KR101467851B1 - 내연기관의 공기량 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 및 차량 등의 내연기관 작동시 흡입되는 공기량 조절에 의해 연소되는 연료가 완전연소에 가깝도록 유도하여 엔진의 출력증대, 매연의 감소, 연료소모의 절감 등을 이룰 수 있도록 한 내연기관의 공기량 조절장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치는 공기흡입관에 설치되되, 일면에는 흡입공이 형성되고, 타면에는 개구부가 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 설치되며, 상기 흡입공을 통해 흡입되는 공기에 의해 회전되어 공기내 산소의 비율을 높이는 흡기팬; 상기 흡입공에 대응된 흡입조절창이 형성되며, 하우징의 일면에서 선택적으로 회전되면서 흡입조절창으로 하여금 흡입공의 크기를 조절하여 공기흡입량을 조절하는 회전판; 및 환경변화에 맞추어 최적의 공기량이 흡입되도록, 상기 회전판을 회전 정도를 조절하기 위한 조절부재를 포함하여 구성된다.
따라서, 본 발명은 주변 기온이나 온도 변화에 따라서 또는 운행속도에 따라서 공기 흡입량을 간편하게 조절할 수 있어, 완전 연소에 근접한 연소 상태에서 운행함으로써 연비 향상과 연료 절감은 물론 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

내연기관의 공기량 조절장치{Air content regulator of internal combustion engine}

본 발명은 내연기관의 공기량 조절장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 운행환경에 따라서 내연기관 내에 흡입되는 공기량 조절을 통해 내연기관의 연소효율을 향상시켜 엔진의 출력증대, 매연의 감소, 연료소모의 절감을 이룰 수 있도록 한 내연기관의 공기량 조절장치에 관한 것이다.

내연기관(內燃機關)은 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드(깃) 등에 작용하여 연료를 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관으로, 차량, 선박, 보일러 등을 총칭한다.

내연기관의 기본동작은 흡입, 압축, 폭발, 배기행정으로 이루어진다.

흡입행정에서는 흡기밸브가 열리면서 연료와 공기와의 혼합기체가 실린더 내에 들어온다.

압축행정에서는 흡기밸브가 닫히면서 피스톤이 혼합기체를 압축한다.

폭발행정에서는 점화플러그에서 불꽃이 튀면서 혼합기체가 폭발하여 피스톤을 움직인다.

배기행정에서는 배기밸브가 열리면서 연소가스가 배기된다.

이때, 연료가 불완전 연소상태가 되면 내연기관의 연료효율이 떨어지게 되고 대기오염 및 지구온난화의 주범인 유해가스 즉, 매연이 대량 배출되게 된다.

이에, 최근에는 내연기관의 완전 연소를 실현하기 위하여, 엔진에 들어오는 공기량을 조절하는 방법이 연구되고 있지만 아직까지 적절한 방법이 개발되지 않아서 일반화되지 않았다.

한편, 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).

이와 같이 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.

또한, 사람이 천천히 걸을 때와 빠르게 달릴 때, 기온이 높을 때와 낮을 때 호흡이 다른 것처럼 엔진도 가속 혹은 저속 운행할 때 주변의 온도에 따라 공급되는 공기량이 달라져야 되는 데 기존에는 운행속도나 주변 온도에 관계없이 동일한 상태에서 가속페달만으로 공기량이 조절되기 때문에 공기량을 정밀하게 제어하기 쉽지 않았다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 내연기관 내에 흡입되는 공기량을 운행속도 혹은 대기온도상황 등의 환경변화에 맞추어 조절할 수 있도록 하고, 흡입되는 공기 중 산소의 비율을 높여 연소 효율을 향상시켜 엔진의 출력증대, 매연의 감소, 연료소모의 절감을 이룰 수 있도록 한 내연기관의 공기량 조절장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치는, 일면에는 흡입공이 형성되고, 타면에는 개구부가 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 설치되며, 팬회전에 의해 상기 흡입공을 통해 흡입되는 공기 내 산소의 비율을 높이는 흡기팬, 및 상기 흡입공에 대응된 흡입조절창이 형성되며, 흡입조절창으로 하여금 흡입공의 크기를 조절하여 공기흡입량을 조절하는 공기흡입량 조절수단을 포함한다.

본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 계절별 또는 주변 기온이나 온도 변화에 따라서 또는 운행속도에 따라서 엔진으로의 공기 흡입량을 간편하게 조절할 수 있게 된다.

이에 따라, 완전 연소에 근접한 연소 상태에서 운행함으로써 연비 향상과 연료 절감될 수 있는 효과가 있다.

나아가, 연료사용량을 줄임으로써 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있고, 소음과 진동이 감소하여 쾌적한 운전상태를 유지할 수 있다.

둘째, 흡입되는 공기의 압력을 조절하여 엔진 출력을 향상시킬 수 있게 된다.

이에 따라, 차량 고장율도 낮춰 경제성이 높아지고, 사용자의 만족도를 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치를 나타내는 분해 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치를 나타내는 결합 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치를 나타내는 설치 상태도,
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치에서 조절레버를 나타내는 사시도 및 단면도,
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치를 나타내는 작동 상태도.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 공기량 조절장치의 분해 사시도를 나타낸다.

도 1에 나타낸 내연기관의 공기량 조절장치는 하우징(100), 흡기팬(200), 회전판(300), 조절부재(400), 그리고 손잡이부재(500)를 포함하여 구성된다.

하우징(100)은 공기가 흡입되는 통로 및 흡기팬(200)이 설치되기 위한 내부 공간을 형성하며, 공기흡입관에 대응될 수 있도록 원통형으로 형성된다.

하우징(100)의 일면에는 복수개의 흡입공(110)이 형성되고, 하우징(100)의 타면에는 하우징(100)의 내부 공간이 외부와 연통될 수 있도록 개구부(120)가 형성된다.

본 실시예에서, 복수개의 흡입공(110)은 각각 부채꼴형태로 이루어지지만 이에 한정하지는 않는다. 즉, 후술할 회전판(300)의 회전으로 인해 흡입공(110)의 크기가 조절되는 바, 흡입공(110)의 형태는 이를 효율적으로 할 수 있는 형태이면 된다.

이때, 복수개의 흡입공(110)의 면적은 하우징(100)의 일면에 대략 ⅔ 정도로 형성됨이 바람직하다.

이는, 흡입공(110)이 완전히 폐쇄되지 않도록 하기 위함이다. 상세한 설명은 후술하기로 한다.

그리고, 하우징(100)의 일면 중앙에는 축공(130)이 형성된다.

상기 축공(130)은 회전판(300)의 축이 설치되기 위한 곳이다.

다음으로, 흡기팬(200)은 축을 중심으로 흡기되는 공기에 의해 자유회전되거나 모터 동력에 의해 회전되며, 하우징(100)의 내부 공간에 배치된다.

이때, 흡기팬(200)은 복수의 날개(210)와, 축(220), 거치대(230), 그리고 팬구동부(240)를 포함한다.

상기 축(220)의 상단부에는 복수의 날개(210)가 설치되고, 그의 하단부에는 거치대(230)가 설치되며, 그 사이에는 팬구동부(240)가 개재되게 된다.

팬구동부(240)는 모터와 같은 인위적인 동력에 의해 복수의 날개(210)를 회전시키기 위한 것이다.

이때, 복수의 날개(210)는 축(220) 상에 베어링(250) 등에 의해 함께 결합되어 그 축(220)을 중심으로 자유회전하게 되거나 팬구동부(240)의 구동에 의해 강력 회전되게 된다.

거치대(230)는 흡기팬(200)을 하우징(100)에 설치하기 위한 구조물로, 양측 날개면이 하우징(100)의 내벽에 나사(231) 등을 사용하여 고정 체결되게 된다.

다음으로, 회전판(300)은 하우징(100)의 내부 공간으로 흡입되는 공기의 흡입량을 조절하며, 하우징(100)의 일면에 설치된다.

상기 회전판(300)에는 하우징(100)의 흡입공(110)에 대응되는 흡입조절창(310)과, 회전판(300)의 원활한 회전을 위한 회전공(320), 그리고 하우징(100)의 축공(130)과 회전판(300)의 회전공(320) 사이에 설치되는 축(330), 회전판(300)의 회전시 과도한 회전을 구속하며 위치 복원을 용이하게 하기 위한 탄성부재(340)와, 이 탄성부재(340)를 가이드하기 위한 다수의 가이드부재(350)가 형성된다.

상기 흡입조절창(310)은 흡입공(110)의 형태와 동일한 부채꼴 형태로 이루어지며, 측면을 따라 후술할 조절부재(400)의 설치를 위한 요홈(311)이 형성된다.

그리고, 회전공(320)은 축(330) 상에 베어링 등에 의해 하우징(100)의 축공(130)에 함께 결합되어 그 축(330)을 중심으로 회전판(300)이 원활하게 회전되도록 한다.

탄성부재(340)는 한쪽이 손잡이부재(500)에, 다른쪽이 흡입조절창(310)의 표면에 각각 나사 등의 고정부재를 통해 고정되어 있으며 그 사이에 다수의 가이드부재(350)가 설치되어 일정한 탄성력이 유지되도록 한다.

다음으로, 조절부재(400)는 회전판(300)의 흡입조절창(310) 개방정도를 조절하도록, 회전판(300)을 잡아 당겨 회전시키는 케이블(410)이 회전판(300)의 흡입조절창(310) 측면에 형성된 요홈(311)을 따라 설치된다. 이때, 케이블(410)의 잡아 당기는 정도 즉, 흡입조절창(310)의 개방정도는 후술할 작동레버(420)에 의해 수동식으로 조절할 수도 있지만 자동으로 조절할 수도 있다.

조절부재(400)는 또한, 흡기팬(200)의 팬구동부(240)를 선택적으로 구동시키기 위한 스위치(430)를 구비한다.

한편, 하우징(100)의 외벽 양측으로는 설치 용이를 위한 손잡이부재(500)가 형성되게 된다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 내연기관의 공기량 조절장치에 대한 결합 및 작용에 대해 살펴보도록 한다.

하우징(100)의 외부에 손잡이부재(500)를 결합시킨다.

하우징(100)의 내부 공간에는 흡기팬(200)을 결합시킨다.

이때, 거치대(230)의 양측과 하우징(100)의 내벽 양측, 그리고 손잡이부재(500)를 나사(231)로 고정 결합시킨다.

상기와 같이 결합된 흡기팬(200)은 하우징(100)의 내부 공간에서 축(220)을 중심으로 자유회전된다.

다음으로, 회전판(300)을 하우징(100)의 일면에 결합시킨다.

이때, 회전판(300)의 회전공(320)은 축(330) 상의 베어링 등에 의해 하우징(100)의 축공(130)과 함께 결합되며, 흡입조절창(310)은 흡입공(110)에 대응된다.

이후, 너트를 축(330)의 상단 일부에 체결하여 회전판(300)을 구속시킨다.

다음으로, 탄성부재(340)를 손잡이부재(500)와 회전판(300) 사이에 가이드부재(350)를 경유하여 결합시킨다.

회전판(300)의 흡입조절창(310) 외주면 둘레에 형성된 요홈(311)을 따라 조절부재(400)의 케이블(410)을 설치한다.

이로써, 도 2에 도시된 바와 같이 내연기관의 공기량 조절장치의 결합이 완료되며, 결합이 완료된 내연기관의 공기량 조절장치를 도 3에 도시된 바와 같이 공기흡입장치의 공기흡입관(10)에 결합시킨다.

본 실시예에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 차량 엔진의 흡기장치 내 흡기 매니폴드와 연결되는 공기흡입관(10)의 내측에 설치하며 그 위에 에어 클리너(20)가 설치되게 된다.

에어 클리너(20)는 흡기 매니폴드로 흡입되는 공기 중의 먼지 등을 제거하는 역할을 한다.

에어클리너(20)의 내부에는 필터(filter)가 내장되며 설치위치는 이 필터의 하부에 하는 것이다.

이 상태에서 차량 운전자가 회전판(300)의 흡입조절창(310) 개방정도를 제어하도록, 운전석내 적정 위치에 작동레버(420)가 설치된다.

작동레버(420)는 케이블(410)과 연결되어 작동레버(420)의 조작에 따라 케이블(410)이 잡아 당겨지거나 풀리게 된다.

본 실시예에서, 작동레버(420)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 손잡이(421)와, 케이블(410)의 끝단에 고정 연결되며 손잡이(421)의 잡아 당김에 따라 일정간격으로 움직여 케이블(410)을 잡아 당기는 이동부재(422)로 구성된다.

작동레버(420)의 구성은 이에 한정되지 않고 운전자의 조작에 따라 일정한 간격으로 회전판(300)을 회전시킬 수 있는 구성이면 된다.

물론, 당업자라면 운전자의 수동식 조작뿐 아니라 자동적으로 회전판(300)을 회전시킬 수 있도록 구성할 수 있을 것이다.

상기와 같이, 내연기관의 공기량 조절장치를 공기흡입장치의 공기흡입관(10)에 결합시킨 후에는, 운행 환경 등 여러 조건을 판단하여 엔진 내부로의 공기흡입량을 조절한다.

이를 위해, 운전자가 운전석 적정한 곳에 설치된 조작레버(420)를 조작하면 이에 연동하여 케이블(410)이 움직이면서 회전판(300)을 회전하여 흡입공(110)에 대한 흡입조절창(310)의 위치를 조절한다.

즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 평상시에는 흡입조절창(310)으로 흡입공(110)을 일부만 개방시킨 상태를 유지하여 일정량의 공기가 흡입되도록 하며, 필요에 따라 도 5b에 도시된 바와 같이 흡입조절창(310)을 회전하여 흡입공(110)의 개방부위를 조절하여 공기흡입량을 조절할 수 있다.

이후, 공기흡입장치 내부에 설치된 모터팬이 회전되면서 외부의 공기는 상기 흡입공(110)을 통해 흡입된다.

이때, 흡기팬(200)의 날개(210)도 회전되면서 외부의 공기를 흡입시킨다. 이때, 흡입되는 공기는 날개(210)의 회전에 의해 와류되면서 산소의 비율이 높아지는 것이 이해 가능하다.

또한, 흡입공(110)을 통해 하우징(100)의 내부로 흡입된 공기의 압력이 커지는 것은 이해 가능하다.

이후, 흡입된 공기는 엔진 내부로 유입되고, 연료분사노즐을 통해 공급된 연료와 혼합된 후 압축 점화되어 화력을 발생시킨다.

한편, 차량이 정차중이거나 저속 운행 중인 경우에는 운전석 적정한 곳에 설치된 스위치(430)를 작동시키면 팬구동부(240)가 구동하여 흡기팬(200)의 날개(210)를 강력 회전하게 된다.

차량이 중속이나 고속 운행 중인 경우에는 스위치(430) 작동을 "오프(OFF)"하여 팬구동부(240)를 정지시키면 흡기팬(200)의 날개(210)가 흡입되는 공기에 의해서 회전하게 된다.

지금까지 설명한 바와 같이 내연기관의 공기량 조절장치는, 엔진의 내부에 설치된 모터팬의 작용으로 인해 외부의 공기가 공기흡입관(10)을 통해 일률적으로 흡입되었던 종래 기술과는 다르게, 운행속도와 대기온도 등의 운행환경 변화에 따라 공기가 흡입되는 흡입공(110)의 크기를 조절하여 공기흡입량을 조절할 수 있는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

이와 같이 공기흡입량을 조절할 수 있음에 따라, 대기온도, 운행환경 등 여러 가지 상황에 따라 엔진의 내부로 흡입되는 공기의 흡입량을 조절하여 완전연소를 가능하게 함으로써 연소효율을 높일 수 있다.

본 발명의 장치를 부착한 차량과 미부착 차량의 흡입되는 공기속 산소비율이 측정한 결과, 미부착 차량에 비해 산소 비율이 상대적으로 증가함에 따라 연소율이 상승하였다.

따라서, 출원인의 실험에 의한 결과, 25톤 트레일러의 경우에는 유류소모량을 평균 10％ 절약할 수 있고, 이산화탄소 배출량도 100g/㎞로 매연이 현저히 줄어 완전 연소상태에 있게 된다.

이처럼, 본 발명은 엔진실린더 내부에 공급되는 공기의 산소 비율은 높이고 상대적으로 질소 비율은 낮춤으로써 엔진의 완전연소 상태를 이루어 연소효율을 높이게 된다.

더욱이, 대기 온도 상황에 따라서 공기창의 개방 정도를 수동으로 혹은 자동으로 조절함으로써 기온이 낮은 때에는 공기량을 줄이고 기온이 높은 때에는 공기량을 늘려 최적의 상태를 항시 유지가능하게 된다.

100 : 하우징 110 : 흡입공
120 : 개구부 130 : 축공
200 : 흡기팬 210 : 날개
220,330 : 축 230 : 거치대
240 : 팬구동부 300 : 회전판
310 : 흡입조절창 320 : 회전공
340 : 탄성부재 350 : 가이드부재
400 : 조절부재 410 : 케이블
420 : 작동레버 430 : 스위치
500 : 손잡이부재

Claims (13)

1. 일면에는 흡입공이 형성되고, 타면에는 개구부가 형성되는 하우징;
   상기 하우징의 내부에 설치되며, 팬회전에 의해 상기 흡입공을 통해 흡입되는 공기내 산소의 비율을 높이는 흡기팬; 및
   하우징의 일면에서 선택적으로 회전되며 상기 흡입공에 대응된 흡입조절창이 형성되는 회전판과, 환경변화에 맞추어 최적의 공기량이 흡입되도록 상기 흡입조절창의 개방정도를 조절하기 위한 조절부재를 구비하여, 흡입조절창으로 하여금 흡입공의 크기를 조절하여 공기흡입량을 조절하는 공기흡입량 조절수단을 포함하며,
   상기 회전판은
   상기 흡입공의 크기 및 형태에 대응되는 크기 및 형태로 이루어지는 흡입조절창;
   회전판의 원활한 회전을 위한 회전공;
   상기 하우징의 축공과 상기 회전공 사이에 설치되는 축;
   회전판의 회전시 과도한 회전을 구속하며 위치 복원을 용이하게 하기 위한 탄성부재; 및
   상기 탄성부재를 가이드하기 위한 다수의 가이드부재로 이루어짐을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
2. 제 1항에 있어서, 내연기관의 공기흡입관 내에 설치되며, 그 위에 에어 클리너가 설치됨을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 흡입공은 부채꼴형태로 복수개 형성됨을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 흡기팬은
   하우징 내부를 가로질러 양측 내벽에 고정 체결되는 거치대; 및
   상기 거치대에 거치되어 축 결합되되 자유회전되는 복수의 날개를 구비함을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 흡기팬은 상기 복수의 날개를 동력에 의해 회전시키기 위한 팬구동부를 더 구비함을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 공기흡입량 조절수단은 운행속도에 따라 상기 팬구동부의 구동을 "온(ON)/오프(OFF)"하기 위한 스위치를 구비함을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 공기흡입량 조절수단은 운행속도에 따라 팬구동부를 구동하여 정차중이거나 저속 운행의 경우 팬구동부의 구동에 의해 상기 흡기팬이 회전되도록 하고, 중속이나 고속 운행의 경우 상기 흡기팬이 흡입되는 공기에 의해 회전되도록 함을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1항에 있어서, 상기 조절부재는 운행속도, 대기온도를 포함하는 운행환경에 맞추어 사용자가 임의로 변경설정하는 것이 가능한 수동식인 것을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
11. 제 1항에 있어서, 상기 조절부재는 운행속도, 대기온도를 포함하는 운행환경에 맞추어 자동으로 변경 설정하는 자동식인 것을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
12. 제 10항에 있어서, 상기 조절부재는
    사용자 조작을 위한 작동레버; 및
    상기 회전판에 연결되며, 상기 작동레버 작동에 따라 회전판을 끌어 당겨 흡입공에 대한 흡입조절창의 위치를 조절하는 케이블을 구비함을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.
13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 조절부재는 대기온도 상황에 따라서 회전판을 회전하여 온도가 낮은 경우 흡입공에 대한 흡입조절창의 개방부위를 줄여 공기량을 줄이고, 온도가 높은 경우 흡입공에 대한 흡입조절창의 개방부위를 늘려 공기량을 늘려 최적의 상태가 유지되도록 함을 특징으로 하는 내연기관의 공기량 조절장치.

Images