KR20010079220A

KR20010079220A - 내연기관의 산소공급장치

Info

Publication number: KR20010079220A
Application number: KR1020010036830A
Authority: KR
Inventors: 전경호
Original assignee: 전경호
Priority date: 2001-06-23
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2001-08-22

Abstract

본 발명은 전기분해에 의해 발생된 산소를 엔진의 흡기구로 공급함으로써 내연기관의 연비를 향상시키는 동시에 배기가스 중의 유해성분을 감소시킬 수 있도록 한 내연기관의 산소공급장치에 관한 것으로, 물(W)을 전기분해하여 산소(O₂)와 수소(H)를 발생시키는 전기분해장치(30), 전기분해장치(30)로부터 발생된 산소(O₂)를 저장하는 산소저장탱크(40), 전기분해장치(30)와 산소저장탱크(40) 사이에 설치되는 제 1체크밸브(CV1), 산소저장탱크(40)에 저장된 산소(O₂)를 엔진(50)의 흡기구(52)로 공급하는 전자제어노즐(EN), 산소저장탱크(40)의 압력을 감지하기 위한 압력센서(PS), 상기 압력센서(PS)로부터 검출되는 산소저장탱크(40) 내의 압력이 설정치 이상으로 되면, 전기분해장치(30)로 공급되는 전원을 차단하고, 그 미만이면, 전원을 공급하도록 제어하는 동시에 엔진의 흡기행정이 감지되면 전자제어노즐(EN)을 소정시간동안 개방하여 흡기구(52)로 공급되는 산소(O₂)의 양의 조절하도록 제어하는 전자제어유닛(ECU)으로 구성된 것이다.

Description

내연기관의 산소공급장치{oxygen supply apparatus for internal combustion engine}

본 발명은 내연기관의 산소공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기분해에 의해 발생된 산소를 엔진의 흡기구로 공급함으로써 내연기관의 연비를 향상시키는 동시에 배기가스 중의 유해성분을 감소시킬 수 있도록 한 내연기관의 산소공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관은 흡기구를 통해 공기와 연료를 흡입한 후 실린더의 연소실내에서 폭발행정을 통해 출력을 얻고, 연소 중에 발생된 배기가스는 배기구를 통해 외부로 방출하도록 되어 있다.

이와 같이 종래의 내연기관으로부터 발생된 배기가스 중에는 불완전 연소된 다량의 유해성분이 존재하며, 그 주성분은 첨부도면 도1에 도시된 바와 같이 크게 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO_X)인 것으로 알려지고 있다. 이들 유해성분의 배출량을 줄이기 위해 촉매변화기(Catalytic Converter)를 통해 정화한 후 대기 중으로 방출시키고는 있지만 정화능력에 한계가 있었다.

이 중 일산화탄소(CO)는 산소(O₂)가 부족하여 불완전연소할 경우 발생되는데, 가솔린을 구성하고 있는 원소 중 탄소(C)가 연소하면 탄산가스(CO₂)가 발생된다.

C + O₂--> CO₂‥‥‥‥‥‥완전 연소일 경우의 반응식

그러나, 공기의 공급이 부족하게 되면 불완전 연소가 되어 일산화탄소(CO)가발생한다.

2C + O₂--> 2CO ‥‥‥‥‥불안전 연소일 경우의 반응식

또, 탄화수소(HC)는 연소실내에서 가솔린이 연소되지 않은 미연소 성분이며, 혼합기가 연소하면 실린더 내는 고온고압이 되는데, 이때 미연소 가솔린은 이 고온고압에 의해 작은 분자의 탄화수소로 분해되고, 가솔린의 주성분인 핵산(C₆H₁₄)의 경우도 메탄(CH₄), 에틸렌(C₂H₄), 프로판(C₃H₈)으로 변환한다. 이러한 것들을 일반적으로 「탄화수소」라 한다.

그리고, 질소(N₂)와 산소(O₂)의 화합물을 총칭하여 NO_X라 하는데, 공기중의 78 [%] (체적비)를 차지하는 질소(N₂)는 평상시에는 다른 원소와 반응하지 않다가 엔진 내부가 1,500 [℃] 이상의 고온으로 되면 반응이 활발해지는데, 연소실내에 압축된 혼합가스가 급격히 연소하여 온도가 상승하면 질소(N₂)와 산소(O₂)가 반응하여 NO가 발생된다.

N₂+ O₂--> 2NO ‥‥‥‥‥‥연소실 내에서의 반응식

NO는 공기중에 방출되어 공기중의 산소(O₂)와 반응하여 NO₂로 변화한다.

2NO + O₂--> 2NO₂‥‥‥‥‥공기중에서의 반응식

질소산화물(NO_X)에는 이외에도 여러 가지 종류가 있으나 자동차에서 배출되는 물질은 주로 NO이며, 이것이 대기중에서 NO₂로 변화하여 대기를 오염시킨다.

이러한 배기가스 중의 유해성분인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO_X)의 발생은 이론공연비(공기와 연료의 혼합비율)와 밀접한 관계가 있으며, 특히 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)는 산소가 부족할 경우 많이 발생되기 때문에 이에 대한 해결책이 시급하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 내연기관으로부터 발생되는 유해성분의 배출량을 줄이는 동시에 엔진의 연비를 향상시킬 수 있는 내연기관의 산소공급장치를 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 물을 전기분해하여 산소와 수소를 발생시키는 전기분해장치와, 전기분해장치로부터 발생된 산소를 저장하는 산소저장탱크와, 전기분해장치와 산소저장탱크 사이에 설치되어 이 산소저장탱크에 저장된 산소의 역류를 방지하기 위한 제 1체크밸브와, 산소저장탱크에 저장된 산소를 엔진의 흡기구로 공급하는 전자제어노즐과, 산소저장탱크의 압력을 감지하기 위한 압력센서와, 압력센서로부터 검출되는 산소저장탱크 내의 압력이 설정치 이상으로 되면, 전기분해장치로 공급되는 전원을 차단하고, 그 미만이면, 전원을 공급하도록 제어하는 동시에 엔진의 흡기행정이 감지되면 전자제어노즐을 소정시간동안 개방하여 흡기구로 공급되는 산소의 양의 조절하도록 제어하는 전자제어유닛을 포함하여 내연기관의 산소공급장치가 제공된다.

도 1은 종래 내연기관으로부터 발생되는 배기가스를 보이기 위한 도면

도 2는 본 발명에 따른 내연기관의 산소공급장치를 나타낸 도면

도 3은 본 발명에 따른 내연기관의 산소공급장치로부터 발생된 수소를 처리하기 위한 다른 실시예를 보인 도면

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

W : 물 O₂: 산소

H : 수소 30 : 전기분해장치

40 : 산소저장탱크 50 : 엔진

52 : 흡기구 54 : 배기구

70 : 배출관 80 : 촉매변화기

90 : 수소저장탱크 CV1 : 제 1체크밸브

CV2 : 제 2체크밸브 EN : 전자제어노즐

ECU : 전자제어유닛 PS : 압력센서

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도 2에 도시된 바와 같이 물(W)을 전기분해하여 산소(O₂)와 수소(H)를 발생시키는 전기분해장치(30)와, 이 전기분해장치(30)로부터 발생된 산소(O₂)를 저장하는 산소저장탱크(40)와, 전기분해장치(30)와 산소저장탱크(40) 사이에 설치되어 이 산소저장탱크(40)에 저장된 산소(O₂)의 역류를 방지하기 위한 제 1체크밸브(CV1)와, 산소저장탱크(40)에 저장된 산소(O₂)를 엔진(50)의 흡기구(52)로 공급하는 전자제어노즐(EN)과, 산소저장탱크(40)의 압력을 감지하기 위한 압력센서(PS)와, 압력센서(PS)로부터 검출되는 산소저장탱크(40) 내의 압력이 설정치 이상으로 되면, 상기 전기분해장치(30)로 공급되는 전원을 차단하고, 그 미만이면, 전원을 공급하도록 제어하는 동시에 엔진의 흡기행정이 감지되면 상기 전자제어노즐(EN)을 소정시간동안 개방하여 흡기구(52)로 공급되는 산소(O₂)의 양의 조절하도록 제어하는 전자제어유닛(ECU)으로 구성하였다.

여기서 상기 전기분해장치(30)는 전기적인 부도체로 이루어진 물탱크(32)와, 이 물탱크(32)의 기상부(氣相部)를 구획하여 산소발생실(33)과 수소발생실(34)로 나누는 격막(39)과, 이 격막(39)에 의해 분리된 양측의 산소발생실(33)과 수소발생실(34)에 각각 위치되어 물(W)에 잠기는 양전극(36)과 음전극(37) 및 산소발생실(33)과 수소발생실(34)로 각각 이어지는 배출구(38a)(38b)와, 양전극(36)과 음전극(37)에 각각 직류(DC) 전원을 공급하기 위한 전원부(200)로 구성된다.

상기 격막(39)의 하단부는 그 일부가 물(W)로 채워진 액상부(液相部)로 잠기게 되며, 상기 양전극(36)과 음전극(37)에는 직류(DC)전원을 공급하게 하고, 양전극(36)이 위치된 산소발생실(33)에서는 산소(O₂)가 발생되고, 음전극(37)이 위치된 수소발생실(34)에서는 수소(H)가 발생된다.

상기 전자제어노즐(EN)은 일반적인 솔레노이밸브와 같이 내부의 코일을 여자시키면 밸브가 개방되고, 그 반대로 코일을 소자시키면 유로가 차단되는 일반적인 것으로 구성하였다.

상기 전자제어유닛(ECU)은 통상의 경우에서와 같이 내장된 마이크로프로세서(CPU), 데이터 메모리(RAM), 프로그램 메모리(ROM), 입출력처리부, 타이머, 플래시메모리(EEPROM), 클럭발생부 등을 갖는다.

또한, 상기 전자제어유닛(ECU)은 엔진(50)의 흡기구(52)에 설치된 산소센서(55)로부터 검출되는 공기중의 산소량을 측정하여 전자제어노즐(EN)로부터 분사되는 산소(O₂)의 양을 적절하게 조절할 수 있도록 구성하였다.

첨부도면 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전기분해장치(30)로부터 발생된 수소(H)는 배출관(70)을 통해 엔진(50)의 배기구(54)로 배출되어 촉매변화기(80)에서 연소되도록 구성될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 전기분해장치(30)로부터 발생된 수소(H)를 제 2체크밸브(CV2)를 통해 수소저장탱크(90)로 유입되도록하여 외부로의 방출을 방지하고, 포집하여 재사용할 수 있도록 구성할 수도 있다.

도면중 미설명 부호 100은 엔진(50)의 피스톤을 나타낸 것이고, 102는 엔진(50)의 실린더를 나타낸 것이며, 104는 머플러를 나타낸 것이고, 300은 연료를 분사하기 위한 인젝터를 나타낸 것이며, 302는 점화플러그를 나타낸 것이고, 202는 압력게이지를 나타낸 것이다.

이하 본 발명에 따른 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도2에 도시된 바와 같이 전자제어유닛(ECU)은 산소저장탱크(40) 내의 압력을 주기적으로 검출하여 측정하게 되는데, 먼저 산소저장탱크(40)에 설치된 압력센서(PS)로부터 측정된 압력에 상당하는 아날로그량이 전자제어유닛(ECU)으로 입력되면, 전자제어유닛(ECU)에 내장된 아날로그/디지털 컨버터(A/D Converter)에 의해 디지털 데이터로 변환된 후 전자제어유닛(ECU)에 미리 저장되어 있던 설정치(수치데이터)와 비교되어 그 이하로 판정되면, 전자제어유닛(ECU)은 산소저장탱크(40) 내의 압력이 설정치 이하로 떨어진 것으로 판정하여 전원부(200)에 의해 전기분해장치(30)의 양측 음전극(37)과 양전극(36)에 전원을 공급하게 된다.

이때 전기분해장치(30)의 물탱크(32)에 저장된 물(W)은 양측의 양전극(36)과 음전극(37)에 의해 분해되어 격막(39)에 의해 구획된 산소발생실(33)과 수소발생실(34)로 각각 산소(O₂)와 수소(H)를 발생시키게 되고, 산소발생실(33)에서 발생된 산소(O₂)는 제 1체크밸브(CV1)를 통해 산소저장탱크(40)로 유입되어 부족한산소량을 보충하게 된다.

이와 같은 과정에 의해 산소저장탱크(30) 내의 압력이 설정치 이상으로 다시 상승하게 되면, 전자제어유닛(ECU)은 이를 압력센서(PS)에 의해 감지하여 전기분해장치(30)로 공급되는 전원을 차단하여 산소(O₂)와 수소(H)가 과다하게 발생되는 것을 막게 된다.

한편, 엔진(50)으로부터 흡기행정이 시작되면, 전자제어유닛(ECU)은 전자제어노즐(EN)을 개방하여 엔진(50)의 흡기구(52)를 통해 흡입되는 공기와 함께 부족한 산소(O₂)를 공급하여 완전연소를 돕게 된다.

즉, 전자제어유닛(ECU)은 엔진(50)의 흡기구(52)에 설치된 산소센서(55)에 의해 흡입되는 공기에 포함되어 있는 산소의 량을 측정한 후 이론공연비를 만족시키기 위한 부족한 산소공급량을 연산 처리한 다음 전자제어노즐(EN)의 개방시간으로 산소(O₂) 공급량을 조절하게 된다. 이때 전자제어노즐(EN)의 개방시간이 길게 되면, 공급되는 산소의 량은 많아지게 되고, 개방시간이 짧게 되면, 공급되는 산소의 양은 줄어들게 된다.

이때 엔진(50)의 연소실 내에는 대기중에서 흡입된 공기와 산소저장탱크(40)로부터 공급된 순수한 산소(O₂) 및 분무된 연료가 이론공연비에 적합하도록 혼재되어 있기 때문에 점화플러그(302)에 의해 폭발될 때 발생되는 배기가스 중의 유해성분의 양은 극히 적은 양으로 된다.

또한, 전기분해장치(30)와 산소저장탱크(40) 사이에 설치되어 있는 제 1체크밸브(CV1)는 산소저장탱크(30)에 저장된 산소(O₂)가 다시 전기분해장치(30)의 산소발생실(33)로 역류되는 것을 방지하는 작용을 하게 된다.

한편, 첨부도면 도2에 도시된 바와 같이 전기분해장치(30)로부터 발생된 수소(H)를 엔진(50)의 배기구(54)로 배출하도록 구성된 예에서는 전기분해장치(30)의 수소발생실(34)에서 발생된 수소(H)가 배출관(70)을 타고 배기구(54)로 유입된 후 엔진(50)으로부터 배출된 배기가스와 섞인 다음 촉매변화기(80)의 촉매작용에 의해 연소된 후 머플러(104)를 통해 대기 중으로 방출된다.

또, 첨부도면 도3에 도시된 바와 같이 전기분해장치(30)로부터 발생된 수소(H)를 별도의 수소저장탱크(90)에 포집하도록 구성된 경우에는 전기분해장치(30)로부터 발생된 수소(H)가 제 2체크밸브(CV2)를 경유하여 수소저장탱크(90)에 저장되는데, 차량의 정지 중에 수소저장탱크(90)에 저장된 수소(H)를 외부로 빼내어 가스연료로 재 사용할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 엔진의 흡기구로 흡입되는 공기 중의 부족한 산소량을 자동으로 측정한 후 이론공연비에 근접한 수준으로 부족한 산소를 공급하도록 구성되어 있기 때문에 연비를 향상시켜 엔진의 출력을 향상시키는 동시에 유해한 배기가스의 배출량을 줄임으로써 대기오염을 현저하게 줄일 수 있게 되며, 더 나아가서는 공급되는 순수한 산소에 의해 엔진의 연소실로 유입되는 공기중의 산소함량을 크게 높이고 상대적으로 질소함량은 줄어들도록 할 수 있기 때문에배기가스 중의 질소산화물의 생성을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims

물(W)을 전기분해하여 산소(O₂)와 수소(H)를 발생시키는 전기분해장치(30);

상기 전기분해장치(30)로부터 발생된 산소(O₂)를 저장하는 산소저장탱크(40);

상기 전기분해장치(30)와 산소저장탱크(40) 사이에 설치되어 이 산소저장탱크(40)에 저장된 산소(O₂)의 역류를 방지하기 위한 제 1체크밸브(CV1);

상기 산소저장탱크(40)에 저장된 산소(O₂)를 엔진(50)의 흡기구(52)로 공급하는 전자제어노즐(EN),

상기 산소저장탱크(40)의 압력을 감지하기 위한 압력센서(PS);

상기 압력센서(PS)로부터 검출되는 산소저장탱크(40) 내의 압력이 설정치 이상으로 되면, 상기 전기분해장치(30)로 공급되는 전원을 차단하고, 그 미만이면, 전원을 공급하도록 제어하는 동시에 엔진의 흡기행정이 감지되면 상기 전자제어노즐(EN)을 소정시간동안 개방하여 흡기구(52)로 공급되는 산소(O₂)의 양의 조절하도록 제어하는 전자제어유닛(ECU)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 산소공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기분해장치(30)로부터 발생된 수소(H)는 배출관(70)을 통해 엔진(50)의 배기구(54)로 배출되어 촉매변화기(80)에서 연소되도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 산소공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기분해장치(30)로부터 발생된 수소(H)는 제 2체크밸브(CV2)를 경유한후 수소저장탱크(90)로 유입되어 포집되도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 산소공급장치.