KR101408292B1 - 기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 점화 장치를 구비한 가스 엔진 - Google Patents

기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 점화 장치를 구비한 가스 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소실(1) 또는 예비 챔버(3) 내에 돌출하여 기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 하나 이상의 점화 장치(2)를 구비한, 기체 연료 공기 혼합물의 연소를 위한 가스 엔진, 특히 가스 오토(Otto) 엔진에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 상기 점화 장치(2)는 고압 가스 분사기(4)와, 열 차폐부(6)를 가진 가열 소자(5)를 포함한다. 상기 고압 가스 분사기(4)와 상기 가열 소자(5) 사이의 이격 거리는, 고압 가스 분사기(4)에 의해 공급된 기체 연료가 가열 소자(5)의 영역에서, 시동 과정 중에 가열 소자(5)가 고압축된 기체 연료를 점화하기 위한 자체 점화 온도를 능동적으로 제공할 수 있는 체적(7)을 규정하도록, 선택됨으로써, 상기 고압축된 자체 점화된 기체 연료는 다시 상기 메인 연소실(1)에 공급되는 가스의 점화 장치로서 사용될 수 있다.
연소실, 예비 챔버, 점화 장치, 고압 가스 분사기, 열 차폐부, 가열 소자, 체적.

Description

기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 점화 장치를 구비한 가스 엔진{GAS ENGINE WITH AN IGNITION DEVICE FOR IGNITING THE GASEOUS FUEL-AIR-MIXTURE}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 점화 장치를 구비한 혼합물 압축식 가스 엔진, 특히 가스 오토(Otto) 엔진에 관한 것이다.
가스 엔진에서는 기체 연료 공기 혼합물이 연소되고, 기체 연료 공기 혼합물은 가스 엔진의 하나 이상의 점화 장치에 의해 점화된다. 선행 기술에 공지된 가스 엔진에서 점화 장치는 점화 플러그로서 형성되고, 상기 점화 플러그는 분할되지 않은 하나의 연소실 내에 또는 메인 연소실로부터 분할된 예비 챔버 내에 돌출하고, 기체 연료 공기 혼합물은 연소실 내에서 또는 예비 챔버 내에서 점화한다. 엔진 출력이 상승함에 따라 점화를 위해 과도하게 높은 점화 에너지 및 점화 온도가 필요하다. DE 102 17 996 A1 에는 자체 점화형 혼합물 압축식 내연 기관이 공지되어 있으며, 상기 내연 기관에서 기체 연료 공기 혼합물의 점화는 점화 장치에 의해 이루어지며, 점화 에너지를 제공하는 점화 장치의 점화 소스는 점화될 연료 공기 혼합물 또는 점화될 연료 공기 혼합물로 이루어진 기체 분위기와 직접적으로 접촉한다. 여기서, 높은 점화 에너지는 분사에 의해 소위 점화 플러그 방법에서보다 많이 제공된다. 상기 선행 기술에 따르면, 점화 장치의 점화 소스가 부식 조건에 노출되기 때문에, 이것의 조기 마모가 나타날 수 있다. 이로 인해, 수명 또는 서비스 간격이 단축되고 그에 따라 가스 엔진에 대한 비용이 증가한다.
본 발명의 과제는 새로운 가스 엔진 및 가스 엔진용의 새로운 점화 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 가스 엔진에 의해 해결된다.
본 발명은 자체 점화식 점화 장치를 구비한 기체 연료용 외부 점화형 혼합물 압축식 내연 기관, 즉 메인 연소실 또는 예비 챔버 내에 돌출하여 기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 하나 이상의 점화 장치를 구비한 가스 엔진, 특히 가스 오토(Otto) 엔진으로서, 상기 점화 장치는 고압 가스 분사기와, 열 차폐부를 가진 가열 소자를 포함하고, 상기 가열 소자와 상기 고압 가스 분사기 사이의 이격 거리는, 고압 가스 분사기에 의해 공급된 기체 연료가 가열 소자의 영역에서, 시동 과정 중에 가열 소자가 고압축된 기체 연료를 점화하기 위한 자체 점화 온도를 능동적으로 제공할 수 있는 체적을 규정하도록, 선택됨으로써, 고압축된 자체 점화된 기체 연료가 다시 메인 연소실에 공급되는 가스의 점화 장치로서 사용될 수 있는, 가스 엔진을 기술한다.
바람직하게, 기체 연료는 고압 가스 분사기를 벗어날 때 열역학적 프로세스의 최종 압축 압력보다 약 1.5 내지 3 배 높은 압력을 갖는다.
바람직하게, 작동을 위해 제공된 전체 기체 연료의 0.2 % 내지 50 %, 특히 0.5 % 내지 1.5 % 가 고압축되어 고압 가스 분사기에 의해 점화 장치를 통과한다.
바람직하게 전체 기체 연료의 약 0.5 % 내지 1.5 %로 고압축되어 공급된 기체 연료는 최적의 작동 값 및 작동 특성을 야기한다.
바람직한 제 1 실시예에서, 점화 장치는 메인 연소실로부터 분할된 예비 챔버 내에 통합되고, 상기 예비 챔버는 하나 이상의 오버블로잉(overblowing) 개구를 통해 메인 연소실과 연결된다. 오버블로잉 개구의 전체 단면적에 대한 예비 챔버의 체적의 비율은 바람직하게 50 내지 80 ㎤/㎠이다. 예비 챔버의 체적은 압축 종료 시에 바람직하게는 메인 연소실의 약 0.5 내지 5 % 이다.
본 발명에 따라 미리 정해진, 메인 연소실에 대한 분출 개구부의 단면적에 대한 예비 챔버의 비율에 의해, 적은 사이클 변동이 나타남으로써, 내연 기관의 안정적인 작동이 이루어진다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 점화 장치는 메인 연소실 내에 통합되고, 점화 개시를 위한 점화 가능한 혼합물을 갖는 체적은 고압축되어 분사되는 기체 연료의 제트 확산[f(t)]에 의해 결정된다.
본 발명에 의해, 선행 기술의 단점을 갖지 않는 새로운 가스 엔진이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속 청구항 및 하기 설명에 제시된다. 아래에 본 발명의 실시예가 도면을 참고하여 설명되지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
도 1은 가스 오토(Otto) 엔진을 개략적으로 도시한다. 연소실에 직접 공급된 기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위해, 점화 장치(2)가 가스 엔진의 도시되지 않은 연소실 내에 돌출한다. 점화 장치(2)는 고압 가스 분사기(4) 및 가열 소자(5)를 포함하고, 상기 가열 소자(5)는 열 차폐부(6)를 포함한다. 상기 가열 소자(5)와 상기 고압 가스 분사기(4) 사이의 이격 거리는, 고압 가스 분사기(4)에 의해 공급된 기체 연료가 가열 소자(5)의 영역에서, 시동 과정 중에 가열 소자(5)가 고압축된 기체 연료를 점화하기 위한 자체 점화 온도를 능동적으로 제공할 수 있는 체적(7)을 규정하도록, 선택된다.
점화는 적은 양의 기체 연료가 고압 가스 분사기(4)를 통해 가열 소자(5)의 뜨거운 표면 근처로 분사됨으로써 이루어진다. 가열 소자(5)의 상기 표면은 시동 과정 중에 능동적으로 가열되고, 시동 과정의 종료 후에 상기 표면은 연소 에너지에 의해 가열되는 축열기로서 작용한다. 상기 표면은 능동 가열 및 수동 가열을 위해 하나의 부품(5)(도 1의 좌측)으로 또는 2개의 서로 분리된 부품(5a, 5b)의 형태로 실시될 수 있다. 이때, 고압 가스 분사기(4)는 커먼 레일 시스템의 분사기 개념과 유사하게 실시되는 고압 분사 밸브를 포함할 수 있다.
도 2에 따른 실시예에서, 점화 장치는 메인 연소실(1)로부터 분할된 예비 챔버(3) 내에 통합되고, 상기 예비 챔버는 하나 이상의 오버블로잉 개구를 통해 메인 연소실(1)과 연결된다. 예비 챔버(3)는 오버블로잉 개구의 전체 단면적에 대한 예비 챔버(3)의 체적의 비율이 50 내지 80 ㎤/㎠가 되도록 실시된다. 예비 챔버(3)의 체적은 압축 종료 시에 메인 연소실(1)의 체적의 약 0.5 내지 5 %가 되도록 설계된다.
연소 가스의 자체 점화를 위해 예비 챔버(3) 내의 압력이 신속히 상승하기 때문에, 부분적으로 연소된 가스는 오버블로잉 개구를 통해 메인 연소실(1) 내로 오버블로잉되고, 거기서 연소 가스 공기 혼합물이 점화한다. 오버블로잉 개구의 단면적에 대한 예비 챔버(3)의 체적의 미리 정해진 비율에 의해, 예비 챔버(3) 내에서 최적의 압력 상승과 후속하는 메인 연소실(1) 내로의 강력한 취출이 이루어질 수 있어서, 메인 연소실(1) 내에서 연소 가스 공기 혼합물의 안정적인 점화가 이루어진다.
수동적 작동 중에도 가열 소자(5)는 점화 소스로서 사용되는데, 그 이유는 예비 챔버의 점화 에너지에 의해 공급된 에너지가 점화 장치(2)를 자체 점화 온도로 유지시키기 때문이다(원리: 수동적 축열기의 캐리어).
도 3에 따른 실시예에서, 점화 장치(2)는 메인 연소실(1) 내에 통합된다. 점화 개시를 위한 점화 가능한 혼합물을 갖는 체적은 제트 확산(f(t))에 의해 결정된다. 기체 연료는 열역학적 프로세스의 최종 압축 압력보다 약 1.5 내지 3 배 더 높은 압력으로 체적(7) 내로 분사된다. 작동을 위해 사용되는 전체 기체 연료의 0.2 내지 50 %, 바람직하게는 작동을 위해 사용되는 전체 기체 연료량의 0.5 내지 1.5% 만이 고압축되어 체적(7) 내로 분사된다. 고압 분사기(4)를 통해 차폐부(6)를 가진 가열 소자(5)의 주변에 형성된 점화 가능한 혼합물은 가열 소자(5)의 뜨거운 표면에 의한 필요한 자체 점화 온도의 제공에 의해 자체 점화된다. 자체 점화된 연료 가스는 메인 연소실(1) 내로 직접 공급(8)에 의해 공급되는 가스 공기 혼합물(λ는 약 2.2) 형태의 메인 연료용 점화 장치로서 사용되기 때문에, 여기서는 외부 점화식 내연 기관의 원리가 실현된다.
전술한 실시예에서, 고압 가스 분사기(4)는 고압 분사 밸브를 포함한다. 상기 가스 밸브는 가동 니들을 가진 니들 시트를 특징으로 하며, 상기 니들은 스위칭 장치에 의해 니들 시트와 니들 사이의 횡단면을 개방하며, 상기 횡단면을 통해 개방된 횡단면과 가해진 압력 차이에 의해 결정되는 가스량이 분사된다. 가스 분사 밸브에 가해지는 가스 압력은 열역학적 프로세스의 최종 압축 압력보다 약 1.5 내지 3 배 더 높다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 엔진, 특히 본 발명에 따른 점화 장치의 원리를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 엔진의 개략도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 엔진의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 메인 연소실
2 : 점화 장치
3 : 예비 챔버
4 : 고압 가스 분사기
5 : 가열 소자
5a, 5b : 서로 분리된 부품으로서의 가열 소자
6 : 열 차폐부
7 : 체적
8 : 메인 연소실 내로의 직접 공급

Claims (10)

  1. 메인 연소실 또는 예비 챔버 내에 돌출하여 기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 하나 이상의 점화 장치를 구비하는, 기체 연료 공기 혼합물의 연소를 위한 가스 엔진에 있어서, 상기 점화 장치(2)는 고압 가스 분사기(4)와, 열 차폐부(6)를 갖는 가열 소자(5)를 포함하고, 상기 고압 가스 분사기(4)에 대한 상기 가열 소자(5)의 배치는, 상기 고압 가스 분사기(4)에 의해 공급된 기체 연료가 상기 가열 소자(5)의 영역에서, 시동 과정 중에 상기 가열 소자(5)가 고압축된 기체 연료를 점화하기 위한 자체 점화 온도를 능동적으로 제공할 수 있는 체적(7)을 규정하도록, 선택됨으로써, 자체 점화된 고압축된 기체 연료는 다시 상기 메인 연소실(1)에 공급되는 가스의 점화 장치로서 사용될 수 있으며, 작동을 위해 사용되는 전체 기체 연료의 0.5 % 내지 1.5 % 는 고압축되어, 상기 고압 가스 분사기(4)에 의해 상기 점화 장치(2)를 통과하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기체 연료는 상기 고압 가스 분사기(4)로부터 분사될 때에 열역학적 프로세스의 최종 압축 압력보다 1.5 배 내지 3 배 높은 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 고압 가스 분사기(4)는 고압 분사 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가열 소자(5)의 표면은 능동 가열 및 수동 가열의 경우를 위해 하나의 부품(5) 또는 2개의 서로 분리된 부품(5a, 5b)으로 실시되는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  7. 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점화 장치(2)는 상기 메인 연소실(1)로부터 분할된 예비 챔버(3) 내에 통합되고, 상기 예비 챔버는 하나 이상의 오버블로잉 개구를 통해 상기 메인 연소실(1)과 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  8. 제7항에 있어서, 상기 오버블로잉 개구의 전체 단면적에 대한 상기 예비 챔버(3)의 체적의 비율은 50 내지 80 ㎤/㎠인 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  9. 제7항에 있어서, 상기 예비 챔버(3)의 체적은 압축 종료 시에 상기 메인 연소실(1)의 체적의 0.5 내지 5 % 인 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  10. 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점화 장치(2)는 메인 연소실(1)에 통합되고, 점화 개시를 위한 점화 가능한 혼합물을 갖는 체적(7)은 고압축되어 분사되는 기체 연료의 제트 확산[f(t)]에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
KR1020080114570A 2007-12-15 2008-11-18 기체 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 점화 장치를 구비한 가스 엔진 KR101408292B1 (ko)

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