KR20010023780A - 가변 압축율을 가지는 내연 기관 - Google Patents

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}

일반적으로 내연 기관은 두 가지 종류 중 하나, 즉 스파크 점화 가솔린 또는 가스 엔진과 자동 점화를 이용하는 디젤 엔진으로 구성되고, 연료는 초고온과 초고압으로 압축되는 공기 투입량으로 가압 하에 주입된다. 투입된 공기와 혼합하고 일정 시간이 경과한 후에, 자동 점화를 통하여 점화가 일어난다.

공기 표준 사이클이 나타내는 것처럼 증가된 단열 지수의 가스 투입량으로 내연 기관이 작동될 수 있다면 보다 효과적이다. 동일한 공기 표준 사이클이 나타내는 것처럼 약 0.1의 지수로 증가는 모든 압축율에서 약 10% 정도 효율성을 높인다. 단열 지수를 높이는 한 가지 방법은 보다 희박한 연료-공기 비율로 엔진을 작동하는 것이다. 이것은, 공기가 불연소, 연소 부분에 대해 전체 온도 영역에 걸쳐 가장 높은 지수를 가지고 연료-공기 비율이 증가함에 따라 이 지수가 감소하기 때문이다. 화학량론적 혼합을 했을 때 연소된 투입량 지수는 다시 증가하기 시작하지만, 연료의 완전 산화로 인해 산소가 부족하기 때문에 고농도의 혼합물 연소는 덜 효율적이다.

엔진이 약 0.5의 등가 비율로 작동될 수 있다면(연료의 화학량론적 질량에 대해 투입량으로 전달된 연료의 질량) 연소량에 대한 단열 지수의 평균 증가율은 0.06이고 불연소량에 대해 0.02이다(Internal Combution Engine Fundamentals, Heywood,1988). 낮은 등가 비율에서 지수는 보다 높다. 이를 기초로 엔진이 증가된 열용량을 가지고 보다 작은 대응부로서 동량의 연료를 연소하도록 만들어진다면 출력부에서 증가될 것이다.

현재 스파크 점화 기관은 희박 연소 영역에서 한계로서 0.8의 등가 비율을 가지고 작동한다. 이것은, 0.8 이하의 등가 비율에서는 연소 실패가 증가하기 때문이다. 여기에 대해 세 가지 주요한 이유가 있다: 첫째 불꽃을 발생시키는 스파크가 발생하지 않아서 점화되지 않는다; 이 불꽃은 연소시키는데 너무 희박한 양과 닿는다; 불꽃 속도 또는 연소 속도는 너무 느려서 불꽃을 끄기 전에 투입량을 모두 소비한다.

공기 표준 사이클이 나타낸 바에 따르면 엔진 효율성을 높이는 또다른 방법은 압축율을 증가시키는 것이다. 이 압축율은 연소 챔버 체적에 의해 나누어진 배기량과 연소 챔버 체적의 합계이다. 공기 표준 사이클이 나타낸 바에 따르면 엔진의 열 효율성은 약 8:1로부터 압축율에서 모든 단위 증가에 대해 평균 1% 증가한다.

압축율을 증가시키는데 주요 세 가지 한계점이 있다. 압축율이 증가함에 따라 표면 대 체적 비율이 증가하고 열 손실은 과다해진다. 이런 열 손실은 약 17:1의 압축율에서 효율성을 떨어뜨리기 시작한다. 압축율이 증가함에 따라 최대 압력도 높아져서 구조 및 필요한 중량 증가는 실제적인 한계에 이르게 된다. 통용되고 있는 디젤 기관은 일반적으로 30:1의 압축율을 가진다.

그러나, 스파크 점화 기관은 약 8:1에서 10:1로 압축율을 제한한다. 이런 한계는 스파크 점화 모델 연료의 '노크(knock)' 경향성 때문이다. 즉, 연소되지 않은 마지막 투입분에 온도와 압력을 높여서 이것은 불꽃 프런트 앞에서 자동 점화한다. 이런 자동-점화는 실린더로부터 가청 음향을 유발하는 큰 공간 압력 차이를 일으키는 폭발성을 가진다. 상기 노크 현상은, 압축율이 증가함에 따라 증가한다. 노크는 두 가지 이유 때문에 방지되어야 한다. 첫째, 엔진이 지속된 기간 동안 노킹 하중 영역에서 작동하고 있다면 엔진에 심한 물리적 손상을 일으킬 수 있다. 둘째, 노크는 소음과 진동을 일으키므로 효율성을 떨어뜨린다.

본 발명은 자동-점화 내연 기관, 특히 희박한 연소 상태에서 작동하기에 적합한 엔진에 관련된다.

도 1 은 본 발명의 특징을 가지는 엔진의 실린더를 개략적으로 나타낸 도면;

도 2 는 도 1에 도시한 엔진과 함께 사용될 수 있는 제어 시스템의 한 가지 형태를 개략적으로 나타낸 도면;

도 3 은 제 2 피스톤을 움직이는 첫 번째 방법을 개략적으로 나타낸 도면; 및

도 4 는 제 2 피스톤을 움직이는 두 번째 방법을 개략적으로 나타낸 도면.

본 발명의 목적은 위에서 열거한 단점을 최소화하거나 극복한 자동-점화 내연 기관을 제공하는 것이다.

본 발명은, 광의의 의미에서 각각의 연소 체적과 관련된 수단을 포함하는 자동-점화 기관인 내연 기관을 제공하여서 압축율은 다양한 조건하에서 효율적인 기능을 제공하도록 엔진의 다른 조작 매개변수 변화에 감응해 바뀔 수 있다.

본 발명을 보다 쉽게 이해할 수 잇도록, 첨부 도면을 참고로 설명될 것이다.

도면에 관한 설명 이전에 부연하고 싶은 바는, 본 발명에 따른 엔진은 높은 압축율에서 작동하는 동종 차아지 희박 연소되는, 자동-점화 연소 기관이다. 최대 등가 비율은 0.45 내지 0.60이고 압축율의 범위는 15:1 내지 30:1이다.

상기 엔진은 자동-점화 엔진이고 점화 타이밍을 제어하기 위해서 가변 압축율을 사용한다.

동종 차아지의 자동-점화는 희박 연소를 실시하는 방법을 제공한다. 이 프로세스에서 화학량론적 비율보다 낮은 기혼합된 연료와 공기는 충분히 높은 압력으로 압축되는데 이것은 자동 점화를 일으키기에 충분한 온도로 상승한다. 이런 특별한 프로세스는 모든 점에서 개시한 후 스파크 점화 과정에서처럼 차아지를 통과해야 하는 불꽃에 의존하지 않는다. 오히려, 초기 온도와 압력으로부터 투입분을 압축함으로써 유도된 온도와 압력은 모든 투입량이 거치게 되므로 대부분의 장소에서 투입량 전체에 대해 동시에 연소가 일어난다. 이것은, 상기 스파크 점화 장치 내 투입량에서 불꽃을 유지하지 못하여 피스톤에 동력을 제공하지 못하는 모든 불균일함을 극복한다. 공간 종속적으로 연소되지 않는다면 온도와 압력 차이는 단지 일시적인 것에 불과하다. 이것은, 스파크 점화 기관에서 부주의한 자동-점화가 발생한 경우처럼, 공간 압력 차에 의해 발생되는 진동과 소음은 존재하지 않는다는 것을 의미한다.

만일 산화제와 혼합되고 충분히 높은 온도와 압력으로 상승된다면 스파크 점화 연료를 비롯한 대부분의 연료는 자동 점화 특성을 나타낸다. 자동 점화 현상과 연관된 것은, 점화가 발생하기 전에, 연료/공기 혼합물에 자동 점화를 일으키는데 충분히 높은 온도와 압력을 가한 후에 경과한 일정 기간이다. 이런 시간의 경과는 '점화 지연 시간'으로 불려지고 온도와 압력이 증가함에 따라 보통 감소하고 밀리세컨드로 측정된다.

예를 들어 자동차 엔진과 같은 가변 하중과 속도에서 작동되는 동종 차아지 엔진에 대해, 점화 지연 시간과 엔진 속도는 밀접한 관련이 있고 제어 방법을 필요로 한다. 만일 엔진 속도가 빨라진다면 점화 지연 시간은 감소하거나 압축 공정에서 보다 빨리 개시되고 반대로 엔진 속도가 느려지면 점화 지연 시간은 길어지거나 압축 공정에서 보다 늦게 개시되어야 할 것이다. 만일 전자의 요구 조건이 충족되지 않는다면 점화되지 않을 것이다. 만일 후자의 요구 조건이 충족되지 않는다면 점화 과정의 효율성은 떨어질 것이다.

스파크 점화 모델 연료에 관해: 자동 점화를 일으키기에 충분히 높은 주어진 온도와 압력에서, 이소-옥탄은 보다 긴 점화 지연 시간을 나타내고 n-헵탄은 보다 짧은 점화 지연 시간을 나타낸다.

충격 관(Fieweger, Blumenthal＆Adomeit, Combution and Flame, 1997)을 가지는 이소-옥탄과 n-헵탄에서 실시된 자동 점화 연구 결과에 따르면 1의 등가 비율을 가질 때, n-헵탄 점화 지연 시간은 750。K에서 1밀리세컨드로부터 850。K에서 0.7밀리세컨드로 감소한다; 이것은 850。K에서 약 0.8로 상승하고 온도 상승과 더불어 1100。K에서 약 0.1밀리세컨드로 감소한다. 동일한 압력을 받고 동일한 혼합물 강도를 가지는 이소-옥탄은, 온도가 높아짐에 따라 지연 시간은 계속해서 감소한다. 750。K에서 점화 지연 시간은 약 8밀리세컨드이고, 850。K에서 이것은 약 3밀리세컨드이고 n-헵탄과 함께 1,000。K에서 약 0.8밀리세컨드로 수렴된다. 이소-옥탄과 n-헵탄의 다양한 혼합물은 상기 두 연료 특성 사이의 특성을 띠게 된다: 연료가 이소-옥탄에 가까울수록 이소-옥탄에 가까운 특성을 보여주며 작용한다. 전술한 연구 결과에 따르면 40바아에서 희박 혼합물 이소-옥탄(0.5의 등가 비율) 압력은 주어진 온도에 대해 보다 높은 점화 지연 시간을 나타낸다. 예를 들어 900。K에서 8밀리세컨드이고 1,000。K에서 1밀리세컨드이며 고농도의 혼합물은 1,050。K에서 0.8밀리세컨드로 수렴된다.

신속 압축기를 사용하는 스파크 점화 연료에 대한 또다른 연구 결과에 따르면(Halstead, Kirsch and Quinn, Combution and Flame, 1997) 이소-옥탄에 대해, 점화 지연 시간이 약 40밀리세컨드인 650。K까지 점화 지연 시간이 감소하고, 점화 지연 시간이 약 45밀리세컨드인 750。K까지 증가하며, 그 후에 800。K에서 5밀리세컨드에 끝나는 온도 증가에 대해 감소한다. 동일한 연구 결과에 따르면 옥탄값을 감소시킴으로써 점화 지연 시간은 전체적으로 감소하지만 동일한 패턴이 우세하다. 70 옥탄값 연료에 대해 점화 지연 시간은 650。K에서 10밀리세컨드이고, 700。K에서 4밀리세컨드이며, 800。K에서 5밀리세컨드이고, 833。K에서 4밀리세컨드이다.

상승된 온도에서 조사된 모든 연료에 대해 지연 시간이 수렴된다는 것이 밝혀졌다. 이 연구는, 증가된 농도에서 모든 온도 범위에 대해 점화 지연 시간이 감소된다는 것을 보여준다. 증가된 농도는 옥탄값이 감소할 때 동일한 결과를 가지므로, 주어진 온도에서 점화 지연 기간은 짧아진다.

상기 두 연구로부터 인용된 자료에 따르면 본 발명에 따른 엔진의 연속 조작과 연료의 사용에 대한 몇 가지 중요한 사실을 보여준다. 만일 압축율이 위를 향해 변한다면 이 조건(온도와 압력) 또는 보다 낮은 압축율을 가지는 기하학적 등가물은 보어 아래로 밀어진다. 만일 최대 압축율이 12:1로 바뀐다면 예를 들어 12:1의 압축율은 상사점 앞에서 일정한 크랭크 각도와 일치하게 될 것이다. 만일 압축율이 변한다면 12:1 조건은 보어 아래로 구동된다. 반대 경우도 마찬가지이다. 압축율이 아래로 변하면 12:1 상태는 보어 위로 움직인다. 압축율이 12:1에서 증가함에 따라 12:1 상태는 보어 아래로 움직이지만, 30:1의 최대 압축 비율에서 상사점 앞에서 약 30。로 점근한다. 100,000:1의 압축율은 12:1 기하학적 등가물을 보어 아래로 상당 거리를 움직이지 않을 것이다. 최대 압축율이 30:1로 증가함에 따라 15:1의 압축율은 상사점에 보다 가깝게 점근한다. 20:1 압축율은 상사점과 보다 가깝게 점근한다.

연구 결과대로, 임계 온도는 12:1 압축율 이상이 되므로, 압축 행정의 단계에서만 연소가 일어나고, 즉 상사점 앞의 마지막 30도 부분에서 연소가 일어날 것이다. 1000rpm으로 속도가 빨라지는 엔진은 6。/millisecond의 각으로 스위프하고 4000rpm에서 24。/millisecond의 각으로 스위프한다. Fierweger 자료에 따르면 점화 지연 시간은, 상사점과 12:1에 해당하는 각 사이의 각으로 엔진이 스위프하는 시간가 동일한 크기이다.

Halstead 자료에 의하면 압축율이 증가한 경우처럼, 차아지 밀도가 높아지면, 점화 지연 시간은 상당히 짧아질 것이다. 이것은 압축율을 바꾸어줌으로써 상사점 앞의 30도 부분과 상사점 사이의 몇 지점에서 발생하는 점화를 제어할 수 있음을 보여준다.

이 연구에서 나타낸 것처럼, 점화 지연 시간은 연료 옥탄값; 혼합물 강도; 온도; 및 농도(압력)의 함수이다. 점화 발생 위치, 즉 상사점 앞의 지정한 몇 지점인 '점화점'을 제어하기 위해서, 압축 행정시에 '점화점' 앞에서 도에 의하여, 자동 점화 온도가 상승하는 곳을 제어할 필요가 있다. 점화점과 자동 점화 온도가 발생하는 각도 사이의 차이 때문에 엔진의 각속도가 생긴다. 즉, 점화가 '점화점'과 일치한다면 엔진이 각도 차이를 스위프하는데 걸리는 시간은 점화 지연 시간과 동일해야 한다. 이것은 압축율을 바꾸어 줌으로써 실시될 것이다. 효과적으로 압축율을 바꾸면 점화가 보어 위 아래에서 발생하는, 특정 압축율과 관련된 압력과 온도를 형성할 것이다.

투입물이 보다 높은 온도와 압력에 도달하고 보다 빠르게 상승된 온도와 압력에 도달하므로 효과적으로 압축율을 증가시키면 점화 시간을 촉진한다. 반대 경우도 마찬가지이다. 즉, 압축율을 감소시키면 점화 시간을 지연한다.

엔진은 점화 시간 지연에 대해 보다 큰 각으로 통과하므로 엔진 속도를 높이면 점화 시간은 지연될 것이다. 이를 보상하기 위해서 압축율을 적정한 정도로 높일 필요가 있다. 엔진은 점화 지연 시간에 대해 보다 작은 각으로 통과하므로 엔진 속도를 감소시키면 점화를 촉진할 것이다. 이를 보상하기 위해서 압축율은 알맞은 정도로 감소되어야 한다. 등가 비율의 증가는 점화 시간을 촉진시키므로 적당량에 의해 압축율을 감소시킬 필요가 있다. 등가 비율의 감소는 점화 시간을 지연시키므로 적량에 의해 압축율을 높일 필요가 있다.

주위 상태의 변화를 다루기 위해서 압축율의 범위는 대기 온도의 감소에 대해 위로 이동하고 대기 온도의 증가에 대해 아래로 이동해야 할 것이다. 예를 들어, 섭씨 25도의 대기 온도에서 압축율은 아이들(idle) 상태에서 28:1로부터, 1000rpm에서 완전 연료 공급에 대해 19:1까지 해당한다. 만일 대기 온도가 섭씨 0도이라면 압축율은 아이들 상태에서 30:1로부터, 1,000rpm에서 완전 연료 공급에 대해 22:1까지 해당한다.

연료의 옥탄값은 비슷하게 압축율 범위를 옮길 것이다. 즉, 높은 옥탄 값은 보다 높은 압축율을 발생시키고 낮은 옥탄 값은 보다 낮은 압축율을 발생시킨다.

수치 모델은 Halstead 등의 Hydrocarbone Fuel Auto-ignition Model과 유사 치수 엔진 모델의 결합에 대해 기술한다.

사이클 시뮬레이션에 따르면 본 발명에 따른 엔진은 동일한 출력에 대한 스파크 점화 대응부에서 약 33% 정도 연료 소비를 감소시킬 수 있다. 0.45의 공급율과 22:1의 압축율을 가지고 작동하는 엔진에 대해 넓게 열린 스로틀, 0.9의 등가 비율 및 9:1의 압축율을 가지고 작동하는 스파크 점화 기관과 동일한 속도에서 동일한 출력을 얻도록 약 20% 정도 용량을 증가시킬 필요가 있다.

수치 모델에 나타난 바에 따르면 적당한 압축율을 적용함으로써 1,000rpm으로부터 4,000rpm까지 모든 등가의 비율에서 일정한 최대 압력이 달성될 수 있다. 이것은 특별한 제어 시스템을 제시한다. 즉, 압축율은 외력을 따르는, 일정하거나 비슷한 상수의 영향하에 있는 압축율 가변 기구에 의해 부하-속도 요건에 적합하도록 압축율을 조절한다. 힘의 크기를 바꾸어 줌으로써 엔진은 주위 조건에 쉽게 부합하도록 이동할 수 있다. 즉, 차가운 상태에서는 힘을 증가시키고 뜨거운 상태에서는 힘을 감소시킨다. 연료 옥탄값 변화에 대해 동일하게 적용한다: 높은 옥탄값에 대해 힘을 증가시키고 낮은 옥탄 값에 대해 힘을 감소시킨다.

고려할 필요가 있는 엔진 제어 시스템의 몇 가지 면이 있다. 연료 공급을 증가시키는 것은 문제를 일으키지 않지만 높은 연료 공급 및 낮은 압축율 모드로부터 연료 공급을 감소시키면 문제를 일으킨다. 점화되지 않을 정도로 감소율이 혼합물의 농도를 떨어뜨릴지라도 연료 공급을 중단시킬 필요가 있다. 압축율이 필요한 적정 정도에 도달하거나 연료 계량이 알맞게 증가될 때까지 연료 공급은 중단되어야 한다. 이런 상황은 예를 들어 기어를 바꿀 때 발생한다. 엔진 제어 시스템의 최종 구조에 관계없이 최대 압력이 변하도록 발산한다면, 상기 제어 시스템은 연료 공급을 통제하고 주어진 부하와 속도에 대해 적합한 압축율을 적용한다. 이것은 엔진을 주위 조건과 연료 옥탄 값에 맞게 조절한다. 상기 엔진은 백열 플러그와 같은 저온 시동 시스템을 장착할 수 있고 필요하다면 뜨거운 배기 가스를 재순환시킬 수 있다. 이런 변화는 엔진 제어 시스템의 통제하에 이루어진다.

방출에 관해, 전체 하중 범위에 걸쳐 혼합물의 농도가 희박하기 때문에, 질소 산화물은 1/2 전하중 범위에서 제로(0)에 가깝게 감소하는 동일한 전력을 공급받은 스파크 점화 기관 속도의 1/8로 생산될 것이다. 일산화탄소는 스파크 점화 대응부 속도의 약 1/2로 생산될 것이다. 최대 온도와 배기 온도는 스파크 점화 대응부보다 훨씬 낮기 때문에 탄화수소 배출물은 스파크 점화 대응부보다 높은 비율로 생산될 것이다. 노크는 이 엔진이 가지는 문제점이 아니므로 실린더 헤드 및 피스톤 크라운에서 세라믹 시일딩과 같은 열 차단부를 이용할 수 있다. 이것은 탄화수소 배출물을 감소시키는 것을 돕는다.

열 손실 감소로 인해 열 차단부가 엔진의 효율성을 증가시킬 수 있는 장점을 가진다. 활용될 수 있는 또다른 상승 작용은, 만일 와류가 연소 보조물로서 필요하지 않다면 매니포울드, 포트 등의 기하학 구조의 개선에 따른 제한은 열 전달 계수를 떨어뜨리고 열 손실을 줄인다.

방열 속도는, 연료가 연소되는 속도를 정의한다. 만일 이 속도가 너무 높다면 비효율성 또는 구조 손상과 같은 불리한 결과를 일으킬 정도로 압력 상승은 빠르다. 이것은, 아무리 연료 소비가 빠르더라도 결코 발생해서는 안 된다. 그러나 4행정 사이클 Waukersha CFR 엔진을 가지는 압축-점화된 동종 차아지 연소(Najt ＆ Foster, SAE, 1984)에 대한 연구 결과에 따르면 연료는 600rpm에서 대략 4 크랭크 각도로 소비된다. 만일 이 자료가 4,000rpm으로 추정될 수 있다면 크랭크 각도는 24도이다. 이것은, 에너지 방출 속도가 순간적인 것이 아니고 어떠한 문제도 일으키지 않는다는 것을 나타낸다. 특정 연구 결과에 따르면 만일 노크와 비슷한 압력 진동 운동을 방지한다면 약 0.4의 등가 비율이 한계라는 것을 보여준다. 그러나, 신속 압축에 의한 연료 점화에 대한 연구로부터 압력의 영향이 나타낸 바에 따르면(Taylor, Livengood, Russell ＆ Leary, SAE, 1950) 0.6 정도의 등가 비율은 노크와 비슷한 압력 진동 없이 사용될 수 있다.

카르노 효율도는, 열 기관이 온도 Tp의 고온 저장기와 온도 Te의 저온 저장기 사이에서 작동할 수 있는 효율성의 절대 한계를 정의한다. 카르노 효율성은 식 1 -최대 온도에 의해 나누어진 저온으로 주어진다(1-Te/Tp). 일반적으로 최대 온도가 높을수록 효율성의 한계는 더 크다. 내연 기관에 대해 리젝션 저장기는 대기이고 가능한 최저 온도는 대기 온도이다. 만일 팽창 과정이 대기압으로 제한된다면 팽창 과정을 통하여 배기 온도를 대기 온도 이하로 떨어뜨릴 수 없다. 그러므로, 카르노 효율성은 내연 기관에 직접 적용할 수 없다. 그러나, 식(1-배기 온도/최고 온도)에 의해 오토 효율성이 주어진다. 실제 엔진에 적용할 수 있는 것처럼 이것은 사실상 효율성 한계를 정하는 Te/Tp이다. 배기 온도는 최대 온도와 압력뿐만 아니라 대기 압력과 관련된다. 만일 팽창 비율이 실제적 한계로서 실린더 압력을 대기압과 동일하게 하기에 충분히 크다면 이것은 주어진 최대 압력에 대해 최저 배기 온도를 설정한다. 만일 최대 온도가 더 높게 설정된다면 팽창율은 배기 온도를 내리기 위해서 더 높아야 한다. 실제로 이것은 실제 엔진에 적용할 수 있는 것처럼 오토 한계를 정하는 Te/Tp의 비율이다. 실제 팽창 한계에 대해 보다 낮은 최대 온도는 보다 작은 비율의 값을 고려한다. 이것은 팽창 사이클에 대해 더 낮은 온도에 기인한 팽창 사이클에 대한 낮은 종 분열과 더 높은 단열 지수 때문이다. 카르노 효율성이 동일한 최대 온도까지 오토 효율성과 결합되고, 오토 효율성은 실제 엔진 효율성과 결합되므로, 실제 엔진의 효율성 증대는 열역학 기본 법칙을 따른다.

도면은 본 발명의 특성을 보여주는 엔진의 개략도이다. 이 엔진은 가솔린 엔진일 수도 있고, 부탄 또는 부탄과 프로판 혼합물 및 압축된 천연 가스를 사용하는 가스 엔진일 수도 있다. 도면에는 단 하나의 실린더(10)만 도시되어 있는데 이 실린더에 피스톤(11)이 배치되고 전술한 대로 높은 압축율 하에서 작동될 수 있도록 배치될지라도 이것은 다소간 선행 기술로 간주될 수 있다. 다수의 실린더가 장착될 수도 있다.

피스톤(11)은 도시된 크랭크 샤프트에 연결된 연결 막대(10)를 포함한다.

연료 분사기(21)와 유입 밸브(22)를 포함하는 유입 장치(20), 도시된 대로 밸브 스템(25)의 상단에서 직접 작동하는 오버헤드 캠 작동 캠(24)을 가지는 밸브 작동 기구(23)가 도시되어 있고 캠(24)의 특정 위치에 있을 때 시트(27)로 밸브를 다시 움직이도록 작동하는 밸브 스프링(26)이 도시되어 있다.

실린더 헤드는 도면에 나타내지 않은 하나 또는 두 개의 배기 밸브를 구비하고 있다.

엔진은 실린더(10)와 연결된 보충 실린더(30)를 포함하고 연결 막대(32)와 링크(33)에 의해 컨트롤러(34)에 결합된 피스톤(31)을 포함한다.

도시된 대로 링크(33)가 피봇(36) 둘레에서 움직일 때 회전할 수 있도록 컨트롤러는 35에서 엔진 블록에 회전할 수 있게 연결된다.

엔진 실린더의 전체 체적은, 피스톤(11)이 아래로 내려졌을 때 실린더(10)의 체적과 피스톤(31)의 위치에 의해 실린더(30) 내에 한정된 체적의 합계로 고려될 수 있다.

압축율은 피스톤에 의해 배기되는 체적과 실린더의 전체 체적에 따라 달라지므로 본 발명에 따른 엔진은 두 피스톤 사이에서 변하는 압축율을 제공할 수 있는데, 하나는 도 1에 나타나 있는데 피스톤을 끌어넣었을 때 피스톤(31)은 도면에서 점선으로 나타낸 위치로 실린더(30)를 거의 이용할 수 없다.

이 압축율은 컨트롤러(34)로부터 뻗어있는 피스톤(37)의 위치에 의해 바뀔 수 있고 이것은 전술한 다양한 매개변수를 고려함으로써 제어될 수 있다.

특정 제어 수단이 아래에서 설명될 것이다.

모터가 작동하는 동안 자동 점화가 일어나도록 피스톤(11)이 움직이는 곳에서 자동 점화가 되도록 압축율은 계속해서 바뀌므로 이것은 피스톤(11)이 행정의 상단에 도달했을 때 기본적으로 종료되고 연소 가스의 압력에 의해 피스톤에 최대 하향력이 가해진다.

전술한 대로, 제어 시스템은 여러 가지 조건하에서 피스톤(31)의 운동을 일으킨다.

첫째 엔진이 작동하기 시작하거나 아이들 상태에서 작동한다면, 압축율은 증가되어야 하고, 즉 피스톤(31)은 실린더에서 아래로 움직여야 한다. 연료 공급이 증가되므로 엔진이 시동 및 아이들 상태에서 출발할 때 압축율은 감소해야 한다.

엔진이 계속해서 연료를 흡기하면서 작동하고 엔진 속도가 증가하는 곳에서, 주 피스톤은 더 멀리 횡단 운동하고 압축율은 증가되어야 하므로 비교적 빠르게 움직이는 피스톤이 상사점 또는 그 다음 위치로 움직이기 전에 점화가 되기에 충분한 시간을 제공하도록 피스톤이 움직일 때 보다 빨리 점화된다.

여러 가지 상태의 바닥 위치는 이 상황을 제어하고, 이것은 사용되는 연료의 옥탄, 유입되는 공기 차아지의 온도 및, 실린더 내부 온도를 포함한다.

주어진 연료 공급 시 엔진 속도가 감소하고, 피스톤(11)의 운동 속도가 보다 느려지는 곳에서, 압축율을 감소시킬 필요가 있다.

연료 공급이 감소하고, 엔진 하중이 감소함에 따라, 압축율은 증가해야 한다.

각각의 경우에 케이스 1은 압축율뿐만 아니라 주입되는 연료 량을 제어할 수 있다.

엔진은 희박 연소 상태에서 작동하지만 각각의 작동 상태에서 요구되는 피스톤의 운동 위치에서 점화하기에 충분한 연료가 존재해야 한다.

엔진 회전이 감소될 때처럼, 연료 주입이 감소되는 곳에서 비록 점화가 일어나지 못할 정도로 감소율이 혼합물의 농도를 낮출지라도, 전술한 대로 알맞게 작동되는 본 발명에 따른 엔진이 정상적으로 점화될지라도 연료 주입을 중단시킬 필요가 있다.

일단 압축율이 요구되는 위치에 도달하고 나면 연료는 요구되는 속도로 재 주입된다. 이런 상태는 단기간동안, 예를 들어 기어를 바꿀 때 발생한다.

전술한 대로 피스톤(30)의 운동을 위한 장치는 예시에 불과하다.

도 2는, 다양한 매개변수에 의해 중심 프로세싱 유닛과 관련된 메모리(50)로 공급되는 장치를 나타내고 이것은 양방향성 작동기를 작동하도록 신호를 보내고 상기 작동기는 유압 밸브(52)를 작동하며 이 유압 밸브는 유압 램 장치(53)에 의해 도시되지 않은 제 2 실린더의 운동을 일으키며 상기 유압 램 장치는 피스톤(54)을 포함하고 저어널(56)에 의해 고정된 점과 저어널(55)과 연결부에 의해 피스톤의 작동 샤프트 사이에 연결된다.

상기 장치는 압력 해제 밸브(62)와 엔진 실린더 해제 밸브(63)를 유지하도록 오일 저장기(60)와 오일 펌프(61)를 포함한다.

상기 밸브(63)는 개방되고 엔진을 보호하기 위해서 기설정된 값에 도달할 때 과다 압력을 제거하며 새로운 연료 하중에 적합하도록 압축율을 감소시키고 연소 체적을 증가시키도록 제 2 피스톤이 움직일 때 압축율을 떨어뜨리는 것을 돕도록 고압축 상태에서 엔진이 작동할 때 연료 하중이 증가한다면 작동할 수도 있다.

도 3은 도 2의 시스템과 함께 사용될 수 있는 장치를 나타내는데 제 2 피스톤(31)과 실린더(30)는 샤프트(70)를 통하여 연결되고 이 샤프트는 가변 장치와 오일 밀폐 장치에 배치될 수 있으며 이것은 도 2에 나타낸 저어널(56)과 직접 연결되어 부착된 저어널(71)을 가지며, 두 부재는 샤프트 등에 의해 상호 연결될 수 있다.

피스톤(31)의 링을 통과하는 모든 가스를 위한 가스 블리이드(72)가 있는데 이것은 오일 편향 캡을 포함한다.

도 4는 캠 작동 장치를 나타내는데 캠 샤프트(84)에 연결된 캠(83)은 제 2 피스톤과 연결된 샤프트(80)와 결합된 탭(82)에 작동한다. 이 경우에 캠이 반작용하는 캡(82)은, 나선형 스프링(1)이 반작용하는 부재로서 작동하므로 피스톤(31)의 정상 위치는 저 압축율 위치에 있지만 82의 상부면에서 캠(83)의 작동과 캠 샤프트(84)의 회전에 의해 요구되는 것처럼 아래쪽으로 움직인다.

상기 캠 샤프트(84)는 도 2에서 50으로 나타낸 것과 같은 CPU 장치에 의해 제어될 수 있는 서보-모터 등에 의해 작동될 수 있다.

상기 두 장치는 예시에 불과하고 피스톤(31)의 위치는 필요한 대로 제어될 수 있다.

예를 들어, 제 2 피스톤에 대해 직접 작동하는데 실제적으로 유효한 길이를 가지는 스프링을 사용할 수 있다. 긴 스프링을 사용하는 개념은, 이것이 피스톤의 위치에 관계없이, 피스톤에 비교적 일정한 힘을 적용할 수 있다는 것을 뜻한다.

또다른 방법은 피스톤에 대해 유압 또는 혼합된 공압 또는 유압 장치를 이용하는 것이다.

또 최적 조작 상태를 제공하는데 필요하다면 필요한 다른 센서가 사용될 수 있다면 모든 종류의 차량에 대해 CPU로 모든 센서 입력이 요구되지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본원의 명세서에서 본 발명에 따른 엔진 조작의 일반적인 개념과 이것이 실현될 수 있는 방법에 관한 몇 가지 제안들을 설명하였다.

이것은, 엔진에 대해 필요한 조작 매개변수를 부여하면서 제어 방법은 크게 바뀔 수 있으므로 본 발명을 한정한다기 보다는 예시에 불과하다는 것을 이해해야 한다.

또, 도면에서 단 하나의 피스톤만 나타내었지만 본 발명은 멀티 피스톤에 똑같이 적용할 수 있고 실린더의 제어는, 제 2 피스톤이 모두 동일한 위치에 있는 일원화된 방법을 따르거나 주 피스톤이 동력 스트로크에 오를 때 조건에 맞게 각각의 제 2 피스톤이 개별적으로 조절되도록 개별적인 방법을 따를 수도 있다.

일반적으로 첫 번째 방법은, 제 2 피스톤의 전체 연속 운동이 존재하도록 수용할 수 있지만 보다 많은 비용이 드는 두 번째 방법은 매개변수 변화에 가장 빠르게 감응할 수 있도록 복잡한 엔진에서 이용될 수 있다.

제 2 피스톤을 안으로 움직여서 압축율을 높이는 장치는 위치에 관계없이, 제 2 피스톤에 작용하는 일정한 힘을 받고, 제 2 피스톤을 밖으로 움직여서 압축율을 감소시키는 장치는 제 2 피스톤에 직접 작용하는 상승된 연소 압력을 받는다. 만일 연소 압력이 적용되는 압력을 초과한다면, 적용된 압력과 최대 실린더 압력이 균형을 이루어서 제 2 피스톤(압축율)이 다음 동력 행정을 위해 준비 상태인 장소에 최적으로 놓일 때까지 제 2 피스톤은 압축율을 감소시키기 위해서 밖으로 움직인다. 이것은 연료 증가 및 엔진 속도 감소에 감응한다. 만일 최대 연소 압력이 적용되는 압력 이하라면 적용되는 압력과 실린더 최대 압력이 균형을 이루어서 제 2 피스톤(압축율)이 다음 동력 행정을 위해 준비 상태인 장소에 최적으로 놓일 때까지 제 2 피스톤은 압축율을 높이기 위해서 움직인다. 이것은 감소된 연료 공급 또는 엔진 속도의 증가에 감응한다.

비록 엔진이 가동되기 시작한 후에 어떤 것도 필요하지 않을지라도, 저온 상태에서 엔진의 시동을 걸 수 있도록 백열 플러그를 제공하고 배기 가스를 재순환하는 것이 바람직하다.

이 이유는, 저온 상태에서 실린더 내부의 온도가 엔진에 의해 제공된 압축율 조정 범위 내에서 자동 점화를 방지하기에 충분히 낮을 수 있기 때문이다.

만일 실린더가 백열 플러그를 사용하여 가열된다면, 전술한 어려움은 극복된다.

이처럼 엔진이 가동되기 시작하면 냉각하는 동안 추가 배기 가스는 유입 공기의 온도와 연료가 안으로 주입된 후에 차아지 온도를 상승시킨다.

엔진이 아주 저온 상태에서 작동하거나 특정 연료가 아주 높은 초기 차아지 온도를 필요로 한다면 배출을 제어하기 위해서 엔진이 작동하는 동안 연속적으로 배기 가스는 재순환될 것이다.

특정 실시예에 따른 엔진에서, 동종 차아지를 사용하는 것으로 언급한다. 이것은 당해 분야에서 사용되는 표현이고 연료와 공기는 연소 체적으로 유입되기 전에 잘 혼합해 줌으로써 다소간 균일하게 혼합된다는 것을 나타낸다. 본 발명은, 각각의 실린더 연료 분사시에 연료/공기 혼합물이 연소 체적으로 유입되기 바로 전에 혼합되는 곳에서 사용될 수 있다. 또 본 발명은 디젤 기관처럼, 액체 연료가 직접 주입되는 엔진에 적용할 수 있다. 모든 장치는 본 발명의 범위 내에 있다. 카부레터가 사용되는 시스템에 대해서도 만족스럽게 적용된다.

또 명세서에서는 피스톤 기관에 대해 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 로터리 기관에도 적용될 수 있다. 명세서에서 제 2 실린더에서 제 2 피스톤을 사용하는 것을 기술하지만, 체적 가변 성분을 가지는 다른 형태의 제 2 체적이 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 압축율과 점화 위치는 체적 가변 성분의 위치를 바꾸어줌으로써 제어된다. 이것은 특히 로터리 기관인 경우에 해당한다.

Claims (28)

1. 내연 기관은 각각의 연소 체적과 결합된 장치를 포함하는 자동-점화 엔진이고 압축율은 여러 가지 조건하에서 효과적으로 작동하도록 엔진의 다른 작동 매개변수 변화에 감응해 압축율이 바뀌는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
2. 제 1 항에 있어서, 압축율을 바꾸는 것으로 간주되는 매개변수는,

   a. 엔진 온도

   b. 대기 온도

   c. 차아지 압력

   d. 차아지 온도

   e. 엔진 속도

   f. 크랭크 각도

   g. 연료 이송

   h. 연료 옥탄 값으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 엔진.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 엔진의 다른 조작 매개변수 변화에 감응해 압축율이 바뀌는 장치는 제 2 체적과 체적 가변 성분을 포함하고 매개변수의 값에 따라 요구되는 위치에서 자동 점화가 일어나도록 조립체의 압축율을 바꾸는 제 2 체적 가변 성분의 위치를 바꾸는 장치 및 연소 체적과 제 2 체적은 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진
4. 제 3 항에 있어서, 압축율을 높이는 체적 가변 성분을 움직이는 장치는 체적 가변 성분에 작용하는 일정한 힘을 받고 압축율을 감소시키는 체적 가변 성분을 움직이는 장치는 체적 가변 성분에 직접 작용하는 상승된 연소 압력을 받는 것을 특징으로 하는 엔진.
5. 제 4 항에 있어서, 연소 압력이 적용되는 압력을 초과한다면 적용되는 압력과 최대 실린더 압력이 균형을 이룰 때까지 체적 가변 성분은 압축율을 감소시키기 위해서 움직이는 것을 특징으로 하는 엔진.
6. 제 4항 또는 5항에 있어서, 최대 연소 압력이 적용되는 압력 이하라면 적용되는 압력과 실린더 최대 압력이 균형을 이룰 때까지 압축율을 높이기 위해서 체적 가변 성분이 움직이는 것을 특징으로 하는 엔진.
7. 제 5항 또는 6항에 있어서, 운동으로 인해, 체적 가변 성분과 압축율은 다음 동력 행정을 준비하는 위치에 최적으로 놓이는 것을 특징으로 하는 엔진.
8. 제 3항 내지 7항 중 한 항에 있어서, 제 2 체적은 제 2 실린더를 포함하고 체적을 바꾸는 장치는 피스톤인 것을 특징으로 하는 엔진.
9. 제 4항 내지 8항 중 한 항에 있어서, 일정한 힘을 제공하는 장치는 공압 시스템인 것을 특징으로 하는 엔진.
10. 제 9 항에 있어서, 일정한 힘을 제공하는 장치는 결합된 공압/유압 시스템인 것을 특징으로 하는 엔진.
11. 제 4항 내지 8항 중 한 항에 있어서, 일정한 힘을 제공하는 장치는 제 2 피스톤에 반하여 작용하는 스프링인 것을 특징으로 하는 엔진.
12. 제 4항 내지 12항에 있어서, 제 2 피스톤의 외향 운동 장치는 적용되는 일정한 힘의 공급원과 달리 제한되지 않고 내향 운동은 제한되는 것을 특징으로 하는 엔진.
13. 제 12 항에 있어서, 내향 운동을 제동하는 것을 특징으로 하는 엔진.
14. 제 4항 내지 13항 중 한 항에 있어서, 일정한 힘의 크기를 바꾸는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
15. 제 9항 내지 13항에 있어서, 최대 압축율을 바꾸기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
16. 제 4항 내지 15항 중 한 항에 있어서, 선택된 매개변수의 현재 값이 입력되고 최대 동력을 부여하도록 자동 점화가 일어나야 하는 주 피스톤의 위치를 구하고 피스톤이 이 위치에 도달했을 때 점화하는데 필요한 압력과 온도를 제공하기 위해서 실린더 조립체의 압축율이 설정되도록 제어 장치가 제 2 피스톤을 움직이게 하는 중앙 처리 유닛과 이와 결합된 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
17. 제 8항 내지 12항 중 한 항에 있어서, 제 2 실린더의 위치를 바꾸는 장치는 유압, 공압, 전기 또는 기계 장치이거나 이 장치의 결합체인 것을 특징으로 하는 엔진.
18. 제 17 항에 있어서, 제 2 실린더에 작용하여 그 위치를 바꾸는 캠을 포함하고, 상기 캠은 캠 샤프트와 결합되며 이 캠 샤프트는 제어 장치로부터 발생한 신호에 의해 회전하는 것을 특징으로 하는 엔진.
19. 제 17 항에 있어서, 캠에 의한 포지티브 변위가 발생하지 않는 경우에, 피스톤이 정지 위치로 옮겨지도록 제 2 피스톤에 반하여 작동하는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
20. 상기 청구항에 있어서, 압축율이 낮을 때 연료 공급이 감소한다면, 압축율이 연료 유입 속도에 맞게 조절되거나 필요한 연료 유입 속도가 모든 점화되지 않는 상태를 방지하도록 달성될 때까지 연료 공급을 중단하는 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 엔진.
21. 제 1항 내지 19항 중 한 항에 있어서, 연료 공급이 증가할 때 압축율이 높을 때, 압축율은 다른 모니터된 매개변수와 관련해 연료 유입 속도에 대해 요구되는 대로 조절할 수 있는 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 엔진.
22. 제 21 항에 있어서, 압력이 기설정치 이상의 값에 도달한다면, 압력 해제 기구가 작동하는 것을 특징으로 하는 엔진.
23. 상기 청구항에 있어서, 저온 시동 상태와 저온 작동 상태에서 각 연소 체적 내의 온도가 상승되는 장치를 엔진이 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 엔진.
24. 제 21 항에 있어서, 글로우 플러그(glow plug)는 각 실린더의 온도를 높이기 위해서 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진.
25. 제 21 항에 있어서, 배기 가스 관은 유입 차아지의 온도를 높이기 위해서 각 실린더의 유입구로 배기 가스를 제공하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 엔진.
26. 차아지가 자동 점화에 의해 점화되는 각각의 연소 체적으로 차아지가 유입되는 종류의 내연 기관을 위한 점화 방법에 있어서, 정상 조작 상태에서 엔진을 효과적으로 작동하기 위해서 요구되는 시간에 점화가 발생하도록 엔진의 압축율이 시간에 따라 바뀌는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 연소 체적은 실린더인 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 26항 또는 27항에 있어서, 차아지(charge)는 동종의 차아지인 것을 특징으로 하는 방법.