KR101394047B1 - 가변 사이클 엔진 - Google Patents

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곽영홍
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Abstract

본 발명에 따른 가변 사이클 엔진은, 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 수행하는 제1실린더, 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 수행하는 제2실린더, 상기 제1실린더 및 상기 제2실린더와 인접하여 형성되는 연결레일, 상기 연결레일의 일측에서 분기되어 상기 제1실린더와 연결되는 제1가변포트, 상기 연결레일의 타측에서 분기되어 상기 제2실린더와 연결되는 제2가변포트, 및 상기 제1가변포트 및 상기 제2가변포트에 설치되어 라인을 개폐하여 상기 제1실린더와 상기 제2실린더를 직접적으로 연결하는 가변컨트롤밸브를 포함한다.
따라서, 압축행정에서 발생되는 압축가스의 일부를 배기행정을 수행하는 인접한 실린더로 공급함으로써 아킨슨 사이클을 구현할 수 있다. 그리고, 배기행정에서 발생되는 배기가스의 일부를 흡입행정을 수행하는 인접한 실린더로 직접 공급함으로써 이지알시스템을 구현할 수 있다.

Description

가변 사이클 엔진{VARIABLE CYCLE ENGINE}
본 발명은 실린더의 압축비를 선택적으로 가변시킴으로써 연료소모의 효율을 증가시키는 동시에 진동과 소음을 저감시킬 수 있는 가변 사이클 엔진에 관한 것이다.
일반적으로, 열기관의 열효율은 압축비가 높으면 증가되며, 스파크 점화기관의 경우 일정 수준까지 점화시기를 진각하면 열효율이 증가된다.
그러나, 스파크 점화기관은 높은 압축비에서 점화시기를 진각하면 이상 연소가 발생하여, 엔진 손상을 가져올 수 있으므로 점화시기 진각에 한계가 있고, 이에 의해 출력 저하를 감수해야 한다.
가변 압축비(variable compression ratio; VCR) 장치는 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 변화시키는 장치이다.
가변 압축비 장치에 따르면, 엔진의 저부하 운전 상태(low load condition)에서는 혼합기의 압축비를 높여 연비를 향상시키고, 엔진의 고부하 운전 상태(high load condition)에서는 혼합기의 압축비를 낮추어 녹킹의 발생을 방지하고 엔진 출력을 향상시킨다.
현재 디젤엔진의 경우, 강화된 배기가스 규제에 맞추기 위하여 피스톤 연소실의 볼륨을 크게 하여 압축비를 감소시킴으로써 저온 연소를 구현하고 있다.
그러나, 압축비 감소에 따라 냉시동 성능이 악화되기 때문에 글로우 시스템을 세라믹 재질로 제작하여 그 강성을 강화하고 상기 글로우 시스템을 제어하는 별도의 제어 유닛을 추가함으로써 제작 비용이 상승하였다.
또한, 압축비가 고정되어 있으므로 다양한 운전 상태에 따른 최적의 압축비를 구현하기가 불가능하였다.
본 발명의 목적은 실린더의 압축행정에서 압축비를 운행상태에 따라서 가변적으로 제어함으로써 연료의 효율을 향상시키고 진동과 소음을 줄이는 가변 사이클 엔진을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 사이클 엔진은, 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 수행하는 제1실린더, 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 수행하는 제2실린더, 상기 제1실린더 및 상기 제2실린더와 인접하여 형성되는 연결레일, 상기 연결레일의 일측에서 분기되어 상기 제1실린더와 연결되는 제1가변포트, 상기 연결레일의 타측에서 분기되어 상기 제2실린더와 연결되는 제2가변포트, 및 상기 제1가변포트 및 상기 제2가변포트에 설치되어 라인을 개폐하여 상기 제1실린더와 상기 제2실린더를 직접적으로 연결하는 가변컨트롤밸브를 포함한다.
상기 연결레일, 상기 제1가변포트, 또는 상기 제2가변포트 감싸는 냉각수자켓을 더 포함하고, 상기 냉각수자켓에는 냉각수가 흐를 수 있다.
상기 제1실린더 또는 상기 제2실린더로 가스를 흡입하는 흡기포트, 상기 제1실린더 또는 상기 제2실린더에서 연소가스를 배출하는 배기포트, 상기 흡기포트를 개폐하는 흡기밸브, 상기 배기포트를 개폐하는 배기밸브, 외부로부터 가스를 받아서 상기 흡기포트로 가스를 분배하는 흡기매니폴드, 및 상기 배기포트로부터 배기가스를 받아서 외부로 배출하는 배기매니폴드를 더 포함할 수 있다.
상기 제1,2실린더와 인접하여 배치되는 제3,4실린더를 더 포함할 수 있다.
배기행정을 수행하는 제1실린더의 배기가스는 상기 제1가변라인, 상기 연결레일, 및 상기 제2가변라인을 통해서 흡기행정을 수행하는 제2실린더로 공급하고, 이때 상기 제1가변라인과 상기 제2가변라인에 설치되는 가변컨트롤밸브를 각각 설정된 시점에서 설정된 시간동안 열어줄 수 있다.
압축행정을 수행하는 제1실린더의 압축가스는 상기 제1가변라인, 상기 연결레일, 및 상기 제2가변라인을 통해서 배기행정을 수행하는 제2실린더로 공급하고, 이때 상기 제1가변라인과 상기 제2가변라인에 설치되는 가변컨트롤밸브를 각각 설정된 시점에서 설정된 시간 동안 열어줄 수 있다.
상기 흡기포트는 각 실린더에 두 개이고, 상기 배기포트는 각 실린더에 한 개이고, 상기 가변포트는 각 한 개일 수 있다.
상기 흡기포트는 각 실린더에 두 개이고, 상기 배기포트는 각 실린더에 두 개이고, 상기 가변포트는 각 한 개일 수 있다.
상기 가변포트는 상기 배기포트 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서 제1실린더, 제2실린더, 및 상기 제1실린더와 상기 제2실린더를 직접연결하는 가변포트에 설치되는 가변컨트롤밸브를 포함하는 가변 사이클 엔진의 제어방법은, 설정된 시점에 설정된 시간 동안 상기 가변컨트롤밸브를 열어줌으로써 상기 제1실린더와 상기 제2실린더 사이에 가스를 유통시킬 수 있다.
상기 제1실린더가 배기행정을 수행하는 동안에 상기 가변컨트롤밸브가 열려서 흡기행정을 수행하는 상기 제2실린더로 배기가스를 공급할 수 있다.
상기 제1실린더가 압축행정을 수행하는 동안에 상기 가변컨트롤밸브가 열려서 배기행정을 수행하는 상기 제2실린더로 배기가스를 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 사이클 엔진에 의하면, 압축행정에서 발생되는 압축가스의 일부를 배기행정을 수행하는 인접한 실린더로 공급함으로써 아킨슨 사이클을 구현할 수 있다.
따라서, 배기행정에서 발생되는 배기가스의 일부를 흡입행정을 수행하는 인접한 실린더로 직접 공급함으로써 이지알시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 사이클 엔진의 개략적인 내부 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 사이클 엔진에서 배기행정을 수행하는 실린더와 흡기행정을 수행하는 실린더를 직접 연결하는 방법을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 사이클 엔진에서 압축행정을 수행하는 실린더와 배기행정을 수행하는 실린더를 직접 연결하는 방법을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 사이클 엔진의 개략적인 내부 평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 사이클 엔진의 개략적인 내부 평면도이다.
도 1을 참조하면, 가변 사이클 엔진은 흡기매니폴드(100), 흡기포트(105), 흡기밸브(110), 제1실린더(C1), 제2실린더(C2), 제3실린더(C3), 제4실린더(C4), 배기밸브(115), 배기포트(120), 배기매니폴드(125), 촉매/머플러(130), 제1가변컨트롤밸브(150a), 제2가변컨트롤밸브(150b), 제3가변컨트롤밸브(150c), 제4가변컨트롤밸브(150d), 제1가변포트(155a), 제2가변포트(155b), 제3가변포트(155c), 제4가변포트(155d), 연결레일(160), 및 냉각수자켓(165)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 실린더에는 연료를 분사하는 인젝터(미도시), 또는 스파크플러그(미도시)가 배치될 수 있고, 이는 공지기술이므로 상세한 설명을 생략한다.
아울러, 본 발명에서는 4기통 엔진을 기초로 설명이 되어 있으나, 2기통, 3기통, 5기통, 6기통, 8기통, 10기통, 12기통 엔진 등에도 적용될 수 있다. 즉, 실린더의 개수는 가변적으로 적용할 수 있다.
외기는 상기 흡기매니폴드(100), 상기 흡기포트(105), 상기 흡기밸브(110)를 통해서 상기 제1,2,3,4실린더(C1, C2, C3, C4)로 분배되고, 연료와 함께 연소된다.
그리고, 연소가스는 상기 배기밸브(115), 상기 배기포트(120), 상기 배기매니폴드(125), 및 상기 촉매/머플러(130)를 통해서 외부로 배출된다.
상기 제1,2,3,4실린더(C1, C2, C3, C4)는 각각 흡기, 압축, 폭발, 및 배기행정을 수행하고, 압축행정을 수행하는 실린더의 압축공기는 배기행정을 수행하는 실린더로 직접 공급될 수 있다.
아울러, 배기행정을 수행하는 실린더의 배기가스는 흡입행정을 수행하는 실린더로 직접 공급될 수 있다.
상기 제1,2,3,4실린더(C1, C2, C3, C4)와 인접하여 연결레일(160)이 배치되고, 상기 연결레일(160)로부터 제1가변포트(155a)가 분기되어 상기 제1실린더(C1)와 연결되고, 상기 연결레일(160)로부터 제2가변포트(155b)가 분기되어 상기 제2실린더(C2)와 연결되고, 상기 연결레일(160)로부터 제3가변포트(155c)가 분기되어 상기 제3실린더(C3)와 연결되고, 상기 연결레일(160)로부터 제4가변포트(155d)가 분기되어 상기 제4실린더(C4)와 연결된다.
상기 제1,2,3,4가변포트(155a, 155b, 155c, 155d)에는 각각 제1가변컨트롤밸브(150a), 제2가변컨트롤밸브(150b), 제3가변컨트롤밸브(150c), 및 제4가변컨트롤밸브(150d)가 배치된다.
상기 제1,2,3,4가변컨트롤밸브(150a, 150b, 150c, 150d)는 상기 배기밸브(115)와 인접하여 배치되고, 상기 제1,2,3,4가변컨트롤밸브(150a, 150b, 150c, 150d)는 상기 배기밸브(115)를 구동하는 캠샤프트에 의해서 동일한 구조로 작동될 수 있다.
다만, 상기 제1,2,3,4가변컨트롤밸브(150a, 150b, 150c, 150d)는 비작동구간과 작동구간을 가지고 있으므로, 가변밸브구조 또는 실린더휴지(CDA: cylinder de-activation)구조를 채택할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 가변밸브구조 및 실린더휴지구조는 공지기술을 참조하면, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 제1,2,3,4가변포트(155a, 155b, 155c, 155d) 또는 상기 연결레일(160)의 주위로 상기 냉각수자켓(165)이 형성되고, 상기 냉각수자켓(165) 내부에는 냉각수(175)가 충진되어 순환될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상기 연결레일(160), 상기 제1,2,3,4가변포트(155a, 155b, 155c, 155d), 및 상기 냉각수자켓(165)은 실린더헤드 또는 실린더블록과 일체로 형성될 수 있다.
아울러, 상기 냉각수자켓(165)은 설계사양에 따라서 적용되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 배기행정에서 발생되는 배기가스를 흡기행정을 수행하는 실린더로 직접 공급함으로써 EGR 시스템을 구현할 수 있다. 여기서, 재순환배기가스는 상기 냉각수자켓(165)의 냉각수로 냉각될 수 있다.
아울러, 압축행정에서 발생되는 배기가스를 배기행정을 수행하는 실린더로 직접공급함으로써 압축비를 저감하는 아킨슨사이클을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 사이클 엔진에서 배기행정을 수행하는 실린더와 흡기행정을 수행하는 실린더를 직접 연결하는 방법을 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 제3실린더(C3)는 배기행정을 수행하고, 상기 제3실린더(C3)와 대응하는 배기밸브(115)는 설정된 구간에서 개방되고 다시 폐쇄된다. 여기서, 상기 제3실린더(C3)와 대응하는 제3가변컨트롤밸브(150c)도 설정된 구간에서 개방되고 폐쇄된다.
그리고, 제1실린더(C1)는 흡입행정을 수행하고, 상기 제1실린더(C1)와 대응하는 흡기밸브(110)는 설정된 구간에서 개방되고 다시 폐쇄된다. 여기서, 상기 제1실린더(C1)와 대응하는 제1가변컨트롤밸브(150a)도 설정된 구간에서 개방되고 폐쇄된다.
따라서, 상기 제3실린더(C3)의 배기가스는 상기 제3가변컨트롤밸브(150c), 상기 제3가변포트(155c), 상기 연결레일(160), 상기 제1가변포트(155a), 및 상기 제1가변컨트롤밸브(150a)를 지나 상기 제1실린더(C1)로 직접 공급된다.
전술한 바와 같이, 상기 연결레일을 둘러싸는 냉각수자켓은 재순환 배기가스를 냉각시킨다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 사이클 엔진에서 압축행정을 수행하는 실린더와 배기행정을 수행하는 실린더를 직접 연결하는 방법을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제3실린더(C3)는 압축행정을 수행하고, 상기 제3실린더(C3)와 대응하는 제3가변컨트롤밸브(150c)는 설정된 구간에서 개방되고 폐쇄된다.
그리고, 제1실린더(C1)는 배기행정을 수행하고, 상기 제1실린더(C1)와 대응하는 배기밸브는 설정된 구간에서 개방되고 다시 폐쇄된다. 여기서, 상기 제1실린더(C1)와 대응하는 제1가변컨트롤밸브(150a)도 설정된 구간에서 개방되고 폐쇄된다.
따라서, 상기 제3실린더(C3)의 압축가스의 일부는 상기 제3가변컨트롤밸브(150c), 상기 제3가변포트(155c), 상기 연결레일(160), 상기 제1가변포트(155a), 및 상기 제1가변컨트롤밸브(150a)를 지나 상기 제1실린더(C1)로 직접 공급된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 사이클 엔진의 개략적인 내부 평면도이다.
도 4를 참조하면, 두 개의 흡기밸브(110)가 일측에 배치되고, 두 개의 배기밸브(115)가 타측에 배치되며, 상기 배기밸브(115) 사이에 상기 가변컨트롤밸브가 배치될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 흡기매니폴드 105: 흡기포트
110: 흡기밸브 115: 배기밸브
120: 배기포트 125: 배기매니폴드
130: 촉매/머플러
150a, b, c, d: 제1,2,3,4가변컨트롤밸브
155a, b, c, d: 제1,2,3,4가변포트
160: 연결레일 165: 냉각수자켓
175: 냉각수

Claims (12)

  1. 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 수행하는 제1실린더;
    흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 수행하는 제2실린더;
    상기 제1실린더 및 상기 제2실린더와 인접하여 형성되는 연결레일;
    상기 연결레일의 일측에서 분기되어 상기 제1실린더와 연결되는 제1가변포트;
    상기 연결레일의 타측에서 분기되어 상기 제2실린더와 연결되는 제2가변포트; 및
    상기 제1가변포트 및 상기 제2가변포트에 설치되어 라인을 개폐하여 상기 제1실린더와 상기 제2실린더를 직접적으로 연결하는 가변컨트롤밸브; 를 포함하고,
    압축행정을 수행하는 제1실린더의 압축가스는 상기 제1가변포트, 상기 연결레일, 및 상기 제2가변포트를 통해서 배기행정을 수행하는 제2실린더로 공급하고, 이때 상기 가변컨트롤밸브를 각각 설정된 시점에서 설정된 시간 동안 열어주는 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  2. 제1항에서,
    상기 연결레일, 상기 제1가변포트, 또는 상기 제2가변포트 감싸는 냉각수자켓; 을 더 포함하고,
    상기 냉각수자켓에는 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  3. 제1항에서,
    상기 제1실린더 또는 상기 제2실린더로 가스를 흡입하는 흡기포트;
    상기 제1실린더 또는 상기 제2실린더에서 연소가스를 배출하는 배기포트;
    상기 흡기포트를 개폐하는 흡기밸브;
    상기 배기포트를 개폐하는 배기밸브;
    외부로부터 가스를 받아서 상기 흡기포트로 가스를 분배하는 흡기매니폴드; 및
    상기 배기포트로부터 배기가스를 받아서 외부로 배출하는 배기매니폴드; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  4. 제1항에서,
    상기 제1,2실린더와 인접하여 배치되는 제3,4실린더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  5. 제1항에서,
    배기행정을 수행하는 제1실린더의 배기가스는 상기 제1가변포트, 상기 연결레일, 및 상기 제2가변포트를 통해서 흡기행정을 수행하는 제2실린더로 공급하고, 이때 상기 가변컨트롤밸브를 각각 설정된 시점에서 설정된 시간동안 열어주는 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  6. 삭제
  7. 제3항에서,
    상기 흡기포트는 각 실린더에 두 개이고, 상기 배기포트는 각 실린더에 한 개이고, 상기 가변포트는 각 한 개인 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  8. 제3항에서,
    상기 흡기포트는 각 실린더에 두 개이고, 상기 배기포트는 각 실린더에 두 개이고, 상기 가변포트는 각 한 개인 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  9. 제8항에서,
    상기 가변포트는 상기 배기포트 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 사이클 엔진.
  10. 제1실린더; 제2실린더; 및 상기 제1실린더와 상기 제2실린더를 직접연결하는 가변포트에 설치되는 가변컨트롤밸브를 포함하는 가변 사이클 엔진의 제어방법에 있어서,
    설정된 시점에 설정된 시간 동안 상기 가변컨트롤밸브를 열어줌으로써 상기 제1실린더와 상기 제2실린더 사이에 가스를 유통시키고,
    상기 제1실린더가 압축행정을 수행하는 동안에 상기 가변컨트롤밸브가 열려서 배기행정을 수행하는 상기 제2실린더로 배기가스를 공급하는 가변 사이클 엔진의 제어방법.
  11. 제10항에서,
    상기 제1실린더가 배기행정을 수행하는 동안에 상기 가변컨트롤밸브가 열려서 흡기행정을 수행하는 상기 제2실린더로 배기가스를 공급하는 가변 사이클 엔진의 제어방법.
  12. 삭제
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