KR20090091726A - 피스톤 기관용 유입 및 연료 이송 장치 - Google Patents

피스톤 기관용 유입 및 연료 이송 장치 Download PDF

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데이비드 리틀우드 존슨
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Abstract

본 발명에 따르면, 피스톤 내연 기관의 실린더를 위한 유입 및 연료 이송 시스템의 일부를 구성하는 장치로서, 높은 회전 속도의 지속된 와류를 생성하도록 고온 공기 흐름이 접선 방향으로 배출되는 소형 사이클론(cyclone)과, 분무 연료 흐름을, 이 분무 연료 흐름이 플래쉬 증발(flash evaporation)과 강력한 혼합을 겪는 상기 소형 사이클론으로 이송하는 조절 가능한 연료 분사기와, 상기 소형 사이클론을, 와류성 연료 공기 혼합물이 유입 공기와 혼합되는 상기 실린더의 유입관에 연결하는 이송관, 그리고 상기 조절 가능한 연료 분사기의 과열을 방지하는 수단을 포함하는 장치가 제공된다.

Description

피스톤 기관용 유입 및 연료 이송 장치{INDUCTION AND FUEL DELIVERY SYSTEM FOR PISTON ENGINE}
본 발명은 피스톤 내연 기관에서 사용하기 위한, 유입 공기류를 조절하고 유입 공기류로 배출되는 연료를 조절하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
가솔린 연료 공급 피스톤 내연 기관(gasoline-fuelled pistion internal combustion engine)의 작동에 있어서, 연료가 미세하게 분할된 액적 형태로 유입 공기류로 방출되는 것은 통상적인 일이다. 액적 이송은 이러한 형태의 연료가 최소의 공기를 변위시키고, 이에 따라 기관의 실린더에서의 연료 연소를 위해 최대의 산소를 이용 가능하게 한다는 장점을 갖는다. 혼합물이 유입관을 통과하는 동안에는 액적 연료의 어느 정도의 증발이 일어나고, 실린더에 있는 충전물의 압축과 관련한 온도 상승의 결과로서 추가의 증발이 일어나지만, 연료의 일부는 점화 개시시에 액적 형태로 남아 있을 수 있다. 점화가 충전물의 증기 함유물을 사용하여 개시되기 때문에, 이에 따라 모든 작동 조건하에서 점화가 신뢰성 있게 일어나도록 충분히 풍부한 증기 혼합물을 보장하기 위해서 충전물에 보다 많은 양의 연료를 제공하는 것이 필수적이다. 종래의 기화기 부착 기관(carburetted engine)에서는, 저동력 작동을 위해 저품질 혼합물이 제공되며, 높은 BMEP 동안에 동력 풍부 설비를 통해 추가의 연료가 방출된다.
실린더에서 자기 전파 화염 프런트(self-propagating flame front)가 확립되고 나면, 이 화염 프런트는 신뢰성 있게 점화가 일어나는 데 요구되는 것보다 훨씬 저품질인 혼합물 농도를 갖는 충전물의 대부분에 걸쳐 신뢰성 있게 전파될 것이다. 점화 영역에 국부적으로 농축 혼합물을 제공하는 것에 의해 이러한 효과를 이용하기 위한 많은 장치가 제안되었다. 그러한 충전물 계층화(stratification) 방법은 당업계에 잘 알려져 있지만, 이러한 방법에 수반되는 가외의 비용과 복잡성으로 인해 유리하지 않은 것으로 확인되었다. 몇몇 엔진에서, 저품질 혼합물에서의 점화의 신뢰성은 각각의 실린더에 보다 많은 점화원, 보다 강력한 점화원, 또는 복수의 점화원을 제공하는 것에 의해 향상되었다.
당업계에는, 복수 개로 분기된 유입 매니폴드를 통해 실린더에 혼합물이 공급되는 엔진에서는 균일한 분배를 보장하기 어렵다는 것 역시 잘 알려져 있다. 그 결과, 몇몇 실린더는 다른 실린더보다 저품질의 혼합물을 수용하는 경향이 있어, 전체 혼합물 농도에 있어서의 보상적 증가가 필요해진다. 개별 기화기가 직선형 유입관을 통해 개별 실린더에 연료를 공급하는 경우를 제외하고는, 이러한 효과는 통상의 기화기 부착 기관에서 일반적이다. 불균일한 혼합물 분포의 문제는 종래의 유입 매니폴딩 설비를 유지하는 스로틀 박스 연료 분사 장치에 의해 완화되지 않는다.
유입관의 부적절함의 결과인 혼합물 분배의 불균일성은 통상적으로 연료가 유입 공기류에 비말 동반되어 실린더 내로 운반되는 유입 포트의 개구에 액적 형태 의 연료를 직접 분사하는 것에 의해 극복되었다. 엔진의 순간 작동 파라메터에 적절한 많은 연료의 정확한 포트 분사는 불균일한 혼합물 문제를 완화하지는 않지만, 관련된 짧은 이동 거리에서 액적 연료의 증발이 일어날 기회가 더 적고, 연료의 일부는 점화 개시시에 여전히 액적 형태로 존재할 것이다. 이에 따라, 신뢰성 있는 점화를 달성하도록 충분한 연료가 증기 형태로 존재하는 것을 보장하기 위해, 충전물 계급화 또는 보다 정교한 점화 설비가 부재하는 경우에는 필요한 혼합물 농도보다 농후한 혼합물 농도가 여전히 요구된다.
디젤 기관은 통상적으로 1.5를 넘는 λ값으로 작동하는 것이 잘 알려져 있다. 이것은 화학량적 혼합물에 대해 필요한 공기의 150%를 넘는 공기가 실린더에 공급된다는 것을 의미한다. 그러한 높은 λ값은 디젤 기관에 채용되는 액적 연료의 간헐적 분사(timed injection)의 결과이며, 디젤 기관의 우수한 연비의 큰 원인이다. 이와 달리, 종래 구성의 가솔린 기관은 좀체로 1.1의 λ값을 넘지 않으며, 낮은 λ값은 높은 동력에서 발생한다. 그러나, 동일한 기관에서, 균질한 혼합물을 제공하도록 공기와 완전히 혼합된 건조 가스상 연료, 예컨대 프로판을 포함하는 충전물은 비교적 높은 BMEP에 있어서 1.3의 λ값으로 신뢰성 있는 점화를 제공할 것이며, 약 1.5의 λ값까지의 작동을 용이하게 달성할 수 있다는 증거가 있다.
액화 석유 가스 연료와 함께 채용되는 방식에서 가솔린 연료의 개별적인 완전한 증발은 가솔린과 같은 연료에 함유되는 어떠한 필수 첨가제를 증발시키는 데 있어서의 어려움으로 인해 실용적이지 않지만, 가솔린이 유입 공기류로 완전히 증발되어 급기 공기와 완전히 혼합되는 경우에는 건조 가스상 연료를 사용하여 최상 으로 달성 가능한 것과 유사한 λ값으로 비교적 높은 BMEP에서의 작동이 달성 가능하다는 증거가 있다. 혼합물이 실린더에 진입하기 전에 액적 연료의 높은 증발율을 달성하기 위해서는, 급기 공기, 그리고 몇몇 경우에는 연료의 전부 또는 일부를 가열하는 것이 필수적이다.
공기 흡입 기관(air breathing engine)에서, 차지 온도는 가능한 최대 차지 밀도를 제공하고, 이에 따라 체적 효율을 향상시키기 위해 가능한 한 낮게 유지되어야 한다는 것이 통상적인 믿음이다. 또한, 낮은 차지 온도를 유지 하는 것에 의해 폭발의 개시가 지연되는 것으로 생각된다. 높은 차지 온도는 사실상 유리한 효과, 다양한 방식으로 회복되는 체적 효율, 및 문제를 일으키지 않는 조기 폭발을 제공하거나 허용한다는 것을 증명할 수 있다.
가솔린에 의해 동력이 공급되는 피스톤 내연 기관에서 많은 양의 연료의 증발을 달성하기 위해 연료와 유입 공기를 가열하는 것의 장점이 오랫 동안 인정되어 왔으며, 이러한 목적으로 다양한 방법이 제안되었다. 통상적인 방법은 증발 요소가 배기 포트에서 인접한 유입 포트까지 연장되는, Sviridov 등의 명의의 미국 특허 제4,438,750호에 의해 교시되는 것이다. 증발 요소의 흡열부는 배기 가스에 의해 가열되고, 이렇게 하여 포획된 열은 증발 요소의 연결 부재를 통해 유입 포트에 배치된 증발 요소의 굴곡진 작동면에 전달된다. 연료는 전자기 제어식 분사 노즐을 통해 연료 액막 형성을 위해 보다 양호한 조건을 제공하도록 작동면에 대해 접선 방향으로 유입 포트에 분사된다. 전술한 목적은 공기 연료 혼합물이 엔진 실린더에 진입하기 전에 공기 연료 혼합물의 완전한 균질성을 달성하도록 분사된 연료 를 증발시키는 것이다. 이와 유사하게, Scherenberg 등의 명의의 미국 특허 제5,140,967호와 Jordan 명의의 미국 특허 제3,930,477호에 의해 교시되는 방법에서는 가열 바 또는 가열 요소가 각각의 유입 포트에 마련되고, 연료 분사기에 의해 고온 영역에 배출되는 연료가 가속된 증발을 겪는다. Yokoi 등의 명의의 미국 특허 제4,483,304호에 의해 교시되는 다른 예에서는, 엔진의 유입관 내의 다양한 부위에 전기 저항 가열식 연료 증발기를 마련하는 것에 의해 연료 액막의 급속 증발이 달성된다. Swanson 명의의 미국 특허 제4,375,799호에 의해 교시되는 다른 예에서, 연료 증발 수단은 기화기의 하나의 벽에 매설된, 주변 전기 가열 요소에 의해 가열되는 증발 챔버 형태로 제공된다. 연료는 기화기의 벤츄리로 배출되기 전에 증발 챔버로 배출되어 증발된다. Oblander 명의의 미국 특허 제3,461,850호에 의해 교시되는 다른 예에서는, 주 배기 매니폴드 러너가 엔진의 유입 매니폴드 러너와 일체로 형성되어, 각각의 연장부에 가열 구역을 형성하게 된다. 연료는 종래의 연료 분사기로부터 고온 구역으로 배출되고, 전술한 목적은 연료 준비에 있어서의 개선이다. Gardner 등의 명의의 미국 특허 제4,583,512호에 의해 교시되는 다른 예에서는, 엔진으로부터 기화기 또는 연료 분사 시스템이 제거되고, 유입 공기와 연료가 별도의 열교환 유닛에서 일련의 전기 저항 요소에 의해 가열된다. 고온 연료 및 공기가 조합되고 공통 열교환 유닛에서 더 가열되며, 일련의 전기 작동식 밸브를 통해 엔진의 연소실에 진입한다. 전술한 목적은 특히 보다 양호한 연료 증발과 연료 대 공기 비율을 제공하는 것이다. Hoppie 등의 명의의 미국 특허 제4,664,925호에 의해 교시되는 다른 예에서는, 많은 양의 연료가 각각의 배기 포트 에 배치된 코일형 튜브를 통과하는 것에 의해 예열된다. 연료는 연소실로 분사되기 직전에 단열 압축되는 것에 의해 증발되고 고온으로 급속 가열된다. 전술한 목적은 무시할만한 점화 지연과 거의 즉각적인 연소 과정의 완료를 달성하는 것이다. Lakin 명의의 미국 특허 제6,712,051호에 의해 교시되는 다른 예에서는, 유입 공기의 일부가 엔진 냉각제 또는 배기 시스템의 폐열(waste heat)에 의해 가열된다. 고온 공기는 엔진으로부터 요구되는 동력 출력에 기초하여 컴퓨터 제어식 온도 조절 시스템에서 주위 공기와 혼합된다. 확대된 범위의 연소 공기 온도에 걸쳐 정확한 연료 공기 비율을 유지하기 위해 연료 분사 시스템이 채용된다.
인용한 예들 중, Sviridov 등의 명의의 특허에 의해 교시된 방법은 인접한 유입 연장부와 배기 연장부를 필요로 하는데, 이것은 많은 엔진에 있어서 비실용적이다. 추가적으로, 증발 요소의 온도가 제어되지 않아, 몇몇 작동 조건에서 증발 요소의 가능한 과열을 초래한다. Oblander 명의의 특허에 의해 교시된 방법에 대해서도 유사한 결점이 형성된다. Scherenberg 등의 명의의 특허와 Jordan 명의의 특허에 의해 교시되는 방법에서, 가열 바 또는 가열 요소를 통한 유입 공기의 흐름은 급속 냉각을 초래하여, 높은 전류 흐름이 임의의 상당한 영향을 줄 것을 필요로 할 것이다. 필요한 전류 생성은 엔진의 효율과 연비에 대한 악영향을 초래할 것이다. Yokoi 등의 명의의 특허에 의해 교시된 방법에 대해서도 유사한 결점이 형성된다. Swanson 명의의 특허에 의해 교시된 방법은 기화기의 사용을 필요로 하며, 이에 따라 최신 자동차 제조의 견지에서는 비실용적인 것으로 간주된다. Gardner 등의 명의의 특허에 의해 교시되는 방법은 높은 전류 흐름이 임의의 현저 한 영향을 줄 것을 요구하고, 필요한 전류의 생성은 엔진의 효율과 연비에 대한 악영향을 초래할 것이다. Hoppie 등의 명의의 특허에 의해 교시되는 방법에서는, 냉각 개시를 달성하는 방법을 알기가 어렵다. 추가적으로, 기본적인 연료 공기 혼합물 제어와 균질한 공급 농도 생성은 어려움을 나타낼 것이다. Lakin 명의의 특허에 의해 교시된 방법은 정상 작동에 있어서 최소 장점을 제공할 것이다.
본 발명의 제1 목적은 유입 공기류의 온도를 제어하고 유입 공기류로 배출되는 연료의 온도를 제어하는 수단을 제공하는 것에 의해 피스톤 내연 기관의 연비를 향상시키는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 유입 공기류와 연료의 완전한 혼합을 제공하고, 이에 따라 엔진에 있는 각각의 실린더에 가능하다면 거의 균질한 연료 공기 혼합물을 이송하고 보다 효과적인 연료 연소를 허용하는 것이다. 본 발명의 제3 목적은 전술한 제1 목적과 제2 목적을 달성하기 위해서 기존의 엔진 타입을 용이하게 수정하는 수단을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 피스톤 내연 기관에서 액체 가솔린 연료는 적절한 열교환 수단에서 엔진의 폐열에 의해 액체 가솔린 연료의 정상 비등점에 근접하는 온도로 가열되며, 증발을 방지하도록 가압 상태로 유지된다. 공기 공급물은 적절한 열교환 수단에서 배기 가스에 의해 가솔린의 비등점보다 훨씬 높은 온도로 가열되며, 상기 가열된 공기의 대부분은 주위 공기와 혼합되어 고온 유입 공기 흐름을 제공한다. 상기 고온 공기의 소부분은 접선 방향으로 복수 개의 소형 사이클론에 공급되며, 이들 소형 사이클론 각각은 하나의 엔진 유입 매니폴드 러너와 결합된다. 각각의 상기 소형 사이클론은 관련 유입 밸브 상류에 있는 적절한 유입 매니폴드 러너로 배출되는 지속적인 고속 와류를 생성한다. 고온 연료는 각각의 상기 소형 사이클론에 마련된 전자 제어식 연료 분사기에 공급되고 상기 고온 공기의 와류로 분무물 형태로 배출되어, 플래쉬 증발(flash evaporation)을 겪는다. 고온 유입 공기류와 와류성 연료 공기 흐름이 엔진의 실린더에 도달하기 전에 균질한 건조 가스로서 효과적으로 유입 매니폴드 러너에서 결합된다.
첨부 도면에 대해 주어진 바람직한 실시예에 관한 이하의 설명을 참고함으로써 본 발명의 다양한 양태가 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명을 구현하는 엔진의 하나의 유입 매니폴드 러너, 유입 포트 및 소형 사이클론을 관통하는 종단면도이고,
도 2는 이송관의 축을 통과하는 평면을 관통하는 본 발명의 소형 사이클론의 횡단면도이며,
도 3은 소형 사이클론의 변형예를 관통하는 종단면도이고,
도 4는 통상적인 구성과 조립체를 보여주는 소형 사이클론을 관통하는 종단면도이며,
도 5는 유입 매니폴드로 와류성 연료 공기 흐름을 배출하는 대안의 수단의 종단면도이고,
도 6은 유입 매니폴드로 와류성 연료 공기 흐름을 배출하는 다른 대안의 수단의 종단면도이다.
'가솔린'이라는 용어 또는 '가솔린 연료 공급(gasoline-fuelled)'이라는 용어가 본 명세서에 나타나는 경우에는 언제나, '가솔린'이라는 용어는 본 명세서에서 설명하는 방식으로 처리될 수 있는 임의의 액체 연료를 의미하는 것으로 이해해야 한다. '가솔린'이라는 용어의 의미는 또한 20 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서만 액화될 수 있는 연료를 포함하는 것으로 받아들여야 한다. '공기'라는 용어가 본 명세서에 사용되는 경우에는 언제나, 이 용어는 산소와 다른 가스(들)를 적절한 비율로 혼합한 임의의 혼합물을 포함하는 것으로 이해해야 한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 피스톤 내연 기관에서, 액체 가솔린 연료 공급물이 적절한 펌프(도시하지 않음)에서 분사 압력으로 가압되고, 적절한 열교환 수단(도시하지 않음)에서 상기 피스톤 내연 기관의 냉각 시스템에서 나온 폐열을 이용하여 85 ℃ 내지 90 ℃의 적절한 온도로 가열되며, 상기 연료의 가압 상태는 연료의 증발을 방지한다. 바람직한 실시예에서는, 정상 작동 동안에 상기 가열된 연료를 상기 소망하는 온도 범위로 유지하기 위해 적절한 온도 조절 수단(도시하지 않음)이 채용된다. 상기 가열된 연료는 적절한 연료 공급 매니폴드(도시하지 않음)를 경유하고, 이 연료 공급 매니폴드로부터 별개의 연료 공급 라인(1)(파선으로 위치를 나타냄)을 통해 복수 개의 전자 제어식 모듈형 연료 분사기(2)(파선으로 위치를 나타냄)에 공급되며, 연료 분사기 각각은 그 연료 분무 배출축이 각각의 엔진 유입 매니폴드 러너(11)에 결합된 소형 사이클론(4)의 종축과 동일선상에 있도록 설치 및 위치 설정된다. 상기 소형 사이클론은 기본적으로 원통형부(24)와 원추형 부(23)를 포함한다. 필요한 경우에 적절한 연료 복귀 라인(도시하지 않음)이 마련되며, 임의의 복귀 흐름은 상기 연료 가압 펌프가 가열된 연료 공급물을 얻는 즉석 사용(ready-use) 저장고(도시하지 않음)를 향한다. 상기 즉석 사용 저장고가 꽉 찬 경우, 오버플로우는 주 연료 저장 탱크(도시하지 않음)을 향한다. 제어 신호가 전기 컨덕터(3)(파선으로 위치를 나타냄)를 통해 상기 연료 분사기로 전송된다. 공기 공급물은 적절한 열교환 수단(도시하지 않음)에서 배기 가스에 의해 주위 온도보다 높게 최대 1000 ℃의 온도로 가열되고, 상기 가열된 공기의 대부분은 주위 공기와 혼합되어, 통상적으로 버터플라이 스로틀 밸브(16) 하류의 유입 매니폴드 러너 내에서 + 20 ℃ 내지 + 100 ℃ 범위의 온도인 고온 유입 공기 흐름을 제공한다. 다른 연료가 사용되는 경우, 상기 유입 매니폴드 러너의 상기 공기 온도는 상기 연료의 이슬점 보다 높게 필요한 만큼 증가된다. 상기 가열된 공기와 상기 주위 공기의 혼합은 조절 가능한 전자 제어식 혼합 밸브(도시하지 않음)에서 수행되며, 상기 혼합 밸브는 주위 공기의 온도, 상기 가열된 공기의 온도 및 상기 유입 공기의 온도를 감지하는 센서(도시하지 않음)로부터의 신호를 수신하는 적절한 마이크로프로세서 기반 제어 유닛(도시하지 않음)에 의해 제어된다. 상기 제어 유닛은 또한 상기 혼합 밸브의 밸빙 요소(valving element)의 위치를 나타내는 신호를 수신하며, 상기 유입 공기의 온도를 최적 범위로 유지하기 위해 필요한 밸빙 요소의 위치를 조절한다. 상기 조절 가능한 연료 분사기는 이 연료 분사기의 상기 배출축이 상기 소형 사이클론의 종축과 평행하지만 이 종축으로부터 축방향으로 변위되거나 상기 소형 사이클론의 종축으로부터 축방향으로 그리고 이 종축과 소정 각 도를 이루도록 변위되게 위치 설정될 수 있으며, 상기 소형 사이클론의 상기 원통형부에 대한 상기 이송관의 입구에 바로 인접한 상기 이송관 상에 설치되고 이 이송관으로 상기 연료 분무를 수행하는 것을 포함하는 것이 명백하다.
상기 가열된 공기의 소부분은 이송관(9)을 통해 상기 소형 사이클론의 원통형부(24)에 접선 방향으로 공급되어, 이 가열된 공기의 소부분의 열이 상기 연료 분사기에 의해 방출된 연료를 증발시키는 역할을 한다. 각각의 상기 소형 사이클론을 통한 가열 공기의 흐름은 상기 소형 사이클론 내에서의 상기 공기와 연료 증기의 완벽한 혼합을 야기하는 고속의 일관된 와류를 생성한다. 최종 와류성 연료 공기 혼합물은 [적절한 이송 수단이나 오그멘터(augmentor)를 통해] 관련 유입 포트(12)와 유입 밸브(6) 상류의 적절한 상기 유입 매니폴드 러너로 배출된다. 상기 유입 매니폴드 러너의 장착 플랜지(15)는 적절한 파스닝(14)(파선으로 위치를 나타냄)에 의해 실린더 헤드(13)에 고정되고, 유입 기류는 유입 매니폴드 캐스팅(5)에 마련된 적절한 베어링(18)에 회전 가능하게 지지되는 샤프트(17) 상에서 선회하는 버터플라이 스로틀 밸브(16)에 의해 조절된다. 변형예(도시하지 않음)에서는, 다른 형태의 스로틀 밸브가 채용되며, 그러한 밸브 형태는 당업계에 잘 알려져 있다. 분무 형태로 일어나는 상기 고온 연료 분무 배출물(10)은 상기 소형 사이클론에 있는 고온 공기의 상기 와류에 진입하여, 보다 많은 부분이 플래쉬 증발을 겪는다. 상기 소형 사이클론에 있는 분무 연료에 영향을 미치는 과정은 고속, 적극적인 압력 변화, 전단, 난류, 및 공기와 금속면으로부터의 열전달과 조합된 혼합을 포함하는 매우 복잡한 과정으로, 본 명세서에서 상세히 설명하고자 하지는 않겠다. 그러 나, 상기 과정은 플래쉬 증발을 일으키는 데 있어서 매우 효과적이며, 즉시 증발되지 않는 상기 연료 분무 배출물의 임의의 부분은 이 부분에 부여되는 높은 원심력에 의해 상기 소형 사이클론의 고온 벽상으로 원심 작용을 받게 되어, 얕은 나선형 경로를 이루는 박막을 형성하고, 사이클론 벽으로부터 열을 취하여, 급속 증발된다. 급속하고 완전한 증발을 실시하는 데 필요한 실제 열의 양은 연료 타입, 상기 소형 사이클론을 통과하는 공기의 질량 유량과 연료의 질량 유량의 비율에 따라 변한다. 변형예(도시하지 않음)에서, 상기 소형 사이클론의 원추형부의 내면은 톱니형의 길이 방향 단면 형상을 갖게 형성되며, 상기 톱니 형상의 에지 위로 통과하는 상기 연료의 박막이 상기 와류 기류에 보다 효과적으로 비말 동반된다. 바람직한 실시예에서, 상기 소형 사이클론의 외면에는 적절한 단열부가 마련되어 열손실을 최소화한다. '소형 사이클론'이라는 용어는 단순히 상기 사이클론의 원통형부의 직경이 상기 소형 사이클론과 관련된 실린더 보어의 직경에 비해 작다는 것을 나타내는 것으로 의도된다. 통상적으로, 원통형부의 직경과 실린더 보어의 직경의 비는 1 : 10 내지 1 : 2 범위이지만, 이러한 직경 비의 범위로부터 ±20 %의 편차가 일어날 수 있다. 역시 통상적으로, 원추형 섹션(23)의 길이 대 원통형부 섹션(24)의 직경의 비는 0.5 : 1 미만 내지 6 : 1을 초과하는 범위이다.
상기 와류성 연료 공기 흐름은 상기 소형 사이클론에 있는 원추형부의 소형 단부에 연결된 이송관(7)을 통해 상기 유입 매니폴드 러너에 도달하고 유출구(19)를 통해 유출되어, 상기 엔진의 실린더로 흐르기 전에, 효과적으로 균질한 건조 공기로서 상기 고온 유입 공기류와 효과적으로 조합 및 혼합된다. 상기 유출구를 통 해 배출된 상기 와류성 연료 공기 흐름의 높은 에너지는 상기 유입 매니폴드 러너에서 상기 유입 기류와의 급속 혼합을 촉진하는 작용을 한다. 이송관(7)은 적절한 길이로 형성되며 유입 매니폴드 캐스팅(5)의 보스(boss)(8)에 고정된다. 상기 소형 사이클론은 선택적으로, 그에 상응하는 형상을 갖는 상기 이송관에 대해 임의의 적절한 자세로 위치 설정된다. 연료 분사기(2)는 통상적인 방식으로 상기 소형 사이클론의 원통형 단부에 마련된 장착 칼라(22)에 수용되고, 상기 장착 칼라는 상기 소형 사이클론의 종축과 동일 선상으로 위치 설정된다. 상기 연료 분사기의 과열을 방지하기 위해서, 바람직한 실시예에서는 상기 장착 칼라 둘레에 냉각제 자켓(20)이 마련되며, 상기 엔진의 냉각 시스템에서 나온 냉각제가 공급관(21)을 통해 공급되고 복귀관(숨겨져 있음)을 통해 복귀된다. 변형예(도시하지 않음)에서는, 상기 냉각제 자켓이 제거되며, 상기 장착 칼라의 직경이 적절히 크게 형성되며, 적절한 단열재층이 상기 장착 칼라와 상기 연료 분사기 사이에 마련된다. 상기 변형예의 바람직한 형태에서, 상기 단열재는 PSZ 세라믹이다. 상기 냉각제 자켓으로부터의 열소산율은 피닝(finning) 등을 준비하는 것을 통해 냉각제 자켓의 표면적을 확대하는 것에 의해 간단히 증가될 수 있다는 것이 명백하다.
변형예(도시하지 않음)에서, 적절한 길이로 유입 매니폴드 러너(11) 안으로 돌출하는 유출구(19)의 짧은 연장부 형태의 간단한 배출 수단이 채용되어 상기 와류성 연료 공기 흐름을 상기 유입 기류 내로 보다 양호하게 분배한다. 도 5를 참고하면, 다른 변형예에서는 상기 와류성 연료 공기 흐름이 보다 복잡한 배출 수단을 통해 유입 매니폴드 러너(11) 내로 배출된다. 본 실시예에서, 유출구(19)의 연 장부(31)는 적절한 각도만큼 굴곡되어 유입 매니폴드 러너(11)의 축과 평행하게 되고, 흐름 효율을 향상시키도록 상기 평행부 둘레에 유선형 덮개(streamlined fairing)(32)가 마련된다. 상기 와류성 연료 공기 흐름은 상기 덮개의 하류 단부에서 유출구(33)를 통해 유출된다. 바람직한 실시예에서, 연장부(31)는 흐름 효율을 더욱 향상시키도록 유선형 단면 형상을 갖도록 형성된다. 도 6을 참고하면, 다른 변형예에서는 상기 와류성 연료 공기 흐름이 오그멘터 수단에 의해 유입 매니폴드 러너(11)로 배출된다. 본 실시예에서, 유입 매니폴드 캐스팅(5)에 있는 보스(8)의 확대 보어(34)는 시일식으로 이송관(7)의 하류 단부를 수용한다. 상기 이송관은 유입 매니폴드 캐스팅(5)에 있는 직경 확대부(36)의 원주 구역에 형성된 환형 공간(35)으로 통하는 유출구(19)로 배출한다. 원통형 칼라(38)가 상기 유입 매니폴드 캐스팅의 내면에 형성된 환형 리세스(37) 내에 억지끼워맞춤식으로 수용되고, 상기 칼라의 하류 단부(39)가 내측 방향으로 편향되어 상기 칼라의 하류 단부와 확대부(36)의 원주 구역의 각진 하류 내면(41) 사이에 환형 배출 포트(40)를 형성한다. 변형예에서, 각진 견부(肩部)(45)가 환형 배출 포트(40) 바로 하류에 마련되고, 원통형 칼라(46)가 유입 매니폴드 캐스팅(5)에, 상기 각진 견부에 대하여 억지끼워맞춤식으로 수용된다. 상기 칼라(46)의 상류 단부는 둔각으로 편향되어 칼라(38)의 하류 단부(39)와 다소 평행하게 된다. 바람직한 실시예에서, 유출구(19)는 접선 방향으로 환형 공간(35)으로 유출시킨다. 변형예에서, 유출구(19)는 반경 방향으로 상기 환형 공간으로 유출시킨다. 환형 배출 포트(40)의 폭은 원통형 칼라(38)의 길이를 변경하는 것에 의해, 원통형 칼라를 축방향으로 변위시키 는 것에 의해, 또는 원통형 칼라의 단부(39), 원통형 칼라의 상류 단부(44) 및 표면(41) 중 임의의 것의 각도를 변경하는 것에 의해 조정될 수 있다는 것이 명백하다. 바람직한 실시예에서, 환형 배출 포트(40) 하류에 있는 상기 유입 매니폴드 러너(11)의 내경은 상류 부분의 내경보다 크게 형성된다. 다른 실시예에서, 상기 내경들은 대체로 동일하다. 바람직한 실시예에서는, 상기 와류성 연료 흐름과 상기 유입 기류의 혼합을 촉진하기 위해서 근접하게 이격되어 있는 일련의 원주 방향 구멍(42, 43)이 원통형 칼라(38)의 하류 단부(39)와 원통형 칼라(46)의 상류 단부(44)에 마련된다. 다른 변형예에서는 동일한 목적으로, 원통형 칼라(38)의 하류 단부(39)와 원통형 칼라(46)의 상류 단부(44)의 자유 에지가 성곽 모양, 손가락 모양, 사인 곡선형 또는 톱니형으로 형성된다. 다른 변형예에서는 동일한 목적으로, 원통형 칼라(38)의 하류 단부(39)와 원통형 칼라(46)의 상류 단부(44)가 상기 오그멘터 수단 하류에서의 기류의 회전을 촉진하기 위해 나선형으로 배치된 플루팅(fluting) 또는 피닝을 갖도록 형성된다.
바람직한 실시예에서, 상기 공기가 가열되는 상기 열교환 수단은 상기 엔진의 배기 매니폴드 또는 배기관의 일부 둘레에 형성된 적절한 머프(muff)(도시하지 않음) 형태를 취한다. 상기 머프는 상기 배기 매니폴드나 배기관의 일부를 시일식으로 에워싸고, 상기 머프에는 통상의 구성의 공기 클리닝 수단을 통해 주위 공기 흐름이 공급된다. 변형예(도시하지 않음)에서, 상기 열교환 수단은 배기 시스템으로부터 전환되는 배기 가스 흐름과 통상의 구성의 공기 클리닝 수단을 통해 주위 공기 흐름을 수용하는 별도의 열교환기 형태를 취한다. 변형예(도시하지 않음)에 서, 상기 소형 사이클론에는 배기 시스템으로부터 전환되는 배기 가스 흐름이 제공된다. 다른 대안의 구성(도시하지 않음)에서, 상기 소형 사이클론은 상기 엔진의 터보차저로부터 전환되는 고온 공기 흐름을 수용한다. 모든 경우에, 상기 고온 기류는 우선 단열 분배 매니폴드에 도달하고, 이 단열 분배 매니폴드에서부터 개별 이송관(9)을 통해 상기 소형 사이클론에 도달한다. 상기 분배 매니폴드에 마련된 적절한 밸브 수단(도시하지 않음)이 스로틀 동작과 동기식으로 작동되어 동력이 증가할 때 상기 소형 사이클론으로의 고온 공기의 흐름을 증가시키고 동력이 감소할 때 상기 소형 사이클론으로의 고온 공기의 흐름을 감소시킨다.
변형예(도시하지 않음)에서는, 상기 각각의 소형 사이클론이 제거되며, 하나 이상의 대형 사이클론이 채용되어 상기 와류성 연료 공기 흐름을 각각의 유입 매니폴드 러너에 제공한다.
도 3을 참고하면, 다른 변형예에서는 상기 소형 사이클론에 있는 상기 와류의 코어 내로의 최소로 농후한 흐름 성분(연료와 혼합되지 않은 공기와 비말 동반된 연료 액적)의 이동을 방지하기 위해서 유선형 형상의 불릿(bullet)(25)이 상기 사이클론의 상벽(27) 내면에 고정된 2개 이상의 강하고 좁은 스트럿(26)에 의해 상기 사이클론의 테이퍼부(23) 내에 동축으로 지지된다. 상기 스트럿은 상기 와류성 흐름의 전개시에 최소의 영향을 끼친다.
저온에서 시작하는 동안, 상기 소형 사이클론의 내면에 충돌하는 액체 연료 흐름은 상기 내면으로부터 임의의 축적된 재료를 제거하는 작용을 한다.
추가로 도 4를 참고하면, 상기 소형 사이클론의 제조에 있어서 바람직한 실 시예에서는 원통형부(24)와, 이송관(9)의 부착을 위한 스터브(stub)와, 원추형부(23), 그리고 이송관(7)의 부착을 위한 스터브가 일체형(28로서 나타낸 조립체)으로 형성되고, 연료 분사기 장착 칼라(22)와, 상기 사이클론의 상부벽(27)과, 상기 냉각제 자켓의 하부벽과, 상기 냉각제 자켓의 원통형부, 그리고 냉각제 공급관(21) 및 상기 냉각제 복귀관의 부착을 위한 스터브가 일체형(29로서 나타낸 조립체)으로 형성되며, 상기 냉각제 자켓의 상부벽이 일체형(30으로서 나타낸 조립체)으로 형성된다. 바람직한 실시예에서, 상기 구성 요소들은 노 브레이징(furnace brazing), 은 솔더링 또는 다른 적절한 용접 방법에 의해 시일식으로 결합된다.
변형예(도시하지 않음)에서, 상기 소형 사이클론은 가스상 연료를 유입 공기류와 혼합하고 최종 혼합물을 조절하도록 전술한 방식으로 채용된다. 상기 가스상 연료는 프로판, 부탄, 메탄, 수소 등일 수 있으며, 가스 형태나 액체 형태로 상기 소형 사이클론으로 배출될 수 있다.
다른 변형예(도시하지 않음)에서, 복수 개의 상기 소형 사이클론은 이들 사이클론의 상기 와류성 연료 공기 흐름을 접선 방향으로 하나 이상의 대형 사이클론으로 배출하며, 상기 대형 사이클론에서 상기 연료 공기 흐름은 엔진의 실린더로 흘러들어가기 전에 조절된다.
다른 실시예(도시하지 않음)에서, 상기 연료 분사기의 축은 관련 상기 소형 사이클론의 축과 동일 선상에서부터 변위되어, 연료 분사기의 축과 소형 사이클론 축 모두는 평행한 구성으로 남아 있는다.
다른 변형예(도시하지 않음)에서, 상기 연료 분사기의 축은 관련 상기 소형 사이클론의 축으로부터 반경 방향으로, 그리고 각도 측면에서 변위된다.
도 1을 더 참고하면, 다른 변형예(도시하지 않음)에서 소형 사이클론(4)의 원통형부(24)에 접근하고 진입하는 이송관(9) 구역에서는 상기 이송관의 규칙적인 단면 형상이 긴 단면 형상으로 변형되며, 이러한 긴 단면 형상의 주축은 상기 원통형부에 대하여 축방향, 원주 방향 또는 임의의 중간 위치에 배치된다.
다시 도 1을 참고하면, 이송관(7)은 실린더 헤드(13) 상에 형성된 적절한 보스에 고정될 수 있고, 유입 포트(12)로 직접 배출할 수 있다는 것이 명백하다. 이송관(7)은 제거될 수 있으며, 상기 소형 사이클론으로부터의 유출구가 보스(8)에 직접 연결될 수 있다는 것도 명백하다.
작동시, 마이크로프로세서 기반 연료 제어 유닛은 RPM, RPM 추세, 스로틀 위치, 매니폴드 공기압, 실린더 헤드 온도, 소형 사이클론으로의 고온 공기의 흐름을 조절하는 상기 밸브 수단의 위치, 유입 공기의 온도 및 고온 연료의 온도를 포함하는 엔진 작동 파라메터의 센서로부터의 데이터를 점화 진행 맵핑 데이터와 함께 통합하고, 그에 따라 상기 연료 분사기로부터 배출되는 연료의 체적을 조절한다.
열손실을 최소화하기 위해서, 본 발명의 임의의 노출된 금속 표면의 외면이나 내면이 선택적으로 적절한 단열재료 코팅된다. 그러한 표면은 고온 연료 또는 공기를 이송하는 상기 도관, 상기 소형 사이클론, 상기 유입 매니폴드 캐스팅 및 상기 환형 공간(도 6에서 35로 도시되어 있음)의 내부를 포함하며 이것으로 제한되지 않는다.
본 명세서에 제공된 온도값, 치수 및 비율 등은 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 받아들여서는 안된다. 완전히 실현된 본 발명의 장점은 정상 혼합물보다 불량한 혼합물을 사용하여 모든 엔진 작동 단계 중에 신뢰성 있는 점화를 달성하는 것과, 동력 출력의 감소가 없는 것, 향상된 연비, 배기 가스 스트림에 있는 오염물의 감소이다.

Claims (75)

  1. 피스톤 내연 기관의 실린더를 위한 유입 및 연료 이송 시스템의 일부를 구성하는 장치로서,
    높은 회전 속도의 지속된 와류를 생성하도록 고온 공기 흐름이 접선 방향으로 배출되는 소형 사이클론(cyclone)과,
    분무 연료 흐름을, 이 분무 연료 흐름이 플래쉬 증발(flash evaporation)과 강력한 혼합을 겪는 상기 소형 사이클론으로 이송하는 조절 가능한 연료 분사기와,
    상기 소형 사이클론을, 와류성 연료 공기 혼합물이 유입 공기와 혼합되는 상기 실린더의 유입관에 연결하는 이송관, 그리고
    상기 조절 가능한 연료 분사기의 과열을 방지하는 수단
    을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소형 사이클론은 원통형부와, 이 원통형부에 결합된 원추형부와, 상기 원통형부를 폐쇄하고, 상기 조절 가능한 연료 분사기를 장착하는 장착 수단을 지지하고 상기 분무 연료 흐름을 배출하는 구멍을 갖는 상부벽과, 고온 공기 흐름이 이송되고 상기 원통형부에 대해 접선 방향으로 배치된 유입구, 그리고 상기 이송관에 결합된 상기 원추형부의 정점에 있는 유출구를 포함하는 것인 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이송관의 하류 단부는 실린더와 관련된 유입 매니폴드 러너 주물 상에 형성된 보스(boss)에 고정되고, 상기 와류성 연료 공기 혼합물은 보스를 관통하는 유출구를 통해 유입관으로 유출되는 것인 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 소형 사이클론은 임의의 자세로 지지되고, 상기 이송관은 그에 상응하는 형상을 갖는 것인 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 소형 사이클론은 상기 유입 매니폴드 러너 주물의 상기 보스에 직접 장착되는 것인 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 보스는 실린더 헤드 상에 형성되고, 상기 유출구는 실린더 헤드의 유입 포트로 배출하는 것인 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 소형 사이클론에 있는 원통형부의 직경 대 관련 엔진 실린더에 있는 보어의 직경의 비는 통상적으로 1 : 10 내지 1 : 2의 범위이며, 이 직경 비는 상기 범위에서 ± 20 %의 편차가 발생하는 것인 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 소형 사이클론에 있는 원추형 섹션의 길이 대 상기 소형 사이클론에 있는 원통형 섹션의 직경의 비는 0.5 : 1 미만 내지 6 : 1을 초과하는 범위인 것인 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 소형 사이클론의 원추형부의 내면은 이 내면을 통과하는 연료 액막의 와류성 연료 공기 흐름에의 비말 동반을 촉진하기 위해 톱니형 길이 방향 단면 형상을 갖도록 형성되는 것인 장치.
  10. 제2항에 있어서, 엔진의 실린더에는 하나 이상의 대형 사이클론에서 나온 와류성 연료 공기 흐름이 공급되는 것인 장치.
  11. 제2항에 있어서, 유선형 형상의 불릿(bullet)이, 소형 사이클론 내에 형성된 와류의 코어로의 연료 공기 혼합물의 희박 성분의 이동을 방지하도록 상기 소형 사이클론 내에서 이 소형 사이클론과 동축으로 지지되는 것인 장치.
  12. 제2항에 있어서, 상기 소형 사이클론은
    - 상기 원통형부, 접선 방향 유입구의 부착을 위한 스터브(stub), 상기 원추형부 및 이송관의 부착을 위한 스터브 모두에 의해 형성된 하나 이상의 부재로 이루어진 조립체와,
    - 연료 분사기 장착 수단, 상기 사이클론의 상부벽, 상기 냉각제 자켓의 하부벽, 상기 냉각제 자켓의 원통형부 및 냉각제 공급관과 복귀관의 부착을 위한 스터브 모두에 의해 형성된 하나 이상의 부재로 이루어진 조립체, 그리고
    상기 냉각제 자켓의 상부벽
    을 포함하며, 상기 구성 요소들은 노 브레이징(furnace brazing), 은 솔더링 또는 다른 적절한 용접 공정에 의해 시일식으로 결합되는 것인 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기의 과열을 방지하는 수단은 조절 가능한 연료 분사기를 장착하는 수단 둘레에 형성된 냉각제 자켓 형태를 취하며, 상기 냉각제 자켓은 엔진의 냉각 시스템으로부터의 연속적인 냉각제 공급물을 수용하는 것인 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기의 과열을 방지하는 수단은 조절 가능한 연료 분사기와 이 연료 분사기의 장착 수단 사이의 적절한 단열재층 형태를 취하는 것인 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 단열재는 PSZ 세라믹인 것인 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 냉각제 자켓으로부터의 열소산율은 피닝(finning) 등을 마련하는 것을 통해 냉각제 자켓의 표면적을 확대하는 것에 의해 증가되는 것인 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 연료는 20 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서만 액체인 연료를 포함하는, 청구되는 방식으로 처리 가능한 임의의 액체 연료를 포함하는 것 인 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 공기는 산소와 혼합된 임의의 가스(들)를 포함하는 것인 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 연료는 대략 85 ℃ 내지 90 ℃의 온도로 가열되는 것인 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 연료는 온도가 조절되는(thermostatically-controlled) 열교환 수단에서 엔진의 폐열(waste heat)을 이용하여 가열되는 것인 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기는 그 배출축이 소형 사이클론의 종축과 동일 선상에 있도록 위치 설정되는 것인 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기는 이 연료 분사기의 배출축이 소형 사이클론의 종축과 평행하지만 이 종축으로부터 측방향으로 변위된 상태로 위치 설정되며, 소형 사이클론의 원통형부에 대한 이송관의 입구에 바로 인접한 이송관 상에 설치되고 이 이송관으로의 연료 분무를 수행하는 것을 포함하는 것인 장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기는 이 연료 분사기의 배출 노즐이 소형 사이클론의 종축 상이나 이 종축에 근접하게 배치되지만 소형 사이클론의 종축으로부터 각지게 변위된 상태로 위치 설정되는 것인 장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기는 이 연료 분사기의 배출 노즐이 소형 사이클론의 종축으로부터 측방향으로 변위되고 이 연료 분사기의 배출축이 소형 사이클론의 종축으로부터 소정 각도로 변위된 상태로 위치 설정되는 것인 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 유입 공기는 가열되는 것인 장치.
  26. 제25항에 있어서, 공기 흐름이 열교환 수단에서 엔진의 폐열에 의해 최대 1000 ℃의 온도로 가열되고, 상기 공기 흐름의 많은 부분이 고온 유입 공기 공급물을 제공하도록 주위 공기와 혼합되는 것인 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 열교환 수단은 엔진의 배기 매니폴드 또는 배기관의 일부를 시일식으로 에워싸는 머프(muff) 형태를 취하고, 상기 머프는 통상적인 구성의 공기 클리닝 수단을 통해 주위 공기 흐름을 수용하는 것인 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 열교환 수단은 엔진의 배기 시스템에서 전환된 배기 가스 흐름과 통상적인 구성의 공기 클리닝 수단을 통해 주위 공기 흐름을 수용하는 별도의 열교환기 형태를 취하는 것인 장치.
  29. 제26항에 있어서, 상기 열교환 수단에서 나온 공기는 유입 공기 온도를 20 ℃ 내지 100 ℃ 범위로 유지하도록, 조절 가능한 전자 제어식 혼합 밸브에서 주위 공기와 혼합되는 것인 장치.
  30. 제26항에 있어서, 상기 열교환 수단에서 나온 공기는 유입 공기 온도를 사용되는 연료의 이슬점보다 높게 유지하도록, 조절 가능한 전자 제어식 혼합 밸브에서 주위 공기와 혼합되는 것인 장치.
  31. 제26항에 있어서, 상기 열교환 수단의 외면, 고온 공기를 이송하는 도관, 혼합 밸브 및 유입 매니폴드는 적절한 단열재로 클래딩(cladding)되는 것인 장치.
  32. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 열교환 수단에서 나온 공기의 온도, 주위 공기의 온도, 혼합된 공기류의 온도 및 혼합 밸브의 밸빙 요소의 위치를 감지하는 센서로부터의 신호는 밸빙 요소의 위치를 조절하는 마이크로프로세서 기반 제어 유닛에서 처리되는 것인 장치.
  33. 제1항에 있어서, 공기 흐름이 열교환 수단에서 엔진의 폐열에 의해 최대 1000 ℃의 온도로 가열되고, 상기 공기 흐름의 소부분은 소형 사이클론을 향하는 것인 장치.
  34. 제1항에 있어서, 상기 소형 사이클론으로의 공기 흐름은 터보차저(turbocharger)로부터 공급되는 것인 장치.
  35. 제1항에 있어서, 상기 소형 사이클론에는 전환된 고온 배기 가스 흐름이 제공되는 것인 장치.
  36. 제1항에 있어서, 상기 고온 공기 흐름은 분배 매니폴드를 통해 소형 사이클론에 공급되며, 상기 분배 배니폴드, 소형 사이클론 및 이송관은 열손실을 최소화하도록 외부적으로 단열되는 것인 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 분배 매니폴드에 마련된 밸브 수단은 스로틀의 위치에 따라 소형 사이클론으로의 고온 공기의 흐름을 조절하도록 스로틀 동작과 동기식으로 작동되는 것인 장치.
  38. 제1항에 있어서, 상기 와류성 연료 공기 혼합물은 이송 수단 또는 오그멘터(augmentor) 수단을 통해 유입관으로 배출되는 것인 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 이송 수단은 유입관 내로 소정 각도로 돌출하는 유출구의 짧은 연장부 형태를 취하는 것인 장치.
  40. 제38항에 있어서, 상기 이송 수단은 유입관 내로의 유출구의 보다 긴 연장부 형태를 취하고, 상기 연장부의 하류 부분은 유입관과 거의 동축으로 위치 설정되며 유선형 덮개로 에워싸이는 것인 장치.
  41. 제40항에 있어서, 유입관 내에서 유입 기류에 노출된 유출구의 노출 부분은 유선형 단면 형상을 갖는 것인 장치.
  42. 제38항에 있어서, 상기 오그멘터 수단은 상기 와류성 연료 공기 혼합물이 배출되는 유입관 내의 환형 공간 형태를 취하며, 이 환형 공간은 유입 매니폴드 러너 주물의 외측 방향 돌출에 의해 형성되며, 상기 유입관의 보어에는 제1 원통형 칼라가 설치되고, 상기 환형 공간으로부터의 와류성 연료 공기 혼합물의 배출은 제1 원통형 칼라의 상보적인 부분에 의해 형성되는 환형 배출 포트를 통해 일어나며, 상기 제1 원통형 칼라 하류에 있는 유입관의 보어에 제2 원통형 칼라가 설치되고, 상기 상보적인 부분은 유입 기류 방향으로 각진 것인 장치.
  43. 제42항에 있어서, 상기 와류성 연료 공기 흐름은 접선 방향으로 환형 공간에 진입하는 것인 장치.
  44. 제42항에 있어서, 상기 와류성 연료 공기 흐름은 반경 방향으로 환형 공간에 진입하는 것인 장치.
  45. 제42항에 있어서, 상기 원통형 칼라의 각진 상보적인 부분에는 유입 공기와 와류성 연료 공기 흐름의 혼합을 촉진하기 위해서 근접 이격되어 원주 방향으로 배치된 복수 개의 구멍이 마련되는 것인 장치.
  46. 제42항에 있어서, 상기 각진 상보적인 부분의 하류 자유 에지는 유입 공기와 와류성 연료 공기 흐름의 혼합을 촉진하기 위해 성곽 모양, 손가락 모양, 사인 곡선형 또는 톱니형으로 형성되는 것인 장치.
  47. 제42항에 있어서, 상기 각진 상보적인 부분은 오그멘터 수단 하류에서의 기류의 회전을 촉진하기 위해 나선형으로 배치된 플루팅(fluting) 또는 피닝(finning)을 갖도록 형성되는 것인 장치.
  48. 제42항에 있어서, 상기 유입관의 유효 직경은 오그멘터 수단의 하류에서 증가되는 것인 장치.
  49. 제42항에 있어서, 상기 환형 배출 포트의 유효 폭은 제1 원통형 칼라 및/또는 제2 원통형 칼라를 서로에 대해 재배치하거나, 이들 원통형 칼라의 각진 상보적인 부분의 각도를 변경하는 것에 의해 조정되는 것인 장치.
  50. 제42항에 있어서, 상기 환형 공간의 내면은 적절한 단열재로 코팅되는 것인 장치.
  51. 제2항에 있어서, 상기 소형 사이클론은 가스상 연료와 고온 공기를 혼합하는 데 사용되는 것인 장치.
  52. 제51항에 있어서, 상기 연료는 부탄, 프로판, 메탄, 수소 등인 것인 장치.
  53. 제2항에 있어서, 복수 개의 상기 소형 사이클론은 와류성 연료 공기 흐름을 접선 방향으로, 상기 와류성 연료 공기 흐름이 엔진의 실린더로 흘러들어가기 전에 조절되는 하나 이상의 대형 사이클론으로 배출하는 것인 장치.
  54. 제2항에 있어서, 마이크로프로세서 기반 연료 제어 유닛은 RPM, RPM 추세, 스로틀 위치, 매니폴드 공기압, 실린더 헤드 온도, 소형 사이클론으로의 고온 공기의 흐름을 조절하는 상기 밸브 수단의 위치, 유입 공기의 온도 및 고온 연료의 온도를 포함하는 엔진 작동 파라메터의 센서로부터의 데이터를 점화 진행 맵핑 데이 터와 함께 통합하고, 그에 따라 상기 연료 분사기로부터 배출되는 연료의 체적을 조절하는 것인 장치.
  55. 제1항에 있어서, 상기 와류성 연료 공기 혼합물은 균질한 건조 가스로서 효과적으로 유입관으로 이송되는 것인 장치.
  56. 제1항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기는 분무 연료 흐름을 소형 사이클론으로 이송하고, 이 소형 사이클론에서 분무 연료 흐름은 플래쉬 증발과 강력한 혼합을 겪고, 임의의 증발되지 않은 연료 성분은 소형 사이클론의 고온 내벽면 상으로 원심 작용을 받으며, 이에 따라 열을 흡수하는 것에 의해 증발되는 것인 장치.
  57. 피스톤 내연 기관의 실린더에 연료 공기 혼합물을 제공하는 연료 공기 혼합물 제공 방법으로서,
    고온 공기 흐름을 접선 방향으로 소형 사이클론으로 배출하여, 이 사이클론에서 높은 회전 속도의 지속된 와류를 생성하는 단계와,
    고온 분무 연료 흐름을 조절 가능한 연료 분사기로부터 소형 사이클론으로 이송하는 단계로서, 상기 소형 사이클론에서 고온 분무 연료 흐름은 플래쉬 증발과 강력한 혼합을 겪는 것인 단계, 그리고
    상기 와류성 연료 공기 흐름을 이송관을 통해 실린더의 유입관으로 배출하는 단계로서, 상기 실린더의 유입관에서 와류성 연료 공기 혼합물이 고온 유입 공기와 혼합되는 것인 단계
    를 포함하는 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  58. 제57항에 있어서, 공기 흐름이 열교환기에서 엔진의 폐열에 의해 최대 1000 ℃까지 가열되고, 상기 공기 흐름의 많은 부분은 고온 유입 공기 공급물을 제공하도록 주위 공기와 혼합되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  59. 제57항에 있어서, 엔진의 실린더에는 하나 이상의 대형 사이클론에서 나온 와류성 연료 공기 흐름이 공급되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  60. 제57항에 있어서, 상기 연료는 20 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서만 액체인 연료를 포함하는, 청구된 방식으로 처리 가능한 임의의 액체 연료를 포함하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  61. 제57항에 있어서, 상기 공기는 산소와 혼합된 임의의 가스(들)를 포함하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  62. 제57항에 있어서, 상기 연료는 온도가 조절되는 열교환 수단에서 엔진의 폐열을 사용하여 대략 85 ℃ 내지 90 ℃의 온도로 가열되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  63. 제58항에 있어서, 상기 열교환 수단에서 나온 공기는 유입 공기의 온도를 20 ℃ 내지 100 ℃ 범위로 유지하도록 조절 가능한 전자 제어식 혼합 밸브에서 주위 공기와 혼합되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  64. 제57항에 있어서, 공기 흐름은 열교환기에서 엔진의 폐열에 의해 최대 1000 ℃로 가열되고, 상기 공기 흐름의 소부분은 소형 사이클론을 향하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  65. 제57항에 있어서, 상기 소형 사이클론으로의 고온 공기 흐름은 터보차저로부터 공급되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  66. 제57항에 있어서, 상기 소형 사이클론에는 전환된 고온 배기 가스 흐름이 제공되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  67. 제57항에 있어서, 상기 소형 사이클론에 연결되는 분배 매니폴드에 있는 밸브 수단이 스로틀 위치에 따라 소형 사이클론으로의 고온 공기 흐름을 조절하도록 스로틀 동작과 동기식으로 작동되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  68. 제57항에 있어서, 상기 소형 사이클론은 가스상 연료를 고온 공기와 혼합하는 데 사용되고, 상기 가스상 연료는 부탄, 프로판, 메탄, 수소 등을 포함하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  69. 제57항에 있어서, 복수 개의 상기 소형 사이클론은 와류성 연료 공기 흐름을 접선 방향으로, 와류성 연료 공기 흐름이 엔진의 실린더로 흘러들어가기 전에 조절되는 하나 이상의 대형 사이클론으로 배출하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  70. 제57항에 있어서, 마이크로프로세서 기반 연료 제어 유닛은 RPM, RPM 추세, 스로틀 위치, 매니폴드 공기압, 실린더 헤드 온도, 소형 사이클론으로의 고온 공기의 흐름을 조절하는 상기 밸브 수단의 위치, 유입 공기의 온도 및 고온 연료의 온도를 포함하는 엔진 작동 파라메터의 센서로부터의 데이터를 점화 진행 맵핑 데이터와 함께 통합하고, 그에 따라 상기 연료 분사기로부터 배출된 연료의 체적을 조절하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  71. 제57항에 있어서, 상기 와류성 연료 공기 혼합물은 균질한 건조 가스로서 효과적으로 유입관으로 이송되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  72. 제57항에 있어서, 상기 소형 사이클론은 기본적으로 원추형부에 결합된 원통형부를 포함하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  73. 제72항에 있어서, 상기 소형 사이클론의 원통형부의 직경 대 관련 엔진 실린더의 보어의 직경의 비는 통상적으로 1 : 10 내지 1: 2의 범위이며, 이 직경 비는 상기 범위에서 ± 20 %의 편차가 발생하는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법,
  74. 제72항에 있어서, 상기 소형 사이클론의 원추형부의 길이와 상기 원통형부의 직경의 비는 통상적으로 0.5 : 1 미만 내지 6 : 1을 초과하는 범위인 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
  75. 제57항에 있어서, 상기 조절 가능한 연료 분사기는 분무 연료 흐름을 소형 사이클론으로 이송하고, 이 소형 사이클론에서 분무 연료 흐름은 플래쉬 증발과 강력한 혼합을 겪고, 임의의 증발되지 않은 연료 성분은 소형 사이클론의 고온 내벽면 상으로 원심 작용을 받으며, 이에 따라 열을 흡수하는 것에 의해 증발되는 것인 연료 공기 혼합물 제공 방법.
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