KR930008511B1 - Radical enhanced combustion process in internal combustion engine - Google Patents

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KR930008511B1
KR930008511B1 KR1019850700056A KR850700056A KR930008511B1 KR 930008511 B1 KR930008511 B1 KR 930008511B1 KR 1019850700056 A KR1019850700056 A KR 1019850700056A KR 850700056 A KR850700056 A KR 850700056A KR 930008511 B1 KR930008511 B1 KR 930008511B1
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앤드류 에이 푸링
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소넥스 리서치 인코오포레이티드
앤드류 에이 푸링
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Abstract

내용 없음.No content.

Description

[발명의 명칭][Name of invention]

내연기관에서의 래디컬 촉진연소방법Radial Accelerated Combustion in Internal Combustion Engines

[도면의 간단한 설명][Brief Description of Drawings]

제 1 도는 본 발명에 따른 내연기관용 피스톤의 측면도.1 is a side view of a piston for an internal combustion engine according to the present invention;

제 2 도는 기관의 실린더내에 들어있는 제 1 도 피스톤의 측면도.2 is a side view of the first degree piston contained in the cylinder of the engine.

제 3 도는 제 1 도의 피스톤을 이용한 연료흡입식 내연기관과 공기연료비 제어시스템을 함께 도시한 개략도.3 is a schematic view showing a fuel intake type internal combustion engine using the piston of FIG. 1 together with an air fuel ratio control system.

제 4 도는 기관의 작동실에 혼합기를 공급하기 위하여 연료를 직접 분사시키는 제 3 도와 유사한 내연기관의 개략도.4 is a schematic diagram of an internal combustion engine similar to the third diagram in which fuel is injected directly to supply a mixer to the operating chamber of the engine.

제 5 도는 피스톤의 공기실과 기관의 작동실 사이의 간극이 피스톤의 상부 전둘레에 걸쳐 균일하게 되어 있는 본 발명에 따른 피스톤 간극의 한가지 실시예를 도시한 평면도.5 is a plan view of one embodiment of the piston gap according to the invention wherein the gap between the air chamber of the piston and the operating chamber of the engine is uniform over the entire upper circumference of the piston.

제 6 도는 실린더내의 원형 피스톤 캡이 편심적으로 형성되어 공기실과 작동실 사이의 간극이 불균일하게 형성된 다른 실시예를 도시한 평면도.6 is a plan view showing another embodiment in which the circular piston cap in the cylinder is eccentrically formed so that the gap between the air chamber and the working chamber is nonuniform.

제 7 도는 간극이 불균일하고 피스톤의 원주 주위에서 분리되어 있는 본 발명에 의한 캡의 또다른 실시예를 도시한 평면도.7 shows a plan view of another embodiment of the cap according to the invention wherein the gap is non-uniform and separated around the circumference of the piston.

제 8 도는 피스톤의 공기실 상면의 형태가 제 1 도와 다른 피스톤의 부분 상세도.8 is a partial detailed view of a piston in which the upper surface of the air chamber of the piston is different from the first one;

제 9 도는 피스톤 캡의 구조가 제 1 도와 다른 피스톤의 부분상세 측면도.9 is a partial detailed side view of a piston whose structure of the piston cap is different from the first.

제 10 도는 본 발명에 의한 피스톤 공기실과 종래의 이론적 헬름홀쯔공명실이 등가(equivalency) 임을 보여주는 개략도.10 is a schematic diagram showing that the piston chamber according to the present invention and the conventional theoretical Helmholtz resonance chamber are equivalent.

제 11 도는 피스톤 공기실의 공명에 의하여 작동실에 폐쇄기주공명이 발생하는 것을 도시한 개략도.Figure 11 is a schematic diagram showing the closed host resonance occurs in the operating chamber by the resonance of the piston air chamber.

제 12a 도 내지 12p 도는 본 발명에 의한 기관작동 사이클의 설명도.12A to 12P are explanatory diagrams of an engine operating cycle according to the present invention.

제 13 도는 본 발명에 의한 기관의 작동실에 공급되는 흡합기의 공료비와 지시 마력, 지시 비연료 소모율, 미연소 배기 탄화수소, 배기 일산화탄소(체적퍼센트) 및 기관의 운전효율지표(RQI)를 도시한 그래프도.FIG. 13 shows the fuel ratio, the indicated horsepower, the indicated non-fuel consumption rate, the unburned exhaust hydrocarbon, the exhaust carbon monoxide (volume percentage) and the engine operating efficiency index (RQI) of the adsorber supplied to the engine's operating chamber according to the present invention. One graph too.

제 14 도는 연소실의 압력 및 온도와 연소실내 혼합기의 자연점화영역 및 래디컬(radical)에 의해 촉진된 자연점화 영역사이의 관계를 도시한 그래프도.14 is a graph showing the relationship between the pressure and temperature of the combustion chamber and the natural ignition zone of the mixer in the combustion chamber and the radical ignition zone promoted by radicals.

[발명의 상세한 설명]Detailed description of the invention

[발명의 분야][Field of Invention]

본 발명은 내연기관에 관한 것이고, 특히 내연기관에서의 연소방법에 관한 것이다.The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to a combustion method in an internal combustion engine.

[관련출원][Related Applications]

본 출원은 본원 출원인에 의하여 본 출원과 동일자로 출원된 다음의 특허출원과 관계되는 주제를 갖는다.This application has the subject matter related to the following patent application filed by the applicant of the same application as the present application.

즉 미국 특허출원번호 535,336호의 "피스톤에 공기실이 형성되어 연소파의 진동수에 공명되는 내연기관", 미국 특허출원번호 535,337호의 "내연기관용 피스톤", 미국 특허 출원번호 535,338호의 "피스톤에 공명공기실을 형성시켜 연소실내에 폐쇄기주공명(closed organ pipe)을 유발시키는 내연기관의 연소방법", 미국 특허출원번호 535,339호의 "동적가변압축비를 갖는 내연기관" 등의 특허출원과 관련이 있다.In other words, an internal combustion engine in which an air chamber is formed in a piston and resonates with the frequency of combustion waves, US Patent Application No. 535,336, a piston for an internal combustion engine, US Patent Application No. 535,337, and an air chamber in a piston of US Patent Application No. 535,338. And a patent application such as "Internal combustion engine with dynamic variable compression ratio" of US Patent Application No. 535,339, which discloses a method for combustion of an internal combustion engine that causes a closed organ pipe in a combustion chamber.

[발명의 배경][Background of invention]

[종래기술][Private Technology]

본 발명의 토대가 되는 기본적인 연소과정은 연소파(combustion wave)를 이용하여 내연기관의 피스톤에 있는 공기실(air chamber)에 공명(resonance)이 일어나게 하여 기관작동 사이클중 연소/팽창행정에서 이 공기실에 저장되어 있는 공기를 역동적으로 연소실내로 펌핑(pumping)시키는데 연관된 것으로, 이 펌핑효과는 공기실과 연소실의 총 평균압력 차이와 무관하게 일어난다.The basic combustion process underlying the present invention utilizes a combustion wave to cause resonance in the air chamber of the piston of the internal combustion engine, which causes this air in the combustion / expansion stroke during the engine operation cycle. It is associated with dynamically pumping air stored in the chamber into the combustion chamber, and this pumping effect occurs irrespective of the total mean pressure difference between the air chamber and the combustion chamber.

이 과정은 "해군사관학교 열평형기관(naval Academy Heat Balanced Engine, NAHBE)"과 관련되어 발간된 문헌에 이미 기재되어 있다.This process is already described in the literature published in relation to the "Naval Academy Heat Balanced Engine" (NAHBE).

예를 들면, 미해군사관학교 프로그레스 보고서 제 EW8-76 호 블라서(Blaser), 푸링(Pouring), 키팅(Keating), 랭킨(Rankin) 공저 "해군사관학교 열평형기관(NAHBE)"(1976.6) ; 미해군사관학교 트라이던트 스콜라 보고서(Trident Scholar Report) 제 TSPR 112호 월리엄 에이치 존슨(William H. Johnson)저"헬름홀쯔 이론을 적용시켜 쉴리렌 사진법(Schlieren Photography Method)을 이용한 NAHBE피스톤 캡(piston cap) 설계의 최적화"(1981) ; 미해군사관학교 프로그레스 보고서 제 EW-13-80 호 푸링, 랭킨 공저 "열평형내연기관 플로우 필드(Flow Field)시간 의존 해석적 광학적 연구"(1980.11) ; 미해군사관학교 프로그레스 보고서 제 EW-10-78 페일러(Failla), 푸링, 랭킨, 키팅 공저 "NAHBE"의 비정상(nonsteady) 연소 및 유동과정의 기초적 연구"(1978.6) 및 동일저자의 미해군사관학교 프로그레스 보고서 제 EW-12-79 호 "열평형기관의 변수변환"(1979.9) 등이 있다.See, for example, US Military Academy Progress Report No. EW8-76 by Blaser, Pouring, Keating, and Rankin, "Naval Academy Thermal Equilibrium (NAHBE)" (June 1976); NAHBE piston cap using Schlieren Photography method by applying the Helmholtz theory by TSPR 112, William H. Johnson, US Military Academy Trident Scholar Report Design optimization "(1981); US Military Academy Progress Report No. EW-13-80 Furing, Rankin, "Flow Balanced Time Field-dependent Analytical Optical Study of Thermal Balanced Internal Combustion Engines" (1980.11); US Naval Academy Progress Report EW-10-78 Faila, Furing, Rankine, Keating co-author "NAHBE" on the basic study of nonsteady combustion and flow processes "(June 1978) Progress Report EW-12-79, "Variable Transformation of Thermal Equilibrium Institutions" (1979.9).

그러나, 연소파의 에너지를 이용하여 공기를 내연기관의 연소영역으로 펌핑시키는 것은 NAHBE 프로젝트에 의하여 이미 밝혀졌지만 이들 문헌에 기재된 종전의 NAHBE기관의 피스톤, 연소실 및 혼합기 제어시스템은 모델의 성능이 이론적 예상치나 이에 유사하게될 때까지 일련의 설계 반복(design iteration)을 통하여 실험적으로 유도된 것이다.However, the pumping of air into the combustion zone of internal combustion engines using the energy of combustion waves has already been demonstrated by the NAHBE project, but the piston, combustion chamber and mixer control systems of the previous NAHBE engines described in these documents have shown that the performance of the model is a theoretical estimate. Or until similar, experimentally derived through a series of design iterations.

CFR기관(Combustion Fuel Research engine)과 같은 실험실용 기관인 단기통기관에 대해서 여러가지 변수가 실험되었으며 그중 몇가지 경우에는 다기통기관에 대하여도 실험이 수행되었다.Several variables have been tested for short-term vents, laboratory laboratories such as the CFR engine (Combustion Fuel Research engine), and in some cases, experiments have been carried out for multi-ventilated engines as well.

그러나, 피스톤과 실린더에 관한 형상 변수의 최적 수치뿐만 아니라 적절한 공기 연료비를 결정하는 과정이, 번거롭고 시간이 많이 걸리고 비싸며 부정확한 시행착오 기법에 의하지 않으면 안된다.However, the process of determining the proper air fuel cost, as well as the optimal values of the shape parameters for the piston and cylinder, must be a cumbersome, time consuming, expensive and inaccurate trial and error technique.

이밖에 어떤 기관이나 기관군(engine family)에 대하여 최종적으로 가장 적절한 형상이나 혼합비를 결정했다 하더라도 동일한 결과를 얻기 위하여 형상의 비율이나 다른 변수들을 어떻게 다른 기관이나 기판군에 적용시킨 것인가 하는 것도 확실하지 않다.In addition, no matter how final the most appropriate shape or mixing ratio is determined for any organ or engine family, it is not clear how to apply the ratio of shapes or other variables to other organs or substrate groups to achieve the same results. not.

본 발명은 이와 같은 기관과 혼합기 제어시스템을 개량하여, 시행착오기법이나 반복계산을 최소한으로 줄이면서 여러가지 기관이나 기관군에도 적용시킬 수 있게 한 것이다.The present invention is improved by such an engine and mixer control system, and can be applied to various engines and groups of engines while minimizing trial and error methods and repetitive calculations.

연소파의 상호작용을 이용하여 NAHBE기관내의 연소를 개선시킨다는 개념은 실험에 의한 것이기 때문에, 종래의 기관설계는 압축행정이 시작되기전에 혼합기에 층(stratification)이 생기게 하거나(공기실이 있는 피스톤 근처는 희박하고 연소실의 반대쪽 끝은 농후하게) 최대 출력을 내면서 가능한한 기관이 경제적으로 운전(예를 들면 되도록 희박하게)되도록 공기연료혼합기를 조절하는 것과는 무관하였다.Since the concept of improving combustion in a NAHBE engine by the use of combustion wave interactions is experimental, conventional engine designs create stratification in the mixer before the compression stroke begins (near the piston with the air chamber). This was not related to adjusting the air fuel mixer to make the engine run as economically as possible (for example as sparse) as possible, with a lean and thick opposite end of the combustion chamber.

이론적 연구결과로는 NAHBE기관의 효율과 출력이 오토(Otto) 기관이나 디젤기관 보다 높아야 한다는 것을 시사하지만, 혼합기를 자동적으로 조절하기 위한 실제과정이 명확하지 않기 때문에 상용기관을 이렇게 개량하기 위한 최적화가 불가능하다. 실험용 NAHBE기관의 혼합기는 기관의 정상 상태(steady state) 작동조건을 충족시키도록 밸브로 조절된다.Theoretical research suggests that the efficiency and power of NAHBE engines should be higher than that of Otto engines or diesel engines. impossible. The mixer of the experimental NAHBE engine is valve-controlled to meet the steady state operating conditions of the engine.

내연기관에서의 연소과정은 탄화수소연료의 래디컬(radical)의 존재로 인해 극적인 영향을 받을 수 있으며, 특히 연소실에서의 압력과 온도의 결합된 효과로 연료와 공기의 혼합기를 자연적으로 점화하게 하는 자연점화영역(auto ignition zone) 근방에서 더욱 영향을 받을 수 있음이 최근 인식되었다.The combustion process in an internal combustion engine can be dramatically affected by the radical presence of hydrocarbon fuels, especially the natural ignition that causes the fuel and air mixture to ignite naturally due to the combined effect of pressure and temperature in the combustion chamber. It has recently been recognized that it may be more affected in the vicinity of the auto ignition zone.

혼합기에서의 연료래디컬의 백분률은 1982년 3월 2일 특허원 특허 제 4 317 432 호에 예로 설명된 바와 같이 낮은 압력과 특히 낮은 온도를 갖는 영역쪽으로 자연점화 영역을 진행시키는 경향을 갖는다.The percentage of fuel radicals in the mixer tends to advance the natural ignition zone towards regions with low pressure and particularly low temperatures, as described for example in patent application No. 4 317 432 of March 2, 1982.

[발명의 간단한 설명]Brief description of the invention

본 발명은 내연기관의 연소실안에 공급되는 혼합기에 연소전 및 연소 후 연료래디컬의 가열된 혼합물을 공급하고, 저압축비의 압축점화기관의 경우에 있어서, 피스톤의 작동단부의 온도를 제어하며 또는 공기대연료비를 제어하여 래디컬 촉진 자연점화 영역의 혼합기의 점화점을 제어하는 개념에 기초를 두고 있다.The present invention supplies a heated mixture of pre-combustion and post-combustion fuel radicals to a mixer supplied in a combustion chamber of an internal combustion engine, and in the case of a low compression ratio compression ignition engine, controlling the temperature of the operating end of the piston or It is based on the concept of controlling the fuel ratio to control the ignition point of the mixer in the radically accelerated natural ignition zone.

피스톤의 작동단부는 NAHBE개념과 관련하여 종래기술에 개시된 일반형식의 공기실을 구비하여, 피스톤은 캡아래에 위치하는 공기실을 갖는 캡형태로서, 바람직하게는 상부 피스톤링 바로위의 소경부를 갖는 캡의 둘레에지 아래의 환상의 실을 그 작동단부에 가진다. 이런 배치는 피스톤링 홈과 다른 틈새영역의 가스를 제거함으로써 연소전 탄화수소 래디칼을 생성, 보호 및 보존할 뿐만 아니라 선행행정에서 발생한 연소후 래디칼을 보존하는 독특한 방식을 제공한다.The operating end of the piston has a general type air chamber disclosed in the prior art in connection with the NAHBE concept, whereby the piston is in the form of a cap having an air chamber located under the cap, preferably having a small diameter just above the upper piston ring. An annular thread beneath the circumference of the cap has its working end. This arrangement provides a unique way of generating, protecting and conserving pre-combustion hydrocarbon radicals as well as preserving post-combustion radicals from previous strokes by removing gas from the piston ring grooves and other gap areas.

연소전 래디컬은 피스톤 상부의 작동실내의 직접 연소의 효과로부터 보호된다. 반면 선행하는 행정에서 발생한 연소후 래디컬은 이어지는 흡기혼합기에 공급(seeding)하기 위하여 공기실안에서 소정온도로 유지된다.The pre-combustion radicals are protected from the effects of direct combustion in the operating chamber above the piston. On the other hand, the post-combustion radicals that occur in the preceding stroke are kept at a predetermined temperature in the air chamber for seeding to the subsequent intake mixer.

이러한 내연기관안의 래디컬 조절방법은 래디컬을 사용하는 연소과정에 대하여 정밀한 제어를 가능하게 하여 혼합기의 점화는 소정의 압축비를 갖는 특정한 기관내의 특정한 혼합기에 대하여 래디컬에 의해 촉진된 자연점화에 매우 가깝게 실행될 수 있다. 본 발명에 따르면, 혼합기의 점화는 그 온도를 조절하여 정밀하게 제어할 수 있어서, 주어진 연료의 점화는 동일한 연료를 사용하는 동일한 기관에 대하여 자연점화 또는 스파크 점화에 의하여 선택적으로 개시될 수 있다.This method of regulating radicals in an internal combustion engine allows precise control of the combustion process using radicals so that the ignition of the mixer can be carried out very close to the natural ignition promoted by the radical for a particular mixer in a particular engine with a given compression ratio. have. According to the invention, the ignition of the mixer can be precisely controlled by adjusting its temperature, so that the ignition of a given fuel can be selectively initiated by natural ignition or spark ignition for the same engine using the same fuel.

자연점화는 5 내지 9 : 1의 낮은 압축비에서 실행될 수 있고, 압축된 혼합기의 온도에 대한 임계제어는 래디컬 촉진 자연점화점의 어느 한쪽으로 압축혼합기 온도를 조정하는 범위내로 공기대 연료의 비를 정밀하게 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 5 내지 9 : 1의 낮은 압축비에서 자연점화 모드로 정상적으로 작동되도록된 기관의 경우에 있어서, 피스톤의 작동단 온도, 특히 공기실 위의 캡 영역에서의 온도는 기관의 어느 특정 압축비에서의 어느 특정의 연료에 대하여 임계값을 갖는다. 캡과 피스톤 조립체의 열전달 특성을 변화시킬 수 있는 캡의 구조나 서로 다른 열전달계수를 갖는 캡 재료는 피스톤 작동면과 피스톤면 바로 아래의 공기실의 온도효과에 기인하여 래디컬이 공급된 혼합기의 자연점화점에 영향을 끼친다.Spontaneous ignition can be performed at low compression ratios of 5 to 9: 1, and critical control of the temperature of the compressed mixer provides precise control of the air-to-fuel ratio within the range of adjusting the compressor temperature to either of the radical-promoting natural ignition points. Control can be controlled. For example, for engines intended to operate normally in spontaneous ignition mode at low compression ratios of 5 to 9: 1, the operating end temperature of the piston, in particular the temperature in the cap region above the air chamber, is at any particular compression ratio of the engine. Has a threshold for any particular fuel. Cap materials with different heat transfer coefficients or cap structures that can change the heat transfer characteristics of the cap and piston assembly may cause spontaneous ignition of the mixer supplied with radicals due to the temperature effects of the piston operating surface and the air chamber directly below the piston surface. Affects the point.

래디컬 촉진 자연점화의 적당한 타이밍(timing)은 특정한 재료로 캡을 제작하거나 피스톤 몸체에 캡을 부착하여, 또는 이들을 병용하여, 특정의 연료를 사용하고 주어진 압축비를 갖는 주어진 기관에 대하여 그 기관의 최대 효율을 얻을 수 있다.Proper timing of radically accelerated natural ignition is achieved by maximizing the efficiency of a given engine for a given engine using a specific fuel and having a given compression ratio, either by making a cap from a specific material or by attaching a cap to the piston body, or in combination. Can be obtained.

[발명의 바람직한 실시예의 설명]DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION

도면, 특히 제 1,2,3 도를 참조하여 본 발명이 피스톤(14)이 흡입, 압축, 연소/팽창, 배기 행정의 작동사이클에 걸쳐 실린더(12)내에서 왕복하는 내연기관(10)을 개량시킨 것이라는데 대하여 설명한다.With reference to the drawings, and in particular to FIGS. 1,2 and 3, the present invention relates to an internal combustion engine 10 in which a piston 14 reciprocates in a cylinder 12 over an operating cycle of suction, compression, combustion / expansion and exhaust stroke. Explain that it is an improvement.

이 기관은 내연기관 분야에서 잘 알려진 바와 같이 자연적으로 흡입되든지, 과급되는지, 기화기를 이용하든지, 연료가 분사되는지, 또는 이들의 조합에 의한 것이든 상관없으며 혼합기는 보통 적절한 탄화수소 연료와 공기의 혼합물로서 공급된다.The engine may be naturally inhaled, supercharged, using a carburetor, fuel injected, or a combination thereof, as is well known in the field of internal combustion engines, and the mixer is usually a suitable mixture of hydrocarbon fuel and air. Supplied.

본 발명의 바람직한 실시예는 왕복피스톤 기관에 대하여 설명하고 있으나 명세서와 청구범위에 기재된 본 발명의 개념은 회전식 피스톤 기관에도 바로 적용될 수 있다.Although the preferred embodiment of the present invention describes a reciprocating piston engine, the inventive concept described in the specification and claims can also be applied directly to a rotary piston engine.

제 1 도 및 제 2 도에 도시된 바와 같이, 실린더(12)내에 들어있는 본 발명에 의한 피스톤(14)이 왕복운동함에 따라 체적이 변하는 작동실(16)이 피스톤의 상면과 실린더의 막힌 끝사이에 형성된다.As shown in Figs. 1 and 2, an operating chamber 16 whose volume changes as the piston 14 according to the present invention contained in the cylinder 12 reciprocates has an upper end of the piston and a closed end of the cylinder. It is formed between.

피스톤(14)에는 통상의 스커어트(20), 피스톤 링홈(22), 피스톤 링(24)과 피스톤과 기관(10)의 크랭크축(30)을 연결하는 커넥팅 로드(28)와 피스톤의 연결부에 있는 피스톤 핀 베어링(26)이 설치되어 있다. 피스톤(14)은 실린더(12)내에 여유(clearance, C1)를 두고(제 2 도) 꼭맞게 되어 있으며 기관이 작동할 때 잘 알려진 원리에 따라 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이를 왕복운동한다.The piston 14 is connected to a connecting rod 28 and a piston connecting a conventional skirt 20, a piston ring groove 22, a piston ring 24, and a crankshaft 30 of the piston and the engine 10. Piston pin bearing 26 is provided. The piston 14 is fitted with a clearance (C 1 ) in the cylinder 12 (FIG. 2) and fits between the top dead center (TDC) and the bottom dead center (BDC) according to well-known principles when the engine is operating. Reciprocate.

본 발명에 의한 피스톤은 스커어트(20)의 직경보다 직경이 작은 캡(32)으로 이루어지는 작동단부를 포함하며, 이 캡(32)은 보통 스커어트(20)의 직경(D)에 비해서 작은 직경(d)인 대칭체로 이루어진다(제 1 도). 반경을 비교해도 캡(32)의 반경(r)이 스커어트(20)의 반경(R) 보다 작음을 알 수 있다.The piston according to the invention comprises an actuating end consisting of a cap 32 which is smaller in diameter than the diameter of the skirt 20, which is usually smaller in diameter than the diameter D of the skirt 20. (d) consisting of a symmetric body (FIG. 1). Even when comparing the radius, it can be seen that the radius r of the cap 32 is smaller than the radius R of the skirt 20.

제 2 도에 도시된 것처럼 피스톤(14)이 실린더(12)내에 설치되었을 때 간극(g)의 폭은 R+C1과 r의 차이임을 잘 알 수 있다.As shown in FIG. 2, it can be seen that the width of the gap g is the difference between R + C 1 and r when the piston 14 is installed in the cylinder 12.

제 1 도에 도시된 것처럼 실린더와 관계없이 피스톤만 살펴보면 간극(g)은 스커어트(20)와 캡(32)에 걸쳐있는 가상원통면(34)과 r사이의 폭임을 알 수 있는데 원통면(34)의 직경은 실린더(12)의 내경(B)과 동일하다(여유(CL)를 무시하면 피스톤 스커어트(20)의 직경(D)와 동일하다).As shown in FIG. 1, when looking at the piston independently of the cylinder, the gap g is the width between the virtual cylindrical surface 34 and r that spans the skirt 20 and the cap 32. The diameter of 34 is the same as the inner diameter B of the cylinder 12 (ignoring the margin C L , the diameter is the same as the diameter D of the piston skirt 20).

그러므로 가상원통면(34)은 피스톤(14)이 수납되는 실린더(12)의 연장면, 또는 여유(CL)를 무시할 경우에는 스커어트(20)를 상부로 연장한 곡면으로 간주할 수 있다.Therefore, the virtual cylindrical surface 34 may be regarded as an extended surface of the cylinder 12 in which the piston 14 is accommodated, or a curved surface extending upward of the skirt 20 when the clearance C L is ignored.

본 명세서에서는 발명의 설명이 복잡해지는 것을 피하기 위하여 여러 수학적 관계식과 기하학적 형상에서 피스톤과 실린더 사이의 여유(CL)를 무시하였다. 이같은 형식의 계산에 익숙한 사람은 여유(CL)의 수치가 필요한 경우 언제든지 이를 고려할 수 있을 것이다.In this specification, the clearance C L between the piston and the cylinder is ignored in various mathematical relations and geometries in order to avoid complicated description. If you are familiar with this type of calculation, you can always consider it if you need a numerical value of margin (C L ).

제 5,6,7 도에 도시된 바와 같이 캡(32)은 여러가지 다른 형태를 가질 수 있다.As shown in FIGS. 5, 6, and 7 the cap 32 can take many different forms.

제 5 도에서는 캡주위에 균일한 간극이 피스톤과 동심으로 형성되어 있고, 제 6 도에서는 캡주위에 일정하게 변하는 간극이 피스톤과 편심적으로 대칭되게 형성되어 있으며, 본 발명의 기하학적 요구조건만 충족시키면 다른 형태도 가능하다.In FIG. 5, a uniform gap around the cap is formed concentrically with the piston. In FIG. 6, a gap constantly changing around the cap is formed symmetrically with the piston, meeting only the geometric requirements of the present invention. Other forms are possible.

예를 들면 제 7 도에서는 캡이 간극(g)을 두 구역으로 나누고 있으며 이 간극은 피스톤 또는 실린더의 둘레주위에 원주길이를 따라 폭이 변하게 되어 있다.For example, in Figure 7, the cap divides the gap g into two zones, the width of which varies along the circumferential length around the circumference of the piston or cylinder.

본 발명의 원리를 다양한 엔진형태 또는 기관의 여러 운전조건에 맞도록 하기 위해서 캡과 간극의 형태로 여러가지로 변화시킬 수 있다. 그러나 이하 상세히 설명된 본 발명의 피스톤(캡 포함)과 연소실은 치수와 여러변수에 관련된 수학적 관계를 만족시켜야 한다.The principles of the invention can be variously modified in the form of caps and gaps to suit various operating conditions of various engine configurations or engines. However, the piston (including cap) and combustion chamber of the present invention described in detail below must satisfy the mathematical relationship related to dimensions and various parameters.

종래의 NAHBE형 피스톤의 특징과 마찬가지로 피스톤(14)에는 캡(32)의 아래쪽과 피스톤 스커어트(20)의 상부 피스톤링 홈(22)의 위쪽 사이에 소경부(36)가 형성되어 있다. 이 소경부(36)는 캡(32)의 아래쪽과 피스톤 링(24)의 위쪽 사이에 공기실(38)을 형성한다. 이 공기실(38)은 오직 간극(g)을 통하여 작동실(16)과 교류된다. 그러므로 공기실(38)은 반경방향 최내측 한계가 소경부(36)에 의하여, 최외측 한계가 실린더(12) 또는 가상원통면(34)에 의하여, 반경방향 상하부 경사면(40, 42), 간극의 길이(L), 상부 피스톤링 틈새의 길이(LR)에 의하여 완전히 한정된다.As in the conventional NAHBE type piston, the small diameter portion 36 is formed in the piston 14 between the lower portion of the cap 32 and the upper portion of the upper piston ring groove 22 of the piston skirt 20. This small diameter portion 36 forms an air chamber 38 between the lower side of the cap 32 and the upper side of the piston ring 24. This air chamber 38 is only in communication with the operating chamber 16 through the gap g. Therefore, the air chamber 38 has the radially innermost limit by the small diameter portion 36 and the outermost limit by the cylinder 12 or the virtual cylindrical surface 34, and the radially upper and lower inclined surfaces 40 and 42, the gap. Is fully defined by the length L, the length of the upper piston ring clearance L R.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 피스톤의 작동단부와 매우 인접한 상부 경사면(40)이 날카로운 에지(44)에서 캡(32)의 둘레와 교차되는데(제 2 도 참조), 그 이유는 공기실(38)로부터 작동실(16)로 흐르는 기체의 요구되는 동적 특성과 관련하여 이후에 기술할 것이다.In a preferred embodiment of the present invention, the upper inclined surface 40 very close to the operating end of the piston intersects the circumference of the cap 32 at the sharp edge 44 (see FIG. 2), because the air chamber 38 Will be described later with regard to the required dynamic properties of the gas flowing into the operating chamber (16).

캡(32)의 둘레에는 간극의 길이를 한정하는 길이(L)를 갖는 표면(46)이 있는데 바람직한 실시예에서 이 표면(46)은 경사진 사면(48)을 통하여 피스톤의 작동면과 교차한다. 간극의 길이(L)와 폭(g), 공기실(38)의 체적(VB), 경사면(40, 42)의 형상은 본 발명에 있어 매우 중요한 인자들이다.Around the cap 32 is a surface 46 having a length L defining the length of the gap, which in a preferred embodiment intersects the working surface of the piston via an inclined slope 48. . The length L and width g of the gap, the volume V B of the air chamber 38, and the shapes of the inclined surfaces 40 and 42 are very important factors in the present invention.

공기실(38)의 체적(VB)에는 간극의 체적(Vg)도 포함되어야 한다. 간극의 체적(Vg)은 간극의 면적(간극의 폭과 피스톤의 원주길이를 곱한 값(제 5,6,7 도 참조))과 길이(L)를 곱한 값인데, 길이(L)는 캡의 표면(46)의 길이로 측정한다. 이러한 길이와 체적은 일반적인 수학적 원리에 따라 결정되므로 더 설명할 필요는 없을 것이다.The volume V B of the air chamber 38 should also include the volume V g of the gap. The volume of the gap (V g ) is the product of the area of the gap (multiplied by the width of the gap and the circumferential length of the piston (see also 5, 6, 7)) and the length (L), the length (L) is the cap Measured by the length of the surface 46. These lengths and volumes are determined by general mathematical principles and need no further explanation.

또, 제 1 도에 도시된 바와 같이 공기실(38)의 체적(VB)에는 피스톤(14)과 실린더(12, 또는 가상원통면(34)) 사이의 최상부 피스톤링 홈(22)의 에지(edge) 근처까지 길이(L)에 걸친 큼새의 체적(VC)(제 2 도)도 포함되어야 하지만, 이 체적(VC)이 특히 중대한 영향을 미치는 경우를 제외하고는 본 발명의 설명에서 무시하기로 한다.In addition, as shown in FIG. 1, the volume V B of the air chamber 38 includes an edge of the uppermost piston ring groove 22 between the piston 14 and the cylinder 12 or the virtual cylindrical surface 34. The volume V C (FIG. 2) over the length L up to near the edge should also be included, but in the description of the present invention, except where this volume V C has a particularly significant effect I will ignore it.

제 2 도에서는 공기실(38)의 상하부 경사면(40, 42)은 매끈하게 되어 있으나, 제 8 도에 도시된 다른 실시예에서는 상부 경사면(40)만에라도 반경방향 및 축방향으로 돌출된 핀(52)을 갖게 할 수도 있다. 이 핀은 기관이 작동하는 동안 캡의 하면과 공기실(38)내를 순환하는 공기사이의 열전달을 도와준다.In FIG. 2, the upper and lower inclined surfaces 40 and 42 of the air chamber 38 are smooth. In another embodiment shown in FIG. 8, the fins protruding in the radial and axial directions even in the upper inclined surface 40 alone ( 52). This fin assists in heat transfer between the bottom of the cap and the air circulating in the air chamber 38 during engine operation.

피스톤(14)의 또다른 실시예가 제 9 도에 도시되어 있는데 여기서는 캡(32)이 분리된 부재(54)로서 적당한 체결구(56) 또는 브레이징(brazing)이나 용접에 의하여 피스톤 본체에 결합된다.Another embodiment of the piston 14 is shown in FIG. 9 where the cap 32 is coupled to the piston body by means of a suitable fastener 56 or brazing or welding as a separate member 54.

상하 경사면(40, 42)은 공기실(38)내에서 리디컬의 형성을 촉진하거나 화학반응의 조절을 돕도록 적절한 촉매재료(58)로 피복시킬 수도 있다.The upper and lower inclined surfaces 40 and 42 may be coated with a suitable catalyst material 58 to promote the formation of radicals in the air chamber 38 or to help regulate chemical reactions.

일반적으로 피스톤(14)과 유사한 피스톤을 이용하는 기관(10)의 압축비는, 작동실(16)의 체적과 공기실(38)의 체적의 합을 피스톤이 하사점(BDC)에 있을 때와 상사점(TDC)에 있을 때를 비교하면 간단히 구해진다.In general, the compression ratio of the engine 10 using a piston similar to the piston 14 is equal to the sum of the volume of the operating chamber 16 and the volume of the air chamber 38 when the piston is at the bottom dead center (BDC). Comparing when in TDC is simply obtained.

이 두 체적의 차이는 통상 작동실의 배제체적(clearance volume)라 일컬어진다. 편의상 공기실의 체적은 단순히 VB라 하고 Va에 대한 VB의 비를 "평형비"라하는데 이 용어는 열이 이론적 공기사이클(theoritical air cycle)에 평형상태로 가해진다고 간주되는 이론적 "열평형 사이클(Heat Balanced Cycle)"에서 유래된 것이다. 본 발명의 토대가 되는 이론적 열평형 사이클에 관한 추가 참고자료는 앞서 언급한 문헌을 비롯하여 여러 간행물을 손쉽게 구할 수 있다.The difference between these two volumes is commonly referred to as the clearance volume of the operating room. For convenience, the volume of the air chamber is simply V B and the ratio of V B to V a is called the "equilibrium ratio", which is the theoretical "heat" in which heat is considered to be in equilibrium with the theoretical air cycle. "Heat Balanced Cycle". Additional references on the theoretical thermal equilibrium cycles underlying the present invention are readily available, including the aforementioned references.

본 발명을 이용하는 전형적 기관 시스템은 연료흡입식 기관이 제 3 도에, 연료분사식 기관이 제 4 도에 개략적으로 도시되어 있다.A typical engine system utilizing the present invention is schematically illustrated in FIG. 3 for a fuel intake engine and in FIG. 4 for a fuel injection engine.

각 기관에는 제 1 도 및 제 2 도에 도시된 피스톤이 포함되며 피스톤과 플라이 휘일(60)이 장착된 출력축(30)을 연결시키는 적절한 하드웨어(hardware)도 포함된다.Each engine includes the pistons shown in FIGS. 1 and 2 and also includes suitable hardware to connect the piston and the output shaft 30 on which the flywheel 60 is mounted.

제 3 도에서 연료흡입식 기관에는 도르틀(throttle, 66)의 1차적 조절에 의하여 가연성 공기연료 혼합기가 기관의 흡입구(64)로 공급되는 혼합기 흡입 매니폴드(62)가 포함되어 있다.In FIG. 3, the fuel intake engine includes a mixer intake manifold 62 through which the combustible air fuel mixer is fed to the engine inlet 64 by primary adjustment of the throttle 66.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 연료는 흡입 매니폴드로 공급되는 1차공기(68)에 가해지고, 제 13 도를 참조하여 앞으로 설명하게 될 독립된 제어시스템을 갖춘 2차공기(70)도 공급된다.In a preferred embodiment of the present invention, fuel is applied to the primary air 68 which is supplied to the intake manifold, and also secondary air 70 having an independent control system which will be described later with reference to FIG. .

제 3 도에서는 1차 및 2차공기가 공통되는 매니폴드로 공급되는 것만 도시하였지만, 분리된 매니폴드뿐만 아니라 기관의 작동실에 1, 2차 공기를 분리시켜 공급 조절하는 다른 장치를 이용할 수도 있다.In FIG. 3, only the primary and secondary air are supplied to the common manifold, but not only a separate manifold but also another apparatus for separating and regulating the supply of primary and secondary air to the engine operation chamber may be used. .

어떤 경우이든지 1, 2차 공기(필요한 경우에는 연료도)는 혼합기가 작동실로 공급될 때 마다 먼저 공기만 또는 연료가 극미량 포함된 공기(연소가 지속되기 불충분한)가 작동실로 공급된 후, 1차공기와 함께 연료가 농후한 혼합기가 공급되도록 1, 2차 공기를 적절히 제어하여야 한다.In either case, primary and secondary air (and fuel, if necessary) are first supplied to the operating chamber each time the mixer is supplied to the operating chamber, either with only air or with a very small amount of fuel (not enough to sustain combustion). Proper control of primary and secondary air is to be provided to the fuel-rich mixer together with the secondary air.

그러므로 압축이 시작될 때에는 피스톤 근처에는 실질적으로 공기만 있고, 전 혼합기(전 혼합기는 흡입밸브가 닫혔을 때 작동실내에 있는 전체 공기와 연료로 이루어진다)의 연료 전부는 피스톤의 반대쪽 작동실내에 존재한다. 혼합기의 압축이 진행됨에 따라 연료가 소량 포함되어 있는 공기가 간극(g)을 통하여 피스톤 캡(32)의 아래쪽에 있는 공기실(38)로 이동하고, 작동실에 있는 나머지 혼합기와 함께 압축가열된다.Therefore, when compression starts, there is substantially air only near the piston, and all of the fuel of the premixer (the premixer consists of the entire air and fuel in the operating chamber when the intake valve is closed) is present in the operating chamber opposite the piston. As compression of the mixer proceeds, air containing a small amount of fuel moves through the gap g into the air chamber 38 below the piston cap 32 and is heated with compression with the remaining mixer in the operating chamber. .

공기실(38)의 형상, 특히 상하부 경사면(40, 42)의 형상으로 인하여 공기실(38)로 이동하는 공기는 캡(32)의 아래쪽에서 환상의 와류(annular vortex) 형태로 급격히 소용돌이쳐서 경사면(40, 42)과 열전달이 잘 이루어진다.Due to the shape of the air chamber 38, in particular the upper and lower inclined surfaces 40, 42, the air moving to the air chamber 38 rapidly swirls in the form of an annular vortex at the bottom of the cap 32. (40, 42) and heat transfer works well.

이동하는 공기와 피스톤 캡(특히 경사면(40))간의 열전달은 매우 중요한데 이는 통상의 피스톤을 이용한 오토 사이클이나 디젤 사이클과 비교할 때 본 발명에 의한 작동 사이클의 효율이 개선되는 근거가 된다고 생가되기 때문이다.Heat transfer between the moving air and the piston cap (especially the inclined surface 40) is very important because it is the basis for improving the efficiency of the operating cycle according to the present invention as compared to an auto cycle or diesel cycle using a conventional piston. .

본질적으로 선행하는 연소/팽창 행정에서 가열된 캡과 후속되는 압축행정에서 캡밑으로 이동하는 공기사이의 열전달로 인하여 축열효과(regenerative effect)가 생기므로 같은 양의 연료를 이용하는 종래의 오토사이클이나 디젤 사이클과 비교할 때 전체 연손실이 감소된다.Inherently a conventional autocycle or diesel cycle using the same amount of fuel as the heat transfer between the heated cap and the air moving under the cap in the subsequent compression stroke in the preceding combustion / expansion stroke is essentially the same. The overall annual loss is reduced when compared with

그러므로 공기실(38)로 이동하는 공기와 피스톤의 작동단부에 있는 캡(32) 사이의 열전달 및 소용돌이를 최적화시키기 위하여 필요하면 제 8 도 및 제 9 도에 도시된 것처럼 핀(fin) 이나 촉매 피복을 이용하기도 한다.Therefore, fin or catalyst coating as shown in FIGS. 8 and 9 as necessary to optimize heat transfer and vortex between the air traveling to the air chamber 38 and the cap 32 at the working end of the piston. Also used.

일반적으로 소량의 연료가 공기와 함께 공기실(38)로 이동하기 때문에 작동실(16)내에서 뿐만 아니라 공기실(38)내에서도 탄화수소 래디컬(hydrocarbon radical) 생성반응이 일어난다. 고온 고압하에서의 탄화수소 연료의 래디컬 생성반응은 잘 알려진 현상이며, 그 보기로는 미국 특허 제 4,317,432 호가 있다. 공기실(38)내에서의 래디컬생성 및 보존과 이 래디컬이 작동실(16)내의 주 반응에 미치는 작용은 제 12a 내지 제 12p 도를 참조하여 다음에 설명하기로 한다.In general, since a small amount of fuel moves with the air to the air chamber 38, hydrocarbon radical formation reactions occur not only in the operating chamber 16 but also in the air chamber 38. The radical production of hydrocarbon fuels under high temperature and high pressure is a well known phenomenon, for example U.S. Patent 4,317,432. Radical generation and preservation in the air chamber 38 and the effect of the radical on the main reaction in the operating chamber 16 will be described next with reference to FIGS. 12A-12P.

제 4 도의 기관(72)은 유사한 피스톤(14)을 사용하지만 제 3 도에 도시된 연료흡입시스템을 이용하는 대신 연료는 분사기(74)를 통하여 분사된다. 분사기(74)는 고압연료를 기관의 작동실내로 직접 분사하지만 압축행정의 초기에 작동실내에 혼합기의 축방향층(axial stratification)을 형성시킬 수 있으면 이 분사기 대신 어떠한 연료분사장치로 이용할 수 있다. 연료를 흡입구에 간접 분사시켜도 필요한 성층 제어(stratification control)를 할 수 있지만, 본 발명은 특정 연료분사시스템에 한정되는 것은 아니다.The engine 72 of FIG. 4 uses a similar piston 14 but instead of using the fuel intake system shown in FIG. 3 fuel is injected through the injector 74. The injector 74 injects the high pressure fuel directly into the engine's operating chamber, but may be used as any fuel injection device in place of the injector if it can form an axial stratification of the mixer in the operating chamber at the beginning of the compression stroke. Although indirect injection of fuel into the inlet can provide necessary stratification control, the present invention is not limited to a specific fuel injection system.

제 4 도에서 연료(F)는 드로틀(79')의 위치에 따라서 분사제어기(79)를 통하여 공급된다. 제 3 도 및 제 4 도의 실시예는 모두 작동실(16)로부터 연소생성물을 배출시키는 배기구(80)가 배기 매니폴드(82)에 연결되어 있다.In FIG. 4, fuel F is supplied through the injection controller 79 according to the position of the throttle 79 '. 3 and 4 are both connected to an exhaust manifold 82 with an exhaust port 80 for discharging combustion products from the operating chamber 16.

제 3 도에는 작동실(16)내에 연소반응을 일으키는 점화전(spark igniter)(84)이 도시되어 있는데, 이 점화전(84)에는 피스톤(14)의 운동에 따라 주기적으로 고에너지전류가 배전반(86)으로부터 공급되어 작동실(16)내에 스파크(spark)를 일으킨다.3 shows a spark igniter 84 which causes a combustion reaction in the operating chamber 16, in which a high energy current is periodically generated by the movement of the piston 14. ) To create a spark in the operating chamber (16).

제 4 도의 실시예에서는 압축이나 스파크에 의하여 점화된다.In the embodiment of Fig. 4, it is ignited by compression or spark.

본 발명에 따르면 연소실내의 혼합기가 점화되어 발생한 충격파(shock wave)의 에너지를 이용하여 공기실이 헬름홀쯔 공명기로 작용하도록 하는 것이다. 헬름홀쯔 공명기는 일반적으로 잘 알려져 있으며 여러 문헌에 상세히 기술되어 있다.According to the present invention, the air chamber acts as a Helmholtz resonator by using the energy of the shock wave generated by the ignition of the mixer in the combustion chamber. Helmholtz resonators are generally well known and described in detail in the literature.

내연기관의 연소실에 적용시킨 헬름홀쯔 공명기에 대한 고전적 논의는 1951년 10월 30일 에이.지이.보딘 2세(A.G.Bodine, Jr.)에게 허여된 미국특허 제 2,573,536 호에서 찾을 수 있으며 이 특허는 연소과정의 디토네이션파를 억제시키거나 없애는데 관한 것이다.The classic discussion of Helmholtz resonators applied to combustion chambers of internal combustion engines can be found in US Patent No. 2,573,536, issued to AGBodine, Jr. on October 30, 1951. It is about suppressing or eliminating detonation waves in the combustion process.

제 10 도는 상부에는 특정온도의 기체가 들어있는 챔버(chamber, 90)와 일정길이(LN)를 갖는 좁은 구멍(92)으로 이루어진 전형적인 헬름홀쯔 공명기가 도시되어 있는데, 구멍(92)의 반대편 끝은 오리피스의 형태로 되어 있다.10 shows a typical Helmholtz resonator composed of a chamber 90 containing a certain temperature gas and a narrow hole 92 having a length L N , the opposite end of the hole 92 being shown in FIG. Is in the form of an orifice.

구멍(92)속의 공기가 챔버(90)내의 기체의 고유 공명진동수에 해당하는 여기진동수(F, exciting frequency)로 여기되면 비교적 적은 에너지가 공급되더라도 챔버(90)내에 헬름홀쯔 공명진동수로 공명이 일어나 유지된다.When the air in the hole 92 is excited at an exciting frequency (F) corresponding to the inherent resonance frequency of the gas in the chamber 90, resonance occurs at the Helmholtz resonance frequency in the chamber 90 even if relatively little energy is supplied. maintain.

구멍(92)의 직경, 단면적, 길이(LN), 챔버(90)의 체적이 공명조건을 결정하는 변수들이다. 그러나 헬름홀쯔 공명이론은 챔버(90)의 실제모양이 변하더라도 매우 일반적인 것이다.The diameter, cross-sectional area, length L N , and volume of the chamber 90 are the variables that determine the resonance condition. However, Helmholtz resonance theory is very common even if the actual shape of the chamber 90 changes.

따라서 본 발명은 피스톤이 실린더내에 있을 때 제 1 도 및 제 2 도에 도시된 형상을 가진 공기실(38)이, 간극(g)을 통하여 작동실로부터 공급되는 주기적 압력파의 에너지에 따라 정확히 헬름홀쯔 공명기(90)처럼 작용한다는 가정에 기초를 두고 있다.Thus, the present invention provides an air chamber 38 having the shapes shown in FIGS. 1 and 2 when the piston is in the cylinder, according to the energy of the periodic pressure wave supplied from the operating chamber through the gap g. It is based on the assumption that it behaves like a Holtz resonator 90.

헬름홀쯔 공명기를 구성하는 요소들을 적절히 선정하면, 공기실(38)의 온도에 해당하는 온도에서, 공기실(38)의 헬름홀쯔 공명진동수에 따른 압력파 에너지가 가해질 때 제 10 도의 상부에 도시한 시스템과 동일한 공명조건이 공기실(38)에 생기게 된다. 고전적 헬름홀쯔 공명기와 피스톤(14)의 형상에 의하여 이루어지는 헬름홀쯔 공명기의 유사성이 제 10 도의 상하에 각각 도시되어 있다.When the elements constituting the Helmholtz resonator are properly selected, the pressure wave energy according to the Helmholtz resonance frequency of the air chamber 38 is applied at a temperature corresponding to the temperature of the air chamber 38, which is shown in the upper part of FIG. The same resonance conditions as the system are created in the air chamber 38. The similarity between the Helmholtz resonator made by the shape of the classical Helmholtz resonator and the piston 14 is shown above and below in FIG.

헬름홀쯔 공명기(90 또는 38)의 공명진동수를 계산할 때에는 구멍의 길이(LN)는 매우 중요하므로 구멍(92)의 입구단 및 출구단의 형상에 따라 적절한 무차원상수에 의하여 조절하여야 한다.When calculating the resonance frequency of the Helmholtz resonator 90 or 38, the length of the hole L N is very important and should be adjusted by an appropriate dimensionless constant according to the shape of the inlet end and the outlet end of the hole 92.

입구가 플랜지 형상을 하고 있으면 구멍의 유효길이가 바로 나오게 되지만 제 10 도의 아래쪽에 도시된 것과 같이 입구가 경사져 있으면 구멍의 유효길이가 달라진다. 실제로 제 10 도의 아래쪽에 도시된 것처럼 입구가 경사져 있을 때에는 헬름홀쯔 공명기에 해당하는 유효구멍길이를 얻기 위해서 0.6 내지 0.85사이의 값을 갖는 헬름홀쯔 수정계수를 실제 구멍길이에 곱해야 한다.If the inlet is in the shape of a flange, the effective length of the hole will immediately come out, but if the inlet is inclined, as shown at the bottom of FIG. 10, the effective length of the hole will vary. In fact, when the inlet is inclined as shown in the lower part of FIG. 10, the actual hole length is multiplied by the Helmholtz correction coefficient having a value between 0.6 and 0.85 to obtain an effective hole length corresponding to the Helmholtz resonator.

본 발명의 요점은 피스톤과 작동실의 효율과 성능을 최적화시키기 위하여 혼합기가 점화되어 연소될 때 연소실내의 온도에서 음속에 가까운 속도로 전파되는 주기적 충격파 및 팽창파와 실린더의 크기, 공기실의 체적, 간극의 폭, 길이 및 단면적, 연소온도 등의 특정관계를 찾아내는데 있다.The gist of the present invention is that the periodic shock wave and expansion wave propagated at a speed close to the speed of sound at the temperature in the combustion chamber and the size of the cylinder, the volume of the air chamber, when the mixer is ignited and combusted in order to optimize the efficiency and performance of the piston and operating chamber. It is to find specific relations such as gap width, length and cross-sectional area, combustion temperature.

또한, 본 발명을 형태가 다른 기관에 적용시키기 위하여 피스톤, 연소실, 간극, 공기실의 크기 및 형상간의 관계를 정확히 이해하여 이들을 설계하는 것이 중요하다.In addition, in order to apply the present invention to engines of different shapes, it is important to accurately understand the relationship between the sizes and shapes of the pistons, the combustion chambers, the gaps, and the air chambers, and to design them.

앞서 언급한 바와 같이 연소파의 상호작용에 따라 공기실을 이용하는 NANBE기관의 작동에 대해서는 많이 알려져 있지만 실제 기관을 "열평형" 이론 또는 "축열"이론에 의한 효율의 이론적 한계까지 접근시키는 것은 쉽지 않다.As mentioned earlier, the operation of NANBE engines using air chambers in response to combustion wave interactions is well known, but it is not easy to approach actual engines to the theoretical limits of efficiency based on the "thermal equilibrium" theory or the "heat storage" theory. .

본 발명은 보다 최근의 연구에 기초를 둔 것으로 헬름홀쯔 공명조건을 확실히 충족시키고 기관의 최상 성능이 발휘되도록, 주어진 실린더 직경, 압축비, 행정거리, 연료에 대하여 피스톤의 형상을 수학적으로 한정할 수 있다.The present invention is based on more recent research and can mathematically define the piston shape for a given cylinder diameter, compression ratio, stroke, and fuel to ensure that Helmholtz resonance conditions are met and that the engine's best performance is achieved. .

작동실(16)내의 혼합기가 점화될 때 작동실(16)내를 음속에 가까운 속도로 전파되는 주기적으로 진동하는 진동수(FA)의 충격파가 발생한다고 가정하면 공기실(16)은 연소/팽창 행정동안 헬름홀쯔공명기와 같이 진동수 FA와 공기실(16)의 고유진동수 FB간의 헬름홀쯔공명이 발생되는데, 실린더 내경, 공기실(38)의 체적(VB), 간극(g), 간극의 길이와 단면적은 다음 식에 나타낸 관계를 갖는다.When the mixer in the operating chamber 16 is ignited, assuming that a shock wave of periodically oscillating frequency F A propagates in the operating chamber 16 at a speed close to the speed of sound, the air chamber 16 is burned / expanded. Helmholtz resonance occurs between the frequency F A and the natural frequency F B of the air chamber 16, like the Helmholtz resonator during the stroke.The cylinder bore, volume V B , gap G, and clearance of the air chamber 38 The length and the cross-sectional area of have relation shown in the following equation.

Figure kpo00001
Figure kpo00001

여기서 모든 단위는 미터법에 따르며 VB는 공기실(38)의 체적, S는 간극(g)의 단면적, C는 작동실내의 압축 혼합기가 거의 자연점화되는 온도에서의 공기실의 음속(cm/sec), L은 간극의 길이, K는 간극(g)의 단부형상에 따라 간극의 유효길이를 결정하기 위한 0.6 내지 0.85 사이의 값을 갖는 헬름홀쯔 무차원 수정계수, FB는 K/B Hz로 K는 43,000 내지 51,000 사이의 값, B는 실린더 내경(또는 틈새를 무시할 경우에는 피스톤 직경), g는 0.01072B+0.1143(단 오차범위는 +0.050cm, -0.025cm)이다.Where all units are metric, V B is the volume of the air chamber 38, S is the cross-sectional area of the gap g, and C is the sound velocity of the air chamber at the temperature at which the compression mixer in the operating chamber is almost naturally ignited (cm / sec). ), L is the length of the gap, K is the Helmholtz dimensionless crystal coefficient with a value between 0.6 and 0.85 to determine the effective length of the gap, depending on the end shape of the gap g, F B is K / B Hz K is a value between 43,000 and 51,000, B is the inner diameter of the cylinder (or the piston diameter if neglected clearance), and g is 0.01072B + 0.1143 (with an error range of +0.050 cm and -0.025 cm).

간극(g)이 피스톤의 둘레를 따라 일정하지 않는 경우에는, 단면적이 S인 일정한 간극(g)인 것을 가정한다. 간극(g)은 모양에 상관없이 위의 조건을 충족시켜야 한다. 간극이 대칭이 아닐 경우에는, 그 간극의 최대 폭이 기관동작 사이클의 최소한 일부에서 공기실과 작동실 사이에 초우크(임계 압력비)가 생기는 크기 이상으로 되어서는 안되며, 간극의 단면적과 체적은 작동실내의 여기진동수(FA)에 따른 헬름홀쯔 공명기의 요구조건을 충족시켜야 한다.If the gap g is not constant along the circumference of the piston, it is assumed to be a constant gap g having a cross-sectional area S. The gap (g) must satisfy the above conditions regardless of shape. If the gap is not symmetrical, the maximum width of the gap should not be larger than the size of the choke (critical pressure ratio) between the air chamber and the operating chamber at least in part of the engine operating cycle, and the cross-sectional area and volume of the gap are within the operating chamber. The requirements of the Helmholtz resonator in accordance with the excitation frequency of F A must be met.

특히 간극(g)의 길이(L)는 작동실과 공기실 사이에 화염전파가 되지 않도록 정해야 한다(공기실내에 가연혼합기의 포켓(pocket)이 있다고 가정하거나, 연소실내를 이동하는 화염면(flame front) 보다 먼저 연료가 공기실내로 들어간다고 가정한다).In particular, the length L of the gap g should be determined so that there is no flame propagation between the operating chamber and the air chamber (assuming that there is a pocket of the combustible mixer in the air chamber, or that the flame front moves through the combustion chamber). First assume that fuel enters the air chamber).

L은 종래의 화염전파 방지이론에 따라 계산되는데 L은 다음 식에 의한 연소실내의 압력과 연소시의 절대온도와 관련된다.L is calculated according to the conventional flame propagation prevention theory. L is related to the pressure in the combustion chamber and the absolute temperature at the combustion by the following equation.

Figure kpo00002
Figure kpo00002

여기서 K는 상수, TA는 작동실내의 연료 연소온도, PA는 작동실의 압력이다.Where K is a constant, T A is the fuel combustion temperature in the operating chamber, and P A is the operating chamber pressure.

또한 VB에 관한 앞의 식에서 공기실과 간극의 최대치수는 어떤 방향으로 든지, 기관작동 사이클의 연소/팽창 행정동안의 공기실의 온도에서 공기실(38) 공명진동수의 1/4 파장보다 짧다고 가정한다.It is also assumed in the previous equation for V B that the maximum dimension of the air chamber and the gap is shorter than 1/4 wavelength of the air chamber 38 resonance frequency in any direction, at the temperature of the air chamber during the combustion / expansion stroke of the engine operating cycle. do.

FA와 공기실의 공명조건사이에 적당한 넓은 진동수 응답(frequency response)을 얻을 필요가 있다. 이 응답은, "Q"로 일컬어지며, 앞의 주어진 VA에 대한 식을 충족시키는 치수를 조절하는데 다음식이 이용된다.It is necessary to obtain a suitable wide frequency response between F A and the resonance conditions of the air chamber. This response is referred to as "Q" and the following equation is used to adjust the dimension that satisfies the equation for the given V A.

Figure kpo00003
Figure kpo00003

L, g 및 S가 치수가 VB및 Q에 대한 식을 모두 충족시키면 본 발명에 의한 적절한 치수사이의 관계가 결정되고, 기관의 연료, 압축비, 실린더 직경에 대한 적절한 평형비, 간극의 형상, 공기실의 체적이 정해진다.If L, g and S satisfy both equations for V B and Q, the relationship between the appropriate dimensions according to the present invention is determined and the engine's fuel, compression ratio, appropriate equilibrium ratio for cylinder diameter, shape of gap, The volume of the air chamber is determined.

본 발명의 다른 특징은 위에서 설명한 대로 변수들을 적절히 조화시키면서, 작동 사이클중 팽창행정의 후반부에서 피스톤 작동면의 상부의 연소실에 기주공명이 발생하여 작동실내의 연소영역에 난류혼합(turbulent mixing)이 이루어지도록 하는 것이다. 한쪽 끝이 막힌 관의 기주공명은 잘 알려져 있으며 기본 공명진동수는 관의 길이와 관내의 기체온도에 따른 음속에만 연관된다.Another feature of the present invention is that, while properly adjusting the parameters as described above, host resonance occurs in the combustion chamber at the top of the piston operating surface in the latter part of the expansion stroke during the operation cycle, resulting in turbulent mixing in the combustion zone of the operating chamber. To lose. The host resonance of a tube with one end blocked is well known and the fundamental resonance frequency is only related to the speed of sound depending on the length of the tube and the gas temperature in the tube.

본 발명에 의하면 피스톤이 하사점에 접근할 때 대략 진동수가 FB인 공기실내의 공명 가스에 의하여 피스톤 상부의 작동실에 기본기주공명 또는 고조파공명이 발생한다. 이론적으로는 팽창행정중 피스톤의 여러위치에서 작동실내에 기주공명이 발생될 수 있으나 최소한 짧은 시간동안이라도 기본기주공명 또는 고조파 공명이 발생한다(최초의 연소 온도보다 온도가 낮기 때문에 고유진동수 FA와는 진동수가 약간 다르다).According to the present invention, when the piston approaches the bottom dead center, the fundamental gas resonance or harmonic resonance is generated in the operating chamber above the piston by the resonance gas in the air chamber having approximately the frequency F B. In theory, it can be hosts 0 people occurred in the operating room in a different position of the piston during the expansion stroke, but to even the basics jugong person or harmonic 0 people occur for at least a short time (because of the temperature than the initial combustion temperature low natural frequency F A than Slightly different frequency).

제 11 도에는 피스톤이 하사점에 접근할 때의 기주공명의 원리가 도시되어 있다. 공기실(38)은 FB진동수나 이에 가까운 값으로 공명하고, 이에 따라 작동실(16)도 웨이브라인(wave line, 94)으로 대략 나타낸 바와 같이 온도 TA와 길이 LW인 기본기주공명 진동수로 공명한다.FIG. 11 shows the principle of host resonance when the piston approaches bottom dead center. The air chamber 38 resonates at or close to the F B frequency, so that the operating chamber 16 also has a fundamental host resonance frequency of temperature T A and length L W as roughly represented by the wave line 94. Resonates with.

각 사이클의 압축행정의 후반부에서 캡(32)과 공기실(38)의 공기사이의 열전달은 매우 중요하다. 선행 사이클에서 캡(32)에 저장된 열은 사이클의 전체효율에 크게 영향을 미치기 때문에 캡의 온도는 매우 중요하다. 캡의 재료를 적절히 선정하여 피스톤 본체에 연결시켜 엔진작동중 원하는 캡온도가 유지되도록 한다.In the latter part of the compression stroke of each cycle, heat transfer between the cap 32 and the air in the air chamber 38 is very important. The temperature of the cap is very important because the heat stored in the cap 32 in the preceding cycle greatly affects the overall efficiency of the cycle. Select the material of the cap properly and connect it to the piston body to maintain the desired cap temperature during engine operation.

본 발명에 의한 시스템의 만족스러운 작동에 중요한 요인이 되는 헬름홀쯔공명이 일어나도록 FB와 FA에 조화되도록 공기실(38)의 온도가 연료의 점화에 따른 압력에 대하여 조절되어야 한다.The temperature of the air chamber 38 must be adjusted with respect to the pressure upon ignition of the fuel so as to match F B and F A so that Helmholtz resonance occurs, which is an important factor in the satisfactory operation of the system according to the invention.

특히 스파크 점화기관에 있어서는, 기관의 모든 작동조건에 대하여 노크(knock)가 방지되도록, 공기실(38)의 온도가 작동실(16)의 최대 압력하에서 디토네이션(detonation) 온도 또는 노크온도 이하로 유지되도록 하는 것이 중요하다.Especially in spark ignition engines, the temperature of the air chamber 38 is below the detonation temperature or the knock temperature below the maximum pressure of the operating chamber 16 so that knock is prevented for all operating conditions of the engine. It is important to keep it.

또 제 12a 도 내지 12p 도를 참조하여 앞으로 상세히 설명할 것이지만 공기실(38)내에서 래디컬이 생성되고 공기실(38)내로 이동해 들어오거나 이미 존재하는 래디컬이 보존될 수 있도록 연소 촉진의 관점에서 바람직하지 않은 화합물로 반응하지 않을 정도로 공기실(38)의 온도를 낮게 조절하여야 한다.12A to 12P, the following description will be made in detail, but it is preferable in view of the promotion of combustion so that radicals can be generated in the air chamber 38 and moved into the air chamber 38, or existing radicals can be preserved. The temperature of the air chamber 38 should be adjusted to a low level so as not to react with the uncompounded compound.

본 발명은 특정기관에 대하여 앞서 설명한 식에 따른 적절한 피스톤과 작동실의 형태뿐만 아니라 이 피스톤 및 작동실을 채택한 기관에 공급되는 혼합기의 공기연료비를 조절하는 시스템도 고려한 것이다. 또 스파크 점화기관인 경우에는 공기연료비와 함께 점화시기도 조절한다.The present invention contemplates a system for adjusting the air fuel ratio of the mixer supplied to the engine employing the piston and the operating chamber, as well as the appropriate piston and operating chamber type according to the formula described above for the particular engine. In the case of spark ignition engines, the timing of ignition is also adjusted along with the air fuel cost.

특정기관에 대하여 공기연료비, 점화시기, 지시마력(Indicated horse power), 지시 비연료 소모율, 엔진속도, 부하, 연료 유량, 배기가스(특히 미연소 탄화수소와 일산화탄소) 사이의 관계를 결정하기 위하여 먼저 적절한 시험장치(도시되지 않음)를 써서 기관(10 또는 72, 제 3 도 또는 제 4 도)을 완전히 매핑(mapping)시킨다.For a particular engine, first determine the relationship between air fuel cost, ignition timing, indicated horse power, indicated non fuel consumption rate, engine speed, load, fuel flow rate, and emissions (especially unburned hydrocarbons and carbon monoxide). A test device (not shown) is used to completely map the organ (10 or 72, 3rd or 4th degree).

제 13 도와 같이, 기관의 매핑과정에서 전 작동범위에 걸쳐 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(UHC), 지시비연료소모율(ISFC), 지시마력(IHP)이 어떻게 공기연료비와 관련되는가를 나타내는 일군의 곡선이 얻어진다.As shown in Figure 13, a group of engines that represent how carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbon (UHC), directed fuel consumption (ISFC), and directed horsepower (IHP) are related to air fuel costs over the entire operating range. A curve is obtained.

앞서 설명한 식에 의한 피스톤과 작동실을 채택한 모든 기관에 대한 실험결과는 공기연료비가 16 : 1일 때 최대 출력을 내고 공기연료비가 20 : 1일 때 가장 경제적이라는 것을 알려주고 있다.Experimental results for all engines employing pistons and operating chambers according to the above equations indicate that the maximum output is achieved when the air fuel ratio is 16: 1 and the most economical when the air fuel ratio is 20: 1.

그러므로 본 발명의 피스톤과 연소실을 채택한 기관에 사용될 연료 및 공기공급시스템은 최초에는 공기연료비를 최대출력에 대한 16 : 1로부터 최대 경제성에 대한 20 : 1까지 조절할 수 있도록 하면 된다.Therefore, the fuel and air supply system to be used in the engine employing the piston and the combustion chamber of the present invention may initially be able to adjust the air fuel ratio from 16: 1 for maximum power to 20: 1 for maximum economy.

그러나 다른 조건하에서도 기관의 최대효율을 얻기 위하여 공기연료비를 제어해야 하는 문제는 계속 남는다.However, under other conditions, there remains a problem of controlling the air fuel cost to obtain the engine's maximum efficiency.

본 발명은 최대효율을 얻기 위하여 기관의 여러 운전속도에서, 공기연료비에 대한 CO, UHC, ISFC, IHP와 관련된 최근에 연구개발된 곡선을 이용한 것을 고려하였다. 이 곡선은 RQI(운전효율지표) 곡선으로 일컬어지는데 다음 식에 따라 수학적으로 계산된다.The present invention considers the use of recently researched and developed curves relating to CO, UHC, ISFC, and IHP for air fuel ratios at various engine speeds to achieve maximum efficiency. This curve is called the RQI (operation efficiency index) curve and is calculated mathematically according to the following equation.

Figure kpo00004
Figure kpo00004

이는 제 13 도에 도시되어 있으며 종축의 눈금은 도면의 오른쪽에 있다.This is shown in FIG. 13 and the scale of the longitudinal axis is to the right of the figure.

연소실에 공급되는 혼합기의 구성과 배기가스로 배출되는 물질사이의 관계를 나타내는 RQI 곡선은 기판의 최적운전을 위한 최적 공기연료비를 지시하는 최대치에 급격히 도달하는 곡선(106)이 된다.The RQI curve representing the relationship between the composition of the mixer supplied to the combustion chamber and the material discharged into the exhaust gas is a curve 106 that rapidly reaches a maximum indicating an optimal air fuel ratio for optimal operation of the substrate.

어떤 속도와 부하인 경우에도 기관은 최대 RQI일때 최대 실제효율로 작동하는데, 이 최대 실제효율이 동일조건에서의 최대이론 효율과 일치할 필요는 없다.At any speed and load, the engine operates at its maximum real efficiency at its maximum RQI, which does not have to match the maximum theoretical efficiency under the same conditions.

최대 RQI 곡선은 기관의 실제 작동시 혼합기의 공기연료비와 적절한 점화시기를 설정하는 표적을 찾기 위한 것이다. 그러므로 기관의 모든 운전조건에서 최대 RQI가 실현되도록 혼합기의 구성이 조절되도록 공기연료비와 점화시기(스파크 점화일 경우)를 조절하는 적절한 제어장치가 필요하다.The maximum RQI curve is to find a target that sets the air fuel ratio of the mixer and the proper ignition timing during actual engine operation. Therefore, appropriate controls are needed to adjust the air fuel ratio and ignition timing (in case of spark ignition) so that the mixer configuration is adjusted to achieve maximum RQI under all engine operating conditions.

앞서 언급한 기관의 매핑과정에서 실험에 의한 기관의 각 회전수(RPM)에 대한 최대 RQI가 나오는 최적공기연료혼합비와 점화시기가 결정된다.In the engine mapping process described above, the optimum air fuel mixture ratio and the ignition timing that yields the maximum RQI for each engine revolution (RPM) by the experiment are determined.

또, 본 발명에 의하면, 예를들어 제 3 도의 연료흡입식 기관(10)의 흡입매니폴드(62)로 공급되는 1차 혼합기의 공기연료비는 가장 경제적인 공기연료비가 최대 출력시의 공기 연료비의 약 2배정도 되도록 조절되고 2차 공기에 의하여 전체 공기연료비가 조절되도록 한다.Further, according to the present invention, for example, the air fuel ratio of the primary mixer supplied to the intake manifold 62 of the fuel intake engine 10 of FIG. 3 is the most economical air fuel ratio of about the air fuel ratio at the maximum output. It is adjusted to about 2 times and the total air fuel ratio is controlled by the secondary air.

엔진흡입구로 궁급되는 2차 공기(제 3 도의 70)는 기관이 여러가지 부하 및 속도조건에서 최적 RQI로 작동되도록 제어기구에 의하여 연속적으로 조절된다.Secondary air to the engine inlet (70 in FIG. 3) is continuously controlled by the control mechanism to allow the engine to operate at optimum RQI under various load and speed conditions.

본 발명에 의하면 기관의 최대 RQI에 해당되는 희박한계(lean limit)를 찾아내는 "희박한계 제어시스템", 예를들면 어빈(Irvin)과 마이클 레시너(Michael Leshner)에게 허여된 미국특허 제 4,368,707 호에 기재된 것과 같은 시스템을 이용하여 2차 공기를 제어한다. 물론 이 특허된 시스템은 본질적으로 RQI를 고려하지 않고 기관이 점화되지 않는 (misfire) 최저 희박한계를 찾기 위한 것이다.According to the present invention, a "lean limit control system" for finding a lean limit corresponding to an institution's maximum RQI, for example, in U.S. Patent No. 4,368,707 to Irvin and Michael Leshner The secondary air is controlled using a system as described. This patented system is, of course, essentially intended to find the lowest lean limit in which the engine is not fired without considering the RQI.

그러나 이 시스템을 최대 RQI의 어느 한편에서 점화되지 않은 상태가 나타나도록 적절히 캘리브레이션(calibration)하여 기관의 최적 RQI에 해당하는 최적 공기연료비를 찾아내는데 쓸 수도 있다.However, the system can also be used to properly calibrate an unignited condition on either side of the maximum RQI to find the optimal air fuel ratio for the engine's optimal RQI.

제 3 도에서 2차 공기(70)는 드로틀 밸브(110)에 의하여 조절되고, 이 드로틀 밸브(110)는 앞서 언급한 미국특허 제 4,368,707 호에 기재된 것과 유사한 희박한계 제어시스템(114)의 중앙제어장치의 서어보 모우터(112)에 의하여 제어된다.In FIG. 3 the secondary air 70 is controlled by the throttle valve 110, which is the central control of the lean limit control system 114 similar to that described in the aforementioned U.S. Patent No. 4,368,707. It is controlled by the servo motor 112 of the device.

이 희박한계 제어시스템은 감지기 근처를 지나가는 플라이 휘일(60)의 순간속도를 감지하는 픽업(pickup, 116)에 의하여 플라이 휘일(60)의 순간 각속도를 검출하여 기관의 순간 출력을 검출한다.The lean limit control system detects the instantaneous angular velocity of the flywheel 60 by means of a pickup 116 which senses the instantaneous speed of the flywheel 60 passing near the detector to detect the instantaneous output of the engine.

중앙제어장치(114)는 전송선(118)을 통하여 감지기(116)의 속도신호를 받아 순간 가속(또는 감속)신호를 발생시킨다. 중앙제어장치(114)는 순간 가속도나 감속도 신호를 기관의 순간출력으로 판단하여 서어보 모우터(112)에 "희박하게" 또는 "농후하게"의 지시를 내리고 이에 따라 드로틀 밸브(110)가 열리거나 닫혀 농후한 상태나 희박한 상태를 만들게 된다.The central controller 114 receives the speed signal of the detector 116 through the transmission line 118 and generates an instantaneous acceleration (or deceleration) signal. The central control unit 114 judges the momentary acceleration or deceleration signal as the momentary output of the engine to give the servo motor 112 a "thin" or "thick" and accordingly the throttle valve 110 Open or closed to create a rich or lean state.

제어시스템(114)에 의한 공기연료비는 제 13 도의 곡선(106)에 나타난 최적 RQI에서의 공기연료비에 해당한다. 이 경우에 기관은, 공급되는 연료와 요구동력사이에 최적 평형이 이루어진 상태하에서 기관이 작동한다는 관점에서 최대효율로 작동하는 것이다. 물론 감지기(116)에 의하여 점화되지 않는 상태(misfire)가 감지되면 이는 공기연료비가 부적절하다는 것을 나타내므로 제어시스템(114)은 기관의 요구출력에 응하여 조절을 행하게 된다.The air fuel ratio by the control system 114 corresponds to the air fuel ratio at the optimum RQI shown in the curve 106 of FIG. In this case, the engine operates at maximum efficiency in terms of operating the engine under optimum equilibrium between the fuel supplied and the required power. Of course, if a misfire is detected by the detector 116, this indicates that the air fuel ratio is inadequate, so that the control system 114 adjusts in response to the required output of the engine.

점화되지 않는 한계(misfire limit)에 도달한 것을 감지기(116)가 검출하고, 제어시스템(114)이 2차 공기 서어보 모우터(112)를 최적 RQI에 해당하는 공기연료비로 조절되도록 하였을때, 기관이 최대 효율로 운전되고 있음을 쉽게 알 수 있다.When the detector 116 detects that the misfire limit has been reached and the control system 114 causes the secondary air servo motor 112 to be adjusted to the air fuel ratio corresponding to the optimal RQI, It is easy to see that the engine is operating at maximum efficiency.

제어시스템(114)의 지시에 따라 배전기에 의한 점화시기를 제어하는 점화시기 조절기(120)가 가 설치되어 플라이 휘일감지기(116)가 검출하는 기관의 RPM에 따라, 기관매핑시험에서 결정된 대로 최대 RQI가 얻어지도록 점화시기를 조절한다.According to the control system 114, the ignition timing controller 120 is installed to control the ignition timing by the distributor, and according to the RPM of the engine detected by the flywheel sensor 116, the maximum RQI as determined in the engine mapping test. Adjust the ignition timing to get

그러므로 제어시스템(114)에는 앞서 설명한 "희박한계 제어시스템"외에도 플라이 휘일 감지기(116)로 부터 기관의 RPM 신호를 받아 전송선(122)을 통하여 점화시기 조절기(120)를 제어하는 신호를 발생시키는 시스템이 포함될 수도 있다.Therefore, in addition to the "lean limit control system" described above, the control system 114 receives a RPM signal of the engine from the flywheel detector 116 and generates a signal for controlling the ignition timing controller 120 through the transmission line 122. May be included.

제 4 도의 기관(72)과 같이 자연점화에 의하여 연소가 진행되는 압축비가 5 : 1 내지 9 : 1인 기관의 경우에도, 희박한계 제어시스템(114)이 기관이 최적 RQI 상태로 작동되도록 공기연료비를 조절하기 위하여 연료분사 제어시스템(79)을 제어하게 할 수도 있다. 연료분사식 기관의 각 실린더에 공급되는 연료의 양과 시기는 기관이 최적 RQI 상태로 작동하는데 필요한 공기연료비를 정확히 제공하도록 제어시스템(114)에 의하여 매우 정밀하게 제어되어야 한다. 물론, 제어시스템(114)은 압축행정동안 연료가 포함되지 않은 공기가 공기실(38)로 이동하는데 방해되지 않도록 연료가 작동실(16)로 공급되게 하여야 한다.Even in an engine having a compression ratio of 5: 1 to 9: 1 by natural ignition as in the engine 72 of FIG. 4, the lean limit control system 114 allows the engine to operate in an optimal RQI state. It may be to control the fuel injection control system 79 to adjust the. The amount and timing of the fuel supplied to each cylinder of the fuel injection engine must be very precisely controlled by the control system 114 to accurately provide the air fuel ratio required for the engine to operate in optimal RQI conditions. Of course, the control system 114 must allow fuel to be supplied to the operating chamber 16 so that air that does not contain fuel during the compression stroke does not interfere with the movement of the air chamber 38.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 압축행정중 최소한 일부동안만이라도 체적 VB인 공기실과 체적 VA인 작동실 사이의 오리피스를 통하여 초우크 플로우가 생성되는 고전적인 임계 압력비가 최소한 기관운전속도 범위의 상부에서 생기도록 간극(g)의 형태를 정해야 한다. 혼합기가 점화되는 순간 작동실(16)과 공기실(38) 사이의 압력이 동일하지 않으면 본 발명에 의한 기관은 압축비가 기관의 운전속도에 의해서만 결정되는 동적가변 압축비를 갖는 기관이 된다. 기관속도가 증가하면 유효압축비도 증가되어 출력도 높아진다. 기관속도가 떨어져 초우크 플로우가 생기지 않으면, 피스톤이 상사점에 있을때의 작동실 체적과 하사점에 있을때의 작동실 체적의 비로 표시되는 실제 체적의 압축비보다 낮은 압축비로 기관이 작동한다.In a preferred embodiment of the present invention, the classical critical pressure ratio at which the choke flow is produced through the orifice between the volume V B air chamber and the volume V A operating chamber for at least a portion of the compression stroke is at least at the top of the engine speed range. The gap (g) should be shaped so that If the pressure between the operating chamber 16 and the air chamber 38 is not the same when the mixer is ignited, the engine according to the present invention is an engine having a dynamic variable compression ratio whose compression ratio is determined only by the operating speed of the engine. Increasing the engine speed increases the effective compression ratio and thus the power. If the engine speed drops and no choke flow occurs, the engine operates at a compression ratio lower than the compression ratio of the actual volume expressed as the ratio of the operating chamber volume when the piston is at the top dead center and the operating volume volume at the bottom dead center.

엔진 운전속도 범위중 상부 35%에 걸쳐 초우크 플로우가 발생하도록 간극(g)의 형태를 결정하는 것이 바람직하지만 이는 특정조건에 맞도록 변화시킬 수도 있다.It is desirable to determine the shape of the gap g so that choke flow occurs over the upper 35% of the engine speed range, but this may be varied to suit particular conditions.

간극(g)이 균일하지 않을 때에는, 작동실(16)의 압력이 간극(g)을 통하여 공기실(38)로 배출될 수 없어서 유효 압축비가 증가하는 기관속도 이상의 범위에서 공기실과 작동실 사이에 초우크 플로우가 생기는데 요구되는 크기 이상으로 간극의 최대폭을 크게 하여서는 안된다.When the gap g is not uniform, the pressure of the operating chamber 16 cannot be discharged to the air chamber 38 through the gap g, so that the effective compression ratio increases between the air chamber and the operating chamber in a range above the engine speed at which the effective compression ratio increases. The maximum width of the gap should not be made larger than is required to produce choke flow.

배기밸브가 열려 작동실의 압력이 갑자기 감소하였을 때도 공기실과 작동실 사이에는 초우크 플로우가 생긴다.When the exhaust valve opens and the pressure in the operating chamber suddenly decreases, choke flow occurs between the air chamber and the operating chamber.

간극의 폭을 적절히 선정하여 배기밸브가 열렸을때 간극을 통하여 임계압력비가 생기도록 하면 공기실에서 작동실로의 고압가스의 팽창이 일시적으로 지연되어 공기실로부터 배기가스를 통하여 배출되는 고온고압공기와 래디컬이 보존된다.If the width of the gap is properly selected and the critical pressure ratio is generated through the gap when the exhaust valve is opened, the expansion of the high pressure gas from the air chamber to the working chamber is temporarily delayed and the high temperature and high pressure air and radicals discharged from the air chamber through the exhaust gas are This is preserved.

물론 고온공기와 래디컬이 보존되는 정도는 초우크 플로우 조건 및 다른 요인에 따라 달라진다. 예를들어, 공기실(38)에 가장 가까운 간극의 에지(44)를 예리하게 하면 일반적인 간극의 폭에 대해서도 초우크 플로우의 발생이 보장된다.The degree to which hot air and radicals are preserved, of course, depends on the choke flow conditions and other factors. For example, sharpening the edge 44 of the gap closest to the air chamber 38 ensures the generation of choke flow even for the width of the general gap.

제 12a 도 내지 12p 도에는 공기실(38)로부터 작동실(16)로 공기를 주기적으로 펌핑시키는 헬름홀쯔 공명조건, 공기실과 작동실 사이의 초우크 플로우 조건, 기주공명, 결합진동기(coupled oscillator), 기관의 연소과정을 제어, 개선시키는 래디컬 발생/유지를 포함하여 본 발명에 의한 작동이 개략적으로 도시되어 있다.12a to 12p show Helmholtz resonance conditions for periodically pumping air from the air chamber 38 to the operating chamber 16, choke flow conditions between the air chamber and the operating chamber, host resonance, coupled oscillator The operation according to the invention is schematically illustrated, including the radical generation / maintenance which controls and improves the combustion process of the engine.

제 12a 도에서 피스톤(14)은 하사점에 있고, 흡기 및 배기밸브는 닫혀 있으며, 작동실(16)내에서 연료가 소량 포함된 공기는 피스톤의 근처에, 연료가 농후한 혼합기는 작동실의 상부근처에 있어 혼합기가 축방향으로 층을 이루고 있는 것이 도시되어 있다.In FIG. 12A the piston 14 is at the bottom dead center, the intake and exhaust valves are closed, the air containing a small amount of fuel in the operation chamber 16 is near the piston, and the fuel rich mixer is Near the top, the mixer is shown layered axially.

어떤 경우에라도 연료가 전혀 없거나 소량 포함된 공기가 피스톤의 작동단부 근처에 존재하여 압축행정의 최소한 초기단계만에라도 공기가 공기실(38)내로 이동하여야 한다.In any case, no fuel or small amount of air is present near the operating end of the piston so that air must move into the air chamber 38 at least at the initial stage of the compression stroke.

이같은 축방향 성층은 공기를 제어하는 이중 공기공급 흡입매니폴드, 혼합기 흡입밸브, 연료분사제어기, 흡입구 등을 포함하는 여러가지 혼합기 제어장치를 이용하여 이루어질 수 있는데 이들 장치에 제한은 없다.Such axial stratification can be accomplished using various mixer controls, including but not limited to dual air supply intake manifolds, mixer intake valves, fuel injection controllers, inlets, and the like, which control the air.

혼합기의 압축은 제 12b 도 및 제 12c 도에 나타난 것처럼 진행되는데 작동실의 공기는 제 12b 도에서 화살표(123)로 나타낸 바와 같이 공기실로 이동한다. 압축이 진행됨에 따라 간극(g)과 공기실의 형상에 의하여 캡(32)의 아래쪽 공기실내의 와류(124)가 형성된다.Compression of the mixer proceeds as shown in FIGS. 12B and 12C where the air in the working chamber moves to the air chamber as indicated by arrow 123 in FIG. 12B. As the compression proceeds, the vortex 124 in the air chamber below the cap 32 is formed by the gap g and the shape of the air chamber.

이 와류는 공기실로 들어가는 공기와 캡(32)의 아래면 사이에 열전달이 일어나게 하여 몇 사이클이 진행된 후 공기실과 캡의 하면이 가열되게 하여 앞서 설명한대로 공기실의 헬름홀쯔 공명진동수(FB)가 작동실의 고유진동수(FA)와 일치하는 온도범위로 되게 한다.This vortex causes heat transfer between the air entering the air chamber and the lower surface of the cap 32, and after a few cycles, the air chamber and the lower surface of the cap are heated, so that the Helmholtz resonance frequency (F B ) of the air chamber is Allow the temperature range to match the natural frequency (F A ) of the operating chamber.

앞서 설명한 바와 같이 기관이 동적가변압축비를 가지면 최대속도에 가까와짐에 따라 압축행정중 어느 점에서 공기실(38)과 작동실(16)사이에 초우크 플로우가 생기기 시작한다.As described above, when the engine has a dynamic variable compression ratio, as the engine approaches the maximum speed, choke flow begins to occur between the air chamber 38 and the operating chamber 16 at some point in the compression stroke.

피스톤이 상사점에 더 가까워지면 공기실(38)내의 공기온도는 요구되는 헬름홀쯔 공명진동수(FB)에 해당되는 온도까지 가열되고 혼합기가 점화된다(제 12d 도).As the piston gets closer to top dead center, the air temperature in the air chamber 38 is heated to a temperature corresponding to the required Helmholtz resonance frequency F B and the mixer is ignited (Fig. 12d).

혼합기가 점화되기 전에 공기실(38)내의 래디컬의 생성은 공기실의 온도 및 압력과 기관에서 연소되는 연료의 성질에 따라 결정되는 정도까지 진행된다. 그러나 공기실내에는 소량의 연료만 포함되어 있으므로 이에 의하여 생성된 래디컬은 선행 사이클에서 작동실내에서 생성되어 공기실내로 들어온 래디컬의 양에 비하면 매우 적다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.Before the mixer is ignited, the production of radicals in the air chamber 38 proceeds to a degree that is determined by the temperature and pressure of the air chamber and the nature of the fuel burned in the engine. However, it is easy to understand that since only a small amount of fuel is contained in the chamber, the resulting radicals are very small compared to the amount of radicals generated in the chamber in the preceding cycle and entering the chamber.

제 12d 도의 점화가 시작될때 화염전면보다 앞서는 충격파는 작동실과 공기실 사이의 간극까지는 도달하지 않고 그후 제 12e 도에 나타낸 바와 같이 점화에 의한 충격파가 간극을 통과하면 공기실내의 가열된 공기는 공기실의 헬름홀쯔 공명진동수로 공명하게 된다. 그러면 작동실과 공기실 사이에서 압축파와 팽창파가 상호작용을 하여 공기실내의 공기가 주기적으로 진동하면서 작동실내로 이동하여 연료연소반응에 참여한다. 물론 공기실내의 공기가 즉시 이동하는 것은 아니며 그렇게 되면 연소과정에 불리한 영향을 미친다. 공기는 연소과정과 부합되도록 시간에 따라 유량이 변하면서 간극을 통하여 이동되어 연료와 반응하게 된다.When the ignition of FIG. 12d starts, the shock wave preceding the flame front does not reach the gap between the operating chamber and the air chamber. Then, as shown in FIG. 12e, if the shock wave caused by the ignition passes through the gap, the heated air in the air chamber is Will resonate with the Helmholtz resonance frequency. Then, the compression wave and the expansion wave interact between the operating chamber and the air chamber, and the air in the air chamber vibrates periodically to participate in the fuel combustion reaction. Of course, the air in the chamber does not move immediately, which adversely affects the combustion process. The air moves through the gap and reacts with the fuel as the flow rate changes over time to match the combustion process.

작동실내의 압력이 증가하는 도중에 있고, 작동실의 총평균 압력이 공기실의 총 평균압력보다 높을 때에도 공기는 펌핑작용에 의하여 공기실로부터 작동실로 이동한다. 간극으로부터 반사된 충격파가 간극근처에 일시적으로 국부적인 압력감소를 발생시켜 공기실로부터 헬름홀쯔 공명상태에 있는 공기가 연소영역으로 팽창되게 하는 것은 파의 상호작용과정(wave interaction process)의 특성에 의한 것이다. 그러므로 이는 연소의 전 과정을 통하여 연속적으로 이동하며, 이는 피스톤이 실린더의 상사점으로부터 충분히 이동하여 작동실에 적절한 압력감소가 일어나는 데에만 연관된 것이 아니다.While the pressure in the operating chamber is increasing and the total average pressure in the operating chamber is higher than the total average pressure in the air chamber, the air moves from the air chamber to the operating chamber by the pumping action. The shock wave reflected from the gap creates a local pressure drop near the gap, causing the air in the Helmholtz resonance to expand from the air chamber into the combustion zone due to the nature of the wave interaction process. will be. It therefore moves continuously throughout the combustion process, which is not only related to the piston being sufficiently moved from the top dead center of the cylinder so that a suitable pressure drop occurs in the operating chamber.

제 12f 도에 도시된 바와 같이 피스톤의 운동에 의하여 작동실의 체적이 증가된 후에도 공기실은 헬름홀쯔 공명진동수(FB)로 공명하여 공기실로부터 작동실로 공기가 이동한다. 공기실(38)로부터 고온의 공기가 작동실내로 팽창하여 들어가면서 연료와 반응하는 것이 관찰되었다.As shown in FIG. 12F, even after the volume of the operating chamber is increased by the movement of the piston, the air chamber resonates with the Helmholtz resonance frequency F B so that air moves from the air chamber to the operating chamber. It was observed that hot air from the air chamber 38 reacts with the fuel as it expands into the working chamber.

그러므로 점화순간부터 공기실의 헬름홀쯔 공명과 간극근처의 충격파/팽창파의 상호 작용으로 인하여 연소영역으로 공기가 계속 공급된다. 본 발명에 의하면 연소시간이 길어지기 때문에 혼합기내의 모든 연료가 반응하여 연소과정이 개선된다. 잘 알려진 바와 같이 연료의 산화(연소)는 탄화수소분자의 결합을 파괴하여 결합력이 다른 여러 가지 중간화합물이 생성되는 것이 포함되는 화학적 반응이다. 높은 에너지를 갖는 산소가 연소영역에 공급되면서 연소시간도 증가하므로 반응에 긴 시간이 걸리는 불안정한 화합물도 반응할 수 있게 된다. 물론, 간극의 형상을 어떠한 화염전면도 통과하지 못하도록 정하였기 때문에 연소실내의 화염전면이 절대로 이 간극을 통과하지 않는다.Therefore, air is continuously supplied to the combustion zone due to the interaction between the Helmholtz resonance of the air chamber and the shock / expansion wave near the gap from the ignition moment. According to the present invention, since the combustion time is longer, all fuels in the mixer react to improve the combustion process. As is well known, the oxidation (combustion) of fuels is a chemical reaction that involves breaking down the bonds of hydrocarbon molecules to produce various intermediate compounds with different binding forces. As the oxygen having high energy is supplied to the combustion zone, the combustion time increases, so that unstable compounds that take a long time to react can react. Of course, since the shape of the gap is set so that no flame front passes, the flame front in the combustion chamber never passes through the gap.

기관이 자연점화하는 경우에는 점화시기는 잘 알려진 대로 작동실내의 온도와 압력에 의하여 결정된다.In the case of engine ignition, the timing of the ignition is determined by the temperature and pressure in the operating room as is well known.

본 발명에 의하면 흡입된 혼합기에서 생성된 래디컬과 헬름홀쯔 공명에 의하여 공기실에서 공급된 래디컬의 존재로 인하여 자연점화 과정은 작동실내의 여러 지점에서 발생한다.According to the present invention, the natural ignition process occurs at various points in the operating chamber due to the presence of the radicals supplied from the air chamber by the radicals generated by the inhaled mixer and the Helmholtz resonance.

압축비가 낮은 경우의 자연점화가 더 원활하며 연소시킬 연료와 기관의 압축비에 적절하게 캡온도가 최적화되는 온도계수를 갖는 재료로 캡을 제작하여 점화시기를 조절할 수 있다. 이는 자연점화시기를 조절하는 과정과 함께 상세히 설명하기로 한다.When the compression ratio is low, the natural ignition is smoother, and the cap is made of a material having a temperature coefficient whose temperature is optimized for the fuel ratio to be combusted and the compression ratio of the engine. This will be described in detail along with the process of adjusting the natural ignition timing.

제 12g 도에는 피스톤이 하사점으로 접근하면서 작동실내에 앞에서 설명한 폐쇄기주공명이 발생하는 것이 도시되어 있다. 캡 근처의 나머니 연료가 반응을 계속하고 복사에너지에 의하여 캡이 더 가열된다.Figure 12g shows the closed host resonance described above occurring in the operating chamber as the piston approaches bottom dead center. The remaining fuel near the cap continues to react and the cap is further heated by radiant energy.

제 12h 도에서 배기밸브가 열려 작동실내의 압력이 떨어지면서 연소생성물이 배출되기 시작한다.In Fig. 12h, the exhaust valve is opened and the combustion product begins to be discharged as the pressure in the operating chamber drops.

공기실내의 나머지 산소와 래디컬이 간극을 통하여 팽창하기 시작하여(이순간 작동실과 공기실 사이에 임계초우크 플로우가 발생하도록 간극이 정해졌다면 팽창에 시간이 걸린다) 작동실내에 남아 있는 연료나 반응할 수 있는 탄화수소 화합물과 반응하여 배기생성물을 깨끗이 없앤다.The remaining oxygen and radicals in the chamber begin to expand through the gap (the expansion takes time if the gap is defined so that a critical choke flow occurs between the chamber and the chamber at this moment) and react with the fuel remaining in the chamber. Reacts with the hydrocarbon compounds present to purge exhaust products.

배기행정에서 피스톤 링과 틈새로부터 미연탄화수소와 증발된 윤활유가 배출되는데 전형적인 종래의 기관인 경우에는 이들 화합물때문에 배기가스내의 미연탄화수소 농도가 높아진다.In the exhaust stroke, unburned hydrocarbons and evaporated lubricating oil are discharged from piston rings and crevices. In typical conventional engines, these compounds increase the concentration of unburned hydrocarbons in the exhaust gas.

본 발명에 있어서는 링과 틈새로부터 배출되는 탄화수소는 이들에 매우 가까이 있는 공기실(38)로 들어간다(제 2 도에 도시된 바와 같이 공기실(38)의 바닥으로부터 첫번째 피스톤 링까지의 틈새면(50)의 길이를 되도록 짧게 하여 피스톤 링 상부 틈새의 체적을 되도록 줄여야 한다). 공기실(38)내로 들어간 미연탄화수소 및 증발윤활유는 탄화수소 래디컬을 생성시켜 작동실(16)내의 연료와 함께 공기실(38)로부터 공급되는 산소에 의하여 더 반응을 일으키게 된다.In the present invention, the hydrocarbons exiting the ring and the crevice enter the air chamber 38 very close to them (as shown in FIG. 2, the crevice face 50 from the bottom of the air chamber 38 to the first piston ring). The length of the piston ring should be as short as possible to reduce the volume of the gap in the upper part of the piston ring). Unburned hydrocarbons and evaporative lubricating oil that enter the air chamber 38 generate hydrocarbon radicals and are further reacted by the oxygen supplied from the air chamber 38 together with the fuel in the operating chamber 16.

틈새로부터 배출되어 생성된 래디컬의 일부는 공기실내에 남아 있다가 다음에 반응하기도 한다. 이와 같이 캡(32)의 아래쪽에 있는 공기실(38)은 피스톤 링과 틈새로 부터 배출된 연료분자들의 반응기 역할을 하므로 이들로부터 생기는 배기가스내의 UHC를 없애거나 감소시키게 된다. 대부분의 경우 틈새는 너무 좁아서 래디컬을 생성시키지 못하므로, 매우 인접해 있는 체적 VB인 공기실은 배기과정에서 생성되는 UHC를 감소시키는데 크게 도움을 준다.Some of the radicals generated from the gaps remain in the air chamber and then react. As such, the air chamber 38 below the cap 32 serves as a reactor for the fuel molecules discharged from the piston ring and the gap, thereby eliminating or reducing the UHC in the exhaust gas generated therefrom. In most cases, the gap is so narrow that no radicals can be generated, so the air chamber, which is a very close volume V B , helps greatly in reducing the UHC generated during the exhaust process.

배기행정이 진행됨에 따라, 공기실내의 반응으로 인하여 공기실내의 가스가 팽창하면서 뒤섞이게 되어 간극의 위쪽에 있는 실린더내의 가스가 실린더(12)의 막힌 끝을 향하여 가속되고 또 이에 따라 피스톤(14)을 향하여 반사되므로 작동실내의 심한 난류가 생기면서 뒤섞이게 된다(제 12i 및 12j 도).As the exhaust stroke proceeds, the reaction in the air chamber causes the gas in the air chamber to expand and mix, causing the gas in the cylinder above the gap to be accelerated towards the blocked end of the cylinder 12 and thus the piston 14. Reflected toward the surface, severe turbulence in the operating chamber is generated and mixed (Figs. 12i and 12j).

제 12k 도에서 처럼 배기행정의 중간에서 피스톤의 가속에 의하여, 일시적으로 간극을 지나는 유동의 방향이 바뀌어 연소생성물이 공기실내로 들어오게 된다. 그러나 제 12l 도에서는 배기행정이 끝나감에 따라 피스톤이 감속되고 작동실내의 압력이 떨어져 공기실의 압력도 최종적으로 감소하고 피스톤 틈새 영역의 배기도 완료된다.As shown in FIG. 12k, the acceleration of the piston in the middle of the exhaust stroke temporarily changes the direction of flow through the gap, causing the combustion product to enter the air chamber. However, in FIG. 12L, as the exhaust stroke ends, the piston is decelerated, the pressure in the operating chamber is lowered, and the pressure in the air chamber is finally reduced, and the exhaust of the piston gap region is completed.

이때 공기실내에서 최종적으로 반응하는 틈새의 기체들은 여러가지 탄화수소 래디컬을 생성시키는데 이들은 연소과정에서 생성되는 배기가스내의 "연소후"래디컬에 대하여 "연소전"래디컬이라 한다.The gas at the end of the reaction in the air chamber produces various hydrocarbon radicals, which are called "before combustion" radicals for the "after combustion" radicals in the exhaust gases produced during the combustion process.

물론 연소전 래디컬은 연료혼합기의 고온고압 연소반응과 관계없이 배기행정중 낮은 온도와 압력하에서 연료분자의 크래킹(cracking)에 의하여 생성되므로 연소후 래디컬과 화학적 구성이 약간 다르다. 따라서 공기실(38)내에는 배기가스내의 연소생성물로부터 나온 연소후 래디컬과 틈새로 부터의 배기에서 생성된 연소전 래디컬이 공기와 함께 반응성이 높은 혼합물의 상태로 존재한다.Of course, the radical before combustion is slightly different from the radical composition after combustion due to cracking of the fuel molecules at low temperature and pressure in the exhaust stroke regardless of the high temperature and high pressure combustion reaction of the fuel mixer. Therefore, in the air chamber 38, the post-combustion radicals generated from the combustion products in the exhaust gas and the pre-combustion radicals generated in the exhaust from the gap are present in a state of a highly reactive mixture with the air.

배기행정이 완료되면 배기밸브가 닫히고 흡기밸브가 열리고(기관의 특정 요구조건에 따라 적절히 오버랩(overlap)시키는 수도 있다) 피스톤이 실린더의 막힌 끝쪽으로부터 멀어져 다시 작동실내로 공기가 흡입된다.When the exhaust stroke is complete, the exhaust valve is closed, the intake valve opens (may be properly overlapped, depending on the engine's specific requirements), and the piston moves away from the blocked end of the cylinder and air is sucked back into the operating chamber.

제 12m 도에 나타낸 바와 같이 피스톤이 아래쪽으로 가속되면 피스톤의 빠른 운동과 작동실내의 압력감소로 인하여 공기실내의 공기와 래디컬이 작동실내로 이동하여 공기실내의 반응성이 높은 래디컬 혼합물이 흡입공기내로 분산된다.As shown in FIG. 12m, when the piston accelerates downward, the air and radicals in the air chamber move into the operating chamber due to the rapid movement of the piston and the pressure decrease in the operating chamber, and the highly reactive radical mixture in the air chamber is dispersed into the intake air. do.

작동실내의 공기온도는 공기실내의 온도보다 매우 낮으므로 고온의 래디컬이 냉각희석되어 공기실내 래디컬의 후속반응은 다음의 압축 및 연소행정동안 다시 활성화될 때까지 지연된다.Since the air temperature in the operating chamber is much lower than the temperature in the air chamber, the hot radicals cool down and the subsequent reaction of the radicals in the air chamber is delayed until it is activated again during the next compression and combustion stroke.

제 12h 도에서 피스톤의 흡입행정이 거의 종료되나 연료는 아직 작동실내에 공급되지 않는다.In Fig. 12h the intake stroke of the piston is almost finished but no fuel is supplied into the operating chamber yet.

제 12o 및 12p 도에서 연료가 작동실의 흡입구에 공급되어(연료흡입식 기관이 경우) 다음의 압축행정이 시작되기 전에 혼합기는 축방향으로 층을 이루게 된다. 이미 설명한대로 공기실내에 소량의 연료를 제외하고는 연료가 들어가지 않도록 혼합기를 축방향으로 성층시키는 데는 여러가지 방법을 이용할 수가 있다.In FIGS. 12o and 12p fuel is supplied to the inlet of the operating chamber (in the case of a fuel intake engine) so that the mixer is axially layered before the next compression stroke begins. As described above, various methods can be used to axially form the mixer so that no fuel enters the air chamber except for a small amount of fuel.

다음의 압축행정이 시작되어(제 12a 도) 점화가 되는(제 12d 도)동안, 혼합기내에는 새로 흡입된 연료, 새로 흡입된 연료가 압축가열되어 생성된 래디컬, 앞은 연소행정에서 생성된 연소후 래디컬, 앞 사이클이 끝날때 피스톤 링과 틈새에서 배출된 공기와 연료에서 생성된 연소전 래디컬이 혼합되어 존재한다.During the next compression stroke (Fig. 12a) and during ignition (Fig. 12d), the freshly aspirated fuel, the radicals created by compression heating of the freshly aspirated fuel, and the combustion produced by the combustion stroke Post-radical, at the end of the preceding cycle, there is a mixture of pre-combustion radicals generated from the fuel and air discharged from the piston ring and the gap.

그러므로 제 14 도에 나타낸 것처럼 잘 알려진 원리에 따라 래디컬에 의하여 점화가 촉진되므로 자연점화 압력/온도영역이 낮아진다.Therefore, as shown in FIG. 14, the ignition is promoted by radicals according to well-known principles, thereby lowering the natural ignition pressure / temperature range.

제 14 도에는, 작동실(16)내의 압력 및 온도와 관련된 전형적인 압축점화의 자연점화영역(128)이 도시되어 있다.14 shows a typical compression ignition natural ignition zone 128 related to pressure and temperature in the operating chamber 16.

영역(130)은 래디컬이 자연점화영역에 미치는 영향을 나타내는 래디컬의 자연점화촉진 영역으로 이 현상은 러시아의 물리학자 엔. 엔. 세미노프(N. N. Seminov)가 깊이 연구한 바 있다. 래디컬 촉진영역(130)은 가끔 "세미노프 반도(Seminov Peninsula)"로 일컬어진다.The region 130 is a natural ignition promoting area of the radical which shows the effect of the radical on the natural ignition area. yen. N. N. Seminov has studied in depth. The radical promoting region 130 is sometimes referred to as the "Seminov Peninsula".

영역(130)의 왼쪽 아래쪽 영역(132)은 일반적 기관에서 연소를 일으키는데 스파크 또는 다른 열원이 필요한 영역이다. 그러므로 작동실의 압력이 적어도 래디컬 자연점화 촉진영역(130)의 수평부보다 높으면 혼합기가 자연 점화되는지, 또는 스파크나 다른 열원이 있어야 점화되는지는 혼합기의 온도에 의해서 결정된다.Lower left region 132 of region 130 is an area where sparks or other heat sources are needed to cause combustion in a general engine. Therefore, if the pressure in the operating chamber is at least higher than the horizontal portion of the radical natural ignition promotion region 130, it is determined by the temperature of the mixer whether the mixer is spontaneously ignited or ignited with a spark or other heat source.

2차 공기의 양을 조절하여 혼합기의 온도를 조절하고 캡(32)의 온도를 디토네이션온도 이하로 조절하여, 점화가 스파크에 의해서 시작되거나 자연점화로 시작되도록 본 발명에 의한 연소행정을 제어할 수 있다.By controlling the temperature of the mixer by adjusting the amount of secondary air and by adjusting the temperature of the cap 32 below the detonation temperature, the combustion stroke according to the present invention can be controlled so that ignition is started by sparking or natural ignition. Can be.

본 발명에 의하면 작동실로 공급되는 2차 공기의 양을 조절하여 혼합기의 연소전 온도를 변화시켜 작동실내 혼합기의 온도를 래디컬 자연점화 촉진영역에 가까운 온도로 유지된다. 이 방법으로 혼합기의 온도를 약간 증감시켜 자연점화 영역내로 들어가게 하거나 이 영역밖으로 나오게 할 수 있으므로 연소행정이 스파크에 의하여 진행되거나 자연점화에 의하여 진행되게 할 수 있다.According to the present invention, the temperature of the mixer in the operating chamber is maintained at a temperature close to the radical natural ignition promoting region by controlling the amount of secondary air supplied to the operating chamber to change the pre-combustion temperature of the mixer. In this way, the temperature of the mixer can be increased or decreased slightly to allow it to enter or exit the natural ignition zone and thus allow the combustion stroke to proceed by sparking or natural ignition.

물론, 자연점화인 경우에도 이때의 사이클은 저압축부(5 : 1 내지 9 : 1) 연료흡입 사이클이란 것을 명심해야 한다.Of course, it should be noted that even in the case of natural ignition, the cycle at this time is a low compression section (5: 1 to 9: 1) fuel intake cycle.

연료로 가솔린을 사용하는 경우에도 피스톤과 연소실의 형상 때문에 전 연소행정을 통하여 헬름홀쯔 공명에 의하여 공기실로부터 연소영역으로 공기가 공급되고, 연소시간도 길어지므로 심한 디토네이션이나 노크가 방지된다.Even when gasoline is used as fuel, air is supplied from the air chamber to the combustion zone by the Helmholtz resonance through the entire combustion stroke due to the shape of the piston and the combustion chamber, and the combustion time is long, thereby preventing severe detonation or knocking.

작동실내에서 생성된(연소전) 래디컬도 전체과정을 개선시키고 래디컬 촉진영역의 어느 편에서든지 점화제어를 정밀하게 할 수 있게 하는 것으로 믿어진다.It is believed that radicals generated in the operating room (pre-combustion) improve the overall process and allow precise ignition control on either side of the radical acceleration zone.

제 4 도의 연료분사식 압축점화기관인 경우에는 압축비가 5 : 1 내지 9 : 1로 낮을때 래디컬 촉진영역(130)에서 자연 점화되는 사이클이 최대 출력을 얻을 수 있도록 캡(32)의 온도 계수와 구조를 선정하여 최적 점화시기를 조절할 수 있다. 다시 말하면 기관의 연료와 압축비에 따라 최대출력을 낼 수 있도록 자연점화시기를 최적화시킬 수 있는 온도계수를 갖도록 캡의 재료와 구조를 정해야 한다.In the case of the fuel injection type compression ignition engine of FIG. 4, the temperature coefficient and structure of the cap 32 are adjusted so that a cycle naturally ignited in the radical acceleration region 130 can obtain the maximum output when the compression ratio is 5: 1 to 9: 1. The optimum ignition timing can be adjusted by selecting. In other words, the material and structure of the cap should be determined to have a temperature coefficient that can optimize the natural ignition timing for maximum output depending on the engine's fuel and compression ratio.

본 발명은 바람직한 실시예에 대해서만 기술하였지만, 이 분야에서 숙달된 자는 첨부된 특허청구의 범위에 한정된 본 발명의 취지를 벗어나지 않고 특정구조와 과정에 대하여 여러가지 변경을 행할 수 있음을 이해하여야 한다.Although the invention has been described in terms of preferred embodiments only, it should be understood by those skilled in the art that various modifications may be made to the specific structure and process without departing from the spirit of the invention as defined by the appended claims.

Claims (9)

(a) 각 행정에 대하여 작동실에 공기와 연료의 혼합기를 공급하는 단계, (b) 작동실안의 각 혼합기가 층을 이루도록 하여 실질적으로 공기만이 각각의 압축행정전에 피스톤에 근접하게 하는 단계, (c) 압축행정시에 소량의 연료만을 포함하는 혼합기의 공기의 일부를, 피스톤의 작동면에 근접하여 피스톤의 작동면과 열교환이 이루어지도록 피스톤내에 위치되고, 피스톤의 작동단부의 둘레에 위치된 제한된 간극 오리피스를 통해 작동실과 연통하도록 된 헬름홀쯔 공기공명실로 이송하는 단계, (d) 약 16 : 1의 공기연료비에서 최대출력을 출력하고 약 20 : 1의 공기연료비에서 가장 경제적인 연소를 실행하도록 작동실에서 연료의 연소반응을 개시하는 단계, (e) 흡입되는 혼합기의 공기연료비를 조정함으로써 혼합기의 온도를 래디컬 촉진자연 점화온도 바로 밑에서부터 상기 온도의 바로 위까지의 범위내에서 조절하면서 작동실에서 연소를 실행하는 단계, (f) 아래의 체적을 가진 공기실에서 연소를 수행하는 단계(a) supplying a mixture of air and fuel to the operating chamber for each stroke, (b) allowing each mixer in the operating chamber to be layered so that substantially only air is close to the piston prior to each compression stroke, (c) a portion of the air of the mixer comprising only a small amount of fuel in the compression stroke is located in the piston so as to exchange heat with the operating surface of the piston in close proximity to the operating surface of the piston, Transfer to a Helmholtz air resonance chamber in communication with the operating chamber via a limited clearance orifice, (d) outputting a maximum power at an air fuel ratio of about 16: 1 and performing the most economical combustion at an air fuel ratio of about 20: 1 Initiating the combustion reaction of the fuel in the operating chamber; (e) regulating the temperature of the mixer by adjusting the air fuel ratio of the inhaled mixer; Performing combustion in the operating chamber with adjustment within a range from below to just above the temperature, (f) performing combustion in an air chamber having a volume below
Figure kpo00005
Figure kpo00005
여기서 단위는 미터 단위이고, VB는 공명 공기실의 체적이고 ; S는 간극 오리피스의 횡단면적, C는 작동실안의 압축된 혼합기의 대략 자연점화 온도 부근의 공명 공기실에서의 공기속도(cm/sec) ; L은 간극의 축방향 길이 ; k는 0.6 내지 0.85 사이의 헬름홀쯔 수정계수 ; g는 원주길이에 걸쳐서 균일하다고 가정되는 간극의 횡방향 폭이고, 간극의 폭은 g=0.01072B+0.1143으로 표시되고 그 공차는 +0.050cm 내지 -0.25cm 범위이며 ; 상기 간극은 각 압축과정 동안 압축행정의 적어도 일부에서 공기실과 작동실 사이의 쵸오크 플로우를 발생하는 폭을 초과하지 않는 최대 실제폭을 갖고 ;Where unit is metric, V B is the volume of the resonant air chamber; S is the cross-sectional area of the gap orifice, C is the air velocity (cm / sec) in the resonant air chamber near the approximate natural ignition temperature of the compressed mixer in the operating chamber; L is the axial length of the gap; k is the Helmholtz correction factor between 0.6 and 0.85; g is the transverse width of the gap assumed to be uniform over the circumferential length, and the width of the gap is represented by g = 0.01072B + 0.1143 and the tolerance ranges from +0.050 cm to -0.25 cm; The gap has a maximum actual width that does not exceed the width that produces a choke flow between the air chamber and the operating chamber in at least a portion of the compression stroke during each compression process; FB는 FB=K/B HzF B is F B = K / B Hz 의 식으로 표시되는 진동수이고 ; K는 43,000 내지 51,000 사이의 무차원수이고, B는 작동실의 직경이고, L, VB, g 및 S가It is the frequency expressed by the formula; K is a dimensionless number between 43,000 and 51,000, B is the diameter of the operating chamber, and L, V B , g and S are
Figure kpo00006
Figure kpo00006
을 만족함. (g) 연소충격파에 의하여 헬름홀쯔 공명진동수에서 공기실을 여기시켜 연소/팽창과정에 걸쳐 공기실로부터 작동실로 가열된 공기를 펌핑하여 공기실로 부터 작동실로 이송하는 단계, (h) 배기행정 동안 연소의 결과로 생긴 고온의 래디컬을 공기실로 이송하는 단계, (i) 다음의 공기흡기 행정동안 공기실로부터 나온 고온의 래디컬을 축방향으로 층을 이룬 새로운 흡기혼합기에 공급하는 단계, (j) 단계(c)에 따라서 공기실로 소량의 연료와 래디컬을 포함한 공기의 일부를 이송하는 동안 축방향으로 층을 이루고 래디컬이 공급된 혼합기를 피스톤에 의하여 압축하고, 다음의 연소시까지 선행하는 연소/팽창 행정시에 고온이 된 피스톤 작동단부와의 열교환에 의하여 공기실의 상기 혼합기를 가열하는 단계, (k) 다음의 연소/팽창 행정에 걸쳐 (e) 단계에 따라 공기실로부터 작동실로 들어온 새로운 연소전 래디컬 및 선행하는 연소과정으로 부터 공급되는 래디컬을 공기와 함께 펌핑하여 다음에 이어지는 연소/팽창행정을 수행하는 단계, 및 (l) 앞의 단계를 주기적으로 반복하여 기관의 유용한 출력을 발생하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 흡입, 압축, 연소/팽창 및 배기의 작동 사이클을 구성하는 내연기관의 가변체적 작동실의 공기중에서 탄화수소 연료의 래디컬 촉진 연소반응을 수행하는 래디컬 촉진 연소방법.Satisfied. (g) exciting the air chamber at the Helmholtz resonance frequency by the combustion shock wave, pumping the heated air from the air chamber to the operating chamber during the combustion / expansion process and transferring it from the air chamber to the operating chamber, (h) burning during the exhaust stroke Transferring the resulting high temperature radicals to the air chamber, (i) feeding the high temperature radicals from the air chamber to the axially layered new intake mixer during the next air intake stroke, (j) c) Compressing the axially layered and radically supplied mixer by the piston during the transfer of a portion of the air, including a small amount of fuel and radicals, into the air chamber according to the preceding combustion / expansion stroke Heating said mixer in the air chamber by heat exchange with a piston operating end that has become hot at (k), following (e) over the next combustion / expansion stroke Pumping the new pre-combustion radicals from the air chamber into the operating chamber and the radicals supplied from the preceding combustion process together with air to carry out the subsequent combustion / expansion stroke, and (l) repeating the preceding steps periodically Performing a radically accelerated combustion reaction of hydrocarbon fuel in the air of a variable volume operating chamber of the internal combustion engine, which constitutes an operating cycle of intake, compression, combustion / expansion and exhaust, characterized by generating a useful output of the engine. Radical accelerated combustion method.
제 1 항에 있어서, 연소 개시시의 혼합기의 온도가 래디컬 촉진 자연점화온도의 범위안에 있고, 작동사이클이 5 내지 9 : 1의 압축비로 수행되는 것을 특징으로 하는 연소방법.The combustion method according to claim 1, wherein the temperature of the mixer at the start of combustion is within a range of the radical accelerated natural ignition temperature, and an operation cycle is performed at a compression ratio of 5 to 9: 1. 제 1 항에 있어서, 피스톤은 피스톤의 틈새를 형성하도록 공기실 아래에 가깝게 이격되어 배치된 홈에 오일과 압축밀봉링을 포함하고, 기화된 오일과 미반응 연료를 배기행정동안 틈새로부터 가열된 공기실로 배출하고 최소한 다음 흡기 개시까지 상기 공기실내에 상기 배출의 결과로 형성된 상기 래디컬의 적어도 일부를 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소방법.2. The piston of claim 1 wherein the piston comprises oil and a compression seal ring in a groove disposed close to the bottom of the air chamber to form a clearance of the piston, and the air heated from the clearance during the exhaust stroke of vaporized oil and unreacted fuel. Discharging to the chamber and maintaining at least a portion of the radical formed in the air chamber as a result of the discharge at least until the next intake of air. 제 1 항에 있어서, 연소가 최고의 RQI를 얻을 수 있는 공기대 연료비에서 개시되는 것을 특징으로 하는 연소방법.The method of claim 1, wherein combustion is initiated at an air-to-fuel ratio that yields the best RQI. 제 1 항에 있어서, 기관의 작동속도 범위의 상부 35%동안 공기실과 작동실 사이의 간극에 쵸오크 플로우가 유발되는 압축과정을 수행하여 그것에 의하여 효과적으로 그 상부 속도 범위에서 작동될때 기관의 압축비를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소방법.2. The engine according to claim 1, wherein a compression process is caused to cause choke flow in the gap between the air chamber and the operating chamber during the upper 35% of the operating speed range of the engine, thereby effectively increasing the compression ratio of the engine when operated in its upper speed range. Combustion method further comprising the step of. 제 1 항에 있어서, 작동실의 압력이 공기실의 압력이하로 떨어질때 배기행정의 적어도 일부동안 공기실과 작동실 사이에 쵸오크 플로우를 유발하면서 배기행정을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소방법.2. The method of claim 1, comprising performing an exhaust stroke while inducing choke flow between the air chamber and the operating chamber during at least a portion of the exhaust stroke when the pressure in the operating chamber drops below the pressure of the air chamber. Combustion method. 제 1 항에 있어서, 작동실이 그 최소체적과 최대체적사이에 있는 동안 작동실에서 폐쇄기주 공명을 유발하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소방법.2. A method according to claim 1, comprising causing closed host resonance in the operating chamber while the operating chamber is between its minimum volume and maximum volume. (a) 각 행정에 대하여 작동실에 공기와 연료의 혼합기를 공급하는 단계, (b) 작동실안의 각 혼합기가 층을 이루도록 하여 실질적으로 공기만이 각각의 압축행정전에 피스톤에 근접하게 하는 단계, (c) 압축행정시에 소량의 연료(즉, 연소를 유지할 수 있는 혼합기를 형성하기에는 불충분한 양의 연료)를 포함하는 혼합기의 공기의 일부를, 피스톤의 작동면에 근접하여 피스톤의 작동면과 열교환이 이루어지도록 피스톤내에 위치되고 피스톤의 작동단부의 둘레에 위치된 제한된 간극 오리피스를 통해 작동실과 연통하도록 된 헬름홀쯔 공기공명실로 이송하는 단계, (d) 피스톤 캡은 혼합기를 형성하는데 사용하는 연료로 작동사이클 동안 최대출력을 내는 캡 작동온도를 발생하는 열계수를 가지며, 5 내지 9 : 1의 압축비로 래디컬 촉진 자연점화 온도영역내의 온도에서 혼합기의 자연점화에 의하여 작동실내의 연소를 개시하는 단계, (e) 아래의 체적을 가진 공기실에서 연소를 수행하는 단계(a) supplying a mixture of air and fuel to the operating chamber for each stroke, (b) allowing each mixer in the operating chamber to be layered so that substantially only air is close to the piston prior to each compression stroke, (c) a portion of the air of the mixer, which contains a small amount of fuel (i.e., an insufficient amount of fuel to form a mixer capable of sustaining combustion) during the compression stroke, with the operating surface of the piston in close proximity to the operating surface of the piston; Transfer to a Helmholtz air resonance chamber located in the piston for heat exchange and in communication with the operating chamber through a limited clearance orifice located around the operating end of the piston, (d) the piston cap being the fuel used to form the mixer It has a thermal coefficient that generates the cap operating temperature for maximum output during the operating cycle, and a radical promoted natural ignition temperature range with a compression ratio of 5 to 9: Initiating combustion in the operating chamber by spontaneous ignition of the mixer at temperature, (e) performing combustion in an air chamber having a volume below
Figure kpo00007
Figure kpo00007
여기서 단위는 미터 단위이고, VB는 공명공기실의 체적이고 ; S는 간극 오리피스의 횡단면적, C는 작동실안의 압축된 혼합기의 대략 자연점화 온도 부근의 공명공기실에서의 공기속도(cm/sec) ; L은 간극의 축방향 길이 ; k는 0.6 내지 0.85 사이의 헬름홀쯔 수정계수 ; g는 원주길이에 걸쳐서 균일하다고 가정되는 간극의 횡방향 폭이고, 간극의 폭은 g=0.01072B+0.1143으로 표시되고 그 공차는 +0.050cm 내지 -0.25cm 범위이며 ; 상기 간극은 각 압축과정 동안 압축행정의 적어도 일부에서 공기실과 작동실 사이의 쵸오크 플로우를 발생하는 폭을 초과하지 않는 최대 실제폭을 갖고 ; FB는 FB=K/B Hz의 식으로 표시되는 진동수이고 ; K는 43,000 내지 51,000 사이의 무차원수이고, B는 작동실의 직경이고, L, VB, g 및 S가Where unit is metric, V B is the volume of the resonant air chamber; S is the cross-sectional area of the gap orifice, C is the air velocity (cm / sec) in the resonant air chamber near the approximate natural ignition temperature of the compressed mixer in the operating chamber; L is the axial length of the gap; k is the Helmholtz correction factor between 0.6 and 0.85; g is the transverse width of the gap assumed to be uniform over the circumferential length, and the width of the gap is represented by g = 0.01072B + 0.1143 and the tolerance ranges from +0.050 cm to -0.25 cm; The gap has a maximum actual width that does not exceed the width that produces a choke flow between the air chamber and the operating chamber in at least a portion of the compression stroke during each compression process; F B is the frequency expressed by the formula F B = K / B Hz; K is a dimensionless number between 43,000 and 51,000, B is the diameter of the operating chamber, and L, V B , g and S are
Figure kpo00008
Figure kpo00008
을 만족함. (f) 연소 충격파에 의하여 헬름홀쯔 공명진동수에 공기실을 여기하여 연소/팽창과정에 걸쳐 공기실로 부터 작동실로 가열된 공기를 펌핑하여 공기실로 부터 작동실로 이송되게 하는 단계, (g) 배기행정 동안 연소의 결과로 생긴 고온의 래디컬을 공기실로 이송하는 단계, (h) 다음의 공기 흡기행정 동안 공기실로부터 나온 고온의 래디컬을 축방향으로 층을 이룬 새로운 흡기혼합기에 공급하는 단계, (i) 단계(c)에 따라서 공기실로 소량의 연료와 래디컬을 포함한 공기의 일부를 이송하는 동안 축방향으로 층을 이루고 래디컬이 공급된 혼합기를 피스톤에 의하여 압축하고, 다음의 연소시까지 선행하는 연소/팽창 행정시에 고온이 된 피스톤 작동 단부와의 열교환에 의하여 공기실의 상기 혼합기를 가열하는 단계, (j) 다음의 연소/팽창에 행정에 걸쳐 (f) 단계에 따라 공기실로 부터 작동실로 들어온 새로운 연소전 래디컬 및 선행하는 연소과정으로부터 공급되는 래디컬을 공기와 함께 펌핑하여 다음에 이어지는 연소/팽창 행정을 수행하는 단계, 및 (k) 앞의 단계를 주기적으로 반복하여 기관의 유용한 출력을 발생하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 흡입, 압축, 연소/팽창 및 배기의 기관작동사이클을 구성하는 내연기관의 가변체적 작동실의 공기에 탄화수소 연료의 래디컬 촉진 연소반응을 수행하는 래디칼 촉진 연소방법.Satisfied. (f) exciting the air chamber to the Helmholtz resonance frequency by the combustion shock wave to pump the heated air from the air chamber to the operating chamber during the combustion / expansion process, and (g) during the exhaust stroke Transferring the hot radicals resulting from the combustion to the air chamber, (h) feeding the hot radicals from the air chamber to the axially layered new intake mixer during the next air intake stroke, and (i) Compressing the axially layered and radically supplied mixer by means of a piston during the transfer of a portion of the air, including a small amount of fuel and radicals, to the air chamber according to (c), and leading to the next combustion / expansion stroke Heating the mixer in the air chamber by heat exchange with a piston actuated end that has become hot at a time, (j) over the next combustion / expansion stroke (f) Pumping the new pre-combustion radicals from the air chamber into the operating chamber and the radicals supplied from the preceding combustion process together with air to carry out the subsequent combustion / expansion stroke, and (k) repeating the preceding steps periodically Generating a useful output of the engine, thereby generating a radically accelerated combustion reaction of hydrocarbon fuel in the air of the variable volume operating chamber of the internal combustion engine constituting the engine operation cycle of intake, compression, combustion / expansion and exhaust. Radical accelerated combustion method performed.
제 8 항에 있어서, 피스톤은 피스톤의 틈새를 형성하도록 공기실 아래에 가깝게 이격되어 배치된 홈에 오일과 압축 밀봉링을 포함하고, 기화된 오일과 미반응 연료를 배기행정동안 틈새로 부터 가열된 공기실로 배출하고 최소한 다음 흡기개시까지 상기 공기실내에 상기 배출의 결과로 형성된 상기 래디컬의 적어도 일부를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소방법.9. The piston of claim 8, wherein the piston comprises oil and a compression seal ring in a groove disposed close to the bottom of the air chamber to form a clearance of the piston, wherein the vaporized oil and unreacted fuel are heated from the clearance during the exhaust stroke. Discharging to the air chamber and maintaining at least a portion of the radical formed in the air chamber as a result of the discharge at least until the next intake.
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