KR20190006406A - non-comperss process 2cycle super-high-efficiency dieseal engine used atmospheric heat and fuel - Google Patents

Abstract

Provided is a superhigh efficiency diesel engine mixing and using atmospheric heat and fuel, which largely reduces an exhaust pressure and lost calories of an internal combustion engine, largely reduces an intake loss portion, and uses the atmospheric heat as fuel to increase efficiency of the engine. According to the present invention, the volume of a combustion chamber is largely increased, and a turbocharging compressor (5) of a pre-intake supercharger type is operated, such that heat exchange between atmosphere and intake air with a temperature dropped by the intake air which is adiabatically expanded by evacuating a suction pipe, the heat-exchanged air is introduced into the compressor (5), and power required for suction of the compressor (5) is collected from a suction pipe power collection turbine (1).

Description

대기열과 연료가 혼합 이용되는 무압축행정 2cycle 초고효율 디젤기관{non-comperss process 2cycle super-high-efficiency dieseal engine used atmospheric heat and fuel}[0001] The present invention relates to a two-cycle, high-efficiency diesel engine having a non-compressed, two-cycle super-high-efficiency diesel engine and an atmospheric heat and fuel,

내연기관Internal combustion engine

내연기관의 연료 절감을 위해 여러 가지 방안이 강구되어 왔었다.Various methods have been proposed for fuel saving of the internal combustion engine.

본 발명은 기관의 구조적 문제 사항을 개선하여 기관의 흡기계통 및 배기계통에서 동시에 에너지의 낭비를 없애며 특히 흡기 계통에서 기관의 압축 소요 동력을 줄임으로써 기관의 효율을 상승시킴과 동시에 기관의 흡기 과정에서 대기의 열량을 연료로 이용되어지게 하는 방법임과 함께 내연기관의 작동에 따른 유해 배기가스 배출의 대폭적 감소, 대기온도 상승 방지 등의 효과를 동시에 나타내어지게 하는 기술 방법이다.The present invention improves the structural problems of the engine so as to eliminate the waste of energy simultaneously in the intake system and the exhaust system of the engine. In particular, the efficiency of the engine is increased by reducing the power required to compress the engine in the intake system, This method is a method of making the amount of heat of the atmosphere used as fuel, and also shows the effects such as a drastic reduction of the emission of harmful exhaust gas due to the operation of the internal combustion engine and prevention of an increase in the atmospheric temperature.

지금까지의 내연기관의 효율은 40 %를 초과하기 못하고 있다.The efficiency of the internal combustion engine so far has not exceeded 40%.

그렇지만 본 발명의 실시에 따른 내연기관의 효율은 80 % (근사적 계산치) 이상이 이루어지도록 하는 내연기관의 연소방법을 개선한 기술이다.However, the efficiency of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is improved by improving the combustion method of the internal combustion engine so that the efficiency is 80% (approximate calculation value) or more.

내연기관의 대폭적 효율 상승 및 유해 배기가스의 현저히 감소.Significant increase in efficiency of internal combustion engine and significant decrease of harmful exhaust gas.

현재의 내연기관은 열효율이 매우 낮다. 그 주된 요소의 이유는 공기 압축 소요 동력이 기관 출력의 약 40 %를 차지함에 따른 가장 큰 요소이며 또한 배기 열량의 낭비가 매우 크다.Current internal combustion engines have very low thermal efficiency. The main reason for this is that the power required for air compression is the largest factor that accounts for about 40% of the engine power, and also the waste heat of the exhaust is very large.

그렇지만 현재까지의 내연기관의 구조로써는 이의 문제점 해결이 근본적으로 불가하다. (그 이유는 이하 내용 계속 참조)However, the structure of the internal combustion engine so far is fundamentally ineffective in solving the problem. (See below for the reason)

본 발명은 근본적 이유의 문제가 되고 있는 문제점을 개선하여 내연기관의 배기 열량을 회수하여 공기 압축 소요 동력을 매우 줄이며 또한 구조 변경을 통한 흡기 과정에서 대기의 열량이 추가로 동력의 발생으로 이어지도록 하는 방법의 구성이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to improve the problem that is a fundamental problem and to recover the exhaust heat quantity of the internal combustion engine to greatly reduce the power required for air compression and to further increase the amount of heat of the air in the intake process, Method.

이의 과제를 해결하기 위하여 다음과 같은 자연 현상적 원리와 더불어 지금까지의 내연기관의 문제점 등의 나열과 함께 이를 개선한 사항을 제시하면 아래와 같다.In order to solve this problem, the following natural phenomenal principles as well as the problems of the internal combustion engine up to now are listed along with the improvements thereof.

1) 일반적으로 과급기가 장착된 내연기관에서는 과급 압축기 후단에 반드시 인터쿨러가 배치된다. (즉, 압축한 공기를 등압 냉각시켜 실린더에 유입시킨다. - 이는 압축 에너지의 낭비이다.)1) Generally, in an internal combustion engine equipped with a supercharger, an intercooler is always disposed at the end of the supercharging compressor. (That is, the compressed air is cooled to the cylinder by equi-cooling.) - This is a waste of compression energy.

하지만 만약 인터쿨러가 없이 과급 압축기에서 압축한 공기를 냉각시키지 않고 실린더에 그대로 유입시킬 경우 기관의 효율이 떨어진다.However, if the air compressed by the compressor is not cooled without the intercooler, the efficiency of the engine is reduced.

그 이유는 고온으로 인한 압축공기의 부피가 커져 좁은 실린더 내에서 연소를 위한 충분한 공기량이 확보되지 못해 불완전 연소가 일어나기 때문이다.This is because the volume of the compressed air due to the high temperature becomes large, and the sufficient amount of air for combustion in the narrow cylinder can not be ensured, resulting in incomplete combustion.

그러나 일반적 열역학적 이론으로서는 고온 고압의 공기를 실린더에 주입하여야만 기관의 효율이 올라가는 것이 상식적 자연현상이다.However, as a general thermodynamic theory, it is a common natural phenomenon that the efficiency of the engine is increased by injecting high-temperature and high-pressure air into the cylinder.

그렇지만 좁은 실린더 내의 연소실 체적에서는 공기의 온도를 올릴 경우 연소공기량 부족에 의해 이의 수행이 불가하다.However, when the temperature of the combustion chamber is increased in the cylinder of a narrow cylinder, it is impossible to carry out the operation due to the shortage of the combustion air amount.

그러므로 고온의 공기 주입은 오히려 공기의 부피가 커져 공기량 부족으로 인한 연소 불완전이 초래되어 기관 효율의 감소, 매연의 증가현상이 일어난다.Therefore, high-temperature air injection increases the volume of air, resulting in incomplete combustion due to insufficient air volume, resulting in reduction of engine efficiency and increase of soot.

따라서 이를 열역학적 이론에 맞도록 고온 고압의 공기를 주입시킬 수 있도록 하기 위해서는 충분한 공기량 확보를 위한 방안이 모색되어야 한다. 하지만 현재의 내연기관에서의 이를 개선하는 것은 불가하며 그 이유는 다음과 같다.Therefore, in order to be able to inject high-temperature and high-pressure air in accordance with the thermodynamic theory, a method for ensuring sufficient air volume should be sought. However, it is impossible to improve the current internal combustion engine.

- 만약 고온으로 인하여 팽창된 공기를 연소가 충분한 량이 되도록 많은 량을 유입시키기 위해서는 실린더의 연소실 체적이 매우 커야한다. 하지만 현재의 내연기관들은 압축비를 매우 중요시하여 설계되어 있으므로 이의 사항이 불가하다.- If the volume of the combustion chamber of the cylinder is too large to allow a large amount of air to be inflated due to the high temperature, it should be very large. However, current internal combustion engines are designed with a high emphasis on compression ratio.

- 또한 공기를 고압으로 압축하여 부피를 감소시켜 실린더에 유입시킬 경우 압축행정에서 너무나 높은 고압의 발생과 더불어 온도 또한 매우 높아지므로 노킹의 발생등 구조적으로 문제가 발생한다.- In addition, when the air is compressed to a high pressure and the volume is reduced, it is structurally problematic, such as occurrence of knocking, because the temperature is too high in addition to the occurrence of a very high pressure in the compression stroke.

또한 밸브의 오브랩(흡기와 배기가 동시에 열려 있는 기간) 기간에서 압축공기가 배기 쪽으로 새어나가므로 동력의 낭비가 매우 커진다.Also, since the compressed air leaks to the exhaust side during the period of the valve orb of the valve (the intake and exhaust are open at the same time), the waste of power becomes very large.

그러므로 현재의 내연기관은 흡기 과급 방식을 채택함에 있어서 불가피하게 압축된 공기를 냉각시키며 그것이 효율을 증가시키는 방법으로 알고 있으며 에너지의 낭비임을 간과하고 있다.Therefore, current internal combustion engines inevitably cool the compressed air in adopting the intake supercharging method, knowing it as a way to increase efficiency and overlooking the waste of energy.

2) 현재의 왕복동형 내연기관은 배기압력 손실이 30~40 % 에 달한다. 따라서 이러한 이유에서도 효율이 매우 낮다.2) The current reciprocating internal combustion engine has an exhaust pressure loss of 30 ~ 40%. Therefore, efficiency is very low for these reasons.

현재의 밸브 시스템에서 배기압력 손실이 커질 수밖에 없는 이유는 다음과 같다.The reason why the exhaust pressure loss in the current valve system can not be increased is as follows.

- 4행정 내연기관에 있어서 크랭크의 회전축과 캠의 회전축은 1: 0.5 의 회전비를 가져야 한다.- In a four-stroke internal combustion engine, the crankshaft rotational axis and the camshaft rotational axis shall have a rotational ratio of 1: 0.5.

- 따라서 배기 밸브는 폭발행정 중 크랭크 각 약 55도 부근에서 미리 열려야 한다. 즉, 폭발행정 중에 배기를 위해서 배기 밸브가 미리 열려야 하므로 고압의 가스가 배기 쪽으로 상당량 나간다.- The exhaust valve must therefore be opened before crank angle approx. 55 degrees during the explosion stroke. That is, since the exhaust valve must be opened in advance for exhausting during the explosion stroke, the high-pressure gas is discharged to the exhaust side considerably.

이에 따른 배기압력 손실은 약 30~40%에 달한다.The exhaust pressure loss is about 30 ~ 40%.

3) 과급 방식의 내연기관에서는 밸브 오버랩 기간에 가압 공기가 배기 쪽으로 나가기 때문에 과급 압력의 누설로 이어진다.3) In supercharged internal combustion engine, pressurized air flows to the exhaust side during valve overlap period, leading to leakage of boost pressure.

4) 현재의 내연기관은 흡입공기를 냉각시켜야만 효율이 증가된다. 이는 상기 서두에서의 제시와 같이 에너지의 손실이다. 또한 이의 이유 때문에 배기열을 이용한 흡입공기의 가열이 불가할 뿐만 아니라 본 발명에서와 같이 흡입공기관을 진공시켜 대기의 열량을 이용한 흡입관 가열은 더욱 불가하다.4) Current internal combustion engines need to cool the intake air to increase efficiency. This is a loss of energy as presented in the introduction above. In addition, it is not possible to heat the intake air using exhaust heat for this reason, and it is further impossible to heat the intake pipe by vacuuming the intake air pipe as in the present invention.

즉, 배기열의 낭비가 불가피할 뿐만 아니라 흡입 공기관을 오히려 냉각시켜야 하므로 매우 큰 에너지의 낭비이다.That is, waste heat is inevitable and the intake air pipe must be cooled, which is a waste of enormous energy.

5) 상기 1),2),3),4) 의 문제점들을 개선과 더불어 본 발명에서 추구하고자 하는 내용은 다음과 같다.5) In addition to improving the above problems 1), 2), 3) and 4), the present invention intends to pursue the following contents.

- 슈퍼 챠져의 형식과 같이 별도의 압축기를 구동하여 과급 압력을 압축행정시의 압력으로 미리 가압하여 공기를 흡입시킨다.- As a supercharger type, a separate compressor is driven to pressurize the supercharging pressure with the pressure during the compression stroke to suck in air.

- 도1과 같이 캠을 구성하여 기관의 압축행정을 없앤다.- Construct a cam as shown in Fig. 1 to eliminate the compression stroke of the engine.

즉, 캠의 구조를 변경시켜 "크랭크축 회전수: 캠축 회전수 비"를 1:1 로 하여 2cycle 밸브 형식의 기관으로 근본적으로 바꾸며That is, by changing the structure of the cam, the ratio of "crankshaft revolution: camshaft revolution ratio" is changed to 1: 1 to fundamentally change to a 2 cycle valve type engine

4 cycle 기관에서 배기밸브가 미리 열려야 하는 각도(하사점전 55도)를 반 이하로 줄인다. - 도3 참조.Reduce the angle at which the exhaust valve should be opened in advance (55 ° C) to less than half in a 4 cycle engine. - See FIG.

(현재의 2cycle 기관에서 대형의 경우 밸브가 있는 경우가 있으나 이는 흡배기를 목적으로 하는 것이 아니라 흡기의 콘트롤을 위해 존재하며 압축행정이 있음으로 해서 밸브형 2cycle 기관의 구성이 불가하다.)(In the present 2 cycle engine, there is valve in case of large size, but it is not for intake and exhaust but exists for control of intake. It is not possible to construct valve type 2 cycle engine because there is compression stroke.)

- 현재의 기관의 밸브 오버랩 과정에서 흡기 공기를 가압하고- pressurize the intake air during the valve overlap process of the current engine

(즉, 피스톤의 상사점 전후 약 22.5 도 근처에서 피스톤의 상하 움직임은 적은 상태에서 크랭크 축만 회전될 때 흡기 공기를 가압하고 이때 현재와는 달리 배기밸브가 닫힌 상태가 된다. - 도1,2 참조. )(That is, when the crankshaft is rotated only in the state where the piston moves up and down about 22.5 degrees before and after the top dead center of the piston, the intake air is pressurized and the exhaust valve is closed unlike the present state. .)

피스톤이 하강행정을 시작할 시에 흡기 밸브가 닫히도록 하여 폭발행정이 이루어지도록 한다. - 도3 참조.When the piston starts the descending stroke, the intake valve is closed so that the explosion stroke is made. - See FIG.

- 흡기 공기를 압축후 대기의 열량을 이용한 등압 가열 및 배기의 열량을 이용한 등압 가열이 가능하도록 실린더의 직경을 크게 한다.- Compress the intake air and increase the diameter of the cylinder so that isobaric heating using the heat of the air and isobaric heating using the heat of the exhaust.

(실린더 체적 현재보다 약 1.3 배 크게 한다.- 도3 참조)(About 1.3 times larger than the cylinder volume present-see figure 3)

{실린더에서의 연소체적 증가는 연소압력 감소로 이어진다.{Increasing the combustion volume in the cylinder leads to a reduction in the combustion pressure.

그렇지만 단면적의 증가로 인하여 동일한 출력으로 이어진다.}However, due to the increase in cross-sectional area, this leads to the same output.}

{소량의 연료에 의한 완전연소, 가열공기에 의한 저과잉공기 연소, 연료량의 감소에 따른 저온연소-주입공기 가열에 따른 연소온도 상승은 연료량 증가에 따른 연소온도 상승과 불완전 연소에 따른 유해 배기가스량 증가보다는 영향이 적다.-를 실현하여 유해 배기가스의 배출이 현저히 줄어든다. }{Full combustion by a small amount of fuel, low amount of combustion by heating air, low temperature combustion by reduction of fuel amount - Increase of combustion temperature by heating of injection air is caused by increase of combustion temperature due to increase of fuel amount and harmful exhaust gas amount due to incomplete combustion The effect is less than the increase. - The emissions of harmful exhaust gases are significantly reduced. }

{ 흡입관 진공 열교환의 결과는 대기의 열량을 연료로 이용하는 효과가 되어지며 내연기관 가동으로 인한 대기온도 상승의 지연효과가 이루어진다.-도4 참조.}{The result of the vacuum heat exchange of the suction pipe is that the heat of the atmosphere is used as fuel and the delay of the increase of the atmospheric temperature due to the operation of the internal combustion engine is effected.

{ 기관의 흡기온도 가열은 연소온도 과다 상승으로 이어지지 않으며 결국 연료감소 효과로 나타난다. 현재 상태에서의 내연기관은 이의 추구 방식이 불가하다. }{The intake air temperature of the engine does not lead to overheating of the combustion temperature, resulting in a fuel reduction effect. The internal combustion engine in the present state is not a pursuit method thereof. }

6) 본 발명에 따른 무압축행정 2cycle 기관을 구성했을 시는 현재의 2cycle 기관의 장점만을 취할 수 있으며 4cycle 기관의 단점을 모두 없앨 수 있다.6) Constructing the uncompressed 2-cycle engine according to the present invention can take advantage of the current 2-cycle engine and can eliminate all the disadvantages of the 4-cycle engine.

7) 이상과 같이 구성되어 대기의 열량을 연료로 이용하는 효과, 배기열량의 회수, 유해 배기가스의 감소, 배기 압력손실의 대폭 감소 등을 이룩하게 되고 저속 대형기관에 매우 유익한 구조가 된다.7) As described above, the effect of using the heat of the air as the fuel, the recovery of the exhaust heat quantity, the reduction of the harmful exhaust gas, the drastic reduction of the exhaust pressure loss, and the like are achieved.

- 내연기관의 대폭적 효율 상승.- Significant efficiency increase of internal combustion engine.

- 연료 소비율의 대폭적 감소 (약 40 %)- Significant reduction in fuel consumption rate (about 40%)

- 기관의 출력 및 가속능력 증대- Increase engine output and acceleration capability

- 유해 배기가스의 현저한 감소- Significant reduction of harmful exhaust gas

- 엔진의 내구성 증대- Increase engine durability

- 지구온난화 지연에 기여- Contribution to Global Warming Delays

등을 실제로 이루어낼 수 있다.And so on.

도1은 무압축행정 2cycle 기관의 흡기캠 및 배기캠의 형상도
도2는 흡배기 개폐 시기를 나타내기 위한 사시도.
도3은 무압축행정 2cycle 기관의 폭발행정 과정 사시도
도4는 무압축행정 2cycle 기관의 전체 구성도Fig. 1 is a view showing the shape of an intake cam and an exhaust cam of an uncompressed two-
2 is a perspective view for showing the time of opening and closing the intake and exhaust port.
FIG. 3 is a perspective view of the explosion stroke process of the uncompressed two-
Fig. 4 is a diagram showing the entire construction of the uncompressed two-cycle engine

1) 원리를 근간으로 하여 기관의 형태는 연소실 체적을 매우 크게 하고 (현재의 약 1.3 배 - 도3 참조) 흡입전 슈퍼챠져 형태의 과급 압축기(5)를 구동시키고 도4에서와 과 같이 흡입관을 진공시켜 단열팽창되는 흡입공기로 인하여 온도가 강하된 흡기와 대기를 열교환시킨 후 압축기(5)로 유입시키고, 압축기(5)의 흡입으로부터 그 소요동력을 흡입관 동력회수터빈(1)에서 회수하며 압축기(5)로부터 배출된 공기를 배기열 열교환기(8)에서 열교환하여 온도를 매우 상승시켜 실린더에 가압시키는 기본적 구조로 한다.Based on the principle, the structure of the engine is made to be very large (about 1.3 times the present volume - see FIG. 3), the supercharger type supercharger 5 before the inhalation is driven and the intake pipe Exchanges heat between the intake air and the atmosphere, the temperature of which is lowered due to the intake air being vacuum-expanded by the vacuum, and then flows into the compressor 5. The suction power recovery turbine 1 recovers the required power from the suction of the compressor 5, (5) is exchanged with the exhaust heat exchanger (8) to raise the temperature to a very high level and pressurized to the cylinder.

2) 원리의 형식에 맞는 구조가 되기 위해서 캠의 구조와 회전수를 변경시켜 밸브형 무 압축행정 2cycle 기관이 되게 한다. (도1,2 참조)2) Change the structure and the number of revolutions of the cam so that it becomes a valve-type uncompressed 2-cycle engine in order to have a structure conforming to the principle of the principle. (See Figs. 1 and 2)

3) 보조적 장치로써 단열 등이 양호하게 한다.3) As an auxiliary device, heat insulation is good.

[실시예][Example]

생략 , 중대형 및 초대형의 기관에 매우 적합Very suitable for omissions, medium to large and very large organizations

비교적 설치 공간의 제약이 없는 경우의 중대형 기관에 유리하며 효과에 따른 많은 잇점이 있으므로 대형 차량, 선박, 초대형 발전용 기관 등에 매우 유리하게 이용되어질 수 있다.It is advantageous for medium and large size engines where there is no restriction on the installation space, and can be very advantageously used for large vehicles, ships, super large power generation engines, etc. because of many advantages according to the effect.

1: 흡입 동력 회수터빈 2: 팬 3: 대기열 열교환기
4: 무대기열 선택밸브 5: 공기압축기 6: 압축공기관
7: 압축공기 어큘류메이트 8: 배기관 열교환기
9: 무압축행정 2cycle 디젤기관1: Suction power recovery turbine 2: Fan 3: Queue heat exchanger
4: Non-queue selection valve 5: Air compressor 6: Compressed air pipe
7: Compressed air ack mate 8: Exhaust pipe heat exchanger
9: Uncompressed 2-cycle diesel engine

Claims (2)

연소실 체적을 매우 크게 하고 (현재의 약 1.3 배 - 도3 참조) 흡입전 슈퍼챠져 형태의 과급 압축기 (5)를 구동시키고 도4에서와 과 같이 흡입관을 진공시켜 단열팽창되는 흡입공기로 인하여 온도가 강하된 흡기와 대기를 열교환시킨 후 압축기(5)로 유입시키고, 압축기(5)의 흡입으로부터 그 소요 동력을 흡입관 동력회수터빈(1)에서 회수하며 압축기(5)로부터 배출된 공기를 배기열 열교환기(8)에서 열교환하여 온도를 매우 상승시켜 실린더에 가압시키는 기본적 구조로써 도1,2에서와 같이 압축행정이 없도록 캠의 형태와 회전수를 변경시켜 연료와 대기의 열량이 혼합 이용되는 무압축행정 2cycle 초고효율 디젤기관.The combustion chamber volume is made very large (1.3 times the present value - see FIG. 3), the supercharger 5 in the form of a supercharger before the inhalation is driven, and the intake air is expanded by vacuuming the suction pipe as shown in FIG. Exchanges the drawn intake air with the atmosphere and then flows into the compressor 5 to recover the required power from the suction of the compressor 5 in the suction pipe power recovery turbine 1 and the air discharged from the compressor 5 to the exhaust heat exchanger (8), the temperature is raised to a very high degree, and the pressure is applied to the cylinder. As shown in FIGS. 1 and 2, by changing the shape and the number of revolutions of the cam, 2 cycle high efficiency diesel engine. 제1항에 있어서 밸브형 2cycle 기관 형태의 작동이 가능하도록 하는 흡배기 캠.The intake and exhaust cam as claimed in claim 1, wherein the valve-type two-cycle engine-type operation is enabled.

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