KR100662972B1 - 2개의 서브 챔버가 구비된 왕복장치 - Google Patents

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Abstract

왕복장치는 가변체적 작동챔버(50)를 형성하도록 소정 축(11)을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단(20)과 하우징(12)을 포함한다. 또한, 상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단과, 상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단을 더 포함한다. 상기 가변체적 작동챔버(50)는 상기 축(11)상에 상호 변위된 적어도 2개의 서브 챔버, 즉 연소 챔버(54)와 메인 챔버(52)를 포함하고, 상기 연소 챔버(54)에서 메인 챔버(52)로 가스가 유동할 때 상기 연소 챔버(54) 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통한다. 상기 공기 유입 수단, 배출 수단 및 챔버(52)(54)는 당해 장치가 작동되는 동안 양 챔버(52)(54) 내부에서 상기 축(11)을 중심으로 가스의 와류가 발생되고 유지되도록 배치된다. 상기 연소 챔버(54)는 주변에 단열 자켓(48)과 방열 수단(47)(49)이 구비된 내열성 및/또는 낮은 열전도성 일체형 벽체 구조(40)에 의해 일단이 측방향으로 한정되고 밀폐됨으로써, 당해 장치가 작동되는 동안, 상기 연소 챔버와 접한 벽체의 표면(42a)(44)이 상기 메인 챔버(52)와 접한 벽체의 표면(31)보다 더 높은 온도로 유지된다.
내연기관, 챔버, 왕복장치, 피스톤, 온도.

Description

2개의 서브 챔버가 구비된 왕복장치{RECIPROCATING MACHINE WITH TWO SUB-CHAMBERS}
본 발명은 내연기관으로서 작동가능한 왕복장치에 관한 것으로, 특히 개선된 슬리브 밸브가 구비된 기관에 관한 것이다.
상업적으로 이용가능한 단열기관을 찾으려는 많은 연구가 근래에 이루어지고 있다. 이에 대한 유용한 참고자료는 the Society of Automotive Engineers(SAE)에 의해 1984년 Progress in Technology Series(No. 28)의 일부로서 발간한 "단열기관"이다. 다양한 프로그램에 따라 연구 목적으로 제조된 대부분의 단열기관은 예를 들어, 실린더 및 연소 챔버 라이너, 피스톤, 캡, 헤드페이스, 플레이트, 밸브 시트, 밸브 하우징 및 밸브 가이드와 같은 세라믹 단열 삽입재를 사용한다. 일반적으로, 상기 프로그램은 세라믹을 이용한 단열기관의 실행가능성을 심사하며, 이트리아가 부분 안정된 지르코니아(PSZ)가 특히 적합한 세라믹인 것으로 판단되었다. 상기 연구 프로그램은 개선된 기관 설계에 매우 큰 기여를 하였으나, 사실상 성공적인 단열기관은 현재 존재하지 않는다. 주된 문제점은 세라믹의 수명이 짧고, 고온에서 만족스럽게 기능을 수행하는 윤활제를 확인할 수 없으며, 실린더 내부에서 큰 팽창 에너지를 얻을 수 없어서 2차 팽창으로 배기가스로부터 에너지를 추출하여야 한다는 것이다. 다른 문제점은 유입 공기에 대한 고온 실린더/연소 챔버 표면의 가열효과로 인해 실린더의 체적효율이 크게 감소한다는 것이다.
지엠, 커민스 및 코마츄 등을 포함하여 상기 출판물에 대한 여러 기고자들은 고온의 배기가스 온도, (바람직하게는 인터쿨링에 의한) 과급(turbo-charging, super-charging) 및 2차 팽창기 없이는 실용적인 단열기관이 작동하는 것이 불가능하다는 결론을 내렸다. 키로스카는 수직으로 배치된 실린더 핀과 대류에 의한 공냉방식을 설계하였으나, 단열기능의 수준이 낮았다.
핸리 리카르도는 고속 엔진의 성능을 증대시킬 목적으로 연소 공간 부근에 단열부재를 사용할 것을 제안하였다. 블랙키 엔드 손 글라스고사에 의해 1953년에 발행된 그의 저서 "고속 내연기관" 4판에서, 리카르도는 단열부재를 유입공기의 경로로부터 벗어나게 설치할 것을 제안하였다. 그는 상기 부재가 4행정 또는 2행정 형식의 슬리브 밸브가 구비된 압축 와류 엔진에 용이하게 제공될 수 있으며, 유도 와류 엔진에서도 가능할 것이지만, 4행정 개방 챔버 포핏 밸브 엔진에서는 설치가 매우 어렵거나 통기가 제한될 수 있을 것이라고 제안하였다. 전술한 저서 제26페이지에서 리카르도가 언급한 상기 단열부재는 밀도를 저감시키지 않고 압축온도를 상승시키는 역할을 하며, 적절하게 배치되고 균형이 잡힌다면, 크랭크 각도에 대하여 지연 기간을 일정하게 유지하는 기능을 함으로써 전체 속도 범위에서 주입 시간이 고정될 수 있도록 한다. 리카르도는 상기 단열부재는 그 표면온도가 탄소 또는 회분이 침착되는 것을 방지할 수 있을 정도로 높기 때문에, 연료 제트가 상기 표면에 충돌하도록 배치된다면, 특히 회분 함유량이 높은 연료를 사용할 때, 이 영역에서 적층되는 것을 완전히 방지할 수 있어서 유용하다고 주장하였다.
리카르도는 상기 저서 102 내지 115페이지에서 압축 와류 압축실과 관련하여 단열부재에 대해 기술하고 있다. 슬리브 밸브 연소 챔버와 관련하여 연소 챔버 벽체용 환형 단열 라이닝을 이용한 특수한 형태가 도 7.13에 도시되어 있다. 상기 도면은 라이닝이 존재하는 것 이외에는 통상적인 슬리브 밸브 압축 착화 기관을 도시하고 있으며, 상기 연소 챔버는 피스톤과 밸브 슬리브를 안내하는 메인 실린더 보다 직경이 더 작은 원통형 벽체에 의해 소위 정크헤드(junkhead) 내부에 형성된다. 그러나, 리카르도의 저서에서 도 7.13에 도시된 구조는, 정크헤드 몸체와 라이너가 서로 다르게 팽창됨으로써 작동온도가 변하여 밀봉 및/또는 기계적 및/또는 피로 파괴를 유발하는 실질적인 어려움이 있기 때문에, 실용적이지 않다. 이때, 검댕 및/또는 탄화성 오일에 의해 상기 환형 공간이 막히기 때문에, 단열 손실이 발생하게 된다.
슬리브 밸브 압축 착화 엔진에서, 상기 슬리브는 통상적으로 길이방향 및 원주방향으로 진동하며, 상기 엔진들의 공통적인 특징은 공기의 유입이 챔버 내부에서 고속으로 회전하는 공기 와류를 발생시키는 방식으로 이루어짐으로써 혼합 및 연소를 향상하게 된다는 것이다. 핸리 리카르도는 최고 브레이크 평균유효압력과 최저 브레이크 연료소비율에서 4행정 작동에 대한 전형적인 와류비(즉, 크랭크 샤프트 RPM에 대한 와류 RPM의 비)가 약 10인 것으로 기술하고 있다.
또한, 리카르도는 전술한 그의 저서에서 도 7.7 및 도 7.10에 도시된 바와 같은 일련의 간접 분사 연소 챔버를 개발하였다. 이와 유사한 형태의 엔진이 영국 특허 제1046104호, 일본특허공보 제62-051718호 및 독일특허공보 제1476351호에 개시되어 있다. 이러한 간접 분사 시스템은 메인 챔버에 연결된 통로에서의 국소적인 와류와 관련된다.
메인 챔버보다 작은 동축 연소 챔버를 가진 엔진이 미국특허 제3815566호 및 제5778849호, 일본특허 제5-157002호에 개시되어 있다. 미국특허 제3815566호에서, 연소 챔버는 다공성 배플에 의해 분리된다.
본 발명의 목적은 열효율이 향상된 내연기관을 제공하는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 실시예에서 개선된 단열기관을 제공하는 것이다.
본 발명은
가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위된 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
상기 공기 유입 수단, 배출 수단 및 서브 챔버는 당해 기관이 작동되는 동안 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 가스의 와류가 발생되고 유지되도록 배치되고,
상기 하나의 서브 챔버는 주변에 단열 자켓과 방열 수단이 구비된 내열성 및/또는 낮은 열전도성 일체형 벽체 구조에 의해 일단이 측방향으로 한정되고 밀폐됨으로써, 당해 기관이 작동되는 동안, 상기 하나의 서브 챔버와 접한 벽체의 표면이 상기 다른 서브 챔버와 접한 벽체의 표면보다 더 높은 온도로 유지되는 내연기관을 제공한다.
유리하게, 상기 서브 챔버는 당해 기관이 직접 분사 방식으로 작동하도록 배치된다.
상기 연료 유입 수단은 상기 벽체를 관통하는 유동관이 구비된 연료 분사기를 포함할 수 있으나, 바람직하게는 상기 일체형 벽체 구조의 상보적인 통공 또는 홈 내부에 긴밀하게 장착된 연료 분사기를 포함한다. 바람직하게, 상기 연료 분사기는 그 선단을 냉각하기 위한 통로를 포함한다.
상기 유동관은 상기 하나의 서브 챔버를 체적이 대체로 동일한 중앙 원통부와 환형 외부로 분할하는 소정 반경으로 상기 작동챔버 속으로 개방되도록 배치된다.
상기 하나의 서브 챔버는 가스가 당해 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 유동할 때 당해 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면으로부터 평균 폭(D)과 평균 길이(L) 만큼 이격된다. 상기 비(L/D)는 바람직하게 0.9 또는 그 이상이다. 가장 단순하고 바람직한 실시예에서, 상기 하나의 서브 챔버는 직경이 D이고 축방향 길이가 L인 원통형이다. 바람직하게, 상기 단면은 상기 하나의 서브 챔버와 동일하거나 그보다 작다.
윤활제가 통과할 수 있는 관 또는 회랑이 상기 다른 서브 챔버를 중심으로 연장된 하우징의 메인 실린더에 제공될 수 있으며, 상기 윤활제는 상기 실린더 주변 또는 단면에서의 온도 및/또는 온도차를 효과적으로 저감 또는 제어하고, 바람직한 기능적 점도로 가열된다.
바람직하게, 상기 다른 서브 챔버 내부에서의 가스 와류는 당해 서브 챔버의 주변 및 단부 벽체를 효과적으로 냉각시키는 와류형 냉각 경계층이 그 내부에 형성되도록 한다.
바람직하게, 상기 가스 와류는 상기 하나의 서브 챔버에서의 와류비가 적어도 6:1이고, 더 바람직하게는 약 10:1 내지 약 25:1이 되도록 한다. 상기 다른 서브 챔버에서, 상기 와류비는 바람직하게 적어도 3:1이다. 상기 하나의 서브 챔버 내부에서의 가스 와류는 상대적으로 고온인 코어와 상대적으로 저온인 외주에 의해 당해 서브 챔버의 가스 유동에서 방사상의 온도 구배가 존재하도록 한다.
바람직한 실시예에서, 상기 공기 유입 수단과 배출 수단은 하우징 내부의 포트와, 상기 포트를 제어하는 왕복 슬리브 밸브 수단을 포함한다. 바람직하게, 상기 하나의 서브 챔버는 상기 피스톤 수단에 대향하는 정크헤드 수단 내부에 배치된다.
바람직하게, 상기 하우징과 포트는 유입 공기가 고온 연소 챔버 벽체에 의해 전혀 예열되지 않거나 또는 최소한으로 예열되도록 한다.
상기 하우징은 상기 서브 챔버를 측방향으로 각각 한정하는 원통부와, 상기 피스톤 수단에 대향하도록 원통부 사이에 형성된 환형 쇼울더(shoulder)를 포함한다. 바람직하게, 상기 쇼울더는 환형 헤드 부재를 구비하고, 상기 방열 수단은 상기 벽체 구조로부터 환형 헤드 부재까지 열 전도성을 저감시키기 위해 상기 벽체 구조에 연결된 환형 네크 수단을 포함한다. 상기 쇼울더와 네크 수단은 상기 하나의 서브 챔버를 형성하는 벽체 구조와 일체로 형성된다.
바람직하게, 작동시, 상기 기관은 적어도 거의 단열적으로 작동한다.
선택적 실시예에서, 상기 하나의 서브 챔버는 상기 피스톤 수단 내부에 한정된다.
바람직하게, 상기 서브 챔버는 상기 하우징의 길이방향 중심축인 상기 축을 중심으로 축방향으로 대칭이다.
다른 특징으로서, 본 발명은
가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위된 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
상기 하나의 서브 챔버는 상기 단면으로부터 평균 폭(D)과 평균 길이(L) 만큼 이격되고, 상기 비(L/D)는 0.9 또는 그 이상이며,
상기 공기 유입 수단은 상기 하나의 서브 챔버로부터 다른 서브 챔버로 유동하는 측방향으로 팽창되는 가스를 포함하여 상기 챔버 내부의 가스에 상기 축을 중심으로 와류를 부여하도록 배치된 흡기 포트를 포함함으로써, 당해 기관 작동시, 상기 하나의 서브 챔버에 와류형 유동이 형성되고 다른 서브 챔버에 와류형 냉각 경계층이 형성되며, 상기 하나의 서브 챔버 내부에서 유동하는 와류의 와류비는 적어도 6:1이고, 바람직하게는 10:1 내지 25:1인 내연기관을 제공한다.
또한, 본 발명은 작동챔버를 형성하는 피스톤 수단과 하우징을 가진 내연기관을 적어도 준단열적으로 작동시키는 방법을 제공하되, 상기 방법은
가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상기 피스톤 수단과 하우징을 상대적으로 순환하여 변위시키는 단계;
상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키는 단계;
상기 작동챔버 내부에 착화될 수 있는 혼합물이 형성되도록 공기를 압축시키는 단계;
상기 압축공기/연로 혼합물을 연소시키는 단계;
상기 작동챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 가스를 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창시키는 단계를 포함하여, 상기 작동챔버로부터 가스를 배출시키는 단계; 및
당해 기관의 작동시, 상기 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 가스 와류를 발생 및 유지시키는 단계;를 포함하되,
상기 하나의 서브 챔버와 접한 벽체의 표면이 상기 다른 서브 챔버와 접한 벽체의 표면보다 더 높은 온도로 유지되는 내연기관 작동방법을 제공한다.
상기 착화될 수 있는 혼합물은 예를 들어 압축착화 또는 불꽃점화 또는 백열 플러그 점화에 의해 착화될 수 있다. 상기 공기와 연료는 작동챔버 내부에서 혼합되거나, 부분적으로 혹은 전체적으로 상기 챔버의 외부에서 혼합될 수 있다.
일반적으로, 상기 장치는 엔진 이외의 다른 기능, 예를 들어, 펌프 또는 압축기의 기능을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명은
가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
상기 작동챔버에 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위된 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
상기 연료 유입 수단, 배출 수단 및 서브 챔버는 당해 장치가 작동되는 동안 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 연료의 와류가 발생되고 유지되도록 배치되고,
상기 하나의 서브 챔버는 방열 수단이 구비된 벽체 구조에 의해 일단이 측방 향으로 한정됨으로써, 당해 장치가 작동되는 동안, 상기 하나의 서브 챔버와 접한 벽체의 표면이 상기 다른 서브 챔버와 접한 벽체의 표면보다 더 높은 온도로 유지되는 왕복장치를 제공한다.
상기 왕복장치는 전술한 내연기관과 관련하여 기술한 장점과 선택적 특징을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 4행정 단일 실린더 슬리브 밸브형 준단열성 디젤기관의 작동을 도시한 단면도이고,
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 2-2 및 3-3선을 따라 취한 단면도이며,
도 4는 피스톤과 슬리브 구동 링크를 도시한 도 1의 디젤기관의 부분 단면도이고,
도 5 내지 도 8은 흡기포트 및 배기포트의 다양한 상대적 위치를 나타낸 부분 확대 정면도이다.
도시된 4행정 단일 실린더 슬리브 밸브형 디젤기관(10)은 메인 실린더(14), 정크헤드(16), 왕복 피스톤(20) 및 당해 기관의 축을 형성하는 축(11)을 가진 환형 밸브 슬리브(30)를 포함한다는 점에 있어서는 통상적이다. 상기 밸브 슬리브(30)는 실린더(14)의 내면(15)을 따라 축방향 및 원주방향으로 모두 왕복할 수 있는 반면, 상기 피스톤(20)은 슬리브(30)의 원통형 내면(31) 내부에 형성된 공간에서 축방향으로 왕복할 수 있다. 상기 피스톤의 크라운(21)은 정크헤드(16)의 환형 쇼울더(41)에 접근은 하지만 접촉하지는 않으며(통상적으로, 최소 간극을 스퀴시 높이(s)라 칭한다), 상기 피스톤은 슬리브(30)와의 계면을 밀폐시키기 위한 밀봉구 또는 피스톤 링(23)을 구비하고 있다. 상기 메인 실린더(14) 내부로 동심으로 돌출된 정크헤드 부분은 실린더 내면(15)으로부터 이격됨으로써, 상기 슬리브를 수용하는 환형 홈부(17)를 형성한다. 상기 슬리브와 정크헤드 사이의 계면은 정크헤드에 구비된 한 쌍의 링(33)에 의해 쇼울더의 바로 외측으로 밀폐된다. 상기 피스톤 크라운(21)은 공지된 단열 삽입구를 포함할 수 있다.
상기 실린더와 정크헤드에 대한 피스톤의 왕복운동은 링(23)(33)에 의해 밀폐되며 2개의 서브 챔버(52)(54)를 포함하는 가변체적 작동챔버(50)를 효과적으로 형성한다. 상기 서브 챔버(54)는 원통형이 아니거나, 그 입구(53)가 제한될 수 있으나, 여기에서는 균일한 직경(D)과 축방향 길이(L)를 가지며, 상기 축(11)과 동축이 되도록 정크헤드(16) 내부에 형성된 원통형 서브 챔버이다. 도시된 실시예와 같은 직접 분사에 있어서, 상기 입구(53)는 통상적으로 서브 챔버(54)의 단면적과 동일한 단면적을 갖는다. 간접 분사에 있어서, 상기 입구는 통상적으로 서브 챔버(54)보다 단면적이 작다. 상기 서브 챔버(52)는 쇼울더(41)와 피스톤 크라운(21) 사이에 위치되어 이들의 표면 및 밸브 슬리브(30)의 원통형 내면(31)과 접하게 됨으로써, 상기 축(11)을 자신의 축으로서 갖게 된다. 상기 서브 챔버(52)가 가장 작을 때, 축방향으로 시퀴시 높이(s)와 동일하다. 상기 서브 챔버의 구조는 직접 분사 방식으로 작동하는 기관을 위한 것임을 알 수 있을 것이다.
이하, 일반적인 용어를 사용하여, 상기 서브 챔버(52)는 메인 챔버(52)라 칭 하고, 상기 서브 챔버(54)는 연소 챔버(54)라 칭한다. 그러나, 상기 용어 연소 챔버는 연소가 그 서브 챔버(54)에 한정되어 이루어진다는 것을 의미하지는 않는다.
도 4를 참조하면, 피스톤(20)은 크랭크(26) 및 커넥팅 로드(27)를 통해 크랭크 샤프트(25)에 의해 통상의 방식으로 구동되며, 상기 커넥팅 로드는 피스톤 핀(28)에 의해 피스톤에 피벗되게 부착된다. 상기 크랭크 샤프트(25)는 베어링(24) 내부에 지지되며, 커넥팅 로드(27)는 크랭크(26)에 구비된 베어링 슬리브(29)상에서 피벗하게 된다. 상기 밸브 슬리브(30)는 서브 샤프트(34), 베어링(34a), 크랭크(35) 및 상기 슬리브의 하단에 고정된 핀(36)을 통해 크랭크 샤프트(미도시)에 의해 구동되며, 상기 핀(36)은 구상으로 장착된 베어링(37)에 의해 크랭크(35) 내부에 지지된다.
흡기 및 배기 포트가 실린더(14) 내부의 방사상 개구부로서 메인 챔버(52)를 중심으로 배치된다. 바람직한 구조가 도 3, 도 5 내지 도 8에 도시되어 있다. 이는 등각으로 배치된 총 5개의 유사한 포트로 구성되며, 지름면(63)의 일측에 대칭적으로 배치된 3개의 흡기 포트(60)(61)(62)와, 지름면(63)의 타측에 배치된 배기 포트(64)(65)를 포함한다. 정합 제어 포트(70 내지 75)가 슬리브(30) 내부에 구비됨으로써, 상기 슬리브의 원주상 운동에 의해 흡기 포트의 미세한 초기 개방이 이루어지며, 이 때, 유입 공기는 도 3의 화살표(D)를 따라 사선 방향으로 메인 챔버(52) 속으로 향하게 되며, 메인 챔버(52)의 축(11)을 중심으로 고속 와류 효과를 발생시키게 된다. 화살표(C) 방향으로의 슬리브(30) 운동에 의해 제어 포트(70)(71)(72)가 흡기 포트(60)(61)(62)와 일치시키게 됨으로써, 흡기 포트의 개방은 종료되지만, 이미 메인 챔버(52)를 중심으로 발생된 고속 와류는 전체 작동 사이클 동안 메인 챔버(52)에서 유지됨과 아울러 더 고속으로 연소 챔버(54)에서 유지되며, 상기 와류는 혼합을 향상시키고, 착화 지연 기간을 단축시키며, 단일의 스프레이 분사기의 사용을 용이하게 한다.
공기가 사선방향으로 유입됨으로써 발생된 와류는 슬리브 밸브 기관의 공지된 특징이며, 약 8 내지 10 정도의 연소 챔버 와류비(즉, 크랭크 샤프트 RPM에 대한 와류 RPM의 비)가 전형적이다. 그러나, 본 발명에서, 상기 와류는 하기된 바와 같은 중요한 새로운 효과를 갖는 것으로 판단된다.
포트의 구조 및 작동, 그리고 와류비에 대한 상세한 설명은 후에 설명하기로 한다.
이하, 정크헤드(16)의 구조를 상세히 설명한다. 중요한 핵심 구성요소는 바람직하게는 비교적 낮은 열전도성 물질로 이루어진 내열성의 일체형 몸체(40)이다. 이에 적합한 물질은 스테인레스강이지만, 예를 들어, 니켈 및/또는 크롬 및 세라믹을 함유한 강철 합금과 같은 다른 물질이 사용될 수 있다. 상기 몸체(40)는 연소 챔버(54)를 형성하며 상대적으로 얇은 벽체를 가진 스커트부(42)와, 연소 챔버(54)의 일단을 밀폐하여 상기 연소 챔버에 단부 벽체 및/또는 표면(44)을 제공하는 증대된 강성 헤드(43)를 갖는다. 상기 몸체(40)의 타단에서, 연소 챔버(54)의 개방 단부를 중심으로, 상기 몸체(40)는 메인 챔버(52)와 접한 쇼울더(41)를 제공함으로써 메인 챔버용 헤드 플레이트를 형성한다.
상기 정크헤드(16)는 외부 환형 헤드캡(18)과 중간의 설치 링(19)에 의해 완 성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 헤드캡(18)의 방사상 내측부는 링(19)의 일단에 고정되고, 상기 링(19)의 타단은 헤드 플레이트(45)에 고정되며, 모든 연결은 볼트, 나사 또는 스터드(39)가 구비된 별도의 링에 의해 이루어진다. 선택적으로, 가열끼워맞춤 또는 다른 공지의 조립방법이 사용될 수 있다. 조립은 상기 메인 실린더(14)의 단부에 헤드캡(18)의 외측부를 고정함으로써 완성된다. 상기 헤드캡(18)과 링(19)은 내열성 몸체(40)의 스커트부(42)와 헤드(43)를 중심으로 연장되며, 상기 슬리브(30)를 수용하기 위한 환형 공간(17)이 형성되도록 배치된 정합 원통형 외면을 갖는다. 일반적으로, 상기 헤드캡(18)과 설치링(19)은 철 또는 알루미늄과 같이 저렴한 주조용 물질로 성형된다. 상기 링은 헤드 플레이트(45)의 그루브 내부와, 설치링(19)의 립과 헤드 플레이트(45)의 외주 단턱 사이에 각각 수용된다.
상기 헤드캡(18)과 링(19)에는 냉각 유체가 순환하는 관 또는 회랑(80)이 형성될 수 있지만, 상기 내열성 몸체(40)로부터 열을 방산시키는 수단이 열유동을 제한하여 몸체(40)의 내면(42a)(44)이 종래의 슬리브 밸브 기관의 정크헤드 연소 공간보다 더 높은 평형온도를 얻도록 구비될 수 있다. 이는 2가지 방법으로 구현된다. 첫째, 상기 헤드 플레이트(45)의 메인 몸체가 상대적으로 폭이 좁은 환형 네크(47)에 의해서만 원통형 몸체부(42)에 연결되도록, 헤드 플레이트(45)를 참조번호 46지점에서 원주상으로 절삭한다. 둘째, 환형 공간(48)과 함께 상기 절삭부(46)가 상기 정크헤드(16)의 주변 몸체로부터 내열성 몸체(40)의 강성 헤드(43)를 분리시키는 작은 환형 간극(49)을 통해 외부로 흡인되는 단열 공기 자켓 또는 커튼을 헤드(43)의 하부, 링(19)과 원통형 몸체부(42) 사이에 형성하도록 한다. 선택적으로, 상기 환형 공간(48)은 몸체부(42)의 표면으로부터의 방사 및 대류 열손실을 최소화하는 적당한 고온 단열물질로 충진될 수 있다.
상기 내열성 몸체(40)의 강성 헤드(43)는 연료 분사기(100)를 견고하게 안착및 보조하기 위해 여러개의 단턱진 개구부(82)를 구비한다. 따라서, 상기 연료 분사기(100)는 몸체(40)와 일체인 것 같이 개구부(82)에 긴밀하게 장착된다. 상기 분사기(100)의 노즐 선단(102)은 연소 챔버(54)의 단부면(44)과 동일한 높이일 수 있다. 선택적으로, 상기 선단은 단부면(44)의 전 후에 설치될 수 있다. 상기 선단의 관과 물질을 고온에서 보호하기 위해, 바람직하게, 상기 분사기에 표준 내부 냉각 회랑이 장착되거나, 선택적으로는 상기 내열성 몸체(40)의 강성 헤드(43)에 냉각관이 제공된다.
상기 선단(102)의 오리피스와, 상기 시스템의 주축(11)에 평행한 분사기의 축은 연소 챔버(54)를 그 체적이 실질적으로 동일한 내부 원통형 부분과 외부 환형 부분으로 분할하는 반경상에 중심을 둔다. 상기 챔버의 원통형 측면에 분사기의 축이 근접할수록 공기와 연료를 최적으로 혼합할 수 있기 때문에, 본 출원인은 이 위치가 리카르도가 선호했던 종래의 위치보다 연료 분사에 더 적합하다고 믿는다.
상기 주입기의 선단이 과열되지 않도록 하기 위한 예방수단으로서, 상기 헤드캡(18)과 링(19) 내부에서 냉각 유체를 순환시키는 관 또는 회랑(80)이 제공된다.
(1) 상기 분사기와, 내열성 몸체(40) 내부에서의 그 장착;
(2) 연소 챔버(54)의 L/D 비;
(3) 환형 공간(48)의 구조 및 그 내부에서의 단열재 사용 또는 선택; 및
(4) 헤드캡(18)과 내열성 몸체(40);에 대한 정확한 설계/선택이 냉각 회랑(80)을 생략할 수 있도록 하는 것으로 실험결과 밝혀졌다. 하기된 바와 같이, 이는 기관의 외면으로부터 자연적으로 방사 또는 대류되는 매우 작은 양의 열 이외의 어떠한 냉각 수단도 없이 기관을 작동 또는 설계할 수 있도록 한다.
기관의 작동에 대해 다시 설명하면, 상기 4행정 디젤 또는 압축 착화 사이클은 연속적인 피스톤 운동과 반복적인 포트의 개폐 작용에 있어서 전형적인 것이다. 상기 압축행정에서 피스톤이 가스를 압축하고, 연료가 분사된 다음, 소정의 지연 기간 후, 연소가 시작되며, 팽창 행정에서 피스톤이 하강하게 된다. 상기 압축 행정의 상사점에서, 피스톤 크라운(21)은 쇼울더(41)에 근접하지만 스퀴시 높이만큼 이격됨으로써, 주요 연소 챔버(54)와 최소한의 메인 챔버(52)를 포함하는 연소 챔버가 남게 된다. 상기 피스톤의 2차 상승 행정에 의해 포트(64)(65)를 통해 가스가 배출되며, 이때, 상기 포트의 개방은 슬리브(30)의 길이방향 운동에 의해 제어되고, 포트의 폐쇄는 상기 슬리브의 원주상 운동에 의해 제어된다. 한편, 피스톤의 2차 하강 행정에 의해 포트(60)(61)(62)를 통해 새로운 공기가 유입되며, 이때, 상기 포트의 개방은 슬리브(30)의 원주상 운동에 의해 제어되고, 포트의 폐쇄는 상기 슬리브의 길이방향 운동에 의해 제어된다.
도 5 내지 도 8은 흡기포트(62)와 배기포트(64)의 상대적 위치와 흡기포트(72)와 배기포트(74)의 움직임을 도시한 도면으로서, 화살표(E1)(E2) 사이 에서 슬리브(30)의 외면과 실린더(14)의 원통형 내면(15)의 부분 확대 정면도(도 1 내지 도 4의 2배 크기)이다.
도 5는 도 4에 도시된 바와 같이 하사점에서의 슬리브 크랭크 핀(36)을 도시한 도면이다.
도 6은 하사점 이후의 90°위치에 있는 슬리브 크랭크 핀(36)을 도시한 도면이다.
도 7은 상사점에서의 슬리브 크랭크 핀(36)을 도시한 도면이다.
도 8은 상사점 이후의 90°위치에 있는 슬리브 크랭크 핀(36)을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8에서, 상기 슬리브 포트(72)(74)는 점선 또는 가상선으로 표시되었으며, 실린더 배럴 포트(62)(64)는 연속선 또는 실선으로 표시되어 있다. 상기 슬리브와 포트의 괘도 또는 운동경로는 타원(130)으로 표시되어 있다. 물론, 상기 타원(130)의 장축은 크랭크 반경(M)(도 4 참조)의 2배이며, 단축은 메인 실린더 축 또는 중심선 및 구형 베어링(37)의 중심선과 슬리브(30)의 외경간의 측방향 거리(N)(도 4 참조)의 관계 또는 크랭크 반경(M)의 크기에 의해 결정된다.
도 5에서, 슬리브 흡기포트(72)는 실린더 배럴 흡기포트(62)의 "개방" 엣지를 덮지 않아서 포트 개방 구역(129)을 형성한다. 상기 개방 구역(129)의 측방향 폭(X)은 최대값인 슬리브 괘도(130)의 원주상 속도성분으로 인해 빠르게 증가한다. 이와 유사하게, 개방 구역(131)의 측방향 폭(Y)이 빠르게 감소함에 따라, 배기포트(64)(74)는 빠르게 폐쇄된다.
도 6에서, 상기 슬리브 흡기포트(72)는 거의 폐쇄위치에 있게 된다. 개방 구역(132)의 수직높이(Z)는 슬리브 괘도(130)의 수직 속도성분이 최대값이기 때문에 빠르게 감소한다. 배기포트(72)(74)는 폐쇄된다.
도 7에서, 모든 포트는 폐쇄되며, 상기 슬리브 포트(72)(74)의 하부 엣지는 정크헤드 밀폐 링(33) 위를 지나게 되고, 피스톤(20)은 점화 행정의 상사점 또는 그 부근에 위치된다.
도 8에서, 상기 슬리브 배기포트(74)의 하부 엣지는 실린더 배럴 포트(64)의 상부 엣지를 덮지않는다. 개방 구역(133)의 수직높이(W)는 슬리브 괘도(130)의 수직 속도성분이 다시 한번 최대값에 도달하였기 때문에 빠르게 증가한다. 상기 흡기포트(62)(72)는 폐쇄된다.
도시된 바람직한 기관 및 그 작동은 종래의 슬리브 밸브 기관과 중요한 특징면에서 다르다. 첫째, 상기 몸체(40)의 내열성이 당해 몸체를 구성하는 내열성 물질과, 일체형인 그 형태에 의해 주로 제공되며, 그 주변으로부터의 단열성이 폭이 좁은 네크(47)와 같은 장치에 의해 최적화되고, 공간(48)과 절삭부(46) 주변의 온도구배가 이들 공간에 의해 형성된 자켓의 내부에서 공기의 순환을 유발하며, 상기 새로운 공기의 유입 효과와 피스톤(21)과 표면(44)에서의 단부 손실과 같은 부수적 효과가 결합하여 종래보다 매우 높은 표면(42a)(44)의 평형온도를 결정하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 상기 표면(42a)(44)의 온도는 메인 챔버(52)의 벽체 표면의 온도보다 매우 높다. 실제로, 그 온도차는 400℃ 내지 1000℃ 범위인 것이 바람직하다.
도시된 구조에서 연소 챔버의 성능을 향상시키는데 도움이 되는 매우 바람직 한 요소는 몸체(40)의 강성 내열물질에 분사기 몸체를 일체로 장착하는 것이라 여겨진다.
또한, 연소 챔버(54) 내부의 고온이 분사된 연료 입자를 신속하게 증발시키는 열을 제공함으로써 착화 "지연 기간"을 더 감소시킨다. 이러한 효과는 공기와 연료를 빠르게 혼합함으로써 지연 기간을 감소시키는 전술한 와류의 공지된 장점을 증대시킨다.
상기 몸체부(42)의 길이방향 및 측방향 팽창에 대한 구속력 부재로 인하여, 상기 온도차가 더 높은 바람직한 값으로 유지될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 특히, 상기 몸체(40)가 길이방향으로 외측으로 자유롭게 팽창함으로써 내면(42a)의 온도가 상승할 때 몸체부(42)가 길이방향으로 팽창하도록 하는 한편, 이와 유사하게, 상기 몸체(40) 주변의 간극(49)은 측방향 또는 방사상으로 팽창하도록 한다. 상기 간극(49)은 통상적으로 약 0.2㎜이고, 가열된 몸체부(42)로부터 상승하는 헤드부(43)의 최대 방사상 팽창은 이보다 약간 작은 것으로 여겨진다.
둘째, 상기 팽창 행정이 시작되어, 가스가 쇼울더(41)와 일치된 메인 챔버(52)의 단면(53)으로 하방 및 측방향으로 팽창할 때, 연소 챔버(54)와 쇼울더(41)간의 큰 온도차는 챔버(52)(54)의 공동축(11)을 중심으로 계속된 공기 또는 가스의 와류 수준 및 상기 가스의 팽창과 함께 상대적으로 더 냉각된 가스가 매우 안정된 와류 경계층을 형성하도록 하고, 그 후, 상기 피스톤 크라운은 슬리브(30)의 원통형 벽체(31) 부근으로 하강하게 된다. 이것이 실린더 벽체 온도가 특이하게 낮은 이유이다. 또한, 상기 메인 챔버(52)의 원통형 벽체(31) 내부에 꽤 고속인 와류 또는 나선층을 형성하는 유입 공기는 그 자체가 흡기 행정시 상기 표면(31)과 아울러 정크헤드(45)의 쇼울더(41)에 매우 큰 냉각 작용을 하는 것으로 여겨진다. 물 또는 공기에 의한 유체 냉각이 전혀 없음에도 불구하고, 상기 실린더(14)의 정상상태 평균 외벽 온도는 기관이 7 bar인 브레이크 평균 유효압력에서 작동하는 위의 조건에서 100℃인 것으로 측정되었다. 이러한 온도 상승은 기관의 작동속도와는 실질적으로 무관하며, 이는 종래의 기관 및 개량된 세라믹 충진형 단열기관에서의 결과와는 매우 다르다. 아마도, 이러한 온도 상승은 기관의 작동속도가 증가할수록 전술한 "흡기 냉각 효과"도 증가하기 때문인 것으로 추측된다.
전술한 메카니즘이 관찰된 효과의 원인인 것으로 판단되지만, 본 출원인은 이러한 메카니즘만으로 실린더 벽체 온도가 낮게 상승된다고 주장하는 것은 아니다. 다른 메카니즘이 관련될 수 있다. 전술한 기관의 연소 챔버 내부의 와류비는 약 9.2 정도인 것으로 측정되었으나, 본 출원인은 6:1 이상, 예를 들어, 10 내지 25:1 또는 그 이상의 와류비가 본 발명의 효과를 향상시키는데 바람직한 것으로 믿는다. 이는 관례에 따라 연소 챔버에 대해 측정한 값이다. 다른 효과들이 정확한 공기 속도에 영향을 주게 될지라도, 상기 메인 챔버에서 발생된 와류비는 챔버의 직경비에 반비례하여 작을 것임을 알 수 있다. 상기 메인 챔버(52)에서의 와류비는 적어도 3:1인 것이 바람직하다.
상기 와류의 또 다른 효과로서, 이와 같이 일반적인 형식의 종래의 기관과 다른 3번째 차이점은, 상대적으로 고온인 코어로부터 상대적으로 저온인 주변까지 의 온도구배가 연소 챔버(54)에 공기 와류를 발생시키는 것으로 판단된다. 본 출원인은 이러한 효과가 발생한다고 확신하진 않지만, 적어도 발생한다면, 이는 연소 챔버 온도를 최대화하는 것을 더 도울 수 있다고 믿는다.
4번째 차이점은 연소 챔버(54)의 비율이다. 전술한 리카르도의 저서에서, 연소 챔버의 직경대 길이비로서 0.842가 추천되었으며, 모든 연구와 상기 저서에 도시된 기관은 0.76 내지 0.88 범위의 비를 갖는다. 한편, 본 출원인은 상기 비(L/D)가 0.9 또는 그 이상, 바람직하게는 1.0 이상 그리고 유리하게는 그 보다 매우 크며, 예를 들어, 약 2 내지 4 또는 그 이상인 것을 선호한다. 여기서 L은 연소 챔버(54)의 축방향 길이이고 D는 연소 챔버(54)의 균일한 직경이다. 상기 연소 챔버(54)가 상대적으로 길게 제조된다면, 이는 원통형 표면(31) 부근에서 와류형 안정층의 근본적인 냉각 효과를 증대시키게 된다. 상기 피스톤 크라운(21)의 단부면 및 연소 챔버의 단부면(44) 구역은 상기 측면 구역에 비해 저감되며, 따라서, 단부 손실은 줄어든다. 또한, 상기 분사기 선단(102)으로부터의 연료 발사 거리는 L보다 작게 줄어들 수 있으며, 연소 챔버(54) 내에서 공기의 저부는 저온으로 유지된다. D에 비해 큰 L도 고온 연소 챔버 표면과의 접촉으로 유발된 유입 공기의 초기 가열 효과를 저감시키며, 이에 따라 체적효율도 저감된다.
나머지 환경과, 저온인 메인 실린더 몸체가 준단열성 작동임을 나타낸다. 종래의 공냉 또는 수냉 시스템이 필요하지 않으며, 사실 어떠한 것도 제공되지 않는다. 그러나, 상기 시스템의 낮은 온도는 또 다른 결론을 갖는다. 즉, 대부분의 일반 윤활유는 정확한 기능적 점도를 얻기 위해 당해 기관의 크랭크 케이스에서 측정 되는 것보다 더 높은 온도를 필요로 한다. 이러한 어려움을 해결하기 위해, 메인 실린더(14)의 흡기 및 배기포트(60 내지 62)(64)(65) 사이로 관 또는 회랑(110)을 통해 크랭크 케이스에 윤활제를 순환시켜 상기 흡기 및 배기포트간의 온도차를 줄이는 것이 유리하다. 그렇지 않으면, 상기 온도차는 슬리브 계면에서 과도한 "왜곡"을 일으키게 된다. 물론, 이 문제는 종래의 순환하는 냉각제를 사용하여 해결할 수 있다. 이 구조의 두번째 장점은 윤활유를 가열하여 기능적 점도를 얻는 것이다.
일반적으로, 상기 구조는 고온 연소 챔버 벽체로 유입 공기를 전혀 예열하지 않거나 최소로 예열할 수 있도록 설게된 것임을 알 수 있다.
이상 디젤 사이클의 공기 표준 열효율(ASTE)의 이론값을 얻기 위한 공지의 식은 다음과 같이 표현된다; 즉,
ASTE= 1-[{T4-T1}/k{T3-T2}] 이며, 여기서 상수(k)는 비열비로서, 이 경우에서는 1.4이다.
상기 식에서의 온도 계수는 주변 온도(T1), 압축 완료시 및 연소 개시 직전의 온도(T2), 연소 온도(T3) 및 팽창 완료시 및 배기 개시 온도(T4)를 포함한다. 도시된 기관에 있어서, 최저 브레이크 연료소비율에서(여기에서, 최대 브레이크 제조 압력과 거의 일치한다), 주변 온도 이상의 배기 온도, 즉 T4-T1는 팽창 실험과정에서 160℃ 내지 200℃범위로 일정하게 측정된 반면, T3-T2는 설정된 방법에 의해 약 1900℃인 것으로 추정되었다.
이 값들을 위의 식에 대입한 결과, ASTE는 약 93%로 계산되었다. 이와 유사한 실린더 크기를 갖고 동일한 충격점에서 작동하는 종래의 디젤 기관에서, 상기 ASTE는 약 69%인 것으로 계산되었다. 더 낮은 충격점에서, ASTE의 차이는 더 크다.
도시된 기관이 하기된 바와 같은 많은 작동상 잇점을 가지나, 이에 한정되지 않음을 알 수 있다. 즉,
(ⅰ) 상기 내열성 몸체(40)와 그 주변 특성 때문에, 높은 평형 작동온도가 연소 챔버(54) 내부에서 얻어지며, 연소시 및 연소 후의 열손실이 저감된다. 또한, 매우 낮은 압축비로 만족스러운 작동을 구현할 수 있다.
(ⅱ) 팽창 행정시 실린더 벽체에 최소의 열손실이 존재하며, 표면(31)에 대한 안정적인 저온 가스층 및 안정적인 고속 와류에 의한 효과가 발생한다.
(ⅲ) 또한, 압축 행정시 최소의 열손실이 존재하며, 이는 내열성 몸체(40)와 그 주변 특성 및 고속 와류 가스층의 혼합된 효과에 기인한 것이다.
(ⅳ) 따라서, 상기 기관은 준단열성 작동을 나타내며, 이로 인해 종래의 공냉 또는 수냉 시스템이 필요하지 않다. 도 1 내지 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이 모형 엔진이 설계 및 제작 되었으며, 실험 결과, 완전 단열작동의 95% 또는 그에 가깝게 계속 작동하였다. 실험 결과는 98%에 가까운 단열 작동이 이루어질 수 있는 것으로 분석되었다.
이러한 준단열성 작동은 피스톤과 실린더 벽체의 높은 작동온도; 과급; 합성; 버토밍 싸이클(bottoming cycles); 세라믹의 사용; 실린더 헤드 또는 배럴을 냉각시키기 위한 특수한 수단 또는 종래의 수단; 또는 보통 보다 높은 배기 가스 온도 및 2차 팽창기를 필요로 하지 않고 구현된다. 이러한 특징의 부재, 그러나 준단열성 작동의 존재는 앞에서 언급한 예상과는 반대되는 것이다.
이 결과는 Challen & Baranescu 에서 출간한 디젤 기관 참고서(1999년 2판) 107페이지에 기술된 내용, 즉 "물론, 단열기관의 사용은 배기온도를 매우 높이게 된다"와 대비된다.
(ⅴ) 이러한 효과의 결과로서, 전술한 식에서 최적의 ASTE에 필요한 계수, 즉 높은 T3-T2와 낮은 T4-T1에 가깝게 된다.
(ⅵ) 슬리브 밸브 기관 구조가 포핏 밸브 기관에 채용되었기 때문에, 높은 와류비가 얻어지고 유지될 뿐만 아니라, 연소 챔버(54)의 높은 작동온도에도 불구하고 매우 높은 체적효율이 얻어지고 유지된다. 후자는 압축 행정이 개시된 후, 즉 흡기포트가 폐쇄되고 메인 챔버(52)의 공기가 연소 챔버(54)로 전달되기 시작한 후까지 유입 공기가 고온 연소 챔버(54)와 효과적으로 접촉되지 않기 때문이다.
(ⅶ) 슬리브 밸브 기관의 공지된 높은 기계효율을 당해 시스템에 이용할 수 있다.
(ⅷ) 연소 챔버(54)를 중심으로 열 차단체를 배치하고, 저온 메인 실린더를 구비함으로써, 본 출원인은 실린더, 피스톤과 밸브(통상적으로, 400℃ 내지 1000℃), 피스톤 링과 윤활제(통상적으로, 500℃까지) 및 배기 가스(1000℃까지)를 고온으로 함으로써 종래의 세라믹 충진형 단열기관의 문제점을 최소화하거나 회피한다.
(ⅸ) (챔버(54) 내부의 고온 및 고속 와류로 인해) 착화 지연 기간을 줄임으로써, 연소 기간의 전체 지속 시간이 짧아지고, 연소가 정압보다는 정적(이상)에 더 가깝다.
(ⅹ) 높은 와류비는 단일 스프레이 분사기를 높은 L/D 조건에서 용이하게 사용할 수 있도록 한다.
(ⅹⅰ) 이러한 모든 효과가 결합하여 브레이크 평균 유효압력(bmep)을 크게 상승시키게 된다.
(ⅹⅱ) 높은 작동속도를 얻을 수 있다.
(ⅹⅲ) 리카르도와 다른 사람들이 수년간 개발한 종래의 슬리브 밸브 CI 기관에서, 공기 와류비의 증가는 자동적으로 열전달율의 증가를 유발하였고, 특히 연소 챔버로부터의 열전달율의 증가를 유발하였으며, 단열작동의 가능성을 크게 저감시켰다. 본 출원서에 개시된 기관에서는 그러한 기본설계상의 문제점, 절충물 또는 연결체가 제거됨으로써, 높은 공기 와류비로부터 얻을 수 있는 모든 잇점을 이용할 수 있다.
다시 말하면, 이 결과는 전술한 "디젤 기관 참고서" 107페이지에 기술된 다른 내용, 즉 "최저의 표면적과 최저의 가스 속도를 가진 정지 직접 분사 챔버는 최저의 손실을 나타낸다"와 대비된다.
(ⅹⅳ) 이러한 장점은 과급; 2차 팽창; 버토밍 싸이클 또는 메인 작동 챔버 내부에서의 높은 표면온도 또는 세라믹의 사용과 같은 추가사항으로 인해 발생할 수 있었던 불리한 조건을 만들지 않고 얻을 수 있다.
물론, 당업자는 본 발명에 따른 특수한 기관 구조가 주어진 성능 기준을 달성하기 위해서는 본 발명의 바람직한 구성요소간에 소정의 절충이 필요하다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, L/D비를 포함하여 상기 연소 챔버(54)의 비율은 메인 챔버(52)의 크기와 관련한 그 크기에 의해 영향을 받으며, 이들 모두는 압축비를 함께 결정하게 되고, 포트 구조와 함께 2개의 챔버에 대한 각각의 와류비를 결정하게 된다. 전술한 바와 같이, 상기 L/D값은 분사기 위치와 마찬가지로 다른 계수에도 영향을 미친다.
선택적 실시예에서, 상기 연소 챔버(54)는 정크헤드가 아닌 피스톤에 구비될 수 있다. 이는 예를 들어, 피스톤의 무게가 증가하고 피스톤 핀 축이 변위되거나 선택적으로 피스톤이 길어지기 때문에 덜 만족스럽지만, 이러한 단점은 응용이 보장된다면 극복할 수 없는 것은 아니다. 다른 단점은 연소 챔버를 형성하는 고온 내열성 몸체와 윤활유의 접촉을 방지하기 위한 스크린 또는 차단체를 제공할 필요가 있다는 것이다. 이러한 선택적 실시예에서, 분사기는 오버헤드 밸브 4행정 또는 2행정 포트 형식에서 실린더 헤드 내부 또는 정크헤드 내부에 배치될 것으로 예상할 수 있다.
도시된 기관은 4행정 슬리브 밸브 디젤 또는 압축 착화 기관이다. 본 발명의 개념은 피스톤의 움직임에 의해 조절되는 슬리브 밸브 및/또는 포핏 밸브 및/또는 실린더 포트가 구비된, 4행정 슬리브 밸브 스파크 또는 불꽃 플러그 착화 기관, 4행정 포핏 밸브 엔진, 2행정 기관에 적용될 수 있고, 상기 피스톤 내부에 장착된 연소 챔버가 구비된 이들 기관에 적용될 수 있으며, 디젤 파일럿 착화에 의해 연료 화된 가스 또는 가스 연료 또는 액체 연료에 의한 스파크 또는 불꽃 플러그 착화를 이용한 이들 기관에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 개념은 본 출원인의 호주특허 제600913호의 가변 타이밍 슬리브 밸브 구조가 구비된 단일 장치와 결합될 수 있다.
슬리브 밸브 대신 포핏 밸브가 채용된 경우, 적당한 와류 형태를 발생시키는데 적당한 구조는 전술한 리카르도 등의 저서(4판, 100 및 101페이지)의 도 7.5 및 도 7.6에 도시되어 있다.
본 발명은 연소 챔버(54)가 원통형인 경우에 한정되지 않는다. 메인 챔버(52)에 대한 네크 또는 제한된 개구부가 구비된 구조를 포함하여, 기타 다른 기능적 형태가 채용될 수 있다. 이러한 제한이 단면적에서 큰 비율을 차지한다면, 상기 기관은 간접 분사 기관으로서 작동할 수 있다.
당연히, 본 발명은 엔진 이외의 기능을 가진 왕복장치, 예를 들어 압축기 또는 펌프를 포함한다.

Claims (49)

  1. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위되며 당해 기관이 작동되는 동안 양 서브 챔버 내에서 상기 축을 중심으로 가스의 와류가 발생되고 유지되는 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 하나의 서브 챔버는 주변에 단열 자켓과 방열 수단이 구비된 내열성 및 낮은 열전도성 중 적어도 어느 하나를 구비한 일체형 벽체 구조에 의해 일단이 측방향으로 한정되고 밀폐됨으로써, 당해 기관이 작동되는 동안, 상기 하나의 서브 챔버와 접한 벽체의 표면이 상기 다른 서브 챔버와 접한 벽체의 표면보다 더 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 서브 챔버는 당해 기관이 직접 분사 방식으로 작동하도록 배치된 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 서브 챔버는 당해 기관이 간접 분사 방식으로 작동하도록 배치된 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 연료 유입 수단은 상기 일체형 벽체 구조의 상보적인 통공 또는 홈 내부에 긴밀하게 장착된 연료 분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 연료 분사기는 선단과, 그 선단을 냉각하기 위한 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 유입 수단은 상기 하나의 서브 챔버를 체적이 대체로 동일한 중앙 원통부와 환형 외부로 분할하는 소정 반경으로 상기 작동챔버 속으로 개방되도록 배치된 유동관을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버는 상기 단면으로부터 이격된 평균 길이(L)와 평균 폭(D)을 가지며, 그 비(L/D)는 0.9 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버는 직경이 D이고 축방향 길이가 L인 원통형인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단면은 상기 하나의 서브 챔버와 동일하거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 벽체 구조는 상기 하나의 서브 챔버와 접한 당해 벽체 구조의 표면에서의 온도로 인해 발생하는 열팽창에 대응할 수 있도록 상기 축에 대하여 길이방향 및 측방향으로 자유롭게 팽창하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 다른 서브 챔버를 중심으로 연장된 하우징의 메인 실린더에 구비되어 윤활제가 통과할 수 있는 관 또는 회랑을 더 포함하며, 상기 윤활제는 상기 실린더 주변 또는 단면에서의 온도 및 온도차 중 적어도 어느 하나를 효과적으로 저감 또는 제어하고, 바람직한 기능적 점도로 가열되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 다른 서브 챔버 내부에서의 가스 와류는 비교적 저온인 와류형 경계층이 그 내부에 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 저온 경계층은 상기 다른 서브 챔버의 주변 및 단부 벽체 모두를 효과적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 와류는 상기 하나의 서브 챔버에서의 와류비가 적어도 6:1이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 와류비는 약 10:1 내지 약 25:1의 범위인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 와류는 상기 다른 서브 챔버에서의 와류비가 적어도 3:1이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버 내부에서의 가스 와류는 상대적으로 고온인 코어와 상대적으로 저온인 외주에 의해 당해 서브 챔버의 가스 유동에서 방사상의 온도 구배가 존재하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 유입 수단과 배출 수단은 하우징 내부의 포트와, 상기 포트를 제어하는 왕복 슬리브 밸브 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버는 상기 피스톤 수단에 대향하는 정크헤드 수단 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 하우징과 포트는 유입 공기가 고온 연소 챔버 벽체에 의해 전혀 예열되지 않거나 또는 최소한으로 예열되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 상기 서브 챔버를 측방향으로 각각 한정하는 원통부와, 상기 피스톤 수단에 대향하도록 원통부 사이에 형성된 환형 쇼울더를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 쇼울더는 환형 헤드 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 방열 수단은 상기 벽체 구조로부터 환형 헤드 부재까지 열 전도성을 저감시키기 위해 상기 벽체 구조에 연결된 환형 네크 수단을 포 함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 쇼울더와 네크 수단은 상기 하나의 서브 챔버를 형성하는 벽체 구조와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  25. 제 1 항에 있어서, 적어도 거의 단열적으로 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버는 상기 피스톤 수단 내부에 한정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 서브 챔버는 상기 하우징의 길이방향 중심축인 상기 축을 중심으로 축방향으로 대칭인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 착화될 수 있는 혼합물은 압축 착화에 의해 착화될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 착화될 수 있는 혼합물은 스파크 또는 불꽃 플러그 착화에 의해 착화될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  30. 제 1 항에 있어서, 상기 공기와 연료는 상기 작동 챔버 내부에서 전체적으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  31. 제 1 항에 있어서, 상기 공기와 연료는 상기 작동 챔버의 외부에서 적어도 부분적으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  32. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위된 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 하나의 서브 챔버는 상기 단면으로부터 평균 폭(D)과 평균 길이(L) 만큼 이격되고, 상기 비(L/D)는 0.9 또는 그 이상이며,
    상기 공기 유입 수단은 상기 하나의 서브 챔버로부터 다른 서브 챔버로 유동하는 측방향으로 팽창되는 가스를 포함하여 상기 챔버 내부의 가스에 상기 축을 중심으로 와류를 부여하도록 배치된 흡기 포트를 포함함으로써, 당해 기관 작동시, 상기 하나의 서브 챔버에 와류형 유동이 형성되고 다른 서브 챔버에 와류형 냉각 경계층이 형성되며, 상기 하나의 서브 챔버 내부에서 유동하는 와류의 와류비는 적어도 6:1이고, 바람직하게는 10:1 내지 25:1인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 저온 경계층은 상기 다른 서브 챔버의 단부 벽체와 그 주변 모두를 효과적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  34. 작동챔버를 형성하는 피스톤 수단과 하우징을 가진 내연기관을 적어도 준단열적으로 작동시키는 방법으로서,
    가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상기 피스톤 수단과 하우징을 상대적으로 순환하여 변위시키는 단계;
    상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키는 단계;
    상기 작동챔버 내부에 착화될 수 있는 혼합물이 형성되도록 공기를 압축시키는 단계;
    상기 압축공기/연로 혼합물을 연소시키는 단계;
    상기 작동챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 가스를 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창시키는 단계를 포함하여, 상기 작동챔버로부터 가스를 배출시키는 단계; 및
    당해 기관의 작동시, 상기 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 가스 와류를 발생 및 유지시키는 단계;를 포함하되,
    상기 하나의 서브 챔버와 접한 벽체의 표면이 상기 다른 서브 챔버와 접한 벽체의 표면보다 더 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 내연기관 작동방법.
  35. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버에 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위되며 당해 장치가 작동되는 동안 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 연료의 와류가 발생되고 유지되는 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 하나의 서브 챔버는 방열 수단이 구비된 벽체 구조에 의해 일단이 측방향으로 한정됨으로써, 당해 장치가 작동되는 동안, 상기 하나의 서브 챔버와 접한 벽체의 표면이 상기 다른 서브 챔버와 접한 벽체의 표면보다 더 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 왕복장치.
  36. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위되며 당해 기관이 작동되는 동안 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 가스의 와류가 발생되고 유지되는 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 연료 유입 수단은 상기 하나의 서브 챔버를 체적이 대체로 동일한 중앙 원통부와 환형 외부로 분할하는 소정 반경으로 상기 작동챔버 속으로 개방되도록 배치된 유동관을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버는 상기 단면으로부터 이격된 평균 길이(L)와 평균 폭(D)을 가지며, 그 비(L/D)는 0.9 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버는 직경이 D이고 축방향 길이가 L인 원통형인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  39. 제 36 항, 제 37 항 또는 제 38 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 단면은 상기 하나의 서브 챔버와 동일하거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 내연기관.
  40. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위되며 당해 기관이 작동되는 동안 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 가스의 와류가 발생되고 유지되는 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 다른 서브 챔버 내부에서의 가스 와류는 비교적 저온인 와류형 경계층이 그 내부에 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  41. 제 40 항에 있어서, 상기 저온 경계층은 상기 다른 서브 챔버의 단부 벽체와 그 주변 모두를 효과적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  42. 제 40 항 또는 제 41 항에 있어서, 상기 가스 와류는 상기 다른 서브 챔버에서의 와류비가 적어도 3:1이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  43. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위되며 당해 기관이 작동되는 동안 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 가스의 와류가 발생되고 유지되는 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 하나의 서브 챔버 내부에서의 가스 와류는 상대적으로 고온인 코어와 상대적으로 저온인 외주에 의해 당해 서브 챔버의 가스 유동에서 방사상의 온도 구배가 존재하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 가스 와류는 상기 하나의 서브 챔버에서의 와류비가 적어도 6:1이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 와류비는 약 10:1 내지 약 25:1의 범위인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  46. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위되며 당해 기관이 작동되는 동안 양 서브 챔버 내부에서 상기 축을 중심으로 가스의 와류가 발생되고 유지되는 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 하나의 서브 챔버는 상기 단면으로부터 이격된 평균 길이(L)와 평균 폭(D)을 가지며, 그 비(L/D)는 0.9 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  47. 제 46 항에 있어서, 상기 하나의 서브 챔버는 직경이 D이고 축방향 길이가 L인 원통형인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  48. 제 46 항 또는 제 47 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 단면은 상기 하나의 서브 챔버와 동일하거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 내연기관.
  49. 가변체적 작동챔버를 형성하도록 소정 축을 따라 상대적으로 주기적으로 변위될 수 있는 피스톤 수단과 하우징;
    상기 작동챔버 내부에서 공기가 압축된 이후에 착화될 수 있는 혼합물을 형성하기 위하여 상기 작동챔버에 공기와 연료를 유입시키기 위한 수단; 및
    상기 작동챔버로부터 연소물을 배출시키기 위한 수단;을 포함하되,
    상기 가변체적 작동챔버는 상기 축상에 상호 변위된 적어도 2개의 서브 챔버를 포함하고, 상기 서브 챔버중 하나의 서브 챔버에서 다른 서브 챔버로 가스가 유동할 때 상기 하나의 서브 챔버 내부의 가스가 적어도 부분적으로 측방향으로 팽창될 수 있는 단면에서 서로 통하며,
    상기 하나의 서브 챔버는 당해 서브 챔버와 접한 벽체 구조의 표면에서의 온도로 인해 발생하는 열팽창에 대응할 수 있도록 상기 축에 대하여 길이방향 및 측방향으로 자유롭게 팽창하는 벽체 구조에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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