KR20020021423A - 정온배기 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석유/화학 에너지를 기계적 동력으로 변환하는 내연기관(엔진)에 관한 것이다. 정적배기(Constant Volume Exhaust) 과정으로 운전되는 통상의 크랭크 피스톤 엔진에서는 팽창과정을 완료한 연소가스가 상당한 압력을 지니고 있으나 이 압력이 기계적 동력으로 변환되지 못하고 대기로 배출됨으로서 에너지(압력) 손실을 초래할 뿐만이 아니라 배기소음을 유발하는 문제점이 있었다.

본 발명은 암수 한 쌍의 스크류 로우터(21,22)로 구성된 동력 발생기(20)를 종래의 크랭크 피스톤 엔진에 결합시켜 실린더에서 배출되는 배기가스를 동력발생기에 진입시킨 후, 동력 발생기에서 점진적으로 동력을 생산하며 팽창되도록 한 것으로 종래의 엔진에서 버려지는 배기압력을 기계적 동력으로 변환하고 엔진의 배기소음도 제거한 것이다. 좀더 상세히 설명하면, 본 발명은, 암수 한 쌍의 스크류 로우터(21,22)가 회전하면서 점진적으로 체적변화를 하는 밀폐공간(25)을 만들도록 하고, 이 밀폐공간에, 종래의 엔진에서 배출되는 배기가스를 진입, 대기 온도에 해당하는 압력으로 팽창시켜, 배기가스의 압력이 기계적 동력으로 회수되고 배기소음도 제거되도록 한 것이다. 열역학적으로, 본 발명은 정온 배기 과정을 실현한 엔진이다.

Description

정온배기 엔진 {Constant Temperature Exhaust Engine}

본 발명은 정적배기 과정에서 운전되는 내연기관에서 대기로 방출되는 배기가스의 압력 (에너지)을 기계적 동력으로 변환하고, 더불어 엔진의 배기소음도 제거한, 정온배기 과정을 실현한 내연기관에 관한 것이다.

종래의 크랭크 피스톤 엔진에서는 배기가스가 지닌 압력이 대기로 배출됨으로서 에너지 손실을 초래할 뿐만이 아니라 배기소음을 유발하는 결함이 있었다. 또한, 종래의 피스톤 엔진에서는 이 배기소음을 제거하기 위하여 소음기(Muffler)가 장착되어야 하는 바, 소음기에서의 배기가스 배기 저항이 상당하여, 이미 생산된 동력을 사용하여 배기가스를 배출시켜야 함으로 엔진의 출력이 저하되는 단점이 있었다.

본 발명은 이러한 결함을 해소하기 위하여 종래의 크랭크 피스톤 엔진에서 무용하게 방출되는, 소음을 유발하는 배기가스를 대기로 방출하기 전에 한쌍의 스크류 로우터에 의한 밀폐공간에서 이 배기가스가 동력을 생산하면서 점진적으로 팽창된 후 배기가스 냉각기를 통하여 대기로 방출되도록 한 것으로, 정온배기 과정을 실현한 것이다.

종래의 피스톤 엔진에서는 배기 밸브가 열리면서 배기가스의 팽창이 진행되고, 배기가스의 압력은 동력을 생산하지 못하고 소음을 유발하며, 이 소음은 실린더가 대기로 열려있는 상태이므로 우리들의 귀에 바로 전달되었다. 그러나 본 발명에서는 배기가스가 밀폐공간에서 동력을 생산하면서 점진적으로 팽창됨으로 소음을 만들지 않는다.

본 발명에서는 배기 밸브가 열리면서 엔진에서 방출되는 배기가스가 촉매 컨버터를 경유하여 동력 발생기로 진입하게 된다. 동력 발생기는 암수 한쌍의, 싸이클로이드 곡선을 기본으로 한 헬리컬 스크류 타입의 로우터로 구성된 것으로, 로우터가 회전하면서 체적변화를 하는 밀폐공간을 반복적으로 만들도록 되어 있다. 이 밀폐공간은 로우터의 회전에 따라 점진적으로 성장하고, 다음 성장을 다하면 배출구로 개방되면서 점진적으로 줄어들다 결국 소멸하도록 되어있다. 이러한 동력 발생기에 진입한, 상당한 압력을 지닌 배기가스는 이 밀폐공간에서 정해진 압력으로 팽창하면서 로우터를 회전시키고, 이 로우터의 회전력은 엔진의 플라이휠에 전달되어 엔진의 동력으로 이용된다. 다음, 팽창을 다한 배기가스는 로우터의 회전에 따라 배출구를 통하여 배기가스 냉각기 (Air Fin Cooler)로 진입하게 되는데, 이 배기가스 냉각기에 의하여 배기가스가 수축 (배기가스 중에 수증기는 응축) 되고 또 이 배기가스 배출구에 연결된 로우터의 요부 공간도 역시 수축하게 됨으로, 또 동력이 발생하게 된다. 냉각기를 통과한 배기가스 방출 블로우어에 의하여 대기로 배출된다.

이리하여 본 발명에서는, 종래의 피스톤 엔진에서 배기가스가 지닌 압력/열 에너지가 모두 유용한 기계적 동력으로 변환되고 따라서 배기소음이 제거되도록 한 것으로, 열역학적으로 말해서, 본 발명은 정온배기 과정(Constant TemperatureExhaust Processing)으로 작동하도록 한 것이다.

도 1 은 본 발명의 로우터 입체도

도 2 는 도 1의 뒤쪽에서 본 로우터의 입체도

도 3 은 본 발명의 밀폐공간을 보인 로우터 입체도

도 4 는 본 발명의 구성을 보인 입체도

도 5 는 본 발명의 정면도

도 6 은 본 발명의 측면도

도 7 은 본 발명의 횡단면도 (도 5의 단면 A-A)

도 8 은 본 발명의 종단면도 (도 6의 단면 B-B)

도 9 은 본 발명의 로우터 회전 예시도

도 10은 본 발명의 로우터의 (밀폐공간의) 작동을 보인 개략도

도 11은 본 발명의 배기가스 플로우 다이아그램

도 12는 본 발명의 열역학적 싸이클을 보인 온도-엔트로피 선도

도 13은 본 발명의 숫로우터의 돌출부 (Cycloid) 곡선도

도 14는 본 발명의 암로우터의 요(凹)부 곡선도

*** 도면에 사용된 부호 명칭 ***

10: 주 엔진 (통상의 피스톤 엔진)

11: 주 엔진 공기 흡입구

12: 주 엔진 배기구

13: 배기 맨니폴드 (Manifold)

14: 촉매 컨버터 (Catalytic Converter)

15: 엔진 플라이휠 (Flywheel)

20: 본 발명의 동력 발생기 본체 (Power Generator Body Chamber)

21: 동력 발생기 숫로우터 (Male Rotor)

22: 동력 발생기 암로우터 (Female Rotor)

23: 동력 출력치차 (Power Output Gear)

24: 동력 발생기 로우터 베이비 요부공간 (Baby Open Space)

25: 동력 발생기 밀폐공간 (Closed Space)

26: 동력 발생기 엔드 플레이트 (End Plate)

27: 동력 발생기 배기가스 입구

28: 동력 발생기 배기가스 배출구

29: 동력 발생기 타이밍 기어 박스 (Timing Gear Box)

30: 배기가스 냉각기 (Air Fin Cooler)

40: 배기가스 방출 블로우어 ( Exhaust Gas Blower)

본 발명은 도 11에 상징적으로 보인 바와 같이 종래의 크랭크 피스톤엔진(10) (이하 주 엔진이라 칭함)에 암수 한쌍의 스크류 로우터(21,22)로 구성된 동력 발생기(20)가 주 엔진(10)의 스타터(Starting Motor) 바로 옆에, 동력 발생기(20)에서 발생한 동력이 주 엔진 플라이휠에 전달되도록 장착되고, 배기가스가 주 엔진 맨니폴드에서 배기가스 정화장치인 촉매 컨버터(14)를 경유하여 동력 발생기 배기가스 입구(27)에 진입하도록 하였으며, 주 엔진의 라디에이터와 비슷한 구조의 배기가스 냉각기(30)와 상용의 가스 (배기가스 방출) 블로우어(40)를 추가 장착하여 상기 동력 발생기의 배기가스 배출구(28)에서 배출되는 배기가스가 상기 배기가스 냉각기(30)에서 냉각되고 상기 배기가스 방출 블로우어(40)에 의하여 대기로 배출되도록 구성된 것이다.

동력 발생기(20)에는 본체(Body Chamber)에 도 1 및 도 2에 보인 암수 한쌍의 헬리컬(Helical) 스크류 타입 로우터가 타이밍 기어에 의하여 3(수)대 2(암)로 회전하도록 (도 8 참조) 도 4에 보인 바와 같이 장치된다. 이러한 동력 발생기의 엔드 플레이트(26)에는 배기가스 입구(27)가 형성되어 있고, 도 5 및 7에 보인 바와 같이 본체에는 배기가스 배출구(28)가 형성되어 있다.

본 발명의 로우터(21,22) 들의 형상은 본인이 발명하여 미국특허를 취득한 Rotary Piston Engine With Slide Gate (US Pat. No. 5, 101,782; 1992,4.7)의 로우터와 매우 유사하다. 도 13은 원 B가 원 A의 둘레를 미끄럼 없이 굴러가면서 한점 P가 그리는 궤적을 보인 싸이클로이드(Cycloid) 곡선(C)이다. 도 14는 원 A가 원 B의 둘레를 미끄럼 없이 굴러가면서 한 점 P가 그리는 궤적을 보인 곡선(C)이다. 본 발명의 로우터들은 헬리컬(Helical) 스크류 타입으로서, 숫로우터(21)의 돌출부 곡선은 (도 13 참조) 암로우터(22)의 외경 원(B)이 숫로우터의 요(凹)부 원(A)의 원주 위를 미끄럼 없이 굴러가며 그리는 싸이클로이드 곡선(C)으로 되어 있다. 암로우터의 요(凹)부의 곡선은 (도 14 참조) 숫로우터의 요부 원(A)이 암로우터의 외경 원(B)의 원주 위를 미끄럼 없이 굴러가며 그리는 곡선(C)이다. 본 로우터들은 이러한 곡선을 기본으로 한 헬리컬 스크류 타입으로서, 이 곡선들을 수학적으로 정의할 수 있으므로 용이하게 가공될 수 있다. 이러한 로우터들은 도 3에 보인 바와 같이 회전하면서 반복적으로 체적변화를 하는 밀폐공간(25)을 구현하게 된다. 도 9는 로우터들이 회전하면서 암로우터의 요부와 숫로우터의 돌출부가 언제나 서로 만나고 있음을 보인 것이다. 실제로는 숫로우터와 암로우터 사이에는 열팽창을 고려하여 얼마간의 틈새(Clearance)가 존재하지만 기하학적으로 언제나 암로우터의 최 외각 돌출부가 숫로우터의 돌출부 곡선과 접하게된다. 따라서 로우터들은 회전할 때 도 3에 보인 바와 같이 굵은 선으로 둘러싸인 밀폐공간(25)을 형성하게 된다.

상기 동력 발생기에서는 로우터들의 회전에 따라 배기가스 입구(27) 쪽에서 베이비 로우터 요부공간(24, 도 3 참조)(Baby Open Space)이 태어나고 이 요부공간은 점진적으로 성장하다가, 숫로우터의 돌출부가 회전함에 따라 배기가스 입구(27)를 막게되면 배기가스 입구와 격리되는 밀폐공간(25)으로 되며, 이 밀폐공간은 점진적으로 계속 성장하고, 성장을 다하면 배기가스 배출구(28) 쪽으로 이동하여 배출구와 연결되면서 점진적으로 줄어들어 마침내 소멸하도록 되어 있다. 이러한 과정은 숫로우터의 1회전에 2번씩 반복된다.

본 동력 발생기에서는 앞서 설명한 베이비 로우터 요부공간(24)은 로우터의 회전에 따라 계속 성장하면서 배기가스 입구(27)에 언제나 개방되어 (도 9 참조) 있다. 따라서 도 10에 보인 바와 같이 주 엔진으로부터 배기가스가 맨니폴드(13)와 촉매 컨버터(14)를 경유하여 배기가스 입구(27)로 연속적으로 흘러들어 오게된다. 이 베이비 로우터 요부공간이 어느 정도 성장하면 숫로우터의 돌출부가 배기가스 입구를 막게 됨으로 배기가스 입구(27)와 격리되는 밀폐공간으로 되고 (배기가스의 공급이 중단됨) 다음 이 밀폐공간(25)내의 배기가스는 팽창하면서 로우터를 회전시키는 동력을 발생하게 된다. 이 동력은 타이밍 기어 박스(29)의 동력 출력치차(23)에 의하여 주 엔진 플라이휠에 전달된다. 팽창을 다한 배기가스는 배출구(28) 쪽으로 옮겨지고, 밀폐공간이 배기가스 배출구(28)에 통하게 되면서 줄어듦에 따라 동력 발생기(20)로부터 외부로 배출된다.

도 10은 이러한 로우터의 작용을 실린더/피스톤으로 변환하여 표현한 것이다. 본 동력 발생기에서는 배기가스가 밀폐공간에서, 마치 도 10에 보인 팽창 과정처럼, 로우터를 회전시키면서 점진적으로 진행됨으로 소음을 만들지 않는다. 소음은 대기로 방출되어 별안간에 팽창할 때 발생한다.

한편, 동력 발생기로부터 배출되는 배기가스는, 그 압력은 로우터의 밀폐공간의 팽창에 의하여 동력으로 변환되었으나, 아직도 상당한 고온임으로 얼마간의열에너지를 지니고 있다. 본 발명에서는 이 열에너지를 기계적 동력으로 변환하기 위하여 앞서 설명한 배기가스 냉각기(30)가 주 엔진(10)의 라디에이터 앞에 배치되고, 동력 발생기의 배기가스 배출구(28)에서 배출되는 배기가스가 상기 냉각기를 경유하여 배기가스 방출 블로우어(40)에 의하여 대기로 방출되도록 되어 있다. 따라서 상기 냉각기를 통과하는 배기가스는 상온 가까이 냉각됨에 의하여 수축 (일부 수증기는 응축) 하게 됨으로, 마치 증기 터빈 엔진에서 복수기(Condenser)에 의하여 수증기가 응축되면서 마지막 단의 LP 터빈에서 동력이 발생하는 것처럼 본 동력 발생기(20)의 로우터를 회전시키는 동력이 발생하게 된다.

도 12는 본 발명의 동력 발생과정을 열역학적으로 보인 온도-엔트로피 선도이다. 이는 정압배기(Constant Volume Exhaust) 과정인 가솔린 엔진의 오토싸이클(Otto Cycle)(A-B-C-E-A)보다 정온배기(Constant Temperature Exhaust) 과정에서 운전되는 본 발명 싸이클(A-B-C-D-A)의 면적이 면적 A-E-D-A 만큼 더 넓다. 따라서 본 발명의 열효율이 종래의 엔진의 열효율보다 열역학적으로 더 높은 것이다.

본 발명에서의 배압(Back Pressure, 주 엔진에서 배기 밸브가 열릴 때 압력)은 엔진의 주축(크랭크샤프트)과 동력 발생기의 로우터의 회전비에 따라 정해진다. 바꾸어 말하면, 이 주축과의 회전비를 설정함에 따라 본 발명에서의 배압이 종래의 엔진의 배압과 같게 할 수도 있으며, 또 보다 작게도 할 수 있다. 배압을 매우 작게 할 경우 배기 밸브가 열리면서 배기가스가 실린더를 탈출하는 배기소음(팽창파동)의 발생이 예상되나 본 발명에서는 배기 맨니폴드(13)의 내부공간이 종래의 엔진에서와 같이 대기로 개방되어 있지 않기 때문에 배기소음은 대기로 전달되지 않는다.

정온배기 과정에서 운전되는 본 발명은 엔진의 배기소음이 자동적으로 제거될 뿐만이 아니라 엔진의 열효율이 향상되어 국가적으로 에너지 절약에 크게 기여할 수 있는 발명으로 기대된다.

Claims (1)

1. 정적배기(Constant Volume Exhaust) 과정 및 크랭크/피스톤으로 운전되는 내연기관에,

   싸이클로이드를 기본으로 한 헬리컬(Helical) 스크류 타입인 한 쌍의 암수 로우터(21,22)에 의하여 상기 로우터들이 회전하면서 반복적으로 체적변화를 하는 밀폐공간(25)을 구현하는 동력 발생기(20)에 동력 출력기어(23)를 구비하고, 이 동력 출력기어가 주 엔진(10)의 주 출력 축(15)에 연결되도록 상기 동력 발생기가 주 엔진에 장착되고, 주 엔진의 라디에이터와 비슷한 배기가스 냉각기(30)와 공지의 가스 블로우어(40)를 구비하고,

   주 엔진(10)의 배기가스가 맨니폴드(13)에서 촉매 컨버터(14)를 경유하여 상기 동력발생기의 배기가스 입구(27)에 진입하고, 다음 이 동력 발생기에서 로우터의 밀폐공간(25)에 의하여 점진적으로 팽창되고, 다음 배기가스 배출구(28)에서 상기 배기가스 냉각기(30)에서 냉각되고, 상기 가스 블로우어(40)에 의하여 대기로 방출되도록 하여,

   배기가스가 지닌 압력/열에너지를 기계적 동력으로 변환하고, 배기소음이 제거된, 열역학적으로 정온배기 과정(Constant Temperature Exhaust Processing)이 실현되어 열효율이 향상된 정온배기 엔진

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