KR100286484B1 - 내연 기관 - Google Patents

Abstract

내연기관은 제 1 및 제 2 실린더(12, 14)의 한 셋트를 갖고, 제 1 실린더(12)도 제 2 실린더(14) 보다 큰 행정부피, 실린더 내에서 이동가능한 각각의 제 1 및 제 2 피스톤들(16, 18)을 갖는다. 피스톤들은 실린더내에서 순환 방법으로 같은 빈도수에서 이동가능하게 함께 이루어진다. 공기 흡입(24) 및 배기출구는 제 2 실린더 쪽으로 개방하고 연료분사기(34)는 연료를 제 2 실린더로 제공한다. 연소공간(20)에 적어도 압축행정의 일부동안 양 실린더와 연통하는 것이 또한 제공된다. 제 2 피스톤은 크라운(35) 및 본체 부분(19)을 갖고, 크라운이 본체 일부와 간격져 연결되고 크라운과 본체 일부와의 사이의 거리와 비교하여 축방향으로 비교적 작은 에지(37)를 갖는다. 연소 공간(20)은 피스톤 크라운 및 본체 일부와 제 2 실린더의 측벽 사이에서 한정된다. 크라운 에지(37)와 실린더 벽(149) 사이에서의 갭(128)은 연소공간(20)쪽으로 압축행정의 종결까지 연료의 진입을 억제하는 구실을 제공한다. 흡입행정동안 연료 및/공기를 제 2 실린더로 보내기 위해 제 2 실린더와 연관된 액서스 수단(30)은 포트를 수용하기 위한 제 2 실린더 및 밸브(31) 쪽으로 개방한 포트(33)를 포함한다.

Description

내연 기관(AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE)

본 발명은 내연기관에 관한 것이다.

내연기관은 분리기관(segregating engine)과 비(非)분리기관으로 분류될 수 있다. 모든 그러한 기관은 공기와 혼합된 연료의 점화와 연소에 선행하는 압축행정을 이용한다.

비분리기관에서는, SIGE 기관이라 통칭되는 스파크 점화 가솔린기관의 경우에서와 같이 압축행정의 개시전에 연료가 공기와 혼합된다. 자금은 일반적으로 보급되어 있지 않은 층상 급기 기관으로 알려진 몇몇 SIGE 기관에서는, 압축행정중에 그러나 스파크로 개시되는 점화 훨씬 전에 연료가 공기에 도입된다. 모든 비분리기관에서는, 미리 혼합된 공기/연료가스 혼합물이 스파크가 일어나기 전에 압축과정에서 발생된 고온에 의해 점화될 수 있기 때문에 최대 압축압력이 제한된다.

SIGE 기관은 공기/연료 혼합물이 화학적으로 거의 정확할 것을 요한다. 이러한 연소시스템과 관련된 낮은 압축비 및 부분부하로 공기흡입을 스로틀(throttle)할 필요성과 함께, 그러한 제한은 SIGE 기관의 열효율을 불량하게 한다. 주 이점(利點)은 빠른 연소과정이고, 이에 따라, 연료와 공기가 미리 혼합된 기체상 혼합물의 빠른 연소에 의해 높은 기관속도 및 출력이 얻어진다는 것이다.

분리기관은 연료없이 모든 또는 대부분의 공기를 압축하고, 점화가 시작될 시점에서 압축행정의 끝 무렵에 연료를 공기에 도입한다. 공지의 분리기관은 압축행정의 끝 무렵에 매우 높은 압력하에 액체연료를 연소실내에 분사하는 디젤기관이다.

분리기관은 SIGE 기관과 비교하여, 특히 부분부하에서 매우 높은 열효율을 갖는다. 효율을 증진시키는 그의 압축압력이 조기점화의 위험성에 의해 제한되지 않는다. 스로틀링(throttling)이 부분부하에서 요구되지 않아 펌핑 손실을 피한다. 부분부하에서의 희박 연소가 가능하여, 열효율을 향상시킨다.

디젤 분리방법의 단점은, 빠르게 점화 및 연소할 수 있기 전에 액체연료를 분사하고 기화시키는데 걸리는 시간이 비교적 길다는 것이다. 따라서, 디젤기관은 SIGE 기관보다 더 열효율이 높으나, SIGE와 같은 높은 rpm으로 작동할 수 없고 주어진 크기와 중량에 비해 낮은 출력을 발생한다. 고부하 및 고속도에서, 연소가 팽창행정으로 잘 진행하여, 디젤기관의 열효율을 저해한다.

본 출원의 발명자에 의해 발명된 여러 가지 타입의 분리기관이, 예를 들어, GB-A-2155546호, GB-A-2186913호, GB-A-2218153호, GB-A-2238830호 및 GB-A-2246394호에 알려져 있다. 이들 기관이 메리트 기관(Merritt engine)으로 문헌상에 알려져 있다.

GB-A-2238830호에 대응하는 EP-A-0 431 920호는, 제1 및 제2 실린더를 가지고 있고, 제1 실린더가 제2 실린더보다 행정용적(swept volume)을 가지며, 제2 실린더가 제1 실린더의 크라운에 형성되어 있는 내연기관을 개시하고 있다. 제1 및 제2 피스톤이 각각 제1 및 제2 실린더내에서 왕복운동가능하고, 제2 피스톤이 제1 피스톤의 크라운상의 돌출부로서 형성되어 있다. 제1 실리더내로 개방하여 있는 제1 포트(port)와 제2 실린더내로 개방하여 있는 제2 포트를 가지는 연소실이 제2 피스톤에 형성되어 있다. 제1 피스톤의 흡입행정중에 제1 실린더내로 공기 등을 공급하기 위한 제1 도입구와, 제2 실린더에 연료를 공급하기 위한 연료 도입구가 제공되어 있다. 제2 실린더로부터 연소실내로의 가스의 이동을 돕기 위해 실린더들에 대한 피스톤들의 미리 선택된 운동각도에 걸쳐 연소실을 통과하는 것 이외에 제1 실린더로부터 제2 실린더로의 공기의 이송을 가능케 하기 위해 제1 실린더와 제2 실린더 사이에 통로가 연장하여 있다. 공기의 이동을 제어하는 제어수단도 제공되어 있다.

메리트 기관은 한 세트 이상의 제1 및 제2 실린더와 그 실린더들내에서 각각 이동가능한 제1 및 제2 피스톤을 가지고 있다. 제1 실린더는 제2실린더보다 큰 행정용적을 가지며, 공기흡입밸브 및/또는 공기흡입포트와 배기밸브 및/또는 배기포트가 제1 실린더와 연통하여 있다. 연료원이 제2 실린더에 연료를 공급한다. 이들은, 피스톤들이 실질적으로 상사점에 있을 때, 팽창행정의 적어도 초기부분중에 양 실린더와 연통하는 연소공간을 형성하는 수단과, 진입, 즉, 제2 실린더로부터 연소공간내로의 연료/공기 혼합물의 이동을 억제하는 억제수단이다.

따라서, 메리트 기관은 디젤기관과 같은 분리기관이고, 그 차이는, 적은 양의 공기가 작은 제2 실린더내의 모든 연료와 함께 압축되는 반면에, 대부분의 공기가 독력으로 큰 제1 실린더내에서 압축된다는 것이다. 제2 실린더내의 매우 농후한 연료/공기 혼합물은 너무 농후하기 때문에 압축중에 폭발하지 않는다. 또한, 소량의 연료가 너무 희박하기 때문에 압축행정중에 폭발하지 않고 제1 실린더내 공기와 혼합될 수 있다는 것도 알려져 있다.

연료가 압축행정의 끝에서 기관에 분사되는 분리 디젤기관과 비교하면, 메리트 기관은 기관의 사이클 주기중 상당히 긴 부분동안 연료가 기관에 공급될 수 있게 한다. 그리하여, 액체로부터 기체로 기화하지만, 연소가 연소실에서 진행중일 때까지는 제1 실린더내의 원래의 압축된 공기의 대부분과 완전히 혼합되지 않도록 연료가 길게 주어진다.

공통의 연소실과 연통하고 행정용정이 같지 않은 실린더들의 그러한 구조에서, 작은 실린더내에 연료가 수용되는 경우, 여기에서 “가스 동적분리”로 불리는 과정이 발생한다는 것이 상기한 특허 명세서들에서 확립되고 알려져 있다.

가스 동적분리는, 기계식 밸브장치(전형적으로는 연료분사기의 니들 밸브)가 연료이송의 순간까지 기관에의 연료공급을 차단하는 디젤기관의 기계식 분리와 구별된다. 메리트 기관에서 발생되는 가스 동적분리 과정에서는, 큰 제1 실린더 및 연소실내에 수용된 공기가 압축행정의 대부분중에 작은 제2 실린더내로 이동하는 것으로 알려져 있다. 이것은, 연소실로부터 연료 전부 또는 대부분의 연료가 수용된 제2 실린더로의 공기의 흐름을 일으켜, 연소실내로의 연료의 이동을 정지시킨다. 압축행정의 끝 무렵에, 가스 흐름은, 제2 실린더내의 압력이 연소실내의 것보다 크게 되고, 적은 비율의 공기와 함께 작은 실린더내에서 기화된 연료가 연소실에 들어가야 하기 때문에 반대로 된다.

왕복내연기관의 열효율은 다음의 특징들을 제공함으로써 크게 향상될 수 있다.

ⅰ) 매우 빠르고 완전한 연소 또는 “정(定)용적” 연소.

ⅱ) 초희박 공기/연료 혼합물에 의한 부분부하에서의 연소에 따른 낮은 가스 온도.

ⅲ) 높으나 현실적인 압축비 값.

본 발명은 개선된 내연기관을 제공하려는 것이다.

따라서, 본 발명은, 제1 실린더가 제2 실린더보다 큰 행정용적을 가지는 적어도 한 세트의 제1 및 제2 실린더와; 그 실린더들내에서 각각 이동가능한 제1 및 제2 피스톤과: 상기 제1 실린더와 연통하는 공기도입수단과: 상기 제2 실린더와 연통하는 배기수단과: 상기 제2 실린더에 연료를 제공하기 위한 제1 연료원과; 상기 피스톤들이 실질적으로 상사점 위치에 있을 때, 팽창행정의 적어도 일 부분중에 양 실린더들과 연통하는 연소공간을 형성하는 수단과; 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제2 실린더로부터 상기 연소공간내로의 연료/공기 혼합물의 이동을 억제하는 억제수단과; 흡입행정중에 제2 실린더에 연료와 공기 또는 그들중 하나가 진입하게 하기 위해 제2 실린더와 연관되어 있고, 상기 제2 실린더로 개방하여 있는 제1 포트수단과 그 포트수단을 제어하는 제1 밸브수단을 포함하는 진입수단: 및 상기 제1 및 제2 피스톤이 동일 횟수로 주기적인 방식으로 상기 제1 및 제2 실린더내에서 이동가능하도록 상기 제1 및 제2 피스톤을 연결하는 수단을 포함하고; 상기 제2 피스톤이 본체부와 그 본체부로부터 떨어져 기둥에 의해 그 본체부에 연결되어 있는 크라운을 가지고 있고, 상기 크라운의 가장자리의 축방향 두께가, 그 크라운 및 본체부와 상기 제2 실린더의 측벽과의 사이에 상기 연소공간을 형성하도록 상기 크라운과 상기 본체부 사이의 축방향 거리와 비교하여 상대적으로 작게 되어 있고; 상기 제2 피스톤의 크라운의 상기 가장자리와 상기 제2 실린더의 인접 측벽과의 사이에 상기 억제수단을 이루는 간격부가 제공되어 있고; 상기 제2 피스톤이 상기 제1 피스톤과 별개로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관을 제공한다.

본 명세서에서 사용된 “밸브”라는 용어는 포트를 포함한다.

본 명세서에서 사용된 “공기”라는 용어는, 기체 또는 액체(즉, 기화된 액체) 연료와 함께 연소하기 위한 실질적으로 순수한 산소 뿐만 아니라, 평소에는 불활성인 다른 가스와 산소의 혼합물도 포함한다. 그것은, 재순환된 배기가스, 크랭크 케이스 가스 및 재순환된 내연기관 가스에 존재하는 적은 비율의 탄화수소 물질을 함유할 수 있다.

본 명세서에서 사용된 “진입”이라는 용어는, 제2 실린더로부터 연소공간내로의 연료/공기 혼합물의 이동을 말한다.

본 출원인의 GB-A-2246394호에, 연소공간이 보다 쉽게 형성될 수 있게 하고 또한 다수의 다른 중요한 이점들을 제공하는 한 가지 타입의 피스톤을 가진 내연기관이 개시되어 있다. 이런 타입의 피스톤의 일 예가 제 1 도에 도시되어 있다.

제 1 도에 나타낸 기관에서는, 연소공간 또는 연소실(20)의 경계가 작은 피스톤인 제2 피스톤(18)에 의해 오직 부분적으로만 획정(劃定)되어 있다. 그러한 구조에서, 제2 피스톤은 큰 피스톤인 제1 피스톤의 크라운(36)으로부터 떨어져 그 크라운에 연결되어 있는 크라운(35)을 가질 수 있고, 그 크라운(35)은 그 크라운으로부터 제1 피스톤의 크라운(36)까지의 축방향 간격에 비하여 매우 얇은 두께의 가장자리(37)를 가지며, 제2 피스톤의 크라운은 작은 실린더인 제2 실린더내에 바람직하게는 항상 머무른다. 그리하여, 2개의 피스톤 크라운과 제2 실린더의 벽(14a) 사이에 연소공간을 형성하는 것이 가능하여, 작은 피스톤 자체내에 완전히 둘러싸인 연소실(20)을 제공할 필요가 없게 한다. 큰 실린더인 제1 실린더(12)는 흡입 및 배기 밸브(24, 26)를 갖는다.

작은 피스톤(제2 피스톤)(18)은 큰 피스톤(제1 피스톤)(16)과 동심이고, 기둥(234)과 솟은 부분, 즉, 베이스(84)를 포함하며, 그 기둥과 베이스에 의해, 작은 피스톤(18)의 크라운(35)이 큰 피스톤(16)에 연결되거나 일체로 되어 있다. 기둥(234)은 윤곽이 만곡되어 있음을 제 1 도에서 볼 수 있고, 그 곡선이 큰 실린더(12)로부터 연소공간(20)으로 들어가는 공기의 소용돌이와 연소공간(20)내로의 진입에 이은 연료/공기 혼합물의 소용돌이를 조장한다. 연소공간(20)은 작은 실린더(14)의 벽(14a)과 기둥(234) 사이에 형성된다. 알맞은 크기 및 형태의 적절한 연소 용적부를 형성하도록 그 기둥의 형태 및 크기가 선택된다.

크라운(35)의 가장자리(37)는 제2 실린더(작은 실린더)의 벽(14a)으로부터 약간 떨어져 있어, 피스톤들이 상사점 위치에 또는 그 근처에 도달하기 전에는 진입을 억제하는 환형(環形) 간격부(128) 형태의 억제수단을 형성한다. 도면에서 볼 때 작은 실린더(14)의 상단에는, 임의의 주변 홈(39)이 형성되어 있고, 그 홈은 존재하는 경우, 진입시 제2 실린더(14)내의 압력이 제1 실린더(12)내의 압력보다 낮게 할 수 있다. 압축행정중의 제2 피스톤(18)의 크라운(35) 전후에서의 압력차가, 압축행정의 끝에서 제2 피스톤(18)의 상사점 위치에 가까운 연소공간(20)내로의 작은 실린더(14)의 내용물의 진입 타이밍에 영향을 미친다. 이것은 또한, 제2 실린더(14)내의 연료/공기 혼합물이 압축행정중에 큰 피스톤(16)에 의해 연소공간(20)으로 송출된 비교적 뜨거운 공기와 만날 때, 예를 들어, 압축점화에 의해 기화 연료의 점화 타이밍을 제어한다.

기관의 흡입 및 압축행정중에, 제2 도입밸브(31)를 경유하여 제2 실린더로 들어가는 연료는 작은 실린더(14)내에서 기화한다. 상사점 위치 가까이 압축행정의 끝 무렵에, 크라운(35)의 주변 가장자리(37)가 바이패스 홈(39)에 인접한 위치(일점쇄선으로 나타낸)에 도달하여 억제수단의 크기를 효과적으로 증가시키고, 증기 형태의 공기/연료 혼합물이 주변 가장자리(37)를 돌아 바이패스 홈(39)을 통해 연소공간(20)내로 쇄도하여 들어간다. 연소공간내의 공기는 압축되어, 연소공간으로 들어가는 연료/공기 혼합물의 자발점화를 일으키기에 충분히 높은 온도로 되고, 연소공간내 가스의 팽창으로 피스톤(16, 18)이 하방으로 밀려나 팽창행정을 시작하게 된다. 홈(39)의 축방향 길이는 제2 피스톤의 크라운(35)의 두께(t)보다 커서, 바이패스 홈(39)을 통하여 크라운 주위에서 진입하는 연료/공기 혼합물을 위한 확대된 간격부를 제공한다.

그 홈(39)은 또한, 제2 실린더(14)내의 틈새용적(clearance volume)을 제공한다. 그 용적은 제2 실린더내에서의 제2 피스톤(18)의 이동에 의해 감소되지 않는 용적이다. 그 틈새용적은 압축행정중에 제1 실린더(12)내 연료/공기 혼합물을 위한 여분의 용적(진입시에 연소공간(20)과 연통한다)을 제공함으로써 진입 타이밍을 효과적으로 지연시킨다. 홈(39)의 또다른 기능은, 연소공간(20)내의 불꽃과 증가된 압력이 제2 피스톤의 크라운(35) 위의 공간으로 통하게 하는 것이다. 그리하여, 불꽃이 진입에 이어서 제2 피스톤의 크라운(35) 위에 남아 있는 연료를 태울 수 있다.

작은 실린더(14)가 그의 상단에 바이패스 홈(39)을 가지는 것으로 나타나 있으나, 간격부(128)의 크기를 적절히 선택함으로써, 바이패스 홈(39) 없이도 그 간격부(128)만이 진입을 위한 통로를 형성하는 억제수단을 제공하도록 할 수도 있다. 그러한 경우, 간격부(128)의 크기는 압축행정의 대부분중에 크라운(35)의 상면과 연소공간(20) 사이의 적절한 분리를 보장하도록 주의깊게 선택된다.

크라운(35)은 압축행정중에 공기내 연료의 기화효과와 기둥(234)을 통한 열전도에 의해 제2 도입밸브(31)를 통해 들어오는 유입 연료 및 공기에 의해 냉각된다.

도입밸브(31)는, 배기행정의 끝에 작은 실린더(14)내에 남아 있는 미연소 연료가 기관을 떠날 필요가 없어 배기가스 오염을 줄이는 이점을 가지는 이중 흡입 및 배기 밸브로서 사용될 수 있다.

제 1 도를 참조하여 위에 설명된 기관에 대한 전체적인 설명은 GB-A-2246394호를 참고하면 된다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 아래에 상세히 설명한다.

제 1 도는 선행기술인 GB-A-2246394호에 개시된 내연기관의 개략도,

제 2 도는 2개의 피스톤들이 그들의 상사점 위치에 또는 그 부근에 있을 때를 나타내는, 본 발명에 따른 내연기관의 바람직한 형태의 일 부분의 단면도,

제 3 도는 흡입행정중에 있는 것을 나타내는, 제 2 도와 유사한 도면,

제 4 도는 피스톤들이 그들의 하사점 위치에 또는 그 부근에 있을 때를 나타내는, 제 2 도와 유사한 도면,

제 5 도는 제 2 도의 기관의 부분 단면 평면도,

제 6 도는 제 2 도∼제 5 도의 기관의 변형된 일 부분의 단면도,

제 7a 도는 본 발명에 따른 제2 실시예의 기관의 부분 단면도,

제 7b 도는 피스톤들이 그들의 하사점 위치에 있는 것을 나타내는, 제 7a 도와 유사한 도면,

제 8a 도는 제 7a 도 및 제 7b 도의 기관의 변형예를 나타내는 부분 단면 측면도,

제 8b 도는 제 7a 도 및 제 7b 도의 기관의 추가 변형예를 나타내는, 제 8a 도와 유사한 도면,

제 9 도는 제 7a 도 및 제 7b 도의 기관의 실제의 예를 나타내는 부분 단면 측면도,

제 10 도는 본 발명에 따른 제3 실시예의 기관을 나타내는, 제 5 도와 유사한 도면,

제 11a 도 및 제 11b 도는 기관의 스파크 플러그의 다양한 위치를 나타내는, 제 10 도의 기관의 일 부분의 단면도,

제 12 도는 본 발명에 따른 제4 실시예의 기관을 나타내는, 제 10 도와 유사한 도면,

제 13a 도는 실린더내의 변형된 작은 실린더의 일부의 측면도,

제 13b 도는 화살표 Ⅷ의 방향으로 나타낸, 제 13a 도의 피스톤의 평면도,

제 13c 도는 제 13a 도의 구조의 대안을 제공하기 위해 변형된 제2 실린더의 횡단면도,

제 14a 도는 작은 피스톤의 또다른 형태를 나타내는 도면,

제 14b 도는 제 14a 도의 ⅩⅣ-ⅩⅣ선에 따른 단면도,

제 15 도는 또다른 형태의 작은 피스톤 구조의 측면도,

제 16 도는 제 2 도 ∼ 제 5 도의 기관의 2행정 형태를 나타내는 부분 단면도이다.

도면을 참조하면, 제 2 도 ∼ 제 5 도는 본 발명에 따른 내연기관(10)의 바람직한 형태의 일부의 개략 단면도로서, 이 기관은 제 1 도에 도시된 것과 유사하고, 동일 부품들에 대해서는 동일 부호로 표시하였다. 그러나, 주요 차이는 제 2 도 ∼ 제 5 도의 기관이 별개로 떨어져 있는 피스톤들을 가진다는 것이다. 즉, 제1 피스톤(큰 피스톤)(16)이 제1 실린더(큰 실린더)(12)내에서 왕복이동가능하고, 피스톤 링(16a)에 의해 제1 실린더에 대하여 시일(seal)되어 있는 한편, 제2 피스톤(작은 피스톤)(18)이 제2 실린더(작은 실린더)(14)내에서 왕복이동가능하고, 피스톤 링(18a)에 의해 제2 실린더에 대하여 시일되어 있다. 양 피스톤(16, 18)은 각각의 링크기구를 통해 공통의 크랭크 축 또는 기계적으로 연결된 별개의 크랭크 축들에 연결되어 있다. 도시된 구조는 그 피스톤들이 실질적으로 동위상으로 작동되도록 되어 있으나, 약간의 위상차를 가지고 작동할 수도 있다.

도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 제2 실린더(14)와 제2 피스톤(18)의 축은 제1 실린더(12)와 제1 피스톤(16)의 축에 대하여 직각으로 배치되고, 제2 실린더(14)가 포트(port)(29)를 통하여 제1 실린더(12)와 연통하여 있다.

제2 피스톤(18)은 본체(19)와, 기둥(234)에 의해 형성된 보빈 형상의 단부부분을 포함하며, 그 피스톤의 크라운(35)이 기둥(234)에 의해 본체(19)에 연결되거나 그 본체와 일체로 되어 있다. 제 1 도의 것과 유사한 방식으로 작은 제2 실린더(14)의 측벽(14a)과 제2 피스톤(18)의 기둥(234) 사이에 연소실 또는 연소공간(20)이 형성되어 있다.

작은 실린더(14)는 포트(29)를 통해 큰 실린더(12)와 연통하며, 그 포트(29)는 제2 피스톤(18)의 행정의 대부분중에 연소실(20)과 연통하도록 위치되어 있다. 제2 피스톤의 행정은, 그의 하사점 위치에서는 그 제2 피스톤(18)의 크라운의 주변 가장자리(37)가 바람직하게는 포트(29)와 교차하도록 위치하여, 큰 실린더(12)가 연소실(20) 및 작은 실린더(14)의 행정용적(swept volume)과 연통하는 한편, 상사점 위치에서는 포트(29)가 제2 피스톤(18)의 본체(19)에 의해 바람직하게는 실질적으로 막히도록 구성되어 있다. 피스톤 링(18a)은 포트(29)와 교차하지 않도록 기둥(234)에서 충분히 멀리 떨어진 곳에서 본체(19)상에 위치한다.

마지막으로, 큰 피스톤(16)은 그 피스톤이 그의 상사점 위치에 있을 때 포트(29)로 진입하여 그 포트(29)를 실질적으로 폐쇄하는 돌출부(100)를 가질 수 있다.

흡입행정중에 연료 및 공기는 밸브(31)를 통해 작은 실린더(14)에 들어가고, 실질적으로 공기만이 공기흡입밸브(24)를 통하여 큰 실린더(12)에 들어간다. 흡입행정의 끝에서 큰 실린더(12)내의 압력보다 약간 낮도록 작은 실린더(14)내의 압력을 제어하기 위해 스로틀 밸브(32)가 사용된다. 양 피스톤들의 압축행정중에, 공기흡입밸브(24) 및 밸브(31)가 닫히고, 진입중에는, 압축행정의 끝 무렵에, 연료 및 공기가 제2 피스톤(18)의 크라운의 가장자리(37)를 돌아 연소실(20)내로 이송되고, 그 연소실에서 연료가 뜨거운 공기와 접촉하여 점화된다. 출력행정(팽창행정)의 끝에서, 배기가스가 배기밸브(26)를 통해 큰 실린더(12)로부터 배기된다.

2개의 피스톤(16, 18)이 배치된 이러한 구조에 의해, 큰 피스톤(16)이 작은 피스톤(18)의 것과 상이한 행정을 가질 수 있고, 또한 통상적인 피스톤 형태를 유지할 수 있다. 이것은, 본 발명에서의 사용을 위해 기존의 크랭크 케이스를 보다 쉽게 전환시킬 수 있게 한다.

도면들에 나타내어진 바와 같이, 작은 피스톤(18)은 큰 피스톤(16)을 위한 크랭크 축과 평행하게 배치되어 협동하는 크랭크 축을 가지고 기관 실린더 헤드내에 위치될 수 있다. 또는, 작은 피스톤(18)이 큰 피스톤(16)과 평행하게 배치될 수도 있고, 캠 또는 다른 적당한 기구에 의해 작동될 수 있다.

작은 피스톤(18)이 큰 피스톤(16)으로부터 분리되어 있음으로써, 작은 피스톤(18)의 행정이 비교적 짧게 유지될 수 있어, 비교적 짧은 축방향 길이의 연소공간(20)이 형성될 수 있게 된다.

제 2 도 ∼ 제 5 도를 참조하여 기술된 바와 같은 기관은, GB-A-2246394호에 설명된 기관의 일부 적당한 특징들(후술됨)의 도입에 의해 변형될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

제 1 도의 홈(39)이 제 2 도 ∼ 제 5 도의 실시형태에서도 도입될 수 있고, 그 홈(39)의 단면 형태는 제 1도에 도시된 것과 다를 수 있다. 예를 들어, 제 6 도에 나타낸 바와 같이, 그 홈이 절두원추형 하부벽(39b)을 가질 수 있고, 그 하부벽은 제 2 피스톤(18)이 그의 상사점 위치에 가까이 감에 따라 비약적으로 증가하기 보다는 점차적으로 증가하는 간격부를 제공한다.

메리트기관 분리시스템으로부터 이점(利點)을 취한 본 발명에 따른 디젤 하이브리드기관 구조가 제 7a 도에 도시되어 있다. 고압 연료분사기(60A 또는 60B)의 형태의 제2 연료원이 2개의 바람직한 위치들중 하나에 제공되어 있고, 제1 연료원(연료 분사기(34))이 전술한 바와 같이 연료를 도입도관(33)내로 송출하도록 배치되어 있다.

흡입행정중에, 밸브(24, 31)들은, 공기가 실질적으로 스로틀됨이 없이 큰 실린더(12)내로 들어갈 수 있게 하고, 연료 및 공기가 작은 실린더(14)내로 들어갈 수 있게 하도록 개방된다. 그러나, 제 2 도 ∼ 제 5 도에서는, 연료분사기(34)가 기관에서의 연소를 위해 요구되는 양의 연료의 실질적으로 전부를 제공하는 한편, 제 7a 도의 구조의 연료분사기(34)는 그 양의 일부만을 제공한다. 제2 피스톤(18)이 그의 상사점 위치에 가까이 있을 때, 연료분사기(60A 또는 60B)가 디젤기관 형식에서는 피스톤의 크라운(35) 아래의 연소공간(20)내로 또는 포트(29)내로 직접 연료를 송출한다.

제2 피스톤(18)이 그의 상사점 위치에 가까이 있을 때, 크라운(35) 위의 기화된 연료와 공기의 혼합물은 그 피스톤의 가장자리(37)와 작은 실린더의 측벽(14a)사이에 형성된 간격부(128)(바이패스 홈(39)을 통해 확대된)를 통하여 연소공간(20)으로 진입한다. 그러한 진입은, 홈(39)이 제공되어 있으면 간격부(128)가 매우 작은 경우에도 가능하다. 압축행정중에, 큰 실린더(12)로부터의 공기는 연소공간으로 들어가고, 진입한 연료/공기 혼합물을 점화하기에 충분한 온도로 된다. 연료분사기(60A, 60B)는, 연소하는 진입한 혼합물의 존재하에서 매우 빠른 점화를 제공하기 위해 연소공간(20)내로 연료를 압력하에 송출하도록 타이밍이 맞게 되어 있다. 그리하여, 기관은 연료분사기(60A 또는 60B)의 형태의 디젤기관에서 전형적인 연료분리방법 및 본 명세서에서 기술된 메리트기관에서 전형적인 연료분리방법을 이용한다. 디젤기관 원리와 메리트기관 원리의 그러한 조합에 의해, 디젤기관이 매연 방출물이 거의 없이 높은 연료주입률로 작동할 수 있게 되고, 또한, 디젤기관이 낮은 압축비 및 높은 기관속도로 작동할 수 있게 된다. 그러한 조합은 메리트기관 원리의 도움이 없는 디젤기관에 비하여 연소속도를 크게 증가시킨다.

연료분사기(34) 및 연료분사기(60A 또는 60B)에 의해 송출되는 연료량 및 그의 타이밍은, 예를 들어, 배기가스내 매연 방출물을 최소화하도록 소정의 운전요건을 위한 연료분사기(34)와 연료분사기(60A 또는 60B) 사이의 정확한 연료비율을 제공하기 위해 기관관리시스템(M)과 같은 수단에 의해 제어된다. 이런 구조로, 적은 양(예를 들어, 전체 연료의 4%∼10%)의 연료가 제2 실린더(14)내에서 기화하여 압축 점화를 위해 연소실로 통과하도록 연료분사기(34)에 의해 분사될 수 있다. 이것에 의해, 보빈의 행정 및 축방향 길이를 작게 할 수 있다. 연료분사기(34)로부터의 연료는 기화를 돕도록 예열될 수 있다.

제 7a 도에서는, 기둥(234)이 제 2 도 ∼ 제 5 도의 것보다 길게 도시되어 있다. 이렇게 길게 되어 있음으로써, 피스톤들의 상사점 위치에서 연소실이 포트(29)와 연통하게 되어, 그 포트(29)가 연소실의 일부로 된다. 연료분사기(60A)가 사용되는 경우, 돌출부(100)는 포트(29)의 일부만을 채운다.

제 7b 도는 제 7a 도의 실시형태에서 피스톤들이 그들의 하사점 위치에 있는 것을 나타낸다. 그 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 포트(29)의 가장자리를 넘어 이동한 때 작은 피스톤의 크라운(35)에 의해 형성되는 가스통로(135)에 의해, 배기행정의 시작시에 배기가스가 배출될 수 있게 된다.

제 8a 도는, 연료분사기(60A)가 사용되는 경우의 포트(29) 및 돌출부(100)의 모양을 나타내는, 제 7a 도의 기관의 부분단면 측면도이다. 이것은 보빈이 작아 연소실이 작은 경우에, 필요한 틈새용적을 제공하기 위해 필요할 수 있다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 돌출부(100)는 연소실내 가스의 소용돌이를 조장하는 것을 편리하게 돕도록 하는 모양으로 될 수 있다.

제 8b 도는, 돌출부(100)를 대체하는 오목부(229)를 제1 피스톤(16)의 상면에 제공함으로써 연소실의 전체 용적을 증가시킨 구조를 나타내는, 제 8a 도와 유사한 도면이다. 제2 연료분사기의 다른 배치위치가 부호 60C로 나타내어져 있다. 제 9 도는 제 7b 도에 나타낸 기관의 실제 구조의 부분단면 측면도이다.

다음, 제 10 도는 스파크 플러스(52)가 추가되고 제 2 도에 나타낸 것과 유사한 기관을 나타낸다.

이 도면은, 스파크로 점화과정을 시작하고, 그 과정을 압축점화, 예를 들어, 스파크 트리거 압축점화(spark triggered compression ignition)(STCI)에 의해 계속시킴으로써 기관에서의 점화의 타이밍을 작동 및 제어하는 변형된 방식을 나타낸다.

당업자들은 오토기관(Otto engine) 또는 스파크 점화 가솔린기관(SIGE)으로 알려진 스파크 점화기관에서 널리 사용되는 스파크 점화로 알고 있고, 여기서, 스파크가 연료와 공기가 미리 혼합된 혼합물내에서 빠르게 이동하는 화염을 개시시킨다. STCI는 다른 과정이다. 스파크에 의한 점화는 2단계 점화과정, 즉, 스파크 점화와 압축점화중 첫번째의 것이다. 첫번째 단계에서는, 스파크 점화가 연료증기에서 국부적인 화염만을 개시시키고, 그것이 연소공간내 공기와 혼합하기 시작함에 따라 연료관리 실린더로부터 연소공간내로 진입하기 시작한다. 이 스파크 점화는, 진입과정의 완료전, 달리 말하면, 모든 연료가 연료관리 실린더로부터 연소공간내로 이송되고, 연소공간에 존재하는 연소에 필요한 모든 공기와 혼합할 시간을 갖기 건에 일어난다. 스파크 점화단계는, 기체상 연료분사류가 그 연료분사류 주변의 공기와 혼합하는 동안 그 연료분사류를 스파크로 점화하는 것과 유사한 과정이다.

이 스파크 점화가 일어난 후, 기관의 연소공간내의 가스의 압력과 온도는, 제2 피스톤의 작용하에 연소공간내로 진입하는 기화된 연료의 나머지의 압축점화를 가능케 하는데 충분하게 상승한다. 스파크 점화의 순간후 연소과정을 완성하는데 필요한 추가 공기와 연료증기를 혼합하고 연소시키는 과정이 계속된다. 통상의 스파크 점화기관 또는 SIGE에서, 연료와 공기의 혼합과정은 스파크가 출연하기 전에 거의 완료된다.

STCI를 사용하는 중요한 이점은, 가변적인 기관조건에 맞도록 타이밍이 용이하게 설정될 수 있다는 것이다. STCI를 사용할 때, 진입과정의 타이밍에 걸쳐 요구되는 제어의 정확도는 기관의 작동에 덜 중요하고 덜 치명적일 수 있다.

STCI를 달성하기 위해서는, 기관 시스템은 진입의 초기 순간중에 선택된 특정 연료를 압축점화하기에 불충분한 압축비로 작동할 필요가 있다. 예를 들어, 고옥탄가 가솔린의 경우, STCI에 대해서는 압축비가 10 : 1의 비로 낮추어질 수 있는 반면에, 압축점화만이 그러한 연료에 사용되는 경우에는, 예를 들어, 16 : 1의 압축비가 필요할 수 있다. 스파크 플러그는, 진입과정의 초기 부분에 연소실내 공기와 연료증기가 혼합하는 동안 그 연료증기와 만나는 곳에 위치된다. 스파크 플러그는 압축점화 과정을 시작할 정확한 시간에 스파크를 발생시킨다.

이미 연소실내로 진입을 시작한 일부 연료를 점화한 후, 연소실내의 압력과 온도가 올라간다. 이것에 의해, 연소실내로 계속해서 진입하여 그 안의 공기와 혼합하는 기화된 연료의 나머지는, 스파크에 의해 개시된 원래의 화염의 연료의 나머지를 점화하기 위해 전진하지 못할지라도 압축점화에 의해 점화될 수 있게 된다.

제 10 도를 참조하면, 기관의 기하학적 압축비는, 매우 높은 옥탄가의 가솔린에 대해서는, 예를 들어, 12 : 1 아래, 중간범위 옥탄가의 가솔린에 대해서는, 10 : 1 아래로 사용된 연료의 압축점화가 일어나지 않는 점까지 낮추어질 수 있다. 이러한 설계상 특징에 의해, 작은 실린더(14)로부터 연소실(20)내로 이송 또는 진입되는 미리 기화된 연료가 연소실내 공기와의 접촉시 스스로 점화하지 않고, 외부 제어회로에 의해 스파크 플러스(52)에서 발생된 스파크를 기다리게 된다. 스파크 플러그는, 보다 많은 공기와의 혼합을 시작하는 순간에 그리고 스파크 점화가 확실하게 일어날 수 있도록 하는 조건하에 공기내 미리 기화된 연료의 농후한 혼합물을 점화한다.

스파트 점화는 스파크 점화가 발생할 때까지 제2 피스톤의 크라운을 지나 진입한 연료에만 영향을 미친다. 스파크에 의해 개시된 연소와 관련된 압력 및 온도의 상승은 피스톤의 크라운을 지나 진입하는 연료의 나머지가 압축에 의해 점화되기 쉽게 한다.

이 작동방법의 주 이점은, 스파크 플러그에 대한 전력공급을 통해 점화제어가 매우 간단하게 된다는 것이다. 진입의 정확한 순간은 더 이상 중요하지 않고, 스파크 도움없이 작동하는 순수한 압축점화 기관에서 가능한 것보다 더 이르게 진입이 시작할 수 있다.

압축비의 저하는 기관의 열효율 포텐셜을 약간만 감소시킨다. 이 효과의 균형을 맞추기 위해, 연소실의 크기 증대는 다른 곳에서 기생용적의 상대적 효과를 감소시키고, 연소중 가스이동을 더 양호하게 한다. 스파크 플러그(52), 연료분사기(34) 및 스로틀 밸브(32)의 제어는 기관관리시스템(M)에 의해 달성될 수 있다.

제 11 도는 스파크 플러그(52)를 위한 가능한 배치위치를 나타낸다. 제 11b 도에서, 스파크 플러그는 연료증기가 제2 피스톤의 크라운 밑에서 순환하는 공기와 만나는 전략적인 장소에서 홈(39)의 내측에 위치되는 것으로 나타내어져 있다. 공기 흐름방향이 굵은 화살표로, 그리고 연료흐름방향이 가는 화살표로 나타내어져 있다. 제 11a 도에서는, 스파크 플러그는 홈(39)의 바로 밑에 위치되는 것으로 나타내어져 있다. 그러한 경우, 스파크 점화는 제2 피스톤의 크라운이 홈(39)을 노출하기 시작하자마자 일어나도록 타이밍이 정해지는 것이 유리할 수 있다.

제 12 도는, 동력을 발생하도록 스파크에 의한 후속 점화를 위해 연료와 공기가 적어도 압축행정중에 미리 혼합되는 SIGE 원리와 메리트 분리시스템이 결합될 수 있는 기관의 또다른 실시형태를 나타낸다. 그러한 하이브리드 구조에서는, 2가지의 연소원리가 연속적으로 작동한다.

제 12 도에 도시된 기관은 스파크 점화기관에서 전형적인 스파크 플러그(52) 및 연료/공기 관리시스템(80)을 추가하여 제 2 도 ∼ 제 5 도의 것과 동일한 방식으로 구성된다. 연료/공기 관리시스템(80)은 연료 디스펜서와 스로틀 밸브(83)를 포함하며, 이 경우, 그 연료 디스펜서는 저압 분사기(82)이다(그러나, 기화기와 같은 연료/공기 계측장치를 포함할 수 있다). 그러한 시스템이 스파크 점화를 용이하게 하도록 연료/공기 비율의 정확한 제어를 제공한다.

작동에 있어서, 이 기관은, 연료분사기(34)가 꺼지고 도입도관(33)내의 스로틀 밸브(32)가 폐쇄된 상태에서 연료/공기 관리시스템(80)을 작동하는 스파크 점화기관으로서 시동 및 워밍업될 수 있다. 흡입중에 연료/공기 혼합물이 흡입밸브(24)를 통해 큰 실린더(12)내로 도입되고, 압축중에 그 혼합물이 연소공간(20)내에서 압축되고, 그 연소공간에서 그 혼합물이 스파크 플러그(52)로부터의 스파크에 의해 점화되며, 그 점화는 상사점 주위에서 일어나도록 타이밍이 정해진다. 스로틀 밸브(83)를 개방하고 연료공급을 증가시킴으로써, 출력이 증가될 수 있다. 그러나, 스로틀 밸브(83)의 개방과, 기관의 압축비(메리트 모드에서는 압축점화를 허용하도록 충분히 높을 수 있다)에 의해 부과되어 큰 실린더(12)내로 흡입될 수 있는 연료/공기의 양에 제한이 있는 반면에, 큰 실린더(12)내에서의 압축점화는 스파크 점화 작동모드에서는 피해져야 한다. 기관이 동일한 스파크 플러그를 사용하여 STCI 원리로 작동하면, 스로틀 밸브(83)는 전부하(full load)에서 완전히 개방될 수 있다.

일단 기관이 워밍업되면, 연료분사기(82)는 꺼지고, 스로틀 밸브(83)는 개방되며, 연료분사기(34)는 켜질 수 있으며, 스로틀 밸브(32)는 정상으로 작동되어, 기관이 제 10 도를 참조하여 설명된 방식으로 작동한다. 기관관리시스템의 제어하에 흡입 밸브(24)를 통하여 도입되는 혼합물의 양을 줄이면서 제2 도입밸브(31)를 통하여 제2 실린더(14)내로 스파크 점화가능한 혼합물을 증가하는 양으로 점진적으로 도입함으로써 전환(스위치 오버)이 행해질 수 있다.

제 12 도의 하이브리드 구조는 기관의 시동 및 워밍업에 유용할 뿐만 아니라 기관의 운전모드를 선택할 수 있다. 메리트 운전모드는, 부분부하에서의 연료절감을 요할 때 또는 연료분사기(34)에 공급될 수 있는 다른 연료, 예를 들어, 알코올로 작동하기를 원할 때 특히 유리하며, 메리트 모드는 연료 변경과 특히 옥탄가에 덜 민감하다. STCI 원리로 작동할 때, SIGE 모드는 최대 동력이 요구될 때 완전 공기 이용을 달성하기 위해 전부하에서 사용될 수 있다.

제 13a 도 및 제 13b 도에서, 작은 피스톤(18)은, 작은 실린더(14)의 측벽(14a)과의 미끄럼 접촉을 위한 측면 지지를 제공하도록 그의 크라운(35)으로부터 돌출하는 4개의 반경방향 돌출부(90)를 가지는 것으로 나타내어져 있다. 간격부(128)는 돌출부(90)에 의해 가능한한 적게 차단되어야 한다. 그 돌출부들이 사실상 피스톤의 크라운에 대한 건식 베어링 요소로서 작동하기 때문에, 그 돌출부들은 고온에 견딜 수 있는 적당한 재료로 만들어져야 한다.

제 13c 도에서는, 제2 실린더(14)의 측벽(14a)에, 반경방향 내측으로 돌출하고 축방향으로 연장하는 다수의 돌출부(900)가 형성되어 있고, 그 돌출부들이 제 13a 도 및 제 13b 도의 돌출부(90) 대신에 제2 피스톤(18)의 크라운(35)을 위한 지지를 제공한다. 이 경우, 그 돌출부들이 간격부(128)를 효과적으로 차단한다. 그 돌출부는 실린더 축선에 대하여 경사지게 그러나 축방향 성불을 가지고 형성될 수도 있다.

제 2 도 ∼ 제 13 도에서는, 작은 피스톤이, 상단부에 크라운이 형성된 중앙 기둥을 가지는 실질적으로 버섯모양으로 되어 있다. 제 14a 도 및 제 14b 도는, 제2 피스톤(18)의 본체(19)로부터 연장하는 다수의 원주방향으로 간격진 기둥(102)에 의해 크라운(35)이 지지되어 있는 다른 구조를 나타낸다. 원한다면, 제2 피스톤(18)은 베이스(84)(일점쇄선으로 나타냄)를 포함할 수 있다. 그러한 구조는, 제 14b 도에 나타낸 바와 같은 억제 간격부(128)의 형성을 용이하게 하기 위해 크라운(35)의 대부분에 걸쳐 얇은 가장자리(37)를 남기면서, 개방된 연소공간(20)를 제공한다.

압축행정중에 연소공간(20)으로 진입하는 공기의 소용돌이를 조장하기 위해, 만곡된 돌출부재(101)가 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이 크라운(35)의 아래, 예를 들어, 베이스(84)상에 배치될 수 있다. 그 돌출부재는 피스톤의 축선을 중심으로 한 회전흐름을 조장하기 위해 베인(vane)을 포함할 수 있다.

작은 피스톤(18)의 또다른 구조가 제 15 도에 도시되어 있다. 여기서는, 스커트(110)가 작은 피스톤(18)의 본체(19)와 크라운(35)을 상호연결하고 있고, 그 스커트(110)에, 다수의 큰 구멍(111)이 형성되어 있다. 그 구멍들은 크라운(35)의 얇은 가장자리(37)의 원주방향 길이를 최대로 하기 위하여, 도시된 바와 같이 변하는 폭으로, 예를 들어, 역삼각형으로 되어 있는 것이 바람직하다. 제 14a 도에서와 같이, 돌출부재(101) 및 베이스(84)가 제공될 수도 있다.

전술한 실시예들에서는, 기관이 4행정 사이클로 작동한다. 제 16 도는 2행정 사이클로 작동할 수 있는 형태의 본 발명의 기관을 나타낸다.

제 16 도에서, 흡입밸브(24)와 배기밸브(26)가 각각 흡입 포트(124)와 배기 포트(126)로 대체된다. 시동 및/또는 아이들링 및/또는 STCI 작동을 위해 제 10 도 ∼ 제 12 도에 나타낸 바와 같이 작은 실린더(14)의 측벽(14a)에 스파크 플러그(52)가 제공될 수 있다. 이 기관은 스로틀 밸브(32)와 함께 또는 그 밸브없이 도입밸브(31)를 포함하는 진입수단(30)을 구비하고 있다. 도입밸브(31)는 캠으로 작동되거나 또는 전자기적으로 작동될 수 있다. 저압 연료분사기(34)와 같은 연료원이 도입밸브(31)의 상류측에 배치되어 있고, 그 도입밸브(31)가 닫히거나 개방되었을 때 도입도관(33)으로 연료를 송출할 수 있다. 이 기관은, 제 7 도 ∼ 제 9 도에서 설명된 바와 같은 연료분사기(60A 또는 60B)를 가지는 2행정 형태의 디젤 하이브리드로서 작동할 수도 있다.

작은 피스톤(18)은 제 14 도 또는 제 15 도에 나타낸 종류로 될 수 있지만 버섯모양이다.

작동에 있어서, 공기가 적당한 가압공기원(132), 예를 들어, 크랭크 케이스 또는 외부 펌프로부터 대기압 이상의 압력으로 도관(33, 133)에 도입된다. 도관(33)에는, 원한다면, 별도의 공급원으로부터 공기가 공급될 수 있다. 흡입 포트(124)(도관(133)에 연결된)가 제1 피스톤의 크라운(36)에 의해 개방된 때, 압력하의 공기가 큰 실린더(12)에 들어가는 한편, 이전 사이클로부터의 배기가스가 배기 포트(126)를 통하여 배출된다. 동시에, 도입밸브(31)가 열리고 도관(33)으로부터 크라운(35) 위의 작은 실린더(14)내로 공기를 도입시킨다. 그 공기의 일부가 크라운(35) 주위의 억제 간격부를 통하여 이전 사이클로부터의 배기가스를 배출시킨다. 크라운(35)이 그의 하사점 위치에 있을 때, 간격부(135)가 작은 실린더(14)로부터 큰 실린더(12)로의 배기가스의 이동을 도와, 배기과정의 시작시에 배출(블로우 다운)이 일어나게 한다.

도입밸브(31)가 개방되자마자 연료가 공기와 함께 작은 실린더(14)로 들어갈 수 있으나, 또 다르게는, 작은 피스톤(18)이 그의 하사점 위치로부터 약간 이동하여 간격부(135)를 폐쇄할 때까지 그리고 바람직하게는 배기 포트(126)가 큰 피스톤(16)에 의해 덮히기 전까지 연료송출의 개시가 지연될 수 있다. 도입밸브(31)의 폐쇄는, 배기 포트(126)가 막힌 후 압축행정의 초기 부분중에 큰 실린더내의 입력이 상승하기 시작할 때까지 지연되는 것이 바람직하다. 그리하여, 간격부(128)를 사용하는 메리트 분리 원리가 도움을 받는다. 도입밸브(31)가 전자기적으로 작동되는 경우, 스로틀 밸브(32) 대신에, 진입을 제어하기 위해 폐쇄 타이밍의 변화가 이용될 수 있다. 압축행정의 끝무렵에, 연료/공기 혼합물의 진입은 억제 간격부(128) 및 바이패스 홈(39)(제공된 경우)을 통하여 일어난다. 크라운(35)이 상사점 위치에 가까이 있을 때 크라운(35) 아래의 연소공간(20)과 직접 연통하는 스파크 플러그의 도움으로 또는 그 도움없이 연소공간(20)내의 뜨거운 공기와의 접촉에 이어 점화가 일어난다. 팽창행정의 끝에서, 배기가스가 배기 포트(126)로부터 탈출하고, 간격부(135)가 작은 피스톤의 크라운(35) 전후에서 압력이 같게 되는 것을 돕는다.

메리트 기관을 위한 2행정 사이클은, 스파크 트리거 압축점화 구조를 포함하여 디젤 및 스파크 점화 기관 사이클을 가진 상기한 하이브리드 구조들중 어떠한 것에서도 작동할 수 있다.

Claims (31)

1. 제1 실린더가(12)가 제2 실린더(14)보다 큰 행정용적을 가지는 적어도 한 세트의 제1 및 제2 실린더(12, 14)와; 상기 제1 및 제2 실린더(12, 14)내에서 각각 이동가능한 제1 및 제2 피스톤(16, 18)과: 상기 제1 실린더(12)와 연통하는 공기도입수단(24)과: 상기 제2 실린더(14)와 연통하는 배기수단(26)과: 상기 제2 실린더(14)에 연료를 제공하기 위한 제1 연료원(34)과; 상기 제1 및 제2 피스톤(16, 18)이 거의 상사점 위치에 있을 때, 팽창행정의 적어도 일 부분중에 상기 제1 및 제2 실린더(12, 14) 모두와 연통하는 연소공간(20)을 형성하는 수단(234, 14a)과; 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제2 실린더(14)로부터 상기 연소공간(20)내로의 연료/공기혼합물의 이동을 억제하는 억제수단(128)과; 흡입행정중에 상기 제2 실린더(14)에 연료와 공기 또는 그들중 하나가 진입하게 하기 위해 상기 제2 실린더(14)와 연관되어 있고, 상기 제2 실린더(14)로 개방하여 있는 제1 포트수단(33)과 그 제1 포트수단을 제어하는 제1 밸브수단(31)을 포함하는 진입수단(30): 및 상기 제1 및 제2 피스톤(16, 18)이 동일 횟수로 주기적인 방식으로 상기 제1 및 제2 실린더(12, 14)내에서 이동할 수 있도록 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤을 연결하는 수단(C)을 포함하고; 상기 제2 피스톤(18)이 본체부(19)와 그 본체부로부터 떨어져 기둥(234, 102)에 의해 그 본체부에 연결되어 있는 크라운(35)을 가지고 있고, 상기 제2 피스톤의 상기 크라운 및 본체부와 상기 제2 실린더의 측벽(14a)과의 사이에 상기 연소공간(20)을 형성하도록 상기 크라운(35)의 가장자리(37)의 축방향 두께가 상기 크라운과 상기 본체부 사이의 축방향 거리와 비교하여 상대적으로 작게 되어 있고; 상기 크라운(35)의 상기 가장자리(37)와 상기 제2 실린더(14)의 인접 측벽(14a)과의 사이에, 상기 억제수단(128)을 이루는 간격부가 제공되어 있고; 상기 제2 피스톤(18)이 상기 제1 피스톤(16)과 서로 떨어져 별개로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
2. 제1항에 있어서, 상기 연소공간(20)이 제2 포트수단(29)을 통하여 상기 제1 실린더(12)와 연통하여 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 피스톤(16)의 크라운상에는, 상기 제2 포트수단(29)을 통해 상기 연소공간(20)내로 가스를 이동시키기 위해 상기 제1 피스톤의 상사점 위치에서 상기 제2 포트수단(29)에 결합하는 돌출부(100)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1 피스톤(16)이 상기 제2 포트수단(29)으로 행하여 그 제1 피스톤의 크라운에 형성된 오목부(229)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
5. 제2항에 있어서, 상기 제2 피스톤(18)의 하사점 위치에서 상기 제2 피스톤(18)의 상기 크라운(35)의 가장자리(37)가 상기 제2 포트수단(29)과 교차하여, 상기 크라운(35) 위에서 상기 제2 실린더(14)가 상기 제1 실린더(12)로 개방되도록 된 것을 특징으로 하는 내연기관.
6. 제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 피스톤(18)의 상사점 위치에서 상기 제2 피스톤의 상기 본체부(19)가 상기 제2 포트수단(29)을 폐쇄하도록 된 것을 특징으로 하는 내연기관.
7. 제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 피스톤(18)의 상사점 위치에서 상기 연소공간(20)이 상기 제2 포트수단(29)을 통하여 상기 제1 실린더(12)로 개방하여 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 연료원(34)에 의해 상기 제2 실린더(14)에 공급되는 연료에 추가적으로 다량의 연료를 압력하에 상기 제2 포트수단(29)내로 송출하기 위해 고압액체연료 분사기 형태의 제2 연료원(60A)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
9. 제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 연료원(34)에 의해 상기 제2 실린더(14)에 공급되는 연료에 추가적으로 다량의 연료를 압력하에 상기 연소공간(20)내로 송출하기 위해 고압액체연료 분사기 형태의 제2 연료원(60B)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
10. 제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 연료원(34)에 의해 상기 제2 실린더(14)에 공급되는 연료에 추가적으로 다량의 연료를 압력하에 상기 제1 실린더(12)내로 송출하기 위해 고압액체연료 분사기 형태의 제2 연료원(60C)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
11. 제8항에 있어서, 상기 제2 실린더(14)내로 송출될 전체 연료량의 일부를 상기 제2 피스톤(18)의 상기 크라운(35) 위의 공간으로 송출하도록 상기 제1 연료원(34)을 제어하고, 상기 제2 피스톤(18)이 그의 상사점 위치에 접근할 때 상기 전체 연료량의 다른 일부를 상기 제2 포트수단(29) 또는 상기 연소공간(20) 또는 상기 제1 실린더(12)내로 송출하도록 상기 제2 연료원(60A)을 제어하는 수단(M)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
12. 제1항에 있어서, 상기 연소공간(20)내 연료의 점화를 제어하는 수단(52)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
13. 제12항에 있어서, 상기 점화제어수단(52)이 스파크 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
14. 제12항에 있어서, 기관의 압축비가 압축점화가 일어나는데 요구되는 압축비보다 낮은 것을 특징으로 하는 내연기관.
15. 제1항에 있어서, 상기 제2 피스톤(18)이 그의 상사점 위치에 인접하여 있을 때 상기 제2 피스톤의 상기 크라운(35)의 가장자리(37) 주위에 바이패스 홈(39)이 상기 제2 실린더(14)의 내측 단부 또는 그 단부에 인접하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
16. 제15항에 있어서, 상기 바이패스 홈(39)이 상기 제2 피스톤이 상기 크라운(35)의 가장자리(37)의 두께보다 큰 축방향 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 바이패스 홈(39)이 상기 제2 실린더(14)의 측벽(14a)의 원주의 적어도 일부에 걸쳐 연장하여 그 측벽(14a)에 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관.
18. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 바이패스 홈이 상기 제2 실린더(14)의 보어의 급격한 또는 점진적인 확대부(39, 39b)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관.
19. 제17항에 있어서, 상기 바이패스 홈(39)에 스파크 플러그(52)가 배치된 것을 특징으로 하는 내연기관.
20. 제19항에 있어서, 상기 바이패스 홈(39)에 인점하여 상기 스파크 플러그(52)가 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
21. 제1항에 있어서, 상기 진입수단(30)이 상기 제1 밸브수단(31)의 상류측에 제공된 제1 가변흐름면적 밸브수단(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
22. 제21항에 있어서, 상기 제1 가변흐름면적 밸브수단(32)이 버터플라이 또는 스로틀 밸브인 것을 특징으로 하는 내연기관.
23. 제1항에 있어서, 상기 제1 연료원(34)이 상기 제1 밸브수단(31)의 상류측에 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
24. 제1항에 있어서, 기관의 부분부하 조건중에 상기 제1 실린더(12)에의 공기공급의 제한을 가능하게 하기 위해 상기 제1 실린더(12)와 연통하는 상기 공기도입수단(24)의 상류측에 가변흐름면적 밸브수단(83)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
25. 제18항에 있어서, 상기 진입수단(30)이 상기 제1 밸브수단(31)의 상류측에 제공된 제1 가변흐름면적 밸브수단(32)을 포함하고, 기관이 통상의 스파크 점화 모드로 작동할 수 있게 하도록 스파크 점화가능한 연료/공기 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1 실린더(12)의 상기 공기도입수단(24)에 제2 연료원(82)이 제공된 것을 특징으로 하는 내연기관.
26. 제25항에 있어서, 상기 공기도입수단(24)의 상류측에 위치되고 기관의 부분부하조건중에 상기 제1 실린더(12)에의 공기공급의 제한을 가능하게 하기 위해 상기 제1 실린더(12)와 연통하는 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)과; 상기 제1 연료원(34)이 작동하지 않거나 실질적으로 작동하지 않고 상기 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)이 압축온도를 압축점화값 아래로 제한하기 위해 부분적으로 폐쇄되는 상기 통상의 스파크 점화 모드와, 상기 제2 연료원(82)이 작동하지 않거나 실질적으로 작동하지 않고 상기 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)이 압축점화를 가능하게 하도록 압축온도를 올리기 위해 실질적으로 완전히 개방되는 스파크 점화 도움이 있거나 없는 압축점화 모드와의 사이에서 기관을 전환하도록 상기 제1 및 제2 연료원(34, 82)과 상기 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)을 제어하는 제어수단(M)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
27. 제25항에 있어서, 상기 공기도입수단(24)의 상류측에 위치되고 기관의 부분부하조건중에 상기 제1 실린더(12)에의 공기공급의 제한을 가능하게 하기 위해 상기 제1 실린더(12)와 연통하는 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)과; 상기 제1 연료원(34)이 작동하지 않거나 실질적으로 작동하지 않고 상기 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)이 압축온도를 조절하기 위해 부분적으로 폐쇄되는 상기 통상의 스파크 점화 모드와, 상기 제2 연료원(82)이 작동하지 않거나 실질적으로 작동하지 않고 상기 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)이 실질적으로 완전히 개방되는 스파크 트리거 압축점화 모드와의 사이에서 기관을 전환하도록 상기 제1 및 제2 연료원(34, 82)과 상기 제2 가변흐름면적 밸브수단(83)을 제어하는 제어수단(M)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
28. 제1항에 있어서, 기관이 2행정 사이클로 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
29. 제28항에 있어서, 상기 배기수단(126)의 폐쇄중 또는 그 후에 상기 제1 밸브수단(31)을 폐쇄하기 위해 상기 제1 밸브수단(31)을 제어하는 수단(M)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
30. 제1항에 있어서, 상기 간격부(128)가 상기 제2 피스톤의 크라운(35)의 상기 가장자리(37)와 상기 제2 실린더(14)의 인접 측벽(14a)과의 사이의 연속적인 환형 틈인 것을 특징으로 하는 내연기관.
31. 제1항에 있어서, 상기 간격부(128)가, 상기 제2 피스톤(18)의 크라운(35)과 상기 제2 실린더(14)의 측벽(14a)중 적어도 하나에 형성되고, 상기 제2 피스톤(18)를 위한 지지를 제공하기 위해 상기 제2 피스톤의 상기 크라운(35)과 상기 제2 실린더의 상기 측벽(14a)중 다른 하나에 미끄러질 수 있게 결합할 수 있는 2개 이상의 반경방향 돌출부(90, 900)에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 내연기관.