KR20160102967A - 가스 보조식 유체 분무 분사기 - Google Patents

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Abstract

가압 액체 공급부, 가압 가스 공급부, 몸체, 액체와 가스 각각을 위한 두 개 이상의 오리피스를 갖는 노즐을 구비하고, 내연 기관의 실린더에 직접 분사하기 위한 액체 분사 분무기가 제공된다. 각 오리피스는 분사기 몸체의 밖으로 계량된 가압 액체 또는 가스의 제트를 보낸다. 액체 제트들의 적어도 두 개의 제트는 하나 이상의 충돌 지점을 향하게 되며, 적어도 두 개의 가스 제트 스트림이 동일한 충돌 지점 도는 다른 충돌 지점에서 충돌하며, 이에 의해 미세하게 분무되는 액체를 생성한다.

Description

가스 보조식 유체 분무 분사기{GAS-ASSISTED FLUID ATOMIZING INJECTOR}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 본 명세서에 그 개시 내용이 참조로 통합되어 있는 2013년 10월 15일에 출원된 미국 가특허출원 제61/891,111호에 대한 우선권을 주장한다. 또한, 본 출원은 발명의 제목 "충돌 제트를 이용한 액체 분사 분무기"라는 공통 소유의 계류 중인 2013년 10월 15일에 출원된 미국 가특허출원 제61/891,118호의 개시 내용 전체를 원용하여 포함한다.
본 발명은 분무 액체를 생성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 가스 보조식 분무 액체 분사기에 관한 것이다.
일반적으로 압력 분무기에서 분무의 품질은 가스 매질을 통해 추가 에너지를 제공함으로써 향상된다. 두 가지 보편적인 기술, 즉 가스 보조 기술 및 가스 블라스트 기술이 종래 기술에 채용되고 있다. 가스 보조 및 가스 블라스트는 유사한 원리로 작동하지만, '공기' 성분의 정량적인 관점에서 상이하다. 가스 보조 기술에서는 매우 높은 속도(또는 압력)에서 소량의 공기가 사용되는 반면에, 가스 블라스트 기술에서는 낮은 속도에서 상대적으로 대량의 공기가 사용된다. 공기의 양 및 속도 모두는, 분무되는 액체의 관련 파라미터에 대하여 상대적인 것으로 이해되어야 한다. 모든 경우에, 분무는 약간의 난류와 함께 오리피스를 빠져나오는 액체 기둥을 분열시키는 공기-전단(air-shear)에 의존하며 약간의 증발도 이루어질 수 있다. 가스 또는 공기는 동일한 압력에서 분무되는 액체와 비교하여 동일한 압력에서 더 높은 속도를 성취하는 것이 이해된다.
또한, 공기 및 액체 스트림들이 상호 작용하는 것을 규정하는 두 가지 보편적인 기술, 즉 두 개의 스트림이 분무기 몸체 안에서 상호 작용하는 경우인 '내부 혼합 유형'과 두 개의 스트림이 개별적인 오리피스를 빠져나온 후에 밖에서 두 개의 스트림이 상호 작용하는 '외부 혼합 유형'이 있다. 이들 양자의 개념에서 분무는 액체 제트(jet) 또는 액막(liquid film) 위로 이동하는 공기의 난류 전단 작용에 기인한다.
공통 초점에서 둘 이상의 가스 또는 공기 제트가 중앙의 하나의 액체와 충돌하는 분무기들이 또한 알려져 있다. 둘 이상의 동축 복합 제트가 공통 초점에서 충돌하는 다른 설계 방식이 또한 알려져 있다.
본 발명의 일 실시예는 분사기 몸체, 및 상기 분사기 몸체의 내부 또는 외부의 가스 오리피스를 통한 유동 혹은 압력을 조절하도록 구성된 가스 조절 수단을 구비한 분무 분사기이다.
분사기 몸체는 액체 입구, 상기 몸체 내에 또는 몸체 외측의 액체 유량조절(metering) 수단, 및 노즐을 포함하는 액체 출구를 구비한 구조로 되어 있다. 노즐은 내부 단부, 외부 단부, 및 내부 단부에서 유래하며 개별적인 액체 오리피스를 구비한 외부 단부에서 종료하는 두 개 이상의 통로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 가압 액체(pressurized liquid)는 두 개 이상의 통로를 통하여 각 통로를 종료하는 오리피스로 보내지고, 적어도 하나의 가스 제트가 가스 오리피스를 통하여 보내지며, 각 액체 오리피스 및 각 가스 오리피스는 가압 액체 및 가스의 제트를 각각 보낸다. 오리피스는 적어도 두 개의 액체 제트와 두 개의 가스 제트가 분사기 외부의 하나 이상의 공통 초점을 향하도록 형성되며, 각 초점에서 가압 액체 제트와 가스 제트의 충돌은 액체의 분무 형태를 생성한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 분사기는 초점에서 충돌하는 적어도 두 개의 액체 제트, 및 초점에서 충돌하는 적어도 두 개의 가스 제트를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 충돌하는 액체 제트의 초점은 충돌하는 가스 제트의 초점과 동일하다. 본 발명의 실시예에서, 충돌하는 액체 제트의 초점은 충돌하는 가스 제트의 초점과 다르다.
본 발명의 실시예에서, 각 액체 제트와 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 5°내지 85°이다. 다른 실시예에서, 각 가스 제트와 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 0°내지 75°이지만, 0°는 제외되며 75°는 포함된다. 다른 실시예에서, 각 액체 제트와 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 5°내지 85°이고, 각 가스 제트와 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 0°내지 75°이지만, 0°는 제외되며 75°는 포함된다.
본 발명의 실시예에서, 액체에 적용되는 압력은 0 내지 3000 바(bar)이며, 그 범위 사이의 임의 값일 수 있다. 가스는 0 내지 200 바 사이에서 가압된다. 액체 유량조절 수단은 정확한 액체 유동량을 제공하며 가스 유량조절 수단은 정확한 가스 유동량을 제공한다. 액체 유량조절 수단은 정확한 시작 및 중지 시간을 제공하고, 가스 유량조절 수단은 정확한 시작 및 중지 시간을 제공한다. 액체에 적용되는 압력은 실시예에서 주위 압력의 공간에서 분무되는 경우 약 2 바 내지 약 100 바일 수 있다. 만약 액체가 높은 압력의 공간 내로 분사되는 경우, 분무 압력은 약 30 바 내지 약 2000 바 범위일 수 있다. 가스는 약 1 바 내지 약 40 바로 가압된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 오리피스를 빠져나가는 액체 제트의 속도는 5 m/s를 초과한다. 대안으로, 오리피스를 빠져나가는 액체 제트의 속도는 50 m/s를 초과한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 임의의 액체 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 분사기 몸체 직경의 3배 미만이다. 대안으로, 임의의 액체 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 가장 먼 두 개의 오리피스 간의 거리의 3배 미만이고, 다른 실시예에서 임의의 액체 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 어느 쪽이든 더 작은 가장 먼 두 개의 액체 오리피스 혹은 가스 오리피스 사이의 거리보다 작다.
본 발명의 다른 실시예에서, 오리피스 직경은 50 ㎛ 초과이다. 액체 제트 또는 가스 제트는 별개의 노즐에 의해 생성된다.
액체는 물, 수용액, 현탁액(suspension) 및 유화액(emulsion) 중에서 선택된다. 액체는 가솔린(휘발유), 디젤, 알콜, JP8, 등유, 및 그 혼합물 중에서 선택된 연료이다. 분사기는 왕복식 내연 기관, 회전식 내연 기관, 가스 터빈 엔진 및 제트 엔진 중에서 선택된 엔진에 사용된다. 분사기는 충돌하는 2 내지 30 개의 액체 제트 및 충돌하는 2 내지 30 개의 가스 제트를 갖는다.
본 발명의 실시예에서 아래에서 설명하는 바와 같은 가스 보조식 분사기를 사용하여 유체를 분무하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예의 전술한 특징 및 다른 특징, 양태 및 장점들은 이하의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부된 도면들을 참조하면 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 레이놀드 수 Re = (V.d.ρ)/μ의 함수로서 구형 액적(droplet)의 항력 계수를 나타내는 그래프인데, 여기에서 V는 액적과 매질 간의 상대 속도이고, d는 m 단위로 표시되는 액적 직경이고, ρ는 kg/m3 단위로 표시되는 매질 밀도이고, μ는 (Pa.s) 또는 (kg/m/s) 단위로 표시되는 매질의 점성이다.
도 3은 본 발명에 채용될 수 있는 비제한적인 다양한 패턴의 오리피스를 도시한 도면이다.
용어 해설 목록
아래에 열거하는 용어는 본 발명의 분무기의 구조 및 작동에 대한 상세한 설명을 용이하게 하기 위하여 정의된다.
ΔP : Pa 단위로 나타내는 분사 압력(주위 압력 이상)
A0 : m2 단위로 나타내는 오리피스 면적 = πd0 2/4
d0 : m 단위로 나타내는 오리피스 직경
EFP : 등가 힘 파라미터
ρ : kg/m3 단위로 나타내는 밀도
σ : N/m 단위로 나타내는 표면 장력
Cd : 오리피스 배출 계수
Cv : 오피피스 속도 계수
n : 오리피스 또는 분출 제트의 수
W : kg/s 단위로 나타내는 질량 유동률 = n x Cd x A0(2ΔP x ρ)1/2
Q : m3/s 단위로 나타내는 체적 유동률 = W/ρ = n x Cd x A0(2ΔP/ρ)1/2
α : 분출 제트 축과 몸체 축 사이의 각도, 경우마다 α = φ 또는 θ
RoEinA : 축선 방향에서 에너지 유입률 = W(ΔP/ρ)Cos2α
RoEinR : 방사상 방향에서 에너지 유입률 = W(ΔP/ρ)Sin2α
RoMinA : 축선 방향에서 모멘텀 유입률 = W(2ΔP/ρ)1/2Cosα
RoMinR : 방사상 방향에서 모멘텀 유입률 = W(2ΔP/ρ)1/2Sinα
V : m/s 단위로 나타내는 오리피스 속도, V = Cv.(2ΔP/ρ)1/2
명료함으로 위해, 아래 첨자 "L"을 사용하여 아래에서 참조하여 표시된 모든 파라미터 및 변수는 그 파라미터 또는 변수가 액체에 대한 것을 나타내며, 아래 첨자 "g"를 사용하여 표시된 모든 파라미터 및 변수는 그 파라미터 또는 변수가 가스에 대한 것을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 여러 가지 가능한 실시예들이 도시되어 있다. 중심 축선 a-a를 갖는 분사기 몸체(1)가 단지 예시적인 목적을 위해 분사기 팁 부분으로 도시되어 있다. 분사기 몸체(1)는 개별적인 입구 통로(4 및 5)와 유체 연통하는 환형(환상) 캐비티(2, 3)를 포함한다. 환형 캐비티(2)로부터, 점선으로 표시된 복수의 배출 통로들은 제트로서 캐비티(2)에 공급되는 가압 유체를 통과시키고, 분사기 몸체(1)의 외부 상의 개별적인 출구 오리피스를 통해 각각 개별적인 초점(P1, P2, P3)에 집중시키며 각도(φ1, φ2, φ3)로 경사지게 한다. 마찬가지로 환형 캐비티(3)로부터, 점선으로 표시된 복수의 배출 통로들은 제트로서 캐비티(3)에 공급되는 예컨대 공기 또는 스트림 그리고 회전 내연 기관에서의 EGR 타입 가스와 같은 가스인 제2 가압 유체를 통과시키고, 분사기 몸체(1)의 외부 상의 개별적인 출구 오리피스를 통해 각각 개별적인 초점(P1, P2)에 집중시키며 각도(θ1, θ2)로 경사지게 한다.
도 1에서, 내연 기관에 실시되는 경우 각 실린더를 위해, 가압 유체와 가스를 각각 제공하는 환형 캐비티(2, 3)의 구성 및 본사기 몸체(1)는 본 명세서에서 설명하는 것과 같은 방식으로 예컨대 압축 사이클마다 실린더에서 연소를 위하여 온도 및 압력이 제어된 상태에서 균일 급기(charge)를 제공하도록 엔진의 실린더 헤드 부분에 장착된다. 연료 저장소는 연료 펌프(도시하지 않음, 커먼 레일과 유사)에 연료를 공급하는데, 연료 펌프는 본 명세서에서 설명하는 것과 같은 방식으로 분사기 외부의 초점을 향하여 엔진 실린더에 액체 기둥으로 직접 급기하기 위해, 입구 통로(4) 또는 유사한 이송 수단을 경유하여 분사기 몸체 예컨대 각 캐비티(2)로 가압 유체 예컨대 연료 또는 물을 솔레노이드 제어식 핀틀(pintle) 또는 압전 제어식 핀틀 또는 유사한 유량조절 수단(도시하지 않음)에 의해 정확하고 제어가능한 시작 및 중지 시간에 조절된 양을 공급한다. 약정 시간 제어하에서 가스 압축기는 솔레노이드 제어식 핀틀 또는 압전 제어식 핀틀 또는 유사한 유량조절 수단에 의해 입구 통로(5) 또는 유사한 이송 수단을 경유하여 분사기 몸체 예컨대 각 캐비티(3)로 가압 가스를 공급하며, 정확하고 제어가능한 시작 및 중지 시간에 조절된 양의 가압 가스 제트가 액체 기둥을 분열시키기 위한 초점을 향해 분사되어 분사기 몸체(1)가 가스 보조식 분무 형태의 액체를 실린더에서의 연소를 위한 실린더 챔버 내로 제공하게 된다. 실시예에서, 점화 코일은 실린더 헤드 부분에서 분사기 몸체(1)의 중앙 가까이 장착된 점화 플러그(도시하지 않음, 전적으로 SI 타입 엔진을 위한)의 점화를 제어한다.
실시예에서, 액체 제트 및 가스 제트를 위한 배출 통로들은 동일한 초점에서 충돌하도록 경사져 있다. 다른 실시예에서, 액체 제트 및 가스 제트를 위한 배출 통로들은 다른 초점에서 충돌하도록 경사져 있고, 따라서 두 개 이상의 별개의 충돌 지점을 형성한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 분사기 몸체의 외부 상의 출구 오리피스들은 분사기 몸체의 축선 a-a로부터 동일한 방사상 거리에 배열되고, 등각으로 이격되어 있다.
실시예에서, 출구 오리피스들은 분사기 몸체의 중심 축선으로부터 동일한 방사상 거리에 배열되고, 부등각으로 이격되어 있다. 실시예에서, 분사기 몸체는 외부 단부에 오목부를 획정하고, 액체 및 가스 제트 출구 오리피스들은 상기 오목부 내에 있다.
실시예에서, 인접한 오리피스까지 분사기 축선 a-a을 따라 출구 오리피스로부터 초점까지의 라인에 의해 형성되는 각도는 임의 평면상의 모든 오리피스에 대해 동일하다.
실시예에서, 도 3에 실시 형태 "D"에서 알 수 있는 것과 같이, 선택적인 오리피스가 축선 a-a를 따라 분사기 몸체의 중앙에 추가로 제공될 수 있다.
실시예에서, 출구 오리피스의 수는 2 이상이며, 50 개의 오리피스와 같이 많은 수일 수 있다. 유체 역학에 따르면 두 개의 오리피스로부터의 액체 제트는 충돌 후에 평탄한 팬 형상(fan shaped) 확산 구름을 나타내게 되지만, 세 개 이상의 오리피스는 삼차원적인 둥근 구름을 나타내게 될 것이다. 오리피스의 수가 많을수록 액체의 출력이 커질 것이다(다른 모든 인자가 동일하면). 엔진 적용에서 예컨대 차량 엔진용 분사기는 직경이 약 8 mm 이며, 2 내지 6 개의 오리피스를 구비할 수 있다. 고정 대형 디젤 엔진용 분사기는 직경이 약 5 cm이며, 3개 내지 30개 또는 그 이상의 오리피스를 구비할 수 있다.
다른 실시예에서, 방사상 출구 오리피스들로 이루어진 2개(또는 그 이상)의 링들이 구비될 수 있는데, 제1 세트의 오리피스들은 분사기의 분사기 축선 a-a로부터 특정 반경 치수를 가지고, 제2 세트의 오리피스들은 다른 반경 치수를 가지며, 오리피스들 전부는 단일 충돌 지점 또는 복수의 충돌 지점으로 향해 있다. 도 3은 본 발명에서 사용될 수 있는 오리피스들의 여러 가지 비제한적인 패턴들을 나타낸다.
실시예에서, 액체 및 가스 제트들의 입구 압력 또는 오리피스 직경, 및 충돌 속도 또는 충돌력이 전부 동일한 것은 아니다.
실시예에서, 출구 오리피스 직경은 약 50㎛ 내지 약 5000㎛ 범위이거나, 혹은 요구되는 유동 속도에 따라 그보다 더 클 수 있다. 실시예에서, 오리피스 직경은 약 200㎛ 내지 약 400㎛ 범위이고, 액체는 탄화수소 연료이다. 실시예에서, 오리피스 직경은 약 300㎛ 내지 약 700㎛ 범위이고, 액체는 물 또는 수용액이다.
본 발명의 실시예에서 초점 P1 만이 있고, 따라서 모든 액체 제트 및 가스 제트는 단일 지점에서 충돌한다. 변경 실시예에서, 초점 P1 및 P2가 있고, 따라서 액체 제트 및 가스 제트의 서브세트(subset)는 P1에서 충돌하고 액체 제트 및 가스 제트의 제2 서브세트는 P2에서 충돌한다. 변경 실시예에서, 액체 제트는 P1 및/또는 P2에서 서로 충돌하고, 가스 제트는 P3에서 서로 충돌한다. 본 발명의 다른 충돌 형태는 도 1 및 상세한 설명으로부터 쉽게 이해될 수 있다.
실시예에서, 전술한 바와 같이 액체 및 가스 제트는 단일 지점에서 충돌한다. 만약 액체 제트와 가스 제트가 단일 지점에서 충돌하지 않으면, 액체 제트의 충돌과 가스 제트의 충돌 사이의 거리가 액체 오리피스의 평균 직경 내지 액체 오리피스의 평균 직경의 최대 10배 가지의 범위가 되도록 액체 제트의 충돌과 가스 제트의 충돌의 초점들이 서로 병치된다(인접한다). 예컨대, 액체 제트가 서로 충돌하는 곳과 가스 제트가 서로 충돌하는 곳 사이의 거리는 0(동일 지점), 대략 0부터 액체 오리피스의 평균 직경의 약 10배 까지의 임의의 거리 예들 들면, 그 거리는 0 내지 액체 오리피스의 평균 직경의 크기 사이의 거리, 또는 그 거리는 액체 오리피스의 평균 직경의 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 2배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 3배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 4배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 5배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 6배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 7배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 8배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 9배 크기까지의 거리, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 대략 10배 크기까지의 거리이다. 따라서, 실시예에서 분사기 축선 a-a를 따라 두 개의 병치된(인접한) 초점 사이, 즉 초점 P1과 P2 사이 및/또는 P2와 P3 사이의 거리는 0이거나 액체 오리피스의 평균 직경보다 작고, 최대로는 액체 오리피스의 평균 직경의 약 10배까지이다.
이러한 통로들 각각은 개별적인 캐비티에 시작 지점을 가지며 오목한 외부 표면(6) 상에 오리피스로서 종료 지점을 갖는다는 것이 이해되어야 한다. 개별적인 점선들은 개별적인 캐비티(2, 3)로부터 초점(P1, P2, P3)까지의 통로를 통한 가압 유체의 경로를 나타낸다. 캐비티(2)에 입구(4)로부터 가압 가스가 공급되는 경우, 캐비티(3)에는 입구(5)로부터 가압 액체가 공급될 것이다. 대안으로, 액체가 캐비티(2)에 공급되고 가스가 캐비티(3)에 공급될 수 있다는 것이 이해된다.
본 발명의 가스 보조식 충돌 제트 분무기의 실시예는 완전히 소멸되는 액체 제트의 모멘텀의 방사상 성분 (RoMinR)L을 포함하며, 따라서 발생하는 힘 또는 이용가능하게 되는 에너지 (RoEinR)L는 주로 액체 분열 과정에 투입되고 특정 방향성을 상실한다. 모멘텀 및 에너지의 축선 방향의 성분 (RoMinA)L 및 (RoEinA)L은 액체 기둥에 방향성(축선 a-a를 따른 분사기 면으로부터 멀어지게 이동)을 부여하는 성분이다. 액체 기둥 또는 구름의 방향성은, 충돌 가스 제트의 전체 소멸 모멘트의 대략 절반의 값(그리고 다른 실시예들에서, 전체 소멸 모멘트의 0.25 내지 0.75 범위)인 충돌 가스 제트의 소멸 모멘트의 반대 성분에 의해 제로 또는 거의 제로로 더욱 감소된다. 그 값을 'χ'로 가정하면, 이러한 상호 작용은 아래와 같이 수학적으로 표현될 수 있다.
χ.(RoMinR)g = (RoMinA)L ; 또는
χ.Wg(2ΔPg/ρ)g 1/2Sinφ = WL(2ΔPL/ρL)1/2Cosθ ; 또는
(EFP)g/(EFP)L=(Ag/AL)x(ΔPg/ΔPL) = (Cosθ/χSinφ)(n.Cd.Cv)L/(n.Cd.Cv)g
따라서, 가스 성분에 대한 압력 및 오리피스 면적은 두 개의 충돌 각도, 개별적인 제트의 수 및 잘 알려져 있는 경험적인 특정 계수들과 관련하여 액체 성분에 대해 정해지는 주어진 파라미터 (AL 및 ΔPL)에 대해 계산될 수 있다. 이 방정식들에 기초하여, 실제로 실행할 수 있는 (ng, Ag 및 ΔPg)의 조합이 있게 되는데, 그로부터 가스 보조식 제트가 조합으로 쉽게 선택될 수 있다. 실시예에서, 전술한 방정식을 사용할 때, 변수 Ag 및 AL 또는 ΔPg 및 ΔPL 들은 설계 선택 변수이다. 명세서에 제시된 방정식들은 이하에 설명하는 바와 같은 범위 또는 범위 내의 액체 및 가스 분사 압력과 각도를 갖는 이들 네 개의 설계 선택 변수들 중 하나의 독자적인 선택을 배제한다.
본 발명의 가스 보조식 충돌 제트 분무기는 실질적으로 향상된 분무 품질(약 1 ㎛ 또는 더욱 작은 매우 미세한 액적), 제어된 짧은 길이의 분무 구름을 초래하며, 완전 혼합으로 이어지는 신속한 증발을 가능하게 한다.
아래에서는 본 발명의 실시예 및 변형예를 구현하는 데 포함되는 파라미터 및 고려 사항에 대한 추가적인 설명을 한다.
거의 균일한 급기를 생성하기 위해서는 가능한 짧은 시간에 분사 연료 및 공기의 완전 혼합이 요구된다. 가장 작은 평균 액적 크기 및 액체가 분사되는 공간 내에서 상기 액적의 균일한 분산이 본 발명의 실시예의 바람직한 목표이다. 충돌 액체 제트는 최적화된 조합으로 제트의 수, 분사 압력 및 충돌 각도를 선택하는 것에 의해 양호한 분무를 달성할 수 있다. 액체를 분무하기 위해 이용가능한 충돌 지점에서 액체 제트에 의해 제공되는 전체 에너지, 즉 충돌 에너지는 이 과정에서 전부 사용되며 분무 기둥이 실린더 공간에서 더욱 전개하도록 남겨지는데, 이동하는 액적은 분무 기둥 내에서 더 큰 액적 및 성층을 형성하도록 합쳐질 수 있다. 따라서, 증발을 촉진하고 혼합 품질을 향상시키기 위하여 분무 기둥을 매우 미세한 액적(직경 1 ㎛ 이하)으로 추가로 분열시키기 위한 추가 에너지를 제공하는 것이 필요하다.
이러한 추가 에너지는 동일 초점, 또는 다른 실시예에서 분사기 축선을 따라 위치하는 별개의 초점에서 충돌하는 복수의 공기 또는 가스 또는 스트림 제트에 의해 제공될 수 있다. 저압에서 가스의 밀도는 액체보다 대략 1000배 낮다. 그러므로, 가스 제트로 충분한 추가 에너지를 부여하는 것은 매우 높은 질량 유동 또는 상응하게 높은 분사 압력을 통한 매우 높은 속도를 필요로 한다.
여러 가지 압력 및 여러 가지 충돌 각도에서 분사되는 1 그램의 가솔린 및 물의 전체 이용가능한 에너지(TAE) 및 충돌 에너지(CE)는 아래의 표 1에 주어진 특성을 사용하여 계산되고 표 2에 예로서 예시되어 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
액체 매스(mass)에 대한 최종적인 분열은 단위 매스당 상대적으로 대량의 에너지 및 잠열의 공급을 포함하는, 감지할 수 있는 가열 및 비등을 통한 증발 상 변화이다. 역학적인 분열 또는 분무는 당해 액체 매스를 표면 장력을 극복함으로써 매우 많은 수의 작은 액체 입자로 변환시키는 것으로 이루어진다. 1 그램의 액체를 분무하기 위해 요구되는 분열의 역학적인 에너지(EBU)는 J/g 단위로 EBU = 6000(σ/ρD)로 나타내는데, 여기에서 σ는 N/m 단위로 나타내는 표면 장력이고, ρ는 kg/m3 단위로 나타내는 밀도이며, D는 ㎛ 단위로 나타내는 액적 직경이다. 실시예에서, EBU (J/kg)= σ x ΔA(m2 단위의 표면적 변화), ΔA = N x π x D2 ; N(액체 kg당 액적의 수) = (1/ρ)/(πD3/6); J/kg 단위로 EBU = 6σ/ρD 이다. ㎛ 범위의 액적 직경 D에 대해, J/kg 단위로 EBU = 6.106σ/ρD 또는 J/g 단위로 6000(σ/ρD) 이다. 아래의 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 압력 또는 속도를 통해 1 그램의 액체에 제공되는 위치 에너지 및 운동 에너지에 비해 EBU는 매우 작다. 1 J/g의 에너지는 물에 대한 44.7 m/s 속도 및 10바 압력에 상응하며 0.44 ㎛ 액적을 발생시킬 수 있다. 가솔린에 대한 그 수치들은 44.7 m/s 속도, 7.6 바 압력 및 0.18 ㎛ 액적이다.
본 발명의 실시예는 다음과 같은 메커니즘, 즉 1) 액체 기둥의 길이에서 횡방향 진동을 유도, 2) 액체 기둥을 주변의 가스 매질과 상호작용하게 하고 점성 및 난류 효과를 이용, 3) 두 개 이상의 액적을 서로 충돌시키는 것에 의해 분열 에너지를 이용한다.
상기 메커니즘 중 어느 것에서 분열을 위해 사용되는 에너지를 제외한, 임의의 공급된 에너지는 제트가 분사되는 매질에 일부의 운동 에너지를 부여하고 점성 저항 및 난류 혼합과 관련한 손실을 극복하는 데에 사용된다.
Figure pct00003
가압 액체는 가압 가스로 보충되고 이들 두 가지 유체 간의 상호 작용은 분무기 설계에 의해 결정된다. 본 발명의 실시예에서, 두 개의 오리피스로부터 두 개의 개별적인 스트림이 분무기의 외부에서 상호 작용하도록 '외부 혼합'이 존재한다. 가압 가스가 공기인 경우 상대적인 공기 유량 및 공기 속도에 따라, '공기 보조'(유량이 작고 속도가 큰 경우) 또는 '공기 블라스트'(유량이 크고 속도가 작은 경우)로 지칭되는 것이 있다. 어느 경우든 공기 속도는 액체 속도보다 높다. '공기 블라스트' 유형은 가스 터빈 엔진을 위한 연료 분사기에서 매우 보편적이다. '공기 보조' 유형은 분무 도장, 농업용 분무, 분말 제조 등에 사용된다.
액체 제트의 분열을 위해 필요한 에너지는 액체 제트의 충돌에 의해 낮은 압력에서 훨씬 효율적으로 제공될 수 있다. 액체 스트림의 분열을 위해 필요한 에너지는 액체의 표면 장력에 의해 지배된다. 분열을 달성하기 위해서는 액체의 이동 방향으로부터 멀어지는 표면 장력보다 큰 힘이 적용되어야만 한다. 이러한 분열을 위해 필요한 일(work) 또는 에너지는, W = σ x ΔA로 나타내는데 여기에서 W는 일이고, σ는 표면 장력이며, ΔA는 분열로 인해 생성되는 면적이다. 제트의 비에너지(specific energy)는 방정식 TAE = ΔP/ρ로 나타낸다.
제트의 이동 방향으로 멀어지는 분열의 원인이 되는, 분열을 위해 사용되는 에너지는 EBU = (ΔP/ρ)Sin2α로 나타내는데, 여기에서 α는 충돌 지점과 분사기 몸체 또는 기둥의 이동 방향에 의해 형성되는 제트 축과 몸체 축 a-a 사이에 형성되는 각도이다. 즉, 경우마다 α = φ 또는 θ이다. 각도 α가 작을수록, 제트는 큰 각도에 대한 것보다 더 먼 거리에서 만나게 될 것이며, 따라서 분열을 달성하기 위해서는 더욱 높은 에너지 또는 압력이 요구된다. 도 1에 도시된 각도들에 대해, α는 각도 θ 및 각도 φ와 관련되어 있다. EBU를 계산하기 위하여 두 식을 조합하면, 아래와 같은 방정식이 된다.
Nj.(ΔP/ρ)Sin2α = 6.106σ/ρD
이 방정식은 직경 D를 나머지 설계 변수들과 결부시키는데, 여기에서 ΔP는 액체 및 가스에 대한 것이고, α = φ 또는 θ이며, Nj = 가스 및 액체의 충돌하는 제트의 수이다.
표면 장력을 갖는 액체 체적으로부터 작은 입자/액적이 일단 생성되면, 액적은 상대적으로 높은 내부 압력으로 인해 합체되는 경향이 있다.
직경 D의 정상 낙하에 대해, 표면 장력 Fσ = σ x π x D의 등가인 압력은, Pσ = Fσ/(πD2/4) = 4σ/D 이다. 포트에서의 압력 및 온도는 주위 분위기의 압력 및 온도와 가깝다(P = 1바, T = 288 K 및 ρa = 1.21 kg/m3). 밀도 ρL kg/m3(원래 체적 δV = (1.10-3/ρL)m3의) 액체 1 그램이 직경 D ㎛의 액적으로 분열되는 경우, 표면적 변화는 m2 단위로 ΔA = δV(6.106/D-1) ≒ 6.δV x 106/D 이다. 이를 위해 제공되어야할 에너지는 J 단위로 ΔEσ = 6 x σ x δV x 106/D 이다. 액체 액적(D ≒ 대략 1 ㎛의 매우 작은)에 대해, 내부 압력 Pi는 주위 가스 정압 Pg에 비해 매우 높다. 더욱이, 증발을 위해 필요한 충분한 기간 동안 동적 평형 상태를 유지하기 위하여, 추가적인 외부 압력이 공기 역학적인 항력을 통해 제공되어야만 한다.
가스 성분 VR의 초기 상대 속도는 힘 균등, 항력 ≥ Fσ을 만족시켜야만 한다. 환언하면, 직경 D의 구형 액적 및 항력 계수 CD에 대하여,
1/2 CD x ρg x VR 2 ≥ Pσ ≥ 4σ/D 가 적용된다. 직경 D의 구형 액적 및 항력 계수 CD에 대하여, 방정식 (ΔPg = 1/2 x ρg x VR 2 )으로 주어지는 최소한의 필요한 가스 분사 압력은 또한 ΔPg = 4σ/(D x CD)로 표현될 수 있다. Re의 함수로서 항력 계수 CD는, 도 2에 도시된 바와 같이 [CD = 4.2 - 2.1(log10Re) + 0.3(log10Re)2, Re ≤ 1000] 데이터로부터 또는 상관관계 CD = 24(1+ Re2 /3/6)/Re ; Re = VR x D/υ ≤ 1000 를 통한 반복적인 입력이다. 분무가 비유동적인 또는 상대적으로 비유동적인 공기/가스에서 일어나면, 합체가 특히 문제이다.
가스 제트의 충돌과 함께 충돌 액체 제트의 조합은 전진 모멘텀에서 분무의 방향성 및 속도에 대한 일거양득의 더욱 양호한 제어를 제공한다. 또한 이것은 액체의 더욱 효율적인 분열을 제공한다.
가능한 최상의 분무를 달성하고, 액체 연료의 신속한 증발 및 공기 급기와의 완전 혼합으로 이어지도록, 내연 기관에서의 직접 분사를 위해 적합한 분무기의 요건은 소정 연료 유동률에 대한 가스 스트림을 위한 가능한 가장 낮은 에너지의 사용을 필요로 한다. 더욱이, 필요한 압력(및 온도)에서 가스의 공급은 엔진 시스템 내에서 쉽게 이용가능해질 수 있고, 따라서 본 발명의 실시예의 실현은 비용이 적게 든다.
액체 제트는 최대 충돌 에너지를 발생시키기 위하여 그 분열 지점 훨씬 이전에 충돌하여야만 한다. 본 발명에서, 분열 지점은 통합되는 반대의 힘이 구동 모멘텀 힘을 바로 초과하게 되는 액체의 스트림을 따른 지점으로 이해된다. 제트 오리피스로부터 분열 지점까지 직선으로 측정하였을 때 제트 길이에 대한 표현은 L = AO x ΔP/σ 로서 특징 지어지는데, 여기에서 L은 오리피스 출구로부터 분열 지점까지의 길이이다. 결국, 본 발명의 실시예에서 액체 제트는 오리피스 출구로부터 L = AO x ΔP/σ보다 작은 거리에서 충돌하도록 형성된다. 다른 상관관계 예를 들면, A0 x ΔP = σL + ρaπd0 x Cdc x (ΔP/ρL) x f{L}이 사용될 수 있고, f{L}은 분석적으로 결정되며 실험적으로 교정된다.
본 발명의 실시예에서, 두 개 이상의 액체 제트가 액체 충돌 초점에서 충돌하며, 두 개 이상의 가스 제트가 가스 충돌 초점에서 충돌한다. 본 발명의 실시예에서, 액체 충돌 초점과 가스 충돌 초점은 일치한다. 환언하면, 액체 제트와 가스 제트는 공통 충돌 초점에서 충돌한다. 본 발명의 실시예에서, 액체 충돌 초점과 가스 충돌 초점은 일치하지 않지만 동축이다. 환언하면, 액체 제트와 가스 제트는 분사기 몸체(1)의 중심 축선 a-a를 따라 배치되는 상이한 충돌 초점들에서 충돌한다. 결과적인 효과를 최대화하기 위하여, 전술한 바와 같이 만약 액체 제트와 가스 제트의 초점들이 일치하지 않으면, 두 개의 병치된(이웃한) 초점 사이의 축선 방향 거리는 가능한 서로 가까워야 한다. 실시예에서, 초점 P1과 P2 사이 및/또는 초점 P2와 P3 사이의 거리는 액체 오리피스의 평균 직경과 동일하거나 작다. 다른 실시예에서, 두 개의 병치된 초점 사이의 거리, 즉 초점 P1과 P2 사이 및/또는 초점 P2와 P3 사이의 거리는 액체 오리피스 직경의 분수 값, 또는 액체 오리피스의 평균 직경, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 2배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 3배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 4배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 5배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 6배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 7배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 8배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 9배, 또는 액체 오리피스의 평균 직경의 대략 10배가 될 수 있다.
액체 및 가스 제트는 개별적인 분사 압력 ΔPf, ΔPg ; 오리피스 직경 d0f, d0g ; 오리피스의 수 nf, ng ; 순수한(net) 오리피스 면적 A0f, A0g ; 및 개별적인 질량 유동률 Wf, Wg에 의해 얻어진다. 따라서 개별적인 체적 유동률 Qf 및 Qg가 정해진다.
요구되는 체적 또는 질량 유동률을 위해 필요한 오리피스 면적율은 충돌 지점에서 축선 방향 및 방사상 방향에서 필요한 개별적인 제트 모멘텀 성분으로부터 정확하게 상정될 수 있다. 액체 및 가스 상들에 대한 상기 제트 모멘텀 성분은 분무의 최종 품질에 의해 요구되는 소정 비율을 갖게 될 것이다. 이것을 보장하기 위해 필요한 개별적인 압력 및 충돌 각도는 상응하게 조정될 것이다.
바람직한 실시예에서 액체 성분을 위한 충돌 각도 φ는 분열 과정을 위해 충돌로부터 가능한 최대 에너지를 발생시키기 위하여 가급적 90°에 가깝게 선택되고, 가스 성분을 위한 충돌 각도 θ는 합체를 방지할 뿐만 아니라 추가적인 분열 및 증발을 촉진하는 데 충분한 운동 에너지 또는 모멘텀을 제공하도록 선택된다.
본 발명의 실시예에서, 분사기의 중심 축선과 각 액체 제트 사이에 형성되는 각도는 5°내지 85°이다. 예컨대, 분사기의 중심 축선과 각 액체 제트 사이에 형성되는 각도는 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19°, 20°, 21°, 22°, 23°, 24°, 25°, 26°, 27°, 28°, 29°, 30°, 31°, 32°, 33°, 34°, 35°, 36°, 37°, 38°, 39°, 40°, 41°, 42°, 43°, 44°, 45°, 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 51°, 52°, 53°, 54°, 55°, 56°, 57°, 58°, 59°, 60°, 61°, 62°, 63°, 64°, 65°, 66°, 67°, 68°, 69°, 70°, 71°, 72°, 73°, 74°, 75°, 76°, 77°, 78°, 79°, 80°, 81°, 82°, 83°, 84°, 또는 85°일 수 있다. 다른 실시예에서, 분사기의 중심 축선과 각 가스 제트 사이에 형성되는 각도는 0°내지 75°이며, 여기에서 0은 제외하고 최대 75°는 포함된다. 따라서, 실시예에서 분사기의 중심 축선과 각 가스 제트 사이에 형성되는 각도는 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19°, 20°, 21°, 22°, 23°, 24°, 25°, 26°, 27°, 28°, 29°, 30°, 31°, 32°, 33°, 34°, 35°, 36°, 37°, 38°, 39°, 40°, 41°, 42°, 43°, 44°, 45°, 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 51°, 52°, 53°, 54°, 55°, 56°, 57°, 58°, 59°, 60°, 61°, 62°, 63°, 64°, 65°, 66°, 67°, 68°, 69°, 70°, 71°, 72°, 73°, 74°, 또는 75°일 수 있다. 그러므로, 이러한 여러 가지 각도들의 모든 조합 및 치환들이 본 발명에서 고려될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 액체에 적용되는 압력은 0 내지 3000 바(bar)이다. 예컨대, 액체 적용되는 압력은 0 내지 100 바, 101 내지 200 바, 201 내지 300 바, 301 내지 400 바, 401 내지 500 바, 501 내지 600 바, 601 내지 700 바, 701 내지 800 바, 801 내지 900 바, 901 내지 1000 바, 1001 내지 1100 바, 1101 내지 1200 바, 1201 내지 1300 바, 1301 내지 1400 바, 1401 내지 1500 바, 1501 내지 1600 바, 1601 내지 1700 바, 1701 내지 1800 바, 1801 내지 1900 바, 1901 내지 2000 바, 2001 내지 2100 바, 2101 내지 2200 바, 2201 내지 2300 바, 2301 내지 2400 바, 2401 내지 2500 바, 2501 내지 2600 바, 2601 내지 2700 바, 2701 내지 2800 바, 2801 내지 2900 바, 2901 내지 3000 바이다. 일 실시예에서, 가스는 0 내지 200 바 사이에서 가압된다. 그러므로, 예컨대 가스는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 100, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190, 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, 200 바에서 가압된다, 액체 유량조절 수단은 정확한 액체 유동량을 제공하고 가스 유량조절 수단은 정확한 가스 유동량을 제공한다. 대안으로, 액체 유량조절 수단이 정확한 시작 및 중지 시간을 제공하고 가스 유량조절 수단이 정확한 시작 및 중지 시간을 제공한다.
일 실시예에서, 주위 압력의 공간으로 분무되는 경우 액체에 적용되는 압력은 예컨대 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100 바일 수 있다. 액체가 높은 압력의 공간으로 분사되는 경우에, 분무 압력은 예컨대 30 내지 100, 101 내지 200, 201 내지 300, 301 내지 400, 401 내지 500, 501 내지 600, 601 내지 700, 701 내지 800, 801 내지 900, 901 내지 1000, 1001 내지 1100, 1101 내지 1200, 1201 내지 1300, 1301 내지 1400, 1401 내지 1500, 1501 내지 1600, 1601 내지 1700, 1701 내지 1800, 1801 내지 1900, 1901 내지 2000 바일 수 있다. 가스 압력은 예컨대 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 또는 40 바일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 예컨대 가솔린과 같은 액체에 대해, 오피리스를 빠져나가는 액체 제트 속도는 5 m/s 보다 크거나 ΔP가 0.1 바보다 크다. 대안으로, 예컨대 가솔린과 같은 액체에 대해, 오피리스를 빠져나가는 액체 제트 속도는 500 m/s 보다 크거나 ΔP가 950 바보다 크다. 본 발명의 실시예에서, 288°K 및 1.0 바의 오리피스 출구 조건에 대해, 오피리스를 빠져나가는 가스 제트 속도는 250 m/s 보다 크거나 ΔP가 0.378 바보다 크다. 대안으로, 288°K 및 1.0 바의 오리피스 출구 조건에 대해, 오피리스를 빠져나가는 가스 제트 속도는 5000 m/s 보다 크거나 ΔP가 151.2 바보다 크다.
본 발명의 실시예에서, 임의의 액체 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 가장 먼 두 개의 오리피스 사이의 거리 또는 분사기 몸체의 직경의 3배 미만이다. 본 발명의 실시예에서, 오리피스 직경은 약 50 내지 약 5000 ㎛ 범위이다.
대안으로, 임의의 액체 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 가장 먼 두 개의 액체 오리피스 사이의 거리의 3배 미만이며, 다른 실시예에서 임의의 액체 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 어느 쪽이든 더 작은 가장 먼 두 개의 액체 오리피스 혹은 가스 오리피스 사이의 거리보다 작다.
본 발명의 실시예에서, 액체 제트 및 가스 제트는 별개의 노즐에 의해 생성된다.
본 발명의 실시예에서 액체는 물, 수용액, 현탁액 및 유화액 중에서 선택된다. 실시예에서, 액체는 가솔린, 디젤, 알콜, JP8, 등유 및 그 혼합물 중에서 선택된 연료이고, 분사기는 왕복식 내연 기관, 회전식 내연 기관, 가스 터빈 엔진 및 제트 엔진 중에서 선택된 엔진에 사용된다.
본 발명의 실시예에서, 분사기는 하나 이상의 충돌 초점에서 충돌하는 2 내지 30 개의 액체 제트 또는 가스 제트를 갖는다.
일 실시예에서, 액체 및 가스 분사기는 내연 기관에 개별적인 액체 및 가스를 분사한다. 실시예에서, 액체 및 가스 분사기는 왕복식 또는 회전식 내연 기관의 연소실에 개별적인 액체 및 가스를 분사한다.
실시예에서, 내연 기관용 액체 및 가스 분사기는 데드 체적을 용인할 수 있는 최소한으로 유지하면서 명령에 따라 특정 량의 가스 또는 액체를 별개로 및 동시에 인도하도록 설계된다. 이것은 통상적으로 솔레노이드에 의해 달성되는 시간에 따른 유동률에 대한 세심한 제어를 요구하는데, 이러한 제어는 유압 파일럿 작동, 유압 증폭, 압전 작동, 공압 수단 또는 다른 방법을 통해서도 제어될 수 있다.
실시예에서, 가스 제트 및 액체 제트 유량조절 수단은 정확한 시작 및 중지 시간에 정확한 가스 유동량 및 액체 유동량을 각각 제공하며, 분사기 분체의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 실시예에서, 가스 제트 및 액체 제트 유량조절 수단은 솔레노이드 제어식 핀틀 또는 압전 제어식 핀틀을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 핀틀은 노즐에서 핀틀 단부가 둥근 구근부, 즉 핀틀 볼로 되어 있는 분사기 내의 슬리브에서 왕복 운동하는 샤프트이다. 노즐은 예컨대 통로(4)(액체의 경우) 또는 입구 통로(5)(가스의 경우)인 하나의 입구 통로와 중심 축선을 구비한 몸체(1)을 포함하며, 핀틀 샤프트의 말단부 및 핀틀 볼을 포함할 수 있다. 액체 분사의 경우, 노즐 안의 가압 액체를 출구 오리피스로 보내는 액체 출구 통로는 핀틀 볼 밸브 시트 구역의 한 지점에서 유래한다. 디폴트 위치에서, 핀틀 볼은 밸브 시트에 대해 눌려진다. 핀틀 볼이 밸브 시트에 대해 눌려질 때, 액체가 배출 통로 내로 전혀 유동할 수 없고, 액체가 분사기 몸체의 밖으로 전혀 유동하지 않는다. 예컨대 전자 제어 솔레노이드 또는 압전 메커니즘에 의해 핀틀 볼이 개방 위치로 이동될 때, 가압 액체는 밸브에 의해 획정되는 공간을 통하여 배출 통로 내로 그리고 제트 출구 오리피스에서 노즐 몸체의 밖으로 유동한다.
가압 액체 및 가스는 개별적인 액체 및 가스 공급원으로부터 개별적인 유동 제어 시스템으로 공급될 수 있고, 유동 조절되는 액체 및 가스는 분사기 몸체 내의 개별적인 이송 통로로 개별적으로 이송된다. 결과로 초래되는 제트는 하나 이상의 초점에서 충돌한다. 유동 제어 시스템은, 개별적인 액체 및 가스의 제어된 연속적인 유동율을 제공하는 개별적인 유량조절 수단을 제공한다. 실시예에서, 가스 공급 및 압력은 통상적으로 알려져 있는 가스 보조 방식을 위한 시작/중지 유량조절 기구를 구비한 분사기에서 조절된다. 예컨대, 일 실시예에서 액체 분사기에서와 같은 핀틀 밸브가 사용된다. 도 1의 캐비티(2 및 3)에 또는 캐비티 전에 핀틀 밸브와 같은 임의의 통상적인 수단이 사용될 수 있으며 입구 통로(4 및 5)의 부분을 포함한다.
예컨대, 핀틀 밸브 시트와 핀틀 볼은 '색(sac)' 용적부를 획정하는데, 상기 색 용적부는 방출 통로를 위한 적절한 진입 조건이 되게 가급적 작아야 한다. 각 배출 통로는 제1 단부에서 상기 색 용적부와 액체 연통되고, 제2 단부에 있는 개별적인 오리피스 출구에서 종료된다. 배출 통로는 명세서에 설명한 바와 같은 소정 충돌 각도에 단일의 경사진 제트를 형성한다. 통로들의 단부에서 오리피스로부터 분출한 복수의 제트는 단일 초점(즉, 충돌 지점)에서 충돌하도록 보내진다.
본 발명의 분사기의 액체 및 가스에 적용되는 압력은 엔진에서 분사기의 배치 및 액체/가스의 종류에 따라 변경된다.
전술한 본 발명의 실시예들은 제한하는 것이 아니라 예시하기 위한 것이고, 본 발명의 모든 실시예를 제시하도록 의도한 것은 아니다. 문리적 및 법률적으로 등가로 인식되는 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (40)

  1. 분무 액체를 형성하기 위한 액체 분사기로서, 상기 액체 분사기는 분사기 몸체를 포함하고, 분사기 몸체는:
    액체 입구,
    상기 분사기 몸체 내에 또는 몸체 외측의 액체 유량조절 수단,
    노즐을 구비한 액체 출구, 및
    상기 분사기 몸체의 내부 또는 외부의 가스 오리피스를 통한 가스의 유동이나 압력을 조절하도록 형성된 가스 조절 수단을 포함하며,
    상기 노즐은 중심 축선, 내부 단부, 외부 단부, 내부 단부에서 유래하며 개별적인 액체 오리피스를 구비한 외부 단부에서 종료하는 두 개 이상의 통로를 포함하며,
    가압 액체(pressurized liquid)는 두 개 이상의 통로를 통하여 각 통로를 종료하는 오리피스로 보내지고, 적어도 하나의 가스 제트가 가스 오리피스를 통하여 보내지며, 각 액체 오리피스 및 각 가스 오리피스는 가압 액체 및 가스의 제트를 보내며,
    오리피스는 적어도 두 개의 액체 제트와 두 개의 가스 제트가 분사기 외부의 하나 이상의 공통 초점을 향하도록 형성되며, 각 초점에서 가압 액체 제트와 가스 제트의 충돌은 액체의 분무 형태를 생성하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 분사기는 분사기 몸체를 포함하고, 분사기 몸체는:
    액체 입구,
    상기 분사기 몸체 내에 또는 몸체 외측의 액체 유량조절 수단,
    노즐을 구비한 액체 출구, 및
    상기 분사기 몸체의 내부 또는 외부의 가스 오리피스를 통한 가스의 유동이나 압력을 조절하도록 형성된 가스 조절 수단을 포함하며,
    상기 노즐은 중심 축선, 내부 단부, 외부 단부, 내부 단부에서 유래하며 개별적인 액체 오리피스를 구비한 외부 단부에서 종료하는 두 개 이상의 통로를 포함하며,
    가압 액체는 두 개 이상의 통로를 통하여 각 통로를 종료하는 개별적인 액체 오리피스로 보내지고, 각 액체 오리피스 및 각 가스 오리피스는 가압 액체 및 가스의 제트를 각각 보내며,
    액체 오리피스와 가스 오리피스는 적어도 두 개의 액체 제트와 두 개의 가스 제트가 분사기 몸체 외부의 하나 또는 두 개의 공통 초점을 향하도록 형성되며,
    각 초점에서 액체 제트와 가스 제트의 충돌은 액체의 분무 형태를 생성하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  3. 분무 액체를 형성하기 위한 액체 분사기로서, 상기 액체 분사기는 분사기 몸체를 포함하고, 분사기 몸체는:
    액체 입구,
    상기 분사기 몸체 내에 또는 몸체 외측의 액체 유량조절 수단,
    노즐을 구비한 액체 출구, 및
    상기 분사기 몸체의 내부 또는 외부의 가스 오리피스를 통한 가스의 유동이나 압력을 조절하도록 형성된 가스 조절 수단을 포함하며,
    상기 노즐은 중심 축선, 내부 단부, 외부 단부, 내부 단부에서 유래하며 개별적인 액체 오리피스를 구비한 외부 단부에서 종료하는 두 개 이상의 통로를 포함하며,
    가압 액체는 두 개 이상의 통로를 통하여 각 통로를 종료하는 오리피스로 보내지고, 적어도 하나의 가스 제트가 가스 오리피스를 통하여 보내지며, 각 액체 오리피스 및 각 가스 오리피스는 가압 액체 및 가스의 제트를 보내며,
    적어도 두 개의 액체 제트가 제1 초점에서 충돌하고,
    적어도 두 개의 가스 제트가 제2 초점에서 충돌하며, 제1 초점과 제2 초점은 서로 병치(juxtapositoned)되고, 병치된 두 개의 초점 사이의 거리는 액체 오리피스의 평균 직경 미만으로부터 액체 오리피스의 평균 직경의 최대 약 10배 범위인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 액체 제트와 액체 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 5°내지 85°이고, 각 가스 제트와 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 0°초과 내지 75°이하인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체에 적용되는 압력은 0 내지 3000 바인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스는 0 내지 200 바 사이에서 가압되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    액체 유량조절 수단은 정확한 액체 유동량을 제공하며 가스 유량조절 수단은 정확한 가스 유동량을 제공하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    액체 유량조절 수단은 정확한 시작 및 중지 시간을 제공하고, 가스 유량조절 수단은 정확한 시작 및 중지 시간을 제공하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    오리피스를 빠져나가는 액체 제트의 속도는 5 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    오리피스를 빠져나가는 액체 제트의 속도는 500 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    오리피스를 빠져나가는 가스 제트의 속도는 250 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    오리피스를 빠져나가는 가스 제트의 속도는 5000 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    임의의 액체 오리피스와 충돌 초점 사이의 거리는 가장 먼 두 개의 액체 오리피스 간의 거리의 3배 미만인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    임의의 액체 오리피스와 충돌 초점 사이의 거리는 가장 먼 두 개의 액체 오리피스 간의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    오리피스 직경은 50 ㎛ 초과인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 제트 또는 가스 제트는 별개의 노즐에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스는 공기인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체는 물, 수용액, 현탁액 및 유화액 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체는 가솔린, 디젤, 알콜, JP8, 등유, 및 그 혼합물 중에서 선택된 연료인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    분사기는 왕복식 내연 기관, 회전식 내연 기관, 가스 터빈 엔진 및 제트 엔진 중에서 선택된 엔진에 사용되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  21. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    분사기는 충돌하는 2 내지 30 개의 액체 또는 가스 제트를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  22. 분무 액체를 형성하기 위한 액체 분사기로서, 상기 액체 분사기는,
    제1 유체 입구;
    제2 유체 입구;
    제1 유체 입구와 유체 연통하는 제1 환형 캐비티;
    제2 유체 입구와 유체 연통하고, 제1 환형 캐비티와 동심이며 동일 축선으로 배치되는 제2 환형 캐비티;
    외부 표면에 형성되는 복수의 출구 오리피스를 구비한 노즐을 포함하며,
    각 출구 오리피스는 노즐의 내부에 형성된 개별적인 관통 통로의 단부, 개별적인 출구 오리피스와 제1 환형 캐비티 사이에 유체 연통을 제공하는 개별적인 관통 통로의 제1 서브세트, 및 개별적인 출구 오리피스와 제2 환형 캐비티 사이에 유체 연통을 제공하는 개별적인 관통 통로의 제2 서브세트를 획정하며,
    복수의 출구 오리피스들은 하나 이상의 초점에 유체 제트를 보내도록 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  23. 제22항에 있어서,
    제1 유체 입구는 액체를 수용하고 제2 유체 입구는 가스를 수용하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  24. 제22항에 있어서,
    제1 환형 캐비티와 유체 연통하는 출구 오리피스로부터 유래하는 유체 제트에 대한 각 유체 제트와 액체 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 5°내지 85°이고, 제2 환형 캐비티와 유체 연통하는 출구 오리피스로부터 유래하는 유체 제트에 대한 각 가스 제트와 분사기의 중심 축선 사이에 형성되는 각도는 0°초과 내지 75°이하인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  25. 제22항에 있어서,
    액체에 적용되는 압력은 0 내지 3000 바인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  26. 제22항에 있어서,
    가스는 0 내지 200 바 사이에서 가압되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  27. 제22항에 있어서,
    정확한 액체 유동량을 제공하도록 형성된 액체 유량조절 수단 및 정확한 가스 유동량을 제공하도록 형성된 가스 유량조절 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  28. 제22항에 있어서,
    정확한 시작 및 중지 시간을 제공하도록 형성된 액체 유량조절 수단, 및 정확한 시작 및 중지 시간을 제공하도록 형성된 가스 유량조절 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  29. 제22항에 있어서,
    출구 오리피스를 빠져나가는 액체의 속도는 5 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  30. 제22항에 있어서,
    출구 오리피스를 빠져나가는 가스의 속도는 250 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  31. 제22항에 있어서,
    출구 오리피스를 빠져나가는 액체의 속도는 500 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  32. 제22항에 있어서,
    출구 오리피스를 빠져나가는 가스의 속도는 5000 m/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  33. 제22항에 있어서,
    제1 환형 캐비티와 유체 연통하는 임의의 출구 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 분사기 몸체 직경의 3배 미만인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  34. 제22항에 있어서,
    제1 환형 캐비티와 유체 연통하는 임의의 출구 오리피스와 충돌 지점 사이의 거리는 가장 먼 두 개의 오리피스 간의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  35. 제22항에 있어서,
    출구 오리피스 직경은 50 ㎛ 초과인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  36. 제22항에 있어서,
    가스는 공기인 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  37. 제22항에 있어서,
    액체는 물, 수용액, 현탁액 및 유화액 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  38. 제22항에 있어서,
    액체는 가솔린, 디젤, 알콜, JP8, 등유, 및 그 혼합물 중에서 선택된 연료인것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  39. 제22항에 있어서,
    분사기는 왕복식 내연 기관, 회전식 내연 기관, 및 제트 엔진 중에서 선택된 엔진에 사용되는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
  40. 제22항에 있어서,
    분사기는 제1 환형 캐비티와 유체 연통하는 충돌하는 2 내지 30 개의 출구 오리피스 및 제2 환형 캐비티와 유체 연통하는 2 내지 30 개의 출구 오리피스를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 분사기.
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