KR20170035333A

KR20170035333A - 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 사이클 내연기관

Info

Publication number: KR20170035333A
Application number: KR1020160120407A
Authority: KR
Inventors: 조주혁
Original assignee: 조주혁
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2017-03-30

Abstract

본 발명은 2 행정 1 싸이클 내연기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 2 행정 1 싸이클 내연기관의 급기-소기 구조에 대한 고정관념의 틀을 벗어나 기관 외부의 별도의 공기압축 기구에 의한 급기-소기 방식을 도입한 신개념의 2 행정 1 싸이클 내연기관을 개시한다. 본원에 따른 기관에 공급되는 공기의 양과 공기의 유동을 보다 정밀하고 완벽하게 제어하여 안정적이고 효율적인 성층 희박연소를 실현함으로써 기관의 출력 성능과 효율을 증대하고 연료 소비량은 물론 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂) 및 미연소 가스(HC) 등의 유해가스 배출도 저감하며, 동시에 기관을 소형화 경량화함으로써 기관의 체적과 중량을 줄이고 기관의 제조비용과 운전비용도 절감할 수 있다.

Description

기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 사이클 내연기관 {2 Stroke 1 Cycle Engine with External Compressed Air Supplying System}

본 발명은 2 행정 1 사이클 내연기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 2 행정 1 사이클 내연기관의 급기-소기 구조에 대한 고정관념의 틀을 벗어나 기관 외부의 별도의 공기 압축 기구에 의한 급기-소기 방식을 도입한 신개념의 2 행정 1 사이클 내연기관의 구성에 관한 발명으로, 기관에 공급되는 공기의 양과 공기의 유동을 보다 정밀하고 완벽하게 제어하여 안정적이고 효율적인 성층 희박연소(Stratified Lean Burn)를 실현함으로써 기관의 출력 성능과 효율을 증대하고 연료 소비량은 물론 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂) 및 미연소 가스(HC) 등의 유해가스 배출도 저감하며, 동시에 기관을 소형·경량화 함으로써 기관의 체적과 중량을 줄이고 기관의 제조비용과 운전비용도 절감하는 기술에 관한 것이다.

현재 자동차 제조사들이 당면하고 있는 현안은 현재 40%에도 미치지 못하고 있는 가솔린 엔진의 열효율을 높이고 연비를 향상하는 등 기관의 효율과 성능을 높이는 문제와 날로 엄격해 지는 자동차 주요 소비국들의 배기가스 규제에 대처하기 위하여 NOx, CO, CO₂ 및 HC 등의 유해가스 배출을 저감하는 문제를 해결하는 것이다.

이러한 문제들을 해결하기 위하여 현재 대부분의 자동차 제조사들이 시도하고 있는 기술개발의 방향은 연료소비를 줄이고 엔진의 열효율을 높이면서 동시에 유해 배기가스를 줄일 수 있도록 희박연소(Lean Burn) 시스템을 개선한 효율적인 엔진에 관한 기술의 개발이나 엔진의 배기량을 줄이고 이로 인하여 낮아진 출력을 직분사와 터보차저 등에 의한 과급으로 보충하여 엔진의 소형·경량화를 도모하는 방향으로 진행되고 있다.

가솔린 기관에 공기를 과잉으로 공급하여 연료를 연소시키는 희박연소는 비열비와 체적효율을 향상하여 기관의 열효율과 출력성능을 높이고, 연료의 소비량을 줄여서 기관의 연비를 향상하며, 또한 최고 연소 온도가 낮아 NOx를 감소시키고 동시에 완전연소로 인한 CO 및 HC의 발생도 저감하므로, 이 분야는 바람직한 기술개발의 방향이다.

기존의 왕복 피스톤식 내연기관은 피스톤이 고속으로 왕복운동을 하면서 제한된 체적의 실린더 내에서 공기의 흡기-압축 행정을 거쳐 연료의 연소로 동력을 발생하는 정적(定積) 사이클 기관(Otto Cycle Engine)으로, 이 기관은 2 행정 1 사이클 내연기관(이하 ‘2 행정기관’이라 함)이든 4 행정 1 사이클 내연기관(이하 ‘4 행정기관’이라 함)이든 연소 행정에 필요한 공기의 흡기(또는 소기·급기)-압축 행정을 제한된 체적의 실린더 내에서 제한된 시간 내에 고속으로 왕복운동을 하는 피스톤에 의해 발생하는 압력 변화에 의존해야 하는 구조적 특성을 가지고 있다.

기존의 가솔린 기관의 효율을 높이기 위해 실린더 내에 성층 희박연소를 유도하는 기술은 실린더 내에 공급되는 공기의 양과 공기의 유동을 정밀하게 제어하여 안정되고 효율적인 성층을 형성하는 것이 관건이다. 그러나 위와 같은 기존의 정적 사이클 기관의 구조적 특성 때문에, 기관에 공급되는 공기의 양과 유동을 정밀하게 제어하는 데에는 한계가 있다.

기존의 4 행정기관에서는 흡기 행정에서 흡기 밸브의 작동이나 흡기포트의 구조 및 기타 보조기구와 복잡한 제어장치에 의존하여 실린더 내에 스월(swirl) 또는 텀블(tumble) 등 와류가 형성되도록 유도하여 혼합기의 성층을 형성하는 것은 가능하다. 그러나 바로 기관의 하사점에 이르러 다시 압축행정이 진행되면, 압축행정에 의해 실린더 내의 공기의 밀도가 증가되고 이에 따라 공기의 점성도 함께 증가하기 때문에, 유동하는 공기 간에, 또는 유동하는 공기와 실린더 벽면, 실린더 헤드, 그리고 피스톤 헤드 간에 마찰이 발생한다.

이렇게 발생하는 마찰에 의해 흡기 행정에서 형성된 와류는 유동 속도가 느려지고 흡기 과정에서 형성된 성층도 일부가 와해되므로, 이상적인 성층 형성은 실현되기 어렵다. 특히 실린더에서 흡기행정이 없이 크랭크 실 압축방식 등에 의해 급기된 공기를 곧바로 압축하는 기존의 2 행정기관에서는 실린더 내에 성층을 형성하는 것 자체도 거의 불가능하다.

최근에는 고압 분사식 GDI 엔진의 개발로 압축행정 후기에 고압 연료 분사장치에 의해 연소실에 연료를 직접 분사하여 비교적 용이하게 희박연소를 실현하고 있다. 그러나 희박연소 시에는 연소속도가 떨어져서 출력성능이 저하되므로, 희박연소는 모든 운전영역에서 적용되지 않고 저속이나 정속운전 등 저부하 영역에서만 적용되며, 엔진의 힘이 필요한 급가속이나 고부하 영역에서는 일반 엔진과 다름없이 흡기행정에서 이론 공연비 혹은 그 이상의 농후한 공연비로 연료를 공급하여 연료를 연소시킴으로써 출력성능과 토크를 향상시킨다.

한편, 기존의 4 행정기관에서 1개의 실린더에서 1회의 유효일(1회의 연소-팽창 행정)을 발생하기 위해서는 크랭크축이 2회전을 해야 하기 때문에, 크랭크축 1회전에 1회의 유효일이 발생하기 위해서는 2개의 실린더가 필요하다. 그러나 기존의 2 행정기관은 1개의 실린더만으로 크랭크축 1회전에 1회의 유효일을 발생하기 때문에, 동일한 행정체적의 실린더를 기준으로 하면, 2 행정기관의 1개의 실린더는 4 행정기관의 2개의 실린더와 이론상 동일한 출력을 낼 수 있다. 따라서 현재 자동차에 가장 흔히 탑재되는 4 실린더 4 행정기관을 2 행정기관으로 대체할 경우, 각 기관의 실린더의 행정체적이 동일하다면, 2 행정기관은 2개의 실린더 기관만 가지고도 4 실린더 4 행정기관과 이론상으로 동일한 출력을 낼 수 있어 자동차에 탑재되는 엔진을 대폭적으로 소형·경량화할 수 있다.

그러나 기존의 2 행정기관은 흡·배기공이 동시에 열려있는 시간이 길므로 유효 일 행정 거리가 짧고, 신기손실이 많아 평균유효압을 높이고 기관의 열효율을 향상하기 어려우며, 소기과정에서 연료 일부가 소기공을 통해 그냥 방출되어 버리므로 연료 소비량도 많다. 또한 기관의 윤활에도 문제가 많아 배기가스에 윤활유의 연소로 인한 유해성분도 많이 생기는 등의 결함이 있기 때문에, 기존의 2 행정기관을 차량에 탑재할 수 없는 것이 기존의 2 행정기관이 가지고 있는 가장 큰 약점이다.

이와 같은 기존의 2 행정기관의 결함은 불완전한 공기의 급기 시스템에 기인하는 것으로, 이러한 기존의 2 행정기관의 공기 공급 시스템을 개선하여 2 행정기관의 급기-소기-압축행정 과정에서 기관에 공급되는 공기의 양과 공기의 유동을 정밀하게 제어할 수 있으면 이상적인 2 행정기관의 구현이 가능하다. 그러나 이러한 기존의 2 행정기관의 결함은 정적 사이클 기관의 구조적 특성상 불가피하게 발생하는 현상이기 때문에, 이러한 결함을 개선하기 위해서는 기존의 정적 사이클 내연기관의 기본적인 구성에 대한 고정관념을 탈피하여 새로운 구조의 공기공급 시스템을 도입하는 발상의 전환이 필요하다.

대한민국 공개 특허공보 2009-0111272

본 발명은 상기한 바와 같은 기존의 2 행정기관의 결함을 해결함으로써 현재 차량에 탑재되는 4 행정기관을 2 행정기관으로 대체하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 2 행정기관이 채택하고 있는 ‘피스톤의 왕복운동에 의해 발생하는 압력 차를 이용한 공기의 크랭크 실 흡기-압축 방식’ 등에 의하여 기관의 실린더에 공기를 공급하는 소기·급기 구조를 배제하고, 대신에 기관의 크랭크 축과 직렬 또는 병렬로 연결되어 구동하거나, 전기로 구동되는 전동 모터나 기타 터보 차저 등 다른 동력으로 구동하는 공기압축기, 또는 이런 기구들을 병합하여 구동하는 기관 외부의 별도의 공기압축 기구에 의해 압축된 공기를 기관의 실린더 헤드에 별도로 설치된 연소실에 급기하는 공기 공급 시스템을 도입함으로써, 기관의 실린더 내에 공급되는 공기의 양과 공기의 유동을 정밀하게 제어하여 이상적인 성층 희박연소를 실현할 수 있는 2 행정 1 싸이클 기관의 구성을 구현하는 데 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 2 행정 1 사이클 내연기관은, 동력을 생성하는 기관부; 압축 공기를 제공받고 연료의 연소가 이루어지는 연소부; 및 압축 공기를 생성하여 상기 연소부 및 기관부에 제공하는 공기 압축부; 를 포함하는 내연기관으로서,

상기 기관부는, 소정의 내부 공간을 갖는 실린더; 상기 실린더의 상단에 마련되는 헤드; 상기 실린더의 내부 공간에서 상하 방향으로 상사점과 하사점 사이에서 왕복 운동하는 피스톤; 을 포함하며,

상기 연소부는, 상기 실린더의 상기 헤드에 배치되며, 일정한 체적을 갖되 가장 넓은 횡단면 부분의 직경이 상기 실린더의 내경(Bore) 보다 작고 입구가 밑으로 향하여 상하 역전된 항아리형 형태로 구성되며 상기 실린더의 내부 공간과 별도의 공간으로 형성되는 연소실; 상기 연소실의 하부 및 상기 실린더의 상부에 위치하며 상기 연소실의 가장 넓은 부분의 횡단면의 직경보다 작으며 상기 실린더 내경(Bore)의 2분의 1 이하의 크기의 내경을 가지며, 상기 실린더의 중심의 위치에서 상기 연소실의 내부 공간과 상기 실린더의 내부 공간이 연통하며 상기 연소실 내부 공간과 상기 실린더 내부 공간이 하나의 공간을 형성하도록 개방된 개방구; 상기 연소실의 일 측에 형성되며, 압축 공기가 상기 연소실 내부로 공급되도록 개방된 급기구; 상기 급기구에 배치되며 상기 급기구를 개폐하는 급기 밸브; 상기 급기구와 연결되되 상기 연소실의 측면 둘레에 대해 접선 방향이며 상방향으로 경사지게 연결되어 상기 공기 압축부로부터 압축 공기를 공급받는 급기관; 상기 연소실 내부에 연료를 분사하도록 마련되는 연료 분사 장치; 를 포함한다.

바람직하게는, 상기 기관부는, 일단이 상기 피스톤과 연결되는 커넥팅 로드; 상기 실린더의 하부에 마련되며 회전하는 크랭크 축; 일단이 상기 커넥팅 로드의 타단과 연결되고 타단이 상기 크랭크 축과 연결되어 상기 크랭크 축을 중심으로 회전하며, 상기 커넥팅 로드의 운동을 회전 운동으로 변환하는 크랭크 암; 상기 실린더의 상기 헤드에 배치되며 상기 실린더의 내부 공간의 기체를 배기시키는 배기구; 상기 배기구에 배치되어 상기 배기구를 개폐하는 배기 밸브; 를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 공기 압축부는, 상기 기관부의 크랭크 축과 직렬, 또는 병렬로 연결되어 상기 기관부에서 발생하는 동력을 이용하여 구동하는 왕복 피스톤식 공기 압축 장치에 의해 공기를 압축시켜서 압축된 공기를 상기 급기관과 급기구를 통해 상기 연소실에 직접 공급하는 직접 공급식 공기 압축기; 및 공기를 압축시키는 공기 압축 장치, 및 상기 공기 압축 장치와 연결되어 압축 공기를 제공받아 저장하며 소정의 압력을 유지하도록 하는 압축 공기실을 포함하며, 상기 압축 공기실은 상기 급기관 및 급기구를 통하여 상기 연소실 내에 압축 공기를 공급하는 간접 공급식 공기 압축기; 중 적어도 하나를 포함한다.

바람직하게는, 상기 직접 공급식 공기 압축기는, 소정의 내부 공간을 갖는 제2 실린더; 상기 제2 실린더 내부에서 상하 방향으로 왕복 운동하는 제2 피스톤; 일단이 상기 제2 피스톤과 연결되는 제2 커넥팅 로드; 상기 제2 실린더의 하부에 마련되는 회전하는 제2 크랭크 축; 일단이 상기 제2 커넥팅 로드의 타단과 연결되고 타단이 상기 제2 크랭크 축과 연결되어 상기 제2 크랭크 축을 중심으로 회전하며, 상기 제2 커넥팅 로드의 운동을 회전 운동으로 변환하는 제2 크랭크 암; 상기 제2 실린더의 상단에 구비되어 상기 제2 실린더의 내부 공간에 공기가 급기되도록 하는 흡기 밸브; 및 상기 제2 실린더의 상단에 구비되어 상기 제2 실린더 내부에서 압축된 압축 공기를 배출하도록 하는 압축공기 배출구; 를 포함하며, 상기 연소부의 상기 급기구와 상기 압축공기 배출구는 상기 급기관을 통해 연결된다.

바람직하게는, 상기 크랭크 축과 상기 제2 크랭크 축은, 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 함께 회전운동을 하여, 상기 크랭크 암과 상기 제2 크랭크 암이 동일한 주기로 회전하며 상기 피스톤과 상기 제2 피스톤이 동일한 주기로 왕복 운동하되, 상기 제2 크랭크 암은 상기 크랭크 암에 대해서 상기 및 제2 크랭크 축의 회전 방향으로 소정의 사이각 θ를 갖고 회전하여, 상기 제2 크랭크 암이 상기 크랭크 암보다 상기 사이각 θ만큼 선행 회전하고, 상기 제2 피스톤이 상기 피스톤보다 사이각 θ만큼 먼저 상사점에 도달하되, 상기 사이각 θ는, 30° 내지 60°로 구성된다.

바람직하게는, 상기 기관부는, 상기 크랭크 축의 회전에 의해서 구동하는 캠; 을 더 포함하며, 상기 급기 밸브의 개폐 및 상기 배기 밸브의 개폐는, 상기 캠에 의해 조절된다.

바람직하게는, 상기 연소실은, 상기 실린더의 중심으로부터 수평 방향으로 이격되어 상기 실린더의 상기 헤드의 일 측에 치우쳐서 배치되며, 상기 실린더의 상기 헤드의 하면에는 상기 연소실이 배치된 부분을 중심으로 하향 곡면이 형성되고, 상기 피스톤의 상면에는 상기 연소실이 배치된 위치에 대응하는 부분을 중심으로 하여 상기 실린더의 상기 헤드에 형성된 상기 하향 곡면에 부합하는 제2 하향 곡면이 형성된다.

바람직하게는, 상기 연소실의 위치는, 상기 배기구가 형성된 위치에 대해서 반대측 방향으로 치우친 위치를 갖는다.

바람직하게는, 상기 연소부는, 상기 연소실 내부의 연료를 점화시키는 점화 플러그;를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 피스톤이 하사점으로부터 상사점으로 상승 운동을 하는 배기 과정에서 상기 연소실의 상기 급기 밸브를 열어 상기 공기 압축부로부터 압축 공기를 상기 급기관과 급기구를 통해 상기 연소실 내에 공급하는 구성과 구조를 갖는다.

바람직하게는, 상기 급기구를 통해 상기 연소실 내로 급기되는 압축 공기가 상기 연소실 내로 유입되면서 상기 연소실 내에 잔존하는 전 행정에서 발생한 연소 가스를 상기 개방구를 통해 상기 실린더실 내로 밀어내고, 이어 계속하여 공급되는 압축 공기가 상기 실린더실 내로 유입되면서 상기 실린더실 내에 잔존하는 전 행정에서 발생한 잔존 연소 가스를 상기 배기구를 통해 배출하는 배기에 기여하는 구성과 구조를 갖는다.

바람직하게는, 상기 공기 압축부로부터 상기 급기구를 통하여 상기 연소실 내에 압축 공기의 급기가 진행되는 과정에서 상기 배기 밸브를 닫는다.

바람직하게는, 상기 배기 밸브를 닫고 상기 급기구를 통하여 상기 연소실 내에 압축 공기가 급기되는 과정에서 상기 연소실 내에 상기 연료 분사기로부터 연료를 분사하는 구성과 구조를 갖는다.

바람직하게는, 상기 연료 분사 장치는 상기 급기관 내에 설치된 연료 공급 노즐을 포함하며, 벤츄리 튜브의 원리를 이용해서 상기 급기관 내에 연료를 공급하는 구성과 구조를 갖는다.

바람직하게는, 상기 피스톤이 상사점에 도달하기 전, 상기 피스톤이 상사점에 도달한 시점의 상기 크랭크 암의 위치에 대해서 상기 크랭크 암의 위치가 사이각 θ를 가진 시점에 상기 급기 밸브를 닫는 구성과 구조를 갖는다.

바람직하게는, 상기 사이각 θ는 30° 내지 60°로 구성된다.

바람직하게는, 상기 연소부는, 상기 연소실 내부의 연료를 점화시키는 점화 플러그;를 더 포함하며, 상기 피스톤의 상사점에서 상기 연소실 내의 혼합기를 상기 점화 플러그로 점화하여 연료의 연소로 발생한 연소 가스의 급격한 팽창으로 압력이 높아진 연소 가스가 상기 개방구를 통하여 상기 실린더실 내로 분출되어 상기 실린더 내의 충진 공기와 섞이게 되도록 구성된다.

바람직하게는, 상기 연소실 내에서 연소된 연소 가스의 팽창 압력에 의해 상사점에 있는 상기 피스톤을 하사점을 향해 밀어내어 상기 크랭크 축을 회전시킴으로써 동력을 발생하도록 하게 구성된다.

본 발명에 의한 내연기관은 기관부 외에 공기 압축부, 연소부를 가짐으로써, 분리성층 희박연소를 구현하며, 아래와 같은 효과를 갖는다.

① 4 행정기관을 2 행정기관으로 대체하여 실린더 수를 반으로 줄일 수 있기 때문에 기관을 대폭적으로 소형·경량화 하여 기관의 제조원가는 물론 기관의 운전비용도 절감한다.

② 연료의 연소에 의해 발생하는 고온, 고압의 연소가스는 급속히 팽창하면서 실린더 내에 성층을 형성하고 있는 충진공기와 섞이게 되므로, 고온의 연소가스는 충진공기에 고온의 열을 전달하여 충진공기를 팽창하게 함으로써 팽창으로 발생한 압력을 피스톤을 밀어내는 유효일에 기여하게 하여 기관의 열효율을 제고한다.

③ 연소에 의해 발생한 고온·고압의 연소 가스는 상대적으로 낮은 압력의 충진공기와 섞이게 됨으로써 순간적으로 체적이 증가하여 연소가스의 압력이 저하되면서 연소 가스의 온도 자체가 저하될 뿐만 아니라, 동시에 연소 가스가 가지고 있는 열을 충진공기에 전달함으로써 연소 가스의 온도도 저하된다. 따라서 실린더 외부에 열을 전열하여 발생하는 냉각손실을 저감한다.

④ 공기 과급에 의한 높은 압력 하에서의 연소 시에도 노킹이 발생하지 않으므로, 상당한 수준의 과급이 가능하여 기관의 열효율과 출력성능을 향상할 수 있다.

⑤ 연소 가스의 압력과 온도가 저하됨에 따라 연료의 연소로 인한 고압·고온에 의해 발생하는 NOx의 발생을 저감 할 수 있다.

⑥ 과급에 의해 충분한 공기를 공급하여 완전연소를 유도함으로써 CO 및 HC의 발생을 저하시킨다.

⑦ 연료 소비의 저감에 따라 CO₂의 발생도 줄일 수 있다.

⑧ 엔진의 저부하 영역에서 고부하 영역에 이르기까지 모든 영역에서 희박연소를 실현함에 따라 출력성능 대비 연료 소비량을 저감한다.

이와 같이 본 발명에 의한 내연기관은 기존의 2 행정기관의 장점을 유지하면서 기존의 2 행정기관의 구조적 한계를 탈피하여 기관 외부의 공기압축기로부터 급기되는 공기의 양과 공기의 유동을 정밀하게 제어하여 연료의 연소시 안정적이고 효율적인 성층 희박연소를 실현함으로써 기관의 효율과 출력을 4 행정기관 이상으로 제고할 수 있는 기관으로, 이러한 기관의 성능의 향상과 기관의 소형경량화, 그리고 이상적인 연소 시스템을 동시에 실현할 수 있는 2 행정기관이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린 내연기관의 구성과 구조를 나타낸 도면이다.
도 2a 부터 도 2g는 본 발명에 의한 가솔린 내연기관의 작동 원리를 설명한 약도이다.
도 3의 (A)는 연소실의 형상이 항아리일 때, 연소부의 횡단면도이며, 도 3의 (B)는 연소부의 종단면도이다.
도 4는 크랭크 암의 회전 각도에 따른 작동유체의 변화 과정을 표시한 것이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 공급식 공기 압축부를 갖는 가솔린 내연기관에서 급기를 시작한 순간의 작동 원리를 설명한 도면이고, 도 5의 (B)는 급기를 마친 압력평형점 시점에서의 작동 원리를 설명한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라서 간접 공급식 압축 공기실을 갖는 가솔린 내연기관의 구성과 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린 내연기관의 기관부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 벤츄리 튜브를 이용한 연료 공급 장치의 일 실시예의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 가솔린 내연기관의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 가솔린 내연기관은, 크게 동력을 생성하는 기관부(100), 압축 공기를 생성하는 공기 압축부(300), 및 연료의 연소가 이루어지는 연소부(200)를 포함하여 구성된다. 여기서, 각각의 부분은 다른 부분의 기능을 일부 가질 수 있으며, 반드시 배타적인 관계를 갖는 것은 아니다. 즉, 기관부(100) 내에서도 연료의 연소가 이루어지거나 압축 공기가 생성될 수 있다.

먼저, 기관부(100)는 실린더(110), 피스톤(120), 커넥팅 로드(130), 크랭크 암(140), 헤드(160), 크랭크 축(150), 배기구(170), 및 배기 밸브(180)를 포함한다.

실린더(110)는 내부에 공간을 가져서 피스톤(110)이 실린더(110)의 내부 공간 내에 위치하여 상하 방향으로 왕복 운동하도록 구성된다. 실린더(110)의 상단에는 후술하는 연소부(300), 배기구(170), 및 배기 밸브(180)가 배치되도록 하는 헤드(160)가 마련된다.

피스톤(120)의 하방향으로는 커넥팅 로드(130)의 일단이 연결되며, 커넥팅 로드(130)의 타단에는 크랭크 암(140)의 일단이 연결되고, 크랭크 암(140)의 타단에는 크랭크 축(150)이 연결된다. 실린더(110) 내부의 상기 피스톤(120)의 상하 방향 왕복 운동은, 상기 커넥팅 로드(130), 상기 크랭크 암(140)에 의해서 상기 크랭크 축(150)의 회전 운동으로 변환된다. 한편, 크랭크 암(140)은 상기 크랭크 축(150)을 중심으로 회전한다.

실린더(110), 피스톤(120), 커넥팅 로드(130), 크랭크 암(140), 및 크랭크 축(150)의 구성은 도 1에 도시된 바를 참조하며, 그 구체적인 구성 및 작동은 일반적인 내연기관에서 알려진 바와 같으므로 생략한다.

실린더(110)의 상단의 헤드(160)에는 상기 실린더 내부의 기체를 외부로 배기시키도록 하는 배기구(170)가 마련된다. 아울러, 상기 배기구(170)에는 상기 배기구(170)를 개폐하도록 하는 배기 밸브(180)가 마련된다. 상기 배기구(170)의 위치는 상기 실린더(110)의 상부 위치에 마련됨으로써, 상기 피스톤(120)이 상사점에 도달하였을 때의 위치보다 상부임이 바람직하다.

배기구(170)는 두 개 이상이 마련될 수 있으며, 각각의 배기구(170)에는 각각의 배기구(170)를 개폐하도록 하는 각각의 배기밸브(180)가 마련될 수 있다.

배기 밸브(180)의 작동은 상기 크랭크 축(150)의 회전과 연계될 수 있다. 즉, 상기 크랭크 축(150)의 회전에 의해서 구동하는 캠이 마련되며, 상기 캠에 의해서 상기 배기 밸브(180)의 개폐가 주기적으로 이루어질 수 있다. 상기 크랭크 축(150), 상기 캠 및 상기 배기 밸브(180)의 구체적인 작동에 대해서도 일반적인 내연기관에서 알려진 바와 같으므로 생략한다.

이하에서는 연소부(200)에 대해 설명한다.

연소부(200)는 연소실(210), 급기구(220), 급기 밸브(230), 개방구(250), 연료 분사 장치, 및 점화 플러그(260)를 포함하여 구성될 수 있다.

연소실(210)은 상기 실린더(110)의 상단부, 즉 헤드(160) 부분에 마련된다. 아울러, 그 위치는 실린더(110)의 중앙 또는 후술하는 바와 같이 중앙을 벗어난 적절한 위치에 마련될 수 있다. 연소실(210)은 구형, 항아리형, 계란형, 원통형, 또는 기타 이와 유사한 형태를 갖고, 일정한 체적을 가지며 상기 실린더의 내부 공간과 별도의 공간으로 구성된다.

상기 연소실(210)에는 압축 공기가 상기 연소실(210)의 내부로 공급되도록 개방된 급기구(220)가 형성된다. 급기구(220)는 공기 압축부(300)에서 공급되는 고압의 압축 공기가 연소실(210) 내에 고속으로 유입될 수 있도록 그 단면적이 가능한 한 작은 구경과 형상을 갖도록 형성된다.

이때, 바람직하게는, 급기구(220)는 연소실(210)의 높이 방향으로 중간 부분에 형성되되, 급기구(220)가 관통된 방향은 연소실(210)의 측면 둘레에 대해 접선 방향이며, 상방향으로 소정 각도 경사진 방향일 수 있다.

일 예로, 바람직하게는, 도 3의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 연소실(210)이 거꾸로 세워진 항아리 형태로 구성되어 입구가 밑으로 향한 형태를 가질 수 있다. 이때, 연소실(210)의 가장 넓은 부분의 횡단면의 직경이 실린더(110)의 내경(Bore) 보다 작을 수 있다. 상기 급기구(220)는 상기 항아리 형태의 중간 부분, 즉 배 부분에 형성되되 그 횡단면인 원형에 대해 접선방향, 또는 그에 인접한 방향으로 관통되고, 상방향으로 경사지게 형성될 수 있다.

상기 급기구(220)에는 급기 밸브(230)가 배치되어 상기 급기구(220)를 개폐하도록 한다. 이에 따라서, 급기 시기가 조절될 수 있다. 급기 밸브(230)의 개폐 또한 기관부(100)의 크랭크 축(150)으로부터 공급되는 회전력에 의해 구동되는 소정의 캠에 의해서 적절하게 이루어질 수 있다. 상기 캠에 대해서도 그 구성 및 작동이 널리 알려져 있는 바, 그 구동 방법 및 구조에 대해서는 설명을 생략한다.

상기 급기구(220)는 급기관(240)과 연결된다. 상기 급기관(240)은 상기 급기구(220)와 공기 압축부(300)의 압축공기 배출구(380)를 연결하여 공기 압축부(300)에서 생성된 압축 공기가 연소실(210) 내부로 제공되도록 한다. 한편, 급기관(240)은 상기 급기구(220)와 같이, 연소실(210)의 단면에 대해 접선 방향이며, 상방향으로 소정 각도 경사지게 연결될 수 있다. 아울러, 상기 급기 밸브(230)는 상기 급기관(240)에 장착되어 상기 급기구(220)에 삽입되는 구성을 가질 수 있다.

상기 연소실(210)의 하부에는 개방구(250)가 형성된다. 상기 개방구(250)를 통해서 상기 연소실(210) 내부의 공간이 개방됨으로써 상기 연소실(210) 내부의 공간이 실린더의 내부 공간과 연통된다. 즉, 개방구(250)를 통해 연소실(210) 내부의 공간과 실린더의 내부 공간이 하나의 공간으로 연결되어 공기나 연소 가스가 자유로이 내왕할 수 있다. 바람직하게는, 개방구(250)의 직경은 연소실(210)의 가장 넓은 부분의 직경보다 작고, 실린더(110)의 내경(Bore)의 2 분의 1 이하의 크기일 수 있다. 또한, 개방구(250)의 위치는 실린더(110)의 중심의 위치일 수 있다.

이와 같이 구성된 연소실(210)에 공기 압축부(300)로부터 압축된 공기가 급기구(220)를 통하여 급기되면, 연소실(210)로 유입되는 공기는 연소실(210) 벽면을 타고 와류를 형성하면서 연소실(210) 상부로 올라갔다가 연소실(210) 상부에서 막히게 되면 계속 급기되는 공기에 밀려나면서 실린더(110) 방향으로 하향 기류를 형성하고 이어 개방구(250)를 통하여 실린더(110) 내에 공급된다.

연소실(210) 내부에는 연료를 점화시킬 수 있도록 점화 플러그(260)가 연소실(210)의 상층부 중앙 부분에 마련될 수 있다. 점화 플러그(260)는 스파크를 발생시켜 연소실(210) 내부의 연료를 점화시킬 수 있다.

연소실(210)의 적절한 위치에는 연료 분사기(270)가 구비된다. 연료 분사기(270)는 연료를 연소실(210) 내부로 분사하여 연소실(210) 내부에 연료가 공급되도록 한다.

한편, 본 발명에 의한 내연기관에서 연료를 공급하는 방법도 두 가지가 있을 수 있다. 그 하나는 기존의 가솔린 기관에서 사용하는 연료 분사기(270)를 사용하는 방법이고, 또 하나의 방법은 급기관(240)에 연료 공급 노즐을 설치하여 급기관(240)을 벤츄리 튜브로 이용하는 방법이다. 이러한 벤츄리 튜브를 이용한 방법을 사용할 경우, 상기와 같이 연료 분사기(270) 대신에, 도 8과 같은 연료 공급 장치(280)가 마련된다. 이러한 연료 공급 장치(280)는, 도 8에 도시한 실시예와 같이 급기관(240) 중간 부분에 삽입되며, 압축 공기가 급기관(240) 내를 고속으로 통과하는 과정에서 발생하는 외부 기압과 급기관 내의 압력 차이 및 연료 노즐(283) 부근에 형성되는 진공 상태를 이용하여 연료관(281)을 통하여 공급되는 연료를 니들 밸브(282) 등의 작동에 의해 급기관(240)을 통과하는 공기에 공급하는 방식이다. 이 두 가지 방법도 매우 잘 알려진 방법으로, 본 발명의 도면과 설명에서는 편의상 상기와 같이 연료 분사기(270)를 사용하는 방법으로 도시하고 기술되었다.

이하에서는 공기 압축부(300)에 대해서 설명한다.

본 발명에서 기관부(100) 외부에 별도로 마련되는 공기 압축부(300)는, 기관부(100)의 크랭크축과 직렬 또는 병렬로 연결되어 구동하는 실시 형태를 가질 수 있으며, 그 외에, 전동 모터나 기타 터보 차저 등 다른 동력으로 구동하거나, 또는 이런 기구들을 병합해서 구동하는 구성을 가질 수 있다.

이에 따라서, 공기 압축부(300)는, 압축된 공기를 후술하는 연소부(200)에 공급하는 기구로서, 직접 공급식과 간접 공급식의 두 가지 방식을 가질 수 있다.

직접 공급식 공기 압축기는 그 개략적인 구조가 도 5의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같다. 직접 공급식 공기 압축기는 기관부(100)의 크랭크 축(150)과 직렬 또는 병렬로 연결되어 크랭크 축(150)의 회전력으로 구동하는 공기 압축기에 의해 압축되는 공기를 급기관(240)과 급기구(220)를 통하여 연소실(210)에 직접 공급하는 방식이다. 이러한 직접 공급식 중, 본 발명에 의한 내연기관에서 채택될 수 있는 바람직한 직접 공급식 중 하나는 후술하는 왕복 피스톤 방식 공기 압축부(300)에 의한 공기의 공급 방식이다.

위에서 예시한 왕복 피스톤식의 방식을 갖는 공기 압축부(300)의 구성은 상기 기관부(100)의 구성과 유사하다. 즉, 공기 압축부(300)는 제2 실린더(310), 제2 피스톤(320), 제2 커넥팅 로드(330), 제2 크랭크 축(350), 제2 크랭크 암(340), 흡기구(360), 흡기 밸브(370), 및 압축공기 배출구(380)를 포함한다.

제2 실린더(310)는 내부에 공간을 가져서 제2 피스톤(320)이 제2 실린더(310)의 내부 공간 내에 위치하여 상하 방향으로 왕복 운동하도록 구성된다.

상기 제2 피스톤(320)은 왕복운동에 의해 공기를 압축하여, 제2 실린더(310) 내부의 공기를 압축시키는 공기 압축 피스톤으로 기능한다. 이에 따라서, 급기관(240)과 급기구(220)를 통해 연소실(210)에 압축된 공기를 공급한다.

제2 피스톤(320)의 하방향으로는 제2 커넥팅 로드(330)의 일단이 연결되며, 제2 커넥팅 로드(330)의 타단에는 제2 크랭크 암(340)의 일단이 연결되고, 제2 크랭크 암(340)의 타단에는 제2 크랭크 축(350)이 연결된다. 상기 크랭크축(150)과 함께 구동하는 상기 제2 크랭크 축(350)의 회전 운동은, 상기 제2 크랭크 암(340), 상기 제2 커넥팅 로드(330)에 의해서 상기 제2 실린더(310) 내부의 상기 제2 피스톤(320)의 상하 방향 왕복 운동으로 변환된다. 한편, 제2 크랭크 암(340)은 상기 제2 크랭크 축(350)을 중심으로 회전한다.

상기 제2 실린더(310), 제2 피스톤(320), 제2 커넥팅 로드(330), 제2 크랭크 암(340), 및 제2 크랭크 축(350)의 구성 및 작동은 상기 기관부(100)의 상기 실린더(110), 피스톤(120), 커넥팅 로드(130), 크랭크 암(140), 및 크랭크 축(150)의 구성 및 작동과 유사할 수 있다. 즉, 일반적인 내연기관의 기관부(100)의 작동과 같다.

이때, 상기 크랭크 축(150)과 상기 제2 크랭크 축(350)은 서로 연결되어 함께 회전할 수 있다. 즉, 상기 크랭크 축(150)과 상기 제2 크랭크축(350)은 동일한 주기로 회전하며, 따라서 상기 크랭크 암(140) 및 상기 제2크랭크 암(340) 또한 동일한 주기로 회전하고, 상기 피스톤(120)과 상기 제2피스톤(320)도 동일한 주기로 왕복 운동할 수 있다. 상기 크랭크 축(150)과 상기 제2 크랭크 축(350)의 연결 방식은 직렬, 또는 병렬일 수 있으며, 구체적인 연결 구성 방식은 한정하지 아니한다.

이때, 상기 제2 크랭크 암(340)과 상기 크랭크 암(140)은 서로 동일 주기로 회전하되, 상기 제2 크랭크 암(340)은 상기 크랭크 암(140)에 대해서 회전 방향으로 소정의 사이각 θ을 갖고 회전한다. 즉, 상기 제2 크랭크 암(340)은 상기 크랭크 암(140)보다 상기 사이각 θ만큼 선행(先行) 회전한다. 여기서, 상기 사이각 θ의 값은 30 내지 60°의 범위를 가질 수 있다.

이에 따라서, 상기 제2 피스톤(320)은 상기 피스톤(120)과 같은 주기를 가지며 상하 방향으로 왕복 운동하되, 상기 제2 피스톤(320)은 상기 피스톤(120)보다 사이각 θ만큼 먼저 상사점에 도달할 수 있다. 즉, 상기 제2 크랭크 암(340)이 상기 크랭크 암(140)보다 사이각 θ만큼 선행 회전하므로, 상기 크랭크 암(140)이 상사점 전 사이각 θ의 위치에 있을 때, 상기 제2 크랭크 암(340)은 상사점의 위치에 있게 된다.

상기 제2 실린더(310)의 상단에는 상기 제2 실린더(310)의 내부에 공기를 공급시키는 흡기구(360)가 마련되며, 상기 흡기구(360)를 개폐하는 흡기 밸브(370)가 구비된다.

상기 흡기 밸브(370)의 작동은 상기 제2 크랭크 축(350)의 회전과 연계될 수 있다. 즉, 상기 제2 크랭크 축(350)의 회전에 의해서 구동하는 캠이 마련되며, 상기 캠에 의해서 상기 배기 밸브(180)의 개폐가 주기적으로 이루어질 수 있다. 상기 제2 크랭크 축(350), 상기 캠 및 상기 배기 밸브(180)의 구체적인 작동에 대해서도 일반적인 내연기관에서 알려진 바와 같으므로 생략한다.

아울러, 제2 실린더(310)의 상부에는 상기 제2 실린더(310) 내부에서 압축된 공기를 외부로 공급하도록 하는 압축공기 배출구(380)가 마련된다. 상기 압축공기 배출구(380)의 위치는 상기 제2 실린더(310)의 상부 위치에 마련됨으로써, 상기 제2 피스톤(320)이 상사점에 도달하였을 때의 위치보다 상부임이 바람직하다.

이 기구는 그 구조가 간단하여 고도의 기술이 없어도 쉽게 제작할 수 있고 그 제조비용도 저렴하다. 이러한 구조를 갖는 공기 압축부(300)는 기관부(100)의 크랭크 축(150)과 직렬 또는 병렬로 연결되어 기관부(100)의 크랭크 축(150)이 발생하는 회전력으로 함께 구동하여 제2 피스톤(320)이 상사점을 향하여 상행 운동을 하면서 제2 실린더(310) 내의 공기를 압축하고, 압축되는 공기를 급기관(240)과 급기구(220)를 통하여 연소실(210)에 직접 공급하는 구성을 갖는다. 이러한 직접 공급식의 경우, 손쉬운 결합 및 부착이 달성될 수 있다.

간접 공급식은 그 개략적인 구조가 도 6에 도시된 바와 같다. 간접 공급식은 기관부(100)의 크랭크 축(150)과 직렬 또는 병렬로 연결되어 구동하는 공기 압축기(302') 또는 전동 모터로 구동하는 공기 압축기(302''), 또는 기타 터보 차저(302''')나 기타 공기 과급기, 또는 이런 기구들 중 둘 이상을 병합하여 구동하는 공기 압축 장치로부터 제공되는 압축 공기를 공급받아 일단 연소실(210)체적의 수 배 또는 그 이상의 체적을 갖는 압축 공기실(Compressed Air Chamber)(304)에 일정한 압력을 유지하도록 압축 공기를 충진하고, 이 압축 공기실(304)에 충진된 공기를 급기관(240)과 급기구(220)를 통하여 기관의 연소실(210)에 공급하는 방식이다.

간접 공급식에 있어서, 상기 공기 압축기는 기관이 가동하는 동안 지속적으로 가동하여 항상 압축 공기실(304)에 기관에 기 설정된 압력의 압축 공기가 충진 되도록 압축 공기를 압축 공기실(304)에 지속적으로 공급하여 충진하며, 압축 공기실(304)에 충진된 공기의 압력이 이미 설정된 기준을 지나 높아지는 경우, 압축 공기실(304)에 공급되는 압축 공기를 자동 제어 장치에 의해 우회 경로를 통해 우회시켜서 압축 공기의 공급을 일시 중단하거나, 전동 모터로 구동하는 공기 압축 장치를 자동 제어 장치에 의해 일시적으로 가동을 정지하여 기 설정된 공기 압력을 항상 유지하도록 할 수 있다.

공기 압축부(300)로부터 압축된 공기를 연소실(210)에 공급하는 시기는 피스톤(120)의 하사점 부근에서 배기 밸브(180)을 열어 연소실(210)과 실린더(110) 내에 있는 고압의 연소 가스를 배출한 이후 연소실(210)과 실린더(110) 내의 압력이 급격히 감소하는 시점이며, 압축된 공기의 공급을 중단하는 시기는, 피스톤(120)이 상사점에 이르기 전이되, 피스톤(120)이 상사점에 이를 때의 크랭크 암의(140) 위치와 상기 크랭크 암(140)의 위치가 사이각 θ를 갖는 시점(편의상 “피스톤(120)이 상사점 전 사이각 θ에 이른 지점”이라 한다.)으로, 그 이유에 대해서는 아래에서 상술한다.

도 5의 (A)는 직접 공급식 공기 압축기(302)로부터 연소실(210)에 압축공기의 공급을 시작하는 시점의 도면이며, 도 5의 (B)는 피스톤(120)이 상사점 전 사이각 θ에 이르렀을 때, 즉 본 발명에 의한 내연기관의 압력평형점에 도달했을 때 급기 밸브(230)을 닫고 압축공기의 공급을 중지하는 시점의 도면이다.

본 발명에서 도입하는 기관부(100) 외부의 별도의 공기 압축부(300)나 이를 구성하는 공기 압축 수단은 여러 종류가 있을 수 있으나, 이러한 공기압축 수단은 그 구조와 작동원리 및 사용용도 등이 널리 알려진 기구이기 때문에 본 발명의 범위에 속하지 않지만, 이 기구는 본 발명에 의한 내연기관 전체의 구성에 포함되는 하나의 구성요소이다. 본 발명에 관한 설명에서는 편의상 이를 통틀어 ‘공기 압축부(300)’라 한다.

이하에서는 본 발명에 의한 가솔린 내연기관의 구동을 설명한다. 각각의 설명은 도 2a 내지 도 2g 및 도 4를 참조한다. 이 도면에서는 직접 공급식 공기 압축기(302)나 간접 공급식 공기 압축기(304)를 별도의 도면으로 표시하지 않고 '공기 압축부(300)'로 표기하였다.

먼저, 도 2a와 같이, 기관부(100)의 피스톤(120)의 하사점 또는 그 부근에서 배기 밸브(180)를 열어 전 행정에서 발생한 연소가스의 배기를 시작하면, 배기구(170)를 통하여 고압의 연소 가스가 배출되어 연소실(210)과 실린더(110) 내의 압력이 급격히 감소한다.

이어서, 도 2b와 같이, 피스톤(120)이 상행운동을 하여 기관부(100)의 배기가 진행되는 동안 적절한 시기에 급기 밸브(230)를 열면, 연소가스의 배기로 인하여 압력이 낮아진 연소실(210)과 실린더(110) 내에 높은 압력으로 압축된 공기가 공기 압축부(300)로부터 급기구(220)를 통하여 연소실(210) 내에 급기된다. 이때 공기 압축부(300)에서 이미 높은 압력으로 압축되어 급기되는 공기는 빠른 유속으로 연소실(210) 내에 유입되면서 상대적으로 낮은 압력의 연소실(210) 내에 고속으로 유동하는 와류를 형성하면서 연소실(210) 상부로 상승하였다가 연소실(210) 상부에 막히면서 다시 하강 기류를 형성하게 되며, 이 하강기류는 동시에 연소실(210) 내에 남아있는 연소가스를 개방구(250)를 통하여 실린더(110)로 밀어낸다. 이어 계속하여 연소실(210)로 급기되는 공기는 다시 개방구(250)를 통해 실린더(110) 내로 유입되어 실린더(110) 내부에 잔존하는 연소가스를 배기구(170)로 밀어내는 소기에 기여한다.

도 2c와 같이, 배기 밸브(180)는 연소실(210)과 실린더(110) 내에 잔존하는 연소가스의 소기가 완료되는 시점에 닫는다. 이때 실린더(110) 내에는 잔존 연소가스가 배기구(170)를 통하여 배출되어 그 압력이 많이 저하되어있으므로, 도 2d와 같이, 배기밸브가 닫힌 이후 공기 압축부(300)로부터 급기구(220)를 통하여 연소실(210)에 공급되는 공기는 개방구(250)를 통해 실린더(110) 내에 유입되어 실린더(110) 내에 계속해서 충진된다.

한편, 배기 밸브(180)가 닫히는 순간부터 피스톤(120)은 상사점을 향하여 계속하여 운동하면서 실린더(110) 내에서는 연소실(210)로부터 개방구(250)를 통하여 유입되는 공기를 압축하는 압축행정이 진행되지만, 공기 압축부(300)의 제2 실린더(310) 내에 압축된 공기의 압력은 실린더(110)와 연소실(210) 내의 공기의 압력보다 훨씬 높기 때문에, 압축부(300)로부터 급기구(220)를 통하여 급기되는 공기는 실린더(110) 내에 계속하여 충진된다. 따라서 실린더(110) 내에서는 배기 밸브(180)가 닫히는 순간부터 공기의 충진과 충진된 공기를 압축하는 압축 행정이 병행하여 진행된다. 이 때 실린더 내에서 압축되는 공기를 본 발명에서는 ‘충진공기’라 한다.

이어, 도 2e와 같이, 피스톤(120) 및 크랭크 암(140)이 상사점 전 사이각 θ에 이르는 순간 기관부(100)의 급기 밸브(230)를 닫아 급기를 마친다. 여기서, 피스톤(120)이 상사점 전 사이각 θ에 이르는 순간, 직접 공급식 공기 압축부(300)의 제2 피스톤(320)은 상사점에 위치함은 위에서 설명한 바와 같다. 이 시점에서 본 발명에 의한 연소실(210) 내의 공기의 압력은 실린더(110) 내의 충진 공기의 압력과 이론적으로는 같아지며, 본 발명에서는 이 시점을 ‘압력평형점’이라 한다.

상기 압력평형점에서 급기 밸브(230)를 닫으면, 이 압력평형점에서 실린더(110) 내에 충진된 공기는 급기 밸브(230)를 여는 순간부터 급기 과정의 중반부까지 급기된 공기이고, 그 이후부터 급기 밸브(230)를 닫는 순간까지 연소실(210) 내로 급기되는 공기는 연소실(210) 내에 고속으로 유동하는 와류를 형성하고 있다. 특히, 항아리 형상을 갖는 연소실(210)의 구조, 급기구(220)의 배치 구조는 이러한 와류 형성에 더욱 기여할 수 있다. 아울러, 기관부(100)의 실린더(110) 내에는 압축된 공기가 충진되어 있으므로, 연소실(210) 내부의 공기와 실린더(110) 내부의 공기가 각각 분리된 성층을 형성한다. 이를 본 발명에서는 '분리성층'이라고 한다.

한편, 도 2d와 같이, 기관부(100)가 압력평형점에 도달하는 시점 또는 그 직전 적절한 시기에 연료 분사기(270)에 의해 연소실(210) 내에 연료를 분사하면, 분사되는 연료는 연소실(210) 내에서 고속으로 유동하는 공기의 와류와 골고루 섞이면서 기화되어 혼합기를 조성한다.

연료 분사기(270)에 의해 연료를 분사하는 시점은 내연기관의 부하 정도에 따라 급기 중반부 이후 적절한 시기가 되기 때문에, 연소실(210) 내에서 고속으로 유동하는 와류에 분사되어 조성되는 혼합기는 연소실(210) 내에서 고속으로 유동하는 와류를 형성한다.

도 2e와 같이, 이 압력평형점으로부터 기관부(100)의 피스톤(120)은 압력평형점에서 크랭크 암(140)이 회전각 θ를 더 회전하는 동안 압축행정을 계속하여 상사점에 도달하게 된다.

압력평형점에서 계속해서 상사점을 향하여 운동하는 기관부(100)의 피스톤(120)은 실린더(110) 내의 공기를 더욱 압축하여 실린더(110) 내의 압력이 더욱 높아지면서 실린더(110) 내의 압축공기 일부를 개방구(250)를 통해 연소실(210) 내로 밀어 넣기 때문에, 크랭크 암(140)이 상사점에 달하는 시점까지 연료-공기 혼합기는 실린더(110) 내로 유입되지 못하고 고속으로 유동하는 와류를 형성한 상태에서 연소실(210) 내에 갇혀있게 된다.

즉, 압력평형점 이후 기관부(100)의 크랭크 암(140)은 회전각 θ만큼 더 회전하여 상사점에 도달하기 때문에, 압력평형점에서 크랭크 암(140) 회전각 θ만큼 더 기관의 상사점을 향하여 상행운동을 하는 피스톤(120)에 의해 실린더(110) 내의 충진 공기는 더욱 압축되어 그 압력이 높아지게 된다. 따라서 충진공기는 개방구(250)를 통하여 연소실(210) 내로 밀려 들어가게 되므로 연소실(210) 내에 와류를 형성하고 있는 혼합기의 분리성층은 실린더(110) 내로 유입되지 못하고 연소실(210) 내에 갇혀 있게 된다. 즉, 상기 혼합기는 연소실(210) 내부에서 고속으로 유동하게 된다.

본 발명에 의한 내연기관은 이러한 현상을 이용하여 점화 플러그(260)에 의해 점화가 이루어지는 시점까지 연소실(210) 내에는 연료와 공기의 혼합기가, 그리고 실린더(110) 내에는 연료가 섞이지 않은 충진공기가 각각 분리된 분리성층을 형성하도록 유도한다.

위에 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 내연기관은 압력평형점으로부터 크랭크 암(140)이 회전각 ‘θ’만큼 더 회전하여 상사점에 도달할 때까지 연소실(210) 내에는 와류를 형성하면서 고속으로 유동하는 혼합기가, 그리고 실린더(110) 내에는 연료가 혼합되지 않은 충진공기가 각각의 분리성층을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이 분리성층은 본 발명에 의한 내연기관의 핵심적이고 독창적인 기술로서, 이 분리성층은 기관부(100)의 압력평형점에서 급기 밸브(230)를 닫은 이후부터 기관부(100)의 크랭크 암(140)이 회전각 θ만큼 더 회전하여 상사점에 도달하도록 구성된 본 발명의 구조에 의해 실현된다.

이상과 같은 분리성층의 형성을 유도하는 것은 본 발명에 의한 내연기관에서 이상적인 성층 희박연소를 실현하기 위한 것이다.

이어서, 도 2f와 같이, 연소실(210)에서 고속으로 유동하는 혼합기는 상사점 또는 상사점 직전에 점화 플러그(260)에 의해 점화되며, 도 2g와 같이, 연료의 연소에 의해 발생하는 고압의 연소 가스는 팽창행정을 하여 동력을 발생한다.

이상과 같은 진행으로 본 발명에 의한 내연기관은 1 사이클을 완료한다.

본 발명에 의한 내연기관은 크랭크실 흡기-압축 등에 의해 압축된 공기를 기관의 실린더 내에 공급하는 기존의 정적 싸이클 2 행정기관의 급기·소기 방식을 탈피하여, 기관부(100) 외부에 별도로 마련된 공기 압축부(300)에 의해 고압으로 압축된 공기를 기관부(100)의 실린더(110) 상단의 헤드(160)에 별도로 만들어진 연소부(200)와 기관부(100)의 실린더(110) 내에 공급하는 신개념의 ‘공기 압축부(300)에 의한 급기·소기 방식’을 도입하였다.

기존의 정적 싸이클 기관에서는 공기의 압축행정 과정에서 연료의 연소에 필요한 공기의 양과 공기의 유동을 제어하는 것은 불가능하다. 그러나 본 발명에 의한 내연기관에서는 이러한 신개념의 급기·소기 방식을 채택하여 압축행정 과정에서 공기를 공급함으로써 공기의 양과 공기의 유동을 정밀하게 제어하는 공기 공급 시스템을 실현하였다.

또한, 본 발명에 의한 내연기관에서 기관부(100)의 실린더(110) 상단의 헤드(160)에 설치되는 연소부(200)의 연소실(210)은, 공기 압축부(300)로부터 고압으로 압축된 공기가 급기구(220)를 통하여 연소실(210)에 급기되면, 급기되는 공기가 빠른 유속으로 연소실(210) 내로 유입되면서 연소실(210) 내에서 일정한 경로를 따라 일정한 방향으로 고속으로 유동하는 와류, 즉 스월(swirl) 이나 텀블(tumble)을 형성하도록 유도하는 구조를 갖는다.

이러한 연소실(210) 구조는 연소실(210) 내에 고속으로 유입되는 공기의 양과 흐름을 정밀하게 제어함으로써 기관 내에 이상적인 성층을 형성하도록 하기 위한 것으로, 이러한 구조는 연소실(210)의 형상, 및 급기구(220)의 위치와 단면적의 크기, 그리고 급기 방향 등에 대한 기계적인 설계에 의해 실현이 가능하다. 연소실(210)의 형태와 급기구(220)의 위치, 그리고 급기 방향은 연소실(210)에서 형성되는 와류의 유동 방향(스월 또는 텀블)을, 그리고 급기구(220)의 형태와 단면적의 크기는 연소실(210) 내로 유입되는 공기의 양과 유속을 결정짓는다.

이러한 연소실(210) 구조에 의해 본 발명에 의한 2 행정기관에서는 기존의 4 행정기관에서 채택하고 있는 복잡한 기구와 제어장치 없이 기관 구조의 기계적인 설계만으로 급기되는 공기의 흐름을 완벽하게 제어하여 이상적인 성층의 형성을 유도할 수 있으며, 따라서 그 제조비용도 큰 폭으로 절감할 수 있다.

상기 설명한 분리성층의 형성에 의한 효과를 종래 기술과 비교하여 설명하면 아래와 같다.

기존의 내연기관, 특히 가솔린 기관에서 희박연소는 일정량의 연료의 연소에 필요한 공기의 절대량 보다 많은 공기가 과잉으로 공급된 가운데 연료의 연소가 이루어지게 하는 연소 방식으로, 희박연소는 비열비와 체적효율을 향상하여 내연기관의 열효율과 출력성능을 높이고, 연료의 소비량을 줄여서 내연기관의 연비를 향상하며, 나아가 연소가스의 최고온도를 낮춤으로써 유해가스의 발생을 저감할 목적으로 도입되는 연소 방식이다.

그러나 공기의 과잉 공급으로 혼합기의 공연비가 이론 공연비보다 희박해 지면, 점화 플러그 주변의 혼합기의 단위 체적 당 연료 입자의 밀도가 낮아져서 점화 플러그에 의한 확실한 착화가 용이하지 않다. 따라서 기존의 가솔린 기관에서는 희박연소 시에는 점화 플러그 주변에 이론 공연비나 농후한 공연비의 혼합기가, 그리고 그 외곽에 희박한 공연비의 혼합기가 성층을 형성하도록 유도하여 안전한 착화가 이루어지도록 한다.

기존의 가솔린 기관의 희박연소에서 점화 플러그 주변에 성층을 형성한 이론 공연비의 혼합기는 빠른 화염전파에 의해 순간적으로 연소되지만, 그 외곽에 성층을 형성하고 있는 희박한 공연비의 혼합기는 단위체적 당 연료의 밀도가 낮기 때문에 화염전파가 지연되어 연소가 불안정하고 엔진의 출력도 저하된다.

따라서 기존의 희박연소 엔진에서는 모든 운전영역에서 희박연소로 운전되지 않고 저ㆍ중속 저부하 영역에서만 희박연소로 운전되며, 엔진의 힘이 필요한 급가속이나 고부하 영역에서는 엔진의 조건을 변경하여 일반 가솔린 엔진과 같이 흡기 과정에서 연료를 공급하여 이론 공연비 혹은 그 이상의 농후한 공연비로 연료를 연소시킨다.

반면에 기존의 가솔린 기관에서 이론 공연비나 농후 공연비에서 연소할 경우 과급에 의해 과잉의 공기를 공급하면, 이 경우도 일반적인 희박연소의 개념이지만, 연소실 내에는 공기의 과잉 공급으로 압력이 높아져 있기 때문에, 연소로 인하여 급격히 팽창하는 연소 가스의 압력에 의해 노킹이 발생한다.

이러한 양립될 수 없는 현상은 기존의 정적 싸이클 기관의 구조적 특성에 따라 발생하는 피할 수 없는 현상이다.

본 발명에서는, 이러한 기존의 가솔린 기관의 구조적 한계를 탈피하여 저ㆍ중속 저부하 영역으로부터 급가속 고부하 영역에 이르는 전 구간에서 안정적이고 효율적인 희박연소를 실현하는 방안으로서, 본 발명에서는 앞에서 상술한 분리성층에 의한 희박연소 방식이 제시된다.

본 발명에 의한 내연기관에서 분리성층에 의한 희박연소는, 연소실(210) 내에는 고속으로 유동하는 와류를 형성하고 있는 혼합기가 위치하며, 그리고 기관부(100)의 실린더(110) 내에는 연료가 혼합되지 않은 충진 공기가 각각 분리된 성층을 형성하고 있는 가운데 이루어진다.

연소실(210) 내에 성층을 형성한 혼합기는 기관부(100)의 압력평형점 또는 그 이전의 적절한 시기에 공기 압축부(300)로부터 급기구(220)를 통하여 급기되어 고속으로 연소실(210)로 유입되는 공기에 연료 분사기(270)로 연료를 분사하여 조성된다. 이때 연소실(210)로 유입되는 공기의 유속과 양을 고려하여 분사되는 연료의 양을 제어함으로써 조성되는 혼합기가 이론 공연비 또는 농후 공연비를 조성하도록 한다.

기관부(100)의 저ㆍ중속 저부하 영역에서는 연료의 분사 시점을 늦춰 연료의 공급 시간을 짧게 함으로써 혼합기가 연소실(210) 상부에 위치한 점화플러그(260) 주변의 일부 공간에만 성층을 형성하도록 하며, 급가속이나 고부하 영역에서는 연료의 분사 시점을 앞당겨서 연료의 공급 시간을 길게 함으로써 연소실(210) 공간 대부분에 혼합기가 성층을 형성하도록 한다. 따라서 기관부(100)의 저ㆍ중속 저부하 영역으로부터 급가속이나 고부하 영역에 이르는 전 구간에서 연소실(210) 내에는 이론 공연비 또는 그 이상의 농후한 공연비의 혼합기가 조성된다.

빠른 화염전파에 의해 진행되는 순간적인 연소는 연소가스의 급격한 팽창을 유발하여 내연기관의 출력성능을 제고하는 매우 중요한 요소다. 혼합기의 이론 공연비는 이러한 순간연소에 의해 가장 효율적인 출력성능을 실현할 수 있는 공기와 연료의 혼합비다.

점화 플러그(260)에 의해 혼합기에 점화가 이루어지면, 연료의 연소는 내경이 작고 협소한 연소실(210)의 공간 내에서 이루어진다. 따라서 점화에 의해 화염이 발생하면, 실린더(110)의 보어(Bore; 실린더 직경) 전체에 화염을 전파해야 하는 기존의 내연기관에 비해 화염전파 거리가 짧고, 또한 정상적인 화염 전파 속도에 고속으로 와류를 형성하며 유동하는 혼합기의 유동 속도가 더해지기 때문에, 본 발명에 의한 내연기관에서는 매우 빠른 속도로 순간연소가 진행된다.

한편, 실린더(110) 내에의 충진공기는 연료가 혼합되지 않은 공기만의 분리성층으로, 이 충진공기는 연료의 연소에 필요한 절대량의 공기 이외에 추가로 과잉 공급된 공기이다.

본 발명에 의한 내연기관에서는 순간연소로 인하여 급격히 팽창하는 연소 가스의 압력을 개방구(250)를 통하여 실린더(110) 내에 있는 충진공기가 흡수하여 완충 역할을 하기 때문에 그 압력이 저하된다. 따라서 본 발명에 의한 기관에서는 급격히 팽창하는 연소 가스의 압력에 의해 미연소 혼합기가 자연발화를 일으킴에 따라 연소실(210) 내에서 발생하는 노킹을 방지할 수 있다. 또한 기존의 가솔린 기관에서 노킹이 발생하는 소위 엔드 존(end-zone)이나 열점이 발생할 수 있는 배기 밸브(180) 부근에는 연료가 혼합되지 않은 충진공기층이 차지하고 있으므로, 노킹이 발생할 수 있는 여건을 제공하지도 않는다.

따라서 본 발명에 의한 내연기관에서는 연소실(210) 내의 압력이 높아져도 노킹이 발생하지 않으므로, 급가속 고부하 영역에서 공기의 과급으로 인한 높은 압축비 하에서 이론 공연비 또는 농후 공연비로 연소가 진행되는 경우에도 노킹이 발생하지 않으면서도 안전하고 효율적인 희박연소를 실현할 수 있다. 과급되는 공기는 터보 차저나 기관부(100)의 크랭크 축(150)과 연동하는 공기 과급기에 의하여 기관의 회전수와 부하 정도에 비례하여 과급량을 조절한다.

이상과 같이 본 발명에 의한 내연기관에서는 완전하고 효율적인 분리성층을 실현하여 저ㆍ중속 저부하 영역이든 급가속 고부하 영역이든 기관의 모든 운전 영역에서 이상적인 성층 희박연소를 실현함으로써 기관의 출력성능과 열효율을 높이고 연비를 향상하며, 또한 배기 가스의 유해성분을 저감할 수 있는 2 행정 1 싸이클 내연기관의 구성을 완성한다.

본 발명에 의한 2 행정기관을 동일한 행정체적을 가진 기존의 4 행정기관과 비교할 경우, 부착되는 공기 압축부(300)의 수만큼 기관부(100)의 실린더(110) 수가 줄어든다.

현재 자동차에 가장 흔하게 탑재되는 기존의 4 실린더 4 행정기관을 왕복 피스톤식 공기 압축부(300)를 부착한 본 발명에 의한 2 행정기관으로 대체하는 경우를 하나의 예로 들면, 이 경우는 4 행정기관의 4개의 실린더가 2개로 줄어들고, 그 대신에 2개의 직접 공급식 공기압축기를 부착하는 경우가 된다. 이 경우 공기 압축부(300)는 기관부(100)의 크랭크 축(150)과 직렬 또는 병렬로 연결된 제2 크랭크 암(340)에 간단히 부착하여 연결할 수 있다.

4 행정기관의 4개의 실린더는 모두 연소-팽창 행정에 의해 발생하는 고온·고압에 견딜 수 있는 고급의 재질과 견고한 구조가 필요하고, 또한 각 실린더 마다 냉각을 위한 물 재킷을 필요로 한다. 또한 각 실린더 마다 4 행정의 수행에 필요로 하는 점화 플러그와 연료 분사기 등 연료 공급장치는 물론, 흡기 및 배기 밸브를 비롯하여 각종 부속 구동기구 등을 필요로 하며, 이러한 고급 재질과 일부 부품은 매우 고가이다. 따라서 기관의 크기와 중량이 커질 수밖에 없고, 그 제조비용도 매우 높다.

이에 비하면 본 발명의 공기 압축부(300)에서 사용하는 왕복 피스톤식 공기 압축부(300)는 흡기 밸브(370)를 제외하고는 이와 같은 4 행정기관의 구성에 필수 불가결의 구성 요소들이 모두 필요가 없기 때문에 그 체적과 중량이 작고, 또한 그 작동원리와 구조도 매우 단순하기 때문에, 그 제조비용도 저렴하다.

이 경우, 4 행정기관에서 4개의 실린더 중 2개의 실린더를 제거함으로써 줄어드는 기관의 체적과 중량은 2개의 공기압축기를 부착함으로써 늘어나는 기관의 체적과 중량에 비해 획기적인 체적과 중량의 감소 효과를 초래하며, 또한 이에 따라 내연기관의 제조비용도 대폭적으로 절감할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의한 내연기관은 기존의 2 행정기관의 장점을 유지하면서 기존의 2 행정기관이 가지고 있는 결함을 모두 제거했을 뿐만 아니라 가장 완전하고 효율적인 성층 희박연소를 실현함으로써 기관의 효율과 출력성능을 제고한 이상적인 2 행정기관의 구성을 구현하고, 기관의 실린더 수를 4 행정기관의 반으로 줄임으로써 획기적인 기관의 소형ㆍ경량화를 실현하고 기관의 제조 원가도 대폭적으로 절감한다.

한편, 상기 설명한 실시 형태에 관한 설명은 주로 가솔린을 사용하는 가솔린 내연기관에 적용되는 실시 형태에 관한 것으로서, 상기 실시 형태에서, 연소부(200)에서 점화 플러그(260)를 제거하면, 바로 디젤기관으로 전환할 수 있다. 이 경우는 기존의 디젤기관의 부연소실식이나 와류실식과 유사한 형태를 가지게 된다. 따라서 이 경우는 기관의 압축비만 조정하여 기관을 설계하면 된다.

한편, 도 7은 본 발명에 의한 다른 형태의 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 가솔린 내연 기관의 기관부(100) 및 연소부(200)의 형태를 도시한 도면이다.

도 7에 따른 실시 형태에 의하면, 다른 모든 구성 및 작동은 위에서 설명한 바와 동일하나, 연소실(210)의 위치가 상기 실린더(110)의 중심으로부터 수평 방향으로 이격되어 일 측으로 치우친 위치를 가지며, 실린더(110) 상단의 헤드(160)의 하면에 하향 곡면(162)이 형성되고, 피스톤(120)의 상면에는 제2 하향 곡면(122)이 형성된 점이 상이하다.

먼저, 연소실(210)은 실린더(110)의 중심으로부터 이격되어 일측으로 치우쳐 위치한다. 이때, 치우친 위치는 도 7에 도시된 바와 같이 배기구(170) 및 배기 밸브(180)가 배치된 위치에 대해 반대편 측이 바람직하다.

아울러, 상기 헤드(160)의 하면에는 상기 연소실(210)이 배치된 지점을 중심으로 하여 하향 곡면(162)이 형성된다. 하향 곡면(162)은 상기 연소실(210)의 위치를 정점으로 하여 그로부터 완만한 곡선을 그리며 하방향으로 하강하는 형태를 갖는다. 달리 설명하면 헤드(160)의 두께가 차츰 두꺼워지는 것으로 이해될 수도 있다.

아울러, 상기 실린더(110)의 상면에는 상기 하향 곡면(162)의 형상에 대응하여 제2 하향 곡면(122)이 형성된다. 제2 하향 곡면(122)은 상기 하향 곡면(162)의 형상에 부합하는 형상을 가지며, 상기 연소실(210)의 위치와 대응하는 부분을 정점으로 하여 그로부터 완만한 곡선을 그리며 하방향으로 하강하는 형태를 갖는다. 이에 따라서, 상기 실린더(120)에는 상기 연소실(210)의 위치와 대응하는 지점에 돌출부(124)가 형성되며 상기 돌출부(124)의 주변에 상기 돌출부(124)로부터 차츰 함몰되는 함몰부(126)가 형성되게 된다. 달리 설명하면 피스톤(120)의 두께가 차츰 얇아지는 것으로 이해될 수도 있다.

이러한 구성을 가짐에 따라서, 도 7의 화살표로 표시된 바와 같이, 연소실(210)의 개방구(250)로부터 실린더(110) 내로 유입되는 공기가 피스톤(120)의 상단의 제2 하향 곡면(122)의 돌출부(124)와 만나면서 자연스럽게 배기구(170)가 위치한 지점으로 치우쳐 흐르게 된다. 따라서, 실린더(110) 내로 유입되는 공기가 실린더(110) 내의 연소 가스를 배기구(170) 쪽으로 밀어내어 배기 효과가 향상된다.

본 실시 형태를 갖는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 디젤 내연기관은 상기 설명한 바와 같이 점화 플러그(260)만을 제외한 형태가 될 수 있다.

이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 고안의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어져서는 안될 것이다.

100: 기관부
110: 실린더
120: 피스톤
122: 제2 하향 곡면
124: 돌출부
126: 함몰부
130: 커넥팅 로드
140: 크랭크 암
150: 크랭크 축
160: 헤드
162: 하향 곡면
170: 배기구
180: 배기 밸브
200: 연소부
210: 연소실
220: 급기구
230: 급기 밸브
240: 급기관
250: 개방구
260: 점화 플러그
270: 연료 분사기
280: 벤츄리 튜브를 이용한 연료 공급 장치
281: 연료관
282: 니들 밸브
283: 연료 노즐
300: 공기 압축부
302: 직접 공급식 공기 압축기
302': 기관 구동의 간접 공급식 공기 압축기
302'': 전동 모터 구동식 공기 압축기
302''': 터보 차저(Turbo Charger)
304: 압축 공기실
310: 제2 실린더
320: 제2 피스톤
330: 제2 커넥팅 로드
340: 제2 크랭크 암
350: 제2 크랭크 축
360: 흡기구
370: 흡기 밸브
380: 압축공기 배출구

Claims

동력을 생성하는 기관부;
압축 공기를 제공받고 연료의 연소가 이루어지는 연소부; 및
압축 공기를 생성하여 상기 연소부 및 기관부에 제공하는 공기 압축부; 를 포함하는 내연기관으로서,
상기 기관부는,
소정의 내부 공간을 갖는 실린더;
상기 실린더의 상단에 마련되는 헤드;
상기 실린더의 내부 공간에서 상하 방향으로 상사점과 하사점 사이에서 왕복 운동하는 피스톤; 을 포함하며,
상기 연소부는,
상기 실린더의 상기 헤드에 배치되며, 일정한 체적을 갖되 가장 넓은 횡단면 부분의 직경이 상기 실린더의 내경(Bore) 보다 작고 입구가 밑으로 향하여 상하 역전된 항아리형 형태로 구성되며 상기 실린더의 내부 공간과 별도의 공간으로 형성되는 연소실;
상기 연소실의 하부 및 상기 실린더의 상부에 위치하며 상기 연소실의 가장 넓은 부분의 횡단면의 직경보다 작으며 상기 실린더 내경(Bore)의 2분의 1 이하의 크기의 내경을 가지며, 상기 연소실의 내부 공간과 상기 실린더의 내부 공간이 연통하며 상기 연소실 내부 공간과 상기 실린더 내부 공간이 하나의 공간을 형성하도록 개방된 개방구;
상기 연소실의 일 측에 형성되며, 압축 공기가 상기 연소실 내부로 공급되도록 개방된 급기구;
상기 급기구에 배치되며 상기 급기구를 개폐하는 급기 밸브;
상기 급기구와 연결되되 상기 연소실의 측면 둘레에 대해 접선 방향이며 상방향으로 경사지게 연결되어 상기 공기 압축부로부터 압축 공기를 공급받는 급기관;
상기 연소실 내부에 연료를 분사하도록 마련되는 연료 분사 장치; 를 포함하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 1 항에 있어서,
상기 기관부는,
일단이 상기 피스톤과 연결되는 커넥팅 로드;
상기 실린더의 하부에 마련되며 회전하는 크랭크 축;
일단이 상기 커넥팅 로드의 타단과 연결되고 타단이 상기 크랭크 축과 연결되어 상기 크랭크 축을 중심으로 회전하며, 상기 커넥팅 로드의 운동을 회전 운동으로 변환하는 크랭크 암;
상기 실린더의 상기 헤드에 배치되며 상기 실린더의 내부 공간의 기체를 배기시키는 배기구;
상기 배기구에 배치되어 상기 배기구를 개폐하는 배기 밸브; 를 더 포함하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 1항에 있어서
상기 공기 압축부는,
상기 기관부의 크랭크 축과 직렬, 또는 병렬로 연결되어 상기 기관부에서 발생하는 동력을 이용하여 구동하는 왕복 피스톤식 공기 압축 장치에 의해 공기를 압축시켜서 압축된 공기를 상기 급기관과 급기구를 통해 상기 연소실에 직접 공급하는 직접 공급식 공기 압축기; 및
공기를 압축시키는 공기 압축 장치, 및 상기 공기 압축 장치와 연결되어 압축 공기를 제공받아 저장하며 소정의 압력을 유지하도록 하는 압축 공기실을 포함하며, 상기 압축 공기실은 상기 급기관 및 급기구를 통하여 상기 연소실 내에 압축 공기를 공급하는 간접 공급식 공기 압축기; 중 적어도 하나를 포함하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 3 항에 있어서,
상기 직접 공급식 공기 압축기는,
소정의 내부 공간을 갖는 제2 실린더;
상기 제2 실린더 내부에서 상하 방향으로 왕복 운동하는 제2 피스톤;
일단이 상기 제2 피스톤과 연결되는 제2 커넥팅 로드;
상기 제2 실린더의 하부에 마련되는 회전하는 제2 크랭크 축;
일단이 상기 제2 커넥팅 로드의 타단과 연결되고 타단이 상기 제2 크랭크 축과 연결되어 상기 제2 크랭크 축을 중심으로 회전하며, 상기 제2 커넥팅 로드의 운동을 회전 운동으로 변환하는 제2 크랭크 암;
상기 제2 실린더의 상단에 구비되어 상기 제2 실린더의 내부 공간에 공기가 급기되도록 하는 흡기 밸브; 및
상기 제2 실린더의 상단에 구비되어 상기 제2 실린더 내부에서 압축된 압축 공기를 배출하도록 하는 압축공기 배출구; 를 포함하며,
상기 연소부의 상기 급기구와 상기 압축공기 배출구는 상기 급기관을 통해 연결되는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 4 항에 있어서,
상기 크랭크 축과 상기 제2 크랭크 축은,
서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 함께 회전운동을 하여,
상기 크랭크 암과 상기 제2 크랭크 암이 동일한 주기로 회전하며 상기 피스톤과 상기 제2 피스톤이 동일한 주기로 왕복 운동하되,
상기 제2 크랭크 암은 상기 크랭크 암에 대해서 상기 및 제2 크랭크 축의 회전 방향으로 소정의 사이각 θ를 갖고 회전하여,
상기 제2 크랭크 암이 상기 크랭크 암보다 상기 사이각 θ만큼 선행 회전하고, 상기 제2 피스톤이 상기 피스톤보다 사이각 θ만큼 먼저 상사점에 도달하되,
상기 사이각 θ는,
30° 내지 60°인 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 2 항에 있어서,
상기 기관부는,
상기 크랭크 축의 회전에 의해서 구동하는 캠; 을 더 포함하며,
상기 급기 밸브의 개폐 및 상기 배기 밸브의 개폐는,
상기 캠에 의해 조절되는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 2 항에 있어서,
상기 연소실은,
상기 실린더의 중심으로부터 수평 방향으로 이격되어 상기 실린더의 상기 헤드의 일 측에 치우쳐서 배치되며,
상기 실린더의 상기 헤드의 하면에는 상기 연소실이 배치된 부분을 중심으로 하향 곡면이 형성되고,
상기 피스톤의 상면에는.
상기 연소실이 배치된 위치에 대응하는 부분을 중심으로 하여 상기 실린더의 상기 헤드에 형성된 상기 하향 곡면에 부합하는 제2 하향 곡면이 형성된 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 7 항에 있어서,
상기 연소실의 위치는,
상기 배기구가 형성된 위치에 대해서 반대측 방향으로 치우친 위치인 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 1 항에 있어서,
상기 연소부는,
상기 연소실 내부의 연료를 점화시키는 점화 플러그;를 더 포함하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 내연기관.
제 1 항에 있어서,
상기 피스톤이 하사점으로부터 상사점으로 상승 운동을 하는 배기 과정에서 상기 연소실의 상기 급기 밸브를 열어 상기 공기 압축부로부터 압축 공기를 상기 급기관과 급기구를 통해 상기 연소실 내에 공급하는 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 10 항에 있어서,
상기 급기구를 통해 상기 연소실 내로 급기되는 압축 공기가 상기 연소실 내로 유입되면서 상기 연소실 내에 잔존하는 전 행정에서 발생한 연소 가스를 상기 개방구를 통해 상기 실린더실 내로 밀어내고, 이어 계속하여 공급되는 압축 공기가 상기 실린더실 내로 유입되면서 상기 실린더실 내에 잔존하는 전 행정에서 발생한 잔존 연소 가스를 상기 배기구를 통해 배출하는 배기에 기여하는 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 11 항에 있어서,
상기 공기 압축부로부터 상기 급기구를 통하여 상기 연소실 내에 압축 공기의 급기가 진행되는 과정에서 상기 배기 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 12 항에 있어서,
상기 배기 밸브를 닫고 상기 급기구를 통하여 상기 연소실 내에 압축 공기가 급기되는 과정에서 상기 연소실 내에 상기 연료 분사기로부터 연료를 분사하는 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 13 항에 있어서,
상기 연료 분사 장치는 상기 급기관 내에 설치된 연료 공급 노즐을 포함하며, 벤츄리 튜브의 원리를 이용해서 상기 급기관 내에 연료를 공급하는 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 13 항에 있어서,
상기 피스톤이 상사점에 도달하기 전, 상기 피스톤이 상사점에 도달한 시점의 상기 크랭크 암의 위치에 대해서 상기 크랭크 암의 위치가 사이각 θ를 가진 시점에 상기 급기 밸브를 닫는 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 15 항에 있어서,
위 사이각 θ는 30° 내지 60°인 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 16 항에 있어서,
상기 연소부는,
상기 연소실 내부의 연료를 점화시키는 점화 플러그;를 더 포함하며,
상기 피스톤의 상사점에서 상기 연소실 내의 혼합기를 상기 점화 플러그로 점화하여 연료의 연소로 발생한 연소 가스의 급격한 팽창으로 압력이 높아진 연소 가스가 상기 개방구를 통하여 상기 실린더실 내로 분출되어 상기 실린더 내의 충진 공기와 섞이게 되는 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.
제 17 항에 있어서,
상기 연소실 내에서 연소된 연소 가스의 팽창 압력에 의해 상사점에 있는 상기 피스톤을 하사점을 향해 밀어내어 상기 크랭크 축을 회전시킴으로써 동력을 발생하도록 하는 구성과 구조를 특징으로 하는 기관부 외부의 공기 압축 기구에 의한 급기 방식의 2 행정 1 싸이클 내연기관.