KR20180099533A - 초음파 연료 공급 장치 및 이를 사용한 내연기관 및 연소장치 - Google Patents

초음파 연료 공급 장치 및 이를 사용한 내연기관 및 연소장치 Download PDF

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Abstract

초음파 연료 공급 장치는, 연료 저장 공간 및 무화 공간을 포함하는 초음파 연료탱크, 외부의 주 연료탱크로부터 초음파 연료탱크로 연료를 공급하기 위한 입력 파이프, 입력 파이프와 초음파 연료탱크 사이에 설치되어 연료 저장 공간의 연료 저장량을 일정하게 유지시키도록 구성된 유량 조절 장치, 초음파 연료 탱크의 하부에 설치되어 연료 저장 공간에 저장된 연료를 무화시키기 위한 최소한 하나의 초음파 진동자, 초음파 진동자를 구동하기 위한 초음파 진동자 컨트롤러, 및 초음파 진동자에 의해 무화된 연료를 연료분사장치로 공급하기 위한 출력 파이프를 구비한다.

Description

초음파 연료 공급 장치 및 이를 사용한 내연기관 및 연소장치 {Ultrasonic Fuel Supplying Apparatus and Internal Combustion Engine and Combustion Apparatus Employing the Same}
본 발명은 초음파 연료 공급 장치 및 이를 사용한 내연기관 및 연소장치에 관한 것이다.
지하에서 추출한 원유(Crude Oil)는 주로 탄화수소로 이루어져 있으며 황과 같은 여러 불순물이 섞여 있는 혼합물이다. 원유를 가열하여 분별 증류를 하게 되면 끓는점(기화점)이 낮은 물질에서 높은 물질 순으로 증발하여 기화되고 기화점에 따라 휘발유(Gasoline), 등유(Kerosene), 경유(Diesel Oil), 중유(Fuel Oil) 등을 얻을 수 있다.
일반적으로 경유는 휘발유에 비해 열효율이 약 10% 정도 높아서 디젤엔진 차량의 연료로 주로 사용되지만, 경유에는 유황 성분이 함유되어 있어서 황산화물질을 배출시키며 이는 수증기와 반응하여 황산을 생성하기 때문에 인체에 유해한 영향을 끼칠 수 있다.
일반적인 내연기관의 연료 계통은 연료탱크로부터 연료를 공급하는 연료펌프와 연료펌프에 의해 공급된 연료와 공기(산소)를 일정 비율로 혼합하는 혼합장치로 구성된다. 연료는 연료펌프에 의해 연료탱크로부터 연료필터로 공급되고 연료필터에서 불순물이 여과된 후 분사펌프(Injection Pump)로 공급된다. 분사펌프는 연료에 압력을 가해 분사밸브를 통해 실린더 내로 연료를 분사한다.
예를 들어, 디젤엔진의 연소실에 분사된 연료는 연료 입자의 크기가 작을수록 증발, 공기와의 혼합성 등이 양호하게 되므로 가능한 작은 입자 크기로 연료의 미립화가 요구된다.
이에 특허문헌 1~6은 초음파 진동자를 이용해서 초음파 에너지를 연료에 가하여 무화시켜 압축기를 통해 인젝터에 공급함으로써 완전 연소를 도모하여 연료를 절감하고 유해 배출 가스의 발생을 억제하기 위한 장치를 개시하고 있다.
하지만, 특허문헌 1~6의 개시에 따르면, 종래의 초음파를 이용한 연료 분사 장치에서는 연료펌프에서 공급되는 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하고 초음파 진동자를 통해 공급되는 연료를 보조 연료 계통으로 사용하여, 최대 약 30% 정도의 연료 효율성을 증가시키는데 그치고 있다.
한국 특허공보 특1992-0010716 한국 특허공보 특1996-0012376 한국 공개실용신안공보 20-1999-0041915 한국 공개특허공보 10-2001-0025533 한국 특허공보 10-0840410 한국 공개특허공보 10-2012-0051462
예를 들어, 디젤엔진의 경우, 약 30% 이상으로 연료 효율성을 더 높이려면 일상 생활에서 사용하는 회전수 구간(예를 들어, 약 3000 rpm 이하) 또는 이 회전수 구간에서 정속 구동 시에 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하거나 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료만으로 엔진을 구동할 필요가 있다.
뿐만 아니라, 등유, 경유, 중유 등을 사용하는 보일러, 히터, 발전기 등의 연소장치에 있어서도 효과적으로 연료를 절감하고 유해 배출 가스의 발생을 억제하기 위해서는 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하거나 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료만으로 연소장치를 구동할 필요가 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 초음파 진동자를 사용해서 연료를 무화시켜, 무화시킨 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하거나 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료만으로 내연기관 또는 연소장치를 구동할 수 있는 초음파 연료 공급 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 위와 같은 초음파 연료 공급 장치를 사용한 내연기관 및 연소장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 연료 저장 공간 및 무화 공간을 포함하는 초음파 연료탱크, 외부의 주 연료탱크로부터 초음파 연료탱크로 연료를 공급하기 위한 입력 파이프, 입력 파이프와 초음파 연료탱크 사이에 설치되어 연료 저장 공간의 연료 저장량을 일정하게 유지시키도록 구성된 유량 조절 장치, 초음파 연료 탱크의 하부에 설치되어 연료 저장 공간에 저장된 연료를 무화시키기 위한 최소한 하나의 초음파 진동자, 초음파 진동자를 구동하기 위한 초음파 진동자 컨트롤러, 초음파 진동자에 의해 무화된 연료를 연료분사장치로 공급하기 위한 출력 파이프, 및 출력 파이프를 통해 무화된 연료가 연료분사장치로 공급됨에 따라 내부 압력이 저하되면 개방되어 초음파 연료탱크 내부로 공기를 주입하기 위한 공기 흡입부 를 구비하는 초음파 연료 공급 장치를 제공한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 내연 기관은, 일상적으로 사용하는 회전수 구간에서, 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하여 구동 가능하도록 구성된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 연료를 저장하기 위한 주 연료탱크, 주 연료탱크에 연결되어 연료를 공급하기 위한 연료펌프, 초음파 연료 공급 장치, 및 연료펌프 및 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 연료를 실린더실로 공급하기 위한 연료분사장치를 구비하는 내연기관을 제공한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 연료 저장 공간 및 무화 공간을 포함하는 초음파 연료탱크, 외부의 주 연료탱크로부터 초음파 연료탱크로 연료를 공급하기 위한 입력 파이프, 입력 파이프와 초음파 연료탱크 사이에 설치되어 연료 저장 공간의 연료 저장량을 일정하게 유지시키도록 구성된 유량 조절 장치, 초음파 연료 탱크의 하부에 설치되어 연료 저장 공간에 저장된 연료를 무화시키기 위한 최소한 하나의 초음파 진동자, 초음파 진동자를 구동하기 위한 초음파 진동자 컨트롤러, 및 초음파 진동자에 의해 무화된 연료를 연료분사장치로 공급하기 위한 출력 파이프를 구비하는 초음파 연료 공급 장치를 제공한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 연료를 저장하기 위한 주 연료탱크, 초음파 연료 공급 장치, 및 주 연료탱크 및 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 연료를 연소실로 공급하기 위한 연료분사장치를 구비하는 연소장치를 제공한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 연소장치는, 정상 운전 상태에서, 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하여 운전 가능하도록 구성된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 초음파 진동자를 사용해서 연료를 무화시켜, 무화시킨 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하거나 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료만으로 내연기관 또는 연소장치를 구동할 수 있는 초음파 연료 공급 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 위와 같은 초음파 연료 공급 장치를 사용한 내연기관 및 연소장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 내연기관의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치의 초음파 연료탱크 내의 유량을 일정하게 유지하기 위한 유량 조절 장치를 유량 조절 밸브로 구성한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치의 초음파 연료탱크 내의 유량을 일정하게 유지하기 위한 유량 조절 장치를 유면계, 밸브, 및 밸브 컨트롤러로 구성한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치의 초음파 연료탱크 내의 유량을 일정하게 유지하기 위한 유량 조절 장치를 유량 제어용 연료탱크, 유면계, 밸브, 및 밸브 컨트롤러로 구성한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치의 공기 흡입부의 작동을 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치의 출력 파이프 연장부를 나타내는 개념도이다.
도 8은 실험을 위해 제작된 초음파 연료 공급 장치의 사진이다.
도 9는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치를 사용한 내연기관의 각 연료 공급 계통의 작동 시이퀀스의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치를 사용한 내연기관의 각 연료 공급 계통의 작동 시이퀀스의 또 다른 일례를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 연소장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치의 구조를 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치 및 이를 사용한 내연기관 및 연소장치에 대해 설명한다.
본 명세서에서는 내연기관으로 경유를 사용하는 디젤엔진을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 기화점이 섭씨 150도 이상인 연료(등유, 경유, 중유 등)를 사용하는 모든 내연기관 및 보일러, 히터, 발전기 등의 모든 연소장치에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 내연기관의 연소실 종류 (예: 직접분사식(Direct Injection) 및 간접분사식(Indirect Injection)), 연료분사펌프의 종류 (예: 직렬형 펌프(Inline Injection Pump),분배형 펌프(Distributor Injection Pump),및 유닛 인젝터(Unit Injector)), 연료 분사 방식 (예: 기계식 분사 및 전자제어 분사) 등에 관계 없이 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 내연기관의 예로, 디젤엔진의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 내연기관은 연료를 저장하기 위한 주 연료탱크(10), 주 연료탱크(10)에 연결되어 연료를 공급하기 위한 연료펌프(20), 연료펌프(20)로부터 공급되는 연료를 실린더실(30)로 공급하기 위한 연료분사장치(40), 연료를 무화시켜 무화된 상태로 연료를 공급하는 초음파 연료 공급 장치(50), 연료펌프(20)와 연료분사장치(40) 사이에 위치하여 연료펌프(20)로부터의 연료 공급을 개폐하기 위한 밸브(60), 및 밸브(60)의 개폐를 제어하기 위한 밸브 컨트롤러(70)로 구성된다.
도 1에서는 통상적인 디젤엔진에 있어서의 연료 회수 라인은 도시하지 않고, 연료 공급 라인만을 도시하고 있다. 주 연료탱크(10)에 저장된 연료는, 연료펌프(20)에 의해 펌핑 되어 직접 액체 상태로 연료분사장치(40)로 공급되는 제1 연료 공급 계통과 초음파 연료 공급 장치(50)에 의해 무화된 상태로 연료분사장치(40)로 공급되는 제2 연료 공급 계통을 통해 실린더실(30)로 공급된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제2 연료 공급 계통을 통한 연료 공급은 상시 OPEN(개방도 100%) 상태로 되어 있는 반면, 제1 연료 공급 계통을 통한 연료 공급은 내연기관의 가동 상태에 따라 OPEN(개방도 100%), CLOSE(개방도 0%), 또는 부분적으로 OPEN(0%<개방도<100%) 상태로 변경된다.
연료분사장치(40)는 분사 펌프(Injection Pump, 41)와 분사 노즐(Injection Nozzle, 42)로 구성된다. 제1 연료 공급 계통 및/또는 제2 연료 공급 계통을 통해 연료분사장치(40)로 공급된 연료는 분사 펌프(41)에 의해 분사 노즐(42)을 통해 실린더실(30) 내로 분사된다. 연료의 불순물을 제거하는 연료 필터 및 연료 분사 시에 에어클리너로부터 흡입되는 공기와 분사된 연료를 혼합하는 혼합기 등은 통상적인 장치 및 구조를 사용할 수 있으므로 도시하지 않고 이에 대한 설명도 생략한다.
도 2는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 2에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)는 연료 저장 공간(513) 및 무화 공간(514)을 포함하는 초음파 연료탱크(51), 주 연료탱크(10)로부터 연료펌프(20)를 통해 초음파 연료탱크(51)로 연료를 공급하기 위한 입력 파이프(52), 입력 파이프(52)와 초음파 연료탱크(51) 사이에 설치되어 연료 저장 공간의 연료 저장량을 일정하게 유지시키기 위한 유량 조절 장치(53), 초음파 연료탱크(51)의 하부에 설치되어 연료 저장 공간에 저장된 연료를 무화시키는 최소한 하나의 초음파 진동자(54), 초음파 진동자(54)를 구동하기 위한 초음파 진동자 컨트롤러(55), 초음파 진동자(54)에 의해 무화된 연료를 연료분사장치(40)로 공급하기 위한 출력 파이프(56), 및 출력 파이프(56)를 통해 무화된 연료가 연료분사장치(40)로 공급됨에 따라 내부 압력이 저하되면 개방되어 초음파 연료탱크(51) 내부로 공기를 주입하기 위한 공기 흡입부(57)를 포함한다.
초음파 연료탱크(51)의 바닥 면에는 진동판(58)이 설치되어 진동판(58)의 뒷면에 초음파 진동자(54)가 부착되어 있다. 초음파 진동자(54)는 일반적인 압전세라믹을 사용할 수 있다. 초음파 진동자(54)에 전류가 흐르면 진동판(58)이 진동하고, 이 진동에 의해 초음파가 발생하여 연료에 진동을 일으킨다.
즉, 초음파 진동자 컨트롤러(55)에 의해 초음파 진동자(54)에 전원이 공급되면 초음파 진동자(54)가 연료의 밑바닥부터 진동을 일으킨다. 이러한 진동으로 인해 연료의 분자들이 서로 부딪히면서 분자들 사이에 진동을 전달하고 그 진동이 연료의 표면까지 닿으면 연료 표면의 연료 입자들이 미세한 입자 상태로 연료 표면 위로 방출된다. 따라서, 유심이 너무 깊거나 너무 낮으면 연료가 효율적으로 무화되지 않게 된다. 뿐만 아니라, 무화된 연료를 충분하게 확보하기 위해서는 연료 저장 공간(513)의 약 수배 이상에 달하는 무화 공간(514)이 필요하게 된다.
이렇듯 초음파 진동자(54)는 저장된 연료의 유량(유위, 즉, 바닥에서 유면(OL1)까지의 높이)에 따라 무화량에 차이가 발생하므로 연료 저장 공간에 저장된 연료의 유량을 적정하게 유지할 필요가 있다. 일반적으로 가습기 등에 사용하는 초음파 진동자의 경우, 바닥에서 유면(OL1)까지의 적정 높이는 약 20 mm~50 mm이며, 이 때 무화량은 시간당 약 200 ml~500 ml 정도가 된다.
도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)의 초음파 연료탱크(51) 내의 유량을 일정하게 유지하기 위한 유량 조절 장치(53)를 유량 조절 밸브로 구성한 개념도이다.
도 3에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 유량 조절 장치(53)는 연료의 공급량을 조절하기 위한 밸브(531)와 밸브(531)의 개방량을 조절하기 위한 밸브 컨트롤러(532)로 구성된다.
전술한 바와 같이, 초음파 진동자(54)를 사용해서 충분한 무화량을 얻기 위해서는 바닥에서 유면(OL1)까지의 적정 높이를 유지해야 한다. 따라서, 본 실시예에서는 실린더실(30)로 공급되어 소모되는 무화된 연료의 양만큼 연료펌프(20)로부터 연료가 공급되도록 밸브 컨트롤러(532)를 통해 밸브(531)의 개방량을 조절한다. 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 밸브 컨트롤러(532) 없이 밸브(531)에 장착된 개폐 스위치를 수동으로 조작해서, 무화된 연료가 실리더실(3)로 공급되는 양만큼 연료펌프(20)로부터 초음파 연료탱크(51) 내로 연료가 공급되도록 밸브(531)를 약 수 mm 정도 개방할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)의 초음파 연료탱크(51) 내의 유량을 일정하게 유지하기 위한 유량 조절 장치(53)를 유면계, 밸브, 및 밸브 컨트롤러로 구성한 개념도이다.
도 4에 보이는 바와 같이, 본 실시예에서, 유량 조절 장치(53)는 연료의 공급량을 조절하기 위한 밸브(531), 밸브(531)의 개방량을 조절하기 위한 밸브 컨트롤러(532), 및 유면(OL1)의 높이를 검출하기 위한 유면계(533)로 구성된다.
본 실시예에서는, 유면계(533)가 초음파 연료탱크(51) 내의 연료의 양을 나타내는 유면(OL1)의 높이(유위)를 검출하여 검출 결과를 밸브 컨트롤러(532)로 출력한다. 밸브 컨트롤러(532)는 유면계(533)가 검출한 유면(OL1)의 높이를 기 설정된 값과 비교하여 비교 결과에 따라 밸브(531)의 개방도를 제어한다. 즉, 비교 결과 검출된 유면(OL1)의 높이가 기 설정된 값보다 소정의 값 이상 높은 것으로 판단되면, 밸브 컨트롤러(532)는 밸브(531)를 닫아서 초음파 연료탱크(51)로의 연료 공급을 감소시키거나 차단한다. 반대로, 비교 결과 검출된 유면(OL1)의 높이가 기 설정된 값보다 소정의 값 이상 낮은 것으로 판단되면, 밸브 컨트롤러(532)는 밸브(531)를 열어서 초음파 연료탱크(51)로의 연료 공급을 개시하거나 증가시킨다.
유면계(533)에 의한 초음파 연료탱크(51) 내 유면(OL1)의 높이 검출 시, 초음파 진동자(54)의 진동과 내연기관의 구동(예를 들어, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 내연기관(디젤엔진)을 장착한 자동차의 주행 등)으로 인한 진동으로 유면(OL1)의 높이가 랜덤하게 출렁이게 된다. 따라서, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 유면계(533)는 시간 별로 구간을 나누어 각 구간에서 검출한 값의 평균값을 취해 이를 검출 결과로 해서 밸브 컨트롤러(532)로 출력한다. 반대로, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 밸브 컨트롤러(532)가 유면계(533)로부터 입력 받은 검출 결과를 시간 별로 구간을 나누어 각 구간마다 평균치를 취함으로써 유면(OL1)의 높이가 랜덤하게 출렁임으로 인한 오차의 영향을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)의 초음파 연료탱크(51) 내의 유량을 일정하게 유지하기 위한 유량 조절 장치(53)를 유량 제어용 연료탱크, 유면계, 밸브, 및 밸브 컨트롤러로 구성한 개념도이다.
도 5에 보이는 바와 같이, 본 실시예에서, 유량 조절 장치(53)는 연료의 공급량을 조절하기 위한 밸브(531), 밸브(531)의 개방량을 조절하기 위한 밸브 컨트롤러(532), 유량 제어용 연료탱크(534), 및 유량 제어용 연료탱크(534) 내의 유면(OL1)의 높이를 검출하기 위한 유면계(535)로 구성된다.
전술한 바와 같이, 내연기관의 구동 중에는 초음파 진동자(54)의 진동으로 인한 유면의 봉기와, 예를 들어, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 내연기관(디젤엔진)을 장착한 자동차의 주행 등으로 인한 진동으로 유면(OL1)의 높이가 랜덤하게 출렁이게 된다. 도 4에서는 유면계(533)를 사용하여 검출한 유면(OL1)의 높이를 구간 별로 평균값을 취해 초음파 연료탱크(51)의 유량을 조절하였으나, 본 실시예에서는 별도의 유량 제어용 연료탱크(534)를 이용하여 보다 효율적으로 초음파 연료탱크(51) 내의 유량을 제어한다.
유량 제어용 연료탱크(534)는, 도 5에 보이는 바와 같이, 초음파 연료탱크(51)와 연결 파이프(536)로 연결되어 초음파 연료탱크(51) 내의 연료의 유면(OL1)과 유량 제어용 연료탱크(534) 내의 연료의 유면(OL2)이 실질적으로 일치하도록 배치된다. 따라서, 초음파 연료탱크(51) 내의 연료의 증감으로 인해 유면(OL1)의 높이가 변화하면 이에 따라 유량 제어용 연료탱크(534) 내의 유면(OL2)도 동일하게 변화하게 되므로 유량 제어용 연료탱크(534) 내의 유면(OL2)의 높이를 검출함으로써 초음파 연료탱크(51) 내의 유량을 제어할 수 있다.
이는, 예를 들어, 차량의 주행 등으로 인한 출렁임보다 초음파 진동자(54)의 진동으로 인한 유면(OL1)의 봉기가 유면의 높이를 검출하는데 있어서 더 큰 장애가 될 수 있으므로 초음파 진동자(54)의 진동의 영향을 받지 않는 별도의 유량 제어용 연료탱크(534)를 사용함으로써 보다 효율적으로 초음파 연료탱크(51) 내의 유량을 제어할 수 있는 장점이 있다.
유면계(535)는 유량 제어용 연료탱크(534) 내의 유면(OL2)의 높이를 검출하여 검출 결과를 밸브 컨트롤러(532)로 출력한다. 밸브 컨트롤러(532)는 유면계(535)가 검출한 유면(OL2)의 높이를 기 설정된 값과 비교하여 비교 결과에 따라 밸브(531)의 개방도를 제어한다. 즉, 비교 결과 검출된 유면(OL2)의 높이가 기 설정된 값보다 소정의 값 이상 높은 것으로 판단되면, 밸브 컨트롤러(532)는 밸브(531)를 닫아서 초음파 연료탱크(51)로의 연료 공급을 감소시키거나 차단한다. 반대로, 비교 결과 검출된 유면(OL2)의 높이가 기 설정된 값보다 소정의 값 이상 낮은 것으로 판단되면, 밸브 컨트롤러(532)는 밸브(531)를 열어서 초음파 연료탱크(51)로의 연료 공급을 개시하거나 증가시킨다.
이 경우에도 정확도를 더 높이기 위해 유면계(535)가 시간 별로 구간을 나누어 각 구간에서 검출한 값의 평균값을 취해 이를 검출 결과로 해서 밸브 컨트롤러(532)로 출력하거나 밸브 컨트롤러(532)가 유면계(535)로부터 입력 받은 검출 결과를 시간 별로 구간을 나누어 각 구간마다 평균치를 취함으로써 유면의 높이가 출렁임으로 인한 오차의 영향을 한층 더 줄일 수 있다.
도 4 및 도 5에 보이는 유면계(533, 535)로는 오일게이지(Oil Gauge)나 플로트 스위치(Float Switch) 등의 장치를 사용할 수 있다.
한편, 어떠한 이유로 초음파 연료탱크(51)의 연료가 다 소모되어 바닥이 드러난 상태로 초음파 진동자(54)를 작동시키면 접착 부분이 박리되어 고장을 일으킬 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서는, 유면계(533, 535)를 사용하여 초음파 연료탱크(51)의 연료량을 지속적으로 모니터하여 초음파 연료탱크(51) 내의 연료가 다 소모된 것으로 판단되면 초음파 진동자 컨트롤러(55)가 초음파 진동자(54)의 작동을 정지한다. 초음파 진동자 컨트롤러(55)는 유면계(533, 535)로부터 모니터 결과를 수신하여 수신한 결과가 소정량 이하로 되면 초음파 연료탱크(51) 내의 연료가 다 소모된 것으로 판단한다. 이러한 경우가 발생하면, 초음파 진동자 컨트롤러(55)는 알람 신호를 출력하여 운전자로 하여금 원인을 제거하도록 하거나 밸브 컨트롤러(532)로 하여금 즉시 밸브(531)을 개방하여 초음파 연료탱크(51) 내에 연료를 공급하도록 하는 신호를 출력한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)를 사용한 내연기관(예를 들어, 디젤엔진)을 구동하면, 연소 과정의 행정에 따라 초음파 연료 공급 장치(50) 내의 무화된 연료가 실린더실(30)로 흡입되므로 초음파 연료탱크(51) 내의 압력이 진공 상태(저압 상태)로 되어 초음파 연료탱크(51)의 벽이 안으로 수축되는 현상이 발생한다. 따라서, 연료 공급 장치(50) 내의 무화된 연료가 실린더실(30)로 흡입되더라도 초음파 연료탱크(51)의 내부가 진공 상태로 되지 않고 통상적인 압력(대기압)을 유지하도록 필요에 따라 초음파 연료탱크(51)의 내부로 공기를 주입할 필요가 있다.
도 6은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)의 공기 흡입부(57) 의 작동을 나타내는 개념도이다.
도 6에 보이는 바와 같이, 초음파 연료탱크(51)의 벽면(511)에는 소정의 크기를 갖는 공기 흡입구(512)가 형성되어 있다. 공기 흡입부(57)는 공기 흡입구(512)에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 핀(571), 핀의 제1말단에 부착된 빨판(572), 및 핀(571)에 끼워져 핀(571)의 제1말단의 반대쪽인 제2말단과 빨판(572) 사이에 위치하는 스프링(탄성 부재, 573)으로 구성된다. 핀(571)의 제2말단은 리벳 머리의 형상으로 형성되어, 제1말단을 통해 스프링(573)을 핀(571)에 끼우고 핀(571)을 공기 흡입구(512)에 끼운 다음에 제1말단과 빨판(572)을 부착하면 스프링(573)이 핀(571)의 제2말단과 빨판(572) 사이에서 빠지지 않고 수축 및 신장이 가능하게 된다.
이 때, 공기 흡입구(512)의 직경은 스프링(573) 및 핀(571)의 제2말단의 직경보다 작게 설정된다. 또한, 핀(571)이 공기 흡입구(512) 내부에서 자유롭게 왕래하고 핀(571)과 공기 흡입구(512) 사이에 공기가 통할 수 있는 소정의 공간이 형성되도록, 공기 흡입구(512)의 직경은 제2말단을 제외한 핀(571)의 직경보다 크게 설정한다. 따라서, 제1말단을 통해 스프링(573)을 핀(571)에 끼운 상태로 핀(571)을 공기 흡입구(512)에 끼운 다음에, 스프링(573)을 약간 압축시킨 상태에서 핀(571)의 제1말단과 빨판(572)을 부착하면 압축된 스프링(573)의 인장력으로 인해 빨판(572)이 벽면(511) 측으로 당겨져 벽면(511)의 내벽에 밀착하게 된다.
초음파 연료탱크(51) 내의 압력이 대기압 이상의 통상 압력인(평상 시, 즉 대기압) 상태에서, 공기 흡입부(57)는, 도 6(a)에 보이는 바와 같이, 스프링(573)의 인장력으로 인해 빨판(572)이 벽면(511)의 내벽에 밀착하게 되어 공기 흡입구(512)를 밀폐한다. 따라서, 이 상태에서는 공기 흡입구(512)를 통해 공기가 왕래할 수 없게 된다.
내연기관의 구동으로 인해 초음파 연료 공급 장치(50) 내의 무화된 연료가 실린더실(30)로 흡입되어 초음파 연료탱크(51) 내부의 압력이 진공(저압) 상태로 되면, 도 6(b)에 보이는 바와 같이, 초음파 연료탱크(51)의 벽면(511)이 외부의 압력에 의해 안쪽으로 수축된다.
이 상태에서 초음파 연료탱크(51) 내부의 압력이 더 낮아져 빨판(572)을 잡아 당기는 힘이 스프링(573)의 탄성력을 초과하면, 도 6(c)에 보이는 바와 같이, 빨판(572)이 안쪽으로 당겨져 공기 흡입구(512)와 핀(571) 사이의 공간을 통해 화살표 방향으로 초음파 연료탱크(51) 내부로 공기가 주입된다. 공기의 주입으로 인해 초음파 연료탱크(51)의 내부 압력이 다시 통상 압력으로 돌아오면 스프링(573)의 탄성력으로 인해 빨판(572)이 벽면(511) 측으로 당겨져 초음파 연료탱크(51)의 벽면(511)의 내벽에 다시 밀착하게 되므로 초음파 연료탱크(51)의 내부로 공기가 더 이상 주입되지 않는다.
본 명세서의 실시예에서는 탄성력을 제공하기 위한 탄성 부재로 스프링(573)을 사용하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 탄성력을 가진 고무, 실리콘 등의 물질을 탄성 부재로 사용하거나 솔레노이드를 사용하여 탄성 부재의 기능을 할 수도 있다.
본 명세서의 실시예에서는 벽면(511)을 초음파 연료탱크(51)의 측벽면으로 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 초음파 연료탱크(51)의 천정면 또는 바닥면일 수도 있다.
초음파에 의해 액체를 무화시키는 기술은 가습기나 흡인기 등에 널리 이용되고 있다. 가습기의 경우, 수조의 바닥에 압전세라믹 진동자를 설치하여 여기에 고주파 교류 전압을 인가하면 발생한 초음파 진동 에너지가 수면으로 전달되어 특정 조건 하에서 수면의 일부가 봉기하여 이로부터 미세한 입자가 발생한다.
초음파를 이용한 무화 장치에 있어서, 진동자의 공진 주파수와 수심(진동자가 잠겨 있는 액체의 깊이)이 무화량에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 동일한 주파수라도 수심에 따라 무화가 발생하기도 하고 발생하지 않기도 한다. 따라서, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)에서는, 유량 조절 장치(53)를 사용하여 초음파 연료탱크(51) 내의 연료의 깊이(유심)을 소정의 범위 내에서 적정 깊이를 일정하게 유지한다.
압전 진동자는 압전세라믹 판의 양면에 금속 전극을 형성한 소자로, 구동회로로부터 고주파의 전압을 인가하면 초음파 진동자로 기능한다. 이로 인해 발생하는 진동에너지는, 유면에 집중해서 연료 기둥을 형성하여 표면장력이 크게 저하된 연료 기둥의 선단부로부터 연료의 미립자를 발산하게 된다. 이 경우에 초음파 진동자의 바로 위 수직 방향으로 연료 기둥이 형성되고 방출된 미립자는 형성된 연료 기둥의 바로 위 수직 방향에 밀집되어 무화된 연료의 고밀도 영역을 형성한다 (도 7 참조). 따라서, 초음파 연료탱크(51)에 연결되는 출력 파이프(56)의 말단 부분을 초음파 연료탱크(51) 내부의 무화된 연료의 고밀도 영역 내에 위치시켜서 무화된 연료의 공급을 더 효율적으로 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)의 출력 파이프 연장부를 나타내는 개념도이다.
도 7(a)에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)의 출력 파이프(56)는 초음파 연료탱크(51)의 내부로 연장된 출력 파이프 연장부(561)를 포함한다. 출력 파이프 연장부(561)의 말단에는 개구부(562)가 형성되어 개구부(562)가 무화된 연료의 고밀도 영역 내(예를 들어, 중심부)에 위치하도록 출력 파이프 연장부(561)의 길이를 설정한다.
도 7(b)에서는, 출력 파이프 연장부(561)의 말단 부분이 나팔 모양으로 벌어진 깔때기 모양의 개구부(564)를 보이고 있다. 이러한 구조를 취함으로써, 무화된 연료의 고밀도 영역(563) 내에서도 출력 파이프(56)의 흡입 부분의 면적을 넓힘으로써 보다 효율적으로 실린더실(30)로 무화된 연료를 공급할 수 있다.
실제로 초음파 연료 공급 장치(50)를 제작하여 자동차의 디젤엔진에 적용한 결과, 일상 생활에서 사용하는 회전수 구간(약 3000 rpm 이하) 또는 이 회전수 구간에서 정속 주행 시에 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료만으로 엔진을 구동할 수 있음을 확인하였다.
먼저, 폭, 높이, 깊이가 각각 14 cm, 18 cm, 9 cm인 플라스틱 용기를 사용하여 초음파 연료탱크(51)를 제작하였다. 초음파 진동자(54)로는, 시간 당 약 200 ml의 무화량과 약 3~4 mm의 입자 크기를 갖는 TDK 제품의 가습기용 진동자와 컨트롤러를 사용하였다. 유량 조절 장치(53)로는 도 3에 보이는 구조에서 밸브 컨트롤러를 제외하고 밸브만으로 구성하여 밸브의 개방도를 약 1 mm~2 mm로 고정하여 용기 내의 바닥에서 유면까지의 높이(유위)가 약 20 mm 정도로 일정하게 유지되도록 하였다. 초음파 진동자는 총 4개를 사용하여 플라스틱 용기의 바닥에 설치하고, 필요에 따라 가동 개수를 조절할 수 있도록 하였다.
도 8은 위와 같이 제작한 초음파 연료 공급 장치(50)의 실제 사진이다.
제작한 초음파 연료 공급 장치(50)를 93년형 현대 갤로퍼의 엔진에 적용하여 엔진 구동 시험을 실시하였다. 갤로퍼는 2.5리터(배기량 2,476cc) 디젤엔진을 장착한 SUV로, 수동 5단의 변속기의 4륜 구동 차량이다. 엔진 형식은 D4BX로 디젤을 연료로 사용하여 최고 출력 73/4,200 ps/rpm, 최대 토크 14,9/2,500 kg*m/rpm, 연비 17.3 km/l가 제원 상의 성능이다.
갤로퍼의 연료펌프와 인젝션펌프를 연결하는 연료 공급 파이프를 절단해서 연료펌프 측의 파이프를 제작한 초음파 연료 공급 장치(50)의 입력 파이프(52)에 연결하고, 인젝션펌프 측의 파이프를 출력 파이프(56)에 연결한 후, 초음파 연료탱크(51) 내에 연료를 주입하여 유면의 높이가 약 25 mm가 되도록 한 후, 초음파 진동자 컨트롤러(55)를 통해 초음파 진동자(54)를 진동시켜 초음파 연료탱크(51)내의 무화를 진행시킨 다음에 엔진의 시동을 걸어 액셀러레이터를 조작하여 엔진의 회전수를 다양하게 변경하였다.
실험 결과, 두개의 초음파 진동자를 사용하여 시간 당 약 400 ml 미만의 연료를 무화시켜, 주 연료탱크(10)으로부터 연료펌프(20)를 통해 직접 액체 상태로 연료분사장치(40)로 공급되는 제1 연료 공급 계통을 사용하지 않고 초음파 연료 공급 장치(50)에 의해 무화된 상태로 연료분사장치(40)로 공급되는 제2 연료 공급 계통만을 사용하여 엔진 회전수를 3,000 rpm 이내에서 임의로 변경하면서 약 1시간 동안 엔진을 구동할 수 있었다. 회전수가 3,000 rpm을 넘도록 액셀러레이터를 제어하면 엔진이 비정상적으로 작동하였지만, 3,000 rpm 미만의 회전수 구간에서는 아무런 문제 없이 엔진이 작동함을 확인하였다.
엔진 시동 시에도 정상적으로 엔진을 정지시킨 상태에서는 제1 연료 공급 계통을 사용하지 않고 제2 연료 공급 계통만을 사용하여 무리 없이 시동을 걸 수 있었다. 하지만, 초음파 연료 공급 계통만을 사용하여 구동 시에 고회전 영역에서 엔진이 비정상적으로 정지하면 초음파 연료 공급 계통만을 사용하여 시동을 거는데 어려움이 있었다. 이는, 엔진이 정상적으로 정지한 경우에는 연료 분사 계통 내에 소정 량의 연료가 남아 있지만 엔진이 비정상적으로 정지하는 경우에는 시동을 위한 연료 밀도가 부족한 것이 이유라고 추측할 수 있다.
따라서, 엔진 시동 시에는 제2 연료 공급 계통과 제1 연료 공급 계통을 함께 사용하면 이러한 문제를 해결 할 수 있다. 이를 위해 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)를 사용한 내연기관에는, 도 1에 보이는 바와 같이, 연료펌프(20)와 연료분사장치(40) 사이에 위치하여 연료펌프(20)로부터의 연료 공급을 개폐하기 위한 밸브(60), 및 밸브(60)의 개폐를 제어하기 위한 밸브 컨트롤러(70)가 구비되어 있다.
실험은 인젝션펌프를 사용하는 형식의 디젤엔진에 대해 행하였지만, 최근의 고압펌프를 사용하는 디젤엔진의 경우에는 무화된(기체 상태의) 연료를 공급함으로 인한 압력 저하를 보상해야 할 필요가 있다. 즉, 고압펌프의 컨트롤러를 통해 기체 상태의 연료 공급으로 인한 압력 차이를 보상하도록 고압펌프의 구동을 제어할 필요가 있다.
도 9는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)를 사용한 내연기관의 각 연료 공급 계통의 작동 시이퀀스의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 9에 보이는 바와 같이, 엔진 시동 시에는 제1 연료 공급 계통의 개방도와 제2 연료 공급 계통의 개방도의 비율(%)은 100:100이며, 소정 시간 t1이 경과할 때까지 이 비율을 유지한다. 소정 시간 t1은 약 수십 초에서 수 분의 범위 내에서 임의로 설정할 수 있다. 이후 주행을 시작해서 일상적으로 사용하는 엔진 회전수 구간(예를 들어, 약 700 rpm~3,000 rpm)에서는 밸브 컨트롤러(70)가 밸브(60)를 닫아 제1 연료 공급 계통의 개방도와 제2 연료 공급 계통의 개방도의 비율(%)을 0:100으로 설정함으로써 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료만으로 엔진을 구동한다. 주행 중에 약 3,000 rpm 이상의 고회전 구간까지 엔진의 회전수를 높이는 경우 (예를 들어, 급가속, 경사면 등판, 또는 엔진 회전수가 3,000 rpm을 초과하는 고속 주행 시 등), 밸브 컨트롤러(70)가 밸브(60)를 열어 제1 연료 공급 계통의 개방도와 제2 연료 공급 계통의 개방도의 비율(%)을 100:100 또는 x:100 (0<x<100)으로 설정하여 실린더실(30)로 공급되는 연료의 밀도 저하로 인한 엔진의 비정상적인 동작을 방지한다.
도 9에서는 엔진 시동 시에 제1 연료 공급 계통의 개방도와 제2 연료 공급 계통의 개방도의 비율(%)을 100:100으로 설정한 예를 보이고 있지만, 이는 어디까지나 하나의 예를 보일 뿐, 엔진 시동 시의 문제가 없는 한, 이 비율은 임의로 설정할 수 있다. 예를 들어, 초음파 진동자 컨트롤러(55)에 의한 초음파 진동자(54)의 구동을 제어하여 100:x (0*x*100)의 비율을 구현할 수 있다.
도 10은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(50)를 사용한 내연기관의 각 연료 공급 계통의 작동 시이퀀스의 또 다른 일례를 나타내는 그래프이다. 도 10은 엔진 회전수가 변화할 때 이에 따른 주 연료 공급 계통과 초음파 연료 공급 계통의 개방도 변화를 보여준다.
엔진의 회전수가 도 10(a)와 같이 변화할 때, 주 연료 공급 계통의 개방도는 도 10(b)와 같이 변화한다. 즉, 엔진의 회전수가 약 3,000 rpm 이하인 일상 시에 주로 사용하는 회전수 구간에서는 밸브(60)를 닫아 0%의 개방도를 유지하고, 엔진의 회전수가 약 3,000 rpm 이상인 고회전 구간(예를 들어, 급가속, 경사면 등판, 또는 회전수가 3,000 rpm을 초과하는 고속 주행 시 등)에서는 밸브(60)를 열어 100%의 개방도로 유지하거나 또는 0%에서 100% 사이의 임의의 개방도로 조절하면서 사용할 수 있다.
초음파 연료 공급 계통의 개방도는, 도 10(c)에 보이는 바와 같이, 상시 100%를 유지한다. 초음파 연료 공급 계통을 상시 100%로 가동하더라도 무화 공간(514) 내의 무화된 연료가 다시 액체로 환원되므로 무화된 액체가 무제한으로 증가하지는 않는다. 이렇게 함으로써 일상생활에서 주로 사용하는 회전수 구간에서 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하거나 무화된 연료만으로 엔진을 구동함으로써 획기적으로 연비를 상승시키고 유해 물질 배출을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 초음파 연료 공급 장치(50)로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용한다는 것은 연료펌프(20)를 통해 공급되는 연료의 공급(제1 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 49% 이하이고 초음파 연료 공급 장치(50)를 통해 무화시킨 연료의 공급(제2 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 51% 이상인 것을 의미한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 초음파 연료 공급 장치(50)로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용한다는 것은 연료펌프(20)를 통해 공급되는 연료의 공급(제1 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 19% 이하이고 초음파 연료 공급 장치(50)를 통해 무화시킨 연료의 공급(제2 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 81% 이상인 것을 의미한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 초음파 연료 공급 장치(50)로부터 공급되는 무화된 연료만으로 엔진을 구동한다는 것은 연료펌프(20)를 통해 공급되는 연료의 공급(제1 연료 공급 계통)을 차단하여(0%) 총 연료 공급의 100%를 초음파 연료 공급 장치(50)를 통해 무화시킨 연료(제2 연료 공급 계통)만으로 공급하는 것을 의미한다.
본 명세서의 실시예에서는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 초음파 연료 공급 장치 및 이를 사용한 내연기관을 디젤엔진을 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어, 등유, 경유, 또는 중유를 사용한 모든 내연기관 및 연소장치에 적용할 수 있다. 특정 시동 기구를 갖는 내연기관이나 연소장치의 경우에는 시동 시에도 제1 연료 공급 계통을 사용하지 않고 제2 연료 공급 계통만 사용할 수도 있다.
또한, 본 명세서의 실시예에서는 엔진 회전수의 고회전 구간을 약 3,000 rpm 이상으로 설명하였으나, 이 값은 엔진의 종류 및 사양에 따라 달라질 수 있음을 본 발명에 따른 최소한 하나의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다.
또한, 각종 밸브 및 초음파 진동자를 제어하기 위한 각종 컨트롤러는 독립적으로 구비되어 동작하거나 엔진 제어 장치 (Engine Control Unit (ECU) 또는 Engine Control Module (ECM))와 같은 전자 제어 장치에 통합되어 동작할 수 있다. 어느 경우라도 각종 컨트롤러가 독립적으로 동작하거나 ECU 또는 ECM 등의 제어 하에 동작할 수 있다.
도 11은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 연소장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 11에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 연소장치는 연료를 저장하기 위한 주 연료탱크(1110), 주 연료탱크(1110)로부터 공급되는 연료를 연소실(1130)로 공급하기 위한 연료분사장치(1140), 연료를 무화시켜 무화된 상태로 연료를 공급하는 초음파 연료 공급 장치(1150), 주 연료탱크(1110)와 연료분사장치(1140) 사이에 위치하여 주 연료탱크(1110)로부터의 연료 공급을 개폐하기 위한 밸브(1160), 및 밸브(1160)의 개폐를 제어하기 위한 밸브 컨트롤러(1170)로 구성된다.
주 연료탱크(1110)로부터 연소실(1130)까지 또는 초음파 연료 공급 장치(1150)로부터 연소실(1130)까지 연료를 보내기 위한 펌프 또는 송풍기는 필요에 따라 적절한 위치에 설치될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 최소한 하나의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이므로 도시하지 않고 이에 대한 설명도 생략한다.
내연기관과 마찬가지로, 연소장치에 있어서도, 주 연료탱크(1110)에 저장된 연료는, 직접 액체 상태로 연료분사장치(1140)로 공급되는 제1 연료 공급 계통과 초음파 연료 공급 장치(1150)에 의해 무화된 상태로 연료분사장치(1140)로 공급되는 제2 연료 공급 계통을 통해 실린더실(1130)로 공급된다.
도 12는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 초음파 연료 공급 장치(1150)의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 12에 도시된 초음파 연료 공급 장치(1150)과 도 2에 도시된 초음파 연료 공급 장치(50)의 다른 점은, 연소장치의 경우 초음파 연료탱크(51) 내부로 공기를 주입하기 위한 공기 흡입부(57)가 필요하지 않다는 점이다. 공기 흡입부(57)를 제외하면 초음파 연료 공급 장치(1150)은 초음파 연료 공급 장치(50)과 동일하다고 볼 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 공기 흡입부(57)를 제외한 초음파 연료 공급 장치(50)의 설명을 참조하기 바란다.
연소장치용 초음파 연료 공급 장치(1150)는 공기 흡입부(57)를 더 포함할 수도 있다. 내연기관의 경우 실린더 작용으로 인한 진공 상태로 인해 공기 흡입부(57)가 필요하지만 연소기관의 경우 연소로 인한 내부 압력의 저하 등이 발생할 우려가 있다면 공기 흡입부(57)를 구비하는 것이 좋다. 하지만, 통상적인 연소장치에 있어서는 공기 흡입부(57)가 없어도 무방하다.
내연기관과는 달리, 연소장치의 경우 시동 시부터 정상 운전 상태까지 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하거나 무화된 연료만으로 장치를 운전함으로써 획기적으로 연소 효율을 상승시키고 유해 물질 배출을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 초음파 연료 공급 장치(1150)로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용한다는 것은 주 연료 탱크(1110)로부터 공급되는 연료의 공급(제1 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 49% 이하이고 초음파 연료 공급 장치(1150)를 통해 무화시킨 연료의 공급(제2 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 51% 이상인 것을 의미한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 초음파 연료 공급 장치(1150)로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용한다는 것은 주 연료 탱크(1110)로부터 공급되는 연료의 공급(제1 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 19% 이하이고 초음파 연료 공급 장치(1150)를 통해 무화시킨 연료의 공급(제2 연료 공급 계통) 비율이 총 연료 공급의 81% 이상인 것을 의미한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 초음파 연료 공급 장치(1150)로부터 공급되는 무화된 연료만으로 연소장치를 운전한다는 것은 주 연료 탱크(1110)로부터 공급되는 연료의 공급(제1 연료 공급 계통)을 차단하여(0%) 총 연료 공급의 100%를 초음파 연료 공급 장치(1150)를 통해 무화시킨 연료(제2 연료 공급 계통)만으로 공급하는 것을 의미한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 연소장치는, 정상 운전 시에 제2 연료 공급 계통을 통해 운전 중에 초음파 연료 공급 장치(1150)의 고장으로 인해 무화된 연료가 제대로 공급되지 않을 때 밸브 컨트롤러(1170)를 통해 밸브(1160)를 개방하여 주 연료 탱크(1110)로부터 연료가 공급되도록 하기 위한 안전장치(미 도시)를 더 포함한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 연소장치는, 초음파 연료 공급 장치(1150)를 복수 개 구비하여, 고장 시에 초음파 연료 공급 장치(1150)를 전환 가능한 전환장치(미 도시)를 더 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 초음파 진동자를 사용해서 연료를 무화시켜, 무화시킨 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하거나 초음파 진동자를 통해 무화시킨 연료만으로 내연기관 및 연소장치를 구동할 수 있는 초음파 연료 공급 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 위와 같은 초음파 연료 공급 장치를 구비하여, 내연기관 및 연소장치를 제공함으로써 획기적으로 연료 효율을 높이고 이에 따라 각종 유해 물질 배출량을 감소시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명에 따른 최소한 하나의 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명에 따른 최소한 하나의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 최소한 하나의 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 따른 최소한 하나의 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 주 연료 탱크 20: 연료 펌프
30: 실린더실 40: 연료 분사 장치
41: 분사 펌프 42: 분사 노즐
50: 초음파 연료 공급 장치 51: 초음파 연료 탱크
52: 입력 파이프 53: 유량 조절 장치
54: 초음파 진동자 55: 초음파진동자 컨트롤러
56: 출력 파이프 57: 공기 흡입부
58: 진동판 60: 밸브
70: 밸브 컨트롤러 511: 벽면
512: 공기 흡입구 513: 연료 저장 공간
514: 무화 공간 531: 밸브
532: 밸브 컨트롤러 533: 유면계
534: 유량제어용 연료탱크 535: 유면계
536: 연결 파이프 561: 출력 파이프 연장부
562: 개구부 563: 고밀도 영역
564: 개구부 571: 핀
572: 빨판 573: 스프링
1110: 주 연료 탱크 1130: 실린더실
1140: 연료 분사 장치 1150: 초음파 연료 공급 장치
1160: 밸브 1170: 밸브 컨트롤러

Claims (22)

  1. 연료 저장 공간 및 무화 공간을 포함하는 초음파 연료탱크;
    외부의 주 연료탱크로부터 상기 초음파 연료탱크로 연료를 공급하기 위한 입력 파이프;
    상기 입력 파이프와 상기 초음파 연료탱크 사이에 설치되어 상기 연료 저장 공간의 연료 저장량을 일정하게 유지시키도록 구성된 유량 조절 장치;
    상기 초음파 연료 탱크의 하부에 설치되어 상기 연료 저장 공간에 저장된 연료를 무화시키기 위한 최소한 하나의 초음파 진동자;
    상기 초음파 진동자를 구동하기 위한 초음파 진동자 컨트롤러;
    상기 초음파 진동자에 의해 무화된 상기 연료를 연료분사장치로 공급하기 위한 출력 파이프; 및
    상기 출력 파이프를 통해 무화된 상기 연료가 연료분사장치로 공급됨에 따라 내부 압력이 저하되면 개방되어 상기 초음파 연료탱크 내부로 공기를 주입하기 위한 공기 흡입부
    를 구비하는 초음파 연료 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유량 조절 장치는, 상기 연료 저장 공간에 저장된 상기 연료의 유위를 검출하기 위한 유면계, 상기 입력 파이프와 상기 초음파 연료탱크 사이에 설치된 유량 조절 밸브, 및 상기 유면계가 검출한 유위에 따라 상기 유량 조절 밸브의 개방량을 조절하는 밸브 컨트롤러를 포함하는 초음파 연료 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유량 조절 장치는, 상기 입력 파이프와 상기 초음파 연료탱크 사이에 연결되어 상기 초음파 연료탱크의 유위와 동일한 유위를 유지하도록 구성된 유량 제어용 연료탱크, 상기 유량 제어용 연료탱크의 유위를 검출하기 위한 유면계, 상기 입력 파이프와 상기 유량 제어용 연료탱크 사이에 설치된 밸브, 및 상기 유면계가 검출한 유위에 따라 상기 밸브의 개방량을 조절하는 밸브 컨트롤러를 포함하는 초음파 연료 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공기 흡입부는, 상기 초음파 연료탱크의 벽면에 형성된 공기 흡입구, 상기 공기 흡입구를 상기 초음파 연료탱크의 내부에서 밀폐하기 위한 빨판, 및 상기 빨판이 상기 공기 흡입구를 밀폐하도록 탄성력을 제공하는 탄성 부재를 포함하고, 상기 초음파 연료탱크 내의 압력이 통상 압력일 때는 상기 탄성 부재의 탄성력에 의해 상기 빨판이 상기 흡입구를 밀폐하고, 상기 초음파 연료탱크 내의 압력이 통상 압력 이하로 내려가 이로 인한 내부 수축력이 상기 탄성 부재의 탄성력을 초과하면 상기 빨판이 당겨져 상기 공기 흡입구를 개방하도록 구성된 초음파 연료 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력 파이프로부터 상기 초음파 연료탱크 내부로 연장되어 무화된 상기 연료의 고밀도 영역 내에 개구부를 갖는 출력 파이프 연장부를 더 포함하는 초음파 연료 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력 파이프 연장부는, 상기 개구부가 나팔 모양으로 벌어진 깔때기 형상으로 형성된 초음파 연료 공급 장치.
  7. 연료를 저장하기 위한 주 연료탱크;
    상기 주 연료탱크에 연결되어 연료를 공급하기 위한 연료펌프;
    제1항에서 제6항 중 어느 한 항에 따른 초음파 연료 공급 장치; 및
    상기 연료펌프 및 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 연료를 실린더실로 공급하기 위한 연료분사장치
    를 구비하는 내연기관.
  8. 제7항에 있어서,
    일상적으로 사용하는 회전수 구간에서, 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하여 구동 가능한 내연기관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주 연료 공급 계통에 있어서, 상기 연료 펌프를 통해 공급되는 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 49% 이하이고 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 51% 이상인 내연기관.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 주 연료 공급 계통에 있어서, 상기 연료 펌프를 통해 공급되는 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 19% 이하이고 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 81% 이상인 내연기관.
  11. 제8항에 있어서,
    일상적으로 사용하는 회전수 구간에서, 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료만으로 구동 가능한 내연기관.
  12. 연료 저장 공간 및 무화 공간을 포함하는 초음파 연료탱크;
    외부의 주 연료탱크로부터 상기 초음파 연료탱크로 연료를 공급하기 위한 입력 파이프;
    상기 입력 파이프와 상기 초음파 연료탱크 사이에 설치되어 상기 연료 저장 공간의 연료 저장량을 일정하게 유지시키도록 구성된 유량 조절 장치;
    상기 초음파 연료 탱크의 하부에 설치되어 상기 연료 저장 공간에 저장된 연료를 무화시키기 위한 최소한 하나의 초음파 진동자;
    상기 초음파 진동자를 구동하기 위한 초음파 진동자 컨트롤러; 및
    상기 초음파 진동자에 의해 무화된 상기 연료를 연료분사장치로 공급하기 위한 출력 파이프
    를 구비하는 초음파 연료 공급 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유량 조절 장치는, 상기 연료 저장 공간에 저장된 상기 연료의 유위를 검출하기 위한 유면계, 상기 입력 파이프와 상기 초음파 연료탱크 사이에 설치된 유량 조절 밸브, 및 상기 유면계가 검출한 유위에 따라 상기 유량 조절 밸브의 개방량을 조절하는 밸브 컨트롤러를 포함하는 초음파 연료 공급 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유량 조절 장치는, 상기 입력 파이프와 상기 초음파 연료탱크 사이에 연결되어 상기 초음파 연료탱크의 유위와 동일한 유위를 유지하도록 구성된 유량 제어용 연료탱크, 상기 유량 제어용 연료탱크의 유위를 검출하기 위한 유면계, 상기 입력 파이프와 상기 유량 제어용 연료탱크 사이에 설치된 밸브, 및 상기 유면계가 검출한 유위에 따라 상기 밸브의 개방량을 조절하는 밸브 컨트롤러를 포함하는 초음파 연료 공급 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 출력 파이프를 통해 무화된 상기 연료가 연료분사장치로 공급됨에 따라 내부 압력이 저하되면 개방되어 상기 초음파 연료탱크 내부로 공기를 주입하기 위한 공기 흡입부를 더 구비하고,
    상기 공기 흡입부는, 상기 초음파 연료탱크의 벽면에 형성된 공기 흡입구, 상기 공기 흡입구를 상기 초음파 연료탱크의 내부에서 밀폐하기 위한 빨판, 및 상기 빨판이 상기 공기 흡입구를 밀폐하도록 탄성력을 제공하는 탄성 부재를 포함하고, 상기 초음파 연료탱크 내의 압력이 통상 압력일 때는 상기 탄성 부재의 탄성력에 의해 상기 빨판이 상기 흡입구를 밀폐하고, 상기 초음파 연료탱크 내의 압력이 통상 압력 이하로 내려가 이로 인한 내부 수축력이 상기 탄성 부재의 탄성력을 초과하면 상기 빨판이 당겨져 상기 공기 흡입구를 개방하도록 구성된 초음파 연료 공급 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 출력 파이프로부터 상기 초음파 연료탱크 내부로 연장되어 무화된 상기 연료의 고밀도 영역 내에 개구부를 갖는 출력 파이프 연장부를 더 포함하는 초음파 연료 공급 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 출력 파이프 연장부는, 상기 개구부가 나팔 모양으로 벌어진 깔때기 형상으로 형성된 초음파 연료 공급 장치.
  18. 연료를 저장하기 위한 주 연료탱크;
    제12항에서 제17항 중 어느 한 항에 따른 초음파 연료 공급 장치; 및
    상기 주 연료탱크 및 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 연료를 연소실로 공급하기 위한 연료분사장치
    를 구비하는 연소장치.
  19. 제18항에 있어서,
    정상 운전 상태에서, 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료를 주 연료 공급 계통으로 사용하여 운전 가능한 연소장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 주 연료 공급 계통에 있어서, 상기 주 연료탱크로부터 공급되는 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 49% 이하이고 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 51% 이상인 연소장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 주 연료 공급 계통에 있어서, 상기 주 연료탱크로부터 공급되는 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 19% 이하이고 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료의 공급 비율이 총 연료 공급의 81% 이상인 연소장치.
  22. 제19항에 있어서,
    정상 운전 상태에서, 상기 초음파 연료 공급 장치로부터 공급되는 무화된 연료만으로 운전 가능한 연소장치.
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