KR100475809B1 - 실린더 내 스월 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스로 구동되는 임펠러를 이용하여 실린더 내에 스월이 발생되도록 하는 실린더 내 스월 발생장치에 관한 것으로,

각각의 연소실 상부에 흡기포트와 배기포트가 형성되는 엔진에 있어서,

상기한 각각의 배기포트의 일측으로 형성되는 임펠러 장착공간과;

상기한 배기포트로 배출되는 배기가스의 배출압력에 의해서 회전되는 터빈과;

상기한 터빈으로 배기가스가 유도되도록 하기 위해 배기가스 공급유로와;

상기한 터빈과 동축으로 이루어져 흡기포트를 통해 연소실 내로 유입되는 흡입공기에 스월을 가하기 위해 상기 임펠러 장착공간에 형성되는 임펠러;가 추가로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

실린더 내 스월 발생장치{Swirl apparatus in cylinder}

본 발명은 실린더 내 스월 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스로 구동되는 임펠러를 이용하여 실린더 내에 스월이 발생되도록 하는 실린더 내 스월 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 차량의 동력을 발생시키는 중요한 부분으로, 연소실에서 발생한 에너지를 기계적 일로 바꾸는 기관이며 피스톤의 직선 운동을 회전운동으로 바꾸기 위하여 피스톤과 크랭크 축을 커넥팅 로드로 연결한 기구로 이루어졌으며, 혼합기를 흡입하고 압축한 다음 점화 연소시켜 연소가스를 배출하는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4단계를 반복하여 동력을 발생시키는 것이다.

상기와 같이 예전의 엔진들 동력을 발생시키기 위한 단순한 구조에 불과하였으나, 최근에 개발되는 엔진에서는 연소실로 유입되는 혼합기의 연소효율을 향상시켜 경제성 면에서 소비자의 선호도를 높이고 환경공해 측면에서도 유리한 엔진이 본격적으로 개발되고 있는 실정이다.

이에 부응하여 개발된 엔진으로 희박연소엔진(Lean burn engine), 가솔린 직접분사 엔진(GDI엔진:Gasoline Direct Injection) 등이 있다. 이와 같은 엔진은 일반적인 가솔린 엔진에서 사용하는 이론 공연비(대략 14.5)보다 희박한 운전을 가능하게 하며 펌프손실(Pumping loss) 등의 저감을 통해 연비 성능에서 이점이 있게 된다.

상기와 같이 희박 연소가 가능토록 하기 위해서는 분사연료를 성층화시켜주고, 연소실 내부의 스월의 세기를 조절해주어야 된다. 이와 같이 연소실 내로 유입되는 혼합기의 스월이나 텀블 유동이 강화되도록 하기 위해서 상기한 린번엔진이나 가솔린 직접분사 엔진의 흡기포트의 형상으로 헬리컬 포트, 텀블 포트, 역텀블 포트 등이 적용되고 있다.

도 5 내지 도 7은 상기한 헬리컬 포트, 텀블 포트, 역텀블 포트의 형상을 각각 도시한 것으로서, 도 5는 원주방향의 모션인 스월이 발생되도록 하기 위한 헬리컬 포트로 이루어진 엔진을 도시한 것이며, 도 6은 실린더방향으로 텀블이 발생되도록 하기 위한 헬리컬 포트로 이루어진 엔진을 도시한 것이며, 도 7은 역텀블 포트로 이루어진 엔진을 도시한 것이다.

그런데 엔진의 성능은 흡입되는 공기량에 비례하여 결정되는데, 희박연소를 위하여 상기와 같이 스월이나 텀블이 형성되도록 위해 헬리컬 포트 및 매니폴드 스로틀밸브 등과 같은 하드웨어가 추가되므로서 공기흡입에 대해 저항으로 작용되어 흡입공기가 상대적으로 부족하게 되는 것이다.

즉, 상기와 같이 희박 연소를 위하여 유동장을 강화하기 위한 흡기계를 적용하다보면 상대적으로 흡기계의 유량계수는 10 ~ 20% 정도 저하하게 된다. 이는 바로 출력 저하량으로 이어지는데 이는 스로틀 전개시 흡입공기량의 저하를 초래하기 때문이다. 이에 따라 희박 연소 엔진의 전개 성능은 기본 엔진보다 저하되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 배기가스로 구동되는 임펠러를 이용하여 실린더 내에 스월이 발생되도록 하는 실린더 내 스월 발생장치를 제공하는 데 목적이 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

각각의 연소실 상부에 흡기포트와 배기포트가 형성되는 엔진에 있어서,

상기한 각각의 배기포트의 일측으로 형성되는 임펠러 장착공간과;

상기한 배기포트로 배출되는 배기가스의 배출압력에 의해서 회전되는 터빈과;

상기한 터빈으로 배기가스가 유도되도록 하기 위해 배기가스 공급유로와;

상기한 터빈과 동축으로 이루어져 흡기포트를 통해 연소실 내로 유입되는 흡입공기에 스월을 가하기 위해 상기 임펠러 장착공간에 형성되는 임펠러;가 추가로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 연소실의 구성을 설명하기 위한 측단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 연소실의 구성을 설명하기 위한 평면구성도이며, 도 3은 본 발명에 의한 실린더 내 스월 발생장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 의해 형성되는 연소실의 형상을 개략적으로 표현한 도면이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 20은 본 발명에 의해 형성된 엔진을 지시하는 것으로서, 상기한 엔진(20)에는 4개의 실린더(21)가 형성된다.

상기한 각각의 실린더(21)의 상부에는 흡기포트(22) 및 배기포트(23)가 형성된다. 그런데 본 발명에 엔진(20)의 흡기포트(22)는 1개의 실린더(21)에 스트레이트 포트 2개가 형성되고, 배기포트(23)는 1개가 형성된다. 또한, 상기한 각각의 배기포트(23)의 일측에는 실린더(21) 내로 흡입되는 흡입공기에 스월을 가하기 위한 임펠러(32)가 장착되기 위한 임펠러 장착공간(30)이 각각 형성된다.

또한, 상기한 임펠러 장착공간(30)의 상측방향에는 배기가스의 배출압력에 의해 회전되는 터빈(31)이 형성되는데, 상기한 터빈(31)이 장착될 수 있도록 별도의 배기가스 공급유로(40)가 형성된다.

상기한 터빈(31)과 임펠러(32)는 회전축(33)으로 연결되어 배기가스의 압력에 의해 터빈(31)이 회전하게 되면 임펠러(32)가 연동하여 회전되도록 형성된다.

즉, 임펠러(32)의 전방으로 형성되는 유동은 압축 행정시 상승하는 피스톤(24)과 실린더(21)의 한 쪽 면을 타고 운동하여 혼합기가 실린더의 중앙으로 유도되도록 형성되는 것이다.

특히, 상기한 배기가스 공급유로(40)는 1번 터빈(31a)으로 2번 실린더(21b)에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 하고, 2번 터빈(31b)으로는 4번 실린더(21d)에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 하며, 3번 터빈(31c)으로는 1번 실린더(21a)에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 하며, 4번 터빈(31d)으로는 3번 실린더(21c)에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 형성된다.

상기와 같이 복잡하게 형성되는 배기가스 공급유로(40)는 별도의 아답터에 형성되어 조립될 수도 있다.

이상과 같이 형성되는 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.

엔진이 시동되면 연료 및 흡입공기는 연소실로 유입되고, 피스톤의 상승과 더불어 압축된 후 폭발하게 된다. 이렇게 연료가 연소되는 과정에서 연소가스가 발생하게 되는데, 이 연소가스는 배기포트(23)를 통해 배기계로 배출된다.

그런데 본 발명에 의한 엔진은 상기와 같이 배기계로 배출되는 배기가스가 바로 배기 매니폴드(26) 측으로 흐르지 않고 별도로 형성된 배기가스 공급유로(40)로 흐르게 된다.

따라서 배기가스 공급유로(40)로 흐르는 배기가스에 의해서 상기한 터빈(31)이 회전되고, 터빈(31)과 회전축(33)으로 연결된 임펠러(32)가 회전하게 된다.

즉, 상기한 임펠러(32)가 회전하게 되므로서 흡기 포트(22)로 유입되는 혼합기는 스월을 일으키며 유입된다. 상기한 임펠러(32)의 전방으로 형성되는 유동은 압축행정시 상승되는 피스톤과 실린더의 한 쪽 벽면을 타고 운동하여 혼합기는 실린더의 중앙(점화 플러그)부분으로 유도된다.

상기와 같이 각각의 실린더에서 4행정을 반복하는 동안 각각의 실린더는 차례로 상기와 같은 순서를 수행하게 된다.

상기와 같이 실린더(21) 내에 스월을 발생하는 장치가 형성되므로서 희박 연소 영역에서는 보다 적극적인 유동장 발생을 위한 희박 연소 한계의 확장을 통한 연비가 향상되며, 전부하시에는 희박 연소 엔진 대비 많은 공기량 확보를 통한 토크와 출력면에서의 전체적인 성능이 향상된다.

참고로, 위에 설명한 기술은 가솔린 엔진의 경우를 실시예로 설명되었으나, 이는 디젤엔진에서도 적용가능한 것임을 밝힌다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 희박 연소의 한계를 끌어올려 연비성능을 개선할 수 있으며, 기존의 희박 연소 엔진에 비하여 흡기성능이 향상되므로 전개 성능이 향상되며, 배기가스 저감 측면에서도 매우 커다란 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 연소실의 구성을 설명하기 위한 측단면도.

도 2는 본 발명에 의한 연소실의 구성을 설명하기 위한 평면구성도.

도 3은 본 발명에 의한 실린더 내 스월 발생장치의 구성도.

도 4는 본 발명에 의한 연소실의 형상을 개략적으로 표현한 도면.

도 5 내지 도 7은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20 : 엔진 21 : 실린더

22 : 흡기포트 23 : 배기포트

24 : 피스톤 25 : 실린더헤드

26 : 흡기포트 30 : 임펠러 장착공간

31 : 터빈 32 : 임펠러

33 : 회전축 40 : 배기가스 공급유로

Claims (3)

1번 실린더 내지 4번 실린더의 연소실 상부에 흡기포트와 배기포트가 형성되는 엔진에 있어서,

상기한 각각의 배기포트(23)의 일측으로 형성되는 임펠러 장착공간(30)과;

상기한 배기포트(23)로 배출되는 배기가스의 배출압력에 의해서 회전되는 터빈(31)과;

상기한 터빈(31)으로 배기가스가 유도되도록 하기 위한 배기가스 공급유로(40)와;

상기한 터빈(31)과 동축으로 이루어져 흡기포트(22)를 통해 연소실(21) 내로 유입되는 흡입공기에 스월을 가하기 위해 상기 임펠러 장착공간(30)에 형성되는 임펠러(32);가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 내 스월 발생장치.

제 1 항에 있어서,

상기한 흡기포트(22)는 2개로 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더 내 스월 발생장치.

제 1 항에 있어서,

상기한 배기가스 공급유로(40)는 1번 터빈(31a)으로 2번 실린더에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 하고, 2번 터빈(31b)으로는 4번 실린더에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 하고, 3번 터빈(31c)으로는 1번 실린더에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 하고, 4번 터빈(31d)으로는 3번 실린더에서 배출되는 배기가스가 공급되도록 형성된 것을 특징으로 하는 실린더 내 스월 발생장치.