KR20240011814A - 기화기 또는 유사한 장치에서 연료 분무화를 개선하기 위한 단방향 연료 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전반적으로 기화기 또는 유사한 장치에서 연료 분무화를 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연소 엔진의 연료-공기 혼합 챔버 안으로 분사되는 연료의 분무화를 개선시키도록 설계된 단방향 연료 노즐을 제공한다. 연료 노즐은 노즐의 실린더형 본체의 일 절반부를 통해 있는 복수의 천공 및 실린더형 본체의 타 절반부의 외측 표면 상에 배치된 복수의 딤플을 포함한다. 각각의 천공은 실린더형 본체의 내측 표면과 외측 표면을 연결하고, 외측 표면에 있는 반구형 캐비티(cavity)에 의해서 획정된 공기 터뷸레이터(turbulator)로 종료된다. 유사하게, 각각의 딤플은 공기 터뷸레이터로 설계되지만, 내측 표면을 통해 돌출되지 않는다. 이러한 공기 터뷸레이터는, 공기 압력에 반응하여, 연료 노즐의 표면 상에 난류를 생성하며 이는 연료 노즐 표면으로부터의 공기의 분리를 지연시켜 연료 방울의 파손을 더욱 촉진시키는 것으로 귀결된다. 실제로, 이것은 공기와 혼합되는 연료의 분무화를 증가시키며, 이는 엔진의 연료 연소 효율을 개선시킨다. 연소 엔진을 향한 천공을 통한 연료의 단방향, 고속 분사에 의해서 더 높은 연료 연소 효율이 추가로 달성된다.

Description

기화기 또는 유사한 장치에서 연료 분무화를 개선하기 위한 단방향 연료 노즐

본 발명은 전반적으로 기화기 또는 유사한 장치에서 연료 분무화(atomization)를 개선하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연소 엔진의 연료-공기 혼합 챔버 안으로 분사되는 연료의 분무화를 개선시키도록 설계된 단방향 연료 노즐에 관한 것이다.

배기량이 작거나 중간인 엔진dml 기화기에서 사용되는 기존의 메인 연료 노즐은, 액체 가솔린이 분사되어 연료-공기 혼합 챔버로 들어가는 곳인 배출구를 단지 하나 갖는다. 모터사이클(motorcycle) 또는 이전 모델 자동차의 기화기는 액체 연료 유동을 직접적으로 제어하지 않지만, 기화기는 엔진 안으로 들어가는 공기 유동을 제어한다. 유동의 속도 및 압력은 공기 스트림과 혼합되는 연료의 양을 결정할 것이다. 낮은 공기 속도는 특히 메인 연료 노즐과 제트 니들(모터사이클의 경우)의 주변 영역에서의 압력 강하의 부족으로 귀결되며 이는 연료 전달을 비효율적이고 불충분하게 만든다. 더욱이, 낮은 속도 연료 분사는 연료를 충분하게 분무하지 못하여, 부적절한 연료량의 영향을 악화시킨다.

선행 기술에서 찾을 수 있는 바와 같이, 보다 효율적인 연료 연소를 위해 연료와 공기의 유화(emulsification)를 개선하기 위한 시스템이 존재한다. 국제공개 WO1997037120A1호는 상류 오리피스와 다수의 하류 오리피스를 갖는 연료 노즐을 개시하며, 여기서 상류 오리피스의 표면적은 하류 오리피스를 통해서만 인출되는 연료를 제한하도록 하류 오리피스의 표면적보다 작다. '120 특허는, 아마도, 연료를 방출하는 노즐의 성향의 관점에서 성능을 개선시키기 위해, 표면으로부터 내측으로 면적이 변하는 구성을 갖는 오리피스를 추가로 설명한다. 미국 특허출원공개 US20030160341A1호는 공기 연료 혼합물을 기화기의 벤튜리(venturi) 부분 안으로 도입하기 전에 나사산 또는 기타 널링된(knurled) 표면 위로, 또는 범프(bump), 돌출부, 캐비티(cavity) 또는 딤플(dimple) 위로 통과시킴으로써, 연료 에멀전(emulsion)을 개선하기 위한 방법을 제공한다. 이러한 딤플 등은 연소실로 전달되는 공기와 연료를 모두 수용하는 임의의 통로 또는 유화된 연료/공기 전달 시스템에 위치될 수 있다. 예를 들어, 장애물 등이 메인 전달 튜브 또는 메인 노즐에 있을 수 있다.

'120 특허와 '341 특허 출원은 모두 전반적으로, 연료를 방출하는 노즐의 성향 또는 연료 에멀전을 개선하기 위해 표면으로부터 내측으로 면적이 변하는 딤플 또는 오리피스를 개시하고 있지만, 선행 기술은 원주 방향으로 노즐 본체의 일 절반부 상에 배치된 딤플과 노즐 본체의 타 절반부 상에 배치된 관통 구멍 천공(외측 반구형 캐비티를 구비함)의 조합으로 설계된 연료 노즐을 구체적으로 개시하지 않는다. 이러한 설계는 연소실을 향한 연료 방울의 분무화 및 침투(penetration)를 유의미하게 개선시킨다. 따라서, 이는, 예를 들어, 모터사이클 운전자에게 연료 소비에 대한 유의미한 절약을 제공할 수 있고, 또한 더 적은 탄소 배출량 때문에 환경에 도움이 된다.

연소 엔진에서 연료의 분무화 및 침투를 개선하기 위한 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 연소 엔진의 연료-공기 혼합 챔버 안으로 분사되는 연료의 분무화를 개선시키도록 설계된 연료 노즐을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다. 연료 노즐은 노즐의 실린더형 본체의 일 절반부를 통해 있는 복수의 천공 및 타 절반부의 외측 표면 상에 배치된 복수의 딤플로 구성된다. 천공 각각은 실린더형 본체의 내측 표면과 외측 표면을 통해 연장되고, 외측 표면에 있는 반구형 캐비티에 의해서 획정된 공기 터뷸레이터로 종료된다. 한편, 딤플 각각은 또한 에어 터뷸레이터로 설계되며, 이는 외측 표면에만 있는 반구형 캐비티로 정의되고, 내측 표면을 통해 돌출되지 않는다. 이러한 공기 터뷸레이터는, 공기가 기화기의 공기-연료 혼합 챔버로 들어가고 터뷸레이터 각각을 통해 유동될 때, 노즐의 외측 표면 상에 공기 와류를 생성한다. 이것은 결과적으로 천공을 통해 연소실을 향한 방향으로 분사되는 연료 방울의 추가적인 파괴를 촉진하고, 이로써 연소 엔진에서 연료의 분무화를 개선한다.

연료 노즐의 일 절반부 상에 천공을 갖는 설계는 연료가 천공을 통해 단방향(하류 방향)으로 연소 엔진을 향해 고속 방식으로 분사되므로 더 높은 연료 연소 효율로 이어진다.

본 발명의 더 깊은 이해를 제공하도록 포함된 첨부 도면은 본 발명의 실시형태를 예시하기 위해 본원에 포함된다. 설명과 함께, 도면은 또한 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서,
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 노즐의 등각투상도를 나타낸다.
도 1c, 도 1d, 및 도 1e는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 노즐의 단면도를 나타낸다.

분무화는 연료유(fuel oil) 입자를 매우 작은 방울로 깨뜨리는 과정이다. 따라서, 분무화는 연소 공간에서 연료를 태우는 것을 더 쉽게 만든다. 방울이 더 많이 깨질수록, 분무화는 더 양호해진다. 양질의 분무화된 연료 입자는 침투 과정에 기여함으로써 양질의 연소를 추가로 촉진한다. 침투는 연소 직전에 연소실 내부에서 연료 입자가 이동한 거리이다. 분무화 과정에서 연료 입자가 더 작을수록, 더 가벼워 공기압에 의해 더 멀리 운반되어 연료 노즐로부터 적절하게 멀리서 연소된다. 이 과정을 개선하기 위해, 본 발명의 다양한 실시형태가 제시된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 도 1a는 기화기 또는 유사한 장치에서 연료 분무화를 개선하기 위한 연료 노즐(100)을 도시한다. 연료 노즐(100)은, 바람직하게는, 외측 표면(104) 및 내측 표면(106)을 구비하는 실린더형 본체(102)를 갖는다. 실린더형 본체(102)는 바람직하게는 내가솔린성(gasoline-resistant) 및 내열성(heat-resistant) 재료로 만들어진다. 복수의 천공(108)은 실린더형 본체(102)의 일 절반부를 통해 배치되는 한편, 복수의 딤플(110)은 실린더형 본체(102)의 타 절반부의 외측 표면(104) 상에 배치된다. 연료 노즐(100)은 실린더형 본체(102)의 일 단부 주위에 배치된 페룰(ferrule)(112)을 더 구비한다. 페룰(112)은 기화기 또는 유사한 장치에, 바람직하게는 분리 가능한, 연료 노즐(100)을 설치 또는 장착하기 위한 수단으로서 역할을 한다. 본 발명의 일 실시형태에서, 연료 노즐은 기화기에 장착될 수 있다. 도 1b는 복수의 딤플(110)이 실린더형 본체(102)의 타 절반부 상에 배치되는 것 및 복수의 천공(108)이 외측 표면(104)으로부터 내측 표면(106)을 통해 돌출되는 것을 도시하는 연료 노즐(100)의 회전된 등각투상도를 도시한다.

도 1c 및 도 1d는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 노즐(100)의 단면도를 도시한다. 연료 노즐(100)은 실린더형 본체(102) 내부에서 중앙에 위치되고 이의 길이를 통해 나아가는 개구에 의해서 획정되는 연료 터널(114)을 더 포함한다. 복수의 천공(108) 및 딤플(110)은 페룰(112) 반대편의 실린더형 본체의 일 단부 주위에 배치된다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 각각의 천공(108)은 연료 노즐(100)의 외측 표면(104) 및 내측 표면(106)을 통해 나아간다. 한편, 도 1d는 실린더형 본체(102)의 타 절반부의 외측 표면(104) 상에 반구형 캐비티를 갖는 각각의 딤플(110)을 도시한다.

도 1e를 참조하면, 각각의 천공은, 바람직하게는, 형상이 실린더형인 관통 구멍(118)을 통해 연료 터널과 연통되는 반구형 캐비티에 의해서 획정된 공기 터뷸레이터(turbulator)(116)와 함께 외측 표면에서 종료된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 천공들 및 딤플들은 실린더형 본체의 원주 주위에 원형 열로 배열되도록 구성된다. 더욱 바람직하게는, 원형 열은 다수의 열로 배열될 때 이웃하는 천공과 딤플이 서로 가장 가까운 것을 보장하기 위해 엇갈린 배열로 추가로 구성된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 딤플들 및 천공들의 반구형 캐비티들의 직경 또는 표면적은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 천공으로부터의 반구형 캐비티의 표면적은 딤플의 것보다 더 클 수 있다.

연소 과정 중에, 공기 기체가 공기 연료 혼합 챔버에 들어갈 때, 기화기의 벤튜리(venturi)를 통과하는 공기가 노즐을 통해 연료를 흡입한다. 일반적으로 공기--연료 혼합 챔버로 들어가기 위해 가솔린이 분출되는 출구가 하나뿐인 일반 노즐과 달리, 본 발명의 연료 노즐은 복수의 딤플과 복수의 천공을 구비하며, 이들 각각이 공기 터뷸레이터로 구성된다. 공기가 노즐의 본체의 표면을 지나갈 때, 반구형 캐비티의 형태인 공기 터뷸레이터는 공기가 표면에 부착되는 험프(hump)를 생성하여, 공기 와류를 생성하고 터뷸레이터 내의 공기 분리를 지연시키는 난류를 유발한다. 연료가 각각의 터뷸레이터 앞의 천공을 통해 분사될 때 난류는 공기역학적 항력을 감소시킨다. 이것은 혼합 챔버에서 공기와 결합되는 더욱 분무화된 연료를 발생하여, 더 양호한 연소를 제공한다.

연료 노즐 상의 반구형 캐비티에 의해서 획정된 공기 터뷸레이터는 와류 발생기로서 작용을 하며, 이는 연료 노즐 표면에 달라붙는 공기의 얇은 난류 경계층을 생성한다. 이것은 원활하게 유동하는 공기가, 액체 연료를 배출하는 다수의 천공이 위치된 노즐의 후방 측부 주위로 조금 더 노즐의 외측 표면을 따라가는 것(에어 허깅(air hugging))을 허용한다. 이러한 "에어 허깅"은 감소된 웨이크(wake) 영역 크기로 귀결되며, 이는 연료 분무화를 최적으로 하는 것을 돕는다.

Claims (12)

1. 연료 노즐에 의한 기화기에서 연료 분무화를 개선하는 방법으로서, 상기 연료 노즐은 실린더형 본체 - 상기 실린더형 본체는 외측 표면 및 상기 실린더형 본체 내부 중앙에 배치된 연료 터널을 갖고, 상기 연료 터널은, 상기 실린더형 본체의 길이를 통해 나아가 상기 실린더형 본체 내에 내측 표면을 형성하는 중앙 개구에 의해서 획정됨 -; 상기 실린더형 본체의 일 절반부 상에 배치된 복수의 천공 - 상기 천공 각각은 상기 실린더형 본체의 상기 내측 표면과 상기 외측 표면을 연통하고, 상기 실린더형 본체의 상기 외측 표면에 있는 반구형 캐비티(cavity)에 의해서 획정된 공기 터뷸레이터(turbulator)로 종료됨 -; 및 상기 실린더형 본체의 타 절반부의 외측 표면 상에 배치된 복수의 딤플(dimple) - 상기 딤플 각각은 상기 실린더형 본체의 상기 외측 표면에 있는 반구형 캐비티에 의해서 획정됨 -을 포함하고, 상기 방법은,
   상기 기화기에 공기가 들어가는 것을 허용하는 것;
   상기 허용된 공기가 상기 복수의 천공의 상기 공기 터뷸레이터 각각을 통해서 그리고 상기 복수의 딤플을 통해서 유동될 때 상기 연료 노즐의 상기 외측 표면 상에서 공기 와류를 생성하는 것; 및
   상기 복수의 천공을 통해 상기 기화기의 공기 연료 혼합 챔버로 연료 방울을 분사하는 것을 포함하고, 상기 분사된 연료 방울은 상기 생성된 공기 와류에 의해서 분무화(atomized)되는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 천공들 및 상기 복수의 딤플들은 상기 실린더형 본체의 원주 주위에 원형 열들로 배열되는, 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 원형 열들은 엇갈린 배열로 추가로 구성되는, 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 천공 각각은 상기 연료 노즐의 하류측을 향하는, 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 딤플 각각은 상기 연료 노즐의 상류측을 향하는, 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 실린더형 본체의 일 단부 주위에 배치된 페룰(ferrule)을 더 포함하는 방법.
7. 기화기에서 연료 분무화를 개선하기 위한 연료 노즐로서,
   실린더형 본체 - 상기 실린더형 본체는 외측 표면 및 상기 실린더형 본체 내부 중앙에 배치된 연료 터널을 갖고, 상기 연료 터널은, 상기 실린더형 본체의 길이를 통해 나아가 상기 실린더형 본체 내에 내측 표면을 형성하는 중앙 개구에 의해서 획정됨 -;
   상기 실린더형 본체의 일 절반부 상에 배치된 복수의 천공 - 상기 천공 각각은 상기 실린더형 본체의 상기 내측 표면과 상기 외측 표면을 연통하고, 상기 실린더형 본체의 상기 외측 표면에 있는 반구형 캐비티(cavity)에 의해서 획정된 공기 터뷸레이터(turbulator)로 종료됨 -; 및
   상기 실린더형 본체의 타 절반부의 외측 표면 상에 배치된 복수의 딤플(dimple) - 상기 딤플 각각은 상기 실린더형 본체의 상기 외측 표면에 있는 반구형 캐비티에 의해서 획정됨 -을 포함하는, 연료 노즐.
8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 천공들 및 상기 복수의 딤플들은 상기 실린더형 본체의 원주 주위에 원형 열들로 배열되는, 연료 노즐.
9. 제8항에 있어서, 상기 원형 열들은 엇갈린 배열로 추가로 구성되는, 연료 노즐.
10. 제7항에 있어서, 상기 천공 각각은 상기 연료 노즐의 하류측을 향하는, 연료 노즐.
11. 제10항에 있어서, 상기 딤플 각각은 상기 연료 노즐의 상류측을 향하는, 연료 노즐.
12. 제7항에 있어서, 상기 실린더형 본체의 일 단부 주위에 배치된 페룰을 더 포함하는, 연료 노즐.