KR20000048672A - 맥동연소법에 따라 동작하는 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소실(12)이 내부에 구성되어 있는 압력밀폐 하우징(10)과, 연료 및 연소공기용 유입장치(14)와, 아울러 연소시에 발생한 배기가스를 배출하기 위한 상기 연소실(12)과 연결된 배출장치(22)를 포함하는 맥동연소법에 따라 동작하는 내연기관 및 상기 내연기관의 구동방법에 관한 것이다. 연소실(12)과 연결상태에 있으며 내부에 피스톤(20)이 운동가능하게 장착되어 있는 실린더(18)를 통하여 연소실(12) 맞은편 쪽에는 스프링력이 피스톤(20)에 가해지도록 제공되어 있다. 이로써 맥동 연소시에 발생한 압축파의 기계적 동작링크로의 효과적인 에너지전달이 이루어진다.

Description

맥동연소법에 따라 동작하는 내연기관{Engine Working according to the Method of Pulsating Combustion}

맥동연소법에 따라 동작하는 가스터빈에 대해 공지된 바 있으며(펄스젯 엔진 - 발전적 가능성에 대한 재검토, 미국정부, 보고서, 몬테리, 캘리포니아, USA, 1974), 여기서는 배기관을 통해 외부로 배출된 압축파의 에너지가 터빈기어로 전달된다.

본 발명은 맥동 연소법에 따라 동작하는 내연기관과 상기 내연기관의 구동방법에 관한 것이다.

도 1은 내연기관의 부분 단면도.

도 2는 상기 내연기관의 연료 및 연소가스 유입장치의 확대 단면도.

맥동연소법에 따라 동작하는 본발명의 내연기관 및 상기 내연기관을 구동하기 위한 독립청구항의 요지를 포함하는 본 발명에 따른 방법은 맥동연소시에 발생한 압축파의 기계 동작링크로의 효과적 전달이 이루어지도록 하는 효과를 제공한다. 특히, 이는 연소가 이루어지는 하우징 내부에서도 일어난다. 전달 경로가 짧기 때문에 이 연소법에 따라 동작하는 종래기술에 공지되어 있는 내연기관에서보다 압력손실률이 적다. 또한 연료-혼합기체의 외부점화 역시 단지 시동 단계에서만 이루어지기 때문에 점화부분에서의 마찰은 최소값이다. 맥동연소시에 시작한 내부 배기 피드백으로 인하여 시스템 조건에 맞게 매우 낮은 NO_X-방출만이 일어난다.

종속항에 실시되어 있는 다른 요지들을 통해 본 발명에 따른 내연기관과 본 발명에 따른 상기 내연기관의 작동 방법의 효과적인 구성이 가능하다.

바람직한 방법에 따르면 배기가스 배출장치는 피스톤이 내부에서 움직이도록 구성된 원통공간 안으로 연통한다. 따라서, 피스톤은 자체적으로 연소과정의 클럭진행에 따라 상기 배출장치를 열고 닫는 동작을 수행한다.

자유 피스톤을 삽입했기 때문에 종래 허브 피스톤 모터에 필수요소였던 크랭크 기관이 없으며, 이로 인해 피스톤으로는 더 이상의 부동력이 작용하지 않게 되므로 윤활동작이 생략되어 있다.

자유 피스톤의 병진동작을 제한하기 위해서, 연소실 맞은편에서의 스프링 동작은 특히 나사형태의 압축스프링으로 구성되어 있는 스프링부재의 압축을 통해 제한한다.

특히 상기 피스톤의 병진운동은 발생기의 구동시에 이용된다. 이를 위해 내연기관에는 발생기가 구비되어 있으며, 이 발생기에서는 피스톤운동이 피스톤 로드를 통해 발생기의 선형전기자로 전달될 수 있다.

이러한 경우에 발생기로서 구성된 내연기관은 바람직한 방법에 따라 비상 파워 유니트에 사용된다.

상기 내연기관을 효과적으로 사용하는 다른 용도로서는 컴프레서의 구동시에 특히 열펌프 내에 사용하는 경우이다.

내연기관의 유입장치는 바람직한 구성에 따라 연소실 안의 압력비에 따라 연료과 연소공기의 입구를 열거나 닫는 멤브레인을 구비하고 있다.

내연기관의 시동과정시에 상기 연소실에도 이미 연소공기가 존재하기 때문에 멤브레인의 탄성은 멤브레인의 일부분으로 인가된 연료압력으로 인해 연소실로의 개방이 해제될 수 있도록 선택한다.

본 발명에 따른 실시예는 도면에 개략적으로 도시되어 있으며 이하의 설명을 통해 상술하기로 한다.

도 1에 도시된 내연기관은 압력밀폐 하우징(10)을 구비하고 있고, 그 안에는 연소실(12)이 설치되어 있다. 연소실(12)은 가연소가스와 연소공기를 유입장치(14)를 통해 안내한다. 유입장치(14)는 도 2에 따라 노즐(14d)이 내부에 설치되어 있는 가연소가스 파이프(14c)와 연소공기채널(14b)을 폐쇄하는 멤브레인(14a)을 포함한다. 연소실(12)의 입구에는 또 하나의 점화플러그(16) 형태의 점화장치가 설치되어 있는 데, 이 점화장치에 의해서 가연소가스-공기혼합물이 시동시에 점화된다. 연소실(12)에는 실린더형으로 구성된 부분이 있는 데, 이 부분은 이하에서 실린더(18)로 표시되어 있으며, 그 안에는 피스톤(20)이 자유롭게 운동할 수 있도록 장착되어 있다. 실린더 공간 안으로는 도시되어 있지 않는 배기관의 배기연결대(22)가 이어져 있다. 상기 연소실(12) 맞은편 피스톤(20) 쪽에는 실린더 공간 내에 나사선 형태로 구성된 압력스프링(24)이 설치되어 있다. 이 스프링의 압축동작으로서 피스톤(20)의 병진운동을 제한한다. 연소실(12) 맞은편 피스톤(20) 쪽에는 또 하나의 발생기(26)가 연결되어 있는 데, 여기서 피스톤(20)은 피스톤 로드(28)를 거쳐 도시되지 않은 발생기(26) 선형전기자와 연결되어 있다. 압축스프링(24) 대신에, 작업가스를 채워 넣어 그 압축을 통해 피스톤(20)의 운동을 제한하게 되어 있는 압축스프링(24)이 내부에 장착된 실린더 공간 일부분을 이용할 수 있다.

내연기관은 종래 맥동연소방법에 따라 동작한다. 도시되어 있지 않은 가스아마추어의 개방시에 가연소가스가 연소가스 파이프(14c)를 통해 연소가스 파이프(14c) 말단에 설치된 노즐(14d)로 유입된다. 노즐(14d)에 인가된 가스압력은 노즐(14d)을 밀폐하는 멤브레인(14a) 부분을 들어올리기에 충분하다. 이로써 상기 연소가스가 연소실(12) 안으로 분무유입될 수 있다. 연소공기채널(14b)은 여전히 멤브레인(14a)으로 닫혀 있으며; 제 1 점화과정에 필요한 연소공기는 이미 연소실(12) 내에 형성되어 있다. 내연기관의 시동은 상기 연소가스-공기혼합물을 점화플러그(16)를 이용해 점화함으로써 수행된다. 이 때 연소실(12) 안에서 일어나는 갑작스러운 압력증가로 인해 멤브레인(14a)은 연소가스공급을 다시금 폐쇄한다. 압축파(compression wave: 양압파)로 팽창된 가스혼합물은 튀어오른 압력스프링(24) 때문에 도 1에 도시된 지점에 위치하게 된 피스톤(20)으로 전달된다. 이 때 발생한 압축파의 임펄스를 통해 피스톤(20)은 화살표(A) 방향으로 추진된다. 여기서 상기 압력스프링(24)이 압축된다. 피스톤(20)이 배기가스 연결대(22)의 개방을 해제하면 압축파는 배기관을 통해 밖으로 흘러나간다. 배기관의 말단이 열릴 때 일어나는 갑작스러운 수평단면적 확장으로 인해 상기 압축파는 희박파(rarefaction wave: 음압파)로 반사되어 다시 연소실(12)로 되돌아간다. 희박파와 그 사이에 냉각된 연소실(12)을 통해 연소실(12) 내부에서는 자신의 시트에서 연소공기채널(14b)을 통해 연소공기를, 그리고 연소가스 파이프(14c)를 통해 연소가스를 연소실(12) 안으로 유입시킬 수 있을 만큼 상기 멤브레인(14a)을 들어올릴 정도의 음압이 형성된다. 그동안 희박파는 부분적으로 유입장치(14)를 통해 반영되어 배기연결대(22)와 상기 배기연결대(22)에 병렬배치되어 있는 배기관을 거쳐 밖으로 유출된다. 거기서 상기 희박파는 압축파로서 반사되어 다시 연소실(12)로 유입된다. 이때 연소공기와 뜨거운 잔류배기가스는 함께 상쇠된다. 함께 안내된 잔류배기가스를 통해 "내부 배기가스피드백"과 같은 동작이 시작되고, 이로써 맥동연소가 NO_X-베이스 값으로 제한된다. 중간에 연소실(12) 내부에서 조절된 양압비를 통해 멤브레인(14a)은 연소공기채널(14b)과 상기 연소가스 파이프(14c) 내부에 장착된 노즐(14d)을 폐쇄한다. 새로이 형성된 연소가스-공기혼합물은 뜨거운 잔류배기가스로 소화되는 데, 이때 맥동연소의 주기는 처음부터 시작한다. 배기관 내지 내연기관은 전체적으로 소정크기로, 즉 배기관의 말단에서 반사된 압축파가 피스톤(12)이 화살표(B) 방향 운동을 통해 배기가스 연결대(22)를 폐쇄하기 전에 연소실(12) 안으로 흘러들어갈 수 있을 정도로 구성되어 있다. 피스톤(20)이 자신의 말단위치에 도달하면, 즉 압축스프링(24)이 다시 튕겨져 나오면 피스톤(20)은 연소가스-공기혼합물의 신규 점화를 통해 다시 화살표(A) 방향으로 추진된다.

피스톤(20)의 병진운동은 피스톤 로드(28)를 통해 발생기(26)의 선형전기자로 전달되며, 이 때 성취된 기계적 운동은 전기 에너지로 변환된다. 그와같은 선형발생기로서 구성된 내연기관은 특히 병진가능한 비상 파워 유니트를 구동하는 데 이용가능하다.

내연기관으로의 연료공급이 이루어진 경우에는 발생기(26)가 시동과정을 통해 공급하여 피스톤과 연동함으로써 스타터로서 기능하게 된다. 이때 비로소 피스톤(20)의 동작을 통해 연소실(12) 내에서 음압비가 형성되고, 이 음압비로 인해 멤브레인(14a)을 연소가스 파이프(14c) 시트로부터 들어올려 아울러 연소가스의 주입이 가능하게 된다.

내연기관의 바람직한 다른 하나의 실시예는 압축열펌프를 구동하는 데 이용된다. 이 경우에 압축 유니트로서 구성된 구성부(26)는 하나의 압축기를 구비하는 데, 피스톤(20)은 피스톤 로드(28)를 지나 상기 압축기와 연결되어 있다. 충진운동을 상기 압축기로 전달함으로써 압축 유니트(26) 내에 있는 동작매체가 압축된다.

Claims (13)

1. 연소실(12)이 내부에 구성되어 있는 압력밀폐 하우징(10)과, 연료 및 연소공기용 유입장치(14)와, 연소시에 발생한 배기가스를 배출하기 위해 상기 연소실(12)과 연결된 배출장치(22)를 포함하는 맥동연소법에 따라 동작하는 내연기관에 있어서,

   연소실(12)과 연결상태에 있으며 내부에 피스톤(20)이 운동가능하게 장착되어 있는 실린더(18)를 통하여 연소실(12) 맞은편 쪽에는 스프링력이 피스톤(20)에 가해지게 되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
2. 제 1 항에 있어서, 압력밀폐된 하우징(10)의 일부는 실린더(18)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 배기가스용 배출장치(22)는 실린더 공간 내로 통하며 피스톤(20)을 통해 폐쇄될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(20)은 자유 피스톤으로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 피스톤(20)에 작용하는 스프링력은 나사선 형태의 압축스프링으로 구성된 스프링부재(24)를 통해 인가되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 내연기관에는 특히 비상 파워 유니트에 사용되도록 정해진 발생기(26)가 설치되어 있으며, 피스톤(20)의 운동은 피스톤 로드(28)를 거쳐 상기 발생기(26)의 선형전기자로 전달되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
7. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 피스톤(20)은 연소실(12) 맞은편 쪽이 압축 유니트의 피스톤 로드와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 내연기관은 압축 열펌프에 사용되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입장치(14)는 연소실압력에 따라 연료 및 연소공기용 입구를 열거나 닫는 멤브레인(14a)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 멤브레인(14a)의 탄성은 시동과정에서 연소실(12)로의 연료공급을 해제할 수 있을 정도로 선택되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따르는 맥동연소법에 따라 작동하는 내연기관의 구동방법에 있어서,

    연료-공기 혼합물의 점화시에 발생한 압축파의 운동 에너지는 스프링력에 대항하여 운동하도록 장착된 피스톤(20)에 가해지고, 이때 피스톤(20)의 병진운동은 배출장치(22)를 개방시키고 상기 압축파가 새로이 연소실(12) 내부에서의 점화동작을 초기화하기 전에 다시 폐쇄시키는 것을 특징으로 하는 내연기관 구동방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    a) 연료 공급용 유입장치(14)를 개방하는 단계와,

    b) 연료-공기-혼합물을 점화하는 단계와,

    c) 피스톤(20)의 운동을 통해 상기 배출장치(22)를 개방하는 단계와,

    d) 배출장치(22)의 개방된 단부에 압축파를 반사하는 단계와,

    e) 반사된 압축파를 통해 형성된 연소실(12) 내부 압력비에 따라 개방하고 연료- 및 연소공기용 유입장치(14)를 개방하는 단계와,

    f) 압축파를 다시 방출하고 새로이 배출장치(22)의 개방된 말단에 반사하는 단계와,

    g) 반사된 압축파를 통해 형성된 연소실(12) 내부 압력비에 따라 연료- 및 연소공기용 유입장치(14)를 폐쇄하는 단계와,

    h) 연료-공기 혼합물의 신규 점화동작이 이루어지기 전에 피스톤(20)의 피드백운동을 통해 상기 배출장치(22)를 폐쇄하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관 구동방법.
13. 제 12항에 있어서, 시동과정시에 상기 유입장치(14)로 유입되는 연료압력은 상기 연료용 유입장치(14)를 개방하기에 충분한 정도인 것을 특징으로 하는 내연기관 구동방법.