KR20070073604A - 유체 분산 다기관 - Google Patents

Abstract

흡기 다기관(1)은 내연 기관의 사용에 적절하게 공개된다. 다기관(1)은 일련의 러너(1, 2, 3, 4), 원뿔 모양의 챔버(7) 및 챔버(7) 안에서 동심원적으로 병합된 원뿔 모양의 분산 몸체를 포함한다. 챔버(7)는 공기 흡입/조절판 몸체로 병합된 한 말단(9)을 가진다. 챔버(7)의 다른 말단(10)은 러너(1, 2, 3, 4)의 각각에 연결되어서 말단(10)이 각 4분원이 동일한 단면 영역인 네 개의 4분원으로 고르게 분산된다. 말단(10)으로 러너(1, 2, 3, 4)의 접속 순서는 실린더 1 3 4 2의 점화 순서이다. 각 러너(1, 2, 3, 4)의 부피는 동일하다. 챔버의 말단(10)의 바로 인접하는 러너(1, 2, 3, 4)의 각 말단은 그들이 작용하는 각 실린더의 입구 밸브를 향해 구부러진다. 내부 원뿔 분산 몸체(8)는 챔버(7) 안에서 병합되어 그 넓은 말단(11)은 말단(10)과의 결합점에서 러너를 고르게 겹치고 그 말단(10)에, 또는 가깝게 위치한다. 몸체(8)는 챔버(7) 안에서 동축으로 이동할 수 있다.

다기관, 내연 기관, 러너, 챔버, 분산 몸체, 실린더

Description

유체 분산 다기관{FLUID DISTRIBUTION MANIFOLD}

본 발명은 유체 분산에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 특별히 그러한 내연 기관이 하나 또는 그 이상의 실린더로 공기 및/또는 공기/연료 혼합물의 흡입에 한정하지 않는, 내연 기관 안 또는 밖으로의 기체의 흐름에 관한 것이다. 설명적인 목적을 위해 내연 기관의 흡기 다기관에 대해서 특별한 참조를 했더라도, 본 발명은 다른 응용에서 이용될 수 있고, 이에 의해 유체, 특히 기체의 흐름이 골고루 다수의 흐름으로 나누어지는 것으로 이해될 수 있다.

내연 기관은 기관의 실린더로 공기/연료 혼합물을 분산하기 위해 입구 다기관을 이용한다. 혼합물은 각 실린더의 하향 "흡입(induction)" 스트로크(stroke) 동안 피스톤 운동에 의해 연소실에 생성된 진공에 의해 기관의 연소실로 끌어 당겨진다. 내연 기관으로의 공기/연료 혼합물의 흡입은 복잡한 현상이며, 한 가지 문제는 모든 작동 상태하에서 각 실린더로 균일한 공기/연료 혼합물을 제공하는 것이다.

이 특정한 문제를 해결하기 위한 많은 시도가 있었다. 한 방법은 각 실린더에서 별개의 독립적인 다기관을 이용하는 것이었다. 그러나, 매일 운행하는 자동차에는 제조 비용이 상당하기 때문에 그러한 배열은 엔진을 공전하는데 때때로 제 한된다. 많은 매일 운행하는 자동차들에게, 그래서 단면 다기관(single plane manifold)은 모든 실린더를 움직이게 하는데 사용되고, 또는 어떤 경우에는, 이면 다기관(two-plane manifold)이 사용되어, 각 다기관은 단지 실린더의 전체 수의 반만이 움직이게 한다. 다기관의 이런 유형은 하나의 실린더가 다른 실린더에서 공기/연료 혼합물을 "빼앗는(rob)" 경향을 나타낸다.

더구나, 흡기 다기관(intake manifold)의 디자인은 특정한 기관의 토크 및 파워 출력에 영향을 미칠 수 있다. 토크는 기관 속도를 낮추는데 필요하고 반면에 파워는 상단에서 필요로 한다. 종래 기술 해결책에서는, 토크를 낮추는데 제공되는 다기관의 디자인은 고성능의 파워가 희생되며 그 역 또한 같다. 이러한 반대 요구를 해결하기 위한 시도에서, 어떤 현대 운송 수단은 기관의 작동 상태에 따라 그 구조가 변하는 흡기 다기관을 포함한다. 이것들은 때때로 이원적-길이 또는 다중 흡입 기관이라고 불린다. 그러나, 다시 한번 이러한 디자인들은 제조하는데 비교적 비싸다.

그래서 본 발명의 보편적인 목적은 상기에서 언급한 단점들을 하나 또는 그 이상 극복 또는 적어도 개선하고자 하는 것이다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 복수의 러너(runner)로 유체의 고른 분산을 위한 다기관을 제공하는 것이고, 상기 다기관은 다음을 포함한다:

상기 유체를 수용하기 위한 챔버;

상기 유체의 상기 고른 분산을 수용하기 위하여 상기 챔버에 효력이 미치게 연결된 상기 복수의 러너; 및

상기 복수의 러너의 각각에 상기 유체를 골고루 나누도록 적용된 상기 챔버 안의 분산 수단.

바람직하게는, 상기 복수의 러너의 전체 단면 영역은 상기 챔버와 상기 복수의 러너의 경계에서의 상기 챔버의 단면 영역과 실질적으로 동일하다.

바람직하게는, 상기 복수의 러너 각각은 상기 복수의 러너 각각과 상기 챔버의 각각의 경계에서의 단면 영역과 실질적으로 일치한다.

바람직하게는, 상기 복수의 러너 각각은 실질적으로 동일한 길이이다.

바람직하게는, 상기 복수의 러너 각각은 상기 챔버에서 실질적으로 동일한 각도로 달려있다.

본 발명이 내연 기관을 위한 다기관으로서 사용될 때, 바람직하게는, 상기 복수의 러너는 상기 기관의 점화 순서로 실질적으로 관련된 흡입 밸브를 향한 방향으로 상기 챔버와 각각 경계에 달려 있다.

바람직하게, 상기 분산 수단은 상기 챔버 안에서 실질적으로 동심원으로 위치한다.

바람직하게, 상기 분산 수단은 테이퍼 몸체(tapered boby)이다.

바람직하게, 상기 테이퍼 몸체는 상기 각 경계에서 상기 복수의 러너의 각각의 실질적으로 동일한 부분이 겹치는 더 큰 말단을 가진다.

내연 기관에서 사용되는 흡기 다기관에서, 실린더에서 피스톤이 내려가면, 흡입 포트와 다기관 러너를 따라 이동하도록 음성 파(negative wave)를 유발하는 낮은 압력이 연소실에 생성된다. 파동이 고압실(plenum chamber)에 도달하면, 파동은 기관을 향해 역반사된다. 흡입 밸브가 다시 열릴 때 만약 이 반사파 (returning wave)가 흡입 밸브에 도달하면 이 반사파는 연소실로 더 많은 공기를 넣게 하기 위한 포텐셜(potential)을 가진다. 이 펄스 터닝을 위한 흡입 시스템을 구체화하는 것은 대부분의 자동차, 특히 경주 자동차 엔지니어들이 원하는 결과이다.

본 발명의 선택적인 특징으로써, 상기 분산 수단은 흡입 밸브로 상기 음성 파의 회신의 타이밍을 바꾸는 수단이 제공된다면 상기 분산 수단이 상기 챔버 안에서 바람직하게 동축으로 움직이게 하는 이동 수단을 더 포함하도록 적용될 수 있다.

상기 이동 수단을 포함하는 본 발명의 그런 실시예에서, 상기 이동 수단은 기계적으로 이동하거나, 전기적으로 활성화되거나 진공으로 작동할 수 있다.

더구나, 모터 운동 수단에서 내연 기관에서 사용되는 흡기 다기관에서, 공간 제약은 흡입 시스템의 구조를 제한할 것이라는 것은 알려져 있고, 이는 대부분 일반적으로 흡입 시스템 안에서 날카로운 벤드를 요구하며, 이는 들어오는 공기 및/또는 공기/연료 혼합물의 난류를 유도하며, 이는 차례로 연소실로 그들의 고르지 못한 분산을 이끈다. 이 난류는 고압실의 내부 표면에서 유체의 경계층의 분리에 의해 유발된다. 만약 내부 표면이 매끄럽지 않다면, 이 난류는 감소할 수 있다.

그러므로, 본 발명의 선택적인 특징으로서, 요구되는 구조에 따라, 상기 분산 수단의 외부 표면은 실질적으로 매끄럽지 않은 표면을 가질 수 있다. 유사하게, 본 발명의 다른 선택적인 특징으로서, 상기 챔버의 내부 표면은 실질적으로 매끄럽지 않은 표면을 가질 수 있다.

적당한 상기 매끄럽지 않은 표면은 애벌칠(rough cast), 잔물결(dimple), 홈 또는 융기를 포함한다.

내연 기관에서 사용되는 흡기 다기관에서, 어떤 특정 기관을 위한 파워와 토크 출력은 밸브의 사이즈, 포트의 사이즈 및 필요한 rpm 범위에 의존하는 러너의 길이, 러너의 지름 및 고압실의 부피에 의존할 수 있다는 것이 알려졌다. 알려진 것처럼, 본 발명의 다기관은 이런 파라미터들이 각 특정 기관을 위해 결정되도록 동일하게 적용되어서 러너의 필요한 단면 영역이 결정될 수 있다.

본 발명은 더한 선택적인 특징은 (a) 상기 분산 수단 및/또는 상기 챔버가 거기에서 공기/연료 혼합물의 증발을 돕는 가열 수단; (b) 공기/연료 혼합물의 고밀도의 투입량이 연소실로 들어가도록 하기 위한 상기 분산 수단 및/또는 상기 챔버를 위한 냉각 수단; 및 (c) V- 또는 평면 구조 기관 또는 트윈 터보- 또는 과급(supercharged) 또는 그들의 조합인 기관을 위한, 상기 다기관의 이중이 이용될 수 있고, 이는 각 다기관은 점화 순서로 대안적인 실린더를 움직이게 한다.

본 발명의 구성 요소는 (스틸 및 알루미늄과 같은) 금속, 플라스틱 및 탄소 섬유를 포함하는 기술분야에서 알려진 어떤 적절한 물질로 제조될 수 있다; 그 적절함은 사용될 구성 요소의 온도 및/또는 압력에 의해 결정될 것이다.

본 발명의 두 번째 측면으로서, 복수의 러너로 유체의 고른 분산을 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 여기에서 기술되는 것과 같은 다기관의 사용을 포함한다.

본 발명이 모터 운송 수단에서 발견되는 내연 기관을 위한 입구 다기관으로서 특별히 사용되고 있더라도, 그 작동 원리는 일련의 인접하는 배출 본관에서 가능한 고르고 효율적으로 배기 가스를 추출해야 하는 배출 다기관으로서의 사용으로 동일하게 적용될 수 있다는 것을 알게 될 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부되는 도면에 참조로서 기술될 것이다.

도 1은 내연 기관의 실린더 헤드에 부착된 본 발명에 따라 건조된 다기관의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 다기관을 가진 기관 및 본 발명의 다기관을 가지지 않은 기관의 토크 값의 동력계 그래프 출력정보이다.

도 3은 본 발명의 다기관을 가진 기관 및 본 발명의 다기관을 가지지 않은 기관의 마력 값의 동력계 그래프 출력 정보이다.

도 1에 의하면, 다기관(5)은 1, 3, 4, 2의 점화 순서를 가지는 4 기통 내연 기관의 실린더 헤드(6)의 입구 측에 부착된다. 다기관(1)은 한 세트의 러너(1, 2, 3, 4,), 챔버(7) 및 챔버(7) 안에서 동심원적으로 병합된 원뿔 모양의 몸체(8)를 포함한다. 챔버(7)는 그 한 말단의 연장 부분이 공기 흡입/조절판(throttle) 몸체를 유도하거나, 직접 붙도록 적용되는 것을 제외하고는, 내부 원뿔 몸체(8)의 외부 표면과 본질적으로 평행하는 외부 표면을 가지는 실질적으로 원뿔 구조이다. 원형의 단면에서의 챔버(7)의 다른 말단(10)은 러너(1, 2, 3, 4)의 각각에 연결되어서 말단(10)은 각 4분원(quadrant)이 실질적으로 동일한 단면 영역을 가지는 네 개의 4분원(quadrant)로 본질적으로 고르게 분산된다. 말단(10)에 러너(1, 2, 3, 4)의 연결 순서는 실린더의 점화 순서 1, 3, 4, 2이다. 각 러너(1, 2, 3, 4)의 부피는 실질적으로 동일하다. 챔버의 말단(10)에 바로 인접하는 러너(1, 2, 3, 4)의 각 말단들은 그들이 움직이게 하는 각 실린더의 입구 밸브를 향해 구부러진다. 내부 원뿔 몸체(8)는 챔버 안에서 병합되어서 그 넓은 말단(11)은 말단(10)과의 접합점에서 러너(1, 2 , 3, 4)를 고르게 겹치고, 챔버의 말단(10)에 또는 가깝게 위치한다.

사용 중에, 공기/연료 혼합물은 본질적으로 네 개의 동일한 흐름으로 퍼지게 하도록 원뿔 몸체(8)를 지나는 방향 A에서 챔버(7)로 들어가며, 그러고 나서 각 흐름은 기관의 각 입구 밸브가 열림에 따라 각 러너(1, 2, 3, 4)로 흐른다. 러너(1, 2, 3, 4)가 기관의 점화 순서로 챔버(7)에 연결되면, 각 흐름은 다음 입구 밸브가 열림에 따라 그 인접하는 흐름이 초기 관성(inertia)을 극복하도록 도와서, 각 연소실로 공기/연료 혼합물의 매끄럽고, 본질적으로 일정하고 고른 흐름을 유도한다.

도 1과 관련하여 상기에서 기술한 유형의 다기관은 (a) 도요타 코롤라 (Toyota Corolla)의 4 기통 트윈 캠 엔진(4 cylinder twin cam engine); (b) LPG로 연료를 보급받는, 포드 펠콘(Ford Falcon)의 6 기통 엔진; 및 (c) 포드 펠콘의 V8 클리브랜드(Cleveland) 엔진을 포함하는 다수의 운송 수단에 적합하다.

도 2는 공장의 입구 다기관(B 선)이 장착된 6 기통 포드 펠콘 엔진 및 본 발명의 다기관(C 선)이 장착된 후의 6 기통 포드 펠콘 엔진의 토크 출력(3번째 기어)을 도시한다. 본 발명의 다기관이 장착될 때의 최대 토크(D 점)가 공장의 다기관(E 점)보다 더 크고, 낮은 엔진 속도를 발생한다. D 선의 기록은 E 선의 기록보다 더 높은 엔진 온도에서 얻어지고, 필요한 온도 보정은 이루어지지 않았음을 주목해야 한다. 따라서, 토크 특징 사이의 실질적인 차이는 도 2에 의해 제안된 것보다 실제에서는 더 크다.

도 3은 공장의 입구 다기관(F 선)이 장착된 도 2의 6 기통 포드 펠콘 엔진 및 본 발명의 다기관(G 선)이 장착된 후의 6 기통 포드 펠콘 엔진의 파워 출력(3번째 기어)을 도시한다. 본 발명의 다기관이 장착되지 않은 운송 수단과 비교할 때 운행 속도 내내 어떤 주어진 엔진 속도를 위한 파워에서의 상당한 증가는 명백하다. G 선에서의 기록은 F 선의 기록보다 더 높은 엔진 온도에서 얻어지고, 필요한 온도 보정은 이루어지지 않았음을 주목해야 한다. 따라서 파워 특징 사이의 실질적인 차이는 도 3에 의해 제안되는 것보다 실제에서는 더 크다.

모든 부속품에서, 운송 수단은 (ⅰ) 3번째 기어에 있는 동안 각 운송 수단이 진행 경로에서 용이하게 움직이는, 탄력성의 면에서 상당한 증가; (ⅱ) 본 발명의 다기관이 장착되지 않은 운송 수단과 비교할 때 주어진 경사의 주어진 언덕을 위해, 각 운송 수단이 적어도 하나의 기어로 안정한 비율로 그 경사를 올라가는 것; (ⅲ) 본 발명의 다기관이 장착되지 않은 운송 수단과 비교할 때 최대 토크는 상승하고, 또한 최대 토크가 더 낮은 엔진 속도에서 형성되는 것; 및 (ⅳ) 본 발명의 다기관이 장착되지 않은 운송 수단과 비교할 때 어떤 주어진 엔진 속도에서의 파워도 증가했음을 나타낸다.

모터 운송 수단에서 내연 기관을 위한 입구 다기관으로 사용될 때, 본 발명은 다음과 같은 많은 장점을 제공한다:

입구 밸브가 열릴 때 들어오는 공기/연료 혼합물의 초기 관성을 극복하는 것;

각 연소실로 공기/연료 혼합물의 동일한 분산을 가능하게 하는 것;

다음의 개방에서 더 많은 공기/연료 혼합물이 입구 밸브로 들어오도록 돕기 위해 입구 밸브가 열릴 때 음성파의 회전을 가능하게 하는 것;

공기/연료 혼합물이 더 고르고 일정함에 따라, 공기/연료 서스펜션이 다기관을 통해 흐를 때 더 적은 연료가 공기/연료 서스펜션에서 상실하도록 연료 분사 장치(fuel injector)가 연소실에 더 가깝게 위치할 수 있어서, 더 작은 연료 분사 장치를 사용하게 하여, 제조 비용을 절감한다; 대안적으로, 부가적인 연료 분사 장치가 더 높은 기관 속도에서 증가한 파워를 위한 연소실에서 더 사용될 수 있다;

향상된 공기/연료 흐름 때문에, 힘있는 기관이 시작하기 쉽게 하는 LPG와 같은 기체 유체에 의해 단독으로 힘있는 기관에 특정 이점을 가지는 우수한 신호가 기관 운영 시스템에 의한 인지를 위해 생성될 수 있다;

더 적은 기어 변화 및/또는 더 많은 경제적인 연동기(gearing)를 유도하는, 탄력성에서의 증가;

더 낮은 엔진 속도에서의 최대 토크의 증가;

어떤 주어진 엔진 속도를 위한 파워의 증가.

상기 기술된 실시예는 단지 본 발명이 다양한 측면의 예시이며, 다음의 청구항에서 규정된 창의적인 개념에서 벗어나지 않고 변형 및 변경될 수 있다는 것을 주목해야 한다.

Claims (20)

1. 유체를 수용하기 위한 챔버;

   상기 유체의 고른 분산을 수용하기 위하여 상기 챔버에 효력을 미치게 연결된 복수의 러너; 및

   상기 복수의 러너 각각으로 상기 유체를 고르게 나누기 위해 적용된 상기 챔버 안의 분산 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 러너로 유체의 고른 분산을 위한 다기관.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 러너의 전체 단면 영역은 상기 챔버와 상기 복수의 러너의 경계에서의 상기 챔버의 단면 영역과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 다기관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 복수의 러너 각각은 상기 복수의 러너 각각과 상기 챔버의 각각의 경계에서의 단면 영역과 실질적으로 일치하는 것을 특징으로 하는 다기관.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 복수의 러너 각각은 실질적으로 동일한 길이인 것을 특징으로 하는 다기관.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 복수의 러너 각각은 상기 챔버에서 실질적으로 동일한 각도로 달려있는 것을 특징으로 하는 다기관.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   내연 기관에서 사용될 때, 상기 복수의 러너는 상기 기관의 점화 순서로 실질적으로 관련된 흡입 밸브를 향한 방향으로 상기 챔버와 각각 경계에 달려 있는 것을 특징으로 하는 다기관.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 분산 장치는 상기 챔버 안에서 실질적으로 동심원으로 위치하는 것을 특징으로 하는 다기관.
8. 제2항 내지 제7항 어느 한 항에 있어서,

   상기 분산 장치는 테이퍼 몸체인 것을 특징으로 하는 다기관.
9. 제8항에 있어서,

   상기 테이퍼 몸체는 상기 각각의 경계에서 상기 복수의 러너의 각각과 실질적으로 동일한 부분이 겹치는 더 큰 말단을 가지는 것을 특징으로 하는 다기관.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 분산 수단은 상기 분산 수단이 상기 챔버 안에서 이동하도록 하는 이동 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기관.
11. 제10항에 있어서,

    상기 이동 수단은 기계적으로 이동하거나, 전기적으로 활성화되거나 진공으로 작동하는 것을 특징으로 하는 다기관.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 분산 수단의 외부 표면은 실질적으로 매끄럽지 않은 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 다기관.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 챔버의 내부 표면은 실질적으로 매끄럽지 않은 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 다기관.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,

    상기 매끄럽지 않은 표면은 애벌칠, 잔물결, 홈 또는 융기를 포함하는 표면의 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다기관.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 분산 수단을 위한 가열 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기관.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 챔버를 위한 가열 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기관.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 분산 수단을 위한 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기관.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 챔버를 위한 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기관.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 의한 다기관을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 의한 다기관의 사용을 포함하는 다중 러너로의 유체의 고른 분산을 위한 방법.

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