KR20130086227A - 스플릿-사이클 엔진을 위한 배기 밸브 타이밍 - Google Patents

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KR20130086227A
KR20130086227A KR1020137010638A KR20137010638A KR20130086227A KR 20130086227 A KR20130086227 A KR 20130086227A KR 1020137010638 A KR1020137010638 A KR 1020137010638A KR 20137010638 A KR20137010638 A KR 20137010638A KR 20130086227 A KR20130086227 A KR 20130086227A
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crossover
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KR1020137010638A
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포드 에이. 필립스
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스쿠데리 그룹, 인크.
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Abstract

여기서 개시된 엔진들, 엔진 구성요소들, 및 관련된 방법들은 일반적으로 공기 및/또는 연료의 새로운 차지가 팽창 실린더로 공급되는 교차 팽창 밸브를 개방시키기 전에 배기 가스들 및 다른 연소 부산물들이 상기 팽창 실린더로부터 배출되는 배기 밸브를 폐쇄시키는 단계를 포함한다. 상기 배기 밸브는, 상기 교차 팽창 밸브의 개방 이전에 충분한 마진을 갖고, 내부-개방 배기 밸브의 경우에, 밸브-피스톤 접촉이 일어나기 전에, 그리고 연소 이후에 가능한 한 늦게 닫히는 게 바람직하다. 바람직하게는, 상기 배기 밸브는 상기 교차 팽창 밸브가 개방되기 전 약 0 CA 각도 내지 약 15 CA 각도에서 닫힌다.

Description

스플릿-사이클 엔진을 위한 배기 밸브 타이밍{EXHAUST VALVE TIMING FOR SPLIT-CYCLE ENGINE}
본 발명은 내연 엔진들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 스플릿-사이클 엔진들을 위한 배기 밸브 타이밍에 관한 것이다.
명확한 이해를 위하여, 본 출원에서 사용되는 "종래의 엔진"이라는 용어는 잘 알려진 오토 사이클의 모든 4 행정들(흡입, 압축, 팽창 및 배기 행정들)이 상기 엔진의 개별 피스톤/실린더 조합에 포함되어 있는 내부 연소 엔진을 의미한다. 각각의 행정은 크랭크샤프트의 반회전(180도의 크랭크 각도(CA))을 요구하고, 상기 크랭크샤프트의 완전한 2회전(720도 CA)이 종래의 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.
스플릿-사이클 엔진은 일반적으로,
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 배치된 적어도 하나의 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하지만, 더욱 바람직하게는 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브와 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하는 교차 통로를 포함한다.
스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진은 공기 저장소(또는 일반적으로 공기 탱크라 불림) 및 다양한 제어들을 갖는 스플릿-사이클 엔진을 결합시킨다. 이러한 결합은 상기 엔진이 상기 공기 저장소에서 압축된 공기의 형태로 에너지를 저장할 수 있도록 한다. 상기 공기 저장소 내의 상기 압축된 공기는 이후에 상기 팽창 실린더에서 사용되어 상기 크랭크샤프트에 파워를 인가한다. 일반적으로, 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 배치된 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 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터의 압축된 공기를 저장하고 압축된 공기를 상기 팽창 실린더에 공급하도록 선택적으로 작동 가능한 공기 저장소를 포함한다.
도 1은 종래 스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진의 일 실시예를 나타낸다. 스플릿-사이클 엔진(100)은 종래의 엔진의 두 개의 인접한 실린더들을 하나의 압축 실린더(102)와 하나의 팽창 실린더(104)의 조합으로 교체한다. 압축 실린더(102) 및 팽창 실린더(104)는 크랭크샤프트(106)가 회전 가능하도록 설치되는 엔진 블록에 형성된다. 실린더들(102, 104)의 상부 단부들은 실린더 헤드(130)에 의해 폐쇄된다. 크랭크샤프트(106)는 축 방향으로 이격되고 각도가 오프셋되어 위상각을 갖는 제1 및 제2 크랭크 쓰로우들(crank throws)(126, 128)을 포함한다. 제1 크랭크 쓰로우(126)는 제1 커넥팅 로드(138)에 의해 압축 피스톤(110)에 회전 가능하도록 결합되고, 제2 크랭크 쓰로우(128)는 제2 커넥팅 로드(140)에 의해 팽창 피스톤(120)에 회전 가능하도록 결합되어 상기 크랭크 쓰로우들의 각도 오프셋 및 상기 실린더들, 크랭크, 및 피스톤들의 기하하적인 관계들에 의해 결정된 타이밍된 관계에서 각각의 실린더들(102, 104) 내에서 피스톤들(110, 120)을 왕복 운동시킨다. 필요하다면, 상기 피스톤들의 운동 및 타이밍을 위한 또 다른 메커니즘들이 사용될 수 있다. 자신의 하사점(bottom dead center, BDC) 근처에서의 상기 크랭크샤프트의 회전 방향 및 상기 피스톤들의 상대 운동들은 도면들에서 대응하는 구성요소들과 함께 화살표들로 도시되어 있다.
상기 오토 사이클의 4 행정들은 두개의 실린더들(102, 104)에서 "스플릿"되어 압축 실린더(102)는 상기 흡입 및 압축 행정들을 포함하고 팽창 실린더(104)는 상기 팽창 및 배기 행정들을 수행한다. 그러므로 상기 오토 사이클은 크랭크샤프트(106) 일회전(360도 CA) 동안 두개의 실린더들(102, 104)에서 완료된다.
상기 흡입 행정 동안, 흡입 공기는 내부-개방(상기 실린더 내부로 그리고 상기 피스톤을 향하여 개방되는) 포펫 흡입 밸브(108)를 통해 압축 실린더(102) 내부로 흡입된다. 상기 압축 행정 동안, 압축 피스톤(110)은 상기 공기 차지를 압축하고 팽창 실린더(104)를 위한 상기 흡입 통로로서의 역할을 하는 교차 통로(112)를 통해 상기 공기 차지를 추진시킨다. 엔진(100)은 하나 또는 그 이상의 교차 통로들(112)을 포함할 수 있다.
스플릿-사이클 엔진(100)(그리고 일반적인 스플릿-사이클 엔진들)의 압축 실린더(102)의 체적(또는 기하학적) 압축비를 상기 스플릿-사이클 엔진의 "압축비"라 하기로 한다. 스플릿-사이클 엔진(100)(그리고 일반적인 스플릿-사이클 엔진들)의 팽창 실린더(104)의 상기 체적(또는 기하하적) 압축비를 상기 스플릿-사이클 엔진의 "팽창비"라 하기로 한다. 실린더의 상기 체적 압축비는 상기 실린더에서 왕복 운동하는 피스톤이 자신의 하사점(BDC) 위치에 있을 때 (모든 리세스들을 포함한) 상기 실린더에서 둘러싸인(또는 트랩된) 부피 대 상기 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치에 있을 때 상기 실린더에서 둘러싸인 부피(즉, 클리어런스(clearance) 부피)의 비율로 잘 알려져 있다. 특히 여기서 정의된 스플릿-사이클 엔진들에 있어서, 상기 XovrC 밸브가 닫혀 있을 때 압축 실린더의 상기 압축비가 결정된다. 또한, 여기서 정의된 스플릿-사이클 엔진들에 있어서, XovrE 밸브가 닫혀 있을 때 팽창 실린더의 팽창비가 결정된다.
압축 실린더(102) 내부에서의 매우 높은 압축비들(예를 들면, 20 대 1, 30 대 1, 40 대 1, 또는 그 이상) 때문에, 교차 통로(112)의 입구에서 외부-개방(상기 실린더와 피스톤으로부터 외부로 멀어지도록 개방하는) 포펫 교차 압축(XovrC) 밸브(114)가 사용되어 압축 실린더(102)로부터 교차 통로(112)로의 흐름을 제어한다. 팽창 실린더(104) 내부에서의 매우 높은 압축비들(예를 들면, 20 대 1, 30 대 1, 40 대 1, 또는 그 이상) 때문에, 교차 통로(112)의 출구에서 외부-개방 포펫 교차 팽창(XovrE) 밸브(116)가 사용되어 교차 통로(112)로부터 팽창 실린더(104)로의 흐름을 제어한다. XovrC 및 XovrE 밸브들(114, 116)의 구동 속도들 및 위상은 교차 통로(112)에서의 압력이 상기 오토 사이클의 모든 4행정들 동안 높은 최소 압력(전체 부하(full load)에서 일반적으로 20 절대압력 또는 그 이상)을 유지하도록 타이밍된다.
적어도 하나의 연료 주입기(118)는 XovrE 밸브(116) 개방에 대응하여 교차 통로(112)의 출구 단부에서 연료를 가압된 공기 내부로 주입한다. 이와 다르게, 또는 추가적으로, 연료는 팽창 실린더(104) 내부로 직접 분사될 수 있다. 팽창 피스톤(120)이 자신의 상사점 위치에 도달한 다음 바로 직후에 상기 연료-공기 차지 전체가 팽창 실린더(104) 내부로 들어간다. 피스톤(120)이 자신의 상사점 위치로부터 하강하기 시작할 때, XovrE 밸브(116)가 여전히 개방되어 있는 동안, 하나 또는 그 이상의 스파크 플러그들(122)은 점화되어 연소를 개시한다(일반적으로 팽창 피스톤(120)의 TDC 이후 10 내지 20도 CA 사이). 연소는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치를 지난 후 1과 30도 CA 사이에 있을 때 개시될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 연소는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점(TDC) 위치를 지난 후 5와 25 각도 CA 사이에 있을 때 개시될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 연소는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치를 지난 후 10과 20 각도 CA 사이에 있을 때 개시될 수 있다. 또한, 연소는 글로 플러그들(glow plugs)과 같은 다른 점화 장치들 및/또는 방법들, 마이크로웨이브 점화 장치들(microwave ignition devices) 또는 압축 점화 방법들(through compression ignition methods)을 통해 개시될 수 있다.
XovrE 밸브(116)는 최종적인 연소 동작이 교차 통로(112) 내부로 들어가기 전에 닫힌다. 상기 연소 동작은 파워 행정에서 팽창 피스톤(120)을 하방으로 이동시킨다. 배기가스들은 상기 배기 행정 동안 내부-개방 포펫 배기 밸브(124)를 통해 팽창 실린더(104)의 외부로 펌핑된다.
스플릿-사이클 엔진 개념과 함께, 상기 압축 및 팽창 실린더들의 기하하적 엔진 파라미터들(예를 들면, 보어(bore), 행정, 커넥팅 로드 길이, 압축비 등)은 일반적으로 서로 독립적이다. 예를 들면, 압축 실린더(102) 및 팽창 실린더(104)를 위한 크랭크 쓰로우들(126, 128)은 각각 다른 반경을 가지며 서로 다른 위상을 가져 압축 피스톤(110)의 TDC 이전에 압축 피스톤(120)의 TDC가 일어난다. 이러한 독립성은 상기 스플릿-사이클 엔진이 전형적인 4-행정 엔진들보다 더 높은 효율 레벨들 및 더 큰 토크들을 달성할 수 있도록 한다.
스플릿-사이클 엔진(100)에서 엔진 파라미터들의 기하하적 독립성은 또한 전술한 바와 같이 압력이 교차 통로(112)에서 유지되어야 하는 주된 이유들 중 하나이다. 구체적으로, 압축 피스톤(110)이 자신의 TDC 위치에 도달하기 이전에 팽창 피스톤(120)은 이격된 위상각(일반적으로 10 및 30 크랭크 각도 사이)만큼 자신의 TDC 위치에 도달한다. 이러한 위상각은, XovrC 밸브(114) 및 XovrE 밸브(116)의 적절한 타이밍과 함께, 스플릿-사이클 엔진(100)이 교차 통로(112)의 압력을 자신의 압력/체적 사이클의 모든 4행정들 동안 높은 최소 압력(전체 하중 동작(full load operation) 동안 일반적으로 20 절대압력 또는 그 이상)으로 유지할 수 있게 한다. 즉, 스플릿-사이클 엔진(100)은 XovrC 밸브(114) 및 XovrE 밸브(116)의 타이밍을 조절하여 XvorC 및 XovrE 밸브들(114, 116) 모두가 팽창 피스톤(120)이 자신의 TDC 위치에서 자신의 BDC 위치로 하강하고 동시에 압축 피스톤(110)이 자신의 BDC 위치로부터 자신의 TDC 위치로 상승하는 실질적인 시간 주기(또는 크랭크샤프트 회전 주기) 동안 개방되도록 한다. 교차 밸브들(114, 116) 모두가 개방된 시간 주기(또는 크랭크샤프트 회전) 동안, 실질적으로 동일한 가스 질량이 (1) 압축 실린더(102)로부터 교차 통로(112) 내부로 그리고 (2) 교차 통로(112)로부터 팽창 실린더(104) 내부로 이동된다. 따라서, 이러한 주기 동안, 상기 교차 통로 내의 상기 압력이 기 설정된 최소 압력(전체 하중 동작 동안 전형적으로 20, 30 또는 40 절대압력) 이하로 떨어지는 것이 방지된다. 더욱이, 상기 흡입 및 배기 행정들의 실질적인 부분(전형적으로 전체 흡입 및 배기 행정들 중 90% 이상) 동안, XvorC 밸브(114) 및 XovrE 밸브(116) 모두는 개방되어 교차 통로(112) 내에 트랩된 가스 질량를 실질적으로 일정한 레벨로 유지시킨다. 그 결과, 교차 통로(112) 내의 압력이 엔진의 압력/체적 사이클의 모든 4행정들 동안 기 설정된 최소 압력으로 유지된다.
이러한 목적들을 위하여, 교차 통로(112) 내부와 외부로 실질적으로 동일한 질량의 가스를 동시에 전달하기 위하여 팽창 피스톤(120)이 TDC로부터 하강하고 압축 피스톤(110)이 TDC를 향하여 상승하는 동안 XovrC 밸브(114) 및 XovrE 밸브(116)를 개방시키는 방법을 가스 전달의 "푸시-풀(push-pull)" 방법이라 하기로 한다. 상기 푸시풀 방법은 엔진이 전체 부하로 동작할 때 엔진 사이클의 모든 4행정들 동안 엔진(100)의 교차 통로(112) 내의 압력을 일반적으로 20 절대압력 또는 그 이상으로 유지시킬 수 있다.
교차 밸브들(114, 116)은 하나 또는 그 이상의 캠들(도시되지 않음)을 포함하는 밸브 트레인에 의해 구동될 수 있다. 일반적으로, 캠-구동 메커니즘은 상기 크랭크샤프트에 기계적으로 연결된 캠샤프트를 포함한다. 하나 또는 그 이상의 캠들은 상기 캠샤프트에 설치되고, 각각은 상기 밸브 동작(예를 들면, 밸브 구동 동안 발생하는 사건)의 밸브 리프트 프로파일을 제어하는 경사면(contoured surface)을 갖는다. XovrC 밸브(114) 및 XovrE 밸브(116) 각각은 각자의 캠 및/또는 각자의 캠샤프트를 가질 수 있다. 상기 XvorC 및 XovrE 캠들이 회전함에 따라, 편심된 부분들은 운동을 로커 암에 전달하고, 결과적으로 운동이 상기 밸브로 전달됨으로써, 상기 밸브를 자신의 밸브 시트(valve seat)로부터 리프팅(개방)시킨다. 상기 캠이 계속하여 회전함에 따라, 상기 편심된 부분은 상기 로커 암을 통과하고 상기 밸브는 닫히게 된다.
스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진(100)은 또한 공기 저장소(탱크)(142)를 포함하고, 상기 공기 저장소는 공기 저장소 탱크 밸브(152)에 의해 교차 통로(112)에 작동 가능하도록 연결된다. 두개 또는 그 이상의 교차 통로들(112)을 갖는 실시예들은 공통 공기 저장소(142)에 연결된 각각의 교차 통로(112)를 위한 탱크 밸브(152)를 포함할 수 있거나, 모든 교차 통로들(112)을 공통 공기 저장소(142)로 연결시키는 단일의 밸브를 포함할 수 있거나, 각각의 교차 통로(112)는 별개의 공기 저장소들(142)에 작동 가능하도록 연결될 수 있다.
탱크 밸브(152)는 전형적으로 공기 탱크 포트(154)에 배치되고, 상기 공기 탱크 포트는 교차 통로(112)로부터 공기 탱크(142)로 연장한다. 공기 탱크 포트(154)는 제1 공기 탱크 포트 섹션(156) 및 제2 공기 탱크 포트 섹션(158)으로 분리된다. 제1 공기 탱크 포트 섹션(156)은 공기 탱크 밸브(152)를 교차 통로(112)로 연결시키고, 제2 공기 탱크 포트 섹션(158)은 공기 탱크 밸브(152)를 공기 탱크(152)로 연결시킨다. 제1 공기 탱크 포트 섹션(156)의 체적은 탱크 밸브(152)가 닫혀 있을 때 탱크 밸브(152)를 교차 통로(112)로 연결시키는 모든 추가적인 리세스들의 체적을 포함한다. 바람직하게는, 제1 공기 탱크 포트 섹션(156)의 체적은 제2 공기 탱크 포트 섹션(158)에 비하여 작다. 더욱 바람직하게는, 제1 공기 탱크 포트 섹션(156)은 실질적으로 존재하지 않고, 즉, 탱크 밸브(152)는 교차 통로(112)의 외측 벽과 동일한 평면으로 배치되는 것이 가장 바람직하다.
탱크 밸브(152)는 어떤 적당한 밸브 장치 또는 시스템일 수 있다. 예를 들면, 탱크 밸브(152)는 다양한 밸브 구동 장치들(예를 들면, 공압식, 수압식, 캠, 전기식, 또는 이와 유사한 장치)에 의해 구동되는 능동형 밸브일 수 있다. 또한, 탱크 밸브(152)는 두개 또는 그 이상의 구동 장치들로 구동되는 두개 또는 그 이상의 밸브들을 갖는 탱크 밸브 시스템을 포함할 수 있다.
공기 탱크(142)가 사용되어 압축된 공기 형태로 에너지를 저장하고 이후에 압축된 공기를 사용하여 크랭크샤프트(106)에 파워를 인가한다. 포텐셜 에너지를 저장하기 위한 이러한 기계적 수단은 현재 기술 상태에 비하여 수많은 장점들을 제공한다. 예를 들면, 스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진(100)은 디젤 엔진들 및 전기-하이브리드 시스템들과 같은, 다른 기술들에 비하여 비교적 낮은 제조 및 폐기물 처분 비용들로 연료 효율 게인들(gains) 및 NOx 방출 감소에서 많은 장점들을 제공할 수 있다.
엔진(100)은 일반적으로 정규 작동 또는 연소(normal operating or firing(NF)) 모드(또는 엔진 연소(engine firing(EF)) 모드라고 불리기도 함) 및 하나 또는 그 이상의 네 개의 기본적인 공기 하이브리드 모드들로 작동한다. 상기 EF 모드에서, 엔진(100)은 공기 탱크(142)의 사용 없이 일반적으로 여기서 상술한 바와 같이 작동한다. 상기 EF 모드에서, 공기 탱크 밸브(152)는 닫힌 상태로 유지되어 공기 탱크(142)를 상기 기본적인 스플릿-사이클 엔진으로부터 분리시킨다. 상기 네 개의 공기 하이브리드 모드들에 있어서, 엔진(100)은 공기 탱크(142)를 사용하여 작동한다.
상기 네 개의 기본적인 공기 하이브리드 모드들은 아래와 같은 모드들을 포함한다:
1) 공기 팽창기 (Air Expander (AE)) 모드, 연소없이 공기 탱크(142)로부터 압축된 공기 에너지를 사용하는 것을 포함함;
2) 공기 압축기 (Air Compressor (AC)) 모드, 연소없이 공기 탱크(142) 내부로 압축된 공기 에너지를 저장하는 것을 포함함;
3) 공기 팽창기 및 연소 (Air Expander and Firing (AEF)) 모드, 연소와 함께 공기 탱크(142)로부터 압축된 공기 에너지를 사용하는 것을 포함함; 그리고
4) 연소 및 차징 (Firing and Charging (FC)) 모드, 연소와 함께 공기 탱크(142) 내부로 압축된 공기 에너지를 저장하는 것을 포함함.
스플릿-사이클 엔진들에 관한 더욱 상세한 사항들은 2003년 4월 8일에 허여되고 스플릿 4행정 사이클 내연 엔진(Split Four Stroke Cycle Internal Combustion Engine)이라는 발명의 명칭을 갖는 미국등록특허 제6,543,222호; 및 2005년 10월 11일에 허여된 스플릿-사이클 4-행정 엔진(Split-Cycle Four-Stroke Engine)이라는 발명의 명칭을 갖는 미국등록특허 제6,952,923호에서 찾을 수 있으며, 이들 각각은 본 출원에서 전체적으로 참조로서 병합된다.
공기 하이브리드 엔진들에 관한 더욱 상세한 사항들은 2008년 4월 8일에 허여되고 스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진(Split-Cycle Air Hybrid Engine)이라는 발명의 명칭을 갖는 미국등록특허 제7,353,786호; 2010년 7월 18일에 출원되고 스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진(Split-Cycle Air Hybrid Engine)이라는 발명의 명칭을 갖는 미국특허출원 제61/365,343호; 및 2010년 3월 15일에 출원되고 스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진(Split-Cycle Air Hybrid Engine)이라는 발명의 명칭을 갖는 미국특허출원 제61/313.831호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 본 출원에서 전체적으로 참조로서 병합된다.
도 1의 엔진(100)에 있어서, 팽창 실린더(104)로부터 배기 가스들의 불충분한 배출은 상기 팽창 실린더 내부의 온도를 매우 높게 유지되도록 할 수 있다. 이러한 높은 온도는 다음의 팽창 행정에서 상기 팽창 실린더에 더해지는 연료의 바람직하지 않는 조기-점화(pre-ignition)를 유발시킬 수 있다. 팽창 실린더(104) 내에 트랩된 배기 가스가 상기 배기 행정의 일부 동안 불필요하게 압축되므로, 배기 가스들의 불충분한 배출은 또한 엔진(100)의 효율을 감소시킨다. 따라서, 개선된 배기 밸브 타이밍에 관련된 특징을 갖는 엔진, 엔진 구성요소들, 및 관련된 방법들에 대한 요구가 있다.
여기서 개시된 엔진들, 엔진 구성요소들, 및 관련된 방법들은 일반적으로 공기 및/또는 연료의 새로운 차지가 팽창 실린더로 공급되는 교차 팽창 밸브를 개방시키기 전에 배기 가스들 및 다른 연소 부산물들이 상기 팽창 실린더로부터 배출되는 배기 밸브를 폐쇄시키는 단계를 포함한다. 상기 배기 밸브는, 상기 교차 팽창 밸브의 개방 이전에 충분한 마진을 갖고, 내부-개방 배기 밸브의 경우에, 밸브-피스톤 접촉이 일어나기 전에, 연소 이후에 가능한 한 늦게 닫히는 게 바람직하다. 바람직하게는, 상기 배기 밸브는 상기 교차 팽창 밸브가 개방되기 전 약 0 CA 각도 내지 약 15 CA 각도에서 닫힌다. 더욱 바람직하게는, 상기 배기 밸브는 상기 교차 팽창 밸브가 개방되기 전 약 3 CA 각도 내지 약 10 CA 각도에서 닫힌다. 더욱더 바람직하게는, 상기 배기 밸브는 상기 교차 팽창 밸브가 개방되기 전 약 3 CA 각도 내지 약 5 CA 각도에서 닫힌다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 일 측면에 있어서, 엔진은 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, 및 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 피스톤을 포함한다. 상기 엔진은 또한, 상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 내부에 배치된 적어도 교차 팽창 밸브를 구비하는 교차 통로, 및 상기 팽창 실린더로부터 배기 가스들을 배출시킬 수 있는 배기 밸브를 포함한다. 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 0 CA 각도 및 약 15 CA 각도 사이에서 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 10 CA 각도 사이에서 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 5 CA 각도 사이에서 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 4 CA 각도에서 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 교차 통로 및 상기 팽창 실린더 사이의 유체 흐름을 제어한다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 외부-개방형이다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 배기 밸브는 내부-개방형이다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 배기 밸브는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 폐쇄된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달한 후에 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 또 다른 측면에 있어서, 스플릿-사이클 엔진의 작동 방법은 배기 행정 동안 스플릿-사이클 엔진의 배기 밸브를 개방하여 배기 가스들을 상기 배기 밸브를 통하여 상기 엔진의 팽창 실린더로부터 배출시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 배기 행정 동안 상기 팽창 실린더 내에 배치된 팽창 피스톤의 자신의 상사점에 도달하기 전에 상기 배기 밸브를 폐쇄시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 배기 밸브를 폐쇄시킨 후 약 0 CA 각도 및 약 15 CA 각도 사이에서 상기 엔진의 교차 팽창 밸브를 개방시켜 공기가 상기 엔진의 교차 통로부터 상기 교차 통로를 통해, 상기 팽창 실린더 내부로 흐르도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 10 CA 각도 사이에서 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 5 CA 각도 사이에서 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 4 CA 각도에서 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 외부-개방형이다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 배기 밸브는 내부-개방형이다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 개방된다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 측면들에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달한 후에 개방된다.
본 발명은 또한 특허 청구 범위에 기재된 바와 같은 장치들, 시스템들, 및 방법들을 제공한다.
본 발명의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 종래의 스플릿-사이클 공기 하이브리드 엔진을 나타내는 단면도이다.
도 2는 개선된 배기 밸브 타이밍을 갖는 본 발명에 따른 공기 하이브리드 스플릿-사이클 엔진의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3a는 팽창 행정 동안 도 2의 스플릿-사이클 엔진의 팽창 측부를 나타내는 도면이다.
도 3b는 배기 행정 동안 도 2의 스플릿-사이클 엔진의 팽창 측부를 나타내는 도면이다.
도 3c는 도 3b에 도시된 시점 이후의 배기 행정 동안 도 2의 스플릿-사이클 엔진의 팽창 측부를 나타내는 도면이다.
도 3d는 도 3c에 도시된 시점 이후의 배기 행정 동안 도 2의 스플릿-사이클 엔진의 팽창 측부를 나타내는 도면이다.
도 3e는 도 3d에 도시된 이후의 시점에서의 배기 행정 동안 도 2의 스플릿-사이클 엔진의 팽창 측부를 나타내는 도면이다.
도 4a는 개선된 배기 밸브 타이밍을 갖는 스플릿-사이클 엔진의 일 실시예에 따른 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍들을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 도 4a의 스플릿-사이클 엔진의 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍들을 나타내는 그래프이다.
도 4c는 도 4a 및 도 4b의 스플릿-사이클 엔진의 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍들을 나타내는 그래프이다.
본 출원은 2010년 9월 29일에 출원된 미국 가특허출원 제61/404,239호의 우선권의 이익을 주장하며, 이의 전체 내용들은 본 출원에서 참조로서 병합된다.
예시적인 실시예들을 설명하여 여기서 개시된 구조물, 기능, 제조물의 원리들, 그리고 방법들, 시스템들, 및 장치들의 사용에 대한 전반적인 이해를 제공한다. 이러한 실시예들 중 하나 또는 그 이상의 실시예들이 첨부된 도면들에 도시되어 있다. 당업자들은 여기서 상세히 설명되고 첨부된 도면들에 도시된 방법들, 시스템들, 그리고 장치들은 비한정적이고 예시적인 실시예들이고 본 발명의 영역은 청구항들에 의해서만 정의됨을 이해할 수 있을 것이다. 하나 또는 그 이상의 예시적인 실시예들과 관련하여 도시되거나 설명되는 특징들은 다른 실시예들의 특징들과 결합될 수 있다. 이러한 수정 및 변경들은 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에 존재한다.
"공기(air)"라는 용어는 여기서 공기 및 공기의 혼합물들 그리고 연료나 배기 부산물들과 같은 다른 물질들 모두를 나타낸다. "유체(fluid)"라는 용어는 여기서 액체들 및 가스들을 나타낸다. 특정 도면에서 도시된 구성요소들이 또 다른 도면에서 도시된 구성요소들과 동일하거나 유사할 경우 동일한 참조부호들로 나타낸다.
이러한 목적들을 위하여, 밸브 개방 동작(valve opening event)은 상기 밸브가 상기 밸브 개방 영역을 통해 무시하지 못할 만큼의 흐름을 허용하기에 충분한 만큼 개방된 지점이다. 최초 밸브 운동 및 이에 따른 상기 밸브 개방을 통한 유체 흐름의 시작은 매우 점진적이기 때문에, 밸브 리프트가 잠재적인 최대 피크 밸브 리프트의 5-7%까지 증가할 때의 크랭크 각도가 밸브 개방을 위한 기준 크랭크 각도로 이용된다.
또한 이러한 목적들을 위하여, 밸브 폐쇄 동작(valve closing event)은 상기 밸브가 상기 밸브 개방 영역을 통해 무시하지 못한 만큼의 흐름을 중지시키기에 충분한 만큼 폐쇄된 지점이다. 최종 밸브 운동 및 이에 따른 밸브 개방을 통한 유체 흐름의 중단은 매우 점진적이기 때문에, 밸브 리프트가 잠재적인 최대 피크 밸브 리프트의 5-7%까지 감소할 때의 크랭크 각도가 밸브 폐쇄를 위한 기준 크랭크 각도로 이용된다.
이에 따라, 밸브가 자신의 시트로부터 떨어져서 피크 리프트의 5-7%까지 이동했을 때 기준 목적들을 위해 "개방된 상태(opened)"가 되고, 밸브가 자신의 시트를 향하여 피크 리프트의 5-7% 이내로 이동했을 때 기준 목적들을 위해 "폐쇄된 상태(closed)"가 된다. 기준 밸브 리프트 수는 단순화를 위하여 밀리미터의 소수점 이하 첫 번째 자리로 반올림되도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 3~4mm의 잠재적인 최대 피크 밸브 리프트(교차 밸브들과 같이)에서, 0.2mm가 밸브 개방 및 폐쇄 크랭크 각도들을 위한 기준 리프트로 선택될 수 있다. 유사하게, 8-10mm의 잠재적인 최대 피크 밸브 리프트들(흡입 및 배기 밸브들과 같이)에서, 0.5mm가 밸브 개방 및 폐쇄 크랭크 각도들을 위한 기준 리프트로 선택될 수 있다.
여기서 개시된 엔진들, 엔진 구성요소들, 및 관련된 방법들은 일반적으로 공기 및/또는 연료의 새로운 차지(fresh charge)가 팽창 실린더로 공급되는 교차 팽창 밸브를 개방하기 전에 배기 가스들 및 다른 연소 부산물들이 상기 팽창 실린더로부터 배출되는 배기 밸브를 폐쇄시키는 단계를 포함한다. 상기 배기 밸브는, 상기 교차 팽창 밸브의 개방 이전에 충분한 마진을 갖고, 내부-개방 배기 밸브의 경우에, 밸브-피스톤 접촉이 일어나기 전에, 연소 이후에 가능한 한 늦게 닫히는 게 바람직하다. 바람직하게는, 상기 배기 밸브는 상기 교차 팽창 밸브가 개방되기 전 약 0 CA 각도 내지 약 15 CA 각도에서 닫힌다. 더욱 바람직하게는, 상기 배기 밸브는 상기 교차 팽창 밸브가 개방되기 전 약 3 CA 각도 내지 약 10 CA 각도에서 닫힌다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 배기 밸브는 상기 교차 팽창 밸브가 개방되기 전 약 3 CA 각도 내지 약 5 CA 각도에서 닫힌다.
가능한 늦게 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 것은 상기 배기 행정 동안 상기 팽창 실린더로부터 배출되는 뜨거운 배기 가스의 양을 최대화시킨다. 이로 인해 상기 팽창 실린더 내에 잔류하는 열이 새롭게 들어오는 연료 차지의 조기-점화를 유발시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 배기 밸브가 너무 빨리 폐쇄된다면, 상기 팽창 피스톤은 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후에 상기 팽창 실린더에 남아있는 가스들에 대하여 효율을 빼앗는 압축 워크(efficiency-robbing compression work)를 수행하여야 한다. 더욱이, 가능한 늦게 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 것은 상기 교차 팽창 밸브가 순차적으로 개방될 때 상기 교차 통로 및 상기 팽창 실린더 사이에 압력 차이를 최대화할 수 있다.
상기 배기 행정 동안 가능한 늦게 상기 배기 밸브를 닫는 것이 일반적으로 바람직한 반면, 상기 교차 팽창 밸브를 개방하기 전에 상기 배기 밸브를 닫는 것 또한 바람직하다. 이로 인해 상기 팽창 실린더로 들어오는 새로운 공기 및/또는 연료 차지가 상기 배기 밸브를 통해 빠져나가는 "블로 스루(blow through)"를 방지한다. 블로 스루는 기생 압력 손실들을 유발시켜, 엔진의 전체 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 블로 스루는 상기 배기 시스템으로 들어오는 연소되지 않은 연료를 초래하여, 배출을 악화시키고 연료 경제를 감소시킬 수 있다. 내부-개방 배기 밸브들의 경우에 있어서, 상기 배기 밸브는 또한 피스톤-밸브 접촉이 일어나기 전에 닫혀야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 공기 하이브리드 스플릿-사이클 엔진(200)의 일 실시예를 나타낸다. 엔진(200)의 구조 및 동작에 대한 상세한 설명은 여기서 생략하기로 하고, 엔진(200)의 구조 및 동작은 후술하는 바를 제외하고는 도 1의 엔진(100)과 유사함을 이해할 수 있을 것이다. 도 2의 엔진(200)은 특히 상기 교차 팽창 밸브, 및 배기 밸브 개방 및 폐쇄 동작들의 타이밍에 관하여 도 1의 엔진(100)과 다르다.
엔진(200)은 왕복 가능하도록 배치된 압축 피스톤(210)을 갖는 압축 실린더(202) 및 왕복 가능하도록 배치된 팽창 피스톤(220)을 갖는 팽창 실린더(204)를 포함한다. 실린더들(202, 204)의 상부 단부들은 실린더 헤드(230)에 의해 폐쇄된다. 흡입 행정 동안, 흡입 공기는 흡입 밸브(208)를 통해 압축 실린더(202) 내부로 흡입된다. 상기 압축 행정 동안, 압축 피스톤(210)은 상기 공기 차지를 가압하고, 팽창 실린더(204)의 흡입 통로의 역할을 하는 교차 통로(212)를 통해 상기 공기 차지를 추진시킨다. 엔진(200)은 하나 또는 그 이상의 교차 통로들(212)을 가질 수 있다. 교차 통로(212) 입구에 외부-개방 교차 압축 밸브(214)가 사용되어 압축 실린더(216)로부터 교차 통로(212) 내부로의 흐름을 제어한다. 교차 통로(212) 출구에 외부-개방 교차 팽창 밸브(216)가 사용되어 상기 교차 통로(212)로부터 팽창 실린더(204) 내부로의 흐름을 제어한다.
적어도 하나의 연료 주입기(218)는 교차 통로(212)의 출구 단부에서 상기 가압된 공기 내부로 및/또는 팽창 실린더(204) 내부로 직접 연료를 주입한다. 팽창 피스톤(220)이 자신의 상사점 위치로부터 하강을 시작할 때, 하나 또는 그 이상의 스파크 플러그들(222)은 점화되어 연소를 시작하여, 파워 행정에서 팽창 피스톤(220)을 하방으로 추진시킨다. 배기 가스들은 배기 행정 동안 배기 밸브(224)를 통해 팽창 실린더(204)로부터 펌핑하여 배출된다. 엔진(200)은 바람직하게는 공기 탱크(242)를 포함할 수 있고, 상술한 공기 하이브리드 모드들로 작동할 수 있다.
도시된 교차 팽창 밸브(216)는 외부-개방형이고, 도시된 배기 밸브(224)는 내부-개방형인 반면, 어떤 타입의 밸브라도 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 예를 들면, 모든 밸브들은 내부-개방형일 수 있거나, 모든 밸브들은 외부-개방형일 수 있거나, 교차 팽창 밸브(216)가 내부-개방형이고 배기 밸브(224)가 외부-개방형일 수 있다. 하나 또는 모든 교차 팽창 밸브(216) 및 배기 밸브(224)는 가변 밸브 구동 시스템에 의해 구동되어 각 밸브의 개방 타이밍, 개방 속도, 폐쇄 타이밍, 및/또는 폐쇄 속도가 조정될 수 있다. 예시적인 가변 밸브 구동 시스템들은 2011년 1월 27에 출원되고 "Lost-Motion Variable Valve Actuation System with Cam Phaser"이라는 발명의 명칭을 가지고 있는 미국 가특허출원 제61/436,735호에 개시되어 있으며, 이의 전체 내용들은 본 출원에서 참조로서 병합된다.
도 3a 내지 도 3e는 순차적으로 일어나는 팽창 행정 및 배기 행정 동안 다양한 지점에서 엔진(200)의 팽창 측부를 나타낸다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 교차 팽창 밸브(216) 및 교차 배기 밸브(224) 모두는 팽창 행정 동안 닫혀져 팽창 실린더(204)는 실질적으로 밀폐된 연소 챔버(232)를 정의하고 연소의 힘은 팽창 피스톤(220)을 도시된 화살표 방향으로 아래로 추진시킨다. 팽창 피스톤(220)이 자신의 하사점 위치에 도달했을 때, 팽창 피스톤(204)은 뜨거운 배기 가스들 및 다른 연소 부산물들로 채워진다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 팽창 피스톤(220)이 자신의 하사점 위치에 도달하는 시점 또는 그 근처에서, 배기 밸브(224)는 개방되고 교차 팽창 밸브(216)는 닫혀진 채로 유지되고 팽창 피스톤(220)은 배기 행정에서 상승하기 시작한다. 배기 행정 동안, 상기 연소 동안 발생한 뜨거운 가스들은 상승하는 피스톤(220)에 의해 개방된 배기 밸브(224)를 통해 팽창 실린더(204)로부터 배출된다. 또한 배기 밸브(224)는 더욱 빨리, 예를 들면, 팽창 피스톤(220)이 자신의 하사점에 도달하기 전 약 60 CA 각도에서 개방될 수 있다.
엔진(200)은 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점 위치에 있을 때 팽창 피스톤(220) 및 실린더 헤드(230)의 점화 데크(firing deck) 사이에 매우 낮은 클리어런스 공간을 가지고 있다. 이러한 낮은 클러어런스 공간은 교차 통로(212)로부터 팽창 실린더(204)로 들어오는 공기 및/또는 연료의 효과적인 팽창 비율을 최대화하여, 엔진(200)의 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이러한 작은 클리어런스 공간 때문에, 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍들이 주위 깊게 선택되어 팽창 피스톤(220) 및 내부-개방 배기 밸브(224) 사이의 접촉을 피하여야 한다.
따라서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(224)는 상승하는 팽창 피스톤(220)이 상기 밸브 헤드와 접촉하기 바로 전에 폐쇄되기 시작한다. 바람직하게는, 배기 밸브(224) 폐쇄 동작의 시작은 접촉이 이루어지기 바로 전에 일어나서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 올라오는 팽창 피스톤(220)이 올라가는 배기 밸브(224)를 "쫓아가도록(chase)" 한다. 바꾸어 말하면, 배기 밸브(224)는 팽창 실린더(204)로부터 배출되는 배기 가스의 양을 최대화하도록 가능한 오랫동안 개방된 상태로 유지된다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(224)가 닫히면, 짧은 지체 후에, 교차 팽창 밸브(216)가 개방되어 이후의 팽창 행정을 위해 팽창 실린더(204)로 공기 및/또는 연료의 새로운 차지를 공급한다.
바람직하게는, 배기 밸브(224)는 교차 팽창 밸브(216)가 개방되기 전 약 0 CA 각도 내지 약 15 CA 각도에서 닫힌다. 더욱 바람직하게는, 배기 밸브(224)는 교차 팽창 밸브(216)가 개방되기 전 약 3 CA 각도 내지 약 10 CA 각도에서 닫힌다. 더욱더 바람직하게는, 배기 밸브(224)는 교차 팽창 밸브(216)가 개방되기 전 약 3 CA 각도 내지 약 5 CA 각도에서 닫힌다. 일 실시예에 있어서, 배기 밸브(224)는 교차 팽창 밸브(216)가 개방되기 전 약 4 CA 각도에서 닫힌다.
도시된 실시예에 있어서, 팽창 밸브(216)가 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 배기 밸브(224)가 닫히고 교차 팽창 밸브(216)가 개방된다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 교차 팽창 밸브(216)는 팽창 피스톤(220)이 자신의 상사점 위치에 도달한 직후에 개방될 수 있다.
엔진(200)에 있어서, 배기 밸브(224)는 가능한 늦게 닫힌다(예를 들면, 상기 배기 밸브 및 상기 팽창 피스톤의 접촉이 일어나기 바로 전에, 팽창 피스톤(220)의 상사점에 가능한 가까워질 때). 배기 밸브(224) 폐쇄가 시작되면, 배기 밸브(224)가 가능한 빠르게 닫힌다. 이어서, 교차 팽창 밸브(216)가 배기 밸브(224) 폐쇄로부터 약 15 CA 각도 이내에서 개방된다. 이러한 밸브 타이밍 관계는 엔진 효율을 개선시킴과 동시에, 조기-점화, 피스톤-밸브 접촉, 및 블로 스루를 회피할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 개선된 배기 밸브 타이밍을 갖는 스플릿-사이클 엔진의 일 실시예에 따른 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍들을 그래프로 나타낸다. 도 4a에 있어서, 밸브 리프트가 엔진의 동작 사이클의 420 CA 각도 부분에 걸쳐 팽창 피스톤의 상사점 이후의 크랭크 각도(crank angle degrees after top dead center of the expansion piston) "deg ATDC-e"의 함수로 표시된다. 도 4b 및 도 4c에 있어서, 상기 엔진 내부의 네 개의 위치들(압축기 실린더, XovrC 밸브 출구, XovrE 밸브 입구, 및 팽창기 실린더)에서 관찰된 압력은 엔진의 동작 사이클의 90 CA 각도 부분에 걸쳐 deg ATDC-e의 함수로 표시된다. 도 4b 및 도 4c에서 표시된 수직 점선들은 점화가 일어나는 타이밍 및 다양한 엔진 밸브들이 개방되고 폐쇄되는 타이밍을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 배기 밸브는 약 -11 deg ATDC-e에서 폐쇄된다. 상기 교차 팽창 밸브는 약 -7 deg ATDC-e에서 개방된다. 따라서, 도시된 실시예에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 4 CA 각도에서 개방된다.
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 (18)

  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;
    상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 내부에 배치된 적어도 교차 팽창 밸브를 구비하는 교차 통로; 및
    상기 팽창 실린더로부터 배기 가스들을 배출시킬 수 있는 배기 밸브를 포함하고,
    상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 0 CA 각도 및 약 15 CA 각도 사이에서 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 10 CA 각도 사이에서 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 5 CA 각도 사이에서 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 4 CA 각도에서 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 교차 통로 및 상기 팽창 실린더 사이의 유체 흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 외부-개방형인 것을 특징으로 하는 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 밸브는 내부-개방형인 것을 특징으로 하는 엔진.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 밸브는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달한 후에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  11. 배기 행정 동안 스플릿-사이클 엔진의 배기 밸브를 개방하여 배기 가스들을 상기 배기 밸브를 통하여 상기 엔진의 팽창 실린더로부터 배출시키는 단계;
    상기 배기 행정 동안 상기 팽창 실린더 내에 배치된 팽창 피스톤의 자신의 상사점에 도달하기 전에 상기 배기 밸브를 폐쇄시키는 단계; 및
    상기 배기 밸브를 폐쇄시킨 후 약 0 CA 각도 및 약 15 CA 각도 사이에서 상기 엔진의 교차 팽창 밸브를 개방시켜 공기가 상기 엔진의 교차 통로부터 상기 교차 통로를 통해, 상기 팽창 실린더 내부로 흐르도록 하는 단계를 포함하는 스플릿-사이클 엔진의 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 10 CA 각도 사이에서 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 3 CA 각도 및 약 5 CA 각도 사이에서 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 배기 밸브가 폐쇄된 후 약 4 CA 각도에서 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 외부-개방형인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 배기 밸브는 내부-개방형인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 교차 팽창 밸브는 상기 팽창 피스톤의 자신의 상사점 위치에 도달한 후에 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
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