KR20010033874A - 피스톤-인-실린더 운동을 변경하는 방법 및 수단 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스플릿-사이클 기계는 1차 축을 가지며, 상기 1차 축의 반경방향으로 배치된 복수의 반경방향 왕복 피스톤(60), 및 상기 1차 축을 중심으로 궤도 운동하는 원형 배열의 로브 샤프트(lobed shaft)(62)-여기서 각각의 샤프트는 1차 축과 평행인 각각의 2차 축을 중심으로 회전하며, 샤프트는 구동수단에 의하여 그들 궤도율의 소정의 비율로 회전가능하게 구동되며, 로브면은 대략 피스톤면에 위치됨-를 포함하고, 상기 샤프트의 회전 및 궤도 운동과 피스톤이 왕복 운동하는 동안에 각각의 피스톤이 적어도 하나의 로브와 연결되어 상기 피스톤의 왕복 운동과 동기하여 샤프트가 회전 및 궤도 운동하고, 연속적인 제네바 휠 세트(20, 30, 40)의 축을 비-등각으로 배치함으로써 기계 동작 사이클의 적어도 하나의 행정 시간이 증가/감소된다. 비대칭 로브를 제네바 휠 상에 두 개의 비-등각 배열함으로써 사이클 특징이 광범위하게 실행될수 있다.

Description

피스톤-인-실린더 운동을 변경하는 방법 및 수단 {METHOD AND MEANS FOR VARYING PISTON-IN-CYLINDER MOTION}

본 발명은 피스톤이 미합중국 특허 제5146880호 및 제5279209호에 도시된 일반적인 형태를 갖는 회전기계(rotary machine)의 실린더 내에서 직선 운동을 하는 회전기계의 피스톤-인-실린더 운동에 적용되는 것이지만, 상기 특허의 명세서에 도시된 바의 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

특히, 1차 축을 갖는 기계는,

상기 1차 축의 반경방향으로 배치된 복수의 반경방향 왕복 피스톤, 및

상기 1차 축을 중심으로 궤도 운동하는 원형 배열(circular array)의 로브 샤프트(lobed shaft)-여기서 각각의 샤프트는 1차 축과 평행인 각각의 2차 축을 중심으로 회전하며, 샤프트는 구동수단에 의하여 그들 궤도율의 소정의 비율로 회전가능하게 구동되며, 로브면은 대략 피스톤면에 위치됨-를 포함하고, 상기 샤프트의 회전 및 궤도 운동과 피스톤이 왕복 운동하는 도중에 각각의 피스톤이 적어도 하나의 로브와 연결되어 상기 피스톤의 왕복 운동과 동기하여 샤프트가 회전 및 궤도 운동하고,

다른 방식으로서, 1차 축을 갖는 기계는,

상기 1차 축의 반경방향으로 배치된 복수의 반경방향 왕복 피스톤, 및

상기 1차 축을 중심으로 궤도 운동하는 원형 배열의 로브 샤프트ㅡ여기서 각각의 샤프트는 1차 축과 평행인 각각의 2차 축을 중심으로 그들 궤도 속도에 비례하는 소정의 속도로 회전가능하며, 로브면은 대략 피스톤면에 위치됨ㅡ를 포함하고, 상기 샤프트의 회전 및 궤도 운동과 피스톤이 왕복 운동하는 도중에 각각의 피스톤이 상기 피스톤의 각각의 왕복 운동 사이클 내내 적어도 하나의 로브와 실질적으로 계속해서 접촉상태를 유지하고, 또한 각각의 연속 로브와 상기 피스톤의 접촉과 분리 사이의 기간에 의하여 한정된 각 피스톤의 각각의 연속적인 왕복 사이클 사이의 실질적인 시간 지연없이 변경되며, 상기 피스톤은 쌍으로 배열되며, 각각의 상기 쌍으로 된 피스톤이 유체를 하나에서 다른 하나로 피스톤의 왕복 운동에 응답하여 펌핑하는 각 쌍의 피스톤이 실질적으로 비동기 왕복 운동하도록 유지하는 기계로서 이것을 이하에서 "스플릿-사이클"기계라고 한다.

미합중국 특허 제5146880호 및 제5279209호의 내용을 참조하여 본 명세서에 결합시켰다. 본 발명의 배열에 있어서, 회전 기계로부터의 출력 및 회전 기계로의 입력은 스플릿-사이클 기계의 중앙 회전 샤프트를 거쳐 실행된다.

본 발명은 피스톤 운동의 변경, 특히 후술하는 바와 같이 "스플릿-사이클(split-cycle)" 크랭크 기계의 피스톤-인-실린더 운동을 동작하는 사이클 도중에 실린더 내 피스톤 운동의 행정 및/또는 타이밍을 변경하는 방법 및 수단에 관한 것이다.

도 1은 종래의 스플릿-사이클 엔진의 포트 타이밍도.

도 2는 종래의 스플릿-사이클 엔진의 피스톤 운동의 구성도.

도 3은 도 2의 구성도(점선으로 도시됨)와 유사하지만 이상적인 최적화 4-행정 사이클의 도면.

도 4는 두 세트의 제네바 휠 사이의 상호 관계를 나타낸 그래프.

도 5는 도 3과 유사한 구성이지만 본 발명에 따른 실시예의 구성도.

도 6은 종래의 내연기관 사이클의 압력 대 체적 관계를 나타낸 도면.

도 7은 도 5의 실시예의 압력 대 체적 관계를 나타낸 도면.

도 8은 도 3과 유사한 구성이지만 본 발명에 따른 다른 실시예의 결과를 나타낸 도면.

도 9는 도 1과 도 2의 배열의 출력 샤프트/제네바 휠 관계를 나타내는 개략도,

도 10은 도 9와 유사하지만 본 발명의 실시예에 따른 개략도.

도 11은 도 10에 따른 6 제네바 휠 엔진을 나타내는 개략도.

도 12는 본 발명의 실시예와 결합되는 스플릿-사이클 엔진의 부분단면도.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 흡기/배기 제네바 휠의 단면도.

도 14는 도 13과 유사한 압축/팽창 제네바 휠의 단면도.

도 15a 및 도 15b는 초기 방위가 그들 사이에 변한 상태의 암 또는 배기/흡기 제네바 휠을 나타낸 도면.

도 16은 도 15a의 휠과 도 15b의 휠 사이의 피스톤 상의 운동 효과를 나타내는 그래프.

도 17은 본 발명에 따른 스플릿-사이클 기계의 피스톤 배열 실시예의 등각도.

본 발명은 스플릿-사이클 내연기관의 동작에 관한 것이지만 WO 96/33343에 개시된 바와 같이 자유 피스톤 엔진의 동작 제어 또는 피구동 스플릿-사이클 크랭크와 상호작용하는 피스톤의 펌핑 출력을 제어하는데도 똑같이 적용가능함을 이해할 것이다.

스플릿-사이클 기계에 채택된 로브 샤프트 상의 로브 배열을 "제네바 휠(Geneva wheel)"이라고 하고, 미합중국 특허 제5146880호에 개시되며 상기 명세서의 도 5에 예시된 바와 같이 윤곽이 변하는 형상일 수 있다.

미합중국 특허 제5146880호의 도 5에 도시된 바와 같이, 제네바 휠을 형성하는 샤프트 상의 로브는 피스톤에 대하여 비동기 왕복 운동을 제공하는 형상일 수 있으나 각 피스톤의 운동의 상사점(top dead centre: TDC)과 하사점(bottom dead centre: BDC)사이의 타이밍을 변경시키지는 않는다. 이와 반대로, 본 발명은 스플릿-사이클 엔진의 각 사이클 작동을 최적화하기 위하여, 흡기/배기 또는 압축/팽창이던 간에, 상사점과 하사점 사이의 타이밍이 각 엔진 행정의 시간 기간을 용이하게 변경시키도록 제네바 휠의 로브 사이의 각 변위(angular displacement)를 변경함에 의하여 변화되는 제네바 휠의 베열을 제안한다. 본 발명에 따른 로브의 비등각 배치(non-equiangular positioning)는 미합중국 특허 제5146880호에 개시된 비대칭 윤곽과 함께 제네바 휠의 축으로부터 로브의 트로프(trough) 및 피크(peak)의 반경의 변화와 결합되어 엔진 사이클의 각 행정의 타이밍 및 형상을 광범위하게 선택할 수 있다.

본 발명은 4-행정 및 2-행정 엔진 양자 모두에 적용가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 팽창 행정이 길이 및 시간 양자 모두에서 증가되어 종래의 크랭크 내연기관의 일정한 행정에 걸쳐 엔진 효율이 향상된다,

당연히, 동일한 스플릿-사이클 크랭크 배열은 적용 범위에 적합하도록 엔진의 출력 성능을 변경시킬 수 있는 적절하게 설계된 상이한 제네바 휠 세트의 부속품에 의하여 원하는대로 제작될 수 있다.

다음에, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

미합중국 특허 제5279209호의 도 2 및 도 3에 도시된 방식으로 수(10) 및 암(11) 세트로 형성된 공지의 스플릿-사이클 엔진 제네바 휠의 제1 실시예를 사용하여 도 1의 포트 타이밍도에 따라 배기/흡기 및 압축/팽창시킨다. 이로써 각각의 제네바 휠 패밀리가 특정의 형상 및 치수로 된다.

본 발명의 목적은 스플릿-사이클 엔진의 적어도 사이클 일부분의 효율을 향상시키는 것이다.

종래의 스플릿-사이클 엔진 상의 각 피스톤의 운동을 도 2에 나타내며, 엔진 사이클의 각 부분은 본 발명의 실시예에 따라 최적으로 될 수 있다. 도 2는 동일한 제네바 휠에 발생하는 흡기, 압축, 팽창 및 배기에 대한 4개의 동일한 행정을 가진 사이클을 나타낸다. 도 2에 도시된 사이클을 변형시켜 엔진 성능을 최적화 하는 것이 필요하다. 예를 들면, 연료가 순간적으로 연소되지 않을 때 팽창 행정에 대한 피스톤 운동은 최초부터 비교적 느린 것이 바람직하다. 4-행정 사이클의 각 사이클에 대한 원하는 성질을 고려함으로써 엔진 성능이 최적으로 될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 사이클로부터 변하는 최적의 사이클을 점선으로 나타낸다.

도 3의 최적의 사이클을 참조하면, 연소 체임버의 충분한 양을 가능한 신속하게 얻는 것이 적절함을 알 수 있을 것이다. 압축 행정에 있어서, 피스톤의 상승을 지연시켜 네거티브 토크(negative torque)를 최소로 하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 최적의 사이클의 출력은, 첫째는 압축 시간 및 팽창 행정의 증가에 의하여 증가되고, 둘째는 연소 동안에 커브를 배기 행정 상단의 보다 적은 범위까지 편평하게 함으로써 증가된다. 불행하게도, 상기 두 개의 양태는 도 3에 도시된 팽창 및 배기 커브의 편평함이 팽창 및 배기 행정를 감소시킬 때 서로에 반대하여 작동한다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 로브를 바람직하게 비대칭 제네바 휠 로브와 결합시켜 전술한 비등각 배치를 채택함으로써 스플릿-사이클 엔진의 출력을 향상시키는 작업에 관한 것이다.

또한, 각 피스톤의 하단부 상에 특정의 형상을 배치함으로써, 사이클 효율이 더 향상될 수 있다. 한편으로는 배기/흡기용으로 다른 한편으로는 압축/팽창용으로 특정의 형상을 상이하게 하여 제공될 수 있다.

각 로브의 형상은 수많은 범위 내에서 2-행정 또는 4-행정 엔진용으로 선택될 수 있다. 상기 발명에 의하여, 로브의 형상 및 상대각 배치를 변경시킴으로써 유일한 "사이클"을 선택할 수 있다.

이전에는, 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 60℃ 반각(half-angle)으로 분리된 절반의 수 제네바 휠(10) 및 절반의 암 제네바 휠(11)을 사용하였다.

특정의 일실시예는 변경가능한 분리각을 가진 두 그룹의 3 제네바 휠(6 제네바 휠 엔진)을 채택한다.

초기의 종래 분리각은 60℃ 이다. 상기 각은 본 발명에 따라 50°, 40° 또는 그 이하로 변경될 수 있다. 실제로, 사이클을 변경시켜 엔진의 효율을 향상시킬 수 있다. 종래의 대칭 사이클을 도 2에 도시한다.

다음에, 본 발명의 수단에 의하여 도 5에 도시된 바와 같은 사이클이 형성될 수 있다. 보다 긴 팽창 행정 및 팽창 시간을 가진 도 5의 사이클이 종래의 사이클에 대하여 효율을 향상시킨다. 흡기/압축과 팽창/배기 사이클 사이의 행정 길이의 변경(12)은 암 제네바 휠(흡기/배기)과 수 제네바 휠(압축/팽창)의 형상을 상이하게 함으로써 용이하게 달성된다. 행정 시간의 변경은 본 발명의 적용으로 달성된다.

종래의 내연기관은 도 6에 도시된 형태의 잘 알려진 사이클을 가지며, 여기서 데드 체적(dead volume)은 " ν"이며 실린더 용량은 " V "이다. 흡기 행정(13), 압축 행정(14), 팽창(15) 및 배기(16)가 사이클을 형성한다.

체적율 ∑는 다음과 같이 정의된다:

종래의 연료에서는, ∑는 11이며, 이것은 다음 식에 의하여 한정된 이론 열역학 효율 " ρ"를 제공한다.

도 5의 새로운 사이클을 도 7의 P-V 도표로 나타낸다.

도 5 예의 분리각 60°에서, 이론 효율은 62%이고,

50°에서, ρ = 70%

40°에서, ρ = 77%

30°에서, ρ = 83%

이러한 이론 효율은 크랭크-로드 시스템 엔진, 또는 종래적으로 설계된 스플릿-사이클 엔진에서는 가능하지 않다.

사이클을 원하는 대로 선택할 수 있기 때문에, 점화 앞섬이 흡기와 배기 개방 사이가 겹칠 때 감소될 수 있다.

도 8은 이러한 배열의 일례를 나타내는 것으로서,

①은 점화 앞섬(advance)이다.

②는 흡기 앞섬이다.

③은 배기 지연이다.

여러 종류의 스플릿-사이클 엔진(split-cycle engine); 예를 들어 4,6,8,등 제네바 휠(Geneva wheels)을 갖는 엔진을 제공하는 것이 가능하다.

팽창 행정의 길이와 행정의 시간을 변화시킴에 의하여 사이클을 최적화하는 방법에 대하여 더 상세하게 설명될 것이다.

행정과 그 행정에 대한 시간을 증가하는 두가지 방식이 있다.

첫째, 제네바 휠 형상을 변화함에 의하여, 행정과 그 행정의 시간 주기에 있어서 증가가 제한된다.

둘째, 하나의 제네바 휠 세트의 초기 각 변위(initial angular position)를 그 축 주위에서 다른 세트에 관하여 변화시킴에 의하여 더 큰 증가가 가능하게 될 것이다. 초기 각 변위가 변화되는 특정한 사이클을 최적화하기 위하여 로브(lobe)의 구체적인 형상을 사용하는 것이 가능하다. 출력 크랭크축의 알려진 실시예가 도 9에 도시된다.

본 발명의 실시예에 따라, 휠 ①과 휠 ③ 사이의 각은 6 제네바 휠 엔진을 위하여 120°에서 유지된다. 팽창 행정을 증가하는 동안 효율을 증가시키고 싶다면, 휠 ②와 ③ 사이의 각 β가 α+ β= 120°와 α≠β; α＜β에 의하여 결정되도록 도 10에 도시된 바와 같이 휠 ①과 휠 ② 사이의 굽어진 각을 감소시키는 것이 적절하다. 결국 6 제네바 휠 엔진을 위한 기하학적인 도형은 도 11과 같이 도시될 수 있으며, 여기에서:

① + ③ + ⑤은 배기/흡기 휠이고

② + ④ + ⑥은 압축/팽창 휠이다:

각이 50-55°미만이라면 허용 오차를 고려하여 수 및 암 제네바 휠을 사용하는 것이 곤란할 수 있다. 이 경우 도 11에 도시된 바와 같이 레이 아웃을 위하여 도 12에 도시된 바와 같이 나란히 서 있는 관계로 두 개의 3-제네바 휠 세트(20)를 사용하는 것이 가능하다. 도 11에서 피스톤(60)은 유성 기어 트레인(63)과 접촉의 방위 때문에 일정한 시간 후 작동하도록 장치한 관계인 제네바 휠(20)에 의하여 제어된다. 제네바 휠 축(62)은 출력 축(64)에 연결된 베어링 지지체(63)에 설치된다.

본 발명의 실시예에 따른 흡기/배기 제네바 휠(30)의 일반적인 윤곽은 도 13에 도시되는 반면 도 14는 서로 보완적인 흡기/압축 제네바 휠(40)을 도시한다.

도 15a에서, 배기/흡기 암 형식 제네바 휠(50)은 로브(51)의 정점이 수직면 끝단에 있는 최초 방위와 함께 도시된다. 도 15b에서 로브(51)의 최초 방위의 변화는 도 15a에 도시된 최초 방위에 관하여 휠(50)의 축 주위에 시계 방향으로 각 λ°씩 그 로브를 오프셋(offset) 하는 것이다. 도 15a와 도 15b 사이에 최초 각 방위에서의 변화의 결과는 일반적인 크랭크를 위한 대응 회전각에 대한 배기와 흡기 사이클을 오프셋 하는 것이다.

오프셋 각 λ는 동력 또는 팽창 행정의 길이 손실을 보상하기 위하여 휠(50)의 회전 반경 R을 R'로 변경하도록 하는데, 여기서 팽창/배기와 흡기/압축 행정에서 차이가 도 16에 도시된 바와 같이 도 15a의 실시예를 위하여 배열된다.

도 17의 피스톤 배열(70)은 피스톤 로드(72)에 의하여 리프터 (73)에 연결된 피스톤(71)을 포함한다. 리프터(73) 상에 접촉 표면(74)은 암 제네바 휠(도시 않음)에 의하여 접촉되도록 형상을 하고 있으며 위치하고 있지만 표면(75)은 수 제네바 휠(도시 않음)에 의하여 접촉되도록 형상을 하고 있으며 위치하고 있다.

수많은 변화 및/또는 변형이 널리 설명된 것 처럼 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어 나지 않고 특정한 실시예에서 도시된 바와 같이 본 발명으로 만들어 질 수 있다는 것은 이 분야에서 당업자에 의하여 평가될 것이다. 그러므로, 본 발명의 실시예는 예시적이며 그리고 제한적이지 않으며 모든 관계에서 고려될 것이다.

Claims (13)

1. 제네바 휠의 로브를 제어하는 각 피스톤의 레이디얼 축이 스플릿-사이클 엔진(split-cycle engine)의 작동 동안 로브(lobe)를 제어하는 각각의 연속적이고 선행하는 피스톤에 관하여 비-등각으로 변위되는 스플릿-사이클 엔진.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 제네바 휠 위에 각 로브가 각각의 레이디얼 축에 대하여 대칭으로 형성되는 스플릿-사이클 엔진.
3. 제2항에 있어서, 상기 제네바 휠 위에 각 로브가 각각의 레이디얼 축에 대하여 비대칭으로 형성되는 스플릿-사이클 엔진.
4. 제3항에 있어서, 상기 제네바 휠 로브들의 일부는 그 각각의 레이디얼 축에대하여 대칭으로 형성되는 한편 나머지 제네바 휠 로브들은 각각의 나머지 레이디얼 축에 대하여 비대칭으로 형성되는 스플릿-사이클 엔진.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 청구항이 내연 기관으로 작용되도록 적응되는 스플릿-사이클 엔진.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 청구항이 자유 피스톤 엔진에 연결된 회전 운동 컨버터에 선형으로 적응되는 스플릿-사이클 엔진.
7. 제1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제네바 휠들은 한 세트의 수 제네바 휠과 한 세트의 암 제네바 휠로 형성되며, 상기 수 제네바 휠 세트는 적어도 한 피스톤의 팽창과 압축 사이클을 제어하고 암 제네바 휠 세트는 적어도 한 피스톤의 흡기와 배기 사이클을 제어하는 스플릿-사이클 엔진.
8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 팽창과 배기 행정이 엔진의 흡기와 압축 행정 보다 더 오래 걸리는 스플릿-사이클 엔진을 통합한 엔진.
9. 제8항에 있어서, 상기 팽창 행정의 시간 간격이 배기 행정의 시간 간격 보다 더 큰 엔진.
10. 제9항에 있어서, 상기 팽창 또는 배기 행정의 길이가 흡기 또는 압축 행정의 길이 보다 더 큰 엔진.
11. 로브를 제어하는 각각의 연속하는 쌍의 피스톤 사이에 각 분리가 동일하지 않도록 피스톤 운동을 제어하기 위하여 적용되는 제네바 휠 배열 상에 로브들의 각 배치를 변화하는 것을 포함하는 스플릿-사이클 엔진에서 피스톤-인-실린더를 제어하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 각 로브의 레이디얼 축에 대하여 비대칭으로 각 제네바 휠 로브의 윤곽(profile)을 변화하는 것을 포함하는 스플릿-사이클 엔진에서 피스톤-인-실린더를 제어하는 방법.
13. 수 및 암 제네바 휠의 사이에서 처럼 연속적이고 선행하는 로브들의 레이디얼 축이 비-등각으로 서로 이격되도록 장치에 적합하게 되는 수 및 암 제네바 휠들을 포함하는 스플릿-사이클 엔진을 위한 제네바 휠 세트.