KR20210090981A - 차량 엔진용 산소맴브레인 방식 흡기공기 공조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치를 개시한다.
본 발명의 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치는, 차량 엔진의 연소실로 공급되는 관로 상에 설치되는 것으로, 실크로 된 망사체로 제공되는 스크린 필터층과; 섬유층으로 되어 미세먼지를 여과시키기 위한 미세먼지 필터층과; 극세사로 제공되어 상기 미세먼지 필터층을 통과한 공기 중에 포함된 잔류 오염물질을 여과시키기 위한 극세필터층과; 상기 극세필터층을 통과한 공기 중의 산소만을 분리 통과시키는 공극을 갖는 나노필터층과; 상기 나노필터층을 경유한 공기에 포함된 잔류 오염물질이나 습기를 여과시키기 위한 활성탄소 필터층과; 상기 활성탄성 필터층을 보호하기 위한 보호필터층으로 적층 구성된 산소공급유닛과; 상기 산소공급유닛에 연결되어 나노필터층을 통과하지 못한 질소를 분리 포집하는 질소분리유닛;을 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치는 산소를 분리하여 고농도의 산소를 차량의 연소실로 공급함으로써 연소효율과 연비 향상을 기대할 수 있으며, 특히 완전연소를 통한 질소산화물을 비롯한 이산화탄소 등의 유해배출 가스를 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
즉, NOx의 발생량 자체를 줄여 기존 후처리 방식 저감장치와 병행할 시 NOx배출량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 또한 질소가 저감 된 만큼 산소농도가 높아져 완전 연소에 근접한 연소 상태에서 운행함으로써 연비 향상과 출력 증강을 기대할 수 있고, 끝으로 향상된 연비와 출력으로 인해 PM, 이산화탄소 등 다른 유해물질의 배출량 또한 줄일 수 있는데 효과가 있다.

Description

차량 엔진용 산소맴브레인 방식 흡기공기 공조장치{Oxygen Separation Filter for Highly Concentrated Oxygen Supply for Vehicle Air Conditioners }

본 발명은 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고농도의 산소를 연소실에 공급하여 질소의 연소반응에 의한 질소산화물 생성 억제와 충분한 산소의 공급을 통해 완전연소를 이루게 하여 연비를 절감하고 이산화탄소와 질소산화물 등의 유해배출 가스량을 저감하고 출력향상에 기여할 수 있는 차량 엔진용 산소맴브레인 방식 흡기공기 공조장치에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관의 엔진은 휘발유나 디젤유와 같은 연료를 공급하여 엔진을 구동시키게 되는데, 이때 연료 자체로는 연소가 불가능하므로 반드시 공기중의 산소를 공급받아 혼합가스 형태로 된 상태에서 연소폭발이 일어나게 된다.

이때 혼합가스를 만들기 위하여 엔진으로 유입되는 대기중의 공기는 먼지 등 각종 더러운 물질들이 섞여 있어 깨끗한 혼합가스를 만들 수 없게 하여 불완전 연소를 유발하여 원활한 차량이나 장비의 운행을 어렵게 함과 동시에 엔진내부에 아주 작은 돌가루 같은 대기중의 공기와 함께 유입되어 엔진의 실린더 벽에 쌓이게되면 엔진 내에서 구동하는 피스톤 운동으로 엔진의 내부 벽이 깎여지게 되면 엔진의 성능이 저하 되는 현상이 발생하고 결국에는 엔진을 보링 하여야 하는 문제점이 생기는 것이다.

한편, 차량의 엔진 연소실로 공급되는 공기는 통상 에어필터를 구비한 에어클리너에 의해 여과되며, 이러한 에어필터는 여러 종류의 여과지로 이루어지는 구성이다.

일례로, 현자 차량 엔진용 흡기 에어필터는 차량의 외부에서 유입되는 비교적 큰 이물질을 걸러내는 기능외에도 최근 중국발 황사나 화력발전 및 산업계에서 발생하는 미세먼지의 증가에 대해 이를 차량의 연소실 내부로 유입되지 못하도록 차단하기 위해 0.25마이크로 단위의 초미세먼지까지 여과시킬 수 있는 다층구조 필터가 개발되어 있다.

상기와 같은 흡기 에어필터는 엔진이 구동을 하는 동안 필요로 하는 공기의 흐름과 그 양을 충분히 제공해주기 위하여 불순물을 충분히 잡아 주어야 하는 여과효율과 장기간 여과수명을 연장 할 수 있어야 한다.

한편, 차량의 연소효율을 높이기 위해서는 연소실에 공급되는 산소의 농도를 높이는 기술이 있으며, 공기로부터 산소와 질소를 분리 추출하는 방법으로는 흡착제를 이용하는 방법(Pressure Swing Adsorption:PSA)과, 기체의 확산??투과 속도 차이를 이용하는 기체분리막법(Gas Separation Membrane) 등이 널리 알려져 있다.

이중에서 상기 PSA방식은 질소와 고농도의 산소를 얻기에는 적합한 면이 있으나, 압축공기를 사용해야 하므로 구조가 복잡하고 부피가 클 뿐만 아니라 유지관리가 곤란하고 경제적인 제작이 곤란한 문제점이 있으며, 맴프레인 필터를 이용한 공기분리법은 상대적으로 저렴하고 장치가 간단한 반면 효율성이 크게 떨어짐에 따라 상용화가 곤란한 문제점이 있었다.

공개특허공보 제10-2015-0084107호(2015.07.22.) 공개특허공보 제10-2019-0070543호(2019.06.21.)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량의 연소실로 공급되는 공기중의 산소 농도를 고농도화하여 질소의 연소반응에 의한 질소산화물 생성 억제와 충분한 산소의 공급을 통해 완전연소를 이루게 하여 연비를 절감하고 이산화탄소와 질소산화물 등의 유해배출 가스량을 저감하고 출력향상에 기여할 수 있는 차량 엔진용 산소맴브레인 방식 흡기공기 공조장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 실시례에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치는, 차량 엔진의 연소실로 공급되는 관로 상에 설치되는 것으로, 실크로 된 망사체로 제공되는 스크린 필터층과; 섬유층으로 되어 미세먼지를 여과시키기 위한 미세먼지 필터층과; 극세사로 제공되어 상기 미세먼지 필터층을 통과한 공기 중에 포함된 잔류 오염물질을 여과시키기 위한 극세필터층과; 상기 극세필터층을 통과한 공기 중의 산소만을 분리 통과시키는 공극을 갖는 나노필터층과; 상기 나노필터층을 경유한 공기에 포함된 잔류 오염물질이나 습기를 여과시키기 위한 활성탄소 필터층과; 상기 활성탄성 필터층을 보호하기 위한 보호필터층으로 적층 구성된 산소공급유닛과; 상기 산소공급유닛에 연결되어 나노필터층을 통과하지 못한 질소를 분리 포집하는 질소분리유닛으로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 산소공급유닛은 그 일측에 여과된 공기를 강제 공급하기 위한 공기공급모듈을 더 포함하여 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 질소분리유닛은 상기 나노필터를 경유하지 못한 공기를 흡입하는 흡입모듈과; 이 흡입모듈을 통해 흡입된 질소를 저장하는 질소탱크로 구성되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 나노필터층은 3~3.4Å의 공극을 갖는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 따른 특징으로서, 상기 나노필터층은 세라믹재 또는 소결합금으로 형성되는 것에 있다.

본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치는, 산소를 분리하여 고농도의 산소를 차량의 연소실로 공급함으로써 연소효율과 연비 향상을 기대할 수 있으며, 특히 완전연소를 통한 질소산화물을 비롯한 이산화탄소 등의 유해배출 가스를 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

즉, NOx의 발생량 자체를 줄여 기존 후처리 방식 저감장치와 병행할 시 NOx배출량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 또한 질소가 저감 된 만큼 산소농도가 높아져 완전 연소에 근접한 연소 상태에서 운행함으로써 연비 향상과 출력 증강을 기대할 수 있고, 끝으로 향상된 연비와 출력으로 인해 PM, 이산화탄소 등 다른 유해물질의 배출량 또한 줄일 수 있는데 효과가 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치의 일 실시례를 나타낸 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치의 다른 실시례를 나타낸 모식도,

이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

즉, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치의 일 실시례를 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치의 다른 실시례를 나타낸 모식도이다.

본 발명은 미세먼지 제거 뿐만 아니라, 공기 중 질소와 산소의 구성요소 중 산소 농도를 높여 엔진에 공급함으로써 질산반응을 억제시켜 Nox를 줄임으로서 추가적인 출력 향상과 연비 개선을 위한 꾀할 수 있다.

또한, 보다 많은 산소가 연소실에 공급됨으로서 완전연소를 이루어, CO/THC를 줄이고, 연비 개선을 추가적으로 이루며, 이로서 CO2저감을 위해 추가적인 연료사용량을 줄일 수 있다.

본 발명은 6개의 레이어층으로 구성되며, 외부공기에 대하여 1차 여과를 수행하는 실크스크린필터층과. 고집진 미세먼지필터층과, 극세필터층과. 나노필터층(3~3.4Å과, 활성탄소필터층 그리고 보호필터층으로 구성된다.

여기서, 상기 실크스크린필터층은 비교적 큰 부피를 가진 먼지나 이물질을 제거하기 위한 것으로 PM10 규격의 필터가 사용될 수 있으며, 상기 고집진 미세먼지 필터층은 PM0.2 규격의 미세먼지 차단효율을 가진 필터가 사용되며, 나노필터층은 공기 중의 산소 입자만 통과할 수 있는 기공을 가진 필터가 사용된다. 그리고 활성탄성필터층은 이산화탄소를 흡착하기 위한 필터가 사용된다.

도 1은 본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치의 일 실시례를 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치의 다른 실시례를 나타낸 모식도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치는 차량 엔진의 연소실로 공급되는 관로 상에 설치되는 것으로, 실크로 된 망사체로 제공되는 스크린 필터층과; 섬유층으로 되어 미세먼지를 여과시키기 위한 미세먼지 필터층과; 극세사로 제공되어 상기 미세먼지 필터층을 통과한 공기 중에 포함된 잔류 오염물질을 여과시키기 위한 극세필터층과; 상기 극세필터층을 통과한 공기 중의 산소만을 분리 통과시키는 공극을 갖는 나노필터층과; 상기 나노필터층을 경유한 공기에 포함된 잔류 오염물질이나 습기를 여과시키기 위한 활성탄소 필터층과; 상기 활성탄성 필터층을 보호하기 위한 보호필터층으로 적층 구성된 산소공급유닛과; 상기 산소공급유닛에 연결되어 나노필터층을 통과하지 못한 질소를 분리 포집하는 질소분리유닛으로 구성된다.

상기 산소공급유닛은 그 일측에 여과된 공기를 강제 공급하기 위한 공기공급모듈을 포함하여 구성된다.

상기 질소분리유닛은 상기 나노필터를 경유하지 못한 공기를 흡입하는 흡입모듈과; 이 흡입모듈을 통해 흡입된 질소를 저장하는 질소탱크로 구성된다.

한편, 상기 나노필터층은 3~3.4Å의 공극을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노필터층은 세라믹재 또는 소결합금으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 산소공급유닛을 구성하는 필터에 대하여 부연설명을 하면, 본 발명의 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치는 크게 6개의 레이어층으로 구성되며, 차량의 외부로부터 공급되는 공기를 여과하는 것으로 비교적 큰 이물질에 대한 여과를 실시하는 실크스크린 필터층과, 이 실크스크린 필터층의 후면에 구비되는 미세먼지 필터층과, 이 미세먼지 필터층의 후면에 구비되는 극세필터층과, 이 극세필터층의 후면에 구비되는 나노필터층 그리고 이 나노필터층의 후면에 구비되는 활성탄소 필터층 및 보호 필터층으로 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

통상의 통상의 대기중 21%산소가 포함되있는데, 나노섬유가 포함된 엔진흡기필터를 통해 50%이상(최대 100%) 산소를 연소실에 공급함으로서, 질소의 연소반응에 의한 Nox 제거와 충분한 산소의 공급으로 완전연소에 이루게 하여 연비 저감, 배기배출가스량 저감(Nox, CO,THC) 및 출력향상으로, 동일 출력으로 엔진맵을 조정하여 연료량을 추가로 줄이고 이를 통해 최종적으로는 CO2 저감할 수 있다.

한편, 본 발명은 기재된 실시례에 한정되는 것은 아니고, 적용 부위를 변경하여 사용하는 것이 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

1 : 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치

Claims (5)

1. 차량 엔진의 연소실로 공급되는 관로 상에 설치되는 것으로, 실크로 된 망사체로 제공되는 스크린 필터층과; 섬유층으로 되어 미세먼지를 여과시키기 위한 미세먼지 필터층과; 극세사로 제공되어 상기 미세먼지 필터층을 통과한 공기 중에 포함된 잔류 오염물질을 여과시키기 위한 극세필터층과; 상기 극세필터층을 통과한 공기 중의 산소만을 분리 통과시키는 공극을 갖는 나노필터층과; 상기 나노필터층을 경유한 공기에 포함된 잔류 오염물질이나 습기를 여과시키기 위한 활성탄소 필터층과; 상기 활성탄성 필터층을 보호하기 위한 보호필터층으로 적층 구성된 산소공급유닛과;
   상기 산소공급유닛에 연결되어 나노필터층을 통과하지 못한 질소를 분리 포집하는 질소분리유닛;
   을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 산소공급유닛은 그 일측에 여과된 공기를 강제 공급하기 위한 공기공급모듈을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 질소분리유닛은 상기 나노필터를 경유하지 못한 공기를 흡입하는 흡입모듈과;
   이 흡입모듈을 통해 흡입된 질소를 저장하는 질소탱크;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 나노필터층은 3~3.4Å의 공극을 갖는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 나노필터층은 세라믹재 또는 소결합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 산소 맴브레인방식 흡기공기 공조장치.

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