KR20160103149A - 내연기관용 고압 불꽃점화 및 계층화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 내연기관(1)용 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 다음을 포함한다:
- 계층화 프리챔버(79) 내로 개방되는 계층화 도관(23)을 폐쇄하는 계층화 밸브(20), 여기서 상기 계층화 도관은 내연기관(1)의 연소챔버(9)에 대해 계층화 분사 도관(39)에 의해 연결되는 계층화 챔버 내로 개방되고, 상기 계층화 분사 도관은 점화 플러그(25)의 돌출하는 전극(26) 부근에서 개방되고, 상기 전극(26)은 상기 연소챔버 내에 위치됨;
- 계층화 밸브(20)를 들어올리기 위한 계층화 액추에이터(27);
- 계층화 프리챔버(79)를 계층화 압축기(29)의 출구에 연결하는 계층화 라인(28);
- 계층화 연료 인젝터(33);
- 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키기 위한 수단(40).

Description

내연기관용 고압 불꽃점화 및 계층화 장치 {HIGH-PRESSURE SPARK-IGNITION AND STRATIFICATION DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, "외부 냉각식 EGR" 수단으로 알려져 있는, 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키기 위한 수단을 이용하여 고 희박화 차지(highly diluted charge)를 갖는 왕복 내연기관을 위한 고압 불꽃점화 및 계층화 장치에 관한 것이다.
왕복 내연 열기관의 열역학적 효율은 다음과 같은 몇 가지 요인에 따른다. 첫째로, 압축된 후 연소챔버 내에 갇혀있는 기체의 온도를 상승시키고자 의도되는 연소의 기간 및 단계; 둘째로, 상기 기관의 내부벽과 접촉하는 상기 기체의 열손실; 그리고 셋째로, 상기 기체의 팽창율, 여기서 상기 팽창은 상기 연소에 의해 방출되는 열에너지를 기계적인 일로 변환하도록 상기 기관의 피스톤 상에 상기 기체가 추력을 가하도록 허용한다.
그렇지만, 팽창시 상기 피스톤에 대한 상기 기체의 추력에 의해 생성되는 긍정적인 일(positive work)은, 열기관의 출력축에서 사용될 수 있기 전에 부분적으로 손실된다. 이것은, 열기관의 다양한 흡입 및 배기 도관들 및 회로들 내에 있어서의 상기 기체의 펌핑 및 전달에 의해, 상기 기관의 부품들 사이의 기계적인 마찰에 의해, 그리고 상기 기관의 부대장비 및 보조장비의 구동에 의해 생성되는 부정적인, 즉 저항성 일(work)로 인한 것이다.
따라서, 소비되는 연료의 주어진 양에 대하여, 왕복 내연 열기관의 효율은, 가스 압축-팽창 사이클에 의한 상기 기관의 피스톤 상에 행해지는 긍정적인 일의 증가로, 그리고 상기 기관 및 그 부대장비의 기구에 의해 생성되는 일 및 상기 엔진 내로의 그리고 상기 엔진으로부터의 상기 기체의 출입에 의해 생성되는 부정적인, 즉 저항성 일에 있어서의 동시적인 감소로 상승한다.
연소에 의해 방출되는 열을 가능한 한 효율적으로 기계적인 일로 변환시키기 위해서, 상기 기관의 피스톤의 상사점 근처에서, 다시 말해서 준-정적(quasi-constant volume)에서, 열기관의 실린더 내로 도입되는 연료-공기 혼합물이 급격하게 연소되도록 하는 것이 바람직하다. 이것은, 가스 온도가 기관의 연소챔버의 내부벽과 상기 기체 사이의 열교환이 과도하게 되는 높은 수준에 도달하지 않는 한 사실로 남아있다. 또한 이것은, 연소에 의해 생성되는 압력 구배가 지나친 소음을 초래하지 않는 한 그리고 노킹(pinging)에 의해 야기되지 않는 한 사실로 남아있다.
노킹은, 압력 및 온도의 복합적인 효과 하에서, 일정 기간 이후에 발생하는, 그리고 특히 상기 벽의 표면을 덮는 절연 공기의 층을 분리시킴으로써, 상기 기체와 상기 벽 사이에서 열교환을 증가시키는 경향도 있는 매우 큰 압력 파동을 생성하는 자연적인 가스연소이다. 따라서 노킹은 바람직하지 않은 현상이며, 이것은 열기관의 효율을 감소시키고 또한 열 및 기계적인 초과부하에 의해 기관의 내부 부재들에 손상을 입히는 경향도 있다.
왕복 내연 열기관의 연소챔버 내에서 연소를 개시하는 주된 방법들 중에는, 불꽃 점화(spark ignition), 디젤엔진의 특성인 분사 전면(injection front)에서의 연료의 자연 점화(spontaneous ignition), 및 약어로 CAI(Controlled Auto Ignition) 또는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)로 알려진 방법들을 이용한 압축 점화 등이 있다.
제어식 점화 엔진(controlled ignition engine)의 연소율은, 상기 엔진의 연소챔버 내로 도입되는 연료-공기 혼합물 내의 잔여 연소 가스의 함량 및 공기/dsufy 비, 상기 혼합물을 모두 연소시키기 위해서 화염에 의해 커버되어야만 하는 거리, 그리고 상기 혼합물 내의 마이크로 난류에 주로 의존하며, 화염 증식 속도는 상기 난류에 대략 비례한다.
디젤 사이클에 있어서, 연소율은 디젤 연료 분사 품질에 의해, 그리고 상기 디젤 연료의 케탄수(ketane number)에 의해 주로 결정된다. CAI 또는 HCCI에 있어서, 연소율, 연료-공기 혼합물의 초기 온도 및 연소가스의 함량, 사용되는 연료의 특성, 그리고 차지(charge)의 균일화는, 연소의 개시 및 연소율을 결정하는 인자들이다. 연소를 시작시키는 방법에 관계없이, 상기 연소율은, 연소의 시작과 끝 사이에서의 크랭크축의 회전각도로 통상 표현되는 에너지 방출률을 결정하며, 한 번에 1도(one degree at a time), 크랭크축의 각위치(angular position)의 함수로서 연소 연료의 누적 부분(cumulative fraction)를 나타내는 곡선을 따른다.
왕복 내연 열기관의 연소 모드와 관계없이, 실제로 그 효율은 고온 기체와 상기 기관의 내부벽 사이의 열교환이 최소일 때 항상 더욱 높다.
상기 기체와 상기 벽 사이의 온도차이가 작다면, 단순한 열의 전도 및 복사로 인한 상기 열교환의 힘을 증가시키는 난류 대류가 적거나 없다면, 그리고 상기 기체의 단위 체적당 질량이 낮다면, 상기 열교환은 감소한다는 것에 주목하여야 한다.
왕복 내연 열기관의 내부벽과 고온 기체 사이의 온도 차이를 감소시키기 위해서, 상기 벽의 온도는 상승될 수 있고/있거나 상기 기체의 온도는 하강될 수 있다. 그렇지만, 이들 2개의 구성은 제어식 점화 왕복 내연 열기관의 효율을 개선함에 있어서 급격하게 그 한계에 도달한다.
이것은 왕복 내연 열기관의 연소챔버의 내부벽의 온도를 증가시키는 것이 충전 용량을 감소시키는 단점을 가지기 때문이며: 상기 고온의 벽과 접촉하게 되는 차가운 공기 또는 기체 혼합물은 순간적으로 팽창하여, 그에 따라 흡입 단계에서의 상기 기관의 체적 효율을 감소시키고, 결과적으로 전체 효율을 감소시킨다. 나아가서, 이러한 방식으로 과열된 차가운 공기 또는 기체 혼합물은 기관이 더욱 쉽게 노킹을 일으킬 수 있도록 하며, 이는 이들 2개의 구성이 상기 기관의 효율을 감소시킴에도 불구하고, 더욱 낮은 압축/팽창비를 제공함으로써 및/또는 점화 지연을 제공함으로써 보정되어야만 한다. 토요타에 의해 만들어진, 세라믹 연소챔버 및 실린더를 갖는 소위 "단열(adiabatic)" 기관의 경우에서와 같이, 연소챔버의 내부벽의 온도를 상승시키기 위해서 다양한 시험들이 수행되어 왔다. 이 기관은 효율의 항목에 있어서 매우 제한된 장점을 제공하는데, 이는, 차가운 벽이 모든 왕복 내연 열기관의 내부벽을 덮는 미세한 절연 공기층의 유지 및 효능에 더욱 바람직한 다른 기관들과 비교하여, 최종 분석에 있어서, 지나치게 높은 벽 온도가 상기 벽 상의 기체의 열손실을 증가시키는 경향이 있기 때문이다. 이러한 이유들로, "단열" 기관은 실험단계를 벗어나지 못하고 있다.
연소챔버의 내부벽의 온도를 상승시키는 것의 대안으로서, 사전에 냉각될 수 있는 또는 냉각되지 않을 수 있는 배기가스 또는 추가 공기로 기체를 희박화시킴으로써 기체의 온도를 감소시킬 수 있으며, 이 배기가스는 이전 사이클 또는 사이클들로부터 얻어진다. 연소에 참여하지 않은 기체로 왕복 내연 열기관의 연소챔버 내에 도입되는 연료-공기 차지를 희박화시킴으로써, 상기 연소에 의해 방출되는 에너지의 주어진 양에 대하여 평균 온도를 감소시키기 위해서 상기 차지의 총 열용량을 증가시킬 수 있다.
나아가서, 사용되는 희박화 가스와 관계없이, 연소에 의해 방출되는 열을 기계적인 일로 변환시키기 위해 공헌한다. 그렇지만, 제어식 불꽃점화 기관의 경우에 있어서, 지나친 희박연료 또는 희박산소의 혼합물 내의 화염의 증식은 지나치게 느리거나 불가능하다. 이것은, 연소가 과도한 정도의 비-정적(non-constant volume) 뿐만 아니라 매우 불안정한 연소 및 점화 실패를 발생시키기 때문에, 감소된 열효율을 초래한다.
전술한 단점을 겪지 않고 제어식 점화 왕복 내연 열기관의 실린더 내로 도입된 차지를 희박화시키기 위해서, 상기 차지가 계층화(stratified)되는 대안적인 접근이 존재하는데; 다시 말해서 상기 기관의 점화 점(ignition point) 부근에 집중되는 가연 연료-공기 혼합물의 포켓이 생성되며, 상기 포켓은 희박연료의 혼합물로 둘러싸이며, 상기 희박 혼합물이 여전히 대부분 연소가능한 비율 내에서 차가운 공기 및/또는 배기가스로 고 희박화된다.
상기 포켓은, 특히, 상기 기관의 연소챔버 내에서의 기체의 움직임에 의해 형성되며, 상기 움직임은, 특히, 상기 기관의 흡입 도관 및 상기 챔버의 벽의 형상에 의해, 뿐만 아니라 상기 챔버 내로 직접 분사되는 연료 제트의 역학 및 형상에 의해 야기된다.
"계층화 차지(stratified charge)" 방법으로 알려져 있는 이러한 방법은, 직접 연료 분사의 이용을 통상 필요로 하며, 점화 점 부근에서 농후 연료(rich in fuel)이고, 나머지 영역에서 희박 연료이고, 전체적으로 농후 산소인 차지를 초래하며, 특히 오염 방출에 대한 규제의 관점에서, 현대 기관에서의 다양한 문제의 증가를 가져온다.
이것은, 이러한 방식으로 계층화된 상기 차지가, 점화 점 부근에서 차지의 일부에 연소의 양호한 개시를 보장하기에 충분한 산소, 그리고 기관의 연소챔버의 체적 전체에 걸친 상기 연소의 양호한 발달 및 증식을 보장하기 위해, 희박 연료 영역을 포함하는, 나머지 부분에서의 충분한 산소를 함유해야만 하기 때문이다.
종래기술에 따른 계층화 차지 기관의 운전 특성인 초과 산소는 제어식 점화 기관으로부터의 배기가스의 후처리를 위하여 통상 사용되는 삼원 촉매(three-way catalysis)에 의한 질소산화물의 감소를 불가능하게 한다.
초과 산소로 운전하는 희박 혼합물을 갖는 기관 및 계층화 차지 기관 양쪽 모두에 영향을 미치는 이러한 문제를 보상하기 위해서, 산화 매질(oxidizing medium) 내의 질소산화물의 후처리 시스템은, NOx 트랩 또는 SCR(selective catalytic reduction) 등을 이용해야만 하지만, 상기 시스템은 특히 비싸고 연료의 품질 및 황 함량에 민감할 뿐만 아니라 무겁고 부피가 크다.
계층화 차지와 관련한 문제점들은 점화 점 부근에 집중되는 농후-연료 포켓을 형성하기 위하여 요구되는 연료의 지연된 직접 분사(delayed direct injection)를 포함하며, 상기 지연된 분사는 건강에 해로운 상당한 미세분진 생성을 초래한다는 것에 주목하여야 한다.
계층화 차지 방법과 관련한 또 다른 문제점은 저부하시 지나치게 제한적인 운전범위이며, 따라서 특히 무게에 비해 작은 실린더 용량을 갖는 기관을 가지는, 현재 사용되는 자동차에서 연료 소비를 감소시킴에 있어서 효율을 제한한다.
산화 매질 내에서의 질소산화물의 후처리에 관한 이러한 문제는, 불꽃점화 대신에, CAI 및 HCCI 방법에서 제안된 바와 같이, 차지의 압축점화를 제공함으로써 회피될 수 있다.
이러한 점화 방법은 질소산화물이 사실상 발생하지 않는 저온 연소로 인도하며, 따라서 상기 산화물을 후처리할 필요 없이, 이전의 사이클 또는 사이클들에서 초기에 발생된 연소가스 및/또는 초과 산소로 차지가 고 희박화되도록 한다. 불꽃에 의해 점화되지 않기 때문에, CAI 또는 HCCI 연소는, 연소가 많은 지점에서 자연적으로 개시됨에 따라, 단일 연소 지점으로부터의 화염 증식에 의해 부과되는 제약을 회피한다. 그렇지만, CAI 및 HCCI는 작용될 수 있는 하나 이상의 파라미터, 예를 들어 차지의 초기 온도, 작용되는 유효 압축비, 내부에 함유된 연료의 품질, 및 연소가스의 함량에 있어서의 변동에 특히 민감하다. 또한 CAI 또는 HCCI 연소는, 매우 빠르기 때문에, 고압 구배를 발생시키며, 따라서 불쾌한 음향 방출을 생성한다.
나아가서, 계층화 차지 방법과 유사하게, CAI 및 HCCI는 상대적으로 낮은 부하에서만 작동하며, 따라서 특히 무게에 비해 작은 실린더 용량을 갖는 기관을 가지는, 현재 사용되는 자동차에서 연료 소비를 감소시킴에 있어서 효율을 제한한다.
초과 산소를 갖는 균질화 희박 혼합물 또는 계층화 차지의 사용에 대한 대안은, EGR(Exhaust Gas Recirculation)과 같은 당해 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 방법을 이용하여, 이전의 사이클 또는 사이클들로부터의 재순환된 연소가스를 가지고 차지 내로 도입되는 초과 산소를 대체하는 것이다. EGR이 갖는 문제는, 냉각이 사용되지 않으면(내부 EGR) 기관의 효율에 악영향을 미치는 노킹에 대한 열기관의 민감도를 증가시키는 한편, 상기 EGR이 열교환기 내에서 사전에 냉각되면(외부 냉각식 EGR) 화염의 개시 및 증식이 임의적이고 불안정하다는 것이다. 모든 경우에 있어서, 계층화와 EGR을 결합하기는 어려우며, 여기서 희박 영역은 연소되지 않게 된다.
전술한 바와 같이, 왕복 내연 열기관의 실린더 내로 도입된 연료-공기 혼합물은, 상기 기관의 피스톤의 상사점 근처에서, 다시 말해서 준-정적(quasi-constant volume)에서, 그리고 벽에서의 가능한 가장 낮은 열손실로, 급격하게 연소되는 것이 바람직하다.
제어된 점화 기관의 경우에 있어서, 상기 기관의 내부벽에서의 열손실을 감소시키기 위해서, 이러한 타입의 기체가 상기 차지를 포함하는 체적 내에서의 화염의 증식 속도를 감소시키는 경향이 있기 때문에, 상기 차지의 신속한 연소는 연소에 참여하지 않은 가스로 차지를 희박화시키는 목표와 상충한다.
더욱 높은 화염 증식 속도를 회복하기 위해서, 연료-공기 혼합물의 내부 난류가 증가될 수 있지만, 상기 난류는, 벽에서의 열 손실을 확대시키며, 따라서 차지 희박화의 바람직한 효과에 역행하는 대류 교환을 과도하게 증가시키지 않아야 한다.
상기 증식 속도를 회복하는 또 다른 방법은, 차지의 밀도 및 엔탈피를 증가시키는 목표를 갖는 내연 열기관의 압축비를 증가시키는 것일 수 있으며, 이들 인자 즉 밀도 및 엔탈피 양쪽 모두는 상기 증식 속도에 바람직하다.
본 명세서에서, 가변 압축비를 갖는 내연 열기관은, 특히 상기 기관이 부분적인 차지로 운전된다면, 실린더(들) 내로 도입되는 차지가 고 희박화될 때 압축비가 제어된 방식으로 증가되는 한편, 차지가 더욱 높고/높거나 덜 희박화될 때 상기 압축비가 감소되도록 하는 결정적인 장점을 갖는다.
따라서, 상기 가변 압축 기관은, 주기적 변동의 낮은 계수, 다시 말해서 하나의 사이클로부터 또 다른 사이클로 그리고 하나의 실린더로부터 또 다른 실린더로의 연소율에 있어서 작은 차이를 가지는 배기가스로 고 희박화되는 차지의 연소를 허용한다.
그렇지만, 고 압축비는 상기 기관의 피스톤의 상사점에서 미세한 난류로의 차지의 거시적 움직임의 전환에 바람직하지 않으며, 상기 난류는 연료-공기 혼합물 내의 화염의 신속한 증식에 바람직하다는 것에 주목하여야 한다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, "스퀴시(squish)" 타입으로 알려져 있는 연소챔버가 제공될 수 있으며, 이 챔버는 피스톤이 상사점 부근에 도달할 때 많은 난류를 생성한다.
그렇지만, 스퀴시 챔버가 갖는 문제점은 피스톤이 실린더 헤드에 매우 가까와져야만 한다는 것인데, 이는 상기 피스톤과 상기 실린더 헤드 사이의 충돌의 위험을 수반하는 한편, 바람직한 스퀴시 효과는 상사점 부근에서만 제공되는데, 다시 말해서 차지의 불꽃 점화의 개시 순간에 대하여 상대적으로 늦다.
스퀴시 챔버의 또 다른 단점은 기체와 연소챔버의 내부벽 사이의 열교환을 강하게 촉진시킨다는 것이다.
상기의 관점에서, 상기 EGR에 의한 상기 차지의 희박화의 바람직한 효과인 벽에서의 열손실의 감소에 역행하는 어떠한 초과 난류 없이, 오염물질이 삼원 촉매 컨버터로 후처리되는 방식으로, 외부 냉각식 EGR로 고 희박화된 화학량론 차지의 신속한 연소를 제공할 수 있다는 것은 명백하게 유리하다. 또한 열기관의 가능한 가장 넓은 운전 범위에 걸쳐서 고 희박화된 화학량론 차지의 연소를 위하여 구성될 수 있다는 것은 명백하게 유리하다.
이러한 목적을 만족하기 위해서, 내연기관에 관한 종래기술에서 맞닥뜨린 상기 다양한 문제점들을 극복하기 위해서, 그리고 고 희박화된 차지를 갖는 왕복 내연기관용 고압 불꽃점화 및 계층화 장치가 제안하는 경제적인, 깨끗한, 그리고 연료를 절약하는 방식으로 기관들이 사용될 수 있기 위해서, 본 발명에 따르면 그리고 특정 실시형태에 따르면:
- 가능한 한 점화 지점 부근에 집중되고, 높은 압축비로 작동시에도 국부적으로 난류를 형성하고, 압축 단계 동안의 가장 적절한 순간에 생성되고, 그리고 그 다음 점화 플러그의 전극들 사이에서 발생되는 전기 아크에 의해 점화되는, 낮은 EGR 함량을 갖는 작은 체적 및 질량의 "파일럿(pilot)" 차지라고 불리는 것을 형성하는 화학량론 연료-공기 기체 혼합물의 포켓을 생성.
이것은 다음 목적을 갖는다:
- 흡입 및/또는 압축 단계에서 사전에 준비되는, 그리고 쿨러와 상호작용하는 배기가스 공급장치에 의해 공급되는 외부 냉각식 EGR로 고 희박화되는 "메인(main)" 차지라고 불리는 화학량론 차지의 점화 및 연소를, 왕복 내연기관의 넓은 작동 범위에 걸쳐서, 제공하기 위해 상기 파일럿 차지의 연소를 이용.
이것은 다음 효과를 갖는다:
- 연소챔버의 3차원 공간 내에서 넓은 화염 전면의 급격한 발달을 촉진시키도록, 점화 지점을 둘러싸는 파일럿 차지 내에서 그리고 상기 파일럿 차지와 메인 차지 사이의 접점에서 국지적인 고 난류를 발생시키는 한편, 상기 챔버의 내부벽과 상기 메인 차지의 고온 기체 사이의 대류 열교환을 제한하기 위해서 상기 메인 차지 내에서 전체적으로 온건한 난류를 유지.
그리고 이것은 다음 결과를 갖는다:
- 매우 높은 함량의 외부 냉각식 EGR을 갖는 화학량론 차지의 연소를 허용;
- 등심도(isochore)에 가깝게 상기 화학량론 차지의 신속한, 정규 연소(regular combustion)를 촉진;
- 초과 공기에 사용되는 계층화 차지, 그러나 간단한 삼원촉매 컨버터를 사용하며 그에 따라 비싸고, 무겁고, 부피가 큰 NOx 트랩 또는 선택적 환원촉매(SCR) 장치의 사용을 회피할 수 있는, 연소에 의해 생성되는 오염물질의 후처리를 허용하도록, 외부 냉각식 EGR로 고 희박화되는 화학량론 차지의 계층화에 의한, 고 에너지 효율로부터의 이익;
- 가장 낮은 부하로부터 상대적으로 높거나 매우 높은 부하까지, 계층화의 효율에 긍정적인 영향 및 작동 부하 범위의 대대적인 확장;
- 실린더들의 불활성화, 또는 "다운사이징(downsizing)"으로 알려져 있는, 실린더 용량의 감소와 같은 방법이 에너지 성능에 대한 작은 긍정적인 효과를 가지거나 긍정적인 효과를 가지지 못하는, 열-전기 하이브리드 차량들 및 저동력 차량들을 포함하는 모든 자동차의 연료 소비의 상당한 감소, 여기서 소비의 상기 감소는, 가장 양호한 에너지 효율을 제공하는 속도-부하 범위에서의 기관 작동의 재배치(repositioning)에 의해서가 아니라, 상기 기관의 전체 작동 범위의 거의 대부분에 걸친 에너지 효율의 증가에 의해서, 본 발명에 따라 성취됨;
- 자동차의 평균 소비를 감소시키기 위하여 덜 필요한 기관의 높은 수준의 다운사이징, 여기서 높은 수준의 상기 다운사이징은, 특히 이러한 경우에 요구되는 고성능 수퍼차저 시스템으로 인하여, 상기 차량의 생산비용을 상당히 증가시킴;
- 특히 높은 열 손실로 인도하는 연소챔버의 높은 표면/체적 비의 열역학적 효율에 대한 바람직하지 않은 영향을 감소시킴으로써, 고 에너지 효율을 갖는 매우 낮은 실린더 용량을 가지는 기관의 생산을 허용, 이것은 외부 냉각식 EGR로 상기 차지를 고 희박화시키는 것으로 인하여 상기 기관의 평균 차지 온도에 있어서의 상당한 감소에 의해 본 발명에 따라 성취되며, 상기 희박화는 물론 상기 기관이 상기 열손실을 감소시킴;
- 열역학적 효율을 증가시키기 위해서 엔진이 높은 압축비로 작동될 수 있도록 함, 이것은, 한편으로는 외부 냉각식 EGR을 가지고 높은 정도로 희박화됨으로 인한 주된 차지의 노킹에 대한 높은 저항성에 의해, 그리고 다른 한편으로는 점화 지점 부근 및 그로 인한 신속한 연소로 인한 파일럿 차지의 노킹에 대한 높은 저항성에 의해 가능하게 됨;
- 실린더(들) 내로의 외부 냉각식 EGR의 대규모 도입이 상기 기관의 흡입압력을 증가시키고 그에 따라 주어진 작동 지점에 대하여 버터플라이 밸브를 더욱 넓게 개방시키는 효과를 가지기 때문에, 기관의 펌핑 손실을 자연스럽게 감소시킴, 여기서 펌핑 손실의 상기 자연적인 감소는 상기 손실을 감소시키기 위해 흡입 밸브의 가변 리프팅을 위한 복잡하고 값비싼 장치의 사용을 덜 필요로 함;
- 초과 공기로 작동하는 계층화 차지 기관의 운전 특성인 압축단계 동안의 지연된 가솔린 분사를 회피시킴, 그에 의해 연소 동안의 미세 분진의 대규모 생성을 회피하고 따라서 상기 미세 분진의 후처리를 위한 비싸고 부피가 큰 입자 필터의 사용을 회피시킴;
- 차지를 계층화시키기 위해 통상 사용되는 직접 가솔린 분사에 대한 대안으로 다점 가솔린 분사 시스템(multi-point gasoline injection system)으로 차지를 계층화시킬 수 있음, 여기서 직접 가솔린 분사는 더욱 복잡하고 값비쌈;
- 연소챔버 및 흡입 도관(들)의 내부 형상 제약으로부터의 자유도 및/또는 종래기술에 따른 계층화 차지의 사용에 의해 주어지는 분사 제트의 위치 및 형상에 있어서의 제약으로부터의 자유도를 제공, 여기서 상기 제약들은, 주로 "벽면-안내식(wall-guided)", "공기-안내식(air-guided)" 및 "스프레이-안내식(spray-guided)" 이라는 용어들로 알려져 있는, 연소챔버 및 흡입 도관(들) 내에서의 다양한 공기역학적 배열로 인도되는 그리고 점화 지점 부근에 대략 집중되는 연소 포켓을 제공할 필요로부터 생기는 한편, 이들 제약은 상기 챔버 및 도관들의 설계시 더욱 높은 자유도를 제공하는 본 발명에 따른 점화 장치를 사용함으로써 사실상 제거됨;
- 낮은 통합 실린더 용량(unitary cylinder capacity)의 엔진에 있어서 외부 냉각식 EGR로 고 희박화된 차지의 계층화를 허용함, 여기서, 첫째로, 작은 보어(small bore)는 연소챔버의 벽과 분사 제트의 공급원 사이의 최소 거리를 요구하는 직접 분사와는 빈약하게 호환되거나 심지어는 호환되지 않으며, 둘째로, 현재 사용되는 평균 차지는, 저부하에서 작동이 지나치게 제한되는 초과 산소로 작동하는 계층화 차지의 장점으로부터 충분한 이익이 얻어지기에는 지나치게 높을 수 있고, 또는 셋째로, 관련 후처리 장치 및 상기 계층화 차지의 전체 생산비는 상기 기관이 설치될 차량의 종류에 비해 지나치게 높음;
- 특히, 상기 기관의 냉각수에 의해 가열되는 공기/물 열교환기를 경유하여 재순환되는 배기가스의 냉각으로 인하여, 기관 내에서의 신속한 온도 상승을 제공, 이러한 신속한 온도 상승은, 특히, 상기 기관의 윤활유의 점성 및 관련 마찰 손실을 감소시킬 수 있으며, 이것은 상기 기관의 냉간시동(cold start)으로 시작되는 짧은 여정시 사용될 때 자동차의 더욱 낮은 연료 소비를 초래하며, 상기 급속한 온도 상승은 또한 겨울철에 상기 차량의 탑승공간의 더욱 빠른 온도 상승으로 인하여 상기 차량 승객의 편안함을 개선시키는 장점을 가짐;
- 제한된 생산비로 모든 자동차의 가솔린 소비 및 관련 이산화탄소 방출을 크게 감소시킴.
본 발명에 따른 점화 장치는 또한 초과 산소로 작동하는 비-화학량론 기관에 사용될 수도 있음에 주목하여야 한다.
본 발명에 따른 점화 장치는, 고정 또는 가변하는 압축비 및/또는 실린더 용량을 갖는 어떠한 왕복 내연기관에도 적용될 수 있으나, 적어도 가변 압축비를 가지는 기관에서 사용될 때 가장 최적의 작동을 제공한다는 것에 주목하여야 하는데, 이는, 매우 높은 부하에서의 훌륭한 효율 덕분에 그리고 일시적으로 낮은 압축비를 사용하는 외부 냉각식 EGR 없이도 상기 매우 높은 부하를 취급하기 위한 독특한 용량 덕분에, 이러한 타입의 기관이 높은 수준의 다운사이징으로부터 이익을 얻을 수 있기 때문이며, 또한 연소가 일시적으로 높은 압축비에 의해 가능해질 수 있는, 낮은 부하 및 중간 부하에서 외부 냉각식 EGR의 매우 높은 비율로부터 이익을 얻을 수 있기 때문이다. 또 다른 적용을 배제함 없이, 본 발명에 따른 점화 장치는 자동차에 사용되는 왕복 내연기관에 특히 적합하다.
본 발명에 따른 내연기관용 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는 다음을 포함한다:
- 내연기관의 실린더 헤드 내에 수용되는 적어도 하나의 계층화 밸브, 여기서 상기 계층화 밸브는 적어도 하나의 스프링에 의해 시트와 접촉 유지되고 상기 계층화 밸브는 계층화 프리챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 계층화 도관의 제1 단부를 폐쇄시키는 한편 상기 계층화 도관이 포함하는 제2 단부는 계층화 챔버 내로 개방되고, 계층화 챔버는 적어도 하나의 계층화 분사 도관에 의해 내연기관의 연소챔버에 연결되고, 상기 계층화 분사 도관은 내연기관의 실린더 헤드 내에 고정된 점화 플러그의 돌출하는 전극 부근에서 상기 연소챔버 내로 개방되고, 상기 전극은 상기 내연기관의 연소챔버 내에 위치됨;
- 내연기관의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되는 적어도 하나의 계층화 액추에이터, 여기서 상기 액추에이터는 계층화 밸브를 시트로부터 들어올리고, 계층화 밸브를 개방 유지시키고, 계층화 밸브를 시트로 복귀시킴;
- 계층화 압축기의 출구에 계층화 프리챔버를 연결하는 적어도 하나의 계층화 라인, 여기서 계층화 압축기의 입구는 계층화 공기 공급 도관에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고, 상기 계층화 공기 공급 도관, 상기 계층화 압축기와 그 입구 및 출구, 상기 계층화 라인, 상기 계층화 프리챔버 및 계층화 도관은 계층화 챔버를 위한 공기 공급 회로를 형성하고, 상기 계층화 챔버는 상기 공기 공급 회로의 일체부(integral part)를 형성함;
- 내연기관의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되는 적어도 하나의 계층화 연료 인젝터, 여기서 상기 계층화 연료 인젝터는, 공기 공급 회로 내의 일 지점에서 계층화 챔버를 위한 공기 공급 회로 내로, 또는 계층화 분사 도관 내로, 또는 상기 공기 공급 회로 및 상기 계층화 분사 도관 내로, 연료의 분출(jet)을 만들어낼 수 있음;
- 내연기관의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되는 적어도 하나의 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키는 수단인 "외부 냉각식 EGR" 수단, 여기서 상기 외부 냉각식 EGR 수단은 상기 내연기관의 배기 도관으로부터의 배기가스를 공급받을 수 있고 상기 배기가스가 적어도 하나의 쿨러에 의해 사전에 냉각된 후에 상기 내연기관의 흡입측으로 상기 배기가스를 재도입시킬 수 있음.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 계층화 액추에이터가 상기 계층화 프리챔버로부터 멀리 상기 계층화 밸브를 이동시키는 것에 의해서만 상기 시트로부터 상기 계층화 밸브를 들어올릴 수 있는 방식으로 계층화 프리챔버의 외측을 향하여 배향되는 면을 갖는 계층화 밸브의 시트를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 계층화 액추에이터가 상기 계층화 프리챔버를 향하여 상기 계층화 밸브를 가깝게 이동시키는 것에 의해서만 상기 시트로부터 상기 계층화 밸브를 들어올릴 수 있도록 계층화 프리챔버의 내측을 향하여 배향되는 시트면을 갖는 계층화 밸브의 시트를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 내연기관의 실린더 헤드에 체결된 적어도 하나의 도전성 와이어의 코일로 이루어지는 계층화 액추에이터를 포함하며, 상기 코일은, 전기 전류가 상기 코일을 통하여 흐를 때, 자기 코어 또는 블레이드를 끌어당겨서 상기 적어도 하나의 자기 코어 또는 블레이드가 코일 푸싱 또는 풀링 수단에 의해 연결되는 계층화 밸브를 길이방향으로 병진 운동시킨다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 적어도 하나의 압전층의 스택으로 이루어지는 계층화 액추에이터를 포함하며, 상기 압전층이 전기 전류의 통과로 영향을 받을 때 스택의 두께가 변화하여, 스택 푸싱 또는 풀링 수단에 의해 연결되는 계층화 밸브를 길이방향으로 병진 운동시킨다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 상기 스택에 의해 주어지는 변위를 배가시키는 적어도 하나의 레버에 의해 계층화 밸브에 연결되는 압전층의 스택을 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 계층화 공압 수용 챔버 및 계층화 공압 수용 피스톤을 포함하는 계층화 공압 구동 실린더로 이루어지는 계층화 액추에이터를 포함하며, 상기 계층화 공압 수용 피스톤은 계층화 밸브에 체결되거나 공압 피스톤 푸싱 또는 풀링 수단에 의해 계층화 밸브에 연결되는 한편, 상기 계층화 공압 수용 챔버는 공기의 고압 저장소 또는 대기 또는 적어도 하나의 솔레노이드 밸브에 의한 공기의 저압 저장소와 연통하도록 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 계층화 유압 수용 챔버 및 계층화 유압 수용 피스톤을 포함하는 계층화 유압 구동 실린더로 이루어지는 계층화 액추에이터를 포함하며, 상기 계층화 유압 수용 피스톤은 계층화 밸브에 체결되거나 유압 피스톤 푸싱 또는 풀링 수단에 의해 계층화 밸브에 연결된다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 적어도 하나의 고압 솔레노이드 밸브 및/또는 적어도 하나의 저압 솔레노이드 밸브에 의해 고압 유압 제어 유체 저장소 또는 저압 유압 제어 유체 저장소에 연결될 수 있는 계층화 유압 수용 챔버를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 유압 제어 펌프에 의해 가압되는 고압 유압 제어 유체 저장소를 포함하며, 상기 유압 제어 펌프는 저압 유압 제어 유체 저장소로부터 공급받은(tapped) 유압 유체를 고압 유압 제어 유체 저장소로 전달한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 가압된 가연성 가스의 저장소에 연결되는 계층화 연료 인젝터를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 균질화 서큘레이터를 포함하는 계층화 챔버를 위한 공기 공급 회로를 포함하며, 상기 균질화 서큘레이터는 상기 공기 공급 회로의 일 지점에 위치되고 상기 공기 공급 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물이 상기 공기 공급 회로를 통하여 순환하도록 야기시킴으로써 상기 공기 공급 회로 내에 포함된 상기 공기 또는 상기 기체 혼합물을 교반한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 내연기관의 배기가스로부터 열을 추출함으로써 공기 공급 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물을 가열하는 상기 공기 공급 회로를 위한 공기-대-공기 열교환기를 포함하는 계층화 챔버를 위한 공기 공급 회로를 포함하며, 상기 공기 또는 기체 혼합물 및 상기 배기가스는 서로 혼합되지 않고 상기 열교환기를 동시에 통과한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 상기 공기 공급 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물을 가열하는 공기 공급 회로를 가열하기 위한 적어도 하나의 전기 저항을 포함하는 계층화 챔버를 위한 공기 공급 회로를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 전체적으로 또는 부분적으로 단열물질로 코팅되어 있는 계층화 챔버의 공기 공급 회로의 내부표면을 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 공기 또는 기체 혼합물로부터 내연기관의 냉각 회로 내에 포함된 열전달 유체에 열을 전달함으로써 공기 공급 회로 내에 포함된 상기 공기 또는 기체 혼합물을 냉각시키는, 공급 회로를 냉각시키기 위한 공기-대-냉각수 열교환기를 포함하는 계층화 챔버를 위한 공기 공급 회로를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 접선방향의 적어도 하나의 입구 및/또는 적어도 하나의 출구를 포함하는 계층화 챔버를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 상기 공기 공급 회로 내에서 움직이는 기체 혼합물에 대해 난류 운동을 부여하거나 상기 기체 혼합물이 급격한 압력 변동을 겪도록 야기시키는 적어도 하나의 교반 챔버를 포함하는 계층화 챔버를 위한 공기 공급 회로를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 상기 계층화 라인 내에 작용하는 소정 압력 이상에서 개방되는 적어도 하나의 방출 밸브를 포함하는 계층화 라인을 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 출구가 내연기관의 흡입측 내로, 또는 캐니스터 내로, 또는 저장소 내로 개방되는, 적어도 하나의 방출 솔레노이드 밸브를 포함하는 계층화 라인 및/또는 계층화 압축기의 출구 및/또는 계층화 프리챔버를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 상기 계층화 압축기에 의해 사전에 가압된 공기 또는 기체 혼합물을 저장하는 압력 어큐물레이터에 연결되는 계층화 압축기의 출구를 포함하며, 상기 압력 어큐물레이터는 계층화 라인 및 계층화 프리챔버를 압력 하에 유지하도록 상기 계층화 라인 및 상기 계층화 프리챔버와 직접적으로 또는 간접적으로 연통한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 내연기관의 배기 매니폴드에 위치되는, 적어도 하나의 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브 또는 적어도 하나의 비례-회전 EGR 탭핑 플랩 밸브 또는 적어도 하나의 비례-회전 EGR 탭핑 슬리브 밸브로 이루어지는 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키기 위한 수단인 "외부 냉각식 EGR" 수단을 포함하며, 상기 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브 또는 상기 비례-회전 EGR 탭핑 플랩 밸브 또는 상기 비례-회전 EGR 슬리브 밸브는, 상기 매니폴드 내로 개방되는 단부에 대해 대향되는 단부가 내연기관의 흡입 플레넘 내로 개방되는 외부 EGR 공급 도관과 연통하도록 상기 매니폴드를 위치시킨다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 상기 매니폴드의 출구들 중 적어도 하나가 포함하는 적어도 하나의 비례-리프트 배기 배압 밸브 또는 비례-회전 배기 배압 플랩 밸브 또는 비례-회전 배기 배압 슬리브 밸브와 협력하는, 배기 매니폴드에 위치되는 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브 또는 비례-회전 EGR 탭핑 플랩 밸브 또는 비례-회전 EGR 탭핑 슬리브 밸브를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 내연기관의 배기 도관으로부터 공급되는 배기가스를 냉각시키는, 외부 EGR 공급 도관 내의 고온 공기-대-물 열교환기인 계층화 EGR 쿨러를 포함하며, 상기 배기가스는 상기 내연기관의 냉각 회로 내에 포함된 열전달 유체에 열을 부분적으로 내놓는다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 내연기관의 배기 도관으로부터 공급받은 배기가스를 냉각시키는 외부 EGR 공급 도관 내의 저온 공기-대-물 열교환기인 계층화 EGR 쿨러를 포함하며, 상기 배기가스는 상기 내연기관이 포함하는 독립적인 냉수 회로 내에 포함된 열전달 유체에 열을 부분적으로 내놓는다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 점화 플러그가 포함하는 원통형 밀봉 팁이 결합되는 원통형의 구멍 내에 형성된 환형 공동으로 이루어지는 계층화 챔버를 포함하며, 상기 구멍은 내연기관의 연소챔버 내로 개방된다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 적어도 하나의 계층화 분사 통로로 이루어지는 계층화 분사 도관을 포함하며, 계층화 분사 통로의 제1 단부는 계층화 챔버와 연통하고 계층화 분사 통로의 제2 단부는 점화 플러그가 포함하는 중심 절연 콘과 원통형 밀봉 팁의 내측면 사이로 개방된다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 점화 플러그가 포함하는 중심 전극 내측에 형성되는 적어도 하나의 계층화 분사 모세관으로 이루어지는 계층화 분사 도관을 포함하며, 상기 모세관의 제1 단부는 계층화 챔버와 연통하고 상기 모세관의 제2 단부는 상기 중심 전극의 단부에서 개방된다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 적어도 하나의 주변 계층화 노즐로 이루어지는 계층화 분사 도관을 포함하며, 주변 계층화 노즐의 제1 단부는 계층화 챔버와 연통하고 주변 계층화 노즐의 제2 단부는 점화 플러그의 주변에서 개방되며, 상기 제2 단부는 상기 점화 플러그가 포함하는 전극들을 향하여 가깝게 배향된다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 내연기관의 실린더 헤드 내에 고정 또는 체결되는 적어도 하나의 카트리지로 조합되어 일체화되는, 적어도 계층화 밸브, 시트, 스프링, 계층화 도관의 전부 또는 일부, 계층화 프리챔버 및 계층화 액추에이터를 포함한다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 오염물질 후처리 촉매 컨버터의 온도를 유지할 수 있도록 하는 공기-연료 혼합물의 적어도 하나의 밸브 또는 인젝터를 포함하는 계층화 라인 및/또는 계층화 압축기의 출구 및/또는 계층화 프리챔버를 포함하며, 상기 밸브 또는 인젝터는 공기-연료 혼합물을 상기 계층화 라인으로부터 또는 상기 출구로부터 또는 상기 프리챔버로부터 내연기관의 배기 도관까지 전달할 수 있으며, 상기 공기-연료 혼합물은 상기 내연기관의 배기 밸브와 상기 내연기관의 상기 촉매 컨버터 사이에 위치되는 상기 배기 도관의 일 지점에서 상기 밸브 즉 인젝터에 의해 상기 배기 도관 내로 도입된다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치는, 촉매 컨버터 온도 유지 공기-연료 혼합물 도관에 의해 내연기관의 배기 도관에 연결되는, 촉매 컨버터의 온도를 유지하기 위하여 공기-연료 혼합물을 도입하기 위한 밸브 또는 인젝터를 포함한다.
첨부 도면을 참조하여, 비-제한적인 실시예들에 의해 제공되는 이어지는 상세한 설명은, 본 발명과, 본 발명의 특징과, 본 발명이 제공할 수 있는 장점들을 이해하는데 도움을 줄 것이다.
도 1은 왕복 내연기관에 장착된 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치의 개략도이다.
도 2 및 도 3은, 계층화 밸브(stratification valve)가 각각 폐쇄 및 개방 위치에 있는 상태로서, 코일 푸싱 또는 풀링 수단(coil pushing or pulling means)에 의해 상기 밸브에 연결되는 자기 코어를 끌어당길 수 있는 도전성 와이어의 코일로 이루어지는 계층화 액추에이터에 의해 상기 밸브가 시트로부터 들어올려질 수 있는, 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치의 개략 단면도이다.
도 4는, 스택 푸싱 또는 풀링 수단(stack pushing or pulling means)에 의해 계층화 밸브에 연결되는 압전층(piezoelectric layers)들의 스택(stack)으로 이루어지는 계층화 액추에이터에 의해 상기 밸브가 시트로부터 들어올려질 수 있는, 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치의 개략 단면도이다.
도 5는, 유압 계층화 수용 피스톤(hydraulic stratification receiving piston)이 유압 피스톤 푸싱 또는 풀링 수단에 의해 계층화 밸브에 연결되는 유압 계층화 구동 실린더(hydraulic stratification actuating cylinder)로 이루어지는 계층화 액추에이터에 의해 상기 밸브가 시트로부터 들어올려질 수 있는, 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치의 개략 단면도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치의 다양한 구성요소들의 제1 배열 실시예를 나타내는 도면으로서, 상기 장치는 터보차저에 의해 수퍼차지되는 네 개의 인-라인 실린더들을 갖는 왕복 내연기관에 적용되며, 상기 실시예는 특히 균질화 서큘레이터(homogenization circulator), 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브(proportional-lift EGR tapping valve) 및 비례-리프트 배기 배압 밸브(proportional-lift exhaust back-pressure valve)를 포함한다.
도 7은, 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치의 다양한 구성요소들의 제2 배열 실시예를 나타내는 도면으로서, 상기 장치는 터보차저에 의해 수퍼차지되는 네 개의 인-라인 실린더들을 갖는 왕복 내연기관에 적용되며, 상기 실시예는 특히 계층화 압축기에 의해 가압된 공기 즉 기체혼합물을 저장하는 압력 어큐물레이터, 가압된 연소가스의 저장소에 연결되는 계층화 연료 인젝터, 비례-리프트 EGR 탭핑 플랩 밸브(proportional-lift EGR tapping flap valve) 및 비례-리프트 배기 배압 플랩 밸브(proportional-lift exhaust back-pressure flap valve)를 포함한다.
도 8은, 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치의 다양한 구성요소들의 제3 배열 실시예를 나타내는 도면으로서, 상기 장치는 터보차저에 의해 수퍼차지되는 네 개의 인-라인 실린더들을 갖는 왕복 내연기관에 적용되며, 상기 실시예는 특히 공기 공급 회로를 가열하기 위한 공기-대-공기 열교환기, 비례-리프트 EGR 탭핑 슬리브 밸브(proportional-lift EGR tapping sleeve valve) 및 비례-리프트 배기 배압 슬리브 밸브(proportional-lift exhaust back-pressure flap sleeve valve)를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)를 포함하는 내연기관(1)을 나타낸다.
내연기관(1)은 내부에서 연소 피스톤(5)이 움직이며 실린더 헤드(8)에 의해 폐쇄되는 적어도 하나의 연소 실린더(4)를 포함하는 엔진 블록 즉 크랭크케이스(3)를 포함한다.
연소 피스톤(5)은 크랭크축(7)에 연결되는 커넥팅 로드(6)에 관절식으로 장착되며, 상기 커넥팅 로드(6)는 상기 피스톤(5)이 연소 실린더(4) 내측에서 움직일 때 상기 크랭크축(7)에 상기 연소 피스톤(5)의 움직임을 전달한다.
내연기관(1)의 실린더 헤드(8)는 연소챔버(9)를 포함하며, 여기에서 한편으로는, 흡입 플레넘(intake plenum)(19)과 연통하고 흡입 밸브(13)에 의해 폐쇄될 수 있거나 폐쇄될 수 없는 흡입 도관(11)을 개방시키며, 다른 한편으로는, 배기 매니폴드(18) 및 오염물질의 후-처리를 위한 촉매 컨버터(75)와 연통하고 배기 밸브(12)에 의해 폐쇄될 수 있거나 폐쇄될 수 없는 배기 도관(10)을 개방시킨다.
내연기관(1)은 냉각회로(17) 및 ECU 컴퓨터를 더 포함한다.
도 1 내지 8은 본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)를 나타낸다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 내연기관의 실린더 헤드(8) 내에 수용된 적어도 하나의 계층화 밸브(20)를 포함한다.
상기 밸브는 적어도 하나의 스프링(22)에 의해 시트(21)와 접촉 유지되며, 상기 밸브는 계층화 프리챔버(79) 내로 개방되는 적어도 하나의 계층화 도관(23)의 제1 단부를 폐쇄하는 한편, 상기 도관이 포함하는 제2 단부는 계층화 챔버(24) 내로 개방된다.
계층화 챔버(24)는 적어도 하나의 계층화 분사 도관(39)에 의해 내연기관(1)의 연소챔버(9)에 연결되며, 상기 분사 도관(39)은 내연기관(1)의 실린더 헤드(8) 내에 고정된 점화 플러그(25)의 돌출하는 전극(26)들 부근에서 상기 연소챔버(9) 내로 개방되며, 상기 전극들은 상기 내연기관(1)의 연소챔버(9) 내에 위치된다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)의 특정한 일 실시예에 따르면, 상기 점화 플러그(25)는 당해 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 바와 같이 점화 제어식(controlled-ignition) 내연기관들에 끼워지는 것들과 동일하거나 유사한 것들일 수 있다.
스프링(22)은 계층화 밸브(20)에 대하여 고체 또는 유체에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 작용할 수 있는 한편, 스프링은 재료가 무엇이든 간에, 기계적일 수 있고, 휨, 비틀림 또는 당김 방식으로 작용할 수 있고, 예를 들어 "접시(Belleville)" 스프링 와셔, 헬리컬 또는 판 스프링, 주름진 스프링 와셔 또는 또 다른 형상을 가지는 스프링 와셔일 수 있으며, 당해 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 어떠한 형식의 것일 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
특정 실시형태에 있어서, 상기 스프링(22)은 기체의 압축 특성을 이용하는 공압식일 수도 있고 또는 유체의 압축 특성을 이용하는 유압식일 수도 있다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 내연기관(1)의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되는 적어도 하나의 계층화 액추에이터(27)를 포함하며, 상기 액추에이터는 계층화 밸브를 시트(21)로부터 들어올리고, 개방 상태를 유지하고, 시트로 복귀시키기 위하여 작동된다는 것을 알 수 있을 것이다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 계층화 압축기(29)의 출구에 계층화 프리챔버(79)를 연결하는 적어도 하나의 계층화 라인(28)을 포함할 수도 있으며, 그 입구는 계층화 공기 공급 도관(30)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된다.
상기 공급 도관, 상기 압축기와 그 입구 및 출구, 상기 라인, 상기 프리챔버 및 계층화 도관(23)은 계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31)를 함께 형성하며, 상기 챔버는 상기 회로와의 일체로 된 부분(integral part)을 형성한다.
계층화 압축기(29)는 당해 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 어떠한 형식의 것일 수 있으며, 상기 압축기는, 고정된 또는 변화하는 실린더 용량을 가지며, 윤활과 함께 또는 윤활 없이 피스톤(들), 날개(vanes)들, 스크류(screws)들을 가지며, 싱글-스테이지, 2-스테이지 또는 다중 스테이지일 수 있으며, 중간 냉각(intermediate cooling)을 가질 수 있거나 가지지 않을 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)를 채용하는 선택 방식에 따라서, 상기 계층화 압축기(29)는, 특히 내연기관(1)에 직접적으로 또는 간접적으로 고정될 수 있으며, 적어도 하나의 피니언을 경유하여 또는 적어도 하나의 체인을 경유하여 또는 적어도 하나의 벨트(32)를 경유하여 고정된 또는 변화하는 전달률(transmission ratio)을 갖는 변속기를 경유하여, 상기 내연기관이 포함하는 크랭크축(7)에 의해 기계적으로 구동될 수 있으며, 또는 압축기를 구동하는 전기 모터에 의해 요구되는 전류를 생산하는 상기 크랭크축에 의해 구동되는 교류발전기를 전기적으로 경유하여 구동될 수 있으며, 이 경우에 있어서 상기 교류발전기에 의해 생산된 전기 에너지는 배터리로 보내져 저장될 수 있거나 저장되지 않을 수 있다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 내연기관(1)의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되는 적어도 하나의 계층화 연료 인젝터(33)를 더 포함하며, 상기 인젝터는, 공기 공급 회로 내의 소정의 지점에서, 계층화 챔버(24)를 위하여 상기 공기 공급 회로(31) 내에서 또는 계층화 분사 도관(39) 내에서, 또는 상기 회로 및 상기 도관 내에서 연료의 분출(jet)을 만들어 낼 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 특정한 일 실시형태에 따르면, 상기 계층화 연료 인젝터(33)는, 액체 또는 기체 연료를 분사할 수 있으며, 솔레노이드 또는 압전 타입, 또는 일반적으로 당해 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 어떠한 타입의 싱글-스테이지 또는 다중-스테이지 인젝터일 수 있다.
도 6, 7 및 8에 도시된 바와 같이, 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 ECU 컴퓨터에 의해 제어되는, "외부 냉각식 EGR" 수단이라고 불리는, 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키기 위한 수단(40)을 적어도 포함하며, 이 사전에 냉각된 배기가스 재순환 수단(40)은 내연기관(1)의 배기 도관(10)으로부터 배기가스를 공급받아(tap) 상기 배기가스가 적어도 하나의 쿨러(41)에 의해 냉각된 후에 상기 내연기관의 입구 쪽으로 상기 배기가스를 재도입시킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 계층화 밸브(20)를 포함하며, 이 계층화 밸브의 시트(21)는 계층화 액추에이터(27)가 계층화 프리챔버로부터 이격된 계층화 밸브를 움직이는 것에 의해서만 상기 시트로부터 상기 계층화 밸브를 들어올릴 수 있도록 상기 계층화 프리챔버(79)의 외측을 향하여 배향된 면을 갖는다(도 2 내지 5).
또 다른 실시형태에 따르면, 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 계층화 밸브(20)를 포함하며, 이 계층화 밸브의 시트(21)는 계층화 액추에이터(27)가 계층화 프리챔버를 향하여 상기 계층화 밸브를 움직이는 것에 의해서만 상기 시트로부터 상기 계층화 밸브를 들어올릴 수 있도록 계층화 프리챔버(79)의 내측을 향하여 배향된 면을 갖는다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 계층화 액추에이터(27)는 내연기관(1)의 실린더 헤드(8)에 체결되는 적어도 하나의 도전성 와이어의 코일(50)로 이루어질 수 있으며, 상기 코일은 전기 전류가 상기 코일을 통하여 흐를 때 자기 코어 즉 블레이드(blade)(51)를 끌어당겨, 상기 하나의 코어 즉 블레이드가 코일 푸싱 또는 풀링 수단(coil pushing or pulling means)(42)에 의해 연결되는 계층화 밸브(20)를 길이방향으로 병진운동시키도록 한다.
도 4는 적어도 하나의 압전층(piezoelectric layers)의 스택(52)으로 이루어질 수 있으며, 스택의 두께는 상기 압전층들이 전기 전류의 흐름에 영향을 받을 때 변화하여, 상기 스택이 스택 푸싱 또는 풀링 수단(stack pushing or pulling means)(80)에 의해 연결되는 계층화 밸브(20)를 길이방향으로 병진운동시키도록 한다.
본 발명에 따른 장치의 변형예에 따르면, 압전층의 스택(52)은 계층화 밸브에 대하여 상기 스택에 의해 전달되는 변위를 배가시키는 적어도 하나의 레버(도시 생략)를 경유하여 상기 계층화 밸브(20)에 연결될 수 있다.
상기 레버는 예를 들어 원 내에서 함께 결합된 일련의 작은 레버들로 만들어지는 와셔로 이루어질 수 있으며, 각각의 작은 레버는 한편으로는 압전층의 스택(52)의 상단에 대항하여 놓여지고, 다른 한편으로는 직접적으로 또는 스택 푸싱 또는 풀링 수단(80)을 경유하여 계층화 밸브(20)에 대항하여 놓여진다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)의 또 다른 실시형태에 따르면, 계층화 액추에이터(27)는 계층화 공압 수용 챔버 및 계층화 공압 수용 피스톤을 포함하는 계층화 공압 구동 실린더(도시 생략)로 이루어질 수 있으며, 상기 피스톤은 계층화 밸브(20)에 체결되거나 공압 피스톤 푸싱 또는 풀링 수단에 의해 연결되는 한편, 상기 공압 챔버는 고압 공기의 저장소 또는 대기 또는 적어도 하나의 솔레노이드 밸브에 의한 저압 공기의 저장소와 연통하도록 위치될 수 있다.
도 5에 도시된 또 다른 변형예에 따르면, 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 계층화 유압 수용 챔버(37) 및 계층화 유압 수용 피스톤(38)을 포함하는 계층화 유압 구동 실린더(36)로 이루어지는 계층화 액추에이터(27)를 포함할 수 있으며, 상기 피스톤은 계층화 밸브(20)에 체결되거나 유압 피스톤 푸싱 또는 풀링 수단(53)에 연결된다.
상기 유압 계층화 수용 피스톤(38)은 상호작용하는 실린더에 대항하여 밀봉되도록 시일을 포함할 수 있으며, 유압 계층화 수용 챔버(37)는 적어도 하나의 고압 솔레노이드 밸브 및/또는 적어도 하나의 저압 솔레노이드 밸브에 의해 고압 유압 제어 유체 저장소(high-pressure hydraulic control fluid reservoir) 또는 저압 유압 제어 유체 저장소에 연결될 수 있다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 유압 제어 펌프에 의해 가압되는 고압 유압 제어 유체 저장소(도시 생략)를 포함할 수 있으며, 상기 펌프는 저압 유압 제어 유체 저장소로부터 공급받은(tapped) 유압 유체를 고압 유압 제어 유체 저장소로 전달한다.
특정 일 실시형태에 따르면, 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 가압된 가연성 가스의 저장소(55)에 연결될 수 있는 계층화 연료 인젝터(33)를 포함하며(도 7), 상기 가연성 가스는 상기 인젝터(33)에 의해 분사될 수 있고 예를 들어 상기 가연성 가스는 압축된 천연가스, 또는 왕복 내연기관들에 의해 사용될 수 있는 또 다른 가연성 가스일 수 있다.
계층화 챔버(24)용 공기 공급 회로(31)는, 상기 회로의 소정의 지점에 위치된 균질화 서큘레이터(homogenization circulator)(56)을 포함하며, 공기 또는 기체 혼합물을 상기 회로를 통하여 순환하도록 야기시킴으로써 상기 회로 내에 포함된 상기 공기 또는 상기 기체 혼합물을 휘젓는다.
도 6 및 8은 내연기관(1)의 배기가스로부터 열을 추출함으로써 공기 공급 회로(31) 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물을 가열하는 상기 공기 공급 회로(31)를 위한 공기-대-공기 열교환기(57)를 포함하는 계층화 챔버(24)용 공기 공급 회로(31)를 도시하며, 상기 공기 또는 기체 혼합물 및 상기 배기가스는 서로 혼합되지 않고 상기 열교환기(57)를 동시에 통과한다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)의 특정 일 실시형태에 따르면, 계층화 챔버(24)용 공기 공급 회로(31)는, 상기 공기 공급 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물을 가열하는, 공기 공급 회로를 가열하기 위한 적어도 하나의 전기 저항(도시 생략)을 포함한다.
계층화 챔버(24)의 공기 공급 회로(31)의 내부표면은 전체적으로 또는 부분적으로 단열물질로 코팅될 수 있으며, 이 단열물질은 세라믹, 공기, 또는 당해 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 또 다른 단열 수단일 수 있음을 알 수 있을 것이다.
상기 내부표면은 예를 들어 테프론과 같이 눌어붙지 않는 재료, 또는 당해 분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있는 또 다른 코팅재로 피복될 수도 있어, 상기 공급 회로(31) 내에서 순환하는 연료의 중합(polymerization)으로부터 유도되는 어떤 산물이 상기 내부표면에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은, 상기 공기 또는 기체 혼합물로부터 내연기관(1)의 냉각 회로(17) 내에 포함된 열전달 유체에 열을 전달함으로써 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물을 냉각시키는, 공급 회로(58)를 냉각시키기 위한 공기-대-냉각수 열교환기를 포함하는 계층화 챔버(24)용 공기 공급 회로(31)를 나타낸다.
도시하지 않은 일 실시형태에 따르면, 계층화 챔버(24)는 접선방향(tangential)의 적어도 하나의 출구 및/또는 적어도 하나의 입구를 포함하여, 상기 공기 또는 기체 혼합물이 상기 챔버 내로 도입될 때 상기 입구 및/또는 출구가 계층화 라인(28)으로부터 오는(coming) 공기 또는 기체 혼합물에 대해 소용돌기 운동을 일으킬 수 있도록 할 수 있다.
계층화 챔버(24)용 공기 공급 회로(31)는 적어도 하나의 교반(agitation) 챔버(도시 생략)를 포함할 수 있으며, 이 교반 챔버는 상기 공기 공급 회로 내에서 움직이는 기체 혼합물에 대해 난류 운동을 부여하거나 상기 기체 혼합물이 급격한 압력 변동을 겪도록 야기시키며, 상기 교반 챔버는 예를 들어 한편으로는 상기 기체 혼합물 내에 포함된 연료의 증발을, 다른 한편으로는 상기 기체 혼합물의 교반을 조장하도록 벤츄리 효과를 발생시킬 수 있다.
특정 일 실시형태에 따르면, 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는 계층화 라인(28)을 포함하며, 이 계층화 라인은 상기 계층화 라인 내에 작용하는 특정 압력 이상에서 개방되는 적어도 하나의 방출 밸브(59)를 포함할 수 있으며, 상기 방출 밸브(59)로부터의 출구는 - 본 발명에 따른 장치의 특정 일 실시형태에 따라서 - 흡입 플레넘(intake plenum)(19) 내로 또는 내연기관(1)의 배기 회로(10) 내로, 또는 공기 중으로 개방될 수 있다(도 8).
계층화 라인(28) 및/또는 계층화 압축기(29)의 출구 및/또는 계층화 프리챔버(79)는, 출구가 내연기관의 흡입측 내로, 또는 도시하지 않은 캐니스터 내로, 또는 마찬가지로 도시하지 않은 저장소 내로 개방되는, 적어도 하나의 방출 솔레노이드 밸브를 포함할 수도 있다.
상기 솔레노이드 밸브는, 상기 캐니스터 또는 상기 저장소가 상기 계층화 라인(28) 및/또는 상기 계층화 압축기(29)의 출구 및/또는 상기 계층화 프리챔버(79) 내에 포함된 대부분의 탄화수소 증기를 저장하고, 그 후에 상기 증기는 상기 내연기관이 계속해서 재시동될 때 연소되는 방식, 또는 상기 증기가 상기 솔레노이드 밸브에 의해 상기 내연기관의 흡입측에 방출될 때 상기 증기는 상기 내연기관에 의해 즉시 연소되는 방식으로, 내연기관(1)이 정지될 때 개방되도록 구동될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 7은, 계층화 압축기(29)의 출구가 상기 압축기에 의해 사전에 가압된 공기 또는 기체 혼합물을 저장하는 압력 어큐물레이터(60)에 연결될 수 있으며, 또한 상기 어큐물레이터는 계층화 라인 및 계층화 프리챔버를 압력 하에 유지하도록 상기 계층화 라인(28) 및 상기 계층화 프리챔버(79)와 직접적으로 또는 간접적으로 연통한다.
상기 압력 어큐물레이터(60)는 특히 예를 들어 계층화 압축기(29)가 저속으로 회전하는 단일의 피스톤을 포함하는 경우에 있어서 부재(members) 내에 성립되는 압력을 안정화시키기 위해 기능하는데, 이러한 구성은 상기 부재 내에서 고진폭 압력파(high-amplitude pressure waves)를 발생시킨다.
고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)는, 내연기관(1)의 배기 매니폴드(18)에 위치되는, 적어도 하나의 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브(proportional-lift EGR tapping valve)(63)(도 6) 또는 적어도 하나의 비례-회전 EGR 탭핑 플랩 밸브(proportional-rotation EGR tapping flap valve)(64)(도 7) 또는 적어도 하나의 비례-회전 EGR 탭핑 슬리브 밸브(proportional-rotation EGR tapping sleeve valve)(65)(도 8)로 이루어지는, "외부 냉각식 EGR" 수단이라고 불리는, 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키기 위한 수단(40)을 포함하며, 상기 밸브 또는 상기 플랩 밸브 또는 상기 슬리브 밸브는 상기 매니폴드 내로 개방되는 단부에 대해 대향되는 단부가 내연기관의 흡입 플레넘(19) 내로 개방되는 외부 EGR 공급 도관(66)과 연통하도록 상기 매니폴드를 위치시킬 수 있다.
배기 매니폴드(18)에 위치되는 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브(63) 또는 비례-회전 EGR 탭핑 플랩 밸브(64) 또는 비례-회전 EGR 탭핑 슬리브 밸브(65)는, 상기 매니폴드의 출구들 중 적어도 하나가 포함하는 적어도 하나의 비례-리프트 배기 배압 밸브(proportional-lift exhaust back-pressure valve)(67)(도 6) 또는 비례-회전 배기 배압 플랩 밸브(proportional-rotation exhaust back-pressure flap valve)(68)(도 7) 또는 비례-회전 배기 배압 슬리브 밸브(proportional-rotation exhaust back-pressure sleeve valve)(69)(도 8)와 협력한다.
도 6 내지 8은, 내연기관(1)의 배기 도관(10)으로부터 공급되는 배기가스를 냉각시키는, 외부 EGR 공급 도관 내의 고온 공기-대-물 열교환기인 계층화 EGR 쿨러(41)를 나타내며, 상기 배기가스는 상기 내연기관의 냉각 회로(17) 내에 포함된 열전달 유체에 열을 부분적으로 내놓는다.
또한 도 6 내지 8은 내연기관(1)의 배기 도관(10)으로부터 공급받은 배기가스를 냉각시키는 외부 EGR 공급 도관 내의 저온 공기-대-물 열교환기인 계층화 EGR 쿨러(41)를 나타내며, 상기 배기가스는 상기 내연기관이 포함하는 독립적인 냉수 회로 내에 포함된 열전달 유체에 열을 부분적으로 내놓는다. 상기 냉수 회로는 상기 내연기관이 포함하는 차지 공기 쿨러(charge air cooler)의 것일 수 있으며, 그러한 회로는 당해 분야에서 통상의 기술자들에게 공지되어 있음을 알 수 있을 것이다.
도 3 내지 5는 점화 플러그(25)가 포함하는 원통형 밀봉 팁(44)이 결합되는 원통형 구멍(46) 내에 형성된 환형 공동(45)으로 계층화 챔버(24)가 이루어지는 것을 도시하며, 상기 구멍(46)은 내연기관(1)의 연소챔버(9) 내로 개방된다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 계층화 분사 도관(39)은 적어도 하나의 계층화 분사 통로(15)로 이루어질 수 있으며, 그 제1 단부는 계층화 챔버(24)와 연통하고 그 제2 단부는 점화 플러그(25)가 포함하는 중심 절연 콘(central insulating cone)(43)과 원통형 밀봉 팁(44)의 내측면 사이로 개방된다.
그렇지만, 도 4는, 점화 플러그(25)가 포함하는 중심 전극(47) 내측에 형성되는 적어도 하나의 계층화 분사 모세관(16)으로 계층화 분사 도관(39)이 이루어져, 상기 모세관의 제1 단부가 계층화 챔버(24)와 연통하고 상기 모세관의 제2 단부가 상기 중심 전극(47)의 단부에서 개방되는 것을 도시한다.
도 5는, 고압 불꽃점화 및 계층화 장치(2)가 적어도 하나의 주변 계층화 노즐(48)로 이루어지는 계층화 분사 도관(39)을 포함하며, 그 제1 단부는 계층화 챔버(24)와 연통하고 그 제2 단부는 점화 플러그(25)의 주변에 개방되며, 상기 제2 단부는 상기 점화 플러그가 포함하는 전극(26)들을 향하여 가깝게 배향되는 것을 도시한다.
적어도 계층화 밸브, 시트(21), 스프링(22), 계층화 도관(23)의 전부 또는 일부, 계층화 프리챔버(79) 및 계층화 액추에이터(27)는 내연기관(1)의 실린더 헤드(8) 내에 고정 또는 체결되는 적어도 하나의 카트리지로 조합되어 일체화될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 8은, 계층화 라인(28) 및/또는 계층화 압축기(29)의 출구 및/또는 계층화 프리챔버(79)가 오염물질 후처리 촉매 컨버터(75)의 온도를 유지할 수 있도록 하는 공기-연료 혼합물의 적어도 하나의 밸브 즉 인젝터(76)를 포함할 수 있다는 것을 나타낸다.
상기 밸브 즉 인젝터(76)는 공기-연료 혼합물을 상기 라인(28)으로부터 또는 상기 출구로부터 또는 상기 프리챔버(79)로부터 내연기관(1)의 배기 도관(10)까지 전달할 수 있으며, 상기 혼합물은 상기 내연기관의 배기 밸브(12)와 상기 내연기관(1)의 상기 촉매 컨버터(75) 사이에 위치되는 상기 도관의 소정의 지점에서 상기 밸브 즉 인젝터(76)에 의해 상기 도관(10) 내로 도입된다.
따라서 그리고 필요하다면, 높은 오염물질 대 비-오염물질 가스 변환 효율(high pollutant to non-pollutant gas conversion efficiency)을 유지하기 위해 충분한 온도로 촉매 컨버터가 유지되는 방식으로 상기 혼합물이 상기 촉매 컨버터(75) 내에서 연소되는 것을 보장하기 위해서, 상기 혼합물은 일단 오염물질을 후처리하기 위한 상기 촉매 컨버터(75)가 적어도 적절한 효율로 작동할 수 있는 작동 온도에 도달하면 상기 배기 도관(10) 내로 도입된다.
이러한 경우에, 촉매 컨버터(75)를 소정 온도로 유지하기 위하여 공기-연료 혼합물을 도입하기 위한 밸브 즉 인젝터(76)는 촉매 컨버터 온도 유지 공기-연료 혼합물 도관(77)에 의해 내연기관(1)의 배기 도관(10)에 연결될 수 있으며, 상기 혼합물 도관(77)은 상기 혼합물 도관(77)이 매우 높은 온도에 도달하는 것을 방지하는 절연튜브 또는 플랜지(78)를 포함할 수도 있다.
본 발명의 동작
본 발명에 따른 점화 장치는 적어도 다음 모드로 동작한다:
- 단지 화학량론 파일럿 차지(stoichiometric pilot charge)만의 연소, 메인 차지는, 실제로, 산소 또는 연료를 함유하지 않고, 단지 외부 냉각식 EGR 및/또는 내부 고온 EGR을 함유함.
- 화학량론 파일럿 차지의 연소 이후에 외부 냉각식 EGR 및/또는 내부 고온 EGR로 고 희박화된 화학량론 메인 차지를 점화함.
- 화학량론 파일럿 차지의 연소 이후에 비 희박화된 또는 외부 냉각식 EGR 및/또는 내부 고온 EGR로 단지 약간 희박화된 화학량론 메인 차지를 점화함.
- 외부 냉각식 EGR 및/또는 내부 고온 EGR로 고 희박화된, 비 희박화된 또는 단지 약간 희박화된 화학량론 파일럿 차지만의 연소
특정 실시형태 및 사용에 있어서, 본 발명에 따른 점화 장치는, 예를 들어 도 6 내지 8에 도시된 바와 같이 4-실린더 왕복 내연 열기관 내에서 사용될 때, 다음과 같이 동작한다:
계층화 라인(28)의 여압(pressurization) 단계: 내연기관(1)은 멀티포인트 인젝션(multipoint injection)을 갖는 종래의 내연기관과 동일한 방식으로 시동되며, 본 발명에 따른 점화 장치(2)는, 장치 내에 포함된 점화 플러그(25)와 관련된 것 이외에는, 본 단계에서 사용되지 않는다.
본 실시예에 따른 내연기관의 크랭크축(7)에 의해 직접 구동됨. 계층화 압축기(29)는 상기 크랭크축과 동시에 작동되고 상기 내연기관의 공기 필터 하우징(70)의 출구로부터 공급받은 공기 내에서 흡입한다.
본 특정 실시형태에 있어서, 화학량론 연료-공기 혼합물(stoichiometric fuel-air mixture)이, 상기 압축기의 출구에서, 계층화 라인(28) 내로 직접적으로 전달되는 그러한 비율로, 인젝터(33)는 상기 계층화 압축기(29)의 흡입구 내로 연료를 분무한다.
계층화 압축기(29)의 작동과 병행하여, 균질화 서큘레이터(56)는, 화학량론 연료-공기 혼합물이 본 발명에 의해 특정되는 바와 같이 내연기관(1)의 각각의 연소 실린더(4) 내에 합체되는 다양한 계층화 프리챔버(79)들을 통하여, 계층화 라인(28)을 차후에 통하여 유동하도록 야기시키고, 그 다음에 상기 서큘레이터로 복귀하도록 그리고 상기 계층화 라인(28)이 가압되어 내연기관이 작동중인 것으로 유지되는 한 동일한 회로 상에서 다시 시작하도록 균질화 복귀 도관(71)을 통하여 유동하도록 야기시킨다.
균질화 서큘레이터(56)에 의해 야기되는 교반은 계층화 라인(28) 및 계층화 챔버(24)들의 내부 벽들 상에서의 화학량론 연료-공기 혼합물 내에 함유된 가솔린의 응축을 감소시키도록 작용하며, 상기 혼합물은 압력 하에 있고 따라서 가솔린의 증기 상태의 유지에 불리하다.
또한 이러한 교반은, 화학량론 연료-공기 혼합물을 균질하게 그리고 상기 벽들의 온도에 가까운 온도로 유지하도록 강제하기 위해, 그리고 특히 본 발명에 따른 점화 장치의 이전 사용의 결과로서 상기 벽들에 부착되어 있는 소정의 가솔린 잔여물을 재희박화 시킴으로써 상기 벽들을 깨끗하게 하기 위해 작용하며, 상기 온도는 상기 혼합물의 자연 발화점 이하이다.
계층화 압축기(28)의 작용 하에서, 계층화 라인(28)의 압력은, 상기 챔버 내에 포함된 차지의 점화 직후에, 내연기관의 피스톤(5)이 압축 행정의 끝에 다다랐을 때 내연기관(1)의 연소챔버(9) 내에 성립되는 압력보다 높은 수준으로 상승한다. 상기 라인이 가압되었을 때, 본 발명에 따른 점화 장치는 상기 엔진의 차지를 계층화시킬 준비를 하며, 이것은 다음과 같이 이루어진다:
초기 계층화 단계:
점화 플러그(25)에 의해 상기 내연기관의 연소챔버(9) 내에 포함된 주 화학량론 차지(main stoichiometric charge)의 불꽃점화의 시작 이전에 엔진의 크랭크축(7)의 약간의 회전, 전기 전류는 전기적인 계층화 액추에이터(27)의 코일(50)의 말단으로 보내진다(도 3).
상기 액추에이터의 자기 코어(51)는 그 다음 상기 코일에 의해 끌어당겨지고 코일을 향하여 움직이며, 시트(21)로부터 상기 밸브를 들어올리도록 그리고 계층화 라인(28) 내에 더욱 상세하게는 계층화 프리챔버(79) 내에 포함된 가압된 기화 혼합물(pressurized carburetted mixture)의 일부가 계층화 챔버(24) 및 계층화 분사 도관(39) 각각을 경유하여 내연기관(1)의 연소챔버(9)를 향하여 탈출하도록, 계층화 밸브(20)에 연결하는 코일 푸싱 또는 풀링 수단(42) 상에 끌어당겨짐.
계층화 분사 도관(39)을 경유한 탈출 동안에, 상기 혼합물은 상기 점화 플러그(25)의 원통형 밀봉 팁(44)과 상기 점화 플러그의 중심 절연 콘(43) 사이의 공간에 고속으로 진입한다. 그렇게 함에 있어서, 상기 혼합물은 점화 플러그(25)의 전극(26)들의 주변에 집중되는 작은 체적 내에 국한되어 유지되는 동안 난류 움직임으로 교반되며, 상기 혼합물은 따라서 화학량론 파일럿 차지를 구성한다(도 3).
일단 소정 양의 혼합물이 파일럿 차지를 형성하기 위해 계층화 라인(28)으로부터 연소챔버(9) 내로 전달되면, 계층화 액추에이터(27)의 코일(50)은 내연기관(1)의 ECU에 의한 전기 전류의 공급이 중단되며, 상기 액추에이터의 자기 코일(51)은 초기 위치로 복귀하여, 계층화 밸브(20)의 스프링(22)에 의해 가압되는 동시에 시트(21)로 즉 폐쇄 위치로 복귀한다.
파일럿 차지는 그 다음 점화되며, 상기 점화 플러그의 전극(26)들 사이에서 전기 아크를 형성하도록 점화 플러그(25)의 말단에 고전압 전류가 공급된다. 파일럿 차지가 화학량론적이고 강한 난류 움직임을 갖기 때문에, 급격하게 점화되며, 그 다음 열의 작용 하에서 급격하게 팽창하는 실질적으로 구형의 고온 체적을 형성하여 메인 차지와 접촉하는 넓은 표면적의 실질적으로 끝이 잘린 구형의 화염 전면(flame front)을 형성하며, 이 메인 차지 역시 급격하게 점화되는데, 화염이 상기 메인 차지 전체를 연소시키기 위해서 커버해야 하는 거리가 짧기 때문이다. 파일럿 파지 및 메인 차지에 의한 이러한 연소 모드가 성립되었을 때, "외부 냉각식 EGR" 수단이라고 불리우는, 사전에 냉각된 배기가스 재순환 수단(40)은 다음과 같이 동작한다.
외부 냉각식 EGR을 갖는 차지의 희박화 단계:
배기가스를 재순환시키기 위해서, 본 발명에 따른 그리고 본 실시형태에 따른, 사전에 냉각된 배기가스 재순환 수단(40)은, 내연기관(1)의 실린더(A 및 B)들의 배기 출구들을 서로 연결하는 그리고 상기 내연기관 내에 합체되는 배기 매니폴드(18)에 위치된 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브(63)를 포함할 수 있으며, 상기 탭핑 밸브(63)는 상기 매니폴드(18)의 출구에 위치된 비례-리프트 배기 배압 밸브(67)와 상호작용한다.
EGR 탭핑 밸브(63)가 완전히 개방되고 상기 배기 배압 밸브(67)가 완전히 폐쇄되어 있을 때, 실린더(A 및 B)들로부터의 모든 배기가스는 탭핑 밸브(63) 및 외부 EGR 공급 도관(66)을 경유하여 내연기관(1)의 흡입 플레넘(19) 내로 재도입되며, 외부 EGR 공급 도관은 고온 공기 타입의 외부 EGR 공기-대-물 쿨러(72), 다시 말해서 물이 상기 내연기관을 냉각시키기 위해서 사용되는 쿨러를 포함하고, 상기 배기가스는 유동하면서 제1 온도 감소를 겪고, 그 후 흡입 플레넘(19) 내에 포함된 냉각수 타입의 공기-대-물 쿨러(73) 내로 유동하여 제2 온도 감소를 겪고, 또한 쿨러는 내연기관이 터보압축기(74)에 의해 수퍼차지될 때 상기 내연기관의 수퍼차지 공기를 냉각시키도록 작용하기도 한다(도 6).
이러한 구성 및 이러한 설정으로, 내연기관(1)의 흡입에 허용되는 공기는 대략 50 퍼센트 EGR을 포함하며 대기의 온도보다 단지 몇 도 높다.
실린더(A 및 B)들의 배기 출구들의 배기 매니폴드(18) 내에 일체화된 배기 배압 밸브(67) 및 EGR 탭핑 밸브(63)의 각각의 리프트를 가변함으로써 내연기관은 외부 냉각식 EGR의 0과 50 퍼센트 사이에서 작동되도록 만들어질 수 있다는 것을 이러한 배열로부터 쉽게 추론할 수 있으며, EGR의 적절한 수준은 상기 내연기관의 보다 양호한 에너지 효율 및 안정성 제한의 기준에 따라서 기관 구동 컴퓨터 ECU에 의해 항상 설정된다.
내연기관(1)의 터보압축기(74)가 내연기관을 수퍼차지시키기 위해 사용될 때, EGR 탭핑 밸브(63) 및 배기 배압 밸브(67)는, 충분한 에너지가 배기가스 내에 남아있어, 소정의 조건으로 상기 터보압축기 내에 합체된 원심 압축기를 터보압축기 터빈이 구동시키도록 하는 방식으로 설정된다는 것을 알 수 있을 것이다.
상기 터빈에 유용한 에너지를 우선시키기 위해서 EGR 수준을 감소시키기 위한 이러한 요구는, 그러한 경우에 상기 내연기관이 노킹(pinging)을 극복하기 위해 및/또는 높은 에너지 효율을 전달하기 위해 전 부하(full load)에서 외부 냉각식 EGR을 약간 필요로 하거나 또는 전혀 필요로 하지 않기 때문에, 내연기관이 가변하는 압축비를 가질 때 내연기관의 최종 효율에 보다 작은 부정적인 영향을 미친다.
내연기관(1)이 높은 수준의 외부 냉각식 EGR로 운전될 때, 본 발명에 따른 점화 장치(2)의 부재시 보통 시작되기 어렵거나 심지어 불가능한 연소가 양호한 조건으로 상기 점화 장치에 의해 가능하게 됨을 알 수 있을 것이다.
이것은, 외부 냉각식 EGR로 고 희박화된 화학량론 메인 차지의 연소의 시작이, 파일럿 차지의 주변에서 발달되어 상기 메인 차지와 접촉하는 넓은 표면적을 갖는 화염 전면(flame front)에 의해 제공되기 때문이다.
본 명세서에 있어서, 상기 메인 차지는, 첫째로, 파일럿 차지의 연소에 의해 생성되는 압력의 결과로 급격하게 연소되는데, 상기 압력은 아직 연소되지 않은 상기 메인 차지의 엔탈피를 증가시키며; 둘째로, 화염에 노출되는 넓은 접촉표면의 결과로 급격하게 연소되며; 셋째로, 상기 차지 전부를 연소시키기 위해서 상기 화염에 의해 커버되는 작은 거리의 결과로 급격하게 연소된다.
외부 냉각식 EGR로 고 희박화되기 때문에, 연소시 차지의 평균 온도는 상당히 낮아지며, 동시에 노킹에 대한 엔진의 민감도 및 벽에서의 열 손실을 감소시킨다. 그 다음, 최대 효율의 기준에 따라 최적의 순간에 차지의 연소를 시작할 수 있고 엔진의 압축비를 증가시킬 수 있으며, 이는 가스 팽창의 열열학적 효율을 증가시키기 위해서 고정되거나 가변될 수 있다.
가변 압축비를 갖는 엔진의 경우에, 차지의 평균 외부 냉각 EGR 함량은 압축비와 병행하여 유리하게 증가될 수 있으며, 이러한 증가는 높은 수준의 외부 냉각식 EGR을 갖는 연소의 안정성에 대해 그리고 가스 팽창의 열역학적 효율에 대해 모두 바람직하다는 것을 알 수 있을 것이다.
계층화 라인(28)을 가압하는 단계의 완료시, 계층화 단계 및 뒤이은 외부 냉각식 EGR에 의한 차지의 희박화는, 내연기관(1)의 지난번 사용시 상기 계층화 라인 내에 저장되어 있던 연료가 균질화 서큘레이터(56)에 의해 제공되는 교반 및 상기 라인의 내부 벽의 온도에 있어서의 상승의 결과로 증기 상태로 복귀하는 것을 허용하도록, 시간이 지연될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한 이러한 지연은, 상기 내연기관의 차지가 외부 냉각식 EGR로 희박화되기 전에 내연기관의 배기가스에 포함된 모든 에너지가 상기 내연기관의 삼원 촉매 컨버터(three-way catalytic converter)의 가열을 위하여 일시적으로 비축될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 점화 장치(2)는 연소가 2개의 상이한 모드들로 싱글 엔진 사이클에 있어서 개시될 수 있도록 할 수 있음을 알 수 있을 것이며, 여기서 제1 모드는 제어된 불꽃점화이고 파일럿 차지를 위하여 사용되고, 제2 모드는 CAI 및 HCCI 의 원리에 따른 압축에 의해 시작되는 점화이고 메인 차지를 위하여 사용된다.
본 발명에 따른 점화 장치(2)의 이러한 사용 방법에 따르면, CAI 또는 HCCI에 의한 연소의 정확한 개시를 위하여 요구되는 온도, 압력 및 조성의 조건들이 메인 차지를 위하여 제공될 수 있도록, 외부 냉각식 EGR은 내부 고온 EGR에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 대체될 수 있다.
가변 압축비 엔진 내에서 사용된다면, 동일한 엔진 사이클 내에서 상기 2개의 상이한 모드들에 있어서의 연소의 상기 개시는 용이하게 제어된다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 다른 점화 장치(2)의 특정 사용 모드에 있어서, 바람직하게 내연기관은, 가변 압축비에 더하여 또는 그에 대신하여, 흡입 밸브(13) 및/또는 배기 밸브(12)의 개방 및/또는 폐쇄 및/또는 리프팅을 제어하기 위한 장치를 가질 수 있다.
이러한 특정 실시형태는, 특히, 낮은 부하에서 잔류 펌핑 손실을 감소시키기 위해서, 상기 내연기관(1)의 연소 피스톤(5)의 흡입 행정시 흡입 밸브(13)의 폐쇄를 앞당기기 위해 사용될 수 있다.
전술한 방법은, 예를 들어, 상기 내연기관(1)을 위한 매우 높은 체적비를 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 매우 높은 비율의 가스의 팽창은 높은 열역학적 효율에 바람직하다.
상기 설명은 순전히 예를 들기 위하여 제공된 것으로, 본 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 전혀 아니며, 설명된 실시형태의 상세는 다른 동등물에 의해 대체될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
1: 내연기관
2: 점화 장치 (또는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치)
8: 실린더 헤드
9: 연소챔버
10: 배기 도관
11: 흡입 도관
14: 윤활 회로
17: 냉각 회로
18: 배기 매니폴드
19: 흡입 플레넘(intake plenum)
20: 계층화 밸브(stratification valve)
21: 시트(seat)
22: 스프링
23: 계층화 도관
24: 계층화 챔버
25: 점화 플러그
26: 전극
27: 계층화 액추에이터
28: 계층화 라인
29: 계층화 압축기
30: 계층화 공기 공급 도관
31: 공기 공급 회로
33: 계층화 연료 인젝터
39: 계층화 분사 도관
40: 외부 냉각식 EGR 수단 (또는 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키기 위한 수단)
41: 쿨러(cooler)
79: 계층화 프리챔버

Claims (20)

  1. 내연기관(1)용 고압 불꽃점화 및 계층화 장치로서, 상기 내연기관은, 흡입 플레넘(19)과 연통하는 흡입 도관(11)과, 배기 매니폴드(18) 및 오염물질의 후처리를 위한 촉매 컨버터(75)와 연통하는 배기 도관(10)이 개방되는 적어도 하나의 연소챔버(9)를 갖는 실린더 헤드(8)를 포함하며, 상기 내연기관은 가압된 윤활 회로(14), 냉각 회로(17) 및 ECU 컴퓨터를 더 포함하며,
    - 적어도 하나의 계층화 밸브(20)는 내연기관(1)의 실린더 헤드(8) 내에 수용되고, 상기 계층화 밸브는 적어도 하나의 스프링(22)에 의해 시트(21)와 접촉 유지되고 상기 계층화 밸브는 계층화 프리챔버(79) 내로 개방되는 적어도 하나의 계층화 도관(23)의 제1 단부를 폐쇄시키는 한편 상기 계층화 도관이 포함하는 제2 단부는 계층화 챔버(24) 내로 개방되고, 계층화 챔버는 적어도 하나의 계층화 분사 도관(39)에 의해 내연기관(1)의 연소챔버(9)에 연결되고, 상기 계층화 분사 도관(39)은 내연기관(1)의 실린더 헤드(8) 내에 고정된 점화 플러그(25)의 돌출하는 전극(26) 부근에서 상기 연소챔버(9) 내로 개방되고, 상기 전극은 상기 내연기관(1)의 연소챔버(9) 내에 위치되며;
    - 적어도 하나의 계층화 액추에이터(27)는 내연기관(1)의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되고, 상기 액추에이터는 계층화 밸브(20)를 시트(21)로부터 들어올리고, 계층화 밸브를 개방 유지시키고, 계층화 밸브를 시트로 복귀시키며;
    - 적어도 하나의 계층화 라인(28)은 계층화 압축기(29)의 출구에 계층화 프리챔버(79)를 연결하고 계층화 압축기의 입구는 계층화 공기 공급 도관(30)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고, 상기 계층화 공기 공급 도관, 상기 계층화 압축기와 그 입구 및 출구, 상기 계층화 라인, 상기 계층화 프리챔버 및 계층화 도관(23)은 계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31)를 형성하고, 상기 계층화 챔버는 상기 공기 공급 회로의 일체부(integral part)를 형성하며;
    - 적어도 하나의 계층화 연료 인젝터(33)는 내연기관(1)의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되고, 상기 계층화 연료 인젝터는, 공기 공급 회로 내의 일 지점에서 계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31) 내로, 또는 계층화 분사 도관(39) 내로, 또는 상기 공기 공급 회로 및 상기 계층화 분사 도관 내로, 연료의 분출을 만들어낼 수 있으며;
    - 계층화 분사 도관(39)은 적어도 하나의 주변 계층화 노즐(48)로 이루어지며, 주변 계층화 노즐의 제1 단부는 계층화 챔버(24)와 연통하고 주변 계층화 노즐의 제2 단부는 점화 플러그(25)의 주변에서 개방되며, 상기 제2 단부는 상기 점화 플러그가 포함하는 전극(26)들을 향하여 가깝게 배향되는 것
    을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    내연기관(1)의 ECU 컴퓨터에 의해 제어되는, 적어도 하나의 사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키는 수단인 "외부 냉각식 EGR" 수단(40)을 포함하며, 상기 외부 냉각식 EGR 수단은 상기 내연기관의 배기 도관(10)으로부터의 배기가스를 공급받을 수 있고 상기 배기가스가 적어도 하나의 쿨러(41)에 의해 사전에 냉각된 후에 상기 내연기관의 흡입측으로 상기 배기가스를 재도입시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    계층화 밸브(20)의 시트(21)는, 계층화 액추에이터(27)가 상기 계층화 프리챔버로부터 멀리 또는 상기 계층화 프리챔버를 향하여 상기 계층화 밸브를 이동시키는 것에 의해서만 상기 시트로부터 상기 계층화 밸브를 들어올릴 수 있는 방식으로 계층화 프리챔버(79)의 외측을 향하여 배향되는 면을 갖는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    계층화 액추에이터(27)는 내연기관(1)의 실린더 헤드(8)에 체결된 적어도 하나의 도전성 와이어의 코일(50)로 이루어지며, 상기 코일은, 전기 전류가 상기 코일을 통하여 흐를 때, 자기 코어 또는 블레이드(51)를 끌어당겨서 상기 적어도 하나의 자기 코어 또는 블레이드가 코일 푸싱 또는 풀링 수단(42)에 의해 연결되는 계층화 밸브(20)를 길이방향으로 병진 운동시키도록 하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    계층화 액추에이터(27)는 적어도 하나의 압전층의 스택(52)으로 이루어지며, 상기 압전층이 전기 전류의 통과로 영향을 받을 때 스택의 두께가 변화하여, 계층화 밸브에 대하여 상기 스택에 의해 주어지는 변위를 배가시키는 적어도 하나의 레버에 의해 및/또는 스택 푸싱 또는 풀링 수단(80)에 의해 연결되는 계층화 밸브(20)를 길이방향으로 병진 운동시키도록 하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    계층화 액추에이터(27)는 계층화 공압 수용 챔버 및 계층화 공압 수용 피스톤을 포함하는 계층화 공압 구동 실린더로 이루어지며, 상기 계층화 공압 수용 피스톤은 계층화 밸브(20)에 체결되거나 공압 피스톤 푸싱 또는 풀링 수단에 의해 계층화 밸브에 연결되는 한편, 상기 계층화 공압 수용 챔버는 적어도 하나의 솔레노이드 밸브에 의하여 공기의 저압 저장소 또는 대기 또는 공기의 고압 저장소와 연통하도록 위치될 수 있는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    계층화 액추에이터(27)는 계층화 유압 수용 챔버(37) 및 계층화 유압 수용 피스톤(38)을 포함하는 계층화 유압 구동 실린더(36)로 이루어지며, 상기 계층화 유압 수용 피스톤은 계층화 밸브(20)에 체결되거나 유압 피스톤 푸싱 또는 풀링 수단(53)에 의해 계층화 밸브에 연결되는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    계층화 연료 인젝터(33)는 가압된 가연성 가스의 저장소(55)에 연결되는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31)는 균질화 서큘레이터(56)를 포함하며, 상기 균질화 서큘레이터는 상기 공기 공급 회로의 일 지점에 위치되고 상기 공기 공급 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물이 상기 공기 공급 회로를 통하여 순환하도록 야기시킴으로써 상기 공기 공급 회로 내에 포함된 상기 공기 또는 상기 기체 혼합물을 교반하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31)는 내연기관(1)의 배기가스로부터 열을 추출함으로써 공기 공급 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물을 가열하는, 상기 공기 공급 회로(31)를 가열하기 위한 공기-대-공기 열교환기(57)를 포함하며, 상기 공기 또는 기체 혼합물 및 상기 배기가스는 서로 혼합되지 않고 상기 열교환기(57)를 동시에 통과하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31)는, 상기 공기 공급 회로 내에 포함된 공기 또는 기체 혼합물을 가열하는, 공기 공급 회로를 가열하기 위한 적어도 하나의 전기 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31)는 공기 또는 기체 혼합물로부터 내연기관(1)의 냉각 회로(17) 내에 포함된 열전달 유체에 열을 전달함으로써 공기 공급 회로 내에 포함된 상기 공기 또는 기체 혼합물을 냉각시키는, 공급 회로(58)를 냉각시키기 위한 공기-대-냉각수 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    계층화 챔버(24)는 접선방향의 적어도 하나의 입구 및/또는 적어도 하나의 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    계층화 챔버(24)를 위한 공기 공급 회로(31)는, 상기 공기 공급 회로 내에서 움직이는 기체 혼합물에 대해 난류 운동을 부여하거나 상기 기체 혼합물이 급격한 압력 변동을 겪도록 야기시키는 적어도 하나의 교반 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    계층화 라인(28)은, 상기 계층화 라인 내에 작용하는 소정 압력 이상에서 개방되는 적어도 하나의 방출 밸브(59)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    계층화 라인(28) 및/또는 계층화 압축기(29)의 출구 및/또는 계층화 프리챔버(79)는, 출구가 내연기관의 흡입측 내로, 또는 캐니스터 내로, 또는 저장소 내로 개방되는, 적어도 하나의 방출 솔레노이드 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    계층화 압축기(29)의 출구는 상기 계층화 압축기에 의해 사전에 가압된 공기 또는 기체 혼합물을 저장하는 압력 어큐물레이터(60)에 연결되며, 상기 압력 어큐물레이터는 계층화 라인 및 계층화 프리챔버를 압력 하에 유지하도록 상기 계층화 라인(28) 및 상기 계층화 프리챔버(79)와 직접적으로 또는 간접적으로 연통하는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  18. 청구항 2에 있어서,
    사전에 냉각된 배기가스를 재순환시키기 위한 수단인 "외부 냉각식 EGR" 수단(40)은, 내연기관(1)의 배기 매니폴드(18)에 위치되는, 적어도 하나의 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브(63) 또는 적어도 하나의 비례-회전 EGR 탭핑 플랩 밸브(64) 또는 적어도 하나의 비례-회전 EGR 탭핑 슬리브 밸브(65)로 이루어지며, 상기 비례-리프트 EGR 탭핑 밸브 또는 상기 비례-회전 EGR 탭핑 플랩 밸브 또는 상기 비례-회전 EGR 슬리브 밸브는, 상기 매니폴드 내로 개방되는 단부에 대해 대향되는 단부가 내연기관의 흡입 플레넘(19) 내로 개방되는 외부 EGR 공급 도관(66)과 연통하도록 상기 매니폴드를 위치시키는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  19. 청구항 1에 있어서,
    계층화 챔버(24)는 점화 플러그(25)가 포함하는 원통형 밀봉 팁(44)이 결합되는 원통형의 구멍(46) 내에 형성된 환형 공동(45)으로 이루어지며, 상기 구멍(46)은 내연기관(1)의 연소챔버(9) 내로 개방되는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    적어도 계층화 밸브(20), 시트(21), 스프링(22), 계층화 도관(23)의 전부 또는 일부, 계층화 프리챔버(79) 및 계층화 액추에이터(27)는, 내연기관(1)의 실린더 헤드(8) 내에 고정 또는 체결되는 적어도 하나의 카트리지로 조합되어 일체화되는 것을 특징으로 하는 고압 불꽃점화 및 계층화 장치.
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