KR20230150736A - 연료 공기 혼합물의 점화를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관(100)의 실린더(2)의 연소실(3)에서 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 장치(1)에 관한 것으로, 이 장치는,
적어도 부분적으로 연소실(3) 외부에 배치되고, 점화 가능한 연료 공기 혼합물이 예연실(prechamber)(12) 내부에서 점화될 수 있도록 하는 점화 장치(13)를 갖는 하나의 제1 예연실(12) 및
제1 예연실(12) 일부의 둘레에 연장되고 상기 제1 예연실(12)과 유동 연결된 적어도 하나의 제2 예연실(15)을 포함하며,
상기 제2 예연실(15)은 완전히 연소실(3) 내부에 배치되고, 특히 원뿔대 형태로 형성되며, 제1 예연실(12)보다 더 큰 체적을 갖는다.

Description

연료 공기 혼합물의 점화를 위한 장치{DEVICE FOR IGNITING A FUEL-AIR MIXTURE}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른, 내연 기관의 실린더의 연소실에서 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 장치를 구비한 내연 기관에 관한 것이다.

종래 기술에 따라, 내연 기관의 실린더의 연소실 내 연료 공기 혼합물의 점화를 위해 제공된 장치는 매우 다양한 실시예로 공지되어 있다. 이러한 장치는 예연실을 가지며, 이 예연실 내에서 점화 가능한 연료 공기 혼합물이 그 안에 구비된 점화 장치에 의해 점화될 수 있고, 이 경우, 연료는 상대적으로 작은 체적으로 인해 예연실로 직접 분사되지 않는다(수동적 예연실, passive prechamber).

이러한 이른바 예연실 제트 점화(jet ignition) 과정에서는 연료 공기 혼합물의 일부가 내연 기관의 압축 행정 중에 예연실로 강제 유입되고, 이 예연실에서 난류 제트 점화에 의해 예연실 내부의 연료 공기 혼합물이 발화된다. 이러한 발화는 이후 내연 기관의 연소 챔버 내로 더 확산된다. 그 결과, 연소실 내에서의 연료 공기 혼합물의 연소가 빨라지고 노킹 경향이 감소한다.

일반적으로 수동적 예연실은, 연소 챔버 내부에서 움직이는 피스톤의 상사점에서 연소 챔버 체적의 약 2 내지 5%에 해당하는, 상대적으로 작은 체적을 갖는다. 예연실의 이러한 작은 체적으로 인해, 예연실 내부에서 연료 공기 혼합물의 점화로 인한 가속 효과는 연소 과정의 첫 번째 단계로 제한된다(총 연소 지속시간의 약 0 내지 10%).

WO 2022/011400 A1호로부터, 각각 하나의 주 연소실과 연결된 복수의 예연실을 갖는 내연 기관이 공지되어 있다. 이들 예연실은 연료 가스와 공기의 혼합물을 수용하기 위한 예연실 가스 밸브를 구비한다. 각각의 예연실은 또한 최대 3개의 서브 챔버를 포함하고, 이들 서브 챔버는 유동 개구들을 통해 서로 연결되며 체적 크기에 따라 오름차순으로 배치된다. 제1 서브 챔버는 예연실 가스 밸브 및 연료 가스와 공기의 혼합물을 점화하기 위한 점화 장치를 포함한다.

본 발명의 과제는, 연료 공기 혼합물의 점화 및 연소 과정을 추가로 개선할 수 있는, 도입부에 언급한 유형의 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는, 청구항 제1항의 특징부의 특징을 갖는, 내연 기관의 실린더의 연소실에서 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 일반적인 장치에 의해 해결된다. 종속항들은 본 발명의 바람직한 개선과 관련된다.

내연 기관의 실린더의 연소실에서 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 제2 예연실이 완전히 연소실 내부에 배치되고, 특히 원뿔대 형태로 형성되며, 제1 예연실보다 더 큰 체적을 갖는 것을 특징으로 한다.

예연실 점화의 가속 효과는, 연소실 내부에서 제1 예연실 일부의 둘레로 연장되고 상기 제1 예연실보다 더 큰 체적을 갖는, 특히 원뿔대 형태로 형성된 제2 예연실의 제공을 통해 훨씬 더 증대될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 제2 예연실로부터 배출되어 연소실로 유입되는 화염의 에너지가 바람직한 방식으로 증가할 수 있다. 유동 개구의 개구 면적과 예연실 체적 사이의 특정 비율이 준수되어야 하므로, 단순히 제1 예연실의 체적을 증가시키는 것만으로는 동일한 효과를 얻을 수 없다.

전술한 효과를 더욱 배가시키기 위해, 한 바람직한 실시예에서 본원 장치가, 특히 원뿔대 형태로 형성되고 제2 예연실 둘레에 연장되는 적어도 하나의 제3 예연실을 갖는 구성이 제안된다. 그 결과, 제3 예연실에서 배출되는 화염의 에너지가 더욱 증가할 수 있다. 바람직하게는 제3 예연실이 제2 예연실보다 더 큰 체적을 갖도록 형성된다.

또 다른 한 바람직한 실시예에 따라, 본원 장치는, 특히 원뿔대 형태로 형성되고 각각 선행하는 예연실 둘레에 연장되는 k≥1개의 추가 예연실을 가질 수 있다. 예컨대 4개 또는 5개의 예연실이 있는 예연실 시스템이 제공될 수 있다.

바람직하게는 k 번째 예연실이 (k-1) 번째 예연실보다 더 큰 체적을 갖도록 형성된다. 즉, 내연 기관의 연소실 내부에 배치된 예연실들의 체적은 바람직하게 내측에서 외측으로 갈수록 증가한다.

종래의 내연 기관의 경우, 제1 예연실 내 연소 공기 비율을 조절(이른바 람다 조절)하기에는 제1 예연실의 크기가 너무 작다. 그러므로 한 바람직한 개선예에서, 본원 장치가 제1 예연실보다 더 큰 체적을 갖는 예연실 중 하나의 내부로 연장되도록 배치된 연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐을 갖는 구성이 제안된다. 다단계 예연실 시스템을 사용함으로써 본원 장치의 연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐을 더 큰 예연실 내에 위치시킬 수 있으므로, 바람직한 방식으로 국소 연소 공기 비율의 더 효과적인 조절이 달성될 수 있다.

연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐과 상이한 개수의 예연실의 다양한 조합을 기본적으로 생각할 수 있다.

또 다른 한 바람직한 실시예에 따라, 제1 예연실은 적어도 부분적으로 원추형으로 형성되고, 적어도 부분적으로 내측에서 외측으로 갈수록, 즉, 연소실의 방향으로 좁아지도록 성형될 수 있다.

바람직하게는 제2 예연실 및 경우에 따라 존재하는 추가 예연실은 연소실 내부에서 더 확장될 수 있다.

예연실은 원뿔대 형태 대신 다른 형상을 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 내연 기관은 청구항 제8항에 따라, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 추가 특징 및 이점은, 첨부 도면을 토대로 바람직한 일 실시예의 하기 설명으로부터 명백해진다.

도 1은 내연 기관(100)의 연소 실린더(2)의 일부의 종단면도이다.

도 1에는 내연 기관(100)의 단일 연소 실린더(2)만이 도시되어 있으나, 일반적으로 내연 기관은 상기 유형의 연소 실린더(2)를 여러 개 갖는다.

연소 실린더(2)는, 피스톤(4)이 제1(하)사점 위치에서 도 1에 도시된 바와 같은 제2(상)사점 위치로 그리고 그 반대로 축방향으로 움직일 수 있는 연소실(3)을 정의한다. 연소 실린더(2)는, 내부에 흡기 밸브(7)가 배치된 흡기관(5) 및 내부에 배기 밸브(8)가 배치된 배기관(6)과 유체 연통된다.

연소 실린더(2)는, 내부에 제1 수용부(90) 및 제2 수용부(91)가 형성된 실린더 헤드(9)를 갖는다. 제1 수용부(90)에는 제1 연료 분사 수단(10), 특히 연료 분사 노즐이 삽입되어 있고, 상기 연료 분사 노즐에 의해 내연 기관(100)의 작동 중에 연료가 연소실(3)로 분사될 수 있다. 흡기 밸브(7)가 열리면 연소실(3) 내부에서 점화 가능한 연료 공기 혼합물이 생성된다.

내연 기관(100)은 또한 연소 실린더(2)의 연소실(3) 내부에서 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 장치(1)를 가지며, 이 장치를 통해 점화 가능한 연료 공기 혼합물이 점화될 수 있다. 연료 공기 혼합물의 연소 중에 생성되는 연소 배기 가스는 배기 밸브(8)가 열릴 때 배기관(6)으로 유입된다.

이하에서는 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 장치(1)의 추가 세부 사항에 관해 더 상세하게 설명한다. 장치(1)는, 내부에 제1 예연실(12)이 형성된 예연실 하우징(11)을 갖는다. 또한, 장치(1)는, 예연실 하우징(11)에 삽입되어 있고 제1 예연실(12)로 연결되는 점화 장치(13), 특히 점화 플러그를 갖는다. 제1 예연실(12)은 부분적으로 원추형으로 형성되고, 내측에서 외측으로 갈수록, 즉, 연소실(3) 방향으로 좁아지게 형성된다. 예연실 하우징(11)의 원통형 연결 섹션(14)은 실린더 헤드(9)의 제2 수용부(91)에 삽입되어 있고, 부분적으로 연소실(3) 안으로 뻗어 있다. 예연실 하우징(11)의 원통형 연결 섹션(14)에 의해 포함된 체적은 예연실(12)의 전체 체적의 일부를 형성한다.

장치(1)는 또한, 연소실(3) 내부에서 예연실 하우징(11)의 원통형 연결 섹션(14) 둘레 및 제1 예연실(12) 둘레에도 연장되는 제2 예연실(15)을 갖는다. 제2 예연실(15)은 본 실시예에서 원뿔대 형태로 형성되고, 실린더 헤드(9)에서 시작하여 연소실(3) 내부로 확장되도록 성형된다. 바람직하게 제2 예연실(15)은 제1 예연실(12)보다 더 큰 체적을 갖는다. 본 실시예에서 장치(1)는 추가로 제2 예연실(15) 둘레에 연장되는 제3 예연실(16)을 갖는다. 제3 예연실(16)은 본 실시예에서 마찬가지로 원뿔대 형태로 형성되고, 제2 예연실(15)에서 시작하여 연소실(3) 내부로 더 확장되도록 성형된다.

원통형 연결 섹션(14)의 하부 영역에는 다수의 유동 채널(140)이 형성되고, 이들 유동 채널은 연소실(3) 내부에서 제1 예연실(12)과 제2 예연실(15) 간의 유동 연결을 제공한다. 제2 예연실(15)은 하부 영역에 다수의 유동 개구(150)를 갖고, 이들 유동 개구는 제2 예연실(15)과 제3 예연실(16) 간의 유동 연결을 제공한다. 또한, 제3 예연실(16)은 하부 영역에 복수의 유동 개구(160)를 갖고, 이들 유동 개구는 제3 예연실(16)과 연소실(3) 간의 유동 연결을 제공한다.

사용 목적 및 용도에 따라 유사한 방식으로 제3 예연실(16)에, 마찬가지로 바람직하게 원뿔대 형태로 형성되고 각각 선행 예연실보다 더 큰 체적을 갖는 제4 예연실 및 경우에 따라 추가 예연실도 연결될 수 있다.

전술한 3개의 예연실(12, 15, 16)을 갖는 장치(1)의 예연실 시스템은 수동적으로 작동한다. 이는, 3개의 예연실(12, 15, 16) 중 하나로의 직접 연료 분사가 수행되지 않음을 의미한다.

여기에 명시적으로 도시되지 않은 개선예에서, 장치(1) 자체가 마찬가지로 연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐을 갖고, 이 연료 분사 노즐은 제1 예연실(12)보다 더 큰 체적을 갖는 예연실(15, 16) 중 하나로 연통되는 방식으로 배치된다. 특히 연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐은 제2 예연실(15) 내로 연통되는 방식으로 배치될 수 있다.

내연 기관(100)의 작동 중에 이러한 연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐은 관련 예연실(15, 16) 내로 연료를 분사할 수 있다. 즉, 이러한 변형에서는 장치(1)가 제1 예연실(12)보다 더 큰 체적을 갖는 예연실(15, 16) 중 하나에서 능동 연료 주입을 이용해 작동한다. 이를 통해 바람직하게, 관련 예연실(15, 16)에서 연소실(3)에 비해 더 농후한 혼합물을 얻을 수 있다.

종래의 내연 기관의 경우, 제1 예연실(12)에서의 연소 공기 비율을 조절(이른바 람다 조절)하기에는 제1 예연실(12)의 크기가 너무 작다. 직렬 연결된, 바람직하게는 체적이 점점 커지는 복수의 예연실(12, 15, 16)을 갖는 다단계 예연실 시스템에 의해, 장치(1)에 할당된 연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐을 더 큰 예연실(15, 16)에 위치시켜 국소 람다 값을 더 효율적으로 제어할 수 있다.

마지막으로, 특정 용도에 따라 연료 분사 수단과 예연실(12, 15, 16) 개수의 매우 다양한 조합이 가능하다는 점에 유의해야 한다.

Claims (8)

1. 내연 기관(100)의 실린더(2)의 연소실(3)에서 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 장치이며, 이 장치는,
   적어도 부분적으로 연소실(3) 외부에 배치되고, 점화 가능한 연료 공기 혼합물이 예연실(12) 내부에서 점화될 수 있도록 하는 점화 장치(13)를 갖는 하나의 제1 예연실(12), 및
   상기 제1 예연실(12) 일부의 둘레에 연장되고 상기 제1 예연실(12)과 유동 연결된 적어도 하나의 제2 예연실(15)을 포함하며,
   상기 제2 예연실(15)은 완전히 연소실(3) 내부에 배치되고, 특히 원뿔대 형태로 형성되며 제1 예연실(12)보다 큰 체적을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 공기 혼합물 점화 장치(1).
2. 제1항에 있어서, 상기 장치(1)는, 특히 원뿔대 형태로 형성되고 제2 예연실(15) 둘레에 연장되는 적어도 하나의 제3 예연실(16)을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 공기 혼합물 점화 장치(1).
3. 제2항에 있어서, 제3 예연실(16)은 제2 예연실(15)보다 더 큰 체적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 공기 혼합물 점화 장치(1).
4. 제3항에 있어서, 상기 장치(1)는, 특히 원뿔대 형태로 형성되고 각각 선행하는 예연실 둘레에 연장되는 k≥1개의 추가 예연실을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 공기 혼합물 점화 장치(1).
5. 제4항에 있어서, k 번째 예연실은 (k-1) 번째 예연실보다 더 큰 체적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 공기 혼합물 점화 장치(1).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(1)는, 제1 예연실(12)보다 더 큰 체적을 갖는 예연실(15, 16) 중 하나의 내부로 연장되도록 배치된 연료 분사 수단, 특히 연료 분사 노즐을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 공기 혼합물 점화 장치(1).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 예연실(12)은 적어도 부분적으로 원추형으로 형성되고, 적어도 부분적으로 내측에서 외측으로 연소실(3) 방향으로 좁아지도록 성형되는 것을 특징으로 하는, 연료 공기 혼합물 점화 장치(1).
8. 내연 기관(100)의 실린더(2)의 연소실(3)에서 연료 공기 혼합물을 점화하기 위한 장치(1)를 구비한 내연 기관(100)에 있어서,
   상기 장치(1)가 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 구현되는 것을 특징으로 하는, 내연기관(100).