KR970001124B1 - 제어된 점화를 달성하기 위한 피스톤 및 방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
제어된 점화를 달성하기 위한 피스톤 및 방법
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예와 통합된 압축 점화 내연기관의 연소챔버의 개략 수직단면도.
제2도는 제1도에 예시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 작용챔버의 통합된 피스튼 크라운의 상세단면도.
제3도는 제1도에 예시된 본 발명의 실시예와 통합된 작용챔버와 일체로 된 피스톤 크라운 면적의 확대단면도.
제4도는 C.I. 엔진용으로 사용되는 본 발명의 다른 바람직한 실시예와 통합된 피스톤 크라운 면적의 개략평면도.
제5도는 C.I. 엔진용으로 사용되는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시한 제4도와 유사한 도면.
제6(a-e)도는 직접 분사엔진의 피스톤 크라운 면적에 통합되는 본 발명의 여러가지 바랑직한 실시예의 개략도.
제7도는 C.I. 엔진에 사용되는 것을 도시한 본 발명의 실시예 도면.
제8도는 제7도에 예시된 본 발명의 실시예에 따라서 작용챔버와 통합된 피스톤 크라운의 상세한 단면도.
제9도 및 제10도는 S.I. 엔진용으로 사용되는 본 발명의 실시예에 통합된 피스톤 크라운 면적의 평면도이다.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 내연기관분야에 관한 것이며, 특히 이러한 기관용 피스톤에 관한 것이다.
[발명의 배경 및 관련 기술의 검토]
내연(I.C.)기관에 정전되는 연료의 점화 및 연소특성에 관한 개량된 제어는 오랫동안 모색되어 왔던 목표이다. 디젤(압축점화 또는 C.I.)엔진에서 전형적인 오일연료를 신뢰성 있게 점화하는 것과 관련된 문제점들을 특히 고속차량 및 트럭 디젤엔진과 관련하여 잘 알려져 왔으며 방대하게 실증되어 왔다. 또한 최근에 방대하게 실증된 것들은 역시 디젤엔진의 점화특성에 관한 미립자 배기방출과 연기에 관련된 문제들이다.
또한 알콜연료가 경제적인 측면에서 적절하다고 인식되었으나 종래의 불꽃점화(S.I.)엔진에서, 증기화의 높은 열(연소챔버에서 과도한 냉각효과가 생김)과 낮은 세탄가(과도한 점화지연으로 인해 어려운 또는 신뢰성이 떨어지는 압축점화가 생김)로 인하여 디젤엔진용으로 어렵거나 부적절한 연료로 간주되었다.
S.I. 엔진의 경우에, 현대의 엔진에 통상 사용되는 압축비에서 가솔린 타입엔진의 연소는 연료의 노킹영향에 의해 제한된다.
물론 안티노크 첨가제가 통상 사용되는데, 가솔린 연료의 노크경향을 줄이도록 알콜이 혼합된다.
S.I. 엔진의 모드 작동영역에서 노크없이 가솔린 타입 연료의 깨끗하고 완전한 연소를 이루는 것을 상당히 바람직하다.
디젤엔진에서 연료의 개선된 점화특성에의 여러가지 접근은 어느정도 성공을 거두었지만, 종래의 디젤연료로 인한 미립자 배출문제 그리고 알콜연료로 인한 점화문제는 종래 디젤엔진에 실제적인 수정없이 그리고 연료 또는 배기 시스템의 실제적인 처리없이 해결이 불가능해 보이지 않으면 어려움이 여전히 남는다.
또한, 언급한 바와같이 여러가지 접근이 S.I. 엔진용 가솔린 연료의 안티노크특성을 개선하였으나, 이들 모두는 일반적으로 연료에 첨가제가 필요하며, 연료제품의 생산원가를 증가시킨다.
한편, 연소와 관련된 분야에서 어떤 더 오래된 발견과 마찬가지로 연소기술분야에서의 최근 개발에 대한관심, 특히 가솔린 연료의 노크없는 연소와 디젤연료의 신뢰성 있는 즉각점화를 산출하는데 필요한 물리적 환경과 마찬가지로 상승된 온도와 압력에서 대기중 연료실체의 산화작용을 점차 유도하는 화학작용의 중요성은 C.I. 및 S.I. 내연기관에 연료의 점화와 연고의 복잡한 과정에서 탄화수소의 라디칼종(radical species)의 역활의 발명자에 의해서 투자가 유도되었다.
본 발명은 냉염(cool flame)과정(즉, 냉염 산화작용)에서 발생된 연료의 고활성 라디칼종으로 C.I. 또는 S.I. 엔진의 점화전에 연료충전의 제어된 살포(seeding)가 압축된 연료충전의 화학적 상태로 인하여 어떤 엔진 작동상태(S.I. 엔진의 경우) 동안에 노크되거나 또는 점화 개선제(C.I. 엔진의 경우) 없이 점화되기가 어렵다고 통상 여겨지는 연료의 노크없는 연소 및 신뢰성 있고 예측 가능한 점화를 산출할 수 있다는 인식으로부터 이루어겼다.
탄화수소 연료의 점화와 연소가 구동력을 산출하는데 효과적으로 이용되는 열 및 팽창에너지를 산출하기 위하여 연료의 신속한 산화를 포함한 화학적 발열작용이라는 것이 인식되었다. 작용을 화학적으로 최적화하는 어떤 과정은 연료의 점화 및 연소특성을 근본적으로 개선할 것이며, 양호한 그리고 더욱 완전한 연소로 인해 엔진작동과 배기방출특성을 개선하게 될 것이다.
엔진 또는 연소챔버의 과도한 복잡성 또는 연료/공기 공급 및 배기 시스템의 조작도 역시 피할 수 있다.
문제는 이러한 살포로부터 얻을 수 있는 인식된 장점을 달성하기 위해 연소챔버에서 라디칼의 공급을 어떻게 발생시키고 조정하느냐는 것이다.
라디칼 자체의 발생은 비교적 간단한데 : 상승된 온도 및 압력에서 공기과 연료흔합물을 가열하여 냉염 산화과정에서 굽거나(cooks) 부분적으로 작용하여 다른 분자와 라디칼종과 화학적으로 쉽게 결합되는 산소와 연료의 여러가지 고활성 라디칼종을 산출하는 것이다. 하지만 복잡한 것은 현존하는 엔진과 그의 연소챔버의 최소 복잡성과 교체로 효과적인 방법으로 폐쇄된 연소챔버내에서 연료내에 이러한 라디칼종의 적절한량을 유입시키는 것이다. C.I. 엔진의 경우에, 라디칼의 필요한 량을 바람직하게 선정된 점화특성을 산출하는 주어진 엔진을 위한 주어진 연료충전에서 라디칼의 개체(population)이다. 예를들면 특성은 비교적 낮은 압축비로 저세탄 연료의 신뢰성 있는 점화시기이며, 최소의 연기와 미립자 방출로 더욱 높은 세탄연료의 더욱 개끗한 연소이다. S.I. 엔진의 경우에 라디칼의 필요한 량은 연소불꽃 선단에 의해서 최종 도달되는 연소챔버의 끝 구역에서 통상 엔드(end) 가스의 조기 점화없이 연료 충전의 매우 신속한 연소를 완전히 달성하는데 필요한 개체이다. 잘 알려진 바와같이, 이러한 조기점화는 노크로 알려진 소음으로 연소챔버에서 매우 신속하고 가끔 파괴적인 압력상승을 산출하는 급작스런 작용을 야기한다.
이점에 관한 여러가지 접근이 1977년 1월 11일 미국 특허 4,002,151호 및 1982년 3월 2일 허여된 동 특허 4,317,432호에 개시되어 있는데, 이들 양자는 연료 및 공기의 부분적인 산화작용에 의한 라디칼 발생용 기구 및 화학작용, 이러한 작용으로부터 결과된 라디칼의 구성, 내연기관에서 액체연료의 연소에 점화 센터로서의 라디칼의 영향, 그리고 연소구역에서 온도와 압력조건과 연료의 자기점화 포인트 사이의 관계(미국특허 4,317,432호의 제5도 참조)등, 본 기술분야에서 해결하고자 하는 문제들의 설명을 위해 참고로 여기에서 언급된다.
탄화수소 연료의 연소를 개선(즉 라디칼 증진 연소)하기 위한 라디칼의 발생과 조정하는 또 다른 접근은 본 발명의 양수인에서 양도된 1986년 6월 3일 허여된 본 미국특허 4,592,318호에 개시되어 있다.
상기 특허는 엔. 엔. 세미노브(N.N Seminov)에 의해 연구되고 보고된 바와같이 여러가지 온도와 압력조건하에서 연료의 자동점화 포인트상의 라디칼의 영향과 연료충전의 라디칼 살포의 중요성을 논의하기 위해 참고로 여기에 언급되었다(상기 특허의 제14도 및 관련 논문 참조).
상기 특허(4,592,318)에서 연료 라디칼종은 피스톤의 외주에 구비된 공진(resonating)챔버에서 제어된 방식으로 발생할 수 있는데, 여기에서, 챔버는 주연소구역내에 공기를 주입하는 공진조건을 산출하고 사이클의 팽창부의 끝에서 배기밸브의 개방순간에 공진챔버로부터 연소구역내로 억제된 유체의 흐름을 또한 산출하는 임계(critical)갭 또는 슬롯 오리피스를 제외하고 주연소챔버로부터 분리된다. 갭은 적어도 더욱 높은 엔진 작동속도에서 사이클의 압축부분 동안에 공진챔버내로 억제된 흐름상태를 제공하는 것으로 상기 특허에 역시 개시되어 있는데, 이것에 의해 엔진속도에 따라 엔진용 가변 압축비를 산출한다.
미국특허 4,592,318호에 개시된 장치와 공정이 의도한 목적, 말하자면 연료의 개끗하고 완전한 연소를 바람직한 배출로 달성하는 한편, 그리고 장치가 상기한 연소시스템과 결함된 엔진의 노크경향을 줄이는 한편, 어떤 엔진에서는 신뢰성 있는 점화 및 연소특성이 엔진의 모든 작동속도에서 실제로 억제되는 오리피스를 통해 주연소챔버와 연통하는 제 2 챔버를 이용함으로서 달성될 수 있다는 것이 발견되었다. 더욱이, 연소사이클의 배기부분을 넘어 제 2 챔버에서의 라디칼 유지의 중요성과 충전되는 대부분의 연료를 포함하는 피스톤에서의 오목부 또는 리세스의 구비의 중요성은 C.I. 엔진에서 디젤연료의 점화특성의 개선 그리고 S.I. 엔진에서 노킹없이 신속하고 완전한 연소의 성취와 관련하여 인식되지 못하였다.
[발명의 요약]
본 발명은 피스톤, 피스톤타입용 연소챔버, C.I. 엔진의 경우와 디젤사이클엔진으로부터 연기와 미립자 배출을 줄이는 점화지연특성과 각각의 연료충전의 신뢰성 있는 시기에 점화를 일으키는 소정의 연료점화 및 연소특성을 얻기 위하여 연료 라디칼종을 발생하고 조정하도록 되어 있는 흡기 내연기관으로 구성되어 있다. S.I. 엔진의 경우에, 본 발명은 매우 빈약한 공기연료비율로 연료충전의 노크없는 신속한 연소를 산출한다.
원하는 충전점화특성을 얻도록 각각의 유입충전을 살포하기 위하여 라디칼의 제어된 발생과 충분한 량으로 제때에 연소챔버내에 방출하는 것은 피스톤 크라운 면적에서 깊은 오목부 또는 리세스에 밀접하게 배치된 일반적으로 등근 또는 등근섹션형상의 작용챔버를 이용함으로써, 그리고 혼합물의 집중적인 회오리형 소용돌이를 산출하도록 배열된 좁은 슬롯 오리피스를 통해 리세스와 연통시킴으로 인해서 달성되며, 한편 이것을 챔버측벽과 밀접하게 접촉되어 주연소챔버로부터 오리피스를 통해 불꽃 전파를 끄며(guenching)엔진 작동동안 작동챔버내로 그리고 밖으로 가스의 흐름을 억제하여 작용챔버에서의 압력변동과 연소챔버에서의 압력변동 사이에서 시간 지연이 존재한다.
이러한 장치는 각각의 연소사이클의 흡입 및 압축부분 동안에 연소챔버에 연료라디칼의 적절한 공급과 작용챔버에서 제어된 압력, 온도 및 연료혼합상태를 산출한다.
C.I. 엔진 실시예에서, 각각의 연소사이클 동안에 연료의 량은 슬롯 오리피스에서 직접 분사된 연료 스프레이를 바람직하게 조절하므로서 작용챔버내로의 유입이 허용되어, 연료가 작용챔버내로 흐른다. 대안으로서 연료는 엔진의 연소사이클이 흡입부분 동안에 흡입된 공기와 함께 유인될 수 있으며, 충전의 압축동안에 작용챔버로 전달된다.
작용챔버에서 공기와 연료는 작용성이 높고 불안정하나 연료 및 공기의 라디칼종을 산출하는 냉염산화과정을 경험하므로서 높은 온도와 압력에서 부분적으로 작용한다.
작용챔버에서의 혼합물은 강력하게 소용돌이치므로 챔버의 측벽과 밀접한 접촉을 유지하여 피스톤 크라운으로부터 작용챔버의 유체혼합물내의 열전달이 이루어진다. 라디칼의 일부분은 제어된 방식으로 연소사이클의 경우 흡입 및 압축동안에 연소챔버의 피스톤 리세스 면적에 공급되고, 여기에서 이들은 충분한 양으로 제1공기 및 연료충전을 살포하는 기능을 하여 원하는 연료점화와 연소특성을 얻는다.
C.I. 엔진에서, 본 발명은 점화개선제를 사용하지 않고 통상의 압축비에서 메타놀과 같은 저세탄가 연료의 신뢰성 있는 점화 및 연소를 가능하게 하며, 점화에 뒤이은 연소챔버에서의 압력상승 및 열방출비율을 조정하므로서 연소되는 오일 디젤연료로부터 생긴 연기와 미립자 배출을 감소시키는 장점을 역시 구비하고 있다. 예를들면 메타놀 연료의 연소는 개선되는데, 여기에서 연소 과정은 화산 연소보다는 점화지연이 적은 단상(single phase)연소과정으로서 더 잘 수행된다. 압력상승은 감소되며, 연소는 종래의 디젤사이클엔진에서 전형적인 사이클에의 후부가 아니고 피스톤 상사점 위치에 완전히 밀접하게 된다.
C.I. 직접 분사엔진에서 디젤연료의 점화지연은 연료분사의 시기를 변경시킴으로서 본 발명을 이용하여 제어되거나 또는 최적의 상태로 된다.
각각의 분사에 따라 연료는 연소챔버에서 어떤 압력과 온도조건이 확인되지만 또한 연료 및 공기의 압축된 충전을 통하여 다수의 점화점과 산출을 유도하는 화학작용을 즉각 야기하는 피스톤 리세스의 연료가 풍부한 면적에서 활성이 높은 라디칼 개체와 만나게 된다. 점화점이 점화되는 지점은 연소챔버에서 라디칼 개체의 일반적 위치와 분포와 마찬가지로 충전되는 라디칼의 개체를 제어함으로써 조절될 수 있다.
본 발명을 이용하면, 비교적 낮은 압축비(즉, 18 : 1)는 메타놀(약 5 내지 10번위의 세탄가를 갖춘)과 같은 저세탄연료의 신뢰성 있는 압축점화를 달성하는데 사용될 수 있다.
S.I. 엔진에서 본 발명은 엔진의 모든 작동영역에서 노크없이 화학량론(stoich-iometric)의 빈약한 면에서 연료충전의 충분하고 신속한 그리고 완전한 연소를 가능하게 한다.
감소된 온도 및 압력에서 연료충전의 연소로 인하여 바람직스럽지 못한 배출이 줄어들고 동력의 상당한 손실없이 경제성의 개선이 달성된다.
[바람직한 실시예의 상세한 설명]
제1 내지 제3도를 참조하면, 내연기관 직접 분사 압축점화(C.I.)엔진(10)이 단면도로서 개략적으로 예시되어 있는데, 여기에서 실린더(12)는 피스톤핀 또는 축받이(18)에 의해서 피스톤(14)에 부착된 커넥팅로드(16)를 통해서 출력 크랭크축(도시되지 않음)에 연결된 왕복 피스톤(14)을 포함하고 있다.
실린더(12)는 실린더헤드(20)에 의해서 상부끝에 밀접하게 되어 있어서 피스톤(14)의 상부끝과 헤드(20)사이에 연소챔버 간극용적(Vc)을 제공한다.
종래의 흡배기밸브(22,24)는 흠배기포오트(26,28)와 일반적으로 30으로 표시된 연소챔버 사이에 연통을 제공한다. 밸브(22,24)는 내연기관 기술에서 이러한 목적을 위해 통상 사용되는 어떤 종래의 시스템에 의해서 작동되고, 최근의 내연기관 분야에 숙련된 자는 적어도 공기가 에어크리너(A)를 통해서 연소챔버에 유입되고 흡기포오트(26)를 통해서 연소사이클의 흡기 및 압축부분 동안에 압축되고, 폐쇄된 연소챔버에서 충전의 연소 및 팽창 그리고 엔진의 연소산화의 배기부분 동안에 배기포오트(28)를 통한 연소 산출물의 배출을 가능하게 하는 밸브(22,24)의 동시 개폐를 제공하는 밸브 구동열 기술에 익숙할 것이다.
전형적으로 연료는 아래에 개시되는 방식으로 공기와 함께 유입되는 S.I. 엔진에서조차도 연소챔버내에 직접 분사된다.
제1 내지 6도에 예시된 특정 C.I. 엔진 실시예에서, 충전의 연료부분은 제어모두율(40)을 통해서 가속페달(38)의 제어하에서 인젝터 펌프 시스템(36)을 경유하여 공급부(34)로부터 연료를 수용하는 직접 연료분사노즐(32)에 의해 연소챔버내로 유입되며 또한 연소산화의 압축부분 동안에 피스톤이 TDC에 접근하면서 스프레이 형식으로 연료를 연소챔버내로 직접 분사한다.
어떤 적절한 연료인젝터시스템이 본 발명과 관련하여 사용될 수 있으며 내연기관용 연료분사 실린더 기술분야에 익숙한 자는 스로틀 또는 가속페달의 제어하에 연소사이클과 동기적으로 엔진의 연소챔버내에 연료를 제때에 분사할 수 있는 시스템과 부품에 익숙할 것이며, 이것에 의해 연료/공기 충전의 적절한 공급은 연소사이클의 압축부분의 끝 근처에서 연소챔버(30)에 제공되며 피스톤 TDC 부분상으로 일반적으로 계속 공급하여 팽창부분으로 이어진다.
제1도의 예시된 실시예에서, 충전의 연소는 충전의 즉각 점화가 발생되는 상승된 압력 및 온도조건을 야기하는 충전의 결과로 시작된다.
전형직인 형태에서, 글로(glow)플러그(예시되지 않음)는 엔진의 시동 동안에 연소를 시작하는데 이용된다.
단지 연료 인젝터 시스템이 예시되고, 실시예로서 언급된 한편 본 발명의 목적에 따라서 연료는 증기로서 유입되고, 연료라디칼종을 산출하도록 연료의 충분한 양이 작용챔버에 유입되는 것을 보장하기 위해 공급이 제때에 이루어질 수 있다.
앞에서 언급한 바와같이 연소챔버에서의 라디칼은 연료 충전용 점화점을 제공하여 가솔린 연료의 노크없는 연소, 메타놀과 같은 저세탄 연료의 신뢰성 있는 점화, 그리고 디젤오일 연료의 최적의 점화 및 연소를 허용한다.
연소를 증진하기 위한 라디칼의 이용은 분리된 라디칼 산출챔버 또는 연소챔버로부터 분리된 챔버를 이용하므로서 수행될 수 있다는 것이 종래에 인식된 한편, 종래의 기술은 C.I. 및 S.I. 엔진에 사용되는 연료의 점화 및 연소 특성을 신뢰성있게 증진하도록 충분한 양으로 각각의 연소사이클에 충전하기 위해 라디칼을 신뢰성 있게 공급하는 간단한 시스템을 제공하는데는 실패했다. 라디칼의 소오스(Source) 자체가 연소챔버 면적내에 포함되어 있을때 각각의 연소사이클에서 라디칼의 적절한 공급으로 C.I. 엔진에 공급되는 충전을 살포하는 것이 특히 어렵다. 그러므로 본 발명에 따라서 충전의 연료 및 공기가 연료 라디칼종을 산출하기위해 부분 산화작용을 경험하고, 높은 라디칼 개체가 다음의 연속 연소사이클의 충전내로 결국 살포되기 위해 유지될 수 있는 주연소챔버와 연통하는 작용챔버를 이용하는 것이 제안되었다.
극복해야 하는 특정문제는 각각의 연소사이클의 배기부분을 넘어 충분한 라디칼의 유지이므로 다음의 연속 충전은 연료의 원하는 점화 및 연소특성을 얻기 위해 적절하고 신뢰성 있는 살포가 가능하다.
본 발명에 따라서 작용챔버가 모든 엔진 작동 속도 동안에 엔진의 주연소챔버와 작용챔버 사이에 압축가능한 기체의 억제된 흐름상태를 일으키는 임계크기의 오리피스에 의해서 주연소챔버로부터 분리될때 이러한 결과가 달성될 수 있다는 것을 발견하였다.
이것은 라디칼이 각각의 연소사이클의 경우에 팽창 및 배기를 넘어 작용챔버에서 유지되고 이러한 연속사이클의 경우 흡기 및 압축동안에 충전을 살포하기 위해 이용되는 범위까지 작용챔버내에서 압력변동 그리고 주연소챔버내에서 압력번동 사이에 지연(lag)을 일으킨다.
각각의 충전의 라디칼 살포로부터 실현되는 이익은 상기한 바와같이 C.I. 엔진에서 디젤엔진의 연소동안에 산출된 연기감소의 저세탄연료의 개선된 점화특성과 S.I. 엔진에서 가솔린엔진의 노크가 없는 연소를 포함한다.
연기의 감소는 점화된 충전의 모든 부분 특히 통상 연소되지 않는 상당히 빈약한 부분을 더욱 효과적으로 점화함으로써 달성되며 연기감소는 연소되지 않은 탄화수소와 일산화탄소의 감소에 의해 역시 달성된다.
노크없는 연소는 엔드가스 작용을 피하고 통상의 충전보다 더 빈약한 충전의 신속하고 완전한 연소를 증진하는 점화점으로 전반적인 충전의 유효한 살포로 달성된다.
본 발명에 따라서, 제1 내지 6도의 실시예에서 피스톤(14)은 연소챔버(30)의 용적(VA)의 실제적인 부분을 나타내는 크라운 용적에서 리세스(42)로 구비되어 있다. 여기에서 용적(VA)은 피스톤(14)이 상사점(TDC)에서 작용챔버(44)의 용적(VB; 슬롯 및 불연속 오리피스 면적을 포함)을 뺀것인 연소챔버(30)에서 총 간극용적 (VC)으로서 규정된다.
연료인젝터(32)는 리세스 면적(42)내로 연료를 스프레이 형식으로 방출하도록 배열되어 있으며, 이것에 의해 자연연소의 점화근처에서 리세스(42)는 연소챔버용적(VA)에서 각각의 충전의 대부분의 연료부분을 포함한다.
헤드(20)에 의해서 규정된 실린더(12)의 폐쇄된 끝의 형상은 변할 수 있는데 제1도에 예시되어 있다. 예를들면 제1도는 아아치형 또는 돔형상의 연소챔버를 예시하고 있는 반면, 비교적 평편하고 약간 아아치형인 상부끝의 연소챔버가 구비될 수 있으며, 이 경우에 리세스(42)의 용적은 연소챔버용적(VA)의 더욱 큰 비율로 나타낼 수 있다.
본 발명의 주 특징은 피스톤(14)의 크라운 면적에서 리세스(42)주변을 둘러싸거나 부분적으로 둘러싸는 둥근 또는 둥근 세그먼트형의 작용챔버(44)의 설비이다. 작용챔버(44)는 연속 슬릿 오리피스(46) 그리고 선택적으로 하나 또는 둘 이상의 유사한 보조의 불연속 오리피스(48)를 통해서 리세스(42)와 연통되어 있다.
제1도에 예시된 작용챔버(44)가 완전히 둥글고 리세스(42) 주변 전체를 원주방향으로 연장되어 있는 한편, 어떤 바람직한 실시예에서 작용챔버(44)의 원주범위를 한정하는 것이 바람직하여, 이것이 피스톤의 크라운 주위의 단지 일부분에 연장되거나 또는 리세스(42)의 주변둘레와 이격된 분리챔버로서 연장될 수 있다.
예를들면 제4도에 도시된 바와같이, 작용챔버(44)는 리세스(42) 주변에 이격된 4개의 분리된 용적으로 존재할 수 있으며 각각의 용적은 동일한 또는 다른 연속슬릿 그리고 동일한 또는 다른 단면형상 그리고 불연속 오리피스형상을 실제로 갖추고 있다.
불연속 오리피스 크기 및 위치와 다른 가변 슬롯의 선택에 따라 작용챔버 위치의 선택을 고려하여, 작용챔버 용적, 오리피스 길이, 단면 그리고 여러가지 다른 치수와 모양은 아래에서 더욱 상세히 논의될 것이다.
제1도에 예시된 실시예에서, 그리고 제2 및 3도에서 더욱 상세히 예시된 바와같이 작용챔버(44)는 용적(VB; 오리피스(46,48)의 용적을 포함한 것임)을 갖추게 되며, VA와 VB의 관계는 어떤 엔진형상에서는 중요하다는 것이 관찰되었다. VA와 VB의 관계가
을 만족할때 본 발명은 전형적인 자동차 및 트럭엔진에서 가장 잘 실시된다고 믿어진다.
슬롯 오리피스(46)은 챔버(44)의 한쪽과 접선방향으로 연통하며 이것에 의해 유입되는 유체는 제2도에서 화살표로 예시된 바와같이 작용챔버(44)내에서 방사상 수직 회전 또는 소용돌이를 야기한다.
그러므로 챔버(44)로 향하는 유입되는 유체흐름은 챔버내에서 유체 성분을 유지하는 방향으로 방사상으로 소용돌이형이며, 특히 회전방향이 유입되는 흐름의 방향과 동일하고 평행하게 입구 슬롯 오리피스(46)를 지나 회전하는 유체흐름을 일소하는 경향이 있으므로 챔버(44)내의 회전 유체흐름은 유입되는 유체흐름과 합치게 되는 경향이 있고, 이것에 의해 가스의 전체 질량은 밀접하게 흔합되고 원심력을 통해서 챔버(44)의 내부벽과 접촉을 유지하도록 야기하여 피스톤 크라운과 소용돌이 유체 사이의 양호한 열전달이 얻어진다.
더욱 작은 분리 오리피스(48)는 단지 직접분사의 C.I. 엔진을 위해 바람직하며 도시된 바와같이 챔버(44)와 바람직하게 대각선으로 연통하거나 또는 슬롯 오리피스(46)와 접선방향으로 유사하게 챔버(44)에 유입되는 형상으로 되어 있어서 가스 또는 액체의 방사상 소용돌이 또는 회전이 불연속 오리피스를 통하여 챔버(44)내로 들어가도록 야기한다.
가스의 유입과 관련하여 슬롯 오리피스(46)가 설명된 한편, 분사된 연료의 액체 성분은 각각의 연소사이클의 압축부분 동안에 슬롯(46)을 통해서 챔버(44)내로 항하는 유체흐름과 역시 합하게 된다.
작용챔버(44)는 리세스(42)의 주변에 밀접하게 배치되어야 하며 인젝터(32)에 의해 분사된 어떤 연료는 액체형태로 직접 슬룻 오리피스(46)에 도달하여 작용하지 않은 연료충전의 일부분이 각각의 연소사이클의 압축부분 동안에 작용챔버(44)내로 들어가는 것을 보장한다는 것이 실험으로부터 관찰되었다.
더욱이 작용챔버가 사용되는 특정 연소챔버형상에 따라서 상부보다 리세스(42)의 바닥에 더욱 밀접하게 위치되어야 한다는 것이 관찰되었다.
바람직하게, 오리피스(46)은 리세스(42)의 수직높이의 하반부내에 위치해 있는데, 본 발명으로부터의 바람직한 결과가 상기 구역에서 가장 잘 얻어진다는 것이 실험으로 관찰되었다.
더욱이 불연속 오리피스(48)는 인젝터(32)로부터 액체연료의 충돌각도에 대응하는 수평에 대한 각도로 경사진 채널과 작용챔버(44)와 채널을 통해 연통하는 원형 오리피스로 구성되어 있다. 오리피스(48)의 직경과 경사는 인젝터(32)로부터 오리피스(48)에 대하여 충돌하는 액체연료의 제어된 양이 챔버(44)에 이송되도록 바람직하게 배치되어 있다.
본 발명의 모든 실시예에서, 슬롯 오리피스(46)는 길이(L)를 갖추도록 형태지워져 있어서 이것에 의해 연소챔버(30) 전방의 선두 연소불꽃 챔버(44)에 도달하기 전에 효과적으로 꺼진다.
슬롯 오리피스(46)의 길이는
L = 리세스(42)와 작용챔버(44) 사이의 연속슬롯 오리피스의 길이
k = 상수
T = 연소챔버 최대온도
P = 연소챔버 최대압력일때
을 만족하게 되는 연소사이클 동안에 연소챔버(30)내에 최대온도(T)와 최대압력(P) 사이의 관계에 따라 선택될 것이다.
본 발명의 모든 실시예에 따라 슬롯 주변길이(LC)와 슬롯높이(h)는 엔진의 모든 작동영역 동안에 연소챔버의 압축부분 동안에 그리고 사이클의 팽창/배기부분 동안에 작용챔버(44)와 연소챔버(30) 사이에 슬롯 오리피스를 가로질러 억제된 흐름이 발생되도록 되어 있어서 연소챔버와 작용챔버에서의 압력변동 사이에 전자가 후자에 뒤따르는 지연으로 시간지연이 존재한다.
특히 전형적인 슬롯 오리피스(46) (어떤 불연속 오리피스(48)의 모멘트 무시)를 가로질러 약 0.53의 임계비율과 동일 또는 이하의 어떤 압력비(PB/PA)가 종래의 압축가능 유체역학에 따라서 슬롯 오리피스를 통하여 억제된 흐름상태를 일으키게 된다는 것이 알려져 있다.
그러므로 연소사이클의 압축부분동안에 슬롯 오리피스(46)를 통해서 작용챔버(44)에서 VB에 도달되려고 연소챔버(30)에서 점차 압력이 증가하는 가스는 약 0.53의 임계압력비에서 억제된 상태가 도달할때까지 슬롯 오리피스를 통해서 점차 흐름이 빨라지고, 이때에 압력비는 슬롯을 가로질러 증가하며 대응하여 흐름의 비율은 종래의 유체역학에 따라 제한된다.
이러한 상태는 슬롯(46)을 가로질러 압력비가 임계의 억제된 상태 아래로 떨어지고 결국 연소챔버(30)와 작용챔버(44) 사이의 압력이 슬롯 오리피스를 통과하는 흐름에 의해서 같아지는 지점까지 챔버(46)에서의 압력이 증가될때까지 지속된다. 본 발명에 따라서 슬롯 오리피스(46)의 단면적은 엔진의 모든 작동속도(즉,피스톤의 모든 속도)에서 각각의 연소사이클의 적어도 압축부분 동안에 그리고 각각의 사이클의 적어도 팽창/배기부분 동안에 압력차가 슬롯 오리피스(46)를 가로질러 적용되므로 억제된 상태가 발생되도록 치수가정해져 있어서 사이클의 배기부분의 완성에 뒤이은 압축동안에 라디칼의 공급은 보장된다.
이러한 억제된 상태를 원하는 이유는 아래에서 본 발명을 기술하는 동안 명백해질 것이다.
슬롯 오리피스(46)를 가로질러 존재하는 억제된 상태는 또한 어떤 더욱 작은 불연속 오리피스(48)를 가로질러서 바람직하며, 연소챔버(30)와 작용챔버 (44) 사이의 흐름의 억제된 상태는 슬롯 오리피스(46)와 불연속 오리피스(48) 양자가 구비될지라도 엔진의 실제로 모든 작동속도에서 주기적으로 발생할 것이다.
바람직하게, 0.010-0.100인치(0.254-2.54mm)의 슬롯 오리피스 높이(h ; 제2도 참조)가 전형적인 C.I 및 S.I. 차량 및 트럭엔진용으로 실용적이라는 것이 발견되었다.
엔진이 상기한 억제된 상태를 제공하는 더욱 큰 슬롯높이(h)를 사용하는 것이 요구되는 더욱 큰 변위의 유지가 가능하다.
슬롯높이(h)는 중요한 치수이며 각각의 연료챔버형상이 챔버(44)내에 그리고 챔버(44)로부터 라디칼의 적절한 발생, 유지 그리고 유출을 달성하는 억제된 흐름상태와 불꽃꺼짐을 달성하는 슬롯높이(h)의 조성(tuning)이 필요하게 되는 치수변화를 갖추게 되므로 엔진에 따라 그리고 피스톤에 따라 변하게 될 것이다. 그러므로 상기향 공식(1,2) 그리고 아래에 기술하는 공식(3)은 본 발명을 달성하는데 존재하여야 하는 어떤 치수 및 함수적 관계를 개시하고 있으며 슬롯높이(h)는 상기한 치수범위내에서 어떤 측정 연소챔버를 위해 선택될 것이다.
서두에 기술한 바와 같이, 본 발명의 주된 목적은 챔버(44)로부터 리세스 면적(42)내로 다음의 연속충전올 조절하는데 필요한 층분한 라디칼의 제어되고 유지된 유출로 연소사이클들 사이에 작용챔버(44)에서 연료의 부분적으로 작용하는 라디칼종의 발생 및 부분적유지이므로, 예를들면 C.I. 엔진에서 연기가 없는 연소의 신뢰성 있고 일관된 점화가 엔진의 각각의 연소사이클에서 발생하게 될 것이며, S.I. 엔진에서 노크가 없는 연소가 달성될 것이다.
더욱 상세히는, 본 발명에 따라서 작용챔버로부터의 라디칼들의 유출 사이의 관계, 연소챔버로부터 챔버내에 유입되는 라디칼의 비율, 챔버내에서의 라디칼의 발생률, 그리고 작용챔버에서 유지되는 라디칼의 비율등은
Rout=작용챔버로부터 피스톤 리세스에 방출되는 라디칼 ;
Kgen=작용챔버에서 각각의 연소사이클 동안 발생된 라디칼 ;
Rin=살포된 충전의 압축동안에 연소챔버로부터 작용챔버로 복귀하는 살포된 라디칼 ;
Rret=각각의 연소사이클에서 작용챔버에 유지된 라디칼 ;
Rcrit=주어진 엔진에 선정된 충전의 점화 및 연소특성을 얻도록 각각의 연소사이클동안 연소챔버에서 충전을 지속적으로 살포하는데 필요한 작용챔버에서의 라더칼종의 최소 개체수 ; 일 때
[수학식 3]
Rout=Rgen+Rin-Rret≥Rcrit(3)
의 공식에 따른다.
C.I. 엔진을 위한 본 발명의 전반적인 목적은 유입되는 충전을 살포하여 라디칼종의 유효농도 또는 개체수는 연소챔버에 특히 피스톤의 리세스 면적 (42)에 나타나서 통상의 압축비의 저세탄 연료를 포함하는 연료 충전의 점화 개시는 예견가능하고 신뢰성 있는 방식으로 일어날 것이다.
물론 점화개시를 위하여 압릭 및 온도조건을 포함한 적절한 물리적 환경은 냉각시스템, 구조부품의 재질, 적절한 압축비의 선택에 의하여 연소챔버에 주어질 것이다.
하지만, 본 발명의 장점은 신뢰성 있고 지속적인 압축점화가 충전의 라디칼 살포에 의하여 저세탄가를 갖춘 여러가지 연료로 달성될 수 있다.
상기 공식(3)은 각각의 연소사이클을 위한 유입충전의 살포 및 라디칼의 산출이 지속적으로 그리고 신뢰성 있게 주연소챔버(30)에서 연소를 시작하는데 충분한 비율과 같거나 또는 넘게되고 및/또는 S.I. 엔진에서 가솔린 연료의 노크없는 연소를 가능하게 한다. 물론, 챔버(44)에서의 라디칼 산출의 절대량은 사용되는 연료, 압축비, 작동조건 그리고 각각의 엔진의 작동과 관련되 다른 변수들에 따라 각각의 엔진에서 변하게될 것이다.
하지만 이것은 C.I. 엔진에서 이러한 지속적이고 신뢰성 있는 즉각적인 점화와 S.I. 엔진에서 노크없는 연소를 얻기 위하여 챔버(44)에서 라디칼 산출의 임계비율(Rcrit)은 연소챔버에서 충전의 적절한 조절(즉, 살포)이 달성되는 여기에서 개시한 원리를 이용하여 실험적으로 항상 결정될 수 있다.
공식(3)으로부터, 챔버(44)내에서 발생된 라디칼의 양을 압축을 받고 있는 현재의 충전으로 챔버내에 재허용된 라디칼의 양에 더하고 현재의 연소사이클 동안에 챔버(44)내에 유지된 라디칼의 양을 뺀것은 연속 슬롯 오리피스(46)를 통하여 그리고 존재한다면 불연속 오리피스(48)로 통하여 결국 방출되기 위하여 챔버(44)내에 적용될 라디칼의 임계량과 동일하거나 또는 초과한다는 것을 알 수 있다.
연속 슬룻과 불연속 오리피스(46,48)를 가로질러 존재하는 임계압력비율로 연소챔버(30)에서의 압력이 작용챔버(44)에서의 압력 이하로 떨어질때 방출은 연소사이클의 팽창부분 동안 시작되는 억제된 흐름상태하에서 실제로 발생한다. 사이클의 흡기부분의 시작까지 억제된 흐름상태하에서 방출은 배기를 통해서 계속되어 시간지연은 연소챔버(30)와 작용챔버(44)내의 압력변동 사이에서 존재한다. 이것은 챔버(44)로부터의 라디칼의 방출이 연소사이클의 팽창 및 배기부분을 지나 계속될 것이며 그리고 흡기부분 그리고 바람직하게 다음의 연속충전을 포함하는 연소사이클의 압축부분내로 계속되는 것을 보장한다. 이것은 C.I. 및 S.I. 엔진 양자에서 압축되는 충전의 원하는 점화 및 연소특성을 얻기 위하여 연소챔버(30)내로 라디칼의 충분한 양의 공급을 보장한다. 예를들면 원하는 라디칼 개체가 연료의 분사순간에 연소구역에 존재하게 될 것이므로, 연료가 연소챔버내에 직접 분사될때 흡기 및 압축경우 동안에 일찍 충전의 공기부분의 라디칼 살포는 바람직한 결과를 달성할 것이며, 압축되는 충전은 사이클의 압축부분 동안에 나증까지 충전의 연료부분을 수용하지 않는다.
예열 또는 냉염작용의 결과로서 산출된 라디칼종(즉 예연소(pre-combustion) 라디칼)은 본 발명이 모색하는 원하는 신뢰성 있는 점화 및 연소특성을 얻기 위하여 유입되는 충전을 살포하는데 중요하다.
연소에 뒤이은 그리고 연소사이클이 배기부분에 뒤이어 남겨진 연료의 산화작용에 의한 여러가지 산출은 신뢰성 있고 제어 가능한 점화점을 위한 연료의 조절에 덜 중요하다.
그러므로, 본 발명에 따라서 예연소 라디칼은 상기 공식(3)에 따라서 발생되고, 유지되고, 연소챔버에 조절가능하게 공급된다는 것은 중요하다.
임의의 엔진을 위해 원하는 점화 및/또는 연소특성의 달성을 보장하도록 충분한 라디칼이 산출되고, 각각의 연소사이클 연소구역에 적용되어야만 한다. 이것은 작용챔버(44)를 피스톤 리세트(42) 근처에 구비하고 제어된 상태하에서 연속 연소사이클에서 라디칼의 임계량을 연소구역에 공급하고 예연료 연료 라디칼의 양을 유지하여 억제된 흐름상태가 연통슬롯과 오리피스(48)를 가로질러 발생하는 방식으로 챔버의 하부내에 피스톤 리세스와 연통시키므로서 본 발명에 따라 달성된다.
리세스(42)의 하반부내에 연속 슬롯 오리피스의 존재가 중요하다는 것이 실험으로 결정된 한편, 리세스(42)의 바닥과 연속 슬롯 오리피스(46) 사이의 간격(j)은 온도효과, 교반운동, 그리고 연소에 영향을 주는 유사한 요소들이 고려되는 임의의 엔진형상을 위해 중요하다. 유사하게, 리세스(42)의 바닥(50)의 형상은 연소사이클들 사이에 유입충전으로 라디칼의 예견가능한 유입을 보장하도록 엔진에 따라 변한다.
C.I. 엔진(직접분사)용 연속 슬롯 오리피스의 다양한 대체형상은 제6(a-e)도에 예시되어 있으며, 각각의 형상은 라디칼발생, 작용챔버에서의 연료의 존재 그리고 다음에 이어지는 연소사이클용 라디칼의 출력의 관점에서 자체의 특정 결과가 산출되므로, 이들 도면은 단지 예시할 목적이다.
제6(a)도 및 제6(b)도에 도시된 바와 같이 동일한 참조번호는 제1 내지 5도에 예시된 공통요소이며 쉴드(shield)돌출부(52(a),52(b))는 공식(3)에 의해 필요한 결과를 보장하도록 특정 엔진형상의 요구에 따라서 작용챔버(44)내로 액체연료의 유입을 제어하고 슬롯 오리피스(46) 입구를 차폐하거나 길게 연장하기 위해 슬롯 오리피스(46) 입구의 아래 또는 위에 구비된다.
제6(a)도 및 제6(b)도에서 리세스(42) 바닥은 약간 다른 형상이며 특정 연소챔버 형상의 요구에 따라 슬롯 오리피스(46)에 대하여 예시된 위치보다 다소 높거나 낮다. 유사하게, 슬롯 오리피스(46)는 연료 인젝터(32)에 의해 돌출된 스프레이 패턴의 위치를 포함하여 임의의 특정엔진을 위한 공식(3)의 요구에 따라 리세스(42)내에서 높거나 낮게 배치된다.
제6(c-e)도에서, 슬롯 오리피스(46)의 여러가지 방향과 위치가 예시되어 있는데, 여러가지 엔진 형상에서 일체로 된 슬롯 오리피스(46)와 작용챔버(44)의 위치 사이에 어떻게 조정이 이루어지는가 보여주고 있다.
46으로 예시된 연속 슬롯 오리피스는 연소사이클들 사이에 리세스(42)내로 방출되는 연료 라디칼의 유지를 위해서 그리고 작용챔버(44)내로 유입되는 연료의 양을 더 잘 제어할 목적으로 일련의 독립된 더 작은 오리피스(48)로 되는 것이 바람직하다고 믿어진다. 그러므로, 연속 슬롯 오리피스(46)는 더욱 바람직하게 되고 더 잘 관찰된 실험결과에 따라 선호되는 한편, 더 작은 보조 오리피스(48)는 공식(3)에 따라 원하는 결과를 달성하기 위해 여러가지 엔진형상과 연통하는 것이 바람직하다.
챔버의 모양과 크기와 함께 챔버를 규정하는 피스톤 크라운 구조의 열전달 그리고 표면재질 등 작용챔버(44)의 특성 모두는 주어진 엔진 및 연소챔버 형상을 위해 최적이 되어야 한다.
통상 디젤오일로부터 범위가 정해진 액체 탄화수소, 10을 넘지 않는 세탄가를 갖춘 메타놀과 같은 저세탄 연료인, 연료의 부분적 산화 작용 과정의 최적화는 본 발명을 수행하는데 중요하다. 챔버(44)내의 개끗하고 신속한 화학작용은 작용챔버의 모양, 크기 그리고 재질 또한 존재한다면 연통 오리피스의 선택에 의해서 증진되어야만 한다.
예를들면 탄소 코팅을 포함하는 작용챔버(44)의 표면상의 촉매코팅은 임의의 주어진 엔진용 챔버(44)내에 라디칼의 신속한 발생을 증진하도록 엔진의 연소챔버에 유입되는 연료의 부분 산화작용을 증진하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 제1도의 실시예에서, 작용챔버(44)는 피스톤자체(14)로부터 분리된 부품으로서 제조되는 크라운부분(54)에 의해서 규정된다. 크라운부분(54)은 예를들면 56으로 예시된 체결구에 의해서 피스톤에 결합되어 있다.
이것은 하부 피스톤 몸체(14)와 다른 크라운부분(54)용 재질을 사용함으로서 본 발명이 달성되며, 이것에 의해 크라운부분(54)의 열특성을 제어하는 장점을 얻는다. 더욱이 장점은 피스톤 크라운부분(54)이 분리된 요소로 형성되는 챔버를 제조 및/또는 코팅하는데서 얻어진다.
하지만, 예시된 실시예는 단지 예시할 목적으로 제공되었으며 본 발명의 특징의 범위를 규정하는 것은 아니다.
예를들면, 제7도에 예시된 바와 같이 원한다면 피스톤(14)과 일체로 될 수 있다.
제7 내지 제10도는 100으로 일반적으로 표시된 본 발명의 S.I. 엔진의 구조를 예시하고 있다.
상기한 에엔진(10)과 같이 엔진(100)은 피스톤 핀 또는 축받이(118)에 의해서 피스톤(114)에 부착된 커넥팅로드(116)를 퉁하여 출력 크랭크축(예시되지 않음)에 연결된 왕복 피스톤(114)을 포함하는 실린더(112)를 갖추고 있다. 실린더(112)는 실린더헤드(120)에 의해서 상부 끝이 폐쇄되어 헤드(120)와 피스톤(114)의 상부 끝 사이에 연소챔버 간극용적(VC)을 제공한다.
흡기 및 배기밸브(122,124)는 흡배기 포오트(126,128)와 130으로 표시된 연소챔버 사이에 연통을 제공한다. 밸브(122,124)는 내연기관 기술에서 유사한 목적을 위해 통상 사용되는 어떤 종래의 시스템에 의해서 작동된다.
제7 내지 10도에 예시된 특정의 S.I. 엔진 실시예에서 공기와 연료는 기화기 (127)을 통해서 유입되고, 이것은 수동으로 작동가능한 스로틀요소(129)의 제어하에 스로틀밸브(예시되지 않음)를 포함한다.
연료공급부(F)를 통해서 공급된 연료는 펌프와 연료라인(131)을 통해서 기화기(127)에 전달된다.
각각의 충전은 흡기 크리너(135)와 덕트(137)를 통해서 흡기밸브(122) 근처의 흡기매니포울드(139)내로 공기를 허용하는 제 2 공기밸브(133)를 사용함으로써 바람직하게 연소챔버(130)내에서 층별화(stratified)가 이루어진다.
제 2 공기밸브(133)는 흡기밸브(122)의 상류로 흡기포오트(126)내로 각각의 흡기의 끝을 향하여 공기를 허용하는 단일 플래퍼 밸브로 구성되어 밸브가 폐쇄될때 매우 빈약한 혼합물이 흡기밸브(122)의 상류에 제공된다.
다음의 흡기 동안에 밸브의 개방에 따라 매우 빈약한 흔합물은 연료가 풍부한 부분이 기화기(127)를 통해서 챔버에 도달되기 전에 연소챔버(30)내로 유입된다. 이러한 방식으로 연소챔버(130)내에서 충전의 층별화는 달성되며 이것에 의해 압축행정의 끝에서 비교적 빈약한 충전이 연소챔버의 바닥에 밀접하게 구비될 수 있는 한편, 충전의 비교적 충분한 부분은 불꽃 점화기(143)의 점화점(141) 근처에 있게 된다.
S.I. 엔진(100)의 작동사이클은 통상 종래에 알려진 바와 같이 흡기, 압축, 연소, 팽창 그리고 배기과정을 포함하고 있다.
4행정 사이클에서 피스톤(114)의 운동은 흡기밸브(122)를 통하여 연료공기 충전을 하향유입시키는 한편, 피스톤(114)의 상향행정은 연소챔버(130)내에서 충전을 압축한다. 충전은 스파아크플러그(143)의 적절한 작용에 의하여 점화되어 연소를 야기하고 연소챔버(130)내에서의 작용충전의 팽창은 피스톤(114)을 하향으로 구동시켜 커넥팅로드(116)를 통하여 회전출력 에너지를 산출한다. 피스톤(114)의 다음 상향행정은 배기밸브(124)와 배기포오트(128)를 통하여 연소의 소비된 산물의 배출을 야기한다.
그리고 연소사이클은 다시 시작된다.
피스톤(114)은 연소챔버(30)의 용적(VA)의 실제부분을 나타내는 크라운면적에서 리세스(142)로 구비되어있고, 여기에서 VA는 제1도에서 예시한 본 발명의 실시예와 관련하여 상기한 용적(VA)과 상응한다.
또한 피스톤(114)의 크라운 근처에 구비된 것은 제1도에 따른 실시예에 예시된 작용챔버와 중요하게 상응하는 작용챔버이다.
작용챔버(144)는 연속 슬롯 오리피스(146)를 통해서 리세스(142)와 연통하는데, 이것은 엔진의 모든 작동속도에서 억제된 흐름상태를 포함한 제1도의 실시예와 관련하여 상기에서 개시한 것과 같은 형상이다.
그러므로 상기 공식들(1,2,2) 모드는 작용챔버(144)와 슬롯 오리피스(146) 그리고 챔버(144)로부터의 흐름, 챔버(144)쪽으로의 흐름등이 연소사이클 동안 적어도 압축, 팽창 그리고 배기의 동안에 억제된다.
작용챔버(144)는 또한 단면형상에 관한한 제1도에 실시예와 같은 형상이며, 이것에 의해 슬롯 오리피스(146)를 통해 챔버(144)내로 유입되는 유체의 수직 방사상 소용돌이는 융립되어 작용챔버(144)의 측벽과 밀접한 열접촉을 증진한다.
제8도에 더 상세히 예시된 바와 같이, 슬롯 오리피스(146)는 충전의 엔드가스가 위치되는 리세스(142)의 바닥쪽으로 배치되며 라인(149)으로 일반적으로 표시된 연소불꽃 전방에 의해서 마지막에 도달되는 면적에 배치되어 있다. S.I. 엔진에서 각각의 충전의 신속하고 개끗한 연소는 충전의 라디칼 살포에 의해서 달성되며, 이것에 의해 다점화점은 연소불꽃 전방에 의해서 마지막으로 도달되는 엔드가스의 급작스런 폭발작용없이 연료의 매우 신속한 연소를 증진하는 충전을 통해서 제공된다.
그러므로 라디칼 살포는 연소 끝 구역에서 신속한 압력 및 온도상승을 방지하여 연소 노크를 피할 수 있다.
모든 충전은 엔드가스를 포함하여 라디칼로 살포되므로, 근본적으로 전체적인 충전은 불꽃 점화기(143)에 의한 충전점화를 실제로 즉각 뒤따르는 작용을 시작하여, 연소챔버내에서 각각의 연소의 경우의 끝 쪽으로 엔드가스가 연소되지 않은 연료에 많이 남아있지 않는다.
그러므로 공식(2)에 따라서 연소 불꽃 전방은 작용챔버(144)에 유입되기 전에 꺼져서 작용챔버에서 불꽃연소가 일어나지 않으며, 공식(3)에 따라서 챔버(144)에서 산출된 라디칼의 적절한 공급은 각각의 압축의 경우의 초기에 유효하다.
이것은 충전의 에정된 연소특성을 얻기 위하여 각각의 연소사이클 동안에 연소챔버내에 라디칼종의 최소개체를 충전에 제공하는 것인데, 말하자면 노크 없이 연료의 완전하고 깨끗한 연소이다. 더욱이 라디칼 살포는 노크없이 그리고 동력의 막대한 손실없이 매우 빈약한 충전의 연소를 허용한다.
제9 및 10도에서, 피스톤(114)의 대체 실시예의 평면도가 예시되어 있고, 제 9도에서 151로 예시된 작용챔버은 불연속이며, 리세스(142)의 주변에 원주방향으로 위치해 있다. 제10도에서, 작동챔버(153)는 피스톤(114)에서 리세스(142) 주변에 연속적으로 위치해 있다.
물론 특정 엔진에 따라 다른 실시예가 가능하며, 이것에 의해 공식(1,2,3)으로 표시된 관계는 설정되며 유지된다.
제7 내지 10도에 예시된 S.I. 엔진의 실시예에서 제1도의 48로 표시된 것과 대응하는 불연속 오리피스는 액체연료의 직접분사가 전형적인 S.I. 엔진에서 포함되지 않으므로, 통상 필요치 않다.
하지만 가솔린 연료의 직접분사는 포함되며, 제7도에 따른 실시예의 피스톤 리세스(142)에서, 제1도에 48로 예시된 것과 대응하는 불연속 오리피스를 구비하는 것이 바람직하다.
제7도에서 피스톤(114)의 크라운은 제1도에 예시된 분리된 요소 대신에 피스톤 자체와 일체로 구성되어 예시되어 있으며, 크라운이 제1도에 따라 구성될 수 있고, 원한다며 2개의 부품조립으로 가능하다.
노크없이 그리고 동력의 상당한 손실없이 29 : 1까지의 공기/비율에서 가솔린 연료의 개끗하고 완전한 연소는 약 8 : 1의 압축비에서 달성될 수 있다는 것은 실험적 관찰로부터 결정되었다.
이러한 결과는 연소챔버에서 불꽃전방의 접근전에 엔드가스의 자연적 연소를 피할 수 있는 충분한 범위까지 각각의 충전의 라디칼 살포에 의해서 얻어지는 이익 때문이라고 믿어지므로 노크가 없는 연소는 화학량론 보다 상당히 빈약한 공기연료비에서 보장된다.
여기에 설명되고 예시된 것은 단지 예시적이며 첨부된 청구의 범위에서 보호받고자 하는 본 발명의 범주를 제한할려는 것은 아니다.

Claims (17)

  1. 연료와 공기충전이 주기적으로 공급되는 끝이 폐쇄된 실린더에서 왕복하는 피스톤에 의해 규정된 가변용적 연소챔버에서 연소사이클이 수행되며, 연소사이클은 흡기, 압축, 연소, 팽창 그리고 배기부분을 포함하고, 여기에서 피스톤 크라운은 오목하게 연소챔버가 최소용적에 있을때 충전의 대부분을 포함하고 있는, 왕복 피스톤 내연기관용 피스톤에서, 상기 피스톤은 리세스 주변에 인접한 피스톤 크라운 면적에 배치되고 적어도 부분적으로 리세스 주변에 연장되어 있는 등근형상의 작용챔버와 리세스와 작용챔버 사이에 연통을 제공하는 연속 슬롯 오리피스를 포함하고 있으며, 상기 작용챔버와 슬롯 오리피스는 전체 압축부분동안에 억제된 충전의 가스부분의 흐름으로 슬롯 오리피스를 통하여 작용챔버내로 접선방향으로 각각의 연소사이클의 압축부분 동안에 충전의 일부분이 유입되도록 형상 및 치수가 결정되어 있으며 ; 작용챔버에 유입되는 유체는 충전과 부분적인 산화작용을 허용하고 연료의 라디칼종을 발생시키도록 열전달을 이루기 위하여 작용챔버의 측벽과 밀접하게 접촉하여 방사상 수직으로 소용돌이 치며 ; 연소챔버로부터 작용챔버로 접근하는 어떤 불꽃 전방은 꺼지게 되며 ; 작용챔버로부터 연소챔버내로 각각의 연소사이클 동안에 슬롯 오리피스를 통한 라디칼을 갖춘 압축된 가스의 외부흐름은 각각의 연소사이클의 적어도 팽창 및 배기부분 동안에 억제되며 ; 연료의 라디칼은 연소사이클의 연소, 팽창 그리고 배기부분 동안에 작용챔버에서 일시적으로 산출되고 유지되며 소정의 점화 및 연소특성으로 연소챔버에서 다음 연속되는 충전을 조정하도록 다음 연속 연소사이클의 적어도 압축 부분 전에 충분한 양으로 상기 배기부분의 완료에 뒤이어 피스턴 리세스내로 방출되는 것을 특징으로 하는 제어된 점화 및 연소를 달성하는 피스톤.
  2. 제1항에 있어서, 슬롯 오리피스를 통하여 작용챔버내로 그리고 피스톤 리세스내로 액체 연료를 직접 분사하도록 배열된 연료 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  3. 제2항에 있어서, 연소챔버와 작용챔버 사이에 연통을 제공하도록 배열된 적어도 하나의 보조 불연속 오리피스를 포함하고 있으며, 여기에서 연료 인젝터는 각각의 연소사이클 동안에 불연속 오리피스를 통하여 연료의 일부분을 작용챔버내로 직접 분사하도록 배열되어 있고, 또한 상기 불연속 오리피스는 연소챔버로부터 작용챔버에 접근하는 어떤 불꽃을 끄도록 그리고 각각의 연소사이클의 팽창, 배기 그리고 압축부분 동안에 작용챔버로부터 연소챔버내로 라디칼을 가진 가스의 상기 억제된 흐름을 얻도록 치수 및 형상이 되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 슬롯 오리피스는 피스톤 리세스의 하반부내에 배치된 것을 특징으로 하는 피스톤.
  5. 제2항에 있어서, 연료 인젝터와 슬롯 오리피스 사이에 배치된 슬롯 오리피스상에 돌출하는 돌출부를 포함한 것을 특징으로 하는 피스톤.
  6. 제2항에 있어서, 슬롯 오리피스의 입구 아래에 배치되고 피그톤 리세스의 바닥과 연료 인젝터 사이에 배치되어 돌출한 돌출부를 포함한 것을 특징으로 하는 피스톤.
  7. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보조 불연속 오리피스와 상기 작용챔버 사이에 연통을 제공하는 경사진 채널을 포함하며, 상기 채널의 경사각도는 상기 연료 인젝터로부터의 연료의 충돌각도에 상응하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  8. 제1항에 있어서, 충전 입구밸브, 입구밸브의 상류의 충전 예비부재 그리고 연소챔버에서의 불꽃 점화부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  9. 제8항에 있어서, 충전은 유입되고, 연소챔버내에 각각의 충전을 층별화하는 부재를 포함하여, 각각의 압축부분의 끝에서 피스톤 근처보다 불꽃 점화기 근처에서 더욱 풍부한 혼합물이 존재하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  10. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, Rout=작용챔버로부터 피스톤 리세스에 방출되는 라디칼종 ; Kgen=작용챔버에서 각각의 연소사이클 동안 발생된 라디칼종 ; Rin=살포된 충전의 압축동안에 연소챔버로부터 작용챔버로 복귀하는 살포된 라디칼 ; Rret=각각의 연소사이클에서 작용챔버에 유지된 라디칼 ; Rcrit=충전의 원하는 소정의 점화 및 연소특성을 얻도록 각각의 연소사이클동안 연소챔버에 충전을 지속적으로 살포하기 위해 필요한 작용챔버에서의 라더칼종의 최소량 ; 일 때 Rout=Rgen+Rin-Rret≥Rcrit의 공식에 따라서 각각의 연소사이클 동안 작용챔버에 라디칼종의 발생을 수행하는 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  11. 제10항에 있어서, 원하는 소정의 점화특성은 각각의 연소사이클 동안 일관된 예견가 시간에 충전의 압축점화로 구성된 것을 특징으로 하는 피스톤.
  12. 제1항에 있어서, L은 슬롯의 방사상 길이 ; k는 상수 ; T는 최대 연소온도 ; P는 치대 연소압력 ;일때
    의 공식에 따라서 상기 슬롯 오리피스는 .010-.100인치(.254-2.54mm)의 횡단높이, 그리고 연소챔버에서 연소의 최대온도 및 최대압력과 관련된 라디칼 길이를 갖추고 있으며, 이것에 의해 불꽃 꺼짐과 억제된 흐름 상태가 최적화 되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  13. 제1항에 있어서, 작용챔버 용적(VB)과 연소챔버 용적(VA) 사이의 관계는 VA=피스톤 TDC에서 총연소챔버 간극용적에서 VB를 뺀 것일때
    의 공식에 따르는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  14. 흡기, 압축, 연소, 팽창 그리고 배기부분을 포함하는 연소사이클을 수행하기 위하여 연소챔버내로 연료를 공급하도록 배열된 연료공급시스템과 크라운에서 리세스 면적을 갖춘 피스톤을 포함하는 흡기 왕복 피스톤 타입 내연기관의 연소챔버에서의 충전의 라디칼 살포방법에 있어서, 리세스의 주변 근처에서 피스톤 크라운 면적에 둥근형상의 작용챔버를 구비하고 리세스 면적의 외주둘레에 적어도 부분적으로 연장시키는 단계 ; 유체를 작용챔버에 유지시키도록 배열된 소용돌이 흐름으로 피스톤의 각각의 압축행정 동안에 리세스로부터 작용챔버내로 유체가 흐를때 방사상 소용돌이 흐름이 작용챔버에 유입되도록 챔버의 한쪽과 만곡된 내부 측벽을 향하여 접선방향으로 향하는 연속 슬롯 오리피스를 갖춘 작용챔버를 구비하는 단계 ; 연소챔버로부터의 연소 불꽃이 작용챔버내로 뻗기 전에 슬롯 오리피스에 의해서 꺼지고 그리고 작용챔버로부터 리세스 면적까지 그리고 리세스 면적으로부터 작용챔버까지 압축 가능한 가스의 유입 및 유출이 각각의 연소사이클의 팽창, 배기 및 압축부분 동안에 슬롯 오리피스를 가로질러 압력차 상태로 인해 억제되어, 작용챔버에서의 압력변동이 항상 연소챔버에서의 압력 변동 보다 지연되고, 연소사이클 동안에 작용챔버에서 발생된 라디칼은 연소, 팽창 그리고 배기부분 동안에 작용챔버에서 부분적으로 유지되고 다음의 연속 연소사이클의 압축부분 개시 근처에서 리세스 면적내로 부분적으로 방출되도록, 슬롯 오리피스의 치수, 형상 위치를 선택하는 단계 ; 각각의 사이클에서 공기를 갖춘 연료의 적어도 일부분을 작용챔버내로 향하도록 함으로서 그리고 공기를 갖춘 연료를 작용챔버에 부분적으로 작용시킨 한편 혼합물은 챔버 측벽과 밀접하게 접촉되어 소용돌이치며, 이전 단계에서 상술한 억제된 흐름상태하에 작용챔버에서 발생된 라디칼의 일부분을 리세스 면적의 바닥 하반부내로 방출시킴으로서 각각의 연소사이클을 수행하는 단계 ; Rout=작용챔버로부터 피스톤 리세스 면적내로 방출되는 라디칼 ; Rgen=작용챔버에서 각각의 연소사이클 동안에 발생된 라디칼 ; Rin=충전의 압축동안에 연소챔버로부터 작용챔버로 복귀되는 살포된 라디칼 ; Rret=작용챔버에 유지된 라디칼 ; Rcrit=각각의 연소사이클에서 충전의 예정된 점화 및 연소특성을 얻는데 필요한 작용챔버에서의 연료의 라디칼종의 최소량 ; 일 때 Rout=Rgen+Rin-Rret≥Rcrit의 공식에 따라 작용챔버내에 라디칼의 발생을 수행하고 작용챔버에서 라디칼의 발생을 수행하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 연소챔버에서 충전의 라디칼 살포방법.
  15. 제14항에 있어서, 연료는 액체로서 피스톤의 리세스 면적내에 직접 분사되며 각각의 연소사이클의 연소부분은 압축 점화에 의해서 점화되며, 여기에서 예정된 점화 특성은 각각의 연소사이클에서 지속적이고 예견가능한 점화시기로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 압축비가 18 : 1을 넘지 않고 메타놀 연료의 압축점화를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 가솔린 연료는 공기대 연료의 비율이 18 내지 30 대 1로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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