KR20150111047A - 엔진 - Google Patents

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KR20150111047A
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김광수
조자윤
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두산인프라코어 주식회사
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Abstract

예시적인 실시예들에 따른 엔진은 실린더 보어를 갖는 실린더, 실린더 보어 내로 공기 및 연료를 유입시키는 흡기 밸브, 실린더 보어 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 연료가 연소하여 발생하는 배기가스의 폭발력을 엔진 직선 구동력으로 변환하는 피스톤, 실린더 보어로부터 발생된 배기가스를 배출시키는 배기 밸브, 및 피스톤과 연결되고 피스톤에 의해 전달된 엔진 직선 구동력을 엔진 회전 구동력으로 변환하는 크랭크샤프트를 포함한다. 흡기 밸브 및 배기 밸브는 3도 내지 6도의 크랭크샤프트의 회전 각도 범위 이내에서 동시에 개방(오버랩)될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예들에 따른 엔진은 체적효율을 유지하면서도 연비 저하를 막고, CH4에 대한 배기가스 규제를 만족시킬 수 있다.

Description

엔진{ENGINE}
본 발명은 엔진에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 천연가스 엔진에 관한 것이다.
대부분의 모든 엔진들이 흡기 밸브 및 배기 밸브가 동시에 개방되는 오버랩을 두고 있다. 일반적으로, 상기 흡기 밸브는 피스톤의 상사점 전에 열리고 하사점 후에 닫히며, 상기 배기 밸브는 상기 하사점 전에 열리고 상기 상사점 후에 닫힌다.
특히, 상기 흡기 밸브의 폐쇄 시기가 빠르면 흡입되는 혼합기의 양이 줄어들어 체적효율이 저하되고, 너무 늦어도 실린더 내로 흡입된 상기 혼합기가 다시 흡기 포트로 역류하게 되어 체적효율이 낮아진다. 또한, 상기 배기 밸브의 폐쇄 시기가 빠르면 배기가스가 충분히 배출되지 못하고, 너무 늦으면 상기 배기가스가 배기 포트로부터 상기 실린더 내로 역류되어 체적효율이 저하된다. 또한, 상기 흡기 포트로 유입된 상기 혼합기가 연소되지 않고 상기 배기 포트로 배출되어, 연비 저하 및 CH4 가스에 대한 배기가스 규제를 만족하지 못할 가능성이 있다.
천연가스(CNG) 엔진은 흡기 포트로부터 연료와 공기가 혼합되어 실린더 내로 유입된다. 따라서, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 개방 및 폐쇄의 시기 조절에 따라 엔진의 성능이 크게 좌우될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 CH4 연료 슬립 최소화 및 체적효율 악화를 최소화하는 엔진을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 엔진은 실린더 보어를 갖는 실린더, 상기 실린더 보어 내로 공기 및 연료를 유입시키는 흡기 밸브, 상기 실린더 보어 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 연료가 연소하여 발생하는 배기가스의 폭발력을 엔진 직선 구동력으로 변환하는 피스톤, 상기 실린더 보어로부터 상기 발생된 배기가스를 배출시키는 배기 밸브, 및 상기 피스톤과 연결되고 상기 피스톤에 의해 변환된 엔진 직선 구동력을 엔진 회전 구동력으로 변환하는 크랭크샤프트를 포함한다. 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는 3도 내지 6도의 크랭크샤프트의 회전 각도 범위 이내에서 동시에 개방(오버랩)될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기 밸브는 상기 피스톤의 상사점 이전(BTDC) 1도 내지 2도의 크랭크샤프트의 회전 각도 범위 이내에서 열릴 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 흡기 밸브는 상기 피스톤의 상사점 이후(ATDC) 2도 내지 4도의 크랭크샤프트의 회전 각도 범위 이내에서 닫힐 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 크랭크샤프트에 기계적으로 연결되어 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브를 작동시키기 위한 캠샤프트를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는 1.5도 내지 3도 범위 이내의 캠샤프트의 회전 각도에서 동시에 개방될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 천연가스(CNG) 엔진일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 압축천연가스를 상기 실린더에 공급하기 위한 연료공급장치를 더 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 엔진은 흡기 밸브 및 배기 밸브가 동시에 개방되는 오버랩을 조절하여 엔진의 체적효율을 유지하면서도 연비저하를 막을 수 있다.
특히, 오버랩 각도를 작게 줄여서 흡기 포트로 유입되는 연료가 연소없이 배기 포트로 바로 배출되는 슬립 현상을 줄일 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예들에 따른 엔진은 상기 오버랩 각도를 조절하여 CH4에 대한 배기가스 규제를 만족할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 엔진을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 크랭크샤프트를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 크랭크샤프트에 대한 타이밍 다이어그램을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 엔진의 오버랩 각도에 대한 엔진의 성능을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 엔진을 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 크랭크샤프트를 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 1의 크랭크샤프트에 대한 타이밍 다이어그램을 나타내는 그래프이다. 도 4는 도 1의 엔진의 오버랩 각도에 대한 엔진의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 4을 참조하면, 엔진은 실린더 보어(12)를 갖는 실린더(10), 실린더 보어(12) 내로 공기 및 연료를 유입시키는 흡기 밸브(20), 실린더 보어(12) 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되는 피스톤(30), 실린더 보어(12)로부터 상기 발생된 배기가스를 배출시키는 배기 밸브(40), 및 피스톤(30)과 연결되는 크랭크샤프트(50)를 포함할 수 있다.
실린더(10)는 실린더 보어(12) 내의 연료와 공기의 폭발력으로 피스톤(30)을 움직일 수 있다. 원하는 출력에 따라서 실린더(10)의 개수는 조절될 수 있다. 실린더(10)는 내열 및 내식성이 요구된다. 따라서, 실린더(10)는 특수주철, 알루미늄합금 등을 포함할 수 있다. 실린더(10)는 마모를 방지하기 위한 특수처리가 된 내면을 가질 수 있다.
흡기 밸브(20)는 흡기 포트(22)를 통해 상기 엔진의 흡입 행정 동안 실린더 보어(12) 내로 상기 공기 및 상기 연료를 유입시킬 수 있다.
흡기 밸브(20)의 개방 및 폐쇄는 흡기 밸브(20)의 상단에 구비되는 로커암(64)에 의해서 수행될 수 있다. 밸브 스프링(44)은 상기 흡입 행정 말기에 흡기 밸브(20)를 닫히게 하고, 동시에 닫힌 상태를 유지하는 역할을 할 수 있다.
피스톤(30)은 실린더 보어(12) 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 연료가 연소하여 발생하는 배기가스의 폭발력을 엔진 직선 구동력으로 변환할 수 있다. 피스톤(30)은 실린더 보어(12) 내에서 왕복운동을 함으로 실린더 보어(12) 내로 유입된 상기 공기 및 상기 연료를 압축하고, 상기 공기 와 상기 유입된 연료가 연소하면서 발생하는 팽창 압력을 커넥팅 로드(34)에 전달한다.
또한, 피스톤(30)은 피스톤(30)의 외주면에 다수개의 피스톤 링들(32)을 구비하여 실린더(10)와 피스톤(30) 사이의 기밀을 유지하면서, 동시에 실린더(10)의 내면 상의 윤활유를 긁어낼 수 있다.
배기 밸브(40)는 상기 엔진의 배기 행정 동안 실린더 보어(12)로부터 상기 발생된 배기가스를 배출시킬 수 있다. 흡기 밸브(20)와 마찬가지로, 배기 밸브(40)의 개방, 폐쇄는 배기 밸브(40)의 상단에 구비되는 로커암(64)에 의해서 수행될 수 있고, 밸브 스프링(44)는 상기 배기 행정 말기에 배기 밸브(40)를 닫히게 하고, 동시에 닫힌 상태를 유지하는 역할을 할 수 있다.
크랭크샤프트(50)는 커넥팅 로드(34)에 의하여 피스톤(30)과 연결될 수 있다. 크랭크샤프트(50)는 피스톤(30)에 의해 변환된 엔진 직선 구동력을 엔진 회전 구동력으로 변환할 수 있다.
크랭크샤프트(50)는 밸런스웨이트(52)를 더 포함할 수 있다. 크랭크샤프트(50)는 상기 엔진의 폭발 행정에서 피스톤(30)으로부터 구동력을 전달받아 회전할 수 있다. 크랭크샤프트(50)는 상기 엔진의 흡입 행정, 압축 행정, 및 배기 행정에서 회전이 멈추려는 방향으로 힘이 작용된다. 밸런스웨이트(52)는 회전관성을 유발하여 크랭크샤프트(50)가 멈추려는 힘을 최대한 억제하도록 할 수 있다. 즉, 밸런스웨이트(52)는 상기 엔진의 흡입 행정, 압축 행정, 폭발 행정, 및 배기 행정 동안에 발생하는 관성이나 토크의 뷸균형을 해소시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 크랭크샤프트(50)에 기계적으로 연결되어 흡기 밸브(20) 및 배기 밸브(40)를 작동시키기 위한 캠샤프트(60)를 더 포함할 수 있다. 캠샤프트(60)는 기어 트레인(도시되지 않음)에 의해 크랭크샤프트(50)와 연동되어, 크랭크샤프트(50)로부터 상기 엔진 구동 회전력의 일부를 전달 받을 수 있다.
캠샤프트(60)는 흡기 밸브(20)를 작동시키기 위한 흡기캠(66) 및 배기 밸브(40)를 작동시키기 위한 배기캠(68)을 포함할 수 있다. 흡기캠(66) 및 배기캠(68)이 푸시로드(62)와 접촉하여, 푸시로드(62)를 승강 혹은 하강시킬 수 있다. 즉, 푸시로드(62)는 캠샤프트(60)의 회전에 연동되어 직선 왕복 운동을 할 수 있다.
또한, 푸시로드(62)는 직선 왕복 운동을 하면서 푸시로드(62)에 접촉된 로커암(64)을 회전시킬 수 있다. 로커암(64)은 회전하여 로커암(64)에 연결된 흡기 밸브(20) 또는 배기 밸브(40)를 개방 또는 폐쇄할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 흡기 밸브(20) 및 배기 밸브(40)는 약 3도 내지 약 6도의 크랭크샤프트(50)의 회전 각도(오버랩 각도) 범위 이내에서 동시에 개방(오버랩)될 수 있다.
상기 엔진이 1000 RPM의 회전속도로 회전할 때, 상기 엔진의 오버랩 각도에 대한 트래핑 비율(Trapping ratio)은 다음과 같다. 상기 트래핑 비율은 흡기 밸브(20)를 통해 들어온 상기 공기 및 상기 연료의 질량에 대한 실린더 보어(12) 내의 상기 공기 및 상기 연료의 질량의 비율을 의미한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 오버랩 각도가 감소할수록 상기 트래핑 비율은 증가한다. 즉, 흡기 밸브(20) 및 배기 밸브(40)가 동시에 개방되는 시간이 줄어들기 때문에, 흡기 밸브(20)로 유입되는 상기 공기 및 상기 연료가 연소없이 배기 밸브(40)로 유출(Slip)되는 것을 줄일 수 있다.
상기 엔진이 1000 RPM의 회전속도로 회전할 때, 상기 엔진의 상기 오버랩 각도에 대한 체적효율(Volumetric Efficiency)는 다음과 같다. 상기 체적 효율은 이론적으로 1 싸이클 당 실린더 보어(12)내로 흡입 가능한 상기 공기 및 상기 연료의 질량에 대한 실제 실린더 보어(12)내로 흡입할 수 잇는 상기 공기 및 상기 연료의 질량의 비율을 의미한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 오버랩 각도가 감소할수록 상기 체적효율은 감소한다. 상기 체적효율이 감소할수록, 새로운 상기 공기 및 상기 연료가 잘 유입되지 못하는 것이므로 상기 엔진에 나쁜 영향을 미친다. 즉, 새로운 상기 공기 및 상기 연료의 기체 관성 효과를 이용할 수 없게 된다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배기 밸브(40)는 피스톤(30)의 상사점 이전(BTDC) 1도 내지 2도의 크랭크샤프트(50)의 회전 각도 범위 이내에서 열릴 수 있다. 또한, 흡기 밸브(20)는 피스톤(30)의 상사점 이후(ATDC) 2도 내지 4도의 크랭크샤프트(50)의 회전 각도 범위 이내에서 닫힐 수 있다.
크랭크샤프트(50)의 상기 회전 각도에 대응하여 캠샤프트(60)의 회전 각도도 조절될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 흡기 밸브(20) 및 배기 밸브(40)는 1.5도 내지 3도 범위 이내의 캠샤프트(60)의 회전 각도에서 동시에 개방될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 천연가스(compressed natural gas, CNG) 엔진이며, 압축천연가스를 실린더(10)에 공급하기 위한 연료공급장치를 더 포함할 수 있다. 상기 연료공급장치는 가스 탱크에 높은 압력으로 저장된 연료 가스를 저온의 안정된 상태로 상기 천연가스 엔진에 공급할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연료 공급 장치는 고압의 연료 가스가 저장된 저장 탱크(도시되지 않음), 및 상기 저장 탱크에 순차적으로 연결되는 가스 레귤레이터, 열교환기 및 연료 미터링 밸브(fuel metering valve)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 상기 엔진은 상기 오버랩 각도가 3도 내지 6도의 범위 이내에 있는 크랭크샤프트(50)를 포함할 수 있다. 상기 오버랩 각도가 약 3도 내지 약 6도의 범위 이내에 있는 경우에, 상기 체적효율과 상기 트래핑 비율은 상충관계(Trade-off)에 있으므로 상기 엔진의 성능을 최적화시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 실린더 12: 실린더 보어
20: 흡기 밸브 22: 흡기 포트
30: 피스톤 40: 배기 밸브
50: 크랭크샤프트 60: 캠샤프트

Claims (7)

  1. 실린더 보어를 갖는 실린더;
    상기 실린더 보어 내로 공기 및 연료를 유입시키는 흡기 밸브;
    상기 실린더 보어 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고, 상기 연료가 연소하여 발생하는 배기가스의 폭발력을 엔진 직선 구동력으로 변환하는 피스톤;
    상기 실린더 보어로부터 상기 발생된 배기가스를 배출시키는 배기 밸브; 및
    상기 피스톤과 연결되고, 상기 피스톤에 의해 변환된 엔진 직선 구동력을 엔진 회전 구동력으로 변환하는 크랭크샤프트를 포함하고,
    상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는 3도 내지 6도의 크랭크샤프트의 회전 각도 범위 이내에서 동시에 개방(오버랩)되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 밸브는 상기 피스톤의 상사점 이전(BTDC) 1도 내지 2도의 크랭크샤프트의 회전 각도 범위 이내에서 열리는 것을 특징으로 하는 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 흡기 밸브는 상기 피스톤의 상사점 이후(ATDC) 2도 내지 4도의 크랭크샤프트의 회전 각도 범위 이내에서 닫히는 있는 것을 특징으로 하는 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 크랭크샤프트에 기계적으로 연결되어 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브를 작동시키기 위한 캠샤프트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는 1.5도 내지 3도 범위 이내의 캠샤프트의 회전 각도에서 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진은 천연가스(CNG) 엔진인 것을 특징으로 하는 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서, 압축천연가스를 상기 실린더에 공급하기 위한 연료공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
KR1020140034370A 2014-03-25 2014-03-25 엔진 KR20150111047A (ko)

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EP15768428.3A EP3124772B1 (en) 2014-03-25 2015-03-25 Engine
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