KR100667575B1 - 내연기관의 효율을 개선하기 위한 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열기관(熱機關)의 최고 열효율을 계산하기 위한 열역학상의 가역(可逆) 사이클인 PV선의 카르노사이클에서와 같이 이상적인 사이클이 실제 기관에서는 연소지연시간과 마찰이나 열의 전도 때문에 완전한 단열변화나 등온변화를 실현하게 할 수 없음으로 인해 이상적인 효율을 갖춘 내연기관에 대한 개량의 필요성이 요구되어짐에 따라 내연기관의 행정 사이클에 있어 압축과정의 속도에 비해 팽창과정의 속도를 느리게 하여 연료의 연소시간을 길게 한 다음 팽창이 이루어지도록 유도함으로써, 내연기관의 효율을 개선하도록 하는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 내연기관의 효율개선을 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 플라이 휠이나 부하가 연결되는 지점에 링크를 길이 가변형이나 이중 링크 형태로 구비하여 상기 플라이 휠이나 부하가 일정하게 회전하도록 하면 회전에 따른 부하지점 링크의 실제 회전각이나 변화함에 따라 실린더의 피스톤이 왕복운동을 함에 있어, 흡입과 폭발(팽창)시에는 피스톤의 속도가 느려지고, 압축과 배기시에 속도가 빨라져 일정한 회전각을 갖는 부하축에 비해 로드가 회전하는 회전각은 압축시의 회전각은 작게 하고 흡입시의 회전각은 크게 함으로써, 완전 연소에 근접하는 내연기관은 효율을 개선하기 위한 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 그 특징으로 한다.

내연기관, 회전비, 부등속 회전, 링크, 팽창속도

Description

내연기관의 효율을 개선하기 위한 방법 및 그 장치{The improve method and the equipment for the efficiency of internal combustion engine}

도 1은 본 발명에 의한 부등속 회전 전달장치의 구조를 보인 예시도

도 2a는 실린더의 흡입행정과 압축 행정시에 로드의 회전각을 보인 참고도

도 2b는 실린더의 폭발행정과 배기 행정시에 로드의 회전각을 보인 참고도

도 3은 본 발명에 의한 4기통 사이클 기관의 폭발순서를 보인 실시 예도

도 4는 종래 내연기관의 시간변화에 따른 실린더 내부의 체적변화 그래프

도 5는 본 발명에 의한 시간변화에 따른 실린더 내부의 체적변화 그래프
도 6a는 가변 로드로 구성된 4기통 사이클 기관의 적용실시 정단면도
도 6b는 가변 로드로 구성된 4기통 사이클 기관의 적용실시 평단면도
도 7a는 본 발명 가변식 링크를 보인 요부 확대 사시도
도 7b는 본 발명 가변식 링크의 요부 단면도

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1. 실린더 2. 커넥팅 로드 3. 부하축

5. 크랭크축 6. 피스톤 7. 가변링크
8. 고정링크 9. 유동링크

본 발명은 열기관(熱機關)의 최고 열효율을 계산하기 위한 열역학상의 가역(可逆) 사이클인 PV선의 카르노사이클에서와 같이 이상적인 사이클이 실제 기관에서는 연료의 연소시간, 마찰이나 열의 전도 때문에 완전한 단열변화나 등온변화를 실현하게 할 수 없음으로 인해 이상적인 효율을 갖춘 내연기관에 대한 개량의 필요성이 요구되어짐에 따라 내연기관의 행정 사이클에 있어 압축과정의 속도에 비해 팽창과정의 속도를 느리게 하여 연료의 연소시간을 길게 한 다음 팽창이 이루어지도록 유도함으로써, 압축과 팽창속도를 달리하여 내연기관의 효율을 개선하도록 하는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있는 것이다.
종래의 내연기관(왕복운동기관, 로터리기관)은 일정하게 회전하는 축에 대해 압축과 팽창과정이 모두 같은 시간 또는 같은 속도로 이루어지고 있는 것으로서, 내연기관의 동작과정은 흡입→압축→팽창(폭발)→배기인데 점화는 보통 압축과 팽창의 경계부에서 발생하고, 내연기관의 동력은 압축과정에서 연료가 점화되면서 고분자의 연료가 산소와 결합하여 분해되고, 기체의 분자 수가 많아지며, 이때 발생하는 열로 인해 연소실 내부의 온도는 상승하게 된다.

이렇게 상승한 온도는 기체의 압력을 증가시키게 되며, 또한 연료가 연소하면서 많아진 기체분자로 인해서 연소실 내의 압력은 더욱 상승하게 되고, 이렇게 상승한 기체의 압력을 외부에 단열된 상태로 팽창시키면 운동에너지로 바뀌게 되는데 이렇게 발생한 운동에너지를 사용하면 동력기관이 된다.

따라서 내연기관이라 함은 흡입, 압축, 팽창, 배기의 과정을 갖는 모든 동력 기관을 말하는 것으로 외부와 열적으로 단열된 내연기관에서 압축→연소→팽창의 과정에서 최고로 압축한 상태에서 완전히 연소한 다음 최대의 압력으로 팽창이 이루어질 때 최대효율을 얻을 수 있으나 현실적으로 엔진은 계속 회전을 하고 있기 때문에 압축에서 연소가 일어나는 과정에서도 계속 팽창이 진행되어 실제 연료가 완전히 연소했을 때는 상당히 팽창과정이 진행된 후가 된다.

이는 점화에서 완전연소 사이에서 불완전 연소로 인한 팽창이 진행되기 때문에 효율이 떨어지게 되며, 4기통 사이클 기관뿐만 아니라 2기통 왕복운동 피스톤 내연기관에서도 동일 행정이 동일시간, 동일 장소에서 일어나므로 같은 문제를 유발시키게 되는 것이며, 또한 이를 개선하고 효율을 좋게 하기 위하여 압축비를 높이면 마력이나 연료소비의 성능은 좋아지나, 기계적 손실이 커지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내연기관의 효율을 완전 단열 팽창에 가깝도록 부하축과 실린더의 크랭크축의 두 회전축 중간에 특별히 고안된 회전속도를 부등속으로 전달할 수 있는 장치를 링크함으로써, 1 사이클 내에서 한쪽 회전축의 회전 속도에 대한 상대 쪽 축의 회전 속도의 비가 일정하지 않고 주기적으로 변하도록 하여 배기 시간에 비해 흡입 시간이 늘어나게 함으로써, 흡입 저항은 줄고 흡입구의 면적을 감소시킴과 동시에 열효율을 배가할 수 있도록 하는 내연기관의 효율을 개선하기 위한 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 이하 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 첨부된 도면에 의해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

내연기관에 있어서, 크랭크축과 부하축의 두 회전축 사이에서 회전각을 변화시킬 수 있도록 피스톤에 연결된 커넥팅 로드에 가변식 링크를 설치하여 커넥팅 로드의 하강속도를 느리도록 함으로써 가변링크에 의한 회전속도 차에 의해 팽창이 압축에 비해 서서히 진행되도록 하여 상대적으로 연소를 충분히 시킨 후, 최대압력에서 팽창행정이 이루어지도록 하여 효율을 증가시키도록 한 것이다.
즉 본 발명의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
내연기관을 이루고 있는 실린더(1)의 내부에 설치된 피스톤(6)에 의하여 상하 작동되는 커넥팅 로드(2)에 크랭크축(5)을 연결하되 크랭크축(5)의 한 부분인 부하축(3)에 길이조절이 변동되는 가변식 링크(7)를 설치하여서 된 것이다.
본 발명의 실시 예로 4기통의 내연기관일 경우 가변식 링크(7)는 1번 기통에는 왼쪽에 2번 기통에는 오른쪽, 3번 기통에는 왼쪽, 4번의 기통에는 오른쪽에 각각 가변식 링크를 설치하는 것이 바람직하다.
상기의 가변식 링크(7)는 크랭크축(5)에 고정되는 고정링크(8)의 상단부에 체결공을 형성하고, 이 체결공에 커넥팅 로드(2)에 고정되는 유동링크(9)를 삽입 체결하여 고정링크에서 유동링크가 슬라이딩방식으로 길이가 늘어나거나 줄어들도록 하여서 된 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예로 가변링크 대신 일반적인 이중 링크를 사용하여 본 발명과 동일한 효과를 얻을 수가 있는 것도 자명한 것이다.
상기와 같이 된 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.
종래 내연기관의 시간변화에 따른 실린더 내부의 체적변화 그래프를 도시한 [도 4]에서와 같은 사이클을 갖는 내연기관에서 점화(t3)에서부터 대부분의 가스가 연소하는 시간(t')까지는 (t3-t' )만큼의 시간이 필요하다.

그런데 내연기관에서 최대의 효율을 얻기 위해서는 외부와 열적으로 단열된 상태에서 압축→연소→팽창의 과정에서 최고로 압축한 상태에서 혼합기가 완전히 연소한 다음 최대의 압력으로 팽창이 이루어져야 한다([표1]의 3-4 과정).

그러나 현실적으로 엔진은 계속 회전을 하고 있기 때문에 압축에서 연소가 일어나는 과정에서도 계속 팽창이 진행되어 실제 연료가 완전히 연소했을 때는 상당히 팽창이 진행된 후에 이루어지게 된다.

따라서 점화와 완전연소 사이에는 불완전 연소로 인한 팽창이 진행되기 때문에 효율이 떨어지게 되므로([표1]의 3-4' 과정) [도 4]에서와 같은 주기운동에 있어, 본 발명은 [도 2]에서 보는 바와 같이, 크랭크축과 부하축의 두 회전축 사이에서 회전각을 변화시킴으로써, 피스톤에 연결된 커넥팅 로드의 하강속도를 느리도록 가변식 링크를 연결하여 구성하고, 내연기관의 연소실의 체적이 [도 5]와 같이 변화하게 되고, 가변링크에 의한 회전속도 차에 의해 팽창이 압축에 비해 서서히 진행되도록 하여 상대적으로 연소를 충분히 시킨 후, 최대압력에서 팽창행정이 이루어지도록 하여 효율을 증가시키게 되는 것이다.

본 발명에 의한 압축과 팽창속도를 달리한 내연기관의 효율개선 방법에 있어 실린더의 피스톤과 커넥팅 로드 및 크랭크축에 유기적으로 결합되어 실린더 내의 시간경과에 따른 체적변화를 일으키며 연동하는 방식은 가변링크뿐만 아니라 두 겹을 결합하여 구성된 이중 링크나 타원형의 기어뿐만 아니라 풀리와 같은 방식으로도 구현할 수 있는 것이다.

이러한 방법은 왕복형 피스톤 내연기관이나 로터리 기관뿐만 아니라 흡입→압축→팽창→배기의 과정을 갖는 모든 내연기관에 적용할 수 있다.

[표 1]은 내연기관의 PV-선도인데 그림에서 3의 위치 부근에서 점화가 일어나고 에너지 효율의 이상적인 과정은 3→4의 과정일 때 최대 효율을 나타내고, 일반적은 경우 3→4' 의 과정을 거치며 본 발명을 적용했을 경우에는 이상적인 경우와 일반적인 경우의 중간인 3→4"의 과정을 거치게 된다.

결국, [표1]에서 부등속 회전비 전달의 방법을 통해서 일반적인 경우에 비해 [표1]의 빗금친 면적(A)만큼 더 동력을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이는 내연기관에 있어 피스톤이 하강하면서 배기 밸브는 닫히고 흡기 밸브가 열리면서 혼합기가 실린더 안으로 흡입하는 흡입행정이나 압축 행정이 끝남과 동시에 혼합기가 점화되고 폭발되면서 피스톤을 아래로 밀어내는 폭발행정 과정의 속도를, 피스톤이 상승하고 흡기 밸브가 닫히면서 혼합기가 압축되는 압축 혹은 피스톤이 상승하고 배기 밸브가 열리면서 연소가스가 배출되는 배기 행정에 비해 지연시킴으로써, 완전 단열 팽창에 가깝도록 하여 내연기관의 전체 효율을 개선하거나, 동작 상태를 조절하도록 하는 것으로서, 일정하게 회전하는 회전축의 운동은 시간의 경과에 따른 체적의 변화 그래프가 [도 4]에서와 같이 나타나고 있으나, 본 발명에 의한 가변식 링크를 사용하여 이루어지는 방식에 의해서는 시간에 경과, 즉 회전운동이 [도 5]와 같이 왜곡된다.

이러한 가변식 링크를 갖는 로드를 이용하여 회전력에 따른 압축시간과 팽창시간 또는 압축속도와 팽창속도를 다르게 함으로써, 효율을 개선하거나 동작 특성을 바꿀 수 있는 것이다.

따라서 크랭크축이 가변식으로 회전함으로써, 다른 회전속도와 각으로 전달되는 로드를 이용한 내연기관의 압축행정의 회전각은 좁히고 흡입행정의 회전각은 넓힘으로써 흡입저항은 줄고 흡입구의 면적을 감소시킴과 동시에 열효율을 배가할 수 있게 되는 것이다.

제 2a도는 실린더의 흡입행정과 압축 행정시에 로드의 회전각을 보인 참고도로써, 도면에서 보는 바와 같이 압축과정시의 하사점에서 상사점으로 피스톤(6)의 왕복운동에 의해 커넥팅 로드(2)가 이동함에 따라 크랭크축(5)은 180도를 회전하게 되고 이때, 부하축(3)에 걸리는 가변링크(7)는 하사점의 위치로부터 상사점의 위치에 도달할 때까지의 회전각도가 "

"와 같이 회전하게 되며, 반대로 제2b도는 실린더의 폭발, 팽창, 배기시에 로드의 회전각을 보인 참고도를 보면 상사점에서 하사점으로 피스톤(6)이 이동함에 따라 크랭크축(5)은 역시 180도를 회전하게 되나 이때, 부하축(3)에 걸리는 가변링크(7)는 상사점의 위치로부터 하사점의 위치에 도달할 때까지의 회전각도가 "

"와 같이 됨으로써, 압축과 배기 지속시간이 흡입이나 폭발에 비해 상대적으로 짧아지고(회전각이 좁기 때문) 따라서 흡입과 폭발은 상대적으로 느리게 진행될 수 있게 되는 것이다.

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제3도는 본 발명에 의한 4기통 사이클 기관의 폭발순서를 보인 실시 예로써, 본 발명에 의한 내연기관에 사용되는 부등속 회전 전달 방법 및 그 장치는 4기통 사이클 기관에 응용이 가능하며, 이때의 폭발 순서는 도면에서 보는 바와 같이, ①→③→②→④의 순서로 폭발하는 것으로 종래의 4기통 기관과 동일한 특성을 살릴 수 있는 것이다.

또한, 상기의 실시 예로 기재된 가변식 링크와 같은, 회전 각도를 부등속으로 전달하여 주는 장치는 가변링크(7)는 편심기어나, 타원기어, 풀리 등을 사용하는 것이 가능하고 이중 링크로도 구성될 수 있으며, 가변링크(7)로 구성되어 피스톤(6)의 직선 왕복운동에 따른 크랭크축(5)의 회전운동시 부하축(3)과 크랭크축 사이에 연결된 링크의 길이가 가변적으로 변화하는 가변링크(7)의 구조는 제2a도는 실린더의 흡입행정과 압축 행정시에 로드의 회전각을 보인 참고도와 제2b도는 실린더의 폭발행정과 배기 행정시에 로드의 회전각을 보인 참고도에서 보는 바와 같다.
제6a도는 가변 로드로 구성된 4기통 사이클 기관의 적용실시 정단면도이고, 제6b도는 가변 로드로 구성된 4기통 사이클 기관의 적용실시 평단면도이며, 도 7a, b는 가변링크를 보인 것이다.
한편, 커넥팅 로드(2)와 크랭크축(5) 사이에 가변링크(7) 대신 이중 링크를 설치할 경우 즉 커넥팅 로드(2)와 크랭크축 간에 이중 링크가 설치되어 있기 때문에 커넥팅 로드(2)와 이중 링크가 절첩되먼서 크랭크축이 작동하게 되므로 상기 가변링크(7)와 같은 방식으로 작동하게 되는 것이다.

본 발명은 내연기관의 이러한 완전 단열팽창 조건을 실현함으로써, 내연기관의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 흡입저항을 줄이고 흡입구의 면적을 감소시킴과 동시에 열효율을 배가하여 내연기관의 효율개선에 최적화를 제공하는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 대해서만 상세히 기술하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 응용이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

1. 내연기관에 일정하게 반복되는 실린더의 왕복운동을 시간의 경과에 따른 연소실의 체적이 압축행정 과정에 비해 팽창행정 과정에서 느리게 진행하도록 부하축과 실린더의 크랭크축의 두 회전축 중간에 가변식 링크를 설치하여 1 사이클 내에서 한쪽 회전축의 회전 속도에 대한 상대 쪽 축의 회전 속도의 비가 일정하지 않고, 주기적으로 변하도록 하여 흡입 저항은 줄고 흡입구의 면적을 감소시킴과 동시에 열효율을 배가할 수 있도록 하는 내연기관의 효율을 개선하기 위한 방법.
2. 플라이 휠이나 부하가 걸리는 부하 측과 크랭크축의 두 회전축 사이에 연결된 링크의 회전각이 일정하지 않고, 피스톤이 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 흡입이나 폭발(팽창)시에는 넓은 각으로, 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 압축이나 배기시에는 좁은 각으로 회전하여 완전 단열 팽창에 가깝도록 하기 위하여 부하 측을 크랭크축의 중심으로부터 위치를 일측으로 편심되게 하여서 된 것과:

   상기 두 회전축 사이에 작은 원통이 출입되어 길이가 변화되는 가변링크가 연결된 것을 특징으로 하는 내연기관의 효율을 개선하기 위한 장치.
3. 삭제
4. 제 2항에 있어서, 4기통의 내연기관일 경우 1번의 기관에는 왼쪽과 2번의 기관에는 오른쪽, 3번의 기관에는 오른쪽 4번의 기관에는 왼쪽에 각각 가변식 링크를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 내연기관의 효율을 개선하기 위한 장치.

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