KR20010024419A - 피스톤 작동장치의 제어를 위한 방법과 수행장치 및 그장치의 평형유지 - Google Patents

피스톤 작동장치의 제어를 위한 방법과 수행장치 및 그장치의 평형유지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 독립된 연소실을 가진 엔진의 가스 이동 또는 일반 엔진의 점화 및 연소와 같은 작동을 수행함에 있어 일정 체적에서 피스톤을 상부 중앙에 정지 및 일정 시간 유지시켜 피스톤 작동동작을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 피스톤(1)이 크랭크샤프트(9)와 커넥팅 로드(7) 자체적으로 제어되는 압력레버(3,4)에 의하여 제어되는 수행 장치에 관한 것이다.

Description

피스톤 작동장치의 제어를 위한 방법과 수행장치 및 그 장치의 평형 유지{METHOD FOR CONTROLLING MACHINE PISTON MOVEMENT, IMPLEMENTING DEVICE AND BALANCING OF SAID DEVICE}
일반적으로 2-스트로우크(stroke) 또는 4-스트로우크 내부 연소 엔진은 피스톤이 실린더 내부를 이동하는 일반적인 커넥팅 로드/크랭크 구조를 사용하여 작동한다. 하강하는 피스톤은 공기/연료의 혼합물을 내부로 주입시키고 실린더 상부의 연소실을 향하여 상승하면서 최소 부피까지 이 혼합물을 압축시키게 되며, 점화가 일어나면 온도와 압력이 상승하게 된다. 따라서 상당한 고압 상태의 가스는 커넥팅 로드를 따라 피스톤이 하강과 함께 팽창하여 파워 스트로우크(Power Stroke)라고 알려진 생성작업을 하도록 크랭크샤프트를 회전시키게 된다.
일반적으로 굴곡을 갖는 곡선을 나타내는 피스톤의 이동경로는 일정한 피스톤의 운동을 형성하고, 상부 중앙부에서 이 운동 속도가 줄어들긴 하지만 피스톤은 항상 이러한 운동상태를 유지하게 된다. 이러한 상태는 엔진의 제작자에게 하나의 커다란 문제를 제기하게 되는데, 특히 연소시에 상부 중앙에 도달하기 이전에 점화가 일어나야 한다는 것이다. 따라서, 연소의 시작은 압력을 상승시키게 되어 음의 일을 생성하게 되고, 연소실의 체적을 증가시켜 연소가 완료되지 않았을 때 연소를 증가시킬 수 있는 압력을 줄이는 경향을 나타내는 피스톤의 하강이 시작되는 동안 엔진 출력의 손실을 가져오게 된다. 또한, 배출구를 클로즈하고 입구를 오픈함에 있어서 앞선 오프닝과 포트의 클로즈의 작동중 압력 하강을 통해 음의 일을 하게 된다.
공개된 특허 출원 WO 96/27737에는 독립된 외부 연소실을 가진 엔진의 공해 방지를 위한 방법이 기술되어 있다. 이것은 두개의 에너지원을 사용하는 듀얼 모드에서 작동하고, 연료로는 종래의 가솔린이나 디젤 오일 타입을 사용하며, 거리에서(싱글모드 공기/연료 작동) 또는 낮은 속도에서, 특히 시내나 교외에서는 다른 연료의 주입없이 압축된 공기(또는 다른 무공해 가스)만을 주입하게 된다(싱글 모드 공기 작동, 압축공기의 추가). 또한 특허 제 96/07714 에는 시내 버스와 같은 서비스 차량에서 압축공기가 주입되는 싱글 모드로 작동되는 이러한 타입의 엔진의 설치를 기술하고 있다.
공기/연료의 모드에서 작동하는 이러한 엔진에서는 공기와 연료의 혼합물이 독립된 주입구로 주입되어 연소실에서 압축되게 된다. 그 후 이러한 혼합물은 압축된 상태로 온도와 압력을 높이기 위하여 전화되는 독립된 일정-부피의 연소실로 이동되게 된다. 상기 연소 또는 팽창실에 연결된 이동 포트 후에, 이 혼합물은 후의 연소실에서 팽창하여 일을 생성하게 된다. 이렇게 팽창된 가스는 배출 파이프를 이용하여 대기중으로 배출되게 된다.
공기중의 낮은 동력에서 작동할 때 연료 주입기는 작동을 멈추게 되고, 이 경우에 주입구와 연소실로부터 연료 없는 압축된 공기가 후의 연소실에 주입된 후에 연소실에는 대기온도에 고압, 예컨대 200 bar 정도의 압력에서 공기가 저장되어 있는 외부의 저장구로부터 소량의 추가 압축된 공기가 주입되게 된다. 이러한 대기 온도의 소량의 압축된 공기는 연소 또는 팽창실의 고온의 공기와 접촉하여 온도가 상승하게 되고, 팽창하는 동안 엔진이 일을 수행할 수 있도록 연소실에서 팽창하고 압력을 증가시키게 된다.
공해 방지 엔진이라고 알려진 이러한 타입의 엔진에서 가스 또는 공기를 연소실로부터 압력-하강 팽창실로의 이동은 또한 상부 중앙부 이전에서 시작되어야 하고 피스톤이 하강을 시작하기 전에 압력-하강 팽창실에 압력이 생성되어야만 하므로 엔진의 정확한 작동에 좋지 못한 음의 일이 발생하게 된다.
종래의 커넥팅 로드/크랭크 구조의 주요한 문제중의 하나는 출력의 손실과 점화, 연소, 주입, 이동, 배출과 주입시점등에서 방생되는 공해였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 이러한 작동이 항상 변화하는 체적에서 일어나고 특히, 피스톤이 항상 작동중에 있으며, 따라서 체적이 결코 일정하지 않다는 것에 주목하게 되었다.
본 발명은 피스톤 엔진의 커넥팅 로드 또는 크랭크샤프트 구조의 작동성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 독립 연소 (및/또는) 팽창실을 구비하여 공해를 방지 또는 줄일 수 있는 엔진에 관한 것이다.
더욱 상세하게 본 발명의 주 목적은 엔진 또는 압축기와 같은 장치의 피스톤의 작동을 제어하는 방법에 있는데, 특히 상부 중앙부에서 피스톤의 작동이 정지하여 일정한 체적에서 다음과 같은 작동이 수행될 수 있도록 일정 시간동안 피스톤이 정지상태를 유지하도록 한다는 것과 이와 같이 작동하는 수단에 그 특징이 있다.
- 종래의 엔진에서의 경우에 점화와 연소의 동작,
- 디젤 엔진의 경우에 연료 주입 동작,
- 독립된 연소 (및/또는) 팽창실을 갖는 엔진에 있어서 가스 (및/또는) 압축된 공기의 이동 동작,
- 모든 엔진과 압축기의 경우에 있어서 방출이 끝나고 주입이 시작되는 동작.
따라서 이것은 종래의 2-스트로우크 또는 4-스트로우크 엔진의 경우에 피스톤이 상부 중앙에 정지해 있고, 연소실이 그 최저 체적의 상태인 동안에 점화시키고 동시에 피스톤이 하강하기 전에 연소가 완료되는 것을 가능하게 한다. 따라서 이것은 (종래의 엔진에서와 같이) 조기 점화가 일어나는 동안 이후 압력을 제거하고 완전한 연소를 수행하여 공해를 거의 발생시키지 않는 배기 가스를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한 디젤 엔진의 경우에 있어서는 피스톤이 상부 중앙에 있는 동안 연료를 주입하는 것을 가능하게 하여 상부 중앙 이전에서 연소가 시작됨에 의하여 생기는 후반 압력을 피하고, 따라서 음의 일을 생성하는 것을 막을 수 있다.
그리고, 독립된 연소 (및/또는) 팽창실을 가진 엔진의 경우에 있어서는 가스 (및/또는) 압축된 공기의 압력을 피스톤이 상부 중앙에 도달하기 전에 어떤 후속 압력을 생성함 없이 압력-하강 팽창실로 이동시키고 이러한 이동이 압력과 동력의 손실을 초래할 수 있는 압력-하강 팽창실의 체적을 증가시키는 피스톤이 하강을 시작하기 이전에 완료할 수 있게 된다.
또한 모든 경우에 있어서, 피스톤이 상부 중앙에 도달했을 때 또는 바로 이전에 배출 포트의 클로즈가 가능하게 하고, 따라서 조기 클로즈와 피스톤이 하강을 시작하기 전의 입구의 오프닝에 의한 압력 하강을 피할 수 있게 된다.
피스톤을 상부 중앙에 정지시키는 것은 당업자에게 알려진 일반적인 수단 예컨대, 캠(cam), 피니언(pinion) 등에 의하여 이루어질 수 있다.
바람직하게는 피스톤이 상부 중앙에 정지할 수 있게 하고, 또한 본 발명의 다른 특징을 위하여, 피스톤은 커넥팅 로드/크랭크 구조에 의하여 자체적으로 제어되는 압력 레버 장치에 의하여 제어된다. "압력 레버"라는 용어는 하나는 정지 또는 피봇하는 단부를 갖고 다른 하나는 축을 따라 움직일 수 있도록 설치되는 두개의 관절연결된 부재를 갖는 구조를 나타내기 위해 사용된다. 두개의 부재가 그 사이의 관절에서 일적선을 이루도록 놓여질 때, 만약 힘이 두개의 부재에 거의 수직으로 작용하게 되면, 고정되지 않은 단부는 이동하게 된다. 이 고정되지 않은 단부는 피스톤에 연결되어 질 수 있고, 그 이동을 제어할 수 있다. 두개의 관절연결된 부재가 일직선을 이룰 때(약 180°) 피스톤은 거의 상부 중앙에 이르게 된다.
크랭크샤프트는 제어 커넥팅 로드에 의하여 상기 두개의 부재의 관절 핀에 연결된다. 공간과 그 차원의 다양한 요소를 갖는 피스톤은 조립체의 작동특성을 달리하게 할 수 있다. 정지된 단부의 피스톤은 피스톤의 변위축과 두개의 부재가 일직선을 이룰때의 축과의 각을 결정할 수 있다. 크랭크샤프트의 피스톤은 제어 연결 로드와 두개의 부재가 일직선을 이룰때 그 축과 이루는 각을 결정할 수 있다. 이러한 각의 값과 연결 로드와 부재의 길이의 변화는 피스톤이 상부 중앙에 정지하기 위한 크랭크샤프트의 회전각을 결정하게 된다. 이것은 피스톤이 정지하는 시간의 길이에 따라 달라지게 된다.
특정 실시예에 따르면, 전체 장치(피스톤과 압력 레버)는 하단 부재를 그 정지 단부 또는 피봇 이상으로 연장함으로써 평형을 유지하게 되고 방향이 반대이나 대칭이고 같은 관성 모멘트를 갖는 압력 레버의 거울 복사구조를 이용하게 되는데, 이것은 피스톤의 변위축과 평행한 축을 따라 이동하고 피스톤과 방향이 반대이고 크기가 같은 관성모멘트를 갖는 질물을 구비하고 있다. 관성 모멘트는 인력 중심으로부터 어떤 점까지의 거리에 대해 나타나는 질물이 갖는 특성을 말한다. 복수 실린더 엔진에 있어서, 반대편 질물은 평형을 이루는 피스톤과 같이 작동하는 피스톤이 될 수 있다.
본 발명은 모든 형태의 종래의 연소 엔진에 적용될 수 있는데, 특히 일정 체적의 독립된 연소 또는 팽창실을 갖는 공해 방지 엔진에 사용될 수 있으며, 피스톤을 포함하는 압축기 또는 다른 장치에서도 사용될 수 있다. 피스톤의 수(sic)와 커넥팅 로드의 형상과 크기는 상기된 본 발명에서 벗어남 없이 다양하게 변화될 수 있다.
본 발명의 이러한 목적, 장점 및 특징들은 첨부된 도면과 함께 함축됨 없이 설명되는 몇가지 실시예를 통해서 더욱 명확하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 제어를 위한 구조의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 피스톤의 운동곡선과 비교한 본 발명의 피스톤의 운동곡선이다.
도 3은 본 발명에 따른 동일한 관성 모멘트를 갖는 질물을 사용하여 평형을 유지하는 장치이다.
도 4는 본 발명에 따른 반대편에서 작동하는 피스톤을 사용하여 평형을 유지하는 장치이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치와 그 작동을 단면도로 나타낸 것인데, 도시된 바와 같이 실린더(2) 내부를 이동하는 피스톤(1)(상부 중앙에 도시됨)은 압력 레버에 의하여 제어된다. 상기 피스톤(1)은 핀에 의하여 압력레버의 일단부(1A)에 연결되는데, 이 압력 레버는 정지된 핀(6)에서 회동하도록 연결되는 다른 부재(4)에 핀(5)으로 관절연결되는 부재(3)를 구비하고 있다. 또한 상기 두개의 부재(3,4)가 연결되는 공통 핀(5)에는 제어 커넥팅 로드(7)가 연결되는데, 이 로드는 핀(10)을 중심으로 회전하는 크랭크샤프트(9)의 관절핀(8)에 연결된다. 크랭크샤프트가 회전함에 따라, 상기 제어 연결 로드(7)는 압력 레버의 두개의 부재(3,4)가 연결되는 공통핀(5)에 힘을 전달하게 되고, 따라서 피스톤(1)이 실린더(2)의 축을 따라 움직이도록 한다. 그리고 반대로 동력 스트로우크(Stroke) 동안 피스톤(1)에서 형성된 힘을 크랭크샤프트(9)에 전달하여 회전시키게 된다. 고정된 핀(6)은 피스톤의 변위축에 대하여 측방으로 거리를 두고 설치되는데, 이때 피스톤의 변위축과 두개의 부재(3,4)가 직선을 이룰 때 그 직선의 축(XX')사이는 각 A를 이루게 된다. 상기 크랭크샤프트는 실린더 축 (및/또는) 압력 레버에 대하여 측방으로 거리를 두고 설치되는데, 이 위치는 제어 커넥팅 로드(7)와 두개의 부재(3,4)가 일직선을 이룰때 그 직선축(XX') 사이는 각 B를 이루게 된다. 이러한 각 A와 B 그리고 다양한 커넥틴 로드와 부재의 길이를 변화시켜서 이 조립체의 동적 특성을 달리할 수 있고 따라서 이에 따른 피스톤(1)의 운동곡선을 얻을 수 있는데, 이는 비대칭이고 피스톤이 상부 중앙에 정지할 때 크랭크샤프트의 회전각을 결정하게 된다.
본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 한정적이지 않은 예로서, 피스톤의 변위는 도 2에 도시된 곡선을 나타내는데, 이는 변화값들이 다음과 같은 값을 가질 때의 운동곡선이다.
크랭크샤프트의 투척 거리: 32.8 mm
제어 커넥팅 로드(7)의 길이: 99.76 mm
피스톤 부재(3)의 길이: 124 mm
하단 부재(4)의 길이: 128 mm
각 A: 21.4 °
각 B: 29.6 °
도 2에 도시된 바와 같이 종래의 커넥팅 로드/ 크랭크 구조(12)를 가지는 피스톤의 변위 곡선(12)이 단지 한 점(상부 중앙)에서 멈추는 것을 보여주는데 반하여 같은 스트로우크에서 본 발명에 따른 변위 곡선(11)은 피스톤이 70°가 넘는 상부 중앙부분에서 머물러 있게 되는것을 볼 수 있다.
따라서, 당해 기술의 숙련 작업자는 바람직한 작업 요소(연소 간격, 변동 지속시간 등)를 맞추기 위하여 피스톤이 상부 중앙에 정지되는 시간을 결정할 수 있을 것이다.
이러한 작동 조립체는 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 평형을 유지하게 되는데 즉, 하단 부재(4)를 공통핀(5A)에 관절연결되는 두개의 부재(3A,4A)로 구성되고 다른 단부(1B)에는 피스톤(1)의 변위축과 평행한 축을 따라 이동하는 질물(15)이 연결되어 있는 압력 레버의 구조를 거울 복사한 구조에 의하여 정지 단부 또는 피봇(6) 이상으로 연장되어 진다. 하단 부재(4)의 연장인 상기 부재(4a)는 사실상 같은 부분이다. 피봇(6)에 대하여 부재(4,4A)의 관성 모멘트는 동일하고, 부재(3,3A)의 관성 모멘트가 일치하며, 그리고 피스톤(1)과 평형을 위한 질물(15)의 관성 모멘트가 동일하다. 따라서 압력 레버 구조는 정확하게 평형이 유지되며, 반면 제어 연결 로드(7)와 크랭크샤프트 조립체는 종래의 방법으로 평형이 유지된다. 이러한 구조는 특히 단일 실린더 엔진이거나 비대칭 복수 실린더 구조체의 평형 유지에 효과가 크다.
도 4에 도시된 바와 같이 대칭의 복수 실린더 구조체의 경우에는 평형 질물은 피스톤(1)에 평행한 축을 따라 이동하는 반대편 피스톤(1C)이 되는데 즉, 피스톤들은 서로 평형을 유지해 주게 된다. 부재(3A,4A)는 부재(3,4)와 대칭을 이루어 서로 평형을 유지하게 된다.
본 발명은 상기된 실시예에 의하여 한정되지 않는다. 각(A,B)는 함께 또는 각각 양의 값 또는 음의 값을 가질 수 있으며, 순간 제로의 값을 갖지 않을 수도 있다. 실린더의 수는 홀수든 짝수든 다양하게 구비될 수 있으며, 피스톤을 상부 중앙에 정지시키거나 정지된 피스톤을 유지시키기 위한 방법은 캠(cam)이나 피니언(pinion) 또는 다른 방법으로 이루어질 수 있는데, 이러한 것들은 모두 상기된 본 발명을 벗어나지 않는다.

Claims (9)

  1. 피스톤이 상부 중앙에서 그 동작을 정지하고 일정 시간을 유지하여 일정한 체적에서 다음의 동작 즉,
    - 종래의 엔진에서의 경우에 점화와 연소의 동작,
    - 디젤 엔진의 경우에 연료 주입 동작,
    - 독립된 연소 (및/또는) 팽창실을 갖는 엔진의 경우에 가스 (및/또는) 압축된 공기의 이동 동작,
    - 모든 엔진과 압축기의 경우에 방출이 끝나고 주입이 시작되는 동작
    을 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진, 압축기 또는 공해 방지, 공해 감소 엔진의 피스톤 작동을 제어하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 독립된 연소 (및/또는) 팽창실을 가진 엔진의 경우에 있어서는 연소 (및/또는) 팽창실로부터 압력-하강 팽창실로의 가스의 이동이 피스톤이 상부 중앙에 정지하는 동안 수행되고, 압력 유지에 좋지 못한 체적 증가를 저지하기 위하여 압력-하강 팽창실의 압력이 피스톤이 하강을 시작하기 이전에 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 작동을 제어하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 종래의 내부 연소 엔진의 경우에는 상부 중앙 이전의 조기 점화에 의하여 후속 압력이 형성되는 것을 막고, 또한 혼합물의 연소 시간을 연장하여 연소율을 향상시킬 수 있도록 가스 혼합물의 점화와 연소가 피스톤이 상부 중앙에 정지해 있는 동안에 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤 작동을 제어하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 디젤 엔진의 경우에 있어서는 상부 중앙 이전에서 연료가 주입되어 디젤 오일의 점화에 의하여 생성되는 후속 압력을 막을 수 있도록 연소를 위한 연료의 주입이 피스톤이 상부 중앙에 있는 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤 작동을 제어하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 배출 포트의 클로즈 (및/또는) 입구의 오프닝이 적어도 피스톤이 상부 중앙에서 정지하는 시간 중에 수행되는 것을 특징으로 하는 피스톤 작동을 제어하기 위한 방법.
  6. 피스톤(1)의 변위가 압력 레버에 의하여 제어되고, 상기 압력 레버는 하나는 정지 단부(6)를 갖고 다른 하나(3)는 피스톤 핀에 연결되는 단부를 갖는 관절연결되는 두개의 부재(3,4)로 구성되며, 제어 커넥팅 로드(7)에 의하여 전달되는 힘이 공통핀(5)에서 두 부재(3,4)에 작용할 때 부재(3)가 연결된 피스톤(1)은 실린더 축을 따라 이동하게 되는데, 상기 제어 커넥팅 로드(7)는 압력 레버의 두개의 부재(3,4)의 공통핀(5)에 연결되고 또한 피스톤의 변위축에 대하여 측방 거리는 두고 있는 크랭크샤프트(9)의 핀(8)에 연결되어 파워 스트로우크동안 힘이 피스톤(1)에 작용할 때 크랭크샤프트를 회전시키게 되며, 예컨대 압력레버의 두개의 부재(3,4)가 (X', X)의 일직선 축에서 배열될 때 정지 단부(6)의 위치는 각(A)를 결정하고 크랭크샤프트의 측방 위치는 제어 커넥팅 로드(7)와 압력 레버의 두개의 부재(3,4)의 직선축(X',X) 사이의 다른 각(B)를 결정하게 되며, 이러한 각들은 양의 값, 음의 값 또는 순간적이지 않은 제로 값등을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 5 항의 방법을 수행하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 압력레버의 두개의 부재(3,4)의 직선축 (X', X)와 피스톤의 변위축 사이의 각(A)과 제어 커넥팅 로드(7)와 직선축(X',X) 사이는 각(B), 제어 커넥팅 로드(7)와 압력레버의 부재(3,4)의 길이는 다양하게 변화될 수 있으며, 이 값들은 장치의 전체적인 동적특성에 영향을 주어, 피스톤이 상부 중앙에 정지하는 동안의 크랭크샤프트의 회전각을 결정하게 됨을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6 항 및 제 7 항에 있어서, 평형 유지를 위하여 압력 레버의 하단 부재(4)가 공통핀(5A)에 관절연결되는 두개의 부재(3A,4A)로 구성되고 다른 단부(1B)에는 피스톤(1)의 변위축과 평행한 축을 따라 이동하는 질물(15)이 연결되어 있는 압력 레버의 구조를 거울 복사한 구조에 의하여 정지 단부 또는 피봇(6)이상으로 연장되고, 이에 의해 정지 단부 또는 피봇(6)에 대하여 관절핀(5,5A)의 정지 단부에 연결된 부재(4,4A)의 관성 모멘트는 동일하고, 피스톤과 질물에 연결된 부재(3,3A)의 관성 모멘트가 일치하며, 그리고 피스톤(1)과 평형을 위한 질물(15)의 관성 모멘트가 동일하게 됨을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 평형을 위한 질물이 그 무게와 관성 모멘트 및 동작이 주 피스톤(1)과 일치하는 반대편 피스톤이 되는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1020007003664A 1997-10-17 1998-10-16 피스톤 작동장치의 제어를 위한 방법과 수행장치 및 그장치의 평형유지 KR20010024419A (ko)

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