KR20000005474A - 용적이 일정한 독립적인 연소실을 구비하는 내연 기관 - Google Patents

Abstract

용적이 일정한 독립적인 연소실을 구비한 주기적인 내연 기관에 관련된 방법과 장치로서, 각각의 실린더 또는 요소에 대해 압축실(1), 연소실(2) 및 팽창실(3)은 3개의 개별적이며 완전히 독립적인 부분으로 구성된다. 압축실에서의 사이클은 팽창실에서의 사이클과 연관되어 진행되며, 이에 따라 긴 연소 주기가 가능하다. 연소실 플랩(6)이 개방되면 압축 탄화된 혼합물은 연소실(2)로 도입되고, 압축실과 팽창실 사이의 포트(5)는 폐쇄되며, 플랩(6)이 폐쇄되면 용적이 일정한 연소실(2)에서 연소가 발생되며, 이 연소실은 연소 주기를 연장하도록 고립되어 있다. 팽창실(4)의 용적이 최소 레벨인 경우, 플랩(8)은 개방되며 연소실과 팽창실 사이의 포트(7)는 폐쇄되며, 고압으로 연소된 가스는 팽창되어 팽창 피스톤(15)을 밀어서, 작동 사이클이 발생된다. 본 발명은 모든 관련 엔진에 적용된다.

Description

용적이 일정한 독립적인 연소실을 구비하는 내연 기관

프랑스 특허 제2319769호 또는 선택적으로 제2416344호에 개시된 바와 같이 개별적인 압축실 및 팽창실과 독립적인 연소실을 구비하는 주기적인 내연 기관은 종래의 엔진과 비교할 때 작동에 있어서 몇가지 점을 개선할 수 있게 한다. 이러한 형태의 엔진에 있어서, 흡입과 압축은 피스톤에 의하여 제어되는 압축실에서 이루어지며, 반면에 팽창과 배기는 팽창실에서 이루어지며, 독립적인 연소실은 셔터(shutters)가 장착된 덕트에 의하여 압축실과 팽창실에 연결된다. 그러나, 이러한 팽창실과 압축실의 가변 용적을 주기적으로 동조하게 제어하여, 가스 덩어리의 연소 및 이송에 사용되는 시간이 특히 짧아서 종래의 엔진에서 달성되는 완전 연소가 이루어질 수 없게 한다.

본 발명은 독립적이고 용적이 일정한 연소실을 구비하는 주기적인 내연 기관의 작동 방법에 관한 것이다.

도 1은 압축실과 팽창실이 각각 로드-크랭크 시스템과 실린더내에서 미끄러지는 피스톤에 의하여 제어되는 본 발명에 따른 엔진의 일실시예의 개략적인 단면도.

도 2는 공기-연료 혼합물이 연소실에 충전된 후의 도 1의 엔진을 도시한 도면.

도 3은 연소실로부터의 가스를 팽창실로 이송하는 순간의 도 1의 엔진을 도시한 도면.

도 4는 배기 및 압축중의 도 1의 엔진을 도시한 도면.

도 5는 압축 공기-연료 혼합물이 연소실로 유입되는 상태이며, 압축기와 연소실 사이에 버퍼 공간이 설치되어 있는 다른 작동 모드의 단면도.

도 6은 연소중의 도 5의 엔진을 도시한 도면.

도 7은 팽창 초기의 도 5의 엔진을 도시한 도면.

도 8은 팽창 말기의 도 5의 엔진을 도시한 도면.

도 9는 팽창실이 형성되고 팽창이 레이디알 베인이 있는 형태의 로타리 시스템에서 발생하는 다른 실시예의 단면도.

본 발명에 따른 방법은 전술한 결점을 해결하고 전술한 형태의 엔진의 작동이 현저히 개선될 수 있게 하는 데, 이 방법은 이용되는 수단, 보다 구체적으로 말하면 흡입과 압축으로 이루어지는 압축실에서의 사이클이 팽창과 배기가 이루어지는 팽창실에서의 사이클과 연계하여 진행되어 종래의 엔진보다 훨씬 긴 연소 주기를 확보할 수 있다고 하는 사실을 특징으로 한다. 실례로서, 종래의 엔진과 전술한 특허에 개시된 엔진에 있어서, 충전된 연료를 연소시키는 것은 이들의 엔진 샤프트가 약 30 내지 45°회전하는 중에 이루어지는 반면, 본 발명에 따른 엔진 공정에 있어서는 배기 행정중에 혼합물을 압축실에 충전하고 연소시키는데 사용할 수 있는 회전이 180°에 이르며, 이것은 이용되는 충전 모드에 따라 엔진 샤프트가 약 150°또는 심지어 160°회전 범위의 연소 주기를 허용한다. 또한, 이렇게 긴 연소 중에 벽을 통한 열손실을 방지하기 위하여, 압축실에는 그것의 벽을 열이 손실되지 않도록 세라믹 또는 다른 단열재로 구성된 열 차단벽이 피복될 수 있으며, 같은 이유로 팽창실의 벽(피스톤 크라운, 팽창실의 루프, 이송 덕트 등)에도 세라믹 또는 다른 단열재로 구성된 열 차단벽이 피복되면 특히 유리하다.

본 발명에 따른 엔진의 작동과, 종래의 엔진 및 전술한 특허에 개시된 종래의 엔진에 비한 개선점이 이제 이해될 것이다. 특히, 압축실과 팽창실에서의 사이클에 있어서의 상호 종속성과 연소실 및/또는 팽창실의 단열로 인하여 현저한 열손실 없이 종래 엔진의 주기보다 3 내지 4배 긴 연소 주기를 가능하게 하여 효율을 향상시키며, 부수적으로, 이러한 구조를 이용하면 기본적으로 피스톤의 직경에 종속하지 않는 연소실을 제조하는 것을 가능하게 하고, 이에 따라 가스가 연소되지 않고 미연소된 탄화수소를 발생시키는 요철부 또는 "모서리(corners)"가 없는 이상적인 구형 형상을 또는 이상적인 구형 형상에 근접한 형상을 얻을 수 있게 한다.

연소 주기가 길다는 장점과, 연소실이 요철부 또는 모서리가 없는 구형 형상에 근접한 컴팩트한 형상을 가진다는 장점과, 벽이 뜨겁다라는 장점이 합쳐져서, 배기시에 종래의 엔진보다 훨씬 적은 오염물을 방출할 수 있다.

본 발명에 따라 수행되는 다른 방식에 따르면, 압축실과 연소실 사이에 압축된 가스가 담기는 버퍼 공간(buffer volume)을 형성하는 것이 가능하며, 이로 인하여 연소실을 충전하는 도중에 이송용 사공간(死空間)(dead transfer volume)과 팽창에 기인한 압력 강하와 서지 효과(surge effect)를 방지하는 것이 가능하다.

그러므로, 압축기의 작동 모드가 본 발명의 원리를 변화시키지 않고 다양해질 수 있으며, 일반적으로는 왕복 압축기를 채용하는 것이 편리하지만, 일단 또는 다단식 왕복 압축기, 회전 베인 압축기, 루츠형 블로어(Roots-type blower) 또는 리섬형 압축기(Lyshom type compressor), 또는 배기 가스에 의하여 구동되는 터보 압축기와 같이 압축된 공기를 생성하는 어떤 다른 모드가 이용될 수 있다. 마찬가지로, 어떤 용례에 있어서는, 연소실에서 팽창될 실린더(또는 다른 용기)로부터의 공기 또는 심지어 주요부(예를 들면 압축 공기를 이용하는 공장에서 쓰이는 고정 엔진(stationary engine))으로부터의 압축 공기의 저장조를 이용하는 것이 가능하다.

팽창실의 작동 모드는 본 발명의 원리를 변화시키지 않고 다양해질 수 있으며, 일반적으로는 실린더에서 미끄러지며 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 샤프트를 구동하는 피스톤을 이용하는 것이 편리하지만, 어떤 회전식 캡슐형 시스템(rotary encapsulation system)이 또한 이용될 수 있으며, 이 시스템은 레이디알 베인과, 원형의 콘코이드(conchoid) 또는 트로코이드(trochoid) 경로 등을 가지는 로타리 피스톤을 구비하는 회전 기계이다.

본 발명에 따른 엔진은 균일한 공기-연료 혼합물로 작동되며, 이러한 혼합은 압축기에 흡입되기 이전에 카부레터를 이용하여 이루어지며, 작동 원리를 변경시키지 않고 연소실에 직접 분사할 수도 있지만, 압축기와 연소실 사이에 연료-분사(전기적 또는 기계적) 시스템을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 엔진은 디젤 엔진에서 처럼 이질적인 자기 점화 혼합물로 작동된다. 이러한 경우에, 연소실에 설치된 점화 플러그는 생략되며, 펌프에 의하여 공급되는 직접적인 디젤 분사 장치와 디젤 엔진에서 일반적으로 이용되는 형태의 분사 장치가 상기 연소실에 설치된다.

부수적으로, 전술한 연소실과 거의 동일한 방법으로 작동하는 두 개 이상의 개별적인 연소실이 설치될 수 있으며, 이들 연소실은 경하중의 경우에 열열학적 효율을 향상시키도록 함께, 개별적으로 또는 선택적으로 될 수 있는데, 예컨대 이용된 동력 레벨이 엔진의 총 동력의 절반 이하인 경우에는 단지 하나의 연소실이 이용되며, 절반 이상인 경우에는 두 연소실을 모두 이용한다.

본 발명의 다른 목적, 장점 및 특징은 첨부 도면을 참조로 설명되는 한정하지 않는 여러 실시예를 설명함으로써 알 수 있을 것이다.

도 1 내지 도 4에는 압축실과 팽창실이 각각 로드 및 크랭크 시스템과, 실린더내에서 미끄러지는 피스톤에 의하여 제어되는 본 발명에 따른 엔진의 일실시예의 개략적인 단면도가 도시되어 있으며, 여기에는 압축실(1), 점화 플러그(3)가 설치되어 있는 용적이 일정한 독립적인 연소실(2)과 팽창실(4)이 도시되어 있다. 압축실(1)은 포트(5)에 의하여 연소실(2)에 연결되며, 이 포트의 개방과 폐쇄는 밀봉 플랩(6)에 의하여 제어된다. 연소실(2)은 이송 포트(7)에 의하여 팽창실(4)에 연결되며, 이 이송 포트의 개방과 폐쇄는 밀봉 플랩(8)에 의하여 제어된다.

종래의 왕복 압축기 유닛에 의하여 압축실에 압축 공기가 공급되며, 이 압축기 유닛은 로드(11)와 크랭크 샤프트(12)에 의하여 제어되며 실린더(10)내에서 미끄러지는 피스톤(9)이다. 새로운 공기-연료 혼합물은 흡입 포트(13)를 통하여 흡입되는 데, 이 흡입 포트의 개방은 밸브(14)에 의하여 제어된다.

팽창실(4)은 종래의 피스톤 엔진 조립체를 제어하며, 이 엔진 조립체는 커텍팅 로드를 매개로 하여 크랭크 샤프트(18)를 회전시키며, 연소 가스는 배기 포트(19)를 통하여 배기되는 데, 이 배기 포트의 개방은 밸브(20)에 의하여 제어된다.

크랭크 샤프트(18)는 팽창 피스톤의 상사점과 압축기 피스톤의 상사점 사이에서 각도상 편이된 연결 장치(21)를 매개로 압축기를 동일 속도로 구동하며, 압축기 피스톤은 바람직한 연소 주기에 적합하도록 선택된 각도만큼 전진한다.

도 1은 압축기 피스톤(9)이 상사점에 근접한 경우의 엔진을 도시하며, 팽창실(4) 피스톤(15)이 밸브(20)에 의하여 개방된 배기 포트(19)를 통하여 이전의 사이클에서 연소되고 팽창된 가스를 배출하는 동안, 플랩(6)은 곧 개방되어 용적이 일정한 연소실(2)에 새로운 공기-연료 혼합물이 공급된다.

도 2와 같이 크랭크 샤프트가 시계 방향으로 계속 회전함에 따라, 압축기 피스톤(9)은 상사점을 통과하여 하향 행정을 시작하며, 플랩(6)은 폐쇄되어 포트(5)를 폐쇄하며, 흡입 밸브(14)는 개방되어 압축기로부터의 새로운 공기-연료 혼합물이 충전된다(흡입). 플랩(6)이 폐쇄되는 즉시, 팽창 피스톤(15)이 상향 행정을 계속하고 포트(19)를 통하여 배기되는 동안, 점화 플러그(3)에 의하여 점화가 발생하며, 공기-연료 혼합물은 용적이 일정한 독립적인 연소실(2)에서 연소된다.

크랭크 샤프트(12, 18)가 계속해서 회전함에 따라(여기서는 약 100°이후로 표시), 팽창 피스톤(15)은 상사점에 도달하며, 배기 밸브(20)는 다시 폐쇄되며, 밀봉 플랩(8)은 개방된다. 독립적인 연소실(2)에 담겨진 고압 가스는 팽창실(4)의 이송 포트(7)를 통하여 팽창되어 피스톤(9)을 구동하여 복귀시키며, 동력 행정을 야기하며 그 동안에 압축기 피스톤(9)은 새로운 공기-연료 혼합물을 흡입하는 공정을 완료한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 팽창은 크랭크 샤프트가 약 180°회전하는 동안 계속되며, 그 다음에, 밀봉 플랩(8)은 다시 폐쇄되며 배기 밸브(20)는 개방되며, 그 동안에 압축기 피스톤(9)은 압축실(1)의 공기-연료 혼합물을 압축하며, 플랩(6)은 개방되어 새로운 사이클이 시작되도록 새로운 공기-연료 혼합물은 용적이 일정한 연소실(2)로 유입된다.

각 크랭크 샤크트(엔진과 압축기)의 회전은 팽창(또는 동력 행정)에 상당하며 압축기 피스톤(9)의 상사점과 팽창 피스톤(15)의 상사점 사이의 오프셋을 선택함으로써 용적이 일정한 연소실(2)에서의 혼합물의 연소 주기가 결정된다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.

부수적으로, 팽창 피스톤(15)이 지나가는 팽창 용적은 압축 피스톤(9)이 지나간 압축 용적보다 클 수 있다. 이러한 차이는 팽창 말기에 가능한 최저의 압력을 얻을 수 있도록 폴리트로픽 압축 곡선과 팽창 곡선 사이의 차이의 함수로서 결정될 수 있으며, 이것은 높은 효율과 낮은 소음을 나타낸다.

도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 엔진의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도를 이며, 여기서 압축기와 용적이 일정한 연소실(2) 사이에 압축 공기가 담겨진 버퍼 공간(22)이 설치되며, 이 버퍼 공간에는 어떤 적절한 수단에 의하여 포트(23)를 통하여 압축 공기가 공급되며, 이 버퍼 공간은 거의 일정한 압력으로 유지되는 데, 이 버퍼 공간은 연소실(2)을 충전하는 도중에 이송용 사공간과 팽창에 기인한 압력 강하와 특정 서지 효과를 방지하는 효과를 가진다. 개폐가 플랩(6)에 의하여 제어되는 포트(5)는 압축 공기가 담겨진 버퍼 공간(22)을 독립적인 연소실(2)과 연결시키며, 혼합물이 연소실(2)에 도입되기 전에 공기와 연료를 어느 정도 혼합시키도록 의도된 연료 분사기(24)를 구비한다. 이러한 포트에 배치된 플랩(25)은 연소실에 도입되는 충전물을 조절할 수 있게 한다.

도 5에는 팽창 피스톤(15)이 상향 행정을 시작하여 이전의 사이클에서 연소 및 팽창된 가스가 포트(19, 배기 밸브(20)는 개방된 상태로)를 통하여 대기로 배출되는 동안, 그리고 이송 포트의 플랩(8)이 다시 폐쇄되는 동안, 분사기(24)에 의하여 분무된 연료와 혼합된 압축 공기를 용적이 일정한 연소실(2)로 유입시키도록 플랩(6)이 개방된 상태의 엔진이 도시되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 혼합물이 독립적인 연소실(2)로 도입되자마자, 플랩(6)은 다시 폐쇄되며 독립적인 연소실(2)은 고립되며, 그 다음에 점화 플러그(3)를 이용하여 점화가 발생하며, 공기-연료 혼합물은 용적이 일정한 연소실(2)에서 연소되며, 그 동안에 팽창 피스톤(15)은 상향 행정을 계속하며 포트(19)를 통하여 가스가 배기된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 크랭크 샤프트(18)는 회전을 계속하여 팽창 피스톤(15)은 상사점에 도달되며, 배기 밸브(20)는 다시 폐쇄되며 밀봉 플랩(8)은 개방된다. 독립적인 연소실(2)에 담겨진 고온 가스는 포트(7)를 통하여 팽창실(4)에서 팽창하고 피스톤(15)을 복귀시켜 동력 행정을 생성한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 팽창은 크랭크 샤프트(18)가 약 180°회전하는 동안 계속되며, 그 다음에 밀봉 플랩(8)은 다시 폐쇄되고 배기 밸브(20)는 개방된다. 이 순간부터, 플랩(6)이 개방되어 새로운 공기-연료 혼합물의 충전물이 연소실로 충전됨으로써 사이클이 다시 시작될 수 있다.

압축 공기가 담겨진 버퍼 공간이 삽입된 상태로, 엔진의 작동 원리는 동일하게 유지된다는 것을 알 수 있다. 그러나, 공기 압축기는 완전히 독립적으로 되며, 더 이상 엔진 크랭크 샤프트(18)에 대하여 특정 각도로 배치될 필요가 없으며, 이에 따라 원리의 선택은 더욱 용이해진다. 또한, 이러한 버퍼 공간이 클수록, 이송 볼륨에서의 압력 강하와 서징은 더욱 효율적으로 되며, 연소실을 충전하는 동안의 팽창은 감소된다.

도 9에는, 팽창실이 형성되어 있고, 팽창이 레이디얼 베인 형태의 회전하는 로타리 캡슐형 장치에서 발생하는 본 발명에 따른 다른 작동 모드를 도시하며, 상기 로타리 캡슐형 장치는 원통형의 외측 케이싱 또는 고정자(26)와, 이 고정자에 접하는 드럼 또는 회전자(27)로 구성되어 있으며, 이 고정자 내에서 편심축을 중심으로 회전이 이루어지며, 상기 회전자는 고정자(26)의 내부벽에 대하여 압착되는 고정자 하우징(29)내에서 자유롭게 미끄러지는 레이디알 베인(28)이 장착되어 있어서, 그 회전자와 고정자 사이의 가변 용적을 제한하며, 이 용적은 회전자와 고정자 사이의 접촉 모선(generatrix of contact)에 인접한 거의 0에 가까운 낮은 값으로부터 증가한다. 용적이 일정한 연소실(2)과 팽창실 사이의 결합을 제공하는 이송 포트(7, 개폐가 플랩(8)에 의하여 제어됨)가 이러한 모선 직후에 회전 방향으로 관통된다. 회전자와 고정자 사이의 접촉 모선 앞에서 배기 오리피스(31)가 회전 방향으로 관통된다. 베인이 포트(7)로부터 떼어지자 마자, 플랩(8)은 개방되고 연소실(2)에 담겨진 고온 가스는 팽창실(30)로 팽창되며 베인(28)에 대하여 압착되어 회전자를 회전시키며, 그 동안에 베인(28)은 이전의 사이클에서 연소되고 팽창된 가스를 그 앞에서 배기구(31)를 향하여 밀어낸다. 독립적인 연소실(2)의 새로운 충전물을 새것으로 바꾸는 플랩(8)의 폐쇄와 플랩(6)의 개방은 팽창 상태 말기에 이루어지며, 이때에 베인(28)은 배기 포트(31)에 인접한다.

배인의 개수와 위치는 원형의 콘코이드 또는 트로코이드〔플랑체(Planche), 반켈(Wankel) 형태 등의 로타리 피스톤〕의 경로와 같이 회전하는 캡슐형 시스템을 야기하는 어떤 다른 로타리 시스템과 마찬가지로 변화할 수 있으며, 이것은 전술한 본 발명의 원리를 변경시키지 않고 팽창실로서 이용될 수 있다.

물론, 본 발명은 전술되고 도시된 실시예에 절대 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 가능한 적용에 의존하여 당업자가 접근할 수 있는 수 많은 변형예가 있을 수 있다.

Claims (5)

1. 각각의 작동 실린더 또는 요소마다 연소실을 구비하는 주기적인 내연 기관 작동 방법으로, 각 연소실에서는 일을 발생시킬 목적으로 온도와 압력을 증가시킴으로써 공기-연료 혼합물이 압축된 후 점화되며, 압축실(1), 연소실(2) 및 팽창실(4)은 3개의 개별적이고 독립적인 부분으로 구성되어 셔터(shutter)가 장착된 하나 이상의 덕트에 의하여 연결되며, 일을 발생시킬 목적으로 팽창실이 어느 정도 최소의 공간인 상태에서 팽창실(4)에서 팽창되어야 하는(관련 덕트를 개방함으로써) 공기-연료 혼합물이 압축되고 점화되는 주기적인 내연 기관 작동 방법에 있어서,

   압축실 사이클은 배기 행정중에 180°에 이르는 회전값에 의하여 팽창실 사이클과 연관하여 진행되어 종래의 엔진보다 3 내지 4배 긴 연소 주기를 가지며, 이에 따라 오염 가스의 발생이 방지되도록 연소 상태가 향상되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 독립적인 연소실(2)의 형상은 구의 형상에 근접하여, 이 구는 상기 연소실 벽을 통한 열손실을 방지하도록 주어진 용적으로 가능한 최소의 연소실 벽 면적을 확보하고, 최단 불꽃면 거리(flame front distance)를 확보하며, 공기-연료 혼합물이 연소되지 않아 미연소 탄화수소를 생성하는 "모서리(corners)"가 없는 이상적인 형상인 것을 특징으로 하는 내연 기관 작동 방법.
3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소실(2)에는 연소실 벽을 통하여 열이 손실되지 않도록 세라믹 또는 어떤 다른 단열재로 구성된 열 차단벽이 피복되어서, 연소실 벽이 매운 높은 온도로 유지될 수 있으며, 이에 따라 불꽃은 상기 연소실 벽에서 꺼지지 않아서 미연소된 탄화수소가 배기 가스에 포함되는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 작동 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창실(4)의 벽 및/또는 팽창실과 연소실(2) 사이의 연결 덕트의 벽에는 벽을 통하여 열이 손실되지 않도록 세라믹 또는 어떤 다른 단열재로 구성된 열 차단벽이 피복되며, 이에 따라 연소실 벽은 높은 온도로 유지되어 팽창 효율은 향상되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 작동 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 연소실을 충전하는 동안의 팽창과 이송용 사공간(dead transfer volume)에 기인한 압력 강하와 서지 효과를 방지할 수 있도록 압축실(1)과 독립적인 연소실(2) 사이에 압축된 가스가 담겨지는 버퍼 공간(buffer volume)이 형성되며, 연결 포트(5)와 이 포트의 개폐를 제어하는 시스템(6)은 버퍼 공간과 연소실 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 작동 방법.