KR101617915B1 - 연소기관용 예비 챔버 장치 - Google Patents

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Abstract

연소기관 (1) 의 실린더 헤드 (2) 에 끼워 맞춰지는 예비 챔버 장치는 서로 지지되고 함께 실질적으로 예비 챔버 (3) 를 규정하는 개별 본체부 (4) 와 노즐부 (5) 를 포함하고, 상기 예비 챔버 (3) 는 상기 노즐부 (5) 의 노즐 개구부 (5a) 들을 통해서 실린더 (6) 의 주 연소 영역 (7) 에 연결된다. 상기 예비 챔버 장치는 개별 예비 챔버 브라켓 (8) 을 더 포함하고, 이 예비 챔버 브라켓은 상기 실린더 헤드 (2) 와 상기 예비 챔버 (3) 사이에 배열되고, 상기 본체부 (4) 와 상기 노즐부 (5) 는 이 예비 챔버 브라켓을 통해 상기 실린더 헤드 (2) 상에 지지된다.

Description

연소기관용 예비 챔버 장치{PRE-CHAMBER ARRANGEMENT FOR A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 연소기관용 예비 챔버 장치에 관한 것이다.
연소기관에서, 연료와 공기의 혼합물이 연소함에 따라 질소 산화물 (NOx) 이 생성된다. 통상적으로, 질소 산화물의 양은 연소 온도가 증가함에 따라 증가한다. 특히, 고 피크 연소 온도는 질소 산화물의 형성을 증가시킬 것이다. 연료 혼합물의 공연비 (air/fuel ratio) 를 증가시킴으로써, 즉 더 희박한 연료 혼합물 (leaner fuel mixture) 을 사용함으로써 피크 연소 온도 그리고 따라서 연소에서 형성된 질소 산화물의 양은 감소될 수 있다. 특히 압축 점화에 기초한 디젤 엔진들에서, 상당한 양의 질소 산화물이 생성된다. 그러므로, 가스 엔진들에서 더 적은 질소 산화물이 생성된다는 그 이유 때문에 종종 가스 엔진들의 사용이 요구된다. 그러나, 희박 연료 혼합물 때문에, 특히 실린더의 직경이 큰 피스톤 엔진들에서, 연소는 불완전할 수 있다.
사용된 연료 혼합물의 농후성 (richness) 에 따라, 희박 혼합물 또는 오토 (otto) 엔진에서의 점화는 스스로 필연적으로 일어나지 않고, 오히려 스파크 플러그들과 같은 보조장치들이 점화를 야기하는데 필요하다. 연소를 강화시키고 점화 가능 수단을 보호하기 위해서, 몇몇 희박 혼합물 엔진들에서는 예비 챔버가 사용되고, 이 예비 챔버는 실린더의 연소 영역에 연결된다. 더 농후한 연료 혼합물이 예비 챔버 안으로 공급되고, 이 더 농후한 연료 혼합물은 점화되고 연소 영역 안으로 안내되어서, 연소 영역 안의 더 희박한 연료 혼합물이 점화된다. 예비 챔버는 특히 연료로서 가스를 사용하는 희박 혼합물 엔진들에서 사용된다. 이 경우, 예비 챔버에는 일반적으로 스파크 플러그가 제공되고, 이 스파크 플러그에 의해 더 농후한 연료 혼합물이 점화된다.
일반적으로, 예비 챔버들은 회전 대칭이다. 연료가 점화되는 실제 챔버 영역은 다양한 형상일 수 있고 예를 들어, 구형 또는 타원형일 수 있다. 예비 챔버는 채널에 의해 주 연소 영역에 연결되고, 이 채널은 각각의 노즐 개구부들에서 끝난다. 개구부들의 수, 방향 및 직경은 예를 들어 피스톤 릴리프들을 고려한 각각의 상황에 따라 최적화된다. 비교적 높은 압축비와 상관없이, 방전 요소 (glow element) 또는 스파크 플러그가 점화 보조 장치로서 사용될 수 있다.
상기 장치의 단점은 예비 챔버에서의 고온이고, 종래의 재료들은 이 온도를 견디지 못하고 예를 들어 열 부식이 일어날 수 있다. 특히, 예비 챔버로부터 노즐 개구부들을 통해 연소 영역으로 연소 반응이 진행할 때, 노즐 개구부들은 응력을 견디도록 강요받는다. 이 경우, 부품을 교환하거나 또는 새로운, 사용 가능한 재료들을 찾는 것이 필요해진다. 특히 가스 엔진들에서, 예비 챔버는 초고압 구배 및 최대 압력을 받게 된다.
구조 및 지지부가 복잡하고 따라서 생산 비용이 높은 예비 챔버 장치들이 US 4426966 으로부터 공지된다. 이 공지된 해결법들에서, 예비 챔버의 몇몇 부품들에 세라믹 재료들이 사용된다. 세라믹 재료들은 열과 부식에 잘 견디지만, 한편으로 깨지기 쉽고 비싸며 가공하기 어렵다. 게다가, 특히 노즐 개구부들을 갖는 예비 챔버의 하부 부분은 응력을 받기 때문에, 세라믹 재료들의 상이한 열 팽창 계수는 조인트들에서의 문제를 유발할 수 있다.
구조가 간단하고 비싸지않은 설치 및 부품의 교체를 가능하게 하는 예비 챔버 장치는 WO 2009/060119 에 공지되었다. 그러나 이 해결법에서, 예비 챔버 내부에 배열된 가능한 잠금 부품이 구비된 본체부와 노즐부 사이의 조인트는 예비 챔버의 고온에 직접적으로 영향받기 쉽다.
본 발명의 목적은 공지된 기술의 문제점들을 최소화하는 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 구조가 복잡하지 않고 내구성이 있으며, 예비 챔버의 간단한 설치와 필요에 따른 부품 교체를 가능케 하고 유지보수 및 수리 작업을 용이하게 하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1 에 기재되고 다른 청구항들에서 더 상세하게 기재된 대로 달성된다. 본 발명에 따르면, 예비 챔버 장치는 실린더 헤드와 예비 챔버 사이에 배열되는 개별 예비 챔버 브라켓을 포함하고, 본체부와 노즐부는 실린더 헤드 상에서 이 개별 예비 챔버 브라켓을 통해 지지된다. 이 방식으로, 부품의 부착을 위해 필수적인 부품 및 조인트 표면들이 외부에, 예비 챔버 내부의 고온으로부터 멀리 유지될 수 있고, 그러면서 이 해결법은 필요에 따라 부품의 개별적인 교체를 가능하게 한다.
바람직하게는 본체부에 개별 커버부가 제공되고, 이 커버부를 통해 예비 챔버 장치는 실린더 헤드에 부착될 수 있다.
일 바람직한 실시형태에서, 노즐부는 제 1 원뿔형 표면 및 제 2 원뿔형 표면을 포함하고, 노즐부는 제 1 원뿔형 표면에 의해 예비 챔버의 브라켓 상에 지지되고 제 2 원뿔형 표면에 의해 본체부 상에 지지된다. 이 경우, 상기 원뿔형 표면은, 바람직하게는, 예비 챔버의 브라켓 및 본체부가 노즐부를 제자리에서 단단하게 유지하도록 배열될 수 있다.
예비 챔버 장치는 주 연소 영역에 대해 대향 측으로부터 실린더 헤드 상에 설치되도록 배열되고, 예비 챔버의 브라켓은 노즐부의 위치를 주 연소 영역을 향해 규정한다.
실제로, 예비 챔버의 브라켓과 실린더 헤드 사이에는 실린더의 직경 방향으로 간극이 있고, 이러한 간극 덕택에 부품들의 상이한 크기의 열 팽창이 고려될 수 있다.
설치 및 구조에 대해서, 예비 챔버의 브라켓, 본체부 및 커버부가 예비 챔버의 부착 방향으로 차례대로 배열되는 것이 배열하기에 바람직하다. 예비 챔버의 브라켓과 실린더 헤드 사이뿐만 아니라 예비 챔버의 브라켓, 본체부 및 커버부 사이에도 가장 바람직하게는 가스켓 링들이 배열된다.
구조의 안정성을 위해서, 예비 챔버의 브라켓과 본체부 사이의 조인트 표면들이 계단형인 것이 바람직하다.
실제로, 커버부에는 점화 수단, 예를 들어, 파일럿 연료용 공급 수단 및/또는 스파크 플러그가 제공되고, 커버부의 가공성은 재료의 선택시 중요하다.
노즐부는, 그 부품을 위해서, 바람직하게는 내열성, 내산화성 및/또는 내부식성 재료, 예를 들어 세라믹으로 만들어진다. 이 예비 챔버 부품들에서, 세라믹의 가장 우수한 특성들이 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
특히 제조를 위해서, 본체부 및 잠금부는 회전 대칭 편 (piece) 인 것이 바람직하다. 따라서, 다양한 열 및 부식 조건들 하에서 편들의 거동은 균일하고, 이는 부품의 파손을 방지하는데 이상적이다.
본 발명은 본체부, 노즐부 및 예비 챔버의 브라켓이 쉽게 교체 가능한 부품들일 수 있게 만든다.
이하에서, 본 발명은 예를 들어 첨부한 개략도들과 관련하여 설명된다.
도 1 은, 원칙 단면도로서, 실린더 헤드 및 엔진의 실린더의 상부 및 본 발명에 따른, 실린더 헤드와 관련하여 설치된 예비 챔버 장치의 절취도를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 예비 챔버 부품을 확대도로서 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 예비 챔버 장치의 부품의 대안적인 실시형태를 확대도로서 도시한다.
도면들에서, 도면 부호 1 은 연소기관을 나타내고, 이 연소기관은 실린더 헤드 (2) 및 적어도 하나의 실린더를 가지며, 이 실린더는 실린더 슬리브 (6) 및 주 연소 영역 (7) 을 포함한다. 실린더의 가스 교환부는 실린더 헤드 (2) 의 채널들 및 이 채널들과 관련한 밸브들을 통하여 그 자체로 공지된 방식으로 배열된다.
도 1 에서 볼 수 있는 바와 같이, 실린더 헤드 (2) 와 관련하여, 실린더에 연결된 개별 예비 챔버 장치가 있고, 이 예비 챔버 장치는 장치 내에서 일방향 측 상에 지지되는 커버부 (9) 및 본체부 (4) 와 타방향 측 상에 지지되고 노즐 개구부 (5a) 들이 제공되는 노즐부 (5) 를 포함하는 예비 챔버 (3) 를 갖는다. 예비 챔버 (3) 는 노즐부의 노즐 개구부 (5a) 들을 통해 실린더의 주 연소 영역 (7) 과 연결된다.
실린더 헤드 (2) 는 예비 챔버 장치를 위한 대응 공간 (14) 또는 중공을 갖고, 본체부 (4) 및 노즐부 (5) 는 실린더 헤드 (2) 상에 개별 예비 챔버 브라켓 (8) 으로 지지된다. 예비 챔버 (3) 의 실린더 헤드 (2) 로의 부착은 커버부 (9) 를 통해 볼트 (10) 들에 의해 배열된다. 커버부 (9) 는 본체부 (4) 또는 예비 챔버의 어떤 다른 부품에 개별적으로 부착될 필요가 없고, 오히려 이 부품들은, 볼트 (10) 들이 조여진 것처럼, 도 1 로부터 보여지는 바와 같이, 서로에 대해 그리고 실린더 헤드 (2) 에 대해 압축하도록, 적절하게 형성된 대향 표면들에 의해 서로 대향하여 차례대로 또는 차곡차곡 적층되어 배열된다. 커버부 (9) 는, 그 자체로 공지된 방식으로, 파일럿 연료 및 스파크 플러그 (12) 를 위한 소위 공급 수단 (11) 을 갖는다. 희박한, 예를 들어 가스형의 기본 연료를 흡입 채널 내로 공급하는 것이 또한 도 1 에서 개략적으로 도시된다. 점화 또는 연소 과정은, 그 자체로 공지된 방식으로, 스스로 발생하고 따라서 여기에서 더 상세하게 설명되지 않는다.
도 1 로부터 더 보여지는 바와 같이, 본체부 (4) 의 하부는 예비 챔버의 브라켓 (8) 의 대응하는 조인트 부품 (13) 들 내에 끼워맞춰질 수 있도록 계단형으로 형상된다. 이를 위해, 부품 (4 및 8) 들은 동일한 종류의 열 팽창을 갖도록 동일 재료, 가장 바람직하게는 강 또는 몇몇 다른 고 내열성 금속 합금으로 제조되고, 이 해결법은 모든 상황에서 확실하고 안정적이다.
예비 챔버의 브라켓 (8) 은 원뿔형 표면 (8a) 을 갖고, 이 원뿔형 표면은 노즐부 (5) 를 지지하기 위해 노즐부 (5) 의 제 1 원뿔형 표면 (5b) 과 함께 기능한다. 대응적으로, 본체부 (4) 또한 원뿔형 표면 (4a) 을 갖고, 이 원뿔형 표면은 노즐부의 제 2 원뿔형 표면 (5c) 과 함께 기능한다. 결과적으로, 노즐부 (8) 는 본체부 (4) 와 예비 챔버의 브라켓 (8) 사이에서 유지되고 제자리에서 고정적으로 머문다. 동시에, 예비 챔버의 브라켓 (8) 은 노즐부 (5) 의 위치를 주 연소 영역 (7) 을 향하여 규정한다. 바람직하게는, 노즐부 (5) 는 세라믹 또는 극도의 열과 부식을 견디는 몇몇 대응하는 재료로 만들어진다. 이 해결법은 예비 챔버 장치의 상이한 부품들이 또한 필요에 따라 서로 분리되고 따라서 개별적으로 교체 가능하게 한다.
도 1 로부터 보여지는 바와 같이, 예비 챔버의 브라켓 (8) 과 실린더 헤드 (2) 사이에는 적당한 간극 (15) 이 있고, 이 간극에 의해 부품들의 상이한 크기의 열 팽창들이 고려될 수 있다. 게다가, 부품들 사이에는 부착 방향으로 가스켓 (16) 이 있고, 이 가스켓은 바람직하게는 구리로 이루어진다. 유사한 가스켓 (16) 들이 또한 본체부 (4) 와 커버부 (9) 의 사이뿐만 아니라 예비 챔버의 브라켓 (8) 과 본체부 (4) 사이에도 배열될 수 있다. 노즐부 (5) 의 노즐 개구부 (5a) 들의 수, 크기 및 배향은 필요에 따라 선택된다.
도 1 의 실시형태에서, 예비 챔버의 브라켓 (8) 은 바람직하게는 연속 환형 편이다. 이는 도 2 및 도 3 으로부터 더 명확하게 볼 수 있고, 도 2 및 도 3 은 도 1 의 예비 챔버 장치의 예비 챔버 (3) 의 부품들을 확대도로 도시한다. 도 2 및 도 3 의 실시형태는 표면의 스케일 및 형태가 서로 상이하고, 노즐부 (5) 는 이 표면에 의해 예비 챔버의 브라켓 (8) 및 본체부 (4) 상에 놓인다. 도 3 의 형태에서 볼 수 있는 바와 같이, 웨지형 구조에 의해 생성된 원뿔형 표면 (5b 및 8a) 은 부품 (5 및 8) 들의 전체 조인트 길이에 걸쳐 연장된다.
본 발명은 표현된 실시형태에 제한되지 않고, 오히려 첨부된 청구항들의 범위 내에서 많은 변형이 가능하다.

Claims (11)

  1. 연소기관 (1) 의 실린더 헤드 (2) 에 끼워 맞춰지는 예비 챔버 장치 (arrangement) 로서,
    서로 지지되고 함께 실질적으로 예비 챔버 (3) 를 규정하는 개별 본체부 (4) 와 노즐부 (5) 를 포함하고,
    상기 예비 챔버 (3) 는 상기 노즐부 (5) 의 노즐 개구부 (5a) 들을 통해서 실린더 (6) 의 주 연소 영역 (7) 에 연결되고,
    상기 예비 챔버 장치는 개별 예비 챔버 브라켓 (8) 을 더 포함하고,
    상기 예비 챔버 브라켓은 상기 실린더 헤드 (2) 와 상기 예비 챔버 (3) 사이에 배열되고,
    상기 본체부 (4) 와 상기 노즐부 (5) 는 상기 예비 챔버 브라켓을 통해 상기 실린더 헤드 상에 지지되며,
    상기 노즐부 (5) 는 제 1 원뿔형 표면 (5b) 과 제 2 원뿔형 표면 (5c) 를 포함하고,
    상기 노즐부는 상기 제 1 원뿔형 표면에 의해 상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8) 상에 지지되고 상기 제 2 원뿔형 표면에 의해 상기 본체부 (4) 상에 지지되며,
    상기 원뿔형 표면들은 상기 본체부 (4) 와 상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8) 이 상기 노즐부 (5) 를 제자리에서 단단하게 유지하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체부 (4) 에는 개별의 커버부 (9) 가 제공되고,
    상기 커버부 (9) 를 통해 상기 예비 챔버 장치는 상기 실린더 헤드 (2) 에 부착되는 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비 챔버는 상기 주 연소 영역 (7) 에 대해 대향 측으로부터 상기 실린더 헤드에 설치되도록 배열되고,
    상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8) 은 상기 노즐부 (5) 의 위치를 상기 주 연소 영역을 향하여 규정하는 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8) 과 상기 실린더 헤드 사이에는 상기 실린더의 직경 방향으로 간극 (15) 이 있는 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8), 상기 본체부 (4) 및 상기 커버부 (9) 는 상기 예비 챔버 (3) 의 부착 방향으로 차례대로 배열되고,
    상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8) 과 상기 실린더 헤드 (2) 사이 뿐만 아니라 상기 예비 챔버의 상기 브라켓, 상기 본체부 및 상기 커버부 사이에도 가스켓 링 (16) 들이 배열되는 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8) 과 상기 본체부 (4) 사이의 조인트 표면 (13) 들은 계단형인 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버부 (9) 에는 점화 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐부 (5) 는 내열성 재료, 내산화성 재료 및 내부식성 재료 중 하나 이상으로 만들어진 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체부 (4) 및 상기 예비 챔버의 상기 브라켓 (8) 은 회전 대칭 편이고 동일 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체부 (4), 상기 노즐부 (5) 및 상기 예비 챔버 (8) 의 상기 브라켓 (8) 은 교체가능한 부품인 것을 특징으로 하는 예비 챔버 장치.
  11. 삭제
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