KR20050010858A - 내연 기관용 유체 와류 장치 - Google Patents

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KR20050010858A
KR20050010858A KR10-2004-7019633A KR20047019633A KR20050010858A KR 20050010858 A KR20050010858 A KR 20050010858A KR 20047019633 A KR20047019633 A KR 20047019633A KR 20050010858 A KR20050010858 A KR 20050010858A
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김제이
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싸이클론 유에스에이, 인크.
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Abstract

본 발명의 장치는 내연 기관의 흡기 유동 또는 배기 가스 유동에 와류를 제공하도록 이용된다. 흡기 유체 유동에 와류를 생성하도록 사용될 때, 장치는 기화기 또는 연료 분사 서브시스템으로 진입하는 공기를 위한 흡기 통로 내에 위치된다. 공기의 와류는 기관의 연소 챔버 내로 진입하는 공기와 연료의 더욱 완전한 혼합을 제공하여, 연료 혼합물의 더욱 완전한 연소를 제공한다. 배기 유체 유동에 와류를 생성하도록 사용될 때, 장치는 배기 매니폴드를 빠져나가는 배기 가스를 위한 배기 통로 내에 위치된다. 배기 가스의 와류는 배압을 감소시키도록 배기 시스템을 통한 배기 가스 유동의 속도 저하를 최소화하여, 더욱 완전한 연소를 제공한다. 장치는 하우징 내에 장착되는 한 세트의 편평한 평면인 베인을 포함한다. 베인은 하우징을 통과하는 흡기 또는 배기 가스에 와류 운동을 부여하도록 경사진다. 베인에는 또한 하우징을 통과하는 유체 유동에 대한 방해를 최소화하도록 만곡된 후단 에지가 제공되고, 유체 유동에 와류 운동을 부여하는 베인의 효과를 개선하도록 경사진 후단 단부가 제공된다.

Description

내연 기관용 유체 와류 장치{FLUID SWIRLING DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
종래의 내연 기관의 흡기 시스템에서, 흡기 통로의 벽에 인접하여 이동하는 유체 유동, 즉 층류 유체 유동(laminar fluid flow)은 전형적으로 상당한 양의 무화(atomized)되지 않은 가솔린 입자를 포함한다. 무화되지 않은 연료는 쉽게 연소되지 않는다. 그러므로, 유체 유동 내의 연료의 불완전한 무화는 유체의 완전 연소를 방해한다. 이러한 층류 유동은 결과적으로 기관의 연소 효율을 감소시킨다. 또한, 흡기 통로의 벽에 대한 유체 유동의 접촉에 의해 발생된 마찰력 및 가솔린분자와 공기 분자 사이의 질량 밀도의 차이에 기인하여, 층류 유체 유동은 잔여 유체 유동보다 느린 속도로 통로를 통해 이동한다. 속도의 이러한 차이는 가솔린 입자의 공기 입자와의 혼합을 방해하기 쉬워, 유체의 불완전 연소의 추가적인 원인이 되고 기관의 효율을 감소시킨다.
흡기 통로를 통과하는 유체 유동의 난류는 층류 유체 유동을 감소시키고, 공기와 연료의 향상된 혼합을 제공한다. 이러한 이점은, 난류가 기화기(또는 연료 분사 시스템)로 유입되는 공기 내에, 흡기 매니폴드 또는 흡기 러너(runner)를 통과하는 유체 내에, 또는 기관의 흡기 포트 또는 흡기 밸브 주위로 통과하는 유체 내에 생성되는 경우 실현될 수 있다. 결과적으로, 다양한 장치 및 시스템이 흡기 시스템의 여러 위치에서 이러한 난류를 생성시키도록 설계되어 왔다.
연료 도입 서브시스템으로 유입되는 공기 내에 난류를 생성시키도록 설계된 일부 종래 기술의 장치는 공기에 와류 운동을 부여하기 위하여 그에 대항하여 통과하는 공기를 편향시키는 베인(vane)을 포함한다. 이러한 장치의 일부는 장치에 베인을 부착하는 허브(hub) 또는 중앙 부재를 포함한다. 중앙 부재는 베인에 강성을 제공하여, 이들이 편향 에너지를 흡수하지 않고 오히려 에너지를 유체로 되돌리도록 전달한다. 중앙 부재는 유체 유동에 대한 방해를 감소시키고 바람직하지 않은 난류를 생성할 수도 있는 부압(negative pressure) 영역을 감소시키도록 전형적으로 유선형이다.
흡입 공기 난류를 생성하는 종래 기술의 장치 또는 시스템의 주요한 단점 중 하나는 이들이 시스템을 통한 공기 유동을 제한한다는 것이다. 이는 기관 내부로전달되는 공기와 연료의 최대 양을 바람직하지 않게 감소시켜, 최대 마력 출력을 감소시킨다. 흡입 공기의 와류 및 난류를 생성하는 종래 기술의 장치의 일 예는 킴(Kim)의 미국 특허 제5,947,081호에 개시되어 있다. 개시된 장치는 오목부 및 볼록부와 슬릿(slit)을 구비한 베인을 포함한다. 베인의 작은 오목부 및 볼록부 표면은 비교적 급격한 각도 편향으로 공기 유동의 작은 부분을 편향시킨다. 이러한 고도의 편향은 공기 흐름의 난류를 생성한다. 이 난류는 유체 유동의 원활한 블렌딩(blending) 또는 혼합보다는 유체 유동 분자의 충돌을 포함한다. 결과적으로, 이 충돌은 에너지를 흡수함으로써 유체 유동의 속도가 감소하여 그 결과 유체 유동이 감소한다.
일부 종래 기술의 장치의 다른 중요한 단점은 이들이 기관 시스템에 장착하기 어렵거나 비용이 많이 든다는 것이다. 클롬프(Klomp)의 미국 특허 제4,424,777호에 개시된 바와 같은 일부 종래 기술의 장치는, 이들이 흡기 밸브 주위에 설치되어야 하기 때문에 구매자가 기관을 분해하여 이들 기관 부품들을 장치에 적합하도록 적절히 기계 가공할 것을 필요로 한다. 그러나, 이는 전형적으로 시간 소모적이고 고비용의 노력을 요구하여, 이러한 장치가 많은 자동차 소유자들에게 비실용적이게 한다. 유사하게, 다른 종래 기술의 장치는, 이들이 흡기 매니폴드 또는 러너에 설치되어야 하기 때문에 구매자가 이러한 장치를 설치하기 위해서는 기관의 주요 부품들을 분해할 것을 필요로 한다. 그러나, 이 역시 소정의 기계적 숙련도를 필요로 하는 시간 소모적인 노력을 필요로 하여 이러한 장치를 많은 자동차 소유자들에게 비실용적이게 한다.
이러한 종래 기술의 흡기 유체 난류 생성 시스템의 설계자들은 이러한 난류의 효과가 기관 스로틀(throttle) 위치에 따라 가변적이라는 것을 인식하였다. 쯔쯔미(Tsutsumi)의 미국 특허 제4,424,598호는 기관 부하와 기관 작동 조건에 반응하는 자동차 와류 생성 시스템을 개시한다. 기본적으로, 쯔쯔미의 시스템은 연소 챔버 내에 생성되는 와류를 변경하도록 기화기 스로틀 밸브 위치에 반응하는 피봇 샤프트를 사용한다. 그러나, 이러한 시스템의 단점은 적절히 설치하는 것이 곤란하다는 것이다.
배기 시스템의 설계자들도 역시 기관으로부터의 배기 가스 유동의 효과를 향상시키는 것이 향상된 연소 효율을 제공할 수 있다는 것을 인식하였다. 그 결과, 배기 시스템으로부터의 배기 가스 유동의 속도를 증가시켜 연소 챔버와 배기 포트로부터 배기 가스를 배출시키는 많은 배기 시스템이 존재한다. 일부 배기 헤더(header) 시스템은 배기 파이프를 수집기 파이프의 내주연 주위에 위치시켜 수집기 파이프로부터 와동(vortex flow)으로 배기 가스의 와류를 생성시켜 배기 가스 유동을 향상시키도록 설계된다. 이러한 시스템은 흡기 및 배기의 유체 유동의 향상에 매우 효과적이고, 이로써 연소를 향상시킨다. 그러나, 이러한 시스템은 기관의 재조정과 주요 기관 시스템 부품의 교체를 요구하여, 많은 자동차 소유자에게는 비실용적이다.
이러한 공기 와류 또는 공기 난류 생성 장치 및 시스템에 대한 많은 요구 사항은 종래 기술의 시스템과 장치에서 와류 또는 난류 생성 효과와 공기 유동 제한 사이의 타협의 결과를 가져왔다. 또한, 많은 종래 기술 시스템은 요구되는 와류또는 난류의 생성에는 매우 효과적이지만, 과도한 기관 부품의 변경과 노동 소모를 필요로 한다. 결과적으로, 필요한 것은 설치를 위한 특별한 공구를 필요로 하지 않고 따라서 쉽게 수작업으로 설치될 수 있는 흡기 및 배기 유체 와류 장치이다. 또한, 필요한 것은 유체 유동 제한을 최소화하는 상태에서 개선된 생성을 제공하는 흡기 및 배기 유체 와류 장치이다.
본 출원은 그 개시사항이 본 발명에 참조로서 합체된, 2002년 6월 5일자로 출원된 미국 출원 제29/161,743호 및 2002년 12월 9일자로 출원된 미국 출원 제10/314,238호로부터 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 내연 기관용 흡기 및 배기 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 흡기 통로를 통해 유동하는 유체 내의 공기와 연료의 더욱 완전한 혼합을 제공함으로써 개선된 연소 효율을 제공하는 흡기 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 더욱 구체적으로 배기 시스템을 통한 배기 가스 유동을 향상시킴으로써 개선된 연소 효율을 제공하는 배기 시스템에 관한 것이다.
도1은 서브시스템의 흡기 덕트와 기화기를 도시하는, 본 발명의 장치를 합체한 흡기 유동 서브시스템의 단면도이다.
도2a는 서브시스템의 테일파이프와 촉매 변환장치를 도시하는, 본 발명의 장치를 합체한 배기 가스 유동 서브시스템의 단면도이다.
도2b는 서브시스템의 배기 파이프와 배기 매니폴드를 도시하는, 본 발명의 장치를 합체한 배기 가스 유동 서브시스템의 단면도이다.
도3은 본 발명의 장치의 사시도이다.
도4는 본 발명의 장치의 평면도이다.
도5는 본 발명의 하우징 부품의 개방된 측부를 도시하는, 본 발명의 장치의 측면도이다.
도6은 도4의 선 6-6을 따라 취한 본 발명의 장치의 종단면도이다.
도7은 본 발명의 장치의 대표적인 베인의 측면도이다.
도8은 본 발명의 장치의 대표적인 베인의 평면도이다.
도9는 본 발명의 장치의 대표적인 베인의 경사진 하부 단부를 도시하고, 또한 이에 대항하여 인접하게 통과하는 유체 유동을 도시하는 후방 단부도이다.
도10은 본 발명의 장치의 대표적인 부 베인의 측면도이다.
도11은 본 발명의 장치의 대표적인 부 베인의 평면도이다.
도12는 본 발명의 장치의 대표적인 부 베인을 도시하고, 또한 이에 대항하여 인접하게 통과하는 유체 유동을 도시하는 후방 단부도이다.
본 발명의 주요 목적은 내연 기관의 연료 도입 서브시스템으로 진입하는 공기를 위한 흡기 통로 내에 위치될 수 있는 공기 와류 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유체 유동의 개선된 와류를 제공하도록 경사져 형성된 구조적 부품을 갖는 흡기 및 배기 유체 와류 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 통과하는 유체 유동 제한의 최소화를 제공하기 위한 최소화된 구조적 부품을 구비하는 흡기 및 배기 유체 와류 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 통과하는 유체 유동 제한의 최소화를 제공하는 형상을 갖는 구조적 부품을 구비하는 흡기 및 배기 유체 와류 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 설치를 위하여 주요 기관 부품의 분해를 필요로 하지 않는 공기 와류 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 내연 기관의 흡기 통로 내에 수작업으로 설치될 수 있는 공기 와류 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 내연 기관의 흡기 통로 내로의 꼭 맞는 장착을 제공하도록 구조적 탄성을 갖는 공기 와류 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 배압을 감소시키는 배기 가스 와류 장치를 제공하는 것이다.
기본적으로, 본 발명의 장치는 내연 기관의 유체 유동 통로 내에 위치되어 유체에 회전 또는 와류 형태의 운동을 부여하기 위하여 통과하는 유체를 편향시키도록 설계된다. 이 와류 운동은 유체를 통로의 벽으로부터 이격되도록 이동시키고, 유체 유동에 대해 항력을 부가하는 마찰력을 발생시키는 통로의 벽과의 계속적인 접촉을 감소시키기 쉽다. 흡기 통로 내에 위치된 때, 와류는 공기와 연료의 개선된 혼합을 제공하여 연료 혼합물이 더욱 완전하게 연소하게 한다. 테일파이프(tailpipe) 또는 배기 파이프 내에 위치된 때, 와류는 생성될 수 있는 배기 가스 속도의 저하를 감소시켜, 배압을 감소시킴으로써 기관 출력이 증가하게 한다.
장치는 유체 유동 흐름 내에 위치되는 베인을 합체함으로써 유체 유동의 와류 생성의 목적을 달성한다. 베인은 유체를 측방향으로의 회전 운동으로 편향시키도록 경사진다.
장치는 베인이 장착되는 하우징을 포함한다. 하우징은 유체 유동이 통과하도록 종방향 양 단부에서 개방된다. 하우징은 다양한 자동차의 흡기 덕트 또는 통로 및 다양한 자동차의 배기 파이프에 수용될 수 있는 크기와 형상을 갖는다. 이는 장치를 제위치에 고정하기 위하여 부착 수단을 필요로 하지 않고 장치가 내부에 꼭 맞게 장착되고 제위치에서 유지되도록 사용자가 흡기 덕트 또는 배기 파이프 내로 장치를 간단한 수작업으로 삽입하는 것을 비교적 용이하게 한다.
베인은 유체 유동 제한을 최소화하면서 와류 효과를 최대 효율로 생성하도록 (에지에서) 특별히 만곡되어 형성된다. 베인은 하우징의 중앙 영역에서보다 하우징의 내측 주연부에서 종방향으로 더 길다. 그러므로, 베인의 주연부는 더 커지므로 베인의 더 작은 중앙부에서보다 더 큰 편향을 제공한다. 이는 요구되는 와류를 더욱 효과적으로 생성할 수 있기 때문에 바람직하다. 이는 생성된 와류가 기본적으로 보다 중앙으로 위치된 영역의 공기보다 통로의 주연부 영역의 공기에 더 많은 회전을 부여한 상태에서의 중심축 둘레의 공기 회전이기 때문이다. 결과적으로, 하우징의 주연부에서의 유체 편향이 하우징의 중심축 둘레의 요구되는 유체 회전을 생성시키는데 더욱 효과적이다. 유사하게, 하우징의 중앙 영역 부근에서, 베인 부분은 더 작아서 편향을 덜 생성하고 동시에 와류가 덜 효과적으로 생성될 수 있는 하우징 영역에서 유체 유동을 덜 제한하게 된다.
베인의 하부 또는 후단 에지 역시 유체 유동 제한을 감소시키기 위하여 베인을 유선형으로 만곡시킨다. 곡률은 하우징의 주연부로부터 중앙으로의 방향이다. 주 베인의 주연 단부는 중앙(또는 내측) 단부보다 길기 때문에, 하부 또는 후단 에지는 유체 유동의 방향으로 경사지고 그 곡률 또한 이 방향으로 만곡된다.
또한, 베인의 하부 단부와 하부 중간 단부는 유체 유동의 편향의 방향으로 절곡된다. 그러므로, 하부 단부와 하부 중간 단부는 유체 유동의 편향을 개선하도록 측방향으로 경사진다. 이들 하부 부분에 의해 제공된 이 편향은 또한, 유체 유동이 주 베인의 상부 부분에 의해 이미 편향되었고, 측방향 운동을 부가하도록 더욱 편향되어 유체 유동에 대한 회전 운동을 부가하는 이들 하부 부분에 유체가 도달할 때까지 베인과 나란하게 하방으로 이동하기 때문에 매우 효과적이다.
장치는 또한 유동 제한을 최소화한 상태에서 와류 효과를 최대 효율로 생성하도록 부 베인을 포함한다. 부 베인은 하우징 내에 장착되어 하우징의 벽에 부착된다. 부 베인은 또한 유체 유동의 요구되는 편향을 생성하기 위하여 주 베인과 동일하게 경사진다. 그러나, 부 베인은 폭이 더 짧고 따라서 중심을 향해 그리고 하우징의 내측 영역 내로 짧은 거리로만 연장하여, 이들은 유체 유동의 회전 운동을 최대 효과로 생성하는 하우징의 내측 주연부 영역에만 위치한다.
종래 기술의 와류 장치는 베인이 부착되는 중앙 부재 또는 허브를 이용하지만, 본 발명은 베인의 측방향 내측 단부를 장치의 중앙 영역에서 상호연결함으로써 이러한 중앙 부재의 필요성을 미연에 방지한다. 그러므로, 하우징의 중앙 영역은 개방되고, 이에 따라 장치의 중앙을 통한 유체 유동을 방해하지 않는다. 그러므로, 본 발명은 종래 기술의 비교 가능한 장치에 비해 개선된 공기 유동을 제공한다. 더욱이, 중앙 부재의 제거는 장치의 공기 와류의 생성 효율을 감소시키지 않는데, 이는 생성된 와류가 기본적으로 보다 중앙으로 위치된 영역의 공기보다 통로의 주연부 영역의 공기에 더 많은 회전을 부여한 상태에서의 중심축, 즉 하우징의 중앙 둘레의 공기 회전이기 때문이다. 따라서, 전체 유체 운동은 통로를 통해 운동할 때 나선형의 형상을 갖는다. 결과적으로, 와류는 전형적으로 장치의 중앙에 위치된 구조물에 의해서 효과적으로 달성될 수 없고, 대신에 장치의 보다 주연부로 위치된 구조물에 의해 효과적으로 달성될 수 있다. 게다가, 유체 유동의 최대 비틀림 또는 선회는 장치의 내측 주연부의 영역에 위치된 부 베인과 같은 구조물과 주 베인의 더욱 큰 주연부와 같은 구조물 부분에 의해 달성된다.
도면을 참조하면, 본 발명의 와류 장치는 일반적으로 도면 부호(10)로 지정되어 있다. 장치(10)는 내연 기관(도시 안됨)의 흡기 서브시스템(14)의 흡기 통로 또는 덕트(12)의 내측에 장착되는 크기를 갖는다. 통로(12)는 도시된 바와 같이 연료 분사 서브시스템 또는 기화기일 수 있는 연료 도입 서브시스템(16)으로 이어진다. 그러므로, 통로는 흡입 공기를 공기 필터 박스(88)로부터 연료 분사 서브시스템(16)으로 전달하는데 사용된다.
도2a는 배기 통로 또는 파이프(90) 내에 장착된 장치(10)를 도시한다. 테일파이프(tailpipe; 90)는 머플러(도시 안됨)와 기관(도시 안됨)으로부터 배기 가스를 수용하는 촉매 변환기(catalytic converter)에 부착된다. 장치는 배기 가스에 와류를 제공하여 와동 형태의 유동 흐름을 생성시켜 배기 가스를 배기 시스템으로부터 배출시킨다.
도2b는 다른 종류의 배기 통로 또는 파이프(18) 내에 장착된 장치(10)를 도시한다. 배기 파이프(18)는 기관의 배기 포트(도시 안됨)와 연소 챔버(도시 안됨)로부터 배기 가스를 수용하는 배기 매니폴드(20)에 부착된다.
장치(10)는 바람직하게는 자동차의 다양한 제조 형태와 모델에 따라 상이한 크기를 갖는 덕트와 통로에 수용되도록 상이한 크기들로 제조된다. 장치는 바람직하게는 원통 형상과 유사한 표준 흡기 덕트에 수용되도록 원통 형상인 하우징(22)을 포함한다. 그러나, 다른 형상의 하우징 역시 다른 형상을 갖는 흡기 덕트에 수용되도록 사용될 수 있다.
장치(10)는 통로(12), 통로(90) 또는 통로(18)를 통과하는 흡기 또는 배기 유체 유동(28)의 와류 생성의 요구되는 목적을 달성하기 위하여 한 세트의 주 베인(24)과 한 세트의 부 베인(26)을 이용한다. 베인(24, 26)은 바람직하게는 강성이고 하우징(22) 내에 장착된다. 보다 구체적으로는, 베인(24, 26)은 하우징(22)의 벽(30) 상에 장착되어, 이들은 하우징(22)의 중앙 영역(32)을 향해 돌출한다. 베인(24, 26)은 바람직하게는 벽 내부에 위치되어 이를 통해 연장하는 개구(34)에 의해 벽(30)에 부착된다. 개구(34)는 베인(24)의 후방 단부(38)에 위치된 탭(36)을 수용한다. 유사하게, 베인(26)은 바람직하게는 벽 내부에 위치되어 이를 통해 연장하는 개구(40)에 의해 벽(30)에 부착된다. 개구(40)는 유사하게 베인(26)의 후방 단부(44)에 위치된 탭(42)을 수용한다. 탭(36, 42)은 하우징(22)의 외부면(46) 상에서 그 위로 절곡되어 가용접(tack welded)된다. 그러나, 베인(24, 26)을 하우징(22)에 부착하는 다른 적합한 수단도 필요에 따라 이용될 수 있다. 그러므로, 베인(24, 26)은 하우징(22) 내에서 통로(12, 18)를 통과하는 유체 유동(28) 내에 있게 된다.
도9 및 도12에 도시된 바와 같이, 베인(24)은 그의 하부 에지(68)와 오정렬된 상부 에지(52)를 갖고, 베인(26)은 그의 하부 에지(92)와 오정렬된 상부 에지(72)를 갖는다. 이러한 오정렬은 유체 유동(28)의 방향(또는 하우징(22)에 관한 종방향)과 관련된다.
베인(24)은 바람직하게는 그의 편평한 평면인 외부면(46)이 유체 유동(28)을 향하도록 소정 각도로 배향된다. 베인(26)은 유사하게 편평한 평면인 외부면(74)이 유체 유동(28)을 향하도록 소정 각도로 배향된다. 그러므로, 표면(48) 및 표면(74)과 충돌하는 유체 유동(28)은 측방향으로 편향된다. 베인(24, 26)은 바람직하게는 하우징(22)의 축(50)에 대해 25°의 각도로 배향된다. 보다 구체적으로는, 베인(24)의 각도 배향은 개개의 베인(24)의 상부 에지(52)와 축(50)을 포함하는 평면과 관련된다. 유사하게, 베인(26)의 각도 배향은 개개의 베인(26)의 상부 에지(72)와 축(50)을 포함하는 평면과 관련된다. 축(50)은 바람직하게는 유체 유동(28)의 방향과 일치하기 때문에, 각도 배향 역시 하우징(22)으로 진입하는 유체 유동(28)의 방향과 관련된다. 베인(24, 26)은 또한 하우징(22)으로 진입하는 유체 유동(28)의 이득점(vantage point)으로부터 측방향으로의 시계방향으로 소정 각도로 배향된다. 그러므로, 개개의 베인(24, 26)의 이러한 배향은 유체 유동(28)을 측방향으로 편향시켜, 기본적으로 시계방향으로 선회 및 회전시킨다. 유체 유동의 이러한 시계방향 회전 운동은 하우징(22)으로부터 배출되는 유체 유동(28)의 나선형 운동으로 귀결된다.
주 베인(24)은 모두 편평한 평면인 주요부(54), 내측 하부 중간 단부(82), 외측 하부 중간 단부(84), 내측 하부 단부(56), 및 외측 하부 단부(58)를 갖는다. 하부 중간 단부(82, 84)는 각각 절곡선(86, 88)을 따라 절곡되어, 이 단부(82, 84)들은 하우징(22)으로 진입하는 유체 유동의 이득점으로부터 상부 에지(52)와 축(50)을 포함하는 평면(또는 하우징으로의 유체 유동(28)의 방향)과 관련하여 시계방향으로 수평적으로 경사진다. 그러므로, 하부 단부(82, 84)는 베인(24)의 주요부(54)와 동일한 방향으로 배향된다. 그러나, 상부 에지(52)와 축(50)의 평면에 대해 12°로 경사지는 것에 더하여, 이들 하부 단부는 상술된 바와 같이 주요부(54)와 동일한 방향으로 경사진다. 유사하게, 하부 단부(56, 58)는 각각 절곡선(60, 62)을 따라 절곡되어, 이 단부(56, 58)들은 하우징(22)으로 진입하는 유체 유동의 이득점으로부터 상부 에지(52)와 축(50)을 포함하는 평면(또는 하우징으로의 유체 유동(28)의 방향)과 관련하여 시계방향으로 수평적으로 경사진다. 따라서, 하부 중간 단부(82, 84)와 같이, 하부 단부(56, 58)는 베인(24)의 주요부(54)와 동일한 방향으로 배향된다. 하부 단부(56, 58)는 주요부(54)와 동일한 방향으로 경사질 뿐만 아니라 상부 에지(52)와 축(50)의 평면에 대해 24°로 경사진다. 그러므로, 주요부(54)에 의해 수평적으로 편향된 유체 유동은 하부 중간 단부(82, 84)에 의해 그리고 이어서 하부 단부(56, 58)에 의해 수평적으로 더욱 편향된다. 주요부(54)와 나란하게 통과하여, 이전의 종방향만으로의 운동으로부터 수평방향으로 전환된 유체 유동(28)은 경사진 주요부(54)에 의해 제공되는 지지에 의해 소정 정도의 방향 안정성을 갖게 된다. 유체 유동 흐름의 이러한 방향 안정성은 하부 중간 단부(82, 84) 및 하부 단부(56, 58)를 통한 편향에 의해 동일한 수평 방향으로 비교적 쉽게 변경될 수 있고, 이로써 유체 유동(28)에 부여되는 회전 운동이 개선된다. 그러므로, 하우징(22)을 빠져나가는 유체 유동(28)은 무엇보다도 경사진 부분들(82, 84, 56, 58)에 의해 더욱 와류가 된다. 3단계로 연속적인 유체 유동(28)의 편향은 또한 전체 베인(24)을 단순하게 하부 단부(56, 58)와 동일한 각도 배향으로 정렬시키는 것보다 효과적이다. 절곡선(86)은 바람직하게는 유체 유동(28)의 방향선에 수직하다. 절곡선(60)은 바람직하게는 유체 유동(28)의 방향으로 45°의 각도로 경사지고, 절곡선(62)은 바람직하게는 유체 유동(28)의 방향으로 60°의 각도로 경사진다.
베인(24)은 바람직하게는 상호연결 부재(76)를 통해 전방 또는 내측 단부(78)에서 상호연결된다. 그러므로, 베인(24)은 베인(24)의 쌍으로 형성된다. 상호연결 부재(76)는 바람직하게는 이들이 반원통 형상을 갖도록 측방향으로는 곡선형이지만 종방향으로는 직선형이다. 부재(76)는 바람직하게는 베인(24, 26)과 같이, 상부 에지(52)와 축(50)을 포함하는 평면에 대해 25°의 각도로 배향된다. 상호연결 부재(76)가 베인(24)을 상호연결하여 구조적 강성을 제공하기 때문에, 베인(24)을 부착하여 지지를 제공하기 위한 하우징(22)의 중앙의 지지 구조물은 필요하지 않다. 결과적으로, 하우징(22)의 중앙은 개방되어 유체가 이를 자유롭게 통과할 수 있게 한다. 하우징의 중앙은 유체 유동에 와류를 효과적으로 제공할 수 있는 구조물을 간섭적으로 합체하지 않기 때문에, 중앙 구조물의 결여가 장치(10)에 의해 제공되는 와류를 감소시키지는 않고 대신에 장치(10)의 유체 유동 제한을 최소화한다.
베인(24)은 바람직하게는 중앙 영역(32)에서보다 하우징의 주연부 영역에서 종방향으로 더 길다. 따라서, 베인(24)의 후방 단부(38)는 전방 단부(78)보다 길다. 보다 구체적으로는, 전방 단부(78)는 후방 단부(38)의 길이의 25%이다. 기본적으로는, 길이의 이러한 차이는 베인(24)의 와류 생성에 덜 효과적인 보다 중앙인영역에서 베인의 종방향 길이를 감소시킨다. 또한, 베인(24)의 전방 상부 에지(66)는 유체 유동(28)의 방향으로 만곡되고, 베인(24)의 하부 에지(68)도 유체 유동(28)의 방향으로 만곡된다. 에지(66, 68)들은 서로를 향해 수렴하는 방향으로 만곡되어, 베인들은 주연부 영역에서보다 중앙 영역(32)이 사실상 더 작다. 전방 및 후방 상부 에지 또는 선단 에지(52)는 가장 먼저 유체 유동(28)과 만나게 되며, 따라서 베인(24)이 와류를 더 효과적으로 제공할 수 있는 주연부 영역(64)에서 더 큰 베인(24) 영역을 제공하도록 후방 선단 에지(52)는 직선형이고, 베인(24)이 상대적으로 와류를 제공할 수 없는 중앙 영역(32)에서 더 작은 베인(24) 표면적을 제공하도록 전방 선단 에지(66)는 하향으로 곡선형이다.
장치(10)는 장치를 빠져나가는 공기 유동에 와류를 제공하도록 흡기 덕트(12) 내에서 사용되지만, 또한 공기와 연료 모두를 포함하는 유체 유동에 와류를 생성하도록 흡기 매니폴드 또는 러너 내에서 사용될 수도 있다. 그러나, 테일파이프, 배기 파이프 또는 배기 시스템의 다른 부분에 사용되는 경우, 장치(10)는 또한 장치를 빠져나가는 유체 유동의 와류를 제공하지만, 이러한 적용의 궁극적인 목적은 유체 성분의 혼합을 제공하는 것이 아니라 단순히 배기 가스 유동을 향상시키는 것이다. 기본적으로, 장치(10)는 배기 시스템으로부터 배기 가스를 배출시키는 기능을 한다.
하우징(22)은 바람직하게는 스테인레스강으로 구성되지만, 다른 적합한 비가요성 또는 가요성 재료가 사용될 수도 있다. 베인은 또한 바람직하게는 스테인레스강으로 구성되지만, 다른 적합한 비가요성 재료가 사용될 수도 있다.
하우징(22)은 바람직하게는 하우징(22)의 측부에서 개방 영역(80)을 부분적으로 형성하는 측단부(70)를 포함한다. 그러므로, 하우징(22)은 하우징(22)에 탄성 또는 복원성을 제공하도록 그 측부에서 개방된다. 탄성 특징은 하우징이 통로 내의 요구되는 위치로부터 이탈될 가능성을 감소시킨 상태에서 통로 내에 더욱 꼭 맞게 장착되도록 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 전술된 목적을 완전하게 충족시키는 내연 기관의 흡기 또는 배기 시스템의 통로를 통과하는 유체 유동에 와류를 생성하기 위한 장치가 제공된다. 본 명세서에 사용된 모든 용어는 제한적인 아니라 설명적이라는 것을 이해하여야 한다. 본 발명이 전술된 구체적 실시예와 관련하여 설명되었지만, 많은 대안적인 실시예, 수정 및 변경이 본 명세서의 개시 사항에 비추어 본 기술 분야의 숙련자들에게는 명확할 것이다. 따라서, 이하의 청구의 범위 내에 기술된 본 발명의 사상과 범주 내에 포함되는 이러한 모든 대안적인 실시예, 수정 및 변경을 포함하고자 한다.

Claims (39)

  1. 내연 기관의 흡기에 와류를 생성하기 위한 장치이며,
    기관의 흡기 통로 내에 위치되는 하우징과,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 복수의 주 베인과,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 복수의 부 베인을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 주 베인과 상기 복수의 부 베인은 편평한 평면인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 주 베인은 한 세트의 주 베인 쌍들을 포함하며, 상기 쌍 각각은 상기 하우징이 상기 하우징을 통한 공기 유동을 개선하기 위하여 개방되는 중앙 영역을 갖도록 상기 하우징의 중앙 영역에서 상호연결되는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 주 베인 쌍의 세트를 내측 측단부에서 상호연결하기 위한 한 세트의 상호연결 부재를 더 포함하며, 상기 상호연결 부재의 세트는 측방향으로 곡선형이고 종방향으로 직선형인 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 베인 각각은 하우징의 중앙을 향해 그리고 상기 하우징을 통한 공기 유동의 방향으로 만곡되어 있는 하부 단부를 갖는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 베인 각각은 그 상부 에지와 오정렬되어 위치된 그 하부 에지를 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 방향에 대해 그리고 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향인 오정렬의 방향으로 배향시켜, 상기 복수의 베인 각각은 상기 하우징에 대항하여 이를 통과하는 공기 유동에 시계방향 회전 운동을 부여하도록 소정 각도로 배향되는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 베인은 주요부 및 상기 주요부에 대해 수평으로 그리고 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 경사진 하부 단부를 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 원통형이며 그 종방향 단부와 그 측부에서 개방되어 있고, 상기 측부는 그 종방향 길이 전체가 개방된 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 부 베인 각각은 상기 복수의 부 베인 각각의 상부 에지를 포함하는 평면과 상기 하우징을 통한 공기 유동의 방향선에 대해 경사진 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 부 베인 각각은 상기 복수의 주 베인보다 상당히 짧은 폭을 갖고 상기 하우징보다 상당히 짧은 길이를 가지며, 상기 복수의 부 베인은 상기 복수의 주 베인들 사이에 위치된 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 제1 세트의 개구 및 제2 세트의 개구를 포함하며, 상기 주 베인은 제1 세트의 탭을 포함하고 상기 부 베인은 제2 세트의 탭을 포함하며, 상기 주 베인과 상기 부 베인을 상기 하우징에 고정하기 위하여 상기 제1 세트의 개구는 상기 제1 세트의 탭을 수용하고 상기 제2 세트의 개구는 상기 제2 세트의 탭을 수용하는 장치.
  12. 내연 기관의 흡기에 와류를 생성하기 위한 장치이며,
    기관의 흡기 통로 내에 위치되는 하우징과,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 복수의 주 베인을 포함하며,
    상기 주 베인 각각은 하우징의 중앙을 향해 그리고 공기 유동의 방향으로 만곡된 하부 단부를 갖고, 상기 주 베인 각각은 내측 단부와 외측 단부를 갖고, 상기 내측 단부는 종방향으로 상기 외측 단부보다 짧은 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 복수의 주 베인과 상기 복수의 부 베인은 편평한 평면인 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 복수의 주 베인은 한 세트의 주 베인 쌍들을 포함하며, 상기 쌍 각각은 상기 하우징이 상기 하우징을 통한 공기 유동을 개선하기 위하여 개방되는 중앙 영역을 갖도록 상기 하우징의 중앙 영역에서 상호연결되는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 주 베인 쌍의 세트를 내측 측단부에서 상호연결하기 위한 상호연결 부재를 더 포함하며, 상기 상호연결 부재는 측방향으로 곡선형이고 종방향으로 직선형인 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 복수의 베인 각각은 그 상부 에지와 오정렬되어 위치된 그 하부 에지를 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 방향에 대해 그리고 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향인 오정렬의 방향으로 배향시켜, 상기 복수의 베인 각각은 상기 하우징에 대항하여 이를 통과하는 공기 유동에 시계방향 회전 운동을 부여하도록 소정 각도로 배향되는 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 복수의 베인은 주요부 및 상기 주요부에 대해 수평으로 그리고 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 경사진 하부 단부를 포함하는 장치.
  18. 제12항에 있어서, 상기 하우징은 원통형이며 그 종방향 단부와 그 측부에서개방되어 있고, 상기 측부는 그 종방향 길이 전체가 개방된 장치.
  19. 제12항에 있어서, 상기 하우징은 제1 세트의 개구 및 제2 세트의 개구를 포함하며, 상기 복수의 주 베인은 제1 세트의 탭을 포함하고 상기 복수의 부 베인은 제2 세트의 탭을 포함하며, 상기 복수의 주 베인과 상기 복수의 부 베인을 상기 하우징에 고정하기 위하여 상기 제1 세트의 개구는 상기 제1 세트의 탭을 수용하고 상기 제2 세트의 개구는 상기 제2 세트의 탭을 수용하는 장치.
  20. 내연 기관의 흡기에 와류를 생성하기 위한 장치이며,
    기관의 흡기 통로 내에 위치되는 하우징과,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 복수의 주 베인을 포함하며,
    상기 복수의 주 베인은 주요부 및 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 수평적으로 상기 주요부에 대해 경사진 하부 단부를 포함하는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 복수의 주 베인 각각은 상기 하부 단부를 위한 절곡선을 갖고, 상기 절곡선은 상기 하우징을 통한 공기 유동의 방향에 대해 45°각도로 경사진 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 복수의 주 베인은 한 세트의 주 베인 쌍들을 포함하며, 상기 쌍의 각각은 상기 하우징이 상기 하우징을 통한 공기 유동을 개선하기 위하여 개방되는 중앙 영역을 갖도록 상기 하우징의 중앙 영역에서 상호연결되는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 주 베인 쌍의 세트를 내측 측단부에서 상호연결하기 위한 상호연결 부재를 더 포함하며, 상기 상호연결 부재는 측방향으로 곡선형이고 종방향으로 직선형인 장치.
  24. 제20항에 있어서, 상기 복수의 베인 각각은 하우징의 중앙을 향해 그리고 상기 하우징을 통한 공기 유동의 방향으로 만곡된 하부 단부를 갖는 장치.
  25. 제20항에 있어서, 상기 복수의 베인 각각은 그 상부 에지와 오정렬되어 위치된 그 하부 에지를 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 방향에 대해 그리고 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향인 오정렬의 방향으로 배향시켜, 상기 베인 각각은 상기 하우징에 대항하여 이를 통과하는 공기 유동에 시계방향 회전 운동을 부여하도록 소정 각도로 배향되는 장치.
  26. 제20항에 있어서, 상기 하우징은 원통형이며 그 종방향 단부와 그 측부에서 개방되어 있고, 상기 측부는 그 종방향 길이 전체가 개방된 장치.
  27. 제20항에 있어서, 상기 하우징은 제1 세트의 개구 및 제2 세트의 개구를 포함하며, 상기 복수의 주 베인은 제1 세트의 탭을 포함하고 상기 복수의 부 베인은 제2 세트의 탭을 포함하며, 상기 복수의 주 베인과 상기 복수의 부 베인을 상기 하우징에 고정하기 위하여 상기 제1 세트의 개구는 상기 제1 세트의 탭을 수용하고 상기 제2 세트의 개구는 상기 제2 세트의 탭을 수용하는 장치.
  28. 내연 기관의 배기 유체에 와류를 생성하기 위한 장치이며,
    기관의 배기 유체 통로 내에 위치되는 하우징과,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 측단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 복수의 주 베인과,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 복수의 부 베인을 포함하고,
    상기 주 베인 각각은 하우징의 중앙을 향해 그리고 유체 유동의 방향으로 만곡된 하부 단부를 가지며, 상기 주 베인 각각은 내측 단부와 외측 단부를 갖고, 상기 내측 단부는 종방향으로 상기 외측 단부보다 짧으며, 상기 복수의 주 베인은 주요부 및 상기 하우징으로 진입하는 유체 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 수평적으로 상기 주요부에 대해 경사진 하부 단부를 포함하는 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 복수의 주 베인은 편평한 평면이며 한 세트의 주 베인의 쌍들을 포함하고, 상기 쌍 각각은 상기 하우징이 상기 하우징을 통한 유체 유동을 개선하기 위하여 개방되는 중앙 영역을 갖도록 상기 하우징의 중앙 영역에서 상호연결되는 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 주 베인의 쌍의 세트 각각을 내측 측단부에서 상호연결하기 위한 한 세트의 상호연결 부재를 더 포함하고, 상기 상호연결 부재의 세트는 측방향으로 곡선형이고 종방향으로 직선형인 장치.
  31. 제28항에 있어서, 상기 복수의 베인 각각은 하우징의 중앙을 향해 그리고 상기 하우징을 통한 유체 유동의 방향으로 만곡되어 있는 하부 단부를 갖는 장치.
  32. 제28항에 있어서, 상기 복수의 주 베인 및 부 베인 각각은 그 상부 에지와 오정렬되어 위치된 그 하부 에지를 상기 하우징으로 진입하는 유체 유동의 방향에 대해 그리고 상기 하우징으로 진입하는 유체 유동의 이득점으로부터 시계방향인 오정렬의 방향으로 배향시켜, 상기 복수의 주 베인 및 부 베인 각각은 상기 하우징에 대항하여 이를 통과하는 유체 유동에 시계방향 회전 운동을 부여하도록 소정 각도로 배향되는 장치.
  33. 제28항에 있어서, 상기 복수의 주 베인 및 부 베인 각각은 상기 하우징을 통한 유체 유동의 방향에 대해 25°의 종방향 각도로 배향된 장치.
  34. 제28항에 있어서, 상기 복수의 베인은 주요부 및 상기 주요부에 대해 수평으로 그리고 상기 하우징으로 진입하는 유체 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 10°로 경사진 하부 단부를 포함하고,
    상기 복수의 주 베인은 상기 하부 단부를 위한 절곡선을 갖고, 상기 절곡선은 상기 하우징을 통한 유체 유동의 방향에 대해 45°각도로 경사진 장치.
  35. 제28항에 있어서, 상기 하우징은 원통형이며 그 종방향 단부와 그 측부에서 개방되어 있고, 상기 측부는 그 종방향 길이 전체가 개방된 장치.
  36. 제28항에 있어서, 상기 부 베인 각각은 상기 부 베인 각각의 상부 에지와 상기 하우징을 통한 유체 유동의 방향선을 포함하는 평면에 대해 경사진 장치.
  37. 제28항에 있어서, 상기 복수의 부 베인은 상기 복수의 주 베인보다 상당히 짧은 폭을 갖고 상기 하우징보다 상당히 짧은 길이를 가지며, 상기 복수의 부 베인은 상기 복수의 주 베인들 사이에 위치되는 장치.
  38. 제28항에 있어서, 상기 하우징은 제1 세트의 개구 및 제2 세트의 개구를 포함하며, 상기 주 베인은 제1 세트의 탭을 포함하고 상기 부 베인은 제2 세트의 탭을 포함하며, 상기 복수의 주 베인과 상기 복수의 부 베인을 상기 하우징에 고정하기 위하여 상기 제1 세트의 개구는 상기 제1 세트의 탭을 수용하고 상기 제2 세트의 개구는 상기 제2 세트의 탭을 수용하는 장치.
  39. 내연 기관의 흡기에 와류를 생성하기 위한 장치이며,
    기관의 흡기 통로 내에 위치되고, 원통형이며 그 종방향 단부 및 종방향 길이 전체가 개방된 그 측부에서 개방된 하우징과,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 한 세트의 주 베인 쌍들과,
    상기 주 베인 쌍들의 세트 각각을 내측 측단부와 상기 하우징의 중앙 영역 부근에서 함께 상호연결하여 중앙 영역이 상기 하우징을 통한 공기 유동을 개선하도록 개방되며, 측방향으로 곡선형이고 종방향으로 직선형인 한 세트의 상호 연결 부재와,
    상기 하우징 내에 배치되고 그 단부에서 상기 하우징의 벽에 고정되는 복수의 부 베인을 포함하고,
    상기 주 베인 쌍의 세트 각각은 상기 하우징에 대해 반경방향 및 축방향으로 만곡된 하부 단부를 갖고, 상기 주 베인 쌍의 세트는 편평한 평면이며 주요부 및 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 그리고 수평방향으로 상기 주요부에 대해 5°로 경사진 하부 단부를 포함하며, 상기 주 베인 쌍의 세트는 상기 하우징을 통한 공기 유동의 방향에 대해 45°로 경사진 상기 하부 단부를 위한 절곡선을 갖고, 상기 주 베인 쌍의 세트는 수평으로 25°로 그리고상기 주 베인 쌍의 세트 각각의 상부 에지를 포함하는 평면에 대해 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 그리고 상기 하우징을 통한 공기 유동의 방향선으로 경사져, 상기 주 베인 쌍의 세트 각각의 하부 에지가 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 수평방향으로 상기 평면으로부터 이격되어 위치되도록 배향되며,
    상기 복수의 부 베인은 편평한 평면이고 상기 주 베인들 사이에 위치되며, 상기 부 베인 각각은 수평으로 그리고 상기 부 베인 각각의 상부 에지를 포함하는 평면에 대해 상기 하우징으로 진입하는 공기 유동의 이득점으로부터 시계방향으로 그리고 상기 하우징을 통한 유체 유동의 방향선으로 경사져, 상기 부 베인 각각의 하부 에지가 상기 하우징으로 진입하는 유체 유동의 이득점으로부터 수평방향으로 평면으로부터 이격되어 위치되도록 배향된 장치.
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