KR20220145413A - 습식-알콜을 연료로서 사용하고 고온 보조 점화를 포함하는 엔진 및 파워트레인용 균질 충전 압축 점화(ｈｃｃｉ-형) 연소 시스템 - Google Patents

습식-알콜을 연료로서 사용하고 고온 보조 점화를 포함하는 엔진 및 파워트레인용 균질 충전 압축 점화(ｈｃｃｉ-형) 연소 시스템 Download PDF

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예후다 슈무엘
이탄 슈무엘
도론 슈무엘
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메이먼 리서치 엘엘씨
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Abstract

습식-알콜 연료 혼합물을 연소할 수 있고 실린더 헤드에 부착된 실린더 내에서 왕복하고 커넥팅 로드를 통해 크랭크 샤프트에 연결되는 피스톤을 포함하는 내연형 엔진 또는 파워트레인. 흡기 캠 및 밸브는 실린더 헤드에 형성된 흡기 포트 내에 장착되고, 배기 캠 및 밸브는 실린더 헤드에 또한 형성된 배기 포트 내에 장착된다. 압축된 연료 공급원은 연료 인젝터에 의해 실린더에 도입되고, 알콜/물 혼합물에서의 물의 백분율은 평균 유효 압력 (IMEP)을 증가시키기 위해 실린더 압력을 연장하도록 작동하여, 엔진의 크랭크-암의 선호되는 기계적 이점의 기간 동안 달성되는 더 긴 압력 펄스를 통해 엔진의 더 높은 토크 (개선된 브레이크 평균 유효 압력-BMEP)를 야기한다.

Description

습식-알콜을 연료로서 사용하고 고온 보조 점화를 포함하는 엔진 및 파워트레인용 균질 충전 압축 점화(ＨＣＣＩ-형) 연소 시스템
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2020년 3월 16일에 출원된 USSN 62/990,104 및 2021년 3월 12일에 출원된 미국 특허 출원 번호 17/199,800의 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 물 대 알콜의 매우 높은 비율로 습식-알콜 연료를 연소할 수 있는 내연형 엔진 또는 파워트레인에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다양한 압축비 범위로 첨가된 유의한 물을 함유한 산소화 탄화수소 (알콜 연료)와 함께 개선된 연료 분사 및 밸브 타이밍 양상을 제공하는 고온 보조 (예컨대, 글로우 플러그 또는 스파크 플러그) 점화가 있는 HCCI 엔진 및 파워트레인을 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 본 발명은 또한 개선된 토크 특성을 달성하기 위해 더 긴 지속기간 동안 (즉, 더 큰 크랭크 각도에 걸쳐) 실린더 압력을 최적화하는 것을 추구하며, 이는 또한 브레이크 평균 유효 압력 (또는 BMEP)으로서 지칭된다.
선행 기술은 균질 충전 압축 점화 (HCCI) 엔진 기술과 관련된 다양한 선행 기술 참조를 개시하고 있다. 이의 제1 예는 Shibata 8,038,742에 제시되어 있으며, HCCI 압축용 연료를 교시한다.
Simmons, US 2011/0209683은 스파크 점화 이전에 16:1 이상의 압축비로 균질한 충전 공기-연료 혼합물에 혼합된 물 부피 대비 30% 이상의 수용성 유기 화합물로 스파크 점화 엔진을 작동시키는 방법을 교시한다.
Bromberg, US 8,677,949는 수소 농후 가스의 첨가에 의해 가능한 초-희석 작동을 용이하게 하는 메탄올의 특수 특성을 사용하여 더 높은 효율의 터보차지드 또는 슈퍼차지드 스파크 점화 엔진을 위한 연료 관리 시스템을 교시한다. 연료 관리 제어 유닛은 구동 사이클의 일부 동안에는 실질적으로 화학양론적 연료/공기 비율로, 그리고 구동 사이클의 다른 일부 동안에는 희박 연료/공기 비율로 엔진을 작동한다.
각각의 Shmueli et al. US 8,869,755, US 9,074,555 및 US 10,436,108은 물 기반 연료 혼합물을 사용하는 IC 엔진을 개시한다. Blank, US 9,010,293은 차량 연소 사이클 동안 산소 농도에 대한 열 감소 및 필요한 연료 농도의 제어를 교시한다.
마지막으로, Mulye 2015/0300296은 12:1보다 큰 압축비 (및 개시내용에 따라 최대 30:1), 및 중량 대비 10%-125% 범위의 EGR 가스에 대한 물을 갖는 EGR (배기 가스 재순환 시스템)을 교시한다.
발명의 요약
본 발명은 물 성분과 조합된 지방족 알콜 성분 (메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 또는 부탄올)을 개시한다. 알콜 및 물 성분의 상대 백분율은 연료 혼합물의 부피 대비 20% 내지 80%의 역 범위로 제공되며, 다양한 압축비 범위를 달성하기 위해 첨가된 유의한 양의 물과 함께 산소화 탄화수소 (알콜 연료)와 조합하여 개선된 연료 분사 및 밸브 타이밍 양상을 제공하기 위해, 전형적으로 스파크 또는 글로우 플러그 보조와 함께 파워 트레인 작동을 위한 임의의 유형의 높은 압축 사이클 (HCCI)에 사용된다. 이러한 방식으로, 본 발명은 개선된 토크 특성을 달성하기 위해 더 긴 지속기간 동안 (즉, 더 큰 크랭크 각도에 걸쳐) 실린더 압력을 최적화하는 것을 추구하며, 이는 또한 브레이크 평균 유효 압력 (또는 BMEP)으로서 지칭된다.
본원에 기재된 엔진 또는 파워트레인 애플리케이션은 전형적인 4-사이클 연소 프로세스를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않으며, 사이클 변동을 갖는 유사한 연소 프로세스를 갖는 다른 사이클 프로세스 (2-사이클 또는 다중-사이클)를 추가적으로 구상할 수 있다.
본 발명의 엔진은 또한 연소 시작 (SOC)을 개시 및 제어하고 임의의 구성의 스파크-플러그 또는 글로우-플러그를 포함하지만 이에 제한되지 않는 고온 개시 공급원을 다시 통합할 수 있는 방법을 포함한다.
엔진은 부스트 구성 (엔진-구동된 슈퍼차저 또는 배기 가스-구동된 터보차저에 제한되지 않음)을 함유하거나 정상-흡기 (NA) 구성으로 제공될 수 있다.
연소 프로세스는 개시 디바이스를 통해 SOC에 대해 제어되며, 결과는 HCCI-형 연소에서 발견되는 것과 유사한 매우 낮은 전체 NOx 배출이다. 알콜/물 혼합물에서 물의 높은 백분율은 실린더 압력을 연장시켜 표시된 평균 유효 압력 (IMEP)을 증가시키는 경향이 있으며, 이는 엔진의 크랭크-암의 선호되는 기계적 이점의 기간 동안 달성되는 더 긴 압력 펄스를 통해 엔진의 더 높은 토크 (개선된 브레이크 평균 유효 압력-BMEP)를 야기한다.
상기-기재된 이익 및 이점은 마찰 평균 유효 압력 (FMEP) 또는 펌핑 평균 유효 압력 (PMEP)의 증가 없이 발생한다. 이러한 방식으로, 엔진의 특이적 효율은 부분적으로 달성된 높은 압축비뿐만 아니라 적절하게 선택된 밸브 타이밍 이벤트 및 온도, 속도 및 부하를 기반으로 하는 SOC 이벤트의 적절한 변동을 포함하기 때문에 높다. 배기가스 배출과 관련하여, 미연 연료와 같은 기타 배기가스 구성성분은 HCCI-형 연소와 일치하며 전통적인 후-처리 수단을 통해 제어할 수 있다.
이제 다음의 상세한 설명과 함께 판독할 때 부착된 도면을 참조할 것이며, 여기에서 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 유사한 부분을 지칭하며, 여기서:
도 1은 본 발명의 비-제한적인 실시양태에 따른 HCCI 유형 연소 엔진의 개략도이고;
도 2 및 3은 크랭크 암이 최대 기계적 이점이 있는 지점을 묘사하는 도 3과 함께 스파크 점화 압축 엔진의 알려진 압력 대 크랭크 각도에 따른 종래의 연소 압력 곡선 대 크랭크 각도의 한 쌍의 그래픽 묘사를 예시하고;
도 4 및 5는 도 2 및 3과 관련된 한 쌍의 그래픽 묘사를 예시하며, 이는 크랭크 암의 최대 기계적 이점을 제공하기 위해, 더 긴 사이클 (크랭크 각도 지속시간으로서 또한 정의됨) 동안 유지되는 실린더-내 압력을 묘사하는 본 발명의 고유한 HCCI 연소 어셈블리를 묘사하고;
도 6은 연소, 배기, 흡기 및 압축 서브세트 사이클 각각에 걸쳐 있는 내연 프로세스에 대한 밸브 개방 및 리프트 대 크랭크 각도의 추가 그래픽 묘사이며;
도 7 및 8은 상이한 엔진 RPM에 대한 인렛 매니폴드 압력의 한 쌍의 표 형식 묘사를 제공하고, 전체 4 스트로크 사이클에 대한 720도에 기반한 (압축 종료로서 또한 정의된) 상사점 이전의 분사 타이밍/각도를 보여주며, 도 7은 섭씨 60°의 더 차가운 엔진 구성을 추가로 묘사하고, 도 8은 더 이른 분사 조건에 상응하는 80℃의 더 따뜻한 엔진 구성을 묘사한다.
부착된 도해를 참조하여, 본 발명은 물 대 알콜의 매우 높은 비율로 습식-알콜 연료를 연소할 수 있는 내연형 엔진 또는 파워트레인, 보다 구체적으로는 다양한 압축비 범위로 첨가된 유의한 물을 함유한 산소화 탄화수소 (알콜 연료)와 함께 개선된 연료 분사 및 밸브 타이밍 양상을 제공하는 고온 보조 (예컨대, 글로우 파크 또는 스파크 플러그) 점화가 있는 HCCI 엔진 및 파워트레인을 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 또한 이전에 기재된 바와 같이, 본 발명은 또한 개선된 토크 특성을 달성하기 위해 더 긴 지속기간 동안 (즉, 더 큰 크랭크 각도에 걸쳐) 실린더 압력을 최적화하는 것을 추구하며, 이는 브레이크 평균 유효 압력 (또는 BMEP)으로서 또한 지칭된다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 비-제한적인 실시양태에 따른 HCCI 유형 연소 엔진의 개략도가 도시되어 있다. 관련 엔진 구성요소는 크랭크샤프트 (18)를 통해 커넥팅 로드 (6)(또한 크랭크 암)에 의해 왕복 구동되는 피스톤 (14)이 위치하는 실린더 헤드 (12)에 부착된 실린더 (15)로 표시된다. 각각의 흡기 밸브 (15) 및 배기 밸브 (16)는 흡기 캠 (9) 및 배기 캠 (10)에 의해 각자 작동되고, 또한 각자 상응하는 흡기 포트 (7) 및 배기 포트 (8) 내에 위치되며, 스파크 플러그 (11)에 의해 점화가 유발된다.
연료 인젝터 (13)는 실린더 내의 연소 챔버에 근접하여 실린더 헤드 (12) 내에 장착된다. 전자 제어 유닛 (ECU)은 일반적으로 5로 표시되고, 연료 인젝터 (13)에 연통되며, 일반적으로 차량의 전기 시스템 또는 서브시스템 중 하나 이상을 제어하는 자동차 전자장치의 임의의 내장형 시스템을 구성하도록 정의된다. ECU (5)는 점화 코일 (4)을 통해 스파크 플러그 (11)와 별도로 연통한다.
고압 연료 펌프 (3)는 고압 연료 라인 (24)을 통해 인젝터 (13)에 연료를 제공한다. 다른 요소는 냉각측 연료 공급물 (19)을 통해 열교환기 구성요소 (2)와 연결되는 1로 묘사된 연료 탱크를 포함한다. 열 교환기 (2)는 20으로 표시된 고온측 냉각수 유체 유입 및 21로 표시된 저온측 냉각 유체 유출에 의해 공급되며, 연료 라인 (22)을 통해 엔진에서 인젝터 (13)로 삽입된 고압 연료 펌프 (3)를 통해 추가로 연통된다.
도 2 및 3으로 진행하면, 알려진 기술에 따라 일반적으로 26 및 28에 한 쌍의 그래픽 묘사가 예시되어 있고, 스파크 점화 압축 엔진의 압력 (Y 축 표시의 막대로 도시되고, 0, 20, 40, 60 및 80 증분 대 크랭크 각도 (-360°, 180°, 0, 180° 및 360° 증분에서 X 축으로 묘사됨)을 묘사하고 있으며, 점화 단계 동안 최대 기계적 이점이 도 2의 27에 도시된다. 크랭크-암이 최대 기계적 이점인 지점은 도 3에서 그래픽으로 30으로 표시되며, 실린더-내 압력의 유의한 감소에 상응한다.
이제 도 4 및 5로 진행하면, 일반적으로 각자 32 및 34로 도시되고 도 2 및 3의 선행 기술 도면과 관련되는 추가 쌍의 상응하는 그래픽 묘사가 예시되며, 이는 본 발명의 알콜-물 연료 혼합물을 활용하는 고유한 고 압축 사이클 (HCCI) 연소 어셈블리를 묘사한다. 도 4는 점화 단계와 연관된 33에서의 최대 기계적 이점을 나타내고, 도 5는 밸브 개방 위치에 상응하는 추가 명칭 37과 함께 36에서의 상응하는 최대 이점을 추가로 참조한다. 이전에 기재된 바와 같이, 본 발명은 물 성분과 함께 임의의 지방족 유형의 알콜 성분 (메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 또는 부탄올)을 고려한다.
알콜 및 물 성분의 상대 백분율은 전체 연료 혼합물의 부피 대비 20% 내지 80%의 역 범위 (예컨대, 범위의 한쪽 끝에서는 20% 물/80% 알콜 사이, 다른 쪽 끝에서는 최대 80% 물/20% 알콜)로 제공되며, 이는 파워 트레인 작동을 위한 임의의 유형의 높은 압축 사이클 (HCCI)에 다시 사용된다. 다수의 비-제한적인 적용에서, 20% 내지 60%의 상대적 알콜 함량 범위 (특히 에탄올과 함께 사용 시)가 제공된다.
도시된 바와 같이, 실린더-내 압력 (Y 축 표시)이 더 긴 사이클 동안 유지되는 경우 (크랭크 각도 지속기간으로서 또한 정의되고 X-각도를 따라 유사한 묘사로 표시됨), 이는 크랭크 암의 최대 기계적 이점 (최대 압력이 0° 크랭크 각도 (상사점 위치)에 상응하는 도 4에 추가로 묘사된 대로 참고)을 제공하기 위해 도시된다.
추가로 도시된 바와 같이, 실린더-내 압력은 크랭크-암의 최대 기계적 이점의 기간 동안 유의하게 더 높게 나타난다. 이는 도 5)에서 36으로 추가로 나타나 있으며, 이는 도 3의 상응하는 종래 기술 도면과 비교하여 효율면에서 수반되는 이익과 함께 엔진 토크의 개선을 예시한다.
도 6은 연소 (360° 내지 540°), 배기 (540° 내지 0°), 흡기 (0° 내지 180°) 및 압축 (180° 내지 360°) 서브세트 사이클 각각에 걸쳐 내연 프로세스에 대한 밸브 개방 및 리프트 (Y축 표현) 대 크랭크 각도 (X축 표현)의 추가 그래픽 묘사이다. 또한 묘사된 범위에 걸쳐 부하 없음 (실선으로 도시됨) 및 전체 부하 (가상선으로 표시) 곡선 사이에 존재하는 시프트가 표시되며, 이들은 사이클의 각각의 흡인 및 배기 단계에 상응한다.
마지막으로, 도 7 및 8은 상이한 엔진 RPM에 대한 인렛 매니폴드 압력의 한 쌍의 표 형식 묘사를 제공하고, 전체 4 스트로크 사이클에 대한 720도에 기반한 (압축 종료로서 또한 정의된) 상사점 이전의 분사 타이밍/각도를 보여준다. 이는 섭씨 60°의 더 차가운 엔진 구성을 추가로 묘사하는 도 7, 및 더 이른 분사 조건에 상응하는 80℃의 더 따뜻한 엔진 구성을 묘사하는 도 8을 포함한다.
추가로 도시된 바와 같이, 더 높은 엔진 RPM은 더 이른 분사에 상응하고, 매니폴드 압력이 높을 (즉, 고부하 - 더 적은 진공) 때 분사가 지연된다. 이러한 방식으로, 분사 타이밍은 모든 속도 부하 조합에서 높은 토크 및 효율성을 유지하고, 속도, 부하 및 온도 변수 각각에 기반하여 안정한 및 효율적인 연소를 달성하는 데 중요하다.
본 발명과 연관된 기타 및 추가적인 특징은 각각 다음을 포함한다:
조기 스파크 - 점화 시작:
조기 점화는 "이상적인" 압력 대 크랭크 각도 타이밍 동기화에 중요하므로, 일반적으로 점화 시작은 상사점 전 40-45도에서 시작해야 하며, 이는 낮은 RPM과 높은 RPM에는 상이한 타이밍이 필요하기 때문에 항상 ECU에 의해 제어되어야 한다.
고온 흡기:
시스템에서 터보차저를 사용할 때, 인터쿨러가 필요하지 않으며, 실제로는 흡입 공기가 터보차저에 의해 가열되어 보다 균질한 연소에 도움이 되므로 인터쿨러 없이도 효율성이 증가한다.
긴 스트로크:
더 긴 지속기간 연소의 성질로 인해, 더 긴 스트로크를 달성하면 압력 특성을 더 잘 활용하고 더 많은 출력을 산출할 수 있으며, 또한 TDC 위치에서 내려가는 도중에 피스톤 위치와 관련하여 매우 늦은 배기 밸브 개방을 허용하는 것으로 밝혀졌다.
열 사용:
열 대 효율성 및 성능의 직접적인 상관관계가 추가로 확인되었다. 이는 다른 연소 방법에서도 발생하지만, 연료 폭발을 지연/상승시키는 본 발명의 능력은 엔진 노킹 또는 런-온의 발생 없이 엔진의 작동 온도를 상승시키는 능력을 초래하며, 그 결과 엔진 내의 열을 유지하는 데 도움이 되는 모든 열 장벽은 낭비되는 열을 전환하여 성능 및 효율성을 높이는 데 기여할 것이다.
고온 플러그:
실험에 따르면 고온 정격 스파크 플러그는 스파크/글로우 플러그 조합으로서 작동하므로 더 나은 출력을 제공할 것으로 나타났다.
낮은 RPM.
본 발명의 다른 관찰은 비슷한 크기의 통상적인 엔진에 대해 비정형인 중저 RPM에서 높은 토크를 확립하는 능력을 발견하였다. 이러한 경우, 엔진은 작동 중이며 1000　RPM 정격에서도 최대 토크의 약 85%를 생성한다.
위의 설명을 감안할 때, 본 발명에 의해 달성된 목적은 지시된 평균 유효 압력 (IMEP)을 증가시켜 엔진의 더 높은 토크로 이어지는 실린더 압력을 연장하기 위해 작동되는 알콜/물 혼합물의 높은 수분 백분율과 연관된 증기-유도된 후기 사이클 압력 증가를 포함한다. 후기 사이클 압력 증가는 높은 수분-함량 연료의 증기로의 실린더-내 전환 효과와 함께 지연된 연소-시작 (SOC)의 결과이며, 이는 개선된 지시된 평균 유효 압력 (IMEP)으로 이어진다. 이 효과는 도면에 참조된 바와 같이 크랭크-암의 선호되는 기계적 이점 기간 동안 더 긴 압력 펄스로 인해 발생하며, 마찰 평균 유효 압력 (FMEP) 또는 펌핑 평균 유효 압력 (PMEP)의 증가 없이 발생하며, 전체적으로 순 BMEP 이익을 초래한다.
기재된 습식-알콜 연료를 사용한 내연 프로세스는 구성되는 엔진 유형에 따라 결정되는 10:1 내지 25:1의 비교적 높은 압축비 내에서 작동하도록 계획되며, 여기서 구성은 자연 흡기 (NA)되거나 부스트된다. 본 발명은 또한 부스트된 구성에 사용되는 더 낮은 압축비 및 NA 엔진에 대한 더 높은 압축비를 고려한다.
기재된 바와 같이 습식-알콜 연료를 사용한 내연 프로세스는 엔진 출력 토크의 a) 속도 및 b) 부하 둘 모두에 대한 과도 상태 하에서 작동하는 능력을 포함한다. 이는 이 특허에 구체화된 개별 청구범위를 함유하고 파워트레인이 적어도 다단 변속기 및 임의의 구성의 최종 드라이브를 포함하는 연소 프로세스 때문이다. 과도 작동에 대해 엔진을 제어하는 능력은 이 특허의 모든 청구범위를 적절하게 사용하는 데 포함된다.
기재된 바와 같이, 사전-가열 기술은 대략 섭씨 60-80도(C)의 온도와 같이 연료를 가열하는 것을 고려하고, 다시 도 1을 참조하면, 예열 동안 전기 히터를 통해 초기에 연료를 통과시키고 작동 온도에 도달한 후에 폐-엔진 열을 활용하는 것을 제한 없이 포함할 수 있다.
다른 특징은 공기 유량 (MAF) 센서, 람다 센서 또는 센서들 및 디지털 전자 제어 유닛 (ECU)을 함유하는 제어 시스템을 통한 공기/연료 비 (또한 AFR)의 제어를 포함한다. 하나의 비-제한적인 변동에서, AFR 값은 13:1 내지 16:1 사이에서 제어된다. 게다가, 과도적인 작동 조건 하에서 강화는 람다 0.95로 이동할 수 있다.
연료 분사 타이밍 양상은 습식-알콜 연료가 디지털 ECU에 프로그래밍되는 내연 프로세스를 포함한다. 예열 조건 (전형적으로 섭씨 60도 내지 섭씨 100도의 범위) 하에서, 연료는 늦게 분사되거나, 흡기 사이클이 종료될 무렵 (상사점 (BTDC) 전 ~180도)) 분사된다. 작동 온도에서, 연료는 흡기 사이클 시작 (~360도 BTDC) 시 조기에 분사된다. 임의의 엔진 속도의 고 부하 하에서, 연료 분사 이벤트는 320도 내지 250도의 BTDC이다. 경 부하 및 고속에서, 분사 이벤트는 420도 내지 360도 BTDC에서 매우 일찍 발생한다. 알콜에 대한 물의 대다수 백분율은 20% 알콜까지 감소하는 범위에 상응하는 최대 80% 물의 임의의 상대 백분율 범위를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 연소 기술이 블록-내 단일 기계식 캠샤프트부터 단일 또는 다중 오버-헤드 기계적 캠샤프트까지 임의의 밸브 트레인 구동 유형을 갖는 엔진, 및 첨단 밸브트레인 구동 시스템, 예컨대, 유압, 공압 또는 전자기 완전-가변성 밸브-구동 시스템에 연소 기술을 적용할 수 있는 밸브 타이밍 특징을 제공한다. 기계식 캠샤프트 구동 시스템은 또한 밸브 타이밍 및 오버랩에 대한 합리적인 절충안을 포함하여, 이용가능한 경우 독립적인 흡기 및 배기 캠 위상조정 또는 단일 기계식 캠샤프트 엔진에 대한 기술을 포함한다.
특이적 밸브 트레인 구동 이벤트는 또한 속도 및 부하 변수에 기반하여 밸브 구동을 포함할 수 있다. 고속 및 저-부하에서, 흡기 밸브 폐쇄 (IVC) 이벤트는 후기 IVC를 포함하고, 고-속 및 고-부하 조건의 경우, IVC 이벤트는 조기에 또는 보다 전통적인 타이밍에 수행된다. 밸브 오버랩 타이밍은 또한 높은 부하 하에서 오버랩 증가를 고려하며, 낮은 부하에서는 오버랩이 부재한다. 사용된 밸브 구동 기술에 따라, 이러한 매개변수의 제어는 디지털 ECU에 의해 제어되는 캠 위상조정 디바이스를 포함하거나, 디지털 ECU에 의해 완전히 수행될 수 있는 보다 정교하고 미래의 구동 디바이스에 잠재력을 갖는다. 밸브 이벤트 및 속도/부하 사이의 전형적인 관계를 보여주는 도 6을 다시 참조한다.
현재 설계의 다른 양태는 특별한 기하학적 설계 특성을 가진 엔진 개념을 또한 포함한다. 이는 공기 흐름의 제어를 제공하기 위해 동일한 배기량 등급의 전형적인 크기의 연소 엔진보다 작은 흡기 밸브를 나타내는 흡기 시스템을 포함한다.
본 발명을 설명함으로써, 첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 다른 추가적인 바람직한 실시양태가 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 도면은 본 개시내용을 지지하는 것으로 추가로 이해되며, 그 범주는 청구범위에 의해 정의된다. 청구된 교시를 수행하기 위한 최상의 모드 및 다른 실시양태의 일부가 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 정의된 개시내용을 실시하기 위한 다양한 대안적인 설계 및 실시양태가 존재한다.
전술한 개시내용은 본 개시내용을 개시된 정확한 형태 또는 특정 사용 분야로 제한하려는 의도가 아닌 것으로 추가로 이해된다. 이와 같이, 본원에 명시적으로 기재되거나 암시되든지 간에 본 개시내용에 대한 다양한 대안적인 실시양태 및/또는 변형이 본 개시내용에 비추어 가능하다는 것이 고려된다. 이와 같이 본 개시내용의 실시양태를 설명함으로써, 당업자는 본 개시내용의 범주를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항이 변경될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 개시내용은 청구범위에 의해서만 제한된다.
전술한 명세서에서, 본 개시내용은 구체적인 실시양태를 참조하여 설명되었다. 그러나, 당업자가 이해할 것인 바와 같이, 본원에 개시된 다양한 실시양태는 본 개시내용의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 다른 방식으로 변형되거나 달리 구현될 수 있다. 따라서, 이 설명은 예시적인 것으로서 간주되어야 하며, 본 개시내용의 다양한 실시양태를 만들고 사용하는 방식을 당업자에 교시할 목적을 위한 것이다. 본원에 도시되고 설명된 개시내용의 형태는 대표적인 실시양태로서 간주되어야 함을 이해해야 한다. 동등한 요소, 재료, 프로세스 또는 단계는 본원에 대표적으로 예시되고 설명된 것들을 치환할 수 있다. 더욱이, 본 개시내용의 특정 특징은 다른 특징의 사용과 독립적으로 활용될 수 있으며, 이는 모두 본 개시내용의 설명의 이익을 가진 후 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시내용을 설명하고 청구하는 데 사용되는 "비롯한", "포함하는", "통합하는", "이루어지는", "갖는", "이다"와 같은 표현은 비-배타적인 방식으로, 즉, 명시적으로 설명되지 않은 항목, 구성요소 또는 요소가 또한 존재하도록 허용하는 것으로 해석되어야 한다. 단수형에 대한 언급은 또한 복수형에 관련된 것으로 해석되어야 한다.
더욱이, 본원에 개시된 다양한 실시양태는 예시적이고 설명적인 의미로 취해져야 하며, 결코 본 개시내용을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 모든 조인더 참조 (예컨대, 부착된, 첨부된, 커플링된, 및 연결된 등)는 본 개시내용에 대한 판독자의 이해를 돕기 위해서만 사용되며, 특히 시스템의 위치, 배향 또는 사용 및/또는 본원에 개시된 방법과 관련하여 제한을 만들지 않을 수 있다. 따라서, 조인더 참조가 있는 경우, 광범위하게 해석되어야 한다. 더욱이, 이러한 조인더 참조는 두 요소가 서로 직접 연결되어 있다고 반드시 추론하는 것은 아니다.
추가적으로, 모든 수치 용어, 예컨대, 비제한적으로 "제1", "제2", "제3", "일차", "이차", "주요" 또는 임의의 기타 일반 및/또는 숫자 용어는 또한 본 개시내용의 다양한 요소, 실시양태, 변동 및/또는 변형에 대한 판독자의 이해를 돕기 위해 식별자로만 사용해야 하며, 특히 다른 요소, 실시양태, 변동 및/또는 변형과 관련하여 임의의 요소, 실시양태, 변동 및/또는 변형에 대한 순서 또는 선호도에 대한 임의의 제한을 만들어서는 안 된다.
도면/도면에 묘사된 요소 중 하나 이상은 또한 더 분리되거나 통합된 방식으로 구현될 수 있거나, 특정 적용에 따라 유용한 특정 경우에 제거되거나 작동불가능하게 렌더링될 수도 있음을 또한 이해할 것이다. 추가적으로, 도면/도면의 임의의 신호 해치는 달리 구체적으로 지정되지 않는 한, 단지 예시적인 것으로서 간주되어야 하며 제한적이지 않아야 한다.

Claims (20)

  1. 물 성분 및 알콜 성분 둘 모두를 갖는 습식-알콜 연료를 연소할 수 있는 내연형 엔진으로서,
    실린더 헤드에 부착된 실린더 내를 왕복하며 크랭크 암을 통해 크랭크 샤프트에 연결되는 피스톤;
    실린더 헤드에 형성된 흡기 포트 내에 장착된 흡기 캠 및 밸브, 및 실린더 헤드에 또한 형성된 배기 포트 내에 장착된 배기 캠 및 밸브;
    연료 인젝터에 의해 실린더로 도입되는 가압 연료 공급원; 및
    크랭크 암의 선호되는 기계적 이점의 기간 동안 달성되는 더 긴 압력 펄스를 통해 엔진의 더 높은 토크를 야기하는, 평균 유효 압력을 증가시키기 위해 연료의 점화 이전에 실린더 압력을 연장하도록 작동하는 연료 내의 수분 성분의 백분율을 포함하는, 내연형 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 개선된 연료 분사 및 밸브 타이밍 양상을 제공하기 위한 스파크 플러그 또는 글로우 플러그 중 하나를 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 점화 코일을 통해 상기 스파크 플러그와 연통하는 엔진 제어 유닛 (ECU)을 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 상기 물 및 알콜 성분이 전체 연료 혼합물의 부피 대비 20% 내지 80%의 역 범위로 제공되는 것을 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  5. 제1항에 있어서, 10:1 내지 25:1의 전체 스트로크 압축비 동안 내연 엔진의 피스톤에 의해 둘러싸인 공간의 최대 부피 대 최소 부피의 비율을 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  6. 제3항에 있어서, 상기 연료 인젝터 및 스파크 플러그 각각에 별도로 연통되는 상기 전자 제어 유닛 (ECU)을 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  7. 제6항에 있어서, 고압 연료 라인을 통해 인젝터에 압축 연료를 전달하기 위한 고압 연료 펌프를 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  8. 제1항에 있어서, 저온측 연료 공급물을 통해 열 교환기 구성요소와 연결되는 연료 탱크를 추가로 포함하고, 열 교환기는 고온측에서 유입되는 냉각제 유체 및 저온측에서 유출되는 냉각제 유체에 의해 공급되며, 추가로 연료 라인을 통해 고온측에서 엔진으로 고압 연료 펌프를 통해 연통하는, 내연형 엔진.
  9. 제5항에 있어서, ECU와 연통하는 공기 유량 센서 (MAF), 람다 센서 중 임의의 것을 함유하는 제어 시스템에 의해 제어되는 공연비를 추가로 포함하고, 여기서 공연비는 13:1 내지 16:1의 압축비로 제어되는, 내연형 엔진.
  10. 제9항에 있어서, 람다 센서가 0.95의 판독치를 갖는 과도적인 작동 조건을 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  11. 제8항에 있어서, 연료를 섭씨 60-80도(C) 사이의 온도 범위로 가열하기 위해 상기 열교환기 구성요소를 사전-가열하는 것을 추가로 포함하는, 내연형 엔진.
  12. 습식-알콜 연료를 연소하는 내연형 엔진의 작동 방법으로서,
    실린더 헤드를 갖는 실린더로 연료를 가압하여 도입하는 단계;
    실린더 내에서 왕복 지지되는 피스톤을 통해 연료를 압축하고, 피스톤은 크랭크 암을 통해 크랭크 샤프트를 연결하는 단계;
    실린더 헤드에 형성된 흡기 포트 내에 장착된 흡기 캠 및 밸브, 및 실린더 헤드에 또한 형성된 배기 포트 내에 장착된 배기 캠 및 밸브를 제공하는 단계; 및
    평균 유효 압력을 증가시키기 위해 연료의 점화 이전에 실린더 내에서 달성된 최대 압력을 연장하여, 크랭크 암의 선호되는 기계적 이점의 기간 동안 달성되는 더 긴 압력 펄스를 통해 엔진의 더 높은 토크를 야기하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 전체 연료 혼합물의 부피 대비 20% 내지 80%의 역 범위에서 연료의 물 성분 및 알콜 성분 둘 모두의 백분율을 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 실린더 내의 피스톤에 의해 둘러싸인 공간의 최대 부피 대 최소 부피의 전체 스트로크 압축비를 10:1 내지 25:1로 변경하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  15. 제14항에 있어서, ECU와 연통하는 공기 유량 센서 (MAF), 람다 센서 중 임의의 것을 함유하는 제어 시스템에 의해 제어되는 공연비를 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 공연비는 13:1 내지 16:1의 압축비로 제어되는 것인, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 람다 센서가 0.95의 판독치를 갖는 과도적인 작동 조건을 설정하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  17. 제12항에 있어서, 연료를 섭씨 60-80도 (C) 사이의 온도 범위로 사전-가열하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  18. 내연형 엔진 및 습식-알콜 연료 혼합물의 조합체로서,
    제1 백분율의 물 성분 및 제2 백분율의 알콜 성분을 갖는 연료이되, 성분의 상대 백분율은 전체 연료 혼합물의 부피 대비 20% 내지 80%의 역 범위로 제공되는, 연료;
    실린더 헤드에 부착된 실린더 내를 왕복하며 크랭크 암을 통해 크랭크 샤프트에 연결되는 피스톤;
    실린더 헤드에 형성된 흡기 포트 내에 장착된 흡기 캠 및 밸브, 및 실린더 헤드에 또한 형성된 배기 포트 내에 장착된 배기 캠 및 밸브;
    연료 인젝터에 의해 실린더로 도입되는 가압 연료 공급원; 및
    크랭크 암의 선호되는 기계적 이점의 기간 동안 달성되는 더 긴 압력 펄스를 통해 엔진의 더 높은 토크를 야기하는, 평균 유효 압력을 증가시키기 위해 연료의 점화 이전에 실린더 압력을 연장하도록 작동하는 연료 내의 수분 성분의 백분율을 포함하는, 내연형 엔진.
  19. 제18항에 있어서, 10:1 내지 25:1의 전체 스트로크 압축비 동안 내연 엔진의 피스톤에 의해 둘러싸인 공간의 최대 부피 대 최소 부피의 비율을 추가로 포함하는, 조합체.
  20. 제19항에 있어서, ECU와 연통하는 공기 유량 센서 (MAF), 람다 센서 중 임의의 것을 함유하는 제어 시스템에 의해 제어되는 공연비를 추가로 포함하고, 여기서 공연비는 13:1 내지 16:1의 압축비로 제어되는, 조합체.
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