KR20140043509A - 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치 - Google Patents

내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치로서, 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 전력-발생되는 수단, 및 그와 소통하는 전도성 매체를 포함하고, 상기 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단은 전압 승배기와 소통하고 있는 무선 주파수 발생 유닛을 포함하고, 상기 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단은 외부 온도보다 낮은 온도의 환경 내에 가두어지도록 배치되고, 상기 전도성 매체는 복수의 전도성 요소가 배치되어 있는 공기 개질 구역을 갖고, 상기 전도성 요소들은 상기 내연 기관의 공기/연료 혼합물에 도입하기 위한 아산화질소의 생성을 용이하게 하기 위해 공기 개질 구역 내에서 공기에 상당한 전자기 방사를 도입할 수 있는 방식으로 배치되는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치가 제공된다.

Description

내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치{APPARATUS FOR REFORMING AIR IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 일반적으로는 공기 처리(air treatment)에 관한 것이고, 더 구체적으로는 내연 기관(internal combustion engine) 내의 공기를 개질(reforming)하기 위한 장치에 관한 것이다.
상승하는 연료비 및 오염은 경제 및 환경에 중대한 영향을 끼쳐왔다. 기존 에너지 소비 엔진의 효율을 개선하는 것에 관한 관심이 증대하는 것도 이러한 맥락에 있다.
현재의 최신 가솔린 엔진은 이전 엔진들에 비해 더 효율적인 것으로 생각되지만, 연료 소비와 오염의 문제는 여전히 존재한다. 기존의 내연 기관, 특히 왕복형(reciprocating type)은 탄소계 연료의 불완전 연소로 인한 공기 오염물질 배출을 발생시킨다. 프로세스의 주된 파생물질은 이산화탄소, 물, 및 "미세 먼지(particulate matter, PM)"라고도 칭해지는 소정의 그을음(soot)이다. 이러한 미세 먼지의 흡입에 따른 효과는 널리 연구되어 왔으며, 천식, 폐암, 심혈관계 조직 및 조기 사망을 유발하는 것으로 입증되었다. 그러나, 작동 조건 및 공기/연료 비율에 따라, 질소 산화물 및 황과, 소정의 불연소된 탄화수소를 포함하는, 연소 프로세스의 소정의 추가의 부산물들이 존재한다.
연료에 대한 공기의 비율은 연소 프로세스의 효율에서 중요한 역할을 한다. 최적의 배출, 연료 절약 및 양호한 엔진 성능을 위한 이상적인 공기/연료 비율은 약 연료 1파운드 당 공기 14.7파운드이다. 이러한 이상적인 공기/연료 비율은 화학량론(stoichiometry)이라고 칭해지며, 피드백 연료 제어 시스템이 끊임없이 겨냥하고 있는 목표이다. 공기/연료 비율이 화학량론보다 더 풍부한 경우에는 연료 절약 및 배출이 악화될 것이고, 더 빈약한 경우에는 출력 및 배출이 악화될 것이다.
엔진 내에서 연소되는 가솔린은 화학물질들을 포함하지만, 주로 탄화수소(HC라고도 칭해짐)로 구성된다. 탄화수소는 탄소 원자들과 화학 결합된 탄화수소 원자들로 구성된 화합물이다. 존재하는 수소 및 탄소 원자의 수, 및 이들 원자들이 결합되는 방식에 따라, 다수의 상이한 유형의 탄화수소 화합물들이 가솔린 내에서 발견된다.
가솔린 내의 탄화수소는 공기와 혼합되지 않는 한 연소되지 않을 것이다. 여기에서 연소의 화학이 시작된다. 공기는 약 21％의 산소, 78％의 질소(N2), 및 극미량의 기타 불활성 기체들로 구성된다.
연료 내의 탄화수소는 정상적으로는 연소 프로세스 동안 산소와만 반응하여, 실린더 내에서 바람직한 열 및 압력의 효과를 만들어내는 수증기(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 형성한다. 불행하게도, 특정한 엔진 작동 조건들에서는, 질소도 산소와 반응하여, 기준 대기 오염물질(criteria air pollutant)인 질소 산화물(NOx)을 형성한다.
이상적인 연소 조건으로 완벽하게 작동하는 엔진에서는 이하의 화학 반응이 일어난다:
탄화수소는 산소와 반응하여 수증기(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 생성한다.
질소(N2)는 연소 프로세스에 의한 영향을 받지 않고 엔진을 통과한다. 본질적으로, 무해한 원소들만이 남아서 대기로 들어간다. 최신 엔진들이 이전의 엔진들보다 훨씬 더 낮은 배출 레벨을 만들어내고 있긴 하지만, 그들도 여전히 내재적으로 소정 레벨의 유해한 배출 출력을 만들어낸다.
본 출원인이 내연 기관의 효율을 개선하는 것을 주된 목적으로 하여, 연소 기관 내의 공기를 개질하기 위한 방법 및 장치를 실현한 것은 이러한 맥락에 있다.
본 출원인에게 발행된 필리핀 특허 제1-2006-000551호에 개시된 발명은 도전체 표면으로의 기전력에 의해 무선 주파수(RF) 전류가 이용되고 유도되는 장치에 관한 것이다. 생성되는 전자기 방사는 그것을 통과하는 공기의 개질을 용이하게 하여, 내연 기관의 연소 챔버 내에 도입되기 전에 연료/공기 혼합물과 혼합되게 되는 아산화질소(nitrous oxide)를 생성한다. 아산화질소의 추가는 연소 효율 및 엔진 출력의 증가를 용이하게 하고, 환경적으로 유해한 배기 가스의 배출을 최소화한다. 장치는 가시적인 스파크 또는 글로우가 공기 내에서 발생하지 않도록 작동 시에 낮은 전압을 이용하고, 그에 의해 엔진 손상의 위험을 방지한다. 장치는 무선 주파수(RF)에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단, 및 제공되는 전극 라인을 통해 전기 전류를 발생시키기 위한 수단에 접속된 전도성 매체(conducting medium)를 포함한다. 전류를 발생시키기 위한 수단은 무선 주파수 발생 유닛, 및 적절한 전기 라인을 통해 무선 주파수 발생 유닛과 소통하는 전압 승배기를 포함한다. 전압 승배기는 전도성 매체를 통과하는 공기의 개질을 용이하게 할 무선 주파수 전류를 제공하는 데에 충분한 기전력을 생성하기 위해, 약 800볼트에서 전력원(배터리)에 의해 공급되는 전압을 증가시킬 수 있다. 장치의 전도성 매체는 전도성 재료로 이루어진 원통형 구조물을 포함하는데, 여기에서 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류는 상호작용하고 표면 효과(skin effect)로 인해 전자기 방사를 발생시킨다. 그러한 전자기 방사는 공기의 개질을 위해 공기와 함께 도입되고, 그에 의해 엔진의 공기/연료 혼합물과 함께 후속하여 혼합되는 아산화질소가 생성된다.
상술한 장치가 그 의도된 목적에서는 효과적인 것으로 입증되었지만, 그것의 의도된 기능에 영향을 주는 몇몇 문제점들이 관찰되었다. 이러한 문제점들 중 하나는 전도성 매체가 넓은 공간을 커버하여, 전자기 방사와 구조물의 내측 표면 부근의 이온들 간의 상호작용이 중심에서보다 더 활발하게 된다는 것이다. 발명의 다른 양태에서, 전도성 매체는 구조물 내에 나란히 배열된 복수의 원통형 전도성 요소들을 구비한다. 구조물의 중앙에 전도성 요소들을 제공하면 반응이 상당히 증가되긴 하지만, 전도성 요소들의 원통형 구성으로 인한 갭들이 형성된다. 전도층으로 코팅되지 않은 전도성 요소들의 인접하는 외측 표면들에 의해 형성되는 그러한 갭들은 상당량의 공기가 통과되어, 약 70％ 내지 80％만을 처리되도록 남기는 것을 허용한다. 이에 의해, 처리는 그 최적의 성능에 있지 않게 된다. 또한, 무선 주파수 발생 유닛 및 전압 승배기의 케이싱은 금속 재료로 만들어지므로, 엔진 부근에 설치될 때는 쉽게 뜨거워지게 된다. 그러한 사건은 무선 주파수 발생 유닛 및 전압 승배기의 전자 부품들에 중대한 영향을 미치거나 전체적으로 손상을 입힌다.
그러므로, 이를 고려하여, 본 발명의 주된 목적은 상기의 종래 기술의 단점들을 바로잡을 수 있는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
다른 목적은 도입되는 연료/공기 혼합물과 혼합되게 될 아산화질소가 생성되도록, 공기를 효율적으로 그리고 최적으로 처리하여, 연소 효율을 증가시키고, 엔진 출력을 증가시키고, 환경적으로 유해한 배기 가스 배출을 최소화할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 그 안으로 들어가는 공기의 약 90％ 내지 100％를 전자기 방사 처리가능한 방식으로 전도성 매체가 설계되어, 그에 의해 내연 기관의 공기/연료 혼합물과 혼합하기 위한 아산화질소의 최적의 생성을 용이하게 하는, 공기 처리를 위한 장치를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 무선 주파수 발생 유닛 및 전압 승배기의 케이싱이 열의 축적을 방지하기 위한 수단을 구비하여, 상기 무선 주파수 발생 유닛 및 전압 승배기의 전자 부품들에 대한 유해한 영향들이 방지될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 매우 간단하고 효과적이며, 연료 소비 및 환경 오염의 감소에 크게 기여할 수 있는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들 및 이점들은 이하의 설명을 첨부도면들과 함께 읽으면 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 개략도이다.
도 3은 도 1의 선 3-3을 따른 단면도이다.
도 4는 도 1의 선 4-4를 따른 다른 단면도이다.
도면들을 참조하면, 개괄적으로 참조 번호 10으로 지정된 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치는, 무선 주파수(rf)에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단(11), 및 전극 라인 L과 같은 적절한 라인을 통해 수단(11)과 소통하는 전도성 매체(12)를 포함하는 것으로서 도시되어 있다. 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 상기 수단(11)은 내연 기관의 배터리와 같은 전력원에의 접속이 가능하도록 만들어진다. 수단(11)은 전도성 매체(12)의 표면들을 향해 무선 주파수(rf) 전류를 구동하는 전자기력을 생성하여, 공기를 아산화질소로 변환할 수 있는 전자기 방사를 생성할 수 있는 방식으로 만들어진다. 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 상기 수단은 적절한 전기 라인을 통해 전압 승배기(14)와 소통하는 무선 주파수 발생 유닛(13)을 포함한다. 상기 무선 주파수 발생 유닛(13)은 주파수를 공급하고 전도성 매체의 표면에의 상호작용을 발생시킬 수 있는 기전력을 생성하기에 충분한, 적절한 미리 결정된 범위에서 교류 전기 신호들의 주파수를 생성할 수 있는 방식으로 만들어진다. 통상적으로 "표면 효과"라고 알려져 있는 상호작용의 효과는 전도성 매체 내에 제공된 공기 개질 구역(air reforming zone) 내에서 전자기 방사를 생성하며, 그 공기 개질 구역 내에서 들어오는 공기와 상호작용하여 그 공기의 개질을 용이하게 하는 것이 허용된다. 개질된 공기는 내연 기관의 연소 프로세스에 도입될 아산화질소로 변환된다. 상기 아산화질소는 질소와 산소로 구성되며, 여기에서 생성되는 산소는 주변 공기보다 질량 및 부피가 약 50％ 더 크다. 내연 기관의 공기/연료 혼합물로의 이러한 강화된 아산화질소의 도입은 흡입 매니폴드(intake manifold) 및 엔진 실린더 내의 온도가 하강하게 하여, 그 산소가 더 고밀도로 되게 하고, 그에 의해 동일 공간 내에 더 큰 부피의 산호 및 질소가 들어가는 것을 허용할 것이다. 그러한 사건은 연소를 증대시키고, 그에 의해 출력 성능을 증가시키고, 오염물질의 축적 및 배출을 감소시킨다. 전압 승배기(14)는 약 800볼트에서 전력원에 의해 공급되는 전압을 증가시켜, 전도성 매체(12) 상에 도입되는 무선 주파수 전류를 구동하는 기전력이 공기의 개질을 용이하게 하기에 충분해지게 한다.
상기 무선 주파수 발생 유닛(13) 및 전압 승배기(14)는 외부 온도보다 저온 환경에 둘러싸이는 방식으로 배치된다. 바람직하게는, 내연 기관에 의해 유발되는 고온 환경으로 인한 전자 부품들의 열화 또는 손상을 방지하기 위해, 케이싱(15) 내에 가두어진다. 케이싱은 온도를 조절하기 위해 케이싱의 표면 상에 배치된 핀들(pins)(16)의 제공을 포함하거나, 또는 케이싱 자체가 적절한 절연 재료로 코팅 되거나 층을 이룬다. 전도성 매체(12)는 복수의 텅 빈 전도성 요소(18)에 의해 정의되는 벌집형의 공기 개질 구역을 갖는 절연된 텅 빈 구조물(17)을 포함한다. 공기 개질 구역의 벌집형 구성은 구조물(17) 내에서의 전도성 요소들의 더 넓은 공기 처리 커버리지를 제공하고, 텅 빈 구조물(17)에 들어오는 훨씬 더 큰 부피의 공기의 처리 및 개질을 보장한다. 이는 개질을 더 증대시키고, 내연 기관의 효율 및 성능을 증가시킬 것이다.

Claims (6)

  1. 내연 기관(internal combustion engine) 내의 공기를 개질(reforming)하기 위한 장치로서,
    무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 전력-발생 수단(power-generated means), 및 그와 소통하는 전도성 매체(conducting medium)를 포함하고, 상기 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단은 전압 승배기(voltage multiplier)와 소통하고 있는 무선 주파수 발생 유닛을 포함하고, 상기 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단은 외부 온도보다 낮은 온도의 환경 내에 가두어지도록 배치되고, 상기 전도성 매체는 복수의 전도성 요소가 배치되어 있는 공기 개질 구역(air reforming zone)을 갖고, 상기 전도성 요소들은 상기 내연 기관의 공기/연료 혼합물에 도입하기 위한 아산화질소(nitrous oxide)의 생성을 용이하게 하기 위해 상기 공기 개질 구역 내에서 공기에 상당한 전자기 방사를 도입할 수 있는 방식으로 배치되는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단은 온도를 조절하기 위해 배열된 핀(pin)들을 갖는 케이싱 내에 가두어지는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무선 주파수에서 발진하는 전기 전류를 발생시키기 위한 수단은 절연된 케이싱 내에 가두어지는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 요소들은 상기 공기 개질 구역 내에서 벌집형 방식으로 배열되는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 요소들은 알루미늄, 강철, 구리, 은 또는 주석을 포함하는 재료로 이루어지는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 매체는 절연되는, 내연 기관 내의 공기를 개질하기 위한 장치.
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