KR20080042149A - 가변 압축 2행정 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2행정 대향 실린더 엔진에 관한 것으로, 일정 길이의 플러싱 시스템(flushing system)과, 2개의 크랭크샤프트(1,3)와, 운전중 압축비를 조정할 수 있는 새로운 형식의 위상조정장치를 포함한다.

2개의 중간기어휠(15,16)은 크랭크샤프트(1,3)가 동시에 회전하게끔 한다. 상기 2개의 중간기어휠(15,16)의 중심위치는 크랭크샤프트(1,3)의 위상위치 및 압력이 변화되도록 조정장치(21)에 의하여 이동된다. 상기 크랭크샤프트(1,3)는 상기 2개의 중간기어휠(15,16)을 통해 상호 반대로 회전하게 되며, 이와 함께 토크에 의한 진동도 제거한다.

2행정 대향 실린더 엔진, 내연기관, 기어휠

Description

가변 압축 2행정 엔진 {A TWO-STROKE ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION}

본 발명은 내연기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조절 가능한 압축비를 달성하는 기술에 관한 발명이다. 또한, 본 발명은 내연기간의 진동 문제를 해결할 수 있는 기술에 관한 발명이다.

일반적으로 내연기관은 자동차, 모터보트, 이동 가능한 전동장치와 같이 우수한 운송장치에서 탁월하게 사용된다. 이러한 내연기관과 관련하여, 배출물의 감축 및 엔진효율의 향상을 위해서 활발한 노력이 계속되고 있다. 이러한 엔진효율의 향상은 연료가격의 상승 및 연료부족 문제가 고조되는 현 시점에서 매우 중요한 요소이다. 상기 엔진효율의 향상에 대한 노력의 또 다른 이유는 몇몇 지역에서 완화되어야 할 온실효과가 증가되고 있기 때문이다. 아울러 화석연료를 대체할 수 있는 생물연료도 항상 부족한 자원이 될 것이기 때문이다.

이러한 내연기관 중에서, 오토 엔진(Otto engine)은 특히 불완전한 연료공급으로 낮은 효율을 가지고 있음에도 불구하고, 성공적인 촉진기술의 결과로 적은 배 출물을 가지고 있다. 이렇게 낮은 효율을 가지는 원인은 자체점화(노킹)를 방지하기 위한 수단으로 압축비를 제한하여야 할 필요성이 있기 때문이다. 그러나 불완전한 연료공급에서 발생하는 스로틀링(throttling)의 손실은 일반적으로 높은 퍼센티지의 마찰손실을 가져온다. 이는 엔진으로부터 발생되는 평균 일률에 대하여, 대게 엔진이 상대적으로 크기 때문이다.

한편, 디젤 엔진(diesel engine)이 만족할만한 효율을 가지고 있다하더라도, 미세먼지 및 산화질소 배출물에 대한 문제를 가지고 있다. 또한, 이러한 배출물을 감소시킬 수 있다하더라도, 그에 따른 비용 및 엔진의 작동에 있어서의 확실성과 관련되어 유지되어 온 문제점은 디젤 엔진이 덜 매력적으로 보이도록 하는 원인이 된다.

따라서, 연구원들은 산화질소물(NOx), 미세먼지와 무관한 연소, 단순한 산화 촉진으로 인한 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC) 배출물을 다루기 위한 방법으로서 예혼합 압축 착화방식(HCCI)의 사용에 많은 흥미를 가지게 되었다.

즉, HCCI 엔진은 점화시점을 디젤 엔진에 사용되는 압축비를 얻을 수 있는 점화시점에 근접하도록 함으로써 압축비를 적절하게 하며, 그 결과 HCCI 엔진은 고효율의 내연기관이 되도록 할 것이다. 또한, HCCI 엔진은 연소가 속도에 의존하는 난류와 무관하게 신속하게 이루어지도록 할 것이다. 그러나 HCCI 엔진의 신속한 연소가 효율의 관점에서는 개선되었다고 하더라도 소음과 연소 사이클당 허용되는 최대 연료 소비의 관점에서는 문제가 있고, 결론적으로 HCCI 엔진은 종래의 엔진에 비하여 보다 낮은 최대 출력을 일반적으로 가지게 된다.

또한, HCCI 연소과정은 다양한 압축비 또는 다양한 밸브타임으로 조절될 수 있다. 그러나 만약 종래의 엔진 개념에 상기한 바와 같은 압축비 또는 밸브타임 조절을 위한 수단들이 추가된다면, 압축비와 밸브타임으로 조절되는 두 방법은 모두 상당히 많은 비용을 초래하게 된다.

한편, 진동은 피스톤 엔진에서 발생하는 또 다른 문제이다. 대체로 이러한 교란된 진동은 두 가지의 다른 원인이 있다. 그 중 가장 잘 알려진 것은 피스톤의 가속 및 크랭크샤프트(crankshaft)와 연관된 부분에 의한 것이다.

상기 진동 중에 첫 번째 유형은 엔진속도와 연관되어 정방형의 힘의 크기에 관한 것이다. 이러한 진동을 제거하는 방법은 많은 실린더를 포함하거나, 6기통 엔진보다 작은 엔진의 경우에는 밸런스 샤프트(balance shafts)를 포함하는 것이다. 대체로 2개의 밸런스 샤프트를 가지고 있는 4기통 엔진은 진동의 관점에서 충분히 균형을 잡고 있다.

그리고 상기 진동 중에 또 다른 유형은 엔진속도와 무관한 힘의 크기에 관한 것이다. 이러한 진동은 엔진 본체에 토크의 크기를 분배하는 압축 일을 얻기 위하여 플라이휠 크랭크샤프트(flywheel crankshafts)를 천천히 아래로 내릴 필요성에서 발생된다. 즉, 연소 결과, 엔진 본체에 더 많은 토크 추진력을 가진 채 연소가스가 팽창하는 것으로부터 얻을 수 있는 유용한 일의 영향으로 크랭크샤프트는 가속화될 것이다. 이 경우에도 많은 실린더를 포함함으로써 상기 진동을 줄일 수 있을 것이다.

이와 같이, 피스톤의 가속으로 야기되는 진동은 명백한 사실이나, 일반적인 크랭크샤프트가 구비되어 있는 실린더의 수와 상관없이 이러한 진동을 제거하는 것은 불가능하다. 또한, 엔진행정에서의 낮은 엔진속도는 낮은 일률의 출력에서 가장 좋은 에너지 효율을 가지고 있지만, 매우 낮은 엔진속도 하에서 이러한 토크 진동은 높은 토크 수를 가지는 엔진에 대한 작동을 나쁘게 한다.

한편, 유럽공개특허 WO 88/05862는 상호 반대로 동작하는 실린더들을 포함하는 내연기관에 대하여 개시하고 있다. 상기 실린더의 크랭크샤프트들은 고정된 기어휠 시스템을 통해 동시에 작동되며, 상기 고정된 기어휠 시스템은 베어링 축에 고정된 2개의 기어휠과 2개의 중간기어를 가지고 있다. 상기 기어휠 시스템에서 기어휠에 고정된 하나의 크랭크샤프트는 위상위치를 변화하도록 하는 크랭크샤프트와 관련되어 일정한 각을 가진 채 배열되어 있다. 여기에서 일정한 각은 분리된 작동장치를 수단으로 형성되며, 상기 작동장치로는 조화기어, 다양한 연결판, 2개의 원뿔기어 사이에 2개의 샤프트를 두어 상대적인 각 위치를 변화시킬 수 있는 추가장치가 있다.

본 발명은 압축비를 경제적으로 조절할 수 있도록 하나의 실린더만으로 진동을 전체적으로 제거할 수 있는 진동 모드를 갖는 2행정 엔진을 제공한다.

즉, 본 발명은 압축조절 결과로 과급여부와 상관없이 항상 효율이 최대가 되고 노킹을 피할 수 있는 오토 엔진(Otto engine)으로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 과급여부와 상관없이 엔진이 항상 작동되고, 다른 세탄값(cetane number)과 제한된 압력을 수용하는 엔진에 대하여 압축을 조정한 결과 항상 적절한 효율로 운행될 수 있도록 하는 오토 엔진(Otto engine)으로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 압축조절 결과로 과급여부와 상관없이 점화시점을 제어할 수 있는 HIIC 엔진으로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 압축조절 결과로 과급여부와 상관없이 점화 시점을 제어할 수 있으며, 엔진 모드가 오토 엔진 또는 높은 하중 하에서의 디젤 엔진으로 쉽게 전환되도록 하는 부분적 HCCI 엔진으로서 사용될 수 있다.

한편, HCCI 엔진으로 작용하는 경우에는 효율과 관련하여 유용한 방식으로 잔여가스를 보존할 수 있다. 즉, 높은 일률을 배출하는 HCCI 엔진의 동작에 있어서, 효과적인 카운터 벨런싱과 밸브시스템의 부재 그리고 알맞는 플러싱 시스템을 통해 높은 속도에서도 적합하게 운전될 수 있고, 이러한 HCCI 엔진 작동 모드에 있어서는 낮은 잔여가스 하에서도 빠른 HCCI 연소가 유리하게 될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 엔진은 탁월하고 넓은 고효율의 작동범위를 제공할 수 있다. 이것은 하이브리드 자동차의 경우에, 충전과 방전에서의 변환손실을 종래의 엔진의 경우보다 더 낮은 수준에서 유지할 수 있고, 이로부터 연료의 경제적인 문제를 개선할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 엔진은, 도 1에 도시된 바와 같이, 대향 실린더 형식(the opposed-cylinder type)의 엔진이다. 상기 엔진은 피스톤(2,4)과 상기 피스톤에 연결되어 있는 2개의 크랭크샤프트(crankshaft)(1,3)를 구비하고 있다. 한편, 상기 크랭크샤프트(1.3)는, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 기어에 맞물려서 동시에 회전을 한다. 즉, 상기 크랭크샤프트(1,3)는 2개의 중간기어휠(intermediate gear)(15,16)에 의하여 상호 반대 방향으로 회전하게 된다.

만약, 발전기와 같이 고정되어 연결된 힘에 의하여, 상기 크랭크샤프트(1,3)에 회전토크가 상호 동일하게 가해지면, 상기 엔진은 모멘트 진동이 거의 발생하지 않을 것이다. 이때, 모멘트 진동은 기계설비의 대다수에 있어서 매우 중요하게 고려되어야 할 요소로서, 상기 엔진에 모멘트 진동이 거의 발생하지 않는 결과 상기 엔진의 작동에 의한 전력손실은 줄어들게 될 것이다.

한편, 상기 피스톤(2,4)이 상호 반대 방향으로 가속되기 때문에, 엔진의 1회전 중에서 가장 높은 지점에서의 중력에 의한 진동은 무시해도 좋을 것이다. 그러나 압축비의 조정을 위하여 이용되는 작은 위상의 차이가 있을 때에는 진동에 작은 영향이 있을 것이다. 이때 압축비의 조정은, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 크랭크샤프트(1,3)사이의 위상위치 조정에 의하여, 작동 중에 부드럽고 연속적으로 달성될 수 있을 것이다.

한편, 상기 크랭크샤프트(1,3)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상호 같은 크기의 크랭크샤프트 기어휠(14,17)을 각각 구비하고 있다. 상기 크랭크샤프트 기어휠(14)은 중간기어휠(15)과 일정하게 맞물려 있으며, 상기 중간기어휠(15)은 상기 크랭크샤프트 기어휠(14)의 중심위치에 대하여 회전할 수 있도록 링크(18)가 걸려있다. 또한, 동일하게 상기 크랭크샤프트 기어휠(17)은 중간기어휠(16)과 일정하게 맞물려 있으며, 상기 중간기어휠(16)은 상기 크랭크샤프트 기어휠(17)의 중심위치에 대하여 회전할 수 있도록 링크(20)가 걸려있다.

그리고, 상기 중간기어휠(15,16)은 상기 중간기어휠(15,16)의 중심위치와 결합하여 상기 중간기어휠(15,16)을 모두 연결하고 있는 링크(19)에 의하여 일정하게 맞물려 있다. 상기 중간기어휠(15,16)의 중심위치는 조정장치(21)에 의하여 공통된 변위를 가지고 이동하게 되고, 상기 이동에 의하여 크랭크샤프트 상호간의 위상위치가 조정된다. 이때, 상기 조정장치(21)는 받침대(23)에 의하여 엔진의 몸체와 결합되고, 링크(22)에 의하여 상기 중간기어휠(15,16)에 연결된다.

또한, 도 2와 도 3은 2개의 다른 위상 위치 조정을 도시하고 있다.

한편, 상기 크랭크샤프트(1,3)는 또한 상호 다른 크기를 가지는 중간기어휠(15,16)에 의하여 연결된 채 동시에 동작할 수도 있다. 이는 상기 중간기어휠(15,16)의 크기가 다름에도 불구하고 상기 크랭크샤프트 기어휠(14,17)의 주변속도처럼 상기 중간기어휠(15,16)의 주변속도가 같아질 것이기 때문이다. 이러한 설계는 내장된 구조면에서 유용할 수 있다.

위상조정장치는 크랭크샤프트(1.3)사이의 위상 위치를 조정하는 목적 이외의 다른 목적으로 사용되어 질 수 있다. 예를 들어, 위상조정장치는 내연기관의 캠샤프트(camshaft)의 조정에 사용되거나, 일반적인 기계장치에서 사용될 것이다.

또한, 상기 엔진 원리는 스파크 플러그 점화방식의 오토 엔진(Otto engine)에도 적용될 것이며 이때, 도 1의 도면번호 13은 스파크 플러그를 나타내는 것이다.

또한, 상기 엔진 원리는 직접 분사방식의 디젤 엔진(diesel engine)에도 적용될 것이며 이때, 도 1의 도면번호 13은 분사장치를 나타내는 것이다.

또한, 상기 엔진 원리는 예혼합 압축 자기 착화 엔진(HCCI engine)에도 적용될 것이며 이때, 도 1의 도면번호 13은 점화 상태를 알려주는 센스에 대응된다고 할 것이다. 예를 들어, 상기 센스는 압력센스, 가속모터 또는 힘/응력 게이지가 될 수 있을 것이다.

이하에서는, 예시된 일반엔진구조에서 가공되고 숙고된 설계를 참조하여, 보다 상세하게 HCCI 엔진의 변형물에 대하여 서술한다.

상기 위상조정은 엔진속도, 하중, 엔진온도, 연료형태, 공기흡입온도, 공기흡입압력을 배제하고, 원하는 크랭크 각도에서 점화 시점을 조정하는데 사용되어 진다. 그리고 점화시점은 측정된 점화시점으로부터 피드백(feedback)되어 적절히 조절될 수 있다.

또한, 예시된 엔진은 잔여가스의 부피가 신속히 조절될 수 있도록 배기포트(9)안의 스로틀밸브(10)가 빠르게 움직이도록 구성된다. 이는 조정장치(21)가 동작하는 것보다 빠르게 점화시점을 변화시켜줄 필요성이 있기 때문이며, 잔여가스의 부피를 조절하기 위한 이유도 있다.

한편, 상기 엔진은 일정길이의 플러싱 시스템(flushing system)을 가진 2행정 엔진이다. 즉, 실린더의 압력은 엔진의 동작 후에 하나 또는 복수의 배기포트(9)가 열리는 결과 빠르게 떨어진다. 그리고 하나 또는 복수의 오버플로우포트(7,8)는 크랭크의 각이 소정의 각에 도달된 후에 열리고, 압력이 떨어진 후에 남아있는 배기가스는 전달되는 공급가스로 인해 상기 오버플로우포트(7,8)를 경유하며 없어지게 된다. 상기 오버플로우포트(7,8)를 통한 흐름(flow)으로 조절되는 압력은 전형적인 플러쉬 펌프로서 기능을 가진 크랭크하우징(5,6)으로부터 발생하거나, 분리된 플러쉬 펌프에 의하여 발생한다.

그리고 실린더상의 혼합현상에 영향을 받으며 플러싱포트를 경유하여 펌프되는 흐름(flow)의 크기에 의존하는 뜨거운 잔여가스의 일정량은 다음 행정이 시작할 때까지 실린더에 남아있게 된다. 남아있는 잔여가스의 일정량은 연소의 위상에 영향을 미치며, 또한 연소속도에도 영향을 미친다. 잔여가스의 대부분은 조용한 연소과정으로 귀착되며, 상기 조용한 연소과정은 낮은 rpm의 HCCI 엔진에 있어서는 유리하다.

한편, 예를 들어 하이브리드 자동차와 같이 작은 하중을 받는 경우, 상기 크랭크하우징(6)으로부터의 흐름(flow)은 밸브(11)에 의하여 감소되거나 완전히 차단될 수 있다. 상기 오버플로우포트(8)가 완전히 닫힐 때, 상기 크랭크하우징(6)을 펌프하면서 발생되는 펌프손실은 매우 작아질 수 있다. 동시에 상기 크랭크하우징(6)에서는 팽창 위상을 초기압력의 근사치만큼 도달하게 하면서 압축이 발생한다. 이러한 작동 방식은 낮은 하중을 받는 경우에도 높은 효율로 작동할 수 있도록 한다.

한편, 2행정 기관으로부터 알려진 전통적인 방식은 공급가스로 상기 크랭크하우징을 보충하는 것이 필요하다. 이러한 방법은 포트를 조절할 수 있는 플런저, 리드밸브, 슬라이드 밸브의 사용이 포함된다. 그러나 본 발명에서, 연료는 인젝터(12)에 의하여 분사되어 적절하게 공급된다. 선택적으로, 연료의 혼합은 실린더에 연소 공기가 주입경로 또는 카버레이터(carburettor) 등을 경유하여 강제로 주입되기에 앞서 미리 준비된다. 그 후에, 혼합연료는 단지 하나의 크랭크하우징으로 공급될 것이고, 다른 크랭크하우징에는 상기 오버플로우포트(8)로부터 오로지 공기만 공급될 것이다. 이것은 상기 2개의 크랭크하우징으로부터 상기 오버플로우포트(8)의 크랭크 각을 상쇄하기 위한 장소를 제공하는 것이 될 것이다.

이러한 플러싱 방법은 배기가스 및 공급가스가 실린더 안에서 겹치도록 한다. 그리고 이것은 플러싱 매개물의 두 가지 유형이 겹치도록 할 수도 있다. 이때 플러싱 매개물은 순수한 공기, 연료와 공기의 혼합물, 차가운 EGR 가스가 혼합된 공기, 순수한 EGR 가스, 또는 다른 크랭크하우징에 의한 상호 다른 온도의 혼합물이 될 것이다. 이러한 겹침현상은 HCCI 엔진의 정화에 매우 유용할 것이다. 즉, 예를 들면 과도하게 결핍된 혼합물은 낮은 연소효율을 가지고 있으며, 비균질 조건은 늦고 조용한 연소를 가능하게 한다.

한편, 크랭크샤프트(1,3)사이의 위상위치는 압축비의 조절에 의하여 원하는 수준으로 조정되어 진다. 이는 배기포트의 개방을 조절하는 크랭크샤프트 위상위치가 오버플로우포트의 개방을 조절하는 크랭크샤프트의 위상위치보다 이전에 놓여질 수 있도록 계획된 위상 변위를 얻을 수 있도록 한다. 이러한 이유로 상기 오버플로우포트보다 앞서서 상기 배기포트가 닫히게 될 것이다. 상기 배기포트의 앞선 닫힘은 엔진이 과급되는 경우에도 실린더의 충전을 보다 효과적으로 만든다. 그러나 압축비를 조정하기 위한 상기 크랭크샤프트의 위상 변화는 상기 오버플로우포트의 속도조절과 비교되어 상기 배기포트의 속도조절에 영향을 미치게 될 것이다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 배기구 및 플러싱 포트를 포함한 실린더부에 대한 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 동시에 작동하는 기어 및 압축제어를 위한 장치에 대한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 동시에 작동하는 기어 및 도 2와 다른 압축과정에 대한 단면도이다.

**도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1,3 : 크랭크샤프트 2,4 : 피스톤

5,6 : 크랭크하우징 7,8 : 오버플로우포트

9 : 배기포트 10 : 스로틀밸브

11 : 밸브 12 : 인젝터

13 : 스파크 플러그 14,17 : 크랭크사프트 기어휠

15,16 : 중간기어휠 18,19,20 : 링크

21 : 조정장치 22 : 링크

23 : 받침대

Claims (7)

1. 2개의 크랭크샤프트(1,3)와; 상기 2개의 크랭크사프트(1,3)에 각각 결합된 크랭크샤프트 기어휠(14,17)과; 상기 2개의 크랭크샤프트(1,3)가 동시에 움직일 수 있도록 상기 2개의 크랭크사프트 기어휠(14,17)에 각각 결합되고, 서로 맞닿아 있는 2개의 중간기어휠(15,16)을 포함하고,

   상기 2개의 크랭크샤프트(1,3)사이의 위상위치를 조정할 수 있는 수단을 통하여 압축비를 조정할 수 있도록, 상기 2개의 중간기어휠의 중심위치가 공통된 변위를 가지는 것을 특징으로 하는 2행정 대향 실린더 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 중간기어휠(15,16)을 연결시키는 링크(19) 위에, 상기 2개의 중간기어휠(15,16)의 중심위치가 놓이는 것을 특징으로 하는 2행정 대향 실린더 엔진.
3. 제2항에 있어서,

   상기 링크(19)의 변위를 조정하기 위한 조정장치(21)가 상기 링크에 결합되는 것을 특징으로 하는 2행정 대향 실린더 엔진.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 크랭크샤프트(1,3)는 상호 반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 2행정 대향 실린더 엔진.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   크랭크하우징과 포트 입구 사이에 구비되는 밸브(11)에 의하여 플러싱 목적으로 개방되거나 폐쇄되도록 하는 크랭크하우징 플러싱 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 대향 실린더 엔진.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   배기포트(9)가 대칭되는 포트보다 빨리 닫히도록 상기 크랭크샤프트(1,3)사이의 계획된 위상위치가 조정되는 것을 특징으로 하는 2행정 대향 실린더 엔진.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 배기포트(9)가 오버플로우포트(7,8)보다 빨리 닫히도록 상기 크랭크샤 프트(1,3)사이의 계획된 위상위치가 조정되는 것을 특징으로 하는 2행정 대향 실린더 엔진.

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