KR20040063842A - 고팽창비 피스톤엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 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.
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.
본 발명에서는 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 발명에서는 포핏밸브(14) 및 로터리 배기밸브(13)가 피스톤이 하사점에 가까이 도달할 때 열리게 되어 있다. 그러므로 연소가스가 동력을 더 많이 생산하게 된다.

Description

고팽창비 피스톤엔진 {High Expansion Ratio Piston Engine}
본 발명은 크랭크 피스톤 엔진에서 그 흡배기가 신속히 이루어지도록 하는 흡배기 장치에 관련되며, 본 발명의 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.
본 발명은 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.
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.
본 발명에서는 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 발명에서는, 실린더에서 배출되는 연소가스가 상기 압축기에서 촉매 컨버터를 경유하여 상기 가스 팽창기로 유입되도록 배관으로 서로 연결된다. 본 발명에서는 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.
실린더에서 팽창을 다한 연소가스는 아직 상당히 높은 압력을 지니고 있다. 본 발명에서는 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.
본 발명은 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 발명에서 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.
본 발명에서는 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.
본 발명에서 사용되는 로터리 흡입 및 배기 밸브는 기본구조에 있어서 배관계통에서 흔히 사용되는 버터플라이(Butterfly) 밸브의 구조와 같다. 따라서 본 발명은 종래의 기술로 충분히 제작될 수 있다.
도 1은 종래 피스톤 엔진의 실린더 헤드 단면도,
도 2는 본 발명의 구성을 보인 실린더 헤드 단면도,
도 3은 본 발명 로터리 밸브의 로우터 축 입체도,
도 4는 본 발명의 개요를 보인 구성도(Flow Diagram),
도 5는 종래 피스톤 엔진의 밸브 개폐시기를 보인 다이어그램,
도 6은 본 발명의 밸브 개폐시기를 보인 다이어그램,
도 7은 본 발명의 작동을 보인 다이어그램,
도 8은 본 발명의 캠축의 구성을 대체로 보인 입체도,도 9는 도 8에서 보여준 내부 캠축의 또 다른 형태의 입체도,
도 10은 본 발명의 캠축 요부를 보인 상세도이다.
*** 도면에 사용된 부호의 간단한 설명 ***
10 : (본 발명) 피스톤 엔진
11 : 흡입구
12 : 로터리 흡입밸브
13 : 로터리 배기밸브
14 : 포핏밸브 (Poppet Valve) (주 밸브)
15 : 연소실
16 : 피스톤
17 : 배기구
18 : 외부 캠축
18A/18B : 반쪽으로 분리된 캠
18C : 반쪽 캠(18B)을 정착시키는 칼라(Co1ar)
18D: 타이밍 기어가 장착되는 부분
18E: 반쪽 캠(18B)의 안쪽 돌출부
19 : 내부 캠축
19A : 반쪽 캠(18B)의 돌출부가 끼워지는 홈
19B: 나선형 (Helical) 스플라인 (Spline)
19C: 포핏밸브(흡기) 닫힘 시기 조절 포크(Fork)
20/20A : 압축기 (Compressor) 및 과급기 (Supercharger)
30 : 촉매 컨버터 (Catalytic Converter)
40 : 배기터빈 또는 가스 팽창기
도 1은 종래의 크랭크 피스톤 엔진에서, 본 발명과 관련된 실린더 헤드 부분을 보인 것이다. 도 2는 도 1에 대응한, 본 발명의 실린더 헤드 부분을 보인 단면도이다. 이들 도 1 및 2에는 스파크 플러그 또는 연료 분사노즐은 본 발명과 관련이 없어 생략되어 있다. 도 3은 본 발명에 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.
도 4는 본 발명의 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 발명에서는, 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.
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.
도 5는 종래의 크랭크 피스톤 엔진의 흡배기 밸브 개폐시기를 보인 것이다. 이들 밸브 개폐기기는 연소가스의 팽창비가 공기의 압축비보다 더 낮음을 말해준다. 도 6은 본 발명의 밸브 개폐시기를 보인 것이다. 실린더에서 배출되는 연소가스는 상당히 높은 압력을 지니고 있다. 종래의 가솔린 엔진에서는 대부분 이 압력이 버려지고 있다. 본 발명에서는 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 발명에서는 팽창과정을 완료한 연소가스가 실린더로부터 신속히 배출된다. 본 발명에서는 흡배기가 보다 더 신속히 이루어지도록 하나의 실린더마다 동일한 4개의 포핏밸브(14)가 배열될 수도 있다.
그러므로 본 발명에서는 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.
도 7은 본 발명의 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.
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.
이와 같이 본 발명에서는 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 발명은 실린더 헤드가 보다 간단하게 되는 장점도 있다.
본 발명에서는, 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 발명은 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.
본 발명은 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 발명은 연료 에너지를 절약할 수 있는 엔진으로 기대된다.

Claims (3)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
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