KR100196467B1 - 다기통 내연기관의 흡배기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다기통 내연기관의 흡배기장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 서지탱크, 각각의 흡기포트와 배기포트를 구비하고 흡입밸브 또는 배기밸브가 설치된 실린더 헤드, 상기 서지탱크와 상기 실린더 헤드 또는 각 실린더 흡기포트 사이에 설치되어 상기 서지탱크 내의 흡기를 상기 각 실린더의 흡기포트로 분기공급하는 흡기 다기관을 구비하는 흡기 시스템과, 상기 각 실린더의 배기포트에 일단이 접속되고 타단은 배기 파이프에 접속되어 상기 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 조합하여 상기 배기 파이프쪽으로 보내는 배기 다기관, 상기 배기 파이프 중에 설치된 머플러를 구비하는 배기 시스템으로 구성된 다기통 내연기관의 흡배기장치에 있어서, 상기 흡기 시스템은, 상기 각 실린더 마다 별도로 흡입되는 흡기와 역류되는 흡기를 분리하고 상기 각 실린더의 각각의 흡기 분기다기관과 연통되도록 설치되는 복수개의 흡기 콘덴서탱크, 상기 흡기 콘덴서탱크 상호간을 연통시키는 콘트롤 호스를 구비함에 따라, 상기 실린더 중, 어느 한 실린더의 흡입행정 종료직후 흡기포트로부터 반사 역류되는 흡기를 상기 흡기 분기다기관을 통해 상기 흡기 콘덴서 탱크에 흡입하여 일부는 저장하고, 나머지는 상기 콘트롤 호스를 통해 다음 흡기 콘덴서탱크에 저장된 흡기와 합류하여 다음 순차로 흡입행정을 수행하는 다른 한 실린더의 흡기포트에 보충 공급하도록 되고, 상기 배기 시스템은, 상기 배기 파이프 중의 복수개소에 상기 배기 파이프와 연통되도록 설치된 배기 콘덴서탱크를 구비함에 따라, 상기 실린더의 배기행정 종료직후 급격히 배출되는 배기가스 일부를 흡입 저장하였다가 배기행정이 완료후 배출하여 배기가스의 끊김이 없이 연속적으로 배출되도록 하며, 상기 머플러의 전후양단에 각단이 접속된 바이패스관을 구비함에 따라, 상기 머플러를 통과하기 전의 배기가스 일부가 상기 바이패스관을 통과한 후 상기 머플러를 통과한 배기가스와 합류될 때 부압을 얻어 상기 배기가스 배출속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관의 흡배기장치를 제공한다.

Description

다기통 내연기관의 흡배기장치

본 발명은 다기통 내연기관의 흡배기장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건설용 중장비나 자동차 등의 동력원으로 사용되는 내연기관에 장착되어 각 실린더에 공기 또는 혼합기를 분배하여 공급하거나, 각 실린더에서 연소되는 배기가스를 대기중으로 배출하는 흡배기장치의 흡입 및 배기효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 다기통 내연기관의 흡배기장치에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관의 작동 사이클(cycle)은 공기 또는 혼합기가 실린더 내에 흡입되어 일을 마치고 배기가스가 되어 실린더 밖으로 배출될 때까지 실린더 내에서 가스의 주기적 변화를 가르킨다.

가솔린 엔진의 경우는, 각 실린더의 흡입포트에서 공기와 연료의 혼합기를 흡입하는 흡입행정(intake stroke), 흡입된 혼합기를 고온 고압으로 압축하는 압축행정(compression stroke), 압축한 혼합기에 점화시켜 연소팽창하여 그 압력으로 동력을 발생하는 팽창행정(expansion stroke) 및 실린더 내에 있는 배기가스를 배출하는 배기행정(exhaust stroke)으로 이루어 진다.

또한, 디젤 엔진의 경우에도 실린더내로 공기를 흡입하는 흡입행정, 흡입한 공기를 연소실로 압축하여 고온화하는 압축행정, 고온화한 공기 중에 연료를 분사하여 연소시켜 동력을 발생시키는 팽창행정 및 배기가스를 실린더 밖으로 배출하는 배기행정으로 이루어 진다.

한편, 위와 같이 작동 사이클을 이루는 내연기관에서 다기통 엔진이 작동하는 데는, 실린더 내에 공기 또는 혼합기를 흡입하는 흡입장치(intake system)와 연소후의 배기가스를 배출하는 배기장치(exhaust system)로 구성되어 있다.

도 1 은 종래의 내연기관의 흡배기장치를 개략적으로 나타내는 사시도로서, 도시된 바와 같이, 흡기장치의 구조는, 흡입되는 공기를 여과하는 에어 크리너(1)와, 이 에어 크리너(1)에서 여과된 흡입공기량을 제어하는 스로틀 밸브(2)가 내설된 스로틀 보디(3)와, 이 스로틀 보디(3)를 통과한 공기가 일시적으로 채류하는 서지탱크(4)와, 이 서지탱크(4) 내의 공기를 각 실린더(5)에 균일하게 공급하는 복수개의 흡입 매니폴드관으로 구성된 흡기 매니폴드(6)가 설치되어 있다.

그리고, 배기장치의 구조는, 각 실린더(5)에서 연소후에 배출되는 가스를 종합하는 배기 매니폴드(7)와, 이 배기 매니폴드(7)에 종합된 배기가스를 대기중으로 배출하기 전에 배기가스 중의 유해한 CO, HC, NOx 를 무해한 CO₂, H₂O, N₂로 산화 또는 환원시키는 촉매 컨버터(8)와 온도와 압력을 낮추어 배기소음을 저하시키는 서브 및 메인 머플러(9)(10)가 배기 파이프(11) 상에 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 종래의 다기통 내연기관의 흡배기장치를 설명하기 전에 도시된 기관은 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 엔진이며, 이 엔진은 직렬 4기통이다.

먼저, 흡기장치는 각 실린더 내에서 피스톤의 하강에 의한 부압과 흡입밸브의 개방에 의해 이루어지 바, 피스톤이 하사점으로 하강하게 되면 실린더 내부에는 진공상태가 형성된다. 이 때에 형성되는 진공력으로 인해 흡기 매니폴드(6)에 부압이 형성됨에 따라 에어 크리너(1)를 통해 여과된 공기가 스로틀 밸브(2)를 지나 서지탱크(4)에 일시적으로 집합된 다음 흡기 매니폴드(6)을 통해 흡입행정을 이루어지는 실린더 내부로 흡입된다.

따라서, 이와 같이 각 실린더 내부에서 발생하는 진공력에 의해 흡기 매니폴드(6)을 통해 실린더 내부로 공기가 흡입되는 흡입행정 중에는 강한 흡입력과 속도로 실린더 내부로 외부의 공기가 흡입되었다.

그런데, 흡입행정이 완료되면서 흡입밸브가 닫히면 강한 흡입력으로 흡입되는 공기가 이번에는 흡입밸브에 충돌되면서 반사되어 흡기 매니폴드(6) 쪽으로 역류하게 됨에 따라 흡입되는 공기와 상호 충돌되면서 다음 흡입행정시 흡입되는 공기와의 많은 간섭과 저항을 발생시키고 동시에 큰 소음을 발생시키는 것은 물론, 엔진출력이 저하되는 문제점이 있었다.

한편, 각 실린더에서 배출되는 가스는 피스톤의 상승과 실린더 내의 연소압력의 여압과의 정압에 의해 이루진다. 따라서 실린더 내에서 연소후의 잔압은 상당히 높기 때문에 배기 밸브가 열리는 순간에 실린더 내에서 배기 매니폴드(7)로 유입되는 배출가스의 속도는 음속을 초과하며 동시에 고온 고압상태이다.

따라서, 배기장치는 각 실린더 내에서 연소가 끝난 가스를 배기 매니폴드(7)에 의해 집합시킨 다음 배기 파이프(11)를 통해 대기중으로 배출시키는 데, 이 때에 배기 파이프(11) 상에 설치된 촉매 컨버터(8)와 서버 및 메인 머플러(9)(10)를 통해 대기중으로 배출된다. 즉, 각 실린더에서 배출되는 가스를 배기 매니폴드(7)에 의해 종합하여 배기 파이프(11)를 지나 대기중으로 배출하기 전에 촉매 컨버터(8)에 의해 배기가스 중의 유해한 CO, HC, NOx 를 무해한 CO₂, H₂O, N₂로 산화 또는 환원시켜 대기중으로 배출시킴과 동시에 서브 및 메인 머플러(9)(10)에 의해 온도 및 압력을 낮추어 배기소음을 저하시켜 대기중으로 배출시키는 것이다.

특히, 서브 및 메인 머플러(9)(10)의 내부는 몇 개의 공간으로 구분하여 배기가스가 그들의 장벽을 통과한 음파의 간섭, 압력변동의 감소, 배기온도의 저하 등을 일으켜 점진적으로 소음되도록 되어 있다.

이러한, 소음효과를 높이기 위해서 머플러의 저항이 너무 커지면 엔진의 폭음이 작아지지만, 배기행정에 미치는 저항, 즉 배압(back pressure)이 높아져 엔진의 출력이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 흡입행정 이후에 역류되는 흡기를 일시적으로 흡기 콘덴서탱크가 흡입하여 일부는 저장시키고 나머지 흡기는 콘트롤 관을 통하여 다음 흡입행정을 수행하는 실린더의 흡기 콘덴서탱크에 저장된 흡기와 합류하여 외부로부터 흡입되는 흡기와 합류시켜 흡입행정을 수행하는 실린더에 유입되는 흡기를 과급시켜서 흡기효율을 향상시킬 수 있는 다기통 내연기관의 흡배기장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 배기행정 중에 배출되는 가스의 일부를 배기 콘덴서탱크가 흡입 저장하였다가 배기행정 완료후 배기압이 저하되었을 때 배출하여 연속적인 배기가스의 흐름을 유지시켜 배기효율을 향상시킬 수 있는 다기통 내연기관의 흡배기장치를 제공하는 것에 있다.

도 1 은 종래의 내연기관의 흡배기장치를 개략적으로 나타내는 사시도,

도 2 는 본 발명의 일실시예에 의한 내연기관의 흡배기장치를 나타내는 사시도,

도 3 은 본 발명에 의한 내연기관의 흡기시스템이 작용하는 작동도,

도 4 는 본 발명에 의한 내연기관의 배기시스템이 작동하는 작동도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21: 서지탱크

22: 흡기 분기다기관

24: 흡기 콘덴서탱크

25: 콘트롤 호스

30: 실린더 헤드

31~34: 실린더

40: 배기 다기관

41: 배기 파이프

42: 촉매 컨버터

43: 서브 머플러

44: 메인 머플러

45: 바이패스관

50: 배기 콘덴서탱크

51: 제 3 콘덴서탱크

전술한 본 발명의 목적은, 서지탱크, 각각의 흡기포트와 배기포트를 구비하고 흡입밸브 또는 배기밸브가 설치된 실린더 헤드, 상기 서지탱크와 상기 실린더 헤드 또는 각 실린더 흡기포트 사이에 설치되어 상기 서지탱크 내의 흡기를 상기 각 실린더의 흡기포트로 분기공급하는 흡기 다기관을 구비하는 흡기 시스템과, 상기 각 실린더의 배기포트에 일단이 접속되고 타단은 배기 파이프에 접속되어 상기 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 조합하여 상기 배기 파이프쪽으로 보내는 배기 다기관, 상기 배기 파이프 중에 설치된 머플러를 구비하는 배기 시스템으로 구성된 다기통 내연기관의 흡배기장치에 있어서, 상기 흡기 시스템은, 상기 각 실린더 마다 별도로 흡입되는 흡기와 역류되는 흡기를 분리하고 상기 각 실린더의 각각의 흡기 분기다기관과 연통되도록 설치되는 복수개의 흡기 콘덴서탱크, 상기 흡기 콘덴서탱크 상호간을 연통시키는 콘트롤 호스를 구비함에 따라, 상기 실린더 중, 어느 한 실린더의 흡입행정 종료직후 흡기포트로부터 반사 역류되는 흡기를 상기 흡기 분기다기관을 통해 상기 흡기 콘덴서 탱크에 흡입하여 일부는 저장하고, 나머지는 상기 콘트롤 호스를 통해 다음 흡기 콘덴서탱크에 저장된 흡기와 합류하여 다음 순차로 흡입행정을 수행하는 다른 한 실린더의 흡기포트에 보충 공급하도록 되고, 상기 배기 시스템은, 상기 배기 파이프 중의 복수개소에 상기 배기 파이프와 연통되도록 설치된 배기 콘덴서탱크를 구비함에 따라, 상기 실린더의 배기행정 종료직후 급격히 배출되는 배기가스 일부를 흡입 저장하였다가 배기행정이 완료후 배출하여 배기가스의 끊김이 없이 연속적으로 배출되도록 하며, 상기 머플러의 전후양단에 각단이 접속된 바이패스관을 구비함에 따라, 상기 머플러를 통과하기 전의 배기가스 일부가 상기 바이패스관을 통과한 후 상기 머플러를 통과한 배기가스와 합류될 때 부압을 얻어 상기 배기가스 배출속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관의 흡배기장치를 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 바이패스관에 적어도 일개소 이상 제 3 콘덴서가 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2 는 본 발명의 일실시예에 의한 내연기관의 흡배기장치를 나타내는 사시도이고, 도 3 은 본 발명에 의한 내연기관의 흡기시스템이 작용하는 작동도이며, 도 4 는 본 발명에 의한 내연기관의 배기시스템이 작동하는 작동도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 외부로부터 흡입되는 흡기가 일시적으로 채류하는 서지탱크(21)와, 각각의 흡기포트와 배기포트를 구비하고 흡입밸브가 설치된 실린더 헤드(30)와, 전술한 서지탱크(21)와 실린더 헤드(30) 또는 각 실린더(31~34)의 흡기 포트 사이에 설치되어 서지탱크(21) 내의 흡기를 각 실린더의 흡기포트로 분기 공급하는 흡기 분기다기관(22)과, 각 실린더(31~34)의 배기포트에 일단이 접속되고 타단은 배기 파이프(41)에 접속되어 각 실린더(31~34)에서 배출되는 배기가스를 조합하여 배기 파이프(41) 쪽으로 보내는 배기 다기관(40), 전술한 배기 파이프(41) 중에 설치된 촉매 컨버터(42)와 서브 및 메인 머풀러(43)(44)로 구성된다.

그리고, 전술한 각 실린더(31~34) 마다 별도로 흡입되는 흡기와 역류되는 흡기를 분리하고 각 실린더(31~34)의 각각의 흡기 분기다기관(22)과 연통되도록 설치되는 복수개의 흡기 콘덴서탱크(24)와, 이 흡기 콘덴서탱크(24) 상호간을 연통시키는 콘트롤 호스(25)를 구비한다.

또한, 전술한 배기 파이프(41) 중의 복수개소에 배기 파이프(41)와 연통되도록 설치된 배기 콘덴서탱크(50)와, 전술한 메인 머플러(44)의 전후양단에 각단이 접속된 바이패스관(45)을 구비한다.

바람직하기로는 전술한 바이패스관(45)에 적어도 일개소 이상 제 3 콘덴서탱크(51)가 설치된다.

미설명 부호 23 은 흡기 분기다기관(22)와 흡기 콘덴서탱크(24)를 연결하는 연결호스를 나타낸다.

이하, 위와 같이 구성된 본 실시예의 작동을 설명한다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 엔진을 시동하면 엔진의 작동 사이클을 따라 흡입행정 중에 흡기밸브가 열리고 실린더(31) 안에는 피스톤이 하강하면서 실린더(31) 내부가 진공상태가 되고 이 진공력으로 흡기 분기다기관(22)이 부압상태로 되어 에어 크리너와 스로틀 보디를 통해 들어오는 흡기는 서지탱크(21)를 거친 다음 흡기 분기다기관(22)을 통해 실린더(31) 내부로 흡입된다.(화살표: A 참조)

한편, 흡입행정이 완료되면 흡기 밸브가 닫히고 지금까지 강한 흡입력으로 흡입되던 흡기가 역류하여 나오며, 이 때에 역류하는 흡기는 흡기 콘덴서탱크(24)로 유입되어 일부 저장하고, 나머지는 콘트롤 호스(25)를 통해 다음 순차로 흡입행정을 수행하는 다른 한 실린더(33)로 공급된다.(화살표: B 참조)

이때, 콘트롤 호스(25)를 통해 실린더(33)으로 공급되는 흡기와 외부로부터 서지탱크(21) 내로 흡입되는 새로운 흡기(화살표: C)가 흡기 분기다기관(22)을 통해 서로 합류되어 흡입행정을 수행하는 실린더(33) 내로 공급된다.

따라서, 흡기 콘덴서탱크(24)에 의해 흡입행정 직후의 역류되는 흡기를 일부는 저장하고, 나머지는 콘트롤 호스(25)를 통하여 다음 흡기해정을 수행하는 실린더(33)로 과급시킴으로 다시 흡입행정을 수행할 때에 흡기 분기다기관(22)을 통해 흡기포트로 공급되는 다른 흡기와의 상호 충돌에 의한 간섭이 해소되는 한편, 흡기 콘덴서탱크(24)에 일시적으로 저장된 흡기는 콘트롤 호스(25)를 통해 다음 순차로 흡입행정을 수행하는 다른 한 실린더(33)의 흡기포트에 보충 공급하여 흡입행정에 따른 새로운 흡기와 합류되면서 흡기를 과급시켜 실린더(33) 내로 공급하게 되는 것이다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 배기행정시, 즉 동력을 발생하는 팽창행정 이후에 실린더 내의 피스톤이 상승함에 따라 연소된 가스는 개방된 배기밸브와 배기포트를 통해 급속히 배출되는 데, 이 때에 배출되는 배기가스는 배기 다기관(40)에 의해 집합된 다음 배기 파이프(41)를 통해 촉매 컨버터(42)와 서브 및 메인 머플러(43)(44)를 거쳐 대기 중으로 배출된다.(화살표: X 참조)

한편, 배기행정 중에 배출되는 가스의 일부는 배기 파이프(41)에 설치된 복수개의 배기 콘덴서탱크(50)로 유입되고, 또 다른 배기가스의 일부는 메인 머플러(44)의 전후 양단에 각단이 접속된 바이패스관(45)을 통과하는 한편, 바이패스관(45)을 통과하는 배기가스 중의 일부는 입구 및 출구측에 설치된 제 3 콘덴서탱크(51)로 유입되어 저장된다.(화살표: X 참조)

이와 같이, 배기행정시에 배기 콘덴서탱크(50) 내에 저장된 배기가스는 배기행정이 완료될 때에 배기 파이프(41) 내의 배기압이 급격히 저하되면 압력차에 의해 배출되어(화살표: Y 참조) 연속적인 배기가스의 흐름을 유지시키는 한편, 바이패스관(45)과 배기 파이프(41)와의 접속부에는 매우 큰 고속의 기체흐름이 발생되며 이러한 고속의 기체흐름은 벤츄리 효과로 인해 접속부에서의 압력을 감소시키게 되고 결국 메인 머플러(44)를 통과하는 배기가스를 강하게 흡입하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 바이패스관(45)에 설치된 제 3 콘덴서탱크(51)의 압력차에 의해 바이패스관(45) 내의 연속적인 배기가스의 흐름을 유도함으로써 메인 머플러(44) 내에 남아있던 잔여 배기가스를 효과적으로 배출시킬 수 있는 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 다기통 내연기관의 흡배기장치는, 흡입행정시 실린더에 유입되는 흡기의 간섭이 해소로 흡기저항의 감소와 과급효과로 인한 엔진의 출력이 대폭 향상되는 것과, 이상연소에 의한 유해가스의 감소 및 엔진의 과열이 방지되는 것과, 엔진 열효율의 향상으로 연료비가 감소되는 효과가 있다.

그리고, 배출가스의 간섭이 해소되어 배기저항의 감소로 소음이 저하됨과 동시에 배압의 감소로 엔진의 출력이 대폭 향상되는 효과가 있다.

또한, 엔진 출력의 향상으로 인해 엔진 브레이크 성능의 향상으로 제동거리가 단축됨과 동시에 엔진의 가감속이 민감하여 타이어와 노면 사이의 접지력이 향상되며, 흡배기 간섭의 해소로 균일한 폭발력에 의해 엔진의 진동이 감소되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 서지탱크, 각각의 흡기포트와 배기포트를 구비하고 흡입밸브 또는 배기밸브가 설치된 실린더 헤드, 상기 서지탱크와 상기 실린더 헤드 또는 각 실린더 흡기포트 사이에 설치되어 상기 서지탱크 내의 흡기를 상기 각 실린더의 흡기포트로 분기공급하는 흡기 다기관을 구비하는 흡기 시스템과, 상기 각 실린더의 배기포트에 일단이 접속되고 타단은 배기 파이프에 접속되어 상기 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 조합하여 상기 배기 파이프쪽으로 보내는 배기 다기관, 상기 배기 파이프 중에 설치된 머플러를 구비하는 배기 시스템으로 구성된 다기통 내연기관의 흡배기장치에 있어서:

   상기 흡기 시스템은,

   상기 각 실린더 마다 별도로 흡입되는 흡기와 역류되는 흡기를 분리하고 상기 각 실린더의 각각의 흡기 분기다기관과 연통되도록 설치되는 복수개의 흡기 콘덴서탱크,

   상기 흡기 콘덴서탱크 상호간을 연통시키는 콘트롤 호스를 구비함에 따라, 상기 실린더 중, 어느 한 실린더의 흡입행정 종료직후 흡기포트로부터 반사 역류되는 흡기를 상기 흡기 분기다기관을 통해 상기 흡기 콘덴서 탱크에 흡입하여 일부는 저장하고, 나머지는 상기 콘트롤 호스를 통해 다음 흡기 콘덴서탱크에 저장된 흡기와 합류하여 다음 순차로 흡입행정을 수행하는 다른 한 실린더의 흡기포트에 보충 공급하도록 되고,

   상기 배기 시스템은,

   상기 배기 파이프 중의 복수개소에 상기 배기 파이프와 연통되도록 설치된 배기 콘덴서탱크를 구비함에 따라, 상기 실린더의 배기행정 종료직후 급격히 배출되는 배기가스 일부를 흡입 저장하였다가 배기행정이 완료후 배출하여 배기가스의 끊김이 없이 연속적으로 배출되도록 하며,

   상기 머플러의 전후양단에 각단이 접속된 바이패스관을 구비함에 따라, 상기 머플러를 통과하기 전의 배기가스 일부가 상기 바이패스관을 통과한 후 상기 머플러를 통과한 배기가스와 합류될 때 부압을 얻어 상기 배기가스 배출속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관의 흡배기장치.
2. 청구항 1 에 있어서,

   상기 바이패스관에 적어도 일개소 이상 제 3 콘덴서가 설치되는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관의 흡배기장치.

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