KR960015459B1 - 엔진의 연소를 증진시키는 방법 - Google Patents

엔진의 연소를 증진시키는 방법 Download PDF

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Abstract

내용없음

Description

엔진의 연소를 증진시키는 방법
차량의 증가, 특히 도시지역에서의 차량의 급증으로 인하여 연소가스, 즉 배기가스의 배출이 커다란 문제가 되고 있는데, 이러한 배기가스에 포함된 인체에 유해한 성분 및 그로 인한 공해문제는 매우 심각한 상태이다. 이러한 유해성분으로는 주로 탄소산화물(carbon oxide), 탄화수소(hydrocarbons), 및 질소산화물(nitrogen oxide)이 있다. 배기가스에 이들 유해성분이 포함되는 원인은 무엇보다도 엔진의 불완전연소로 인한 것이다. 이러한 유해성분의 양을 감소시키기 위한 여러 가지 방법이 시도되고 있으나, 가장 일반적인 것은 촉매를 사용하는 방법으로서, 이것은 연소실 내에서의 연소과정에 부가하여 연소실 외부에서의 배기물의 연소를 제공하는 것이다.
디젤엔진에 관하여는 해결해야 할 보다 많은 문제가 있다. 그중에서도 특히 매연의 발생과 연소시에 배출되는 질소산화물(NOx)의 축적이 심각하다. 촉매기구를 사용하면, 탄화수소 및 탄소화합물의 방출을 감소시키는 것이 가능하다. 그러나, 이를 실행함에 있어서는 아주 복잡한 문제가 관련되어 있는데, 그것은 바로 배기가스에 포함된 유해성분으로서 대표적인 탄소화합물인 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 산화시키는 과정에서 어느 정도의 질소량이 산화질소(NOx)로 산화되어 버리기 때문이다. 이것은 디젤엔진이 과잉의 공기가 공급되는 상태로 작동될때 불가피하게 발생되는 현상이다. 또 다른 문제점은 소정의 시간 후에 매연이 발생하여 촉매의 기능을 방해하는 것이다. 매연은, 예를들어서 디젤엔진의 연료를 부분적으로 또는 완전히 에탄올로 대체시킴으로써 감소될 수가 있으나, 이 경우에도 실소산화물은 그대로 남게 된다는 문제점이 있다.
(발명의 목적 및 특징)
본 발명의 목적은 엔진의 연소상태를 개선시켜서 엔진의 배기물에 포함된 유해성분을 감소시키고자 하는 것이며, 더욱이 디젤엔진의 경우에도 엔진과 촉매기구의 내부에서 발생되는 매연과 질소산화물을 감소시키도록 엔진의 연소를 증진시키는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은, 과산화물이나 또는 퍼옥소화합물을 함유한 액체 조성물을 엔진의 실린더 내부로 공급하는 단계와, 그리고 엔진이 배기행정에서 흡기행정으로 돌아설때 이러한 액체 조성물의 일부를 연소실로부터 배기밸브를 통하여 배기관과 촉매기구로 배출시켜서 이러한 배기관과 촉매기구에서의 개선된 재연소를 제공하는 단계를 포함하고 있는, 본 발명에 따른 엔진의 연소를 증진시키는 방법에 의해서 달성된다.
(바람직한 실시예의 설명)
제l도 및 제2도를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 실린더 헤드(11)가 단면으로 도시되어 있는데, 실린더 헤드(11)의 내부에는 엔진의 연소실(13)로 통하는 흡기관(12) 및 밸브시이트(15)와 상호작용하는 흡기밸브(14)가 제공되어 있다. 또한, 배기관(16), 배기밸브(17), 및 연료 분사기(18)가 각각의 위치에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 연료는 연료분사기(18)로부터 냉각시동을 용이하게 하기 위한 가열 플러그(20)가 구비된 예비연소실(19)로 분사된 후에 연소실(13)로 공급된다. 이와는 다르게, 연료가 직접 연소실(13)로 분사되도록 구성될 수도 있다. 본 발명에 따르면, 과산화물이나 또는 퍼옥소화합물(peroxo compound), 물, 및 이하 설명되는 다른 첨가물 등을 함유한 액체 조성물을 공급하기 위한 공급관로(21)가 흡기관(12)의 내부에 설치되어 있다. 공급관로(21)는 제2관로(22)의 내부에 설치되어 있는데, 이러한 제2관로(22)에는 공급관로(21)의 단부(23)에서의 압력과 다른 압력을 갖는 매체가 제공된다. 공급관로(21)의 단부(23)는 흡기밸브(14)와 아주 인접하게 위치되어 있다. 공급관로(21)의 단부(23)가 연소실(13) 안쪽으로 위치되게 구성할 수도 있다. 제2관로(22)에 제공되는 매체는 여러가지 형태의 가스로 구성될 수가 있는데, 예를들어서 이러한 매체가 대기 중의 공기로 구성될 경우에는 제2관로(22)가 엔진의 외부의 대기와 소통하도록 배열된다. 또는, 매체가 엔진의 배기가스로 구성될 수도 있으며, 이 경우에는 제2관로(22)를 통해서 가압된 상태로 매체가 공급된다.
이와는 다르게, 제2관로(22)에 제공되는 매체가, 예를들어서 과급기(turbocharger)나 또는 특수한 공기펌프로부터 배출되는 소량의 공기와 같은 가압화된 가스로 구성될 수도 있다.
이들 구성으로부터 액체 조성물의 분무작용(atomization)이 이루어진다. 본 발명의 실시예에서, 공급관로(21)의 단부(23) 및 제2관로(22)의 단부는 스웨덴왕국 특허출원 제8604448-4호(PCT/SE/00477호)에 개시된 바와 같이 다른 방식으로 배열될 수도 있다. 이에 따르면, 공급관로(21)의 단부(23)가 제2관로(22)의 단부에 대해 축선방향으로 놓여져서 제2관로(22)의 단부의 안쪽 또는 바깥쪽으로 위치될 수가 있다. 따라서, 액체 또는 액적상태의 액체 조성물은 제2관로(22)로부터 제공되는 매체의 유동장 내에서 분무화된다.
또 다른 방식의 배열은, 공급관로(21)의 단부(23) 보다 작은 직경을 갖는 공통의 배출구를 공급관로(21) 및 제2관로(22)에 제공하는 것이다. 이러한 공통의 배출구는, 액체 조성물과 매체의 효과적인 혼합이 이루어지는 좁은 통로를 빠져나오는 유동을 원활하게 안내하도록 넓혀질 수가 있다.
예를들면 에탄올과 같이 특수한 성분이 액체 조성물에 부가되는 경우에는, 공급관로(21)의 바깥쪽이나 제2관로(22)의 안쪽에 설치되는 관로를 통해서 이러한 성분이 공급될 수 있다. 액체 조성물의 공급 및 조절은 적절한 공급장치(도시 안됨)로 조절된다. 액체 조성물은 거의 압력이 없는 상태 또는 매우 압력이 낮은 상태로 공급되기 때문에, 흡수밸브(14)로 공급되는 가스의 유동은 액체의 분무를 위하여 필수적이다. 제2관로(22)로 둘러싸인 하나 이상의 공급관로(21)를 각각의 실린더에 배열시킬 수가 있다. 또는, 흡기밸브(14)로 공급되는 액체 조성물 내에서 연료(예를들면, 알코올)을 혼합시킬 수도 있다.
이러한 액체 조성물의 조성은 변화할 수 있으나, 과산화물이나 퍼옥소화합물, 바람직하게 과산화수소를 대체로 0.001 내지 80%, 바람직하게 0.1 내지 35% 범위로 유지시킨다. 또한, 부식방지용 첨가제로서 최대5%까지의 오일을 함유할 수도 있다. 액체 조성물의 나머지 성분은 물과, 그리고 하나 내지 여덟개의 탄소 원자를 갖는 지방족 알코올, 바람직하게 에탄올로 구성된다. 알코올은 10 내지 95% 범위의 조성이 바람직하다.
과산화물이나 퍼옥소화합물에 대한 공급시스템을 배열할때 주의해야 할 사항은 긴 이송거리 및 공통의 금속의 사용을 방지하는 것이다. 이러한 공급시스템에서, 금속을 사용하지 않고서 고압이 방지되는 공급시스템을 제작하기는 어렵기 때문에 고압의 설계는 피해야만 하며, 그렇지 않을 경우에는 쉽사리 불안정 화합물의 분리가 야기될 수도 있다.
또 다른 중요한 요소는, 일정한 경사각을 이루며 액체 상태의 연료가 연소실(13)로 분사된다는 점인데, 즉 연료는 연소실(13) 내부의 실린더 벽(24)과의 접촉을 피하기 위해서 가능하면 연소실(13)의 중앙으로 분사된다는 점이다. 만일 액체 상태의 연료가 실린더 벽(24)과 접촉한다면, 이러한 액체는 연료로서의 성질을 잃어버릴 수가 있고 크랭크 케이스 오일로 침입될 수도 있다. 또한, 실린더 벽(24)을 세척해야 하기 때문에 실린더의 손상을 가져오고 오일의 소비가 많아지게 된다.
앞에서 설명한 바와 같이 액체 상태의 연료를 예비연소실(19)을 거쳐서 연소실(13)로 연속적으로 분사시킴으로써, 흡기밸브(14)를 통하여 연소실(13)로 공급되는 액체 조성물의 일부가 연소실(13) 내부의 흡기밸브(14)와 배기밸브(17)가 서로 겹쳐져 있는 부분을 통해서 배기관(16)의 내부로 배출될 수가 있다. 이는, 이러한 액체 조성물의 일부가 배기관(16)의 내부에서 배기연료의 재연소를 촉진시킨다는 장점을 제공한다. 촉매기구가 제공되어 있는 경우에는, 이러한 촉매기구의 내부에서의 재연소가 촉진되므로 촉매기구의 효율이 상당히 향상된다. 흡기밸브(14)와 배기밸브(17)의 서로 겹쳐지는 부분의 길이를 조절함으로써, 이와 같이 겹쳐지는 부분으로부터 빠져나오는 액체 조성물의 양을 증가시키거나 또는 감소시킬 수가 있다. 이는, 본 발명에 따른 신규의 구성에 의해서 또는 기존의 캠 샤프트를 새로운 것으로 교환함으로써 이루어질 수가 있다. 이는 또한 공급관로(21)의 단부(23)로부터 배기밸브(17)까지의 거리를 변화시킴으로써 이루어질 수도 있다. 이러한 거리가 길면 길수록 배기관(16)으로 빠져나오는 액체의 양은 감소된다.
앞에서 설명한 바와 같이, 디젤엔진의 차량에 촉매기구를 사용할 경우에는 배기가스로 인하여 매연의 발생 및 산화질소(NOx)의 축적이라는 문제점을 동반한다. 이러한 문제점들은, 지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 방법에 의해 과산화물이나 또는 퍼옥소화합물을 공급함으로써 해소될 수가 있다. 노르웨이의 "정부기술협회(Statens teknologiska lnstitut)"에서 디젤엔진 차량인 볼보 펜타 엠디아이(Volvo Penta MDI)에 대하여 실험을 수행한 바가 있다. 이 실험은 촉매 및 액체가 없이 수행한 것(아래의 실험 1)과, 그리고 과산화물을 함유한 액체를 공급하면서 촉매를 사용하여 수행한 것(아래의 실험 2)으로 이루어져 있다. 이 실험 2에서 액체는 농도 7%의 과산화수소 용액 10%와 그리고 에탄올 90%로 조성된 것이다. 이 경우에, 디젤엔진의 연료의 대부분이 액제 조성물로 대체된 것이다.
(실험결과)
Figure kpo00001
여기서, 디젤엔진은 과잉의 공기 및 고온의 연소온도로 작동되었다는 것에 주의해야만 한다. 이렇게 했어도, 질소산화물(NOx)의 방출량은 감소되고 엔진의 효율 또한 변화되지 않는다.
통상적으로 사용되는 연료에 대한 액체 조성물의 비는 약 10 내지 100% 범위로 변화될 수가 있다. 후자의 경우, 액체 조성물의 대부분은 알코올이 되는 것이 바람직하며, 이는 "오토엔진(가솔린엔진)"에서도 매연의 형성이 없이 연소된다.
본 발명은 결코 디젤엔진에만 국한되는 것이 아니며 모든 연소엔진, 예를들면 석유기관의 엔진에도 적용될 수가 있다.
본 발명은 엔진의 연소를 증진시키는 방법에 관한 것이며, 보다 상세히 설명하면 연소효율을 높이고 배기물의 유해성분을 감소시키기 위해서 과산화물(peroxide) 또는 퍼옥소화합물(peroxo compound) 등의 화합물을 포함하는 액체 조성물을 연소실로 공급하는 방법으로 엔진의 연소를 증진시키는 방법에 관한 것이다.
이하, 다음의 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 몇몇 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
제1도는 흡기밸브를 포함하는 디젤엔진의 실린더 헤드를 관통하는 수직방향 단면도이다.
제2도는 제1도의 선 II-II를 따라서 절단된 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 실린더 헤드 12 : 흡기관
13 : 연소실 14 : 흡기밸브
15 : 밸브시이트 16 : 배기관
17 : 배기밸브 18 : 연료분사기
19 : 예비연소실 20 : 점화플러그
21 : (액체 조성물의) 공급관로 22 : 제2관로
23 : (공급관로의) 단부 24 : 실린더 벽

Claims (8)

  1. 배기물의 유해성분의 함량을 감소시키도록 엔진의 연소를 증진시키는 방법에 있어서,(1) 과산화물이나 또는 퍼옥소 화합물을 함유한 액체 조성물을 상기 엔진의 연소실로 분사시키는 단계와, 그리고 (2) 상기 엔진이 배기행정으로부터 흡기행정으로 전환될때 상기 액체 조성물의 분사단계에서 분사되는 상기 액체 조성물의 일부를 상기 엔진의 배기밸브로 통과시켜서 상기 엔진의 배기관(16) 및 촉맥구에서의 증진된 재연소를 수행하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (1)의 액체 조성물의 분사단계가 1) 상기 연소실에 인접하게 위치된 단부를 갖추고 있고 제2관로의 내부에 설치되어 있는 공급관로를 통해서 상기 액체 조성물을 공급하는 단계와, 2) 상기 공급관로의 상기 단부의 근처에서 상기 제2관로의 내부로 제공되는 매체와 상기 공급관로의 내부로 공급되는 상기 액체 조성물의 압력차를 유도하는 단계와, 3) 상기 공급관로의 상기 단부에서 상기 액체 조성물을 분무화시키는 단계와, 그리고 4) 분무화된 상기 액체 조성물을 상기 연소실 쪽으로 유동시키는 단계로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 1)의 액체 조성물의 유동단계가 ① 상기 액체 조성물을 상기 배기밸브에 인접한게 상기 연소실 내에 분포시키는 단계와, 그리고 ② 상기 ①의 액체 조성물의 분포단계를 수행하는 중에 상기 배기밸브를 개방하는 단계로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 액체 조성물이 0.001% 이상의 과산화물이나 또는 퍼옥소화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 액체 조성물이 0.1 내지 35% 범위의 과산화물이나 또는 퍼옥소화합물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 액체 조성물이 하나 내지 여덟 개의 탄소원자를 갖는 지방족 알코올을 99% 이하의 범위로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 액체 조성물이 10 내지 95% 범위의 알코올을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 알코올이 에탄올로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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