KR100305426B1

KR100305426B1 - 터어보컴파운드환상실린더엔진

Info

Publication number: KR100305426B1
Application number: KR1019940010213A
Authority: KR
Inventors: 변상복
Original assignee: 변상복
Priority date: 1994-05-10
Filing date: 1994-05-10
Publication date: 2001-11-30
Also published as: KR950033007A

Abstract

본 발명은 환상의 실린더(ANNULAR CYLINDER) 내에 수용한 호형피스톤(ARC PISTON)에 의하여 압축된 공기내에 연료를 분사하여 연소팽창케 하는 2사이클 엔진의 체적형 "압력에너지 사이클"과 환상실린더 중심의 큰 중공부에 "콤팩트"하게 수장한 통상의 "래디얼 가스터어빈"의 "속도에너지 사이클"을 합성한 것으로 전체열요율 및 출력이 대폭 향상되어서 연료비를 크게 낮추고, 배기가스도 깨끗하게 한 경량의 호형피스톤 엔진과 가스터어빈의 "하이브리드(HYBRID) 시스템(SYSTEM)"이다.

종래의 "피스톤엔진"(PISTON ENGINE)은 부피, 무게가 큰데다 고속성이 낮고 부피, 무게의 대형화가 불가피하여 발전기 또는 대형선박등에 흔히 쓰이고 있을 뿐 자동차, 오토바이, 소선박, 농기구 등 비교적 소마력용은 실용화 되지 못하는 현실이다.

본 발명은 소경체(小輕體)로서 전체 열효율을 50∼60% 정도로 높이고, CO, HC 등 유해물질 및 소음도 대폭 감소케 한 것으로서 특히 "연소가스"의 기밀, 윤활, 냉각성을 확보하였기 때문에 내구성, 안전성이 높고, 정미마력당 중량이 적고, 구조가 간단하여 연료 및 "엔진" 원가가 크게 절감되는 잇점이 있다.

Description

터어보 컴파운드 환상실린더 엔진

제1도는 본 발명에 따른 환상실린더형의 2사이클 엔진을 도시한 평면도.

제2도는 제1도의 A-A선을 취한 단면도.

제3도는 제2도의 작동상태를 도시한 단면도.

제4도는 제1도의 B-B선을 취한 일부확대 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 :환상실린더 1' : 플랜지

2 : 소기공(Scavenging port) 2' : 밸브

3 : 격벽 4 : 가스연소실

5 : 공기흡입/압축실 6 : 윤활유통로

6' : 윤활유회수공 7 : 호형피스톤(Arc Piston)

8 : 안내공 9 : 고정핀

10 : 출력축 11 : 플라이휘일

12 : 고정핀 13 : 커넥팅로드

14 : 주동휘일 15 : 래디얼가스터어빈

16 : 배기구 17 : 가스터어빈축

18 : 드라이빙기어 19 : 클러치

20 : 스프링 21 : 종동휘일

22 : 오버 런닝 클러치 23 : 연료분사펌프

24 : 점화플러그 25 : 공기흡입밸브

26 : 임펠러 27 : 오일링

28 : 실린더의 윤활유공 29 : 물재킷(Water Jacket)

30 : 동력전달치차

본 발명은 터어보 컴파운드 환상실린더 엔진에 관한 것으로, 특히 환상실린더내에 공기와 연료를 흡입하고 혼합가스를 호형(원호형)의 피스톤으로 압축한 후, 점화하여 호형피스톤이 환상실린더내에서 곡선 왕복운동을 하고 이를 회전운동으로 바꾸기 위해, 호형피스톤 중간측벽의 고정핀에 커넥팅로드의 일단을 연결하고 타단은 플라이 휘일의 고정핀에 연결하여 동력을 얻을 수 있는 터어보 컴파운드 환상실린더 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 피스톤 엔진은 마력당 부피, 무게가 큰 데다, 엔진의 높이가 높고, 배기손실이 커서 열효율이 낮을 뿐만아니라 엔진높이를 무리하게 낮게 설계하면 피스톤의 유효행정이 짧아져서 불완전 연소로 인한 배기도 깨끗하지 못한 문제점을 지니고 있다.

본 발명은 상술한 바와같은 종래의 피스톤엔진의 모든 문제점을 해결 할 목적으로 창안한 것으로서 환상 실린더내에 공기와 연료를 흡입하고 고압의 연소가스가 호형피스톤으로 압축한 후, 점화하여 연소시켜 폭발한 고온고압의 연소가스가 호형피스톤의 헤드에 작용하여 호형피스톤이 환상실린더내에서 곡선 왕복운동을 하고 이를 회전운동으로 바꾸기 위해, 호형피스톤 중간측벽의 고정핀에 커넥팅로드의 일단을 연결하고 타단은 플라이휘일의 고정핀에 연결하여 동력을 얻을수 있는 터어보 컴파운드 환상실린더 엔진을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 환상실린더내에 공기와 연료를 흡입하고 흡입가스를 호형의 피스톤으로 압축한 후, 점화하여 연소시켜 폭발한 고온 고압의 연소가스가 호형피스톤의 헤드에 작용하여 호형피스톤이 환상실린더내에서 곡선왕복운동을 하고 이를 회전운동으로 바꾸기 위해, 호형피스톤 중간측벽의 고정핀에 커넥팅로드의 일단을 연결하고 타단은 플라이휘일의 고정핀에 연결하여 실린더내에서 발생된 열에너지가 기계적 에너지로 바뀌게 되는데, 호형피스톤이 주기적인 운동으로 일을 계속하기 위해, 플라이휘일축에 의해 구동되는 밸브장치를 이용하여 흡입, 배기구를 알맞는 시기에 개폐케하여 호형피스톤이 2행정을 하여 1사이클을 완성하게 되며 환상실린더의 비교적 큰 중공부에는 통상의 래디얼 가스터어빈을 콤팩트하게 내장하여 가스터어빈의 속도에너지 사이클과 2사이클 엔진의 체적형 압력에너지 사이클을 결합하여 하이브리드 엔진(Hybrid Engine)을 구성케 함으로서, 종래의 피스톤엔진보다 열효율이 대폭 향상되고, 실린더도 환상으로 형성하였기 때문에 호형피스톤의 유효행정이 길어져서 많은 공기흡입에 따른 완전연소 촉진이 가능하여 배기가 청정해지고, 큰 출력으로 마력당 중량 및 부피가 작아지고, 엔진의 높이도 낮아져서 시야가 넓어질 뿐만 아니라 윤활, 연비, 내구성, 안전성등 내연기관으로서의 조건을 모두 구비한 것이 특징이다.

이하에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 환상실린더형의 2사이클 엔진을 도시한 평면도이고, 제2도는 제1도의 A-A선을 취한 단면도이고, 제3도는 제2도의 작동상태를 나타낸 단면도로서, 환상실린더(1)는 분할형으로된 플랜지(1')를 볼트로 체결하고 실린더(1)상방에 소기공(2)의 밸브(2')가 장착된 격벽(3)을 고정하고, 이 격벽(3)의 좌측에는 가스연소실(4)을, 우측에는 공기흡입/압축실(5)을 구분 형성하고 환상실린더(1)내에 삽입된 호형피스톤(7)에는 윤활유통로(6)와 윤활유 회수공(6')이 천설되고, 호형피스톤(7)을 곡선왕복운동시키기 위해 그 중간측벽에 고정된 고정핀(9)을 실린더(1) 측벽에 천설된 원호형 안내공(8)에서 슬라이딩하도록 통과시켜, 외부의 커넥팅 로드(13) 일단에 구착시키고 타단에는 환상실린더(1) 우측의 브래킷에 지지된 출력축(10)단의 플라이휘일(11) 주변에 박힌 고정핀(12)이 구착되고 호형피스톤(7)이 들어있는 환상실린더(1) 중심의 큰 중공부에는 통상의 래디얼 가스터어빈(15)을 콤팩트하게 내장하여 제4도의 단면도와 같이 실린더(1)의 플랜지(1')에 체결볼트로 고정하고 환상실린더(1)내의 호형피스톤(7)의 하사점 부위에는 가스터어빈(15)의 임펠러(26)에 연통되는 배기구(16)가 형성되고 가스터어빈(15)축 (17)단의 드라이빙기어(18) 측벽의 클러치(19)에는 스프링 (20)의 추력을 받으면서 축(17)에서 공전하는 종동휘일 (21) 측벽의 오버런닝 클러치(Over Running Clutch)(22)가 맞물리고 가스연소실(4)에는 연료분사펌프(23)와 점화플러그(24)를 장착하고 우측의 공기흡입/압축실(5)내벽에는 공기흡입 밸브(25)를 장착하여 구성된 것이다. 이상과 같이 구성된 2사이클 엔진의 작용 효과를 제1도, 제2도 및 제3도에 따라 설명하면, 제2도에 도시한 바와같이 곡선 왕복운동을 하는 호형피스톤(7)의 좌측헤드가 공기 압축행정을 시작하면 우측헤드는 공기흡입 행정을 한다. 따라서 공기 흡입밸브(25)는 자동으로 열리고 격벽(3)에 천설된 소기공(2)의 밸브(2')는 닫힌다. 호형피스톤(7)이 연소실(4)의 상사점까지 공기를 압축하면 연료분사펌프(23) 및 점화플러그(24)가 작동하여 경유 등 비교적 저질유를 폭발연소하고 발생된 고온.고압의 연소가스가 호형피스톤(7)헤드에 작용하여 동력행정을 한다. 이와같이 동력행정을 하는 호형피스톤(7)헤드가 연소실(4) 하사점에 도달하면 배기구(16)가 열리고 700내지 800°C 정도의 배기가 종래 엔진의 배기 매니포올드와 같은 긴 냉각과정을 거치지 않고 배기구(16)에서 직접 래디얼 가스 터어빈(15)의 임펠러(26)측으로 분출하므로 배기 에너지 회수효율이 높다. 따라서 그 속도 에너지에 의하여 가스터어빈(15) 축(17)을 화살표 방향으로 고속회전케 한다. 이와같이 엔진이 계속 가동될 때 배기의 맥동에너지를 터어빈(15)으로 유도하여 블로우다운(blown down)구동방식으로 임펠러(16)를 돌려서 종래의 배기손실을 감소케하므로 전체적으로 본 발명 엔진의 열효율이 대폭향상 되는 효과가 있다. 배기가 배기구(16)로 배출되는 순간은 연소실(4)내의 압력이 급속히 떨어지기 시작하므로 공기흡입/압축실(5)내의 압축공기와 연소실(4)내 가스의 압력차로 격벽(3)의 소기공(2) 밸브(2')가 열리고, 압축공기가 연소실(4)내로 급속히 분출하여 배기구(16)로 나가는 배기를 소기(scavenging)하고 실린더(1)내에 신선한 공기만 남긴다. 호형피스톤(7)의 중간측벽에 고정된 고정핀(9)은 실린더(1) 측벽에 절개된 호형(Arc)의 안내공(8)을 가이드로 슬라이딩 하도록 외부로 관통하고 이 끝에 구착된 커넥팅로드(13)의 타단에는 플라이 휘일(11) 주변에 고정된 고정핀(12)이 구착되어서 환상실린더(1)내의 호형피스톤(7)의 곡선왕복 운동을 출력축(10)의 회전운동으로 전환한다. 따라서, 기존의 피스톤 엔진 구성에 필요한 크행크 샤프트는 생략된다. 호형피스톤(7)이 좌측의 가스연소실(4)에서 압축행정을 할 때 우측의 공기흡입/압축실95)에서는 공기 흡입밸브(25)가 자동으로 열림과 동시에 공기흡입 행정을 한다. 한편 호형피스톤(7)엔진과 래디얼 가스터어빈(15)과의 더블 동력을 종합하기 위하여 제1도와 같이 플라이 휘일(11) 축(10)단에 주동휘일(14)을 고정하고 가스터어빈(15) 축(17)단에는 클러치(19)와 동일체로 주조된 드라이빙 기어(18)를 고정하고 그 클러치에는 스프링(20)의 측압을 받으면서 공전하는 종동휘일(21) 측벽의 오버 런닝 클러치(22)가 맞물려서, 주동휘일(14)의 동력이 V벨트에 의하여 드라이빙 기어(18)에 추가로 전달되므로 가스터어빈(15)의 동력이 대폭 증대되는 효과가 있다.

상술과 같이 본 발명은 호형피스톤(7)엔진과 가스터어빈(15) 엔진의 각 사이클을 콤팩트하게 합성하여 하이브리드 엔진을 구성하였기 때문에, 전체 열효율이 50 내지 60% 정도로 높아져서 기존피스톤 엔진(열효율 30 내지 40%정도)보다 성능이 탁월하다. 이는 배기를 소기하는 공기의 흐름이 배기의 배출방향과 같게 연속적으로 흐르기 때문에 신선한 공기와 배기가 섞이지 않기 때문이다. 우측의 공기흡입/압축실(5) 내에서는 호형피스톤(7)의 행정이 비교적 긴데다. 압축공기의 저항력을 받으면서 호형피스톤(7)이 환상실린더(1) 내의 연소실(4) 상사점에서 하강하기 때문에 가스 연소에 필요한 시간이 충분하다. 공기흡입/압축실(5)에서는 호형피스톤(7)행정이 길어서 다량의 공기가 흡입되고, 호형피스톤(7)의 우측헤드에 의하여 압축된 공기는 소기공(2)을 거쳐 좌측의 연소실(4)내에 강력히 압입되므로 배기가스 배출이 원활하고 공기충전률이 높아지며 가스 연소효율이 극대화 되므로 Co, Hc등 유해성분의 배출이 크게 감소하는 효과가 있다. 가스터어빈(15) 축(17)에 통상의 과급기(Super charger)를 연결하면 공기흡입밸브(25)공에 공기가 밀도높게 공급되므로 공기충전 효율이 더욱 높아져서 엔진 출력이 대폭 향상된다. 윤활유는 연료분사시 윤활유 비율을 15내지 20:1정도로 혼합급유 방식으로 하되 호형피스톤(7)의 오일링(27)으로 회수된 윤활유는 피스톤 중심선상의 윤활유통로(6)로 흐르고, 윤활유 회수공(6')과 환상실린더(1)에 천설된 윤활유공(28)을 거쳐 통상의 오일섬프(oil sump)로 떨어진다.

이상 설명은 2행정 사이클 엔진을 설명한 것으로서 흡기행정과 압축행정, 동력행정과 배기행정이 각각 결합되어 피스톤의 2행정(플라이휘일축은 1회전)으로 1사이클을 완성한다.

본 발명을 실시함에 있어 본 발명의 가스터어빈(15) 축(17) 또는 출력축(10)에 발전기를 연결하고, 발생하는 전기 에너지를 배터리에 충전하고 전동기만으로 차량을 운전하면 감속기 및 클러치 등이 생략되고, 차량 전체로서의 에너지 효율이 높아진다. 본 발명 엔진을 최초로 운전할 때는 종전과 같이 스타팅 모터로 링기어가 달린 플라이 휘일을 회전시키면, 커넥팅로드(13)와 호형피스톤(7)에 관련된 고정핀(9)이 실린더(1)축 벽에 마련한 호형의 안내공(8)에서 슬라이딩하면서 곡선 왕복운동을 반복하므로 용이하게 시동이 걸린다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 터어보 컴파운드 환상실린더 엔진은 마력당 부피 및 무게가 작고, 성능이 우수하며, 엔진의 높이가 낮고, 배기손실이 거의 없으며, 열효율이 높고, 완전연소에 의한 유해한 배기가스의 배출이 대폭 감소되는 효과가 있다.

Claims

연료분사 펌프, 점화플러그, 래디얼 가스 터어빈을 구비한 터어보 컴파운드 환상실린더형의 2행정 사이클 엔진에 있어서, 분할형으로 조립케된 환상실린더(1) 상방에 소기공(2) 밸브(2')가 정착된 격벽(3)을 고정하고, 이 격벽(3)의 좌측에는 가스연소실(4)을, 우측에는 공기흡입/압축실(5)을 구분형성하고, 환상실린더(1)내에 삽입된 호형피스톤(7)에는 중심선상에 윤활유 통로(6)와 윤활유 회수공(6')이 쳔설되어 있고, 호형피스톤(7)의 중간측벽에 고정된 고정핀(9)을 환상실린더(1) 측벽에 천설된 원호형 안내공(8)에서 슬라이딩 하도록 통과시켜, 외부의 커넥팅로드(13) 일단에 구착시키고, 타단에는 환상실린더(1) 우측의 브래킷에 지지된 출력축(10)단의 플라이 휘일(11) 주변에 고정된 고정핀(12)이 구착되고, 환상실린더(1) 중심의 큰 중공부에는 통상의 래디얼 가스 터어빈(15)을 콤팩트하게 내장하고, 환상실린더(1)내의 호형피스톤(7)의 하사점 부위에는 가스터어빈(15)의 임펠러(26)와 연통하는 배기구(16)가 형성되고, 출력축(10)단에 주동 휘일(14)을 고정하고 가스터어빈(15) 축(17)단의 드라이빙기어(18) 측벽의 클러치(19)에는 스프링(20)의 추력을 받으면서 축(17)에서 공전하는 종동 휘일(21)측벽의 오버 런닝 클러치(22)가 맞물리고 가스 연소실(4)에는 연료분사펌프(23) 및 점화플러그(24)를 장착하고 우측의 공기 흡입/압축실(5) 측벽에는 공기 흡입 밸브(25)를 장착한 것을 특징으로 하는 터어보 컴파운더 환상실린더 엔진.