KR102208180B1

KR102208180B1 - 내연기관 흡기용 와류발생기

Info

Publication number: KR102208180B1
Application number: KR1020190124832A
Authority: KR
Inventors: 임상현; 임새해
Original assignee: 임새해
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-01-27

Abstract

본 발명은 내연기관의 출력향상을 도모하기 위한 흡기용 와류발생기에 관한 것으로 흡입공기량의 증가와 더불어 와류의 발생으로 연료와의 혼합효율을 향상시켜 엔진출력향상 및 배기가스절감의 효과를 갖도록 한 것인바, 원통형의 케이싱(10)과, 상기 케이싱(10)의 내벽에 방사상으로 형성되는 복수의 고정날개(20)를 포함하여 이루어져 원통형 케이싱(10)의 일측에서 유입되는 공기가 고정날개(20)를 통과하면서 원통형 케이싱(10)의 타측에서 와류를 형성하도록 되어 있고, 상기 복수의 고정날개(20)는 각각 케이싱(10)의 내벽(12)에서 소정의 피치각을 형성하면서 나선형을 이루되 고정날개(20)의 뿌리(22; root)는 케이싱(10)의 내벽(12)에 결합되고, 고정날개(20)의 팁(tip;24)은 케이싱(10)의 중심부에 위치하되 상호 이격되어 케이싱(10)의 중심부에 길이방향을 따라 중심공간(14)이 형성되어 있다.

Description

내연기관 흡기용 와류발생기{VORTEX GENERATOR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 출력향상을 도모하기 위한 흡기용 와류발생기에 관한 것으로 흡입공기량의 증가와 더불어 와류의 발생으로 연료와의 혼합효율을 향상시켜 엔진출력향상 및 배기가스절감의 효과를 갖도록 한 것이다.

일반적으로, 자동차는 연료에 공기가 혼합되어 엔진 내부의 연소실에서 연소하면서 동력을 발생하게 된다. 즉, 자동차는 연료탱크에 저장되어 있는 연료가 각종 연료 공급장치를 통과하고, 외부로부터 유입된 공기와 혼합되어 엔진의 실린더로 분사됨과 동시에 엔진이 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 반복하면서 작동하게 되고 이에 따라 자동차가 동력을 얻게 되는 것이다.

한편, 엔진출력은 엔진의 회전수와 배기량 및 실린더 속의 혼합기체 압력에 비례하기 때문에, 배기량과 엔진의 회전수가 정해진 상태에서 출력을 향상시키기 위해서는 혼합기체의 압력을 높여야 하며, 혼합기체의 압력을 높이기 위해서 공기흡입도를 증가시켜주여야 한다.

이러한 공기의 공급은 차량의 외부로부터 유입되는데 차량 외부의 공기가 에어클리너 하우징으로 유입되며, 상기 에어클리너 하우징에 연결된 흡입관을 통해 흡기 매니폴드로 이동하여 엔진으로 공급된다.

지금까지 개발된 자동차의 엔진은 연료와 공기의 완전 혼합을 이룰 수 없기 때문에, 공기의 유입량의부족으로 인한 분사연료의 불완전 연소가 발생하는 것이 통상적이다. 이러한 연료의 불완전 연소는 연료의 낭비는 물론 매연 발생을 초래하게 되며, 이에 따라 대기오염 및 자동차 엔진의 수명 단축과 같은 여러 가지 문제가 발생한다.

본 발명과 관련된 종래기술로 특허문헌 1의 내연기관의 난류 형성장치, 특허문헌 2의 엔진 출력 증폭장치, 특허문헌 3의 내연기관용 와류 발생기, 특허문헌 4의 내연기관의 와류 발생기 등이 개시되어 있다.

한편, 상술한 특허문헌 1 내지 4에 개시된 와류(난류) 발생장치에 있어서는 케이싱 내부에 형성되어 공기와 접촉하는 복수의 날개 중심부에 모두 허브(hub)가 형성되어 있었으므로 이 허브에 의해 케이싱 단면적의 축소로 인한 공기흐름량의 감소문제가 있었고, 방사상으로 배치된 고정날개의 피치각이 중심의 루트 부분에서는 작고 외곽의 팁 부분이 커서 와류 발생기 후단부에서 공기가 케이싱의 외곽으로 흐르게 되어 형성되는 와류의 강도가 약하며(특허문헌 1,2,3,4공통), 특허문헌 2 및 3의 경우에는 와류를 형성하기 위한 제1,2설치관(내,외측관부재)이 동심원상으로 배치되어 구조적으로도 복잡해지게 되는 것은 물론, 케이싱의 단면적을 축소시키게 되어 공기의 흐름량이 줄어들게 되는 문제점이 있었고, 특허문헌 4의 경우에는 와류를 형성시키기 위한 와류 날개의 리딩 에지에서부터 트레일링 에지까지의 거리가 짧아 와류의 형성효율이 그다지 높지 않다는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-2013-0075874(2013.07.08) 한국등록특허 제10-1578842호(2015.12.14.) 한국등록특허 제10-1771384호(2017.08.18.) 한국등록특허 제10-1950664호(2019.02.14.)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구조로 이루어져 흡기관 내부에 삽입하거나 흡기관 사이에 연결하여 엔진으로 유입되는 공기량의 증가와 더불어 와류의 발생으로 연료와의 혼합효율을 향상시켜 엔진의 출력향상 및 배기가스절감이 가능한 와류발생기를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소정의 반경과 소정의 길이를 갖는 원통형 케이싱의 내벽에 방사상으로 복수의 고정날개가 형성되어 원통형 케이싱의 일측에서 유입되는 공기가 고정날개를 통과하면서 원통형 케이싱의 타측에서 와류를 형성하도록 된 내연기관용 와류발생기로; 상기 복수의 고정날개는 각각 케이싱 내벽에서 소정의 피치각을 형성하면서 나선형을 이루되 고정날개의 뿌리는 케이싱 내벽에 결합되고, 고정날개의 팁은 케이싱의 중심부에 위치하되 상호 이격되어 케이싱의 중심부에 길이방향을 따라 중심공간이 형성되고, 상기 고정날개는 리딩에지(leading dege)에서부터 트레일링에지(trailing edge)에 이르기까지 공기와 접촉하는 접촉면이 다단의 곡면을 이루도록 된 내연기관 흡기용 와류발생기를 제공한다.

바람직한 실시 예에서, 상기 고정날개는 뿌리의 피치각보다 팁의 피치각이 상대적으로 크게 형성되어 고정날개의 공기 접촉면에 닿은 공기가 중심공간쪽으로 모이면서 강력한 와류를 형성함과 동시에 압축되도록 한다.

본 발명의 실시 예에 의하면 와류발생기의 고정날개에 의해 공기의 흐름 속도가 빨라지게 됨과 동시에 고정날개의 루트와 팁 부분의 피치각이 다르므로 공기가 케이싱의 중심공간 쪽으로 유도되어 후단부에서 다시 합쳐지면서 와류를 형성하게 되므로 공기를 빠르게 회전시키고 강하게 밀어내어 엔진으로 유입되는 공기량을 증가시키게 되어 엔진의 출력을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 연료비의 절감이 가능하고, 공기와 연료와의 혼합효율도 향상되어 불완전연소로 인한 매연발생도 감소시킬 수 있는 등의 유용한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 와류발생기의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 와류발생기의 배면 사시도,
도 3은 도1에 도시된 고정날개의 사시도,
도 4는 도 1의 A - A선 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 와류발생기의 정면도,
도 6은 도 1에 도시된 와류 발생기의 배면도,
도 7은 흡기공기의 압축 및 와류발생상태를 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 6에는 본 발명의 일 실시 예에 의한 내연기관 흡기용 와류발생기(1)가 도시되어 있는데, 이는 도시 생략된 에어크리너와 엔진 사이의 흡기관(2) 내에 삽입(도 7 참조)되거나 흡기관(2) 사이에 연결(일반적인 슬리브 방식으로)되는 원통형의 케이싱(10)과, 상기 케이싱(10)의 내벽(12)에 방사상으로 형성되는 복수의 고정날개(20)를 포함하여 이루어져 원통형 케이싱(10)의 일측에서 유입되는 공기가 고정날개(20)를 통과하면서 가속되고 원통형 케이싱(10)의 타측에서 와류를 형성하도록 되어 있다.

본 실시 예에서 상기 복수의 고정날개(20)는 각각 케이싱(10)의 내벽(12)에서 소정의 피치각을 형성하면서 나선형을 이루되 고정날개(20) 외곽의 뿌리(22; root)는 케이싱(10)의 내벽(12)에 일체를 이루도록 결합되어 있고, 고정날개(20) 내측단의 팁(tip; 24)은 케이싱(10)의 중심부에 위치하되 상호 별도의 허브(hub) 등에 의해 연결되지 않고 이격되어 케이싱(10)의 중심부에 길이방향을 따라 비어있는 중심공간(14)이 형성되어 있다.

본 실시 예에서, 상기 중심공간(14)은 각 고정날개(20)가 배치된 외곽공간(16)과 상호 연통되어 있는데, 이는 각 고정날개(20)의 팁(24)이 중심부에서 자유단(free end)을 이루고 있기 때문이며, 이로 인해 중심공간(14)으로 유입된 공기와 외곽공간(16)으로 유입된 공기가 후단부에서 용이하게 혼합될 수 있으며, 와류발생기를 흐르는 공기중의 저항발생이나 후단부에서의 캐비테이션(cavitation; 공동) 현상을 최소화할 수 있는 것이다.

또, 본 실시 예에서, 상기 고정날개(20)는 전단의 리딩 에지(26; leading edge)에서부터 후단의 트레일링 에지(28; trailing edge)에 이르기까지 공기와 접촉하는 공기 접촉면(21)이 다단의 곡면을 이루도록 되어 있는데, 본 실시 예에서는 5개의 곡면(21a~21e)이 소정의 피치각을 이루도록 연결된 형태를 이루고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 5개 이하 또는 그 이상의 곡면으로 형성될 수도 있음은 물론이다.

본 실시 예에서, 상기 고정날개(20)는 케이싱(10)의 내벽(12)에 120°각도를 이루면서 3개가 방사상으로 배치되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 4개 이상으로 형성될 수도 있음은 물론이나, 실제 시험결과, 본 실시 예에서와 같이 고정날개가 3개인 경우가 가장 적합한 것으로 확인되었다.

또, 본 실시 예에서, 상기 고정날개(20)는 뿌리(22)의 피치각(θ1; 32°)보다 팁(24)의 피치각(θ2;50°)이 상대적으로 크게 형성되어 있어 고정날개(20)의 공기 접촉면(21)에 닿은 공기가 중심공간(14) 쪽으로 모이면서 압축되고 후단에서 서로 꼬이면서 강력한 와류를 형성하도록 되어 있다.

또한, 본 실시 예에서, 상기 중심공간(14)의 반경(r)은 케이싱(10)의 반경(R)의 약 1/5로 형성되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 1/3~1/10 범위 내에서 형성할 수 있으며, 다양한 비율로 제작하여 실험한 결과, 본 실시 예에서와 같이 대략 1/5의 크기로 형성하는 경우가 중심공간을 흐르는 공기가 고정날개와 접촉하여 와류를 형성하면서 중심공간으로 모인 가속된 공기와의 혼합에 의한 공기압축 및 와류 형성효율이 최적의 효과를 갖는 것으로 파악되었다.

본 실시 예에서, 상기 고정날개(20)의 두께는 케이싱(10)의 내경 단면적과 관련이 있으므로 구조적으로 문제가 없는 범위 내에서 최소의 두께로 제작하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 내식성이 우수한 금속소재나 엔지니어링 플라스틱을 소재로 하여 다이캐스팅 또는 사출성형을 통해서 제작할 필요가 있다.

이와 같이 구성된 본 실시 예의 와류발생기(1)는 에어크리너와 엔진 사이의 흡기관에 설치되어 엔진으로 유입되는 공기에 와류를 발생시키면서 공기를 압축시키게 되는데, 도 7에 도시된 바와 같이 방사상으로 형성된 복수의 고정날개(20)와 접촉하면서 베르누이의 원리(Bernoulli's theorem)에 의해 공기의 흐름 속도가 빨라지게 됨과 동시에 고정날개(20)의 루트(22)와 팁(24) 부분의 피치각이 다르므로 공기가 케이싱(10)의 중심공간(14) 쪽으로 유도되어 후단부에서 다시 합쳐지면서 와류를 형성하게 되므로 공기를 빠르게 회전시키고 강하게 밀어내어 엔진으로 유입되는 공기량을 증가시키게 되어 엔진의 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

더욱이 본 실시 예에 의한 와류발생기(1)는 고정날개(20)의 공기 접촉면(21)이 다단의 곡면을 이루도록 형성되어 있으므로 접촉되는 공기의 흐름을 점차적으로 가속시킴과 아울러 이로 인해 후단부에서 강한 와류가 발생하도록 하는 역할을 하게 되며, 중심공간(14)은 전단에서부터 후단에 이르기까지 장애물이 존재하지 않으므로 와류발생기(1)의 전단에서 유입된 공기도 중심공간(14)을 통해 함께 후방으로 흐르면서 고정날개(20)의 접촉면(21)에 의해 중심공간(14)의 후단부로 유도된 가속된 공기에 의해 딸려나가게 되면서 흐름속도가 가속되게 되므로 와류발생기(1)의 전단의 공기흐름속도보다 와류발생기 후단의 공기흐름속도가 빨라지게 됨으로써 단위시간당 엔진으로 공급되는 공기량이 증대되고, 엔진으로 공급되는 공기 자체는 와류상태로 공급되게 되므로 연료와의 혼합 또한 균일하게 이루어지게 되어 엔진 내부에서의 폭발력이 향상되게 되므로 엔진의 출력향상과 더불어 불완전연소로 인한 매연의 발생또한 감소시킬 수 있는 이점이 있는 것이다.

상술한 실시 예에서는 케이싱의 내부에 복수의 고정날개가 부착된 경우에 대하여만 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 복수의 고정날개 전단에 보조적으로 흡입되는 공기에 의해 회전되는 회전날개를 부착하여 흡입되는 공기를 회전시켜서 고정날개 측에 공급하도록 할 수도 있으며, 고정날개 후단에도 상기 전단의 회전날개와 축으로 연결된 보조날개를 설치하여 고정날개에 의한 와류발생에 추가하여 후단부에서 와류의 형성을 배가시킬 수도 있음은 물론이다.

1 : 와류발생기
2 : 흡기관
10 : 케이싱
12 : 내벽
14 : 중심공간
16 : 외곽공간
20 : 고정날개
21 : 공기 접촉면
21a~21e : 곡면
22 : 뿌리(root)
24 : 팁(tip)
26 : 리딩에지(leading edge)
28 : 트레일링 에지(trailing edge)
θ1 : 피치각(뿌리)
θ2 : 피치각(팁)
r : 반경(중심공간)
R : 반경(케이싱 내부)

Claims

소정의 반경과 소정의 길이를 갖는 원통형 케이싱(10)의 내벽(12)에 방사상으로 복수의 고정날개(20)가 형성되어 원통형 케이싱10)의 일측에서 유입되는 공기가 고정날개(20)를 통과하면서 원통형 케이싱(10)의 타측에서 와류를 형성하도록 된 내연기관용 와류발생기(1)로,
상기 복수의 고정날개(20)는 각각 케이싱(10)의 내벽(12)에서 소정의 피치각을 형성하면서 나선형을 이루되 고정날개(20)의 뿌리(22)는 케이싱(10)의 내벽(12)에 결합되고, 고정날개(20)의 팁(24)은 케이싱(10)의 중심부에 위치하되 상호 이격되어 케이싱(10)의 중심부에 길이방향을 따라 중심공간(14)이 형성되고,
상기 고정날개(20)는 리딩 에지(26;leading edge)에서부터 트레일링 에지(28;trailing edge)에 이르기까지 공기와 접촉하는 접촉면(21)이 다단의 곡면(21a~21e)을 이루도록 된 것을 특징으로 하는 내연기관 흡기용 와류발생기.
청구항 1에 있어서,
상기 중심공간(14)의 반경(r)은 케이싱 내부 반경(R)의 1/3~1/10인 것을 특징으로 하는 내연기관 흡기용 와류발생기.
청구항 1에 있어서,
상기 고정날개(20)는 뿌리(22)의 피치각(θ1)보다 팁(24)의 피치각(θ2)이 상대적으로 크게 형성되어 고정날개(20)의 접촉면(21)에 닿은 공기가 중심공간(14)쪽으로 모여서 압축되도록 된 것을 특징으로 하는 내연기관 흡기용 와류발생기.