KR100306041B1 - 소기방식열기관작동을개선하기위한방법및그방법에의한열기관 - Google Patents

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Abstract

다수의 실린더들(2,3;1,4)이 동일한 배기가스 매니폴드(8, 10)에 그룹을 형성하여 구성되어 배기관(1e) 압력이 시간에 따라 크기변화(28,29)를 일으키고, 실린더(1)내로 충전 및 흡기가 이루어지는 동안 즉 하사점 근처에서 실린더(1)의 배기밸브(6)가 개방되어, 주어진 엔진속도범위에서 배기관내의 순간 배기가스 압력의 저위상(28)에 의해 흡기관(1a)/실린더(1)/배기관(1e)에 소기가 이루어질 때 흡기밸브(5) 및 배기밸브(6)가 동시에 개방상태를 유지하는 방법. 다른 실린더에 의해 야기되는, 순간 배기가스압력의 고위상(29)이 흡기밸브(5)가 폐쇄된 후와 배기밸브(6)가 아직도 개방상태를 유지될 때, 배기관(1e)에 기 저장된 공기(A)오 실린더(1)의 후급기에 사용된다. 사실상 주어진 엔진속도 범위이상의 속도에서는 실린더(1)내에 배기가스의 후급기가 이루어지지 않도록 터빈(T) 크기가 정해진다.

Description

소기방식 열기관 작동을 개선하기 위한 방법 및 그 방법에 의한 열기관
FR-A-2 448 032는 배기 매니폴드에 대략 일정한 압력으로 급기가 이루어지는 4 행정 디제기관에 관련된다. 상기 문헌에서 실린더의 과급압력과 배기압력 사이의 관계의 특성은, 특히 배기 매니폴드 내의 순간 매니폴드(manifold) 압력곡선이 가능한 한 일정한 형태를 가지도록 만들고, 다시 말해 곡선이 나타내는 압력변화는 평균압력에 비해 경미하다. 상기 예에 있어서, 배기 매니폴드 내의 최대순간 압력은 부스트압력(boost pressure)을 초과하지 않아서, 밸브가 중첩되는 동안, 실린더급기가 분산되지 않으나, 매우 낮은 부하에서 미소한 급기 역류가 이루어지면 초과된다. 고출력 산업용엔진(다수의 실린더가 터보과급기 터빈유입구로 구성되는한 개의 매니폴드에 연결된다)으로 잘 알려진 상기 형태의 정압(constant pressure) 배기 매니폴드는 2가지 형태를 가지는데:
- 실린더 직경과 비슷하거나 그이상의 직경을 가지는 매니폴드를 이용하거나,
- 각 실린더 유출구에 펄스변환기(pulse converter)를 장착하여, 압력에너지를 속도에너지로 변환하는 것에 의해 펄스흐름을 제한하고, 더 작은 단면적의 매니폴드 사용을 가능케 하여 순간 압력변화는 동일한 매니폴드에 연결되는 서로 다른 실린더의 급기작용에 방해되지 않을 정도로 미약하다.
그러나, 압력변화 또는 “펄스(pulses)”가 배기가스 매니폴드 내에서 발생하는 “임펄스(impulse)” 또는 “펄스변환기(pulse converter)”로 구성되는 엔진에 있어서, FR-A-2 448 032에 밝혀진 특성을 위한 실시예가 나타나 있다(11 페이지 28줄에서 32번째줄). 상기 실시예는 펄스 사이의 시간간격이 충분히 긴 경우에 제안되어 왔다. 다시 말해서, 배기가스 매니폴드 내에 펄스가 존재하는 엔진에 대한 실시예에 있어서, 펄스에 해당하는 압력변화로 형성되는 난류를 피하기 위해 펄스사이의 구간을 이용하는 것이 필요하다.
반대로, 본 발명은 FR-A 2 448 032와 완전히 다른 접근방법을 따르며, 펄스 즉 배기가스 매니폴드 내의 감지 가능한 압력변화를 활용하는 것에 목적을 두고 있다. 또한 상기 펄스가 후급기(post-charging) 효과를 이용하는 자체 과급을 유도하도록 하는 것을 목표로 하며, 특히 저속에서는 고속에서 나타나는 바람직하지 않은 결과를 형성하지 않기 때문에 유리하며, 특히 배기가스의 후급기에 의한 펄스를 이용하고 있다.
터보과급기능은 모든 엔진속도에서 효과적이지만 속도변화가 크고 낮은 출력의 엔진에서는 더 어렵다고 알려져 있다. 사실 상기 엔진에서 터보과급기는 크기가 작기 때문에 낮은 효율을 나타낸다.
상기 엔진(승용차 또는 엔진 또는 유사한 크기의 엔진)에 대하여, 저속에서 과급공기의 부족이라는 단점을 해결하기 위해 두 가지 기술이 개발되었다:
- 첫번째 기술은 바이패스밸브(이른바 배출구(wastegate) 밸브를 터빈유입구(turbine inlet)에 설치하고, 상기 밸브가 임계 부스트 압력 이상에서만 개방되어, 상기 압력이 주어진 임계압력을 초과하지 못하게 하여; 유동면적이 작은 터빈을 이용가능하고, 고속에서의 증가된 배기압력에 의해 저속에서 더 높은 부스트 압력을 이끌어내는 것이 가능하고;
- 두번째, 이 기술은 가변형 터빈(variable geometry turbine)이 설치되어, 저속에서 첫 번째 기술에서처럼 넓은 범위에서 배기가스압력의 증가 없이 더 높은 부스트 압력을 이끌어내는 것이 가능하다.
본 발명은 주로 터보과급기(turbocharger)로 과급되고 급기가 이루어지는 내연기관(열기관)의 작동을 개선하기 위한 과정에 관련된다.
좀더 구체적으로, 본 발명을 공기로 급기가 이루어지는 실린더로 구성된 디제엔진과 관련되며 본 발명은 또한 실린더에 직접연료(또는 가솔린) 분사기능을 가진 석유기관(또는 가솔린기관)에 적용된다.
상기에 언급된 조건 외에, 본 발명은 다음에 더욱 자세히 다루게될 다수의 다른 특징들로 구성되며, 첨부된 도면을 참고로 실시예로 설명되며 상기 실시예는 본 발명의 범위를 절대로 제한하지 않는다.
제1도는 본 발명을 따르는 내연기관의 개략도.
제2도는 종래기술을 따르는 자동차용 엔진 및 본 발명을 따르는 엔진과 같은 4 행정 터보 과급기(turbocharged) 디제엔진(diesel engine)에 있어서 엔진 회전수의 함수로 표현되며, Bar 단위로 표현된 평균유효압력(mean effective pressure)의 변화를 나타내는 그래프.
제3도는 동일한 배기 매니폴드(manifold)상에 4 실린더 구조 및 한 개의 터빈(turbine) 유입구로 구성되는 4 행정 터보 과급기 디제엔진에 대한 그래프로서:
- 터빈에 유입되는 평균 배기 가스압력 변화가 실선으로 표시되고 터빈에 유입되는 배기가스 압력운동에 있어서, 상하한계가 2개의 짧은 실선- 점선으로 표현되며;
- 실린더 유입구의 평균 과급(supercharge) 공기 압력의 변화가 실선으로 표시되고;
Bar 단위의 압력이 수직축에 표시되고 rpm 단위의 엔진회전수가 수평축에 표현된다.
제4도는 제3도의 그래프와 유사도면으로서, 동일한 배기 매니폴드 상에 6기통구조 및 한 개의 터빈 유입구로 구성되는 트럭엔진 또는 유사엔진과 같은 4 행정 과급엔진에 대한 그래프이다.
제5도는 동일한 배기 매니폴드 상의 2기통구조를 형성하고 본 발명을 따르는 차량용 엔진의 4 행정기관에 대한 그래프로서:
- 그래프 하단에 있어서: 실선은 흡입밸브의 상승을 나타내고, 짧은 실선은 배기밸브의 상승을 나타내며, 상승치는 최고상승치(highest lift)에 대한 최대상승치(maximum lift)의 형태로 나타나며 수직축에 표시되고;
- 그래프 상단에 있어서: 배기 매니폴드의 순간 압력변화가 실선으로 나타나고;
단순화 시킬 목적으로 시간에 대해, (경미한 변화를 고려해 볼 때) 일정한 값을 가지는, 각 실린더에 위치하는 유입구의 순간 부스트(boost) 압력은 수평축에 평행한 직선으로 표현되며; 밸브 개방상태에서 실린더내의 순간압력을 짧은 실선으로 표현되었다;
Bar 단위로 표시된 압력이 수직축에, 수평축은 최대부하 및 1500rpm 에서의 엔진에 대한 크랭크 각도를 나타낸다.
제6도는 제5도에 나타난 그래프와 구성이 유사하지만, 최대부하 및 1500rpm 에서 동일한 배기 매니폴드 상의 4기통 구조이고 본 발명을 따르는 자동차용 4행정기관에 대한 그래프이다.
제7도는 제6도와 유사한 구성을 가지는 그래프로서, 최대부하 및 4000rpm 에서 동일한 내연기관에 대한 그래프이다.
제8도는 제5도와 유사한 구성을 가지는 그래프로서, 최대부하 및 800rpm에서 동일한 배기 매니폴드 상의 본 발명을 따르는 6기통 구조의 트럭엔진 또는 유사 엔진에서와 같은 4행정 과급기관에 대한 그래프이다.
제9도는 제8도와 유사한 구성을 가지는 그래프로서, 최대부하 및 2200rpm 에서 동일한 내연기관에 대한 그래프이다.
제10도는 제8도 및 제9도의 그래프에 일치하게 작동하고 본 발명을 따르는 배기밸브의 캠(cam)에 대한 개략도.
제11도 및 제12도는 1개 또는 2개의 터빈 유입구로 구성된, 1개 또는 2개의 배기 매니폴드의 4기통 엔진에 있어서 구성 가능한 실린더 배치를 개략적으로 나타낸다.
제13도 및 제14도는 제11도 및 제12도의 개략도와 유사한 도면으로서, 3개 또는 한 개의 터빈유입구들로 구성된, 6기통 엔진의 구성 가능한 배기 매니폴드의 배치를 나타낸다.
제15(a)도 및 제15(b)도는 포트(port)부의 배기 파이프(exhaust pipe)의 수직단면의 개략도를 나타낸다.
제16도는 매니폴드의 쓰로트(throat)의 개략도.
제17도는 터빈케이싱(turbine casing)내에 구성된 밸브를 나타내며, 상기 밸브에 의해 압축기(compressor) 유출구에서 터빈유입구 및 제어장치로 과급된 공기가 통과된다.
제18도는 제5도의 그래프와 유사한 구성을 가지는 그래프로서, 최대부하 및 1500 rpm 에서 동일한 터빈유입구상에 또는 동일한 배기 매니폴드 상에 위치하는 2기통 2행정기관의 특성을 나타낸다.
제19도는 제1도를 따르는 실시예의 변형예를 나타내며 압축기 및 블로우어(blower)가 장착되어 있다.
제20도는 제19도의 압축기의 구성을 더욱 자세히 나타낸다.
제21도는 제16도의 매니폴드 상의 쓰로트를 따르는 실시예로서, 2개의 배출구(wastegate) 밸브로 구성된다.
제22도는 제21도의 밸브를 따르는 실시예의 변형예를 나타낸 개략도.
제23도는 제7도의 그래프와 유사한 구성을 가지는 그래프로서, 제21도 및 제22도에 나타난 매니폴드 상의 쓰로트가 장착되고 최고 엔진속도에서 작동중인 내연기관에 대한 그래프이며 이때 2개의 배출구(waste gate)는 개방상태이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,2,3,4 : 실린더 5 : 흡기밸브
6 : 배기밸브 7 : 피스톤
8,10 : 배기가스 매니폴드 9 : 유입관
15 : 바이패스밸브 16 : 터빈 유출구
17 : 절전 20 : 수평선
26 : 배기밸브 상승과정 말기 28 : 순간 배기거스 압력의 저위상
29 : 순간 배기가스 압력의 고위상 31 : 캠
34 : 로우브 38 : 연결덕트
39 : 첵크밸브 40 : 밸브제어장치
41 : 밸브 42 : 통로
45 : 공압실린더 52,55,56,57 : 쓰로트
53,54 : 파이프 63 : 블로우어
64 : 압축기 73 : 압축기유출구
74 : 쿨러 76,77 : 배출구 밸브
본 발명의 주요목적중의 하나는, 엔진크기에 관계없이 배출구 바이패스밸브에 관계없이, 가변형 터빈에 관계없이, 특히 저속에서 엔진의 작동상태를 향상시키는데 있다.
본 발명은 배기관(exhaust pipe)내에 배기압력변화 또는 배기펄스(exhaust pulse)를 이용하고 흡입밸브에서 실린더를 통해 배기밸브로 급기가 가능한 순간 배기압력의 저위상(low instantaneous exhaust pressure phase)을 이용하고, 기 저장된 배기관내의 공기로 실린더 후급기가 가능하게 순간 배기압력의 고위상(high instantaneous exhaust pressure phase)을 이용하여, 주어진 엔진속도 범위에서, 터보과급기가 “역류급기(backflow scavenging) 및 배기가스의 “후급기(post-charging)”의 해를 피하기 위해 선택된다.
터보과급기가 효과적인 과급기능이 이루어질수 있는 충분한 압력을 제공하지 못하더라도 저속이 선호된다.
그러므로, 본 발명을 따르고, 주로 터보 과급기에 의해 과급되는 내연기관의 작동기능을 개선하기 위한 과정의 특징은 다수의 실린더가 동일한 배기가스 매니폴드 상에 단체(grpup)를 이루어 배기관의 압력이 시간에 따른 크기변화가 일어나는 것을 특징으로 하고 실린더의 배기밸브가 과급이 이루어지는 동안 개방되어, 주어진 엔진속도범위에서 배기관내의 순간 배기가스압력의 저위상은 흡기관/실린더/배기관에 급기가 이루어지도록 하는 반면 홉기밸브 및 배기밸브는 동시에 개방상태를 이루는 것을 특징으로 하며, 순간 배기가스 압력의 고위상은 또다른 실린더에 의해 발생되며, 흡기밸브가 폐쇄된후 그리고 배기밸브가 개방되는 동안, 상기 고위상은 배기관내의 기 저장된 공기로 실린더 내에 후급기가 이루어지는데 쓰이는 것을 특징으로 하고, 상기의 주어진 엔진 속도범위 이상의 속도에서 배기가스의 후급기가 이루어지지 않도록 터빈크기가 결정되는 것을 특징으로 한다.
배기관내의 순간 배기가스 압력의 고위상 및 저위상의 이용 및 후급기에 의해 이루어지는 자체 과급기능은 엔진의 효율 및 작동을 향상시킨다.
본 발명은 또한 상기 과정의 수행을 목적으로 구성된 과급 내연기관에 관련되어, 상기 내연기관은 다수의 실린더들이 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되어, 배기관내의 압력을 시간에 따른 크기변화가 이루어지는 것을 특징으로 하고 상기 내연기관은 과급이 이루어지는 동안 실린더의 배기밸브 개방장치가 구성되어, 주어진 엔진속도 범위에서, 비기관 내의 순간 배기가스 압력의 저위상에 의하여 흡기관/실린더/배기관에 급기가 이루어지는 반면 흡기밸브 및 배기밸브가 동시에 개방되어 또 다른 실린더에 의해 발생되는 순간 배기가스압력의 고위상이, 흡기밸브가 폐쇄된 후 및 배기밸브가 개방되었을 때, 배기관내의 기 저장된 공기를 후급기에 사용되는 것을 특징으로 하고, 상기의 주어진 엔진 속도범위 이상의 속도에서 배기가스의 후급기가 이루어지지 않도록 터빈크기가 결정되는 것을 특징으로 한다.
배기밸브의 폐쇄(리프트 말기)는 배기관 내에서 압력 최고치가 도달되는 순간에 이루어지며 늦어도 상기 압력 최고치가 도달된 후 30° 크랭크각을 넘지 않도록 한다.
흡기밸브의 폐쇄(리프트 말기)는 배기밸브가 리프트 말기에 도달하기전에 30° 및 10°의 크랭크각 사이에서 일어나도록 한다.
동일한 배기가스 매니폴드에 연결된 실린더는 폭발 구간들(firing intervals)을 가져서, 1번 실린더가 흡입행정의 말기(4 행정기관에 있어서 흡입행정 말기; 2 행정 기관에 있어서 소기 위상의 말기)에 있을 때, 또 다른 실린더는 배기행정의 초기에 있게된다. 배기가스 매니폴드 내의 상기의 또 다른 실린더에 의해 발생되는 “펄스(pulse)”에 의해 1번 실린더의 후급기가 이루어진다.
본 발명은 또한 배기밸브 및 흡기밸브로 구성된 2 행정기관에도 적용된다. 결과적으로, “유입 또 흡기밸브(inlet, or intake valve)”라는 용어는 2 행정기관의 흡기밸브로 명명할 것이다. 상기 경우에 있어서, 소기행정 후 동일한 배기가스 매니폴드에 연결된 또 다른 실린더로부터 “펄스”를 이용하기 위하여, 흡기밸브가 폐쇄된 후 배기밸브는 개방상태를 유지한다.
실제로 2 행정 기관을 위한 동일한 배기가스 매니폴드 및 동일하거나 가능한 일정한 폭발구간(firing interval)-또는 크랭크 각도로 표현되는 각각의 싸이클에서 각위상차-을 가지는 실린더들은 다음과 같다:
- 180°의 폭발구간을 가진 2개의 실린더들;
- 120°의 폭발구간을 가진 3개의 실린더들;
- 90°의 폭발구간을 가진 4개의 실린더들.
분명히, 본 발명은 또한 4행정기관에 응용된다. 이 경우, 흡기행정의 초기가 지나면 배기밸브는 정상적으로 폐쇄되고 본 발명에 따르면 흡기행정 말기 및 하사점(bottom dead centre)에서 다시 개방된다.
4 행정기관의 경우 배기밸브는, 흡기행정 초기가 지나면, 폐쇄되고 배기밸브는 흡기행정 말기에 다시 개방된다. 결과적으로 4 행정기관에 있어서, 동일한 배기가스 매니폴드 상의 선호되는 실린더 배열은 하나의 터빈유입구로 연결되고 상기 실린더들은 폭발구간을 가지며 - 또는 크랭크 각도로 표현되는 각각의 싸이클의 각 위상차 - 상기 폭발구간은 똑같이 가능하면 동일하며 다음과 같은 실린더들을 포함한다:
- 360°의 폭발구간을 가지는 두개의 실린더들;
- 180°의 폭발구간을 가지는 4 개의 실린더들;
- 144°의 폭발구간을 가지는 5 개의 실린더들;
- 120°의 폭발구간을 가지는 6 개의 실린더들;
- 대략 103°의 폭발구간을 가지는 7 개의 실린더들.
실제로, 동일한 매니톨드 상에 연결되는 실린더가 많아질수록 후급기 효과가 감소될지라도 하나의 터빈유입구에 연결되는 동일한 매니폴드 상에 8개, 9개 또는 10개의 실린더들을 배열하는 것이 가능하다.
펄스크기가 커질수록 후급기 효과는 더욱 확실해진다. 펄스가 유동하는 터빈 단면적이 작을수록 또 매니폴드의 크기가 감소될수록, 펄스크기는 더욱 커진다. 상기 두개 조건들은 동일한 터빈유입구에 연결되는 실린더수가 더 적을수록 더욱 잘 만족된다.
제1도에 있어서, 4 행정 디제엔진(M)이 개략적으로 도시되어 있다. 엔진내의 과급기능은 터빈(turbine:T) 및 터빈의 출력축에 의해 구동되는 압축기(compressor:C)로 구성되는 터보과급기에 의해 이루어진다. 엔진(M)에는 소기 기능이 이루어진다(scavenged).
제1도의 실시예에서, 엔진(M)은 4개의 실린더들(1,2,3,4)로 구성되며 도면에서는 약식으로 표시되었다. 실린더(1)는 개략도에서 다소 자세히 표현되었는데 흡기밸브(5) 및 배기밸브(6)로 구성되었다. 피스톤(7)이 부분적으로 표시되었다.
실린더(1)과 유사한 실린더들(2,3,4)이 원(circle)으로 나타내었다. 실린더들의 흡기관들(2e,3e,4e)은 선으로 나타내었다. 실린더(1)에 있어서 흡기관(1a) 및 배기관(1e)이 포트영역에서 선으로 이어져 있다.
관들(2e,3e)이 동일한 배기 매니폴드에 구성되어 있으며 터빈으로 연결되는 1차 유입관(9)에 연결된다. 관들(1e,4e)은 또 다른 배기 매니폴드에 구성되며 터빈(T)으로 연결되는 또 다른 유입관(11)에 연결된다.
압측기에 연결되는 유입관(12)은 필터(F)를 통과하는 공기를 제거시킨다. 압축기로부터 나오는 유출관은 쿨러(14)를 통과한 압축공기를 전달하며, 상기 전달과정은 실린더의 흡기관(1a)에서 압축공기가 분배되기 전에 이루어진다. 엔진(M)이 밸브로 구성된 2 행정기관일 경우, 제1도는, 제1도에는 나타나지 않지만, 보조 블로우어(blower)를 추가함으로써 수정가능해지고 상기 블로우어에 의해 시동 및 저부하에서의 소기작용이 가능해진다.
상기 보조 블로우어는 쿨러(14)의 공기흐름의 하류에 위치하거나 압축기(C)의 공기흐름 상류에 위치한다.
제1도에 도시된 엔진이 차량용 엔진인 경우, 바이패스 밸브(15)가 구성되는 것이 종래 기술의 터보과급 엔진에서는 일반적이다. 상기 밸브를 “배출구 밸브(waste gate)”라고 하며 압축기(C)에 의해 공급되는 부스트 압력에 의해 제어되어, 배기가스의 일부가 터빈(T)와 같이 단락회로(short-circuit)가 형성되며, 규정압력 이상의 부스트 압력을 방지하게된다. 바이패스 밸브(bypass valve:15)는 터빈유입관(C) 및 유출관(16) 사이에 위치한다. “배출구 밸브”는 일반적으로, 제11도 및 제14도에서 알 수 있듯이, 하나의 터빈유입관으로 이루어진 한 개의 배기 매니폴드로 구성되는 실린더 배면 상에 배치되는데, 2개의 밸브의 동시 개방을 이루기가 어렵기 때문이며, 상기 밸브는 터빈 케이싱(turbine casing)내에 구성된다.
상기 바이패스밸브(15)가 구성상 필요한데, 터보과급기가 저속에서 상대적으로 효율적으로 작동하기 위해 터보과급기는 소형으로 제작되어야 하기 때문이다. 상기 조건에 있어서, 고속에서 부스트압력 및 최대 실린더압력이 너무 높게 형성될 수 있다. 밸브(15) 개방에 의해 상기의 과압을 방지할 수 있다;
그러나 결과적으로 엔진효율의 손실이 초래되는데, 배기가스 매니폴드 내의 압력은 부스트압력을 초과하기 쉽고, 전체 가스 유동율(gas flow rate)에 대하여, 40% 및 40% 이상의 수치에서, 바이패스 비(bypass ratios)가 최근의 소형 터빈에서 일반적으로 적용되기 때문이다.
제3도는 최대 토크 또는 최대출력부에서 rpm으로 표시되는 속도함수에 대한 엔진의 작동상태를 나타낸다. 상기 엔진은 디제자동차용 엔진으로서, 동일한 배기가스 매니폴드 상에 4기통 기관에 있어서 최대 허용압력이 135 bars인 예비실(prechamber)이 구성되어 있으며, 제11도에서 개략적으로 알 수 있듯이, 상기 배기가스 매니폴드는 터빈(T)으로 연결되는 유입관(9)을 제공한다.
한 개의 바이패스 밸브가 터빈케이싱에 구성되어 있고 부스트 압력을 2 bars까지 제한한다. 바이패스비가 최대 엔진속도에서, 이 경우 4000rpm, 약 20%가 되도록 터빈크기가 결정된다.
제3도에서, 실선(G)은 배기가스 매니폴드 및 터빈(T)내의 가스의 평균적인 순간압력의 변화를 나타낸다. 그러나 임의 속도에 대한 상기 압력변화치는 실선(G) 주변에 위치함을 알아야만 한다. 제3도에 있어서 일점쇄선으로 표시되는 곡선들(18,19)은 배기가스 매니폴드 내의 순간압력의 최대치들 및 최소치들을 나타낸다.
곡선(K)은 파선으로 표시되며, 각각의 실린더에 연결되는 유입관의 평균적인 순간압력 변화를 나타내며, 평균값에 대해서만 일정치를 나타낸다.
수직축의 압력은 bars(105pascal)로 나타내었다.
순간압력의 변화 - 상대적인 수치로서 -는 저속에서 최대크기를 나타낸다. 본 발명은 바로 이러한 변화를 이용하는데 있다.
모든 엔진속도에 있어서, 곡선 K 및 곡선 19 사이의 압력차는 어느 정도까지 흡기 및 배기 사이의 최대 소기 포텐샬(maximum scavenging potential)을 나타내는 반면, 곡선 18 및 곡선 K사이의 압력차는 어느 정도까지 후급기 포텐샬(post-charging potential)을 나타낸다.
바이패스밸브(15) 개방에 의해 절점(17)이 나타나며, 상기 절점은 곡선 K 및 곡선 G 에서 찾아볼 수 있다.
제4도는 제3도와 유사한 구성을 가지며, 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되는 6기통 구조의 직접 연료분사 및 160 bars의 최대 허용압력의 특성을 가지고, 한 개의 터빈유입관으로 구성되는 트럭엔진 또는 유사엔진과 같은 디제엔진에 대한 특성곡선을 나타낸다.
한 개의 바이패스밸브(15)는 터빈케이싱에 구성되고, 제3도에 나타난 실시예 보다 더 높은 수치 즉 3.1 bars 까지 부스트 압력을 제한한다. 최대 엔진속도에서 즉 2200rpm 에서 바이패스비가 22%에 이르도록 터빈크기가 결정된다. 터빈은 대형이므로 터빈 및 압축기의 효율은 제3도의 터빈 및 압축기의 효율보다 각각 8% 및 6%가 높다.
한 개의 배기 매니폴드와 관련하여 6기통 방식에도 불구하고, 배기 매니폴드 내에 형성되는 압력변화는 매우 중요한 요소이며 최대크기 - 상대적인 수치로서 -는 저속에서 나타난다.
제4도에 나타낸 바와 같이 최대 토오크(torque)에서 각각의 압력곡선의 점들에서 개선된 터보과급기의 효율의 영향은 중요하다; 특히 제3도에서 소기 포텐샬이 상당히 향상되는 반면 후급기 포텐샬은 주어진 조건에 비하여 감소된다. 이것은 개선된 터보과급기 효율에 기인한다. 최대 토오크에서 상기 작동조건에 기인하여, 엔진부하를 감소시키는 것에 의해, 특히 저속에서, 후급기 조건들은 개선된다.
엔진 작동상태는 제5도에서 제9도에 대한 자세한 설명으로 더 잘 이해가 가능해진다. 상기 도면들은 시간에 대해 표현되는데 - 크랭크 각도로 표현되는 - 밸브 상승곡선이 발명에서 구체적으로 설명되고, 서로 다른 엔진 및 서로 다른 엔진 작동조건에 대하여 실린더에 연결되는 유입관과 실린더 내부와 배기가스 매니폴드 내의 순간 압력들이 나타나있다.
곡선의 자세한 설명은 최대 토오크 및 1500 rpm의 저속에서 자동차용 4 행정기관에 대해 하나의 터빈유입구로 구성되고 동일한 매니폴드 상에 2 기통 구조로 구성되는 제5도의 실시예에 기초로 하고 있는데; 상기 제5도의 실시예의 구조는 제6도, 제7도 제8도 및 제9도에도 적용된다. 하나의 바이패스밸브는 터빈케이싱 내에 구성되고, 제3도의 엔진의 경우처럼 부스트 압력을 2 bars 까지 제한한다. 바이패스비가 최대속도 즉, 제3도에서처럼, 4000 rpm 에서 40%에 이르도록 터빈크기가 정해진다.
수평축은 실린더(1)의 피스톤(7)의 위치를 나타내는 크랭크 각도를 나타낸다. 수평축 상부에 있어서 실선(21)은 배기가스 매니폴드 내의 순간 압력변화를 나타내고, 파선(22)은 실린더내의 순간 압력변화를 나타낸다.
수평선(20)은 각각의 실린더로 연결되는 유입관내의 부스트 압력의 평균치를 나타내며, 상대적으로 안정한 상태이다.
종축 하부에 있어서, 흡기밸브 및 배기밸브 리프트는 이 경우 리프트의 최고치를 나타내는 배기밸브의 최대 리프트(hmax)에 대한 리프트(h)의 비 h/hmax로 표현된다. 흡기밸브의 리프트는 제5도에서 실선(25)으로 표현되는 반면, 배기밸브의 리프트는 파선(26,27)으로 표현된다. 수평축에 크랭크 각도가 나타나있다.
실린더(1)의 하사점(bottom dead centre)은 제5도의 수평축에 나타나있다.
제5도에 있어서 곡선(21)은 배기가스 매니폴드 내의 순간압력을 나타내며, 순간 배기가스 압력의 저위상은 하사점(BDC)전의 흡기행정에서 파악가능하며; 압력이 다시 상승하기 전에 순간압력의 최소치의 위치는 점(28)에 표시되었다. 그 다음 배기가스 매니폴드 내의 순간압력은 다시 급격히 상승하고, 점점 급격히 상승하여 곡선(21)상의 부분(29)은 크랭크각도 360°에서 실린더(1)의 싸이클을 따르는 실린더(4)내의 펄스와 일치하는 고압영역을 나타내며, 이 부분(29)은 다시 하강하기 전에 하사점(BDC)에서 압력최대치 또는 최고점(S)에 도달할 때까지 지속된다.
고려중인 엔진속도에서, 압력최저치(28)는 제5도를 따르는 2기통 구조에 해당되고 동일한 배기 매니폴드 상의 4 기통 구조에 해당하고 제3도와 유사한 도면상의 곡선(19)과 일치한다.
압력최고치(S)는 곡선(18)상의 한 점이다.
제6도 및 제7도 상의 곡선은 제3도상의 곡선을 참고로 한다.
제8도 및 제9도상의 곡선은 제4도상의 곡선을 참고로 한다.
제5도에 있어서, 소기포텐샬 및 후급기 포텐샬은 4기통 구조의 동일한 엔진, 동일한 엔진속도의 제6도의 경우에서 보다 크다. 그래서 순간압력의 최대치(28)는 제3도의 곡선(19)을 따르는 반면에, 압력최고치(S)는 1500rpm에서의 특성을 나타내는 제3도의 곡선(18)을 따른다.
제3도 및 제4도의 그래프와 유사한 그래프가 제5도에 해당하는 엔진에 대하여는 그려지지 않으며, 상기 그래프는 한 개의 터빈 유입관으로 구성되고 동일한 배기가스 매니폴드 상에서 작동하는 2 기통 엔진의 후급기 효과의 중요성을 나타내며, 또한 소기 포텐샬은 모든 엔진속도에서 매우 높아진다. 사실상, 배기가스 매니폴드 내의 순간압력은 터빈유출관내의 압력에 도달할 때까지 강하하는데 실린더(1)의 흡기행정시 펄스가 존재하기 때문이다. 과급 포텐샬은 매우 높은데 실린더(1)내의 도달압력이 엔진이 견딜 수 있는 최대 충전압력이 약 50% 정도를 능가하기 때문이다.
본 발명은 2 기통 엔진에 적용되기에 매우 용이하고 본 발명에 의해 터빈크기가 더욱 대형화 가능하고 “배출구 밸브”를 구성할 필요가 없어진다.
본 발명의 목적은 다수의 실린더들을 동일한 배기관(8,10)에 연결하여 그래프(21)상의 변화가 특히 저속에서, 현저한 크기로 나타나도록 하는데 있다. 우선 배기가스 매니폴드에 연결되는 실린더 수는 7개 또는 7개 이하의 4 행정 엔진의 것이며 3기통 구조가 선호되고, 2 행정엔진의 경우 2기통, 3기통 또는 4기통 구조의 것이 선호된다.
360°의 크랭크각의 폭발구간으로 구성된 2개의 실린더들(2,3 또는 1,4)이 동일한 배기가스 매니폴드(8,10)에 연결된다. 제1도에 나타낸 배기관은 제12도에서 약식으로 나타내었다. 상기 배기관구조는 제12도에서 개략적으로 알겠지만, 배기관(l1, l′1또는 l2, l′2)을 이용하여 구성되며, 동일한 매니폴드에 연결되는 2개의 실린더들(1,4 또는 2,3)의 배기 오리피스(exhaust orifice)들이 그룹화된다. 상기 배기관(11, l′1과 l2, l′2)은 가능한 동일한 길이를 가져야 하며, 상기 배기관들은 서로 연결되기 전에 터빈케이싱의 유입관에서 제일 가까운 위치에서 구성이 완료된다.
사실상, 이어지는 후급기 위상에서 저장 및 이용 가능한 공기체적은, 최대치에서, 파이프의 체적과 동일할 수 있다. 파이프체적과 일치하고 이용가능한 체적은 요구되는 자체 과급효과(self-supercharging effect)를 발생시키기에 충분해야 하지만; 배기 매니폴드 내에 발생되는 압력변화 크기가 가능한 커지도록 매니폴드 체적은 가능한 적어야 한다.
실제로, 압력변화는 터빈의 유효단면적 즉 터빈의 크기 및 배기밸브(6)의 상승(27) 속도에 의해 영향을 받는다.
제11도는 터빈(T)에 연결되는 하나의 유입관(9)상에 위치하는 4개의 실린더 배기 오리피스에 대한 또 다른 모양의 개략도로서, 이것에 의해 배기 매니폴드내의 순간압력의 최고치(S) 및 최저치(28) 사이의 제6도의 곡선(21)과 같은 크기 변화가 가능해진다.
제6도를 비교하면, 동일한 매니폴드 상의 4기통구조의 특성과 일치하고 제5도를 비교하면, 동일한 매니폴드 상의 2기통구조의 특성과 일치하므로, 압축기 유출관내의 압력과 비교하여 “펄스”의 상대적인 크기는 실린더수가 증가함에 따라 감소한다.
제13도의 개략도는 배기 오리피스가 짝을 이루며 배기관들(l1, l′1), (l2, l′2), (l3, l′3)에 의해서 터빈(T) 유입구(9,11,30)에 연결되는 6기통(1,4와 2,3과 23,24) 구조의 엔진에 관련된다.
제14도는 터빈(T)로 연결되는 한개의 유입관(9)상에 6기통(1,4과 2,3과 23,24) 엔진의 배기 오리피스의 또 다른 형태를 나타내는 개략도로서 이것에 의해 제8도의 곡선(21)이 나타내는 것처럼, 배기 매니폴드 내의 순간압력의 최소치(28) 및 최고치(S) 사이의 크기변화가 이루어진다.
제5도 또는 제6도에서 알 수 있듯이, 터빈(T)에 연결되는 유입관(9)에서 발생하는 압력최고치(S)는 1번 실린더(1)의 대략 흡기행정 말기에(즉 흡기밸브(5)의 개방시점 또는 상승말기에 일어난다. 1번 실린더(1)에 관련된 배기관내 압력상승(S)은 다른 실린더(4)에 의해 일어나며, 블로우다운(blowdown) 위상에 있으며 배기관에 연결상태를 이룬다.
본 발명을 따르는 과정에 있어서 실린더(1)의 배기밸브(6)는 제5도의 파선(26)의 특성을 따르는 흡기행정동안 개방상태를 유지한다. 4행정기관의 경우에 있어서, 곡선(26)은 배기밸브(6)의 재개방상태의 특성을 나타내며, 파선(27)에 의해 나타나는 기존의 개방 위상 후에 흡기행정의 초기에 다시 닫혀진다.
(제5도 및 제6도와 제8도에서) 알 수 있듯이, 배기밸브(6)가 재 개방되는 반면, 흡기관 내에서, 배기 매니폴드 내의 순간압력의 최소치(28)에 해당하는 순간압력은 실린더(1)에 연결되는 유입관내의 부스트 압력의 평균치(20) 보다 낮다. 개방상태의 흡기밸브(5)에 의해 유입되는 공기는 실린더 및 배기관을 소기시키는 반면에 흡기밸브(5) 및 배기밸브(6)는 동시에 개방상태를 이룬다. 제1도에 있어서, 물방울 모양으로 표시되는 공기(A)의 체적은 배기밸브(6) 근처에 위치하는 배기관에 저장되며, 체적 최대치에서, 공기는 배기관(11) 체적을 차지할 수 있다.
저속에서 순간 배기가스 압력의 고위상(29)(평균 부스트 압력보다 크다)이 흡기밸브(5)가 폐쇄된 후 및 배기밸브가 개방 상태일 때 일어난다.
공기(A)는 배기관(1e)내에 저장상태를 유지하고, 압력 최고부(29)에서 실린더로 압입되어, 다음에 이어지는 후급기가 가능해진다. 제5도, 제6도 및 제8도에서 알 수 있듯이, 후급기 효과는 순간 배기가스 압력의 고위상동안 실린더내의 순간압력(22)에서 현저하다. 실선으로 표현되는 상승치(25)에서 알 수 있듯이, 흡기밸브(5)가 폐쇄되는 위상과 순간 배기가스 압력의 고위상이 일치하는 반면에, 하사점(BDC) 근처에서 파선으로 표현되는 상승치(26)와 같이 배기밸브(6)는 아직 개방상태이다.
동일한 터빈유입관에 연결되는 실린더수가 적을수록 후급기효과는 더욱 커진다. 왜냐하면 터빈의 유효단면적에 기인하며, 상기 유효단면적은 배기가스흐름에 대한 배기 매니폴드의 단면적을 구성한다. 제5도 및 제6도의 곡선특성을 따르는 엔진의 실린더들은 동일하다; 그러나 제6도의 4기통 엔진의 경우 펄스가 유동하는, 터비 단면적은 제5도의 2기통 엔진의 단면적의 2배가 된다. 만약 동일한 실린더가 제8도에서처럼 6기통 기관의 경우로 결정되면, 터빈 단면적은 4기통 기관의 단면적의 1.5 배가 크다. 이것에 의해 압력변화의 크기 차가 존재한다.
상기의 후급기 효과는 저속에서 이루어지는 개선된 충전과정을 충분히 설명해준다. 사실, 충전효율의 증가는 1차적으로, 압축행정 초기에서 압력상승(22)에 의해 설명되고, 기존의 과급엔진과 비교하여 제5도, 제6도 및 제8도에 나타낸 것과 같이, 2기통 기관에 대해 약 50% 에서 6기통기관에 대해 약 30%에 이른다. 사실상, 저속에서 공기유동률의 증가는 흡입행정 말기의 소기위상(scavenging phase)에 의해 발생되고, 압축기내의 주어진 압축비에서 50% 에서 100%의 상승을 가져온다. 상기 사실에 의해 “압축기 맵(compressor map)”으로 구성된 “엔진 맵(engine map)”을 일치시키는데 발생되는 어려움 및 속도범위가 클 때 엔진과급에서 발생하는 중요문제들을 상당히 감소시키거나 완전히 제거시켜 향상된 효율로 공기 압축을 가능하게 한다.
저속에서의 충전효율 상승에 의해 연료공급의 증가가 가능한데, 공연비(air-fuel ratio)가 개선되어 과급기에 의한 압력상승이 가능하기 때문이다.
상기의 긍정적 효과가 저속에서는 결정적이며, 2기통 기관의 경우, 가능한 최대 토크는 더 이상 공기부족 또는 허용 가능한 최대 실린더압력에 의해 영향 받지 않는다. 4기통 기관에 대하여 공연비의 제한 및 최대 실린더 압력제한은 거의 동시에 이루어진다.
또 다른 긍정적 효과로서, 상기의 후급기 방식을 사용하는 자체 과급방식은 응답지연(lag)이 전혀 없다는 것이다. 사실상 최대부하 이하의 부하에 대하여, 갑작스런 부하증가 및 엔진가속에 따른 저속 발생시 실린더(4)로부터 펄스에 의해 압입되는 배기관(1e)내의 충분한 공기량은 항상 존재한다.
사실상, 매우 높은 공연비를 제외하고, 과급회로의 에너지 균형이 만족할 만한 소기조건을 확실히 하여주는 중간의 공연비에서의 중간 부하이던지, 혹은 어떠한 소기작용의 가능성도 없는 매우 낮은 부하이던지 상관없이, 배기가스는 주로 공기로 구성되므로, 배기관의 체적은 관(11) 전체에 걸쳐, 100℃에서 150℃의 비교적 낮은 온도의 순수 냉각공기로 구성되거나 혹은 거의 순수공기로 구성된 가스저장부에 의해서 상당부분까지 충전되며, 상기 온도는 작동위치에 대한 배기 온도에 해당된다.
실린더(4)내에 연료공급의 갑작스런 증가는 팽창행정(expansion stroke)에 해당하는 시간지연, 즉 1000rpm 에서 0.3초 또는 크랭크의 1/2 회전 내에 배기가스 매니폴드 내에 펄스를 발생시킨다. 상기 펄스의 고압부(29)는 최대하중에서 거의 같은 시점에 발생한다.
상기 특성에 의해 터보과급기의 공지된 문제점을 제거하는 것이 가능해진다.
그래서, 엔진과도기(engine transients)동안, 연료공급은 기존 터보과급기 엔진에서처럼, 부스트 압력에 의해 제어 가능하거나 각 실린더로 연결되는 유입관내의 평균 순간압력(K)과 배기 매니폴드 내의 평균순간 압력(G) 사이의 차에 의해 제어 가능하다.
사실상 상기 제어변수는 공기(A)가 실린더(4)로부터 발생하는 펄스에 의해 실린더(1)로 압입되어 저장되는 보장해주는 순간 소기포텐샬을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 엔진 부하용량의 갑작스런 증가는 자연 흡기식 엔진으로 알려진, 비과급식 엔진의 부하용량의 증가와 동일하며 이때 부하증가에 따른 소기조건의 만족이 이루어진다.
실제로, 상기의 임계치는 터보과급기의 효율 및 동일한 터빈유입구에 연결되는 실린더 수에 의존한다. 2 기통 기관에 있어서, 상기 임계치와 일치하는 부하는 사실상 없다.
그래서 자체 과급기능은 후급기에 의해 이루어지며, 상기 기능에 이해 터보과급기의 작용이 완성되며, 터보과급기는 작동범위 및 엔진형식에 의존하는 “배출구밸브(wastegate valve)”에 관계없이 고속에 적합하게 크기가 정해지며, 저속에서는 충분한 부스트 압력을 전달하지 않는다.
그러므로 본 발명에 의해 터보 과급엔진의 작동개선이 가능해진다.
제6도 및 제7도의 비교 및 제8도 및 제9도의 비교와 제3도 및 제4도의 곡선(K,G)상의 평균치의 변화는 동일한 엔진에 대한 것이며 순간압력들(20,21,22)의 상대위치에 의해 각각의 엔진에 대한 저속 및 최대속도 사이의 배기밸브(6)의 상승(26)동안 소기 및 후급기 조건의 변화를 나타낸다.
근본적으로, 저속에서, 부스트압력(K) 뿐만 아니라 배기가스 매니폴드(19,G,18)내의 순간압력을 이용하기 위해서는 터빈크기는 가능한 한 소형이어야 하며 상기 배기 매니폴드의 압력은 다음에 가능한 높아야 하는데 실린더(1)의 충전은 충분한 소기가 이루어지는 한 최대 순간압력(18)에 의존한다.
고속 및 최대부하에서, 배기밸브(6)의 개방위상(26)동안 소기역류 또는 연소가스의 후급기가 전혀 없어야 하는데 엔진효율 악화 및 엔진의 열부하를 피하기 위해서이다.
제3도, 제4도 및 제7도 제9도에서 알 수 있듯이, 상기 조건들은 최대속도에서 곡선(K,19,G,18)의 상대위치 및 순간 압력곡선(20,28,21,29,S)의 상대위치가 대략 주어진 예에 일치하여, 배기 매니폴드 및 터빈유입관 내의 평균압력(G)이 최대엔진속도 및 최대부하에서 겨우 5% 에서 10% 정도를 초과하게 된다.
사실상, 제7도의 4 기통기관 및 제9도의 6 기통 기관의 2가지형태의 실린더 그룹에 대하여, 순간압력을 나타내는 그래프상의 상대위치 및 압력(21) 변화의 감소는- 상대치로서 -배기밸브(6)의 주어진 선도(26)를 따르고 연소가스의 역류소기 및 후급기 현상을 막아준다.
제6도 및 제7도 및 제8도, 제9도에서 알 수 있듯이 최고치(S)는 근본적으로 엔진속도 증가에 따라, 크랭크 각도 증가에 따라 이동하며, 고속시 후급기 방지를 촉진시킨다. 상기 현상은 유동이 실린더(4)로부터 실린더 1로 이동하는 소요되는 펄스의 각 시간지연(angular time-lag)을 일으키는 더 긴 배기관들(l1, l′1)에 의해 강화되어진다.
사실상, 관심의 대상이 되는 주기성 가스교환(gas exchange)온 전체 과정에서 볼 때, 고속에서 아치 배기밸브가 열리지 않은 것처럼 보인다.
그래서, “가변형상(variable geometry)효과”는 “고정형상(fixed geometry)”에 의하여 이루어진다.
분명히, 고출력에서 연소가스의 재순환(recycle)이 목적이라면 터빈(T) 및 선도26)의 크기조정은 서로 다르게 이루어져서 재순환을 촉진시킨다. 상기 매개변수의 조정 및 특히 더욱 소형의 터빈선택이 이루어져 저속에서 조차도 높은 충전효과가 이루어진다.
하나의 터비유입관으로 구성되는 동일한 매니폴드 상의 2기통기관의 경우에, 본 발명에서는 터빈크기에 대한 하한(lower limit)을 두지 않는다. 이 경우에 본 발명을 적용하는 것이 매우 간단해지는데 실린더들(1,4)의 배관 내에 펄스가 존재하지 않기 때문이다. 이런 이유로 제5도에서는 기관 최대속도를 나타내는 선도를 제공하지 않았다.
동일한 배기가스 매니폴드에 연결되어 다수의 실린더로 구성되는 실린더구조 기관에서 발생하는 문제들 중의 하나로, 개방위상지속(26)동안 이루어지는 소기에 의한 펄스들 사이의 더 짧아진 시간을 들 수 있다. 상기 원인에 의해 개방위상동안 각위상(angular duration)은 더 짧아지며, 상기 개방위상동안 더 짧아진 최대상승이 일어난다. 소기 및 후급기 효과는 감소된다.
그러므로 동일한 매니폴드에 연결되는 실린더수가 적어질수록, 개방위상지속(26) 및 개방위상시 상승은 더욱 길어질 것이다. 예를 들어, 2 기통기관에 대한 제5도의 리프트(26)는 메인리프트(27)의 28% 이지만, 만약 개방위상지속(26)이 더 길어진다면, 리프트는 더 커질 수 있다. 제6도 및 제7도의 4기통 기관에 대하여 상대적인 리프트(26)는 또한 메인리프트(27)의 28% 이며, 이것은 대략 리프트의 최대치를 이룬다. 제5도 또는 제6도 및 제7도의 엔진과 동일한 밸브 리프트 가속특성을 나타내는 자동차용 엔진에 있어서, 6기통 기관은 메인리프트(27)의 약 27%의 최대 리프트(26)를 이루며 개방위상지속은 12°의 크랭크각 만큼 감소된다.
제8도 또는 제9도에서 알 수 있듯이, 6기통 기관의 리프트(26)는 밸브리프트 가속특성이 더 커짐에 따라 메인리프트(main lift:27)의 31%를 나타낸다. 상기 특성들은 제10도에서처럼, 캠이 측면모양이 원형으로 이루어진 태핏(cam follower:32)과 유기적으로 작동될 때, 최소엔진속도에서 이루어진다.
제8도 및 제9도상의 곡선(26)을 따르는 배기밸브(6)의 리프트장치는 제10도에서 개략적으로 나타냈듯이, 태핏(32)상에서 작용하는 캠(31)에 의해 작동되며, 이 경우 상기 캠은 평면일 수도 있지만, 원형을 이루어 밸브(6)에 운동을 전달시킨다.
상기 캠(31)은 제8도의 종래 기술의 리프트(27)를 따르면, 광각(wide angle:β)부분의 메인로브(33)로 구성된다.
캠(31)은 또 다른 로우브(34) 또는 보쓰(boss)로 구성되며, 로브(lobe) 상부는 메인로브(33)의 상부에서 각도 θ 만큼 떨어져 있다. 상기 로브는 배기밸브(6)의 개방(26)을 야기시킨다. 문제의 예에서, 각도 β는 캠샤프트(camshaft)상에서 147°를 이루며, 즉 4 행정기관의 크랭크샤프트(crankshaft)상에서 294°를 이룬다; 각도 θ는 캠샤프트 상에서 130°인 반면, 각도 α는 캠샤프트 상에서 77°를 이룬다.
실제로 각도 α는 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되는 실린더수의 함수로서 가능한 한 최대각도를 가져서, 제7도 및 제9도에서 알 수 있듯이, 최대부하 및 최대속도에서 역류소기를 방지해준다.
배기관(1e)은 공기 또는 연소가스의 재순환에 용이하도록 구성 가능하여, 실린더 1 내의 난류(swirl) 형성이 이루어져 연소기능이 개선되며, 동일한 방식이 디제기관의 흡기관에도 적용된다.
제15(a)도 및 제15(b)도는 난류형성부의 배기관(1e)의 나선형상(35)을 개략적으로 나타낸다.
후급기 효과에 의해 형성되는 난류는 저속에서 현저해진다. 이 현상은 엔진에 있어서 특히 유리한데, 밸브구조의 2기통 기관에서는 흡기관 내에서 난류형성이 어렵거나 불가능하기 때문이다.
제3도, 제4도 그리고 제6도, 제8도 각각의 설명에 의해서 소기 포텐샬 및 후급기 포텐샬에 의한 터보과급기 효율의 증가는 중요하다.
제4도 및 제8도의 경우에서, 사실상, 터보과급기의 고효율에 의하여, 저속에서 배기 매니폴드 내의 압력(G,21)과 관련된 부스트 압력수준(K,20)은 높은 소기포텐샬 및 압력 최고치(S)를 야기시키며, 상기 압력최고치는 부스트압력(20)을 초과하여 후급기 효과를 만든다.
상기 현상은 본 발명이 산업용 엔진에 적용될 때 더욱 현저해지는데, 터보과급기의 압축기 및 터빈은 그 크기에 의하여, 제4도 및 제8도의 트럭엔진의 효율보다 약 10% 정도 더 높은 효율을 가지기 때문이다.
상기 현상은 배기가스 매니폴드 내의 펄스의 압력수준을 증가시키는 것에 의해 쉽게 이루어진다.
부스트압력(20)과 관련한 배기관(1e)내의 펄스압력을 증가시키기 위해 쓰로트밸브(36)가 제1도에서와 같이, 터빈유출관(16)상에 장착된다.
상기 쓰로트밸브의 개폐작용은 제어장치(37)에 이해 이루어지며, 즉 평균압력 K 및 평균압력 G 사이의 압력차의 함수로서 제어되어, 소기조건이 상당히 만족되어 후급기 포텐샬이 개선되었을 때 터빈배압(turbine back pressure)을 증가시킨다.
상기 조건 하에서는(즉 소기포텐샬이 과대하고 후급기 포텐샬이 과소되는), 터빈유출관(13)과 터빈(T)으로 연결되는 터빈유입관(8,10) 사이의 연결덕트(38)(제1도를 보라)에 의해 압축기(C)에 의해 공급되는 공기의 일부를 바이패스(bypass)하는 것이 훨씬 더 효과적인 방법이 된다.
압력 G가 압력 K와 동일하게 더 크게 바이패스되는 공기의 양을 증가시키기 위해서, 첵크밸브(non-return:39)가 연결덕트(38)의 상류위치에 설치되어, 공기가 터빈유입관으로 유입되며, 연소가스의 역류를 방지해준다.
밸브제어장치(40)가 밸브(39) 및 관(8,10) 사이에 덕트(38) 상부에 구성된다.
제17도는 밸브제어장치(40)의 실시예를 구체적으로 설명해준다. 대체로, 터빈케이싱에 구성되는, 상기 장치는 다음과 같은 구성을 가진다: 밸브(41)는 개방시, 연결덕트(38)가 구성되는, 챔버(43)과 터빈케이싱 유입관의 내부(44) 사이에 통로(42)를 개방시키며; 공압실린더(45)는 밸브(41)의 개폐를 제어한다.
상기 공압실린더(45)는 두개의 챔버들(47,48)로 구성되며, 피스톤(46)이 내장된다. 챔버(47)는 압축기 C의 유출관(13)에 연결되는 관(49)가 구성되는 반면, 챔버(48)는 터빈케이싱의 내부(44)에 연결되는 관(50)이 구성된다. 피스톤(46)은 배기매니폴드 및 챔버(48)내의 평균압력 G 과 부스트 압력 사이의 압력차 △P에 놓이게된다. 스프링(51)이 챔버(48)에 구성되어 압력 K 이 압력 G 보다 낮을때는 밸브를 밀폐위치로 유지시킨다.
압력차 △P에 대한 규정특성은 스프링(51)의 탄성력에 의존하며, 스텝 피스톤(stepped piston:46)의 구성으로 실현 가능하다. 실제로, 소기포텐샬 및 후급기 포텐샬의 균형유지 작업이 이루어져야하며, 밸브(41)의 개방시, 압력 G가 압력 K에 근접하거나 더 낮게 유지되는 특성에 의해 밸브(39)를 구성에서 제외시키도록 시도될 것이다.
상기 실시예의 변형예는 2개의 챔버들(47,48)로 구성되며, 두개의 챔버들은 피스톤 구성요소가 아니라 밸브(41)의 댐핑장치(damping device)로서 부스트압력의 공기가 충전된다. 이 경우에 있어서, 제17도에는 나타나지 않은 노즐(nozzle)이 피스톤(47)을 통과하여 두개의 챔버들(47,48)을 연결하도록 구성되거나, 실린더 외부에 설치되어; 관(50)이 구성에서 제거된다. 이 경우, 밸브(41)의 위치는 스프링(51)의 작용 및 밸브헤드(valve head)에 작용하는 압력, 즉 챔버(43)의 부스트압력 K 및 터빈케이싱 유입관 내부(44)의 압력 G의 균형으로 나타나는 결과이다. 상기 변형예에 의해 밸브를 임계압력 이상으로 예를 들어 부스트 압력 이상으로 밀폐상태를 유지하여 작동을 중지시키는 것이 가능하며, 엔진에 충분한 소기포텐샬을 유지시킨다. 상기 임계압력은 또한 부하(가스페달의 순간위치) 및/또는 엔진속도에 의존한다.
상기 제어장치(40)는 바이패스밸브(15) 또는 배출구밸브 및/또는 가변 터빈과 독립적으로 또는 공동으로 사용 가능하다.
제17도의 형태로 구성되고 압력차 △P에 의해 제어가 이루어지는 제어장치는 또한 본 발명을 따르면서, 가변터빈의 노즐 유동면적을 효과적으로 제어 가능하게 구성된다.
제16도는, 제11도와 같이, 터빈유입관(9)의 하류에 배기 매니폴드상에 쓰로트(52)의 실시예를 개략적으로 나타내는 반면에, 2개 이상의 실린더들이 동일한 터빈유입관에 연결된다. 고려되는 예에서, 실린더들(1,4)은 관(53)에 연결되는 반면에, 실린더들(2,3)은 관(54)에 연결된다. 상기 관들(53,54)은 두개의 쓰로트영역(55,56)을 통과하는 터빈유입구(9)에서 서로 만난다. 중간의 격벽(57)이 쓰로트(52)영역에서 단면적의 점진적인 감소를 이룬다.
쓰로트(52)에 의해서 순간 배기가스 압력의 저위상의 최소치를 변화시키지 않고 최고치 S(제5도에서 제9도까지에서)의 상승이 발생한다.
제5도의 경우에서와 같이 동일한 터빈유입구상에 2기통 기관에서 주어지는 조건들과 유사한 조건들을 형성하는 것에 의해, 후급기 효과 및 소기 포텐샬의 개선이 가능해진다. 상기 효과는 쓰로트(55,56)의 단면적이 터빈의 단면적(스테이터(stator) 및 로터(rotor)가 차지하는 단면적) 보다 더 작아질 때 현저해진다.
이 경우, 압력의 고위상은 더 이상 터빈 “크기(size)”의 함수가 아니라, 오히려 쓰로트의 유동단면적의 함수가 된다.
제18도는 제5도와 유사한 구성을 가지는 그래프로서, 1500rpm에서, 최대부하로, 동일한 배기 매니폴드 상의 2 기통기관으로 구성되는 자동차용 엔진과 같은 본 발명을 따르는 2 행정엔진의 작동상태를 나타낸다. 엔진은 제5도의 엔진과 유사한 엔진이다(동일한 유니트 행정 및 동일한 최대 행정압력으로 구성된). 엔진은 가변 터어빈으로 구성되며, 상기 터어빈에서 터빈 압력비와 함께 부스트 압력 임계치 예를 들어 최대출력에서 3 bars의 최대 부스트 압력 임계치에 대해 2 bars 이하에서 평균압력 G가 언제나 부스트 압력 K에 근접하도록 터빈 단면적이 제어된다. 엔진은 또한 고정형 터빈 및 밸브제어장치(40)로 구성된다.
배기밸브 및 흡기밸브의 캠면의 속도는 제5도 및 제8도의 예에서 보다 훨씬 크다.
전술한 바와 같이, 2 행정기관에 대한 밸브-리프트 곡선은 4행정기관에 대한 밸브 리프트 곡선과 다른데 배기밸브(6)의 리프트를 나타내는 파선(26,27)은 하나의 커브로 일치하기 때문이다. 제5도에서 제9도에 나타난 4 행정기관에 대한 그래프에서와 같이, 개방말기의 위상(26)은 흡기밸브가 폐쇄된 후(리프트가 실선(25)으로 나타난다), 곡선(26)의 후급기 위상에 일치하는 반면에, 배기밸브 및 흡기밸브가 동시에 개방되는 위상이 개방위상의 초기(26) 즉 실린더 뿐만 아니라 4 행정기관의 배기관(1e)의 소기위상에 일치한다.
배기 매니폴드내의 순간압력(21)의 최고치 S는 부스트압력(20)에 비해 제5도의 최고치 보다 훨씬 높다. 이것은 배기밸브의 조기개방 및 개방속도에 기인한다.
후급기 효과는 매우 중요한데, 상기 위상에서 흡기밸브의 폐쇄에서 도달하는 수치에 비하여 충전기능이 50% 정도 증가하기 때문이다.
더 높은 속도에서, 실린더 소기에 대한 만족할 만한 조건들이 적절한 터빈크기 결정에 이해 흡기밸브 개방이 이루어지는 동안 유지된다. 4 행정기관에 대하여, 후급기 효과는 엔진속도가 증가함에 따라 감소된다; 그러나 최대 허용 부스트 압력은 배기밸브 폐쇄지연 때문에 4 행정기관의 상기 부스트 압력보다 높다.
본 발명을 따르는 2 행정기관의 경우 동일한 터빈유입구에 연결되는 세 개 및 네 개 실린더가 연결되며, 배기밸브 리프트의 개방각지속(26,27) 및 흡기밸브 리프트의 개방각 지속(25)은 제18도의 예와 비교해 볼 때 대략 각각에 대하여 60° 및 90°가 짧아져서 실린더들 사이의 다양한 각도 위상차를 고려해야 한다.
제18도의 밸브리프트 곡선들에 의해 본 발명을 따르는 2 행정기관은 모든 범위에서 작동 가능하여, 터보과급기는 유일한 소기원(scavenging air source)이 되며; 보조 블로우어(blower)는 필요하지 않게 된다.
본 발명이 적용 가능한 다양한 실시예를 고려하면, 각각의 특수한 경우를 따르는 서로 다른 밸브-리프트 곡선을 자세히 그리는 것이 불필요해짐을 알아야 한다.
후급기 효과는, 실린더 1의 흡기행정시, 고위상부분(29) 그리고 배기가스 매니폴드내의 순간압력(21)의 최고치 S의 각 위치(angular position)에 의존할 뿐만 아니라 최고치 S에 도달되는 압력에도 의존한다.
주어진 다른 예에서 알 수 있었듯이, 최고치 S의 압력 및 각 위치는 몇 개의 인자(factor)에 영향을 받는다. 물론 최고치 S의 압력 및 각 위치는 각위상차에 의존하지만, 실린더(1)와 고압영역(29)를 발생시키는 실린더 사이의 동일한 터빈유입관이 연결되는 실린더 구조에 따라 변한다. 또한 최고치 S의 압력 및 각위차는 상당한 정도로 배기밸브 개방속도 및 터빈을 통과하는 단면적에 의존한다; 상기 압력 및 각위치는 배기가스 매니폴드 체적에는 덜 의존한다.
주어진 모든 예들은 저속영역에서 실린더의 충전기능을 개선하고, 특히 최대 엔진속도의 약 1/3 정도 속도에서 본 발명의 실시예가 “적응하도록”하는데 목적을 두고 있으며, 상기의 약 1/3 정도의 속도에서는 제5도, 제6도, 제8도 및 제18도에 나타나 있듯이, 터보 과급엔진은 불충분한 부스트 압력을 받게된다.
상기의 모든 예에 있어서, 최고치 S의 각 위치는 곡선(25)의 흡기밸브 폐쇄각도 및 곡선(26)의 배기밸브 폐쇄각도 사이의 각도와 대략적으로 일치한다.
흡기밸브가 폐쇄되는 각도는 일반적으로 크랭크각도로 10°와 30° 사이이며, 개방리프트말기(26)의 이전각도이다.
본 발명에 의해 상기 예에 의해서, 특히 저속에서와 같이, 후급기가 일어나는 속도에서 높은 토크(high torque)를 얻는 것이 가능하다.
제2도에는 중요한 결과로서, 종래 기술을 따르는 과급 디제엔진을 구성하고, 제5도 제6도, 제7도 및 제18도의 자동차용 엔진을 구성하고 본 발명을 따르는 실린더내의 평균유효압력(mean effective pressure)의 변화를 나타낸다. 평균유효압력은 단위행정당 실린더 체적으로 나눈 단위행정당 얻어진 일과 등가하다. 상기 예에서, 각각의 실린더는 2개의 배기밸브 및 2개의 흡기밸브 및 예비실연소실 시스템으로 구성되어 있다.
곡선 58은 종래 기술의 과급엔진의 특성을 나타낸다. 곡선 59 곡선 60, 곡선 61은 4 행정 과급엔진의 경우에 해당되며, 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되는 2개, 4개 및 6개의 실린더들로 구성되고 본 발명을 따른다. 곡선(62)은 본 발명을 따르고 동일한 배기가스 매니폴드에 연결된 2 실린더로 구성된 2 행정 과급엔진에 해당된다.
본 발명에 따르면, 저속에서, 평균유효압력은 종래 기술의 과급엔진의 평균유효압력 보다 훨씬 높다. 평균유효압력에 비례하는 엔진 토크는 저속에서 상당히 증가된다.
후급기 효과는 터보과급기능이 없이도 가능하다. 그러나 배기관 내에 소기포텐샬을 가진다. 예를 들어 초고속으로 작동하는 경주용 자동차의 경우 흡기시스템을 “튜닝(tuning)”하는 것에 의해 가능하다. 4 행정기관용 3 기통 구조는 밸브리프트 선도가 매우 “오픈(open)”할 때 가능하다. 물론, 본 발명을 적용하기 위한 엔진속도는, 최대토크가 도달되는 속도영역으로 강하하며, 실제로는 상기 속도영역의 중간치 이상으로 강하한다.
유사하게 배기밸브(27,26) 및/또는 흡기밸브(25)의 개방제어장치 본 발명의 적용과정을 개선하기 위해 변형이 가능하다.
제19도는 제1도를 따르는 엔진 실시예의 변형예를 나타낸다. 상기 변형예는 제1도를 참고로 하는 상기의 모든 구성품들로 구성되며 동일한 도면부호가 구성품들에 대해 지정 되어있다.
더구나, 상기 변형예를 따르면, 엔진은 추가로 블로우어(63)가 장착되어 일체형의 소형 전기모터에 의해 구동되며, 공기필터가 블로우어에 장착되거나, 일점쇄선으로 나타낸 압축기(64)로 구성되어 엔진출력 축으로 구동된다.
블로우어(63)는 작동 시, 터보과급기의 압축기(C)로 연결되는 유입관(12)의 덕트(65)로 공기를 배출시킨다. 밸브(66)는 압축기(C)로 연결되는 유입관 즉 덕트(65)의 연결점의 상류위치에 장착된다. 밸브(66)의 밀폐가 제어될 때 블로우어(63)가 작동하여, 블로우어에 의해 전달되는 공기가 압축기(C)의 반대방향의 유입관(12)으로 역류되는 것을 방지한다. 블로우어(63)는 최대압력비중 낮은 수치 즉 1.02/1.03의 수치를 가지며, 예를 들어 2단 또는 3단 원심 블로우어로 구성된다. 제어장치(67)가 장착되어 엔진속도에 의존하는 블로우어(63)를 작동시킨다. 일반적으로 블로우어(63)는 저속 또는 매우 낮은 엔진속도에서 시동된다.
그래서, 블로우어(63)에 의해 터보과급기에 의하지 않고 후급기가 가능하며 터보과급기의 작동이 이루어진다. 블로우어(63)는 매우 저속에서 후급기 기능을 개선시키며, 소기포텐샬이 제한되고, 흡기측 및 배기측 사이에 불충분한 압력구배가 존재하며 압력이 없거나 음압(negative pressure)이 걸린다.
블로우어(63)는 특히 2 행정기관 및 아이들링 속도(idling speed)에 적합하다.
천이영역에 대하여, 특히 가속 시에는 상기에 언급한 것처럼, 다소 터보 과급기능의 지연이 발생한다; 사실상 블로우어(C) 출구에서의 압력증가는 엔진 유입구에서 필요로되는 압력상승과 비교하여 다소 지연된다. 엔진작동을 개선하기 위해, 특히 저속으로부터 가속시, 고압(high-pressure) HP은 압축기(64)에 의해 제공되며 상기의 압축기는 쿨러(14) 하류위치에 설치되어 엔진으로 통하는 유입관과 연결된다. 이 경우 블로우어에 의해 나타나는 상기의 기능이 압축기(64)에 의해 나타나고 기능의 정도가 커져서 블로우어(63)를 필요기능상 잉여장치로 만든다.
압축기(64)는 천이구간, 특히 가속시에서 또는 일시적인 최대 토크가 필요할 때, 특히 중속영역(medium speed range) 및 저속에서 터보과급기를 이용한 후급기(post-charging) 기능을 개선하는데 사용 가능하다.
실제로 특정 임계 가속도로부터(주어진 부하 증가치 이상으로, 예를 들어 주어진 가스페달 위치의 범위로부터) 발생하는 천이조건에서 또는 터보과급기 단독으로 작동될 때 보다 더 높은 토크를 얻기 위해(오버부스트 조건에서) 일정한 속도에서 압축기가 기능상 관여된다. 모든 작동상태에서 특히 정상상태 조건(정속상태)에서는 엔진의 최대효율이 이루어지도록 압축기는 구성상 제외된다.
제20도에 있어서 압축기(C)는 엔진(M)의 출력축(68)에 의해 구동되며, 예를 들어 기어벨트(toothed belt:69) 또는 전자클러치(69a)에 의해 구동된다. 압축기(64)에 연결되는 공기유입구(70)는 바이패스덕트(71) 하류위치 및 쿨러(14) 유출관 상류위치에 연결되며, 밸브(72)에 의해 제어된다.
압축기 압축공기의 유출구(73)는 쿨러(74)에 의해 엔진 M에 연결된 공기유입관(A)와 연결된다. 바이패스덕트(71)는 쿨러 유입관(74)에 연결된다.
압축기 압축비는 대략 2 정도에 이를 수 있다.
압축기기동은 제어장치(67a)의 명령에 따라 반응하며, 클러치(69a)를 넣고 밸브(72)를 폐쇄하는 것으로 이루어진다. 유입관 A에 공급되는 공기는 압축기(64) 유출관(73)에서 유출되는 공기이다. 밸브(72)의 개방 시, 압축기(64)는 회로 단락 상태이다.
본 발명에 의하면, 압축기(64)는 터보과급기와는 별도로 엔진 과급기능을 수행 가능하다.
압축기(64)에 의해 심지어 압축기(64)가 구성에서 제외되더라도 두개의 쿨러들(14,74)이 터보과급기에 의해 공급되는 압축공기의 공급을 가능하게 함에 따라, 압축기는 고압상태를 이루는 것이 선호된다. 그러나 압축기는 저압상태에서 사용가능하다.
제21도 및 제22도는 제16도에서와 같이 쓰로트로 구성된 “펄스 컨버터(pulse converter)”의 개선된 실시예를 나타낸다.
제21도는 터빈유입관(9)의 상류위치의 배기가스 매니폴드 상의 쓰로트(52)의 또 다른 개략도를 나타낸다. 동일한 구성품이 동일한 도면부호로 지정되어있다.
종래기술의 “배출구밸브”의 설계에 따르면, 배출구밸브는 파선으로 표시된 원의 위치 쓰로트(52)의 하류위치 즉 바로 터빈 유입관 위치에 나타난다.
본 발명에 따르면, 동일한 유입관에 연결되는 2개의 실린더 브랜치들(cylinder branch:53,54) 수와 일치하는 다수의 배출구 밸브를 이용하고 상기의 배출구 밸브는 쓰로트(52)의 상류위치에 구성하는 것이 유리하다.
본 발명을 따르는 예에서, 2개의 실린더 브랜치들(53,54)은 동일한 터빈 유입관에 연결되며, 두개의 “배출구 밸브”들, 즉 브랜치들(53,54) 내에 구성되는 각각의 밸브들이 쓰로틀(52)의 바로 상류위치에, 각각의 쓰로틀영역(55,56)에 구성된다.
밸브들(76,77)은 터빈 케이싱 내에 구성되는 것이 선호되며, 즉 쓰로트(52)가 터빈케이싱입구 즉 격벽(57)이 구성되는 입구에서 내측에 위치한다.
밸브들(76,77)은 하나의 작동장치, 즉 공압실린더에 의해 동시에 제어된다.
제21도의 개략도에서 2개의 밸브들(76,77)들이 나란히 구성되어 링키지(linkage)에 의해 작동을 용이하게 한다.
제22도와 같이, 두개의 밸브들(76,77)이 서로 마주보게 구성하는 것이 가능하다. 상기 밸브들은 플랩(flap)으로 구성되며, 각각의 밸브들은 제22도의 도면에 대해 수직을 이루는 축에 대하여 플랩 상단부에서 관절 연결상태이다. 상기 위치에서, 밸브들이 개방상태일 때 터빈을 회로단락시키는 배기가스 바이패스 통로를 향하는 공기유동이 용이하게 된다.
종래 기술의 밸브에서와 마찬가지로, 고속 및 유동량이 클 때 밸브들(76,77)이 개방되는데, 배기밸브가 다시 개방되는 동안 역류소기는 발생하지 않아야 하기 때문이다.
쓰로트(52)의 상류에 위치하는 2개의 밸브들(76,77)에 의해 가스유동의 교축작용(throttling)이 감소되며, 배기행정 과정의 실린더와 관련된 순간 배압(back-pressure)이 발생된다. 이것은 밸브들(76,77)이 개상상태일 때 유동통로의 확대에 기인하며 또한 상기 밸브들을 쓰로트(52)의 상류에 구성하는데 기인한다.
터빈 T를 통과하는 가스유동만이 교축과정을 겪는 반면에, 개방상태의 밸브들(76,77)을 통해 바이패스되는 유동은 교축되지 않고 속도가 감소된다.
또 다른 장점은 다음과 같다: 브랜치(53)내로 배기가 이루어지는 실린더를 예를 들어 설명한다. 상기 실린더의 피스톤이 상사점(top dead centre)에서 하사점(bottom dead centre)까지 흡기행정을 겪는 동안, 배기밸브는 흡기밸브와 중첩구간(overlap period)동안 폐쇄상태이거나 재개방상태(re-opened)이다. 펄스가 브랜치(54) 내에 발생할 때(쓰로트(52)의 상류에 구성되는 밸브들(76,77)이 개방상태이기 때문에), 가스압력은 브랜치(53)에서 강하되며, 펄스는 존재하지 않는다. 이것은 브랜치(53)에 해당하는 교축영역(55)은 밸브(76)에 의해 터빈유출관의 압력관 호환상태를 이루고, 상기 압력은 교축영역(55)의 하류에 위치하는 터빈유입관(9)의 압력보다 훨씬 낮기 때문이다. 브랜치(53)와 연결되는 상기의 실린더 내에는 인접한 브랜치(54)로부터 펄스가 방지되어진다.
상기 결과는 제23도에서 파선(21′)으로 나타나며, 밸브(76,77)로 구성된 실시예의 변형예에 대하여, 상기 실린더의 배기가 이루어질 때 브랜치(53) 압력을 나타낸다. 실선(21")은 “배출구”밸브가 제21도의 원(75)의 위치에 구성될 때만 실시예의 특성과 일치한다. 상기 곡선에 있어서, 인접한 브랜치(54)에 의해 야기되는 브랜치(53)내의 중간펄스 B′는 펄스 B"보다 훨씬 약하다. 비교해보면, 제7도로부터 일점쇄선(21)이 제21도에 다시 제시되며 상기 곡선은 “펄스컨버터”없이 “배출구밸브”가 구성된 동일 터빈과 동일한 작동조건에 해당한다. 중간펄스 B는 다른 펄스보다 커서 더 높은 섭동(perturbation)을 일으킨다.
쓰로트(52)의 하류위치에 구성되고 2개의 밸브들(76,77)로 구성되는 실시예의 변형예에 의해 더욱 소형의 터빈이 구성가능하며, 고속에서는 역류소기의 위험을 발생시키지 않고, 저속에서는 더 큰 토크를 확보 가능하다.
제5도에 있어서, 실린더 각각에 연결되는 유입관의 순간 부스트압력은 편의상, 일정한 것으로 가정하며, 일정한 값(직선20)으로 표시되었다. 엔진속도가 저속이 될수록 상기 가정은 더욱 잘 맞는다. 고속에서, 특히 흡기관들은 고속에 맞도록 튜닝될 때(즉 흡기관(1a)이 고속에서 흡기 압력변화가 일어나는 길이로 구성될 때), 제23도의 점선(20a)으로 나타나는 흡기압력 변화를 얻을 수 있다. 종래 기술에서, 상기 변화는 고속에서 실린더의 급기효율(charging efficiency)을 향상시킨다. 본 발명에 의하면, 유입관 압력(20a) 및 유출구압력(21,21′) 사이의 양의 순간 압력차이(positive instantaneous pressure differential)를 이용하는 것이 바람직하며 상기의 튜닝 작업이 바람직하며 이때 배기밸브는 다시 개방상태가 된다. 상기 과정에 의해 제23도에서처럼 경미한 소기효과가 고속에서 일어나거나, 역류소기의 위험부담 없이 더욱 소형의 터빈이 사용 가능해진다.

Claims (23)

  1. 실린더의 충전이 이루어지는 동안 실린더 배기 작용의 시작과 끝이 배기밸브에 의해 이루어지며, 실린더 배기밸브(6)가 개방상태를 이루어 유입관(1a)/실린더(1)/배기관(1e)에 소기가 이루어지며, 이때 흡기밸브(5) 및 배기밸브(6)가 동시에 개방상태를 이루며, 평균 부스트압력으로 터보과급기에 의해 주로 과급이 이루어지고, 공기로 소기가 이루어지는 내연기관의 작동을 개선하기 위한 방법에 있어서: 다수의 실린더들(2,3;1,4)이 동일한 배기가스 매니폴드(8,10) 상에 그룹을 이루어 구성되어 배기관(1e) 내의 압력이 시간에 따라 실제 진폭의 크기가 변화하는 것을 특징으로 하고; 실린더(1)의 공기충전이 이루어지는 동안 실린더(1)의 배기밸브(6)는 개방상태를 이루어, 주어진 엔진속도범위에서, 배기관내의 평균 부스트압력(20) 보다 낮은 순간 배기가스압력의 저위상에 의해 흡기관(1a)/실린더(1)/배기관(1e)에 소기가 이루어지고 이때 흡기밸브(5) 및 배기밸브(6)는 동시에 개방상태를 이루는 것을 특징으로 하고, 상기의 주어진 엔진속도범위이상의 엔진속도에서, 배기가스의 실린더(1)에 대한 후급기가 불가능하도록 터빈(T) 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동을 개선하기 위한 방법.
  2. 실린더의 충전이 이루어지는 동안 실린더 배기작용의 시작과 끝이 배기밸브에 의해 이루어지며, 실린더(1)의 배기밸브의 개방장치가 구성되어 유입관(1a)/실린더(1)/배기관(1e)에 소기가 이루어지며 이때 흡기밸브(5) 및 배기밸브(6)가 동시에 개방상태를 이루며, 제1항을 따르는 방법을 수행하고, 평균 부스트압력으로, 주로 과급이 이루어지고, 공기로 소기가 이루어지는 내연기관에 있어서: 내연기관은 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되는 다수의 실린더들로 구성되어 배기관(1e)내의 압력은 시간에 따라 크기가 변화(28,29)하는 특징을 가지고, 실린더 충전과정의 말기에 실린더(1)에 위치하는 배기밸브(6)의 개방장치(31,34)가 개방되어, 저속에서, 평균 부스트압력(20) 보다 낮고 또 다른 실린더에 의해 야기되는 배기관내의 순간 배기가스 압력의 저위상에 의해 흡기관(1a)/실린더(1)/배기관(1e)에 소기가 이루어지고 이때 흡기관(5) 및 배기관(6)은 동시에 개방상태를 이루는 것을 특징으로 하고, 흡기밸브(5)가 폐쇄된 후와 배기밸브(6)가 아직까지 개방상태에 있을 때에 순간 배기가스압력의 고위상이, 배기관(1e)내에 기 저장된 공기(A)로 후급기가 이루어지도록 사용되는 것을 특징으로 하고, 상기의 주어진 엔진속도범위 이상의 엔진속도에서, 배기가스의 실린더(1)에 대한 후급기가 불가능하도록 터빈(T) 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제2항에 있어서, 배기밸브(6)의 폐쇄(개방리프트의 말기(26))가 배기관 내에 압력최고치(S)가 도달되는 순간 일어나고 상기 압력최고치(S)가 도달된 후 크랭크 각으로 30°이하일 때까지 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제3항에 있어서, 배기밸브(6)의 폐쇄(개방 리프트의 말기(25))가 배기밸브(6)의 개방리프트 말기(26)에서 크랭크 각도로 30° 및 10° 사이를 두고 앞서 일어나는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제2항에서 제4항 중의 한 항을 따르고, 배기밸브(6)가 흡기행정 초기가 지난 후 폐쇄되는 4 행정기관에 있어서, 배기밸브(6)가 흡기행정 말기에 다시 개방되는 것을 특징으로 하는 4 행정기관.
  6. 제5항에 있어서, 실린더(1)의 배기밸브(6) 재개방시, 캠(31)에 로브(34)가 구성되고 로브의 각도가 가능한 크게 만들어져 엔진최대 속도에서 역류소기가 방지되는 것을 특징으로 하는 4 행정기관.
  7. 제6항에 있어서, 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되고 한 개의 터빈유입관으로 연결되는 실린더의 수가 최대로 7개인 것을 특징으로 하는 4 행정기관.
  8. 제6항에 있어서, 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되고 한 개의 터빈유입관으로 연결되는 2개의 실린더가 크랭크 각도로 360°에서 구성되는 것을 특징으로 하는 4 행정기관.
  9. 제6항에 있어서, 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되고 한 개의 터빈유입관으로 연결되는 4개의 실린더가 크랭크각도로 180°에서 구성되는 것을 특징으로 하는 4 행정기관.
  10. 제6항에 있어서, 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되고 한 개의 터빈유입관으로 연결되는 6개의 실린더가 크랭크 각도로 120°에서 구성되는 것을 특징으로 하는 4 행정기관.
  11. 제2항에서 제4항 중의 한 항에 있어서, 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되는 실린더들이 폭발행정을 가져서, 1번 실린더(1)가 흡기행정 말기에 있을 때, 다른 실린더(4)가 블로우 다운 위상의 초기에 있게되고, 상기 다른 실린더(4)에 의해 발생되는 배기 매니폴드 내의 “펄스”는 1번 실린더(1)의 후급기를 보장해주는 주는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 제11항을 따르고 배기밸브 및 흡기밸브로 구성되는 2행정기관에 있어서, 소기위상이 지난 후에, 흡기밸브가 폐쇄되고 나서 배기밸브가 개방되어 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되는 또 다른 실린더로부터 “펄스”의 이용을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 2 행정기관.
  13. 제12항에 있어서, 동일한 실린더에 연결되는 2개의 실린더들이 크랭크 각도로 180°에서 구성되는 것을 특징으로 하는 2 행정기관.
  14. 제12항에 있어서, 동일한 실린더에 연결되는 3개의 실린더들이 3랭크 각도로 120°에서 구성되는 것을 특징으로 하는 2 행정기관.
  15. 제2항에 있어서, 교축밸브(36)가 터빈유출관(16)에 구성되고 상기 교축밸브의 개폐가 엔진속도에 따라 제어장치(37)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  16. 제2항에 있어서, 연결덕트(38)가 압축기(C)의 유출관(13)과 터빈(T)에 연결되는 유입관들(8, 10) 사이에 구성되고, 첵크밸브(39)가 연결덕트(38)내에 설치되고 밸브제어장치(40)가 상기 연결덕트(38)상에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  17. 제16항에 있어서, 밸브제어장치(40)가 부스트압력(K) 및 배기가스 매니폴드 내의 순간압력의 평균압력(G)에 의해 영향을 받아서 연결덕트(38)의 밸브개방을 확실히 해주며, 상기 부스트압력(F) 및 평균압력(G)은 최대 부스트압력 이하의 압력 범위 내에 대략 등가하게 유지되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  18. 제2항에 따르고 동일한 터빈유입관 및 동일한 배기가스 매니폴드에 연결되는 2개 이상의 실린더로 구성되는 내연기관에 있어서, 쓰로트(52,55,56)가 실린더들(1,4) 및 실린더들(2,3) 각각에 파이프들(53,54)이 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  19. 제8항에 있어서, 내연기관이 터빈유입관에 대하여, 다수의 “배출구”밸브들(76,77)로 구성되며, 상기 배출구밸브의 수가 동일한 유입관에 연결되는 2개의 실린더 브랜치들(53,54)의 수와 동일하며, 상기 “배출구” 밸브들(76,77)이 쓰로트(52)의 상류위치에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  20. 제2항에 있어서, 배기밸브(6) 근처에 위치하는 배기관(1e)이 후급기 위상 동안 실린더(1) 내에 난류를 발생하도록 형상설계가 이루이지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  21. 제2항에 있어서, 내연기관이 부가적인 블로우어(63) 또는 엔진 출력축에 의해 구동되는 압축기(64)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  22. 제21항을 따르고, 압축기(64)로 구성되는 내연기관에 있어서, 압축기(44)을 고압 발생장치이며, 압축기 유출관(73) 및 엔진에 연결되는 공기유입관(A) 사이에 위치하는 쿨러(74)에 연결되는 장치(71,72) 및 쿨러(74)로 구성되어, 압축기가 구성되어 있는가에 관계없이, 흡기공기가 정상상태로 쿨러내로 유동하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  23. 제2항에 있어서, 흡기관이 엔진의 고속에 맞게 튜닝되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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