KR20160027023A - 내연기관 - Google Patents

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KR20160027023A
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베노이트 로랑 필립
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베노이트 로랑 필립
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Abstract

본 발명은 크랭크 샤프트(4)와 하나 또는 다수의 실린더(1)들을 구비하고, 상기 실린더는 그 벽에 배기 포트(2)들이 제공되고 흡기 포트(14)들을 구비하는 실린더 헤드(3)에 의해 상부가 폐쇄되며; 각 실린더는 크랭크 샤프트(4)에 연결된 엔진 피스톤(6)과, 엔진 피스톤(6)에 마주하고 흡기 챔버(8)와 연소실(9)의 경계를 정하는 동축 보조 피스톤(7)을 수용하고; 상기 보조 피스톤(7)은 연소실(9)의 측부에서 하우징(10)을 결정하며, 하우징은 변환 포트(11)들을 통해 흡기 챔버(8)와 소통하고, 하우징(10)은 하부 위치와 전방 위치 사이에서 전후진 운동으로 변환 포트(10)들을 개폐하는 2차 피스톤(12)을 포함한다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 실린더의 비움 및 충전을 돕기 위하여 정량 펌프(volumetric pump)를 구비하는 2-행정 사이클을 갖는 압축 점화 또는 스파크 점화의 내연기관에 관한 것이며; 여기에서 정량 실린더는 엔진 피스톤와 대조적으로 배치되는 왕복 운동을 갖고 동일한 실린더를 공유하는 보조 피스톤으로 만들어진다.
스파크 점화를 갖는 종래의 2-행정 엔진들은 잔류 연소 가스의 일소(sweep)/배기 및 새로운 연료/공기 혼합물의 흡기/이송을 수행하도록 크랭크 케이스와 펌프를 구비한다. 이러한 시스템은 상기 잔류 가스와 새로운 연료/공기 혼합물 사이의 부분적인 혼합이 있고, 상기 새로운 연료/공기 혼합물의 일부가 배기 내로 누설하는 것을 초래하는 결점을 가지며, 이는 이러한 형태의 엔진의 저성능, 높은 소비율 및 오염물 방사의 결정적인 인자이다.
이러한 시스템을 개시하는 특허 US 779116, US 1616064, US 4206727 및 WO 2009/135274 A3은 필수적으로 다음과 같은 것으로 이루어진다:
- 새로운 연료/공기 혼합물의 압축 및 팽창 동안 만들어진 기계적인 에너지를 통상 사용하는 엔진 피스톤/커넥팅 로드/크랭크 샤프트 조립체.
- 엔진 피스톤이 움직이는 실린더, 이 실린더는 엔진 피스톤의 팽창 행정의 말기에 엔진 피스톤이 측부 배기 포트를 덮지 않을 때 개방하는 측부 배기 포트를 구비한다.
- 실린더의 상부 부분에서 실린더를 폐쇄하는 실린더 헤드, 실린더 헤드는 체크 밸브(non-return valve)를 갖는 다수의 흡기 포트들을 구비한다.
- 실린더 헤드와 엔진 피스톤 사이에서 엔진 피스톤에 반대로 동일한 실린더 내에 배치되는 보조 피스톤, 이 보조 피스톤은 각각의 체크 밸브들을 갖는 다수의 변환 포트(transfer port)들을 구비한다.
이러한 구성은 다음의 범위를 정한다:
- 보조 피스톤의 하부면, 엔진 피스톤의 상부면과 실린더 사이의 연소실.
- 실린더 헤드의 하부면, 보조 피스톤의 상부면과 실린더 사이의 흡기 챔버.
보조 피스톤은 실린더 헤드의 측부에 의해 작동되어서, 보조 피스톤은 엔진 피스톤과 동기되고, 엔진 피스톤의 팽창 행정의 필수 부분 동안 실린더 헤드에 대해 그 가장 높은 위치에서 움직이지 않고 있으며, 엔진의 기능 사이클(functional cycle)의 나머지 동안 전체 왕복 행정을 완료하는 한편, 엔진 피스톤은 압축 행정을 수행할 때까지 팽창 행정의 말기에 배기 포트를 누출시킨다. 전체 기능 사이클을 수행하기 위하여, 크랭크 샤프트는 완전한 회전(360°)을 수행한다.
하향 행정 동안, 보조 피스톤이 엔진 피스톤 가까이 움직일 때, 보조 피스톤은 동시에 연소실로부터 배기로 잔류 가스를 일소하고, 흡기 챔버 내로 새로운 연료/공기 혼합물을 흡기하고, 새로운 연료와 공기 혼합물이 혼합되는 것을 방지한다.
보조 피스톤의 상향 행정 동안, 배기 포트는 지금 폐쇄되고, 연료/공기 혼합물은 그 밸브들이 개방될 때 흡기 챔버로부터 개방된 변환 포트들을 통해 연소실로 점진적으로 보내진다.
보조 피스톤의 상향 행정의 말기에, 흡기 챔버는 최소의 체적을 포함하며, 새로운 연료/공기 혼합물은 연소실로 이송되었으며; 엔진 피스톤은 그 상사점 위치 가까이 움직이고, 연소 위상을 시작할 준비를 한다.
배기로 향한 새로운 연료/공기 혼합물 누설을 제거하는 이점에도 불구하고, 상기된 형태의 크랭크 케이스 및 펌프를 갖는 2-행정 엔진의 특징은 이러한 엔진에서 오늘날까지 산업의 무관심을 보여주는 일부 결점을 가진다. 이러한 결점은 예를 들어 다음과 같다:
- 구조 복잡성이 4-행정 엔진의 구조 복잡성과 비교 가능하게 되어도 종래의 2-행정 엔진에 대해 증가하는 한편, 성능이라는 점에서 이점이 4-행정 엔진에 대해 얻어지지 않는다.
- 항상 연소실로부터 실린더 헤드를 분리하는 보조 피스톤의 존재로 인하여, 스파크 플러그 또는 인젝터가 실린더 헤드에 배치될 수 없다. 이러한 이유 때문에, 스파크 플러그 또는 연료 인젝터는 실린더의 벽 상에서 측면으로 위치되며, 이는 오염물 방출의 최소 레벨과 함께 균질 및 완전 연소에 불리하다.
본 발명은 다음의 목적들을 이행하는 다수의 구조적 해결 수단을 갖는 상기된 형태의 2-행정 내연기관을 제안한다:
- 현재의 요구에 보조를 맞추는 연소 품질을 보장하기 위하여 실린더 헤드의 중앙에 스파크 플러그 및/또는 연료 인젝터를 위치시키는 것.
- 비대칭 행정 운동학(asymmetric stroke kinematics), 정량 압축 움직임보다 큰 정량 팽창 움직임을 수행하는 것, 그러므로 애트킨슨(Atkinson) 또는 밀러(Miller)형 열역학적 사이클을 수행하는 것.
- 흡기를 교축함이 없이 엔진 동력을 직접 조절하고, 종래의 스파크 점화 엔진에서 일어나는 부분 부하 펌핑 손실을 완전히 제거하는 것.
- 엔진 부하에 의존하여 변하는 압축비를 얻는 것, 특히 부분 부하에서 최대값으로부터 전체 부하에서 최소값으로 감소하며, 모든 조건에서 열역학적 성능을 최적화하는 것을 가능하게 하는 것.
- 가변적인 압축비, 부분 부하에서 단위값으로부터 전체 부하에서 과팽창(over expansion)의 대략 50%의 값으로 증가하는 팽창/압축 몫(quotient)의 결과로서, 부하에 관계없이 절대값으로 일정한 팽창비를 얻는 것.
- 흡기, 배기 및 이송 행정을 전체적으로 제어하도록 보조 피스톤 및 그 구성요소들의 작동 메커니즘을 최적화하고, 고속으로 작동을 또한 가능하게 하는 것.
실린더 헤드에서 스파크 플러그 및/또는 연료 인젝터를 위치시키는 목적은 보조 피스톤을 통한 특정 부하 이송 메커니즘을 통해 달성된다.
종래 기술에 따라서, 흡기 챔버로부터 연소실로 부하 이송은 보조 피스톤에 있는 다수의 포트들에 의해 수행되며, 포트의 개폐는 4-행정 엔진의 흡기 및 배기에서 사용되는 것들과 유사한 종래의 밸브들을 통해 작동된다. 이러한 형태의 밸브는 스프링의 힘을 통해 그 시트에 대해 폐쇄 위치(상향)에 정지하고, 수동적으로, 상부면과 하부면 사이의 압력차로 인하여, 또는 캠의 기계적인 작동을 통하여 하향 움직임으로 개방되며, 그러므로 스프링의 보유력을 극복한다. 이러한 형태의 밸브는 연소 동안 개방 위치에서 남을 수 없으며, 이는 이러한 형태의 엔진의 연소 위상에서 실린더 헤드와 연소실 사이의 직접적으로 소통하는 것을 불가능하게 한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 전환 밸브는 보조 피스톤 내부에 위치된 원통형 하우징에서 밀봉된 방식으로 끼워 맞추어진 피스톤(이후에 2차 피스톤으로서 지칭됨)으로 대체되며, 여기에서, 상기 보조 피스톤에 대한 왕복 운동은, 하향 행정에서, 이러한 2차 피스톤이 보조 피스톤에 있는 하우징의 측벽에 위치된 다수의 변환 포트들을 막고, 상향 행정에서, 보조 피스톤이 변환 포트들을 노출시키며, 그러므로 흡기 챔버와 연소실 사이의 새로운 연료/공기 혼합물의 부하의 이송을 가능하게 하는 방식으로 수행될 수 있다.
그러므로, 2차 피스톤의 움직임은, 종래의 밸브가 변환 포트들을 개방할 때 후퇴 위치에 있는 것에 의해, 상기 2차 피스톤이 연소실 내로 움직이지 못하고, 그 결과, 연소 위상 동안 이러한 위치에서 남을 수 있고, 그러므로 변환 포트들 중 하나의 바로 마주하고 있는 연소 실린더 헤드에, 즉 연소실에 대하여 중심 위치에서 이와 소통하여 스파크 플러그, 연료 인젝터 및/또는 예열 플러그를 배치하는 것을 가능하게 하기 때문에 종래의 밸브의 움직임에 반대이다.
본 발명에 따른 2차 피스톤으로, 흡기 챔버와 연소실 사이의 밀봉은 폐쇄된 변환 포트들의 위치에서 종래의 밸브들에서와 같은 시트 상의 접촉을 통해 달성되지 않고, 보조 피스톤에 있는 그 하우징에 끼워 맞추어지는 상기 2차 피스톤의 지름을 통하여 또는 적절하게 위치된 하나 또는 다수의 밀봉 링을 구비한 2차 피스톤에 의해 달성된다.
변환 포트들을 개폐하기 위한 이러한 새로운 운동학은 흡기 챔버에 링크되고, 흡기 챔버의 사적(dead volume)은 기하학적으로 0과 같으며, 즉, 보조 피스톤이 상사점 위치에 있을 때, 어떠한 남아있는 캐비티를 떠남이 없이 실린더 헤드와 완전하게 접촉하고 있어서 다음과 같이 된다:
- 연료/공기 혼합물의 전체적인 새로운 부하는 보조 피스톤이 상사점 위치에 도달할 때 연소실로 이송된다.
- 연소는 변환 포트들이 개방될 때에도 흡기 챔버를 향해 전파될 수 없다.
본 발명의 추가의 양태에 따라서, 실린더 헤드에서 볼 수 있는 흡기 포트들은 밸브들을 구비하고, 밸브들의 각각은 가요성 플레이트에 의해 범위가 확정되며, 밸브들의 개폐는 흡기 컬렉터와 흡기 챔버 사이의 압력차에 의해 유발된다. 상기 플레이트 밸브들은 매우 작은 공간을 점유하고 극히 약간의 관성을 가지는 이점을 가진다.
압축 점화 엔진(디젤)의 경우에 필수 조건인 보조 피스톤의 변환 포트들에 관계하여, 연료 인젝터가 연소실에서 직접 작용하도록 연료 인젝터를 위치시킬 가능성에 관하여 상기된 것에 더하여, 스파크-점화 엔진(오토(Otto))의 경우에, 예를 들어 새로운 연료/공기 혼합물이 연소실로 이송되기 전에 연료가 기화하는 시간이 주어지면, 보조 피스톤이 흡기 행정 동안 움직이는 임의의 순간에 흡기 챔버에서 연료가 분사되도록 보조 피스톤을 위치시키는 것이 가능하다.
도 1은 그 기능 조립체가 엔진 피스톤, 보조 피스톤, 및 2차 피스톤을 가지는, 본 발명에 따라서 형성된 엔진의 단면도를 도시한다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 그 기능 사이클의 상이한 위상들에서 엔진의 연속적인 위치를 도시한다.
도 2e는 도 2c의 상부 부분의 상세 확대도를 도시한다.
도 3은 피스톤들의 일정한 행정(constant stroke)를 결정하는, 보조 피스톤과 2차 피스톤 조립체의 특정 작동 메커니즘을 구비한 엔진의 단면도를 도시한다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 4e는 비대칭 정압 흡기, 압축 및 팽창 변위를 결정하는 엔진의 작동 사이클에서의 흡기, 일소, 팽창 및 압축 체적을 도시한다.
도 5는 피스톤들의 가변 행정을 결정하는, 보조 피스톤과 2차 피스톤의 작동 메커니즘을 구비한 엔진의 단면도를 도시한다.
도 5a는 이전의 도면의 선회 조립체(swivelling assembly)의 확대 길이방향 단면도를 도시한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 상이한 작동 위치에 있는 도 5의 엔진을 도시한다.
도 7은 엔진의 폐쇄 실린더 헤드에 배열된 스파크 플러그와 연료 인젝터를 구비한, 본 발명에 따른 엔진의 상부 부분의 상세 단면도를 도시한다.
본 발명의 목적은 도 1에 도시된 바와 같이 배기 포트(2)를 구비하고 실린더 헤드(3)에 의해 상부에서 폐쇄된 실린더(1)에 의해 형성되는 2-행정 내연기관에 관한 것이고, 상기 실린더(1)의 하부 부분은 크랭크 샤프트(4)를 수용하고, 엔진 피스톤(6)은 커넥팅 로드(5)를 통해 크랭크 샤프트에 연결되는 한편, 실린더의 상부 부분에, 슬라이딩 마운트의 수단에 의해 실리더 헤드를 통과하는 보조 피스톤(7)이 배열되고, 보조 피스톤은 흡기 챔버(8)와 연소실(9)을 분리한다.
보조 피스톤(7)은, 하우징(10)에 포함되고 하나 이상의 밀봉 링(12.1)들을 통하여 끼워맞춰져 밀봉되는 변환 포트(11)들을 통해 흡기 챔버(8)와 소통하는 하우징(10)과, 스토퍼(13) 상에 있는 상향 후방 위치와 하향 전방 위치 사이의 전후진 운동으로 변환 포트(11)들을 개폐하는 2차 피스톤(12)을 연소실의 측부에서 결정한다. 실린더 헤드(3)에서, 각각의 체크 플레이트 밸브(15)들을 또한 구비하는 흡기 포트(14)들이 또한 한정된다.
그리하여, 기능 사이클 동안 엔진의 거동은 다음과 같다:
- 연소 위상 동안, 배기 포트(2)가 그 하사점 위치로 엔진 피스톤(6)의 움직임으로 인하여 배기 포트(2)가 개방될 때까지, 보조 피스톤(7)과 2차 피스톤(12)은 그 상부 위치에서 움직이지 않고 있으며, 변환 포트(11)들은 개방되고, 그 순간에 흡기 챔버는, 스파크 플러그(36) 및/또는 적용 가능하면 연료 인젝터(36.1)가 변환 포트(11)들 중 마주하여 배열되고 도 7에 도시된 바와 같이 연소실(9)과 소통할 수 있는 방식으로, 도 2a에 도시된 바와 같이 제로(zero) 체적을 가진다.
- 엔진 피스톤(6)이 그 하사점 위치 가까이 움직임에 따라서 배기 포트(2)의 개방이 시작할 때, 2차 피스톤(12)은 도 2b에 도시된 바와 같이 아래로 움직여 변환 포트(11)들을 폐쇄하고; 이러한 조건에서, 배기 포트(2)는 보조 피스톤(7)이 그 하향 행정을 시작하기 전에 개방된다.
- 엔진 피스톤(6)이 개방된 배기 포트(2)를 떠나 그 하사점 위치에 도달할 때, 보조 피스톤(7)은 아래로 움직이고, 동시에 배기 포트(2)를 향하여 연소실(9)로부터 잔류 가스의 일소 및 흡기 포트(14)들을 통하여 흡기 챔버(8)에서 연료/공기 혼합물의 새로운 부하의 흡기를 유발하고, 플레이트 밸브(15)들은 도 2c에 도시된 바와 같이 개방된다. 이러한 조건에서, 2차 피스톤(12)은 전체 배기 위상 동안 폐쇄된 변환 포트(11)들을 유지하는 한편, 보조 피스톤(7)의 하향 행정이 이어지고, 그러므로 흡기 및 일소 스테이지 동안 잔류 가스와 새로운 연료/공기 혼합물의 합류(short-circuit)를 방지한다.
- 보조 피스톤(7)이 그 저부 위치에 있을 때, 엔진 피스톤(6)은 위로 움직여, 배기 포트(2)의 폐쇄가 일어난 후에, 2차 피스톤(12)이 차례로 위로 움직여 도 2d에 도시된 바와 같이 변환 포트(11)들을 개방하는 방식으로 배기 포트(2)를 폐쇄하며; 보조 피스톤(7)의 후속의 샹향 움직임이 또한 일어난다. 2차 피스톤(12)과 보조 피스톤(7)의 상향 행정은, 보조 피스톤(7)의 행정의 말기에, 흡기 챔버(8)의 체적이 0에 도달할 때까지 점차적으로 감소됨에 따라서, 연료/공기 혼합물의 전체 새로운 부하가 연소실(9)을 향해 이송되는 방식으로, 압축 위상에서 엔진 피스톤(2)을 수반하는 것에 의해 만들어진다.
도 3은 상기된 것에 따라서 기능하는, 본 발명에 따른 엔진을 도시하며, 엔진은 보조 피스톤(7) 및 2차 피스톤(12)에 의해 형성된 조립체의 특정 작동 메커니즘을 구비하고, 이 피스톤들은 각각 그 상단부에 로드(16, 17)들을 통합하며, 피스톤들은 로드들을 통해 대응하는 선회 아암(18, 19)(swivel arm)들의 한쪽 단부에 연결되고, 선회 아암의 회전 중심(20, 21)들은 바람직하게 일치하며; 상기 선회 아암(18, 19)들은 다른 단부에서, 보완적인 프로파일들을 구비하는 데스모드로믹(desmodromic) 형태의 캠(22, 22.1) 및 (23, 23.1)들의 각각의 세트에 연결되고, 캠들은 상기 선회 아암(18, 19)들을 통하여 보조 피스톤(7)과 2차 피스톤(12)의 수직 왕복 운동을 유도한다. 상기 캠(22, 22.1) 및 (23, 23.1)들은 1:1의 비로 공지된 전동 형태(도시되지 않음)(체인, 기어 벨트, 기어)를 통해 크랭크 샤프트(4)에 의해 작동된다. 데스모드로믹 캠(desmodromic cam)들은 보조 피스톤(7)의 상당한 진행 및 고속으로 발생되는 결과적인 관성으로 인하여 전형적인 캠 및 스프링 시스템보다 적절하다.
다음은 보조 피스톤(7)과 2차 피스톤(12)의 기하학적 형태를 조절하는 것에 의해 팽창비와 다른 압축비가 어떻게 달성되는지의 설명이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 4e는 엔진의 흡기, 일소, 팽창 및 압축 체적을 도시한다. 여기에서:
흡기 체적 : Vi = Si x ∏(D1 2-D2 2)/4
Sa = 보조 피스톤 행정.
D1 = 보조 피스톤(7)의 큰 지름 또는 주 지름, 이 지름은 보조 피스톤이 엔진 피스톤(6)과 동일한 실린더(1)에 끼워 맞추어지기 때문에, 엔진 피스톤의 지름과 동일하다.
D2 = 보조 피스톤(7)의 작은 지름, 이 지름은 실린더 헤드(3)를 통과하며, 대기에(또는 엔진 피스톤(6)의 하부 부분으로서 모터의 크랭크 케이스에서 전파하는 압력에) 노출된 보조 피스톤(7)의 단면을 나타낸다.
일소 체적 : Vs = Si x ∏(D1 2)/4
이로부터, Vi < Vs를 추론할 수 있으며, 보조 피스톤(7)의 작은 지름(D2)이 크면 클수록, 일소 체적에 대하여 흡기 체적은 작다.
팽창 체적 : Ve = Se x ∏(D1 2)/4 + VD
Se = 팽창 행정 또는 엔진 피스톤(6) 행정.
VD = 사적 = 엔진 피스톤(6)과 보조 피스톤(7)이 그 상사점 위치에 있을 때, 연소실의 최소 체적.
팽창 위상에서 엔진 피스톤(6)의 행정이 수행되는 한편, 보조 피스톤(7)이 그 높은 위치에서 움직일 수 없기 때문에, 팽창 체적(Ve)은 항상 보조 피스톤(7)의 행정(Si)과 관계없이 일정값을 가진다.
그러므로, 팽창비는 일정하고 다음과 같다:
ρe = Ve / VD
보조 피스톤(7)에 의해 일소되지 않은 잔류 가스의 부분을 나타내는 잔류 체적은 보조 피스톤의 최대 행정이 대체로 엔진 피스톤(6)의 최대 행정보다 작기 때문에 다음의 사이클로 재순환된다:
VR = Ve - Vs
압축 체적 : Vc = Vi + VR
Vc = Se x ∏(D1 2)/4 - Si x ∏(D2 2)/4 + VD
압축비 : ρc = Vc / VD
압축 체적(Vc)이 양 Si x ∏(D2 2)/4만큼 팽창 체적(Ve)보다 작기 때문에, 압축비(ρc)가 팽창비(ρe)보다 작은 것을 알 수 있다.
그러므로, 이는 다음의 경우이다:
ρc/ρe = 1 - [Sa x ∏(D2 2)/(Se x ∏(D1 2)+4VD)]
다시 말하면, 체적 변위는 비대칭이며, 그러므로 애트킨슨형 열역학 사이클을 한정하고, 이는 엔진 피스톤(6)의 행정(Se)과 보조 피스톤(7)의 행정(Si)을 각각 결정한 것을 의미하고(보조 피스톤의 행정은 엔진 피스톤의 행정보다 항상 작다), 팽창은 보조 피스톤(7)의 기하학적 형태에 의해 주어지는 비(D1/D2)에 의존하게 되는 인자만큼 흡기에 대해 연장된다. 큰 지름(D1)의 값의 25% 내지 60%의, 보조 피스톤의 작은 지름(D2)에 대한 상당한 값 및 1.15 내지 1.5배의 팽창 인자를 갖는 압축이 얻어진다.
보조 피스톤(7)의 상기 고유한 기하학적 형태의 다른 결과는 압축 행정 동안 상기 보조 피스톤(7)이 도 3에 도시된 데스모드로믹 캠(22, 22.1; 23, 23.1)들의 조립에 의해 형성된 그 작동 메커니즘을 통해 포지티브 작업(positive work)을 복귀시키는 것이다.
압축 행정 동안, 부하에 관계없이, 엔진 피스톤(6)은 다음과 같은 (네거티브) 작업을 요구한다:
∫1-2 PdV, V1 - V2 = Se x ∏(D1 2)/4
한편, 연소실(9)과 흡기 챔버(8) 사이의 압력 평형으로 인하여, 압축 행정 동안, 보조 피스톤(7)은 다음과 같은 (포지티브) 작업으로 복귀한다:
∫1'-2' Pdv, V1' - V2'= Si x ∏(D2 2)/4
그러므로, 압축 행정에 요구되는 순수 작업은 다음과 같다:
∫1-2 PdV - ∫1'-2' Pdv
본 발명의 또 다른 목적은 보조 피스톤(7) 및 2차 피스톤(12) 조립체의 가변 행정 작동의 수단에 의해 엔진의 부하를 완전히 제어하는 것이다. 그러므로, 조립체가 요구된 엔진 동력을 위해 필요한 부하 체적에 정확히 동일한 정량 흡기 변위를 수행하기 때문에, 종래의 4-행정 엔진(특히, 오토형 엔진) 이상의 다음의 개선이 얻어진다:
- 트로틀 밸브가 동력을 변경하도록 요구되지 않기 때문에, 부분 부하에서 펌핑으로 인한 손실이 완전히 제거되고, 상기 조건들에서 성능을 상당히 개선한다.
- (흡기 챔버가 대기압으로 충전되지 못하여 연소 품질에서 하락과 관련된 열역학 성능에서 손실을 유발하기 때문에, 부분 부하에서 효과적인 압축비에서의 감소를 보이는) 4-행정 스파크 점화 엔진과 비교하여, 본 발명에 따른 보조 피스톤과 비대칭 및 가변 행정을 갖는 엔진에서, 피스톤이 최대치보다 낮은 행정을 수행할 때, 이전의 연소로부터 잔류 가스의 일소를 동일한 비율만큼 또한 감소시키지만, 잔류 가스가 연소실에 남아있고 다음의 사이클에서 연료/공기 혼합물의 새로운 부하에 잔류 가스를 추가하는 것에 의해 재순환되어서, 효과적인 압축비가 부분 부하에서 감소되지 않는다. 전체 압축 행정에 걸쳐서 새로운 연료/공기 혼합물을 계속해서 들여보내는 것에 의해, 잔류 가스의 재순환된 부분과 연료/공기 혼합물의 새로운 부분 사이의 계층화가 또한 달성된다(잔류 가스의 재순환된 부분과 연료/공기 혼합물의 새로운 부분이 혼합하는 것을 방지한다). 이러한 모든 것은 임의의 조건 하에서 높은 연소 품질 및 열역학적 성능을 유지하는 것을 가능하게 한다.
또한, 비대칭 정량 변위의 기하학적 형태를 가변 행정 작동과 관련시키는 것에 의해, 부하의 함수로서 압축비를 변경하는 것이 가능하게 된다.
팽창비에 대해 압축비에 관련된 법칙은,
ρc/ρe = 1 - [Si x ∏(D2 2)/(Se x ∏(D1 2)+4VD)]이며,
이 경우에, 엔진 부하에 직접 비례하는 가변 값(Si)을 가진다.
그러므로,
Si = 0일 때, 또는 다시 말하면 보조 피스톤(7)이 아무런 펌핑을 하지 않을 때 ρc/ρe = 1이다.
Si > 0이거나, 또는 다시 말하면, 압축비가 감소하는 한편 흡기 행정(Si)(즉, 부하)이 증가하면 ρc/ρe < 1이며, 종래의 오토 사이클로부터, 팽창이 압축보다 비례하여 긴 밀러 또는 애트킨슨 사이클로 옮겨진다.
이러한 방식으로, 본 발명에 따른 엔진으로, 다음과 같은 것을 가지는 것이 가능하다:
- 엔진의 가동성 구성요소의 기계적 저항에 대해 허용되는 최대 압력과 양립할 수 있고, 또한 자기 점화 제한이 압력에 의해서 뿐만 아니라 부분 부하에서 명백히 낮은 연소실(9)의 온도에 의해 결정되기 때문에, 자기 점화 제한과 양립할 수 있는 낮은 부하에서 높은 압축비(ρc),
- 부하가 증가함에 따라서 감소하며, 최대 연소 압력을 포함하고 팽창이 압축보다 큰 열역학 사이클, 즉 성능이 종래의 오토 사이클보다 우수한 밀러 또는 애트킨슨 사이클을 생성하는 것을 가능하게 하는 압축비(ρc),
마찬가지로, 보조 피스톤(7)의 큰 지름(D1)에 대해 작은 지름(D2)이 크면 클 수록, 보조 피스톤(7)의 가변 행정에 관하여 압축/팽창비에서의 변화가 크다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 특히 보조 피스톤(7)의 큰 지름(D1)과 작은 지름(D2) 사이의 비, 행정(Si)에서의 변화 및 사적(VD)의 값에 관하여, 본 발명에 따른 엔진의 보조 피스톤(7)의 디자인은 오토 엔진으로서, 디젤 엔진으로서, 정치 엔진(stationary engine)으로서, 넓은 부하 범위 등을 가지는 차량 엔진 등으로서 기능하도록 열역학적 거동을 조절하고 최적화하는 것을 가능하게 하고; 마찬가지로 특히 자연 점화 엔진(spontaneous ignition engine)(디젤)에서 질소산화물 방출의 레벨을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
도 5는 상기된 목적을 달성하는 가변 행정을 갖는 보조 피스톤(7)과 2차 피스톤(12)의 특정 작동 메커니즘을 갖는 본 발명의 목적 내에 놓인 엔진을 도시한다. 보조 피스톤(7)은 작은 커넥팅 로드(16)의 수단에 의해 주 선회 아암(24)의 한 쪽 단부에 연결되고, 주 선회 아암은 중공의 원통 부분(25)을 구비하며, 슬리브(26)는 상기 중공의 원통 부분(25) 위에서 이를 따라서 모든 슬라이딩 움직임을 수행할 수 있다. 슬리브(26)는 상기 슬리브(26)와 주 선회 아암(24)의 조립체의 진자 운동을 가능하게 하는 관절 조인트(27) 상에 장착된다. 한편, 슬리브(26)와 주 선회 아암(24)의 조립체는 슬라이딩 지지부(28)에 연결되고, 슬라이딩 지지부는 보조 피스톤(7)이 그 상사점 위치에 있을 때 측면으로 중공의 원통 부분(25)의 축에 평행하게 움직일 수 있다. 이러한 상태는 그 행정 값에 관계없이 동일한 상사점 위치에 도달할 수 있도록 보조 피스톤(7)에 중요하다.
주 선회 아암(24)의 다른쪽 단부는 관절 조인트(29)의 수단에 의해, 엔진의 실린더(1)에 대략 평행한 위치에 배치된 플런저(30)에 연결되고, 상기 플런저(30)는 가이드(31)들에 장착되어서, 플런저는 그 단부들과 접촉하여 위치된 데스모드로믹 캠들(32, 32.1)들의 세트에 의해 생성된 선형 전후진 운동을 수행하며, 캠들은 엔진 크랭크 샤프트(4)에 의해 작동된다.
플런저(30)의 전후진 운동은 슬리브(26)의 위치에 의존하여 슬라이딩 지지부(28)와의 가변적인 감속비(reduction ratio)로 선회 아암(24)을 통해 보조 피스톤(7)으로 전달되고, 상기 보조 피스톤(7)이 가변 범위를 갖는 행정을 수행하도록 한다. 이러한 방식으로, 예를 들어 보조 피스톤(7)의 최대 행정의 10% 내지 100%의 연속 변화를 달성하는 것이 가능하다.
보조 피스톤(7)의 움직임을 만드는 데스모드로믹 캠들(32, 32.1)의 세트는 엔진의 압축 위상의 행정 동안 상기 보조 피스톤(7)에 의해 행해진 포지티브 작업을 효율적으로 회복할 수 있는 다른 가능한 메커니즘 이상의 이점을 가진다.
또한, 2차 피스톤(12)은 다른 작은 커넥팅 로드(17)의 수단에 의해 2차 선회 아암(33)의 한쪽 단부에 연결되고, 2차 선회 아암은 주 선회 아암(24)의 중공의 원통 부분(25) 내부에 위치되고 그 안에 각각의 관절 조인트(34)를 구비하며, 2차 선회 아암(33)의 다른쪽 단부는 각각의 관절 조인트에 의해 대응 플런저(30.1)에 연결되며, 대응 플런저는 플런저(30)에 평행하고 차례로 플라이딩 가이드에 장착되며, 대응 플런저는 마찬가지로 그 단부들 상에서 작용하는 데스모드로믹 캠(35, 35.1)들의 세트에 의해 전후진 작동을 수행할 수 있다.
그 관절 조인트(34)가 주 선회 아암(24)의 중공의 원통 부분(25) 내부에 있기 때문에, 2차 선회 아암(33)은 캠(35, 35.1)들에 의해 수행되는 작동에 의해 2차 피스톤(12)으로, 보조 피스톤(7)의 행정 운동 및 이에 대한 그 행정을 동시에 전달한다.
도 5a는 선회 앙암(24)에서 발생된 응력을 균형화하는 목적을 위하여 2차 선회 아암(33) 및 그 대응하는 플런저(30.1)에 대하여 대칭으로 배치된 2개의 요소들로 플런저(30)가 어떻게 배가되었는지를 도시한다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 엔진의 새로운 연료/공기 혼합물의 흡기 부하의 25, 50 및 100%에서의 위치, 및 각 경우에 슬라이딩 지지부(28)를 갖는 슬리브(26)의 대응 위치에 보조 피스톤(7)을 구비한 도 5의 상기 엔진을 도시한다. 상기 위치들은 엔진의 가속기 제어(도시되지 않음)에 의해 결정된다.
보조 피스톤(7)의 큰 지름(D1)을 설정하였으면, 상기 보조 피스톤(7)의 작은 지름(D2)을 증가시킨다는 사실은 동력의 범위에 걸쳐서 성능을 개선한다는, 즉 부하가 증가함에 따라서 압축비를 감소시키고 팽창/압축 몫을 증가시킨다는 특징을 위해 바람직하다. 그러나, 이는 효과적인 변위, 즉 엔진의 특정 동력을 감소시키는 결점을 가진다. 이러한 결점에 대응하기 위하여, 엔진은 터보 과급기가 장비될 수 있으며, 터보 과급기의 터빈은 배기 가스에 의해 구동되기 위하여 배기 포트(2)에 연결되는 한편, 상기 터빈에 의해 작동되는 압축기는 흡기 포트(14)들에 연결된다.
흡기 챔버(8)로부터 연소실(9)을 완벽히 분리하는, 그러므로 배기를 향해 새로운 연료/공기 혼합물 부하의 어떠한 합류도 방지하는 보조 피스톤(7) 때문에, 터보 과급기에 의해 구동되는 전체 유체는 엔진에서 보유되고, 충분한 터보 과급 압력이 있으면 흡기 행정 동안 포지티브 작업을 수행하며, 이는, 배기 가스의 일소 및 새로운 연료/공기 혼합물의 흡기가 외부 정량 압축기 또는 터보 과급기를 통해 수행되고, 동시에 개방되고 소통하는 배기 및 흡기 포트들에 의해 작동하는 세미 디젤형 2-행정 엔진에 대하여 성능 개선을 제공한다.
명료성을 위하여, 이전의 설명 및 도면의 예시는 단일 실린더(1)를 가진 엔진을 도시하며, 본 발명의 특징은 다중, 인라인, 또는 V 실린더 등을 갖는 엔진에 마찬가지로 적용될 수 있다

Claims (10)

  1. 크랭크 샤프트(4) 및 하나 또는 다수의 실린더(1)들을 가지며, 각 실린더(1)는, 상기 크랭크 샤프트(4)에 연결되고 상기 실린더(1) 내부에서 왕복 운동을 수행하는 엔진 피스톤(6); 상기 실린더(1)의 상부 부분을 폐쇄하고 흡기 포트(14)들을 구비하는 실린더 헤드(3); 상기 실린더(1)의 벽에 위치된 배기 포트(2)들; 및 상기 엔진 피스톤(6)에 마주하는 동축 보조 피스톤(7)으로서, 상기 실린더(1) 및 상기 엔진 피스톤(6) 사이에서 연소실(9)과 상기 보조 피스톤(7), 상기 실린더(1) 및 상기 실린더 헤드(3) 사이의 흡기 챔버(8)의 경계를 정하는 동축 보조 피스톤(7)을 구비하고, 상기 보조 피스톤(7)은 상기 배기 포트(2)를 통하여 상기 연소실(9)로부터 잔류 가스의 배출을 유발하기 위하여 상기 엔진 피스톤(6)과 기계적으로 동기되는 왕복 운동이 제공되어 상기 흡기 포트(14)들을 통해 상기 흡기 챔버(8)에서 연료/공기 혼합물의 새로운 부하의 흡기를 유발하는 내연기관에 있어서,
    상기 보조 피스톤(7)은 상기 연소실(9)의 측부 상에서 축방향으로, 변환 포트(11)들을 통해 상기 흡기 챔버(8)와 소통하는 하우징(10)과, 상기 하우징(10)에 포함되고 상향 후방 위치와 하향 전방 위치 사이에서 각각 전, 후진 운동으로 상기 변환 포트(11)들을 개폐하는 2차 피스톤(12)을 결정하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2차 피스톤(12)은 다수의 밀봉 링(12.1)들을 통하여 상기 하우징(10)의 벽에 대해 밀봉으로 조절되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제1항에 있어서, 스파크 플러그(36) 및/또는 연료 인젝터(36.1)는 상기 실린더 헤드(3)에 배열되고, 상기 보조 피스톤(7)이 상기 실린더 헤드(3)에 가장 근접한 위치에 있을 때 상기 변환 포트(11)들에 마주하여 상기 연소실(9)과 소통하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡기 포트(14)들은 다수의 체크 플레이트 밸브(5)들을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제1항에 있어서, 상기 보조 피스톤(7)은 슬라이딩 마운트의 수단에 의해 상기 실린더 헤드(5)를 통과하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제1항 및 제5항에 있어서, 상기 보조 피스톤(7)은 상기 실린더(1)의 내부에 끼워 맞춰지는 큰 지름(D1)과, 상기 실린더 헤드(3)를 통과하고 상기 큰 지름(D1)의 1/4보다 큰 작은 지름(D2)을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보조 피스톤(7)은 선회 아암(18)의 한쪽 단부에 연결되며, 상기 선회 아암은 다른쪽 단부에서 상기 선회 아암(18)의 선회 운동을 유발하는 데스모드로믹 형태의 캠(22, 22.1)의 세트에 연결되며; 상기 2차 피스톤(12)은 다른 선회 아암(19)의 한쪽 단부에 연결되고, 상기 다른 선회 아암은 차례로 다른 쪽 단부에서 이러한 선회 아암(19)의 선회 운동을 유발하는 데스모드로믹 형태의 캠(23, 23.1)의 각 세트에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제1항에 있어서, 상기 엔진 피스톤(6)과 기계적으로 동기되는 보조 피스톤(7)의 왕복 운동은 가변 범위 또는 행정을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제1항 및 제8항에 있어서, 상기 보조 피스톤(7)과 상기 2차 피스톤(12)은 그 상향 및 하향 왕복 움직임의 행정을 변경하는 것을 가능하게 하는 메커니즘에 연결되고, 상기 보조 피스톤(7)은 주 선회 아암(24)의 한쪽 단부에 연결되고, 상기 주 선회 아암의 다른 쪽 단부는 데스모드로믹 캠들(32, 32.1)의 세트에 의한 상향 및 하향 움직임으로 작동되는 플런저(30)에 연결되며, 상기 주 선회 아암(24)은 중공의 원통 부분(25)을 가지며, 상기 중공의 원통 부분 위에, 슬라이딩 부분(28)에 연결된 관절 조인트(27) 상에 장착된 슬라이딩 슬리브(26)가 있으며, 상기 슬라이딩 지지부는 상기 주 선회 아암이 상기 실린더 헤드(3)에 가장 근접한 상기 보조 피스톤(7)의 위치에 의해 정해지는 위치에 있을 때 상기 주 선회 아암(24)의 중공의 원통 부분(25)의 축에 평행한 방향으로 선형 운동을 가능하게 하고; 상기 2차 피스톤(12)은 2차 선회 아암(33)의 한쪽 단부에 연결되고, 상기 2차 선회 아암은 다른쪽 단부에서, 상기 플런저(30)에 평행하고 대응하는 데스모드로믹 캠(35, 35.1)들의 세트에 의한 상향 및 하향 움직임으로 차례로 작동되는 각각의 플런저(30.1)에 연결되고, 이러한 2차 선회 아암(33)은 상기 주 선회 아암(24)의 중공의 원통 부분(25) 내부에 위치된 관절 조인트(34) 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제1항에 있어서, 그 터빈이 상기 배기 포트(2)에 연결되고 그 압축기가 상기 흡기 포트(14)들에 연결되는 터보 과급기를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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