KR102398231B1 - 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치 - Google Patents

내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치에 관한 것으로, 더욱 상세히게는 자동차와 농기계 및 선박과 같은 다양한 내연기관의 흡기 또는 배기부에 설치하여 이송하는 공기를 원뿔관을 통하여 내경과 외경으로 분리되고 내경과 외경에 날개를 설치해 내경의 중심과 외경에서 회전하는 와류로 만들어 공기의 흐름을 좋게하여 효율에 따른 출력향상을 통해 연소효율을 향상시켜 연비가 향상되도록 하고 베르누이원리에 따른 와류로 소음과 매연을 감소시키고 엔진의 수명을 연장시키는 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 내연기관에 설치되는 외경관의 내경으로 공기가 유입되어 배출되는 흡·배기장치로 이루어지되;
상기 외경관의 내경에 설치되며 공기 유입부가 크고 배출부에 원뿔구멍이 유입부에 비해 작게 형성되고, 상기 공기 유입부에 원뿔공간을 설치한 원뿔관을 포함하며,
상기 원뿔관의 내경을 따라 고정되는 원뿔 고정선이 형성되며 원뿔구멍을 분할하는 구멍 분할면이 형성되는 내경날개를 포함하고,
상기 외경관과 원뿔관의 공기 유입부 내경에 설치되며 원뿔공간의 한쪽으로 고정되는 원뿔 고정면을 갖도록 하며, 상기 외경관의 내경과 원뿔관의 외경에 설치되며 상기 원뿔 고정면과 원뿔관의 외경에 고정되는 외경 고정면을 갖는 외경날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치{Intake/external diameter wing-mounted suction/exhaust device for enhancing the output of an internal combustion engine}
본 발명은 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치에 관한 것으로, 더욱 상세히게는 자동차와 농기계 및 선박과 같은 다양한 내연기관의 흡기 또는 배기부에 설치하여 이송하는 공기를 원뿔관을 통하여 내경과 외경으로 분리되고 내경과 외경에 날개를 설치해 내경의 중심과 외경에서 회전하는 와류로 만들어 공기의 흐름을 좋게하여 효율에 따른 출력향상을 통해 연소효율을 향상시켜 연비가 향상되도록 하고 베르누이원리에 따른 와류로 소음과 매연을 감소시키고 엔진의 수명을 연장시키는 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치에 관한 것이다.
통상적으로, 디젤 엔진에는 고속 주행시 배기의 과급으로 고속주행의 용이성을 제공하고, 또한 배기가스 규제 및 CO2규제등에 대응하기 위하여 기본적으로 터보 차져(Turbo Charger)와 인터쿨러(Intercooler)가 설치되고 있다.
상기 터보차져는 일종의 송풍기와 같으며, 엔진의 배기 매니폴드로 빠져나가는 배기가스의 유동에너지를 이용한 것이다.
따라서, 상기 배기가스의 유동에너지로 인하여, 터보차져의 터빈이 회전을 하게 되고, 동시에 맞은편에 동축을 이루며 설치된 컴프레서가 회전됨으로써, 이 컴프레서에 의하여 배기가 흡입 및 가압되어 엔진 실린더의 연소실로 과급으로 공급되어진다.
이때, 상기 터보챠져만 장착한 디젤 엔진의 경우에 흡입 공기의 압력은 증대시킬 수 있으나, 공기를 압축하는 과정에서 공기의 온도가 상승하는 문제로 연소온도 및 배기 온도의 증가와 더불어 실질적인 충진 효율 개선폭의 저하현상이 문제가 된다.
이에, 배기라인에 인터쿨러를 설치하여, 과급되는 배기를 인터쿨러 에서 냉각시켜, 과급으로 인한 배기의 열발생을 차단함과 함께 냉각된 배기를 연소실로 공급함으로써, 연소실의 충진 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 터보차져와 인터쿨러를 이용한 디젤엔진의 배기 시스템은 배기공기량을 증대시켜 배기가스 저감 및 연비향상, 엔진소음 저감, 연비 개선등의 효과를 얻고 있다.
이러한 잇점에도 불구하고, 터보차쳐와 인터쿨러를 이용하는 디젤엔진의 경우 다음과 같은 문제점이 있다.
연소효율 및 펌핑 로스(Pumping Loss)의 개선을 위해 다량의 공기를 흡입하여, 이 중 일부를 순수 연소 반응에 이용하게 되고, 이 경우 대기중의 80% 정도 함유되어 있는 질소가 필수 불가결하게 흡입되며, 고온/고압의 연소 과정 중에서 산소와 반응하여 디젤 엔진에서 가장 문제가 되는 질소 산화물(Nox)을 생성하게 된다.
연소 조건을 개선하기 위해서는 고온 고압의 연소실 분위기가 필요하나 상대적으로 이 조건에서 질소산화물의 생성이 용이하여 연소개선을 통한 연비 개선 및 스모크(SMOKE)와 같은 배출가스 성분을 줄이는데 한계가 있다.
또한, 터보챠져와 인터쿨러가 적용된 디젤 엔진의 경우, 터버 챠져 시스템을통한 성능 향상은 가능하나, 터보챠져의 특성상 전 사용 영역에 대한 배기 특성 개선이 불가능하여, 부득이 저속 저부하와 같은 특정 구간에서의 성능저하 현상을 피할 수 없게 된다.
이와 같은 특성을 개선하기 위하여, 최근에는 터보챠져에 웨이스트 게이트 밸브(Waste Gate Valve)를 장착하여 부분적인 배기 성능 개선을 하고 있으나 근본적인 개선은 어려운 상태에 있다.
그리고 특허등록번호 제1754042호와 같이 차량의 흡배기관내 공기 와류발생기를 설치하여 공기의 흐름을 고속으로 유도하는 와류 발생장치를 통하여 공기의 흡입력과 배출력을 증대시켜 수명을 연장하는 것이었다.
그러나 상기 종래기술들은 구조가 복잡하거나 와류가 원활하게 발생되지 않는 좌측방향으로 와류를 발생시켜 공급하게 되므로 흡배기되는 공기의 흐름이 빠르지 않은 단점과, 날개와 바람이 분리되는 유동 박리현상이 발생되고, 이러한 유동 박리현상은 공기 흐름을 불규칙적으로 만들어 소음을 발생시키며 흡입력에 손실을 가져다 주며 이로 인한 진동이 형성되는 단점이 있었다.
특히, 본 출원인이 선출원한 특허등록번호 제2065340호(2020. 01. 07. 등록)의 텐션형 와류용 판스프링은 외경을 따라 반원형과 타원형 및 요철형 중 어느 하나의 형태가 되도록 꼬임 선단부를 형성하며, 양쪽으로 분할되어 돌출되고 출구쪽에 배기구멍을 형성하며 입구쪽은 타원형 출구쪽은 일자형이 되는 와류 돌출형 날개를 형성하고, 양쪽 선단은 반원형과 타원형 중 어느 하나의 형태를 갖는 절단선이 형성되도록 절단하는 것을 통하여 와류를 형성하도록 하였지만, 공기의 더욱 원활한 배출 흐름이 필요하였고, 악셀을 밟았다가 때었을 때 발생하는 터보랙 현상으로 운전에 방해요소가 발생되는 결점이 있었다.
(문헌 1). 특허등록번호 제1754042호(2017. 06. 28. 등록) (문헌 2). 실용신안등록번호 제0461001호(2012. 06. 11. 등록) (문헌 3). 특허등록번호 제1647885호(2016. 08. 05. 등록) (문헌 4). 특허등록번호 제2065340호(2020. 01. 07. 등록)
따라서 이러한 종래의 결점을 해소하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 해결과제는, 내연기관의 엔진과 연결되는 흡·배기 구조의 한 부분에 설치되어 외경관의 내부에 원뿔관을 설치해 중심부분과 외경으로 공기가 이동할 수 있도록 분할해 와류를 발생시키는 내경날개와 외경날개를 통하여 유동 박리현상을 줄여 공기의 흐름을 원활하게 하여 연소효율을 향상시켜 연비를 향상시키고, 매연을 감소하며 엔진의 수명연장과 소음을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 해결과제는, 원뿔관과 내경날개 및 외경날개에 요철형 날개를 형성해 유입되는 공기가 중심(내경)과 외경에서 스크류형태를 통한 와류를 발생시켜 공기의 압력을 낮추고 흐름을 원활하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 내연기관에 설치되는 외경관의 내경으로 공기가 유입되어 배출되는 흡·배기장치로 이루어지되;
상기 외경관의 내경에 설치되며 공기 유입부가 크고 배출부에 원뿔구멍이 유입부에 비해 작게 형성되고, 상기 공기 유입부에 원뿔공간을 설치한 원뿔관을 포함하며,
상기 원뿔관의 내경을 따라 고정되는 원뿔 고정선이 형성되며 원뿔구멍을 분할하는 구멍 분할면이 형성되는 내경날개를 포함하고,
상기 외경관과 원뿔관의 공기 유입부 내경에 설치되며 원뿔공간의 한쪽으로 고정되는 원뿔 고정면을 갖도록 하며, 상기 외경관의 내경과 원뿔관의 외경에 설치되며 상기 원뿔 고정면과 원뿔관의 외경에 고정되는 외경 고정면을 갖는 외경날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
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상기 원뿔관은 원뿔형태로 이루어지며, 일정한 간격에 넓은 방향으로 형성한 원뿔공간의 안쪽으로 원뿔요철이 형성되어 외경관의 내경에 고정되고, 원뿔구멍이 중앙에 형성되며 외경관의 외측으로 노출되는 것과;
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상기 외경날개는 외경관의 내경과 원뿔관의 외경을 따라 한쪽 방향으로 경사지게 호상으로 설치되며, 외경관의 내경과 고정되는 외경 고정면과 원뿔관의 외경과 고정되는 원뿔 고정면이 형성되고, 원뿔구멍과 외경관의 선단을 외경요철로 연결한 후 상기 외경날개의 한쪽면으로 유입되는 공기가 접촉되어 회전되도록 만나는 방향에 날개홈부를 일정한 간격에 다수개 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 내연기관의 엔진과 연결되는 흡·배기 구조의 한 부분에 설치되어 외경관의 내부에 원뿔관을 설치해 중심부분과 외경으로 공기가 이동할 수 있도록 분할해 와류를 발생시키는 내경날개와 외경날개를 통하여 유동 박리현상을 줄여 공기의 압력이 낮아지고 유속이 빨라지면서 흐름을 원활하게 하여 연소효율과 연비를 향상시키고, 매연을 감소하며 엔진의 수명연장과 소음을 감소시키는 효과를 제공하는 것이다.
본 발명은 원뿔관의 내경과 외경에 설치되는 내경날개 및 외경날개에 요철형 날개를 형성해 유입되는 공기가 중심(내경)과 외경에서 스크류형태를 통한 와류를 발생시켜 공기의 압력을 낮추고 유속이 빨라져 흐름을 원활하게 함으로써 베르누이 원리에 의한 유동 박리현상을 방지하는 효과를 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 사시도
도 2 는 본 발명의 설치상태를 나타낸 다른 각도의 사시도
도 3 은 본 발명의 원뿔관을 분리한 상태의 사시도
도 4 는 본 발명의 설치상태를 나타낸 평면도
도 5 는 본 발명의 조립상태를 나타낸 저면 사시도
도 6 은 본 발명의 조립상태를 나타낸 저면도
도 7 은 본 발명의 도심주행 모드의 주행 시험 계획 그대프
도 8 은 본 발명의 고속주행모드 주행 시험 계획 그래프
도 9a 내지 9e 는 적용 전과 후의 출력 및 토크 그래프
도 10a 는 입자상 물질 배출량 측정 결과로 Phase 1, 2에 대한 사진(FTP-75)
도 10b 는 입자상 물질 배출량 측정 결과로 Phase 3에 대한 사진(FTP-75)과 Phase 1에 대한 사진(HWFET)
도 10c 는 입자상 물질 배출량 측정 결과로 Phase 1, 2에 대한 사진(FTP-75)
도 10d 는 입자상 물질 배출량 측정 결과로 Phase 3에 대한 사진(FTP-75)과 Phase 1에 대한 사진(HWFET)
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 실시예는 내연기관의 출력 증강을 위해 내경에 와류용 판스프링을 설치한 배기장치를 기준으로 설명하고 있으나, 동일한 과제해결 원리가 적용되는 다양한 배기장치의의 기능을 포함하는 구조 등 여러 구성들과 이들을 이용하는 다양한 방법으로 적용될 수 있으며, 이러한 단순 변형 적용의 경우 균등론에 따라 해석될 수 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부시킨 도면에 따라 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 설치상태를 나타낸 다른 각도의 사시도, 도 3은 본 발명의 원뿔관을 분리한 상태의 사시도, 도 4는 본 발명의 설치상태를 나타낸 평면도, 도 5는 본 발명의 조립상태를 나타낸 저면 사시도, 도 6은 본 발명의 조립상태를 나타낸 저면도를 나타낸 것이다.
자동차와 농기계 및 선박 등의 다양한 내연기관에 설치되어 외부에서 흡입되는 공기를 공급한 후 엔진룸을 거쳐 배기관으로 배출되도록 하는 관의 한 부분 또는 필요한 위치에 설치되어 내연기관이 흡입한 공기가 와류를 형성하도록 내경으로 외경관(10)을 설치하는 것이다.
상기 외경관(10)은 원형으로 형성되어 내연기관의 필요한 위치에 삽입되어 고정되는 것이며, 원형의 외경관(10) 내부에는 원뿔형태로 형성되는 원뿔관(20)이 삽입되어 만나는 부분에서 용접 등으로 일체형이 되도록 고정하되;
공기가 유입되는 부분은 넓고 공기가 배출되는 부분은 원뿔구멍(23)이 원형으로 형성되도록 하는 것이며, 넓어 공기가 유입되는 부분은 외경관(10)의 선단과 같거나 더 안쪽에 위치하고 원뿔구멍(23)이 형성되는 배출부분은 외경관(10)의 선단보다 더 돌출되도록 설치하는 것이다.
상기 외경관(10)의 내경에 원뿔관(20)을 설치한 후에는 2∼5개의 범위에서 내경날개(30)를 독립되게 공급해 원뿔관(20)의 내경과 만나는 부분에서 용접 등으로 일체형이 되도록 고정해 원뿔관(20)으로 유입된 공기가 원뿔구멍(23)으로 배출될 때 중심에서 공기의 회전이 이루어지며 분할되어 압력이 낮아지고 유속이 빨라지도록 설치하는 것이다.
상기 외경관(10)의 내경과 원뿔관(20)의 외경에는 2∼5개의 범위에서 외경날개(40)를 독립되게 공급해 외경관(10)의 내경과 원뿔관(20)의 외경과 만나는 부분에서 용접 등으로 일체형이 되도록 고정해 외경관(10)의 내경으로 유입된 공기가 원뿔관(20)을 통하여 배출되며 원뿔구멍(23)의 외측으로 배출될 때 원뿔관(20)의 외경에서 공기의 회전이 이루어지며 분할되어 압력이 낮아지고 유속이 빨라지도록 설치하는 것이다.
상기 외경관(10)은 원통형으로 이루어지도록 형성하는 것이며,
상기 외경관(10)의 내부에 설치되며 공기가 유입되는 입구는 넓고 공기가 배출되는 출구는 작은 원뿔구멍(23)이 형성되도록 전체적으로 원뿔형태를 이루는 원뿔관(20)이 설치되는것이다.
상기 원뿔관(20)은 내경날개(30)와 외경날개(40)가 설치되는 개수만큼 등간격으로 분할되어 원뿔공간(21)을 설치하되;
상기 원뿔공간(21)은 공기가 유입되는 넓은 공간에서 시작되어 원뿔구멍(23)에 이르기 전에 공기가 지나가는 통로가 형성되도록 하며, 안쪽에서 내경날개(30)와 만나는 부분을 제외하고 노출부분의 일부에 원뿔요철(22)을 형성해 베르누이원리에 따른 유동박리현상을 방지하는 것이다.
상기 원뿔관(20)의 내경에 설치하는 내경날개(30)는 일정한 간격에 독립되게 설치되는 것이며, 원뿔관(20)의 내경과 만나 고정되며 호상으로 형성된 원뿔 고정선(31)을 갖고, 상기 원뿔 고정선(31)에서 중심부분을 향하여 돌출되어 날개요철(32)이 형성되어 유입되는 공기가 회전되며 공급되는 동시에 선단에 원뿔구멍(23)을 분할하는 구멍 분할면(33)이 형성되는 것이다.
상기 원뿔관(20)의 외경에 설치하는 외경날개(40)는 일정한 간격에 독립되게 설치되는 것이며, 원뿔관(20)의 외경과 만나 고정되며 호상으로 형성된 원뿔 고정면(41)을 갖고, 상기 원뿔 고정면(41)에서 외측을 향하여 돌출되어 외경관(10)의 내경에 이르도록 연결되는 외경요철(42) 및 상기 외경요철(42)의 선단에서 외경관(10)의 내경과 만나 일체형으로 고정되는 외경 고정면(43)이 형성되는 것이다.
상기 외경날개(40)의 한쪽면으로 유입되는 공기가 접촉되어 회전되도록 만나는 방향에 날개홈부(44)를 일정한 간격에 다수개 형성해 공기의 회전이 더욱 강력하게 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
상기 원뿔구멍(23)은 외경관(10)의 선단보다 더 돌출되는 위치에 있으며, 외경요철(42)이 원뿔구멍(23)과 외경관(10)의 선단을 경사지게 연결하여 외경에서 공기가 회전되며 공급되어 압력이 낮아지고 유속이 빨라지게 되는 것이다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치는, 외부의 공기가 흡입되어 내연기관으로 공급되거나, 내연기관을 거쳐 외부로 배기되는 과정에서 공기가 한쪽방향으로 회전되며 와류를 발생시켜 공기의 흐름이 향상되도록 함으로서 배기 효율이 향상되도록 하는 것이다.
즉, 공기의 흐름이 외경관(10)의 원뿔관(20)과 내경날개(30) 및 외경날개(40)를 통하여 한쪽방향으로 회전 되며 와류를 발생하도록 하여 공기의 흐름이 향상되도록 하고, 와류의 공기가 내연기관을 통과한 후 외부에 배출되도록 함으로써 와류를 발생시켜 배출되며 이로 인하여 출력을 향상시키고 소음을 감소시키는 것이다.
특히, 원뿔관(20)은 외경관(10)의 내경에 공기의 입구쪽이 넓고 공기의 출구쪽이 작은 원뿔구멍(23)을 갖도록 원뿔형태로 설치되도록 하고, 일정한 간격에 원뿔공간(21)이 형성되어 유입되는 공기가 중심부분과 외측으로 분할되어 공급되도록 하는 것이다.
외경관(10)의 내경으로 공기가 유입되면 입구쪽에 설치한 원뿔관(20)이 넓게 유입되며 원뿔관(20)의 형상을 따라 점점 좁게 이동하게 되고, 동시에 외경관(10)과 원뿔관(20)의 내경에 설치된 내경날개(30)의 곡면 또는 휘어지게 설치된 형상을 따라 유입되는 공기가 한 방향으로 회전이 이루어지면서 이동하는 동시에 내경날개(30)의 외측 날개요철(32)이 베르누이원리에 따른 유동박리현상을 막아 공기의 소음과 손실을 방지하여 일부는 구멍 분할면(33)을 통하여 원뿔구멍(23)이 위치한 중심에서 회전이 이루어지면서 압력이 낮아지고 유속이 빨라지게 되며 공기의 이동이 이루어지는 것이다.
상기 원뿔관(20)은 원뿔형으로 설치되어 유입되는 공기가 원뿔구멍(23)을 통해 중심에서 회전이 이루어지며 배출되고, 원뿔공간(21)을 통해 외측에서 회전이 이루어지며 배출되도록 하며, 원뿔구멍(23)이 외경관(10)의 선단보다 더 돌출된 위치에 있어서 공기의 유동박리현상을 방지할 수 있게 되는 것이다.
상기 내경날개(30)는 원뿔 고정선(31)이 호상으로 이루어져 유입된 공기가 원뿔구멍(23)으로 이동하며 중심에서 공기의 회전이 이루어지고 구멍 분할면(33)에서 공기의 회전이 이루어지며 압력이 낮아지고 유속이 빨라져 멀리까지 배출될 수 있도록 하는 것이다.
또한, 월뿔관(20)의 원뿔형태를 따라 유입된 공기가 이동하면서 일부는 원뿔구멍(23)으로 공급되지만, 일부는 원뿔관(20)에 형성된 원뿔공간(21)으로 이동되어 원뿔관(20)의 외측으로 이동하는 것이며, 원뿔공간(21)으로 유입되는 공기는 원뿔요철(22)에 의해 베르누이원리에 따른 유동박리현상을 막아 공기의 소음과 손실을 방지하게 되는 것이다.
그리고 원뿔공간(21)으로 이동하는 공기는 원뿔관(20)의 외경에 설치된 외경날개(40)의 형상을 통하여 원뿔관(20)의 외경에서 공기가 회전되며 공급이 이루어지게 되고 외경날개(40)의 선단에 형성된 외경요철(42)에 의해 베르누이원리에 따른 유동박리현상을 막아 공기의 소음과 손실을 방지하게 되는 것이다.
상기 외경날개(40)는 원뿔관(20)의 외경과 외경관(10)의 내경에 일정한 간격으로 설치되어 원뿔공간(21)으로 배출되는 공기가 회전될 수 있도록 하며 배출되는 공기와 만나는 부분에 날개홈부(44)를 다수개 형성함으로써 공기의 회전이 더욱 강력하게 이루어질 수 있도록 함으로써 압력이 낮아지고 유속이 빨라지게 되는 것이다.
이하에서는 외경관(10)을 장착한 차량 성능 평가(최대출력, 최대토크, 복합연비, 입자상 물질 배출량)에 대하여 구체적으로 설명한다.
[시료명]
그랜드 스타렉스 2.5 RWD (경유)
[시료정보] 실차시험 차량 제원
항 목 내 용 항 목 내 용
제작사 현태자동차 차 종 그랜드 스타렉스
제작년도 2012년도 차대번호 KMJWA37KBCU-
배기량(cc) 2,497 공차중량(kg) 2,225
연료명 경 유 변 속 기 자동 5단
축거(mm) 3,200 타이어 공기압 전륜 : 42 psi
후륜 : 47 psi
[시혐장비] 고속 주행 차량 성능 평가 및 배기분석 시스템
장비정보(고속 주행 차량 성능 평가 및 배기분석 시스템)
최대속도 300 km/h
롤러 직경 48inch (1,219.2 mm)
최대 출력 800 kW (200 kW *4)
환경 챔버 온도 컨트롤 범위 -40 ∼ 50 ℃ ± 2℃
환경 챔버 습도 컨트롤 범위 20 ∼ 98% ± 5 %
휠 베이스 1,800 ∼ 4,200 mm
연비 시험 사이클 FTP-75, FTP-72, NEDC, WLTC, etc.
측정 가능 배출가스 THC, CH4, NO, NOx, CO, CO2, PN, PM
[시험방법]1. 최대출력 및 최대 토크 측정 시험
1) 차량을 동력계의 롤러위에 올린 후 차량의 앞뒤를 견인 고리로 고정한다.
2) 냉각팬(속도가변냉각팬)과 차체의 거리는 약 30.5 cm 조정하여 고정한다.
3) 환경 챔버 내 온도 및 습도는 25.0 ℃ ± 2 ℃, 50.0 % ± 5 %로 설정한다.
4) 속도를 올려 기어를 4단에 고정 후 설정 최소 rpm 에서 최대 rpm 까지 풀엑셀레이션 하여 최대 출력을 측정한다.
5) 위 1번에서 4번까지 시험 과정을 ECO ONE 적용 전 후 차량에 대해 각각 5회씩 수행한다.
최대출력 및 최대 토크 측정 조건
운전 조건(rpm) 2,000 rpm ~ 4,000 rpm
온도 조건 25.0 ℃ ± 2 ℃
습도 조건 50.0 % ± 5 %
2. 복합 에너지소비효율 및 연료소비율 측정 시험1) 에너지소비효율 측정 시험 전 자동차를 온도 25.0 ± 2 ℃ 조건에서 12 시간 이상 유지한다.
2) 산업통상자원부 고시 제2017-175호 “자동차의 에너지소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 고시”[별표 1]에 따른 기준으로 경유 자동차 시험방법을 진행한다.
3) 표 6 및 도 7과 같은 도심주행 모드(FTP-75) 및 표 7 및 도 8과 같은 고속주행 모드(HWFET)의 주행 시험 계획에 따라 진행한다.
4) 시험 종료 후 배기가스 분석계에서 배출가스 분석을 진행한다.
5) 시험 결과를 기준으로 동일 고시에 따른 자동차의 에너지소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 측정 산정방법 휘발유 차량의 계산방법에 따라 아래 식 (1) 과 같이 계산한다.
에너지소비효율 및 연료소비율(km/L) =
707(g/L)/0.0858 × HC + 0.420 ×CO + 0.273 ×CO2 ------ (1)
(가) HC, CO, CO2 는 각각 배출가스 농도(g/km)임
6) 5-cycle 보정식에 의한 도심주행 에너지소비효율 및 연료소비율과 고속도로 주행 에너지소비효율 및 연료소비율 식으로 각각 식 (2), (3)에 따라 계산한다.
7) 위 1번에서 6번까지 시험 과정을 본 발명 적용 전 후에 대해 수행한다.
위발유, 경유, LPG를 사용하는 자동차의 도심주행 에너지소비효율 및 연료소비율(km/L) =
1/0.007639 + 1.1886/FTP-75 모드 측정 에너지소비효율 및 연료소비율---(2)
위발유, 경유, LPG를 사용하는 자동차의 고속도로주행 에너지소비효율 및 연료소비율(km/L) =
1/0.004425 + 1.3425/HWFET 모드 측정 에너지소비효율 및 연료소비율 ----(3)
8) 5-cycle 보정식에 의한 도심주행 에너지소비효율 및 연료소비율과 고속도로 주행 에너지소비효율 및 연료소비율 결과를 가지고 복합 에너지소비효율 및 연료소비율을 식 (4)에 따라 계산한다.
복합 에너지소비효율 및 연료소비율 =
1/0.55/도심주행 에너지소비효율 및 연료소비율 + 0.45/고속도로 에너지소비효율 및 연료소비율 ---(4)
도심주행 모드(FTP-75)의 주행 시혐 계획
단 계 시 간 (초) 거 리 비 고
저온시동시험 초기단계 505 5.78 km (3.59 mile) 저온시동
저온시동시험 안정단계 865 6.29 km (3.91 mile)
Soaking 540 ∼ 660
고온시동 시험단계 505 5.78 km (3.59 mile) 고온시동
계 44분 17.85 km (11.59 mile)
고속주행 모드(HWFET)의 주행 시혐 계획
단 계 시 간 (초) 거 리 비 고
예비주행단계 765 16.4 km
안정단계 15
측정주행단계 765 16.4 km
계 1,545 32.8 km
[시 험 결 과]1. 시험결과 데이터
1.1 최대 출력 및 최대 토크 시혐 결과
측정 회수 적용 전 적용 후 평 균 성능
증감율1)
적용 전 적용 후


최대 출력
(kW)		 1 92.22 (2719 rpm) 98.72 (2752 rpm)

92.48

99.32

7.4%
2 92.07 (2750 rpm) 99.13 (2723 rpm)
3 92.56 (2714 rpm) 99.70 (2752 rpm)
4 92.95 (2756 rpm) 99.50 (2715 rpm)
5 92.62 (2721 rpm) 99.55 (2777 rpm)


최대 토크
(N·m)		 1 358.78 (2133 rpm) 382.37 (2070 rpm)

357.78

383.68

7.2%
2 358.43 (2130 rpm) 382.43 (2096 rpm)
3 358.74 (2155 rpm) 384.05 (2123 rpm)
4 357.92 (2140 rpm) 384.31 (2150 rpm)
5 355.05 (2152 rpm) 385.24 (2144 rpm)
1.2 복합 에너지소비효율 및 연료소비율 측정 시험- 시험 결과
적용 전 적용 후 성능 증감율1)
복합 에너지소비효율 및 연료비율(km/L) 9.4 9.1 -2.5%
도심 주행 에너지소비효율 및 연료비율(km/L) 8.2 7.9 -3.7%
고속도로 주행 에너지소비효율 및 연료비율(km/L) 11.2 11.2 0%
- 산업통상자원부 고시 제2017-175호 "자동차의 에너지소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 고시" [별표 10]에 에너지 소비율 및 연료소비율 소수점 유효자리수 표시에 의거하여 5-cycle 보정식을 적용한 최종 결과치는 반올림하여 소수점이하 첫째자리까지 표시한다.- 입자상물질(Particulate Matter, PM) 배출량 측정결과
시험 모드 시험
phase		 적용 전(mg) 적용 후(mg) 측정량(mg) PM
증감율1)
적용 전 적용 후
FTP-75 시험 전 1 101.6777 100.9775 0.3824 0.3824 18.7%
시험 후 102.0601 101.4313
시험 전 2 104.7839 100.2508 0.4007 0.4451 11.1%
시험 후 105.1846 100.6959
시험 전 3 97.5559 99.8229 0.2495 0.3080 23.4%
시험 후 97.8054 100.1309
HWFET 시험 전 1 103.1428 100.1898 0.0392 0.0370 -5.6%
시험 후 103.1820 100.2268
1) 증감율(5) = 적용 후 시험값 - 적용 전 시험값 / 적용 전 시험값2. 시험결과 그래프 및 사진
2.1 최대 출력 및 최대 토크 시험 결과는 도 9a 내지 도 9e에 도시한 것과 같이 토크가 10마력 이상 향상되었음을 알 수 있다.
2.2 입자상 물질 배출량 측정 결과, 도 10은 입자상 물질 배출량 측정 결과로 Phase 1, 2, 3에 대한 사진(FTP-75) 및 도 10은 입자상 물질 배출량 측정 결과로 Phase 1, 2, 3에 대한 사진(HWFET) 및 표를 통하여 확인된다.
본 발명은 내연기관의 엔진 이전과 이후에 설치되어 흡입 및 배기시킴에 있어서 공간에 설치하는 외경관과 원뿔관 및 내,외경날개를 통하여 공기를 한쪽방향으로 회전시켜 와류를 발생시키는 것과 공기를 중심부분과 외측부분으로 분리하여 배출할 때 압력을 낮추는 흐름 개선으로 인한 베르누이 원리에 따른 역할을 통해 공기 에너지가 더욱 멀리 공급될 수 있도록 하므로 엔진의 수명연장과 소음을 감소시키는 매우 유용한 발명이다.
10 : 외경관 20 : 원뿔관
21 : 원뿔공간 22 : 원뿔요철
23 : 원뿔구멍 30 : 내경날개
31 : 원뿔 고정선 32 : 날개요철
33 : 구멍 분할면 40 : 외경날개
41 : 원뿔 고정면 42 : 외경요철
43 : 외경 고정면 44 : 날개홈부

Claims (5)

  1. 내연기관에 설치되는 외경관(10)의 내경으로 공기가 유입되어 배출되는 흡·배기장치로 이루어지되;
    상기 외경관(10)의 내경에 설치되며 공기 유입부가 크고 배출부에 원뿔구멍(23)이 유입부에 비해 작게 형성되고, 상기 공기 유입부에 원뿔공간(21)을 설치한 원뿔관(20)을 포함하며,
    상기 원뿔관(20)의 내경을 따라 고정되는 원뿔 고정선(31)이 형성되며 원뿔구멍(23)을 분할하는 구멍 분할면(33)이 형성되는 내경날개(30)를 포함하고,
    상기 외경관(10)과 원뿔관(20)의 공기 유입부 내경에 설치되며 원뿔공간(21)의 한쪽으로 고정되는 원뿔 고정면(41)을 갖도록 하며, 상기 외경관(10)의 내경과 원뿔관(20)의 외경에 설치되며 상기 원뿔 고정면(41)과 원뿔관(20)의 외경에 고정되는 외경 고정면(43)을 갖는 외경날개(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 원뿔관(20)은 원뿔형태로 이루어지며, 일정한 간격에 넓은 방향으로 형성한 원뿔공간(21)의 안쪽으로 원뿔요철(22)이 형성되어 외경관(10)의 내경에 고정되고, 원뿔구멍(23)이 중앙에 형성되며 외경관(10)의 외측으로 노출되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 외경날개(40)는 외경관(10)의 내경과 원뿔관(20)의 외경을 따라 한쪽 방향으로 경사지게 호상으로 설치되며, 외경관(10)의 내경과 고정되는 외경 고정면(43)과 원뿔관(20)의 외경과 고정되는 원뿔 고정면(41)이 형성되고, 원뿔구멍(23)과 외경관(10)의 선단을 외경요철(42)로 연결한 후 상기 외경날개(40)의 한쪽면으로 유입되는 공기가 접촉되어 회전되도록 만나는 방향에 날개홈부(44)를 일정한 간격에 다수개 형성하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 출력 증강용 원뿔관 내·외경 날개 설치형 흡·배기장치.
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