KR20160107121A - 내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파가 마이크로파 윈도우를 통해 연소 챔버에 도달되는 내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 마이크로파는 연소 챔버의 외주 주위에 제공되고 마이크로파 윈도우를 통과한 뒤 반경 방향으로 연소 챔버 내에 주입된다. 이에 따라, 실린더 헤드를 가진 하나 이상의 실린더 및 실린더 내에 연소 챔버를 포함하는 왕복 피스톤 내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치가 제공되는데, 상기 장치는 연소 챔버 주위에서 연장되는 하나 이상의 환형 중공 컨덕터 공동을 포함하며 연소 챔버와 환형 중공 컨덕터 공동 사이에 배열된 마이크로파를 위한 하나 이상의 출구 개구 및 마이크로파를 위한 하나 이상의 공급부를 포함한다. 또한, 상기 장치의 특징들을 포함하는 내연기관이 제공된다. 본 발명의 방법 및 장치는 연소 챔버 내에서 연료-공기 혼합물의 공간 점화를 시작할 때 정밀하게 조절하기 용이하게 하며, 이에 따라 종래 기술의 왕복 피스톤 연소 엔진에 비해 더 좋은 효율을 가지면서 연료의 최적의 저배출 연소가 구현되게 한다. 일반적으로, 본 발명은 희박 연료-공기 혼합물의 안전한 점화를 제공한다.

Description

내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR INTRODUCING MICROWAVE ENERGY INTO A COMBUSTION CHAMBER OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 마이크로파가 마이크로파 윈도우를 통해 연소 챔버 내로 전파되는 연소 챔버 및 실린더 헤드를 가진 하나 이상의 실린더를 포함하며, 왕복 피스톤 내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치 및 왕복 피스톤 내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 장치를 포함하는 내연기관에 관한 것이다.
DE 103 56 916 A1호는 주입된 연료의 연료-공기 혼합물(fuel air mixture)을 더 잘 점화시키고 연소시기 위하여 내연기관 내의 연소 챔버 안에 공간 점화(space ignition)를 생성하는 방법에 대해 기술하고 있다.
종래 기술의 엔진에서, 점화성 혼합물이 콘(cone) 형태의 실린더 헤드 내에서 압축되고 스파크 플러그에 의해 반응하고 산화되게 한다. 따라서, 화학적 산화가 압력 및 반응 전방(pressure and reaction front)(층류 연소 가스 상(phase))으로서 점화 위치로부터 콘 형태로 퍼진다(spread). 압력 전방은 반응 전방보다 더 빨리 움직여서 실린더 에지(cylinder edge)에 먼저 도달한다. 압력 전방은 실린더 에지에서 반사되고(reflected) 반응 전방을 향해 형성된다(run). 두 전방이 서로 만나면, 반응은 소멸되고(die) 분해되어 오염물질(pollutant)이 발생되게 한다.
로컬 점화(local ignition)를 마이크로파를 통해 공간 점화(space ignition)로 대체하면 이러한 효과가 완화된다. 점화 전에, 혼합물은 전체 용적(volume)에 걸쳐 가능한 최대한 균질하게 여기되어야(excited) 하는데, 이는 연소 챔버에 걸쳐 분포된 흡수를 필요로 한다. 따라서, 재료 변수 tanδ(t)에 의해 기술된 마이크로파를 위한 흡수 성능(absorption capability) 및 관련 통과 깊이(penetration depth)가 중요하다.
압축 동안, 점화되어야 하는 혼합물의 온도 및 압력에 따른 이온화(ionization)가 이미 수행된다. 하지만, 특정 연료의 이러한 이온화로 인해, 연소 챔버 내에서 점화될 수 있는 혼합물에 의한 마이크로파의 분자 흡수율(molecule absorption rate)은 압축 공정에 걸쳐 시간에 따라 변경되는 것으로 기대된다.
위에서 기술된 균질성(homogeneity)은 실제적인 적용분야(application)에서는 전체적으로 구현될 수 없기 때문에, 반응 전방은 외부로부터 내부를 향하는 방향으로 배열되어야 한다. 따라서, 원형의 원통형 연소 챔버 내에서 필드 분포(field distribution)를 생성하는 마이크로파 공급부(microwave feed)가 발견되며, 여기서 필드 분포는 전체 외주를 따라 균질적으로 증가되고 반경을 따라서는 가능한 최대한 균질적으로 증가되거나 혹은 바람직하게는 더 큰 반경에 대해서는 반복적으로 증가된다(monotonously increase). 필드 분포의 균질성은 혼합물의 흡수 성질과는 가능한 최대한 독립적인 것이 되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전체 연소 공동(combustion cavity) 내에서 가능한 최대한 균질한 점화 분포를 구현하거나, 혹은 연소 챔버의 적어도 에지 부분에서 로컬 점화 코어(local ignition core)를 생성하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 제1항에 따른 방법 및 청구항 제9항에 따른 장치, 그리고, 청구항 제15항을 따른 내연기관을 통해 구현된다. 추가적인 바람직한 실시예들은 각각의 종속항들에서 유도될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 마이크로파가 연소 챔버의 외주(circumference)를 따라 제공되고 마이크로파 윈도우를 통과한 뒤 반경 방향으로 연소 챔버 내에 주입된다. 마이크로파 윈도우는 외부에 대해 연소 챔버를 밀폐하고(close) 따라서 밀봉(sealing)을 위해 사용되며 이와 동시에 마이크로파를 주입하는 것을 용이하게 한다. 마이크로파 윈도우는 예를 들어 온도가 안정적인(temperature stable) 고체 재료(solid material), 바람직하게는 99% 이상의 순도(purity)를 가진 세라믹 재료 또는 마이크로파를 최대한 덜 분해시키기(degrade) 위하여 각각의 특성들을 가진 마이크로파 투과성의 또 다른 고체 재료로 제작될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 사파이어 유리 또는 석영 유리가 사용될 수 있다. 따라서, 마이크로파는 연소 챔버 주위에서 동일한 방향 또는 반대 방향으로 상이한 평면 혹은 오직 한 평면에서만 제공될 수 있으며 연소 챔버 벽을 통해 연소 챔버 내로 주입될 수 있다.
바람직하게, 마이크로파는 연소 공동(combustion cavity)의 외주에 배열된 하나 이상의 환형 중공 컨덕터 공동(annular hollow conductor cavity)을 통해 연소 챔버 내로 주입되며, 여기서, 중공 컨덕터 공동은 연소 챔버를 향해 배열된 하나 이상의 출구 개구를 포함한다. 따라서, 마이크로파는 최적의 파동 전도(wave conduction)를 제공하면서 모드 도약(mode leap) 및 반사(reflection)를 방지하는 환형 중공 컨덕터 공동 내에 주입되는데, 모든 환형 중공 컨덕터 공동의 횡단면(cross section)은 직사각형, 특히, 정사각형, 원형 또는 난형(oval)일 수 있다. 횡단면은 환형 중공 컨덕터 공동 내에 플래시(flash)가 퍼지는 것을 방지하기 위해 정사각형인 것이 바람직하다. 환형 중공 컨덕터 공동은 위에서 기술된 것과 같이 연소 챔버를 향하는 방향으로 환형 중공 컨덕터 공동 내에서 하나 이상의 출구 개구를 통해 반경 방향으로 배출되는 마이크로파가 마이크로파 윈도우를 통해 연소 공동 내로 직접 주입되도록 연소 공동 벽 내에 배열될 수 있거나, 혹은 연소 공동에 직접적으로 인접하게 배열될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 출구 개구는 연소 공동의 전체 외주에 걸쳐 연장될 수 있거나 혹은 연소 공동의 오직 일부분들에서만 연장될 수 있다.
바람직하게, 마이크로파는, 환형 컨덕터 공동의 한 단부에서 마이크로파 공급원(source)으로 다시 돌아가도록 이미 연소 챔버 주위에 제공된 마이크로파의 반사(reflection)를 방지하거나 혹은 적어도 이러한 반사를 실질적으로 완화시키기 위하여, 환형 중공 컨덕터 공동의 한 단부에서 일정 각도로 연소 챔버 내로 전도된다.
바람직하게, 마이크로파는 연소 챔버 벽과 환형 중공 컨덕터 공동 사이에서 외주 간격을 통해 환형 중공 컨덕터 공동으로부터 주입되는데, 상기 간격의 크기는 중공 컨덕터 공동 내에서 마이크로파의 한 경로 길이에 걸쳐 증가되거나 혹은, 환형 중공 컨덕터 공동 내에서 마이크로파의 경로 길이에 걸쳐 크기가 증가되는 복수의 간격을 통해 환형 중공 컨덕터 공동으로부터 주입되는데, 상기 간격은 연소 챔버 벽과 환형 중공 컨덕터 공동 사이에서 마이크로파의 전파 방향(propagation direction)에 대해 수직으로 배열되고, 혹은 이들의 조합을 통해 주입된다. 이들은 복수의 점화 코어(ignition core)를 통해 연소 챔버 내에서 공간 점화를 생성시키기 위하여 연소 챔버 내의 최대 개수의 위치들에서 충분한 수량으로 마이크로파 에너지를 농축하도록(concentrate) 사용된다.
바람직하게, 마이크로파는 25 GHz 내지 90 GHz 사이의 주파수(frequency), 바람직하게는 36 GHz의 주파수로 주입되는데, 그 이유는 이러한 주파수들이 연소 공동 내에서 원하는 공간 점화를 생성시키는 것이 자명하기 때문이다.
마이크로파는 임펄스 패킷(impulse packet)으로 주입되는데, 상기 임펄스 패킷은 이미 수행된 연료-공기 혼합물의 점화 후에 유지되는 것이 보다 바람직하다. 따라서, 연료-공기 혼합물의 점화가 최적화되며, 점화가 이미 수행되고 난 뒤에도 연료-공기 혼합물의 연소는 추가로 여기되며(excited), 연소 챔버는 이미 팽창될 수 있다.
마이크로파가 크랭크샤프트(crank shaft)의 각도에 따라 주입되어 점화의 정밀한 조절이 수행될 수 있는 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따르면, 마이크로파가 마이크로파 윈도우를 통해 연소 챔버 내에 주입되는 실린더 헤드를 가진 하나 이상의 실린더를 포함하는 왕복 피스톤 내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치에서, 실린더 헤드는 연소 챔버 주위에서 외주 방향으로 연장되는 하나 이상의 환형 중공 컨덕터 공동을 포함하며 연소 챔버와 환형 중공 컨덕터 공동 사이에 배열된 마이크로파를 위한 하나 이상의 출구 개구 및 마이크로파를 위한 하나 이상의 공급부를 포함한다.
바람직하게, 환형 컨덕터 공동의 한 단부에서 반사(reflection)를 방지하기 위하여, 연소 챔버 벽을 향하는 방향으로 배열된 출구 개구와 환형 중공 컨덕터 공동에 대해 일정 각도로 배열된 벽이 상기 위치에 배열된다.
바람직하게, 상기 장치는 연소 챔버 벽과 환형 중공 컨덕터 공동 사이에 외주 간격을 포함하며, 여기서 상기 간격은 환형 중공 컨덕터 공동 내에서 마이크로파의 경로 길이에 걸쳐 증가되거나, 또는 상기 장치는 연소 챔버 벽과 환형 중공 컨덕터 공동 사이에서 마이크로파의 전파 방향에 대해 수직으로 배열되고 환형 중공 컨덕터 공동 내에서 마이크로파의 경로 길이에 걸쳐 크기가 증가되는 복수의 간격을 포함하거나, 또는 이들의 조합을 포함한다.
비용 효율적인 형상(configuration)으로, 본 발명에 따른 장치를 제공하기 위하여, 환형 중공 컨덕터 공동은 링(ring)을 가진 연소 챔버 주위로 연장되는 채널(channel)로서 형성되는데, 상기 링은 중공 컨덕터(hollow conductor) 형태로 형성하기 위해 채널 상에 삽입될 수 있다. 링은 개방 면(open side) 상에서 간단하게 채널을 덮으며(cover) 제작(fabrication)을 용이하게 한다. 상기 링은 연소 챔버 내로 돌출되는 지점(point)들을 포함할 수 있으며 상기 위치들에서 로컬 필드 증대(local field augmentation)가 증가된 양의 점화를 유발한다(trigger).
본 발명에 따른 장치의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 링은, 제1 환형 중공 컨덕터 공동과 결합된, 추가적인, 바람직하게는 동일한 중공 컨덕터 공동이 제공될 때 특히 바람직한데, 상기 추가적인 환형 중공 컨덕터 공동은, 예를 들어, 제1 환형 중공 컨덕터 공동의 출구 개구에 대해 오프셋배열된(offset) 출구 개구로 배열되는 것이 바람직하며, 상기 추가적인 환형 중공 컨덕터 공동은 환형 부품(annular component) 내에 배열되는 것이 바람직한데, 상기 환형 부품은 반대 방향으로 배열된 환형 부품의 중공 컨덕터 공동과 제1 환형 중공 컨덕터 공동이 결합되어 배열된다. 그 뒤, 다른 중공 컨덕터 공동과 워크 피스(work piece) 사이에 환형 디바이더 플레이트(annular divider plate)가 배열될 수 있는데, 상기 환형 디바이더 플레이트는 중공 컨덕터 공동들 사이에서 디바이더 벽(divider wall)을 형성하고 이와 동시에 두 환형 중공 컨덕터 공동을 위한 벽을 형성한다. 한쪽의 면 위에서, 가능한 최대한 많은 점화 코어(ignition core)를 생성시켜 공간 점화를 제공하기 위하여, 상기 형상으로 맞은편 마이크로파를 각각의 환형 중공 컨덕터 공동 내에 주입하고 출구 개구들의 오프셋배열을 통해 연소 챔버 내에 마이크로파를 주입하는 것이 용이할 수 있다.
또한, 점화 코어의 생성 및 로컬 필드 증대(local field augmentation)를 위한 지점(point)들이 연소 공동 내에, 특히, 실린더 헤드 내에 제공될 수 있다. 필요 시에는, 공동-소유된 출원 EP 15 15 72 98.2에 따른 하나 이상의 추가적인 마이크로파 스파크 플러그가 실린더 헤드 내에 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 내연기관은 왕복 피스톤 내연기관(reciprocating piston internal combustion engine)으로서 형성되며, 위에서 언급한 실시예들중 한 실시예에 따르는 장치를 포함한다.
주입에 대한 수학적 기술은 원통좌표계 r, ψ, z에 따른다. 전도 경계(conduction border)로 형성된 원형의 원통형 공간(cylindrical space) 내에서, 외주를 따른 전자기파의 분포는 사인 함수 또는 코사인 함수로 형성되며 반경을 따라 베셀 함수(Bessel function)로 지칭되는 실린더 함수에 의해 형성된다. 필드 라인(field line)의 배열에 따라, 아이겐 모드(Eigen mode)가 T Emn, T 또는 Mmn 모드로 표시된다. 따라서, 제1 지수(m)는 방위 극대값(azimuthal maxima)의 개수에 상응하고, 제2 지수(n)는 반경 극대값(radial maxima)의 개수에 상응한다. 높은 방위 지수값 및 낮은 반경 지수값을 가진 모드는 속삭임 회랑 모드(Whispering Gallery Mode: WGM)로 표시된다. 이들의 파워(power)는 중공 실린더의 에지(edge)에서 실질적으로 진동한다(oscillate). 반경 지수값이 증가되면, 진동하는 파워가 연소 챔버의 내부로 이동된다.
방위각적으로(azimuthally) π/(2m)만큼 오프셋배열되고 시간에 좌우되는 두 모드의 중첩(superposition)은 동일하지만 그 외의 경우에서는 회전 모드(rotating mode)로 이어진다. 이는 종래 기술에 매우 잘 알려져 있다. 수학적으로, 방위각적으로 스탠딩 모드(azimuthally standing mode)는 다음 공식을 이용하는 2개의 반대 회전 모드(counter rotating mode)에 의해 기술된다:
Figure pat00001
m=0이면, 방위각적으로 일정한 분포가 제공된다.
이와 비슷한 식이 반경 방향으로도 적용된다. 반경 방향으로 정상파(standing wave)를 기술한 베셀 함수는 내부방향 및 외부 방향으로 전파되는 한켈 함수(Hankel function)로 나뉘질 수 있다:
2Jm(krr) = Hm2(krr) + Hm1(kr r)
여기서, kr은 반경방향 파동수(radial wave number)이다.
eimψ * Hm2(kr r)에 비례하는 필드 분포(field distribution)는 파워(power)가 나선 형태로 내부를 향해 전파되는 모드를 기술한다. 면 전방(face front)은 반경이 줄어들 때 점점 더 가팔라진다(steeper).
본 발명에 따르면, 외주를 따라 최대 균질성을 가진 점화는, 선택적으로, 회전 속삭임 회랑 모드 또는 용적 모드(volume mode)가 연소 공동 내에서 조절되어 여기된다는(excited) 점에서 실린더의 외측 부분에서 구현되거나 혹은 전체 용적(entire volume)에서 구현된다. 따라서, 피드 파동 컨덕터(feed wave conductor), 바람직하게는 환형 중공 컨덕터 공동 형태의 직사각형 파동 컨덕터(rectangular wave conductor)가 연소 챔버 주위로 감겨진다(wound). 이로부터, 모드의 중공 컨덕터 파동 길이는 횡단방향 기하학적 수치(transversal geometric dimension)에 의해 변경될 수 있다는 사실이 알려졌다. 따라서, 피드 파동 컨덕터 및 원통형 연소 공동은, 파워를 파동 컨덕터로부터 연소 공동 내로 주입하는 마이크로파 윈도우로서 작용하는 연소 공동 벽을 통해 주기적 개방(periodic opening)에 의해 한 실시예에서 서로 연결된다. 이제, 개방 주기(p)는 다음과 같이 선택되는데:
Figure pat00002
여기서, kl은 T E0n 모드를 연소 챔버 내에서 조절하여 여기시키는 감겨진 파동 컨덕터(wound wave conductor)에서의 모드의 축방향 파동수(axial wave number)이다. 상기 모드는 이상적인 경우에서 일정한 진폭(amplitude)을 가진 원형의 내부 방향으로 형성된 면 전방(face front)을 가질 수 있다. 공급된 파워는 맞은편 벽에 직접 도달하고 이 위치에서 감겨진 피드 파동 컨덕터 내로 다시 주입될 수 있다. 따라서, 연소 공동 내에서 경로 길이(path length)는 연소 챔버의 직경에 상응한다. 점화되어야 하는 혼합물의 흡수(absorption)가 불량한 경우, 파워의 상당한 부분은 피드 파동 컨덕터 내로 다시 주입되어 마이크로파 공급원(microwave source)에 대해 반사된다(reflected).
따라서, 본 발명에 대한 대안예로서 약간 상이한 개방 주기가 선택된다. 이에 따라, 면 전방(face front)은 경사진다(inclined). 파워는 나선 형태로 연소 공동 내로 전파되며, 경로 길이(path length)가 커지는 것을 용이하게 하고(facilitate) 따라서 tanδ과 대부분 무관한 마이크로파 파워(microwave power)의 흡수를 용이하게 한다. 개방의 폭(width)은 연소 챔버 내에 주입된 파워가 외주를 따라 일정하도록 변경된다.
위에서 기술된 것과 같이, 일정한 상(phase)을 가진 표면이 반경에 대해 더욱 더 기울어지면 질수록 반경은 점점 더 작아지게 된다. 파워가 오직 방위각 방향(azimuthal direction)으로만 전파되는 반경이 있다. 이는 연소 챔버의 내부 안에서 필드(field)가 없는 부분으로 이어진다. 이것은 연료 농축도(fuel concentration)가 연소 챔버의 중앙(center)에서 낮을 때 바람직하다. 여기된 모드(excited mode)는 앞에서 기술된 속삭임 회랑 모드에 상응한다. 이 결합(coupling)은, 감겨진 파동 컨덕터 내의 파동 길이가 깨끗한 공간(clear space) 파동 길이에 대해 짧을 때 특히 효율적으로 도달된다. 따라서, 파동 컨덕터에는 비-흡수성 유전 재료(non absorbing dielectric material)로 채워진다(filled).
공급원(source)으로부터 연소 챔버로의 경로 위에서, 마이크로파는 압력 배리어(pressure barrier)로서 구성되는 윈도우(window)를 해결해야 한다. 감겨진(wound)/캠버형(cambered) 파동 컨덕터 내의 유전 재료는 본 발명에 따른 마이크로파 윈도우로서 사용될 수 있다.
중공 컨덕터 벽에서 점화를 증대시키는 것도 바람직할 수 있다. 전자기파 이론으로부터, 주입된 유전 재료 내에서의 공명 필드 증대(resonant field augmentation)가 형성될 수 있는 것은 잘 알려져 있다. 이것은 예를 들어 링 따라서 "점화 링(ignition ring)"에 의해 제공될 수 있으며, 로컬 공명 필드 증대는 연소 챔버 내에 도달하고 상기 위치에서 점화를 증대시킨다.
본 발명에 따르면, 점화 링은 윈도우의 기능(function)을 추가로 수행할 수 있다. 이러한 링들은 점화 기능이 없는 윈도우로서만 사용될 수 있는데, 상기 링들은 바(bar) 외부에 있는 공간에 배열되는 것이 바람직하다. 이 때문에 에지에서는 필드 증대가 형성되지 않는다.
한 에지에서 강력한 필드 증대(field augmentation)가 구현될 수 있으며, 이와 동시에, 주입 주기(injecting period)가 용적 모드 뿐만 아니라 WGM으로 주입이 수행되도록 선택된다는 점에서, 중앙에서 상대적으로 약한 필드 여기(field excitation)가 발행된다. 이 때문에 에지 부분들에서 필드 증대(field augmentation)가 형성된다(yield).
연소 공동의 에지에서 필드 여기는 시간에 따라 조절될 수 있다. 처음에, 전체 연소 챔버를 여기시키는 용적 모드로 가는 피드 파동 컨덕터에 의해 주입이 수행되는 주파수(frequency)가 선택된다. 그 뒤, 상기 주파수는 점화 WGM으로의 주입이 수행되도록 변경될 수 있다.
감겨진 파동 컨덕터의 한 단부에서, 45°의 각도로 경사지고 편광을 회전시키는(rotate polarization) 플레이트(plate)가 배열될 수 있다. 그 뒤, 감겨진 컨덕터의 단부에 도달하는 마이크로파 파워(microwave power)는 회전된 편광(rotated polarization)에서 반사된다. 90°로 회전된 편광에서 연소 공동 내로 주입되는 파워는 전방 방향으로 주입되는 파워와 간섭되지(interfere) 않는다.
몇몇 적용분야에서, 실린더 헤드의 경사부(slant)에서 국지적으로 점화를 증대시킬 필요가 있을 수 있다. 전자기파 이론에서, 전도 지점(conductive point)들에서 로컬 필드 증대(local field augmentation)가 발생되는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 전도 지점들이 엔진(실린더 헤드) 내의 상이한 위치들에 배열되며, 로컬 필드 증대 및 따라서 로컬 점화가 구현된다.
따라서, 본 발명의 방법 및 연소 엔진은 연소 챔버 내에서 연료-공기 혼합물의 공간 점화의 시작할 때 정밀하게 조절하기 용이하게 하며, 이에 따라 종래 기술의 왕복 피스톤 내연기관에 비해 더 좋은 효율을 가지면서 연료의 최적의 저배출 연소가 구현되게 한다. 일반적으로, 본 발명은 점화를 구현하기 위해 추가적인 농축(enrichment)을 필요로 하지 않으며 낮은 연료 소비로 이어지는 희박(lean) 연료-공기 혼합물의 안전한 점화(safe ignition)를 용이하게 한다. 배출물(emissions) 및 배출물 생성은 공기 대 연료의 혼합비 및 연소 온도에 의해 조절될 수 있다. 본 발명에 따른 연소는 종래 기술의 점화보다 더 신속하게 발생된다. 이는 "저온 연소(colder combustion)"가 발생되게 하여 효율이 증가된다. 더욱이, 실제로, 저온 연소 공정을 통해 오염물질 배출물을 줄어든다. 저온 연소는 배기 가스 내에서 질소산화물(NO)의 농축도를 감소시킨다. 종래 기술의 연소와는 상이한 공간 점화를 통해, 연소 공정은 확산 화염(diffusion flame) 형태의 연소 공정에 훨씬 덜 좌우된다. 이는 추가적인 열손실을 방지하고 효율성이 증대되는 데 도움을 준다. 이러한 타입의 연소를 위해서는 산화 부분(oxidation portion) 내에서의 공기 및 연소 챔버의 가열 상(heat up)이 제공되지 않는다.
이제, 본 발명은 개략적으로 도시된 첨부도면들을 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이다. 본 발명의 추가적인 특징들은 첨부도면들과 특허청구범위들을 조합하여 아래 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다:
도 1은 일정한 슬롯(slot)을 가진 링 주입부(ring injection)를 포함하는 실린더 헤드를 예시하는 투시도(도 1a), 상부도(도 1b) 및 단면도(도 1c);
도 2는 경로의 길이에 걸쳐 간격의 크기가 증가하는 연소 챔버 내에 환형 간격을 가진 링 주입부를 포함하는 실린더 헤드를 예시하는 투시도(도 2a); 상부도(도 2b) 및 단면도(도 2c);
도 3은 연소 챔버 내로 제공된 복수의 개구를 가진 링 주입부를 포함하는 실린더 헤드를 예시하는 투시도(도 3a); 상부도(도 3b) 및 제1 단면도(도 3c) 및 상기 제1 단면도에 대해 90°만큼 오프셋배열된 제2 단면도(도 3d)로서, 상기 단면도들은 내연기관의 세부를 예시하고;
도 4는 도 3에 따른 링 주입부를 위한 카운터 피스(counter piece)를 예시하는 투시도(도 4a), 상부도(도 4b), 라인 A-A를 따라 절단한 단면도(도 4c) 및 라인 B-B를 따라 절단한 단면도(도 4d);
도 5는 확대된 개구(enlarging opening)를 가진 환형 중공 컨덕터 공동이 삽입된 커버 링에 의해 형성된 도 2에 따른 실린더 헤드를 예시하는 투시도(도 5a), 상부도(도 5b) 및 단면도(도 5c);
도 6은 추가적인 지점들을 가진 환형 중공 컨덕터 공동을 형성하기 위한 커버 링을 예시하는 투시도(도 6a) 및 상부도(도 6b);
도 7은 조립된 상태에 있는 도 3 및 4에 따른 실린더 헤드를 예시하는 투시도(도 7a), 상부도(도 7b), 라인 A-A를 따라 절단한 단면도(도 7c) 및 라인 B-B를 따라 절단한 단면도(도 7d);
도 8은 도 3에 따른 실시예에서 링 주입부를 가진 실린더를 포함하는 내연기관의 세부를 절단한 횡단면도이다.
도면에서, 본 발명은 다양한 실시예들에 따라 대표적으로 예시된다. 개별 도면들에서 동일하거나 또는 비슷한 요소들은 동일한 도면부호들로 제공된다.
도 1a는 캠버형(cambered) 연소 챔버(2)를 포함하며 금속으로 제작된 실린더 헤드(1)의 투시도이다. 상기 실시예에서, 복수의 보어 홀(3)들이 연소 챔버(2) 내로 이어지는데(lead), 여기서, 보어 홀들은 연소 챔버(2)의 중앙(center)에 배열되고 연료-공기 혼합물(fuel air mixture)이 상기 보어 홀들을 통해 주입될 수 있다. 이 배기 가스(exhaust gas)들은 상기 타입의 엔진들에 일반적으로 방법으로 배출된다. 입구 밸브(inlet valve) 또는 출구 밸브(outlet valve)가 통상적인 방법으로 실린더 헤드(1) 내에 배열될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 상기 실시예는 필요 시에 추가적인 스파크 플러그(spark plug)가 삽입될 수 있는 추가적인 보어 홀(4)을 포함한다. 충분한 마이크로파 에너지가 주입되고 이에 따라 연소 챔버(2) 내에 공간 점화(space ignition)가 구현되면, 상기 보어 홀은 제거될 수 있다. 실린더 헤드(1)는 상기 실린더 헤드의 외주(circumference)에서 내부에 또는 전방에 마이크로파 윈도우(6)가 배열된 개구(5)를 포함하는데, 상기 마이크로파 윈도우는 연소 챔버(2)를 실린더의 외부에 배열된 공간으로부터 분리시켜서 어떠한 가스도 상기 경로(path)를 통해 도 7에 예시된 마이크로파 공급부(microwave feed) 내로 다시 이동할 수 없도록 하기 위하여 도 7에서 대표적인 방법으로 예시된다. 개구(5)는 공동(8)의 한 단부에 위치되며, 상기 공동(8)은 연소 챔버(2) 주위로 연장되는 환형 공동(9) 내로 이어진다. 도면들에서 자명한 것과 같이, 환형 공동(9)은 실린더 헤드(1) 내의 채널(channel)로서 구성되며, 상기 채널은 링(17, 17')을 사용함으로써 환형 중공 컨덕터 공동이 되는데, 이는 도 5 및 6을 참조하여 밑에 기술될 것이다. 따라서, 상기 공동은 환형 공동(9)으로서 개방된 예시예(open illustration)로 표시되고 환형 중공 컨덕터 공동(9)로서 밀폐된 예시예(closed illustration)로 표시된다. 연소 챔버(2)를 둘러싸는(enveloping) 바(10)가 연소 챔버(2)를 향하는 환형 컨덕터(9)의 벽을 형성한다. 바(10)는 중공 컨덕터 공동(9)의 한 단부에서 개구(11)를 포함하는데, 상기 개구는 환형 공동(9)을 연소 챔버(2)와 연결시킨다. 또한, 환형 공동(9)의 한 단부에 배열된 면 벽(face wall)(12)이 경사진 각도로 형성되어, 환형 공동(9) 내에서 연장되는 마이크로파가 환형 공동(9)에 의해 반사되지 않거나 혹은 오직 작은 크기만큼만 반사되도록 일정 각도로 면 벽(12)과 충돌된다(impact). 대신, 환형 공동(9)을 통해 제공되는 마이크로파는 개구(11)를 통해 연소 챔버 내로 배출될 수 있다. 도 1에 예시된 실시예에서, 바(10)를 형성하는 벽은 채널 형태의 환형 공동(9) 주위로 외주방향의 외측 벽(13)보다 낮은 연속적으로 일정한 높이를 가진다. 특히, 도 1c로부터 자명한 것과 같이, 환형 공동(9)은 실린더 헤드(1) 내의 더 큰 리세스(14) 내에 배열되며, 환형 공동(9) 내에 주입된 후에 마이크로파가 굴절되는(deflect) 굴절 벽(16)과 면 벽(12) 사이에서 연장되는 부분(15') 내로 연장되는 외주방향 숄더(15)를 형성한다. 환형 중공 컨덕터 공동을 형성하기 위하여, 환형 공동(9)은 평평 링(17)(도 5)에 의해 덮힌다(covered). 외주방향 바(10)를 형성하는 벽의 상측 에지(upper edge)와 상기 평평 링은 간격(gap)을 생성하며, 상기 간격을 통하여 마이크로파가 환형 중공 컨덕터 공동(9)을 통해 외주 방향으로 제공되는 동안 연소 챔버(2) 내로 전파될(propagate) 수 있다. 이 부분은 도 1c에서 도면부호(18)로 표시된다.
도 2는 도 1에 상응하는 도면으로서 바(10)를 형성하는 벽이 연속적이라는 차이점을 가지는데, 이는 면 벽(12)에 근접한(proximal) 단부에서는 개별적인 개구가 없다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 바의 높이는 굴절 벽(16)에서 환형 공동(9)의 시작 부분으로부터 면 벽(12)에서의 단부까지 연속적으로 감소된다. 또한, 여기서, 환형 중공 컨덕터 공동(9)은 도 5 또는 도 6에 예시된 것과 같이 평평 링(17, 17')에 의해 형성된다.
도 3에 따른 실시예에서, 단일의 벽 형성 바 대신에 복수의 개별 바(19)들이 제공되며, 개별 바(19)들 사이에는 출구 개구(20)가 배열된다. 상기 실시예에서, 개별 바(19)들은 일정한 높이 및 일정한 거리를 가진다. 하지만, 상기 거리는 환형 공동(9)의 길이에 걸쳐 변경될 수 있다. 상기 실시예에서, 추가적인 스파크 플러그를 위한 어떠한 보어 홀도 예시되지 않는다. 도 1b는 환형 공동(9) 내로 이어지는 공동(8)을 예시한다. 또한, 여기서, 도 5에 따른 링(17) 또는 도 6에 따른 링(17')을 제공함으로써 환형 중공 컨덕터 공동이 형성된다. 도 3c 및 3d에서, 도 3a 및 3b에 예시된 요소(element)들은, 상기 요소들이 보이는 한, 횡단면으로 예시된다.
도 4는 도 3에서 실린더 헤드(1)에 따라 형성된 실린더 헤드 카운터 피스(1')를 예시하는 도면으로서, 맞은편 피스(opposite piece)가 상기 도면에서는 예시되지 않은 왕복 피스톤 내연기관의 한 피스톤을 통과하고 연소 챔버(2)를 확대하기 위한 관통 개구(21)를 가진 링(ring)으로서 형성되는 차이점을 가진다. 여기서는, 환형 공동이 도면부호(9')로 표시된다. 상기 실린더 헤드 카운터 피스(1')는 반대 방향으로 도 3에 따른 실린더 헤드(1)에 결부될 수 있는데(attached), 이는 맞은편 바(19)들이 서로를 향해 배열되며, 도 3c 및 3d에 따른 리세스(14) 내에 디바이더(divider)로서 도 5 및 6에 따른 링(17 또는 17')이 삽입될 수 있다는 것을 의미한다. 각각의 링(17 또는 17')은 실린더 헤드(1) 내에서 환형 중공 컨덕터 공동을 형성할 뿐만 아니라 실린더 헤드 카운터 피스 내에서도 환형 중공 컨덕터 공동을 형성한다. 각각의 링(17 또는 17')은 리세스(14) 내의 숄더(15)와 접촉한다. 상기 리세스는 실린더 헤드 카운터 피스(1') 내에는 없다.
도 5는 바(10)를 형성하는 벽의 높이가 환형 공동(9)의 길이에 걸쳐 감소되며, 환형 중공 컨덕터 공동(9')을 형성하는 삽입된 평평 링(17)을 포함하는 도 2에 따른 실린더 헤드(1)를 예시한다.
도 6은 링의 중앙 지점(center point)을 향하는 방향으로 배열되며 로컬 필드 증대(local field augmentation)를 생성하는 점화 지점(ignition point)(22)을 가진 링(17')의 형상을 예시한다.
도 7은 실린더 헤드(1) 또는 실린더 헤드 카운터 피스(1') 내에서 각각의 환형 중공 컨덕터 공동(9, 9')을 분리하기 위해 도 5에 따른 링 및 개별 바(19)를 가지며 도 3 및 4에 따른 실린더 헤드 카운터 피스(1')를 가진 실린더 헤드(1)의 조립체(assembly)를 예시한다. 실린더 헤드(1) 및 실린더 헤드 피스(1')에서, 중공 공동(8)을 위한 개구(5) 내로의 삽입부 전방에 있는 마이크로파 윈도우(6)를 포함하는 각각의 마이크로파 공급부(7)들이 예시된다. 상기 실시예에서, 실린더 헤드(1) 및 실린더 헤드 카운터 피스(1')는 마이크로파 공급부(7)들이 서로 정확하게 맞은편에 배열되도록 위치된다. 각각의 적용분야(application)를 위한 필요요건들에 따라 회전을 통해 또 다른 배열방향을 선택하는 것도 물론 가능하다.
도 8은 피스톤(24)이 실린더 헤드(1)와 함께 이동가능한 실린더(23)를 가진 왕복 피스톤 내연기관(25)의 세부를 개략적으로 예시한 도면으로서, 도 3에 따른 개별 바(19)들을 가진 환형 공동(9)은 마이크로파 링 주입부(microwave ring injection)를 위해 실린더 헤드(1) 내에 배열된다. 또한, 도 8은 도 7에 예시된 마이크로파 윈도우(6)를 가진 마이크로파 공급부(7)를 예시한다.
위에서 기술된 각각의 실시예들의 개별 특징들은 필요 시에 또 다른 실시예의 다른 특징들과 조합될 수 있다. 도면들에서 명백하게 볼 수 있듯이, 실린더 헤드(1)는 간단하게 제작될 수 있는 부품(component)으로서, 환형 중공 컨덕터 공동(9)은 각각의 링(17 또는 17')을 삽입함으로써 형성된다. 각각의 링(17 또는 17')은 실린더 헤드 카운터 피스(1')를 위한 디바이더 벽(divider wall)으로서 사용된다.
실린더 헤드(1)는 일반적인 재료, 통상, 금속으로 제작되는데, 상기 재료는 적용분야에 따라 선택될 수 있다. 예시된 중공 컨덕터 공동 내의 마이크로파를 위한 경계(boundary)도 금속으로 제작될 수 있으며, 예를 들어, 고 전기전도성 재료로 표면을 코팅함으로써 전도성(conductivity)을 최적화하기 위하여 추가적인 변형(measure)이 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 마이크로파가 마이크로파 윈도우(6)를 통해 연소 챔버(2)에 주입되는 내연기관의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법에 있어서,
    마이크로파는 연소 챔버(2)의 외주 주위에 제공되고 마이크로파가 마이크로파 윈도우(6)를 통과한 뒤 반경 방향으로 연소 챔버(2) 내에 주입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 마이크로파는 연소 챔버(2)를 향해 배열된 하나 이상의 출구 개구(11, 13, 16)를 포함하며 연소 챔버(2)의 외주에 배열된 하나 이상의 환형 중공 컨덕터 공동(9)을 통해 연소 챔버(2) 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 챔버(6) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서, 마이크로파는 환형 중공 컨덕터 공동(9)의 한 단부에서 일정 각도로 연소 챔버(2) 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 마이크로파는,
    연소 챔버 벽(8)과 환형 중공 컨덕터 공동(9) 사이에서 외주 방향으로 연장되는 간격(15')을 통해, 또는
    환형 중공 컨덕터 공동(9) 내에서 마이크로파의 한 경로 길이에 걸쳐 크기가 증가되며 연소 챔버 벽(8)과 환형 중공 컨덕터 공동(9) 사이에서 외주 방향으로 연장되는 간격을 통해, 또는
    환형 중공 컨덕터 공동(9) 내에서 마이크로파의 한 경로 길이에 걸쳐 크기가 증가되며 연소 챔버 벽(8)과 환형 중공 컨덕터 공동(9) 사이에서 마이크로파의 전파 방향에 대해 수직으로 배열되는 복수의 간격(20)을 통해, 또는
    이들의 조합을 통해,
    환형 중공 컨덕터 공동(9)으로부터 주입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파는 25 GHz 내지 90 GHz 사이의 주파수, 바람직하게는 36 GHz의 주파수로 주입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파는 임펄스 패킷(impulse packet)으로 주입되는데, 상기 임펄스 패킷은 이미 수행된 연료-공기 혼합물의 점화 후에도 유지되는 것을 특징으로 하는 내연기관(1)의 연소 챔버(6) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파는 크랭크샤프트의 각도에 따라 주입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파는 실린더 헤드(1) 내에 배열된 환형 컨덕터 공동(9)을 통해 연소 챔버(2)와 실린더 헤드(1)를 가진 하나 이상의 실린더(23)를 포함하는 왕복 피스톤 내연기관(25) 내에 주입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입시키기 위한 방법.
  9. 마이크로파가 마이크로파 윈도우(6)를 통해 연소 챔버(2) 내에 주입되는 연소 챔버(2) 및 실린더 헤드(1)를 가진 하나 이상의 실린더(23)를 포함하는 내연기관(25)의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치에 있어서,
    실린더 헤드(1)는 연소 챔버(2) 주위에서 외주 방향으로 연장되는 하나 이상의 환형 중공 컨덕터 공동(9)을 포함하며 연소 챔버(2)와 환형 중공 컨덕터 공동(9) 사이에 배열된 마이크로파를 위한 하나 이상의 출구 개구(14, 15') 및 마이크로파를 위한 하나 이상의 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(25)의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치.
  10. 제9항에 있어서, 연소 챔버(2)를 향하는 방향으로 배열된 출구 개구(14)와 환형 중공 컨덕터 공동(9)에 대해 일정 각도로 배열된 벽(14)이 환형 중공 컨덕터 공동(9)의 한 단부에 배열되는 것을 특징으로 하는 내연기관(25)의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    연소 챔버 벽(8)과 환형 중공 컨덕터 공동(9) 사이에서 외주 방향으로 연장되는 간격, 또는
    환형 중공 컨덕터 공동(9) 내에서 마이크로파의 한 경로 길이에 걸쳐 크기가 증가되며 연소 챔버 벽(8)과 환형 중공 컨덕터 공동(9) 사이에서 외주 방향으로 연장되는 간격, 또는
    환형 중공 컨덕터 공동(9) 내에서 마이크로파의 한 경로 길이에 걸쳐 크기가 증가되며 연소 챔버 벽(8)과 환형 중공 컨덕터 공동(9) 사이에서 마이크로파의 전파 방향에 대해 수직으로 배열되는 복수의 간격(20), 또는
    이들의 조합이 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관(25)의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 환형 중공 컨덕터 공동(9)은 링(17, 17')을 가진 연소 챔버(2) 주위로 연장되는 채널로서 형성되는데, 상기 링(17, 17')은 채널 상에 삽입될 수 있으며 연소 챔버(2) 내로 돌출되는 지점(22)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(25)의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 동일한 환형 중공 컨덕터 공동(9')이 환형 중공 컨덕터 공동(9)에 인접하게 제공되는데, 추가적인 환형 중공 컨덕터 공동(9')은 환형 중공 컨덕터 공동(9)의 출구 개구(20)에 대해 오프셋배열된 출구 개구(20')를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(25)의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서, 추가적인 환형 중공 컨덕터 공동(9')은 환형 중공 컨덕터 공동(9)에 인접하게 배열된 환형 부품(1') 내에 배열되고, 환형 부품(1')의 추가적인 환형 중공 컨덕터 공동(9')은 환형 중공 컨덕터 공동(9)에 대해 반대 방향으로 배열되며, 환형 평평 링(17)이 환형 중공 컨덕터 공동(9)과 환형 부품(1') 사이에 배열되고, 상기 환형 평평 링에는 연소 챔버(2) 내로 돌출되는 끝단(22)들이 제공되며, 상기 환형 평평 링은 두 환형 중공 컨덕터 공동(9, 9') 사이에서 디바이더 벽을 형성하며 이와 동시에 두 환형 중공 컨덕터 공동(9, 9')을 위한 벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 내연기관(25)의 연소 챔버(2) 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치를 포함하는 내연기관(25).
KR1020160025612A 2015-03-03 2016-03-03 내연기관의 연소 챔버 내에 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 방법 및 장치 KR101881635B1 (ko)

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