KR20070086040A

KR20070086040A - 개선된 연료 공급기, 개선된 열 차폐물 및 개선된 배플플레이트를 가진 히터용 연소기

Info

Publication number: KR20070086040A
Application number: KR1020077013152A
Authority: KR
Inventors: 마이클 포너; 프리에드리치 위데만; 스테펜 베버; 잔 스테펜스
Original assignee: 베바스토 아게
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-08-27
Also published as: JP2008520950A; WO2006053542A1; EP1812748A1; CA2594577A1; US20090220901A1; RU2007122503A; CN101080595A; DE112005003411A5

Abstract

본 발명은 특히, 자동차에 사용될 히터용 연소기(10)에 관한 것으로서, 실질적으로 축방향으로 대칭인 연소 챔버(22)와, 연소 챔버(22)로 연료를 공급하기 위한 연료 바늘(14)과 연소 챔버로 연소 공기를 공급하기 위한 연소 공기 공급기(16)를 가지며 연료의 공급과 분무를 위한 연소기 노즐(12)과, 연소기(10)의 시동을 위해 연료의 점화가 발생되는 시동 영역(18)과, 연소기 노즐(12)과 연소 챔버(22) 사이에 위치되고 제2 공기를 연소 챔버로 공급하기 위한 구멍들(28)(30)을 가진 열 차폐물, 및 연소 챔버에 위치된 배플 플레이트(36)를 구비한다.

본 발명에 따르면, 연소기(10)의 시동 단계 동안 실질적으로 분무되지 않은 형태의 연료가 시동 영역(18)에 도달하도록 연료 바늘(14)의 내경을 결정함에 의해 연료의 배출 속도가 미리 경정되고, 구멍들을 공기 가이드 부재들(28)(30)에 설비하고 배플 플레이트(36)는 축방향으로 윤곽이 명확한 곡률을 가진다.

연소기, 연료, 노즐, 분무, 시동, 열 차폐물, 연료 바늘, 배플 플레이트

Description

개선된 연료 공급기, 개선된 열 차폐물 및 개선된 배플 플레이트를 가진 히터용 연소기{Burner for a heater with improved fuel supply, improved heat shield and improved baffle plate}

본 발명은 특히, 자동차에 사용될 히터용 연소기(burner)에 관한 것으로서, 실질적으로 축방향으로 대칭인 연소 챔버, 연소기로 연료를 공급하기 위한 연료 바늘과 연소 챔버로 연소 공기를 공급하기 위한 연소 공기 공급기를 가지며 연료의 공급 및 분무를 위한 연소기 노즐과, 연소기를 시동하기 위해 연료의 점화가 발생되는 시동 영역과, 연소기 노즐과 연소 챔버 사이에 위치되고 연소 챔버로 제2 공기를 공급하기 위한 구멍들을 가진 열 차폐물, 및 연소 챔버 내부에 위치된 배플 플레이트를 구비한다.

이러한 연소기들은 분무(atomization) 연소기 또는 스프레이 연소기로도 명명되며 특히, 자동차용 보조 히터 및 독립 히터에 사용된다.

이러한 연소기들을 위해서 특히, 신뢰할 수 있고 대규모의 방사-자유 시동 성질(emission-free starting behavior)과 안정된 연소 동작과 관련하여 수많은 요구 조건들이 있다. 또한, 서로 다른 설치 위치들에 사용될 수 있는 히터들을 제작하기 위한 노력들이 시도되었다.

시동 성질과 관련하여, 다양한 동작 요인(operation parameters)은 서로 매칭되어야 한다. 한편으로는, 연소기가 시동하는 동안 시동 영역(starting zone)에서 상대적으로 풍부한 연료-공기 혼합물을 가용할 필요가 있고, 그러나 다른 한편으로는, 연료 바늘(feul needle)로부터 시동 영역으로 연료의 운송을 보장하기 위해 충분한 양의 제1 연소 공기가 필요하다.

히터의 다른 설치 위치들을 허용하는 요구 조건은 시동 성질과 관련된 문제와 연결된다. 제1 공기를 적게 공급하면서 시동 영역으로 연료를 이송시키기 위하여, 과거에는 출구 구멍을 가진 연료 바늘을 하방으로 향하게 하는 것을 묵인하였으며, 이것은 전체 연소기를 수직 설치 위치에 장착해야만 하는 결과를 초래한다.

연소기의 안정된 연소 동작을 확보하기 위해서는 그와 같은 서로 모순되는 요구 조건들이 만족 되어야 한다. 한편으로는, 연료와 공기의 양호한 혼합이 항상 요구되고, 다른 한편으로는, 화염(flame)의 중심 영역에서 그리고 시동 단계 동안 특히 과도하게 높은 온도 비율과 과도하게 높은 소용돌이(swirling)를 야기하는 것은 바람직하지 못하다.

본 발명의 목적은 선행기술의 전술한 문제점을 적어도 부분적으로 해결하고, 특히, 서로 다른 설치 위치에서 신뢰할 수 있고 농후한 매연이 거의 없이 낮은-방출(emission) 시동 성질을 확보하는 것이다.

이러한 목적은 독립항의 특징에 의해 성취된다.

본 발명의 장점적 개량들은 종속항에 주어진다.

본 발명은 연료 바늘의 내경을 선택함으로써 연소기의 시동 단계 동안 실질적으로 분무되지 않은 형태의 연료가 시동 영역에 도달하도록 연료의 배출 속도가 결정되고, 구멍들이 공기 가이드 부재에 설미되어 있고, 배플 플레이트가 축방향으로 윤곽이 명확한 곡률을 가진 일반적인 연소기에 근거한다. 종래 기술의 히터들에 있는 연료 바늘과 비교하여 연료 바늘의 내경을 감소시키면, 연료 전달 체적(fuel delivery volume)과 동일하게 연료의 배출 속도가 증가된다. 이러한 방법으로, 연료 분출(fuel jet)은 그 어떤 설치 위치에서도 연료 바늘의 배출 구멍으로부터 시동 영역에 도달할 수 있다. 특히, 제1 공기의 양이 작은 경우, 공급되는 제1 공기는 작은 각 운동량만 가져야 하고, 실질적으로 분무되지 않은 연료 분출은 시동 영역에 도달할 수 있다. 결과적으로, 연소기는 신뢰성 있게 시동하고, 시동하는 동안 농후한 연기의 형성이 분명히 감소한다. 열 차폐물은 연소 챔버에 존재하는 열 에너지에 대항하여 노즐과 연료 공급기를 차폐하는데 기본적으로 유익하다. 또한, 제2 공기는 열 차폐물을 경유하여 연소 공간으로 공급된다. 제2 공기 공급을 위해 공기 가이드 부재들에 마련된 구멍들에 의해, 시동 동작뿐만 아니라 연속 동작 모두에 대해서 연소 동작이 특정한 방식으로 영향을 받을 수 있도록, 이러한 제2 공기는 제어된 방식으로 공급될 수 있다. 편평하게 제작된 선행 기술의 배플 플레이트의 경우, 온도에 따라 형상의 자발적인 변경이 가능하고 연소기의 연소 성질에 부정적인 영향을 주기 때문에 다른 것들 중에서 이것은 문제가 되지 않는다.

연료 바늘의 내경은 0.5mm 내지 0.7mm 사이인 것이 바람직하다. 내경이 0.8mm의 범위인 선행기술의 연료 바늘을 위한 배출 속도에 비해, 0.5mm 내지 0.7mm 사이의 내경을 위한 배출 속도는 거의 2배가 되거나 그 이상이다.

연료 바늘의 내경은 대략 0.6mm 인 것이 특히 바람직하다. 이러한 내경에 있어서, 완전 부하 동작(full load operation), 즉 0.5 kg/h의 연료 유동량(fuel mass flow)에서, 0.6 m/s 보다 많은 분출 속도가 가능한 반면, 0.8mm의 내경의 경우 분출 속도는 0.35 m/s 범위이다. 설계 성질 또는 동작 인자들의 상응하는 선택을 위해, 히터가 시동될 때 시동 영역에 도달하는 실질적으로 분무되지 않은 분출의 목표는 대략 0.8mm의 내경을 가진 종래 기술의 연료 바늘에 의해서도 얻을 수 있다.

시동 영역은 점화 부재(ignition element)가 속으로 돌출되는 시동 챔버(starting chamber)로서 제작되는 것이 유익하다. 연소 챔버의 벽은 이러한 방식으로 점화 부재를 둘러쌀 수 있다. 시동 동작 동안, 그들이 가열된 후 연소 챔버 벽과 인접한 부품들이 벽 기화기(wall vaporizer)로서 사용될 수 있도록, "충격의(ballistic)" 연료 분출은 점화 부재 및 연료를 가진 연소 챔버 벽을 축축하게 할 수 있다.

열 차폐물과 일체로 제작되고 연소 챔버의 방향으로 돌출된 탭들(tabs)에 의해 공기 가이드 부재들이 형성될 수 있는 것은 유용하다. 이러한 열 차폐물은 예를 들어, 그러한 탭들을 펀칭 도구로 v-모양으로 형성하거나, 펀칭 공정 후 또는 그와 동시에 열 차폐물의 평면을 벗어나도록 굴곡시킴으로써 용이하게 제작될 수 있다.

또한, 본 발명은 탭들이 열 차례물의 표면 및/또는 열 차폐물의 반경에 대해 다른 각도로 제작되었다는 점에서 유용하게 개발되었다. 만약, 탭들이 열 파폐물의 반경에 대해 거의 수직으로 연장하면, 이것은 강력한 각 운동량(angular momentum)을 전달하는 반면, 그 반경에 대해 보다 적은 각도이면 보다 적은 각 운동량을 전달한다. 열 차폐물의 표면에 대하여 작은 각도를 가정하는 탭들은 큰 반경 성분(radial component)과 작은 축 성분(axial component)을 가진 공기 유동(air flow)을 생성하는 반면, 열 차폐물의 표면에 대해 탭이 큰 각도를 가지는 경우에는 축 성분이 우세해진다. 이러한 방식으로, 낮은 각 운동량을 가진 제2 공기를 화염 층(flame formation)의 중심 영역으로 안내하는 것이 가능하다. 이러한 방식에 있어서, 한편으로는 연소를 위해 필요한 공기가 공급되지만, 화염의 안정화를 거스르는 효과를 유발하는 여분의 각 운동량이 없다. 특히, 제2 공기는 각각의 공기 가이드 부재들의 정렬(alignment)에 근거하여 분리될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 열 차폐물의 표면 및/또는 열 차폐물의 반경에 대해 실질적으로 동일한 각도로 그룹을 이루는 탭들이 제공된다. 연소 챔버에서 규정된 유동 상태들은 탭들의 집단적 정렬에 의해 형성된다.

또한, 본 발명에 따르면, 연소기가 소진 영역(burnout zone)을 가지며, 소진 영역에 공급되는 제2 공기가 시동 영역에 공급되는 제2 공기보다 높은 각 운동량을 가진다. 높은 각 운동량은 소진 영역에서 요구된다. 특히, 방사상의 내부 소용돌이 역류(radially inside swerled backflow)는 소진(burnout)을 향상시키고 연소 챔버를 위하여 효과적으로 사용될 수 있는 부피를 제공한다.

소진 영역의 방향으로 굴곡이 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 방식에 의해, 시동 챔버의 영역에서 충분한 공간을 활용할 수 있다. 또한, 소진 영역의 방향에서 굴곡은 이 영역에서 유동 성질(flow behavior)에 부정적 영향을 주지 않는 것이 발견되었다. 특히, 명백히 소용돌이치는 역류 영역은 소진 영역의 방사상의 내부 영역에 유지된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 배플 플레이트의 외주면은 평면을 구획하고, 이러한 평면으로부터 배플 플레이트의 최대 축방향 거리와 배플 플레이트의 직경 사이의 비율은 0.07 내지 0.21 사이로 제공된다. 배플 플레이트의 가장 비중이 큰 지점은 방사상의 좌표에 대하여 배열의 실질적인 중심인 것이 바람직하다. 배플 플레이트의 외주면에 의해 구획되는 평면으로부터, 이러한 지점은 직경과 동일한 비율에 의해 구획되는 축방향 거리를 가진다.

이와 관련하여, 평면으로부터 배플 플레이트의 최대 축방향 거리와 배플 플레이트의 직경 사이의 비율은 대략 0.14인 것이 특히 바람직하다. 예를 들어, 배플 플레이트의 둥근 직경은 대략 40mm인 반면, 굴곡은 대략 5.7mm의 값을 가진다.

본 발명은 감소된 배출 단면을 가진 연료 바늘을 가진 신규한 연료 공급기와, 공기 가이드 부재들을 가진 신규한 열 차폐물, 및 신규하고 굴곡된 배플 플레이트가 연소기의 동작 성능을 엄청나게 향상시킬 수 있는 사실에 근거한다. 이것은 특히, 연소기의 시동 성질과, 연소기 동작의 안정성, 및 자동차의 연소기의 설치 위치에 대한 가능성들과 관련된다.

본 발명은 바람직한 실시예들을 이용한 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 방식으로 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 연소기의 단면도를 도시한다.

도 2는 열 차폐물이 삽입된 연소기 플랜지(flange)의 사시도를 도시한다.

도 3은 열 차폐물의 사시도를 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...연소기 12...연소기 노즐

14...연료 바늘 16...연소 공기 공급기

18...시동 영역 20...점화 부재

22...연소 챔버 24...열 차폐물

26...구멍 28...공기 가이드 부재

30...공기 가이드 부재 32...소진 영역

34...구멍 36...배플 플레이트

38...화염 튜브 40...연소기 파이프

42...외부 파이프 44...부착 핀

46...부착 핀 48...구멍

50...연료 공급기 52...금속 파이프

이어지는 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명에 있어서, 동일한 참조부호는 동일하거나 그에 상응하는 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 연소기의 단면도를 도시한다. 본 발명에 따른 연소기(10)는 열 차폐물(24)에 단단하게 결합된 노즐(12)을 구비한다. 열 차폐물(24)에 연결된 연소기 파이프(40)와 함께 열 차폐물(24)은 연소 챔버(22)를 구획한다. 연소 챔버 파이프(40)는 연소기 플랜지를 형성하는 외부 파이프(42))에 의해 둘러싸인다. 화염 튜브(38)는 외부 파이프(42)에 부착된다. 열 차폐물(24)과 연소 챔버 파이프(40)의 사이 또는 연소 챔버 파이프(40), 외부 파이프(42) 및 화염 튜브(38) 사이의 연결들은 일반적으로 용접 연결이다. 연료 노즐(12)에는 연료 공급용 금속 파이프(52) 및 연료를 연소 챔버(22)에 주입하기 위한 연료 바늘(14)을 구비하는 연료 공급기(50)가 있다. 또한, 연료 노즐의 영역(16)에는 제1 연소 공기를 연료 노즐(20)로 공급하기 위한 채널들(channels)이 있고, 제1 연소 공기는 그 후, 연소 챔버의 방향으로 연료 노즐(12)의 방사상으로 넓어진 공기 가이드를 따라 흘러 연소 챔버(22) 속으로 종국적으로 흐르기 위해 연료 바늘을 지나서 유동한다. 공기 가이드의 방사상의 확장(widening)은 벤튜리 효과 때문에 향상된 분무를 얻을 수 있다. 또한, 연소 챔버(22) 내부에는 유익한 곡률을 가진 배플 플레이트(36)가 존재한다. 이러한 방식으로 배플 플레이트(36)의 열-유도성 자발적 형상 변화가 방지되기 때문에 소진 영역(32)의 방향에 있어서 이러한 곡률(curvature)은 유익하다. 배플 플레이트(36)를 소진 영역(32)의 방향으로 좀더 굴곡시키면, 시동 챔버(18)를 수납하기 위한 충분한 공간을 활용할 수 있다. 시동 챔버(18)를 구획하는 벽은 배플 플레이트(36)에 용접된다.

도 2는 열 차폐물이 삽입된 연소기 플랜지의 사이도이고, 도 3은 열 차폐물의 사시도이다. 또한, 도 1에 도시된 연소기 부품들과 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 부여하였다. 열 차폐물(24)은 노즐(12)로부터 전달되어 연소 챔버로 들 어가는 연료-공기 혼합물이 관통하는 중앙 구멍(48)을 구비한다. 또한, 점화 부재(20)가 관통되도록 측방으로 배열된 구멍(34)이 있다. 또한, 열 차폐물(24)에는 노즐(12)이 부착되는 부착 핀(44)(46)이 있다. 열 차폐물(24)은 제2 공기가 연소 챔버(22)로 뚫고 들어갈 수 있는 많은 구멍들(26)을 구비한다. 연소 챔버(22)를 면하는 열 차폐물(24)의 측면에는 3각형의 공기 가이드 부재(28)(30)가 있다. 이것들은 열 차폐물(24)의 반경에 대한 다른 각도에 근거하여 제2 공기의 분산을 유발한다. 참조부호 28에 의해 부분적으로 명명된 부재들을 가진 공기 가이드 부재들의 제1 그룹은 열 차폐물(24)의 반경에 대해 큰 각도로 배열되고, 즉, 그들의 배열은 실질적으로 또는 대체적으로 접선을 형성한다. 이러한 정렬에 근거하여, 화살표에 의해 지시된 출구 유동 방향을 가진, 상응하는 구멍들(26)을 관통하는 제2 공기는, 소진 영역(32) 속으로 넘치게 될 것이고 높은 각 운동량으로 배플 플레이트(36)를 통과할 것이다. 높은 각 운동량이 제공된 이러한 공기는 소진 영역(32)의 방사상으로 중심을 떠난 영역에서 연소 챔버(22)의 배면으로, 즉, 열 차폐물로부터 떨어져 면하는 연소 챔버의 영역 속으로 유동한 후, 높은 소용돌이로 중앙 영역에서 배플 플레이트(36)의 방향으로 되돌아 온다. 결과적으로, 소진 영역(32)에서 기체 성분들의 유리한 혼합이 일어난다. 그들의 배열에 있어서 공기 가이드 부재들(30)의 제2 그룹은 열 차폐물(24)의 반경에 대해 보다 작은 각도를 가진다. 이러한 공기 가이드 부재들은 참조부호 30으로 부분적으로 표시되었다. 또한, 이러한 공기 가이드 부재들(30)은 열 차폐물(24)의 표면에 대하여 공기 가이드 부재(28) 보다 작은 각도를 가진다. 결과적으로, 이러한 공기 가이드 부재들(30)은 제2 공기를 제2 화살 표에 의해 표시된 출구 유동 방향으로 낮은 각 운동량으로 화염의 중심 영역 속으로 전달하며, 이것은 안정적인 연소 챔버 성질에 특히 도움이 된다.

따라서, 신규한 스프레이 연소기를 제작할 수 있고, 가능한 설치 위치들, 시동 성질, 및 연속 동작에서의 성질의 관점에서 개량되었다. 또한, 온도-유발에 따른 배플 플레이트의 형상 변화의 관점에 따른 문제점들을 회피할 수 있다.

본 발명의 특징들은 상술한 상세한 설명, 도면들에 개시되었고, 청구범위는 개별적으로 또는 본 발명의 구현예들의 결합에 근거하여 본 발명의 실행에 있어서 중요할 수 있다.

본 발명은 특히, 자동차에 사용될 히터용 연소기(burner)에 관한 것으로서, 실질적으로 축방향으로 대칭인 연소 챔버, 연소기로 연료를 공급하기 위한 연료 바늘과 연소 챔버로 연소 공기를 공급하기 위한 연소 공기 공급기를 가지며 연료의 공급 및 분무를 위한 연소기 노즐과, 연소기를 시동하기 위해 연료의 점화가 발생되는 시동 영역과, 연소기 노즐과 연소 챔버 사이에 위치되고 연소 챔버로 제2 공기를 공급하기 위한 구멍들을 가진 열 차폐물, 및 연소 챔버 내부에 위치된 배플 플레이트를 구비한다. 이러한 연소기들은 분무(atomization) 연소기 또는 스프레이 연소기로도 명명되며 특히, 자동차용 보조 히터 및 독립 히터에 사용된다.

Claims

실질적으로 축방향으로 대칭인 연소 챔버(22)와; 상기 연소 챔버로 연료를 공급하기 위한 연료 바늘(14)과 상기 연소 챔버로 연소 공기를 공급하기 위한 연소 공기 공급기(16)를 가지며 연료의 공급과 분무를 위한 연소기 노즐(12)와; 상기 연소기를 시동하기 위해 연료의 점화가 발생되는 시동 영역과, 상기 연소기노즐과 상기 연소 챔버 사이에 위치되고 제2 공기를 상기 연소 챔버로 공급하기 위한 구멍들을 가진 열 차폐물, 및 상기 연소 챔버에 위치된 배플 플레이트;를 구비하는 자동차에 사용될 히터용 연소기에 있어서,

상기 연료 바늘(14)의 내경을 선택함에 의해, 상기 연소기(10)의 시동 단계 동안 실질적으로 분무되지 않은 형태의 연료가 상기 시동 영역(18)에 도달하도록, 상기 연료의 분출 속도가 미리 결정되고;

상기 구멍들은 공기 가이드 부재들에 설비되고;

상기 배플 플레이트(36)는 상기 축방향으로 윤곽이 명확한 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항에 있어서,

상기 연료 바늘(14)의 내경은 0.5mm 내지 0.7mm 사이인 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 연료 바늘의 내경은 대략 0.6mm인 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 시동 영역(18)은 점화 부재(20)가 속으로 돌출되는 시동 챔버로서 제작되는 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공기 가이드 부재들(28)(30)은 상기 열 차폐물(24)과 일체로 제작되고 상기 연소 챔버(22) 방향으로 돌출된 탭들(tabs)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제5항에 있어서,

상기 탭들(28)(30)은 상기 열 차페물(24)의 표면 및/또는 상기 열 차폐물의 반경에 대해 다른 각도로 제작된 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 탭들(28)(30)은 상기 열 차폐물의 표면 및/또는 상기 열 차폐물의 반경에 실질적으로 동일한 각도로 집단화(grouping)되는 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연소기(10)는 소진 영역(32)을 가지며;

상기 소진 영역(32)으로 공급되는 상기 제2 공기는 상기 시동 영역(18)으로 공급되는 제2 공기보다 높은 각 운동량을 가지는 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열 차폐물(24)은 점화 부재(20)가 관통할 수 있는 구멍(34)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 배플 플레이트(36)의 곡률이 상기 소진 영역(30)의 방향으로 존재하는 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 배플 플레이트의 외주면은 평면을 구획하고,

상기 평면으로부터 상기 배플 플레이트의 최대 축방향 거리와 상기 배플 플레이트의 직경 사이의 비율은 0.07 내지 0.21 범위인 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.
제11항에 있어서,

상기 평면으로부터 상기 배플 플레이트(36)의 최대 축방향 거리와 상기 배플 플레이트(36)의 직경 사이의 비율은 대략 0.14인 것을 특징으로 하는 히터용 연소기.