KR20200120806A - 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크랭크샤프트와 캠샤프트의 회전비를 변경하여 2행정 기관을 구현하도록 한 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 크랭크샤프트와 연동 회전되는 캠샤프트; 상기 캠샤프트의 회전작동에 따라 흡기밸브 및 배기밸브가 열리고 닫히도록 구성된 밸브시스템;을 포함하고, 상기 크랭크샤프트의 1회전 동안 흡기밸브와 배기밸브가 각각 1회씩 열리고 닫히도록 구성된 것을 특징으로 하는 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진이 소개된다.

Description

밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진{2 CYCLE ENGINE WITH VALVE SYSTEM}
본 발명은 크랭크샤프트와 캠샤프트의 회전비를 변경하여 2행정 기관을 구현하도록 한 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진에 관한 것이다.
4행정 사이클 엔진은 피스톤이 2회 왕복하는 사이에 흡입-압축-폭발-배기행정의 1사이클이 진행되어 동력을 발생시키는 내연기관이다.
이러한, 4행정 사이클 엔진은 각 행정이 완전하게 구분되어 있어 연소가 안정적이고, 흡입행정에서의 냉각 효과로 인해 각 부분의 열적 부하가 적으며, 흡입행정의 기간이 충분하여 체적 효율이 높은 장점 등이 있다.
하지만, 크랭크축의 2회전 동안 1회의 폭발 행정이 이루어지므로, 회전력의 변동이 큰 것은 물론, 동일 출력의 2행정 엔진에 비해 엔진 배기량이 증대되어 엔진의 크기와 무게가 증대되는 단점이 있고, 또한 2행정 엔진에 비해 행정이 증가하는 만큼 마찰, 배기 및 냉각손실도 함께 증가하는 문제도 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1365287 B1
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 크랭크샤프트와 캠샤프트의 회전비를 변경하여 2행정 기관을 구현하도록 한 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 크랭크샤프트와 연동 회전되는 캠샤프트; 상기 캠샤프트의 회전작동에 따라 흡기밸브 및 배기밸브가 열리고 닫히도록 구성된 밸브시스템;을 포함하고, 상기 크랭크샤프트의 1회전 동안 흡기밸브와 배기밸브가 각각 1회씩 열리고 닫히도록 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 크랭크샤프트와 캠샤프트가 1:1의 회전비로 회전하도록 구성될 수 있다.
상기 크랭크샤프트의 회전에 따라 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 제1행정과 상사점에서 하사점으로 이동하는 제2행정 동안 흡입-압축-팽창-배기행정이 일어나도록 흡기밸브 및 배기밸브의 밸브타이밍이 결정될 수 있다.
상기 흡기밸브 및 배기밸브의 밸브타이밍을 조절하는 가변밸브기구; 엔진 운전조건을 입력받아 가변밸브기구의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 더 포함하고,
상기 컨트롤러는, 상기 배기밸브가 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려오는 과정에서 열리고, 하사점 부근에서 배기가스 압력이 기준값 이하로 낮아지는 시점에 닫히도록 제어하고; 상기 흡기밸브가 하사점 부근에서 열리고, 하사점 후에 닫히도록 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 엔진의 목표흡기량과 현재 흡기량을 비교하여 흡기밸브의 닫힘시기를 조절하도록 가변밸브기구의 작동을 제어할 수 있다.
상기 엔진의 흡기포트에 MTV, 텀블포트, 워터인젝션장치 중 하나 이상이 적용될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 크랭크샤프트의 1회전시 1회의 폭발 행정이 이루어지므로, 동일 출력의 4행정 엔진에 비해 엔진 배기량이 감소되어 엔진의 크기와 무게를 줄이게 되고, 또한 행정이 감소하는 만큼 마찰, 배기 및 냉각손실도 줄어들게 되어 연비를 개선하는 효과가 있다.
더불어, 기존의 4행정 엔진을 그대로 활용하면서 크랭크샤프트와 캠샤프트의 회전비만 변경하여 2행정 사이클을 구현함으로써, 2행정 엔진의 생산라인을 별도 구현할 필요가 없어, 엔진 생산비용을 절감하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2행정 사이클 엔진을 예시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 2행정 사이클 엔진의 구조와, 흡기압력 및 배기압력이 측정되는 부분을 예시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 2행정 사이클 엔진의 밸브타이밍을 예시하여 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 2행정 사이클 엔진의 P-V선도.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 적용 가능한 엔진의 구성을 살펴보면, 크랭크샤프트(1)에 크랭크스프로켓(3)이 결합되고, 캠샤프트(5)에 캠스프로켓(7)이 결합되며, 상기 크랭크스프로켓(3)과 캠스프로켓(7)에 타이밍벨트 또는 체인이 걸려져 크랭크샤프트(1)의 회전에 따라 캠샤프트(5)가 연동 회전된다.
그리고, 상기 캠샤프트(5)에는 캠(9)이 구비되고, 상기 캠(9)은 그 회전작동에 따라 흡기밸브(13) 및 배기밸브(15)와, 밸브스프링 등을 포함하는 밸브시스템에 작동력을 가하도록 구성이 되어, 밸브가 열리고 닫힐 수 있게 된다. 즉, 상기 캠 프로파일 형상에 따라 밸브타이밍/리프트/듀레이션이 결정되는바, 흡기에서 배기까지의 행정이 이루어질 수 있게 된다.
아울러, 상기 엔진의 흡기포트에 MTV(매니폴드 스로틀밸브)나 텀블포트가 적용 가능함으로써, 흡기의 유동을 강화시켜 높은 EGR율에도 연소를 안정화시킬 수 있도록 구성이 된다.
또한, 상기 흡기포트에 워터인젝션장치가 장착되어 물분사함으로써, 엔진의 온도를 낮추고 공기의 밀도를 높여 노킹영역에서 노킹을 억제하도록 구성할 수 있다.
한편, 본 발명은 기존 4행정 엔진을 그대로 사용하면서 2행정 사이클을 구현할 수 있도록 한 것이 기술의 특징이다.
이 같은 기술적 특징을 구현하기 위해, 본 발명에서는 상기 크랭크샤프트(1)의 1회전 동안 흡기밸브(13)와 배기밸브(15)가 각각 1회씩 열리고 닫히도록 구성하게 된다.
이를 위해, 본 발명에서는 상기 크랭크샤프트(1)와 캠샤프트(5)가 1:1의 회전비로 회전하도록 구성하게 된다.
즉, 기존의 4행정 엔진의 경우, 크랭크샤프트(1)가 2회전하는 동안 캠샤프트(5)가 1회전하면서 흡기에서 배기까지의 행정을 진행하지만, 본 발명에서는 크랭크샤프트(1)가 1회전하는 동안 캠샤프트(5)가 1회전하면서 흡기에서 배기까지의 행정을 진행하게 되는 것이다.
아울러, 상기 크랭크샤프트(1)와 캠샤프트(5)가 1:1의 회전비를 갖도록 하는 바람직한 예시로서, 도 1과 같이 상기 크랭샤프트에 결합된 크랭크스프로켓(3)의 기어치와 상기 캠샤프트(5)에 결합된 캠스프로켓(7)의 기어치가 서로 대응하는 크기와 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 크랭크스프로켓(3)과 캠스프로켓(7)의 크기 및 형상을 동일하게 만들어 크랭크샤프트(1)와 캠샤프트(5)의 회전비를 1:1로 만들 수 있다.
기존 4행정 엔진을 기준으로 비교하면, 크랭크스프로켓(3)의 크기를 증가시켜 캠스프로켓(7)의 크기와 동일하게 만들거나, 또는 캠스프로켓(7)의 크기를 줄여 크랭크 스프로켓의 크기와 동일하게 만들 수 있다. 다만, 캠스프로켓(7) 크기를 줄여 크랭크스프로켓(3)의 크기와 동일하게 만드는 것이 엔진헤드의 높이를 줄일 수 있어, 더욱 바람직할 수 있다.
이 같은 구성에 따르면, 본 발명은 크랭크샤프트(1)의 1회전시 1회의 폭발 행정이 이루어지므로, 동일 출력의 4행정 엔진에 비해 엔진 배기량이 감소되어 엔진의 크기와 무게를 줄이게 되고, 또한 4행정 엔진에 비해 행정이 감소하는 만큼 마찰, 배기 및 냉각손실도 함께 줄어들어 연비개선 효과가 있다.
더불어, 기존의 4행정 엔진을 그대로 활용하면서 크랭크샤프트(1)와 캠샤프트(5)의 회전비만 변경하여 2행정 사이클을 구현함으로써, 2행정 엔진의 생산라인을 별도 구현할 필요가 없어, 엔진 생산비용을 절감하게 된다.
한편, 본 발명에서는, 도 4와 같이 상기 크랭크샤프트(1)의 회전에 따라 피스톤(17)이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 이동하는 제1행정과 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 이동하는 제2행정 동안 흡입-압축-팽창-배기행정이 일어나도록 흡기밸브(13) 및 배기밸브(15)의 밸브타이밍이 결정될 수 있다.
상기 밸브타이밍은 상기 캠(9)에 형성된 프로파일 형상에 따라 결정될 수 있고, 더 나아가 본 발명에서는 도 1과 같이 상기 흡기밸브(13) 및 배기밸브(15)의 밸브타이밍을 조절하는 가변밸브기구(11)와, 상기 엔진 운전조건을 입력받아 가변밸브기구(11)의 작동을 제어하는 컨트롤러(CLR)를 통해 밸브타이밍을 결정할 수 있다.
여기서, 상기 가변밸브기구(11)는, CVVT(Continuously Variable Valve Timing), VVD(Variable Valve Duration), CVVD(Continuously Variable Valve Duration) 또는 VVL(Variable Valve Lift), CVVL(Continuously Variable Valve Lift) 등일 수 있다.
이에, 상기 컨트롤러(CLR)는, 상기 가변밸브기구(11)의 작동을 제어하여, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 상기 배기밸브(15)가 피스톤(17)이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 내려오는 과정에서 열리고, 하사점(BDC) 부근에서 배기가스 압력이 기준값 이하로 낮아지는 시점에서 닫히도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 흡기밸브(13)가 하사점(BDC) 부근에서 열리고, 하사점(BDC) 후에 닫히도록 제어할 수 있다.
예컨대, 팽창행정 이 후, 피스톤(17)이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 내려오는 과정에서 배기밸브(15)가 열릴 수 있고, 배기가스의 압력이 충분히 낮아지는 지점인 하사점(BDC) 후에 배기밸브(15)가 닫히도록 제어할 수 있다.
그리고, 흡기밸브(13)는 하사점(BDC) 전에 열리도록 제어하여 배기밸브(15)와 오버랩되도록 하고, 하사점(BDC) 후의 적정시점에서 닫히도록 제어할 수 있다.
이 후, 압축행정이 이루어지고 상사점(TDC) 부근에서 연소가 시작되면서 상사점(TDC) 이 후 팽창행정이 일어날 수 있다.
특히, 흡기밸브(13)의 닫힘시기에 해당하는 실린더체적에 의해 연소실 내 공기량이 정해지므로, 엔진 운전조건에 따라 닫힘시기를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 컨트롤러(CLR)는, 엔진의 목표흡기량과 현재 흡기량을 비교하여 흡기밸브(13)의 닫힘시기를 조절하도록 가변밸브기구(11)의 작동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 현재 흡기량이 목표흡기량 이하시, 흡기밸브(13)의 닫힘시기가 늦추어지도록 제어함으로써, 흡기량을 증가시키게 되고, 이에 높은 연소효율의 열역학적 사이클을 구현할 수 있게 된다.
이때에, 상기와 같이 현재 흡기량과 목표흡기량을 직접 비교하여 흡기밸브(13)를 제어할 수 있지만, 다른 예시로서 흡기매니폴드 및 배기매니폴드에서 측정되는 흡기압력 및 배기압력을 이용하여 흡기량을 산출하고, 산출된 흡기량을 기반으로 흡기밸브(13)의 닫힘시기를 제어할 수도 있다.
예를 들어, 컨트롤러(CLR)에 목표흡기량이 입력되면 상기 목표흡기량에 상응하는 목표 압력차이값을 산출할 수 있다.
그리고, 현재 흡기량은 상기 흡기압력센서 및 배기압력센서를 통해 측정되는 현재 흡기압력과 배기압력의 차이값에 상응하므로, 이들의 차이값인 현재 압력차이값(Pin - Pout)과 목표 압력차이값(ΔP_target)을 비교한다.
비교 결과, 목표 압력차이값(ΔP_target)이 현재 압력차이값(Pin - Pout)보다 큰 경우 흡기밸브(13)의 닫힘시기를 늦추도록 제어함으로써, 연소실 내에 공급되는 흡기량을 증가시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 크랭크샤프트(1)의 1회전시 1회의 폭발 행정이 이루어지므로, 동일 출력의 4행정 엔진에 비해 엔진 배기량이 감소되어 엔진의 크기와 무게를 줄이게 되고, 행정이 감소하는 만큼 마찰, 배기 및 냉각손실도 줄어들게 되어 연비를 개선하게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 크랭크샤프트
3 : 크랭크스프로켓
5 : 캠샤프트
7 : 캠스프로켓
9 : 캠
11 : 가변밸브기구
13 : 흡기밸브
15 : 배기밸브
17 : 피스톤
CLR : 컨트롤러

Claims (6)

  1. 크랭크샤프트와 연동 회전되는 캠샤프트;
    상기 캠샤프트의 회전작동에 따라 흡기밸브 및 배기밸브가 열리고 닫히도록 구성된 밸브시스템;을 포함하고,
    상기 크랭크샤프트의 1회전 동안 흡기밸브와 배기밸브가 각각 1회씩 열리고 닫히도록 구성된 것을 특징으로 하는 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 크랭크샤프트와 캠샤프트가 1:1의 회전비로 회전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 크랭크샤프트의 회전에 따라 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 제1행정과 상사점에서 하사점으로 이동하는 제2행정 동안 흡입-압축-팽창-배기행정이 일어나도록 흡기밸브 및 배기밸브의 밸브타이밍이 결정되는 것을 특징으로 하는 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 흡기밸브 및 배기밸브의 밸브타이밍을 조절하는 가변밸브기구;
    엔진 운전조건을 입력받아 가변밸브기구의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배기밸브가 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려오는 과정에서 열리고, 하사점 부근에서 배기가스 압력이 기준값 이하로 낮아지는 시점에 닫히도록 제어하고;
    상기 흡기밸브가 하사점 부근에서 열리고, 하사점 후에 닫히도록 제어하는 것을 특징으로 하는 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    엔진의 목표흡기량과 현재 흡기량을 비교하여 흡기밸브의 닫힘시기를 조절하도록 가변밸브기구의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 엔진의 흡기포트에 MTV, 텀블포트, 워터인젝션장치 중 하나 이상이 적용된 것을 특징으로 하는 밸브시스템을 갖는 2행정 사이클 엔진.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR101365287B1 (ko) 2010-04-27 2014-02-19 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 2행정 사이클 엔진의 소기 통로 구조

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