KR20170039644A - 압축흡기에 의한 공랭식 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 시동 초기에는 종래의 엔진에서와 같이 모든 실린더에서 흡입, 압축 연소/팽창 및 배기의 과정이 진행되나, 엔진이 가열되면 압축흡기로 실린더를 냉각하면서 압축흡기를 예열하고, 이 예열 압축흡기를 인접한 실린더에 공급하여, 바로 연소/팽창 및 배기의 과정으로 동력이 생산되도록 구성한 것이 특징인 압축흡기에 의한 공랭식 엔진이다.

Description

압축흡기에 의한 공랭식 엔진{Compressed-Air Cooling Engine}
크랭크 피스톤 엔진은 보통 물(Water)로 냉각하므로 냉각손실이 주어진 (연료) 에너지에 대하여 약 30% 이상으로 높다. 본 발명은 이러한 냉각손실을 기계적 동력으로 회수하여 열효율이 높아지도록 하는 공랭식 엔진에 관한 것이다.
크랭크 피스톤 엔진에서 30% 이상으로 높은 냉각 손실을 줄이기 위한 방법으로 일본 공개특허공보 소54-036438호(1979.03.17)로 공개된 외연기관(外燃機關)에서는, 배기가스로 흡기를 예열하는 수단이 시도되었다. 그러나 이 발명은 열역학적으로 흡기의 엔트로피(Entropy)를 증가시키게 됨에 따라 엔진의 열효율을 향상시키는 효과를 이룰 수 없었다.
*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 압축흡기가 실린더를 냉각하면서 예열될 수 있고, 또 팽창과정에서 충분히 팽창될 수 있도록 구성하여, 상기 냉각손실과 배기손실을 크게 줄일 수 있도록 구성한 것이 특징이다.
본 발명에서는 흡기가 압축된 후, 이 압축흡기는 엔진의 실린더를 냉각하면서 예열되고, 이어 인접한 실린더에 입력되며, 이 압축흡기에 연료가 분사 연소 되도록 하여, 연소가스가 팽창하면서 동력을 생산하게 된다. 즉, 본 발명은 압축흡기가 엔진을 냉각하면서, 냉각손실을 기계적 동력으로 회수하여 엔진의 열효율이 크게 높아지도록 구성한 것이다.
본 발명에서는, 실린더에 흡입 압축된 압축흡기로 실린더를 냉각하면서 이 압축흡기가 예열되도록, 실린더 라이너의 둘레에 실린더를 냉각하는 냉각핀(Cooling Fin)이 형성되어 있고, 실린더 헤더에 압축흡기의 입출력을 제어하는 밸브가 추가 장착되어; 실린더에서 흡입 압축된 압축흡기로 상기 냉각기를 통하여 엔진의 실린더를 냉각하고 예열된 후, 인접한 실린더로 압송 입력되고, 이 실린더에서는 공기의 흡입 압축 과정 없이, 입력된 압축흡기에 연료가 분사 연소되어, 연소가스가 동력을 생산하면서 팽창 배기되도록 구성함에 따라, 종래 엔진의 냉각손실의 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, (열교환기인) 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 외벽 모양을 보인 입체도
도 10은 본 발명 실린더의 냉각기(압축흡기의 가열기) 외관을 입체도
도 11은 본 발명의 실린더 냉각기(압축흡기 가열기)의 요부를 보인 단면도
도 12는 본 발명의 실린더 냉각기(압축흡기 가열기)의 요부를 보인 단면도
도 13은 실린더 헤더의 흡배기 밸브와 압축흡기 제어밸브 위치를 보인 도면
도 14, 15, 16 및 17은 본 발명 공랭식 냉각 계통의 압축흡기 흐름도
도 18은 본 발명의 작동 사이클을 보인 T-S 선도
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.
본 발명에서는 흡기를 압축한 후, 밀도가 높아진 압축흡기로 실린더를 냉각하고, 더불어 이 압축흡기를 예열하여 상기 냉각손실을 줄이므로 본 발명 작동 사이클인 도 18도의 T-S 선도에 보인 바와 같이 열역학적으로 엔진의 열효율이 크게 향상된다. 이와 같이 본 발명이 압축흡기로 실린더를 냉각할 수 있는 것은 900°C의 고온에도 그 강도가 유지되는 초내열합금강이 (근래에) 개발되었기 때문에 가능하다.
도 2에 보인 피스톤크랭크 엔진에서 있어서, 근래에 발달된 직분사 엔진에서는, 피스톤(2)이 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. 이와는 발리 본 발명에서는 밀도가 높은 압축흡기로 실린더를 냉각한다.
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) 실린 순으로 일어난다. 발명은 이러한 3기통(3-Cylinder), 4기통 또는 다수의 실린더로 구성될 수 있다. 그러나 편의상 본 발명이 3기통으로 구성된 구조의 것으로 가정하여, 본 발명의 작동이 설명될 것이다.
도 8은 본 발명의 실린더 라이너(11,21)의 내부를 보인 입체도이다. 예를 들어, 3기통으로 구성된 본 발명에서, 양단에 위치한 실린더라이너(11)의 플랜지(11h)에는 압축흡기 입출구(17b)가 1개 형성되고, 또 상기 실린더(11)의 외벽에는 도시한 바와 같이 압축흡기 이동차단 벽(12)이 형성된다. 중앙에 위치한 실린더(21)의 플랜지(21h)에는 압축흡기 입출구(27b)가 2개 형성된다.
그러나 도시한 바와 같이 또 다른 압축흡기 입출구(17c,27c)는 양단 및 중앙에 위치한 실린더(11,21)의 플랜지(11h,21h) 모두에 형성되어 있다. 이러한 실린더 라이너(11/21)에는 외벽에 압축흡기로 실린더를 냉각하는 냉각핀(Cooling Fin, 11b/21b)이 형성되어 있다.
도 11 및 도 12는 상기 양단 실린더(11) 라이너와 중앙에 위치한 실린더(21) 라이너가 엔진 실린더 블록에 끼워 맞춤된 상태를 보인, 본 발명의 요부 단면도이다. 도면에 보인 바와 같이 엔진 실린더 블록과 상기 실린더 라이너 사이에는 보온재(11e,21e)가 삽입된다. 이와 같이 실린더 냉각기가 구비된 본 발명 실린더 라이너의 작동은 아래에서 자세히 설명된다.
본 발명의 실린더 헤더에는 종래 엔진의 흡배기밸브에 더하여 압축흡기를 실린더에서 실린더 냉각기로 출력하고, 또 상기 냉각기로부터 실린더로 입력하는, 압축흡기 입축력 제어밸브(17,27)가 도 11 및 도 12에 보인 바와 같이 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.
도 13은 앞서 설명한 흡기밸브, 배기밸브 및 압축흡기 입축력 제어밸브의 위치를 보이기 위한 도면으로, 흡기밸브의 밸브시트(15p/25p,Seat)의 위치, 배기밸브의 밸브시트(18p/28p)의 위치 및 압축흡기 입축력 제어밸브의 밸브시트의 위치를 실린더를 기준하여 보인 다이어그램이다.
본 발명 실린더 헤더(13)에는, 도 11 및 도 12에 보인 바와 같이, 압축흡기 입출력 제어밸브(17,27)에서 실린더 냉각기의 압축흡기 입출구(17b,27b)로 통하는 압축흡기 이동통로(17a,27a)가 형성되어 있고, 또 인접한 실린더 냉각기로 상기 압축흡기가 이동할 수 있도록 상기 냉각기의 입출구(17b,27b)로 통하는 압축흡기 이동통로(27d)가 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명은 시동될 때는 종래의 엔진과 같이 작동된다. 즉, 상기 압축흡기 입출력 제어밸브(17,27)는 작동하지 않고, 각각의 실린더에서 흡입, 압축, 연소/팽창 및 배기의 전 과정이 진행된다. 그러나 어느 정도 시간이 지나 엔진이 가열되면, 본 발명은 엔진에 가해지는 부하에 따라 매우 다양한 방법으로 작동하여 압축흡기로 실린더를 냉각한다.
도 14는 양단 실린더에서는 흡입, 압축, 연소/팽창 및 배기의 과정이 진행되고, 중앙의 실린더에서는 공기가 흡입 압축되지 않고, 양단 실린더에서 흡입 압축된 압축흡기의 1/2 정도가 추출되어 실린더를 냉각하면서 예열되고 중앙 실린더에 공급되어, 연소/팽창 및 배기의 과정이 진행되는 바, 상기 실린더 냉각기에서 압축흡기가 이동하는 상태를 보이기 위한 압축흡기 흐름도(Flow Diaphragm)이다.
도 15는 중앙 실린더에서는 연소/팽창 및 배기의 과정 없이 공기가 계속 흡입, 압축되어 상기 실린더 냉각기로 공급되고, 이 압축흡기는 실린더를 냉각하면서 양단 실린더에 공급되어 연소/팽창 및 배기의 과정으로 동력이 생산되는 경우, 압축흡기의 흐름을 보인 도면이다.
도 16은 양단 실린더 중에 어느 하나의 실린더에서 연소/팽창 및 배기의 과정 없이 공기가 계속 흡입, 압축되어 상기 실린더 냉각기로 공급되고, 이 압축흡기는 실린더를 냉각하면서 나머지 두 실린더에 공급되어 연소/팽창 및 배기의 과정으로 동력이 생산되는 경우, 압축흡기의 흐름을 보인 도면이다.
도 17은 중앙의 실린더에서는 종래의 엔진에서와 같이 공기가 흡입, 압축, 연소/팽창 및 배기의 과정으로 동력이 생산되고, 양단의 실린더 중 어느 하나에서는 연소/팽창 및 배기의 과정 없이 계속 공기를 흡입, 압축하여 실린더 냉각기에 공급하고, 이 압축흡기는 실린더를 냉각하면서 나머지 실린더로 공급되어, 연속되는 연소/팽창 및 배기의 과정으로 동력을 생산하는 경우, 압축흡기의 흐름으로 보인 도면이다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 엔진의 부하에 따라 여러 가지 방식으로 운전될 수 있는 바, 이는 상기 압축흡기 제어밸브가 엔진의 ECU(Engine Control Unit)의 제어에 따라 작동되기 때문이다. 즉, 한 실린더에서 피스톤이 상사점에 접근하면 상기 압축흡기 제어밸브가 열리고, 따라서 흡입되어 압축된 압축흡기가 실린더 냉각기로 압송되어 실린더를 냉각하면서 예열되고, 이어 인접한 실린더에서 피스톤이 상사점에서 후진할 때, 해당 압축흡기 제어밸브가 열리면서 예열된 압축흡기가 상기 실린더에 공급되도록 제어될 수 있다.
본 발명에서는 압축흡기가 앞서 설명한 냉각기를 통하여 연료의 자연 착화온도 이상인 고온으로 예열되므로 실린더에 입력된 압축흡기에 연료를 분사하면 연료는 바로 연소된다. 그러나 본 발명 엔진이 경부하로 운전될 경우, 실린더 냉각기에서 충분히 예열되지 못하여, 이 압축흡기가 연료의 자연착화 온도 이하로 낮을 수 있다. 그러나 일반적으로 연소가스의 배기온도는 상당히 높은 500°C 정도이므로, 또 이 배기가스의 온도는 배기밸브가 닫히는 시기에 따라 정해지므로, 이 배기가스의 피드백(Feed Back)이 활용되면 실린더(21)에 입력되는 예열 압축흡기의 온도는 연료의 자연착화 온도 이상으로 엔진의 부하에 관계없이 유지될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명은 종래 엔진의 냉각손실을 열교환에 의하여 기계적 동력으로 회수하여 엔진의 열효율을 향상시킨 것이 특징이다. 본 발명이 차량 엔진에 적용되면, 공랭식 엔진의 장점으로 차량의 중량을 크게 줄일 수 있으므로 엔진의 연비를 더 높일 수 있는 장점이 있다.
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: 실린더 냉각기/외벽 (압축흡기 가열기)
11b/21b: 실린더 냉각기의 냉각핀(Cooling Fin) (압축흡기 가열 핀)
11c/21c: 실린더 냉각기의 압축흡기 이동통로
11d/21d: 실린더 냉각기의 외벽 용접 부위
11e/21e: 실린더 냉각기의 보온재
12 : 압축흡기 이동차단 벽
13 : 실린더 헤더
14 : 흡기구 (Intake Port)
15 : 흡기밸브
15a: 흡기밸브 캠
15p/25p: 헤더에 위치한 흡기밸브의 밸브시트(Seat)
17/27: 압축흡기 입출력 제어밸브
17a: 실린더 헤더의 압축흡기 이동통로
17b/27b: 실린더 냉각기의 압축흡기 입출구
17c/27c: 압축흡기 (제어 벨브로 통하는) 입출구
17p/27p: 헤더에 위치한 압축흡기 제어밸브의 밸브시트
18p/28p: 헤더에 위치한 배기밸브의 밸브시트
19/29: 연료 분사기 (Fuel Injector)
27a: 실린더 헤더의 압축흡기 이동통로
27d: 실린더 헤더의 압축흡기 이동통로

Claims (7)

  1. 자동차 엔진;
    상기 자동차 엔진의 실린더가

    실린더 라이너의 외벽에 엔진내부로 흡입된 압축흡기가 이동하는 이동통로를 구비하여 상기 이동통로를 통해 이동되는 압축흡기의 이동에 의해 실린더를 냉각시키면서 상기 이동통로틀 통해 가열된 흡기를 실린더 내부로 공급으로써 열효율을 증대시키는 압축공기 예열식 엔진.
  2. 제1항에 있어서
    상기 압축흡기로 실린더를 냉각시키기 위해 상기 압축흡기가 이동하는 상기 이동통로를 이루어는 상기 실린더 라이너 외벽에는 냉각핀이 형성된 것을 특징으로 하는 압축공기 예열식 엔진
  3. 제2항에 있어서
    상기 실린더 라이너의 플랜지에는 압축흡기가 상기 이동통로로 공급되거나 배출되는 압축흡기입출구가 구비된 것을 특징으로 하는 압축공기 예열식 엔진
  4. 제3항에 있어서
    실린더 블록과 상기 실린더 라이너 사이에는 보온재가 삽입된 것을 특징으로 하는 압축공기 예열식 엔진
  5. 제4항에 있어서
    실린더헤드에는 상기 압축흡기 입출구를 연결된 압축흡기 이동통로가 형성되어 상기 압축흡기가 이동하도록 형성된 압축공기 예열식 엔진
  6. 제5항에 있어서
    상기 압축흡기 입출구에는 압축흡기 입출력 제어밸브가 형성되어 압축흡기의 흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 압축공기 예열식 엔진
  7. 제1항에 있어서
    상기 하나의 실린더에서 가열된 압축흡기는 인접한 실린더로 공급되도록 형성된 이동통로를 통해 인접한 실리더 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 압축공기 예열식 엔진
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