KR100959172B1 - 양면캠이 구비된 공압식 엔진 - Google Patents

Abstract

양면캠이 구비된 공압식 엔진이 개시된다. 그러한 공압식 엔진은 압축공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 공기 공급부로부터 압축공기가 공급되어 그 내부에 피스톤이 장착되는 적어도 하나 이상의 실린더와, 상기 적어도 하나 이상의 실린더의 상부에 각각 장착되어 가압실을 형성하며, 흡배기 포트가 형성되는 실린더 헤드와, 상기 실린더 헤드에 각각 장착되어 상기 흡배기 포트를 개폐시킴으로써 가압실로/부터 압축공기를 분사/배출하는 흡기밸브 및 배기밸브와, 그리고 상기 헤드에 제공되며, 단수의 캠축상에 구비되어 서로 대향하는 노브를 갖는 양면캠을 상기 흡배기 밸브에 각각 대응되도록 구비하고, 1회전시 상기 흡배기 밸브를 순차적으로 개폐시키는 캠기구를 포함한다.

양면캠, 엔진, 공압식, 밸브, 흡배기, 푸쉬로드, 태핏

Description

양면캠이 구비된 공압식 엔진{PNEUMATIC HYBRID ENGINE HAVING A SINGLE CAM}

본 발명은 공압식 엔진에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단수의 캠축에 구비된 양면캠에 의하여 흡배기 밸브를 개폐할 수 있는 공압식 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 동력을 발생시키는 장치이며, 이러한 엔진은 산업화의 발달에 따라 여러 종류가 개발되었으며 주로 자동차, 선박 등에 장착된다.

산업혁명 초창기의 엔진들은 증기를 이용한 증기기관이 주로 사용되었으나, 증기기관을 사용한 증기 기관차 또는 증기 기선은 그 연료로 석탄등을 사용하여 그로 인한 공해배출과 낮은 에너지의 효율성 등 많은 문제가 있었다.

그 후, 증기기관을 대체하여 가솔린, 경유 등을 연소시켜 동력을 얻는 내연기관이 개발되어 어느 정도의 공해문제를 해결하였으며, 연료의 연소효율을 향상시킴으로 증기기관과 대비, 높은 에너지의 효율을 얻게 되었으며, 최근까지 이러한 내연기관을 장착한 자동차가 주로 생산되고 있다.

그러나, 최근 환경규제가 과거에 비해 더 한층 강화됨으로 이러한 내연기관을 대체하는 공해의 유발이 적은 동력발생장치의 필요성이 대두되었고, 이에 공기 를 에너지원으로 하는 공압식 엔진의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

이러한 공압식 엔진은 통상적으로 실린더 내부에는 상하 왕복운동 가능한 피스톤이 구비되며, 실린더 헤드에는 흡기포트와 배기포트가 구비된다.

그리고, 상기 흡기 및 배기포트에는 각각 흡기밸브 및 배기밸브가 장착됨으로써 상기 흡기 및 배기포트를 개폐하게 된다.

또한, 상기 흡기밸브 및 배기밸브는 캠기구에 의하여 작동하게 된다. 따라서, 상기 캠기구가 작동함으로써 상기 흡기 및 배기밸브를 선택적으로 작동시켜 흡기 및 배기포트를 각각 개폐하게 된다.

이러한 구조를 갖는 공압식 엔진은 공기탱크에 저장된 공기가 압축기에 의하여 일정 압력으로 흡기포트를 통하여 실린더 헤드의 내부공간으로 분사되며, 이러한 가압력에 의하여 피스톤이 하부로 이동하게 되고, 크랭크축의 작동에 의하여 피스톤이 다시 상승하면서 실린더 헤드의 내부공간에 공급된 압축공기를 배기포트를 통하여 외부로 배출하게 된다. 이러한 과정을 통하여 공압식 엔진이 작동하게 된다.

그러나, 이러한 공압식 엔진은 흡기 및 배기밸브를 작동시키기 위한 캠축 및 캠이 복수개 구비됨으로써 엔진의 구조가 더욱 복잡해지고, 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로 서, 본 발명의 목적은 단수의 캠축상에 양면캠을 구비하여 흡배기 밸브에 대한 개폐 작업을 효율적으로 진행할 수 있는 공압식 엔진을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 양면캠과 흡배기 밸브간의 연결관계를 다양화할 수 있는 공압식 엔진을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예는 압축공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 공기 공급부로부터 압축공기가 공급되어 그 내부에 피스톤이 장착되는 적어도 하나 이상의 실린더; 상기 적어도 하나 이상의 실린더의 상부에 각각 장착되어 가압실을 형성하며, 흡배기 포트가 형성되는 실린더 헤드; 상기 실린더 헤드에 각각 장착되어 상기 흡배기 포트를 개폐시킴으로써 가압실로/부터 압축공기를 분사/배출하는 흡기밸브 및 배기밸브; 그리고 상기 헤드에 제공되며, 단수의 캠축상에 구비되어 서로 대향하는 노브를 갖는 양면캠을 상기 흡배기 밸브에 각각 대응되도록 구비하고, 1회전시 상기 흡배기 밸브를 순차적으로 개폐시키는 캠기구를 포함하는 공압식 엔진을 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공압식 엔진은 단수의 캠축상에 양면캠을 구비하여 흡배기 밸브에 대한 개폐 작업을 효율적으로 진행할 수 있는 장점이 있다.

또한, 양면캠에 2개의 노브를 형성함으로써 1회전시 흡배기 행정을 2회 실시할 수 있음으로 효율이 향상될 수 있는 장점이 있다.

그리고, 흡배기 밸브에 양면캠을 각각 배치하고, 이 양면캠에 푸쉬로드를 배치함으로써 양면캠과 밸브사이의 연결관계를 다양화할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공압식 엔진의 구조를 상세하게 설명한다.

도1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양면캠이 헤드의 상부에 배치된 공압식 엔진의 구조를 보여주는 도면이고, 도2 는 도1 의 평면도이며, 도3 은 도1 에 도시된 양면캠 기구를 보여주는 정면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 공압식 엔진은 압축공기를 공급하는 공기 공급부(T)와, 상기 공기 공급부(T)로부터 공기가 공급되며, 그 내부에 피스톤(2)이 장착되는 실린더(1)와, 상기 실린더(1)의 상부에 장착되어 가압실을 형성하는 실린더 헤드(3)와, 상기 실린더 헤드(3)에 각각 장착되어 가압실로/부터 압축공기를 분사/배출하는 흡기밸브(6) 및 배기밸브(7)와, 상기 헤드(3)의 상부에 제공되며, 서로 대향하는 노브(12a,12b)를 갖는 양면캠(12)을 구비하여 1회전시 상기 흡배기 밸브(6,7)를 순차적으로 개폐시키는 캠기구(8)를 포함한다.

이러한 구조를 갖는 공압식 엔진에 있어서, 상기 공기 공급부(T)는 공기를 일정 압력으로 저장하여 공급하는 공기탱크를 포함한다.

이러한 공기탱크는 그 내부에 공기를 소정압력으로 저장하며, 바람직하게는 300 내지 350바(Bar)의 내부압력을 유지한다.

상기한 공기탱크에 저장된 공기는 레귤레이터 혹은 어큐뮬레이터(A)를 통하 여 상기 실린더(1)로 공급된다. 이때, 실린더(1)로 공급되는 공기는 제어부(도시안됨)에 의하여 적정량씩 공급되도록 조절된다.

그리고, 상기 실린더(1)는 헤드(3)에 흡기 포트(4) 및 배기포트(5)가 구비된다. 이 흡기 포트(4) 및 배기포트(5)에는 흡기밸브(6)와 배기밸브(7)가 각각 장착된다.

상기 흡기밸브(6)가 흡기포트(4)를 개방하는 경우, 압축공기가 실린더(1)의 내부로 유입되어 피스톤(2)을 하방으로 밀어냄으로써 회전력을 얻게 되며, 피스톤(2)의 상승시 실린더(1)의 내부 공기를 배기포트(5)를 통하여 외부로 밀어냄으로써 1 행정이 완료된다.

그리고, 상기 흡기 및 배기밸브(6,7)는 단수의 캠기구(8)에 의하여 순차적으로 작동하게 된다.

이러한 캠기구를 보다 상세하게 설명하면, 상기 캠기구(8)는 실린더 헤드(3)의 상부에 배치되는 캠축상에 구비되는 원판(10)과, 상기 원판(10)의 일측에 돌출 형성되는 양면캠(12)과, 상기 양면캠(12)의 양측에 배치되어 양면캠(12)에 순차적으로 접촉하는 제1 및 제2 접촉부재(20,18)와, 상기 제1 및 제2 접촉부재(20,18)와 동일축상에 배치되어 상기 흡기 및 배기밸브(6,7)를 순차적으로 작동시키는 흡기 및 배기 로커암(22,24)을 포함한다.

상기 원판(10)은 외주면에 크랭크축과 연결되는 밸트(V)가 연결된다. 그리고, 상기 원판(10)은 실린더 헤드(3)상에 브래킷(16)에 의하여 지지된 지지축(14)상에 회전가능하게 장착된 상태이다.

따라서, 상기 밸트(V)가 크랭크축의 회전에 의하여 원판(10)을 회전시키는 경우, 상기 원판(10)은 지지축(14)을 중심으로 회전하게 된다.

상기 양면캠(12)은 원판(10)의 일측면에 돌출 형성되며, 서로 대향되는 제1 및 제2 노브(12a,12b)가 형성됨으로써 타원형상을 갖는다.

상기 제1 및 제2 노브(12a,12b)는 양면캠(12)의 회전시 상기 제1 및 제2 접촉부재(20,18)에 순차적으로 접촉함으로써 흡배기 밸브(6,7)를 구동시키는 기능을 수행한다.

즉, 상기 제1 노브(12a)는 제1 접촉부재(20)에 접촉하며, 제2 노브(12b)는 제2 접촉부재(18)에 접촉하는 접촉방식이다.

이때, 상기 제1 접촉부재(20)에 있어서, 일측(20a)은 돌출됨으로써 상기 제1 노브(12a)에 접촉하게 되고, 중간부는 실린더 헤드(3)상에 회전가능하게 지지된 제1 회전축(28)에 의하여 지지된 상태이다. 그리고, 상기 제1 회전축(28)의 타단에는 상기 배기 로커암(24)이 일체로 장착된다.

따라서, 상기 제1 접촉부재(20)가 제1 노브(12a)에 의하여 반시계 방향으로 회전하게 되면, 상기 배기 로커암(24)도 같이 반시계 방향으로 회전함으로써 배기밸브(6)를 하부로 가압하게 된다.

이때, 상기 배기밸브(6)는 배기 스프링(32)에 의하여 상방향으로 들어올려진 상태이므로 상기와 같이 배기밸브(6)를 하부로 가압함으로써 배기포트(5)를 개방하게 된다.

그리고, 상기 제1 접촉부재(20)는 제2 접촉부재(18)에 대하여 수평선상에 배 치되는 것이 아니라, 제2 접촉부재(18)가 제1 접촉부재(20)에 대하여 아랫방향으로 일정각도, 바람직하게는 약 30-70도 각도를 유지하도록 배치된다.

따라서, 제1 노브(12a) 혹은 제2 노브(12b)가 회전하는 경우, 상기 제1 및 제2 접촉부재(20,18)의 일측(20a,18a)에 형성된 상면(20b,18b)에 접촉함으로써 제1 및 제2 접촉부재(20,18)를 아랫방향으로 회전시킬 수 있다.

상기 제2 접촉부재(18)도 제1 접촉부재(20)와 동일한 형상을 갖는다. 즉, 제2 접촉부재(18)의 일측(18a)은 상기 양면캠(12)의 방향으로 돌출된 형상이며, 중간부는 실린더 헤드(3)상에 회전가능하게 지지된 제2 회전축(26)에 의하여 지지된 상태이다. 그리고, 상기 제2 회전축(26)의 타단에는 상기 흡기 로커암(22)이 일체로 장착된다.

따라서, 상기 제2 접촉부재(18)가 제2 노브(12b)에 의하여 시계 방향으로 회전하게 되면, 상기 흡기 로커암(22)도 같이 시계 방향으로 회전함으로써 흡기밸브(6)를 가압하게 된다.

이때, 상기 흡기밸브(6)는 흡기 스프링(30)에 의하여 상방향으로 들어올려진 상태이므로 상기와 같이 흡기밸브(6)를 하부로 가압함으로써 흡기포트(4)를 개방하게 된다.

상기한 바와 같이 양면캠(12)의 1회전시, 제1 및 제2 노브(12a,12b)에 의하여 흡배기 밸브(6,7)가 2회씩 개폐됨으로써 효율이 향상될 수 있다.

상기 양면캠(12)의 제1 및 제2 노브(12a,12b)에 의하여 제1 및 제2 접촉부재(20,18)가 작동하는 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

양면캠(12)이 시계 방향으로 회전하는 경우, 제1 노브(12a)도 시계 방향으로 회전함으로써 제1 접촉부재(20)의 일측(20a)에 형성된 상면(20b)에 순차적으로 접촉하게 된다.

제1 노브(12a)가 제1 접촉부재(20)에 접촉할수록 상기 제1 접촉부재(20)의 일측(20b)은 아랫방향, 즉 반시계 방향으로 회전하게 된다. 이때, 상기 제1 접촉부재(20)와 동일축(28)상에 배기 로커암(22)이 배치된 상태이므로 배기 로커암(22)도 반시계 방향으로 회전하게 된다.

따라서, 배기 로커암(22)의 회전에 의하여 배기밸브(7)가 아랫방향으로 가압됨으로써 배기포트(5)를 개방하게 된다.

양면캠(12)의 추가적인 회전에 의하여 상기 제1 노브(12a)가 제2 접촉부재(18)에 접근하는 경우, 제1 노브(12a)는 제2 접촉부재(18)의 일측(18a)에 형성된 상면(18b)에 점차로 접촉하게 된다.

상기 제1 노브(12a)가 상기 제2 접촉부재(18)에 접촉할수록 상기 제2 접촉부재(18)는 아랫방향, 즉 시계 방향으로 회전하게 된다. 이때, 상기 제2 접촉부재(18)와 동일축(26)상에 흡기 로커암(24)이 배치된 상태이므로 흡기 로커암(24)도 시계 방향으로 회전하게 된다.

따라서, 흡기 로커암(24)의 회전에 의하여 흡기밸브(6)가 아랫방향으로 가압됨으로써 흡기포트(4)를 개방하게 된다.

이와 같이 양면캠(12)이 회전함으로써 제1 및 제2 노브(12a,12b)가 제1 및 제2 접촉부재(20,18)를 순차적으로 가압함으로써 흡배기 로커암(22,24)을 작동시켜 서 흡배기 밸브(6,7)를 개폐할 수 있다.

그리고, 이와 같은 과정을 반복함으로써 공압식 엔진은 연속적으로 작동될 수 있다.

한편, 본 발명은 상기한 바와 같이 캠기구가 헤드의 상부에 배치되는 구조에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 다른 실시에로써 캠기구가 헤드의 하부에 배치되는 구조도 가능하다.

즉, 도4 및 도5 에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 캠기구는 단수의 캠축(41)을 헤드(3)의 하부에 배치하고, 이 캠축(41)상에 구비되는 양면캠(18,20)을 흡배기 밸브(6,7)에 각각 대응되도록 배치하며, 흡배기 밸브(6,7)와 양면캠(18,20)을 푸쉬로드(44,46) 및 로커아암(52,54)에 의하여 연결함으로써 양면캠(18,20)의 회전력을 흡배기 밸브(6,7)에 전달하는 차이점이 있다.

본 실시예에 따른 공압식 엔진은 도1 내지 도3 에 도시된 공압식 엔진과 동일하게 공기 공급부(T)와, 적어도 하나 이상의 실린더(1)와, 실린더 헤드(3)와, 흡배기밸브(6,7)로 구성되며, 다만, 캠기구의 구조가 다르게 형성된다. 이하, 본 실시예를 설명함에 있어서, 도1 내지 도3 에 도시된 실시예의 구성요소와 중복되는 경우에는 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 캠기구는 도4 및 도5 에 도시된 바와 같이, 헤드(3)의 하부에 배치되는 단수의 캠축(41)과, 상기 캠축(41)에 구비된 제1 및 제2 양면캠(18,20)과, 상기 제1 및 제2 양면캠(18,20)의 상부에 각각 배치되어 접촉하는 제1 및 제2 푸쉬로드 부재(40,42)와, 제1 및 제2 푸쉬로드 부재(40,42)에 각각 연결 되어 흡기 및 배기밸브(6,7)를 각각 작동시키는 제1 및 제2 로커아암(52,54)을 포함한다.

이러한 구조의 캠기구에 있어서, 상기 제1 및 제2 양면캠(18,20)은 1조를 이루어 1번 기통(38)에 대응되고, 이러한 기통은 바람직하게는 4기통으로 이루어진다. 따라서, 각각의 기통에는 1조의 양면캠(18,20)이 각각 배치되며, 이하 하나의 기통에 대하여 캠기구를 설명한다.

상기 제1 양면캠(18)은 흡기밸브(6)에 대응되고, 제2 양면캠(20)은 배기밸브(7)에 대응된다. 즉, 제1 양면캠(18)은 제1 푸쉬로드 부재(40)에 의하여 흡기밸브(6)에 연결되며, 이러한 제1 푸쉬로드 부재(40)는 흡기밸브(7)에 대응되도록 설치되는 제1 푸쉬로드(44)와, 상기 제1 푸쉬로드(44)의 하단에 구비되어 제1 양면캠(18)에 접촉하는 제1 태핏(48)으로 이루어진다.

그리고, 제2 양면캠(20)은 제2 푸쉬로드 부재(46)에 의하여 배기밸브(7)에 연결되며, 제2 푸쉬로드 부재(46)는 배기밸브(7)에 대응되도록 설치되는 제2 푸쉬로드(46)와, 상기 제2 푸쉬로드(46)의 하단에 구비되어 제2 양면캠(20)에 접촉하는 제2 태핏(50)으로 이루어진다.

이때, 상기 제1 및 제2 태핏(48,50)의 하면은 곡선형상으로 가공됨으로써 제1 및 제2 양면캠(18,20)과 접촉시 원활하게 접촉하여 소음과 진동 등을 감소시킬 수 있다. 물론, 제1 및 제2 태핏(48,50)의 하면이 평면형상으로 가공될 수도 있다.

또한, 제1 양면캠(18)과 제2 양면캠(20)은 캠축(41)상에서 서로 일정각도 어긋나도록 배치되어 순차적으로 흡배기 밸브(6,7)를 개폐시킴으로써 흡배기 행정을 진행할 수 있다.

이러한 구조의 캠기구는 크랭크축과 밸트(V)에 의하여 연결된 캠축(41)의 기어(43)가 회전하는 경우, 제1 양면캠(18)이 회전함으로써 제1 및 제2 노브(18a,18b)가 제1 태핏(48)에 순차적으로 접촉한다. 그리고, 제1 태핏(48)이 결합된 제1 푸쉬로드(44)가 상승함으로써 제1 로커아암(52)을 작동시킨다.

따라서, 제1 로커아암(52)의 작동에 의하여 흡기밸브(6)가 개방된다. 그리고, 흡기행정이 완료되면, 스프링(S)의 작동에 의하여 상기 제1 로커아암(52)이 원위치로 복귀하게 된다.

이와 같이 흡기밸브(6)의 개방에 의한 흡기행정이 진행되고, 제2 양면캠(20)이 회전함으로써 배기행정이 시작된다. 즉, 상기 제2 양면캠(20)이 회전함으로써 제2 태핏(50)을 밀어 올려서 제2 푸쉬로드(46)가 상승한다. 따라서, 제2 로커아암(54)의 작동에 의하여 배기밸브(7)가 개방된다.

이와 같이, 제1 및 제2 양면캠(18,20)이 순차적으로 회전함으로써 제1 및 제2 푸쉬로드 부재(40,42)를 작동시켜서 흡배기 밸브(6,7)를 개폐하게 된다.

그리고, 이와 같은 과정을 반복함으로써 공압식 엔진은 연속적으로 작동될 수 있다.

도1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양면캠이 구비된 공압식 엔진의 구조를 보여주는 도면이다.

도2 는 도1 의 평면도이다.

도3 은 도1 에 도시된 양면캠 기구를 보여주는 정면도이다.

도4 는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 양면캠이 헤드의 하부에 구비된 공압식 엔진의 구조를 보여주는 도면이다.

도5 는 도4 의 측면도이다.

Claims (6)

1. 압축공기를 공급하는 공기 공급부;

   상기 공기 공급부로부터 압축공기가 공급되어 그 내부에 피스톤이 장착되는 작어도 하나 이상의 실린더;

   상기 적어도 하나 이상의 실린더의 상부에 각각 장착되어 가압실을 형성하며, 흡배기 포트가 형성되는 실린더 헤드;

   상기 실린더 헤드에 각각 장착되어 상기 흡배기 포트를 개폐시킴으로써 가압실로/부터 압축공기를 분사/배출하는 흡기밸브 및 배기밸브; 그리고

   상기 헤드에 제공되며, 단수의 캠축상에 구비되어 서로 대향하는 노브를 갖는 양면캠을 상기 흡배기 밸브에 각각 대응되도록 구비하고, 1회전시 상기 흡배기 밸브를 순차적으로 개폐시키는 캠기구를 포함하며,

   상기 캠기구는, 상기 양면캠의 양측에 배치되어 양면캠에 순차적으로 접촉하는 제1 및 제2 접촉부재와, 이들 제1,2 접촉부재와 동일축상에 배치되어 상기 흡기 및 배기밸브를 순차적으로 작동시키는 흡기 및 배기 로커아암을 포함하고,

   상기 제2 접촉부재가 상기 제1 접촉부재에 대하여 아랫방향으로 30도-70도 각도를 유지하며 배치되는 공압식 엔진.
2. 제1 항에 있어서, 상기 캠축은 상기 헤드의 하부에 배치됨으로써 상기 캠기구에 의하여 상기 흡배기 밸브를 개폐시키는 공압식 엔진.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서, 상기 양면캠은 일측으로 돌출된 제1 노브와 타측으로 돌출된 제2 노브로 이루어지는 타원형상인 것을 특징으로 하는 공압식 엔진.
5. 삭제
6. 삭제

Images