KR20130055154A - 엔진의 제트 이그니션 장치 - Google Patents

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KR20130055154A
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권기영
이주헌
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김영남
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Abstract

본 발명은 엔진의 제트 이그니션 장치에 관한 것으로서, 특히, 제트 이그니션을 통해 엔진 연소실의 연소 속도를 크게 증대시키는 동시에, 그 연소 속도를 제어하기 위한 장치에 관한 것으로서, 엔진에 형성된 주 연소실(100)과; 상기 주 연소실(100) 내에 액상의 연료를 분사하는 주 연소실 인젝터(200)와; 상기 주 연소실(100)과 연통 형성되는 보조 연소실(300)과; 상기 보조 연소실(300) 내에 공기와 연료의 혼합기를 분사하는 보조 연소실 인젝터(400)와; 상기 보조 연소실(300) 내에 불꽃을 발생시키는 점화플러그(500)와; 상기 보조 연소실(300)과 상기 주 연소실(100) 사이에 마련되어, 상기 보조 연소실(300)의 화염을 상기 주 연소실(100) 내에 제트 형태로 분사하는 보조 연소실 노즐(600)로 구성되어, 제트 이그니션을 통한 다수의 제트 화염에 의해 연소가 이루어지기 때문에 엔진 연소실의 연소 속도를 크게 증대시켜 연비를 향상시킬 수 있고, 운전 조건에 따라 제트 화염을 발생시키기 위한 혼합기의 공연비를 조절하여 연소 속도를 제어할 수 있음으로써 엔진의 내구성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

Description

엔진의 제트 이그니션 장치{Jet ignition apparatus for engine}
본 발명은 엔진의 제트 이그니션 장치에 관한 것으로서 특히, 제트 이그니션을 통해 엔진 연소실의 연소 속도를 크게 증대시키는 동시에, 그 연소 속도를 제어하기 위한 장치로써, 제트 이그니션을 통한 다수의 제트 화염에 의해 연소가 이루어지기 때문에 엔진 연소실의 연소 속도를 크게 증대시켜 연비를 향상시킬 수 있고, 운전 조건에 따라 제트 화염을 발생시키기 위한 혼합기의 공연비를 조절하여 연소 속도를 제어할 수 있음으로써 엔진의 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
현재 전세계적으로 내연기관의 연비를 향상시키기 위한 노력이 다각도로 이루어지고 있으며, 특히 가솔린 엔진 분야에서의 연비 개선 방안은 절실한 실정이다.
가솔린 엔진에 있어서 연비 개선을 위해서는 빠른 연소 속도가 요구되지만, 통상적인 가솔린 엔진은 단순히 점화플러그를 이용하여 점화가 이루어지기 때문에 연소 속도를 증대시키는 측면에서 한계가 있다.
즉, 일반적인 점화플러그에 의한 점화의 경우, 점화가 한 점에서 시작되고 그 화염이 연소실 전체로 전파되는데 일정 시간이 요구되기 때문이다.
이러한 일반적인 점화플러그에 의한 점화와 관련된 단점을 보완하기 위하여 엔진의 제트 이그니션(jet ignition) 장치가 개발되고 있다.
일반적으로 제트 이그니션이란 주 연소실의 점화원을 기존의 점화플러그를 이용하는 것이 아니라, 보조 연소실에서 소량의 연료를 연소시켜 이 때 발생하는 제트 형태의 화염을 점화원으로 이용하는 것이다.
이와 같이, 제트 이그니션을 통한 제트 화염을 이용하는 것에 의해, 제트 형태의 선에서 연소가 시작되므로 연소실 내의 연소 속도가 크게 증가한다는 이점을 지니게 된다.
그러나, 종래의 엔진의 제트 이그니션 장치에 있어서는 보조 연소실의 체적이 주 연소실의 체적에 비해 대략 1/10 이상으로 너무 클 경우 표면적 과다로 인해 탄화수소 배출물이 과도하게 발생하며 열효율이 떨어지고, 보조 연소실의 체적이 너무 작을 경우 기존 가솔린 연료의 분무 시 연료 젖음(fuel-wetting)에 의해 미스 파이어(misfire)가 발생하여 엔진의 운전 안정성이 크게 저하된다는 기술상의 문제점이 있었다.
특히, 보조 연소실의 연료 젖음 문제는 가솔린이 액상 연료이기 때문인 것으로, 이를 개선하기 위해 보조 연소실의 연료로 기체 연료인 프로판 가스 등을 사용하는 경우가 있었으나, 이는 연료 시스템을 가솔린과 프로판 가스의 이원으로 구성해야한다는 단점이 있었다.
또한, 종래에 있어서는 보조 연소실의 공기-연료 비율(air-fuel ratio; 이하 공연비(空燃比)라 한다)을 직접적으로 제어할 수 없기 때문에 공연비 제어 불량에 따른 미스파이어 문제가 있었으며, 이러한 보조 연소실의 공연비 제어를 위해 보조 연소실 전용의 흡기 밸브를 장착하는 경우가 있으나, 이 경우에는 흡기 밸브 설치로 인한 패키지 문제가 있어 실용성이 없었다.
즉, 종래의 엔진의 제트 이그니션 장치는 단순히 연소 속도가 빨라지기만 할 뿐, 그 속도의 조절이 거의 불가능하여 저부하 운전 조건에서는 이로우나, 고부하 운전 조건에서는 빠른 연소 속도에 의한 연소압 상승에 따른 내구성 문제가 발생하고 있다는 기술상의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 제트 이그니션을 통한 다수의 제트 화염에 의해 연소가 이루어지기 때문에 엔진 연소실의 연소 속도를 크게 증대시켜 연비를 향상시킬 수 있고, 운전 조건에 따라 제트 화염을 발생시키기 위한 혼합기의 공연비를 조절하여 연소 속도를 제어할 수 있음으로써 엔진의 내구성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 엔진의 제트 이그니션 장치를 제공하고자 한다.
이러한 본 발명은 엔진에 형성된 주 연소실과; 상기 주 연소실 내에 액상의 연료를 분사하는 주 연소실 인젝터와; 상기 주 연소실과 연통 형성되는 보조 연소실과; 상기 보조 연소실 내에 공기와 연료의 혼합기를 분사하는 보조 연소실 인젝터와; 상기 보조 연소실 내에 불꽃을 발생시키는 점화플러그와; 상기 보조 연소실과 상기 주 연소실 사이에 마련되어, 상기 보조 연소실의 화염을 상기 주 연소실 내에 제트 형태로 분사하는 보조 연소실 노즐로 구성함으로써 달성된다.
이때, 상기 보조 연소실 및 상기 보조 연소실 노즐은 상기 주 연소실의 중앙에 수직하게 배열되는 것이 양호하다.
그리고, 상기 보조 연소실 노즐에는 다수의 오리피스가 방사상에 형성되며, 상기 오리피스는 경사지게 벌어지도록 방향성을 갖는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 보조 연소실 노즐, 보조 연소실, 보조 연소실 인젝터, 그리고 점화플러그는 일체화되어 제트 점화 모듈을 이루는 것이 좋다.
또한, 상기 보조 연소실 인젝터에는 압축기 및 기화기가 순차적으로 연결되어, 상기 기화기에서 기화기 인젝터를 통해 분사되는 연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하고, 상기 혼합기는 상기 압축기에 의해 상기 보조 연소실 인젝터에 고압으로 공급되는 것이 좋다.
특히, 상기 기화기에는 유입되는 공기량을 측정하는 공기량 센서가 마련되어, 상기 공기량 센서에서 검출된 공기량과 상기 기화기 인젝터의 연료 분무량을 통해 상기 보조 연소실에 분사할 혼합기의 공연비를 제어하여 상기 주 연소실의 연소 속도를 컨트롤하는 것이 가장 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 제트 이그니션을 통한 다수의 제트 화염에 의해 연소가 이루어지기 때문에 엔진 연소실의 연소 속도를 크게 증대시켜 연비를 향상시킬 수 있고, 운전 조건에 따라 제트 화염을 발생시키기 위한 혼합기의 공연비를 조절하여 연소 속도를 제어할 수 있음으로써 엔진의 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치를 도시하는 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치에 있어서 주 연소실 및 보조 연소실 노즐을 도시하는 저면도,
도 3은 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치에 있어서 제트 점화 모듈을 도시하는 사시도,
도 4는 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치에 따른 화염 전파 형태를 도시하는 도.
도 1은 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치를 도시하는 개략적인 구성도이며, 도 2는 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치에 있어서 주 연소실 및 보조 연소실 노즐을 도시하는 저면도이다.
그리고, 도 3은 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치에 있어서 제트 점화 모듈을 도시하는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치에 따른 화염 전파 형태를 도시하는 도이다.
본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진에 형성된 주 연소실(100)과; 상기 주 연소실(100) 내에 액상의 연료를 분사하는 주 연소실 인젝터(200)와; 상기 주 연소실(100)과 연통 형성되는 보조 연소실(300)과; 상기 보조 연소실(300) 내에 공기와 연료의 혼합기를 분사하는 보조 연소실 인젝터(400)와; 상기 보조 연소실(300) 내에 불꽃을 발생시키는 점화플러그(500)와; 상기 보조 연소실(300)과 상기 주 연소실(100) 사이에 마련되어, 상기 보조 연소실(300)의 화염을 상기 주 연소실(100) 내에 제트 형태로 분사하는 보조 연소실 노즐(600)로 구성되는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 주 연소실(100)은 엔진의 실린더 블록(B)에 형성되는 것으로, 그 하측에는 피스톤 헤드가 위치하게 된다.
그리고, 주 연소실 인젝터(200)는 상기 주 연소실(100) 내에 가솔린과 같은 액상의 연료를 분사하는 것으로, 엔진의 실린더 헤드(H)에 마련된다.
상술한 주 연소실(100) 및 주 연소실 인젝터(200)는 일반적인 엔진에 적용되는 것과 동일하므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 보조 연소실(300)은 상기 주 연소실(100)과 연통 형성되는 것으로, 상기 보조 연소실(300)에서 생성시킨 화염을 상기 주 연소실(100)의 점화원으로 사용하게 되는 것으로, 본 발명에 있어서는 기존의 점화플러그가 상기 주 연소실(100)에는 마련되지 않게 됨은 자명하다.
그리고, 보조 연소실 인젝터(400)는 상기 보조 연소실(300) 내에 공기와 연료의 혼합기를 분사하는 인젝터로, 상술한 주 연소실 인젝터(200)는 액체 연료를 분사하는 인젝터 형식인 반면, 상기 보조 연소실 인젝터(400)는 기체 연료를 분사하는 인젝터 형식에 해당하는 것이다.
다음으로, 본 발명에 있어서 점화플러그(500)는 상기 보조 연소실(300) 내에 불꽃을 발생시키는 것이다.
마지막으로, 보조 연소실 노즐(600)은 상기 보조 연소실(300)과 상기 주 연소실(100) 사이에 마련되어, 상기 보조 연소실(300)의 화염을 상기 주 연소실(100) 내에 제트 형태로 분사하게 되는 구성인 것이다.
이러한 구성에 따라, 상기 주 연소실 인젝터(200)를 통해 상기 주 연소실(100) 내에 액상의 연료가 분사된 상태에서, 상기 보조 연소실 인젝터(400)를 통해 상기 보조 연소실(300) 내에 연료와 공기의 혼합기를 분사시킨 후, 점화플러그(500)에 불꽃을 일으켜 발생하는 화염을 상기 보조 연소실 노즐(600)이 제트 형태로 상기 주 연소실(100)에 분사함으로써, 주 연소실(100)의 연소가 이루어지는 것이다.
여기에서 상기 주 연소실(100)의 연소가 신속하고도 정확하게 이루어지는 위치에 상기 보조 연소실(300) 및 상기 보조 연소실 노즐(600)을 배치하는 것이 바람직하며, 특히 본 발명에 있어서는 출원인의 실험 결과 상기 보조 연소실(300) 및 상기 보조 연소실 노즐(600)은 도 1과 같이 상기 주 연소실(100)의 중앙에 수직하게 배열되는 것이 가장 바람직하다.
특히, 상기 보조 연소실 노즐(600)에는 도 2에 도시한 바와 같이 다수의 오리피스(610)가 방사상에 형성되며, 상기 오리피스(610)는 경사지게 벌어지도록 방향성을 갖는 것이 바람직하며, 도 2에는 하나의 보조 연소실 노즐(600)에 6개의 오리피스(610)가 형성된 것을 예시하였으나, 상기 오리피스(610)의 개수 증감은 주 연소실(100)의 형상이나 체적에 따라 가감하여 적용할 수 있음은 자명하다.
이때, 상기 오리피스(610)는 소정의 경사각을 가지고 형성되어 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 보조 연소실 노즐(600)을 통한 제트 화염이 주 연소실(100) 내부에 고르게 퍼지도록 하여 연소 속도를 보다 증대시키는 것이 양호하다.
도 4에 있어서 (a)는 점화 후 2°후의 화염 상태를 나타내며, (b)는 점화 후 4°후의 화염 상태를 나타내고, (c)는 점화 후 6°후의 화염 상태를 나타내는 것이다.
특히, 본 발명에 있어서는 상기 보조 연소실 노즐(600), 보조 연소실(300), 보조 연소실 인젝터(400), 그리고 점화플러그(500)는 일체화되어 제트 점화 모듈(JM)을 이루는 것이 바람직하다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이 보조 연소실 노즐(600), 보조 연소실(300), 보조 연소실 인젝터(400), 그리고 점화플러그(500)를 하나의 모듈인 제트 점화 모듈(JM)로 일체화하여 조립 및 유지보수의 편의성을 향상시키는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 있어서, 도 1과 같이 상기 보조 연소실 인젝터(400)에는 압축기(700) 및 기화기(800)가 순차적으로 연결되어, 상기 기화기(800)에서 기화기 인젝터(810)를 통해 분사되는 연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하고, 상기 혼합기는 상기 압축기(700)에 의해 상기 보조 연소실 인젝터(400)에 고압으로 공급되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 기화기(800)에서는 기화기 인젝터(810)를 통해 분사되는 연료에 공기를 혼합하여 보조 연소실(300)에 공급할 혼합기를 생성하게 되며, 이때, 상기 기화기 인젝터(810)는 액체 연료를 분사하는 인젝터 형식에 해당하는 것이다.
이와 같이 상기 기화기(800)에서 생성한 연료와 공기의 혼합기는 이후 압축기(700)로 보내지며, 이 압축기(700)에서는 혼합기를 고압으로 압축하여 상기 보조 연소실 인젝터(400)로 보내게 되는 것이다.
이에 따라, 상기 보조 연소실 인젝터(400)는 고압의 혼합기를 공급받아 분사하는 것이 가능해 진다.
마지막으로, 본 발명에 있어서 상기 기화기(800)에는 도 1과 같이 유입되는 공기량을 측정하는 공기량 센서(820)가 마련되어, 상기 공기량 센서(820)에서 검출된 공기량과 상기 기화기 인젝터(810)의 연료 분무량을 통해 상기 보조 연소실(300)에 분사할 혼합기의 공연비를 제어하여 상기 주 연소실(100)의 연소 속도를 컨트롤하는 것이 가장 바람직하다.
즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 기화기(800)에는 공기량 센서(820)를 두어 신기(新氣, fresh air)의 유입 공기량을 검출할 수 있도록 함으로써, 유입 공기량과 함께 상기 기화기 인젝터(810)의 연료 분무량을 이용하여 상기 보조 연소실(300)에 분사할 혼합기의 공연비를 조절할 수도 있는 것이다.
이와 같이, 상기 보조 연소실(300)에 공급되는 혼합기의 공연비 조절을 통하여 결과적으로는 상기 주 연소실(100)의 연소 속도를 제어할 수 있게 됨으로써, 엔진의 저부하 운전 조건에서는 연소 속도를 빠르게 제어하는 반면, 엔진의 고부하 운전 조건에서는 연소 속도를 상대적으로 느리게 제어할 수 있어, 엔진의 연소압 상승에 따른 내구성 문제를 해결할 수 있는 것이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 엔진의 제트 이그니션 장치는 우선, 액체 연료가 주 연소실 인젝터(200)에 의해 주 연소실(100) 내에 분사된다.
이러한 상태에서, 기화기(800)에서는 기화기 인젝터(810)를 통해 분사되는 연료와 공기의 혼합기를 생성하되, 공기량 센서(820)를 두어 엔진의 부하 조건에 따라 상기 기화기 인젝터(810)를 통해 분사되는 연료량을 조절하여 적절한 공연비로 혼합기를 생성하게 되는 것이다.
이후, 상기 기화기(800)에서 생성된 적절한 공연비의 혼합기는 압축기(700)를 거쳐 고압으로 압축되어 보조 연소실 인젝터(400)로 공급되며, 상기 보조 연소실 인젝터(400)가 고압으로 압축된 연료와 공기의 혼합기를 보조 연소실(300) 내에 분사하는 동시에, 점화플러그(500)로 불꽃을 발생시키면 보조 연소실(300) 내에 화염이 발생하게 되면서, 보조 연소실 노즐(600)에 형성된 다수의 오리피스(610)를 통해 주 연소실(100)로 점화원인 제트 화염이 다수의 선으로 화염을 발생시키게 되는 것이다.
따라서, 본 발명은 보조 연소실(300)에서 발생한 화염을 제트 형태로 주 연소실(100)의 점화원으로 사용하는 동시에, 동시에 다수의 제트 화염이 선으로 분사되어 종래에 비해 주 연소실(100)의 연소 속도를 크게 향상시킬 수 있다는 이점을 지닌다.
이와 더불어, 상기 보조 연소실 인젝터(400), 점화플러그(500), 보조 연소실(300), 그리고 보조 연소실 노즐(600)을 제트 점화 모듈(JM)로 일체화함으로써, 조립 및 유지보수의 편의성도 증대시킬 수 있는 것이다.
더욱이, 기화기(800) 내에서 보조 연소실(300)에 공급할 혼합기의 공연비를 조절하여 주 연소실(100)의 연소 속도를 제어할 수 있음으로써, 엔진의 부하 운전 조건에 따라 연소 속도를 각기 다르게 제어하여, 엔진의 저부하 운전 조건에서는 빠른 연소 속도를 얻고, 엔진의 고부하 운전 조건에서는 상대적으로 느린 연소 속도를 구현하여 연소압 상승에 따른 내구성 문제 또한 해결할 수 있다는 탁월한 이점을 지닌 발명인 것이다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.
100 : 주 연소실 200 : 주 연소실 인젝터
300 : 보조 연소실 400 : 보조 연소실 인젝터
500 : 점화플러그 600 : 보조 연소실 노즐
610 : 오리피스 700 : 압축기
800 : 기화기 810 : 기화기 인젝터
820 : 공기량 센서 B : 실린더 블록
H : 실린더 헤드 JM : 제트 분사 모듈

Claims (6)

  1. 엔진에 형성된 주 연소실과;
    상기 주 연소실 내에 액상의 연료를 분사하는 주 연소실 인젝터와;
    상기 주 연소실과 연통 형성되는 보조 연소실과;
    상기 보조 연소실 내에 공기와 연료의 혼합기를 분사하는 보조 연소실 인젝터와;
    상기 보조 연소실 내에 불꽃을 발생시키는 점화플러그와;
    상기 보조 연소실과 상기 주 연소실 사이에 마련되어, 상기 보조 연소실의 화염을 상기 주 연소실 내에 제트 형태로 분사하는 보조 연소실 노즐로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 제트 이그니션 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 보조 연소실 및 상기 보조 연소실 노즐은 상기 주 연소실의 중앙에 수직하게 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진의 제트 이그니션 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 보조 연소실 노즐에는 다수의 오리피스가 방사상에 형성되며, 상기 오리피스는 경사지게 벌어지도록 방향성을 갖는 것을 특징으로 하는 엔진의 제트 이그니션 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 보조 연소실 노즐, 보조 연소실, 보조 연소실 인젝터, 그리고 점화플러그는 일체화되어 제트 점화 모듈을 이루는 것을 특징으로 하는 엔진의 제트 이그니션 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 보조 연소실 인젝터에는 압축기 및 기화기가 순차적으로 연결되어, 상기 기화기에서 기화기 인젝터를 통해 분사되는 연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 생성하고, 상기 혼합기는 상기 압축기에 의해 상기 보조 연소실 인젝터에 고압으로 공급되는 것을 특징으로 하는 엔진의 제트 이그니션 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 기화기에는 유입되는 공기량을 측정하는 공기량 센서가 마련되어, 상기 공기량 센서에서 검출된 공기량과 상기 기화기 인젝터의 연료 분무량을 통해 상기 보조 연소실에 분사할 혼합기의 공연비를 제어하여 상기 주 연소실의 연소 속도를 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 엔진의 제트 이그니션 장치.
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KR20190032244A (ko) * 2017-09-19 2019-03-27 만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드 대형 2 행정 단류 소기식 기체 연료 엔진

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KR20190032244A (ko) * 2017-09-19 2019-03-27 만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드 대형 2 행정 단류 소기식 기체 연료 엔진

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