KR20200065053A - 2-행정 엔진에서의 방법 및 2-행정 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 2-행정 엔진에서의 방법에 관한 것이며, 이 실린더는 왕복동 피스톤(2), 한정된 연소 공간(5), 적어도 하나의 출구 포트(7) 및 입구 포트(9)를 가지며, 출구 포트와 입구 포트 둘다는 피스톤의 하사점 위치에서 개방되고, 엔진은, 밸브(17)를 활성화시켜 개방하여 연소 공기를 입구 관(6)을 통해 도입하는 액츄에이터(8), 및 연소 공기를 입구 포트를 통해 도입하기 위해 액츄에이터를 제어하여 밸브를 개방시키는 제어 시스템(15)을 또한 포함한다. 본 발명은, 오늘날의 2-행정 엔진과 비교하여 반대로, 출구 출구 포트가 폐쇄된 후에 입구 포트가 피스톤에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.

Description

2-행정 엔진에서의 방법 및 2-행정 엔진

본 발명은 2-행정 엔진에서의 방법 및 이 방법에 따라 작동하는 2-행정 엔진에 관한 것이다.

본 발명은, 연소 공기와 연료가 도입되기 전에 배기 가스가 배출된다는 점에서 통상의 2-행정 엔진과 유사하지만 입구 포트는 배기 포트 위쪽에 위치된다는 실질적인 차이를 가지고 작동하는 새로운 2-행정 엔진에 관한 것이다. 종래의 2-행정 엔진에서는 입구 포트는 배기 포트 아래쪽에 위치된다.

피스톤은 2개의 끝 위치, 즉 상사점과 하사점 사이에서 움직인다. 상사점에서, 압축 공간은 연소 공간으로 전환되고, 이 공간은 움직이는 피스톤과 실린더 헤드에 의해 한정된다. 피스톤이 하사점에서 상사점 쪽으로 움직이는 것을 압축 행정이라고 하고, 이어서 상사점에서 하사점 쪽으로 움직이는 것을 팽창 또는 작동 행정이라고 한다. 작동 행정 다음에 가스 교환이 일어난다. 배기 가스가 제거되고 새로운 연소 공기가 도입되며, 그 후에 새로운 압축 행정이 일어난다. 이러한 2-행정 과정이 엔진의 주 원리인 것이다.

오늘날의 2-행정 엔진에서, 가스 교환은 작동 행정의 끝에서 피스톤이 먼저 배기 포트를 개방시킴으로써 일어나고, 배기 포트를 통해 배기 가스는 종종 과압으로 인해 맥동적인 방식으로 유출된다. 그후에, 입구 포트가 개방되고, 새로운 연소 공기가 도입되며, 그 후에 압축 행정이 시작된다. 주요 단점은, 연료 및/또는 윤활유를 갖는 연소 공기로 인한 깨끗하지 않은 배기 가스이며, 이는 어느 정도 배기 포트를 통해 주변 대기로 유출된다. 이는, 입구 포트 및 배기 포트는 종종 동시에 겹쳐 개방되고 배기 포트는 입구 포트 다음에 폐쇄되기 때문이다.

실린더 헤드에 있는 자유롭게 제어 가능한 밸브, 오늘날의 4-행정 엔진에서와 같은 포펫 밸브를 사용하여, 깨끗하지 않은 가스와 관련된 문제를 크게 줄일 수 있다. 스웨덴 특허 SE529569 및 SE529570에 나타나 있는 엔진은, 자유롭게 제어 가능하고 전자기적으로, 유압식으로 또는 공압식으로 활성화되는 밸브를 실린더 헤드에서 가지며, 이 밸브는 특히 더 높은 효율을 갖는 2-행정 엔진 및 더 깨끗한 배기 가스를 얻기 위한 것이다. 이들 특허에서, 깨끗하지 않은 배기 가스의 배출을 줄이기 위해 배기 밸브는, 연소 공기의 흡입을 위해 입구 밸브가 개방되고 폐쇄되기 전에, 개방되어 배기 가스를 배출시키고 폐쇄되어야 한다. 위에서 언급된 종류의 자유롭게 제어 가능한 밸브 중에서, 지금까지 공압식으로 활성화되는 밸브가, 모터 밸브를 개폐하기 위한 최단시간을 달성할 수 있는 밸브이다. 8 mm 밸브 리프트에서(실린더 헤드에 있는 밸브 시트로부터 완전 개방 밸브까지의 최대 거리임) 최단 시간은 5 ms이고(통상적인 400 cm³ 실린더에서의 지속 시간), 이는 출구 밸브의 개방시부터 입구 밸브의 폐쇄시까지 요구되는 시간은 10 ms 임을 의미한다.

이 시간은, 엔진의 한 회전을 위한 시간이 60 ms 일 때, 예컨대 1000 RPM과 같은 저속에서는 문제가 되지 않으며, 하지만, 더 높은 속도(예컨대, 2000 RPM 이상)가 요구됨에 따라, 가스 교환을 수행하기 위한 시간은 더 짧아지고 따라서 압축 시간도 더 짧아지며 또한 압축 행정의 길이는 점점더 짧아지고, 결과적으로, 압축 속도가 감소된다. 3000 RPM의 최대 속도(4-행정 엔진에서 6000 RPM의 통상적인 최대 속도에 대응함)를 갖는 2-행정 엔진에서, 한 회전을 위한 시간은 20 ms 이다. 그 시간의 절반이 가스 교환에 사용되어야 한다면 문제가 생기는데, 그 문제는, 일정한 과급 공기 압력 및 가압된 연소 공기의 흡입에서, 엔진 속도가 증가함에 따라 압축 속도는 감소되고 결과적으로 효율이 감소되는 것이라고 요약될 수 있다.

오늘날의 2-행정 엔진 또는 본 발명에 따른 2-행정 엔진에서 처럼, 피스톤의 왕복 운동으로 개방되고 폐쇄되는 흡기 포트 및 배기 포트가 실린더에 각각 있을 때, 속도가 증가함에 따라 압축 속도가 감소되고 또한 효율이 감소하는 상기 문제는 일어나지 않는다. 그러나 오날날의 2-행정 엔진은, 배경 기술의 두번째 단락에서 언급된 바와 같이, 깨끗하지 않은 배기 가스에 관련된 문제를 갖는데, 이는 입구 포트와 배기 포트가 동시에 개방되고 배기 포트는 입구 포트 다음에 폐쇄되기 때문이다.

본 발명의 목적은, 오늘날의 2-행정 엔진에서 깨끗하지 않은 배기 가스와 관련된 문제를 줄이는 것이다. 본 발명은, 연소 공기가 연료와 함께 또는 연료 없이 도입되기 전에 배기 가스가 배출된다는 점에서 통상의 2-행정 엔진과 유사하지만, 한편으로, 입구 포트가 배기 포트 위쪽에 위치되고, 다른 한편으로는, 압축 행정 동안에 배기 포트가 피스톤에 의해 폐쇄된 후에 연소 공기가 도입된다는 실질적이고 특징적인 차이를 가지고 작동하는 2-행정 엔진에 관한 것이다.

작동 행정 동안에, 피스톤은 먼저 입구 포트(자신의 외부에서 제어 가능 밸브에 의해 폐쇄됨)에 도달하고 그 후에 배기 포트를 지나게 되며, 그리하여 배기 가스가 배출되고 피스톤이 그의 하사점 위치에 도달한다. 그후에 피스톤이 그의 상사점 위치 쪽으로 가는 도중에, 먼저 배기 포트를 지나고, 따라서 그 배기 포트가 폐쇄되며, 그 후에 피스톤은 개방된 입구 포트에 도달하게 된다. 피스톤이 입구 포트에 도달하면, 입구 포트가 피스톤에 의해 폐쇄될 때까지, 제어 가능 밸브가 개방되고 연소 공기가 그 제어 가능 밸브 및 입구 포트를 통해 실린더 안으로 유입하게 된다. 그리하여, 도입된 연소 가스의 압축이 개시된다. 압축 속도는 일정하고 속도에 대해 독립적이며, 속도가 증가함에 따라 포트의 개방 지속 시간은 감소된다.

피스톤이 출구 포트를 개방시키면, 가압된 배기 가스의 펄스가 출구 포트를 통해 유출하며, 그리하여, 부압이 생성되며, 피스톤이 입구 포트에 도달하고 연소 공기가 유입함에 따라 그 부압은 유지된다. 속도와 엔진 부하가 증가함에 따라 부압이 증가하고, 이에 따라 새로운 연소 공기의 추가가 촉진되며, 속도가 증가함에 따라, 추가를 위한 더 짧은 시간을 보상한다.

출구 포트 및 입구 포트는 동시에 개방되지 않으므로, 오늘날의 2-행정 엔진에서와 같은 깨끗하지 않은 배기 가스와 관련된 문제는 일어날 수 없다. 오늘날의 2-행정 엔진과 관련된 다른 문제는, 과급 공기, 가압된 연소 공기의 생성을 위한 배기 구동 터빈의 이점이 겹치는 개방 포트들에 의해 제한되고 압축 행정이 개시되기 전에 과급 공기는 실린더에 남아서 그 안의 압력을 증가시키기 않고 배기 포트 안으로 유출한다는 것이다. 본 발명은 또한 이 문제를 해결한다.

피스톤의 하사점 위치 주위의 영역에서, 피스톤 속도는 낮고, 하사점에서 피스톤은 잠깐 동안 완전히 정지된다. 이는, 배기 가스의 배출을 위한 더 많은 시간이 있기 때문에 출구 영역은 오늘날의 2-행정 엔진에 비해 더 작게 될 수 있음을 의미한다. 배기 영역이 여러 개의 낮은 배기 포트에 걸쳐 분산되어 있으면, 작동 행정은 더 길게 되며, 결과적으로 효율이 개선된다. 크기가 엔진의 상이한 작동 조건에 맞게 가변적으로 조절될 수 있게 해주는 장치를 갖는 배기 영역을 실현하여, 배기 가스의 맥동적인 유출로 인한 연속적인 부압이 실린더 내에 생성될 수 있고, 배기 포트가 피스톤에 의해 폐쇄됨에 따라 부압이 유지되며, 따라서, 제어 가능 밸브가 새로운 연소 공기의 도입을 위해 개방됨에 따라 사용될 수 있다.

제어 가능 밸브는 공압식으로, 유압식으로 또는 전자기적으로 활성화되며, 후자의 형태는, 가압된 공기 또는 유압 오일이 필요치 않으므로, 바람직하고, 대신에 항상 이용 가능한 전기만 필요하다. 또한, 전자기적으로 활성화되거나 솔레노이드 활성화되는 엔진 밸브를 위한 새로운 기술이 이용가능하며, 그 결과, 공압식으로 활성화되는 밸브 개방에 대해 동등하게 빠른 밸브 개방이 가능하다.

본 발명의 전술한 목적은 설명 다음에 있는 특허 청구 범위에 의해 규정되는 보호 범위로 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 2-행정 엔진을 나타낸다.
도 2는 실린더 내의 피스톤의 하사점 위치를 나타낸다.
도 3은 압축 행정 동안에 피스톤이 출구 포트를 막 폐쇄하여, 개방되어 있는 입구 포트에 도달한 것을 도시한다.
도 4는 도 1에 따른 실린더를 나타낸다.
도 5는 압축 행정 동안에 있는 도 1에 따른 실린더를 나타낸다.
도 6은 길어진 소위 조정된 입구 관을 갖는 도 5에 따른 실린더를 나타낸다.
도 7은 피스톤이 하사점에 있을 때 실린더 벽을 나타낸다.
도 8은 배기 스로틀을 갖는 도 7에서의 상황을 나타낸다.

도 1은 실린더 헤드(11)를 갖는 실린더(1), 및 실린더 내에서 왕복 운동하는 피스톤(2)을 포함하는 본 발명에 따른 2-행정 엔진을 나타내고, 입구 포트(9)가 폐쇄되면, 피스톤이 배기 포트(7)를 덮는다. 연소 및 팽창 행정이 개시될 것이다. 플라이휠(3)이 크랭크축(4)에 장착되고, 크랭크축에는 피스톤을 갖는 피스톤 로드가 통상적인 방식으로 배치된다. 연소 공간(5)이 피스톤과 실린더 헤드 사이에 배치된다. 연소 공기가 입구 관(6)으로부터 제어 가능 밸브(17)를 통해 연소 공간에 도입되며, 그 제어 가능 밸브는 액츄에이터(8)에 의해 개폐되도록 제어된다. 크랭크축에는 센서 또는 크랭크축 프로브(19)가 배치되어 있는데, 이의 신호는 모터 제어 시스템(15)에 의해 판독되며, 그리하여 이 시스템은 실린더 내에서의 피스톤의 위치를 등록하고 액츄에이터에 명령하여 적절한 시간에 밸브를 개폐하게 한다. 피스톤은 상사점 위치에 있는 것으로 나타나 있고, 이 위치에서 피스톤은 출구 포트(7)를 덮는다. 배기 관에는 산소 센서(22)가 배치되어 있고, 이 센서의 신호는 엔진 제어 시스템(15)에 의해 판독된다. 산소 검출기를 사용하여, 연료와 연소 공기 사이의 비가 현재의 배기 후처리 시스템에 근거하여 최적으로 제어될 수 있다. 어떤 경우에 산소 검출기는 예컨대 전기톱에서와 같은 작은 엔진에서는 적절하지 않다는 것을 언급해야 하고, 전기 톱은 가벼워야 하고 아이들 상태에서 또는 완전 스로틀로 작동해야 한다. 엔진 효율에 대한 최적의 시기에서 연료가 엔진 제어 시스템에 의해 명령을 받는 스파크에 의해 점화되는 엔진을 위해 스파크 플러그(16)가 배치되어 있다. 디젤 엔진에서, "16"은 디젤 연료 분사기를 나타낸다. 나타나 있는 실시 형태는 특히 정원 기계, 전기톱, 모터사이클과 같은 더 작은 엔진에서도 적절하다. 도면는 주로 본 발명을 적용하는데 필요한 것만 나타냄을 유의해야 한다.

도 2는 실린더 내의 피스톤의 하사점 위치를 나타내며, 이 위치에서 배기 포트(7)는 개방되어 있고, 그래서, 가압된 배기 가스가 종종 맥동적인 방식으로 배기 포트를 통해 배기 시스템으로 유출된다. 배기 시스템 내에 주변 압력이 있고 포트가 개방됨에 따라 실린더 압력이 2 bar 보다 높으면, 배기 가스는 처음에 음속의 속도로 유출되며(소위 임계 유동), 단기간의 부압이 실린더 내에 생성된다. 배기 가스는 배기 터보를 추진시킬 수 있고, 배기 터보에 의해 엔진이 과부하를 받을 수 있고, 이는 통상적으로 종래의 2-행정 엔진에서는 잘 작동하지 않는다. 피스톤의 하사점 위치 주위의 영역에서, 피스톤 속도는 낮고, 하사점에서 피스톤은 잠깐 동안 정지하게 된다. 이는, 배기 가스의 배출을 위한 더 많은 시간이 있기 때문에 배기 영역은 오늘날의 2-행정 엔진에 비해 더 작게 될 수 있음을 의미한다. 배기 영역이 여러 개의 낮은 배기 포트에 걸쳐 분산되어 있으면, 작동 사이클은 더 길게 되어, 개선된 효율이 얻어진다.

도 3은 압축 행정 동안에 피스톤이 출구 포트(7)를 막 폐쇄하여, 개방되어 있는 입구 포트(9)에 도달한 것을 도시한다. 엔진 제어 시스템은 액츄에이터(8)에 명령하여 밸브(17)를 개방하게 하며, 그리하여, 연소 공기가 연료와 함께 또는 연료 없이 입구 포트를 통해 연소실에 도입된다. 도 2를 참조하여 전술한 단기간의 부압이 연소 공기의 도입 중에 사용된다. 밸브(17)가 있는 입구 포트(9) 외부의 공간은 입구 포트 외부의 용적을 최소화하기 위해 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있음을 언급해야 한다.

도 4는 도 1에 따른 실린더를 나타내는데, 여기서, 피스톤은 입구 포트를 폐쇄했고, 제어 가능 밸브가 여전히 개방되어 있는 중에, 도입된 연소 공기의 압축이 시작되었다. 따라서, 제어 가능 밸브(17)의 가장 중요한 점은, 이 밸브는 연소 공기를 도입하기 위해 액츄에이터(8)에 의해 신속하게 개방될 수 있다는 것이다. 입구 포트의 폐쇄는 피스톤(2)에 의해 자동적으로 일어난다.

도 5는 압축 행정 동안에 있는 도 1에 따른 실린더를 나타낸다.

도 6은 길어진 소위 조정된 입구 관(6)을 갖는 도 5에 따른 실린더를 나타내고, 이 관은 알려져 있는 소위 조정된 배기 관에 대응한다. 그 목적은, 움직이고 있는 입구 관 내의 전체 공기 질량에 의해 도입된 연소 공기의 증폭된 펄스에 의해 야기되는 높은 속도에서 그 도입된 연소 공기의 질량을 증가시키는 것이며, 이는 피스톤이 입구 포트에 도달하고 또한 제어 가능 밸브가 개방됨에 따라 실린더 내의 기존의 부압에서 달성된다. 따라서, 도 5에 따른 짧은 입구 관(6)을 사용하여 실린더에 도입되는 공기의 질량과 비교하여 더 큰 질량의 공기가 실린더에 도입된다. 크랭크 게이스를 사용하여 크랭크 케이스 압축 공기를 실린더 안으로 도입하면, 길이진 관이 대신에 크렝크 케이스에 연결되어, 대응하는 효과를 얻을 수 있다.

도 7은 피스톤(2)이 하사점에 있을 때 실린더 벽(30)(점으로 나타나 있음)을 나타내며, 배기 포트(32)는 완전히 개방되어 있고, 배기 관(34)은 배기 포트를 통과하는 배기 흐름을 제어하기 위해 개구(35)를 갖는 슬라이딩 가능한 배기 스로틀(33)을 갖는다. 배기 스로틀은 엔진 제어 시스템(15)(나타나 있지 않음)에 연결되는 제어 수단에 의해 토크(이 경우에는 최대 토크)를 위한 현재 요건에 근거하여 제어된다.

도 8은 배기 스로틀을 갖는 도 7에서의 상황을 나타내며, 엔진 제어 시스템에 의해 토크를 위한 현재의 요건에 근거하여 배기 스로틀은 배기 관으로 가는 가능한 배기 흐름이 대략 절반으로 되게끔 개구(35)를 배치하도록 제어되었다.

Claims (3)

1. 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 2-행정 엔진에서의 방법으로서, 상기 실린더는 왕복동 피스톤(2), 한정된 연소 공간(5), 적어도 하나의 출구 포트(7) 및 출구 포트 위쪽에 배치되는 입구 포트(9)를 가지며, 상기 출구 포트와 입구 포트 둘다는 피스톤의 하사점 위치에서 개방되고, 상기 엔진은, 입구 관(6) 및 상기 입구 포트를 통해 연소 공기를 상기 연소 공간 안으로 도입하기 위해 연결되어 있는 밸브(17)를 개방하도록 배치되어 있는 액츄에이터(8), 및 피스톤의 하사점 위치 후에 상기 액츄에이터에 명령하여 상기 밸브를 개방하게 하는 제어 시스템(15)을 또한 포함하며, 상기 밸브는 출구 포트가 상기 피스톤에 의해 폐쇄되는 것과 관련하여 개방되는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 밸브(17)의 개방은 상기 피스톤이 상기 입구 포트(7)에 도달하는 것과 관련하여 일어나는, 방법.
3. 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 2-행정 엔진으로서, 적어도 하나의 실린더(1) 및 이 실린더 안에 있고 연소 공간(5)을 한정하는 왕복동 피스톤(2)을 포함하고, 상기 연소 공간의 하측 부분에는 적어도 하나의 출구 포트(7)가 제공되어 있고 또한 출구 포트 위쪽에서 적어도 하나의 입구 포트(9)가 제공되어 있으며, 상기 엔진은 또한 밸브(17)를 개방하기 위한 액츄에이터(8)를 포함하고, 상기 밸브에 의해 연소 공기가 입구 포트 위쪽에 배치되는 입구 채널(6)을 경유해 도입되고, 상기 엔진은 또한 입구 채널(6)을 개폐하기 위해 상기 액츄에이터(8)를 제어하는 센서 및 소프트웨어를 포함하는 제어 시스템(15)을 포함하며, 상기 피스톤(2)은 슬라이드 밸브 장치의 일부분을 형성하고, 피스톤의 하사점 위치 후에 적어도 하나의 출구 밸브(7)가 폐쇄되고 나서 상기 슬라이드 밸브 장치는 상기 적어도 하나의 입구 밸브에 도달하는, 2-행정 엔진.

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