 있다.

일산화탄소는 연료 중의 탄소성분이 이산화탄소로의 완전산화에 필요한 산소가 부족할 때 다량 발생한다.

연소과정에서 발생하는 탄화수소종류는 연료의 불완전연소가 발생의 주원인이며 발생원은 가솔린기관, 디젤기관, 가스터빈 등의 내연기관과 외연기관이 높은 비중을 차지한다.

이와 같은 산소부족이나 불완전연소를 해결하려면 고농도의 산소를 연소촉진제로 사용 하는 것이 최선의 방법이다.

2. 이산화탄소의 감소효과를 볼 수 있다.

1992년 6월에 채택된 기후변화협약 이후 이산화탄소 규제에 대한 국제적 규제가 본격화 되고 있으며 E.U에서는 2008년부터 자동차배출물로서의 이산화탄소 규제의 시행을 결의 하였다. 본 발명에서는 이러한 이산화탄소 규제와 이에 대응하는 초고성능 내연기관의 개발에 고농도산소연소방법을 활용하려는 것이다. 현재로서는 이산화탄소 자체를 연소나 후처리기술로 저감할 수 있는 방법은 없으며 방법이 있 다면 연료를 적게 사용함으로서 이산화탄소의 발생량을 줄이는 것이 가장 현실적인 대책으로 알려져 있다.

이산화탄소는 연료가 완전연소될 때 가장 많이 발생한다. 완전연소를 이루기 위해서는 이론공연비에 해당하는 양보다 더 많은 공기를 필요로 한다. 이때 연소 작용에 전혀 도움이 되지 않는 질소성분까지 흡입하게 되는데 본 발명에서는 추가로 필요한 일반공기 대신 고농도산소를 사용하여 흡입기중의 산소농도를 높혀 완전연소에 근접한 효과를 보려는 것이다. 고농도산소에 의한 연소는 완전연소와 더불어 고온이 발생하게 되는데 과도한 고온은 엔진에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 이때에는 연료를 줄여서 공급함으로서 연소온도를 적절히 하향조절할 수 있으며, 연료공급의 감소는 이산화탄소발생원의 감소로 이어져 결과적으로는 이산화탄소의 감소효과를 볼 수 있게된다.

3. 질소산화물의 감소효과를 볼 수 있다.

질소는 화학적으로 안정된 원소이지만 공기 중의 산소와 고온 고압의 상태에서 발생하며 반응시간이 길어질수록 많이 발생한다. 질소산화물의 발생을 억제시키려는 기존의 방법으로는 흡입기중의 산소농도를 낮추어 저온연소상태를 유지하여 질소산화물의 발생을 억제하였으나 질소산화물의 발생을 억제하기 위하여 산소공급을 줄이는 방법은 산소부족으로 인한 불완전연소를 초래하게 된다. 이렇게 하면 질소산화물의 발생은 억제시킬 수는 있으나, 일산화탄소와 탄화수소의 발생량은 오히려 증가하게 되고 연료의 소모량도 증가하게 된다. 그러나 본 발명에서는 산소공급 을 줄여서 연소온도를 낮추는 대신 산소를 충분히 공급하여 연소 활동을 활발하게 하고 필요이상의 고온을 낮출 필요가 있을 때에는 연료의 공급량을 줄여서 온도를 하향조정하여 질소산화물의 발생을 억제하는 방법을 채택하려는 것이다.

또한 본 발명에서 사용하는 산소는 섭씨 영하183도의 액체산소에서 기화하여 발생한 저온의 기체이다. 이렇게 극히 낮은 온도의 기체산소는 연소활동에 촉진제역활을 하면서도 자체의 낮은 온도로 인하여 저온연소가 가능하도록 하여 질소산화물의 발생을 억제시키는데 또 다른 역할을 하게 된다. 또한 고농도산소에 의한 연소방법은 연소 속도가 아주 빠르기 때문에 질소와 산소의 반응시간이 짧아 질소산화물의 발생이 억제된다.

4. 시동 초기의 매연발생을 줄일 수 있다.

내연기관의 배출 가스 중 탄화수소는 최초시동 2~3분 이내에 전체의 80%이상이 배출되며 일산화탄소의 배출량도 상당히 많다. 즉 내연기관은 초기 운전 기간 중에 연료가 농후한 상태로 운전되고 연소온도가 낮아서 질소산화물은 적게 배출되나 일산화탄소나 탄화수소는 다량으로 발생한다.

시동 초기의 일산화탄소와 탄화수소의 저감책으로 산화반응이 빨리 일어나도록 산소를 적절하게 공급하는 방법과 촉매를 반응온도까지 신속하게 가열시키는 방법이 있으나 기존의 내연기관 특히 자동차에서는 “연소제어법”과“촉매 예열방법”등을 상호 보완적으로 사용하고 있다. 그러나 본 발명에서는 고농도산소에 의한 연소방법을 통하여 산화반응이 빨리 일어나도록 함으로서 시동초기의 매연발생을 줄이는 효과를 볼 수 있다.

5. 순수한 산소를 이용한 연소를 실행할 수 있다.

(a) 앞에서는 고농도산소에 의한 연소방식을 자동차에 적용하는 문제를 언급하였다. 승용차의 경우에는 중량과 부피에 제한을 받기 때문에 연료 50리터를 주입한 상태에서 액체산소 50리터를 탑재하고 운행할 때, 휘발유차와 경유차 공히, 중량을 기준으로 약 30%~35%의 산소농도를 유지하도록 하였으나, 대형승용차나 버스, 트럭의 경우에는 중량과 부피에 관하여 비교적 자유스러우므로 탑재할 수 있는 액체산소를 증량시킬 수 있기 때문에 앞에서 언급한 내용 이상의 성능을 발휘할 수 있게된다.

(b) 대형선박이나 대형트럭의 경우에는 중량과 부피 문제에 더더욱 자유스럽기 때문에 100% 순 산소에 의한 연소방식을 운용할 수 있다. 순 산소에 의한 연소 시 배출되는 배기가스는 이산화탄소와 수증기 뿐이며, 이산화탄소는 산소나 질소에 비하여 비교적 손쉽게 액화시켜 100% 수거할 수 있기 때문에 지구온난화 방지책에도 기여할 수 있는 연소 방법이 된다. 순 산소 연소시에는 펌핑 손실이 거의 없고, 진동과 소음도 최소화되어 운전상태를 최상으로 유지시킬 수 있다. 또한 연료의 절감율도 약 80%정도 되므로 경제성과 환경면에서 각광을 받을 수 있는 연소시스템이 될 수 있다.

본 발명에서 고농도의 산소를 공급하기 위하여 다음과 같은 문제점을 해결하고 있다.

1. 내연기관에 산소를 이용할 때, 기체상태의 산소를 사용할 경우에는, 저장량의 한계가 있기 때문에, 액체산소를 사용 하는 것이 효과적이다. 액체산소를 상온에서 기화시키면 약 800배의 부피로 늘어난다.

승용차에 휘발유50리터를 주유하고, 액체산소50리터를 충전시켜 운행할 때 흡입기중의 산소농도는 중량기준 34.5%를 유지하면서 운행할 수 있고, 경유엔진의 경우에는 흡입기중의 산소농도를 약 30.7%를 유지하면서 운행할 수 있게 된다. (휘발유의 비중 0.75. 경유의 비중 0.85. 액체산소의 비중 1.13으로 계산하였음)

2. 또한 액체산소를 차량에 탑재하려면 초저온 액체저장용기가 필요하다. 액체산소를 안전하게 저장하려면, 섭씨영하 183도를 유지해야 하는데, 기술적인 문제로 액체산소의 이용은 극히 제한된 용도 이외에는 사용할 수 없었다.

그러나 초저온액체를 저장할 수 있는 용기는, 미국에서 2개업체와 우리나라에서 1개 업체가 제작하고 있으며, 안전성도 완벽하여 일부 업종에서는 실생활에서 유용하게 사용되고 있다. 차량에 사용하는 대표적인 예로는, 활어운반차량이며 사용상의 문제점과 안전상의 문제점은 전혀 없는 것으로 알려져 있다.

3. 액체산소의 수급문제

액체산소가 내연기관의 연비향상과 에너지절약에 획기적인 역할을 한다고 해도, 액체산소의 수급상태가 원활하지 못하다면, 본 발명의 내용은 실용성이 전혀 없는 헛공상에 불과한 것이다. 그러나 국내의 현실을 만족할 만한 상황에 있다. 현재 국내의 액체산소 제조능력은 상당한 수준에 와 있으며, 액체산소의 수요가 증가하게 되면, 그 상황에 맞는 증산체제로 돌입할 수 있는 능력도 충분한 상태에 있다.

4. 액체산소의 가격

액체산소의 가격이 휘발유나 차량에 사용하는 LPG가스보다 비싸다면, 내연기관에 산소를 사용하려고 하는 본 발명은 비경제적이며 이론상으로나 가능한 탁상공론일 수 밖에 없다. 그러나 이 문제 역시 만족할 정도로 조건이 좋다. 시중에서 현재 액체산소 1킬로그램(1.13리터)의 가격은 750원 정도이다.

그러나 톤 단위로 대량 구입할 때의 1킬로그래의 가격은 200원 미만이다.

그러기 때문에 자동차를 비롯한 내연기관에 산소를 사용하는 것이 보편화되면 대량 구입할 때와 비슷한 가격으로 거래할 수 있을 것 이고 주유소에서 주유하면서 자동차에 별도롤 장착되어 있는, 액체산소저장용기에 액체산소를 충전시키는 시대가 오면, 더욱 저렴한 가격으로 구입할 수 있게 될 것이다.

(참고로, 2002년도의 액체산소 관급입찰가격은 165원이었고, 2006년도의 관급입찰 가격은 187원 이었다.)

따라서, 액체산소 저장용기는 완벽하게 개발된 상태이며, 액체산소의 수급이 원활하게 이루어질 수 있고, 액체산소의 가격도 휘발유가격의 8분지1 또는 LPG가격의 4분지1도 되지 않는 저렴한 가격이므로, 액체산소를 연소촉진제로서 자동차를 비롯한 모든 내연기관과 대형트럭과 산박 등에 사용하여, 배기가스 절감과 에너지 절약에 크게 기여할 수 있게 될 것이다.

먼저 에너지 절감의 구체적인 실예로서 산소농도21%의 자연공기를 이용하여 휘발유나 경유를 내연기관에서 연소시킬 때 분야별 연료소모량은 다음과 같다

<표1>

위의 내용은 자동차를 운행할 때 소모되는 연료량을 소모되는 분야 별로 크게 세 가지로 구분한 것이다.(출처 정용일.유재건.공저 자동차와 환경p42)

위의 내용 중 정미출력란의 숫치는 차량의 운행에 순수하게 소모되는 연료량이고 냉각손실은 과열된 엔진의 온도를 낮추기 위하여 사용되는 냉각수에 의하여 소모되는 연료량이다. 그리고 배기손실은 연료가 연소될 때 필연적으로 발생되는 배기가스로 소모되는 연료량의 비율이다. 위의 내용에서 냉각손실과 배기가스의 증가는 정미출력의 감소로 연결되고 반대로 냉각손실과 배기가스의 감소는 정미출력의 증가로 연결된다.

즉, 냉각손실이나 배기손실이 감소하게 되면 감소한 비율만큼 정미출력이 증 가된다. 때문에 출력의 증가와 연료의 절감을 위한 최고의 방안은 배기손실과 냉각손실을 줄이는 데에 있다.

그리고 내연기관에서 연료가 소모될 때에는 필연적으로 배기가스가 발생된다. 이때 연소에 관여하는 산소(O_{2 )}의 양에 따라 배기가스의 발생량도 달라지게 되는데 산소의 양에 따라 달라지는 배기가스의 발생량을 도표로 표시 하면 다음과 같다.

<표2> 배기가스의 배출량과 화염온도에 미치는 산소농도의 영향.

위의 내용은 프로판가스 1m³를 연소시킬 때 필요한 이론공기량과, 이론공기중에 포함된 산소의 함량에 따라 달라지는 배기가스량과 화염온도를 나타낸 것이다.

<송규근, 최병철 공저 연소공학 219p>
위의 내용은 프로판가스 1m³를 연소시킬 때 필요한 이론공기량과, 이론공기중에 포함된 산소의 함량에 따라 달라지는 배기가스량과 화염온도를 나타낸 것이다.

<표4> 산화제로 공기와 산소를 사용했을 때 연소특성 비교

출처- 한국에너지기술연구원

저자-이상민, 감한식,김호근, 안국영,노동순

제묵-순산소연소가 적용을 위한 메탄/산소 난류 확산화염의 특성에 관한 연구

위의 내용은 산화제로 일반공기와 순 산소를 사용했을 때 각각의 연소특성을 비교한 내용이다. 순 산소 연소시에는 자연 상태에서 연소시킬 때에 비하여 다음과 같은 특성이 나타난다.

(a). 가연범위가 약 5배 이상 확장된다.

(b). 연소속도는 약 13배정도 빨라진다.

(c). 연소온도는 약 38%정도 상승한다.

(d). 배기가스는 약 70%정도 감소한다.

순 산소 연소는 산화제로 공기대신 산소를 사용함으로써 공기 중에 포함된 질소의 불필요한 가열을 방지하기 때문에 연소효율을 증가시키며, 열효율의 증가는 연료절감효과에 직결된다.

본 발명은 상술한 바와같이 100% 순산소에 의한 연소방법을 포함한 고농도 산소를 사용하고 있는 것으로 연소시 적용범위는 내연기관 흡입공기 중의 산소농도 21%초과 상태로부터 100%상태로 공급하는 것을 주 특징으로 하고 있다.

즉, 선박, 대형자동차, 지상에 설치한 내연기관 등은 부피와 무게의 제한을 받지 않으므로 100% 순 산소에 의한 연소방법을 채택할 수 있지만 승용차의 경우에는 중량과 부피에 제한을 받게 되므로, 상황에 맞는 적용 범위를 선택하여야할 필요가 있기 때문이다.

<표1>의 배기 손실량에서 공기 중 산소함량이 높아질수록 높아지는 배기가 스 감소비율에 의한 배기가스감소량을 차감하고 차감한 숫치를 정미출력에 합산하는 방식으로 계산한 산소농도별 연료절감 비율을 단계별로 표시하면 다음과 같다.

(흡입기중 산소농도에 따른 연료절감비율)--(휘발유엔진)

(흡입기중 산소농도에 따른 연료절감비율)--(경유엔진-자동차)

이와같이 흡입기중 산소 농도가 증가할수록 연료절감 비율 역시 증가되는 것을 알 수 있으며, 이와같이 고농도산소가 공급되는 내연기관은 도 1과 같은 구조를 가진다.

도 1은 본 발명의 고농도 산소가 공급되는 내연기관 시스템을 나타내고 있다.

내연기관(4)의 후단에는 연료공급제어부(5)가 연결되어 연료통(6)의 연료(휘발류 등)가 공급되게 구성되어 있다.

또한 산소저장용기(1)는 기화기(2)를 통하여 액체상태의 산소를 기체상태로 만든후 레규레이터(3)를 통하여 일정한 압력의 산소기체가 공급되게 구성하여 내연기관(4)으로 공급되게 구성되어 있다.

그러나 이와같은 내연기관 시스템은 대형선박 및 대형 보일러와 같이 중량과 부피가 문제가 되지 아니한 경우 100% 고농도의 산소로 연소되는 방식으로 운영할 수가 있다.

순 산소 연소시 배출되는 배기가스는 이산화 탄소와 수증기 뿐이며, 이산화탄소는 산소나 질소에 비해 비교적 손쉽게 액화가 가능하여 수거가 용이하므로 지구온난화 방지책에도 기여할 수 있는 연소방법이 된다.

순 산소 연소시에는 펌핑 손실이 거의 없고, 진동과 소음도 최소화되어 운전상태를 최상으로 유지할 수가 있으며, 연료의 절감율도 약80%이상이 되어 경제성과 환경면에서 각광 받을 수 있는 연소시스템이 된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 자동차용 내연기관 시스템을 나타내고 있다.

내연기관을 구성하는 실린더(10)에는 인젝터(11)를 통하여 연료가 인입되며, 일측에서 흡기파이프(12)를 통하여 인입되는 공기와 혼합되어 연소한후 배기파이프(13)로 배출되도록 구성되어 있는 것으로 이와같은 구성은 공기중의 산소를 사용하여 연소시키는 일반적인 내연기관과 동일하다

여기서 배출가스를 줄이기 위하여 배기파이프(13)에서 흡기파이프(12) 쪽으로 피드백 시키는 E.G.R(exhaust-gas recirculation) 밸브를 장착할 수도 있다.

미설명부호 8는 산소센서이다.

본 발명은 이와같은 내연기관 시스템의 일측 흡기매니폴더(19)를 통하여 고농도의 산소가 유입되게 산소공급수단을 갖추고 있는 것으로 산소공급수단은 산소 저장용기(1)가 기화기(2)를 통하여 일측으로 레규레이터(3)에 인입되게 구성되어 있고, 타측으로 기체산소저장탱크(15)로 유입되게 구성되고, 기체산소저장탱크(15)에서 산소공급파이프(16)내 산소센서(16) 및 레규레이터(3)를 통하여 흡기매니폴더(19)로 공급되게 구성한 것이다.

상기 장치가 차량의 경우에는 트렁크에 액체산소 저장용기(1)가 장착되며, 액체산소 기화기(2), 기체산소 배관라인, 기체산소 저장탱크, 레규레이터, 산소센서 등을 순서대로 흡기매니폴더(19)에 연결함으로써 완성된다.

이때 기화기는 액체산소 용기자체에 설치되어 있으며, 기체 산소공급파이프(17)를 구성하는 파이프 라인의 굵기는 흡기 파이프(12) 흡입능력의 21%를 유지하는 굵기로 한다. 순 산소를 공급하는 파이프의 굵기와 산소함량 21%의 자연공기를 공급하는 파이프의 굵기 비율을 단면적 기준으로 21:100으로 하면 되고, 더 이상 굵거나 가늘지 않도록한다. 연소실에 기체산소가 공급될 때 강한 압력으로 들어가야 하는데 너무 굵으면 압력이 약해지고 지나치게 가늘게 되면 산소 공급량이 적어지기 때문이다.

상기한 액체 산소저장용기(1)는 초 고압용기이나, 안전하게 제작되어 있으며, 액체산소 저장용기를 설치할 곳에 열차단 효율이 우수한 재질내에 내장되도록 구성한다.

이와같이 구성된 본 발명에서 산소저장용기(1)내에 저장된 액체산소는 기화기(2)를 통하여 기화하면서 낮은 온도의 기체산소로 변한다. 이 기체산소가 엔진의 연소실에 공급될 때의 온도는 터보엔진의 인터쿨러를 통과한 온도와는 비교되지 않을 정도로 저온 상태이다. 이 저온의 기체산소가 연소실에서 연소 작용에 관여할 때에는 저온연소로 인하여 질소산화물(NOx)의 발생을 억제하게 된다.

이와같은 산소가스는 기체산소 저장탱크(15)에 저장된후 기체 산소공급파이프(17)를 통하여 흡기매니폴더(19)로 배출되며, 흡기매니폴더(19)에선 순수한 산소기체와 흡기파이프(12)를 통하여 흐르는 공기와 혼합되어 실린더(10)에 인가되므로 공기만 흡입될때 보다 상대적으로 고농도의 산소가 공급되어 연소하므로 높은 출력 및 낮은 배기가스가 나오게 된다.

이와같은 산소가스는 기체산소 저장탱크(15)에 저장된후 기체 산소공급파이프(17)를 통하여 흡기매니폴더(19)로 배출되며, 흡기매니폴더(19)에선 순수한 산소기체와 흡기파이프(12)를 통하여 흐르는 공기와 혼합되어 실린더(10)에 인입되므로 공기만 흡입될때 보다 상대적으로 고농도의 산소가 공급되어 연소하므로 높은 출력 및 낮은 배기가스가 나오게 된다.

그리고 산소센서(8),(16)는 공급되는 산소의 양과 엔진회전속도, 냉각수온도, 흡입공기량, 매연가스 량 등을 종합적으로 측정한 후 적정한 연료량을 측정하여 인젝터로 보내는 역할을 하며, 상기 산소센서는 기존의 산소농도 21% 부터 산소농도 100% 상태의 범위까지로 확대하여 감지할 필요가 있다.

특히 산소센서의 산소농도를 30%로 설정한 상태에서는 휘발유엔진의 경우 약 36%의 연료절감효과가 있으며, 디젤엔진의 경우 흡입기 중 산소농도가 30%일 때 연료절감비율은 약 31%가 된다.

따라서 고농도산소연소 방법은 부피와 무게에 영향을 받을 수 밖에 없는 승용차의 경우 흡입기의 산소농도를 30% 또는 40%로 고정시킨 상태로 운행할 수가 있으며,

또 다른 방법은 흡입기 중 산소농도를 상황에 따라 적절하게 변화시킬 수 있는 방법을 채용할 수도 있다. 즉 산소농도 21%~100%사이에서 그때 그때 상황에 맞게 수시로 변경시킬 수 있도록 하는 방법으로써 이 경우에는 전자제어장치를 사용하여 내부에 설치된 연산장치에서 연산된 값에 따라 공급되는 연료 등을 제어하는 방식을 채택할 수도 있다.

본 발명을 실현하면서 얻을 수 있는 기능적인 효과 및 경제적인 효과를 살펴보면 다음과 같다

1. 기능적인 효과

*연료절감 - 엔진흡입기에 산소농도(부피기준) 40%를 유지할 때 연료절감효과는 경유, 휘발유 엔진 공히 약 50%정도에 이르고, 30%를 유지하게 되면 휘발유 엔진 36%, 경유엔진 31%의 연료 절감효과가 있다.

엔진 흡입기 중 산소농도를 100%로 공급할 때, 연료 절감효과는 경유엔진 78%,휘발유엔진은 87%에 이른다.

*친환경 자동차 - 완전연소 또는 완전연소에 근접한 연소상태를 유지하여 유해가스 배출량을 획기적으로 감소 시킴 으로써 친환경적인 자동차를 구현할 수 있다.

*정숙한 운행 - 흡입기중 산소농도가 높아질수록 펌핑손실이 줄어들어 진동과 소음이 감소하고 정숙한 운행을 할 수 있다.

*출발능력, 가속력, 등판능력, 엔진응답성 등이 뛰어나다.

2. 경제적인 효과

*2007년 6월말 현재 - 휘발유차 등록댓수 = 약8,000,000대

경유차 등록댓수 = 약 6,000,000대

*2007년1월1일 - 6월말 현재 수송용 유류사용량(한국석유협회 자료)

휘발유=4,614,394,500 liter

경유=9,066,152,460 liter

유류사용량 금액환산 휘발유 = W 6,921,591,750,000(단가 W 1,450적용)

경유 = W 10,879,382,952,000(단가 W 1,200적용)

*연료절감 금액(추정) - W7,120,389,880,800 (6개월)

휘발유 40% 절감시 - 6,921,591,750,000 X 40% = 2,768,636,700,000

휘발유 40% 절감시 - 6,921,591,750,000 X 40% = 2,768,636,700,000

경유 40%절감시 - 10,879,382,952,000 X 40% = 4,351,753,180,000

*연료절감 40%일 때 액체산소 필요량 = 연료량의 약 1.2배

(4.614,394,500 + 9,066,152,460) X 1.2 = 15,048,601,656

15,048,601,656 X 170(액체산소 1리터의 가격) = 2,558,262,281,520

*W2,558,262,281,520의 새로운 액체산소 시장형성(6개월 기준)

(액체산소 저장용기 시장)

*2007년 상반기 중 국내 차량 총 생산량?

총 생산 대수 = 2,609,799

수출 = 2,014,485

내수 = 595,314

휘발유차, 경유차 숫자 = 내수 X 85%

휘발유, 경유차 = 506,000(2007년 상반기)

저장용기 가격 = 1,500,00원/1개

신규차량용저장용기 수요 = 506,000 X 1,500,000 = W 759,000,000,000(6개월)

{기존차량의교체수요= (휘발유차 + 경유차) X 1,500,000..............

14,000,000 X 1,500,000 = W 21,000,000,000,000}

*신규차량용은 2007년 상반기 생산대수 기준이고 기존차량교체수요는 2007년 4월30일 현재 차량등록대수 16,106,960대중 휘발유차등록대수 7,998,602대와 경유차 등록대수 5,951,938대의 합을 6월말 기준 약 14,000,000대로 보고 1400만대 모두가 본 발명의 내용으로 차량을 개량할 경우의 시장형성 금액이며 원가 기준임.

도 1는 본 발명의 고농도 산소가 공급되는 내연기관 시스템,

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 자동차용 내연기관 시스템이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1: 산소저장용기 2: 기화기

3: 레규레이터 4: 내연기관

5: 연료공급제어부 6: 연료통

8, 16: 산소센서 10 : 실린더

11: 인젝터 12: 흡기파이프

13: 배기파이프 15: 기체산소 저장탱크

17: 산소공급파이프 19: 흡기매니폴더

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 인젝터(11)를 통하여 공급되는 연료가 인입되는 실린더(10)와, 상기 실린더의 일측의 흡기매니폴더(19)에 공기가 인입되는 흡기파이프(12)로 구성되어 연료와 혼합된 공기로서 연소시키는 내연기관에 있어서,

   상기 흡기매니폴더(12)에 산소가스를 일정한 압력으로 공급하기 위하여 설치된 산소센서(16) 및 레규레이터(3)와,

   상기 산소센서(16) 및 레규레이터(3) 사이에 연결되어 산소가스를 공급하는 기체산소저장탱크(15)와,

   상기 기체산소 저장탱크(15)에 기체가스를 공급하기 위하여 액체산소가 저장된 산소저장용기(1)가 파이프를 통하여 연결되게 구성한 것을 특징으로 하는 고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 장치
5. 제 4항에 있어서,

   기체산소를 공급하는 산소공급파이프(17)를 구성하는 파이프 라인의 단면적과 흡기파이프(12)의 단면적이 21:100의 크기로 설정된 것을 특징으로 하는 고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 장치.
6. 제 4항에 있어서,

   흡기매니폴더(19)로 통하여 인입되는 흡입량 중 산소의 양이 21% 초과상태에서 100% 까지인 것을 특징으로 하는 고농도의 산소에 의한 내연기관의 출력증강 장치.

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