KR20140024390A - 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진 - Google Patents

분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진 Download PDF

Info

Publication number
KR20140024390A
KR20140024390A KR1020137030578A KR20137030578A KR20140024390A KR 20140024390 A KR20140024390 A KR 20140024390A KR 1020137030578 A KR1020137030578 A KR 1020137030578A KR 20137030578 A KR20137030578 A KR 20137030578A KR 20140024390 A KR20140024390 A KR 20140024390A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
compression
cylinder
chamber
stroke
engine
Prior art date
Application number
KR1020137030578A
Other languages
English (en)
Inventor
지반 조티 미스트리
Original Assignee
세드, 챈단, 쿠마
지반 조티 미스트리
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 세드, 챈단, 쿠마, 지반 조티 미스트리 filed Critical 세드, 챈단, 쿠마
Publication of KR20140024390A publication Critical patent/KR20140024390A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • 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
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
    • F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
    • F02B33/22—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps with pumping cylinder situated at side of working cylinder, e.g. the cylinders being parallel
    • 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
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/04—Mechanical drives; Variable-gear-ratio drives
    • 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
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • 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
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/041—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of cylinder or cylinderhead positioning
    • F02B75/042—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of cylinder or cylinderhead positioning the cylinderhead comprising a counter-piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/022—Chain drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F01L2001/34423—Details relating to the hydraulic feeding circuit
    • F01L2001/34426—Oil control valves

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 4행정 엔진사이클 중의 흡기행정과 압축행정을 실행할 수 있는 압축실(11)을 갖는 적어도 하나의 압축부(101); 4행정 엔진사이클 중의 팽창행정과 배기행정을 실행할 수 있는 팽창실(31)을 갖는 적어도 하나의 동력부(102); 팽창실(31)의 용적과 형상을 변화시키는 팽창실 용적변환기(92); 압축부(101)의 압축실(11)에서 동력부(102)의 팽창실(31)로 압축기체를 운반하기 위한 교차 기체통로(90); 압축부(101)와 동력부(102) 사이의 위상관계를 변화시키는 위상변환기(103); 및 각종 액튜에이터와 모터에 제어 멍령어들을 제공하는 전자식 컨트롤러(25)를 포함하는 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진에 관한 것이다.

Description

분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진{SPLIT CYCLE PHASE VARIABLE RECIPROCATING PISTON SPARK IGNITION ENGINE}
본 발명은 4행정 내연기관에 관한 것으로, 구체적으로는 한쪽 피스톤-크랭크축 어셈블리는 흡기와 압축행정에 사용되고 나머지 피스톤-크랭크축 어셈블리는 팽창과 배기행정에 사용되는 적어도 한쌍의 피스톤-크랭크축 어셈블리를 갖춘 4행정 분할주기 불꽃점화 왕복 피스톤엔진에 관한 것인데, 양쪽 피스톤-크랭크축 어셈블리의 크랭크축들은 피스톤-크랭크축 어셈블리들 사이의 위상관계에 다양성을 주는 위산변환기에 의해 서로 기능적으로 연결된다.
전통적인 4행정 기관은 하나 싱의 실린더 각각이 모두 열역학의 4행정(흡기, 압축, 연소, 배기)을 겪는다. 이런 기본 구성은 현재 자동차에도 여전히 사용되고 있는데, 이는 구성이 간단하고 동력을 내는 효율로 자동차를 움직이기 때문이다. 그러나, 현대에는 점점 고갈되는 석유자원과 범지구적으로 놀라울정도로 증가하는 CO2로 인해 기존의 에너지변환 기술들을 환경친화적이고 연료효율적인 내연기관이 필요하게 되었다. 불꽃점화(SI; spark ignition) 엔진의 설계에는 많은 제한이 있는데, 구체적으로는 열역학적 효율이 전반적으로 빈약한데, 특히 정기적인 자동차 운전조건에서 그렇다. SI 엔진부하 제어가 기본적으로는 연소혼합물의 유입시의 정량제어에 의해 이루어지므로, SI 엔진에서의 규칙적인 구동조건이나 저부하조건은 아래와 같은 각종 문제를 겪는다: 1) 잔류 연소기체에 의한 심각한 충전 약화와 유입유체온도의 상승, 유입온도가 높으면 작동유체의 압축능력이 제한됨, 2) 낮은 초기압력과 높은 연소실 압력, 3) 연소실에서의 느린 불꽃 전파, 4) 불완전연소 및 5) 펌핑 손실.
내연기관의 기본 요소들인 엔진블록, 실린더헤드, 실린더, 피스톤, 밸브, 캠축, 크랭크축 등은 은 당업계에 잘 알려져 있다. 실린더, 실린더헤드 및 피스톤의 윗면은 작업실을 형성하고, 이 안으로 연료와 공기가 유입되어 연소가 일어난다. 작업실의 용적은 피스톤의 전후방 운동에 의해 팽창과 수축을 반복한다. 4행정 엔진에서는 단일 피스톤의 4가지 행정에서의 연소과정에서 동력이 복구된다. 피스톤은 커넥팅로드에 의해 크랭크축에 연결되고, 피스톤의 전후진 이동이 크랭크축의 회전운동으로 변환된다. 1 행정은 피스톤의 상사점(TDC; top dead center) 위치에서 하사점(BDC; bottom dead center) 위치로의 완벽한 이동으로 정의된다. 행정을 흡기행정, 압축행정, 연소(팽창) 행정 및 배기행정으로 구분하기도 한다. 팽창행정만이 자동차를 움직이는 동력전달행정이다. 나머지 행정들은 동력소비행정이다. 피스톤이 상사점에 이르면, 내부 체적이 최소값으로 수축하고, 피스톤이 하사점에서는 내부 체적이 최대값으로 팽창한다. 최소 내부 체적을 간극용적이라고도 한다. 최대, 최소 내부 용적비를 엔진의 압축비라 하고, 종래의 엔진에는 이 값이 고정된다. SI 엔진의 효율은 기본적으로 압축비에 의하고, 압축비가 높을수록 엔진의 열역학적 효율도 높아진다. 압축비가 높을수록 연소실 압력과 온도도 높아져, 열이 일로 변환되는 비율도 높아진다. 그러나, 일정 한계점을 넘으면, 압축비가 노킹을 일으키고, 이는 엔진에 치명적이다. 노킹은 SI 연소실내에서의 연소로 인한 높은 압력파를 말하고, 이런 현상은 초기 연소실 온도, 압력 및 작동용적의 압축비에 크게 좌우된다. 따라서, SI 엔진의 압축비는 이런 노킹점을 고려해 결정된다.
SI 엔진의 부하제어는 연료-공기 혼합량에 의한다. 따라서, 일반 구동조건에서, SI 엔진 실린더들은 최적량이 아닌 공기-연료 혼합물의 일부만으로 충전된다. 연료-공기 혼합물의 정량제어는 흡기통로의 스로틀링으로 이루어져, 즉 흡기통로의 압력을 대기압부도 상당히 낮게 하고, 피스톤은 흡기행정에서 추가적인 일을 해야만 하며, 이를 펌핑손실이라 한다. 그 결과, 초기 및 최종 연소실 압력이 크게 강하되어, 열역학적 사이클 효율에 영향을 준다. 모든 열역학적 사이클의 끝에서, 거의 일정량의 연소 기체 잔류물이 실린더의 간극용적에 잔류하고, 그 다음 사이클에서 이런 불활성 잔류기체는 신선한 흡기기체와 혼합하여 희석시킨다. 보통 운전조건에서, 이런 잔류기체의 비율은 과부하 운전조건에서보다 크게 높아, 충전물이 크게 희석되고, 이는 작업유체의 연소속도를 낮추어, 연소품질을 저하시킨다. 이런 희석은 연소불량율도 높이고 결국 연료소비를 높인다.
종래의 SI 엔진은 연료와 공기의 혼합물을 흡입압축한다. 연료-공기 혼합물의 비열(γ) 비는 공기의 비열비보다 크게 작다. 내연기관 열역학의 전문가라면, 비열비가 높은 작동유체일수록 사이클 효율이 높다는 것을 알 것이다. 이것이 압축점화(CI; compression ignition) 엔진이 불꽃점화엔진(SI)보다 효율이 높은 이유이다. GDI(gasoline direct injection) 기술을 이용한 현대 엔진 제작업자들중의 일부는 흡기유체로서 공기만을 사용하고 공기는 나중의 압축단계에서 주입한다. GDI 기술에서 이용하는 층상급기법에서는 점화플러그 부근은 연료를 풍족하게 배치하고 나머지 지역에는 연료를 부족하게 배치하되, 전반적으로 연료가 부족한 혼합물을 유지한다. 이 연료혼합물의 특정 열의 비율은 화학정량적 혼합물보다 높아, 열역학적 효율이 높다. 또, 정상적인 운전조건에서 GDI는 스로틀링의 필요성을 줄이고, 이때문에 펌핑손실도 줄인다. 그러나, 연료부족 연소는 TWC(three-way catalytic converter)의 성능을 악화시킨다. GDI는 고가의 연료인젝터와 정밀한 제어장치를 필요로 하기도 한다.
불꽃점화 내연기관은 일반적으로 실린더 압력과 온도가 압축과정의 끝에서 최대 허용한계에 가까울 때 가장 효율적이라고 알려졌다. 종래의 불꽃점화엔진에서, 이런 조건은 흡기매니폴드의 스로틀밸브가 완전히 열려 가능한 최대의 공기나 연료-공기 혼합물이 흡기과정중에 실린더 안으로 들어가고, 그 다음 압축과정에서는 엔진의 설계상 고정된 최소 체적으로 압축되게 할 때만 이루어질 수 있다. 완전히 개방된 스로틀 상태에서, 흡기 매니폴드 압력은 거의 대기압과 같은 1기압이다. 전체 운전사이클의 90% 이상을 차지하는 일반적인 운전조건 동안, 흡기 매니폴드 압력은 약 0.5기압 이하로 유지되어, 구동축에 상당한 인력을 일으키고, 이런 현상을 보통 "펌핑손실:'이라 하며, 엔진 효율에 악영향을 준다. 스로틀링은 압축과정의 끝에서 연소실의 압력과 온도를 낮추고 충전물의 희석을 일으킨다. 따라서, 연소속도를 낮추고, 엔진은 불안정한 연소를 하며, 이는 효율을 낮추고 유해한 배기물의 증가를 가져온다.
일반적으로, 휘발유 엔진이 달린 중형차는 평지를 주행할 때는 겨우 효율이 20% 정도이고 이런 중형차의 최고 효율은 33% 정도이다. 즉, 정상주행중에 엔진의 SFC(specific fuel consumption)은 400 g/kWh이고, 과부하 상태에서는 같은 엔진의 SFC가 255 g/kWh에 이를 수 있다. 이에 대해서는 Oil & Gas Science and Technology 2003년판 58권 117~118 페이지에 실린 G. Monnier의 "Downsizing of Gasoline Engine: an Efficient Way to Reduce CO2 Emissions"을 참고하면 된다. 엔진 작동조건이 시내주행과 같은 주행모드 밑으로 가면, 효율이 크게 떨어진다. 이를 고려해, 엔진을 너무 축소하여 시내주행동안 과부하 상태로 운전하면, 가속은 물론 급경사 도로를 오르지 못할 수도 있다.
과거 수십년간 흥미로운 몇가지 아이디어, 예컨대 Variable Displacement Technology, Variable Compression Ration Technology, Variable Valve Technology, Engine Downsizing and Pressure Boosting, Stratified Charging of Fuel, Controlled Auto Ignition, Load Dependant Octane Enhancement of Fuel 기법이 SI 엔진의 효율을 높이는데 도입되었고, 이런 기법들의 여러가지 조합을 하나의 엔진에 적용하는 실험도 이루어져 왔다.
왕복피스톤 불꽃점화엔진에서, 엔진의 가변용적은 실린더의 정지법으로 이루어지는데, 부분부하 동작중에 멀티실린더 엔진의 몇개 실린더들을 선택적으로 정지시켜 동력을 일으키지 않도록 함으로써 엔진의 활동용량을 줄인다. 따라서, 활동하는 실린더만 연료를 소비하고 전체실린더 작동상태보다 과부하로 동작하므로, 엔진의 연료효율이 높다. 정지된 실린더 수는 엔진부하에 맞게 선택되고, 이를 "필요변위(Dod: displacement on demand)"라 한다. 활동 및 정지 실린더 모두의 피스톤들은 일반적으로 공통의 크랭크축에 연결되므로, 정지된 피스톤들도 각각의 실린더에서 왕복운동을 계속하고, 이때문에 불필요함 마찰이 생긴다. 정지된 실린더의 밸브들은 특별한 제어를 요하는데, 이때문에 더 복잡해진다. 또, 실린더의 정지와 재작동이 단계적으로 일어나고, 이때문에 단계적인 변화를 원활하게 하는 측정이 더 필요하다. 가변변위 엔진의 불균형한 냉각과 진동을 관리하는 것도 문제이다. 대부분의 경우, 실린더의 정지는 비교적 큰 변위 엔진에 적용되고, 이는 가벼운 부하에는 특히 비효율적이다. 현대의 전자식 엔진제어장치는 스로틀밸브, 점화타이밍, 흡배기 밸브등의 각종 요소들을 전자적으로 제어하여, 각 단계의 변화를 원활하게 이루도록 한다. 전자식 스로특 제어법의 일례가 미국특허 6619267에 소개되었는데, 여기서는 변위단계들을 관리하는데 흡기량 제어를 이용한다. 왕복피스톤과 로터리 IC 엔진의 가변변위 시스템을 소개한 미국특허 6640543에는 작동효율을 높이는데 터보차저를 이용한다.
가변변위 엔진과 마찬가지로, 가변압축비(VCR; variable compression ratio) 기술도 엄격한 배기조건과 연료효율조건을 만족하기위해 엔진 다운사이징, 터보차징이나 수퍼차징, 가변밸브 기술, 연료의 부하대응 옥탄 보강 등의 각종 관련 변화를 요한다. 기본 VCR 아이디어는 연료흡입량의 일부를 소비했을 때의 부분 부하작동조건하에서나 전 연료를 소비했을 때의 과부하 조건에서 높은 압축비로 엔진을 작동시키는데 있다. 이렇게 하면 압축 끝에서의 실린더 압력과 온도가 넓은 부하조건들을 통해 개선되어, 연료효율을 높일 수 있다. VCR 기술만이 부분부하 펌핑손실을 피할 수 없으므로, 이 기술은 VVT(variable valve technology)의 보조를 요한다. VVT는 SI 엔진에 언스로틀 흡입의 장점을 제공하는데, 여기서는 부분부하에서 흡기 기체량이 흡기밸브를 미리 닫아 과잉 흡입을 정지시켜 제어하거나 흡입밸브를 늦게 닫아 과잉 흡입기체를 흡기 매니폴드로 되돌린다. 그러나, VCR 기술 자체는 설계와 제조가 아주 복잡하다. 이에 대해서는 SAE Technical Paper No. 2003-01-0398호의 Martyn Roberts의 "Benefits and Challenges of Variable Compression Ratio (VCR)"을 참조하면 된다.
SI 엔진의 과팽창 사이클은 열효율에 상당한 도움을 준다. 이트킨슨 사이클과 밀러 사이클 효율은 이런 과팽창 사이클 원리로 이루어지는데, 이에 대해서는 International Journal of Automotive Technology, Vol. 2, No. 1 pp.1-7(2001)의 "Effect of over-expansion cycle in a spark-ignition engine using late-closing of intake valve and its thermodynamic consideration of the mechanism"을 참조하면 된다. 과팽창 사이클은 종래의 엔진사이클보다 상당한 장점을 갖는데, 특히 가변압축비와 가변밸브 기술에 적용했을 때 그렇다. 그러나, 실제 엔진에 적용하기에는 아직 너무 어렵다.
기조의 여러 엔진들이 엔진효율을 높이는 시도를 하도록 설계되었다. 예컨대 최근에 미국특허 7628126에 소개된 "Split four stroke engine"에서는 엔진에서 회전하는 크랭크축이 있고, 파워 피스톤이 제1 실린더에서 미끄럼 운동하며, 이 실린더가 크랭크축에 연결되어, 피스톤이 크랭크축의 1회전 동안 4 행정 중의 동력행정과 배기행정을 통해 왕복운동한다. 압축피스톤은 제2 실린더 안에 위치하며 크랭크축에 연결되고, 흡기행정과 압축행정 동안 왕복운동한다. 기체통로가 2개의 실린더를 연결한다. 기체통로 안에 흡기밸브와 배기밸브가 있고, 그 사이에 압력실이 있다. 배기밸브는 압축기체를 압력실에서 제1 실린더로 일방향으로 보낸다. 동력피스톤이 상사점에 도달한 뒤 크랭크축이 0도 내지 40도 사이로 회전했을 때 제1 실린더에서 연소가 개시된다.
이런 엔진에서, 압축행정의 끝에서 제1 실린더에서 연소가 일어나고, 동일한 크랭크축에 연결되는 동력 압축 피스톤의 위상관계는 고정된다. 따라서, 점화점에서, 연소실 용적이 모든 부하조건에 대해 고정되고, 풀부하 운전조건을 위해 최적화되어야 한다. 일반 운전조건에서, 엔진이 전체 흡입용량의 일부분을 소비할 때, 팽창실의 초기 온도와 압력은 크게 강하된다. 이 현상은 엔진의 부분부하 성능에 영향을 줄 수밖에 없다.
미국특허 7353786에 소개된 다른 종래의 엔진은 "Split-cycle air hybrid engine"으로서, 이 엔진에서는 부분부하 작동모드에서 전체 압축공기의 일부가 연소에 사용되고, 나머지는 장래의 사용을 위해 저장탱크에 저장된다. 이 엔진의 압축실린더와 동력실린더의 용적 압축비는 80:1 이상으로 아주 높다. 따라서, 압축기체의 일부만 연소에 사용되는 부분부하 모드에서, 점화시의 연소실 형상이 유지되고, 이런 종류의 연소실 형상은 원하는 연소를 하기에는 아주 부적합하다. 또, 저장탱크에 저장된 압축공기의 온도와 압력을 유지하기도 아주 어렵고, 저장된 압축공기의 사용도 아주 어려운데, 이는 압력-온도 인자들이 계속적으로 가변적이기 때문이다.
따라서, 제작이 간단하고 유리한 연소실 상태, 예컨대 압력과 온도와 난류상태와 형상을 모든 운전조건에서 유지할 수 있는 개선된 4행정 불꽃점화 내연기관이 필요하다. 이런 엔진은 과팽창 사이클엔진이어야 하고, 엔진의 열역학적 효율을 향상시키는 과급법을 실행할 수 있어야 한다.
본 발명의 목적은 적어도 한쌍의 피스톤과 실린더와 크랭크축 어셈블리를 갖는 4행정 내연기관에 의해 종래에 비해 열역학적 효율이 크게 높은 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진을 제공하는데 있는데, 이 엔진의 첫번째 어셈블리는 흡기행정과 압축행정망 실행하는 압축부이고, 두번째 어셈블리는 팽창행정과 배기행정을 실행하는 동력부이다. 작동유체로서 압축부는 공기만을 사용하고 공기의 비열비는 종래의 SI 엔진의 압축행정에서 작동유체로 사용되던 연료-공기 혼합물보다 상당히 높다. 따라서, 압축행정의 끝에서 이 엔진은 같은 압축비의 SI 엔진보다 높은 압력실을 달성한다. 압축공기는 교차 기체통로를 통해 동력부로 전달된다. 연료가 기체통로로 분사되고, 이곳에서 공기와 혼합되며, 연료-공기 혼합물은 동력부의 팽창실로 운반되며, 이곳에서 점화플러그에 의해 연소가 시작된다. 종래의 SI 엔진과는 달리, 본 발명의 엔진의 작동실은 잔류기체가 거의 없으므로, 낮은 온도에서도 높은 과급밀도와 초기팽창 압력비를 낼 수 있다. 팽창실 용적변환기를 이용해 팽창실 용적과 형상을 바꿔, 좋은 연소품질과 배기생성물의 완전 배출을 이룰 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 압축부와 동력부의 크랭크축들이 서로 위상변환기에 의해 연결되도록 하고, 위상변환기는 순간적인 부하요구에 반응하여 크랭크축들 사이의 위상관계를 변화시켜, 압축부와 동력부 사이의 위상관계를 가변적으로 함으로써, 모든 부하상태에서 팽창실 환경을 최적으로 유지하도록 하는데 있다. 이런 엔진은 흡입용량의 일부만 작업유체로 사용하는 대부분의 부분부하 운전조건에서 종래의 엔진에 비해 유리하다.
본 발명의 또다른 목적은 펌핑손실을 피하기 위한 언스로틀 흡기시스템을 제공하는데 있다. 저부하 작동상태에서, 흡기실은 전체 공기용량을 흡입할 수 있고, 순간적인 부하조건에 응답해, 측정된 흡기공기량이 흡기밸브를 압축행정동안 일정 시간 개방상태로 유지하여 압축실로부터 흡기통로로 되돌아간다. 흡기밸브를 닫으면 나머지 흡입기체의 유효 압축이 시작된다.
본 발명의 다른 목적은 부분부하 엔진작동모드에서 높은 과팽창 사이클을 실행할 수 있도록 하여, 종래의 엔진보다 훨씬 높은 열역학적 효율을 내는 엔진을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 설계가 복잡하지 않으면서도 종래와 같은 제어방법으로 제어할 수 있는 엔진을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진의 일례의 기본 구성을 보여주는 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 엔진의 부하의 함수로서 압축부와 동력부 사이의 위상관계를 바꿀 수 있는 위상변환기의 개략도;
도 3은 본 발명의 엔진의 멀티실린더의 크랭크축 배열을 보여주는 개략도;
도 4는 본 발명에 다른 엔진의 부하의 함수로서 엔진의 주요 요소들 사이의 변환관계를 보여주는 엔진의 개략도;
도 5는 저부하 엔진작동상태에서 엔진의 기능을 개략적으로 보여주는 도면;
도 6은 과부하 엔진작동상태에서 엔진의 기능을 개략적으로 보여주는 도면.
도 1의 분할주기 위상가변 왕복피스톤 불꽂점화엔진은 4행정 엔진의 흡입행정과 압축행정을 하는 제1 피스톤 실린더(101)와, 팽창행정과 배기행정을 하는 제2 피스톤 실린더(102)를 갖는다. 제1 피스톤 실린더(101)를 이하 압축부(101)라 하고 제2 피스톤 실린더(102)는 동력부(102)라 한다. 압축부(101)의 실린더(10) 안에서 피스톤(20)이 제1 크랭크축(50)으로 결정된 거리를 왕복운동하고, 동력부(102)의 실린더(30) 안에서 피스톤(40)이 제2 크랭크축(60)으로 결정된 거리를 왕복운동한다. 커넥팅로드(21)는 피스톤(20)을 제1 크랭크축(50)에 연결하고, 커넥팅로드941)는 피스톤(40)을 제2 크랭크축(60)에 연결한다. 실린더(10,30)의 상단에 실린더헤드(70)가 연결된다. 실린더(10,30), 실린더헤드(70) 및 피스톤(20,40)는 보통 각각 작동실(11,31)을 구성한다. 작동실(11)을 이하 압축실(11)이라 하고, 작동실(31)을 이하 팽창실(31)이라 한다. 압축부(101)의 크랭크축(50)과 동력부(102)의 크랭크축(60)은 위상변환기(103)에 의해 서로 연결되어 동력부(102)에서 압축부(101)로 동력을 전달하지만, 구체적으로는 크랭크축(50,60) 사이의 위상관계를 바꿔 압축부(101)와 동력부 사이의 위상관계를 바꾼다. 모터(65)를 포함한 위상변환기(103)는 위상관계를 변환시킴은 물론 엔진부하의 변환기능도 한다. 실린더헤드(70)는 흡기구(76), 흡기밸브(71), 압축부(101)의 압축실(11) 가까이의 일방향 체크밸브(72)를 갖춘 교차 기체통로(90)의 일단부와 배기구(86), 배기밸브(81), 동력부의 팽창실 가까이의 송출밸브(82)를 포함한 교차 기체통로(90)의 타단부를 포함한다. 체크밸브(72)와 송출밸브(82)는 기체통로(90)에 의해 서로 연결되어, 압축부(101)의 압축기체를 동력부(102)로 전달한다. 교차 기체통로(90), 체크밸브(72) 및 교차 송출밸브(82)는 그 사이에 압축실을 형성한다. 흡기밸브(71)와 교차 송출밸브(82)는 가변적인 밸브 타이밍 기술을 이용한다는 점에서 유리하다. 교차 기체통로(90)에 연료를 일정량 주입하는 연료인젝터(91)가 기체통로에 설치된다. 실린더헤드(70)에는 동력부(102)의 팽창실(31)의 용적을 변화시키는 수단(92)도 있다. 이 수단을 이하 팽창실 용적변환기(92)라 하고, 실린더(93), 실린더헤드(94) 및 실린더(93) 안에서 움직이는 왕복 피스톤(95)을 포함한다. 이 피스톤(95)은 상단부와 하단부에 2개의 작동면을 갖는 자유 피스톤이다. 피스톤(95)의 밑면은 팽창실(31)에 노출된다. 피스톤(95)의 상단부, 실린더(93) 및 실린더헤드(94)가 압력실(96)을 형성한다. 실린더헤드(94)에 흡기구(98), 기체통로(28) 및 흡입 체크밸브(97)가 있어, 고압 배가스가 압력실(96)을 향해 일방향으로 흐른다. 고압 배가스가 압력실(96)로 공급되는데, 이는 이런 압력실(96)에서 팽창실(31) 사이에 누설이 있을 경우 배가스의 산소함량을 증가시키지 않아 TWC(Three Way Catalytic Converter)의 최적의 성능을 보장하기 때문이다. 도시되지 않은 외부 펌프에 의해 기체통로(28)를 통해 압력실(96)에 고압 기체가 공급된다. 기체통로(28)의 기체압력은 대기압보다는 상당히 높지만 교차 기체통로(90)의 압력보다는 낮은 값으로 유지된다. 피스톤(95)은 자유피스톤(95)의 윗면과 바닥면에 각각 연결된 압력실(96)과 팽창실(31) 사이의 순간적인 압력차에 의해 실린더(93) 안에서 움직일 수 있다.
도 1은 엔진의 기본 작동모드를 보여주는데, 이때 압축부(101)의 피스톤(20)은 압축행정에 맞춰 상승중이며, 동력부(102)의 피스톤(40)은 팽창행정을 시작하고 있다. 압축행정의 다음 단계로, 압축실(11)의 상승 압력이 교차 통로(90)의 압력보다 높아지고, 이런 압력차로 인해 체크밸브(72)가 개방위치로 되밀리며 압축공기는 압축실(11)에서 교차 통로(90)로 이동하기 시작하고, 그와 동시에 액튜에이터(23)가 교차 송출밸브(82)를 열어 압축기체를 통로(90)에서 팽창실(31)로 옮긴다. 팽창실(31)로 이동한 압축기체의 압력에 의해 피스톤(95)이 상승하는데, 특히 팽창실(31)과 압력실(96)의 압력이 거의 같아져 팽창실의 초기 형상이 이루어질 때까지 상승한다. 팽창실(31)은 피스톤(95)의 움직임에 의해 실린더(93) 내부에 형성되는 제1 가변체적실(31a)과, 팽창 피스톤(40)의 움직임에 의해 팽창 실린더(30) 내부에 형성된 제2 가변체적실(31b)을 포함한다. 압축기체가 압축부(101)에서 동력부(102)로 이동하는 거의 끝 부분에서, 점화플러그에 의해 연소가 시작한다. 도면에는 점화플러그의 위치만 파단선으로 99로 표시한다.
최고 연소압력을 지나 팽창행정이 더 진행하면, 팽창실의 압력이 압력실(96)의 압력보다 낮아지기 시작하고, 압력실(96)과 팽창실(31)의 압력차에 의해 자유 피스톤(95)이 초기위치를 향해 하강하기 시작한다. 그 결과, 압력실(96)이 팽창하면서 압력실의 압력이 하강해 기체 통로(28)의 압력 이하로 하강하며, 기체통로가 일정 최저 압력을 회복할 때까지 고압 배가스가 압력실(96)에 들어가기 시작한다. 배기행정의 끝에서, 동력부(102)의 피스톤(40)이 자체 TDC 위치에 도달하고, 자유 피스톤(95)은 피스톤(40)의 윗면에서 최소의 기계적 허용 간격을 유지하는 초기 위치를 유지를 유지하여, 팽창실(31)의 체적이 무시할 정도로 줄어들고, 그 결과 거의 모든 배기생성물이 팽창실에서 배출된다.
분할주기 가변위상 왕복피스톤 점화엔진의 기계적 용적 압축비는 80:1 내지 100:1 정도로 아주 높으므로, 피스톤(20,40)의 TDC 위치에서, 간극용적의 형상이 아주 작고 좁아진다. 이런 형상은 압축기체의 송출성능을 최적화하여 압축부(101)에도 좋고, 배기행정 동안 배기생성물을 최적으로 배출한다는 점에서 동력부(102)에도 좋지만, 아래와 같은 연소 이벤트를 수행하는데는 아주 부적절하다. 팽창실 용적변환기(92)는 이런 문제를 해결하기 위해 컴팩트한 형상의 연소실(31a)을 만들기 위한 것이다. 연소성 혼합물은 아주 높은 압력으로 팽창실로 보내져, 연소유체에 격렬한 난류를 일으킨다. 이런 난류는 연소를 아주 촉진하여, 연소실내의 아주 빠른 압력상승을 가져오고, 결국 부적절한 진동을 일으킨다. 팽창실 용적변환기(92)는 욘소 충격과 진동의 감쇠를 돕는 공기스프링을 압력실(96)에 제공함으로써, 기존의 진동 댐퍼를 없앨 수 있다.
흡기밸브(71), 배기밸브(81) 및 교차 송출밸브(82)의 동작은 전자식 컨트롤러(25)에 의해 제어되고, 이 컨트롤러는 프로그래머블 디지털 컴퓨터를 갖는다. 이런 컨트롤러(25)의 동작은 당업계에 잘 알려져 있다. 컨트롤러(25)는 연료 인젝터(91)의 분사 시간과 펄스폭도 제어한다. 크랭크축(60)의 각위치는 크랭크축 위치센서(38)로 측정한다. 이 위치센서(38)는 크랭크축(60)의 각위치를 컨트롤러(25)로 보내고, 컨트롤러는 엔진의 속도를 결정한다. 압축부(101)와 동력부(102) 사이의 위상천이량은 위상천이센서(37)로 측정한다. 위상천이센서(37)는 위상변환기(103)의 각위치를 컨트롤러(25)로 보내고, 컨트롤러는 압축부와 동력부 사이의 위상천이량을 결정한다.
또, 컨트롤러(25)는 여러 소스로부터 흡입공기량, 흡기매니폴드 온도, 주변 공기온도와 압력, 흡배기 산소 비율, 점화시간, 오퍼레이터 토크요청, 실린더 압력 등과 같은 여러가지 엔진관련 입력(26)을 감시하기도 한다. 컨트롤러(25)에 들어있는 룩업테이블(도시 안됨)에서 각종 제어명령어 값들이 이런 입력(26)을 기초로 계산된다. 컨트롤러(25)는 흡기밸브 액튜에이터(22), 교차송출밸브 액튜에이터(23), 배기밸브 액튜에이터(24), 연료인젝터(91), 위상변환기(103)의 모터(65)는 물론 범용 진단기능의 성능과 같은 여러가지 전자제어 엔진요소들을 위한 제어 명령어들을 제공하기도 한다.
도 2에 도시된 위상변환기(103)는 제1 베벨기어(51)와 제2 베벨기어(61)를 갖고, 이들 베벨기어는 각각 크랭크축(50,60)의 단부면에 단단히 설치된다. 크랭크축(50,60)은 각각 압축부(101)와 동력부(102)의 일부이다. 베벨기어(51,61)는 다수의 베벨기어들(57)을 통해 서로 연결되고, 베벨기어(57)는 스파이더 허브(55)의 아암들(56)에 방사상으로 배치된다. 스파이더 허브(55)는 크랭크축(50)이나 크랭크축(60)의 돌출부에 동축으로 지지된다. 동력은 기어(61)로부터 베벨기어(57)를 거쳐 기어(51)에 전달된다. 즉, 베벨기어(61)는 구동기어이고, 베벨기어(51)는 피동기어이다. 연결용 기어(57) 때문에, 크랭크축(50,60)의 회전방향은 기본적으로 서로 반대이다. 스퍼이더 허브(55)는 자체 축을 중심으로 어느 방향으로도 각도천이를 제어하며, 스파이더 허브(55)의 각도변위에 의해 크랭크축(50,60) 사이에 상대적인 위상천이가 생긴다. 스파이더 허브(55)의 돌출 아암들(56) 중의 하나에 스파이더 허브와 동축으로 워엄기어(58)가 단단히 결합되고, 워엄기어에는 워엄(67)이 맞물린다. 워엄(67)은 축(66)을 통해 모터(65)에 연결되고, 이 모터는 임의의 방향으로 워엄(67)을 회전시킨다. 크랭크축(50,60) 사이의 위상천이 각도는 기본적으로 스파이더 허브(55)의 각도천이의 2배이다. 회전수와 회전방향은 컨트롤러(25)에 의해 결정된다. 위상천이센서(37)는 위상변환기(103)의 스파이더 허브(55)의 각위치를 컨트롤러(25)에 전송하고, 컨트롤러는 크랭크축(50,60) 사이의 위상천이를 결정한다.
도 3에 도시된 본 발명의 엔진은 멀티실린더 압축부(101), 멀티실린더 동력부(102), 위상변환기(103) 및 한쌍의 헬리컬기어를 갖고, 이 나선기어는 제1 헬리컬기어(14)와 제2 헬리컬기어(15)를 포함한다. 멀티실린더 압축부(101)는 다수의 압축실린더(10)와 하나의 크랭크축(50)을 가지며, 멀티실린더 동력부(102)는 다수의 팽창실린더(30)와 하나의 크랭크축(60)을 갖는다. 다수의 압축실린더(10)는 제1 압축실린더(10a)와 제2 압축실린더(10b)를 가지며, 다수의 팽창실린더(30)는 제1 팽창실린더(30a)와 제2 팽창실린더(30b)를 갖는다. 압축부(101)의 크랭크축(50)은 다수의 제1 크랭크스로(16)와 제2 크랭크스로(17)를 갖는다. 동력부의 크랭크축(60)은 다수의 제1 크랭크스로(18)와 제2 크랭크스로(19)를 갖는다. 크랭크축(50)은 크랭크축(60)과 나란히 배치된다. 크랭크축(50)의 제1, 제2 크랭크스로(16,17)는 (파단선 원으로 표시된) 제1 압축실린더(10a) 및 제2 압축실린더(10b)에 각각 연결되고, 크랭크축(60)의 제1, 제2 크랭크스로(18,19)는 제1, 제2 팽창실린더(30a,30b)에 각각 연결된다. 제1 압축실린더(10a)는 제1 팽창실린더(30a)와 유체가 통하게 연결되고, 마찬가지로 제2 압축실린더(10b)도 제2 팽창실린더(30b)에 유체가 통하게 연결된다. 위상변환기(103)는 동력부(102)의 크랭크축(60)에 동축으로 설치된다. 제1 헬리컬기어(14)는 위상변환기(103)를 통해 크랭크축(60)에 동축으로 연결되고, 제1 헬리컬기어(14)는 또한 위상변환기(103)의 제1 베벨기어(50)에 단단히 연결되며, 위상변환기의 제2 베벨기어(61)는 크랭크축(60)에 단단히 연결된다. 다수의 베벨기어(57)를 통해 양쪽 베벨기어(51,61)가 연결된다. 제2 헬리컬기어(15)는 크랭크축(50)에 연결되고, 양쪽 헬리컬기어(14,15)는 서로 연결된다. 위상변환기를 통해 서로 연결된 헬리컬기어(14)와 크랭쿠축(60)은 서로 반대로 회전한다. 크랭크축(60,50)은 같은 방향으로 회전할 수 잇다. 이상의 설명과 관련 도면에서 알 수 있듯이, 본 발명의 엔진의 실린더 수는 짝수이다.
도 4에 도시된 것은 컨트롤러(25)의 명령을 받은 모터(65)가 워엄기어(58)를 작동시켜, 스파이더허브(55)를 일정 각도로 움직여, 압축부(101)의 크랭크축(50)을 동력부(102)의 크랭크축(60)에 대해 10도 정도 위상차를 갖도록 함으로써, 본 발명의 엔진을 저부하 동작상태로 둔 것이다. 컨트롤러(25)는 위상천이센서(37)로부터 압축부와 동력부 사이의 순간적인 위상관계, 크랭크축 센서(38)로부터 엔진속도, 오퍼레이터의 토크요청 및 입력(26)으로부터 기타 입력을 받고, 룩업테이블에 의해 ㅅv파이더허브(55)의 위치값, 모터(65)의 각변위 값을 계산함은 물론, 흡기밸브 액튜에이터(22)와 교차 송출밸브 액튜에이터(23)와 배기밸브 액튜에이터(24)에 밸브작동값을 제공한다. 컨트롤러(25)는 연료인젝터(91)의 주입시간과 펄스폭은 물론, 점화플러그의 점화시간을 계산하기도 한다.
압축부(101)의 피스톤(20)은 압축행정동안 상승하고, 동력부(40)의 피스톤(40)은 배기행정동안 상승하며, 이때 피스톤(20)은 피스톤(40)보다 10 크랭크각(CAD; crank angle degree) 정도 뒤쳐진다. 배기밸브(81)가 열리면 배가스가 동력부(102)의 팽창실(31)을 나간다. 압력실(96)의 기체압력은 팽창실(31)의 압력보다 상당히 높고, 이런 압력차로 인해 자유 피스톤(95)이 하단 위치에 머무른다. 따라서, 팽창실(31)과 체적실(31b)의 용적이 같아진다. 피스톤(20)은 압축행정 동안 절반정도 움직이고, 흡기밸브(71)는 계속 열려있어 흡기공기가 흡기구(76)로 역류할 수 있다. 측정된 흡기공기량이 압축실(11)에 머물러, 흡기밸브(71)는 폐쇄위치로 돌아가고 흡기공기의 유효 압축이 시작한다. 흡기밸브 액튜에이터(22)는 컨트롤러(25)의 명령에 반응한다. 흡기밸브(71)는 가변 밸브타이밍 기술을 이용한다.
도 5에 의하면, 도 4에 도시된 압축행정의 끝에서, 흡기량의 일부가 압축되고 압축피스톤(20)이 상사점(TDC)에 도달하며, 피스톤(40)은 팽창행정을 통해 TDC 위치를 지나 10 크랭크각도로 움직인다. 압축공기는 교차 기체통로(90)로 보내져 이 기체통로에 이전에 갇혀있던 압축공기를 동력부(102)의 팽창실(31)로 밀어낸다. 연료가 교차 기체통로(90)로 분사되어 압축공기와 혼합되며, 이 혼합물이 팽창실(31)로 보내진다. 압축공기가 통로(90)에서 팽창실(31)로 이동하기 직전에나 도중에 연료인젝터(91)가 통로(90)에 연료를 분사한다. 압축실 용적변환기(92)의 자유 피스톤(95)이 압축성 유체의 압력에 의해 되밀리고, 압축실(31)이 형성되는데, 이때의 압축실의 용적은 팽창실(31a)에 의해 정해진다. 이 위치에서 점화플러그 홀(99)에 설치된 점화플러그(도시 안됨)에 의해 연소가 시작된다.
고온의 잔류 연소기체의 팽창실에서의 존재가 무시할 정도이기 때문에, 팽창실(31)의 초기 압력-온도 비는 종래의 SI 엔진에 비해 크게 높다. 종래의 SI 엔진과는 달리, 저부하 연소가 일어나는 동안, 팽창실(31)의 용적 팽창율이 아주 높아, 상당양의 열에너지가 유용한 일에너지로 변환된다. 따라서, 혼합물의 신속한 연소에도 불구하고, 실린더의 온도는 안전 한계를 넘지 않는다.
저부하 동작상태에서, 팽창실의 변환된 팽창율은 20:1 내지 25:1이 바람직하다. 과팽창 사이클은 엔진의 연료효율에 상당한 이득을 더할 수 있다. 추후의 팽창행정에서, 이런 팽창율(20:1 내지 25:1)로 인해 압력이 대기압 밑으로 강하해 음의 일이 생길 수 있다. 따라서, 엔진의 저부하 동작을 위해 배기밸브를 조기에 개방하여 팽창실로의 배가스 역류를 일으켜 팽창실(31)의 대기압 이하로의 강하를 방지한다.
도 6에서, 모터(65)는 저부하 엔진작동 상태에서 이전 위치에 비해 12.5도 시계방향으로 워엄기어(58)를 움직이고(도 5 참조), 이때문에 크랭크축(50)은 저부하 동작상태에서 이전 위치로부터 크랭크축(60)에 대해 25CAD 정도 위상이 뒤처지게 된다. 따라서, 크랭크축(50)은 크랭크축(60)에 비해 35CAD 뒤쳐진다. 즉, 이전 저부하 상태에서의 10CAD + 25CAD. 그러므로, 풀부하 엔진동작을 위한 조건이 성립된다. 풀부하 엔진동작에서, 전체 흡기량이 압축되고, 압축행정 끝에서 압축피스톤(20)은 상사점(TDC)에 도달하며, 피스톤(40)은 팽창행정을 통해 TDC 위치를 지나 약 35CAD 정도 움직인다. 이 위치에서나 약간 앞에서 연소가 시작된다. 점화점에서, 팽창실(31)의 용적은 부분부하 동작상태에서보다 훨씬 더 크고, 이때문에 점화점에서 엔진동작상태 내내 거의 일정한 팽창실 압력이 유지된다. 본 발명의 과부하 동작상태에서, 유효 압축-팽창 비가 종래의 SI 엔진의 비에 가까워진다. 압축부(10)의 작동유체(공기)와 같은 다양한 특징에도 불구하고, 연소실(31)내의 잔류 연소 기체는 종래의 엔진과는 달리 무시할 정도로서 좀더 유리하다.
본 발명의 엔진은 모든 부하상태에서 연소실 압력, 온도 및 혼합물 밀도에 의해 연소실에 높은 난류를 일으킬 수 있다. 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진은 휘발유, 에탄올, 메탄올, 액화 석유개스, 압축천연개스, 각종 SI 연료의 혼합물과 같은 모든 종류의 불꽃점화 연료로 작동할 수 있다. 연료를 바꿀 때는 연료-공기 비, 압축비, 저화시간 등의 변화가 필요하고, 이는 연료변화에 대응하도록 컨트롤러(25)에 적당한 알고리즘 프로그램을 하면 쉽게 이를 수 있다.
본 발명의 엔진은 언스로틀 흡기시스템이므로, 연료의 펌핑 손실이 없다. 또, 본 발명의 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진은 모든 부하상태에서 화학적으로 올바른 공기-연료 비율을 사용할 수 있다는 점에서 가장 바람직하고, 이때문에 3-웨이 촉매 컨버터로부터 최적의 성능출력을 보장받을 수 있다.

Claims (6)

  1. 4행정 엔진사이클 중의 흡기행정과 압축행정을 실행할 수 있는 압축실(11)을 갖는 적어도 하나의 압축부(101);
    4행정 엔진사이클 중의 팽창행정과 배기행정을 실행할 수 있는 팽창실(31)을 갖는 적어도 하나의 동력부(102);
    팽창실(31)의 용적과 형상을 변화시키는 팽창실 용적변환기(92);
    압축부(101)의 압축실(11)에서 동력부(102)의 팽창실(31)로 압축기체를 운반하기 위한 교차 기체통로(90);
    압축부(101)와 동력부(102) 사이의 위상관계를 변화시키는 위상변환기(103); 및
    각종 액튜에이터와 모터에 제어 멍령어들을 제공하는 전자식 컨트롤러(25);를 포함하는 것을 특징으로 하는 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진.
  2. 실린더(10), 실린더헤드(70), 피스톤(20), 및 커넥팅로드(21)를 통해 피스톤(20)에 연결된 크랭크축(50)을 갖는 적어도 하나의 압축부(101);
    실린더(30), 실린더헤드(70), 피스톤(40), 및 커넥팅로드(410를 통해 피스톤(40)에 연결된 크랭크축(60)을 갖는 적어도 하나의 동력부(102);
    실린더(93), 실린더(93) 안에서 움직이는 자유 피스톤(95), 흡기구(98)가 달린 실린더헤드(94), 흡기 체크밸브(97), 흡기구(98)에 연결된 기체 통로(28), 자유 피스톤(95)에 연속적인 압력을 유도하는 압력스프링을 제공하는 압력실(96), 압축기체를 피스톤(95)에 공급하는 외부 펌프, 상기 기체통로(28)를 통해 압축실(96)에 압축기체를 공급하는 외부 펌프를 포함하는 팽창실 용적변환기(92);
    기체통로(90)의 일단부에서 압축부(101)의 압축실(11)을 연결하는 일방향 체크밸브(72), 및 기체통로(90)의 타단부에서 동력부(102)의 팽창실(31)을 연결하는 교차 송출밸브(82)를 포함하는 교차 기체통로(90);
    압축부(101)의 크랭크축(50)에 설치된 제1 베벨기어(51), 동력부(102)의 크랭크축(60)에 설치된 제2 베벨기어(61), 제1 베벨기어와 제2 베벨기어를 연결하는 다수의 베벨기어(57), 베벨기어(57)를 지지하는 다수의 돌출 아암(56)을 갖는 스파이더 허브(55), 스파이더 허브(55)에 동축으로 부착되는 워엄기어(58), 워엄기어(58)에 맞물리는 워엄(67), 워엄(67)을 임의의 방향으로 구동하는 모터(65)를 포함하는 위상변환기(103); 및
    각종 액튜에이터와 모터를 전기적으로 작동시키는 제어 멍령어들을 제공하는 전자식 컨트롤러(25);를 포함하는 것을 특징으로 하는 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실린더헤드(70)가,
    압축부(101)의 압축실(11) 가까이에 일방향 체크밸브(72)가 배치된 교차 기체통로(90)와, 흡기밸브(71)를 갖는 흡기구(76);
    배기밸브(81), 교차 송출밸브(82)가 배치된 교차 기체통로(90)의 타단부, 점화플러그, 동력부(102)의 팽창실(31) 가까이 있는 팽창실 용적변환기(92)를 포함하는 배기구(86);
    및 교차 기체통로에 연료를 분사하도록 기체통로(90) 가까이 설치되는 연료인젝터(91)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    흡기행정과 압축행정을 순차적으로 실행하는 제1 압축실린더(10a)와 제2 압축실린더(10b)를 갖는 다수의 압축실린더(10)를 구비한 멀티실린더 압축부(101);
    팽창행정과 배기행정을 순차적으로 실행하는 제1 팽창실린더(30a)와 제2 팽창실린더(30b)를 갖는 다수의 팽창실린더(30)를 구비한 멀티실린더 동력부(102);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진.
  5. 제4항에 있어서, 상기 멀티실린더 압축부(101)가 제1 압축실(10a)과 제2 압축실(10b)에 각각 연결된 제1 크랭크스로(16)와 제2 크랭크스로(17)를 갖는 크랭크축(50)을 더 포함하고; 상기 멀티실린더 동력부(102)는 제1 팽창실(30a)과 제2 팽창실(30b)에 각각 연결된 제1 크랭크스로(18)와 제2 크랭크스로(19)를 갖는 크래으축(60)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진.
  6. 제5항에 있어서, 압축부(101)의 크랭크축(50)이 동력부(102)의 크랭크축(60)과 동축으로 배치되고, 압축부(101)의 크랭크축(50)의 일단부에 제2 헬리컬기어(15)가 동축으로 설치되며, 위상변환기(103)의 제1 베벨기어(51)에 제1 헬리컬기어(14)가 동축으로 설치되고, 동력부(102)의 크랭크축(60)의 일단부에 위상변환기(103)의 제2 베벨기어(61)가 동축으로 설치되며, 제1 및 제2 베벨기어(51,61)는 위상변환기(103)의 다수의 베벨기어(57)를 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진.

KR1020137030578A 2011-04-19 2012-04-16 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진 KR20140024390A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IN553KO2011 2011-04-19
IN553/KOL/2011 2011-04-19
PCT/IN2012/000268 WO2012143940A1 (en) 2011-04-19 2012-04-16 Split cycle phase variable reciprocating piston spark ignition engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140024390A true KR20140024390A (ko) 2014-02-28

Family

ID=46514732

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137030578A KR20140024390A (ko) 2011-04-19 2012-04-16 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9458741B2 (ko)
EP (1) EP2699777B1 (ko)
JP (1) JP6093346B2 (ko)
KR (1) KR20140024390A (ko)
CN (1) CN103620181B (ko)
WO (1) WO2012143940A1 (ko)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160024923A1 (en) * 2013-03-12 2016-01-28 Dana Limited Enhanced waste heat recovery system
GB2521673B (en) * 2013-12-30 2016-07-27 James Pendlebury Colin Internal Combustion Engine with an Adjustable Volume Induction Chamber
GB2535693B (en) * 2015-01-27 2019-05-15 Ricardo Uk Ltd Split Cycle Engine Comprising Two Working Fluid Systems
CN104989516A (zh) * 2015-08-03 2015-10-21 湖州新奥利吸附材料有限公司 内燃机的压缩气防回流装置
SE539155C2 (sv) * 2015-10-07 2017-04-18 Hedman Ericsson Patent Ab Förfarande vid dieselmotor och dieselmotor för tillämpning av förfarandet
WO2018051339A1 (en) * 2016-09-13 2018-03-22 Eran Ofek Method and aparatus for dynamically controlling engine combustion chamber's volume
GB2558333B (en) * 2016-12-23 2020-03-18 Ricardo Uk Ltd Split cycle engine with liquid provided to a compression cylinder
WO2018138629A1 (en) * 2017-01-25 2018-08-02 Seth, Chandan Kumar Split cycle spark ignition engine with an improved combustion chamber volume modifier
CN106870052B (zh) * 2017-04-18 2024-04-09 牛清锋 发动机可变压缩比机构和与该机构配合的配气系统
US10202898B2 (en) * 2017-04-25 2019-02-12 Ford Global Technologies, Llc Method and system for fuel injection control
WO2019000113A1 (zh) * 2017-06-27 2019-01-03 钱金虎 自由活塞冲压爆轰燃烧发动机
US10519835B2 (en) * 2017-12-08 2019-12-31 Gm Global Technology Operations Llc. Method and apparatus for controlling a single-shaft dual expansion internal combustion engine
CH714963A1 (de) * 2018-05-02 2019-11-15 Explotechnik AG Druckwellengenerator und Verfahren zum Betreiben eines Druckwellengenerators, sowie pneumatischer Aktuator.
WO2020021564A1 (en) 2018-07-23 2020-01-30 Seth, Chandan Kumar Mechanism for amplification of energy
KR20210109527A (ko) * 2018-11-09 2021-09-06 투어 엔진 인코퍼레이티드 스플릿-사이클 엔진의 전달 메커니즘
JP7127889B2 (ja) * 2019-02-14 2022-08-30 株式会社石川エナジーリサーチ パワーユニット
IT201900023358A1 (it) * 2019-12-09 2021-06-09 Fpt Ind Spa Motore a combustione interna a ciclo separato
CN111291508B (zh) * 2020-01-17 2022-04-22 清华大学 一种小型通用汽油机燃烧系统优化的模拟方法及装置
EP4001608A1 (en) * 2020-11-17 2022-05-25 Volvo Truck Corporation An internal combustion engine system
CN112963238B (zh) * 2021-02-26 2022-02-15 华中科技大学 一种基于绝热燃烧室和米勒循环的绝热内燃机燃烧系统

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4170970A (en) * 1976-11-10 1979-10-16 Mccandless John H Internal combustion engines
JPS55146231A (en) 1979-05-04 1980-11-14 Nippon Soken Inc Two-cycle engine
JPS62225720A (ja) 1986-03-27 1987-10-03 Ebara Corp エンジン用ス−パ−チヤ−ジヤ
LU87021A1 (fr) * 1987-10-16 1988-05-03 Gilbert Van Avermaete Moteur a allumage par compression,a rapport volumetrique variable
US6543225B2 (en) 2001-07-20 2003-04-08 Scuderi Group Llc Split four stroke cycle internal combustion engine
US6640543B1 (en) 2001-09-21 2003-11-04 Western Washington University Internal combustion engine having variable displacement
US6619267B1 (en) 2002-11-14 2003-09-16 Ford Global Technologies, Llc Method and system for providing smooth mode transitions in a variable displacement internal combustion engine
US7353786B2 (en) 2006-01-07 2008-04-08 Scuderi Group, Llc Split-cycle air hybrid engine
US7588000B2 (en) 2006-09-05 2009-09-15 Harry Bruce Crower Free piston pressure spike modulator for any internal combustion engine
JP4815012B2 (ja) * 2007-04-09 2011-11-16 セト、 チャンダン クマール 分離サイクル可変容量火花点火ロータリー機関
US7975667B2 (en) * 2008-05-12 2011-07-12 Michael Inden Crankshaft-free drive shaft and piston assembly of a split-cycle four-stroke engine
US8156904B2 (en) * 2009-04-17 2012-04-17 Scuderi Group, Llc Variable volume crossover passage for a split-cycle engine

Also Published As

Publication number Publication date
CN103620181A (zh) 2014-03-05
CN103620181B (zh) 2017-06-20
EP2699777B1 (en) 2017-01-18
EP2699777A1 (en) 2014-02-26
US9458741B2 (en) 2016-10-04
US20140090615A1 (en) 2014-04-03
JP6093346B2 (ja) 2017-03-08
WO2012143940A1 (en) 2012-10-26
JP2014511976A (ja) 2014-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20140024390A (ko) 분할주기 가변위상 왕복피스톤 불꽃점화엔진
US7624709B2 (en) Cao cycles of internal combustion engine with increased expansion ratio, constant-volume combustion, variable compression ratio, and cold start mechanism
KR101396755B1 (ko) 분할사이클 체적가변형 스파크점화 로터리엔진
US7167789B1 (en) Variable compression ratio internal combustion engine
CA2429820C (en) High efficiency engine with variable compression ratio and charge (vcrc engine)
US8813695B2 (en) Split-cycle engine with crossover passage combustion
CN103328775B (zh) 具有可变气门正时的四冲程内燃机和方法
CN101688481B (zh) 火花点火式内燃发动机及其控制方法
US20120283932A1 (en) Two-stroke internal combustion engine with variable compression ratio and an exhaust port shutter and a method of operating such an engine
KR20080042149A (ko) 가변 압축 2행정 엔진
JP2009523962A (ja) 可変圧縮比及び排気口シャッタを有する２サイクル内燃機関
JP2012514159A (ja) 圧縮行程のない独立したガス供給系を有する内燃機関
KR20200130832A (ko) 전체 작업 조건 채널 분할 시간 분할 과급 흡기 내연기관의 가변 압축비 기술
US20130298552A1 (en) Systems and methods for series-sequential turbocharging
CN102933816A (zh) 火花点火式内燃机
US8251041B2 (en) Accelerated compression ignition engine for HCCI
RU2191910C2 (ru) Двигатель внутреннего сгорания
RU2485334C1 (ru) Способ работы двигателя внутреннего сгорания
CN104005846A (zh) 可选燃料活塞式二行程发动机
JP2008019854A (ja) 内燃機関

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right