KR940010734B1 - 연료내 물 유화액과 유화제가 함유되지 않은 연료 내 물 유화액의 제조방법 및 장치(Method and apparatus for producting a water-in-fuel-emulsion and emulsifier-free water-in fuel-emulsion) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

연료내 물 유화액과 유화제가 함유되지 않은 연료 내 물 유화액의 제조방법 및 장치(Method and apparatus for producting a water-in-fuel-emulsion and emulsifier-free water-in-fuel-emulsion)

제 1 도는 장치의 축을 따라 취한 단면.

제 2 도는 제 1 도에서 절단면 A-A를 따라 약간 확대한 횡단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 와류챔버(vortex chamber)

2 : 원추형 축방향 유출구(tapering axial outlet)

3 : 계단식 확대부분(enlargement) 4 : 흡입챔버(suction chamber)

5 : 방사형 휠 6 : 전기모터

7 : 링채널 8 : 연료유입 채널

9 : 유입홈 10 : 물 분사노즐

11 : 전자석 12 : 펌프챔버

13 : 유출채널 14 : 연결보어(bore)

15 : 유화액 유입채널 16 : 흡입채널(intake channel)

본 발명은 연료내 물 유화액(a water-in-fuel-emulsion)의 제조방법과 장치에 관한 것이며, 그 장치에는 접선방향유입구와 원추형 축방향 유출구가 있는 회전식 대칭 와류챔버가 있다. 또한, 본 발명은 상기 방법으로 만들 수 있는 연료내 물 유화액(a water-in-fuel-emulsion)에 관한 것이기도 하다.

디젤연료에 물을 첨가함으로써, 모터 작동 온도 및 배기 가스에서의 일산화질소함량 및 매연함량을 감소시킬 수 있다는 것은 이미 공지된 바이다.

또한 동일한 결과가 기름 버너에 대해서도 유효하다. 그러나, 이런 목적을 달성하기 위해서 디젤연료와 물은 디젤연료내에서 가장 작은 물방울이라도 현탁되어 유화액(emulsion)의 형태로 전환되어야 함이 명백하다. 이때문에 미리 섞은 연료-물 혼합액을 그 축상 유출구쪽으로 점점 가늘어지는 회전식의 대칭형 와류 챔버에 접선방향으로 유입시키며, 이때 축상 유출구는 계단식의 확대부분을 통해 흐름 방향으로 기울어진 채널에 연결되어 있다. 상기의 채널은 거의 배(pear) 모양을 하고 있는 제 2 와류챔버에서 끝나며, 그 축은 제 1 와류챔버의 축에 대하여 수직이다. 또한 상기 제 2 와류챔버는 축방향 유출구쪽으로 가늘어져서 펌프 휠의 흡입면에서 끝나며, 거기서부터 제 1 와류챔버를 둘러싸고 있는 보정챔버(compensation chamber)로 전달된 유체 혼합물은 다시 접선방향의 흡입 개구부(openings)를 통해 제 1 와류챔버로 공급되며, 이는 제 1 와류챔버가 상기 와류챔버의 유출구로 옮겨질때 일어난다. 상기의 사이클은 유체 혼합액에 의해 최소한 10번정도 순환되어 연료내에 물방울이 현탁된 유화액이 만들어지며, 그 크기는 평균 3 내지 6마이크론이 된다. 상기에 해당하는 유화액 일부는 제 2 와류챔버의 원주가 가장 긴 부분(지역)의 사이클로부터 디젤모터의 분사펌프로 분기되며, 또한 잔존하는 유화액은 분사펌프에서 모두 소모할 수 없으므로 새롭게 미리 혼합된 연료와 물은 펌프 휠의 흡입면의 시스템으로 주입된다.

본 발명의 목적은 연료내의 물-유화액 제조방법 및 유화액내 물방울 입자들이 골고루 분포되어, 아주 미세한 입자들이 되도록 하고 또한 상기의 방법에 의해 제조될 수 있는 연료내 물-유화액을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 기존의 것보다는 비교적 간단하고 설계되었지만 유화액의 생산에는 매우 유효한 장치를 제공하는데 있다.

연료내 물-유화액의 제조방법은 물과 연료를 일정량으로 공급하면서 축주위로 회전하는 와류속에 주입시키고, 상기의 와류에서 물과 연료를 섞어 혼합액을 얻는데, 그 혼합액은 축을 따라 가속되다가 갑자기 감속된 와류 흐름(flow vortex)속으로 재순환되는 것을 포함한다.

본 발명에 따르면, 물과 연료는 각각 상기 와류 흐름으로 주입되는데, 이때 물은 고압으로 분무와(atomization)시켜서 주입시키며, 상기 혼합액은 감속된 후 재순환되기 전에 순환펌프내에서 압축된다. 물방울들이 연료내 분사되어 있는 유화액내에 물의 양은 5 내지 35용량% 범위내에 있도록 하고, 연료내 유화제가 함유되지 않은 연료내의 물-유화액은 물방울 입자 하나의 크기가 1,000nm 또는 그 이하인 것과 안정한 교질(colloid)을 이루도록 하는 것이 본 발명의 특징이다. 또한, 본 발명 명세서의 도입부에 언급된 바와 같은 구조를 지닌 본 발명의 장치의 특징은 유출구에서 멀리 떨어져 마주보고 있는 와류챔버의 축상 말단부가 공동축으로 또는 나선형으로 와류챔버에 통해있는 링채널에 의해 둘러싸여 있고, 이 링채널은 최소한 대략 그것에 접선방향으로 배치된 유입홈을 통해 와류챔버에 연결되어 있으며, 연료유입 채널은 접선방향으로 끝난다는 것, 전자기적으로 조절되는 물 분사노즐은 링채널, 바람직하게는 유입구에 있는 와류챔버의 말단부에 연결되어 있다는 것 및 와류챔버의 유출구는 확대부위(enlargement)를 통해 방사형 휠의 흡입챔버에 연결되어 있는데, 이때 방사형 휠은 소모장치나 저장장치 특히 디젤 엔진의 분사펌프로 통해있는 전방관 및 유화액 유입채널로 통해있는 재순환관이 연결된 방사형 휠의 원주부위에서 유출채널은 가진 펌프챔버에 배치되어 있으며, 이때 상기의 유화액 유입 채널은 링채널에 접선방향으로 연결되어 있다는 것, 소모장치나 저장장치로부터 나온 복귀관이 연결될 수 있는 흡입채널은 방사형 휠의 흡입챔버에 연결되어 있다는 특징을 가지고 있다.

따라서, 본 발명에 따른 장치에 있어서, 새로운 물은 미리 연료와 혼합되지 않고 예컨대, 5.5 내지 6.5바(bar)정도의 비교적 고압으로 분사펌프등에 공급되고 거기서 링채널로 분무화되거나 또는 바람직하게는 직접와류챔버로 분무화된다. 따라서, 물은 비교적 미세한 물 입자로 되며, 이는 흡입챔버로 유입될때 확장으로 인하여 회전식 난류에서 및 방사형 휠의 펌프흐름에서 더욱 미세하여져서 연료내에 골고구 분사된다. 펌프챔버의 유출채널에서 링채널로 흐르고 여기서 와류챔버로 흐르는 혼합액 대부분의 복귀는 유화액을 균질화시키는 역할을 하는 반면, 분사펌프에 의해 사용되지 않은 유화액 일부는 방사형 휠의 흡입챔버를 거쳐서 유화액 순환경로로 재흡입된다.

이 회전하는 난류는 연료펌프에서 링채널로 공급되는 연료의 압력과 방사형 휠에서 링채널로 재펌프되는 유화액 일부의 압력때문에 추진되며, 펌프 압력만 적당하면 비교적 손실이 적은 강력한 와류를 얻을 수 있다. 또한, 물 및 재순환된 유화액 일부가 직접 방사형 휠의 흡입면에 공급되지 않고 와류챔버에 있는 와류 헤드(head)로 공급되는 본 발명안으로 인해 와류챔버에서 흐르는 유화액의 흡입 압력은 와류채버 출구의 디자인에 의해 영향을 받으므로 그로인한 팽창은 방해받지 않는다. 따라서, 유화액 생산을 보다 증진시키려면 방사형 휠은 유출 압력과 유입 압력 사이의 압력비를 높게하여 설계할 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 운행의 배치와 유체 횡단면의 구조적 배치에 따라 유화액내에서 물 입자의 평균크기가 1000nm 심지어는 100 내지 200nm인 것도 만들 수 있으며, 이 유화액은 안정한 교질(colloid)상태인데, 이때 교질입자는 한외 현미경으로 관찰했을때 매우 활발한 브라운 운동을 보이며, 유화액의 고질상태는 틴들현상의 존재로 더욱 확실해진다.

물 분사노즐은 분사된 물이 가능한 한 미세하게 분무화될 수 있도록 채널이나 와류챔버상의 위치에서 끝날것이다. 와류챔버안의 소용돌이 속에 존재하는 압력조건 때문에 분사용 물 분사노즐을 소용돌이의 축방향에 각이 형성된 상태로 배치하는 것이 적당하다 할지라도, 물 분사노즐을 소용돌이의 축 방향에서 끝나도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 방사형 휠의 축은 와류챔버의 와류의 축에대해 각이 형성되도록 배치할 수 있다. 그러나 여기에서 방사형 휠의 회전운동 때문에 일어나는 소용돌이를 촉진시키기 위해서 방사형 휠과 와류챔버를 공동축으로 하는 방사형 휠의 회전식 대칭형 흡입챔버를 설치하는 것이 바람직하다. 방사형 휠의 흡입챔버내의 유입구에 있는 확대부분은 이 위치에서 와류챔버를 흐르는 유체를 가능한 한 가장 강하게 팽창 및 소용돌이 치도록 하기 위하여 계단식으로 설계하는 것이 바람직하다.

회전식 대칭 와류챔버 자체는 주로 속이 빈(hollow) 실린더 형태나 축상 절단면이 속이 빈 심장형으로 설계할 수도 있지만, 속이 빈 배형(pear-shape)으로 설계하는 것이 바람직하다. 또한, 방사형 휠을 지나는 유체는 유화액이 미세하게 생산되는 것을 촉진할 수 있는 방향으로 급격한 변화를 받게 되기 때문에 펌프챔버의 유출채널을 방사형 휠의 축방향에 평행으로 설치하는 것이 바람직하다.

물 분사노즐은 불연속적으로 조작하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 분사된 물의 미세 분무화를 측정할 수 있고, 분무된 물방울의 혼합은 계속 유지된다.

전자 기계적으로 조절되는 본 발명의 분사노즐을 통해서 물이 연료에 분사되기 때문에, 분사된 물의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 모터작동 상태에 따라 모터의 분사펌프에 공급된 유화액 내의 물의 분배량을 조절할 수 있는 가능성이 생긴다. 사실 유화 사이클은 여러번 순환시킴으로서 효율적으로 조절을 할 수 있는 지점까지 어느정도의 관성이 일난다.

그러나, 이 조절관성(control inertia)은 와류챔버의 유입과 유출사이의 고압비의 선택에 의해 적게 유지될 수 있으며, 결국 재순환 사이클 기간을 작게한다. 물이 첨가되지 않은 순수한 연료를 가지고 디젤모터를 작동시킬때, 디젤연료를 분기시킨 이후에 모터의 분사 펌프쪽으로 보조관(bypass conduits)과 제어 자기밸브를 설치하여 디젤연료를 링채널로 유입시키는 것이 가능하다. 게다가, 유화액 순환은 분사펌프로부터 분리된다.

물 분사노즐이 불연속적으로 조작된다면 유화액에서 물의 함량조절은 분사노즐의 개방간격들의 길이와 거리에 의해 영향을 받을 수 있으며, 그로인해서 노즐 밸브의 왕복운동(travel)은 계속 유지된다. 모터의 회전수는 조절변수로 이용되는 것이 바람직하다. 그러나 그 외의 조절변수로서 차량 조절판 페달의 실제위치에 의해 결정된 모터의 부하상태나 분사펌프 조절 로드(rod)의 위치, 주변 대기압과/또는 사용된 연료의 비중을 이용하는 것이 바람직하다. 대기압은 바로메트릭 셀(barometric cell)을 이용하여 측정하는데, 이것은 대기압이 높을때는 다량의 물을, 그리고 낮을때는 소량의 물을 분사시키도록 전자식 조절장치에서 명령한다. 예컨대, 통과가 방해된다면 연료내 물 함량이 매우 높아지기 때문에, 성능 감소 현상이 일어나는 것이 그것에 의해 공급된 연료의 비중은 연료 공급관안에 삽입되는 천칭(balance)으로 결정될 수 있다. 비중이 낮은 연료와 비교해 볼때 비중이 높은 연료인 경우에는 보다 더 많은 물이 분사된다.

물은 바람직하게는 고압펌프를 이용해서 분리된 물 컨테이너에서 분사노즐로 공급된다. 이에따라 물 분사노즐에 연결되어 있으며, 예컨데 120 l/h의 높은 흐름속도를 지닌 물 순환사이클이 제공될 수 있다. 물 컨테이너로의 역류는 가장 큰 모터가 작동되는 동안에도 40 l/h 이상은 사용되지 않기 때문에 매우 높다. 이러한 사실은 모터의 냉각수에 의해 가열되는 열 교환기가 물 순환사이클의 역류의 지류에 있다는 점에 있어서 바로 그러하다. 이에의해 물 컨테이너로 역류되는 물은 가열된다. 이러한 물의 가열은 차량이 작동하는 동안 냉각방지 수단으로서의 역할을 한다.

이하, 본 발명을 연료 물 유화액을 제조하는 본 발명의 장치의 바람직한 구체예를 통하여 설명한다.

본 장치는 볼트로 서로 죄어져 있는 다수의 케이싱 박스(casing box)로 구성된다. 이 장치는 지수적으로 가늘어진 유출구(2)를 한개 가지는 속이 빈 배모양(pear-shaped)의 와류챔버(1)를 둘러싸고 있는데, 이 와류챔버(1)는 회전식 대칭형이며, 또한 상기 유출구(2)는 전깁모터(6)에 의해 움직이는 방사형 펌프 휠(5)의 흡입챔버(4)에 계단식 확대부위(3)를 통해 연결되어 있다. 상기 와류챔버(1)의 배모양 헤드는 연료유입채널(8)이 접선방향으로 끝나는 링채널(7)에 의해 둘러싸여 있으며, 링채널(7)은 와류챔버(1)에 대해 접선방향으로 잇는 유입홈(9)을 통해 와류챔버(1)에 연결되어 있다. 속이 빈 배모양의 와류챔버(1)의 최상단부에서 물 분사노즐(10)이 그 축의 끝에 있고 이는 공급된 물이 와류챔버(1)내 소용돌이 흐름에 불연속적으로 분무되는 방식으로 전자석(11)에 의해 조절된다.

와류챔버(1), 실린더형 흡입챔버(4)와 상기 방사형 휠은 서로서로 축을 공동으로 하여 배치하고 있다. 방사형 휠(5)을 덮고 있는 펌프챔버(12)는 방사형 휠(5)의 주변부에서 그 축에 평행인 유출채널(13)에 연결되어 있다. 유출채널(13)은 티-피스(T-piece) 연접부 때문에 연결보어(14)에 각을 이루어 연결되어 있다.

티-피스의 한 분기는 디젤모터의 분사펌프에 연결되고, 티-피스의 다른 분기는 재순환관을 통해서 링채널(7)에 접선방향으로 통해있는 유화액 유입 채널(15)에 연결된다. 분사펌프의 역류관은 흡입챔버(4)의 측면에 통해있는 흡입채널(16)에 연결된다.

본 장치의 작용에서 연료는 차량의 종류에 따라 연료유입 채널(8)을 통해 연료펌프에 의해서 1.5에서 3.0바(bar)의 압력으로 링채널(7)에 공급되고, 여기서 연료는 유입홈(9)을 통해서 와류챔버(1)에 공급되며 나선형 회전운동으로 전해진다. 물은 고압펌프, 특히 모터에 의해 전기적 또는 기계적으로 구동될 수 있는 기어휠식 고압펌프에 의해서 물 분사노즐(10)에 공급되며,이 고압펌프가, 예컨데 10바의 압력을 발생시킬경우, 이 압력은 어떤 모터를 사용하느냐에 따라 감압밸브에 의하여 5.5 내지 6.5바의 압력으로 감소되며, 물은 물 분사노즐(10)을 통해서 와류챔버(1)내에 생긴 소용돌이 속으로 분무된다. 이 분사노즐은 전자 기계식으로 작동된다.

젯 니즐(jet needle)은 전자석(11)의 자석 와인딩(winding)에 전류가 흐르지 않으면 나선형 스프링에 의해 그 중심부(seat)위에서 압력을 받는다. 젯 니즐은 자석 와인딩으로 이한 전류 충격전파에 의하여 그 중심부로부터 약 0.1mm 정도 올라간다. 물은 안출해낸 고리모양의 틈(gap)을 통해 예컨데, 1 내지 1.5ms동안 물 분사노즐(10)에서 유출된다. 분무화를 촉진하기 위해서 밸브 니들은 스프레이 니들과 함께 제공될 수 있다.

회전하는 난류는 상당하게 압력을 떨어뜨리는 와류챔버(1)의 원추형 유출구(2)에서 속도가 빨라진다. 유출구(2)에서 흡입챔버(4)로 향한 출구의 증기압은 가능한한 공동화 상태(cavitation state)에 접근될 정도로 조금 부족하게 도달하지만 거기에 이르지는 못하도록 흐름상태를 조절하는 것이 바람직하다. 계단식 확대부위(3) 때문에 흡입챔버(4)로 전환되면서 흐름은 팽창하고 그후 방사형 휠(5)에 의해 빨려들어 갔다가 바깥쪽을 향해서 방사형으로 팽창한다. 방사형 휠(5)은 와류챔버(1)에 대해 공동축으로 설치되어 있기 때문에 와류챔버(1)내에서 회전하는 난류는 방사형 휠(5)의 흡입압력에 의해서 추진된다. 방사형 휠(5)은 전기모터에 의해 구동되는데 예컨데, 이의 바람직한 회전상수는 3000r.p.m.이다. 방사형 휠(5)로 이루어진 원심펌프는 예컨데 1.5m 흡입높이에서 시간당 240ℓ의 작업능률을 갖추고 있다.

유화액은 유출채널(13)과 연결보어(14)를 통해 펌프챔버(12)를 떠나 티-피스에 의해서 분류(分流)된다. 일부는 분사펌프로 공급되지만, 대부분은 링채널(7)로 다시 투입되었다가, 재순환관과 유화액 유입채널(15)을 통해 와류챔버(1)로 다시 투입된다. 분사펌프에 의해 소모되지 않은 유화액의 일부는 방사형 휠(5)에 의해 흡입채널(16)을 통해서 수환경로로 재 흡입된다.

유화액은 주로 와류챔버(1)내의 회전하는 난류에서 생성된다. 그러나, 본래 그것은 물 분사노즐(10)에 의한 물의 분사와 분무화 및 방사형 휠(5)에서의 흐름상태에 의하여 제공된다.

본 발명에 따른 유화액의 생성으로 디젤모터의 배기가스내의 일산화질소함량과 매연함량을 현저하게 감소시킬 수 있을 뿐만아니라, 배기가스내의 입자크기도 감소시킬 수 있다. 게다가, 배기가스의 냄새도 본질적으로 좋아질 수 있는데, 이는 통상의 디젤모터의 배기가스에 비해 그 냄새의 불쾌감이 덜함을 의미한다.

Claims (12)

1. 정량 공급된 물과 연료를 축을 중심으로 하여 회전하는 와류에 주입시키고, 상기 와류에서 물과 연료를 혼합시켜 상기 축을 따라 가속되는 이들의 혼합액을 얻은 후 그 회전하는 혼합액은 급속하게 감속되었다가 와류속으로 재순환되는 공정으로 이루어진 방법에 있어서, 물과 연료를 상기 와류속에 각각 주입시킬때 물을 고압 분무화에 의하여 상기 와류속에 주입시키고, 상기 혼합물을 감속 후 재순환 이전에 순환펌프에서 압축하는 것을 특징으로 하는 연료내 물 유화액(a water-in-fuel-emulsion)의 제조방법.
2. 제 1 항의 방법으로 제조할 수 있는 유화액(emulsion)으로서 유화액내 물함량이 5 내지 35용량%의 범위에 있으며, 1000nm 이하의 크기를 가지는 물방울 입자들과 안정한 교질(colloid)상태를 이루는 것을 특징으로 하는 연료내 분산된 물방울들의 유화제 없는(emulsifier-free) 연료내 물-유화액.
3. 제 1 항의 방법을 행할 목적으로 분사펌프, 특히 디젤모터를 조작하는 장치로서, 접속방향의 유입구가 있는 회전식 대칭 와류챔버(1) 및 원추형 축 방향의 유출구(2)로 구성되어 있으며, 유출구로부터 멀리 떨어져 마주보고있는 와류챔버(1)의 축상 말단부가 와류챔버에 공동축으로 또는 나선형으로 연결된 링채널(7)에 의해 둘러싸여 있고, 링채널(7)은 최소한 대략 그것의 접선방향으로 배치된 유입홈(9)을 통해 와류챔버(1)에 연결되어 있으며, 연료유입 채널(8)은 접선방향으로 끝이나 있는것, 전자기적으로 조절되는 물 분사노즐(10)은 링채널(7) 또는 바람직하게는 유입면에서 와류챔버(1)의 말단부에 연결되어 있다는 것 및 재순환라인을 링채널(7)에 접속방향으로 통해있는 유화액 유입채널(15)에 연결시키기 위하여 와류챔버(1)의 유출구(2)가 확대부분(3)을 통해 방사형 휠(5)의 흡입챔버(4)에 연결되어 있고, 이때 방사형 휠(5)은 그 주변에서 유출채널(13)을 한개 가지고 있는 펌프챔버(12)에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 연로내 물 유화액(a-water-in-fuel-emulsion)의 제조장치.
4. 제 3 항에 있어서, 물 분사노즐(10)이 공동축에 의하여 와류챔버(1)의 말단부의 유입면에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 3 항에 있어서, 방사형 휠(5)과 대칭적으로 회전하게 설계된 흡입챔버(4)가 와류챔버(1)에 대하여 공동축으로 설치된 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 3 항에 있어서, 방사형 휠(5)의 흡입챔버(4)로의 흡입위치에 있는 확대부위(3)가 계단식으로 구체화된 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 3 항에 있어서, 와류챔버가 속이 빈 배모양(hollow pear-shaped)인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 3 항에 있어서, 펌프챔버(12)의 유출채널(13)이 방사형 휠(5)의 축에 평행한 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 3 항에 있어서, 물 분사노즐(10)이 불연속적으로 작동하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 젯 니들(jet needle)의 일정한 왕복운동으로 물 분사노즐(10)의 열려지는 간격이 모터의 회전수에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 9 항에 있어서, 물 분사노즐(10)의 열려지는 간격이 또한 가속기 페달이나 분사펌프의 조절로드의 위치, 주변 기압과 또는 연료의 비중에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 3 항에 있어서, 모터의 냉각수에 의해서 가열된 열교환기가 물 순환사이클의 역류의 지류에 배치될 때 물 분사노즐(10)이 물 순환사이클에 연결된 것을 특징으로 하는 장치.