KR200280262Y1 - 차량의 산소 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 압력순환흡착(PSA)방식의 산소발생기를 이용하여 발생시킨 산소를 차량 엔진의 실린더와 차량 실내에 적절하게 공급하는 시스템이다. 공회전과 급가속에 따른 유해가스를 줄이고 차량 실내의 산소농도도 높인다. 전자제어유니트(3)가 스로틀 위치센서(15)의 입력 신호를 받을 때 공회전 조건이면 방향전환밸브(9)의 오리피스(10)쪽을 열고 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)는 닫는다. 급가속 조건에서는 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)도 개방되며, 산소발생기(1)에서 발생하는 산소는 필터(8)를 거쳐 오리피스(10)를 통해 일정량이 실린더에 공급되며, 산소저장탱크(2)에 저장된 산소는 유량제어밸브(5)를 통해 대량으로 실린더에 공급된다. 공회전 및 급가속의 조건이 아닐 때에는 개폐밸브(4)를 닫고 방향전환밸브(9)를 분배기(11)쪽으로 개방시켜 차량 실내로 산소를 공급한다. 대기오염 방지와 안전운전에 기여한다.

Description

차량의 산소 공급 시스템 {Oxygen supply system in vehicle}

본 고안은 압력순환흡착(PSA)방식의 산소발생기를 이용하여 발생시킨 산소를 차량 엔진의 실린더와 차량 실내에 적절하게 공급할 수 있는 차량의 산소 공급 시스템에 관한 것이다.

차량 운행 중에 에어컨 또는 히터를 계속 틀게 되면 차량 실내의 환기가 이루어지지 않아 산소농도가 저하된다. 이로 인해 운전자의 피로가 쌓이고 두통을 유발하게 되어 안전운행에 지장을 초래하고 있었다. 이를 개선하기 위한 방법으로 차량에 압력순환흡착(P.S.A: Pressure Swing Adsorption)방식의 산소발생기를 설치하여 차량 실내에 산소를 공급하도록 한 것들이 있다.

그 하나의 실시예는 대한민국 실용신안공개 제1999-0038371호 이고, 또 다른 실시예가 실용신안등록 제20-0231119호 이다. 전자의 경우는 차 실내에 산소농도감지수단을 설치하여 실내의 산소 농도가 일정 기준치 이하로 감소되면 제어수단의 제어신호에 의하여 경보음을 발생시킴과 동시에 산소발생기에서 산소를 발생시켜 송출통로를 통해 차 실내로 공급하도록 한 차량의 산소공급 제어장치이다. 후자의 경우는 차량의 실내공기가 에어크리너를 통해 공기압축기로 흡인되어 압축되면서 산소발생기에 의하여 산소가 발생되며 산소발생기의 배출구 측에는 향발생기가 설치된다. 차량의 실내에는 차내의 산소농도를 측정하는 산소센서가 설치되어 그 측정에 따라 상기한 산소와 향이 송풍기에 의하여 실내로 공급되도록 한 자동차용 산소 및 향 발생장치이다.

그러나 위와 같은 선행기술들은, 산소발생기를 사용하여 차량 실내의 부족한 산소를 공급함으로서 실내 산소농도를 높이기 위한 수단일 뿐 대기오염에 대처하기 위한 수단은 강구하지 못하고 있다.

차량의 급격한 증가로 인하여 차량에서 배출되는 배기가스는 대부분 유해가스로서 대기오염의 주원인이 되고 있다. 차량에서 배출되는 유해가스중 질소산화물(NO_X)은 실린더에 공급된 공기중의 질소가 고온에서 산화하여 NO 가 되고 대기중으로 배출되어 NO₂로 산화하여 배출되는데, 이같은유해가스는 대부분 연소효율 저하로 인한 불완전 연소에 의하여 발생되며 주행중 보다는 공회전시킬 때와 급가속할 때에 더 많은 유해가스가 배출된다. 배출되는 탄화수소는 가솔린 성분 중 에너지 성분인 탄화수소가 실린더 속에서 연소(산화)되지 않은 채 배기관으로 배출되는 것이며 탄산가스는 실린더 안에서 탄화수소가 완전히 연소하여 이산화탄소가 되어야 하는데 산소 부족이나 연소효율 저하로 인해 대기에 그대로 방출되는 것이다.

본 고안의 목적은 고순도 산소를 발생시켜 공회전 및 급가속시에 차량 엔진에 일정량을 공급함으로써 완전 연소를 유도하여 차량에서 배출되는 배기가스의 농도를 현저히 감소시키는데 있으며, 더불어 차량 실내에도 산소를 공급하여 차량 실내의 산소농도를 유지시켜 줌으로써 운전자의 피로와 두통을 해소하고 안전운전을 유도하는데 있는 것이다.

도 1은 본 고안의 시스템 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:산소발생기, 2:산소저장탱크, 3:전자제어유니트, 4:개폐밸브, 5:유량제어밸브, 6:역류방지밸브, 8:필터, 9:방향전환밸브(=전자밸브), 10:오리피스, 11:분배기, 15:스로틀 위치센서

본 고안은 상기 목적을 달성하기 위하여, 압력순환흡착방식의 산소발생기에서 발생되는 산소를 산소저장탱크에 저장하여 차량 실내에 공급하는 것에 있어서, 상기 산소발생기의 출구에는 불순물을 여과시키는 필터와 전자밸브를 직렬로 설치하고, 상기 전자밸브의 출구에는 엔진의 실린더 쪽으로 산소를 일정량 공급할 수 있는 오리피스를 설치하며, 상기 산소저장탱크의 출구에는 개폐밸브와 유량을 일정하게 제어하는 유량제어밸브를 직렬로 연결하고, 상기 유량제어밸브와 오리피스의 출구에는 엔진의 실린더와 연결되어 공급되는 산소의 역류를 방지하는 역류방지밸브를 설치하며, 스로틀 위치센서의 입력신호에 따라 공회전시에는 상기 전자밸브를 개방하고 급가속시에는 상기 전자밸브와 개폐밸브 및 유량제어밸브의 개방이 가능하도록 신호를 출력하는 전자제어유니트를 구비한 것이다.

상기에서 전자밸브는 상기 오리피스와 차량 실내로 산소를 공급할 수 있는 분배기의 유로를 선택적으로 개방시킬 수 있는 방향전환밸브로 구성할 수 있고, 이에 따라 상기 전자제어유니트는 공회전시에 상기 전자밸브의 오리피스쪽을 개방시키고 상기 개폐밸브와 유량제어밸브를 차단시키며, 급가속시에 상기 전자밸브의 오리피스쪽과 상기 개폐밸브 및 유량제어밸브를 개방시키고, 공회전 및 급가속 이외의 조건에서 상기 전자밸브의 분배기쪽 유로만을 개방시키는 신호를 출력하도록 구성되어 있어야 한다.

본 고안은 상기와 같은 구성에 따라, 전자제어유니트가 스로틀 위치센서의 입력 신호를 받을 때 공회전 조건에 있으면 전자밸브의 오리피스쪽을 열고 개폐밸브와 유량제어밸브는 닫는다. 급가속 조건에서는 개폐밸브와 유량제어밸브도 개방된다. 이에 따라 산소발생기에서 발생되는 산소는 필터를 거쳐 오리피스를 통해 일정량이 실린더에 공급되고, 산소저장탱크에 저장된 산소는 유량제어밸브를 통해 대량으로 실린더에 공급된다.

이러한 과정을 통해 다량의 산소가 실린더에 공급되고 나면, 산소저장탱크에 남아있는 산소의 량은 현저히 줄어들게 되는 것인데, 이를 보충하기 위하여 급가속에 소요되는 2∼3초 경과후 안정적인 주행상태에 이르게 되면 산소공급 라인의 모든 밸브를 닫고 산소발생기로부터 발생되는 산소를 일정시간(20∼50초) 동안 산소저장탱크에 저장하게 된다.

공회전 및 급가속의 조건이 아닌 일반의 주행상태에서는 개폐밸브를 차단(폐쇄)하고 전자밸브를 분배기 쪽으로 개방시켜 분배기를 통해 차량 실내로 오염되지 않은 신선한 산소를 공급한다.

이하 본 고안의 실시예를 첨부된 도면에 의하여 설명한다.

산소발생기(1)는 압력순환흡착방식 또는 압력변동흡착방식 혹은 PSA방식이라고 부르는 것으로서 가스의 압력을 변화시켜 지올라이트라는 흡착 여재에 흡착과 탈착을 반복시키므로써 순도 90~95%의 산소를 분리하는 것인데, 이것은 이미 널리 알려진 주지의 기술에 속하는 것이다.

도 1에서 하나의 블럭으로 도시되고 있는 산소발생기(1)의 작동 원리는, 압축기에서 압축된 공기는 흡착과정에서의 흡착력을 높이기 위하여 열교환기에서 온도를 낮춘 후 두 개의 분자 체 베드(Molecular Sieve Bed) 중 한 개의 베드에 인입되며 공기중의 질소분자는 흡착력의 차이에 따라 산소분자 보다도 먼저 체(Sieve)에 흡착되어 진다. 체가 질소분자에 의해 포화되면 전자제어장치에 의해 솔레노이드 밸브를 조작하여 다른 베드로 압축 공기가 이송되어 산소를 생산하고. 동시에 질소가스로 포화된 베드는 체의 재생을 위하여 탈착 단계를 수행한다. 이러한 공정을 매 수십 초마다 반복함으로써 산소를 연속 생산한다. 이러한 흡탈착의 반복 공정 가운데 두 개의 베드가 서로 흡탈착을 변경(cycle reverse)할 때 솔레노이드 밸브는 베드로 인입되는 모든 유체를 순간적으로 차단하며 크로스-오버 밸브를 열어 두 베드 사이의 압력의 평형을 유지한다. 이렇게 생산되어진 산소 중 대부분은 감압 오리피스를 통과하여 질소로 포화된 베드의 체를 세정(탈착)하기 위하여 사용되고 나머지는 외부로 배출된다.

위와 같이 흡탈착의 반복에 의하여 얻어지는 산소발생기(1)의 산소 일부는산소저장탱크(2)에 저장된다. 이렇게 산소발생기(1)와 연결된 산소저장탱크(2)의 출구에는 전자제어유니트(3)의 출력 신호에 의하여 개폐되는 개폐밸브(4)가 설치되며, 이 개폐밸브(4)의 출구에는 유량을 일정하게 제어하는 유량제어밸브(5)가 연결되어 있다. 그리고 유량제어밸브(5)의 출구에는 산소의 역류를 방지하는 역류방지밸브(6)가 설치되어 있으며, 이 역류방지밸브(6)의 출구는 엔진(7)의 실린더에 산소를 공급할 수 있도록 연결되어 있다. 상기에서 산소발생기(1)와 산소저장탱크(2)는 트렁크 공간에 설치하는 것이 바람직하다. 이 산소발생기(1)와 산소저장탱크(2)는 차량의 시동과 함께 작동된다.

한편, 산소발생기(1)의 출구(분기관)에는 소모품으로서의 불순물 여과재인 필터(8)가 설치되어 있으며, 이 필터(8)의 출구에는 방향전환밸브(9)가 연결되어 있다. 방향전환밸브(9)는 전자제어유니트(3)의 출력 신호에 의하여 엔진(7)의 실린더와 차량 실내로 산소를 선택적으로 공급할 수 있도록 방향 전환이 가능한 밸브로서 그 2방향의 출구에는 오리피스(10)와 차량 실내에 위치하는 분배기(11)가 연결되어 있다.

위에서 오리피스(10)는 방향전환밸브(9)가 오리피스(10)쪽으로 개방되었을 때 항상 일정량의 산소를 실린더 쪽으로 공급할 수 있기 위해 설치한 것이다. 또 상기한 분배기(11)는 실내에 냉기 또는 온기를 토출하기 위해 클러스터 패드 내와 바닥판에 연결되는 덕트를 말하는 것으로 블로어 쪽에 연결되는 것이 바람직하다. 상기한 오리피스(10)의 출구는 역류방지밸브(6)와 연결되어 있다. 역류방지밸브(6)의 출구는 상기한 바와 같이 엔진(7)의 실린더에 산소를 공급할 수 있도록 연결된것으로, 실제로는 엔진(7)의 흡기관(12)과 연결되는 서지탱크에 호수로 연결된다. 경우에 따라서는 에어크리너(13) 후방 또는 흡기관(12) 후방에 연결할 수도 있다.

전자제어유니트(3)는 에어크리너(13) 후방에 있는 흡기관(12)의 스트틀 밸브(14)가 가지는 개폐 각도를 감지하는 스로틀 위치센서(15)의 입력 신호를 받아 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5) 및 방향전환밸브(9)에 신호 출력하여 각각의 밸브를 작동시킨다. 전자제어유니트(3)에는 스로틀 위치센서(15)의 입력 신호에 대하여 공회전 및 급가속에 대한 데이터를 설정값으로 가지고 있다. 즉 공회전시에는 방향전환밸브(9)의 오리피스(10)쪽을 개방하고 분배기(11)쪽을 차단하며 동시에 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)는 차단한다. 그리고 급가속시에는 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)를 개방하며 방향전환밸브(9)의 오리피스(10)쪽 출구를 개방시켜 주어 산소발생기(1)에서 발생된 산소를 필요한 량만큼 엔진(7)의 실린더 내부로 공급한다. 그러나 공회전 및 급가속의 조건을 충족하지 못하면 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)는 닫히며, 방향전환밸브(9)는 오리피스(10)쪽이 닫히고 분배기(11)쪽이 열리도록 설정되어 있다.

따라서, 차량에 시동을 걸면 산소발생기(1)가 작동된다. 산소발생기(1)에서 발생된 산소는 필터(8)를 통해 배출되며 나머지 산소는 산소저장탱크(2)에 저장된다. 차량에 시동만 걸려 있을 때에는 공회전 상태(액셀레이터 페달을 밟지 않은 상태)이므로 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)는 닫혀 있으며 방향전환밸브(9)는 오리피스(10)쪽으로 열려 있어서 산소발생기(1)에서 발생되는 산소는 오리피스(10)와 역류방지밸브(6)를 통해 엔진(7)의 실린더 내로 비교적 적은 양이 공급된다. 액셀레이터 페달을 밟아 급가속을 할 경우에는 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)까지 열려 산소저장탱크(2)에 저장된 비교적 다량의 산소가 엔진(7)의 실린더 내로 공급된다. 위와 같은 밸브들의 개폐는 전자제어유니트(3)가 스로틀 위치센서(15)에서 입력되는 입력값을 검지하고 설정값과 비교하여 신호 출력함에 의하여 이루어진다.

급가속에 소요되는 시간은 대체로 2∼3초 이내로서, 급가속이 끝나면 안정적인 주행상태로 바뀌게 되는 것이므로 다량의 산소를 요구하지 않게 된다. 따라서 급가속이 끝남과 동시에 20∼50초 가량의 설정시간 동안은 산소공급 라인의 모든 밸브를 닫고 산소발생기(1)로부터 발생되는 산소를 산소저장탱크(2)에 저장하게 되는 것이며, 이는 후속적인 산소요구량에 대응할 수 있도록 하기 위함이다.

그리고, 일정시간이 경과하고 공회전과 급가속이 아닌 상태, 즉 차량이 일정 속도 범위 내에서 안정되게 주행하고 있을 때에는 전자제어유니트(3)가 신호 출력하여 방향전환밸브(9)의 분배기(11)쪽 출구를 개방하고 오리피스(10)쪽 출구를 차단하며, 이와 동시에 개폐밸브(4)와 유량제어밸브(5)를 차단한다. 따라서 엔진(7)의 실린더 내로 공급되던 산소는 필터(8)와 방향전환밸브(9) 및 분배기(11)를 거쳐 차량 실내로 비교적 적은 양이 계속해서 공급된다. 그리고 산소발생기(1)에서 발생되는 여분의 산소는 산소저장탱크(2)에 계속해서 저장된다.

이와 같은 본 고안은 산소발생기에 의하여 고순도의 산소를 발생시켜 공회전시에 소량의 산소를 엔진에 공급하고, 급가속시에는 대량의 산소를 공급하며, 공회전과 급가속 이외의 주행 상태에서는 차량 실내에 소량의 산소를 공급하도록 한 것으로, 유해가스의 배출이 많아지는 공회전과 급가속시에 실린더에 고순도의 산소를 공급함으로써 실린더 내의 함유량을 높이고 완전연소를 유도하여 차량에서 배출되는 배기가스(유해가스)의 농도를 현저히 감소시켜 엔진 출력을 20∼30% 증대시키는 효과를 제공하는 동시에, 또한 안정적인 주행시에 실내에 고순도의 산소를 공급함으로써 에어컨이나 히터의 작동 등에 따라 부족해지는 실내의 산소농도를 높여주어서 피로와 두통을 방지하고 안전운행을 할 수 있는 쾌적한 환경을 얻을 수 있게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 압력순환흡착방식의 산소발생기에서 발생되는 산소를 산소저장탱크에 저장하여 차량 실내에 공급하는 것에 있어서,

   상기 산소발생기의 출구에는 불순물을 여과시키는 필터와 전자밸브를 직렬로 설치하고, 상기 전자밸브의 출구에는 엔진의 실린더 쪽으로 산소를 일정량 공급할 수 있는 오리피스를 설치하며, 상기 산소저장탱크의 출구에는 개폐밸브와 유량을 일정하게 제어하는 유량제어밸브를 직렬로 연결하고, 상기 유량제어밸브와 오리피스의 출구에는 엔진의 실린더와 연결되어 공급되는 산소의 역류를 방지하는 역류방지밸브를 설치하며, 스로틀 위치센서의 입력신호에 따라 공회전시에는 상기 전자밸브를 개방하고 급가속시에는 상기 전자밸브와 개폐밸브 및 유량제어밸브의 개방이 가능하도록 신호를 출력하는 전자제어유니트를 구비한 것을 특징으로 하는 차량의 산소 공급 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전자밸브는 상기 오리피스와 차량 실내로 산소를 공급할 수 있는 분배기의 유로를 선택적으로 개방시킬 수 있는 방향전환밸브로 하고, 상기 전자제어유니트는 공회전시에 상기 전자밸브의 오리피스쪽을 개방시키고 상기 개폐밸브와 유량제어밸브를 차단시키며, 급가속시에 상기 전자밸브의 오리피스쪽과 상기 개폐밸브 및 유량제어밸브를 개방시키고, 공회전 및 급가속 이외의 조건에서 상기 전자밸브의 분배기쪽 유로만을 개방시키는 신호를 출력하도록 구성한 것을 특징으로 하는 차량의 산소 공급 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전자제어유니트는, 급가속이 끝나면 설정시간(20∼50초) 동안 산소공급 라인의 모든 밸브를 차단하고 산소발생기로부터 발생되는 산소를 산소저장탱크에 저장하며, 설정시간 경과후 차량이 일정속도 범위 내에서 안정되게 주행하고 있다고 판단될 때 방향전환밸브의 분배기쪽 출구를 개방하고 오리피스쪽 출구와 개폐밸브 및 유량제어밸브를 차단하도록 구성한 것을 특징으로 하는 차량의 산소 공급 시스템.