KR810001721B1 - 내연 기관용 밸브 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내연 기관용 밸브

제1도는 4기통 4싸이클 엔진의 도면이다.

제2도는 제1도에 있는 로터리 밸브(rotary valve)의 사시도이다.

제3도는 제1도와 제2도에 도시한 로터리 밸브의 밀봉 장치를 도시한 사시도이다.

제4도는 제3도에 표시한 밀봉장치의 단면도이다.

제5도는 제3도에 표시한 밀봉장치의 평면도이다.

제6도는 제1도에 도시한 엔진의 시간조정장치 단면도이다.

제7도는 다른 형식의 시간조정 장치에 대한 단면도이다.

제8도와 9도는 제6도와 7도에 도시한 시간조정 장치의 작동선도이다.

제10부터 16도는 4싸이클 엔진의 정상적인 작동 상태에서 각 부품의 위치를 보여준다.

제17도는 다른 형태의 엔진에 대한 정면도이다.

제18도는 제17도에 도시한 원통밸브 몸체에 대한 사시도이다.

제19도부터 22도는 이중 충전 엔진에 대한 각 부분 단면도이다.

제23도는 제17도의 엔진에 장치되어 있는 시간조정 장치에 대한 확대 단면도이다.

제24도는 제10도와 비슷한 것으로써 제17도의 엔진에 대한 또하나의 시간조정 장치를 나타낸다.

제25도와 제26도는 제23도와 24도에 도시한 시간 조정 장치의 작동 선도이다.

제27도는 단일충전을 사용하는 4싸이클 엔진의 사시도이다.

제28도는 제27도의 엔진에 사용되는 로터리 밸브와 그 밀봉 장치를 보여주는 사시도이다.

본 발명은 로터리밸브 내연기관에 사용되는 밸브에 관한 것이다. 이러한 내연기관에서는 엔진실린더에서 배출된 가스가 실린더내의 엔진피스톤의 운동 및 이에 따른 엔진크랭크축회전에 따라 순차적으로 배기 매니폴드 및 엔진실린더를 연결시키는 밸브내의 통로를 통해서 배기매니폴드를 통과한다. 배기밸브를 가지는 2싸이클 또는 4싸이클 양자에 있어서 실린더는 매 엔진싸이클마다 배기매니폴드와 연결되어야 한다.

본 발명의 목적은 배기가스에 의한 밸브 가열이 최소로되는 로터리 밸브 내연기관을 위한 로터리 밸브를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면 로터리 밸브 내연기관을 위한 로터리밸브가 제공되는 바 이 밸브는, 실린더해드내에서 그 종축을 중심으로 회전할 수 있고 엔진실린더와, 실린더해드와 관련된 배기매니폴드를, 연결시키는데 필요한 하나 이상의 통로가 마련된 원통형 밸브몸체를 포함하며, 상기 통로는 밸브를 통과하여 뻗으며 대향 방사상으로 밸브의 주위 표면내로 벌려지고, 관상의 열(heat) 차폐물이 상기한 배기통로내에 위치하여 통로와 간격을 가지면서 통로를 지나서 뻗쳐 있는 형태의 것이다.

이제 도면을 참조하여 본 발명을 상술하면 다음과 같다.

먼저 제1도는 4싸이클 기관을 표시하고 있지만 본 발명은 2싸이클엔진에도 똑같이 적용될 수 있음은 분명하다.

각 실린더위에 설치된 중간판(21)은 돔(dome)(23)을 형성하며 이 돔은 주연소식(24)의 상측면을 형성하며, 실린더 벽(25)와 피스톤(14)가 연소실의 나머지 측면을 이룬다. 예비연소실(26)도 역시 중간판(21)내에 형성되어 있다. 예비연소실(26)의 출구는 주연소실(24)와 직접 연결되고 입구는 밸브 통로와 연결되어 있다. 예비연소실(26)의 출구에는 중간판(21)로 경계가 정해지는 좁은 목부분(27)이 있으며, 이것은 다음에 상술한 바와 같이 연소 가스의 제한된 출구를 제공한고.

점화플러그(28)이 중간판(21)의 구멍(29)를 통하여 예비연소실로 뻗어 있다. 밸브 해드(30)이 중간판(21)위에 연결되어 있다.

밸브 해드(30)에는 축방향구멍(31)이 있고, 제2도에 자세히 나타난 바와 같이 그안에 원통형 로터리 밸브몸체(32)가 설치되어 있다. 밸브해드의 윗쪽면에는 제2도에 자세히 나나탄 바와 같이 흡입공(inlet port)와 배기공(exhaust port)E가 뚫려 있으며 여기에 흡기관(inlet duct)(33)과 배기관(exhaust duct)(34)(제1도에 도시되어 있다)가 연결된다.

밸브몸체(32)는 가벼운 프레임(35)로 되어있고 특히 알루미늄 합금이 적당하며, 프레임의 바깥면은 경크롬판으로 표면이 이루어진 금속 슬리브가 끼워져 있다. 프레임(35)는 주철로 만들어도 좋다. 몸체(32)는 다음과 같은 역할을 한다.

(1) 흡입통로(36)이 밸브몸체(32)를 가로질러 여러개 뚫려 있다. 이 흡입통로들은 밸브 몸체(32)의 축방향을 따라 배열되어 있어서 밸브 몸체(32)가 축방향의 구멍(31)내에서 회점함에 따라 정해진 위치에서 밸브해드에 뚫려있는 흡입공(I)들과 일치하게 된다.

다음에 상술될 바와 같이, 흡입통로(36)의 하나가 흡입공(I)의 하나와 일치하게 되면 흡입통로(36)의 다른 끝은 예비연소실(26)과 통하게 된다.

(2) 배기통로(37)이 또한 밸브몸체(32)를 가로 질러 여러개 뚫려있다. 이 흡입통로들은 밸브 몸체(32)의 축방향을 따라 배열되어 있으며 밸브몸체(32)의 밸브해드(30)내에서의 회전에 따라 정해진 위치에서 밸브 해드에 뚫려있는 배기공(E)들과 일치하게 된다.

다음에 상술될 바와 같이, 배기통로(37)의 하나가 배기공(E)의 하나와 일치하게 되면 배기통로(37)의 다른쪽끝은 예비연소실(26)과 통하게 된다. 이들 흡입통로와 배기통로는 다음에 상세히 설명될 바와 같이 밸브 몸체(32)의 회전에 따라 연속적으로 각 피스톤(14)의 4행정 싸이클 마다 한번씩 흡입공과 배기공에 각각 일치되도록 밸브 몸체(32)내에 배치되어 있다.

(3) 냉각통로(38)(제1도)이 밸브몸체(32)내부에 축 방향으로 뚫려 있어 그 속으로 냉각수가 흐른다. 이와같은 측류 냉각(axial flow cooling)과 함께 경합금 밸브몸체를 사용하면 효과적으로 밸브 몸체(32)와 특히 흡입, 배기통로(36,37)의 벽을 냉각시킬 수 있다.

밸브몸체(32)는 축방향의 구명(31)내에서 회전할 수 있도록 양끝 저널(journal, 輕頸)(39)에 연결되어 베어링(40)에 끼워지고 베어링(40)은 밸브해드(30)에 고정된다. 밸브 몸체(32)와 축방향 구멍(31)은 밸브의 밀봉을 위하여 상호 밀착되도록 치수가 정해져 있다.

치차 G는 치차밸트의 체인(나타나 있지 않음)을 통해 크랭크축(13)에 연결되어 크랭크축(13)회전과 1:4의 비율로 시간적 관계를 갖고 밸브 몸체를 회전시킨다. 따라서 밸브 몸체의 모든 회전은, 이하에 논의된 바와 같이, 보통의 4행정 싸이클의 각 단계동안의, 실린더(12) 중의 하나 속에서의 피스톤의 운동에 관련되어 있다.

도면들에 나타난 밸브 몸체(32)의 회전 방향은 시계방향이다(제1도에 도시되어 있음). 이제 특히 제1도를 보면, 흡입관(33)은 밸브해드(30)안에 있는 각각의 흡입공(I)와 통하도록 접속되어 있다. 흡입관(33)은 제1통로(l)과 제2통로(R)을 포함하며, 이것들은 예를 들면 2개의 통로가 있는 기화기(carburator)(C)의 분리된 통로로부터 밸브몸체(32)까지 뻗어 있다. 격벽(41)은 흡입공 I의 몸체(32)와의 활동 접촉점(point of sliding contact)까지 관(33)의 전체 길이를 따라 확장되어 있으며, 관(33)의 외벽과 함께 통로L과 R의 경계를 지어준다. 제1통로 L은 아주 희박한 연료 공기 혼합기 또는 순수한 공기를 기화기로부터 흡입관 I로 보낸다. 실제로, 제1도의 엔진은 기화기로부터 제1통로 L을 통해 순수한 공기만을 흡입시킬 때 가장 효율적으로 작동함이 알려져 있다. 그러나, 엔진의 용량과 설계 요구 특성에 따라 제1통로로 희박한 연료 공기 혼합기를 주입하는 것이 필요할 수도 있다. 제2통로 R은 극도로 농후한 연료공기 혼합기를 기화기로부터 흡입공 I로 보낸다. 또한 엔진 구조에 따라 설계특성은 이 혼합기를 보통 농후한 혼합기로 수정할 수도 있다. 흡입 통로(36)이 회전하여 흡입공 I와 예비연소실(26)과 일치하게 됨에따라, 흡입 통로(36)은 연속적으로 처음에는 통로 L과, 다음에는 통로 L과 R둘다, 결국에는 흡입통로(36)의 뒤따르는 벽이 격벽(41)을 지남에 따라서 완전히 통로 R과만 통하게 된다. 흡입통로(36)의 한 끝이 전술한 바와 같이 흡입관(33)과 연속적으로 일치하기 시작하면, 통로(36)의 반대쪽 끝은 예비 연소실 (36)과 일치되기 시작한다. 따라서 피스톤(14)가 아래로 움직여 흡입행정을 시작하면, 피스톤의 직선운동에 맞추어 회전하는 흡입통로(36)은 처음에는 희박한 혼합기나 순수한 공기를, 다음에는 섞였으나 희박한 연로공기 혼합기를, 최종적으로는 농후한 연료공기 혼합기를 예비연소실을 통해 실린더로 흡입시킨다.

따라서 피스톤의 흡입 행정이 끝나게 되면 흡입 통로(36)과 2갈래된 흡입관(33)의 협동 작용으로 주연소실(24)에는 희박한 연료공기 혼합기가 충전되며 예비연소실(26)에는 농후한 혼합기가 충전되어 있게 된다.

이번에는 제2도로부터 제5도까지를 살펴보면 가스켓(GASKET) 밀봉장치(42)가 로터리 밸브해드 바닥에 설치되어 있다. 가스켓 밀봉장치(42)는 다이어프램 가스켓(diaphram gasket)(43)으로 되어 있으며 이 가스켓(43)은 스테인리스강과 같은 탄성 내열재료로 되어 있다. 다이어프램 가스켓(43)은 크기와 모양이 밸브해드(30)과 서로 들어맞도록 되어 있으며 밸브헤드(30)과 중간판(21) 사이에 설치되어서 중간판(21)과 밸브에드(30)사이의 압력을 받아 가스의 누설을 방지한다.

밸브 밀봉장치(42)들은 다이어프램 가스켓(43)내의 구멍에 설치되어 있으며, 각각의 밀봉장치는 관련된 구멍내에 고정되어, 흡입 및 배나 통로(36)과(37)이 엔진(10)의 관련된 실린더(12)와 통하게 해주기 위해 로타리 밸브의 흡입 및 배기통로(36),(37)과 일치되는 위치에 자리잡고 있다.

각 밀봉장치(44)의 원호면(45)은 로터리 밸브몸체(32)와 밀착되도록 모양을 갖는다. 탄성 다이어프램 가스켓(43)은 밸브밀봉장치(44)와 밸브몸체(32)의 외벽이 밀착되어 유지되도록 밸브몸체(32)쪽으로 치우쳐 있다.

제1도에 도시한 바와 같이 밸브 밀봉장치(44)는 다이어프램(43)의 각각의 구멍에 끼워져 있는 리테이너(retainer)내에 위치하고 있는 주조된 탄소링으로 구성된 경우도 있다. 이와같이 호(弧) 모양의 탄소 밀봉장치(44)를 사용하는 것은 수분이 탄소링 마찰면에 흡착되는 성질 때문에 매우 유리한 것으로 알려져 있다. 따라서 밀봉물(44)는 연소실(24)와 (26)내의 연소과정중에 생기는 수분에 의해 윤활될 수 있다.

밀봉물(44)는 소결(燒結) 철이나 청동으로 주조하여 사용할 수도 있다. 소결금속 밀봉물에는 모세관 윤활유 공급장치(46)이 설치된다. (제3,4,5도 참조) 모세관 윤활유 공급장치(46)의 구조는 윤활유 공급선(47)이 엔진 윤활 장치로부터 오일통로(48)에 연결되도록 되어 있으며 이 오일통로(48)은 소결철 혹은 청동 밀봉물(44)내에 둘레에 걸쳐 주조되어 만들어져 있다.

밸브밀봉장치(44)의 본 실시예에서, 밸브밀봉장치(44)의 안쪽 층(49)와 원호면(45)는 다공성으로 되어 있고 밀봉물 외벽(50)은 비다공성 재료로서 윤활유가 스며 나올수 없도록 되어 있다. 압력하에서 윤활유를 공급선(47)을 통해 오일통로(48)로 보내면 윤활유는 다공성 안쪽층에 스며들어 원호면(45)를 적시게된다. 따라서 밸브몸체(32)는 윤활유와 접촉되어 원호 밀봉면(45)와 윤활되어 활동(slide)하게 된다. 탄소 또는 소결금속으로 로타리 밸브몸체(32)를 밀봉함으로 인해 중간판(21)과 밸브해드(30)사이 또는 로터리 밸브몸체(32) 둘레로 개스가 새어나오는 것을 방지할 수 있다. 연소 혹은 마모와 같은 일반적인 밸브몸체(32)의 손상은 위와 같은 밀봉 장치를 사용함으로써 현저하게 줄일 수 있다.

제4를 보면 다이어프램 가스켓(43)의 구멍둘레가 파사형 모서리(43a)로 되어 있고 밀봉물(44)의 둘레는 홈(44a)가 파져 있어 그안에 가스켓의 구멍둘레가 끼워지며, 이로써 밀봉물 44를 가스켓 43속에 지지한다. 제4도를 자세히 보면 파상형 모서리(43a)가 밀봉물(44)의 주위에 둘러 있으나 홈속에 완전히 채워져 있지는 않으며 따라서 밀봉물(44)과 가스켓 결합부에 여유 공간이 생기게 되며, 이로써 엔진의 온도변화에 따른 밀봉물(44)의 팽창 혹은 수축의 여유를 주고 있다. 이로 인해 밀봉물은 엔진 작동중의 과도한 열응력을 피하고 밸브몸체(32)와 접촉을 유지하고 있게된다.

제4도에 도시한 바와 같이 모서리 (43a)의 단면은 아래로 굽혀진 모양(제4도의 왼쪽면), 또는 S형(제4도의 오른쪽면)으로 만들 수 있으며 따라서 홈(44a)안의 모서리(43a)부분이 받는 개스 압력을 용이하게 극복할 수 있다. 다시 말하면 연소실(24) 및 (26)내의 압력개스가 홈(44a)에 미치게되면 개스 압력으로 인하여 파상형 모서리(43a)의 내면곡선이 힘을 받아 팽창하여 밀봉물내(44)의 홈(44a)의 측벽에 더욱 단단히 결속되게 된다. 따라서 다이어프램 가스켓 밀봉장치(42)는 엔진 작동시의 열응력에 관계없이 로터리 밸브 몸체(32)의 밀봉 작용을 계속 유지할 수 있는 것이다.

제7도를 보면 밸브몸체(32)에 뚫려있는 배기통로(37)의 단면이 도시되어 있다. 배기통로(37)은 피스톤의 배기 행정중에 이곳을 통과하는 고온의 배기가스로 부터의 보호를 위해 스텐강과 같은 내열 합금으로 만든 라이너(liner)(51)이 배기통로(37)의 각각의 벽을 가로 질러 끼워져 있다.

라이너(51)의 양끝은 밖으로 굽혀져 밸브몸체(32)의 외벽을 둘러싸는 슬리브에 연결되어 있다. 배기통로(37)의 벽과 라이너(51)사이에는 공간(52)이 만들어져 있고 따라서 밸브몸체와 고온의 배기가스 사이에 공기층이 있게 되어 열전달을 맞을 수 있다.

배기 싸이클동안 실린더(12)로부터 방출되는 고온 고압의 배기 가스에 의해 라이너(51)은 적열(赤熱)온도로 유지된다. 엔진의 배기가스 처리를 위해 촉매장치 또는 열 반응기를 사용하는 경우, 라이너의 적열온도는 배기가스를 고온으로 유지시켜 촉매장치나 열반응기(heat reactor)의 배기가스 처리작용을 증진시키게 되는 이점을 가져온다.

제10-16도는 4행정 사이클 동안의 기관의 기본 동작을 도시하고 있다.

제10도는 흡입행정중에 피스톤이 하사점(B.D.C.)을 향해 반쯤 내려간 위치로써 이때 밸브몸체(32)를 따라 이동하는 흡입통로(36)는 향흡입관 L 및 R에 다같이 일치된다.

제11도와 같이 피스톤이 하사점에 도달했을 때 통로(36)은 충분히 회전해 통로(36)의 뒤따르는 벽이 격벽(41)을 지나게 되어, 예비연소실은 흡입관 R에만 통하게 된다.

압축 행정이 시작됨에 따라 제12도에 도시된 바와 같이 흡입통로(36)은 더욱 회전하여 예비연소실(26)은 흡입통로(36)과 막히게 된다.

제3도에 도시된 바와 같이 흡입통로(36)이 막혀있는 상태로 밸브몸체(32)는 계속 회전하며 동시에 압축행정이 완성된다. 압축행정이 끝났을 때 예비연소실(26)에 압축되어 있는 혼합기는 농후한 혼합기이며 주연소실(24)에 있는 혼합기는 희박한 것이되어 층을 이루게 된다.

다음 예비연소실에 있는 점화플러그에 의해 예비연소실의 농후한 혼합기가 점화된다. 농후 혼합기에 형성된 화염은 목(27)을 통과하여 주연소실(24)내의 희박혼합기에 전파되어 이것을 점화시킨다. 동력 행정중에 화염은 희박 혼합기속을 규일한 속도로 진행한다.

종래의 기관에 있어서 가스 온도는 크랭크가 하사점을 향하여 내려가는 짧은 시간동안에 빠른 속도로 최고 온도까지 상승했다가 다시 급히 떨어진다. 이와같은 짧은 연소 시간과 높은 온도 상승은 첫째로 짧은 시간동안만 탄화수소의 최저 연소 온도를 유지시키고, 둘째로 산화질소를 형성시키는 높은 온도에 도달케 한다.

그러나, 이중 충전에 의하여 생기는, 천천히 진행하는 화염의 온도 곡선은 탄수화물의 최저 연소온도 이상에서의 장기간 연소를 가능케 하여 동시에 산화질소를 현성하는 온도이상은 되지 않는다.

그러므로 본 발명과 종래의 기관을 비교해보면, 본 이중 충전 기관에서는 HC 및 NO등의 유해성분이 현저히 줄어들게 된다. 제14도에 도시한 바와 같이 피스톤(14)가 동력 행정을 완성할 때 밸브 몸체(32)는 회전하여 배기통로(37)을 배기공 E 및 예비연소실(26)과 일치시킨다. 제15도와 같이 피스톤이 하사점에 위치할 때부터 제16도에 보는 바와 같은 배기 행정이 시작된다. 배기 가스는 연소실(24) 및 (26)에서 라이너(51)을 거쳐 배기관(34)로 나간다. 크랭크 축(13)은 계속 회전하여 밸브몸체(32)도 이에 따라 회전하고 피스톤(14)는 다시 상사점으로 가게되어 흡입행정이 다시 시작된다. 흡입행정이 완료되고 흡입통로(36)이 막혀져 있는 상태에서, 흡입관 R로부터 충전된 농후 혼합기는 흡입통로(36)에 갇혀 있게 된다. 따라서 흡입통로(36)이 예비연소실(26) 및 흡입관 L과 다시 일치될 때, 갇혀있던 농후한 혼합기는 실린더 속으로 들어가며, 따라서 흡입통로가 처음에 예비연소실(26)과 일치할 때 흡입관 L을 통해 순수한 공기가 들어오는 경우에도 실린더(14)속으로는 희박 혼합기가 충전된다.

제6도부터 제9도는 흡입 및 배기통로(36)(37)의 시간조종 장치를 표시한다. 흡입공 및 배기공(I)와 (E)의 마주보는 측면상에 마주보며 뻗어있는 원호현의 홈(54)가 있으며 이 홈(54)속에 원호형의 활동 밀봉물(53)이 끼워져 있다. 활동 밀봉물(53)은 밸브몸체(32)와 상호 보완적으로 접촉되어 끼워져 있으며, 따라서 흡입공 및 배기공, I 및 E주변을 밀봉하는 상부(上部) 밀봉물이 된다. 밀봉물(53)은 또한 제6도 및 제7도의 점선으로 표시된 것과 같이, 홈(54)속의 후퇴 위치부터 흡입고(I) 혹은 배기공(E)의 통로속의 제한 위치까지 뻗어나갈 수 있게되어 있다.

제6도에 도시한 바와 같이 활동 밀봉물(53)은 작동기구(55)에 의해 움직인다. 작동기구(55)는 기관의 요구조건에 따라 작동되며 예를들면 진공에 의하여 조정 간(56)을 움직이게 되어 밀봉물(53)을 진퇴시킨다. 밀봉물(53)은 조정간(56)에 연결된 편향 스프링(57)에 의하여 제한 위치로부터 편향되어 있다. 작동기구(55)내의 진공도가 증가하면 밀봉물(53)은 제한 위치로 옮겨간다. 그러므로 예를들어 쓰로틀 판(throttle plate)(도시되어 있지 않음)의 하류 구멍(port down stream)에 작동기구(55)를 연결하면 엔진의 공전상태(고진공 상태)에서 밀봉물이 제한 위치로 옮겨가고, 쓰로틀 개방 상태에서는 (저진공상태)후된 위치로 옮겨간다. 흡입통로(36)이 흡입공 I와 일치하는 시간을 조정하기 위해 밀봉물(53)은 엔진의 상태에 따라 움직이게 된다. 따라서 엔진이 공운전 상태에 있을 때에는 밀봉물이 마주보는 홈(54)로부터 제6도에 점선으로 표시한 제한 위치로 오게 된다. 제6도에 도시한 바와 같은 왼쪽 밀봉물의 이동은 흡입통로(36)과 흡입공 I과의 연결을 밀봉물이 후퇴위치에 있을 때보다 늦어지게 한다. 오른쪽 밀봉물(53)이 제한 위치로 빠져나오게 되면 흡입통로(36)과 흡입공 I와의 연결이 그만큼 빨리 끊어진다.

마찬가지로 왼쪽 밀봉물(53)이 제7도에 점선으로 표시한 위치로 빠져 나오면 배기통로(37)과 배기공 E와의 연결이 밀봉물이 후퇴 위치에 있을때보다 늦어지고, 오른쪽 밀봉물(53)이 제한 위치로 빠져나오면 배기공 E와 배기통로(37)의 연결이 그만큼 빨리 끊어진다.

엔진의 요구조건에 따라 밸브 개폐시간을 조정할 수 있도록 하는 것은 매우 중요한 것으로, 이는 현대의 엔진 설계에 있어서 피스톤이 배기 행정의 상사점에 도달하기 이전에 흡입밸브를 여는 것이 통례로 되어 있기 때문이다. 흡입밸브가 열린 후에 배기밸브를 닫아서 중합(Overlap), 즉 두 밸브가 모두 개방되는 정해진 기간이 생기도록 밸브의 개폐를 조정한다. 이 밸브의 중합은 쓰로틀을 넓게 개방한 기간, 즉 고출력의 엔진 작동 기간중 초대의 동력이 발생되도록 되어 있다. 고출력상태에서, 배기행정중에 고속으로 빠져나가는 배기가스는 배기공내부에 대기압에 가까운(혹은 약간 작은) 압력을 만든다. 동시에 흡입 콜롬(column)내부의 충전물은 대기압 보다 높은 압력아래 있게 된다.

따라서 흡입밸브가 배기 행정중에 개방될 때 흡입매니폴드 내부의 높은 압력하의 충전물은 실린더 내부에 밀려들어가, 남아있는 연소가스를 개방되어 있는 배기 밸브를 통해 내어보낸다. 새로운 충전물이 이전의 충전물을 밀어내는 배기효과(scavenging effect)로 인해 새 충전물의 최대 양이 엔진 내부로 들어가는 것을 확실케 해준다.

또한, 새 충전물이 실린더 내부로 최대한 들어가게 하기 위해 흡입밸브는 보통 피스톤이 흡입행정의 하사점에 도달한 후에 닫힌다. 고출력 상태에서 흡입 매니폴드 내부의 충전물의 압력이 높음으로 인해 피스톤이 압축행정으로 위로 올라오기 시작하여도 충전물은 실린더 내부로 유입된다.

또한 배기밸브가 배기행정중에 완전히 개방되어 있게 하기 위해 피스톤이 동력 행정의 하사점에 도달하기 이전에 배기밸브를 여는 것이 일반적으로 실행되고 있다. 고출력 기간동안에, 실린더의 고효율 연소환경은 물론 피스톤의 속도로 인해 비연소 탄화수소, 즉 연료가 배기통로를 거의 빠져 나가지 못하게 된다.

위와 같은 밸브의 시간조정에 의해 실린더 내부는 비교적 이상적인 연소상태로 된다. 따라서 자동차엔진의 통상적인 밸브 시간조정 장치는 제8도에 예시한 것과 유사한 싸이클을 갖게된다. 따라서 자동차엔진의 통상적인 밸브 시간조정 장치는 제8도에 예시한 것과 유사한 싸이클을 갖게된다. 이 싸이클에서 흡입밸브는 상사점 이전의 22°의 크랭크 각에서 개방되며, 하사점이후 66°에서 닫힌다.

배기밸브는 하사점 이전 65°에서 열리고, 상사점을 지난후 24°에서 닫히게 되어있다.

그러나 공운전 상태에서는 위와 같은 밸브시간 조정은 엔진작동에 유해하게 된다. 공운전 상태에서는 흡입구열에 고도의 진공이 형성된다. 피스톤이 배기 행정 말기 즉 상사점에 도달할 무렵의 실린더 압력은 대기압 이상이 되며 반면 흡입 미니폴드의 압력은 대기압보다 훨씬 낮게된다. 따라서 흡입 밸브가 열리고 흡입행정이 시작될 때 현저한 압력차에 의해 실린더내의 연소 가스의 일부가 흡입관을 채우게 되어 새로 충전되는 충전물은 배기 가스와 혼합되는 결과가 되어 결국 연소효율의 감소를 가져온다.

더구나 동력행정이 끝나기전에 배기밸브가 열리므로 아직 연소되지 않은 탄수화물 및 기타 미연소물질이 배기 매니폴드로 나가게 되어 연료소비량이 증가되고 원하지 않는 방출물이 증가하게 된다.

위치를 조정할 수 있는 밀봉물(53)을 사용함으로써 흡입 및 배기통로(36)과(37)의 시간조정을 할 수 있고 따라서 공운전상태에 알맞도록 조정할 수 있으며 또한 연료소비량과 방출물을 줄일 수 있다. 따라서 엔진 공전중에 양쪽 밀봉물(53)을 제한위치로 이동시키면 제9도에 예시된 것같이 부품(36,37)은 상사점에 늦게 열리며 오른쪽 밀봉물(53)의 제한에 의해, 하사점에서 일찍 닫히게(왼쪽 밀봉물(53)의 제한에 의해)된다.

이와같이 몰봉물(53)을 수축위치로 이동 시킴으로써

(1)공운전중의 밸브중합을 피할 수 있고,

(2) 배기통로(37)은 피스톤이 하사점에 도달한 후에야 배기공 E와 연결된다.

저부하가 요구될 때 이와 같이 밸브 중합을 줄이고 배기공이 미리 열리지 않도록 함으로써 배기통로(37)이 열리기 이전에 연소실(24)내에서 완전한 연소가 가능하고 연소가스도 배기행정중에 흡입관 L과 R에 들어오지 않게 된다. 따라서 엔진의 공운전 속도도 종래에 수반되던 거친 회전이 없이 줄일 수 있고 공운전시 소비되는 연료량도 줄어들며 배기가스의 유해성분도 줄어든다.

제17도는 이중 충전을 행하는 엔진(110)을 도시한 것으로 크랭크 축(111)과 커넥팅로드(110) 및 엔진블럭(115)내부의 실린더속에서의 왕복운동을 위해 장치된 피스톤(113)등으로 구성된다. 엔진(110)의 실리더(114) 엔진은 임의의 구성, 예를들면 엔진 기술분야에 잘 알려진 대로 통상적인 오일 윤활장치(116), 전기 계통과 플라이 휘일을 갖는 일직선 4실리더 엔진 같은 것이면 된다. 위에 실린더 헤드(117)이 블록(115)에 연결되어 있다. 실린더 헤드(117), 실린더(114) 및 피스톤의 윗면(113)사이 공간이 주연소실(118)이 된다.

실리더 헤드(117)에는 수평 바향으로 뚫린구멍(119)가 있고 그안에 회전가능한 원통형 밸브몸체(120)이 구멍(119)와 밀접하게 끼워져 있다. 밸브몸체(120)는 크랭크축(111)과 효과적으로 연결된 구동기어 G(제18도 참조)를 통해 밸브(도시되어 있지 않음)에 의해 구동된다. 크랭크축(111)과 밸브몸체의 회전비는 4:1이다.

밸브몸체(120)은 주철 혹은 경금속 합금으로 되어 있고 그 표면은 (121)경화처리 되어 있다. 제1 및 제2흡입통로(122),(123)이 반경방향으로 뚫려있고 배기통로(124)가 축방향으로 간격을 두고 역시 반경방향으로 뚫려 있으며, 아래에 설명할 바와 같이 분리된 흡입 및 배기관과 일치하도록 자리잡고 있다.

한 개의 실린더에 대해 살펴보면 첫 번째 흡입통로(122)는 밸브몸체(120)내에서 축방향으로 위치하여 제1흡입 매니폴드 L과 연결되어 제1계량장치(metering device)(기화기(126)내부의 제1벤츄리(venturi)와 같은)로 부터의 희박한 혼합기를 주연소실(118)로 전달한다. 흡입 행정중에 피스톤(113)이 내려갈 때, 희박한 혼합기는 흡입관 L을 통해 연소실(118)로 들어간다.

제17도와 23도를 보면 제2흡입통로(123)의 밸브몸체(120)위에 제1흡입통로(122)에서 축방향으로 일정한 거리 떨어진 위치에 뚫려있으며 제2흡입관 R과 일치되어 제2계량장치로 부터의 농후 혼합기를 예비연소실(128)에 전달한다. 제2흡입통로(123)은 밸브 몸체(120)의 회전에 따라 흡입관 R과 예비연소실(128)과 동시에 통하도록 정렬되어 있으며, 예비연소실(128)은 해드에 의해 모양이 정해지며 연소실(118)과 통하도록 되어 있다.

점화플러그(129)는 예비연소실(128)속으로 뻗쳐 있다.

흡입관 L과 R은 약 90°떨어진 위치에서 밸브몸체(120)의 통로와 각각 연결된다. 동시에 밸브 몸체에 반경방향으로 뚫려있는 흡입통로(122)와 (123)도 T로 90°각을 이루고 있다. 따라서 2개의 흡입공(122)와 (123)은 흡입관 L을 연소실(118)과 그리고 흡입관 R을 예비연소실(128)과 거의 동시에 연결시켜 주도록 밸브몸체(120)내에 위치하고 있다. 따라서 로타리 밸브(120)을 완전히 한바퀴 회전시켜주는, 엔진의 2번의 완전한 4행정 싸이클 중에 통로(122)와 (123)이 각각의 흡입관 L과 R과 일치했다가 떨어졌다가 할 때에 흡입통로(122)와 (123)의 수직관계는 이 통로들의 완전히 대칭적인 ＂열림＂과 ＂닫힘＂의 타이밍(timing)을 확실케 해준다. 이 흡입통로들의 타이밍은 아래에 상술된다.

흡입행정중에 피스톤이 내려가고 이에따라 밸브몸체가 회전함에 따라 연소실(118)에는 희박한 혼합기가 공급되고 동시에 예비연소실(128)에는 농후한 혼합기가 공급된다. 피스톤(113)이 아래에 설명될 바와같이 압축행정을 시작함에 따라 밸브몸체(120)의 계속적인 회전은 흡입통로(122) 및 (123)의 각각의 연소실(118) 및 (128)과의 연결을 끊어놓는다.

제19도에서 22도까지 본 발명에 따른 이중 충전 엔진의 세 번째 실시예를 보여준다. 이 실시예에 있어서 그리고 하나의 실린더에 관하여 첫 번째 로터리밸브 몸체(230)에는 제1 및 제2흡입통로(231) 및 (232)가 있고 제1흡입통로(231)은 흡입관 L과 주연소실(218)을 연결하며 제2흡입통로(232)는 흡입관 R과 예비연소실 (228)을 연결하도록 되어있다. 예비연소실(228)은 피스톤(213)의 축에 인접한 구멍을 통해 주연소실(218)과 통해 있다. 흡입통로(232)는 해드(211)내의 실린더(214)의 바깥 원주면 근처에서 흡입관 L과 주연소실(218)을 연결해 준다. 피스톤(213)의 흡입행정중에 흡입통로(231) 및 (232)는 거의 동시에 각 연소실(228) 및 (218)에 연결되도록 되어있어 위에서 한 개의 밸브를 가진 실시예에 대해 설명한 바와 같이 주연소실(218)에는 희박 혼합기가 그리고 예비연소실(228)에는 농후 혼합기가 동시에 충전된다. 두 번째 밸브몸체(233)은 씰린더 해드(217)내에 설치되어 있으며 여기에는 배기통로(234)가 뚫려 있으며 시간조정(timing)체인(나타나 있지 않음)으로 크랭크축(211)의 회전에 따라 일정한 비율로 회전한다. 이 배기통로(234)는 피스톤(213)의 배기 행정중에 주연소실(218) 및 배기관과 통하도록 되어있다.

제17도와 18도에서 예시된 한 개의 밸브를 사용하는 엔진과 제19도에서 22도에서와 같이 두 개의 밸브를 사용하는 엔진의 작동 원리는 같다. 그러나 두개의 밸브를 사용하면 밸브 몸체의 직경을 작제할 수 있고 또 예비연소실(228)의 위치를 피스톤(213)의 축에 가깝게 설치할 수 있으므로 주연소실로의 화염전파가 최적의 상태로 설계할 수 있는 이점이 있다. 두 개의 밸브를 설치한 엔진이나 한 개의 밸브를 설치한 엔진은 그 작동원리는 근복적으로 같은 것이므로 아래에 설명하는 제17-22도의 두 개 밸브를 장치한 엔진의 작동 상태는 그대로 한 개의 밸브를 장치한 제17도의 엔진에도 적용될 것이다.

제19에서 22도까지 도시되어 있는 엔진의 작동을 살펴보면 흡입 및 배기 밸브몸체(230)과 (233)는 크랭크축 4회전에 대해 1회전 비율로 회전한다. 배브 몸체의 회전 방향은 제19-22도에 도시된 바와 같이 시계방향이다. 따라서 피스톤(213)의 한 행정마다 밸브 몸체(230),(233)은 축주위로 4분의 1회전, 즉 90°외전한다. 따라서 4행정 싸이클에서 엔진의 작동은 다음과 같다.

피스톤이 제19도에서와 같이 배기 행정 말기에 상사점에 도달하면 배기통로(234)는 회전하여 일부분만 주연소실(218)과 (228)에 대한 최적의 소기 작용이 행해진다.

이와같은 밸브 중합은 이 기술분야에 잘 알려진대로 엔진의 특성에 따라 최적의 상태로 조정한다.

제20도에서와 같이 피스톤(213)이 하향운동에 의해 흡입행정을 시작하면 배기통로(234)는 주연소실(218)과의 연결이 끊어져 배기밸브몸체는 ＂닫혀＂지게 된다. 동시에 흡입통로(231)과 (232)는 최대의 개방상태로 되어 예비연소실(228)과 주연소실(218)에 각각 연결된다. 따라서 흡입관 R을 거치는 농후 혼합기는 흡입통로(231)을 통하여 예비연소실(228)에 충전되고 동시에 흡입관 L을 거치는 희박혼합기는 흡입통로(232)를 통하여 주연소실(218)에 충전된다.

피스톤(213)이 흡입행정의 말기 하사점에 도달하면 첫 번째 흡입 밸브 몸체(230)이 90°외전하여 흡입통로(231) 및 (232)는 연소실(218),(228)과 흡입관 L,R과의 연결이 끊어지고 따라서 다음의 압축 행정에 대비하여 흡입밸브는 ＂닫히게＂된다. 제21도에 도시된 것같이 피스톤이 압축행정말기 즉 상사점에 도달하면 점화 플러그(229)는 통상적인 코일 및 분배기 전기장치에 의해 방전이 일어나 예비연소실(228)에 충전되어 있는 농후 혼합기를 점화한다. 혼합기가 점화되면 예비연소실로부터 주연소실내의 희박 혼합기로 화염이 전파되고 주연소실의 혼합기는 희박하므로 전파기간이 비교적 길게되어 동시에 균일한 연소가 일어나 피스톤의 하향 동력 행정이 이루어진다.

피스톤(213)이 다시 상향 배기행정을 시작하면 배기통로(234)는 완전히 한바퀴 회전한 상태가되어 다시 주연소실(218)과 연결되어 연소개스가 배출되게 된다. 피스톤이 상사점에 도달함에 따라 제19도에 도시한 바와같이 흡입통로(231)과(232)는 다시 회전하여 연소실(218) 및 (228)과 통하게 되어 위에서 설명한 바와같이 소기효과를 내기위한 ＂밸브 중합＂이 일어나게 된다. 이후의 피스톤 운동 및 밸브개폐는 다시 반복되게 되어 통상적인 4싸이클 작동이 계속된다.

제17도를 보면 밸브몸체(120)은 긴 밀봉물(135)와 접촉 되도록 되어 있고 밀봉물(135)는 압축탄소와 같은 밀봉재료로 되어 있다. 밀봉물의 끝(나타나 있지 않음)음 또한 밸브몸체(120)의 원주형 표면과 상호보완적인 형태로 되어있다. 밀봉물(135)는 예비연소실 및 주연소실과 통하는 개구둘레의 홈속에 끼워져 있고 밀봉물 바닥에는 스프링판이 설치되어 있어 밀봉물과 밸브몸체가 밀착되도록 되어 있다. 스프링판은 파상의 탄성스텐강 등으로 만드는 것이 좋다.

제23-26도는 흡입통로(122) 및 배기통로(124)의 시간조정 장치를 나타낸 것이다. 원호형의 활동 밀봉물(138)이 흡입관 L과 배기관 E의 양쪽 원호홈(139)에 끼워져 있다. 밀봉물(138)는 밸브몸체(120)광 상호보완적 형태로 접촉되도록 끼워져 있으며 흡입관 L 및 배기관 E 각각에 인접하여 몸체의 상부 밀봉물을 구성하고 있다. 활동 밀봉물(138)은 홈(139)내의 후퇴위치로부터 제23, 제24도의 점선으로 표시한 바와같이 흡입 및 배기관 L,E의 통로내의 제한 위치로 연장시킬 수 있다.

밀봉물(138)은 상부 밀봉체로서 작동기구(140)으로 움직인다. 작동기구(140)은 엔진의 요구조건에 따라 밀봉물(138)을 움직이는 임의의 장치로도 구성될 수 있다.

예를 들면 작동기구(140)은 진공동작에 연결되어 밀봉물(138)에 연결된 조종간(141)세트를 움직이는 것일 수 있다.

밀봉물(138)은 조종간(141)에 연결된 편향스프링(142)에 의해 제한 위치로부터 멀어지려는 편향력을 받고 있다. 작동장치(140)내의 진공도가 높아지면 밀봉물(153)은 제한 위치로 움직이게 된다. 따라서 예를 들어 작동장치(140)을 쓰로틀 판(나타나 있지 않음)의 하류구멍(port downstream)에 연결하면 밀봉물은 엔진 공운전상태(고 진공상태)에서는 제한 위치로 움직이고 쓰로틀 개방상태(저 진공상태)에서는 후퇴 위치로 움직임다.

희박 혼합기 흡입 통로(122)와 흡입관 L의 연결 시간을 조정하기 위해 활동 밀봉물(138)은 상술한 바와 같이 엔진의 요구조건에 따라 움직인다. 따라서 엔진이 공운전상태에 있을 때 활동 밀봉물(138)은 제23도의 점선에 나타난 바와 같이 마주보는 홈(139)로부터 제한 위치로 이동한다. 제23도에 나타난 바와같이 왼쪽 밀봉물의 이동은 흡입통로(122)로 하여금 밀봉물이 후퇴위치에 있을 때보다 나중에 흡입관 L과 일치하게한다. 오른쪽 밀봉물(138)의 제한 위치로의 이동은 흡입통로가 흡입관 L과 상대적으로 일찍 연결이 끊어지게 한다.

마찬가지로 제24도에 나타난 바와같이 왼쪽 밀봉물(138)의 이동의 배기통로(124)로 하여금 밀봉물(138)이 후퇴위치에 있을 때보다 나중에 배기관 E와 연결되게 한다. 오른쪽 밀봉물(138)이 제한위치로 이동하면 흡입통로(124)는 흡입관 E와 상대적으로 일찍 연결이 끊어지게 한다.

상술한 바와 같이 밸브의 시간조정은 농후 혼합기 흡입통로(123)의 시간조정이 없어도 행해질 수 있다. 농후 혼합기 흡입관 R과 예비연소실(128)을 타이밍(timing)을 맞춰 연결시켜 주는 흡입통로(123)은 예비연소실(128)의 고정된 개구크기를 설정하는 것을 통해 평균적인 엔진의 요구에 따라 타이밍을 정할 수 있다. 그러나 가변활동 밀봉물(138)을 사용함으로써 흡입 및 배기통로(123)과 (124)의 시간조정을 행할 수 있으므로 공운전 상태에 대비할 수 있고 동시에 연료소비량 및 해로운 배기량을 줄일 수 있다. 따라서 마주보는 밀봉물(138)이 엔진공전중에 제한 위치로 이동하면 제26도의 도표에 예시된 것 같이 상사점 부근에서 통로(122)와 (124)는 둘다 늦게 ＂열리게＂되며 (왼쭉 밀봉물(138)에 의해), 하사점 부근에서 일찍 ＂닫히게＂된다(오른쪽 밀봉물(138)의 제한에 의해).

이상과 같이 밀봉물(138)이 제한위치로 이동하면, (1) 공운전 상태에서 밸브 중합이 사실상 제거되며(2) 배기통로 (124)는 피스톤이 실제의 하사점에 도달한 후에야 배기관 E와 연결되도록 할 수 있다. 엔진의 요구출력의 감소 대응해 밸브 중합과 배기밸브의 미리 열림이 제거됨에 따라 압축행정 말기에 흡입통로(122)로 연소 가스가 들어가는 것을 방지할 수 있고 동시에 배기통로(124)가 연결되기전에 주연소실의 연소가 완전히 이루어질 수 있다. 따라서 공운전 속도를 줄일 수 있고 종래에 수반되던 거친 회전이 제거되며 연료 소비량 및 대기를 오염시키는 배기량을 줄일 수 있다.

제24도를 보면 배기통로(124)의 각각의 벽을 가로질러 스테인리스강과 같은 내열합금으로 되어있는 라이너(145)가 끼워져 있고 이 라이너(145)의 양끝은 바깥으로 굽혀져 있어 밸브몸체(132)의 둘레에 뻗어있는 슬리이브에 연결되어 있다. 라이너(145)와 배기통로(124)의 벽사이에 공간(146)이 만들어져 있어 그 안에 공기가 채워져 있고 따라서 밸브몸체를 연소가스로부터 차폐시킨다.

배기행정중에 배기통로가 주연소실(118)과 배기관 E를 연결하게 되면 고온고압의 배기가스가 주연소실로부터 배기통로내의 라이너의 표면으로 밀려나와 접촉하게 되므로 엔진 작동중에는 라이너(145)가 적열온도 상태로 유지된다. 공간(146)은 라이너(145)와 배기통로 (124)의 각 벽사이에 절연 영역을 만들게 된다. 이로써 밸브몸체(132)는 국소적인 배기가스열로부터 차폐된다.

밸브몸체(132)에는 몸체의 측방향을 따라 냉각통로(C)가 설치되어 있고 그 안으로 엔진 냉각장치로부터 냉각수가 공급된다.

배기통로(124)에 라이너(145)를 설치함으로써 밸브몸체(132)내의 각각의 배기통로 주위에서의 국소적인 고온을 감소시키고 냉각액과 함께 밸브몸체(132)의 균일한 냉각을 가능케 한다.

제27 및 제28도에는 이중 충전 방식이 아닌 엔진(59)를 위하여 충전물 주입 조절장치를 통합해 넣은 엔진의 한 실시예가 도시되어 있다. 엔진(59)는 실린더 블록(11')로 형성되는 실린더(12')내의 피스톤(14')를 포함하고 있다. 밸브해드(30')는 실린더(12')의 상부(上部)에 인접한 로타리 밸브 몸체(32')를 지지하고 있어서, 로타를 밸브몸체(32')가 해드(30')내에서 크랭크 추(도시되어 있지 않음)에 구동적으로 연결된 벨트(62)에 의해 회전하도록 하고 있다. 밸브몸체(32')는 방열성의 경합금 프레임(frame)(35')로 이루어져 있으며, 이 프레임(35')는 흡입통로(36') 배기통로(37') 및 축방향의 냉각통로(38')를 형성하고 있으며, 이 통로들은 전술한 바 있는 로타리 밸브 몸체(32)의 그것들과 배열이나 기능이 유사하다. 전술한 바와같이 배기통로는 제7도의 차폐물(51)과 같은 열 차폐물을 포함한다.

일체적인 다이어프램 가스/밀봉물(42')는 밸브해드(30')와 실린더 블록(11') 사이에 끼워져 있어서 가스 밀봉물(42)에 관하여 전술한 바와 같은 방법으로, 실린더(12')를 밀봉하고 있다. 다이어프램 가스(43)에 의해 형성되는 기구(opening)내의 일체적인 원호형 밸브 밀봉물(44')는 주조된 탄소 강이나 소결금속(sintered metal)으로 구성될 수 있으며 전술한 다이어프램 가스켓/밀봉물(42)와 동일한 방법으로 윤활된다. 각각의 배기통로(37')는 전술한 라이너(51)과 동일한 구조 및 기능을 갖는 내부 라이너(51')에 의해 고온의 배기가스로부터 보호되고 있다.

엔진은 통상적인 기화기(도시되어 있지 않음)와 다기관(매니폴드)(33')(34')을 통하여 흡기(吸氣)되며, 다기관(33',34')는 각각의 통로(36',37')에 연결된다. 그러나 경량의 로타리 밸브 해드(30')와 몸체(32')는 밸브구조를 매우 간략화한다. 엔진(59)는 극히 효율적이며 경량이고 움직이는 부품이 거의 없다. 더욱이, 밸브몸체(32')에는 흡입 및 배기를 위한 활동 밀봉물 시간조정 장치가 있어서 전술한 바와 같이 최대의 엔진 성능을 보장해 준다.

Claims (1)

1. 실린더해드내에서 그 종축을 중심으로 회전할 수 있고 엔진실린더와, 실린더 해드와 관련된 배기매니폴드를 연결시키는데 필요한 하나 이상의 통로가 마련된 원통형 밸브몸체를 포함하는 형의 로터리밸브 내연기관용 밸브에 있어서, 상기 밸브통로(37,37',124,234)는 밸브(32,32',120,233)를 지나 뻗쳐 있고 방사상으로 대향한 위치에서 밸브의 주위표면내로 벌려지고 각 통로의 끝은 배기매니폴드(E)와 실린더(12,12',114,'214)에 연결되며 관상의 열 차폐물(51,145)이 상기배기통로 내에 위치하여 통로면과 간격을 유지하여 통로를 관통하여 뻗쳐 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브.

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