KR20160091259A - 내연 기관 - Google Patents

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KR20160091259A
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마리오 그라우스
프란시스코 로페스
헤르베르트 샤움베르거
니콜라우스 스피라
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게 옌바허 게엠베하 운트 콤파니 오게
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Abstract

내연 기관으로서,
- 연료(F)를 프리-챔버(2)에 공급하기 위한 프리-챔버 공급 도관(3)에 연결된 적어도 하나의 프리-챔버(2)와,
- 적어도 하나의 메인 연소실(4)을 포함하며, 상기 메인 연소실(4)의 연료(F)는 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)로부터 적어도 하나의 메인 연소실(4) 안을 흐르는 점화 플레어에 의해 점화될 수 있고, 상기 점화 플레어는 상기 프리-챔버(2)의 연료(F)의 점화에 의해 발생되며,
- 프리-챔버 가스 공급(pre-chamber gas feed)과 상기 적어도 하나의 메인 연소실(4) 사이의 압력차를 감소시키기 위해, 상기 프리-챔버 공급 도관(3)에, 적어도 하나의 밸브(6.1, 6.2)가 제공되어 있으며,
- 상기 적어도 하나의 밸브는, 내연 기관(1)에 의해 발생되는 전력 변화의 파라미터 특성에 따라, 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치(5)에 의해 개방-루프 또는 폐쇄-루프로 제어될 수 있고, 및/또는
- 상기 밸브에 의해, 상기 프리-챔버 공급 도관(3)을 통해 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)를 향하는 프리-챔버 연료 흐름이, 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)에서 분리된 볼륨안으로 적어도 부분적으로 전환될 수 있다.

Description

내연 기관{Internal Combustion Engine}
본 발명은 청구항 1의 특징부의 특징을 갖는 내연 기관과 청구항 10의 특징부의 특징을 갖는 방법에 관한 것이다.
이하 발전기를 구동시키는 정치형 가스 엔진(stationary gas engine)을 예로 하여 종래 기술이 기술될 것이다. 일반적으로 정치형 가스 엔진은 프리-챔버에 의해 각각 점화되는 10개 내지 24개의 실린더(일반적으로 대규모의 수효임)를 갖는다.
이와 관련하여, 내연 기관들에 연결된 동기식 발전기들의 경우, 회전 속도의 변화가 주파수 편차(frequency deviation)로 바뀌기 때문에, 내연 기관의 회전 속도는 가능한 일정한 것이 바람직하다. DIN ISO 8528-5는 최대 주파수 편차에 관한 품질 등급을 설정한다.
따라서 비교적 큰 부하 변화가 발생하면 어려움이 발생한다. 이 경우, 내연 기관의 회전 속도의 변화를 방지하기 위해 여러 대책이 취해지고 있다.
그러한 상황은 예를 들면 소위 아일랜드 동작(island operation)에서 발생한다.
예를 들어, 발전기에서 취해진 전력이 급격하게 많이 감소하면(소위, 부하 차단(load rejection)), 내연 기관의 회전 속도가 증가하는 것을 방지할 필요가 있다. 이는, 내연 기관에 공급되는 에너지의 양을 감소시키거나, 또는 예를 들어 스로틀 밸브를 폐쇄함으로써 실행될 수 있다. 그것은 내연 기관의 분배기 챔버(흡기 매니폴드)의 압력의 비교적 빠른 감소를 야기한다.
심한 부하 차단의 경우, 흡기 매니폴드의 급격한 압력 감소 후에 프리-챔버 가스 공급에 대한 압력 조정을 충분히 빠르게 이어갈 수 없다.
부정확한 프리-챔버 가스 측정은 불안정한 연소 과정을 일으키고, 이 때문에 불안정한 점화 특성과 폭연(deflagration) 현상으로 이어질 수 있다. 그 경우에 내연 기관의 프리-챔버 시스템과 흡기 매니폴드 실린더 사이의, 프리-챔버 가스 공급 시스템에서 발생하는 바람직하지 않은 압력차는, 불안정한 연소 과정과 폭연 현상을 일으킬 수 있다. 이는 규정된 안전 기준에 부합하기 어렵도록 한다.
본 발명의 목적은 부하 차단의 경우 안전 위험을 감소시킬 수 있는, 내연 기관 및 내연 기관의 작동 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적에 있어서 내연 기관은 청구항 1에 의해 성취된다. 상기 목적에 있어서 방법은 청구항 10에 의해 성취된다.
이러한 목적은, 프리-챔버 가스 공급(pre-chamber gas feed)과 적어도 하나의 메인 연소실(4) 사이의 압력차를 감소시키기 위해, 프리-챔버 공급 도관에 적어도 하나의 밸브를 제공하여 성취되며, 상기 적어도 하나의 밸브는, 내연 기관에 의해 발생되는 전력 변화의 파라미터 특성에 따라, 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치에 의해 개방-루프 또는 폐쇄-루프로 제어될 수 있고, 및/또는 밸브에 의해, 프리-챔버 공급 도관을 통해 상기 적어도 하나의 프리-챔버를 흐르는 프리-챔버 연료 흐름이, 상기 적어도 하나의 프리-챔버에서 분리된 볼륨안으로 적어도 부분적으로 전환될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 밸브는, 프리-챔버 공급에서의 압력 상태가 내연 기관의 메인 챔버의 압력 상태에 더욱 신속하게 부합될 수 있게 하며, 이에 따라 실화 및 폭연의 가능성이 상당히 줄어든다. 또한, 부하 차단의 발생 시, 내연 기관의 회전 속도의 폐쇄-루프 제어가 특히 향상된다.
바람직하게는, 공기와 연료의 혼합물이 적어도 하나의 메인 연소실로 공급될 수 있다. 연료는 적어도 하나의 프리-챔버로 바람직하게 공급될 수 있으며, 이 경우, 혼합물은 먼저 적어도 하나의 메인 연소실로부터의 혼합물과 혼합됨에 의해 적어도 하나의 프리-챔버 내에서 생성된다. 그러나 동일하게, 연료-공기 혼합물이 적어도 하나의 프리-챔버로 공급될 수 있는 것도 가능하다.
본 발명은 바람직하게는 가스 엔진에 사용될 수 있다. 본 발명은 바람직하게는 정치형 내연 기관에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 내연 기관은 바람직하게는 메인 연소실로서 10개 내지 24개의 실린더(일반적으로 대규모의 수효임)를 가질 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예는 종속 청구항들에서 정의된다.
적어도 하나의 프리-챔버로부터 분리된 볼륨이 내연 기관의 흡기 매니폴드로서 제공될 수 있다. 이 실시예에서, 프리-챔버 공급에서의 과잉 연료가 상기 내연 기관의 흡기 매니폴드에 직접 공급될 수 있기 때문에, 특히 압력 상태의 빠른 적응을 허용한다. 그러나 흡기 매니폴드 내로의 압력 전환에 대한 대안 또는 추가로, 외부에 대한 개방(opening to the environment)이 동일하게 제공될 수 있다.
용어, 흡기 매니폴드는, 연료-공기 혼합물이 적어도 하나의 메인 연소실로 공급되는, 내연 기관의 부분을 나타내는데 사용된다.
프리-챔버 연료 흐름이, 적어도 하나의 밸브의 개방으로 인해, 적어도 하나의 프리-챔버로부터 분리된 볼륨 안으로 전환될 수 있는 실시예에서, 적어도 하나의 밸브는 바람직하게는 역류 방지 밸브(non-return valve)인 것이 제공될 수 있다. 여기서, 흡기 매니폴드와 프리-챔버 공급 사이의 일정한 압력차를 보장하기 위해. 스프링이 장착된 밸브, 특히 역류 방지 밸브를 사용하는 것도 가능하다.
이 실시예에서 상기 밸브는 또한 개방-루프 제어 또는 폐쇄-루프 제어 밸브의 형태일 수 있다.
제2 실시예에서, 프리-챔버 공급 도관을 통해 적어도 하나의 프리-챔버를 향하는 프리-챔버 연료 흐름이, 적어도 하나의 밸브를 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 차단하여, 제한될 수 있게, 바람직하게는 억제될 수 있게 제공될 수 있다.
바람직하게는 적어도 하나의 밸브가 부하의 변화 값에 따라 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치에 의해 개방-루프 또는 폐쇄-루프로 제어될 수 있게 제공될 수 있다. 부하의 변화, 특히 부하 차단의 그 값은 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치에 대하여 여러 방식으로 제공될 수 있다. 내연 기관이 하나 이상의 전기 수요처를 공급하는 발전기에 연결되는 경우, 부하의 강하가 수요처에서 직접 감지되고, 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치에 통신될 수 있다.
그러나 일반적인 종류의 내연 기관에는, 매우 다양하게 변화하는 측정치를 검출하기 위한 센서가 장착되어 있는 것이 일반적인 것처럼, 또한 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치 자체가 부하, 특히 부하 차단의 변화 크기를 계산하도록 제공될 수 있다.
폐쇄-루프 압력 제어 밸브 또는 개방-루프 압력 제어 밸브가 프리-챔버 공급 도관 내에, 바람직하게는, 적어도 하나의 프리-챔버와 떨어져 있는, 적어도 하나의 밸브의 측면에 제공될 수 있다. 특히 바람직하게는, 그러한 경우에, 다이어프램 및 브리더 도관(breather conduit)을 통해, 내연 기관의 흡기 매니폴드에 연결된 비교 개방-루프 압력 제어 밸브가 제공될 수 있다.
그러나 동일하게, 본 발명에 따른 밸브는 폐쇄-루프 압력 제어 밸브 또는 개방-루프 압력 제어 밸브를 갖는 일체형 구조와, 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치에 의해 개방-루프 또는 폐쇄-루프로 제어되는 것이 가능하다.
본 발명의 추가 장점 및 상세한 내용은 첨부된 도면 및 이에 관한 구체적인 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관(1)을 상징적으로 도시한다.
내연 기관(1)은 메인 연소실(4)이 배치되어 있는 실린더들을 갖는다. 그러나 명확성을 위해 단지 두 개의 메인 연소실(4) 만이 도시된다. 이 실시예에서, 각각의 메인 연소실(4)은 프리-챔버(2)에 의해 점화된다. 이 또한 명확성을 위해 하나의 메인 연소실(4)에 대하여만 도시되어 있다.
여기서 본 발명에 따른 내연 기관(1)의 실시예는 발전용 발전기를 구동하는 역할을 할 수 있다. 명확성을 위해 이것도 도시되지 않는다. 일반적으로 내연 기관(1)은 임의의 부하에 연결될 수 있다.
도면에는 연료(F)를 제공하기 위한 연료 공급원이 있다. 이로부터 실질적으로 프리-챔버 공급 도관(3)에 의해 형성되고, 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)를 공급하는 역할을 하는 제1 분기부가 있다. 제2 분기부는 실질적으로 메인 혼합물 공급 도관(15)에 의해 형성된다. 상기 메인 혼합물 공급 도관(15)의 시작부에는, 연료(F)와 공기(A)로부터 혼합물이 형성되는, 혼합물 제조 장치(14)가 배치되어 있다. 이어서, 상기 혼합물은 터보차저의 압축기(16)로 공급된다. 이어서 상기 메인 혼합물 공급 도관(15)에는 혼합물 인터쿨러(17)와 스로틀 플랩(19)이 배치되어 있다. 상기 메인 혼합물 공급 도관(15)은 흡기 매니폴드(7) 내로 개방되고 이로부터 메인 연소실(4)에는 압축 냉각된 연료-공기 혼합물이 공급된다.
프리-챔버 공급 도관(3)의 연료 탱크의 하류에는 비교 개방-루프 압력 제어 밸브(8)가 배치되어 있다. 비교 개방-루프 압력 제어 밸브(8)는 브리더 도관(9)을 통해 메인 혼합물 공급 도관(15) 또는 흡기 매니폴드(7)에 연결되어 있다. 상기 개방-루프 압력 제어 밸브(8)는, 상기 프리-챔버 공급 도관(3) 내의 압력이 메인 혼합물 공급 도관(15) 또는 흡기 매니폴드(7)와 연관하여 한정된 압력차를 갖는 압력으로 제어되도록, 스프링이 장착된 다이어프램을 갖는다. 프리-챔버 가스 공급에서의 압력은, 적어도 부하의 변화가 비교적 크게 발생하는 순간에, 실린더에 대한 공급과 연관하여 선택된다.
이 실시예에서, 개방-루프 압력 제어 밸브(8)는 순수한 기계적 특성을 가지기 때문에, 실제로는 부하 변화, 특히 부하 차단에서의 급격한 변화의 경우에 충분히 신속하게 대응할 수 없으며, 한동안 과도하게 높은 압력이 프리-챔버 공급 도관(3)에 존재할 수 있다. 또한, 프리-챔버 공급 도관(3)에는 스로틀 오리피스(12) ("가스 오리피스"라고도 지칭하며, 액체 연료(F)에 있어서도 일반적으로 가스 오리피스(12)의 위치에서 가스 형태로 존재한다)가 배치되어 있다.
밸브(6.1 및 6.2)가 하기에서 간략히 설명된다.
가스 오리피스(12)의 하류에는, 프리-챔버 공급 도관(3)이, 각각의 개별 프리-챔버(2)의 역할을 할 수 있도록 상이한 분기부로 분할되어 있다. 프리-챔버 공급 도관(3)의 이러한 부분은 일반적으로 프리-챔버 레일 또는 간단히 레일이라 지칭한다. 다시 한번 도면의 간결성에 부정적인 영향을 미치지 않도록, 하나의 분기부만이 도시되어 있다.
프리-챔버 공급 도관(3) 또는 레일은 적어도 하나의 프리-챔버 밸브(11)를 통해 적어도 하나의 프리-챔버(2)에 연결되어 있다. 이 경우에 프리-챔버 밸브(11)는 수동 역류 방지 밸브의 형태이다. 가스 오리피스(12)에 의해 제한된 방식으로 감소되는, 상술한 프리-챔버 공급 도관(3) 내의 약간 증가된 압력은, 비교적 낮은 압력이 실린더들에 존재하게 되는 그 순간에, 밸브(11)가 개방되고 연료(F)는 프리-챔버 내로 흐르게 한다.
상당히 높은 압력이 상기 프리-챔버 공급 도관(3)에 있으면, 너무 많은 연료(F)가 적어도 하나의 프리-챔버(2) 안으로 흐르게 되고, 이에 따라 상술한 실화 과정(misfire process)이 발생한다.
이는 밸브(6.1, 6.2), 이 경우에는 차단 밸브에 의해 방지된다. 도면에 도시된 두 개의 밸브(6.1, 6.2)는, 조합하여 사용될 수 있지만 개별적으로도 사용될 수 있는, 두 가지 설계를 나타낸다는 것을 주목하여야 한다.
밸브(6.1)는 개방-루프 또는 폐쇄 루프 제어 장치(5)에 연결된다. 상기 장치는 인터페이스(22)에 의해, 내연 기관(1)에 의해 발생된 파워 출력에서의 변화를 나타내는 특성 데이터와 통신한다. 이들 특성 데이터는 예를 들어 급기 압력 센서(charge pressure sensor)들, 실린더 압력 센서들 및/또는 회전 속도 센서들과 같은 내연 기관(1)의 센서들의 측정 데이터가 될 수 있다. 또한, 가능한 전기 수요처의 센서 및 인터페이스(22)에 의해 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치(5)에 통신될 특성 데이터가 될 수 있다.
개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치(5)가 부하 차단을 감지하면, 밸브(6.1)는 프리-챔버 공급 도관(3)을 차단한다.
밸브(6.1)는 다시 한번 프리-챔버(4)에 더 많은 가스가 필요할 때까지 폐쇄되어 유지된다. 이러한 사용 기준은 압력차가 원하는 범위로 다시 복귀하였는지의 여부에 따를 수 있다.
특정의 경우, 밸브(6.1)는 전력 차단의 값, 즉 부하 차단의 전과 후의 내연 기관(1)의 전력 출력의 차이에 기초하여, 개방-루프 제어를 실시할 수 있다. 그 값은 회전 속도 센서(미도시)의 신호로부터 얻어지며, 다음 식이 사용된다:
Figure pat00001
상기 식에서, ΔP는 부하 차단의 값을 나타내고, J는 관성 모멘트를 나타내며, w 및
Figure pat00002
는 각속도 및 그 도함수를 나타낸다.
밸브(6.2)는 역류 방지 밸브의 형태이다. 프리-챔버 연료 흐름의 적어도 일부분을 메인 혼합물 공급 도관(15) 안으로, 그리고 따라서 흡기 매니폴드(7) 안으로 전환할 목적으로, 밸브(6.2)가 배치되는 추가 연결 도관이 제공되어 있다. 본 특허 명세서의 목적을 위하여, 프리-챔버 공급 측면의, 상기 연결 도관의 부분은 프리-챔버 공급 도관의 부분으로서 고려된다. 마찬가지로 메인 챔버 공급 측면에 있는, 연결 도관의 부분은 메인 혼합물 공급 도관(15)의 부분으로서 고려된다.
본 발명의 실시예에서, 밸브(6.2)가 이러한 연결 도관에 포함되지 않을 경우에는, 연결 도관 자체가 필요하지 않다.
예를 들어 역류 방지 밸브의 형태인 밸브(6.2)는, 작동중에 일정하게 있는 프리-챔버 공급 도관(3)과 메인 혼합물 공급 도관(15) 사이의 압력차에 악영향을 주기 않기 위해, 이 경우에 스프링식이다. 따라서 밸브(6.2)는 압력 차이가 아주 커지게 될 때까지 폐쇄되어 있다. 그런 다음 밸브(6.2)가 열리고 압력 평형이 발생한다.
역류 방지 밸브의 형태인 밸브(6.2)의 구성은 실린더의 혼합물이 프리-챔버 가스 공급 도관으로 역류하는 것을 방지함으로, 더 바람직하다.
이 실시예에서 수동 형태인 프리-챔버 가스 공급 대신, 능동 형태의 것도 사용 가능하다.
연료-공기 혼합물이 실린더들에서 연소된 이후, 발생된 배기 가스는 배기 가스 도관(20)에 수집되고 배기 시스템 등에 의해 배출된다. 상술한 터보차저의 터빈(21)은 배기 가스 도관(20)에 배치된다. 상기 터빈(21)은 샤프트에 의해 터보차저의 압축기(16)에 연결된다.

Claims (10)

  1. 내연 기관으로서,
    - 연료(F)를 프리-챔버(2)에 공급하기 위한 프리-챔버 공급 도관(3)에 연결된 적어도 하나의 프리-챔버(2)와,
    - 적어도 하나의 메인 연소실(4)을 포함하며, 상기 메인 연소실(4)의 연료(F)는 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)로부터 적어도 하나의 메인 연소실(4) 안을 흐르는 점화 플레어에 의해 점화될 수 있고, 상기 점화 플레어는 상기 프리-챔버(2)의 연료(F)의 점화에 의해 발생되는, 내연 기관에 있어서,
    - 프리-챔버 가스 공급(pre-chamber gas feed)과 상기 적어도 하나의 메인 연소실(4) 사이의 압력차를 감소시키기 위해, 상기 프리-챔버 공급 도관(3)에, 적어도 하나의 밸브(6.1, 6.2)가 제공되어 있으며,
    - 상기 적어도 하나의 밸브는, 내연 기관(1)에 의해 발생되는 전력 변화의 파라미터 특성에 따라, 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치(5)에 의해 개방-루프 또는 폐쇄-루프로 제어될 수 있고,
    및/또는
    - 상기 밸브에 의해, 상기 프리-챔버 공급 도관(3)을 통해 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)를 향하는 프리-챔버 연료 흐름이, 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)에서 분리된 볼륨안으로 적어도 부분적으로 전환될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)로부터 분리된 볼륨은 내연 기관(1)의 메인 챔버 공급 도관(15) 및/또는 흡기 매니폴드(7)인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 밸브(6.1, 6.2)는 역류 방지 밸브인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 프리-챔버 연료 흐름이, 상기 적어도 하나의 밸브(6.1, 6.2)를 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 차단함으로써 제한될 수 있는, 바람직하게는 억제될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 밸브(6.1, 6.2)는 부하의 변화 값에 따라 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 장치(5)에 의해 개방-루프 또는 폐쇄-루프로 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 폐쇄-루프 압력 제어 밸브 또는 개방-루프 압력 제어 밸브(8)가 프리-챔버 공급 도관(3) 내에, 바람직하게는, 적어도 하나의 프리-챔버(2)와 떨어져 있는, 상기 적어도 하나의 밸브(6.1, 6.2)의 측면에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  7. 제 6항에 있어서, 브리더 도관(9)을 통해, 상기 내연 기관(1)의 흡기 매니폴드(7)에 연결된 비교 개방-루프 압력 제어 밸브(8)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)는 적어도 하나의 각각의 프리-챔버 밸브(11)를 통해 상기 프리-챔버 공급 도관(3)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프리-챔버 밸브(11)는 수동 역류 방지 밸브인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  10. 내연 기관의 작동 방법으로서,
    연료(F)가 프리-챔버 공급 도관(3)을 통해 적어도 하나의 프리-챔버(2)로 공급되며, 메인 연소실(4)의 연료(F)는 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)로부터 적어도 하나의 메인 연소실(4) 내로 통과하는 점화 플레어에 의해 점화되고, 상기 점화 플레어는 상기 프리-챔버(2)의 연료(F)의 점화에 의해 발생되는, 내연 기관의 작동 방법에 있어서,
    프리-챔버 가스 공급과 상기 적어도 하나의 메인 연소실(4) 사이의 압력차를 감소시키기 위해, 상기 프리-챔버 공급 도관(3)에, 적어도 하나의 밸브(6.1, 6.2)가 배치되어 있으며,
    - 상기 적어도 하나의 밸브는, 내연 기관(1)에 의해 발생되는 전력 변화의 파라미터 특성에 따라 개방-루프 또는 폐쇄-루프로 제어되며, 및/또는
    - 상기 밸브에 의해, 상기 프리-챔버 공급 도관(3)을 통해 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)를 흐르는 프리-챔버 연료 흐름이, 상기 적어도 하나의 프리-챔버(2)에서 분리된 볼륨안으로 적어도 부분적으로 전환될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
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