KR940009681B1 - 개량된 2행정 내연기관 및 그 내연기관의 조작방법 - Google Patents

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Description

개량된 2행정 내연기관 및 그 내연기관의 조작방법

제 1 도는 본 발명에 의한 2행정 기관의 그 자체로는 공지된 워어크 챔버의 개략도.

제 2 도는 2행정 기관의 공지된 2행정 사이클에 의한 흡배기 밸브의 개방 및 밀폐의 각 선도.

제 3 도는 본 발명의 1실시예에 의한 기관이 저출력하에서 작동할때의 각 선도.

제 4 도는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 기관이 저출력하에서 작동할때의 각 선도.

제 5 도는 제 4 도에 의해 작동하도록 설계된 기관의 개략도.

제 6 도는 제 4 도에 의해 작동하도록 설계된 또 다른 기관의 개략도.

본 발명은, 피스톤에 의해 제한되며 적어도 1개의 공기 흡입구와 적어도 1개의 가스 배출구를 구비한 가변 용적의 워어크 챔버(work chamber)를 갖고 2행정 사이클에 의해 작동하는 내연기관에 관한 것이다.

본 발명에 관한 내연기관은 기관의 배기 가스에 의해 작동됨과 더불어 공기 흡입구 또는 워어크 챔버의 흡입구와 연통하는 배출구를 갖는 과급 압축기에 기계적으로 연결되어 있는 터어빈으로 구성된 터어보-압축기에 의해 주로 과급(supercharge)된다.

적어도 1개의 가변 용적의 워어크 챔버 즉 고정체(실린더와 같은)와 협동하는 운동 장치(피스톤과 같은)에 의해 제한되는 챔버를 포함하는 내연기관의 작동은 항시 2종류의 별개의 단계를 갖는 것이 공지되어 있다. 소위;

워어크 챔버가 흡기 및 배기 타이밍 요소의 순간적인 밀폐 상태에 의해 공기 흡입과 가스 배출 장치로 부터 단절되며, 그 과정중에 내연 기관의 축에 의해 수용된 정(正)의 일의 대부분을 생성하는 압축, 폭발 및 팽창 과정에 영향을 주는 밀폐 단계로 지칭되는 단계와, 워어크 챔버가 흡입 및/또는 배출 장치와 연통되어 있는 중에 가스 교환이 있는 개방 단계가 그것이다.

이 형식의 모든 종류의 내연기관에 있어서, 이 개방단계는 워어크 챔버내에 파급되어 있는 압력을 배출하는 기간을 가지며, 이 배출기간은 밀폐 단계의 팽창 행정 말기에서 워어크 챔버를 배기 타이밍 요소의 개방에 의해 오직 배기 장치와 연통하도록 하므로서 조성된다. 이 배출 기간은 종종 "배기 송풍(exhaust blast)" 또는 맥동"(pulse)"으로 지칭된다. 이 기간중에 워어크 챔버 내에서 연소에 의해 발생된 가스의 열에 의해 증가되어 파급된 압력이 배기 장치내의 압력보다 높기 때문에(일반적으로 2배 내지 3배의 비율) 워어크 챔버내에 수용된 가스 질량의 대부분(1/2이상)이 배기장치로 이송되는 과정에서 초기에는 음속, 그후에는 아음속의 팽창을 한다.

4행정 기관에서는 배출 기간 후 잔류가스의 적어도 일부분이 피스톤에 의해 배기장치로 방출되며, 그후 워어크 챔버의 용적이 증가하는 기간중에 피스톤에 의해 신기가 흡입된다. 한편, 2행정 기관에서는 배출 기간 후 워어크 챔버내에 잔류하는 가스의 배출과 신기에 의한 교체가 소기 기간(scavenging period)으로 지칭되는 기간 동안에 흡기 및 배기 타이밍 요소가 동시에 개방된 상태에서 공기 역학적인 방식으로 성취된다. 이, 소기의 유효성이 2행정 기관의 효율 및 성능에 대한 결정 인자이다. 이점에서 다양한 소기 장치가 이미 제안되었으며 2행정 기관에서는 특히 흡기 요소 및 배기 요소를 구비한 밸브의 사용이 제안되고 있다.

그러나, 이러한 소기를 효과적으로 달성하기 위해서는 기관의 모든 작동 조건에서의 소기중에 워어크 챔버의 상류 즉 흡기 장치에서의 압력이 배기 장치에서의 하류측의 압력보다 대체로 높아야 한다. 따라서, 현재까지의 2행정 기관은 압력 발생 장치로 하여금 상기의 소기 기간중에 이 압력차의 평균치를 정(正)의 값으로 유지하도록 요구한다.

이 압력 발생 장치는 복동 방식으로 채택된 예를들어 그 하부아래(예를들어 크로스 헤드 피스톤상)에 설치된 챔버 또는 주축의 고정된 케이스를 갖고 워어크 챔버로 공기가 유입되기 전에 공기의 예압축을 보장하기 충분한 타이밍 요소와 접속되어 있는 운동 피스톤 그 자체에 의해 형성될 수도 있으며, 또한 용적 깃 압축기 또는 루츠(roots)형의 압축기와 같이 주축에 기계적으로 연결되거나 또는 주축의 회전에 독립적 예를 들어 전기적으로 구동되는 보조 부우스터 요소에 의해 형성될 수도 있다.

경제적 관점에서 볼때 이 다양한 종류의 압력 발생 장치는 그 보조 장치를 갖는 기관의 크기면과 이 장치를 채택할때의 에너지 소모면에 불리한 영향을 준다.

터어보-압축기에 의해 과급되는 2행정 기관의 경우, 소기 기간중 워어크 챔버를 소기하기 위해 필요한 춰어크 챔버의 상류 및 하류 부분 사이의 정압차는 기관이 고출력으로 작동할때는 과급용 터어보-압축기에 의해 당연히 확보된다. 특히 압축기가 충분한 압력비로 작동할때, 터어보-압축기를 안정적으로 구동시키기 위해 필요한 터어빈의 팽창비는 터어보-압축기의 전체 효율과 워어크 챔버의 배출구에서의 가스 온도가 높을수록 훨씬 작게 된다. 따라서 예를들어 전체 효율이 60%이며 그의 터어빈에 600℃에서 4바아(bar) 이하의 가스가 공급되는 최신식 터어보-압축기는 20℃에서 대기압으로부터 5바아 이하인 공기를 송풍하여 워어크 챔버는 당연히 1바아의 정압차를 받게 된다.

한편, 이 과급된 2행정 기관이 저출력하에서 작동할때는 워어크 챔버의 배기에서 유용한 엔탈피가 불충분하여 과급용 터어빈이 전술한 압력차가 정의 값으로 유지되는 속도로 압축기를 구동할 수 있는 것을 보장하지 못한다. 따라서 보조 장치가 없다면 압력차의 상기의 전도(inversion)가 워어크 챔버로의 신기의 재유입을 억제하기 때문에 기관은 정지할 것이다. 또한 기관의 시동도 불가능할 것이다.

이 보조 장치는 상기에서 서술된 압력 발생 타입일 수도 있으며 또한 기관에 독립적으로 터어보-압축기를 워어크 챔버의 상류 및 하류측에서의 압력차의 전도를 방지하는 속도로 작동시켜 주는 타입일 수도 있다. 따라서 예를들어 바이패스관이 설치되어 압축기의 출구를 터어빈의 입구와 연결시켜 주기도 하며 보조 연소실과 결합될 수도 있으며, 또한 터어보-압축기의 속도가 소정의 경계치 이하로 떨어지는 것을 방지하기 위해 조속기(governor)가 설치될 수도 있다. 변형예로서, 예를들어 펠턴 수력 터어빈과 같이 가압 유체가 공급되는 보조 터어빈 휘일을 터어보-압축기에 추가시킬 수도 있다.

그러나 상기의 공지된 보조 장치는 복잡하고 고가이며, 그것이 채택될 때 연료 소모의 증가를 초래한다.

따라서 본 발명의 목적은 시동과 저출력에서의 작동을 위해, 과급기 터어보-압축기 이외의 외부 소기 장치가 없는 2행정 기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 특히 과급된 기관이 저출력에서 작동될때와 시동시에 전술한 보조 장치의 추가없이도 자연 방식으로 신기를 2행정 기관의 워어크 챔버로 유입하는 것을 보장하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 신규 유입을 원활히 하기 위해서 워어크 챔버의 하류측에 존재하는 에너지의 적어도 일부를 이용하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배기 타이밍 요소의 개방시 워어크 챔버의 하류측에서 획득할 수 있는 에너지를 증가함으로서 과급용 터어보-압축기가 설치될때 그의 회전자의 가속을 원활히 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기관의 토르크 곡선을 개선하는 것이다.

본 발명은 측면 포오트가 없는 실린더내에서 피스톤에 의해 제한되는 적어도 1개의 가변 용적의 워어크 챔버를 가지며, 2행정 사이클에 의해 구동되며, 주로 터어보-압축기의 터어빈의 가스 흡입구가 워어크 챔버의 가스 기계적으로 구동되는 압축기의 공기 출구가 워어크 챔버의 공기 흡입구와 연통하는 터어보-압축기에 의해 과급되며, 워어크 챔버의 공기 흡입구 및 가스 배출구에 기관축의 회전에 동기되는 흡기 및 배기 밸브가 구비된 내연기관에 있어서, 상기 내연기관이 시동과 저출력에서의 작동을 위한 외부 소기 장치를 갖고 있지 않을때 기관의 축으로부터 인지되는 각도 위치를 작동중에 변화시킬 수 있으며 적어도 1개의 기관작동 변수의 함수로서 밸브의 개폐를 가능하도록 적합한 제어장치에 의해 상기 흡기 및 배기 밸브가 작동되며, 상기 제어 장치가 상기의 기관 작동 변수에 따라 응답하며, 시동시와 저출력에서의 작동시에는 정상 작동 상태시에 비해 흡기 밸브의 개방 위치를 배기 밸브의 개방시보다 가급적 최소 20°이상 늦도록 유지되면서 흡기 밸브의 개방 시점이 전각되도록 하여, 모든 작동 조건하에서 워어크 챔버내로 충분한 량의 신기의 유입이 획득되도록 한 것을 특징으로 하는 내연 기관을 제공하는 것이다.

본 발명에 의해서, 흡기 밸브 및 배기 밸브를 제어하는 장치는 넓은 범위의 각도내에서 밸브가 개폐되는 시점의 각도 위치의 수정을 허용한다.

따라서 본 발명의 분야에서, 대부분의 공지된 2행정 기관에 존재되며 실린더의 고정 벽에 설치되어 피스톤의 왕복기간중 피스톤에 의해 반복적으로 노출되는 포오트로 구성된 비활동형의 타이밍 요소는 제외된다. 사실 이 경우에 있어서는 개방 및/또는 밀폐의 각도 위치가 운동 피스톤의 위치에 대하여, 그리고 상기 포오트가 워어크 챔버와 외부와의 연통을 보장하는 하사점(BDC)으로 지칭되는 워어크 챔버의 최대 용적에 대응하는 피스톤의 위치에 대칭하여 일단 또는 항상 결정된다.

밸브는 1976년 1월 15일에 출원된 프랑스공화국 특허 제2 338 385호에 서술된 바와 같이 설치되는 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 있어서, 기관 작동 변수는 기관의 작동에 관계되어 검출되며 적어도 2개 값을 추정할 수 있는 변수를 의미한다. 상기 2개의 값중의 하나는 워어크 챔버의 상류 즉 흡기측과, 하류 즉 배기측과의 사이의 압력차의 값이 정으로 되며 기관이 정상 작동 조건하에서 종래의 2행정 기관의 보편적 방법으로 작동되도록 하기 위해 기관의 좋은 작동을 보장하기에 충분한 동안의 기관 작동에 대응하는 것이며, 다른 하나는 상기 압력차가 불충분하거나 부의 값으로 될 것이 우려되는 기간중 또는 기관이 정지된 경우와 같이 상기 압력차가 존재조차 하지 않는 기간중의 기관 작동에 대응하는 것이다.

예를들어 이 변수는 아래와 같은 것일 수 있다. 즉, 과급된 2행정 기관의 경우에 있어서의 과급 압력치, 1사이클 마다 워어크 챔버로 유입되는 연료량, 기관의 주축의 회전 속도, 배기관에서의 온도, 흡기 및 배기압 좀더 바람직하게는 워어크 챔버의 상류와 하류에서 파급되어 있는 압력간의 유효 압력차 등이 그것이다.

상기 변수에 대한 검출기에 의해 반응되어 흡기 및 배기 밸브의 작동을 제어하는 제어 장치는 임의의 형식일 수 있다. 예를들어 기계식으로서 연쇄 체인을 통해 기관의 추축에 의해 직접 구동되는 형태 예를들어 캠축일 수 있다. 이 경우, 기계적 또는 여타의 조절 장치가 흡기 및 배기 밸브의 개폐각의 위치를 수정하기 위해 설치된다.

전술한 제어장치는 또한 전기식, 유압식 또는 공기식일 수도 있으며, 기관의 추축의 회전수에 동기하여 상기 변수에 따라 반응하는 조절 장치로 하여금 흡기 및 배기 밸브의 개폐각의 위치를 수정토록 하기도 한다.

따라서, 본 발명에 의해 정상 작동 범위내에서는 기관이 과급 여부에 관계없이 다양하게 공지된 형식의 2행정 기관으로서 작동한다. 한편, 기관이 상기의 정상 작동 범위 밖에서 작동할때는 소기를 효과적으로 보장하기 위해 기관의 작동은 수정된다.

이것은 각 동작실의 용적이 증가되는 과정 즉, 공기 흡입 과정의 일부를 주로 이용하여 흡기 및 배기 밸브의 개폐의 각도 위치를 변화시킴으로서 달성될 수 있다.

이 목적을 위해, 적어도 흡기 밸브의 개방은 사이클 상에서 현저하게, 예를들어 워어크 챔버의 운동 피스톤 왕복 거리의 중간 지점으로 진각되며, 그에 따라 배기 밸브의 타이밍이 변화된다. 따라서 연소에 유용한 신기의 양의 증가와, 흡기 및 배기 밸브의 밀폐를 진각시킴으로서, 요망한다면 디젤 기관의 바람직한 경우에서 자기 점화를 한층 원활하게 하는 체적 압축비의 증가가 획득된다.

또한, 사이클에서 배기를 진각하게 되면 더욱 고압 및 고온에서 발생하는 배기 송풍의 에너지가 증가된다. 터어보 압축기에 의해 과급되며, 압축기를 구동하는 그의 터어빈의 배기 가스에 의해 그 자체로 구동되도록 한 경우에 있어서 배기 장치가 배기 밸브와 터어빈 휘일 사이에 유리하게 직접 연결될 수 있다. 따라서 매우 저속에서는 송풍의 맥동이 터어보-압축기의 저회전을 발생시켜 기관의 공기의 과급을 초래하지 않고도 워어크 챔버로 부터 연소 가스를 방출하고 신기로 교체시키기에 충분할 정도로 워어크 챔버의 순환을 야기하는 것을 관측할 수 있다.

이 직접 연결은 정상적 방법으로 만곡된 배기관을 사용하여, 디스트리 뷰터를 삽입하지 않고 배기 매니폴드를 터어빈의 휘일에 연결하여 매니폴드의 축방향으로 송풍의 맥동에 대한 방해를 제공하지 않고 고속의 큰 유동에 적합된 유로면을 갖는 배기 매니폴드에 개방되도록 함으로서 간단히 보장될 수도 있다.

본 발명의 특별한 실시예에서는 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 또는 거의 동시에 유효 개방 상태에 있지 않도록 설계되기도 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 배기 장치의 가스가 워어크 챔버로 역류되는 것을 제한 또는 방지키 위해 1방향 장치가 배기 장치에 설치된 상태하에서 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 개방 상태에 있기도 한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 체크 밸브 또는 기타의 기계식 비귀환 장치가 배기 장치에 사용될 수도 있으나, 워어크 챔버의 가스 출구와 가스 매니폴드와를 연결하는 관내에 존재하는 기주(gas columm)의 관성효과, 또는 가급적 3개 이상의 워어크 챔버가 있는 기관에서 임의의 워어크 챔버로 부터의 가스 맥동에 의해 소기 상태의 다른 워어크 챔버를 비울때 조성되는 효과를 이용할 수도 있다.

배기 가스의 관성을 이용할때 배기 장치 특히 워어크 챔버의 가스 출구와 가스 매니폴드와의 연통을 확실히 해주는 관내에서의 1방향 유동을 위해 장치가 설치될 수 있으며 상기의 1방향 장치는 예를들어 매니폴드내의 가스 유동과 동일한 방향으로 지향되는 출구를 가진 충분히 긴 고정 배기관에 의해 구성된다.

가스 맥동에 의해 조성되는 분출 효과 역시 워어크 챔버의 가스 출구와 가스 매니폴드와의 연통을 확실히 해주기 위해 매니폴드내에서 될 수 있으며 매니폴드로 집중되어 있는 가스의 유동 방향과 동일한 방향으로 지향된 출구를 잦는 수렴/발산 노즐의 형상을 갖는 관을 설치하므로서 특히 워어크 챔버의 수가 3개 이상될 때 사용될 수 있다.

후자의 경우, 매니폴드는 상당히 작고 거의 일정한 통로단면을 가지므로 정상작동 조건하에서 상기 매니폴드의 하류단에서의 가스 유동 속도가 마하수 0.4를 초과한다. 가스 매니폴드의 하류 출구는 유동 속도를 0.4 이하의 마하수로 감소시키는 디퓨우저를 통하여 과급된 기관의 터어보- 압축기의 터이빈 입구와 연통할 수 있다. 변형예로서 가스 분배 볼류트가 설치되어 매니폴드의 출구와 터어빈의 회전자에서 입구와의 사이에서 가스 속도가 감소되지 않도록 된 과급용 터어보-압축기 장치의 터어빈의 가스 입구에 가스 매니폴드의 하류 출구가 직접 연통될 수도 있다.

본 발명은 또한 상기에서 설명된 2행정 기관의 조작 방법을 제공한다.

제1의 조작 방법은 다음 사실로서 특징된다.

a) 전술한 변수가 기관의 정상 작동 조건에 상당하는 값을 가질때는, 흡기 밸브와 배기 밸브가 밀폐되어 있는 상태에서는 압축-폭발-팽창 단계와, 상기 팽창 단계의 말기로서 오직 배기 밸브만 개방되어 있는 상태에서의 배기 백동 기간과, 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 개방되어 있고, 워어크 챔버의 각 측부의 압력차의 평균치가 정인 상태하에서 적어도 연소가스의 일부가 신기로 교환되는 소기 기간 으로 이루어진 2행정 사이클의 공지된 방법으로 기관이 작동하며 ; b) 한편 작동 변수가 기관이 적절히 회전 또는 작동되지 않는 동작 조건에 상당하는 값을 가질때는, 밸브의 개방 각도 위치가 워어크 챔버의 최대 용적 위치로 상대적으로 진각되어서 기관의 흡기 장치와 워어크 챔버의 연통이 워어크 챔버의 용적이 증가하는 적어도 일부 기관중에 주로 일어나며, 특히 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 개방되어 있는 단계가 존재할때는 워어크 챔버와 가스 매니폴드간의 연통을 형성하는 관을 설치하는 것이 가능하므로 가스 매니폴드로부터 워어크 챔버로의 방향으로 어떠한 실제적 역류가 발생치 않는다.

흡기 밸브와 배기 밸브의 작동의 각도 위치는 기관의 작동 변수가 소정의 경계치를 통과할때 갑자기 수정되어진다. 선택에 따라서는 복수개의 일련의 경계치가 상기 밸브의 위치에 대해 복수개의 돌연한 수정을 제공할 수도 있다.

변형예로서, 상기의 각도 위치는 바람직한 작동 조건에 상당하는 위치와 최소로 바람직한 작동 조건에 상당하는 위치 사이에서 점진적으로 변화하도록 전술한 변수의 연속 또는 준-연속적인 함수 관계에 따라 수정될 수도 있다. 조정 가능한 타이밍을 갖는 밸브를 통해 흡기만 또는 배기만이 발생되며 이어서 피스톤에 의해 노출된 고정 포오트를 통해 배기 또는 흡기가 이루어지는 2행정 기관은 이미 공지되어 있다.

상기와는 반대로 본 발명은, 배기 밸브 개방에 연이은 흡기 밸브의 개방에 의해 일시적인 4행정 효과를 얻게 한다. 흡기 개방이 고정된 흡기 포오트를 갖는 기관의 경우, 이러한 효과가 불가능하므로 기대될 수 없으며(미국 특허 출원 제2,097,883호, 제6도 제외), 흡기 개방이 진각되어 더 이상 배기 개방에 연이어 있지 않는 배기 포오트를 갖는 기관에서는 더욱 그렇다(미국 특허 출원 제2,097,883호, 제 6 도).

좀 더 자세히 상술하면, 본 발명에 따른 기관의 정상 작동에 있어서 본 발명에 의한 기관의 (압축의)유효 행정은 피스톤의 전 행정의 적어도 50%이다. 시동시 또는 저출력시의 작동 모우드에게 흡기 행정은 전 행정의 적어도 50%이며 압축 행정은 이 행정의 100%정도, 각의 엇갈림(the angular stagger EO-IO)은 20°(크랭크 축의 회전 각도)또는 그 이상이다.

흡기 포오트와 가변 타이밍을 갖는 배기 밸브로 이루어진 공지된 2행정 기관의 경우, 고정된 흡기 포오트때문에 흡기 행정을 증가시키는 것이 불가능하며, 같은 이유로 압축 행정을 오직 약간만 증가시킬 수 있다. 즉, 피스톤 행정의 100% 정도에 달하게 하는 것이 불가능하다.

배기 포오트와 가변 타이밍을 갖는 흡기 밸브로 이루어진 공지된 2행정 기관의 경우, 배기 개방(EO) 및 흡기 개방(IO)의 각의 엇갈림을 희생시켜서 흡기 행정을 증가시키는 것이 가능하다. 이 경우 배기 송풍이 흡기 장치로 배출되어 기관의 스티플링(stifling)을 초래한다. 또한 고정된 배기 포오트 때문에 압축 행정은 100%에 달할 수 없다.

더욱이 기관을 번갈아 2행정 사이클과 4행정 사이클에 따라 작동, 즉 2개의 작동 모우드 사이의 연속적 또는 점진적 변동없이, 하는 것이 제안되어 있다(일본국 특허 출원 제58-152139호 참조).

본 발명은 또한 시동시 전술된 과정중의 하나에 의해 기관이 작동되며, 기관이 과급될때 과급용 터어보-압축기 장치가 기관의 시동전에 속도를 급격히 상승하는 것을 특징으로 하는 기관의 시동 방법에 관한 것이다.

본 발명에 대한 추가의 장점 및 특징은 첨부 도면을 참조로 하기의 설명으로 부터 분명해질 것이다.

먼제 제 1 도 및 제 2 도를 참조키로 한다.

본 발명이 서술코자하는 기관은 상기의 프랑스공화국 특허 제2,339,385호에 서술된 형식의 1개 이상의 워어크 챔버를 갖는 2행정 기관이다. 제 1 도에 나타낸 상기 워어크 챔버는 피스톤 로드(2)를 갖는 운동부 소위 슬라이딩 피스톤(1)과, 상당부에 실린더 헤드(4)를 구비한 고정부 소위 실린더(3)로 구성되어 있다. 실린더 헤드는 시이트(8)와 조합되는 흡기 밸브(7)와 시이트(10)와 조합되는 배기 밸브(9)에 의해 개폐가능한 흡기 통로(5)와 배기 통로(6)를 갖고 있다. 따라서 실린더(3)는 그의 측면벽에 포오트가 없으며 시이트(8 및 10)는 실린더 헤드(4)에 위치한다.

기관의 기타 부분 소위 주축, 캠축, 로커 아암 셋트는 그것들이 종래의 것이므로 상세한 설명은 하지 않는다. 밸브의 경사와 그들의 크기는 정상 작동 상태하에서 될 수 있으면 유효 적절한 성능을 성취토록 하기 위해 예를들어 상기 프랑스 공화국 특허 제2,338,385호에서와 같이 최량으로 설치되어 있다.

제 2 도의 선도는 이 기관의 공지된 작동 모우드를 나타내고 있다. 그의 각의 기점이 하사점(BDC)인 이 선도는 시계 방향으로 회전된다. 각의 위치는 아래와 같다.

배기 개방(EO) : -60°

배기 밀폐(EC) : +100°

흡기 개방(IO) : -30°

흡기 밀폐(IC) : +100°

따라서 상사점으로부터 120°의 하방 행정 후 배기 밸브(9)가 개방되며, 흡기 밸브(7)는 방출 기간에 부합하여 30°동안 여전히 밀폐되어 있는 것을 볼 수 있다. 흡기 밸브 개방(IO)후, 방출 단계는 130°의 소기 기간을 수반하여 워어크 챔버의 흡기 통로(5)와 배기 통로(6)간에 존재하는 정압차의 공기역학적 영향에서 신기가 충전된다. 그후 밀폐 단계가 200°지속되며, 고찰된 예에서는 8/1의 체적 압축비에 해당하는 80°의 압축 행정 기간과, 12.9/1의 체적 팽창비에 해당되는 120°의 기간에 걸쳐 진행되는 폭발-팽창 행정을 갖는 비대칭적 형태로 양분된다.

바로 이런 비대칭 사이클에 의해 공지된 방법으로 높은 비출력(specific power)에 관련된 고효율이 획득된다.

이런 타이밍 선도는 공지된 방법 특히 축 또는 크랭크 축에 기계적으로 연결된 캠축의 조력과, 밸브와 그에 탄성적으로 복종되는 귀환 장치와의 직접 또는 간접적 협동에 의해 획득되며, 캠축과 밸브 간의 협동 작용은 기계식 장치(푸쉬로드, 로커 아암 등)또는 유압식 전동 등과 같은 기타 장치에 의해 달성될 수도 있다.

그것은 또한 유압식 또는 공기식 책 또는 전기식 책과 같이, 각도 위치 변경이 용이한 제어장치에 의해서도 획득될 수 있다.

본 발명에 의하여, 이 제어장치는 기관 작동 중에 흡기 및 배기 밸브의 개방 및/또는 밀폐의 각 위치를 큰 변동치로 변화시킬 수 있도록 설치되어 있다.

예로서, 캠축과 각 밸브 사이의 연결은 가변 조정 장치(예를 들어 유압식 간극 변동 또는 로커 아암 축의 변이)를 포함할 수 있으며 ; 또는 캠과 캠축 사이 또는 캠과 기관축 사이의 연결 또는 그 자체로 공지된 방법으로 가변적일 수 있으며 ; 캠축의 캠이 2중 캠 형상을 갖고 있어 작동 중에 캠축에 병진 운동에 의해 캠을 한 형상으로 부터 다른 형상으로 변경시킬 수 있도록 된 캠축 또한 사용될 수 있으며 ; 유압식, 공기식 또는 전기식 잭에 의해 밸브를 직접 제어할 경우, 그 자체로 공지된 선회 장치 예를 엔진의 축 위치 검출기를 사용하여 밸브의 개폐의 각도를 변동시키기도 한다.

이제 제 3 도를 참조로, 본 발명의 제1실시예에 관해 서술키로 한다.

본 발명에 의하면, 예로서 서술된 기관은 기관의 작동 변수가 어떤 경계치를 초과하게 되면 제 2 도의 2행정 사이클에 따라서 작동한다. 이 변수는 예컨대 크랭크 축의 회전 속도일 수도 있다.

이 회전 속도가 상기의 경계치 아래로 강하하면, 본 발명에 의한 밸브 제어용 장치는 흡기 및 배기 밸브의 개폐 위치의 각을 제3도와 같이 변경시키도록 한다. 제3도에서는 크랭크 축의 회전 각도가 아래와 같다.

EO : -120°

EC : -90°

IO : -90°

IC : +20°

따라서 배기 밸브(9)의 개방(EO)이 상사점을 향해 60°진각되며, 배기 밸브(9)의 개방에 수반되는 팽창에 기인된 배출 기간 중에 기연소 가스의 부분 배출이 방출의 형태로 되는 기간이 오직 30°인 것을 알 수 있으며 이 30°경과의 완료점에서 배기 밸브(9)는 밀폐(EC)된다.

어떤 경우에도, IO와 EO 사이의 엇갈림각(크랭크 축 상에서 목격되는)은 전기에 규정되어 있는 20°의 한계치 보다 크다(동 실시예에서는 30°).

따라서 소기 기간이 배제되어, 배기 밸브(9)의 밀폐(EC)와 동시에 발생하는 흡기 밸브(7)의 개방(IO)시의 신기의 흡입 기간으로 대체되며, 110°각도만큼 진행되는 이 흡입 기간을 체적상으로는 워어크 챔버의 최대 용적의 1/2에 상당하며, 중량적으로는 공회전 작동시의 연료량을 연소시키기에 충분한 2/3의 신기에 상당한다.

흡기 밸브의 밀폐(IC)후, 압축 단계가 발생되며 그 후 상사점(TDC)에 근접하여 연소 단계가 발생되어 사이클이 재 시작된다.

흡기 밸브와 배기 밸브가 결코 동시에 개방되지 않으므로, 배기 매니폴드에서의 압력 수준은 더 이상 중요 역활을 못하며, 이렇게 설계된 기관은 비록 과급되지 않더라도 공회전시에 안정될 방법으로 시동 및 작동이 가능하다.

더욱이, 압축 행정이 하사점(BDC)근처에서 시작되므로, 체적 압축비가 15.6/1의 증가된 값(8/1 대신)으로 되어 디젤 기관에 대해서와 같이 비록 대기 흡입을 하더라도 공기-연료 혼합기의 자기 점화를 보장해 준다.

기 서술된 제1실시예에 있어서, 제 3 도의 타이밍 선도는 유압식 또는 전자기식 책에 의해 밸브를 직접 제어할 수 있는 장치를 채용하여 용이하게 실현할 수 있다. 사실 크랭크 축의 회전 속도가 전술한 경계치 이하일때는 밸브 특히 배기 밸브(9)의 개폐의 높은 각 속도를 얻는 것이 가능하다. 밸브의 상승폭을 줄임 또는 단축시켜 주며 공지된 유압식 타이밍 장치와 관련된 유압식 연결 요소를 책과 밸브 사이에 사용함으로서 이 개폐 속도는 한층 증가될 수 있다.

만일 종래의 밸브 제어(탄성 제어 장치와 협동하는 캠축)가 사용되면, 특히 높은 속도에서 밸브 밀폐용의 승강 캠이 상당히 급경사를 가져야 하므로, 실현하기가 훨씬 난해하다.

캠축을 갖는 기관의 경우에는 제 4 도의 선도를 참조로 이제부터 서술된 실시예가 따라서 더 바람직하다.

이 실시예에서 회전 속도가 고정된 경계치 이하로 감속되면 캠축이 후방(즉, 반시계 방향)으로 60°오프세트 되므로 예시된 선도가 획득된다.

EO : -120°

EC : +40°

IO : -90°

IC : +40°

제 3 도의 실시예에서와 같이 IO와 EO 사이의 각 엇갈림은 30°이다. 그러나, 제 3 도를 참조로 예시된 기관에 대조적으로 방출 기간에 이어서 흡기 개방이 시작되는 혼합 기간이 현속되며 이 기간중 흡기 밸브(7)와 배기 밸브(9)가 동시에 개방되어 있다.

피스톤의 하강 행정시, 예를 들어 배기 매니폴드 매의 압력이 흡기 압력보다 높을때, 배기 매니폴드로 부터의 예상되는 해로운 가스역류가 기관의 안정된 공회전을 방해하는 것을 방지키 위해 상기 실시예에서는 워어크 챔버와 배기 매니폴드를 연결하는 관 내에 있는 배기 밸브의 하류측에 예를 들어 체크 밸브와 같은 I 방향 배기 장치가 직접 장착되어 있다.

이 밸브는 상기 관 내에 설치된 공기 역학적 다이오드와 같은 임의의 등가 장치로 대체될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 흡기 및 배기 밸브의 선도가 예를 들어 제4도의 선도와 동일하며, 즉, 적어도 피스톤의 하강의 일부시에 흡기 밸브(7) 및 배기 밸브(9)가 동시에 개방되어 있는 기간이 존재한다.

본 발명의 상기 다른 실시예의 제1변형예에 따르면, 배기 밸브(9)의 개방 중 하강 행정의 끝에서 가스의 배출(송풍)에 따라 발생되는 맥동에 의해 워어크 챔버의 출구와 가스 매니폴드를 연결하는 관내에서 거동되는 기주의 관성 효과를 이용함으로서 역류가 방지된다.

따라서 카데나시(Kadenacy) 효과라는 이름으로 공지된 이 효과는 관의 반경 및 길이에 있어서 특별한 조정치가 최적이 되도록 요구하고 있다.

제 5 도에서 보는 바와같이 관(11)이 직선의 배기 매니폴드(12)내의 가스의 유동 방향으로 개방되도록 설치되어 있으면 기관의 매우 낮은 속도시와 카데나시 효과가 없을때조차도 배기 매니폴드(12)를 자유 관통하는 맥동 형태의 배기 방출이 획득된다. 제 6 도에 나타낸 바와 같이 기관이 매니폴드(12)의 단부에 터어보-압축기 장치(28,29)의 터어빈(29)을 포함하고 있는 경우, 터어빈 휘일의 전방에 배치된 엘보우, 볼류트 또는 디스트리뷰터와 같은 장애물만 없다면 약간의 펠턴 터어빈 효과에 의해 흡기 매니폴드(27)에서 워어크 챔버(3)의 순환으로 하여금 작동의 최저 상태 특히 시동시 기관의 충분한 가변적 작동을 허용하는 것을 보장하는 터어보-압축기 장치의 회전을 발생할 정도로 이 방출은 충분하다.

제 5 도에서는 또한 기관축 또는 크랭크축(14)이 회전하는 블록(13)내에, 공기 여과기(16)를 포함하는 입구를 갖는 공기 매니폴드(15)에 의해 공기가 공급되는 3개의 워어크 챔버 또는 실린더(3)로 구성된 본 발명에 의한 기관의 개략도를 볼 수 있다. 흡기 밸브(17)와 배기 밸브(18)가 제어 장치(21)에 의해 캠축(19,20)을 통해 구동된다. 이 기관은 축(14)의 회전 속도의 검출기(22), 공기 흡입 압력 검출기(23), 연료 유도 장치(25)를 통해 워어크 챔버 내로 1 사이클 당 유입되는 연료량의 검출기(24) 그리고 선택 사양으로 배기온도의 검출기(34)를 갖고 있다. 제어 장치(21) 통제용 전자 장치(26)가 검출기(22 및/또는 23 및/또는 24 및/또는 34)에 응답하며 검출기에 의해 검출된 단순 또는 복잡한 변수의 값과 경제적 사이의 비교 결과의 함수로서 정상적인 2 행정 작동 또는 본 발명에 의해 수정된 작동을 수행키 위해 제어 장치의 상태를 통제한다.

본 발명의 상기 실시예의 또 다른 변형예에서는, 워어크 챔버 또는 실린더(3)로 부터의 맥동에 의해 조정되는 분출 효과가 다른 워어크 챔버를 소기 상태로 옮겨 주도록 영향을 주는 장점을 취할 수 있다. 이것은 이 과정의 각의 소요 기간을 기억한다면 워어크 챔버가 3개 이상됨을 필요로 하고 있다.

그런 기관이 제 6 도에 나타내져 있으며 여기에서 제5도와 유사한 요소는 달리 표시되지 않는 한 동일한 참조 번호를 따른다.

나타낸 기관은 배기 가스로 구동되는 터어빈(29)를 갖는 터어보-압축기 장치의 압축기(28)로 부터 일정 압력으로 과급된 공기를 수용하는 공기 흡기 매니폴드(27)에 의해 공기가 공급되는 5개의 워어크 챔버(3)를 가지며, 상기의 가압된 공기는 먼저 공기 냉각기(30)에 의해 냉각된다. 배기 장치(31)는 가스 분출 효과를 이용한다.

이 분출 효과는 프랑스공화국 제2,378,178호, 제2,415,200호, 제2,478,736호에 기재된 형식의 공지된 장치로도 획득될 수 있다.

제 6 도에 도시된 장치는 아래의 구조적 특징을 필요로 한다.

A-출구가 가스 매니폴드 내의 유동 방향으로 향해 있는 수렴 또는 수렴/발산 노즐의 형태로 된 관(32)에 의해 워어크 챔버의 출구와 가스 매니폴드(31) 사이의 미소 공간에 대한 극도로 짧은 연결.

미소 공간과 이 관(32)의 통로부의 리스트릭숀은 배기 송풍 단계의 초기에 워어크 챔버 내에서 획득 가능한 에너지의 회복에 유리하도록 영향을 준다. 사실 관내의 압력은 배기 밸브가 개방되는 즉시 매우 급속히 증가되며 워어크 챔버 내의 보편화된 압력에 달하여 상기의 배기 밸브를 관통할 때의 교축에 의한 에너지의 손실을 상당히 감소시킨다.

따라서 팽창의 끝에서 워어크 챔버 내에서 획득 가능한 유용한 에너지는 최대 수준으로 보존된다.

수렴관(32)내의 가속과 가스 매니폴드(31)가 수렴관의 유동 방향으로 지향됨으로 인해 이 위치 에너지가 상기 매니폴드(31) 내에서 유동하는 기통의 가속에 기여하는 운동 에너지로 효과적으로 변환된다.

B-피스톤의 직경에 비해 작은 직경(일반적으로 1/2 등급)을 갖는 가스 매니폴드(31)에 다수개의 워어크 챔버의 배기를 통합.

매니폴드의 치수는 아래와 같이 표현될 수 있다.

여기에서, Se=가스 매니폴드의 단면적, Sp=각 피스톤의 횡 단면적, n=피스톤의 수, n.sp=동일한 가스 매니폴드에 연결되어 있는 실린더를 갖는 피스톤의 전체 횡 단면적, Vp=각각의 피스톤의 평균 속도, Ve=가스 매니폴의 하류 끝에서의 가스 속도, p'2=흡입 공기의 밀도, p5=배기 가스의 밀도, α=기관의 유동계수(0.5~1.2)

매니폴드의 하류 끝에서의 가스 유동의 마하수는 :

여기에서,

만일 T5=873°K(600℃)이면 a5=577m/s

m=0.3, Ve=173 m/s

C-각 워어크 챔버로 부터의 운동의 량의 분사를 체계화하기 위해 가능한한 규칙적이며 임의의 워어크 챔버의 배기가 다른 워어크 챔버에 최소로 교란하는, 동일 가스 매니폴드에 함께 통합되는 여러 워어크 챔버의 점화순서의 통제.

D-고속에서 마찰 또는 유로의 변화(굽힘 또는 단면의 급격한 변화)에 의한 유동의 전체 압력 강하를 가능한한 피하기 위해 매니폴드의 하류 끝(가스의 유동 방향에서)과 터어빈(29)의 입구 사이를 가능한 단순하고 짧게 한 연결관(33) ; 예로서, 0.7의 마하수를 갖는 가스 유동의 마찰에 의해 기인된 전체 압력 강하는 매니폴드 직경의 단위 길이당 1% 등급이다.

E-가스 매니폴드의 하류 끝과 터어빈의 입구 사이에서 유동을 0.25의 등급의 마하수로 늦출 수 있는 다퓨우저의 선택적인 삽입.

그러나 유동이 터어빈 휘일로 유입되기 전제 1의 등급의 마하수로 다시 가속(보통 디스트리뷰터라 지칭되는 노즐의 고정링)되는 사실의 관점에서, 상기의 특징(E)을 아래의 것으로 대체함으로서 디퓨우저 내에서의 감속을 배제한 후 디스트리뷰터 내에서 가속시키는 것이 좀더 바람직하다는 것이 확실하다.

E'-가스가 터어빈의 팽창 휘일에 유입할때까지 가스의 속도를 거의 일정하게 유지하기 위하여 가스를 터어빈에 유입하기 위한 하우징의 구성.

본 발명에 의해 기관이 저출력 모우드로 작동할때 배기 밸브의 조기 개방(advanced opening), 예를 들어 하사점(BDC) 전 120°에서 배기 밸브 개방(EO)의 시작을 초래하는 이전에 지적된 60°의 진각 즉 피스톤의 팽창 행정 끝 전, 은 다음과 같은 많은 장점을 주고 있다 :

배기 밸브의 개방시 워어크 챔버 내의 압력과 온도 그리고 배출 가스의 질량이 높을수록 배기 방출은 더욱 활성화된다 ; 과급용 터어빈의 구동과 가속은 상당히 증진되며 특히 배기 장치가 전술한 본 발명의 제2실시예에 의해 설치된다면 더욱 증진된다.

같은 이유로 2행정 기관의 자기 소기 작용이 기관의 저출력 작동에서 증진돤다.

주축상에 주어진 출력에 대해 팽창 거리의 감소는 연료 소비의 증가를 초래하며 따라서 워어크 챔버를 빠져 나가는 가스의 온도가 증가되며 이 인자는 과급용 터어빈의 구동에 관해서도 또한 유리하다.

더욱이 직선의 매니폴드와 터어빈(29)의 입구 사이의 직접 연결은 최저속의 작동시 터어보-압축기 장치에 의해 양호한 소기를 달성하기 충분한 워어크 챔버의 순환을 조성키 위한 어떠한 분출 또는 관성 효과 없이 배기 송충에 기인하여 장점이 맥동으로 부터 취해지도록 하여 준다.

본 발명은 물론 많은 변경이 가능하며 전술한 여러 흡기 및 배기 타이밍 선도는 본질적으로 실예로서 언급될 것으로, 본 발명의 범위 내에서 이 선도는 여러 변형이 가능하다.

Claims (20)

1. 측면 포오트가 없는 실린더 내에서 피스톤에 의해 한정되는 적어도 1개의 가변 용적의 워어크 챔버(3)를 갖고 2행정 사이클에 의해 작동하며 기관축의 회전에 동기되는 흡기 밸브(7) 및 배기 밸브(9)가 워어크 챔버(3)의 공기 흡입구 및 가스 배출구에 설치되어 있는 내연 기관에 있어서, 시동과 저출력에서의 작동을 보장하기 위한 외부 소기 장치가 없으며 적어도 1개의 기관 작동 변수의 함수로서 밸브 개방 혹은 밸브 밀폐를 기관축으로 부터 인지된 각도 위치의 함수로서 변화시킬 수 있도록 적합된 제어 장치에 의해 흡기 및 배기 밸브(7, 9)가 작동되며, 상기 제어 장치가 기관의 상기 작동 변수에 따라 응답하며, 시동과 저출력에서의 작동시에는 흡기 밸브의 개방 시점을 배기 밸브의 개방 시점후로 유지하면서 정상 작동 상태시에 비해 흡기 밸브의 개방 시점이 진각되도록 하여 모든 작동 조건하에서 워어크 챔버 내로 충분한 량의 신기의 유입이 획득되도록 한 것을 특징으로 하는 내연 기관.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기관이 시동과 저출력에서의 작동시에 흡기 밸브의 개방 시점과 배기 밸브의 개방 시점과의 각의 엇갈림이 적어도 30°인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
3. 제 2 항에 있어서, 터어빈의 가스 입구가 워어크 챔버의 배출구와 연통하며 터어빈에 의해 기계적으로 구동되는 압축기의 공기 출구가 워어크 챔버의 공기 흡입구와 연통되도록 된 터어보-압축기에 의해 과급되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기관이 기관의 작동에 관계하는 변수 즉, 과급된 2 행정 기관의 경우 과급 압력의 값, 워어크 챔버 내로 사이클 당 유입되는 연료량, 기관 주축의 회전 속도, 배기 온도, 또는 흡배기 밸브 간의 압력차의 유효값을 검출키 위한 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 내연 기관.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 장치가 기계식이며, 기관의 주축에 의해 연쇄 체인을 통해 직접 구동되며, 특히 캠축이 관련 밸브(7, 9)의 개방과 혹은 밀폐의 각도 위치를 수정키 위해 설치된 기계적 조절 장치인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
6. 제 1 항에 있어서, 밸브(7, 9)의 제어 장치가 전기식, 유압식 또는 공기식이며, 상기 변수에 따라 응답하는 통제 장치가 밸브(7, 9)의 개방과 혹은 밀폐의 각도 위치를 수정키 위해 밸브 제어 장치와 결합되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 장치를 채용할 경우, 흡기 및 배기 밸브(7, 9)의 개방 또는 밀폐의 각도 위치가 수정되며, 공기의 흡입을 조성키 위해 흡기 밸브(7)가 주로 워어크 챔버의 용적이 증가되는 행정의 적어도 일부 중에 개방되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어 장치를 채용할 경우, 압축 과정이 피스톤의 전 압축 행정에 상당하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
9. 제 7 항에 있어서, 흡기 밸브의 개방 위치가 피스톤의 행정 거리의 중간 지점 근처인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제어 장치가 설치되어 흡기 및 배기 밸브(7, 9) 동시 또는 거의 동시에 개방상태로 되지 않는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
11. 제 7 항에 있어서, 상기 제어 장치가 설치되어 기관의 사이클의 일부 중에 흡기 및 배기 밸브(7, 9)가 동시에 개방 상태로 되며 기관은 배기 장치로 부터 예상되는 가스의 역류를 제한 또는 방지하기 위해 그의 배기 장치 내에 1 방향 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 1 방향 장치가 기계식 체크 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 1 방향 장치가 기통의 관성 효과를 관내에서 가동시키기에 충분한 길이의 고정된 배기관을 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 기관이 3개 이상의 워어크 챔버를 가지며, 또한 임의의 워어크 챔버로 부터의 가스 맥동에 의해 조성된 분출 효과를 소기 상태의 다른 워어크 챔버를 비울때 채택하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 기관이, 워어크 챔버의 가스 출구와 가스 매니폴드와의 연결을 보장하는 동시에 매니폴드 내에서 가스 유동과 동일한 방향으로 지향된 출구를 갖는 수렴 또는 수렴/발산 노즐 형상의 배기관을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
16. 제 12 항에 있어서, 배기관이 가스 매니폴드에 대하여 유동과 동일할 뿐만 아니라 될 수 있으면 가스 매니폴드에 대하여 중앙 집중 방식으로 개통되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
17. 제 3 항에 있어서, 배기 장치가 저출력 동작의 조건에서 오직 배기 송풍 맥동에 의해 터어보-압축기 장치를 회전 구동시키기 위해 배기 밸브(9)와 과급용 터어빈(29) 휘일과의 직접 연결을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
18. 제 15 항에 있어서, 가스 매니폴드의 통로 단면이 거의 일정하며 또한 충분히 작아서 정상 가동 조건시에 매니폴드의 하류 끝에서의 가스 유동율이 마하수 0.4를 초과하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
19. 제 18 항에 있어서, 가스 매니폴드의 하류 출구가 속도를 마하수 0.4이하로 저감시키는 디퓨우저를 통하여 과급용 터어보-압축기 장치의 터어빈의 입구와 연통하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
20. 제 17 항에 있어서, 가스 분해 볼류트가 설치되어 가스 속도가 매니폴드의 출구에서 터어빈 회전자로 유입되는 사이에서 현저히 감소되지 않도록 한 과급용 터어보-압축기의 가스 입구에 가스 매니폴드의 하류출구가 직접 연통하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.

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