KR20150130895A - 압축공기 예열 공랭식 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크랭크 피스톤 엔진에서 냉각손실과 배기손실의 문제를 해결하기 위하여 하나의 실린더에서 압축된 압축공기로 2개의 실린더에서 연소/팽창 과정이 이러나도록 구성한 것이 특징이다. 그러나 본 발명은 경부하에서는 종래의 엔진에서와 같이 각각의 실린더에서 흡입, 압축 연소/팽창의 모든 과정이 진행되기도 한다.
본 발명이, 예를 들어, 3기통 엔진으로 구성될 경우, 양단(Both Ends) 실린더에서 압축된 압축공기 중에 절반(1/2) 정도가 중앙 실린더로 보내지고, 중앙 실린더에서는 공기를 흡입하지 않고 양단 실린더로부터 공급받아 연소/팽창 과정으로 동력이 생산된다.
본 발명에서는, 실린더 라이너 상부에 압축공기를 가열하는 가열기(Heater)가 구비되어 있고, 실린더 라이너 하부에는 실린더 라이너를 냉각하기 위한 (수랭식의 워터재킷에 해당하는) 에어재킷이 구비되어 있다. 상기 양단 실린더에서 압축된 압축공기는 양단 실린더의 가열기로 압송되어 1차 예열되고, 이어서 중앙 실린더의 가열기로 이동하여 2차 예열된 후, 중앙 실린더에 입력된다.
본 발명에서는 송풍기로 대기(냉각공기)를 흡입하고 상기 에어재킷으로 압송하여 실린더 라이너가 냉각된다. 상기 압축공기 예열온도는 이 냉각공기의 유동량으로 제어된다.
이와 같이 구성된 본 발명에서는 배기 손실을 크게 줄이고 냉각손실도 크게 줄여 엔진의 열효율이 크게 높아진다.

Description

압축공기 예열 공랭식 엔진 {Compressed-Air Preheating Air-Cooled Engine}
크랭크 피스톤 엔진에서 냉각손실은 주어진 연료 에너지에 대하여 약 30% 이상으로 높다. 또한 배기과정에서, 피스톤이 하사점에 이르러도 실린더의 연소가스는 다 팽창하지 못하고 대기로 배기된다. 본 발명은 이러한 냉각손실과 배기손실을 기계적 동력으로 회수하여 열효율이 높아지도록 하는 공랭식 엔진의 구조에 관한 것이다.
크랭크 피스톤 엔진에서, 피스톤이 공기를 흡입한 후 실린더에 연료가 주입되지 않고 피스톤이 상사점(TDC)으로부터 후진하여 하사점(BDC)에 이를 경우, 실린더에서의 마찰력을 무시하고 또 실린더 벽면이 완전하게 단열된 상태로 가정하면, 실린더에 흡입된 공기는 피스톤이 하사점이 이를 때 팽창을 다하게 된다. 따라서 실린더에 연료가 주입되어 연소된 경우, 실린더의 연소가스는 피스톤이 하사점에 이르러도 팽창을 다하지 못하고 대기로 배출된다. 이 배기손실은 크랭크 피스톤 엔진의 피할 수 없는 구조적 결함이다.
한편, 크랭크 피스톤 엔진에서 흡배기 밸브는 일반인이 상상할 수 없을 정도로 발달되고 있다. 예를 들어 타이밍 기어 바로 옆에 (로터리) 베인 펌프와 유사한 구조의 유압으로 작동하는 액추에이터(Actuator)로 타이밍 기어와 캠축이 비틀어지도록 하는 가변밸브도 개발 되었고, 캠이 없이 솔레노이드와 유압으로 작동하는 가변 밸브도 있으며, 닛산 VVEL(Variable Valve Event and Lift), 토요타의 Valvematic, BMW Valvetronic, 피아트 멀티에어 등 다양한 형태의 (열고 닫히는 시기뿐만이 아니라 Lift까지도 제어되는) 가변밸브가 개발되어 이미 차량엔진에 적용되고 있다.
또한 실린더에 연료를 주입하는 분사장치도 크랭크축에 연결되어 작동하는 플런저(Plunger) 펌프 유형에서 커먼레일(Common Rail) 솔레노이드/피에조 형태의 것으로 개발되어 연료가 (가솔린조차도) 실린더에 가변적으로 분사된다.
이와 같이 흡배기 밸브 및 연료 분사 장치의 발달에 따라, 본 발명은 실린더에서 압축된 압축공기가 실린더를 냉각하면서 예열될 수 있고, 또 팽창과정에서 충분히 팽창될 수 있도록 구성하여, 상기 냉각손실과 배기손실을 크게 줄일 수 있게 되었다.
본 발명은 (실린더에 연료를 직접 분사하는) 직분사 엔진의 실린더에서, 피스톤의 왕복운동에 따라 흡입 압축된 압축공기가 실린더를 냉각하면서 예열된 후, 다시 인접한 실린더에 입력되고 이 압축공기에 연료가 분사 연소 되도록 하며, 실린더에서 연소가스가 충분히 팽창하면서 동력을 생산하도록 하여, 엔진의 열효율이 크게 향상되도록 한 것이다. 즉, 본 발명은 버려진 엔진의 냉각손실과 배기손실을 기계적 동력으로 회수하여 엔진의 열효율이 크게 높아지도록 한 것이다.
본 발명은, 실린더 라이너 둘레에 실린더 라이너를 냉각하면서 압축공기를 예열하는 가열기(Heater)가 장치되어 있고, 또 (워터재킷에 해당하는) 에어재킷이 구비되도록 하고, 송풍기가 에어재킷으로 대기를 흡입 압송되도록 하여, 실린더 라이너가 냉각되도록 하고, 실린더 헤더에 압축공기 입력밸브가 추가 장착되어, 실린더에서 흡입 압축된 압축공기 중 절반(1/2) 정도의 압축공기가 상기 가열기에서 가열된 후, 인접한 실린더로 입력되고, 이 실린더에서는 공기의 흡입 압축 과정 없이, 입력된 압축공기에 연료가 분사 연소되어, 연소가스가 동력을 생산하면서 팽창되고 배기되도록 구성하여, 종래 엔진의 배기손실과 냉각손실 문제를 해결한 것이다.
본 발명이 차량의 엔진에 적용되면, 냉각손실과 배기손실을 줄여 엔진의 열효율을 높일 수 있고, 엔진의 중량을 크게 줄여 연비를 더 높일 수 있다. 즉, 엔진의 냉각수, 냉각수 순환 펌프, (열교환기) 라디에이터, 등이 필요하지 않으므로 중량을 크게 줄일 수 있어 연비를 더 높일 수 있다.
도 1은 종래의 크랭크 피스톤 엔진의 기본 구조를 보인 요부 단면도.
도 2는 종래의 크랭크 피스톤 엔진의 실린더 블록을 보인 입체도
도 3은 상업용 실린더 라이너(Wet Type Liner/Sleave)의 외형도
도 4는 종래의 엔진 블록에 실린더 라이너가 장착된 모양을 보인 단면도
도 5는 상업용 공랭식 6기통 디젤엔진(Deutz F6L912)의 외형도
도 6은 위의 공랭식 디젤엔진의 실린더 라이너의 외형도
도 7은 3기통(3-Cylinder) 엔진(GM ECOTEC)의 요부 입체도
도 8은 본 발명 실린더 라이너의 세부 모양을 보인 입체도
도 9은 본 발명 실린더 라이너의 압축공기 가열기의 모양을 보인 입체도
도 10는 본 발명 압축공기 가열기(Heater)의 외벽(Shell)를 보인 입체도
도 11은 압축공기 실린더 라이더의 (압축공기 가열기를 격리하는) 격리원판 입체도
도 12은 본 발명의 요부를 보인 단면도
도 13는 본 발명의 또 다른 요부를 보인 단면도
도 14은 종래 3기통 크랭크 피스톤 엔진의 4행정 진행 과정 도표
도 15은 본 발명의 4행정 진행 과정 도표
도 16는 상업용 로터리 블로워의 요부 단면도
도 17은 로터리 기체 팽창기의 요부 단면도
도 18은 본 발명의 공랭식 냉각 시스템 다이어그램
도 1은 종래의 크랭크 피스톤 엔진의 기본구조를 대체로 보인 단면도이다. 도 2는 4기통 피스톤 엔진의 실린더 (Closed Deck) 블록을 보인 것이고, 도 3은 상업용 실린더 라이너의 모양을 보인 것이다. 도 4는 이 실린더 라이너가 상기 실린더 블록에 끼워 맞춰진 단면을 보인 것이다. 도시한 바와 같이 실린더 라이너 둘레에는 워터재킷(Water Jacket)이 형성된다. 엔진의 실린더 라이너는 냉각수가 이 워터재킷에서 열을 발산하는 방열기(Radiator)로 순환되면서 냉각된다. 종래의 피스톤 엔진에서는 이 냉각손실이 주어진 연료에너지에 대하여 약 30% 정도로 높다.
이와 같은 구조의 피스톤 엔진에서는, 피스톤(2)이 크랭크에 의하여 상하 왕복운동을 하면서 공기가 흡입, 압축되고, 근래에 발달된 직분사 엔진에서는, 피스톤이 상사점에 이를 때, 연료가 연료분사기(9)에 의하여 실린더(1)에 분사되어 연소되고, 이어서 연소가스는 팽창하면서 동력을 생산한 후 배기된다. 이러한 흡입, 압축, 연소/팽창 및 배기의 과정은 각각의 실린더에서 순차적으로 계속 일어난다. 따라서 종래의 엔진은 실린더에서 연소가스가 팽창과정에서 다 팽창하지 못하고 대기로 배기되는 구조적인 결함을 지니고 있다.
도 5는 공랭식 6기통 디젤엔진(Deutz F6L912)의 외형을 보인 것이고, 도 6은 이 디젤엔진의 실린더 라이너를 보인 것이다. 이 실린더 라이너 둘레에는 냉각핀(Cooling Fin)이 형성되어 있다. 따라서 이 실린더 라이너를 실린더 블록에 장착하면 수랭식 엔진의 (도 4에 보인) 워터재킷과 같은 에어재킷(Air Jacket)이 형성된다. 이 공랭식 디젤엔진에서는, 대기(Cooling Air)가 터빈타입(Axial Flow)의 송풍기에 의하여 이 에어재킷으로 압송되도록 하여 엔진이 냉각된다. 본 발명에서도 이와 같은 방법으로 실린더 라이너(11,21)가 냉각된다. 본 발명의 실린더 냉각방법은 다음에 자세히 설명된다.
도 7은 3기통(3-Cylinder) 엔진(GM ECOTEC)의 요부를 보인 것이다. 이러한 3기통 엔진의 크랭크 각은 120°이고, 폭발(연료의 연소/팽창) 과정이 1-2-3(또는 1-3-2) 실린더 순으로 일어난다. 발명은, (예를 들어) 이러한 3기통(3-Cylinder) 엔진에서, 중앙에 위치한 실린더에서는 공기의 흡입 압축 과정 없이, 인접한 실린더로부터 예열된 압축공기를 공급받아, 연소, 팽창 및 배기 과정으로 동력을 생산 하도록 구성된다.
도 8은 본 발명의 실린더 라이너(11)를 보인 입체도이다. 이 라이너 상부에는 압축공기를 가열하는 가열핀(11b, Heating Fin)이 형성되어 있고, 하부에는 이 라이너를 냉각하는 냉각핀(11g, Cooling Fin)이 형성되어 있다. 도 10는 원통이 두개로 나누어진 모양의 것을 보인 입체도이다. 이러한 원통의 것(11a, Shell)이 상기 실린더 상부 둘레에, 도 12에 보인 바와 같이, 씌워져 나누어진 부분(21d)이 용접으로 접합되고, 실린더 라이너의 플랜지(11h) 및 실린더 원통 부위(11d,21d)에 용접으로 부착되면, 실린더 상부에는 압축공기 가열기(Heater)가 구성된다. 도 9는 상기 실린더 라이너에 압축공기 가열기 외벽(11a,21a)이 부착된 모양을 보인 것이다.
도 11은 두(2)쪽으로 된 원판의 외형을 보인 입체도이다. 이는 상기 압축공기 가열기와 실린더 하부의 (실린더 냉각용) 에어재킷(18,28) 부분을 격리하기 위한 격리원판(11f,21f)으로 사용된다. 상기 가열기 외벽(11a,21a)의 둘레와 밑면에, 도 12 및 도 13에 보인 바와 같이, 보온재(11e,21e)를 붙이고 상기 격리원판(11f,21f)을 보온재 아래에 두고 실린더 블록에 끼워 맞추면 실린더 라이너에는 상부에 압축공기 가열기(11a,21a)가 구성되고 하부에는 실린더 라이너를 공기로 냉각하는 에어재킷(18,28)이 구성된다.
이러한 실린더 라이너(11,21)의 상부 플랜지(11h,21h)에는 압축공기 가열기(11a,21a)의 입구(17b,27b)와 압축공기 가열기의 출구(17c,27c)가 형성되어 있다. 이 압축공기 가열기의 입구(17b)가 하나인 실린더 라이너(11)는 3기통 엔진에서 양단 실린더 블록에 도 11에 보인 바와 같이 끼워 맞춤되고, 가열기(21a)의 입구(27b)가 2개인 실린더 라이너(21)는 중앙 실린더 블록에 끼워 맞춤된다. 상기 양단 실린더(11)에서 압축된 압축공기는 각 압축공기 가열기(11a)로 압송되어 1차 가열되고 중앙 실린더(21)의 압축공기 가열기(21a)로 이동하여 2차 가열된 후, 중앙 실린더(21)에 입력된다. 이는 아래에서 자세히 설명된다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 요부 단면을 보인 것으로, 도 12는 3기통 엔진에서 양단에 위치한 실린더의 요부 단면도이고, 도 13은 중앙에 위치한 실린더의 요부 단면도이다. 본 발명에는 종래 엔진의 흡배기 밸브와 유사한 형태의 압축공기 배출밸브(17)와 압축공기 입력밸브(27)가 실린더 헤더 배기밸브 사이에 추가 장착된다. 이들 밸브는 편의상 캠에 의하여 작동하는 것으로 도시하였으나, 첨단 기술이 적용된 가변밸브이다. 근래에 개발되어 차량 엔진에 사용되고 있는 흡배기 밸브에는 캠이 없이 유압 및 솔레노이드(Solenoid) 전기장치로 작동하여 열고 닫히는 시기(Timing) 뿐만이 아니라 밸브의 리프트까지도 제어되는 최신 기술이 적용되고 있다.
본 발명에는 양단 실린더 헤더(13)에, 도 12에 보인 바와 같이, 상기 압축공기 배출밸브(17)에서 상기 압축공기 1차 가열기(11a)의 입구(17b)로 통하는 압축공기 이동통로(17a)가 형성되어 있고, 도 13에 보인 바와 같이, 상기 가열기의 출구(17c)에서 중앙 실린더의 압축공기 2차 가열기(21a)의 입구(27b)로 통하는 압축공기 이동통로(27a)가 형성되어 있으며, 또 이 가열기의 출구(27c)에서 압축공기 입력밸브(27)로 연결된 이동통로(27d)가 형성되어 있다. 이들 압축공기 이동통로(17a,27a,27d)들은 압축공기의 열이 손실되지 않도록 하는 보온장치가 요구된다. 이 보온 장치는 공지의 기술로 실현될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명은 시동 초기 또는 경부하에서는 종래의 엔진에서와 같이 작동한다. 즉, 각각의 실린더에서 흡입, 압축, 연소/팽창 및 배기의 과정이 진행된다. 그러나 어느 정도 시간이 지나 엔진이 가열되면 중앙의 실린더에서는 공기를 흡입하여 압축하지 않고 양단 실린더에서 압축된 압축공기를 공급받아 연소/팽창 및 배기의 과정이 아래와 같이 진행된다.
본 발명의 양단 실린더에서는 언제나 공기가 흡입 압축된다. 본 발명 엔진이 시동 후 얼마간 시간이 지나 엔진이 가열되면, 압축공기 배출밸브(17)가 ECU(Engine Control Unit)의 제어에 따라 압축과정 중에 열리고 닫힌다. 이 밸브가 열리고 닫히는 시기는 엔진의 부하에 따라 ECU에 의하여 제어된다. 이 밸브(17)가 열리면 피스톤에 의하여 압축되고 있는 압축공기 중 절반(1/2) 정도가 이동통로(17a)를 통하여 상기 압축공기 1차 가열기(11a)로 압송되고, 이어서 중앙 실린더의 압축공기 2차 가열기(21a)로 이송된다.
이 압축공기 배출밸브(17)는 피스톤이 상사점을 지나 후진할 때 뒤늦게 닫힐 수도 있다. 그러면 압축공기는 가열기(11a)로부터 실린더로 유입(역류)하게 된다. 그러나 에너지 손실은 이러나지 않는다. 이 경우 순간적이지만 이 압축공기는 상기 가열기(11a)에서 얼마간 가열되므로 실린더로 되돌아온 압축공기의 엔탈피(PV)는 얼마간 증가하게 된다. 따라서 이 압축공기는 상기 엔탈피의 증가량으로 피스톤을 밀어내면서 동력을 생산하기 때문이다.
양단의 실린더에는 압축공기가 절반(1/2) 정도 남겨지고, 이 압축공기에 종래의 엔진에서와 같은 연소, 팽창 및 배기의 과정이 진행되어 동력이 발생하게 된다. 그러나 배출밸브(17)가 열림에 따라 압축공기 1차 가열기(11a)로 압송된 압축공기는 이 1차 가열기(11a)에서 예열되고, 이어서 중앙 실린더 라이너(21)의 압축공기 2차 가열기(21a)로 흐르는 동안 더 높은 고온으로 예열된다. 이 가열기(11a/21a) 바로 아래에는 실린더를 냉각하기 위한 에어재킷(18/28)으로 냉각공기가 흐르고 있다. 이 냉각 공기량을 감소시키면 압축공기는 더 고온으로 예열된다. 향후 고온에 견딜 수 있는 신소재 실린더 라이너가 개발되면 이 압축공기는 더 높은 고온으로 예열 될 수 있다. 아래에서 본 발명의 실린더 냉각방법은 자세히 설명된다.
한편, 중앙 실린더(21)에서는, 피스톤이 상사점에 이르러 연소가스가 배기된 후, 종래 엔진의 흡입과정의 시점에 ECU의 제어에 따라 (가상선으로 도시한) 흡기밸브는 닫혀있는 상태로 작동을 멈추고, 대신에 상기 압축공기 입력밸브(27)가 열리고 이어 엔진의 부하에 따라 적절한 시기에 닫힌다. 이 입력밸브(27)가 열리면 1차/2차 가열기(11a/21a)에서 예열된 압축공기는 중앙 실린더로 유입된다. 이 예열 압축공기 유입량은 (도시하지 않는) 배기밸브가 닫히는 시기에도 영향을 받는다. 예를 들어, 배기밸브가 조기에 닫혀 피스톤이 상사점에 이르러 상기 입력밸브(27)가 열릴 때, 연소가스의 배압이 예열 압축공기의 압력보다 더 높으면 배기되지 못한 연소가스가 상기 2차 가열기(21a)로 유입(역류)될 수도 있다. 따라서 상기 입력밸브(27) 및 배기밸브(27)의 작동은 엔진의 부하에 따라 적절히 제어된다.
본 발명 엔진이 경부하로 운전될 경우, 중안 실린더에 입력된 예열 압축공기가 상기 2차 가열기(21a)에서 연료의 자연착화 온도 이상으로 예열되지 못할 수도 있다. 그러나 일반적으로 연소가스의 배기온도는 상당히 높은 500℃ 정도이므로, 또 이 배기가스의 온도는 배기밸브가 닫히는 시기에 따라 정해지므로, 이 배기가스의 Feed Back이 활용되어 실린더(21)에 입력되는 예열 압축공기의 온도는 연료의 자연착화 온도 이상으로 엔진의 부하에 관계없이 유지될 수 있다.
이와 같이, 중앙실린더에서는 연소가스가 배기된 후 공기가 흡입되지 않고 자연착화 온도 이상의 예열 압축공기가 입력된다. 이어서 이 예열 압축공기에 ECU의 신호에 따라 연료가 연료분사기(29)를 통하여 분사되어 연소되고, 연소가스가 팽창하면서 동력을 생산하고 배기된다. 중앙 실린더에서는 종래 엔진에서의 대기 흡입과정이 연소/팽창 과정으로 진행된다. 연료의 분사량과 분사 시기는 엔진의 부하, RPM 및 연료의 착화지연에 따라 ECU에 의하여 제어된다.
이와 같이 본 발명은 중앙 실린더에서 흡입 및 압축 과정 없이 연소/팽창 및 배기 과정으로, 하나의 실린더에서 공기가 압축되고 2개의 실린더에서 팽창과정이 진행되며, 압축공기가 예열되도록 구성하여 종래의 엔진에서의 배기손실과 냉각손실을 해소한 것이 특징이다.
도 14는 종래의 3기통 엔진에서 진행되는 흡입, 압축, 팽창 및 배기의 과정을 도표로 보인 것이다. 3기통 엔진에서 크랭크 각은 120°이므로 도 14에 보인 바와 같이 상기 과정은 인접한 실린더에서 240°의 위상각으로 일정하게 반복된다. 도 15는 본 발명이 적용된 3기통 엔진에서 각 실린더에서 진행되는 상기 과정을 도표로 보인 것이다. 종래 엔진에서 중앙의 흡입 및 팽창 과정이 본 발명에서는 동력을 생산하는 팽창 및 배기의 과정으로 바뀌어 있다. 즉, 본 발명에서는 중앙 실린더에서, 흡입과 압축 과정 없이, 양단의 실린더에서 압축공기를 공급 받아 팽창 및 배기의 과정이 반복된다.
도 16은 공기를 압송하는 송풍기, 진공펌프(Vacuum Pump), (종래의 피스톤 엔진에서 흡기량을 많게 하는 슈퍼차저) 과급기, 공기압축기 등으로 사용되고 있는 상업용 로터리 블로워(Blower)의 단면을 보인 것이다. 이 블로워의 로터(Rotor)는 사이클로이드(Cycloid) 곡선으로 되어 있어 유체의 기밀(Seal)성이 좋은 것이 특징이다. 이러한 크고 작은 2개의 로터리 블로워를 직렬로 연결하고 4개의 로터가 모두 같은 RPM으로 회전하도록 구성하면, 이는 압력을 지닌 기체가 동력을 생산하면서 팽창하는 기체 팽창기로 작동한다.
도 17은 이러한 기체 팽창기(32)의 요부 단면을 보인 것이다. 이 기체 팽창기의 입구(Inlet)에 진입한 압력을 지닌 기체는 작은 로터의 요부(Hypo-Cycloid 곡선부분) 포켓(32a, Pocket)에 실려서 큰 로터 챔버(32c, Chamber) 쪽으로 (Step-By-Step) 옮겨진다. 이 챔버(32c)로 옮겨진 기체는 (출구와 입구의) 압력차에 따라 로터를 회전시키면서 (동력을 생산하면서) 출구(Outlet)로 이동 배출된다.
도 18는 이러한 기체 팽창기를 사용한 본 발명의 실린더 냉각 시스템을 보인 다이어그램이다. 도 18에 보인 본 발명의 실린더 냉각 시스템에서는, 송풍기(31)가 대기(냉각용 공기)를 흡입하여 실린더(11,21) 둘레에 형성된 에어재킷(18,28)으로 압송한다. 이 냉각용 공기는 실린더 라이너에 형성된 냉각핀(11g,21g)에 의하여 가열되면서 실린더 라이너(11,21)를 냉각한다. 이러한 열교환으로 냉각공기의 엔탈피가 높아지게 되는데, 만약 이 엔탈피의 증가량(PV)이 낮으면, 솔레노이드 밸브(34)가 열리고 이 냉각공기는 대기로 방출된다. 그러나 상기 엔탈피 증가량이 상당할 경우, 이 냉각공기는 ECU의 제어에 따라 유량제어(Flow Control) 밸브(32)를 통하여 기체팽창기(32)로 진입하여, 이 기체 팽창기에서 대기와의 압력차로 로터를 회전시키고 동력을 생산하면서 팽창하고, 다음 대기로 방출된다.
상기 에어재킷으로 흐르는 냉각공기 량은 ECU의 신호에 따라 유량제어 밸브(35)로 제어된다. 예를 들어, 중앙 실린더로 입력되는 예열 압축공기의 온도가 낮으면, 에어재킷으로 흐르는 냉각공기 량이 이 유량제어 밸브(35)에 의하여 줄어든다. 따라서 실린더 라이너의 온도는 높아지게 되므로 결국 압축공기는 더 높은 고온으로 가열된다.
본 발명의 실린더 냉각 시스템에서 사용된 기체 팽창기(32)는 해결되어야 할 문제를 지니고 있다. 입력된 기체의 압력과 팽창되는 기체의 압력과의 압력 차가 클 경우, 로터 요부포켓(32a)이 밀봉 상태에서 막 열릴 때, 열린 틈새(32b)를 통하여 상기 챔버(32c)로 별안간에 얼마간 팽창하게 된다. 이 경우, 기체가 지닌 엔탈피(PV)량은 변하지 않는다. 따라서 이 팽창 량은 열역학적으로 동력을 생산하지 못한다. 향후 어떤 기체 팽창기가 개발되어, 입력된 압력을 지닌 기체가 별안간에 팽창하지 않고 마치 실린더에서 피스톤이 후진하면서 팽창하듯이 점진적으로 팽창할 경우에는, 실린더를 냉각하면서 상당한 동력을 얻어낼 수 있을 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명에서는 종래 엔진의 냉각손실과 배기손실을 기계적 동력으로 회수할 수 있고, 차량 엔진에 적용하면, 공랭식 엔진의 장점으로 차량의 중량을 줄일 수 있으므로 엔진의 연비를 더 높일 수 있는 것이 특징이다.
본 발명은 차량의 엔진뿐만이 아니라 모든 내연기관에 적용 가능하다.
1 : 실린더
2 : 피스톤
3 : 실린더 헤더(Header)
4 : 흡기구 (Intake Port)
4a: 배기구 (Exhaust Port)
5 : 흡기밸브
5a: 흡기밸브 캠(Cam)
5b: 흡기밸브 스프링
6 : 배기밸브
6a: 배기밸브 캠
6b: 배기밸브 스프링
11/21 : 실린더 라이너 (Cylinder Liner/Sleeve)
11a/21a: 압축공기 1차/2차 가열기(Heater) / 가열기 외벽(Shell)
11b/21b: 압축공기 가열 핀 (Heating Fin)
11c/21c: 압축공기 가열기의 예열공기 이동통로
11d/21d: 본 발명 가열기 외벽 용접 부위
11e/21e: 보온재
11f/21f: (압축공기 가열기와 실린더 라이너 냉각기를 격리하는) 격리원판
11g/21g: 실린더 라이너 냉각 핀 (Cooling Fin)
13 : 실린더 헤더
14 : 흡기구 (Intake Port)
15 : 흡기밸브
15a: 흡기밸브 캠
17 : 압축공기 배출밸브
17a: 압축공기 이동통로
17b: 압축공기 1차 가열기 입구
17c: 압축공기 1차 가열기 출구
18/28: 실린더를 냉각하기 위한 에어재킷
19/29: 연료 분사기 (Fuel Injector)
27 : 예열 압축공기 입력밸브
27a: 예열 압축공기 이동통로
27b: 예열 압축공기 2차 가열기 입구
27c: 예열 압축공기 2차 가열기 출구
27d: 예열 압축공기 이동통로
31 : 대기(냉각용 공기)를 흡입 에어재킷으로 압송하는 송풍기
32 : 기체 팽창기
32a: 로터의 요부(Hypo-Cycloid 곡선부분) 포켓(Pocket)
32b: 기체팽창기의 로터 요부 포켓이 막 열릴 때 틈새
32c: 기체팽창기의 큰 로터 쪽 챔버(Chamber)
33 : 가스팽창기에 유입되는 냉각공기 유량 제어밸브
34 : 냉각공기 대기 방출용 솔레노이드 밸브
35 : 에어재킷으로 흐르는 냉각공기 유량제어 밸브

Claims (1)

  1. 연료를 실린더에 분사하는 크랭크 피스톤 엔진에 있어서,
    실린더 라이너(11,21) 상부에 압축공기를 가열하기 위한 가열핀(11b,21b)이 형성되어 있는 압축공기 가열기(11a,21a)가 구비되고,
    이 실린더 라이너의 플랜지(11h,21h)에 상기 가열기의 입구(17b,21b)와 출구(17c,21c)가 형성되어 있으며,
    한 실린더(11)에서 압축된 압축공기가 인접한 실린더(21)로 이동할 수 있도록 종래 엔진의 실린더 헤더(13)의 배기밸브 사이에 압축공기 배출밸브(17)와 입력밸브(27)가 추가 장치되어 있고,
    이 배출밸브(17)에서 실린더 둘레에 형성된 압축공기 가열기(11a)의 입구(17a)로 연결되는 압축공기 이동통로(17a)와 이 가열기(11a)의 출구(17c)에서 인접한 실린더(21)의 가열기(21a)의 입구(27b)로 통하는 압축공기 이동통로(27a) 및 이 가열기(21a)의 출구(27b)에서 상기 압축공기 입력밸브(27)로 연결되는 압축공기 이동통로(27d)가 실린더 헤더에 구비되어 있으며,
    상기 실린더(11)에서 압축된 압축공기의 일부가 상기 배출밸브(17)의 작동에 따라 상기 가열기(11a)로 압송되어 예열되고, 이어서 인접한 실린더(21)의 가열기(21a)로 이동하여 2차 예열된 후, 상기 압축공기 입력밸브(27)의 작동에 따라 인접한 실린더(21)에 입력되도록 하여,
    이 실린더(21)에서는 공기가 흡입 압축되지 않고, 흡입 및 압축 과정 대신에 연소/팽창 및 배기의 과정이 진행되어 동력을 생산하도록 구성된 압축공기 예열 공랭식 엔진.
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