KR100812558B1 - 등차 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 등차 엔진에 관한 것으로, 연료 공급 장치를 갖는 제1실린더; 상기 제1실린더 내부에서 기밀을 유지한 채 연료의 연소 폭발력에 의하여 왕복하면서 회전축 에 회전력을 제공하는 제1피스톤; 상기 제1실린더에 개폐가능한 배기가스 이송채널에 의하여 연결되고, 상기 제1실린더에 대하여 비교광구경(比較廣口徑)의 내경을 가지며, 연료 공급 장치가 없는 제2실린더; 및 상기 제1피스톤보다 배기가스 접촉면적이 크도록 비교광구경의 외경을 가지며, 제2실린더 내부에서 기밀을 유지한 채 왕복할 수 있게 마련되고, 상기 배기가스 이송채널이 열렸을 때 상기 제1피스톤의 배기가스접촉면적보다 더 큰 배기가스접촉면적에 의하여 제1피스톤 보다 더 큰 배기가스 압력이 작용함에 의하여 동력을 얻는 제2피스톤; 및 상기 제1실린더에서 상기 제2실린더로 배기가 진행 중일 때 압축공기를 상기 제1실린더에 투입하여 제1실린더 내의 배기가스를 제2실린더 측으로 밀어내면서 제1실린더 내에 새로운 압축공기를 제공하는 공기압축기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하며, 본 발명에 의하면, 실린더 내에서 연료 연소시 발생하는 고압의 연소 가스 압력을 외부로 배출하여 낭비함 없이 모두 회전력으로 전환한 후 배기가스의 압력을 대기압과 동등한 수준으로 낮춰 배출할 수 있 수 있게 되므로 엔진의 연료 효율을 높이고 엔진의 소음 및 진동을 줄일 수 있는 장점이 있다.

엔진, 압력, 피스톤, 직경

Description

등차 엔진{ENGINE APPLYING EQUAL PRESSURE ON PISTONS OF DIFFERENT CROSS SECTION}

도 1은 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1실린더에서 연료가 점화되는 단계를 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1피스톤이 하사점까지 팽창한 상태를 도시한 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1피스톤이 하사점에 도달한 후 제1실린더 및 제2실린더가 서로 연통된 상태를 도시한 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1실린더로 부터 제2실린더로 배기가스가 이동함과 동시에 공기압축기의 공기가 제1실린더에 투입되는 단계를 도시한 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 공기압축기 101 : 흡기구

103 : 공기 투입채널 105 : 인젝터

107 : 배기가스 이송채널 109 : 회전축

111 : 배기가스 배출채널 C1, C2 : 실린더

P1, P2 : 피스톤 V1, V2, V3 : 밸브

본 발명은 연료를 연소하여 회전력을 얻는 엔진에 관한 것으로, 더 상세하게는 실린더 내에서 연료 연소시 발생하는 고압의 연소 가스 압력을 모두 회전력으로 전환한 후 대기압 수준의 배기 가스를 배출할 수 있는 등차 엔진에 관한 것이다.

디젤기관, 가솔린 기관 등 용적형 내연 기관은 실린더 내에서 연료를 연소 폭발시킬 때마다 발생하는 연소가스압 및 열 가운데 연소가스압을 회전력을 얻는 데 1회적으로 사용하고, 잔여 연소가스압과 열을 외부로 배출한다. 즉, 실린더 내에서 연료의 연소로 발생한 폭발력은 그 일부만이 회전력 발생(동력행정)에 사용되고 나머지는 모두 배출가스와 함께 외부로 버려지는 것이다. 이 때 버려지는 배기가스는 매우 큰 잔여 압력을 가지므로, 배출과정에서 소음과 진동을 발생시킨다. 따라서, 기존의 용적형 내연 기관은 머플러 등의 소음제거 장치를 별도로 마련하여야 할 뿐만 아니라, 고압의 배기가스에 의한 진동을 줄일 수 있는 구조를 가져야 한다.

상술한 종래 내연 기관이 고압의 배기가스를 배출함으로써 발생하는 에너지 낭비 및 소음 진동 문제를 해결하고자 안출된 본 발명은 실린더 내에서 연료 연소시 발생하는 고압의 연소 가스 압력을 모두 회전력으로 전환한 후 배기가스의 압력을 대기압과 동등한 수준으로 낮춰 배출할 수 있는 등차 엔진를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 등차 엔진은

연료 공급 장치를 갖는 제1실린더; 상기 제1실린더 내부에서 기밀을 유지한 채 연료의 연소 폭발력에 의하여 왕복하면서 회전축 에 회전력을 제공하는 제1피스톤; 상기 제1실린더에 개폐가능한 배기가스 이송채널에 의하여 연결되고, 상기 제1실린더에 대하여 비교광구경(比較廣口徑)의 내경을 가지며, 연료 공급 장치가 없는 제2실린더; 및 상기 제1피스톤보다 배기가스 접촉면적이 크도록 비교광구경의 외경을 가지며, 제2실린더 내부에서 기밀을 유지한 채 왕복할 수 있게 마련되고, 상기 배기가스 이송채널이 열렸을 때 상기 제1피스톤의 배기가스접촉면적보다 더 큰 배기가스접촉면적에 의하여 제1피스톤 보다 더 큰 배기가스 압력이 작용함에 의하여 동력을 얻는 제2피스톤; 및 상기 제1실린더에서 상기 제2실린더로 배기가 진행 중일 때 압축공기를 상기 제1실린더에 투입하여 제1실린더 내의 배기가스를 제2실린더 측으로 밀어내면서 제1실린더 내에 새로운 압축공기를 제공하는 공기압축기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 등차 엔진의 다른 특징은 상기 제1피스톤이 하사점에 있을 때의 제1실린더 내부용적과 제2피스톤이 하사점에 있을 때의 제2실린더의 내부용적간의 비율 및 제1피스톤의 외경과 제2피스톤의 외경의 비율은 제2피스톤이 하사점에 있을 때 제2실린더 내부의 압력이 대기압과 같아지게 하는 비율을 갖는 데 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 등차 엔진의 일 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1실린더에서 연료가 점화되는 단계를 도시한 구성도를, 도 2는 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1피스톤이 하사점까지 팽창한 상태를 도시한 구성도를, 도 3은 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1피스톤이 하사점에 도달한 후 제1실린더 및 제2실린더가 서로 연통된 상태를 도시한 구성도를, 도 4는 본 발명에 따른 등차 엔진의 제1실린더로 부터 제2실린더로 배기가스가 이동함과 동시에 공기압축기의 공기가 제1실린더에 투입되는 단계를 도시한 구성도를 각각 나타낸다.

본 발명의 설명에 사용되는 "등차(等差)"는 "균등(均等) 압력(壓力) 차등(差 等) 단면적(斷面績)을 이용한" 또는 "밀폐공간 내에 존재하는 균등한 압력의 유체(기체 또는 액체)가 유체와의 접촉면적이 더 큰 가동체(加動體)에 더 큰 힘을 작용하는 원리를 이용한"을 의미하며, "등차적(等差的)으로"는 "밀폐공간 내에 존재하는 균등한 압력의 유체(기체 또는 액체)가 유체와의 접촉면적이 더 큰 가동체(加動體)에 더 큰 힘을 작용하는 원리를 이용하여"를 의미한다.

또한, 본 발명의 설명에 사용되는 "비교광구경(比較廣口徑)"은 어느 실린더 내경 또는 피스톤의 외경이 다른 실린더의 내경 또는 피스톤의 외경과 비교(比較)하여 상대적으로 더 큰 것을 의미한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 등차엔진은 배기가스 이송채널(107)에 의하여 연결된 2개의 기관을 포함한다. 2개의 기관 중 1개의 기관은 인젝터(105) 등의 연료 공급 장치를 갖는 제1실린더(C1) 및 상기 제1실린더(C1) 내부에서 기밀을 유지한 채 연료의 연소 폭발력에 의하여 왕복하면서 회전축(109)에 회전력을 제공하는 제1피스톤(P1)으로 구성되고, 다른 1개의 기관은 상기 제1실린더(C1)에 대하여 비교광구경(比較廣口徑)의 내경을 가지며, 연료 공급 장치가 없는 제2실린더(C2)와, 상기 제1피스톤(P1)보다 배기가스 접촉면적이 크도록 비교광구경의 외경을 가지며, 제2실린더(C2) 내부에서 기밀을 유지한 채 왕복할 수 있게 마련되고, 상기 배기가스 이송채널(107)이 열렸을 때 상기 제1피스톤(P1)의 배기가스접촉면적보다 더 큰 배기가스접촉면적에 의하여 제1피스톤(P1) 보다 더 큰 배기가스 압력이 작용함에 의하여 동력을 얻는 제2피스톤(P2)으로 구성된다.

상기 배기가스 이송채널(107)의 개폐는 밸브(V2)에 의하여 이루어지고, 도 1 내지 도 4에는 간력하게 도시하였지만, 실제에 있어서 상기 밸브(V2)의 개폐 동작은 상기 회전축(109)에 연동되는 캠이나 솔레노이드 등에 의하여 이루어진다.

상기 제2실린더(C2)에는 상기 배기가스 이송채널(107)과 별도로 배기가스 배출채널(111)이 더 마련되고, 이 배기가스 배출채널(111)에도 상기 회전축에 연동되는 캠이나 솔레노이드 등에 의하여 작동하는 밸브(V3)가 마련된다. 상기 배기가스 배출채널(111)은 대기(大氣)와 연결된다.

뒤에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 상기 제1실린더(C1)에서 상기 제2실린더(C2)로 배기가 진행 중일 때 압축공기를 상기 제1실린더(C1)에 투입하여 제1실린더(C1) 내의 배기가스를 제2실린더(C2) 측으로 밀어내면서 제1실린더(C1) 내에 새로운 압축공기를 제공하기 위하여 상기 제1실린더(C1)과 공기 투입채널(103)로 연결되는 공기압축기(100)를 구비한다. 상기 공기압축기(100)의 공기흡입구(101)는 대기와 연결된다. 도 1 내지 도 4에는 상기 공기압축기(100)를 간략히 부호로만 나타냈지만, 상기 공기압축기(100)를 실린더 및 피스톤으로 구성하여 상기 회전축의 회전에 연동시키는 것이 바람직하다.

공기 및 연료를 흡입하여 연소 폭발이 일어나고, 그 폭발력에 의하여 직접 회전력을 얻는 제1실린더(C1), 제1피스톤(P1) 및 공기압축기(100)을 연소 기관이라고 부르고, 제1실린더(C1)의 배기가스에 의하여 등차적으로 회전력을 발생시키면서 배기가스의 잔여 압력을 소진시키는 제2실린더 및 제2피스톤을 감압 기관이라고 부를 수 있다.

본 발명에 따른 등차 엔진은 2행정사이클 기관으로 구성되는 것이 바람직하다. 그럴 경우 본 발명에 따른 등차 엔진의 연소 기관은 실린더(C1) 내에서 2행정마다 압축공기에 연료를 분사하여 그 연소 폭발력에 의해 피스톤을 팽창시키는 2행정사이클기관(C1, P1)과, 상기 2행정사이클기관(C1, P1)과 나란히 설치되고, 공기 투입채널(103)에 의하여 상기 2행정사이클기관의 흡기포트에 연결되어, 외부공기를 흡입한 후 압축하여 2행정마다 상기 2행정사이클기관(C1, P1)에 투입하는 공기압축기(100)로 구성된다. 이러한 구성에 의하여, 상기 2행정사이클기관(C1, P1)은 1행정에서 배기와 공기의 흡입, 배기가스 소기 및 압축이 순차적으로 이루어지고, 다른 1행정에서 연소팽창이 이루어진다. 상기 2행정사이클기관(C1, P1)의 배기가 직접 대기(大氣)에 배출되지 않고 감압 기관에서 고압 상태로 이용되기 때문에 배기단계에서 배기가스가 2행정사이클기관의 실린더(C1)로 부터 완전하게 배출되기 어렵다. 그렇다고 2행정사이클기관(C1, P1)에서 배기가스 배출을 완전하게 하기 위하여 피스톤 상사점을 높게 설계하면, 공기의 압축비가 지나치게 높아지는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명은 배기, 공기의 흡입, 배기가스의 소기 및 압축이 1행정에서 이루어지게 하면서, 상기 공기압축기(100)에 의하여 배기 진행 도중에 공기가 압축되어 투입되는 2행정사이클기관(C1, P1)을 채용한 것이다. 이러한 구조에 의하여, 2행정사이클기관(C1, P1)의 배기단계가 끝날 무렵 공기압축기(100)로 부터 투입된 공기가 2행정사이클기관의 실린더(C1)로 부터 배출 중에 있는 배기가스를 강하게 밀어내어 실린더 내에 배기가스가 잔류함 없이 모두 배출된다. 상기 2행정사이클기관 실린더(C1) 내로의 공기 흡입 및 실린더(C1) 밖으로의 배기가스 배출은 공기 투입채널 밸브(V1)와 배기가스 이송채널 밸브(V2)에 의하여 2행정사이클로 제어된다.

상기 2행정사이클기관(C1, P1)에 인접하여 별도의 연료 연소없이 배기가스의 잔여 압력에 의하여 동작하는 감압 기관(C2, P2)이 연결되고, 상기 감압 기관의 흡입포트는 상기 2행정사이클기관의 배기포트와 배기가스 이송채널(107)으로 연결된다. 본 발명의 다른 특징은 상기 감압 기관(C2, P2)의 실린더(C2) 내경 및 피스톤(P2) 직경을 상기 2행정사이클기관(C1, P1)의 실린더(C1) 및 피스톤(P1)의 내경 및 직경 보다 더 크게 한 데 있다. 이 것을 특히 본 발명의 상세한 설명 및 청구항에서 "비교광구경(比較廣口徑)"이라고 표현하고 있다. 즉, 비교광구경이란 제1차기관으로 부터 압력이 남아 있는 가스를 투입 받는 제2차기관의 실린더 내경 및 피스톤 직경이 제1차기관의 실린더 내경 및 피스톤 직경 보다 큰 것을 의미한다.

상기 제1피스톤(P1)이 하사점에 있을 때의 제1실린더(C1)의 내부용적과 제2 피스톤(P2)이 하사점에 있을 때의 제2실린더(C2)의 내부용적간의 비율 및 제1피스톤(P1)의 외경과 제2피스톤(P2)의 외경의 비율은 제2피스톤(P2)이 하사점에 있을 때 제2실린더(C2) 내부의 압력이 대기압과 같아지게 하는 비율을 갖으면, 제2실린더(C2)로 부터 배기가스 배출채널(111)을 통하여 배기가스가 배출될 때 소음 및 진동이 없게 된다.

이하 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 등차 엔진의 동작을 설명한다.

도 1 및 도2에 도시된 바와 같이, 실린더(C1)에서 연료가 연소하면서 순간 발생한 열과 팽창압력에 의해 제1피스톤(P1)은 하강하면서 회전력을 얻고, 도 3에 도시된 바와 같이 제1피스톤(P1)의 위치가 하사점(최하강점)에 도달할 때 배기가스 이송채널(107)의 밸브(V2)를 개방하면 제1실린더(C1)에 잔존하는 연소가스 압력은 제2실린더(C2)로 균등압력으로 전달되고 제2피스톤(P2)은 제1피스톤(P1)에 비해 제1실린더(C1)의 잔여 압력의 크기에 비례한 크기로 단면적(제2피스톤의 외경 또는 배기가스와의 접촉면적)을 확장한 것이므로, 균등압력에서도 제1피스톤(P1)의 하강압력보다 제2피스톤(P2)의 하강 압력이 높으므로 제2피스톤(P2)은 하강하면서 회전력을 발생하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이 제2피스톤(P2)이 하사점(최하강점)에 도달할 때는 잔여 압력이 소진되고 제1피스톤(P1)은 최고점에 도달하며, 제1피스톤(P1)이 최고점에 도달하면 제1실린더(C1)에서는 다시 연료가 연소폭발하여 반복회전하게 된다.

본 발명은 동등 압력에서는 2개의 피스톤(P1, P2) 중 단면적이 큰 방향으로 에너지 이동이 일어나는 원리를 이용한 것으로, 에너지 이동을 용이하게 하기 위하여 두 제1피스톤(P1) 및 제2피스톤(P2)이 교환운동을 하게 하여 제1피스톤(P1)의 위치가 상사점에 있을 때 제2피스톤(P2)의 위치는 하사점에 있게 하고, 제1피스톤(P1)의 위치가 하사점에 있을 때 제2피스톤(P2)의 위치는 상사점에 위치하게 하여 회전력을 얻게 된다. 이 때, 제2피스톤(P2)의 단면적은 제1실린더(C1)에서 발생된 잔존 압력에 비례하여 크게 형성하므로, 1차팽창압은 제1피스톤(P1)에 동력을 제공하고 제1피스톤(P1)의 운동에 사용되고 남은 나머지 연소가스(배기가스) 압력은 제2피스톤(P2)로 전위하여 다시 제2피스톤(P2)에 동력을 제공한다. 제2피스톤(P2)에 작용하는 배기가스의 압력은 제2실린더(C2)의 내부의 배기가스압력이 상기압(대기압)과 같아질 때까지만 작용한다. 따라서, 제2피스톤(P2)의 단면적은, 제1실린더(C1)의 배기가스압력을 고려하여, 제2피스톤(P2)이 하사점에 있을 때 제2실린더(C2)의 배기가스압력이 상기압(대기압)과 일치하도록 설계한다. 이렇게 할 경우 제2실린더(C2)에 잔류하는 배기가스을 배출시키는 데 에너지가 거의 소비되지 않을 뿐만 아니라 소음이나 진동이 없게 된다. 이렇게 함으로써 제1실린더(C1)에서 연료의 연소폭발시 발생하는 모든 압력은 손실없이 모두 회전력으로 전환된다.

이러한 작용을 하는 본 발명에 따른 등차 엔진의 동작을 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 압축된 공기에 연료분사기(105)로 연료를 분사하는 단계이다. 이 때 공기 투입채널(103)의 밸브(V1)와 배기가스 이송채널(107)의 밸브(V2)는 모두 닫힌다. 도 2는 2행정사이클기관(C1, P1)의 팽창단계를 나타낸다. 이 처럼 본 발명에 따른 엔진에서는 1개의 기관에서만 연료를 연소시킨다. 도 3은 2행정사이클기관의 피스톤(P1)이 하사점을 지나 상승할 때 우선 배기가스 이송채널(V2)를 열어 배기가스를 감압 기관의 제2실린더(C2)로 배출하는 단계를 나타낸다. 상기 배기가스 이송채널(107)이 열리자 마자 배기가스는 고온고압상태에서 감압 기관(C2, P2)의 비교광구경 실린더(C2)에 투입되어 감압 기관(C2, P2)의 비교광구경 피스톤(P2)을 하방으로 밀게 된다. 이 것은 배기가스 이송채널(107)이 열릴 경우 2행정사이클기관의 제1실린더(C1) 내부 압력과 감압 기관의 제2실린더(C2)의 내부압력이 동일해 지면서, 배기가스 압력이 2행정사이클기관의 제1피스톤(P1) 보다 더 지름이 큰(배기가스 접촉면적이 넓은) 감압 기관의 제2피스톤(비교광구경 피스톤)에 더 크게 작용하기 때문이다. 이 것은 평등한 압력의 유체가 접촉단면적이 다른 가동물에 작용할 경우 큰 방향으로 운동에너지가 이동하는 원리를 이용한 것이다. 이를 위해, 2행정사이클기관의 제1피스톤(P1)이 하사점에 있을 때 상기 감압 기관(C2, P2)의 비교광구경 피스톤(P2)은 상사점에 있어야 한다. 또한, 이 단계에서 감압 기관(C2, P2)의 배기가스 배출채널 밸브(V3)는 닫혀있다. 도 4는 2행정사이클기관의 제1실린더(C1) 내부로 부터 연소가스가 어느 정도 배출된 상태에서, 공기 투입채널(103)의 밸브(V1)가 열려 연소가스를 밀어내면서 새로이 공기의 압축이 일어나는 단계를 보여 준다. 도 4에 도시된 단계를 마치면 다시 도 1의 단계가 시작되는 것이다.

이러한 과정에서 제1실린더(C1)에서 연료를 연소시킬 때 발생되는 폭발에너지(고압) 및 열에너지(고온)는 직접 또는 등차적으로 모두 회전력으로 전환된다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 실린더 내에서 연료 연소시 발생하는 고압의 연소 가스 압력을 외부로 배출하여 낭비함 없이 모두 회전력으로 전환한 후 배기가스의 압력을 대기압과 동등한 수준으로 낮춰 배출할 수 있 수 있게 되므로 엔진의 연료 효율을 높이고 엔진의 소음 및 진동을 줄일 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 이용하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 발명과 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (2)

1. 연료 공급 장치를 갖는 제1실린더; 상기 제1실린더 내부에서 기밀을 유지한 채 연료의 연소 폭발력에 의하여 왕복하면서 회전축 에 회전력을 제공하는 제1피스톤; 상기 제1실린더에 개폐가능한 배기가스 이송채널에 의하여 연결되고, 상기 제1실린더에 대하여 비교광구경(比較廣口徑)의 내경을 가지며, 연료 공급 장치가 없는 제2실린더; 상기 제1피스톤보다 배기가스 접촉면적이 크도록 비교광구경의 외경을 가지며, 제2실린더 내부에서 기밀을 유지한 채 왕복할 수 있게 마련되고, 상기 배기가스 이송채널이 열렸을 때 상기 제1피스톤의 배기가스접촉면적보다 더 큰 배기가스접촉면적에 의하여 제1피스톤 보다 더 큰 배기가스 압력이 작용함에 의하여 동력을 얻는 제2피스톤;을 구비하여 배기가스 압력으로 부터 동력을 얻는 엔진에 있어서,

   상기 제1실린더의 공기 투입채널에는 공기압축기를 구비하고, 상기 제2피스톤(P2)이 상사점에 있을 때, 상기 제2실린더의 배기가스 배출채널 밸브(V3)를 닫고, 상기 공기 투입채널의 밸브(V1)를 열어, 상기 공기압축기가 제1실린더 내의 연소가스를 대기압보다 더 큰 압력을 유지하고 있는 제2실린더측으로 강제로 밀어 주어 연소가스가 제2실린더를 팽창하게 함과 동시에 제1실린더가 새로운 압축공기로 충전되게 하는 것을 특징으로 하는 등차 엔진.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1피스톤이 하사점에 있을 때의 제1실린더 내부용적과 제2피스톤이 하사점에 있을 때의 제2실린더의 내부용적간의 비율 및 제1피스톤의 외경과 제2피스톤의 외경의 비율은 제2피스톤이 하사점에 있을 때 제2실린더 내부의 압력이 대기압과 같아지게 하는 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 등차 엔진.

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