KR20120016134A - 내연 기관용 로터리 밸브 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브 시스템에 관한 것으로, 밸브 시스템은 실린더의 외부 표면과 캠 구동 메커니즘 상에서 회전하면서 작동된다. 압축 및 연소 압력은 밸브 공기 채널의 평평한 표면이 실린더에 위치된 채널과 대응될 때 상호 접촉하게 되는 양 표면들 사이에 유막을 형성함으로써 보존된다. 이런 시스템의 적용은 두 개의 대응하는 피스톤을 내연 기관 내부에 위치 설정하여 상사점으로부터 멀리 있는 지점에서 압축을 형성함으로써 높은 토크량이 달성되는 크랭크 각도들에서의 연소 시작을 제공한다.

Description

내연 기관용 로터리 밸브 시스템{ROTARY VALVE SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 내연 기관에 있어 필수적이며, 실린더 재킷에 위치된 로터리 매니폴드 시스템에 의해 수행되는, 흡입, 배기 및 압축 작동에 관한 것이다.

공지된 내연 기관에서 엔진에 필요한 공기는 캠 샤프트에 의해 구동되는 흡입 밸브를 거쳐 전달되고, 연소의 결과로서 발생된 가스는 배기 밸브에 의해 배출된다. 일반적으로, 현재 통용되고 있는 엔진은 크랭크 각도 변위력(crank angle shift capability)을 갖추고 있지 않기 때문에, 피스톤 내부 압력이 가장 높은 지점은 점화가 일어나는 상사점(upper dead center)이다. 엔진은 이런 연소 압력에 의해 토크를 생성할 수 있으며, 이런 연소 압력은 캠 샤프트의 상위측 각도(upper angle)에서 일어나고 이어서 피스톤의 하향 운동에 의해 토크를 생성한다. 크랭크 샤프트 각도가 현저하게 작다면, 연소의 최고 지점에서 형성된 이런 힘을 높은 모멘텀(high momentum)으로서 크랭크 샤프트로 전달하는 것이 불가능하다. 반면에, 하사점을 향해 피스톤이 운동하는 동안, 연소 메커니즘에 의해 형성된 고압 연소 가스는 체적 증가로 인해 이의 압력이 손실되어, 가장 높은 모멘텀이 일어나는 90도 크랭크 각도에서 엔진 토크의 감소를 가져온다. 현재 통용되고 있는 엔진에서 밸브 메커니즘이 연소 챔버 위에 위치하기 때문에, 엔진 효율을 증가시킬 수 있는 그 메커니즘들을 장착하는 것이 불가능하다. 이런 이유로, 연구자들이 복잡한 메커니즘을 구비한 보다 효율적인 엔진 생산을 위해 여러 연구들을 진행해오고 있다. 유사하게, 특허 제US005205251A호, 특허 제US5000136호, 특허 제CA1279018호, 및 특허 제EP0295823호에는 로터리 시스템이 사용되고 있지만, 이들 문헌 중 어디에도 유동의 장점을 제공하는, 실린더 재킷으로부터의 공기 이동에 대해서는 설명이 없다. 또한, 이들의 현재 구조는 지나치게 많은 양의 메커니즘 부품들을 요구한다.

제안된 시스템에 따르면, 실린더 재킷 둘레에 위치된 로터리 밸브 시스템에 의해, 흡입, 배기 및 압축을 위한 밀폐 상태로 밸브를 유지함으로써 실린더의 상측 부분은 비워질 것이다. 실린더의 상측 부분에 위치되는 제2 피스톤 메커니즘은 하부 피스톤 쪽으로 이동함으로써 크랭크 샤프트 각도에 대해 압축 지점을 상사점으로부터 다른 지점으로 변위시킬 수 있을 것이다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해 사용되는 메커니즘이 첨부된 도면에 도시되어 있다.

도 1은 로터리 밸브 메커니즘의 3차원 단면도이다.
도 2는 로터리 밸브를 구비한 2-피스톤 엔진의 단면도로서, 흡입의 시작 단계를 나타내는 도면이다.
도 3은 더블 피스톤 엔진의 피스톤 위치-크랭크 샤프트 각도의 그래프로서, 크랭크 샤프트 각도가 변위되어 있다.
도 4는 모멘텀 각도와 관련하여 동일한 피스톤 직경 및 압축비를 가지는 현재 엔진의 모멘텀-크랭크 각도와, 변위된 크랭크 각도를 갖는 엔진의 모멘텀-크랭크 각도를 비교하는 비교 그래프이다.

로터리 밸브 메커니즘은 3개의 구성요소를 포함하며, 3개의 구성요소는 3차원 도면인 도 1에 도시된 바와 같이 상호 연결되어 엔진(도 2)의 상부 커버(7)와 하부 커버(8)에 위치된다. 공기 유동 채널 및 구동 치형부를 갖는 로터리 밸브(1)는 실린더 재킷을 포함하며, 실린더 재킷은 이에 위치된 채널에 의해 로터리 밸브를 구동시키고, 공기 유동 채널을 가지며, 캠 종동 샤프트 및 밸브 그룹을 향해 슬라이딩 가능하게 갭을 가지도록 조립된다. 크랭크 샤프트에 의해 구동되는 캠 종동 샤프트(2)는 엔진 각도에 부합하는 채널에 의해 밸브에 위치된 치형부를 회전시키며, 이런 방식으로 실린더에 배치된 로터리 밸브(1)의 위치가 변경된다. 따라서, 엔진 각도와 관련하여, 엔진의 흡입 단계는 밸브(1)가 회전되고 밸브의 상부 섹션에 위치된 밸브의 공기 유동 채널이 실린더(2) 재킷의 공기 유동 채널과 겹쳐질 때 일어난다(도 2). 경사진 형태로 로터리 밸브에 개방된 채널은 흡입 단계 동안 회전 방식으로 공기를 실린더 내부로 유입한다. 이런 방식으로, 연료 및 공기 혼합물은 실린더 내부에 균일하게 분포될 것이며 보다 효율적인 연소가 달성될 것이다. 압축은 밸브(1)가 회전되어 상부 흡입 채널과 하부 배기 채널 사이에 위치된 평평한 표면이 실린더(2)의 공기 채널을 덮기 시작하고 유막이 불침투성을 나타내기 시작할 때 일어나며, 엔진의 배기 단계는 밸브(1)가 회전되어 이의 하부 채널이 실린더(2)의 공기 채널을 덮을 때 일어날 것이다.

흡입 작동 및 배기 작동이 실린더의 측벽에서 일어나는 경우, 제2 피스톤을 실린더의 상측 부분에 배치하는 것이 가능하며, 이는 연소 시작(combustion start-up)시에 더 높은 토크를 생성하는 다른 각도로 크랭크를 변위시킬 수 있다(도 2). 이런 방식으로, 하부 피스톤(4)이 상사점을 지나갈 때, 운동 위상차가 존재하는 제2 피스톤은 실린더 내부의 공기를 압축함으로써 상부 섹션(5)으로부터 하부 피스톤을 뒤따를 수 있다(도 3). 상사점으로부터의 변위에 의해서 실린더 내부에 압축된 연료 공기 혼합물은 실린더의 측벽에 유사하게 위치된 점화 플러그(6)에 의해 점화되며, 이런 방식으로 연소 압력이 얻어진다(도 3 - 위치 I). 얻어진 압력은 실린더(2)와 접촉하는 밸브(1)의 채널과 실린더 표면에 개방된 채널 사이의 평평한 표면에 위치된 유막에 의해 실린더 내부에서 보존된다. 이때, 유막에 의해 제공되는 불침투성에 기인한 유효 압력은 상부 피스톤(5) 팁이 공기 채널 영역을 통과할 때 감소된다. 실린더 내부의 압력은 하부 피스톤이 이 압력을 하향으로 추진하고 이 압력이 계속 하향 이동하는 상부 피스톤(5)에 상향력을 가함에 따라 역 모멘텀 (reverse momentum)을 유도한다. 그러나, 하부 피스톤 크랭크(13)가 상부 피스톤 크랭크(14)보다 큰 모멘텀 아암과 각도를 가지면, 이는 엔진을 계속해서 회전시키게 된다. 이런 과정은 상부 피스톤이 하사점을 향해 이동하는 동안 모멘텀 편차가 하부 피스톤의 모멘텀을 증가시키는 방식으로 지속된다. 그 후, 상부 피스톤(5)에서 상향으로 이동함에 따라, 상부 피스톤(5)에 집중된 압력과 함께 형성된 힘은 상부 크랭크 샤프트(14)에 토크를 생성하기 시작한다. 이에 의해, 상부 크랭크 샤프트(14)는 이의 행정에 비례하여 엔진 크랭크에 모멘텀을 제공하기 시작한다. 이는 팽창 행정에 기인한 체적의 팽창으로 인해 연소 압력이 감소할 때 피스톤 영역이 2배일 때의 높은 레벨에 근접하게 엔진에서의 모멘텀 드롭(momentum drop)이 유지되는 것을 보장한다. 이런 방식으로, 변위 크랭크 각도를 갖는 2-피스톤 엔진은, 연소 동안 초기 단계에서 형성된 높은 압력을 직접적으로 높은 모멘텀으로 전환하지 않으면서 엔진 크랭크 각도가 최적 각도 (대략) 90도에서 길고 큰 모멘텀을 제공하도록 보장할 것이다(도 4). 도 4에는 유사한 특성을 갖는 현재 엔진과 변위된 각도를 갖는 제안된 엔진에 대해 크랭크 샤프트 각도에 따른 산출된 토크 값의 차이가 도시되어 있다. 기존 모터와 비교했을 때, 압축 지점의 변위에 의해 60도 내지 110도의 크랭크 샤프트 각도를 갖는 2-피스톤 엔진에서 더 높은 토크 값이 달성된다. 이어서, 밸브(1)의 캠 종동 샤프트가 회전하기 시작하며 이런 방식으로 하부 표면에 위치된 채널이 실린더에 위치된 채널을 향해 개방될 때 배기가 시작될 것이다(도 3 - 위치 Ⅱ). 배기 단계는 하부 피스톤(4) 및 상부 피스톤(5)이 거의 채널을 스위핑(sweeping)하기 시작할 때 완료될 것이다. 흡입 단계는 밸브(1)의 캠 종동 샤프트(2)가 크랭크 샤프트의 적절한 각도에 따라 회전함으로써 이의 위치를 변경하기 시작하고, 이런 방식으로 실린더 채널이 밸브의 상부 표면에 연결된 채널과 겹쳐질 때 시작된다(도 3 - 위치 Ⅲ). 이때 엔진의 모습이 도 2에 도시되어 있다. 이 위치에서, 밸브(1)는 실린더(3)에 위치된 채널과 동일한 축에 있다. 공기 흡입은 하부 피스톤(4)이 하향으로 이동하기 시작할 때 시작되며, 이때 공기는 공기 필터(10)로부터 흡수되어 엔진의 상부 커버(9)와 상부 엔진 블록(7) 사이로 전달된다. 공기가 실린더를 향해 이동할 때, 연료는 인젝터에 의해 흡수된 공기에 분사될 것이다. 피스톤이 반대 방향으로 이동할 때, 실린더는 경사진 방식으로 밸브(1)에 위치된 채널에 의해 연료 공기 혼합물로 균일하게 채워질 것이다. 압축 단계는 밸브(1)가 회전하여 이의 적절한 각도로 회복될 때 시작되고, 이런 방식에 따라 실린더와 밸브 표면 사이에 유막의 형성이 보장된다(도 3 - 위치 Ⅳ). 하부 피스톤(4) 및 상부 피스톤(5)은 실린더 내부의 공기를 압축할 것이다. 작동 단계는 실린더 내부에 압축된 연료 공기 혼합물이 실린더의 측벽에 위치된 점화 플러그(6)에 의해 점화될 때 다시 시작될 것이다(도 3 - 위치 I).

본 발명은 이하에 기재된 개선점이 있음을 기본적으로 이해하게 될 것이다.

- 유사한 직경을 갖는 엔진 및 지연 각도 연소(late angle combustion)와 비교하여 보다 높은 엔진 토크가 달성될 것이다.

- 15% 만큼 낮은, 더 낮은 회전에서 기존 엔진의 비효율성이 낮은 연료 소비 및 안정적인 연소에 의해 극복될 것이다.

- 상부 피스톤의 상향 운동에 의해 압력 영역의 크기가 2배가 될 때 연소 챔버 내부의 압력이 감소하여도 높은 값의 모멘텀 곡선이 달성될 것이다.

- 신속한 가연성으로 인해 불안정하게 연소하는 수소와 같은 대체 연료가 상사점에 따라 변위되는 크랭크 각도에 의해 균일한 방식으로 적절하게 연소가 가능하다.

- 높은 토크 생성과 함께, 보다 적은 개수의 실린더와 보다 작은 직경을 갖는 피스톤을 구비하여 공간을 보다 적게 차지하는 엔진을 생산하는 것이 가능할 것이다.

- 열적 비효율성이 감소됨에 따라, 유사한 파워를 갖는 엔진과 비교하여 낮은 연료 소비를 달성할 것이다.

도면에 도시된 구성요소들은 도면부호에 의해 지시되고, 이들의 대응관계는 아래와 같이 정해진다.
1: 로터리 밸브
2: 캠 종동 샤프트
3: 실린더
4: 하부 피스톤
5. 상부 피스톤
6: 점화 플러그
7. 상부 엔진 블록
8: 하부 엔진 블록
9: 엔진의 상부 커버
10: 공기 필터
11: 인젝터
12: 크랭크 케이스
13: 하부 피스톤 크랭크
14: 상부 피스톤 크랭크
15: 하부 커넥팅 로드
16: 상부 커넥팅 로드

Claims (6)

1. 엔진의 다른 각도들에서 실린더 재킷(3)의 외부 표면에 위치된 공기 채널과, 실린더 재킷(3)의 표면상에서 회전 이동하는 로터리 밸브(1)에 위치된 공기 채널을 위치 설정함으로써 흡입, 압축 및 배기 단계 동안 공기의 이동을 제공하는 내연 기관용 로터리 밸브 시스템에 있어서,
   하부 크랭크 샤프트(13)와 관련하여 작동하는 캠 종동 샤프트(2)와,
   하부 엔진 블록(7)과 상부 엔진 블록(8) 사이에 위치된 공기 채널과,
   하부 엔진 블록(7)과 상부 엔진 블록(8) 사이에 고정적으로 위치되는 공기 채널을 구비한 실린더 재킷(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 로터리 밸브 시스템.
2. 접촉하는 치형부에 의해 회전을 밸브(1)에 전달함으로써 엔진의 각도 규칙성(angular regularity)에 부합하도록, 상기 치형부와 매칭되는 공기 채널을 가지는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 로터리 밸브(1) 시스템을 위한 캠 종동 샤프트(2).
3. 제1항에 있어서, 불침투성을 제공하기 위해, 밸브 회전 중의 접촉 동안 실린더(3) 공기 채널과 밸브(1) 공기 채널 사이에 발생하는 폐곡면 상에 위치되는 유막을 가지는 것을 특징으로 하는 로터리 밸브 시스템.
4. 제1항에 있어서, 실린더 재킷(3)의 상부(5)와 하부(4)에 위치되고 개별적으로 이동될 수 있는 피스톤(4, 5)을 가지는 것을 특징으로 하는 로터리 밸브 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 보다 높은 토크 곡선을 제공하기 위해, 상부 피스톤(5)이 상향 운동하는 동안 실린더 내부의 압력이 낮을 때 피스톤 표면적이 2배가 되는 것을 특징으로 하는 로터리 밸브 시스템.
6. 실린더 재킷(3) 내부에 연료 공기 혼합물의 보다 균일한 분포를 제공하기 위해 공기 채널이 경사진 방식으로 제공되는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 로터리 밸브(1).

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