KR102204691B1 - 가스공급 균등화를 위한 가스 밸브 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스를 연료로 하는 엔진에서 흡기 포트에 가스연료를 분사하는 밸브 장치에 관한 것으로서, 흡기 포트의 압력변동에 무관하게 일정한 양의 가스연료가 공급되도록 하여 각 실린더별 연소 특성을 안정화하고 전체 실린더 간에 연소 특성을 균등화하여 엔진 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 가스연료 공급량의 균등화를 위한 가스 밸브 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 가스 밸브 장치는, 연소실로 통하는 흡기 포트(4) 및 흡기 포트(4)의 하류 출구 측에 구비되는 흡기밸브를 포함하는 실린더 헤드(2); 상기 흡기 포트의 내부로 연장되어 돌출되고, 가스연료 공급라인으로부터 공급되는 가스연료를 흡기 포트 안으로 내보내기 위한 가스연료 토출구가 형성된 가스연료 도입관(100); 상기 흡기 포트 내부에 상기 가스연료 도입관(100)의 상류 측에 배치되며, 흡기가 유입되는 입구로부터 상기 가스연료 도입관을 향하는 출구로 갈수록 좁아지는 통로를 가져 입구로부터 유입된 흡기가 출구로 가는 동안 가속되어 상기 가스연료 도입관의 가스연료 토출구 주위에 고속 유동을 생성하는 고속 유도 노즐(200)을 구비한다.

Description

가스공급 균등화를 위한 가스 밸브 장치{GAS VALVE SYSTEM FOR EQUALIZING OF INJECTION QUANTITY}
본 발명은 가스를 연료로 하는 엔진에서 흡기 포트에 가스연료를 분사하는 밸브 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡기 포트의 압력변동에 무관하게 일정한 양의 가스연료가 공급되도록 하여 각 실린더별 연소 특성을 안정화하고 전체 실린더 간에 연소 특성을 균등화하여 엔진 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 가스연료 공급량의 균등화를 위한 가스 밸브 장치에 관한 것이다.
최근 가스(LNG, LPG 등) 운반선과 같은 선박이나 발전 플랜트 등에서는 환경오염이나 운전비용을 줄이기 위해 LNG, LPG 등의 가스를 연료로 하는 가스엔진 또는 디젤 운전 모드와 가스 운전 모드로 운전 가능한 이중연료엔진의 사용이 증가하고 있다.
가스엔진 또는 이중연료 엔진에 있어서, 가스연료 공급 시스템은 솔레노이드 등의 구동수단에 의해 작동하여 유입 가스량을 조절하는 가스유입밸브(Gas Admission Valve)를 구비하고, 가스유입밸브의 출구로부터 연장되어 실린더 헤드의 흡기 포트 안으로 돌출되는 가스연료 도입관('노즐', '가스 믹서' 또는 '가스 파이프'라고도 부른다)을 구비한다. 가스연료 도입관에는 가스연료를 내보내기 위한 출구가 형성되어 있다(특허문헌 1 참고).
이러한 가스엔진 또는 이중연료 엔진은, 가스연료 운전 모드에서 실린더간 최대 연소압력의 편차가 크게 발생하여(예를 들어, 약 20bar 이상) 엔진 성능 향상에 걸림돌로 작용할 뿐만 아니라, 이로 인해 노킹(Knocking)이나 조기점화(Pre-Ignition)와 같은 이상연소(abnormal combustion) 현상이 유발되어 엔진손상이나 시스템 정지 문제를 야기한다.
실린더간 연소압력 편차의 주요 요인 중 하나는, 구비되는 가스연료 공급장치의 특성상, 각 실린더에 유입되는 매 순간의 가스 연료량이 균일하지 못한 것이다.
일반적으로, 디젤엔진에서는 액상의 연료를 연료 랙(rack)이나 커먼 레일(common rail) 등에 의해 매우 정밀하게 공급할 수 있다.
하지만, 가스엔진이나 이중연료 엔진에서의 기상(氣相)의 가스연료 공급방식은, 가스연료 공급라인과 실린더 각각의 흡기 포트 사이의 차압(압력차)에 의존한다. 특히 변동이 심한 흡기 포트의 내부 압력 변동에 의해 극심한 차압 변화가 발생하여 연료공급량이 매우 불규칙해지는 모습을 보인다.
예컨대, 실린더의 흡기밸브가 열리면 흡기 포트에는 연소실 내부로 빨려들어가는 흡기(흡입공기)에 의해 부압(負壓)이 형성되는데, 이러한 흡기 포트의 부압과 가스연료 공급라인(양압) 사이의 압력차에 의해 가스연료 도입관으로부터 나온 가스연료가 흡기에 휩쓸려 연소실 안으로 들어가는 것이다. 이 경우 가스유입밸브는 개도 시간만을 제어할 뿐이며, 가스유입밸브가 열리면 가스연료 공급라인과 가스연료 도입관(즉, 흡기 포트)이 서로 압력적으로 통하게 된다.
이처럼 흡기 포트 내부의 압력과 가스연료 공급라인 사이의 압력차가 실린더마다 또는 매 순간마다 균일하지 못하면 연소실에 공급되는 가스연료의 양도 실린더마다 균일하지 못하게 되고, 그것에 기인하여 각 실린더 사이에 연소압력에 큰 차이가 발생하여 엔진 성능에 악영향을 미치기도 하며 연료 공급량이 지나치게 작아지거나 많아지는 경우에는 실화(Mis-fire), 노킹(Knocking), 조기점화(Pre-Ignition)와 같은 이상연소(abnormal combustion) 현상이 유발되기도 한다.
특히, 근본적으로는 흡기 포트 내부의 압력과 가스연료 공급라인 사이의 압력차가 그다지 크지 않기 때문에, 흡기 포트 내부의 작은 압력변동이 흡기 포트와 가스연료 공급라인 사이의 차압에 미치는 영향이 상대적으로 커져서 연료공급량이 불안정해진다. 흡기 포트에서는 흡기밸브의 개폐가 매우 빠른 속도로 반복되는 한편 흡기 포트가 굴곡이 심한 형상을 가지기 때문에 흡기 포트 내부의 유동은 가늠할 수 없을 정도로 급격하게 변하기 마련이어서, 가스연료 공급라인에 비해 흡기 포트의 압력변동이 상대적으로 더 심하다.
따라서, 가스연료 공급라인과 흡기 포트 사이의 압력차를 가스연료의 원활한 공급을 위해 충분히 크게 유지하는 한편 흡기 포트의 압력변동에 무관하게 일정한 양의 가스를 균일하게 유입시키기 위한 기술적 방안이 마련되어야 한다.
공개특허공보 공개번호 제10-2014-0128519호
따라서, 본 발명은 흡기 포트의 압력변동에 무관하게 항상 일정한 양의 가스연료가 공급되도록 하여 각 실린더별 연소특성을 안정화시키고 전체 실린더 간에 연소특성을 균등화시켜 엔진성능을 향상시킬 수 있도록 하는 가스 분사량의 균등화를 위한 가스 밸브 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 방향에 따른 가스 밸브 장치는, 연소실로 통하는 흡기 포트 및 흡기 포트의 하류 출구 측에 구비되는 흡기밸브를 포함하는 실린더 헤드; 원형 중공의 파이프로 이루어지고, 상기 중공의 파이프의 선단은 선단벽(110)에 의해 막혀있으며, 상기 원형 중공의 파이프가 상기 흡기 포트를 지름방향으로 관통하여 흡기 포트 내부를 가로질러 돌출되고, 상기 선단벽(110)에 인접한 원형 중공의 파이프의 둘레 측벽에는 가스연료 토출구가 형성되는 가스연료 도입관(100); 상기 흡기 포트 내부에 흡기 흐름 방향과 나란하게 배치되고, 흡기 흐름 방향 상류 쪽을 정면으로 바라보는 입구와, 흡기 흐름 방향 하류 쪽을 정면으로 바라보는 출구와, 상기 입구로부터 상기 출구로 갈수록 좁아지는 통로를 가지는 고속 유도 노즐(200); 을 구비하며, 상기 가스연료 도입관(100)은, 둘레 측벽에 형성된 가스연료 토출구가 상기 흡기밸브 방향인 흡기 흐름 방향의 하류 쪽을 정면으로 바라보는 상태로 정렬되고, 상기 고속 유도 노즐(200)은, 상기 출구가 형성된 출구면이 상기 가스연료 도입관(100)의 가스연료 토출구 반대쪽인 상류 쪽 둘레 측벽에 접촉하거나 접촉할 만큼 근접한 상태를 유지하여, 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공의 파이프가 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구를 지름 방향으로 횡단하여 가로막는 형태로 정렬되어, 평면에서 바라볼 때 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구와 상기 가스연료 도입관(100) 사이의 좌우 양쪽으로 좁은 통로(212)가 형성됨으로써, 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구를 나오는 흡기가 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공의 파이프의 둘레 측벽에 의해 좌우로 갈라진 후 상기 좌우 양쪽의 좁은 통로(212)를 통해 빠져나가도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명의 다른 방향에 따른 가스 밸브 장치는, 연소실로 통하는 흡기 포트 및 흡기 포트의 하류 출구 측에 구비되는 흡기밸브를 포함하는 실린더 헤드; 원형 중공의 파이프로 이루어지고, 상기 중공의 파이프의 선단은 선단벽(110)에 의해 막혀있으며, 상기 원형 중공의 파이프가 상기 흡기 포트를 지름방향으로 관통하여 흡기 포트 내부를 가로질러 돌출되고, 상기 선단벽(110)에 인접한 원형 중공의 파이프의 둘레 측벽에는 가스연료 토출구가 형성되는 가스연료 도입관(100); 상기 흡기 포트 내부에 흡기 흐름 방향과 나란하게 배치되고, 흡기 흐름 방향 상류 쪽을 정면으로 바라보는 입구와, 흡기 흐름 방향 하류 쪽을 정면으로 바라보는 출구와, 상기 입구로부터 상기 출구로 갈수록 좁아지는 통로를 가지는 고속 유도 노즐(200); 을 구비하며, 상기 가스연료 도입관(100)은, 선단부가 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구에 인접한 지점에서 고속 유도 노즐(200)을 지름방향으로 관통하여 고속 유도 노즐(200)의 통로 내부를 가로지르고, 상기 가스연료 도입관(100)의 외경은 관통지점에서 상기 고속 유도 노즐(200)의 둘레 내벽의 지름보다 작은 지름을 가져, 평면에서 바라볼 때 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공의 파이프의 둘레 외벽과 상기 고속 유도 노즐(200)의 둘레 내벽 사이의 좌우 양쪽에 협로(210)가 형성됨으로써, 상기 고속 유도 노즐(200)로 들어온 흡기가 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공 파이프의 둘레 측벽에 의해 좌우로 갈라진 후 상기 좌우 양쪽의 협로(210)를 지나 고속 유도 노즐(200)의 출구로 빠져나가도록 구성할 수 있다.
삭제
본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 있어서, 상기 가스연료 도입관(100)의 상류 측의 상기 고속 유도 노즐(200)의 내부 좌우방향 중간에는, 고속 유도 노즐(200)로 들어오는 흡기를 좌우로 갈라 유도하기 위한 수직벽(220)을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 있어서, 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구에는, 흡기의 토출 방향을 연소실을 향하는 아래쪽 방향으로 유도하는 하향 경사진 복수의 블레이드(230)가 상기 출구를 좌우방향으로 횡단하는 상태로 상하방향으로 나란하게 정렬시켜 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 있어서, 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구로부터 연소실을 향하는 방향으로 굽어진 유도관(240)이 추가로 연장형성된 구성을 가질 수 있다.
삭제
본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 있어서, 상기 가스연료 도입관(100)은 상기 가스연료 토출구의 반대쪽인 상류 쪽 둘레 측벽에 중공의 파이프 안쪽으로 흡기를 유입시키기 위한 흡기 유입공(104h)을 더 형성하여 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 있어서, 상기 고속 유도 노즐은 나팔형으로 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 있어서, 상기 고속 유도 노즐은 원추형으로 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 의하면, 고속 유도 노즐에 의해 흡기가 고속으로 가속되어 가스연료 도입관 주위에 충분한 저압을 형성하고, 그러한 저압과 가스공급압력의 압력 차이가 공급되는 가스연료의 속도를 초음속으로 가속시킬 정도로 충분하게 되어, 가스연료 도입관에서 나오는 가스연료가 폐색 유동((Chocked Flow)을 형성하게 된다. 폐색 유동에서는 유량이 상류 압력의 영향만을 받고 하류 압력의 영향은 받지 않는 것을 특징으로 가진다. 즉, 가스연료의 유량은 흡기포트 압력에 관계없이 가스공급 압력에 의해서만 결정된다.
따라서, 각 실린더에서 흡기 포트의 압력에 차이가 있더라도, 고속 유도 노즐을 통해 가스연료 도입관 주위에 유도되는 충분한 저압에 의해 가스연료가 폐색유동을 형성하게 되면, 가스연료 유량은 오직 가스공급 압력에 의해 조절되게 되므로, 각 실린더에 공급되는 가스연료의 유량을 균일하게 유지할 수 있게 된다.
더불어, 가스연료가 폐색 유동을 형성하기에 충분한 저압이 고속 유도 노즐에 의해 형성되지 못하였다 할지라도, 가스연료 공급압력과 흡기포트 압력의 차이는 고속 유도 노즐에 의해 확대되기 때문에, 흡기포트 압력의 불규칙한 변동에 의한 가스연료의 유량 변동이 일정 수준 억제되는 효과도 갖게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 밸브 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 밸브 장치를 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 밸브 장치를 보인 단면 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 4c는 도 4b의 A1-A1 선에 따른 단면도이다.
도 4d는 도 4b의 B1-B1 선에 따른 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스 밸브 장치의 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 5c는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 5d는 도 5c의 A2-A2 선에 따른 단면도이다.
도 5e는 도 5c의 B2-B2 선에 따른 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 제3실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 6b는 본 발명의 제3실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 6c는 본 발명의 제3실시예에 따른 가스 밸브 장치의 배면도이다.
도 6d는 도 6b의 A3-A3 선에 따른 단면도이다.
도 6e는 도 6b의 B3-B3 선에 따른 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 제4실시예에 따른 가스 밸브 장치의 사시도이다.
도 7b는 본 발명의 제4실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 7c는 본 발명의 제4실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 7d는 도 7c의 A4-A4 선에 따른 단면도이다.
도 7e는 도 7c의 B4-B4 선에 따른 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 제5실시예에 따른 가스 밸브 장치의 사시도이다.
도 8b는 본 발명의 제5실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 8c는 본 발명의 제5실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 8d는 도 8c의 A5-A5 선에 따른 단면도이다.
도 8e는 도 8c의 B5-B5 선에 따른 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 제6실시예에 따른 가스 밸브 장치의 사시도이다.
도 9b는 본 발명의 제6실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 9c는 본 발명의 제6실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 9d는 도 9c의 A6-A6 선에 따른 단면도이다.
도 9e는 도 8c의 B6-B6 선에 따른 단면도이다.
도 10a는 본 발명의 제7실시예에 따른 가스 밸브 장치의 사시도이다.
도 10b는 본 발명의 제7실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 10c는 본 발명의 제7실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 10d는 본 발명의 제7실시예에 따른 가스 밸브 장치의 배면도이다.
도 10e는 도 10c의 A7-A7 선에 따른 단면도이다.
도 11a는 본 발명의 제8실시예에 따른 가스 밸브 장치의 사시도이다.
도 11b는 본 발명의 제8실시예에 따른 가스 밸브 장치의 측면도이다.
도 11c는 본 발명의 제8실시예에 따른 가스 밸브 장치의 정면도이다.
도 11d는 본 발명의 제8실시예에 따른 가스 밸브 장치의 배면도이다.
도 11e는 도 11c의 A8-A8 선에 따른 단면도이다.
도 11f는 도 11c의 B8-B8 선에 따른 단면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 가스 분사량의 균등화를 위한 가스 밸브 장치의 실시예들을 구체적으로 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 가스 밸브 장치의 구성도가 도시되어 있다. 도 1에는 실린더 헤드(2)를 그것의 일부만 도시하였다. 실린더 헤드의 실질적 형태는 특허문헌 1에 기재된 것을 원용한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스 밸브 장치에 있어서, 실린더 헤드(2)에는 연소실로 통하는 흡기 포트(4)가 구비되고, 흡기 포트(4)의 출구 측(즉, 연소실 측)에는 흡기밸브(6)가 구비된다.
본 발명의 가스 밸브 장치는, 가스연료 도입관(100) 및 고속 유도 노즐(200)을 포함한다.
실린더 헤드(2)의 일측에는 가스유입밸브(8)가 설치되고, 가스유입밸브(8)의 출구로부터 가스연료 도입관(100)이 연장되어 흡기 포트(4) 안으로 돌출된다.
가스유입밸브(8)가 열리면, 가스연료는 공급라인(도시하지 않음)으로부터 가스유입밸브(8)를 지나 가스연료 도입관(100)을 통해 흡기포트(4) 안으로 들어온다.
본 명세서의 흡기 포트(4)에 있어서, '상류'라 함은 가스연료 도입관(100)을 기준으로 흡기가 들어오는 방향을 가리키고, '하류'라 함은 흡기가 나가는 쪽(즉, 흡기 밸브 및 연소실 방향)을 가리킨다.
흡기 포트(4)의 상류 측에는 고속 유도 노즐(200)이 설치된다.
본 발명에 있어서, 고속 유도 노즐(200)은, 도 1에 보인 바와 같이, 입구의 단면적이 크고 출구의 단면적이 작은 나팔형, 원추형 또는 이것들과 유사한 관으로 이루어진다. 흡기는 고속 유도 노즐(200a)의 넓은 단면적의 입구를 통해 유입되어 점진적으로 좁아지는 몸통부를 지나면서 가속되어 저압을 형성하면서 출구를 통해 토출된다.
일반적으로 후류 압력에 무관한 유동은 폐색 유동(Chocked Flow)이다. 즉, 폐색 유동 하에서는 하류의 유동조건이 상류로 전파되지 못하는 특성을 제공하므로 흡기포트의 압력에 무관하게 가스공급 압력에 따라 일정량의 가스연료 공급량을 유지할 수 있다. 이러한 폐색 유동은 상류와 하류의 압력비가 일정 값 이상이 될 때 나타난다.
그러나 가스연료 공급라인의 압력은 제한되어 있으므로 폐색 유동을 생성할 정도의 압력비를 만들기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는, 역으로 가스연료 도입관(100) 주위의 압력을 국부적으로 낮춰 흡기 포트(4)와 가스연료 공급라인 간의 압력비를 크게 만들어(예를 들어, 압력비를 폐색 유동에 필요한 2 이상에 가깝게 만들어), 가스연료 공급량에 대한 흡기 포트(4) 내부의 압력 변동량을 무시할 수 있는 변수가 되도록 한 것이다. 즉, 가스연료 공급량은 흡기 포트(4)의 압력 변동량의 영향을 받지 않게 된다.
고속 유동을 만들기 위해, 고속 유도 노즐(200)의 출구와 입구의 단면적비는 0.48 이하가 적합하다(즉, 출구 단면적/입구 단면적 ≤ 0.48).
본 발명에 따른 고속 유도 노즐(200)을 통과하는 흡기는 고속으로 가속되어 가스연료 도입관(100) 주위에 저압을 형성하고, 그러한 저압에 의해 가스연료 도입관(100) 내부에서 가속된 가스연료가 가속되어 흡기 포트(4)로 공급된다. 따라서, 각 실린더에서 흡기 포트(4)의 압력에 차이가 있더라도, 고속 유도 노즐(200)을 통해 가스연료 도입관(100) 주위에 유도되는 저압에 의해 가스연료가 폐색 유동을 형성하고, 이에 따라 흡기 포트(4)의 압력이 가스연료 유동의 상류로 전파되지 못하기 때문에, 각 실린더에 공급되는 가스연료의 유량을 균일하게 유지할 수 있게 된다.
다음으로, 도 2에는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 밸브 장치(50)를 보인 단면도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 밸브 장치(50)를 보인 단면 사시도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서, 흡기 밸브(6)는 실린더(10)의 피스톤(12) 행정에 따라 개폐를 반복하는데, 흡기 밸브(6)가 열리면 흡기 포트(4)로부터 가스연료와 공기(흡기)가 함께 연소실 안으로 들어오게 된다.
가스연료 도입관(100a)은, 실린더 헤드의 외측으로부터 흡기 포트(4)의 내부로 연장되어 돌출된다.
고속 유도 노즐(200a)은, 앞에서 이미 설명한 바와 같이, 흡기가 유입되는 입구(202a)로부터 가스연료 도입관(100a)을 향하는 출구(204a)로 갈수록 좁아지는 통로를 가진다. 즉, 입구(202a)의 통로 크기(넓이, 단면적)가 크고 출구(204a)의 통로 크기(넓이, 단면적)가 작다. 본 실시예에서 고속 유도 노즐(200a)은 원추형으로 이루어진 형태이다.
흡기 포트(4)의 내부로 연장된 가스연료 도입관(100a)은, 그것의 선단부가 고속 유도 노즐(200a)의 출구(204a)에 인접한 지점에서 고속 유도 노즐(200a)의 일측 원주를 횡방향으로 관통하여 고속 유도 노즐(200a)의 통로 내부를 가로지르도록 돌출된다. 즉, 가스연료 도입관(100a)의 선단부는 고속 유도 노즐(200a)의 내부까지 삽입된다.
가스연료 도입관(100a)의, 고속 유도 노즐(200a)의 내부로 돌출된 부분에는 가스연료 공급라인으로부터 공급되는 가스연료를 흡기 포트 안으로 내보내기 위한 가스연료 토출구(102a)가 형성되어 있다. 본 실시예에서, 가스연료 토출구(102a)는 세장형, 즉 슬롯형으로 이루어져 있으나, 그 형상으로만 한정하지는 않고 원형 타원형 사각형 등 다양한 형태로 구성할 수 있다.
다음으로, 도 4a 내지 도 4d는 도 2 및 도 3에 도시된 제1 실시예에 따른 가스 밸브 장치(50a)를 좀 더 자세하게 도시한 것으로서, 도 4a에는 측면도가 도시되어 있고, 도 4b에는 정면도가 도시되어 있으며, 도 4c에는 도 4b의 A1-A1 선에 따른 단면도가, 도 4d에는 도 4b의 B1-B1 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
가스연료 도입관(100a)의 외경은, 그것이 관통한 지점의 고속 유도 노즐(200a)의 둘레 내벽의 지름보다 작게 구성되며, 그에 따라 가스연료 도입관(100a)의 둘레 외벽과 고속 유도 노즐(200a)의 둘레 내벽 사이에 소정의 간격을 유지하여 그 간격에 의해 흡기가 통과하기 위한 협로(210)가 제공된다.
따라서, 흡기 포트(4) 내부로 유입된 외부의 흡기(공기)의 일부는 고속 유도 노즐(200a)의 넓은 입구(202a)로 들어와 좌우의 좁은 협로(210)를 통과하여 출구(204a)로 빠져나가게 된다. 그 과정에서, 도 4c 및 도 4d에 보인 바와 같이, 흡기가 가속되어 고속 유동이 생성되며, 그 흡기의 고속 유동에 의해 가스연료 도입관(100a)의 가스연료 토출구(102a) 주위에 저압이 형성된다. 따라서 가스연료 공급라인과 가스연료 토출구 간의 압력비가 가스연료의 유동이 폐색 유동을 형성할 정도로 충분하게 형성되어 가스연료 토출구(102a)로부터 연소실로 공급되는 가스연료의 유량은 흡기 포트(4)의 압력 변동량에 영향을 받지 않고 균일하게 유지할 수 있게 된다.
다음으로, 도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스 밸브 장치(50b)를 나타낸 것으로서, 도 5a에는 사시도가 도시되어 있고, 도 5b에는 측면도가 도시되어 있고, 도 5c에는 정면도가 도시되어 있으며, 도 5d에는 도 5c의 A2-A2 선에 따른 단면도가, 도 5e에는 도 5c의 B2-B2 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 5a 내지 도 5e에 도시된 제2 실시예에 따른 가스 밸브 장치(50b)는, 앞서 설명한 제1 실시에에 따른 가스 밸브 장치(50a)와 마찬가지로, 가스연료 도입관(100b)은 흡기 포트(4)의 내부로 연장되어 그것의 선단부가 고속 유도 노즐(200b)의 출구(204b)에 인접한 지점에서 고속 유도 노즐(200b)의 일측 원주를 횡방향으로 관통하여 고속 유도 노즐(200b)의 통로 내부를 가로지르도록 돌출된다.
고속 유도 노즐(200a)은, 앞에서 이미 설명한 바와 같이, 흡기가 유입되는 입구(202b)로부터 가스연료 도입관(100b)을 향하는 출구(204b)로 갈수록 좁아지는 통로를 가진다. 본 실시예에서 고속 유도 노즐(200b)은 나팔형으로 이루어진 형태이다.
가스연료 도입관(100b)의, 고속 유도 노즐(200b)의 내부로 돌출된 부분에는 가스연료 공급라인으로부터 공급되는 가스연료를 흡기 포트 안으로 내보내기 위한 가스연료 토출구(102b)가 형성되어 있다. 본 실시예에서, 가스연료 토출구(102b)는 세장형, 즉 슬롯(slot) 모양으로 이루어져 있으나, 그 형상으로만 한정하지는 않고 원형 타원형 사각형 등 다양한 형태로 구성할 수 있다.
가스연료 도입관(100b)의 외경은, 그것이 관통한 지점의 고속 유도 노즐(200b)의 둘레 내벽의 지름보다 작게 구성되며, 그에 따라 가스연료 도입관(100b)의 둘레 외벽과 고속 유도 노즐(200b)의 둘레 내벽 사이에 소정의 간격을 유지하여 그 간격에 의해 흡기가 통과하기 위한 협로가 제공된다.
따라서, 흡기밸브가 열리면 흡기포트(4) 내부로 외부의 흡기(공기)가 유입되고, 유입된 흡기는 고속 유도 노즐(200a)의 넓은 입구(202a)로 들어와 좁은 출구(204b)로 빠져 나가게 된다. 그 과정에서, 그러면 도 5d 및 도 5e에 보인 바와 같이, 흡기가 가속되어 고속 유동이 생성되며, 그 흡기의 고속 유동에 의해 가스연료 도입관(100b)의 가스연료 토출구(102b) 주위에 저압이 형성된다. 따라서 가스연료 공급라인과 가스연료 토출구 간의 압력비가 가스연료의 유동이 폐색 유동을 형성할 정도로 충분하게 형성되어 가스연료 토출구(102b)로부터 연소실로 공급되는 가스연료의 유량은 흡기 포트(4)의 압력 변동량에 영향을 받지 않고 균일하게 유지할 수 있게 된다.
다음으로, 도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 제3실시예에 따른 가스 밸브 장치(50c)를 나타낸 것으로서, 도 6a에는 측면도가 도시되어 있고, 도 6b에는 정면도가 도시되어 있고, 도 6c에는 배면도가 도시되어 있으며, 도 6d에는 도 6b의 A3-A3 선에 따른 단면도가, 도 6e에는 도 6b의 B3-B3 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 6a 내지 도 6e에 도시된 실시예의 가스 밸브 장치(50c)는, 가스연료 도입관(100c)의 상류 측의 고속 유도 노즐(200c)의 내부 좌우방향 중간에 수직벽(220)이 더 설치된 형태이다. 본 실시예에서, 수직벽(220)은 단순한 사각형 단면을 가지는 형태로 이루어져 있으나, 그 형상으로만 한정하지는 않고 사다리꼴형, 원뿔대형 등 다양한 형태로 구성할 수 있다.
수직벽(220)을 제외한 나머지 부분, 즉, 가스연료 도입관(100c), 가스연료 토출구(102c), 고속 유도 노즐(200c) 및 그것의 입구(202c)와 출구(204c)는 제1 내지 제2 실시예의 구성 요소들과 동일하게 구성할 수 있다.
수직벽(220)은, 고속 유도 노즐(200)로 유입되는 흡기를 통로의 단면적이 큰 입구(202c)의 초입부터 미리 좌우로 갈라지도록 유도하고, 출구(204c)로 갈수록 통로의 단면적을 좀 더 급격하게 줄어들도록 하여 고속 유동이 좀 더 원활하게 생성되도록 하여 고속 유도 노즐(200)과 가스연료 도입관(100c)에 의해 유발되는 유동저항을 최소화 하도록 한다.
다음으로, 도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제4실시예에 따른 가스 밸브 장치(50d)를 나타낸 것으로서, 도 7a에는 사시도가 도시되어 있고, 도 7b에는 측면도가 도시되어 있고, 도 7c에는 정면도가 도시되어 있고, 도 7d에는 도 7c의 A4-A4 선에 따른 단면도가 도시되어 있으며, 도 7e에는 도 7c의 B4-B4 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 7a 내지 도 7e에 도시된 실시예의 가스 밸브 장치(50d)는, 고속 유도 노즐(200d)의 출구(204d)에, 흡기와 가스연료의 토출방향을 연소실을 향하는 방향으로 유도하기 위한 블레이드(230)가 더 구비된 형태이다.
블레이드(230)를 제외한 나머지 부분, 즉, 가스연료 도입관(100d), 가스연료 토출구(102d), 고속 유도 노즐(200d) 및 그것의 입구(202d)와 출구(204d)는 제1 내지 제3 실시예의 구성요소들과 동일하게 구성될 수 있다.
도 1 처럼 고속 유도 노즐(200)의 하류측의 흡기포트(4)의 형태가 연소실을 향하여 아래로 굽어진 형태라면, 도 7a 내지 도 7e에 도시된 블레이드(230)와 같이 하류쪽이 아래쪽 방향으로 경사진 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 그러면, 가스연료가 흡기포트(4)의 마주보는 내벽면에 부딪혀 에너지가 감소되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 연소실 내부로 들어가는 흡기 유량을 증가시켜서 엔진의 체적효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 엔진의 펌핑 손실(Pumpuing Loss)을 감소시켜 엔진 효율을 증대시킬 수 있다.
다음으로, 도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 제5실시예에 따른 가스 밸브 장치(50e)를 나타내는 것으로서, 도 8a에는 가스 밸브 장치의 사시도가 도시되어 있고, 도 8b에는 측면도가 도시되어 있고, 도 8c에는 정면도가 도시되어 있으며, 도 8d에는 도 8c의 A5-A5 선에 따른 단면도가, 도 8e에는 도 8c의 B5-B5 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 8a 내지 도 8e에 도시된 실시예의 가스 밸브 장치(50e)는, 고속 유도 노즐(200e)의 출구(204e)로부터 가스연료와 흡기의 토출방향을 연소실을 향하는 방향으로 유도하기 위한 유도관(240)이 더 연장형성된 형태이다.
유도관(240)을 제외한 나머지 부분, 즉, 가스연료 도입관(100e), 가스연료 토출구(102e), 고속 유도 노즐(200e) 및 그것의 입구(202e)와 출구(204e)는 제1 내지 제4 실시예의 구성요소들과 동일하게 구성될 수 있다.
도 1 처럼 고속 유도 노즐(200)의 하류측의 흡기포트(4)의 형태가 연소실을 향하여 아래로 굽어진 형태라면, 도 7a 내지 도 7e에 도시된 유도관(240)과 같이 하류쪽이 아래쪽 방향으로 굽어진 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 그러면, 가스연료가 흡기포트(4)의 마주보는 내벽면에 부딪혀 에너지가 감소되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 연소실 내부로 들어가는 흡기 유량을 증가시켜서 엔진의 체적 효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 엔진의 펌핑 손실(Pumping Loss)을 감소시켜 엔진 효율을 증대시킬 수 있다.
다음으로, 도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 제6실시예에 따른 가스 밸브 장치(50f)를 나타내는 것으로서, 도 9a에는 사시도가 도시되어 있고, 도 9b에 측면도가 도시되어 있고, 도 9c에는 정면도가 도시되어 있으며, 도 9d에는 도 9c의 A6-A6 선에 따른 단면도가, 도 9e에는 도 9c의 B6-B6 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 9a 내지 도 9e에 도시된 실시예의 가스 밸브 장치(50f)는, 고속 유도 노즐(200f)이, 그것의 출구(204f)가 가스연료 도입관(100f)에 근접하거나 접촉하도록 정렬된 형태이다. 도시된 실시예에서는, 고속 유도 노즐(200f)의 출구(204f)가 가스연료 도입관(100f)의 하류측 외주에 접촉하도록 한 예를 도시하고 있다.
이 경우 도 9e에 도시된 바와 같이, 가스연료 도입관(100)의 외주와 고속 유도 노즐(200f)의 출구(204f) 사이의 좌우 방향에 흡기가 통과하기 위한 좁은 통로(212)가 형성된다. 가스연료 도입관(100)의 외주와 고속 유도 노즐(200f)의 출구(204f) 사이의 좁은 통로(212)로 빠져나가는 흡기의 고속 유동에 의해 가스연료 토출구(102f) 주위에 저압이 형성된다. 따라서 가스연료 공급라인과 가스연료 토출구 간의 압력비가 가스연료의 유동이 폐색 유동을 형성할 정도로 충분하게 형성되어 가스연료 토출구(102f)로부터 연소실로 공급되는 가스연료의 유량은 흡기 포트(4)의 압력 변동량에 영향을 받지 않고 균일하게 유지할 수 있게 된다.
고속 유도 노즐(200f)과 가스연료 도입관(100f)의 정렬 구성 이외의 구성, 즉, 가스연료 도입관(100f), 가스연료 토출구(102f), 고속 유도 노즐(200f) 및 그것의 입구(202f)와 출구(204f)의 형태는 제1 내지 제5 실시예의 구성요소들과 동일하게 구성될 수 있다.
도 9a 처럼 고속 유도 노즐(200f)이 가스연료 도입관(100f)과 근접하거나 접촉하도록 정렬된 형태라면, 가스연료 도입관(100f)에 고속 유도 노즐(200f)을 조립하기가 한층 더 용이하게 된다.
다음으로, 도 10a 내지 도 10e는 본 발명의 제7실시예에 따른 가스 밸브 장치(50g)를 나타내는 것으로서, 도 10a에는 사시도가 도시되어 있고, 도 10b에는 측면도가 도시되어 있고, 도 10c에는 정면도가 도시되어 있으며, 도 10d에는 배면도가, 도 10e에는 도 10c의 A7-A7 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 10a 내지 도 10e에 도시된 실시예의 가스 밸브 장치(50g)는, 가스연료 도입관(100g)이 고속 유도 노즐(200g)의 내부를 가로지르도록 돌출되지 않고, 그것의 선단부가 고속 유도 노즐(200g)의 출구(204g)에 인접한 지점에서 고속 유도 노즐(200g)의 일측 원주에 접속된다. 가스연료 도입관(100g)의 선단부는 개방된 형태로 이루어져서, 그것의 개방된 선단부가 고속 유도 노즐(200g)의 내벽면에 일치하여 고속 유도 노즐(200g)의 내부와 연통하도록 이루어진 형태이다.
가스연료 도입관(100g)으로 공급되는 가스연료는, 가스연료 도입관(100g)으로부터 수직하방으로 고속 유도 노즐(200g) 내부로 들어오며, 고속 유도 노즐(200g)에서 유도되는 흡기의 고속 유동에 가스연료 토출구 주위에 저압이 형성된다. 따라서 가스연료 공급라인과 가스연료 토출구 간의 압력비가 가스연료의 유동이 폐색 유동을 형성할 정도로 충분하게 형성되어 가스연료 토출구(102f)로부터 연소실로 공급되는 가스연료의 유량은 흡기 포트(4)의 압력 변동량에 영향을 받지 않고 균일하게 유지할 수 있게 된다.
고속 유도 노즐(200g)에 대한 가스연료 도입관(100g)의 접속 구성 이외의 구성, 즉, 고속 유도 노즐(200e) 및 그것의 입구(202e)와 출구(204e)의 형태는 제1 내지 제6 실시예의 구성요소들과 동일하게 구성될 수 있다.
도 10a 처럼 가스연료 도입관(100g)이 고속 유도 노즐(200g)의 내부를 가로지르도록 돌출되지 않고, 그것의 선단부가 고속 유도 노즐(200g)의 출구(204g)에 인접한 지점에서 고속 유도 노즐(200g)의 일측 원주에 접속된 형태라면, 고속 유도 노즐(200) 내부에 가스연료 도입관(100g)에 의해 유발되는 유동 저항이 최소화 될 수 있다.
다음으로, 도 11a 내지 도 11f는 본 발명의 제8실시예에 따른 가스 밸브 장치(50h)를 나타내는 것으로서, 도 11a에는 사시도가 도시되어 있고, 도 11b에는 측면도가 도시되어 있고, 도 11c에는 정면도가 도시되어 있으며, 도 11d에는 배면도가, 도 11e에는 도 11c의 A8-A8 선에 따른 단면도가, 도 11f에는 도 11c의 B8-B8 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 11a 내지 도 11f에 도시된 실시예의 가스 밸브 장치(50h)에 있어서, 가스연료 도입관(100h)은 선단부가 막혀있는 중공의 파이프 형태로 이루어지며, 그것의 가스연료 토출구(104h)는 중공의 파이프의 하류 쪽 측벽에 연소실을 향하여 개방되는 한편, 중공의 파이프의 상류 쪽 측벽에 흡기포트의 입구를 향하여 개방되어 중공의 파이프 안쪽으로 흡기를 유입시키기 위한 흡기 유입공(104h)이 더 형성된 구성을 가진다.
즉, 가스연료 도입관(100h) 자체에도 흡기를 유입시키기 위한 흡기 유입공(104h)이 더 형성된 구성이다.
가스연료 도입관(100h)으로 공급되는 가스연료는, 가스연료 도입관(100h)으로부터 수직하방으로 고속 유도 노즐(200h) 내부로 들어오며, 고속 유도 노즐(200h)에서 유도되는 흡기의 고속 유동에 가스연료 토출구 주위에 저압이 형성된다. 따라서 가스연료 공급라인과 가스연료 토출구 간의 압력비가 가스연료의 유동이 폐색 유동을 형성할 정도로 충분하게 형성되어 가스연료 토출구(102h)로부터 연소실로 공급되는 가스연료의 유량은 흡기 포트(4)의 압력 변동량에 영향을 받지 않고 균일하게 유지할 수 있게 된다.
고속 유도 노즐(200h)로 유입된 흡기는 고속 유도 노즐(200h)의 좁아지는 통로를 통과하면서 가속되는 한편, 가스연료 도입관(100h)의 흡기 유입공(104h)으로도 들어가 가스연료 도입관(100h)을 나오는 가스연료를 불어내므로 가스연료가 더욱 원활히 토출된다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 연소실로 통하는 흡기 포트 및 흡기 포트의 하류 출구 측에 구비되는 흡기밸브를 포함하는 실린더 헤드;
    원형 중공의 파이프로 이루어지고, 상기 원형 중공의 파이프의 선단은 선단벽(110)에 의해 막혀있으며, 상기 원형 중공의 파이프가 상기 흡기 포트를 지름방향으로 관통하여 흡기 포트 내부를 가로질러 돌출되고, 상기 선단벽(110)에 인접한 원형 중공의 파이프의 둘레 측벽에는 가스연료 토출구가 형성되는 가스연료 도입관(100); 및
    상기 흡기 포트 내부에 흡기 흐름 방향과 나란하게 배치되고, 흡기 흐름 방향 상류 쪽을 정면으로 바라보는 입구와, 흡기 흐름 방향 하류 쪽을 정면으로 바라보는 출구와, 상기 입구로부터 상기 출구로 갈수록 좁아지는 통로를 가지는 고속 유도 노즐(200); 을 구비하며,
    상기 가스연료 도입관(100)은, 둘레 측벽에 형성된 가스연료 토출구가 상기 흡기밸브 방향인 흡기 흐름 방향의 하류 쪽을 정면으로 바라보는 상태로 정렬되고,
    상기 고속 유도 노즐(200)은, 상기 출구가 형성된 출구면이 상기 가스연료 도입관(100)의 가스연료 토출구 반대쪽인 상류 쪽 둘레 측벽에 접촉하거나 접촉할 만큼 근접한 상태를 유지하여, 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공의 파이프가 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구를 지름 방향으로 횡단하여 가로막는 형태로 정렬되어, 평면에서 바라볼 때 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구와 상기 가스연료 도입관(100) 사이의 좌우 양쪽으로 좁은 통로(212)가 형성됨으로써, 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구를 나오는 흡기가 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공 파이프의 둘레 측벽에 의해 좌우로 갈라진 후 상기 좌우 양쪽의 좁은 통로(212)를 통해 빠져나가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
  2. 삭제
  3. 연소실로 통하는 흡기 포트 및 흡기 포트의 하류 출구 측에 구비되는 흡기밸브를 포함하는 실린더 헤드;
    원형 중공의 파이프로 이루어지고, 상기 원형 중공의 파이프의 선단은 선단벽(110)에 의해 막혀있으며, 상기 원형 중공의 파이프가 상기 흡기 포트를 지름방향으로 관통하여 흡기 포트 내부를 가로질러 돌출되고, 상기 선단벽(110)에 인접한 원형 중공의 파이프의 둘레 측벽에는 가스연료 토출구가 형성되는 가스연료 도입관(100); 및
    상기 흡기 포트 내부에 흡기 흐름 방향과 나란하게 배치되고, 흡기 흐름 방향 상류 쪽을 정면으로 바라보는 입구와, 흡기 흐름 방향 하류 쪽을 정면으로 바라보는 출구와, 상기 입구로부터 상기 출구로 갈수록 좁아지는 통로를 가지는 고속 유도 노즐(200); 을 구비하며,
    상기 가스연료 도입관(100)은, 선단부가 상기 고속 유도 노즐(200)의 출구에 인접한 지점에서 고속 유도 노즐(200)을 지름방향으로 관통하여 고속 유도 노즐(200)의 통로 내부를 가로지르고, 상기 가스연료 도입관(100)의 외경은 관통지점에서 상기 고속 유도 노즐(200)의 둘레 내벽의 지름보다 작은 지름을 가져, 평면에서 바라볼 때 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공의 파이프의 둘레 외벽과 상기 고속 유도 노즐(200)의 둘레 내벽 사이의 좌우 양쪽에 협로(210)가 형성됨으로써, 상기 고속 유도 노즐(200)로 들어온 흡기가 상기 가스연료 도입관(100)의 원형 중공 파이프의 둘레 측벽에 의해 좌우로 갈라진 후 상기 좌우 양쪽의 협로(210)를 지나 고속 유도 노즐(200)의 출구로 빠져나가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가스연료 도입관(100)의 상류 측의 상기 고속 유도 노즐(200)의 내부 좌우방향 중간에는, 고속 유도 노즐(200)로 들어오는 흡기를 좌우로 갈라 유도하기 위한 수직벽(220)이 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 고속 유도 노즐(200)의 출구에는, 흡기의 토출 방향을 연소실을 향하는 아래쪽 방향으로 유도하는 하향 경사진 복수의 블레이드(230)가 상기 출구를 좌우방향으로 횡단하는 상태로 상하방향으로 나란하게 정렬되어 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 고속 유도 노즐(200)의 출구로부터 연소실을 향하는 방향으로 굽어진 유도관(240)이 추가로 연장형성되는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
  8. 삭제
  9. 제3항에 있어서,
    상기 가스연료 도입관(100)은 상기 가스연료 토출구의 반대쪽인 상류 쪽 둘레 측벽에 중공의 파이프 안쪽으로 흡기를 유입시키기 위한 흡기 유입공(104h)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 고속 유도 노즐(200)은 나팔형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 고속 유도 노즐은 원추형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 밸브 장치.
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