KR20070030844A - 울트라 팽창 사행정 내연기관 - Google Patents

울트라 팽창 사행정 내연기관 Download PDF

Info

Publication number
KR20070030844A
KR20070030844A KR1020067026926A KR20067026926A KR20070030844A KR 20070030844 A KR20070030844 A KR 20070030844A KR 1020067026926 A KR1020067026926 A KR 1020067026926A KR 20067026926 A KR20067026926 A KR 20067026926A KR 20070030844 A KR20070030844 A KR 20070030844A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
ultra
compression
expansion
Prior art date
Application number
KR1020067026926A
Other languages
English (en)
Inventor
양젱리
Original Assignee
양젱리
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 양젱리 filed Critical 양젱리
Priority to KR1020067026926A priority Critical patent/KR20070030844A/ko
Publication of KR20070030844A publication Critical patent/KR20070030844A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

실린더 (1)와 피스톤 (2)을 포함하는 울트라 팽창 사행정 내연기관에 있어서, 동력조건을 만족시키는 급기 공간(V2)의 압축 정도는 압축 행정 종료시 1.8-5Mpa로 유지되어, 연소 온도와 압력을 증가시키는 조건을 형성하며, 효율적인 작동 압력으로 달성될 수 있는 울트라 팽창 비에 따르면, 실린더의 작동적 (V)은 급기 공간 (V2)보다 크도록 설계되어 있으며, 연소 가스의 정적(constant volume) 팽창동작 후 잔존하는 열 에너지는 단열조건하에서 추가 팽창하기 위해 이용될 수 있어 울트라 팽창 작동 조건을 형성할 수 있는 울트라 팽창 사행정 내연기관이 개시되어 있다. 몇 개의 냉각수 재킷(6)은 연소실(5)과 실린더(1)의 상부에 장착되어 있으나, 실린더(1) 하부에는 냉각수 재킷이 장착되어 있지 않고, 단열 수단(7)이 장착되어 있어 울트라 팽창 행정 과정에서 열 손실을 제거하여 울트라 팽창 행정의 효과를 향상시킨다. 상기 흡기 밸브(3)의 구경은 축소되어 있고 상기 배기 밸브(4)의 구경은 확대되어 있어 배기 진입각은 축소시켜 울트라 팽창 효과를 향상시킨다. 본 발명에 따르면 열 효율을 크게 향상시킬 수 있어, 연료 소비와 환경 오염을 감축시킬 수 있다.
사행정 내연기관, 냉각수 재킷, 실린더

Description

울트라 팽창 사행정 내연기관{ULTRA-EXPANSION FOUR-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관에 관한 것으로, 특히 저온에서 울트라(초)(ultra) 팽창과 배기 시의 작용 모드에서 동작하는 울트라(초)(ultra) 팽창 사행정 내연기관에 관한 것이다.
1백여 년에 걸친 발전과 개량을 통해, 내연기관의 기계적 효율은 거의 최고치에 달하게 되었다. 최근 전자 기술의 발달에 힘입어, 연소 효율은 증가했으나, 작업 효율은 다음과 같은 작업 방법 고유의 문제로 인해 증가하는데 한계에 부딪쳤다.
1.내연기관은 발명 이래로 정적 작용 모드(constant volume working mode)에서 작동해 왔다. 즉, 기존 내연기관의 이론상 사이클은 흡기, 압축, 연소, 배기의 사행정이 같은 등적 행정으로, 피스톤의 연소 작용 행정은 흡기 행정과 등가(equal stroke)이다 (실린더의 작용적(working volume)은 흡기적(intake volume)과 동일하 다). 따라서, 연소 작용 종료 시 실린더 안의 연소 가스의 온도와 압력은 높은 상태이며, 배기 가스는 불꽃 형태로 배출된다. 이 정적 팽창 운동과 고온 배기 모드에 의한 열 손실이 전체 열 손실의 약 35%를 차지하고 있다. 이는 기존 내연기관에서는 어쩔 수 없는 일로, 그 이유는 기존 내연기관의 구조가 실린더의 작용적이 흡기적과 같다는 것을 결정하기 때문이다(배기 진입도가 500 - 600 이고, 한정된 작용 행정은 더 축소되기 때문인데, 실제로는 작용 행정은 흡기 행정보다 짧다). 배기 가스의 고온 현상은 피스톤이 하사점에 도달한 후 계속 동작을 하지 않으며, 다량의 열 에너지를 포함하는 배기 가스가 폐기 가스로 밖에 배출될 수 없다는 이유에서 기인한다.
2. 내연기관의 과열 현상을 제거하기 위해서, 강제냉각순환 방식으로 실린더 바디를 냉각시킬 필요가 있다. 여기서, 상기 냉각 방식으로 허비되는 열은 전체 열 손실의 약 30%를 차지한다. 고온배기 작동원리에 따르면, 정적 작용 모드로 동작하는 내연기관은, 작동 온도를 증가시키기 위해 열 보존 및 단열 수단을 강구하더라도, 자체의 열 효율을 향상시킬 수 없다. 그 결과, 배기 온도는 증가하게 되는 데, 그 이유는 열 에너지 변환 모드의 필수 기본적인 개량이 없기 때문인데 이로 인해 상기 냉각 방식으로 허비되는 열 에너지는 다시 배기 시스템에서 소비되고 만다.
3. 기존의 내연기관은 불꽃-점화 내연기관과 압축-점화 내연기관으로 구성되 어 있으며, 압축 비는 피스톤이 압축 종료 시 가스의 압축 정도를 나타내는 데 사용되고 있다. 초기 불꽃-점화 내연기관의 압축 비는 매우 낮아 겨우 5-8:1이고, 압축-점화 내연기관의 압축 비는 10-18:1로 열 효율이 낮다. 최근에는, 불꽃-점화 내연기관의 압축 비는 8-11:1로 증가됐는데, 이는 압축 정도 약 0.7-1Mpa에 해당되며, 압축-점화 내연기관의 압축 비는 16-22:1로 증가됐는데, 이는 압축 정도 약 1.5-2Mpa에 해당되는 것으로 보는 봐와 같이 크게 열 효율이 향상됐다. 압축 비의 크기가 내연기관의 열 효율과 밀접한 관계에 있는 것은 분명한데, 그 이유는 높은 압축 비는 높은 연소 온도와 압력을 연출해 피스톤의 평균작용 압력을 증가시키고 따라서 열 효율이 증가하기 때문이다. 그러나, 기존 내연기관의 압축 비는 폭발 현상의 제한과 내연 연소 기관의 기계 구조적 강도의 제한 등으로 더 이상 증가시키기는 어렵다.
4. 내연기관의 이론상의 압축 비는 고정되어 있다. 저속 회전은 높은 부하(즉, 최대 공기 흡입 량)의 작동 조건하에서 내연기관은 당초 설계 압축 정도에 도달할지도 모른다. 그러나, 고속 회전과 낮은 부하 (즉, 적은 공기 흡입 량)의 작동 조건하에서는, 내연기관의 실제 압축 정도는, 비록 이론상의 압축 비는 변하지 않더라도, 상사점에서 축소되고, 따라서 열 효율은 줄어든다. 그 결과, 열 효율은 다른 작동 조건하에서는 아주 달라진다. 이는 (작동)체 제어(substance-controlling) 내연기관의 열 효율이 양 제어(quantity controlling) 내연기관의 열 효율보다 높은 중요한 이유이다.
5. 기존 내연기관의 점화나 오일 분사 시간은 상사점 전에 약 200 -300으로 조정되어 있어, 혼합 가스는 물리 및 화학 반응 과정 이후에 본(main) 연소 시기에 들어간다. 최고 연소 온도와 압력은 점화 시간을 제어해 상사점 보다 약 60 지난 시점에 일어난다. 실은, 이 범위 내에서 생성된 온도와 압력은 아무리 높더라도 단지 강도의 개념과 연관돼 있다. 압력은 상사점 인근을 지날 때, 최고조에 달하나 피스톤의 속도는 거의 0에 가까워, 별로 효과가 없다. 또한, 연소 가스는 피스톤 링을 통해 누출되게 마련이다. 이 단계에서, 열량은 농축되고, 온도는 최고조에 달하며, 열 손실 또한 최고조에 달한다. 따라서, 이 순간의 "(작동)체" 누출을 무시할 수 없다. 예를 들어, 자전거 페달을 밟을 때, 페달의 제일 윗부분(상사점에 해당)을 아무리 밟아도 소용이 없고, 소정의 각도로 밟았을 때 비로써 큰 힘을 얻을 수 있는 것이다. 이 같은 사실을 감안해 볼 때, 내연기관의 점화 시간은 상사점을 약 150 가 지난 후 최고 연소 온도와 압력이 일어나도록 지연시켜야 하는 것이다.
기존 내연기관의 오일 분사나 점화는 모든 작동 조건 전에 일어난다. 따라서, 연료의 일부는 상사점 이전에 연소하기 시작하며 열 에너지는 온도와 압력을 빠른 속도로 상승시키게 된다. 그 결과, 압축에 역행되는 작용이 증가되어 운전을 와일드하게 만드는 폭발 현상을 일으키게 만드는 이유가 될 수 있다. 기존의 내연기관이 점화와 오일 분사를 지연시키지 못하는 기본적인 이유는 압축 정도와 정적 정도가 상사점에서만 최고조에 달하면서, 연소 온도와 압력도 최고조에 달하기 때문이다. 이는 점화로서는 최고점이지만, 작동을 위한 최고점은 아니다. 최고의 작동은 상사점보다 150 지연된 시점으로 따라서 점화시간은 지연되어야 한다. 그러나 점화 시점의 지연은 압축 정도와 정적 레벨의 감소로 이어질 수 있고, 피스톤이 상사점을 지난 후 피스톤은 속도가 줄어들면서 미연소 가스는 팽창해 압축 정도가 축소되고, 열 효율은 줄어든다.
위에서 지적한 사항을 감안해, 많은 기술적 해결 방안이 차례로 등장했는데 이중에는 중국 특허 CN1417463A 및 CN1388307A등이 있다. 이들 특허는 모두 기존 내연기관에 기초하여, 기본구조를 변화시키지 않고 개량했으며, 흡기량을 줄여 피스톤의 작동 행정을 증가시키거나 실린더의 작용적을 증가시켜 연료를 절약하는 효과를 택했는데, 상기 흡기량을 줄이는 방법으로는: (1)스로틀(throttle)로 추력을 감속하기; (2) 흡기과정에서 흡기 밸브를 사전에 폐쇄하기; (3) 압축 행정 초기에 배기 밸브를 개방하고 공기 일부가 배기된 후 배기 밸브를 닫는 것 등을 포함하고 있다.
이 같은 해결 방안들은 이론상으로는 연료를 절약할지 모른다. 왜냐하면, 작동 초기 단계(즉, 정적 작동단계)에서 실린더의 흡기량이 줄어든 후, 즉, 실린더 내의 작동체(working substance)가 줄어든 후, 본래의 연소 온도와 압력은 유지되 고, 작동 후기 단계(게인(gain)단계를 취득하기 위해서는, 이론상 이 단계에서 연소 가스에 30%-35%의 열 에너지가 존재한다)에서는 실린더 가스에 막대한 양의 열 에너지가 존재한다. 문제는 에너지 등급이 낮고 그 결과에 의한 작동이 실제로는 매우 낮다는 점이다. (등급을 올리기 위해 수단을 강구할 경우에만). 중요한 점은 실린더에 진입하는 작동체가 줄어든 후에는 전체 열도 감소한다는 점이다. 또한 실린더의 에너지 소실면적이 증가하고, 비록 물 재킷에 의한 실린더 가스 압력이 존재하고 효율적으로 작용하지 못한다 하더라도, 열 소실능력은 상대적으로 증가한다. 또한 이론상으로 증가한 행정에 의해 취득한 일(work)은 기계적 손실을 만회한다. 특히, 고속 회전과 고효율 작동 조건의 경우, 부(negative)의 일이 정(positive)의 일을 능가해 게인(gain)보다 많은 것을 얻게 된다. 따라서, 축소 흡기 양이나 피스톤의 행정 증가에 단지 의존하는 것은 부적절하며, 따라서, 개량된 내연기관은 동력이 부족하고 실제적인 가치를 잃게 되고 만다.
따라서, 본 발명의 목적은 추가 팽창, 즉 울트라(초) 팽창을 이루기 위해 대량의 열 에너지를 함유한 저급 연소 가스를 이용하는데 있다. 울트라 팽창을 실현하기 위해 얼트라 팽창 작동 조건을 구성하는 것 만으로는 충분치 않다. 따라서, 대량의 열 에너지를 함유한 연소 가스의 등급을 향상해야 하고, 울트라 팽창 작동 조건에 부합하는 열역학 사이클 모드를 설정해야 한다. 이에 따라, 열 에너지 변환과정에서의 냉각 손실과 배기 손실을 줄일 수 있고 그 결과, 열 효율은 증가된다.
본 발명에 따르면, 울트라 팽창과 저온 배기 모드에서 작동하는 신규 디자인 사행정 내연기관이 제공되어, 압축 정도가 크게 증가되어 더 높은 연소 온도와 압력을 생성한다. 효율적인 작동 압력에 의해 달성될 수 있는 울트라 팽창 비에 따르면, 실린더의 작동적은 급기 공간 V2보다 크도록 설계되어 있고, 따라서 연소 가스의 정적 작동이 단열조건하에서 충분히 이용된 후에도 열 에너지는 계속 존재하게 된다. 본 발명은 기존의 사행정 내연기관의 작동원리를 개량, 확대시킨 것으로 열 효율 개선 수단을 포함한다. 상기 열 효율 개선 수단은: (1) 압축 정도를 증가시키고, 점화와 오일 분사를 지연시키고, 최고 연소 온도와 압력이 상사점보다 100 - 200, 바람직하게는 150 지연 발생하도록 하며; (2) 배기 가스의 열 에너지를 이용해 단열조건하(즉, 울트라 팽창 작동하)에서 추가 작동할 수 있으며; (3) 연소 실과 실린더 상부에 장착되는 냉각수 재킷의 숫자가 적은 반면, 실린더의 하부에는 냉각수 재킷이 아니라 단열 수단이 장착되어 팽창 행정 과정에서의 열 손실을 축소시키며 울트라 팽창 행정 효과를 증대시키며; (4) 흡기 밸브의 구경을 축소시키고, 제한 공간에서의 배기 밸브 구경을 증가시켜 배기 진입각(흡입 밸브의 모든 구경은 기존 내연기관의 배기 밸브보다 크다)를 축소시키고, 따라서 울트라 팽창 행정 과정을 증대시킨다.
본 발명의 목적으로 다음과 같은 기술적 해결 방안을 달성한다.
본 발명에 따른 울트라 팽창 사행정 내연기관은: 실린더와; 피스톤을 포함하며, 동력조건을 만족시키는 급기 공간의 압축 정도는 압축 행정 종료시 1.8-5Mpa로 유지되어, 연소 온도와 압력을 증가시키는 조건을 형성하며, 효율적인 작동 압력으로 달성될 수 있는 울트라 팽창 비에 따르면, 실린더의 작동적은 급기 공간보다 크도록 설계되어 있으며, 연소 가스의 정적(constant volume) 팽창동작 후 잔존하는 열 에너지는 단열조건하에서 추가 팽창하기 위해 이용될 수 있어 울트라 팽창 작동 조건을 형성한다.
본 발명에 따르면, 울트라 팽창 사행정 내연기관은 점화가 지연되었을 때 정적 레벨과 압축 정도가 감소하지 않도록 유지시켜, 최고 연소 온도와 압축이 상사점 (S) 보다 100 - 200 지연 발생하는 가변 압축 정도/정적 레벨 보정 수단을 더 포함하고 있다. 상기 가변 압축 정도/정적 레벨 보정 수단은 보정 피스톤을 포함하고 있으며, 상기 보정 피스톤은 연소실과 연통하는 보정실에서 상하 운동할 수 있다.
냉각수 재킷은 연소실과 실린더의 상부에 장착되어 있으나, 실린더 하부에는 냉각수 재킷이 장착되어 있지 않고, 단열 수단이 장착되어 있다. 배기 밸브의 구경은 흡기 밸브의 구경보다 크다.
본 발명에서 있어서, 동력 조건을 만족시키는 급기 공간 V2는 압축 행정 종료시점에서 1.8-5Mpa를 유지하여 연소 온도와 압력 증가 조건을 형성하며, 점화 시간은 상사점보다 100 - 200 뒤에 발생하도록 지연된다. 효율적인 작용 압력에 의해 달성될 수 있는 울트라 팽창비에 따르면, 실린더 V의 작용적은 연소 가스의 정적(constant volume) 팽창동작 후 잔존하는 열 에너지를 단열조건하에서 추가 팽창하기 위해 이용될 수 있어 울트라 팽창 작동 조건을 형성하도록 설계된다.
상기 흡기적(intake volume) V2는 동력 조건을 만족시키는 급기 공간이어야 하며, 매니폴드의 순환 단면적의 최대 급기 공간과 스로틀 밸브 및 흡입 밸브는 상기 흡기적 V2로 달성된다.
상기 압축 정도 증가는 기존 내연기관의 압축 정도보다 1배 크며, 이는 본 발명의 울트라 팽창 내연기관의 목적을 달성하기 위한 중요한 조건이다.
상기 가변 압축 정도/정적 레벨 보정 수단은 점화와 오일 분사를 지연시키는 것을 확실하게 하며, 최고 연소 온도와 압력이 상사점보다 100 - 200, 바람직하게는 150 지연 발생하도록 하며, 기본적으로 압축 정도와 점화 폭발 현상 증가시키는 사이에서의 모순과, 점화 지연과 정적 레벨 감소 사이에서의 모순을 해결한다.
상기 배기 밸브 증가와 흡입 밸브 구경의 감소, 배기 진입각의 감소 및 작용 행정의 증가는 본 발명의 기본 요소이다.
연소실과 실린더의 상부에는 적은 수의 냉각수 재킷이 장착되어 있으며, 실린더 하부에는 냉각수 재킷이 장착되어 있지 않고, 본 발명의 울트라 팽창 내연기관의 단열 수단이 장착되어 있는데, 이는 울트라 팽창 행정 과정에서의 열 손실을 피하기 위한 것이며, 상기 울트라 팽창 행정의 효과를 증대하기 위한 기술적 수단이다.
본 발명에 의한 상기 울트라 팽창 내연기관은 불꽃-점화 내연기관과 압축-점화 내연기관을 포함한다. 상기 울트라 팽창 내연기관의 이론적인 동작 사이클은 흡입, 압축, 팽창 및 울트라 팽창 행정이다.
상기 내연기관이 불꽃-점화 내연기관인 경우, 가스의 압축 정도는 상기 피스톤이 상사점에 도달할 때 1.8-3Mpa이 된다.
흡기 밸브의 폐쇄도는 크랭크축의 00 -3600 사이클 안에서 하사점 이전 100 - 200 이며, 상기 크랭트축 배기 밸브의 개구각은 3600 -7200 사이클 안에서 하사점 이전 150 - 250 이다.
상기 내연기관이 압축-점화 내연기관인 경우, 상기 가스의 압축 정도는 상기 피스톤이 상사점에 도달했을 때 3-5Mpa가 된다.
흡기 밸브의 폐쇄각은 크랭크축의 00 -3600 사이클 안에서 하사점 이전 100 - 200 이며, 상기 크랭크축의 배기 밸브의 개구각은 3600 -7200 사이클 안에서 하사점 이전 150 - 250 이다.
만약 상기 내연 기관이 압축-점화 내연기관인 경우, 가스의 압축 정도는 상기 피스톤이 상사점에 도달할 때 3-5Mpa가 된다.
흡기 밸브의 폐쇄도는 크랭크축의 00 -3600 사이클 안에서 하사점 이전 100 - 200 이며, 상기 크랭크축의 배기 밸브의 개구각은 3600 -7200 사이클 안에서 하사점 이전 150 - 250 이다.
동력 조건을 만족시키는 상기 급기 공간은 V2 이며, 상기 압축 정도는 1.8-5Mpa이며, 기존 내연기관의 온도와 압력보다 높은 본 발명의 온도와 압력은 점화 연소 후 상사점보다 100 - 200 지연되어 발생하고, 상기 급기 공간의 정적 팽창 행정은 연소 가스가 피스톤을 V2로 밀 때 완료되고, 상기 실린더 내의 온도와 압력은 기존 내연기관이 모든 행정을 완료했을 때의 배기 온도와 압력과 동일하며, 따라서 상기 피스톤의 행정은 단열 조건하에서 저온 열에너지를 이용하는 울트라 팽창 행정이다. 예를 들어, 상기 피스톤의 작용적(working volume)은 피스톤이 점화 연소 후 작용적의 2분의1로 하강했을 때 정적 급기 공간의 두배이며, 실린더의 가스 온도는 급기 공간이 정적 팽창 행정을 완료했을 때의 온도이며, 상기 피스톤의 다른 나머지 2분의1 행정은 단열조건 하에서 울트라 팽창 행정의 1배이다. 만약 상기 피스톤의 작용적이 정적 급기 공간의 3배라면, 2배의 울트라 팽창 행정을 획득할 수 있다. 따라서, 울트라 팽창 4행정 내연기관의 압축 정도가 높으면 높을수록, 울트라 팽창 행정은 더 길어지고, 열 보존과 단열수단은 더 좋아지며, 배기 온도가 낮으면 낮을수록, 더 높은 게인을 획득할 수 있다.
상기 울트라 팽창 사행정 내연기관의 설계는 상기 동력 조건과 울트라 팽창비를 만족하는 급기 공간 V2 에 근거해야 한다. 즉, 상기 실린더의 작용적의 설계는 상기 울트라-팽창 설계의 2배인 V=V2 ｘ 3와 같다.
본 발명은 상기 울트라 팽창 행정의 기술조건을 만족하는 울트라 팽창 행정 원리에 따라, 실린더와, 피스톤, 냉각수 재킷, 가스분배 시스템, 연소실, 밸브 시스템, 흡기 밸브, 배기 밸브, 전기분사부분의 스로틀, 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드, 자동 점화 또는 오일분사 지연/조기 수단, 가변 압축 정도/정적 레벨 보상 수단 등을 설계해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 간략한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 듀티 사이클.
도 3은 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 밸브 타이밍의 간략한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 가변 압축 정도/정적레벨 보정수단의 간략한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 가변 압축 정도/정적레벨 보정수단의 보정 캠에 대한 작용상(working phase)의 간략한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 냉각수 재킷과 단열수단의 보정 캠 분배의 간략한 도면이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
1: 실린더 2: 피스톤 3: 흡기 밸브 4: 배기 밸브
5: 연소실 6: 냉각수 재킷
7: 단열수단 8: 보정실
9: 보정 피스톤 10: 귀환 스프링 11: 보정 캠
V: 실린더의 사용적 V2 : 급기 공간
V1: 연소실 용적 S: 상사점
X: 하사점
α: 흡기 밸브 3의 개구각 (흡기 진입각)
α1: 흡기 밸브 3의 폐쇄도
β: 배기 밸브 4의 개구각 (배기 진입각)
β1: 배기 밸브 4의 폐쇄각
δ1 : 보정 피스톤이 상향하기 시작하는 각도
δ2 : 보정 피스톤이 하향하기 시작하는 각도
본 발명에 따른 울트라 팽창 4행정 내연기관을 다음의 실시 예를 통해 설명한다.
실시예 1: 흡기량을 축소시키는 방법으로 기존 내연기관을 개량한다.
본 실시예에서 흡기상(intake phase)은 흡기 캠 폼 라인과 상 각도를 변경하는 방법으로 변경하여 흡기 밸브를 하사점 500 이전에 폐쇄함으로써 흡기량을 35% 감소시킬 수 있었다. 이는 이론상 연소실 양의 35%를 감소시키고 원래의 압축 정도를 유지시킴으로써 작용 행정의 35%를 증가시켰다. 배기상과, 흡기 밸브의 구경, 배기 밸브의 구경, 점화 시점 및 냉각수 재킷은 원래의 조건을 유지시켰다. 본 발명은 불꽃-점화 내연기관에 관한 것이다.
상기 내연기관을 차량에 탑재시켜 수백km에 걸쳐 정속으로 연료를소모하는 실험으로 실시됐다. 이 같은 조건하에서 냉각수의 온도는 변경 전의 냉각수보다 100C 낮았다. 수백km를 정속(60km)으로 운행한 후의 연료 소모량은 약 28%의 연료 절감 효과가 있었다. 즉 연료 점감 효과는 분명히 나타났다.
상기 내연기관에 대한 벤치 시험의 실험 조건은 다음과 같았다: 연료계기, 회전 속도계, 동력계를 변경 전과 비교했다. 벤치 시험의 결과는: 동력이 32% 감소, 연료 소모율(kw.h) g curve는 저속에서 약 15% 감소했으며 이는 중속 에서도 거의 같은 결과를 보였으나 고속에서는 8% 상승했다.
상기 실시예의 정속 연료 소모 시험과 벤치 시험 결과에 따르면, 정속 운행 연료 소모율이 28% 감소한 이유는, 비록 시험조건이 같은 정속에 동력 예비율이 변경 전보다 높았고, 동력은 변경후 감소했고, 동력 예비율이 낮았고 따라서 연료 소모가 감소됐지만, 이는 동력 감소 적용 본질에 따른 것이었다. 또한 냉각수의 온 도가 감소한 이유는 연소 작동체가 줄어든 후, 전체 열량은 감소했고 열 방출비 면적이 증가했기 때문이다. 본 실시예에서 흡기량을 감소하는 방법에 따른 내연기관은 저속 회전에서 분명히 연료 절감효과가 있었으며 고속회전에서 기계손실이 컸으며, 상기 피스톤에 미치는 평균 유효압력은 감소됐다. 작용 후반에서 실린더 압력이 존재했으나 피스톤을 효과적으로 작용할 정도의 압력은 아니었으며, 당초 희망했던 연료절감효과는 달성되지 않았다. 실은, 본 발명의 실시예의 작동 본질은 기존 내연기관의 흡기량을 감소하고, 양적 압축비를 증가시키고, 변경 전(흡기양의 감소)의 중, 소 동력에서의 작용과 비교 압축비 증가에 해당하는 흡기양의 압축 정도를 유지하는 것이었다. 따라서, 열효율은 중, 소 동력에서 증가됐다.
도 1은 실린더(1)와 피스톤(2)를 포함하는 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 간략한 도면로서, 상기 내연기관에서 동력 조건을 충족시키는 상기 급기 공간 V2의 압축 정도는 압축 행정의 종료시점에서 1.8-5Mpa로 유지되어 연소 온도와 압력을 증가시키는 조건을 형성한다. 효과적인 작용 압력으로 달성될 수 있는 울트라 팽창 비에 따르면, 상기 실린더의 작용적 V는 급기 공간 V2 보다 크더록 설계되고 연소실의 정적 팽창 작용 후 존재하는 열 에너지는 단열 조건하에서 추가 팽창을 위해 이용되어 울트라 팽창 온도 감소와 냉각온도 무감소 하에서만 울트라 팽창 작용 조건을 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 듀티 사이클로서, 상기 듀티 사이클은 흡기와 압축, 연소 작용(정적 팽창 작용과 울트라 팽창 작용 포함), 배기의 4행정으로, 크랭크축의 각 00 - 7200의 이론상 듀티 사이클이 완료된다. 흡기와 압축 행정은 크랭크축의 00 - 3600 안에서 완료된다.
흡기 행정: 상기 흡기 행정은 상기 피스톤(2)이 상사점 S에서 하사점 X로 이동할 때의 행정으로, 상기 실린더의 작용적 V는 급기 공간 V2 의 3배(즉, 울트라 팽창의 2배)이다.
도 3을 참조로, 급기 공간 V2 대기압 하에서 실린더 안에서 흡기적이 차지하는 체적을 말한다. 설계 흡기 매니폴드와 스로틀 밸브 및 흡기 밸브의 순환 단면적에서의 최대 흡기양은 동력 조건을 충족시키는 급기 공간 V2 이며, 상기 급기 공간 V2 에 도달하는 급기행정은 하사점 이전 α1=100 -200인 폐쇄각에서 완료된다. 본 발명의 목적은 흡기가 완료되기 전에 하사점 X(거의 1800 ) 인근에 도달하는 것이며. 예를 들어, 크랭크축의 7200 안에서 4개의 실린더가 균일하게 공기를 흡입하는 것(예를 들어, 흡기 밸브를 미리 폐쇄시키는 것은 짧은 부(-)의 압력 충격을 생성해 흡기의 불안정을 초래할 수 있다)과 흡기 흐름의 안정성 보장을 촉진하며 측정의 정확성 및 연비의 정확한 제어를 하는 것이다.
압축 행정: 압축 행정은 상기 피스톤(2)이 하사점 X에서 상사점 S로 이동할 때의 행정이다. 본 발명은 상기 피스톤이 종점(end point)에 도달할 때 압축 정도를 상승시키며, 설계 압축 정도 1.8-5Mpa는 상사점 S에서 도달되는데, 이는 기존 내연기관의 설계 압축 정도보다 훨씬 높은 것이다.
연소 작용과 압축 행정은 크랭크축의 3600 -7200 안에서 완료된다.
연소 작용 행정: 연소 작용 행정은 상기 피스톤(2)이 상사점 S에서 하사점 X로 이동하는 행정이다. 최적의 점화 또는 연료 분사 시점은 자동-점화 또는 연료 분사 조기/지연 수단에 따라 보장될 수 있어 최고 연소 온도와 압력이 상사점 약 150 지연되어 일어나도록 한다. 상기 연소 가스는 상기 피스톤(2)을 작용하도록 밀며, 상기 피스톤(2)은 상기 급기 공간 V2로 하향 이동할 때 정적 팽창 작용 행정을 완료한다. 상기 하사점 X에 앞서 상기 급기 공간 V2에서 개구각 β에 이르는 행정은 단열조건하에서의 울트라 팽창 작용 행정이다.
배기 행정: 상기 배기 행정은 상기 피스톤이 하사점 X에서 상사점 S로 이동 하는 행정이다. 배기 진입각 β는 하사점 X 전 150 -250이다 (배기 진입각 β는 기존 내연기관의 500 -600 이다)이며, 상기 피스톤(2)은 상기 하사점 X에서 상기 상사점 S로 이동해 강제 배기를 실시한다.
도 3은 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 밸브 타이밍의 간략한 도면이다. 본 발명에 의한 내연기관의 연비는 전기 제어연료 분사 시스템으로 트랙 제어되며, 상기 흡기 매니폴드와 흡기 밸브의 순환 단면적에서의 최대 흡기 흐름은 상기 동력 조건을 충족하는 급기 공간 V2 이며, 상기 흡기 밸브(2)의 개구각 α와 배기 밸브(4)의 폐쇄각 β1은 겹쳐져 가스를 스위핑한다. 상기 흡기 밸브(3)의 폐쇄각 α1 은 상기 크랭크축의 00 -3600 안의 하사점 이전 100 -200 이다. 상기 배기 밸프(4)의 개구각 β 는 상기 크랭크축의 3600 - 7200 사이클 안의 하사점 150 -250 이전으로 울트라 팽창 작용 행정을 증가시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 가변 압축 정도/정적 레벨 보정수단의 간략한 도면이다. 보정 피스톤(9)은 연소실 안에서 상하 좌우 운동하며, 상기 보정 피스톤(9)이 운동하는 공간은 보정실(8)이며, 상기 보정실(8)의 체적은 상기 연소실의 부피 V1의 일부가 된다. 상기 보정실의 체적은 연소실(보정 실의 체적 포함)의 1/5이다. 상기 보정 피스톤(9)은 보정 캠과 귀환 스프링(10)에 의해 동작되며 리프트 범위(종래기술의 "가변 밸브 리프팅과 가변 밸브 타이밍"으로 이에 대한 불필요한 자세한 내용은 생략한다)를 가변 시킬 수 있으며, 솔레노이드와 수압 및 공압 수단 등으로도 동작될 수 있다. 상기 보정 피스톤(9)의 최저 위치는 연소실(5)과 같은 위치이며, 상기 연소실의 최소 체적은 상기 위치에 정지할 때 형성될 수 있으며, 이때 압축 정도는 증가될 수 있다. 최고 위치에 정지하는 것은 보정실(8)을 포함한 연소실(5)의 체적을 최대로 한다. 상기 보정 피스톤(9)은 상기 보정 캠(11)과 귀환 스프링(10)에 의해 최고 및 최저 위치를 왕복하면서 정적 정도 보정을 행한다.
상기 가변 압축 정도/정적 레벨 보정수단의 기능은 다음과 같다:
① 상기 보정 피스톤(9)이 최고 위치에서 정지했을 때(도면 위치 참조)의 회전속도와 부하가 중간치이면, 압축 정도는 증가될 필요가 없고, 정적 정도의 정상 동작 조건은 보정될 필요가 없다.
② 상기 보정 피스톤(9)이 최저 위치에 정지하면, 이는 상기 언급한 바와 같이, 압축 정도 기능을 하는 것으로, 상기 내연기관의 이론상의 압축비는 고정되며, 최고 회전속도의 동작조건과 경 부하 또는 아이들링(idle speed)이고, 흡기가 적으면, 상기 보정 피스톤(9)의 보정 정도는, 비록 압축비가 불변했더라도, 상사점에서 설계된 압축 정도 이하인 것이 분명한 것이다. 따라서, 열 효율은 저하된다. 이 같은 동작 조건하에서, 점화시점은 상사점 이전이며, 정적 정도는 축소되지 않았으며 압축 정도는 증가된다. 상기 보정 피스톤(9)은 압축 정도(최저 위치, 즉, 상기 연소실과 같은 위치)를 증가시키는 위치에서 정지한다. 왜냐하면, 상기 보정실의 체적은 상기 연소실 체적의 일부에 속하기 때문이다. 따라서, 상기 연소실의 체적은 적어지고 반면에 압축 정도는 증가한다.
압축 정도의 급증으로 인한 폭발 현상 방지를 위해 부하가 점차 증가되어 흡기가 증가하면, 점화시점이 점차 지연되어 정적 정도를 축소시킨다. 이때, 상기 보정 피스톤(9)은 상기 정지 상태에서 상하 운동을 시작하며, 상기 보정 피스톤(9)의 리프트 범위는 점화 지연각의 증가에 따라 증가한다. 이때, 상기 가변 압축 기능은 정적 보정 기능이 된다.
③ 상기 보정 피스톤(9)의 상하 운동은 정적 정도 보정 기능이다. 위에서 설명한 바와 같이, 상기 내연기관이 저속 회전운동과 과부하의 동작조건에서 작동하면, 내연기관은 최대 흡기 량에서 설계된 압축 정도에 도달한다. 이 같은 동작 조건하에서, 점화 또는 연료 분사 시점은 상사점 이후로 지연된다. 상기 피스톤(2)이 하강하면, 미 연소 혼합가스가 피스톤(2)의 하강과 함께 팽창되어 압축 정도를 축소시킨다. 상기 정적 정도에 따른 보정 기능은 피스톤(2)이 하강하기 시작할 때, 상기 피스톤(2)의 하강과 함께 보정 피스톤(9)이 하강하여 상기 보정실(8)의 혼합 가스를 밀어내어 상기 보정 피스톤(2)의 하강 체적을 보정한다. 보정 캠(11)의 가변 리프트 범위의 높이는, 즉, 보정 체적 조건(상기 보정비는 100%이하로, 이는 보정 피스톤(9)이 압축 동작을 하지 않도록, 보정 피스톤의 부하를 축소하기 위함이다)은 현재 점화의 지연각 크기에 좌우된다. 다시 말해, ECU(미도시)의 작동에 의한 피스톤의 하강 체적, 즉, 상기 피스톤(2)의 하강에 따른 체적은 상기 보정실(8) 체적에 의해 보정되어야 한다. 이로 인해, 상사점을 지났을 때 점화 지연이 저하 시 원래 압축 정도가 상사점에 이르게 되며 정적의 보정 효과를 달성하게 되며, 최대 연소 온도와 압력이 상사점 S 보다 약 150 지연 발생하도록 한다.
실제 적용시에는, 정적 보정을 위해 점화시점이 점차 지연되면, 상기 보정 피스톤(9)의 리프트 이동 범위는 상기 피스톤(2)의 압축 행정 도중 점차 "0"에서 증가하고, 일부 가스는 상기 보정 피스톤(9)과 함께 보정실(8)로 상향 이동한다. 상기 보정 피스톤(9)의 리프트 범위는 보정 체적이 연소실의 체적이 속하기 때문에 점화시점 지연과 함께 증가하며, 보정실에 진입한 상기 가스는 상기 보정실에 일시 저장되며, 이때 상기 피스톤(2)은 상사점 S를 통과, 하향 이동하기 시작하고, 압축 정도와 정적 정도는 감소하며, 상기 보정 캠(11)에 의해 밀린 상기 보정 피스톤(9)은 상기 피스톤(2)을 따라 하향 이동하여 가스를 보정실(8)로부터 밀어내며, 체적은 보정되어 상기 피스톤(2)은 하향 이동하고, 상기 보정실 안의 가스의 압축 정도는 비록 상기 피스톤(2)이 하향 이동하더라도 점화가 일어날 때가지 감소되지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 가변 압축 정도/정적레벨 보정수단의 보정 캠에 대한 작용상(working phase)의 간략한 도면이다. 상기 울트라 팽창 사행정 내연기관이 중속의 회전속도와 중 부하의 조건 하에서 동작하면, 상기 보정 피스톤(9)은 최고 위치에 놓이게 된다. 반면, 상기 내연기관이 고속, 저 부하 조건 하에서 동작하면, 상기 보정 피스톤(9)은 최저 위치에 놓이게 된다. 저속, 고부하 조건 하에서 동작하게 되면, 점화 시점은 상사점 S 보다 지연되고, 따라서, 상기 피스톤(2)의 압축 과정에서 정적 정도 보정이 필요하게 되며, 상기 보정 캠(11)은 처음 δ1 의 위치에 놓이고, 상기 귀환 스프링(10)에 의해 동작한 상기 보정 피스톤(9)은 상향 이동하고, 가스의 일부는 상기 보정실로 진입하며 이때, 상기 피스톤(2)은 상사점(즉, 상기 보정 캠(11)의 δ2 위치)에 도달하고, 상기 보정 피스톤(9)은 하향 이동하고 상기 보정실(8)로부터 가스를 밀어내고, 정적 정도는 보정된다.
도 6은 본 발명에 따른 울트라-팽창 사행정 내연기관의 냉각수 재킷과 단열수단의 보정 캠 분배의 간략한 도면이다. 상기 연소실(5)과 실린더(1) 상부에 몇개의 냉각수 재킷(6)이 장착되어 있으나, 상기 실린더(1) 하부에는 냉각수 재킷이 장착되어 있지 않고 다만 열절연 수단(7)이 장착되어 있다. 이는 팽창 행정에서 열 손실을 감소하는데 목적이 있다.
실시예 2: 상기 실린더의 동력 조건을 만족시키는 급기 공간 V 2 는 300ml 이며, 상기 실린더 V의 동작 체적은 600ml로 설계되어 있고, 상기 동작 체적은 흡기 체적( 울트라 팽창 동작 행정의 시간)의 두배이다 .
1. 만약 작동중인 내연기관이 불꽃-점화 내연기관이고, 상기 피스톤 2이 상사점 S에 도달했다면, 상기 가스의 압축 정도는 2Mpa이며 상기 실린더의 상기 급기 공간 V2 는 300ml이며, 상기 연소실 V1의 체적비, 즉 이론상의 압축비는 20:1이다. 따라서, V1=300/20=15ml이다.
본 실시 예에서, 상기 스로틀의 순환 단면적의 최대 흡기 흐름, 상기 불꽃-점화 내연기관의 흡기 매니폴드와 흡기 밸브는 상기 동력 조건을 만족시키는 급기 공간 V2 이며, 상기 흡기 밸브와 배기 밸브의 절곡각(folding angle)은 가스를 스위핑하도록 유지되며, 상기 흡기 밸브(3)의 진입 개구각 α은 100이며, 상기 배기 밸브(4)의 지연 폐쇄각 β1는 120 이다. 연비는 전자제어 연소 연료분사 시스템에 의해 트랙-제어된다. 흡기 밸브(3)의 폐쇄각 α1 은 상기 크랭크축의 00 -3600 사이클 안의 하사점 X 이전 150 이다. 상기 배기 밸브(4)의 개구각 β 는 상기 크랭크축의 3600 - 7200 사이클 안의 하사점 200 이전이며, 본 실시예에서 사용된 배기 밸브 4의 구경은 상기 흡기 밸브(3)의 구경의 1.8배이다.
2. 만약 상기 내연기관이 압축-점화 내연기관인 경우, 상기 피스톤(2)이 상사점 S에 도달하면, 상기 가스의 압축 정도는 3Mpa가 되고; 상기 실린더의 급기 공간 V2 는 300ml이고, 이론상 압축비를 만족하는 상기 연소실 V1 의 체적비는 30:1이 되고, 따라서 V1 =300/30=10ml이 된다.
본 실시 예에서, 상기 압축-점화 내연기관의 흡기 매니폴드와 흡기밸브의 순환 단면적의 최대 흡기 흐름은 상기 동력 조건을 만족시키는 급기 공간 V2 이며, 연료 분사량은 연료 분사 시스템에 의해 제어되고, 상기 흡기 및 배기 밸브의 절곡각은 가스를 스위핑하도록 유지되며, 상기 흡기 밸브(3)의 진입 개구각 α은 150이며, 상기 배기 밸브(4)의 지연 폐쇄각 β1는 180 이다. 흡기 밸브(3)의 폐쇄각 α1 은 상기 크랭크축의 00 -3600 사이클 내의 하사점 X 이전 150 이다. 상기 배기 밸브(4)의 개구각 β 는 상기 크랭크축의 3600 - 7200 사이클 안의 하사점 200 이 전이며, 본 실시예에서 사용된 배기 밸브(4)의 구경은 상기 흡기 밸브(3)의 구경의 2배이다.
실시예 3: 상기 실린더의 동력 조건을 만족시키는 흡기 체적 V 2 는 300ml로 설계되어 있고, 상기 실린더의 작용적 V는 900ml이며 상기 급기 공간 V 2 의 3배이며 상기 울트라 팽창 작용 행정의 2배이다.
1. 만약 작동중인 내연기관이 불꽃-점화 내연기관이고, 상기 피스톤(2)이 상사점 S에 도달했다면, 상기 가스의 압축 정도는 2Mpa이며 상기 실린더의 상기 급기 공간 V2 는 300ml이며, 상기 연소실 V1의 체적비, 즉 이론상의 압축비는 20:1이다. 따라서, V1=300/20=15ml이다.
본 실시예에서, 상기 스로틀의 순환 단면적의 최대 흡기 흐름, 상기 불꽃-점화 내연기관의 흡기 매니폴드와 흡기 밸브는 상기 동력 조건을 만족시키는 급기 공간 V2 이며, 상기 흡기 밸브와 배기 밸브의 절곡각(folding angle)은 가스를 스위핑하도록 유지되며, 상기 흡기 밸브(3)의 진입 개구각 α은 100이며, 상기 배기 밸브(4)의 지연 폐쇄각 β1는 120 이다. 연비는 전자제어 연소 연료분사 시스템에 의해 트랙-제어된다. 흡기 밸브(3)의 폐쇄각 α1 은 상기 크랭크축의 00 -3600 사이클 안의 하사점 X 이전 150 이다. 상기 배기 밸브(4)의 개구각 β 는 상기 크랭크축의 3600 - 7200 사이클 안의 하사점 200 이전이며, 본 실시예에서 사용된 배기 밸브(4)의 구경은 상기 흡기 밸브(3)의 구경의 1.8배이다
2. 만약 작동중인 내연기관이 압축-점화 내연기관이고, 상기 피스톤(2)이 상사점 S에 도달했다면, 상기 가스의 압축 정도는 3Mpa이며 상기 실린더의 상기 급기 공간 V2 는 300ml이며, 상기 연소실 V1의 체적비, 즉 이론상의 압축비는 30:1이다. 따라서, V1=300/30=10ml이다.
본 실시예에서, 상기 압축-점화 내연기관의 흡기 매니폴드와 흡기밸브의 순환 단면적의 최대 흡기 흐름은 상기 동력 조건을 만족시키는 급기 공간 V2 이며, 연료 분사량은 연료 분사 시스템에 의해 제어되고, 상기 흡기 및 배기 밸브의 절곡각은 가스를 스위핑하도록 유지되며, 상기 흡기 밸브(3)의 진입 개구각 α은 150이며, 상기 배기 밸브(4)의 지연 폐쇄각 β1는 180 이다. 흡기 밸브(3)의 폐쇄각 α1 은 상기 크랭크축의 00 -3600 사이클 내의 하사점 X 이전 150 이다. 상기 배기 밸 브(4)의 개구각 β 는 상기 크랭크축의 3600 - 7200 사이클 안의 하사점 200 이전이며, 본 실시예에서 사용된 배기 밸브(4)의 구경은 상기 흡기 밸브(3)의 구경의 2배이다.
상기 실시예 2와 3에서, 상기 연소실(5)과 실린더(1) 상부에 단지 몇개의 냉각수 재킷(6)이 장착되어 있으나, 상기 실린더(1) 하부에는 냉각수 재킷이 장착되어 있지 않고 다만 열절연 수단(7)이 장착되어 있는데 이는 상기 연소실의 팽창 행정에서 팽창 온도가 감소하고 냉각수 온도 하락을 방지하기 위한 목적이 있다.
상기 실시예 2와 3에서, 상기 압축 정도는 크게 증가해 높은 연소 온도와 압력을 생성하고, 폭발 현상은 점화 및 연료 분사의 지연으로 방지되며, 고회전 속도와 경 부하의 작동 조건하에서 점화 또는 연료 분사는 적절히 진행될 수 있고, 저회전 속도와 고 부하 조건하에서 점화 또는 연료 분사는 상기 상사점을 지나 지연될 수 있어, 최고 연소 온도와 압력이 상사점 150 지나 발생하도록 하여 압축 정도 상승에 따른 폭발 현상을 효과적으로 제거하면서 와일드 운전을 방지할 수 있다. 상기 압축 정도는 가변 압축 정도/정적 정도 레벨 보정 수단에 의해 경 부하 운전 조건하에서 증가할 수 있어 흡기와 압축 정도를 낮출 수 있다. 상기 정적 정도는 고 부하 운전 조건하에서 보정될 수 있으며 따라서 흡기 증가와 고 압축 정도 실현 및 점화, 연료 분사 지연을 달성할 수 있다.
상기 압축 정도의 상승과 상기 가변 압축 정도/정적 레벨 보정 수단의 적용, 열 보전 효과와 단열 장치 및 배기 진입각의 감소 등으로 인해, 상기 울트라 팽창 사행정 내연기관의 열 효율은 60%에 달할 수 있다. 본 발명에 따른 울트라 팽창 사행정 내연기관을 이용하면, 불꽃-점화 내연기관의 연료 소비율이 160g- 190g(kw h) (기존 불꽃-점화 내연기관의 연료 소비율은 260g-300g이다.)에 달한다. 또한 압축-점화 내연기관의 연료 소비율은 150g-180g (kw h) (기존 압축 연소 기관의 연료 소비율은 200g-250g이다)에 달해 열 효율이 크게 상승한다. 또한 배기 온도와 압력이 분명히 감소하며, 진동과 소음이 분명히 감소하며, 이에 따라 배기량은 감소하고 배기성능은 향상된다.
본 발명의 장점은 다음과 같다:
1.압축 정도가 크게 증가하며, 높은 연소 온도와 압력을 획득할 수있다. 단열조건하에서 울트라 팽창 행정과 저온 배기를 실시하면 일의 본질을 실질적으로 증가시킨다. 열 효율을 증가시키는 방법은 추가 행정을 위한 연소 가스의 정적 작용 후 남아 있는 열 에너지를 이용하는 것으로 이렇게 하면 보다 높은 게인을 확보할 수 있다. 열에너지를 증가시킨다는 것은 유니트 내의 연료 소비량을 줄일 뿐만 아니라, 유니트의 배기를 감소시키는 것을 말한다.
2.압축 정도가 크게 증가하며, 출력 동력과 효율이 증가한다. 본 발명은 전자제어 유니트(ECU. 미도시)를 실시간 제어 점화 또는 오일 분사 조기/지연 수단에 의거 동작하므로 폭발 현상을 방지한다. 또한 저속 회전과 과부하의 동작조건하에서, 점화 시점은 상사점 이후로 지연된다. 본 발명은 점화 또는 오일 분사의 지연에 따라 폭발 현상을 방지하며 정적 보정수단을 이용하여 지연 점화 후 정적 정도를 보상하여, 최고 연소 온도와 압력이 상사점보다 100 - 200 지연되어 발생하도록 하여, 구조력에 영향을 미치지 않으며 작동이 와일드하게 되지 않게 한다.
3.연소실과 실린더 상단에 장착되는 냉각수 재킷의 숫자가 적고, 실린더 하단에는 냉각수 재킷이 장착되지 않은 반면, 연소 가스의 울트라 팽창 행정 과정에서의 열 손실을 방지하기 위해 단열수단이 장착되므로, 울트라 팽창 행정의 효과를 증대시키고, 울트라 팽창 행정의 원리에 부합하는 열역학 사이클 시스템을 확립할 수 있다.
4.배기 밸브의 구경을 증가시킬 수 있으며, 실린더 내의 한정된 공간을 감안해, 흡기 밸브의 구경은 축소시킬 수 있다. 본 발명의 목적은 배기의 진입각을 250 이하로 축소하고 울트라 팽창 행정을 증가시키는 것이다 (기존 내연기관의 배기 진입각은 500 - 600 이며 조기 배기에 의한 열 손실은 전체 배기 손실의 40%를 차지한다).
요컨대, 본 발명에 의한 방법은 울트라 팽창 행정을 실시할 수 있고, 압축 정도를 증가시키고, 점화를 지연시키고, 단열수단을 사용하며, 팽창과정에서 열 손실을 축소시키며, 배기 행정시 진입각을 축소시켜 열 효율을 증가시키고, 연료 절감과 배기를 감축하는 장점이 있는 것을 특징으로 하고 있다.

Claims (9)

  1. 실린더 (1)와 피스톤 (2)을 포함하는 울트라 팽창 사행정 내연기관에 있어서, 동력조건을 만족시키는 급기 공간(V2)의 압축 정도는 압축 행정 종료시 1.8-5Mpa로 유지되어, 연소 온도와 압력을 증가시키는 조건을 형성하며, 효율적인 작동 압력으로 달성될 수 있는 울트라 팽창 비에 따르면, 실린더의 작동적 (V)은 급기 공간 (V2)보다 크도록 설계되어 있으며, 연소 가스의 정적(constant volume) 팽창동작 후 잔존하는 열 에너지는 단열조건하에서 추가 팽창하기 위해 이용될 수 있어 울트라 팽창 작동 조건을 형성하는 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내연기관은 점화가 지연되었을 때 정적 레벨과 압축 정도가 감소하지 않도록 유지시켜, 최고 연소 온도와 압축이 상사점 (S) 보다 100 - 200 지연 발생하는 가변 압축 정도/정적 레벨 보정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가변 압축 정도/정적 레벨 보정 수단은 보정 피스톤(9)을 포함하고 있으며, 상기 보정 피스톤(9)은 연소실(5)과 연통하는 상기 보정실(9)에서 상하 운동할 수 있는 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
  4. 제1항에 있어서, 냉각수 재킷은 연소실(5)과 실린더(1)의 상부에 장착되어 있으나, 실린더(1) 하부에는 냉각수 재킷이 장착되어 있지 않고, 단열 수단(7)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배기 밸브(4)의 구경은 흡기 밸브의 구경보다 큰 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
  6. 제1-5항 중 어느 항에 있어서, 상기 내연기관이 불꽃-점화 내연기관인 경우, 가스의 압축 정도는 상기 피스톤(2)이 상사점 (S)에 도달할 때 1.8-3Mpa이 되는 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
  7. 제6항에 있어서, 흡기 밸브(3)의 폐쇄각(α1)은 크랭크축의 00 -3600 사이클 안에서 하사점(X) 이전 100 - 200 이며, 상기 크랭크축의 배기 밸브의 개구각(β)은 3600 -7200 사이클 안에서 하사점 (X) 이전 150 - 250 이다.
  8. 제1-5항 중 어느 항에 있어서, 상기 내연기관이 압축-점화 내연기관인 경우, 상기 가스의 압축 정도는 상기 피스톤(2)이 상사점(S)에 도달했을 때 3-5Mpa가 되는 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
  9. 제8항에 있어서, 흡기 밸브(3)의 폐쇄도(α1) 는 크랭크축의 00 -3600 사이클 안에서 하사점(X) 이전 100 - 200 이며, 상기 크랭크축의 배기 밸브(4)의 개구각(β)은 3600 -7200 사이클 안에서 하사점 이전 150 - 250 인 것을 특징으로 하는 울트라 팽창 사행정 내연기관.
KR1020067026926A 2004-05-26 2005-05-20 울트라 팽창 사행정 내연기관 KR20070030844A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020067026926A KR20070030844A (ko) 2004-05-26 2005-05-20 울트라 팽창 사행정 내연기관

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200410042858.0 2004-05-26
KR1020067026926A KR20070030844A (ko) 2004-05-26 2005-05-20 울트라 팽창 사행정 내연기관

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020087014707A Division KR20080059344A (ko) 2004-05-26 2005-05-20 사행정 내연기관

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070030844A true KR20070030844A (ko) 2007-03-16

Family

ID=43655352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067026926A KR20070030844A (ko) 2004-05-26 2005-05-20 울트라 팽창 사행정 내연기관

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20070030844A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7624709B2 (en) Cao cycles of internal combustion engine with increased expansion ratio, constant-volume combustion, variable compression ratio, and cold start mechanism
EP1448879B1 (en) Controlled homogeneous-charge compression-ignition engine
US9599058B2 (en) Control device of gasoline direct-injection engine
KR20080059344A (ko) 사행정 내연기관
WO2008148256A1 (fr) Moteur à deux temps
US6655327B1 (en) Combustion method for an internal combustion engine
JP2013510261A (ja) 可変圧縮比および排気ポートシャッターを有する２ストローク内燃機関およびそのようなエンジンを動作させる方法
Trajkovic et al. Investigation of different valve geometries and valve timing strategies and their effect on regenerative efficiency for a pneumatic hybrid with variable valve actuation
CN107476886B (zh) 一种汽油机压缩比连续可变气缸及其工作方法
CN110939506A (zh) 一种分置式大膨胀比发动机
CN1740532A (zh) 定容燃烧内冷式内燃机
JP2009180220A (ja) 高圧酸素噴射式内燃機関
CN108868943A (zh) 应用电磁全可变气门的发动机二四冲程切换方法
KR20070030844A (ko) 울트라 팽창 사행정 내연기관
CN112065574A (zh) 一种提高热机效率减少尾气污染的中燃热气轮机
CN110594017A (zh) 一种汽车发动机可变压缩比机构
WO2005100761A1 (fr) Procede de temps de combustion en super-detente et d'echappement basse temperature pour moteur a combustion interne et moteur alternatif a combustion interne
CN111997774B (zh) 一种可控散热的发动机燃烧室系统及控制方法
RU136095U1 (ru) Двигатель внутреннего сгорания
CN218717189U (zh) 一种应用米勒循环的低油耗混动专用发动机
CN218991739U (zh) 发动机以及车辆
CN209990543U (zh) 具有独立燃烧室、特殊活塞和同步增压的二冲程发动机
Fan et al. Electromagnetic Exhaust Valve Event Optimization for Enhancing Gasoline Engine Performance
KR0184165B1 (ko) 스쿼시피스톤을 갖는 자동차용 직분식 가솔린엔진
CN201535206U (zh) 一种摩托车发动机汽缸头的冷却结构

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
A107 Divisional application of patent
WITB Written withdrawal of application
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20080613

Effective date: 20080905