KR102383858B1 - 내연기관 - Google Patents

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Abstract

실린더 및 피스톤을 포함하는 내연기관을 동작시키는 방법이 개시되며, 방법은, 연료가 피스톤의 압축 행정 동안 그 가스상으로 기화하도록, 그리고 압축 행정에 의해 유발된 온도의 상승이 연료에 의한 열의 흡수에 의해 제한되도록 연소 전에, 냉각 공정을 통해 그 액상으로 응축된 연료를 액체로서 실린더 내로 분사하는 단계를 포함한다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
오토 사이클을 사용하는 내연기관에서, 입구 공기/연료 혼합물은 점화 전에 단열적으로(adiabatically) 압축된다. 입구 공기/연료 혼합물의 압축은 압축 동안 에너지 입력에 기인하는 대응하는 온도 증가를 유발한다. 실린더에서 압축비를 증가시키는 것은 이러한 엔진의 효율을 증가시키도록 수행된 접근 방식이다. 그러나, 실린더에서 압축비를 증가시키는 것에 의해, 실린더에서 공기/연료 혼합물의 온도는 증가하고, 일부 환경에서 엔진에서의 효과를 손상시키는 엔진 노크 또는 조기 점화로 이어질 수 있다.
이러한 엔진들에서, 실린더에서 차선의(sub-optimal) 충전 상태는 차선의 연소를 초래할 수 있으며, 이러한 것은 예를 들어 극한 경우에 엔진에서 악영향을 미칠 수 있는 슬립, 열악한 효율 또는 노크를 유발하는 불완전 연소로 이어질 수 있다.
본 발명의 양태들과 실시예들은 첨부된 청구항들에서 제시된다.
본 발명의 양태들은, 연료가 압축 행정 동안 그 가스상(gaseous phase)으로 기화하도록, 그리고 압축 행정에 의해 유발되는 온도의 상승이 연료에 의한 열의 흡수에 의해 제한되도록 연소 전에, 냉각 공정을 통해 그 액상(liquid phase)으로 응축된 연료를 액체 형태로 분사하도록 구성된 내연기관(100)에 관련된다.
본 발명의 양태는 또한 연료가 압축 행정 동안 그 가스상으로 기화하도록, 그리고, 압축 행정에 의해 유발되는 온도의 상승이 연료에 의한 열의 흡수에 의해 제한되도록 연소 전에, 냉각 공정을 통해 그 액상으로 응축된 연료를 액체 형태로 분사하는 단계를 포함하는 내연기관을 동작시키는 방법에 관련된다.
본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 오직 예의 방식으로 지금 설명할 것이다:
도 1은 내연기관의 개략도를 도시하며;
도 2는 도 1에 도시된 내연기관의 엔진 블록의 단면도를 도시하며;
도 3은 도 1에 도시된 내연기관의 엔진 블록에 있는 실린더의 단면도를 도시하며;
도 4는 도 1에 도시된 내연기관의 엔진 블록의 실린더의 대안적인 배열의 단면도를 도시하며;
도 5는 피스톤 위치에 대하여 압력 및 밸브/분사 타이밍을 도시하는 타이밍도를 도시하며;
도 6a는 도 1에 도시된 내연기관과 함께 사용하기 위한 저장소를 도시하며;
도 6b는 도 1에 도시된 내연기관과 함께 사용하기 위한 저장소의 대안적인 배열을 도시하며;
도 7은 도 1에 도시된 내연기관의 엔진 블록의 실린더 내로 연료를 추진하기 위한 배열을 도시한다.
예를 들어, 연료의 상 변화는 압축 행정에 의해 유발된 온도의 상승, 예를 들어 연료가 기화함에 따라서 연료의 기화 잠열(latent heat)을 제한한다. 유익하게, 이러한 것은 엔진 노크 또는 조기 점화를 겪지 않고 종래의 오토 사이클 엔진들에 의해 가능한 것보다 높은 압축비의 사용을 가능하게 할 수 있다.
연료는 엔진(100)의 실린더(3), 예를 들어 실린더(3)의 연소실(27) 내로 직접 분사될 수 있다. 압축에 의해 유발되는 공기의 어떠한 온도 상승도 연료에 의한 열의 흡수에 의해 제한되기 때문에, 액상으로 연료를 분사하는 것은 실린더(3)의 연소실(27) 내의 온도가 종래의 오토 사이클 엔진보다 더 낮게 유지됨에 따라서 엔진(100)이 조기 점화될 가능성이 적다는 것을 의미한다.
추가적으로, 연료가 압축 행정 동안 실린더(3)의 연소실(27)에서 기화하기 때문에, 이러한 것은 예를 들어 실린더(3)에서 높은 난류로 이어지는 액체 연료의 비등 작용으로 인하여 공기와 연료의 보다 양호한 혼합을 유발하고, 엔진(100)이 연료를 더욱 적게 사용하는 것을 가능하게 한다.
압축 행동 동안 연료의 기화는 또한 압축 행정의 압축 작업을 감소시킨다. 이러한 것은 압축 행정에 의해 유발되는 온도의 상승을 연료가 제한하기 때문이며, 그 결과, 보다 적은 열이 실린더(3)의 벽들로 손실된다. 종래의 오토 사이클 엔진에서, 연료가 연소되고 일을 생산하는데 유용한 형태로 있도록 "가스화"되어야만 하며, 그러므로 에너지를 요구하고 엔진 효율이 감소시킨다. 그러나, 본 발명의 실시예들에서, 연료가 압축 행정 동안 기화되었기 때문에, 연료는 이미 가스 형태로 있으며, 그러므로 유익하게 사용에 앞서 연료의 가스화에 대한 필요성을 제거한다.
일부 실시예들에서, 연료의 유량은 연료에 의한 열의 흡수가 연료와 실린더(3)에 있는 주위 공기 사이의 순간적인 온도차에 비례하도록 제어된다.
일부 실시예들에서, 연료는 흡기 행정 후에 및/또는 압축 행정 동안 실린더(3) 내로 분사된다. 이러한 방식에 의해, 연료는 적어도 하나의 피스톤(25)의 압축 행정 동안 실린더(3)의 연소실(27)에서 기화하도록 실린더 내로 분사된다.
연료는 실린더(3) 내로 분사될 때 액상이도록 압력 하에, 적어도 1 ㎫, 예를 들어 적어도 1.6 ㎫으로, 및/또는 낮은 온도로, 예를 들어 273 켈빈 아래, 예를 들어 150 켈빈 아래, 예를 들어 대략 111 켈빈으로 저장될 수 있다.
예시적인 실시예는 도 1 내지 도 7을 참조하여 지금 설명될 것이다. 도 1은 내연기관(100)을 도시한다. 내연기관(100)은 실린더(3)들을 포함하는 엔진 블록(1)을 포함하며, 그러나, 일부 실시예들에서, 엔진 블록(1)은 4개보다 많거나 또는 적은 실린더(3)들을 포함할 수 있다. 제어 시스템(9)이 엔진 블록(1)에 결합된다.
펌프(11)는 엔진 블록(1)과 저장소(19)에 결합되며, 저장소(19)와 엔진 블록(1) 모두와 유체 연통한다. 터보차저(13)가 또한 엔진 블록(1)에 결합되고, 엔진 블록(1)과 유체 연통한다. 터보차저(13)는 흡기부(15) 및 배기부(17)에 결합되고 이와 유체 연통한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 엔진(100)은 터보차저(13)를 포함하지 않으며, 대신 슈퍼차저(supercharger)를 포함할 수 있거나 또는 엔진 블록(1)에 의한 흡기 전에 공기를 충전하는 어떠한 수단도 포함하지 않을 수 있다.
제어 시스템(9)은 펌프(11), 엔진 블록(1), 실린더(3)들, 터보차저(13), 흡기부(15) 및 배기부(17)의 동작을 제어하도록 동작할 수 있다. 제어 시스템은 엔진(100)의 특정 양태를 연속으로 모니터하고 제어하도록 센서들과 피드백 루프들을 포함하는 전자 기기 시스템, 예를 들어, 컴퓨터일 수 있다.
저장소(19)는, 냉각 공정을 통하여 액상으로 응축되었으며 이러한 경우에 저온으로, 예를 들어 273 켈빈 아래, 예를 들어 150 켈빈 아래, 대략 111 켈빈으로 있는 액화 천연 가스(LNG)인 일정량의 연료를 저장하고 홀딩하기 위해 구성되도록 단열된 진공 공간을 포함하며, 그러므로, 연료는 극저온 유체(cryogen)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 연료는 메탄, 수소(LH2) 또는 에탄을 포함한다.
펌프(11)는 도 5를 참조하여 다음에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 저장소(19)로부터 엔진 블록(1)으로 연료를 펌핑하도록 동작 가능하다. 터보차저(13)는, 흡기부(15)를 통하여 그리고 입구(5)들을 통하여 흡인된 공기를 실린더(3)들의 연소실(27)들 내로 분사하도록 실린더(3)들의 출구(7)들로부터 오는 배기 가스로부터 에너지를 추출하고, 실린더(3)들의 출구(7)들로부터 배기부(17)를 통하여 공기 배기 가스를 축출하도록 동작 가능하다.
엔진 블록(1)은 도 2에 더욱 상세하게 도시된다. 엔진 블록은 공기 입구 매니폴드(51)와 공기 출구 매니폴드(53)를 포함한다. 공기 입구 매니폴드(51)는 터보차저(13)와 실린더(3)의 흡기부(5)와 유체 연통한다. 공기 출구 매니폴드(53)는 또한 터보차저(13) 및 실린더(3)들의 공기 출구(7)와 유체 연통한다.
엔진 블록(1)은 연료 입구 매니폴드(57) 및 연료 분사 시스템(29)을 추가로 포함한다. 연료 입구 매니폴드(57)는 펌프(11) 및 연료 분사 시스템(29)에 결합되고 이와 유체 연통한다. 연료 분사 시스템(29)은 차례로 각각의 실린더(3)의 인젝터(21)에 결합되고 이와 유체 연통한다. 연료 분사 시스템(29)은 예를 들어 저압 펌프를 포함할 수 있거나, 또는 커먼 레일 시스템(common rail system)을 포함할 수 있다.
각각의 실린더(3)는 공기 입구(5), 공기 출구(7), 인젝터(21), 점화원(23) 및 피스톤(25)을 포함한다. 피스톤(25)은 실린더(3)의 연소실(27)을 봉입하도록 실린더(3) 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며, 크랭크축(55)에 결합된다. 엔진 블록(1)의 4개의 실린더(3)들의 각각의 피스톤(25)은 일부 실시예들에서 다른 피스톤(25)들이 다른 크랭크축(55)에 결합될 수 있을지라도 동일한 크랭크축(55)에 결합된다. 입구(5)와 출구(7)는 점화원(23)의 어느 한 측부에서 실린더(3)의 상부에 위치되고, 실린더(3)의 연소실(27)로의 개구들을 제공하도록 동작 가능한 밸브들을 포함한다. 점화원(23)은 예를 들어 스파크 플러그, 예열 플러그(glow plug) 또는 플라즈마 발생기를 포함할 수 있다.
피스톤(25)은 실린더(3)의 연소실(27)에서 공기를 압축하도록 동작할 수 있다. 실린더(3)에서 피스톤(25)의 움직임은 피스톤(25)에 결합된 크랭크축(55)을 움직인다. 제어 시스템(9)은 피스톤(25)의 움직임, 입구(5)들이 개폐될 때, 출구(7)들이 개폐될 때, 분사 시스템(29) 및 인젝터(21)들이 연소실(27) 내로 연료를 분사할 때, 및 점화원(23)이 점화를 생산하도록 동작될 때의 타이밍을 제어하도록 동작 가능하다. 분사 시스템(29)은 인젝터(21)들을 통하여 실린더(3)의 연소실(27) 내로 연료를 직접 분사하며, 점화원(23)은 실린더(3)의 연소실(27)에서 연료를 점화하도록 동작 가능하다. 입구(5)들은 연소실(27) 내로 공기를 들여보내도록 동작 가능하고, 출구(7)들은 연소실(27)로부터 폐기 가스(배기)를 제거하도록 동작 가능하다. 예를 들어, 입구(5)들과 출구(7)들은 기계적으로 또는 전자적으로 동작되는 밸브들일 수 있으며, 그 개폐 시간은 제어 시스템(9)에 의해 제어된다.
예시적인 실린더(3)들은 도 3 및 도 4에 더욱 상세하게 도시된다. 도 3에 도시된 하나의 구성에서, 인젝터(21)는 인젝터가 피스톤(23)의 운동 방향을 가로지르는 평면에서 실린더(3) 내로 연료를 분사하기 위해 동작 가능하도록 실린더 벽의 측부를 통과한다. 유익하게, 실린더(3)의 측벽을 통한 이러한 방식으로 연료를 분사하는 것은 연소실(27)에서 공기와 연료의 보다 양호한 혼합을 제공하고, 또한 점화/압축 위상 또는 동력 전달 행정 동안 고온 가스로부터 인젝터(21)를 보호할 수 있다.
도 4에 도시된 다른 구성에서, 인젝터(21)는 점화원(23)에 인접한 입구(5)와 출구(7) 사이의 실린더 벽의 상부를 통과한다. 인젝터(21)의 위치의 다른 구성이 가능할 수 있다.
실린더(3), 피스톤(25), 입구(5), 출구(7), 인젝터(21) 및 점화원(23)의 동작은 지금 도 5를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도 5는 실린더(3)의 연소실(27)에서의 압력과 피스톤(23) 위치에 대한 밸브/분사 타이밍을 도시하는 타이밍도를 도시한다. 특히, 도 5는 오토 사이클에 대응하는 내연기관(1)의 4개의 사이클을 도시한다. 각 사이클은 실린더(3) 내에서 피스톤(25)의 위치(상사점(TDC) 또는 하사점(BDC))를 참조하여 또는 피스톤(25)에 결합된 크랭크축(55)의 각도 위치를 참조하여 설명될 수 있다.
사이클은 피스톤(25)이 TDC에 있고 크랭크축의 각도 위치가 0°일 때 시작한다. 크랭크축(55)이 회전함에 따라서, 크랭크축은 피스톤이 BDC에 도달하고 크랭크축이 180°회전될 때까지 피스톤(25)을 TDC로부터 아래를 향해 당긴다. 이러한 것은 흡기 행정으로 불린다. 흡기 행정의 시작 시에, 입구(5)와 출구(7)는 모두 개방된다. 출구(7)는 크랭크축(55)이 예를 들어 도 5에서 도면부호 1로 도시된 바와 같이 10 내지 30°회전되었을 때 폐쇄된다. 인젝터(21)는 예를 들어 출구(7)가 폐쇄되었을 때, 출구(7)가 폐쇄된 직후에, 또는 때때로 도 5에서 도면부호 6으로 도시된 바와 같이 출구(7)가 폐쇄된 후에 액상으로 연료를 연소실(27) 내로 분사하기 시작한다.
피스톤(25)이 BDC에 도달된 후에, 크랭크축(55)이 계속 회전함에 따라서, 피스톤(25)은 BDC로부터 다시 TDC로 위를 향하여 진행하고, 연소실(27)에서 공기와 연료를 압축한다. 이러한 것은 압축 행정으로 불린다. 전형적으로, 입구(5)는 예를 들어 도 5에서 도면부호 2로 도시된 바와 같이 피스톤(25)이 BDC에 도달한 후에, 예를 들어 크랭크축(55)이 190 내지 210°회전될 때 10 내지 30°폐쇄된다. 인젝터(21)는 전형적으로 도 5에서 도면부호 7로 도시된 바와 같이 피스톤(25)이 TDC에 도달하기 전에 10 내지 30°에 있을 때, 예를 들어 크랭크축(55)이 대략 330 내지 350°회전되었을 때 연료 분사를 중지한다.
엔진 및 제어 시스템(9)의 구성에 의존하여, 전형적으로 엔진은, 피스톤(25)이 TDC에 도달하기 바로 전에, 예를 들어 TDC 전의 30 내지 10°에서, 예를 들어 크랭크축(55)이 330 내지 350°회전되었을 때, 점화원(23)이 연소실(27)에서 연료를 점화하도록 구성된다. 이러한 것은 도 5에서 도면부호 5로 도시된다.
연료가 점화되고 연소함에 따라서, 실린더(3)의 연소실(27)에서의 압력이 급격히 상승하여서, 연소실에서의 압력은 피스톤(25)이 TDC에 도달한 직후에, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 크랭크축(55)이 대략 370 내지 390°회전되었을 때 TDC를 지나서 대략 10 내지 30°에서 피크 압력에 도달한다. 연소실(27)에서의 압력 증가는 피스톤(25)을 다시 BDC를 향해 강제한다. 이러한 것은 동력 전달 행정(power stroke)으로 불린다.
피스톤(25)이 다시 한번 BDC에 도달함에 따라서, 출구 밸브(7)는 개방되고, 배기 가스와 폐기물은 연소실(27)을 빠져나간다. 출구 밸브(7)는 예를 들어 크랭크축(55)이 도 5에서 도면부호 3으로 도시된 바와 같이 대략 510 내지 530°회전하였을 때 대략 BDC 전의 10 내지 30°에서 개방될 수 있다. 피스톤(25)은 그런 다음 크랭크축(55)이 계속 회전함에 따라서 TDC를 향해 다시 위로 진행한다. 이러한 것은 배기 행정으로 불린다. 피스톤(25)이 다시 TDC에 도달하기 바로 전에, 입구(5)는 공기가 연소실(27)로 들어가는 것을 가능하게 하도록 개방된다. 입구(5)는 예를 들어 도 5에서 도면부호 4로 도시된 바와 같이 크랭크축(55)이 690 내지 710°회전하였을 때 TDC 전의 10 내지 30°에서 개방된다.
제어 시스템(9)과 연료 분사 시스템(29)은 저압으로, 예를 들어 10 ㎫ 미만, 예를 들어 5 ㎫ 미만, 예를 들어 4.6 ㎫ 미만, 예를 들어 1.3 ㎫으로 실린더(3)의 연소실(27) 내로 직접 연료를 분사하도록 구성된다. 저압으로 연료를 분사하는 것은, 연료가 액상으로, 그리고 액적들의 분무(spray of droplet)이지만 액적 크기에서 큰 분포를 갖는 형태로 연소실(27)로 직접 분사될 수 있다는 것을 의미한다. 액적 크기에서 큰 분포를 가지는 것은 연료가 피스톤(25)의 압축 행정 동안 가스상으로 기화하는 온도 및/또는 시간 범위를 늘리기 때문에 열역학적으로 바람직하다.
일부 실시예들에서, 액적의 분무의 분사는 압축 행정 동안 안정된 열 흡수, 및 실린더(3)에서 공기와 액체 연료 사이의 매끄러운 열전달을 제공하도록 액적 크기의 분포를 산출하기(deliver) 위해 제어된다. 일부 실시예들에서, 이러한 것은 압축 행정 내내, 예를 들어 압축 행정의 일부 내내 또는 전체 압축 행정 내내 열 흡수를 제공할 액적 크기의 분포를 결정하는 것을 포함할 것이다.
연료의 낮은 온도와 분사되는 낮은 압력의 조합은, 예를 들어 잠시 동안 가동한 후에 엔진의 온도가 높고 대략 360 내지 380 켈빈인 때에도 연료가 액상으로 실린더(3)의 연소실(27) 내로 분사되는 것을 의미한다.
오토 사이클을 사용하는 종래의 엔진에서, 연료는 흡기 행정 동안, 예를 들어 기화기를 사용하는 흡기 자체를 통하여 또는 고압(예를 들어 100 ㎫의 범위에 있는)으로, 결과적으로 가스상으로 연소실(27)로 직접 분사된다. 다시 말하면, 연료는 크랭크축(55)이 예를 들어 690°내지 210°에 있을 때 분사된다. 오토 사이클을 사용하는 이러한 종래의 엔진들에서, 연료는 액화되지 않지만 표준 실온 및 압력(288.15 켈빈 및 101.325 kPa)에서 이미 액체이며, 여전히 수반된 높은 압력 및 온도(예를 들어 200 내지 300 kPa)로 인하여 가스상으로 분사된다.
상기된 바와 같이, 오토 사이클을 사용하는 이러한 엔진들은 조기 점화 및 엔진 노크를 받을 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 피스톤(25)의 압축 행정 동안 연료가 가스상으로 기화하도록 실린더(3), 특히 연소실(27) 내로 연료를 액상으로 분사하는 것은, 연료가 기화함에 따라서 압축 행정 동안 압축에 의해 유발되는 연소실(27)에 있는 공기의 온도 상승이 연료에 의한 열의 흡수에 의해 제한되기 때문에, 이러한 문제들이 일어날 가능성이 훨씬 적다는 것을 의미한다.
오토 사이클을 사용하는 이러한 종래의 엔진들은 또한 전형적으로 공기와 연료의 고르지 않은 혼합(계층화)으로 인하여 연료의 고르지 않은 연소를 유발한다. 대조적으로, 본 발명의 실시예들은 액상으로 연료를 분사하기 때문에, 연료가 압축 행정 동안 연소실(27)에서 공기의 압축에 의해 기화됨에 따라서 공기와 연료의 보다 양호한 혼합이 일어나고, 엔진이 연료를 더욱 적게 사용하는 것을 가능하게 한다.
제어 시스템(9) 및/또는 분사 시스템(29)은 연료가 실린더(3)의 연소실(27) 내로 액상으로 분사되는 것을 보장하도록 다수의 센서들 및 피드백 루프들을 가진다. 제어 시스템(9) 및/또는 분사 시스템(29)은 예를 들어 실린더(3) 또는 엔진 블록(1)의 주위 온도를 모니터하도록 온도 센서들과 압력 센서들을 포함할 수 있다. 제어 시스템(9) 및/또는 분사 시스템(29)은 저장소(19)의 압력과 온도를 모니터하도록 압력 및 온도 센서들을 포함할 수 있다. 제어 시스템(9) 및/또는 분사 시스템(29)은 입구(5), 출구(7), 인젝터(21) 및 점화원(23)의 타이밍을 조정하도록 피드백 루프들을 또한 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 액체 연료의 유량은 연료에 의한 열의 흡수가 연료와 실린더(3)에 있는 주위 공기, 예를 들어 연소실(27)에 있는 공기 사이의 순간적인 온도차에 비례하도록 제어된다.
일부 실시예들에서, 엔진(100)은 펌프(11)를 포함하지 않는다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 엔진(100)은 저장소(19)로부터 엔진 블록(1)으로 연료를 추진하기 위해 저장소(19)를 가열하도록 열 공급원(29)을 포함한다. 저장소(19)를 가열하는 것에 의해, 저장소(19)에서의 압력이 증가하여서, 연료는 엔진 블록(1)을 향해 추진된다. 열 공급원은 엔진(100)으로부터의, 예를 들어 배기 가스로부터의 폐열로부터 유도 또는 전도를 통해 열을 제공할 수 있하거나, 또는 저항기, 예열 플러그일 수 있거나, 또는 저장소가 하나이면 진공 공간을 방사로(radiantly) 가로지를 수 있다. 다른 실시예들에서, 저장소(19) 자체는 도 6b에 도시된 바와 같이 임펠러 펌프(31)를 포함한다. 임펠러 펌프(29)는 외부 구동 기계식 펌프에 의해 구동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 구동 직접 구동 시스템이 사용된다.
일부 실시예들에서, 열 공급원(29)은 도 7에 도시된 바와 같이 오버플로우 통로(33)와 조합하여 사용된다. 오버플로우 통로(33)는 입구 통로(35)를 통해 저장소(19)에 결합되고, 출구 통로(37)를 통해 엔진 블록(1)에 결합되며, 양 통로는 오버플로우 통로(33)로/오버플로우 통로로부터 연료의 유동을 제어하도록 밸브들을 가진다. 열 공급원(41)을 가지는 웰(well)(39)이 입구 통로(35)와 출구 통로(37) 사이에 있다. 연료가 저장소(19)로부터 밖으로 추진됨에 따라서, 연료는 입구(35)를 통해 오버플로우 통로(33)로 들어가고, 웰(39)로 유동한다. 연료는 웰에 있으면, 열 공급원(41)에 의해 가열된다. 열 공급원(41)은 엔진(100)으로부터의, 예를 들어 배기 가스로부터의 폐열로부터 유도 또는 전도를 통해 열을 제공할 수 있거나, 또는 열 공급원(41)은 저항기, 예열 플러그 또는 스파크 플러그일 수 있다. 연료의 일부의 온도를 상승시키는 것은 오버플로우 통로에 있는 연료의 압력을 증가시켜서, 출구 통로(37)에 있는 밸브가 개방될 때, 연료는 엔진 블록(1)을 향하여 추진된다.
연료는 커먼 레일 분사의 수단에 의해 분사될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연료는 액체 유동의 형태로 연소실 내로 분사된다. 일부 실시예들에서, 연료는 예를 들어 공기 입구(5) 또는 공기 입구 매니폴드(57) 내로 흡기의 부분으로서 또는 기화기를 사용하여 분사된다.
일부 실시예들에서, 저장소(19)는 압력 하에서, 예를 들어 적어도 1 ㎫, 예를 들어 적어도 1.6㎫의 압력으로 연료를 저장하도록 구성된다. 예를 들어, 저장소(19)는 보강벽들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료는 저온 및 압력 하에서 저장될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어 시스템(9)은 인젝터(21)가 오직 압축 행정 동안만 연소실(27) 내로 연료를 분사하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템(9)은 인젝터(21)가 오직 흡기 행정 동안만 연소실(27) 내로 연료를 분사하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 출구(7)는 예를 들어 출구(7)가 배기 행정의 종료 시에 폐쇄되도록 입구(5)가 개방되기 전에 폐쇄되고, 입구(5)는 흡기 행정의 시작 시에 개방된다.
일부 실시예들에서, 내연기관(100)은 듀얼 연료 엔진이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 연료는 다른 연료, 예를 들어 디젤과 함께 연소실(27) 내로 분사될 수 있다.
일부 실시예들에서, 연료는 엔진 블록(1)의 일부 실린더(3)들 내로 분사되고, 다른 연료는 엔진 블록(1)의 다른 실린더(3)들 내로 분사된다. 예를 들어, 연료는 엔진 블록(1)의 2개의 실린더(3)들 내로 분사될 수 있으며, 디젤은 엔진 블록(1)의 다른 2개의 실린더(3)들 내로 분사된다.
비록 오토 사이클 엔진이 위에서 설명되었을지라도, 일부 실시예들에서, 압축 점화 엔진 또는 디젤 엔진이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 메모리 소자들은 데이터 및/또는 본 명세서에서 설명된 동작을 실행하도록 사용된 프로그램 명령을 저장할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 본 명세서에서 설명 및/또는 청구된 방법들 중 임의의 하나 이상을 수행하도록 프로세서를 프로그램하도록 및/또는 본 명세서에서 설명 및/또는 청구된 데이터 처리 장치를 제공하도록 동작할 수 있는 프로그램 명령을 포함하는 유형의 비일시적 저장 매체를 제공한다.
본 명세서에서 개괄된 방법 및 장치는 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 및/또는 컴퓨터 프로그램 명령과 같은 논리 게이트 또는 프로그램 가능한 논리의 어셈블리들과 같은 고정 논리에 의해 제공 될 수 있는 컨트롤러들 및/또는 프로세서를 사용하여 실시될 수 있다. 다른 종류의 프로그램 가능한 논리는 프로그램 가능 프로세서, 프로그램 가능 디지털 로직(예를 들어, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EPROM), 전기적으로 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EEPROM)), 애플리케이션 특정 집적 회로, ASIC, 또는 임의의 다른 종류의 디지털 로직, 소프트웨어, 코드, 전자 명령, 플래시 메모리, 광학 디스크, CD-ROM, DVD ROM, 자기 또는 광학 카드, 전자 명령을 저장하는데 적합한 다른 형태의 기계 판독 가능 매체, 또는 이러한 것들의 임의의 적절한 조합을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 컴퓨터 프로그램 제품, 및 본 명세서에서 설명된 임의의 하나 이상의 방법을 수행하도록 프로세서를 프로그램하는 명령을 저장하는 유형의 비일시적 매체와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체를 제공한다.
본 발명의 문맥에서, 본 명세서에서 설명된 장치 및 방법의 다른 예들 및 변형예들은 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (39)

  1. 실린더 및 피스톤을 포함하는 내연기관을 동작시키는 방법으로서,
    연료가 상기 피스톤의 압축 행정 동안 그 가스상으로 기화하도록, 그리고 상기 압축 행정에 의해 유발된 온도의 상승이 상기 연료에 의한 열의 흡수에 의해 제한되도록 연소 전에, 냉각 공정을 통해 그 액상으로 응축된 연료를 상기 실린더 내로 액체로서 분사하는 단계;
    액체의 유동의 형태로 상기 연료를 분사하는 단계; 및
    상기 연료에 의한 열의 흡수가 상기 연료와 상기 실린더에 있는 주위 공기 사이의 순간적인 온도차에 비례하도록 유량을 제어하는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 액적의 분무의 형태로 상기 연료를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 압축 행정 동안 안정된 열 흡수를 제공하도록 액적 크기의 분포를 산출하기 위해 분무의 분사를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압축 행정 내내 열 흡수를 제공하는 액적 크기의 분포를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 피스톤의 흡기 행정 후에 상기 연료를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압축 행정 동안 상기 연료를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 저장소에 연료를 수용하는 단계를 포함하며, 상기 실린더 내로 상기 연료를 분사하는 단계는 상기 실린더를 향하여 상기 연료의 일부를 추진하는 상기 저장소에서의 압력차를 생성하도록 상기 저장소에서 상기 연료의 일부를 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 저장소에 연료를 수용하는 단계를 포함하며, 상기 실린더 내로 상기 연료를 분사하는 단계는 상기 저장소로부터 상기 실린더 내로 상기 연료의 일부를 추진하도록 펌프를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 실린더의 측벽을 통하여 상기 연료를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 실린더의 헤드를 통하여 상기 연료를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 연료는 상기 내연기관을 위한 단일의 연료 공급원인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 연료는 상기 내연기관의 1차 연료 공급원인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 연료는 액화 천연 가스(LNG)인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 4.6 ㎫ 미만의 압력으로 LNG를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 연료는 액체 수소(LH2)인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 1.3 ㎫ 미만의 압력으로 LH2를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 내연기관으로서,
    실린더 및 피스톤;
    냉각 공정을 통하여 그 액상으로 응축된 연료를 액체 형태로 홀딩하기 위한 저장소;
    상기 저장소로부터 상기 실린더 내로 연료를 분사하기 위한 액체 인젝터; 및
    연료가 상기 피스톤의 압축 행정 동안 그 가스상으로 기화하도록, 그리고 상기 압축 행정에 의해 유발된 온도의 상승이 상기 연료에 의한 열의 흡수에 의해 제한되도록 연소 전에, 상기 실린더 내로 상기 연료의 분사를 액체 형태로 제어하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하되,
    상기 제어 시스템은 상기 연료가 액체 유동의 형태로 분사되도록 상기 연료의 분사를 제어하기 위해 구성되며,
    상기 제어 시스템은 상기 연료에 의한 열의 흡수가 상기 연료와 상기 실린더에 있는 주위 공기 사이의 순간적인 온도차에 비례하도록 유량을 제어하도록 구성되는 내연기관.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제19항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 연료가 액적의 분무의 형태로 분사되도록 상기 연료의 분사를 제어하기 위해 구성되는 내연기관.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 압축 행정 내내 열 흡수를 제공하도록 액적 크기의 분포를 산출하기 위해 분무의 분사를 제어하도록 구성되는 내연기관.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 압축 행정 동안 안정된 열 흡수를 제공하는 액적 크기의 분포를 결정하도록 구성되는 내연기관.
  25. 제19항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 피스톤의 흡기 행정 후에 상기 연료의 분사를 유발하도록 구성되는 내연기관.
  26. 제19항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 압축 행정 동안 상기 연료의 분사를 유발하도록 구성되는 내연기관.
  27. 제19항에 있어서, 상기 실린더를 향해 상기 연료의 일부를 추진하기 위해 상기 저장소에서 압력차를 생성하도록 상기 제어 시스템으로부터의 제어 신호에 응답하여 상기 저장소의 일부를 가열하도록 배열된 히터를 포함하는 내연기관.
  28. 제19항에 있어서, 상기 제어 시스템으로부터의 제어 신호에 응답하여 상기 저장소로부터 상기 실린더 내로 연료을 추진하도록 배열된 펌프를 포함하는 내연기관.
  29. 제19항에 있어서, 상기 인젝터는 상기 실린더의 측벽을 통하여 상기 실린더 내로 상기 연료를 분사하도록 배열되는 내연기관.
  30. 제19항에 있어서, 상기 인젝터는 상기 실린더의 헤드를 통하여 상기 실린더 내로 상기 연료를 분사하도록 배열되는 내연기관.
  31. 제19항에 있어서, 상기 연료는 상기 내연기관을 위한 단일의 연료 공급원인 내연기관.
  32. 제19항에 있어서, 상기 연료는 상기 내연기관의 1차 연료 공급원인 내연기관.
  33. 제19항에 있어서, 상기 연료는 액화 천연 가스(LNG)를 포함하는 내연기관.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제어 시스템과 상기 인젝터는 LNG가 4.6 ㎫ 미만의 압력으로 분사되도록 구성되는 내연기관.
  35. 제19항에 있어서, 상기 연료는 액체 수소(LH2)를 포함하는 내연기관.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제어 시스템과 상기 인젝터는 LH2가 1.3 ㎫ 미만의 압력으로 분사되도록 구성되는 내연기관.
  37. 삭제
  38. 제1항의 방법을 수행하도록 구성된 컨트롤러.
  39. 삭제
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