KR20140093275A

KR20140093275A - 가스 혼합기 및 가스 혼합 시스템

Info

Publication number: KR20140093275A
Application number: KR1020147016369A
Authority: KR
Inventors: 마르쿠스 라인들
Original assignee: 엠테우 프리드리히스하펜 게엠베하
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-07-25
Also published as: HK1199856A1; DE102011086321B4; WO2013072010A1; EP2780103B1; CN104144740A; DE102011086321A1; ES2649638T3; EP2780103A1; US9726116B2; US20140326221A1; CN104144740B

Abstract

본 발명은 가스 도관에 연결될 수 있고 멀티파트로 이루어진 하우징을 갖는, 바람직하게는 가스 엔진(400), 특히 빈 가스 엔진(lean gas engine)을 위한 제 1 가스(G1)와 제 2 가스(G2), 특히 예를 들면 과급 공기(LL)와 같은 연소용 공기와 연료 가스(BG)를 혼합하기 위한 가스 혼합기(100)에 관한 것으로서, 상기 가스 하우징은 제 1 외부 가스 하우징부(110)와 제 2 내부 가스 하우징부(120)를 가지며, 이때 상기 제 1 외부 가스 하우징부(110)는 세로축(LA)에서 상기 제 1 가스(G1)를 위한 공급부를 갖고 그리고 가로축(QA)에서 상기 제 2 가스(G2)를 위한 공급부를 가지며, 그리고 상기 제 2 내부 가스 하우징부(120)는 제 2 가스(G2)를 위한 환상 공간(11)을 형성하면서 상기 제 1 가스 하우징부(110) 내에 삽입되어 있고 그리고 가스 혼합물로 혼합하기 위해 상기 제 1 가스(G1)와 제 2 가스(G2)가 주입될 수 있는 혼합 공간(20)을 가지며, 이 경우 상기 제 1 가스 하우징부(110)와 제 2 가스 하우징부(120) 그리고 상기 환상 공간(11)은 상기 세로축(LA)을 따라 정렬되어 있고, 상기 혼합 공간(20)은 상기 세로축(LA)을 따라 실린더형으로 정렬되어 있으며, 그리고 이 경우 상기 혼합 공간(20) 내에는 다수의 중공 로드(hollow rod)(31, 32, 33, 34)를 갖는 혼합 장치(30)가 배치되어 있으며, 이때 중공 로드의 중공 공간(52)은 양측이 상기 환상 공간(11)과 유체 연통 방식으로 연결되어 있다. 본 발명에 따르면, 상기 다수의 중공 로드(31, 32, 33, 34)가 상기 세로축(LA)과 가로축(QA)에 대해 횡방향으로 연장되고, 그리고 하나 이상의 중공 로드가 상기 제 2 가스(G2)를 위한 다수의 관통 개구(26, 27)를 가짐으로써, 상기 중공 공간(52)은 실린더형의 상기 혼합 공간(20)과 유체 연통 방식으로 연결되어 있다.

Description

가스 혼합기 및 가스 혼합 시스템 {GAS MIXER AND GAS MIXING SYSTEM}

본 발명은 특허청구범위 청구항 1의 전제부에 따른 가스 혼합기에 관한 것이다. 상기 가스 혼합기는 제 1의 외부 가스 하우징부와 제 2의 내부 가스 하우징부를 가지며, 이때 상기 제 1의 외부 가스 하우징부는 세로축에서 상기 제 1 가스를 위한 공급부를 갖고 그리고 가로축에서 상기 제 2 가스를 위한 공급부를 가지며, 그리고 상기 제 2의 내부 가스 하우징부는 제 2 가스를 위한 환상 공간 형성 하에 상기 제 1 가스 하우징부 내에 삽입되어 있고 그리고 혼합물로 혼합하기 위해 상기 제 1 가스와 제 2 가스가 주입될 수 있는 혼합 공간을 가지며, 이 경우 상기 제 1 가스 하우징부와 제 2 가스 하우징부 그리고 상기 환상 공간은 상기 세로축을 따라 정렬되어 있고, 그리고 상기 혼합 공간은 상기 세로축을 따라 실린더형으로 정렬되어 있으며, 그리고 이 경우 상기 혼합 공간 내에는 다수의 중공 로드(hollow rod)를 갖는 혼합 장치가 배치되어 있으며, 이 경우 중공 로드의 중공은 양측이 상기 환상 공간과 유체 연통 방식으로 연결되어 있다. 본 발명은 또한 청구항 18에 따른 가스 엔진을 구비한 가스 혼합 시스템과도 관계된다.

도입부에 언급한 유형의 가스 혼합기는 제 1 가스와 제 2 가스를 혼합하기 위해 사용된다. 특히, 가스 엔진과 관련하여, 상기 제 1 가스는 연소용 공기, 즉 외기(fresh air) 또는 빈 공기/가스 혼합물(lean air/gas mixture)―과급 공기로도 표시됨― 형태로 형성되어 있고, 상기 제 2 가스는 연료 가스 형태로 형성되어 있다. 상기 가스 혼합기에서는 연소용 공기와 이 연소용 공기에 혼합된 연료 가스로 이루어진 가스 엔진에 적합한 공기/연료 가스 혼합물이 처리된다. 특히, 빈 가스 엔진(lean gas engine)에 있어서는, 람다 비율―더 정확히 말하자면, 연료 가스와 연소용 공기의 비율―을 예컨대 빈 가스 엔진의 소요 동력(power requirement) 적합하게 조정하는 것이 중요한 것으로 드러났다. 예컨대 EP 0 898 064 A1호에서는 가스 혼합 시스템 내에서 연료 가스와 연소용 공기 또는 빈 가스 혼합물을 혼합하기 위해 빈 가스 엔진에 직렬로 연결된 가스 혼합기에 대한 정보는 얻을 수 있다―상기 문서에서 상기 가스 혼합기는 벤투리 혼합기(venturi mixer) 형태임―.

원칙적으로 벤투리 혼합기의 경우, 공기/연료 가스 혼합물의 혼합 품질을 높이기 위해 다양한 횡단면들로 작동할 수 있다; 예를 들어 EP 2 258 983 A2호에는 여러 가지 횡단면들을 갖는, 벤투리 혼합기의 혼합 섹션이 기술되어 있다. GB 154,920호에는 벤투리관(venturi tube) 내에서 이동 가능한 플로우 바디(flow body)를 갖는 도입부에 언급한 가스 혼합기가 기술되어 있으며, 상기 이동 가능한 플로우 바디로 인해 혼합 간극(mixing gap)은 다양하게 조정될 수 있다. 벤투리 혼합기는 가스들 혼합에 있어 주요한 벤투리 원리(venturi principle)를 기반으로 작동하는데, 즉 유동 횡단면의 중앙에 배치된 플로우 바디로 인한 이러한 유동 횡단면의 전체적인 감소 결과로서 상기 플로우 바디 영역에서의 유동 속도 증가에 근거하여 유동 시의 전반적인 동압력(dynamic pressure)을 낮추는 것이 주요하다. 이와 같이 전반적으로 주요한 벤투리 원리는 전체 유동 횡단면의 유동에 영향을 미치거나 이러한 유동을 가속화하는 중앙 플로우 바디를 사용하는 것을 기초로 하고 있다.

EP 2 016 994 A호에는 도입부에 언급한 유형의 가스 혼합기가 기술되어 있으며, 이 가스 혼합기의 경우 벤투리관이 폭이 좁아진 횡단면 영역에 연료 가스용 유입 개구들을 가지며, 이 유입 개구들은 혼합 공정 동안 조절 부재들에 의해 변동될 수 있다. 그와 동시에, 상기 조절 부재들은 상기 폭이 좁아진 횡단면을 포함하는 그리고 연료 조절 개구들을 갖는 조절 슬리브(control sleeve)를 포함하며, 이 경우 상기 연료 조절 개구들과 연료 가스용 유입 개구들의 상호 조정 시 상기 연료 가스의 통과 횡단면 크기가 변동될 수 있다. 폭이 좁아진 횡단면은 벤투리관 내에 배치된 변위 바디(displacement body)에 의해 형성될 수 있다. 이로 인해 비교적 정확한 관통 횡단면 조정이 달성될 수 있다; 그러나 상응하는 조절 프로세스가 비교적 천천히 실행되거나, 또는 허용되는 최대 조정력(regulating power)이 한정되어 있다. 뿐만 아니라, 전술한 조절 부재들의 기계적 구조가 비교적 복잡하며, 그 결과 가스 혼합기 실행 시간에 대한 조절 정확성이 마멸로 인해 그리고 경우에 따라서는 오염으로 인해 영향을 받을 수 있다.

폭이 좁아진 관류 개구 영역에서 연소용 공기의 가능한 한 높은 수준의 가속화를 발생시키기 위해, 전술한 모든 해결책은 ―대개 체펠린 모양(zeppelin shaped)으로 형성된 변위 바디 외에도― 축 중심(=중심선)으로 배치된 변위 바디 쪽으로 폭이 좁아지는 관류 개구를 갖는다; 다시 말해 이러한 조치는 충분하면서도, 폭이 좁아진 관류 개구의 전체 횡단면에 걸쳐, 연료 가스를 혼합하기 위한 높은 레벨의 저압을 형성하기 위한 것이다. 벤투리 원리의 "전반적인" 혼합 원리로서 본 출원서에 기술된 내용은 폭이 좁아진 관류 개구의 전체 횡단면에 걸쳐 이루어지는 혼합 공정에 특히 주요한 원칙으로서 벤투리 원리를 강조한다.

일반적으로 사용되는 벤투리 원리가 근본적으로 갖고 있는 장점은, 파워 변동에 있어서 스로틀 밸브 위치 및 그와 더불어 또한 제 1 가스의 중심 공기 질량 흐름이 변하더라도 연료 가스와 연소용 공기의 양이 서로 동일한 비율로 유지된다는 것이다.

이론적으로 벤투리 원리는 또한 손실 없이 작동한다; 즉 이론적으로는 전압력(total pressure) 손실 없이 작동함. 그러나 실제로는, 벤투리 노즐에서 "전반적인 벤투리 원리"의 범주 안에서 발생된 네거티브 압력차(negative pressure difference)―즉 제 2 가스용 공급부와 제 1 가스용 공급부 간의 압력차―가 가스 혼합기에 연결된 가스 엔진의 실린더 수 또는 가스 부하 설비(gas utilization plant)의 실린더 볼륨에 좌우된다는 사실을 알 수 있다. 예를 들면 두 자리 수 이상의 실린더 수를 갖는 가스 엔진은 두 자리 수의 mbar 범위의 가스 혼합기 전압력 손실을 야기시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 이와 같은 전압력 손실은 통상적으로 가스 혼합기 뒤에 배치된, 배기가스 터보 과급기의 압축기에 의해 규칙적으로 감소되어야 한다; 즉 압축기로부터 야기되는 출력은 전압력 손실이 변동됨에 따라 변하고, 이는 가스 혼합기를 갖는 내연 기관, 특히 가스 엔진 또는 그와 유사한 것을 구비한 가스 혼합 시스템의 전체 효율을 저하시킨다. 이는 특히, 제 2 가스가 천연 가스, 바이오 가스 또는 가변율이 높은 CO₂량을 갖는 그와 유사한 연료 가스와 같은 가연성 가스이고, 제 1 가스가 과급 공기 또는 그와 유사한 연소용 공기일 경우 불리한 것으로 입증되었다.

이러한 점에 있어서는 내연 기관의 압축기 하중을 경감시키는 방식으로 가스 혼합기를 형성하는 것이 요구될 수 있다. 또한, 긴 수명(long-life cycle)과 신뢰성을 목표로 하여 설계된 구조적 형상을 갖는 비교적 단순하게 형성된 가스 혼합기도 요구될 수 있다.

본 출원서에 임하여 해결하고자 하는 발명의 과제는 종래 기술과 관련하여 그 성능이 개선된 가스 혼합기를 제시하는 것이다. 특히, 전압력 손실과 관련하여 그 성능이 개선되도록 가스 혼합기를 설계하고자 한다. 가스 혼합기는 ―연결된 실린더 수 또는 기타 종속된 연소 장치의 작업 볼륨이 상이할 경우에도― 전압력 손실과 관련하여 전반적으로 영향을 받지 않는 방식으로 유지되어야 한다. 본 발명의 과제는 또한 가스 혼합기를 구비한 개선된 장치, 특히 가스 혼합기를 구비한 가스 엔진 또는 기타 내연 기관을 제시하는 것이다.

상기 가스 혼합기와 관련한 과제는 도입부에 언급한 유형의 가스 혼합기에 의해 해결되며, 본 발명에 따르면 상기 가스 혼합기는 또한 청구항 1의 특징부에 있는 특징들을 포함한다.

구체적으로 본 발명은 혼합 공간 내에 다수의 중공 로드를 갖는 혼합 장치가 배치된 가스 혼합기에서 출발하고 있으며, 이 경우 중공 로드의 중공 공간은 양측이 환상 공간과 유체 연통 방식으로 연결되어 있다. 본 발명은, 전반적으로 전압력 손실에 취약하지 않게 가스 혼합기를 형성하기 위하여, ―혼합 공정에 전반적으로 주요한 벤투리 원리에서 벗어나― 국부적인 혼합 원리가 더 적합하다는 것이 입증된 숙고에서 출발한다. 상기 과제를 해결하기 위해서는 ―도입부에 언급된 전반적인 벤투리 원리와 달리― 더 높은 레벨의 동압력을 허용하되, 또한 제 1 가스의 유동 안으로 제 2 가스를 유입시키기 위한 더 높은 치수의 횡단면을 사용하는 콘셉트가 더 효과적일 수 있다는 사실이 드러났다. 본 발명에서는 "국부적인 벤투리 원리"를 기초로 하는 이러한 콘셉트가 제 1 가스 안으로 유입되는 제 2 가스의 유입 손실, 특히 오버플로우 손실을 감소시킨다는 사실이 드러났다; 즉 가스 혼합기의 손실 계수가 감소되었다. 본 발명에서는 또한 실제 응용예에서, 충분히 감소된 정지 압력이 사용되는 이유 때문이 아니라, 오히려 전반적인 혼합 원리가 최적화되면 지나치게 큰 오버플로우 손실이 장점들을 능가하기 때문에 뚜렷한 전압력 손실 비율 또는 뚜렷한 효율 저하가 더 적게 야기된다는 사실이 드러났다. 국부적인 혼합 원리 콘셉트를 실현하기 위해, 본 발명에서는 하나 이상의 중공 로드가 제 2 가스를 위한 다수의 관통 개구를 가지며, 그 결과 중공 공간이 실린더형 혼합 공간의 유체와 유체 연통되도록 연결되었다. 바람직하게는 다수의 중공 로드 모두가 세로축과 가로축에 대해 횡방향으로 연장된다.

본 발명의 콘셉트에서는 다수의 중공 로드에 의해 혼합 장치가 구성되는데, 다수의 관통 개구는 상기 혼합 장치에 의해 하우징부의 혼합 공간 내 전체 유동 횡단면에 걸쳐 분포될 수 있다. 이 경우 혼합 장치의 중공 로드들은 유동에 전반적인 영향을 덜 주기 위해 사용된다기보다는, 오히려 유동 진행 방향에 대항해서 방향 설정된 하나의 작은 플로우 횡단면만을 갖는다; 상기 작은 플로우 횡단면은 이런 경우에 한해서 유동에 단지 국부적으로 영향을 준다. 이러한 국부적인 영향으로 인해 벤투리 원리는 단지 국부적으로 조절된다. 중공 로드의 다수의 관통 개구 영역에서의 "국부적인 벤투리 원리"의 결과로서, 단지 국부적으로 소기차(scavenging difference)가 이용되는데, 상기 소기차는 한편으로는 제 2 가스와 제 1 가스 유동의 충분한 혼합을 야기하고, 다른 한편으로는 연결된 연소 공간 또는 그와 유사한 부재로 인해 압력 손실에 덜 민감하다. 국부적인 벤투리 원리 결과로서, 연소용 공기의 전반적인 가속화는 더 적게 달성되는데, 그 이유는 이러한 상황이 유동 속도에 미치는 결정적이면서도 전반적인 영향 없이는 중공 로드들을 갖는 관류 개구는 실제로 약간만 좁아지거나 단지 이론적으로만 좁아지기 때문이다. 그럼에도 불구하고 벤투리 원리는 중공 로드의 플로우 면적(flow area) 바로 근처에서 그리고 이 플로우 면적 근처에 설치된 다수의 관통 개구 바로 근처에서 국부적으로 작용한다.

혼합 장치의 콘셉트에 따른 혼합 원리로서 이러한 방식으로 구현된 "국부적인 벤투리 원리"는 혼합 공간의 전체 횡단면에 걸쳐 실제로 분포된 그리고 인접한 벤투리 노즐 형태의 관통 개구들을 갖는 플로우 면적들 때문에, 제 1 가스 유동 안으로의 제 2 가스 혼합이 특히 균일하게 이루어진다는 장점을 갖고 있다. 이에 대한 바람직한 결과로는 제 1 가스 안으로의 제 2 가스의 균일한 혼합 및 그와 더불어 작게 유지되고 단순한 구조로 설계된 혼합 공간에서도 불구하고 특히 균일한 가스 혼합물이 얻어진다.

본 발명의 콘셉트에서는 전체적으로 제 1 가스 안으로 유입되는 제 2 가스용 관통 개구들의 (분산형 분포에도 불구하고) 면적이 증가되거나, 또는 응용예의 관점에서 환상 공간으로부터 혼합 공간에 이르는 관통 개구들의 면적이 증가 및 감소될 수 있다. 동시에, 혼합 공간 내에서의 실제로 미미한 관류 횡단면 제한 및 확연히 더 낮은 소기차의 결과로서 "전반적인 벤투리 원리"에 비해 동압력이 증가된다. 상기와 같은 해결책은 전압력 손실과 관련하여 가스 혼합기의 고장 가능성을 더 낮추고 가스 혼합물의 균일성을 현저히 더 높인다. 이러한 콘셉트는 비교적 간단히 구현될 수 있으며, 비용면에서 중앙 벤투리 노즐을 갖는 가스 혼합기에 비해 더 경제적인 것으로 입증되었다. 전반적인 벤투리 원리에 비해, 본 발명의 콘셉트는 큰 횡단면을 가짐에도 불구하고 비교적 짧은 혼합 구간을 제공할 수 있다.

본 발명의 바람직한 개선예들은 종속항들에 제시되어 있으며, 상기 종속항들은 제기되는 발명의 과제 범위에서 추가의 장점들을 갖는 본 발명의 콘셉트를 계승 발전시키기 위한 바람직하고도 추가적인 개별 가능성을 제시한다.

특히 바람직하게 혼합 장치는 세로축과 가로축을 포함하는 제 1 중앙 평면과 관련하여서 뿐만 아니라 상기 가로축 상에 수직으로 서 있는 제 2 중앙 평면과 관련하여서도 반사 대칭적이다. 다르게 표현하자면, 혼합 장치를 점대칭적으로 설계하지 않는 것이 바람직한 것으로 입증되었다. 바람직하게 개선예에서는, 가로축 방향에서 제 2 가스가 공급될 때 이러한 제 2 가스를 동일한 압력 크기로, 환상 공간으로 이어지는 중공 로드 유체 연결부의 한 측면 및 또 다른 한 측면에 할당하는 것이 달성된다. 개선예에 의해 달성된 이러한 점은 바람직하게 상기 중공 로드 유체 연결부의 한 측면에서뿐만 아니라 다른 한 측면에서도 또는 두 측면 모두(동일한 유동 크기와 압력 크기로)에서도 중공 로드 내로 유입되는 제 2 가스의 균일한 유입을 야기한다. 중공 로드는 가로축에 대해 수직으로 정렬되는 것이 특히 바람직한 것으로 입증되었다. 상기와 같은 경우 중공 로드의 두 측면 상의 압력 크기는 별개로 측정된 동일 중량에서 출발할 수 있다. 그럼에도 불구하고 중공 로드가 수직 정렬에서 기울어져 있되, 그러나 기본적으로 가로축에 대해 횡방향으로 연장되는 경우도 사용에 따라 적합한 것으로 입증될 수 있다. 바람직하게는 가로축에 대한 수직 정렬의 편차가 30°이어서는 안 된다.

그러나 직선으로 뻗은 중공 로드가 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 개선예의 한 변형예에서는 또한 중공 로드가 전적으로 직선인 형성과 다르게 연장되는 경우도 바람직한 것으로 입증될 수 있었다.

바람직하게는 다수의 중공 로드 중 하나 이상의 중공 로드가 혼합 공간의 시컨트(secant)에 걸쳐 이 혼합 공간의 직경에 편심으로 연장된다. 이러한 상황은 중공 로드의 수에 따라, 바람직하게는 다수의 중공 로드 중 2개, 특히 2개 이상의 중공 로드에 해당될 수 있다. 특히 바람직한 한 개선예의 범위에서는 모든 중공 로드가 혼합 공간의 시컨트에 걸쳐 이 혼합 공간의 직경에 편심으로 배치되어 있다.

혼합 장치의 특히 바람직한 전술한 2중 반사 대칭을 고려할 때, 특히 짝수개로 된 중공 로드들의 개선예의 전술한 변형예가 바람직한 것으로 입증되었다. 특히 이러한 경우에는 혼합 장치가 중앙에 배치되는 중공 로드를 갖지 않는다.

개선예의 다른 한 변형예에서, 특히 홀수개로 된 중공 로드들의 경우에는 다수의 중공 로드 중 중앙에 배치되는 단 하나의 중공 로드만 세로축과 가로축에 대해 횡방향으로 그리고 혼합 공간의 직경에 걸쳐 동심으로 연장되는 것이 바람직한 것으로 입증되었다. 상기 다른 변형예의 범위에서는 예를 들어 중앙에 배치되는 단 하나의 중공 로드 또는 ―전술한 2중 반사 대칭을 고려할 때― 3개, 5개, 7개 등과 같은 홀수개의 중공 로드들이 제공될 수 있다.

기본적으로 가스 혼합기에서 중공 로드의 수는 가스 엔진 또는 그와 같은 작업 기계 또는 연소 엔진의 실린더 수의 함수로서 사전 설정될 수 있다. 전체적으로는 중공 로드의 수가 4개 내지 12개인 것이 바람직한 것으로 나타났다. 특히, 가스 엔진의 실린더 수가 증가함에 따라 중공 로드의 수가 증가하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 다르게 표현하자면, 가스 혼합기에 연결된 작업 볼륨이 높으면 높을수록 중공 로드의 수가 더 많아야 한다. 1차 압력(primary pressure)―즉 가스 혼합기에 공급된 제 2 가스의 압력 레벨―을 가능한 한 낮게 유지하기 위해서는, 실린더형 혼합 공간과 환상 공간 사이 제 2 가스용 관통 개구들의 전체 면적이 비교적 커야 한다는 사실이 바람직한 것으로 나타났다. 다시 말해, 기본적으로 제 1 가스의 동압력 및 제 2 가스의 유입 면적은 증가되는 것이 바람직한 반면에, 이러한 개선예에 따르면 공급된 제 2 가스의 1차 압력은 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

중공 로드가 상부면에서 제 1의 다수의 관통 개구를 갖고 하부면에서 제 2의 다수의 관통 개구를 갖는 것도 바람직한 것으로 증명되었다. 한편으로 이러한 점은 바람직하게 제 2 가스의 관통 면적을 증가시킨다. 다른 한편으로 제 2 가스의 관통 개구들 사이 간격이 감소된다. 간격이 감소될 경우에는 특히 바람직한 제 1 가스와 제 2 가스의 균일한 완전 혼합이 조절될 수 있다. 예컨대 연료 가스(제 2 가스)의 분자와 예컨대 과급 공기(제 1 가스)의 분자 사이 가장 짧은 자유 경로로서 분자 혼합 구간이 존재한다는 고려는 이러한 개선예에 기초가 된다; 즉 관통 개구들 간의 간격이 적으면 적을수록, 이 간격은 상기 분자 혼합 구간보다 단지 약간 더 커진다. 다르게 표현하자면, 관통 개구의 간격이 상기 분자 혼합 구간의 치수에 가까우면 가까울수록, 가스 완전 혼합이 더 균일해지고 가스 혼합기 설치 공간이 더 작아질 수 있다.

이러한 개선예의 콘셉트에 따르면, 다수의 관통 개구가 중공 로드의 전체 길이에 따라 분포되는, 특히 동일하게 이격되어 분포되는 것이 특히 바람직한 것으로 입증되었다. 다르게 표현하자면, 다수의 관통 개구를 배치하기 위해서 바람직하게는 중공 로드의 전체 길이가 사용된다. 예를 들면 다수의 관통 개구가 일렬로 다수의 열로 또는 필요에 따라 서로 오프셋 되는 방식으로도 분포될 수 있다.

제 1 가스와 제 2 가스의 균일한 완전 혼합 범위에서는, 적어도 제 1 및 제 2 중공 로드가 동일한 방향으로, 특히 평행면(plane parallel)으로 정렬되는 것이 특히 바람직한 것으로 입증되었다. 다르게 표현하자면, 기하학적으로 정확히 평행면인 정렬이 특히 바람직한 것으로 입증되었다; 중공 로드들을 기본적으로 동일한 방향으로 정렬하는 범위에서 나타나는 기하학적으로 정확한 배치의 경미한 편차는 사용 목적에 따라 또한 가능한 것으로 입증되었다. 다수의 중공 로드 모두의 동일 배향 또는 평행면 배치가 특히 바람직한 것으로 입증되었다.

바람직하게는 특히 유입 오리피스 하류측에 배치된 환상 공간은 제 2 가스의 추가 관통 개구들을 통해 혼합 공간으로 상기 제 2 가스를 공급하기 위해 상기 혼합 공간에 직접 연결될 수 있다. 특히 다수의 관통 개구 상류측에 있는 추가 관통 개구들은 중공 로드 내에 배치될 수 있다. 이러한 개선예들은 바람직하게 혼합 공간에 공급되는 제 2 가스의 전체 관통 면적을 증가시킨다. 특히, 중공 로드 내에서 관통 개구들을 하류측에 배치하기 이전에 상기 추가 관통 개구들을 상류측에 배치하는 공정은 래디얼 방향으로의 혼합 거동 및 유동 횡단면 내에서 시컨트 방향으로의 혼합 거동을 포지티브하게 고려한다.

특히 바람직한 개선예의 범주에서는, 제 2 가스용 다수의 관통 개구의 배치뿐만 아니라 가스들의 유동 거동 및 혼합 거동과 관련하여 중공 로드들의 기하학적 형성도 개선될 수 있다.

특히 다수의 중공 로드 중 하나의 중공 로드는 평면형 로드 형태로 형성될 수 있다; 평면형 로드는 비교적 간단히 박스 프로파일로 제조될 수 있다. 평면형 로드의 협측면(narrow side)은 바람직하게 유동 진행에 단지 국부적으로 영향을 주는 플로우 횡단면을 갖는다. 바람직하게 평면형 로드의 평평한 측면(flat side)은 세로축에 대해 평행하게 정렬되어 있다.

평면형 로드의 협측면 형성은, 전술한 일반적인 콘셉트에 따라 동압력을 높게 유지하기 위해 충분히 적은 변위로 설계되었다. 상기 평면형 로드의 협측면은 "전반적인 벤투리 원리"를 보여줄 목적으로 사용되지 않는다. 오히려, ―예를 들면 대략 반원형의― 플로우 면적을 갖는 중공 로드의 상류측 협측면은 이 점에 있어서는 단지 "국부적인 벤투리 원리"를 구현할 수 있는 유동 정체 지점을 보여주기 위해 사용된다; 특히 상기 플로우 면적은 관통 개구를 갖지 않는다. 예를 들어 중공 로드는 선단의 반원형 에지(semicircle leading edge)를 갖는 직사각형 프로파일을 가질 수 있다.

바람직하게는 중공 로드의 상류측 협측면에서 평평한 측면으로 넘어 가는 그리고 플로우 면적에 연결되는 흐름 안내면은 다수의 관통 개구를 가질 수 있다. 더 정확히 말해서 흐름 안내면 영역에서 출발점으로 삼는 사실은, 가스 유동이 여전히 평면형 로드의 상부면에서 생성된다는 것이다; 즉 다수의 관통 개구에서 국부적인 벤투리 원리가 작용함으로써 상기 플로우 면적이 흐름 안내면, 즉 다수의 관통 개구 영역에서 국부적인 저압을 형성하기에 적합하다.

바람직하게는 계속해서 중공 로드의 평평한 측면 하류측에서 넘어가는 그리고 흐름 안내면에 연결되는 흐름 분리면이 관통 개구를 갖지 않는다. 플로우 면적뿐만 아니라 관통 개구의 흐름 분리면을 자유롭게 유지(keep free)하는 것은, 제 1 가스가 제 2 가스의 공급부 영역 내로 삽입되는 문제를 신뢰성 있게 저지한다는 장점을 갖고 있다.

구체적으로 바람직하게는 다수의 개구가 평평한 측면의 흐름 안내면 영역에 배치될 수 있으며, 상기 흐름 안내면 영역은 평평한 측면의 수직이등분선 상류측에 있다. 예컨대 다수의 관통 개구는 일렬로, 예를 들면 기본적으로 서로 가깝게 그리고 동일하게 이격 배치되는 방식으로 중공 로드의 상류측 측면 에지(상류측 협측면과 평평한 측면 사이 경계로서)를 따라 평행하게 배치될 수 있다. 관통 개구의 정확한 수 및 면적 ―그리고 그와 더불어 관통 개구의 간격―은 제 1 가스 안으로 제 2 가스의 달성해야 할 전체 유입 면적 및 달성해야 할 제 2 가스의 오버플로우 손실 감소에 따른 가스 혼합기의 사용 목적에 따라 조절될 수 있다. 측면 에지는 특히 중공 로드의 반원형 영역과 평평한 측면 사이 경계를 의미한다.

하기에서는 이제 본 발명의 실시예들이, 마찬가지로 부분적으로 도시된 종래 기술과 비교해 도면을 참고로 설명된다. 상기 도면에 도시된 실시예들은 필연적으로 척도에 맞게 도시되지 않았으며, 오히려 설명에 이용되는 도면은 개략적으로 그리고/또는 약간 변형된 형태로 설계되었다. 도면에서 직접 인식할 수 있는 이론의 보충과 관련해서는 관련된 종래 기술이 참조된다. 이 경우 실시예의 형태 및 세부 사항과 관련한 다양한 변형 및 변경은 본 발명의 일반적인 개념에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 고려해야 한다. 설명, 도면 및 청구범위에 개시된 본 발명의 특징들은 개별적으로뿐만 아니라 본 발명의 개선예에 대한 임의의 조합에도 중요할 수 있다. 또한, 본 발명의 범위에는 설명, 도면 및/또는 청구범위에 개시된 2개 이상의 특징들의 모든 조합이 포함된다. 본 발명의 일반적인 개념은 정확한 형태 또는 하기에서 도시 및 기술되는 바람직한 실시예의 상세한 설명에 한정되지 않고, 또는 청구범위에서 청구된 대상에 비해 제한적일 수 있는 대상에 한정되지 않는다. 제시된 측정 범위들과 관련해서는, 전술한 경계 범위 내에 있는 값들이 한계값으로 기술되고 임의로 사용 및 주장될 수 있다. 본 발명의 추가적인 장점들, 특징들 및 상세한 설명은 바람직한 실시예들과 도면을 참조하여 하기 설명에 제시된다;

도 1은 바람직한 구현예의 가스 혼합기 및 가스 엔진을 구비한 가스 혼합 시스템의 사시적 부분 단면도로서, 이때 상기 가스 혼합기는 혼합 공간 내에 본 발명의 콘셉트에 따라 형성된 혼합 장치를 포함하며;
도 2는 가스 혼합기의 사시적 부분 단면도 및 기능상 원리로서 국부적 벤투리 원리를 설명하기 위한 상세도이다.

도 1은 가스 엔진(400)을 위한 제 1 가스(G1)―본 발명의 경우 과급 공기(LL)―와 제 2 가스(G2)―본 발명의 경우 연료 가스(BG)―를 혼합하기 위한 가스 혼합기(100)를 구비한 가스 혼합 시스템(1000)을 도시한다. 상기 제 1 가스(G1)와 제 2 가스(G2)로 형성된 가스 혼합물(G3)―본 발명의 경우 연료 가스 혼합물(BGGM)―은 압축기(300)에 공급되고, 최종적으로는 압축된 형태로 내연 기관(400)에 공급된다(본 발명에서는 이 내연 기관이 기호 1, 2, 3, 4로 표시된 실린더들을 갖는 가스 엔진(400)으로 도시되어 있다). 상기 가스 엔진(400)의 작동으로 연소된 연료 가스 혼합물(BGGM)은 배기가스(AG)로서 배기가스 재순환부로 보내지고, 경우에 따라서는 배기가스 후처리를 거쳐 외부 환경으로 배출된다(도면에서는 이와 관련한 사항이 추가로 도시되지 않음). 본 발명의 실시예에서는, 상기 가스 혼합기(100)가 고압 재순환부(310)에 연결되어 있는 것이 도시되어 있다. 연료 압력 조절기(fuel pressure regulator)(320)는 본 발명에서 가스 엔진(400)용 파워를 가이드 하기 위해 사용되고, 압축기(300)를 거친 후 압축된 연료 가스 혼합물(BGGM-VD)의 압축된 양이 가스 혼합기(100)로 재순환시키기 위한 고압 재순환부(310)로 분기되도록 한다. 상기 압축된 연료 가스 혼합물(BGGM-VD)은 가스 혼합기(100)를 통해서 압축기(300)에서 압축되기 이전의 연료 가스 혼합물(BGGM)에 다시 공급될 수 있다.

가스 혼합기(100)의 하우징은 제 1의 외부 하우징부(110) 및 제 2의 내부 하우징부(120)를 갖는다. 상기 제 1 및 제 2 하우징부(110, 120)는 나사 결합(부)(130) 및 형상 결합 방식의 결합(부)(131)을 통해 서로 연결됨으로써, 상기 제 2 하우징부(120)가 상기 제 1 하우징부(110) 내에 고정 삽입되는 형태로 지지되어 있다. 과급 공기(LL)는 가스 혼합기(100)의 세로축(LA)을 따라 일 방향으로 제 1 공급부(Z1)로부터 제 1 하우징부 내에 형성된 혼합 공간(20)으로 주입된다. 이를 위해 제 1 가스(G1)는 제 1 하우징부(110)에서 혼합 공간(20)의 상류측에 배치된 제 1 유입부(112)를 통해 공급되며, 이 경우 상기 제 1 유입부(112)는 제 2 하우징부(120)의 제 2 유입부(122)와 평형으로 이어진다. 전체적으로 제 1 및 제 2 유입부(112, 122)에 의해 형성된 유입 개구(132)는 결국 에지(133)에 의해 기하학적 구조상 실린더형인, 제 2 하우징부(120) 내 혼합 공간(20)에 연결된다.

제 1 및 제 2 하우징부(110, 120) 사이에는 혼합 공간(20)을 둘러싸고, 이러한 혼합 공간으로부터 분리된 그리고 유체 연결부에 의해 유체 연결되는 환상 공간(11)이 형성되어 있으며, 상기 환상 공간 내에는 연료 가스(BG) 형태의 제 2 가스(G2)가 제 2 공급부(Z2)로부터 주입될 수 있다. 제 2 공급부(Z2)는 환상 플랜지(113)를 통해 제 1 하우징부(110)에 연결된다. 제 2 가스(G2)는 가로축(QA)을 따라 제일 먼저 전술한 환상 공간(11) 내로 주입되고, 그리고 상기 환상 공간(11)으로부터는 관통 개구들로서 형성된 유체 연결부들을 거쳐 혼합 공간(20) 내로 주입된다. 본 발명에서는 환상 공간(11)뿐만 아니라 혼합 공간(20) 또한 세로축(LA)을 따라 정렬되어 있으며, 이 경우 상기 혼합 공간은 실린더형으로 형성되어 있고 상기 환상 공간(11)에 의해 링 모양으로 둘러싸여 있다. 환상 공간(11)은 세로축(LA)을 따라 혼합 공간(20) 길이의 부분 영역에 걸쳐서만 연장된다.

혼합 공간(20) 자체는 기하학적 구조상 세로축(LA) 방향으로 정렬된 그리고 원형 횡단면(23)을 갖는 직선 실린더로서 형성되어 있다. 본 발명에서 혼합 공간(20)의 유입구에 기재된 횡단면(23)의 면적은 세로축(LA)을 따라 진행되는 상기 혼합 공간(20)의 유입구에서 배출구 횡단면(24)까지는 변하지 않는다; 상기 혼합 공간(20)은 세로축(LA)을 따라 대체로 일정한 직경을 가지며, 그리고 이 세로축(LA)을 따라 형성된 상기 횡단면(23, 24)들은 제 2 하우징부(120)의 벽(121)에 의해 제한된다. 본 발명에서는 제 2 하우징부(120)가 혼합 공간(20)의 제 1 부분(21)을 형성하기 위한 제 1 실린더 라이너(cylinder liner)와 혼합 공간(20)의 제 2 부분(22)을 형성하기 위한 제 2 실린더 라이너로 구성되어 있으며, 이 경우 실린더 라이너들은 환상 부속물(134)에 형상 결합 방식으로 결합된다. 횡단면 프로파일은 혼합 공간(20)의 제 1 부분(21)뿐만 아니라 혼합 공간의 제 2 부분(22)에 걸쳐서도 일정한 크기를 갖는다. 혼합 공간의 제 2 부분은 고압 재순환부(310)에 연결된 제 2 환상 공간(12)으로부터 압축된 연료 가스 혼합물(BGGM-VD)을 공급할 목적으로 사용된다. 혼합 공간(20)의 하류측에는 제 1 하우징부(110)에 의해 유출 오리피스(111)가 형성되어 있고, 이 유출 오리피스는 본 발명에서 혼합 공간(20)의 출구에 있는 폭이 좁아지지 않고 마찬가지로 폭이 확장되지도 않은 횡단면(24)을 제한한다. 혼합 공간의 출구에 있는 상기 횡단면(24)은 오히려 혼합 공간(20)의 제 2 부분(22) 내에 있는 가스 혼합물(G3), 즉 연료 가스 혼합물(BGGM)의 하류측 도관에 평형으로 연결된다.

압축된 연료 가스 혼합물(BGGM-VD)의 재순환량은 제 2 하우징부(120)의 제 2 실린더 라이너의 벽(121)에서 기본적으로 대규모로 연장되는 유체 연결부―본 발명에서는 장공 홀(36) 형태의 둘레 슬롯―를 통해 혼합 공간(20)의 제 2 부분(22)에 공급된다. 환상 공간(11)으로부터 혼합 공간(20)의 제 1 부분(21)으로의 연료 가스(BG) 공급은 대규모로 배치된, 원형 홀(35) 형태의 장공 보어들을 통해 이루어진다. 장공 홀(36)들 또는 원형 홀(35)들로부터는 연료 가스(BG) 및 압축된 연료 가스(BGGM-VD) 모두 래디얼 방향으로 혼합 공간(20)에 공급될 수 있다. 혼합 공간(20)의 제 2 부분(22) 내 유체 공급부들, 즉 장공 홀(36)들의 슬릿 모양 설계는 공급 시 압축된 연료 가스 혼합물(BGGM-VD)을 팽창시킬 목적으로 사용된다. 혼합 공간의 제 1 부분(21)의 둘레를 따라 비교적 더 작게 형성된 원형 홀(35)들의 설계는 이 혼합 공간(20) 내에서 래디얼 방향으로 연료 가스(BG)의 사출을 위한 충분히 높은 압력(형성)을 돕는다. 이 경우 원형 홀(35)들로 설계된, 제 2 가스(G2)의 추가 관통 개구(25)들을 통해 상기 제 2 가스(G2)를 유입 오리피스(132)의 하류측에 배치된 혼합 공간(20)에 공급하기 위해 환상 공간(11)은 상기 혼합 공간(20)에 직접 연결되어 있다.

도 2와 관련하여 ―본 발명에서 25로 표시된― 상기 추가 관통 개구들은 다수의 관통 개구(26, 27)의 상류측에 형성되어 있으며, 도 2 및 도 2의 추가 상세도(X)에는 상기 추가 관통 개구(25)들의 기능이 묘사되어 있다.

그 외에, 도 2는 혼합 공간(20) 내에, 더 정확히 말하자면 이 혼합 공간(20)의 제 1 부분(21) 내에 다수의 중공 로드(31, 32, 33, 34)를 갖는 혼합 장치(30)가 배치된 것을 도시하며, 이때 상기 다수의 중공 로드 모두는 세로축(LA) 및 가로축(QA)에 대해 횡방향으로 연장된다. 본 발명에서는 경계부로서 상기 혼합 장치(30)를 형성하는 중공 로드(31, 32, 33, 34)가 존재한다. 혼합 장치(30)는 중공 로드(31, 32, 33, 34)의 배열 관점에서, 가로축(QA) 및 세로축(LA)을 포함하는 제 1 중앙 평면(ZA1)과 관련하여 반사 대칭적으로 형성되어 있을 뿐만 아니라 가로축 상에 수직으로 서 있는 제 2 중앙 평면(ZA2)과 관련하여서도 반사 대칭적으로 형성되어 있다. 특히, 그 외에도 중공 로드(31, 32, 33, 34)가 각각 둥글게 다듬어진 전방의, 즉 유동(S)과 마주하는 상류측 협측면(53)을 갖는 평면형 중공 프로파일로서 형성되어 있으며, 이때 상기 협측면은 플로우 면적(41)을 갖는다. 뿐만 아니라, 평면형 로드로서 형성된 중공 로드(31, 32, 33, 34)는 상부면(OF)과 하부면(UF)을 가지며, 상기 상부면과 하부면 모두는 제 2 중앙 평면(ZA2)에 대해 평행면으로 정렬되어 있다. 중공 로드(31, 32, 33, 34)의 후단 에지(trailing edge)(HK)는 대체로 직사각형 프로파일에 따라 직사각형 모양으로 형성되어 있다. 선단 에지(VK)는 본 발명에서 반원형으로 형성된 플로우 면적(41)을 가지며, 이 플로우 면적은 상세도(X)에 상세하게 묘사되어 있다.

도 2는 가스 혼합 시스템(1000)의 가스 혼합기(100)만을 도시하며, 이 경우 동일한 또는 유사한 부품들 혹은 동일한 또는 유사한 기능의 부품들에는 동일한 도면 부호가 사용되었다; 그 외에 혼합 장치(30)는 가스 혼합기(100)의 특정 혼합 원리로서 도입부에 언급한 "국부적 벤투리 원리"에 따라 형성되었으며, ―도 2의 다른 부품들에 있어서는― 도 2에 설명된 것뿐만 아니라 도 1의 설명이 동일하게 참조된다.

평면형 로드로 형성된 중공 로드(31, 32, 33, 34)의 협측면(53)의 선단 에지(VK)는 과급 공기(LL)의 유동 진행에 단지 국부적으로만 영향을 주는 플로우 면적(41)을 갖는다. 중공 로드(32)―상세도 X에는 예시적으로 이 중공 로드 프로파일의 모든 요소가 대칭적인 절반단면으로 도시됨―의 플로우 면적(41)에는 흐름 안내면(42)이 연결되고, 더 나아가 하류측에서는 흐름 분리면(43)이 연결된다. 평면형 로드로 형성된 중공 로드(32)의 상부면에서 과급 공기(LL)의 유동(S)은 상세도에 예시적으로 도시되어 있다. 이 상세도를 보면, 상기 유동(S)의 제 1 부분(S1)이 플로우 면적(41)으로 밀려들고, 그리고 이론상 층 흐름(laminar)으로는, 상기 유동(S)의 제 2 부분(S2)이 흐름 안내면(42)에 바로 붙어서 가이드 되는 것을 알 수 있다. 분리된 유동(S3)의 흐름 분리면(43)은 평면형 로드의 프로파일 형성에 대한 세부 사항 및 유동(S)의 구체적인 유동 파라미터에 따라 프로파일의 하류측 부분에 형성되어 있다. "국부적인 벤투리 원리"를 고려해 볼 때, 주요하게 상기 흐름 안내면(42)은 유동(S2)으로 본 발명에서 예시적으로 도시된 관통 개구(27)의 영역에서 국부적인 저압을 형성하는데 적합하다. 즉 중공 로드(32)의 중공 공간(52) 내에는 압력(P2)이 우세한 반면, 상기 중공 로드의 직접적인 외면에서는 압력(P1)이 우세한다. 이러한 경우에는 압력(P2)이 압력(P1)보다 낮은데, 다시 말해 상기 압력(P2)은 연료 가스(BG)가 개구(27)를 통해 과급 공기(LL)의 공기 유동 안으로 유입되도록 (그리고 반대로는 유입되지 않도록) 한다.

도 2에 상세하게 도시된 바와 같이, 중공 로드(31, 32, 33, 34)는 각각 상부면(OF)에서 제 1의 다수 관통 개구(26)를 갖고 하부면(UF)에서 제 2의 다수 관통 개구(27)를 갖는다. 이 경우 상기 관통 개구(26, 27)들은 각각 중공 로드(31, 32, 33, 34)의 전체 길이를 따라 일렬로 분포되어 있고 본 발명의 경우 동일하게 이격되어 배치되어 있다. 이 경우 상기 관통 개구(26, 27)들의 행렬은 ―도 2에 상세하게 도시된 바와 같이― 흐름 안내면(42)의 영역 내에 배치되었다. 중공 로드(32)의 중심축(MA)과 비교해서 하나의 관통 개구(26, 27)의 개구축(

)이 나타내는 바와 같이, 다수의 관통 개구(26, 27)는 평평한 측면(54)―특히 상부면(OF), 하부면(UF)―의 흐름 안내면(42) 영역에 배치되어 있고, 상기 흐름 안내면 영역은 상기 평평한 측면(54)의 수직이등분선(MA) 상류에 위치한다. 본 발명의 실시예에서 다수의 관통 개구(26, 27)의 개구축(

)은 측면 에지(28)―평평한 측면(54)과 협측면(53) 사이 측면 에지(28)―와 수직이등분선(MA) 사이에서 대략 중앙에 배치되었다. 이러한 배치는 본 발명의 실시예에서 "국부적인 벤투리 원리"를 구현하기에 특히 바람직한 것으로 입증되었는데, 그 이유는 한편으로 유동(S2)이 여전히 중공 로드(32)의 프로파일에 의해 가이드 되기 때문이며, 다시 말해 무엇보다 흐름 분리면(43) 영역에서 볼 수 있는 유동(S)의 부분(S3)처럼 상기 유동(S2)이 아직 분리되지 않았기 때문이다.

결과적으로, n개의 다수의 관통 개구(25, 26 27)를 갖는 본 발명의 실시예에 따르면 환상 공간(11)에서 혼합 공간(20)까지 걸쳐 연료 가스(BG)의 모든 유출 개구(

)의 비교적 높은 전체 면적이 달성된다; 이 경우 혼합 장치(30)에서는 전체적인 벤투리 원리에 비해 비교적 높은 유동 압력(pS)이 생성된다. 이와 같은 높은 유동 압력 생성은 가스 혼합기(100) 내에서 혼합 장치(30)의 전압력 손실을 비교적 더 적게 야기하는데, 이러한 전압력 손실 비율은 전반적인 벤투리 원리에 따른 가스 혼합기의 전압력 손실보다 확연히 낮다. 그 이유로서 본 발명의 실시예에서는 ―예를 들면 벤투리 바디로서 작용하는 중앙의 변위 바디에 의해― 유동(S)의 전반적인 영향이 생략되기 때문이다. 본 발명에 따른 가스 혼합기(100)의 혼합 장치(30)에 의해서는 또한 내연 기관, 특히 가스 엔진(400)의 개선된 노킹 거동(knocking behavior) 및 배출 가스 거동(emission behavior)이 달성될 수 있다는 사실이 입증되었다. 그 외에, 가스 혼합기(100)의 혼합 장치 실시예는 가스 혼합물(G3)에서 제 1 가스(G1)와 제 2 가스(G2)의 매우 균일한 혼합을 실현하며, 이는 가스 혼합기(100)의 작동 대역폭과 더불어 가스 엔진(400)의 동력 변속 능력에 유익한 영향을 준다. 특히 중공 로드의 수 ―본 발명의 경우 4개의 중공 로드(31, 32, 33, 34)가 존재함―는 가스 엔진(400)의 실린더(1, 2, 3, 4) 수의 함수로서 선택될 수 있다. 본 발명에서 중공 로드 수(n)와 실린더 수 비율―본 발명에서는 1:1―은 단지 예시적으로 제시되었으며, 실제 응용예에서는 항상 1:1 미만인데, 즉 실린더 수가 항상 중공 로드의 수(n)를 초과한다. 또한, 바람직하게 중공 로드(31, 32, 33, 34) 서로 간의 간격(A)은, 관통 개구(26, 27)들을 통해 연료 가스(BG)를 상기 간격(A) 내로 적절히 주입할 때, 이러한 간격이 실제 혼합 구간(주어진 유동 비율에서 연료 가스(BG)와 과급 공기(LL)의 분자들 간의 가장 작은 간격으로서)에 비교적 가깝거나 또는 이러한 실제 혼합 구간을 단지 약간만 초과하도록 선택될 수 있다. 다르게 표현하자면, 상기 간격(A)은, 연료 가스(BG)와 과급 공기(LL)의 균일하면서도 특히 우수한 완전 혼합을 보증할 수 있기 위해, 혼합 구간(20)의 길이가 세로축(LA)을 따라 비교적 작게 형성될 수 있도록 감소될 수 있다.

본 발명의 가스 혼합기(100)는 바람직하게 비교적 단순하게 설계되었으며, 따라서 다양한 응용예들에서 높은 동작 대역폭으로 작동 가능하고, 특히 본 발명의 실시예에서는 가스량 조절을 위한 추가 제어 기관들 설계가 불필요한 것으로 나타났다. 상기와 같은 추가 제어 기관들은 ―도입부에 언급한 종래 기술의 예시와 같이― 가스 혼합기(100)의 작동 안전성과 장기적인 작동 보증을 제한하는 대상인 것으로 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고 본 출원서에 제시되지 않은 변형예에서는, 공급부(Z2)를 통해 공급되는 연료 가스(BG)의 양을 조절하거나 이러한 연료 가스(BG)의 양을 환상 공간(11) 내에서 조절하기 위해, 또는 관통 개구(25, 26, 27)를 통과할 때 연료 가스(BG)의 양을 조절하기 위해 오리피스 구조물 또는 연료 가스를 조절하는 다른 구조물이 제공될 수 있다.

11: 환상 공간
12; 제 2 환상 공간
20: 혼합 공간
21: 혼합 공간의 제 1 부분
22: 혼합 공간의 제 2 부분
23, 24: 횡단면
25, 26, 27: 관통 개구
28: 측면 에지
30: 혼합 장치
31, 32, 33, 34: 중공 로드, 특히 평면형 로드
35: 원형 홀
36: 장공 홀
41: 플로우 면적
42: 흐름 안내면
43: 흐름 분리면
52: 중공 공간
53: 협측면
54: 평평한 측면
100: 가스 혼합기
110: 제 1 외부 하우징부
111: 유출 오리피스
112: 제 1 유입부
113: 환상 플랜지
120: 제 2 내부 하우징부
121: 벽
122: 제 2 유입부
130: 나사 결합(부)
131: 형태 결합 방식의 결합(부)
132: 유입 오리피스
133: 에지
134: 환상 부속물
300: 압축기
310: 고압 재순환부
320: 압력 조절기
400: 가스 엔진
1000: 가스 혼합 시스템
A: 간격
AG: 배기가스
BG: 연료 가스
BGGM: 연료 가스 혼합물
BGGM-VD: 압축된 연료 가스 혼합물
G1: 제 1 가스
G2: 제 2 가스
G3: 가스 혼합물
HK: 후단 에지
LA: 세로축
LL: 과급 공기
MA: 수직 이등분선
n: 수
OF: 상부면
UF: 하부면

: 개구축
P1: 압력
P2: 압력
ps; 유동 압력
QA: 가로축
S: 유동
S1: 유동의 제 1 부분
S2: 유동의 제 2 부분
S3: 분리된 유동
UF: 하부 평탄면
VK: 선단 에지
Z1: 공급부
Z2: 공급부
ZA1: 제 1 중앙 평면
ZA2: 제 2 중앙 평면

Claims

가스 도관에 연결될 수 있고 멀티파트로 이루어진 하우징을 갖는, 바람직하게는 가스 엔진(400), 특히 빈 가스 엔진(lean gas engine)을 위한 제 1 가스(G1)와 제 2 가스(G2), 특히 예를 들면 과급 공기(LL)와 같은 연소용 공기와 연료 가스(BG)를 혼합하기 위한 가스 혼합기(100)로서, 상기 가스 하우징은 제 1의 외부 가스 하우징부(110)와 제 2의 내부 가스 하우징부(120)를 가지며: 이때
상기 제 1의 외부 가스 하우징부(110)는 세로축(LA)에서 상기 제 1 가스(G1)를 위한 공급부를 갖고 그리고 가로축(QA)에서 상기 제 2 가스(G2)를 위한 공급부를 가지며, 그리고
상기 제 2의 내부 가스 하우징부(120)는 제 2 가스(G2)를 위한 환상 공간(11)을 형성하면서 상기 제 1 가스 하우징부(110) 내에 삽입되어 있고 그리고 가스 혼합물로 혼합하기 위해 상기 제 1 가스(G1)와 제 2 가스(G2)가 주입될 수 있는 혼합 공간(20)을 가지며, 이 경우
상기 제 1 가스 하우징부(110)와 제 2 가스 하우징부(120) 그리고 상기 환상 공간(11)은 상기 세로축(LA)을 따라 정렬되어 있고, 상기 혼합 공간(20)은 상기 세로축(LA)을 따라 실린더형으로 정렬되어 있으며, 그리고 이 경우
상기 혼합 공간(20) 내에는 다수의 중공 로드(hollow rod)(31, 32, 33, 34)를 갖는 혼합 장치(30)가 배치되어 있으며, 이때 중공 로드의 중공 공간(52)은 양측이 상기 환상 공간(11)과 유체 연통 방식으로 연결된, 가스 혼합기에 있어서,
상기 다수의 중공 로드(31, 32, 33, 34)가 상기 세로축(LA)과 가로축(QA)에 대해 횡방향으로 연장되고, 그리고 하나 이상의 중공 로드가 상기 제 2 가스(G2)를 위한 다수의 관통 개구(26, 27)를 가짐으로써, 상기 중공 공간(52)이 실린더형 상기 혼합 공간(20)과 유체 연통 방식으로 연결된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합 장치(30)가 상기 가로축(QA)과 세로축(LA)을 포함하는 제 1 중앙 평면(ZA1) 및 상기 가로축(QA) 상에 수직으로 있는 제 2 중앙 평면(ZA2) 모두와 관련하여 반사 대칭적이도록 상기 다수의 중공 로드(31, 32, 33, 34)가 상기 세로축(LA)과 가로축(QA)에 대해 횡방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다수의 중공 로드(31, 32, 33, 34) 중 1개 이상, 바람직하게는 2개, 특히 상기 다수의 중공 로드 모두가 혼합 공간(20)의 횡단면(23, 24)의 시컨트(secant)에 걸쳐 상기 혼합 공간(20)의 직경에 편심으로 연장되는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다수의 중공 로드 중 적어도 제 1 및 제 2 중공 로드, 특히 상기 다수의 중공 로드 모두(31, 32, 33, 34)가 동일한 방향으로 정렬되어 있는, 특히 평행면(plane parallel)인 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합 장치(30)가 중앙에 배치되는 중공 로드를 갖지 않는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 중공 로드(31, 32, 33, 34) 중 중앙에 배치되는 단 하나의 중공 로드만 상기 혼합 공간(20)의 횡단면(23, 24) 직경에 걸쳐 상기 세로축(LA)과 가로축(QA)에 대해 횡방향으로 그리고 동심으로 연장되는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합 공간(20) 및 혼합 장치(30)가 세로축(LA)을 중심으로 센터링된 변위 바디(displacement body)를 갖지 않는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 중공 로드 중 하나의 중공 로드, 바람직하게는 모든 중공 로드(31, 32, 33, 34)가 동일한 로드 횡단면으로 상기 혼합 공간(20)의 전체 횡단면(23, 24), 특히 시컨트 및/또는 직경에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합 장치(30)가 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 중공 로드를 가지며, 특히 상기 중공 로드의 수는 1개 내지 12개, 바람직하게는 4개 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공 로드가 상부면(OF)에서 다수의 제 1 관통 개구(26)를 갖고, 하부면(UF)에서 다수의 제 2 관통 개구(27)를 가지며, 특히 다수의 관통 개구(26, 27)가 상기 중공 로드의 전체 길이를 따라 분포된, 특히 동일한 간격을 두고 분포된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
특히 제 1 가스 하우징부(110) 상류측에 배치된 유입 오리피스(132)가 폭이 좁아진 제 1 가스(G1)용 유입 유동 횡단면을 형성하며, 상기 횡단면에는 실린더형의 혼합 공간(20)이 유동 원활하게 연결되고/되거나, 더 하류측에 배치된 유출 오리피스(111)가 폭이 좁아지지 않은, 특히 폭이 확장되지도 않은 혼합된 제 1 및 제 2 가스(G1, G2)용 유출 유동 횡단면을 형성하고, 특히 상기 혼합된 제 1 및 제 2 가스(G1, G2)의 하류측 도관에 유동 원활하게 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 가스(G2)용 추가 관통 개구(25)들을 통해 상기 제 2 가스(G2)를 상기 혼합 공간(20)에 공급하기 위한 상기 환상 공간(11)이 상기 혼합 공간(20)에 직접 연결되어 있으며, 이 경우 상기 추가 관통 개구(25)들은 상기 중공 로드(31, 32, 33, 34)에 있는 다수의 관통 개구(26, 27) 상류측에 배치된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 중공 로드(31, 32, 33, 34) 중 하나의 중공 로드가 평면형 로드 형태로 형성되어 있으며, 이 경우 상기 평면형 로드의 협측면(53)은 유동 진행에 단지 국부적으로만 영향을 주는 플로우 횡단면(flow cross-section)(41)을 갖고, 상기 평면형 로드의 평평한 측면(54)은 세로축(LA)에 대해 평행하게 그리고 가로축(QA)에 대해 횡방향으로, 특히 수직으로 정렬된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공 로드의 상류측 협측면(53)이 대략 반원형의 플로우 면적(flow area)(41)을 가지며, 상기 플로우 면적은 유동 정체 지점을 갖되 관통 개구는 갖지 않으며, 이 경우 상기 중공 로드의 상류측 협측면(53)에서 평평한 측면(54)으로 넘어가는 그리고 상기 플로우 면적(41)에 연결된 흐름 안내면(42)은 다수의 관통 개구(25, 26, 27)를 갖고, 그리고 상기 중공 로드의 평평한 측면(54)에서 넘어가는 그리고 상기 흐름 안내면(42)에 연결된 흐름 분리면(43)은 관통 개구를 갖지 않는 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 관통 개구(26, 27)가 상기 평평한 측면(54)의 흐름 안내면(42) 영역에 배치되어 있고, 상기 흐름 안내면 영역은 상기 평평한 측면(54)의 수직이등분선(MA)들의 상류측에 배치되어 있으며, 특히 상기 다수의 관통 개구(26, 27)가 중공 로드의 협측면(53)과 평평한 측면(54) 사이 상류측 측면 에지(28)에 바로 인접하여 일렬로 그리고 상기 상류측 측면 에지(28)를 따라서 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환상 공간(11)이 상기 제 2 및 제 1 가스 하우징부(120, 110) 사이에 형성되어, 상기 혼합 공간(20)을 둘러싸며 그리고 세로축(LA)을 따라 단지 상기 혼합 공간(20)의 부분 영역에 걸쳐서만 연장되며, 이 경우 실린더형의 혼합 공간은 기하학적 구조상 세로축(LA)으로 정렬된 직선형 실린더로서 바닥면의 원형 횡단면(23, 24)에 의해 그리고 상기 세로축(LA)을 따라서 상기 제 2 가스 하우징부(120)의 벽(121)의 대체로 일정한 직경에 의해 제한된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2의 하류측 환상 공간(12)이 고압 재순환부로서 사용되고, 특히 상기 제 1의 상류측 환상 공간(11)이 원형 홀(35)들을 통해서 상기 혼합 공간(20)과 연결되어 있고/있거나 상기 제 2의 하류측 환상 공간(12)이 장공 홀(36)들을 통해 상기 혼합 공간(20)과 연결되어 있으며, 이 경우 상기 원형 홀(35)들 및 장공 홀(36)들은 상기 혼합 공간(20)의 둘레를 따라서 배치 및/또는 정렬된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합기.
다수의 실린더를 갖는 가스 엔진(400), 특히 빈 가스 엔진 및 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 가스 혼합기를 구비하는 가스 혼합 시스템(1000).
제 18 항에 있어서,
가스 엔진(400)의 실린더 수가 증가함에 따라 중공 로드 수가 증가하는 방식으로, 상기 중공 로드의 수가 상기 가스 엔진(400)의 다수의 실린더 함수로서 사전 결정된 것을 특징으로 하는,
가스 혼합 시스템.