KR20020077528A - 균일 혼합기 혹은 예혼합기 자동착화 엔진 - Google Patents

Abstract

균일 혹은 예혼합 혼합기 자동점화 엔진은 두 개의 서로 연결된 챔버(20,30)로 구성되는데, 그 중 하나는 연소챔버(20)이고, 다른 하나(30)는 동력전달부재(31)를 포함한다. 두 개의 챔버(20,30) 사이에 연소로 인한 힘이 피스톤(31)에 효율적으로 전달되도록 연소챔버(20)에 있는 공기/연료 혼합물이 점화될 때 압력(40,41,43,46)을 제어하기 위한 장치가 있다.

Description

균일 혼합기 혹은 예혼합기 자동착화 엔진{HOMOGENEOUS OR PREMIXED CHARGE AUTO-IGNITION ENGINE}

희박 공연비 연소 및 고압축률은 종래의 엔진보다 열역학적으로 더 좋은 엔진을 만들 수 있는 변수이다. 엔진은 시스템에 연결된 균일혼합 혹은 예혼합기를 연소시키기 위한 수단으로써 자동점화 현상을 이용할 것인데, 상기 시스템은 점화시간을 제어하기 위한 수단으로써 점화 지연시간을 고려하여 엔진 싸이클의 적합한 지점에서 혼합기가 자동으로 점화도록 충분한 양의 온도, 압력 및 혼합기를 나타낸다.

연소과정에서 점화시간을 제어하는 것 외에도 연소과정에서 설명될 필요가 있는 여러 가지 다른 고려될 사항이 있다.

가장 중요한 두 가지는 엔진의 노킹 및 압력 상승률이다.

본 발명의 엔진은 압축 착화 엔진인데, 연료이송, 점화 타이밍 시스템, 연소기간이 현저히 다르기 때문에 디젤 압축착화엔진과 혼돈해서는 안된다.

본 발명의 엔진은 새로운 형식의 엔진으로써 종래의 스파크 점화 엔진 혹은디젤 엔진이 다른 것처럼 이들 엔진과 다른데, 이러한 엔진의 일반적인 작동은 PCT 출원 PCT/AU98/00728에 내연기관 엔진이라는 제목으로 공지되어 있다.

다른 연소시간 및 타이밍 시스템이 디젤 압축착화엔진과 스파크 점화엔진의 차이점이다. 본 발명의 엔진작동에 대한 열역학적 특성 및 연소시간,타이밍 시스템이 스파크 점화 엔진 및 디젤엔진과 다르기 때문에 자체 범주에 있게 된다.

본 발명은 희박 공연비(lean mixture)를 이용하며 고압축률로 작동하는 자동점화 엔진에 관련되는데, 정해진 변수가 만족될 때 점화가 일어나게 된다.

도 1은 본 발명의 개념을 구체화시키는 엔진의 계략도.

도 2는 도 1의 엔진에서 단방향성 밸브의 형태를 도시하는 도면.

* 부호 설명 *

20 : 연소체적21 : 피스톤

22 : 링키지23 : 램(ram)

24 : 분사기30 : 틈새체적

31 : 피스톤32 : 커넥칭 로드

40 : 경로43 : 블레이드

본 발명의 목적은 이러한 엔진을 제공하는 것이다.

넓은 관점에서 볼 때 연료/공지 혼합물을 이용하는 내연기관 자동착화 엔진을 제공하는데, 각각의 엔진의 연소체적은 연료/공기 혼합물이 자동으로 점화되도록하는 압축률을 갖는데, 엔진의 작동하는 특정 변수가 주어진 상태에서 혼합기 점화 지연시간을 책임지기 위해 엔진 싸이클이 진행되는 동안 정해진 지점에서 자동점화가 시작되도록 엔진의 각각의 연소체적 압축비를 동적으로 변화시켜서 연료/공기 혼합물의 점화지점을 다양하게 하는 것을 포함하며, 가스 압축 상승률을 제어하여 연소로 인한 힘을 연소체적에 관련된 동력전달부재에 전용시키기 위한 수단을 포함한다.

좀더 특정한 형태에 대해서 연료/공기 혼합물을 이용하는 내연기관 자동착화 엔진을 제공하는데, 각각의 엔진의 연소체적인 두 개의 챔버로 구성되며, 연소챔버는 연료 공기 혼합물이 추가될 수 있으며, 공기/연료 혼합물이 자동으로 점화도록 하는 압축률을 갖으며, 엔진의 특정한 작동변수가 주어진 상태에서 혼합기 점화 지연시간을 고려하기 위해 엔진 싸이클이 진행되는 동안 정해진 지점에서 자동 점화가 일어나도록 엔진의 연소체적의 압축비를 동적으로 변화시켜 연료/공기 혼합물의 점화점을 변화시키는 것을 포함하며, 가스 압력상승률을 제어하고 연소로인해 동력전달부재에 적용된 힘을 제어하기 위한 수단을 포함한다.

한가지 형태의 엔진에서, 두 개의 실린더 및 두 개의 피스톤을 갖고 상기사항이 구현되는데, 첫 번째 피스톤은 커넥팅 로드에 의해 크랭크 축에 연결되고, 다른쪽 피스톤은 엔진제어시스템으로 작동되는 장치에 의해 실린더에서 움직일 수 있으며, 상기 엔진제어 시스템은 첫 번째 피스톤의 요구되는 위치에서 혼합기를 점화시키기 위해 복합물 점화제척에 대한 효율적인 압축비를 제공한다.

선호적으로 연소는 다른 쪽 피스톤을 갖는 실린더에서 발생한다.

선호적으로 두 가지 체적은 점화로 인해 발생된 가스의 체적 사이의 운동 및 다음번 연소가 제어되도록 서로 연결될 수 있다.

본 발명의 엔진은 약 40%-45%의 저하중 범위(0-60km/h)에서 최고 30%의 최대 동력하중으로 인해 연료 소비를 줄일 수 있다(마주대한 일반적인 스파크 점화엔진). 이것은 스파크 점화 모델 연료(페트롤-petrol)를 사용하는 스파크 점화엔진에 비교된다. 도시를 주행할 때 연소소비의 감소로 현재 주행할 수 있는 것보다 거의 두배 정도 운행할 수 있도록 한다. 또한 온실 가스방출이 도심주행에서 약 40%-45%, 최대 동력하중에서 약 30%정도 감소될 것이다. 질소 산화물, 이산화탄소, 탄화수소 같은 다른 배기방출 또한 줄어들 것이다.

고압축비에서 초희박으로 작동되는 엔진은 스파크 점화 엔진보다 더 효율적이다. 스파크 점화엔진은 점화되지 않기 때문에 화학양론적으로 0.8 혹은 80% 이하의 혼합비에서는 적합하게 적동하지 않을 것이다. 또한 가솔린(petrol)은 높은 하중에서 노킹을 일으키는 엔진의 특성으로 인해 스파크 점화 엔진에서 10:1 보다 높은 압축률을 견디지 못한다.

본 발명의 엔진은 초희박 혼합비로 작동하고 매우 높은 압축비 연소 가솔린(다른 연료도 가능)으로 작동하는 엔진이다. 이러한 환경에서 작동할 수 있다는 사실은 탄화수소의 자동점화 현상에 관련되고, 점하 지연시간으로 알려진 현상과 관련된다.

만약 혼합기가 충분한 양의 온도 및 압력으로 상승된다면 자동점화는 연료 및 공기 혼합기를 자발적으로 점화하는 것이다. 점화 지연시간은 점화시 실제로 일어나기 전에 연료 및 공기의 혼합기가 자동점화를 발생시키기에 충분한 압력 및 온도로 상승된 후에 경과되는 시간이다. 점화 지연시간은 매우 짧지만 그 기간동안 적합한 자동점화 엔진을 이용할 수 있다.

특정한 옥탄가를 갖는 연료 혹은 가솔린의 점화지연시간이 시작되고 지속되는 기간을 결정하는 세 가지 중요한 변수는 온도, 압력, 혼합비이다. 온도 및 압력을 제어하는데 영향을 주는 선호되는 방법은 가변 압축비 시스템을 사용한다. 엔진 혹은 다른 압축과정으로 압축비(최초부피 및 최종부피 사이의 비율)는 어떠한 온도 및 압력이 압축을 완료하는데 적합한지를 결정한다.

압축비를 증가시키는 것은 나중 단계를 가속화시켜 압축온도 및 압력을 상승시킨다. 압축비를 감소시키는 것은 나중단계를 가속화시켜 압축온도 및 압력을 감소시킨다. 압축비를 변화시키는 것은 점화지연시간의 시작 및 그 기간을 변화시킨다. 압축비를 요구된 바대로 변화시키는 것은 점화시간을 확실히 제어한다.

일정한 연료이송시 2000rpm(자동차가 도로에서 60kph로 주행시)에서 엔진이 작동하는 것을 고려해본다. 상사점(BTDC)에 이르기 전에 5° 지점에서 점화되는 것이 바람직한 것을 고려해본다. 2000rpm에서 엔진 크랭크는 매 밀리초마다 12°의 크랭크 각으로 지나간다. 만약 5°의 BTDC에서 점화를 일으키기 위해 연료 혼합비에 대한 점화지연시간 1 ms라면, 압축비는 자동점화를 일으키는 온도 및 압력은 피스톤이 TDC에 이르기 전에 1ms가 되어야 한다. 즉, 피스톤이 17°의 BTDC 크랭크 각도, 즉 실제로 점화가 일어나기 전인 12°와 일치하는 지점을 통과함에 따라 이러한 상태에 이르러야 한다.

만약 엔진이 연료가 이송되는 동시에(자동차는 가속페달이 변하지 않고 언덕을 주행하는 상태) 1500rpm으로 늦춰진다면 엔진은 매 밀리초마다 9°의 크랭크 축 각도로 지날 것이다. 만약 점화가 5°인 BTDC의 동일지점에서 발생하고 점화지연시간이 여전히 1ms라면, 적합한 온도 및 압력이 5° plus 9°인 BTDC에서 혼합기에 가해져야 한다. 즉 압축비는 피스톤이 14°의 BTDC의 크랭크 각도와 일치하는 지점을 통과함에 따라 혼합기에 적합한 온도 및 압력이 전해지도록 감소되어야 한다. 압축비 설정은 점화가 발생하기 전에 크랭크 각도 단위로 1 ms의 시간지연에 대해 책임이 있다.

만약 엔진의 속력이 연료가 이송됨과 동시에 2500rpm(자동차가 가속페달의 변화없이 언덕을 내려가는 상태)이라면, 엔진은 매 ms마다 15°의 크랭크 각도로 지나갈 것이다. 만약 점화가 5°인 BTDC의 동일지점에서 발생하고 점화지연시간이여전히 1ms라면, 적합한 온도 및 압력이 5° plus 15°인 BTDC에서 혼합기에 가해져야 한다. 즉 압축비는 피스톤이 20°의 BTDC의 크랭크 각도와 일치하는 지점을 통과함에 따라 혼합기에 적합한 온도 및 압력이 전해지도록 감소되어야 한다.

상기 설명에서 점화지연시간은 압축비가 변함에 따라 일정하게 유지되는 것을 가정한다. 엄격하게 말해서 이렇게 되진 않고 지연시간은 변한다. 그러나 상기 가정은 설명할 목적으로는 적합하지만 실제로 압축비로 인한 점화시간지연 기간동안 일어나는 변화는 보정을 필요로 할 것이다.

만약 연료이송이 감소된다면, 점화지연시간은 증가될 것이고, 압축비는 엔진 속도와 변화에 대항해서 높은 값으로 범위를 정해야 한다. 비슷하게 만약 연료이송이 증가되면, 점화지연시간은 감소하고 압축비는 엔진속도의 변화에 대항해서 낮은값으로 범위를 정해야 한다.

2차 실린더 및 2차 피스톤을 메인 실린더와 관련된 엔진의 실린더 헤드에 설치한다. 2차 피스톤의 위치를 제어하는 것은 두 개의 실린더/피스톤 조립체의 압축비를 설정하고 점화시간을 조절한다.

2차 피스톤을 적합하게 위치시키기 위한 많은 방법이 존재한다. 그중 하나는 여러 가지 변수, 최대압력, 최대온도, 가속기 설정, 엔진속도 등등을 측정하는 것이다. 그런다음 미리 프로그램된 엔진제어시스템을 이용하여 2차 피스톤 위치가 메인 피스톤의 요구되는 위치에서 자동점화가 일어나도록 하는 변수를 기초로 하여 전자적으로 제어된 액츄에이터로 설정될 수 있다.

도 다른 가능성 있는 방법은 압축비를 낮게 혹은 높게 설정하여 가능하며,압축비를 따라 연료가 이송된다. 하중 요구량(연료이송)으로 적합한 압축비를 교차시키는 시스템, 엔진회전수, 다른 변수들이 사용된다.

주로 혼합비 및 엔진 회전수에 대한 혼합기의 압력 및 온도를 제어하는 것은 점화시간을 제어한다. 그러므로 엔진의 필요조건은 혼합기 압력 및 온도를 적합하게 조절하는 시스템 혹은 구조로 인식될 수 있다.

엔진과 관련된 시스템 및 다른 몇가지 구조는 온도 및 압력을 적합하게 제어하기 위해 사용된다. 이것은 다음과 같다. 가변밸브 시간 가변 변위 가변압축비 피스톤(피스톤의 가변 압축 높이 혹은 메인 피스톤 크라운의 2차 피스톤), 혼합기 질량 이송 조절, 메인 베어링에 인접한 콘넥팅 로드의 대단부(big end) 혹은 가변 콘넥팅 로드길이 거전(gedgeon)에 인접한 콘넥팅 로드의 소단부(little end)에서 편심기를 이용한 가변 콘넥칭 로드 길이.

만약 엔진이 기능적인 장치라면 만족되어야 할 많은 기준들이 있다. 가장 주요한 관심은 연소과정이 적합한지이다.

적합한 연소 및 작업과정은 다른 사항을 고려한다.

1) 엔진 싸이클의 적합한 지점에서 점화발생.

2) 압력 상승률은 엔진 부품에 해로운 현상이 발생하지 않고 엔진의 노이즈는 정상적인 작동상태에서 최소화되도록 한다.

3) 엔진의 노킹현상이 제거되거나 엔진부품이나 기능적인 작동에 악영향을 주지 않는다.

본 발명의 엔진을 위한 연소 및 작동과정은 상기 사항을 각각 고려한다.

렌진을 위한 압력상승률을 취급함에 있어서, 스파크 점화엔진 및 디젤 압축착화 엔진에서 압력상승을 고려한다. 스파크 점화엔진 및 디젤 압축착화엔진은 연료 및 공기를 연소시키는 비율을 제어하여 압력 상승률을 조절한다.

스파크 점화엔진에서 스파크 플러그에서 시작된 화염은 제한적인 속도로 가연성 혼합물을 이동한다. 압력상승은 불꽃 속도가 연소성 혼합물 소비율을 나타냄에 따라 불꽃 속도에 비례한다.

디젤 압축착화엔진에서 연료분사율 및 혼합운동은 공기 및 연료의 혼합율을 나타내고 연소성 혼합물의 소비율을 나타낸다. 압력상승은 연소성 혼합물의 소비율에 비례한다.

본 발명의 엔진으로 연료 공기 혼합물의 연소율이 매우 적게 제어될 수 있고, 실제로 그 비율은 매우 높다. 그러므로 압력 상승률을 다른 방식으로 다루는 것이 필요하다.

엔진의 체적은 스웨프트 체적(swept volume) 및 틈새체적으로 이루어진다. 왕복운동을 하는 피스톤 구조에서 틈새체적은 피스톤 크라운 및 헤드의 연소표면 사이에 있다. 엔진에서 압력상승율을 제어하기 위해서 틈새체적은 최소화되고 연소챔버의 주요부분은 메인연소챔버라고 불리는 분리된 체적이다. 실린더 하나당 여러개의 연소챔버가 있다. 메인 연소챔버는 분할요소에 있는 오프닝이아 연결경로를 통해 틈새체적와 통하도록 분할될 수 있다. 메인 연소챔버는 압축비를 변형시키기 위해 사용되는 2차 실린더/2차 피스톤 장치에 연결되거나 통합될 수 있다. 메인 연소챔버는 메인 혹은 2차 피스톤이 될 수 있다.

모든 혹은 대부분의 연료는 메인 챔버에 있는 직접분사로 혹은 흡입을 만족시켜서 메인 연소챔버로 이동되어서, 대부분의 연료가 압축과정 중에 메인 연소챔버에서 압축되도록 한다.

연소가 직접적으로 분사되는 곳에서, 싸이클의 압축부분이 완료되기 전에 연료가 증발되고 실제로 가능한 균일하게 되도록 싸이클의 압축 혹은 흡기가 진행도는 동안 가능한 일찍 분사가 되도록 하는 것이 바람직하다.

몇가지 응용분야에서, 특히 동력이 필요할 경우 흡입된 공기와 혼합되어 직접적인 분사 및 이송을 함께 조합하여 이용할 수 있다.

메인 챔버 및 틈새체적 사이의 커뮤니케이션 시스템의 기하학적인 모양으로 균일 혼합기 혹은 예혼합 혼합기의 자동점화를 유지하는 매우 빠른 연소와 관련된 메인 피스톤으로 인해 높은 압력 상승률을 감소시킬 것이다. 메인 연소챔버가 2차 실린더 피스톤 장치에 통합되는 구조가 선호적이다. 2차 피스톤 및 틈새체적에 대한 커뮤니케이션 시스템 사이에 체적을 형성할 것이다. 틈새체적 및 메인 연소챔버 사이에 있는 커뮤니케이션 시스템은 압력차가 커야하는 두 개의 체적 사이의 질량유속을 제한하는 유동영역 및 길이를 갖는 경로이다.

시스템의 작동은 다음과 같다.

선호되는 형식에서 모든 연료가 메인 연소챔버의 예혼합 혼합기에 있는 메인 피스톤 위에 압축된 공기만이 있다. 연소율은 매우 빨라서 압력상승은 연소시간에 연소챔버 및 틈새체적(화학양론적 연료 공급 혼합물에 가까울 것임) 사이의 큰 압력차(약 40-50 bar)로 설정된다. 본 발명에서 엔진지 작동을 하는데 적합한 비율로고압가스가 메인연소 챔버를 나와서 틈새체적으로 들어가는 것을 측정하는데 필요하다. 즉, 압력상승률은 엔진부품에 손상을 입히지 않고 노이즈는 감소시켜야 한다 .

시스템은 가져야할 제한사항은 메인연소 챔버의 충전 및 방출이 높은 엔진회전수(약 4000-5000rev)에서 방해되지 않아야 한다. 틈새체적 및 메인 연소챔버 사이에 커뮤니케이션 시스템을 적합한 크기로 만들어서 두 가지 주요 제한사항이 충족된다.

커뮤니케이션 시스템의 크기 및 형상은 엔진 싸이클이 진행되는 동안 최적으로 작동시키기 위해 변할 수 있다. 쓰로틀 오프닝, 외부에서 작동하는 밸브, 정적 및 동적 밸브 벤튜리, 블러프 바디(bluff body) 및 이상류 석출형상(flow regime precipitation shape)을 포함하는 배플링 및 밸브는 체적과 그 커뮤니케이션 시스템에 사용될 수 있다.

틈새체적 및 메인 연소챔버 사이의 커뮤니케이션 시스템은 완전한 엔진 싸이클을 통해 기능적인 작동을 수용할 필요가 있다.

도 1에서 본 발명을 따라 엔진을 작동시키기에 적합한 엔진 장치가 도시되었다.

상기 경우에서 연소체적(20) 및 틈새체적(30)은 경로(40)에 의해 서로 연결된다.

연소체적(20)은 도시된 바와 같이 램(ram)(23)과 관련된 링키지(22)로 제어되는 피스톤(21)을 갖는데, 램은 엔진의 크랭크축에 커넥팅 로드(connecting rod)(32)에 의해 연결된 피스톤(31)의 원하는 운동위치에서 자동점화가 발생되도록 연소챔버(20)틈새 체적(30)의 압축률이 선택되도록 피스톤에 제 위치에 있도록 컴퓨터로 제어된다.

피스톤(21)은 엔진 작동에 대해서 현재의 변수를 기초로 하여 정확한 점화지점을 나타내도록 필요한 위치에서만 이동하는 '의사상태(pseudo-sate)'가 된다. 그러므로 정적인 상태로 설명하고 있지만 피스톤은 요구되는 상태를 유지하기 위해 연속적으로 움직일 것이다.

선택적으로 윤활상태를 유지하고 탄소가 발생되지 않도록 '움직이는(moving)'상태가 되는데, 스트로크의 상단으로 이동하며, 매 회전마다, 매 싸이클마다 필요한 위치로 되돌아가기 전에 특정한 싸이클 회수 후에 도시된 바와 같이 실린더의 하단영역에 그렇다.

이러한 운동은 링키지(22)를 통해 작동하는 램(23)에 의해 영향을 받는데 램의 작동은 엔진제어시스템에 의해 영향을 받는다.

각각의 경우에서 동력이 엔진의 최대 이득을 얻기 위해 사용될 때 연소가스가 형성되는 시간에 연소가 발생되도록 혼합기 점화지연시간을 보정하기 위해 점화가 진행되는데 필요한 위치가 피스톤의 위치가 되도록 피스톤은 '동적(dynamic)'인 상태이다.

틈새체적은 최소한 두 개의 밸브를 갖는데, 밸브(50)는 캠(52)으로 작동되는 스템(stem)에 밸브 스프링(51)을 갖으며, 제 2 밸브는 밸브(50) 뒤에 있는데 물리적으로 동일하다. 밸브가 캠에 간접적으로 연결되는 것이 가능하다. 밸브들 중 하나는 혼합기 혹은 연소에 사용되는 공기를 위한 흡기밸브이며, 나머지는 배기밸브이다.

연소체적(20)은 연료혼합물 흡기와 관련되어 보통 직접분사기(24)를 포함한다.

도 1에 연소챔버(30) 및 틈새체적(30) 사이에 경로(40)가 도시되었다. 경로(11)는 안착부(17)와 접촉하기 위해 편향된 밸브(16)를 갖는 챔버(13)에서 끝난다.

흡입 행정 진행되는 동안 혹은 초기 압축행정에서 연료는 분사기(24)에 의해 연소체적에 분사되고, 기화될 시간을 갖고, 압축기 시작되기 전에 틈새체전(30)의 체적을 감소시키는 피스톤(31)으로 구동되는 경로(40)를 통해 들어가는 흡입공기와균일하게(homogeneous) 된다. 연료는 이러한 혼합을 돕기 위해 분사시 소용돌이치거나 연소챔버을 통과하는 공기가 소용돌이칠 수 있도록 한다.

선호되는 작동방식에서 연료를 연소챔버에 직접 분사시키는 직접연료분사를이용하는데, 연료 흡힙에 대한 두 가지 선택적인 시스템이 있다.

첫째로 연료는 공기/연료 혼합물이 흡기밸브를 통과하기 전에 연소공기와 혼합된다. 이것을 일반적으로 선호적이지 않는데 틈새체적에 있는 공기가 연소를 포함하고 있어서 연료가 소비될 뿐만 아니라 제어되지 않는 연소가 발생하기 때문이다.

만약 최대 동력이 필요하다면 유입된 공기가 연료와 혼합되도록 직접 분사와 단계적인 혼합기를 함께 사용한다. 이같은 경우 일반적으로 유입된 공기에서 연료의 양이 작다.

원하는 형상이 될 수 있지만 로드실린더 헤드(2)까지 연장되는 가늘고 긴 형태가 될 수 있는 부재(43)는 경로에 위치하고 있다. 설명을 위한 목적으로 "블레이드(blade)"라고 부르기로 한다.

경로(41)의 출구인 개구부(41)는 틈새체적 측면의 밸브(16) 및 챔버(15) 그리고 블레이드(43)의 연소챔버 측면에 있다.

블레이드는 스프링(45)이 꼭 끼워지는 스템을 포함하고, 그 자유 단부에 캠(44)에 작동을 하는 캠 종동절(cam follower)(45)을 갖는다. 블레이드(43)는 두 개의 극단 사이에서 이동할 수 있는데, 하나의 극단은 도 1에 도시된 위치에서 경로(40)를 방해하며, 나머지 부분은 경로를 방해하지 않는다 .

피스톤(31)이 압축행정에 있도록 블레이드(43)는 방해되지 않는 위치에서 가스가 틈새체적(30)으로부터 연소체적(20)으로 비교적 비제한적으로 유동하도록 한다. 압력이 증가하고 연소 체적에 있는 연료/공기 혼합물이 점화에 다다름에 따라 블레이드는 경로를 통해 가스가 유동하지 않도록 차단된다. 그러나 이때에 여전히 가스가 유동함에 따라 압력의 증가로 인해 밸브(16)가 열려서 공기 혹은 공기/연료가 연소체적 안으로 들어갈 수 있도록 한다.

실린더(20)에서 연료/공기 혼합물이 점화된 후 연소가 일어나고 연소가스가 경로(40) 아래로 이동한다. 블레이드에 충분한 공간이 있거나 블레이드가 약간 움직여서 가스가 틈새체적으로 유동이 시작되도록 하기 위한 공간을 제공한다. 그러므로 블레이드는 쓰로틀(throttle) 효과를 갖을 것이며, 압력을 제한하여 연소가스가 틈새체적으로 공급되어 피스톤 헤드로 들어간다. 연소챔버의 압력이 증가함에 따라 블레이드는 개방되어 가스 유동이 피스톤(31)을 작동시키기 위해 틈새체적으로 들어간다.

블레이드는 나머지 동력행정 배기행정 및 흡입행정이 진행되는 동안 계속 개방될 수 있다. 엔진 싸이클에서 특정 지점에서 적합한 영역이 일치하도록 자유유동영역을 변화시키기 위해서 캠(44)의 위상각은 엔진의 회전에 따라 변한다. 다시 말해, 분당 1000회전수에서 블레이드(43)는 경로(40)쪽으로 최대한 멀리 나오고, 분단 2000회전수에서 위상각이 변하며 부재는 제일 먼 지점까지 이동하지만 엔진 싸이클에서 동일한 정해진 지점에서 넓은 유동영역이 나타나도록 후퇴된다. 분당 3000회전수에서 부재는 가장 먼 쪽으로 이동할 것이며, 회전수가 느린 경우보다 드증가된 회전수로 더 멀게 후퇴된다. 회전수를 줄임으로써 반대방향으로 위상각이 변화되며 정해진 지점에서 나타난 자유유동영역을 감소시킨다.

상기 장치가 가장 만족스러운 것으로 보여지는데 연소챔버의 가스 유동을 제어하기 위한 다른 방법이 가능하다.

한가지 특별한 형태에서, 피스톤 헤드는 밸브를 통합시키는 연장부를 갖을 수 있으며, 피스톤이 상사점에 접근함에 따라 헤드에서 리세스를 중앙에 위치시킬 수 있고, 상사점 가까이의 크랭크축 각도에 대해서 피스톤은 실제로 수직방향으로 매우 조금 움직일 수 있다. 이러한 밸브는 공기가 틈새체적으로부터 연소체적으로 이동시킨다. 리세스는 쓰로틀 역할을 하는 연소체적에 연결된 개구부가 제공될 수 있다. 피스톤의 연장부가 리세스에 있는데, 가스가 제어되지 않은 운동을 하는 것을 방지하며, 전술된 바와 같이 비교적 긴 시간동인 행해지고 크랭크축 각도의 30°까지 유지되어서, 연소가 발생할 때 연소챔버에서 틈새체적으로 연소물질의 이동이 연장부에 의해 제한되도록 한다. 일단 연장부가 리세스를 떠나면, 많은 양의 연소물질은 틈새공간을 통과할 수 있다.

리세스에 있는 개구부는 원하는 영역을 취하기 위해 자동적으로 변하므로 싸이클에서 다른 시간에 원하는 유동을 얻는 것이 선호적이다.

두 가지의 실시예에 대한 설명으로부터 좀더 일반적인 말로 압축,연소,팽창 싸이클에 초점을 두어서 엔진의 커뮤니케이션 시스템의 기본적인 필요사항 및 구성이 설명될 수 있다.

압축 싸이클이 진행되는 동안 커뮤니케이션 경로(40)를 통해 메인 챔버로부터 연소챔버(20)가 충전되는 것은 실제로 비제한적인 필요가 있다. 커뮤니케이션 통로의 영역이 가능한 커야하며 따라서 유량계수(discharge coefficient)도 가능한 커야될 필요가 있다는 것을 의미한다.

연소챔버로부터 메인챔버로 팽창 싸이클이 진행되는 동안, 연소싸이클이 거의 끝날 무렵 혹은 대부분의 팽창싸이클에서 연소챔버 및 메인 챔버 사이의 압력차이가 적을 때, 가스유동인 실제로 제한적이지 말아야 한다.

연소 싸이클이 진행되는 동안 메인 챔버 및 연소 챔버 사이의 큰 압력차이가 나타날 때, 유량계수 및 커뮤니케이션 경로영역은 압축 및 팽장 싸이클 보다 더 제한적이어야 하며, 메인챔버의 압력 상승률이 역할을 하도록 제한적이어야 한다. 질량유속(mass flow rate)이 시간 의존적이고 엔진이 작동하기 위해 필요한 사항이 엔진속도범위가 약 분당 1000내지 5000회전수의 사이에 있는 것이기 때문에, 엔진 회전수로 나타내지는 시간을 극복하기 위하 커뮤니케이션 경로 영역을 변화시킬 필요가 있을 것이다. 분당 5000회전수에서 커뮤니케이션 경로영역은 분단 1000 회전수에 적합한 것 이상으로 넓을 필요가 있다. 이러한 영역은 엔진 속도 요구량에 따라 변할 필요가 있다. 이러한 사항은 이미 설명되었다.

엔진 회전수 뿐만 아니라 연료이송은 연소가 발행되는 동안 요구되는 커뮤니케이션 경로에 영향을 준다. 일반적으로 틈새체적에서 압력이 상승되는 것을 제어하기 위해 연료가 많을수록 영역이 작아야 하며, 제어시스템이 이러한 것을 가능하게 한다.

압축, 연소, 팽창 싸이클을 통해 원하는 질량 유동에 영향을 주기 위한 한가지 특정한 방법이 설명될 것이다. 연소챔버 및 메인챔버 사이의 커뮤니케이션 시스템은 단방향 유동밸브와 결합된 보조경로 및 신장/후퇴 차단부재와 일체화된 커뮤니케이션 경로로 구성된다. 여러개의 경로가 있을 수 있다.

차단부재가 경로 안으로 돌출된 거리는 커뮤니케이션 경로의 자유유동영역을 조절한다. 차단부재는 캠에 연결되고 대부분의 압축 및 팽창 싸이클이 진행되는 동안 부재가 후퇴되어서 커뮤니케이션 경로가 제한되지 않도록 시간이 정해진다.

압축이 진행되는 동안 차단부재가 압축 싸이클 후반에 경로를 방해할 때, 단방향 밸브와 연결된 보조경로는 연소챔버가 계속 충전되도록 한다. 연소가 진행되는 동안 질량유동은 단방향 밸브로 되돌아가지 못한다.

캠의 프로파일은 차단부재가 안정상태, 즉 대부분의 엔진 싸이클에 대해서 후퇴된 위치에 있고 압축 싸이클 끝 부분 가까이에서 안쪽으로 빠르게 움직이며, 연소싸이클 거의 끝부분에 가능한 일찍 완전히 후퇴하도록 되어 있다.

차단부재는 원하는 작동에 영향을 주기 위해 제어시스템에 접촉된 전자기 혹은 유압 액츄에이터에 결합된다. 전술된 바와 같이 가스유동에 대한 요구사항을 만족시키기는 밸브장치가 사용될 수 있다. 이것은 적합한 가스유동 요구사항에 영향을 주기 위해 가스유동 커뮤니케이션 시스템의 유량계수를 변화시키는 제어표면 혹은 밸브의 사용을 포함한다. 가스유동 커뮤니케이션 시스템은 자체적으로 조절되거나 독립적이다.

피스톤을 움직여 윤활성을 유지하고 탄소가 발생되지 않도록 하기 위한 요구사항이 전술되었다. 피스톤(21)이 피스톤(31)과 동일한 속도 혹은 1/2속도로 왕복운동하는 것이 가능하며 적합한 압축률이 싸이클에서 적합한 지점에서 혼합기에 나타나도록 위상각을 변화시켜 압축률에 영향을 주는 것이 가능하다.

모든 엔진에서 노킹의 문제점이 있다. 노킹은 매우 높은 부분적인 압력차가 피스톤에 발생할 때 나타나는 현상이다. 엔진부품은 덜거덕거리는 소리와 함께 진동을 하게 되며, 엔진에서 노킹에 대한 소리가 나게된다. 스파크 점화 엔진에서 압력 차이를 발생시키는 연소가 진행되는 동안 불꽃 앞쪽의 최종가스 앞부분이 자동으로 점화되는 현상이 있다. 디젤 압축 착화 엔진에서 노킹은 보통 분사된 디젤연료의 첫 번째 부분이 점화가 시작될 때 발생한다.

본 발명의 엔진에서 노킹현상은 고루지 못한 혼합과 유입된 연료가 완전히 기화되지 못하여 주로 발생되는 것으로 여겨진다.

메인 연소챔버를 틈새체적으로부터 분리하여 발생되는 시너지 효과는 압축된 공기만 혹은 매우 희박한 혼합물만이 틈새체적이 남아 있어 연료/공기가 대량으로 폭발하는 형식의 압력차이가 메인 피스톤 크라운(main piston crown) 위쪽에 발생하지 않도록 한다. 그러므로 노킹은 틈새체적에서 발생하지 않을 것이다. 그러나 노킹은 메인 연소챔버에서 특정한 상태로 지속되는데, 크기가 메인 실린더/틈새 체적 크기보다 훨씬 작기 때문이며, 더 튼튼해서 이러한 문제점에 줄어든다.

만약 노킹의 원인이 고르지 못한 혼합물과 유입된 혹은 분사된 연료의 증발이 완전히 끝나지 않은데 있다면, 메인 연소챔버의 좀더 실린더형에 가까운 모양과 작은 표면적이 이러한 문제점을 개선시키는데, 특히 표면의 온도가 약간 높은 상태로 유지될 경우 그렇다. 메인 연소체적챔버에서의 배플링(baffling) 혹은 소용돌이 발생이 필요하다면 적용될 수 있다.

Claims (21)

1. 공기/연료 혼합물을 이용하는 내연기관 자동점화 엔진에서, 각각의 엔진의 연소체적은 연료/공기 혼합물이 자동으로 점화되도록 하는 압축률을 갖는데, 엔진의 작동하는 특정 변수가 주어진 상태에서 혼합기 점화 지연시간을 책임지기 위해 엔진 싸이클이 진행되는 동안 정해진 지점에서 자동점화가 시작되도록 엔진의 각각의 연소체적 압축비를 동적으로 변화시켜서 연료/공기 혼합물의 점화지점을 다양하게 하는 것을 포함하며, 가스 압축 상승률을 제어하여 연소로 인한 힘을 연소체적에 관련된 동력전달부재에 전용시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 연소체적은 두 개의 챔버를 갖는데, 그 중 하나에 연료/공기 혼합물이 유입되고 하나는 동력전달부재가 있으며, 점화시 동력전달부재가 위치한 챔버에서 가스 압력상승률을 제어하기 위해 챔버 사이에서의 가스 유동을 제어할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
3. 제 2 항에 있어서, 연료/공기 혼합물이 유입되며 동력전달부재를 포함하는데 보다는 챔버에서 연소가 발생하는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
4. 제 2 항 혹은 제 3 항에 있어서, 동력전달부재가 위치한 챔버 및 연소챔버사이에 밸브가 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
5. 제 4 항에 있어서, 밸브는 단방향 밸브인 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
6. 제 2 항 혹은 제 3 항에 있어서, 연소가 일어나고 연소챔버에 압력이 발생할 때 동력전달부재가 위치한 챔버로부터 고립된 큰 각도가 되도록 경로를 선택적인 막기 위한 장치 및 압력이 연소챔버에서 동력전달부재가 최적으로 계속 동력을 전달하는 챔버로 통과하도록 연료가 옮겨지는 것을 막는 장치 및 챔버 사이에 경로가 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
7. 연료/공기 혼합물을 이용하는 내연기관 자동점화 엔진에서 각각의 엔진의 연소체적은 두 개의 챔버로 구성되며, 연소챔버는 연료 공기 혼합물이 추가될 수 있으며, 공기/연료 혼합물이 자동으로 점화도록 하는 압축률을 갖으며, 엔진의 특정한 작동변수가 주어진 상태에서 혼합기 점화 지연시간을 고려하기 위해 엔진 싸이클이 진행되는 동안 정해진 지점에서 자동 점화가 일어나도록 엔진의 연소체적의 압축비를 동적으로 변화시켜 연료/공기 혼합물의 점화지점을 변화시키는 것을 포함하며, 가스 압력상승률을 제어하고 연소로인해 동력전달부재에 적용된 힘을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동점화 엔진.
8. 제 7 항에 있어서, 두 개의 챔버는 실린더인데, 연소챔버는 연소체적의 압축비를 동적으로 변화시키는데 영향을 주는 피스톤을 갖고, 다른 챔버는 점화 후에 크랭크축에 동력을 전달하고 연료/공기 혼합물의 압축에 영향을 주는 피스톤을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동점화 엔진.
9. 제 7 항 혹은 제 8 항에 있어서, 가스 압력상승률을 제어하기 위한 장치는 동력전달 피스톤에 전달되는 압력을 제어하기 위해 연소챔버에서 발생된 압력으로 열릴 수 있는 연소 챔버 사이에 위치한 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 자동점화 엔진.
10. 제 7 항 내지 제 9 항에 있어서, 연소가 일어나고 연소챔버에 압력이 발생할 때 동력전달부재가 위치한 챔버로부터 고립된 큰 각도가 되도록 경로를 선택적인 막기 위한 장치 및 압력이 연소챔버에서 동력전달부재가 최적으로 계속 동력을 전달하는 챔버로 통과하도록 연료가 옮겨지는 것을 막는 장치 및 실린더 사이에 경로가 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
11. 제 10 항에 있어서, 경로를 선택적인 차단하기 위한 장치는 두 가지 위치 사이에서 움직일 수 있는 블레이드인데, 그 중 하나는 경로를 효과적으로 차단하고 , 나머지 하나는 경로를 효율적으로 개방시키며, 연료/공기 혼합물 연소에서 발생하여 동력을 전달하는 피스톤으로 전달되는 압력을 제어하기 위해 브레이드의 위치를조절하기 위한 장치를 특징으로 하는 내연기관 엔진.
12. 제 11 항에 있어서, 블레이드는 경로가 배기 및 흡입 스트로크가 진행되는 동안 효율적으로 개방되고, 대부분의 압축 스트로크가 진행되는 동안 자동점화를 위해 닫히는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
13. 제 11 항 혹은 제 12 항에 있어서, 블레이드 주위의 경로에 바이패스 경로가 있는데, 바이패스 경로는 가스가 틈새체적으로부터 연소챔버로 이동하도록 하는 단방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
14. 제 10 항에 있어서, 경로를 선택적으로 차단하기 위한 장치는 경로가 통과하는 실린더 헤드에 리세스를 포함하고, 경로 사이를 유동하는 가스를 제한하기 위한 쓰로틀과 리스트로 들어가는 피스톤 상단부에 있는 돌출부를 포함하고, 피스톤은 경로를 차단하려는 경향을 갖고, 상사점을 통과하며, 돌출부에 있는 단방향 밸브로 가스는 연소챔버에서 틈새체적이 아닌 틈새체적으로부터 연소챔버로 통과하는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
15. 제 10 항에 있어서, 경로를 선택적으로 차단하기 위한 수단은 통과하는 개구부를 갖는 부재인데, 개구부 영역은 압력에 따라 통과하는 연소가스의 유동을 제어하기 위해 가변적인 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
16. 제 15 항에 있어서, 개구부 영역의 변화는 압력충돌 변화에 자동으로 반응하는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
17. 제 7 항 내지 제 16 항에 있어서, 흡기 및 배기밸브는 틈새체적에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
18. 제 17 항에 있어서, 연료는 직접분사방식으로 연소챔버에 유입되는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
19. 제 17 항에 있어서, 연료는 공기가 틈새체적으로 들어가기 전에 흡입된 공기로 유입되는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
20. 제 17 항에 있어서, 연료는 직접 분사방식으로 연소챔버로 유입되고, 공기가 틈새체적으로 들어가기 전에 흡입된 공기로 유입되는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.
21. 제 18 항 혹은 제 20 항에 있어서, 연소챔버로 직접 분사된 연료는 자동점화를 일으키도록 충분히 압축되기 전에 흡입된 공기와 연료가 균일하게 혼합되도록 초기 압축 스트로크나 흡입 스트로크가 진행되는 동안 유입되는 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진.