KR101065002B1 - 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법에 관한 것으로서, 흡기 밸브와 배기 밸브가 구비된 실린더, 상기 실린더의 상사점과 하사점 사이를 직선 왕복할 수 있도록 상기 실린더의 내부에 배치되고 상기 실린더와 함께 연소실을 형성하는 피스톤, 상기 실린더에 회전 가능하게 배치된 크랭크축, 상기 크랭크축에 상기 피스톤의 동력을 전달하기 위하여 상기 크랭크축과 상기 피스톤에 양측이 회전 가능하게 연결된 커넥팅 로드, 상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키기 위하여 상기 실린더의 상부에 배치된 연료폭발장치, 및 상기 흡기 밸브와 상기 배기 밸브가 닫힌 상태에서 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점으로부터 하사점을 향해 상기 연료폭발장치의 작동 시점까지 이동되는 동안 상기 연소실 내의 압축 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 상기 실린더에 구비된 압력유지장치를 포함한다. 그리고, 상기 연료폭발장치는 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에 상기 피스톤이 도달될 때 작동될 수 있다. 따라서, 상기 피스톤의 직선 운동 에너지를 상기 크랭크축의 회전 운동 에너지로 최대한 많이 전환시킬 수 있고, 상기 연료폭발장치의 작동 시점까지 압력유지장치가 연소실 내의 최대 압축 압력을 일정하게 유지시켜 연료 가스의 불완전 연소 및 팽창 손실을 방지할 수 있다.

왕복 피스톤 엔진, 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축, 보조 실린더, 보조 피스톤, 보조 커넥팅 로드, 피스톤 구동기구, 이송 드럼

Description

왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법 {Reciprocating piston engine and method for operating the same}

본 발명은 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조 및 작동 방법의 간단한 변경만으로 엔진의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 왕복 피스톤 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치로써, 운송기계나 산업기계의 동력원으로 사용되고 있다. 상기와 같은 엔진이 열에너지를 기계적인 일로 바꾸기 위해서는 작동물질이 필요하다. 즉, 가솔린 엔진에서는 가솔린과 공기가 혼합된 연료 가스 및 연소 가스가 작동물질이고, 디젤기관에서는 디젤유와 공기가 혼합된 연료 가스 및 연소 가스도 작동물질에 포함될 수 있으며, 증기기관에서는 물이 작동물질이다.

도 1에는 차량에 주로 사용되는 왕복 피스톤 엔진(1) 중에서 가솔린 엔진이 도시되어 있다. 상기 왕복 피스톤 엔진(1)은 연소실(10)에서 발생한 열에너지, 즉 연료 가스의 팽창압력을 피스톤(4)의 왕복 운동에 의해 기계적인 일로 바꾸는 엔진이다. 그리고, 상기 왕복 피스톤 엔진(1)은 피스톤(4)의 직선운동을 회전운동으로 바꾸기 위하여 크랭크축(6) 및 커넥팅 로드(8)를 필요로 한다. 즉, 연소실(10)에서 압축된 연료 가스의 폭발력이 피스톤(4)을 밀어주고, 피스톤(4)과 함께 커넥팅 로드(8)와 크랭크축(6)이 동작되면서 피스톤(4)의 직선 왕복운동을 크랭크축(6)의 회전운동으로 전환시킨다.

상기와 같은 왕복 피스톤 엔진(1)의 작동을 행정 별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 흡입 행정에서는 흡입 밸브(12)가 열리고 배기 밸브(14)가 닫힌 상태에서 실린더(2)의 상사점(TDC, Top Dead Center)에서 하사점(BDC, Bottom Dead Center)으로 피스톤(4)이 하강하여 실린더(2)의 내부로 연료 가스를 흡입한다. 압축 행정에서는 흡입 밸브(12)와 배기 밸브(14)가 모두 닫힌 상태에서 피스톤(4)이 상승하여 실린더(2) 내의 연료 가스를 압축한다. 폭발행정에서는 점화기구(16)가 연소실(10) 내의 연료 가스를 폭발시켜 연료 가스의 폭발력으로 피스톤(4)이 하강하고, 피스톤(4)과 커넥팅 로드(8)에 의해서 크랭크축(6)도 회전한다. 배기 행정에서는 흡입 밸브(12)가 닫히고 배기 밸브(14)가 열린 상태에서 실린더(2)의 상사점으로 피스톤(4)이 상승하여 실린더(2) 내의 연소 가스를 외부로 배출시킨다. 따라서, 상기 왕복 피스톤 엔진(1)은 흡입 행정, 압축 행정, 폭발 행정, 배기 행정으로 이루어진 4개의 행정이 1개의 사이클을 형성하는 4행정 1사이클 엔진이다. 상기 4행정 1사이클 엔진은 피스톤(4)의 2왕복 주기 동안에 4행정이 완료되는 구조이다.

그러나, 종래의 왕복 피스톤 엔진(1)은 실린더(2)의 상사점에서 피스톤(4)이 일정 높이 하강한 후에 점화기구(16)를 작동시킨다. 왜냐하면, 피스톤(4)이 실린더(2)의 상사점에 도달되었을 때 점화기구(16)를 작동시키면, 연료 가스의 폭발력에 의해 크랭크축(6)이 반대 방향으로 역회전될 수 있기 때문이다. 그런데, 커넥팅 로드(8)와 크랭크축(6)이 이루는 각도가 거의 180도에 가깝기 때문에, 커넥팅 로드(8)에 전달된 피스톤(4)의 직선 운동 에너지가 크랭크축(6)의 회전 운동 에너지로 모두 전환되지 못하고 일부가 소실되는 문제점이 있다.

즉, 피스톤(4)과 커넥팅 로드(8)가 연결된 지점을 제 1 포인트(P1)라 하고, 커넥팅 로드(8)와 크랭크축(6)이 연결된 지점을 제 2 포인트(P2)라 하며, 크랭크축(6)의 회전 중심을 제 3 포인트(P3)라고 하면, 제 1,2 포인트(P1)(P2)를 지나는 선분과 제 2,3 포인트(P2)(P3)를 지나는 선분이 이루는 각도가 90도일 때, 피스톤(4)의 직선 운동 에너지가 크랭크축(6)의 회전 운동 에너지로 모두 전환될 수 있다. 그런데, 종래의 왕복 피스톤 엔진(1)은 제 1,2 포인트(P1)(P2)를 지나는 선분과 제 2,3 포인트(P2)(P3)를 지나는 선분이 이루는 각도가 거의 180도에 가까운 위치에서 점화기구(16)가 작동되므로, 피스톤(4)의 직선 운동 에너지가 크랭크축(6)의 회전 운동 에너지로 모두 전환되지 못하고 일부가 손실되어 엔진의 효율이 저하된다.

또한, 종래의 왕복 피스톤 엔진(1)은 실린더(2)의 상사점에서 피스톤(4)이 일정 높이 하강한 후에 점화기구(16)를 작동시키기 때문에, 연소실(10) 내의 연료 가스를 최대로 압축시킨 후 다시 팽창되는 과정에서 크랭크축(6)의 회전 운동 에너 지가 일부 손실될 뿐만 아니라, 연료 가스가 최대로 압축되지 않은 상태에서 불완전 연소되어 엔진의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

최근에는 왕복 피스톤 엔진(1)의 효율을 높이기 위하여 터보 차져 또는 슈퍼 차쳐를 구비한 엔진이 출시되고 있다. 그러나, 터보 차져 또는 슈퍼 차져를 구비한 엔진은, 구성이 복잡하고 제작비용이 높으며 사후 관리가 어려운 반면에, 엔진의 효율 향상은 상대적으로 적기 때문에 대부분의 왕복 피스톤 엔진(1)에 적용하지 않고 있다.

한편, 상기와 같은 문제점은 피스톤(4)의 2왕복 운동 기간 동안에 1사이클을 수행하는 4행정 1사이클 엔진뿐만 아니라, 피스톤(4)의 1왕복 운동 기간 동안에 1사이클을 수행하는 2행정 1사이클 엔진에도 발생되고 있다.

본 발명은 실린더의 상사점에서 피스톤이 일정 높이 하강된 후 연료 가스가 폭발될 경우, 연소실 내의 최대 압축 압력을 연료 가스의 폭발 시점까지 유지시켜 연료 가스의 불완전 연소 및 연료 가스의 팽창 손실을 방지할 수 있는 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법을 제공한다.

본 발명은 연료 가스의 폭발시 피스톤의 직선 운동 에너지를 크랭크축의 회전 운동 에너지로 모두 전환시켜 엔진의 효율을 향상시킬 수 있는 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법을 제공한다.

본 발명은 연소실 내의 최대 압축 압력을 원하는 수준까지 간편하게 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 연소실 내의 최대 압축 압력을 원하는 시점까지 유지시켜 폭발 시점을 간편하게 관리할 수 있는 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법을 제공한다.

본 발명은 압축 행정시 피스톤에 가해지는 역방향의 힘을 분산시켜 크랭크축의 회전 운동 에너지의 손실 및 엔진의 진동을 방지할 수 있는 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법을 제공한다.

본 발명은, 흡기 밸브와 배기 밸브가 구비된 실린더, 상기 실린더의 상사점과 하사점 사이를 직선 왕복할 수 있도록 상기 실린더의 내부에 배치되고 상기 실 린더와 함께 연소실을 형성하는 피스톤, 상기 실린더에 회전 가능하게 배치된 크랭크축, 상기 크랭크축에 상기 피스톤의 동력을 전달하기 위하여 상기 크랭크축과 상기 피스톤에 양측이 회전 가능하게 연결된 커넥팅 로드, 상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키기 위하여 상기 실린더의 상부에 배치된 연료폭발장치, 및 상기 흡기 밸브와 상기 배기 밸브가 닫힌 상태에서 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점으로부터 하사점을 향해 상기 연료폭발장치의 작동 시점까지 이동되는 동안 상기 연소실 내의 압축 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 상기 실린더에 구비된 압력유지장치를 포함하는 왕복 피스톤 엔진을 제공한다.

상기와 같이 연료폭발장치가 작동될 때까지 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점에서 하사점을 향해 이동될 경우, 상기 압력유지장치에 의해 연소실 내의 최대 압축 압력이 일정하게 유지되면, 연료 가스의 불완전 연소를 방지하여 엔진의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료 가스의 팽창으로 압력 저하에 의한 폭발력 손실을 방지할 수 있다. 여기서, 상기 연소실 내의 최대 압축 압력은 상기 실린더의 상사점에 상기 피스톤이 도달할 때의 연소실의 압축 압력으로써, 상기 연료폭발장치의 작동 시점까지 압력유지장치에 의해 계속 유지될 수 있다.

또한, 상기 연료폭발장치는 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에 상기 피스톤이 도달될 때 작동될 수 있다. 따라서, 상기 피스톤의 직선 운동 에너지를 상기 크랭크축의 회전 운동 에너지로 최대한 많이 전환시킬 수 있기 때문에 엔진의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축이 직교되는 위치에서 상기 피스톤의 직선 운동 에 너지를 상기 크랭크축의 회전 운동 에너지로 전환시키는 성능이 최대가 된다.

상기 압력유지장치는, 상기 연소실과 연통되는 내부 공간을 구비하도록 상기 실린더에 배치된 보조 실린더, 상기 보조 실린더의 상사점과 하사점 사이를 직선 왕복할 수 있도록 상기 보조 실린더의 내부에 배치된 보조 피스톤, 및 상기 보조 피스톤과 연결되고 상기 흡기 밸브와 상기 배기 밸브가 닫힌 상태에서 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점으로부터 하사점을 향해 상기 연료폭발장치의 작동 시점까지 이동되는 동안 상기 연소실의 용적 증가량에 대응하여 상기 보조 실린더의 내부 공간을 감소시키도록 상기 보조 실린더의 상사점으로 상기 보조 피스톤을 이동시키는 피스톤 구동기구를 포함할 수 있다.

따라서, 상기 압력유지장치는, 상기 크랭크축과 상기 커넥팅 로드가 180도로 배치되는 실린더의 상사점으로부터 하사점을 향해 상기 피스톤이 이동되는 동안, 상기 보조 피스톤에 의해 상기 보조 실린더의 내부 공간을 감소시켜 상기 연소실 내의 최대 압축 압력을 간편하게 유지시킬 수 있다. 또한, 상기 실린더와 상기 보조 실린더의 체적 비율에 따라 상기 연소실 내의 최대 압축 압력을 다양하게 설정할 수도 있다.

또한, 상기 피스톤 구동기구는, 상기 보조 피스톤에 일측이 연결된 보조 커넥팅 로드, 상기 보조 커넥팅 로드를 이송시키기 위하여 상기 보조 커넥팅 로드의 타측에 배치된 이송부, 및 상기 이송부에 구동력을 전달하기 위하여 상기 이송부에 연결된 구동부를 포함할 수 있다. 상기 이송부는 상기 보조 커넥팅 로드의 타측이 이동 가능하게 삽입되는 이송홈이 외주면에 둘레를 따라 형성된 이송 드럼을 포함 할 수 있다. 또는, 상기 이송부는 상기 보조 커넥팅 로드의 타측과 슬라이딩 가능하게 접촉되는 이송 캠을 포함할 수도 있다. 또는, 상기 이송부는 상기 보조 커넥팅 로드의 타측에 형성된 제 1 이송 기어와, 상기 제 1 이송 기어와 치합되게 배치되도록 상기 구동부에 연결된 제 2 이송 기어를 포함할 수도 있다.

따라서, 상기와 같이 실린더의 상부에 상기 압력유지장치를 배치하는 간단한 구조 변경만으로 엔진의 효율을 향상시킬 수 있고, 기존의 왕복 피스톤 엔진에도 연료폭발장치의 작동 시점만 최적의 시점으로 이동하는 조정만으로 용이하게 적용시킬 수 있다. 이때, 보조 피스톤과 보조 실린더의 크기는 실린더의 크기에 비례하여 조정할 수 있다.

상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 내부로 흡입된 연료 가스를 점화시키는 점화기구를 포함할 수 있다. 상기 점화기구는 상기 피스톤과 상기 보조 피스톤에 의해 완전 연소되는 압력으로 연료 가스가 압축 유지됨과 아울러 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에 상기 피스톤이 배치되는 시점에 작동될 수 있다. 즉, 상기 왕복 피스톤 엔진은 가솔린 엔진을 포함할 수 있으며, 상기 피스톤과 상기 보조 피스톤은 연료 가스를 완전 연소시키는 압력까지 압축한 후 상기 점화기구가 작동될 때까지 그 압축 압력을 유지한다.

또한, 상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 내부로 흡입된 공기에 연료를 분사시키는 연료분사기구를 포함할 수도 있다. 상기 연료분사기구는 상기 피스톤과 상기 보조 피스톤에 의해 연료 가스가 자연 착화되는 압력으로 공기가 압축 유지됨과 아울러 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에 상기 피스톤이 배치되는 시점에 작동될 수 있다. 즉, 상기 왕복 피스톤 엔진은 디젤 엔진을 포함할 수 있으며, 상기 피스톤과 상기 보조 피스톤은 연료분사기구에서 분사된 연료 가스를 자연 착화시키는 압력까지 공기를 압축한 후 상기 연료분사기구가 작동될 때까지 그 압축 압력을 유지한다.

상기와 같은 가솔린 엔진과 디젤 엔진에서 살펴본 바와 같이, 상기 압력유지장치의 작동에 의하여 상기 연소실 내의 최대 압축 압력을 원하는 수준까지 간편하게 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연소실 내의 최대 압축 압력을 원하는 시점까지 유지시켜 폭발 시점을 간편하게 관리할 수 있다.

상기 왕복 피스톤 엔진은, 상기 흡기 밸브가 닫히고 상기 배기 밸브가 열린 상태에서 상기 피스톤이 상기 실린더의 하사점에서부터 상사점으로 이동되는 동안, 상기 연소실의 내부로 외부 공기를 주입하기 위하여 상기 실린더 또는 상기 압력유지장치에 구비된 공기주입기구를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 왕복 피스톤 엔진의 배기 행정에서 상기 공기주입기구가 연소실의 내부에 외부 공기를 주입하기 때문에, 왕복 피스톤 엔진의 배기 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 실린더에 구비된 흡기 밸브를 열고 상기 실린더에 구비된 배기 밸브를 닫은 상태에서 상기 실린더의 하사점으로 상기 실린더의 내부에 배치된 피스톤을 이동시키는 흡입 단계, 상기 흡입 밸브와 상기 배기 밸브를 닫은 상태에서 상기 실린더의 상사점으로 상기 피스톤을 이동시키는 압축 단계, 상기 흡입 밸브와 상기 배기 밸브를 닫은 상태에서 상기 실린더의 상사점에서 커넥팅 로드와 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치로 상기 피스톤을 이동시키고 상기 실린더와 상기 피스톤이 형성하는 연소실의 용적 증가량에 대응하여 상기 연소실과 연통되게 형성된 보조 실린더의 내부 공간을 감소시키도록 상기 보조 실린더의 내부에 배치된 보조 피스톤을 상기 보조 실린더의 상사점으로 이동시키는 압축 유지 단계, 상기 압축 유지 단계에서 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치로 상기 피스톤이 도달되면 상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키는 연료폭발장치를 작동시키고 상기 실린더의 하사점으로 상기 피스톤을 이동시키는 폭발 단계, 및 상기 흡입 밸브를 닫고 상기 배기 밸브를 열은 상태에서 상기 실린더의 상사점으로 상기 피스톤을 이동시키는 배기 단계를 포함하는 왕복 피스톤 엔진의 작동 방법을 제공한다.

따라서, 상기 압축 유지 단계에서는, 상기 실린더의 상사점에서 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축이 직교되는 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치까지 상기 피스톤이 이동되는 동안, 상기 연소실의 압축 압력이 일정하게 유지되므로, 연료 가스의 팽창으로 압력 저하에 의한 폭발력 손실을 방지할 수 있다.

상기 배기 단계는 상기 연소실의 내부로 상기 실린더 또는 상기 보조 실린더에 배치된 공기주입기구가 외부 공기를 주입하는 공기주입단계를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 공기주입단계는, 상기 배기 밸브가 열린 후에 시작되고, 상기 흡기 밸브가 열리기 전에 정지될 수 있다. 따라서, 상기 공기주입단계에서는 상기 연소실의 내부로 주입되는 외부 공기에 의하여 상기 연소실 내의 연소 가스가 원활하게 배기되므로, 상기 엔진의 배기 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 흡입 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점에서 하사점으로 상기 보조 피스톤을 이동시킬 수 있다. 따라서, 상기 흡입 단계에서는 상기 보조 피스톤에 의해 상기 보조 실린더의 내부 공간이 증가되므로, 상기 보조 실린더의 내부 공간이 증가되는 용량만큼 상기 흡기 밸브로 흡입되는 흡입량을 증가시켜 엔진의 흡입 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 압축 단계에서는 상기 보조 실린더의 하사점에서 상사점을 향해 상기 보조 피스톤을 이동시킬 수 있다. 따라서, 상기 압축 단계에서는 상기 보조 피스톤에 의해 상기 보조 실린더의 내부 공간이 감소되므로, 상기 보조 피스톤이 상기 연소실의 내부에 압축력을 추가적으로 제공하여 엔진의 압축 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 피스톤과 상기 보조 피스톤에 역방향의 힘이 분산 작용될 수 있기 때문에, 종래와 같이 피스톤에만 역방향의 힘이 작용됨으로써 발생되는 크랭크축의 회전 운동 에너지의 손실 및 엔진의 진동을 방지할 수 있다. 특히, 상기 보조 피스톤이 상기 피스톤보다 작은 단면적으로 형성되면, 상기 피스톤보다 쉽게 상기 연소실의 압력을 높일 수 있다.

상기 폭발 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점에 상기 보조 피스톤을 정지시킬 수 있다. 따라서, 상기 폭발 단계에서는 상기 보조 피스톤에 의해 상기 보조 실린더의 내부 공간이 가장 작은 크기로 유지되므로, 상기 연료 가스의 폭발력이 상기 보조 피스톤의 이동에 사용되지 않고 상기 피스톤의 이동에 모두 사용되어 엔진의 폭발 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 배기 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점에 상기 보조 피스톤을 정지시킬 수 있다. 따라서, 상기 배기 단계에서는 상기 보조 피스톤에 의해 상기 보 조 실린더의 내부 공간이 가장 작은 크기로 유지되므로, 상기 보조 실린더의 내부 공간에 잔류되는 연소 가스의 잔류량을 감소시켜 엔진의 배기 성능을 향상시킬 수 있다.

하지만, 상기 배기 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점을 향해 상기 보조 피스톤을 이동시킬 수도 있다. 그렇게 하면, 상기 보조 실린더의 내부 공간이 상기 보조 피스톤에 의해 상기 압축유지단계와 상기 폭발단계보다 더 작은 크기로 형성되므로, 상기 보조 실린더의 내부 공간에 잔류되는 연소 가스의 잔류량을 더욱 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동 방법은, 커넥팅 로드와 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에서 연료 가스를 폭발시키기 때문에, 피스톤의 직선 운동 에너지를 크랭크축의 회전 운동 에너지로 최대한 전환시킬 수 있어 엔진의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 커넥팅 로드와 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에서 연료폭발장치가 작동될 때까지 압력유지장치가 연소실 내의 최대 압축 압력을 일정하게 유지시키므로, 연료 가스의 불완전 연소를 방지하여 엔진의 효율을 향상시킬 수 있고, 연료폭발장치의 작동 이전에 연료 가스의 팽창으로 인한 압력 저하로 발생되는 폭발력 손실을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 실린더의 상부에 압력유지장치를 배치하는 간단한 구조 변 경만으로 엔진의 효율을 현저히 향상시킬 수 있고, 기존의 왕복 피스톤 엔진에 적은 비용과 간단한 설계 변경으로 용이하게 적용시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 압력유지장치의 작동에 의하여 연소실 내의 최대 압축 압력을 원하는 수준까지 간편하게 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 연소실 내의 최대 압축 압력을 원하는 시점까지 유지시켜 폭발 시점을 간편하게 관리할 수 있다.

또한, 본 발명은 실린더와 보조 실린더의 체적 비율에 따라 연소실 내의 최대 압축 압력을 다양하게 설계할 수 있다.

또한, 본 발명은 연료 가스를 완전 연소시키는 압력이나 또는 연료 가스를 자연 착화시키는 압력까지 연소실 내의 압축 압력을 피스톤과 압력유지장치가 동시에 증가시킬 수 있으므로, 가솔린 엔진과 디젤 엔진에서 연소실 내의 압축 압력을 최적의 압력 조건으로 간편하게 만들 수 있다.

또한, 본 발명은 압축 단계에서 피스톤과 함께 보조 피스톤이 연료 가스를 압축하기 때문에 엔진의 압축 효율을 더욱 향상시킬 수 있고, 피스톤과 보조 피스톤에 역방향의 힘이 분산 작용되기 때문에 크랭크축의 회전 운동 에너지의 손실 및 엔진의 진동을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 흡기 단계에서 압력유지장치가 엔진의 흡입 용량을 추가적으로 제공하여 엔진의 흡입 성능을 향상시킬 수 있고, 압축 단계에서 압력유지장치가 연소실에 압축력을 추가적으로 제공하여 엔진의 압축 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 폭발 단계 및 배기 단계에서 압축유지기구의 내부 공간을 가장 작은 상태로 유지시키므로, 연료 가스의 폭발력을 피스톤에 모두 작용시켜 엔 진의 폭발 성능을 향상시킬 수 있고, 압축유지기구의 내부에 잔류되는 연소 가스의 양을 감소시켜 엔진의 배기 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 배기 단계에서 공기주입기구가 연소실의 내부로 외부 공기를 주입하기 때문에, 엔진의 배기 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진이 도시된 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 피스톤 구동기구를 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 2에 도시된 A-A선에 따른 단면을 나타낸 도면이다. 도 2에는 흡기 행정, 압축 행정, 폭발 행정, 및 배기 행정이 하나의 사이클을 이루는 4행정 1사이클의 왕복 피스톤 엔진(100)이 도시되어 있다. 하지만, 본 발명은 4행정 1사이클의 왕복 피스톤 엔진(100)에 한정되지 않고 다양한 종류의 왕복 피스톤 엔진에 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 왕복 피스톤 엔진(100)은, 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)가 구비된 실린더(102), 상기 실린더(102)의 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이를 직선 왕복할 수 있도록 실린더(102)의 내부에 배치된 피스톤(104), 상기 실린더(102)에 회전 가능하게 배치된 크랭크축(106), 상기 크랭크축(106)에 피스톤(104)의 동력을 전달하기 위하여 크랭크축(106)과 피스톤(104)에 양측이 회전 가능하게 연결된 커넥팅 로드(108), 상기 실린더(102)의 상부에 배치된 연료폭발장치(110)를 포함한다.

상기 실린더(102)는, 피스톤(104)이 상하방향으로 이동 가능하게 배치되는 실린더 본체(102a), 상기 실린더 본체(102a)의 상부에 결합되고 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)가 배치되는 실린더 헤드(102b), 및 상기 실린더 본체(102a)의 하부에 결합되고 부품의 윤활과 냉각을 위한 오일이 수용되는 오일 팬(102c)을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 실린더 헤드(102b)에는 연료 가스 또는 공기를 실린더 본체(102a)의 내부로 안내하는 흡기 통로(113), 및 연소 가스를 실린더 본체(102a)의 외부로 안내하는 배기 통로(115)가 형성될 수 있다. 상기 흡기 밸브(112)는 흡기 통로(113)를 개폐하도록 실린더 헤드(102b)의 상부 좌측에 배치되고, 상기 배기 밸브(114)는 배기 통로(115)를 개폐하도록 실린더 헤드(102b)의 상부 우측에 배치된다. 상기와 같은 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)는 크랭크축(106)과 연동되는 캠(미도시)에 의하여 개폐 동작의 조절될 수 있다.

상기 피스톤(104)은 실린더(102)와 함께 연료 가스가 연소되는 연소실(116)을 형성한다. 상기 연소실(116)은 실린더(102)의 상사점(TDC)에 피스톤(104)이 도달했을 때 실린더(102)와 피스톤(104)이 감싸는 밀폐 공간이다.

상기 크랭크축(106)은 피스톤(104)의 직선 운동 에너지를 전달받아 회전 운동 에너지로 전환하는 부품으로써, 실린더(102)에 회전 가능하게 배치된다. 상기 크랭크축(106)은 회전 중심으로부터 일정 거리 떨어진 위치에 커넥팅 로드(108)와 회전 가능하게 연결되는 연결부(106a)가 구비된다. 상기 크랭크축(106)은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로만 회전되나, 본 실시예에서는 시계 방향 으로만 회전되는 것으로 설명한다.

상기 커넥팅 로드(108)는 피스톤(104)의 직선 운동 에너지를 크랭크축(106)에 전달하는 부품으로써, 크랭크축(106)의 연결부(106a)에 하단이 회전 가능하게 연결되고, 피스톤(104)에 상단이 회전 가능하게 연결된다. 또한, 상기 연료폭발장치(110)는 연소실(116)의 내부에서 연료 가스를 폭발시키는 부품으로써, 실린더 헤드(102b)에 관통되게 배치된다.

한편, 상기 왕복 피스톤 엔진(100)이 가솔린 엔진이면, 가솔린과 공기를 혼합한 연료 가스가 흡기 통로(113)를 통해 흡입되고, 연료폭발장치(110)는 연소실(116) 내의 연료 가스를 전기 스파크로 점화시키는 점화기구(110)를 포함한다. 반면에, 상기 왕복 피스톤 엔진(100)이 디젤 엔진이면, 공기가 흡기 통로(113)를 통해 흡입되고, 연료폭발장치(110)는 연소실(116)의 내부로 연료를 분사하는 연료분사기구를 포함한다. 이하, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 가솔린 엔진으로 한정하여 설명한다.

도 2를 참조하면, 상기 왕복 피스톤 엔진(100)은, 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)가 닫힌 상태에서 점화기구(110)가 작동되는 시점까지 실린더(102)의 상사점(TDC)으로부터 하사점(BDC)을 향해 피스톤(104)이 이동되는 동안, 연소실(116) 내의 압축 압력을 일정하게 유지시키는 압력유지장치(120)를 더 포함한다. 상기 압력유지장치(120)는 연소실(116)과 연통되게 연결되도록 실린더(102)의 상부에 배치될 수 있다. 하지만, 상기 압력유지장치(120)는 실린더(102)의 다양한 위치에 연소실(116)과 연통되게 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 실린더(102)에 복수개가 구비될 수도 있다.

상기 압력유지장치(120)는, 연소실(116)과 연통되는 내부 공간을 구비하도록 실린더(102)의 상부에 배치된 보조 실린더(122), 상기 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)과 하사점(BDC′) 사이를 직선 왕복할 수 있도록 보조 실린더(122)의 내부에 배치된 보조 피스톤(124), 및 상기 보조 피스톤(124)을 이동시키기 위하여 보조 피스톤(124)에 일측이 연결된 피스톤 구동기구(126)를 포함할 수 있다.

상기 보조 실린더(122)는 연소실(116)과 연통되게 연결되는 부위에 출입구(122a)가 형성될 수 있다. 이하에서는 보조 실린더(122)가 실린더(102)와 직교되는 구조로 실린더(102)의 상부에 수평하게 배치되고 보조 피스톤(124)이 좌우방향으로 직선 이동되는 것으로 설명한다. 하지만, 보조 실린더(122)는 실린더(102)의 다양한 위치에 다양한 방향으로 배치될 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 피스톤 구동기구(126)는, 상기 보조 피스톤(124)에 일측이 연결된 보조 커넥팅 로드(130), 상기 보조 커넥팅 로드(130)를 이송시키기 위하여 보조 커넥팅 로드(130)의 타측에 배치된 이송부(132), 및 상기 이송부(132)에 구동력을 전달하기 위하여 이송부(132)에 연결된 구동부(134)를 포함할 수 있다.

상기 보조 커넥팅 로드(130)는 이송부(132)의 이송력을 보조 피스톤(124)에 전달하는 부품으로써, 보조 피스톤(124)과 함께 좌우 방향으로 이동된다. 상기 보조 실린더(122)는 이송부(132)와 대향되는 부위에 보조 커넥팅 로드(130)의 중간 부분을 이동 가능하게 지지하는 로드 지지부(122b)가 형성될 수 있다. 따라서, 보 조 커넥팅 로드(130)는 로드 지지부(122b)에 의해 보다 안정적으로 이동될 수 있다.

상기 이송부(132)는 보조 커넥팅 로드(130)의 타측이 이동 가능하게 삽입되는 이송홈(140)이 외주면에 둘레를 따라 형성된 이송 드럼(132)을 포함할 수 있다. 상기 이송 드럼(132)은 원기둥 형상으로 형성된다. 상기 이송 드럼(132)의 회전축(132a)은, 보조 커넥팅 로드(130)와 평행하게 배치되고, 이송 드럼(132)의 반경 길이만큼 보조 커넥팅 로드(130)로부터 이격된 위치에 배치된다.

또한, 상기 이송 드럼(132)의 회전시 보조 커넥팅 로드(130)의 타측이 이송홈(140)을 따라 이동되기 위하여 상기 이송홈(140)은 이송 드럼(132)의 외주면에 둘레를 따라 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 이송 드럼(132)의 회전시 보조 커넥팅 로드(130)의 타측이 좌우 방향으로 이동되기 위하여 상기 이송홈(140)은 이송 드럼(132)의 외주면에 좌우 방향으로 위치가 가변되는 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같은 이송홈(140)의 형상은, 이송 드럼(132)의 외주면을 좌우 방향으로 펼치는 경우, 도 14에 도시된 보조 피스톤(124)의 이동 경로와 동일한 형상으로 형성된다.

도 4에는 이송 드럼(132)과 보조 커넥팅 로드(130)의 연결 구조에 대한 일 예가 도시되어 있다. 하지만, 이송 드럼(132)과 보조 커넥팅 로드(130)의 연결 구조는 도 4의 일 예에 한정되지 아니하고 이송 드럼(132)의 회전시 이송홈(140)을 따라 보조 커넥팅 로드(130)의 타측을 이동시킬 수 있는 다양한 구조가 채용될 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 보조 커넥팅 로드(130)의 타측에는 이송홈(140)의 내 부에 삽입된 후 이송홈(140)을 따라 이동되는 롤러 부재(130a)가 구비될 수 있다. 상기 이송홈(140)의 입구에는 롤러 부재(130a)의 이탈을 방지하는 걸림턱(142)이 형성될 수 있다. 따라서, 이송 드럼(132)의 회전시 이송홈(140)의 내벽에 롤러 부재(130a)가 구름 접촉되기 때문에, 보조 커넥팅 로드(130)의 타측이 이송홈(140)을 따라 부드럽게 이동될 수 있다. 그리고, 이송홈(140)에서 이탈되는 방향으로 이동되는 롤러 부재(130a)는 걸림턱(142)에 걸리기 때문에, 보조 커넥팅 로드(130)의 타측과 이송 드럼(132)의 임의 탈거가 방지될 수 있다.

한편, 피스톤 구동기구(126)의 이송부(132)는 도 3의 이송 드럼(132)에 한정되지 않고 다양한 구성으로 형성될 수 있는 바, 도 5 내지 도 7에는 피스톤 구동기구(126)의 이송부(132)에 대한 다른 예가 각각 도시되어 있다.

도 5에 도시된 이송부(232)는 보조 커넥팅 로드(130)와 직교되게 회전축(232a)이 배치된 이송 드럼(232)을 포함할 수 있다. 상기 이송 드럼(232)의 외주면에는 커넥팅 로드(130)의 타측이 삽입되기 위하여 깊이가 다르게 형성된 이송홈(240)이 형성될 수 있다. 상기 커넥팅 로드(130)의 타측에는 이송홈(240)에 삽입되는 롤러 부재(230a)가 회전 가능하게 배치될 수 있다. 따라서, 상기 이송 드럼(232)이 회전되면, 이송홈(240)의 깊이 변화에 대응하여 보조 커넥팅 로드(130)의 타측도 좌우 방향으로 이송된다.

또한, 도 6에 도시된 이송부(332)는 보조 커넥팅 로드(130)의 타측과 슬라이딩 가능하게 접촉되는 이송 캠(332)을 포함할 수 있다. 상기 커넥팅 로드(130)의 타측에는 이송 캠(332)의 접촉면(332a)에 구름 접촉되는 롤러 부재(330a)가 회전 가능하게 배치될 수 있다. 따라서, 상기 이송 드럼(132)이 회전되면, 이송 캠(332)의 접촉면(332a) 형상에 대응하여 보조 커넥팅 로드(130)의 타측도 좌우 방향으로 이송된다.

또한, 도 7에 도시된 이송부(432)는, 보조 커넥팅 로드(130)의 타측에 형성된 제 1 이송 기어(432a)와, 상기 제 1 이송 기어(432a)와 치합되도록 상기 구동부(134)에 연결된 제 2 이송 기어(432b)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 이송 기어(432a)는 보조 커넥팅 로드(130)의 타측에 길이 방향으로 형성된 래크 기어이고, 상기 제 2 이송 기어(432b)는 래크 기어와 치합되고 구동부(134)에 회전축이 연결된 피니언 기어이다.

도 2를 참조하면, 상기 구동부(134)는 이송 드럼(132)을 회전시키기 위하여 이송 드럼(132)의 회전축(132a)에 연결된다. 상기 구동부(134)는, 크랭크축(106)의 회전력을 이송 드럼(132)에 전달하기 위하여 이송 드럼(132)의 회전축(132a)과 크랭크축(106)에 연동 가능하게 연결되는 동력전달기구(134)를 포함할 수 있다. 따라서, 동력전달기구(134)와 이송 드럼(132)에 의하여 피스톤(104)과 보조 피스톤(124)의 작동이 서로 동기화(同期化)될 수 있다. 즉, 동력전달기구(134)는 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 회전 각도가 서로 일치되도록 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 작동을 조절하고, 크랭크축(106)과 마찬가지로 이송 드럼(132)을 한 방향으로만 회전시킨다. 상기 동력전달기구(134)는 기어, 풀리, 벨트 등과 같은 동력전달용 부품들로 구성될 수 있는 데, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 다르게, 상기 구동부(134)는, 모터와 같은 별도의 동력발생기구와, 크랭크축(106)의 회전 상태 또는 피스톤(104)의 이동 상태를 감지하는 감지부와, 상기 감지부의 감지값에 따라 동력발생기구의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 구동부(134)는 동력발생기구의 동력으로 이송 드럼(132)의 작동을 독립적으로 제어할 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 구동부(134)가 동력전달기구(134)를 포함하는 것으로 설명한다.

도 2를 참고하면, 상기 왕복 피스톤 엔진(100)은, 연소실(116)의 내부로 외부 공기를 고압으로 주입시키는 공기주입기구(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 공기주입기구(150)는 실린더(102) 또는 압력유지장치(120)에 구비될 수 있다. 이하에서는, 압력유지장치(120)의 보조 실린더(122)에 공기주입기구(150)가 구비된 것으로 설명한다.

상기 공기주입기구(150)는, 보조 실린더(122)의 출입구(122a)와 상사점(TDC′) 사이에 배치된 공기주입노즐(152)과, 상기 공기주입노즐(152)로 고압의 공기를 안내하는 공기안내유로(154)와, 상기 공기안내유로(154)와 연결되어 외부 공기를 펌핑하는 공기펌프(156)를 포함할 수 있다. 상기 공기주입노즐(152)은 보조 실린더(122)의 출입구(122a)를 향하는 구조로 배치될 수 있다. 상기 공기주입기구(150)의 유로 상에 공기의 토출을 단속하는 밸브가 배치될 수 있다. 따라서, 공기펌프(156)가 펌핑한 고압의 공기는 공기안내유로(154)를 따라 공기주입노즐(152)로 이동되고, 공기주입노즐(152)을 통해 고압의 공기가 보조 실린더(122)의 내부로 토출되며, 보조 실린더(122)의 내부로 토출된 공기는 출입구(122a)를 통해 실린더(102)의 내부로 공급된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진의 작동 방법을 살펴보면 다음과 같다.

도 8 내지 도 12는 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진의 흡입 단계, 압축 단계, 압축 유지 단계, 폭발 단계, 배기 단계를 각각 나타낸 상태도이고, 도 13 및 도 14는 도 8 내지 도 12에 도시된 피스톤 및 보조 피스톤의 작동 상태를 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진(100)의 작동 방법은 흡입 단계(A), 압축 단계(B), 압축 유지 단계(C), 폭발 단계(D), 및 배기 단계(E)를 포함한다.

도 8과 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 흡입 단계(A)에서는, 흡기 밸브(112)가 열리고 배기 밸브(114)가 닫힌다. 그리고, 실린더(102)의 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 피스톤(104)을 하강시켜 실린더(102)의 내부 공간을 증가시키고, 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)에서 하사점(BDC′)으로 보조 피스톤(124)을 이동시켜 보조 실린더(122)의 내부 공간을 증가시킨다. 따라서, 실린더(102)와 보조 실린더(122)의 내부 공간이 함께 증가되기 때문에, 흡기 통로(113)로 흡입되는 연료 가스의 흡입량이 증가될 수 있다. 즉, 실린더(102)와 보조 실린더(122)의 내부 공간은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진(1)보다 보조 실린더(122)의 내부 공간이 더 추가된 크기로 형성되므로, 보조 실린더(122)의 내부 공간만큼 연료 가스를 더 흡입할 수 있다.

여기서, 상기 피스톤(104)은 크랭크축(106)의 회전력에 의해 하강되고, 상기 보조 피스톤(124)은 이송 드럼(132)의 회전력에 의해 좌측으로 이동된다. 이때, 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 회전각도(θ)는 180도로 동일하고, 피스톤(104)과 보조 피스톤(124)은 상사점(TDC)(TDC′)에서 하사점(TDC)(BDC′)으로 직선 이동되는 1행정이다. 따라서, 상기 흡입 단계(A)는 4행정 1사이클 엔진의 흡입 행정에 해당된다.

도 9와 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 압축 단계(B)에서는, 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)가 닫힌다. 그리고, 실린더(102)의 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 피스톤(104)을 상승시켜 실린더(102)의 내부 공간을 감소시키고, 보조 실린더(122)의 하사점(BDC′)에서 상사점(TDC′)을 향해 보조 피스톤(124)을 이동시켜 보조 실린더(122)의 내부 공간을 감소시킨다. 따라서, 실린더(102)와 보조 실린더(122)의 내부 공간이 함께 감소되므로, 흡입 단계(A)에서 흡입된 연료 가스의 압축 성능이 더욱 향상될 수 있다.

여기서, 상기 피스톤(104)은 크랭크축(106)의 회전력에 의해 상승되고, 상기 보조 피스톤(124)은 이송 드럼(132)의 회전력에 의해 우측으로 이동된다. 이때, 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 회전각도(θ)는 180도로 동일하고, 피스톤(104)은 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 직선 이동되는 1행정이다. 따라서, 상기 압축 단계(B)는 4행정 1사이클 엔진의 압축 행정에 해당된다. 그러나, 보조 피스톤(124)은 하사점(BDC′)에서 상사점(TDC′)을 향해 우측으로 이동되나, 상사점(TDC′)에 도달되지 않기 때문에 1행정을 완료하지는 못한다.

상기와 같이 실린더(102)의 상사점(TDC)에 피스톤(104)이 도달되면, 실린더(102)와 보조 실린더(122)의 내부 공간이 연소실(116)을 형성한다. 이러한 연소실(116)은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진(1)의 연소실(116)보다 보조 실린 더(122)의 내부 공간만큼 더 증대된 크기이다. 그러나, 보조 실린더(122)의 내부 공간은 흡입 단계(A)보다 압축 단계(B)가 더 작은 용량으로 형성되기 때문에, 흡입 단계(A)와 압축 단계(B)에서 보조 실린더(112)의 내부 공간에 대한 용량 차이로 인하여 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진(1)보다 더 높은 압축비로 연소실(116)에 연료 가스가 압축될 수 있다.

도 10과 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 압축 유지 단계(C)에서는, 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)는 닫힌 상태를 유지한다. 그리고, 실린더(102)의 상사점(TDC)에서 하사점(BCD)을 향해 점화기구(110)의 작동 시점까지 피스톤(104)을 하강시켜 실린더(102)의 내부 공간을 증가시키고, 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)으로 보조 피스톤(124)을 이동시켜 보조 실린더(122)의 내부 공간을 감소시킨다.

한편, 상기 점화기구(110)는 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)의 직교 위치(G) 또는 상기의 직교 위치(G)와 근접한 위치에서 작동될 수 있다. 즉, 피스톤(104)과 커넥팅 로드(108)가 연결된 지점을 제 1 포인트(P1)라 하고, 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)이 연결된 지점을 제 2 포인트(P2)라 하며, 크랭크축(106)의 회전 중심을 제 3 포인트(P3)라고 하면, 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)이 직교되는 위치(G)는 제 1,2 포인트(P1)(P2)를 지나는 선분과 제 2,3 포인트(P2)(P3)를 지나는 선분이 이루는 각도가 90도일 때이다. 그런데, 점화기구(100)의 작동 시점이 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)의 직교 위치(G)에 가까워질수록 피스톤(104)의 직선 운동 에너지가 크랭크축(106)의 회전 운동 에너지로 보다 많이 전환될 수 있고, 점화기구(100)의 작동 시점이 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106) 의 직교 위치(G)일 때에 피스톤(104)의 직선 운동 에너지가 크랭크축(106)의 회전 운동 에너지로 모두 전환될 수 있다. 따라서, 상기 점화기구(110)는 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)의 직교 위치(G) 또는 상기 직교 위치(G)와 최대한 근접한 위치에서 작동되는 것이 엔진의 효율에 유리하다. 이하, 본 실시예에서는 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)의 직교 위치(G)에서 점화기구(110)가 작동되는 것으로 설명한다.

여기서, 상기 피스톤(104)은 크랭크축(106)의 회전력에 의해 하강되고, 상기 보조 피스톤(124)은 이송 드럼(132)의 회전력에 의해 우측으로 이동된다. 이때, 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 회전각도(θ)는 90도보다 작으며, 피스톤(104)은 하사점(BDC)에서 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)이 직교되는 위치(G)까지 직선 이동되고, 보조 피스톤(124)은 우측으로 이동되어 상사점(TDC′)에 도달된다. 따라서, 보조 피스톤(124)은 점화기구(110)의 작동 시점에 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)에 도달되므로, 보조 실린더(122)의 내부 공간을 최소로 만들어 상기 보조 실린더(122)의 내부 공간으로 인한 손실을 방지할 수 있다.

또한, 상기 실린더(102)의 내부 공간이 증가되면 연소실(116)의 용적도 증가되나, 보조 실린더(122)의 내부 공간의 감소로 인하여 연소실(116)의 용적 증가가 보상된다. 즉, 피스톤(104)의 하강으로 인한 연소실(116)의 용적 증가량에 대응하여 보조 피스톤(124)이 좌측으로 이동된다. 따라서, 실린더(102)의 내부 공간의 증가량은 보조 실린더(122)의 내부 공간의 감소량과 동일하다.

상기와 같이 피스톤(104)의 하강으로 인한 연소실(116)의 용적 증가량을 보 조 피스톤(124)이 좌측으로 이동되면서 보상해 주기 때문에, 상기 연소실(116)의 용적이 압축 단계(B)에서의 연소실(116)의 용적과 동일하게 유지될 수 있다. 따라서, 압축 단계(B)에서 피스톤(104)이 실린더(102)의 상사점(TDC)에 도달될 때의 연소실(116)의 최대 압축 압력이 압축 유지 단계(C)에서 그대로 유지될 수 있고, 그로 인하여 연료 가스의 팽창이 방지되어 팽창으로 인한 압력 저하도 방지될 수 있다.

도 11과 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 폭발 단계(D)에서는, 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)가 닫힌 상태를 유지한다. 점화기구(110)가 연소실(116)의 내부에 스파크를 발생시켜 연료 가스를 폭발시킨다. 즉, 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)에 보조 피스톤(124)이 도달된 시점에 점화기구(110)를 작동시킨다.

상기 보조 피스톤(124)은 이송 드럼(132)의 이송홈(140)에 걸려 좌우방향으로의 이동이 정지된다. 상기와 같이 보조 피스톤(124)은 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)에 도달된 상태를 유지하고 있기 때문에, 보조 실린더(122)의 내부 공간도 가장 작은 크기로 유지될 수 있다. 따라서, 연료 가스의 폭발력은 피스톤(104)에만 모두 전달되고, 보조 실린더(122)의 내부 공간의 증가로 인한 손실이 방지된다.

상기 연료 가스의 폭발력은 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)의 직교되는 위치(G)에서 실린더(102)의 하사점(BDC)으로 피스톤(104)을 하강시켜 실린더(102)의 내부 공간을 증가시킨다. 따라서, 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진(1)보다 피스톤(104)이 더 하강된 지점(G)에서 점화기구(110)가 작동되므로, 점화기구(110)의 작동 시점이 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진(1)보다 소정 시간 지연된다.

여기서, 상기 피스톤(104)은 연료 가스의 폭발력에 의해 하강되고, 피스톤(104)의 직선 운동 에너지는 커넥팅 로드(108)를 통해 크랭크축(106)에 전달된 후 크랭크축(106)의 회전 운동 에너지로 전환된다. 상기와 같이 상기 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)이 직교되는 위치(G)에서 연료 가스가 폭발되면, 커넥팅 로드(108)로 전달된 피스톤(104)의 직선 운동 에너지가 크랭크축(106)의 회전 운동 에너지로 모두 전환되어 엔진의 효율이 최대로 향상될 수 있다.

또한, 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 회전각도(θ)는 90도보다 크고 180도보다 작으며, 피스톤(104)은 커넥팅 로드(108)와 크랭크축(106)의 직교 위치(G)에서 하사점(BDC)까지 직선 이동되고, 보조 피스톤(124)은 상사점(TDC′)에서 위치가 고정된다. 특히, 압축 유지 단계(C)와 폭발 단계(D)에서는 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 총 회전각도(θ)가 180도로 동일하고, 피스톤(104)은 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 직선 이동되는 1행정을 이루고 있다. 따라서, 압축 유지 단계(C)와 폭발 단계(D)는 4행정 1사이클 엔진의 폭발 행정에 해당된다.

도 12와 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 배기 단계(E)에서는, 흡기 밸브(112)가 닫히고 배기 밸브(114)가 열린다. 그리고, 실린더(102)의 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 피스톤(104)을 상승시켜 실린더(102)의 내부 공간을 감소시키고, 보조 실린더(122)의 상사점(TDC)에 보조 피스톤(124)을 정지시켜 보조 실린더(122)의 내부 공간을 가장 작은 상태로 유지한다.

따라서, 실린더(102)와 보조 실린더(122)의 내부 공간이 최소로 형성되기 때 문에, 배기 통로(115)로 배출되는 연소 가스의 배출 성능이 향상될 수 있다. 즉, 배기 단계(E)에서는 흡입 단계(A)보다 실린더(102)와 보조 실린더(122)의 내부 공간이 작게 형성되기 때문에, 배기 단계(E)와 흡입 단계(A)에서의 내부 공간의 차이만큼, 배기 단계(E)에서 연소 가스가 더 배기될 수 있고 흡입 단계(A)에서 연료 가스가 더 흡입될 수 있다.

여기서, 상기 피스톤(104)은 크랭크축(106)의 회전력에 의해 상승되고, 상기 보조 피스톤(124)은 이송 드럼(132)의 이송홈(140)에 걸려 좌우방향으로의 이동이 정지된다. 이때, 크랭크축(106)과 이송 드럼(132)의 회전각도(θ)는 180도로 동일하고, 피스톤(104)과 보조 피스톤(124)은 상사점(TDC)(TDC′)에서 하사점(BDC)(BDC′)으로 직선 이동되는 1행정이다. 따라서, 상기 배기 단계(E)는 4행정 1사이클 엔진의 배기 행정에 해당된다.

상기와 같은 배기 단계(E)는 공기주입기구(150)를 작동시켜 연소실(116)의 내부로 고압의 외부 공기를 주입하는 공기주입단계(F)를 더 포함할 수 있다. 상기 공기주입기구(150)는, 배기 밸브(114)가 열린 후에 작동되고, 흡기 밸브(112)가 열리기 전에 작동이 정지된다. 상기 공기주입기구(150)는 연소실(116)의 내부에 공기를 연속적으로 주입하거나, 또는 연소실(116)의 내부에 일정 간격으로 공기를 단속적으로 주입할 수 있다. 연소실(116)의 내부로 고압의 공기가 주입되면, 연소실(116) 내의 연소 가스가 배기 통로(115)로 더욱 원활히 배출되어 엔진의 배기 성능이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 배기 단계(E)에서 보조 피스톤(124)이 보조 실린더(122)의 상사점(TDC ′)에 정지되지 않고, 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)보다 우측으로 더 이동될 수 있다. 상기와 같이 보조 피스톤(124)이 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′) 우측으로 이동되면, 보조 실린더(122)의 내부 공간의 감소량이 더욱 커져서 엔진의 배기 성능이 더욱 향상될 수 있다. 이를 위하여, 이송 드럼(132)에 형성된 이송홈(140)의 형상이 변경되어야 하고, 보조 실린더(122)의 상사점(TDC′)과 출입구(122a) 사이에 충분한 공간이 존재하여야 하며, 공기주입기구(150)의 공기주입노즐(152)과의 간섭도 회피될 수 있어야 한다.

도 13과 도 14에 도시된 바와 같이 흡입 단계(A), 압축 단계(B), 압축 유지 단계(C), 폭발 단계(D), 및 배기 단계(E)에서는 피스톤(104)과 보조 피스톤(124)이 실린더(102)와 보조 실린더(122)의 내부에서 서로 비대칭적으로 왕복 운동을 수행한다.

이와 같이 본 발명에 의한 왕복 피스톤 엔진 및 그 작동방법을 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예와 도면에 의해 한정되지 않고, 그 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 가능함은 물론이다.

즉, 왕복 피스톤 엔진이 디젤 엔진이면, 압축 단계에서 연소실의 내부로 분사된 연료를 자연 착화시키는 온도까지 실린더와 보조 실린더의 내부 공간이 피스톤과 보조 피스톤에 의해 압축될 수 있다.

또한, 왕복 피스톤 엔진은 복수개의 실린더와 피스톤으로 구성된 다기통 엔 진에도 적용될 수 있으며, 다기통 엔진에는 압력유지기구도 복수개가 구비될 수 있다. 예를 들면 4개, 6개, 또는 8개의 실린더를 갖는 다기통 엔진에서는 그 실린더들마다 압축유지장치를 설치할 수 있다.

또한, 연료폭발장치의 작동 시점에 보조 피스톤이 보조 실린더의 상사점에 도달되지 않는 구조로 압력유지장치를 형성할 수도 있다. 따라서, 연료폭발장치의 작동 시점에 보조 피스톤이 보조 실린더의 상사점에 도달되는 구조보다 보조 피스톤의 내부 공간을 증가시킬 수 있다.

이와 같이 압력유지장치가 구성되면, 흡입 단계에서는 보조 실린더의 상사점에서 하사점으로 보조 피스톤이 이동되고, 배기 단계에서는 보조 실린더의 상사점으로 보조 피스톤이 더 이동되면서 배기 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 압축 단계, 압축 유지 단계, 폭발 단계, 및 배기 단계에서는 보조 피스톤이 보조 실린더의 하사점에서 상사점으로 정지 구간없이 연속적으로 이동되거나, 또는 압축 단계와 압축 유지 단계 및 배기 단계에서만 보조 실린더가 이동되고 폭발 단계에서는 보조 피스톤의 이동이 정지될 수도 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 왕복 피스톤 엔진이 도시된 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진이 도시된 단면도,

도 3은 도 2에 도시된 피스톤 구동기구를 나타낸 평면도,

도 4는 도 2에 도시된 A-A선에 따른 단면을 나타낸 도면,

도 5는 도 2에 도시된 피스톤 구동기구의 다른 예를 나타낸 사시도,

도 6은 도 2에 도시된 피스톤 구동기구의 또 다른 예를 나타낸 사시도,

도 7은 도 2에 도시된 피스톤 구동기구의 또 다른 예를 나타낸 사시도,

도 8은 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진의 흡입 단계를 나타낸 상태도,

도 9는 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진의 압축 단계를 나타낸 상태도,

도 10은 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진의 압축 유지 단계를 나타낸 상태도,

도 11은 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진의 폭발 단계를 나타낸 상태도,

도 12는 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진의 배기 단계를 나타낸 상태도,

도 13은 도 8 내지 도 12에 도시된 피스톤의 작동 상태를 나타낸 그래프,

도 14는 도 8 내지 도 12에 도시된 보조 피스톤의 작동 상태를 나타낸 그래프,

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 간단한 설명>

100: 왕복 피스톤 엔진 102: 실린더

104: 피스톤 106: 크랭크축

108: 커넥팅 로드 110: 연료폭발장치, 점화기구

120: 압력유지장치 122: 보조 실린더

124: 보조 피스톤 126: 피스톤 구동기구

130: 보조 커넥팅 로드 132: 이송부, 이송 드럼

134: 구동부 140: 이송홈

150: 공기주입기구

Claims (18)

1. 흡기 밸브와 배기 밸브가 구비된 실린더;

   상기 실린더의 상사점과 하사점 사이를 직선 왕복할 수 있도록 상기 실린더의 내부에 배치되고, 상기 실린더와 함께 연소실을 형성하는 피스톤;

   상기 실린더에 회전 가능하게 배치된 크랭크축;

   상기 크랭크축에 상기 피스톤의 동력을 전달하기 위하여 상기 크랭크축과 상기 피스톤에 양측이 회전 가능하게 연결된 커넥팅 로드;

   상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키기 위하여 상기 실린더의 상부에 배치된 연료폭발장치; 및

   상기 흡기 밸브와 상기 배기 밸브가 닫힌 상태에서 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점으로부터 하사점을 향해 상기 연료폭발장치의 작동 시점까지 이동되는 동안, 상기 연소실 내의 압축 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 상기 실린더에 구비된 압력유지장치;

   를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 연료폭발장치는 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에 상기 피스톤이 도달될 때 작동되는 왕복 피스톤 엔진.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 압력유지장치는, 상기 연소실과 연통되는 내부 공간을 구비하도록 상기 실린더에 배치된 보조 실린더; 상기 보조 실린더의 상사점과 하사점 사이를 직선 왕복할 수 있도록 상기 보조 실린더의 내부에 배치된 보조 피스톤; 및 상기 보조 피스톤과 연결되고, 상기 흡기 밸브와 상기 배기 밸브가 닫힌 상태에서 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점으로부터 하사점을 향해 상기 연료폭발장치의 작동 시점까지 이동되는 동안, 상기 연소실의 용적 증가량에 대응하여 상기 보조 실린더의 내부 공간을 감소시키도록 상기 보조 실린더의 상사점으로 상기 보조 피스톤을 이동시키는 피스톤 구동기구;를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 피스톤 구동기구는, 상기 보조 피스톤에 일측이 연결된 보조 커넥팅 로드; 상기 보조 커넥팅 로드를 이송시키기 위하여 상기 보조 커넥팅 로드의 타측에 배치된 이송부; 및 상기 이송부에 구동력을 전달하기 위하여 상기 이송부에 연결된 구동부;를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 이송부는, 상기 보조 커넥팅 로드의 타측이 이동 가능하게 삽입되는 이송홈이 외주면에 둘레를 따라 형성된 이송 드럼을 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 이송부는, 상기 보조 커넥팅 로드의 타측과 슬라이딩 가능하게 접촉되는 이송 캠을 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
7. 청구항 4에 있어서,

   상기 이송부는, 상기 보조 커넥팅 로드의 타측에 형성된 제 1 이송 기어와, 상기 제 1 이송 기어와 치합되게 배치되도록 상기 구동부에 연결된 제 2 이송 기어를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
8. 청구항 3에 있어서,

   상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 내부로 흡입된 연료 가스를 점화시키는 점화기구를 포함하고,

   상기 점화기구는 상기 피스톤과 상기 보조 피스톤에 의해 완전 연소되는 압력으로 연료 가스가 압축 유지됨과 아울러 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에 상기 피스톤이 배치되는 시점에 작동되는 왕복 피스톤 엔진.
9. 청구항 3에 있어서,

   상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 내부로 흡입된 공기에 연료를 분사시키는 연료분사기구를 포함하고,

   상기 연료분사기구는 상기 피스톤과 상기 보조 피스톤에 의해 연료 가스가 자연 착화되는 압력으로 공기가 압축 유지됨과 아울러 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치에 상기 피스톤이 배치되는 시점에 작동되는 왕복 피스톤 엔진.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

    상기 흡기 밸브가 닫히고 상기 배기 밸브가 열린 상태에서 상기 피스톤이 상기 실린더의 하사점에서부터 상사점으로 이동되는 동안, 상기 연소실의 내부로 외부 공기를 주입하기 위하여 상기 실린더 또는 상기 압력유지장치에 구비된 공기주입기구를 더 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
11. 실린더에 구비된 흡기 밸브를 열고 상기 실린더에 구비된 배기 밸브를 닫은 상태에서, 상기 실린더의 하사점으로 상기 실린더의 내부에 배치된 피스톤을 이동시키는 흡입 단계;

    상기 흡입 밸브와 상기 배기 밸브를 닫은 상태에서, 상기 실린더의 상사점으로 상기 피스톤을 이동시키는 압축 단계;

    상기 흡입 밸브와 상기 배기 밸브를 닫은 상태에서, 상기 실린더의 상사점에서 커넥팅 로드와 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치로 상기 피스톤을 이동시키고, 상기 실린더와 상기 피스톤이 형성하는 연소실의 용적 증가량에 대응하여 상기 연소실과 연통되게 형성된 보조 실린더의 내부 공간을 감소시키도록 상기 보조 실린더의 내부에 배치된 보조 피스톤을 상기 보조 실린더의 상사점으로 이동시키는 압축 유지 단계;

    상기 압축 유지 단계에서 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크축의 직교 위치 또는 상기 직교 위치와 근접한 위치로 상기 피스톤이 도달되면, 상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키는 연료폭발장치를 작동시키고, 상기 실린더의 하사점으로 상기 피스톤을 이동시키는 폭발 단계; 및

    상기 흡입 밸브를 닫고 상기 배기 밸브를 열은 상태에서, 상기 실린더의 상사점으로 상기 피스톤을 이동시키는 배기 단계;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진의 작동 방법.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 배기 단계는 상기 연소실의 내부로 상기 실린더 또는 상기 보조 실린더에 배치된 공기주입기구가 외부 공기를 주입하는 공기주입단계를 포함하는 왕복 피스톤 엔진의 작동방법.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 공기주입단계는, 상기 배기 밸브가 열린 후에 시작되고, 상기 흡기 밸브가 열리기 전에 정지되는 왕복 피스톤 엔진의 작동방법.
14. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 흡입 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점에서 하사점으로 상기 보조 피스톤을 이동시키는 왕복 피스톤 엔진의 작동방법.
15. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 압축 단계에서는 상기 보조 실린더의 하사점에서 상사점을 향해 상기 보조 피스톤을 이동시키는 왕복 피스톤 엔진의 작동방법.
16. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 폭발 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점에 상기 보조 피스톤을 정지시키는 왕복 피스톤 엔진의 작동 방법.
17. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 배기 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점에 상기 보조 피스톤을 정지시키는 왕복 피스톤 엔진의 작동 방법.
18. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 배기 단계에서는 상기 보조 실린더의 상사점을 향해 상기 보조 피스톤을 이동시키는 왕복 피스톤 엔진의 작동 방법.

Images