KR101366469B1 - 내연기관 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관 시스템에 관한 것으로서, 적어도 하나 이상의 메인 실린더와 메인 피스톤을 포함하는 메인 엔진; 상기 메인 엔진의 일측에 구비되며, 보조 실린더와 보조 피스톤을 포함하는 보조 엔진; 상기 메인 엔진에 연결되며 상기 메인 엔진으로부터 유입되는 배기가스를 통해 스팀을 발생시키는 보일러; 및 상기 보일러에서 발생된 스팀을 상기 보조 실린더에 유입시키는 스팀 배관을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 내연기관 시스템은, 높은 온도로 방출되는 배기가스를 보일러에 유입시켜서 스팀을 발생시키고, 메인 엔진에 보조 엔진을 추가하여 스팀에 의해 보조 엔진의 보조 피스톤이 구동되도록 함으로써, 연비를 향상시켜 연료 사용량을 절감할 수 있다.

Description

내연기관 시스템{A System for Internal Combustion Engine}

본 발명은 내연기관 시스템에 관한 것이다.

자동차 또는 선박이나 비행기 등과 같이 움직이는 물체에는 엔진이 구비된다. 엔진이란 다양한 종류의 연료를 사용하여 회전력을 생성함으로써, 바퀴나 프로펠러 등을 회전시켜 전진할 수 있는 힘을 발생시키는 기관이다.

이때 사용되는 엔진으로는, 보일러 등을 통해 가열된 유체에 의해 동력을 일으키는 외연기관(external combustion engine)과, 연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 내연기관(internal combustion engine)으로 나뉠 수 있으며, 최근에는 열 효율 등을 고려하여 내연기관이 주로 사용되고 있다.

내연기관이란, 연료를 연소시켜 생긴 연소가스가 피스톤 또는 터빈 블레이드를 작동시켜서, 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관이며, 실린더 내에서 연료와 공기의 혼합기체를 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 주로 일컫는다.

이러한 내연기관은 사용하는 연료에 의해 가스기관, 가솔린기관, 디젤기관 등으로 분류되며, 가스기관과 가솔린기관은 점화플러그에 의해 발생되는 전기불꽃으로 혼합기체를 점화시키고, 디젤기관은 연료를 고온, 고압의 공기 속에 분사하여 자연 발화시킨다. 이때 피스톤의 행정, 동작에 따라 4행정 또는 2행정 사이클 방식으로 나뉠 수 있다.

이러한 내연기관은 피스톤을 밀어낸 혼합기체가 배기가스로서 외부로 배출되는데, 배출된 배기가스에는 질소산화물 등이 포함되어 있기 때문에 환경을 오염시킬 수 있다는 문제점이 있다. 또한 최근에는 각종 연료의 가격이 지속적으로 증가함에 따라, 환경오염에 대한 규제와 맞물려 에너지 절감 대책 마련의 필요성이 빠르게 확산되고 있다. 따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 근래에는 출력 연비를 향상시켜 배기가스를 절감하는 내연기관에 대해서 집중적으로 많은 연구가 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배기가스를 열원으로 이용하여 보일러에서 스팀을 발생시키고, 스팀을 통해 보조 실린더의 보조 피스톤을 구동함으로서 연비를 향상시키는 내연기관 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 시스템은, 적어도 하나 이상의 메인 실린더와 메인 피스톤을 포함하는 메인 엔진; 상기 메인 엔진의 일측에 구비되며, 보조 실린더와 보조 피스톤을 포함하는 보조 엔진; 상기 메인 엔진에 연결되며 상기 메인 엔진으로부터 유입되는 배기가스를 통해 스팀을 발생시키는 보일러; 및 상기 보일러에서 발생된 스팀을 상기 보조 실린더에 유입시키는 스팀 배관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 내연기관 시스템은, 높은 온도로 방출되는 배기가스를 보일러에 유입시켜서 스팀을 발생시키고, 메인 엔진에 보조 엔진을 추가하여 스팀에 의해 보조 엔진의 보조 피스톤이 구동되도록 함으로써, 연비를 향상시켜 연료 사용량을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 시스템의 개념도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 시스템의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 시스템(1)은, 메인 엔진(10), 보조 엔진(20), 보일러(30), 배기가스 활용배관(40), 배기가스 배출배관(50), 스팀 배관(60), 응축기(70), 물 공급배관(80)을 포함한다.

메인 엔진(10)은, 적어도 하나 이상의 메인 실린더(11)와 메인 피스톤(도시하지 않음)을 포함한다. 메인 엔진(10)은 가스, 가솔린 또는 디젤 등을 공급받아 메인 실린더(11)의 내부에서 연소시키고, 연소된 기체가 메인 피스톤을 밀어냄으로써 메인 피스톤이 왕복운동 하게 하여 추력을 생성한다.

이때 메인 피스톤의 하부에 연결된 축(23)은 메인 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 전달받아 회전하게 되며, 축(23)에 연결된 바퀴나 프로펠러 등과 같은 추진기관이 회전함으로써, 메인 엔진(10)을 구비한 자동차나 선박 등이 움직이게 된다.

연소된 기체는 배기가스로서 외부로 배출되는데, 본 실시예는 배기가스를 단순히 외부로 방출하는 것이 아니라, 후술할 보일러(30)에 유입시켜서 스팀을 발생시키고, 스팀을 이용하여 보조 엔진(20)을 구동하여 추가적으로 동력을 확보할 수 있다. 상기 내용에 대해서는 이하에서 자세히 설명하도록 한다.

보조 엔진(20)은, 메인 엔진(10)의 일측에 구비되며, 보조 실린더(21)와 보조 피스톤(22)을 포함한다. 이때 보조 피스톤(22)은 메인 피스톤과 동일한 축(23)에 연결될 수 있다. 즉 보조 피스톤(22)은 메인 엔진(10)에 추가 동력을 제공할 수 있고, 또는 별도로 보조 엔진(20)에 연결되는 장치를 구동시킬 수도 있다. 일례로 보조 엔진(20)은 발전기 등에 연결되어 전기를 생산할 수 있고, 선박에 설치되는 소형 스러스터 등에 연결되어 스러스터를 구동시킬 수 있다.

보조 엔진(20)은 메인 엔진(10)과 달리, 가스나 가솔린 또는 디젤에 의해 구동되지 않으며, 스팀의 압력에 의해 보조 피스톤(22)이 왕복운동을 할 수 있다. 본 실시예는 메인 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스로 스팀을 발생시키고, 고온 고압의 스팀을 보조 엔진(20)의 보조 실린더(21)에 주입하여, 스팀이 보조 피스톤(22)을 밀어내어 보조 피스톤(22)이 왕복운동하도록 함으로써 추가적인 동력 생산이 가능하다.

보조 피스톤(22)은, 스팀이 보조 피스톤(22)의 하부로 유출되는 것을 방지하기 위해, 고무 등을 이용한 실링부재(221)가 구비될 수 있다. 실링부재(221)는 보조 피스톤(22)의 헤드 부분에 원형으로 둘러 설치될 수 있으며, 상하로 적어도 2단 이상 설치되어 스팀의 누출을 완벽히 차단할 수 있다.

보일러(30)는, 메인 엔진(10)에 연결되며 메인 엔진(10)으로부터 유입되는 배기가스를 통해 스팀을 발생시킨다. 보일러(30)는 메인 엔진(10)에 후술할 배기가스 활용배관(40)을 통해 연결될 수 있다. 보일러(30)에는 후술할 물 공급배관(80)을 통해 응축수가 유입될 수 있고, 보일러(30)에 유입되는 배기가스는 고온의 상태이므로, 보일러(30)는 배기가스와 응축수를 열교환시켜서 고온 고압의 스팀을 발생시켜 보조 엔진(20)에 공급할 수 있다.

보일러(30)에 공급되는 배기가스는 메인 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스 외에도, 메인 엔진(10)이 구비되는 자동차나 선박의 내부에 별도로 설치되는 별도 엔진(90)으로부터 배출되는 배기가스를 모두 포함할 수 있다. 즉 본 실시예는 보일러(30)에 공급되는 배기가스를 메인 엔진(10)의 배기가스로 한정하지 않을 수 있으며, 응축수를 통해 스팀을 발생시킬 수 있을 정도의 고온 상태에 놓여 있는 모든 가스를 보일러(30)에 공급하여, 충분한 양의 스팀을 확보할 수 있다.

배기가스 활용배관(40)은, 메인 엔진(10)에서 발생된 배기가스를 보일러(30)에 유입시킨다. 배기가스 활용배관(40)에는 보조 엔진(20)의 구동 여부를 제어할 수 있는 밸브(41)가 구비될 수 있다. 밸브(41)를 개방시키면 메인 엔진(10)에서 배출되는 배기가스는 보일러(30)로 유입된 뒤 응축수와 열교환한 후 외부로 방출될 수 있고, 밸브(41)를 밀폐시키면 메인 엔진(10)의 배기가스는 바로 외부로 배출될 수 있다.

즉 메인 엔진(10)의 배기가스는, 배기가스 활용배관(40)을 통해서 보일러(30)로 유입되거나, 또는 배기관(도시하지 않음)을 통해 스팀과의 열교환 없이 외부로 배출될 수 있다. 물론 배기관에는 배기가스의 정화를 위한 필터(도시하지 않음)가 구비될 수 있고, 이는 배기가스 활용배관(40)에도 마찬가지이다.

배기가스 배출배관(50)은, 보일러(30)에서 응축수와 열교환된 배기가스를 외부로 배출시킨다. 이때 배기가스 배출배관(50)은 앞서 배기가스 활용배관(40)에서 설명한 바와 같이 배기가스의 정화를 위한 필터(도시하지 않음)가 구비될 수 있다.

배기가스 배출배관(50)을 통해 배출되는 배기가스는, 보일러(30)에서 응축수에 열을 공급한 후이기 때문에, 배기가스 활용배관(40)에서 유동하는 배기가스보다 온도가 낮을 수 있다. 물론 본 실시예는 배기가스의 온도에 대한 특별한 한정은 하지 않는다.

스팀 배관(60)은, 보일러(30)에서 발생된 스팀을 보조 실린더(21)에 유입시킨다. 스팀 배관(60)은 복수 개로 구성될 수 있는 보조 실린더(21) 각각에 나뉘어 연결되며, 고온 고압의 스팀을 보조 실린더(21)로 공급함으로써, 보조 실린더(21) 내부의 보조 피스톤(22)이 스팀의 압력에 의해 상하로 움직일 수 있도록 한다.

응축기(70)는, 보조 엔진(20)으로부터 배출되는 배기스팀을 응축시킨다. 보조 실린더(21)에 유입된 스팀은 보조 피스톤(22)을 구동한 이후 압력과 열이 각각 저하된 뒤 보조 실린더(21)에서 방출된다. 이때 본 실시예는 응축기(70)를 사용하여 보조 실린더(21)로부터 배출되는 배기스팀을 응축시켜 물로 변환하고, 이를 보일러(30)에 공급하여 다시 스팀을 생성함으로써 스팀이 재사용되도록 할 수 있다.

응축기(70)는 물이나 대기 등을 이용하여 배기스팀을 응축시킬 수 있다. 즉 응축기(70)는 팬(도시하지 않음)과 다수 개의 파이프(도시하지 않음)를 포함하며, 파이프에 배기스팀이 유입되도록 하고, 파이프의 일측에 구비된 팬이 회전함에 따라 대기가 파이프의 외측에 유입되도록 하여, 배기스팀과 대기가 열교환할 수 있도록 한다. 이를 통해 배기스팀은 열을 빼앗겨 물로 응축될 수 있고, 대기는 배기스팀으로부터 열을 공급받아 가열될 수 있다.

물 공급배관(80)은, 응축기(70)에 의해 응축된 응축수를 보일러(30)로 공급한다. 물 공급배관(80)은 스팀에서 물로 변환된 응축수를 다시 보일러(30)로 공급하여, 스팀이 일정한 사이클을 따라 순환하도록 할 수 있다.

이때 물 공급배관(80)에는, 응축수를 이동시키는 물 공급펌프(81)가 설치될 수 있다. 물 공급펌프(81)는 응축기(70)의 출구 측에 배치될 수 있고, 응축수가 물 공급배관(80)을 따라 보일러(30)에 유입되도록 할 수 있다.

또한 물 공급배관(80)은, 응축수의 순환이 필요하지 않거나 또는 응축수의 교환이 필요한 경우를 대비하여, 드레인 배관(도시하지 않음)을 추가로 구비할 수 있다. 드레인 배관은 물 공급배관(80)으로부터 분지 연결되어, 응축기(70)에서 응축된 물이 외부로 배출되도록 할 수 있다. 물론 스팀에 의해 보조 엔진(20)이 구동되는 상태에서는, 드레인 배관은 밀폐된 상태를 유지하여 응축수가 보일러(30)로 원활하게 유입되도록 할 수 있다.

본 실시예는, 배기가스 활용배관(40)에 분지 연결되며 배기가스를 메인 실린더(11)로 유입시키는 배기가스 재순환 배관을 더 포함할 수 있다. 배기가스 재순환 배관은, 메인 실린더(11)에서 배출되는 배기가스를 다시 메인 실린더(11)로 유입시킴으로써, 메인 실린더(11) 내부의 연소 온도를 떨어뜨려서 배기가스 내부의 질소 산화물을 절감할 수 있다. 배기가스 재순환 배관은 일반적으로 사용되는 배기가스 재순환장치(EGR: exhaust gas recirculation)의 구성을 차용할 수 있으므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.

이와 같이 본 실시예는, 배기가스를 이용하여 스팀을 발생시키고, 스팀을 통해 다시 동력을 발생시킴으로써, 추가 동력을 얻을 수 있으므로 연비를 대폭 감축할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 내연기관 시스템 10: 메인 엔진
11: 메인 실린더 20: 보조 엔진
21: 보조 실린더 22: 보조 피스톤
221: 실링부재 23: 축
30: 보일러 40: 배기가스 활용배관
41: 밸브 50: 배기가스 배출배관
60: 스팀 배관 70: 응축기
80: 물 공급배관 81: 물 공급펌프
90: 별도 엔진

Claims (6)

1. 적어도 하나 이상의 메인 실린더와 메인 피스톤을 포함하는 메인 엔진;
   상기 메인 엔진의 일측에 구비되며, 보조 실린더와 보조 피스톤을 포함하는 보조 엔진;
   상기 메인 엔진에 연결되며 상기 메인 엔진으로부터 유입되는 배기가스를 통해 스팀을 발생시키는 보일러; 및
   상기 보일러에서 발생된 스팀을 상기 보조 실린더에 유입시키는 스팀 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 피스톤은,
   상기 메인 피스톤과 동일한 축에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 보조 엔진으로부터 배출되는 배기스팀을 응축시키는 응축기; 및
   상기 응축기에 의해 응축된 응축수를 상기 보일러로 공급하는 물 공급배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 물 공급배관에 설치되어 상기 응축수를 이동시키는 물 공급펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 엔진에서 발생된 배기가스를 상기 보일러에 유입시키는 배기가스 활용배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 배기가스 활용배관에 분지 연결되며 상기 배기가스를 상기 메인 실린더로 유입시키는 배기가스 재순환 배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 시스템.

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