KR20090127238A - 내연 기관용 흡기 채널, 흡기 채널 어댑터 장치 및 내연 기관 내 충전 운동 변경 방법 - Google Patents

내연 기관용 흡기 채널, 흡기 채널 어댑터 장치 및 내연 기관 내 충전 운동 변경 방법 Download PDF

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KR20090127238A
KR20090127238A KR1020090049855A KR20090049855A KR20090127238A KR 20090127238 A KR20090127238 A KR 20090127238A KR 1020090049855 A KR1020090049855 A KR 1020090049855A KR 20090049855 A KR20090049855 A KR 20090049855A KR 20090127238 A KR20090127238 A KR 20090127238A
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야신 프리츠
엘드멘거 로드리고 로드리궤츠
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 내연 기관용 흡기 채널(100)에 관한 것으로서, 채널에 의해 생성되는 평균 와류 수를 변화시키기 위해 흡기 채널 내부의 속도 분포를 변경하도록 구성되어 있는 위치 조절형 가이드 베인(120)을 포함한다. 흡기 채널은 형상에 따라 나선형(140) 또는 접선형(150)일 수 있는 2 또는 그 이상의 포트의 조합을 포함할 수도 있다. 흡기 채널 내부의 속도 분포를 변화시킴으로써, 내연 기관 내의 평균 와류 수를 변경할 수 있다. 내연 기관 내의 와류를 변화시키는 종래의 시스템과 달리, 제안된 본 발명은 와류의 변경을 얻기 위해 벽으로 흡기 채널 내부의 양 포트를 분리할 필요가 없다.

Description

내연 기관용 흡기 채널, 흡기 채널 어댑터 장치, 내연 기관 내 충전 운동 변경 방법 및 엔진의 평균 와류 수 변경 방법{INTAKE CHANNELS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES}
본 발명은 일반적으로 내연 기관용 흡기 채널에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 엔진 실린더 내의 와류도(swirl level)를 변화시키기 위해 사용될 수 있는 내연 기관용 흡기 채널에 관한 것이다.
내연 기관의 연소 챔버 내에 와류를 제공하여 연료/공기 공급 혼합물의 신속하고 효율적인 연소를 촉진시키고자 하는 수많은 장치 및 방법이 여러 해에 걸쳐 제안되어 왔다. 이들 장치 및 방법은 엔진 실린더[1-8] 내에 가변적인 와류도를 제공할 수 있는 엔진 흡기 채널을 마련하는 것을 포함한다.
그러나, 최근 수십년에 걸쳐 엔진 실린더 내에 가변적인 와류도를 제공하기 위해 이용가능한 기술에 있어서 느리지만 꾸준한 개선이 이루어지고 있지만, 연료 경제성을 향상시키고 엔진 출력 성능을 최적화하기 위해 엔진 실린더 내의 충전 운동(charge movement)을 추가로 개선하는 개선된 방법 및 장치를 제공할 필요성은 항상 존재한다.
본 발명의 목적은 하나 이상의 엔진 실린더 내의 평균 와류도를 변화시키도록 작동될 수 있는 정밀하게 제어가능한 가이드 베인을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 실시 형태에 따르면, 내연 기관용 흡기 채널이 제공된다. 제안된 흡기 채널은 위치 조절형 가이드 베인(an adjustable position guide vane)을 포함한다. 가이드 베인은 엔진의 하나 이상의 실린더 내의 평균 와류도를 변화시키기 위해 흡기 채널 내의 속도 분포를 변경하도록 구성된다.
본 발명의 제 2 실시 형태에 따르면, 엔진 매니폴드와 엔진의 흡기 채널 사이에 끼워맞추도록 구성된 어댑터(adapter) 장치가 제공된다. 어댑터 장치는 하우징과, 하우징 내에 배치된 위치 조절형 가이드 베인을 포함한다. 가이드 베인은 엔진의 하나 이상의 실린더 내의 평균 와류도를 변화시키기 위해 흡기 채널 내의 유속 분포를 변경하도록 구성된다.
내연 기관 내의 최적의 와류도를 달성하는 것은, 그것이 실린더 내측의 난류 강도(turbulence intensity)에 영향을 미칠 뿐만 아니라 큰 규모의 혼합을 변화시키고 그에 의해 엔진에 대한 개선된 연소 공정으로 이어질 수 있기 때문에, 중요하다.
본 발명의 다양한 실시 형태 및 실시예는 하나 이상의 엔진 실린더 내의 평균 와류도를 변화시키도록 작동될 수 있는 정밀하게 제어가능한 가이드 베인을 제 공한다. 그러한 가이드 베인의 정밀도 및/또는 배치는 예를 들어 향상된 연료 경제성 및/또는 최적화된 엔진 출력 성능으로 이어질 수 있는 개선된 연소를 제공하도록 평균 와류 수(mean swirl number)를 설정하는 것을 허용한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 종래 엔진이 실질적으로 재설계되거나 재가공될 필요 없이 그러한 종래 엔진에 전술한 이익을 부가하기 위해 기존의 종래 엔진 흡기 채널에 개장(改裝)될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 형태 및 실시예가 첨부된 도면과 관련하여 이제부터 설명될 것이다.
도 1은 내연 기관용 흡기 채널(100)을 평면도로 도시한다. 흡기 채널(100)은 흡기 채널 입구(130)로부터 이격되어 있는 나선형 포트(helical port)(140) 및 접선형 포트(tangential port)(150)를 포함한다. 흡기 채널 입구(130)는 엔진 유동을 나선형 포트(140) 및 접선형 포트(150) 내로 유도한다.
위치 조절형 가이드 베인(120)이 흡기 채널(100) 내에 배치된다. 가이드 베인(120)은 내연 기관(도시되지 않음)의 실린더(200) 내의 평균 와류도를 변화시키기 위해 흡기 채널(100) 내의 속도 분포를 변경하도록 구성된다.
(두 갈래로 분기되지 않은) 흡기 채널(100) 내에서, 유동은 나선형 포트(140)와 접선형 포트(150)로 분배된다. 흡기 채널(100)은 반드시 내부적으로 분할될 필요가 없다. 흡기 채널(100) 내 유동의 속도 분포는 하나 또는 몇몇의 가이드 베인(120)을 이용하여 제어될 수 있다. 이것은 속도에 대해 더 높은 정도의 제 어가 실행되는 것을 가능하게 하고, 가이드 베인(200)의 목적이 (종래의 몇몇 시스템이 그러하듯이) 포트(140, 150) 중 하나 이상을 통한 유동을 차단하는 것이 아니라 흡기 채널(100) 내측의 속도 유동 프로파일을 변경하는 것이기 때문에, 압력 강하를 최소화하고 따라서 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 배출 계수를 최대화하는 가능성을 추가로 제공한다.
가이드 베인(120)을 위한 재료는, 예를 들어 알루미늄, 플라스틱, 탄소 섬유 등과 같이 엔진의 작동 환경에 견딜 수 있는 어느 것이든 될 수 있다. 베인(120)의 크기 및 형상은 특정 엔진 적용에 따라 규정된다.
실린더 내 와류의 질량 측량 평균(mass weighed average)을 규정하는 평균 와류 수(D m )는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112009034148441-PAT00001
- 방정식 (1)
여기서, D i 는 주어진 밸브 상승에 대한 와류 수이고,
Figure 112009034148441-PAT00002
는 실제 질량 유동이며,
Figure 112009034148441-PAT00003
는 시간 간격을 의미한다.
다양한 실시예에 있어서, 평균 와류 수를 증가시키기 위해, 블렌드 링을 사용하여 접선형 포트(150)의 출구에서 유속을 증가시키고 유동을 유도한다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예를 이용하면, 상이한 연료에 의해 요구되는 최적의 평균 와류 수를 동일한 흡기 채널 구성으로 달성하도록 상이한 와류도가 제공될 수 있다. 와류 수의 미세 조정은 각 실린더에서 개별적으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상이한 연료는 상이한 연소 속도를 가질 수 있으며, 최적의 연소 거동을 달성하도록 상이한 난류 레벨이 요구된다. 엔진에서의 와류도의 변화를 가능하게 함으로써, 흡기 채널 구성을 변경시킬 필요 없이, 소정 유형의 연료에 필요한 평균 와류 수를 선택할 수 있다.
도 2는 도 1의 흡기 채널(100)의 접선형 포트(150)로부터 실린더(200)로 유입되는 유동 분포에 대한 개략도이다. 작동 시에, 화살표(154) 방향으로 접선형 포트(150)를 통해 유입되는 유동은 실린더 벽과의 유동 상호 작용에 의해 와류(156)를 생성시킨다. 실린더에서의 평균 와류(156)는 가이드 베인(120)의 위치를 조정함으로써 변경될 수 있다.
도 3은 도 1의 흡기 채널(100)의 나선형 포트(140)로부터 실린더(200)로 유입되는 유동 분포에 대한 개략도이다. 작동 시에, 화살표(154) 방향으로 나선형 포트(140)를 통해 유입되는 유동은 나선형 포트 내부에서 자체적으로 와류를 생성시킨다. 실린더 축방향 둘레에서의 접선형 속도 성분의 유발에 의해 와류(146)가 생성된다. 실린더(200) 내에서의 와류(146)의 정도는 가이드 베인(120)의 위치를 조정함으로써 변경될 수 있다.
2개의 포트(140, 150)에 의해 생성된 와류의 조합은 흡기 채널(100)의 평균 와류 수를 결정한다.
도 4는 가이드 베인(120)의 작동 원리에 대한 개략도이다. 도 4b에는 흡기 채널(100)에 배치되어 있는 가이드 베인(120)이 도시되어 있다. 가이드 베인(120)은 접선형 포트측(152) 근처에서 증가된 유속을 제공함으로써 흡기 채널(100)에서의 유동 분포를 변경시킨다.
가이드 베인(120)은 어떠한 작동 위치에서도 흡기 채널(100)에 형성되어 있는 임의의 유동 통로를 완전히 차단하지 않는 크기로 형성될 수도 있다.
가이드 베인(120)은 최대 방출 계수 및 최대 와류 수의 변경을 달성하도록 베인 구성을 최적화하기 위해 다양한 크기 및 형상으로 제공될 수 있다. 다양한 가이드 베인의 크기 및 치수는 구체적인 용도/엔진 구성에 따라 특정된다.
도 5는 평면도(도 5a) 및 사시도(도 5b) 모두에서 어댑터 장치(170)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 대한 개략도이다. 어댑터 장치(170)는 실린더(200)에 결합된다. 어댑터 장치(170)는 또한 가이드 베인 하우징(180)을 포함하는데, 이 가이드 베인 하우징은 통상의 엔진에 장착하기 위한 개장가능한 별개의 구성 부품으로서 제공될 수 있다.
가이드 베인 하우징(180)은 흡기 포트 입구(130)를 제공한다. 또한, 2개의 가이드 베인(120a, 120b)이 흡기 포트 입구(130) 내의 상이한 위치에 장착되어 흡기 채널(100)에서의 유동 프로파일을 변경시킨다.
가이드 베인 하우징(180)에는 그것의 나선형 포트측(142)에 제 1 가이드 베인(120a)이 장착되어 있다. 가이드 베인 하우징(180)에서 그것의 접선형 포트측에는, 상기 제 1 가이드 베인(120a)에 대해 상승된 위치에 독립적으로 이동가능한 제 2 가이드 베인(120b)이 장착되어 있다. 2개의 가이드 베인(120a, 120b)이 함께, 향상된 유속 분포 세트가 흡기 채널(100) 내에 제공되는 것을 가능하게 한다.
다양한 예시적인 실시예에서는 본 명세서에서 단일 가이드 베인이 사용된 것으로 도시되어 있지만, 당업자라면 하나 이상의 가이드 베인이 흡기 밸브 부근에 사용 및/또는 장착될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 흡기 채널은 흡기 채널의 나선형 포트측에 장착된 제 1 가이드 베인과, 흡기 채널의 접선형 포트 측에 장착된 제 2 가이드 베인을 포함할 수 있다. 이러한 가이드 베인은 원하는 바에 따라 연계되어 또는 독립적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 예를 들어 엔진의 흡기 채널과 엔진 매니폴드 사이에 장착되도록 구성된 흡기 채널 어댑터 장치의 형태를 취할 수도 있다. 각 실린더에 있어서, 흡기 채널 어댑터 장치는 하우징과 위치 조절형 가이드 베인을 포함할 수 있다. 가이드 베인은 엔진 실린더 내의 평균 와류도를 변경시키기 위해 흡기 채널 내에서의 유동의 속도 분포를 변경시키도록 구성될 수 있다. 이러한 어댑터는, 예를 들어 통상의 흡기 채널과 엔진의 엔진 매니폴드 사이에 삽입될 수 있는 별개의 부품으로서 제공될 수 있다.
이러한 흡기 채널 어댑터 장치는 또한 액추에이터에 결합되어 있는 구동 모터를 포함하고 있는데, 상기 액추에이터는 흡기 채널에 배치되어 있는 가이드 베인에 작동 가능하게 연결되어 있다. 상기 구동 모터는 구동 모터를 엔진 제어용 전자 제어 유닛(ECU)에 결합시키기 위한 하나 이상의 커넥터 리드(connector lead)를 구비하고 있을 수 있다. 흡기 채널 어댑터 장치는 예를 들어 ECU에 대한 업그레이드를 제공하는 소프트웨어와 함께 키트 형태로 제공되어 적어도 하나의 가이드 베인을 적절하게 제어하는 것을 가능하게 한다.
또한, 흡기 채널은 그 형상에 따라 나선형 또는 접선형일 수 있는 2개 이상의 포트의 조합을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 흡기 채널 내부의 속 도 분포를 변화시킴으로써, 내연 기관에서의 평균 와류 수를 변경시킬 수 있다. 내연 기관에서의 와류를 변경시키는 기존의 시스템과 달리, 본 발명의 다양한 실시예에서는 와류의 변경을 달성하기 위해 벽에 의해 흡기 채널 내부에서 양쪽 포트를 분리할 필요가 없다.
본 발명을 다양한 실시 형태 및 바람직한 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 보호 범위가 이러한 설명에만 제한되는 것으로 간주되지 않으며, 본 발명의 모든 변형예 및 균등물도 첨부된 특허청구범위의 보호 범위 내에 있다는 것이 본 출원인의 의도라는 것을 또한 이해하여야 한다.
미국 특허 제 4,432,312 호(클롬프), 유럽 특허 제 0 235 288 호(미츠비시), 미국 특허 제 4,699,104 호(오쿠무라), 미국 특허 제 4,735,890 호(비크잘렉), 미국 특허 제 4,909,210 호(시마다), 미국 특허 제 5,435,283 호(제르), 미국 공개 특허 제 2002/0123829 호(슈바인저), 미국 공개 특허 제 2004/0244767 호(니시이)를 참조하였으며, 허용된다면, 상기 언급된 참조 문헌의 내용은 본 특허 출원에 전체적으로 참조로서 합체된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관용 흡기 채널을 평면도로 도시하는 도면,
도 2는 도 1의 흡기 채널의 접선형 포트로부터 나오는 유동의 개략도,
도 3은 도 1의 흡기 채널의 나선형 포트로부터 나오는 유동의 개략도,
도 4는 본 발명의 다양한 실시예의 작동 원리의 개략도,
도 5는 2개의 베인이 흡기 채널 내의 유동 프로파일을 변화시키기 위해 여러 위치에 장착된 어댑터 장치를 포함하는 본 발명의 추가 실시예의 개략도.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
100 : 흡기 채널 120 : 위치 조절형 가이드 베인
130 : 흡기 포트 입구 140 : 나선형 포트
150 : 접선형 포트 170 : 어댑터 장치
180 : 가이드 베인 하우징 200 : 실린더

Claims (19)

  1. 내연 기관용 흡기 채널(100)에 있어서,
    상기 채널 내에 배치되는 위치 조절형 가이드 베인(an adjustable position guide vane)(120)으로서, 엔진의 실린더(200) 내의 평균 와류도(mean swirl level)를 변화시키기 위해 상기 채널 내에서의 유속 분포를 변경하도록 구성되어 있는 상기 가이드 베인(120)을 포함하는
    내연 기관용 흡기 채널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    흡기 포트 입구(130)로부터 이격되어 있는 나선형 포트(140) 및 접선형 포트(150)를 포함하는
    내연 기관용 흡기 채널.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가이드 베인(120)은 상기 흡기 포트 입구(130)에 인접하여 장착되는
    내연 기관용 흡기 채널.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 베인(120)은, 상기 가이드 베인(120)이 구동되는 경우, 상기 채 널 내에 비균일한 속도 프로파일을 생성하도록 성형되어 있는
    내연 기관용 흡기 채널.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 베인(120)은 상기 채널의 나선형 포트측(142)에 장착되어, 상기 채널의 나선형 포트측(142)보다 접선형 포트측(152)에서 더 높은 유속을 생성하도록 작동 가능한
    내연 기관용 흡기 채널.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 베인(120)은, 상기 가이드 베인(120)이 어떠한 위치에 있더라도 상기 채널 내에 형성된 임의의 가스 통로를 완전히 차단하지 않는 크기로 형성되는
    내연 기관용 흡기 채널.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡기 채널 내에 제공된 복수의 가이드 베인(120)을 포함하는
    내연 기관용 흡기 채널.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡기 채널의 나선형 포트측(142)에 장착된 제 1 가이드 베인(120)과, 상기 흡기 채널의 접선형 포트측(152)에 장착된 제 2 가이드 베인(120)을 포함하는
    내연 기관용 흡기 채널.
  9. 엔진 매니폴드와 엔진의 흡기 채널(100) 사이에 끼워맞추도록 구성된 흡기 채널 어댑터 장치(170)에 있어서,
    가이드 베인 하우징(180)과,
    상기 가이드 베인 하우징(180) 내에 배치되며, 상기 엔진의 실린더 내의 평균 와류도를 변화시키기 위해 상기 흡기 채널(100) 내에서의 유속 분포를 변경하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 위치 조절형 가이드 베인(120a, 120b)을 포함하는
    흡기 채널 어댑터 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가이드 베인 하우징(180)에 결합된 구동 모터로서, 상기 구동 모터는 상기 가이드 베인 하우징(180) 내에 배치된 상기 적어도 하나의 위치 조절형 가이드 베인(120a, 120b)에 작동 가능하게 접속되며, 상기 구동 모터를 엔진 제어용 전자 제어 유닛(ECU)에 연결하기 위한 하나 이상의 커넥터 리드(connector lead)를 구비하는, 상기 구동 모터를 더 포함하는
    흡기 채널 어댑터 장치.
  11. 내연 기관 내 충전 운동(charge movement)을 변경하는 방법에 있어서,
    흡기 채널(100)에 연결된 엔진의 하나 이상의 실린더(200) 내의 평균 와류도를 변화시키기 위해 상기 흡기 채널 내에서의 유속 분포를 변경하도록, 상기 흡기 채널(100) 내에 배치된 위치 조절형 가이드 베인(120)의 위치를 조절하는 단계를 포함하는
    내연 기관 내 충전 운동 변경 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 흡기 채널은 흡기 포트 입구(130)로부터 이격되어 있는 나선형 포트(140) 및 접선형 포트(150)를 형성하고, 상기 흡기 포트 입구(130)는 엔진 매니폴드로부터 유동을 수용하여 상기 나선형 포트(140) 및 상기 접선형 포트(150) 내로 유도하기 위한 것인
    내연 기관 내 충전 운동 변경 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 가이드 베인(120)은 상기 흡기 포트 입구(130)에 인접하여 장착되는
    내연 기관 내 충전 운동 변경 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡기 채널의 나선형 포트측(142)보다 접선형 포트측(152)에서 더 높은 유속을 생성하도록 상기 가이드 베인(120)을 이동시키는 단계를 포함하는
    내연 기관 내 충전 운동 변경 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 실린더(200) 내의 평균 와류도를 변경하도록 상기 흡기 채널 내에 제공된 복수의 가이드 베인(120)을 이동시키는 단계를 포함하는
    내연 기관 내 충전 운동 변경 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    하나 이상의 실린더(200) 내의 평균 와류도를 변경하기 위해, 상기 흡기 채널의 나선형 포트측(142)에 장착된 제 1 가이드 베인(120)을 이동시키는 단계 및 상기 흡기 채널의 접선형 포트측(152)에 장착된 제 2 가이드 베인(120)을 독립적으로 이동시키는 단계를 포함하는
    내연 기관 내 충전 운동 변경 방법.
  17. 엔진의 평균 와류 수를 변경시키는 방법에 있어서,
    상기 엔진의 실린더 헤드를 상기 엔진의 매니폴드에 연결시키는 흡기 채널 내의 위치 조절형 가이드 베인을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 가이드 베인은 하나 이상의 실린더 내의 평균 와류도를 변화시키기 위해 상기 흡기 채널 내에서의 가스 속도 분포를 변경하도록 구성되어 있는
    엔진의 평균 와류 수 변경 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 가이드 베인을 흡기 포트 입구에 인접하여 제공하는 단계를 포함하는
    엔진의 평균 와류 수 변경 방법.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 흡기 채널의 나선형 포트측에는 제 1 가이드 베인을 제공하고, 상기 흡기 채널의 접선형 포트측에는 제 2 가이드 베인을 제공하는 단계를 포함하는
    엔진의 평균 와류 수 변경 방법.
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