KR20110111178A - 내연기관용 혼합기 완전 연소장치 및 제어방법 - Google Patents

내연기관용 혼합기 완전 연소장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관용 혼합기 완전 연소장치 및 제어방법에 관한 것으로, 연료와 순수 공기를 혼합시키는 기화기(120)가 흡기 매니폴드(112)와 연결된 엔진(110)과, 상기 기화기(120)로 순수 공기를 공급하는 에어 크리너(130)와, 상기 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 1 가열수단(140)과, 상기 제 1 가열수단(140)과 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)을 감싸도록 형성되고, 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수를 이용하여 에어 크리너(130)에서 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 2 가열수단(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치가 개시된다.

Description

내연기관용 혼합기 완전 연소장치 및 제어방법{internal combustion engine}
본 발명은 내연기관의 연소실에서 연료와 함께 연소되는 공기를 적정 온도로 가열한 후 기화기나 엔진의 연소실에 공급하는 혼합기 완전 연소장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관의 실린더에 공급되어 연소되는 혼합기 중 실린더에 공급되는 공기를 가열시킨 상태로 공급하여 내연기관에서 혼합기가 완전 연소되기 쉽게 가열 및 팽창된 상태로 연소됨으로써, 내연기관의 출력을 향상시키고 배기가스를 감소시킬 수 있는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료(fuel)의 연소를 직접 엔진 안에서 행하는 내연기관(internal combustion engine)은 흡입, 압축, 팽창, 배기의 과정을 거쳐서 동력을 발생하는데, 상기 내연기관은 실린더 및 피스톤으로 이루어진 연소실 내에서 연료를 직접 연소시켜, 그 발생하는 폭발 에너지를 피스톤으로 전달함으로써 커넥팅 로드 및 크랭크 기구에 의해 크랭크축을 회전시켜 동력을 발생시키는 동력발생장치이다.
이와 같은 흡입, 압축, 팽창, 배기의 행정을 거쳐 동력을 발생시키는 내연기관은 크게 가솔린 등과 같은 액체 연료를 기화기에서 공기와 적정 비율로 혼합시켜 혼합기를 형성하고, 상기 혼합기를 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 연소실에 공급한 뒤 압축하여 폭발시킴으로써 동력을 발생시키는 기화기식 내연기관과, 엔진의 연소실 내부로 액체 연료를 직접 분사하고, 에어 크리너에서 이물질이 제거된 순수 공기를 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 연소실에 공급한 뒤 압축하여 폭발시키는 연료 직접분사식 내연기관으로 구분할 수 있다.
이와 같은 기화기식 내연기관과 연료 직접분사식 내연기관은 엔진의 내부에 형성된 연소실에 액체 연료와 공기가 적정 비율로 혼합된 혼합기를 압축한 뒤 혼합기에 불을 붙여 혼합기가 연소되면서 발생되는 폭발 에너지를 피스톤이 전달받아 크랭크 축을 회전시켜 동력을 얻게 된다.
상기와 같은 내연기관은 엔진의 연소실에 공급된 혼합기의 연소에 의해 동력을 발생시키기 때문에 자동차에서는 연소에 따른 배기가스가 배출된다. 이러한 배기가스에는 대기오염의 요인인 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx) 등이 다량 포함되어 있다. 이와 같은 배기가스는 혼합기의 불완전 연소로 발생되는 바, 배기가스를 줄이고 저연비로 고출력을 얻기 위해서는 혼합기의 완전연소가 이루어져야 한다.
즉, 자동차 엔진에서는 자동차의 전면에 설치된 공기유입구를 경유하여 유입되는 외부의 공기가 에어 크리너에서 정화되어 순수 공기를 형성하게 되고, 순수 공기는 엔진의 헤드에 형성된 흡기 매니폴드로 공급되거나 또는 순수 공기가 연료와 혼합되는 기화기로 공급된 후 엔진의 연소실로 유입된다.
이렇게 연소실에 공급된 순수 공기는 연소실의 내부에 직접 분사되는 연료와 혼합되거나 또는 순수 공기가 연소실에 공급되기 전에 기화기에서 연료와 적정 비율로 혼합된 상태에서 연소실에 공급된 상태에서 피스톤이 혼합기를 압축하여 점화시킴으로써 폭발 에너지를 얻어 피스톤과 연결된 커넥팅 로드 및 크랭크 기구의 크랭크축의 회전으로 동력을 얻게 된다.
그러나, 겨울철과 같은 외부 공기가 차가운 상태에서 냉간 시동시에는 기화기나 엔진의 흡입 매니폴드로 공급되는 공기가 연료와 적정 비율로 혼합되기 어려운 저온의 상태이기 때문에 기화기나 엔진의 연소실에 유입되는 연료의 비율이 높아짐으로써, 연소실에서 혼합기가 압축 후 폭발되어도 연료가 완전히 연소되지 않아 적정한 출력을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 혼합기가 완전히 연소되지 않은 상태로 배기 매니폴드로 빠져 나가 대기오염을 유발하는 유해한 배기가스가 발생되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기화기나 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 순수 공기를 적정 온도로 가열시킨 상태로 공급함으로써, 기화기나 엔진의 연소실에서 연료와 혼합될 때 적정 비율로 혼합될 수 있도록 함으로써, 혼합기의 연소 효율을 높여 내연기관의 출력을 향상시키며 대기오염을 유발하는 유해한 배기가스의 배출량을 감소시킬 수 있는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 냉간 시동시 엔진의 연소실로 공급되는 순수 공기가 연료와 적정 비율로 혼합된 후 완전 연소할 수 있도록 하고, 냉간 시동 후에는 엔진의 폐열을 재사용하여 기화기나 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 순수 공기를 적정 온도로 가열시켜 혼합기가 완전 연소할 수 있도록 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상으로는, 연료와 순수 공기를 혼합시키는 기화기(120)가 흡기 매니폴드(112)와 연결된 엔진(110)과, 상기 기화기(120)로 순수 공기를 공급하는 에어 크리너(130)와, 상기 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 1 가열수단(140)과, 상기 제 1 가열수단(140)과 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)을 감싸도록 형성되고, 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수를 이용하여 에어 크리너(130)에서 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 2 가열수단(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치에 의해 달성된다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 사상으로는, 연소실(116)에 연료를 직접 분사하는 인젝터(117)가 설치된 엔진(110)과, 상기 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)와 연결되고 순수 공기를 공급하는 에어 크리너(130)와, 상기 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 1 가열수단(140)과, 상기 제 1 가열수단(140)과 흡기 매니폴드(112)를 연결하는 공기 공급관(132)을 감싸도록 형성되고, 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수를 이용하여 에어 크리너(130)에서 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 2 가열수단(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제 1 가열수단(140)은, 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)로 순수 공기를 송풍하는 송풍팬(142)과, 상기 송풍팬(142)에서 송풍된 순수 공기를 흡기 매니폴드(112)측으로 유도하도록 에어 크리너(130)의 내부에 설치되는 유도관(144)과, 상기 유도관(144)의 내부에 설치되어 순수 공기가 유도관(144)을 지나갈 때 순수 공기를 가열하는 발열소자(146)와, 상기 발열소자(146)와 일체로 형성되고 유도관(144)의 내경을 향해 방사형으로 뻗어 발열소자(146)로부터 발생된 열이 전달되는 제 1 방열핀(148)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유도관(144)의 내부에 발열소자(146)에 의해 가열된 순수 공기의 온도를 측정하는 제 1 온도감지 센서(149)가 설치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 가열수단(150)은, 공기 공급관(132)의 내경과 일체로 형성되고 공기 공급관(132)의 중심을 향해 방사형으로 뻗은 제 2 방열핀(152)과, 상기 제 2 방열핀(152)이 형성된 공기 공급관(132)이 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수가 흐르는 냉각수 유도관(160)을 관통하여 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 공기 공급관(132)의 내부에 냉각수 유도관(160)을 흐르는 냉각수에 의해 가열된 공기 공급관(132) 내부의 순수 공기의 온도를 측정하는 제 2 온도감지 센서(154)가 설치된 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 기술적 사상으로는, 냉각 시동시 에어 크리너에서 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 순수 공기의 온도를 측정하는 초기온도 측정단계(S110)와, 상기 초기온도 측정단계 후 순수 공기의 온도를 설정온도와 비교하여 측정된 온도가 설정온도보다 낮으면 에어 크리너에서 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 순수 공기를 가열하여 승온된 상태로 순수 공기를 공급하는 1차 승온단계(S120)와, 상기 1차 승온단계 후 엔진이 예열되면 엔진을 냉각시킨 냉각수가 에어 크리너에서 엔진의 흡기 매니폴드로 순수 공기를 유도하는 도관 주위로 흘러 순수 공기를 승온시키는 2차 승온단계(S130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 2차 승온단계(S130) 후 엔진을 냉각시킨 냉각수에 의해 승온된 순수 공기의 온도를 측정하는 승온온도 측정단계(S140)와, 상기 승온온도 측정단계(S140) 후 측정된 온도가 설정온도보다 높으면 1차 승온단계(S120)를 중지하는 1차 승온 중지단계(S150)를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 내연기관용 혼합기 완전 연소장치 및 제어방법은, 에어 크리너에서 정화된 순수 공기를 연료와 혼합되기 전에 승온시킨 후 연료와 혼합하여 혼합기를 형성하기 때문에 저온의 순수 공기에 연료가 혼합될 때보다 적은 량의 연료만으로도 고효율의 폭발 에너지를 얻을 수 있어 저연비로 고출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 배기가스의 배출량을 감소시킬 수 있다.
또한, 엔진을 냉각시킨 고온의 냉각수를 라디에이터로 유도하는 냉각수 유도관이 에어 크리너와 제 1 가열수단을 연결하는 공기 공급관으로 우회함으로써, 에어 크리너에서 제 1 가열수단으로 공급되는 순수 공기를 승온시키게 되고, 이렇게 제 2 가열수단에서 승온된 순수 공기의 온도가 설정온도에 이르게 되면 제 1 가열수단을 정지시켜 불필요한 전력 소모를 줄이게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제 1 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제 2 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치 중 제 1 가열수단과 제 2 가열수단을 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
제 1 실시예
도 1은 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제 1 실시예를 나타낸 개략도이다. 도면을 참조하여 설명하면, 제 1 실시예에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치는 연료와 순수 공기가 혼합된 상태로 폭발하는 연소실(116)이 형성된 엔진(110)과, 상기 연소실(116)로 정화된 공기를 공급하는 에어 크리너(130)와, 상기 에어 크리너(130)로부터 공급되는 순수 공기와 가솔린과 같은 액체 연료를 혼합하는 기화기(120)와, 상기 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 1 가열수단(140)과, 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수가 제 1 가열수단(140)과 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)을 감싸 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 2 가열수단(150)으로 구성된다.
상기 엔진(110)은, 순수 공기와 연료가 적정 비율로 혼합된 상태로 엔진(110)의 내부에 형성된 연소실(116)로 공급시킨 상태에서 폭발시켜 에너지를 얻기 위한 것으로 상기 엔진(110)은 실린더(118)를 내부에 형성하고 상기 실린더(118)에 피스톤(111)이 설치됨으로써, 실린더(118)와 피스톤(111) 사이에 형성된 연소실(116)로 적정 비율로 순수 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 흡기한 후 압축, 폭발, 배기하는 행정을 반복하여 동력을 얻는 장치이다.
즉, 상기 엔진(110)의 내부에는 피스톤(111)이 직선운동할 수 있도록 형성된 실린더(118)가 형성되고, 상기 피스톤(111)의 하부로는 커넥팅 로드(115)와 크랭크 축(미도시)이 유기적으로 연결된다. 또한, 상기 피스톤(111)이 직선운동하는 실린더(118)의 상부에는 순수 공기와 연료가 적정 비율로 혼합된 혼합기가 연소하는 연소실(116)이 형성되는 바, 상기 연소실(116)은 혼합기가 유입되는 흡기 매니폴드(112)가 형성된다.
그리고, 상기 흡기 매니폴드(112)의 반대측에는 연소실(116)에서 혼합기가 연소된 후에 발생되는 배기가스를 연소실(116)의 외부로 배출하기 위한 배기 매니폴드(114)가 형성되며, 상기 흡기 매니폴드(112)와 배기 매니폴드(114) 각각에는 흡기 밸브(112a)와 배기 밸브(114a)가 설치된다.
또한, 연소실(116)에 공급된 혼합기가 피스톤(111)의 작동에 의해 압축되면 혼합기에 불꽃을 일으켜 순간 연소(폭발)를 발생시키기 위한 점화 플러그(113)가 연소실(116)의 일측에 설치된다.
여기서, 상기와 같은 구조를 갖는 내연기관에서 동력을 얻기 위한 동작을 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정의 순서로 설명한다.
상기 흡입 행정은, 흡입 밸브(112a)는 열려 있고 배기 밸브(114a)는 닫혀 있는 상태에서 피스톤(111)이 상사점에서 하사점으로 하강을 하면 실린더(118) 내의 체적 변화로 압력이 대기압 이하가 되면서 기화기(120)에서 순수 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 연소실(116)로 흡입되어 진다.
상기와 같이 흡입 행정이 완료된 후에는 압축 행정이 진행되는데 상기 압축 행정은, 흡기밸브(112a), 배기밸브(114a)가 모두 닫히며 피스톤(111)이 상승하여 연소실(116) 내의 혼합기를 압축하게 된다. 이때, 상기 연소실(116) 내의 혼합기는 고온, 고압 상태이며, 흡입행정 완료 후 흡입, 배기 밸브(112a, 114a)가 닫힌 상태에서 피스톤(111)이 상승함에 따라 흡입된 혼합기는 압축되면서 압축압력과 압축열이 높아진다.
상기 폭발 행정은, 압축 행정이 끝날 무렵 점화 플러그(113)에서 전기불꽃을 발생시켜 혼합기의 연소(폭발)로 인한 압력으로 피스톤(111)이 하강하여 크랭크 축이 회전하게 된다. 즉, 압축 행정이 완료되기 직전(피스톤이 압축을 위해 상사점에 도달하기 직전), 점화 플러그(113)의 전기불꽃에 의해 압축된 혼합기가 폭발을 하게 되면 그 폭발력에 의해서 피스톤(111)이 압력을 받아 하강하며 커넥팅 로드(115)를 통하여 크랭크축을 회전시키게 된다.
상기와 같이 폭발 행정이 완료된 후에는 배기 행정이 진행되는데 상기 배기 행정은, 흡기밸브(112a)가 닫히고, 배기 밸브(114a)가 열리며 피스톤(111)이 상승하여 배기가스가 배기 매니폴드(114)를 통해 배출된다. 즉, 흡입 밸브(112a)는 닫혀 있고 배기 밸브(114a)가 열려 있는 상태에서 피스톤(111)이 상승(상사점 도달) 하게 되면 연소된 가스는 배기 매니폴드(114)를 통해 엔진(110)의 외부로 배출된다.
상기와 같이 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 통해 동력을 발생시키는 엔진(110)의 연소실(116)에는 연료와 순수 공기가 적정 비율로 혼합된 혼합기가 흡기 매니폴드(112)를 통해 연소실(116)로 공급되도록 상기 흡기 매니폴드(112)는 기화기(120)와 연결되고, 상기 기화기(120)의 일측에는 외부의 공기를 정화시켜 순수 공기를 기화기(120)로 공급하는 에어 크리너(130)가 설치된다.
상기 기화기(120)는 엔진(110)의 운전 상태에 따라 필요한 순수 공기와 연료를 적당한 비율로 혼합하고, 연료를 미립화하여 기화하는데 좋은 조건으로 만들어 엔진(110)의 연소실(116)에 공급하기 위한 것으로 특히, 제 1 실시예에서는 순수 공기를 공급하는 에어 크리너(130)의 내부에는 순수 공기를 가열시키는 제 1 가열수단(140)이 설치되고, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 행정을 반복하여 고온의 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수가 순수 공기를 가열하는 제 2 가열수단(150)이 제 1 가열수단(140)과 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)에 설치된다.
부연하자면, 상기 제 1 가열수단(140)은 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 에어 크리너(130)에서 정화된 순수 공기가 기화기(120)로 공급되기 전에 일정 온도로 승온시킨 상태로 기화기(120)에 공급하기 위한 것으로, 상기 제 1 가열수단(140)은 엔진(110)의 흡기 매니폴더(112)로 순수 공기를 송풍하는 송풍팬(142)과, 상기 송풍팬(142)에서 송풍된 순수 공기를 흡기 매니폴드(112)측으로 유도하도록 에어 크리너(130)의 내부에 설치되는 유도관(144)과, 상기 유도관(144)의 내부에 설치되어 순수 공기가 유도관(144)을 지나갈 때 순수 공기를 가열하는 발열소자(146)와, 상기 발열소자(146)와 일체로 형성되고 유도관(144)의 내경을 향해 방사형으로 뻗어 발열소자(146)로부터 발생된 열이 전달되는 제 1 방열핀(148)으로 구성된다.
또한, 상기 제 2 가열수단(150)은, 공기 공급관(132)의 내경과 일체로 형성되고 공기 공급관(132)의 중심을 향해 방사형으로 뻗은 제 2 방열핀(152)과, 상기 제 2 방열핀(152)이 형성된 공기 공급관(132)이 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수가 흐르는 냉각수 유도관(160)을 관통하여 설치된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 가열수단(140)과 제 2 가열수단(150)은 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)로 순수 공기를 공급하는 유로 상에 설치되는데, 상기 제 1 가열수단(140)은 기화기(120)와 에어 크리너(130)를 연결하는 유로 상에 설치되는데, 상기 제 1 가열수단(140)은 에어 크리너(130)의 내부에 설치됨으로써, 엔진(110) 외부의 공기가 에어 크리너(130)에서 정화된 상태에서 기화기(120)로 공급되기 전에 유도관(144)에 설치된 발열소자(146) 및 제 1 방열핀(148)을 지나면서 일정온도로 승온된 상태로 기화기(120)로 공급된다.
이렇게, 일정온도로 승온된 상태로 기화기(120)로 공급되는 순수 공기는 기화기(120)에서 연료와 적정 비율로 혼합되어 혼합기를 형성하고, 기화기(120)의 혼합기는 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)를 통해 연소실(116)로 공급되어 피스톤(111)에 의해 압축되고 폭발되기 때문에 연소실(116)의 혼합기를 완전히 연소시킬 수 있어 저연비로 고출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 혼합기가 완전 연소됨으로써 배기가스를 감소시킬 수 있다.
즉, 에어 크리너(130)에서 기화기(120)로 공급되는 순수 공기는 제 1 가열수단(140)에 의해 승온된 상태로 기화기(120)로 유입되며, 이렇게 승온된 상태로 기화기(120)로 유입되는 순수 공기는 분자활동(특히, 산소)이 활발하기 때문에 저온의 순수 공기에 연료가 혼합될 때보다 적은 량의 연료만으로도 고효율의 폭발 에너지를 얻기 위한 혼합기를 형성할 수 있다.
특히, 냉간 시동과 같은 엔진(110)이 예열되지 않고 외부의 차가운 공기가 바로 기화기(120)로 공급되는 경우에는 연료와 순수 공기가 적정 비율로 혼합되지 않고 연료의 비율이 순수 공기의 비율보다 많게 혼합됨으로써, 연소실(116)에서 혼합기가 완전히 연소되지 않고 잔류하기 때문에 연료의 소모가 증가하는 것에 비해 출력이 낮고 배기가스의 배출량이 증가하나, 에어 크리너(130)의 내부에서 순수 공기를 승온시키기 위한 제 1 가열수단(140)이 마련됨으로써, 저연비로 고출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 배기가스의 배출량을 감소시킬 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 냉간 시동 후 엔진(110)이 어느 정도 예열된 상태에서는 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수를 재사용하여 에어 크리너(130)에서 제 1 가열수단(140)으로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 2 가열수단(150)이 제 1 가열수단(140)과 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)에 설치된다.
상기 제 2 가열수단(150)은 제 1 가열수단(140)과 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)에 설치됨으로써, 냉간 시동 후 엔진(110)을 냉각시킨 폐열을 사용하여 에어 크리너(130)에서 기화기(120)로 유입되는 순수 공기를 일정온도로 승온시켜 공급하게 된다.
이를 위해, 상기 제 2 가열수단(150)은 엔진을 냉각시킨 냉각수를 라디에이터(180)로 유도하는 냉각수 유도관(160)이 에어 크리너(130)와 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)으로 우회하여 고온의 냉각수가 에어 크리너(130)에서 기화기(120)으로 공급되는 순수 공기를 승온시키게 된다.
즉, 상기 공기 공급관(132)은 고온의 냉각수가 흐르는 냉각수 유도관(160)을 관통하여 설치되고, 냉각수 유도관(160)을 관통한 공기 공급관(132)의 내경에는 제 2 방열핀(152)이 형성됨으로써, 냉각수가 갖는 고온이 공기 공급관(132)으로 열전달되어 제 2 방열핀(152) 사이를 지나는 순수 공기를 일정온도로 승온시키게 된다.
한편, 제 2 가열수단(150)에 의해 에어 크리너(130)에서 기화기(120)로 공급되는 순수 공기가 일정온도로 승온된 상태로 공급되면 제 1 가열수단(140)의 발열소자(146)를 작동시키기 위한 전력의 소모를 줄일 수 있게 된다.
이를 위해, 상기 제 1 가열수단(140)과 제 2 가열수단(150) 각각에는 순수 공기의 온도를 측정하기 위한 제 1 온도감지 센서(149)와 제 2 온도감지 센서(154)가 설치되고, 상기 제 1 온도감지 센서(149)와 제 2 온도감지 센서(154)는 연소실(116)의 점화시기와 연료분사 등을 제어하는 ECU(Electronic Control Unit)와 전기적으로 연결된다.
즉, 상기 제 1 온도감지 센서(149)는 제 1 가열수단(140)이 설치된 유도관(144)의 내부에 설치되어 발열소자(146)에 의해 가열된 순수 공기의 온도를 측정하게 되며, 제 2 온도감지 센서(154)는 제 2 가열수단(150)이 설치된 공기 공급관(132)의 내부에 설치되어 제 2 방열핀(152)을 통과한 순수 공기의 온도를 측정하여 ECU에 전달하게 된다.
이렇게, 상기 제 1 온도감지 센서(149)와 제 2 온도감지 센서(154)에서 측정된 제 1 가열수단(140)을 통과한 순수 공기와 제 2 가열수단(150)을 통과한 순수 공기의 온도를 ECU에 미리 입력된 설정온도와 비교하여 제 2 가열수단(150)을 통과한 순수 공기의 온도가 설정온도에 이르면 제 1 가열수단(140)의 작동을 정지시켜 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있다.
부연하자면, 엔진(110)의 예열이 이루어지지 않은 엔진(110)의 시동 시에는 제 1 가열수단(140)에서 기화기(120)로 공급되는 순수 공기의 온도를 제 1 온도감지 센서(149)가 측정하여 상기 순수 공기의 온도가 설정온도(예를 들어, 상기 설정온도는 85±5℃)보다 낮으면 제 1 가열수단(140)에 설치된 발열소자(146)를 ECU가 작동시켜 순수 공기를 승온시킨 상태로 기화기(120)로 공급하게 된다.
그리고, 상기 엔진(110)이 어느 정도 예열되면 엔진(110)에서 고온이 발생되고, 이렇게 엔진(110)이 고온인 상태는 엔진 효율에 악영향을 발생시키기 때문에 엔진(110)을 냉각시키기 위한 냉각수가 엔진의 워터자켓(미도시)으로 흘러 엔진(110)을 냉각시킨 후 라디에이터(180)로 유도된다.
이때, 엔진(110)을 냉각시킨 고온의 냉각수를 라디에이터(180)로 유도하는 냉각수 유도관(160)이 에어 크리너(130)와 제 1 가열수단(140)을 연결하는 공기 공급관(132)으로 우회함으로써, 에어 크리너(130)에서 제 1 가열수단(140)으로 공급되는 순수 공기를 승온시키게 되고, 이렇게 제 2 가열수단(150)에서 승온된 순수 공기의 온도가 설정온도에 이르게 되면 제 1 가열수단(140)을 정지시켜 불필요한 전력 소모를 줄이게 된다.
제 2 실시예
한편, 경우에 따라서는 제 1 실시에서 설명한 엔진의 구조와 다른 구조를 갖는 엔진에도 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치가 실시될 수 있다. 이를 도 2에 의거하여 설명한다.
앞서, 후술되는 제 2 실시예의 엔진 구조는 엔진(110)의 연소실(116)에 순수공기와 연료를 직접분사하여 연소실(116) 내에서 순수 공기와 연료를 혼합시키는 구조로서, 앞선 제 1 실시예의 엔진 구조와 다르지만 연소실(116)에 순수 공기와 연료가 공급되어 혼합된 후에는 동일한 행정으로 출력을 얻기 때문에 후술되는 제 2 실시예에서는 제 1 가열수단(140)과 제 2 가열수단(150)의 구체적인 설명 및 연소실(116)에 연료와 순수 공기가 공급된 후의 동작은 생략하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제 2 실시예를 나타낸 개략도이다. 도면을 참조하여 설명하면, 상기 엔진(110)은 연소실(116)에 연료를 직접분사하기 위해 연소실의 일측면에 연료 탱크(170)로부터 공급되는 연료를 연소실(116)에 분사하기 위한 인젝터(117)가 설치된다.
상기 인젝터(117)는 ECU로부터 보내온 분사신호에 의해 연료를 분사하는 솔레노이드 밸브가 내장된 분사 노즐로서, 인젝터(117) 작동시 분사출구를 열고 연료를 연소실(116)에 직접 분사하는 구조를 갖는다. 그리고, 흡기 매니폴드(112)는 엔진(110) 외부의 공기를 정화시켜 연소실(116)에 공급하는 에어 크리너(130)와 연결되는 바, 상기 에어 크리너(130)의 내부에는 제 1 가열수단(140)이 설치되고, 흡기 매니폴드(112)와 에어 크리너(130)를 연결하는 공기 공급관(132)에 제 2 가열수단(150)이 설치된다.
상기 제 1 가열수단(140)은 제 1 실시예에서 설명한 구조와 동일하지만 에어 크리너(130)의 내부에 설치된 제 1 가열수단(140)과 흡기 매니폴드(112) 사이에 연료와 순수 공기를 적정 비율로 혼합시키기 위한 기화기(120)가 존재하지 않고 제 1 가열수단(140)에서 승온된 순수 공기는 흡기 매니폴드(112)를 통해 연소실로 직접 공급된다.
부연하자면, 상기 제 1 가열수단(140)은 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 에어 크리너(130)에서 정화된 순수 공기가 흡기 매니폴드(112)를 통해 연소실로 공급되기 전에 일정 온도로 순수 공기를 승온시킨 상태로 공급하기 위한 것으로, 상기 제 1 가열수단은 엔진(110)의 흡기 매니폴더(112)로 순수 공기를 송풍하는 송풍팬(142)과, 상기 송풍팬(142)에서 송풍된 순수 공기를 흡기 매니폴드(112)측으로 유도하도록 에어 크리너(130)의 내부에 설치되는 유도관(144)과, 상기 유도관(144)의 내부에 설치되어 순수 공기가 유도관(144)을 지나갈 때 순수 공기를 가열하는 발열소자(146)와, 상기 발열소자(146)와 일체로 형성되고 유도관(144)의 내경을 향해 방사형으로 뻗어 발열소자(146)로부터 발생된 열이 전달되는 제 1 방열핀(148)으로 구성되며, 상기 유도관(144)의 내부에는 발열소자(146)에 의해 승온된 순수 공기의 온도를 측정하기 위한 제 1 온도감지 센서(149)가 설치된다.
또한, 상기 제 2 가열수단(150)은, 공기 공급관(132)의 내경과 일체로 형성되고 공기 공급관(132)의 중심을 향해 방사형으로 뻗은 제 2 방열핀(152)과, 상기 제 2 방열핀(152)이 형성된 공기 공급관(132)이 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수가 흐르는 냉각수 유도관(160)을 관통하여 설치되며, 상기 공급관(132)의 내부에는 냉각수 유도관(160)을 흐르는 고온의 냉각수에 의해 승온된 순수 공기의 온도를 측정하기 위한 제 2 온도감지 센서(154)가 설치된다.
이렇게, 제 1 가열수단(140) 내지 제 2 가열수단(150)에서 승온된 상태로 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기는 인젝터(117)에 의해 연소실(116)에 직접분사된 연료와 적정 비율로 혼합되어 혼합기를 형성한 후에 피스톤(111)의 압축에 의해 자기착화되어 폭발되기 때문에 연소실(116)의 혼합기를 완전히 연소시킬 수 있어 저연비로 고출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 혼합기가 완전 연소됨으로써 배기가스를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 제 2 가열수단(150)에서 승온된 순수 공기의 온도가 설정온도에 이르게 되면 제 1 가열수단(140)을 정지시켜 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있다.
한편, 상기와 같은 구성을 갖는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제어방법을 도 4에 의거하여 설명한다. 도면을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제어방법은 냉각 시동시 에어 크리너(130)에서 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기의 온도를 측정하는 초기온도 측정단계(S110)가 실시된다.
부연하자면, 냉각 시동이 개시되면, ECU에서 연료 탱크(170)와 에어 크리너(130)를 작동시키게 되고, 이렇게 연료 탱크(170)와 에어 크리너(130)로부터 공급되는 연료와 순수 공기는 적정 비율로 혼합될 수 있도록 기화기(120)에서 혼합되거나 연소실(116)에 각각 공급된 후 혼합된다. 이때, 에어 크리너(130)에서 엔진(120)의 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기의 온도를 제 1 가열수단(140)에 설치된 제 1 온도감지 센서(149)가 측정하는 초기온도 측정단계(S110)가 실시된다.
그리고, 상기 초기온도 측정단계(S110) 후 순수 공기의 온도를 설정온도와 비교하여 측정된 온도가 설정온도보다 낮으면 에어 크리너(130)에서 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기를 제 1 가열수단(140)이 가열하여 승온된 상태로 순수 공기를 공급하는 1차 승온단계(S120)가 실시된다.
상기와 같이 1차 승온단계(S120)가 실시된 후에는 엔진(110)이 흡기, 압축, 폭발, 배기의 행정을 반복하여 동력을 얻게 됨으로써, 엔진(110)이 어느 정도 예열되어 고온의 상태를 갖게 된다.
이러한 상태에서 고온의 엔진(110)을 냉각시키기 위한 냉각수가 엔진(110)의 워터자켓을 거쳐 라디에이터(180)로 흐르게 되면서, 제 2 가열수단(150)에 의해 에어 크리너(130)에서 제 1 가열수단(140)으로 공급되는 순수 공기를 승온시키는 2차 승온단계(S130)가 실시된다.
이에 따라서, 1차 승온단계(S120)와 2차 승온단계(S130)를 거친 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기는 분자활동이 활발하기 때문에 저온의 순수 공기에 연료가 혼합될 때보다 적은 량의 연료만으로도 고효율의 폭발 에너지를 얻기 위한 혼합기를 형성할 수 있고, 이로부터 저연비로 고출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 혼합기가 완전 연소됨으로써 배기가스를 감소시킬 수 있다.
그리고, 상기 2차 승온단계(S130) 후 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수에 의해 승온된 순수 공기의 온도를 제 2 가열수단(150)에 설치된 제 2 온도감지 센서(154)가 측정하는 승온온도 측정단계(S140)가 실시된다.
상기와 같이 승온온도 측정단계(S140) 후에는 제 2 가열수단(150)에 설치된 제 2 온도감지 센서(154)에서 측정된 순수 공기의 온도가 ECU에 미리 입력된 설정온도와 비교하여 제 2 가열수단(150)을 통과한 순수 공기의 온도가 설정온도에 이르면 1차 승온단계(S120)를 중지하는 1차 승온 중지단계(S150)가 실시됨으로써, 제 1 가열수단(140)의 작동을 정지시켜 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로서만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 것도 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것으로 보아야 한다.
예를 들어, 상기 설명에서는 자동차에 설치되는 내연기관을 설명하였으나 경우에 따라서는 선박이나 발전소와 같은 동력을 필요로 하는 설비에 설치되는 내연기관에 모두 적용될 수 있을 것이다.
110 : 엔진 111 : 피스톤
112 : 흡기 매니폴드 112a : 흡기 밸브
113 : 점화 플러그 114 : 배기 매니폴드
114a : 배기 밸브 115 : 커넥팅 로드
116 : 연소실 117 : 인젝터
118 : 실린더
120 : 기화기 130 : 에어 크리너
132 : 공기 공급관 140 : 제 1 가열수단
142 : 송풍팬 144 : 유도관
146 : 발열소자 148 : 제 1 방열핀
149 : 제 1 온도감지 센서 150 : 제 2 가열수단
152 : 제 2 방열핀 154 : 제 2 온도감지 센서
160 : 냉각수 유도관 170 : 연료 탱크
180 : 라디에이터

Claims (8)

  1. 연료와 순수 공기를 혼합시키는 기화기(120)가 흡기 매니폴드(112)와 연결된 엔진(110)과,
    상기 기화기(120)로 순수 공기를 공급하는 에어 크리너(130)와,
    상기 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 1 가열수단(140)과,
    상기 제 1 가열수단(140)과 기화기(120)를 연결하는 공기 공급관(132)을 감싸도록 형성되고, 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수를 이용하여 에어 크리너(130)에서 기화기(120)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 2 가열수단(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치.
  2. 연소실(116)에 연료를 직접 분사하는 인젝터(117)가 설치된 엔진(110)과,
    상기 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)와 연결되고 순수 공기를 공급하는 에어 크리너(130)와,
    상기 에어 크리너(130)의 내부에 설치되어 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 1 가열수단(140)과,
    상기 제 1 가열수단(140)과 흡기 매니폴드(112)를 연결하는 공기 공급관(132)을 감싸도록 형성되고, 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수를 이용하여 에어 크리너(130)에서 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)로 공급되는 순수 공기를 가열시키는 제 2 가열수단(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 가열수단(140)은, 엔진(110)의 흡기 매니폴드(112)로 순수 공기를 송풍하는 송풍팬(142)과,
    상기 송풍팬(142)에서 송풍된 순수 공기를 흡기 매니폴드(112)측으로 유도하도록 에어 크리너(130)의 내부에 설치되는 유도관(144)과,
    상기 유도관(144)의 내부에 설치되어 순수 공기가 유도관(144)을 지나갈 때 순수 공기를 가열하는 발열소자(146)와,
    상기 발열소자(146)와 일체로 형성되고 유도관(144)의 내경을 향해 방사형으로 뻗어 발열소자(146)로부터 발생된 열이 전달되는 제 1 방열핀(148)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유도관(144)의 내부에 발열소자(146)에 의해 가열된 순수 공기의 온도를 측정하는 제 1 온도감지 센서(149)가 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 가열수단(150)은, 공기 공급관(132)의 내경과 일체로 형성되고 공기 공급관(132)의 중심을 향해 방사형으로 뻗은 제 2 방열핀(152)과,
    상기 제 2 방열핀(152)이 형성된 공기 공급관(132)이 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수가 흐르는 냉각수 유도관(160)을 관통하여 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 공기 공급관(132)의 내부에 냉각수 유도관(160)을 흐르는 냉각수에 의해 가열된 공기 공급관(132) 내부의 순수 공기의 온도를 측정하는 제 2 온도감지 센서(154)가 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치.
  7. 냉각 시동시 에어 크리너에서 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 순수 공기의 온도를 측정하는 초기온도 측정단계(S110)와,
    상기 초기온도 측정단계 후 순수 공기의 온도를 설정온도와 비교하여 측정된 온도가 설정온도보다 낮으면 에어 크리너에서 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 순수 공기를 가열하여 승온된 상태로 순수 공기를 공급하는 1차 승온단계(S120)와,
    상기 1차 승온단계 후 엔진이 예열되면 엔진을 냉각시킨 냉각수가 에어 크리너에서 엔진의 흡기 매니폴드로 순수 공기를 유도하는 도관 주위로 흘러 순수 공기를 승온시키는 2차 승온단계(S130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 2차 승온단계(S130) 후 엔진을 냉각시킨 냉각수에 의해 승온된 순수 공기의 온도를 측정하는 승온온도 측정단계(S140)와,
    상기 승온온도 측정단계(S140) 후 측정된 온도가 설정온도보다 높으면 1차 승온단계(S120)를 중지하는 1차 승온 중지단계(S150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 혼합기 완전 연소장치의 제어방법.
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