KR0144456B1 - 내연 기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실린더(4), 실린더 내에서 왕복하는 피스톤(6), 각각의 포펫 밸브(poppet valve;18,22)로 제어되는 적어도 하나의 배기구(12)와 적어도 두개의 흡기구(14)가 형성된 실린더 헤드가 포함되는 2행정기관에 관한 것이다. 실린더는 흡/배기구와 연통되는 오각형의 연소실(10)을 형성시킨다. 흡기구(14)는 유도식(directed type)으로서, 작동시 흡기구를 통과한 공기가 배기구로부터 먼 쪽에서 흡기구와 인접한 실린더 벽을 따라 유동한다. 흡기 덕트(26)들의 축(28)들은 이를 통과하는 유동의 방향으로 수렴되고, 각 흡기 덕트의 축이 실린더 축의 방향에서 볼 때, 다른 흡기 덕트 또는 인접 흡기 덕트의 축과 적어도 20。의 각도를 이룬다.

Description

내연기관

제1도는 기관의 한 실린더의 상부와 실린더 헤드를 보인 종단면도.

제2도는 흡입구 및 배기구의 배치를 보인 제1도의 기관의 횡단면도.

제3도는 흡기구를 통하여 유동하는 공기의 방향에 따른 유량 분포를 보인 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

4:실린더 6:피스톤

8:실린더 헤드 10:연소실

12:배기구 14:흡기구

18,22:포펫 밸브 26:흡기 덕트(duct)

본 발명은 4행정기관 등과 같은 내연기관에 관한 것으로, 특히 적어도 하나의 실린더, 실린더 내에서 왕복하는 피스톤, 포펫 밸브(poppet valve)로 제어되는 적어도 하나의 배기구와 각각의 포펫 밸브로 제어되고 각 흡기 덕트에 연결된 적어도 두 개의 흡기구가 형성된 실린더 헤드가 포함되며, 실린더와 실린더 헤드는 흡 배기구와 연통되고 예컨대 오각형의 연소실을 형성시키고, 흡기구는 유도식으로서 작동시 흡기구를 통과한 공기가 배기구로부터 먼 쪽에서 흡기구와 인접한 실린더 벽을 따라 유동하는 2행정 기관에 관한 것이다. 유도식(directed)흡기구는 이를 통과하여 유동하는 공기가 관련된 밸브의 축심에 대하여 반경 방향으로 실린더 내로 유입되는 형식의 흡기구이다. 이러한 흡기구는 흡기구의 바로 상류측에 비교적 급한 굴곡부를 가진 흡기 덕트와 연결된다. 굴곡부의 내경은 일반적으로 0.3r보다 작고(여기서 r은 흡기구의 반경), 실질적으로 굴곡부의 외경보다 작아, 작동시 공기 유동은 굴곡부의 내측으로부터 분리되어 주로 굴곡부 상류의 흡기 덕트에 의하여 결정되는 방향을 다라 실린더 내로 들어간다. 즉, 유동 방향이 굴곡부의 영향을 받지 않는다. 따라서 공기는 밸브 축에 대하여 주로 흡기구의 한쪽을 따라 실린더로 들어간다.

전기 점화식 4행정 기관에서 흡입된 공기/연료 혼합기의 강한 난류는 신속하고 완전한 연소를 촉진시킨다는 것이 공지되어 있다. 이러한 난류를 발생시키기 위하여, 실린더 헤드의 대응 되는 부위와 인접하게 되는 피스톤의 상면에 소위 압착 영역(squish area)을 형성시켜 피스톤이 상사점으로 접근할 때, 이 영역으로부터 공기를 압착시켜 연소실로 밀어 내어 보내고, 상사점에서 공기/연료에 강한 난류를 발생시키는 것이 알려져 있다. 또, 실린더로 들어가는 혼합기에 소용돌이를 발생시켜 피스톤이 상사점으로 접근할 때, 이 소용돌이가 난류로 바뀌도록 하는 것도 알려져 있다.상사점 근처에서 난류를 발생시키는 또 다른 방법은 실린더 축을 가로지르는 축을 중심으로 공기가 실린더 내에서 회전하도록 흡기구(들)의 구조를 변화시켜 실린더 내에서 공기의 역전(tumbling)운동을 일으키는 것이다. 상사점을 지나서도 계속되려는 경향이 있는 소용돌이와 달리, 역전 운동은 상사점에서 모두 난류로 변환된다. 역전운동은 2행정 및 4행정기관에서 난류를 발생시키는데만 효과적인 것이 아니라, 2행정 기관을 효과적으로 세척(purging)시킨다. 이러한 형식의 공지된 엔진에는 실린더 축과 실질적으로 평행한 흡기 덕트가 포함되어, 흡기구를 통하여 유입된 공기는 주로 실린더의 인접한 쪽을 따라 아래로 흐른 다음 피스톤을 가로질러 유동하여 실린더의 다른 쪽에서 위로 올라가 어느정도의 역전 운동을 일으킨다.

최근들어 차량용 기관으로 2행정 기관을 이용하려는 것이 소형 경량이라는 점에서 크게 관심을 끌고 있다. 피스톤으로 조절되는 흡기구를 가진 기관은 이런 면에서 특히 매력적이지만, 흡.배기구의 위치와 이에 따른 비대칭 열적 부하로 인하여 실린더가 과도하게 왜곡되어 밀봉 및 마찰과 마모의 문제가 있어 차량에 이용하기에는 부적합하다.

2행정 기관에서 실린더의 왜곡 문제는 실린더 헤드에 통상의 포펫 밸브를 설치하여 피할 수 있다. 특허 청구의 범위 제1항의 서두에 언급된 이러한 형식의 기관이 영국 공개 특허 공보 제 1568302호에 기재되어 있다. 이 기관에는 배기 밸브로부터 큰 각도로 경사진 2흡기 밸브가 포함되어, 이에 따른 오각형 연소실의 각도는 상부가 오목하거나 편평한 피스톤으로는 높은 압축비를 내는 것이 불가능해 진다. 상당히 돌출되거나 돔(dome)형으로 된 크라운을 가진 피스톤은 필요한 역전 운동을 방해한다는 점이 포함되는 여러 가지 이유로 상부가 오목하거나 편평한 피스톤이 바람직하다. 흡기구는 벽 또는 배플(baffle)에 의하여 배기구(들)로부터 분리되고, 흡기 밸브의 내측 가장자리는 이동하는 동안 계속 이 벽 또는 배플과 접촉하여 흡기 밸브를 지난 공기는 이 배플로부터 먼 쪽에서만 유동한 후, 인접한 실린더 벽에 의하여 안내되어 역전 운동을 한다. 연소실의 체적을 감소시킬 수 있을 정도로 흡기 밸브와 배기 밸브 사이의 각도를 감소시키면 유도식 흡기구로부터 유출되는 공기는 인접 실린더 벽에 의하여 심한 방해를 받아 실린더로 유입되는 공기기량이 감소되고 이에 따라 기관의 효율도 감소된다. 이 공지 기관의 흡기구를 통한 공기 유동은 비록 유도되기는 하지만, 다소 분사되고 집중되지 못하여, 그 운동량이 실린더 둘레를 완전히 회전하기에는 불충분하므로 실린더의 세척 효율이 요구되는 정도보다 낮다.

본 발명의 목적은 2행정 기관에서 흡입된 공기가 앞의 연소 사이클에서 남아있는 배기가스를 효율적으로 밀어내고, 2행정 도는 4행정 기관 에서 흡입 공기를 더 강하게 집중시켜 역전 운동을 일으키며 상사점에서 강한 난류를 발생시킨다. 본 발명의 다른 목적은 측면에서 본 흡기 밸브와 배기 밸브 축 사이의 각도를 감소시켜 압축비가 높은 기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 내연기관은 앞서 언급한 형식의 기관에 있어서, 흡기 덕트들이 축이 이를 통과하는 유동의 방향으로 수렴되고 각 흡기 덕트의 축이 실린더 축의 방향에서 볼 때 다른 흡기 덕트 또는 인접 흡기 덕트의 축과 적어도 20。의 각도(도 2의 각 β)를 이루는 것을 특징으로 한다.

각 흡기 덕트의 축은 실린더 축과 평행하고 흡기 덕트의 축과 교차하는 직선으로부터 예컨데60。, 바람직하기로는 45。또는 그 이하의 각도(도 1의 각 α)로 경사져 축방향 성분을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 흡기구로부터 유동하는 공기는 대체로 축방향으로 유도되지만, 실제로 관련 밸브의 밸브 헤드 주위를 지나면서 일시적으로 반경 방향 외측을 향하는 성분을 가진다. 즉, 흡기구를 통한 공기는 주로 인접 실린더 벽을 향하여 유도되는 쪽을 따라 유동한다. 그러므로, 본 발명에 의한 기관에서는 흡기 덕트를 통과한 공기가 앞서 언급한 특허 명세서에 기재된 것처럼 배기 밸브로부터 멀어지도록 유도되고, 다시 인접 실린더 벽을 따라 아래로 유도된 후, 피스톤의 상부를 가로질러 유동한 다음 배기 밸브를 향하여 다른 실린더 벽을 따라 상승한다.배기밸브와 인접한 쪽의 흡기 밸브를 통하여 공기가 거의 또는 전혀 유출되지 않으므로, 2행정기관의 경우 흡기구로부터 직접 배기구로 유동되는 공기는 없다. 그러나 앞의 특허 명세서에 기재된 것과는 달리 흡기구로 유입된 공기는 실린더 축과 평행하게 이동하는 대신 서로 수렴하여 흡기구 하류의 어느 지점에서 비교적 집중된 단일 공기류로 합쳐진다. 이렇게 합쳐진 공기류는 실린더 내에서 앞서 언급한 명세서에 기재된 것보다 더 강하고 오래 역전, 즉, 루프(loop)운동을 지속한다.

흡기 덕트 축들 사이의 각도(도 2의 γ)는 축방향에서 볼때 20。내지 120。인 것이 바람직하고, 40。내지 90。인 것이 더욱 바람직하다.2개의 흡기구만 있는 바람직한 실시예에서는 흡기 덕트의 축들이 동일 평면에 놓이고, 흡기 덕트의 축들이 그 평면 내에서 서로 5。내지 15。의 각도를 이루는 것이 바람직하다. 흡기 덕트의 축들은 평면도로 볼 때 실린더 축으로부터 0.75R 내지 2R, 바람직하기로는 R내지 1.25R되는 지점에서 교차하는 것이 바람직하다. 여기서 R은 실린더의 반경이다.

흡기 덕트는 그 전체 길이에 걸쳐 일직선으로 만들 수 없고, 이런 경우 흡기 밸브의 스템이 전부 흡기 덕트내에 수용되어야 한다. 그러므로 흡기 덕트를 굴곡시킬 필요가 있다. 따라서, 이 명세서에서 흡기 덕트의 축이라는 용어는 흡기 덕트 길이의 주된 부분의 방향을 의미하는 것으로 해석하여야 한다. 실제로 이 방향은 덕트 굴곡부의 짧은 길이에 의한 영향을 크게 받지 않고 흡기 덕트 내의 공기의 주된 이동 방향을 나타낸다. 바람직한 실시예에서 각 흡기 덕트는 관련된 흡기구의 약간 상류측에서 굴곡되고, 실린더 축과 예각을 이루고 흡기구와 동축인 굴곡부 하류의 짧은 부분과, 실린더 축과 반대 방향으로 경사져 예각을 이루는 굴곡부의 상류의 긴 부분을 가진다. 따라서 흡기 덕트와 흡기구는 앞서 언급된 특허 명세서에 기재된 것과 거의 유사하지만, 예컨데 10。내지 30。의 작은 각도로 회전된 구조로 된다. 이에 따라, 흡배기 밸브 축 사이의 각도가 감소되어 오각형 연소실의 상부가 더 편평해지고, 그 결과 연소실의 체적이 감소하여 압축비를 증가시킬 수 있다. 그러나, 이렇게 하여도 흡입 공기의 유동 방향이 위에서 볼 때 영국 공개 특허 공보 제1568302호에 비하여 약간 회전한 상태이므로 흡기구를 통한 공기 유동이 인접 실린더 벽에 의하여 방해한다는 영국 공개 특허 공보 제1568302호의 잠재적 문제점이 생기지 않는다. 그러므로, 흡기구와 인접 실린더 벽 사이의 유동 경로의 유효길이가 증가하고, 공기 유동이 큰 둔각으로 실린더 벽과 충돌하게 된다.

각 굴곡부의 내측 가장자리는, 측면도에서 볼 때 0.3r을 넘지 않는 비교적 급격한 곡률 반경을 가지는 것이 바람직하다. 여기서 r은 관련된 흡기구의 반경이다. 이처럼 비교적 급격한 굴곡부의 목적은, 흡기 덕트내를 유동하는 공기가 굴곡부의 내측 가장자리에서 흡기 덕트의 벽으로부터 분리되어 굴곡부가 있음에도 불구하고 실질적으로 직선적으로 이동을 계속 할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이는 물론 흡기 밸브의 유도기능으로 인한 것이며, 흡기구를 지난 공기는 굴곡부가 있기 때문에 주로 흡기 덕트의 축과 평행한 한 방향으로만 유동하여 배기구로부터 멀어지는 방향으로 흡기구를 빠져 나온다.

실린더내의 공기의 집중된 단일 역전운동은 상사점 직전에서 강한 난류로 바뀌고, 2행정 기관의 경우 실린더를 특히 효과적으로 세척시키며, 연소 공간내에서 흡기구로부터 직접 배기구로 유동하는 공기가 거의 없게 된다.

본 발명의 다른 특징 및 세부구조는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 다기통 전기 점화식 2행정 기관에 대한 다음의 설명으로부터 잘 알 수 있을 것이다.

기관에는 각각 왕복 피스톤(6)이 수용된 하나 이상의 실린더(4), 이 경우에는 4개의 실린더가 형성된 실린더 블록(2)이 포함된다. 이들 실린더(4)는 공통된 실린더 헤드(8)로 폐쇄하고, 실린더 헤드(8)는 각각 실린더 상부에서 134。의 각도로 경사진 2표면을 가져 오각형 연소실(10)을 형성시킨다. 이 2경사면에는 2배기구(12)와 2흡기구(14)가 각각 형성되어 있다. 위에서 볼 때, 2배기구(12)는 연소실의 한쪽 1/2과 연통되고, 2흡기구(14)는 다른 쪽 1/2과 연통된다. 배기구(12)는 각각의 배기 덕트(16)와 연결되고, 각 포펫 밸브(18)에 의하여 조절된다. 마찬가지로 흡기구(14)도 각각의 흡기 덕트와 연결되고, 각 포펫 밸브(22)로 조절된다. 이들 포펫 밸브(18,22)는 통상의 방법, 예컨데 기관 크랭크 축으로 동되는 캠축에 의하여 작동한다.

각 흡기 덕트는 관련된 흡기구(14)에 바로 인접하여 그 축심이 흡기구와 일치하고 실린더 축으로부터 10。내지 60。, 이 경우에는 23。경사진 처음의 짧은 부분(24)과, 측면에서 볼 때, 그 축심(28)이 실린더 축으로부터 반대쪽으로 경사져 실린더 축을 향하여 실린더 축과 교차하는 실질적으로 직선적인 긴 부분 (26)으로 구성된다. 이들 짧은 부분(24)과 긴 부분(26)은 안쪽 가장자리의 곡률 반경이 0.3r을 넘지 않는 비교적 작은 값을 갖도록 서로 교차한다. 여기서 r은 흡기구(14)의 반경, 즉, 밸브 시트의 내측 반경이다. 흡기 덕트의 짧은 부분과 긴 부분 사이의 굴곡 각도는, 각도가 예컨데 70。정도로 비교적 커야 한다는 흡기구의 방향 요구 조건과, 각도가 흡기 밸브의 경사각 (이 경우에는 23。인 것이 바람직함), 즉, 덕트내의 유동이 실린더 축과 대체로 평행해야 한다는 요구조건을 절충하여 결정된다. 이 굴곡 각도의 전형적인 값은 30。내지 50。이다.

위에서 볼 때, 흡기 덕트의 축, 즉, 흡기 덕트의 주된 부분의 축(28)은 유동 방향으로 수렴되고 20。내지 120。, 바람직하기로는 40。내지 90。의 각도를 이룬다. 이 각도의 대표적인 값은 64。이다. 위에서 볼 때, 축(28)은 실린더 축으로부터 0.75R내지 2R사이의 위치에서 수렴하는 것이 바람직하다.(여기서 R은 실린더 반경이다.)

작동시 흡입공기는 축(28)의 방향으로 흡기 덕트를 따라 유동한다. 흡기 덕트의 긴 부분과 짧은 부분이 예각으로 교차하기 때문에 공기는 짧은 부분으로 유입되면서, 옆에서 볼 때 교차부의 안쪽 가장자리로부터 떨어져 나와 바깥쪽 가장자리로 쏠리게 된다. 흡기 밸브(22)의 헤드를 지난 유동은 아직도 운동량의 주된 방향이 축(28)의 방향이므로, 공기는 제2도에서 큰 화살표로 도시된 바와같이 주로 축(28)과 평행한 방향으로 흡기구의 한쪽만을 따라 유동한다. 제3도에 도시된 바와 같이, 흡기구를 통과하는 공기는 사실상 그 각도에 따라 비례하여 각도 범위의 약 1/2에 걸쳐 분배된다. 공기 유동의 가장 큰 부분은 축(28)과 평행한 부분이고, 다른 방향의 부분은 축(28)의 방향으로부터 각도가 증가하는데 따라 감소한다. 흡기 밸브에서 배기 밸브와 가장 가까운 쪽에서는 공기가 전혀 유출되지 않는다. 2흡기구를 통과한 공기류는 인접한 실린더 벽에 의하여 아래로 안내된 후, 실린더 헤드 아래쪽의 어느 위치에서 서로 충돌하여 하나의 공기류로 합쳐지고, 실린더 벽을 따라 하향 이동을 계속하며 피스톤 크라운(crown)을 가로질러 다른 쪽에서 피스톤 벽을 따라 올라간다. 피스톤 크라운은 공기의 운동에 방해가 되지 않도록 편평하거나 곡률 반경이 1.6R보다 작지 않도록 약간만 돔(dome)형으로 된 것이 바람직하다. 소형 돔은 도입되는 공기가 피스톤의 크라운을 지나 분산되는 것을 도와 주므로 공기가 실린더의 반대편 벽까지 전달되어 실린더가 깨끗한 상태로 유지된다. 도입 공기의 역전(tumbling)도는 루프(loop)운동으로 인하여 2행정 기관의 경우에 실린더가 매우 효과적으로 세척(purging)된다. 도입 공기는 역전 운동하면서 실린더 내를 유동하므로 그 앞에서 실린더 내부에 남아 있는 연소 배기 가스를 배기 밸브를 통하여 밀어 낸다. 역전 운동은 또한 2행정 기관 및 4행정 기관의 어느 경우이든 상사점에서 강한 난류를 발생시킨다.

이상 기술된 구조에 여러가지 수정을 가할 수 있음은 물론이다. 예를들면, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 축이 실린더 축에 대하여 동일하게 경사진 것으로 도시되었지만 반드시 그렇게 할 필요는 없고, 흡기 밸브의 축이 배기 밸브의 축보다 더 수평에 가깝게 할 수도 있다. 즉, 오각형 연소실의 흡기 밸브 쪽이 배기 밸브쪽보다 더 급경사를 이루도록 할 수도 있다. 이 경우 오각형 연소실의 정점은 중앙에 위치하지 않고 흡기 밸브 쪽으로 변위되며, 흡입공기가 흡기구로부터 배기구로 직접 유동되는 것을 방지하도록 물리적 장벽의 역할을 하는 단을 형성시킬 수 있다. 또, 기관이 3개 또는 그 이상의 흡기구를 가질 수 있고, 이 경우 각 흡기 덕트의 축은 다른 모든 덕트의 축 또는 최소한 가장 인접한 덕트의 축으로부터 적어도 20。경사지게 된다.

Claims (6)

1. 적어도 하나의 실린더, 실린더내에서 왕복하는 피스톤, 포펫밸브(popet valve)로 제어되는 적어도 하나의 배기구와 각각의 포펫 밸브로 제어되고 각 흡기덕트에 연결된 적어도 두개의 흡기구가 형성된 실린더 헤드가 포함되며, 실린더와 실린더 헤드는 흡/배기구와 연통되고 예컨데 오각형의 연소실을 형성시키고, 흡기구는 유도식(directed type)으로서 작동시 흡기구를 통과한 공기가 배기구(들)로부터 먼 쪽으로 흡기구와 인접한 실린더 벽을 따라 유동하는 2행정기관에 있어서, 흡기 덕트들의 축(28)들이 실제적으로 일직선으로 그리고 실린더의 축방향에서 보았을 때 이를 통과하는 유동의 방향으로 수렴되고 각 흡기 덕트의 축이 실린더 축의 방향에서 볼 때 다른 흡기 덕트 또는 인접 흡기 덕트의 축과 적어도 20。의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 내연기관.
2. 제1항에 있어서, 흡기 덕트들의 축(28)들 사이의 각도가 20。내지 120。 바람직하기로는 40。내지 90。인 것을 특징으로 하는 내연기관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흡기 덕트들의 축(28)들이 위에서 볼때 실린더 축으로부터 0.75R(R은 실린더 반경)내지 2R, 바람직하기로는 R내지 1.25R되는 지점에서 교차하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
4. 제3항에 있어서, 각 흡기 덕트는 관련된 흡기구(14)의 약간 상류축에서 굴곡되고, 실린더 축과 예각을 이루고 흡기구와 동축인 굴곡부 하류의 짧은 부분(24)과, 흡기 덕트의 축(28)이 실린더 축과 반대 방향으로 예각을 이루는 굴곡부 상류의 긴 부분 (26)을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
5. 제4항에 있어서, 흡기 덕트의 짧은 부분(24)과 긴 부분(26)의 축 사이의 각도가 30。내지 90。인 것을 특징으로 하는 내연기관.
6. 제1항에 있어서, 각 흡기 밸브는 실린더 축에 대하여 10。내지 60。로 경사진 스템(stem)을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관.