KR100575030B1

KR100575030B1 - 가변 압축율을 가지는 내연 기관

Info

Publication number: KR100575030B1
Application number: KR1020007002437A
Authority: KR
Inventors: 마이클 패트릭 딕손
Original assignee: 마이클 패트릭 딕손
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2006-05-02
Also published as: ATE477410T1; EP1012461A1; US6427643B1; JP2001515987A; EP1012461B1; KR20010023780A; WO1999013206A1; EP1012461A4; DE69841827D1; AUPO904197A0; ES2352785T3

Abstract

본 발명은, 하나의 부품 안으로 다른 하나의 부품이 끼워지는 두 부품을 포함하는 연소 체적을 가지는 희박 연소 자동-점화 내연 기관에 관한 것이고, 상기 제 2 부품의 체적은 엔진의 여러 가지 작동 매개변수를 고려한 제어 장치(34)에 의해 바뀔 수 있으므로 점화된 연료 투입량으로부터 최대의 장점을 제공할 때 자동-점화가 일어나도록 보장한다. 피스톤 기관에서 제 2 실린더(30)와 피스톤(31)은 주 실린더(10) 안으로 끼워지고, 제 2 실린더에서 피스톤은 두 피스톤(11,31)에 의해 한정된 연소 체적의 압축율을 바꾸도록 연속 운동할 수 있어서 점화된 투입량에 의해 발생되는 전력을 최대로 활용할 수 있도록 주 피스톤의 운동 위치에서 점화가 일어난다.

Description

가변 압축율을 가지는 내연 기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION RATIO}

본 발명은 자동-점화 내연기관(auto-ignition internal combustion engine), 특히 희박연소(lean burn) 조건에서 작동하도록 채택된 엔진(engine)에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관(internal combustion engine)은, 스파크 점화 가솔린 또는 가스 엔진과 자동점화(auto-ignition)를 이용하는 디젤 엔진(diesel engine)의 두가의 타입들 중 하나로 구성되는데, 즉 연료(fuel)는 매우 높은 온도와 압력으로 압축되어지는 공기 투입량(air charge)으로 가압하여 주입되어진다. 투입된 공기와 혼합되어지고 일정한 시간이 경과한 후에, 자동점화에 의해서 점화가 발생한다.

공기 표준 사이클(air standard cycle)은 만일 증가된 단열지수(adiabatic index)의 가스 투입량(gas charge)으로써 내연기관이 작동되어질 수 있다면, 보다 효과적으로 되는 것을 보여준다. 동일한 공기 표준 사이클은 약 0.1 단열지수의 증가는 어떠한 압축비(compression ratio)에서도 약 10% 정도의 효율의 증가를 가져오는 것을 보여준다. 상기 단열지수(adiabatic index)를 높이기 위한 실무적인 방법은 보다 희박한 연료-공기 비율(learner fuel-air ratio)에서 엔진을 작동하는 것이다. 이는, 공기가 불연소 차아지(unburned charge) 및 연소차아지(burned charge)에 대해 모든 온도 영역에 걸쳐서 가장 높은 지수(index)를 가지며, 상기 지수는 연료-공기 비율이 증가함에 따라 감소되기 때문이다. 그러나, 화학량론적 혼합(stoichiometric mix)에 도달했을 때 연소된 투입량 지수(burned charge index)는 다시 증가하기 시작하지만, 연료의 완전 산화(oxidation)를 위한 산소의 부족으로 인하여 고농도의 혼합물 연소(rich mixture combustion)는 더 효율적이게 된다.

만일 엔진이 대략 0.5의 등가비(equivalence ratio, 당량비)(연료의 화학량론적 질량에 대한 투입량(charge)으로서 전달된 연료의 질량)로써 작동되어질 수 있다면, 연소량(burned charge)에 대한 단열지수의 평균 증가율은 약 0.06이고, 불연소량(unburned charge)에 대해서는 대략 0.02이다(Internal Combustion Engine Fundamentals, Heywood, 1988). 낮은 등가비(equivalence ratio)에서, 지수는 더 높게 된다. 이를 근거로 하여, 만일 엔진이 증가된 열용량(capacity)을 가지며 더 작은 대응부(counterpart)로서 동일한 양의 연료를 연소한다면, 출력부(output)에서 증가가 일어나게 된다.

현재의 스파크 점화 엔진(spark ignition engine)은 희박 연소 영역(lean burn region)에서의 한계로서 0.8의 등가비(equivalence ratio)를 가지고 작동한다. 이는 0.8 이하의 등가비(equivalence ratio)에서는 연소실패의 경우가 증가하기 때문이다. 여기에는 세가지 주요한 이유가 있는데, 불꽃을 발생시키는 스파크가 발생하지 않아서 점화되지 않으며; 불꽃은 연소(combustion)시키는데 너무 희박한 양(charge)의 영역에 닿으며; 불꽃속도 또는 연소속도는 너무 느려서 팽창(expansion)이 불꽃을 끄기 전에 투입량(charge)을 모두 소비하는 것이다.

공기 표준 사이클(air standard cycle)이 나타내는 바에 따르면, 엔진 효율성을 높이는 또 다른 방법은 압축비(compression ratio)를 증가시키는 것이다. 압축비는 연소챔버 체적(combustion chamber volume)에 의해서 나누어진 배기량(swept volume)과 연소챔버 체적의 합이다. 공기 표준사이클이 나타내는 바에 따르면, 엔진의 열 효율성(engine's thermal efficiency)은 약 8:1의 비율로부터 압축비에서 매 단위 증가에 대해서 평균 1% 증가되어진다.

압축비를 증가시키는데는 세 가지 주된 제한이 있다. 압축비가 증가함에 따라, 표면 대 체적 비율이 증가하고 열 손실(heat loss)도 과도하게 된다. 열 손실은 약 17:1의 압축비에서 효율성을 떨어뜨리기 시작한다. 압축비가 증가함에 따라서, 최대압력(peak pressure)도 증가되어져서 구조적인 고려와 필요한 중량이 증가는 실제적한 제한으로 된다. 상업적으로 이용되는 디젤엔진은 30:1 보다 크지 않은 압축비를 가지는 것으로 보인다.

그러나, 스파크 점화엔진(spark ignition engine)은 대략 8:1 내지 10:1의 압축비로 제한되어진다. 이러한 제한은 주로 스파크 점화엔진 모델의 연료의 “노킹(knock)”경향 때문이다. 즉, 아직 연소되지 않은 투입분(charge)의 마지막 부분(엔드가스, end gas)은 온도와 압력이 증가되어지도록 되어 화염면(flame front) 앞에서 자동점화(auto-ignite)를 일으킨다. 이러한 자동점화는 가청음향을 실린더로부터 유발시키는 큰 공간적 압력차이를 일으키는 폭발성을 종종 가진다. 이러한 노킹현상은 압축비가 증가함에 따라서 증가된다. 노킹은 두가지 주된 이유로 인하여 회피되어져야만 한다. 첫째, 노킹은 만일 엔진이 지속된 기간동안 노킹 하중 영역에서 작동하도록 된다면 엔진에 상당한 물리적 손상을 일으킬 수 있다. 둘째, 노킹은 주로 소음과 진동을 일으켜 효율성을 떨어뜨린다.

도 1은 본 발명의 특징을 포함하고 있는 엔진의 실린더를 개략적으로 도시한 모습

도 2는 도 1의 엔진과 함께 사용될 수 있는 제어 시스템의 일 형태를 개략적으로 도시한 모습

도 3은 제 2 피스톤을 움직이는 첫 번째 방법을 개략적으로 도시한 모습

도 4는 제2 피스톤을 움직이는 두 번째 방법을 개략적으로 도시한 모습

본 발명의 목적은 상기에서 언급된 단점들을 극복하거나 최소화하는 자동-점화 내연기관(auto-ignition internal combustion engine)을 제공하는 것이다.

본 발명은 각각의 연소체적(combustion volume)과 관련된 수단을 포함하는 자동점화 엔진(auto-ignition engine)인 내연기관을 제공하여, 다양한 조건하에서도 효과적인 기능적 작동을 제공하도록 엔진의 다른 작동변수(operating parameter)의 변화에 반응하여 압축비가 변할 수 있도록 한다.

본 발명이 보다 용이하게 이해될 수 있도록, 첨부된 도면을 참고로 설명되어질 것이다.

도면에 대해서 특별히 언급하기 이전에 부연하고 싶은 바는, 본 발명에 따른 엔진은 높은 압축비(compression ratio)에서 작동하는 동종 차아지 희박연소(homogeneous charge lean burn), 자동-점화 연소기관에 관한 것이다. 최대 등가비(equivalence ratio, 당량비)는 약 0.45 내지 0.60이며, 압축비는 약 15:1 내지 30:1의 범위에 있다.

본 발명의 엔진은 자동-점화 엔진(auto-ignition engine)이며, 점화 타이밍(ignition timing)을 조절하도록 가변 압축비(variable compression ratio)를 사용한다.

동종 차아지(homogeneous charge)의 자동-점화는 희박 연소(lean combustion)를 효과적으로 하는 방법을 제공한다. 이러한 프로세서에서, (화학량론적 비율보다 훨씬 낮은) 기혼합된 연료와 공기의 차아지(charge)는, 자기점화(자동점화)를 일으키는데 충분한 온도로 상승하게 하는 충분히 높은 압력으로 압축되어진다. 이러한 특별한 프로세스는 어떤 지점에서 개시되고 스파크 점화 프로세스에서처럼 차아지(charge)를 통해서 이동하여야만 하는 불꽃(flame)에 의존하지 않는다. 오히려, 초기 온도와 압력으로부터 차아지(charge)를 압축함에 의해서 야기된 온도와 압력은 차아지(charge)의 모든 부분을 거치게 되고, 따라서 연소(combustion)는 차아지(charge)를 통해서 대부분의 장소에서 동시에 개시되어질 수 있다. 이러한 것은 상기에서 언급된 스파크 점화장치(spark ignition device) 내의 차아지(charge)에서 불꽃을 유지하지 못하고 따라서 피스톤으로 동력(power)을 제공하지 못하는 모든 불균질성(inhomogeneity)을 극복한다. 또한, 만일 공간에 종속적으로 연소가 되지 않는다면, 온도와 압력차이는 단지 일시적으로만 되어야 한다. 이러한 것은 스파크 점화기관의 의도되지 않은 부주의한 자동점화의 경우와 같이, 공간적인 압력차이에 의해 야기된 진동과 소음이 존재하지 않는다는 것을 의미한다.

만일 산화제와 혼합되어지고 충분히 높은 온도와 압력까지 상승되어진다면, 스파크 점화연료(spark ignition fuel)를 포함한 대부분의 연료는 자동 점화 특성을 나타낸다. 상기 자동점화 현상과 관련된 것은, 점화(ignition)가 발생하기 전에, 연료/공기 혼합기가 자동점화를 일으키는데 충분히 높은 온도와 압력으로 제공되어진 이후에 경과한 일정시간이다. 이러한 시간의 경과는 소위 ‘점화지연시간(ignition delay time)’이라고 불려지고, 온도와 압력이 증가되어짐에 따라 일반적으로 감소하며, 밀리세컨드(millisecond)로 측정되어진다.

예를 들어, 자동차 엔진과 같이 가변하중과 속도에서 작동되어지는 동종 차아지 엔진(homogeneous charge engine)에 대해서, 점화지연시간과 엔진속도는 밀접한 관련이 있으며, 제어방법을 필요로 한다. 만일 엔진속도가 증가된다면, 점화지연시간은 감소되어지거나 또는 압축 프로세스에서 보다 빨리 개시되어져야만 하며, 반대로 엔진속도가 느려진다면, 점화지연시간은 길게 되어져야만 하거나 또는 압축 프로세스에서 나중에 개시되어져야만 한다. 만일 전자의 요구조건(엔진속도가 증가된다면, 점화지연시간은 감소되어지거나 또는 압축 프로세스에서 보다 빨리 개시되어져야만 하는 조건)이 충족되지 않는다면, 점화되지 않을 것이다(misfire). 또한 만일 후자의 요구조건(엔진속도가 느려진다면, 점화지연시간은 길게 되어져야만 하거나 또는 압축 프로세스에서 나중에 개시되어져야만 하는 조건)이 충족되지 않는다면, 점화과정의 효율성은 떨어질 것이다.

스파크 점화모델 연료(spark ignition model fuel)과 관련하여, 자동점화(auto-ignition)를 일으키는데 충분히 높은 주어진 온도와 압력에서, 이소-옥탄(iso-octane)(옥탄가 100)은 가장 긴 점화지연시간을 나타내며, n-헵탄(n-heptane)(옥탄가 0, 세탄가 57)은 가장 짧은 점화지연시간을 나타낸다.

충격튜브(shock tube)를 가지고 이소-옥탄과 n-헵탄에서 실시된 자동점화 연구결과에 따르면(Fieweger, Blumenthal & Adomeit, Combustion and Flame, 1997), 1의 등가비(equivalence ratio, 당량비)를 가질 때, n-헵탄 점화지연시간은 750 °K에서 1 밀리세컨드로부터 850°K에서 약 0.7 밀리세컨드까지 감소되고; 이는 850°K에서 약 0.8 밀리세컨드까지 증가되며, 온도상승과 더불어 1100°K에서 약 0.1 밀리세컨드까지 추가로 감소된다. 동일한 압력을 받고 동일한 혼합물 강도를 가지는 이소-옥탄(iso-octane)은 온도의 증가함에 따라 지연시간이 연속적으로 감소하는 것을 나타낸다. 750°K에서 점화지연시간은 약 8 밀리세컨드이고, 850°K에서는 대략 3 밀리세컨드이고, n-헵탄과 함께 1000°K에서는 약 0.8 밀리세컨드로 수렴된다. 이소옥탄과 n-헵탄의 다양한 혼합물은 상기 두 연료들의 특성들 사이에 놓인다. 연료가 이소-옥탄에 가까울수록, 연료의 거동은 이소-옥탄에 가깝게 거동한다. 또한 상기에서 언급된 연구결과에 따르면, 40 바(bar)의 압력에서 희박 혼합물 이소-옥탄(0.5의 등가비(equivalence ratio))은 주어진 온도에 대해서 더 높은 점화시연시간을 나타낸다. 예를 들어, 900°K에서 8 밀리세컨드이고 1,000°K에서 1 밀리세컨드이며, 고농도의 혼합물과 함께 1,050°K에서 0.8 밀리세컨드로 수렴된다.

신속 압축기(rapid compression machine)를 이용하는 스파크 점화연료에 대한 또 다른 연구결과(Halstead, Kirsch and Quinn, Combustion and Flame, 1977)에 따르면, 이소-옥탄에 대해서, 점화지연시간이 약 40 밀리세컨드인 650°K까지는 점화지연시간이 감소되고, 점화지연시간이 45 밀리세컨드인 750°K까지는 점화지연시간이 증가되고, 그 후 800°K에서 5 밀리세컨드로 될 때까지는 온도증가에 대해서 감소된다. 동일한 연구결과에 따르면, 옥탄가(octane rating)를 감소시킴으로써 점화지연시간은 전반적으로 감소되지만, 동일한 패턴이 우세하다. 70 옥탄가 연료에 대해서, 점화지연시간은 650°K에서 10 밀리세컨드이고, 700°K에서는 4 밀리세컨드이고, 800°K에서는 5 밀리세컨드이고, 833°K에서는 4 밀리세컨드이다.

상승된 온도에서는 조사된 모든 연료에 대해서 지연시간이 수렴된다는 것이 밝혀졌다. 또한 이러한 연구는, 증가된 농도에서 점화지연시간은 모든 온도에 대해서 감소된다는 것을 보여준다. 증가된 농도는 옥탄가가 감소함에 따라서 동일한 효과를 가지며, 따라서 주어진 특정의 온도에서 점화지연시간은 감소된다.

상기 두개의 연구결과로부터 인용된 데이터는 상기 연료의 사용과 본 발명에 따른 엔진의 성공적인 작동과 관련된 여러 가지 중요한 사실을 나타낸다. 만일 압축비(compression ratio)가 위를 향해서 변한다면, 조건들(온도 및 압력) 또는 더 낮은 압축비의 기하학적 등가물들은 보어 아래로 밀어진다. 만일 최대 압축비(peak compression ratio)가 12:1 보다 크게 변한다면, 예를 들어 12:1의 압축비는 상사점 이전의 일정한 크랭크 각도와 일치하게 될 것이다. 만일 압축비가 더 변한다면, 12:1 조건들은 보어 아래로 더 내려가게 된다. 반대의 경우도 마찬가지이다. 압축비를 아랫방향으로 변화시키면, 12:1 조건들은 보어 위로 움직인다. 압축비가 12:1로부터 위쪽 방향으로 증가함에 따라서 12:1 상태가 보어(bore) 아래로 이동하지만, 30:1 최대 압축비에서 상사점 앞에서 약 30도로 점근(asymptote)한다. 100,000:1의 압축비는 12:1 기하학적 등가물을 보어 아래로 상당거리를 움직이지 않을 것이다. 초대 압축비가 30:1로 증가함에 따라, 15:1의 압축비는 상사점에 보다 가까이 점근한다. 20:1 압축비는 상사점에 보다 가깝게 점근하다.

연구결과에 의해 도시된 바와 같이, 임계온도(critical temperature)는 12:1 압축비 이상이 되므로, 연소(combustion)는 압축행정의 마지막 단계, 즉 상사점 이전의 마지막 30도 부분에서만 일어나게 된다. 1000 rpm으로 속도가 빨라지는 엔진은 밀리세컨드마다 6도의 각도로 스위프(sweep)하고, 4000 rpm에서는 밀리세컨드 마다 24도의 각도로 스위프(sweep)한다. Fieweger의 데이터에 따르면, 점화지연시간(ignition delay time)은 상사점과 12:1에 해당하는 각도 사이의 각도를 엔진이 지나가는 시간과 동일한 크기의 시간이다.

Halstead 자료에 의하면, 압축비가 증가된 경우처럼 만일 차아지 밀도(charge density)가 증가되어진다면, 점화지연시간은 상당히 짧아질 것이다. 이것은 압축비를 변화시킴에 의해서 상사점 앞의 30도 부분과 상사점 사이의 일정한 지점에서 점화가 발생하는 것을 제어할 수 있음을 보여준다.

상기 연구들에서 도시된 바와 같이, 점화지연시간은 연료 옥탄가(fuel octane rating), 혼합기 강도(mixture strength), 온도, 그리고 농도(압력)의 함수이다. 점화가 발생하는 위치, 즉 상사점 앞의 일정한 특정지점이 될 수 있는 “점화점(ignition point)”을 제어하기 위하여, “점화점” 이전의 각도와 관련하여 압축행정에서 상승된 자동점화 온도가 발생하는 것을 제어할 필요가 있다. 점화점과 자동점화 온도가 발생하는 각도 사이의 차이 때문에 엔진의 각속도(angular velocity)가 생긴다. 즉, 만일 점화가 ‘점화점’과 일치한다면, 엔진이 상기 각도차이를 스위프(sweep)하는데 걸리는 시간은 점화지연시간과 일치해야만 한다. 이것은 압축비를 변화시킴에 의해서 유효하게 되어진다. 압축비를 변화시키면 조건, 즉 특정한 압축비와 관련된 압력과 온도를 효과적으로 하고, 점화는 보어(bore)의 위와 아래에서 발생하게 된다.

압축비를 효과적으로 증가시키면, 차아지(charge)에 더 높은 온도와 압력을 전체적으로 제공하고 상승된 온도와 압력을 보다 빨리 제공하므로, 효과적으로 점화 타이밍(ignition timing)을 촉진한다. 반대 경우도 마찬가지이다. 즉, 압축비를 감소시키면 점화 타이밍을 지연한다.

엔진속도를 증가시키면, 엔진은 점화 시간지연에 걸쳐서 더 큰 각도를 통과하므로, 점화 타이밍은 지연될 것이다. 이를 보상하도록, 압축비를 적정한 정도로 높일 필요가 있다. 엔진속도를 감소시키면, 엔진이 점화 시간지연에 걸쳐서 더 작은 각도로 통과하므로, 점화는 촉진될 것이다. 이를 보상하기 위해서는, 압축비는 적정한 정도로 감소되어져야만 한다. 등가비(equivalence ratio, 당량비)의 증가(증가된 하중)는 점화 타이밍을 촉진시키게 되고, 따라서 적당량에 의해서 압축비를 감소시키는 것이 필요하다. 등가비(equivalence ratio)의 감소는 점화 타이밍을 지연시키며, 따라서 적량에 의해서 압축비를 증가시키는 것이 필요하다.

주위 상태(ambient condition)의 변화를 다루기 위해서, 압축비의 범위는 대기온도의 감소에 대해서 위로 이동해야만 하고, 대기온도의 증가에 대해서 아래로 이동해야만 한다. 예를 들어, 섭씨 25도의 대기온도에 대해서, 압축비는 아이들(idle) 상태에서 28:1로부터, 1000 rpm에서 완전 연료공급에 대해서 19:1까지의 범위에 있다. 만일 대기온도가 섭씨 0도라면, 압축비는 아이들(idle) 상태에서 30:1로부터 1000 rpm에서 완전 연료공급에 대해서 22:1까지의 범위에 있다.

연료의 옥탄가(octane rating)는 유사한 방법으로 압축비의 범위를 이동시킨다. 즉, 높은 옥탄가는 전반적으로 높은 압축비의 결과가 되고, 낮은 옥탄가는 낮은 압축비가 된다.

수치 모델(numerical model)은 Halstead 등의 Hydrocarbon Fuel Auto-ignition Model과 유사 치수 엔진모델(quasi dimensional engine model)과 결합하여 기술되어진다.

사이클 시뮬레이션(cycle simulation)에 따르면, 본 발명에 따른 엔진은 동일한 출력에 대한 스파크 점화 대응부(spark ignition counterpart)에 걸쳐서 약 33%의 연료 소모를 감소시킬 수 있다. 0.45의 공급비(delivery ratio)와 22:1의 압축비로 작동하는 본 발명의 엔진에 대해서, 0.9의 등가비와 9:1의 압축비와 널ㅂ은 개방 스로틀(wide open throttle)로써 작동하는 스파크 점화 기관과 동일한 속도에서 동일한 출력을 얻도록 약 20%정도 용량(capacity)이 증가되어질 필요가 있다.

수치모델(numerical model)에 나타난 바에 따르면, 적절한 압축비를 적용함으로써 1000 rpm으로부터 4000 rpm까지 모든 등가비(equivalence ratio)에서도 일정한 최대압력(peak pressure)이 얻어질 수 있다. 이것은 특별한 제어 시스템을 제시한다. 즉, 외력(external force)을 따르는 일정한 영향 하에 있는 압축비 가변기구(compression ratio varying mechanism)에 의해서, 압축비는 부하-속도 요건(load-speed requirement)에 적합하도록 조절된다. 상기 힘(force)의 크기를 변화시킴에 의해서, 엔진은 주위 조건에서 쉽게 부합되도록 이동할 수 있다. 즉 냉간조건(cold condition)에서는 힘을 증가시키고 열간조건(hot condition)에서는 힘을 감소시킨다. 연료 옥탄가 변화에 대해서도 동일하게 적용되는데, 즉 높은 옥탄가에 대해서는 힘이 증가되고, 낮은 옥탄가에 대해서는 힘이 감소시킨다.

또한 고려되어질 필요가 있는 엔진 제어시스템(engine control system)의 여러 가지 면이 있다. 연료공급(fuel delivery)을 증가시키는 것은 문제를 일으키지 않지만, 높은 연료공급과 낮은 압축비 모드로부터 연료 공급을 감소시키는 것은 문제를 일으킨다. 만일 점화되지 않을 정도로 혼합기(mixture)의 농도가 떨어진다면, 연료 공급(fuel off)을 중단시킬 필요가 있다. 압축비가 요구되는 적정 레벨에 도달 할때까지 또는 연료 계량(fuel metering)이 적절하게 증가되어질 때까지, 연료 공급은 중단되어진다. 이러한 상황은 예를 들어 기어를 바꿀 때 발생한다. 엔진 제어시스템의 최종 구조에 관계없이, 최대 압력이 변하도록 발산한다면, 상기 제어 시스템은 연료공급을 제어하여야만 한고, 주어진 부하(load)와 속도에 대해서 적절하게 압축비를 적용하여야만 한다. 이는 주위조건과 연료 옥탄가에 엔진을 조절하도록 한다. 엔진은 (백열 플러그(glow plug)와 같은) 냉간 시동 시스템(cold start system)이 구비되어질 수 있고, 만일 필요하다면 뜨거운 배기가스를 재-순환시킬 수도 있다. 이러한 변화는 엔진 제어 시스템의 제어 하에서 이루어진다.

방출(emission)과 관련하여, 전체 하중범위(entire load range)에 걸쳐서 혼합기(mixture)의 농도가 희박하기 때문에, 질소 산화물(oxide of nitrogen)은 1/2 전하중 범위(full load range)에서 거의 제로(0)에 가깝께 감소되는 동일한 전력을 공급받은 스파크 점화기관의 속도의 1/8로만 생산되어지게 된다. 일산화탄소(carbon monoxide)는 스파크 점화 대응부의 속도의 약 1/2로 생산되어진다. 최대온도와 배기온도가 스파크 점화 대응부보다 훨씬 낮기 때문에, 탄화수소 배출부(hydrocarbon emission)는 스파크 점화 대응부보다 높은 비율로 생산되어지게 된다. 노킹(knock)은 상기 엔진에서는 문제점이 아니므로, 피스톤 크라운 및 실린더 헤드 상에 세라믹 쉴딩(ceramic shielding)과 같은 열 차단부(thermal shielding)을 이용하는 것도 가능하다. 이는 탄화수소 배출물을 감소시키는데 도움이 된다.

열 손실(heat loss)의 감소 덕분에, 열 차단부(thermal shielding)는 엔진의 효율을 증가시키는 장점을 가진다. 활용되어질 수 있는 또 다른 상승작용은, 만일 와류(swirl)가 연소 보조물로서 필요하지 않다면, 매니폴드(manifold), 포트(port) 등의 기하학 구조의 개선에 따른 제한은 열전달 계수를 감소시키고 따라서 열손실을 줄이게 된다.

방열속도(heat release rate)는 연료가 연소되어지는 속도를 말한다. 만일 상기 속도가 매우 높다면, 구조적 손상 또는 비효율성과 같은 불리한 결과를 야기할 정도로 압축상승이 빠르게 된다. 이것은, 연료 소비가 아무리 빠르더라도 결코 발생해서는 안 되는 고려사항이다. 그러나, 4행정 사이클 Waukesha CFR 엔진을 가지는 압축-점화된 동종 차아지 연소(Najt & Foster, SAE,1984)에 대한 연구결과에 따르면, 연료는 600 rpm에서 대략 4 크랭크 각도(crank angle degree)에 걸쳐서 소비되어진다. 만일 상기 데이터가 4,000 rpm으로 추정되어질 수 있다면, 크랭크 각도(crank angle)는 약 24도이게 된다. 이것은 에너지 방출속도(energy releas rate)가 순간적인 것이 아니고 어떠한 문제도 일으키지 않는다는 것을 의미한다. 상기 특정 연구결과에 따르면, 만일 노킹과 비슷한 압력진동 운동이 방비되어진다면, 약 0.4의 등가비(equivalence ratio, 당량비)는 한계(limit)라는 것을 보여준다. 그러나, 신속 압축(rapid compression)에 의한 연료점화에 대한 연구로부터 압력의 영향이 나타낸 바에 따르면(Taylor, Livengood, Russel & Leary, SAE, 1950), 0.6 정도의 등가비는 노킹과 비슷한 압력진동없이 사용되어질 수 있다.

카로노 효율성(carnot efficiency)은, 열기관(heat engine)이 온도 Tp의 고온 저장기와 온도 Tc의 저온 저장기 사이에서 작동할 수 있는 효율성의 절대 한계를 정의한다. 카르노 효율성은 공식 1 - 최대 온도에 의해 나누어진 저온으로 주어진다(1 - Tc/Tp). 일반적으로 최대온도가 높을수록, 효율성의 한계는 더 커진다. 내연기관에 대해서, 리젝션 저장기(rejection reservoir)는 대기이며, 가능한 최저온도는 대기온도이다. 만일 팽창과정이 대기압으로 제한되어진다면, 팽창과정을 통해서 배기온도(exhaust temperature)를 대기온도로 떨어뜨리는 것을 가능하지 않다. 따라서, 카르노 효율성은 내연기관에 직접적으로 적용될 수는 없다. 그러나, 공식(1 - 배기온도/최대온도)에 의해서 오토 효율성(otto efficiency)이 주어진다. 실제 엔진에 적용되어지는 바와 같이, Te/Tp는 효율성의 한계를 설정한다. 배기온도(exhaust temperature)는 최대온도와 압력뿐만 아니라 대기압력에도 관련되어진다. 만일 팽창비(expansion ratio)가 실제적 한계로서 실린더 압력을 대기압과 동일하게 하기에 충분히 크다면, 주어진 최대온도에 대해서 가장 낮은 배기온도를 설정하게 된다. 만일 최대온도(peak temperature)가 더 높게 설정되어진다면, 팽창비(expansion ratio)는 배기온도를 내리기 위해서 더 크게 되어져야만 한다. 이는 Te/Tp의 비는 실제 엔진에 적용되어질 수 있는 것처럼 오토 한계를 설정한다. 실제 팽창 한계에 대해서 보다 낮은 최대온도는 더 작은 비율의 값을 고려한다. 이것은 팽창 사이클에 대해 더 낮은 온도 덕분에 팽창 사이클에 대한 낮은 종 분열과 더 높은 단열지수 때문이다. 카르노 효율성은 동일한 최대 온도까지 오토 효율성과 결합되고, 오토 효율성은 실제 엔진 효율성과 결합되므로, 실제 엔진의 효율성 증대는 열역학 기본법칙을 위반하지는 않는다.

첨부된 도면들은 본 발명의 특징을 도시하는 엔진의 개략적인 모습이다. 상기 엔진은 가솔린 엔진(petrol engine)이 될 수 있거나, 또는 부탄 또는 부탄과 프로판 혼합물 또는 압축된 천연가스를 사용하는 가스 엔진(gas engine)이 될 수 있다. 도면에서는, 피스톤(11)이 그 속에 위치되어지는 단 하나의 실린더(10)가 도시되어지고 있는데, 비록 다소 종래의 기술로 고려될 수 있더라도, 상기에서 기술된 바와 같이 본 발명의 장치는 높은 압축비(high compression ratio) 하에서 작동되어질 수 있도록 되어야만 한다. 물론, 다수의 실린더가 제공될 수 있다.

피스톤(11)은 도시되지 않은 크랭크 샤프트(crank shaft)에 연결되어지는 커넥팅 로드(connecting rod, 12)를 가진다.

연료 분사기(fuel injector, 21)와 유입밸브(inlet valve, 22)와 그리고 밸브 작동기구(23)를 포함할 수 있는 유입장치(inlet arrangement, 20)가 제공되어지며, 상기 밸브 작동기구(23)는 도시된 바와 같이 밸브 스템(valve stem, 25)의 상단 상에서 직접적으로 작동하는 오버헤드 캠 작동캠(overhead cam operating cam, 24)을 가지며, 밸브 스프링(valve spring, 26)이 제공되는데, 상기 밸브 스프링은 캠(24)의 특정 위치에 있을 때 시트(seat, 27) 상으로 밸브로 다시 움직이도록 작동한다.

또한 실린더 헤드는 도면에서는 도시되지 않은 하나 또는 두개의 배기밸브(exhaust valve)가 제공되어진다.

본 발명의 엔진은 실린더(10)와 연결되어지고, 커넥팅로드(32)와 링크(link, 33)에 의해서 컨트롤러(controller, 34)에 연결되어진 피스톤(31)을 포함하는, 보충 실린더(supplementary cylinder, 30)를 가진다.

도시된 바와 같이, 컨트롤러(34)는 위치(35)에서 엔진 블록(engine block)에 피벗되게 연결되어져서, 링크(33)가 피벗(pivot, 36) 둘레에서 움직이도록 될 때 컨트롤러가 다소 회전할 수 있도록 하다.

본 발명의 엔진 실린더의 전체 체적은, 피스톤(11)이 가장 아래쪽 위치에 있을 때의 실린더(10)의 체적과 피스톤(31)의 위치에 의해서 실린더(30) 내에 한정된 체적의 합계로 고려되어질 수 있다.

압축비(compression ratio)는 실린더의 전체 체적과 피스톤에 의해 배기되는 체적에 따라 달라지므로, 본 발명의 엔진은 두 위치 사이에서 압축비가 변할 수 있는 가능성을 제공하며, 하나의 위치는 피스톤이 뒤로 끌릴때 도면에서 점선으로 도시된 위치인 피스톤(31)이 실린더(30)에 거의 남아 있지 않는 도 1에 도시된 것이다.

상기 압축비는 컨트롤러(34)로부터 뻗어있는 피스톤(37)의 위치에 의해서 변할 수 있고, 상기 컨트롤러는 상기에서 언급된 다양한 매개변수를 고려함에 의해서 조절되어질 수 있다.

특정 제어수단은 다음에서 기술되어진다.

모터가 작동하는 동안, 피스톤(11)의 운동에서 정확한 위치에서 자동점화가 발생하는 것을 보장하도록 압축비는 계속적으로 변화되어질 수 있어서, 피스톤(11)이 행정의 상단에 도달하고 피스톤에 최대 하향력은 연소가스의 압력에 의해서 달성되어질 때 기본적으로 종료되도록 자동점화가 발생하는 것을 보장한다.

상기에서 기술된 대로, 제어 시스템은 여러 가지 조건(condition) 하에서 피스톤(31)의 운동을 일으킨다.

첫째, 만일 엔진이 시동되어지거나 또는 아이들(idle) 상태에서 작동된다면, 압축비는 증가되어져야만 하는데, 즉 피스톤(31)은 실린더에서 아랫방향으로 움직여만 한다. 연료공급이 증가되어지므로, 엔진이 시동 및 아이들(idle) 상태에서 출발할 때 압축비는 감소되어져야만 한다.

엔진이 일정한 연료흡기 하에서 작동하고 엔진속도가 증가할 때, 메인 피스톤(main piston)은 더 멀리 횡단운동하며, 따라서 비교적 빠르게 움직이는 피스톤이 상사점에 도달하거나 또는 약간 지나가기 이전에 점화가 발생하도록 충분한 시간을 제공하도록 점화(ignition)가 피스톤의 움직임보다 먼저 발생하도록 압축비는 증가되어져야만 한다.

다양한 상태의 바닥위치(base position)는 이 상항을 일반적으로 제어하고, 이는 사용되는 연료의 옥탄, 유입되는 공기 차아지(air charge)의 온도, 실린더 내부의 온도를 포함한다.

엔진속도가 주어진 연료 공급에서 감소되어지고 피스톤(11)의 운동속도가 느려지는 곳에서는, 압축비를 감소시킬 필요가 있다.

연료공급이 감소되어지고, 엔진하중(engine load) 요구가 감소함에 따라서, 압축비는 증가하여야만 한다.

각각의 경우에 있어서, 압축비 뿐만 아니라 주입디어지는 연료의 양을 제어할 수 있다.

엔진은 희박 연소 상태(lean burn condition)에서 작동하지만, 각각의 작동상태에서는 피스톤의 요구되는 운동위치에서 점화되기에 충분한 연료가 존재하여야만 한다.

특히 엔진회전(engine revolution)이 감소되어질 때와 같이, 연료주입(fuel input)이 감소되어질 때, 비록 앞서 기술된 바와 같이 알맞게 작동되는 본 발명의 엔진은 정상적으로 점화되어야만 할지라도, 점화가 일어나지 못할 정도로 혼합물의 농도를 낮추어진다면 연료 주입을 중단시킬 필요가 없다.

압축비가 요구되는 위치에 도달한다면, 연료는 요구되는 속도(rate)로 재-주입되어진다. 이러한 상태는 예를 들어, 기어가 바뀌어질 때와 같이 짧은 기간동안 발생할 수 있다.

상기에서 언급된 바와 같이, 피스톤(30)의 운동을 위한 장치는 순수하게 예시에 불과하다.

도 2는 다양한 매개변수에 의해서 중앙 처리유닛(central processing unit)과 관련 메모리(50)에 공급되어지는 장치를 도시하고 있으며, 이는 유압 램 장치(hydraulic ram arrangement, 53)에 의해서 도시되지 않은 제 2 실린더의 운동을 야기시키는 유압 밸브(52)를 작동시키는 양방향성 작동기(bi-directional actuator)를 작동시키도록 신호를 보내며, 상기 유압 램 장치는 피스톤(54)을 가지며, 저널(journal, 56)에 의해 고정된 지점과 저널(55)과의 연결부에 의해서 피스톤의 작동 샤프트 사이에서 연결되어진다.

상기 장치는 압력 해제밸브(pressure relief valve, 62)와 엔진 실린더 해제밸브(engine cylinder relief valve, 63)를 유지하도록 오일 저장기(oil reservoir, 60)와 오일펌프(oil pump, 63)를 포함한다.

상기 엔진 실린더 해제밸브(63)는 기설정된 값에 도달할 때 엔진을 보호하기 위하여 개방되고 과다압력을 제거하며, 새로운 연료하중(fuel load)에 적합하도록 제 2 피스톤이 연소체적을 증가시키고 압축비를 감소시키도록, 엔진이 고압축 상태에서 작동할 때 만일 연료하중이 증가되어진다면 압축비를 감소시키는 것을 돕도록 작동할 수 있다.

도 3은 도 2의 시스템과 함께 사용되어질 수 있는 장치를 도시하고 있는데, 상기 장치에서 제 2 피스톤(31)과 실린더(30)는 샤프트(shaft, 70)와 연결되어질 수 있고, 상기 샤프트는 가변장치(varying arrangement)와 오일 씰링 장치(oil sealing arrangement) 내에 배치되어질 수 있고, 상기 샤프트는 도 2에서 도시된 저널(56)과 직접 연결되어 부착된 저널(56)을 가지거나, 또는 대안적으로 두 부재는 샤프트 등에 의해서 상호 연결되어질 수 있다.

피스톤(31)의 링을 통과하는 모든 가스(gas)를 위한 가스 블리드(gas bleed, 72)가 있으며, 상기 가스 블리드는 오일 편향 캡(oil deflection cap)을 가지고 있다.

도 4는 캠 작동 장치를 도시하고 있는데, 상기 캠 작동장치에서 캠 샤프트984)에 연결된 캠(cam, 83)은 제 2 피스톤과 연결된 샤프트(shaft, 80)와 결합된 캡(cap, 82) 상에서 작동한다. 상기 경우에 있어서, 캠(cam)이 작동하는 캡(cap, 82)은, 나선형 스프링(helical spring, 81)이 반작용하는 부재(member)로서 작동하여서, 피스톤(31)의 정상위치(normal position)는 낮은 압축비 위치에 있지만, 캡(82)의 상부표면 상에서 캠(83)의 작동과 캠 샤프트(84)의 회전에 의해서 요구되는 것처럼 아랫방향으로 움직여지도록 한다.

상기 캠 샤프트(84)는 도 2에서 도면부호 (50)으로 도시된 것과 같은 CPU 장치에 의해서 조절되어질 수 있는 서보-모터(servo-motor)에 의해서 작동되어질 수 있다.

상기 두 개의 장치는 단지 예시에 불과하며, 피스톤(31)의 위치는 요구되는 방식으로 제어되어질 수 있다.

예를 들어, 제 2 피스톤에 대해서 직접적으로 작동하는데 실제적으로 유효한 길이의 스프링을 사용하는 것도 가능하다. 긴 스프링을 사용하는 개념은, 피스톤의 위치에 관계없이 피스톤 상에 비교적 일정한 힘을 적용하는 것이다.

또 다른 방법은 피스톤에 대해서 유압식 또는 혼합된 공압식 또는 유압식 장치를 사용하는 것이다.

또한, 모든 종류의 차량에 대해서 CPU로 모든 센서 입력이 요구되지 않을 수도 있고, 나아가 만일 필요하다면 다른 센서 및 추가적인 센서가 최적의 조작상태를 제공하는데 필요하다면 사용되어질 수 있다는 것이 이해되어진다.

본 명세서에서, 본 발명에 따른 엔진작동의 일반적인 개념과, 이것이 구현되어질 수 있는 방법에 관한 여러 가지 특별한 제안들이 설명되어진다.

이것은 엔진에 대해서 요구되는 조작 매개변수를 부여하면서 제어방법은 크게 변할 수 있으므로, 본 발명을 한정하기 보다는 예시에 불과하다는 것이 이해되어진다.

또한 첨부도면에서, 단지 하나의 피스톤만 도시되었지만 본 발명은 다중 피스톤 엔진에도 동일하게 적용될 수 있고, 실린더의 제어는 제 2 피스톤이 동일한 위치를 취하는 일원화된 방법에 따르거나, 또는 메인 피스톤이 동력행정(power stroke)에 오를 때 조건에 맞게 각각 조절되어지도록 하는 개별적인 방법에 따를 수도 있다.

일반적으로 상기 첫 번째 방법은 제 2 피스톤의 전체적이고 연속운동이 존재하기 때문에 상당히 허용가능하게 되지만, 두 번째 방법은 비록 보다 비용이 많이 들지만, 매개변수의 변화에 가장 빨리 반응할 수 있도록 복잡한 엔진에서 사용되어질 수 있다.

제 2 피스톤을 안쪽으로 움직이는 (따라서 압축비를 높이는) 장치는 위치에 관계없이 제 2 피스톤 상에 작용하는 일정한 힘(force)을 받고, 제 2 피스톤을 밖으로 움직이는 (따라서 압축비를 감소시키는) 장치는 제 2 피스톤 상에서 직접적으로 작용하는 증가된 연소압력을 받는다. 만일 연소압력(combustion pressure)이 적용되는 압력(즉, 제 2 피스톤 영역에 의해 곱해진 적용된 일정한 힘)을 초과한다면, 제 2 피스톤은 적용된 압력과 최대 실린더 압력이 균형을 이룰 때까지 압축비를 감소시키도록 밖으로 움직이고, 따라서 제 2 피스톤은 새로운 동력행정을 위해 준비상태인 장소에 최적으로 놓이게 된다. 이것은 연료의 증가 또는 엔진속도의 감소에 반응하게 된다. 만일 최대 연소압력(peak combustion pressure)이 적용된 압력보다 작다면, 적용된 압력과 실린더 최대압력이 균형을 이룰 때까지 제 2 피스톤은 압축비가 증가하도록 움직이고, 따라서 제 2 피스톤(압축비)은 다음의 동력행정을 위해 준비상태인 장소에 최적으로 놓이게 된다. 이는 감소된 연료공급 또는 엔진속도의 증가에 반응하게 된다.

비록 엔진이 가동되기 시작한 이후에는 일반적으로 어떤 것도 필요하지 않을지라도, 냉간상태(cold condition)하에서 엔진의 시동이 용이하게 되도록 백열 플러그(glow plug) 또는 배기가스의 재순환을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다.

그 이유는, 냉간상태 하에서, 실린더 내부의 온도는 엔진에 의해 제공된 압축비(compression ratio)의 조정 범위 내에서 자동점화를 방지하기에 충분히 낮을 수도 있기 때문이다.

만일 실린더가 백열 플러그(glow plug)의 사용으로서 가열되어진다면, 상기 어려움은 극복되어진다.

이와 유사하게, 엔진이 시동되어진다면, 비록 냉간상태에 있더라도 배기가스(exhaust gas)의 추가는 유입공기의 온도를 증가시키고, 연료가 안으로 주입되어진 이후에 차아지 온도(charge temperature)를 증가시킨다.

만일 엔진이 아주 저온상태에서 작동하거나 또는 특별한 연료가 더 높은 초기 차아지 온도를 필요로 한다면 배출(emission)을 제어하기 위하여, 엔진이 작동하는 동안에 배기가스는 연속적으로 재순환되어질 것이다.

본 발명의 엔진의 특별한 실시예에서, 동종 차아지(homogeneous charge)의 사용을 언급하고 있다. 이것은 당해 분야에서 사용되는 표현이며, 연료와 공기는 연소체적으로 들어가기 이전에 잘 혼합해 줌으로써 다소 균일하게 혼합되어지는 것을 나타낸다. 또한 본 발명은 각각의 실린더 연료 분사시에 연료/공기 혼합기가 연소체적으로 들어가기 바로 전에 혼합되는 곳에서도 사용될 수 있다. 또한 본 발명은, 디젤엔진의 경우와 같이, 액체연료가 직접적으로 주입되어지는 엔진에도 적용될 수 있다. 모든 장치는 본 발명의 범위 내에 있다. 카부레이터(carburetor)가 사용되어지는 시스템에서도 만족스럽다.

또한 비록 본 명세서에 본 발명이 피스톤 엔진에 관한 것으로 기술하고 있지만, 본 발명은 로타리 기관(rotary engine)에도 적용될 수 있다. 비록 본 명세서에서, 제 2 실린더 내의 제 2 피스톤의 사용을 기술하고 있지만, 체적 가변성분을 가진 다른 형태의 제 2 체적도 존재할 수 있다는 것이 이해되어져야만 한다. 압축비(compression ratio)와 점화위치는 체적 가변성분의 위치를 변화시킴으로써 제어되어진다. 특히 이는 로타리 기관(rotary engine)의 경우에 해당한다.

Claims

연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관의 자동-점화 엔진(auto-ignition engine)을 작동하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은

연료/공기 혼합기가 자동-점화하도록 하는 압축비(compression ratio)를 가지는 각각의 연소체적(combustion volume)을 상기 내연기관 자동-점화 엔진에 제공하는(providing) 단계와;

자동-점화(auto-ignition)가 엔진 사이클 동안 미리 결정된 시점에서 개시되어지도록 하고, 연료의 연소가 발생하여서, 생성된 압력이 상기 내연기관 자동-점화 엔진의 동력행정(power stroke) 동안 작용하도록, 연료의 연소로 인한 상기 각각의 연소체적(combustion volume) 내의 압력은 증가되어지도록 하기 위하여, 상기 내연기관 자동-점화 엔진의 각각의 연소체적 내의 압축비(compression ratio)를 동적으로 조절함에 의해서 연료/공기 혼합기의 점화점(ignition point)을 변화(varying)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 1 항에 있어서, 상기 내연기관 자동-점화 엔진의 하나 또는 그 이상의 연소체적(combustion volume)을 조절하기 위한 장치(means)를 통하여 압축비(compression ratio)를 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 2 항에 있어서, 상기 압축비(compression ratio)를 변화시키는 단계는, 하나 또는 그 이상의 매개변수(parameter), 즉, 엔진온도(engine temperature), 대기온도(ambient temperature), 차아지 압력(charge pressure), 차아지 온도(charge temperature), 엔진속도(engine speed), 크랭크 각도(crank angle), 연료이송(fuel delivery) 및 연료 옥탄가(fuel octane rating)를 변화시킴으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 2 항에 있어서, 상기 압축비(compression ratio)을 변화시키는 상기 단계의 하나 또는 그 이상의 상기 연소체적(combustion volume)을 조절하기 위한 장치(means)는, 제 2 체적(volume)과 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element) 및 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 바꾸는 장치(means)를 포함함으로써, 자동-점화가 특별한 대기 및 내부 엔진 조건 하에서 요구되는 위치에서 일어나도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 4 항에 있어서, 압축비(compression ratio)를 증가시키기 위하여 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 바꾸는 장치(means)는, 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)에 의해서 제공되어지며, 압축비(compression ratio)를 감소시키기 위하여 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 바꾸는 장치(means)는, 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 직접적으로 작용하는 연소압력(combustion pressure)을 상승시킴에 의해서 수행되어지는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 5 항에 있어서, 상기 연소압력(combustion pressure)의 상승이 적용된 압력(applied pressure)을 초과할 때, 적용된 압력과 연소압력이 균형을 이룰 때까지 상기 제 2 체적-가변 성분이 압축비(compression ratio)를 감소시키기 위하여 움직이는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 5 항에 있어서, 상기 연소압력(combustion pressure)의 상승이 적용된 압력(applied pressure)보다 낮을 때는, 적용된 압력과 연소압력이 균형을 이룰 때까지 상기 제 2 체적-가변 성분이 압축비(compression ratio)를 증가시키기 위하여 움직이는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 5 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)은 공압 시스템(pneumatic system)에 의해서 제공되어지는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 5 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)은 결합된 공압/유압시스템(combined pneumatic/hydraulic system)에 의해서 제공되어지는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 5 항에 있어서, 상기 제 2 체적(volume)은 제 2 실린더(cylinder)로 구성되며, 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 변화시키기 위한 장치(means)는 상기 제 2 실린더 내의 피스톤(piston)이고, 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 작용하는 상기 일정한 힘(constant force)은 상기 피스톤에 작용하는 스프링(spring)을 통하여 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 5 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element) 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)의 크기(magnitude)를 변화시키기 위한 장치(means)를 이용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 4 항에 있어서, 상기 제 2 체적(volume)은 제 2 실린더(cylinder)로 구성되며, 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 변화시키기 위한 장치(means)는 상기 제 2 실린더 내의 피스톤(piston)인 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 12 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element)의 위치를 변화시키기 위한 장치(means)는 공압장치(pneumatic device), 또는 전기장치(electrical device) 또는 기계장치(mechanical device)인 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 12 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element)의 위치를 변화시키기 위한 장치(means)는 그 위치를 바꾸기 위하여 상기 제 2 실린더 상에서 작용하는 캠(cam)이며, 상기 캠(cam)은 회전가능한 캠 샤프트(cam shaft)를 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
제 14 항에 있어서, 상기 캠(cam)에 의해서 포지티브 변위(positive displacement)가 발생하지 않는 경우에 피스톤이 정지위치(resting position)로 움직여지도록, 상기 피스톤에 대해서 작용하는 스프링(spring)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동-점화 엔진을 작동하기 위한 방법
연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진(auto-ignition engine)에 있어서, 상기 내연기관 자동-점화 엔진은,

연료/공기 혼합기가 자동-점화(auto-igniting)될 수 있도록 하는 압축비(compression ratio)를 가지는 하나이상의 연소체적(combustion volume)과, 그리고

자동-점화(auto-ignition)가 엔진 사이클 동안 미리 결정된 시점에서 개시되어지도록 하고, 연료의 연소가 발생하여서, 생성된 압력이 상기 내연기관 자동-점화 엔진의 동력행정(power stroke) 동안 작용하는 것을 보장하기 위하여, 연료의 연소로 인한 상기 각각의 연소체적(combustion volume) 내의 압력은 증가되어지도록 하기 위하여, 상기 내연기관의 자동-점화 엔진의 연소체적의 압축비(compression ratio)를 동적으로 조절함에 의해서 연료/공기 혼합기의 점화점을 변화시키기 위한 장치(means)를 포함하는데, 상기 연료/공기 혼합기의 점화점을 변화시키기 위한 장치(means)는 제 2 체적(volume)과 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element) 및 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 바꾸는 장치(means)를 추가로 포함함으로써, 자동-점화가 특별한 대기 및 내부 엔진 조건 하에서 요구되는 위치에서 일어나도록 하는, 연료/공기 혼합기의 점화점을 변화시키기 위한 장치(means)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 16 항에 있어서, 압축비(compression ratio)를 증가시키기 위하여 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 바꾸는 장치(means)는 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)을 위하여 제공되어지는 장치(means)를 포함하며, 압축비(compression ratio)를 감소시키기 위하여 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 바꾸는 장치(means)는 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 직접적으로 작용하는 연소압력(combustion pressure)을 상승시키기 위한 장치(means)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 17 항에 있어서, 상기 연소압력(combustion pressure)의 상승이 적용된 압력(applied pressure)을 초과할 때는, 적용된 압력과 연소압력이 균형을 이룰 때까지 상기 제 2 체적-가변 성분이 압축비(compression ratio)를 감소시키기 위하여 움직이는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 17 항에 있어서, 상기 연소압력(combustion pressure)의 상승이 적용된 압력(applied pressure)보다 낮을 때는, 적용된 압력과 연소압력이 균형을 이룰 때까지 상기 제 2 체적-가변 성분이 압축비(compression ratio)를 증가시키기 위하여 움직이는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 17 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)은 공압시스템(pneumatic system)에 의해서 제공되어지는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 17 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)은 결합된 공압/유압시스템(combined pneumatic/hydraulic system)에 의해서 제공되어지는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 17 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element) 상에 작용하는 일정한 힘(constant force)의 크기를 변화시키기 위한 장치(means)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 16 항에 있어서, 상기 제 2 체적(volume)은 제 2 실린더(cylinder)로 구성되며, 상기 제 2 체적-가변 성분의 위치를 변화시키기 위한 장치(means)는 상기 제 2 실린더 내의 피스톤(piston)인 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 16 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element)의 위치를 변화시키기 위한 장치(means)는 공압장치(pneumatic device) 또는 전기장치(electrical device) 또는 기계장치(mechanical device)인 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 16 항에 있어서, 상기 제 2 체적-가변 성분(volume-varying element)의 위치를 변화시키기 위한 장치(means)는 그 위치를 바꾸기 위하여 상기 제 2 실린더 상에서 작용하는 캠(cam)이며, 상기 캠은 회전가능한 캠 샤프트(cam shaft)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 25 항에 있어서, 상기 캠(cam)에 의해서 포지티브 변위(positive displacement)가 발생하지 않는 경우에 피스톤이 정지위치(resting position)로 움직여지도록, 상기 피스톤에 대해서 작용하는 스프링(spring)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 16 항에 있어서, 상기 내연기관 자동-점화 엔진을 위한 최적의 압축비(compression ratio)를 계산하기 위하여 대기 및 내부 엔진 매개변수가 입력되어질 수 있는 메모리를 가지는 중앙처리장치(CPU)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 27 항에 있어서, 압축비(compression ratio)가 최적 압축비보다 낮을 때는 상기 내연기관 자동-점화 엔진으로의 연료 전달을 감소시키기 위한 장치(means)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 28 항에 있어서, 압축비(compression ratio)가 점화가 일어나지 않는 것을 방지하는 연료 주입율에 맞추어질 때까지 상기 내연기관 자동-점화 엔진으로의 연료 전달을 중지하기 위한 장치(means)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 27 항에 있어서, 압축비(compression ratio)가 최적 압축비를 초과할 때는 상기 내연기관 자동-점화 엔진으로의 연료 전달을 증가시키기 위한 장치(means)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진
제 16 항에 있어서, 냉간-시동(cold-starting) 및 냉간-작동(cold-running) 상태에서는 상기 각각의 연소체적(combustion volume) 내의 온도를 상승시키기 위한 장치(means)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료/공기 혼합기를 이용하는 내연기관 자동-점화 엔진