KR102626114B1 - 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관 - Google Patents

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Abstract

연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관으로서, 내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크, 상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터, 외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부, 상기 인젝터에서 분사된 연료 및 상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하는 혼합부, 상기 혼합기를 엔진실린더에 공급하는 흡기 포트, 그리고 상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하고, 상기 생성한 활성산소 기체를 상기 혼합부와 상기 흡기 포트 사이에 주입하는 활성산소 생성부를 포함한다.

Description

연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR SAVING FUEL AND REDUCING EXHAUST GAS EMISSIONS}
본 발명은 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관에 관한 것이다.
현대인에게 자동차를 비롯한 교통수단은 생활을 영위하기 위한 필수품이며, 내연기관은 교통수단에 광범위하게 사용되는 필수적인 구성 요소이다. 그러나, 내연기관에서 동력을 얻기 위해서 사용되는 연료와 연소 과정에서 발생되는 오염물질(예를 들면, C, CnHm , COx, NOx, SOx 등)으로 인해 심각한 환경오염 문제가 발생하고 있다. 내연기관은 통상적으로 석유를 그 연료로 사용하게 되는데, 전세계에 존재하는 수많은 운송수단 개체의 운행과 발전플랜트의 운영으로 석유자원이 고갈되고 있으며 미세먼지와 대기환경오염문제가 매우 심각해지고 있다. 이에 에너지절감과 환경오염 개선을 위한 노력을 경주하고, 점차 대체에너지를 연구하는 추세이지만, 그 대체에너지의 연구가 쉽지 않은 상태이며, 특히 자동차분야에서는 실제 대체에너지를 적용하는데 어려움이 매우 많다.
한편, 내연기관의 이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로, 수소자동차 및 전기자동차 등 새로운 방식의 자동차의 상용화를 고려하고 있으나, 신규충전소의 건립 및 신자동차의 교체 등에 막대한 사회적 비용이 필요한 상황인바, 새로운 유형의 자동차가 도입되어 완전 교체되기까지는 오랜 시간이 걸릴 예정이다. 또한, 하이브리드 방식의 자동차 엔진 등이 연구되고 보급되고 있어 일부 개선은 되고 있지만, 엔진에서의 불완전 연소에 의한 연료의 낭비와 환경오염 문제는 여전히 남아 있는 상태이다. 나아가, 기존에 생산되어 운행되고 있는 차량들에 구비된 내연기관의 경우, 엔진 노화에 따른 불안전 연소에 따른 대기 오염과 연료의 낭비가 발생하며, 이를 해소하기 위한 노력들이 시행하였으나 실제적인 효과나 결실을 보기 어려운 상황이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마 방전을 통해 활성산소 기체를 생성하고, 생성한 활성산소 기체를 공급하여 엔진실린더에서 연료의 완전 연소가 발생하도록 하는 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수소 기체 또는 및 활성수소 기체를 추가적으로 공급하여 엔진실린더에서 연료의 완전 연소가 발생하도록 하는 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 엔진실린더에서 배출되는 배기가스 내 오염성분에 기초하여, 활성산소 기체 및 활성수소 기체의 생성량, 엔진실린더에 공급되는 연료의 양을 조절하는 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내연기관에서 버려지는 에너지를 감소시키거나 혹은 회수하여 활성산소기체 및 활성수소기체를 엔진실린더에 공급하여 에너지 효율을 개선하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크, 상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터, 외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부, 상기 인젝터에서 분사된 연료 및 상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하는 혼합부, 상기 혼합기를 엔진실린더에 공급하는 흡기 포트, 그리고 상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하고, 상기 생성한 활성산소 기체를 상기 혼합부와 상기 흡기 포트 사이에 주입하는 활성산소 생성부를 포함한다.
상기 활성산소 생성부는 상기 제2 흡기관 상에 구현되며, 상기 혼합부로부터 미리 설정된 거리 이내에 위치한다.
상기 제2 흡기관은 상기 제1 흡기관보다 적은 부피 및 내부표면적을 갖는다.
상기 제2 흡기관은 상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 제1 길이를 직경으로 갖고, 상기 연소용 공기가 상기 활성산소 생성부로 진입하는 위치에서 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이를 직경으로 갖고, 상기 활성산소 생성부가 상기 생성한 활성산소 기체를 배출하는 위치에서 상기 제1 길이보다 짧은 제3 길이를 직경으로 갖는다.
상기 제2 흡기관은 상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 상기 활성산소 생성부까지의 제1 거리가 상기 활성산소 생성부로부터 상기 혼합부까지의 제2 거리보다 길다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 상기 혼합부에 수소 기체를 제공하는 수소 제공부를 더 포함하고, 상기 혼합부는 상기 인젝터에서 분사된 연료, 상기 연소용 공기 및 상기 수소 기체를 혼합하여 상기 혼합기를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성하고, 상기 생성된 활성수소 기체를 상기 흡기 포트에 제공하는 활성수소 생성부를 더 포함하고, 상기 흡기 포트는 상기 혼합기 및 상기 활성수소 기체를 상기 엔진실린더에 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 상기 엔진실린더에서 배출된 배기가스를 분석하고, 상기 배기가스에 포함된 오염성분의 농도에 기초하여 상기 활성산소 기체의 생성량을 제어하는 활성산소 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크, 상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터, 외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부, 상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하는 활성산소 생성부, 그리고 상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기 및 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 활성산소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 직접 분사된 연료를 연소시키는 엔진실린더를 포함한다.
상기 활성산소 생성부는 상기 제2 흡기관 상에 구현되며, 상기 엔진실린더로부터 미리 설정된 거리 이내에 위치한다.
상기 제2 흡기관은 상기 제1 흡기관보다 적은 부피 및 내부표면적을 갖는다.
상기 제2 흡기관은 상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 제1 길이를 직경으로 갖고, 상기 연소용 공기가 상기 활성산소 생성부로 진입하는 위치에서 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이를 직경으로 갖고, 상기 활성산소 생성부가 상기 생성한 활성산소 기체를 배출하는 위치에서 상기 제1 길이보다 짧은 제3 길이를 직경으로 갖는다.
상기 제2 흡기관은 상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 상기 활성산소 생성부까지의 제1 거리가 상기 활성산소 생성부로부터 상기 엔진실린더까지의 제2 거리보다 길다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 상기 엔진실린더에 수소 기체를 제공하는 수소 제공부를 더 포함하고, 상기 엔진실린더는 상기 연소용 공기, 상기 활성산소 기체 및 상기 수소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 직접 분사된 연료를 연소시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성하고, 상기 생성된 활성수소 기체를 상기 엔진실린더에 제공하는 활성수소 생성부를 더 포함하고, 상기 엔진실린더는 상기 연소용 공기, 상기 활성산소 기체 및 상기 활성수소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 직접 분사된 연료를 연소시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관은 상기 엔진실린더에서 배출된 배기가스를 분석하고, 상기 배기가스에 포함된 오염성분의 농도에 기초하여 상기 활성산소 기체의 생성량을 제어하는 활성산소 제어부를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 기존의 내연기관의 에너지 효율을 극대화할 수 있고, 불완전 연소를 최대한 억제하여 오염물질 배출을 최소화할 수 있다.
도 1은 기존의 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 2는 활성산소 생성부가 제2 흡기관을 통해 혼합부와 흡기 포트 사이에 활성산소를 주입하는 구체적인 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 활성산소 생성부가 제2 흡기관을 통해 혼합부와 흡기 포트 사이에 활성산소를 주입하는 구체적인 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 활성산소 생성부, 수소 제공부 및 활성수소 생성부가 각각 활성산소, 수소 혹은 활성수소를 제공하는 구체적인 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 내연기관이 엔진실린더에서 배출되는 배기가스 내 오염성분에 기초하여, 활성 산소 기체 및 활성 수소 기체의 생성량, 엔진실린더에 공급되는 연료의 양을 조절하는 구체적인 방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관이 자동차의 정차 여부에 기초하여, 활성 산소 기체 및 활성 수소 기체의 생성량을 조절하는 구체적인 방법을 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 엔진실린더가 복수인 경우 활성산소 생성부가 생성하는 활성산소 기체를 복수의 엔진실린더에 제공하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 제2 흡기관의 다른 실시예를 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 기존의 내연기관을 설명하는 도면이다.
기존의 내연기관의 연료공급경로, 공기흡기, 배기, 각종센서들, 그리고 전자제어장치를 설명하기 위한 구성도를 보여 주고 있다. 사용자는 가속과 감속을 위한 가속페달과 브레이크 페달을 조작하며, 가속시의 제어장치의 주요기능은 연료의 공급과 공기의 유량 (쓰로틀밸브)을 조절이다.
일반적으로 석유는 탄소와 수소를 중심으로 하여 다양한 형태로 조합된 화합물의 혼합체이며, 단일물질과는 달리 일정한 비등점이 없고, 일정한 증류범위를 갖고 있다. 따라서, 증류공정에 의하여 경질성분과 중질성분을 나누어 취득하며 용도에 따라 LPG(액화석유가스), 납사, 휘발유, 등유, 경유, 중유, 윤활유, 아스팔트 등으로 분류된다. 석유는 열량이 높고 불순물이 적어 완전 연소되어 내연 기관의 연료로 쓰일 뿐 아니라, 취사용, 등화용, 각종 보일러의 열원으로서 광범위한 용도로 사용된다. 연료로서의 석유는 액체 그 자체가 직접 불타는 것이 아니라, 석유에서 증발한 기체에 함유된 탄화수소가 공기 속의 산소와 혼합되어 연소하는 것이다. 연료 1kg당 필요한 공기량은 공연비 (공기연료비 : Air-Fuel Ratio, AFR )라 하며 다음과 같이 정의된다.
공연비 (AFR) = mair / mfuel (kg/kgf)= 공기의 질량 / 연료의 질량
실제 연료의 연소반응기구를 단순화하고 일반화하면 1스텝모델과 2스텝모델의 2가지의 모델이 존재하며 2스텝모델을 살펴보면 다음과 같다. 연소반응은 몇 가지 기본적인 연소반응의 합으로 구성된다. 2스텝모델은 연료중의 탄소가 불완전연소로 일차로 일산화탄소가 된 후 이차로 이산화탄소화 반응이 일어나는 모델이다.
(1)
(2)
각 반응의 반응속도율은 다음과 같다.
(6)
(7)
1스텝모델은 상기 2스텝모델을 간소화하여 불완전연소과정 없이 탄소가 산화하여 이산화탄소가 되는 것이다. 가솔린은 파라핀(paraffin)계 [탄화수소가 사슬모양으로 연결되어 있는 탄화수소로서 CnH2n +2로 되어 있음], 나프틴(naphtene)계 [분자구조가 6개의 탄소원자가 고리모양으로 연결되어 있으며, CnH2n으로 되어 있음], 올레핀(olefin)계, 방향족등 약 200여종류의 탄화수소화합물로서 그 중에서 옥탄(C8H18), 이소옥탄(C8H18, 2,2,4- trimethylpentane), n-헵탄(C7H16), 헥산(C6H14), 벤젠(C6H6)등이 주요 성분이다. 따라서, 가솔린은 옥탄 C8H18로 근사화시킬 수 있다. 옥탄의 탄소 수는 8개고 수소 원자 수는 18개 (분자로 하면 9개)이다. 옥탄 1kmol 당 산소 8+9/2=12.5kmol이 필요하다. 따라서 1스텝 모델에 의한 옥탄의 연소반응식은. C8H18 + 12.5(O2 + 3.76 N2) = 8CO2 + 9H2O + 12.5×3.76 N2 이며, 옥탄을 기준으로 한 이론적공연비(Theoretical air-fuel ratio)는 이론적 AFR = 12.5(32+3.76×28) / (8×12+18×1 ) = 15.05 kg/kgf 이며 메탄의 공연비는 274.56/16 = 17.16 kg/kgf 이다. 완전연소를 이루기 위해서 우선 충분한 공기의 공급과 연료와의 이상적인 혼합이 필요하므로 보통 실제의 연소 과정에서는 이론 공기량 보다 많은 공기를 공급하게 된다.이와 같이 초과 공급된 공기를 과잉공기(excess air)라하며 %과잉공기 = ( 실제AFR / 이론적AFR - 1 ) × 100 로 표현된다.
공급되는 공기량이 이론공기량보다 많은 연료-공기 혼합물을 희박(稀薄) 혼합물(weak mixture)이라 하며, 그 반대 경우의 혼합물을 과농(過濃) 혼합물(rich mixture)이라 한다. 과농 혼합물의 경우는 공기가 부족하기 때문에 완전연소를 이룰 수는 없으나, 내연기관의 경우에는, 출력이 어느 정도 증가하기도 한다. 공연비가 이론공연비보다 작은 경우, 즉 연료가 많은 과농상태에서는 불완전연소가 이루어져, 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 카본(C)이 많이 발생한다. 공연비가 이론공연비보다 큰 경우 즉 희박혼합기에서는, HC와 CO의 발생양은 감소하나, 연소의 활성화로 인하여 질소산화물(NOx)가 증가하는데, 특히 연소온도가 2,000C 이상이면 급격히 증가한다. 연소온도는 이론공연비 14.7보다 약간 큰 16 정도에서 최고가 되는 데, 이때, NOx농도 역시 최고가 되며, 공연비 16 ~18 범위에서 연료소비율은 낮아지게 되는데, 즉 연비가 좋아지는 것을 의미한다. 연비가 18 이상이 되면 점점 연소온도가 낮아지면서 NOx 농도가 낮아지고 엔진으로 발생되는 토크도 작아진다. 공연비가 18이상이 되어 연료가 더욱 희박해지면, 이번에는 연료의 상대비율이 적어서 탄화수소의 양이 증가하게 된다. 이와같이 실제 연소되는 연료량이 적어지는 경우, 연소속도가 늦어지고 따라서 연소온도가 낮아져서 NOx의 생성은 낮아진다.
도 1을 참고하면, 기존의 내연기관은 공기 유량 계측기를 통해 공기를 공급받으며, 공기청정기를 통해 공급한 공기를 필터링할 수 있다. 또한, 기존의 내연기관은 연료탱크에 저장된 연료를 연료공급펌프 및 연료필터를 거쳐 연료분사펌프에서 인젝터로 주입한다. 이 경우, 혼합부는 공급받은 공기와 인젝터에서 분사된 연료를 혼합하고 흡기포트를 통해 엔진실린더에 주입하며, 엔진실린더는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 순서로 작동하여 동력에너지를 생성한다. 이와 같이 자동차나 각종 기계장치의 엔진을 작동하기 위해서는 실린더 안에 혼합기를 흡입하고, 혼합기가 연소한 후 연소가스를 분배하는 흡배기 장치가 설치된다.
도 1에 도시된 기존의 내연기관은 연료 사용에 따른 이차적인 문제 즉, 엔진 노화에 따른 불안전 연소에 따른 대기 오염과 연료의 낭비가 심각한 사회 문제로 대두되고 있으며, 이를 해소하기 위한 노력들이 시행하였으나 실제적인 효과나 결실을 보기 어려운 실정이다.
완전연소를 위한 조건은 연소에 필요한 충분한 양의 공기의 공급, 연료와 공기를 잘 혼합시킨 후 연소, 연료 및 공기의 적절한 예열, 적절한 체류시간 유지, 적절한 연소실의 온도 유지 등이 있다.　 그러나, 기존의 내연기관의 구조에서는 단지 공연비를 변화시키거나 공기를 예열하는 방법 이외에는 새로운 방법 등을 구현할 수 없었다.
또한, 연료가 미연소되는 경우, 공연비를 유지하면서 배기가스재순환(Exhauas GAs Recirculation :EGR) 장치를 개발하여 사용하여 왔다. 그러나, 과농 (상대적 과잉연료농도=부족공기농도)의 경우에는 출력은 좋으나 연료소모량이 많고 매연발생이 되며, 희농의(상대적 부족연료농도=과잉공기농도) 경우에는 연료소모량과 매연농도는 감소하나 출력이 떨어지는 단점이 있다. EGR의 경우에는 재손환되는 배기량이 너무 많아지면, 엔진의 출력이 저하되고 연비 또한 나빠자는 단점이 있어 최적화를 해야 하고 장치가 복잡해진다는 단점이 있다.
종래의 자동차기술에서는 내연기관인 엔진에 공급되는 연료와 공기의 비인 공연비를 중요하게 생각했으므로 아직도 내연기관의 에너지 효율이 떨어지고 (30%정도), 미세먼지와 배기가스 문제가 심각하고 해결이 안되고 있다. 즉, 기존에는 에어클리너, 쓰로틀밸브, 공기공급관, 서지탱크, 흡기다기관를 통해 인입되는 공기(산소분자+질소분자)와 연료의 혼합만을 고려하여 엔진실린더에 공급되는 연료와 공기의 비율만을 고려했을 뿐, 연소의 주요 산화제인 산소분자의 라디칼화, 에너지화 또는 연소성 등 연소반응속도를 향상시켜서 연소율을 개선하고 차량 내에 버려지는 에너지를 회수하여 사용하는 방법은 고려하지 않았다. 즉 기존에는, 오로지 공연비만 생각했지, 불완전연소의 원인구명과 불완전연소를 개선하기 위한 산소의 연소성을 향상시키기 위하여 연소반응속도를 회기적으로 개선하는 방법은 전혀 고려하지 않은 것이다. 불완전 연소의 근본적인 원인중의 하나가 식(1)에서 보듯이 내연기관에 공급되는 공기 중에 질소 (N2)가 산소분자에 비하여 과다하게 3.76배정도로 과다하게 섞여서 공급되기 때문이다. 공기 중의 질소는 불순물인데 종래에는 이 질소가 불완전연소와 오염배기가스 배출에 미치는 영향과 중요성에 대해서는 간과하여 왔다. 질소는 고온 순산소 연소공정에 적용될 경우 NOx 발생을 유발하는 문제를 지닌다. 공업용 가열로의 경우 산소부화율 1%당 약 1-3%의 연료절감이 가능하다. 내연기관의 산소부화율을 높일 경우 대폭적인 열효율 향상이 가능하다. 질소의 또 다른 문제는 질소산화물 NOx (x=1,2, 0.5 등)을 형성한다는 것이며, 종래에는 이를 오염배출가스의 중요인자로만 생각했지만, 이외에도 N2는 산소와 결합하여 화합물을 형성함으로써 산소를 소모한다는 것이다. 즉 식(1)에서 N2는 내연기관에 들어갔다 그대로 배출되는 것으로 보여지지만, 고온상태에서는 분해하여 산소와 결합하여 질소화합물을 형성하여 산소의 농도, 즉 산소의 공급을 감소시키고 에너지 효율을 감소시키는 나쁜 효과가 있다. 산소가 부족한 경우, 이는 불완전 연소로 인하여 C, CnHm, CO를 생성하여 미세먼지와 오여배출가스의 주요 원인이 되는 것이다.
불완전연소의 또 다른 이유는 산소분자인데, 산소분자의 경우 연료와의 반응도가 낮으며, 따라서 고온이 되지 않으면 산소분자의 연료간의 반응속도가 떨어지며 완전연소를 이룰 수가 없다는 것이다. 종래에는 이러한 산소분자 대신에 반응성이 매우 높은 활성산소라디칼를 생성하여 공급하는 방법에 대하여는 전혀 생각하지 않은 것이다. 여기서 라디칼이라함은 연소를 촉진하는 산소분자로부터 생성되고 활성화된 중간체종을 의미한다.
이에, 본 명세서는 기존의 내연기관에서의 이러한 문제점을 개선하기 위해서 공기의 흡기라인에 플라즈마 방전장치를 설치하여 활성산소를 공급하여 연소반응을 향상시킴으로써 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관을 제안한다.
또한, 본 명세서는 과제는 수소 기체 또는 및 활성수소 기체를 추가적인 에너지원으로 공급하여 엔진실린더에서 연료를 절감하고 완전 연소가 이루어지도록 하는 내연기관을 제안한다.
또한 본 명세서는 엔진실린더에서 배출되는 배기가스 내 오염성분에 기초하여, 활성산소 기체 및 활성수소 기체의 생성량, 엔진실린더에 공급되는 연료의 양을 조절하는 내연기관을 제안한다.
또한 본 명세서는 상기한 활성산소기체 및 활성수소기체 관련된 장치와 방법들을 내연기관에서 버려지는 에너지를 회수하거나 혹은 감소시키는 방법과 결합하여 엔진실린더에 공급함으로써 에너지 효율을 개선하는 방법을 제안한다.
상기한 바와 같이 고농도의 활성산소라디칼를 생성하여 내연기관내부에 최적의 상태로 공급하는 것이 중요하며 본 발명에서는 이러한 플라즈마 방법을 개시한다. 구체적으로, 플라즈마는 제4상태의 물질(The Fourth State of Matter)로서, 전자, 이온, 중성자, 양자 등이 섞여있는 상태를 의미한다. 활성산소 생성부(160)가 플라즈마를 방전시키면 고주파에 의하여 전자가 선택적으로 에너지를 얻어 고준위의 에너지 상태가 되며, 원료기체 (중성자)와 충돌하여 더욱 더 많은 전자와 음이온, 양이온, 각종 원자, 분자와 원자간에 합성화된 중성자, 그리고 각 중성자등의 활성화된 상태의 활성라디칼 등이 발생된다. 통상적으로 이온이나 전자들과 같은 전하를 띤 입자들은 벽과 같은 물체와 접촉하게 되면, 해당 물체와 표면반응이 발생하여 농도가 감소된다. 이로 인해, 쉬스(Sheath)가 발생하며, 벌크(Bulk) 플라즈마 중심부위에는 전자와 이온이(양 전하입자는 평형상태에 있음) 가장 많이 존재하여 빛을 발하기 때문에 이를 글로우방전(Glow Discharge)라 한다.
참고로, 본 발명에서는 산소와 관련된 반응이 많으므로 산소분자를 예를 들어 설명한다. 활성산소 생성부(160)에서 발생하는 반응들은 하기 화학식 1로 표현할 수 있다.
화학식 1에서, eh 은 고에너지 상태의 전자이고, el 은 고에너지 상태의 전자이며, *가 표시된 원자는 활성화 상태(excitation state)의 원자를 의미한다.
화학식 1에서, (R1)은 산소분자의 활성화반응이며, (R2)는 산소분자의 산소원자로의 분해 반응(Dissociation Reaction)이며, (R3)는 분해된 산소원자의 활성화 반응을 의미한다. (R3)에 따라 활성산소 기체가 생성된다.
또한, 활성산소 기체가 활성화 상태를 유지하기 위해서는 전자의 역할이 매우 중요한데, 활성산소 생성부(160)가 전자를 지속적으로 생성하기 위해선 하기 화학식 2와 같은 이온화 반응을 통하여 추가적인 전자와 양이온이 발생시킨다.
또한 활성산소 생성부(160) 내 산소중성자 (분자, 원자)등은 하기 화학식 3과 같이 전자가 붙어서 음이온 입자 등이 형성될 수도 있다.
공기 중의 산소에 플라즈마 발생장치를 사용하면 기존의 산소분자(O2) 이외에도 전자 (e), 음이온 (O2 -, O-), 양이온(O2 +, O+), 산소원자(O), 오존(O3), 각 중성자의 활성산소라디칼 (활성상태종) (O*, O2 *), 광자(photon) 등을 추가적으로 발생시킬 수 있다.
상기한 플라즈마 상태에서 산소 분자로부터 분해되어 나온 활성산소라디칼들과 산소 분자의 반응활성도를 보면 O* > O > O3 > O2 * > O2 순서대로이다. 산소원자(O) 혹은 산소분자(O2)는 기저상태보다는 활성화된 상태의 원자(O*)나 분자(O2 *)가 반응속도가 더 좋은데, 그 이유는 전자의 충돌에 의하여 기저상태의 산소원자(O)나 산소분자(O2)보다 에너지준위가 더 높기 때문이다. 따라서, 기존에 보통의 에너지 상태의 산소분자가 유입되는 것보다,　산소분자가 분해되어 반응성이 높은 산소원자(O)나 산소원자의 활성라디칼 상태(O*) 혹은 산소분자의 활성라디칼 상태(O2 *)로 들어가는 것이 기존에 산소분자만 공급되는 경우보다 연소율을 높일 수 있는 것이다. 참고로, 산소분자와 산소원자의 확산계수는 다음과 같다.　D1　=　4.45 x 10-2 T1.5/P cm2/sec,　　 D2　 = 3.19 x 10-2 T 1.5/P cm2/sec　　 (T는 절대온도 (단위:K), P는 압력 (단위:Torr).
싱기한 반응활성도를 살펴보면 종래의 내연기관에서는 활성도가 제일 낮은 산소분자 (O2)만을 이용하는 것이다. 물론 내연기관에서 연료가 연소되면서 온도가 올라가 고온에서 산소분자가 분해되어 일부가 산소원자가 발생되어 연소를 촉진하는 작용을 하기도 한다. 그러나 이는 연소의 발열반응열을 이용한 방법으로서 이러한 종래의 기술보다는 산소분자를 전자를 이용하여 분해하여 활성산소라디칼을 만들어 공급하는 것이 훨씬 더 효울적인 방법이며 본 발명에서는 이러한 방법과 장치에 대하여 구제척으로 제안하고자 한다. 상기한 바와 같이 산소분자로부터의 활성산소라디칼들은 O*, O, O3 , O2 * 등이 다양하게 존재하나 대표적인 활성산소종은 산소원자(O)로서 본 명세서에서는 산소원자를 중심으로 기술한다.
그러므로 연소반응 시 제일 중요한 것은 반응도가 높은 산소원자(O), 산소라디칼(O2*, O*)등 활성산소라디칼을 얼마만큼 많이 생성시켜서 내연기관으로 공급되는 과정에서 상기 재결합반응등에 의하여 소멸되지 않고 고농도의 활성산소를 엔진 내부까지 전달할 수 있는 것인가가 관건이다.　 따라서, 플라즈마방전셀 장치를 각 엔진실린더에　가장 가까운 부분에 위치하여 고에너지 상태의 활성산소를 생성시키고, 이를 흡기포트중에 실린더와 가장 가까운 부분에 공급하는 것이 중요하다.
활성산소라디칼의 중요성을 예시하기 위하여 산소원자와 메탄연료의 반응을 예를 들어 설명한다.　 산소분자(O2)와 산소원자(O)의 메탄 (CH4)의 반응속도상수를 온도와의 함수로 표현하면 표 1과 같다.
반응성분 메탄과의 반응속도상수 [ cm3 /molecule/s ]
산소분자 (O2) 6.71×10-11 x exp(-28,606/T)
산소원자 (O) 8.32×10-12 x (T/300)1.56 x exp(-4,267/T)
자동차 엔진의 실린더 내의 연소가스의 온도는 2000~2500℃의 고온과 고압상태이다. 상기한 메탄의 반응속도를 온도 T=2,300 K (약 2,027℃)와　T=2,500 K (약 2,227℃)에서 계산하면 다음과 같다. 표 2는 T=2,300 K와 T=2,500 K에서 산소분자와 산소원자의 반응속도비이고, 표 3은 T=1,500 K　 와　 T=1,700 K에서 산소분자와 산소원자의 반응속도비이다.
온도 (K) T1 = 2,300 K T2 = 2,500 K
산소분자　 (O2) 2.662 x10-16 7.200 x10-16
산소원자　 (O) 3.122 x10-11 3.621 x10-11
산소원자와산소분자의 반응속도비 [KrO / KrO2] 1.173 x105 5.029 x104
(수자화 표기) 117,265 50,293
온도 (K) T2 = 2,000 K T1 = 1500 K
산소분자　 (O2) 4.121 x10-17 4.121 x10-17
산소원자　 (O) 1.900 x10-11 1.900 x10-11
산소원자와산소분자의 반응속도비 [KO/KO2] 4.612 x105 1.701 x107
(수자화 표기) 461,153 17,008,119
산소원자와 산소분자의 반응속도상수비는 T= 2,300 oK와 T= 2,500 oK 에서 각각 11만7천배와 5만배이며, T= 2,000 oK와 T= 1,500 oK에서 각각　46만1천배와 1700만배에 달한다. 즉, 산소원자의 반응속도가 산소분자에 비하여 매우 높다는 것을 알 수 있으며, 온도가 낮아질수록 더 반응속도가 더 크게 차이가 나고 온도에 대한 의존도가 심화됨을 알 수 있다. 뿐만 아니라, T=2,500, 2,300, 2,000, 1,500 K의 각각의 온도에서 산소분자 O2의 반응속도상수 7.200 x10-16, 2.662x10-16, 4.121x10-17, 3.503 x10-19 [ cm3 /molecule/s ] 로서 급격히 감소함을 알 수 있다. 이는 불완전 연소가 일어나서 내연기관이 온도가 낮아지는 요인이 발생하는 경우, 산소분자만 가지고는 불완전연소가 더욱 더 악화됨을 알 수가 있으며, 산소분자만 가지고는 궁극적인 해결방안이 되지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 산소분자만 가지고는 완전연소를 위하여 내연기관의 온도를 올려야 하는데 고온의 경우에 에너지 효율의 감소, 소재, 및 냉각등 심각한 문제가 발생한다.
상기한 바와 같이 산소원자의 반응속도상수가 산소원자의 반응속도상수보다 월등히 크다는 것을 알 수 있으며, 산소원자의 공급이 매우 중요함을 알 수 있다.
또 다른 특징으로서 활성산소를 사용하는 경우 저온공정이 가능하다. 산소원자를 사용하면 산소분자의 반응속도보다 훨씬 빠르기 때문에 훨씬 낮은 온도에서 산소분자의 반응속도를 동일하게 달성할 수 있다.　 예를 들면 T=2300 oK 에서의 산소분자의 메탄과의 반응속도는 2.662x10-16 cm3 /molecule/s인데, 산소원자는 T=395.75 oK에서 이러한 반응속도를 달성할 수 있다. 즉, 산소원자를 사용하면 약 ΔT= 1904 도이나,　상대적으로 낮은 온도에서도 산소분자의 (메탄) 반응속도를 달성할 수 있는 것이다. 이러한 저온에서도 고온에서나 달성할 수 있는 반응속도를 달성할 수 있다는 것이 활성산소 즉, 플라즈마를 사용하는 최대한의 장점이 되는 것이다.　 공정온도를 낮출 수 있다는 것은, (1)고온공정이 불필요하여, 온도를 올릴 필요가 없고, (2) 고온소재를 사용할 필요가 없고 (내구성 좋아지고), (3) 냉각을 적게 해도 되며, (4) 그만큼 버려지는 열이 적어지게 되어 에너지효율이 좋아지고, (5) 고온연소공정에서 발생되는 NOx등 배기가스 배출이 감소하는 점등 경제적으로 그리고 효율성 측면에서 큰 장점이 있다.　　 질소산화물 NOx는 통상적으로 엔진이 고온인 경우에 많이 발생하게 된다. 특히, 디젤 엔진에서는 공기를 매우 압축하여 고온 고압의 연소실에 연료를 분사해서 자연발화 시키므로 가솔린엔진보다 열효율이 뛰어나고, 연비와 토크, 저속에서의 힘등이 우수하다고 알려져 있다.　 본 발명에서는 이러한 종래의 기술인 공기를 압축하여 연소하는 대신에 공기 중의 일부를 플라즈마 방전에 의한 활성산소를 생성하여 엔진실린더의 최측근 (최고로 근접한) 위치에 적절한 형태의 방법으로 공급하는 것을 개시한다. 이러한 방법에 의하여 특별한 공기의 압축이나 연소실 온도를 고온에서 동작할 필요없이 낮은 온도에서도 연료의 완전한 산화, 즉 완전연소가 가능하다. 따라서,　낮은 연소실의 온도에서　연료를 완전연소화함으로써 상대적으로 적은 연료의 양으로 차량의 구동력을 얻으므로 연료절감을 할 수 있다.
또한, 오염배출가스의 측면에서 이러한 것이 종래에 이론공연비보다 높여서 공기를 공급하는 이유이다. 이때에도 공기의 양을 더 주입할 것이 아니라 순수 산소만 공급하는 것이 더 좋다. 이외에도 질소가 공급됨으로써 내연기관의 온도를 낮추는 효과등도 존재한다. 종래의 엔진의 경우에는 C (숫검댕이 즉 미세먼지 soot), CnHm (미연소된 탄화수소화합물; HydroCarbons), CO, NOx, SOx등의 많이 발생하는데 활성산소를 사용하면 이러한 오염배출가스가 감소하게 된다. C, HC, CO 는 대부분 화학연료의 불완전연소에 의하여 발생하므로 활성산소에 의하여 엔진 내부에서 완전연소화 하는 것이 가능하므로, 이러한 배기가스 혹은 미세먼지 농도를 획기적으로 저감시킬 수 있다. 질소산화물 NOx는 전술한바와 같이 질소제거장치를 사용하여 공기중의 질소를 제거하여 공급하거나, 내연기관의 활성산소 사용하여 내연기관의 내부온도를 낮추거나 혹은 활성수소를 사용하여 NOx의 일부를 환원반응에 의하여 배출농도를 낮춤으로써 저감시킬 수 있다. SOx는 내연기관에서 버려지는 폐열을 흡수하여 이를 이용하여 습식흡수장치를 설치하여 저감할 수 있다. 요약하면 본 발명의 목적은 플라즈마에 의한 활성산소와 [활성]수소, 이들 활성기체들의 공급제어장치, 에너지회수장치의 방법등을 독자적 혹은 융합적으로 사용하여, (1) 연료절감, (2) 오염배기가스 (CnHm, CO, NOx, SOX) 및 미세먼지 (C) 저감과 (3)에너지 효율의 극대화 이다.
상기한 바와 같이　내연기관에 활성산소를 많이 넣어 줌에 의하여 연소반응속도를 매우 증가시켜 완전연소를 유도할 수 있을 뿐만 아니라 연소온도를 낮춰서 공정을 개선시킬 수 있으므로, 활성산소가 필수적으로 필요함을 알 수 있다.
상기한 바와 같이 산소원자의 반응속도상수가 산소분자보다 월등히 크다는 것을 알 수 있으며, 산소원자의 공급이 매우 중요함을 알 수 있다.　 따라서 본 발명에서는 플라즈마방전에 의하여 산소원자등을 포함한 활성산소라디칼을 생성하여 자동차의 내연기관에 공급하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 내연기관(100)은 연료탱크(110), 인젝터(120), 질소제거부(130), 혼합부(140), 흡기 포트(150), 활성산소 생성부(160) 및 엔진실린더(170)를 포함한다.
연료탱크(110)는 내연기관(100)에 사용되는 연료를 저장한다.
인젝터(120)는 연료탱크(110)에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사한다.
구체적으로, 인젝터(120)는 연료탱크(110)에 저장된 액체 상태의 연료를 연료탱크(110)에 구비된 연료 펌프를 통해 공급받아 혼합부(140)로 연료를 공급한다.
질소제거부(130)는 외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관(10)을 통해 이동시킨다.
구체적으로, 배기가스 중의 불완전 연소 물질인 질소산화물(NOx)이 발생하는 이유는 공기 중에 존재하는 질소 때문이며, 이중 일부가 연소시 발생하는 열로 인해 일부가 분해되어 산소원자와 결합, 불완전화합물을 형성하여 질소산화물을 생성하기 때문이다. 또한, 질소산화물은 통상적으로 엔진이 고온인 경우에 많이 발생하게 된다. 즉, 외부로부터 유입된 공기를 그대로 혼합부(140)에 제공하는 경우, 공기 중의 질소분자는 고온의 순산소 연소공정에 적용될 경우 질소산화물이 생성될 수 있다 가능한 고농도의 산소 혹은 순수한 산소를 연소공정에 적용하는 목적의 하나는 연소효율을 극대화시키기 위해 미연소분 연료와 연소에 기여하지 않는 불활성기체인 질소의 양을 감소시키는 것이다. 공업용 가열로의 경우 산소부화율 1%당 약 1-3%의 연료절감이 가능하며 산소부화율을 높일 경우 대폭적인 열효율 향상이 가능하다. 식(1)에서 연료 CnHm를 완전하여 연소하여 (m/2) H2O와 nCO2를 배출하여야 하는데 (n+m/4)O2의 산소가 공급되는 양보다 질소N2가 3.76배 더 많은 양이 공급되고 있고, 고온에서 이 질소가 산소와 결합하는 용도로 소모되면, 산소가 충분하지 않게 되어 완전연소의 조건이 성립되지 않는 것이다. 즉 식(1)에서 내연기관에 들어가는 3.76(n+m/4)가 그냥 나오는 것이 아니라 (n+m/4)O2 공급되는 산소와 결합하여 변화하여 질소산화물로 나오게 되고 따라서 이론적인 화학양론식이 달라지게 된다. 이러한 이유로 종래에 연소를 향상시키는 방법으로 이론공연비보다 높여서 공기를 공급하는 방법이 사용되어 왔다. 이때에도 공기의 양을 더 주입할 것이 아니라 순수 산소만 추가적으로 더 공급하거나 이를 활성산소화 하여 공급하는 것이 완전연소를 위하여 더 좋다.
따라서, 순수산소통을 사용하거나 공기공급라인에서 질소분리장치를 통하여 질소를 제거한 후 최대한 순수한 산소를 공급하는 것도 질소산화물인 NOx의 발생을 원천적으로 차단하거나 현저하게 감소시키는 하는 방법이 되겠다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 연소효율을 극대화시키기 위해 순수산소 연소를 위해 불활성기체인 질소의 양을 감소시키는 장치인 질소제거부(130)를 이용한 후 이를 플라즈마방전장치로 활성 산소를 생성하여 내연기관의 최측근에 공급하여 내연기관의 완전연소를 유도하다. 엔진의 앞단에서 이렇게 선제적으로 처리를 하는 경우, N2를 분리하여 제거 혹은 감소시키고 활성산소에 의하여 내연기관의 온도를 낮추어 NOx의 배출가스농도를 현저하게 감소시키고, 활성산소에 의하여 미연소된 C, CnHm 와 CO를 현저하게 감소시킬 수 있다. 따라서, 오염배기가스를 규제치 이하로 배출되는 것을 방지하기 위하여 엔진 후위의 배기가스 배출부에 설치되는 산화촉매 혹은 삼원촉매등이 필수불가결하게 필요한 것은 아니며, 다만, 만약에 누출되는 경우를 대비하기 위한 요소로 사용될 것이며, 이러한 촉매들의 수명 역시 매우 향상될 것이다. 즉, 완전연소를 통하여 오염배출가스과 미세먼지를 없에거나 저감하는 방법에 의하여 궁극적으로는 이러한 촉매들의 사용을 불필요하게 하는 것이 본 발명의 목적중의 하나이다.
도 2와 상기한 바와 같은 이유로, 질소제거부(130)를 혼합부(140) 전에 사전 배치한다. 이 경우 질소제거부(1330)는 질소 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착제인 제올라이트 및 탄소분자체(Carbon Molecular Sieve, CMS)를 혼합하여 사용하는 흡착층(Adsorption Bed)을 이용하여 공기 내 질소 분자를 흡착 제거할 수 있다. 혹은 인입되는 공기를 초저온장치를 통화하도록 하여 고속으로 초저온인 -200 ℃ 이하로 냉동한 후, 비등점이 -195.8 ℃인 질소와 비등점이 -183℃ 인 산소를 비등점 차이를 이용하여 분별증류함으로써 공기로부터 질소를 분리 제거한 후 산소만을 공급할 수 있다.
질소 제거부(130)는 공기의 주요 공급관(10)에서 질소를 제거하는 장치이며, 이로써 질소가 완전히 제거가 되지 않는다면, 이로부터 소형으로 분기하여 활성산소를 생성하여 공급하고자 하는 공기 공급라인(21)에 제2의 질소 제거부를 추가적으로 사용하여 질소원자의 생성을 최대한 방지하는 것이 바람직하다. 또한 주요 공기공급라인(10)으로부터 제2 흡기관(20)으로 들어가는 공기의 양을 조절하기 위하여, 니들밸브 (미터링밸브), 쓰로틀밸브, 혹은 기체유령조절장치 (Mass Flow Controller, MFC)등을 설치하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 이러한 추자적인 질소제거부 (332)와 기체유량조절장치를 추가적으로 설치하는 방안도 포함하여 개시한다.
혼합부(140)는 인젝터(120)에서 분사된 연료 및 제1 흡기관(10)을 통해 질소제거부(130)로부터 공급받은 연소용 공기를 혼합하여 혼합기를 생성한다.
구체적으로, 혼합부(140)는 인젝터(120)에서 공급한 연료와 제1 흡기관(10)을 통해 질소제거부(130)로부터 공급받은 연소용 공기가 혼합된 혼합기를 생성하고, 생성한 혼합기를 흡기 포트(150)로 전달한다.
흡기 포트(150)는 혼합부(140)로부터 전달받은 혼합기를 엔진실린더(170)로 전달한다.
엔진실린더(170)는 유입되는 혼합기를 이용하여 흡입, 압축, 폭발 및 배기 순서로 동작하여 동력에너지를 생성한다. 동력에너지 생성시 엔진실린더(170)는 혼합기의 연소 결과 발생하는 배기가스를 배출한다.
활성산소 생성부(160)는 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 제2 흡기관(20)을 통해 연소용 공기를 공급받고, 제2 흡기관(20)을 통해 공급받은 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하고, 생성한 활성산소 기체를 혼합부(140)와 흡기 포트 (150)사이에 주입한다.
활성산소를 공급하는 소형분기관은 플라즈마 방전을 통하여 활성기체를 만드므로 가능한 산소를 제외한 모든 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 따라서 소형 분기관에 별도의 질소 제거부를 설치하여 사용한다.
구체적으로, 활성산소 생성부(160)는 제2 흡기관(20)을 통해 공급받은 연소용 공기를 플라즈마를 통해 전처리하여 활성산소 기체를 생성한다. 이 경우, 플라즈마 방전부(130)는 직류, 저주파 (LF : Low Frequency) , 고주파 (RF ; Radio-Frequency) 또는 초고주파(마이크로웨이브 ; MW Microwave ) 방식을 이용하여 플라즈마 방전을 수행할 수 있다.
활성산소 생성부(160)는 각각의 DC, RF (/LF), MW 방법에 의한 플라즈마방전셀(PDC ; Plasma Discharge Cell) 장치를 사용한다. DC 플라즈마 장치는 절연기판에 전극부를 만들어 이에 자동차의 직류전압 (12V 혹은 24V )에서 컨버터로 고전압으로 승압한 후 인가하여 플라즈마를 발생한다. 즉, 절연기판 상에 방전전극과 기저전극 패턴을 면상 형태로 제작하여 사용한다. 면상형태는 직사각형 혹은 원형의 형태로 교번하거나 혹은 스파이럴 형태로 형성하여 제작이 가능하다. DC 를 인가하여 플라즈마를 발생하는 또 다른 방법으로는 미세한 탄소섬유 다발에 음의 고전압 혹은 양의 고전압을 인가하여 음이온 혹은 양이온을 발생하여 공급하는 방법이다. RF PDC (플라즈마방전셀)는 기체관 내부에 기저전극을 절연하여 사용하고 기체관 외부에 코일을 감아 배치한 후 이 코일에 RF 혹은 LF를 인가하여 유도전기장을 이용하여 플라즈마를 발생하는 방법이다. MW 플라즈마방전셀은 동축커넥터와 동축케이블을 통하여 마이크로파전력을 기체관 내부로 전달하는 무전극 방식이다. 정합 ((tuning 혹은 match ing) 하기 위하여 조절단자 (knob)을 설치하여 임피던스매칭을 하여 반사파를 최소화하여 마이크로파 전력을 전달함으로써 이를 플라즈마를 발생하는 에너지원으로 사용한다. 종래의 마그네트론을 사용하는 방법을 지양하여 초고주파를 발생하는 반도체를 사용하여 종래의 크고 무거우며 복잡한 설치 방식을 경박단소화 하여 설치가 가능하다. 뿐만 아니라, 일정범위의 주파수변조가 가능하기 때문에 이러한 주파수변조튜닝방법 (Frequency Variation Tuning Method) 장치를 이용하여 정합하거나 동축임피던스튜닝방법 (Co-Axial Impedance Tuning Method)장치를 사용하여 자동 혹은 수동 방식의 정합이 가능하다. 설치가 용이하고 사용하기가 간편하도록 설계되고 개발된 각 DC, RF, MW 플라즈마방전셀(PDC) 방법과 방치에 관련되어서는 별도 특허로 개시할 예정이다.
활성산소 생성부(160)가 제2 흡기관(20)을 통해 혼합부(140)와 흡기 포트(150) 사이에 활성산소를 주입하는 구체적인 방법은 도 2를 통해 설명한다.
도 3은 활성산소 생성부가 제2 흡기관을 통해 혼합부와 흡기 포트 사이에 활성산소를 주입하는 구체적인 방법을 설명하는 도면이다.
도 3을 참고하면, 활성산소 생성부(160)는 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 제2 흡기관(20) 상에 구현되며, 혼합부(140)로부터 미리 설정된 거리 이내에 위치한다.
이 경우, 제2 흡기관(20)은 제1 흡기관(10)보다 적은 부피 및 내부 표면적을 갖는다.
또한, 제2 흡기관(20)은 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 위치에서 D1을 직경으로 갖고, 연소용 공기가 활성산소 생성부(160)로 진입하는 위치에서 D1보다 긴 D2를 직경으로 갖고, 활성산소 생성부(160)가 생성한 활성산소 기체를 배출하는 위치에서 D1보다 짧은 D3를 직경으로 갖는다.
또한, 제2 흡기관(20)은 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 위치에서 활성산소 생성부(160)까지의 거리 L1가 활성산소 생성부(160)로부터 혼합부(140)까지의 거리 L2보다 길다.
이하, 제2 흡기관(20)이 상기 구조를 갖는 이유에 대해 설명한다.
위에서 설명한 플라즈마 방전에 따라 활성산소 생성부(160) 내 플라즈마 볼륨은 하기 수학식 1로 표현된다.
수학식 1에서, Vp는 활성산소 생성부(160) 내 플라즈마 볼륨이고, D2는 연소용 공기가 활성산소 생성부(160)로 진입하는 위치의 직경이고, L2는 활성산소 생성부(160)의 길이이다.
또한, 활성산소 생성부(160) 내 앰바이폴러확산길이(Ambipolar Diffusion Length)는 하기 수학식 2로 표현된다.
수학식 2에서, Λ는 활성산소 생성부(160) 내 앰바이폴러확산길이이고, D2는 연소용 공기가 활성산소 생성부(160)로 진입하는 위치의 직경이고, L2는 활성산소 생성부(160)의 길이이다.
또한, 활성산소 생성부(160) 내 앰바이폴러확산길이, 유효 전기장 및 전자의 평균 밀도 사이의 관계는 하기 수학식 3으로 표현된다.
수학식 3에서, navg는 활성산소 생성부(160) 내 전자의 평균 밀도, Pod는 활성산소 생성부(160) 내 단위 플라즈마 부피당 파워 강도, Λ는 활성산소 생성부(160) 내 앰바이폴러확산길이, ve는 전자 모멘텀 전달 충돌 주파수(electron momentume collision frequency), P는 활성산소 생성부(160) 내 압력, Eef는 활성산소 생성부(160) 내 유효전기장(Effective Electrical Field)이다.
또한, 활성산소 생성부(160) 내 전자온도, 자기장 및 유효전기장 사이의 관계는 하기 수학식 4로 표현된다.
수학식 4에서, Te는 활성산소 생성부(160) 내 전자온도이고, G는 비선형함수이며, Eef는 활성산소 생성부(160) 내 유효전기장이고, P는 활성산소 생성부(160) 내 압력, B는 P는 활성산소 생성부(160) 내 자기장이다.
또한, 활성산소 생성부(160)에서 유입된 연소용 공기 내 산소 분자가 산소 원자로 해리되는 해리반응속도상수와 활성산소 생성부(160) 내 유효전기장 및 전자온도 사이의 관계는 하기 수학식 5로 표현된다.
수학식 5에서, Kd는 활성산소 생성부(160)에서 유입된 연소용 공기 내 산소 분자가 산소 원자로 해리되는 해리반응속도상수이고, Te는 활성산소 생성부(160) 내 전자온도이고, Eef는 활성산소 생성부(160) 내 유효전기장이다.
수학식 2로부터, D2는 연소용 공기가 활성산소 생성부(160)로 진입하는 위치의 직경이 크면 클수록 활성산소 생성부(160) 내 앰바이폴러확산길이 Λ가 증가하게 된다. 또한, 수학식 3으로부터 활성산소 생성부(160) 내 앰바이폴러확산길이 Λ가 증가하게 되면, 활성산소 생성부(160) 내 유효전기장 Eef가 감소하게 되고, 수학식 4로부터 활성산소 생성부(160) 내 유효전기장 Eef가 감소하게 되면 활성산소 생성부(160) 내 전자온도 Te 또한 감소하게 된다. 또한, 수학식 5로부터 활성산소 생성부(160) 내 유효전기장 Eef 및 활성산소 생성부(160) 내 전자온도 Te가 감소하게 되면, 활성산소 생성부(160)에서 유입된 연소용 공기 내 산소 분자가 산소 원자로 해리되는 해리반응속도상수 Kd 또한 감소하게 된다.
결과적으로, 연소용 공기가 활성산소 생성부(160)로 진입하는 위치의 직경이 크면 클수록 활성산소 생성부(160)에서 생성하는 활성산소 기체의 양 및 농도가 감소하게 되는바, 직경 D2뿐만 아니라, 제2 흡기관(20)을 이루는 D1 및 D3 또한 제1 흡기관(10)의 직경 D0보다 작아야한다.
한편, 활성산소 생성부(160)에 의해 생성된 활성산소 기체는 공기 중에서 다른 중성자 (분자, 원자등) 또는 제2 흡기관(20)의 표면과 반응하여 재결합반응에 의해 감소한다. 구체적으로, 활성산소 기체와 제2 흡기관(20)의 표면과의 반응은 하기 화학식 4로 표현할 수 있다.
화학식 4에서, M은 3중출동시 에너지와 모멘텀 보존을 위한 제3의 중성자(third body)를 의미한다.
또한, 발생한 활성산소 기체가 제2 흡기관(20)의 표면과 반응하는 벽재결합반응(wall recombinatjon rate)은 하기 화학식 5로 표현할 수 있다.
화학식 5에서, W는 제2 흡기관(20)의 내부 표면을 의미한다.　 제2 흡기관(20)의 내부 표면상에서의 반응속도상수인 벽재결합반응속도상수(wall recombination rate constant)를 kw 라고 하면, kw는 하기 수학식 6으로 표현할 수 있다.
수학식 6에서, kw는 제2 흡기관(20)의 내부 표면과 활성산소 기체의 벽재결합반응속도상수이고, w는 제2 흡기관(20)의 벽재결합계수 (wall recombination coefficient)이고, Uo는 제2 흡기관(20) 내 산소원자의 열속도 (thermal velocity)이고, kB는 볼즈만상수 (Boltzmann constant)이고, Tg는 제2 흡기관(20) 내 기체온도이고, Mo는 제2 흡기관(20) 내 산소원자 질량이다.
화학식 4, 화학식 5 및 수학식 6으로부터, 제2 흡기관(20)의 벽재결합계수 또는 제2 흡기관(20) 내 기체온도가 높을수록 벽재결합반응속도상수 kw가 커짐을 알 수 있다. 또한, 활성산소 기체가 제2 흡기관(20)의 내부 표면과 충돌하여 발생하는 재결합반응이므로 제2 흡기관(20)의 내부 표면이 크면 클수록, 즉, 제2 흡기관(20)의 직경 및 길이가 크면 클수록 재결합이 많이 일어나 산소원자가 많이 감소함을 알 수 있다.
결과적으로, 제2 흡기관(20)의 내부 표면이 클수록 활성산소 기체의 양 및 농도가 감소하게 되는바, 활성산소 생성부(160)가 생성한 활성산소 기체를 배출하는 위치의 직경 D3는 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 제2 흡기관(20)의 위치의 직경 D1과 같거나 D1보다 작아야 하며, 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 위치에서 활성산소 생성부(160)까지의 거리 L1보다 활성산소 생성부(160)로부터 혼합부(140)까지의 거리 L2가 짧아야 한다.
또한, 제2 흡기관(20)에서 활성산소 생성부(160)가 구현되는 부분(L2)은 벽재결합계수가 적은 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 구체적으로 벽재결합계수가 1 x 10-3 이하인 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 활성산소 생성부(160)에 의해 생성된 활성산소 기체는 상기 과정에서 설명한 바와 같이 제2 흡기관(20)의 내부 표면과 반응하여 재결합반응에 의해 감소하는바, 제2 흡기관(20)에서 활성산소 생성부(160)로부터 혼합부(140)까지의 부분(L3) 또한 벽재결합계수가 적은 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 구체적으로 벽재결합계수가 1 x 10-3 이하인 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 제2 흡기관(20)에서 활성산소 생성부(160)가 구현되는 부분(L2) 및 제2 흡기관(20)에서 활성산소 생성부(160)로부터 혼합부(140)까지의 부분(L3)은 파이렉스(pyrex), 소다유리(soda glass) 또는 석영(quzrtz) 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
다만, 제2 흡기관(20)에서 활성산소 생성부(160)로부터 혼합부(140)까지의 부분에서 혼합부(140)로부터 일정 거리 이내에 있는 부분(L4)의 경우 유전체 산화물 대신 벽재결합계수가 적은 금속 또는 비금속을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 벽재결합계수가 2.6 x 10-3인 마그네시윰(magnesium) 소재를 이용할 수 있다. 한편, L4의 경우 L3보다 작거나 같을 수 있다.
참고로, 표 4는 여러 소재의 벽재결합계수를 나타내는 표이다.
Material
(소재)		 Wall Recombination
Coefficient
(벽재결합계수)
METALS
(금속)		 silver 2.4 x 10-1
copper 1.7 x 10-1
iron 3.6 x 10-2
nickel 2.8 x 10-2
gold 5.2 x 10-3
magnesium 2.6 x 10-3
NON-METALS
(비금속)		 antimony 8.2 x 10-4
arsenic 4-6 x 10-4
selenium 1.7 x 10-4
OXIDES
(산화물)		 copper 2.0 x 10-2
iron 8.2 x 10-3
nickel 7.7 x 10-3
lead 5.8 x 10-3
magnesium 3-5 x 10-3
aluminium 1.8 ~ 3.4 x 10-3
silica 7.1 x 10-4
boron 2.8 x 10-4
soda glass 3.4 x 10-4
Pyrex 1.2 x 10-4
Pyrex* 3.3 x 10-5
HALIDES
(할로젠화물)		 lithium chloride 1.9 x 10-3
potassium bromide 1.3 x 10-3
patassium iodide 7.4 x 10-4 ~ 3-5 x 10-3
barium chloride 5.7 x 10-4 ~ 1.9 x 10-3
sodium chloride 9.4 x 10-4
potassum fluoride 9.2 x 10-4
potassium chloride 7.8 x 10-4
rubidium chloride 4.5 x 10-4 ~ 2-4 x 10-3
caesium chloride 3.4 x 10-4 ~ 1.6 x 10-3
이와 같이, 플라즈마 방전관의 크기, 방전 전력, 주입 위치 등에 의해 엔진에 공급되는 주입되는 활성산소 농도등이 달라지며 이에 따라 엔진실린더(170)에서의 연료의 연소율과 배기가스 농도가 달라진다.　 즉, 공급되는 활성산소의 농도에 따라 엔진내부의 온도와 연소율이 조절되며, 배기가스의 배출(emission) 농도 등이 조절된다. 따라서 이에 따라 종래의 공연비에 따른 연소온도, 화염온도, 연소압력, 연료소비율(연비), 엔진 토크, 출력,　배기가스의 특성이 모두 달라지는데, 도 2에서 설명한 제2 흡기관(20)을 포함하는 내연기관(100)은 엔진 성능 배기가스의 특성 등을 크게 개선할 수 있다.수소는 1 개의 양성자와 1 개의 전자로 구성된 가장 간단하고 가벼운 원소이며 우주에서 가장 흔한 원소이다. 그러나, 수소는 자연에서 홀로 발견되지는 않으며 항상 산소나 탄소와 결합된 형태로만 발견된다. 따라서 수소를 사용할 때 에너지를 투입하여 순수 수소형태로 바꾸어 주어야 한다. 이런 의미에서 수소에너지는 전기와 마찬가지로 에너지운반체(energy carrier) 또는 2차 에너지이다. 화석연료 고갈 및 환경오염에 대처할 수 있도록 재순환이 가능하고 친환경적인 차세대 에너지원인 수소의 제조, 저장, 이동 및 활용 등의 핵심적인 기술개발이 필요하다. 본 발명에서는 황성산소를 공급하는 방법과 더불어 이러한 수소를 생성하여 수소 혹은 활성수소의 상태로 내연기관에 공급하는 안을 개시한다.
수소는 상온에서 무색, 무취, 무미한 가연성 가스이고, 무독성 기체로서 폭발범위가 매우 넓은 물질이다. 수소는 연소 중 수증기 외의 어떤 공해물질도 배출하지 않고 그 연소 공정을 쉽게 제어할 수 있으며 편리하다는 장점으로 인하여 가장 기본적인 연료로 사용될 수 있어서 오늘날의 전기와 함께 미래의 중요한 에너지 매질이 될 것으로 기대된다.
수소가 연소되면 다음 반응에 의하여 물이 생성된다.
H2 + 1/2 O2 --> H2O , H = -235 kJ = -56.13 kCal (발열반응) (R15)
즉, 수소는 공기중의 불꽃(또는 다른 점화원이)있으면 폭발적으로 연소반응하여 위의 반응에 의해 물이 생성된다. 수소는 상기한 바와 같이 연소 후 물이 생성될 뿐 오염물질이 생성되지 않아 화석연료를 대체할 무공해 에너지원으로 각광받고 있다. 또 연소열도 커 발열량이 석유보다 약 3배가량 높은 효율적인 에너지이다. 이 때문에 적절한 조건으로 통제하면서 수소를 연소시키면 일반 자동차나 가정에서도 에너지원으로 이용할 수 있다.
수소의 경우 400도가 자연발화온도이며, 물도 높은 불꽃온도에서는 플라스마 상태로 존재하지만, 1200정도의 온도에서는 분해되지 않고 과열 수증기 상태로 존재한다. 이미 산화 완료된 물질인 H2O는 완전연소생성물 (산화반응이 완결된 물질)로서 더 이상 산소와 결합하지 않는다. 수소는 공기 중의 산소와 결합하면서 1 그램당 28.68 KCal (117.5 kJ)의 열을 내며 물로 변하게 된다. 산소와 질소의 용적비(몰비)가 21:79인 공기 중에서 수소 연소시 온도는 2,300℃까지 올라가며 산소가 100% 존재하고 있는 곳에서 연소온도는 3,000℃까지 올라간다. 산소가 많이 존재할수록 즉, 질소를 분리 제거한 후 산소농도가 더 높아진 혼합기체의 상태에서 내연기관의 온도가 더 올라감을 알 수가 있다.
활성수소와 활성산소를 반응시켜서 물을 생성하는 반응을 살펴보면 다음과 같다.
2H(g) + O(g) → H2O(g) ,H 2 = - 2 Do-H =(-2x460) = -920 kJ (R21)
여기서 Do- H 는 수소와 산소간의 단일결합에너지이 460 kJ/mol 이다. 상기 반응은 수소 원자와 산소 원자 사이의 새로운 결합이 형성되며 에너지를 방출하는 발열 반응이다. 원자 상태로 연소되는 (R21)의 반응엔탈피(H)의 크기는 -920 kJ로서, 분자상태로 연소되는 (R15)의 -235 KJ/mol보다 3.91배이다. 이러한 많은 에너지가 추가로 나오는 이유는 수소분자와 산소분자를 원자화하는 데 합쳐서 685 KJ/mol의 많은 흡열 에너지가 필요하기 때문이다.
이러한 분자의 원자화는 고온에서나 가능하나 이를 좀 더 용이하게 생성해서 저온에서도 공급하는 방안이 필요하며 본 발명에서는 전기분해, 물기화, 플라즈마등을 사용하여 안을 개시한다.
즉, 이는 기존의 내연기관에 수소를 더 공급하거나, 한 단계 더 나아가 플라즈마방전을 이용하여 수소분자의 형태 대신에 수소원자의 형태로 하여 활성수소로 공급하는 경우, 훨씬 큰 발열반응(R21)으로 인하여 연소가 훨씬 잘 일어날 것임을 알 수가 있다.
상기한 내용을 요약하면, 수소만 추가로 공급하는 경우 공급하는 수소분자 1mol당 -235kJ 열이 더 생성되며, 활성산소와 활성수소를 만들어 공급하여 연소시키는 경우 공급하는 수소원자 2mol당 -920 kJ의 열이 더 생성됨을 알 수 있어 수소를 이용하는 경우, 크게 연료절감을 할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 수소는 연소가능범위가 넓기 때문에 초희박연소가 가능하고, 저부하에서의 열효율을 향상 시킬 수 있을 뿐 아니라, NOx 배출량을 대폭 줄일 수 있다.
본 발명에서는 연료의 완전 연소를 위한 활성산소의 공급과 더불어 공해물질을 배출하지 않는 추가적인 에너지원 혹은 환원제의 역할로서 수소 혹은 활성수소를 생성하여 함께 공급하는 안을 개시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 4를 참고하면, 내연기관(200)은 연료탱크(210), 인젝터(220), 질소제거부(230), 혼합부(240), 흡기 포트(250), 활성산소 생성부(260), 엔진실린더(270), 산소통(280), 전기분해부(281) 및 물기화부(282)를 포함한다.
도 4에서, 연료탱크(210), 인젝터(220), 질소제거부(230), 혼합부(240), 흡기 포트(250) 및 엔진실린더(270)는 도 2와 동일한 기능을 수행하는바, 자세한 설명을 생략한다.
활성산소 생성부(260)는 산소통(280), 전기분해부(281) 또는 물기화부(282) 중 적어도 하나로부터 산소 기체를 공급받고, 공급된 산소 기체에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성한다.
전기분해부(281)는 외부로부터 유입된 물을 전기분해하여 생성된 산소 기체를 활성산소 생성부(260)에 제공한다.
예를 들면, 전기분해부(281)는 외부로부터 유입된 물을 전기 분해할 수 있고, 분리막을 이용하는 경우 산소 기체와 수소 기체가 분리되어 배출되므로, 배출된 산소 기체를 활성산소 생성부(260)에 제공할 수 있다.
물의 전기분해는 다음과 같이 물에다 에너지를 가하여 상기 수소의 연소반응과는 반대의 방향으로 분해반응시키는 것이다.
H2O --> H2 + 1/2 O2 , H = 235 kJ = 56.13 kCal (흡열반응) (R16)
일반적으로 물을 기체로 분해하기 위하여는 상기한 바와 같은 235kJ의 에너지가 필요하다. 물에 NaOH, KOH등 전해질을 가하고 전극을 이용하여 전압을 가해서 산소와 수소로 분해하는 경우 이 분해에너지가 적게 든다. 분해에너지벽을 낮추기 위하여 전해질이 가미된 물을 물전기분해장치에 사용한다. 양극에서는 전자를 받아들여 수소분자로 환원되고 음극에서는 전자를 방출하면서 산소가스가 생성되는 산화환원 반응이 일어나며, 이 반응은 스스로 일어나는 반응이 아니며, (전기)에너지를 필요로 한다.
물을 분해하여 원자상태의 수소와 산소로 공급하는 반응의 경우의 반응경로는 다음과 같다.
H2O(g) → 2H(g) + O(g), H = 920 = 219.89 (흡열반응) (R17)
분자를 활성라디칼 상태인 수소원자와 산소원자로 만드는 데 필요한 에너지는 920KJ 로서 수소분자와 산소분자를 생성하는 데 필요한 235kJ 보다 3.91배나 높은 에너지가 필요하다. 이를 열에너지로 할 공급하려면 많은 열에너지가 필요하게 된다. 그래서 활성수소라디칼(수소원자등)을 공급하기 위하여 에너지원으로서의 수소를 보다 효율적으로 사용하기 위하여 본 발명에서는 2가지를 제시하고자 한다.
첫째, 전해질이 가미된 분리막 전기분해장치에 의하여 발생된 수소와 산소를 플라즈마방전장치를 통과하며, 개별적으로 수소원자화와 산소원자화하여 각각의 공급라인을 통하여 공급하는 방법이 있다. 분리막이 없는 참고로 일반 전기분해장치를 사용하는 경우 수소와 산소가 혼합되어 발생되므로, 이를 (1) 혼합된 분자의 상태로 공급하는 방법이 있고, (2) 혼합된 수소와 산소를 플라즈마 방전장치에 의하여 분해하여 수소원자와 산소원자가 섞여 있는 상태로 공급하는 방법,. 두 번째 방법으로 물을 전기분해하지 않고 물을 기화한 후 플라즈마로 직접 분해하여 수소원자, 산소원자와 각종 라디칼이 섞여 있는 형태로 공급하는 방법이다 [도21]. 수소원자와 산소원자를 분리하여 공급하는 경우, 위치를 다르게 해서 공급하는 방법과 위치를 동시에 공급하는 경우로 나눌 수 있으며, 내연기관에 최근접한 위치에 공급하는 것이 좋다. 수소원자와 산소원자가 섞여 있는 상태로 공급하는 경우에도 활성기체를 생성하자 마자 곧바로 내연기관에 공급하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 이러한 모든 경우를 포함한다.
상기한 원리를 기본으로 하여, 본 발명에서는 물분해장치를 통하여 수소를 추가적인 연료원으로서 공급하고자 한다. 다만, 이러한 수소와 함께, 공기중의 산소분자를 그대로 유입하는 것이 아니라 전술한 플라즈마방전장치에 [MW, RF, LF, DC 파워인가 방식]의하여 산소분자를 고농도, 고에너지의 활성산소라디칼화하고 이를 최대한 많이 발생하여 엔진의 최측근부에 공급하고자 한다.
물분해장치를 이용하여 수소를 공급하는 경우에는 (1) 분리막을 이용한 물분해장치와 일반 물분해장치 등 크게 2가지 경우가 있다. 분리막 물분해장치를 이용하는 경우, 수소와 산소가 분리되어 나오며 일반 물전기분해장치에서는 수소와 산소가 섞여서 나온다.
수소와 산소가 분리되어 나오는 경우, 각각을 별도로 제어하고 활성기체도 별도로 생성하여 개별적으로 공급할 수 있으므로 훨씬 자유롭게 다양한 방법으로 제어할 수 있다. 또한, 플라즈마로 산소원자와 수소원자를 분리 생성하였다고 하더라도 이 수소원자와 산소원자를 동일한 공급관으로 함께 공급하는 경우에 공급되는 도중에 재결합하여 물분자로 돌아갈 가능성이 높아, 분리하여 개별적인 공급라인을 통하여 내연기관에 공급하여 사용하는 것이 좋다. 또한 이런 경우에 중요하게 사용할 산소원자와 수소원자가 감소하소 내연기관 이전의 공급관에서 발열되므로 원래의 목적에 배치된다.
분리막이 없는 일반 전기분해장치에서는 수소와 산소가 섞여서 나온다. 본 발명에서는 다음과 같은 경우로 나눈다. (1)일반 물전기분해장치를 통해서 생성된 수소분자와 산소분자의 혼합기체를 흡기라인의 혼합부에 공급하여 연소를 촉진하는 방법, (2) 일반 물전기분해장치를 통해서 생성된 수소분자와 산소분자의 혼합기체를 플라즈마방전장치를 통하여 활성라디칼인 H, O, OH, HOH (하이드로페록시 라디칼)를 생성하여 흡기포트 (혹은 혼합부)에 공급하여 연료와 혼합하여 연소시킴으로서 연소를 촉진하여 연료절감을 하고자 함을 특징으로 한다.
물기화부(282)는 내연기관(200)에서 발생하는 열에너지를 이용하여 물을 가열시켜 수증기를 생성한다. 구체적으로, 물기화부(282)는 활성산소 생성부(260)에서 플라즈마 방전에 의해 발생되는 열에너지, 엔진실린더(270)에서 유출되는 배기가스에서 발생하는 열에너지 또는 엔진실린더(270) 주변에서 발생한 열에너지 중 적어도 하나를 이용하여 물을 가열시킨다.
예를 들면, 물기화부(282)는 상대적으로 온도가 낮은 방법 순으로 물을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 가열시킬 수 있다. 즉, 직렬법에서는 물기화부(282)는 활성기체 생성부(260)에서 발생한 열에너지, 엔진실린더(270)에서 배출된 배기가스에서 발생하는 열에너지, 엔진실린더(270) 주변에서 발생한 열에너지를 순차적으로 이용하여 순환되는 물의 온도를 높이면서 물을 가열시킬 수 있다.
병렬법에서는 물을 분기하여 동시에 활성기체 생성부(260), 배기가스에서 발생하는 열에너지, 엔진실린더(270)로부터의 열에너지에 연결하여 발생하는 열을 흡수한 후 다시 합쳐서 순환시키는 방식이다.
물기화부(282)는 생성한 수증기를 활성산소 생성부(260)에 제공한다. 수증기를 제공받은 활성산소 생성부(260)는 수증기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성한다. 이 경우, 수증기 내 전자는 선택적으로 에너지를 흡수할 수 있는바 고에너지 전자를 생성할 수 있으며, 고에너지 상태의 전자가 수증기를 분해하기 때문에 용이하게 분해반응을 수행할 수 있다.
수증기 플라즈마 에서의 일어나는 반응은 다음과 같다.
활성산소 (O) 와 활성수소(H) 이외에도 여기상태의 활성기체 (H*, O*, O2 *), OH, HO2 (하이드록페록시 라디랄) , 오존(O3) 등이 발생하는 데 이러한 라디칼들 역시 산소분자에 비하여 반응속도상수가 매우 커서 연소반응을 촉진할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 물의 플라즈마장치를 이용한 방법으로 활성수소-활성산소 혼합기체를 발생시켜 흡기포트에 공급하는 방법을 포함한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도5를 참고하면, 내연기관(300)은 연료탱크(310), 인젝터(320), 질소제거부(330), 혼합부(340), 흡기 포트(350), 활성산소 생성부(360), 엔진실린더(370), 수소통(380), 전기분해부(381), 물기화부(382), 수소 제공부(383) 및 활성수소 생성부(384)를 포함한다.
도 5에서, 연료탱크(310), 인젝터(320), 질소제거부(330), 혼합부(340), 흡기 포트(350), 활성산소 생성부(360) 및 엔진실린더(370)는 도 1과 동일한 기능을 수행하는바, 자세한 설명을 생략한다.
수소 제공부(383)는 수소통(380) 또는 전기분해부(381) 중 적어도 하나로부터 수소 기체를 제공받고, 혼합부(340)에 수소 기체를 제공한다.
이 경우, 전기분해부(381)는 분리막을 이용하여 외부로부터 유입된 물을 분해할 수 있고, 분리막을 이용하는 경우 산소 기체와 수소 기체가 분리되어 배출되므로, 배출된 수소 기체를 수소 제공부(383)에 제공할 수 있다.
수소 제공부(383)가 혼합부(340)에 수소 기체를 제공하면, 혼합부(340)는 인젝터(320)에서 분사된 연료, 연소 공기 및 수소 제공부(383)에 의해 제공된 수소 기체를 혼합하여 혼합기를 생성한다.
수소 기체는 연소가능범위가 넓기 때문에 초희박연소가 가능하며, 저부하에서의 열효율을 향상시킬 수 있는바, 이를 이용하여 혼합기를 생성하는 경우, 에너지 효율을 극대화시키고, 배기가스 내 NOx 배출량을 줄일 수 있다. 본 발명에서는 수소는 수소분자(H2)의 형태로 제공하거나 혹은 수소분자를 플라즈마방전셀 (PDC)을 통과하여 플라즈마 방전에 의하여 활성수소종(H, H*, H2 *; 이중에서 주요성분은 수소원자 H)을 생성하여 이를 공급한다.
활성수소 생성부(384)는 수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성한다. 이 경우, 활성수소 생성부(384)는 수소통(380), 전기분해부(381) 또는 물기화부(382) 중 적어도 하나에서 수소 기체를 공급받고, 수소 기체 내 수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성할 수 있다
활성수소 생성부(384)는 생성된 활성수소 기체를 흡기 포트(350)에 제공하고, 흡기 포트(350)는 혼합기 및 활성수소 기체를 엔진실린더(370)에 공급한다.
한편, 활성산소 생성부(360) 및 활성수소 생성부(384)는 각각의 플라즈마 장치를 별도로 사용하여 개별적으로 제어하며 공급하는 것이 바람직하다. 상기한 2종류의 기체를 1개의 플라즈마방전셀에 스위치 밸브를 사용하거나, 혹은 이중관구조로 되어 있는 플라즈마방전셀의 유전체관를 사용하는 경우에 한 개의 플라즈마 장치를 사용하여 2종류의 활성기체를 생성하여 사용할 수 있다. 해당 플라즈마 장치는 하나의 전력공급장치를 공유하여 활성산소 또는 활성수소 기체 중 하나를 선택하여 발생시킬 수 도 있거나 이중관의 구조를 이용하여 2종류의 활성기체를 각각 별도로 생성이 가능하나 각 플라즈마방전셀에 공급되는 방전 전력의 크기를 조절하는등 개별적인 제어가 어려워 각각의 양을 독립적으로 생성하는 것은 어렵다.
도 6은 도 5의 활성산소 생성부, 수소 제공부 및 활성수소 생성부가 각각 활성산소, 수소 혹은 활성수소를 제공하는 구체적인 방법을 도시한 도면이다.
도 6 a를 참고하면, 활성산소 생성부(360)는 혼합부(340)와 흡기 포트(350) 사이에 활성산소 기체를 공급한다. 혼합기를 먼저 생성하고 먼저 생성된 혼합기와 활성산소 기체를 혼합시킨다. 활성산소 기체는 기상에서 혹은 표면상에서 재결합하여 본래의 분자상태로 돌아가면서 그 활성화된 화학반응도 (chemical reactivity)를 상실하기 쉽다. 따라서, 엔진실린더(370)에서 최대한 근접하게 활성산소 기체를 공급하는 경우 높은 농도의 활성산소 기체를 공급할 수 있으므로, 엔진실린더(370)에서 완전 연소를 더욱더 효과적으로 유발할 수 있다.
수소 제공부(383)가 혼합부(340)에 수소 기체를 제공하면, 혼합부(340)는 인젝터(320)에서 분사된 연료, 연소 공기 및 수소 제공부(383)에 의해 제공된 수소 기체를 혼합하여 혼합기를 생성한다.
한편, 도 6 a에서는 수소 제공부(383)가 수소 기체를 제공하는 위치가 활성산소 생성부(360)가 활성산소 기체를 제공하는 위치보다 뒤에 있으나, 이와 달리 수소 제공부(383)는 활성산소 기체가 제공되는 위치보다 앞쪽에 수소 기체를 제공할 수도 있다.
도 6 b를 참고하면, 활성수소 생성부(384)는 흡기 포트(240)에 활성수소 기체를 공급하여 혼합기를 먼저 생성하고, 생성된 혼합기와 활성수소 기체를 혼합시킨다. 활성수소의 경우 확산계수가 활성산소의 확산계수에 비하여 매우 빠르므로 활성수소는 활성산소의 제공위치보다 뒤쪽에서 제공하는 것도 한 방법이 된다. 그러나, 활성수소 기체를 활성산소 기체가 제공되는 위치보다 앞쪽에 제공할 수도 있다.
도 6을 참고하면, 활성산소와 수소 혹은 활성수소를 함께 공급하는 경우에는, 두 활성기체가 내연기관에 공급되기 이전에 혼합되는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 활성산소는 엔진에 직접 제공하고 수소는 상기한 바와 같이 연료와 혼합하여 제공하고, 활성수소의 경우에는(혼합기와는 별도로)엔진에 최대한 근접한 위치인 흡기포트에 제공한다. 혹은, 활성수소를 엔진에 직접 제공하고, 활성산소를 흡기포트에 제공하는 방법도 있다. 또 다른 방법으로는 활성산소와 활성수소를 각각 독립적인 공급관을 사용하여 엔진에 직접 개별적으로 분리하여 공급하는 방법이다. 활성산소와 활성수소를 엔진에 직접 주입하는 경우는 나중에 좀 더 상세히 기술한다. 본 발명에서는 상기한 모든 경우를 포함하여 제안한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 7을 참고하면, 내연기관(400)은 연료탱크(410), 인젝터(420), 질소제거부(430), 혼합부(440), 흡기 포트(450), 활성산소 생성부(460), 엔진실린더(470), 산소통(480), 전기분해부(481), 물기화부(482), 수소통(483), 수소 제공부(484), 활성수소 생성부(485), 활성산소 제어부(490) 및 활성수소 제어부(491)를 포함한다.
도 7에서, 연료탱크(410), 인젝터(420), 질소제거부(430), 혼합부(440), 흡기 포트(450), 활성산소 생성부(460), 엔진실린더(470), 산소통(480), 전기분해부(481), 물기화부(482), 수소통(483) 및 수소 제공부(484)는 도 1, 도 3 및 도 4와 동일한 기능을 수행하는바, 자세한 설명을 생략한다.
활성산소 제어부(490)는 엔진실린더(470)에서 배출된 배기가스를 분석하고, 배기가스에 포함된 오염성분의 농도에 기초하여 활성산소 기체의 생성량을 제어한다. 여기서 배기가스는 C (숫검댕이 즉 미세먼지), CnHm (미연소된 탄화수소화합물; HydroCarbons), CO, NOx, SOx등을 의미한다.
구체적으로, 활성산소 제어부(490)는 엔진실린더(470)에서 배출된 배기가스를 센서를 통해 수집하고, 수집한 배기가스에 포함된 미연소 연료의 농도, HC의 농도, COx의 농도, NOx의 농도 또는 SOx의 농도 중 적어도 하나를 측정하고, 측정한 농도가 기 설정된 임계값 이상인 경우 활성산소 생성부(460)에 유입되는 연소 공기의 양, 산소통(480)으로부터 유입되는 산소 기체의 양, 전기분해부(481)로부터 유입되는 산소 기체의 양, 물기화부(482)로부터 유입되는 산소 기체의 양 또는 활성산소 생성부(460)에서 발행하는 플라즈마의 파워 중 적어도 하나를 조절하여 활성산소 생성부(460)가 생성하는 활성산소 기체의 생성량을 제어한다.
예를 들면, 활성산소 제어부(490)는 배기가스에 포함된 미연소 연료의 농도가 기 설정된 임계값 이상으로 배출되는 경우, 활성산소 생성부(460)에 유입되는 연소 공기의 양 및 플라즈마의 파워를 증가시켜 엔진실린더(470) 내에서 연료의 완전 연소가 더욱 증가하도록 제어할 수 있다.
활성수소 제어부(490)는 엔진실린더(470)에서 배출된 배기가스를 분석하고, 배기가스에 포함된 오염성분의 농도에 기초하여 활성수소 생성부(485)에서 생성되는 활성수소 기체의 생성량을 제어한다.
구체적으로, 활성수소 제어부(490)는 엔진실린더(470)에서 배출된 배기가스를 센서를 통해 수집하고, 수집한 배기가스에 포함된 미연소 연료의 농도, HC의 농도, COx의 농도, NOx의 농도 또는 SOx의 농도 중 적어도 하나를 측정하고, 측정한 농도가 기 설정된 임계값 이상인 경우 수소통(483)으로부터 유입되는 수소 기체의 양, 전기분해부(481)로부터 유입되는 수소 기체의 양, 물기화부(482)로부터 제공되는 수증기의 양 또는 활성수소 생성부(485)에서 발생하는 플라즈마의 파워 중 적어도 하나를 조절하여 활성수소 생성부(485)가 생성하는 활성수소 기체의 생성량을 제어한다.
예를 들면, 활성수소 제어부(490)는 배기가스에 포함된 미연소 연료의 농도가 기 설정된 임계값 이상인 경우, 수소통(483)으로부터 유입되는 수소 기체의 양 및 플라즈마의 파워를 증가시켜 엔진실린더(470) 내에서 연료의 완전 연소가 더욱 증가하도록 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 8을 참고하면, 내연기관(500)은 연료탱크(510), 인젝터(520), 질소제거부(530), 혼합부(540), 흡기 포트(550), 활성산소 생성부(560) 및 엔진실린더(570)를 포함한다.
연료탱크(510)는 내연기관(500)에 사용되는 연료를 저장한다.
인젝터(520)는 연료탱크(510)에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사한다.
구체적으로, 인젝터(520)는 연료를 엔진실린더(570)에 직접 분사(direct injection)하며, 이 경우 연료분사량을 세밀하게 제어하고 압축비를 높여서 엔진의 효율을 올릴 수 있고, 흡기 포트(550)를 통해 연료를 분사하지 않는바, 연소실에서 필요한 분량만큼만 분사하므로, 연료를 절감할 수 있고, 흡기 포트(550)에 부착되는 탄소의 양을 저감할 수 있다.
질소제거부(530)는 외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소 공기를 생성하고, 생성된 연소 공기를 제1 흡기관(10)을 통해 이동시킨다.
혼합부(540)는 제1 흡기관(10)을 통해 연소 공기를 전달받고, 전달받은 연소 공기를 흡기포트(550)를 통해 엔진실린더(570)로 전달한다.
활성산소 생성부(560)는 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 제2 흡기관(20)을 통해 연소 공기를 공급받고, 제2 흡기관(20)을 통해 공급받은 연소 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성한다.
엔진실린더(570)는 제1 흡기관(10)을 통해 흡기 포트(550)로부터 공급받은 연소 공기 및 제2 흡기관(20)을 통해 활성산소 생성부(560)로부터 공급받은 활성산소 기체를 이용하여 인젝터(520)로부터 직접 분사된 연료를 연소시킨다.
이 경우, 도 3에서 설명한 바와 같이, 활성산소 생성부(560)에서 생성한 활성산소 기체를 효율적으로 처리하기 위해, 활성산소 생성부(560)는 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 제2 흡기관(20) 상에 구현되며, 엔진실린더(570)로부터 미리 설정된 거리 이내에 위치한다.
또한, 제2 흡기관(20)은 제1 흡기관(10)보다 적은 내부표면적 및 부피를 갖는다.
또한, 제2 흡기관(20)은 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 위치에서 R1을 직경으로 갖고, 연소 공기가 활성산소 생성부(560)로 진입하는 위치에서 R1보다 긴 R2를 직경으로 갖고, 활성산소 생성부(560)가 생성한 활성산소 기체를 배출하는 위치에서 R1보다 짧은 R3를 직경으로 갖는다.
또한, 제2 흡기관(20)은 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 위치에서 활성산소 생성부(560)까지의 거리가 활성산소 생성부(560)로부터 엔진실린더(570)까지의 거리보다 길다.
엔진실린더(570)에 연료 및 활성산소 기체를 직접 공급하는 경우, 간접적인 공급 방법에서 발생할 수 있는 기체 손실 등을 최소화할 수 있는바, 에너지 효율을 극대화하며 불완전 연소를 최대한 억제하여 오염물질 배출을 최소화할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 9를 참고하면, 내연기관(600)은 연료탱크(610), 인젝터(620), 질소제거부(630), 혼합부(640), 흡기 포트(650), 활성산소 생성부(660), 엔진실린더(670), 산소통(680), 전기분해부(681) 및 물기화부(682)를 포함한다.
도 9에서, 연료탱크(610), 인젝터(620), 질소제거부(630), 혼합부(640), 흡기 포트(650) 및 엔진실린더(670)는 도 8과 동일한 기능을 수행하는바, 자세한 설명을 생략한다.
또한, 활성산소 생성부(660)는 도 4와 마찬가지로, 산소통(680), 전기분해부(681) 또는 물기화부(682) 중 적어도 하나로부터 산소 기체를 공급받고, 공급된 산소 기체에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 10을 참고하면, 내연기관(700)은 연료탱크(710), 인젝터(720), 질소제거부(730), 혼합부(740), 흡기 포트(750), 활성산소 생성부(760), 엔진실린더(770), 수소통(780), 전기분해부(781), 물기화부(782), 수소 제공부(783) 및 활성수소 생성부(784)를 포함한다.
도 10에서, 연료탱크(710), 인젝터(720), 질소제거부(730), 혼합부(740), 흡기 포트(750) 및 활성산소 생성부(760)는 도 7과 동일한 기능을 수행하는바, 자세한 설명을 생략한다.
수소 제공부(783)는 수소통(780) 또는 전기분해부(781) 중 적어도 하나로부터 수소 기체를 제공받고, 엔진실린더(770)에 수소 기체를 제공한다.
이 경우, 전기분해부(781)는 분리막을 이용하여 외부로부터 유입된 물을 분해할 수 있고, 분리막을 이용하는 경우 산소 기체와 수소 기체가 분리되어 배출되므로, 배출된 수소 기체를 수소 제공부(783)에 제공할 수 있다.
수소 기체를 제공받은 엔진실린더(770)는 연소 공기, 활성산소 기체 및 수소 기체를 이용하여 인젝터(720)로부터 직접 분사된 연료를 연소시킨다.
활성수소 생성부(784)는 수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성한다.
이 경우, 활성수소 생성부(784)는 수소통(780), 전기분해부(781) 또는 물기화부(782) 중 적어도 하나에서 수소 기체를 공급받고, 수소 기체 내 수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성할 수 있다.
활성수소 생성부(784)는 생성된 활성수소 기체를 엔진실린더(770)에 직접 제공한다.
활성수소 기체를 제공받은 엔진실린더(770)는 연소 공기, 활성산소 기체 및 활성수소 기체를 이용하여 인젝터(720)로부터 직접 분사된 연료를 연소시킨다.
상기한 도8 ~도10의 경우에는 연료, 활성산소, 활성수소를 모두 엔진에 직접 공급하는 경우이다. 도4 ~도7의 경우에는 연료, 활성산소, 활성수소를 모두 혼합부 혹은 흡기포트에 급하는 경우이다. 이와는 별도로 여러가지 경우를 조합하여 다음과 같이 살펴 볼 수 있다.
혼합부 흡기포트 엔진
활성산소 x O O
활성수소 x O O
수소 O O O
연료 O O
활성산소와 수소 혹은 활성수소를 함께 공급하는 경우에는, 두 활성기체가 내연기관에 공급되기 이전에 혼합되는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 활성산소는 엔진에 직접 제공하고 수소는 상기한 바와 같이 연료와 혼합하여 제공하고, 활성수소의 경우에는 (혼합기와는 별도로) 엔진에 최대한 근접한 위치인 흡기포트에 제공한다. 혹은, 활성수소를 엔진에 직접 제공하고, 활성산소를 흡기포트에 제공하는 방법도 있다. 또 다른 방법으로는 활성산소와 활성수소를 각각 독립적인 공급관을 사용하여 엔진에 직접 개별적으로 분리하여 공급하는 방법이다. 상기한 경우에 연료는 혼합부 혹은 엔진에 직접 공급하는 경우와 조합이 되겠다. 수소분자를 사용하는 경우에는 수소를 혼합부, 흡기포트, 엔진에 공급하므로 활성수소보다 경우의 수가 한가지의 경우가 더 늘어나게 된다. 물기화장치-수증기플라즈마를 사용하는 경우와 일반전기분해장치 -플라즈마 장치를 사용하는 경우는, 플라즈마장치를 거친 후에 산소원자와 수소원자가 혼합되어서 발생되므로 활성산소-환성수소 혼합기체를 엔진에 최측근 위치인 흡기포트에 공급하거나 혹은 엔진에 직접 분사하여 공급하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에도 연료는 혼합부 쪽에 공급하거나 엔진에 직접 공급하는 경우가 각각의 경우로 가능하다. 또한, 수증기 플라즈마장치와 전기분해장치로부터의 산소제공이 연소를 위하여 필요한 산소의 양을 충분히 공급할 수 있는 경우에는 기존의 공급라인(10)과 질소제거부(130)을 사용하지 않는 것이 가능하다. 본 발명에서는 상기한 모든 경우를 포함하여 제안한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관을 설명하는 도면이다.
도 11을 참고하면, 내연기관(800)은 연료탱크(810), 인젝터(820), 질소제거부(830), 혼합부(840), 흡기 포트(850), 활성산소 생성부(860), 엔진실린더(870), 산소통(880), 전기분해부(881), 물기화부(882), 수소통(883), 수소 제공부(884), 활성수소 생성부(885), 활성산소 제어부(890) 및 활성수소 제어부(891)를 포함한다.
도 11에서, 연료탱크(810), 인젝터(820), 질소제거부(830), 혼합부(840), 흡기 포트(850), 활성산소 생성부(860), 엔진실린더(870), 산소통(880), 전기분해부(881), 물기화부(882), 수소통(883), 수소 제공부(884) 및 활성수소 생성부(885)는 도 8 내지 도 10과 동일한 기능을 수행하는바, 자세한 설명을 생략한다.
또한, 활성산소 제어부(890) 및 활성수소 제어부(891)는 도 6과 동일한 기능을 수행하는바, 자세한 설명을 생략한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 내연기관이 엔진실린더에서 배출되는 배기가스 내 오염성분에 기초하여, 활성 산소 기체 및 활성 수소 기체의 생성량, 엔진실린더에 공급되는 연료의 양을 조절하는 구체적인 방법을 설명하는 도면이다.
도 12에서, 도 2 내지 도 11과 동일한 기능을 수행하는 구성 요소는 자세한 설명을 생략한다.
도 12를 참고하면, 엔진실린더 정보 수집부(990)는 엔진실린더(930)에서 배출된 배기가스를 센서를 통해 수집하고, 수집한 배기가스에 포함된 미연소된 C, 미연소된 탄화수소화합물 HC의 농도, COx의 농도, NOx의 농도 또는 SOx의 농도 중 적어도 하나를 측정한다.
또한, 엔진실린더 정보 수집부(990)는 수집한 배기가스로부터 연소압력과 온도 또는 엔진실린더(930)의 연비 중 적어도 하나를 측정한다.
엔진실린더 정보 수집부(990)는 측정한 값이 기 설정된 임계값 이상인 경우, 활성산소 제어부(960), 활성수소 제어부(970) 또는 연료공급 제어부(980) 중 적어도 하나에 제어신호를 전송한다.
활성산소 제어부(960)는 엔진실린더 정보 수집부(990)로부터 제어신호를 수신한 경우, 산소통(941) 또는 전기분해부(942)로부터 활성산소 생성부(940)에 유입되는 산소 기체의 양, 활성산소 생성부(940)에서 발생하는 플라즈마의 파워 또는 활성산소 생성부(940)에서 제공되는 활성산소 기체의 양 중 적어도 하나를 조절한다.
활성수소 제어부(970)는 엔진실린더 정보 수집부(990)로부터 제어신호를 수신한 경우, 수소통(951) 및 전기분해부(942)로부터 활성수소 생성부(950)에 유입되는 수소 기체의 양, 활성수소 생성부(950)에서 발생하는 플라즈마의 파워 또는 활성수소 생성부(950)에서 제공되는 활성수소 기체의 양 중 적어도 하나를 조절한다.
연료공급 제어부(980)는 엔진실린더 정보 수집부(990)로부터 제어신호를 수신한 경우, 연료탱크(910)에서 인젝터(920)로 유입되는 연료의 양 또는 인젝터(920)에서 엔진실린더(930)로 분사되는 연료의 양 중 적어도 하나를 조절한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관이 자동차의 정차 여부에 기초하여, 활성 산소 기체 및 활성 수소 기체의 생성량을 조절하는 구체적인 방법을 설명하는 도면이다.
도 13에서, 도 2 내지 도 12와 동일한 기능을 수행하는 구성 요소는 자세한 설명을 생략한다.
도 13을 참고하면, 차량 정차 감지부(1100)는 내연기관이 구비된 자동차의 속도를 감지하여 자동차의 정차 여부에 대한 정보를 차량 상태 감지부(1200)로 전송한다.
클러치토크 감지부(1110)는 정차 중인 자동차의 액셀 페달이 동작하는 경우, 클러치 토크를 감지하여 클러치 토크 정보를 차량 상태 감지부(1200)로 전송한다.
속도-가속도 감지부(1120)는 운행 중인 자동차가 가속되면, 속도 및 가속도를 측정하고, 속도 정보 및 가속도 정보를 차량 상태 감지부(1200)로 전송한다.
차량 상태 감지부(1200)는 수신한 정차 여부 정보, 클러치 토크 정보, 속도 정보 및 가속도 정보를 이용하여 자동차의 정차 여부, 속도 등을 결정하고, 결정한 정보에 기초하여 연료공급 제어부(1300), 활성수소 제어부(1400) 또는 활성산소 제어부(1500) 중 적어도 하나에 제어신호를 전송한다.
예를 들면, 자동차가 정차 중인 경우 또는 자동차의 속도가 기 설정된 임계값 미만인 경우, 엔진실린더(1600)에 활성산소 기체, 활성수소 기체 및 연료가 유입될 필요가 없다. 따라서, 차량 상태 감지부(1200)는 자동차가 정차 중이거나 자동차의 속도가 기 설정된 임계값 미만인 경우, 연료공급 제어부(1300), 활성수소 제어부(1400) 또는 활성산소 제어부(1500) 중 적어도 하나에 활성산소 기체, 활성수소 기체 또는 연료의 유입을 중단 혹은 감소시키기 위한 제어신호를 전송할 수 있다.
한편, 도 13에는 도시되지 않았으나, 상기 구성 요소들은 정차 시에는 활성수소 제어부(1400) 또는 활성산소 제어부(1500) 중 어느 하나 혹은 양쪽 재어부를 이용하여 제어하여 활성기체의 공급을 중단한 후 엔진가동을 억제 혹은 완전 중단하는 공회전 제한장치를 혼합하여 사용함으로써 연료절감을 향상할 수 있다.
즉, 정차 시에는 연료절감효과를 극대화할 수 없으므로, 차량의 감속 후 정차 시에 차량정보검출부로부터 이들 신호를 받아 상기한 활성기체제어장치들을 정지시킨 후 공회전제한장치 (Idle Stop & Go Device)와 오토홀드장치가 작동하여 차량의 엔진을 멈춤 동시에 브레이크가 동작하여 안전을 도모하고, 또한, 공회전 제한장치를 구동하여 엔진을 완전히 정지하는 대신에 정차 시에 차량에 탑재된 배터리로부터 전기를 당겨서 최소한의 자동차 제어장치만을 유지하고 연료소모를 정지하는 하이브리드 방식을 사용함으로써 연료절감을 극대화 할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 엔진실린더가 복수인 경우 활성산소 생성부가 생성하는 활성산소 기체를 복수의 엔진실린더에 제공하는 방법을 설명하는 도면이다.
자동차의 엔진은 엔진실린더 수에 따라, 4기통, 6기통 8기통 등으로 명칭된다. 예를 들면, 도 14에서, 엔진실린더(2500)가 제1 엔진실린더(2510), 제2 엔진실린더(2520), 제3 엔진실린더(2530) 및 제4 엔진실린더(2540) 총 4개로 구성되어 있는바, 내연기관(2000)은 4기통 엔진을 갖는다.
활성산소 생성부(2400)에 의해 생성된 활성산소 기체를 엔진실린더(2500)에 공급하는 방법으로, 단일 개수의 활성산소 생성부(2400)로부터 활성산소 기체를 생성하고, 밸브를 통해 혼합부(2200)와 흡기 포트(2300) 사이에 공급되는 활성산소 기체의 양을 조절하며, 각 엔진실린더(2510 내지 2540)가 압축-연소-팽창 공정에 있을 때 밸브를 개방하여 활성산소 기체를 각 엔진실린더(2510 내지 2540)에 공급할 수 있다.
한편, 도 14와 달리, 각 엔진실린더 별로 활성산소 생성부를 구비하고, 밸브를 통해 각 활성산소 생성부에 공급되는 산소 기체의 양을 조절한 후, 각 엔진실린더가 압축-연소-팽창 공정에 있을 때 공급된 산소 기체로부터 활성산소를 만들어 공급할 수도 있다. 이 경우, 도 14와 달리, 개별적으로 조절한다는 장점이 있으나 설치비가 높아지는 단점이 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 제2 흡기관의 다른 실시예를 설명하는 도면이다.
도 15를 참고하면, 제2 흡기관(20)은 제1 흡기관(10)으로부터 분리된 위치에서 D1을 직경으로 갖고, 연소용 공기가 활성산소 생성부(160)로 진입하는 위치에서 D1보다 긴 D2를 직경으로 갖는다. 이 경우, D2는 D1의 1.5배 내지 2배에 해당할 수 있다.
활성산소 생성부(160) 이후의 제2 흡기관(21)은 활성산소 생성부(160)로부터 엔진실린더(170) 방향으로 일정 구간(L5)로 갈수록 직경이 점차 줄어들고, L5 이후부터 엔진실린더(170)까지는 직경이 일정하게 유지된다. 즉, 활성산소 생성부(160) 이후의 제2 흡기관(21)의 직경은 L5 구간에서 점차 줄어들며, L5 구간의 끝단의 직경 D5를 L6 및 L7 구간 동안 유지한다.
한편, 활성산소 생성부(160)에서 생성한 활성산소 기체를 엔진실린더(170)에 효과적으로 주입하기 위해, 활성산소 기체를 배출하는 최종단은 나팔관 형태로 구현된다.
또한, 도 3에서 설명한 바와 같이, 활성산소 생성부(160) 및 L5 구간은 파이렉스(pyrex), 소다유리(soda glass) 또는 석영(quzrtz) 중 어느 하나로 구현될 수 있고, 엔진실린더(170)와 인접한 L7 구간은 마그네시윰(magnesium) 소재로 구현될 수 있다. 한편, L6 구간은 유전체관과 금속이 접합하는 구간에 해당한다.
한편, 도 16을 참고하면, 제2 흡기관(20)은 제2 흡기관(20)에서 외부로 분리된 후 다시 제2 흡기관(20) 내부로 삽입되며, 제2 흡기관(20) 내부에서 나선형관 형태로 구성된 제3 흡기관(30)을 포함할 수 있다. 이 경우, 활성산소 생성부(160)는 제3 흡기관(30)을 통해 이동하는 산소 기체에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성할 수 있다. 이 경우, 제2 흡기관(20)에는 밸브가 구성되어 제2 흡기관(20)으로 이동하는 산소 기체의 양을 조절하여 활성산소 생성부(160)에서 공급되는 활성산소 기체의 양을 제어할 수 있다.
제3 흡기관(30)으로 산소 기체를 재분기하는 경우 기체의 유속은 재분기관의 크기가 작아짐으로써 빨리지지만 나선형태로 공급되는바 활성산소 생성부(160) 존에 체류하는 시간이 증가되므로 이 역시 활성산소 생성부(160) 부분에서 직경을 넓히는 경우와 마찬가지로 평균체류시간 증가에 의한 활성산소 증가를 꾀할 수 있다. 즉, 활성산소 생성부(160)에서의 직경은 기존의 관사이즈보다 작으므로 전자온도와 평균전자밀도 등이 증가하여 활성산소 생성을 증가시킬 수 있다. 즉, 활성산소 생성부(160)에서의 직경은 기존의 관사이즈보다 작으므로 전자온도와 평균전자밀도 등이 증가하여 활성산소 생성을 증가시킬 수 있다. 나선형관들의 전체 플라즈마부피의 합은 나선형의 아닌 경우의 관의 플라즈마 부피보다는 작거나 동일하여야 하며, 체류시간만 증가시켜서 활성기체의 양을 증가시키는 방법이다.
석유는 열량이 높고 불순물이 적어 완전 연소되어 내연 기관의 연료로 쓰일 뿐 아니라, 각종 보일러, 취사용, 등화용의 열원으로서 광범위한 용도를 갖고 있다.
따라서, 도 2 내지 도 16에서 설명한 본 발명의 내연기관은 자동차뿐만 아니라, 석유를 연료로 하여 동력에너지를 생성하는 선박, 항공기, 화력발전소 및 가정용 보일러에서 사용되는 내연기관에도 적용할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따르면, 기존의 내연기관의 에너지 효율을 극대화할 수 있고, 불완전 연소를 최대한 억제하여 오염물질 배출을 최소화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관으로서,
    내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 인젝터에서 분사된 연료 및 상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하는 혼합부,
    상기 혼합기를 엔진실린더에 공급하는 흡기 포트, 그리고
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하고, 상기 생성한 활성산소 기체를 상기 혼합부와 상기 흡기 포트 사이에 주입하는 활성산소 생성부를 포함하며,
    상기 활성산소 생성부는
    상기 제2 흡기관 상에 구현되며, 상기 혼합부로부터 미리 설정된 거리 이내에 위치하고,
    상기 연소용 공기가 상기 활성산소 생성부로 진입하는 위치에서의 상기 제2 흡기관의 직경이 상기 제1 흡기관의 직경보다 작은 내연기관.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 제2 흡기관은
    상기 제1 흡기관보다 적은 부피 및 내부표면적을 갖는 내연기관.
  4. 제1항에서,
    상기 제2 흡기관은
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 제1 길이를 직경으로 갖고, 상기 연소용 공기가 상기 활성산소 생성부로 진입하는 위치에서 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이를 직경으로 갖고, 상기 활성산소 생성부가 상기 생성한 활성산소 기체를 배출하는 위치에서 상기 제1 길이보다 짧은 제3 길이를 직경으로 갖는 내연기관.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 흡기관은
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 상기 활성산소 생성부까지의 제1 거리가 상기 활성산소 생성부로부터 상기 혼합부까지의 제2 거리보다 긴 내연기관.
  6. 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관으로서,
    내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 인젝터에서 분사된 연료 및 상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하는 혼합부,
    상기 혼합기를 엔진실린더에 공급하는 흡기 포트,
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하고, 상기 생성한 활성산소 기체를 상기 혼합부와 상기 흡기 포트 사이에 주입하는 활성산소 생성부, 그리고
    상기 혼합부에 수소 기체를 제공하는 수소 제공부를 포함하고,
    상기 혼합부는
    상기 인젝터에서 분사된 연료, 상기 연소용 공기 및 상기 수소 기체를 혼합하여 상기 혼합기를 생성하는 내연기관.
  7. 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관으로서,
    내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 인젝터에서 분사된 연료 및 상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하는 혼합부,
    상기 혼합기를 엔진실린더에 공급하는 흡기 포트,
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하고, 상기 생성한 활성산소 기체를 상기 혼합부와 상기 흡기 포트 사이에 주입하는 활성산소 생성부, 그리고
    수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성하고, 상기 생성된 활성수소 기체를 상기 흡기 포트에 제공하는 활성수소 생성부를 포함하고,
    상기 흡기 포트는 상기 혼합기 및 상기 활성수소 기체를 상기 엔진실린더에 공급하는 내연기관.
  8. 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관으로서,
    내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 인젝터에서 분사된 연료 및 상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하는 혼합부,
    상기 혼합기를 엔진실린더에 공급하는 흡기 포트,
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하고, 상기 생성한 활성산소 기체를 상기 혼합부와 상기 흡기 포트 사이에 주입하는 활성산소 생성부, 그리고
    상기 엔진실린더에서 배출된 배기가스를 분석하고, 상기 배기가스에 포함된 오염성분의 농도에 기초하여 상기 활성산소 기체의 생성량을 제어하는 활성산소 제어부
    를 포함하는 내연기관.
  9. 연료를 절감하고 배기가스 배출을 저감하는 내연기관으로서,
    내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하는 활성산소 생성부, 그리고
    상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기 및 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 활성산소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 연소시키는 엔진실린더를 포함하며,
    상기 활성산소 생성부는
    상기 제2 흡기관 상에 구현되며, 상기 엔진실린더로부터 미리 설정된 거리 이내에 위치하고
    상기 연소용 공기가 상기 활성산소 생성부로 진입하는 위치에서의 상기 제2 흡기관의 직경이 상기 제1 흡기관의 직경보다 작은 내연기관.
  10. 삭제
  11. 제9항에서,
    상기 제2 흡기관은
    상기 제1 흡기관보다 적은 부피 및 내부표면적을 갖는 내연기관.
  12. 제9항에서,
    상기 제2 흡기관은
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 제1 길이를 직경으로 갖고, 상기 연소용 공기가 상기 활성산소 생성부로 진입하는 위치에서 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이를 직경으로 갖고, 상기 활성산소 생성부가 상기 생성한 활성산소 기체를 배출하는 위치에서 상기 제1 길이보다 짧은 제3 길이를 직경으로 갖는 내연기관.
  13. 제12항에서,
    상기 제2 흡기관은
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 위치에서 상기 활성산소 생성부까지의 제1 거리가 상기 활성산소 생성부로부터 상기 엔진실린더까지의 제2 거리보다 긴 내연기관.
  14. 내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하는 활성산소 생성부,
    상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기 및 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 활성산소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 연소시키는 엔진실린더, 그리고
    상기 엔진실린더에 수소 기체를 제공하는 수소 제공부를 포함하고,
    상기 엔진실린더는
    상기 연소용 공기, 상기 활성산소 기체 및 상기 수소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 연소시키는 내연기관.
  15. 내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하는 활성산소 생성부,
    상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기 및 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 활성산소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 연소시키는 엔진실린더, 그리고
    수소 분자에 플라즈마 방전을 일으켜 활성수소 기체를 생성하고, 상기 생성된 활성수소 기체를 상기 엔진실린더에 제공하는 활성수소 생성부를 포함하고,
    상기 엔진실린더는
    상기 연소용 공기, 상기 활성산소 기체 및 상기 활성수소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 연소시키는 내연기관.
  16. 내연기관에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크,
    상기 연료탱크에 저장된 연료를 연료분사방식으로 분사하는 인젝터,
    외부로부터 유입된 공기에 포함된 질소 분자를 흡착 제거하여 연소용 공기를 생성하고, 상기 생성된 연소용 공기를 제1 흡기관을 통해 이동시키는 질소제거부,
    상기 제1 흡기관으로부터 분리된 제2 흡기관을 통해 상기 연소용 공기를 공급받고, 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 연소용 공기에 플라즈마 방전을 일으켜 활성산소 기체를 생성하는 활성산소 생성부,
    상기 제1 흡기관을 통해 공급받은 상기 연소용 공기 및 상기 제2 흡기관을 통해 공급받은 상기 활성산소 기체를 이용하여 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 연소시키는 엔진실린더, 그리고
    상기 엔진실린더에서 배출된 배기가스를 분석하고, 상기 배기가스에 포함된 오염성분의 농도에 기초하여 상기 활성산소 기체의 생성량을 제어하는 활성산소 제어부
    를 포함하는 내연기관.
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