KR20030034843A - 속도감응식 연료절감 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 현재 속도를 감지하여 속도의 변화량에 따라 고주파의 주파수를 변화시켜 속도에 상응하는 최적치의 연료를 기관에 주입할 수 있는 속도감응식 연료절감 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 속도감응식 연료절감 장치는, 기관의 회전수를 감지하여 회전수에 비례하는 수의 펄스를 출력하는 회전수 검출기; 회전수 검출기에서 출력된 펄스신호를 입력받아 삼각파를 발생하는 마이크로컴퓨터; 마이크로컴퓨터에서 발생된 삼각파를 정형하여 사인파를 출력하되, 위상차가 180°인 +사인파와 -사인파의 두 가지 파형을 발생하여 증폭하는 파형정형/증폭부; 파형정형/증폭부에서 출력되는 +사인파를 연료에 인가하는 제1방사기와 파형정형/증폭부에서 출력되는 -사인파를 연료에 인가하는 제2방사기로 구성된다. 본 발명은 가솔린ㆍ디젤ㆍLPG 자동차, 선박, 보일러, 보너 등 유류를 연소하여 출력을 얻는 장치에 적용될 수 있다.

Description

속도감응식 연료절감 장치 및 방법{Speed sensitive fuel reduction apparatus and method}

본 발명은 휘발유 경유 등의 연료를 연소시켜 출력을 얻는 내연기관이나 보일러 등의 고주파 인가식 연료절감장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 자동차의 현재 속도를 감지하여 속도의 변화량에 따라 고주파의 주파수를 변화시켜 속도에 상응하는 최적치의 연료를 기관에 주입할 수 있는 속도감응식 연료절감 장치 및 방법에 관한 것이다.

자동차나 원동기용 내연기관 또는 보일러 등의 유류 연소장치에 사용되는 연료를 절감하기 위한 노력이 끊임없이 진행되고 있다. 다양한 접근방식으로 연비를 향상시키는 기술이 개발되고 있는데, 특히 주입되는 연료의 성질을 변화시켜 완전연소를 시킴으로써 연비를 향상시키는 기술이 다양하게 개발되어 있다. 최근에 대부분의 내연기관에 적용되고 있는 전자제어 인젝션 방식도 그 예의 하나로서, 종래의 카브레터(기화기)에 의한 연료주입 방식을 개선한 기술이다.

연료의 완전연소가 이루어지기 위해서는 미세한 연료 분자가 산소분자와 결합되는 양이 많을수록 유리하다. 즉, 내연기관에 주입되는 연료의 각 분자를 활성화시켜서 산소분자와 결합되는 양을 증대시킬 수 있으면, 용이하게 완전연소를 실현할 수 있어 연료 절감(연비 향상)의 효과를 보게 되는 것이다. 종래에 연료 분자의 활성화를 위해서 개발된 기술이 몇가지 있다.

연료 분자를 미세화하기 위하여 자석을 이용한 기술이 있는데, 자석은 시간이 지날수록 그 자력이 약해지므로 오래된 기관일 경우에는 그 효율이 급속하게 저감되는 문제가 있다. 인터쿨러 방식 등과 같이 가능한한 많은 양의 공기를 연료에 주입하는 기술이 있으나, 이는 장치가 복잡해지고 가격이 커지는 단점이 있으며 이미 시판된 차량에 별도로 적용하기가 어려운 단점이 있다.

그리고, 연료주입관에 전자파 내지는 고주파를 가하는 기술이 공지되어 있다. 대한민국 공개실용신안 1987-8088(1987. 6. 10.)에는 도1과 같이, 공기 및 연료 흡입구(1)의 외주연(2)에 고주파 코일을(3)을 감아서 고주파 발생기(RF Gen)에서 발생된 고주파를 연료에 인가하는 연료 절약기가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허 1999-31036(1999. 5. 6.)에는 연소기의 연소관로에 고주파 맥류 전류를 인가하여 연료 분자를 전리적으로 이온화하는 원리가 설명되어 있다.

본 발명은 종래의 고주파 인가식 연료절감 장치를 관련산업에 이용가능하도록 구체화한 것이다. 또한, 자동차의 현재 속도를 감지하여 속도의 변화량에 따라 속도에 상응하는 고주파의 주파수를 최적치로 변화시켜 연료에 인가할 수 있도록 하여 고주파 인가식 연료절감 장치의 효율화를 극대화하였다.

도1은 대한민국 공개실용신안 1987-8088에 개시되어 있는 제1도.

도2a는 본 발명의 기본적인 구성도.

도2b는 본 발명의 각부 파형 타이밍도.

도2c는 제1, 제2방사기의 실체도.

도3a는 본 발명의 다른 실시예의 구성도.

도3b는 도3a의 실시예의 펄스신호의 파형 타이밍도.

도4는 도3a 구성도의 실제 회로도.

도5a~5c는 본 발명의 자동차에의 적용 위치도.

<도면부호의 설명>

연료흡입구(1) 고주파코일(3) 회전수검출기(10) 2진카운터(15) 마이크로컴퓨터(20) 파형정형/증폭부(30) 제1방사기(40a) 제2방사기(40b) 연료관(50) 연료(52) 고주파 발생기(RF Gen)

<발명의 개요>

본 발명에 따른 속도감응식 연료절감 장치는, 기관의 회전수를 감지하여 회전수에 비례하는 수의 펄스를 출력하는 회전수 검출기; 회전수 검출기에서 출력된 펄스신호를 입력받아 삼각파를 발생하는 마이크로컴퓨터; 마이크로컴퓨터에서 발생된 삼각파를 정형하여 사인파를 출력하되, 위상차가 180°인 +사인파와 -사인파의 두 가지 파형을 발생하여 증폭하는 파형정형/증폭부; 파형정형/증폭부에서 출력되는 +사인파를 연료에 인가하는 제1방사기와 파형정형/증폭부에서 출력되는 -사인파를 연료에 인가하는 제2방사기로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 속도감응식 연료절감 방법은, 기관의 회전수를 감지하여 회전수에 비례하는 수의 펄스를 출력하는 회전수검출 단계; 회전수검출 단계에서 출력된 펄스신호를 입력받아 삼각파를 발생하는 단계; 발생된 삼각파를 정형하여 사인파를 출력하되, 상기 회전수 검출기에서 출력되는 펄스신호의 주기 변화에 상응하여 주파수가 변화하며, 위상차가 180°인 +사인파와 -사인파의 두 가지 파형을 발생하여 증폭하는 파형정형 및 증폭 단계; 파형정형 및 증폭 단계에서 출력되는 +사인파 및 -사인파를 각각 연료에 인가하는 단계로 구성된다.

위에서 파형정형/증폭부에서 출력되는 +사인파 및 -사인파의 주파수는 500Hz~6kHz 사이에서 변화되며, 위에서, 상기 제1, 제2방사기는 연료가 흐르는 연료관의 외주에 코일형상으로 감기는 방사안테나로 구현되며, 마이크로컴퓨터의 제어에 의해 자동차의 속도에 따라 변화하는 주파수의 고주파를 연료관에 인가한다.

<실시예의 구성 및 작용>

도2a는 본 발명에 따른 연료절감 장치의 기본적인 구성도이고, 도2b는 그 작용을 설명하기 위한 파형 타이밍도이다.

회전수 검출기(10)는 기관(즉 엔진)의 회전수를 감지하여 회전수에 비례하는 수의 펄스를 출력한다. 회전수 검출기(10)는 대부분의 자동차에 설치된 타코미터 또는 RPM게이지에 사용되는 홀센서(Hall sensor)를 사용할 수 있다. 홀센서는 반도체재료의 특성인 홀효과를 이용하여 회전체의 회전수를 검출하는 센서로서 당업자에게 자명한 구성요소이다. 홀효과의 출력은 구형파 펄스로서, 도2a에서 'a'로 표시하였다. 홀센서에서 출력되는 펄스의 진동수는 회전체의 회전수에 비례한다. 즉, 회전수가 증가할수록 펄스폭 및 펄스간 간격이 좁아진다.

마이크로컴퓨터(μCOM)(20)는 회전수 검출기(10)에서 출력된 펄스신호를 입력받아 삼각파(b)를 발생한다. 마이크로컴퓨터에 구형파 펄스를 입력해서 프로그램에 의해 삼각파를 만드는 것은 당업자가 용이하게 실시가능한 기술이다. 가령, 일정한 시간 간격마다 입력펄스 진폭의 순시값에 상당하는 디지털수(가령 8비트)를 마이콤의 포트에서 출력하여 그것을 D-A변환하면 삼각파가 만들어진다. 발생된 삼각파(b)를 도2a에 표시하였다. 물론, 마이크로컴퓨터(20)에서 발생되는 삼각파(b)의 주기는 입력되는 회전수 검출기(10)의 펄스신호(a)의 주기에 따라 변화된다. 입력 펄스신호(a)의 주기가 커지면 삼각파(b)의 주기도 커질 것이다. 도2b에서 펄스신호(a)를 입력으로 하여 삼각파(b)를 출력하는 파형도를 볼 수 있다. 마이크로컴퓨터(20)에서의 처리 지연시간(t_d)이 지나 삼각파(b)가 출력되었음을 알 수 있다.

파형정형/증폭부(30)는 마이크로컴퓨터(20)에서 발생된 삼각파(b)를 정형하여 약 500Hz~6kHz의 고주파 사인파로 변환하는 작용을 한다. 고주파 사인파는 두 가지로 출력되는데, 서로 위상차가 180°(2π)가 되도록 +사인파(c)와 -사인파(c')의 두 가지 파형을 출력한다. 출력되는 사인파의 주파수는 마이크로컴퓨터(20)에서 발생된 삼각파(b)의 주기에 관한 함수이고, 따라서, 회전수 검출기(10)에서 출력된 펄스신호(a)의 주기에 관한 함수관계를 갖는다. 회전수 검출기(10)에서 출력되는펄스신호(a)의 주기가 작을수록(주파수가 클수록) 파형정형/증폭부(30)에서 출력되는 사인파의 주파수가 커질 것이다. 이것이 곧 본 발명의 특징인바, 기관의 현재 회전수에 상응하는 최적의 연소효율을 이루기 위하여 연료에 인가하는 고주파의 주파수를 변화시키는 것이다. 파형정형/증폭부(30)는 또한 전력증폭 작용도 한다. 마이크로컴퓨터(20)에서 출력된 삼각파는 적은 전류의 소전력 신호이므로 연료에 충분한 에너지를 인가하기 위하여서는 전력증폭을 필히 수행하여야 한다. 파형정형/증폭부(30)가 이 역할도 담당하는 것으로서, 구체적인 회로는 도4를 참조하여 차후 설명한다.

파형정형/증폭부에서 출력된 +사인파(c)는 제1방사기(40a)에 의해 연료관(50)에 방사되고, -사인파(c')는 제2방사기(40b)에 의해 연료관(50)에 방사된다. 제1방사기(40a)와 제2방사기(40b)는 도2c에서 보듯이 코일로 이루어진 일종의 방사안테나(radiation antenna)이다. 연료(52)가 흐르고 있는 연료관(50)은 연료탱크측으로부터 연료주입기측을 연결하는 관으로서 구체적인 위치는 각 기관의 종류마다 다르므로 도5를 참조하여 차후에 설명한다. 제1방사기(40a)와 제2방사기(40b)는 도2c에서 보는 것과 같이 연료(52, 52')가 흐르는 연료관(50)의 주위에 코일을 감아서 구현할 수 있다.

<변형 실시예>

도3a는 변형된 실시예로서 도2a의 구성에 2진 카운터(15)가 추가된 것을 나타내는 구성도이고, 도3b는 2진 카운터(15)의 입력신호(a)와 출력신호(a')와의 관계를 나타내는 타이밍도이다. 2진 카운터(15)는 회전수 검출기(10)에서 출력되는 펄스신호(a)의 주파수가 높은 경우에 이를 지연시켜서 마이크로컴퓨터(20)로 하여금 처리시 에러를 줄이기 위한 용도로 추가된다. 본 발명의 동작을 확실히 하기 위하여 2진 카운터(15)를 추가하는 것이 바람직하다.

도4는 도3a의 블록구성을 실제로 구현한 회로도를 나타낸다. 홀센서 등의 회전수 검출기에서 출력된 회전수 검출펄스가 입력코넥터(J1)을 통해 2진 카운터(15, U1)의 클록단자(CLK)로 입력된다. 2진 카운터(U1)로는 12비트짜리 MC14040을 사용하였다. 마이크로컴퓨터(20, U2)로는 PIC16C54를 사용하였다. U2의 입력포트(PB0)에 연결되어 있는 발광다이오드(LED)는 본 발명에 따른 연료절감 장치의 동작을 모니터하기 위한 파일롯램프로서 자동차에 사용할 경우에는 운전석의 계기판 부근에 LED를 설치하면 된다. U2 오른쪽에 있는 U3는 리셋IC이다. 파형정형/증폭부(30)는 트랜지스터 Q1, Q2로 구성되는 아날로그 회로로서, Q1과 Q2가 서로 반대 위상의 사인파를 출력하도록 접속되어 있다. Q1에서 출력되는 사인파(+사인파)는 제1방사기로 연결되고, Q2에서 출력되는 사인파(-사인파)는 제2방사기로 연결된다.

도4의 회로에서 Vcc는 디지털회로용 5V 전압이다. Vcc는 자동차의 배터리전압(통상 12 또는 24V)을 감압하여 사용하면 된다. Vdd는 아날로그회로용 전압(12~24V)으로서, 자동차의 배터리전압을 이용하면 된다. 또한, 자동차용이 아닌 보일러나 버너 용도로 본 발명을 사용할 경우에는 AC전원으로부터 상기 Vcc와 Vdd를 공급받아야 하므로 정류회로가 필요하다. 이는 당업자에게는 자명한 기술적 사항이다.

도5a~c는 본 발명에 따른 연료절감기가 자동차에 적용되는 경우의 적용위치를 나타내는 개념도이다. 도5a는 가솔린 자동차의 경우, 도5b는 디젤 차량의 경우, 도5c는 LPG 차량의 경우를 나타낸다. 어느 경우나 모두 본 발명에서 출력되는 최종 고주파 사인파는 엔진에 분사되기 직전 위치에서 연료에 인가되어 연료의 분자를 활성화시켜야 한다. 도5a~c는 자동차의 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명은 자동차 뿐만 아니라 유류를 연료로서 연소시켜 출력을 얻는 각종 장치(예를 들면, 선박, 보일러, 버너 등)에도 적용가능하다.

본 발명의 주요 효과는 연료의 완전연소가 실현되는 것에서 도출된다. 본 발명의 연료절감기를 장착하여 배기가스를 분석한 결과, CO의 배출량 0.00%(허용치: 1.2%), HC(탄화수소)의 배출량 7~10ppm(허용치: 220ppm)이 측정되었다. 또한, 디젤엔진을 사용하는 버스의 경우 매연 배출량이 허용치는 48%이지만, 본 장치를 사용한 경우에는 17~18%인 것으로 측정되었다. 본 발명의 연비향상 효과는, 프라이드 승용차의 경우 표준연비 14㎞/ℓ이지만 본 장치를 사용한 경우에 20㎞/ℓ로 측정되어 증명되었다. 또한, 본 발명에 따르면 완전연소가 실현되기 때문에 기관 내의 폭발음이 감소된다. 약 7~10dB의 소음이 감소되는 것이 측정되었다.

Claims (12)

1. 기관의 회전수를 감지하여 회전수에 비례하는 수의 펄스를 출력하는 회전수 검출기,

   회전수 검출기에서 출력된 펄스신호를 입력받아 삼각파를 발생하는 마이크로컴퓨터,

   마이크로컴퓨터에서 발생된 삼각파를 정형하여 사인파를 출력하되, 상기 회전수 검출기에서 출력되는 펄스신호의 주기 변화에 상응하여 주파수가 변화하며, 위상차가 180°인 +사인파와 -사인파의 두 가지 파형을 발생하여 증폭하는 파형정형/증폭부,

   파형정형/증폭부에서 출력되는 +사인파를 연료에 인가하는 제1방사기와 파형정형/증폭부에서 출력되는 -사인파를 연료에 인가하는 제2방사기로 구성되는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 장치.
2. 청구항 1에서, 상기 회전수 검출기에서 출력되는 펄스신호의 주기를 지연시켜서 마이크로컴퓨터에 입력시키는 2진 카운터가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 장치.
3. 청구항 1 또는 2에서, 상기 회전수 검출기는 홀센서인 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 장치.
4. 청구항 1 또는 2에서, 상기 마이크로컴퓨터의 동작상태를 나타내는 파일롯램프가 마이크로컴퓨터에 포함되는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 장치.
5. 청구항 1 또는 2에서, 상기 파형정형/증폭부는

   마이크로컴퓨터에서 출력되는 삼각파를 +사인파로 정형하여 증폭하는 제1트랜지스터와,

   마이크로컴퓨터에서 출력되는 삼각파를 -사인파로 정형하여 증폭하는 제2트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 장치.
6. 청구항 1 또는 2에서, 상기 파형정형/증폭부에서 출력되는 +사인파 및 -사인파의 주파수는 500Hz~6kHz 사이에서 변화되는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 장치.
7. 청구항 1 또는 2에서, 상기 제1,제2방사기는 연료가 흐르는 연료관의 외주에 코일형상으로 감기는 방사안테나인 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 장치.
8. 기관의 회전수를 감지하여 회전수에 비례하는 수의 펄스를 출력하는 회전수검출 단계,

   회전수검출 단계에서 출력된 펄스신호를 입력받아 삼각파를 발생하는 단계,

   발생된 삼각파를 정형하여 사인파를 출력하되, 상기 회전수 검출기에서 출력되는 펄스신호의 주기 변화에 상응하여 주파수가 변화하며, 위상차가 180°인 +사인파와 -사인파의 두 가지 파형을 발생하여 증폭하는 파형정형 및 증폭 단계,

   파형정형 및 증폭 단계에서 출력되는 +사인파 및 -사인파를 각각 연료에 인가하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 방법.
9. 청구항 8에서, 상기 회전수검출 단계와 삼각파 발생 단계 사이에,

   회전수검출 단계에서 출력된 펄스신호의 주기를 지연시키는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 방법.
10. 청구항 8 또는 9에서, 상기 회전수검출 단계에서는 홀센서에 의해 회전수를 검출하는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 방법.
11. 청구항 8 또는 9에서, 상기 파형정형/증폭부에서 출력되는 +사인파 및 -사인파의 주파수는 500Hz~6kHz 사이에서 변화되는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 방법.
12. 청구항 8 또는 9에서, 상기 +사인파 및 -사인파를 연료에 인가하는 단계는 연료가 흐르는 연료관의 외주에 코일형상으로 감겨 있는 방사안테나에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 속도감응식 연료절감 방법.