KR100241102B1 - 2행정 내연기관 - Google Patents

Abstract

2행정 내연기관은 압축실(6) 내에서 왕복운동하는 피스톤(8), 압축실(6) 내로 고압의 소기용 공기의 공급을 가능하게 하는 흡입밸브(5), 압축실(6)과의 제한된 연통로(9)를 가진 소형외부 연소실(3), 내부 소기용 공기와의 연료 희박혼합기를 형성하기 위해서 압축실(6)내로 일부분 넘어가는 농후 연료/공기 혼합기의 연소실(3) 내로 분사를 가능하게 하는 밸브(2), 및 연소실(3) 내의 연료농후 혼합기를 점화시키기 위한 점화수단(1)으로 구성되어 있으며, 연소중의 연료는 압축실내의 작동온도가 내부질소 산화물의 형성을 억제하기에 충분히 낮은 온도로 있도록 압축실(6) 내의 연료희박 혼합기를 차례로 점화시키게 한다.

Description

[발명의 명칭]

2행정 내연기관

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단일 피스톤 2행정 내연기관의 실린더 조립체에 대한 단면도.

제2도는 본 발명의 실시예 2에 따른 대향 피스톤을 가진 2행정 내연기관의 실린더 조립체에 대한 단면도.

제3도는 제1도 및 제2도를 직각에서 본 단면도.

제4도는 제2도를 직각에서 본 또 다른 단면도.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 내연기관에 관한 것으로 더욱 상세하게는 2행정 사이클에 따라 작동하는 내연기관에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 크랭크축과 커넥팅 로드를 가진 엔진뿐만 아니라 크랭크 없는 엔진과 같은 모든 2행정 내연기관에도 적용할 수 있다.

[발명의 배경]

2행정 내연기관이 1세기 이상 알려져 왔다 하더라도 이 엔진은 아직도 상당한 결점을 가지고 있으며 제한되게 적용되어 왔다. 2 행정 내연기관은 통상 경험하는 가열문제가 있다. 더구나 이들 엔진으로 부터의 배출배기 가스는 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물과 같은 몇가지 대기 오염물질을 포함한다.

일산화 탄소는 무색, 무취, 유독성 가스이며 공기 보다 약간 가볍다. 배출배기 가스내의 이 유해가스의 존재는 연료와, 2 산화 탄소로 충분히 산화되지 않고 일산화탄소로 부분적으로 산화된 탄소의 불완전한 연소의 결과이다. 이것은 연소실내의 불충분한 산소 때문이다.

종래의 대부분의 연소실은 산소의 공급과잉 또는 통상 호칭되는 “희박혼합기”에 대해 역 반응한다.

배출 배기가스내의 탄화수소의 존재는 연료가 연소되지 않고 낭비된 것을 표시한다. 일반적으로 탄화수소의 비율은 2행정 엔진으로 부터의 배출가스내에서 높은데 이것은 특히 엔진이 소기(scavenge)되는 특징 때문이다. 대기중에서 통상 발견되는 농축된 가스상태의 탄화수소가 유독성이 아니라고 하더라도 이들 탄화수소는 광화학적 스모그를 형성하는데 있어서 탄화수소의 역할로 인하여 주된 오염물질이 된다.

질소산화물은 연료가 고온의 산소에서 연소될 때에 발생된다. 질소산화물은 스모그형성에 기여하는 광화학적 옥시던트로 호칭되는 제2오염물질의 복합변화를 형성하도록 탄화수소와 결합한다. 배출 배기가스내의 질소산화물의 존재는 종래의 모든 2행정 내연기관의 주된 문제가 되었으며, 특히 희박혼합기를 연소시킴으로서 일산화탄소를 감소시키는 노력이 이루어져 왔다. 약간의 실험장비는 희박 혼합기를 연소시키는데 성공적이었으나 연소실내의 과잉산소는 질소 산화물로 전환되며 과거에는 이 질소산화물은 고가의 촉매 컨버터를 설치함으로써 제거될 수 있을뿐이 었다.

공기 오염물질을 형성하는 질소의 산화물들 사이에는 일산화 질소(NO)와 이산화 질소(NO)가 가장 빈번하게 발생된다. 일산화질소는 고온에서 질소와 산소로부터 형성된 무색의 유독가스이다. 이 일산화질소는 내연기관의 배기가스내에서 자극성있고 유독성 있는 이산화질소로 전환된다.

질소산화물의 형성은 과잉산소, 섭씨 1650 도 이상의 연소실 온도 및 상사점에서의 피스톤의 보압기간(dwell period)의 결과로 이루어진다. 보압기간은 종래의 크랭크축 엔진에서는 감소될 수 없다. 그러나 고온 부분이 과잉산소의 위치로부터 제거되면 질소산화물의 발생은 억제된다는 것을 알게된다.

[본 발명에 대한 설명]

본 발명의 목적은 2행정 내연기관으로 부터의 유해한 배출가스를 최소화하는데 있다. 또한 본 발명의 목적은 알려진 2행정 내연기관과 통상 관련된 가열문제를 최소화하는데 있다.

본 발명은 실린더, 실린더내의 압축실, 압축실내에서 왕복운동하기에 적합하게된 적어도 하나의 피스톤, 압축실과 연통되는 적어도 하나의 흡입구, 흡입구(들) 를 통하여 압축실내로 고압의 소기용 공기를 공급하는 수단, 압축실로 부터 소기용 공기와 연소 생성물질을 배출시키기 위한 적어도 하나의 배기구, 압축실과 제한된 연통을 하는 소형 외부연소실, 내부의 소기용 공기와의 연료 희박 혼합기를 형성하도록 압축실내로 일부분 넘어가는 농후 연료/공기 혼합기를 연소실내로 분사하는 수단, 및 내부의 연료농후 혼합기를 점화시키도록 연소실내에 장착되어 압축실내의 연료 희박 혼합기를 점화시키도록 차례로 연료를 연소시키게 하는 점화수단을 가진 2행정 내연기관을 제안하며, 이 배열은 작동중 압축실내의 온도가 내부의 질소산화물의 형성을 억제하기에 충분히 낮은 온도로 있도록 되어 있다.

억제되어 있는 것은 질소산화물의 형성뿐만 아니라, 압축실내에는 다량의 산소로 인한 연료의 실질적인 완전연소가 있게되어 따라서 일산화탄소와 탄화수소의 배출을 최소화하게 한다. 압축실을 통과하는 다량의 소기용 공기는 실린더를 효과적으로 청소하고 냉각시키기에 충분하다. 소형 연소실내의 연료농후 혼합기와 연소실내의 연료 희박 혼합기 사이의 연료의 구분으로 인하여 현저한 연료경제성이 본 발명의 2 행정 내연기관을 특징지우게 한다.

본 발명은 본 발명의 2개의 실시예를 예시하는 첨부도면을 참조로하여 설명되어 있다.

[실시예의 상세한 설명]

제1도에 예시된 것은 실린더(4) 내에서 왕복운동하기에 적합하게 되어 있는 단일 피스톤(8)을 가진 2행정 내연기관의 실린더 조립체이다. 피스톤(8)은 종래의 커넥팅 로드와 크랭크축에 연결되어 있다(도시되지 않음). 실린더(4)는 주압축실(6)에 추가하여 소형 외부 연소실(3)과 함께 형성되어 있다.

연소실(3)은 압축실(6)로부터 이격되어 있으나 좁은 통로(9)를 따라서 제한된 연통을 하게 되어 있다. 제3도에 도시된 바와같이 통로(9)는 통로가 실질적인 접선방향으로 압축실(6) 내에 들어가도록 오프셋 되어 있다.

점화 플러그(1)는 내부의 연료/공기 혼합기의 점화를 위해서 외부연소실(3) 상에 장착되어 있다. 연료/공기 혼합기는 포핏밸브(2)에 의해서 제어된 흡입구를 통하여 연소실(3) 내로 분사된다. 공기는 블로워에 의해서 공급된다(도시되지 않음).

고압의 소기용 공기의 분사된 공기는 포핏밸브(5)에 의해서 제어된 흡입구를 통하여 압축실(6) 내로 밀려들어 간다. 연소 생성물질과 함께 소기용 공기는 하나 또는 그 이상의 배기구(7)를 경유하여 압축실(6) 밖으로 나간다. 배기구(7)의 개폐는 피스톤이 실린더(4) 내에서 왕복운동을 함에 따라 피스톤(8)에 의해서 실행된다.

다량의 고압 소기용 공기를 공급하기 위해서 블로워(도시되지 않음)가 구비되어 있다. 이 동일 블로워는 연료 혼합기용 공기뿐만 아니라 소기용 공기를 공급하기 위해서 사용될 수 있으며, 원한다면 과급용으로도 사용될 수 있다.

블로워는 엔진에 의해서 구동될 수도 있으며, 원한다면 터어보 배기 보조식 엔진에 구동될 수도 있다. 다량의 고압공기를 충진하는 공급량은 실린더를 청소할뿐만 아니라 냉각시키기 위한 소기용 공기의 적절한 처리량을 보장한다. 효과적인 냉각은 소기용 공기가 압축실(6)의 내벽아래로 실질적인 나선형 경로에서 고속으로 이동한다는 사실에 일부분 기인한다. 압축실(6) 내에서의 소기용 공기의 와류형 이동은 소기용 공기의 흡입구에 대한 적합한 설계에 의해서 발생된다. 포트가 포핏밸브(5)에 의해서 제어되어 있는 곳에, 소기용 공기가 압축실(6) 내로 들어감에 따라 소기용 공기를 적절히 편향되게 하기 위해서 핀(도시되지 않음)과 같은 수단이 구비되어 있다.

공기/연료 혼합기용 흡입구는 다른 포트에 비해서 비교적 작다. 바람직하게는, 소기용 공기를 위한 흡입구와 배기구(7)는 같은 크기의 종래의 엔진에 사용된 흡입구와 배기구보다 크다. 더 큰 공기 흡입구와 배기구는 소기용 공기의 적절한 처리량의 공급을 촉진한다.

엔진은 완전한 2행정 사이클을 통하여 다음 방식으로 작동된다. 이 사이클이 하사점에서 피스톤(8)과 함께 작동개시하고 실린더(4) 내제서 상승하기 시작한다고 가정한다. 포핏밸브(5)는 폐쇠되어 소기용공기의 진입을 차단한다. 압축실(6)은 실질적으로 깨끗한 공기로 채워질 것이다. 포핏밸브(2)는 개방되거나 또는 개방되려고 할 것이다. 소기중 어떤 연료도 대기로 방출되지 않게 하기 위해서 포핏밸브(2)는 피스톤(8)이 배기구(7)를 폐쇄시켰거나 또는 거의 폐쇄시킬때까지는 개방되지 않을 것이다.

포핏 밸브(2)가 개방될때 약간 농후한 혼합기는 외부 연소실(3) 내로 분사된다. 연료/공기 장입의 일부분은 외부 연소실(3) 로부터 통로(9)를 따라 압축실(6) 내로 계속 진행된다. 제3도에 도시된 바와같이 통로(9)의 실질적인 접선 배치는 장입물이 내부공기의 와류형 이동과 동일한 방향으로 압축실(6) 내로 들어가서 그에 따라 분산되도록 배열되어 있다. 압축실(6) 내로 들어가게 된 장입물의 양은 엔진이 분산되도록 배열되어 있다. 압축실(6) 내로 들어가게 된 장입물의 양은 엔진이 작동중 요구되는 출력과 회전수에 좌우된다. 그러나 배기구(7)는 피스톤(8)이 상승함에 따라 연료 혼합기가 압축실(6) 내의 그 지점까지 하강할 수 있기 전에 폐쇄된다. 어느 경우에도 압축실(6) 내로 연료를 주입시키기 위한 유일한 목적이 희박 혼합기를 제공하기 위해서 잔여소기용 공기와 희석되게 하는 것이므로 연료 혼합기가 대략 절반지점보다 더 하강되게 하는 것은 필요없다. 압축실(6) 내의 과잉산소와의 희박 혼합기는 모든 연료의 완전한 연소를 촉진시킨다. 과급이 요구되면 포핏밸브(2)는 피스톤(8)이 배기구(7)를 완전히 차단할때까지 개방되 있어야 한다.

포핏 밸브(2)가 폐쇠후 피스톤(8)은 실린더(4) 내에서 압축행정으로 상승을 계속한다. 실린더(4) 내의 공기는 압축실(6), 통로(9) 및 연소실(3) 내에서 압축된다. 그러나 통로의 치수는, 점화플러그(1)에 인접한 연료/공기 혼합기가 스파크에 의해서 점화되어 결국 폭발하여 통로(9)를 따라서 압축실(6) 내로 연소중의 연료를 밀어넣기 위해서 충분히 농후한 상태로 있게 되는 크기이다. 소기용 공기와 혼합하여 희박해진 잔여 장입물은 더 농후한 장입물의 연소에 의해서 점화되어 이상폭발없이 연소된다. 연소중의 연료가 내부공기의 와류형 이동과 동일한 방향으로 압축실(6) 내로 밀려들어감에 따라 공기의 이동속도는 증가되어 연소는 촉진된다.

연소실(3)과 압축실(6)의 관계는 현저한 온도차이를 가진 2개의 독립부분의 결과로 된다.

첫째로 고온부분이 연소실(3) 내의 폭발중심 근처에서 발생된다. 둘째로 압축실(6)내에는 현저하게 저온도인 부분이 있다. 결국 연소실(3) 내에는 고온부분의 유효한 격리와 압축실(6) 내에는 더 희박한 혼합기의 과잉산소의 유효한 격리가 있다.

과잉산소의 온도는 질소산화물의 형성을 억제하기에 충분한 저온도이다.

더구나 과잉산소로 인하여 실질적인 완전연소는 달성되어 배출 배기가스로 부터의 일산화탄소와 탄화수소는 없어진다. 또 다른 결과는 실린더(4) 내의 피스톤(8)의 왕복운동이 비교적 냉각된 작동이어서 엔진은 2행정 엔진과 통상 관련된 전통적인 가열문제를 피하게하는 것이다.

피스톤(8)이 배기구(7)를 노출시킴에 따라 출력행정은 배출이 이루어진 뒤에 계속 된다. 포핏밸브(5)는 개방되며 소기용 공기는 깨끗한 공기로 압축실을 충분히 정화하고 실린더(4)를 냉각시키기 위해서 압축실(6) 내로 밀려 들어간다.

제2도에 예시된 실린더 배열은 수평으로 대향한 피스톤과 함께 사용하기 위한 것이다.

이 도면에 사용된 참조숫자와 작동원리는 제1도의 포핏밸브(5)가 왕복운동하는 피스톤(8) 중의 하나에 의해서 개폐되는 개방 포트(15)에 의해서 대체되는 것을 제외하고는 제1도와 동일하다. 포트(15)는 포트(15)가 배출되기 직전에 배기구(7)가 개방되도록 실린더(4) 내에 배열되어 있다. 제4도에 도시된 바와같이 소기용 공기 흡입구(15)는 공기가 내부 소기용 공기의 와류형 이동을 발생시키기 위해서 실질적으로 접선방향으로 압축실(6) 내로 들어가도록 각도가 이루어져 있다.

이 엔진의 장점은 배기구(7)가 실린더(4)의 주위 위치의 제한을 받지 않을 수 있는 것이다. 이것은 이송 포트가 없기 때문이며, 이송 포트는 종래의 대부분의 2행정 엔진의 배기구에 필요하나 본 설계에서는 필요하지 않다. 이것은 보다 더 능률적인 공기호흡을 하게 된다.

본 시스템은, 윤활유가 연료내에서 필요하지 않기 때문에 종래의 2행정 엔진이 습식 기름통 윤활에 의해서 작동되게 한다. 이것은 엔진의 크기가 4행정 엔진과 겨루도록 한다.

설명된 2행정 엔진은 석유, 가스 및 경유와 같은 광범위하게 유효한 연료중 어느 하나를 사용하기에도 적합하게 될 수 있으며 특수첨가제가 요구되지 않는다.

제1도를 참조로하여 설명된 실시예는 배기구(7)와 흡입밸브(5)가 상호교체되어 따라서 소기용 공기의 흐름 패턴을 역으로 하는 역할을 가질 수도 있다.

이 배열은 모든 잔류 배기가스와 팽창 행정중 피스톤(8)을 통하여 방출될 수도 있는 모든 가스를 연소실(3) 내로 복귀시키는 장점을 가지고 있다.

또 다른 변경에서 제1도 및 제2도의 실시예는 연소실(3) 내로의 소기용 공기의 유입을 허용하기 위해서 포핏밸브에 의해서 제어된 추가 흡입구로 구비될 수도 있다. 이것은 연소실(3)과 통로(9)가 소기되도록 한다. 이 배열은 더 큰 엔진에 적합할 것이다.

그 이상의 변경에서, 연소실내의 추가 포트는 배기구로서의 역할을 할 수도 있다. 따라서 팽창중 피스톤(들)(8)을 통해서 배출되는 모든 가스는 연소실(3)로 복귀될 것이다. 더우기 모든 미연소 탄화수소는 고온의 연소실(3)을 통과하는 동안 산화될 것이다.

그 이상의 변경에서, 압축실(6)은 압축실(6) 내의 그밖의 포트와, 구비되었다면 연소실(3) 내의 추가 포트가 소기용 공기를 위한 흡입구로서의 역할을 하기 위해서 배열되도록 포핏밸브에 의해서 제어된 큰 배기구로 구비될 수도 있다.

설명된 어떤 실시예에 있어서도, 하나 이상의 외부 연소실(3)은 특히 대형 엔진의 경우에 구비될 수도 있다. 각각이 통로(9)를 가진 연소실(3)은 압축실(6) 주위에 이격될 수도 있다. 더우기 엔진은 하나 이상의 실린더(4)를 가질 수도 있다.

앞에서 설명한 바와같이, 제3도에 도시된 바와같은 통로(9)의 실질적인 접선배치는 연료장입물이 내부공기의 와류형 이동과 동일방향으로 압축실(6) 내로 들어가서 그에 따라 분산되도록 배열되어 있다. 이것이 일반적인 경우일 것이다. 그러나 어떤 능력의 엔진에 있어서는, 연료 장입물이 공기의 과다한 와류형 이동을 감쇠시키기 위해서 와류방향에 대향하여 압축실(6) 내로 들어가게 하는 것이 필요할 것이다. 이 경우에도 연료 장입물의 효과적인 분산은 여전히 있을 것이다.

설명된 그밖의 세부변경은 당해업자에게 쉽사리 명백해질 것이며 많은 변경이 여기에 설명된 발명의 광범한 개념으로 부터 이탈되지 않고 이루어질 수도 있다. 예컨대, 실린더의 외부표면은 냉각을 돕기 위해서 방열식 핀으로 구비될 수도 있다.

Claims (11)

1. 2행정 내연기관에 있어서, 실린더, 실린더내의 압축실, 압축실내에서 왕복운동하기에 적합하게된 적어도 하나의 피스톤, 압축실과 연통되는 적어도 하나의 흡입구, 흡입구(들)를 통해서 압축실내로 고압의 소기용 공기를 공급하기 위한 수단, 압축실로부터 소기용 공기를 공급하기 위한 수단, 압축실로 부터 소기용 공기와 연소생성물의 방출을 위한 적어도 하나의 배기구, 압축실과의 제한된 연통을 하는 소형외부 연소실, 내부 소기용 공기와의 연료희박 혼합기를 형성하기 위해서 압축실내로 일부분 넘어가는 농후 연료/공기 혼합기를 연소실내로 분사하기 위한 수단, 및 내부연료 농후 혼합기를 점화시키기 위해서 연소실내에 장착된 점화수단으로 구성되어 있으며 연소중의 연료가 압축실내의 연료 희박 혼합기를 차례로 점화시키게하고, 작동중 압축실내의 온도가 내부 질소산화물의 형성을 억제하기에 충분히 낮은 온도로 있도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
2. 제1항에 있어서, 공기 흡입구는 압축실내에서 소기용 공기의 와류형 이동을 일으키도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
3. 제2항에 있어서, 공기 흡입구는 와류형 이동을 일으키도록 흡입되는 소기용 공기를 편향되게 하기 위해서 핀으로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
4. 제2항에 있어서, 공기 흡입구는 공기가 와류형 이동을 발생시키도록 거의 접선방향으로 압축실내로 들어가도록 각도가 이루어져서 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
5. 제1항에 있어서, 좁은 통로는 연소실과 압축실 사이에 제한된 연통을 제공하는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
6. 제5항에 있어서, 통로는 통로가 거의 접선방향으로 압축실내로 들어가도록 오프셋 되어 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
7. 제1항에 있어서, 통로는 연료가 내부공기의 와류형 이동과 동일한 방향으로 압축실내로 들어가도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
8. 제1항에 있어서, 연소실의 소기를 가능하게 하도록 연소실내에 추가 포트를 설치하고 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
9. 제1항에 있어서, 외부 블로워는 압축실내로 고압의 소기용 공기를 공급하기 위해서 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
10. 제9항에 있어서, 이 블로워는 연소실내로 분산되어야 할 연료 혼합기용 공기를 또한 공급하는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.
11. 제1항에 있어서, 압축실 주위에 이격되어 함께 연통상태에 있는 복수의 외부 연소실을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 2행정 내연기관.