KR810001454B1 - 내연기관의 유수혼합기(油水混合氣) 가열공급장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내연기관의 유수혼합기(油水混合氣) 가열공급장치

제1도 내지 제3도는 본 발명의 제1실시에로서,

제2도는 혼합기체 흡입구와 배기구를 보인 정면도,

제2도는 제1도 A-A선에 의한 횡단평면도.

제3도는 제2도 B-B선에 의한 종단정면도,

제4도, 제5도는 본 발명의 제2실시예로서,

제4도는 정면도,

제5도는 제4도 C-C선에 의한 횡단평면도,

제6도, 제7도는 본 발명의 제3실시예로서,

제6도는 정면도,

제7도는 제6도 D-D선에 의한 횡단평면도,

제8도는 본 발명의 제4실시예로서 일부를 단면으로 표시한 평면도,

제9도는 기존차량과 본 발명장치 설치차량의 연료 단위 체적당 주행거리 비교도,

제10도, 제11도, 제12도, 제13도, 제14도는 물 분사량에 따른 연료 단위체적당 주행거리를 보인 그림,

제15도, 제16도, 제17도, 제18도는 초기점화시기와 연료단위 체적당 주행거리를 보인 그림,

제19도, 제20도, 제21도, 제22도는 속도에 따른 CO배출물의 비교도이다.

본 발명은 내연기관의 유수혼합기 가열공급장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 기술하면, 기화기와 실린더 사이, 즉 통상내연기관의 경우 흡기다기관이 설치되는 위치에 설치하여 기화기로부터 공급되는 연료와 물 및 공기의 유수혼합기를 배기열에 의하여 고온가열된 가열장치에 통과시켜 연소되기 직전의 상태까지 예열하는 동시에 이 예열된 유수 혼합기가 엔진실린더에 공급되기 직전의 위치에서 2차공기를 추가 공급하여 유수혼합기의 활성화를 도모하므로서 연료의 연소효율을 높게 할 수 있게 한 내연기관의 유수혼합기 가열공급장치에 관한 것이다. 종래에도 내연기관의 흡기계에 연료와 함께 물을 공급하여 실린더내의 연소효율을 높임으로서 기관의 성능향상을 도모한 실험과 연구는 오래전부터 시도되어 왔을 뿐 아니라 기히 실용화된 것도 있었으나 만족할 만한 결과를 얻지 못하였다.

이와 같이 연료와 물을 혼합한 소위 함수연료를 사용하는 방법으로는 물과 연료유를 계면활성제나 유화제에 의하거나 혹은 초음파등의 작용에 의하여 유화분산시켜서 이를 직접 연소시키는 방법과 물과 연료를 분무노즐을 사용해서 분사시켜 분무상 혼합기를 만들어서 이를 연소실 내에 직접 도입시켜서 연소시키는 방법으로 대별될 수 있다. 전자의 방법의 경우에는 물과 연료유를 혼합 유화시켜서 항상 안정된 상태의 에멀죤을 형성할 수 있게 하기 위하여 고가의 특수장치나 유화제를 사용해야 하는 결함이 있고 또한 연소효율도 크게 향상되지 못하는 문제점이 있다.

한편 후자의 방법의 경우는 단순히 연료와 물을 분무시켜서 분무상 혼합기를 만들어 이를 직접 연소실로 도입하는 것이므로 물과 연료가 균일하고 완전하게 혼합된 혼합기를 만들기 어렵고 또한 연소온도도 연료만을 사용하는 경우보다 떨어져 결국 연소효율이 좋지 못하였다. 이러한 점을 개선하기 위한 것으로, 물 공기 및 연료의 혼합기를 닉켈, 코발트, 철, 크롬 등으로 된 촉매층을 통과시키면서 가열하여 활성화시켜 연소시키는 방법이 일본에서 발포되어 있다.

그러나 이러한 방법은 부활촉매의 사용을 필수요건으로 하는 것이므로 촉매의 주기적인 교체를 필요로 하여 사용상 및 경제적인 폐단이 있고 더욱이 혼합기가 촉매와 충분히 접촉되게 하기 위해서는 촉매층을 여러층으로 설치하여야 하므로 장치가 커지고 또 촉매층을 통과하게 되어 혼합기의 흡입저항이 증대하게 되는 결점이 있어 버어너와 같은 연소장치에는 사용이 가능할지 모르나 내연기관에의 이용은 여러 가지 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 내연기관에 물과 연료와 공기의 유수혼합기를 공급함에 있어서, 기화기로부터 공급되는 유수혼합기를 배기열에 의해 고온으로 가열된 가열장치를 통과시켜서 고온으로 가열팽창시키는 동시에 이 가열팽창된 혼합기가 실린더에 흡입되기 직전에 2차공기를 공급하여 연소에 필요한 충분한 산소를 공급하는 동시에 혼합기를 활성화시킨 상태로 실린더내에 공급하므로서 실린더 내에서의 연료의 연소상태를 개선하고 열효율을 향상시켜 연료유의 소비절약과 유독가스 및 매연의 발생을 줄일 수 있는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 흡기가열관을 배기실내에 수장하여 배기열을 이용함에 있어서 흡기가열관의 수열면적을 크게 하여 배기열의 흡열효율을 높이고, 또한 혼합기의 유출통로에 이 통로를 가로지르는 배기관이 형성되게 하여 혼합기가 배기관 관벽에 수차 충돌하면서 실린더로 흡입되게 하므로서 혼합기의 기체입자를 더욱 세분화하고 고온으로 가열할 수 있게 구성된 가열장치를 제공하려는데 있다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도, 제2도, 제3도는 본 발명의 제1실시예를 표시한 것으로, 부호(1)(1a)는 흡기구이고, (2)(2a)(2b)는 배기구이며, (3)은 배기열을 축열하는 배기실인데, 그 배기실(3)은 소정의 용적으로 확대되어 있다. 그리고 그 배기실(3)은 격벽(4)(4a)에 의하여 중간실(a)과 양실(b)(b1)로 구분되고 중간실(a)의 저면에는 제3도와 같이 배기를 외부로 방출하는 배출구(5)가 있으며 상기한 격벽(4)(4a)의 저면에는 배기통로(6)(6a)가 형성되어 있다. 중간실(a)의 상면에는 제1도와 같이 통상의 기화기(7)를 착설한 뚜껑판(8)을 복착하고 그 기화기(7)에는 불분사관(9)을 설치하여 도시하지 않은 물탱크에서 펌프로 물을 도입함과 아울러 조절기로 공급량을 조절하게 하고, 상기한 중간실(a)과 양실(b)(b1) 내에는 다관식 가열장치(H)가 설치되는 바, 중간실(a) 내에 위치하는 흡기 가열관(10)은 밀폐된 상자형으로 되고 양실(b)(b1)내에 설치한 가열관(11)(11a)은 개구부(12)(12a)를 가진 상자형으로 형성하여 중간가열관(10)과 통로(13)(13a)로 연통되었으며, 중간가열관(10)에는 상기한 중간배기구(2)로 진입하는 배기열이 관류되는 다수의 배기관(14)을 벌집모양으로 배석하고 양가열관(11)(11a)내에는 상기한 개구부(12)(12a)에 근접하여 다수의 배기관(15)(15a)을 횡설하여 상기한 배기구(2a)(2b)로 진입하는 배기열이 관류되게 하는 동시에 일부의 배기열은 양 가열관(11)(11a)의 전체의 벽을 가열하게 구성하고 실린더에 연접된 상기한 양 흡기구(1)(1a)에는 2차 공기공급관(16)(16a)을 설치하여 조절기(18)가 부설된 외기도입관(17)을 통해 조절된 량의 2차공기를 가열된 유수혼합기에 공급하여 함께 실린더내로 도입되게 한 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명을 실시함에 있어서는, 기설엔진의 흡기관과 배기관을 떼어내고 그 자리에 상기한 제1실시예의 장치를 부착하여 사용하는 바, 시동시에는 통상의 방법으로 기화점이 낮은 연료유(휘발유)를 공급하여 공조된 연료로 구동하고 가열장치(H)가 소정온도를 가열되면 그 연료의 공급량을 줄이고 대신 물분사관(9)으로부터 소정량의 물을 연료와 함께 분사하면 물 연료 및 공기의 혼합기체 즉 유수혼합기가 가열된 중간가열관(10)내에 진입하여 배기열에 의해 고온으로 가열된 다수의 배기관(14)의 도면에 충돌접촉되므로 여기에서 1차적으로 가열기화되면서 양측통로(13)(13a)를 통하여 양가열관(11)(11a) 내에 진입하면 여기에서 2차적으로 가열기화되며 연소실로 흡입되는 과정 중 다수의 배기관(15)(15a)에 충돌하여 3차적으로 가열기화하여 유수혼합기는 연소직전의 상태에 각지 가열팽창하게 되며 그 혼합기체가 실린더내에 진입할 때, 팽창에 따른 산소의 부족량이 2차공기도입관(16)(16a)으로부터 공급되어 효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 작용에 의하여 연료유의 소비량은 감소되고 또 유해배기가스의 배출량도 감소된다.

이하 재미니승용차의 엔진(192cc 73ps/5,400rpm)에 본 발명장치를 부착하여 실험할 결과를 설명한다.

1. 연료(가솔린) 소비량 실험

실험차량의 관성 등가 중량과 도로부하를 설정한 새시동력계상에서 20㎞/h(변속기 2속), 40㎞/h(변속기 4속), 60㎞/h(변속기 4속) 및 80㎞/h(변속기 4속)의 정속으로 운전하면서 연료 0.504ℓ를 소비하는 동안에 주행거리를 측정하였고, 공회전시험에서는 공회전속도 760rpm에서 연료 0.099ℓ를 소비하는 시간을 측정하였다.

또 물 분사량을 11.4cc/min로 일정하게 하고 초기 검화시기를 2°,5°,10°,20° 및 25°BTDC로 변화시키며 20㎞/h의 정속에서는 연료 0.099ℓ를, 40, 60 및 80㎞/h의 정속에서는 연료 0.504ℓ를 소비하는 동안의 주행거리를 각각 측정하였다.

2. 배기가스 부석실험

기존 차량에 대행서는 20, 40, 60 및 80㎞/h의 정속과 공회전 운전에서 연료 소비량실험시와 같은 운전조건으로 하고, 5분 동안 운전하여 운전상태가 안정되게 한 다음, 나중에 1분에 걸쳐 CO, CO₂, HC, NO 배출물을 측정하였다. 본 발명장치를 설치하였을 때 상기한 연료소비량 실험에서 얻은 자료를 근거로 하여 각각의 정속에 대하여 연료단위 체적당 주행거리가 최대가 되도록 물을 분사하는 상태에서 배기가스를 분석하였다.

1-1연료소비량

표 1과 도면 제9도는 가솔린을 연료로 사용하였을 때, 기존 차량과 본 발명 장치 차량의 연료단위 체적당 주행거리를 평탄로에서의 일정속도 20, 40, 60, 80㎞/h에 대하여 비교한 것이다.

[표 1]

[기존 차량과 본 발명장치 차량의 연료단위 체적당 주행거리 비교]

표 2와 제10도, 제11도, 제12도, 제13도, 제14도는 공회전 20, 40, 60, 80㎞/h의 정속에서 물 분사량에 따른 연료단위 체적당의 주행거리를 나타낸 것으로서, 이에 의하면 연료 단위 체적당 주행거리가 최대가 되는 물 분사량은 공회전에서 10cc/min, 20㎞/h에서 0cc/min, 40㎞/h에서 15cc/min, 60㎞/h에서 30cc/min, 80㎞/h에서는 90cc/min 정도이다.

또 공회전 이외에서는 속도를 증가시킴에 따라 소모되는 물의 유량이 증대되고 있다.

[표 2]

[본 발명장치 설치시, 물 분사량에 따른 연료 단위 체적당 주행거리]

주행거리 최대를 나타낼 때의 연료량을 공회전에서 14.6cc/min, 20㎞/h에서 30.9cc/min, 40㎞/h에서 38.5cc/min, 60㎞/h에서 66.2cc/min, 80㎞/h에서 101cc/min이다.

표 3과 제15도, 제16도, 제17도, 제18도는 물 분사량 11.4cc/min일 때 각각의 차속에서 초기점화 시기의 변화에 따라 연료단위 체적단위 주행거리를 나타낸 것이다. 20㎞/h 및 40㎞/h의 정속에서는 15°BTDC, 60㎞/h 정속에서는 20°BTDC, 80㎞/h 정속에서는 10°BTDC일 때 연료 단위 체적당 주행거리가 최대가 되고 있다.

[표 3]

[본 발명 장치 설치시, 점화시기 조정에 따른 연료 단위 체적당 주행거리]

2-1 배기가스 분석

표 4와 제19도, 제20도, 제21도, 제22도는 차속 20, 40, 60 및 80㎞/h에서의 배기가스 분석의 결과를 나타낸 것이다.

CO 배출물은 모든 차속범위에서 기존 차량에 비하여 감소되고 감소율은 20-50%이다. HC와 NO는 전반적으로 크게 증가되고 있다.

[표 4]

[배기가스 분석]

상기와 같이 배기량 1492cc(차량 중량 1195kg) 엔진의 연료 단위 체적당 주행거리와 배기성분에 대해 1차적인 결과를 얻었으며, 최적조건으로서 본 발명 장치를 설치한 제미니 승용차의 연료 단위체적당 주행거리는 기존 제미니 승용차에 비하여 속도 20㎞/h에서 24.1%, 40㎞/h에서 16.9%, 60㎞/h에서 20.8%, 80㎞/h에서 26.9%의 증가를 나타내었다. 또 본 발명 장치를 설치한 제미니 승용차의 배기성분은 기존의 제미니 승용차에 비하여 CO 배출물이 20-50% 감소되고, HC, NO 배출물은 전반적으로 증가되고 있다.

이상의 실험은 평탄로에서 일정한 속도로 주행할 때에 소요되는 출력인 10PS 미만에서 얻어진 것인 바, 가속, 등판, 최고속도 등에서 소요되는 출력범위는 포함되지 않은 것이며 이와 같이 본 발명은 에너지 절약시대에 있어 연료의 절감과 유독가스의 배출을 줄일 수 있다는 점에서 효과를 얻은 것이다.

[실시예 2]

(제4도, 제5도)

본 실시예는 상기한 제1실시예보다 구성을 간단하게 한것으로서, 부호 중 동일부분에는 동일부호를 기입하였다.

부호(1)(1a)는 흡입구이고, (2)(2a)(2b)는 배기구인데 소정의 용적으로 확대된 배기실(3)과 연통되고, 저면에는 배기를 외부로 방출하는 방출구(5)가 있다. 그리고 상기한 배기실(3)의 상면에는 물분사관(9)을 가진 기화기(7)를 착설한 뚜껑판(8)을 복착하였다.

상기한 배기실(3) 내에는 외경 35㎜를 가진 2개의 흡기가열관(10a)(10b) 사이에 외경 11㎜를 가진 다수의 연통관(14)를 직각방향으로 연결한 사다리 형상의 가열장치(H)를 설치하여 일측가열관(10a)는 기화기(7)와 연통되게 하고 타측가열관(10b)의 양측에는 개구부(12)(12a)를 형성하여 양흡기구(1)(1a)와 연통되게 하며 연통관(14) 사이사이로는 배기통로를 구성하였다. 따라서 배기구(2)(2a)(2b)로부터 배출하는 배기열이 배기실(3) 내에 진입하면 상기한 사다리 형상의 가열장치(H) 전체를 가열한 다음 배출구(5)로 방출되는 한편, 기화기(7)로부터 공급되는 유수혼합기는 대경의 흡기 가열관(10a) 내로 진입하면 여기에서 1차적으로 관벽에 충돌하면서 가열기화되고 다시 직각방향으로 연통된 다수의 연통관(14)으로 분산통과되어 2차적으로 가열되는 동시에 다시 대경의 가열관(10b)에서 3차적으로 관벽에 충돌하면서 가열기화되어 팽창된다. 이와 같이 가열팽창된 유수혼합기체는 양측 흡입구(1)(1a)를 통하여 실린더내로 흡입되고 여기에서 2차공기 도입관(16)(16a)으로 부족한 산소를 공급받게 된다.

[실시예 3]

(제6도, 제7도)

본 실시예는 상기 제1, 제2실시예보다 구성을 더 간단하게 한 것으로 부호 중 동일부분에는 동일부호를 가입하였다.

부호(1)(1a)는 흡기구이고(2)(2a)(2b)는 배기구로서 소정의 용적으로 확대된 배기실(3)과 연통되고 저면에는 배기방출구(5)가 있으며 배기실(3)의 상면에는 물 분사관(9)을 가진 기화기(7)를 착설한 뚜껑판(8)을 복착한다.

상기한 배기실(3) 내에는 양측 흡기구(1)(1a)에 개구부(12)(12a)가 연통된 만곡형 가열장치(H)를 설치하여 그 중간부와 양측 배기구(2)(2a)(2b)로부터의 배기열이 관류되는 외경 25㎜의 배기관(14b)(15c)(15d)을 관설하고, 각 배기관(14b)(15c)(15d)의 일단부에 내경 15㎜의 소경개구부(14b′)(15c′)(15d′)를 각각 뚫어서 중간배기관(14b)의 소경개구부(14b′)는 중간배기구(2)의 반대측을 향하게 하고 양측 배기관(15c)(15d)은 배기구(1)(1a)에 근접된 위치에서 소경개구부(15c)(15d)가 내측을 향하여 대향되게 한다.

따라서, 중간배기구(2)로부터 배출하는 배기열의 일부는 가열장치(H)의 중간부 외면에 가열하는 동시에 중간 배기관(14b)의 대경개구부내로 직진하여 그 배기관(14b) 내의 측열되면서 이를 가열하는 동시에 소경개구부(14b′)를 통하여 배기실(3) 내에 확산되며 양측 배기구(2a)(2b)로부터의 배기열은 배기실(3)내에 진입하여 그 열의 일부는 가열장치(H) 전체를 가열하는 한편, 양측 가열관(15c)(15d)의 대경개구부내로 진입하여 축열되면서 이를 가열하는 동시에 소경개구부(15c′)(15d′)로부터 가열장치(H)의 중간측벽을 향하여 분출되면서 배기실(3) 내에 확산된다. 그러므로 기화기(7)로부터 공급되는 유수혼합기는 가열장치(H)의 중간상면에서 그 가열장치(H)내에 진입하면 먼저 중간배기관(14b)의 상면에 충돌(제6도 화살표)하여 1차로 가열기화된 다음, 가열장치(H) 내에 확산되어 2차적으로 가열 미립화되는 동시에 다시 양측배기관(15c)(15d)에 접촉되어 3차로 가열기화 팽창된다. 이와 같이 가열팽창된 유수혼합기체는 양측 흡입구(1)(1a)를 통하여 실린더내로 진입하고, 여기에서 팽창에 따른 산소의 부족을 2차공기 도입관(16)(16a)으로부터 보충을 받는다.

[실시예 4](제8도)

본 실시예는 엔진의 흡입구와 배기구가 각기 다른 방향에 위치하는 내연기관에 이용한 예를 보인 것으로, 그 구성을 요약하면 엔진(E)의 일측에 배기구(2)(2a)(2b)(2c)만을 형성한 배기실(3)을 설치하고 그 내부에는 상기한 실시예 3의 일부구성부분인 가열관과 동일한 배기관(15e)(15f)(15g)(15h)을 각 배기구(2)(2a)(2b)(2c)의 중심선상에 관설한 가열장치(H)를 설치함과 아울러 그 가열장치(H)의 일측면에는 물분사관(9)을 가진 기화기(7)를 설치하고 타측면에는 가열된 혼합기체를 유도하는 배관(P)을 연결하여 엔진(E)의 타측면으로 돌려서 흡기분배관(Pa)에 착설한 공기 정화기(A.C)의 공기진입관(Pb)에 연통하고 또 흡기분배관(Pa)에 형성된 각 흡기구(1b)(1c)(1d)(1e)를 상기한 배기구(2)(2a)(2b)(2c)와 대향된 위치에 부착함과 아울러 별도의 2차공기 도입관(16)(16a)(16b)(16c)을 설치한다. 따라서, 기화기(7)로부터 공급되는 유수혼합기는 가열장치(H) 내에 진입하면 첫 번째 배기관(15e)에 충돌되어 가열기와 되고 다음 배기관(15f)과 다음 배기관(15g),(15h) 순으로 충돌접촉되어 가열팽창되므로 고열압의 유수혼합기체가 형성되며 그 혼합기체는 배관(P)을 통하여 공기정화기(A.C)로부터의 정화된 공기와 함께 분배관(Pa)을 통하여 각 흡입구(1b)(1c)(1d)(1e)로부터 실린더내에 진입한다.

상기와 같이 실시되는 본 발명장치에 의하면 연료소비의 절감과 유독가스의 발생율을 줄이는데 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 물분사관을 설치한 기화기로부터 물, 연료 및 공기가 공급되는 유수혼합기를 배기열을 이용한 가열장치로 가열하여 실린더에 공급하는 통상의 것에 있어서, 배기구 및 흡기구와 배기방출구를 각각 구비한 배기실 내부에 상기한 흡기구 및 기화기와 연통되는 흡기가열장치(H)를 설치하되 이 흡기가열장치(H)가 배기실내부를 통과하는 배기와 균등접촉될 수 있도록 배기실의 중앙부에 위치시켜서 그 흡기가열장치(H)에 흡기통로를 가로질러 배기가 관류되는 복수개의 배기관을 설치하여 가열장치(H) 내부를 지나는 유수혼합기가 가열된 배기관벽에 충돌하면서 고온으로 가열되게 하고 흡기구에는 가열장치(H)를 통과하여 가열팽창된 유수혼합기가 실린더에 공급되기 직전에 위치에서 적량의 2차공기를 추가공급하게 2차공기도입관을 설치한 것을 특징으로 하는 내연기관의 유수혼합기 가열공급장치.

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