KR20220103690A - 스로틀 대체 장치 - Google Patents

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Abstract

내연기관에 부착할 수 있는 컴프레서 유형 장치는 주어진 시간에 엔진 부하 조건 요구 사항에 따라 실린더를 통해 내연 엔진으로 전달되는 공기량을 제어함으로써, 스로틀 장치가 작동하는 방식을 대체하여 스로틀이 없는 내연기관을 구성한다. 컴프레서는 다양한 방식으로 제작될 수 있으며 크랭크축이나 기어 박스를 통해 엔진에 직접 연결된 하나 또는 여러 유닛으로 기능할 수 있다.

Description

스로틀 대체 장치
본 출원은 우선시일인 2019년 10월 1일에 출원된 미국 특허출원 번호 16589772의 출원일자에 대한 참고를 명시한다.
본 발명은 내연기관 분야와 관련이 있다.
내연기관의 효율은 작동 중 열에너지 손실로 인해 대부분 제한적이다. 효율은 부분 엔진 부하 작동과 같은 조건에서 스로틀 장치와 같은 특정 장치를 사용함으로써 더욱 감소한다. 알려진 바와 같이 스로틀은 엔진 부하 요구 사항에 따라 내연기관의 공기량을 제한한다. 스로틀 장치는 펌핑 및 열 손실로 인해 내연기관의 효율을 더욱 떨어뜨릴 수 있으며, 이러한 펌핑 및 열 손실로 인해 약 0%~14% 이상의 손실이 발생할 수 있다. 엔진이 이러한 부분 부하 조건에서 작동하는 대부분에 항상 8~14%의 스로틀 에너지 손실이 존재한다. 부하가 낮을수록 펌핑 손실이 커진다.
본 발명은 내연기관에서 에너지가 손실이 발생하는 스로틀 기능을 대체할 수 있는 장치를 제안한다. 제안된 장치는 내연기관에 추가할 수 있는 고유한 컴프레서 장치이다 (그림 1 참조).
컴프레서 유닛은 다양한 방식으로 작동하도록 제작될 수 있으며 단일 컴프레서 유닛 또는 여러 컴프레서 유닛으로 제작될 수 있다. 컴프레서는 내연기관을 통해 실린더를 통과하는 공기량을 제어하는 스로틀 장치 기능을 대체하는 방식으로 작동한다.
컴프레서가 공기량을 제어할 수 있는 방법 중 하나는 그림 1에 나와 있으며, 이는 유입된 공기 중 일부를 다시 배출하여 공기량을 제어하는 컴프레서 유닛과 특정 방식으로 흡기, 배출, 과잉 공기 밸브를 작동하여 어떤 공정을 달성하는지를 보여준다.
다른 방법은 그림 6에 표시된 컴프레서로, 흡기 및 배출 밸브를 다른 방식으로 작동하여 흡입 행정 중에 컴프레서의 공기량을 제한하는 방식을 보여준다. 여기에 설명된 목적을 위해 컴프레서로 공기량을 제어하는 다른 방법이 있을 수 있다. 컴프레서의 밸브는 전자, 기계, 공압, 압력차 또는 다른 방법으로 제어할 수 있다. 예를 들어 그림 1, 그림 2, 그림 3, 그림 4, 그림 5 및 그림 6에 단일 유닛 컴프레서만 표시되어 있다.
그림 1a 및 그림 1b를 포함하는 그림 1은 내연기관에서 스로틀 장치를 대체하는 컴프레서 유닛을 나타낸 도표이다. 여기에는 3개의 밸브를 포함한 컴프레서의 주요 요소가 나와 있다. 컴프레서는 엔진 크랭크축에 직접 부착된 크랭크축 또는 기어 박스를 통해 내연기관에 연결할 수 있다. 그림 1a는 컴프레서 3개 밸브의 작동 중 크랭크축 회전각 또한 나타낸다.　　　　　　　　　　　
그림 2a 및 그림 2b를 포함한 그림 2는 "공기 흡입" 밸브 8의 작동만 보여준다. 따라서 "공기 흡입" 밸브 8는 컴프레서 설계와 공기량, 온도 및 관성에 따라 약 0°에서 약 180°에서 약 190° 이상에서 열리고 닫히는 방식으로 작동한다.
그림 3(그림 3a 및 그림 3b)은 엔진 부하에 따라 약 180°에서 열리고 180°와 320° 사이에서 닫히는 "과잉공기 퍼지" 밸브 10의 작동을 보여준다.　　　　　　　　　
그림 4(그림 4a 및 그림 4b)는 엔진 부하에 따라 180°에서 여전히 180°와 320° 사이에서 열 수 있는 "과잉공기 퍼지" 밸브 10의 대안 사례를 보여준다.
그림 5(그림 5a와 그림 5b)는 180°와 320° 사이에서 열리고 엔진 부하에 따라 약 360°에서 닫히는 '공기 배출' 밸브 9의 작동을 나타낸다.
그림 6(그림 6a 및 그림 6b)은 0°에서 열리고 크랭크축 회전각 40°~ 320° 사이에서 닫히는 "공기 흡입" 밸브 8의 작동을 조작하여 공기량을 제어하는 컴프레서 유닛이다.　
그림 1 (그림 1a 및 그림 1b)에서 볼 수 있듯이 스로틀을 대체할 컴프레서는 내연기관 13에 부착되며 다음과 같이 구성된다:
실린더 2, 핀 20 및 커넥팅 로드 4가 있는 피스톤 3, 기어 박스(표시되지 않음)를 통해 혹은 직접 엔진과 연결되는 크랭크축 5, 탑 커버, 흡기관 또는 흡기 매니폴드 7, 과잉공기 퍼지관 또는 퍼지 매니폴드 11, 공기 배출관 또는 배기 매니폴드 6 및 3개의 특정 밸브. 컴프레서를 작동하는 밸브는 다음과 같다: "공기 흡입" 밸브 8, "과잉공기 퍼지" 밸브 10 및 "공기 배출" 밸브 9. 각 밸브 유형은 단수이거나 복수일 수 있다. 컴프레서에 있는 이러한 세 가지 유형의 밸브는 아래에 설명된 대로 특정한 방식으로 작동한다.
　"공기 흡입" 밸브 8는 피스톤 3이 약 A° 또는 크랭크축이 상사점(TDC)의 회전각위에 있을 때 열리며, (그림 2 참조: 그림 2a 및 그림 2b) 피스톤이 하사점(BDC, 180°)을 향해 아래로 이동할 준비를 함에 따라, 하사점 또는 하사점을 약간 지나 약 190°(B°)에서 닫힌다. 이는 최대 흡입을 가능케 하며, 컴프레서 크랭크축 5 회전각 및 흡기 또는 흡입 과정에서 엔진이 최대 출력을 낼 때에 엔진이 사용할 수 있는 전체 공기량에 따라 달라진다. 이 시점에서 "공기 흡입" 밸브 8는 컴프레서에서와 마찬가지로 닫히고 엔진 부하 작동으로 인해 해당 시점에 엔진에 필요한 컴프레서 실린더 내부에 갇힌 공기량이 결정되므로 "과잉공기 퍼지" 밸브 10 및 "공기 배출" 밸브 9와 같은 나머지 2개의 밸브의 작동이 결정된다.
엔진이 부분 부하 작동 상태에서 작동해야 하고 엔진 작동에 전체 공기량의 일부만 필요한 경우, "과잉공기 퍼지" 밸브 10가 약 180°(C°) 근방, 혹은 컴프레서 크랭크축 5 회전각위 하사점 근방에서 열린다, (그림 3: 그림 3a 및 그림 3b 참조). 이 때, "공기 흡입" 밸브 8는 하사점을 약간 지난 근방에서, 그림 2(그림 2a 참조) 위에 언급된 것처럼 B°에서 닫히려 하며, '공기량 배출' 밸브 9는 닫힌 상태로 유지된다, 그림 5(그림 5a 참조). "과잉공기 퍼지" 밸브 10을 통해 배출된 공기는 대기 중으로 배출되거나 연속적인 컴프레서 흡기(흡입) 행정을 위해 엔진 에어 필터 하우징(표시되지 않음)으로 되돌아갈 수 있다. 그림 3(그림 3a 및 그림 3b)의 작동 밸브 각도도 14에 표시된 바와 같이, "과잉공기 퍼지" 밸브 10는 위에서 언급한 것처럼 밸브가 열릴 때 C° 또는 컴프레서 크랭크축 5 회전각위 대략 하사점 사이에서 작동(개방)되고, 피스톤이 위로 이동할 때. 컴프레서 크랭크축 5 회전각위 하사점 또는 약 180°의 C°/Dmin°와 DMax°(약 270° 이상 상사점/360°미만으로 떨어짐) 사이에 있는 D°지점에서 닫힌다. 　"과잉공기 퍼지" 밸브 10가 D°=C°/DMin°에서 열린 직후 닫히면 엔진이 최대 출력으로 작동한다. D°= DMax°(약 270°이상 ~ 360°미만)에서 "과잉공기 퍼지" 밸브 10가 닫히는 경우, 즉, 흡기 행정 중에 유입된 대부분의 공기가 과잉공기 퍼지 매니폴드 11를 통해 다시 배출되고 엔진이 소비할 수 있는 일부 공기만 컴프레서 실린더에 남아 있기 때문에 엔진이 최소 출력으로 작동한다는 의미이다.
대안 설계에서 "과잉공기 퍼지" 밸브 10는 하사점에서 대략적으로 작동하지 않는 C°에서 작동(개방)되지만, C°가 180°보다 훨씬 작고 상사점 또는 약 0°와 180°사이에 있을 경우, (그림 4a 참조) 위에 설명된 것처럼 닫힌다.
마지막 밸브인 '공기 배출' 밸브 9는 (그림 5: 그림 5a 및 그림 5b 참조) '과잉공기 퍼지' 밸브 10의 작동을 따른다, (그림 3a, 그림 3b) 및 그림 5(그림 5a, 그림 5b) 참조. "과잉공기 퍼지" 밸브 10가 닫히는 즉시 "공기 배출" 밸브 9가 열리고 컴프레서 실린더의 잔존 공기가 컴프레서의 배기 매니폴드 6을 통해, 즉, 폭발 행정을 위해 엔진 흡기관 또는 흡기 매니폴드 12를 통해 내연기관13으로 환복되며 약 360/0°(F° 또는 상사점)에서 닫힌다. 즉, "공기 배출" 밸브 9는 하사점 근처 또는 약 180°(EMAX°)및 (EMIN°) 사이의 E°에서 개방될 때 작동하며, 동일한 지점 D°(D°~E°)에서 "과잉공기 퍼지" 밸브 10가 닫힌 후, 피스톤이 상사점에 있을 때 크랭크축 회전각의 360°/0°(F° 또는 상사점)에서 닫힌다(그림 5a 참조). 위에서 설명한 바와 같이 E°= EMax°(약 180°)에서 "공기 배출" 밸브 9가 열린다. 또는 대략 하사점 근처에서 "과잉공기 퍼지" 밸브 10의 닫힘을 따르며, 이 경우, "과잉공기 퍼지" 밸브 10를 통해 공기가 대기로 배출되거나 공기필터 하우징으로 되돌아가지 않고, 전체 공기량이 "공기 배출 밸브" 9 및 엔진의 흡기관을 통해 컴프레서의 배기 매니폴드 6(또는 엔진의 흡기 매니폴드 12)을 통해 엔진 13으로 배출되기 때문에, 최대 엔진 출력에 해당한다. E°=EMin°(약 270°~360°) 또는 그 근처에서 "공기 배출" 밸브 9를 열거나 거의 동일한 시간 및 위치에서 "과잉공기 퍼지" 밸브 10의 닫힘을 뒤따른다. 이 때에는 공기의 대부분이 대기로 배출되거나 대부분의 공기가 "과잉공기 퍼지" 밸브 10를 통해 대기로 배출되거나 에어 필터 하우징으로 반환되므로 최소 엔진 출력(또는 엔진 공회전)에 해당한다.
"과잉공기 퍼지" 밸브 10를 닫고 하사점/180° 이상에서 그리고 컴프레서 크랭크축 회전각위 F° 이하에서 "공기 배출" 밸브 9를 여는 것과 관련된 다른 컴프레서 작동 사례는 부분 부하 엔진 작동에 해당한다.
밸브 작동의 회전각 값 EMin°, EMax°, DMin° 및 DMax°은 엔진 설계 특성, 엔진 공회전 전력 요구량 및 기타 요인에 따른다.
그림 6(그림 6a, 그림 6b)은 스로틀 장치를 대체할 수 있는 다른 유형의 내장 컴프레서를 보여준다.　 작동 밸브 다이어그램 14은 컴프레서의 "공기 흡입" 밸브 8가 약 A°(0°) 또는 상사점에서 열리고 약 B°에서 닫히는 것을 보여준다.　 B°의 위치는 BMin° 근방 (대략 하사점　> 0° 및 하사점)과 BMax° (약 270° 이상이지만 360° 또는 상사점보다 작거나 같음)사이에 위치하여 컴프레서의 공기량을 이러한 방식으로 제한한다.　 "공기 배출" 밸브 9 작동 및 특히 컴프레서 크랭크축 회전 각도에 대한 개방은 컴프레서 흡기 압력(대기압일수 있음), 컴프레서 실린더 내부 공압, 배기 매니폴드 6의 압력의 함수이며, 배기 매니폴드 6의 압력은 엔진 부분 부하 운전 조건에서의 압력이 밸브의 대기압과 기존 압력 제어 방법보다 작으나 대략 360° 또는 상사점에서 닫힌다.　
컴프레서 밸브 각도의 개폐는 대략적으로 이루어지며, 엔진 설계 및 요구 사항에 따라 달라질 수 있다.
　비록 현행 발명의 선호 구현이 예시적인 목적으로 공시되었지만, 기술에 능통한 사람들은 수반되는 청구항들에 의해 정의되는 현행 발명의 범위와 정신에서 벗어나지 않은 선에서 많은 추가, 변경 및 대체가 가능하다는 점을 인정할 것이다.
위 및 다음 주장에 사용된 바와 같이, 상사점(TDC)이라는 용어는 실린더 헤드에 가장 가까운 피스톤의 위치를 의미하며 하사점(BDC)은 실린더 헤드에서 가장 먼 피스톤의 위치를 의미한다.

Claims (4)

  1. 청구항 1. 엔진 부하 요건에 기초하여 내연기관 내 공기량을 제어하여 내연기관 내 스로틀 장치 기능을 대체하는 컴프레서 유형 장치로서, 다음과 같이 구성된다.
    하나 이상의 컴프레서 실린더 2. 각 실린더는 실린더 볼륨 17, 상단 커버 18 및 상사점(TDC), 하단 구멍 19 및 하사점(BDC), 각 실린더는 핀 20이 있는 커넥팅 로드 4를 통해 크랭크축 5에 기계적으로 연결된 축 방향 왕복 피스톤 3을 포함하고 있다.　 컴프레서 실린더는 내연기관에 직접 연결되거나 기어 박스 15를 통해 엔진 크랭크축 16에 연결되며, 각 컴프레서 실린더는 피스톤이 각 크랭크축 회전 위치의 상사점에서 컴프레서의 각 크랭크축 회전 위치의 하사점으로 축방향으로 이동하는 흡입 행정을 실행한다.
    실린더 또는 실린더에서 최대 출력을 내기 위해 내연기관에서 요구하는 흡입 공기량을 끌어당기고, 피스톤이 하사점에서 상사점 방향으로 위쪽으로 이동하는 퍼지 행정가 뒤따른다. 피스톤이 상사점 방향으로 축방향으로 이동할 때 과도한 공기량이 컴프레서 실린더에서 퍼징되거나 배출된다. 이후, 피스톤이 상사점에 접근함에 따라 배출 행정가 뒤따르며, 이 과정에서 컴프레서 실린더에 있는 잔존 공기는 엔진 부하 요구 사항에 따라 내연기관으로 전송된다
  2. 청구항 1에 따른 컴프레서 유형 장치로, 하나 이상의 흡기 밸브, 하나 이상의 공기 퍼지 밸브 및 하나 이상의 배기 밸브로 구성되며, 흡기 밸브 8이 흡기 행정을 제어하고, 공기 퍼지 밸브 10이 퍼지 행정을 제어하고, 배기 밸브 9가 배출 행정을 제어한다.
  3. 청구항 1의 컴프레서 유형 장치로, 하나 이상의 흡기 밸브 8와 하나 이상의 배출 밸브 9로 구성된다. 여기서 흡기 밸브 8은 흡기 행정을 제어하고 배기 밸브 9는 배출 행정을 제어한다.
  4. 내연기관에서 스로틀 기능을 대체하기 위해 흡입 과정 중 컴프레서 실린더 내 공기량 2을 제어하는 청구항 1의 컴프레서 유형 장치이다.

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