KR102534915B1

KR102534915B1 - 초 저농도 물 전기분해가스와 연소 공기와의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템

Info

Publication number: KR102534915B1
Application number: KR1020220051157A
Authority: KR
Inventors: 장동순; 신미수; 김용주; 김희용; 최재원
Original assignee: 주식회사 헤즈
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-05-30
Also published as: WO2023211082A1; KR20230151939A

Abstract

본 발명은 물을 분해하여 얻은 물 전기분해가스(일명 수소산 가스 또는 브라운가스나 HHO라고 불리기도 함)와 연소용공기 및 이와 화석연료를 혼합한 혼합연료그리고 그에 관한 연소 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 초 저농도 물 전기분해가스와 연소용공기를 혼합한 것에 화석연료를 혼합한 혼합연료를 이용한 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 물 전기분해가스가 공기에 1% 미만으로 포함된 연소용공기를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 물 전기분해가스가 공기에 1% 미만으로 포함된 연소용공기와 연료가 혼합된 혼합연료를 제공한다.
또한 본 발명은 물 전기분해가스 발생장치(100), 연소용공기 혼합장치(200), 연소장치(300), 연료공급장치(400)를 포함하되,
상기한 연소용공기 혼합장치(200)에는 상기한 연소용공기가 주입되는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소 시스템(1000)을 제공한다.
또한 본 발명은 물 전기분해가스를 공기와 혼합하여 상기한 연소용공기를 형성하는 과정(1과정),
상기한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 과정(2과정),
을 포함하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소방법을 제공한다.

Description

초 저농도 물 전기분해가스와 연소 공기와의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템{Engine combustion method and its system by the homogeneous mixing of ultra small amount of water electrolysis gas with combusting air}

본 발명은 물을 분해하여 얻은 물 전기분해가스(일명 수소산 가스 또는 브라운가스나 HHO라고 불리기도 함)와 연소용공기 및 이와 화석연료를 혼합한 혼합연료그리고 그에 관한 연소 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 초 저농도 물 전기분해가스와 연소용공기를 혼합한 것에 화석연료를 혼합한 혼합연료를 이용한 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템에 관한 것이다.

최근 지구촌의 에너지 문제는 정책적인 면에서나 기술 개발차원에서나 매우 중대한 조정 국면을 맞이하고 있는 듯이 보인다. 그 이유는 지난 50년 동안 가파르게 상승한 화석연료에 의한 지구 온난화 문제의 심각성과 함께 체르노빌과 후쿠시마 원전사고 발생으로 인한 에너지 문제 해결 부재에 따른 불안감의 증폭 등에 기인한다.

이에 대한 대책의 일환으로 화석연료의 효율적인 활용과 함께 보다 강력한 신재생에너지에 대한 발굴이 에너지 분야의 중심 주제의 하나로 부각되어 관심이 높아지고 있다.

최근 이러한 추세의 일환으로 시도되고 있는 것이 소위 물을 전기분해하여 발생하는 물분해 가스이다. 즉소위 HHO 가스라고도 불리는 이 혼합기체에 대하여 연료로서의 타당성과 이를 자동차 엔진이나 기타 다른 연소장치나 소각 장치에서 직접 연소하거나 또는 혼소하는 기술에 대한 연구가 다양한 분야에서 국내외에서 시도되어 그 결과가 발표되고 있다.

주지하다시피 물을 전기 분해하였을 때 물 1 liter에서 부피비로 1860배의 H2와 O2 기체가 잘 혼합된 형태로 발생한다.

즉, 물 전기분해가스는 2/3 수소 + 1/3산소(2H₂O = 2H₂ + O₂)가 혼합된 가스를 의미한다.

이를 이용한 에너지 분야에 대한 본격적인 활용연구는 1977년 Yull Brown에 의하여 시작되었기에 물 전기분해가스는 브라운가스(Brown gas) 또는 HHO 가스라고 불린다.

그러나 물 전기분해가스를 연구하는 많은 사람들은 이러한 물 전기분해가스에 대해 과학적으로 완전하게 입증되지 않은 초효율이나 열핵반응 등 특이사항을 지나치게 강조함으로써 물 전기분해가스의 에너지로서의 정상적인 활용 대신에 부정적인 관점을 증폭시키는 결과를 초래하였다.

물 전기분해가스는 주지하다시피 물의 전기분해 방식에 의해 생산되는 수소와 산소가 2:1의 완전한 당량비율로 혼합된 가스를 말하며, 연소후 수증기 상태로 환원되는 완전 무공해 연료이다.

즉 온난화 가스인 이산화탄소나 산성가스인 질소산화물이 생성되지 않는다.

또한 물 전기분해가스는 수소와 산소가 2:1의 완전연소의 조건을 갖추고 있으므로 기존 화석연료처럼 산화제 역할을 하는 공기 공급을 하지 않아도 자체 산소에 의해 매우 짧은 시간에 완전 연소 되는 특성을 가지고 있다. 또한 공기와 같은 산화제에 필수적으로 존재하면서 반응에 도움을 주지 못하는 질소가 전혀 존재하지 않기 때문에 연소시 발생하는 생성물에 대한 가열능력은 물분해가스의 경우가 공기에 의한 가솔린 연소에 비해 3배정도 크다.

그러므로 전기분해가스는 단열화염온도가 최고 섭씨 3000 C 정도의 고온이 발생하기에 특히 고온이 요구되는 용접분야에 유용한 도구로 활용되고 있다.

이러한 물 전기분해가스의 장점은 물을 전기분해하여 얻어지는 수소 에너지가 전기분해에서 사용된 에너지보다 작다는(60~80%의 효율) 단점은 있으나 연소시에 산화제로서 질소가 포함되지 않고 산화제 혼합에 따른 시간이 최소로 작용하기에 짧은 시간에 많은 에너지를 방출한다는 점에서 동력발생(power=work/time)이나 청정연료로서의 가능성이 높다고 할 수 있다.

또한 물 전기분해가스는 연소시 수소 1분자와 산소 1/2 분자가 반응하여 1분자의 물을 생성함으로 생성물의 몰수가 반응물의 몰수에 비하여 감소하기 때문에 온도가 높아 보일 샤를의 법칙에 의한 온도에 의한 팽창 효과가 두드러지지 않는 특수한 상황에서는 오히려 부피가 줄어 응폭(Implosion) 하는 특성을 나타낼 수도 있다.

또한 물 전기분해가스는 수소와 산소가 당량비로 완전 예혼합되어 있기 때문에 연료와 산소가 난류혼합을 하는 과정이 필요하지 않을 뿐만 아니라 수소분자는 빠른 확산 능력(molecular diffusivity)을 가지고 있기 때문에 연소반응이 매우 빠르다.

그러므로 불꽃이 연료가 공급하는 방향으로 타들어가는 역화(back-fire)하는 특성을 가진다.

이러한 역화 현상을 방지하기 위하여서는 노즐에서 분출되는 연료의 속도를 높여야 하므로 화염은 불가피하게 매우 가늘고 긴 화염이 직진하는 매우 불안정한 핀 포인트 화염을 형성하거나 화염이격(lift-off) 현상에 의하여 쉽게 소멸한다. 이러한 특징은 물전기분해가스를 보다 간편하고 실용적으로 이용하는데 장애요인으로 작용한다.

이와 같이 수소와 산소가 전기분해 방법에 의하여 잘 혼합된 형태로 존재할수 있는 전기분해가스는 역화나 화염의 불안정한 특성 때문에 종전의 버너나 연소방법과 달리 새로운 연소방법을 필요로 한다.

다시 정리하면 물을 전기분해하여 발생한 수소와 산소가 당량비로 예혼합 되어 있는 물 전기분해가스는 폭발적인 반응성 때문에 역화(逆火,back-fire)나 화염이 lift-off 등이 발생하기에 폭발영역(flammability)을 벗어나게 연료와 산화제의 공연비 조정이나 점화를 방지하는 온도조절 등 특별한 형태의 버너나 화염안정장치 등이 요구된다.

상기와 같은 문제점과 요구를 해결하기 위한 물전기분해가스 연소장치 등이 많은 기술자나 연구자들에 의하여 연구되고 있다.

본 발명자들은 이와 관련하여 등록특허 10-1532508호(물 전기분해가스와 수증기의 혼합연료 및 이와 화석연료를 혼합한 혼합조성연료 및 이를 이용한 연소방법, 이하 선행기술)을 제시하여 "물 전기분해가스에 수증기를 혼합한 혼합연료, 물 전기분해가스에 수증기를 혼합한 혼합연료에 화석연료를 혼합한 혼합조성연료 및 이를 이용한 연소방법"을 제시한바 있다.

상기한 종래기술은 물 전기분해가스를 연료(화석연료 등)에 직접 혼합하여 공기를 주입하여 연소하는 방식을 채택하여 연소를 하고 있는바,

이와 같은 연소방법은 물 전기분해가스가 연료에 포함된 농도에 관계없이 물 전기분해가스와 연료가 균질하게 혼합되지 않을 뿐만 아니라 연소효율이 낮고, 특히 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워가 낮으며, 완전연소 이루어지지 않고 특히 NOx의 저감 효과(이와 같은 효과를 연소효과라 함)가 거의 없는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 화석연료를 이용한 고효율 청정연소나 동력 발생 장치의 개발은 전기차나 수소차 시대 도래에도 여전히 해결하여야 할 중요한 사안 중의 하나이다.

보통 고효율 청정연소는 희박 연소를 전제로 한다. 그 이유는 공기 과잉의 상태에서의 난류혼합강도 증가와 화염온도 하강에 의한 결과에 기인한다. 그러나 등가비가 1.7~1.8 이상으로 증가할 경우 화염 불안정에 의한 misfire가 문헌에 보고되고 있다.

이것은 유수한 자동차 회사에서 꿈의 엔진이라고 불리던 가솔린과 디젤엔진의 장점을 결합한 HCCI(Homogeneous Charging Compressed Ignition)엔진이 3000~3500 rpm 이상에서 그 고효율 기능을 상실하는 것과 같다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 “HCCI”엔진 연구에서 Bahng 등(2016, Applied Thermal Eng.)은 가솔린과 같은 화석 연료량을 50% 이상 감소하고 그 감소한 화석연료 발열량의 5% 정도에 해당하는 물 전기분해가스(HHO, H₂+1/2O₂)를 첨가하여 성공적으로 HCCI의 문제점을 해결하는 결과를 얻었다.

이 경우 수소와 산소 당량비 혼합 연료의 빠른 반응 속도에 의해 다양한 발동기에서 50% 이상의 높은 효율상승이 가능하다는 것이 보고되었다.

그러나 이 경우에도 화석연료 열량의 5~10%에 해당하는 다량의 HHO(물 전기분해가스)가 부식성이 강한 물 전기분해장치에서 만들어져야 한다는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명자들은 상기한 바와 같은 이러한 문제점을 해결하기 위해 실질적인 양(화석연료 열량의 5~10%에 해당)의 HHO 대신에 아주 소량의 HHO가 엔진의 화염속에서 고속 연쇄반응을 촉진시키는 H⁺와 OH^-와 같은 라디칼 공급원의 역할을 하는 메카니즘을 창안하였는바,

핵심기전은 확산화염 경계면에서 수소와 산소의 라디칼 반응을 이용하는 것으로서 이 라디칼 반응은 10,000ppm 미만의 농도에서 보다 효율적으로 반응하는 것을 알게 되었다.

이와 같이 본 발명은 HHO 가스에서 생성된 라디칼 들은 탄화수소 연료의 연소반응, 일산화탄소의 완전연소 그리고 NOx 환원반응 등에 긍정적으로 작용하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 제공하고자 한다.

또한 최근 탄소 중립화 관점에서 연료 또는 혼소 물질로서의 수소의 효과적인 활용에 대한 관심은 지속적으로 증폭되어 왔다. 주지하다시피 연료로서의 수소의 장점은 이산화탄소가 배출되지 않는 연료라는 점과 더불어 단위 질량당의 높은 열량과 더불어 빠른 화염 속도와 넓은 가연 농도 등에 있다고 할수 있다. 이러한 다양한 장점을 지닌 수소의 가장 큰 문제점 중의 하나는 수소는 전기와 같이 수전해(Water Electrolysis)나 연료개질을 통해 비로소 얻어지는 “Energy Carrier”라는 점이다.

이 과정에서 CO₂와 같은 다량의 온실 가스의 발생과 높은 에너지 및 장치 비용 등은 생산된 수소의 저장 문제와 함께 해결해야 할 중요 문제로 제시되고 있다.

이러한 점에 비추어 소량의 수소의 혼소에 따른 효율 향상과 공해물질 저감에 대한 연구가 다양한 연소장치와 동력기관에서 제시되어 왔다. 그렇기 때문에 국내외 문헌에 나타난 이 분야 연구에서 수소의 가연 농도 영역중 하한 농도인 4% 정도를 기준으로 하여 수소 혼소에서 1% 농도를 최저 수소 농도를 기준농도로 제시되어 왔다.

그러나, 본 발명은 물 전기분해가스가 1% 농도 미만(이경우 수소의 농도는 2/3% 농도 이하가 됨)의 초 저농도 물 전기분해가스를 공기에 혼합하여 연소함에 따라 연소효율을 높이고, 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워를 상승시키며, 완전연소가 가능하게 하며, 특히 1500K이하의 온도에서 NO의 환원작용에 의해 NOx의 저감을 현저히 높이는 효과가 나타나는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 보통 수소등을 보조 연료로 사용하는 경우 완전연소에 의하여 매연은 저감되나 수소연료에 의한 고온화염에 의하여 질소산화물은 증가하는 것이 통례이다.

더불어, 보통 수소나 HHO를 보조 연료로 자동차나 동력기관에 사용하는 경우 발표된 수많은 연구 결과들은 보통 공기중에 수소의 양을 최소 1%(10,000ppm)이상 사용하는 것을 기본으로 한다. 이러한 농도의 수소를 사용하여 보통 최대 10% 내외의 효율 향상이 이루어지고 연소 성능향상에 따른 결과로 CO나 미연 탄소 등은 감소한다. 그러나 연소성능 향상에 따른 고온효과로 질소산화물은 보통 증가하는 것으로 보고되고 있다.

그러나 본 발명에서는 물 전기분해가스가 1% 농도 미만(이경우 수소의 농도는 2/3 1% 농도 이하가 됨, 공기에 혼합된 전체에서 차지하는 부피%를 의미함)의 초 저농도 물 전기분해가스를 공기에 혼합하여 연료를 연소함에 따라 질소산화물과 매연을 동시에 저감할 수 있는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기한 목적 및 요구를 해결하기 위하여,

물 전기분해가스가 공기에 1% 미만으로 포함된 연소용공기를 제공한다.

또한 본 발명은 상기한 물 전기분해가스가 공기에 1% 미만으로 포함된 연소용공기와 연료가 혼합된 혼합연료를 제공한다.

또한 본 발명은 물 전기분해가스 발생장치(100), 연소용공기 혼합장치(200), 연소장치(300), 연료공급장치(400)를 포함하되,

상기한 연소용공기 혼합장치(200)에는 상기한 연소용공기가 주입되는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소 시스템(1000)을 제공한다.

또한 본 발명은 물 전기분해가스를 공기와 혼합하여 상기한 연소용공기를 형성하는 과정(1과정),

상기한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 과정(2과정),

을 포함하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소방법을 제공한다.

본 발명에 따른 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템은 물 전기분해가스가 1% 농도 미만(이경우 수소의 농도는 2/3% 농도 미만이 됨)의 초 저농도 물 전기분해가스를 공기에 혼합하여 연소함에 따라 연소효율을 현저히 높이고, 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워를 급상승시키며, 완전연소가 가능하게 함으로써 특히 NOx의 저감을 현저히 높이는 효과가 나타난다.

또한, 수소나 HHO를 보조 연료로 자동차나 동력기관에 사용하는 경우 발표된 수많은 종래의 기술이나 연구 결과들은 보통 공기중에 수소의 양을 최소 1%(10,000ppm)이상 사용하는 것을 기본으로 하는 반면,

본 발명에 따른 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템은 공기에 물 전기분해가스가 1% 미만의 초 저농도로 혼합되어 연료를 연소하는 것에 특징이 있는 것으로,

초 미량의 물 전기분해가스를 사용하게 되어 매우 경제적이면서 연소장치에 물 전기분해가스 발생장치를 부가하여 극소량의 물 전기분해가스를 현장에서 발생시켜 저장하지 않고 바로 공기용 관로에 주입하여 사용함으로써 수소가스의 저장이나 중간 정체 가능성에 의한 폭발과 같은 위험성을 원천 배제하는 효과가 나타난다.

또한, 본 발명에 따른 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템이 적용된 자동차 엔진 장치는 다양한 실제 주행결과에 기초하면 연비는 20~30% 증가하고, 매연은 80%이상 감소하는 것으로 나타나고 있으며, 요소수는 정성적인 확인결과 사용량이 1/3정도 감소하는 효과가 나타난다.

도 1은 본 발명에 따른 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 PEM 방식의 물 전기분해가스 발생장치.
도 3은 Dec의 디젤연료의 확산화염 연소모델.
도 4는 알칸계 탄화수소가 연소반응에서 최종 CO와 H₂로 분해하는 모델.
도 5a 내지 도 5d는 크랭크 앵글 CA에 따른 온도상승과 NO 농도 변화(AVL 5402 디젤 엔진 510.7cc, 1500 rpm)
도 6a 내지 도 6b는 크랭크 앵글 CA에 따른 1500K 온도 상하에서 NO 농도 변화.
도 7은 본 발명에 따른 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기를 이용한 차량 주행연비 자료(2010형 싼타페:공식연비 13.2km/L).
도 8은 본 발명에 따른 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기를 이용한 차량 주행연비 자료(올뉴카니발(2019):공식연비 11.4km/L).
도 9는 공연비 증가에 따른 효율향상과 화염소멸현상.
도 10은 과잉공기량과 수소함량에 따른 발생동력.
도 11은 수소 혼소량과 공연비에 따른 천연가스 IC 엔진의 에너지 효율.
도 12는 Zeldovich 3식에 대한 정반응과 역반응 반응계수 값.

이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 물 전기분해가스에 공기를 혼합한 연소용공기를 제공한다.

또한 본 발명은 물 전기분해가스에 공기를 혼합한 연소용공기에 연료를 혼합한 조성혼합연료를 제공한다.

또한 본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 혼합한 연소용공기에 연료에 혼합하여 연소하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 혼합한 연소용공기에 연료에 혼합하여 연소하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템(1000)을 제공한다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명은 물 전기분해가스 발생장치(100), 연소용공기 혼합장치(200), 연소장치(300), 연료공급장치(400)를 포함한 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템(1000)을 제공한다.

본 발명의 물 전기분해가스 발생장치(100)는 물을 전기분해하여 물 전기분해가스를 제조하는 장치 또는 수단을 의미한다.

상기한 물 전기분해가스 발생장치(100)는 전원부(110)에 전기를 제공받아 물(H2O)을 분해하여 물 전기분해가스(HHO)를 생산하게 된다.

본 발명의 연소용공기 혼합장치(200)는 에어필터(210)를 통하여 제공된 공기와 상기한 물 전기분해가스 발생장치(100)에서 제공한 물 전기분해가스를 완전히 혼합시키는 장치 또는 수단을 의미한다.

본 발명의 연소장치(300)는 통상적으로 연소를 수행하는 자동차나 선박 엔진에서부터 중장비 기계와 발동기 그리고 가스터빈 등을 포함하는 장치 또는 수단을 의미한다.

본 발명의 연소장치(300)는 주로 자동차나 선박 엔진 등을 의미하지만 중장비 기계와 발동기 그리고 가스터빈 등을 포함하는 장치 또는 수단을 모두 포함한다.

본 발명의 연료공급장치(400)는 상기한 연소장치(300)에 제공되는 화석연료 등을 제공하는 장치 또는 수단을 의미한다.

본 발명의 상기한 연료는 화석연료를 포함하되 석탄, 석유, 석유를 정제하여 수득한 가솔린, 디젤, 등유 또는 천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 또는 기타 바이오 디젤이나 폐기물 가스화 가스 등을 포함하고, 바이오 디젤, syngas(CO와 H2 혼합된 석탄이나 폐기물 등의 가스화 연료), 중유와 폐유 그리고 암모니아 등의 가연성 연료를 포함한다.

본 발명은 바람직하게는 화석연료는 기체의 상태 또는 분무화된 상태로 혼합될 수 있는 가솔린, 디젤, 등유 또는 천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 바이오 디젤, syngas(CO와 H2 혼합된 석탄이나 폐기물 등의 가스화 연료), 중유와 폐유 그리고 암모니아를 사용하는 것이 효과적이다.

본 발명은 상기한 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 통하여 엔진이나 발전기 동력 향상을 도모함과 동시에 매연이나 질소산화물의 저감을 통해 청정연소를 증진 시킬 수 있는 효과가 나타난다.

보통 수소 등을 보조 연료로 사용하는 경우 완전연소에 의하여 매연은 저감되나 수소연료에 의한 고온화염에 의하여 질소산화물은 증가하는 것이 일반적인 문제점이다.

그러나 본 발명에서는 상기한 구성으로 질소산화물과 매연을 동시에 저감함을 목적으로 한다.

본 발명의 기술적 특징은 물 전기분해가스와 공기를 혼합한 연소용공기를 제공하고 이와 같은 연소용공기를 연료와 혼합하여 연소하는 것이며, 특히 초 저농도 물 전기분해가스를 공기에 혼합하여 연소함에 따라 연소효율을 현저히 높이고, 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워를 급상승시키며, 완전연소가 가능하게 함으로써 특히 NOx의 저감을 현저히 높이는 효과가 나타난다.

특히, 본 발명의 기술적 특징은 물 전기분해가스가 공기와 혼합하되 물 전기분해가스가 1% 미만으로 포함된 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 기술적 구성을 제공하는 점이다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래의 물 전기분해가스와 연료를 혼합하여 연소하는 경우 다량의 물 전기분해가스가 연료나 공기와 균질하게 혼합되지 않아 투입된 물 전기분해가스 양에 비해 연소효율이 낮고, 특히 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워나 완전연소에 실질적으로 기여하지 못하게 된다. 특히 NOx의 저감 효과(이와 같은 효과를 연소효과라 함)가 거의 없는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 화석연료를 이용한 고효율 청정연소나 동력 발생 장치의 개발은 전기차나 수소차 시대 도래에도 여전히 해결하여야 할 중요한 사안 중의 하나이며 보통 고효율 청정연소는 희박 연소를 전제로 한다.

그 이유는 공기 과잉의 상태에서의 난류혼합강도 증가와 화염온도 하강에 의한 결과에 기인한다. 그러나 등가비가 1.7~1.8 이상으로 증가할 경우 화염 불안정에 의한 misfire가 문헌에 보고되고 있다.

또한, 최근 탄소 중립화 관점에서 연료 또는 혼소 물질로서의 수소의 효과적인 활용에 대한 관심은 지속적으로 증폭되어 왔다. 주지하다시피 연료로서의 수소의 장점은 이산화탄소가 배출되지 않는 연료라는 점과 더불어 단위 질량당의 높은 열량과 더불어 빠른 화염 속도와 넓은 가연 농도 등에 있다고 할수 있다. 이러한 다양한 장점을 지닌 수소의 가장 큰 문제점 중의 하나는 수소는 전기와 같이 수전해(Water Electrolysis)나 연료개질을 통해 비로소 얻어지는 “ Energy Carrier”라는 점이다.

여기서 최소 1% 이상의 많은 수소를 사용하는 경우 효율상승이 이루어지는 이유는 수소의 단위 질량당의 높은 발열량, 넓은 가연영역(공기중 수소농도 4~75%) 그리고 수소의 빠른 화염 속도등과 같은 물리 화학적 변수에 의한 것으로 설명되고 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자들은 물 전기분해가스가 1%(부피 %) 농도 미만(이경우 수소의 농도는 2/3% 농도 미만이 됨)으로 공기에 혼합한후 이와 같은 연소용공기를 연료에 혼합하여 연소함에 따라 연소효율을 현저히 높이고, 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워를 급상승시키며, 완전연소가 가능하게 함으로써 특히 NOx의 저감을 현저히 높이는 효과가 나타나게 되는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 제공한다.

상기한 물 전기분해가스가 1%(부피 %) 농도 이하(이경우 수소의 농도는 2/3% 농도 이하가 됨)로 공기에 혼합되어 있다는 의미는 주입되는 연소용공기 전체에서 물 전기분해가스가 1%(부피 %) 농도 이하(이경우 수소의 농도는 2/3% 농도 이하가 됨)로 포함되어 있음을 의미한다.

본 발명은 바람직하게는 물 전기분해가스가 0.001%(10 ppm)~0.3%(3,000 ppm)로 포함된 연소용공기를 사용하는 것이 연소효과가 높게 된다.

본 발명은 더욱 바람직하게는 물 전기분해가스가 0.005%(50 ppm)~0.03%(300 ppm)로 포함된 연소용공기를 사용하는 것이 더욱 연소효과가 높게 된다.

본 발명은 상기한 수소와 산소가 포함된 물 전기분해가스 뿐만 아니라 100% 수소로 이루어진 수소 가스를 공기에 혼합하여 연소용공기를 형성하는 것도 동일한 효과가 나타난다.

이 경우 상기한 바와 같이 수소의 농도는 물전기 분해가스의 2/3 농도로 포함되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기한 연료에 대한 연소용공기의 주입량(G)은 이론적인 연소용공기량 Ao의 m배 즉, mAo로 주입하는 것이 바람직하다.

따라서 연소용공기의 주입량(G)은 G= mAo로 제공된다.

여기서 m은 0.1~10.0의 범위에서 적용할 수 있으며 바람직하게는 0.7~2.0 더욱 바람직하게는 0.8~1.5 범위에서 자유롭게 적용할 수 있다.

상기한 연료의 종류에 따라 주입되는 이론적인 연소용공기량은 통상적인 연소공학의 이론 공기량으로 계산할 수 있으며, 일 예로 아래의 수식과 같은 식으로 계산할 수 있다.

따라서 연료의 원소분석을 통하여 산소와 결합되는 성분이 있는 경우에 통상의 연소공학의 이론에 따라 이론 공기량을 산정할 수 있다.

즉, 액체 또는 고체연료 1 kg 중에 탄소, 수소, 질소, 황, 회분 및 수분의 중량분율을 각각 C, H, N, S, A, W라 하면 연료 1 kg 연소에 필요한 이론 공기량(Ao)은 일반적인 수식으로,

Ao = 8.89C + 26.7(H-O/8) + 3.33S (Sm^3/kg)

의 양으로 계산되어 제공되게 된다.

하지만 상기한 이론공기량은 하나의 수식이며, 이론공기량은 이미 상용화된 각각의 연료에 대한 이론 공기량을 적용할 수 있으며 따라서 연소공기 주입량은 상기한 공연비(공기연료비)를 적용하여 주입할 수 있다.

본 발명은 연소 공기량의 부피비로 1% (10,000ppm) 미만되는 초미량의 물 전기분해 가스(HHO)를 연소장치(300)(동력기관)에 사용함으로써 효율상승과 청정연소를 도모하는 기술과 장치를 제공한다.

이 때 물 전기분해가스와 산화제 공기는 균질혼합 장치를 통하여 완전혼합하여 연소장치(300)에 주입하는 것이 바람직하다.

이와 같은 초 저농도 물 전기분해가스가 혼합된 연소용공기의 연소효과가 나타나게 되는 심기전은 확산화염 경계면에서 수소와 산소의 라디칼 반응을 이용한다는 점이다.

본 발명자들은 이 라디칼 반응이 연소용공기에 포함된 물 전기분해가스의 농도가 10,000ppm 미만의 농도에서 보다 효율적으로 반응하는 것을 알 게 되었다.

HHO 가스에서 생성된 라디칼 들은 탄화수소 연료의 연소반응, 일산화탄소의 완전연소 그리고 NOx 환원반응 등에 긍정적으로 작용한다. 자동차 엔진에 적용된 이 장치는 다양한 실제 주행결과에 기초하면 연비는 20~30%, 매연은 80%이상 감소하는 것으로 나타나고 있다. 그리고 요소수는 정성적인 확인결과 사용량이 1/3정도 감소하는 것으로 확인되고 있다.

보통 수소나 HHO를 보조 연료로 자동차나 동력기관에 사용하는 경우 발표된 수많은 연구 결과들은 보통 공기중에 수소의 양을 최소 1%(10,000ppm)이상 사용하는 것을 기본으로 한다. 이러한 농도의 수소를 사용하여 보통 최대 10% 내외의 효율 향상이 이루어지고 연소 성능향상에 따른 결과로 CO나 미연 탄소 등은 감소한다. 그러나 연소성능 향상에 따른 고온효과로 질소산화물은 보통 증가하는 것으로 보고되고 있다.

그러나 본 발명에서는 초미량의 물 전기분해가스 즉 1%(부피%)에 지나지 않는 10,000ppm 미만의 HHO를 사용하여 효율상승을 도모하는 것이다. 초소량의 HHO를 사용하기에 위에서 언급한 높은 발열량이나 빠른 화염속도와 같은 기존의 변수는 영향력을 발휘할 수 없다. 따라서 이와는 다르게 본 발명의 핵심기전은 물 전기분해에 의하여 발생한 수소와 산소분자가 화염경계면에서 분해되어 발생한 수소와 산소의 라디칼 반응에 의한 것으로 판단하고 있다.

본 발명은 상기한 연소용공기에 HHO를 공급하기 위하여 고분자전해질 (PEM, Polymer Electrolyte Membrane)장치(특허 등록번호 10-2162820)에 의해 제시된 물 전기분해가스 발생장치(장치이름 하이오)를 탑재 또는 설치하여 제공할 수 있다.(도 2)

이렇게 낮은 농도의 HHO가 공기와 혼합되어 공급되지만은 공기와 혼합된 HHO 기체는 화염 경계면에 공급되는 고온열에 의하여 H2 와 O2 분자는 H와 O와 같은 연쇄반응을 위한 라디칼이 형성된다. (도 3. 디젤 확산 화염 모델)

여기서 강조할 사항은 확산화염의 경계 5mm 이내 영역은 탄화수소 연료의 라디칼에 의한 최종 연소반응과 질소산화물의 생성 그리고 CO나 미연탄화수소와 같은 검댕이의 완전연소 등이 동시에 발생하는 지역임을 강조하고자 한다. 그리고 이 영역에서 존재하는 소량의 수소와 산소 라디칼은 연소속도, CO의 완전연소 그리고 NOx의 환원반응 등에 결정적인 역할을 한다.

위에서 언급한 바와 같이 1% 정도의 작은 농도의 HHO가 공급되는데도 불구하고 실질적인 연비향상과 공해물질 저감이 가능한 것은 초희박 농도에서만 가능한 H2-O2 의 빠른 라디칼 반응에 기인한다. 초 희박 상태를 벗어날 때는 오히려 하이드퍼옥시(HO2) 라디칼 존재에 의하여 반응속도가 감소한다.((Turns,S.R.,An Introduction to Combustion , Concepts and Applications ,3rd Ed., 2011) 이러한 반응기전에 대해서는 후에 상세히 언급하기로 하나 이 내용은 본 발명의 핵심 내용이므로 이론 전개의 연속성을 위해서 아래에 그 내용을 간단히 소개한다.

우선 확산 화염 경계면에서 공기와 연료가 만날 때 공기속에 존재하는 HHO 기체 즉 H2-O2 혼합기체는 연소 반응열에 의하여 각각 H 와 O 라디칼을 형성한다. 공기중에서 희박상태로 존재하는 H 와 O 의 라다칼은 아래 (1),(2)와 같은 라디칼 연쇄반응을 일으킨다. 이러한 반응이 화석연료의 빠른 연소반응을 발생시켜 완전연소와 효율상승에 기여하게 된다.

H ₂ - O ₂ Radical Branching and Chain Reaction

(1)

(2)

그러나 위의 라디칼 반응은 수소나 산소의 농도가 높아지거나 또는 질소와 같은 다른 제 3의 분자들(아래 식에서 M)이 많이 존재할 때는 하이드로퍼옥시 라디칼(HO₂)를 생성시킴으로 빠른 라디칼 반응이 종결되어 오히려 연소반응이 느려지게 된다. 아래 식(3)에 빠른 라디칼 연쇄반응을 종결시키는 역할을 하는 하이드로퍼옥시 라디칼 발생식을 제시하였다. 이러한 일련의 H₂ - O₂ 의 반응에 대해서는 후에 상술하기로 한다.

제 3의 분자 M의 존재시에 H2-O2 라디칼 종결반응

(3)

한편 동력기관 등의 연소에서 디젤이나 가솔린과 같은 알칸계 화석연료인 탄화수소는 최종적으로는 일산화탄소와 수소로 분해한다. (도 4)

그러므로 가솔린이나 디젤과 같은 알칸계 연료의 완전연소에는 최종적으로 수소와 CO로 이루어지는 합성가스와 같은 혼합기체의 연소가 고효율 청정연소의 기전으로 부각된다. 이러한 탄화수소의 연소기전은 미연탄소나 일산화탄소와 같은 매연 발생물질의 완전연소와도 일치한다.

알칸계 탄화수소 반응 모델

보통 CxHy로 주어지는 탄화수소는 아래와 같은 간단한 일 단계 반응식으로 표시할 수 있다.

(4)

(5)

그리나 위에 주어진 일 단계 반응식을 세부적으로 설명하면 베타 절단 미캐니즘에 의하여 아래와 같이 에틸렌이나 메탄올 등으로 분해된 다음 최종적으로 수소와 일산화탄소의 연소반응으로 귀결된다.

(6)

(7)

(8)

(9)

이렇게 분해된 일산화탄소는 수증기나 수소분자가 존재하지 않는 단순한 산소나 공기와 같은 산화제 환경에서는 그 반응속도가 매우 느리다. 구체적으로 CO의 완전 연소반응은 아래와 식(10)과 같이 산소만 존재할 때는 그 반응속도가 매우 느리다.

산소만 존재할 때 CO의 느린 산화 반응

(10)

이 경우 하이오에 의하여 공급된 HHO의 수소와 산소 라디칼에 의한 효과는 매우 빠른 반응을 일으키는 촉매와 같은 역할을 하게 된다. 이를 간단히 살펴보자. 그러나 산소와 수소가 라디칼 형태로 존재할 경우 산소와 수소의 라디칼 H 와 O는 라디칼 반응에 의하여 하이드록시 라디칼(OH)과 하이드로퍼옥시(HO₂)라디칼을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 두 라디칼은 아래 식(11)과 (12)에 나타낸 바와같이 CO의 빠른 반응을 일으킨다. CO가 CO₂ 로 완전연소하는 반응은 매연을 감소시키는 완전연소의 차원에서 뿐만 아니라 빠른 열량발생에 의한 동력향상의 차원에서 매우 중요한 역할을 하게 된다. 참고로 CO의 생성엔탈피(-110,529 kJ/kmol)는 CO₂ 의 생성엔탈피(-393,522 kJ/kmol)에 비하여 1/3 이하로 매우 작기 때문에 CO가 CO₂ 로 완전 연소될 때 많은 열량이 발생하며 이것은 동력기관의 빠른 온도상승에 의한 동력 상승에 기여하게 된다.

수소분자 존재시에 CO 의 빠른 연소반응

하이드록시 라디칼에의한 CO의 완전 연소반응

(11)

하이드로퍼옥시 라디칼에의한 CO의 완전 연소반응)

(12)

강조하면 위의 반응이 효과적으로 발생하기 위해 OH (하이드록시 라디칼)나 HO₂ (하이드로퍼옥시)라디칼이 존재해야한다. 이를 위해서는 위에서 언급한 H2 -O2 혼합기체의 일련의 라디칼 반응이 화염 경계면에서 선행되어야 함을 알 수 있다. 이것이 본 발명에서 하이오에 의하여 비록 낮은 농도이기는 하지마는 H₂-O₂ 혼합 기체를 모든 화염 경계면에 지속적으로 공급하는 이유이다.

도 3의 Dec의 디젤화염 모델에서 제시한 바와 같이 질소산화물은 역시 확산화염의 고온의 화염경계면에서 다량으로 발생한다. 도 3에서 맨 외곽 부분은 고온의 화염 경계면으로 Thermal NO가 발생하는 지점이다. 보통 고온에 의한 질소산화물 NO의 생성은 잘 알려진 “extended Zeldovich mechanism”에 의해 주어지며 아래의 대표적인 3 식으로 나타난다.

(13)

(14)

(15)

위의 식에서 Thermal NOx 시작하는 주된 기전은 위의 첫 번째 식(13)이다. 즉 3중 결합으로 이루어진 공기중의 질소분자 N₂가 분해하는 식으로 보통 1,500 K 이상이 되어야 실질적인 반응이 일어난다. 아래 (14),(15) 두 식은 온도가 1,500K보다 낮아도 실질적인 반응이 일어날 수 있다. 그러나 화염온도가 1,500K 이상의 고온이 한 번이라도 형성되지 않으면 아래 (14),(15)식들에서 필요한 질소 라디칼 N이 존재하지 않으므로 질소 라디칼 N에 의한 아래 두 개의 정 반응 식에 나타난 반응은 일어나지 않는다.

그러나 일단 1,500K 이상의 온도에서 첫 번째 반응이 발생한 후 화염 후류 영역에서 온도가 내려갈 경우 두 번째와 세 번째 식의 역반응에서 생성된 NO의 환원 반응이 발생할 가능성이 있다. 이 때 필요 충분조건은 온도의 하강시에 역반응에 필요한 산소와 수소의 라디칼이 반드시 공기중에 존재해야 한다는 것이다.

이러한 이론적 근거의 타당성을 주장하기 위해 Moldovanu 등(2018)가 제시한 자료(도 5 내지 도 5d)를 제시한다.

도 5 내지 도 5d는 엔진 용량 510.7cc AVL 5402 디젤엔진에 대한 열 발생율과 압력상승 등에 따른 온도상승과 NO 발생자료를 크랭크 앵글 CA의 함수로 나타낸 실험과 수치해석자료이다. 도 5의 자료에서 보면 연소반응의 결과로 CA 720도 부근에서 열이 발생함에 따라서 압력과 온도가 급속하게 상승함을 보여주고 있다. 이 때 온도는 900K에서 1700K 이상으로 가파르게 상승하고 있다. 온도가 1500K을 상회하는 시점부터 NO가 급격하게 발생하여 400ppm 이상이 되어 포화상태가 된 이후에는 농도가 변화하지 않고 배출되는 양상을 보여주고 있다.

그러므로 본 발명에서 하이오에서 공급한 HHO는 H와 O 의 라디칼을 온도가 1500K 이하가 되는 화염 후류 영역에서 지속적으로 공급함으로써 질소산화물의 환원을 촉진하는 기회를 가질 수 있게 된다. 그 결과 SCR 장치에서 어느정도 요소수의 소모를 줄일 수 있음을 강조하고자 한다. 본 발명에서는 이러한 기전에 의한 요소수 실질적 절감 사례를 하이오를 부착한 다수의 디젤 차량에서 정성적으로 확인하고 있으며 장거리 로드 테스트에 의한 정량적인 결과를 확인중이다. 아래에 위의 세 식에 대한 보다 정량적인 분석을 위하여 위의 3식에 대한 정반응과 역반응에 대한 반응계수를 아래 식(16)에 나타내었다.

(16a)

위의 식에서 주목해야 할 사항은 질소의 분해가 일어나는 첫번째 식의 정반응 계수 k_1f(활성화에너지 Ea=38,370) 식과 생성된 질소산화물이 환원이 일어나는 두번째와 세번째식의 역반응 계수 k_2r(Ea=20,820)과 k_3r(Ea=24,560)의 활성화 에너지 값이 다른 반응들에 비하여 매우 크다. 따라서 이 들 세 반응은 오직 높은 온도에서만이 실질적 반응이 일어날 수 있다. 구체적으로 다른 반응들의 활성화 에너지는 425, 450, 4,680 등으로 그 값이 상대적으로 작아서 반응속도상수는 온도에 무관하게 일정하게 큰 값을 나타내기에 온도에 따른 반응계수 값의 크기 변화는 없다. 아래 도 6 및 도 6b는 위의 자료에서 1,500K 상하에서 NO 발생이 어떻게 변화하고 있는가를 매우 구체적으로 보여주고 있다.

정속 발전기가 아닌 실제 급가속과 정지를 하면서 주행을 하는 자동차의 경우 HHO 공급 장치를 6개월 이상 장착한 차량에서 공인 연비를 크게 상회하는 결과를 OBD2 스캐너에서 확인할 수 있었다. 따라서 탑재한 물전기분해장치에 의한 초 소량 HHO 의 공기와 균질 혼합에 의한 공급이 연비와 청정 연소에 도움이 될 수 있다는 본 기술과 장치에 대한 성능을 HHO 발생 하이오 장착 차량에 의한 실제 주행에 의하여 구체적으로 확인 하였다.

본 발명의 효과는 디젤 엔진과 같이 산화제와 연료가 확산화염(counter-current diffusion flame)에 유리하지마는 본 발명의 효과가 이러한 순수한 확산화염에 국한되는 것은 아니다. 그 이유는 예혼합 화염의 경우라도 실질적으로 많은 경우 부분 예혼합 화염인 경우가 대부분이기 때문이다.

또한 본 발명은 엔진과 같은 동력기관에 대하여 주로 설명하고 있지마는 연소로, 소각로 또는 화학반응로 등에서 발생하는 일반적인 화염 경계면에서도 공히 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명에서 사용하고 있는 수소의 양에 대하여 실제 경우에 비추어 다음과 같이 설명한다.

만일 가솔린 엔진의 6기통 3,500cc 엔진의 경우 1,500rpm으로 운전하고 1분당 100cc의 HHO를 공급한다고 가정할때 수소/공기의 부피비는 0.007%, 수소/가솔린 질량비는 약 0.008% 그리고 에너지 비는 0.02% 정도이다.

따라서 본 발명의 설명에서는 HHO와 투입되는 공기의 체적비를 기준으로 1% 미만으로 바람직하게는 0.001~0.03 %정도를 투입 기준량으로 삼고 있다.

이러한 자료에 기초하여 기존의 국내와 연구에서 사용된 수소나 HHO에 양과 효율 그리고 공해물질 저감에 대한 전반적인 검토를 하고자 한다. 다음에 기술하는 일련의 논문 연구에서 기술되겠지마는 대부분의 저명한 국내외 연구 문헌에서 사용한 수소의 양은 대부분 1% 이상으로서 본 발명에서 주장하는 1% 미만의 정도의 작은 양의 혼소는 나타나고 있지 않다.

우선 본 발명에서 연료에 대하여 보조 연료로 사용되는 초 저농도 HHO 연료량과 기술적 비교를 위한 평가를 위해서 꿈의 엔진이라고 불리는 HCCI 엔진의 고효율 미캐니즘과 이러한 HCCI 엔진의 문제점을 해결한 Modified HCCI 엔진의 기전을 일차적으로 설명한다.

HCCI 엔진을 우선 설명하는 이유는 HCCI 엔진이 제한된 운전조건의 영역이기는 하나 고효율 엔진과 공해물질 저감을 위한 목적을 달성하여 실용화 직전까지 갔었던 엔진 연소기술이기 때문이다. 이러한 설명을 통하여 본 발명의 극소량 HHO가 어떻게 작용할수 있는지에 대한 이해에 도움이 되기 때문이다.

이러한 설명과정에서 효율적인 연소를 위한 연료량 대비 필요한 수소양에 대한 개념이 본 발명과 어떤 차이를 가지는지를 이해할 수 있다. 그 이후 다양한 연료에 대해 수소나 HHO 를 혼합한 엔진 성능에 대한 문헌 연구를 통해 문헌에 나타난 고효율 기전과 사용 수소량에 대한 검토를 소개한다.

1) 수소 사용양에서 본 개량된 HCCI 엔진 기술과 현재 발명의 차이점

1876년 약 146년 전 Nikolaus Otto의 사행정 엔진의 태동 이래 엔진의 효율 향상은 지구촌 문명의 지속적인 염원이었다. 최근에는 탄소 중립의 관점에서도 효율 향상은 더욱 중차대한 사안으로 부각 되고 있다. 그러나 인류의 다양한 노력에도 불구하고 화석연료를 사용한 동력기관의 효율은 동력과 열을 동시에 사용하는 복합발전의 경우를 제외하면 40%를 크게 상회하지 못하고 있는 실정이다.

최근에 벤즈나 BMW와 같은 유수한 자동차 회사들에 의해 가솔린 엔진과 디젤엔진의 장점을 결합한 HCCI(Homogeneous Charged Compressed Ignition,균일충진 압축점화) 방식을 이용한 엔진이 개발되었다. 이 엔진은 " 꿈의 엔진" 또는 "엔진의 종결자"로 불리며 RPM이 3,000미만의 운전조건에서 기존 엔진의 2배 정도의 엔진 효율을 보였었다.(Motyl,K. and T.J. Rychter , HCCI engine, a preliminary analysis, J. Kones Intern. Combust. Engines 10,pp3~4(2003))

HCCI 엔진의 장점은 공기와 연료의 예혼합(premixing)이 잘된 상태에서 공기과잉의 린번(lean burn) 상태를 견지함으로써 빠른 산화제 공급에의해 연소속도를 증가시킴으로써 동력을 증가시키는 방법이다. 동력발생 dW/dt 는 아래와 같이 이상상태 방정식을 이용하여 나타낼 수 있다.

dW/dt = d(PV)/dt = d(nRT)/dt = nR dT/dt + TR dn/dt ~ nR dT/dt (17)

위의 식에서 연소 방정식의 몰수의 변화 즉 dn/dt 는 그 값이 크지 않으므로 동력발생 dW/dt는 결국 nR dT/dt로 연소생설물의 몰수 n과 온도변화 dT/dt에 비례한다.

우선 연소과정에서 dn/dt 변화가 얼마나 되는지 살펴보기로 하자. 가솔린 연소의 경우로 예를 들면 당량비 조건에서 연소식은 아래와 같다.

(18)

일반적으로 화학반응에서 반응 전후의 몰수는 보존되는 물리량이 아니다. 그러나 공기를 산화제로 사용하는 화학반응에서는 반응에 참가하지 않는 질소량이 79%로서 산소 21%에 비하여 3.76배 많기 때문에 반응 전후의 몰수는 일반적으로 큰 변화를 나타내지 않는다. 위의 가솔린을 대표하는 옥탄 반응식에서 보면 반응전의 반응물의 몰수는 60.5 몰이고 반응후의 반응물의 몰수는 64몰로서 몰수의 증가는 64/60.5 = 1.06으로서 약 6% 정도이다. 그러므로 동력발생의 큰 변화를 나타내는 변수는 온도 변화인 dT/dt라 할수 있다.

여기서 강조할 사항은 dT/dt는 온도의 변화율이지 최고 온도가 절대적으로 얼마나 높은가를 의미하지는 않는다는 사실이다. 이를 살펴보자. 예를들어 1초에 300 K에서 1500K으로 상승한 것과 1.5초에 300K에서 1800K로 상승한 것의 동력발생을 비교하면 전자의 경우는 온도상승율이 (1500-300)/1 = 1200 인데 후자는 (1800-300)/1.5=1000이다. 그러므로 온도가 낮은 1500K 의 경우가 1800K의 경우에 비하여 동력 발생효과가 20% 높다는 사실이다. 또 하나 여기서 강조되어야할 사항은 1500K의 경우는 동력발생 효율도 높지마는 질소분자 N2 의 분해온도인 1500K 보다 높지 않기 때문에 NO 발생이 일어나지 않는다. 이러한 이유 때문에 엔진의 고효율과 저 NOx 기전을 달성하기 위해서는 빠른 화학반응이 필수적임을 알 수 있다. 이 내용을 표로 정리하면 아래와 같다.

[표 3]

[온도 상승률과 최종온도에 따른 동력발생효과와 NOx 발생 기전]

위의 구체적인 예로 볼 때 빠른 반응이 높은 동력 발생에 매우 중요한 변수 임을 알수 있다. 빠른 연소 반응이 발생하기 위해서 고려해야 할 물리적인 변수는 첫째로 (1)공기와 연료의 예혼합 정도이고 둘째로 (2)화석연료 종류나 연료의 혼합에 따른 빠른 화염속도나 넓은 가연영역 그리고 발열량 등을 거론할 수 있다. 그리고 마지막으로 (3)화석연료의 마지막 연소단계는 도4에 나타낸 바와 같이 CO와 H₂가 최종 반응물이다. 이 경우 단순히 산화제로서 산소 분자 O2 만 존재할 경우 아래의 두 반응은 반응속도가 매우 느림을 지적한 바 있다.

(19a)

(19b)

이 경우 빠른 화학반응이 발생하기 위해서는 H₂-O₂ 혼합기체에서 발생한 소량의 수소와 산소 라디칼이 필수적임을 강조한 바 있다. 위의 예에서 만일 H2-O2 혼합기체의 농도가 증가하면 오히려 하이드로 퍼옥시(HO₂) 라디칼 생성에 의하여 전반적인 러디칼 반응속도가 크게 감소함을 강조한 바 있다.

위에선 언급한 빠른 화학반응에 의한 빠른 온도상승에 따른 높은 동력을 발생시키기 위해서는 아래와 같은 조화평균으로 주어지는 전반적인 반응식에서 난류혼합과 화학 반응속도의 변수를 동시에 살펴야 한다.

Overall Reaction Rate(ORR)

(20)

의 식에서 RR1은 연료와 산화제가 난류에 의하여 혼합하는 속도로서 보통 난류혼합속도(turbulent mixing rate)라 한다. 그리고 RR2는 혼합된 연료와 공기의 화학반응식에 의하여 연소되는 속도이다. 보통은 RR1의 혼합속도가 연소 속도에 비하여 order of magnitude 차원에서 매우 늦기 때문에 즉 RR1 << RR2 이다. 그러므로 1/RR2 ~ 0 되므로 일반적으로 ORR 은 1/(/RR1)즉 RR1 에 비례한다. 구체적으로 RR1을 10이라하고 RR2 를 이보다 100배나 빠른 1000이라한다면 위의 ORR은 아래와 같이 주어진다.

Overall Reaction Rate(ORR)

(20)

그러므로 난류혼합속도와 화학반응속도의 조화평균으로 주어지는 전체반응속도 ORR은 속도가 느린 난류혼합속도 RR1에 의하여 결정된다고 할 수 있다. ORR ~ RR1 이라 할 수 있다.

위의 경우를 전반적인 난류반응속도는 산화제와 연료의 혼합속도에 비례한다고 하고 이 경우를 혼합이 이루어지면 바로 연소가 이루어진다는 “and Burn Model”또는 화학반응이 아주 빠르다는 “Chemistry Model”이라한다.

만일 연료와 공기의 혼합성능이 좋고 디젤엔진과 같이 압축에 의하여 다중점화가 일어나는 HCCI 엔진의 경우라면 위의 ORR 식에서 RR1은 공기와 연료의 혼합도가 높아질수록 이 값이 증가한다. 이 혼합도는 일반적으로 린번 상태에서 증가하기 때문에 RR1은 공기량이 증가하면 증가하게 된다. 따라서 연소효율도 증가하게 된다. 그러나 공기량의 증가가 어느 임계값에 다다르게 되면 혼합속도의 증가에 의한 온도상승효과가 공기량 증가에 의한 온도하강 효과보다 작아지게 되고 최종적으로는 화염소멸현상으로 이어지게 된다. 도 9는 가스엔진에서 공연비가 증가함에 따라 효율이 지속적으로 증가하다가 최종적으로 화염이 소멸하는 전형적인 그래프를 보여주고 있다.(도 9)

이러한 공기량 중기에 따른 화염이 소멸하는 부정적인 현상은 엔진의 rpm이나 부하가 커질수록 두드러지게 발생한다. 이런 현상에 대한 반증이 HCCI 엔진에서 3000 rpm 이 넘을 경우 HCCI 엔진의 재대로 작동하지 못하는 현상과 일맥상통한다.

따라서 그 이후 엔진 연구의 주류는 고효율 연구 대신 클린 디젤이나 수소차 분야로 방향이 전환되었다. 그러나 HCCI 엔진분야에서는 HCCI 모드의 높은 RPM에서 화염소멸의 문제을 해결하기 위한 연구가 부분적으로 지속되었다. 그 연구 결과의 하나로 본 특허 발명자는 "Modified HCCI(MHCCI)" 방법을 제시하였다.(Bahng 등, 2015) 이 MHCCI 방법은 높은 RPM상태에서도 작동이 가능한 방법으로 물전기분해로 발생한 소량의 산수소(HHO,H₂+1/2O₂,일명 브라운 가스)를 HCCI 엔진에 혼소하는 방법이었다.

연료가 희박한 린번 상태에서 이러한 HHO의 공급은 난류혼합을 극대화시키면서 화염의 연소속도를 크게 증가시켜 연료 희박 상태이면서 높은 RPM에서 가능한 방법으로 제시되었다. 위에서 언급한 개량된 HCCI엔진 논문과 특허는 본 발명의 전단계로서 예혼합이 잘 된 린번 상태에서 HHO을 설명하는 전 단계 내용이다. (선행 특허 참조 - 엔진 연비향상을 위한 적정 혼소비율의 화석연료와 물전기분해가스 혼합연료; Bahng, G., Jang, D.,Kim Y., and Shin, M., A new technology to overcome the limits of HCCI engine through fuel modification, Applied Thermal Engineering 98, pp. 810-815 (2016))

보다 구체적으로 설명하면 린번 상태에서 공기중에 존재하는 몇% 농도의 산수소의 존재는 HCCI상태에서 산수소(HHO) 빠른 화염속도에 의해 연소실내에 전반적인 연소속도를 크게 증가시키는 결과로 나타났다. 후에 본 발명에 대한 이해를 돕기위해 구체적인 연소방법을 상술하면 화석연료를 60% 정도 감소시켜 충분한 연료 희박상태를 유지시킨 후 감소시킨 화석연료 60%가 가진 열량의 1/20에 해당하는 열량을 산수소의 열량으로 공급하는 방법이다.

그러므로 사용된 총 에너지 양은 화석연료 40%에 60%/20 =3% 가 된다. 그런데 여기서 전기분해에 의한 산수소 발생효율은 전기발전 효율 40%에 전기분해 효율 75%정도로서 전반적므로 0.4 ×0.75 = 0.3 이므로 30%정도이다. 그러므로 화석연료를 60% 저감하고 산수소(H2+1/2 O2)를 3% 투입했을 경우 총 에너지 투입량은 40%+ 3/0.3% =50% 이다. 그러므로 이 경우 꿈의 엔진이라고 불리는 HCCI엔진의 의도한 바의 연비상승의 효과가 높은 RPM에서도 연소 성능이 탁월한 산수소를 부분혼소 함으로써 달성하는 결과를 얻는다. 여기서 오직 1/20의 열량만을 공급하는 이유는 산수소의 연소성이 엔진 연소실험결과 화석연료의 연소성능에 비해 20배 정도로 판단되었기 때문이다. 부언하면 수소는 화석연료에 비해 연소속도가 매우 빨라 역화하는 현상으로 잘 알려져 있으며 또한 산수소는 연소 성능을 저해하는 79%에 해당하는 질소를 포함하고 있지 않다는 점을 거론할 수 있다.

개량된 MHCCI 엔진 연소에서는 60%의 가솔린을 제거하고 제거된 가솔린 연료량의 1/20에 해당하는 3% 정도의 산수소를 공급한다고 하였다. 이때 공급된 산수소의 농도가 투입된 산화제 공기에 비해 얼마나 되는지를 개락적으로 계산해 본다. 가솔린의 1몰당 연소열과 수소의 연소열이 개략적으로 1/20 정도이다. 가솔린 1 몰의 열량을 개략 5,000,000J로 할때 연소시 0.6몰의 1/20의 열량은 개 15만 J이다. 이것을 수소 1몰의 열량 25만 J로 대체할 때 0.6몰 정도의 H2 가 요구된다. 한편 가솔린 1몰이 연소될때 필요 공기량은 100% 연소용공기 조건에서 12.5 *?*=59.5~60 몰이다. 그러므로 개량된 HCCI 엔진에서 공급되는 수소의 농도는 산화제 공기량과 비교하였을때 0.6/60 ~0.01 즉 1% 정도가 됨을 알수있다. 정리하면 개량된 고 효율 HCCI엔진에서는 공급되는 산수소의 열량은 절감되는연료의 1/20에 해당되는 3%정도이고 이때 공급되는 수소의 양은 산화제 공기량의 1%정도가 됨을 알수 있다.

위에서 언급한 바와 같이 MHCCI 엔진에서 공급되는 산수소의 열량은 HCCI 엔진모드 이전에 공급되던 화석 연료 열량의 3%정도이고 산화제 공기량에서 산수소의 농도는 1%정도의 양이다. 그러나 본 발명의 경우 공급되는 산수소의 양은 2,000CC 엔진이 1,200RPM으로 작동할 경우 1분당 60CC 의 HHO가 공급되고 이 때 공기중에 산수소의 농도는 0.01% 농도이다. 그러므로 본 발명은 전에 제시하였던 개량된 HCCI엔진과는 전혀 다른 성격의 특허임을 알수 있다.

2) 수소나 HHO의 가솔린,디젤 그리고 LPG 혼소연구

다음은 수소나 HHO의 가솔린 LPG 그리고 디젤과 같은 액상연료와의 혼소 결과를 제시한다. 그 이후 연료상태가 기체상태인 천연가스와의 혼소결과에 대한 문헌결과를 정리한다. 이러한 혼소 문헌을 검토하는 이유는 다양한 화석연료에 대한 혼소연구에서 수소나 HHO의 사용된 양을 확인하고 그에 따른 동력발생이나 효율상승 그리고 공공해물질 저감 결과에 대한 미캐니즘을 평가하고자 한다.

Premkartikkumar 등(2014)은 HHO기체를 Kirloskar 단기통 DI 디젤 엔진에 1분에 1,100cc와 3,300cc를 각각 주입하였다. 이때 동력은 5.9kw이고 1,800 rpm 그리고 압축비는 17.5로 운전하였다. 그 결과 엔진의 BTE는11.06% 증가하였고 일산화탄소와 미연탄화수소는 각각 15.38%와 18.18% 감소하였다. 그러나 CO₂는 6.06% 질소산화물은 11.19% 증가하였다. 이들은 효율증가의 이유를 수소의 높은 열량, 빠른 화염속도 그리고 산소와 수소 원자 때문이라고 주장하였다.

(Premkartikkumar, S.R. et al, Effectiveness of oxygen enriched hydrogen-HHO gas addition on DI diesel engine performance ,emission and combustion characteristics, Thermal Science 68(1) pp. 259-268, Jan 2014)

Cakmak 등(2021년)은 LPG 단기통 SI 엔진에 대해 HHO가스를 저장 장치가 필요없는 탑재된 물전기분해장치에 의해 직접 실린더로 주입하였다. 이 결과 BTE 12.7% 증가하였고 BSFC는 8.72% 감소하였다. 그리고 대기오염 물질로는 CO와 HC는 8.7%와 21%감소한 반면에 NOx는 6.4%증가하였다. 그리고 희박연소 한계는 공연비 A/F가 1.35에서 1.56으로 15.5% 증가하였다. 이 연구결 과에서 저자가 강조한것은 비록 HHO의 발생에 들어가는 에너지 비용은 효율상승에 따른 에너지 비용을 상회하나 대기오염물질저감에 실질적인 역할을 하고 있다고 보고하였다.

(Cakmak,A., Girisen,A.,and Ozcan,H.,Effects of hydroxy gas addition on performance and emission characteristics of liquefied petroleum gas powered lean operated spark ignition engine, SAE Int'l J. Fuels 14(1) pp.41-54, 2021)

Kazim등은 압축점화 엔진의 경우 최대 효율은 보통 35% 정도에 머무르고 있는데 보통 수소를 보조연료로 주입할경우 효율은 상승하나 수소의 주입량이 일정한계를 지나면 산소량 부족때문에 효율이 떨어지는 반대 현상이 발생한다. 이를 보완하기 위해 전기분해에 의해 발생한 hho를 공기 주입구에 공급하였다. 엔진 크기는 315cc였는데 HHO를 1분당 2,800~4,700cc정도 주입하였다. 이때 2600rpm에서 19.4% 효율상승이 있었다.

(Kazim, A. H. et al, Effect of oxyhydrogen gas induction on the performance of a small capacity diesel engine,Science Progress Vol. 103(2), pp 1-14, 2020)

Aydin과 Kenanoglu 등(2018)은 4기통 3657cc 엔진 주입구에 hho를 주입하여 14%의 연료 절감을 이루었다.

(Aydin K and Kenanoglu R, Effects of hydrogenation of fossil fuels with hydrogen and hydroxy gas on performance and emission of internal combustion engine, Int'l J of Hydrogen Energy43(30), 14047~14058, 2018)

Oh(2017)는 2,000cc급 디젤엔진에서 수소 고급량을 1,000~4,000 cc 범위에서 변화시켜가면서 연비의 변화를 실험하였다. 수소 공급량 1,000cc정도에서 연비개선정도가 1%미만인것으로 나타났다. 이 양은 본 발명에서 주장하는 자동차 엔진에서 사용되는 대표적인 HHO공급량보다 15배 이상많은 것이고 순수 수소량으로 계산하면 22배 많은 양이다.

(Oh Jungmo, Experimental study on combustion and emission characteristics of diesel engine with hydrogen application, Journal of ILASS-Korea, vol.22 issue4, pp. 203-209, 2017)

현대자동차 V6 터보 3500cc GDI 엔진에 대해 수소를 첨가하여 수소첨가 효과를 검토하였다.(1) 에너지 비율로 수소의 양을 0.4 e% 주입하였을 때 연소기간의 크랭크 앵글 (CA) 1.8도 단축되어 작은 변화만을 나타내었으나 수소 에너지 비율을 1.1%로 증가하였을 때 연소기간이 3.5CA 단축되어 보다 가시적인 결과를 나타내었다. 또한 수소의 양을 1.7e%까지 증가시켰을 경우 BSFC(g/kwh)가 최대 8.1%까지 감소하였다. 본발명에서 주장하는 에너지 대표적인 에너지 비율이 0.02e% 이므로 이 연구에서 실질적인 효과가 있다고 주장하는 수소에너지의 양은 본 발명의 양에 50배 이상이다. 참고로 e%는 공급된 수소 연료에너지/총연료에너지 비율을 나타낸다.

(Baek, Hongkil, Lee, S.W.,Kim, Joonsuk, Song, Soonho,Chun, Kwangmin, Investigating Feasibility and Advantage of On-board Fuel Reformer using exhaust heat recovery on turbo gasoline direct injection engine, Asian Conference on Thermal Science, Jeju, Republic of Korea, April 2017)

3) 천연 가스 혼소연구

다음은 압축천연가스에 수소를 혼소하여 SI(spark ignition)엔진에 적용한 사례를 소개한다. 이 자료는 Yan 등(2018)의 리뷰 논문 자료로서 2007년 이후 10년간 천연가스에 수소를 혼소에 대하여 237개의 논문을 인용하였으며 58개의 저명한 천연가스와 수소의 혼소 실험자료에서 수소의 혼소량에 따른 동력 생산과 연비 그리고 공해물질 배출에 대한 광범위하고도 조직적인 리뷰를 실시하였다. 본 발명에서는 이들이 사용한 혼소 수소량에 대한 집중적인 검토를 실시하였다.

(Yan F., L. Xu and Y.Wang, Application of hydrogen enriched natural gas in spark ignition IC engines from fundamental fuel properties to engine performance and emissions, Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol. 82 part 1, pp1457-1488

Feb. 2018)

이들은 수소가 전혀들어가지 않은 Xh2 =0 을 기준으?? 하여 5, 10, 20 % 등으로 수소양을 증가시켜가면서 수소의 양에 따른 동력발생, 에너지 효율, NO 와 매연과 같은 공해물질 발생을 연료의 물성, 공연비, rpm 엔진의 종류 등을 변수로 하여 조사하였다.

도 10은 잉여공기량과 수소의 함량에 따른 천연가스의 SI 엔진에서의 동력발생에 대한 자료이다. 이 때 수소량은 0, 30, 50%로 변화시켰다. 여기서 수소량 0%는 수소를 전혀 혼소하지 않은 기준 자료이다. 위의 자료를 보면 동력발생은 잉여공기량이 1.6 이하에서는 수소양에 따라서 크게 변화하지 않는 양상을 보이다가 공기량이 많아지게 되는 린번조건에서 수소의 양의 증가가 위력적으로 나타남을 보여주고 있다.

도 11은 수소의 양 0%를 기준으로 하여 그 양을 10, 30, 50%로 증가시킬 때 잉여 공기양의 함수로서 에너지효율에 대한 자료이다. 이 자료 역사 위의 자료와 유사하게 잉여공기량이 1.6을 상회할 때부터 연소성능에 급격한 변화를 나타내고 있다. 그러나 공기량이 이 보다 작을 때는 수소량이 10%에서 50%로 증가하여도 에너지 효율에는 가시적인 변화를 나타내고 있지 않다. 이러한 자료에서 알수 있듯이 수소와 천연가스의 많은 혼소자료에서는 수소의 양이 적어도 5~10% 이상을 사용하고 있으며 본 발명에서 사용한 1% 미만의 저농도는 보고되고 있지 않음을 알수 있다.

HHO 에 의한 질소산화물 발생 미캐니즘 분석

공기중 질소에 의한 질소산화물의 발생은 화염의 온도가 1500K 이상일 경우 본격적으로 Thermal NO의 생성이 시작되며 이는 아래 주어진 3개의 Zeldovich 반응식에 의하여 설명된다.

<extended Zeldovich mechanism>

(N.1)

(N.2)

(N.3)

위의 식에서 식(N.1)은 제일 중요한 식으로서 3중 결합을 가진 질소가 고온에서 분해하는 반응식이다. 이렇게 고온에서 질소 분해가 시작됨으로써 Thermal NO의 생성과 환원이 이루어지게 된다.

이렇게 1500K 이상에서 질소기체 N₂가 분해하여 질소 라디칼 N이 생성됨으로써 두 번째 식(N.2)와 세 번째 식(N.3) 반응이 일어나게 된다. 여기서 주목할 사항중의 하나는 3개의 식에서 정반응과 역반응이 존재함으로써 총 6개의 식에서 3개의 활성화에너지는 크고 3개의 활성화 에너지는 작다는 것이다. 여기서 활성화 에너지가 크다는 것은 높은 고온이 되어야만 그 반응이 실질적으로 일어남을 의미한다. 그리고 온도가 상승함에 따라 반응속도가 기하급수적으로 증가하게된다. 반대로 활성화에너지가 작은 경우에는 낮은 온도에서도 실질적으로 큰 반응이 일어나며 온도가 증가하더라도 그 값이 크게 변화하지 않음을 의미한다.

이에 대해서는 아래에 보다 자세하게 토론이 이루어질 것이다. 그리고 식(N3)은 하이드록시 라디칼 OH 가 존재할 때의 반응식이다. 보통 린번 연소에서는 OH 라디칼의 농도가 작기 때문에 매우 작은 값이다. 그러나 공기중에 H₂-O₂ 혼합기체나 수소를 제공하는 경우에는 이들에 의하여 하이드록시 라디칼이 생성될수 있기 때문에 이 반응 역시 본발명에서와 같이 HHO가 공급되는 경우에는 실질적인 반응식으로 고려되어야한다. 보통 단계연소와 같은 NO제어가 없는 연소 상황에서는 위의 Zeldovich 기전에 의한 반응의 결과로 보통 1000~4000ppm의 NOx가 발생한다. 위 3식에 의하여 아래와 같은 일반적인 반응식이 얻어진다.

(N.4)

위의 식(N.4)에서 질소 라디칼의 반응이 매우 빠르다고 가정하면 정상상태에서 그 값을 아래와 같이 구할수 있고 그 결과 식은 최종적으로 아래 (N.5)와 같이 얻어진다.

(N.5)

이 정상상태의 식을 위의 식(N.4)에 대입하면 NO 농도에 관한 보다 간단한 식을 얻을 수 있다. 그러나 여기서는 위의 식을 풀기 보다는 위의 Zeldovich 의 3식이 온도에 따라 그 정반응과 역반응의 반응계수들의 값이 어떠한 물리적인 특성을 가지고 있는지를 고찰하고자 한다. 이를 위하여 아래 식 (N.6)에 3개의 Zeldovich 식에 반응상수를 제시하였다.

그리고 [표 N.1]에 1000~2500 K 온도 범위에서 이 3식에 대한 정반응과 역반응 값을 표로 나타내었다.

[표 N.1] Reaction rate constants of k1,k2 and k3 [m³/kmol · s]

표 N.1에서 활성화에너지를 보면 첫 번째 질소기체 분해 되는 정반응의 활성화 에너지가 제일 크코 두 번째와 세 번째 생성된 NO가 환원되는 역반응의 활성화 에너지가 그 다음으로 큰 값을 가지고 있음을 알수 있다.

이들의 값이 의미하는 바는 온도가 어느 정도 높은 경우에는 NO의 환원 역반응에 필요한 수소(H)와 산소(O)의 라디칼이 존재할 경우 생성된 NO가 환원되는 온도 영역이 존재함을 시사한다.

실제로 도 12에 k1,k2,k3의 반응계수를 계산한 결과 반응온도가 1000~1500K 영역에서 산소와 수소의 라디칼이 적절하게 공급될 경우 실질적인 환원이 가능함을 시사하고 있다.(도 12)

HHO에 의한 일산화탄소 완전 연소기전

CO 즉 일산화탄소의 산화는 탄화수소 연소에서 매우 중요한 최종 반응 중의 하나이다. 일반적으로 탄화수소(HC)가 CO 로 분해되고 다시 CO가 완전 연소되는 과정으로 나누어진다. 그러나 일반적으로 공기중에서 CO의 완전 연소(아래 식(CO.1))는 아주 느린 연소반응으로 화염 영역에서도 마지막으로 CO의 완전연소가 일어나 화염 온도가 크게 상승하게 된다. 그러나 soot 등이 완전 산화가 이루어지는 화염경계면에 미량의 H2 나 H2O 등이 존재할 때는 아래와 같은 라디칼 반응식등에 의하여 매우 빠르게 완전 연소반응이 이루어진다. 아래 식 (CO.2)에서 (CO.6)의 반응식은 HHO가 열분해하여 H 나 O 또는 OH 와 같은 라디칼로 변한것으로서 이들의 작용에 의하여 매우 빠르게 CO 의 완전연소가 이루어진다.

(CO.1)

(CO.2)

(CO.3)

(CO.4)

(CO.5)

(CO.6)

(CO.7)

위에 주어진 CO와 같은 매연 전구체의 반응식들은 H,O,OH와 같은 HHO 혼합기체에 의하여 발생하는 라디칼에 의하여 급속하게 완전 연소반응이 이루어짐을 알수 있다.

본 발명은 물 전기분해가스를 공기와 혼합하여 연소용공기를 형성하는 과정을 수행한다.(1과정)

즉, 본 발명은 물 전기분해가스 발생장치(100)에서 발생한 물 전기분해가스와 에어필터(210)를 통하여 제공된 공기를 연소용공기 혼합장치(200)에 혼합하여 연소용공기를 형성하는 과정을 수행한다.

상기한 연소용공기는 물 전기분해가스가 1% 미만으로 포함된 것이 효과적이며, 더욱 바람직하게는 0.001%(10 ppm)~0.3%(3,000 ppm)로 포함된 연소용공기를 사용하는 것이 연소효과가 현저히 높게 된다.

본 발명은 상기한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 과정을 수행한다.(2과정)

즉, 본 발명은 상기한 연소용공기와 연료공급장치(400)에서 제공하는 연료를 혼합하여 연소장치(300)에서 연소하는 과정을 수행한다.

상기한 연료공급장치(400)에 혼합되는 연소용공기 주입량은 앞서 설명한 바와 같은 이론 공기량에 관한 계산 또는 각각의 연료에 대한 공연비에 의하여 산정하게 된다.

본 발명의 연소방법은 확산화염(diffusion flame)의 공기와의 화염 경계면에 혼합기체를 주입하는 방식을 선호하나 부분적인 예혼합화염의 경우도 가능하다.

본 발명은 상기한 과정을 포함하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법을 제공한다.

<실시예>

본 발명은 물 전기분해가스(HHO, 수산소)를 발생시키는 물 전기분해가스 발생장치(100) 차량 등에 탑재시키거나 발전기 등에 설치함으로써 다양한 자동차에 장착시켜 성능시험을 하였다.

실시에 사용한 물 전기분해가스 발생장치(100)는 하이오(HYO)라고 하며 PEM방법으로 물 전기분해가스를 발생시키며 이와 같은 장치를 차량에 탑재한 후 공기와 혼합하여 연소용공기로 엔진에 주입하게 된다.

물 전기분해가스는 공기에 1%(부피%) 미만으로 주입하였으며 총 연소용공기 중 9000ppm 이하 실질적으로는 50~3000ppm 농도로 주입 설정하여 성능시험을 하였다.

그 결과 지난 2년간(2020년 8월~ 현재) 150 여대 장착 차량의 연비 상승은 디젤과 가솔린 자동차의 경우 20~30% 정도로 나타났다.

아래 표에 대표적인 몇 개 차량의 평균 연비 상승 결과를 제시한다. 장착 후 연비는 특정한 검증 목적으로 가지고 한 자료가 아니라 출 퇴근을 포함한 모든 운행에서 얻어진 복합연비 자료를 평균한 것이다.

[표 1]

[물 전기분해가스를 주입 후의 로드 테스트 복합 연비 비교]

도 7은 구체적으로 공식연비가 13.2 km/L인 2010년 산타페 차량의 90개의 복합연비자료를 그래프로 나타내었다. 이와 동시에 주행 평균 연비를 점선으로 표시하여 공식연비와 상호비교하였다.(도 7)

또한, 주행으로 얻어진 복합 연비는 보수적으로 산정된 공식연비에 비하여 일관성 있게 모두 연비가 좋게 나타나고 있음을 보여주고 있다. 유사한 결과는 자료가 70개인 뉴카니발 차량에서도 나타나고 있다.(도 8)

매연에 대해서는 물 전기분해가스 발생장치(하이오)를 부착한 자동차 중에서 매연검사를 한 자동차는 매연농도 공히 5% 이하의 결과를 얻었다.

앞에서 언급한 바와 같이 하이오에 의하여 공급된 HHO의 수소 등 라디칼에 의한 효과는 일산화탄소 산화에 의한 매연저감 반응에서 매우 빠른 반응을 일으키는 촉매와 같은 역할을 하게 된다. 구체적으로 산소와 수소가 라디칼 형태로 존재할 경우 산소와 수소의 라디칼 H 와 O는 라디칼 반응에 의하여 하이드록시 라디칼(OH)과 하이드로퍼옥시(HO₂)라디칼을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 두 라디칼은 위에서 제시한 식(11)과 (12)에 나타낸 바와 같이 CO의 빠른 산화반응을 일으킨다. 매연의 다른 공급원인 미연탄화수소의 경우는 수소 라디칼의 존재시에 베타 scission 등의 기전에 의하여 빠르게 작은 분자량을 가진 탄화수소로 전환되며 최종적으로는 일산화탄소로 전환되어 위에서 언급한 경로를 거치게 된다.

표 2에 공식적으로 확인이 가능한 자료만을 아래에 정리하였다.

[표 2]하이오 장치 장착 후의 매연 저감 결과

하이오 장착시에 질소산화물 생성이 줄어드는 이론적인 연구를 위에서 상세하게 언급하였다.

실제 트럭의 경우는 종류와 연비에 따라 달라지기는 하지마는 일반적으로 약 600km 당 요소수가 10 리터가 필요하고 승용차의 경우는 1만 ~1만 5000km 당 10 리터가 요구된다. 그러나 하이오를 장착한 차량의 경우 NOx 저감을 위한 SCR(선택적 촉매 환원장치) 장치를 부착한 차량은 대략 요소수 사용량이 약 1/3정도가 감소하는 경험인 결과를 보여주고 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 하이오에 의하여 연료에 공급된 HHO의 수소 등의 라디칼에 의한 효과는 일산화탄소 산화에 의한 매연저감 반응에서 매우 빠른 반응을 일으키는 촉매와 같은 역할을 하게 된다.

구체적으로 산소와 수소가 라디칼 형태로 존재할 경우 산소와 수소의 라디칼 H 와 O는 라디칼 반응에 의하여 하이드록시 라디칼(OH)과 하이드로퍼옥시(HO₂)라디칼을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 두 라디칼은 위에서 제시한 식(11)과 (12)에 나타낸 바와 같이 CO의 빠른 산화반응을 일으킨다.

매연의 다른 공급원인 미연탄화수소의 경우는 수소 라디칼의 존재시에 베타 scission 등의 기전에 의하여 빠르게 작은 분자량을 가진 탄화수소로 전환되며 최종적으로는 일산화탄소로 전환되어 위에서 언급한 경로를 거치게 된다.

본 발명에 따른 1% 미만의 물 전기분해가스를 연소용공기에 혼합하여 연소를 하는 경우 질소산화물 생성이 줄어드는 작용과 기재는 위에서 상세하게 언급하였다.

실제 트럭의 경우는 종류와 연비에 따라 달라지기는 하지마는 일반적으로 약 600km 당 요소수가 10 리터가 필요하고 승용차의 경우는 1만 ~1만 5000km 당 10 리터가 요구된다.

그러나 본 발명에 따른 하이오를 장착한 차량(1% 미만의 물 전기분해가스를 연소용공기에 혼합하여 연소를 시키는 경우임)의 경우 NOx 저감을 위한 SCR(선택적 촉매 환원장치) 장치를 부착한 차량은 대략 요소수 사용량이 약 1/3정도가 감소하는 경험인 결과를 보여주고 있다.

이것에 대한 이론적인 설명은 Zeldovich Thermal NO 생성 기전에 의하여 앞에서 상세하게 설명하였다.

본 발명은 상기한 구성과 기능으로 이루어진 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기, 그리고 이와 같은 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 제공한다.

본 발명은 물 전기분해가스를 이용하여 연소하는 엔진, 장치 또는 시스템을 생산, 제조, 판매, 유통, 연구하는 산업에 유용하다.

특히, 본 발명은 물 전기분해가스와 연료를 혼합하여 연소하는 엔진, 장치 또는 시스템을 생산, 제조, 판매, 유통, 연구하는 산업에 유용하다.

물 전기분해가스 발생장치(100),
연소용공기 혼합장치(200),
연소장치(300),
연료공급장치(400),
초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소 시스템(1000),

Claims

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물 전기분해가스 발생장치(100), 연소용공기 혼합장치(200), 연소장치(300), 연료공급장치(400)를 포함하되,
상기한 연소용공기 혼합장치(200)에는 물 전기분해가스가 공기에 100~1000ppm[부피기준] 농도로 포함된 연소용공기가 주입되되,
상기한 농도의 물 전기분해가스는 하이드록시 라디칼(OH)과 하이드로퍼옥시(HO₂)라디칼을 생성하여,
하이드록시 라디칼(OH)에 의한 CO의 완전 연소반응(
)
및,
하이드로퍼옥시 라디칼(HO₂)에 한 CO의 완전 연소반응(
)을 수행하고,
상기한 연소용공기는 이론적인 연소용공기량 Ao의 m배로 연료에 혼합하며,
여기서 m은 0.7~2.0로 구성된 것을 특징으로 하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소 시스템(1000).
물 전기분해가스가 공기에 100~1000ppm[부피기준] 농도로 포함된 연소용공기를 형성하는 과정(1과정),
상기한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 과정을 수행하되,
상기한 농도의 물 전기분해가스는 하이드록시 라디칼(OH)과 하이드로퍼옥시(HO₂)라디칼을 생성하여,
하이드록시 라디칼(OH)에 의한 CO의 완전 연소반응(
)
및,
하이드로퍼옥시 라디칼(HO₂)에 한 CO의 완전 연소반응(
)을 수행하고,
상기한 연소용공기는 이론적인 연소용공기량 Ao의 m배로 연료에 혼합하며,
여기서 m은 0.7~2.0로 구성된 것을 특징으로 하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소방법.