KR20140025279A

KR20140025279A - 내연기관의 예연소실 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR20140025279A
Application number: KR1020130097612A
Authority: KR
Inventors: 아이케 요아힘 식셀; 다니엘 베스터
Original assignee: 캐터필라 모토렌 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2014-03-04
Also published as: CN103628969A; EP2700796B1; EP2700796A1; KR102156098B1; CN103628969B

Abstract

높은 열 응력 및 기계적 응력에 노출되는 내연기관(10)의 예연소실 팁(76)은 내연기관의 주 연소실(26)과 유체 연통하여 오리피스(190, 290)를 배열하기 위한 공간이 제한될 수도 있다. 중심축(112)에 대해 제1 각도(α)로 연장하는 제1 그룹의 오리피스(190) 및 중심축(112)에 대해 제2 각도로 연장하는 제2 그룹의 오리피스(290)를 제공함으로써 제한된 공간을 효율적으로 사용하는 것이 개시되어 있고, 여기서 오리피스의 출구는 제1 축방향 위치(P1)에 배열된다.

Description

내연기관의 예연소실 및 그 작동 방법 {PRE-COMBUSTION CHAMBER OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATING THE SAME}

본 발명은 일반적으로 내연기관용 예연소실(pre-combustion chamber) 조립체의 예연소실 팁에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 기체 연료 내연기관의 예연소실 팁에 관한 것으로서, 예연소실 팁은 제1 그룹의 오리피스 및 제2 그룹의 오리피스를 포함한다.

기체 연료 용례와 같은 몇몇 내연기관 용례에 예연소실을 사용하는 것이 알려져 있다. 통상적으로, 예연소실은 엔진 실린더 헤드 내에 위치된 비교적 소형 가스 축적실이다. 예연소실은 다수의 소형 오리피스를 경유하여 엔진의 주 연소실과 유체 연통한다. 작동 중에, 점화 플러그가 (주 연소실 내에서의 기체 연료 점화와는 대조적으로) 예연소실 내에서 기체 연료를 점화한다. 예연소실 내에서의 기체 연료의 점화는 오리피스를 통해 주 연소실 내로 분사되거나 다른 방식으로 진행되어 이에 의해 그 내부에서 기체 연료와 공기의 혼합물을 점화하는 연소 연료의 전면(front)을 생성한다.

예연소실 내의 온도는 극단적으로 고온인데, 이는 점화 플러그의 수명 및 예연소실 팁에 유해하다. 예연소실 구성 요소의 일부의 온도를 감소시키기 위해, 예를 들어 냉각된 예연소실 조립체를 이용하는 것이 알려져 있다.

예연소실 팁을 포함하는 내연기관의 미래의 배출물 규정, 동력 출력 요구 및 성능의 추이에서, 예연소실은 소형화될 수도 있다. 그러나, 동시에, 예연소실을 주 연소실에 유동적으로 접속하는 오리피스의 유효 단면적은 연소 연료의 안정하고 원활한 전이(transition)를 보장하고 연소 연료의 속도를 적절한 속도 범위 내로 유지하기 위해 유지될 수도 있다.

US 7 438 043 B2호는 보조 연소실을 주 연소실에 유동적으로 접속하는 제1 및 제2 그룹의 분사구를 갖는 보조 연소실을 갖는 내연기관을 개시하고 있다. 제1 그룹의 분사구 및 제2 그룹의 분사구는 인접한 쌍의 분사구가 미리 정해진 간격만큼 원주 방향으로 오프셋되도록 배열된다. 2개의 그룹의 분사구는 평행 방식으로 제공된다.

JP 2007/040174 A호는 보조 연소실을 포함하는 간접 분사식 연소 엔진을 개시하고 있다. 보조 연소실은 실린더 샤프트에 관련하여 상이한 각도로 하나 이상의 제1 분사구와, 피스톤 크라운면에 안내된 하나 이상의 제2 분사구를 포함한다.

US 2010/0326400 A1호는 매우 효율적인 연소 프로세스를 생성하는 방식으로 피스톤과 협동하도록 구성된 예비실(pre-chamber)을 구비하는 연소 시스템을 개시하고 있다. 예비실은 동일한 축방향 위치에 배치된 입구 및 상이한 축방향 위치에 배치된 출구를 갖는 복수의 오리피스를 포함한다.

WO 91/12418 A1호는 복수의 분사 통로를 포함하고 미리 선택된 형상 및 체적을 갖는 예비실을 형성하는 예연소실 조립체를 포함하는 희박 연소 내연기관용 연료 연소 시스템을 개시하고 있다.

본 발명은 종래의 시스템의 하나 이상의 실시형태를 적어도 부분적으로 개량하거나 극복하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 태양에 따르면, 내연기관의 예연소실 조립체의 예연소실 팁은 예연소실의 적어도 일부를 형성하고 중심축을 갖는 돔형상 벽 구조체와, 벽 구조체를 통해 연장하는 복수의 오리피스를 포함할 수도 있다. 복수의 오리피스는 벽 구조체의 내부에 배열된 입구 및 벽 구조체의 외부에 배열된 출구를 포함하고, 복수의 오리피스의 출구의 중앙 영역은 중심축에 대해 방위각으로 분포된다. 복수의 오리피스의 출구는 중심축에 대해 제1 축방향 위치에서 돔형상 벽 구조체 주위로 원주방향으로 연장하는 출구 밴드 내에 배열될 수도 있다. 복수의 오리피스는 중심축에 대해 제1 각도로 연장하는 제1 그룹의 오리피스 및 중심축에 대해 제2 각도로 연장하는 제2 그룹의 오리피스를 포함하고, 제1 각도는 제2 각도와는 상이할 수도 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 내연기관의 예연소실 상부 부분에 부착을 위한 예연소실 하부 부분은 적어도 하나의 점화 플러그를 장착하기 위한 점화 플러그 장착 섹션과, 점화 플러그 장착 섹션에 부착된 본 발명에 따른 예연소실 팁을 포함할 수도 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 내연 기관은 주 연소실과, 주 연소실의 적어도 일부를 형성하도록 구성된 실린더 헤드와, 실린더 헤드에 부착을 위한 예연소실 조립체를 포함할 수도 있다. 예연소실 조립체는 예연소실 상부 부분 및 본 발명에 따른 예연소실 하부 부분을 포함할 수도 있다. 예연소실 팁은 주 연소실 내로 적어도 부분적으로 연장하고, 예연소실은 복수의 오리피스를 경유하여 주 연소실과 유체 연통할 수도 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 본 발명에 따른 예연소실 팁의 작동 방법은 연료와 공기의 혼합물을 예연소실에 공급하는 단계와, 예연소실 내에서 연료를 점화하는 단계와, 제1 및 제2 그룹의 오리피스를 경유하여 주 연소실 내로 점화된 연료를 방출하는 단계를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 출구 밴드는 제1 폭을 가질 수도 있고, 제1 그룹의 오리피스의 출구는 제2 폭을 가질 수도 있고, 제2 그룹의 오리피스의 출구는 제3 폭을 가질 수도 있고, 제1 폭은 제2 폭 및 제3 폭 중 더 큰 폭과 동일할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 복수의 오리피스의 출구의 중앙 영역은 중심축에 대해 방위각으로 분포될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 그룹의 오리피스의 출구는 출구 밴드 상에서 서로 교대한다.

몇몇 실시예에서, 복수의 오리피스 중 적어도 하나의 오리피스는 벽 구조체의 두께를 따라 단차형 단면을 가질 수도 있고, 입구의 직경은 출구의 직경보다 작을 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 돔형상 벽 구조체는 제1 부분 및 연결부에 의해 제1 부분에 연결된 제2 부분을 포함할 수도 있다. 제1 부분은 원통형일 수도 있고, 제2 부분은 제2 부분에서 예연소실 팁을 폐쇄하는 일반적으로 원통형 구형 돔일 수도 있고, 출구 밴드는 연결부에 원주방향으로 배열될 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 내연기관은 예를 들어 천연 가스와 같은 기체 연료로 운전하는 기체 연료 내연기관일 수도 있다.

본 발명의 다른 특징 및 태양은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명백할 것이다.

도 1은 엔진의 실린더 헤드 내에 설치되어 도시되어 있는 본 발명의 예연소실 조립체를 갖는 내연기관의 실시예의 개략 단면도.
도 2는 더 상세히 도시되어 있는 도 1의 예연소실 조립체의 개략 단면도.
도 3은 도 2의 예연소실 조립체의 예연소실 하부 부분의 개략 부분 절결도.
도 4는 도 3의 라인 A-A를 따라 취한 예연소실 하부 부분의 예연소실의 단면도.
도 5는 제1 그룹의 오리피스를 통한 도 4의 라인 B-B를 따라 취한 단면도.
도 6은 제2 그룹의 오리피스를 통한 도 4의 라인 C-C를 따라 취한 단면도.
도 7은 복수의 오리피스의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 단면도.

이하는 본 발명의 예시적인 실시예의 상세한 설명이다. 본 명세서에 설명되고 도면에 도시되어 있는 예시적인 실시예는 본 발명의 원리를 교시하도록 의도되어, 당 기술 분야의 숙련자들이 다수의 상이한 환경에서 다수의 상이한 용례에 대해 본 발명을 구현하고 사용하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 예시적인 실시예는 특허 보호의 범주의 한정적인 설명인 것으로 의도되는 것은 아니고, 이러한 것으로서 간주되어서도 안된다. 오히려, 특허 보호의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 규정될 것이다.

본 발명은 예연소실 팁의 중심축에 대해 상이한 경사를 갖는 내연기관의 예연소실 팁의 복수의 오리피스를 배열하는 것이 예연소실 팁 내에 복수의 오리피스를 배열하기 위해 제한된 공간을 효율적으로 이용할 수도 있고 내연기관의 주 연소실 내로의 연소 연료의 안정한 전이를 여전히 보장할 수도 있다는 인식에 부분적으로 기초할 수도 있다.

본 발명은 또한 복수의 오리피스의 출구가 동일한 축방향 위치에 배열되도록 예연소실 팁의 복수의 오리피스를 배열하는 것이 엔진의 성능 및 동력 출력이 유지될 수도 있게 하면서 주 연소실 내로의 예연소실 팁의 낮은 침투를 유도할 수도 있게 한다는 인식에 부분적으로 기초할 수도 있다. 또한, 연소 연료의 불꽃은 단일 평면 내에 있을 수 있다.

본 발명은 또한 예연소실의 제2 그룹의 오리피스의 입구와 적어도 부분적으로 상호 잠금하여 제1 그룹의 오리피스를 배열하는 것이 특히 복수의 오리피스의 예연소실 팁의 충분한 냉각을 갖기 위한 제1 및 제2 그룹의 오리피스 사이의 충분한 벽 두께를 유도할 수도 있다는 인식에 부분적으로 기초할 수도 있다.

본 발명은 또한 복수의 오리피스 중 적어도 하나의 오리피스에 테이퍼진 단면을 제공하는 것이 예연소실로부터 복수의 오리피스를 경유하여 주 연소실 내로 유동하는 연소 연료 유동의 유효 단면적을 확장하는 것을 지지할 수도 있다는 인식에 부분적으로 기초할 수도 있다. 특히, 적어도 하나의 오리피스의 입구를 통과한 후에, 연소 연료 유동은 예연소실과 입구 사이에 형성된 에지로부터 분리될 수도 있다. 적어도 하나의 테이퍼진 오리피스에 기인하여, 연소 연료 유동의 유효 단면적이 확장될 수도 있는데, 이는 연소 연료 유동의 더 적은 속도를 야기하고 따라서 예연소실 팁에 적은 기계적 및 열 응력을 야기할 수도 있다.

이제 도면을 참조하면, 내연기관(10)의 예시적인 실시예가 도 1에 도시된다. 내연기관(10)은 연료 시스템, 공기 시스템, 냉각 시스템, 주변 장치, 구동열 구성 요소, 터보차저 등과 같은 도시되지 않은 특징부들을 포함할 수도 있다. 본 발명에 있어서, 내연기관(10)은 4행정 기체 연료 내연기관인 것으로 고려된다. 그러나, 당 기술 분야의 숙련자는 기체 연료 내연기관(10)이 예연소실을 이용할 수 있는 임의의 유형의 엔진(터빈, 가스, 디젤, 천연 가스, 프로판 등)일 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 더욱이, 내연기관(10)은 임의의 크기를 가질 수도 있고, 임의의 수의 실린더를 가질 수도 있고, 임의의 구성["V", 직렬(in-line), 성형(radial) 등]일 수도 있다. 내연기관(10)은 기관차 용례, 고속도로용 트럭 또는 차량, 비고속도로용 트럭 또는 기계, 토공장비(earth moving equipment), 발전기, 항공 우주 용례, 해양 용례, 펌프, 고정 용례 또는 다른 엔진 동력식 용례를 포함하는 임의의 기계 또는 다른 장치에 동력 공급하는데 사용될 수도 있다.

내연기관(10)은 복수의 실린더(14)(그 중 하나가 도 1에 도시되어 있음)를 갖는 엔진 블록(12)을 포함할 수도 있다. 피스톤(16)이 상사점과 하사점 사이에서 왕복하도록 실린더(14) 내에 슬라이드 가능하게 배치될 수도 있다. 커넥팅 로드(18)가 피스톤의 왕복 운동이 크랭크샤프트(22)의 회전을 야기할 수도 있도록 크랭크샤프트(22)의 편심 크랭크핀(20)에 피스톤(16)을 연결할 수도 있다.

내연기관(10)은 실린더(14)를 커버하기 위해 엔진 블록(12)과 결합되어, 이에 의해 주 연소실(26)을 형성하는 실린더 헤드(24)를 또한 포함할 수도 있다. 실린더 헤드(24)는 주 연소실(26) 내로의 흡기 가스 및 주 연소실(26) 외부로의 배기 가스를 각각 허용할 수도 있는 흡기 및 배기 개구(28)를 형성할 수도 있다. 엔진 밸브(30)가 개구(28)를 선택적으로 개폐하도록 위치될 수도 있다. 각각의 실린더(14)는 다수의 흡기 및 배기 개구(28)를 포함할 수도 있다.

내연기관(10)은 일련의 밸브 작동 조립체(40)(그 중 하나가 도 1에 도시되어 있음)를 포함할 수도 있다. 다중 밸브 작동 조립체(40)가 실린더(14)마다 제공될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 밸브 작동 조립체가 흡기 밸브를 개폐하는데 사용될 수도 있고, 다른 밸브 작동 조립체가 배기 밸브를 개폐하도록 제공될 수도 있다.

밸브 작동 조립체(40)는 로커 아암(46)을 포함할 수도 있다. 로커 아암(46)은 실린더 헤드(24) 내에 피벗식으로 장착될 수도 있고, 일 단부에서 엔진 밸브(30)에 부착될 수도 있고, 다른 단부에서 푸시 로드(48)에 부착될 수도 있다. 그 피벗점(50) 둘레에서의 로커 아암(46)의 진동은 밸브(30)를 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동하게 할 수도 있다. 밸브 작동 조립체(40)는 또한 밸브(30)를 폐쇄 위치[즉, 흡기 및 배기 개구(28)를 폐쇄함]를 향해 편향시킬 수도 있는 밸브 스프링(52)을 또한 포함할 수도 있다.

푸시 로드(48)의 다른 단부는 캠샤프트(56)에 결합할 수도 있는 승강기(lifter)(54)에 결합할 수도 있다. 캠샤프트(56)는 크랭크샤프트(22)에 작동적으로 결합할 수도 있다. 캠샤프트(56)는 당 기술 분야의 숙련자에게 즉시 명백한 임의의 방식으로 크랭크샤프트(22)와 연결될 수도 있고, 여기서 크랭크샤프트(22)의 회전은 캠샤프트(56)의 회전을 야기할 수도 있다. 예를 들어, 캠샤프트(56)는 기어열(도시 생략)을 통해 크랭크샤프트(22)에 연결될 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 캠 로브(lobe)(58)가 승강기(54)를 결합하도록 캠샤프트(56) 상에 배치될 수도 있다. 당 기술 분야의 숙련자는 캠샤프트(56)가 부가의 엔진 밸브를 작동시키기 위해 다른 승강기와 결합하기 위한 부가의 캠 로브를 포함할 수도 있다는 것을 인식할 수도 있다.

내연기관(10)은 밸브(30) 사이에서 실린더 헤드(24) 내에 위치된 예연소실 조립체(60)를 또한 포함할 수도 있다. 예연소실 조립체(60)는 다양한 방식으로 구성될 수도 있다. 주 연소실(26)의 외부의 연소 이벤트를 지지하고 연소를 주 연소실(26) 내로 안내하기 위해 실린더 헤드(24) 내에 위치되는 것이 가능한 임의의 조립체가 사용될 수도 있다.

도 2를 참조하면, 예연소실 조립체(60)가 더 상세히 도시되어 있다. 예연소실 조립체(60)는 실린더 헤드(24)로부터 주 연소실(26) 내로 연장될 수도 있다. 도시된 실시예에서, 예연소실 조립체(60)는 예연소실 상부 부분(70) 및 예연소실 상부 부분(70)에 부착되는 예연소실 하부 부분(74)을 포함할 수도 있다. 도 2에서, 예연소실 상부 부분(70)과 예연소실 하부 부분(74) 사이의 거리는 점선(C)에 의해 도시될 수도 있다.

예연소실 상부 부분(70)은 예를 들어 나사산을 경유하여 실린더 헤드(24)에 부착될 수도 있다. 예연소실 상부 부분(70)은 일반적으로 원통형일 수도 있고, 임의의 적합한 재료로부터 제조될 수도 있다. 예를 들어, 예연소실 상부 부분(70)은 연철 주조 - 펄라이트 페라이트로 제조될 수도 있다.

예연소실 상부 부분(70)은 점화 플러그(88)의 점화 단부가 예연소실 상부 부분(70) 외부로 연장될 수도 있도록 그 내부에 점화 플러그(88)를 수용하도록 구성될 수도 있다. 본 발명에 있어서 점화 플러그(88)는 당 기술 분야에 입수 가능한 임의의 적합한 점화 장치를 의미할 수도 있다.

예연소실 하부 부분(74)은 일반적으로 원통형일 수도 있고, 예를 들어 브레이징(brazing) 또는 용접과 같은 임의의 적합한 수단에 의해 예연소실 상부 부분(70)에 연결 가능할 수도 있다. 바람직하게는, 예연소실 하부 부분(74)은 예를 들어 나사산을 경유하여 예연소실 상부 부분(70)에 제거 가능하게 연결될 수도 있다. 예를 들어, 예연소실 하부 부분(74)은 나사산(90)에 의해 지시된 바와 같이, 예연소실 상부 부분(70) 내로 나사 조임될 수도 있다. 이는 예연소실 하부 부분(74)의 마모의 경우에, 특히 예연소실 팁(76)(이하에 더 상세히 설명될 수도 있음)의 마모의 경우에, 예연소실 하부 부분(74)을 새로운 예연소실 하부 부분으로 교체하는 것을 허용할 수도 있다. 예를 들어, 대략 15,000 시간의 작동의 사용 시간 후에, 예연소실 하부 부분(74)은 교체될 수도 있다. 예연소실 하부 부분(74)은 바람직하게는 일반적인 구성으로 주조되고 이후에 요구되는 경우에 최종 치수로 가공될 수도 있다.

나사산(90)은 예연소실 조립체(60)를 형성하기 위해 예연소실 상부 부분(70) 및 예연소실 하부 부분(74)을 조립하는 것을 지원하기 위해 제공될 수도 있다는 것이 주지되어야 한다. 예연소실 상부 부분(70)과 예연소실 하부 부분(74) 사이의 연결은 실린더 헤드(24) 내로 예연소실 상부 부분(70)을 나사 조임함으로써 밀봉될 수도 있어, 이에 의해 플랜지(114)(이하에 더 상세히 설명될 수도 있음)에 대해 예연소실 하부 부분(74)을 가압한다.

예연소실 하부 부분(74)은 예연소실 하부 부분(74)을 통해 연장할 수도 있는 단차형 보어(96)를 가질 수도 있다. 단차형 보어(96)는 예연소실 상부 부분(74)으로부터 연장하는 점화 플러그(88)를 수용하도록 구성될 수도 있다. 단차형 보어(96)는 점화 플러그(88)의 단부를 수용하도록 구성된 점화 플러그 장착 보어(98)를 가질 수도 있다. 점화 플러그 장착 보어(98)는 점화 플러그(88)의 단부의 나사산과 정합하도록 구성된 나사산일 수도 있다. 단차형 보어(96)는 점화 플러그(88)를 밀봉 결합하도록 구성될 수도 있는 밀봉면(100)을 형성할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 예연소실 하부 부분(74)의 상세 부분 절결도가 도시되어 있다. 예연소실 하부 부분(74)은 예연소실 팁(76) 및 점화 플러그 장착 섹션(78)을 포함할 수도 있다. 예연소실 팁(76)은 일반적으로 원통형일 수도 있고, 브레이징 또는 용접과 같은 임의의 적합한 수단에 의해 점화 플러그 장착 섹션(78)에 연결 가능할 수도 있다. 예를 들어, 레이저 또는 전자빔 용접과 같은 제어된 깊이 침투 용접이 예연소실 팁(76)을 점화 플러그 장착 섹션(78)에 연결하는데 사용될 수도 있다.

예를 들어, 점화 플러그 장착 섹션(78)은 가단 스테인레스강 합금, 타입 347과 같은 비교적 고온을 견디는 것이 가능한 스테인레스강 재료로 제조될 수도 있다.

예연소실 팁(76)은 기부(104), 기부(104)에 연결된 제1 부분(106), 제2 부분(108) 및 연결부(110)를 갖는 돔형상 벽 구조체(118)를 포함할 수도 있다. 제1 부분(106)은 연결부(110)에 의해 제2 부분(108)에 연결될 수도 있다. 기부(104)는 실질적으로 원통형 부분일 수도 있고, 제1 부분(106)은 또한 원통형일 수도 있고, 제2 부분(108)은 주 연소실(26)을 향해 지향하는 제2 부분(108)에서 벽 구조체(118)를 폐쇄하도록 구성된 일반적으로 원통형 구형 돔일 수도 있다. 제2 부분(108), 연결부(110) 및 제1 부분(106)의 적어도 일부는 주 연소실(26) 내로 연장될 수도 있다(예를 들어, 도 2 참조). 기부(104), 제1 부분(106), 제2 부분(108) 및 연결부(110)는 예연소실 팁(76)의 중심축(112) 둘레에 배치될 수도 있다.

밀봉면(114)은 연결부(110)를 따른 축방향으로 미리 정해진 위치에서 예연소실 팁(76) 둘레에 배치될 수도 있다. 밀봉면(114)은 중심축(112)에 대해 횡방향으로 연장될 수도 있고, 실린더 헤드(24) 내에 제공된 밀봉면(116)에 대해 밀봉을 제공하여 주 연소실(26)과 제1 및 제2 냉각 유체 통로(32, 34) 사이의 누설을 방지할 수도 있다(도 2 참조).

밀봉면(114)은 실린더 헤드(24) 내에 배치된 보어(120)에 인접하여 위치된 밀봉면(116)을 결합할 수도 있다. 보어(120)는 주 연소실(26) 내로 개방될 수도 있고, 예연소실 팁(76)을 수용할 수도 있다. 보어(120)는 제2 부분(108)이 주 연소실(26) 내로 연장되어 주 연소실을 노출시킬 수 있게 할 수도 있다.

벽 구조체(118)는 그 내부에 배치된 예연소실(122)을 가질 수도 있다. 예연소실(122)은 점화 플러그(88)의 전극 단부를 수용하도록 예연소실 팁(76)의 제1 부분(106)에서 개방될 수도 있다. 따라서, 점화 플러그 장착 섹션(78)은 예연소실(122)의 적어도 일부를 형성할 수도 있다.

예연소실 팁(76)은 연결부(110)에 배치된 복수의 이격된 반경방향으로 배향된 오리피스(190, 290)를 포함할 수도 있다. 복수의 오리피스(190, 290)는 벽 구조체(118)를 통해 연장될 수도 있고, 벽 구조체(118)의 내부에 있는 입구 및 벽 구조체(118)의 외부에 있는 출구를 포함할 수도 있다. 복수의 오리피스(190, 290)가 예연소실(122)과 주 연소실(26)을 유동적으로 상호 접속할 수도 있다. 복수의 오리피스(190, 290)는 예를 들어 연소 연료를 안내하여, 미리 정해진 패턴으로 예연소실(122)로부터 주 연소실(26)로 가스를 팽창시키도록 구성될 수도 있다.

예연소실 팁(76)은 고온 재료로부터 제조될 수도 있다. 예를 들어, 니켈-크롬-텅스텐-몰리브덴 합금과 같은 고온의 열 안정성 환경 저항성 합금이 적합할 수도 있다. 다른 적합한 조성의 고온 재료가 본 발명으로부터 벗어나지 않고 치환될 수도 있다는 것이 이해될 수도 있다. 예연소실 팁(76)은 바아 스톡으로부터 주조되거나 가공될 수도 있다.

도 3에 또한 도시된 바와 같이, 점화 플러그 장착 섹션(78)은 예연소실(122) 및 연료 시스템(도면에는 도시되지 않음)에 유동적으로 접속된 연료 공급 접속부(150)를 더 포함할 수도 있다. 연료 공급 접속부(150)는 예를 들어, 기체 연료의 혼합물을 수용하고 기체 연료와 공기의 혼합물을 예연소실(122)에 공급하도록 구성될 수도 있다. 연료 공급 접속부(150)는 예연소실(122) 내로의 연료 공급을 제어하기 위한 제어 밸브(도 3에는 명시적으로 도시되어 있지 않음)를 수용하도록 더 구성될 수도 있다.

예연소실 팁(76)은 제1 축방향 위치(P1)에 배치된 출구 밴드(210)를 포함할 수도 있다. 도 3과 관련하여, 출구 밴드(210)는 2개의 수평 점선에 의해 도시되어 있다. 바람직하게는, 출구 밴드(210)는 예연소실 팁(76)의 연결부(110)에 배치될 수도 있다. 출구 밴드(210)는 돔형 벽 구조체(118)의 전체 원주 주위로 연장하는 원형부일 수도 있고, 제1 폭(W1)을 포함할 수도 있다. 출구 밴드(210)는 복수의 오리피스(190, 290)의 출구가 배치될 수도 있는 부분일 수도 있다.

도 3에 또한 도시된 바와 같이, 복수의 오리피스(190, 290)의 출구의 중심 영역은 중심축(112)에 대해 방위각으로 분포될 수도 있다.

오리피스(190, 290)는 제1 그룹의 오리피스(190) 및 제2 그룹의 오리피스(290)를 포함할 수도 있다. 제1 그룹의 오리피스(190)는 예를 들어, 4개의 오리피스(192, 194, 196, 198)를 포함할 수도 있다(또한, 도 4 참조). 제2 그룹의 오리피스(290)는 예를 들어 4개의 오리피스(292, 294, 296, 298)를 또한 포함할 수도 있다(또한, 도 4 참조). 몇몇 실시예에서, 제1 그룹의 오리피스(190) 및 제2 그룹의 오리피스(290)는 각각 4개 초과 또는 미만의 오리피스를 포함할 수도 있다.

복수의 오리피스(190, 290)는 원통형 형상을 가질 수도 있지만, 제1 그룹의 오리피스(190)의 출구는 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 그룹의 오리피스(290)의 출구와 상이한 단면을 가질 수도 있다. 이는 이하에 더 상세히 설명될 수도 있는 제1 및 제2 그룹의 오리피스(190, 290)의 상이한 경사로부터 발생할 수도 있다.

제1 그룹의 오리피스(190)의 출구는 제2 폭(W2)을 가질 수도 있다. 제2 그룹의 오리피스(290)의 출구는 제2 폭(W2)보다 큰 제3 폭(W3)을 가질 수도 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 제3 폭(W3)은 제2 폭(W2)과 동일할 수도 있다. 출구 밴드(210)의 제1 폭(W1)은 도 3에 도시된 바와 같이 제3 폭(W3)과 동일할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W3) 중 더 큰 폭보다 클 수도 있다.

도 4를 참조하면, 도 3의 라인 A-A를 따른 단면도가 도시된다. 제1 그룹의 오리피스(190)의 4개의 오리피스(192, 194, 196, 198)는 제2 그룹의 오리피스(290)의 4개의 오리피스(292, 294, 296, 298)에 대해 교대로 배열될 수도 있다. 예를 들어, 4개의 오리피스(192, 194, 196, 198)를 갖는 제1 그룹의 오리피스(190) 및 4개의 오리피스(292, 294, 296, 298)를 또한 갖는 제2 그룹의 오리피스(290)를 제공할 때, 각각의 오리피스의 출구의 중심 영역은 서로에 대해 약 45°의 각도로 배치될 수도 있다(도 4 참조).

제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스(292, 294, 296, 298)는 도 4에 도시된 바와 같이, 중심축(112)에 대해 반경방향으로 배열되지 않는다는 것이 주지되어야 한다. 특히, 제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스(292, 294, 296, 298)는 투영면 외부로 연장된다는 것, 즉 중심축(112)에 수직이 아닐 수도 있다는 것이 주지되어야 한다. 이에 대조적으로, 오리피스(192, 194, 196, 198)는 투영면 내에 완전히 배치될 수도 있는데, 즉 오리피스(192, 194, 196, 198)는 반경방향으로, 따라서 중심축(112)에 대해 수직으로 배열될 수도 있다. 상기 내용을 고려하여, 도 4에 도시된 투영면(A-A) 내의 제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스(292, 294, 296, 298)는 전체 벽 구조체(118)를 통해 연장되지 않을 수도 있다.

그러나, 몇몇 실시예에서, 제1 그룹의 오리피스(190)는 또한 중심축(112)에 대해 반경방향으로 연장되지 않을 수도 있는데, 즉 제1 그룹의 오리피스(190)는 도 4의 투영면 외부로 연장될 수도 있다.

도 5를 참조하면, 도 4의 라인 B-B를 따른 단면도가 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 투영면(B-B) 내에 있는 오리피스(194, 198)는 중심축(112)에 대해 제1 각도(α)로 벽 구조체(118)를 통해 반경방향으로 연장될 수도 있다. 도시된 실시예에서, 제1 그룹의 오리피스(190)는 중심축(112)에 대해 반경방향으로 배열되기 때문에, 제1 각도(α)는 약 90°일 수도 있다. 그러나, 전술된 바와 같이, 당 기술 분야의 숙련자는 각도 α가 또한 90°와는 상이하다는 것, 예를 들어 약 35°내지 120°의 범위일 수도 있다는 것을 인식할 수도 있다.

도 5에 또한 도시된 바와 같이, 제1 그룹의 오리피스(190)의 오리피스(196)는 제1 각도(α)로 투영면(B-B) 내로 연장될 수도 있고, 오리피스(198)는 투영면(B-B) 외부로 연장될 수도 있기 때문에, 오리피스(198)는 도 5에는 가시화되지 않을 수도 있다. 도 5에 또한 도시된 바와 같이, 제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스(294, 296)는 또한 도 5의 투영면(B-B) 내로 연장될 수도 있다.

도 3 내지 도 6과 관련하여, 제1 그룹의 오리피스(190)의 오리피스(192, 194, 196, 198)의 입구는 중심축(112)에 대해 제2 축방향 위치(P2)에서 벽 구조체(118)의 내부에 배치될 수도 있다는 것이 추론될 수도 있다. 도 3 내지 도 6에 도시된 실시예에서, 제2 위치(P2)는 각도 α가 약 90°일 수도 있기 때문에 제1 축방향 위치(P1)와 동일할 수도 있다. 그러나, 각도(α)가 약 90°가 아닌 경우에, 제2 축방향 위치(P2)는 제1 축방향 위치(P1)와 동일하지 않을 수도 있다. 바람직하게는, 제2 축방향 위치(P2)는 제1 축방향 위치(P1)보다 높을 수도 있다.

제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스(292, 294, 296, 298)의 입구는 중심축(112)에 대해 제3 축방향 위치(P3)에서 벽 구조체(118)의 내부에 배치될 수도 있다. 제3 축방향 위치(P3)는 제2 축방향 위치(P2) 및 제1 축방향 위치와 동일하지 않을 수도 있는데, 즉 도 5 및 도 6에서 가장 양호하게 볼 수 있는 바와 같이, 제1 그룹의 오리피스(190)의 입구는 제2 그룹의 오리피스(290)의 입구와 다른 높이에 배열될 수도 있다.

도 4의 라인 C-C를 따른 단면도를 도시하는 도 6을 참조하면, 제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스(292, 294, 296, 298)는 중심축(112)에 대해 제2 각도(β)로 벽 구조체(118)를 통해 연장할 수도 있다. 제2 각도(β)는 제1 각도(α)와는 상이할 수도 있다.

도시된 실시예에 예시된 바와 같이, 제2 각도(β)는 약 70°일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제2 각도(β)는 약 30°내지 100°의 범위일 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 제2 각도(β)는 제1 각도(α)보다 작을 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 제2 각도(β)는 복수의 오리피스(190, 290)의 직경 및 제1 각도(α)에 의존할 수도 있다. 예를 들어, 제2 각도(β)는 제1 각도(α)보다 약 10% 내지 50% 작을 수도 있다.

이미 전술된 바와 같이, 복수의 오리피스(190, 290)의 직경 뿐만 아니라 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)는 2개의 인접한 오리피스들 사이의 벽 두께가 오리피스의 열을 전도하기 위한 충분한 재료를 제공할 수도 있도록 선택될 수도 있다.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 그룹의 오리피스(190, 290)는 원통형 단면을 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 그룹의 오리피스(190, 290)는 직사각형 단면, 타원형 단면, 또는 예연소실 팁의 오리피스에 대해 공지된 임의의 다른 단면을 가질 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 그룹의 오리피스(190)는 제2 그룹의 오리피스(290)와는 상이한 단면을 가질 수도 있다.

도 3 내지 도 6에 도시된 실시예에서, 제1 그룹의 오리피스(190)의 출구는 제2 그룹의 오리피스(290)의 출구와 상호 잠금될 수도 있어, 제1 그룹의 오리피스(190)의 오리피스의 출구가 제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스의 출구의 옆에 있게 된다.

도 7과 관련하여, 적어도 하나의 오리피스(390)는 원추형 단면을 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 원추형 단면은 상이한 직경을 갖는 적어도 2개의 원통형 부분을 포함하는 단차형 단면일 수도 있고, 입구의 직경은 출구의 직경보다 작을 수도 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 단차형 단면은 3개의 원통형 부분을 포함할 수도 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 단차형 단면은 3개 초과의 원통형 부분을 포함할 수도 있다.

적어도 하나의 오리피스(390)는 또한 중심축(112)에 대해 적절한 각도로 돔형상 벽 구조체(118)를 통해 연장될 수도 있다.

산업상 이용 가능성

도면을 참조하면, 작동시에, 예연소실 조립체(60)는 실린더 헤드(24) 내에 설치될 수도 있다. 연료 시스템(도면에는 명시적으로 도시되어 있지 않음)이 기체 연료와 공기의 혼합물을 연료 공급 접속부(150)를 경유하여 예연소실(122)에 공급할 수도 있다. 예연소실 조립체(60)에 장착된 점화 플러그(88)가 기체 연료와 공기의 혼합물을 예연소실(122) 내에서 점화할 수도 있다. 예연소실(122) 내에서의 기체 연료와 공기의 혼합물의 연소 후에, 예를 들어 불꽃의 형태의 연소 연료는 복수의 오리피스(190, 290)를 경유하여 주 연소실(26) 내로 방출될 수도 있다. 거기서, 연소 연료는 주 연소 프로세스를 개시할 수도 있고, 흡기 개구(28)에 의해 공급된 기체 연료와 공기의 혼합물을 주 연소실(26) 내에서 점화할 수도 있다.

복수의 오리피스(190, 290)의 출구는 제1 축방향 위치(P1)에서 출구 밴드(210) 내에 배열될 수도 있기 때문에, 연소실 팁(76)은 주 연소실(26) 내로 과도하게 연장되지 않을 수도 있다. 따라서, 주 연소 프로세스에 의해 예연소실 팁(76)에 인가된 열 응력이 감소될 수도 있고, 따라서 예연소실 팁(76)의 수명이 향상될 수도 있다.

부가적으로, 제1 및 제2 그룹의 오리피스(190, 290)를 제공함으로써, 벽 구조체(118)의 내부에 배열된 입구의 수는 증가될 수도 있다. 그 결과, 오리피스의 유효 총 단면적이 향상될 수도 있다. 이러한 것은 예연소실(122)로부터 주 연소실(26)로 유동하는 연소 연료의 감소된 속도, 따라서 예연소실 팁(76)에 인가된 적은 열 응력을 유도할 수도 있다.

도 7과 관련하여, 복수의 오리피스(390)는 단차형 단면을 가질 수도 있다. 예연소실(122)로부터 복수의 오리피스(390)를 경유하여 주 연소실(26)로 유동하는 동안, 연소 연료는 특히 입구에서 벽 구조체(118)를 분리할 수도 있다. 이는 연소 연료의 유동의 단면적을 감소시킬 수도 있고 더 높은 속도를 야기할 수도 있다.

오리피스(390)의 원추형 단면에 기인하여, 연소 연료 유동의 유효 단면적은 단차형 오리피스(390)를 통해 유동하면서 재증가될 수도 있다. 이러한 것은 연소 연료 유동의 속도를 감소시키는 것을 지원할 수도 있고, 따라서 예연소실 팁(76)에 대한 열 응력을 감소시킬 수도 있다.

부가적으로, 도 4로 복귀하면, 당 기술 분야의 숙련자는 예를 들어 오리피스(192)가 오리피스(192) 및 오리피스(194)의 출구들 사이의 거리를 묘사하는 제2 거리(b)보다 작은 제1 거리만큼 오리피스(194)로부터 이격될 수도 있는 것을 인식할 수도 있다. 따라서, 벽 구조체(118)의 내부로부터 외부로 동일한 축방향 위치에서 연장하는 오리피스의 수가 제한된다. 따라서, 제2 그룹의 오리피스(290)의 오리피스는 제1 그룹의 오리피스(190)의 오리피스와 상호 잠금에 의해 벽 구조체(118)의 외부에서 공간을 효율적으로 사용할 수도 있다.

더욱이, 도 6으로 복귀하면, 예를 들어 오리피스(294)의 입구는 벽 두께(t)만큼 오리피스(296)의 입구로부터 이격될 수도 있다. 벽 두께(t)는 오리피스로부터 예연소실 팁(76)의 벽 구조체(118) 내로 열을 전도하기 위한 충분한 재료를 제공할 수도 있고, 이는 또한 예연소실 팁(76)에 적은 열 응력을 유도할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 설명되었지만, 개량 및 수정이 이하의 청구범위의 범주로부터 벗어나지 않고 구체화될 수도 있다.

Claims

내연기관(10)의 예연소실 조립체(60)의 예연소실 팁(76)이며,
예연소실(122)의 적어도 일부를 형성하고 중심축(112)을 갖는 돔형상 벽 구조체(118)와,
상기 벽 구조체(118)를 통해 연장하고, 벽 구조체(118)의 내부에 배열된 입구 및 벽 구조체(118)의 외부에 배열된 출구를 포함하고, 복수의 오리피스(190, 290)의 출구의 중앙 영역은 중심축(112)에 대해 제1 축방향 위치(P1)에서 돔형상 벽 구조체(118) 주위로 원주방향으로 연장하는 출구 밴드(210) 내에서 중심축(112)에 대해 방위각으로 분포되고,
상기 복수의 오리피스(190, 290)는 중심축(112)에 대해 제1 각도(α)로 연장하는 제1 그룹의 오리피스(190) 및 중심축(112)에 대해 제2 각도(β)로 연장하는 제2 그룹의 오리피스(290)를 포함하고, 제1 각도(α)는 제2 각도(β)와는 상이한 예연소실 팁(76).
제1항에 있어서, 상기 출구 밴드(210)는 제1 폭(W1)을 갖고, 제1 그룹의 오리피스(190)의 출구는 제2 폭(W2)을 갖고, 제2 그룹의 오리피스(290)의 출구는 제3 폭(W3)을 갖고, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W1) 중 더 큰 폭과 동일한 예연소실 팁(76).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 그룹의 오리피스(190)의 입구는 중심축(112)에 대해 제2 축방향 위치(P2)에 배치되고, 제2 그룹의 오리피스(290)의 입구는 중심축(112)에 대해 제3 축방향 위치(P3)에 배치되고, 제2 축방향 위치(P2)는 제3 축방향 위치(P3)와 동일하지 않은 예연소실 팁(76).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 그룹의 오리피스(190, 290)의 출구는 출구 밴드(210) 상에 교대로 있는 예연소실 팁(76).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 그룹의 오리피스(190)의 입구는 제2 축방향 위치(P2)에 배열되고, 제2 그룹의 오리피스(290)의 입구는 제3 축방향 위치(P3)에 배열되고, 제2 축방향 위치(P2)는 제3 축방향 위치(P3)와는 상이한 예연소실 팁(76).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 오리피스(190, 290) 중 적어도 하나의 오리피스는 벽 구조체(118)의 두께를 따라 단차형 단면을 갖고, 입구의 직경은 출구의 직경보다 작은 예연소실 팁(77).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 각도(α)는 약 35°내지 120°의 범위이고, 그리고/또는 제2 각도(β)는 제1 각도(α)보다 약 10% 내지 50% 작은 예연소실 팁(76).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돔형상 벽 구조체(118)는 제1 부분(106) 및 연결부(110)에 의해 제1 부분(108)에 연결된 제2 부분(108)을 갖고, 제1 부분(106)은 원통형이고, 제2 부분(108)은 제2 부분(108)에서 예연소실 팁(76)을 폐쇄하는 일반적으로 원통형 구형 돔이고,
출구 밴드(210)는 연결부(108)에 원주방향으로 배열되는 예연소실 팁(76).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 그룹의 오리피스(190) 및 제2 그룹의 오리피스(290)는 벽 구조체(118)의 벽 두께(t)가 제1 및 제2 그룹의 오리피스(190, 290)로부터 열을 전환시키기 위해 충분하도록 배열되는 예연소실 팁(76).
내연기관(10)의 예연소실 상부 부분(70)에 부착하기 위한 예연소실 하부 부분(74)이며,
적어도 하나의 점화 플러그(88)를 장착하기 위한 점화 플러그 장착 섹션(78)과,
상기 점화 플러그 장착 섹션(78)에 부착된 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 예연소실 팁(76)을 포함하는 예연소실 하부 부분(74).
제10항에 있어서, 상기 점화 플러그 장착 섹션(78)은 예연소실(122)을 내연기관(10)의 연료 시스템과 상호 접속하는 연료 공급 접속부(150)를 포함하고, 연료 공급 접속부(150)는 연료와 공기의 혼합물을 예연소실(122)로 공급하도록 구성되는 예연소실 하부 부분(74).
주 연소실(26)과,
상기 주 연소실(26)의 적어도 일부를 형성하도록 구성된 실린더 헤드(24)와,
예연소실 상부 부분(70) 및 제10항 또는 제11항에 따른 예연소실 하부 부분(74)을 포함하고 상기 실린더 헤드(24)에 부착하기 위한 예연소실 조립체(60)로서, 예연소실 팁(76)은 주 연소실(26) 내로 적어도 부분적으로 연장하고, 예연소실(122)은 복수의 오리피스(190, 290)를 경유하여 주 연소실(26)과 유체 연통하는 내연기관(10).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 예연소실 팁(76)의 작동 방법이며,
연료와 공기의 혼합물을 예연소실(122)에 공급하는 단계와,
예연소실(122) 내에서 연료를 점화하는 단계와,
제1 및 제2 그룹의 오리피스(190, 290)를 경유하여 주 연소실(26) 내로 점화된 연료를 방출하는 단계를 포함하는 예연소실 팁의 작동 방법.
제13항에 있어서, 상기 예연소실(122) 내에서 연료의 점화 단계는 예연소실 팁(76)의 예연소실(122) 내로 적어도 부분적으로 연장하는 점화 플러그(88)에 의해 수행되는 예연소실 팁의 작동 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 예연소실(122)에 공급된 연료는 기체 연료인 예연소실 팁의 작동 방법.