KR102013221B1 - 기화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 연료가 저장되는 플로트 챔버와; 입구가 플로트 챔버 내의 액체 연료에 잠기는 유입부와, 유입부로부터 유입된 액체 연료가 통과하며 유입부보다 작은 직경을 구비한 소경부와, 소경부로부터 유입되는 액체 연료가 무화되며 소경부보다 큰 직경을 구비한 유출부로 이루어진 제트 노즐과; 제트 노즐에 연결되어 상기 제트 노즐을 통해 무화된 연료를 외부 공기와 혼합하여 벤투리부로 공급하는 에어 블리더 튜브를; 포함하여 이루어지는 기화기에 있어서, 상기 유출부, 유출부와 에어 블리더 튜브 내측, 또는 에어 블리더 튜브 내측에 제 1 그물망을 소경부 측으로부터 2~10매 적층하고, 계속하여 같은 적층방향으로 상기 제 1 그물망보다 메쉬 번호가 큰 제 2 그물망을 1~2매 더 적층한 것을 특징으로 한다.

Description

기화기{Carburetor}

본 발명은 기화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료의 기화를 보다 효율적으로 촉진시켜 연비 향상 및 매연 저감을 이루기 위한 기화기에 관한 것이다.

실린더 내로 공급된 연료/공기 혼합물을 연소시켜 동력을 발생하는 가솔린 엔진은 연료/공기 혼합물을 생성하기 위해 기화기(carburetor) 또는 인젝터(injector)를 사용한다.

자동차 엔진의 경우에는 대부분 인젝터 방식을 채택하고 있지만, 이륜차, 예초기 등에 사용되는 소형 엔진은 여전히 기화기 방식을 채택하는 경우가 많다.

기화기 방식은 인젝터 방식에 비해 가격이 저렴하고 출력이 높고 구조가 간단하여 수리가 용이한 장점이 있지만, 연비가 좋지 않으며 겨울철에는 시동이 원활하지 않은 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는, 기화기를 구비한 엔진에서 연료와 공기를 혼합할 때 연료/공기 혼합물 내의 연료 입자를 더욱 미세화하고 균질화할 필요가 있다.

도 1은 종래의 기화기를 나타낸 것이다. 스로틀 밸브(Throttle Valve, 10)가 닫혀 있는 아이들링(Idling) 운전시에는 파일럿 제트(Pilot Jet)부(100)에 의해 연료/공기 혼합물이 생성된다. 스로틀 밸브(10)가 열렸을 때는 파일럿 제트부(100)와 함께 또는 메인 제트(Main Jet)부(200) 단독으로 연료/공기 혼합물을 생성한다. 생성된 연료/공기 혼합물은 벤투리(Ventury)부(20)를 통해 엔진의 연소실로 공급하게 된다. 메인 제트부(200)에 의한 연료/공기 혼합물의 공급량은 스로틀 밸브(10)의 개방 정도 및 니들(30)의 삽입 정도에 의해 제어된다.

메인 제트부(200)는 액체 연료가 저장된 플로트 챔버(Float Chamber, 40)로부터 연료를 공급받으며, 플로트 챔버(40)로부터 공급받은 연료를 무화(atomization)하는 메인 제트 노즐(Jet Nozzle, 210)과, 공기 공급라인을 통해 공급된 공기를 무화된 연료와 혼합하는 메인 제트용 에어 블리더 튜브(Air Bleeder Tube, 220)로 이루어진다.

통상 메인 제트부는 제트 노즐과 에어 블리더 튜브가 별도로 제작되어 연결하여 사용하고, 파일럿 제트부는 일체로 제작되는 경우가 많다.

메인 제트부(200)와 파일럿 제트부(100)는 그 구조 및 작동관계가 유사하기 때문에 본 출원서에서는 메인 제트부를 위주로 설명하며, 공통된 구성 및 용어에 있어서 특별히 메인 제트부 또는 파일럿 제트부를 구분하지 않기로 한다.

기화기는 그 종류에 따라, 제트 노즐에서 액체 연료가 무화되지 않고 에어 블리더 튜브에서 유입되는 공기와 함께 에멀젼(emulsion)화되어 즉, 액체 연료 중에 공기입자가 포함되는 형태로 연료/공기 혼합물을 형성하는 타입이 있다. 그러나, 본 발명은 제트 노즐에 의해 액체 연료가 무화되어 공기 중에 연료가 입자 형태로 분포된 형태의 연료/공기 혼합물이 형성되는 기화기에 관련된 것이다.

US 6435482 B1, 2002.8.20., 도 2

본 발명은 연료의 입자를 더욱 미세화하여 연비를 향상시키고 매연을 저감할 수 있는 기화기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 기화기는,

액체 연료가 저장되는 플로트 챔버와;

입구가 플로트 챔버 내의 액체 연료에 잠기는 유입부와, 유입부로부터 유입된 액체 연료가 통과하며 유입부보다 작은 직경을 구비한 소경부와, 소경부로부터 유입되는 액체 연료가 무화되며 소경부보다 큰 직경을 구비한 유출부로 이루어진 제트 노즐과;

제트 노즐에 연결되어 상기 제트 노즐을 통해 무화된 연료를 외부 공기와 혼합하여 벤투리부로 공급하는 에어 블리더 튜브를; 포함하여 이루어지는 기화기에 있어서,

상기 유출부, 유출부와 에어 블리더 튜브 내측, 또는 에어 블리더 튜브 내측에 제 1 그물망을 소경부 측으로부터 2~10매 적층하고, 계속하여 같은 적층방향으로 상기 제 1 그물망보다 메쉬 번호가 큰 제 2 그물망을 1~2매 더 적층한 것을 특징으로 한다.

상기 제 1,2 그물망 중 일부의 표면에는 돌출부가 구비되어 있는 것이 바람직하다.

상기 제 1 그물망의 메쉬 번호는 #50~#200이고, 제 2 그물망의 메쉬 번호는 #300 이상인 것이 바람직하다.

제 1,2 그물망의 표면은 발유처리가 되어 있는 것이 바람직하다.

플로트 챔버의 외부로부터 기체를 공급받으며, 상기 플로트 챔버 및 제트 노즐의 유입부와 소경부를 통과하는 경로를 가지며, 그 분사구를 상기 소경부와 유출부의 경계면 또는 그 상류 측에 위치하도록 된 기체 통로를 더 구비하는 것도 바람직하다.

상기와 같은 구성을 구비한 본 발명에 의하면, 연료 입자를 더욱 미세화하고 균질화하여 연비를 향상시키며 매연을 저감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 기화기의 구조를 나타낸 도.
도 2는 본 발명 일 실시예 메인 제트부의 구조를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명 일 실시예 그물망의 돌출부를 나타낸 도.
도 4는 제 1 그물망의 개수에 따른 오염도를 나타낸 도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예 기화기의 구조를 나타낸 도.
도 6은 도 5의 주요 부분에 대한 확대도.

이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 일 실시예에 따른 메인 제트부(200)의 단면도이다.

기화기(1)의 벤투리부(20)에 공급될 연료/공기 혼합물을 생성하기 위해 연료를 흡입하여 무화하는 제트부는 제트 노즐(210)과 에어 블리더 튜브(220)로 이루어져 있다.

메인 제트부(200)는 제트 노즐(210)과 에어 블리더 튜브(220)가 서로 나사 결합되어 형성되며, 통상 에어 블리더 튜브 외면에 가공된 나사에 의해 기화기의 본체에 결합된다.

기화기의 플로트 챔버(40)는 연료탱크로부터 연료를 공급받아 일정량의 연료를 액체 상태로 저장하고 있다. 플로트 챔버(40) 내의 연료에 제트 노즐(210)의 입구(유입부(211)의 입구와 동일함)가 잠겨 있으며, 유입부(211)를 통해 유입된 연료는 유입부(211)보다 직경이 작은 소경부(212)를 통과한 후, 소경부(212)보다 직경이 큰 유출부(213)에서 무화된다. 무화된 연료는 에어 블리더 튜브(220)를 통과하며, 에어 블리더 튜브(220)의 벽면 통공(221)을 통해 공급된 공기와 혼합되어 벤투리부(20)로 배출되게 된다.

또한, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 제 1,2 그물망을 직경 약 3.5mm의 유출부(213) 내에 적층시켰다. 선경(wire diameter) 0.1mm, 메쉬 번호 #100인 제 1 그물망(301)을 소경부 측으로부터(도면상 상측으로) 3매 적층시키고, 다시 그 위로 선경 0.03mm, 메쉬 번호 #400의 제 2 그물망(302)을 1매 적층시킨 것이다.

제 1, 2 그물망은 적층시 서로 간격을 유지하도록 설치하는 것이 바람직하다. 도 3에 도시한 예와 같이 그물망의 일부 영역을 변형시켜 돌출부를 형성하고, 이러한 돌출부에 의해 그물망들 사이의 적층 간격이 유지될 수 있고, 그물망 사이에 링 형태의 스페이서(Spacer,303)를 삽입하여 적층 간격을 유지시킬 수도 있을 것이다. 도 3에서는 그물망을 이루는 와이어를 도시하지 않았으며, 출원서 도면 전체에 있어서 돌출부는 설명을 위해 실제 크기보다 과장되게 도시되어 있다. 도 2의 경우에는 제일 상단의 제 1 그물망과 제 2 그물망(302)은 돌출부를 형성하지 않은 평판 형태이고, 하단 2개의 제 1 그물망은 돌출부가 구비되어 있으며, 제 2 그물망과 최상단제 1 그물망은 스페이서(303)에 의해 간격이 유지되고 있다. 제 1,2 그물망의 돌출부와 스페이서(303)의 유무는 설계자가 적층 간격을 고려하여 적절히 조합할 수 있을 것이다. 또한, 그물망들의 적층 간격이 공간목보다 좁게 설치되면 그물망 사이로 유막이 형성되는 빈도가 높아지므로, 적층 간격 및 돌출부의 크기는 공간목 이상으로 하는 것이 바람직하다.

공간목(Opening)이란 그물망을 이루는 와이어 사이의 거리를 나타내는 것으로 다음 식에 의해 구해진다.

공간목(mm) = 25.4/메쉬 - 선경(mm)

상기 식에서 볼 수 있는 바와 같이 공간목을 결정하는 것은 메쉬 번호와 와이어의 직경인 선경이며, 메쉬 번호가 높을수록 공간목이 작아지게 된다.

이와 같이 메쉬 번호가 작은 제 1 그물망을 유출부 내의 소경부 측(즉, 상류 측)으로부터 먼저 적층시키고, 그 위에 메쉬 번호가 큰 제 2 그물망을 배치시키는 이유는 다음과 같다.

소경부를 벗어나며 팽창되어 무화된 연료 입자는 유출부와 에어 블리더 튜브를 지나 기화기의 벤투리부(20) 측(하류 측)으로 진행하며, 진행과정에서 제 1 그물망의 와이어에 연료 입자가 부딪히며 쪼개져 그 크기가 미세화 된다. 제 1 그물망은 공간목이 크기 때문에 연료 입자가 제 1 그물망에 부딪히는 확률이 낮은 반면, 연료 입자의 진행 속도는 그다지 느려지지 않는다. 제 1 그물망들을 적층하면 각 층 그물망의 와이어들은 서로 조금씩 어긋나게 배치된다. 그물망의 와이어를 의도적으로 일정한 방향으로 정렬하여 삽입할 필요도 없지만, 만일 일정한 방향으로 정렬되어 삽입된다 하더라도 그물망 사이에 간격이 존재하면 연료 입자가 완전한 직선운동을 하지 않는 이상 다음 층의 그물망의 와이어에 부딪히게 된다. 메쉬 번호가 작은 제 1 그물망들을 적층하면 연료입자가 통과할 때에 진행 속도의 손실이 그다지 일어나지 않으면서도 제 1 그물망에 충돌하는 확률을 높일 수 있게 된다.

여러 개의 제 1 그물망을 통과한 연료 입자는 마지막으로 공간목이 작은 제 2 그물망을 통과하면서 다시 한번 미세화된다. 제 2 그물망은 공간목이 작아서 대부분의 연료 입자가 부딪히게 되며, 또한 그물망 사이로 빠져나가는 연료 입자의 크기도 미세화되게 된다. 제 2 그물망은 공간목이 작기 때문에 많은 수를 적층시키게 되면 연료 입자의 진행 속도가 느려지므로, 하나 또는 두 개 정도의 그물망을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 실시예 구성에 따라 제작된 메인 제트부를 100cc급 엔진을 구비한 오토바이에 장착하여 20km를 주행한 결과, 종래의 구성으로는 532ml의 연료가 소비된 반면, 본 실시예 구성으로는 456ml의 연료가 소비되어 소비연료를 약 14% 감소시키는 것으로 나타났다.

도 4는 메인 제트부 내의 제 1 그물망의 개수와 배기가스에 의한 필터 오염도를 나타낸 것이다. 제 1 그물망이 없는 경우에 비해서 메쉬 번호 #100의 제 1 그물망을 구비한 경우에 필터의 오염도가 낮음을 볼 수 있고, 또한 제 1 그물망이 3 개일 때 오염도가 가장 낮게 나타남을 알 수 있다. 메쉬 번호 #50~#200의 범위에서 제 1 그물망을 2~10매 적층하는 경우, 오염을 감소시킬 수 있다.

메인 제트부의 경우에는 제 1 그물망을 제트 노즐의 유출부에 모두 설치하는 것이 가능하지만, 에어 블리더 튜브 측에도 제 1 그물망들 중 일부를 설치하여도 무방하다. 또한 파일럿 제트부는 제트 노즐과 에어 블리더 튜브의 경계가 모호하지만, 되도록 제트 노즐 측으로 제 1 그물망들을 배치하는 것이 바람직하다.

제 1,2 그물망의 표면은 에칭이나 코팅에 의한 발유 처리를 하는 것이 연료 입자가 부딪쳐 미세화되는데 더욱 유리하고, 또한 그물망의 눈이 연료에 의해 막히는 것을 방지할 수 있게 해 준다.

제 1,2 그물망은 설치될 때 제트 노즐이나 에어 블리더 튜브와의 미세한 크기 차이로 발생하는 탄성력에 따라 제트 노즐이나 에어 블리더 튜브 내에서 위치가 고정될 수 있고, 또는 스페이서가 그물망 사이에 끼워질 경우 스페이서에 의해서도 위치가 고정될 수 있을 것이다. 제 1,2 그물망은 제트 노즐이나 에어 블리더 튜브 내에 형성된 단턱이나 별도의 마감재에 의해 그 설치 위치에서 이탈되지 않도록 하는 것도 바람직하다.

또한, 제트 노즐에 공기를 공급하여 제 1,2 그물망을 지나는 연료 입자를 가속시키고 연료가 그물 눈을 막는 것을 방지할 수 있다. 이를 위하여 도 5 및 도 6과와 같이 제트 노즐(210)의 소경부(212)와 유출부(213)의 경계면(214)에서 공기를 분사시키면 된다. 분사구(410)는 상기 경계면 또는 경계면 보다 상류(도 5,6에서 아랫방향)에 위치시켜야 하는데, 상기 경계면보다 하류 측에 분사구를 위치시키면, 제트 노즐(210)에서의 무화 작용이 어렵게 된다. 본 실시예에서 기체 통로(400)는 플로트 챔버(40) 및 제트 노즐(210)의 유입부(211)와 소경부(212)를 통과하여, 소경부(212)와 유출부(213)의 경계면(214)에 분사구를 위치시키는 형태로 배치된다. 기체 통로에 공급되는 공기는 벤투리부(20) 또는 주행방향으로부터 흡입되는 공기를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 공급되는 공기는 대략 1.3 ATM 이하의 압력으로 공급하는 것이 바람직하다. 기체 통로(400)는 소경부(212)를 통과하므로 소경부(212)에서 연료가 통과하는 경로의 단면적을 감소시키게 되어 보다 미세한 연료 입자의 생성을 가능하게 한다. 또한, 기체 통로로 공급되는 공기는 제 1,2 그물망에 유막이 형성되어 그물망의 눈을 메꾸는 것을 방지하게 된다. 기체 통로로 공급되는 공기는 흡입시 필요에 따라 필터를 거쳐 여과되는 것이 바람직하다.

제트 노즐에 공기를 공급하면, 그렇지 않은 경우와 비교하여 탄화수소(HC)는 4282ppm에서 308ppm으로 대폭 감소하고, 일산화탄소는 5.04ppm에서 2.80ppm으로 감소하는 것으로 측정되어, 미세 먼지의 주요 원인인 탄화수소가 대폭적으로 감소되는 효과를 얻게 된다. 반면, 이산화탄소는 5.26ppm에서 6.74ppm로, 질소산화물은 21.6ppm에서 34.2ppm으로 증가하였다.

이산화탄소 및 질소산화물의 발생은 엔진의 연소실 내에 별도의 플라즈마를 발생시켜 착화율을 올릴 수 있는 플라즈마 발생기를 설치하거나, 기화기 벤투리부에서 연료/공기 혼합물의 혼합 상태가 균질하게 만들기 위한 와류를 유도하는 날개부 등을 설치함에 따라 감소시킬 수 있다.

1 : 기화기 10 : 스로틀 밸브 20 : 벤투리부 30 : 니들
40 : 플로트 챔버 100 : 파일럿 제트부
200 : 메인 제트부 210 : 제트 노즐 220 : 에어 블리더 튜브
300 : 그물망 400 : 기체 통로 410 : 공기 분사구

Claims (5)

1. 액체 연료가 저장되는 플로트 챔버와;
   입구가 플로트 챔버 내의 액체 연료에 잠기는 유입부와, 유입부로부터 유입된 액체 연료가 통과하며 유입부보다 작은 직경을 구비한 소경부와, 소경부로부터 유입되는 액체 연료가 무화되며 소경부보다 큰 직경을 구비한 유출부로 이루어진 제트 노즐과;
   제트 노즐에 연결되어 상기 제트 노즐을 통해 무화된 연료를 외부 공기와 혼합하여 벤투리부로 공급하는 에어 블리더 튜브를; 포함하여 이루어지는 기화기에 있어서,
   상기 유출부, 유출부와 에어 블리더 튜브 내측, 또는 에어 블리더 튜브 내측에 제 1 그물망을 소경부 측으로부터 2~10매 적층하고, 계속하여 같은 적층방향으로 상기 제 1 그물망보다 메쉬 번호가 큰 제 2 그물망을 1~2매 더 적층한 것을 특징으로 하는 기화기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1,2 그물망 중 일부의 표면에는 돌출부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 기화기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 그물망의 메쉬 번호는 #50~#200이고, 제 2 그물망의 메쉬 번호는 #300 이상인 것을 특징으로 하는 기화기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   제 1,2 그물망의 표면은 발유처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는 기화기.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   플로트 챔버의 외부로부터 기체를 공급받으며, 상기 플로트 챔버 및 제트 노즐의 유입부와 소경부를 통과하는 경로를 가지며, 그 분사구를 상기 소경부와 유출부의 경계면 또는 그 상류 측에 위치하도록 된 기체 통로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기화기.
   

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