KR102654432B1 - 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하는 차량 시스템 및 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내연 기관의 연소실 상류의 흡기 라인에 또는 상기 내연 기관의 상기 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템용 히터에 관한 것으로서, 상기 히터는 절연 재료에 매립된 적어도 하나의 금속 저항성 트랙을 포함하는 적어도 하나의 가요성 부분을 포함하고, 상기 절연 재료는 적어도 하나의 항균 화합물을 포함하고 그리고/또는 적어도 하나의 항균 화합물을 함유하는 적어도 하나의 층에 의해 코팅된다. 본 발명은 또한 내연 기관의 연소실 상류의 흡기 라인 또는 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템에 관한 것으로서 상기 히터를 포함한다.
Description
본 발명은 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하는 차량 시스템에 사용되는 물 탱크에 대하여 항균 특성들을 갖는 히터에 관한 것이다. 본 발명의 다른 양태는 항균 특성을 갖는 히터를 포함하는 물 탱크 및 상기 물 탱크를 포함하는 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하는 차량 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 배출 감소에 대한 요구가 증가함에 따라, 내연 기관은 연료 소비와 관련하여 점점 더 최적화되고 있다. 하지만, 이러한 최적화는 연료의 조기 점화 및 높은 배기 가스 온도로 인해 제한된다. 배기 가스 온도 및 조기 점화를 줄이기 위한 한 가지 가능한 조치로서는 연소실에 물을 분사하는 것이다. 내연 기관에서, 물 분사 시스템은 유입 공기 또는 연료-공기 혼합물에 물을 분무하거나 연소실에 직접 분무하여, "열점 (hot points)" 이 조기 점화를 일으킬 수 있는 연소실의 특정 부분들을 냉각시킬 수 있다. 많은 물 분사 시스템은 물과 알코올 또는 기타 첨가제의 혼합물을 사용한다. 물은 높은 밀도 및 높은 열 흡수 특성들로 인해 일차 냉각 효과를 제공한다. 알코올은 가연성이고 또한 물에 대한 부동액으로서 사용된다. 본 특허 출원의 범위에서, 이러한 혼합물들은 "수용액" 이라는 용어로 지칭된다. 이를 위해, 물 분사가 가능하도록 별도의 물 분사 시스템이 제공될 수 있다. 예를 들어, WO 2014/080266 A1 에는 내연 기관의 연소실에 물을 분사하기 위한 차량 시스템이 개시되어 있다.
물 분사 시스템의 알려진 문제로서는, 물에 불순물이 포함되어 박테리아, 조류, 진균 또는 기타 미생물의 성장을 촉진시킨다는 것이다. 이러한 오염은, 특히 차량이 장기간 고정되어 있을 때 물 탱크에서 발생한다. 이는 물 분사 시스템에 배열된 필터들의 막힘 뿐만 아니라 고장까지 시스템의 오작동으로 이어질 수 있다. 이러한 오염을 방지하거나 이미 존재하는 오염을 없애기 위해 화학 제품을 사용하는 것을 고려할 수 있다. 하지만, 연소실에 이러한 화학물질을 분사하면 다른 문제가 발생할 수 있다.
WO 2016/177556 A1 에서는 물을 UV 복사선에 노출시킴으로써 물 분사 시스템용 물 탱크에 포함된 물의 오염을 제거할 것을 제안한다. 이 방안은 여러 가지 이유로 최적이 아니다. UV 라디에이터에는 오염 제거 효과를 발생시키기 위해서는 전원이 공급되어야 한다. 결과적으로, 차량이 장기간 고정되어 있고 UV 라디에이터에 전원이 공급되지 않으면, 박테리아, 조류, 진균 또는 기타 미생물의 성장이 억제되지 않는다. 이와 관련하여, 물을 오염시키는 미생물이 이온 종을 방출하여 물의 화학적 특성을 변화시키는 효과가 있음에 주목하는 것이 특히 중요하다. 물이 나중에 (예를 들어, 화학물질 또는 UV 복사선에 의해) 오염 제거되더라도, 물의 화학적 특성들은 초기 상태로 돌아가지 않는다.
더욱이, UV 라디에이터는 비싸고 복잡하다. 이 UV 라디에이터는 또한 비교적 취약하므로 주기적으로 교체되어야 한다. 물 탱크에서 이들의 위치로 인해 교체 작업이 어렵고 비용이 많이 든다. 마지막으로, 박테리아, 조류, 진균 또는 기타 미생물의 성장은 탱크의 일부 열점들에서 고온의 작용에 의해 촉진되며, 상기 열점들은 UV 복사선에 접근할 수 없는 지점에 위치될 수 있다.
WO 2012/048638 에서는 축전 온수기 또는 식기 세척기의 물을 가열하기 위한 아머형 저항 (armoured resistance) 을 제안한다. 가열될 물과 접촉하는 금속 표면은 항균 특성들을 가진 유리 에나멜로 덮여 있다. 하지만, 이 문서에 개시된 히터는, 차량이 온수기 또는 식기 세척기의 경우가 아닌 열적 제약 (예를 들어 동결) 하에서 작동해야 하기 때문에 자동차 적용에 적합하지 않다. 더욱이, 유리 에나멜로 덮인 표면은 변형될 수 없어야 하고, 그렇지 않으면 에나멜화 유리 (enamelled glass) 가 균열되어 표면에 대한 보호 효과를 손실하게 된다.
본 발명은, 상기 문제점을 나타내지 않는 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하기 위한 개선된 차량 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템의 탱크의 열점들에서 박테리아, 조류, 진균 또는 기타 미생물의 성장에 대하여 처리하기 위한 방안을 제공한다.
특히, 본 발명의 제 1 목적은, 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템의 탱크의 열점들에서 박테리아, 조류, 진균 또는 기타 미생물의 성장에 대하여 처리하기 위한 방안을 제공한다.
제 2 목적은 차량을 장기간 주차하더라도 오염 문제가 발생하지 않도록 작동하기 위해 전원을 공급할 필요가 없는 수용액 분사 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은, 광범위하고 비싸며 빈번한 유지 보수 작업을 필요로 하지 않는 더 저렴한 수용액 분사 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따라서, 이러한 목적들은 내연 기관의 연소실 상류의 흡기 라인에 또는 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템의 수용액 탱크용 히터에 의해 도달하게 되고, 상기 히터는 절연 재료에 매립된 적어도 하나의 금속 저항성 트랙을 포함하고, 상기 절연 재료는 적어도 하나의 항균 화합물을 포함하고 그리고/또는 적어도 하나의 항균 화합물을 함유하는 적어도 하나의 층에 의해 부분적으로 또는 전체적으로, 바람직하게는 전체적으로 코팅된다.
본 발명에 따라서, 적어도 하나의 항균 화합물을 포함하고 그리고/또는 적어도 하나의 항균 화합물을 함유하는 적어도 하나의 층에 의해 코팅된 절연 재료로 제조된 히터는, 보다 구체적으로는 내연 기관의 연소실 상류의 흡기 라인에 또는 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템의 수용액 탱크의 열점들에서 미세물 성장을 감소하도록 유도되고; 상기 히터는 탱크의 일부 열점들의 소스이다.
"절연 재료" 라는 표현은, 전기가 통과하지 못하는 재료를 의미하고; 상기 절연 재료는 적어도 1012 옴 미터의 저항, 바람직하게는 적어도 1013 옴 미터의 저항, 보다 바람직하게는 적어도 1019 옴 미터의 저항을 가지며; 상기 저항은 25℃ 의 온도에서 측정된다.
"항균 화합물" 이라는 표현은, 이 화합물이 박테리아, 조류 및/또는 진균과 같은 미생물 종의 성장을 방지한다는 것을 의미한다. 항균 화합물의 항균 효과는 미생물 종의 특성에 따라서 표준 ISO22196:2011 또는 표준 ISO 16869:2008 에 따라 측정된다. 항균 화합물은 절연 재료에 유효량 (effective amount) 으로 존재한다. 본 발명의 의미에서, 유효량은 미생물 종의 특성에 따라서 표준 ISO22196:2011 또는 표준 ISO 16869:2008 에 따라 측정했을 때 미생물 종 박테리아의 성장을 적어도 80% 까지 억제하는 효과를 발생시킬 양이다.
"수용액 탱크" 라는 표현은, 수용액, 바람직하게는 탈염수를 포함하는 탱크를 의미한다. 탈염수라는 표현은, 전도도가 50 μS/cm 미만, 바람직하게는 5 μS/cm 미만인 수용액을 의미한다.
"금속 저항성 트랙" 이라는 표현은, 전류를 통과시킬 때, 줄 (Joule) 가열에 의해 열을 소산시키는 금속 트랙을 의미한다. 금속 저항성 트랙의 단면 형상은 와이어의 경우에 원형일 수 있고, 바람직하게는 트랙의 단면 형상은 직사각형이다.
일 실시형태에 따라서, 히터의 적어도 하나의 금속 저항성 트랙은 구리, 알루미늄 또는 스테인리스 강으로 제조되고, 바람직하게는 적어도 하나의 금속 저항성 트랙은 스테인리스 강으로 제조된다.
일 실시형태에 따라서, 절연 재료는 실리콘 수지, 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 열가소성 엘라스토머, 폴리에스테르, 폴리이미드로 제조되고, 바람직하게는 상기 절연 재료는 실리콘 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌으로 제조되며, 가장 바람직하게는 실리콘 수지 또는 고밀도 폴리에틸렌으로 제조된다.
바람직한 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 저항성 트랙은 상기 절연 재료의 2 개의 필름들 사이에 개재되거나 상기 절연 재료에 오버몰딩된다.
"적어도 하나의 저항성 트랙이 상기 절연 재료의 2 개의 필름들 사이에 개재된다" 라는 표현은, 함께 용접된 상기 절연 재료의 2 개의 필름 사이에 적어도 하나의 저항성 트랙이 삽입됨을 의미한다.
바람직한 실시형태에 따라서, 히터는 본체 및 적어도 하나의 저항성 트랙의 적어도 하나의 부분이 장착된 적어도 하나의 돌출물 (excrescence) 또는 촉수 (tentacle) 를 포함한다.
적어도 하나의 저항성 트랙의 적어도 하나의 부분이 장착된 상기 적어도 하나의 돌출물 또는 촉수는, 메인 본체에 접근할 수 없는 탱크의 플롯의 가열을 향상시키도록 한다.
바람직한 실시형태에 따라서, 히터는 고정 수단을 포함하고, 상기 고정 수단은 바람직하게는 클립들, 리벳들, 볼트들 및 관통 구멍들로 이루어진 군에서 선택된다.
히터에 고정 수단이 있으면, 내연 기관의 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템에 사용되는 물 탱크의 적어도 벽에 히터를 기계적으로 고정하도록 하고, 바람직하게는 히터는 물 탱크의 바닥 벽에 고정된다.
“물 탱크의 바닥 벽” 이라는 표현은, 바닥 벽이 도로에 가장 근접하게 위치된 물 탱크의 벽임을 의미한다.
바람직한 실시형태에 따라서, 히터는 적어도 하나의 금속 저항성 트랙을 포함하는 적어도 하나의 가요성 부분을 포함하고, 적어도 하나의 금속 저항성 트랙을 매립하는 절연 재료는 또한 가요성이다. "가요성" 이라는 정성자 (qualifier) 는 쉽게 변형가능함을 의미하고, 이는 일반적으로 역전식이다. 일반적으로, 이는 4000 N.m 미만의 굽힘 강성 ((Eh3)/(12(1-v2) 과 동일한 것으로 규정되고, 여기서 E 는 ASTM D790-03 표준에 따라 측정된 가요성 부분의 영률이고, h 는 이의 두께이며, ν 는 구성 재료의 푸아송 비율임) 에 해당하고, 바람직하게는 본 발명과 관련하여, 가요성 부분의 강성은 1000 N.m 이하, 보다 바람직하게는 100 N.m 이하, 가장 바람직하게는 10 N.m 이하이다. 특히 바람직한 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 가요성 부분의 굽힘 강성은 1 N.m 이하이다. 바람직하게는, 이러한 가요성 부분은 가열 부분, 즉 하나 이상의 금속 저항성 트랙을 포함하는 가요성 부분이다.
실리콘 수지, 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 열가소성 엘라스토머, 폴리에스테르 또는 폴리이미드로 제조된 절연 재료는 당업계의 경우에서와 같이 균열이 발생하지 않고, 절연 재료는 가요성 재료가 아닌 에나멜화 유리이다. 실제로, 시험 방법 ISO 527 에 따라서, 폴리에틸렌의 파단 연신율은 150 % 초과이고, 엘라스토머는 100 % 초과인 반면, 에나멜화 유리의 파단 연신율은 실온에서 12 % 미만 (유리의 화학적 조성에 따름) 이다. 본 발명과 관련하여, 절연 재료의 굴곡 모듈러스 (flexural modulus) 는 에나멜화 유리의 굴곡 모듈러스보다 10 내지 100 배 작다. 실제로, 시험 방법 ISO 178 에 따라서, 실리콘 수지의 굴곡 모듈러스는 3.5 GPa 미만이고, 폴리에틸렌은 1.3 GPa 미만이며, 열가소성 엘라스토머는 0.7 GPa 미만이고, 폴리에스테르는 10 GPa 미만이며, 폴리이미드는 2.5 GPa 미만인 반면, 5 mm 두께의 에나멜화 유리의 굴곡 모듈러스는 분당 0.5 mm 의 변위 속도에서 상대 수분의 50 % 로 실온에서 70 GPa 초과이다.
바람직한 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 항균 화합물은 유기 항균 화합물 및 금속 항균 화합물로 이루어진 군에서 선택된다.
"유기 항균 화합물" 이라는 표현은, 탄소, 수소, 산소 또는 질소의 원자에 공유 결합된 탄소 원자로 구성된 화합물을 의미한다. 바람직하게는, 유기 항균 화합물은 N-부틸-1,2-벤즈이소티아졸린-3-원 (BBIT), 4,5-디클로로-2-옥틸-4-이소티아졸리논-3-원 (DCOIT), 3-로도-2-프로피닐부틸 카르바마이트 (IPBC), 10,10-옥시비스페녹아르신 (OBPA), n-옥틸이소티아졸리논 (OIT) 및 3-(트리-메톡시실일) 프로필디메틸옥타데실 염화암모늄으로 이루어진 군에서 선택된다.
"금속 항균 화합물" 이라는 표현은, 금속 원자를 포함하는 항균 화합물을 의미한다. 바람직하게는, 항균 금속 화합물은 금속, 금속 합금, 금속 용액, 금속 염, 금속 산화물 및 금속 착물로 이루어진 군에서 선택된다. 적어도 하나의 항균 금속 화합물은 바람직하게는 나노물질이다. 나노물질은, 결합되지 않은 상태의 입자 형태로 또는 응집상 (aggregate) 또는 응집체 (agglomerate) 로 항균 금속 화합물을 의미하고, 여기서 수 크기 분포 (number size distribution) 에서 입자의 50 % 이상에 대해, 하나 이상의 외부 치수는 1 ~ 100 nm 의 크기 범위이다. 바람직하게는, 항균 금속 화합물은 1 ~ 10 nm 범위의 직경을 가진 나노입자의 형태이다. 항균 금속 화합물 나노물질은 실리콘 산화물 입자들, 알루미늄 산화물 입자 또는 제올라이트에 지지되거나 분산될 수도 있다.
보다 바람직하게는, 가요성 부분은 적어도 하나의 가요성 금속 저항성 트랙을 포함한다.
보다 바람직하게는, 금속 저항성 트랙은 가요성 절연 재료에 매립된다.
바람직한 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 항균 금속 화합물의 금속 부분은 구리, 은, 아연, 알루미늄, 니켈, 금, 바륨, 주석, 붕소, 탈륨, 안티몬, 코발트, 지르코늄 및 몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택되고, 바람직하게는 적어도 하나의 항균 금속 화합물의 금속 부분은 구리, 아연 및 은으로 이루어진 군에서 선택된다.
일 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 항균 금속 화합물은 구리, 황동, 청동, 백동 합금, 구리-니켈-아연 합금, 황산 구리 (I, II), 산화 구리 (I, II), 수산화 구리 (I, II), 구리 피리티온 (I) 으로 이루어진 군에서 선택된 구리의 항균 금속 화합물이다.
바람직한 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 항균 금속 화합물은 아연의 항균 금속 화합물 및/또는 은의 항균 금속 화합물이다. 바람직하게는, 아연의 항균 금속 화합물은 아연, 산화 아연 및 아연 피리티온으로 이루어진 군에서 선택된다. 은의 항균 금속 화합물은 바람직하게는 은, 산화 은, 질산 은, 염화 은 및 탄산 은으로 이루어진 군에서 선택된다.
보다 바람직하게는, 적어도 하나의 항균 금속 화합물은 아연 피리티온 또는 은 염 또는 은의 나노입자들 또는 이들의 조합물이다. 본 발명자들은, 놀랍게도 피리티온이 폴리머, 예를 들어 폴리올레핀에서 거의 혼화될 수 없지만, 아연 피리티온 또는 은 염이 폴리올레핀 매트릭스에 잘 캡슐화되어 있는 것으로 보이는 사실을 관찰하였다.
바람직한 실시형태에 따라서, 절연 재료는 적어도 하나의 항균 금속 화합물의 최대 5 중량%, 바람직하게는 최대 0.5 중량%, 보다 바람직하게는 최대 0.2 중량%, 가장 바람직하게는 최대 0.05 중량% 를 포함한다.
바람직한 실시형태에 따라서, 절연 재료는 적어도 하나의 항균 금속 화합물의 적어도 0.0002 중량%, 바람직하게는 적어도 0.0015 중량%, 보다 바람직하게는 적어도 0.01 중량%, 가장 바람직하게는 적어도 0.05 중량% 를 포함한다.
바람직한 실시형태에 따라서, 절연 재료는 적어도 하나의 항균 금속 화합물을 포함하고, 상기 적어도 하나의 항균 금속 화합물은 0.0002 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.0015 중량% 내지 0.4 중량%, 보다 바람직하게는 0.005 중량% 내지 0.1 중량%, 가장 바람직하게는 0.01 중량% 내지 0.05 중량% 범위의 양이다.
본 발명의 다른 양태는, 또한 박테리아, 조류, 진균 또는 기타 미생물의 성장을 감소시키는 차량 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 차량 시스템은 이하의 구성요소들을 포함한다.
- 수용액을 저장하기 위한 탱크;
- 펌프 유닛;
- 내연 기관의 연소실 상류의 흡기 라인;
- 흡기 라인에, 연소실에 또는 둘 다에 수용액을 분사하도록 구성된 하나 이상의 분사기들;
- 상기 분사기에 펌프 유닛에 의해 펌핑된 수용액을 공급하기 위한 공급 라인, 및
- 본 발명에 따른 히터.
이하의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 제공된다. 상이한 양의 항균 화합물을 함유하는 실리콘 기재의 절연 재료에 매립된 적어도 하나의 금속 저항성 트랙을 포함하는 본 발명에 따른 히터가 시험되었다. 표 1 은 ISO 22196 을 기준으로 히터의 절연 재료 내부에 매립된 살생물제 화합물의 비율을 기준으로 히터의 오염제거 효율을 요약한다.
+++ : 우수
++ : 양호
+ : 허용가능
표 2 는 물 탱크에 사용되는 수용액의 특성들의 예를 보여준다.
Claims (16)
- 내연 기관의 연소실 상류의 흡기 라인에 또는 상기 내연 기관의 상기 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템용 히터로서,
상기 히터는 절연 재료에 매립된 적어도 하나의 금속 저항성 트랙을 포함하는 적어도 하나의 가요성 부분을 포함하고,
상기 절연 재료는 적어도 하나의 항균 화합물을 포함하고 그리고/또는 적어도 하나의 항균 화합물을 함유하는 적어도 하나의 층에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 코팅되는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 금속 저항성 트랙은 구리, 알루미늄 또는 스테인리스 강으로 제조되는, 차량 시스템용 히터. - 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 금속 저항성 트랙은 스테인리스 강으로 제조되는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 절연 재료는 실리콘 수지, 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 열가소성 엘라스토머, 폴리에스테르, 폴리이미드로 제조되는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 금속 저항성 트랙은 상기 절연 재료의 2 개의 필름들 사이에 개재되거나 상기 절연 재료에 오버몰딩되는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 히터는 본체 및 상기 적어도 하나의 저항성 트랙의 적어도 일부가 장착된 적어도 하나의 돌출부 (excrescence) 또는 촉수 (tentacle) 를 포함하는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 히터는 고정 수단을 포함하고, 상기 고정 수단은 클립들, 리벳들, 볼트들 및 관통 구멍들로 이루어진 군에서 선택되는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 항균 화합물은 항균 금속 화합물인, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 절연 재료는 최대 5 중량% 의 적어도 하나의 항균 금속 화합물을 포함하는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 절연 재료는 적어도 0.0002 중량% 의 적어도 하나의 항균 금속 화합물을 포함하는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 항균 금속 화합물은 금속, 금속 합금, 금속 용액, 금속 염, 금속 산화물 및 금속 착물로 이루어진 군에서 선택되는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 가요성 부분은 적어도 하나의 가요성 금속 저항성 트랙을 포함하는, 차량 시스템용 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 저항성 트랙은 가요성 절연 재료에 매립되는, 차량 시스템용 히터. - 제 13 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 항균 금속 화합물은 아연 피리티온 또는 은 염 또는 은의 나노입자들 또는 이들의 조합물인, 차량 시스템용 히터. - 내연 기관의 연소실 상류의 흡기 라인에 또는 상기 내연 기관의 상기 연소실에 수용액을 분사하기 위한 차량 시스템으로서,
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 히터를 포함하는, 차량 시스템. - 제 15 항에 있어서,
상기 히터는 상기 수용액 탱크 내부에서 상기 수용액 탱크의 바닥에 위치되는, 차량 시스템.
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