KR20150086368A - 적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 제공하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 제공하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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로이 에드워드 맥알리스터
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맥알리스터 테크놀로지즈 엘엘씨
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Abstract

연료 분사기-점화기는 적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 구체화한다. 연료 분사기-점화기는 하우징, 액추에이터, 및 밸브를 포함한다. 밸브는 액추에이터의 작동에 응답하여 밸브 시트에 대해 개방 및 폐쇄를 행하도록 작동하는 밸브 헤드를 포함한다. 밸브 시트는 밸브 헤드 너머에 그리고 하우징 내에서 연장되어 환형 간격과 같은 적어도 하나의 간격을 형성하는 전극 부분을 포함한다. 하우징과 전극 부분 사이의 전류 방전은 플라즈마 및 간격으로부터 플라즈마를 구동하는 전자기력을 형성한다. 연료 분사기-점화기는 전류 방전을 제공하도록 작동 가능한 밸브 시트 및 하우징에 연결되는 전원을 더 포함할 수 있다. 전극 부분은, 전극 부분 주위에 배치되어 플라즈마에 회전을 부여하도록 작동하는 복수 개의 뒤틀린 핀(twisted fin)과 같은 복수 개의 유동 성형 특징부를 포함한다.

Description

적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 제공하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING ADAPTIVE SWIRL INJECTION AND IGNITION}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 2012년 11월 19일에 출원된 "적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 제공하기 위한 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 가출원번호 제61/728,157호, 및 2013년 3월 12일에 출원된 "적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 제공하기 위한 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 출원번호 제13/797,753호의 우선권의 이익을 주장하며, 제61/728,157호 및 제13/797,753호의 출원들의 전체 개시 내용은 다목적으로 참조로서 본 명세서에 통합된다.
기술분야
본 출원은 적응형 소용돌이식(adaptive swirl) 분사 및 점화를 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
수소, 메탄, 발생로 가스(producer gas), 및 알코올 연료와 같은, 낮은 세탄가(cetane ratings)를 갖는 대안적인 연료들이 압축 점화를 위해 설계되는 기관들에서 디젤 연료를 대체하는 경우에, 그러한 대안적인 연료들의 적당한 연소 및 적용을 가능하게 하기 위한 적극적인 점화를 제공할 필요가 있다. 각각의 대안적인 연료 선택의 최적화된 적용은, 운반된 연료를 가압하고 점화시키기 위해 가해지게 되는 에너지의 양과 더불어, 연료 분사 및 점화 이벤트의 타이밍과 같은 변수들의 조정을 필요로 한다.
따라서, 다양한 대안적인 연료들의 분사 및 점화와 연관되는 변수들의 최적화를 용이하게 하기 위한 연료 시스템 하드웨어 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 제공하는 여러 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기가 본 명세서에 개시된다. 적응형 소용돌이식 분사 및 점화는, 수소, 메탄, 다양한 알코올들 및 다른 대안적인 연료들과 같은 덜 비싼 연료들의 활용을 가능하게 한다. 적응형 소용돌이식 분사 및 점화는, 디젤 연료를 사용하는 압축 점화 기관들에서 전형적인 더 높은 공기 활용 효율을 달성하기 위한, 연소의 최적화 및 층상의 열 발생(stratified heat generation)을 가능하게 한다. 따라서, 불쾌한 배기 가스가 현저히 감소되거나 제거될 수 있을 것이다.
적응형 소용돌이식 분사 및 점화를 제공하는 여러 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기가 본 명세서에 개시된다. 적응형 소용돌이식 분사 및 점화는, 개선된 공기 활용 효율을 달성하기 위한 연소의 최적화 및 층상의 열 발생을 가능하게 하며, 그로 인해 불쾌한 배기 가스를 감소시키고, 연비를 개선하며, 그리고 기관 성능을 향상시킨다. 대표적 실시예에서, 연료 분사기-점화기는 하우징, 액추에이터 및 밸브를 포함한다. 밸브는, 적당한 운동에 의해 내향으로 또는 외향으로 개방하도록 그리고 액추에이터의 작동에 응답하여 밸브 시트에 대해 폐쇄를 행하도록 작동하는 밸브 헤드를 포함한다. 밸브 시트는 환형 간격과 같은 적어도 하나의 간격을 형성하도록 하우징 내에서 그리고 밸브 헤드 너머로 연장되는 전극 부분을 포함한다. 하우징과 전극 부분 사이에서의 전류 방전이 플라즈마 및 간격으로부터 플라즈마를 구동하는 전자기력을 생성한다. 분사기-점화기는, 연료 밸브 작동 및/또는 전류 방전을 제공하도록 작용하는, 하우징 및 밸브 시트에 연결되는 하나 이상의 전원을 더 포함할 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시되는 본 기술의 일 양태에서, 전극 부분은, 전극 부분 둘레에 배치되는 다수의 핀과 같은, 다수의 유동 성형 특징부들(flow shaping features)을 포함한다. 일부 실시예에서, 핀들은 뒤틀리게 되며, 그리고 그로 인해 플라즈마에 회전 또는 소용돌이를 부여하도록 작용한다. 본 기술의 다른 양태에서, 전극 부분은 환형 간격과 유체 연통 상태에 놓이는 다수의 포트(port)를 포함한다. 본 기술의 또 다른 양태에서, 전극 부분은 자기 재료(magenetic material)를 포함한다.
다른 실시예에서는, 연료 분사기-점화기가, 하우징, 전원, 액추에이터, 밸브, 및 밸브 시트 전극을 포함한다. 밸브 시트 전극은, 밸브 시트 및, 환형 간격을 형성하도록 하우징 내에서 그리고 밸브 시트 너머로 연장되는 전극 부분을 포함한다. 밸브는, 액추에이터의 작동에 응답하여 밸브 시트에 대해 개방 및 폐쇄를 행하도록 작동하는 밸브 헤드를 포함한다. 전원은, 플라즈마 및 환형 간격으로부터 플라즈마를 구동하는 전자기력을 생성하는, 하우징과 전극 부분 사이의 전류 방전을 발생시키도록 작용한다.
연소 챔버에서 연료를 분사하고 점화시키는 방법이 본 명세서에 또한 개시된다. 대표적 실시예에서, 상기 방법은, 2개의 전극 사이의 환형 영역 내로 연료를 도입하는 것; 플라즈마를 생성하기 위해 2개의 전극을 가로질러 그리고 연료를 통해 전류를 제공하는 것; 환형 영역으로부터 그리고 연소 챔버 내로 플라즈마를 구동하는 로렌츠 힘(Lorentz forces)을 생성하도록 2개의 전극을 가로지르는 전류를 유지하는 것; 그리고 플라즈마가 환형 영역으로부터 구동될 때 플라즈마 및 연료에 회전을 부여하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 상기 방법은, 2개의 전극 사이에서의 이온화를 방지하여, 이로 인해 코로나 방전이 연소 챔버 내로 연장되도록, 2개의 전극에 대한 신속한 전압 인가를 적용하는 것을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 연소 챔버는 회전하는 산화제를 수용하며 그리고, 연료 및 플라즈마의 회전은 회전하는 산화제와 반대 방향이다. 또 다른 실시예에서, 연료 및 플라즈마의 회전은 회전하는 산화제와 동일한 방향이다. 일부 실시예에서, 연료 및 플라즈마의 회전은 2개의 전극 중 적어도 하나 상에 배치되는 다수의 유동 성형 특징부들을 통해 부여되며, 다른 실시예에서 회전은 자기장에 의해 유도된다.
본 기술의 여러 실시예들의 구체적인 세부 내용이 도 1 내지 도 14를 참조하여 이하에 설명된다. 연료 펌프, 조정기 등과 같은 잘 알려진 연료 시스템 부품들을 설명하는 다른 세부 내용은, 본 기술의 여러 실시예들에 대한 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 이하의 개시에서 기술되지 않았다. 도면들에 도시되는 세부 내용, 치수들, 각도들, 다른 특징들 중 많은 것은 단지 본 기술의 특정 실시예를 예시하는 것이다. 따라서, 다른 실시예들은, 본 기술의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서, 다른 세부 내용, 치수들, 각도들, 및 특징들을 구비할 수 있다. 따라서, 당해 기술 분야의 숙련자는, 본 기술이 부가적인 요소들을 갖춘 다른 실시예를 갖거나 또는 본 기술이 도 1 내지 도 14를 참조하여 이하에 도시되고 설명되는 특징들 중 일부를 갖추지 않는 다른 실시예들을 가질 수 있다는 것을 그에 따라 이해하게 될 것이다.
이하에 설명되는 본 기술의 일부 양태는, 프로그램 가능한 컴퓨터에 의해 실행되는 루틴들(routines)을 포함하는, 컴퓨터 실행가능 명령의 형태를 취할 수 있을 것이다. 당업자는, 본 기술이 이하에 도시되고 설명되는 것과 상이한 컴퓨터 시스템 상에서 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 기술은, 이하에 설명되는 컴퓨터 실행가능 명령들 중 하나 이상을 실행하도록 특별히 프로그램되거나, 구성되거나 또는 제작되는, 기관 제어 유닛(이하, ECU), 기관 제어 모듈(이하, ECM), 연료 시스템 컨트롤러 등과 같은, 특수-목적 컴퓨터 또는 데이터 프로세서에서 실시될 수 있다. 따라서, 일반적으로 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 용어 "컴퓨터", "프로세서", 또는 "컨트롤러"는, 임의의 데이터 프로세서를 언급하며, 그리고 ECU들, ECM들, 및 모듈들뿐만 아니라, 인터넷 기기들 및 [팜톱 컴퓨터(palmtop computer), 착용가능 컴퓨터, 셀룰러폰 또는 모바일폰, 멀티-프로세서 시스템, 프로세서-기반 또는 프로그램 가능한 소비자 전자기기, 네트워크 컴퓨터, 미니 컴퓨터 및 이와 유사한 것을 포함하는] 휴대용 디바이스들을 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터들에 의해 취급되는 정보는, CRT 디스플레이, LCD, 또는 전용 디스플레이 디바이스 또는 메커니즘(예를 들어, 게이지)을 포함하는, 임의의 적당한 디스플레이 매체에 표현될 수 있다.
본 기술은 또한, 직무들 또는 모듈들이 통신 네트워크를 통해 연결되는 원격 프로세싱 디바이스들에 의해 실행되는, 분산 환경(distributed environments)에서 실행될 수 있다. 분산 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들 또는 서브루틴들이, 국부 메모리 저장 디바이스 및 원격 메모리 저장 디바이스에 위치하게 될 수 있을 것이다. 이하에 설명되는 본 기술의 양태는, 자기적으로 또는 광학적으로 판독 가능하거나 또는 제거 가능한 컴퓨터 디스크들을 포함하는, 컴퓨터 판독 가능 매체 상에서 저장되거나 분배하게 될 수 있을 뿐만 아니라, 네트워크 상에서 전자적으로 분배하게 될 수 있을 것이다. 그러한 네트워크들은, 예를 들어 그리고 한정하는 것은 아니지만, 컨트롤러 영역 네트워크들(CAN), 국부적 상호연결 네트워크들(LIN), 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있을 것이다. 특정 실시예들에서, 본 기술의 양태에 특유한 데이터의 전송 및 데이터 구조는 또한, 본 기술의 범위 내에 포함된다.
디바이스들, 시스템들, 및 방법들에 대한 대표적 실시예들은, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한 동일한 참조 부호가 여러 도면에 걸쳐 동일한 부분들을 지칭하는, 후속하는 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 제1 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기의 기립 상태의 측단면도이고;
도 2는 도 1에 도시된 분사기-점화기의 부분적 측단면도이며;
도 3a는 도 1 및 도 2에 도시된 밸브 시트 전극의 사시도이고;
도 3b는 도 1 내지 도 3a에 도시된 밸브 시트 전극의 사시도이며;
도 4a는 다른 대표적 실시예에 따른 밸브 시트 전극의 기립 상태의 측면도이고;
도 4b는 도 4a에 도시된 밸브 시트 전극의 사시도이며;
도 5는 본 기술에 따른 대표적 소용돌이 패턴(swirl pattern)을 예시하는 사시도이고;
도 6은 본 기술에 따른 다른 대표적 소용돌이 패턴을 예시하는 사시도이며;
도 7은 본 기술에 따른 부가적인 대표적 소용돌이 패턴을 예시하는 사시도이고;
도 8은 본 기술에 따른 또 다른 대표적 소용돌이 패턴을 예시하는 사시도이며;
도 9는 본 기술에 따른 추가의 대표적 소용돌이 패턴을 예시하는 사시도이고;
도 10은 제2 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기의 부분적 절개 사시도이며;
도 11은 제3 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기의 기립 상태의 측단면도이고;
도 12는 제4 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기의 기립 상태의 측단면도이며;
도 13은 제5 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기의 기립 상태의 측단면도이며; 그리고
도 14는 제6 대표적 실시예에 따른 분사기-점화기의 기립 상태의 측단면도이다.
도 1 및 도 2는 제1 대표 실시예에 따른 적응형 소용돌이식 분사 및 점화 기술을 통합한 분사기-점화기(102)를 보여준다. 분사기-점화기(102)에는, 밸브 시트 전극(112)을 통해 공급되는 연료의 분사를 제어하는 마이크로프로세서 또는 컴퓨터(101)가 마련된다. 컨트롤러(101)와 점화기 회로(104, 106)가 별개의 구성요소 또는 조립체로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 컨트롤러(101)와 점화기 회로(104, 106)의 기능이 조립체(102)의 내부 또는 외부에 배치되는 콤팩트한 제어 유닛에 통합될 수 있다.
분사기-점화기(102)는, 압력 조절기(117)를 통해 가변 압력으로 분사기-점화기에 연료를 공급하는 차량 연료 시스템(도시하지 않음) 또는 파이프라인과 같은 적절한 공급부로부터 연료를 수용한다. 연료는 도 2에 도시한 바와 같이 전기자(118; armature)를 통해 및/또는 전기자(118) 둘레에서 환형 통로(120)와 밸브 헤드(112)에 전기자(118)를 연결하는 스템을 따라 밸브 시트 전극(112)으로 흐른다. 밸브 시트 전극(112)은 밸브 시트(124), 전극부(116) 및 도전체 튜브(128)에 부착하기 위한 페룰(180)을 포함한다. 밸브 액추에이터(118)는 작동 시에 밸브 시트(124)(도 2 참고)로부터 떨어지게 밸브 헤드(122)를 이동시키는 것에 의해 연료 미터링 밸브를 개방하여, 연료가 밸브 헤드(122)를 지나 하나 이상의 반경방향 포트(126)를 통해 흐르도록 한다. 반경방향 포트(126)는 밸브 시트(124)에 인접한 전극부(116)를 통해 형성되고, 전극 특징부(electrode feature)(115)의 어느 한 측부에 놓일 수 있다. 연료는 도시한 바와 같이 반경방향 포트(126)를 통해 그리고 하우징(110)의 전극부(114)와 밸브 시트 전극(112)의 전극부(116) 사이의 환형 통로 내로 흐른다.
일단 연료가 전극(114, 116)들 사이의 환형 통로 내로 흐르고, 도전성 플라즈마가 스파크 또는 코로나 방전에 의해 형성되고 나면, 존재할 수 있는 다른 가스와 함께 연료 플라즈마가 연소실(132) 내로 가속되고 로렌츠 스러스팅(Lorentz thrusting)에 의해 점화된다. 예시적인 실시예에서는, 로렌츠 스러스팅을 개시하기 위해, 전원(104)이 도전성 튜브(128)에 대한 케이블(108)을 통해 그리고 [전극부(116)를 포함하는] 전극 밸브 시트(112)를 통해 비교적 장기간 전기장을 제공하여, 전극(114)과 전극(112 내지 116)의 에지 또는 팁 피쳐(115; tip feature) 사이의 연료 및/또는 공기의 초기 이온화를 위한 충분한 전기장 강도를 생성한다. 이온화 입자 경로의 확립 시, 전기 저항이 떨어지고, 전류가 전극(114, 116)들 사이에 급속히 형성되며, 이는 연소실(132)을 향하는 로렌츠 스러스팅을 유발한다. 로렌츠 스러스팅을 통한 점화는 당업자에게 알려져 있으며, 전체 내용이 참조에 의해 여기에 포함되는 미국 특허 제4,122,816호에 보다 상세히 설명되어 있다. 전술한 특허 및/또는 참조에 의해 여기에 포함되는 다른 자료가 본 개시와 상충하면, 본 개시에 따른다.
스위핑(sweeping)되는 다른 입자와 함께, 전류를 형성하는 이온 모두의 연소실(132) 내로의 론칭 속도(launch velocity)의 적응 제어는 회로(104)에 의해 제공되는 것과 같은 전류에 의해 확립되며, 상기 론칭 속도는 아음속에서부터 초음속까지 조정 가능하다. 그러한 이온화 입자의 로렌츠 론칭은 연소실 내로의 이온화 버스트파(waves of ionized bursts)를 생성하도록 적응 제어 가변 주파수 또는 일정한 주파수로 반복될 수 있다. 산화제 및/또는 연료를 통한 이온 전류의 적응식으로 조정된 로렌츠 스러스팅에 의해 트리거되는 점화 이벤트는 소망하는 침투, 팽창 및 연소 패턴을 생성한다. 광섬유 링크 센서(134)와 같은 기기 장치가 산화제 활용 효율, 층상의 열 방출, 엔진 성능, 연비 향상 및 배출물 감소 또는 제거와 같은 성취의 최적화를 위해, 그러한 적응식 조정을 목적으로 침투 정도 및 패턴에 관한 피드백 정보를 컴퓨터(101)에 제공한다.
적절한 이온 전류 모두가 회로(104)의 작동으로 인한 전기 에너지의 로렌츠 스러스팅 변환에 의해 가속되고 연소실(132) 내의 산화제 내로 론칭된 후, 컨트롤러(101)는 회로(106)의 작동에 의해 코로나 방전과 같은 다른 타입의 연소 점화 및/또는 가속을 더 제공할 수 있다. 회로(106)는, 전극(114, 116)들 사이의 이온화를 회피하기 위해 1회 이상 충분히 신속하게 전압을 인가하도록 작동되고, 이에 의해 코로나 방전이 전술한 바와 같이 로렌츠 스러스팅에 의해 이전에 론칭된 입자의 층상 분포 근처 내로 연장되거나 이 층상 분포 근처에 또는 이 층상 분포 내에 발생하도록 한다. 연료 압력, 연료 흐름 기간, 이온화 입자 로렌츠 스러스팅 가속 및 코로나 점화를 포함하는 다양한 파라메터와 그 조합의 적응 제어는 수소, 발생로 가스, 매립지 가스, 메탄, 천연 가스, 에탄, 프로판, 부탄, 연료 알코올, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 요소, 및 가솔린, 제트 및 예열 연료를 포함하는 디젤 연료와 함께 암모니아와 같은 광범위한 대안의 연료의 적용을 호환 가능하게 최적화하는 능력을 제공한다.
도 3a 및 도 3b를 참고하면, 전극부(116)는 핀(182)들 사이에 배치되는 184와 같은 적절한 구성의 흐름 조성 통로 또는 채널을 포함한다. 핀(182)과 같은 유동 성형 특징부를 포함할 뿐만 아니라, 밸브 시트 전극(112)은 자기 집중 및/또는 연소실 내로 추진되는 이온의 반경방향 가속을 제공하기 위해 영구 자석 재료로 형성될 수도 있고, 전자석을 포함할 수도 있다. 유동 성형용 핀(182) 및/또는 채널(184)은 연소실 내에 있는 산화제 소용돌이를 포함하는 미리 존재하는 산화제를 통과하는 이온 및/또는 다른 스위핑되는 입자를 론칭한다. 본 실시예에서, 전극부(116)는 이온을 곧장 연소실 내로 론칭한다. 밸브 시트 전극(112)은 예컨대 소결된 분말형 자기 재료로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브 시트 전극(112)은 전자석으로서 사용하기에 적절한 페라이트, 강, 코발트 또는 니켈 합금으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 핀은, 예컨대 스위핑되는 다른 가스와 함께 이온을 소용돌이형 또는 와류 패턴으로 론칭하는 나선형 패턴으로 뒤틀리거나 경사질 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 다른 대표 실시예에 따른 밸브 시트 전극(212)을 예시한다. 밸브 시트 전극(212)은 내부 밸브 시트, 전극부(216), 연료 포트(226) 및 페룰(280)을 포함하며, 이들 모두는 전술한 밸브 시트 전극(112)의 것과 유사하다. 예외적으로, 이 경우에 핀(282)은 선택된 영역 및 범위에서 디플렉터, 볼루트(volute)일 수도 있고, 이와 달리 연소실 내에 미리 존재하는 산화제 소용돌이를 보완하는 것이 요망되는지 또는 상기 산화제 소용돌이와 반대되는 것이 요망되는지에 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 뒤틀려 있을 수 있다. 핀의 각도와 연소실 내로의 산화제 및/또는 연료 입자 및/또는 이온 발사의 통합 패턴은 이에 따라 연료 공급 압력, 자기 영향, 인가되는 전압 및 전극들 사이에서 흐르는 전류에 따라 조정 가능하다. 전극 전류 제어는, 전류가 포함되는 각도, 침투율 및 산화제 활용 효율과 엔진 성능을 최대화하기 위한 목적으로 연소실(132) 내에 있는 산화제 내로 가변 간격으로 추진되는 임의의 개수의 패턴들의 간격을 조정하도록 추진되기 때문에 변경될 수 있다. 포트(226)의 흐름 지향 각도, 나선형 전극 특징부(282) 및 대응하는 채널(284)은 로렌츠 스러스팅에 의해 가속되는 이온 전류의 각속도를 생성하거나 향상시킨다.
나선형 핀에 더하여, 분사 패턴이 전극(112, 212 및/또는 114)과 통합되는 하나 이상의 자석(예컨대, 영구 자석 및/또는 전자석)에 의해 가해지는 자력에 의해 영향을 받거나 제어될 수 있다. 도 2를 다시 참고하면, 선택된 북극 위치 및 남극 위치 또는 패턴을 갖는 링 자석(130)이 밸브 헤드(122) 상에 배치되고, 이에 따라 링 자석(130)은 전극(114, 116)들 사이의 환형 영역 근처에 위치 설정된다. 따라서, 링 자석(130)은 환형 영역으로부터 가속되는 전류에 작용하도록 작동된다. 링 자석(130)은 영구 자석 및/또는 전자석일 수 있다. 전극(114, 112 및/또는 212)에 전자석을 사용하는 실시예는 분사기에 공급되는 가변 연료 압력 및 로렌츠 스러스팅 속도에 따라 활성화 산화제 이온 또는 연료 분사에 대한 포함되는 각도의 적응식 조정을 제공한다. 나선형 전극 특징부와 통로는 전술한 적응식 조정과 상호작용하거나 전술한 적응식 조정을 향상시키기 위해 및/또는 열활성화 목적으로 열전달을 증가시키기 위해 온건하게 또는 매우 강조될 수 있다.
현재 개시된 기술에 의해 제공되는 바와 같은 소용돌이 유도 층상 패턴 제어는 연소실, 피스톤 속도, 2 행정 및 4 행정 피스톤 엔진을 포함하는 다양한 엔진에서 직면할 수 있는 소용돌이 상태의 각각의 타입에 대해 최적화될 수 있다. 이것은, 공기가 효율적인 연소 가스의 단열과 함께 가속화된 연소 완료 및 그러한 공정에 의한 열 에너지 및/또는 운동 에너지를 수용하는 단열 공기에 의한 팽창 일 생성을 위해 요구되는 산화제 입자를 공급하는 개선된 공기 활용 효율을 제공한다.
도 5는 실린더(500) 내의 기류를 보완하는 분사기 소용돌이의 예를 예시한다. 이 예에는, 연소실(504)의 일부 내에서의 피스톤 동작과 다소 평행한 축 둘레에서 이동하는 산화제(502)의 거의 시계방향의 소용돌이 성분이 있다. 연료 및/또는 산화제 유체 이온 및/또는 입자 주입 벡터(506)는 중앙 배치 분사기(501)와 같은 적절한 포트로부터 연장된다. 분사기(501)에는, 핀 구성이 도 4a 및 도 4b에 도시한 것과 유사한 전극부를 갖는 밸브 시트 전극이 장착된다. 예외적으로, 이 경우에 핀은 연소실(504) 내의 산화제와 동조하는 소용돌이와 진입 벡터를 제공하도록 적절한 방향으로 뒤틀려 있게 된다.
도 6은, 주입 벡터(606)가 산화제 기류(602) 내로 반경방향으로 지향되는, 주입기 소용돌이가 없는 예를 예시한다. 이 예에서는, 연소실(604)의 일부 내에서의 피스톤 작동과 다소 평행한 축을 중심으로 실린더(600) 주위에서 이동하는 산화제(602)의 거의 시계방향의 소용돌이 성분이 있다. 이 경우, 분사기에는, 핀 구성이 도 3a 및 도 3b에 도시한 것과 유사한 전극부를 갖는 밸브 시트 전극이 장착된다. 이 경우, 핀은 분사기에 대하여 축방향으로 연장되고, 공조 또는 반대되는 소용돌이를 위한 어떠한 자력도 인가되지 않는다.
도 7은 실린더(700) 내에서의 기류에 거스르는 분사기의 소용돌이의 예를 보여준다. 이 예에서는 연소실(704)의 일부분에서 피스톤 운동에 평행한 축 둘레로 움직이는 산화제의 기류 성분(702)이 대개 시계방향으로 존재한다. 처음에는 연료 및/또는 산화제 유체 이온 및/또는 파티클의 주입 벡터(706)가 도시된 바와 같이 산화제의 기류(702)에 거스른다. 이 경우에, 분사기에는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 유사하거나 및/또는 자기(磁氣)로 조정되는 주입 벡터에 따르는, 핀(fin) 형태를 지닌 전극부를 갖는 밸브 시트 전극이 설치되어 있다. 이 경우에, 핀은 연소실(704)에서의 산화제의 소용돌이 유동에 거스르는 주입 벡터를 제공하도록 뒤틀려져 있다. 이러한 형태는, 엔진의 압축비가 비교적 높은 조건 및/또는 과급기의 과급 압력이 높은 조건 및/또는 피스톤의 속도가 높은 조건의 작동에서 특히 유익하다. 이러한 작동 조건들은, 연소를 보다 소량의 산화제로 및/또는 보다 신속하게 완료하여 공기 이용 효율을 최대화할 수 있도록, 산소의 이용도 또는 공급이 좀 더 집중되게 한다.
도 8은 실린더(800) 내의 기류와 만나는 분사기의 소용돌이의 다른 예를 보여준다. 이 실시형태는 하나 이상의 산화제 이온화를 최적화하고, 연료 이온을 보다 높은 속도로 발사함으로써 돌연히 발생되는 층화된 산화제 충전물에 산화제 이온을 발사한다. 이 예에서는 연소실(804)의 일부분에서 피스톤 운동에 평행한 축 둘레로 움직이는 산화제의 기류 성분(802)이 대개 시계방향으로 존재한다. 처음에는 연료 및/또는 산화제 유체 이온 및/또는 파티클의 주입 벡터(806)가 도시된 바와 같이 산화제의 기류(802)에 거스른다. 이 경우에, 분사기에는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 유사한, 핀 형태를 지닌 전극부를 갖는 밸브 시트 전극이 설치되어 있다. 이 경우에, 핀은 연소실(804)에서의 산화제의 유동에 거스르는 소용돌이를 제공하도록 배향되어 있거나 및/또는 뒤틀려져 있다. 연료 주입 직전에 행해질 수 있는 전술한 산화제 활성화 작업은, 엔진의 압축비가 비교적 낮은 조건 및/또는 과급기의 과급 압력이 낮은 조건의 작동에서 특히 유익하다. 따라서, 보다 활성화된 산화제를 이용 가능하게 되고, 연소가 보다 신속하게 및/또는 보다 소량의 산화제로 완료되어 공기 이용 효율을 최대화할 수 있다.
도 9는 소용돌이 최적화의 다른 예를 보여준다. 이 경우에, 연소실(904)은 실린더(900) 내에서 텀블링하는 기류 패턴(902)을 갖는다. 다시 말하자면, 실린더의 기류는, 연소실(904)의 일부분에서 피스톤 운동 축에 대해 거의 직각을 이루는 축 둘레로 대개 시계방향으로 움직이는 산화제의 소용돌이(902)를 나타낸다. 중앙 배치된 분사기(901)로부터 나오는 연료 및/또는 산화제 유체 이온 및/또는 입자의 주입 벡터(906)는, 사실상 모든 타입의 연소실에서 공기 이용 효율과 열효율을 최적화하도록, 산화제 소용돌이(902)에 대해 거스르거나, 동조하거나, 또는 가로지를 수 있다.
도 1과 도 2를 다시 참조해 보면, 압전 센서, 열전 센서, 광전 센서 및/또는 페브리-페로 타입 센서 등과 같은 적절한 센서(134)들이, 연소실의 이벤트에 의해 초래되는 압력과 온도를 모니터링하고, 이러한 정보를 전도성 통신 채널, 무선 통신 채널, 또는 광섬유 다발(136) 등과 같은 광 통신 채널에 의해 컴퓨터(101)에 전송한다. 이러한 실시형태에서, 일부 또는 전체 센서(134)는, 연소실(132)의 가혹한 환경으로부터 센서를 보호할 뿐만 아니라 센서의 시야를 제어하기 위해, 보호 렌즈(138)를 포함할 수 있다. 보호 렌즈(138)는, 순 에너지 변환 효율을 최대화하고 연소실 및 파워트레인의 구성요소를 보호하기 위해, 다양한 작동 조정을 가능하게 하도록 컨트롤러(101)에 고속의 피드백을 제공하며, 연소실에 충분히 넓은 각도의 시야를 제공하도록 구성될 수 있다. 보호 렌즈(138)용 재료로는 사파이어, 스피넬, 마그네시아 및 석영을 들 수 있다.
연료 압력의 적응 제어 이외에도, 밸브 헤드(122)의 밸브 개방 기간과 연속적인 밸브 개방 타이밍이 제어될 수 있다. 또한, 1개, 2개 또는 그 이상의 전원 회로(예컨대 104 및 106)가, 시동(예컨대, 냉간, 온간, 또는 열간), 가속, 감속, 순항 및 전출력 작동 중에 엔진의 작동을 최적화하는 데 사용될 수 있다.
도면부호 134 및/또는 140 등과 같은 온도 및/또는 압력 모니터링 계기에 응답하여, 예컨대 광기전력형 센서, 압전 센서, 페브리-페로 타입 센서, 스트레인 저항 센서, 및 와전류 위치 및/또는 동작 센서 등에 응답하여, 연소실의 선택 영역에서 점화 및/또는 연소 완료를 가속화하도록, 코로나 방전 추진력을 거의 빛의 속도로 선택함으로써, 추가적인 적응 최적화가 주어질 수 있다. 연소실에 들어가는 활성화된 산화제 및/또는 연료 이온 및/또는 입자의 패턴에 하나 이상의 코로나 방전을 적용함으로써, 산화제 및/또는 연료의 주입, 연소, 및 열발생 패턴을 훨씬 더 제어할 수 있게 된다.
적응 주입 및 점화 이벤트를 제공하는 것 이외에, 컨트롤러(101)는 전극의 오염을 해결하는 작업을 제공할 수 있다. 센서(134 및/또는 140)에 의해 전극 표면의 압력, 온도 및/또는 방사율, 및/또는 연소실 챔버 이벤트를 감지하여 초기 오염을 검출할 수 있다. 이러한 정보는 광도파관(142) 및/또는 도면부호 136과 같은 광섬유 케이블을 통해, 및/또는 하나 이상의 적절한 노드에 의한 무선 정보 릴레이를 통해 컴퓨터(101)에 전달된다. 이에 대응하여, 통상의 동작 시퀀스는, 산화제의 열적 활성화 및/또는 전기적 활성화, 연소실로 향하는 공기의 스위핑된 입자 및 산화 이온의 1 이상의 로렌츠 추진력, 연료 제어 밸브(120)를 지나가는 연료 유동의 1 이상의 분출을 위한 1 이상의 개구, 연소실로 향하는 스위핑된 입자 및 연료 이온의 1 이상의 로렌츠 추진력, 및 연소실 내에서의 1 이상의 코로나 방전 등을 비롯한 적응 제어 이벤트로 구성된다.
탄화수소, 알코올, 여러 가지 에테르, 및 카르바졸 등과 같은 탄소 공여체 연료에 의한 로렌츠 추진을 이용하는 것과 대체로 연관된 문제로는, 전극 사이에서의, 예컨대 전극면(114)과 전극면(116) 사이에서의 전도성 단락 및/또는 광택제, 탄소봉, 그을음의 오염 침착 등이 있다. 이러한 문제는, 특히 작동 중 흡입 기간 및 압축 기간 동안에, 산화제를, 예컨대 연소실로부터 전달받을 수 있는 공기 등을, 전극(114)과 전극(116) 사이의 공간에 장입함으로써 해결될 수 있다. 이러한 산화제는, 연소 기간 또는 배기 기간 동안에 얻어지는, 전극으로부터 간헐적으로 전달되는 열에 의해 활성화될 수 있다. 산화제는 또한, O3, OH-, 및 여러 타입의 NOX 등과 같은 고활성화 이온 및 라디칼을 생성하여 오염제와 반응시키도록 전위를 인가하는 것에 의해 활성화될 수 있는데, 상기 반응에 의해 일산화탄소, 이산화탄소 및/또는 그 밖의 증기 또는 가스가 생성되고, 이렇게 생성된 물질들은 이후에, 전술한 오염 문제를 효율적으로 제거하기 위해 산화를 완료시킬 수 있도록 연소실에 전달된다.
마찬가지로, 전술한 산화제 활성화는 또한 연소실에서의 연소 이벤트의 완료와 점화를 가속화할 수 있다. 따라서, 전극(114)과 전극(116) 사이의 환형 간격에서 생성되는 활성화된 산화제 입자는, 로렌츠 힘에 의해 추진되어, 임의의 탄소 공여체 물질에 부딪히고 이 물질을 산화시킬 수 있으며, 그 결과 유해한 오염 또는 입자 방출이 방지되거나 및/또는 전술한 활성화된 산화제의 층화 주입이 초래되어, 이후에 연소실 산화 이벤트의 완료 및/또는 연료 점화가 가속화된다.
센서(134)가 연소실에서 축출된 그을음 및 그 밖의 부적절한 입자를 검출하면, 컨트롤러(101)에 응답하여 전원(106)이 작동함으로써 부여될 수 있는 코로나 방전에 의해, 연소실에서 상기 입자의 산화 및 제거의 가속화가 촉진될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(101)의 성능을 보다 고도화함으로써, 적응 주입, 점화, 및 연소실에서의 산화제 및/또는 연료 이온 및/또는 입자의 주입 패턴의 소용돌이 튜닝을 비롯한 연소 기능들에 관한 프로세스의 최적화가 매우 빠르게 그리고 포괄적으로 이루어진다.
도 10은 어떠한 면에서는 도 1 내지 도 4b와 관련하여 전술한 것과 유사하지만, 연소실 내에서의 공기 또는 그 밖의 산화제 등과 같은 가스의 압축에 의해 발생되는 열 및/또는 전극(1014)과 전극(1016) 사이의 환형 공간에 전달되는 연소 가스로부터의 열을 받고 교환하기 위한 하나 이상의 열교환 시스템을 마련하고 있다는 점에서 상이한, 제2 예시적인 실시형태에 따른 적응 소용돌이 주입 및 점화 기술을 구체화한 분사기-점화기(1000)를 보여준다. 본 실시형태는, 전술한 열전달 및 열교환 작업을 위한 2개의 시스템(1008 및 1010)을 포함한다. 열전달 시스템(1010)은, 전극(1016)과 열전달 시스템(1010)의 내면 사이의 환형 공간을 주기적으로 통과하는 고온의 가스로부터 열을 받는 열 커패시터의 역할을 하는 관형 슬리브이다. 열전달 시스템(1010)은 하나 이상의 단열층을 포함하거나, 및/또는 주변 구조물(1012)과의 사이에 있는 환형 간격 등과 같은 다른 적절한 열 댐(heat dam) 내에서 쓰일 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 시스템은 또한, 로렌츠 추진 프로세스 동안에 또는 이 프로세스와 함께 이온 생산을 위한 전기 전도를 제공한다. 다른 실시형태에서, 시스템(1010)은 코로나 발생 및 점화 작동을 조장하도록 특정 영역에서 하나 이상의 커패시터 시스템에 유전체 재료를 포함할 수 있다. 시스템(1010)에 적합한 재료로는, 여러 초합금, 탄화규소, 질화알루미늄, 그리고 산화 및/또는 환원 가스의 갑작스런 온도 사이클링과 함께 긴 수명을 제공할 수 있는 그 밖의 선택물이 있다. 시스템(1010)은, 열전달을 강화하는 열방사 및 열전도를 수반하는 전기 절연 기능을 수행하고, 열전달 영역을 전기 전도적으로 통합하는 새로운 기능을 수행한다. 일부 실시형태에서, 시스템(1010)은 당업자에게 알려진 도체 재료 및/또는 구조, 예컨대 미국 특허 제4,770,953호; 제4,659,611호; 제4,649,070호; 제4,591,537호; 제4,618,592호; 제6,017,485호; 및 제6,096,414호에 개시된 특징을 포함할 수 있는데, 이들 특허문헌은 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다.
열전달 시스템(1008)은 도 10에 도시된 실시형태에 의해 묘사된 것과 같이 소정 목적을 달성하기에 적합한 임의의 형태일 수 있다. 이 실시형태에서, 열전달 시스템(1008)은 또한, 전극(1016)을 도체 튜브(1028)에 부착하기 위한 페룰의 기능을 한다. 일부 실시형태에서, 시스템(1008)은, 적절한 초합금 및/또는 선택된 세라믹 조성물을 압축 및 소결한 분말, 섬유, 또는 필라멘트로 제조되거나, 또는 그래파이트-기반의 합성물 혹은 탄화규소 합성물로 제조된다. 전극(1016)과 시스템(1010)의 인접 표면 영역 사이에서의 이온 발생은, 이러한 국부적인 이온 발생에 필요한 에너지를 감소시키는 화합물을 함유하는 알루미늄 등의 물질을 이용한 농후화에 의해 강화될 수 있다.
작동 시, 열전달 시스템(1008 및/또는 1010)은 압축 가스 및/또는 연소 가스 등의 고온의 가스로부터 주기적으로 열을 받고, 이후에 이러한 열을, 도면부호 1026 등과 같은 포트로부터 연소실(1018)에 이르는 환형 통로를 통하여 주기적으로 전달되는 연료 입자에 전달한다. 다시 말하자면, 열전달 시스템(1008, 1010)은 압축 및/또는 연소 동안에 흡수된 열을 재생시키는 타입의 열 플라이휠의 역할을 한다. 일부 실시형태에서는, 이로써, 점화 이벤트를 위한 전기 에너지를 거의 또는 전혀 소모하지 않으면서 연소하도록 여러 연료 선택물을 충분하게 활성화시킬 수 있게 된다. 다른 실시형태에서, 디에틸 에테르(DEE), 디메틸 에테르(DME) 및 그 밖의 화학적 플라즈마제 등과 같은 연료 선택물은, 수소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 암모니아 및 여러 연료 알코올 등과 같은 다른 연료와의 혼합물 또는 혼화물에서 개별적으로 사용될 때, 연소 개시제 및/또는 가속제의 역할을 한다. 화학적 플라즈마제는, 2013년 3월 15일 또는 그 이전에 "연료 분사 및 연소 시스템(FUEL INJECTION AND COMBUSTION SYSTEMS)"이란 명칭으로 출원된 본 출원인의 공동 계류 미국 출원(대리인 사건 번호 제69545-8332호)에 더 상세히 기술되어 있는데, 이 특허문헌의 개시 내용은 그 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다. 두 시스템(1008 및 1010) 사이의 공간을 지나는 연료 입자에 더해지는 열의 양은, 압축 행정 동안의 산화제의 로렌츠 추진에 의해 감소될 수 있고, 그 결과 축적되는 열 이득과 이에 따라 이후에 연료 입자에 전달되는 열의 양을 감소 또는 제한할 수 있다. 열전달은 또한, 가변적인 압력 강하 및/또는 적응 로렌츠 추진에 응답하여 전술한 열전달면을 지나는 소용돌이 및 난류의 양에 의해 강화될 수 있다.
여러 제어 및 운전 조합에는, 가변적인 연료 압력, 연료 제어 밸브의 개방 시간의 가변적인 지속 기간, 연료 밸브 개방 사이의 시간의 가변적인 지속 기간, 연소실을 향해 추진되는 산화제 이온의 가변적인 흐름 발달 및 그에 기인한 이동, 연료 이온의 가변적인 흐름 발달 및 그에 기인한 이동, 상기 연료 입자가 연소실을 향해 추진될 때의 진입 속도와 벌림 각도, 코로나 점화의 가변적인 필드 강도와 주파수, 그리고 인라인형 열교환 시스템에 의해 가열되는 연료 성분의 가변적인 활성화 온도 등이 포함된다.
도 11은 제3 실시예에 따른 적응식 소용돌이형 분사 및 점화 기술을 통합한 분사기-점화기(1102)를 도시한다. 분사기-점화기(1102)는 다양한 가변 파라메타 조합을 포함하는 적응식 분사 패턴 및 점화 타이밍에 의해 동일한 파워 및 연료 효율의 유발을 가능케 하는 디젤 엔진의 저비용의 대안 연료를 이용하기 위한 외향 개방 연료 밸브(1105)를 포함한다. 상기 파라메타는 연료 압력, 로렌츠 스러스팅 및 코로나 점화를 포함한다.
피팅(1104)을 통해 이송되는 대안 연료의 압력은 압력 조절기(1103)에 의해 제어되며, 점화 특성은 초과 공기의 절연 엔빌로프(insulative envelope) 내에서의 연료 점화를 신속하게 완료하기에 적절한 연료 침투를 유발시키도록 조절된다. 이로 인해, 층상 연료의 하나 이상의 분사 버스트의 신속한 산화를 포함하는 최적화된 공기 기능이 제공된다.
연료 및/또는 산화제 입자의 로렌츠 스러스팅은, 전극들(1110, 1112) 사이의 이온 경로를 초기에 전개하기 위해 케이블(1106)을 통해 충분한 전계 강도(전압)를 인가함으로써 달성된다. 이러한 전도성 이온 경로로 인해 저항이 강하되고, 추가적인 이온의 애벌란시(avalanche)는 도시된 바와 같은 전극들(1112, 1110) 사이의 환형 간격을 따르는 로렌츠 가속을 받는 전류로서 발생된다. 이러한 로렌츠 스러스팅 프로세스는 흡기 행정, 압축 행정 또는 동력 행정 동안 제공될 수 있다. 예컨대, 로렌츠 스러스팅은 활성 산화제에 의해 검출 가능한 클리닝 이온 전류 패턴 또는 다른 작용을 발생시키기 위한 흡기 동안에, 또는 피스톤이 O3, NOX, OH- 및 다양한 다른 이온과 같은 활성 산화제 및/또는 활성 산화제의 층상 전하로서 연소실 내로 방출되는 라디칼을 생성하기 위해 상사점(TDC)에 접근하거나 상사점을 통과할 때 추후의 압축 동안 제공될 수 있다. 연료 입자의 후속적인 로렌츠 가속은, 전극(1110)을 따르는 표면과 전극(1112) 사이에 전류를 발생시키도록 이온을 형성하는데, 이는 부하에 일치되도록 토크를 적응식으로 조절하여 연소 이벤트의 개시 및 완료를 상당히 가속시키기 위해 다른 산화제와 함께 전술한 층상 활성 산화제를 이용하도록, 적응 조절 기간 동안 및/또는 TDC에 근접하는 연소실 내로의 분사들 사이의 간격에서 그리고 동력 행정 동안 전류를 한 번 이상 연속으로 스러스팅한다.
전극 영역들(1114, 1116) 사이의 입자의 이온화를 방지하기에 충분히 짧은 기간 동안 급속히 방전되는 커패시터(1118)를 충전하기 위해 케이블(1108)을 통해 고전압을 인가함으로써 코로나 점화가 발생되어, 방출된 코로나 스트리머(1120; corona streamer)가 연소실 내에 발생됨으로써 연소실 내의 복수의 지점 및 거리에서 더 많은 연소 개시 지점이 생성된다. 이온 스러스팅 및/또는 화학적 산화에 의해 연소실 내에 사전에 제공되는 이온은, 생성 에너지를 포함하는 더 큰 코로나 방전 효율을 제공하여 점화 및 연소 프로세스 이벤트의 완료를 가속시킨다.
외향 개방 밸브(1105)는, 영구 자석(1107)에 의해 전기자(1109)에 인가되는, 그리고 그 결과 전기자(1109, 1111)의 축방향 운동을 위한 저널 베어링으로서도 기능하는 밸브(1105)의 관형 스템(1115)에 인가되는 힘에 응답하여 정상적으로 폐쇄된다. 전기자(1109)는 밸브(1105)를 폐쇄시키고, 밸브(1105) 및 전기자(1109)에 운동 에너지를 신속히 전달하여 연소실 내로의 연료의 유동을 위한 밸브(1105)를 개방하기 위해, 조절 가능한 자유 이동의 마지막에 영향을 주기 이전에 자유 가속 동안 운동 에너지를 획득한 후, 전기자(1111)는 밸브(1105)를 개방한다. 밸브(1105)의 개방은 높은 표면 대 체적 층상 전하 연료 분사의 멀티 버스트(multi-burst)를 제공하기 위해 TDC 근방에서 또는 TDC 이후에 여러 번 반복될 수 있다. 밸브(1105)의 개방은 압축력에 비해 증가된 연료 압력에 의해 도움을 받고, 밸브(1105)의 폐쇄는 연소에 의해 발생된 압력에 의해 도움을 받으며, 전기자(1109, 1111)에 의한 운동 에너지 전개 및 전달 시스템은 매우 신속한 연료 분사 작동을 가능하게 하는데, 이런 연료 분사 작동은 훨씬 더 큰 표면 대 체적 비율을 갖는 분사 연료의 추가적인 서브-버스트(sub-burst)를 발생시키기 위해 한 번 이상의 로렌츠 가속에 의해 추가로 적응식으로 조절될 수 있다. 임의의 실시예에서, 공진 개방과 결부된 연소 압력파는 밸브(1105)의 매우 신속한 폐쇄 및 개방을 가능하게 한다. 다른 실시예에서, 밸브(1105)의 폐쇄 및 개방의 추가적인 가속은, 로렌츠 스러스팅 및/또는 코로나 방전 사이클링의 공진 커플링에 의해 제공된다. 이러한 밸브(1105)의 작동은 개별적인 버스트 또는 다소 조밀한 입자 분포의 유동을 발생시키기 위한 완전한 개방 이벤트 그리고 부분적인 개방 이벤트를 포함한다. 따라서, 연소실 내로의 입자 침투는 유입구의 끼인각의 변동, 유입 속도, 입자 밀도 조절, 및 아이들(idle), 가속, 크루즈 및 풀 파워를 포함하는 작동 모드의 공기 이용 효율을 최대화하기 위한 침투의 정도를 포함한다. 또한, 코로나 점화의 적응식 적용은, 매우 광범위한 연료 선택 및 엔진 작동의 모드에 대해 연료 연소의 매우 신속한 개시 및 완료를 제공하는 데에도 이용될 수 있다. 이러한 적응식 작동 조절의 선택은, 밸브(1105)의 소형 보어 및 밸브 스템(1115) 내부에 밀봉되어 있는 광학 케이블(1117)에 의해 제어기(1119)와 통신하는 연소실 모니터링과 같은 기기 장치에 응답하여 이루어진다.
도 12는 제4 실시예에 따른 적응식 소용돌이형 분사 및 점화 기술을 구체화하는 분사기-점화기(1250)를 도시한다. 분사기-점화기(1250)는 마이크로컴퓨터 또는 프로세서(1251)에 의해 적응식으로 제어되며, 전기자(1254)로부터의 운동 에너지를 캡(1257)을 통해 밸브(1252)의 헤드로 전달함으로써 연료 압력에 대해 신속히 개방되는 내향 개방 연료 제어 밸브(1252)를 포함한다. 밸브 스템(1256)은 전기자(1254)를 위한 선형 운동 베어링 및 운동 에너지 전달 안내 요소로서 기능한다. 하나 이상의 전자석 권선(1262, 1266, 1270 및/또는 1274)에 전류를 인가할 때, 전기자(1254)는 자유 이동(free travel; FT)을 통해 가속되고, 밸브(1252)를 거리 TT-FT로 개방하도록 적응식 선형 이동(TT)을 계속해서 완료할 때 캡(1257)을 통해 밸브(1252)로 운동 에너지를 전달한다. 선형 이동(TT)의 조절은 도시된 바와 같은 나사 조립체(1259)의 회전과 같은 수동식 또는 동력식 내향 운동 또는 외향 운동에 응답하여 폴 부재(1255)를 축방향으로 배치함으로써 달성될 수 있다. 밸브(1252)를 제어하기 위한 유체 유동은 실시예(1250)를 통해 제공되는 임의 개수의 통로를 통해 제공될 수 있으며, 전자석 조립체를 냉각시키기 위해 도면 부호 1264, 1268 및/또는 1272로 부분적으로 도시된 바와 같은 환형 및/또는 반경방향 통로 배열과 같은 적절한 하나 이상의 유체용 유입 통로를 통한 연료 유동 및/또는 냉각제 유동을 포함할 수 있다.
작동 시, 밸브(1252)의 신속한 개방은 전기자(1254)의 조정식 자유 운동 가속에 의해 달성되는 운동 에너지의 전달에 의해 제공되며, 밸브(1252)의 신속한 폐쇄는 적절한 스프링(1252) 및/또는 자석(1258)에 의해 제공되는데, 그런 신속한 폐쇄는 연소실 압력과 상이한 연료 압력에 의해 발생되는 밸브(1252)에 대한 힘에 의해 도움을 받는다. 통로(1296, 1298)를 통한 연소실 내로의 연료 분사는 연료 버스트 패턴(1290)의 층상 전하 전달을 위한 소정의 끼인각을 형성하기 위해 슬롯 또는 홀의 패턴에 의해 달성된다. 또한, 패턴(1290)을 위한 통로는 경사지거나, 분사된 연료 및/또는 냉각제 패턴으로 소용돌이를 유도하기 위한 달리 형성된 볼류트일 수 있다. 패턴(1290)을 위한 슬롯 또는 홀의 각도는 연소실 내로의 유입을 위한 반경방향, 역방향 회전 또는 공명 패턴(sympathetic pattern)을 제공하기 위해 소정의 용례에 대해 조정될 수 있다. 이러한 조정식 단일 버스트 또는 멀티 버스트 연료 분사 시스템은 로렌츠 및/또는 코로나 점화와 함께 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 층상 연료의 하나 이상의 분사 버스트의 신속한 산화, 연료 연소에 의해 방출된 열의 절연, 및 연소에 의해 방출된 열의 일로의 팽창 변환을 포함하는 제어기(1252)에 의한 제어를 위해 기기 장치의 파이버(1260)에 의해 모니터링될 때 공기 기능의 최적화에 따른 연료 연소의 확실한 가속 및 완료를 위해 연료 버스트의 소정의 침투 및 패턴, 및 코로나 점화 이벤트를 적절히 달성하는 에너지 소모 정도 및 빈도에서 전극(1292, 1294)으로부터 달성되는 필드에 응답하여 적응식으로 배출된 코로나 점화(1261)가 발생되어 방출된다.
도 13은 제5 실시예에 따른 적응식 소용돌이형 분사 및 점화 기술을 구체화하는 분사기-점화기(1302)를 도시한다. 분사기-점화기(1302)는 열병합 발전(combined heat and power; CHP) 용례를 포함하는 다양한 목적에 적합할 수 있으며 그리고/또는 혐기성 소화 및/또는 분해 증류 및/또는 다른 해리 또는 전기분해 프로세스에 의해 제공될 수 있는 메탄, 수소, 일산화탄소, 메탄올 또는 에탄올과 같은 비교적 저압인 연료를 사용하는 다른 목적에 적합할 수도 있다. 이러한 용례 및 탱크가 거의 빈 상태인 차량에서, 저압 연료는 1304와 같은 적절한 도관을 통해 분사기-점화기(1302)에 유입되고, 전기자(1310) 상의 권선(1306)과 함께 자석 와이어 권선(1318, 1314)을 냉각시키기 위해 다양한 서브 회로를 통해 내부로 전달된다. 전기자(1310)는 피스톤(1320)의 저마찰 축방향 왕복 운동을 위해 정렬 및 지지되며, 유체 변위 피스톤으로서도 기능한다. 전기자(1310)는 도시된 바와 같이 전자석 또는 영구 자석(1308)으로부터 멀어지게 가압될 때 전자석 전기자(1310)에 의해 가속된다.
연료 제어 밸브(1336)는 공압, 유압, 압전, 자기 변형(magnetostrictive), 또는 전자석 시스템과 같은 적절한 액추에이터에 의해 생성된 힘에 응답하여 개방된다. 전자기 액추에이터 시스템의 예로서, 전기자(1328)는 밸브(1336)의 베어링 핀(1334)에 대해 가속되고, 밸브(1336)를 신속히 개방시키도록 핀(1334) 상의 운동 정지부 또는 단차부에 도달될 때 전달되는 운동 에너지를 전개한다. 전기자(1328)는 밸브(1336)를 복원시키기 위한 자석(1332) 및/또는 스프링(1330)에 의해 정상 폐쇄 위치로 복귀된다.
예시적인 작동 시, 전기자(1310)는 축방향으로 왕복 운동하여, 하나 이상의 적절한 컬렉터 회로 및 1324, 1342' 및/또는 1326과 같은 패스트 체크 밸브(past check valve)로의 다양한 냉각 루트를 통해 도관(1304)으로부터 전달된 유체를 가압하기 위해 부착된 피스톤(1320)을 통해 힘을 인가한다. 후속하여, 가압된 유체는 체크 밸브(1340) 및 도관(1342)을 통해 환형 영역(1338, 1344) 내의 저장조로 진행된다. 1338 및 1344와 같은 저장 영역의 가압은 유체 냉각된 펌프 조립체(1306, 1308, 1310, 1320, 1342, 1342')의 거의 연속적인 작동에 의해 달성될 수 있다. 전기자(1310)의 사이클 주파수 및 행정과, 이로 인한 변위 피스톤(1320)에 의한 가압은, 제어기(1305)에 응답하는 스크류 드라이브(1307) 및 영구 자석(1308)에 의한 것과 같은 임의의 적절한 축방향 변위를 포함하는 조립체의 축방향 운동에 의해 가압 및/또는 저장 작동을 위해 소모되는 에너지를 최적화하도록 적응식으로 조절될 수 있다. 이러한 전기자(1310)의 가속은, 전체 내용이 본 명세서에서 참조되는 미국 특허 제7,129,824호 및 제5,327,120호와, 미국 특허공개 제2012/0095435호에 개시된 당해 기술 분야에 공지된 원리에 따르는 전방 운동 및 복귀 운동일 수 있다. 이는 아이들 및 저출력 요구를 충족시키기 위한 더 낮은 주파수 에너지 절감 모드의 작동과 함께 전출력 요건을 충족시키기 위한 매우 신속한 가압에 대한 적응식 조절을 제공한다.
컴퓨터(1305) 권선(1306, 1314, 1318) 등을 포함하는 전기 전자 부품을 냉각시킨 후에, 메탄, 일산화탄소, 에탄, 프로판, 부탄 및 암모니아 등과 같은 연료는 압축 프로세스에 의해 가열되며, 1344 및 1338과 같은 공간 내에 저장된 연료는 도면부호 1311로 도시된 바와 같은 하나 이상의 열교환기를 통해 순환되는 물 또는 물 및 부동액과 같은 적절한 열 제거 액체로의 열교환에 의해 더 조밀한 저장을 위해 냉각될 수 있다. 예컨대, 점화 및 연소 활성화를 위해 압축 연료 가열을 이용하는 것이 바람직한 경우 이러한 냉각은 적응식으로 감소되거나 생략된다. 연료의 추가적인 가열 및 열 활성화는 저장 구역(1338)에 도시된 1315와 같은 요소, 영역(1344) 내의 요소, 및 다른 연료 전달 경로 내의 요소를 통한 저장 또는 유도 가열에 의해 제공될 수 있다. 이렇게 유리한 연료 활성화를 위한 가열은 엔진 감속, 재생 차량 브레이킹, 1306 및/또는 1314 및/또는 1318과 같은 권선으로부터의 플라이백 에너지(fly-back energy)의 재생 이용, 연소실 가스로부터의 전도에 의한 열전달 및/또는 열전기 발생으로부터의 에너지와 함께, CHP 작동으로부터의 잉여 열 및/또는 전기의 오프 피크(off-peak) 용례의 에너지 변환을 포함할 수 있다.
전극(1317 및/도는 1319)은 도 3a 내지 도 4b에 도시된 전극 구성요소와 유사한 대향하는 표면에 유사한 시계방향 또는 반시계방향 핀 및 채널 구조체를 가질 수 있으며, 복합 구성요소로서 통합된 영구 자석을 갖고 그리고/또는 통합된 또는 중첩된 전자석을 포함하는 자기 재료로 구성될 수 있다. 이러한 구성요소로 인해, 연소실(1348) 내부에 광범위한 연료 유입 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 자석의 극 배향 및 필드 패턴은 연소실(1348)의 중앙부를 향해 이온을 초기에 가속시키기 위한 힘을 제공할 수 있으며, 압력 강하 및/또는 전자석 성형 및/또는 전극 구성요소 성형, 및/또는 1346으로 도시된 패턴으로부터 멀어지는 방향의 또는 패턴 내의 로렌츠 스러스팅에 의한 연료 분사의 조절에 의해 더 큰 끼인각이 조정식으로 형성될 수 있다.
컴퓨터(1305)는 유리한 활성화를 위해 유지되는 온도를 제어하며, 열적 열화로 인한 연료 잔류물 및/또는 다른 침전물의 퇴적을 방지하기 위해 상한 온도를 제한한다. 그런 연료 온도의 제어는 전극(1317)을 통해 그리고 연소실(1348) 내에서의 론칭 벡터(launch vector)의 소정의 확장을 유발시키기 위한 핀 및/또는 채널과의 상호작용을 형성함으로써 1321과 같은 소용돌이 통로를 통과하는 유동에서 발생되는 유체 역학에 영향을 미친다. 이로 인해, 전극(1317)과 전극(1319) 사이의 최대 압력 강하 및/또는 증가된 전류에 상응하는 것으로 도시된 바와 같은 각도(1346) 내에서 변화되는 바와 같이, 더 큰 끼인각 어레이에 대한 전극(1317)과 전극(1319) 사이의 증가된 압력 강하 및/또는 증가된 전류 크기의 결과로서 어레이(1346)를 생성하기 위해 자기 포커스(1346)로부터 향상된 소용돌이 분리(swirl separation)까지의 연료 이온 및 스위핑된 연료 벡터의 끼인각의 광범위한 변동이 가능하다.
도 14는 제6 대표 실시예에 따른 적응형 소용돌이식 분사 및 점화 기술을 채용하는 분사기-점화기(1450)를 도시한다. 분사기-점화기(1450)는, 특히 바람직하게는 CHP 용례를 포함한 다양한 작동 모드를 가능하게 하도록 적합하게 될 수 있다. CHP 용례는, 주기적인 압력에 의해 축방향으로 연장되는 기밀 밀폐된 벨로우즈 또는 다이어프램(1460)을 이용하는 유압 가압식 압축기-펌프에 의해 가압되는 저압 연료 성분을 생성하도록, 혐기성 소화, 열해리, 및/또는 에너지 작물 및/또는 유기 폐기물의 분해 증류를 제공한다. 이러한 압력은 엔진 오일 및/또는 연료 펌프 등의 적절한 소스에 의해 적절한 유체 회로를 통하여 공급되어, 피스톤(1420)에 축방향 힘을 보충 또는 제공하거나, 전기자(1410; armature) 상의 전자기 자기 권선(1406), 전자석 또는 영구 자석(1408)을 포함한 전자기력 발생 시스템과 연동하여 그러한 작용을 하도록 되어 있다. 기밀 밀폐된 다이어프램(1460)의 주기적인 유압 가압 및 감압에 의해 피스톤(1420)이 강제로 왕복 이동될 수도 있으며, 이러한 왕복 이동은, 1462 등의 적절한 피팅으로부터 1464 등의 하나 이상의 도관을 통하여 제공될 수 있는 주요 펌프 사이클 또는 적절한 밸브 작용에 의해 적용될 수도 있다. 이러한 유압 대체 연료 가압을 전기 구동 솔레노이드 가압과 조합함으로써, 전기 시스템은 저압 연료 소스로 신속한 기동을 위한 가압 연료를 공급할 수 있다. 이어서, 유압식 가압에 의해, 파워 및 성능 요건을 효율적으로 만족시키도록 매칭되는 부하(load)와 함께 최적 압력의 빠른 전개를 제공할 수 있다.
많은 경우에, 디젤 엔진은 윤활유 등을 가압하는 캠 구동식 피스톤 펌프를 구비하지만, 훨씬 높은 압력에 대해서는, 직접 분사식 연료 펌프를 구비한다. 이들 펌프 중 하나 또는 양자 모두는, 대체 연료 압축의 제1 스테이지, 필요에 따라, 후속의 추가 압축을 위한 윤활유 펌프로부터의 저압의 인가 등에 의해 활용되어, 연료 펌프에 의해 공급된 주기적 압력에 의해 영역 1438 및 1444에서 훨씬 높은 압력을 축적할 수 있다. 이러한 단계적 펌핑에 있어서는, 1460과 같은 다이어프램을, 압축 가스를 냉각 또는 가열하는 열 교환기(1411)와 함께 다양한 내부 통로 도관에 적합할 수 있는 관련 피스톤(1420) 및 밸브(1426, 1440) 및 기타 구성 요소와 함께 내부 공간(1450) 또는 다른 적절한 하우징(도시 생략) 내에 위치시켜, 수리, 보수 및 열 제거(heat removal)를 용이하게 할 수 있다. 통상의 인라인 또는 로터리 디젤 분사기 펌프는 엔진의 캠 속도로 조작되고, 20,000 내지 30,000 PSIG의 압력을 생성하고, 파워 요구에 따른 대체 연료 흐름의 우수한 매칭을 제공한다.
기상 연료 펌핑에 파워를 공급하기 위하여 윤활유 압력을 이용한 후에, 압축기 구동 펌프를 나가는 오일은, 밸브 트레인, 피스톤, 캠 및 크랭크 샤프트 등을 포함한 엔진의 상대 이동 부품을 윤활하도록 정향될 수 있다. 디젤 연료 가압 서비스로부터 현재의 점화 시스템에 의한 기상 연료 가압으로 전환하여 고압 연료 펌프의 용도를 변경함으로써, 디젤 연료 펌프는, 기상 연료의 적절한 가압을 위한 낮은 파워 요건으로 훨씬 적은 마모 및 피로 응력을 갖게 동작할 수 있다. 예시적으로, 디젤 연료 가압을 위한 20,000 내지 30,000 PSI에서의 조작은, 현재의 연소 활성화 및 점화 시스템과 연동하여 기상 연료의 적절한 가압을 위한 800 내지 2,800 PSI로 완화될 수 있다.
1438 및 1444 등의 영역에 저장된 가압 연료는, 1415 등의 적당한 히터에 의해 적응식으로 가열되어, 신속한 점화 및 연소를 위하여 압력 및/또는 활성화 상태를 향상시킨다. 높은 표면에 의해 용이하게 된 열 교환을 통한 연소실 가스로부터 용적 전극 특징부(1456, 1453, 1452)로의 추가 가열에 의해, 활성화 에너지의 추가의 수집 및 전달이 가능하게 된다. 열(thermal) 및/또는 고압 휘슬 또는 초음파 주입에 의해, 압축 산화제의 분사 및 침투 시에 연소를 충분하게 하는 DEE, DME, 카르바졸 및/또는 다양한 첨가물(additives) 등의 많은 연료를 선택할 수 있게 된다. 전극 포인트들(1452)에 의해 개시되고, 전극들(1453, 1456) 사이에 전류가 빠르게 형성됨에 따라 연소실을 향해 추진되는 이온 전류의 추가의 로렌츠 가속에 의해, 적응 엔진 동작에 있어서의 활성화 및 점화에 대한 다른 선택이 제공된다.
스파크형의 방전을 형성하는 속도를 초과하는 충분히 빠른 속도로 전극(1456) 내외로의 전기장이 형성되면, 투사식 코로나 이온화 및 점화가 제공된다. 이러한 보다 효율적인 코로나 방전의 형상은, 연소실 내에서 끼인각(1461) 내의 소용돌이 유도 이온 및/또는 연료 입자 벡터 투사(projections)의 패턴으로 발생된다. 이에 의해, 전기 에너지를 유효하게 이용하여 가속된 층상 연소(stratified charge combustion)를 달성한다.
적응식으로 선택된 점화 시스템은, 분사된 연료를 점화시키고 완전 산화시키는 오존, NOx 및/또는 기타 이온을 제공하는 로렌츠 및/또는 코로나 시스템에 의한 산화제 활성화와, 열, 코로나 및/또는 로렌츠 시스템에 의해 생성되는 연료 입자 이온의 유사한 산화제 활성화 및 분사, 그리고 열, 음향, 코로나 및/또는 로렌츠 시스템에 의해 생성되는 기타 활성화 상태 및/또는 연료 입자 이온의 직접 분사를 포함한다.
전극(1456 및/또는 1453)으로부터 스파크 이온화 또는 코로나 방전에 의한 연소실 내에서의 오존(O3) 및/또는 NOx 등의 고도로 활성화된 산화제의 적응 생성은, 연소의 시작 및 완료를 크게 가속시킨다. 크랭크 또는 캠 샤프트 가속도 검출 및/또는 연소실 이벤트 모니터링에 반응하여, 오존 및/또는 NOx 등의 활성화된 산화제의 적응 생성은 최적화된 크랭크 각도로 개시하는 타이밍에 이루어질 수 있고, 가열, 코로나 또는 기타 점화 시스템에 의한 연료 점화 및 연소 활성화에 따라 토크 및 성능 요건을 만족시키는 적응적으로 결정된 주기 및 주파주에 대하여 계속될 수 있다.
밸브(1436)의 1회 이상의 개방 시에, 가압 연료의 하나 이상의 버스트(1446)가 통로(1457)를 통하여 유체 분배 채널(1459)에 들어가고 연소실 산화제 내에 주입되어, 결과적인 성층 연료-산화제 혼합물 전체에 걸쳐 방출된 활성화된 산화제 및/또는 휘슬 또는 초음파 활성화 및/또는 로렌츠 및/또는 코로나 방전에 의해 그러한 연료의 점화가 가속화된다.
본원 명세서에서 설명한 구조 및 시스템에 있어서 고유한 임의의 진행 단계를 포함할 수 있는 방법도 본원 명세서에 있어서 또한 고려된다. 대표적인 실시예에 있어서, 방법은, 두 전극들 사이의 환형 영역에 연료를 도입하는 것과, 두 전극을 가로질러, 그리고 연료를 통하여 전류를 제공하여 플라즈마를 형성하는 것과, 두 전극을 가로질러 전류를 유지하여, 플라즈마를 환형 영역으로부터 연소실로 구동하는 로렌츠 힘을 형성하는 것과, 환형 영역으로부터 구동될 때에 연료 및 플라즈마에 회전을 부여하는 것을 포함한다. 실시예에 있어서, 방법은, 두 전극에 전압을 고속으로 인가하는 것을 더 포함하여, 두 전극 사이의 이온화가 회피되며, 이로써 코로나 방전이 연소실 내로 연장되게 된다. 다른 실시예에 있어서, 연소실은 회전하는 산화제를 수용하고, 연료 및 플라즈마의 회전은 회전하는 산화제와 반대이다. 또 다른 실시예에 있어서, 연료 및 플라즈마의 회전은 회전하는 산화제의 방향과 동일하다. 일부 실시예에 있어서, 연료 및 플라즈마의 회전은, 두 전극 중 적어도 하나에 배치된 복수의 유동 성형 특징부를 통해 부여된다. 다른 실시예에 있어서는, 자기장에 의해 회전이 유도된다.
이상으로부터, 본원 명세서에서 예시를 목적으로 기술의 특정의 실시예를 설명하였지만, 기술의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변형이 있을 수 있다는 것은 명백하다. 또한, 특정의 실시예의 내용에서 설명한 새로운 기술의 특정 양태는 다른 실시예에서는 조합되거나 생략될 수도 있다. 또한, 기술의 특정의 실시예와 관련한 이점을 이들 실시예의 내용에서 설명하였지만, 다른 실시예가 이러한 이점을 나타낼 수도 있고, 모든 실시예가 반드시 기술의 범위 내에 있는 이러한 이점을 나타낼 필요는 없다. 따라서 개시 및 관련 기술은 본원 명세서에서 명시적으로 설명하거나 도시하지 않은 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 개시는, 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다. 이하의 예들은 본 기술의 추가의 실시예를 제공한다.
예
1. 연료 분사기-점화기로서,
하우징,
액추에이터, 및
액추에이터의 작동에 응답하여 밸브 시트에 대해 개방 및 폐쇄를 행하도록 작동되는 밸브 헤드를 포함하는 밸브
를 포함하며, 밸브 시트는 밸브 헤드 너머에 그리고 하우징 내에서 연장되어 적어도 하나의 간격을 형성하는 전극 부분을 포함하고,
하우징과 전극 부분 사이의 전류 방전은 플라즈마 및 적어도 하나의 간격으로부터 플라즈마를 구동하는 전자기력을 형성하는 것인 연료 분사기-점화기.
2. 예 1에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 전극 부분은 복수 개의 유동 성형 특징부를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
3. 예 2에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 복수 개의 유동 성형 특징부는 전극 부분 주위에 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
4. 예 3에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 핀은 뒤틀려 있으며, 이에 따라 플라즈마에 회전을 부여하도록 작동되는 것인 연료 분사기-점화기.
5. 예 1에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 전극 부분은 환형 간격과 유체 연통하는 복수 개의 포트를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
6. 예 1에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서,
하우징 및 밸브 시트에 연결되며 전류 방전을 제공하도록 작동하는 전원
을 더 포함하는 연료 분사기-점화기.
7. 예 1에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 적어도 하나의 간격은 환형 간격인 것인 연료 분사기-점화기.
8. 예 1에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 전극 부분은 자기 재료(magnetic material)를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
9. 연료 분사기-점화기로서,
하우징,
전원,
액추에이터,
밸브 시트와, 밸브 시트 너머에 그리고 하우징 내에서 연장되어 환형 간격을 형성하는 전극 부분을 포함하는 밸브 시트 전극, 및
액추에이터의 작동에 응답하여 밸브 시트에 대해 개방 및 폐쇄를 행하도록 작동하는 밸브 헤드를 포함하는 밸브
를 포함하며, 전원은 하우징과 전극 부분 사이에서 전류 방전을 생성하도록 작동하여 플라즈마 및 환형 간격으로부터 플라즈마를 구동하는 전자기력을 형성하는 것인 연료 분사기-점화기.
10. 예 9에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 전극 부분은 복수 개의 유동 성형 특징부를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
11. 예 10에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 복수 개의 유동 성형 특징부는 전극 부분 주위에 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
12. 예 11에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 핀은 뒤틀려 있으며, 이에 따라 플라즈마에 회전을 부여하도록 작동하는 것인 연료 분사기-점화기.
13. 예 9에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 전극 부분은 환형 간격과 유체 연통하는 복수 개의 포트를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
14. 예 9에 따른 연료 분사기-점화기에 있어서, 전극 부분은 자기 재료를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
15. 연소 챔버 내에서 연료를 분사 및 점화하는 방법으로서,
2개의 전극 사이의 환형 영역 내로 연료를 도입하는 단계,
플라즈마를 형성하기 위해 2개의 전극을 가로질러 그리고 연료를 통해 전류를 공급하는 단계,
환형 영역으로부터 그리고 연소 챔버 내로 플라즈마를 구동하는 로렌츠 힘을 형성하기 위해 2개의 전극을 가로질러 전류를 유지하는 단계, 및
환형 영역으로부터 구동될 때 플라즈마 및 연료에 회전을 부여하는 단계
를 포함하는 방법.
16. 예 15에 따른 방법에 있어서,
2개의 전극에 대한 전압의 신속한 인가를 적용하는 단계
를 더 포함하여, 2개의 전극 사이에서의 이온화를 방지함으로써, 코로나 방전이 연소 챔버 내로 연장되도록 하는 것인 방법.
17. 예 15에 따른 방법에 있어서, 연소 챔버는 회전하는 산화제를 수용하며, 연료 및 플라즈마의 회전은 상기 회전하는 산화제와 반대되는 것인 방법.
18. 예 15에 따른 방법에 있어서, 연소 챔버는 회전하는 산화제를 수용하며, 연료 및 플라즈마의 회전은 상기 회전하는 산화제와 동일 방향인 것인 방법.
19. 예 15에 따른 방법에 있어서, 연료 및 플라즈마에 대한 회전은 2개의 전극 중 적어도 하나에 배치되는 복수 개의 유동 성형 특징부를 통해 부여되는 것인 방법.
20. 예 15에 따른 방법에 있어서, 연료 및 플라즈마에 대한 회전은 자기장에 의해 유도되는 것인 방법.

Claims (20)

  1. 연료 분사기-점화기로서,
    하우징,
    액추에이터, 및
    액추에이터의 작동에 응답하여 밸브 시트에 대해 개방 및 폐쇄를 행하도록 작동되는 밸브 헤드를 포함하는 밸브
    를 포함하며, 밸브 시트는 밸브 헤드 너머에 그리고 하우징 내에서 연장되어 적어도 하나의 간격을 형성하는 전극 부분을 포함하고,
    하우징과 전극 부분 사이의 전류 방전은 플라즈마 및 적어도 하나의 간격으로부터 플라즈마를 구동하는 전자기력을 형성하는 것인 연료 분사기-점화기.
  2. 제1항에 있어서, 전극 부분은 복수 개의 유동 성형 특징부를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  3. 제2항에 있어서, 복수 개의 유동 성형 특징부는 전극 부분 주위에 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  4. 제3항에 있어서, 핀은 뒤틀려 있으며, 이에 따라 플라즈마에 회전을 부여하도록 작동되는 것인 연료 분사기-점화기.
  5. 제1항에 있어서, 전극 부분은 환형 간격과 유체 연통하는 복수 개의 포트를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  6. 제1항에 있어서,
    하우징 및 밸브 시트에 연결되며 전류 방전을 제공하도록 작동하는 전원
    을 더 포함하는 연료 분사기-점화기.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 간격은 환형 간격인 것인 연료 분사기-점화기.
  8. 제1항에 있어서, 전극 부분은 자기 재료(magnetic material)를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  9. 연료 분사기-점화기로서,
    하우징,
    전원,
    액추에이터,
    밸브 시트와, 밸브 시트 너머에 그리고 하우징 내에서 연장되어 환형 간격을 형성하는 전극 부분을 포함하는 밸브 시트 전극, 및
    액추에이터의 작동에 응답하여 밸브 시트에 대해 개방 및 폐쇄를 행하도록 작동하는 밸브 헤드를 포함하는 밸브
    를 포함하며, 전원은 하우징과 전극 부분 사이에서 전류 방전을 생성하도록 작동하여 플라즈마 및 환형 간격으로부터 플라즈마를 구동하는 전자기력을 형성하는 것인 연료 분사기-점화기.
  10. 제9항에 있어서, 전극 부분은 복수 개의 유동 성형 특징부를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  11. 제10항에 있어서, 복수 개의 유동 성형 특징부는 전극 부분 주위에 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  12. 제11항에 있어서, 핀은 뒤틀려 있으며, 이에 따라 플라즈마에 회전을 부여하도록 작동하는 것인 연료 분사기-점화기.
  13. 제9항에 있어서, 전극 부분은 환형 간격과 유체 연통하는 복수 개의 포트를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  14. 제9항에 있어서, 전극 부분은 자기 재료를 포함하는 것인 연료 분사기-점화기.
  15. 연소 챔버 내에서 연료를 분사 및 점화하는 방법으로서,
    2개의 전극 사이의 환형 영역 내로 연료를 도입하는 단계,
    플라즈마를 형성하기 위해 2개의 전극을 가로질러 그리고 연료를 통해 전류를 공급하는 단계,
    환형 영역으로부터 그리고 연소 챔버 내로 플라즈마를 구동하는 로렌츠 힘을 형성하기 위해 2개의 전극을 가로질러 전류를 유지하는 단계, 및
    환형 영역으로부터 구동될 때 플라즈마 및 연료에 회전을 부여하는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    2개의 전극에 대한 전압의 신속한 인가를 적용하는 단계
    를 더 포함하여, 2개의 전극 사이에서의 이온화를 방지함으로써, 코로나 방전이 연소 챔버 내로 연장되도록 하는 것인 방법.
  17. 제15항에 있어서, 연소 챔버는 회전하는 산화제를 수용하며, 연료 및 플라즈마의 회전은 상기 회전하는 산화제와 반대되는 것인 방법.
  18. 제15항에 있어서, 연소 챔버는 회전하는 산화제를 수용하며, 연료 및 플라즈마의 회전은 상기 회전하는 산화제와 동일 방향인 것인 방법.
  19. 제15항에 있어서, 연료 및 플라즈마에 대한 회전은 2개의 전극 중 적어도 하나에 배치되는 복수 개의 유동 성형 특징부를 통해 부여되는 것인 방법.
  20. 제15항에 있어서, 연료 및 플라즈마에 대한 회전은 자기장에 의해 유도되는 것인 방법.
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