KR20130075874A

KR20130075874A - 내연기관의 난류 형성 장치

Info

Publication number: KR20130075874A
Application number: KR1020110144168A
Authority: KR
Inventors: 정병일; 송온섭
Original assignee: 정병일; 송온섭
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-08

Abstract

본 발명은 흡기매니폴드로 부터의 혼합기체 흡기과정에 지장을 주지 않으면서 직선 방향으로 공급되는 공기 흐름, 즉 텀블 유동을 소용돌이치며 연소실로 유입되도록 흡기 매니폴드 상에 설치되는 난류발생장치(100)로, 이 장치는 흡기통로 (500)에 끼워지는 직경을 갖춘 원통형 몸체(110)와, 이 몸체(110) 내경에 형성되는 임펠라 형 난류 안내 가이드 면(120), 상기 몸체(110)의 중심부에 형성되며 일체형 고정 브라켓(130)의 저면에 지지형성되는 중심축(140), 상기 중심축(140)과 난류 안내 가이면(120)과의 사이를 타원의 곡면으로 연결 형성하는 와류 발생 깃(150)과 이에 연장된 일체형 와류 발생 면(160), 상기 중심축(140)의 중앙부에 공기 유동방향과 일치 하도록 형성되는 벤추리 관(170), 상기 중심축(140)과 몸체(110) 사이에 에어포일(Airfoil) 형상의 단면으로 형성시킨 난류 발생 단면(180)을 갖는 날개로 구성된다.

Description

내연기관의 난류 형성 장치{ A swirl apparatus for combustion engine}

본 발명은 내연기관이나 가스터빈엔진과 같은 동력장치에 있어서, 흡기매니폴드(Intake manifold)에 설치되어 난류(Swirl)를 형성시킴에 따라 최적의 연소가 이루어지도록 안출된 난류 발생 기구에 관한 것이다.

동력장치는 공기와 연료를 적절히 혼합시켜 이를 연소시키고, 연소 시 발생하는 힘을 동력원으로 만들어 사용하기 위한 시스템을 총칭한다.

일반적으로 동력장치(내연기관)는 연료가스와 공기의 혼합가스를 실린더에 흡입시켜 팽창시킨 후 이 압축 기체에 점화를 시켜 폭발현상이 발생토록 하고, 폭발 시에 발생하는 에너지를 활용하며, 연소된 가스는 배기시키는 공정을 반복하는 엔진을 왕복엔진이라고도 한다.

따라서, 폭발현상으로 실린더 내부가 급팽창함에 따라 상승되어 있던 피스톤이 강제로 밀어 내려지고, 이 힘으로 피스톤 하부에 연결된 크랭크가 회전하면서 크랭크 중심축이 회전함에 따라 필요한 회전력을 얻도록 하는 흡입, 압축, 팽창, 배기의 4행정 원리를 적용시켜, 이 힘을 바퀴에 전달하여 구동력을 만들고, 자동차 등을 운행할 수 있도록 하는 내연기관이 사용되고 있음은 주지하는 바와 같다.

이러한 내연기관은 그 성능이 비약적으로 발달되어 높은 연비와 무공해(친환경)의 지향, 저소음, 고효율을 위한 연구 개발이 세계적 추세이며, 그 사용목적에 맞게 설계되어 현재에 이르고 있다. 내연기관에서 흡기 및 배기과정은 비정상유동과정으로 체적효율을 높이고 최적성능을 얻기 위한 흡배기 시스템을 갖추고 있다.

이때 고효율, 고출력기관을 만들기 위하여 실린더로 유입되는 흡입공기의 관성효과, 맥동효과, 램 효과를 적절히 이용하여야 하며, 이들 효과에 의해 실린더 내로의 흡입공기량이 증대되면 공기연료비는 일정하게 유지된 채 실린더에 혼합가스를 추가 공급하여 출력을 증가시킬 수 있게 된다.

이에 대한 종래의 기술은 도1의 단순 흡기시스템에서와 같이, 공기스쿠프, 공기필터, 공기흡기 덕트, 기화기가 흡기매니폴드에 일체로 연결 형성되며, 외부공기는 도2와 같이 흡기매니폴드를 통해 실린더의 흡기밸브로 개폐되는 흡기통로를 거쳐 실린더의 연소실내로 흡기되어 연료와 혼합되면서 상기한 4행정의 과정을 반복하며 내연기관의 역할을 수행하게 된다.

여기서 연소실은 화염면의 전파거리가 최소이어야 하고, 배기밸브와 점화플러그가 가까이 있어야 하며, 충분한 난류가 있어야 하고, 최종 미연 가스는 연소실 내 온도가 낮은 부분에 있어야 하며, 연료 경제성을 좋게 하기 위해서는 흡입된 연료는 모두 연소되고 화염이 소멸되는 소염영역(quench area)이 최소로 되도록 설계 시 고려되어야 한다.

내연기관에 공급되는 공기는 일반적으로 피스톤이 후진할 때 열리는 흡기 밸브를 통하여 유입되고, 여기에 연료를 분사하고 압축 후 점화하여 연료의 폭발력에 의하여 동력을 얻는 구조이므로 실린더에 공급되는 연료와 공기의 혼합 분포에 따라 화염의 전파 속도가 다르게 되며, 이 화염전파 속도에 따라 엔진의 성능에 차이(연료 소비율, 공해 물질 발생 정도 등)를 나타낸다.

내연기관의 주 연료로 사용하고 있는 탄화수소 계 연료의 층류 연소속도가 약 0.5m/s 이며, 난류 연소 속도는 층류연소 속도의 약 10배 가까이 빠르다는 것이 그동안 학계의 연구 결과이다.

또한 연소실 내의 난류는 흡입과정과 압축 과정 중에 발생되며, 흡기 포트나 연소실의 형상 및 피스톤의 형상에 따라 난류의 발생 정도가 다르게 되며, 난류 화염에서는 화염 면이 주름져서 연소 면적이 증가하고 연소가 촉진되어 연소속도가 빨라져서 노킹이 일어날 가능성을 낮추고 연소 효율을 높여 준다는 것 또한 일반적인 연구 결과이다.

따라서 연소실에 공급되는 공기를 연소실에 유입 단계에서 난류(Swirl)유동을 할 수 있도록 흡기 포트의 구조를 고안하여 화염 전파 및 유입 공기 및 연료 분포를 체적화 하여 줌으로써 엔진의 성능향상은 물론 엔진 내에서 연소하는 연료를 완전연소에 가깝게 연소시킬 수 있다.

내연기관의 주 연료 성분인 탄화수소가 완전 연소 하면 생성물은 와 이며 옥탄이 공기와 완전 연소하는 반응은 다음과 같다.

이는 동일한 연료를 사용할 경우 연소 면적을 높이고 연소 속도 및 연소 효율을 높여 주는 것은 실린더 내에 공급된 탄화수소 연료의 완전 연소율을 향상 시킨다는 것을 의미 하게 된다. 또한 동일한 화학 에너지를 이용하여 더 많은 운동에너지 즉 동력으로 전환할 수 있다는 것을 의미 하게 된다.

다만, 연소실내에 난류(Swirl)를 형성시키는 것은 난류에 의해 빠른 연소를 유도하므로 매우 중요하지만 난류는 지나친 열전달을 유발하며, 너무 급격히 연소되면 소음이 발생하고, 난류강도가 높으면 실린더 벽면으로 지나친 열전달이 이루어지므로 이를 피해야 한다.

한편, 공기의 흡기 효율을 좋게 하기 위하여 종래에는 도3과 같이 임펠러(impeller)를 부착하여 과급(Supercharging)하는 방식을 사용하기도 하며, 이를 임펠러를 구동하는 방식에 따라 터보차저, 슈퍼차저로 분류하여 내연기관에 공급하는 공기를 과급하기 위한 목적으로 활용하기도 한다.

하지만, 이는 실린더에 흡입되는 공기의 밀도를 증가시키기 위한 방법으로 별도의 동력을 사용하여 임펠러를 구동시켜야 하는 것이므로 동력장치의 가격이나 부피를 상승시키는 요인이 되고, 배기가스의 에너지를 활용하더라도 실제 연소실내의 연소효과를 상승시키기 위해서는 일정 이상의 엔진 회전 속도를 요하는 단점을 가지고 있다.

즉, 흡기매니폴드를 거쳐 연소실내에 유입되는 혼합 가스는 일반적으로 도4와 같이 텀블(Tumble)유동으로 유입되면서 4행정의 연소과정을 거치게 되는데, 이는 연소효율이 매우 낮으므로 연소실 상부의 형상을 난류가 형성되게 만들거나, 혼합가스가 통과하는 멀티 인젝션(스로틀 바디) 외부에 임펠러 형태의 난류 형성 장치를 만든 것이 있으나 구조설계 및 난류를 유지하며 실린더에 공기를 공급하는 데에는 한계가 있게 된다.

공기의 흡기 효율을 좋게 하기 위하여 종래에는 도3과 같이 임펠러(impeller)를 부착하여 과급(Supercharging)하는 방식을 사용하기도 하며, 이를 임펠러를 구동하는 방식에 따라 터보차저, 슈퍼차저로 분류하여 내연기관에 공급하는 공기를 과급하기 위한 목적으로 활용하기도 한다.

본 발명에서의 동력장치는 연료를 연소시켜 이 연소열을 운동에너지로 변환시켜 활용하는 각종 자동차, 항공기 왕복 엔진, 오토바이, 선박 등의 엔진 등을 말하며, 연소과정에서의 차이는 있으나 최적의 연소효율을 얻기 위한 목적은 같으므로 이하에는 내연기관을 그 일 실시 예로 하여 여기에 적용시킬 간단하면서도 설치가 용이하고 동력장치의 개발목적에 탄력적으로 적용될 수 있는 연소효율 증대 장치를 제공하여 종래의 문제점을 해결하고 엔진의 효율을 극대화 시킨 것이다.

본 발명의 실시에 따라 연소실내의 난류형성은 내연기관 실린더의 연소실내에 공급되는 공기의 공급량과 공급 속도를 높여 주고, 연소 시 화염에 전파 속도를 높여 주는 동시에, 연소 시 연소실 내부의 연소 환경을 균일하게 하여 줌으로써 내연기관의 연소 성능을 향상시켜 연소 효율과 엔진의 성능을 향상 시켜주게 된다.

또한, 본 발명은 다양한 종류의 내연기관의 흡기 계통에 적용시켜서 모든 내연기관의 연소효율 향상 및 완전 연소를 도와줌으로써, 내연기관의 엔진 성능을 향상시킴은 물론 내연기관에서 발생 하는 배기가스로 인한 환경오염을 줄여줄 수 있는 친환경 제품을 제공하는 효과를 얻게 된다.

도 1은 내연기관의 단순 흡기 시스템 구조도,
도 2는 내연기관 연소실의 일반적인 공기유입 형태를 도시한 도면,
도 3은 내부형 과급기 예시도,
도 4는 흡기 매니홀드와 시스템 장착도,
도 5는 내연기관 실린더와 그 내부 구조,
도 6은 본 발명의 전체 구성 단면도,
도 7은 본 발명의 3차원 형상도,
도 8은 도7의 정면도,
도 9는 도7의 배면도,
도10은 본 발명에서 받음각을 보이도록 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 부분 단면도,
도 12는 본 발명의 난류 발생 각도를 보이기 위한 도면,
도 13은 본 발명의 장착 예시도이다.

본 발명은 흡기매니폴드로 부터의 혼합기체 흡기과정에 지장을 주지 않으면서 직선 방향으로 공급되는 공기 흐름, 즉 텀블 유동을 소용돌이치며 연소실로 유입되도록 흡기 매니폴드 상에 설치되는 난류 형성 장치를 제공한다.

이하,첨부도면을 본 발명의 1실시예로 하여 그 구성과 작동 및 효과를 상세히 설명한다.

본 발명의 난류발생장치(100)는, 도4 및 도5와 같이, 흡기매니폴드(200)가 엔진 블럭(300)에 결합되는 위치에 흡기 다기관의 크기에 맞추어 설계되며, 흡기밸브(400)가 하강할 때 열리는 흡기 다기관을 구성하는 흡기통로(500), 즉 흡기 밸브 직전 공기통로에 설치된다.

상기한 난류발생장치(100)는 흡기통로(500)에 끼워지는 직경을 갖춘 원통형 몸체(110)와, 이 몸체(110) 내경에 형성되는 임펠라 형 난류 안내 가이드 면(120), 상기 몸체(110)의 중심부에 형성되며 일체형 고정 브라켓(130)의 저면에 지지형성되는 중심축(140), 상기 중심축(140)과 난류 안내 가이면(120)과의 사이를 타원의 곡면으로 연결 형성하는 와류 발생 깃(150)과 이에 연장된 일체형 와류 발생 면(160), 상기 중심축(140)의 중앙부에 공기 유동방향과 일치 하도록 형성되는 벤추리 관(170), 상기 중심축(140)과 몸체(110) 사이에 에어포일(Airfoil) 형상의 단면으로 형성시킨 난류 발생 단면(180)을 갖는 날개로 구성된다.

또한, 상기 몸체(110)의 상단입구 둘레는 공기의 유입이 용이하도록 경사면(190) 이 형성된다.

도6 및 도7은 각각 본 발명의 전체구성단면도와 3차원 형상도면을 도시한 것으로, 임펠라 형 와류 발생 깃(150)의 날개(152)가 3개인 것으로 예시하였으나 내연기관마다의 특성에 맞도록 3개이상 8개 이하로 설치되는 것이 바람직하다.

또한 각 날개(152)들은 중앙부분에서 바깥쪽(원심력방향)으로 점차 단면적을 넓게 하여 공기의 회전방향과 일치시켜서 압축된 공기가 원심력에 의해 분산되면서 난류형성이 저하되는 것을 막아 난류형성효과가 높도록 한다.

이를 위한 날개(152)의 난류 발생 각, 즉 비틀림 각(θ)은 와류발생 깃의 수에 따라72°~120°범위에서 형성되며 날개(152)의 선단과 후단이 이루는 공기의 받음각(α)는 공기저항을 최소화하기 위한 조건으로 21°~45°로 구성시키는 것이 바람직하다.

상기한 구성의 본 발명을 사용함에 있어서는 도 4와 같이 흡기매니폴드(200)를 통해 공기가 유입되면서 본 발명의 난류발생장치(100)를 거쳐 도2, 도5와 같이 실린더(600)내의 연소실로 공기가 유입되어진다.

이때는 연소실의 피스톤(700)이 하강하는 흡기행정이 실시되는 때이므로 공기가 본 발명의 난류발생장치(100)를 지날 때는 중앙부 중심축(140)의 안쪽을 지나는 공기의 흐름은 벤추리 관을 통과 하면서 베르누이의 정리 및 원리에 의하여 신린더에 공급되는 속도가 증가하여 통과 하게 되며, 난류 가이드 면(120)과 중심축(140) 사이를 통과하는 공기는 임펠라 형 안내깃(150)의 유도에 따라 일체형 난류 발생 면(160)을 거처 공기가 회전하게 된다. 이렇게 회전하는 공기는 난류 가이드면(120)과 흡기통로(500)의 안내에 따라 연소실로 난류를 형성하며 흡기된다.

특히 상기 임펠러 형 안내 깃(150)은 직선방향으로 이동하는 정상적인 공기의 흐름에 지장을 주지 않으면서 진행하는 공기에 방향을 바꾸어 와류를 발생 시켜 줌과 동시에 벤추리관의 원리를 적용함으로써 특정 공간에 공급되는 공기를 난류를 발생시킴과 동시에 공급량 및 공급 속도를 높여 연소효율을 향상시키고, 완전 연소를 도와 주게된다.

즉, 엔진의 회전속도 및 밸브의 개폐 속도에 따라, 연소실내에서 피스톤(700)이 빠르게 구동하여 흡입밸브의 빠른 개폐동작이 발생하는 경우 빠른 공기의 유입을, 저속의 경우 저속의 공기 유입을 돕게 되며, 저속 또는 고속과 관계없이 유입되는 공기의 흐름은 와류 형태를 유지하며 엔진의 구동조건에 맞는 회동이 이루어지게 된다.

따라서, 흡기 공정 후 압축과 폭발 행정 시에 난류형성에 의한 완벽한 연소가 이루어져서 내연기관의 효율을 증대시키게 된다.

상기한 구성과 사용에 따라 연소실내의 난류형성은 내연기관 실린더의 연소실내에 공급되는 공기의 공급량과 공급 속도를 높여 주고, 연소 시 화염에 전파 속도를 높여 주는 동시에, 연소 시 연소실 내부의 연소 환경을 균일하게 하여 줌으로써 내연기관의 연소 성능을 향상시켜 연소 효율과 엔진의 성능을 향상 시켜주게 되는 것이다.

100-난류발생장치
110-몸체 120-난류 가이드 면
130-일체형 고정 브라켓 140-중심축
150-임펠라 형 안내 깃 152-임펠라 형 난류발생 날개
160-일체형 난류발생 면 170-벤추리 관
180-난류 발생 깃의 단면
200-흡기매니폴드
210-스로틀 바디 220- 공기 흡입구
230-덤블유동 240-외부 공기 흡입구
300-엔진 블럭
400-흡기밸브
450-배기밸브 460-배기 다기관
470-스파크플러그
500-흡기통로
600-실린더
700-피스톤

Claims

내연기관에 있어서,
내연기관의 흡기통로(500)에 끼워지는 직경을 갖춘 원통형 몸체(110),
상기 몸체(110)내경에 형성되는 임펠라 형 난류 안내 가이드 면(120),
상기 몸체(110)의 중심부에 형성되며 일체형 고정 브라켓(130)의 저면에 지지형성되는 중심축(140),
상기 중심축(140)과 난류 안내 가이면(120)과의 사이를 타원의 곡면으로 연결 형성하는 와류 발생 깃(150)과 이에 연장된 일체형 와류 발생 면(160),
상기 중심축(140)의 중앙부에 공기 유동방향과 일치 하도록 형성되는 벤추리 관(170),
상기 중심축(140)과 몸체(110) 사이에 에어포일(Airfoil) 형상의 단면으로 형성시킨 난류 발생 단면(180),
상기 몸체(110)의 상단입구 둘레는 공기의 유입이 용이하도록 형성된 경사면(190)을 갖추며 이루어지는 것을 특징으로하는 내연기관의 난류 형성 장치.
제1항에 있어서,임펠라 형 와류 발생 깃(150)의 날개(152)는 3개이상 8개 이하로 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 난류 형성 장치.
제1항에 있어서, 날개(152)의 난류 발생 비틀림 각(θ)은 72°~120°범위에서 형성되며, 날개(152)의 선단과 후단이 이루는 공기의 받음각(α)는 21°~45°로 구성시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 난류 형성 장치.