KR20000039290A - 내연기관의 전계에 의한 연소촉진 장치 - Google Patents

Abstract

내연기관의 연소실내에 직류전계를 인가하여 연소를 촉진하므로서 녹킹발생을 억제하고자 한 연소실 실린더부 내주면의 홈에 개재된 절연체에 매입한 전도체 부재에 고전압을 인가하게 연결되어 전자제어장치에 의해 제어 작동하는 고전압 공급장치를 설치하여 이루어지는 내연기관의 전계에 의한 연소 촉진장치를 제공하는데 있다.

Description

내연기관의 전계에 의한 연소촉진 장치

본 발명은 내연기관의 전계에 의한 연소촉진 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실내에 전계를 인가하여 연소를 촉진하도록 하고, 또 녹킹 발생을 억제하게 한 내연기관의 전계에 의한 연소촉진 장치에 관한 것이다.

근래 지구환경문제가 심각해짐에 따라 자동차로부터 배출되는 유해 배기가스나 연비에 대해서 그 규제는 더욱 엄격해지고 있다.

유한한 지구에너지 자원의 효과적 이용과 이산화탄소 등의 온실효과 가스의 억제 요구에 대응하면서 자동차의 상품가치의 하나인 고출력화를 도모하기 위해서는 엔진의 압축비 향상이 필요하다.

불꽃 점화기관의 압축비가 높아지면 이론 열효율이 상승되는 반면, 녹킹 발생을 제약하기 위한 그 상한치는 제한되고 있다.

불꽃 점화기관의 녹킹이란 정상적인 화염전파의 진행에 따라서 연소압력이 상승하고, 화염면 전방의 미연가스(말단가스)가 거의 단열적으로 압축되기 때문에 고온 고압으로 되고, 자발 점화하여 특유의 타음을 수반하면서 가스 진동이 발생하는 현상이다.

이 녹킹에 관해서 종래로부터 많은 연구가 이루어져 왔다.

한편, 전계가 연소에 영향을 미치는 것은 아주 오랜 옛날로부터 알려져 있으며, 그 기구를 구명하려는 많은 연구가 이루어지고 있다.

예혼합화염의 흐름 방향과 전기력선의 방향과 수직하도록 직류 전계를 인가하면 화염이 음극 방향으로 기울어진다.

이것은 화염중에 존재하는 정이온이 전계에 의해서 음극 방향으로 이동하고, 화염중 다른 화학종(chemical species)에 충돌해서 음극방향의 운동량을 부여하기 때문이라고 생각되고 있다.

또한 연소반응, 특히 연소속도에 미치는 전계의 영향에 관해서, 이제까지 활발하게 연구가 이루어지고 있다.

전계의 영향이 있다고 고려되는 이유로는 하전입자가 이동하는 것에 의해서 농도장이나 유동장이 변화하는 것, 전계로부터 운동에너지의 형태로 하전입자(charged particle)의 에너지를 받고, 또한 다른 화학종을 여기하는 것 등을 들 수 있다.

발명자들은 이제까지 자발점화에 있어서의 점화 지연에 대한 전계의 영향이나 전계에 의한 불꽃점화기관의 연소제어 등 전계가 연소에 미치는 영향에 관해서 기초연구를 행하여 왔다.

그러나 상기한 종래기술은 이산화탄소 등의 온실효과 가스의 억제 요구에 대응하면서 자동차의 상품가치의 하나인 고출력화를 도모하기 위해서는 엔진의 압축비를 향상해야 하는 문제점이 있다.

이에 따라 불꽃 점화기관의 압축비를 높이면 이론 열효율이 상승되는 반면, 녹킹 발생을 유발하는 문제점이 있다.

상기 언급한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 연소실내에 직류 전계를 인가하여 연소를 촉진하므로서 녹킹 발생을 억제하고자 한 내연기관의 전계에 의한 연소 촉진장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명으로 연소실내에 전계를 인가하기 위하여 연소실내에 전극이 배치되고 있음을 도시한 도면.

도2는 본 발명에서 이용한 녹킹 강도의 정의를 나타내고 있는 선도.

도3은 본 발명으로 녹킹강도와 다른 녹킹강도와의 관계를 조사한 결과를 나타내는 분포도.

도4는 본 발명으로 연소실내 직류전계를 인가했을 때 녹킹강도의 전계의존성을 나타낸 선도.

도5는 본 발명으로 기연부의 면적을 연소실의 면적으로 무차원화한 것을 기연면적비율로 정의하고, 그 시간적 변화를 도시한 선도.

이를 실현하기 위한 본 발명은

내연기관의 연소실 실린더부 내주면의 홈에 개재된 절연체에 매입한 전도체 부재와,

상기 전도체 부재에 고전압을 인가하게 연결되어 전자제어장치에 의해 제어 작동하는 고전압 공급장치를 설치하여 이루어지는 내연기관의 전계에 의한 연소 촉진장치를 제공하는데 있다.

상기한 전도체 부재는 직경 1.0㎜의 니크롬선으로 이루어지고 있다.

상기한 홈은 연소실 실린더 내주면에 깊이 1.0㎜와 폭 1.0㎜으로 이루어지고 있다.

상기한 바와 같은 본 발명은 전자제어장치의 신호에 따라 고전압 공급장치를 작동시켜 연소실내 화염중에 일정 이상의 전계를 전도체 부재에 인가하여 연소를 촉진하여 화염전파속도를 빠르게 하므로서 녹킹 발생을 감소시킨다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명으로 연소실내에 전계를 인가하기 위하여 연소실내에 전극이 배치되고 있음을 도시한 도면이다.

이러한 내연기관의 전계에 의한 연소 촉진 장치(2)는 전도체 부재(4)와, 고전압 공급장치(6)로 구성되어 이루어지고 있다.

전도체 부재(4)는 연소실 실린더부(8) 내주면의 홈(10)에 개재된 절연체(12)에 매입한 니크롬선이다.

상기 니크롬선은 직경 1.0㎜을 사용하고 있다.

그리고 홈(10)은 절연체(12)를 매입하기 위하여 깊이 1.0㎜와 폭1.0㎜으로 형성하고 있으며, 상기 제시된 치수는 한정되는 것이 아니며, 설계상의 필요에 따라 변경 가능하다.

또, 상기 고전압 공급장치(6)는 전도체 부재(4)에 고전압을 인가하게 전자제어장치(14)에 연결하여 제어 작동이 이루어지게 하고 있다.

미설명 부호 16,18,20은 피스톤, 흡,배기 밸브, 점화플러그를 지칭한다.

상기한 본 발명의 작용은 전자제어장치(14)가 화염중임을 판단하여 고전압 공급장치(6)를 작동시켜 6kV의 전압을 인가하므로서 화염전파속도를 빠르게 하여 연소촉진 및 녹킹 발생을 억제하게 한다.

이에 따라 본 발명의 결과를 뒤받침하는 실험 도표를 살펴보면, 먼저 본 발명에서 이용한 녹킹 강도의 정의를 도2의 선도를 통해 나타내고 있다.

이는 측정한 압력의 시계열(time series) 데이터를 FFT(Fast Fourier trans-from) 해석하여, 녹킹강도와 연소질량비율을 구했다.

녹킹에 의한 압력진동파형(L)을 구할 때는 컷 오프 주파수 9㎑의 하이패스 필터 처리를 행하였다.

녹킹강도에 대해서는 여러 가지의 정의가 사용되고 있으나, 본 발명에서는 다음 4가지 정의로 녹킹 강도를 나타낸다.

KI(max) : 하이패스필터 처리후의 최대 변동 압력치

KI(min) : 하이패스필터 처리후의 최소 변동 압력치

KI(mean) = (｜KI(max)｜ + ｜KI (min)｜)／2 (1)

KI(Z)= (2)

여기에서 P_(i) 는 연소압력, P_mean 는 연소압력의 시계열 데이터를 컷 오프주파수 3㎑의 로우패스필터 처리해서 구한 압력, P_k 는 녹킹 발생시의 압력, P₀ 는 불꽃 점화시의 압력, N은 데이터의 수를 나타낸다.

화염전파에 의한 연소질량비율 m은 다음식(3)에 의해서 산출한다.

m=(P_mean-P₀)/(P_e-P₀) (3)

여기에서, P_e 는 로우패스필터 처리후의 최대연소압력을 나타낸다.

이에 따라 녹킹강도 KI(Z)와 다른 녹킹강도와의 관계를 조사한 결과를 도3에 나타내고 있다.

녹킹강도 KI(Z)는 다른 녹킹강도에 대해서 각각 대략 선형적인 관계를 나타내는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서는 녹킹강도로서 KI(Z)를 이용한 것이다.

도4는 연소실내에 직류전계(0∼6㎸)를 인가했을 때 녹킹강도KI(Z)의 전계의존성을 나타내고 있다.

직류전계가 2㎸인 경우에는 전계를 인가하지 않는 경우(0㎸)의 포인트P1과 비교해서 녹킹강도가 포인트P2에 머물러 그다지 감소하지 않는다.

한편 2㎸이상이 되면 포인트P3의 위치까지 급격히 감소하는 경향을 나타내고 있다.

더나아가 6㎸의 전계를 인가한 경우의 녹킹강도는 전계를 인가하지 않는 경우의 녹킹강도와 비교해서 포인트P4에 위치하는 경우처럼 약 85% 감소하고 있다.

화염전파의 직접사진으로부터 구한 기연부의 면적을 연소실의 면적으로 무차원화한 것을 기연면적비율로 정의하고, 그 시간적 변화를 도5에 나타내고 있다.

인가전압이 0㎸인 경우와 6㎸인 경우를 비교하면, 상술한 바와 같이 약6∼7㎳의 시점부터 6㎸인 경우의 기연면적의 비율이 0㎸인 경우 기연면적 비율보다 크게 되어 있는 것이 나타난다.

그 이유의 하나로서 화염중에 전계를 인가하면 전계의 쿨롱력(coulomb force)이 하전입자 또는 중성화학종의 이동에 변화를 초래하여 연소를 촉진해서 화염전파 속도가 빨라지고 있음을 나타내고 있다.

본 발명에 의하면 종래의 불꽃 점화기관의 연소실내에 전계인가용의 전극을 부가하는 것만으로 화염전파를 촉진할 수 있어, 불꽃점화기관의 녹킹 발생을 억제하고, 엔진의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 내연기관의 연소실 실린더부 내주면의 홈에 개재된 절연체에 매입한 전도체 부재와,

   상기 전도체 부재에 고전압을 인가하게 연결되어 전자제어장치에 의해 제어 작동하는 고전압 공급장치를 설치하여 이루어짐을 특징으로 하는 내연기관의 전계에 의한 연소 촉진장치.
2. 청구항 1에 있어서, 전도체 부재는 니크롬선으로 이루어지는 내연기관의 전계에 의한 연소 촉진장치.
3. 청구항 1에 있어서, 홈은 연소실 실린더 내주면에 깊이 1.0㎜와 폭 1.0㎜으로 이루어지는 내연기관의 전계에 의한 연소 촉진장치.