KR20110031919A - 압축 점화 내연 기관 및 내연 기관의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 보디 (15) 를 포함하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10) 으로서, 상기 보디 내에, 적어도 하나의 실린더 (20) 가 배치되고, 적어도 하나의 입구 밸브 (42) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (44) 가 제공된 실린더 헤드 (40) 가 상기 실린더와 연결되어 배치되며, 실린더 헤드의 상기 밸브 (42, 44) 를 작동하도록 밸브 메커니즘 (421, 441) 이 배치되고, 피스톤 (25) 이 그의 상사점 (TDC) 과 하사점 (BDC) 사이에서 이동가능하도록 상기 실린더 내에 배치되는, 압축 점화 과급 내연 기관 (10) 에 관한 것이다. 상기 기관의 밸브 메커니즘 (421, 441) 은 소기 영역 (S) 이 80 ∼ 120 퍼센트-디그리 (%deg) 가 되게 작동하도록 배치된다.

Description

압축 점화 내연 기관 및 내연 기관의 작동 방법{COMPRESSION IGNITED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 압축 점화 과급 (supercharged) 내연 기관에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 11 의 전제부에 따른 내연 기관의 작동 방법에 관한 것이다.
내연 기관의 피스톤은 연료의 연소를 통해 나오는 에너지를, 피스톤 핀을 통해 커넥팅 로드 및 크랭크 메커니즘으로 전달한다. 불필요한 손실없이 에너지 전달이 이루어지도록, 피스톤은 피스톤 링에 의해 기관의 실린더에 밀봉된다. 내연 기관의 연소실은 피스톤의 상부, 실린더 라이너에 의해 일부 한정되고, 실린더 헤드에 의해 일부 한정된다. 이 영역은 실질적인 열 응력을 받는다. 실린더의 길이방향으로 연장되고 피스톤 링의 아래에 위치되는 피스톤의 벽이 피스톤의 이동을 안내하고 윤활 표면의 역할을 한다. 현대식 압축기 급기 (chared) 기관에서, 피스톤은 훨씬 더 요구가 많은 환경 하에 놓인다.
피스톤은 커넥팅 로드에 의해 기관의 크랭크축에 연결되고, 커넥팅 로드는 일 단부에서 핀으로 피스톤에 연결되고 큰 단부 베어링 (big end bearing) 에 의해 크랭크축에 연결된다. 기관의 주된 구조 인자는 보어/행정 비 (bore/stroke ratio), 로드 (rod) 길이/행정 비이다. 중요한 기능적 특징은 특히 압축비, 밸브 타이밍, 회전 속도, 과급 및 연료 공급 이슈이다.
압축 점화 내연 기관에서의 연료의 연소 및 연료의 에너지의 기계적 일로의 전환은 다양한 인자에 의해 영향을 받는데, 이러한 인자의 일부는 프로세스에 관련되고, 다른 일부의 인자는 기관의 기계적 구조에 관련된다. 압축 점화 기관의 연소 프로세스는 연소실의 형상에 의해 크게 영향을 받는다. 그러므로, 피스톤의 상부의 형상이 기관 성능에 있어 매우 중요하다.
피스톤의 탑 (top) 에 배치되는 회전대칭형 보울 (bowl) 을 기재하는 다양한 개시가 종래 기술에 존재한다. 예컨대, 미국특허 제 6,732,703 호, 제 6,966,294 호 및 제 7,210,448 호에는, 피스톤의 상부의 이러한 종류의 형상이 기재되어 있다. 위에서 언급한 특허는, 피스톤 링을 넘어 윤활유로의 그을음 (soot) 이동뿐만 아니라 배기가스에 관련된 환경 이슈의 최근 요구에 관한 문제를 다루고 있다. 상기 특허는 피스톤 탑의 형상 및 피스톤과 연료 분사기 사이의 상호작동에 관한 것이고, 여기서 피스톤 보울의 형상 및 분사 스프레이 각도에 의해, 스프레이 플룸 (plume) 이 분사기 오리피스에서 나온 후 특정 방식으로 피스톤 표면에 부딪혀 접촉하게 된다. 상기 특허의 주된 관심사는 방출 제어, 특히 NOx 방출이다.
여기서 나타낸 피스톤 형상이 그와 같이 유리할 수 있지만, 기관의 훨씬 더 향상된 성능이 제공될 수 있도록 압축 점화 기관의 구조 및 작동을 더 개발할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 본 발명의 목적을 충족시키는 압축 점화 과급 내연 기관을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 낮은 배기가스 방출 레벨, 특히 NOx 방출을 유지하면서 향상된 성능을 나타내는 내연 기관의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 명세서에서, 용어 "퍼센트-디그리" (%deg) 는 크랭크각의 범위에 걸친 상대 밸브 위치의 적분 (integral) 을 의미하고, 여기서 백분율은 실린더 직경에 대한 밸브 위치를 의미한다.
본 발명의 목적은 실질적으로 청구항 1 및 11 에 개시된 바와 같이 달성된다. 다른 청구항이 본 발명의 다른 실시형태의 세부를 보여준다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 압축 점화 과급 내연 기관이 보디를 포함하고, 상기 보디 내에, 적어도 하나의 실린더가 배치되고, 적어도 하나의 입구 밸브 및 적어도 하나의 배기 밸브가 제공된 실린더 헤드가 상기 실린더와 연결되어 배치되며, 실린더 헤드의 상기 밸브를 작동하도록 밸브 메커니즘이 배치되고, 피스톤이 그의 상사점 (TDC) 과 하사점 (BDC) 사이에서 이동가능하도록 상기 실린더 내에 배치된다. 상기 밸브 메커니즘은 소기 (scavenging) 영역이 80 ∼ 120 퍼센트-디그리 (%deg) 가 되게 작동하도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식에서, 매우 유효 소기가 제공되고, 이로 인해 신뢰도를 부당하게 손상시키지 않으면서 매우 높은 성능으로 작동하는 기관을 배치할 수 있다.
소기 영역 (S) 이 실린더의 직경의 3 % 미만의 피크 높이를 갖도록 밸브 메커니즘이 작동하도록 배치되는 때, 피스톤의 탑을 실린더 헤드 및 밸브에 매우 가깝게 위치시킬 수 있음으로써, 기관의 압축비를 증가시킬 수 있다. 이는, 피스톤의 형상에 의해 기관의 압축비가 증가되도록 피스톤의 중간 탑 영역이 피스톤의 탑의 에지 영역과 동일한 레벨에 있는 본 발명의 일 실시형태에 따른 피스톤 형상의 경우 특히 유리하다.
따라서, 밸브 메커니즘은, 증가된 압축비에 의해 야기되는 증가된 열적 부하가 실질적으로 보상되도록, 배기 및 흡기 행정 사이에서 입구 및 배기 밸브를 동시 개방 상태로 유지하도록 배치된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 입구 밸브 프로파일이 배기 밸브 프로파일보다 더 큰 영역 (%deg) 을 형성한다. 따라서, 소기 공기 (소기 공기의 압력은 터보차저의 압축기에 의해 유지됨) 가 연소실에 더 용이하게 들어갈 수 있고 또한 배기 밸브(들)를 통해 연소실로부터 나올 수 있다.
본 발명에 따르면, 보디를 포함하는 압축 점화 과급 내연 기관의 작동 방법으로서, 상기 보디 내에, 적어도 하나의 실린더가 배치되고, 적어도 하나의 입구 밸브 및 적어도 하나의 배기 밸브가 제공된 실린더 헤드가 상기 실린더와 연결되어 배치되며, 실린더 헤드의 상기 밸브를 작동하는 밸브 메커니즘이 배치되고, 피스톤이 그의 상사점 (TDC) 과 하사점 (BDC) 사이에서 왕복운동하도록 상기 실린더 내에 배치되는, 압축 점화 과급 내연 기관의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은, 밸브 메커니즘은 소기 영역 (S) 이 80 ∼ 120 퍼센트-디그리 (%deg) 가 되도록 작동되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 피스톤은 TDC 위치에서 실린더 헤드로부터 실린더 직경 거리의 3.5 ∼ 4 % 로 위치되도록 왕복운동한다. 이는 TDC 위치에서 피스톤의 에지와 실린더 헤드 사이의 최적화된 거리 및 실질적으로 높은 압축비를 제공한다.
바람직하게는, 입구 밸브는 늦어도 크랭크각이 335°인 때 1 % 개방되고, 배기 밸브는 적어도 크랭크각이 385°일 때까지 1 % 개방된다. 이로써, 매우 넓은 효과적인 소기 영역이 제공되고, 소기 영역 (S) 이 실린더의 직경의 3 % 미만의 피크 높이를 갖도록 밸브를 작동시킬 수 있게 된다.
이하에서, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압축 점화 내연 기관을 보여준다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 기관의 실린더 조립체를 보여준다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 피스톤의 상부를 더 상세히 보여준다.
도 4 는 A 방향에서 바라본 도 3 의 피스톤의 구획 (section) 을 보여준다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 입구 및 배기 밸브의 상대적인 개방을 보여준다.
도 1 은 압축 점화 내연 기관 (10) 을 개략적으로 보여준다. 기관은 기관의 보디 (15) 내에 배치된 실린더 (20) 를 포함한다. 기관은 가스 교환 시스템에 연결된 터보차저 (12) 를 갖는 과급 기관이다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 압축 점화 내연 기관 (10) 의 실린더 조립체를 개략적으로 보여주는데, 이 기관에서 보디 (15) 의 단 일부만을 도시하였다. 명확성을 위해, 기관 (10) 의 단 하나의 실린더 (20) 만 도시하였고, 기관이 예컨대 도 1 에 나타낸 것처럼 인라인 (inline) 으로 또는 예컨대 V-배열로 배치된 여러 개의 실린더를 포함할 수 있음은 명백하다. 피스톤 (25) 이 기관의 실린더 (20) 내로 이동가능하게 길이방향으로 배치된다. 본 명세서에서, 길이방향은 실린더의 중심 축선 (60) 의 방향을 의미한다. 피스톤 (25) 은 피스톤 로드 (35) 에 의해 크랭크축 (30) 에 커플링된다. 따라서, 피스톤 (25) 은 상사점 (TDC) 과 하사점 (BDC) 사이에서 왕복운동할 수 있다. 따라서, 기관의 행정 길이는 크랭크축 (30) 의 치수에 의해 한정된다.
또한, 기관 (10) 에는, 각 실린더 (20) 의 탑에 배치되는 실린더 헤드 (40) 가 제공된다. 실린더 헤드 (40), 실린더 (20) 및 피스톤 (25) 이 기관의 각 실린더에서의 연소실 (50) 을 한정한다. 또한, 연소실 (50) 내로 연료를 분사하기 위해, 연료 분사기 (55) 가 실린더 헤드 (40) 에 배치된다. 도 2 의 실시형태에서, 연료 분사기는 실린더의 중심 축선 (60) 에 배치되고, 분사 단계 동안 연료의 실질적으로 반경방향의 여러 동시 제트를 제공하기 위해, 다수의 연료 분사 오리피스 (551) (도 3) 를 구비하고 있다.
이 경우, 실린더 (20) 는 기관 보디 (15) 의 제거가능한 부분인 개별 실린더 슬리브 (21) 를 포함한다. 실린더 헤드 (40) 에는, 연소실의 가스 교환을 용이하게 하기 위한 적어도 하나의 입구 밸브 (42) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (44) 가 제공된다. 그러나, 일반적으로 현대식 4행정 기관은 한 쌍의 입구 밸브 및 배기 밸브를 포함한다. 입구 밸브 (42) 에는, 기관의 입구 밸브 (42) 를 작동하기 위한 제 1 밸브 메커니즘 (421) 이 제공된다. 배기 밸브 (44) 에는, 기관의 배기 밸브 (44) 를 작동하기 위한 제 2 밸브 메커니즘 (441) 이 각각 제공된다. 제 1 및 제 2 밸브 메커니즘은 입구 및 배기 밸브 쌍방을 제어하는 하나의 조합된 밸브 메커니즘으로 구성될 수 있다. 밸브 메커니즘에는, 크랭크축 (30) 의 위치와의 링키지 (linkage) (70) 가 제공되므로, 입구 밸브 및 배기 밸브의 위치가 크랭크각 및 개별 피스톤의 위치에 기초하여 제어될 수 있다. 실제로, 밸브 메커니즘을 실현하는 여러 대안이 공지되어 있다. 링키지 (70) 는 기계, 유압 또는 전기 시스템 또는 이들 시스템의 조합을 포함할 수 있고, 이로써 각각의 밸브의 적절한 시기의 리프팅 (lifting) 거동이 제공된다.
도 3 은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 피스톤 (25) (실린더 (20) 내에서 TDC 위치에 있음) 의 상부를 더 상세히 보여준다. 실린더가 중심 축선에 대해 대칭이기 때문에, 실린더의 상부의 절반만 도 3 에 나타내었다. A 방향에서 바라본 도 3 의 피스톤의 구획을 도 4 에 나타내었다.
피스톤 (25) 은 직경 DC 를 갖는 실린더 (20) 내에 배치된다. 본 명세서에서, 실린더의 직경을 한정하는 것은, 실린더의 표면이 기관 (10) 의 연소실을 일부 한정하기 때문에, 피스톤의 직경보다 더 중요하다. 피스톤의 상부에는, 중심 축선 (60) 에 대해 회전대칭인 보울 (251) 이 제공된다. 보울은 직경 DB 를 갖는다. 또한, 피스톤은 피스톤 탑을 둘러싸는 피스톤의 외측 림과 보울 (251) 사이에 반경방향으로 연장된 실질적으로 편평한 에지 영역 (256) 을 갖는다. 편평한 에지 영역의 평면은 실린더의 중심 축선 (60) 에 대해 실질적으로 90°각도를 이룬다. 보울의 직경 (DB) 은 본 발명에 따라 약 1.15 ∼ 1.65 인 실린더 직경 (DC) / 보울 직경 (DB) 의 비에 의해 한정된다. 피스톤 보울은 비교적 깊어, 깊이 (260) 를 갖는다. 보울 깊이는 피스톤의 탑 에지로부터 피스톤 내로 연장된 보울의 최대 거리를 의미한다. 보울 (260) 의 깊이는 본 발명에 따라 약 9.2 ∼ 12.2 인 실린더 직경 (DC) / 보울 깊이 (260) 의 비에 의해 한정된다. 이는, 보울의 직경과 함께, 후술하는 보울의 적절히 형성된 (반경방향) 외측 영역을 배치하는 것의 기초를 제공한다.
피스톤 보울 (251) 은 다음과 같은 반경방향 영역을 포함한다. 먼저, 피스톤의 상부의 중간 탑 영역 (252) 이 반경 R1 의 곡선 형상을 갖는다. 이 영역은 비교적 작아, 실린더 (20) 의 직경 (DC) 의 약 10 % 미만의 직경을 갖는다. 반경 R1 은 실린더 직경 (DC) 의 약 10 % 이다. 중간 탑 영역은 피스톤의 중심 축선 (60) 의 방향에서 편평한 에지 영역 (256) 과 동일한 길이방향 위치에 있는 것이 적절하다. 따라서, 보울 (251) 은 중간 탑 영역 주위에 형성된다.
피스톤의 상부에 있는 보울 (251) 의 다음 영역은 원추형 영역 (253) 이다. 원추형 영역 (253) 은 그의 연장 (extension) 이 반경방향으로 피스톤의 중간 탑 다음에 배치된다. 본 명세서에서, 반경방향은 피스톤의 중심 축선으로부터 피스톤의 외주를 향하는 방향이다. 원추형 영역의 형상은, 중간 탑 영역 (252) 과 다음 영역, 즉 곡선형 바닥 영역 (254) 사이에서 피스톤 (25) 의 외주를 향해 반경방향으로 연장된 절두 원뿔이다. 원추형 영역의 표면은 실린더의 중심 축선 (60) 에 대해 각도 α 를 이룬다. 상기 각도는 65°< α < 75°이다. 다음으로, 곡선형 바닥 영역 (254) 은 반경 R2 를 갖는다. 보울 깊이 (260) / 바닥 반경 (R2) 비가 약 0.9 ∼ 1.2 인 것이 유리하다. 이는, 본 발명의 다른 특징과 함께, 기관의 작동에 유리한 효과를 제공하는 형태를 제공한다. 곡선형 바닥 영역과 함께 상기 각도 α 는 기관 (10) 의 연소실 내에 향상된 화염 전파 (flame spread) 및 난류를 발생시킨다.
언급한 것처럼, 피스톤은 실린더 헤드를 향하는 피스톤의 외측 림과 보울 (251) 사이에 반경방향으로 연장된 실질적으로 편평한 에지 영역 (256) 을 갖는다. 보울의 곡선형 바닥 영역 (254) 과 에지 영역 (256) 은 반경 R3 를 갖는 립 (255) 에 의해 서로 연결된다. 보울 깊이 (260) / 립 반경 (R3) 비가 약 2.4 ∼ 3 인 것이 유리하다. 후술하는 연료 분사기 배치와 함께, 피스톤 보울 형상의 이러한 종류에 의해, 연료 제트 및 그에 따라 생성되는 플룸의 향상된 안내가 제공될 수 있다.
연료 분사기 (55) 는 실린더의 중심 축선 (60) 에 배치된다. 분사기에는, 반경방향으로 배향되고 분사기의 팁에 등간격으로 배치된 다수의 오리피스 (551) 가 제공된다. 각 연료 분사 오리피스의 방향 (552) 은 실린더의 중심 축선 (60) 에 대해 각도 β 를 이룬다. 각도 β 는 연료 제트의 방향이 실질적으로 피스톤의 곡선형 바닥 영역 (254) 을 향하도록 되어 있다. 각도 α 는 각도 β 보다 실질적으로 더 작고, 따라서 연료 제트와 그에 따라 생성되는 플룸이 피스톤의 표면과 상호작용하여, 실린더의 라이너를 향한 감소된 화염 전파 및 더 강한 측방향 및 내향 화염 전파가 이루어진다. 그러므로, 기관의 작동에서, 연료 제트 및 생성되는 플룸은 주로 피스톤의 곡선형 바닥 영역 (254) 에 충돌한다. 이로써, 분사된 연료, 연료에 의해 유도된 가스 및 생성되는 화염 프론트 (flame front) 의 바람직한 패턴이 형성된다.
연료 분사의 시작은 TDC 보다 20°더 빨리 이루어지지 않고, 늦어도 TDC 에서 이루어진다. 따라서, 연료 분사에 의해 생성되고 연소에 의해 시작되는 플룸의 대부분은, 희망하는 연소 거동이 달성되도록 피스톤이 도 3 에서 점선으로 나타낸 아래쪽 피스톤 (25') 까지 하향 이동되는 동안 형성된다. 부가적으로, 플룸은 피스톤의 곡선형 바닥 영역 (254) 을 향하고, 보울의 형상으로 인해, 플룸은 대부분 도 4 에 나타낸 것처럼 정반대의 반경방향 유동 (265) 으로 분리된다. 분사는, 생성되는 플룸의 대부분이 곡선형 바닥 영역 (254) 에 충돌하도록 분사 기간의 길이가 제어된다. 이 방식의 경우, 화염의 실린더 표면과의 접촉이 매우 적어서, 라이너 및 윤활유 막의 열적 부하 (thermal load) 가 최소화된다.
피스톤의 중간 탑 영역 (252) 은 중심 축선 (60) 의 방향에서 에지 영역 (256) 과 실질적으로 동일한 레벨에 있고, 이로써 압축 체적 (Vc) 이 실질적으로 작아진다. 따라서, 본 발명에 따른 기관에서의 압축비, 즉 압축 체적 (Vc) 에 대한 TDC 와 BDC 사이에서 피스톤이 지나간 체적 + 압축 체적 (Vc) 의 비는 매우 높다. 압축비는 15 ∼ 18 인 것이 유리하다. 이는 연료 소비를 현저히 낮추는 효과를 갖지만, 연소실에 대한 열적 부하를 증가시키는 경향이 있다.
이제, 본 발명에 따른 기관에서 실질적으로 작은 압축 체적 (Vc) 에 의해 야기되는 증가된 열적 부하를 보상하기 위해, 기관의 입구 밸브 (42) 를 작동하기 위한 제 1 밸브 메커니즘 (421) 및 기관의 배기 밸브 (44) 를 작동하기 위한 제 2 밸브 메커니즘 (441) 이 도 5 를 참조하여 후술하는 특정 방식으로 작동하도록 배치된다.
부가적으로, 기관의 작동은 피스톤의 TDC 위치에서 스퀴시 (squish) 거리 (265), 즉 피스톤의 편평한 에지 영역 (256) 과 실린더 헤드 사이의 거리를 매우 작게 함으로써 더 향상될 수 있다. TDC 에서의 스퀴시 거리는 실린더 직경 (DC) 의 약 3.5 ∼ 4 % 인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 피스톤의 형상과 함께, 피스톤 탑 에지와 실린더 헤드 사이의 간극 (스퀴시 거리) 에 의해, 매우 높은 압축비를 이용할 수 있고, 또한 화염이 실린더 라이너에 접촉하는 것을 줄일 수 있다. 부가적으로, 스퀴시 거리는 실질적으로 연료의 분사 시작 전에 연소실 내에 난류를 증가시켜, 점화 및 연소 프로세스를 강화시킨다.
또한, 분사기 (55) 는 TDC 위치에서 그리고 연료 분사의 개시 시점에 피스톤의 중간 탑 영역 (252) 에 매우 가깝다. 실제로, 이는 피스톤의 상부 표면이 연료 및 화염 그리고 생성되는 플룸을 곡선형 바닥 영역을 향해 안내하는데 효과적으로 참여함을 의미한다.
더 높은 압축비로 인해, 특히 배기 밸브에 대한 열적 부하가 현저히 높아진다. 과도한 열적 부하를 피하기 위해, 밸브 메커니즘 (421, 441) 이 전술한 형태의 피스톤 탑 및 연료 분사 배치와 함께 기관 (10) 의 작동에 상승 효과 (synergistic effect) 를 제공하는 특정 방식으로 작동하도록 배치된다. 이하에서, 도 5 를 참조하여 밸브 메커니즘의 작동을 설명한다. 도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 크랭크각 (CA) 에 대한 입구 밸브 (510) 와 배기 밸브 (500) 의 상대 위치를 보여준다. 종래 기술의 배치에 대한 각각의 곡선 (510.1, 500.1) 이 도 5 에 또한 표시되어 있다. 밸브의 상대 위치는 실린더의 직경에 대한 밸브 개방의 백분율로 정의되고, 이로써 그 값은 다른 기관에 더 용이하게 비교될 수 있다. 곡선 520 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 실린더 헤드에 대한 피스톤 탑의 위치를 나타낸다. 또한, 종래 기술의 배치에서의 실린더 헤드에 대한 피스톤 탑의 위치를 나타내는 곡선 520.1 이 도 5 에 도시되어 있다.
기관이 운전되는 동안, 기관의 크랭크 메커니즘이 피스톤을 실린더 헤드 근방에 위치시켜, 스퀴시 거리가 실린더 직경 (DC) 의 약 3.5 ∼ 4 % 가 되고 압축비가 약 15 ∼ 18 이 되고, 압축 행정 다음에, 피스톤의 연소실 내 압력 상승을 제공하는 TDC 전 20°∼ TDC 사이의 피스톤의 크랭크각에서 연료 분사가 개시되도록 기관이 작동된다. 도 5 에서 볼 수 있는 것처럼, 피스톤은 TDC 위치에서, 즉 크랭크각 360°에서 실린더 헤드로부터 약 3.5 % 거리에 있다. 실제로, 피스톤은 TDC 위치에서 실린더 헤드로부터 3.5 ∼ 4 % 거리에 위치될 수 있다. 본 발명에 따른 압축비가 비교적 높으므로, 연소로부터 야기되는 부가적인 압력 단계는 압축으로 야기되는 압력의 약 5 ∼ 35 % 이다. 연료의 연소 후, 연소실 및 그 안의 가스는 팽창하여 피스톤을 실린더 헤드로부터 멀어지도록 이동시킨다. 크랭크각 (720°의 사이클 길이로, 압축 행정 다음 TDC 인 제로 각) 은 약 124°(도시 안 됨) 에 도달한다. 약 190°크랭크각에서, 배기 밸브(들)가 7.7 % 개방에 도달하고, 즉 최대로 개방된다. 밸브 리프트 프로파일은 바람직하게는 다항식 곡선 또는 곡석 구획을 포함한다.
이제, 전술한 바와 같이 높은 압축비 및 연소 압력으로 인해, 기관의 연소실을 소기하기 위해 특별한 조치가 취해진다. 밸브 메커니즘이 입구 및 배기 밸브가 동시에 개방되는 이른바 소기 삼각형 영역 (S) 이 형성되게 작동하도록 배치된다. 이는 도 5 에 대각선으로 빗금친 영역으로 표시되어 있고, 이 영역은 밸브 곡선 (500, 510) 및 수평 축선, 즉 크랭크각에 의해 경계지워진다. 또한, 영역 S 는 크랭크각의 범위에 걸친 상대 밸브 위치의 적분을 의미하는 "퍼센트-디그리" (%deg) 값을 한정한다. 본 발명에 따르면, 소기 삼각형 영역 (S) 은 80 ≤ S ≤ 120 퍼센트-디그리 (%deg) 이다. 퍼센트-디그리의 영역은 크랭크각에 대한 밸브의 개방 프로파일을 규정하고, 따라서 밸브 메커니즘의 작동을 규정한다. 본 발명에 따른 이러한 방식에서, 소기는 본 발명에 따른 연소 프로세스에 대한 피스톤의 결과로 적절히 균형잡힌다. 부가적으로, 소기 삼각형이 예시적인 종래 해법에 비해 실질적으로 넓고 낮으며, 즉 밸브 곡선 (500, 510) 은 입구 밸브의 초기 개방 후 그리고 배기 밸브의 최종 폐쇄 전에 곡선이 현저히 완만하게 경사지도록 되어 있음에 주목할만하다. 곡선 530 의 교차점에서, 밸브의 위치는 약 2.6 % 이다.
본 발명의 이점을 얻기 위해, 소기 영역 (S) 의 피크이기도 한 곡선 530 의 교차점은 3 % 미만이다. 따라서, 피스톤과 밸브 사이의 안전 여유 (540) 가 충분히 크게 유지되면, 곡선 500, 510 의 실제 형태 및 소기 삼각형은 선 500', 510' 에 의해 표시된 것처럼 훨씬 더 넓어질 수 있다. 따라서, 기본 아이디어는 소기 삼각형을 실질적으로 낮게 하여, 피크를 3 % 미만으로 하고 영역 80 ≤ S ≤ 120 퍼센트-디그리 (%deg) 를 갖게 하는 것이다. 도 5 에 나타낸 것처럼, 리프트 프로파일은 입구 및 배기 밸브에 대해 대칭으로 될 필요는 없다.
위에서 언급한 바와 같이, 입구 및 배기 밸브 프로파일은 다른 형태일 수 있다. 360°CA 미만의 입구 밸브 프로파일 (510) 이 360°CA 이상의 배기 밸브 프로파일 (500) 보다 더 큰 영역 (%deg) 을 형성하는 구성으로도 양호한 결과를 얻을 수 있음이 밝혀졌다. 이는 배기 밸브 작동에서는 연장 (500') 없이 곡선 (500) 을 이용하면서 입구 밸브 작동에서는 연장 (510') 을 이용함으로써 채택될 수 있다. 그러한 구성에서, 배기 밸브와 피스톤 사이의 간극이 더 크게 유지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 입구 밸브는 늦어도 크랭크각이 335°인 때 1 % 개방되도록 배치되고, 배기 밸브는 적어도 크랭크각이 385°일 때까지 여전히 1 % 가 되도록 배치되므로, 소기 영역 (S) 은 매우 넓다.
피스톤은 TDC 위치에서, 즉 크랭크각 360°에서 실린더 헤드로부터 약 3.5 % 거리에 있으므로, 밸브와 피스톤 사이에 적어도 0.5 % 간극이 존재한다.
본 발명은, 200 ㎜ 이상의 실린더 직경을 가지며 저등급 액체 연료 (중질 연료 오일 등) 로 작동하는 기관에 특히 적합하다. 중질 연료 오일은 그 함량에 독특한 여러 요소를 연소시킨다. 예컨대, 터빈 전의 배기가스 온도는 그의 표면의 파울링 (fouling) 경향에 크게 영향을 미친다. 본 발명에 따른 소기 방법은 배기가스 온도를 적절한 레벨로 유지시킨다. 이하는 실린더 직경이 460 ㎜ 인 기관에 대한 몇몇 세목의 일례이다.
- 보울의 깊이 = 38 ∼ 50 ㎜
- 보울의 직경 = 1.15 ∼ 1.65 ㎜
- 반경 R1 < 46 ㎜
- 반경 R2 = 36 ∼ 48 ㎜
- 반경 R3 = 12.6 ∼ 21 ㎜
- TDC 에서의 스퀴시 거리 = 16 ㎜
- 소기 삼각형 영역 S = 110 %deg
- 밸브 리프트 프로파일의 교차점 = 12 ㎜
입구 밸브(들)의 개방은 크랭크각 300 ∼ 320°에서 시작된다. 도 5 의 실시형태의 리프트 프로파일 (510) 에서, 입구 밸브의 개방은 크랭크각 310°에서 시작된다. 배기 밸브(들)의 폐쇄는 약 310°의 크랭크각에서 시작된다. 약 310 ∼ 410°의 크랭크각 사이에서는, 소기 단계가 이루어지며, 이 소기 단계 동안, 입구 및 배기 밸브가 동시에 적어도 일부 개방되고, 입구 밸브(들)를 통해 연소실로 들어오는 신선한 공기가 연소 공간을 통해 유동할 수 있다. 이로써, 연장된 소기가 제공되고, 이 부분에서 증가된 압축비를 이용할 수 있게 되어, 기관 성능이 향상된다.
터보차저 (12) (도 1) 의 압축기가 적절한 소기 기능을 달성하기에 충분한 압력을 제공하도록 배치되는 것에 주목해야 한다. 본 발명의 소기 삼각형 영역 (S) 은 밸브를 통한 더 큰 소기 공기 유동으로 인해 매우 효과적인 소기를 제공한다. 또한, 연소실에 대한 열적 부하를 감소시키는 것 외에, 이는 터빈 전의 배기가스 온도를 낮추어, 중질 연료 오일 작동식 기관에서, 터보차저의 터빈의 파울링 경향을 감소시킨다.
여기서 현재 가장 바람직한 실시형태라고 여겨지는 것과 관련한 예를 통해 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 개시된 실시형태로 국한되지 않고, 그 특징부의 다양한 조합 또는 수정, 및 청구항에 기재되는 본 발명의 범위에 포함되는 여러 다른 적용을 포함하려는 것임을 이해해야 한다. 위에서 임의의 실시형태와 관련하여 언급한 세목은 기술적으로 실현가능한 다른 실시형태에 이용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 보디 (15) 를 포함하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10) 으로서, 상기 보디 내에, 적어도 하나의 실린더 (20) 가 배치되고, 적어도 하나의 입구 밸브 (42) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (44) 가 제공된 실린더 헤드 (40) 가 상기 실린더와 연결되어 배치되며, 실린더 헤드의 상기 밸브 (42, 44) 를 작동하도록 밸브 메커니즘 (421, 441) 이 배치되고, 피스톤 (25) 이 그의 상사점 (TDC) 과 하사점 (BDC) 사이에서 이동가능하도록 상기 실린더 내에 배치되는, 압축 점화 과급 내연 기관 (10) 에 있어서, 상기 밸브 메커니즘 (421, 441) 은 소기 영역 (S) 이 80 ∼ 120 퍼센트-디그리 (%deg) 가 되게 작동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 메커니즘 (421, 441) 은 상기 소기 영역 (S) 이 실린더 (20) 의 직경의 3 % 미만의 피크 높이를 갖게 작동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 입구 밸브 프로파일 (510) 및 배기 밸브 프로파일 (500) 에 의해 형성되는 영역 (%deg) 들이 상이한 크기인 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 입구 밸브 프로파일 (510) 은 배기 밸브 프로파일 (500) 보다 더 큰 영역 (%deg) 을 형성하는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 밸브는 늦어도 크랭크각이 335°인 때 1 % 개방되도록 배치되고, 상기 배기 밸브는 적어도 크랭크각이 385°일 때까지 1 % 개방되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 메커니즘 (421, 441) 은 크랭크각 310 ∼ 410°사이에서 입구 밸브 (42) 및 배기 밸브 (44) 를 적어도 일부 개방되게 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤 (25) 에, 피스톤의 상부에 배치되는 깊이 (260) 를 갖는 보울 (251) 및 상기 보울을 둘러싸는 실질적으로 편평한 에지 영역 (256) 이 구비되어 있고, 상기 보울 (251) 은 중간 탑 영역 (252), 상기 보울의 깊이가 피스톤 (25) 의 외주를 향해 증가하도록 하는 각도 (α) 로 피스톤의 외주를 향해 반경방향으로 연장된 원추형 영역 (253), 보울의 깊이가 감소하도록 반경방향으로 원추형 영역 다음에 배치되는 반경 (R2) 을 갖는 곡선형 바닥 영역 (254), 및 곡선형 바닥 영역과 편평한 에지 영역 (256) 사이의 립 (255) 을 포함하고, 상기 피스톤의 중간 탑 영역 (252) 은 기관 (10) 의 압축비가 피스톤의 형상에 의해 증가되도록 편평한 에지 영역 (256) 과 동일한 레벨에 있는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  8. 제 6 항에 있어서, 밸브 메커니즘 (421, 441) 은, 증가된 압축비에 의해 야기되는 증가된 열적 부하가 실질적으로 보상되도록, 배기 및 흡기 행정 사이에서 입구 및 배기 밸브를 동시 개방 상태로 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  9. 제 6 항에 있어서, TDC 위치에서의 스퀴시 거리 (256) 가 실린더 직경 (DC) 의 약 3.5 ∼ 4 % 인 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  10. 제 7 항에 있어서, 보울 깊이 (260) / 바닥 반경 (R2) 비가 약 0.9 ∼ 1.2 인 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관 (10).
  11. 보디 (15) 를 포함하는 압축 점화 과급 내연 기관의 작동 방법으로서, 상기 보디 내에, 적어도 하나의 실린더 (20) 가 배치되고, 적어도 하나의 입구 밸브 (42) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (44) 가 제공된 실린더 헤드 (40) 가 상기 실린더와 연결되어 배치되며, 실린더 헤드의 상기 밸브 (42, 44) 를 작동하는 밸브 메커니즘 (421, 441) 이 배치되고, 피스톤 (25) 이 그의 상사점 (TDC) 과 하사점 (BDC) 사이에서 왕복운동하도록 상기 실린더 내에 배치되는, 압축 점화 과급 내연 기관의 작동 방법에 있어서, 상기 밸브 메커니즘 (421, 441) 은 소기 영역 (S) 이 80 ∼ 120 퍼센트-디그리 (%deg) 가 되도록 작동되는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관의 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 피스톤은 TDC 위치에서 실린더 헤드로부터 실린더 직경 (DC) 거리의 3.5 ∼ 4 % 로 위치되도록 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 압축 점화 과급 내연 기관의 작동 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 밸브는 늦어도 크랭크각이 335°인 때 1 % 개방되고, 상기 배기 밸브는 적어도 크랭크각이 385°일 때까지 1 % 개방되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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