KR20040111220A - 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진에 관한 것으로서, 자동차 운행 중 제동시 발생하는 제동소멸 에너지 및 교통정체, 신호대기 등과 같이 엔진을 구동한 상태에서 정차시의 엔진 무부하(공회전 상태) 동력을 이용하여 고압의 압축공기를 만들고, 이 압축공기로 자동차 주행 시 엔진과 연결 구성된 출력축에 설치된 에어엔진을 구동하는 에너지원으로 활용하게 함으로서 특히 주행과 정차(엔진의 무부하 운전)가 반복되는 시내주행이 많은 자동차에 적용하여 엔진 운전의 효율성을 극대화 할 수 있는 하이브리드(hybrid)(엔진+보조엔진) 엔진을 제공코자 한 것이다.

즉, 본 발명은 변속기(4)와 연결된 클러치(5)로 동력을 전달하는 엔진(2)의 출력축(3)과 전동수단(8)으로 연결하는 공기압축기(6)와, 공기압축기(6)의 구동축(7)에 설치한 전자클러치(9)와, 자동차의 브레이크페달(10) 가압에 의해 작동하는 센서(10a) 접점을 검출하여 전자클러치(9)를 스위칭 제어하는 제어부(12)와, 공기압축기(6)에 관체(14)로 연결되고 제어부(12)에 의해 제어되는 압력센서(13a) 및 전자밸브(13b)가 설치된 저장탱크(13)와, 저장탱크(13)에 관체(16)로 연결되며 가속페달(17)의 조작에 따라 제어부(12)로 제어하는 분사노즐(15)과, 분사노즐(15)로 분사되는 압축공기로 구동되는 보조엔진(22)을 설치하여 제동소멸 에너지 및 엔진 무부하 동력을 엔진 출력축에 제공함에 있어서,

상기 보조엔진(22)은 흡/배기공(22a)(22b)을 갖는 케이싱(22c)에 의해 밀폐구성되고 출력축(3)에 키이로 결합된 수개의 익차를 갖는 임펠러(22d)를 내장 구성하며, 흡기공(22a)에 분사노즐(15)을 결합하고, 배기공(22b)에 엔진(2)의 연소가스를 배기하는 소음기(23)와 연결된 배기관(24)으로 결합한다. 그리고 분사노즐(15)에는 고압으로 물을 펌핑하는 분사펌프(25a)가 설치된 물탱크(25)를 배관 연결하고, 배기관(24)에는 물탱크(25)와 회수관(28)으로 연결된 배기공기회수통(26)과 기수(氣水)분리기(27)를 설치하며, 브레이크페달(10)의 가압을 센서(10a) 접점 또는 정차 시에 스위칭 제어하거나, 가속페달(17) 조작신호에 따라 분사노즐(15) 제어 여부가 결정하는 제어부(12)의 전원은 자동차의 키뭉치(18)와 전기적으로 연결된 릴레이스위치(19)에 의해 제어되게 한 것으로서, 정차 빈도가 많은 도심 자동차에 적용할 경우 연료 소모량을 획기적으로 줄일 수 있으면서도 엔진(2) 출력이 보조엔진(22)에 의해 증강되는 효과를 득할 수 있는 에너지 절약형 하이브리드 엔진을 제공할 수 있는 것이다.

Description

자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진{A support air engine using the no­load power of cars}

본 발명은 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자동차 운행 중 제동시 발생하는 제동소멸 에너지 및 교통정체, 신호대기 등과 같이 엔진을 구동한 상태에서 정차시의 엔진 무부하(공회전 상태) 동력을 이용하여 고압의 압축공기를 만들고, 이 압축공기로 자동차 주행 시 유류를사용하는 엔진 출력축에 설치된 에어엔진을 구동하는 에너지원으로 활용하게 함으로서 특히 주행과 정차(엔진의 무부하 운전)가 반복되는 시내주행이 많은 자동차에 적용하여 엔진 운전의 효율성을 극대화 할 수 있는 하이브리드(hybrid)(엔진+보조 에어엔진) 엔진을 제공코자 한 것이다.

화석연료인 석유의 경우 각종 운송수단 및 화학제품의 원료로서 산업에 있어서 매우 중요한 연료이다.

그러나 천연자원인 석유의 경우 산업발달로 소비량은 급격히 늘어나는 반면 매장량은 점차적으로 줄어들고 있으며, 국제 유가는 이를 반영하듯 계속 상승되고 있는 실정이다.

한편 석유 소모량이 가장 많은 자동차의 경우 엔진을 시동한 상태에서 경제속도로 멈춤이 없이 목적지까지 도착할 때 고효율의 경제적인 운전이 될 수 있으나, 현실적인 교통여건 하에서는 불가능하다.

특히 도심지의 경우 주행하는 시간보다 교통체증, 신호대기 등으로 정차하는 시간이 더 많은 경우가 많다. 이렇게 정차한 상태에서도 엔진은 무부하 운전 상태를 유지하여 연료를 연소시키게 되는바, 엔진 운전 효율이 떨어지고 막대한 석유자원을 소비시키게 되는 문제점이 있어 이를 해결할 수 있는 수단이 요구되고 있다.

근자에는 배터리에 충진되어 있는 전기에너지로 모터를 구동시키는 전기자동차, 기존 엔진과 전기자동차를 결합한 형태의 하이브리드 자동차 등이 개발되고 있다.

그러나 전자인 전기자동차의 경우 무공해 자동차로서 국내외적으로 많은 연구가 이루어지고 있으나, 현재까지는 주행거리에 비해 배터리 충전시간이 많이 소요되고, 많은 수량의 배터리를 싣고 다녀야 하며, 등판능력이 현저히 떨어지는 등의 문제점이 있는바, 향후 배터리를 급속 충전하는 기술 및 배터리를 간소화하는 기술과 더불어 등판능력 향상 등의 여러 문제점을 해결해야만 상용화가 가능한 기술이다.

후자인 기존 엔진과 전기자동차를 결합한 형태의 하이브리드 자동차는 출발 시 배터리의 전원으로 모터를 구동시키고 일정속도 이상일 때 엔진을 구동시켜 배터리를 충진하는 구성으로 상기 전기자동차의 문제점을 해결할 수 있고 연료 소모량을 줄일 수 있는 차세대 자동차로 대두되고 있기는 하나, 기존 엔진과 더불어 배터리로 구동되는 모터를 추가 설치하여야 하는바, 구성이 복잡한 등의 문제점이 있고 배터리를 주행 중 충전할 수 있기는 하나 이 또한 많은 수량의 배터리를 자동차에 싣고 다녀야 하는 등 다수의 문제점이 있었다.

또한 기존 엔진과 전기자동차를 결합한 형태의 하이브리드 자동차의 경우 주행여건이 좋은 장소에서의 사용은 가능하나 자동차의 정체가 심한 시내 주행에 있어서는 적합치 못한 단점이 있다.

따라서 배터리에 충진되어 있는 전기에너지로 모터를 구동시키는 전기자동차, 기존 엔진과 전기자동차를 결합한 형태의 하이브리드 자동차는 고중량(전기모터 및 다량의 배터리 탑재)이고 고가이며, 구성이 복잡하고 고도의 기술성이 요구되므로 현재까지 실용화되지 않고 있다.

한편 주행 중인 자동차가 정지하거나 감속하려고 브레이크를 조작할 때 제동력에 의해 소멸하는 운동에너지를 전자클러치와 연결되어 있는 공기압축기에 전달하여 고압의 압축공기를 만들어 저장하고, 저장된 압축공기로 에어모터를 구동하여 에어모터 주축에서 발생하는 동력을 벨트 등의 전동수단으로 엔진 출력축에 전달하여 엔진 출력을 증강시킬 수 있게 한 자동차의 제동소멸 에너지 회수장치가 선출원(국내특허출원 10-1993-023847호)된바 있다.

그러나 상기한 선출원 발명의 경우 엔진 출력축과, 공기압축기 구동축 및 에어모터를 벨트 또는 체인과 같은 전동수단으로 연결하여 상시 구동되게 한 구성으로 전자클러치의 작동에 의해 공기압축기를 구동하는 데에는 큰 문제가 없으나, 출력축에는 공기압축기 구동축 및 에어모터와 연결하는 전동수단 및 에어모터의 마찰저항에 의해 출력이 감소된 상태에서 에어모터를 구동하게 되는데, 이때 에어모터의 구동이 단순히 압축공기에 의해서 이루어지므로 엔진 출력축으로 전달되는 힘이 약해 출력 증가 효과가 매우 적어 상용화되지 못하였다.

이에 본 발명자는 상기한 자동차의 제동소멸 에너지 회수장치(국내특허출원 10-1993-023847호)가 갖는 문제점을 해결함과 아울러 도심에서의 빈번한 정차 시에도 엔진이 무부하 구동됨에 착안하여 본 발명을 연구 개발한 것이다.

즉, 본 발명에서는 운행 중인 자동차가 제동을 위해 브레이크 페달을 가압할 때나 또는 정차 시의 엔진 무부하 동력을 압축공기로 변환 저장하였다가 가속페달을 밟을 때 엔진 출력축에 설치된 보조엔진에 고압의 압축공기를 물과 함께 분사하게 함으로 해서 엔진의 구동 효율을 높여 교통정체, 신호대기 등으로 인한 정차시간이 많은 도심 지역에서도 연료 소모량을 획기적으로 줄일 수 있는 하이브리드 엔진을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 기본 개념을 보인 블록도

도 2는 본 발명의 작동 상태도

도 3은 본 발명의 보조엔진 발췌 일부 파절상태 사시도

도 4는 도 3의 단면 구성도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1:(자동차의 무부하 동력을 이용한) 보조 에어엔진

2:엔진 3:출력축

4:변속기 5:클러치

6:공기압축기 7:구동축

8:전동수단 9:전자클러치

10:브레이크페달 10a:센서

11:속도계 12:제어부

13:저장탱크 13a:압력센서

13b:전자밸브 13c:안전변

13d:외부공기 주입연결구 14,16:관체

15:분사노즐 17:가속페달

18:키뭉치 19:릴레이스위치

20:저장용 보조탱크 21:분사용 보조탱크

22:보조엔진 22a:흡기공

22b:배기공 22c:케이싱

22d:임펠러 23:소음기

24:배기관 25:물탱크

25a:분사펌프 26:배기공기회수통

27:기수분리기 28:회수관

본 발명에서 제공코자 하는 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조엔진(에어엔진)은 제동시의 제동소멸 에너지 및 정차시의 엔진의 무부하 동력으로 공기압축기를 구동하여 압축공기(에너지)로 변환시켜 저장하고, 이 저장된 압축공기를 자동차의 주행 시에 보조엔진에 제공하여 엔진 출력을 증강시킬 수 있게(부하를 줄일 수 있게) 한 것이다.

도 1은 본 발명의 기본 개념을 보인 블록도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 작동 상태도, 도 3은 본 발명의 보조엔진 발췌 일부 파절상태 사시도이며, 도 4는 도 3의 단면 구성도를 도시한 것으로서, 이하에서 본 발명의 구성을 설명한다.

즉, 본 발명은 도시된 바와 같이 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진(1)을 구성함에 있어서, 변속기(4)와 연결된 클러치(5)로 동력을 전달하는 엔진(2)의 출력축(3)에 공기압축기(6)의 구동축(7)을 체인과 같은 전동수단(8)으로 연결하고, 구동축(7)상에는 전자클러치(9)를 설치하여 자동차의 브레이크페달(10) 가압에 의해 작동하는 센서(10a) 접점 상태를 검출하는 제어부(12)에 의해 스위칭 제어되게 한다.

공기압축기(6)에는 자동차의 트렁크 등에 설치되는 저장탱크(13)와 관체(14)로 연결하여 고압으로 압축된 압축공기를 저장한다.

상기 저장탱크(13)는 최고충압력(21㎏/㎠·G), 사용공기압(10㎏/㎠·G) 정도가 적당하며, 크기는 자동차의 크기 및 트렁크의 여유 공간 등을 고려하되, 약 40ℓ정도가 적당하다. 또한 저장탱크(13)에는 제어부(12)와 전기적으로 연결된 내부압력을 감지하는 압력센서(13a)와, 압력센서(13a)의 감지 값이 사용공기압일 때 제어부(12)에 의해 단속되는 전자밸브(13b)를 설치하며, 최고충압력 이상일 때 자동개폐하는 안전변(13c)을 설치하여 외부 충격 등에 의한 폭발 위험성이 없게 하고, 외부공기 주입연결구(13d)를 설치하여 주차 및 주유 중에 외부 공기압축설비에서 생산한 압축공기를 충압할 수 있게 한다.

저장탱크(13)에는 분사노즐(15)과 연결된 관체(16)를 연결하여 분사노즐(15)에 압축공기를 제공하며, 분사노즐(15)은 상기 저장탱크(13)에 설치된 전자밸브(13b)와 함께 제어부(12)에 의해 제어된다. 즉, 가속페달(17) 조작신호 및 저장탱크(13)에 설치된 압력센서(13a)의 감지 값이 사용공기압일 때 제어부(12)의 개폐여부가 결정된다.

상기 브레이크페달(10)의 가압에 의해 작동하는 센서(10a) 접점 및 정차 시에 스위칭 제어나, 가속페달(17) 조작신호 및 속도계(11)의 주행 값을 검출하는 제어부(12)의 전원은 자동차의 키뭉치(18)와 전기적으로 연결된 릴레이스위치(19)에 의해 제어되며, 릴레이스위치(19)는 엔진(2) 구동 후 약 3~5분 후 전원을 인가하게 한다.

본 발명의 보다 안정성 있는 작동을 위해 공기압축기(6)와 저장탱크(13)를 연결하는 관체(14)의 중도에 저장용 보조탱크(20)를 설치하고, 저장탱크(13)와 분사노즐(15)을 연결하는 관체(16)의 중도에 분사용 보조탱크(21)를 설치한다.

분사노즐(15)의 분사구로 분사되는 압축공기는 자동차 엔진(2)의 구동력을 변속기(4)로 전달하는 출력축(3)에 설치한 흡/배기공(22a)(22b)을 갖는 보조엔진(22)의 흡기공(22a)에 연결하여 케이싱(22c)에 의해 밀폐 구성되고 출력축(3)에 키이로 결합된 수개의 익차를 갖는 임펠러(22d)에 타격되게 한다.

상기 보조엔진(22)의 흡기공(22a)으로 공급되는 압축공기가 임펠러(22d)를 타격 후 배기공(22b)을 통해 외부로 배기할 수도 있으나, 이때 심한 소음이 발생하므로 배기공(22b)에는 엔진(2)의 연소가스를 배기하는 소음기(23)와 배기관(24)으로 연결하여 소음발생을 최소화한다.

그리고 보조엔진(22)으로 분사되는 압축공기의 타력을 좀 더 향상시킬 목적으로 본 발명에서는 분사노즐(15)과 물탱크(25)를 배관 연결하여 압축공기가 분사될 때 물탱크(25)에 저장되어 있는 물을 물탱크(25)에 설치되어 있는 분사펌프(25a)에 의해 펌핑하여 고압으로 압축공기와 함께 분사하고, 배기공(22b)과 소음기(23)를 연결하는 배기관(24)에는 배기공(22b)으로 배기되는 물과 공기를 안정시키는 배기공기회수통(26)과, 배기공기회수통(26)에서 안정된 물과 공기를 상호 분리하는 기수(氣水)분리기(27)를 설치하고, 기수분리기(27)와 물탱크(25)를 회수관(28)으로 연결하여 물을 재사용한다.

본 발명은 저장탱크(13)에 사용공기압 내일 때는 속도계(11)의 속도와는 무관하게 작동되나, 필요에 따라 속도계(11)와 제어부(12)를 전기적으로 연결하여 0~20㎞의 저속일 때 사용할 수 있도록 한정할 수도 있다.

도면 중 미설명 부호 29는 저장탱크(13)에 설치한 압력계이고, 30은 관체(14)(16)에 설치된 역지변 및 제어밸브를 도시한 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진(1)은 운행 중 발생하는 제동소멸 에너지나, 정차시간이 긴 도심에서 정차하는 동안 발생하는 무부하 동력을 압축공기로 저장하여 자동차가 주행할 때 압축공기를 보조엔진(22)에 공급하여 출력축(3)의 부하를 줄여 엔진(2) 효율을 높임으로서 실질적인 연비향상 효과 등을 제공하는 것으로서, 이하에서 본 발명에 따른 작용 등을 설명한다.

본 발명이 설치된 자동차를 운행코자 엔진(2)을 시동하면 키뭉치(18)와 전기적으로 연결된 릴레이스위치(19)에 의해 엔진(2) 구동 후 약 3~5분 후 제어부(12)에 전원이 인가된다.

이러한 상태에서 자동차를 운행하다가 브레이크페달(10)을 가압하면 센서(10a)가 이를 감지하여 제어부(12)에 고지하게 된다. 제어부(12)에서는 센서(10a) 신호에 따라 전자클러치(9)에 전원을 인가하여 공기압축기(6)를 구동시켜 고압의 압축공기를 생산하게 된다.

상기와 같이 공기압축기(6)에서 생산된 압축공기는 관체(14) 및 저장용 보조탱크(20)를 경유하여 저장탱크(13)에 저장된다. 이때 저장탱크(13)에 최고충압력(21㎏/㎠·G) 압력센서(13a)의 감지 값이 제어부(12)에 고지되면, 제어부(12)는 공기압축기(6)로 동력을 전달하는 전자클러치(9)의 전원을 차단하여 공기압축기(6)를 정지시키게 된다.

일반적으로는 저장탱크(13)에 사용공기압 내의 압축공기가 채워진 상태에서 자동차 주행을 위해 가속페달(17)을 밟게 되면 제어부(12)에서 가속페달(17) 조작신호와 저장탱크(13)에 설치된 압력센서(13a)의 압력 값을 검출하여 자동차 출발이 인지될 때 전자밸브(13b) 및 분사노즐(15)을 개방한다.

전자밸브(13b) 및 분사노즐(15)을 개방하면 저장탱크(13)에 저장되어 있는 압축공기는 분사노즐(15)을 통해 보조엔진(22)의 흡입공(22a)으로 공급되어 임펠러(22d)에 형성된 익차를 타격 후 배기공(22b) 및 배기관(24)을 경유하여 소음기(23)로 배기된다.

임펠러(22d)는 엔진(2)과 연결 구성된 출력축(3)에 키이로 고정된 상태에서 출력축(3)과 함께 구동되는바, 상기와 같이 분사노즐(15)을 통해 분사되는 압축공기가 회전하는 임펠러(22d)를 타격하는 형상이므로 구동력을 더욱 증가시키게 된다.

상기와 같이 분사노즐(15)을 통해 압축공기를 분사하는 과정에서 본 발명에서는 물탱크(25)에 있는 물을 분사펌프(25a)로 펌핑하여 압축공기와 함께 분사시켜 타격력을 더욱 향상시켰으며, 압축공기와 함께 분사된 물은 배기관(24)에 설치되어 있는 배기공기회수통(26) 및 기수분리기(27)에서 분리되어 물탱크(25)로 재공급된다. 상기한 분사 및 회수 과정에서 소량의 물이 소음기(23)를 통해 배출되는바, 물탱크(25)에 가끔씩 물을 충분히 보충할 필요가 있다.

한편 본 발명의 저장탱크(13)에는 외부공기 주입연결구(13d)가 마련되는바, 야간 주차 및 주유 중에 외부공기 주입연결구(13d)에 컴프레서(compressor)를 연결하여 압축공기를 충압하여 사용할 수도 있다.

이상과 같이 구성 및 작용되는 본 발명 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진(1)은 자동차의 제동시 발생하는 제동소멸 에너지 및 정차시 발생하는 무부하 동력을 압축공기로 저장하였다가 주행 중 이를 보조 동력원으로 사용할 수 있게 구성한 것으로서,

본 발명을 자동차에 적용할 경우 정차 빈도가 많은 지역에서의 연료 소모량을 획기적으로 줄일 수 있으면서도 엔진(2) 출력이 보조엔진(22)에 의해 향상되는 효과를 득할 수 있는 에너지 절약형 하이브리드 자동차를 제공할 수 있는 것이다.

또한 본 발명은 기존 자동차의 플라이휠처럼 회전하고 있는 보조엔진에 공기와 물로 동력을 전달하므로 구성이 간단하여 기존 자동차에도 용이하게 설치 사용할 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

1. 변속기(4)와 연결된 클러치(5)로 동력을 전달하는 엔진(2)의 출력축(3)과 전동수단(8)으로 연결하는 공기압축기(6)와,

   공기압축기(6)의 구동축(7)에 설치한 전자클러치(9)와,

   자동차의 브레이크페달(10)의 가압에 의해 작동하는 센서(10a) 접점 상태를 검출하여 전자클러치(9)를 스위칭 제어하는 제어부(12)와,

   공기압축기(6)에 관체(14)로 연결되고 제어부(12)에 의해 제어되는 압력센서(13a) 및 전자밸브(13b)가 설치된 저장탱크(13)와,

   저장탱크(13)에 관체(16)로 연결되며 가속페달(17)의 조작에 따라 제어부(12)에 의해 제어되는 분사노즐(15)과,

   분사노즐(15)로 분사되는 압축공기에 의해 구동되는 보조엔진(22)을 설치하여 제동소멸 에너지 및 엔진 무부하 동력을 엔진(2) 출력축(3)에 제공함에 있어서,

   상기 보조엔진(22)은 흡/배기공(22a)(22b)을 갖는 케이싱(22c)에 의해 밀폐 구성되고 출력축(3)에 키이로 결합된 수개의 익차를 갖는 임펠러(22d)를 내장 구성하며, 흡기공(22a)에 분사노즐(15)을 결합하고, 배기공(22b)에 엔진(2)의 연소가스를 배기하는 소음기(23)와 연결된 배기관(24)으로 결합하며,

   상기 분사노즐(15)에는 고압으로 물을 펌핑하는 분사펌프(25a)가 설치된 물탱크(25)를 배관 연결하고, 배기관(24)에는 물탱크(25)와 회수관(28)으로 연결된 배기공기회수통(26)과 기수(氣水)분리기(27)를 설치한 것을 특징으로 하는 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진.
2. 상기 제어부(12)의 전원은 자동차의 키뭉치(18)와 전기적으로 연결된 릴레이스위치(19)에 의해 제어되게 한 것을 특징으로 하는 자동차의 무부하 동력을 이용한 보조 에어엔진.