KR20140035876A - 완전 팽창 내연 기관 - Google Patents

완전 팽창 내연 기관 Download PDF

Info

Publication number
KR20140035876A
KR20140035876A KR1020137018397A KR20137018397A KR20140035876A KR 20140035876 A KR20140035876 A KR 20140035876A KR 1020137018397 A KR1020137018397 A KR 1020137018397A KR 20137018397 A KR20137018397 A KR 20137018397A KR 20140035876 A KR20140035876 A KR 20140035876A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cylinder
stroke
fuel
piston
engine
Prior art date
Application number
KR1020137018397A
Other languages
English (en)
Inventor
잭 알. 테일러
Original Assignee
잭 알. 테일러
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 잭 알. 테일러 filed Critical 잭 알. 테일러
Publication of KR20140035876A publication Critical patent/KR20140035876A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B31/00—Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder
    • 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
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/04—Engines having ports both in cylinder head and in cylinder wall near bottom of piston stroke
    • 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
    • F02B31/00—Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder
    • F02B31/04—Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder by means within the induction channel, e.g. deflectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진은, 실린더 벽과 실린더 헤드를 구비하고, 상기 실린더 헤드는 하나 이상의 배기 포트, 상기 배기 포트에 배치된 배기 밸브, 연료 인젝터 및 상기 실린더 헤드를 관통해 배치된 스파크 수단을 구비하는 실린더, 상기 실린더 내에 장착되어, 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치 사이에서 압축 행정과 동력 행정을 통해 왕복운동을 하는 피스톤, 상기 실린더의 바닥에서 상기 실린더 벽을 통과하며, 상기 피스톤의 왕복운동에 대응하여 커버되거나 커버되지 않는 스월 입구 포트를 포함한다. 상기 실린더는 피스톤의 압축 행정 운동 부분 동안 배기 포트가 개방된 위치에 유지되는 사이클을 통해 실린더 사이클의 압축 단계의 개시의 지연을 제공하도록 동작될 수 있다.

Description

완전 팽창 내연 기관{FULL EXPANSION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연(IC) 엔진에 관한 것이다.
종래의 오토 사이클 내연(IC) 엔진(Otto cycle internal combustion engine)에서는, 가솔린 연료가 흡입 매니폴드에 주입되어 공기와 혼합되어 흡입 행정 동안 흡입 밸브를 통해 실린더로 유입된다. 공기흐름과 엔진 동력의 출력은 엔진 동력이 감소될 때 아래로 폐쇄되는 공기흐름 밸브에 의해 제어되고, 이는 특히 낮은 동력 조건에서, 흡입 매니폴드에서 높은 압력 손실을 야기한다. 연료 흐름은 모든 작동 조건에 대해 화학량론(stoichiometric)에 매우 가까운 연료-공기 비율을 생산하도록 계량된다. 스월 흐름(swirl flow)에 의해 생성될 수 있는 높은 난류 레벨(turbulence level)이 없다면, 혼합물은 완벽하지 않고 배기물은 일부 바람직하지 않은 미연소 탄화수소와 일산화탄소 방출물을 포함한다. 모든 작동 조건에서 화학량론적인 연료-공기 비율에 의해 생성된 높은 화염 온도(flame temperature)는 또한 높은 레벨의 질소 산화물의 방출 및 실린더로부터 높은 열전달 손실을 야기한다. 또한, 종래의 오토 사이클 IC 엔진의 압축 비율 및 관련된 엔진 효율은 엔진에 심각한 손상을 일으킬 수 있는 조기 점화(pre-ignition) 및 폭음(detonation)의 발생에 의해 제한된다. 높은 온도에 의해 야기된 이 가솔린 엔진의 실린더 과열과 피스톤 고착(piston seizure)을 방지하기 위해, 정교한 냉각 시스템이 필요하며 이에 높은 레벨의 열 에너지 손실이 발생한다. 엔진 크랭크케이스 및 실린더 헤드로 주조되는 수냉식 통로를 가지는 전형적인 종래의 4행정 오토 사이클 엔진은 매우 무겁고 비용이 많이 든다.
디젤 엔진(이는 또한 압축 점화 엔진이라고도 알려져 있다)은 연소 챔버로 분사되는 연료의 점화를 위해 압축 열을 사용하는 내연 엔진이다. 이것은 공기-연료 혼합물을 점화하는 스파크 플러그(spark plug)를 사용하는 가솔린 엔진 또는 가스 엔진(가솔린과 대조적으로 가스 연료를 사용하는 것) 등과 같은 스파크 점화 엔진과는 대조적이다.
디젤 엔진은 매우 높은 압축 비율로 인해 최고 열 효율의 정규 내연 또는 외연 엔진을 가진다. 저속 디젤 엔진(전체 엔진의 중량이 상대적으로 중요하지 않은 선박과 다른 응용에서 사용되는 것)은 50%를 초과하는 열 효율을 종종 보이기도한다.
디젤 엔진은 2행정과 4행정 형태로 제조된다. 이들은 잠수함과 선박, 기관차, 트럭, 중장비, 및 발전소에서 사용되었고, 종국적으로 자동차, 온로드(on-road) 및 오프로드(off-road) 차량에 사용되었다.
디젤 내연 엔진은 스파크 플러그를 사용하는 것이 아니라 매우 압축된 뜨거운 공기를 사용하여 연료를 점화(스파크 점화가 아니라 압축 점화)하는 것이기에 가솔린 동력 오토 사이클과는 다르다. 실제 디젤 엔진에서 초기에는 공기만이 연소 챔버로 유입된다. 이 공기는 일반적으로 15:1 내지 22:1 사이의 압축 비율로 압축되어, 가솔린 엔진에서의 8 내지 14바(bar)(0.80 내지 1.4MPa; 약 200psi)에 비해 40바 (4.0MPa; 580psi) 압력을 만든다. 이러한 높은 압축은 공기를 550℃(1,022℉)로 가열한다. 압축 행정의 상부 근처에서 연료는 연소 챔버에 압축 공기로 직접 분사된다. 이것은 엔진의 설계에 따라 피스톤 또는 예비 챔버(pre-chamber)의 상부의 빈 공간(일반적으로 환상형)으로 될 수 있다. 이 연료 인젝터는 연료를 작은 액적(droplet)으로 분해하는 것과 연료를 고르게 분산시키는 것을 보장한다. 압축 공기의 열은 액적의 표면으로부터 연료를 기화시킨다. 증기는 연소 챔버 내 압축 공기의 열에 의하여 점화되고, 이 액적은 그 표면으로부터 계속 기화하여, 액적의 모든 연료가 연소될 때까지 연소되어 점점 더 작아진다. 기화의 시작은 점화 동안 지연 기간을 초래하고 증기가 점화 온도에 도달할 때 "노킹(knocking)" 소리를 야기하고 피스톤에 압력의 급격한 증가를 초래한다. 연소 가스의 급속한 팽창은 피스톤을 아래쪽으로 구동하여 크랭크샤프트에 동력을 공급한다.
디젤 엔진의 높은 압축 비율은 별도의 점화 시스템이 없는 엔진의 효율을 크게 증가시킨다. 실린더에 진입하기 전에 연료와 공기를 혼합하는 스파크 점화 엔진에서 압축 비율을 증가시키는 것은 조기 점화의 손상을 예방할 필요성에 의하여 제한된다. 진정한 디젤 엔진에서는 공기만이 디젤 엔진에서 압축되고, 연료는 상사점(top dead center)(TDC) 바로 전까지 실린더로 유입되지 않아서 조기 폭음은 문제되지 않고 압축 비율이 훨씬 높다.
오늘날 사용되는 디젤 엔진은 압축 공기 없이 압력 작동 인젝터를 통해 연료를 극한 압력으로 연소 챔버로 직접 분사하는 기계적 펌프를 사용한다. 이 연료 인젝터는 일반적으로 노즐에 4개 내지 12개의 작은 오리피스를 구비한다. 초기 공기 분사 디젤은 연소 동안 압력의 급격한 증가 없이 항상 우수한 연소를 했다. 공기 분사 이용 스프레이는 분산을 개선시키고 액적의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
디젤 엔진은 연료 전달 속도를 제어함으로써 엔진의 공회전 속도 및 최대 속도를 조절하는 기계적 또는 전자적 조정기(governor)를 사용한다. 오토 사이클 엔진과 달리, 들어오는 공기는 스로틀(throttled)되지 않아 조정기 없는 디젤 엔진은 안정적인 공회전 속도를 가질 수 없고 쉽게 과속될 수 있어서, 파괴를 초래할 수 있다. 기계적으로 조정되는 연료 분사 시스템은 엔진의 기어 트레인에 의해 구동된다. 이 시스템은 부하와 속도에 대해 연료 공급을 제어하는데 스프링과 중량의 조합을 사용한다. 현대 전자 제어 디젤 엔진은 전자 제어 모듈(electronic control module : ECM) 또는 전자 제어 유닛(electronic control unit : ECU)을 이용하여 연료 공급을 제어한다. ECM/ECU는 센서로부터 엔진 속도 신호뿐만 아니라 흡입 매니폴드 압력과 연료 온도와 같은 다른 동작 파라미터를 수신하고, 액츄에이터를 통한 연료의 양과 분사 시작 타이밍을 제어하여 동력과 효율을 극대화하고 방출을 최소화한다. 실린더에 연료 분사 시작(start of injection : SOI) 타이밍을 제어하는 것은 방출량을 최소화하고 엔진의 연료 경제성(효율성)을 개선시킬 수 있다. 타이밍은 상사점 전에 피스톤의 크랭크 각도의 정도로 측정된다. 예를 들어, 피스톤이 상사점(TDC) 이전 10도(degree)에 있을 때 ECM/ECU가 연료 분사를 시작하는 경우, 분사 시작 또는 타이밍은 10°BTDC라고 말한다. 최적의 타이밍은 엔진 설계뿐만 아니라 속도와 부하에 따라 달라진다.
분사의 시작을 앞당기는 것(피스톤이 SOI-TDC에 도달하기 전에 분사하는 것)은 실린더 내 압력과 온도를 더 높게 초래하여 효율을 더 높일 뿐만 아니라 더 높은 연소 온도로 인해 엔진 소음을 높이고 질소 산화물(NOx) 방출을 증가시키게 한다. 분사 시작을 지연시키는 것은 불완전한 연소를 야기하고 연료 효율을 감소시키고 입자상 물질과 미연소 탄화수소의 상당한 양을 포함하는 배기 스모그(exhaust smoke)를 증가시키게 한다.
요즈음 디젤 엔진은 고압 연료 펌프(엔진 크랭크샤프트에 의해 구동되는)를 가지는 캠샤프트(크랭크 샤프트 속도의 절반으로 회전하는)로 상승하는 기계적인 단일 플런저를 사용한다. 각 실린더에 대해 플런저는 연료의 양을 측정하고 각 분사 타이밍을 결정한다. 이들 엔진은 특정 연료 압력에서 개폐되는 매우 정밀한 스프링 장착 밸브인 인젝터를 사용한다. 각 실린더에 대해 플런저 펌프는 고압 연료 라인으로 인젝터에 연결된다. 각 단일 연소를 위한 연료 볼륨은 압력을 해방(releasing)시키는 단지 몇 도(degree)만을 회전한 플런저 내 경사진 그루브에 의해 제어되고, 스프링과 레버로 제한된 엔진 속도로 회전하는 웨이트(weight)로 구성된 기계적인 조정기에 의해 제어된다. 인젝터는 연료 압력에 의해 개방되게 유지된다. 고속 엔진에서 플런저 펌프는 합쳐져서 하나의 유닛이다. 각 연료 라인은 동일한 압력 지연을 얻기 위해 동일한 길이를 가지고 있어야 한다.
6개 미만의 실린더를 가지는 덜 복잡한 구성의 고속 엔진은 (가솔린 엔진에 지점 및 분배기 캡과 기능적으로 유사한) 연료를 밸브에 공급하는 하나의 회전 펌프 플런저와 각 실린더를 위한 라인으로 구성된 축방향 피스톤 분배기 펌프를 사용하는 것이다. 또 다른 방법은 공통 레일(단일 공통 연료 라인)로 항상 높은 압력에서 각 인젝터에 연료를 공급하는 단일 연료 펌프를 사용한다. 각 인젝터는 전자 제어 유닛에 의해 동작되는 솔레노이드를 구비하여 엔진 속도 및 부하와 같은 다른 제어 조건에 따라 인젝터 개방 시간을 보다 더 정확히 제어하게 하고 더 우수한 엔진 성능과 연료 경제성을 제공하게 한다. 이 설계는 또한 펌프와 밸브를 결합시킨 설계보다 기계적으로 더 간단하여 이 기계적인 설계보다 일반적으로 더 안정적이고 덜 시끄럽다.
현대 디젤 엔진은 직접 분사 방식을 사용한다. 하나의 유형은 분사타이밍, 연료 양, EGR 및 터보 부스트를 전자 제어하는, 연소 챔버의 상부에 장착 된 직접 분사 인제터이며 이는 개선을 용이하게 하고 방출량을 낮춘 파라미터를 보다 정밀하게 제어하게 한다. 유닛 직접 분사는 엔진의 실린더에 연료를 직접 분사하여 인젝터와 펌프를 캠샤프트에 의해 제어된 각 실린더 위에 위치된 하나의 유닛으로 결합시킨다. 각 실린더는 고압 연료 라인을 제거하는 자체 유닛을 구비하여 더 일관된 분사를 달성한다.
2행정 디젤 엔진에서 실린더의 피스톤이 하사점(bottom dead center)에 접근할 때, 배기 포트 또는 밸브는 개방되어, 과도한 압력의 대부분을 경감시키고 이후 입구 공기 박스와 실린더 사이의 통로가 개방되어, 실린더에 공기 흐름을 허용한다. 공기 흐름은 실린더로부터 남아있는 연소 가스를 밖으로 불어낸다(blow) - 이것이 스카빈지 공정(scavenging process)이다. 피스톤이 하사점을 지나 위쪽으로 가기 시작할 때, 통로는 닫히고 압축이 시작되며, 연료 분사와 점화에서 정점에 이른다.
디젤 엔진은 이제 터보차징(turbocharged)되고, 일부는 터보차징 및 수퍼차저(supercharged)된다. 연소가 시작되기 전에 디젤 엔진은 실린더에 연료가 없기 때문에, 1바(100kPa)를 초과하는 공기 압력이 조기 점화(preignition) 없이 실린더에 충전될 수 있다. 터보차징된 엔진은 실린더에 공기를 더 많이 갖는 것이 더 많은 연료가 연소될 수 있게 하여 더 많은 동력이 발생될 수 있게 하므로 동일한 구성의 자연 흡입 엔진보다 훨씬 더 많은 동력을 생성할 수 있다. 수퍼차저(supercharge)는 엔진의 크랭크 샤프트에 의해 기계적으로 구동되는 반면, 터보차저(turbocharger)는 기계적 동력을 전혀 요구하지 않고 엔진의 배기 가스에 의해 구동된다. 터보차징은 배기 가스로부터 폐열을 회수하고, 초과 공기 계수(excess air factor)를 증가시키고, 마찰 손실에 대해 엔진 출력의 비율을 증가시키는 것에 의해 디젤 엔진의 연료 경제성을 개선시킬 수 있다.
2행정 엔진은 별도의 배기 행정과 흡입 행정을 가지고 있지 않아서, 자체 흡입을 할 수 없다. 따라서 모든 2행정 엔진은 실린더에 공기를 급기(charging)하여 실린더로부터 배기 가스를 분산하는 것을 지원하는 블로워(blower) 또는 압축기를 구비하며, 이 공정은 스카빈징이라고 한다. 일부 경우에, 엔진은 그 출력이 블로워 입구로 배향된 터보차저를 장착할 수도 있다. 몇몇 설계는 장치가 블로워로 동작하기 위해 크랭킹(cranking)과 낮은 속도로 기계적으로 구동되는 실린더를 스카빈징하고 급기하는 하이브리드 터보차저를 사용한다.
층상 급기 엔진(stratified charge engine)은 디젤 사이클과 일부 방식이 유사하지만 보통 가솔린에서 동작하는 내연 엔진의 유형이다. 그 이름은 실린더 내에서 연료/공기의 혼합 급기의 층상화를 의미한다. 전통적인 오토 사이클 엔진에서 연료와 공기는 실린더 외부에서 혼합되고 혼합물은 흡입 행정 동안 실린더로 유입된다. 공기/연료 비율은 연료의 완전 연소에 필요한 정확한 공기의 양으로 정의된 화학량론에 매우 가깝게 유지된다. 이 혼합물은 쉽게 점화되고 원활히 연소된다. 이런 설계의 문제점은, 연소 과정이 완료된 후, 최종 배기 가스 스트림이 연소 열로 인해 공기 속의 02와 N2 분자를 분해하여 상당한 양의 산소와 질소의 자유 단원자를 포함한다는 것이다. 이들은 서로 쉽게 반응하여 질소 산화물(NOx), 오염물을 생성한다. 배기 시스템에서 촉매 변환기는 현대 차량에서 NOx를 다시 02와 N2로 재결합시킨다.
한편 직접 분사 디젤 엔진은 (무겁고 기화하기 어려운) 디젤 연료를 직접 실린더로 분사하며, 연소 챔버는 피스톤의 상부에 있다. 이것은 조기 자발적 연소 - 연료와 공기의 혼합물이 높은 압축 상태에서 조기 폭발할 때 오토 사이클 엔진을 괴롭히는 폭음 또는 핑(ping)으로 알려진 문제 - 를 회피할 수 있는 장점을 구비하며 디젤이 훨씬 더 높은 압축 비율에서 동작될 수 있게 한다. 이것은 더 높은 연료 효율적인 엔진을 초래하여 일반적으로 트럭과 산업용 발전소와 같은 오랜 시간 기간 동안 동작되는 응용 분야에서 볼 수 있다.
그러나 디젤 엔진은 문제도 가지고 있다. 연료는 높은 압축 공기 안으로 직접 스프레이되어 적절히 혼합될 시간이 거의 없다. 이것은 급기의 일부분은 거의 전체 공기로 유지되고 다른 부분은 산소 부족으로 인해 거의 전체 불완전 연소로 유지되게 한다. 이 불완전 연소는 부분 연소 및 불완전 연료와 같은 다른 오염물 - 다환 방향족 탄화수소 및 명백히 볼 수 있는 배기 매연의 존재를 초래한다. 연료가 예비 챔버로 분사되는 간접 분사 디젤 엔진(알려진 최상의 것은 리카르도 컨설팅 엔지니어(Ricardo Consulting Engineers)사의 리카르도 코멧 디자인(Ricardo Comet design)이다)은 화염면(flame front)이 예비 챔버 점화로부터 와서 공기와 연료의 더 나은 혼합을 초래하고, 실린더에 더 원활한 연소를 야기하며, 디젤 노킹을 감소시킨다. 간접 분사 디젤 엔진은 층상 급기 엔진의 일종이다. 이들 잇점은 직접 분사 디젤에 비해 10%의 효율 감소를 초래하였다.
층상 급기 설계는 두 연료에 따른 문제를 해결하려고 시도한다. 이것은 효율적인 높은 압축에서 동작되는 고유한 능력을 구비하는, 디젤 엔진과 같은, 직접 분사 시스템을 사용한다. 그러나 오토 사이클과 같이, 층상 급기 설계는 구 직접 분사 디젤 엔진에서 발견되는 불량한 연소를 회피하기 위하여 신속하고 깔끔하게 혼합하는 가솔린의 능력에 의존한다. 이것을 하기 위해 연료 인젝터는 쉽게 점화하고 신속하고 원활하게 연소하는 영역에 풍부한 급기를 제공하기 위해 실린더의 한 영역으로만, 종종 주 실린더의 상부 또는 주변에 작은 "부 실린더"의 한 영역으로만 연료를 분사하는 것을 목표로 한다. 이후 연소 공정이 진행하여 매우 희박한 영역(very lean area)(종종 공기만 있는 영역)으로 이동하여 여기서 화염면은 급속히 냉각되고 유해한 NOx를 형성할 기회가 거의 없다. 희박한 급기에서 추가적인 산소는 또한 C0와 결합하여 덜 유해한 CO2를 형성한다. 이 기술은 최근에 전자적으로 제어되는 직접 분사 디젤 엔진에도 적용되었다. 이 엔진에서 분사 시스템은 더 나은 연료/공기 혼합 및 감소된 디젤 노킹을 보장하기 위해 다수의 분사 버스트로 연료를 공급한다. 층상 급기 가솔린 엔진에서 훨씬 더 깨끗한 연소는 촉매 변환기를 제거할 수 있게 하고 엔진이 더 희박한(연료 대 공기의 비가 낮은) 혼합물에서 동작할 수 있게 하여, 더 적은 연료를 사용할 수 있게 한다. 이것은 디젤 엔진의 성능에 유사한 효과를 제공한다. 오늘날 디젤 엔진은 더 깨끗(청정)하고 유사한 연료 경제성을 유지하면서 이전에 비해 두 배만큼 강력할 수 있다.
수 년의 노력 후에, 이 레이아웃은 정열하기 정말 쉽지 않은 것으로 밝혀졌다. 이 시스템은 동작 속도가 느린 산업 응용 분야에서 수 년 동안 사용되었으나, 일반적으로 자동차 엔진에서 개발하는데는 실패했다. 대부분의 시도는 특히 반켈(Wankel) 엔진 응용에서 수 년 동안 이루어졌으나, 일본의 자동차 제조업체만이 피스톤-엔진 개발을 추진했다.
일반적인 자동차 내연 엔진은 연료에서 이용가능한 열 에너지의 약 25%만을 회수한다. 많은 양의 에너지는 냉각 시스템에서 손실되고 다른 많은 양의 에너지는 동력 행정의 종단에서 배기 밸브를 통해 대기로 방출된다. 또한, 종래의 엔진은 매우 무겁고 매우 복잡하며 비용이 많이 든다.
미국 특허 6,848,416 및 7,114,485는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된, 입구 밸브와 배기 밸브 및 예비 압축된 연료-공기 혼합물을 사용하는 2행정 과팽창 균질 급기 압축 점화(homogenous charge compression ignition)(HCCI) 엔진을 기술한다.
개선된 연료 효율과 낮은 질소 산화물, 탄화수소 및 일산화탄소 방출물을 가지고 다양한 연료에서 동작할 수 있는 저렴한 비용의 내연 엔진을 제공하는 매우 중요한 요구가 존재한다. 거의 절반으로 연료 소비를 줄일 수 있는 엔진은 온실 가스 방출과 석유 수입 의존도를 크게 줄일 수 있을 것이다.
본 발명은 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 실린더(two-stroke, uniflow, full expansion cylinder)에 관한 것이며, 또한 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 실린더를 복수개 포함하는 내연 엔진에 관한 것이다.
본 발명은 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진으로서, 실린더 벽과 실린더 헤드를 구비하고, 상기 실린더 헤드는 하나 이상의 배기 포트, 상기 배기 포트에 배치된 배기 밸브, 연료 인젝터 및 상기 실린더 헤드를 관통해 배치된 스파크 수단을 구비하는 실린더; 상기 실린더 내에 장착되어, 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치 사이에서 압축 행정과 동력 행정을 통해 왕복운동을 하는 피스톤; 상기 실린더의 바닥에서 상기 실린더 벽을 통과하며, 상기 피스톤의 왕복운동에 대응하여 커버되거나 커버되지 않는 스월 입구 포트; 및 상기 피스톤의 상기 행정 위치에 따라 상기 배기 포트의 개폐를 수행하는 배기 포트 폐쇄 메커니즘;을 포함하며, 상기 배기 포트 폐쇄 메커니즘은 상기 피스톤의 압축 행정 운동 부분 동안 상기 배기 포트를 개방하여 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진을 제공한다.
본 발명은 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진을 동작시키는 방법으로서, 상기 방법은 실린더 사이클을 반복시키는 단계를 포함하며, 상기 사이클은, a) 커버되지 않은 스월(swirl) 입구 포트를 통해 상기 피스톤이 상기 실린더 내 왕복운동 행정의 바닥에 근접한 곳에 있는 상기 실린더 내로 가압된 입구 공기를 전달하고, 상기 실린더 내에서 접선 방향 난류의 단일방향 흐름으로 상기 입구 공기를 스월시키는 단계; b) 상기 스월 입구 포트가 커버되지 않아 상기 입구 공기에 의해 상기 실린더의 스카빈지를 제공하는 동안 상기 배기 포트를 개방 위치에 유지하는 단계; c) 상기 피스톤을 위쪽으로 전진시켜 상기 입구 포트를 커버하는 단계; d) 상사점 쪽으로 상기 피스톤의 행정 운동의 상당한 부분 동안 상기 배기 포트를 개방 위치에 더 유지하는 단계; e) 상기 배기 포트를 폐쇄하는 단계; f) 상사점 쪽으로 상기 피스톤과 상기 실린더 헤드 사이의 상기 유입 공기를 압축하는 단계; g) 상기 희박한 연소 연료 대 공기 비율로 상기 압축 행정의 종단 부근에서 연료를 분산시키는 단계; h) 상기 공기-연료 혼합물을 점화하고 연소시켜 상기 동력 행정을 시작하는 단계; i) 상기 동력 행정의 종단 부근에서 상기 배기 포트를 개방하여 가압된 연소 가스를 배출하는 단계; 및 j) 상기 피스톤이 상기 동력 행정의 바닥에 접근할 때 상기 입구 스월 포트를 커버하지 않는(uncover) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동작 방법을 더 제공한다.
상기 피스톤의 행정 운동의 부분 동안 상기 배기 포트를 개방 위치에 더 유지하는 단계는 상기 실린더 사이클의 압축 단계의 시작의 지연을 제공하며, 상기 입구 공기 포트가 완전히 커버된 입구 밀봉 위치와, 상기 상사점에서 상기 행정의 상단에 있는 상사점 위치 사이의 상기 실린더 내 압축 시작 위치에 피스톤이 도달할 때까지 상기 배기 포트를 개방 위치에 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 피스톤의 압축 시작 위치는 실린더 챔버 내 입구 가스의 압축 시작을 개시하는, 배기 포트가 폐쇄될 때의 피스톤 위치이다. 압축 시작시에, 밀봉 실린더 챔버 내 입구 공기는 실린더가 압축 시작 위치로부터 상사점 위치로 진행할 때 압축된다. 실린더가 상사점에 또는 그 부근에 있는 압축 단계의 종료시에 상기 피스톤과 실린더 헤드 사이의 남아있는 빈 공간은 연소 챔버라고 언급된다.
일반적으로, 압축 시작 위치는 입구 밀봉 위치와 상사점 위치 사이의 통상 최대 압축 행정 거리의 약 절반 거리이지만, 약간 더 많거나 적을 수 있다. 압축 시작 위치는, 연소 후, 동력 행정의 종단에서, 배기 밸브가 개방되어 연소 가스를 배출하기 바로 직전에, 실린더 내 압력이 대기압에 접근하는 것을 제공하도록 선택된다. 이것은 배기 시스템에 대해 연소 압력 실린더에 남아있는 에너지의 손실을 최소화한다.
일 측면에서 본 발명은 IC 엔진과 배기 포트 폐쇄 메커니즘을 동작시켜 실린더 동작 사이클의 동력 단계 동안 피스톤의 최대 팽창을 제공하고, 동력 단계의 지속 시간에 대해 실린더 사이클의 압축 단계의 지속 시간을 제한하는 것을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서, 실린더는 신선한 연소 공기를 고속으로 및 스월 패턴으로 균일하게 실린더 안으로 배향시켜 실린더를 통해 난류의 위쪽으로 스월하는 입구 공기를 제공하는 단일 스월 입구 포트 또는 복수의 스월 입구 포트를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 실린더는 연소가능한 연료의 스트림을 공기 흐름과 동일한 접선 방향으로 난류의 스월하는 입구 공기로 제공하여 급격한 잘 한정된 층상 급기를 초래하고 공기-연료의 혼합, 층상 급기 연소, 및 매우 짧은 연소 지연 시간을 초래한다. 연료의 스트림은 액체 연료 액적의 분산, 스프레이, 또는 에어로졸 또는 기상 연료의 스트림일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 실린더의 동작은 조기 점화 또는 조기 폭음 없이 높은 엔진 압축 비율을 제공한다. 실린더의 압축 비율은 약 10:1 내지 25:1, 보다 일반적으로는 약 15:1 내지 약 22:1, 및 예를 들어 약 20:1일 수 있다. 실린더의 압축 비율은 연소 챔버의 볼륨에 대한 압축 시작시 실린더 챔버 내의 볼륨의 비율이다.
본 발명의 더 다른 측면은, 단일 실린더, 2개의 실린더, 3개 이상의 실린더, 짝수개의 실린더, 홀수 개의 엔진, 선형 배열의 실린더, 대향하는 및/또는 수평 배열의 실린더, V자형으로 배열된 실린더, 또는 방사방향으로 배열된 실린더를 구비하는 내연 엔진이다.
본 발명의 다른 측면에서, 실린더의 설계 및 그 동작은 낮은 연료 대 공기의 혼합 비율을 사용하는 입구 공기에 희박한 연소를 하는 직접 연료 분사를 제공하여 화염 온도를 감소시켜 연소 열 에너지의 손실을 감소시키고 질소 산화물(NOx) 방출량을 감소시킨다. 희박한 연소의 연료 대 공기 비율은 약 0.04 내지 약 1의 범위, 보다 일반적으로, 약 0.2 내지 약 0.8의 범위, 예를 들어, 약 0.6이지만, 긴급 동력이 요구될 때에는 더 높은 비율로 제한된 시간 기간에서 동작될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 실린더 헤드의 내부와 피스톤 크라운(crown)에 열 장벽 코팅(thermal barrier coating : TBC)을 사용하여 연소 열 에너지의 손실을 더 감소시킨다.
본 발명의 또 다른 측면은 실린더 벽을 통해 열 에너지 손실을 감소시키는 것으로 인해 공랭식으로 냉각될 수 있어 통상적으로 중량의 엔진 블록으로 주조된 종래의 수냉식 시스템의 중량, 복잡성, 및 비용을 제거하는 2행정 내연 엔진이다.
본 발명의 더 다른 측면은 밸브를 개폐하는 데 필요한 실린더 헤드와 및 이와 연관된 메커니즘에 흡입 공기 밸브 또는 포트를 사용하지 않는 2행정 내연 엔진이다. 이것은 엔진의 중량, 복잡성 및 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 공기 흡입 매니폴드로 주변 공기를 유입시키고 압축하여 방출하는 낮은 압력 비율의 입구 공기 수퍼차저(과급기)를 사용하는 2행정 유니플로우 완전 팽창 내연 엔진이다. 낮은 압력 비율의 입구 공기 압축기는 엔진 회전 속도에 비례하여 대량의 입구 공기를 제공하는 엔진 구동 샤프트에 의해 구동되는 양변위형 압축기(positive displacement compressor)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 낮은 비용, 낮은 옥탄가 연료, 디젤, 알코올, 등유(kerosene), 제트-A, 및 바이오 디젤을 엔진 동작 파라미터에 약간의 조정을 해서 개별적으로, 간헐적으로 또는 함께 혼합하여 포함하는 가솔린을 포함하는 다양한 연료를 사용할 수 있는 능력이다.
본 발명의 또 다른 측면은 열 손실을 줄이기 위해, IC 엔진의 연소 노출 성분(combustion-exposed components)을 제조하기 위해 세라믹 매트릭스 복합 물질(ceramic matrix composite)(CMC)을 사용하는 것이다.
본 발명의 엔진은 소형 항공기, 무인 항공기(unmanned aerial vehicle)(UAV), 자동차, 및 트럭 뿐만 아니라 군용 차량, 헬리콥터, 및 해양 선박을 포함하는 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.
도 1은 낮은 압력의 양변위(positive displacement) 압축기를 포함하는 유니플로우, 완전 팽창, 내연 엔진의 정면 사시도;
도 2는 도 1의 유니플로우, 완전 팽창, 내연 엔진의 저면-배면 사시도;
도 3은 도 1의 유니플로우, 완전 팽창, 내연 엔진의 평면도;
도 4는 공기 흡입 및 스카빈지 상태의 유니플로우, 완전 팽창 엔진 실린더의 수직 단면도;
도 5는 도 4의 라인 5-5를 통한 실린더의 수평 단면도;
도 6은 도 4의 라인 6-6을 통한 실린더 헤드의 수평 단면도;
도 7은 본 발명의 완전 팽창 실린더의 열역학적 사이클에 대한 압력-볼륨 다이어그램;
도 8은 피스톤이 행정 사이클의 하사점 위치에 있고 스월 입구 공기 포트와 배기 포트가 모두 개방되어 있는 상태의 크랭크 각도 위치를 보여주는 유니플로우 실린더의 개략도;
도 9는 피스톤이 입구 공기 스월 포트를 폐쇄하고 배기 포트가 개방되어 유지되는 상태의 크랭크 각도 위치를 보여주는 유니플로우 실린더의 개략도;
도 10은 피스톤이 피스톤의 압축 행정 운동에서 절반에 접근하여 배기 포트가 닫히고 압축이 개시되는 시점에 있는 상태의 크랭크 각도 위치를 보여주는 유니플로우 실린더의 개략도;
도 11은 피스톤이 압축 행정의 종단에 접근하여 연료가 분사되는 상태의 크랭크 각도 위치를 보여주는 유니플로우 실린더의 개략도;
도 12는 피스톤이 상사점에 접근하여 스파크 수단이 점화되고 연소 및 동력 행정이 개시되는 상태의 크랭크 각도 위치를 보여주는 유니플로우 실린더의 개략도;
도 13은 피스톤이 동력 행정의 종단에서 완전 팽창에 접근하여 배기 포트가 개방되는 시점에 있는 상태의 크랭크 각도 위치를 보여주는 유니플로우 실린더의 개략도;
도 14는 입구 공기 스월 포트가 개방되고 배기 포트가 개방되어 연소 가스의 배출이 시작되는 상태의 크랭크 각도 위치를 보여주는 유니플로우 실린더의 개략도;
도 15는 실린더 사이클의 압축, 연료 분사, 점화, 연소, 동력, 배기 및 스카빈지 단계를 통과하는 크랭크 각도의 개략도;
도 16은 본 발명의 엔진에 대한 배기 포트 폐쇄 메커니즘의 캠(cam)을 도시하는 도면.
정의:
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 층상 급기(stratified charge)란 고압 인젝터로부터의 연료 스프레이가 스프레이 중심에서 연료가 풍부한 스프레이 패턴을 구비하여 스파크 점화기가 연료-공기 비율이 풍부한 곳과 연료-공기 비율이 매우 희박한 곳을 점화시킬 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 스파크 수단이란 연소 실린더에 연료-공기의 혼합물을 점화하는 수단을 포함하고, 스파크 플러그, 화염, 가열 관, 레이저, 및 마그네토(magneto)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 연소 지연 시간이란 연료의 분사 및 연료의 연소에 의한 온도 상승의 완료 사이의 시간 간격으로 정의된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 스카빈지(scavenge) 효율이란 배기 밸브가 닫힐 때 실린더에 남아있는 스카빈지되지 않은 연소 가스 부분에 대해 실린더 볼륨 내 신선한 공기의 백분율로 정의된다.
본 발명은 피스톤의 동력 행정을 연장함으로써 연소 (배기) 에너지의 대부분을 회수할 수 있는 실린더 사이클을 통해 동작하도록 구성된 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 실린더(들)이 포함된 내연 엔진을 제공한다. 보다 구체적으로, 피스톤의 동력 행정은, 통상적으로는 압축 행정 단계일 수 있는 부분 동안, 피스톤의 압축 행정 운동 부분에 대해 배기 포트를 개방 위치에 개방시켜 유지한 것을 통해, 입구 공기의 압축 동안 피스톤이 지나가는 실린더의 길이를 초과하는 실린더의 길이를 따라 연장된다. 그럼에도 불구하고, 배기 밸브가 닫힐 때, 실린더의 압축 행정 동안 볼륨의 변화는 높은 압축 비율을 제공하도록 구성된다. 압축 비율을 증가시키는 수단은 연소 챔버의 볼륨을 줄이기 위해 실린더 헤드 내 빈 공간을 구성하는 것을 포함한다.
2행정, 유니플로우, 완전 팽창 IC 엔진의 일 실시예가 수평으로 대향하는 공냉식 2실린더 엔진(1)이 도 1 내지 도 3에 도시된다. 종래의 차량은 일반적으로 4실린더, 4행정 엔진을 사용하지만, 2개의 2행정 실린더를 사용하는 본 발명의 엔진은 상당한 동력을 제공하며, 여기서 실린더는 동력 행정에 비해 감소된 길이의 압축 행정을 설명하기 위해 직경이 약간 더 크다. 엔진 크랭크 샤프트(35)에 기어 연결된 저압 비율 과급기(3)는 공기 흡입 파이프(2)를 통해 주위 입구 공기를 유입하고 실린더 공기 흡입 파이프(5)로 공기를 배출한다. 선택적 공기 냉각기가 사용될 수 있다. 저압 비율 수퍼차저는 최대 약 4:1, 보다 일반적으로 최대 3:1의 압축 비율(출구:입구)을 제공하고, 예를 들어 약 2:1 또는 1.5:1일 수 있다. 저압 수퍼차저의 예로는 보르텍엔지니어링(Vortech Engineering)사의 리스홀름 트윈 나사 수퍼처저(Lysholm twin-screw supercharger)이다. 엔진의 각 실린더(14)는 실린더의 하부 부근에 위치된 접선 공기 입구 포트(8)를 포함한다. 배기 가스는 실린더 헤드(16)의 실린더의 상부에 있는 배기 밸브(20)를 통해 이후 엔진 배기 출구 덕트(19)를 통해 실린더(14)를 빠져나간다. 크랭크케이스는 크랭크 샤프트(35)를 수용하고 매달린 오일 팬(33)을 포함한다. 본 발명의 완전 팽창 엔진은 종래의 동등한 동력의 내연 엔진보다 더 효율적이고 더 경량이고, 사이즈가 더 작고 덜 비싸다. 연료 소비량은 모든 다른 조건이 동일한 경우 종래의 엔진보다 적어도 약 35-40% 더 작은 것으로 예상되고, 종래의 루프식 스카빈지 2행정 엔진보다 적어도 약 50% 더 작은 것으로 예상된다.
하나의 실린더에 대한 기계적 요소의 개략이 도 4에 도시된다. 연료는 연료 인젝터(18)에 의해 실린더 헤드(16)를 통해 분사되고, 스파크 수단(17)은 연료를 점화한다. 도 4 및 도 5는 엔진(1)의 실린더(14) 중 하나의 실린더에 대한 수직 단면도와 수평 단면도를 각각 도시한다. 실린더(14)는 피스톤(9)과 실린더 헤드(16) 사이에 가변 볼륨 실린더 챔버(21)를 한정하는 원통형 벽(15)을 포함하고 외부 표면 냉각 핀을 구비한다. 실린더 헤드(16)에는 고에너지 스파크 플러그(17)와 연료 인젝터(18)가 배치된다. 배기 밸브(20)는 배기 밸브(20)가 배기 포트 시트에서 들어올려진 상태의 도 4에 도시된 개방된 위치와, 밸브가 시트에 안착된 상태의 도 9에 도시된 폐쇄된 위치 사이에서 축방향으로 동작하며 실린더 챔버(21)와 배기 포트(19) 및 배기 출구 닥터(6) 사이에 유체 연통을 제공한다. 직경 D의 피스톤(9)은 실린더(5) 내에서 행정 길이 L을 왕복운동하며 실린더 챔버의 볼륨 변위를 만든다. 피스톤(9)은 커넥팅 로드와 크랭크 암/핀(미도시, 잘 알려진 수단에 의해)을 통해 크랭크 샤프트(35)(도 2)를 구동한다.
L:D의 비율은 일반적으로 약 1.0 또는 이보다 약간 작거나, 또는 이보다 약간 더 크다. 그러나, 본 발명의 완전 팽창 엔진에서, 이 비율은 또한 감소된 길이의 압축 행정(도 7)(사이클 지점 1c 내지 2)에 비해 증가된 동력 행정 길이(도 7, 사이클 지점 3 내지 4)를 수용하기 위해, 일반적으로 최대 약 1.3:1 내지 1.4:1로 다소 더 클 수도 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 각 피스톤(9)은 피스톤 상부(11)와, 피스톤(9)의 측벽에 있는 환형 그루브 내에 배치된 피스톤 링(10)을 포함한다. 피스톤의 상부(11)는 피스톤의 중심으로부터 방사방향으로 배치되고 단일 스월 포트(8)(또는 복수의 스월 포트)의 방향에 대하여 횡방향으로 배향된 복수의 보조 베인(vane)(24)을 포함하여 실린더 챔버(21) 내에서 위쪽으로 스월하는 스카빈지 공기의 교란을 증가시킨다. 보조 베인의 개수는 스월 포트(8)의 개수와 동일하거나 상이할 수 있으며, 복수개가 사용될 때 이 개수는 균등 이격된 8개 내지 12개 범위일 수 있다. 보조 베인은 피스톤 상부(11)로부터 축방향으로 연장하며 이 피스톤 상부(11)의 에지에 인접하여 방사방향으로 연장하는 장형의 측벽(25)을 구비하여 공기-연료 혼합을 위한 난류를 생성하는데 도움을 준다.
도 5는 실린더(14)의 벽(15)의 내부면에 접선 방향으로 배향된 공기 입구 스월 포트(27)를 도시한다. 입구 포트(5)의 중심선(103)은 도 5에 도시된 바와 같이 어느 정도 굴곡될 수 있거나, 또는 직선일 수 있다. 스월 포트(8)의 단면적은 일반적으로 입구 포트(5)의 단면적보다 더 작아서 실린더 챔버(21)에 들어가는 공기의 속도를 증가시킨다. 실린더에 들어가는 공기의 일반적인 평균 속도는 입구 공기의 총 압력의 약 4%의 압력 강하를 가지고 초당 약 500피트(feet)이다. 실린더를 통한 평균 위쪽으로의 공기 속도에 대해 스월 속도의 비율로 정의된 스월 속도 비율의 증가는 실험 데이터로부터 엔진 효율의 증가를 초래할 수 있는 유니플로우 스카빈지 실린더 설계에서 달성되는 최대 실린더 압력(도 7, 사이클 지점 3)의 상당한 증가와 상관성이 있는 것으로 밝혀졌다. 도 5는 피스톤(9)의 상부에 있는 작은 방사방향 리지(ridge)(24)를 더 도시한다. 공기 스월 방향에 수직인 이들 리지는 고강도의 작은 규모의 난류를 생성하여 분사된 연료와 스월 공기의 혼합을 개선시키고, 연소 지연 시간을 감소시킨다.
대안적인 실시예에서, 공기 입구는, 실린더 벽의 외부 주위에 단방향으로 연장하며 실린더 벽을 통해 배치된 입구와 복수의 스월 포트를 구비하며 미국 특허 8,051,830에 기술된 실린더의 축방향 중심선에 대하여 접선방향으로 실린더 챔버에 들어가는 복수의 플레넘(plenum)을 포함할 수 있으며, 이 미국 특허 문헌은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된다. 스월 포트 또는 복수의 스월 포트의 디자인 및 사이즈는 전산 유체 역학(computational fluid dynamics)(CFD)을 사용하여 특정 엔진 디자인 및 연료 소스에 대해 지정될 수 있다. 스월 포트(8)와 대응하는 입구 베인(7)의 개수는 최대 수 백 개일 수 있고, 보다 일반적으로 약 12개 내지 48개일 수 있다. 고속의 접선방향의 스월 포트(들)는 매우 짧은 연소 지연 시간 및 실린더 내 더 높은 평균 유효 압력(mean effective pressure)(MEP) 및 증가된 엔진 효율을 제공하는 데 도움을 준다.
연료 인젝터(18)는 (중심선(100)에 평행하게 배향된) 수직선으로부터 각도 람다(λ)로 스프레이 패턴(56)으로 벡터 경로(50) 및 접선 방향의 경로(52)를 따라 하류(downstream)쪽으로 고난류의 스월하는 공기흐름(54)으로 실린더로 직접 연료를 분사하여 층상화된 연료 급기를 제공하고 매우 낮은 연료-공기 비율이 있는 아래쪽으로 희박한 연소를 제공한다. 본 발명의 일 측면에서, 희박한 연소(lean burning) 공기-연료 혼합물은 연료의 보다 효율적인 희박한 연소 및 개선된 열 효율을 통해 연료 효율과 동력 생산을 개선하기 위해 제공된다. 일반적으로, 연료의 더 희박한 연소의 장점으로는 개선된 연료 효율, 더 낮은 방출물 및 감소된 열 손실이 있다. 이론적인 희박한 혼합물은 0.04만큼 낮을 수 있다. 희박한 연소를 위한 바람직한 범위는 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 및 0.7을 포함하는 약 0.2 내지 약 0.8이다.
연소 챔버의 높은 압력에서 연료를 분사하기 위해 일반적으로 연료 인젝터는 약 4000psi의 압력으로 연료를 분사한다. 연료 인젝터의 예로는 미국 특허 5,392,745 및 미국 6,349,706 중 어느 하나에 기술된 디바이스를 포함하며, 이들 문헌은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 포함된다.
본 발명의 IC 엔진은 희박한 연소를 달성하기 위해 실린더 챔버 내에 입구 공기의 양(질량)에 대해 연료 공급량과 타이밍을 제어하는 전자 제어 모듈(ECM) 또는 전자 제어 유닛(ECU)을 사용할 수 있다. ECM/ECU는 센서로부터 엔진 속도 신호 뿐만 아니라 흡입 매니폴드 압력과 연료 온도와 같은 다른 동작 파라미터를 수신하고, 액추에이터를 통한 연료의 양 및 분사 타이밍의 시작을 제어하여 동력 및 효율을 극대화하고 방출량을 최소화할 수 있다.
본 발명의 완전 팽창 엔진은 또한 엔진 전체에 걸쳐 오일 섬프(sump), 오일 펌프, 오일 필터 및 일반적인 오일 통로를 가지고 압력 윤활을 제공하는 일반적인 2행정 엔진과는 상이하다.
스파크 점화기(17)는 인젝터의 바로 아래(downstream)에 위치하며 (도 6에서 경로(52)를 따라 반시계 방향으로), 분사된 연료(56)의 경로 내에 위치된다. 스파크 점화기(17)는 분사된 연료면이 도달할 때 또는 도달한 후 층상화된 연료를 점화시켜, 급속히 혼합하여 층상화된 연료 급기의 짧은 연소 지연 시간을 초래한다. 연소 지연 시간은 연료의 점화 및 연료의 양이 완전 연소한 것에 의한 온도 상승의 완료 사이의 시간 간격이다. 스파크 점화기(17)는 연소 지연을 가능한 한 최소화하기 위해 분사된 연료(56)의 배출 지점에 가깝게 위치된다. 도시된 실시예에서, 스파크 점화기(17)는 분사된 연료(56)의 배출 지점으로부터 원호 각도(arc angle)(β)에 위치되는데, 이 원호 각도(β)는 약 15°내지 약 45°이다. 이 점화는 전반적으로 연료-공기 비율이 낮음(희박함)에도 불구하고, 스월 공기에서 연료 농도가 높은 (풍부한) 곳에서 발생한다. 이 연료 급기, 공기 혼합 및 점화는 상이한 연료 휘발성을 가지는 여러 종류의 연료를 사용할 수 있게 하고, 폭음 또는 조기 점화의 문제 없이 높은 압축 비율과 매우 희박한 연료-공기의 혼합물(낮은 연료 흐름)을 사용할 수 있게 한다. 엔진 동력의 출력은 연료 흐름에 의해 제어되어 공기 흐름 제어 밸브에 의해 야기된 흡입 매니폴드 압력 손실을 제거하고 낮은 동력 상태에서 엔진 효율을 크게 개선시킨다. 또한, 낮은 동력 상태에서, 낮은 연소 온도를 가지는 감소된 연료 흐름은 실린더 열 손실을 크게 감소시켜서 엔진 효율을 개선시킨다.
종래의 IC 엔진에서 연료는 균일한 화학량론적인 연료-공기 비율을 제공하도록 흡입 밸브 앞의 흡입 매니폴드에 분사되어, 높은 연소 온도를 초래하고 냉각 매체로 높은 열 손실을 가지고 높은 레벨의 NOx 방출물을 초래한다. 설계 동력출력(design power output)에서의 희박한 연소는 열 에너지 손실의 큰 감소 및 NOx 방출물의 큰 감소 효과를 볼 수 있다. 본 발명의 엔진은 매우 낮은 연료-공기 비율에서 동작할 수 있기 때문에 본 엔진의 동력 출력은 연료 흐름에 의해 제어된다. 이것은 동력이 흡입 공기 흐름을 계량하는 것에 의해 제어될 때 발생하는 흡입 매니폴드 내 큰 압력 손실을 제거한다.
배기 포트 폐쇄 메커니즘은 배기 밸브에 의해 배기 포트의 개방과 폐쇄를 설정하도록 한다. 본 발명은 하나 또는 복수의 배기 포트를 사용하고 배기 밸브를 매칭하는 것을 더 고려한다. 본 발명의 일 실시예에서, 배기 포트 폐쇄 메커니즘은 피스톤의 왕복 행정 동안 적절한 시간에 배기 밸브를 개폐하도록 엔진의 크랭크샤프트에 기계적으로 연결된 캠샤프트이다. 배기 밸브는 종래의 캠샤프트 작동을 사용하여 개폐되는 종래의 포펫 밸브(poppet valve)일 수 있다. 크랭크 샤프트에의 기계적 연결은 타이밍 벨트 또는 타이밍 체인이라고 하는 벨트 또는 체인을 통해 간접적으로 또는 기어 메커니즘을 통해 직접 종래 방식으로 연결될 수 있다. 캠은 배기 포트를 개방하는 지속 시간을 증가시키도록 구성된다. 지속 시간 또는 드웰(dwell) 시간은 배기 밸브가 배기 포트의 시트에서 들어올려져 배기 포트를 개방하는, 엔진 회전의 크랭크샤프트의 각도의 수이다. 캠 샤프트를 들어올리는(lift) 것은 결과적으로 그 시트로부터 배기 밸브를 들어올리는 것이 된다. 도 16은 배기 포트 폐쇄 메커니즘에서 사용될 수 있는 캠(80)을 도시한다. 캠(80)의 프로파일은 배기 포트 시트에서 배기 밸브를 리프트 위치로 들어올리는 리프트 부분(82)과, 배기 포트가 완전히 개방된 상태에서 배기 밸브가 들어올려져 유지(드웰)하는 드웰 부분(84)과, 배기 밸브를 시트로 다시 하강시키는 하강 부분(86)을 포함한다. 캠의 지속 시간은 일반적으로 크랭크 각도의 약 140°내지 약 180°이고, 보다 일반적으로 약 155°내지 약 165°이며, 예를 들어, 약 160°이다. 상승 및 하강 부분은 각각 일반적으로 그리고 독립적으로 크랭크 각도의 약 14°내지 약 17°이다. 입구 공기 포트가 폐쇄된 후 배기 포트가 개방 위치에 유지되는 지속 시간 부분은 일반적으로 약 50°내지 약 60°이지만, 더 많거나 더 적을 수 있다.
전자기계 밸브 제어가 배기 밸브의 개폐를 보다 신속히 조절하고 제어하는데 사용될 수 있다. 배기 밸브의 가변 개방 및/또는 폐쇄를 달성하기 위한 디바이스의 예로는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된 미국 특허 번호 6,257,190, 6,053,134, 5,537,961, 5,103,779에 제공된다. 나아가, 초기 실린더 압축 압력을 감소시키는 냉 엔진 시동(cold engine starting) 상태에서 각 실린더의 배기 밸브(20)를 완전히 개방하는데 프로그래밍된 솔레노이드가 사용될 수 있다.
솔레노이드로 구동되고 작동되는 배기 밸브를 포함하여 배기 포트를 개폐하는 다른 수단과 방법은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람에게 일어날 수 있는 바와 같이 사용될 수 있다.
세라믹 매트릭스 복합 물질(CMC)은 실린더 벽과 실린더 헤드를 구비하는 실린더, 배기 밸브 및 피스톤을 구성하는 데 사용될 수 있다. CMC는 섬유 물질 사이에 매립된 세라믹 물질로 만들어진 매트릭스이다. 일반적인 섬유 물질은 탄소, 실리콘 탄화물, 알루미늄 산화물 및 멀라이트(mullite)를 포함한다. 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 및 실리콘 탄화물은 주로 매트릭스 성분으로 사용된다. CMC 물질 및 IC 엔진의 성분을 제조할 때 사용하는 예로는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된 미국 특허 5,888,641 및 5,947,094에 기술된다.
2행정 사이클
본 발명의 2행정 완전 팽창 실린더 사이클은 공기 흡입 단계, 압축 행정, 연료 분사 단계, 점화 및 연소 단계, 동력 행정, 그리고 배기 및 스카빈지 단계를 포함한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 완전한 사이클은 실린더 내에서 피스톤의 2행정만을 포함하며 피스톤 로드가 피스톤(9)에 연결한 크랭크 샤프트(35)의 하나의 완전한 회전만을 포함한다. 본 발명은 초당 수십 내지 수백 회의 실린더 사이클을 반복하는 것을 포함하는 IC 엔진을 동작시키는 방법을 제공한다.
2행정, 유니플로우, 완전 팽창 실린더를 위한 사이클
도 7은 압력-볼륨 다이어그램으로 열역학적 동작 사이클을 도시하는 반면, 도 8은 실린더 행정 사이클의 동작 단계에서 엔진의 크랭크 위치를 도시한다. 도 7에서 수직 스케일은 엔진 동작 지점에서 실린더 내부의 가스 압력을 도시하고, 수평 스케일은 실린더 벽(15), 실린더 헤드(16) 및 피스톤(9)에 의해 한정되는 실린더 내부의 개방된 볼륨을 도시한다. 도 15는 실린더 사이클의 단계를 통한 크랭크샤프트 각도에 대한 개략적인 다이아그램을 도시한다.
도 7의 다이어그램의 사이클 지점 1a에서, 피스톤은 행정의 바닥(180°크랭크 각도로 도 8에 도시된 하사점(BDC))에 있고, 실린더 헤드(16)로부터 가장 먼 거리에 있으며, 배기 밸브는 개방되고, 공기 흡입 포트는 개방된다. 입구 공기는 실린더 내로 스월하고 실린더를 스카빈지한다. 피스톤은 지점 1b로 위쪽으로 이동하며 여기서 스월 입구 포트는 피스톤에 의해 커버되어 폐쇄되는(도 9) 반면, 배기 포트는 커버되지 않고 개방을 유지한다. 배기 포트는 사이클 지점 1b로부터 지점 1c로 가며 개방을 유지하며 이는 피스톤의 총 위쪽 행정 길이의 상당한 부분이고 이 동안 공기는 피스톤에 의해 실린더 밖으로 푸시되어, 배기 밸브를 더 냉각시키고 매우 높은 스카빈지 효율(∼99%)을 더 초래한다. 배기 포트는 통상적으로는 압축 행정의 일부일 수 있는 부분 동안 개방되어 유지된다. 실린더의 바닥에서 고속 스월 포트를 통해 실린더에 들어가는 낮은 압력의 압축된 입구 공기의 일부는 배기 포트가 폐쇄되기 전에 배기 포트에서 빠져나간다. 이것이 일어나면 압축 공기 에너지 중 작은 양이 손실되지만, 동력 행정에서 얻어지는 에너지의 이득이 훨씬 더 커서, 입구 공기를 스카빈지하는 쿨러는 실린더 벽과 배기 밸브를 냉각시킨다.
지점 1c에서, 피스톤의 압축 행정 운동의 약 절반 위에서, 배기 포트는 폐쇄된다(도 10). 배기 포트가 폐쇄된 후, 실린더 내에 갇힌 공기는 도 11에 도시된 지점 1c로부터 지점 2로 실린더 볼륨의 변화에 의해 압축된다. 압축 행정이 지점 1c 및 2 사이에 진행하고, 엔진 압축 비율의 설계 값은 실린더 볼륨과, 실린더 헤드(16)와 피스톤(9)의 상부 사이 행정의 상단(상사점, TDC)에서의 볼륨의 변화에 의해 결정된다. 피스톤 행정의 상단 부근에서, 연료 분사는 스프레이의 중심에 연료가 풍부한 스프레이 패턴으로 작은 연료 액적으로 고압 자동차 연료 인젝터에 의해 제공된다(도 11). 그 직후, 스파크 플러그(17)로부터 점화는 지점 2(도 12)에서 TDC에서 또는 그 부근에서 발생하며, 피스톤 행정의 상단 부근 연소 챔버에 분사된 연료의 연소를 초래하며 거의 일정한 볼륨에서 발생하는 사이클 지점 2으로부터 사이클 지점 3a로 크고 거의 순간적인 압력의 증가를 초래한다. (사이클 지점 3은 이론적인 최대 압력 상태이고, 지점 3a는 연소 지연에 따른 실제 상태를 나타낸다.) 엔진 동력 행정은 사이클 지점 3a에서 시작하며 여기서 압력과 온도의 최대 값은 연소 지연 시간에 의해 결정된다. 압력 및 온도 파라미터의 더 높은 값과 더 높은 엔진 효율은 연소 지연 시간의 감소에 의해 얻어진다. 엔진 동력 행정을 나타내는 사이클 지점 3a로부터 사이클 지점 4로 팽창하는 동안, 배기 포트는 폐쇄된 채 유지되어 행정의 종단 쪽으로 고압을 최대한 이용할 수 있고, 이 지점 4에서 거의 대기압으로 떨어진다(도 13). 이 공정은 엔진 효율에 매우 큰 개선을 초래하는 오토 사이클에 대해 연료에서 이용가능한 화학 에너지의 거의 전부를 엔진 (운동) 동력으로 변환시킨다.
압축 시작 위치가 통상적인 최대 압축 행정 거리의 약 절반 정도일이고 배기 포트는 피스톤이 스월 입구 포트를 커버하지 않기 바로 전에 동력 행정의 종단에서 개방될 때, 동력 행정의 유효 길이는 실제 공기 압축 행정의 유효 길이의 약 2배이다. 동력 행정의 종단(도 13, 그러나 배기 포트를 개방하기 직전)에서 연소 가스는 대기압 쪽으로 거의 완전히 팽창되어, 배기 포트가 개방될 때 거의 블로우다운(blow-down) 손실을 제공하지 않고 100%에 매우 가까운 스카빈지 효율을 제공한다. 높은 공기 대 연료 비율과 높은 효과적인 스카빈지를 통해 연료는 연소 시작시에 산소를 신속하고 효율적으로 발견한다. 일반적으로, 압축 시작 위치는 입구 밀봉 위치와 상사점 위치 사이 통상 최대 압축 행정 거리의 약 절반 거리이지만, 압축 시작 위치는 입구 밀봉 위치와 상사점 위치 사이 통상 최대 압축 행정의 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 및 약 75%일 수 있다.
종래의 엔진에서 배기 밸브는, 종래의 엔진 설계에서 피스톤 행정의 바닥에 있고, 배기 가스의 압력과 온도가 여전히 높은 사이클 지점 4c에서 표시된 볼륨에서 개방된다.
사이클이 도 7의 지점 4에서 연속하므로, 배기 포트는 개방되고(도 13) 피스톤(9)이 다운 행정을 계속하므로, 스월 입구 공기 포트는 커버되지 않고 개방되고(도 14), 이는 남아있는 연소 가스의 배기를 개시하고 사이클이 지점 1a로 복귀할 때 실린더 압력을 입구 공기 압력으로 신속히 감소시킨다(도 8).
완전 팽창 엔진의 유리한 특징
본 발명은 동일한 동력의 출력을 가지는 4행정 엔진에 의해 요구되는 실린더 변위의 약 절반을 가지는 유니플로우, 완전 팽창 2행정 엔진 설계를 제공한다. 본 발명의 엔진의 동력 행정은 통상 대기로 배기되는 열 에너지와 압력의 거의 전부를 회수한다. 실린더 헤드의 내부와 피스톤 크라운에 있는 열 차단 코팅과 희박한 연소로 인한 훨씬 더 낮은 냉각 손실 때문에 이 엔진은 통상적으로 냉각 매체로 손실되는 열 에너지의 대부분을 보유(운동 에너지로 변환)하고, 과열의 위험을 상당히 감소시키며 공기 냉각될 수 있다. 정교한 수냉식 냉각 시스템이 없는 작은 2행정 엔진은 중량이 훨씬 더 가볍고 제조 비용이 덜 든다. 희박한 연소는 연소 온도를 더 감소시키고 이에 따라 NOx 방출량을 줄일 수 있다. TBC 코팅의 뜨거운 표면은 통상적으로 미연소된 연소 생성물을 연소시키는 것에 의해 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO) 방출량을 더 감소시킨다. 연료를 직접 분사하는 것으로 인해, 엔진 동력의 출력은 공기 흐름에 의한 것이라기보다는 연료 흐름에 의하여 제어되며 이는 공기 제어 밸브, 벤추리, 및 동력 설정의 흡입 매니폴드의 다른 제한에 의해 야기된 압력 손실을 거의 제거한다.
전술된 잇점과 특징들 모두와 함께, 본 발명의 2행정 완전 팽창 엔진은 종래의 4행정 내연 엔진의 것의 거의 2배인 열역학적 연료 효율을 구비하고 연소 오염물의 방출을 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 흡입 공기 밸브 및 밸브 메커니즘이 없고 액체 냉각 시스템이 없어, 본 발명의 2행정 엔진은 중량이 훨씬 더 가볍고 종래의 엔진보다 비용이 더 적다.

Claims (10)

  1. 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(internal combustion)(IC) 엔진을 동작시키는 방법으로서, 상기 방법은 실린더 사이클을 반복시키는 단계를 포함하며, 상기 사이클은,
    a) 커버되지 않은 스월(swirl) 입구 포트를 통해, 상기 피스톤이 상기 실린더 내 왕복 행정의 바닥에 근접한 곳에 있는 상기 실린더 내로 가압된 입구 공기를 전달하고, 상기 실린더 내 접선 방향 난류의 단일방향 흐름으로 상기 입구 공기를 스월시키는 단계;
    b) 상기 스월 입구 포트가 커버되어 있지 않아 상기 입구 공기에 의해 상기 실린더의 스카빈지를 제공하는 동안 상기 배기 포트를 개방 위치에 유지하는 단계;
    c) 상기 피스톤을 위쪽으로 전진시켜 상기 입구 포트를 커버하는 단계;
    d) 상사점 쪽으로 상기 피스톤의 행정 운동의 상당한 부분 동안 상기 배기 포트를 개방 위치에 더 유지하는 단계;
    e) 상기 배기 포트를 폐쇄하는 단계;
    f) 상사점 쪽으로 상기 피스톤과 상기 실린더 헤드 사이의 상기 입구 공기를 압축하는 단계;
    g) 상기 희박한 연소 연료 대 공기 비율로 상기 압축 행정의 종단 부근에서 연료를 분산시키는 단계;
    h) 상기 공기-연료 혼합물을 점화하고 연소시켜 상기 동력 행정을 시작하는 단계;
    i) 상기 동력 행정의 종단 부근에서 상기 배기 포트를 개방하여 가압된 연소 가스를 배기하는 단계; 및
    j) 상기 피스톤이 상기 동력 행정의 바닥에 접근할 때 상기 입구 스월 포트를 커버하지 않는(uncover) 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 포트는 상기 하사점(BDC) 위치로부터 상기 상사점(TDC) 위치 사이의 크랭크 사이클의 대부분 동안 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진 동작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압축 행정의 시작 부분에서의 실린더 볼륨과 상기 상사점(TDC) 위치에서의 상기 연소 챔버의 볼륨의 압축 비율은 높은 압축 비율인 것을 특징으로 하는 엔진 동작 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 동력 행정은 상기 압축 행정보다 더 긴 것을 특징으로 하는 엔진 동작 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 인젝터는 하나의 스월 포트의 입구 방향과 동일한 접선 방향으로 연료를 분사하도록 배향되고, 상기 스파크 수단은 상기 연료 인젝터의 스트림의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 동작 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 상사점 쪽으로 상기 피스톤의 행정 운동의 상당한 부분 동안 상기 배기 포트를 개방 위치에 더 유지하는 단계는 상기 실린더 사이클의 압축 단계의 시작의 지연을 제공하는 것을 특징으로 하는 엔진 동작 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 실린더 사이클의 상기 압축 단계의 시작의 지연은 상기 입구 공기 포트가 완전히 커버된 입구 밀봉 위치와, 상사점에서 상기 행정의 상단에 있는 상사점 위치 사이의 상기 실린더 내 압축 시작 위치에 피스톤이 도달할 때까지 상기 배기 포트를 개방 위치에 유지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 동작 방법.
  8. 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진으로서,
    실린더 벽과 실린더 헤드를 구비하고, 상기 실린더 헤드는 하나 이상의 배기 포트, 상기 배기 포트에 배치된 배기 밸브, 연료 인젝터 및 상기 실린더 헤드를 관통해 배치된 스파크 수단을 구비하는 실린더;
    상기 실린더 내에 장착되어, 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치 사이에서 압축 행정과 동력 행정을 통해 왕복운동을 하는 피스톤;
    상기 실린더의 바닥에서 상기 실린더 벽을 통과하며, 상기 피스톤의 왕복운동에 대응하여 커버되거나 커버되지 않는 스월 입구 포트; 및
    상기 피스톤의 상기 행정 위치에 따라 상기 배기 포트의 개폐를 수행하는 배기 포트 폐쇄 메커니즘;을 포함하며,
    상기 배기 포트 폐쇄 메커니즘은 상기 피스톤의 압축 행정 운동 부분 동안 상기 배기 포트를 개방하여 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 배기 포트 폐쇄 메커니즘은 상기 배기 밸브를 리프트하기 위한 캠을 구비하는 캠샤프트를 포함하며, 상기 캠은 크랭크 각도의 약 140°내지 약 180°의 리프트 지속시간을 구비하는 것을 특징으로 하는 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 배기 포트 폐쇄 메커니즘은 상기 배기 밸브를 리프트하기 위한 캠을 구비하는 캠 샤프트를 포함하며, 상기 캠은 크랭크 각도의 약 160°의 리프트 시간을 구비하는 것을 특징으로 하는 2행정, 유니플로우, 완전 팽창 내연(IC) 엔진.
KR1020137018397A 2010-12-14 2011-12-13 완전 팽창 내연 기관 KR20140035876A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US42271110P 2010-12-14 2010-12-14
US61/422,711 2010-12-14
US201161542541P 2011-10-03 2011-10-03
US61/542,541 2011-10-03
PCT/US2011/064538 WO2012082682A2 (en) 2010-12-14 2011-12-13 Full expansion internal combustion engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140035876A true KR20140035876A (ko) 2014-03-24

Family

ID=46245311

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137018397A KR20140035876A (ko) 2010-12-14 2011-12-13 완전 팽창 내연 기관

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8550042B2 (ko)
EP (1) EP2655827A4 (ko)
JP (1) JP2014503740A (ko)
KR (1) KR20140035876A (ko)
CN (1) CN103348110A (ko)
WO (1) WO2012082682A2 (ko)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8973539B2 (en) 2010-12-14 2015-03-10 Jack R. Taylor Full expansion internal combustion engine
DE102012021339A1 (de) * 2012-10-31 2014-04-30 Eads Deutschland Gmbh Unbemanntes Luftfahrzeug und Betriebsverfahren hierfür
US9650924B2 (en) * 2014-03-07 2017-05-16 Electro-Motive Diesel, Inc. Engine control system having quick-open valve timing
US10450943B2 (en) * 2014-03-27 2019-10-22 The Trustees Of Princeton University Otto and diesel cycles employing spinning gas
DK3214292T3 (da) * 2014-10-30 2020-01-06 Ihi Corp Jævnstrømsskylningstotaktsmotor
CN205315134U (zh) * 2016-01-16 2016-06-15 浙江中马园林机器股份有限公司 扫气道外置式低排气缸
US20160252007A1 (en) * 2016-05-09 2016-09-01 Caterpillar Inc. Pre-chamber assembly for engine
CN107091474A (zh) * 2017-05-31 2017-08-25 深圳智慧能源技术有限公司 点火喷嘴装置
JP7236221B2 (ja) * 2018-05-09 2023-03-09 株式会社ジャパンエンジンコーポレーション 舶用ディーゼルエンジン
CN108661790A (zh) * 2018-06-19 2018-10-16 张忠友 泵充式二冲高压动力汽油酒精二用发动机
WO2020011800A1 (en) * 2018-07-11 2020-01-16 Hypertec Solution S.R.L. Two-stroke internal combustion engine and relative actuation method
WO2021011528A1 (en) 2019-07-15 2021-01-21 The Research Foundation For The State University Of New York Method for control of advanced combustion through split direct injection of high heat of vaporization fuel or water fuel mixtures

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04365930A (ja) * 1991-06-13 1992-12-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ２段掃気口を有する２サイクルユニフロー掃気機関
JPH05179986A (ja) * 1991-05-09 1993-07-20 Philips Gloeilampenfab:Nv 内燃機関の運転方法
JPH08312448A (ja) * 1995-05-12 1996-11-26 Isuzu Ceramics Kenkyusho:Kk 複合繊維強化部を持つセラミック部品
JP2001132604A (ja) * 1999-11-05 2001-05-18 Honda Motor Co Ltd 内燃機関の点火装置
JP2002349268A (ja) * 2001-05-22 2002-12-04 Zenichi Abiko 過給装置付き筒内噴射型２サイクルガソリン機関
JP2005201075A (ja) * 2004-01-13 2005-07-28 Toyota Motor Corp 混合気を圧縮自着火させる自着火運転が可能な内燃機関

Family Cites Families (86)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2924069A (en) 1960-02-09 Buchi
US1233621A (en) 1914-08-12 1917-07-17 Henry W Jessup Valve mechanism for internal-combustion engines.
US1649554A (en) 1921-06-16 1927-11-15 Roger J Sweet Internal-combustion engine
US1734459A (en) 1927-03-26 1929-11-05 Charles G Curtis Two-cycle internal-combustion engine
US1819097A (en) 1928-12-29 1931-08-18 Highfield Frank Wootton Radial-cylinder internal combustion engine
US1855851A (en) 1929-07-24 1932-04-26 Bristol Aeroplane Co Ltd Exhaust manifold for radial-cylinder internal-combustion engines
US1972805A (en) 1930-03-03 1934-09-04 Vanni Pier Giorgio Internal combustion engine
US2018848A (en) 1930-08-16 1935-10-29 Gruebler Felix Internal combustion engine
US1995579A (en) 1932-04-20 1935-03-26 Ricardo Harry Ralph Two-stroke sleeve-valve internal combustion engine of the liquid fuel injection compression ignition type
US2123065A (en) 1934-06-23 1938-07-05 Gen Electric Air inlet arrangement for two-cycle internal combustion engines
US2063374A (en) 1934-09-25 1936-12-08 Harvey F Hansen Internal combustion engine
US2058350A (en) * 1935-04-25 1936-10-20 Petters Ltd Two-stroke internal combustion engine
US2236950A (en) * 1938-10-13 1941-04-01 Ricardo Harry Ralph Two-stroke internal combustion engine operating with compression ignition
US2318333A (en) 1939-01-17 1943-05-04 Ricardo Harry Ralph Internal combustion engine operating on the two-stroke cycle with liquid fuel injection
US2231392A (en) 1939-01-26 1941-02-11 John J Mccarthy Internal combustion engine
US2269084A (en) 1941-05-03 1942-01-06 John J Mccarthy Internal combustion engine
US2483288A (en) 1947-04-10 1949-09-27 Texas Co Internal-combustion engine
US2552006A (en) 1948-10-26 1951-05-08 Jr Thomas J Gill Internal-combustion engine
US2638876A (en) 1951-09-10 1953-05-19 Harry C Dunning Radial cylinder engine
US2691968A (en) * 1952-04-24 1954-10-19 Texas Co Two-stroke internal-combustion engine and method of operating same
US2699765A (en) 1953-05-21 1955-01-18 Texas Co Scavenging system for two-stroke internal-combustion engines
US2991616A (en) 1953-12-16 1961-07-11 Miller Ralph Supercharged intercooled two stroke cycle engine with compression control valve
US2979045A (en) 1959-09-04 1961-04-11 Frank R Busch Blade baffled two-cycle engine
US3003485A (en) 1960-12-19 1961-10-10 Clifford R Chard Radial type two-stroke cycle internal combustion engine with crankcase compression means
US3309865A (en) * 1965-04-01 1967-03-21 Worthington Corp Internal combustion engine
US3494335A (en) 1968-05-03 1970-02-10 Brunswick Corp Internal combustion engine
JPS5232010B2 (ko) * 1972-07-05 1977-08-18
US4088098A (en) 1976-04-09 1978-05-09 Outboard Marine Corporation Cross-scavenged, two-cycle internal combustion engine
US4069794A (en) 1976-08-10 1978-01-24 Robert Denney Jordan Positive power control internal combustion engine
JPS569044Y2 (ko) * 1976-11-12 1981-02-27
AU525683B2 (en) 1976-12-21 1982-11-25 Malz Nominees Pty. Ltd. Internal combustion engine
DE2815717A1 (de) 1977-04-29 1978-11-02 List Hans Luftverdichtende, direkt einspritzende brennkraftmaschine
JPS594530B2 (ja) 1978-08-16 1984-01-30 トヨタ自動車株式会社 二サイクルエンジン
US4359027A (en) 1980-09-22 1982-11-16 Outboard Marine Corporation Two-cycle internal combustion engine having high swirl combustion chamber
JPS5818512A (ja) * 1981-07-25 1983-02-03 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 往復動機関の動弁装置
JPS58154804U (ja) * 1982-04-09 1983-10-17 三菱重工業株式会社 デイ−ゼルエンジンの動弁装置
US4574754A (en) 1982-08-16 1986-03-11 Rhoades Jr Warren A Stratified charge combustion system and method for gaseous fuel internal combustion engines
DE3318136A1 (de) 1983-05-18 1984-11-22 Oskar Dr.-Ing. 8035 Gauting Schatz Ladevorrichtung zum aufladen von verbrennungsmotoren
US4643156A (en) 1983-05-18 1987-02-17 Oskar Schatz Internal combustion engine with a positive displacement supercharger mechanically driven from the engine crankshaft
US4836153A (en) * 1984-11-26 1989-06-06 John Velencei Two-piston internal combustion engines
DE3444406A1 (de) * 1984-12-05 1986-06-05 Kolbenschmidt AG, 7107 Neckarsulm Gegossene bauteile fuer brennkraftmaschinen mit eingegossenen bewehrungskoerpern sowie verfahren zur herstellung der verbindung zwischen den bauteilen und den bewehrungskoerpern
US4671218A (en) 1985-03-11 1987-06-09 Carl Weiland Two stroke engine with deflector valve
JPS62113820A (ja) * 1985-11-12 1987-05-25 Toyota Motor Corp ２サイクルデイ−ゼルエンジン
JP2528317B2 (ja) 1987-06-09 1996-08-28 洋一 山崎 純流体式可変容量タ−ボチャ−ジャ
MX167296B (es) 1989-02-27 1993-03-15 Orbital Eng Pty Motor de combustion interna, sobrealimentado, de cilindro multiples
JPH0637852B2 (ja) 1989-07-17 1994-05-18 いすゞ自動車株式会社 ４サイクル断熱エンジン
US5072699A (en) 1989-07-18 1991-12-17 Pien Pao C Internal combustion engine
JPH0772495B2 (ja) 1989-07-28 1995-08-02 マツダ株式会社 エンジンの過給装置
US5083533A (en) 1989-11-09 1992-01-28 North American Philips Corporation Two-stroke-cycle engine with variable valve timing
JP2838426B2 (ja) * 1990-01-17 1998-12-16 株式会社いすゞセラミックス研究所 サイクル可変ディーゼルエンジン
JPH03213616A (ja) * 1990-01-18 1991-09-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 掃気再循環機構
US5150670A (en) 1990-04-06 1992-09-29 Harold W. Gewald Radial internal combustion engine
JPH04132834A (ja) * 1990-09-25 1992-05-07 Mazda Motor Corp エンジンの吸気装置
JPH04132857A (ja) * 1990-09-25 1992-05-07 Mazda Motor Corp エンジンの燃料供給装置
JPH04132858A (ja) * 1990-09-25 1992-05-07 Mazda Motor Corp エンジンの吸気構造
JPH04325748A (ja) * 1991-04-26 1992-11-16 Mazda Motor Corp エンジンの燃料制御装置
US5134976A (en) 1991-06-04 1992-08-04 Outboard Marine Corporation Internal combustion engine
FR2690951B1 (fr) 1992-05-05 1995-08-04 Melchior Jean Procede d'alimentation pour moteur a combustion interne a allumage par compression.
JPH0626342A (ja) * 1992-07-08 1994-02-01 Mazda Motor Corp ユニフロー式２サイクルエンジンの燃料噴射装置
US5265562A (en) * 1992-07-27 1993-11-30 Kruse Douglas C Internal combustion engine with limited temperature cycle
JPH06257442A (ja) * 1993-03-05 1994-09-13 Mazda Motor Corp ユニフロー式２サイクルエンジン
JPH06280674A (ja) * 1993-03-26 1994-10-04 Mazda Motor Corp ２サイクル内燃機関
JPH06288238A (ja) * 1993-03-31 1994-10-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ２サイクルエンジン
US5605125A (en) 1994-11-18 1997-02-25 Yaoita; Yasuhito Direct fuel injection stratified charge engine
US5435283A (en) 1994-01-07 1995-07-25 Cummins Engine Company, Inc. Swirl control system for varying in-cylinder swirl
CN2256940Y (zh) * 1994-06-27 1997-06-25 李荟敏 二冲程发动机的扫气系统
RU2103524C1 (ru) * 1996-07-11 1998-01-27 Геня Те Способ работы двухтактного двигателя и двухтактный двигатель внутреннего сгорания
JPH1077845A (ja) * 1996-09-06 1998-03-24 Daihatsu Motor Co Ltd ２サイクルエンジンの構造
US6101989A (en) 1996-09-26 2000-08-15 Clean Cam Technolog Systems Low emission power plant and method of making same
US6101990A (en) 1996-09-26 2000-08-15 Clean Cam Technology Systems Low emission power plant and method of making same
US5746163A (en) 1996-09-26 1998-05-05 Clean Cam Technology Systems Low emission power plant and method of making same
JPH1122531A (ja) * 1997-06-30 1999-01-26 Unisia Jecs Corp 直噴火花点火式内燃機関の制御装置
US5870982A (en) * 1997-11-12 1999-02-16 Strawz; Frank T. Intake valve of a supercharged two stroke engine
FR2780099B1 (fr) 1998-06-22 2001-01-05 Daniel Drecq Moteur a combustion interne a deux temps muni d'un dispositif de suralimentation et de recirculation partielle de gaz d'echappement
SE523149C2 (sv) 2001-08-20 2004-03-30 Volvo Lastvagnar Ab Anordning vid förbränningsmotor av turbocompoundtyp
JP2003138943A (ja) * 2001-10-30 2003-05-14 Daihatsu Motor Co Ltd 二サイクル内燃機関
SE525219C2 (sv) 2003-05-15 2004-12-28 Volvo Lastvagnar Ab Turboladdarsystem för en förbränningsmotor där båda kompressorstegen är av radialtyp med kompressorhjul försedda med bakåtsvepta blad
EP1639243B1 (en) 2003-06-25 2016-04-27 Peter Hofbauer Internal combustion engine
US7114485B2 (en) 2004-01-15 2006-10-03 Pien Pao C Over expanded two-stroke engines
US6848416B1 (en) 2004-01-15 2005-02-01 Pao C. Pien Over expanded limited-temperature cycle two-stroke engines
US7243641B2 (en) 2005-08-18 2007-07-17 International Engine Intellectual Property Company, Llc Tangential mixer and method
US7581526B2 (en) 2005-09-01 2009-09-01 Harry V. Lehmann Device and method to increase fuel burn efficiency in internal combustion engines
SE529570C2 (sv) 2006-01-31 2007-09-18 Cargine Engineering Ab Tvåtakts förbränningsmotor
DE102008033420B4 (de) * 2008-07-16 2010-06-24 Man Diesel Filial Af Man Diesel Se, Tyskland Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
US8051830B2 (en) * 2009-08-04 2011-11-08 Taylor Jack R Two-stroke uniflow turbo-compound internal combustion engine
US8561581B2 (en) 2009-08-04 2013-10-22 Jack R. Taylor Two-stroke uniflow turbo-compound internal combustion engine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05179986A (ja) * 1991-05-09 1993-07-20 Philips Gloeilampenfab:Nv 内燃機関の運転方法
JPH04365930A (ja) * 1991-06-13 1992-12-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ２段掃気口を有する２サイクルユニフロー掃気機関
JPH08312448A (ja) * 1995-05-12 1996-11-26 Isuzu Ceramics Kenkyusho:Kk 複合繊維強化部を持つセラミック部品
JP2001132604A (ja) * 1999-11-05 2001-05-18 Honda Motor Co Ltd 内燃機関の点火装置
JP2002349268A (ja) * 2001-05-22 2002-12-04 Zenichi Abiko 過給装置付き筒内噴射型２サイクルガソリン機関
JP2005201075A (ja) * 2004-01-13 2005-07-28 Toyota Motor Corp 混合気を圧縮自着火させる自着火運転が可能な内燃機関

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012082682A2 (en) 2012-06-21
US8550042B2 (en) 2013-10-08
JP2014503740A (ja) 2014-02-13
EP2655827A4 (en) 2017-07-12
CN103348110A (zh) 2013-10-09
EP2655827A2 (en) 2013-10-30
US20120174881A1 (en) 2012-07-12
WO2012082682A3 (en) 2012-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8561581B2 (en) Two-stroke uniflow turbo-compound internal combustion engine
US8550042B2 (en) Full expansion internal combustion engine
US8051830B2 (en) Two-stroke uniflow turbo-compound internal combustion engine
US4565167A (en) Internal combustion engine
US9228491B2 (en) Two-stroke uniflow turbo-compound internal combustion engine
US8215292B2 (en) Internal combustion engine and working cycle
US7905221B2 (en) Internal combustion engine
EP3523532B1 (en) Internal combustion steam engine
EP2729682A2 (en) A two-stroke internal combustion engine, method operating a two-stroke internal combustion engine and method of converting a two-stroke engine
JP2010506072A (ja) 空気−燃料混合物の自己点火を備える燃焼エンジン
US8973539B2 (en) Full expansion internal combustion engine
GB2554812B (en) Spark ignited internal combustion engine
GB2425808A (en) Supercharged two-stroke engine with separate direct injection of air and fuel
US20160032821A1 (en) Six Stroke Internal-Combustion Engine
KR100567989B1 (ko) 내연기관에서의 고효율 달성 방법 및 내연기관
GB2108581A (en) Fuel injection stratified charge internal combustion engine
WO2005083246A1 (en) A novel internal combustion torroidal engine
LU100022B1 (en) Internal combustion steam engine
RU2626611C2 (ru) Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наивысшими технико-экономическими и экологическими критериальными параметрами и электронным управлением аккумуляторной системой впрыска топлива широкого фракционного состава
RU2169850C2 (ru) Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания
JPH0480213B2 (ko)
EP0057591B1 (en) Internal combustion engine
US8251041B2 (en) Accelerated compression ignition engine for HCCI
RU2244138C2 (ru) Двигатель внутреннего сгорания (варианты)
RU2243387C2 (ru) Двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application