KR200315393Y1 - High Expansion Ratio Piston Engine - Google Patents

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KR200315393Y1
KR200315393Y1 KR20-2003-0000242U KR20030000242U KR200315393Y1 KR 200315393 Y1 KR200315393 Y1 KR 200315393Y1 KR 20030000242 U KR20030000242 U KR 20030000242U KR 200315393 Y1 KR200315393 Y1 KR 200315393Y1
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    • F01L1/44Multiple-valve gear or arrangements, not provided for in preceding subgroups, e.g. with lift and different valves

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Abstract

본 고안은 크랭크 피스톤 엔진에서 흡배기 장치에 관한 것이다. 종래의 피스톤 엔진에서는 실린더로 흡입되는 그리고 실린더로부터 배출되는 엔진의 흡배기가 신속히 수행되지 않기 때문에, 실린더 내에서 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 작게 설정되어 있다. 따라서 실린더 내의 연소가스가 팽창과정 완료 후에도 상당히 높은 압력을 지니고 있으며, 이 압력이 동력으로 변환되지 못하고 배기됨으로서, 결국 종래의 엔진에서는 배기손실이 주어진 연료의 30% 정도에 달하는 결함이 있었다.The present invention relates to an intake and exhaust device in a crank piston engine. In the conventional piston engine, since the intake and exhaust of the engine sucked into the cylinder and discharged from the cylinder is not performed quickly, the expansion ratio of the combustion gas in the cylinder is set smaller than the compression ratio of the air. Therefore, the combustion gas in the cylinder has a considerably high pressure even after completion of the expansion process, and this pressure is not converted into power and is exhausted, so that in the conventional engine, the exhaust loss is about 30% of a given fuel.

본 발명은 이러한 결함이 해소되도록, 종래의 피스톤 엔진에서 캠/스프링에 의하여 왕복운동을 하는 (2개의) 흡입/배기 밸브 장치를 하나의 포핏(Poppet) 밸브와 로터리 타입의 흡입/배기 밸브 장치로 바꾸고, 저압축비 로터리 압축기를 배기 매니폴드에 추가 장치하여 배기가스가 실린더에서 신속히 배출되도록 구성된 것이다. 실린더로부터 배출되는 연소가스는 상당히 높은 압력을 지니고 있다. 본 발명에서는 이 압력 에너지에 의하여 실린더 내의 연소가스가 신속히 배출된다.The present invention is directed to a single poppet valve and a rotary type intake / exhaust valve device in which a conventional piston engine reciprocates by cam / spring in a conventional piston engine. In addition, by adding a low compression ratio rotary compressor to the exhaust manifold, the exhaust gas is quickly discharged from the cylinder. Combustion gases exiting the cylinder have a high pressure. In the present invention, the combustion gas in the cylinder is quickly discharged by this pressure energy.

본 고안에서는 흡입 공기의 압축비보다 연소가스의 팽창비가 더 큰 것이 특징이다. 즉, 실린더에서 더 많은 동력이 생산된다. 종래의 피스톤 엔진에서는 피스톤이 하사점에 이르기 전 상당히 앞서 배기밸브가 열려야 한다. 따라서 상당한 고압의 연소가스가 동력을 생산하지 못하고 배출된다. 그러나 본 고안에서는 포핏밸브(14) 및 로터리 배기밸브(13)가 피스톤이 하사점에 가까이 도달할 때 열리게 되어 있다. 그러므로 연소가스가 동력을 더 많이 생산하게 된다.In the present invention, the expansion ratio of the combustion gas is larger than the compression ratio of the intake air. That is, more power is produced in the cylinder. Conventional piston engines require the exhaust valve to open considerably before the piston reaches its bottom dead center. Thus, a significant amount of high pressure combustion gases are produced without power. However, in the present invention, the poppet valve 14 and the rotary exhaust valve 13 are opened when the piston approaches the bottom dead center. Therefore, the combustion gas produces more power.

Description

고팽창비 피스톤엔진 {High Expansion Ratio Piston Engine}High Expansion Ratio Piston Engine

본 고안은 크랭크 피스톤 엔진에서 그 흡배기가 신속히 이루어지도록 하는 흡배기 장치에 관련되며, 본 고안의 목적은 엔진의 출력이 크게 향상되는 운전방법을 제공코자 함에 있다.종래의 피스톤 엔진에서는 팽창과정을 완료한 연소가스의 신속한 배출을 위하여 피스톤이 하사점에 도달하기 전, 상당히 앞서 배기밸브가 열리도록 되어 있다. 또 흡기 밸브는 피스톤이 하사점을 지난 후에 닫히도록 되어 있다. 이는 엔진의 흡배기가 신속하게 이루어지지 않기 때문이다. 따라서 종래의 엔진에서는 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 낮게 되고, 결국 팽창을 다하지 못한 연소가스가 동력을 생산하지 못하고 배출되어, 배기손실이 주어진 연료의 30% 정도로 많은 결함이 있었다.이러한 결함을 해결하기 위하여 가변 크랭크 피스톤 엔진(10-0241412)이 발명되기도 했으나, 이 발명은 크랭크축이 복잡하게 되는 또 다른 결함을 지니고 있었고, 또 배기과정에서 피스톤이 그 관성으로 실린더 헤드를 들이박을 우려가 있어 상업용 엔진으로 실현되지 못했다.The present invention relates to an intake and exhaust device that allows the intake and exhaust of a crank piston engine to be made quickly, and an object of the present invention is to provide an operation method in which the output of the engine is greatly improved. The exhaust valve is opened considerably ahead of the piston's bottom dead center for rapid discharge of the combustion gases. The intake valve is also closed after the piston passes the bottom dead center. This is because the intake and exhaust of the engine are not made quickly. Therefore, in the conventional engine, the expansion ratio of the combustion gas is lower than the compression ratio of the air, and thus, the combustion gas that is not fully expanded does not produce power and is discharged, and there are many defects as much as 30% of the fuel given the exhaust loss. In order to solve this problem, the variable crank piston engine (10-0241412) was invented, but this invention had another deficiency in which the crankshaft was complicated, and there was a fear that the piston would be forced into the cylinder head by its inertia during the exhaust process. Has not been realized with commercial engines.

본 고안은 이러한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 종래의 피스톤 엔진에서 캠/스프링에 의하여 왕복운동을 하는 흡입 및 배기 밸브 장치를 하나의 포핏(Poppet) 밸브와 로터리 타입의 흡입 및 배기 밸브 장치로 바꾸고, 로터리 타입 저압축비 압축기를 배기 매니폴드에 추가 장치하여 배기가스가 실린더에서 신속히 배출되도록 하여, 연소가스의 팽창비가 흡입 공기의 압축비보다 더 높게 되도록 구성한 것이다. 따라서 연소가스가 실린더 내에서 동력을 더 많이 생산하게 된다.The present invention is to solve this problem, and replaces the intake and exhaust valve device reciprocating by the cam / spring in the conventional piston engine to a single poppet valve and a rotary type intake and exhaust valve device, An additional rotary type low compression ratio compressor is installed in the exhaust manifold so that the exhaust gas is quickly discharged from the cylinder, so that the expansion ratio of the combustion gas is higher than that of the intake air. Thus, the combustion gases produce more power in the cylinders.

만약 실린더에서 팽창과정을 완료한 연소가스가 신속히 배출된다면, 연소가스가 동력을 더 많이 생산하도록 피스톤이 하사점에 도달할 때까지 늦추어 배기밸브가 열리게 할 수 있다. 그러나 연소가스는 신속히 배출되지 않는다. 그러므로 종래의 엔진에서는, 에너지손실이 있기는 하지만, 연소가스의 신속한 배출을 위하여 배기밸브가 사전에 열려야 한다.If the combustion gas exits the expansion process from the cylinder quickly, the exhaust valve can be opened by slowing down until the piston reaches the bottom dead center so that the combustion gas produces more power. However, combustion gases are not released quickly. Therefore, in a conventional engine, although there is an energy loss, the exhaust valve must be opened in advance for rapid discharge of combustion gas.

본 고안에서는 연소가스가 신속히 배출되도록 저압축비의 로터리 타입 압축기가 배기 매니폴드에 장치된다. 또 이 압축기와 동일한 축에 가스 팽창기가 (또는 배기터빈이) 장치된다. 이러한 압축기 및 가스 팽창기는 최근에 발명된 (20-0296399) '로터리 유체 이송기'가 적합하다. 본 고안에서는, 실린더에서 배출되는 연소가스가 상기 압축기에서 촉매 컨버터를 경유하여 상기 가스 팽창기로 유입되도록 배관으로 서로 연결된다. 본 고안에서는 하나의 실린더에 흡배기를 제어하는 동일한 4개의 포핏밸브가 배열될 수도 있다. 이렇게 실린더마다 4개의 포핏밸브가 배열되면 4개의 포핏밸브를 통하여 공기가 흡입되고 또 연소가스가 배출될 수 있어 흡배기가 보다 더 신속히 이루어지게 된다.In the present invention, a low compression ratio rotary type compressor is installed in the exhaust manifold so that combustion gas is discharged quickly. A gas expander (or exhaust turbine) is installed on the same shaft as the compressor. Such compressors and gas expanders are suitable for the recently invented (20-0296399) 'rotary fluid transporter'. In the present invention, the combustion gases discharged from the cylinder are connected to each other by a pipe so that the compressor enters the gas expander via the catalytic converter. In the present invention, the same four poppet valves for controlling the intake and exhaust may be arranged in one cylinder. When four poppet valves are arranged per cylinder, air can be sucked through the four poppet valves and combustion gas can be discharged, thereby making the intake and exhaust of the gas faster.

실린더에서 팽창을 다한 연소가스는 아직 상당히 높은 압력을 지니고 있다. 본 고안에서는 이 압력 에너지가 상기 가스 팽창기에서 기계적 동력으로 변환된다. 따라서 이 동력에 의하여 상기 압축기가 구동되고, 이 압축기는 실린더에서 팽창과정을 완료한 연소가스를 (팽창하지 않는 상태로) 흡입하게 됨으로, 실린더 내의 연소가스가 신속히 배출된다. 직감적으로 보면 배기될 연소가스를 다시 압축기로 압축함으로 엔진의 출력이 저하될 것으로 볼 수도 있으나, 이 가스가 팽창기에서 다시 팽창하면서 동력을 생산함으로 기계적 마찰손실을 제외하고 (더 버려지는) 에너지손실은 발생하지 않는다. 따라서 연소가스가 실린더에서 신속히 배출됨으로, 피스톤이 실린더 내의 연소가스를 배출하면서 사용한 동력이 줄어들어, 결국 엔진의 출력이 더 향상된다.The combustion gases that have expanded in the cylinder still have a fairly high pressure. In this design, this pressure energy is converted into mechanical power in the gas expander. Therefore, the compressor is driven by this power, and the compressor sucks (without expanding) the combustion gas that has completed the expansion process in the cylinder, so that the combustion gas in the cylinder is quickly discharged. Intuitively, the output of the engine may be reduced by compressing the exhaust gas back into the compressor, but the energy loss (more discarded), except for mechanical frictional losses, is generated by the gas expanding in the expander again to produce power. Does not occur. Therefore, the combustion gas is quickly discharged from the cylinder, so the power used by the piston to discharge the combustion gas in the cylinder is reduced, so that the output of the engine is further improved.

본 고안은 이와 같이 실린더 내의 연소가스가 신속히 배출되도록 하여 피스톤이 하사점 가까이 이르러 배기밸브가 열리도록 하고, 흡입밸브는 하사점 전에 닫히도록 구성한 것이다. 따라서 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 높아 엔진의 열효율이 크게 향상된다. 본 고안에서 흡입밸브가 피스톤이 하사점에 이르기 전에 닫히면 실린더 내에 배큠(Vacuum)이 걸려 엔진의 출력저하가 우려되나, 이 배큠은 피스톤이 하사점을 지난 후에 피스톤을 들어 올리는 힘으로 작용함으로 출력이 저하되지 않으며, 따라서 에너지손실도 발생하지 않는다.The present invention is configured to allow the combustion gas in the cylinder to be quickly discharged so that the piston closes to the bottom dead center to open the exhaust valve, and the intake valve is closed before the bottom dead center. Therefore, the expansion ratio of the combustion gas is higher than the compression ratio of the air, thereby greatly improving the thermal efficiency of the engine. In the present invention, if the intake valve is closed before the piston reaches the bottom dead center, a vacuum is caught in the cylinder, which may cause a decrease in the engine output. It does not deteriorate and hence no energy loss occurs.

본 고안에서는 종래의 엔진과는 달리 흡입밸브가 사전에 닫히면 실린더에 흡입되는 공기량이 적어 결과적으로 엔진의 출력이 저하될 것으로 여길 수도 있다. 그러나 크랭크의 (꺾어지는) 크기를 더 크게 설정하여 흡입 공기량이 종래의 엔진의 것과 같아지면, 결국 피스톤이 더 후진하게 됨으로 연소가스가 실린더에서 그만큼 더 많이 팽창하게 되고, 따라서 엔진의 출력이 더 증대되며, 결과적으로 엔진의 열효율이 더 높아진다.In the present invention, unlike the conventional engine, when the intake valve is closed in advance, the amount of air sucked into the cylinder may be small, and as a result, the output of the engine may be deteriorated. However, if the crank size is set larger so that the intake air volume is the same as that of a conventional engine, the piston will eventually retreat, causing the combustion gas to expand more in the cylinder, thus increasing the engine's output further. As a result, the engine's thermal efficiency is higher.

본 고안에서 사용되는 로터리 흡입 및 배기 밸브는 기본구조에 있어서 배관계통에서 흔히 사용되는 버터플라이(Butterfly) 밸브의 구조와 같다. 따라서 본 고안은 종래의 기술로 충분히 제작될 수 있다.Rotary intake and exhaust valves used in the present invention is the same as the structure of the butterfly (Butterfly) valve commonly used in the piping system in the basic structure. Therefore, the present invention can be produced sufficiently by the conventional technology.

도 1은 종래 피스톤 엔진의 실린더 헤드 단면도,1 is a cross-sectional view of a cylinder head of a conventional piston engine,

도 2는 본 고안의 구성을 보인 실린더 헤드 단면도,2 is a cross-sectional view of the cylinder head showing the configuration of the present invention,

도 3은 본 고안 로터리 밸브의 로우터 축 입체도,3 is a rotor shaft three-dimensional view of the rotary valve of the present invention,

도 4는 본 고안의 개요를 보인 구성도(Flow Diagram),4 is a configuration diagram (Flow Diagram) showing an overview of the present invention,

도 5는 종래 피스톤 엔진의 밸브 개폐시기를 보인 다이어그램,5 is a diagram showing a valve opening and closing timing of a conventional piston engine,

도 6은 본 고안의 밸브 개폐시기를 보인 다이어그램,6 is a diagram showing a valve opening and closing time of the present invention,

도 7은 본 고안의 작동을 보인 다이어그램,7 is a diagram showing the operation of the present invention,

도 8은 본 고안의 캠축의 구성을 대체로 보인 입체도,도 9는 도 8에서 보여준 내부 캠축의 또 다른 형태의 입체도,8 is a three-dimensional view showing the configuration of the camshaft of the present invention, Figure 9 is a three-dimensional view of another form of the inner camshaft shown in FIG.

도 10은 본 고안의 캠축 요부를 보인 상세도이다.10 is a detailed view showing the main portion of the camshaft of the present invention.

*** 도면에 사용된 부호의 간단한 설명 ****** Brief description of symbols used in the drawing ***

10 : (본 고안) 피스톤 엔진10: (engineered) piston engine

11 : 흡입구11: intake port

12 : 로터리 흡입밸브12: rotary suction valve

13 : 로터리 배기밸브13: rotary exhaust valve

14 : 포핏밸브 (Poppet Valve) (주 밸브)14: Poppet Valve (Main Valve)

15 : 연소실15: combustion chamber

16 : 피스톤16: piston

17 : 배기구17: exhaust port

18 : 외부 캠축18: external camshaft

18A/18B : 반쪽으로 분리된 캠18A / 18B: Cam separated in half

18C : 반쪽 캠(18B)을 정착시키는 칼라(Co1ar)18D: 타이밍 기어가 장착되는 부분18E: 반쪽 캠(18B)의 안쪽 돌출부18C: Collar for fixing half cam 18B (Co1ar) 18D: Part where timing gear is mounted 18E: Inner protrusion of half cam 18B

19 : 내부 캠축19: internal camshaft

19A : 반쪽 캠(18B)의 돌출부가 끼워지는 홈19A: groove into which the projection of the half cam 18B is fitted

19B: 나선형 (Helical) 스플라인 (Spline)19C: 포핏밸브(흡기) 닫힘 시기 조절 포크(Fork)19B: Helical Spline 19C: Poppet valve (intake) closing timing adjustment fork

20/20A : 압축기 (Compressor) 및 과급기 (Supercharger)20 / 20A: Compressor and Supercharger

30 : 촉매 컨버터 (Catalytic Converter)30: catalytic converter

40 : 배기터빈 또는 가스 팽창기40: exhaust turbine or gas expander

도 1은 종래의 크랭크 피스톤 엔진에서, 본 고안과 관련된 실린더 헤드 부분을 보인 것이다. 도 2는 도 1에 대응한, 본 고안의 실린더 헤드 부분을 보인 단면도이다. 이들 도 1 및 2에는 스파크 플러그 또는 연료 분사노즐은 본 고안과 관련이 없어 생략되어 있다. 도 3은 본 고안에 장치되는 로터리 흡배기 밸브(12/13)의 밸브 축 형상을 보인 것이다. 이들 밸브의 기본 구조는 배관계통에서 흔히 사용되는 버터플라이 밸브와 유사하다. 이 밸브 축 한쪽에 타이밍 기어가 장치되어 포핏밸브(14)의 캠축과 같은 (크랭크축에 대하여 1/2) 회전속도로 회전한다. 이들 밸브를 실린더 헤드에 장치하는 것은 종래의 기술로 충분히 가능하다.1 shows a cylinder head portion related to the present invention in a conventional crank piston engine. Figure 2 is a cross-sectional view showing a cylinder head portion of the present invention, corresponding to FIG. 1 and 2, the spark plug or fuel injection nozzle is omitted because it is not related to the present invention. Figure 3 shows the valve shaft shape of the rotary intake and exhaust valve 12/13 according to the present invention. The basic structure of these valves is similar to butterfly valves commonly used in piping systems. A timing gear is provided on one side of the valve shaft and rotates at the same rotational speed as the cam shaft of the poppet valve 14 (1/2 of the crank shaft). It is sufficiently possible to mount these valves on the cylinder head in the prior art.

도 4는 본 고안의 구성을 간단히 보인 것으로 공기/연소가스의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다; 디젤엔진에서 흔히 사용되는 과급기(20A) (Supercharger)가 흡기 맨니폴드에 장치되어 있고, 저압축비의 압축기(20)가 추가되어, 그 입구가 배기 맨니폴드에 연결되어 있고, 이 압축기의 출구는 (배관으로) 촉매 컨버터(30)에 연결되어 있으며, 또 촉매 컨버터에서 가스 팽창기(40)(또는 배기터빈)로 배기가스가 흘러가도록 배관으로 서로 연결되어 있다; 상기 압축기 및 팽창기는 같은 축에 장치된다. 이와 같이 구성된 본 고안에서는, 실린더에서 배출되는 연소가스가 압축기(20)에서 촉매 컨버터(30)를 경유하여 가스 팽창기(40)로 유입된다. 촉매 컨버터를 경유하는 연소가스는 종래 엔진에서와는 달리 실린더에서 팽창과정 완료 후 더 팽창하지 않는 상태임으로 그 온도가 촉매반응 온도 이상으로 높게 유지될 수 있다.Figure 4 is a flow diagram showing the flow of air / combustion gas to simplify the configuration of the present invention; A supercharger 20A (Supercharger) commonly used in diesel engines is installed in the intake manifold, and a low compression ratio compressor 20 is added so that its inlet is connected to the exhaust manifold. Pipes) to the catalytic converter 30 and to the pipes so that the exhaust gas flows from the catalytic converter to the gas expander 40 (or the exhaust turbine); The compressor and expander are mounted on the same shaft. In the present invention configured as described above, the combustion gas discharged from the cylinder is introduced into the gas expander 40 via the catalytic converter 30 in the compressor 20. Unlike the conventional engine, the combustion gas passing through the catalytic converter does not expand further after completion of the expansion process in the cylinder, so that the temperature may be maintained higher than the catalytic reaction temperature.

상기 가스 팽창기(40)는 머플러(Muffler) 없이도 배기소음이 제거되도록 배기가스를 밀폐공간에서 대기압으로 팽창시킬 수 있는 (앞서 언급한 바 있는) 로터리 유체 이송기(20-0296399)가 바람직하다. 이러한 가스 팽창기는 효율이 좋아 배기가스의 압력에 의하여 발생한 동력으로 상기 압축기(20)와 과급기(20A)를 충분히 구동할 수 있다. 가스 팽창기의 밀폐공간에서 배기가스가 대기압으로 팽창하면 열역학적으로 실린더에서 배출되는 연소가스의 압력(3기압 정도)이 동력으로 변환되다. 이 동력은 결국 과급기, 압축기 및 팽창기에서 발생하는 기계적 마찰손실을 보상하고 나머지는 엔진의 동력으로 출력된다. 즉, 피스톤이 실린더 내의 연소가스를 배출하면서 사용한 동력이 줄어들어 엔진의 출력이 향상된다.The gas expander 40 is preferably a rotary fluid feeder 20-0296399 (as previously mentioned) capable of expanding the exhaust gas to atmospheric pressure in a confined space so that exhaust noise is removed without a muffler. Such a gas expander is highly efficient and can sufficiently drive the compressor 20 and the supercharger 20A by the power generated by the pressure of the exhaust gas. When the exhaust gas expands to atmospheric pressure in a closed space of the gas expander, the pressure (about 3 atmospheres) of the combustion gas discharged from the cylinder is thermodynamically converted into power. This power eventually compensates for the mechanical frictional losses that occur in the supercharger, compressor and expander and the rest is output to the engine. In other words, the power used by the piston as it discharges the combustion gas in the cylinder is reduced, thereby improving the output of the engine.

도 5는 종래의 크랭크 피스톤 엔진의 흡배기 밸브 개폐시기를 보인 것이다. 이들 밸브 개폐기기는 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 낮음을 말해준다. 도 6은 본 고안의 밸브 개폐시기를 보인 것이다. 실린더에서 배출되는 연소가스는 상당히 높은 압력을 지니고 있다. 종래의 가솔린 엔진에서는 대부분 이 압력이 버려지고 있다. 본 고안에서는 이 압력이 도 4에 보인 바와 같이 가스 팽창기를 이용하여 기계적 동력으로 변환된다. 이 동력에 의하여 같은 축에 장치된 압축기(20)가 구동된다. 따라서 이 압축기는 엔진 실린더 내의 연소가스를 흡입하게 됨으로, 본 고안에서는 팽창과정을 완료한 연소가스가 실린더로부터 신속히 배출된다. 본 고안에서는 흡배기가 보다 더 신속히 이루어지도록 하나의 실린더마다 동일한 4개의 포핏밸브(14)가 배열될 수도 있다.Figure 5 shows the intake and exhaust valve opening and closing time of the conventional crank piston engine. These valve openers tell us that the expansion ratio of the combustion gases is lower than the compression ratio of the air. Figure 6 shows the valve opening and closing timing of the subject innovation. Combustion gases exiting the cylinder have a high pressure. In the conventional gasoline engine, this pressure is mostly discarded. In the present invention, this pressure is converted to mechanical power using a gas expander as shown in FIG. By this power, the compressor 20 mounted on the same shaft is driven. Therefore, the compressor sucks the combustion gas in the engine cylinder, and in the present invention, the combustion gas which has completed the expansion process is quickly discharged from the cylinder. In the present invention, the same four poppet valves 14 may be arranged per cylinder so that the intake and exhaust are made more quickly.

그러므로 본 고안에서는 도 6에 보인 바와 같이 배기밸브가 피스톤의 하사점 가까이에서 열리도록 할 수 있다. 따라서 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 높아진다. 좀더 자세히 말해서, 도 6에 보인 바와 같이, 공기의 흡배기시기를 제어하는 포핏밸브(14)가 하사점에 이르기 전에 닫히고, 다음 하사점에 거의 도달할 때까지 늦추어 열리게 할 수 있다. 따라서 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 높아진다. 크랭크축은 (조기에 닫히는 포핏밸브에 의하여 결정되는) 이 압축비가 적정 압축비로 되도록 보다 크게 설정된다. 따라서 피스톤의 행정(거리)이 보다 길어지고, 결국 고팽창비로 되어 연소가스는 실린더에서 더 많이 팽창하게 된다. 즉, 동력이 더 많이 생산되어 결국 엔진의 열효율이 향상된다.Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 6, the exhaust valve may be opened near the bottom dead center of the piston. Therefore, the expansion ratio of the combustion gas is higher than the compression ratio of the air. More specifically, as shown in Fig. 6, the poppet valve 14 which controls the intake and exhaust timing of the air can be closed before reaching the bottom dead center and slowed open until the next bottom dead center is almost reached. Therefore, the expansion ratio of the combustion gas is higher than the compression ratio of the air. The crankshaft is set larger so that this compression ratio (determined by the poppet valve closing early) becomes an appropriate compression ratio. Therefore, the stroke (distance) of the piston becomes longer, and eventually the high expansion ratio results in more combustion gas expanding in the cylinder. That is, more power is produced, which in turn improves the engine's thermal efficiency.

도 7은 본 고안의 작동상태를 간단히 보인 다이어그램이다. 도 7A는 포핏밸브(14)가 열려 있는 상태에서, 로터리 배기밸브(13)가 닫히고 흡입밸브(12)는 열리면서 피스톤이 후진함에 따라 공기가 (또는 공기/연료 혼합 기체가) 입구(11)로부터 실린더 내로 흡입되고 있음을 보인 것이다. 크랭크축이 얼마간 회전하면 도 7B에 보인 바와 같이 포핏밸브(14)가 닫혀 흡입과정이 완료된다. 이어 도 6에 보인 바와 같이 로터리 흡입밸브(12)가 닫히고, 크랭크축이 더 회전하여 피스톤이 하사점을 지나면, 도 7C에 보인 바와 같이 공기의 압축과정이 진행된다.Figure 7 is a simplified diagram showing the operating state of the present invention. 7A shows that with the poppet valve 14 open, the rotary exhaust valve 13 is closed and the intake valve 12 is opened while air (or air / fuel mixture gas) is released from the inlet 11 as the piston retracts. It is shown that it is being sucked into the cylinder. When the crankshaft rotates for some time, the poppet valve 14 is closed as shown in FIG. 7B to complete the suction process. Subsequently, as shown in FIG. 6, when the rotary intake valve 12 is closed and the crank shaft is further rotated so that the piston passes through the bottom dead center, air compression is performed as shown in FIG. 7C.

피스톤이 상사점을 지나면서 연료의 연소과정이 일어나고, 도 7D에 보인 바와 같이 여전히 상기 포핏밸브(14)는 닫혀 있어 연소가스가 팽창하며 동력을 생산하게 된다. 다음 도 7E에 보인 바와 같이, 피스톤이 하사점 가까이 도달하여 (도 6 참조) 로터리 흡입밸브(12)가 닫히면, 배기밸브(13)가 열리기 바로 직전에 팽창과정이 종료된다. 크랭크축이 더 회전하면, 도 7F에 보인 바와 같이 로터리 배기밸브(13)와 포핏밸브(14)가 모두 열려 연소가스의 배기과정이 진행된다. 이어서 피스톤이 상사점에 도달하면, 도 6에 보인 바와 같이, 로터리 흡배기 밸브(12/13)가 열리고 닫혀 도 7A의 상태로 되고, 이어서 앞서 기술한 흡입과정이 계속 진행된다.As the piston passes through the top dead center, a combustion process of the fuel occurs, and as shown in FIG. 7D, the poppet valve 14 is still closed to expand the combustion gas and produce power. Next, as shown in Fig. 7E, when the piston reaches near the bottom dead center (see Fig. 6) and the rotary intake valve 12 is closed, the expansion process ends just before the exhaust valve 13 is opened. If the crankshaft is further rotated, as shown in Fig. 7F, both the rotary exhaust valve 13 and the poppet valve 14 are opened to proceed the exhaust gas exhaust process. Then, when the piston reaches the top dead center, as shown in Fig. 6, the rotary intake / exhaust valve 12/13 is opened and closed to the state of Fig. 7A, and then the suction process described above continues.

이와 같이 본 고안에서는 하나의 포핏밸브와 로터리 흡배기 밸브가 한 세트로 종래에 2개의 (흡배기) 포핏밸브의 기능을 만족스럽게 수행한다. 이들 로터리 밸브는 포핏밸브와는 달리 캠/스프링을 필요로 하지 않는다. 따라서 본 고안은 실린더 헤드가 보다 간단하게 되는 장점도 있다.As such, in the present invention, one poppet valve and a rotary intake / exhaust valve are satisfactorily performing functions of two (intake and exhaust) poppet valves conventionally. These rotary valves, unlike poppet valves, do not require a cam / spring. Therefore, the present invention also has the advantage that the cylinder head becomes simpler.

본 고안에서는, 도 8 및 10에 보인 바와 같이 포핏밸브(14)를 왕복운동 시키는 캠(18A/18B)이 두 쪽으로 분리되면, 운전중에 공기의 압축비가 제어될 수 있다. 외부 캠축(18)은 도시하지는 않았으나 한쪽 끝(18E)에 타이밍 기어가 장착되어 구동되고, 내부 캠축(19)은 마치 헤리컬 기어(Helical Gear)처럼 보이는 나선형 스플라인(19B, Spline)으로 외부 캠축에 연결되어 외부 캠축(18)에 따라 회전한다. 내부 캠축(19)에는 마치 키홈과 같은 홈(19A)이 형성되어 있고, 이 홈에 반쪽 캠(18B)의 안쪽 돌출부(18E)가 끼워진다. 이 내부 캠축(19)의 한쪽 끝에는 도 8에 보인 바와 같이 기계장치에서 보통 사용되는 포크(19C, Fork)가 장치된다. 따라서 나선형 스플라인(19B)과 포크(19C)의 작용으로 내부 캠축의 좌우 이동에 따라 내부 캠축(19)이 얼마간 비틀리게 된다. 즉, 원심 거버너(Governor) 장치 또는 전자장치가 엔진의 회전 정도를 감지하여 상기 포크를 좌우로 제어함에 따라 상기 반쪽 캠(18B)이 포핏밸브(14)를 좀 늦거나 빠르게 닫을 수 있다. 그러므로 본 고안은 운전중에 엔진의 부하(고속/저속)에 따라 공기의 압축비가 얼마간 제어될 수 있다. 내부 캠축(19)이 도 9에 보인 바와 같이 한쪽 끝은 보통의 스플라인으로 형성되고 대신 키홈(19A)은 나선형으로 형성되어도 내부 캠축의 좌우 이동에 따라 이 나선형 키홈이 반쪽 캠(18B)을 비틂으로 그 작용효과는 같다.In the present invention, as shown in Figs. 8 and 10, when the cams 18A / 18B for reciprocating the poppet valve 14 are separated into two, the compression ratio of air can be controlled during operation. Although not shown, the outer camshaft 18 is driven by a timing gear mounted at one end 18E, and the inner camshaft 19 is connected to the outer camshaft by a helical spline 19B (Spline) that looks like a helical gear. Connected and rotates along the outer camshaft 18. The inner camshaft 19 is provided with the groove 19A like a key groove, and the inner projection 18E of the half cam 18B is fitted in this groove. At one end of this inner camshaft 19 is provided a fork 19C, which is usually used in machinery, as shown in FIG. Therefore, the inner camshaft 19 is twisted for some time by the left and right movement of the inner camshaft by the action of the helical spline 19B and the fork 19C. That is, the half cam 18B may close the poppet valve 14 later or faster as the centrifugal governor device or electronic device senses the degree of rotation of the engine and controls the fork from side to side. Therefore, according to the present invention, the compression ratio of air can be controlled to some extent according to the load (high speed / low speed) of the engine during operation. As the inner camshaft 19 is shown in Fig. 9, one end is formed of a normal spline and the keyway 19A is formed in a spiral, but the spiral keyway is moved by the helical keyway to the half cam 18B according to the left and right movement of the inner camshaft. The effect is the same.

본 고안은 2개의 흡배기 포핏밸브를 하나의 포핏밸브와 로터리 흡배기 밸브로 대신하여 실린더 헤드를 보다 간결하게 구성하고, 압축기를 배기 맨니폴드에 장치하여 실린더 내의 연소가스가 보다 신속히 배출되도록 하여, 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 높게 설정할 수 있는 엔진으로, 그 열효율이 크게 높아진다. 따라서 본 고안은 연료 에너지를 절약할 수 있는 엔진으로 기대된다.The present invention replaces two intake and exhaust poppet valves with one poppet valve and a rotary intake and exhaust valve, and makes the cylinder head more concise. The expansion ratio of the engine can be set higher than the compression ratio of air, the thermal efficiency is significantly increased. Therefore, the present invention is expected to be an engine that can save fuel energy.

Claims (3)

크랭크 피스톤엔진에서, 하나의 포핏밸브(14)와 로터리 흡배기 밸브(12/13)가 종래의 (2개의) 흡배기 포핏밸브의 기능을 대신하도록 실린데 헤드에 장치되어 실린더 헤드가 보다 간결하게 된 고팽창비 피스톤엔진.In the crank piston engine, one poppet valve 14 and a rotary intake and exhaust valve 12/13 are mounted to replace the functions of the conventional (two) intake and exhaust poppet valves. Expansion ratio piston engine. 청구항 1에서, 포핏밸브(14)의 캠축이 외부 캠축(18)과 내부 캠축(19)으로 되어 있고, 이들 캠축(18/19)은 나선형(Helical) 스플라인(19B, Spline) (또는 보통의 스플라인)으로 결합되어 있고, 내부 캠축(19)에는 키홈(19A) (또는 나선형 키홈)이 형성되어 있으며, 상기 포핏밸브를 작동시키는 캠은 2개(18A/18B)로 분리되어 하나는 타이밍 기어가 고착되어 있는 외부 캠축(18)에 고착되어 있고, 다른 하나는 상기 키홈(19A)에 (안쪽 돌출부(18E)가 삽입됨에 의하여) 연결되어 있어, 내부 캠축의 좌우 이동에 따라 상기 나선형 스플라인 (또는 나선형 키홈)의 작용으로 반쪽 캠(18B)이 (외부 캠축에 대하여) 비틀리게 됨으로, 결과 상기 포핏밸브의 개폐시기를 얼마간 조절할 수 있도록 된 고팽창비 피스톤엔진.2. The camshaft of the poppet valve 14 consists of an outer camshaft 18 and an inner camshaft 19, these camshafts 18/19 having a helical spline 19B (spline) (or a normal spline). ), The inner camshaft 19 is formed with a key groove 19A (or spiral key groove), and the cam for operating the poppet valve is separated into two (18A / 18B), one of which is fixed to the timing gear. Fixed to the outer camshaft 18, and the other is connected to the keyway 19A (by inserting the inner projection 18E), so that the helical spline (or the helical keyway) moves along the left and right of the inner camshaft. The high expansion ratio piston engine that allows the half cam 18B to be distorted (relative to the outer camshaft) as a result of the operation of the poppet valve. 청구항 1에서, 실린더 내의 연소가스가 신속히 배출되도록 배기 맨니폴드에 저압축비의 컴프레서(20)가 장치되고, 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 높게 되도록 흡배기밸브의 개폐시기가 (피스톤이 하사점에 도달하기 전에 포핏밸브(14)가 조기에 닫히도록) 설정되어 있는 고팽창비 피스톤엔진.The exhaust manifold is provided with a compressor having a low compression ratio so that the combustion gas in the cylinder is quickly discharged, and the opening / closing time of the intake / exhaust valve is set so that the expansion ratio of the combustion gas is higher than the compression ratio of the air (piston bottom dead center) A high expansion ratio piston engine that is set so that the poppet valve 14 closes before it reaches.
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