KR20170105495A - 연소를 개선하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20170105495A
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게오르그 쾨겔
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크리스토프 아우어
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에프코스 아게
렐리온 플라즈마 게엠베하
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Abstract

본 발명에서는, 보일러 또는 내연 기관의 연소 챔버(BR) 내에서의 완전 연소를 개선할 수 있는 장치 및 방법이 제시된다. 이를 위해, 기체 상태의 연료/공기 혼합물 또는 이러한 혼합물 성분 중 하나를 상기 연소 챔버(BR) 내로 도입 전에 플라즈마 발생기(PG)를 이용해 적합한 농도의 라디칼 및 이온으로 농축하는 것이 제안된다.

Description

연소를 개선하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR IMPROVING COMBUSTION}
본 발명은 연소 챔버 내에서의 연료/공기 혼합물의 연소를 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
예컨대, 자동차용 휘발유 및 디젤 엔진과 같은 내연 기관에서는, 연료와 외기로 이루어진 혼합물이 연소 챔버 내로 도입되어 혼합되고, 이어서 제어 조건 하에서 점화된 다음 연소된다. 이러한 연소는 일반적으로 불완전하게 이루어지는데, 말하자면 혼합물 전체 성분의 약 99%만 물과 이산화탄소로 연소된다. 나머지 비율은 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 그을음(soot), 타르(tar) 및 탄화수소로 이루어진다.
내부 연소를 포함하는 모든 내연 기관의 경우, 각각의 동작 주기에 따라 관련 가스가 교체되는데, 즉 배기가스(exhaust gas)가 배출되고, 외기 가스(fresh gas)는 공급된다. 오늘날의 엔진은 가스를 압축하고, 이러한 가스는 이후 고압에서 연소된 다음 다시 팽창된다. 가능한 최대 효율은 연소열이 공급되고 배출될 때의 온도 레벨 그리고 이와 더불어 압축비에 의해 달라진다. 불완전한 연소는 효율을 더욱 감소시킨다. 이러한 점은 예컨대, 보일러와 같이 연소 챔버들을 구비하는 다른 기술 장치들에도 적용된다.
석유계 액체 연료는 많은 양의 다양한 탄화수소{수소(hydrogen) 및 고정 탄소(fixed carbon)}를 함유한다. 이러한 연료를 에너지로 변환하려면, 연소가 이루어져야 한다. 완전 연소의 결과는 물과 이산화탄소이다. 연소가 완전히 이루어지지 않는 경우에는 일산화탄소, 그을음 및 타르가 생성된다.
예컨대, 가스 또는 석유 내에 있는 것과 같은 작고 가벼운 탄화수소 분자는 쉽게 연소된다. 이와 달리 크고 무거운 탄화수소 분자는 쉽게 연소하지 않고, 완전 연소에 도달하기 위해 상대적으로 높은 온도를 필요로 한다. 연소 공정 동안 연소 속도는 기존의 양과 농도에 의해 그리고 생성되는 자유 라디칼의 연소에 의해 영향을 받는다. 이러한 라디칼은 특히 상대적으로 높은 온도에서 탄화수소 분자의 분해에 의해 생성된다. 라디칼은 그가 갖는 높은 반응성 때문에 산소에 즉각 반응한다. 이와 같은 산화 작용 시에는 열이 방출되고, 이러한 열 방출은 추가적인 열분해로 이어진다.
내연 기관의 연소 챔버에서 연료 혼합물의 점화에 오랜 시간이 소요되면, 연소 중점도 이동된다. 또한, 오랜 스파크 지속 시간은 상대적으로 높은 에너지 소비뿐만 아니라 점화 플러그의 마모를 가속화할 수 있다. 자유 라디칼의 농도 증가는 더 강렬하고 빠른 연소 공정을 야기한다.
DE 10331418 A9호에서는, 연소를 개선하기 위해 점화 플러그 대신 플라즈마를 사용하고, 연소 챔버 내부에서 이러한 플라즈마를 생성하는 것이 제안된다. 그러나 문제는, 연소 챔버에 플라즈마 발생기(plasma generator)를 통합하고, 이러한 플라즈마 발생기를 상기 연소 챔버 내에 우세한 조건에 맞게 조정하는 것이다.
EP 1845251 Al호는 연소 챔버를 구비하는 발생기를 기술한다. 고전압원과 연결된 플라즈마 또는 이온 발생기는 연소 효율을 향상시키기 위해 이온을 생성하고, 이러한 이온을 연소 챔버 앞에 장치된 위치에서 장치 내로 공급한다.
JP S58-93952 A호에는 내연 기관의 효율을 향상시키기 위한 방법이 공지되어 있으며, 상기 방법에서는 연소가 이온화된 산소에 의해 촉진된다.
US 2007/0012300 A1호에는 향상된 효율을 갖는 내연 기관이 공지되어 있으며, 이 경우 연소 챔버로의 공기 유입 흐름에 농축되는 오존에 의해 연소가 촉진된다.
DE 10358294 A1호에는 연료 개질기(fuel reformer)를 구비하는 내연 기관이 공지되어 있으며, 상기 연료 개질기는 특히 플라즈마 연료 개질기로도 설계될 수 있다.
본 발명의 과제는, 공지된 해결책의 단점을 수용할 필요 없이, 가능한 한 완전하고 균일한 연소를 달성할 수 있는 개선 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 이어지는 추가 부분 과제로는, 연료의 에너지 함량을 최대로 활용하고, 유해한 배기가스 방출을 최대한 방지하는 것이다.
상기 과제는, 본 발명에 따르면 청구항 1에 따른 장치 및 청구항 8에 따른 방법에 의해서 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 추가 청구항들에 개시된다.
본 발명에서는, 연소가 실시되는 연소 챔버 앞에, 하나 이상의 반응기 챔버(reactor room)가 장치됨으로써 연료/공기 혼합물의 연소를 최적화하는 방법이 제안되며, 이 경우 상기 반응기 챔버 내에서는 연료/공기 혼합물의 하나 이상의 성분이 플라즈마 발생기에 의해 라디칼 및 이온으로 농축될 수 있다. 이러한 경우 연소 챔버 자체는 공지된 연소 장치들과 같이 형성될 수 있다. 플라즈마 발생기로는 저압으로 작동 가능한 압전 변압기(piezoelectric transformer)가 사용된다.
본 발명에 따른 장치는 추가로 제어 장치를 포함하며, 이러한 제어 장치를 통해서는 연료/공기 혼합물의 성분 농축이 제어될 수 있다.
본 발명의 출원인들은, 이미 연소 공정의 조기 단계에서 자유 라디칼 및 이온의 적합한 농도가 완전 연소에 있어서 중요하다는 사실을 인식했다. 본 발명에 따라 반응기 챔버 내에 제공된 플라즈마 발생기에 의해서는, 이미 연소 시작 전에 연료/공기 혼합물 내에서 자유 라디칼 및 이온의 수치가 증가될 수 있다. 연료/공기 혼합물이 점화되면, 연소가 더욱 빨리 실행될 수 있고, 이러한 경우 연소의 종료도 조기에 이루어질 수 있다. 그 밖에 결과적으로 더욱 완전한 연소가 이루어진다. 이러한 것은 특히 연료/공기 혼합물의 점화가 내연 기관의 작동 행정에 의해 미리 정해진 시점에 이루어지는 내연 기관들에서 바람직하며, 이와 함께 상기와 같은 시점 동안에는 좁은 시간 프레임만 사용된다. 본 발명은 이러한 시간 프레임 동안 완전 연소를 실시하는 것을 용이하게 한다. 결과적으로 지금보다 더 많은 비율의 연료가 에너지로 이용되고 변환될 수 있다.
플라즈마 발생기로 사용되고, 저압으로 작동 가능한 압전 변압기는 소형 구조로 제조될 수 있고, 입력측에서 예를 들면 자동차에서 통용되는 낮은 작동 전압(예: 12, 24 또는 48V)으로 작동될 수 있다.
상기와 같은 플라즈마 발생기에 의해서는 또한, 50℃ 미만의 온도를 갖는 저온 플라즈마가 생성될 수 있으며, 이러한 플라즈마는 장치 및 이러한 장치용으로 사용되는 재료들에 과도한 부하를 주지 않으며, 이로 인해 마찬가지로 반응기 챔버의 재료들에 대해 지나치게 엄격한 요건을 필요로 하지 않는다. 이 때문에 반응기 챔버 및 연소 챔버로 이어지는 가스 유입구의 형성과 관련하여, 전반적으로 종래의 재료들이 사용될 수 있다.
그러나 바람직하게는 반응기 챔버 그리고 이러한 반응기 챔버와 연소 챔버의 연결부에는 평탄하고, 특히 비활성인 표면적이 제공되거나, 또는 비활성이고 평탄한 코팅부가 설치된다. 이 경우 "비활성"이라는 표현은, 표면적이 플라즈마와의 이온 또는 라디칼 반응을 하지 않음으로써, 농축된 가스량 내에서 라디칼 및 이온 농도가 감소될 수 있다.
또한, 가능한 한 공간적으로 상기 연소 챔버 가까이에 반응기 챔버를 배치하여, 상기 연소 챔버와 반응기 챔버의 연결부들과 공급부들을 가능한 한 짧게 형성하는 것이 바람직하며, 이렇게 함으로써 상기 위치에서 라디칼 및 이온이 농축된 가스 상태의 성분의 체류 시간을 최소화할 수 있다. 이러한 방식으로 단지 짧은 반감기를 갖는 라디칼 및 이온의 농도가 연소 챔버로의 운반 동안 과도하게 감소되는 것이 방지된다. "가스 상태"라는 표현은 본 발명의 의도에서 이 경우 그리고 하기에서 가스와 같이 거동되는 예를 들면 미세하게 분포된 액체(연무)와 같은 혼합물을 의미한다.
압전 변압기(PT: Piezoelectric transformer)는 압전 효과를 통해 높은 전계(electric field)를 발생시킨다. 이러한 전계는 전기적 여기에 의해 가스 및 액체를 이온화할 수 있다. 압전 변압기의 2차측에서는 전기 교번 자장이 원자 및 분자의 강한 편광, 여기 및 이온화를 발생시킨다. 이러한 공정은 압전 방식으로 점화되는 마이크로 플라즈마, 즉, 압전 방전 플라즈마(PDP: Piezoelectric Discharge Plasma)를 생성한다. 압전 방전 플라즈마는 전형적인 유전체 장벽 방전(DBD: dielectric barrier discharges)에 상응하는 특성을 갖는다. 압전 방전 플라즈마는 0.01mbar 내지 2000mbar의 넓은 압력 범위에서 점화될 수 있으며, 이러한 경우 특히 연소와 관련한 여러 가지 요건들이 고려된다.
압전 변압기들의 경우, 1차측에서 공급된 교류 전압원이 압전 결정 상에 진공 증착된 - 세라믹 실시예에서는 - 변압기의 세라믹 구조 내로 가열된 전극들을 통해서 맨 먼저 압전체 내부에서 기계적 진동으로 변환된다. 이 경우 기계적 진동의 주파수는 형상 및 기계적 구조에 따라 현저히 달라진다.
이렇게 하여 변압기(PT) 내부에서 기계적 파동이 형성되고, 이러한 파동은 2차측 전극 상에서 압전 효과를 통해 출력 전압을 발생시킨다. 이 경우 2차측 출력 전압의 높이는 특히 소형 결정 플레이트의 형상 또는 세라믹체 및 전극의 위치에 따라 달라진다.
압전 방전 플라즈마를 생성하기 위해서는 로젠형 압전 변압기(Rosen type PT)가 특히 적합한데, 그 이유는 이러한 유형은 높은 전력 밀도와 매우 높은 투과율을 제공하기 때문이다. 1차측에서 내부에 놓이는 전극들을 갖는 세라믹 다층 구조의 사용이 매우 바람직한데, 그 이유는 플라즈마 점화에 매우 낮은 1차 전압이 사용될 수 있기 때문이다. 실제로 1000을 초과하는 투과율이 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전 변압기는 바람직하게는 자신의 공진 주파수에서 작동된다. 10kHz 내지 500kHz의 주파수는 PDP의 점화에 최적이다.
파워 드라이브가 압전 변압기의 공진 및 임피던스에 맞게 최적으로 조정되면, 기계적 진동이 높은 효율을 갖는 방전 프로세스로 변환된다. 플라즈마를 생성하는 조건 하에서 시스템의 작동 거동은 시스템의 전기적 소신호 거동과 상당히 다르다. 방전이 점화되는 임계값에서는 압전 변압기의 댐핑 및 연결된 출력이 증가하고, 공진 주파수도 이동된다. 압전 방전 플라즈마를 안정화하기 위해서는 예를 들면 주파수가 재조정될 수 있다(주파수 추적(frequency tracking)).
바람직한 일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치의 연소 챔버는 가스 배출구를 갖고, 이러한 가스 배출구에 또는 (가스 흐름 방향으로 볼 때) 이러한 가스 배출구 뒤에는 센서가 배치되어 있으며, 이 센서는 피드백 루프를 통해서 제어 장치와 연결되어 있다. 상기 센서는 완전 연소의 정도를 나타내는 값을 검출하도록 설계되어 있다.
상기와 같은 센서는, 예를 들면 연소되지 않은 탄화수소의 농도를 검출하도록 설계되어 있다. 또 다른 가능성은, 람다 센서와 같은 센서를 형성하고, 연소 챔버로부터 배출된 배기가스 내 산소 농도를 검출하는 것이다. 이러한 두 가지 가능성은 연소 챔버 내에서의 완전 연소의 정도를 나타낸다.
한편, 제어 장치는, 라디칼 및 이온의 농도가 최적으로 조절되도록 센서에 의해 측정된 값에 따라 피드백 루프를 통해서 플라즈마 발생기를 제어하도록 설정되어 있을 수 있다.
일 실시 형태에서 플라즈마 발생기는 상응하게 연결된 1차 출력에 의해 제어된다. 이러한 제어는 예를 들면 인가된 작동 전압을 통해 유도된 작동 전류에 의해 이루어질 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 본 발명에 따른 장치는 연소 챔버로 이어지는 유입구 앞에서 가스 상태의 성분(들) 내 라디칼 및 이온 농도를 검출하기 위해 센서, 예를 들면 가스/이온 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서는 연소 챔버로 이어지는 가스 유입구 앞에 배치될 수 있으며, 마찬가지로 제어 장치와 연결될 수 있다.
하지만 단지 상기와 같은 센서를 갖는 실시예는, 개별 연소 조건에 필요한 최적의 라디칼 및 이온 농도가 공지되어 있어야 한다는 점을 전제 조건으로 한다. 상기와 같은 센서는 연소 챔버 내로 도입되는 공기/연료 혼합물량이 빠르고 상당히 가변적인 경우에 유의적일 수 있다. 상기와 같은 센서에 의해서는 이로 인해 가변적인 연료/공기 혼합물의 유동 속도가 보정될 수 있다. 유동 속도가 느릴 경우 시스템 내에 머무르는 체류 시간이 더 길고, 이와 더불어 실제 연소 시작 전에 라디칼 및 이온의 분해가 증가되며, 이 경우 상기와 같은 분해는 상기와 같은 조정에 의해 보상될 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응기 챔버 내에서는 단지 일부 연료/공기 혼합물만 라디칼 및 이온으로 농축된다. 상기와 같은 일부 연료/공기 혼합물은 체적 비율로 이루어질 수 있다. 그러나 연료/공기 혼합물의 단 하나의 성분만 라디칼 및 이온으로 농축될 수도 있다.
특히, 전자의 경우 연소 챔버 내 라디칼 및 이온의 농도는 상기와 같은 방식으로 연료/공기 혼합물의 제1 및 제2 부분 흐름의 혼합 비율에 의해 설정 및 제어될 수 있다. 이러한 경우 상기 제2 부분의 흐름은 반응기 챔버를 통해 안내되며, 따라서 플라즈마 성분, 즉 자유 라디칼 및 이온을 갖지 않는다.
따라서 연소실 내부에서 연료/공기 혼합물의 라디칼 및 이온 농도 조절이 플라즈마 발생기 출력을 변경하지 않고도 가능하다.
하기에서는 본 발명에 따른 장치 및 이러한 장치에서 실시되는 방법이 실시예 및 관련 도면을 참조해서 상세하게 설명한다. 도면들은 오로지 본 발명을 도해로 나타내고, 이해를 돕기 위한 것으로서, 단지 개략적으로 도시되어 있으며, 정확한 척도로 도시되지 않았다. 이 때문에 도면으로부터는 절대적인 축적 정보뿐만 아니라 상대적인 축적 정보를 추론할 수 없다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 실시 형태를 도시하고, 이 경우 연료/공기 혼합물의 2개의 부분 흐름이 연소 챔버 내로 안내되며,
도 2는 상기 장치의 제2 실시 형태를 도시하며, 이 경우 전체 연료/공기 혼합물이 플라즈마 발생기 구비한 반응기를 통과하며,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제3 실시 형태를 도시하고, 이 경우 연료/공기 혼합물의 공기 성분이 반응기 챔버를 통해 연소 챔버 내로 도입되는 반면에, 연료는 연소 챔버 내로 직접 도입, 특히 분사되며,
도 4는 본 발명에 따른 반응기 챔버의 실시예를 도시하고, 그리고
도 5는 본 발명에 사용될 수 있는 압전 변압기를 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 실시 형태를 도시한다. 상기 장치는 연소 챔버(BR)와 이러한 연소 챔버 앞에 장치된 반응기 챔버(RR)로 이루어져 있다. 연료/공기 혼합물의 제1 성분 또는 제1 부분 흐름(K1)은 반응기 챔버 유입구(RE)를 통해 상기 반응기 챔버(RR) 내로 도입된다. 상기 반응기 챔버에는 플라즈마 발생기(PG)가 배치되어 있고, 이러한 플라즈마 발생기는 경우에 따라 특수한 추가 조치를 통해 주입된 가스에 의해 세정된다. 상기 플라즈마 발생기(PG)는 제1 성분의 일부분을 플라즈마로 변환하거나 상기 제1 성분을 라디칼 및 이온으로 농축한다.
반응기 챔버(RR)로부터는 플라즈마로 농축된 성분/부분 흐름이 상기 반응기 챔버의 플라즈마 성분 공급 라인(PZ)을 통해 배출된다. 상기 플라즈마 성분 공급 라인(PZ) 내에는 스로틀 밸브(DV)가 배치되어 있고, 이러한 스로틀 밸브(DV)를 통해서는 가스 흐름이 조절되며, 특히 감소될 수 있다.
연료/공기 혼합물의 제2 성분(K2) 또는 연료/공기 혼합물의 제2 부분 흐름은 연료 공급 라인(BZ) 및 연소 챔버 유입구(BE)를 통해 연소 챔버(BR) 내로 도입된다. 플라즈마 성분 공급 라인(PZ)은 연소 챔버 부근에서 상기 연료 공급 라인(BZ)으로 이어진다. 마찬가지로 반응기 챔버 유입구(BE) 부근에는 가스/이온 센서(GIS)가 배치되어 있다. 이러한 가스/이온 센서(GIS)는 연료 공급 라인(BZ) 내부에서 연료/공기 혼합물의 플라즈마 비율을 나타내는 값을 검출한다. 예를 들어 상기 센서는 혼합물의 이온화도(degree of ionization)를 검출할 수 있다. 혼합물의 플라즈마 함량의 대표 값을 나타내는 혼합물의 오존 함량을 검출하는 것도 가능하다.
이온 센서는 예를 들면 전도성 센서(conductivity sensor)로도 설계될 수 있다. 이와 관련하여서는 연결될 구간이 플라즈마를 함유한 혼합물에 의해 세정되는 경우, 서로 자유 간격으로 챔버 내에 또는 미리 주어진 간격으로 표면적에 배치된 2개의 전극 사이에서 전도율이 검출될 수 있다.
연소 챔버(BR) 자체는 예를 들면 내연 기관, 예를 들면 휘발유 또는 디젤 엔진의 연소실이다. 물론 연소 챔버(BR)는 보일러에도 할당될 수 있고, 전적으로 열 발생기일 수 있다. 연료/공기 혼합물은 어떤 경우에도 연소 챔버(BR) 내부에서 점화된다. 이미 초기에 존재하는 이온 및 자유 라디칼 비율 때문에 혼합물의 점화가 용이하고 더욱 완전한 연소가 이루어진다.
내연 기관 내에서는 혼합물이 추가로 압축되고, 원하는 시점에, 특히 가장 높은 압축도에서 점화원에 의해 점화된다. 열 발생기의 연소 챔버(BR)에서는 연속적인 점화가 이루어진다.
혼합물의 연소로 인해 야기되는 배기가스는 연소 챔버 배출구(BA)를 통해 연소 챔버(BR)로부터 배출된다. 내연 기관의 경우 이러한 배기가스 배출은 엔진 클록으로 수행되며, 이와 달리 열 발생기의 경우 대체로 연속적으로 수행된다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 피드백 루프(FB)를 가지며, 이러한 피드백 루프는 가스/이온 센서(GIS)를 제어 장치(SE)와 연결한다. 상기 제어 장치는 재차 플라즈마 발생기(PG)와 연결되어 있고, 예를 들면 사용 가능한 출력, 특히 전압을 통해 상기 플라즈마 발생기의 플라즈마 생성을 제어한다.
계속해서 연소 챔버 배출구(BA)에 또는 이러한 연소 챔버 배출구(BA) 뒤에 배치된 센서 및 피드백 루프(FB)가 제공될 수 있다. 상기 센서는 완전 연소 정도를 나타내는 값을 검출하도록 설계되어 있다. 상기 피드백 루프를 통해 이러한 값은 플라즈마 발생기를 제어하기 위해 그리고 이와 더불어 연소 챔버 내에서 연소 출력을 향상시키기 위해 제어 장치에 의해 이용될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서는, 압전 변압기(도 5 참조)가 플라즈마 발생기(PG)로 사용된다. 상기 압전 변압기는 예를 들면 바 모양으로 형성되어 있고 압전 세라믹 층과 이와 관련된 전극들이 교대되는 1차측에서 다층 구조를 갖는다. 상기 전극들은 인가된 1차 전압의 상이한 극들과 교대로 작동될 수 있다.
본 발명에 적합한 플라즈마 발생기는 예를 들면 CeraPLASTM라는 상품명으로 EPCOS 사에 의해 판매되고 있다. 상기 플라즈마 발생기는 다층 구조를 갖는 바형의 PZT 세라믹체(티탄산 지르콘산 연, PZT: lead zirconate titanate)를 기초로 하고 구리 함유 전극들을 갖는다.
압전 변압기는 로젠 변압기 또는 로젠형 변압기로서, 이러한 압전 변압기에는 교류 전압이 공급되며, 상기 바 모양의 세라믹체 내에서 세로 진동을 발생시킨다. 이러한 경우 세로 진동파가 상기 바 모양의 세라믹체의 2개의 단부에서, 이러한 단부에 설치된 2차 전극들에 의해 측정될 수 있다. 2차측에서는 변압비가 비율 1000까지 설정될 수 있다. 이러한 것은 예를 들어 입력 전압이 12V일 때 출력 전압이 10 내지 15kV임을 의미한다. 2차측 바 단부에서의 적합한 전극 형상에 의해 상기 위치에서는 방전에 의해 플라즈마가 점화되거나 생성될 수 있다.
플라즈마 자체는 유전성 배리어 방전과 유사한 공정에 의해 배출 전극에서 생성된다. 그러나 상기 배출 전극 부근에서는 상대 전극이 필요하지 않다. 배출 전극은 바람직하게 세라믹체의 에지에서 표면적으로 안내되고, 그곳에서 고전압 방전을 통해 플라즈마를 생성할 수 있다.
한편, 피드백 루프(FS)는, 플라즈마 함량의 출력, 즉 플라즈마 함량의 플라즈마 생성이 제어되는 동안 연소 챔버 유입구(BE) 바로 앞에서 검출된, 가스 성분(K1)의 플라즈마 함량을 상기 피드백 루프 및 제어 장치(SE)를 통해서 제어하기 위해 사용된다.
도 2는 본 발명의 추가 실시 형태를 개략적인 횡단면도로 도시한다. 본 실시예에서 전체 연료/공기 혼합물은 연료 공급 라인(BZ)에 의해 반응기 챔버(RR) 내로 공급되고, 그곳에서 플라즈마 발생기(도 2에는 추가로 도시되지 않음)를 통해서 자유 라디칼 및 이온으로 농축된다. 농축된 연료/공기 혼합물은 이제 결합된 플라즈마 성분 공급 라인/연료 공급 라인(PZ/BZ)을 통해서 연소 챔버(BR) 쪽으로 안내된다. 연소 챔버 부근에는 재차 가스/이온 센서(GIS)가 배치되어 있고, 이러한 가스/이온 센서는 농축된 혼합물 내 플라즈마 함량, 특히 자유 라디칼 및/또는 이온 함량을 검출한다.
연소 챔버(BR)의 유입구는 단순한 밸브 또는 노즐일 수 있다. 본 도면에 도시되지 않은 피드백 루프(FS)를 통해 플라즈마 발생기의 출력은 제어 장치(SE)에 의해 측정된 플라즈마 농도에 따라 미리 주어진 최적의 값을 제어하게 된다.
상기 미리 주어진 최적의 값은 공지될 수 있거나, 또는 연소 챔버(BR) 내 추가 작동 매개변수들에 따라 달라지거나 달라질 수 있다. 내연 기관의 경우 상기 작동 매개변수로는 예를 들면 호출된 출력 또는 시간 단위당 연소 챔버(BR) 내로 공급되는 연료/공기 혼합물의 양이 언급될 수 있다. 본 실시예에서 혼합물 내에서 연료와 공기의 비율은 반응기 챔버(RR) 앞 단계로 설정된다. 플라즈마 여기(plasma excitation)는 도 1에 따른 장치의 경우와 같이 연료/공기 혼합물의 한 가지 성분에서뿐만 아니라 상기 연료/공기 혼합물에서도 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제3 실시 형태를 도시한다. 이 경우 장치는 도 2에 따른 장치와 유사하게 형성되어 있되, 차이점은 공기 성분(K1)만 플라즈마로 농축되고, 이러한 공기 성분은 플라즈마 성분 공급 라인(PZ)을 통해서 반응기 챔버(RR) 내로 공급된다는 점이 구별된다. 플라즈마로 농축된 공기 성분은 연소 챔버(BR) 내로 직접 안내된다. 연료 성분(K2) 자체는 별도로 연료 공급 라인(BZ)을 통해 연소 챔버(BR) 내로 도입되고, 특히 분사된다. 이 경우에도 재차 가스/이온 센서(GIS)가 연소 챔버(BR)의 유입구 가까이에 있는 플라즈마 성분 공급 라인(PZ) 내에 배치되어 있고, 피드백 루프를 통해 제어 장치(도면에 도시되지 않음)와 플라즈마 발생기(마찬가지로 도면에 도시되지 않음)와 연결되어 있다.
상기 실시 형태는, 연소 챔버(BR) 내에 공급된 플라즈마로 농축된 공기 비율을 통해 상기 연소 챔버 내에 우세한 이온 및 라디칼 농도 조절을 가능하게 한다. 물론 농축된 공기와 분사된 연료의 일정한 비율을 조절하거나 이러한 비율을 연소 챔버의 작동 상태에 따라, 물론 내연 기관 또는 열 발생기의 출력에 따라 설계하는 것도 가능하다.
도 4는 플라즈마로 농축된 연료/공기 혼합물을 형성하기 위해 본 발명에서 사용될 수 있는 것과 같은 반응기 챔버를 개략적인 횡단면도로 도시한다.
상기 반응기 챔버(RR)는 반응기 챔버 유입구(RE) 및 반응기 챔버 배출구(RA)를 가지며, 이러한 반응기 챔버의 유입구와 배출구는 바람직하게는 서로 마주 놓인 상태로 배치되어 있다. 반응기 챔버(RR) 내부에는 적어도 플라즈마 발생기(PG)가 배치되어 있으며, 바람직하게는 도면에 도시된 바와 같이 관련된 전기 제어 유닛(SP)도 배치되어 있다.
유전성 배리어 방전을 갖는 압전 변압기로서 1차측에, 즉 고전압 단부에 형성된 플라즈마 발생기(PG)의 구조로 인해 상기 단부에서는 플라즈마 구름(plasma cloud)이 발생되며, 상기 단부에서는 변압기의 세라믹체로부터 방전이 발생한다.
바람직하게 반응기 챔버 유입구(RE) 내에 또는 이러한 반응기 챔버 유입구 바로 뒤에는 팬(L)이 배치되어 있으며, 이러한 팬은 반응기 챔버(RR) 내부에서 공기 이동(air movement)을 제공하며, 그 결과 생성된 공기 흐름이 플라즈마 발생기(PG)를 세정할 수 있다. 추가로 계속해서 반응기 챔버 배출구(RA)가 개방되어 있는 경우에는, 반응기 챔버 배출구(RA) 방향으로 플라즈마 구름(P)을 이동시키는 공기 유동이 발생하고, 결과적으로 모든 방전 지점에 도시된 바와 같이 기본적으로 원추형 플라즈마 구름(P)이 발생된다. 이 경우 환기 장치는, 반응기 챔버(RR)를 관류하는 가스 또는 연료/공기 혼합물의 성분들 또는 전체 혼합물이 반응기 챔버 배출구(RA) 영역에서 라디칼 및 이온으로 균질로, 즉 플라즈마 성분으로 균질로 농축되도록 설정된다.
도 5는 플라즈마 발생기(PG)로서 사용될 수 있는 압전 변압기의 구조를 개략도로 보여준다. 상기 압전 변압기는 예를 들면 길게 연장된 직육면체 형태, 즉 바 모양의 구조를 갖는다. 도 5에서 왼쪽에 도시된 1차측, 즉, 저전압측에서 상기 직육면체는 다층 구조(MA)를 갖고, 이러한 다층 구조 내에서 바람직하게는 구리로 이루어진 전극층들은 바람직하게는 PZT 세라믹으로 이루어진 압전층들과 교대된다. 전체적으로 다층 구조(MA)는 저압원(SQP)과 연결되어 있고, 이러한 저압원은 전극층들을 교대로 AC 전압과 연결한다.
2차측, 즉 압전 변압기의 고전압측은 대략 세라믹 변압기 몸체의 절반부에 걸쳐서 연장되고, 내부 전극층들을 갖지 않는다. 상기 2차측은 단일 압전 소자를 포함하고, 이러한 압전 소자의 전극들은 층 평면에 횡 방향으로 단부면들에, 즉 바의 단부들에 배치되어 있다. 이러한 경우 2차 전압(SV)은 1차측 전극과 단부면 전극(SE) 사이에서 생성된다.
2차 전극(SE)은 고전압측에서 세라믹 본체의 표면적 가까이에 또는 이러한 표면적까지 안내되어 있으며, 그 결과 상기 위치에서 방전이 일어날 수 있다. 도 5에서 이러한 것은 오른쪽 단부면 또는 오른쪽 단부면의 에지 중 하나이다. 전극은, 고전압 방전이 목표한 바대로 개별 지점들에서 일어날 수 있도록 표면적으로 안내되어 있고, 그 결과 상기 위치에서 상기 고전압 장전 에너지가 집중되어 플라즈마 생성이 개선되며, 또는 플라즈마 수득률이 최대화된다. 대안적으로 배출측 단부면은 볼록하게도 형성될 수 있으며, 모서리들과 에지들은 폭이 넓은 배출 영역 위에서 플라즈마를 점화하기 위해 둥글게 처리될 수 있다.
압전 변압기의 전기 제어 유닛(SP)은 HF원을 포함하고, 이러한 HF원의 신호는 1차측에서 전극들에서 생성된다. 상기 제어 유닛(SP)은 전압 조절기를 추가로 포함하고, 이러한 압력 조절기를 통해서는 플라즈마 발생기(PG)의 출력이 조절될 수 있다. 계속해서 전기 제어 유닛(SP)은 제어 장치(SE)의 적어도 부분들 또는 이러한 제어 장치를 전체적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 의해서는, 연소실과 분리되어 반응기 챔버 내에서 자유 라디칼 및 이온 생성이 압전 변압기의 고전압측 단부면 또는 에지들 및 모서리들에서 달성된다. 상기 장치에 의해서는 제어된 자유 라디칼 양을 연소실에 주입하는 것이 달성된다.
자유 라디칼 및 이온 양 조절은 제어된 혼합에 의해 달성된다. 이 경우 제1 성분(K1)은 반응기 챔버를 관류하는 성분이다. 다른 성분은 전체 연료/공기 혼합물에 없는 나머지, 특히, 연료이다. 그러나 다른 성분은 연료/공기 혼합물을 포함할 수 있다. 연소실 내에서 자유 라디칼 및 이온 양 제어는 전적으로 플라즈마 발생기의 출력으로 제어하는 것도 가능하다.
반응기 챔버(RR)와 연소 챔버(BR)가 분리되어 있음으로써, 전반적으로 플라즈마 발생기를 위한 고압을 형성하기 위해 압전 변압기를 사용하는 것이 가능하다. 가스 성분 또는 연료/공기 혼합물 성분을 제어 공급하기 위한 밸브들, 스로틀 및 개구들은 성분들의 공급 라인들에 그리고/또는 반응기 챔버 유입구(RE)에 제공되어 있다.
바람직하게는 반응기 챔버 유입구에 제공된 선택적인 팬에 의해서는 반응기 챔버를 관류하는 혼합물 성분의 우수한 혼합이 달성된다. 플라즈마 발생기를 반응기 챔버 내에 통합하는 것은 선행 기술에 공지된, 연소 챔버 내에 플라즈마 발생기를 배치하는 것보다 비용 측면에서 더 경제적이며, 더 적은 기술적 복잡성을 갖는다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 발생기 및 반응기 챔버와 관련하여서는 내고온성(high temperature resistant)이 필요하지 않은데, 그 이유는 오로지 연소 챔버 내에서만 고온이 발생할 수 있기 때문이다. 또한, 플라즈마 발생기는 예를 들면 12V의 낮은 공급 전압과 적은 출력으로 사용될 수 있다. 이 때문에 본 발명에 따른 장치의 경우 고전압 라인들 및/또는 고전압 플러그가 필요하지 않다.
실시예에 따라, 필요한 자유 라디칼 양을 간단한 방식으로 제어하기 위한 다양한 가능성이 제공되어 있다.
본 발명은 소수의 실시예들을 참조해서 설명되었지만, 이러한 실시예들로 한정되지 않는다. 특히, 도면에 도시된 실시예들은 장치의 정확한 형성을 규정하지 않는다. 장치의 형성 및 방법 실시는 청구범위에 의해서만 정의되며, 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다. 특징들이 청구범위에 의해 주어진 조합 범위 내에 있지 않더라도 이러한 특징들이 새로운 경우, 특징들의 조합 및 하위 조합도 본 발명에 따른 것으로 간주된다.

Claims (10)

  1. - 연료 또는 공기 또는 연료/공기 혼합물을 공급하기 위한 적어도 하나 이상의 연소 챔버 유입구(BE)를 갖는 연소 챔버(BR),
    - 상기 연소 챔버(BR) 앞에 장치되어 있고, 저압으로 작동 가능한 압전 변압기(piezoelectric transformer)인 플라즈마 발생기(plasma generator)(PG)를 구비하는 반응기 챔버(reactor room)(RR), 및
    - 상기 플라즈마 발생기(PG)용 제어 장치(SE)를 포함하고,
    - 이미 실제 연소 공정 시작 전에 상기 반응기 챔버(RR) 내에 있는 하나 이상의 기체 상태의 성분이 상기 플라즈마 발생기(PG)에 의해 라디칼 및 이온으로 농축된 다음, 실제 연소를 위해 상기 연소 챔버 유입구(BE)를 통해 상기 연소 챔버(BR) 내로 안내되도록 설계되어 있는, 연료/공기 혼합물을 연소하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소 챔버(BR)가 내연 기관의 부분인, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 연소 챔버(BR)가 연소 챔버 배출구(BA)를 포함하고,
    - 상기 제어 장치(SE)가 상기 연소 챔버 배출구(BA)에 또는 상기 연소 챔버 배출구(BA) 뒤에 배치된 센서 및 피드백 루프(feedback loop)(FB)를 포함하며,
    - 상기 센서가 완전 연소 정도를 나타내는 값을 검출하도록 설계되어 있고, 그리고
    - 상기 제어 장치(SE)가, 연소를 최적화하기 위해 상기 센서에 의해 검출된 값에 따라 상기 피드백 루프(FB)를 이용해 상기 플라즈마 발생기(PG)의 출력을 제어하도록 설정되어 있는, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 상태의 성분(들) 내 라디칼 및 이온 농도를 검출하기 위한 가스/이온 센서(GIS)를 포함하고, 이러한 가스/이온 센서(GIS)가 상기 연소 챔버 유입구(BE) 앞에 배치되어 있고 상기 제어 장치(SE)와 연결되어 있는, 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 챔버(BR)와 연소 챔버 유입구(BE)에 비활성의 평탄한 표면적이 설치되어 있거나 비활성의 평탄한 재료로 이루어진 코팅부를 갖는, 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 챔버 유입구(RE) 가까이에 팬(fan)(L)을 구비하고, 이러한 팬이 가스 성분을 혼합하기 위해 상기 반응기 챔버(RR) 내에 형성되어 있는, 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 연료/공기 혼합물을 형성하기 위한 제1 부분 흐름(K1) 및 제2 부분 흐름(K2)이 발생되어 상기 연소 챔버(BR) 내로 도입되고,
    - 상기 플라즈마 발생기(PG)에 의해 상기 반응기 챔버(RR) 내 상기 연료/공기 혼합물의 제1 부분 흐름(K1)에서만 라디칼 및 이온이 생성되며,
    - 상기 제1 부분 흐름(K1)이 상기 반응기 챔버(RR)를 통과하고, 이와 달리 상기 제2 부분 흐름은 상기 반응기 챔버(RR)를 통과하지 않으며, 그리고
    - 상기 제어 장치(SE)가 상기 연소 챔버 유입구(BE)를 통해 상기 연소 챔버(BR)로 유입되는 전체 연료/공기 혼합물 내 라디칼 농도를 제1 부분 흐름과 제2 부분 흐름의 연료/공기 혼합물의 조성물 편차를 이용해 조절하는, 장치.
  8. 내연 기관 또는 보일러의 연소 챔버(BR) 내에서의 연료/공기 혼합물의 연소를 개선하기 위한 방법에서,
    상기 연료/공기 혼합물 또는 이러한 혼합물의 성분이 상기 연소 챔버(BR) 내로 도입 전에 저전압으로 작동 가능한 압전 변압기로 형성된 플라즈마 발생기(PG)에 의해 라디칼 및 이온으로 농축되고,
    제어 장치(SE) 및 센서에 의해 상기 연소 챔버(BR) 내 연소 완전성이 검출되며, 그리고 완전 연소를 개선하기 위해 상기 센서에 의해 검출된 값에 따라 라디칼 및 이온 농도가 조정되는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 라디칼 및 이온 농도를 조정하기 위해 상기 플라즈마 발생기(PG)의 출력이 변동되는, 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    - 상기 연소 챔버(BR) 내로 도입된 가스 상태의 성분의 전체 양이 2개의 부분 흐름(K1, K2)으로 구성되고,
    - 상기 플라즈마 발생기(PG)에 의해서는 상기 반응기 챔버(RR) 내 연료/공기 혼합물의 제1 부분 흐름(K1)에서만 라디칼 및 이온이 생성되며, 그리고
    - 라디칼 및 이온 농도를 조절하기 위해, 상기 연료/공기 혼합물의 전체 양에서 상기 제1 부분 흐름(K1)에 상응하는 비율이 적합하게 설정되고 조절되는, 방법.
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