KR20180101395A - Duct fuel injection - Google Patents
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Abstract
본원에서 제시된 다양한 기술들은, 국부적으로 예비 혼합된 혼합물들의 점화 및 후속 연소 동안 그을음 및/또는 다른 원치 않는 배출물을 최소로 생성하나 생성하지 않도록 연료 및 차지 가스를 포함하는 하나 이상의 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 형성하기 위해 연소 챔버 내에서 혼합을 향상시키는 것과 관련된다. 연료 및 차지 가스의 충분한 혼합을 가능하게 하도록, 연료 제트는 덕트의 보어를 통과하도록 배향되어, 차지 가스를 보어 내로 인출시키고 난류를 유발하여 연료와 인출된 차지 가스를 혼합한다. 덕트는 연료 분사기의 팁 내의 개구에 근접하여 위치될 수 있다. 본원에서 제시된 다양한 기술들은 압축-점화 (CI) 왕복 기관들, 스파크-점화 (SI) 왕복 기관들, 가스-터빈 (GT) 기관들, 버너들 및 보일러들, 웰헤드/제련 플레어링 (wellhead/refinery flaring) 등과 같은 다수의 연소 시스템들에서 이용될 수 있다.The various techniques set forth herein may be combined with one or more locally premixed mixtures comprising fuel and charge gas to minimize, but not create, soot and / or other unwanted emissions during ignition and subsequent combustion of locally premixed mixtures Lt; RTI ID = 0.0 > combustion chamber < / RTI > To enable sufficient mixing of the fuel and charge gas, the fuel jets are oriented to pass through the bores of the duct to draw the charge gas into the bore and induce turbulence to mix the fuel and the drawn charge gas. The duct may be located close to the opening in the tip of the fuel injector. The various techniques set forth herein may be used in various applications such as compression-ignition (CI) reciprocating engines, spark-ignition (SI) reciprocating engines, gas-turbine (GT) engines, burners and boilers, wellhead / smelting flaring refinery flaring), and the like.
Description
관련 출원들Related Applications
본 출원은 "덕트 연료 분사" 라는 명칭의 2016 년 11 월 20 일자로 출원된 미국 특허 출원 제 15/363,966 호에 대한 우선권을 주장하고, "덕트 연료 분사 적용" 이라는 명칭의 2016 년 1 월 13 일자로 출원된 미국 가출원 제 62/278,184 호에 대한 우선권을 주장한다. 또한, 이 출원은 "덕트 연료 분사" 라는 명칭의 2015 년 7 월 1 일자로 출원된 미국 특허 출원 제 14/789,782 호의 일부 계속 출원이고, "덕트 연료 분사" 라는 명칭의 2014 년 10 월 1 일자로 출원된 미국 가출원 제 62/058,613 호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 출원들의 전부는 본원에서 참조로 원용된다.This application claims priority to United States Patent Application No. 15 / 363,966, filed November 20, 2016, entitled " Duct Fuel Injection " U.S. Provisional Application No. 62 / 278,184, filed concurrently herewith. This application is also a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 14 / 789,782, filed July 1, 2015 entitled " Duct Fuel Injection ", filed on October 1, 2014 entitled "Duct Fuel Injection & The present application claims priority to U.S. Provisional Application No. 62 / 058,613. All of the above applications are incorporated herein by reference.
정부 권리에 대한 선언Declaration on Government Rights
본 발명은 Sandia Corporation 과 미국 에너지국 간의 계약 DE-AC04-94AL85000 에 따라 개발되었다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 특정 권리를 갖는다.The present invention was developed in accordance with the contract DE-AC04-94AL85000 between Sandia Corporation and the US Department of Energy. The US government has certain rights in the invention.
대부분의 현대 기관은, 기관의 각 연소 실린더가 연료를 연소 챔버에 직접 분사하도록 구성된 전용 연료 분사기를 포함하도록 디자인된다. 이러한 "직접 분사" 기관은 증가된 기관 효율 및 감소된 배출물에 관하여 과거 디자인 (예컨대, 카뷰레터) 에 대한 기관 기술의 개선을 나타내지만, 직접 분사 기관은 비교적 높은 수준의 특정 원치 않는 배출물을 생성할 수 있다.Most modern engines are designed to include dedicated fuel injectors in which each combustion cylinder of the engine is configured to inject fuel directly into the combustion chamber. While such "direct injection" engines represent improvements in engine technology for past designs (e.g., carburetors) with respect to increased engine efficiency and reduced emissions, direct injection engines can produce relatively high levels of certain undesirable emissions have.
기관 배출물은 연료가 풍부하고 산소가 희박한 연료 혼합물의 연소로부터 기인하는 그을음을 포함할 수 있다. 그을음은 중간 내지 높은 부하에서 작동할 수 도 있는 기관의 연소 챔버에서 일반적으로 형성되는 확산 화염의 연료가 풍부한 구역에 의해 형성된 작은 탄소 입자들을 포함한다. 그을음은 환경 위험물, 미국 환경 보호국 (EPA) 에 의해 규제된 배출물, 및 두 번째로 가장 중요한 기후 강제력 (climate-forcing) 종들 (이산화탄소가 가장 중요함) 이다. 오늘날, 그을음은 배기 시스템의 크고 값비싼 입자 필터에 의해 디젤 기관의 배출물로부터 제거된다. NOx 선택적 촉매 환원, NOx 트랩, 산화 촉매 등과 같은 다른 사후 연소 처리가 또한 이용되어야 할 수도 있다. 이러한 후처리 시스템은 그을음/미립자 및 다른 원치 않는 배출물들의 연속적이고 효과적인 감소를 가능하게 하도록 유지되어야 하고, 따라서 초기 장비 비용 및 후속 유지 보수의 관점에서 연소 시스템에 추가의 비용이 더해져야 한다.The engine emissions may include soot resulting from the combustion of a fuel mixture rich and oxygen-lean. The soot includes small carbon particles formed by the fuel-rich zone of the diffusion flame generally formed in the combustion chamber of the engine, which may operate at medium to high loads. Soot is environmental hazards, emissions regulated by the US Environmental Protection Agency (EPA), and the second most important climate-forcing species (carbon dioxide is the most important). Today, soot is removed from the exhaust of the diesel engine by a large and costly particulate filter in the exhaust system. Other post combustion processes such as NOx selective catalytic reduction, NOx trap, oxidation catalyst, etc. may also have to be utilized. This aftertreatment system should be maintained to enable a continuous and effective reduction of soot / particulate and other undesired emissions, and therefore additional costs should be added to the combustion system in terms of initial equipment cost and subsequent maintenance.
연소 기술의 초점은 더 희박한 혼합물에서 연료를 연소시키는 것인데, 왜냐하면 이러한 혼합물들은 더 적은 그을음, NOx, 및 탄화수소 (HC) 및 일산화탄소 (CO) 와 같은 다른 잠재적으로 규제된 배출물을 생성하는 경향이 있기 때문이다. 일 이러한 연소 전략은 희박 부상 화염 연소 (LLFC; Leaner Lifted-Flame Combustion) 이다. LLFC 는 그을음을 생성하지 않는 연소 전략인데, 왜냐하면 연소는 대략 2 이하의 당량비에서 일어나기 때문이다. 당량비는 연료 대 산화제 질량의 화학양론적 비율로 나눈 연료 대 산화제 질량의 실제 비율이다. LLFC 는 연소 챔버에서 차지 가스 (즉, 추가의 가스상 화합물이 있거나 없는 공기) 와의 연료의 향상된 국부적인 혼합에 의해 달성될 수 있다.The focus of the combustion technique is to burn fuel in leaner mixtures because these mixtures tend to produce less soot, NOx, and other potentially regulated emissions such as hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) to be. This combustion strategy is Leaner Lifted-Flame Combustion (LLFC). LLFC is a combustion strategy that does not produce soot, because combustion occurs at an equivalence ratio of about 2 or less. The equivalence ratio is the actual ratio of fuel to oxidant mass divided by the stoichiometric ratio of fuel to oxidant mass. The LLFC can be achieved by improved local mixing of the fuel with the charge gas (i.e., air with or without additional gaseous compounds) in the combustion chamber.
다음은 본원에서 보다 상세하게 설명되는 주제의 간략한 요약이다. 이러한 요약은 청구항의 범위에 관하여 제한하려는 의도가 아니다.The following is a brief summary of the subject matter described in greater detail herein. This summary is not intended to be limiting as to the scope of the claims.
종래의 연소 챔버 구성/배열에서 생성된 혼합에 비해 연소 챔버 내의 국부적인 혼합 비율을 향상시키도록 디자인된 다양한 기술들이 본원에 개시되어 있다. 향상된 혼합 비율은 연료 및 차지 가스를 포함하는 하나 이상의 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 형성하는데 사용되어서, 형성된 혼합물들이 국부적으로 예비 혼합된 혼합물들의 점화 및 후속 연소 동안 연소 챔버 내에서 최소의 또는 제로의 그을음 및/또는 다른 바람직하지 않은 배출물을 형성한다. 연료 및 차지 가스의 혼합이 이러한 개선된 연료 대 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 생성할 수 있도록, 연료 제트는 덕트의 보어를 통과하도록 (예컨대, 튜브, 중공 곡선주 (cylindroid) 아래로) 배향되고, 연료의 통과로 차지 가스가 보어 내로 유입되고, 따라서 난류가 보어 내에 형성되어, 연료 및 유입된 차지 가스의 향상된 혼합을 유발한다. 연소 챔버 내의 차지 가스는 추가의 가스상 화합물이 있거나 없는 공기를 포함할 수 있다.Various techniques are described herein that are designed to improve the local mixing ratio in the combustion chamber relative to the mixing produced in conventional combustion chamber configurations / arrangements. The improved mixing ratio may be used to form one or more locally premixed mixtures comprising the fuel and the charge gas so that the formed mixtures have a minimum or zero soot in the combustion chamber during ignition and subsequent combustion of locally premixed mixtures And / or other undesirable emissions. The fuel jets are arranged to pass through the bores of the duct (e.g., tubes, cylindroids, etc.) so that the mixture of fuel and charge gas can produce a locally premixed mixture having this improved distribution of fuel to gas ratio. Downward) and the passage of the fuel causes the charge gas to flow into the bore, thus turbulence is formed in the bore, resulting in an improved mixing of the fuel and the incoming charge gas. The charge gas in the combustion chamber may comprise air with or without additional gaseous compounds.
국부적으로 예비 혼합된 혼합물(들)의 연소는 연소 챔버 내에서 일어날 수 있고, 연료는 임의의 적합한 인화성 또는 가연성 액체 또는 증기일 수 있다. 예를 들어, 연소 챔버는 실린더 보어의 벽 (예컨대, 기관 블록 내에 형성됨), 실린더 헤드의 화염 데크 표면, 및 실린더 보어 내에서 왕복 운동하는 피스톤의 피스톤 크라운을 포함하는 다양한 표면들에 따라 형성될 수 있다. 연료 분사기는 실린더 헤드 내에 탑재될 수 있고, 연료는 연료 분사기의 팁 내의 적어도 하나의 개구를 통해 연소 챔버 내로 분사된다. 연료 분사기 팁 내의 각 개구에 대해, 덕트는 연료 분사기에 의해 분사된 연료가 덕트의 보어를 통과할 수 있도록 개구와 정렬될 수 있다. 차지 가스는 보어를 통해 유동하는 고속 유동 제트에 의해 국부적으로 형성된 저압의 결과로서 덕트의 보어 내로 유입된다. 이러한 차지 가스는 덕트 벽과 연료 제트의 중심선 사이의 큰 속도 구배에 의해 형성된 극심한 난류로 인해 연료와 급속하게 혼합되어, 연소 챔버에서 후속 점화 및 연소 동안 최소한의, 또는 제로의 그을음 및/또는 다른 바람직하지 않은 배출물을 형성하는 덕트를 나오는 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물의 형성을 초래한다.Combustion of the locally premixed mixture (s) may occur in the combustion chamber, and the fuel may be any suitable flammable or combustible liquid or vapor. For example, the combustion chamber may be formed according to various surfaces including the cylinder crown wall (e.g., formed in the engine block), the flame deck surface of the cylinder head, and the piston crown of the piston reciprocating within the cylinder bore have. The fuel injector may be mounted in the cylinder head and the fuel is injected into the combustion chamber through at least one opening in the tip of the fuel injector. For each opening in the fuel injector tip, the duct can be aligned with the opening so that the fuel injected by the fuel injector can pass through the bore of the duct. The charge gas enters the bore of the duct as a result of the locally formed low pressure by the high velocity fluid jet flowing through the bore. This charge gas is rapidly mixed with the fuel due to the extreme turbulence created by the large velocity gradient between the duct wall and the centerline of the fuel jets, resulting in minimal or zero soot and / or other undesirable combustion during subsequent ignition and combustion in the combustion chamber Resulting in the formation of a locally premixed mixture with a distribution of fuel to charge gas ratios exiting the ducts forming the non-effluent.
실시형태에서, 덕트는 추가로 보어를 따르는 연료의 통과 동안 차지 가스가 덕트의 보어 내로 유입될 수 있도록 그 길이를 따라 형성된 다수의 구멍들 또는 슬롯들을 가질 수 있다.In an embodiment, the duct may further have a plurality of holes or slots formed along its length so that charge gas can flow into the bore of the duct during passage of fuel along the bore.
다른 실시형태에서, 덕트는 튜브로부터 형성될 수 있고, 튜브의 벽들이 서로 평행하고 (예컨대, 중공 실린더), 따라서 덕트의 제 1 단부 (예컨대, 입구) 에서 보어의 직경이 덕트의 제 2 단부 (예컨대, 출구) 에서 보어의 직경과 동일하다. 다른 실시형태에서, 튜브의 벽들은 덕트의 제 1 단부에서 보어의 직경이 덕트의 제 2 단부에서 보어의 직경과 상이하도록 평행하지 않을 수 있다.In another embodiment, the duct can be formed from a tube and the walls of the tube are parallel to each other (e.g., a hollow cylinder) and thus the diameter of the bore at the first end (e.g., inlet) For example, the outlet). In other embodiments, the walls of the tube may not be parallel so that the diameter of the bore at the first end of the duct is different from the diameter of the bore at the second end of the duct.
덕트(들)는 연소 챔버에 적용하는데 적합한 임의의 재료, 예컨대 강, IN CONEL, HASTELLOY, 등과 같은 금속 함유 재료, 세라믹 함유 재료 등으로 형성될 수 있다.The duct (s) may be formed of any material suitable for application to the combustion chamber, such as metal containing materials such as steel, IN CONEL, HASTELLOY, etc., ceramic containing materials, and the like.
추가의 실시형태에서, 덕트(들)는 연료 챔버로의 연료 분사기의 삽입 전에 연료 분사기에 부착될 수 있고, 연료 분사기 및 덕트(들)를 포함하는 어셈블리는 연소 챔버의 일부를 형성하도록 위치된다. 다른 실시형태에서, 연료 분사기는 연소 챔버 내에 위치될 수 있고, 덕트(들)는 후속하여 연료 분사기 또는 실린더 헤드에 부착될 수 있다.In a further embodiment, the duct (s) may be attached to the fuel injector prior to insertion of the fuel injector into the fuel chamber, and the assembly including the fuel injector and the duct (s) are positioned to form a portion of the combustion chamber. In another embodiment, the fuel injector may be located in the combustion chamber and the duct (s) may subsequently be attached to the fuel injector or the cylinder head.
기관의 작동 동안, 덕트의 보어 내의 온도는, 혼합물의 점화 지연이 증가되도록 연소 챔버 내의 주위 온도보다 낮을 수도 있고, 자동 점화 전의 연료와 차지 가스의 혼합이 연소 챔버 내로의 연료의 직접 분사와 비교하여 더 개선된다.During operation of the engine, the temperature in the bores of the duct may be lower than the ambient temperature in the combustion chamber to increase the ignition delay of the mixture, and the mixing of the fuel and charge gases prior to auto-ignition may be compared to direct injection of fuel into the combustion chamber Further improvement.
본원에 제시된 여러 실시형태들은 압축-점화 (CI) 왕복 기관들, 스파크-점화 (SI) 왕복 기관들, 가스-터빈 (GT) 기관들, 버너들 및 보일러들, 웰헤드/제련 플레어링 (wellhead/refinery flaring) 등과 같은 다수의 연소 시스템들 내에서 이용될 수 있다.The various embodiments presented herein may be used in various applications including compression-ignition (CI) reciprocating engines, spark-ignition (SI) reciprocating engines, gas-turbine (GT) engines, burners and boilers, wellhead / smelting flaring / refinery flaring), and the like.
상기 요약은 본원에서 설명된 시스템들 및/또는 방법들의 일부 양태들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 간략한 요약을 제시한다. 이러한 요약은 본원에서 논의된 시스템들 및/또는 방법들의 광범위한 개요는 아니다. 이는 이러한 시스템들 및/또는 방법들의 범위를 기술하거나 핵심/중요 요소들을 식별하려는 의도는 아니다. 이것의 유일한 목적은 이후에 제시되는 더 상세한 설명에 대한 서곡으로서 일부 개념들을 간략한 형태로 제시하는 것이다.The foregoing summary provides a brief summary in order to provide a basic understanding of some aspects of the systems and / or methods described herein. This summary is not an extensive overview of the systems and / or methods discussed herein. It is not intended to describe the scope of such systems and / or methods or to identify key / critical elements. Its sole purpose is to present some concepts in a brief form as an overture to the more detailed explanation presented later.
도 1 은 예시적인 연소 챔버 장치의 단면도이다.
도 2 는 예시적인 연소 챔버 장치를 형성하는 화염 데크, 밸브들, 연료 분사기 및 덕트들의 개략도이다.
도 3 은 덕트들의 배열체 및 연료 분사기를 포함하는 예시적인 연소 챔버 장치의 확대도이다.
도 4 는 원통형 구성을 갖는 덕트의 개략도이다.
도 5a 는 평행하지 않은 측면들을 가지는 덕트의 개략도이다.
도 5b 는 모래시계 프로파일을 가지는 덕트의 개략도이다.
도 5c 는 깔때기 형상의 프로파일을 가지는 덕트의 개략도이다.
도 6a ~ 6c 는 그 길이를 따라 복수의 구멍들을 포함하는 덕트를 도시한다.
도 7a 및 도 7b 는 연소 챔버 내에 위치되는 연료 분사기 및 덕트 어셈블리의 개략도이다.
도 8a 및 도 8b 는 3 개의 덕트들 및 나사형 부착 부분을 포함하는 예시적인 배열체를 도시한다.
도 8c 는 연료 분사 어셈블리에 부착된 덕트 어셈블리의 개략도이다.
도 8d 는 연료 분사기 어셈블리에 대한 덕트 어셈블리의 위치를 용이하게 하기 위해 화염 데크에 부착된 덕트 어셈블리의 개략도이다.
도 9a 및 도 9b 는 연료 분사기의 팁 내의 개구의 형성을 안내하도록 덕트를 이용하는 것을 도시한다.
도 10 은 연소 챔버 내에 최소의, 또는 제로의 그을음 및/또는 다른 바람직하지 않은 배출물들을 형성하는 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 형성하기 위한 예시적인 방법론을 나타내는 흐름도이다.
도 11 은 연소 챔버 내의 적어도 하나의 덕트 및 연료 분사기를 포함하는 어셈블리를 위치하기 위한 예시적인 방법론을 나타내는 흐름도이다.
도 12 는 연료 챔버 내의 연료 분사기에서 적어도 하나의 덕트를 위치하기 위한 예시적인 방법론을 나타내는 흐름도이다.
도 13 은 팁 내의 개구의 형성을 안내하기 위해 덕트를 이용하기 위한 예시적인 방법론을 나타내는 흐름도이다.
도 14 는 예시적인 연소 챔버 장치 내의 덕트 연료 구성에서 연료/차지 가스 혼합물의 점화를 나타내는 개략도이다.
도 15 는 예시적인 연소 챔버 장치에서 덕트의 배출 단부 상에 위치되는 촉매 재료에 의해 점화되는 연료/차지 가스 혼합물의 개략도이다.
도 16 은 예시적인 연소 챔버 장치에서 고리 상에 위치되는 촉매 재료에 의해 점화되는 연료/차지 가스 혼합물의 개략도이다.
도 17 은 예시적인 연소 챔버 장치에서 촉매 재료로 커버되는 복수의 로드들에 의해 점화되는 연료/차지 가스 혼합물의 개략도이다.
도 18 은 예시적인 연소 챔버 장치에서 연료/차지 가스 혼합물을 점화하는 예열 플러그의 개략도이다.
도 19 는 예시적인 연소 챔버 장치에서 연료/차지 가스 혼합물을 점화하는 레이저 빔의 개략도이다.
도 20 은 점화 보조 구성요소로 연료/차지 가스 혼합물을 점화하기 위한 예시적인 방법론을 나타내는 흐름도이다.1 is a cross-sectional view of an exemplary combustion chamber apparatus.
2 is a schematic diagram of flame decks, valves, fuel injectors, and ducts forming an exemplary combustion chamber device.
3 is an enlarged view of an exemplary combustion chamber apparatus including an arrangement of ducts and a fuel injector.
4 is a schematic view of a duct having a cylindrical configuration;
Figure 5a is a schematic view of a duct having non-parallel sides.
5b is a schematic view of a duct having an hourglass profile.
Figure 5c is a schematic view of a duct having a funnel-shaped profile.
Figures 6a-6c illustrate a duct including a plurality of holes along its length.
7A and 7B are schematic views of a fuel injector and a duct assembly located in a combustion chamber.
Figures 8A and 8B illustrate an exemplary arrangement comprising three ducts and a threaded attachment portion.
8C is a schematic view of a duct assembly attached to the fuel injection assembly.
8D is a schematic view of a duct assembly attached to a flame deck to facilitate positioning of the duct assembly relative to the fuel injector assembly.
Figures 9a and 9b illustrate the use of ducts to guide the formation of openings in the tip of a fuel injector.
10 is a flow chart illustrating an exemplary methodology for forming a locally premixed mixture having a distribution of fuel to charge gas ratios forming minimal or zero soot and / or other undesirable emissions within a combustion chamber .
11 is a flow diagram illustrating an exemplary methodology for locating an assembly comprising at least one duct and a fuel injector in a combustion chamber.
12 is a flow chart illustrating an exemplary methodology for locating at least one duct in a fuel injector in a fuel chamber.
Figure 13 is a flow chart illustrating an exemplary methodology for using ducts to guide the formation of openings in the tip.
14 is a schematic diagram illustrating ignition of a fuel / charge gas mixture in a duct fuel configuration in an exemplary combustion chamber apparatus;
15 is a schematic view of a fuel / charge gas mixture ignited by a catalytic material located on an exhaust end of a duct in an exemplary combustion chamber apparatus.
16 is a schematic view of a fuel / charge gas mixture ignited by a catalytic material located on an annulus in an exemplary combustion chamber apparatus.
17 is a schematic view of a fuel / charge gas mixture ignited by a plurality of rods covered with a catalytic material in an exemplary combustion chamber apparatus;
18 is a schematic diagram of a preheat plug for igniting a fuel / charge gas mixture in an exemplary combustion chamber apparatus.
19 is a schematic view of a laser beam that ignites a fuel / charge gas mixture in an exemplary combustion chamber apparatus.
20 is a flow diagram illustrating an exemplary methodology for igniting a fuel / charge gas mixture with an ignition auxiliary component.
연소 중에 최소의, 또는 제로의 그을음 및/또는 다른 원치 않는 배출물들을 형성하는 국부적으로 예비 혼합된 연료 및 차지 가스 혼합물들을 형성하기 위해 하나 이상의 덕트들을 이용하는 것과 관련되는 다양한 기술들이 본원에서 제시된다. 동일 참조 부호는 전반에 걸쳐 기술들의 동일 요소들을 나타내는데 사용된다. 이하의 상세한 설명에서, 설명의 목적을 위해, 하나 이상의 양태들의 완전한 이해를 제공하기 위하여 다수의 특정 세부 사항들이 제시된다. 하지만, 이러한 양태(들)가 이러한 특정 세부 사항들 없이 실행될 수도 있다는 것은 자명할 수도 있다. 다른 예들에서, 충분히 공지된 구조체들 및 디바이스들은 하나 이상의 양태들을 설명하는 것을 용이하게 하기 위해 블록도 형태로 도시되어 있다.Various techniques are described herein that relate to using one or more ducts to form locally premixed fuel and charge gas mixtures that form minimal, or zero, soot and / or other unwanted emissions during combustion. Like reference numerals are used throughout the drawings to refer to like elements of the techniques. In the following detailed description, for purposes of explanation, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of one or more aspects. It may be evident, however, that such embodiment (s) may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form in order to facilitate describing one or more aspects.
또한, 용어 "또는" 은 배타적인 "또는" 보다는 포괄적인 "또는" 을 의미하도록 의도된다. 즉, 달리 명시되지 않거나 문맥으로부터 명확하지 않다면, "X 는 A 또는 B 를 사용한다" 라는 구는 자연스러운 포괄적인 순열 중 하나를 의미하도록 의도된다. 즉, "X 는 A 또는 B 를 사용한다" 라는 구는 다음의 예들 중 하나에 의해 만족된다: X 는 A 를 사용한다; X 는 B 를 사용한다; 또는 X 는 A 와 B 모두를 사용한다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같은 단수 표현은 달리 명시되지 않거나 문맥으로부터 단수 형태로 지시되는 것이 명확하지 않다면 일반적으로 "하나 이상" 을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본원에서 설명된 바와 같이, 용어 "예시적인" 은 어떤 것에 대한 설명 또는 예로서 제공되는 것을 의미하도록 의도되는 것이지, 선호를 나타내도록 의도되는 것은 아니다.Also, the word "or" is intended to mean " exclusive "or" rather than exclusive " That is, the phrase "X uses A or B" is intended to mean one of the natural, comprehensive permutations, unless otherwise specified or clear from the context. That is, the phrase "X uses A or B" is satisfied by one of the following examples: X uses A; X uses B; Or X uses both A and B. Also, the singular presentation as used in this specification and the appended claims should be interpreted generally to mean "one or more than one" unless explicitly indicated otherwise or indicated in the singular form thereof. Also, as described herein, the term "exemplary" is intended to be taken to be an explanation of, or provided as an example, and is not intended to indicate preference.
본원에 제시된 여러 실시형태들은 압축-점화 (CI) 왕복 기관들, 스파크-점화 (SI) 왕복 기관들, 가스-터빈 (GT) 기관들, 버너들 및 보일러들, 웰헤드/제련 플레어링 등과 같은 다수의 연소 시스템들 내에서 이용될 수 있다.The various embodiments presented herein may be used in various applications such as compression-ignition (CI) reciprocating engines, spark-ignition (SI) reciprocating engines, gas-turbine (GT) engines, burners and boilers, wellhead / It can be used in a plurality of combustion systems.
도 1, 도 2 및 도 3 은 덕트 연료 분사 시스템에 대한 예시적인 구성(들)을 도시한다. 도 1 은 연소 챔버 어셈블리 (100) 를 통한 단면도이고, 상기 단면도는 도 2 의 X-X 를 따른 것이다. 도 2 는 도 1 의 방향 Y 으로 연소 챔버 어셈블리 (100) 의 평면도인 구성 (200) 을 도시한다. 도 3 은 도 1 및 도 2 에 도시된 연료 분사 어셈블리의 확대도인 구성 (300) 을 나타낸다.Figures 1, 2 and 3 illustrate exemplary configuration (s) for a duct fuel injection system. 1 is a cross-sectional view through a
도 1 내지 도 3 은 연소 챔버 (105) 를 형성하기 위하여 결합되는 다수의 공통 구성요소들을 집합적으로 도시한다. 실시형태에서, 연소 챔버 (105) 는 기관 (전체적으로 도시되지 않음) 의 크랭크케이스 또는 기관 블록 (115) 내에 형성된 (예컨대, 기계 가공된) 실린더 보어 (110) 내에서 한정되는 일반적으로 원통형 형상을 갖는다. 연소 챔버 (105) 는 일 단부 (제 1 단부) 에서 실린더 헤드 (125) 의 화염 데크 표면 (120) 에 의해 그리고 다른 단부 (제 2 단부) 에서 보어 (110) 내에서 왕복 운동할 수 있는 피스톤 (135) 의 피스톤 크라운 (130) 에 의해 추가로 한정된다. 연료 분사기 (140) 는 실린더 헤드 (125) 내에 탑재된다. 분사기 (140) 는 이것이 연료를 연소 챔버 (105) 내로 직접적으로 분사할 수 있도록 화염 데크 표면 (120) 을 통해 연소 챔버 (105) 내로 돌출하는 팁 (145) 을 구비한다. 분사기 팁 (145) 은 연료가 연소 챔버 (105) 내로 분사되는 다수의 개구들 (146; 오리피스들) 을 포함할 수 있다. 각 개구 (146) 는 특정 형상, 예컨대 원형 개구를 가질 수 있고, 또한 각 개구 (146) 는 특정 개구 직경 (D3) 을 가질 수 있다.Figures 1 to 3 collectively show a number of common components that are combined to form the
또한, 연소 챔버 (105) 는 (이하에서 추가로 설명되는 바와 같이) 분사기 (140) 의 개구 (146) 를 통해 연소 챔버 (105) 에서 분사되는 연료를 배향시키도록 이용될 수 있는 하나 이상의 덕트들 (150) 을 내부에 위치시킨다. 내연 기관의 종래 작동에 따라, 입구 밸브(들) (160) 은 연소 챔버 (105) 내로의 차지 가스의 유입을 가능하게 하도록 이용되고, 출구 밸브(들) (165) 은 그 안에서 발생되는 연소 프로세스에 따라 연소 챔버 (105) 내에 형성된 임의의 연소 생성물들 (예컨대, 가스, 그을음 등) 의 배출을 가능하게 하도록 이용된다. 연소 챔버 (105) 내부의 차지 가스는 추가의 가스상 화합물이 있거나 없는 공기를 포함할 수 있다.The
도 2 는 연소 챔버 (105) 내에 통합될 수 있는 복수의 입구 밸브들 (160) 및 복수의 출구 밸브들 (165) 을 도시한다. 또한, 도 2 에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 덕트들 (150) 이 팁 (145) 주위에 배열될 수 있고, 도 4 의 구성 (400) 에 따라, 덕트 (150) 는 D1 의 외경을 가지는 외벽 (152), 및 덕트 (150) 의 길이를 통과하는 내부 보어 (153) 를 포함하는 튜브 또는 중공의 곡선주일 수 있고, 내부 보어 (153) 는 직경 (D2) 을 갖는다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 덕트 (150) 는 외벽 (152) 의 내부 표면 (154) 및 외벽 (152) 의 외부 표면 (155) 이 평행하고, 따라서 덕트 (150) 의 제 1 단부에서의 제 1 개구 (157) 는 덕트 (150) 의 제 2 단부에서의 제 2 개구 (158) 와 동일한 직경을 가지고, 예컨대 제 1 개구 (157) (예컨대, 입구) 의 직경 = D2 = 제 2 개구 (158) (예컨대, 출구) 의 직경이도록 원통형으로 형성될 수 있다. 덕트 (150) 의 제 1 단부는 개구 (146) 에 가장 근접하게 (근위에, 인접하게, 맞닿게) 위치될 수 있는 반면, 덕트 (150) 의 제 2 단부는 덕트 (150) 의 제 1 단부의 포지션에 비해 개구 (146) 에 대해 원위에 위치된다. 일 실시형태에서, 본원에서 추가로 설명된 바와 같이, 외벽 (152) 의 두께는, 외벽 (152) 의 외부 표면 (155) 이 원통형인 반면 내부 표면 (154) 이 테이퍼링되고 그리고/또는 원추형 형상을 가질 수 있도록 덕트 (150) 의 길이를 따라 변경될 수 있다. 추가의 실시형태에서, 덕트 (150) 의 길이 (L) 는 임의의 원하는 길이일 수 있다. 예를 들어, 덕트 (150) 는 개구 (146) 의 공칭 직경 (D3) 의 약 30 ~ 약 300 배, 예를 들어 약 30 x D3 ~ 약 300 x D3 의 길이 (L) 를 가질 수 있다.Figure 2 shows a plurality of
도 3 을 참조하면, 이전에 언급된 바와 같이, 팁 (145) 은 연료 (180) 의 통과 (예컨대, 연료 분사) 를 가능하게 하도록 복수의 개구들 (146) 을 포함할 수 있다. 분사기 (140) 를 통해 유동하는 연료 (180) 의 초기 체적으로부터, 초기 연료 (180) 가 각각의 개구들 (146) 을 통과함에 따라, 복수의 연료 제트들 (185) 은 팁 (145) 에 위치된 개구들 (146) 의 개수 및 크기에 따라 형성될 수 있다. 분사된 연료 (185) 의 분사 방향은 도 3 에 도시된 중심선(들) () 에 따라 도시될 수 있다. 따라서, 덕트 (150) 는 연료 제트 (185) 의 중심선과 (예컨대, 동축으로) 공동 정렬될 수 있어서, 연료 제트 (185) 는 개구 (146) 로부터 나와서 덕트 (150) 의 보어 (153) 를 통과한다. 도 3 및 도 4 에 따라, 덕트 (150) 의 제 1 (근위) 단부 (157) 는 각각의 개구 (146) 에 대해 근위에 포지셔닝될 수 있고, 제 1 단부 (157) 는 갭 (G) 이 덕트 (150) 의 제 1 단부와 개구 (146) 사이에 존재하도록 포지셔닝될 수 있다. 덕트 (150) 의 제 2 (원위) 단부 (158) 는 덕트 (150) 가 팁 (145) 으로부터 연소 챔버 (105) 로 연장되도록 연소 챔버 (105) 내에 위치될 수 있다.3,
이전에 설명한 바와 같이, 연료 및 차지 가스의 연료가 풍부한 혼합물이 연소되는 상황에서, 원치 않는 그을음이 생성될 수 있다. 따라서, 약 2 이하의 당량비를 가지는 연료/차지 가스 혼합물을 가지는 것이 바람직하다. 각각의 연료 제트(들) (185) 이 각각의 덕트 (150) 의 보어 (153) 를 통해 이동함에 따라, 연소 챔버 (105) 내의 차지 가스가 또한 덕트 (150) 내로 유입되도록 덕트 (150) 의 내부에 압력 차가 생성된다. 차지 가스는 덕트 보어 (153) (유체 속도가 제로임) 와 연료 제트 (185) 의 중심선 (유체 속도가 큼) 사이에 큰 속도 구배에 의해 형성된 격렬한 난류로 인해 연료 (185) 와 급속하게 혼합된다. 난류 조건은 연료 제트 (185) 와 유입된 차지 가스 사이의 혼합 속도를 향상시킬 수 있고, 보어 (153) 에서 연료 (185) 와 차지 가스의 혼합 정도는, 연료 제트 (185) 가 단순하게 덕트의 통과 없이 차지 가스가 충전된 연소 챔버 (105) 내로 주입되었던 종래의 구성에서 발생하는 혼합 정도보다 더 클 수 있다. 종래의 구성에 대해, 연료 제트 (185) 는 구성 (100) 에 따라 덕트 (150) 를 통해 연료 제트 (185) 를 통과시킴으로써 가능하게 되는 것보다 차지 가스와 더 작은 양의 난류 혼합을 겪게 된다.As previously described, in situations where the fuel-rich mixture of fuel and charge gas is burned, unwanted soot can be generated. Thus, it is desirable to have a fuel / charge gas mixture having an equivalent ratio of about 2 or less. As the fuel jets (s) 185 move through the
도 3 에 따라, 연료 제트 (185) 의 구역 (186) 에서 연료 제트 (185) 는 높은 체적의 연료가 풍부한 혼합물을 포함하는 반면, 연료 제트 (185) 의 구역 (187) 에서 연료 제트 (185) 는 유입된 차지 가스와의 혼합되어, 구역 (186) 의 연료가 풍부한 혼합물에 비해 구역 (187) 에서 더 많은 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 초래하게 된다. 따라서, 도 1 내지 도 4 에 도시된 구성 (100) 에 따라, 덕트 (150) 에서 연료 (185) 와 차지 가스 사이의 높은 혼합 정도가 발생하여, 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 연료/차지 가스 혼합물로 이어지며, 이는 (예컨대, 피스톤 (135) 의 모션에 의해 유발된 압축 가열로부터) 상기 혼합물의 점화 및 연소 시에, 종래의 배열체로 달성되는 것보다 더 적은 양의 그을음 및/또는 다른 바람직하지 않은 배출물이 생성되는 것을 초래한다. 구역 (187) 에서의 "충분히 희박한 (lean-enough)" 혼합물이 0 ~ 2 의 당량비(들)를 가질 수 있는 반면, 구역 (186) 에서의 "너무 풍부한" 혼합물은 2 초과의 당량비(들)를 가지는 혼합물이다.3,
일 실시형태에서, 덕트 (150) 의 보어 (153) 의 직경 (D2) 은 덕트 (150) 의 제 1 단부 (157) 가 근접한 각각의 개구 (146) 의 직경 (D3) 보다 클 수 있다. 예를 들어, D2 는 D3 보다 2 배 더 클 수 있고, D2 는 D3 보다 약 50 배 더 클 수 있으며, D2 는 D3 보다 큰 임의의 규모, 예컨대 D3 보다 약 2 배 이상에서 D3 보다 50 배 큰 값 까지의 범위에서 선택된 크기 등인 직경을 가질 수 있다.The diameter D2 of the
도 3 에 도시된 바와 같이, 덕트(들) (150) 은 덕트 (150) 와 화염 데크 표면 (120) 사이에 θ°의 얼라이먼트로 화염 데크 표면 (120) 에 대해 정렬될 수 있다. θ 는 0°(예컨대, 덕트 (150) 는 화염 데크 표면 (120) 에 의해 형성된 평면 (P-P) 에 평행하게 정렬됨) 로부터 임의의 원하는 값 까지의 임의의 원하는 값을 가질 수 있고, 덕트 (150) 의 얼라이먼트는 연료 제트 (185) 의 이동 중심선 () 에 대해 정렬된다. 연료 제트 (185) 가 화염 데크 표면 (120) 의 평면 (P-P) 에 대해 실질적으로 평행하게 정렬되는 방향으로 연료 분사기 (140) 의 각각의 개구 (146) 를 나오는 실시형태에서, 덕트 (150) 는 또한 평면 (P-P) 에 실질적으로 평행하게 정렬될 수 있다. 덕트(들) (150) 의 얼라이먼트를 위한 고려 사항은 피스톤 (135), 흡기 밸브들 (160), 및 배기 밸브들 (165) 의 왕복 모션의 간섭을 방지하고, 예컨대 덕트(들) (150) 는 이것이 피스톤 크라운 (130), 흡기 밸브들 (160), 또는 배기 밸브들 (165) 과 접촉하지 않도록 정렬되어야 한다.As shown in FIG. 3, duct (s) 150 may be aligned with respect to
도 4 는 벽 (152) 의 외부 표면 (155) 이 내부 표면 (154) 에 평행한 원통형 형태 (예컨대, 보어 (153) 는 전체적으로 일정한 직경 (D2) 를 가짐) 를 가지는 것으로서 덕트 (150) 를 도시하는 반면, 덕트 (150) 는 임의의 원하는 단면으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5a 에 도시된 바와 같이, 구성 (500) 에서, 덕트 (500) 의 제 1 단부에서 제 1 개구 (520) (예컨대, 입구) 가 덕트 (510) 의 제 2 단부에서 제 2 개구 (530) (예컨대, 출구) 의 직경 (D5) 과 상이한 직경 (D4) 을 갖도록 테이퍼링되는 외벽 (515) 을 갖는 덕트 (150) 가 형성될 수 있다. 구성 (500) 은 직원뿔의 중공 절두체인 것으로 고려될 수 있다. 도 5b 에 도시된 바와 같이, 다른 구성 (550) 에서, "모래시계" 프로파일을 갖는 외벽 (565) 을 갖는 덕트 (560) 가 형성될 수 있고, 중심 부분은 덕트 (560) 의 각각의 제 1 단부 및 제 2 단부의 직경들 D7 (제 1 개구) 및 D8 (제 2 개구) 보다 더 좁은 직경 (D6) 을 가질 수 있다. 제 1 개구의 직경 (D7) 이 제 2 개구의 직경 (D8) 과 동일한 직경을 가질 수 있거나, D7 > D8 이거나, 또는 D7 < D8 이라는 것이 인지되어야 한다. 또한, 도면의 간략화를 위해, 도 5a 내지 도 5c 에 도시된 덕트 벽 프로파일들이 직선들을 포함하는 반면, 이러한 벽 프로파일들이 마찬가지로 피이스마다 곡선들로 제조될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 도 5c 에 도시된 바와 같이, 추가의 구성 (570) 에서, "깔때기 형상의" 프로파일을 갖는 외벽 (585) 을 갖는 덕트 (580) 가 형성될 수 있고, 직경 (D9) 을 가지는 중심 부분은 덕트 (580) 의 제 1 단부의 제 1 개구에서 직경 (D10) 과 동일한 반면, 직경 (D9) 은 덕트 (580) 의 제 2 단부의 제 2 개구에서 직경 (Dl1) 보다 작다. 대안적으로, 덕트 (580) 는 개구 (146) 에 대해 회전될 수 있어서, 직경 (Dl1) 을 가지는 개구가 개구 (146) 에 위치될 수 있고, 따라서 연료 (185) 의 통과는 직경 (D10) 을 가지는 개구로부터 나오기 전에 제한된다. 본원에서 설명되지 않지만, 다른 덕트 프로파일들이 본원에 제시된 하나 이상의 실시형태들에 따라 이용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.4 shows the
더욱이, 도 6a 내지 도 6c 에 도시된 바와 같이, 덕트의 관형 벽은 덕트를 통한 연료의 통과 동안 덕트 내로 차지 가스의 진입을 가능하게 하도록 내부에 형성된 적어도 하나의 구멍(들) (천공부(들), 애퍼처(들), 개구(들), 오리피스(들), 슬롯(들)) 을 구비할 수 있다. 도 6a 의 구성 (600) 에 따라, 덕트 (610) 가 도시되고, 여기에서 덕트 (610) 는, 덕트 (610) 의 측면에 형성되고 벽 (620) 을 통해 내부 보어 (630) 내로 연장되는 복수의 구멍들 (H1 ~ Hn) 로 제작되었고, 여기에서 n 은 양의 정수이다. 도 6a 가 덕트 (610) 의 벽 (620) 내에 형성된 다섯 개의 구멍들 (H1 ~ Hn) 을 나타내지만, 임의의 개수의 구멍들 및 각각의 배치는 차지 가스의 유입 및 덕트 (610) 를 통과하는 연료와 차지 가스의 후속 혼합을 가능하게 하도록 이용될 수 있다. 구멍들 (H1 ~ Hn) 은 임의의 적합한 제작 기술, 예컨대, 종래의 드릴링, 레이저 드릴링, 방전 기계 가공 (EDM) 등으로 형성될 수 있다.Further, as shown in Figures 6A-6C, the tubular wall of the duct may include at least one hole (s) (s) (e.g., holes, etc.) formed therein to allow entry of charge gas into the duct during passage of fuel through the duct ), Aperture (s), aperture (s), orifice (s), slot (s) 6A, a
도 6b 의 구성 (601) 은 연료 제트 (685) 가 분사기 팁 (145) 의 개구 (146) 로부터 덕트 (610) 의 보어 (630) 를 통해 분사되는 것을 도시하는 덕트 (610) 의 단면도이다. 연료 제트 (685) 는 초기에 연료가 풍부한 구역 (687) 을 포함한다. 하지만, 차지 가스가 보어 (630) 내로 유입됨에 따라, 연료 (685) 및 차지 가스의 혼합은, 후속 연소 동안 그을음 및/또는 다른 바람직하지 않은 배출물들이 최소한으로 생성되거나 생성되지 않으면서 "충분히 희박한" 혼합물이 연소되는 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 포함하도록 발생한다 (이전에 설명한 바와 같음). 구성 (601) 에 대해 도시된 바와 같이, 여기에는 덕트 (610) 의 단부 (611) 와 팁 (145) 사이에는 분리부가 없다 (예컨대 갭 (G) 이 없다); 덕트 (610) 의 제 1 단부 (611) 는 개구 (146) 와 맞닿는다. 구성 (601) 에 대해, 보어 (630) 로의 차지 가스의 진입은 덕트 (610) 의 단부 (611) 와 팁 (145) 사이의 갭의 부족에 의해 배제되지만, 덕트 (610) 로의 구멍들 (H1 ~ Hn) 의 통합은 국부적으로 예비 혼합된 제트 (685) 의 형성을 가능하게 하도록 차지 가스가 구멍들 (H1 ~ Hn) 을 통해 유입되게 한다. 덕트 (610) 가 팁 (145) 에 대해 수직으로 (예컨대, 에 평행하게) 정렬되는 것으로서 도시되지만, 덕트 (610) 는 덕트 (630) 를 통한 연료 제트 (685) 의 유동을 가능하게 하도록 팁 (145) (및 개구 (145)) 에 대해 임의의 각도로 포지셔닝될 수 있다.6B is a cross-sectional view of the
도 6c 는 대안의 구성 (602) 을 제시하고, 덕트 (610) 의 제 1 단부 (611) 는 팁 (145) 및 개구 (146) 에 가장 근접하게 위치되고, 갭 (G) 은 덕트 (610) 의 제 1 단부 (611) 를 팁 (145) 으로부터 분리한다. 갭 (G) 은 구멍들 (H1 ~ Hn) 을 통해 보어 (630) 내로 유입되는 차지 가스를 보충하기 위하여 추가의 차지 가스가 덕트 (610) 에 유입되게 한다.6C shows an
본원의 매우 다양한 실시형태들에 따라, 복수의 덕트들은 분사기 팁 (145) 에 가장 근접하게 위치될 수 있고, 그로 인해 복수의 덕트들은 분사기 팁 (145) 에 부착될 수 있으며, 분사기 팁 (145) 및 덕트(들) 의 어셈블리는 연소 챔버를 형성하기 위하여 실린더 헤드 (125)/화염 데크 표면 (120) 내에 포지셔닝될 수 있다. 예를 들어, 도 7a 및 도 7b 에 도시된 구성 (700) 에 따라, 덕트(들) (150) 은 지지 블록 (720) 내로 슬리브 (170) (슈라우드; shroud), 또는 분사기 (140) 와 통합될 수 있는 유사한 구조체에 부착될 수 있다. 실린더 헤드 (125) 는 개구 (730) 를 포함할 수 있고, 지지 블록 (720), 분사기 (140), 슬리브 (710) 및 덕트(들) (150) 은 도 7b 에 따라, 연소 챔버 (105) 를 형성하기 위해 분사기 (140) 및 덕트(들) (150) 의 위치를 가능하게 하도록 화염 데크 표면 (120) (예컨대, 평면 (P-P)) 에 대해 포지셔닝되고, 각각의 덕트들 (150) 은 보어 (153) 를 통해 연료 제트 (예컨대, 연료 제트 (185)) 의 통과를 가능하게 하도록 분사기 (140) 의 각각의 개구들 (146) 에 대해 위치될 수 있다.A plurality of ducts may be positioned closest to the
다른 실시형태에서, 분사기 팁이 화염 데크에 이미 위치될 수 있고, 덕트(들)는 분사기 팁에 후속하여 부착될 수 있다. 도 8a 및 도 8b 의 구성 (800) 에서 도시된 바와 같이, 로케이터 링 (810) 은 이에 부착된 복수의 덕트들 (150) 을 구비한다. 로케이터 링 (810) 은 로케이터 링 (810) 을 부착하기 위한 수단을 포함할 수 있다; 예를 들어, 로케이터 링 (810) 의 내부 표면 (815) 은 커넥터들 (817) 에 의해 각각 부착된 덕트들 (150) 과 나사 결합될 수 있다. 도 8c 의 구성 (850) 에서 도시된 바와 같이, 로케이터 링 (810) 및 덕트들 (150) 은 분사기 (140) 와 조합하여 조립될 수 있다. 슬리브 (820), 또는 분사기 (140) 가 통합된 유사한 구조체는 로케이터 링 (810) 의 부착 메커니즘을 보완하는 부착 수단을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 슬리브 (820) 는 로케이터 링 (810) 이 나사 결합될 수 있는 나사형 단부 (825) 를 포함할 수 있고, 각각의 덕트들 (150) 은 보어 (153) 를 통한 연료 제트 (예컨대, 연료 제트 (185)) 의 통과를 가능하게 하도록 분사기 (140) 의 각각의 개구들 (146) 에 대해 위치될 수 있다.In another embodiment, the injector tip may already be located in the flame deck, and the duct (s) may be subsequently attached to the injector tip. As shown in the
분사기 팁 (145) 주위에 배열되는 덕트들 (150) 의 개수는 (예컨대, 팁 (145) 내의 다수의 개구들 (146) 에 따른) 임의의 원하는 개수 (N) 를 가질 수 있고, 여기서 N 은 양의 정수이다. 따라서, 도 2 가 6 개의 덕트들 (150) 을 포함하는 구성 (200) 을 도시하는 반면, 도 8a 및 도 8b 는 세 개의 덕트들 (150) 을 포함하는 구성 (800) 을 도시하고, 이는 분사기 팁 (145) 에서 세 개의 개구들 (146) 에 대해 포지셔닝된다.The number of
추가의 실시형태에서, 덕트(들)는 화염 데크에 직접적으로 또는 로케이터 링 또는 부착을 위한 다른 메커니즘을 통해 부착될 수 있다. 도 8d 의 구성 (860) 에 도시된 바와 같이, 로케이터 링 (870) 이 이들에 부착된 복수의 덕트들 (150) 을 구비한다. 로케이터 링 (870) 은 로케이터 링 (870) 을 부착하기 위한 수단을 포함할 수 있다; 예를 들어, 로케이터 링 (870) 의 외부 표면은 커넥터들 (817) 에 의해 각각 부착된 덕트들 (150) 과 나사 결합될 수 있다. 나사형 외부 표면은 분사기 (140) 의 팁 (145) 내에서 각각의 개구들 (146) 에 대해 각각의 덕트들 (150) 의 위치를 용이하게 하기 위하여 (예컨대 위치 (875) 에서) 화염 데크 표면 (120) 으로 연장되는 나사산에 부착될 수 있다. 덕트들 (150) 을 화염 데크에 부착하는 다른 방법들이 이용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 실시예에서, 덕트들 (150) 은 예컨대 스크류를 이용함으로써 화염 데크 (120) 에 별개로 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 로케이터 링 (180) 은 위치 (875) 에서 화염 데크 (120) 에 예를 들어 용접에 의해 부착될 수 있다.In a further embodiment, the duct (s) may be attached directly to the flame deck or via a locator ring or other mechanism for attachment. As shown in
일 양태에서, 덕트 보어 내에 연료 및 차지 가스의 혼합을 최대화하기 위하여, 연료 분사기 내의 개구로부터 연료의 배출 방향을 보어의 중심선과 정확히 공동 정렬되는 것이 유익할 수도 있다. 이러한 정확한 공동 얼라이먼트를 달성하기 위하여, 보어는 개구의 형성을 돕기 위해 이용될 수 있다. 이러한 접근은 도 9a 및 도 9b 에 도시되어 있다. 도 9a 에 도시된 바와 같이, 덕트 (150) 는 덕트 (150) 의 제 1 단부 (157) 가 분사기 팁 (145) 에 맞닿도록 (예컨대, 여기에는 갭 (G) 이 없음) 포지셔닝된다 (예컨대, 도 7a, 도 7b, 도 8a, 도 8b, 도 8c 를 참조하여 설명되는 바와 같음). 덕트 (150) 는 화염 데크 표면 (120) 의 평면 (P-P) 에 대해 원하는 각도 (θ°) 및 연료 제트 (예컨대, 연료 (185, 685)) 가 이동하는 원하는 이동 중심선 () 으로 정렬된다.In an aspect, it may be beneficial to precisely align the discharge direction of the fuel from the opening in the fuel injector with the centerline of the bore to maximize mixing of fuel and charge gas in the duct bore. In order to achieve this exact cavity alignment, a bore may be used to assist in the formation of the aperture. This approach is illustrated in Figures 9a and 9b. The
필요에 따라 ?지셔닝된 덕트 (150) 로, 개구 (146) 는 팁 (145) 에 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 개구 (146) 는 방전 가공 (EDM) 에 의해 형성될 수 있지만, 임의의 적합한 제작 기술이 개구 (146) 를 형성하기 위해 이용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 도시된 바와 같이, 덕트 (150) 는 EDM 작업이 원하는 각도로 수행되게 하도록 이용될 수 있고, 예컨대 덕트 (150) 는 연료 제트가 이동 중심선 () 의 방향으로 유동하게 하는 얼라이먼트를 가지는 개구 (146) 의 형성을 가능하게 하는 각도로 공구 피이스 (예컨대, EDM 전극) 를 안내하기 위해 이용될 수 있다. 도 9a 및 도 9b 는, 분사기 팁 (145) 에 맞닿고 추가로 덕트 (150) 의 길이를 따라 개구들을 가지지 않는 덕트 (150) 를 도시되지만, 다른 배열체들 (예컨대, 도 1 내지 도 8c 에 도시된 여러 구성들 중 하나) 이 이용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 예를 들어, 덕트 (150) 의 제 1 단부 (157) 는 예컨대 그 사이에 갭 (G) 을 갖고서 분사기 팁 (145) 에 가장 근접하게 포지셔닝될 수 있다. 추가의 예에서, 덕트 (150) 는 그 길이에 따라 하나 이상의 구멍들 (예컨대, 구멍들 (H1 ~ Hn)) 을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 덕트(들) (150) 는 구성들 (700 또는 850) 중 어느 하나에 따라 분사기 팁 (145) 에 가장 근접하게 부착될 수 있다.If desired, the
덕트(들) (150) 는 연소 챔버에서의 적용에 적합한 임의의 재료, 예컨대 강, INCONEL, HASTELLOY 등과 같은 금속 함유 재료, 세라믹 함유 재료 등으로 형성될 수 있다.The duct (s) 150 may be formed of any material suitable for application in a combustion chamber, such as metal containing materials such as steel, INCONEL, HASTELLOY, etc., ceramic containing materials, and the like.
본원에 제시된 여러 실시형태들이 임의의 유형의 연료 및 산화제 (예컨대, 산소) 에 적용가능하고, 이러한 연료들은 디젤, 제트 연료, 가솔린, 미가공된 또는 정제된 석유, 석유 증류물, 탄화수소 (예컨대 일반형, 분지형 또는 고리형 알칸, 방향족), 산소화물 (예컨대, 알코올, 에스테르, 에테르, 케톤), 압축된 천연 가스, 액화 석유 가스, 바이오연료, 바이오디젤, 바이오에탄올, 합성 연료, 수소, 암모니아 등, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다는 것이 인지되어야 한다.The various embodiments presented herein are applicable to any type of fuel and oxidant (e.g., oxygen), and these fuels may include diesel, jet fuel, gasoline, crude or refined petroleum, petroleum distillates, hydrocarbons Branched or cyclic alkanes, aromatic), oxygenates (such as alcohols, esters, ethers, ketones), compressed natural gas, liquefied petroleum gas, biofuels, biodiesel, bioethanol, synthetic fuels, hydrogen, ammonia, Or a mixture thereof.
또한, 본원에 제시된 여러 실시형태들은 압축-점화 기관 (예컨대, 디젤 기관) 에 관해 설명되었지만, 실시형태들은 직접 분사 기관, 다른 압축-점화 기관들, 스파크 점화 기관, 가스 터빈 기관, 산업용 보일러, 임의의 연소 구동된 시스템 등과 같은 임의의 연소 기술에 적용가능하다.Further, while the various embodiments presented herein are described with respect to a compression-ignition engine (e.g., a diesel engine), embodiments may include direct injection engines, other compression-ignition engines, spark ignition engines, gas turbine engines, industrial boilers, Such as a combustion driven system of a combustion engine.
게다가, 그을음의 생성을 감소시킬 뿐만 아니라, 본원에서 제시된 실시형태들은 다른 원치 않는 연소 생성물들의 배출을 또한 더 낮출 수 있다. 예를 들어, 정확한 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물이 연소 동안 덕트의 보어 (예컨대, 덕트 (150) 의 보어 (153)) 의 출구에서 또는 출구의 하류에서 준비되는 경우에, 산화질소 (NO), 질소 및 산소를 포함하는 다른 화합물들, 미연 탄화수소 (HC; unburned hydrocarbons) 및/또는 일산화탄소 (CO) 의 배출이 낮춰진다.In addition, not only does it reduce the generation of soot, but the embodiments presented herein can also lower emissions of other unwanted combustion products. For example, when a locally premixed mixture having a precise fuel to charge gas ratio distribution is prepared at the outlet of the duct bore (e.g., bore 153 of duct 150) or downstream of the outlet during combustion (NO), nitrogen and other compounds including oxygen, unburned hydrocarbons (HC) and / or carbon monoxide (CO) are lowered.
도 10 내지 도 13 및 도 20 은 연소 동안 형성된 그을음 및/또는 다른 바람직하지 않은 배출물들의 생성을 최소화하기 위하여 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 형성하는 것과 관련되는 예시적인 방법론들을 도시한다. 방법론들이 시퀀스로 수행되는 일련의 동작들인 것으로서 도시 및 설명되지만, 방법론들이 시퀀스의 순서에 의해 제한되지 않다는 것이 이해 및 인지되어야 한다. 예를 들어, 일부 동작들은 본원에서 설명되는 것과는 상이한 순서로 발생할 수 있다. 또한, 동작은 다른 동작과 동시에 발생할 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 모든 동작들이 본원에서 설명된 방법론들을 구현하는데 필요하지 않을 수도 있다.FIGS. 10-13 and 20 illustrate an exemplary method for forming a locally premixed mixture having a distribution of fuel to charge gas ratios to minimize the generation of soot and / or other undesirable emissions formed during combustion. Methodologies. While the methodologies are shown and described as being a sequence of operations performed in a sequence, it should be understood and appreciated that the methodologies are not limited by the order of the sequences. For example, some operations may occur in a different order than those described herein. Also, an operation may occur simultaneously with another operation. Also, in some instances, not all operations may be necessary to implement the methodologies described herein.
도 10 은 연소 전에 연료의 혼합을 증가시키기 위한 방법론 (1000) 을 도시한다. 1010 에서, 덕트는 연료 분사기의 팁에서 개구에 가장 근접하게 위치 및/또는 정렬된다. 덕트는 외벽에 의해 내부 보어가 형성되는 중공 튜브일 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 덕트의 내부 보어를 통해 연료를 배향시킴으로써, 차지 가스는 덕트 내로 유입되고, 이때 난류 혼합이 연소 동안 최소의 또는 제로의 그을음 및/또는 다른 원치 않는 배출물들을 형성하는 덕트를 나오는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물의 생성을 유발하도록 발생한다. 추가로 위에서 언급된 바와 같이, 다수의 개구들은 개선된 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물의 형성을 용이하게 하기 위하여 연소 챔버로부터 추가의 차지 가스의 유입을 용이하게 하도록 외벽에 형성될 수 있다.FIG. 10 shows a
1020 에서, 연료는 연료 분사기에 의해 분사될 수 있고, 이때 연료는 오리피스를 통해 덕트의 보어 내로 통과한다. 덕트를 통한 연료의 통과는 혼합 레벨이 개선된 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 원하는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물을 형성하게 하도록 연료가 보어 내로 유입된 차지 가스와 혼합하게 한다.At 1020, the fuel may be injected by the fuel injector, wherein the fuel passes through the orifice into the bore of the duct. The passage of fuel through the duct causes the fuel to mix with the charge gas introduced into the bore such that the mixing level forms the desired locally premixed mixture having an improved distribution of the fuel to charge gas ratio.
1030 에서, 덕트를 나오는 개선된 연료 대 차지 가스 비의 분포를 갖는 국부적으로 예비 혼합된 혼합물은 연소 기관의 작동에 따라 점화될 수 있다. 국부적으로 예비 혼합된 혼합물의 점화는, 종래의 연소 기관 또는 디바이스에서 이용되는 "지나치게 풍부한" 혼합물의 연소로부터 형성되는 더 많은 양의 바람직하지 않은 배출물에 비해, 그을음이 무시가능하게 형성되게 하거나 형성되지 않게 한다.At 1030, a locally premixed mixture having an improved distribution of fuel to charge gas exiting the duct may be ignited depending on the operation of the combustion engine. The ignition of the locally pre-mixed mixture may cause the soot to be negligible or not to be formed, as compared to the greater amount of undesirable emissions formed from the combustion of the "overly rich" mixture used in conventional combustion engines or devices Do not.
도 11 은 연소 챔버 내로 통합하기 위해 연료 분사기에서 적어도 하나의 덕트를 위치시키기 위한 방법론 (1100) 을 도시한다. 1110 에서, 적어도 하나의 덕트가 연료 분사기의 팁에서 개구에 가장 근접하게 위치될 수 있다. 일 실시형태에서, 연료 분사기는 연료 분사기의 팁이 슬리브의 제 1 단부로부터 돌출하도록 어셈블리를 형성하기 위해 슬리브 내에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 덕트는, 적어도 하나의 덕트가 정렬되어 연료 제트가 연료 분사기 내의 각각의 개구를 통과할 때에 연료 제트가 덕트 내의 보어를 통과하도록 슬리브의 제 1 단부에 부착될 수 있다. 적어도 하나의 덕트는 임의의 적합한 기술, 예컨대 용접, 기계적 부착 등에 의해 제 1 슬리브의 단부에 부착될 수 있다.Figure 11 illustrates a
1120 에서, 연료 분사기, 슬리브 및 적어도 하나의 덕트를 포함하는 어셈블리는 연료 분사기의 팁 및 적어도 하나의 덕트가 필요에 따라 실린더 헤드의 화염 데크 표면의 평면 (P-P) 과 관련하여 포지셔닝되도록 실린더 헤드 내의 개구 내에 배치될 수 있고, 이는 연소 챔버의 일부를 추가로 형성하다.At 1120, an assembly including a fuel injector, a sleeve, and at least one duct includes an opening in the cylinder head such that the tip of the fuel injector and at least one duct are positioned relative to the plane PP of the flame deck surface of the cylinder head as needed. Which further forms a portion of the combustion chamber.
도 12 는 연소 챔버 내에 통합되는 연료 분사기에 적어도 하나의 덕트를 위치하기 위한 방법론 (120) 을 도시한다. 1210 에서, 연료 분사기는 연료 분사기의 팁이 필요에 따라 실린더 헤드의 화염 데크 표면의 평면 (P-P) 과 관련하여 포지셔닝되도록 실린더 헤드 내의 개구 내에 배치될 수 있다. 피스톤 크라운과 실린더 보어의 벽과 함께 실린더 헤드는 연소 챔버를 형성한다.Figure 12 shows a
1220 에서, 적어도 하나의 덕트는, 적어도 하나의 덕트가 각 정렬된 덕트에 대한 연료 분사기의 팁 내의 각 개구로부터 분사된 연료의 이동 방향에 대해 위치 및/또는 정렬될 수 있도록 연료 분사기의 팁에 또는 가장 근접하게 부착될 수 있다.At 1220, at least one duct is positioned at the tip of the fuel injector such that at least one duct can be positioned and / or aligned relative to the direction of movement of the fuel injected from each opening in the tip of the fuel injector for each aligned duct Most closely attached.
도 13 은 연료 분사기의 팁 내에 개구의 형성을 안내하도록 덕트를 이용하기 위한 방법론 (1300) 을 도시한다. 1310 에서, 덕트는 연료 분사기의 팁에 위치되고, 덕트는 팁에 맞닿게 포지셔닝될 수 있거나, 덕트의 제 1 (근위) 단부와의 사이에 갭 (G) 을 갖고서 포지셔닝될 수 있다. 덕트는 연료가 연료 분사기로부터 연소 챔버 내로 배출되어야 하는 방향에 따라 정렬될 수 있고, 예컨대 덕트는 연소 챔버의 화염 데크 표면의 평면 (P-P) 에 관련하여 θ°의 각도로 정렬된다.Figure 13 shows a
1320 에서, 개구는 연료 분사기의 팁 내에 형성될 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 덕트는 개구의 형성을 안내하기 위하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 개구가 EDM 에 의해 형성되는 경우, 덕트의 보어는 개구가 형성되는 연료 분사기의 팁 상의 지점으로 EDM 전극을 안내하기 위해 이용될 수 있다. 개구의 형성은 표준 EDM 절차(들)에 따라 후속하여 발생할 수 있다. 따라서, 개구는 원하는 위치에 형성되고, 예컨대 덕트의 보어의 프로파일을 형성하는 원의 중심에 대해 중심에 배치된다. 또한, 개구의 벽들은 연소 챔버로부터 유입되는 차지 가스와 연료 사이의 혼합을 최대화하기 위해 덕트의 보어를 따라서 분사되는 연료 제트가 보어 내에서 중심에 위치되게 하도록, 예컨대 중심 라인 () 에 평행하게 정렬될 수 있다.At 1320, an opening may be formed in the tip of the fuel injector. As previously described, ducts may be used to guide the formation of openings. For example, if the opening is formed by EDM, the bore of the duct can be used to guide the EDM electrode to a point on the tip of the fuel injector where the opening is formed. The formation of the openings may occur subsequently to the standard EDM procedure (s). Thus, the openings are formed at the desired location and are centered with respect to the center of the circle forming the profile of the bore of the duct, for example. In addition, the walls of the openings are arranged in the bore such that, for example, the fuel jet injected along the bore of the duct is centered in the bore to maximize mixing between the charge gas entering the combustion chamber and the fuel. ). ≪ / RTI >
연료를 연소 챔버 내로 분사하기 위해 덕트들이 사용되었을 때, LLFC 가 달성되었는지를 나타내는 그을음 백열 (soot incandescence) 의 측정에 관련되는 실험들이 수행되었다. 실험들에서, LLFC 가 달성되었고, 예컨대 그을음을 형성하지 않았던 화학 반응들이 연소 이벤트를 통틀어 유지되었다. OH* 화학발광은 화염의 리프트-오프 길이 (예컨대, 연료 분사기 개구 (오리피스) 와 자기점화 구역 사이의 축선방향 거리) 를 측정하기 위해 이용되었다. OH* 는 고온 화학 반응이 기관 내부에서 발생할 때에 생성되고, 그의 최대 상류 위치는 분사기로부터 연료가 연소하기 시작하는 곳까지의 축선방향 거리, 예컨대 리프트-오프 길이를 나타낸다.When ducts were used to inject fuel into the combustion chamber, experiments related to the measurement of soot incandescence indicating whether LLFC was achieved were performed. In experiments, LLFC was achieved, and chemical reactions that did not form, for example, soot were maintained throughout the combustion event. OH * chemiluminescence was used to measure the lift-off length of the flame (e.g., the axial distance between the fuel injector opening (orifice) and the self-ignition zone). OH * is generated when a high-temperature chemical reaction occurs inside the engine, and its maximum upstream position indicates the axial distance, e.g., the lift-off length, from where the fuel begins to burn.
실험 중의 조건들은 표 1 에 지시된다.The conditions under the test are indicated in Table 1.
표 1: 연소 챔버의 작동 조건들Table 1: Operating conditions of the combustion chamber
높은 그을음 백열 신호 포화도를 나타내는 베이스라인의 자유롭게 전달되는 제트 ("자유 제트") 화염이 발견되었고, 이는 상당한 양의 그을음이 제 위치에서 덕트 없이 생성되었다는 것을 의미한다. 그런 다음, 덕트 제트들의 연소가 연구되었다. 약 3 mm, 약 5 mm, 및 약 7 mm 의 덕트 내부 직경들, 및 약 7 mm, 약 14 mm, 및 약 21 mm 의 덕트 길이들을 포함하는 복수의 덕트 직경들 및 덕트 길이들이 테스트되었다.A freely transferred jet ("free jet") flame of the baseline indicating high soot glow signal saturation has been found, which means that a significant amount of soot has been produced without ducting in situ. Then, the combustion of duct jets was studied. A plurality of duct diameters and duct lengths were tested, including duct inner diameters of about 3 mm, about 5 mm, and about 7 mm, and duct lengths of about 7 mm, about 14 mm, and about 21 mm.
자유 제트에 대해 위에서 언급한 것과 동일한 이미징 조건들 및 유사한 작동 조건들을 이용하여 이러한 덕트 제트 실험이 후속하여 수행되었고, 여기에서 3 mm 의 내부 직경 x 14 mm 길이의 테이퍼링되지 않은 강 덕트가 분사기로부터 약 2 mm 하류에 (예컨대, 갭 (G) = 약 2 mm) 위치되었다. 그을음 백열 신호는 포화 상태를 거의 나타내지 않았고, 이는 존재할 경우 최소의 그을음이 생성되었다는 것을 나타낸다. 이것이 축선방향으로 연소 챔버를 가로질러 이동됨에 따라, 사후 덕트 화염이 베이스라인 실험에서 자유 제트 화염만큼 넓게 퍼지지 않았다. 중심선 () 주위에서 중심 맞춤된 연소 화염은 (이전에 설명된 바와 같이) 덕트에 의해 그리고 또한 덕트로의 열 전달에 따라 유발된 혼합의 조합으로부터 초래되었다. 덕트는 연소 챔버에서 주변 조건보다 낮은 온도 (예컨대, 950 K) 에서 작동되었고, 따라서 덕트는 자유 제트 화염에서 경험되는 것보다 더 낮은 온도에서 (예컨대, 덕트의 보어 내에서) 분사된 연료가 이동하는 것을 허용했다.This duct jet experiment was subsequently carried out using the same imaging conditions and similar operating conditions as described above for the free jet, wherein 3 mm of inner diameter x 14 mm long non-tapered steel duct was about < RTI ID = 2 mm downstream (e.g., gap (G) = about 2 mm). The soot glow signal showed little saturation, indicating that minimal soot was generated if present. As this moved axially across the combustion chamber, the post-duct flame did not spread as wide as the free jet flame in the baseline experiment. Centerline ) Resulted from a combination of the blends induced by the duct (as previously described) and also by the heat transfer to the duct. The duct was operated at a temperature lower than the ambient conditions in the combustion chamber (e.g., 950 K), so that the duct was moved at a lower temperature than experienced in the free jet flame (e.g., in the bore of the duct) Allowed.
덕트를 통한 연료의 유동 동안 발생된 난류 정도는 식 1 에 따라 덕트의 보어 내의 조건들에 대한 레이놀즈 수 (Re; Reynolds number) 를 결정함으로써 계산되었다:The degree of turbulence generated during the flow of fuel through the duct was calculated by determining the Reynolds number (Re) for the conditions in the bore of the duct according to Equation 1:
여기에서, ρ는 주변 밀도, V 는 속도, L 은 덕트 직경, 및 μ 는 동점성계수 (dynamic viscosity) 이다. 속도 V 는 식 2 에 따라 계산되었고,Here, ρ is the peripheral density, V is the velocity, L is the duct diameter, and μ is the dynamic viscosity. The velocity V was calculated according to Equation 2,
여기에서, p inj 는 연료 분사 압력이고, p amb 는 주위 압력이고, ρ f 는 연료의 밀도이다. 식 1 및 식 2 에 대한 작동 조건들의 적용은 적어도 1 × 104 의 레이놀즈 수를 생성하였고, 이는 난류 조건들이 덕트 내에 존재한다는 것을 나타낸다.Where p inj is the fuel injection pressure, p amb is the ambient pressure, and ρ f is the density of the fuel. The application of operating conditions to Equation 1 and Equation 2 produced a Reynolds number of at least 1 x 10 4 , indicating that turbulent conditions are present in the duct.
이전에 설명한 바와 같이, 덕트 (150) 를 통한 연료 제트 (185) 의 난류 유동은 연료 제트 (185) 가 예컨대 분사된 연료 제트 (185) 의 높은 속도에 의해 확립되는 덕트 입구의 부근에서 낮은 국부적인 압력의 결과로서 덕트 (150) 의 외측으로부터 (예컨대, 갭 (G) 및/또는 구멍들 (H1 ~ Hn) 을 통해) 유입되는 차지 가스와 혼합되게 한다. 덕트 (150) 내에 확립된 난류 혼합 비율은 덕트 내의 속도 구배의 기능인 것으로 간주될 수 있고, 이는 주어진 축선방향 위치에서 덕트 직경으로 나누어진 주어진 축선방향 위치에서 중심선 유체 속도에 대략 비례한다.The turbulent flow of the
본원에 나타낸 여러 실시형태들은 다수의 연소 디바이스 적용들에서 이용될 수 있고, 연소 디바이스들은 압축-점화 (CI) 왕복 기관들, 스파크-점화 (SI) 왕복 기관들, 가스-터빈 (GT) 기관들, 버너들 및 보일러들, 웰헤드/제련 플레어링 등을 포함할 수 있다.The various embodiments shown herein may be used in a number of combustion device applications and the combustion devices may be used in various combustion applications such as compression-ignition (CI) reciprocating engines, spark-ignition (SI) reciprocating engines, gas- , Burners and boilers, wellhead / smelting flare rings, and the like.
도 14 는 연료 및 차지 가스 혼합물의 점화의 개략도 (1400) 를 나타낸다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 연료 분사기 (1410) 는 덕트 (1420) 와 축선 (1415) 을 따라서 축선방향으로 정렬되고, 연료 (1430) 는 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 을 형성하기 위해 차지 가스 (CG) 와 혼합된다. 덕트 (1420) 의 제 1 단부 (근위 단부) (1450) 는 연료 분사기 (1410) 에 근위에 위치되고, 덕트 (1420) 의 제 2 단부 (원위 단부) (1460) 는 연료 분사기 (1410) 로부터 원위에 위치된다. 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 은 원위 단부 (1460) 로부터 연소 챔버로 (본원에 나타낸 여러 실시형태들에 따라) 후속하여 배출된다. 연료/차지 가스 혼합물은 화염 (1480) 을 형성하기 위하여 위치 (1470) 에서 점화되고, 위치 (1470) 의 포지션은 덕트가 위치되는 연소 챔버의 구성, 연료 유형, 이용되는 점화 기술 (예컨대, 예열 플러그, 스파크 플러그, 압축에 기반을 둔 점화) 등으로서 이러한 요인들에 의존하고, 위치 (1470) 는 덕트 (1420) 의 원위 단부 (1460) 로부터 거리 (D12) 에 있다. 이전에 설명한 바와 같이, 연료 제트 (1430) 주위의 덕트 (1420) 의 배치는 점화 이전에 산소/산화제의 혼합 정도, 더 낮은 배출물의 수율, 더 높은 연소 효율 및 개선된 화염 안정성을 향상 및 최적화시키기 위해 이용될 수 있다. 일 양태에서, 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화는 덕트 연료 분사 기술이 이용되고 있는 특정 기관의 작동을 위해 요구되는 것보다 더 늦은 순간에 발생할 수도 있다. 예시적인 실시형태에서, 지연된 점화는 기관 내에서 유해한 작동 효과, 예컨대 덕트 연료 분사 기술을 이용하지 않는 기관에 비해 증가된 소음으로 이어질 수 있다. 화염 홀더 (1475) 는 도 14 에 나타낸 시스템의 일부로서 이용될 수 있다.14 shows a schematic diagram 1400 of the ignition of the fuel and charge gas mixture. 14, the
이전에 설명된 바와 같이, 본원에 제시된 여러 실시형태들은 CI 왕복 기관들에 대해 이용될 수 있고, 덕트(들) (예컨대, 덕트 (150, 1420)) 는 그을음 형성을 방지하기 위하여 점화 시에 2 미만의 당량비를 갖는 연료 및 차지 가스 혼합물이 달성되도록 포지셔닝/정렬될 수 있다. 또한, 1 미만의 연료/차지 가스 혼합물 비를 가지는 덕트 구성에 대해, 질소 산화물 (NOx) 의 배출이 또한 낮아질 수도 있고, 덕트 (예컨대, 덕트 (150, 1420)) 가 연료 제트 (예컨대, 연료 제트 (185, 1430)) 의 측면들에서 과잉 혼합을 방지하는 정도까지, HC 및 CO 배출물이 마찬가지로 낮아질 수도 있다. 더 낮은 그을음, HC 및 CO 배출물은 더 높은 연소 효율에 해당된다. 설명된 바와 같이 (예컨대, 도 2 에 따라), 하나 이상의 연료 덕트들은 CI 기관 성능을 향상시키고 값비싼 배기 가스 후처리 시스템에 대한 필요성을 감소시키기 위해 연소 챔버 내에 배열될 수 있다. 여러 실시형태들은 예를 들어 액체 연료(들), 기체 연료(들), 또는 양자 모두에 의해 연료 공급된 CI 기관들의 모든 크기 클래스들에 적용될 수 있다.As previously described, various embodiments presented herein may be utilized for CI reciprocating engines, and the duct (s) (e.g.,
SI 왕복 기관에 대해, 예시적인 구성에서, 덕트 (예컨대, 덕트 (150, 1420)) 는 직접 분사된 연료 제트 (예컨대, 연료 제트 (185, 1430)) 가 초기에 덕트를 통과하고, 후속하여 연료 점화기 하류를 통과하도록 포지셔닝될 수 있어서, 점화되는 연료/차지 가스 혼합물은 그을음 형성을 방지하기 위하여 2 미만의 당량비를 가진다. 점화되는 연료/차지 가스 혼합물이 1 미만의 당량비를 가지도록 덕트가 구성될 수 있다면, NOx 배출이 또한 낮춰질 것이고, 덕트가 제트의 측면들에서 과잉 혼합을 방지하는 정도까지, HC 및 CO 배출은 마찬가지로 낮아질 것이다. 낮은 그을음, HC 및 CO 배출은 더 높은 연소 효율에 해당하고, 또한 점화기에서 좁은 범위의 최적의 당량비를 생성하기 위하여 덕트 구성을 수동적으로 또는 능동적으로 조정하는 것은 연소 주기 변동성을 줄일 수 있다. 하나 이상의 덕트들은 SI 기관의 성능을 향상시키고 값비싼 배기 가스 후처리 시스템들에 대한 필요성을 줄이도록 연소 챔버 내에 배열될 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어 액체 연료(들), 가스 연료(들) 또는 양자 모두에 의해 연료 공급된 SI 기관들의 모든 크기 클래스들에 적용될 수 있다.For SI reciprocating engines, in an exemplary configuration, ducts (e. G.,
GT 왕복 기관에 대해, 예시적인 구성에서, 덕트 (예컨대, 덕트 (150, 1420)) 는 직접 분사된 연료 제트 (예컨대, 연료 제트 (185, 1430)) 가 초기에 덕트를 통과하고, 후속하여 점화기 및/또는 화염 홀더 하류 (예컨대, 1475) 를 통과하도록 포지셔닝될 수 있어서, 점화되는 연료/차지 가스 혼합물은 그을음 형성을 방지하고, NOx 배출을 낮추며, 또한 HC 및 CO 배출로 이어지는 과잉 혼합을 방지하기 위해 1 미만의 당량비를 갖는다. 더 낮은 그을음, HC 및 CO 배출은 더 높은 연소 효율에 해당하고, 덕트 구성을 수동적으로 또는 능동적으로 조정하는 것은 화염 안정성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 하나 이상의 덕트들은 GT 기관 성능을 향상시키고 배기 배출물을 감소시키기 위해 연소기 내에 배열될 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어 액체 연료(들), 가스 연료(들) 또는 양자 모두에 의해 연료 공급된 이동식 및 고정식 GT 기관들의 모든 크기 클래스들에 적용될 수 있다.For a GT reciprocating engine, in an exemplary configuration, ducts (e.g.,
버너 및/또는 보일러 적용에 대해, 예시적인 구성에서, 덕트 (예컨대, 덕트 (150, 1420)) 는 직접 분사된 연료 제트 (예컨대, 연료 제트 (185, 1430)) 가 초기에 덕트를 통과하고, 후속하여 점화기 및/또는 화염 홀더 하류 (예컨대, 1475) 를 통과하도록 포지셔닝될 수 있어서, 점화되는 연료/공기 혼합물은 원하는 당량비를 갖는다. 덕트 구성을 수동적으로 또는 능동적으로 조정하는 것은 성능 및 화염 안정성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 좁은 범위의 화학양론 내의 연료 풍부한 혼합물은 과도한 그을음 배출물을 생성하지 않으면서 방사열 전달을 최대화하기 위해 이용될 수 있는 반면에, 연료 희박한 혼합물은 그을음 형성을 제거하고 NOx 의 배출을 낮추기 위해 사용될 수 있고, 덕트가 연료 제트의 측면들에서 과잉 혼합을 방지하는 정도까지, HC 및 CO 배출이 마찬가지로 낮아질 수도 있다. 더 낮은 그을음, HC, 및 CO 배출은 더 높은 연소 효율에 해당된다. 하나 이상의 덕트들은 성능을 향상시키고 그리고/또는 값비싼 배기 가스 후처리 시스템들에 대한 필요성을 감소시키기 위해 버너 내에 배열될 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어 액체 연료(들), 가스 연료(들) 또는 양자 모두에 의해 연료 공급된 산업용 버너들 및 보일러들의 모든 크기 클래스들에 적용될 수 있다.(E. G.,
덕트 점화 구성요소는 가스 플레어 작업에서, 예컨대 웰헤드 가스 플레어 작업, 제련 가스 플레어 작업에서 인화성 가스들 및 다른 재료들을 연소시키도록 구성된 장치 내에 이용되는 연소 디바이스의 일부를 형성할 수 있다. 웰헤드/제련 플레어링 적용에 대해, 예시적인 구성에서, 덕트 (예컨대, 덕트 (150, 1420)) 는 직접 분사된 플레어 가스의 제트 (예컨대, 연료 제트 (185, 1430)) 가 초기에 덕트를 통과하고, 후속하여 점화기 및/또는 화염 홀더 하류를 통과하도록 포지셔닝될 수 있어서, 점화되는 연료/공기 혼합물이 그을음 형성을 방지하고, NOx 배출을 낮추며, 또한 HC 및 CO 배출로 이어지는 과잉 혼합을 방지하기 위해 1 미만의 당량비를 갖는다. 덕트 구성을 수동적으로 또는 능동적으로 조정하는 것은 화염 안정성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 구성은 모든 크기들의 플레어링 작업들에 적용될 수 있다.The duct ignition component may form part of a combustion device used in a gas flare operation, e.g., an apparatus configured to combust flammable gases and other materials in a wellhead gas flare operation, a smelting gas flare operation. For the well head / smelting flaring application, in an exemplary configuration, the ducts (e.g.,
본원에서 설명된 바와 같이, 덕트 연료 분사 (DFI) 는 직접 분사된 연료 제트들에서 점화되기 전에 연료/차지 가스의 예비혼합 정도를 향상시키는데 효과적일 수 있다. 일 실시형태에서, 촉매 재료는, 덕트에 부착될 수도 있고 그리고/또는 덕트의 상류 또는 하류에 포지셔닝될 수도 있는 다른 특징부들 (예컨대, 링 또는 로드) 및/또는 덕트의 하나 이상의 표면들 (예컨대, 내부 표면들) 에 적용될 수 있다. 촉매 재료는 초기 예비 혼합된 자동점화 이벤트 동안 방출되는 열의 규모를 감소시키기 위해 덕트 내에 그리고 하류에 형성된 부분적으로 예비 혼합된 혼합물의 점화 지연을 단축시켜서, 덕트가 사용되는 CI 기관 (또는 다른 연소 디바이스) 에 의해 생성된 소음을 낮추도록 구성될 수 있다. 몇몇 적용들 및/또는 작동 조건들에 대해, 덕트의 (예컨대, 개구 (158) 에서의) 단부 부근의 혼합물은 최적의 연소 시스템 성능을 위해 점화 보조를 필요로 할 수도 있다. 이는 예를 들어 점화 보조 없이 주어진 조건 하에서 순환 변동이 너무 큰 경우 또는 자동 점화 지연이 너무 길어지는 경우에 발생할 수도 있다. 성능을 향상시키기 위해 DFI 와 커플링될 수 있는 잠재적 점화 보조 기술들은 촉매 재료, 고온 표면 (예컨대, 예열 플러그), 스파크, 플라즈마 (열 또는 비평형), 레이저 점화 등을 포함한다.As described herein, duct fuel injection (DFI) may be effective in enhancing the degree of premixing of the fuel / charge gas prior to ignition in direct injected fuel jets. In one embodiment, the catalytic material may be attached to the duct and / or may include other features (e.g., rings or rods) and / or one or more surfaces of the duct (e.g., Inner surfaces). The catalytic material may be used to reduce the ignition delay of the partially premixed mixture formed in and downstream of the duct to reduce the scale of the heat emitted during the initial premixed auto ignition event so that the CI engine (or other combustion device) To < / RTI > For some applications and / or operating conditions, a mixture near the end of the duct (e.g., at the opening 158) may require ignition assistance for optimal combustion system performance. This may occur, for example, if the cyclic fluctuation is too large under given conditions without ignition assistance, or if the autoignition delay is too long. Potential ignition assist techniques that can be coupled with DFI to improve performance include catalyst materials, hot surfaces (e.g., preheating plugs), sparks, plasma (thermal or non-equilibrium), laser ignition, and the like.
일 실시형태에서, 점화 보조 구성요소는 촉매 점화 보조를 위한 재료를 포함할 수 있고, 촉매 점화 보조는 특히 다중 덕트들을 갖는 상황들에서 간단한 구현일 수 있다. 촉매 점화 보조는 완전하고 수동적인 해결책을 용이하게 하는 촉매 재료일 수 있고, 예컨대 촉매 점화 보조는 촉매 구성요소 자체의 설치 이외에 연소 시스템에 대한 변형을 요구하지 않는다. 이러한 불필요한 변형들은 전기 시스템, 케이블링 및/또는 윈도우들을 포함할 수 있고, 이들은 점화 보조 디바이스들 자체에 (예컨대, 예열 플러그, 스파크 플러그, 플라즈마 발생기 또는 레이저들) 더하여 존재한다. 촉매 재료를 포함하는 구성요소들은 다중 덕트들의 단부들 근처에 배치될 수 있는 반면, 연소 시스템 내의 다중 고온 표면, 스파크, 플라즈마 또는 레이저 점화 보조 디바이스의 적용은 본질적으로 복잡하고 그리고/또는 값비쌀 수도 있다.In one embodiment, the ignition auxiliary component may comprise a material for catalytic ignition assistance, and the catalytic ignition aid may be a simple implementation, particularly in situations with multiple ducts. The catalytic ignition aid may be a catalytic material which facilitates a complete and passive solution, for example the catalytic ignition aid does not require a modification to the combustion system other than the installation of the catalytic component itself. These unwanted variations may include electrical systems, cabling and / or windows, which are in addition to the ignition assist devices themselves (e.g., a preheating plug, spark plug, plasma generator or lasers). While the components comprising the catalytic material may be disposed near the ends of multiple ducts, the application of multiple high temperature surfaces, sparks, plasma or laser ignition assist devices in the combustion system may be inherently complex and / or costly .
일 실시형태에서, 촉매 재료의 층 (코팅) 은 덕트의 하나 이상의 표면들 (예컨대, 덕트의 내부 직경 표면) 에 적용될 수 있다. 도 15 의 구성 (1500) 은 예시적인 구성을 도시하고, 촉매 재료 층 (1510) 은 덕트 (1520) (예컨대, 덕트 (1420) 와 유사함) 에 적용될 수 있다. 일 실시형태에서, 촉매 재료 층 (1510) 은 덕트 (1520) 의 하류 (원위) 단부 (1525) 에 적용될 수 있다. 촉매 재료 (1510) 는 임의의 적합한 재료, 예컨대, 순수한 형태의 또는 바인더 또는 다른 기재에 유지된 백금족 금속, 점화 촉진 재료를 포함할 수 있다. 촉매 재료 (1510) 는 제조 중에 덕트 (1520) 내에 통합될 수 있거나, 또는 이것은 제조 후에 예를 들어 플라즈마 스프레이 증착에 의해 워시코트 등으로서 덕트 (1520) 에 적용될 수 있다. 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 과 촉매 재료 (1510) 의 상호 작용은, 도 15 에서 도시된 바와 같이, 촉매 점화 보조가 이용되지 않는 시스템에서보다 더 일찍 발생하는 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화로 이어지는 화학 반응(들)을 유발하는 촉매 재료 (1510) 의 결과로서, 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화 지연을 단축시키는 기능을 하고, 촉매 점화 보조를 갖는 점화는 이후에 발생하는 화염 (1540) 을 갖는 구역 (1530) (덕트 (1520) 의 원위 단부 (1525) 로부터 거리 (D13)) 에서 발생하는 반면, 비촉매 점화 보조 시스템의 점화는 점선으로 나타낸 바와 같이 발생하는 화염 (1480) 을 갖는 위치 (1470) (덕트 (1520) 의 원위 단부 (1525) 로부터의 거리 (D12)) 에서 발생한다 (지연된다). 촉매 코팅 (1510) 은 또한 촉매 코팅 (1510) 이 이러한 디포짓들을 연소시키는 것을 도울 수 있으므로, 임의의 코팅 부분들 상에 그리고/또는 내에 탄소질 디포짓들의 형성을 방지하는 것을 도울 수 있다.In one embodiment, a layer (coating) of catalytic material may be applied to one or more surfaces of the duct (e.g., the inner diameter surface of the duct). The
도 16 의 구성 (1600) 은 촉매 점화 보조 시스템을 이용하는 다른 실시형태를 도시하고, 촉매 재료 (1615) 층이 내부에 형성되는 고리부 (1610) 는 그의 방사상 대칭 축이 라인 (1630) 에 의해 나타낸 바와 같이 덕트 (1620) 의 축선과 동일 선상에 있도록 포지셔닝된다. 일 실시형태에서, 촉매 재료 (1615) 의 층은, 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 가 내부 링을 통과함에 따라, 촉매 재료 (1615) 가 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 내의 반응들을 용이하게 하도록 내부 표면 (예컨대, 내부 동심원 표면, 고리부 (1610) 을 형성하는 내부 링의 표면) 상에 위치될 수 있다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 고리부 (1610) 는 덕트 (1620) 의 하류 단부 (1625) 로부터 거리 (D14) 에 포지셔닝될 수 있고, 고리부 (1610) 상에 위치된 촉매 재료층 (1615) 에 의해 촉진되는 점화로 인해, 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화는, 거리 (D15 및 D12) 의 차이, D15 < D12 에 의해 도시된 바와 같이 비촉매 점화 보조 시스템의 점화가 발생하는 포지션 (1470) 보다 덕트 (1620) 에 더 가깝게 위치되는 구역 (1530) 에서 발생한다. 고리부 (1610) 는 강, INCO EL, HASTELLOY, 등과 같은 금속 함유 재료, 세라믹 함유 재료 등으로 제작될 수 있다.16 shows another embodiment using a catalytic ignition assist system and the
도 17 의 구성 (1700) 은 촉매 재료 층이 위에 형성되는 하나 이상의 로드들 (1710a-n) 이 덕트 (1720) 상에 포지셔닝되고, 예를 들어, 로드들 (1710a-n) 이 덕트 (1720) 의 하류 단부 (원위 단부) (1725) 에 위치되는 (로부터 돌출되는) 촉매 점화 보조 시스템을 이용하는 추가의 실시형태를 도시한다. 로드들 (1710a-n) 이 제 1 근위 단부 (1712a-n) 에 의해 덕트 (1720) 의 하류 단부 (1725) 에 각각 부착되고, 로드들 (1710a-n) 의 제 2 원위 단부 (1714a-n) 는 덕트 (1720) 의 하류 단부 (1725) 로부터 원위에 위치된다. 로드들 (1710a-n) 의 촉매 재료와의 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 상호 작용은 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화를 유발한다. 도 15 및 도 16 에 도시된 점화와 유사한 방식으로, 점화 구역 (1530) 은 덕트 (1720) 의 하류 단부 (1725) 로부터 거리 (D16) 에서 발생하고, 거리 (D16) 는 비촉매 보조 점화가 발생하는 점화 구역 (1470) 까지의 거리 (D12) 보다 작다.The
점화 보조의 다른 형태는 고온 표면 점화 보조이다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 고온 표면 점화 보조 디바이스들 (예컨대, 예열 플러그들) 은 DFI 구성으로 점화를 촉진하기 위해 연소 챔버 (예컨대, 연소 챔버 (105)) 내에 위치될 수 있고, 그로 인해, 점화 지연을 단축시키고 그리고/또는 기관 등의 주기 작동시에 발생하는 연소 변형도를 감소시킨다. 도 18 은 구성 (1800) 을 나타내고, 예열 플러그 (1810) 는 덕트 (1820) 의 하류에, 예컨대 덕트 (1820) 의 하류 단부 (1825) 에 위치된다. 도시된 바와 같이, 예열 플러그 (1810) 의 가열된 팁 (1830) 은 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 유동 경로 내에 위치되어서, 예열 플러그 (1810) 의 주요 축선 (PA) 은 덕트 (1820) 의 축선 (1630) 을 교차하고, 이때 고온 예열 플러그 단부 (1830) 는 화염 (1540) 을 안정화시키기 위해 블러프 보디 (bluff body) 의 역할을 한다. 도 15 내지 도 17 에 도시된 점화와 유사한 방식으로, 점화 구역 (1530) 은 덕트 (1820) 의 하류 단부 (1825) 로부터 거리 (D17) 에 발생하고, 거리 (D17) 는 비촉매 보조 점화가 발생하는 점화 구역 (1470) 까지의 거리 (D12) 보다 작다. 예열 플러그 (1810) 및 관련 제어 전자 장치는 기관 냉각 개시를 보조하기 위해 생산 CI 기관에서 이용된 임의의 유형일 수 있거나, DFI 적용에서 예열 플러그의 성능을 향상시키기 위한 디자인 개선을 더 포함할 수 있다.Another type of ignition assist is high temperature surface ignition assist. In one embodiment, one or more high temperature surface ignition assist devices (e.g., preheat plugs) may be located in a combustion chamber (e.g., combustion chamber 105) to facilitate ignition in a DFI configuration, Shortening the delay and / or reducing the combustion strain occurring during cyclic operation of the engine or the like. Figure 18 shows
다른 실시형태에서, 하나 이상의 스파크 플러그들이 DFI 구성 (예컨대, 스파크 점화 보조) 의 점화를 촉진하기 위하여 연소 시스템 내에 설치될 수 있다. 이 실시형태에서, 스파크 플러그는 예열 플러그 (1810) 와 유사한 방식으로 포지셔닝될 수 있고, 스파크 플러그의 스파크 플러그 갭은 덕트로부터 나오는 예비 혼합된 가스들의 하류 유동에서 덕트 출구에 대해 포지셔닝되어서, 예비 혼합된 가스는 스파크 갭을 통과하고, 또한 스파크 갭에서 발생하는 하나 이상의 적절하게 시간 설정된 스파크 방전에 의해 점화될 수 있다. 스파크 플러스 갭은 도 18 에 도시된 예열 플러그 (1810) 의 가열된 팁 (1830) 과 유사한 포지션에 위치될 수 있고, 그로 인해, D17 < D12 인 덕트 (1820) 의 하류 단부 (1825) 로부터 거리 (D17) 에서 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화를 용이하게 한다. 스파크 플러그 및 관련된 제어 전자 장치들은 생산 SI 기관에서 이용된 임의의 유형일 수 있거나, DFI 적용에서 스파크 플러그의 성능을 향상시키기 위한 디자인 개선을 더 포함할 수 있다.In another embodiment, one or more spark plugs may be installed in the combustion system to facilitate ignition of the DFI configuration (e.g., spark ignition assistance). In this embodiment, the spark plug can be positioned in a manner similar to the preheating
추가의 실시형태에서, 하나 이상의 플라즈마 토치들은 DFI 구성 (예컨대, 플라즈마 점화 보조) 에서 점화를 촉진하기 위하여 연소 시스템 내에 설치될 수 있고, 플라즈마 토치의 제 1 단부가 플라즈마 제트를 방출한다. 이 실시형태에서, 플라즈마 토치는 예열 플러그 (1810) 와 유사한 방식으로 포지셔닝될 수 있고, 플라즈마 토치의 제 1 단부는 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 하류 유동에서 덕트 (1820) 의 하류 단부 (1825) 에 대해 포지셔닝되어, 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 이 플라즈마 제트를 통과하고, 또한 하나 이상의 적절하게 시간 설정된 플라즈마 제트 방출에 의해 점화될 수 있다. 플라즈마 토치의 제 1 단부는 예열 플러그 (1810) 의 가열된 팁 (1830) 과 동일한 포지션에 위치될 수 있고, 그럼으로써 덕트 (1820) 의 하류 단부 (1825) 로부터 거리 (D17) 에서 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화를 용이하게 한다. 플라즈마 제트는 임의의 적합한 기술, 예컨대 열 또는 비평형일 수 있다.In a further embodiment, the one or more plasma torches can be installed in the combustion system to facilitate ignition in a DFI configuration (e.g., plasma ignition aid), and the first end of the plasma torch emits a plasma jet. The plasma torch may be positioned in a manner similar to the preheating
추가의 실시형태에서, 집속 레이저 빔 (focused laser beam) 은 DFI 구성 (예컨대, 레이저 점화 보조) 에서 점화를 촉진하기 위하여 연소 시스템 내에 설치될 수 있다. 도 19 는 연료/차지 가스 혼합물을 점화하기 위하여 집속 레이저 빔을 이용하는 구성 (1900) 을 도시한다. 레이저 (1910) 는 윈도우 (1912) 뒤에 위치될 수 있고, 윈도우 (1912) 는 연소 챔버의 측벽 (114) 또는 실린더 헤드 (125) 내에 위치된다. 레이저 (1910) 는 레이저의 초점 (1918) (또한 웨이스트 (waist) 라고도 알려짐) 에서 스파크를 생성하기 위하여 충분한 에너지의 집속 펄스 레이저 빔 (1915) 을 방출하도록 구성되어, 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화를 촉진할 수 있는 이온들 및 라디칼들을 형성할 수 있다. 도 19 에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 빔 (1915) 은 덕트 (1820) 의 축선 (1630) 에 근접하여 그리고 덕트 (1820) 의 하류 단부 (1825) 의 약간 하류에 포지셔닝된 웨이스트 (1918) 에서 스파크를 생성할 것이다. 레이저 펄스(들) (1915) 는 점화가 촉진되도록 연료 분사 이벤트에 대해 시간 설정될 것이다. 레이저 빔 (1915) 의 초점 (1918) 은 예열 플러그 (1810) 의 가열된 팁 (1830) 과 동일한 포지션에서 발생하도록 구성될 수 있고, 그럼으로써 덕트 (1820) 의 하류 단부 (1825) 로부터 거리 (D18) 에서 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화를 용이하게 한다. 레이저 빔 (1915) 은 임의의 적합한 기술, 예컨대, 레이저 다이오드, 네오다이뮴-도핑된 이트륨 알루미늄 석류석 (Nd:YAG) 레이저일 수 있다. 시간 설정된 제어 컴포넌트 (1950) 는 연료 분사기 드라이버 (1960) 의 작동을 제어하기 위해 이용될 수 있고, 또한 레이저 (1910) 의 작동을 제어하도록 추가로 구성될 수 있어서, 펄스 레이저 빔 (1915) 은 필요에 따라 연료/차지 가스 혼합물 (1440) 의 점화를 용이하게 하기 위해 연료 분사기 드라이버 (1960) 와 동기 작동하도록 제어될 수 있고, 예컨대 점화는 위치 (1530) 에서 발생한다. 도 18 에 도시되어 있지 않지만, 시간 설정된 컴포넌트는 각각의 점화 보조 컴포넌트 (예컨대, 예열 플러그 (1810), 스파크 플러그 등) 와 함께 원하는 위치에서 각각의 연료/차지 가스 혼합물들의 점화를 용이하게 하도록 점화 보조 컴포넌트의 작동 및 연료 유동을 제어하기 위해 이용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.In a further embodiment, a focused laser beam may be installed in the combustion system to facilitate ignition in a DFI configuration (e.g., laser ignition assistance). 19 shows an
덕트 (1520) 의 하류 단부 (1525)/촉매 재료층 (1510), 고리부 (1610) 및 그 위에 위치된 촉매 재료, 로드들 (1710a-n) 의 각각의 원위 단부들 (1714a-n), 예열 플러그 (1810) 의 가열된 팁 (1830), 레이저 빔 (1918) 의 초점 등의 각각의 위치, 예컨대 포지션들 (D13, D14, D15, D16, D17, 및 D18) 이 각각의 점화 구역 (1530) 의 원하는 위치를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 거리들은 일반적으로 하류 단부 (158) 에서 덕트 (150) 직경 (D2) 의 1/10 ~ 5 배 내에 있을 것이다.The distal ends 1525 of the
도 20 은 연료/차지 가스 혼합물이 연소 챔버 내에 위치된 덕트로부터 방출된 후에 연료/차지 가스 혼합물을 점화하기 위한 방법론 (2000) 을 도시한다. 2010 에서, 점화 보조 컴포넌트는 덕트의 배출 단부에 대해 위치되고, 덕트는 연료 제트 개구에 근접하여 위치 및 정렬된다. 이전에 설명된 바와 같이, 연료는 연료 제트 개구를 통해 배향되고, 덕트 내의 차지 가스와 혼합되며, 이때 연료/차지 가스 혼합물이 덕트의 배출 단부로부터 방출된다. 점화 보조 컴포넌트는, 예열 플러그, 스파크 플러그, 집속 레이저 빔을 형성하기 위해 광학 장치를 장착한 레이저 등과 같은, 덕트의 배출 단부로부터 나오는 연료/차지 가스 혼합물의 점화를 용이하게 하기 위한 임의의 적합한 디바이스, 재료 등을 포함할 수 있다. 또한, 촉매 재료로부터 형성되거나 촉매 재료층이 그 위에 위치된 컴포넌트는 덕트로부터 연료/차지 가스 혼합물의 방출에 대해 포지셔닝될 수 있고, 촉매 재료에 의해 용이하게 되는 연료/차지 가스 혼합물의 반응은 연료/차지 가스 혼합물의 점화를 촉진한다. 컴포넌트는 덕트 (예컨대, 촉매 재료를 포함하는 고리부) 로부터 분리될 수 있거나, 촉매 재료 층이 덕트에 도포될 수 있다.20 illustrates a
2020 에서, 점화 보조 컴포넌트의 작동은 연료/차지 가스 혼합물이 덕트의 배출 단부로부터 방출됨에 따라 연료/차지 가스 혼합물의 점화를 용이하게 하도록 제어될 수 있다. 점화 보조 컴포넌트가 집속 레이저 빔을 형성하기 위해 광학 장치를 장착한 레이저인 예에 대하여, 상기 레이저는 이것이 펄스 레이저로서 작동하여 연료/차지 가스 혼합물이 덕트로부터 방출되는 타이밍 요법 (timing regimen) 에 따라 에너지 버스트를 방출하도록 제어될 수 있다. 점화 보조 컴포넌트가 플라즈마 토치인 다른 실시형태에서, 작동은 플라즈마 토치가 덕트로부터 방출되는 연료/차지 가스 혼합물의 타이밍과 동기화된 플라즈마의 버스트를 순차적으로 방출하도록 제어될 수 있다. 점화 보조 컴포넌트가 예열 플러그인 추가의 실시형태에서, 예열 플러그는 예열 플러그가 덕트로부터 방출됨에 따라 연속적으로 연료/차지 가스 혼합물을 가열 및 점화시키도록 제어될 수 있다. 추가의 실시형태에서, 점화 보조 컴포넌트는 그의 점화를 촉진시키기 위해 연료/차지 가스 혼합물 내의 반응을 용이하게 하는 촉매 재료로부터 형성될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 촉매 재료는 (예컨대, 재료 층으로서 또는 로드들에 의해 부착되어) 덕트 내에 포함될 수 있거나, 촉매 재료는 덕트, 예컨대 고리부에 별개로 위치되는 컴포넌트 상에 위치될 수 있고, 여기에서 연료/차지 가스 혼합물은 덕트로부터 배출되고 또한 고리부 내의 중심 구멍을 통과하며, 중심 구멍은 촉매 재료가 그 안에 위치된다.At 2020, operation of the ignition auxiliary component may be controlled to facilitate ignition of the fuel / charge gas mixture as the fuel / charge gas mixture is discharged from the outlet end of the duct. For an example in which the ignition auxiliary component is a laser equipped with an optical device to form a focused laser beam, the laser operates as a pulsed laser to generate energy < RTI ID = 0.0 > May be controlled to emit a burst. In another embodiment where the ignition auxiliary component is a plasma torch, the actuation may be controlled to sequentially discharge a burst of plasma in which the plasma torch is synchronized with the timing of the fuel / charge gas mixture being discharged from the duct. In a further embodiment the preheating plug can be controlled to continuously heat and ignite the fuel / charge gas mixture as the preheating plug is discharged from the duct. In a further embodiment, the ignition auxiliary component may be formed from a catalytic material that facilitates reaction in the fuel / charge gas mixture to facilitate its ignition. As previously mentioned, the catalytic material may be contained within the duct (e. G., As a material layer or attached by rods), or the catalytic material may be located on a duct, e. G., A component that is separately located in the annulus , Wherein the fuel / charge gas mixture is discharged from the duct and also through the center hole in the annulus, the center hole being located therein.
위에서 설명된 것은 하나 이상의 실시형태들의 예들을 포함한다. 물론, 전술한 양태들을 설명할 목적으로 상기 구조들 및 방법론들의 모든 상정가능한 수정 및 변경을 설명하는 것은 불가능하지만, 당업자는 여러 양태들의 많은 추가의 수정 및 변경이 가능하다는 것을 인식할 수 있다. 따라서, 전술한 양태들은 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에 잇는 이러한 모든 변경, 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다. 또한, 용어 "포함하다 (includes)" 는 상세한 설명 또는 청구항에서 사용되는 한, 이러한 용어는, 용어 "가지는 (comprising)" 이 사용되는 경우에 청구항 내에서 전이어로서 해석되므로, 용어 "가지다" 와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다.What has been described above includes examples of one or more embodiments. It is, of course, not possible to describe all conceivable modifications and variations of the above structures and methodologies for purposes of describing the above-described aspects, but one of ordinary skill in the art may recognize that many further modifications and variations of the various aspects are possible. Accordingly, the above-described aspects are intended to embrace all such alterations, modifications, and variations that fall within the spirit and scope of the appended claims. It is also to be understood that the term "includes ", as used in either the detailed description or the claims, is to be interpreted as transitive within the claim when the term " comprising & It is intended to be inclusive in a similar manner.
Claims (20)
제 1 개구를 포함하는 연료 분사기, 및
중공 튜브로 형성된 덕트를 포함하고,
상기 제 1 개구를 통해 연료가 연소 챔버 내로 분사되고,
상기 덕트는 상기 연료 분사기의 상기 제 1 개구를 나오는 상기 연료가 상기 중공 튜브를 통해 상기 연소 챔버 내로 분사되도록 정렬되는, 연소 시스템.As a combustion system,
A fuel injector including a first opening, and
A duct formed of a hollow tube,
Fuel is injected into the combustion chamber through the first opening,
The duct being arranged to inject the fuel exiting the first opening of the fuel injector into the combustion chamber through the hollow tube.
상기 연소 시스템은 압축-점화 왕복 기관인, 연소 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the combustion system is a compression-ignition reciprocating engine.
상기 연소 시스템은 스파크-점화 왕복 기관인, 연소 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the combustion system is a spark-ignition reciprocating engine.
상기 연소 시스템은 가스-터빈 기관인, 연소 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the combustion system is a gas-turbine engine.
상기 연소 시스템은 버너 장치 내에 포함되는, 연소 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the combustion system is contained within a burner apparatus.
상기 연소 시스템은 보일러 장치 내에 포함되는, 연소 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the combustion system is contained within a boiler unit.
상기 연소 시스템은 가스 플레어 작업 (gas flare operation) 에서 인화성 가스를 연소시키도록 구성된 장치 내에 포함되는, 연소 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the combustion system is comprised in a device configured to combust a flammable gas in a gas flare operation.
연료 분사기 내의 개구를 통해 연료를 분사하는 단계, 및
덕트 내에서 분사된 상기 연료와 차지 가스를 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 개구는 상기 연소 챔버 내에 위치되고,
상기 덕트는 중공 튜브를 포함하고 또한 분사된 상기 연료가 상기 중공 튜브를 통해 이동하도록 정렬되고, 상기 중공 튜브를 통한 상기 연료의 통과는 상기 중공 튜브 내에서 연료/차지 가스 혼합물의 난류를 유발하고 또한 연소 챔버 내에 존재하는 차지 가스를 상기 중공 튜브 내로 인출시키고 그로 인해 분사된 상기 연료를 상기 차지 가스와 혼합시키는, 연소 챔버 내에서 차지 가스와 연료를 혼합하는 방법.A method of mixing fuel and charge-gas in a combustion chamber,
Injecting fuel through an opening in the fuel injector, and
Mixing the fuel injected in the duct with the charge gas,
Said opening being located in said combustion chamber,
Wherein the duct comprises a hollow tube and the injected fuel is arranged to move through the hollow tube and passage of the fuel through the hollow tube causes turbulence of the fuel / charge gas mixture in the hollow tube, And injecting the charge gas present in the combustion chamber into the hollow tube, thereby mixing the injected fuel with the charge gas.
상기 연소 챔버는 압축-점화 왕복 기관의 일부를 형성하는, 연소 챔버 내에서 차지 가스와 연료를 혼합하는 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the combustion chamber forms part of a compression-ignition reciprocating engine.
상기 연소 챔버는 스파크-점화 왕복 기관의 일부를 형성하는, 연소 챔버 내에서 차지 가스와 연료를 혼합하는 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the combustion chamber forms part of a spark-ignition reciprocating engine.
상기 연소 챔버는 가스-터빈 기관의 일부를 형성하는, 연소 챔버 내에서 차지 가스와 연료를 혼합하는 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the combustion chamber forms part of a gas-turbine engine.
상기 연소 챔버는 버너 장치 내에 포함되는, 연소 챔버 내에서 차지 가스와 연료를 혼합하는 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the combustion chamber is contained within a burner apparatus.
상기 연소 챔버는 보일러 장치 내에 포함되는, 연소 챔버 내에서 차지 가스와 연료를 혼합하는 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the combustion chamber is contained within a boiler unit.
상기 연소 챔버는 가스 플레어 작업에서 인화성 가스를 연소시키도록 구성된 장치 내에 포함되는, 연소 챔버 내에서 차지 가스와 연료를 혼합하는 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the combustion chamber is comprised in a device configured to combust a flammable gas in a gas flare operation.
제 1 개구 및 제 2 개구를 포함하는 연료 분사기로서, 상기 제 1 개구를 통해 제 1 연료 제트가 연소 챔버 내로 분사되고, 상기 제 2 개구를 통해 제 2 연료 제트가 연소 챔버 내로 분사되는, 상기 연료 분사기,
제 1 중공 튜브로 형성된 제 1 덕트로서, 상기 제 1 덕트는 상기 제 1 개구를 나오는 상기 제 1 연료 제트가 상기 제 1 중공 튜브를 통해 상기 연소 챔버 내로 분사되도록 정렬되는, 상기 제 1 덕트, 및
제 2 중공 튜브로 형성된 제 2 덕트로서, 상기 제 2 덕트는 상기 제 2 개구를 나오는 상기 제 2 연료 제트가 상기 제 2 중공 튜브를 통해 상기 연소 챔버 내로 분사되도록 정렬되는, 상기 제 2 덕트를 포함하는, 연료 분사 시스템.A fuel injection system comprising:
A fuel injector comprising a first opening and a second opening wherein a first fuel jet is injected into the combustion chamber through the first opening and a second fuel jet is injected into the combustion chamber through the second opening, Injector,
A first duct formed from a first hollow tube wherein the first duct is aligned with the first fuel jet exiting the first opening to be injected into the combustion chamber through the first hollow tube;
And a second duct formed of a second hollow tube, wherein the second duct is arranged to inject the second fuel jet exiting the second opening into the combustion chamber through the second hollow tube Fuel injection system.
상기 연료 분사 시스템은 압축-점화 왕복 기관 내에 위치되는, 연료 분사 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein the fuel injection system is located within the compression-ignition reciprocating engine.
상기 연료 분사 시스템은 스파크-점화 왕복 기관 내에 위치되는, 연료 분사 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein the fuel injection system is located within a spark-ignition reciprocating engine.
상기 연료 분사 시스템은 가스-터빈 기관 내에 위치되는, 연료 분사 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein the fuel injection system is located within a gas-turbine engine.
상기 연료 분사 시스템은 버너 장치 내에 포함되는, 연료 분사 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein the fuel injection system is contained within a burner apparatus.
상기 연료 분사 시스템은 가스 플레어 작업에서 인화성 가스를 연소시키도록 구성되는 장치 내에 포함되는, 연료 분사 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein the fuel injection system is included in an apparatus configured to combust a flammable gas in a gas flare operation.
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