KR19990015902A - 플라즈마 방전을 이용한 엔진의 연소효율증대 및 배기가스감소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 엔진에 공기를 도입하는 흡기호스내를 흐르는 공기의 흐름을 와류로 바꾸어 주므로써 공기를 활성화시켜 연료의 불완전 연소율을 낮춰 연료의 연소효율을 높임과 동시에 배기가스를 정화시킬 수 있는 라디컬(Radical)을 형성하여 배기가스 오염을 감소시키게 되는 엔진의 연소효율증대 및 배기가스 감소장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 에어필터와 기화기를 접속하는 에어호스내에 설치되며, 전체길이에 걸쳐 일정간격으로 양측면으로 뾰족하게 돌기되는 복수개의 삼각돌기를 구비하고 있는 전극판과;

상기 전극판의 양측으로 대향되어 설치되는 방전판과;

상기 삼각돌기에 대향되는 상기 방전판의 각 위치에 천공되는 복수개의 구멍과;

상기 전극판과 방전판을 지지하는 지지틀과;

상기 지지틀에 천공되는 복수개의 공기통과구멍과;

밧데리 전원을 고전압으로 변환시켜 상기 전극판과 방전판에 각기 - 및 + 고전압을 공급하도록 에어호스 외부에 고정설치되는 고전압발생기와; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 방전을 이용한 엔진의 연소효율증대 및 배기가스 감소장치

본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 엔진의 연소효율증대 및 배기가스 감소장치에 관한 것으로, 특히 엔진에 연소공기를 도입하는 흡기호스내의 일반적인 공기흐름을 와류로 바꾸어 공기의 흐름을 활성화시키고 음이온을 발생시켜 산소공급을 원활히 하며, 라디컬(Radical)과 오존을 발생시켜 저농도의 가스상 오염물질을 제거하므로써 연소효율을 높이고 배기가스 오염을 줄이는 장치에 관한 것이다.

산업발달과 더불어 자동차는 생활필수품이 되었으나 자동차수의 증가와 비례하여 자동차의 배기가스 배출량도 증가하여 대기환경을 위협하는 심각한 요인이 되고 있다.

연구결과에 의하면 도시공해의 최대원인은 자동차로 밝혀지고 있다.

기존의 열기관들은 연료의 연소 효율이 70% 이내로서 액체 연료의 불완전연소로 인하여 입자 상태로 남게 되므로 에너지의 이용효율이 낮아서 한정된 에너지 자원을 낭비하게 되며, 30% 이상의 연료가 연소될 때 완전히 기화되지 못하고 입자상태로 배출되면서 발생되는 배기가스 매연이 대기 공해를 유발하는 주 요인이 되고 있다.

내연기관에서 배출되는 배기가스중에 함유된 주요공해 물질은 대략 황산가스(SOx), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 매연 및 기타부유물 등으로 대별된다.

그중 황산가스는 독성이 있어 호흡기 질환, 피부병, 눈병 등을 유발시키며, 또 부식성이 있어 금속 및 유기물을 부식시킨다. 그러나 황산가스의 배출을 줄이기 위한 최선의 방법은 연료 속의 유황함량을 줄이는 것이어서 정유단계에서의 탈황설비의 구비 등 많은 장치비용이 소요되어 진다.

CO는 연탄가스 중독 현상과 동일한 피해를 주며 CO의 농도는 연료공기의 혼합비에 좌우된다. 기관의 혼합비 요구특성은 경제출력을 중심으로 해서 출력을 증가시키던지 또는 감소시킬 경우, 모두 점차 농후혼합기를 요구하지만 가능한 한 혼합비를 희박화시켜도 운전에 지장을 초래하지 않는 조건을 찾아야 한다. 이러한 방법중의 하나가 흡기분배의 균일을 이루는 것이다. 흡기분배의 불균일은 공기와 연료입자 사이에 관성력의 차로 인해 발생되는 것으로 만일 관성력의 차이를 줄인다면 CO의 배출도 줄일 수 있다.

대기오염중 가장 심각한 것이 NOx와 HC이다. 이 두 성분은 대기중에서 햇빛에 의한 광화학 반응을 일으켜 스모그 현상을 유발하고 Ox를 생성시켜 산화부식을 촉진시킨다.

HC는 연료성분이 연소되지 않은 상태에서 배출되는 것으로 연료 공기 혼합비가 농후할수록 산소부족에 의해 연료의 일부가 연소되지 않은 상태로 배출이 되는데 연소실 표면의 가스경계층에서는 온도구배에 의해서 연소반응이 불완전하다.

따라서 정상적인 운전조건하에서는 연소실 체적 Vc와 연소실 표면의 Ac의 비 의 영향을 받는다. 이를 방지하기 위해서는 연소가 진행되는 도중에 연소실벽 표면의 가스층이 표면으로부터 떨어져 연소화염에 혼합될 수 있을 만큼의 가스속도가 요구된다. 그러므로 충분한 가스속도를 일으켜 주면 HC의 배출을 감소시킬 수 있다.

NOx의 발생원인은 대기중의 질소(N₂), 산소(O₂)가 연소과정중 고온에 의해 결합되어 NO가 발생되고, 이것이 대기중으로 방출되어 서서히 NO₂및 다른 질소산화물로 변화한다. NO의 발생량은 연소온도와 산소량에 대해 함수관계를 가진다. 즉, 연소온도가 높을수록, 또 연료와 반응하지 않은 산소량이 많을수록 NOx의 배출량은 증가한다.

현재까지 공해방지 장치로 고안된 것으로는 ① 열반응 장치, ② 촉매변환장치, ③ 층상급기 장치, ④ 배기가스 재순환 장치, ⑤ 연료탱크의 HC증기 누설 방지장치 등이 있다.

① 열반응 장치는 배기관으로부터 배출되는 CO 및 HC를 높은 온도조건하에 산소를 공급하여 재연소시키는 방법으로 2차 공기펌프와 반응기로 구성되기 때문에 구조가 간단하다는 장점이 있으나 촉매에 의한 방법보다 고온 상태를 유지해야 된다는 결점을 가지고 있다.

② 촉매변환장치는 백금(Pt), 파라디움(Pd) 등의 금속촉매를 사용하여 배기를 정화하는 방법으로 촉매용기를 배기관에 연결시키고 배기를 통과시키도록 한 것이다. 공해방지 효과가 크나, 촉매에 의한 부생성(副生成)가스가 암모니아 가스와 같은 유독성 물질이며, 촉매의 노화 등의 문제점이 있다.

③ 층상급기 장치는 실화한계 혼합비에 의하여 혼합기의 희박화가 제한을 받으므로 스파아크플러그에는 점화가능한 농후혼합기를 별도로 공급하여 점화가 확실하도록 하는 방법이다.

④ 배기가스 재순환 장치는 배기가스의 일부를 흡기 계통에 도입하여 기관내부에 재흡입시키는 방법으로써 불활성의 열용량이 큰 배기가스를 실린더 내부에 재 공급하면, 연소온도가 저하되므로 NO의 발생이 억제되나 이 방법에 의해 얻을 수 있는 효과가 극히 제한되데 반해 출력은 떨어지고 연료소비율이 커지므로 바람직하지는 못하다.

⑤ 연료탱크의 HC증기 누설 방지 장치는 가솔린 엔진 및 기화기 등의 연료계통에서 대기중으로 증발에 의한 HC의 배출이 기관전체 HC의 발생량의 15∼20%에 달하므로 대기중으로 연료증기가 방출되는 것을 방지하는 장치이다. 단, 누설방지를 위하여 연료계통을 폐쇄시킴으로 인해 발생될 수 있는 폭발위험에 대비해서 안전밸브 설치가 고려되어야만 한다.

본 발명은 상기한 제반 문제점들을 감안하여 제안된 것으로서 그의 목적으로 하는 것은 엔진에 공기를 도입하는 흡기호스내를 흐르는 공기의 흐름을 와류로 바꾸어 주므로써 공기를 활성화시켜 연료의 불완전 연소율을 낮춰 연료의 연소효율을 높임과 동시에 배기가스를 정화시킬 수 있는 라디컬을 형성하여 배기가스 오염을 감소시키게 되는 엔진의 연소효율증대 및 배기가스 감소장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 에어필터와 기화기를 접속하는 에어호스내에 설치되며, 전체길이에 걸쳐 일정간격으로 양측면으로 뾰족하게 돌기되는 복수개의 삼각돌기를 구비하고 있는 전극판과;

상기 전극판의 양측으로 대향되어 설치되는 방전판과;

상기 삼각돌기에 대향되는 상기 방전판의 각 위치에 천공되는 복수개의 구멍과;

상기 전극판과 방전판을 지지하는 지지틀과;

상기 지지틀에 천공되는 복수개의 공기통과구멍과;

밧데리 전원을 고전압으로 변환시켜 상기 전극판과 방전판에 각기 - 및 + 고전압을 공급하도록 에어호스 외부에 고정설치되는 고전압발생기와; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 장치의 평면도

도 2는 본 발명에 의한 장치의 정단면도

도 3은 본 발명 장치의 적용상태도

도 4는 에어호스 내부의 풍속의 크기 및 흐름방향을 나타내는 도면

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전극판 2 : 삼각돌기

3 : 방전판 4 : 구멍

5 : 지지틀 6 : 공기통과구멍

9 : 에어호스

이하 본 발명의 구성과 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 엔진의 연소효율증대 및 배기가스 감소장치를 나타내는 평면도이며 도 2는 동상 장치의 정단면도이다. 그리고 도 3은 본 발명 장치의 적용상태도를 나타내는 도면이다.

도면중 부호 1은 얇은 동판으로 된 전극판이며 전극판(1)은 폭에 비해 길이가 길며, 양측으로 삼각형 형태의 끝이 뾰족한 복수개의 삼각돌기(2)들이 일정간격마다 돌출되어 있다.

이 전극판(1)과 일정간격을 두고 양측으로 길이가 길고 두께가 얇은 직사각형 형태의 방전판(3)이 대향지게 설치되어 있으며, 상기 각 삼각돌기(2)의 꼭지점을 중심축선으로 하여 복수개의 구멍(4)이 천공되어 있다.

그리고 상기 전극판(1)과 방전판(3)은 상부가 개방된 장방형 상자체의 지지틀(5)에 양단부가 고정되며, 상기 구멍(4)에 마주하는 지지틀(5)의 벽면과 좌우양측면에 공기통과구멍(6)들이 천공되어 있다.

상기 지지틀(5)은 에어필터(7)와 기화기(8)를 접속하는 에어호스(9)내에 내장되며, 상기 전극판(1)과 방전판(3)은 각기 - ,+ 고전압이 인가된다.

상기 전극판(1)과 방전판(3)에 고전압을 인가하기 위한 고전압발생기(10)가 에어호스(9) 외부에 고정설치되며, 고전압발생기는 차량의 밧데리 전원을 이용하여 예를들면 -4KV, +2KV의 고전압을 발생시키게 되는 공지의 트랜스로 구성된다.

그리고 상기 구멍(4)과 공기통과구멍(6)의 중심축선은 도시된 것과같이 일치토록 할 수 있으나, 상호 어긋나게, 바람직하기로는 삼각돌기(2)의 꼭지점과 어긋난 2개의 중심점이 일직선상에 위치하도록 구성할 수도 있다.

여기서 미설명 부호 11은 케이블, 부호 12는 전극판(1)과 방전판(3)을 지지틀(5)에 고정하기 위한 고정지지부재이다.

이와같은 구성에 의한 본 발명의 작용에 대하여 설명한다.

엔진이 시동되고 에어필터(7)와 에어호스(9)를 통해 외부공기가 도입되면 밧데리 전원이 고전압발생기(10)에도 공급되어 전극판(1)에는 -고전압, 예를들면 -4KV∼-6KV가 인가되며, 방전판(3)에는 +고전압, 예를들면 +2KV∼+3.5KV가 인가된다.

고전압이 인가되면 전극판(1)의 양측으로 돌출된 뾰족한 삼각돌기(2)들로부터 방전판(3)측으로 플라즈마 방전이 일어나게 되며, 플라즈마 방전으로 인한 평균 1.2㎧의 전자장의 소용돌이가 일어나게 된다.

이때 만일 엔진을 4,500rpm(소나타Ⅲ 기준)으로 가동시켰을 경우 에어필터(7)를 통해 유입되는 공기의 풍속(Vx)은 대략 3.5㎧에 이르게 된다.

그런데 플라즈마 방전에 의해 장치의 양측으로 나오는 전자선의 평균속도(Vy)가 1.2㎧이므로 흡입관내의 공기와 전자선의 힘의 합력을 구하면

V =

=

≒ 3.7㎧

tanθ =

=

= 0.3428

∴θ = 18.92°

상기한 계산 결과에 의하면 도 4에 도시하는 것과같이 에어호스(9) 내부를 길이방향으로 평행하게 유동하는 풍속(Vx) 3.5㎧로 운동하는 공기가 그와 직각방향으로 뻗어나가는 풍속(Vy) 1.2㎧의 전자선과 만나면서 3.7㎧의 속도(V)와 18.92°의 각도(θ)를 가진 흐름으로 바뀌게 됨을 알 수 있으며 이 결과 지지틀(5)을 통과하는 공기가 구멍(4)(6)들을 통해 에어호스(9) 내벽면으로 분출되어 부딪힌 후 다시 반사되어 만나는 흐름을 통해 매우 강력한 와류가 형성되어지게 되는 것이다.

이와같이 고전압(-6.09KV, +3.3KV)이 출력되면 플라즈마 방전이 발생하고 플라즈마 방전에 의한 절연파괴 현상이 발생하면서 고전압의 매우 짧은 수명의 방전 플라즈마가 생성되는 데 이것은 활동성 있는 전자로 구성되며 활성전자는 계속해서 공기중의 독성 분자를 분해하는 라디컬을 형성한다.

다음에는 에어호스(9)를 통해 유입되는 공기 속의 각종 유해 성분을 제거 및 분리하는 이론적 근거에 대하여 설명한다.

기체에 에너지를 가하면 기체를 구성하고 있는 분자가 원자로 갈라지는데 이때 가해진 에너지가 많으면 그 원자는 다시 원자핵과 전자로 분해되는 바 이를 전리현상이라고 하며 이러한 상태의 것이 플라즈마이다.

고전압의 매우 짧은 펄스를 가진 반응기로부터 짧은 수명의 방전 플라즈마를 얻는 것이 가능한데 그것은 활동성 있는 전자로 구성된다.

에어호스(9)내의 공기 흐름을 층류로 가정하면 호스의 중심부에서는 유속이 빠르고 내벽면 가까이로 올수록 유속이 낮아지게 되므로 이와같은 유체의 유동특성으로 공기의 순환이 원활하지 못하여 연소효율이 떨어지게 되는 것이나 본 발명에 의한 플라즈마 방전 발생장치를 에어호스(9)내에 삽입하므로써 흡입하여 들어오던 공기와 플라즈마 방전으로 인한 전자선이 서로 직각방향으로 만나게 되어 유체흐름에 변화가 생기게 되는 것이다.

이 변화로 인하여 공기의 흐름이 빨라짐과 동시에 소용돌이를 일으켜 마찰력에 의한 유속의 불균일을 제거하고 균일한 풍속을 갖는 공기가 기화기에 유입되므로써 연소효율을 높이게 되는 것이다.

또한 플라즈마의 활성 전자는 공기중에 포함된 독성분자를 분해하는 라디컬(Radical)을 생성하게 된다.

대부분의 전자에너지는 가스의 온도를 올리는데 이용되기 보다는 강력한 전자충돌로 인한 분해와 이온화를 위해 직접적으로 사용되어 라디컬을 생성하여 독성의 분자를 분해하게 되며 특히 저농도의 가스상 오염물질을 처리하는데 효과적이다.

라디컬(Radical) 생성반응은 다음과 같다.

1) 해리반응

e + O₂→ O + O + e

e + H₂O → OH + H + e

e + O₂→ O + O + (¹D) OH + OH

e + N₂→ 2N

2) 이온화 반응

e + O₂→ O₂ ⁺+ 2e

e + O₂→ O⁺+ O + 2e

e + N₂→ N₂ ⁺

e + H₂O → H₂O⁺

3) 여기반응

e + O₂→ O₂ ^*+ e

e + N₂→ N₂ ^*

e + H₂O → H₂O^*

DeNox, DeSOx 과정

1) O₂, H₂O + e ↔ OH, O, HO₂: 라디컬생성

2) SOx + OH, O, HO₂↔ H₂SO₄(에어로졸) : 산화반응

NOx + O₂, O ↔ NO₂, NnOm : 산화반응

NO₂+ OH ↔ HNO₃: 에어로졸

3) H₂SO₄, HNO₃+ NH₃↔ (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃: 중화반응

4) (NH₄)₂SO₄+ NH₄NO₃↔ (NH₄)₂SO₄, 2NH₄NO₃(Fine Paticle)

상기 공정의 원리는 OH(hydroxyl), HO₂(hydro peroxyl), O(atomic oxygen)과 같은 가스상 라디컬을 발생시키는 플라즈마의 사용에 기초를 두며, 이러한 가스상 라디컬들은 SO₂와 NO를 각각 H₂SO₄와 HNO₃로 산화시킨다.

OH + SO₂→ HSO₃

NO + HO₂→ NO₂+ OH

OH + HSO₃→ H₂SO₄

OH + NO₂→ HNO₃

여기서 H₂SO₄, HNO₃는 다른 재래식 에어로졸 입자 제거 장비에 의해 가스흐름으로부터 화학적으로 중화되거나 제거될 수 있다.

NH_3(g)분자를 결부시킨 전자빔으로 생산된 플라즈마는 NO와 SO₂를 동시에 제거한다.

CPP(Combined plasma photolysis)는 DBDS(Dielectic barrier discharges : 무성방전)와 가스상 라디컬을 생산하는 UV조사(Radiation)를 사용하여 SO₂를 H₂SO₄로, NO를 HNO₃로 산화시킬 수 있다.

전형적 가스흐름에서 생성된 DBDS는 OH, H₂O, O 등의 가스상 라디컬뿐만 아니라 O₃(오존)도 발생시킨다. 이 O₃는 NO와 반응하여 산화 NO₂를 형성한다.

이것은 NO를 형성하도록 하고 NO₂의 화학적 반응에 의해 NO와 O₂를 형성하기 위한 O에 의해 광분해한다는 것을 알 수 있다.

O₃가 CO나 NO와 결합시 생성되는 O₂는 연료의 연소시 연료효율을 높이는 역할을 하게 된다.

즉, 본 발명 장치에 의해 생성된 오존(O₃)은 CO와 NO와 반응하여

┌ CO + O₃→ CO₂+ O₂

└ NO + O₃→ NO₂+ O₂

가 되며, CO와 NO가 각기 무해한 CO₂와 NO₂로 산화됨과 동시에 연소반응을 촉발하는 O₂를 부산물로 생성하게 되므로써 오염물질 제거와 산소의 추가 공급효과가 발생하게 되는 것이다.

다른한편 플라즈마 방전의 주요 특징중의 하나는 우수한 집진 능력이므로 에어필터(7)를 통해 1차적으로 정화된 공기는 본 발명의 장치를 통과하면서 방전판(4) 표면에 미세한 먼지들이 달라붙게 되므로 보다 깨끗한 공기를 엔진에 공급할 수 있는 것이다.

표 1과 표 2에 각각 본 발명 장치의 설치 전후에 있어 동일연료에 의한 주행거리와 배기가스 방출량을 실험한 결과를 나타내었다.

주행거리 변화

실험차종	연료량	본 발명 장치의 장착전	본 발명 장치의 장착후	비 고
소나타Ⅲ	40ℓ	430㎞	550㎞	27.9% 증가
프린스(구형)	40ℓ	248㎞	332㎞	33.87% 증가

배기가스 방출량 변화

차 종	배기가스 종류	본 발명 장치의 장착전	본 발명 장치의 장착후	비 고
소나타 Ⅲ	CO(%)	0.7	0.32	54.29% 감소
	HC(ppm)	358	223.5	37.57% 감소
프린스(구형)	CO(%)	0.78	0.35	55.13% 감소
	HC(ppm)	352	216.4	38.52% 감소

본 발명에 의하면 플라즈마 방전에 의해 에어호스내를 통과하는 공기의 흐름에 강한 와류를 일으켜 공기를 활성화시키므로써 완전연소를 일으켜 출력을 향상하고 배기가스를 감소시키게 되며, 강력한 전자 사태를 이용하는 플라즈마 방전에 의해 SO₂, NOx, Co₂를 처리할 수 있으며, 음이온과 오존(O₃)의 방출로 인한 NO와 CO의 제거 및 그 과정에서 발생된 O₂의 추가 공급으로 연료의 연소효율을 증대시키게 된다.

또한 플라즈마 방전에 의해 미세한 먼지 등을 집진할 수 있어 깨끗한 공기를 기화기에 공급하게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 에어필터와 기화기를 접속하는 에어호스내에 설치되며, 전체길이에 걸쳐 일정간격으로 양측면으로 뾰족하게 돌기되는 복수개의 삼각돌기를 구비하고 있는 전극판과;

   상기 전극판의 양측으로 대향되어 설치되는 방전판과;

   상기 삼각돌기에 대향되는 상기 방전판의 각 위치에 천공되는 복수개의 구멍과;

   상기 전극판과 방전판을 지지하는 지지틀과;

   상기 지지틀에 천공되는 복수개의 공기통과구멍과;

   밧데리 전원을 고전압으로 변환시켜 상기 전극판과 방전판에 각기 - 및 + 고전압을 공급하도록 에어호스 외부에 고정설치되는 고전압발생기와; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 엔진의 연소효율 및 배기가스 감소장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 방전판의구멍과 지지틀의 공기통과구멍을 동축상에 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 엔진의 연소효율 및 배기가스 감소장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 방전판의 구멍과 지지틀의 공기통과구멍은 상호 어긋나게 천공된 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 엔진의 연소효율 및 배기가스 감소장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기통과구멍은 상기 지지틀의 사방 모든면에 천공된 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 엔진의 연소효율 및 배기가스 감소장치.