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KR101891955B1 - 다중-물리적 연료 분무기 및 방법 - Google Patents

다중-물리적 연료 분무기 및 방법 Download PDF

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KR101891955B1
KR101891955B1 KR1020127032733A KR20127032733A KR101891955B1 KR 101891955 B1 KR101891955 B1 KR 101891955B1 KR 1020127032733 A KR1020127032733 A KR 1020127032733A KR 20127032733 A KR20127032733 A KR 20127032733A KR 101891955 B1 KR101891955 B1 KR 101891955B1
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KR
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droplets
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primary
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루크 크러프
조셉 럴
마르셀 프라도
브래들리 제이. 비아
Original Assignee
라이트사이드, 엘엘씨
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Abstract

연료 입구를 가지는 하우징, 입구에 위치된 적어도 하나의 1차 오리피스를 포함하는 연료 분무기가 개시되며, 적어도 하나의 오리피스는 복수의 연료 방울들로 연료 스트림을 분산시키도록 구성된다. 복수의 연료 방울들은, 복수의 보다 작은 2차 방울들로 복수의 연료 방울들을 파쇄하고 연료 충돌면 상에서 2차 방울들의 박막을 생성하도록 연료 충돌면을 접촉한다. 적어도 하나의 압축 공기 채널은 2차 방울들과 접촉하게 공기 유동을 공급한다. 2차 방울들은 하우징을 빠져나가도록 복수의 2차 출구 오리피스들을 통과한다. 복수의 2차 방울들의 크기는 복수의 2차 오리피스들로부터 외부로 나갈 때 감소된다.

Description

다중-물리적 연료 분무기 및 방법{MULTI-PHYSICS FUEL ATOMIZER AND METHODS}
본 발명은 연료 시스템에 관한 것이고, 특히 연료의 기화를 향상시키도록 복수의 단계들을 사용하는 연료 공급 시스템에 관한 것이다.
많은 형태의 디바이스들이 액체를 에어로졸 또는 기체상(gas-phase)으로 용이하게 변환된 미세 입자들로 변환하는 목적을 위해 수년에 걸쳐 개발되었다. 많은 이러한 디바이스들은 예를 들어 내연기관에서 사용하기 위한 연료를 준비하도록 개발되었다. 엔진의 연소실 내에서 연료 산화를 최적화하도록, 연료는 화학량론적으로 가스상 혼합물에서 기화되고 공기와 균질화되어야만 한다. 이상적인 연료 분무 및 기화는 더욱 완전 연소와 결과적인 보다 낮은 엔진 배출 오염을 가능하게 한다.
특히, 내연기관에 대하여, 화학량론적 특성(stoichiometricity)은 주어진 양의 연료를 완전히 연소시키는데 요구되는 산소의 양이 균질의 혼합물로 공급되어, 불완전 또는 비효율적인 산화로부터 남는 잔류물이 없이 최적으로 정확한 연소가 따르는 하나의 조건이다. 이상적으로, 연료는 완전히 기화되고 공기와 혼합되며, 적절한 산화를 위해 점화하기 전에 균질화되어야 한다. 기화되지 않은 연료 방울(droplet)은 종래의 내연 및 외연기관에서 점화하지 않거나 또는 완전히 연소되지 않으며, 이러한 것은 연료 효율성을 저하시키고 엔진 배출 오염을 증가시킨다.
전형적으로 NOx 부산물에 영향을 미치는 온도 및 압력을 조정하는 것에 의해 배출 부산물을 감소시키거나 또는 제어하도록 시도하였다. 배출 표준에 부합하도록, 이러한 잔류물은 처리되어야만 하고, 전형적으로 촉매 컨버터 또는 스크러버(scrubber)에서 후처리를 요구한다. 이러한 잔류물의 처리는 촉매 컨버터 또는 스크러버를 동작시키는 추가의 연료 비용을 초래하고, 추가의 부품 비용뿐만 아니라 패키징 및 많은 관련성(mass implications)을 요구할 수 있다. 따라서, 불완전 연소로부터 초래되는 엔진 배출 잔류물에서의 임의의 감소는 경제적으로 및 환경적으로 이로울 수 있다.
상기된 문제들 외에, 화학량론적 공기/연료 혼합물에서의 완전히 기화되지 않은 연료는 내연기관이 최대 효율보다 낮게 실행하도록 할 수 있다. 연료가 완전 연소되지 않을 때, 연료의 화학 에너지의 보다 작은 부분이 기계 에너지로 변환된다. 연료 에너지는 낭비되고, 불필요한 오염물이 생성된다. 그러므로, 연료-공기 혼합물을 더욱 파쇄하고(breaking down) 더욱 완전하게 기화시키는 것에 의해, 보다 양호한 연료 효율이 이용 가능할 수 있다.
연료 기화 및 불완전한 연료 연소에 대해 상기된 문제를 완화시키도록 많은 시도들이 만들어졌다. 자동차 엔진에서, 예를 들어, 흡입 포트 또는 직접 연료 분사는 거의 연료 공급을 위해 거의 보편적으로 대체된 기화기(carburetion)를 가진다. 연료 주입기는 엔진의 흡입 포트 또는 실린더 내로 직접 연료를 분사하고 전자적으로 제어된다. 주입기들은 기화기에 대해 독자적으로 각 실린더에 공급되는 연료의 양의 보다 정밀한 계량 및 제어를 촉진한다. 이러한 것은 장전 운반 시간(charge transport time)을 감소시키거나 제거하여, 최적의 순간 동작을 촉진한다. 그럼에도 불구하고, 연료 주입기 분사의 연료 방울 크기는 최적이 아니며, 점화에 앞서 연료가 공기와 혼합하는 시간이 거의 없다.
또한, 연료 주입기 분사들이 연료 분사시에 충격파에 의해 동반되는 것이 최근에 발견되었다. 충격파는 연료가 공기와 완전히 혼합하는 것을 방지할 수 있다. 충격파는 피스톤의 특정 영역들에 대한 연료 질량을 제한하는 것으로 보여지며, 공기에 대한 연료 방울의 접근을 제한한다.
가열 주입기들과 가열된 연료 레일들과 같은 다른 종래의 시스템들은 연료 기화 및 불완전 연료 연소와 관련된 문제들을 바로 잡는 시도로 또한 개발되었었다.
본 명세서에 개시된 발명은 상기된 결점들 등의 일부를 다룰 수 있다. 특히, 본 명세서에 개시된 발명들 중 일부는 액체 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
하나의 양태는 연료 입구를 가지는 하우징, 적어도 하나의 1차 연료 출구 오리피스, 연료 충돌면, 적어도 하나의 공기 또는 산화제 입구 또는 공급 채널, 및 복수의 2차 분무기 출구 오리피스를 포함하는 연료 분무기를 제공한다. 적어도 하나의 1차 오리피스는 연료 입구에 위치되고, 복수의 연료 방울 내로 연료 스트림을 분산시키도록 구성된다. 연료 충돌면은 복수의 연료 방울을 복수의 보다 작은 2차 방울들로 파쇄하고 충돌면 상에 2차 연료 방울의 박막을 생성하도록 복수의 연료 방울에 의해 접촉되도록 구성되고 배열된다. 적어도 하나의 압축 공기 채널은 2차 방울들과 접촉하게 공기 유동을 공급하도록 구성된다. 복수의 2차 오리피스들은 2차 방울들이 하우징을 빠져나가기 위해 통과하도록 배열된다. 복수의 2차 방울들의 크기는 복수의 2차 오리피스들을 통과할 때 감소된다.
연료 입구에 위치된 적어도 하나의 1차 오리피스는 연료 충돌면과 동축으로 배열될 수 있다. 복수의 2차 방울들은 복수의 2차 오리피스들을 통과할 때 고속으로 가속할 수 있다. 하우징은 매니폴드, 실린더, 연소실 헤드, 및 실린더 헤드 내로의 흡입 포트 중 하나일 수 있다. 연료 충돌면은 하우징의 길이방향 축선에 대해 약 90°내지 약 135°의 범위의 각도로 배열될 수 있지만, 이에 제약되거나 한정되지 않는다. 복수의 2차 오리피스들은 하우징의 길이방향 축선에 대해 약 0°내지 약 90°의 각도로 배열될 수 있다. 연료 분무기는 1차 연료 입구 오리피스를 한정하는 연료 계량 부재를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 적어도 하나의 1차 오리피스, 충돌면, 혼합 체임버, 및 복수의 2차 오리피스들을 구비하는 분무 디바이스를 제공하는 단계, 복수의 1차 연료 방울들을 생성하도록 연료 스트림을 적어도 하나의 1차 오리피스를 통과시키는 단계, 및 복수의 연료 방울들을 복수의 보다 작은 크기의 2차 방울들로 파쇄하고 충돌면 상에 2차 방울들의 박막을 생성하도록 충돌면에 복수의 1차 연료 방울들을 접촉시키는 단계를 포함하는, 연료 분무 방법에 관한 것이다. 방법은 또한 연료/공기 혼합물을 형성하도록 압축 공기 유동과 복수의 2차 방울들을 혼합하는 단계, 복수의 2차 방울들을 복수의 보다 작은 크기의 3차 방울들로 전단하도록(shear) 연료/공기 혼합물을 복수의 2차 오리피스들을 통과시키는 단계, 및 분무 디바이스로부터 복수의 3차 방울들을 분산시키는 단계를 포함한다.
분무 디바이스를 제공하는 단계는, 적어도 하나의 1차 연료 오리피스, 충돌면, 및 복수의 2차 오리피스들을 동축으로 배열하는 단계를 포함할 수 있다. 압축 공기 유동과 복수의 2차 방울들을 혼합하는 단계는 적어도 부분적으로 방사상 방향으로 공기 유동을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 연료/공기 혼합물을 복수의 2차 오리피스들을 통과시키는 단계는 고속으로 연료/공기 혼합물의 급가속을 포함할 수 있다. 분무 디바이스는 적어도 하나의 1차 오리피스를 한정하는 연료 계량 디바이스를 추가로 포함할 수 있으며, 연료 스트림은 연료 계량 디바이스에 의해 적어도 하나의 1차 오리피스를 통과한다.
본 발명의 추가의 양태는 하우징, 밸브, 제 1 노즐 부재, 충돌면, 혼합 체임버, 복수의 공기 통로, 복수의 2차 오리피스, 및 분산 노즐을 포함하는 연소전(pre-combustion) 연료 혼합 디바이스에 관한 것이다. 밸브는 하우징에 의해 봉입되고, 연료 스트림을 공급하도록 배열된다. 제 1 노즐 부재는 복수의 1차 오리피스들을 포함하고, 복수의 1차 오리피스들을 통한 연료 스트림의 통행은 복수의 1차 연료 방울들을 생성한다. 충돌면은 복수의 1차 연료 방울들의 유동 경로에 배열되며, 충돌면에 대한 복수의 1차 연료 방울들의 접촉은 복수의 1차 연료 방울들을 복수의 보다 작은 크기의 2차 방울들로 파쇄한다. 복수의 각형성(angled) 통로들은 혼합 체임버로 통하고, 압축 공기 유동은 연료/공기 혼합물을 생성하기 위해 복수의 2차 방울들과 혼합하도록 공기 통로들을 통해 공급된다. 복수의 2차 오리피스들은 연료 공기 혼합물이 통과하도록 배열되며, 복수의 2차 방울들은 복수의 보다 작은 크기의 3차 방울들로 복수의 2차 방울들의 크기를 감소시키도록 복수의 2차 오리피스들을 통과할 때 고속(예를 들어, 음속)으로 가속한다. 분산 노즐은 복수의 3차 방울들의 기화율을 증가시키도록 복수의 3차 방울들로부터 이격된다.
충돌면의 적어도 일부는 디바이스의 길이방향 축선에 대해 일정 각도로 배열될 수 있다. 분산 노즐은 하우징에 제거 가능하게 장착되거나 또는 단일 부품으로서 완전히 통합될 수 있다. 복수의 각형성 통로들은 디바이스의 길이방향 축선에 대해 일정 각도로 배열될 수 있다. 복수의 각형성 통로들은 충돌면에 대한 2차 각도를 포함할 수 있으며, 이에 의해 압축 공기 유동에 대해 나선 회전을 유도하는 복합 각도(compound angle)를 형성한다. 복수의 2차 오리피스들은 디바이스의 길이방향 축선에 대해 일정 각도로 배열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 연료 계량 디바이스, 충돌면, 및 복수의 출구 오리피들을 구비하는 연료 분무 디바이스를 제공하는 단계, 공기 유동을 생성하도록 하우징을 통해 복수의 출구 오리피스들의 외부로 공기를 공급하도록 압축 공기 유동을 제어하는 단계, 및 연료 계량 디바이스로부터 충돌면 상으로 연료 유동을 공급하도록 연료 공급을 제어하는 단계를 포함하며, 연료 유동은 충돌면과 접촉시에 보다 작은 크기의 2차 연료 방울들로 파쇄되는 복수의 1차 연료 방울들을 포함하는 연료를 기화시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 또한, 공기 유동과 2차 연료 방울들을 혼합하는 단계, 복수의 출구 오리피스들을 통해 2차 연료 방울들을 이동시키는 단계로서, 2차 연료 방울들을 복수의 출구 오리피스들을 빠져나갈 시에 보다 작은 크기의 3차 연료 방울들로 파쇄되는 단계, 3차 연료 방울들이 복수의 출구 오리피스들로부터 분산됨으로써 3차 연료 방울들의 급속 기화를 향상, 가속 또는 촉진하는 단계를 포함한다. 방법은 공기 유동은 유지하면서 연료 유동을 오프시키도록 연료 공급부를 제어하는 단계, 공기 유동을 오프시키도록 압축 공기원을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
첨부된 도면은 다음에 기술되는 특정 실시예들을 도시하며 명세서의 일부이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 연료 시스템의 사시도.
도 2는 도 1의 연료 시스템의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 연료 시스템의 측면도.
도 4는 도 1의 연료 시스템의 평면도.
도 5는 도 1의 연료 시스템의 정면도.
도 6은 선 4-4를 따라서 취한 도 4의 연료 시스템의 측단면도.
도 7은 선 3-3을 따라서 취한 도 3의 연료 시스템의 평단면도.
도 8은 도 7의 연료 시스템의 일부의 상세도.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 연료 시스템의 평면도.
도 10은 선 10-10을 따라서 취한 도 9의 연료 시스템의 측단면도.
도 11은 도 10에 도시된 연료 시스템의 일부의 상세도.
도 12는 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 연료 시스템의 측면도.
도 13은 도 12의 연료 시스템의 저면도.
도 14는 선 14-14를 따라서 취한 도 12의 연료 시스템의 측단면도.
도 15는 도 14의 연료 시스템의 일부의 상세도.
도 16은 도 1의 연료 시스템의 분무기의 측면도.
도 17은 도 16의 분무기의 배면도.
도 18은 도 16의 분무기의 정면도.
도 19는 선 19-19를 따라서 취한 도 16의 분무기의 단면도.
도 20은 선 20-20을 따라서 취한 도 19의 분무기의 단면도.
도 21은 도 1의 연료 시스템의 동작의 압축화 단계를 도시하는 도면.
도 22는 도 21의 압축화 단계의 추가적인 전개를 도시하는 도면.
도 23은 도 1의 연료 시스템의 동작의 1차 오리피스 파쇄 단계를 도시하는 도면.
도 24는 도 1의 연료 시스템의 동작의 충돌 파쇄 단계를 도시하는 도면.
도 25는 도 1의 연료 시스템의 동작의 박막 파쇄 단계를 도시하는 도면.
도 26은 도 1의 연료 시스템의 동작의 음속 파쇄 단계를 도시하는 도면.
도 27은 도 1의 연료 시스템의 동작의 연료 퍼지(fuel purge) 단계를 도시하는 도면.
도 28은 도 1의 연료 시스템의 동작의 공기 진공화 단계를 도시하는 도면.
도 29는 도 1의 연료 시스템의 동작의 공회전 단계를 도시하는 도면.
도 30은 본 발명에 따른 연료 시스템의 예시적인 공기 및 연료 시퀀싱(sequencing)을 도시하는 그래프.
도면들 전체에 걸쳐서, 동일한 도면 부호는 유사한 구성 요소를 지시하지만, 반드시 동일한 요소를 지시하는 것은 아니다.
예시적인 실시예들과 양태들이 다음에 기술된다. 물론, 임의의 이러한 실제 실시예의 개발시에, 복수의 실시-특정의 결정들이 하나의 실시로부터 다른 실시로 변하게 되는 시스템 관련 및 비지니스 관련 제약에 순응과 같은 개발자의 특정 목표들을 달성하도록 만들어져야만 하는 것이 예측된다. 또한, 이러한 개발 노력이 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 본 발명의 이점을 가지는 당업자를 위해 착수되는 통상의 순서 및 방법일 것이라는 것이 예측될 것이다.
본 명세서 및 특허청구범위 도처에 사용되는 것으로서, 용어 "방울"은 작은 크기의 액적(drop of the liquid)을 지칭한다. 액적은 임의의 형상 및 체적을 가질 수 있다. 방울은 단일 액적 또는 가능하게 직렬 배열로 서로 결합된 다중 액적을 포함할 수 있다. 특허청구범위를 포함하는 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "구비하는" 및 "가지는"은 "포함하는"과 동일한 의미를 가진다.
본 발명은 연료 준비 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러나, 작은 미립자 기술은 고위도 또는 저궤도 적용물 및 수중 응용과 같은 많은 응용에서 이점을 가진다. 본 발명의 하나의 양태는 가스 상태로 용이하게 변환 가능한 미립자 혼합물로 액체 상태 연료를 변하도록 복수의 물리적 현상의 사용에 관한 것이다. 액체로부터 가스로의 변화는 각각 상이한 물리적 현상을 이용하는 복수의 단계들에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 제 1 단계는 액체 에너지를 사용하여 액체 연료의 연속 스트림을 단일 오리피스 또는 다중 오리피스들을 통과시키는 것에 의해 복수의 1차 방울들 또는 연속된 1차 방울들의 줄(string)들로 액체 연료의 연속 스트림을 파쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계에서, 압력 하에서 유체 스트림은 1차 방울들의 초기 형태를 생성하도록 예를 들어 제어된 계량 디바이스의 작은 오리피스를 통하도록 강제될 수 있다. 단일 또는 다중의 계량된 스트림들은 1차 방울 형태를 강화하고 다음 단계를 향하여 방울들을 보내도록 채택될 수 있다.
제 2 단계에서, 1차 방울들은 액체 에너지를 이용하는 기계적인 충돌을 통해 파쇄된다. 이 제 2 단계에서, 1차 방울들 또는 1차 방울들의 줄은 충돌면과 같은 장애물에 충돌된다. 이러한 충돌은 급감속 및 상당한 방울 변형으로 인하여 보다 작은 크기의 2차 방울들로 1차 방울의 파쇄를 유발한다. 충돌면은 전형적으로 보다 작은 2차 방울들로 1차 방울의 파쇄를 촉진하도록 계량 디바이스로부터 최적화된 거리 내에 위치된다.
제 3 단계에서, 충돌면을 떠나는 막 또는 방울들은 이것들이 주위의 공기 유동 내로 들어감으로서 높은 전단을 겪는다. 전단은 방울들의 뒤틀림을 더욱 유발하고 더욱 파쇄한다.
제 4 단계에서, 3차 방울들은 가스 에너지를 이용하여 복수의 오리피스들을 통과하는 것에 의해 전단된다. 3차 방울들은 공기와 연료 방울들의 2-상(two-phase) 혼합물을 형성하도록 혼합 체임버 내에서 공기 유동 내로 도입된다. 2-상 혼합물은 3차 방울들이 고속(예를 들어, 음속)으로 급격히 가속되는, 복수의 2차 오리피스들을 통하도록 강제된다. 급가속은 보다 작은 크기의 4차 방울들로 3차 방울들을 전단하고 파쇄한다. 음속은 전형적으로 실온에서 약 768 mph 또는 20℃에서 약 330 m/s의 범위에 있다.
시스템은 전형적으로 방울 파쇄를 유발하도록 음속의 가스 속도(sonic gas velocities)까지 이용한다. 음속도(또는 음속)는 유체 특성 및 조건의 함수이다. 표준 해수면 온도, 압력 및 습도 조건에서 공기에 대해, 음속은 약 341 m/s이다. 4bar, 350K에서 압축 공기에 대해, 음속은 전형적으로 약 375 m/s이다. 시스템은 음속에서 변화를 유발하는 일정 범위의 유체, 온도 및 압력을 사용하여 동작할 수 있다. 그러나, 음속에 대해 달성된 실제 속도의 비율(마하 수로서 알려진)은 비교적 일정하게 유지되어야 하고 1.0까지일 수 있다.
제 5 단계에서, 4차 방울들은 4차 방울들이 서로로부터 분리되는 분사 패턴으로 분산된다. 4차 방울들 사이의 증가된 분리는 인접한 방울들의 증기 구름 사이의 보다 적은 간섭이 있는 국부적으로 가파른 증기 농도 변화율로 인하여 보다 빠른 기화를 촉진한다. 4차 방울들이 시스템으로부터 분산됨으로써 존재하는 압력차는 4차 방울들의 기화율을 또한 증가시키는 경향이 있을 수 있다.
지금 도면, 특히 도 1 내지 도 8 및 도 16 내지 도 20을 참조하여, 연료 시스템(10)의 한 실시예가 도시된다. 연료 시스템(10)은 예를 들어 베이스(12), 연료 계량 디바이스(14), 및 분무기(16)를 포함할 수 있다. 연료 시스템(10)은 예를 들어 내연기관과 같은 디바이스에 연료와 산화제의 사전 혼합된 공급을 제공할 수 있다. 도 1은 베이스(12)가 적어도 부분적으로 연소기관에서 사용하기 위한 매니폴드를 한정하는 매니폴드 응용물에 있는 연료 시스템(10)을 도시한다.
베이스(12)는 금속, 세라믹, 복합재, 플라스틱 또는 다른 재료들로 만들어질 수 있는 대체로 강성 구조이다. 베이스(12)는 복수의 내부 부품들을 봉입할 수 있다. 베이스(12)는 그 안에 복수의 부품들이 장착되는 복수의 캐비티 또는 시트 특징부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 베이스(12)는 그 안에 연료 계량 디바이스(14) 및 분무기(16)가 장착되는 분무기 캐비티(20)를 포함할 수 있다. 베이스(12)는 분무기(16)가 2-상 공기/연료 분사를 분배하는 분배 캐비티(22)를 또한 포함할 수 있다. 베이스(12)는 분무기(16)로 공기의 공급을 제공하는 흡기 조립체(24)를 또한 포함할 수 있다. 베이스(12)는 임의의 크기 또는 형상을 포함할 수 있다. 베이스(12)는 다른 실시예들에서 예를 들어 이후에 보다 상세하게 기술되는 바와 같은 흡입 포트(112, 도 9 내지 도 11 참조)의 베이스 부분 또는 실린더 헤드(212, 도 12 내지 도 15 참조)의 베이스 부분의 형태로 구성될 수 있다.
도 2 및 도 8을 참조하여, 연료 계량 디바이스(14)는 밸브 조립체(30)와, 말단 단부(34)에 위치된 출구(32)를 포함한다. 연료 계량 디바이스(14)는 분무기(16)로 제어된 연료 유동을 제공하도록 구성될 수 있다. 연료 계량 디바이스(14)는 복수의 방울들 또는 연료 방울들의 줄 내로 연료 스트림의 파쇄를 제공하는 적어도 하나의 오리피스를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 연료 계량 디바이스(14)는 복수의 오리피스들을 포함한다. 연료의 공급은 압력 하에서 연료 계량 디바이스로부터 공급되고 방울들의 초기 형성물을 위한 비교적 작은 오리피스 또는 오리피스들을 통하도록 강제된다. 방울들의 복수의 계량된 스트림들은 연료가 연료 계량 디바이스(14)의 출구를 빠져나감으로써 생성될 수 있다. 방울 스트림들은 다음에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 충돌면들과 같은 분무기의 다른 부분을 향해 보내질 수 있다.
일부 실시예들에서, 연료 계량 디바이스(14)들의 특징부들은 분무기(16)를 포함될 수 있다. 예를 들어, 연료 계량 디바이스(14)에 의해 제어된 연료의 공급으로부터 방울들을 생성하도록 사용된 하나 이상의 오리피스들은 분무기(16) 내로 통합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 분무기(16)의 특징부들은 연료 계량 디바이스(14) 내로 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연료 계량 디바이스(14)와 분무기(16)는 일체로 형성되거나 단일 디바이스로서 조립될 수 있다.
연료 계량 디바이스(14)는 기성(off-the-shelf) 연료 계량 디바이스, 연료 주입기, 또는 다른 용이하게 이용 가능한 연료 계량 또는 제어 디바이스일 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 연료 계량 디바이스(14)는, 분무기(16)로 연료의 제어된 유동을 제공하고 충돌면과 같은 분부기의 표면 상으로 연료의 그 유동을 보내는 임의의 디바이스일 수 있다. 한 예에서, 연료 계량 디바이스(14)는 방울들의 단일 스트림 또는 연료의 방울들의 줄을 제공하는 보어 홀 주입기(bore hole injector)일 수 있다. 다른 예들에서, 연료 계량 디바이스(14)는 2개 이상의 방울 스트림들, 부분적으로 파쇄된 연료 스트림, 또는 연속 연료 스트림을 제공한다.
도 2, 도 8 및 도 16 내지 도 20을 참조하여, 분무기(16)는 하우징(40), 연료 계량 디바이스 캐비티(42), 및 연료 입구(44)를 포함한다. 하우징(40)은 베이스(12)의 분무기 캐비티(20) 내에 장착된다. 하우징(40)은 연료 계량 디바이스 캐비티(42)를 한정하고, 캐비티는 연료 계량 디바이스(14)의 적어도 일부분을 수용하는 크기이다. 제 1 및 제 2 압축 공기 밀봉 부재(56, 58)들은 하우징(40)과 분무기 캐비티(20) 사이에 위치될 수 있다. 제 3 밀봉 부재(60)는 하우징(40) 내에서 연료 계량 디바이스(14)와 연료 계량 디바이스 캐비티(42) 사이에 위치될 수 있다. 제 1 및 제 2 밀봉 부재(56, 58)들은 분무기(16), 예를 들어 흡기 조립체(24) 내로 공기 입구의 반대측 상에 위치될 수 있다. 제 3 밀봉 부재(60)는 하우징(40)과 분무기(16) 사이에 유치 기밀성 밀봉을 제공할 수 있다.
분무기(16)는 또한 연료 입구(44), 충돌면(46), 복수의 공기 채널(48), 혼합 체임버(50), 및 출구(54)에 있는 복수의 2차 출구 오리피스(52)를 포함한다. 출구(54)의 면은 하우징(40)의 길이방향 축선에 대해 직각일 수 있거나, 또는 2차 오리피스(52)들에 대한 준직각의 출구면을 제공하는 원추형 출구면을 형성하도록 하우징(40)의 길이방향 축선에 대해 비직각으로 배열될 수 있다. 연료 입구(44)는 연료 계량 디바이스(14)의 출구(32)와 정렬하여 위치될 수 있다. 연료 입구(44)는 압축된 연료 유동이 분무기(16) 내로 이동함으로써 연료 계량 디바이스(14)에 의해 제공된 연료의 공급이 파쇄된 방울을 생성하도록 통과하는 단일 입구 오리피스 또는 복수의 입구 오리피스를 한정할 수 있다.
충돌면(46)은 연료 계량 디바이스(14)의 출구(32)와 분무기(16)의 연료 입구(44)와 정렬하여 배열될 수 있다. 일부 배열에 있어서, 충돌면(46)은 출구(32)와 동축으로 배열된다. 충돌면(46)은 대체로 원추형 형상을 가질 수 있으며, 대체로 원추형 형상은 평탄면(즉, 평면)를 나타내도록 더욱 감소될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 충돌면(46)은 분무기(16)의 길이방향 축선(72)에 대해 일정한 각도(74, 도 19 참조)로 배열되는 부분을 포함한다. 전형적으로, 상기 각도(74)는 약 0°내지 약 60°, 더욱 바람직하게 약 0°내지 약 30°의 범위에 있다. 전형적으로, 각도(74)가 작으면 작을수록, 방울들의 분쇄를 유발하도록 방울들이 충돌면(46)을 접촉할 때 발휘되는 충격력의 양은 커진다. 충돌면(46)을 접촉하는 방울들의 일부는 혼합 체임버(50) 내로 충돌면(46)으로부터 되튄다. 각도(74)가 크면 클수록, 발생하는 방울의 파쇄의 보다 적은 기회와 함께 충돌면(46)으로부터 방울들의 편향의 가능성이 커진다.
도시된 충돌면(46)은 선형 표면들을 구비한 대체로 원추형 형상을 가진다. 다른 실시예들에서, 충돌면(46)은 윤곽화된(contoured) 형상을 가질 수 있거나, 또는 윤곽화된 부분들을 포함할 수 있다. 일부 배열에 있어서, 충돌면(46)은 약간 오목하거나 움푹 들어갈 수 있다.
충돌면은 복수의 돌기들, 홈들, 디보트(divot)들, 다른 형태의 불규칙성과 같은 적어도 하나의 표면 특징을 포함할 수 있다. 표면 특징을 제공하는 것은 충돌면(46)을 접촉할 때 연료 방울들의 파쇄를 향상시킬 수 있다. 충돌면은 결과적인 연속 충돌로부터 임의의 윤곽 변화의 제한을 지지하여 상이한 재료로 처리되거나 또는 구성될 수 있다.
충돌면(46)은 돌출, 톱니모양 또는 다른 특징부들을 가지는 확장 또는 강화된 가장자리(76)를 포함할 수 있다. 충돌면(46)을 접촉하는 연료 방울들 또는 연료 방울의 부분들은, 방울들이 혼합 체임버(50) 내로 이동함으로써 방울들이 가장자리(76)에서 더욱 파쇄되는 가장자리(76)로 충돌면(46)을 따라서 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 연료 방울들의 박막은 충돌면(46)을 따라서 모일 수 있으며, 보다 작은 크기의 방울들로 방울들이 파쇄되는 가장자리(76)로 방사상으로 외향하여 이동할 수 있다. 연료의 박막의 생성은 충돌면(46)을 접촉한 후에 충돌면(46)의 충돌로 방울들의 파쇄 및 다양한 크기의 방울들의 되튐과 동시 발생적으로 일어날 수 있다.
충돌면(46)은 임의의 크기 및 형상의 구조를 가질 수 있다. 충돌면(46)의 임의의 부분은 연료 계량 디바이스(14)와 분무기(16)의 길이방향 축선(72)에 대하여 임의의 원하는 배향(orientation)을 가질 수 있다.
분무기(16)의 압축 공기 채널(48)들은 혼합 체임버(50)와 충돌면(46)을 둘러싸는 영역들에 공기 유동을 제공하도록 충돌면(46) 주위에서 방사상으로 이격될 수 있다. 공기 채널(48)들은 압축 공기가 예를 들어 흡기 조립체(24)를 거쳐서 제공되는 분무기(16)의 외주변으로 연장할 수 있다(도 16 참조). 공기 채널(48)들은 길이방향 축선(72)에 대해 일정 각도(78)로 배열될 수 있다(도 19 참조). 공기 채널(48)들은 최대 치수(D1, 즉 최대 지름)을 가질 수 있다. 혼합 체임버(50)로 공급된 공기의 양은 공기 채널(48)들의 수와 치수(D1)에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 각도(78)는 전형적으로 약 30°내지 약 90°, 더욱 바람직하게 약 30°내지 약 60°의 범위에 있다. 치수(D1)는 약 0.5 ㎜ 내지 약 5 ㎜, 더욱 바람직하게 약 1 ㎜ 내지 약 2 ㎜의 범위에 있다.
길이방향 축선(72)에 대하여 각도(78)로 배열되는 것에 더하여, 공기 채널(48)들은 분무기(16)의 외부면에서 접선에 대하여 일정 각도로 또한 배열될 수 있다. 즉, 공기 채널(48)들은 접선으로부터 0°보다 크고 90°보다 작은 일정 각도를 포함할 수 있으며, 90°는 방사상으로 정렬되거나 또는 집중된다. 이러한 공기 채널(48)들의 추가의 각도 관계는 공기 채널(48)들로부터 복합 각도를 제공할 수 있으며, 배출 공기에 대하여 나선을 제공하는 것을 도울 수 있으며, 이에 의해 혼합 체임버(50) 내에서 소용돌이 또는 와류 효과를 발생시킨다. 충돌면 가까이에서 소용돌이 효과는 파쇄를 향상시킬 뿐만 아니라 연료 퍼지 동안 잔류 입자들의 배출을 향상시키는 것을 도울 수 있는데 반하여, 고리 영역에서의 소용돌이 효과는 2차 출구 오리피스들로부터 2-상 공기/연료 혼합물 분배의 균일성을 향상시킬 수 있다. 연료 혼합 체임버 내에서 소용돌이 체임버들을 실시하는 디바이스 예는 참조에 의해 그 전체에 있어서 본 명세서에 참조되는 미국 특허 공개 제2007/0169760호에 개시된다.
혼합 체임버(50)는 충돌면(46)으로부터 방사상으로 외향하여 충돌면(46)을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 한정될 수 있다. 이러한 혼합 체임버(50)는 충돌면(46)과 연료 입구(44) 사이에 한정된 분무기(16) 내에 있는 영역을 또한 포함할 수 있다. 혼합 체임버(50)는 연속 체임버일 수 있으며, 출구(54)를 향해 충돌면(46)으로부터 떨어져 축선 방향으로 연장할 수 있다. 혼합 체임버(50)는 출구(54)에서 2차 오리피스(52)들을 향하여 진행하도록 공기 및 연료 방울들의 혼합물을 위한 유동 경로를 한정할 수 있다. 전형적으로, 혼합 체임버(50)는 공간을 제공하는 크기이고 배열되며, 공간 내에서, 공기 채널(48)들을 통해 제공된 공기 유동은 공기/연료 혼합물을 생성하도록 연료 방울들(즉, 적어도 충돌면(46)과 접촉으로 파쇄된 연료 방울들)과 혼합될 수 있다.
충돌면(46)은 혼합 체임버(50) 내로 연장 또는 돌출하는 구조로서 한정될 수 있다. 대안적으로, 혼합 체임버(50)는 충돌면과 충돌면(46)을 한정하고 지지하는 구조 주의에 한정된 원통형 캐비티 또는 고리들과 같은 공간으로서 한정될 수 있다. 고리의 바닥은 평면이거나 또는 향상된 연료 퍼지를 지지하도록 윤곽화될 수 있다.
2차 오리피스(52)들은 분무기(16)의 출구(54)에 위치될 수 있다. 2차 오리피스(52)들은 방사상으로 및 원주 방향으로 이격되어 위치될 수 있다. 2차 오리피스(52)들은 각각 개별적으로 최대 치수(D2, 예를 들어, 최대 지름)를 가질 수 있으며, 각도(80)로 배열될 수 있다(도 19 참조). 2차 오리피스(52)들에 의해 한정된 총체적인 단면적은 전형적으로 혼합 체임버(50)의 단면적(예를 들어, 혼합 체임버(50)와 2차 오리피스(52)들 사이의 경계면에서의 단면적)보다 작다. 결과적으로, 혼합 체임버(50) 내에 위치된 압력 하의 유체는 유체가 2차 오리피스(52) 내로 이를 통하여 이동함으로써 가속화하는 경향이 있다. 적어도 일부 예들에서, 혼합 체임버(50)에 존재하는 2-상 공기/연료 혼합물은 2차 오리피스(52)들을 통과하는 동안 높은 속도(예를 들어, 음속)로 가속한다. 이러한 급가속은 복수의 작은 크기의 연료 방울들을 형성하도록 연료/공기 혼합물에서 유체 방울들을 파쇄하는 경향이 있다. 보다 작은 크기의 2차 오리피스(52)들로 및 그 측벽들 내로의 입구에 연료 방울들을 접촉시키는 것은 공기/연료 혼합물의 방울들 중 적어도 일부를 물리적으로 파쇄할 수 있다.
치수(D2)는 전형적으로 약 0.2 ㎜ 내지 약 3 ㎜, 더욱 바람직하게 약 0.5 ㎜ 내지 약 1.5 ㎜의 범위에 있다. 전형적으로, 각도(80)는 길이방향 축선(72)에 대하여 약 0°내지 약 45°, 더욱 바람직하게 약 0°내지 약 20°의 범위에 있다. 2차 오리피스(52)들의 각형성 배열은 연료 방울들이 출구(54)를 빠져나감으로써 연료 방울들을 분리하도록 연료 혼합물을 분산시키는 경향이 있다. 연료 방울들의 이러한 분산은 각각의 방울을 둘러싸는 증기 구름이 서로 덜 간섭하기 때문에 이용 가능한 국부적으로 가파른 증기 농도로 인하여 기화를 가속할 수 있다.
분무기(16)의 출구(54)는 별개의 단계에서 하우징(40)에 장착된 별개의 부분으로서 구성될 수 있다. 도 2 및 도 19는 별개의 부분으로서 출구(54)의 구성을 도시한다. 다른 배열에서, 출구(54)는 하우징(40)과 일체로 형성될 수 있다. 전형적으로, 출구(54)는 적어도 2차 오리피스(52)의 일부분을 한정한다. 일부 배열에서, 출구(54)는 하우징(40)과 별개의 부분으로서 형성될 때 상이한 크기 및 각형성 2차 오리피스(52)들을 가지는 출구와 교환될 수 있다. 상이한 크기 및 각형성 2차 오리피스(52)들은 연료 시스템(10)에 의해 취급되는 주어진 연료를 위해 더욱 유용할 수 있다. 2차 오리피스(52)들의 수는 전형적으로 약 2 내지 약 20, 더욱 바람직하게 약 6 내지 약 12의 범위에 있다. 2차 오리피스(52)들의 수와 상대 위치는 연료 방울들을 지출할 시에 특정 이점을 제공할 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참조하여, 또 다른 연료 시스템(100)의 예가 도시된다. 연료 시스템(100)은 엔진 실린더 헤드에 대한 흡입 포트로서 구성된 베이스(112)를 포함한다. 베이스(112)는 분무기 캐비티(120), 분배 캐비티(122), 및 실린더(126)를 포함한다. 밸브(128)와 점화 부재(129)는 실린더(126) 내에서 노출된다. 분무기(16)로부터 분배된 연료는 분배 캐비티(122)로부터 실린더(126) 내로 공급되며, 실린더에서, 연료가 피스톤 압축(129) 후에 점화 부재에 의해 점화된다.
도 12 내지 도 15를 참조하여, 또 다른 예의 연료 시스템(200)이 도시된다. 연료 시스템(200)은 직접 접화 시스템으로서 구성되며, 여기에서, 실린더 헤드로서 구성되는 베이스(212)는 실린더(226)에 장착된다. 베이스(212)는 분무기 캐비티(220)와, 분배 캐비티(222)를 포함한다. 점화 부재(229)는 실린더(226) 내에서 노출된다. 분무기(16)로부터 실린더(226) 내로 직접 분배된 연료는 피스톤 압축 후에 점화 부재(229)에 의해 점화된다.
다른 형태의 연료 시스템들은 본 명세서에 개시된 바와 같은 연료 계량 디바이스와 분무기의 사용으로부터 유익할 수 있다. 본 명세서에 기술된 연료 시스템들은 예를 들어 가솔린, 디젤 연료 및 액체 프로판과 같은 많은 상이한 형태의 연료와 호환될 수 있다. 액체 및 가스 에너지, 오리피스들, 물리적 충돌, 압력차, 기화, 급가속, 초음속, 및 다른 고려 사항들과 관련된 기본적인 물리적 현상을 실시하는 분무기의 비교적 단순한 구성은 예를 들어 저압에서 연료의 개선된 기화, 주어진 입자 크기를 위한 보다 높은 연료 유동 속도, 비용을 감소시키는 디자인 및 제조시에 감소된 복잡성, 그에 의한 비용 감소 및 직접 분사 연료 주입기와 같은 다른 시스템과 비교하여 덜 엄격한 공차와 같은 특정 이점들을 촉진한다.
연속적인 순서로 보다 작은 크기의 방울들로 연료를 파쇄하도록 다중의 물리적인 메커니즘의 사용은 분무기로부터의 분배 후에 기화의 속도를 향상시키도록 보다 작은 크기로 방울들을 연속적으로 파쇄하는 것을 도울 수 있다. 연료 방울들의 기화의 속도는 방울들의 지름이 감소함으로써 기하급수적으로 증가한다. 액체 코어와 연료 방울을 둘러싸는 증기 사이의 액체 증기 경계면으로 방울들로부터의 확산 속도는 다음의 수학식 1에 의해 설명될 수 있다:
Figure 112012104091664-pct00001
Yliqiud ,m = 표면으로부터 먼 증기의 질량 분율
Yliquid ,i = 액체/증기 경계면에서의 증기의 질량 분율
mliquid = 액체의 질량 전달율
Dliquid - vapor = 질량 확산율
ρ = 액체의 밀도
ri = 방울의 반경
π = 3.141593
도 21 내지 도 29를 참조하여, 연료 시스템으로 연료를 분배하는 예의 방법이 도시되고 기술된다. 연료 시스템(10)은 도 21 내지 도 29를 통해 인용된다. 연료 시스템(100, 200)과 같은 다른 연료 시스템 실시예들은 유사하게 동작될 수 있다.
방법은 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이 공기 공급은 온(turn on)하는 것에 의해 분무기(16) 내에서 공기 압력을 생성하는 한편 연료 공급 오프를 유지하는 것에 의해 개시된다. 이러한 단계는 분무기(16)를 압축하도록 인용될 수 있다. 충분한 공기 압력이 분무기(16) 내에서 얻어진 후에, 과잉의 공기 유동은 출구(54)로부터 외부로 2차 오리피스(52)들을 통과한다. 공기 유동(90)은 복수의 화살표(90)들로서 인용될 수 있다.
다음의 동작 단계에서, 공기 유동 온(airflow ON)을 유지하는 동안, 연료 공급은 온되고, 분무기(16) 내로 계량 디바이스(14)에 의해 공급된다. 연료의 공급은 도 23에 도시된 바와 같이 충돌면(46)을 항하여 보내지는 복수의 연료 방울들 또는 연료 방울들의 줄의 적어도 하나의 스트림의 형태를 한다. 충돌면을 접촉하는 것으로, 1차 연료 방울(91)들은 도 24에 도시된 바와 같이 보다 작은 2차 연료 방울(92)들로 파쇄된다.
2차 방울들의 박막은 도 25에 도시된 바와 같이 충돌면(46) 상에서 모일 수 있다. 제 1 및 2차 연료 방울(91, 92)들의 추가의 파쇄는 충돌면(46)의 가장자리(76)에 걸쳐서 박막이 진행함으로서 발생할 수 있다. 2차 방울(92)들은 혼합 체임버(50) 내에서 공기와 2차 방울들의 2-부분 혼합물을 생성하도록 공기 유동(90)과 혼합된다. 연료/공기 혼합물은 압력하에서 2차 오리피스(52)들을 향해 이동하고, 급가속은 2차 방울들의 속도를 증가시키도록 발생한다. 2차 방울들은 초음속에 도달할 수 있다. 2차 방울(92)들은 2차 오리피스(52)들을 통과함으로써, 2차 방울(92)들은 도 26에 도시된 바와 같이 출구(54)에서 분산되는 보다 작은 크기의 3차 방울(94)들로 파쇄된다. 3차 방울(94)들이 분무기(16)로부터 분산됨으로써, 3차 방울들은 서로로부터 분리될 수 있다. 3차 방울들에 대한 기화율은 3차 방울(94)들이 크기가 계속 감소함으로써 증가할 수 있다.
추가의 동작 단계에서, 도 27에 도시된 바와 같이, 연료는 오프되는 한편, 공기 유동은 온으로 유지된다. 이 단계는 공기 유동이 분무기(16) 내에에 있는 임의의 잔류 연료를 출구(54)를 통해 외부로 운반함으로써 연료 퍼지로서 인용될 수 있다.
추가의 동작 단계에서, 도 28에 도시된 바와 같이, 공기는 공기 유동을 오프하는 한편 연료를 오프로 유지하는 것에 의해 분무기(16)로부터 빼내진다. 최종 동작 단계에서, 공기 유동과 연료는 연료 시스템이 공전을 유지하도록 오프 상태로 유지된다.
도 30은 엔진의 실린더에서 점화에 대하여 공기 유동 및 연료 공급을 온, 오프하는 순서를 도시한다(상사점(BTDC) 아래에서). 전형적으로, 매니폴드 또는 흡입 포트에 대하여, 공기는 약 360°내지 약 180°BTDC에서 온으로 유지되는 한편, 연료는 공기 유동이 온으로 유지되는 것보다 적게 그리고 또한 공기가 온으로 유지될 때 360°내지 180°BTDC 내에서 약 360°내지 약 180°BTDC의 기간(timeframe) 동안 온으로 유지된다.
상기의 설명은 다음에 청구된 발명의 특정 양태, 실시예들 및 예들을 단지 예시하고 기술하도록 제공되었다. 개시된 발명이 개시된 임의의 정밀한 형태로 완전하게 되거나 또는 제한하도록 의도되지 않는다. 많은 변경 및 변형들이 상기 개시에 관점에서 가능하다. 이러한 변경은 본 발명자에 의해 그리고 청구범위 내에서 예측된다. 기술된 발명의 범위는 다음의 청구항들에 의해 한정된다.

Claims (20)

  1. 연료 분무기로서,
    연료 입구를 가지는 하우징;
    상기 연료 입구에 위치되고, 연료 스트림을 복수의 연료 방울들로 분산하도록 구성되는 적어도 하나의 1차 오리피스;
    연료 충돌면으로서, 상기 복수의 연료 방울들을 복수의 보다 작은 2차 방울들로 파쇄하고 상기 연료 충돌면 상에서 2차 연료 방울들의 박막을 생성하도록 상기 복수의 연료 방울들이 접촉하고, 상기 연료 충돌면은 상기 하우징의 길이방향 축선에 수직한 평면에 대해 0°보다 크고 60°보다 작은 각도로 배열되는, 상기 연료 충돌면;
    상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 30°내지 60°범위의 방사상 각도 및 상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 접선 각도로 배열되고, 공기 유동을 공급하여 상기 2차 방울들과 접촉시키도록 구성되는 적어도 하나의 압축 공기 채널; 및
    상기 2차 방울들이 상기 하우징을 빠져나가도록 통과하는 복수의 2차 오리피스들;을 포함하며,
    상기 복수의 2차 방울들의 크기는 상기 복수의 2차 오리피스들을 통과할 때 감소되는, 연료 분무기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구에 위치되는 상기 적어도 하나의 1차 오리피스는 상기 연료 충돌면과 동축으로 배열되는, 연료 분무기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 방울들은 상기 복수의 2차 오리피스들을 통과할 때 음속으로 가속되는, 연료 분무기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 매니폴드인, 연료 분무기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 실린더 헤드인, 연료 분무기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 실린더 헤드 내로의 흡입 포트인, 연료 분무기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 충돌면은 상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 90°내지 135°의 범위의 각도로 배열되는, 연료 분무기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 오리피스들은 상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 0°내지 90°의 각도로 배열되는, 연료 분무기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 1차 오리피스를 형성하는 연료 계량 부재를 추가로 포함하는, 연료 분무기.
  10. 연료 분무 방법으로서,
    적어도 하나의 1차 입구 오리피스, 충돌면, 혼합 체임버, 및 복수의 2차 오리피스들을 포함하는 분무 디바이스를 제공하는 단계로서, 상기 충돌면은 상기 분무 디바이스의 하우징의 길이방향 축선에 수직한 평면에 대해 0°보다 크고 60°보다 작은 각도로 배열되는, 상기 분무 디바이스를 제공하는 단계;
    연료 스트림을 상기 적어도 하나의 1차 입구 오리피스를 통과시켜 복수의 1차 연료 방울들을 생성하는 단계;
    상기 복수의 1차 연료 방울들을 상기 충돌면에 접촉시켜 상기 복수의 연료 방울들을 복수의 보다 작은 크기의 2차 방울들로 파쇄하고 상기 충돌면 상에 2차 방울들의 박막을 생성하는 단계;
    연료/공기 혼합물을 형성하기 위해 상기 복수의 2차 방울들을 공기 유동과 혼합하는 단계로서, 상기 공기 유동은 상기 분무 디바이스의 상기 길이방향 축선에 대해 30°내지 60°범위의 방사상 각도 및 상기 분무 디바이스의 상기 길이방향 축선에 대해 접선 각도로 배열되는 복수의 공기 채널들을 통해 공기를 상기 혼합 채임버에 공급시킴으로써 형성되는, 상기 복수의 2차 방울들을 공기 유동과 혼합하는 단계;
    상기 연료/공기 혼합물을 상기 복수의 2차 오리피스들을 통과시켜 상기 복수의 2차 방울들을 복수의 보다 작은 크기의 3차 방울들로 전단(shear)하는 단계; 및
    상기 복수의 3차 방울들을 상기 분무 디바이스로부터 분산하는 단계;를 포함하는, 연료 분무 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 분무 디바이스를 제공하는 단계는, 상기 적어도 하나의 1차 오리피스, 상기 충돌면, 및 상기 복수의 2차 오리피스들을 동축으로 배열하는 단계를 포함하는, 연료 분무 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 방울들을 공기 유동과 혼합하는 단계는 적어도 부분적으로 방사상 방향으로 공기 유동을 공급하는 단계를 포함하는, 연료 분무 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료/공기 혼합물을 상기 복수의 2차 오리피스들을 통과시켜 상기 복수의 2차 방울들을 복수의 보다 작은 크기의 3차 방울들로 전단하는 단계는 음속으로의 상기 연료/공기 혼합물의 급가속을 포함하는, 연료 분무 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 분무 디바이스는 상기 적어도 하나의 1차 오리피스를 형성하는 연료 계량 디바이스를 추가로 포함하며, 상기 연료 스트림을 상기 적어도 하나의 1차 오리피스를 통과시켜 복수의 1차 연료 방울들을 생성하는 단계는 계량된 연료 유동을 상기 연료 계량 디바이스에 의해 상기 적어도 하나의 1차 오리피스로 제공하는 단계를 포함하는, 연료 분무 방법.
  15. 연소전 연료 혼합 디바이스로서,
    하우징;
    상기 하우징에 의해 봉입되고, 연료 스트림을 공급하도록 배열되는 밸브;
    복수의 1차 오리피스들을 포함하는 제 1 노즐 부재로서, 상기 복수의 1차 오리피스들을 통한 상기 연료 스트림의 통행이 복수의 1차 연료 방울들을 생성하는, 상기 제 1 노즐 부재;
    상기 복수의 1차 연료 방울들의 유동 경로에 배열되는 충돌면으로서, 상기 충돌면은 상기 하우징의 길이방향 축선에 수직한 평면에 대해 0°보다 크고 60°보다 작은 각도로 배열되고, 상기 충돌면에 대한 상기 복수의 1차 연료 방울들의 접촉이 상기 복수의 1차 연료 방울들을 복수의 보다 작은 크기의 2차 방울들로 파쇄하는, 상기 충돌면;
    혼합 체임버;
    상기 혼합 체임버 내로 안내되는 복수의 경사진 통로들로서, 상기 통로들을 통해 공기 유동이 공급되어 상기 복수의 2차 방울들과 혼합함으로써 연료/공기 혼합물을 생성하고, 상기 복수의 경사진 통로들은 상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 30°내지 60°범위의 방사상 각도 및 상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 0°내지 60°범위의 접선 각도로 배열되는, 상기 복수의 경사진 통로들;
    상기 연료 공기 혼합물이 통과하는 복수의 2차 오리피스들로서, 상기 복수의 2차 방울들의 크기를 복수의 보다 작은 크기의 3차 방울들로 감소하도록, 상기 복수의 2차 방울들이 상기 복수의 2차 오리피스들을 통과할 때 음속으로 가속되는, 상기 복수의 2차 오리피스들; 및
    상기 복수의 3차 방울들의 기화율을 증가시키도록 상기 복수의 3차 방울들을 이격시키는 분산 노즐;을 포함하는, 연소전 연료 혼합 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 충돌면의 적어도 일부는 상기 디바이스의 상기 길이방향 축선에 대해 일정 각도로 배열되는, 연소전 연료 혼합 디바이스.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 분산 노즐은 상기 하우징에 제거 가능하게 장착되는, 연소전 연료 혼합 디바이스.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 경사진 통로들은 상기 디바이스의 상기 길이방향 축선에 대해 일정 각도로 배열되는, 연소전 연료 혼합 디바이스.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 오리피스들은 상기 디바이스의 상기 길이방향 축선에 대해 일정 각도로 배열되는, 연소전 연료 혼합 디바이스.
  20. 연료를 기화시키는 방법으로서,
    연료 계량 디바이스, 충돌면, 적어도 하나의 압축 공기 채널, 및 복수의 출구 오리피스들을 포함하는 연료 분무 디바이스를 제공하는 단계로서, 상기 충돌면은 상기 연료 분무 디바이스의 하우징의 길이방향 축선에 수직한 평면에 대해 0°보다 크고 60°보다 작은 각도로 배열되는, 상기 연료 분무 디바이스를 제공하는 단계;
    압축 공기원을 제어하여 상기 적어도 하나의 압축 공기 채널을 통해 상기 복수의 출구 오리피스들의 외부로 공기 유동을 공급하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 압축 공기 채널은 상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 30°내지 60°범위의 방사상 각도 및 상기 하우징의 상기 길이방향 축선에 대해 접선 각도로 배열되는, 상기 공기 유동을 공급하는 단계;
    연료 공급부를 제어하여 상기 연료 계량 디바이스로부터 상기 충돌면 상으로 연료 유동을 공급하는 단계로서, 상기 연료 유동은, 상기 충돌면과 접촉시에 보다 작은 크기의 2차 연료 방울들로 파쇄되는 복수의 1차 연료 방울들을 포함하는, 상기 연료 유동을 공급하는 단계;
    상기 2차 연료 방울들을 상기 공기 유동과 혼합하는 단계;
    상기 복수의 출구 오리피스들을 통해 상기 2차 연료 방울들을 이동하는 단계로서, 상기 2차 연료 방울들은 상기 복수의 출구 오리피스들을 빠져나갈 시에 보다 작은 크기의 3차 연료 방울들로 파쇄되는, 상기 2차 연료 방울들을 이동하는 단계;
    상기 3차 연료 방울들이 상기 복수의 출구 오리피스들로부터 분산될때 상기 3차 연료 방울들을 기화시키는 단계;
    상기 공기 유동을 유지하면서 상기 연료 공급부를 제어하여 상기 연료 유동을 턴-오프(turn off)시키는 단계; 및
    상기 압축 공기원을 제어하여 상기 공기 유동을 턴-오프시키는 단계;를 포함하는, 연료 기화 방법.
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