KR20100002355A - 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소형 엔진의 흡기장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 볼텍스 튜브의 원리를 이용함으로써 저온의 공기를 엔진의 실린더 내로 공급함으로써 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있는 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진에 관한 것이다.
본 발명에 의한 소형 엔진은, 흡기구 및 배기구를 가지고, 내부에 피스톤이 상하 이동가능하게 설치된 실린더; 내부에 상기 피스톤과 연동하는 크랭크가 설치되고, 외부공기가 유입되는 유입구 및 압축공기를 배출하는 배출구를 가진 크랭크실; 볼텍스를 발생시키는 볼텍스 발생부, 상기 실린더의 흡입구와 소통하는 저온출구, 스로틀밸브가 이동가능하게 설치된 고온출구를 가진 볼텍스 튜브; 및 상기 크랭크실의 배출구에서 상기 볼텍스 발생부로 연장된 압축공기 공급관를 포함한다.
Figure P1020080062212
엔진, 실린더, 피스톤, 크랭크실, 볼텍스, 흡기구

Description

볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진{SMALL SIZE ENGINE USING A VORTEX TUBE}
본 발명은 소형 엔진의 흡기장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 볼텍스 튜브의 원리를 이용함으로써 저온의 공기를 엔진의 실린더 내로 공급함으로써 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있는 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 소형 엔진은 연료와 공기의 혼합가스를 실린더의 연소실에서 연소시켜 동력을 발생하는 장치로서, 이러한 엔진은 그 출력성능의 향상을 위한 다양한 연구 및 개발이 진행되어 오고 있다.
최근에는 보다 큰 출력을 얻을 수 있도록 터보 차저(Turbo-charge)와 인터쿨러(Inter cooler) 등을 추가로 구비한 터보 차저 엔진이 널리 이용되고 있다.
이러한 터보 디젤엔진은 터보 차저의 압축기에 의해 배기가스나 외부공기를 흡입하여 압축시키고, 이때 발생된 과급공기(고온의 압축공기)를 엔진측으로 공급한다. 하지만, 급속히 압축된 공기는 터보 차저의 열과 그 압축과정에서 발생하는 열을 흡수하여 밀도가 낮아지게 되고, 결과적으로 엔진 연소실 내의 충전효율을 떨어뜨린다. 이에, 인터쿨러를 사용함으로써 터보 차저의 압축기에 의한 과급공기를 냉각하여 높은 밀도를 얻을 수 있으며, 그 결과 보다 많은 공기를 엔진 연소실 내 로 흡입시켜 높은 출력을 얻을 수 있다.
하지만, 종래의 터보차저 엔진은 그 구조가 매우 복잡하고, 제조단가 등이 많이 소요됨에 따라 중소형의 엔진에는 그 적용이 어려운 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 볼텍스 튜브의 온도분리 원리에 의해 분리된 찬공기를 흡기공기로 이용함으로써 엔진의 체적효율을 높여 그 출력성능을 높일 수 있는 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 볼텍스 튜브의 물질분리 원리에 의해 분리된 오일을 크랭크실로 재공급함으로써 자원 낭비를 방지할 수 있는 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 소형 엔진은,
흡기구 및 배기구를 가지고, 내부에 피스톤이 상하 이동가능하게 설치된 실린더;
내부에 상기 피스톤과 연동하는 크랭크가 설치되고, 외부공기가 유입되는 유입구 및 압축공기를 배출하는 배출구를 가진 크랭크실;
볼텍스를 발생시키는 볼텍스 발생부, 상기 실린더의 흡입구와 소통하는 저온출구, 스로틀밸브가 이동가능하게 설치된 고온출구를 가진 볼텍스 튜브; 및
상기 크랭크실의 배출구에서 상기 볼텍스 발생부로 연장된 압축공기 공급관를 포함한다.
상기 크랭크실의 유입구에는 외부공기가 유입되는 방향의 흐름만을 허용하는 제1체크밸브가 설치되고, 상기 크랭크실의 배출구에는 압축공기가 배출되는 방향의 흐름만을 허용하는 제2체크밸브가 설치된다.
상기 볼텍스 튜브의 고온출구 측에서 상기 크랭크실의 하단으로 연장된 오일 이송배관을 더 포함한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 볼텍스 튜브의 온도분리 원리에 의해 분리된 찬공기를 흡기공기로 이용함으로써 엔진의 체적효율을 높여 그 출력성능을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 볼텍스 튜브의 물질분리 원리에 의해 분리된 오일성분을 크랭크실로 재공급함으로써 자원 낭비를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 의한 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진을 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 소형 엔진은 실린더(10) 및 크랭크실(20)을 포함한다.
실린더(10)의 내부에는 피스톤(11)이 상하 이동가능하게 설치되고, 그 상부에 흡기구 및 배기구(12, 13)를 가진다. 흡기구(12)에는 흡기밸브(12a)가 설치되고, 배기구(13)에는 배기밸브(13a)가 설치된다.
크랭크실(20)의 내부에는 피스톤(11)과 연동하는 크랭크(21)가 회전가능하게 설치된다. 크랭크실(20)의 일측에는 외부공기가 유입되는 유입구(22)가 형성되고, 크랭크실(20)의 타측에는 배출구(23)가 형성된다. 이에 의해 크랭크실(20)은 피스톤(11)의 상하 이동에 따라 유입된 외부공기를 압축하는 압축기의 기능을 수행한다.
그리고, 유입구(22)를 통해 외부공기가 크랭크실(20)의 내부공간으로 유입되면, 이 외부공기는 피스톤(11)의 팽창행정 시에 피스톤(11)의 하향이동에 의해 압축됨으로써 압축공기가 되고, 이 압축공기는 배출구(23)를 통해 배출된다.
이 크랭크실(20)의 배출구(23)에는 후술하는 압축공기 공급관(41)을 매개로 볼텍스 튜브(30)가 연결되고, 이 볼텍스 튜브(30)에 의해 압축공기는 저온공기 및 고온공기로 분리되며, 특히 저온공기는 실린더(10)의 흡기구(12)로 공급됨으로써 실린더 내의 체적효율(충전효율)을 향상시킬 수 있다.
크랭크실(20)의 배출구(23) 및 볼텍스 발생부(31)는 압축공기 공급관(41)에 의해 소통한다. 크랭크실(20)의 유입구(22) 및 배출구(23) 각각에는 제1 및 제2 체크밸브(22a, 23a)가 개별적으로 설치된다. 제1체크밸브(22a)는 외부공기가 크랭크실(20) 내로 유입되는 방향의 흐름을 허용하고, 제2체크밸브(23a)는 피스톤(11)의 팽창에 따라 압축된 압축공기가 배출되는 방향의 흐름만을 허용한다.
볼텍스 튜브(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 볼텍스 발생부(31), 볼텍스 발생부(31)의 양단에 설치된 제1 및 제2 튜브(32, 33)를 포함한다.
볼텍스 발생부(31)는 케이싱(31a) 및 케이싱(31a) 내에 설치된 제너레이터(31b)를 가진다. 그리고, 케이싱(31a)에는 압축공기 공급관(41)이 소통되게 설치된다.
제너레이터(31b)는 그 일단에 연소가스가 통과하는 복수의 노즐(31c)을 가지고, 그 내부에 볼텍스 챔버(31d)를 가진다. 볼텍스 챔버(31d)의 일단은 제1튜브(32)와 소통하고, 볼텍스 챔버(31d)의 타단에는 디퓨저(31e)가 형성되어 있다.
그리고, 제너레이터(31b)의 일단에는 슬리브(34)가 대향 배치되고, 이 슬리브(34)의 내경면에는 디퓨저(34e)가 형성되어 있다.
한편, 볼텍스 발생부(31)는 상술한 구조에 한정하지 않고, 연소가스에 볼텍스를 발생시킬 수 있는 다양한 구조가 적용될 수 있다.
제1튜브(32)는 그 일단이 볼텍스 발생부(31)와 소통하고, 그 타단에는 고온공기가 배출되는 고온 출구(32a)를 가진다.
제2튜브(33)는 그 일단에 저온공기가 배출되는 저온 출구(33a)를 가지고, 그 타단은 볼텍스 발생부(31)와 소통한다. 그리고, 저온 출구(33a)는 실린더(10)의 흡기구(12)측에 소통되게 연결된다. 이에 의해, 저온 출구(33a)로 배출되는 저온공기는 실린더(10)의 흡기구(12)를 통해 실린더(10) 내로 충전되고, 저온공기는 그 밀도가 상대적으로 높기 때문에 실린더(10) 내의 충전효율을 높이고, 이에 의해 엔진의 출력 성능이 대폭 증진될 수 있다.
제1튜브(32)의 고온 출구(32a)에는 스로틀밸브(34, throttle valve)가 이동가능하게 설치되고, 고온 출구(32a)의 일측 즉, 스로틀밸브(34)의 하부에는 오일 이송배관(42)이 설치된다.
한편, 크랭크실(20)을 거친 압축공기는 그 내부에 오일성분을 일부 함유하고 있다. 이에 따라, 고온 출구(32a)를 향하는 고온공기는 스로틀밸브(34)를 거치면서 고온공기 및 고온공기 내의 오일성분이 분리되고, 이렇게 분리된 오일성분은 오일 이송배관(42)을 통해 크랭크실(20)의 하단으로 재공급된다. 이와 같이 오일성분이 크랭크실(20) 내로 재공급됨에 따라 엔진오일의 낭비가 최소화될 수 있는 장점이 있다.
그리고, 스로틀밸브(34, throttle valve)는 제1튜브(32)의 고온 출구(32a)측에 인접하여 수평방향으로 이동가능하게 설치된다. 이 스로틀밸브(62)에 의해 고온공기는 그 내부에 함유된 오일 성분이 분리되고, 더불어 저온공기는 스로틀밸브(34)의 선단에 걸려 제2튜브(33)측으로 회송된 후에 저온출구(33a)측으로 배출된다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 작용을 다음과 같이 상세히 설명한다.
먼저, 외부공기가 크랭크실(20) 내로 유입되어 크랭크실(20) 내에 외부공기가 충전된 상태에서, 실린더(10)의 팽창행정에 따라 피스톤(11)은 하강하면, 이 피스톤(11)의 하강에 의해 크랭크실(20) 내의 공기는 압축된다. 이렇게 압축된 압축공기는 크랭크실(20)의 배출구(23)를 통해 배출되고, 이 압축공기는 압축공기 공급관(41)을 통해 볼텍스 튜브(30)의 볼텍스 발생부(31)로 공급된다.
이후에, 압축공기는 제너레이터(31b)의 노즐(31c)을 통과한 후에 볼텍스 챔버(31d) 내로 유입됨으로써 수백만 RPM의 초고속으로 회전하는 1차 볼텍스(HV)로 변환된다.
1차 볼텍스(HV)는 제1튜브(32)를 따라 이송되고, 그 일부는 고온 출구(32a)를 통해 배출되고, 나머지는 스로틀밸브(34)의 선단에 걸려 회송되면서 1차 볼텍스(HV) 보다 작은 내경의 2차 볼텍스(LV)로 변환된다. 그리고, 2차 볼텍스(LV)는 1차 볼텍스(HV)의 반대방향으로 이송되고, 제2튜브(33)의 저온 출구(33a)를 통해 배출된다.
이때, 1차 볼텍스(HV) 및 2차 볼텍스(LV)는 동일한 회전방향 및 동일한 각속도로 회전하고, 이에 직경이 큰 1차 볼텍스(HV)의 입자가 2차 볼텍스(LV)의 입자에 비해 더 빠른 속도로 운동함으로써 운동속도가 느린 2차 볼텍스(LV)의 입자가 가진 운동에너지는 열에너지로 변환된다. 이렇게 생성된 열에너지는 2차 볼텍스(LV)의 온도를 저하시키고, 1차 볼텍스(HV)의 온도를 상승시킨다. 이에 따라 1차 볼텍스(HV)에 따른 고온공기는 고온 출구(32a)를 통해 배출되고, 2차 볼텍스(LV)에 따른 저온공기는 저온 출구(33a)를 통해 배출된다.
고온공기는 스로틀밸브(34)를 거치면서 고온공기는 고온 출구(32a)를 통해 외부로 배출되고, 고온공기 내의 오일은 그 자중에 의해 오일 이송배관(42)을 통과하여 크랭크실(20) 내로 이송된다. 이러한 오일은 크랭크실(20) 내의 크랭크(21) 및 실린더(10)의 피스톤(11) 등을 윤활하는 데 이용된다.
도 1은 본 발명에 의한 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 상세도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 실린더 20: 크랭크실
30: 볼텍스 튜브 31: 볼텍스 발생부
32, 33: 제1 및 제2 튜브 34: 스로틀밸브
41: 압축공기 공급관 42: 오일 이송배관

Claims (3)

  1. 흡기구 및 배기구를 가지고, 내부에 피스톤이 상하 이동가능하게 설치된 실린더;
    내부에 상기 피스톤과 연동하는 크랭크가 설치되고, 외부공기가 유입되는 유입구 및 압축공기를 배출하는 배출구를 가진 크랭크실;
    볼텍스를 발생시키는 볼텍스 발생부, 상기 실린더의 흡입구와 소통하는 저온출구, 스로틀밸브가 이동가능하게 설치된 고온출구를 가진 볼텍스 튜브; 및
    상기 크랭크실의 배출구에서 상기 볼텍스 발생부로 연장된 압축공기 공급관를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크실의 유입구에는 외부공기가 유입되는 방향의 흐름만을 허용하는 제1체크밸브가 설치되고, 상기 크랭크실의 배출구에는 압축공기가 배출되는 방향의 흐름만을 허용하는 제2체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 볼텍스 튜브의 고온출구 측에서 상기 크랭크실의 하단으로 연장된 오일 이송배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 소형 엔진.
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