KR20120024753A - 높은 잔류 팽창비를 갖는 스플릿-사이클 엔진 - Google Patents

높은 잔류 팽창비를 갖는 스플릿-사이클 엔진 Download PDF

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KR20120024753A
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cylinder
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KR1020117029673A
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리카르도 멜도레시
니콜라스 바다인
이안 길버트
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스쿠데리 그룹 엘엘씨
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Abstract

엔진은 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트를 포함한다. 압축 피스톤은 압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 팽창 피스톤은 팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 교차 통로는 상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시킨다. 상기 교차 통로는 내부에 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비한다. 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드에 있어서, 상기 엔진은 교차팽창 밸브가 닫힐 때 10.0 대 1 또는 그 이상, 더욱 바람직하게는 15.7 대 1 또는 그 이상의 잔류 팽창비를 갖는다.

Description

높은 잔류 팽창비를 갖는 스플릿-사이클 엔진{SPLIT-CYCLE ENGINE WITH HIGH RESIDUAL EXPANSION RATIO}
본 발명은 스플릿-사이클 엔진에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 높은 잔류 팽창비를 가지며 선택적으로 공기-하이브리드 시스템에 병합될 수 있는 엔진에 관한 것이다.
명확한 이해를 위하여, 본 출원에서 사용되는 "종래 엔진"이라는 용어는 잘 알려진 오토 사이클의 모든 4 행정들(즉, 흡입, 압축, 팽창(또는 파워) 및 배기 행정들)이 상기 엔진의 개별 피스톤/실린더 조합에 모두 포함되어 있는 내부 연소 엔진을 의미한다. 각각의 행정은 크랭크샤프트의 반회전(180도의 크랭크 각도(CA))를 요구하고, 상기 크랭크샤프트의 2회전은 종래 엔진의 각각의 실린더에서 완전한 오토 사이클을 완료시키는 데 필요하다.
또한, 명확한 이해를 위하여, 선행 기술에 개시되는 엔진들에 적용될 수 있고 본 출원에서 참조되는 바와 같이 "스플릿-사이클 엔진"이라는 용어를 위해 다음과 같은 정의가 제공된다.
여기서 참조되는 스플릿-사이클 엔진은,
크랭크샤프트 축에 대해 회전 가능한 크랭크샤프트;
압축 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정 및 압축 행정을 통해 왕복 운동하는 압축 피스톤;
팽창 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정 및 배기 행정을 통해 왕복 운동하는 팽창(파워) 피스톤; 그리고
상기 압축 및 팽창 실린더들을 상호 연결시키고, 내부에 배치되는 적어도 하나의 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하지만, 더욱 바람직하게는 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브와 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하는 교차 통로(포트)를 포함한다.
2003년 4월 8일에 Scuderi에게 허여된 미국등록특허 제6,543,225호 및 2005년 10월 11일에 Branyon 등에게 허여된 미국등록특허 제6,952,923호는, 여기서 참조되며, 스플릿-사이클 및 이와 유사한 형식의 엔진들에 관한 광범위한 논의를 포함한다. 또한, 이러한 특허들은 종래의 버전에 해당하는 엔진의 상세한 설명들을 개시하고 있는데, 본 발명은 상기 엔진의 한층 더 발전된 형태를 포함한다.
스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 공기 저장소(air reservoir)와 다양한 제어들을 갖는 스플릿-사이클 엔진을 조합한다. 이러한 조합은 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진이 상기 공기 저장소에서 압축된 공기의 형태로 에너지를 저장할 수 있게 한다. 상기 공기 저장소에서의 상기 압축 공기는 이후에 상기 팽창 실린더에서 사용되어 상기 크랭크샤프트에 파워를 가한다.
여기서 참조되는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은,
크랭크샤프트 축에 대해 회전 가능한 크랭크샤프트;
압축 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정 및 압축 행정을 통해 왕복 운동하는 압축 피스톤;
팽창 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정 및 배기 행정을 통해 왕복 운동하는 팽창(파워) 피스톤;
상기 압축 및 팽창 실린더들을 상호 연결시키고, 내부에 배치되는 적어도 하나의 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하지만, 더욱 바람직하게는 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브와 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하는 교차 통로(포트); 그리고
상기 교차 통로에 작동가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터 압축된 공기를 선택적으로 저장하고 상기 팽창 실린더로 전달하도록 작동하는 공기 저장소를 포함한다.
본 출원에서 참조로서 병합되는, 2008년 4월 8일자로 Scuderi 등에게 허여된 미국등록특허 제7,353,786호는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 및 이와 유사한 형태의 엔진들에 대하여 광범위한 논의를 포함한다. 또한, 이러한 특허는 종래의 버전에 해당하는 엔진의 상세한 설명들을 개시하고 있는데, 본 발명은 상기 엔진의 한층 더 발전된 형태를 포함한다.
스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 정규 작동 또는 연소 모드(normal operating or firing (NF) mode)(또한 통상적으로 엔진 연소 모드(Engine Firing (EF) mode)라고 불림) 및 네 개의 기본 공기-하이브리드 모드들로 작동될 수 있다. 상기 EF 모드에 있어서, 상기 엔진은, 공기 저장소를 사용하지 않는 비-공기 하이브리드(non-air hybrid) 스플릿-사이클 엔진의 역할을 수행한다. 상기 EF 모드에 있어서, 상기 교차 통로를 상기 공기 저장소에 작동가능하도록 연결시키는 탱크 밸브는 상기 공기 저장소를 기본 스플릿-사이클 엔진으로부터 고립시키도록 폐쇄된 채로 유지된다.
상기 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 네 개의 하이브리드 모드들에서 공기 저장소를 사용하면서 작동한다. 상기 네 개의 하이브리드 모드들은:
1) 공기 팽창기 모드(Air Expander (AE) mode), 연소없이 상기 공기 저장소로부터의 압축된 공기 에너지를 사용하는 것을 포함함;
2) 공기 압축기 모드(Air Compressor (AC) mode), 연소없이 압축된 공기 에너지를 상기 공기 저장소 내부로 저장하는 것을 포함함;
3) 공기 팽창기와 연소 모드(Air Expander and Firing (AEF) mode), 연소와 함께 상기 공기 저장소로부터의 압축된 공기 에너지를 사용하는 것을 포함함; 그리고
4) 연소 및 차징 모드(Firing and Charging (FC) mode), 연소와 함께 압축된 공기 에너지를 상기 공기 저장소 내부로 저장하는 것을 포함함.
그러나, 이러한 모드들, EF, AE, AC, AEF 및 FC의 최적화는 효율을 개선하고 배출들을 감소시키는 데 바람직하다.
본 발명의 목적은 엔진 연소(EF) 모드의 사용이 개선된 효율을 위해 어떠한 구동 사이클의 어떠한 차량에서도 최적화될 수 있는 스플릿-사이클 엔진을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 엔진은 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트를 포함한다. 압축 피스톤은 압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 팽창 피스톤은 팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 교차 통로는 상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시킨다. 상기 교차 통로는 내부에 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비한다. 상기 엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드에서 작동 가능하다. 상기 엔진은 상기 EF 모드에서, 교차팽창 밸브가 닫힐 때 10.0 대 1 또는 그 이상, 더욱 바람직하게는, 15.7 대 1 또는 그 이상의 잔류 팽창비를 갖는다.
본 발명에 따른 엔진의 작동 방법이 개시된다. 상기 엔진은 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트를 포함한다. 압축 피스톤은 압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 팽창 피스톤은 팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 교차 통로는 상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시킨다. 상기 교차 통로는 내부에 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비한다. 상기 엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드에서 작동 가능하다. 상기 방법은 상기 압축 피스톤으로 유입 공기를 흡입하고 압축하는 단계; 팽창 행정이 시작될 때, 상기 압축 실린더로부터 압축 공기를 연료와 함께 상기 팽창 실린더 내부로 허용하고, 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 상기 연료를 점화, 연소 및 팽창시켜, 상기 크랭크샤프트에 파워를 전달하고, 연소 부산물을 상기 배기 행정 상에서 배출시키는 단계; 및 교차팽창 밸브가 닫힐 때 10.0 대 1 또는 그 이상으로 잔류 팽창비를 유지시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진을 나타내는 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차팽창(XovrE) 밸브의 폐쇄 각도와 잔류 팽창비(즉, 유효 체적 팽창비)의 예시적인 범위를 나타내는 그래프이다.
도 3은 엔진 속도와 부하와 관련된 흡입 밸브 개방 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 4는 엔진 속도와 부하와 관련된 흡입 밸브 폐쇄 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 5는 엔진 속도와 부하와 관련된 흡입 밸브 지속기간을 나타내는 그래프이다.
도 6은 엔진 속도와 부하와 관련된 교차압축(XovrC) 밸브 개방 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 7은 엔진 속도와 부하와 관련된 교차압축 밸브 폐쇄 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 8은 엔진 속도와 부하와 관련된 교차압축 밸브 지속기간을 나타내는 그래프이다.
도 9는 엔진 속도와 부하와 관련된 교차팽창 밸브 개방 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 10은 엔진 속도와 부하와 관련된 교차팽창 밸브 폐쇄 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 11은 엔진 속도와 부하와 관련된 교차팽창 밸브 지속기간을 나타내는 그래프이다.
도 12는 엔진 속도와 부하와 관련된 배기 밸브 개방 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 13은 엔진 속도와 부하와 관련된 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 14는 엔진 속도와 부하와 관련된 배기 밸브 지속기간을 나타내는 그래프이다.
여기서 사용되는 약어들 및 용어들의 정의들에 대해 다음과 같은 용어 정리가 참조를 위해 제공된다:
일반
다르게 정의되지 않는 한, 모든 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍들은 팽창 피스톤의 상사점 이후(ATDCe)의 크랭크 각도로 측정된다.
다르게 정의되지 않는 한, 모든 밸브 지속기간들은 크랭크 각도들(CA)로 나타낸다.
공기 탱크(또는 공기 저장소): 압축 공기를 위한 저장 탱크.
ATDCe: 팽창 피스톤의 상사점 이후.
Bar: 압력 단위, 1 bar = 105 N/m2
BMEP: 브레이크 평균 유효 압력(Brake mean effective pressure). 마찰 손실들(FMEP)이 계산된 후에, "브레이크(Brake)"라는 용어는 크랭크샤프트에 전달되는 출력을 나타낸다. 브레이크 평균 유효 압력(BMEP)은 평균 유효 압력(MEP) 값에 의해 표현되는 엔진의 브레이크 토크 출력이다. BMEP는 엔진 변위에 의해 분할되는 브레이크 토크와 같다. 이것은 마찰에 의한 손실들 이후의 성능 파라미터이다. 따라서, BMEP=IMEP-friction이다. 이 경우에 있어서, 마찰은 마찰 평균 유효 압력(Frictional Mean Effective Pressure)(또는 FMEP)으로 알려진 MEP 값에 의해 표현될 수 있다.
압축기(Compressor): 스플릿-사이클 엔진의 압축 실린더와 이와 관련된 압축 피스톤.
배기 지속기간(Exhaust(or EXH) duration): 배기 밸브 지속기간.
배기(or EXH) 밸브: 상기 팽창 실린더로부터의 가스 배출을 제어하는 밸브.
팽창기(Expander): 스플릿-사이클 엔진의 팽창 실린더와 이와 관련된 팽창 피스톤.
IMEP: 지정 평균 유효 압력(Indicated Mean Effective Pressure). 마찰 손실들(FMEP)이 계산되기 전에, "지정(Indicated)"라는 용어는 피스톤의 상부에 전달되는 출력을 나타낸다.
RPM: 분당 회전수.
탱크 밸브: 교차 통로를 상기 압축 공기 저장 탱크에 연결시키는 밸브.
밸브 지속기간(Valve duration): 밸브 개방의 시작과 밸브 폐쇄의 마지막 사이의 크랭크 각도들의 간격(interval).
VVA: 가변 밸브 구동(Variable valve actuation). 밸브의 리프트 프로파일의 형태 또는 타이밍을 변경하도록 작동가능한 메커니즘 또는 방법.
교차(Xovr(or Xover)) 밸브, 통로 또는 포트: 압축 실린더로부터 팽창 실린더로 가스가 흐르도록 상기 압축 및 팽창 실린더들을 연결시키는 교차 밸브들, 통로들, 및/또는 포트들.
교차압축(XovrC(or XoverC)) 밸브들: 상기 교차 통로의 압축기 일단부에서의 밸브들.
교차압축 지속기간(XovrC Duration): 교차압축 밸브 개방의 시작과 교차압축 밸브 폐쇄의 마지막 사이의 크랭크 각도들의 간격.
교차팽창(XovrE(or XoverE) 밸브들: 상기 교차(Xovr) 통로의 팽창기 일단부에서의 밸브들.
교차팽창 지속기간(XovrE Duration): 교차팽창 밸브 개방의 시작과 교차압축 밸브 폐쇄의 마지막 사이의 크랭크 각도들의 간격.
도 1을 참조하면, 예시적인 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 참조 부호 10에 의해 도시되어 있다. 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진(10)은 종래 엔진의 두개의 인접한 실린더들을 하나의 압축 실린더(12)와 하나의 팽창 실린더(14)의 조합으로 대체한다. 실린더 헤드(33)는 일반적으로 팽창 및 압축 실린더들(12, 14)의 개방 단부 상부에 배치되어 상기 실린더들을 커버하고 밀봉시킨다.
오토 사이클의 네 개의 행정들은 두개의 실린더들(12, 14) 상에서 "스플릿"되어 압축 실린더(12)는 관련된 압축 피스톤(20)과 함께 흡입 및 압축 행정들을 수행하고, 팽창 실린더(14)는 관련된 팽창 피스톤(30)과 함께 팽창 및 배기 행정들을 수행한다. 이에 따라 상기 오토 사이클은 이러한 두개의 실린더들(12, 14)에서 크랭크샤프트 축(17)에 대한 크랭크샤프트(16)의 일회전(360도 CA)에 의해 완료된다.
상기 흡입 행정 동안, 흡입 공기는 실린더 헤드(33)에 배치된 흡입 포트(19)를 통해 압축 실린더(12) 내부로 흡입된다. 내부적으로 개방되는(상기 실린더 내부로 상기 피스톤을 향하여 개방되는) 포펫 흡입 밸브(18)는 흡입 포트(19)와 압축 실린더(12) 사이의 유체 연결을 제어한다.
상기 압축 행정 동안, 압축 피스톤(20)은 상기 공기 차지(air charge)를 압축시키고 상기 공기 차지를 교차 통로(또는 포트)(22) 내부로 이동시키고, 교차 통로(22)는 일반적으로 실린더 헤드(33)에 배치된다. 압축 실린더(12)와 압축 피스톤(20)은, 팽창 실린더(14)의 흡입 통로로 작용하는 교차 통로(22)로의 고압 가스의 소스이다. 실시예들에 있어서, 둘 또는 그 이상의 교차 통로들(22)이 압축 실린더(12)와 팽창 실린더(14)를 상호 연결시킨다.
스플릿-사이클 엔진(10)(그리고 일반적으로 스플릿-사이클 엔진들에 있어서)의 압축 실린더(12)의 기하하적(또는 체적) 압축비는 여기서는 상기 스플릿-사이클 엔진의 "압축비"이라 불린다. 스플릿-사이클 엔진(10)(그리고 스플릿-사이클 엔진들에 있어서) 팽창 실린더(14)의 기하하적(또는 체적) 압축비는 여기서는 상기 스플릿-사이클 엔진의 "팽창비"이라 불린다. 여기서 실린더의 기하하적 압축비는 당해 기술분야에서 왕복운동하는 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치에 있을 때 상기 실린더의 둘러싸인 부피(즉, clearance volume)에 대한 상기 피스톤이 자신의 하사점(BDC) 위치에 있을 때 상기 실린더의 (모든 리세스들을 포함한) 닫힌(또는 트랩된) 부피의 비율로서 잘 알려져 있다. 특히 여기서 정의된 스플릿-사이클 엔진들에 있어서, 압축 실린더의 압축비는 상기 교차압축 밸브가 닫혀져 있을 때 결정되고, 팽창 실린더의 팽창비는 상기 교차팽창 밸브가 닫혀져 있을 때 결정된다.
압축 실린더(12) 내부에서의 매우 높은 압축비들(예를 들면, 20 to 1, 30 to 1, 40 to 1, 또는 그 이상) 때문에, 교차 통로 입구(25)에서 외부적으로 개방되는(상기 실린더와 피스톤으로부터 멀어지도록 바깥쪽으로 개방되는) 포펫 교차압축(XovrC) 밸브(24)는 압축 실린더(12)로부터 교차 통로(22) 내부로의 흐름을 제어하기 위해 사용된다. 팽창 실린더(14) 내부에서의 매우 높은 압축비들(예를 들면, 20 to 1, 30 to 1, 40 to 1, 또는 그 이상) 때문에, 교차 통로(22)의 출구(27)에서의 외부적으로 개방되는 포펫 교차팽창(XovrE) 밸브(26)는 교차 통로(22)로부터 팽창 실린더(14) 내부로의 흐름을 제어한다. 교차압축 및 교차팽창 밸브들(24, 26)의 작동 속도들 및 위상은 상기 오토 사이클의 모든 네 개의 행정들 동안 교차 통로(22) 내의 압력을 높은 최소 압력(일반적으로 완전 부하(full load)에서 20 bar 또는 그 이상)으로 유지하도록 타이밍된다.
적어도 하나의 연료 주입기(28)는, 팽창 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 짧게 발생하는 교차팽창 밸브(26)의 개방에 따라 교차 통로(22)의 출구 단부에서 상기 가압된 공기 내부로 연료를 주입시킨다. 팽창 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치에 가까워졌을 때 상기 공기/연료 차지는 팽창 실린더(14)로 들어간다. 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치로부터 하강을 시작하고, 교차팽창 밸브(26)가 여전히 개방되어 있을 때, 실린더(14) 내부로 돌출된 스파크 플러그 팁(39)을 포함하는 스파크 플러그(39)는 발화되어 스파크 플러그 팁(39) 주변 영역에서 연소를 시작한다. 연소는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치를 지나 1도와 30도의 CA 사이에 있을 때 개시될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 연소는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치를 지나 10도와 20도 CA 사이에 있을 때 개시될 수 있다. 또한, 연소는 글로 플러그들(glow plugs)과 같은 다른 점화 장치들 및/또는 방법들, 마이크로웨이브 점화 장치들 또는 압축 점화 방법들을 통해 개시될 수 있다.
상기 배기 행정 동안, 배기 가스들은 실린더 헤드(33)에 배치된 배기 포트(35)를 통해 팽창 실린더(14)로부터 펌핑될 수 있다. 배기 포프(35)의 입구(31)에 배치된 내부 개방 포펫 배기 밸브(34)는 팽창 실린더(14)와 배기 포트(35) 사이의 유체 흐름을 제어한다. 배기 밸브(34)와 배기 포트(35)는 교차 통로(22)로부터 분리된다. 즉, 배기 밸브(34)와 배기 포트(35)는 교차 통로(22)와 접촉하지 않거나, 교차 통로(22) 내에 배치되지 않는다.
스플릿-사이클 엔진 개념에 있어서, 압축(12) 및 팽창(14) 실린더들의 기하하적 엔진 파라미터들(예를 들면, 보어(bore), 행정, 커넥팅 로드 길이, 체적 압축비, 등)은 일반적으로 서로 독립적이다. 예를 들면, 압축 실린더(12)와 팽창 실린더(14)를 크랭크 쓰로우들(36, 38) 각각은 다른 반경들을 가질 수 있고 압축 피스톤(20)의 상사점(TDC) 이전에 팽창 피스톤(30)의 상사점(TDC)이 일어나도록 서로 다른 위상을 가질 수 있다. 이러한 독립성은 스플릿-사이클 엔진(10)이 전형적인 4행정 엔진들보다 높은 효율 레벨들과 더 큰 토크들을 달성할 수 있도록 한다.
스플릿-사이클 엔진(10)에서의 엔진 파라미터들의 기하하적 독립성은 또한 전술한 바와 같이 압력이 교차 통로(22)에서 유지되어야 하는 주된 이유들 중 하나이다. 특히, 다른 위상 각도(일반적으로 10과 30 크랭크 각도들 사이)에 의해 자신의 상사점 위치에 도달한 상기 압축 피스톤에 앞서서 팽창 피스톤(30)은 자신의 상사점 위치에 도달한다. 교차압축 밸브(24)와 교차팽창 밸브(26)의 적절한 타이밍과 함께, 이러한 위상 각도는, 자신의 압력/체적 사이클의 모든 4행정 동안 교차 통로(22)의 압력을 높은 최소 압력(일반적으로 완전 부하 동작 동안 20 bar의 절대 압력 또는 그 이상)으로 유지하는 것을 가능하게 한다. 즉, 스플릿-사이클 엔진(10)은 교차압축 밸브(24)와 교차팽창 밸브(26)의 타이밍을 조절하여 상기 교차압축 및 교차팽창 밸브들 모두가 실질적인 시간 주기(또는 크랭크샤프트 회전 주기) 동안 개방되도록 작동가능하며 상기 시간 주기 동안 팽창 피스톤(30)은 자신의 상사점 위치로부터 자신의 하사점 위치를 향하여 하강하고 동시에 압축 피스톤(20)이 자신의 하사점 위치에서 자신의 상사점 위치로 상승한다. 교차 밸브들(24, 26) 모두가 개방되는 시간 주기(또는 크랭크샤프트 회전) 동안, 실질적으로 같은 공기의 질량이 (1) 압축 실린더(12)로부터 교차 통로(22) 내부로 그리고 (2) 교차 통로(22)로부터 팽창 실린더(14)로 전달된다. 따라서, 이러한 주기 동안, 상기 교차 통로의 압력이 기 설정된 최소 압력(일반적으로, 완전 부하 동작 동안 20, 30, 또는 40 bar의 절대 압력) 아래로 떨어지는 것이 방지된다. 더욱이, 상기 엔진 사이클의 실질적인 부분(일반적으로 전체 엔진 사이클의 80% 또는 그 이상) 동안, 교차압축 밸브(24)와 교차팽창 밸브(26)는 모두 폐쇄되어 교차 통로(22) 내의 트랩된 가스의 질량을 실질적으로 일정한 레벨로 유지시킨다. 그 결과, 교차 통로(22) 내의 압력은 상기 엔진의 압력/체적 사이클의 모든 4행정 동안 기 설정된 최소 압력으로 유지된다.
이러한 목적들을 위해, 팽창 피스톤(30)이 상사점으로 하강하고 있고 압축 피스톤(20)이 상사점을 향하여 상승하고 있을 때 실질적으로 동일한 가스의 질량을 교차 통로(22) 내부로 그리고 외부로 동시에 전달하기 위하여 교차압축(24)과 교차팽창(26) 밸브들을 개방시키는 방법을 여기서는 가스 전달의 푸쉬-풀 방법(Push-Pull method)이라 하기로 한다. 스플릿-사이클 엔진(10)의 교차 통로(22)내의 압력을 상기 엔진이 완전 부하에서 동작할 때 상기 엔진 사이클의 모든 4행정들 동안에 일반적으로 20 bar 또는 그 이상으로 유지시킬 수 있는 것이 푸쉬-풀 방법이다.
전술한 바와 같이, 배기 밸브(34)는 교차 통로(22)로부터 분리된 실린더 헤드(33)의 배기 포트(35)에 배치된다. 교차 통로(22)에 배치되지 않는 배기 밸브(34), 그리고 교차 통로(22)와는 어떠한 부분도 공유하지 않는 배기 포트(35)의 구조적 배열은 상기 배기 행정 동안 교차 통로(22) 내에서 트랩된 가스의 질량을 유지하기 위하여 바람직한 것이다. 따라서, 상기 교차 통로의 압력이 기 설정된 최소 압력 아래로 떨어지게 하는 압력에서의 큰 주기적 하강들이 방지된다.
교차팽창 밸브(26)는 팽창 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치에 도달하기 바로 전에 개방된다. 이 때, 팽창 실린더(14) 내의 압력에 대한 교차 통로(22) 내의 압력의 압력비는 높고, 그 이유는 상기 교차 통로 내의 최소 압력이 일반적으로 20 bar의 절대 압력 또는 그 이상이고 상기 팽창 실린더 내의 압력은 배기 행정 동안 일반적으로 1 내지 2 bar의 절대 압력이기 때문이다. 바꾸어 말하면, 교차팽창 밸브(26)가 개방될 때, 교차 통로(22) 내의 압력은 팽창 실린더(14) 내의 압력보다 더 높다(일반적으로 20 대 1의 차수(order) 또는 그 이상). 이러한 높은 압력비는 상기 공기 및/또는 연료 차지의 초기 흐름이 높은 속도들로 팽창 실린더(14) 내부로 흐를 수 있도록 한다. 이러한 높은 유속들은 음속이라 불리는 소리의 속도에 도달할 수 있다. 이러한 음속의 흐름은, 팽창 실린더(30)가 자신의 상사점 위치로부터 하강할 때 점화가 개시될 지라도 스플릿-사이클 엔진(10)이 높은 연소 압력들을 유지할 수 있도록 하는 빠른 연소 상태를 가능하게 하므로 스플릿-사이클 엔진(10)에 바람직하다.
스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진(10)은 또한 공기 저장소(탱크) 밸브(42)에 의해 교차 통로(22)에 작동 가능하도록 연결되는 공기 저장소(탱크)를 포함한다. 두개 또는 그 이상의 교차 통로들(22)을 갖는 실시예들은 공통 공기 저장소(40)에 연결되는 각각의 연결 통로(22)를 위한 탱크 밸브(42)를 포함하거나, 이와 달리 각각의 교차 통로(22)는 분리된 공기 저장소들(40)에 작동 가능하도록 연결될 수 있다.
탱크 밸브(42)는 교차 통로(22)로부터 공기 탱크(40)로 연장하는, 공기 저장소(탱크) 포트(44)에 배치된다. 공기 탱크 포트(44)는 제1 공기 저장소(탱크) 포트 섹션(46)과 제2 공기 저장소(탱크) 포트 섹션(48)으로 분리된다. 제1 공기 탱크 포트 섹션(46)은 공기 탱크 밸브(42)를 교차 통로(22)에 연결시키고, 제2 공기 탱크 포트 섹션(48)은 공기 탱크 밸브(42)를 공기 탱크(40)에 연결시킨다. 제1 공기 탱크 포트 섹션(46)의 체적은 탱크 밸브(42)가 폐쇄되었을 때 탱크 밸브(42)를 교차 통로(22)에 연결시키는 모든 추가적인 포트들과 리세스들의 부피를 포함한다.
탱크 밸브(42)는 다른 적당한 밸브 장치 또는 시스템일 수 있다. 예를 들면, 탱크 밸브(42)는 다양한 밸브 구동 장치들(예를 들면, 공압, 유압, 캠, 전기 또는 이와 유사한 것)에 의해 작동되는 능동 밸브일 수 있다. 또한, 탱크 밸브(42)는 두개 또는 그 이상의 구동 장치들과 함께 작동되는 두 개 또는 그 이상의 탱크 밸브들을 갖는 탱크 밸브 시스템을 포함할 수 있다.
공기 탱크(40)는 압축 공기의 형태로 에너지를 저장하고 이후에 이러한 압축 공기를 사용하여 Scuderi 등에게 허여된 미국등록특허 제7,353,786호에 설명된 바와 같이, 크랭크샤프트(16)에 파워를 인가한다. 잠재적인 에너지를 저장하기 위한 이러한 기계적 수단은 당해 기술분야의 현재 상태보다 수많은 잠재적인 장점들을 제공한다. 예를 들면, 스플릿-사이클 엔진(10)은 디젤 엔진들 그리고 전기-하이브리드 시스템들과 같은, 시장에서의 다른 기술들과 관련하여 비교적 낮은 제조 및 폐기물 처리 비용들로 연료 효율 획득과 NOx 방출 감소에 있어서 많은 장점들을 제공한다.
공기 탱크 밸브(42)의 개방 및/또는 폐쇄를 선택적으로 제어하여 교차 통로(22)와 공기 탱크(40)의 연결을 제어함으로써, 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진(10)은 엔진 연소(EF) 모드, 공기 팽창기(AE) 모드, 공기 압축기(AC) 모드, 공기 팽창기와 연소(AEF) 모드, 그리고 연소 및 차징(FC) 모드에 있어서 작동 가능하다. 상기 EF 모드는 상술한 바와 같이 공기 탱크(40)의 사용없이 엔진이 작동하는 비-하이브리드(non-hybrid) 모드이다. 상기 AC 및 FC 모드들은 에너지 저장 모드들이다. 상기 AC 모드는, 제동(braking) 동안에 엔진(10)을 포함하는 차량의 이동 에너지를 이용함으로써(예를 들면, 연료 소비 없이), 팽창 실린더(14)에서 연소 발생없이 공기 탱크(40)에 압축 공기가 저장되는 공기-하이브리드 작동 모드이다. 상기 FC 모드는, 완전 엔진 부하 이하에서(예를 들면, 엔진 공전(engine idle), 일정한 속도의 차량 크루징)와 같이, 연소를 위해 필요하지 않는 과도한 압축 공기가 공기 탱크(40)에 저장되는 공기-하이브리드 작동 모드이다. 상기 FC 모드에서의 압축 공기의 저장는 에너지 비용(벌금)을 갖는다; 그러므로, 상기 압축 공기가 이후에 사용될 때 전체 게인(net gain)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 AE 및 AEF 모드들은 저장된 에너지 사용 모드들이다. 상기 AE 모드는 공기 탱크(40)에서 저장된 압축 공기가 팽창 실린더(14)에서의 연료 발생 없이(예를 들면, 연료 소비 없이) 팽창 피스톤(30)을 구동시키는 데 사용되는 공기-하이브리드 작동 모드이다. 상기 AEF 모드는 공기 탱크(40)에 저장된 압축 공기가 연소를 위해 팽창 실린더(14)에 사용되는 공기-하이브리드 작동 모드이다.
상기 EF 모드에 있어서, 공기 탱크 밸브(42)는 크랭크샤프트(16)의 전체 회전 동안 닫힌 채로 유지되어 공기 탱크(40)를 엔진(10)의 나머지로부터 고립시킨다. 이에 따라, 압축 공기는 공기 탱크(40) 내에 수용되지 않거나 상기 공기 탱크로부터 배출된 압축 공기가 저장되지 않는다. 압축 피스톤(20) 및 팽창 피스톤(30)은 각각의 압축 및 팽창 모드들에 있어서, 압축 피스톤(20)은 팽창 실린더(14)에서의 사용을 위해 유입 공기를 흡입하고 압축시키고, 압축 공기는 연료와 함께 팽창 실린더(14)로 팽창 행정이 시작할 때 허용되고, 팽창 피스톤(30)의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창되어, 크랭크샤프트(16)에 파워를 전달시키고, 상기 연소 부산물들은 상기 배기 행정 상에서 배출된다.
상기 팽창 행정이 시작할 때(팽창 피스톤(30)이 상사점으로부터 하강할 때) 교차팽창 밸브(26)의 폐쇄 타이밍은 상기 EF 모드에 있어서 엔진(10)의 효율에 중요하다. 이것은, 교차팽창 밸브(26)가 개방될 때, 교차 통로(22)의 체적은 연소가 일어나는 상기 피스톤 상부의 클리어런스 공간의 일부이기 때문이다. 모든 연료가 사실상 팽창 실린더(14)에 있고, 교차 통로(22)에는 없다. 교차팽창 밸브(26)가 닫히면, 상기 전체 연소 과정은 팽창 실린더(14)로 제한되고, 연료와 공기의 팽창하는 연소 질량은 대부분 피스톤(30)에 대하여 일을 효율적으로 수행한다.
교차팽창 밸브(26)가 더 늦게 닫히면, 잔류(예를 들면, 유효 체적) 팽창비는 작아지고, 상기 잔류 팽창비(residual expansion ration)는 (b) 교차팽창 밸브(26)가 닫힐 때의 팽창 실린더(14)의 트랩된 체적에 대한 (a) 팽창 피스톤(30)이 하사점에 있을 때 팽창 실린더(14)의 트랩된 체적(즉, 실린더(14) 벽, 팽창 피스톤(30)의 상부, 및 실린더 헤드(33)의 바닥면에 의해 일반적으로 정의되는 챔버의 체적)의 비율(a/b)로서 정의된다. 팽창 피스톤(30)의 상기 팽창 행정 동안 교차팽창 밸브(26)가 닫히면, 상기 팽창하는 트랩된 질량은 팽창 실린더(14)에서만 존재하고 상기 질량이 팽창함에 따라 일이 수행된다. 명백하게, 교차팽창 밸브(26)가 더 늦게 닫힐수록, 팽창 피스톤(30)은 상사점으로부터 더 멀리 있으므로, 상기 팽창 행정 동안 더 작은 팽창비와 더 작은 일이 수행된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 EF 모드에서 엔진 효율의 주요한 저하를 회피하기 위하여, 상기 잔류 팽창비는 10.0:1 또는 그 이상이어야 한다. 더욱 바람직하게는, 상기 잔류 팽창비는 15.7:1 또는 그 이상이어야 한다. 본 실시예에 있어서, 10:1 또는 그 이상의 잔류 팽창비를 달성하기 위하여, 상기 교차팽창 밸브는 ATDCe(팽창 피스톤의 상사점 이후) 약 30도 또는 그 이하에서 닫혀져야 하고, 더욱 바람직하게는 ATDCe 약 22도 또는 그 이하에서 닫혀져야 한다.
도 3 내지 도 14는 엔진 속도 범위(1000 to 4000 rpm)와 엔진 부하 범위(1 to 5 bar IMEP)에서 예시적인 밸브 타이밍들과 지속기간들을 나타내는 그래프들이다. 예를 들면, 약 2500 rpm과 3 bar IMEP에서, (i) 흡입 밸브(18)는 약 36도 ATDCe에서 개방되고 약 102도 ATDCe에서 닫혀져 약 66도의 흡입 밸브 개방 지속기간을 갖고, (ii) 교차압축 밸브(24)는 약 -18도 ATDCe에서 개방되고 약 24도 ATDCe에서 닫혀져 약 42도의 교차압축 밸브 개방 지속기간을 가지며, (iii) 교차팽창 밸브(26)는 약 -14도 ATDCe에서 개방되고 약 22도 ATDCe에서 닫혀져 약 36도의 교차팽창 밸브 개방 지속기간을 갖고, (iv) 배기 밸브(34)는 약 148도 ATDCe에서 개방되고 약 -13도 ATDCe에서 닫혀져 약 199도의 배기 밸브 개방 지속기간을 갖는다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트;
    압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 압축 피스톤;
    팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 팽창 피스톤; 및
    상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 내부에 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비하는 교차 통로를 포함하고,
    엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드에서 작동 가능하고, 상기 엔진은 상기 EF 모드에서, 교차팽창 밸브가 닫힐 때 10.0 대 1 또는 그 이상의 잔류 팽창비를 갖는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 EF 모드에서, 상기 잔류 팽창비는 15.7 대 1 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 EF 모드에서, 상기 교차팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 상사점 이후(ATDCe) 30도 또는 그 이하에서 닫히는 것을 특징으로 하는 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 EF 모드에서, 상기 교차팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 상사점 이후(ATDCe) 22도 또는 그 이하에서 닫히는 것을 특징으로 하는 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 통로는 내부에 배치되는 교차압축(XovrC) 밸브를 구비하고, 상기 교차압축 밸브와 상기 교차팽창 밸브는 사이에서 압력 챔버를 정의하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 교차 통로에 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터 압축 공기를 저장하고 압축 공기를 상기 팽창 실린더로 전달하도록 선택적으로 작동 가능한 공기 저장소; 및
    상기 공기 저장소 내부와 외부와의 공기 흐름을 선택적으로 제어하는 공기 저장소 밸브를 더 포함하고, 상기 EF 모드에서, 상기 공기 저장소 밸브는 닫혀지는 것을 특징으로 하는 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 EF 모드에 있어서, 상기 압축 피스톤은 상기 팽창 실린더에서의 사용을 위해 유입 공기를 흡입하고 압축하고, 팽창 행정이 시작될 때, 압축 공기는 연료와 함께 상기 팽창 실린더 내부로 허용되고, 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창되어, 상기 크랭크샤프트에 파워를 전달하고, 연소 부산물은 상기 배기 행정 상에서 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  8. 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트;
    압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 압축 피스톤;
    팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 팽창 피스톤; 및
    상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 내부에 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비하는 교차 통로를 포함하는 엔진을 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드에서 작동 가능하고,
    상기 압축 피스톤으로 유입 공기를 흡입하고 압축하는 단계;
    팽창 행정이 시작될 때, 상기 압축 실린더로부터 압축 공기를 연료와 함께 상기 팽창 실린더 내부로 허용하고, 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 상기 연료를 점화, 연소 및 팽창시켜, 상기 크랭크샤프트에 파워를 전달하고, 연소 부산물을 상기 배기 행정 상에서 배출시키는 단계; 및
    교차팽창 밸브가 닫힐 때 10.0 대 1 또는 그 이상으로 잔류 팽창비를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 교차팽창 밸브가 닫힐 때 15.7 대 1 또는 그 이상으로 상기 잔류 팽창비를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 팽창 피스톤의 상사점 이후(ATDCe) 30도 또는 그 이하에서 상기 교차팽창 밸브를 닫는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 팽창 피스톤의 상사점 이후(ATDCe) 22도 또는 그 이하에서 상기 교차팽창 밸브를 닫는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 엔진은 상기 교차 통로 내부에 배치되는 교차압축(XovrC) 밸브를 구비하고, 상기 교차압축 밸브와 상기 교차팽창 밸브는 사이에서 압력 챔버를 정의하며,
    상기 엔진은 상기 교차 통로에 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터 압축 공기를 저장하고 압축 공기를 상기 팽창 실린더로 전달하도록 선택적으로 작동 가능한 공기 저장소, 및 상기 공기 저장소 내부와 외부와의 공기 흐름을 선택적으로 제어하는 공기 저장소 밸브를 포함하고,
    상기 방법은 상기 엔진이 상기 EF 모드에서 작동하고 있을 때 상기 공기 저장소 밸브를 닫힌 상태로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020117029673A 2010-03-15 2011-03-14 높은 잔류 팽창비를 갖는 스플릿-사이클 엔진 KR20120024753A (ko)

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