KR20040089264A

KR20040089264A - 전자 직분사 방식의 공압식 엔진

Info

Publication number: KR20040089264A
Application number: KR1020030022969A
Authority: KR
Inventors: 조철승
Original assignee: 주식회사 에너진
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-10-21

Abstract

전자직분사식 밸브가 구비된 공압식 엔진이 개시된다. 그러한 공압식 엔진은 공기를 소정 압력으로 저장하여 공급하는 공기탱크와, 상기 공기탱크로부터 분사된 공기를 감압하는 레귤레이터(Regulator)와, 상기 레귤레이터로부터 공급된 공기를 정량씩 공급하는 어큐뮬레이터로 이루어지는 공기 공급부와, 실린더의 내부에 피스톤이 상하왕복운동 가능하게 장착되고, 실린더 헤드에 전자흡기밸브 및 배기밸브를 장착하여 상기 공기 공급부로부터 공급된 압축공기를 실린더 헤드 내부에 구비된 압축실의 내부로 직분사함으로써 상기 피스톤을 하부로 가압하여 크랭크축을 회전시킴으로써 에너지 손실없이 동력을 발생하는 엔진부와, 그리고 상기 공기 공급부 및 엔진부에 장착된 센서들로부터 출력된 신호에 의하여 상기 전자흡기밸브 및 배기밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전자 직분사 방식의 공압식 엔진{PNEUMATIC ENGINE OF ELECTRONIC DIRECT-SPRAY TYPE}

본 발명은 공압식 엔진의 공기분사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기분사장치를 전자직분사 방식으로 개선함으로써 에너지 손실을 줄임으로써 공기압축효율을 향상시킬 수 있는 공압식 엔진의 공기분사장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 동력을 발생시키는 장치이며, 이러한 엔진은 산업화의 발달에 따라 여러 종류가 개발되었으며 주로 자동차, 선박 등에 장착된다.

산업혁명 초창기의 엔진들은 증기를 이용한 증기기관이 주로 사용되었으나, 증기기관을 사용한 증기 기관차 또는 증기 기선은 그 연료로 석탄등을 사용하여 그로 인한 공해배출과 낮은 에너지의 효율성 등 많은 문제가 있었다.

그 후, 증기기관을 대체하여 가솔린, 경유 등을 연소시켜 동력을 얻는 내연기관이 개발되어 어느 정도의 공해문제를 해결하였으며, 연료의 연소효율을 향상시킴으로 증기기관과 대비, 높은 에너지의 효율을 얻게 되었으며, 최근까지 이러한 내연기관을 장착한 자동차가 주로 생산되고 있다.

그러나, 최근 환경규제가 과거에 비해 더 한층 강화됨으로 이러한 내연기관을 대체하는 공해의 유발이 적은 동력발생장치의 필요성이 대두되었고, 이에 공기를 에너지원으로 하는 공압식 엔진의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

도1 에는 이러한 공압식 엔진의 일예가 도시되며, 그 작동순서가 도시된다. 도시된 바와 같이, 공압식 엔진의 실린더(1) 내부에는 상하 왕복운동 가능한 피스톤(2)이 구비되며, 실린더 헤드(3)에는 흡기포트(4)와 배기포트(5)가 구비된다.

그리고, 상기 흡기 및 배기포트(4,5)에는 각각 흡기밸브(6) 및 배기밸브(7)가 장착됨으로써 상기 흡기 및 배기포트(4,5)를 개폐하게 된다.

또한, 상기 흡기밸브(6) 및 배기밸브(7)는 캠기구(8)에 의하여 작동하게 된다. 따라서, 상기 캠기구(8)가 작동함으로써 상기 흡기 및 배기밸브(6,7)를 선택적으로 작동시켜 흡기 및 배기포트(4,5)를 각각 개폐하게 된다.

이러한 구조를 갖는 공압식 엔진은 공기탱크(도시안됨)에 저장된 공기가 압축기(도시안됨)에 의하여 일정 압력으로 흡기포트(4)를 통하여 실린더 헤드(3)의 내부공간으로 분사되며, 이러한 가압력에 의하여 피스톤(2)이 하부로 이동하게 되고, 크랭크축의 작동에 의하여 피스톤(2)이 다시 상승하면서 실린더 헤드(3)의 내부공간에 공급된 압축공기를 배기포트(5)를 통하여 외부로 배출하게 된다. 이러한 과정을 통하여 공압식 엔진이 작동하게 된다.

그러나, 이러한 공압식 엔진은 흡기 및 배기밸브를 작동시키기 위한 캠축을 구비함으로써 엔진의 구조가 더욱 복잡해지는 문제점이 있다.

또한, 흡기 및 배기밸브의 개폐작동시간을 기구적인 방법으로 제어하여야 하므로 제어가 불안정한 경우 오작동이 발생할 수도 있는 문제점이 있다.

그리고, 압축공기가 공급/배출되는 경우 흡기 및 배기포트를 통과한 압축공기는 흡입 및 배기밸브에 접촉하게 되므로 이 과정에서 압축효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전자밸브를 장착함으로써 엔진 내부에 주입되는 압축공기의 제어를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 공압식 엔진을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 엔진내부에 주입되는 압축공기가 별다른 접촉없이 압축실 내부로 직분사되므로 에너지 손실을 절감함으로써 압축효율을 향상시킬 수 있는 공압식 엔진을 제공하는데 있다.

그리고, 복잡한 구조의 캠기구를 대신하여 전자밸브를 장착함으로써 구조를 간단화하여 제조비용을 절감할 수 있는 공압식 엔진을 제공하는데 있다.

도1 은 종래의 공압식 엔진의 작동상태를 도시하는 작동 상태도.

도2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자 직분사 장치가 장착된 공압식 엔진의 구조도.

도3 은 도2 에 도시된 공압식 엔진의 센서부와, 중앙제어유닛과, 액츄에이터의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.

도4(a),(b),(c) 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자 직분사 장치가 장착된 공압식 엔진의 작동상태를 도시하는 작동 상태도.

도5 는 도4 에 도시된 전자 직분사 장치의 내부구조를 도시하는 내부 구조도.

도6 은 본 발명이 바람직한 다른 실시예에 따른 공압식 엔진을 도시하는 구조도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예는 공기를 소정 압력으로 저장하여 공급하는 공기탱크와, 상기 공기탱크로부터 분사된 공기를 감압하는 레귤레이터(Regulator)와, 상기 레귤레이터로부터 공급된 공기를 정량씩 공급하는 어큐뮬레이터로 이루어지는 공기 공급부와; 실린더의 내부에 피스톤이 상하왕복운동 가능하게 장착되고, 실린더 헤드에 전자흡기밸브 및 배기밸브를 장착하여 상기 공기 공급부로부터 공급된 압축공기를 실린더 헤드 내부에 구비된 압축실의 내부로 직분사함으로써 상기 피스톤을 하부로 가압하여 크랭크축을 회전시킴으로써 에너지 손실없이 동력을 발생하는 엔진부와; 그리고 상기 공기 공급부 및 엔진부에 장착된 센서들로부터 출력된 신호에 의하여 상기 전자흡기밸브 및 배기밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 공압식 엔진을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자 직분사장치가 장착된 공압식 엔진을 상세하게 설명한다.

도2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자 직분사 장치가 장착된 공압식 엔진의 구조도이고, 도3 은 도2 에 도시된 공압식 엔진의 개략적인 구조를 도시하는 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 공압식 엔진은 압축공기를 공급하는 공기 공급부(10)와, 상기 공기 공급부(10)로부터 발생한 압축공기에 의하여 동력을 발생하는 엔진부(20)와, 그리고 상기 공압식 엔진을 제어하는 제어부(16)를 포함한다.

이러한 구조를 갖는 공압엔진에 있어서, 상기 공기 공급부(10)는 공기를 일정 압력으로 저장하여 공급하는 공기탱크(11)를 포함한다.

이러한 공기탱크(11)는 그 내부에 공기를 소정압력으로 저장하며, 바람직하게는 300 내지 350바(Bar)의 내부압력을 유지한다.

상기한 공기탱크는 별도의 압축기(Compressor)에 연결됨으로써 공기를 지속적으로 공급받거나, 혹은 압축기 없이 내부에 저장된 압축공기를 분사하여 일정 시간동안 사용할 수 있다.

그리고, 상기 공기탱크(11)로부터 분사된 공기는 레귤레이터(Regulator;12)로 공급되어 적정 압력으로 감압되며, 적정 압력으로 감압된 공기는 어큐뮬레이터(14)로 공급된다.

이때, 상기 레귤레이터(12) 및 어큐뮬레이터(14)에는 각각 G센서(24) 및 압력센서(26), 압력 리미터(28)가 장착됨으로써 공기를 적절하게 제어하게 된다.

그리고, 상기 어큐뮬레이터(14)로 공급된 공기는 일정량씩 저장된 후 상기 엔진부(20)로 공급됨으로써 엔진을 구동하게 된다.

상기 엔진부(20)는 도4(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 통상적으로 공압식 엔진에 사용되는 엔진으로서 그 내부에 피스톤(44)이 장착되는 실린더(42)와, 상기실린더(42)의 상부에 장착되어 압축실(47)을 형성하는 실린더 헤드(46)와, 상기 실린더 헤드(46)에 각각 장착되어 압축실(47)로/부터 압축공기를 분사/배출하는 전자흡기밸브(48) 및 전자배기밸브(50)를 포함한다.

이러한 구조를 갖는 엔진부(20)는 상기 어큐뮬레이터(14)로부터 공급된 압축공기가 상기 전자흡기밸브(48)를 통하여 압축실(47)로 분사됨으로써 피스톤(44)을 하방으로 밀어내게 되며, 또한, 피스톤(44)의 상승시 압축실(47) 내부의 공기를 전자배기밸브(50)를 통하여 외부로 밀어냄으로써 1 행정이 완료된다.

이때, 상기 전자흡기 및 배기밸브(48,50)는 상기 제어부(16)에 연결됨으로써, 제어부(16)의 신호에 의하여 작동하게 된다.

보다 상세하게 설명하면, 상기 전자흡기밸브(48)는 통상적인 솔레노이드 밸브를 포함한다. 그리고, 상기 전자흡기 및 배기밸브(48,50)는 실린더 헤드(46)에 형성된 홀(51,52)에 삽입되어 고정된다. 또한, 상기 전자흡기 및 배기밸브(48,50)는 실린더 헤드(46)에 대하여 수직방향으로 설치되는 것이 공기압의 작용방향등을 고려할 때 가장 바람직하다.

이러한 전자흡기배브(48)는 도5 에 도시된 바와 같이 통상적인 구조를 갖으며 밸브 내부에 고정적으로 장착되는 이너밸브(Inner Valve;57)와, 상기 이너밸브(57)의 외부에 이동 가능하게 장착되어 신호에 의하여 구동하는 아웃터 밸브(Outer Valve;56)와, 밸브 내부에 형성된 제어챔버(54)에 구비되어 이동함으로써 노즐(60)을 개폐하는 피스톤(52)으로 이루어진다.

또한, 상기 전자흡기밸브(48)의 일측면에는 압축공기가 유입되는 공기 유입구(59)가 형성되며, 그 반대편에는 잔여공기가 배출되는 공기 유출구(61)가 형성된다.

따라서, 이러한 구조를 갖는 전자흡기밸브(48)는 제어부(16)로부터 신호가 스위치(58)로 출력되면, 이 신호에 의하여 상기 아웃터 밸브(56)가 구동함으로써 상기 제어챔버(54)의 상하부의 압력차이로 인하여 피스톤(52)이 승하강함으로써 노즐(60)을 개폐하게 된다.

결과적으로, 제어부(16)의 신호에 의하여 상기 노즐(60)이 개방되는 경우에는 압축공기가 관로(62)를 통하여 상기 압축실(47;도4)의 내부로 분사되며, 노즐(60)이 폐쇄되는 경우에는 공기분사가 중지된다.

또한, 이러한 전자흡기밸브(48)는 압축공기를 노즐(60)을 통하여 압축실(47;도4)의 내부로 직접 분사하는 직분사 방식이므로 압축공기를 분사하는 과정에서 에너지 손실을 최소화할 수 있다.

그리고, 상기 전자배기밸브(50)은 전자흡기밸브(48)와 동일한 형상을 갖는다. 따라서, 전자배기 밸브가 개방되는 경우에는 압축실(47)의 공기를 외부로 배출할 수 있다.

상기한 바와 같이 전자흡기 및 배기밸브(48,50)는 제어부(16)에 의하여 제어된다. 이러한 제어부(16)는 도2 및 도3 에 도시된 바와 같이, 엔진의 각 부분에 배치된 센서부(30)로부터 신호를 입력받고, 입력된 신호를 적절히 처리하여 감압부와 분사장치로 이루어진 액츄에이터(32)에 신호를 출력함으로써 엔진을 구동하게 된다.

보다 상세하게 설명하면, 상기 제어부(16)는 크랭크 각센서, 실린더 센서, 캠샤프트 홀센서, 차속센서, 커먼레일 공기압력센서 등으로 이루어진 센서부(30)로부터 신호를 입력받는다. 이러한 신호는 제어부(16)의 입력처리회로로 전달되어 메모리, 마이크로 프로세서에 의하여 처리되며, 처리된 신호는 출력처리회로에 의하여 액츄에이터(32)로 전달된다.

따라서, 이러한 제어부(16)의 신호에 의하여 공압식 엔진이 정상적으로 구동하게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 다른 실시예로써 도6 에 도시된 바와 같이 가열장치(70)를 추가로 장착함으로써 압축실(47)에 공급되는 압축공기를 일정 온도로 가열하여 공급함으로써 압축효율을 높일 수 있는 공압식 엔진을 제공한다.

도시된 바와 같이, 전자흡기밸브(48)에 연결되는 관로(49)상에 가열장치(70)가 구비되며, 이 가열장치(70)에는 공기 공급부(10;도2)로부터 공급된 압축공기가 배관(71)을 통하여 유입된다.

상기 가열장치(70)는 케이스(73)와, 상기 케이스 내부에 장착되어 유입된 압축공기를 저장하는 저장부(72)와, 상기 저장부(72)의 내부에 구비되어 일정 온도의 열을 발생시키는 히팅관(74)을 포함한다.

이러한 구조를 갖는 가열장치(70)는 공기탱크(11;도2)로부터 공기가 유입되면, 유입된 공기는 저장부(72)에 저장되며 소정 압력상태로 저장된다. 이때, 압력은 바람직하게는 10바 내지 30바 정도를 유지하게 된다. 따라서, 상기 저장부(72)가 경우에 따라서는 일정 비율로 팽창하게 된다.

그리고, 상기 히팅관(74)은 전원 인가시 가열됨으로써 일정 온도범위로 상승하게 된다. 바람직하게는 300 내지 500℃ 온도범위로 상승하게 된다. 따라서, 상기 저장부(72)의 내부에 공급된 압축공기는 상기한 온도에 의하여 팽창하게 된다.

그리고, 팽창된 압축공기는 관로(49)를 통하여 전자흡기밸브(48)로 공급되고, 제어부(16;도2)의 신호에 따라 전자흡기밸브(48)가 개방되는 경우 압축실(47)의 내부로 분사된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공압식 엔진의 구동과정을 더욱 상세하게 설명한다.

도2 내지 도6 에 도시된 바와 같이, 상기 공압식엔진을 구동시키는 경우 제어부(16)에 전원을 공급함으로써 제어부(16)를 초기화하게 된다. 따라서, 상기 시스템은 각 센서부(30)로부터 입력되는 신호에 의하여 공압식 엔진을 초기화하게 된다.

그리고, 상기 공기탱크(11)를 개방함으로써 소정 압력상태로 저장된 압축공기를 배출시키며, 이러한 압축공기는 감압기(12) 및 어큐뮬레이터(14)를 통하여 엔진부(20)의 전자흡기밸브(48)로 공급된다.

이때, 상기 제어부(16)는 전자흡기밸브(48)에 신호를 출력하게 된다. 상기 전자흡기밸브(48)는 이러한 신호가 전달되면, 상기 아웃터 밸브(56)가 구동함으로써 제어챔버(54)의 상부 및 하부에 압력차이가 발생한다. 이러한 압력차이에 의하여 피스톤(52)이 상승하게 되며, 아울러 노즐(60)도 개방된다.

따라서, 상기 공기유입구(59)를 통하여 압축공기가 전자흡기밸브(48)의 내부로 유입되고, 노즐(60)을 통하여 엔진의 압축실(47) 내부로 분사된다.

이와 같이 압축공기가 분사된 후, 제어부(16)의 신호에 의하여 상기 전자흡기밸브(48)는 다시 폐쇄됨으로써 압축공기의 추가분사를 방지하게 된다.

그리고, 압축실(47)로 분사된 압축공기는 약 10바의 압력상태로 피스톤(44)을 가압하게 된다. 가압된 피스톤(44)은 하강하며 크랭크축을 회전시킴으로써 동력을 발생시키게 된다. 상기 피스톤(44)은 일정 시간후 프랭크축의 회전에 의하여 다시 상승하게 된다.

이때, 제어부(16)는 전자배기밸브(50)에 신호를 출력하여 전자배기밸브(50)를 개방하게 된다. 따라서, 압축실(47) 내부의 공기는 피스톤(44)에 의하여 가압되고 개방된 전자배기밸브(50)를 통하여 외부로 배출된다.

이와 같은 과정을 반복함으로써 공압식 엔진은 연속적으로 작동될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공압식 엔진은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 압축공기의 흡기 및 배기공정을 전자식 밸브에 의하여 수행함으로써 압축공기의 제어를 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

둘째, 전자식 밸브를 적용함으로써 압축공기가 엔진내부로 별다른 손실없이 직분사되므로 에너지 손실을 절감하여 압축효율을 향상시킬 수 있다.

셋째, 복잡한 구조의 캠기구를 대신하여 전자밸브를 장착함으로써 구조를 간단화하여 제조비용을 절감할 수 있다.

넷째, 가열장치를 추가로 장착하여 가열된 압축공기를 엔진에 공급함으로써 압축효율을 높일 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구 범위와 고안의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims

공기를 소정 압력으로 저장하여 공급하는 공기탱크와, 상기 공기탱크로부터 분사된 공기를 감압하는 레귤레이터(Regulator)와, 상기 레귤레이터로부터 공급된 공기를 정량씩 공급하는 어큐뮬레이터로 이루어지는 공기 공급부와;

실린더의 내부에 피스톤이 상하왕복운동 가능하게 장착되고, 실린더 헤드에 전자흡기밸브 및 배기밸브를 장착하여 상기 공기 공급부로부터 공급된 압축공기를 실린더 헤드 내부에 구비된 압축실의 내부로 직분사함으로써 상기 피스톤을 하부로 가압하여 크랭크축을 회전시킴으로써 동력을 발생하는 엔진부와; 그리고

상기 공기 공급부 및 엔진부에 장착된 센서들로부터 출력된 신호에 의하여 상기 전자흡기밸브 및 배기밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 공압식 엔진.
제1 항에 있어서, 케이스와, 상기 케이스 내부에 장착되어 유입된 압축공기를 저장하는 저장부와, 상기 저장부 내부에 구비되어 일정 온도의 열을 발생시키는 히팅관을 포함하는 가열부를 추가로 장착하며,

상기 공기 공급부로부터 공급된 압축공기를 가열하여 상기 전자흡기밸브로 공급하는 공압식 엔진.
제1 항에 있어서, 상기 엔진부의 전자흡기밸브 및 전자배기밸브는 상기 실린더 헤드에 수직방향으로 구비되는 공압식 엔진.
제3 항에 있어서, 상기 전자흡기 및 배기밸브는 밸브 내부에 고정적으로 장착되는 이너밸브와, 상기 이너밸브의 외부에 이동 가능하게 장착되어 상기 제어부의 신호에 의하여 구동하는 아웃터 밸브와, 밸브내부에 형성되는 제어챔버와, 상기 제어챔버의 내부에 이동가능하게 장착되어 압력차이에 의하여 이동함으로써 노즐을 개폐하는 피스톤으로 이루어지는 솔레노이드 밸브를 포함하는 공압식 엔진.