KR101338280B1

KR101338280B1 - 왕복동 피스톤 연소 엔진용 다중 디퓨저 및 왕복동 피스톤연소 엔진

Info

Publication number: KR101338280B1
Application number: KR1020070067024A
Authority: KR
Inventors: 라이너 슐츠
Original assignee: 베르트질레 슈바이츠 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2013-12-09
Also published as: EP1881173A1; ATE430876T1; DK1881173T3; DE502007000686D1; JP5184825B2; CN101109312A; BRPI0703120A; CN101109312B; PL1881173T3; EP1881173B1; KR20080008227A; JP2008025564A

Abstract

본 발명은, 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진용 다중 디퓨저에 관한 것이며, 상기 다중 디퓨저는 길이방향 축(L)을 따라 디퓨저 입구(2)로부터 디퓨저 출구(3) 쪽으로 확장되는 형태의 디퓨저 하우징을 포함하고, 상기 디퓨저 하우징(4)의 내부에는 디퓨저 인서트(5, 51, 52, 53)가 배치되며, 상기 디퓨저 입구(2)는 배기가스 터보과급기(7)의 출구와 연결 가능하고 상기 디퓨저의 출구(3)는 상기 왕복동 피스톤 연소 엔진의 급기 냉각기(8)와 연결 가능하여, 상기 왕복동 피스톤 연소 엔진이 작동되고 있는 상태에서는 신선한 공기가 상기 배기가스 터보과급기로부터 상기 다중 디퓨저를 통해 상기 급기 냉각기로 도입될 수 있으며, 상기 다중 디퓨저는 상기 길이방향 축(L)에 대하여 비대칭으로 설계되어 있다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)를 구비하는 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진에 관한 것이다.

왕복동 피스톤 연소 엔진, 2행정 대형 디젤 엔진, 다중 디퓨저, 디퓨저 인서트, 터보과급기, 배기가스, 신선한 공기, 속도 프로파일, 중공체, 중실체, 비대칭

Description

왕복동 피스톤 연소 엔진용 다중 디퓨저 및 왕복동 피스톤 연소 엔진 {A MULTIPLE DIFFUSER FOR A RECIPROCATING PISTON COMBUSTION ENGINE, AND A RECIPROCATING PISTON COMBUSTION ENGINE}

도 1은 배기가스 과급기 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 2는 신규 신선 공기의 속도 프로파일과 함께 배기가스 과급기인 레이디얼 컴프레서를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른, 중공의 원뿔형 디퓨저 인서트를 구비하는 다중 디퓨저의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.

도 4는 도 3의 도면과 유사하나, 중실의 디퓨저 인서트를 구비하는, 본 발명에 따른 다중 디퓨저의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.

도 5는 2개의 비대칭으로 배치되는 디퓨저 인서트를 구비하는 다중 디퓨저의 단면도이다.

도 6은 2개의 비대칭으로 구성되는 디퓨저 인서트를 구비하는 다중 디퓨저의 단면도이다.

도 7은 디퓨저 하우징의 구멍 각도가 일정하게 변화하는 다중 디퓨저의 종단면도이다.

도 8은 도 7의 디퓨저 하우징에서 구멍 각도가 둘레 방향으로 변화하는 것을 나타내는 사시도이다.

도 9는 길이방향 축이 굴곡진, 본 발명에 따른 다중 디퓨저를 나타내는 도면이다.

도 10은 판금 가이드를 구비하는 다중 디퓨저의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.

도 11은 판금 가이드를 구비하는 다중 디퓨저의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.

도 12는 나선형의 가이드 부재를 구비하는 다중 디퓨저의 단면도이다.

도 13은 가이드 부재를 구비하는 다른 실시예의 사시도이다.

본 발명은 특허청구범위의 독립항의 전제부에 따른, 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진용 다중 디퓨저, 및 본 발명에 따른 다중 디퓨저를 구비하는 왕복동 피스톤 연소 엔진에 관한 것이다.

예를 들어 선박 또는 전력 생산을 위한 고정 설비용 대형 디젤 엔진과 같은 왕복동 피스톤 연소 엔진의 성능을 개선시키기 위해, 연소 행정 후에 실린더의 연소실에는 일반적으로 배기가스 과급기로서 설계되는 압력 차징 그룹(pressure charging group) 또는 강제 유도 시스템(forced induction system)에 의해 가압된 신선한 공기가 투입된다. 이와 관련하여, 연소 사이클 후에 연소실을 떠나는 배기 가스의 열에너지의 일부분은 이용될 수 있다. 이를 위해, 고온의 배기가스는 배기 밸브의 개방에 의해 실린더의 연소실로부터 압력 차징 그룹으로 이송된다. 압력 차징 그룹은 본질적으로, 압력 하에 압력 차징 그룹으로 들어가는 고온의 배기가스에 의해 구동되는 터빈으로 구성된다. 터빈은 로터를 구동시키고 이를 통해 신선한 공기가 취입되고 압축된다. 소위 디퓨저(diffuser), 워터 세퍼레이터(water separator)를 구비한 급기 냉각기(charge air cooler), 및 입구 리시버가, 흔히 과급기라고 하며 반드시 그러하지는 않지만 2행정 대형 디젤 엔진의 경우에 레이디얼 컴프레서로서 설계되는 컴프레서인, 로터를 구비하는 터빈의 하류에 연결된다. 따라서 컴프레서로서 로터를 구비하는 터빈으로부터, 압축된 신선한 공기(급기 또는 소기)가 대형 디젤 엔진의 실린더의 개별 연소실에 공급된다. 그러므로 신선한 공기의 공급은 이러한 유형의 압력 차징 그룹을 이용함으로써 증대될 수 있으며 실린더의 연소실 내에서의 연소 과정의 효율이 증대될 수 있다.

대형 디젤 엔진의 경우에 공기의 공급은 실린더의 여러 장소에서 이루어진다. 따라서, 예를 들어 길이방향으로 소기되는 2행정 엔진에서는 공기가 실린더의 하부 영역의 가동면에 배열되는 소기 슬롯을 통해 실린더의 연소실로 도입된다. 4행정 엔진에서는 급기가 일반적으로, 실린더 커버에 배치되는 하나 이상의 흡기 밸브를 통해 실린더의 연소실로 도입된다. 이와 관련하여, 2행정 엔진은 실린더의 하부 영역의 소기 슬롯의 위치에 실린더의 흡기 밸브를 구비하는 것으로 공지되어 있다.

이와 관련하여, 전술한 디퓨저는 실린더에 대한 신선한 공기 공급을 위해 결 정적인 중요성을 갖는다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 디퓨저는 본질적으로 유동 채널이 깔때기 형상으로 확산된 형태이다. 이것은 유동 속도의 지연, 즉 유동 속도를 저하시키는 작용을 하여, 공지된 베르누이의 법칙에 따라 압력 증대가 이루어진다. 디퓨저에서 유동이 디퓨저 내벽으로부터 분리되는 것을 피하고 작동 상태에서 왕복동 피스톤 연소 엔진에서 일반적으로 일어나서 효율을 감소시킬 수 있는 아음속(subsonic) 유동의 와류 형성을 방지하기 위해, 디퓨저의 2θ의 이중 구멍 각도는 약 16˚ 이하, 바람직하게는 8˚이하이어야 한다. 이것은, 디퓨저의 길이방향 축과 디퓨저 벽에 의해 형성되는 구멍 각도가 가급적 약 8˚ 미만, 바람직하게는 4˚ 미만이어야 한다는 것을 의미한다. 이와 관련하여, 특히 원심식 환기장치를 이용할 때, 아음속 디퓨저의 하류에 로터리 펌프, 제트 펌프, 원심식 컴프레서 등을 제공하기 위해 운동 에너지를 압력으로 효과적으로 변환함으로써 에너지를 회수할 필요가 있는 것으로 알려져 있다.

전술한 구멍 각도의 한정은 상당한 단점을 갖는다. 따라서 소정의 효율을 얻기 위해서는 종축의 방향으로 소정의 설치 크기보다 작게 할 수 없다. 이것은, 용도에 따라, 그리고 달성되어야 할 효율의 정도에 따라, 디퓨저는 소정의 최소 길이를 가져야 하는 것을 의미하며, 따라서 이것은, 디퓨저에 의해 연결되어 있는 터보과급기와 급기 냉각기 사이의 2행정 대형 디젤 엔진에서 충분한 공간이 확보되지 않는 경우와 같은 협소한 상황에서는, 매우 불리하다.

다른 한편으로, 이것은, 기하학적으로 경계가 한정되어 있어 디퓨저의 소정의 구조적인 길이가 그 경계를 넘어설 수 없는 경우에는, 유입되는 신선 공기의 운 동 에너지를 압력 에너지로 변환하는 것이 제한된 정도로만 가능하여, 디퓨저의 효율이 감소된다.

어떤 경우에는, 이러한 문제는 소위 다중 디퓨저를 이용함으로써 해결될 수 있다. 당업자들은 복수의 디퓨저를 동심으로 설치하면 다중 디퓨저가 형성된다는 것을 이해하고 있다. 즉, 동일하거나 상이한 구멍 각도를 가지는 상이한 크기의 원뿔 형상의 2개 이상의 중공체가 서로 동심으로 배치된다. 예를 들어 신선한 공기는 디퓨저의 입구로부터 복수의 동심으로 배치된 원뿔 형상의 챔버를 지나 디퓨저의 출구로 이송되기 때문에, 다중 디퓨저의 외측 재킷은 2θ=16˚보다 상당히 큰 구멍 각도를 가질 수 있으며, 내부에 위치된 다중 디퓨저의 원뿔의 표면을 벗어나지 않고 흐르게 된다. 이러한 방식에서, 다중 디퓨저의 구조적인 길이가 일반적인 디퓨저에 비해 단축되었음에도 불구하고, 어떤 경우에는 일반적인 디퓨저에 비해 충분한 정도의 효율 또는 향상된 정도의 효율이 얻어질 수 있다.

왕복동 피스톤 연소 엔진에 사용되기 위한 이러한 종류의 다중 디퓨저의 실시예가 DE 197 10 408 A1에 개시되어 있다.

그러나 상기 공지된 다중 디퓨저는 실제로, 특히 차징 그룹, 즉 터보과급기가 레이디얼 컴프레서로 설계된 왕복동 피스톤 연소 엔진의 경우에는, 와류의 악영향으로 인해 유동의 분리가 초래되고 이로 인해 효율이 상당히 저하되기 때문에 이러한 왕복동 피스톤 연소 엔진에는 그다지 적절하지 않은 것으로 알려져 있어서, 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진에 상기 공지된 다중 디퓨저를 이용하는 것은 의미가 없으며 이러한 이유 때문에, 예를 들어 Waertsilae사의 대형 디젤 엔진에는 지금까지 사용되지 않았다.

한편, 비용 및 구조적인 형상 문제 때문에, 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진에서 디퓨저의 구조적인 길이를 감소시키는 것 및/또는 동시에 종래에 이용되고 있는 디퓨저에 비해 효율을 증대시키는 것이 절박하게 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은, 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진을 위한 것으로, 공지된 디퓨저에 비해 구조적인 길이가 상당히 감소되고, 바람직하게는 이와 관련하여 종래에 이용되었던 디퓨저보다 효율이 더 높거나 공지된 디퓨저와 동일한 구조적 길이를 가지는 경우에는 효율이 상당히 향상된 디퓨저를 제안하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 개선된 디퓨저를 구비하는 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진을 제안하는 것이다.

상기 목적은 독립청구항의 특징에 의해 달성된다.

종속청구항은 본 발명의 바람직한 실시예와 관련된다.

본 발명은 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진용 다중 디퓨저에 관한 것으로, 상기 다중 디퓨저는 길이방향 축을 따라 디퓨저 입구로부터 디퓨저 출구 쪽으로 확장되는 디퓨저 하우징을 포함하고 상기 디퓨저 하우징의 내부에는 디퓨저 인서트가 배치된다. 디퓨저 입구는 배기가스 터보과급기의 출구와 연결 가능하고 디퓨저의 출구는 왕복동 피스톤 연소 엔진의 급기 냉각기와 연결 가 능하여, 왕복동 피스톤 연소 엔진이 작동되고 있는 상태에서 신선한 공기가 배기가스 터보과급기로부터 다중 디퓨저를 통해 급기 냉각기로 공급될 수 있다. 본 발명에 따르면, 다중 디퓨저는 길이방향 축에 대하여 비대칭으로 설계된다.

즉, 배기가스 터보과급기의 출구의 직경을 횡단하고 따라서 디퓨저 입구의 직경을 횡단하여 터보과급기로부터 유출되는 신선한 공기의 속도 분포 프로파일은 상당히 대칭인 블록형 구조를 가지는 것이 확인되었다. 이것은, 배기가스 터보과급기로부터 유출되는 신선한 공기의 속도 벡터가 배기가스 터보과급기의 출구의 단면 영역에서 결코 일정하지 않고, 공급되는 신선한 공기의 속도 벡터의 프로파일은 배기가스 터보과급기의 구조로 인해 비대칭인 것을 의미한다.

배기가스 터보과급기가 예를 들어 그 구조 및 작동 방법이 당업자들에게 오랫동안 공지되어 있는 급기 측의 원심 컴프레서로서 구성되는 경우, 유출되는 가스의 속도 및/또는 방향은, 배기가스 터보과급기의 컴프레서의 출구, 예를 들어 배기가스 터보과급기의 출구의 단면 영역의 내측 에지에 있는 내경의 영역과 상기 출구의 가장 외측 에지에서 상당히 차이가 있다. 배기가스 터보과급기의 출구의 전체 단면 영역을 가로질러 볼 때, 디퓨저 쪽으로 유동하는 신선한 공기의 속도 프로파일은 회전 대칭이 아니다. 즉, 레이디얼 컴프레서의 구조에 의해 미리 결정되거나 적어도 그에 따라 함께 결정되는 속도 프로파일은 비대칭이다.

DE 197 10 408 A1에 개시된 것과 같이 종래의 대칭으로 구성된 다중 디퓨저가 효율의 향상 및 구조적인 길이의 단축에서 원하는 정도를 나타내지 못하는 것은 상기와 같은 이유 때문이다. 즉, 배기가스 터보과급기로부터 대칭인 다중 디퓨저 로 유동되는 공기의 속도 프로파일의 대칭성은 공지된 다중 디퓨저의 높은 대칭성과 호환되지 않기 때문에, 유동하는 신선한 공기가 다중 디퓨저의 특정 영역에 머물게 되어 난류가 발생하고 효율에 상당한 악영향을 주게 된다.

디퓨저로 들어가는 신선한 공기의 속도 프로파일의 이러한 비대칭성은 본 발명의 다중 디퓨저에 의해 고려된 것이며, 본 발명에 따른 다중 디퓨저는 그 길이방향 축에 대하여 비대칭으로 설계된다. 이와 관련하여, 실제의 경우에는 본 발명에 따른 다중 디퓨저의 구조는 배기가스 터보과급기의 출구에서 디퓨저의 입구로 전달되는 속도 프로파일과 부합된다.

이러한 방식에서는 유동이 다중 디퓨저 내부의 특정 표면 영역을 벗어나는 것이 방지되어 효율의 저하가 방지된다.

본 발명에 따른 다중 디퓨저의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 제1 디퓨저 인서트는 디퓨저 출구 쪽 방향으로 확장되는, 특히 직선형 또는 비직선형 원뿔 형상의 중공체로서 설계된다. 예를 들어 하나의 디퓨저 인서트만이 제공되는 경우, 이것은 바람직하게 디퓨저 하우징이 디퓨저 하우징의 길이방향 축에 대하여 비대칭으로 설계된다. 이것은, 무엇보다도 디퓨저 인서트 자체가 원형 대칭인 원뿔이 아닌 것 및/또는 디퓨저 인서트의 길이방향 축이 디퓨저 하우징의 길이방향 축과 평행하지 않거나 동일하지 않은 것으로 구현될 수 있다. 따라서 디퓨저 하우징 자체 또한 대칭으로 설계되지 않는다. 당업자들은, 하나 이상의 디퓨저 인서트가 존재하는 경우에도, 다중 디퓨저의 구조를 유입되는 신선한 공기의 속도 프로파일과 맞추기 위해, 이러한 가능성 및 다른 가능성의 적절한 이용 및/또는 조합을 적절하게 하여 본 발명에 따른 다중 디퓨저의 비대칭성을 이루는 것을 이해할 수 있을 것이다.

이러한 구성에서, 제2 디퓨저 인서트로서 구성되는 디퓨저 인서트가 제공될 수 있으며, 이 제2 디퓨저 인서트는 디퓨저 출구 쪽 방향으로 확장되는, 특히 직선형 또는 비직선형 소형 원뿔의 형상인 소형 몸체로서 구성된다. 따라서 신선한 공기는 제2 디퓨저 인서트를 통과하여 유동하지 않고 그 외측면만을 통과하여 유동할 수 있다. 본 발명에 따른 다중 디퓨저에서는 예를 들어 제2 디퓨저 인서트만이 존재하고 디퓨저 하우징에 더 이상의 디퓨저 인서트는 존재하지 않거나 제2 디퓨저 인서트가 다른 디퓨저 인서트와 조합될 수 있다.

이와 관련하여, 특정 실시예에서는, 유입되는 신선한 공기의 속도 프로파일에 대한 다중 디퓨저의 대칭 적응이, 판금 가이드 형상으로 설계되어서 중실이 아니거나 입구 측 및 출구 측이 개방된 원뿔이 아닌 제3 디퓨저 인서트의 설치에 의해 이루어질 수도 있다.

본 발명의 범위 내에서 명백한 가능한 디퓨저 인서트의 모든 실시예는 본 발명에 따른 다중 디퓨저에서 단독 또는 적절한 조합으로 제공될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

실질적으로 특별히 중요한 실시예에서, 디퓨저 하우징의 하우징 단면 및/또는 디퓨저 인서트의 인서트 단면은 디퓨저 출구의 방향으로 증가하는 단면 표면으로 형성된다.

하우징 단면 및/또는 인서트 단면은 원형 및/또는 타원형 및/또는 규칙적 또 는 불규칙적 다각형의 형상, 특히 삼각형 또는 사각형 또는 오각형의 형상으로 만들어질 수 있다.

디퓨저 하우징 및/또는 디퓨저 인서트는 바람직하게 다중 디퓨저의 길이방향 축에 대하여 일정한 구멍 각도 및/또는 일정하게 변화하는 구멍 각도 및/또는 불연속으로 변화하는 구멍 각도로 연장된다.

이러한 구성에서, 일정한 구멍 각도 및/또는 일정하게 변화하는 구멍 각도 및/또는 불연속으로 변화하는 구멍 각도는 길이방향 축에 대하여 직각으로 측정되는 위도각(polar angle)의 함수이다.

실제로 중요한 구조적 설계에서, 적어도 하나의 디퓨저 인서트 및/또는 디퓨저 하우징은, 전술한 바와 같이, 디퓨저 하우징의 길이방향 축에 대하여 비대칭으로 배치된다.

다중 디퓨저에서 신선한 공기의 유동 방향에 추가적인 영향을 가하기 위해, 디퓨저 하우징 및/또는 디퓨저 인서트는 가이드 부재, 특히 가이드 날개를 가진 배열의 나선형 가이드 부재를 포함하고, 이 가이드 부재는 바람직하게, 배기가스 터보과급기로부터 유입되는 신선한 공기의 주변 유동이 확산될 수 있도록, 특히 축방향 유동으로 확산될 수 있도록, 배치 및 설계된다.

본 발명에 따른 다중 디퓨저의 특히 간단한 실시예에서는 단지 1개의 디퓨저 인서트만이 제공된다.

이러한 구성에서도 원하는 대칭 적용이 이루어질 수 있으며, 다중 디퓨저가 디퓨저 입구로부터 디퓨저 출구로 굴곡진 길이방향 축을 따라 굴곡진 다중 디퓨저 로서 연장된다.

이와 관련하여, 본 명세서에서 설명하는 실시예들은 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 특히 상세하게 설명하지 않은 모든 적절한 조합 또한 본 발명에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명은 전술하였으며 이하에서 첨부도면을 참조하여 후술할 다중 디퓨저를 구비하는 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진에 관한 것이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은, 길이방향으로 소기되며 본 발명에 따른 다중 디퓨저를 구비하는 2행정 대형 디젤 엔진으로 형성되고 그 전체를 이하에서 참조부호 1로 나타내는 대형 디젤 엔진의 여러 구성요소의 상호작용, 대형 디젤 엔진의 배기가스 터보과급기의 원리 구성을 나타내는 개략도이다.

대형 디젤 엔진은 일반적으로, 실린더 커버에 배치되는 배기 밸브(1001)를 구비하는 복수의 실린더(1000)를 포함하며, 실린더(1000)의 내부에는 피스톤(1002)이 배치되어 가동면을 따라 하사점(UT)과 상사점(OT) 사이에서 왕복동한다. 실린더 커버를 구비하는 실린더(1000) 및 피스톤(1002)은 공지된 방식으로 실린더(1000)의 연소 공간을 형성한다. 실린더의 하부 영역에는 복수의 소기용 공기 구멍(1003)이 제공되며 이 소기용 공기 구멍(1003)은 소기용 슬롯(1003)으로서 구성된다. 피스톤(1002)의 위치에 따라, 소기용 슬롯(1003)은 피스톤(1002)에 의해 덮이거나 노출된다. 소기용 공기(9)인 신선한 공기는 소기용 공기 구멍(1003)을 통해 실린더(1000)의 연소 공간으로 유입될 수 있다. 연소 중에 발생되는 배기가스(1004)는 실린더 커버에 배치되는 배기 밸브(1001)를 통해 유동하고 배기 밸브(1001)에 연결되는 배기 라인(1005)을 통해 배기가스 터보과급기(7)로 유동한다.

그 자체가 공지된 배기가스 터보과급기(7)는, 필수 구성요소로서, 공기(9)의 압축을 위한 컴프레서 로터(711)를 구비하는 컴프레서(71), 및 컴프레서 로터(711)를 구동시키는 터빈 로터(721)를 구비하는 터빈(72)을 포함하고, 컴프레서 로터(711)는 샤프트에 의해 터빈 로터(721)에 고정되게 연결된다. 터빈(72) 및 컴프레서(71)는 하우징 내부에 배치되며, 본 발명의 경우에 컴프레서 측의 레이디얼 컴프레서로서 형성되는 배기가스 터보과급기를 형성한다. 터빈(72)은 실린더(1000)의 연소 공간으로부터 유입되는 고온의 배기가스(1004)에 의해 공지된 방식으로 구동된다.

실린더(1000)의 연소 공간을 소기용 공기(9)로 채우기 위해, 신선한 공기(9)는 컴프레서 로터(711)에 의해 유도 스터브(induction stub)를 통해 흡입되어 배기가스 터보과급기에서 압축된다. 압축된 신선한 공기(9)는 배기가스 터보과급기(7)로부터 하류의 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)를 통과하고 가압 라인을 통해 급기 냉각기(8)를 통과하여 입구 리시버(1006)로 유동한 후, 압축된 신선한 공기(9)는 최종적으로 가압된 상태로 소기용 슬롯(1003)을 통과하여 실린더(1000)의 연소실로 들어간다.

레이디얼 컴프레서로 구성되는 배기가스 터보과급기(7)는 도 2에 다소 상세히 도시되어 있다. 레이디얼 컴프레서는 그 자체가 공지된 것이다. 이들 컴프레 서는 가동 전달을 위한 반경방향 속도 성분을 가지는 둘레 성분과 별개인 로터 유동을 구비하는 컴프레서이다.

따라서 공기는 레이디얼 컴프레서의 임펠러에 의해 압축되고 배기가스 터보과급기(7)의 출구(6) 및 디퓨저 입구(2)를 통해 소정의 속도(V)로 디퓨저(1)로 이송된다.

이와 관련하여, 배기가스 터보과급기(7)의 출구(6)의 인서트 단면(500) 위의 소정의 단면 좌표(X) 및 이에 따른 하우징 단면(400) 위의 단면 좌표를 고려하면, 배출되는 신선한 공기(9)의 속도(V)는 단면 좌표(X)에 좌우되며 따라서 단면 표면(400, 500)에서 일정하지 않다. 이것은, 배기가스 터보과급기(7)의 소정 좌표(X)로부터 다중 디퓨저(1)로 들어가는 신선한 공기(9)의 속도(V)는 단면 표면(400, 500)의 적어도 하나의 좌표(X)의 함수인 속도 프로파일(P)을 따른다는 것을 의미한다.

배기가스 터보과급기(7)로부터 제공되는 신선한 공기(9)의 속도 프로파일(P)의 이러한 비대칭성은, 예를 들어 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)의 비대칭 구조에 의해 고려된다. 도 3의 예시에서, 신선한 공기(9)는 배기가스 터보과급기(7)로부터 디퓨저 입구(2)를 통해 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)로 이송된다. 다중 디퓨저(1)에서, 유입되는 신선한 공기(9)의 속도는 그 자체로 공지된 방식으로 감소되고, 이로 인해 베르누이의 법칙에 따라 신선한 공기(9)의 압력 증대가 이루어지며, 따라서 압력이 증대된 상태로 급기 냉각기(8)로 들어간다. 이와 관련하여, 도 3의 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)는, 디 퓨저 출구(3) 쪽 방향으로 확장되는 비직선형 원뿔(51) 형상의 하나의 디퓨저 인서트(5, 51)를 포함한다. 디퓨저 하우징(4)은 디퓨저 인서트(51)와 마찬가지로, 다중 디퓨저(1)의 길이방향 축(L)에 대하여 비대칭으로 설계되며, 이로 인해 유입되는 신선한 공기(9) 유동의 속도 분포의 속도 프로파일(P)의 비대칭 형상이 이상적으로 고려되어, 도 3의 다중 디퓨저(1)가 커다란 구멍 각도를 가지며 구조적인 길이가 비교적 짧다고 하더라도 다중 디퓨저(1)에서 신선한 공기(9)의 유동이 벗어나지 않기 때문에 본 발명에 따른 다중 디퓨저에서 높은 효율이 얻어질 수 있다.

도 4에는 도 3의 본 발명에 따른 다중 디퓨저가 중실의한 디퓨저 인서트(5, 52)를 구비하는 제2 실시예를 나타낸다. 도 4에 예시한 구성은 상세하게 전술한 도 3의 구성과 실질적으로 동일하지만, 도 4에서 디퓨저 인서트(5, 52)는 도 3에서와 같이 비직선형 원뿔(51)의 형상으로 확장되는 중공체(51)가 아니라, 디퓨저 출구 쪽 방향으로 확장되는 중실체(52)인 비직선형의 중실의 원뿔(52) 형상으로 설계되어, 신선한 공기(9)는 중실의 원뿔(52)의 외측 둘레로만 유동하고 중실의 원뿔(52)을 통과하지는 않는다.

중실의 디퓨저 인서트(52)가 사용되는가 또는 중공의 디퓨저 인서트(51)가 사용되는가 하는 것은, 무엇보다도 다중 디퓨저(1)로 유입되는 신선한 공기(9)의 속도 분포의 속도 프로파일(P)의 특별한 형태에 좌우되며/또는 배기가스 터보과급기(7) 및/또는 급기 냉각기(8)의 특정한 설계와 같은 추가의 경계 조건 및/또는 예를 들어 다중 디퓨저(1) 자체의 크기 및 형상으로 만들어져야 하는 요구와 같은 다른 경계 조건에 의해 결정된다.

도 5는 비대칭으로 배치된 2개의 디퓨저 인서트(5)를 구비하는 다중 디퓨저(1)의 단면도이다. 다중 디퓨저(1)의 디퓨저 하우징(4)은 그 자체가 다중 디퓨저(1)의 길이방향 축(L)에 대하여 비대칭인 타원형 형상으로 형성되어 있다. 또한, 2개의 디퓨저 인서트(5, 51)는 도 5의 실시예에서 디퓨저 출구(3) 방향으로 확장되는 중공의 직선형 원뿔(5, 51)로 형성되며, 디퓨저 출구(5)는, 도 5에는 명확하게 도시하지 않았지만, 디퓨저 하우징(4) 내에서 다중 디퓨저(1)의 길이방향 축(L)에 대하여 비대칭으로 배치된다.

도 6은 비대칭으로 형성된 2개의 디퓨저 인서트(5)를 구비하는 다중 디퓨저(1)의 다른 실시예에 대한 단면도이다. 도6의 예시에서, 디퓨저 하우징(4)은 도 5의 예시와 마찬가지로 타원형 형상이며, 그 내부에 2개의 디퓨저 인서트(5)가 중공의 타원형 디퓨저 인서트(51)로서 형성되어 있다. 즉, 길이방향 축(L)에 대한 다중 디퓨저(1)의 비대칭은 디퓨저 하우징(4) 및 디퓨저 인서트(5, 51)의 비대칭 형상에 의해 이루어진다.

바람직한 실시예에서, 디퓨저 인서트(5)의 한쪽 벽은 다공성, 즉 보어 또는 구멍이 제공될 수도 있어서, 다중 디퓨저(1) 내의 유동이, 유입되는 신선한 공기(9)의 기하학적 형상 및/또는 속도 프로파일(P)에 따라 적절한 방식으로 바람직하게 영향을 받을 수도 있다.

도 7은 디퓨저 하우징(4)의 구멍 각도(α₂)가 일정하게 변화하는 다중 디퓨저(1)의 종단면도이고, 도 8은 도 7의 예시에 대한 사시도이다.

도 7 및 도 8에 따른 다중 디퓨저는 디퓨저 출구(3) 쪽 방향으로 확장되는 중공의 원뿔로 형성되는 하나의 디퓨저 인서트(5)만을 갖는다. 도면에서는 디퓨저 하우징(4)만을 명확하게 나타내기 위하여 디퓨저 인서트(5, 51)는 도시하지 않았다.

도 7은 디퓨저 하우징(4)의 구멍 각도(α₂)가 길이방향 축(L)의 방향에서 일정하게 변화되는 것을 명백하게 나타내고 있으며, 구멍 각도(α₂)는 디퓨저 입구(2) 쪽으로 일정하게 작아지는 반면, 디퓨저 인서트(5, 51)의 구멍 각도(α₁)는 길이방향 축(L)을 따라 일정하게 유지된다.

또한 일정하게 변화하는 구멍 각도(α₂)는 위도각(ψ)의 함수이며, 이로 인해 도 7 및 도 8에 따른 다중 디퓨저(1)의 비대칭이 형성된다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 것으로, 다중 디퓨저(1)의 디퓨저 인서트(5)가 굴곡진 길이방향 축(L)을 가짐으로써, 다중 디퓨저(1)로 유입되는 신선한 공기(9)의 속도 분포의 프로파일(P)은 마찬가지로 본 발명의 다중 디퓨저(1)의 효율을 증대시키도록 바람직하게 고려될 수 있다.

도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)의 2개의 실시예를 나타내는 것으로, 판금 가이드(5, 53)를 구비한다. 도 10 및 도 11에 따른 다중 디퓨저(1)의 디퓨저 인서트(5, 53)는, 디퓨저 출구(3) 쪽 방향으로 확장되는 중공체(5, 51)가 아니고, 길이방향 축(L)에 대하여 다중 디퓨저(1)의 디퓨저 하우징(4) 내에 비대칭으로 제공되는 각각의 판금 가이드(53)이다.

도 12는 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)가 나선형 가이드 부재(10)를 구비하고 있는 것을 단면으로 나타낸 것이며, 나선형 가이드 부재(10)는, 작동 상태에서 배기가스 터보과급기(7)로부터 배출되는 신선한 공기(9)의 주변 유동이 축방향 유동으로 확장될 수 있도록 배치 및 설계된다.

도 13은 본 발명에 따른 다중 디퓨저(1)가 가이드 부재(10)를 구비하고 있는 다른 실시예를 나타내는 사시도이며, 가이드 부재(10)는 마찬가지로 바람직한 방식으로 그리고 도 13에 도시한 바와 같이 유입되는 신선한 공기(9)가 확장되며, 다중 디퓨저(1)의 둘레 방향으로 향하는 신선한 유입 공기의 속도 성분이 축방향 성분으로 변환되어, 다중 디퓨저(1)로부터 유출되는 신선한 공기(9)는 본질적으로 하나의 축방향 속도 성분만을 가지게 된다. 도 13의 실시예에서 가이드 부재(10)는, 디퓨저 인서트(5)를 디퓨저 하우징(4)에 부착하거나 디퓨저 인서트(5)를 디퓨저 하우징(4)에 고정시키는 역할을 하며, 가이드 부재(10)는 예를 들어 디퓨저 인서트(5)의 외벽 및 디퓨저 하우징(4)의 내벽 모두에 용접, 나사결합, 또는 다른 적절한 방식으로 고정되어 연결된다.

따라서, 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진을 위한 다중 디퓨저에서는 유입되는 신선한 공기의 속도 프로파일이 매우 비대칭이며, 유동이 내부로부터 벗어나지 않기 때문에 와류가 형성되지 않는다. 따라서 다중 디퓨저는 상당히 커다란 구멍 각도를 허용할 수 있어서, 그 구조적인 길이가 상당히 감소될 수 있으며, 종래의 디퓨저 또는 공지된 대칭형 다중 디퓨저에 비해 효율이 떨어지지 않는다. 구조적인 길이가 결정적인 역할을 하지 않는 경우, 본 발명에 따른 다 중 디퓨저를 통해 효율의 상당한 증대가 이루어질 수 있으며, 종래의 디퓨저 또는 다중 디퓨저의 구조적인 길이는 유지된다.

본 발명에 따르면, 공지된 디퓨저에 비해 구조적인 길이가 상당히 감소되고, 종래에 이용되었던 디퓨저보다 효율이 더 높거나 공지된 디퓨저와 동일한 구조적 길이에 대하여 효율이 상당히 향상된 디퓨저, 및 이렇게 개선된 디퓨저를 구비하는 왕복동 피스톤 연소 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진이 제공된다.

Claims

왕복동 피스톤 연소 엔진용 다중 디퓨저에 있어서,

상기 다중 디퓨저는 길이방향 축(L)을 따라 디퓨저 입구(2)로부터 디퓨저 출구(3) 쪽으로 확장되는 형태의 디퓨저 하우징을 포함하고, 상기 디퓨저 하우징(4)의 내부에는 디퓨저 인서트(5, 51, 52, 53)가 배치되며, 상기 디퓨저 입구(2)는 배기가스 터보과급기(7)의 출구와 연결 가능하고 상기 디퓨저의 출구(3)는 상기 왕복동 피스톤 연소 엔진의 급기 냉각기(8)와 연결 가능하여, 상기 왕복동 피스톤 연소 엔진이 작동되고 있는 상태에서는 신선한 공기(9)가 상기 배기가스 터보과급기로부터 상기 다중 디퓨저를 통해 상기 급기 냉각기로 도입될 수 있으며,

상기 디퓨저 하우징과 상기 디퓨저 인서트는 서로 포개져 위치하여 상기 다중 디퓨저를 형성하고,

상기 다중 디퓨저의 상기 디퓨저 하우징과 상기 디퓨저 인서트 모두가 상기 길이방향 축(L)에 대하여 비대칭으로 설계되어 있고,

상기 디퓨저 하우징과 상기 디퓨저 인서트의 비대칭 설계는, 상기 신선한 공기의 유동이 상기 다중 디퓨저 내에서의 표면으로부터 분리되는 것을 방지하기 위하여, 상기 디퓨저 입구에서의 상기 신선한 공기의 속도 프로파일에 따라 조절되는,

다중 디퓨저.
제1항에 있어서,

상기 디퓨저 인서트 중 적어도 제1 디퓨저 인서트(51)는 상기 디퓨저 출구(3) 쪽 방향으로 확장되는 중공체(51)로 설계되어 있는, 다중 디퓨저.
제2항에 있어서,

상기 중공체(51)는 직선형 또는 비직선형 원뿔(51) 형태로 설계되어 있는, 다중 디퓨저.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 디퓨저 인서트 중 제2 디퓨저 인서트(52)는 상기 디퓨저 출구(3) 쪽 방향으로 확장되는 중실체(compact body)(52)로 설계되어 있는, 다중 디퓨저.
제4항에 있어서,

상기 중실체(52)는 직선형 또는 비직선형 원뿔(52) 형태로 설계되어 있는, 다중 디퓨저.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 디퓨저 인서트 중 제3 디퓨저 인서트(53)는 판금 가이드(sheet metal guide)(53)의 형태로 설계되어 있는, 다중 디퓨저.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 디퓨저 하우징(4)의 하우징 단면(400), 상기 디퓨저 하우징(4)의 인서트 단면(500), 및 상기 디퓨저 인서트(5)의 인서트 단면(500) 중 적어도 하나는, 상기 디퓨저 출구(3)의 방향으로 증가하는 단면 영역(400, 500)으로 형성되는, 다중 디퓨저.
제7항에 있어서,

상기 하우징 단면(400)과 상기 인서트 단면(500) 중 적어도 하나는, 원형, 타원형, 및 규칙적 또는 불규칙적 다각형의 형상 중 적어도 하나로 되어 있는, 다중 디퓨저.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 디퓨저 하우징(4)의 구멍 각도(α₂)와 상기 디퓨저 인서트(5)의 구멍 각도(α₁) 중 적어도 하나는, 상기 길이방향 축(L)에 대하여, 일정한 구멍 각도, 일정하게 변화하는 구멍 각도, 및 불연속으로 변화하는 구멍 각도 중 적어도 하나로 연장되는, 다중 디퓨저.
제9항에 있어서,

상기 디퓨저 인서트(5)의 구멍 각도(α₁)는 상기 길이방향 축(L)을 따라 일정하지만, 상기 디퓨저 하우징(4)의 구멍 각도(α₂)는 상기 길이방향 축(L)을 따라 증가하는, 다중 디퓨저.
제9항에 있어서,

상기 디퓨저 인서트(5)의 구멍 각도(α₁)와 상기 디퓨저 하우징(4)의 구멍 각도(α₂)는, 상기 길이방향 축(L)에 대하여 직각으로 측정되는 위도각(polar angle)(ψ)의 함수인, 다중 디퓨저.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 디퓨저 하우징(4)과 상기 디퓨저 인서트(5) 중 적어도 하나는 가이드 부재(10)를 포함하는, 다중 디퓨저.
제12항에 있어서,

상기 가이드 부재(10)는 상기 배기가스 터보과급기로부터 배출되는 신선한 공기(9)의 주변 유동(peripheral flow)이 전환될 수 있도록, 배치 및 설계되는, 다중 디퓨저.
제12항에 있어서,

상기 가이드 부재(10)는 나선형 가이드 부재(10)인, 다중 디퓨저.
제12항에 있어서,

상기 가이드 부재(10)는 가이드 날개(10)를 가진 기구인, 다중 디퓨저.
제13항에 있어서,

상기 신선한 공기(9)의 주변 유동은 축방향 유동으로 전환될 수 있는, 다중 디퓨저.
제1항에 있어서,

단지 1개의 디퓨저 인서트(5)를 구비하는, 다중 디퓨저.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 다중 디퓨저는, 상기 디퓨저 입구(2)로부터 상기 디퓨저 출구(3)로, 굴곡진 길이방향 축(L)을 따라 굴곡진 다중 디퓨저로서 연장되는, 다중 디퓨저.
제1항 또는 제2항에 따른 다중 디퓨저(1)를 구비하는 왕복동 피스톤 연소 엔진.