KR930008509B1 - 내연기관용 피스톤 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

내연기관용 피스톤

[도면의 간단한 설명]

제 1 도는 본 발명에 따른 내연기관용 피스톤의 측면도.

제 2 도는 기관의 실린더내에 들어있는 제 1 도의 피스톤의 측면도.

제 3 도는 제 1 도의 피스톤을 이용한 연료흡입식 내연기관과 공기연료비 제어시스템을 함께 도시한 개략도.

제 4 도는 기관의 작동실에 혼합기를 공급하기 위하여 연료를 직접 분사시키는 제 3 도와 유사한 내연기관의 개략도.

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.

제 6 도는 실린더내의 원형 피스톤 캡이 편심적으로 형성되어 공기실과 작동실 사이의 간극이 불균일하게 형성된 다른 실시예를 도시한 평면도.

제 7 도는 간극이 불균일하고 피스톤의 원주 주위에서 분리되어 있는 본 발명에 의한 캡의 또다른 실시예를 도시한 평면도.

제 8 도는 피스톤의 공기실 상면의 형태가 제 1 도와 다른 피스톤의 부분 상세도.

제 9 도는 피스톤 캡의 구조가 제 1 도와 다른 피스톤의 부분상세 측면도.

제 10 도는 본 발명에 의한 피스톤 공기실과 종래의 이론적 헬름홀쯔공명실이 등가(equivalency)임을 보여 주는 개략도.

제 11 도는 피스톤 공기실의 공명에 의하여 작동실에 폐쇄기주공명이 발생하는 것을 도시한 개략도.

제 12a 도 내지 12 p도는 본 발명에 의한 기관작동 사이클의 설명도.

제 13 도는 본 발명에 의한 기관의 작동실에 공급되는 혼합기의 공기연료비와 지시마력, 지시 비연료 소모율, 미연소 배기 탄화수소, 배기 일산화탄소(체적퍼센트) 및 기관의 운전요율지표(RQI)을 도시한 그래프도.

제 14 도는 연소실의 압력 및 온도와 연소실내 혼합기의 자연점화영역 및 래디컬(radical)에 의해 촉진된 자연점화 영역사이의 관계를 도시한 그래프도.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 내연기관에 관한 것이며 특히 내연기관용 피스톤 형상에 관계한다.

[관련 출원]

본 출원은 동일 출원인에 의하여 같은날 제출된 다음의 특허출원과 관련이 있다. 즉 미국특허출원 번호 제 535,336호"피스톤에 공기실이 형성되어 연소파의 진동수에 공명되는 내연기관", 미국특허출원 번호 제 535,338호"피스톤에 공기공명실을 형성시켜 연소실내에 폐쇄 기주공명을 유발시키는 내연기관의 연소방법", 미국특허출원 번호 제 535,339호 "동적 가변압축비를 갖는 내연기관" 및 미국특허출원 번호 제 535,340호"내연기관에서의 래디컬 촉진연소를 실행하기 위한 방법"에 관계가 있다.

[종래기술]

본 발명의 토대가 되는 기본적인 연소과정은 연소파를 이용하여 공기실에 공명이 일어나게하여 기관작동 사이클중 연소/팽창과정에서 이 공기실에 저장되어 있는 공기를 역동적으로 연소실내로 펌핑시키는 데 연관된 것으로, 이 펌핑 효과는 공기실과 연소실의 총 평균 압력 차이와 무관하게 일어난다.

이 과정은 "해군사관학교 열평형기관과 관련되어 발간된 문헌에 이미 계재되어 있다. 예를들면, 미국해군 사관학교 트라이던트 스콜라 보고서 U.S.N.A-TSPR 제 112호의 윌리엄 에치.존슨에 의한 "헬름홀쯔이론을 적용시켜 쉴리렌 사진법을 이용한 NAHBE 피스톤 캡설계의 최적화"(1981) ; 미해군 사관학교 프로그레스 보고서 제 EW-13-80호 푸링, 랭킨 공저 "열평형 내연기관 플루우필드 시간 의존 해석적, 광학적 연구"(1980.11) ; 미해군 사관학교 프로그레스보고서 제 EW-10-78 페일러, 푸링, 랭킨, 키팅 공저 "NAHBE의 비정상 연소 및 유동과정의 기초적연구"(1978.6) 및 동일 저자의 미해군 사관학교 프로그레스 보고서 제 EW-12-79호 열평형 기관의 변수 변환"(1979.9)등이 있다.

그러나, 연소파의 에너지를 이용하여 공기를 내연기관의 연소영역으로 펌핑시키는 것은 NAHBE 프로젝트에 의하여 이미 밝혀졌지만 이들 문헌에 기재된 종전의 NAHBE 기관의 피스톤과 연소실과 혼합기 제어 시스템은 모델의 성능이 이론적 예상치나 이에 유사하게 될때까지 일련의 설계 반복을 통하여 실험적으로 유도된 것이다. CFR 기관과 같은 실험실용 기관인 단기통 기관에 대해서 여러가지 변수가 실험되었으며 그중 몇가지 경우에는 다기통 기관에 대하여도 실험이 수행되었다.

이 과정에 있어서 많은 시간을 소비하고, 경비가 많이들고 정확하지 않는 시행착오법을 사용하지 않고는 기하학적 변수를 구성하여 최적화 변수를 정하는 것이 곤란하다. 이 밖에 어떤 기관이나 기관군에 대하여 최종적으로 가장 적절한 형상이나 혼합비를 결정했다 하더라도 동일한 결과를 얻기 위하여 형성의 비율이나 다른 변수들을 어떻게 다른 기관이나 기관군에 적용시킬 것인가 하는 것도 확실하지 않다.

본 발명은 이와같은 기관과 혼합기 제어시스템을 개량하여, 시행착오기법이나 반복계산을 최소한으로 줄이면서 여러가지 기관이나 기관군에도 적용시킬 수 있게 한 것이다.

연소파의 상호 작용을 이용하여 NAHBE 기관내의 연소를 개선시킨다는 개념은 실험에 의한 것이기 때문에, 종래의 기관설계는 압축행정이 시작되기 전에 혼합기에 층이 생기게 하거나(공기실이 있는 피스톤 근처는 희박하고 연소실의 반대 쪽 끝은 농후하게)최대 출력을 내면서 가능한한 기관이 경제적으로 운전(예를들면 되도록 희박하게) 되도록 공기연료 혼합기를 조절하는 것과는 무관하였다. 이론적 연구 결과로는 NAHBE 기관의 효율과 출력이 오토기관이나 디젤기관 보다 높아야 한다는 것을 시사하지만, 혼합기를 자동적으로 조절하기 위한 실제 과정이 명확하지 않기 때문에 상용기관을 이렇게 개량하기 위한 최적화가 불가능하다. 실험용 NAHBE 기관의 혼합기는 기관의 정상상태 작동조건을 충족시키도록 밸브로 조절된다.

[발명의 간단한 설명]

본 발명은 연소파의 상호작용을 발생하여 연소실과 공기실 사이에서 연소의 전과정에 걸쳐 결합된 공명효과를 통하여 공기실로 부터 작동실로 공기의 공급을 제어할 수 있는 내연기관용 피스톤의 형상에 관한 것이다.

좀더 상세히는 본 발명은 밀착하여 피스톤을 수용하기 위한 한 끝이 닫힌 축방향 보어를 갖는 내연기관에 사용되고 한끝이 닫힌 보어와 피스톤의 작동단부 사이에서 공기와 연료의 혼합을 이룩하는 가변체적의 작동실을 형성하여 축방향으로 왕복운동하는 피스톤에 관계한다.

본 발명의 피스톤은 주직경이 D 이고 작동단과 축방향으로 떨어져 배치된 하부 안내부 ; 안내부의 홈에 수용된 피스톤링 ; 안내부에 비해 작은 단면적을 갖는 작동단부 ; 및 상기 작동단부와 상기 안내부 사이의 중간에 소경부를 포함한다.

피스톤의 작동단부의 소경부의 직경과 주직경(D) 사이의 차이의 절반은 공칭폭(g)을 갖고 횡단면적이(S)이고 축방향길이가(L)이고 간극체적(Vg)가 S×L인 간극을 형성한다. 체적(V_B)은 소경부와, 피스톤과 동심이고 직경(D)를 가지며 체적(V_B)과 겹쳐지는 가상 원통면 사이에 위치한다.

체적(V_B)는 D,g,S 및 L에 관계하고 다음식을 갖는다.

여기서 단위는 미터법에 따르고, C는 피스톤과 작용하여 작동실 안의 압축된 혼합기의 온도가 대략 자연 점화온도에 도달했을 때의 음속(cm/sec)이고, K는 간극(g)의 단부형상에 따라 결정되는 0.6 내지 0.85 사이의 헬름홀쯔 수정계수이고, F_B는

의 값을 갖는 주파수이며 여기서 k는 43000 내지 51000 사이의 값을 갖는 상수이며, L은 작동실과 공기실 사이에서 간극을 통한 화염전파가 방지되기에 충분한 길이이며 최소한 간극의 최소길이와 동일하며, 체적(V_B,Vg)를 형성하는 최대 길이는 연소 팽창동안 공기실의 온도에서의 F_B의 파장의 1/4보다 적으며, S는 식 g=0.01072 D+0.1143에 따라 균일한 공칭 간극폭을 가정하여 얻으며 그 값은 공차가 +0.050cm 내지 -0.025cm의 범위이다.

더우기, L, V_B, g 및 S의 관계는 다음식으로 나타낸다.

본 발명의 다른 특성은 다음의 설명으로 확실해 질 것이다.

[발명의 바람직한 실시예의 설명]

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.

이 기관은 내연기관 분야에서 잘 알려진 바와 같이 자연적으로 흡입되든지, 과급되든지, 기화기를 이용하든지, 연료가 분사되든지, 또는 이들의 조합에 의한 것이든 상관없으며 혼합기는 보통 적절한 탄화수소 연료와 공기의 혼합물로서 공급된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 왕복피스톤 기관에 대하여 설명하고 있으나 명세서와 청구범위에 기재된 본 발명의 개념은 회전식 피스톤 기관에도 바로 적용될 수 있다.

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.

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,C_L)를 두고(제 2 도) 꼭맞게 되어 있으며 기관이 작동할 때 잘알려진 원리에 따라 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이를 왕복 운동한다.

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.

제 2 도에 도시된 것처럼 피스톤(14)이 실린더(12)내에 설치되었을 때 간극(g)의 폭은 R+C_L과 r의 차이임을 잘 알 수 있다.

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(C_L)를 무시하면 피스톤 스커어트(20)의 직경(D)과 동일하다).

그러므로 가상원통면(34)은 피스톤(14)이 수납되는 실린더(12)의 연장면, 또는 여유(C_L)를 무시할 경우에는 스커어트(20)를 상부로 연장한 곡면으로 간주할 수 있다.

본 명세서에서는 발명의 설명이 복잡해지는 것을 피하기 위하여 여러 수학적 관계식과 기하학적 형상에서 피스톤과 실린더 사이의 여유(C_L)를 무시하였다.

이같은 형식의 계산에 익숙한 사람은 여유(C_L)의 수치가 필요한 경우 언제든지 이를 고려할 수 있을 것이다.

제 5,6,7 도에 도시된 바와 같이 캡(32)은 여러가지 다른형태를 가질수 있다.

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 충적시키면 다른 형태도 가능하다.

예를들면 제 7 도에서는 캡이 간극(g)을 두 구역으로 나누고 있으며 이 간극은 피스톤 또는 실린더의 둘레의 원주길이를 따라 폭이 변하게 되어 있다.

본 발명의 원리를 다양한 엔진형태 또는 기관의 여러 운전조건에 맞도록 하기 위해서 캡과 간극의 형태로 여러 가지로 변화시킬 수 있다.

그러나 이하 상세히 설명된 본 발명의 피스톤(캡 포함)과 연소실은 치수와 여러 변수에 관련된 수학적 관계를 만족시켜야 한다.

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(L_R)에 의하여 완전히 한정된다.

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)로 부터 작동실(16)로 흐르는 기체의 요구되는 동적 특성과 관련하여 이후에 기술할 것이다.

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(V_B), 경사면(40,42)의 형상은 본 발명에 있어 매우 중요한 인자들이다.

공기실(38)의 체적(V_B)은 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.

또, 제 1 도에 도시된 바와 같이 공기실(38)의 체적(V_B)에는 피스톤(14)과 실린더(12, 또는 가상원통면(34)) 사이의 최상부 피스톤링 홈(22)이 에지(edge) 근처가지 길이(L)에 걸친 틈새의 체적(V_C)(제 2 도)도 포함되어야 하지만, 이 체적(V_C)이 특히 중대한 영향을 미치는 경우를 제외하고는 본 발명의 설명에서 무시하기로 한다.

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 핀(52)은 기관이 작동하는 동안 캡의 하면과 공기실(38)내를 순환하는 공기사이의 열 전달을 도와준다.

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.

상하 경사면(40,42)은 공기실(38)내에서 래디컬의 형성을 촉진하거나 화학반응의 조절을 돕도록 적절한 촉매재료(58)로 피복시킬 수도 있다.

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.

이 두 체적의 차이는 통상 작동실의 배제체적(clearance volume)이라 일컬어진다.

편의상 공기실의 체적은 단순히 V_B라 하고 V_a에 대한 V_B의 비를 "평형비"라 하는데 이 용어는 열이 이론적 공기사이클(theoritical air cycle)에 평행상태로 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 구할수 있다.

본 발명을 이용하는 전형적 기관 시스템은 연료흡입식 기관이 제 3 도에, 연료분사식 기관이 제 4 도에 개략적으로 도시되어 있다.

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.

제 3 도에서 연료흡입식 기관에는 드로틀(throttle, 66)의 1차적 조절에 의하여 가연성 공기연료 혼합기가 기관의 흡입구(64)로 공급되는 혼합기 흡입 매니폴드(62)가 포함되어 있다.

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.

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.

어떤 경우이든지 1,2차 공기(필요한 경우에는 연료도)는 혼합기가 작동실로 공급될때마다 먼저 공기만 또는 연료가 극미량 포함된 공기(연소와 지속되기 불충분한)가 작동실로 공급된 후, 1차공기와 함께 연료가 농후한 혼합기가 공급되도록 1,2차 공기를 적절히 제어하여야 한다.

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. 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 연전달이 잘 이루어진다.

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 생각되기 때문이다.

본질적으로 선행하는 연소/팽창 행정에서 가열된 캡과 후속되는 압축행정에서 캡 밑으로 이동하는 공기사이의 열전달로 인하여 축열효과(regenerative effect)가 생기므로 같은 양의 연료를 이용하는 종래의 오토사이클이나 디젤 사이클과 비교할 때 전체 열손실이 감소된다. 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.

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 4,317,432호가 있다. 공기실(38)내에서의 래디컬 생성 및 보존과 이 래디컬이 작동실(16)내의 주 반응에 미치는 작용은 제 12a 내지 제 12p 도를 참조하여 다음에 설명하기로 한다.

제 4 도의 기관(72)은 제 3 도의 것과 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 straification)을 형성시킬수 있으면 이 분사기 대신 어떠한 연료분사장치로 이용할 수 있다.

연료를 흡입구에 직접 분사시켜도 필요한 성층 제어(stratification control)를 할 수 있지만, 본 발명은 특정 연료분사시스템에 한정되는 것은 아니다.

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 배출 시키는 배기구(80)가 배기 매니폴드(82)에 연결되어 있다.

제 3 도에서 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)을 일으킨다.

제 4 도의 실시예에서는 압축이나 스파크에 의하여 점화된다.

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.

내연기관의 연소실에 적용시킨 헬름홀쯔 공명기에 대한 고전적 논의는 1951년 10월 30일 에이.지이.보딘 2세(A.G.Bodine, Jr)에게 허여된 미국특허 제 2,573,536호에서 찾을수 있으며 이 특허는 연소과정의 디토네이션파를 억제시키거나 없애는데 관한 것이다.

제 10 도의 상부에는 특정온도의 기체가 들어있는 챔버(chamber,90)와 일정길이(L_N)를 갖는 좁은 구멍(92)으로 이루어진 전형적인 헬름홀쯔 공명기가 도시되어 있는데, 구멍(92)의 반대편 끝은 오리퍼스의 형태로 되어 있다.

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.

구멍(92)의 직경, 단면적, 길이(L_N), 챔버(90)의 체적이 공명조건을 결정하는 변수들이다.

그러나 헬름홀쯔 공명이론은 챔버(90)의 실제모양이 변하더라도 매우 일반적인 것이다.

따라서 본 발명은 피스톤이 실린더내에 있을때 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.

헬름홀쯔공명기를 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.

헬름홀쯔 공명기(90 또는 38)의 공명진동수를 계산할 때에는 구멍의 길이(L_N)는 매우 중요하므로 구멍(92)의 입구단 및 출구단의 형상에 따라 적절한 무차원상수에 의하여 조절되어야 한다. 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 도시한 것처럼 입구가 경사져 있을 때에는 헬름홀쯔 공명기에 해당하는 유효구멍길이를 얻기 위해서 0.6 내지 0.85 사이의 값을 갖는 헬름홀쯔수정계수를 실제 구멍길이에 곱해야 한다.

본 발명의 요점은 피스톤과 작동실의 효율과 성능을 최적화시키기 위하여 혼합기가 점화되어 연소될 때 연소실내의 온도에서 음속에 가까운 속도로 전파되는 주기적 충격 및 팽창파와 실린더의 크기, 공기실의 체적, 간극의 폭, 길이 및 단면적, 연소온도 등의 특정관계를 찾아내는데 있다.

또한, 본 발명을 형태가 다른 기관에 적용시키기 위하여 피스톤, 연소실, 간극, 공기실의 크기 및 형상간의 관계를 정확히 이해하여 이들을 설계하는 것이 중요하다.

앞서 언급한 바와 같이 연소파의 상호작용에 따라 공기실을 이용하는 NANBE 기관의 작동에 대해서는 많이 알려져 있지만 실제 기관을 "열평형" 이론 또는 "축열"이론에 의한 효율의 이론적 한계까지 접근시키는 것은 쉽지 않다.

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 한정 할 수 있다.

작동실(16)내의 혼합기가 점화될 때 작동실(16)내를 음속에 가까운 속도로 전파되는 주기적으로 진동하는 진동수(F_A)의 충격파가 발생한다고 가정하면 공기실(16)은 연소/팽창 행정동안 헬름홀쯔공명기와 같이 진동수 F_A와 공기실(16)의 고유진동수 F_B간의 헬름홀쯔공명이 발생되는데, 실린더 내경, 공기실(38)의 체적(V_B), 간극(g), 간극의 길이와 단면적은 다음 식에 나타낸 관계를 갖는다.

여기서 모든 단위는 미터법에 따르며 V_B는 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 무차원의 수정계수, F_B는 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.

간극(g)이 피스톤의 둘레를 따라 일정하지 않는 경우에는, 단면적이 S인 일정한 간극(g)인 것을 가정한다.

간극(g)은 모양에 상관없이 위의 조건을 총족시켜야 한다.

간극이 대칭이 아닐 경우에는, 그 간극의 최대폭이 기관동작 사이클의 적어도 일부에서 공기실과 작동실 사이에 초우크 플로우(임계압력비)가 생기는 크기 이상으로 되어서는 안되며, 간극의 단면적과 체적은 작동실내의 여기진동수(F_A)에 따른 헬름홀쯔공명기의 요구조건을 충족시켜야 한다.

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).

L은 종래의 화염전파 방지이론에 따라 계산되는데 L은 다음식에 의한 연소실내의 압력과 연소시의 절대 온도와 관련된다.

여기서 K는 상수, T_A는 작동실내의 연료 연소온도, P_A는 작동실의 압력이다.

또한 V_B에 관한 앞의 식에서 공기실과 간극의 최대치수는 어떤 방향으로든지, 기관 작동 사이클의 연소/팽창 행정동안의 공기실의 온도에서 공기실(38) 공명진동수의 1/4 파장보다 짧다고 가정한다. F_A와 공기실의 공명조건사이에 적당한 넓은 주파수 응답(frequency response)을 얻을 필요가 있다. 이 응답은, "Q"로 일컬어지며, 앞의 주어진 V_B에 대한 식을 충족시키는 치수를 조절하는데 다음식이 이용된다.

L, g 및 S의 치수가 V_B및 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.

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.

본 발명에 의하면 피스톤이 하사점에 접근할 때 대략 진동수가 F_B인 공기실내의 공명가스에 의하여 피스톤 상부의 작동실에 기본기주공명 또는 고조파공명이 발생한다. 이론적으로는 팽창행정중 피스톤의 여러위치에서 작동실내에 기주공명이 발생될 수 있으나 최소한 짧은 시간동안이라도 기본기주공명 또는 고조파공명이 발생한다.(최초의 연소 온도보다 온도가 낮기 때문에 고유진동수 F_A와는 진동수가 약간 다르다).

제 11 도에는 피스톤이 하사점에 접근할 때의 기주공명의 원리가 도시되어 있다. 공기실(38)은 F_B진동수나 이에 가까운 값으로 공명하고, 이에 따라 작동실(16)도 웨이브 라인(wave line, 94)으로 대략 나타낸 바와같이 온도 T_A와 길이 L_W인 기본기주공명 진동수로 공명한다.

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.

본 발명에 의한 시스템의 만족스러운 작동에 중요한 요인이 되는 헬름홀쯔 공명이 일어나도록 F_B가 F_A에 조화되도록 공기실(38)의 온도가 연료의 점화에 따른 압력에 대하여 조절되어야 한다.

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.

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.

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.

특정기관에 대하여 공기연료비, 점화시가, 지시마력(Indicated horse power), 지시 비연료소모율, 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.

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.

앞서 설명한 식에 의한 피스톤과 작동실을 채택한 모든 기관에 대한 실험결과는 공기연료비가, 16 : 1일때 최대 출력을 내고 공기연료비가 20 : 1일때 가장 경제적이라는 것을 알려주고 있다. 그러므로 본 발명의 피스톤과 연소실을 채택한 기관에 사용될 연료 및 공기공급 시스템은 최초에는 공기연료비를 최대 출력에 대한 16 : 1로부터 최대 경제성에 대한 20 : 1까지 조절할 수 있도록 하면 된다. 그러나 다른 조건하에서도 기관의 최대효율을 얻기 위하여 공기연료비를 제어해야 하는 문제는 계속 남는다.

본 발명은 최대효율을 얻기 위하여 기관의 여러 운전속도에서, 공기연료비에 대한 CO, UHC, ISFC, IHP와 관련된 최근에 연구개발된 곡선을 이용할 것을 고려하였다. 이 곡선은 RQI(운전효율지표) 곡선으로 일컬어지는데 다음 식에 따라 수학적으로 계산된다.

이는 제 13 도에 도시되어 있으며 종축의 눈금은 도면의 오른쪽에 있다.

연소실에 공급되는 혼합기의 구성과 배기가스로 배출되는 물질사이의 관계를 나타내는 RQI 곡선은 기관의 최적운전을 위한 최적 공기연료비를 지시하는 최대치에 급격히 도달하는 곡선(106)이 된다.

어떤 속도와 부하인 경우에도 기관은 최대 RQI일때 최대 실제효율로 작동하는데, 이 최대 실제효율이 동일조건에서의 최대이론 효율과 일치할 필요는 없다. 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.

앞서 언급한 기관의 매핑과정에서 실험에 의한 기관의 각 회전수(RPM)에 대한 최대 RQI가 나오는 최대 공기연료혼합비와 점화시기가 결정된다. 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 2차공기에 의하여 전체 공기연료비가 조절되도록 한다. 엔진흡입구로 공급되는 2차공기(제 3 도의 70)는 기관이 여러가지 부하 및 속도조건에서 최적 RQI로 작동되도록 제어기구에 의하여 연속적으로 조절된다.

본 발명에 의하면 기관의 최적 RQI에 해당되는 희박한계(lean limit)를 찾아내는 "희박 한계 제어시스템", 예를들어 어빈(Irvin)과 마이클 레시너(Michael Leshner)에게 허여된 미국특허 제 4,368,707호에 기재된 것과 같은 시스템을 이용하여 2차공기를 제어한다.

물론 이 특허된 시스템은 본질적으로 RQI를 고려하지 않고 기관이 점화되지 않는 (misfire) 최저 희박한계를 찾기 위한 것이다. 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.

제 3 도에서 2차공기(70)는 드로틀 밸브(110)에 의하여 조절되고, 이 드로틀 밸브(110)는 앞서 언급한 미국특허 제 4,368,707호에 기재된 것과 유사한 희박한계 제어시스템(114)의 중앙제어장치의 서어보 모우터(112)에 의하여 제어된다. 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.

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. 제어시스템(114)에 의한 공기연료비는 제 13 도의 곡선(106)에 나타낸 최적 RQI에서의 공기연료비에 해당한다.

이 경우에 기관은, 공급되는 연료와 요구동력사이에 최적평형이 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 더 행하게 된다. 점화되지 않는 한계(misfire limit)에 도달한 것을 감지기(116)가 검출하고, 제어시스템(114)이 2차공기 서어보 모우터(112)를 최적 RQI에 해당하는 공기연료비로 조절되도록 하였을 때, 기관이 최대효율로 운전되고 있음을 쉽게 알 수 있다.

제어시스템(114)의 지시에 따라 배전기에 의한 점화시기를 제어하는 점화시기 조절기(120)가 설치되어 플라이 휘일 감지기(116)가 검출하는 기관의 RPM에 따라, 기관매핑 시험에서 결정된 대로 최대 RQI가 얻어지도록 점화시기를 조절한다. 그러므로 제어시스템(114)에는 앞서 설명한 "희박한계 제어시스템"외에도 플라이 휘일 감지기(116)로부터 기관의 RPM 신호를 받아 전송선(122)을 통하여 점화시기 조절기(120)를 제어하는 신호를 발생시키는 시스템이 포함될 수도 있다.

제 4 도의 기관(72)과 같이 자연점화에 의하여 연소가 진행되는 압축비가 5 : 1 내지 9 : 1인 기관의 경우에는, 희박한계 제어시스템(114)이 기관이 최적 RQI 상태로 작동되도록 공기연료비를 조절하기 위하여 연료 분사 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.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 압축행정중 최소한 일부동안만이라도 체적 V_B인 공기실과 체적 V_A인 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 동적가변압축비를 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 압축비로기관이 작동한다.

엔진 운전속도 범위중 상부 35%에 걸쳐 초우크 플로우가 발생하도록 간극(g)의 형태를 결정하는 것이 바람직하지만 이는 특정조건에 맞도록 변화시킬 수도 있다. 간극(g)이 균일하지 않을 때에는, 작동실(16)의 압력이 간극(g)을 통하여 공기실(38)로 배출될 수 없어서 유효압축비가 증가하는 기관속도 이상의 범위에서 공기실과 작동실 사이에 초우크 플로우가 생기는데 요구되는 크기 이상으로 간극의 최대폭을 크기 하여서는 안된다.

배기밸브가 열려 작동실의 압력이 갑자기 감소하였을 때도 공기실과 작동실 사이에는 초우크 플로가 생긴다. 간극의 폭을 적절히 선정하여 배기밸브가 열렸을 때 간극을 통하여 임계압력비가 생기도록 하면 공기실에서 작동실로의 고압가스의 팽창의 일시적으로 지연되어 공기실로 부터 배기가스를 통하여 배출되는 고온 고압 공기와 래디컬이 보존된다. 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.

제 12a 도 내지 12p 도에는 공기실(38)로부터 작동실(16)로 공기를 주기적으로 펌핑시키는 헬름홀쯔 공명조건, 공기실과 작동실 사이의 초우크 플로우 조건, 기주공명, 결합 진동기(coupled oscillator), 기관의 연소과정을 제어, 개선시키는 래디컬 발생/유지를 포함하여 본 발명에 의한 작동이 개략적으로 도시되어 있다.

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 상부 근처에 있어 혼합기가 축방향으로 층을 이루고 있는 것이 도시되어 있다. 어떤 경우에라도 연료가 전혀 없거나 소량 포함된 공기가 피스톤의 작동단부 근처에 존재하여 압축행정의 최소한 초기단계만에라도 공기가 공기실(38)내로 이동하여야 한다. 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.

혼합기의 압축은 제 12b 도 및 제 12c 도에 나타난 것처럼 진행되는데 작동실의 공기는 제 12b 도에서 화살표(123)로 나타낸 바와같이 공기실로 이동한다. 압축이 진행됨에 따라 간극(g)과 공기실의 형상에 의하여 캡(32)의 아래쪽 공기실내의 와류(124)가 형성된다. 이 와류는 공기실로 들어가는 공기와 캡(32)의 아래면 사이에 열전달이 일어나게 하여 몇 사이클이 진행된후 공기실과 캡의 하면이 가열되게 하여 앞서 설명한대로 공기실의 헬름홀쯔 공명진동수(F_B)가 작동실의 고유진동수(F_A)와 일치하는 온도범위로 되게한다.

앞서 설명한 바와같이 기관의 동적가변압축비를 가지면 피스톤이 최대속도에 가까와 짐에 따라 압축행정중 어느 점에서 공기실(38)과 작동실(16)사이에 초우크 플로우가 생기기 시작한다.

피스톤이 상사점에 더 가까워지면 공기실(38)내의 공기온도는 요구되는 헬름홀쯔 공명진동수(F_B)에 해당되는 온도까지 가열되고 혼합기가 점화된다(제 12d 도).

혼합기가 점화되기 전에 공기실(38)내에 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.

제 12d 도의 점화가 시작될 때 화염전면보다 앞서는 충격파는 작동실과 공기실 사이의 간극까지는 도달하지 않고 그후 제 12e 도에 나타낸 바와같이 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. 작동실내의 압력이 증가하는 도중에 있고, 작동실의 총평균 압력이 공기실의 총 평균 압력보다 높을 때에도 공기는 펌핑작용에 의하여 공기실로부터 작동실로 이동한다. 간극으로부터 반사된 충격파가 간극근처에 일시적으로 국부적인 압력감소를 발생시켜 공기실로부터 헬름홀쯔 공명상태에 있는 공기가 연소영역으로 팽창하게 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.

제 12f 도에 도시된 바와같이 피스톤의 운동에 의하여 작동실의 체적이 증가된 후에도 공기실은 헬름홀쯔 공명진동수(F_B)로 공명하여 공기실로부터 작동실로 공기가 이동한다. 공기실(38)로부터 고온의 공기가 작동실내로 팽창하여 들어가면서 연료와 반응하는 것이 관찰되었다.

그러므로 점화순간부터 공기실의 헬름홀쯔 공명과 간극근처의 충격파/팽창파의 상호작용으로 인하여 연소영역으로 공기가 계속 공급된다.

본 발명에 의하면 연소시간이 길어지기 때문에 혼합기내의 모든 연료가 반응하여 연소과정이 개선된다.

잘 알려진 바와같이 연료의 산화(연소)는 탄화수소분자의 결합을 파괴하여 결합력이 다른 여러가지 중간 화합물이 생성되는 것이 포함되는 화학적 반응이다. 높은 에너지를 갖는 산소가 연소영역에 공급되면서 연소시간도 증가하므로 반응에 긴시간이걸리는 불안정한 화합물도 반응할 수 있게 된다. 물론, 간극의 형상을 어떠한 화염전면도 통과하지 못하도록 정하였기 때문에 연소실내의 화염전면이 절대로 이 간극을 통과하지 않는다.

기관이 자연 점화하는 경우에는 점화시기는 잘 알려진 대로 작동실내의 온도와 압력에 의하여 결정된다.

본 발명에 의하면 흡입된 혼합기에서 생성된 래디컬과 헬름홀쯔 공명에 의하여 공기실에서 공급된 래디컬의 존재로 인하여 자연점화과정은 작동실내의 여러 지점에서 발생한다. 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.

제 12g 도에는 피스톤이 하사점으로 접근하면서 작동실내에 앞에서 설명한 폐쇄기주공명이 발생하는 것이 도시되어 있다. 캡근처의 나머지 연료가 반응을 계속하고 복사에너지에 의하여 캡이 가열된다.

제 12h 도에서 배기밸브가 열려 작동실내의 압력이 떨어지면서 연소생성물이 배출되기 시작한다.

공기실내의 나머지 산소와 래디컬이 간극을 통하여 팽창하기 시작하여(이순간 작동실과 공기실 사이에 임계초우크 플로우가 발생하도록 간극이 정해졌다면 팽창에 시간이 걸린다) 작동실내에 남아있는 연료나 반응할 수 있는 탄화수소 화합물과 반응하여 배기 생성물을 깨끗이 없앤다.

배기행정에서 피스톤 링과 틈새로부터 미연탄화수소와 증발된 윤활유가 배출되는 데 전형적인 종래의 기관인 경우에는 이들 화합물 때문에 배기가스내의 미연탄화수소 농도가 높아진다.

본 발명에 있어서는 링과 틈새로부터 배출되는 탄화수소는 이들에 매우 가까이 있는 공기실(38)로 들어간다(제 2 도에 도시된 바와같이 공기실(38)의 바닥으로부터 첫번째 피스톤 링까지의 틈새면(50)의 길이를 되도록 짧게하여 피스톤 링 상부 틈새의 체적을 되도록 줄여야 한다). 공기실(38)내로 들어간 미연탄화수소 및 증발 윤활유는 탄화수소 래디컬을 생성시켜 작동실(16)내의 연료와 함께 공기실(38)로부터 공급되는 산소에 의하여 더 반응을 일으키게 된다. 틈새로부터 배출되어 생성된 래디컬의 일부는 공기실내에 남아있다가 다음에 반응하기도 한다. 이와같이 캡(32)의 아래쪽에 있는 공기실(38)은 피스톤 링과 틈새로부터 배출된 연료분자들의 반응기 역할을 하므로 이들로부터 생기는 배기가스내의 UHC를 없애거나 감소시키게 된다. 대부분의 경우 틈새는 너무 좁아서 래디컬을 생성시키지 못하므로, 매우 인접해 있는 체적 V_B인 공기실은 배기과정에서 생성되는 UHC를 감소시키는데 크게 도움을 준다.

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 작동실내에 심한 난류가 생기면서 뒤섞이게 된다(제 12i 및 12j 도).

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 틈새영역의 배기도 완료된다.

이때 공기실내에서 최종적으로 반응하는 틈새의 기체들은 여러가지 탄화수소 래디컬을 생성시키는데 이들은 연소과정에서 생성되는 배기가스내의 "연소후" 래디컬에 대하여 "연소전" 래디컬이라 한다.

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 틈새로부터의 배기에서 생성된 연소전 래디컬이 공기와 함께 반응성이 높은 혼합물의 상태로 존재한다.

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.

제 12m 도에 나타낸 바와같이 피스톤이 아래쪽으로 가속되면 피스톤의 빠른 운동과 작동실내의 압력감소로 인하여 공기실내의 공기와 래디컬이 작동실내로 이동하여 공기실내의 반응성이 높은 래디컬 혼합물이 흡입공기내로 분산된다. 작동실내의 공기온도는 공기실내의 온도보다 매우 낮으므로 고온의 래디컬이 냉각희석되어 공기실내 래디컬의 후속반응은 다음의 압축 및 연소행정동안 다시 활성화될 때까지 지연된다.

제 12n 도에서 피스톤의 흡입행정은 거의 종료되나 연료는 아직 작동실내에 공급되지 않는다.

제 12o 및 12p 도에서 연료가 작동실의 흡입구에 공급되어(연료흡입식 기관인 경우) 다음의 압축행정이 시작되기 전에 혼합기는 축방향으로 층을 이루게 된다. 이미 설명한대로 공기실내의 소량의 연료를 제외하고는 연료가 들어가지 않도록 혼합기를 축방향으로 성층시키는 데는 여러가지 방법을 이용할 수가 있다.

다음의 압축행정이 시작되어(제 12a 도) 점화가 되는(제 12d 도) 동안, 혼합기내에는 새로 흡입된 연료가 압축가열되어 생성된 래디컬, 앞의 연소행정에서 생성된 연소후 래디컬, 앞 사이클이 끝날때 피스톤 링과 틈새에서 배출된 공기와 연료에서 생성된 연소전 래디컬이 혼합되어 존재한다. 그러므로 제 14 도에 나타낸 것처럼 잘 알려진 원리에 따라 래디컬에 의하여 점화가 촉진되므로 자연점화 압력/온도영역이 낮아진다.

제 14 도에는, 작동실(16)내의 압력 및 온도와 관련된 전형적인 압축점화의 자연점화영역(128)이 도시되어 있다. 영역(130)은 래디컬이 자연점화영역에 미치는 영향을 나타내는 래디컬의 자연점화촉진영역으로 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.

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 자연점화되는지, 또는 스파크나 다른 열원이 있어야 점화되는지는 혼합기의 온도에 의해서 결정된다.

2차 공기의 양을 조절하여 혼합기의 온도를 조절하고 캡(32)의 온도를 디토네이션 온도 이하로 조절하여, 점화가 스파크에 의해서 시작되거나 자연점화로 시작되도록 본 발명에 의한 연소행정을 제어할 수 있다.

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.

물론, 자연점화인 경우에도 이때의 사이클은 저압축비(5 : 1 내지 9 : 1) 연료흡입 사이클이란 것을 명심해야 한다. 연료로 가솔린을 사용하는 경우에도 피스톤과 연소실의 형상 때문에 전 연소행정을 통하여 헬름홀쯔 공명에 의하여 공기실로부터 연소영역으로 공기가 공급되고, 연소시간도 길어지므로 심한 디토네이션이나 노크가 방지된다. 작동실내에서 생성된(연소전) 래디컬도 전체과정을 개선시키고 래디컬 촉진영역의 어느 편에서든지 점화제어를 정밀하게 할 수 있게 하는 것으로 믿어진다.

제 4 도의 연료분사식 압축점화기관인 경우에는 압축비가 5 : 1 내지 9 : 1로 낮을때 래디컬 촉진영역(130)에서 자연점화되는 사이클이 최대출력을 얻을 수 있도록 캡(32)의 온도계수와 구조를 선정하여 최적 점화시기를 조절할 수 있다. 다시 말하면 기관의 연료와 압축비에 따라 최대출력을 낼수 있도록 자연점화시기를 최적화시킬 수 있는 온도계수를 갖도록 캡의 재료와 구조를 정해야 한다.

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.

Claims (6)

1. 보어의 닫힌 단과 피스톤의 작동단부사이에서 연료의 연소를 실행하는 가변체적 작동실을 형성하도록 축방향으로 왕복운동 가능하게 보어에 수용된 내연기관용 피스톤에 있어서, 상기 피스톤은 주직경이 D이고 작동단부로부터 축방향으로 떨어져 있는 하부 안내부 ; 안내부의 홈에 수용된 피스톤 링 ; 상기 안내부에 비해 작은 직경의 단면적을 갖는 상기 작동단부 ; 및 상기 작동단부와 상기 안내부사이의 상기 피스톤의 중간에 형성된 직경이 감소된 소경부로 구성되고, 주직경(D)와 피스톤의 작동단부의 소경부의 직경 차이의 절반이 공칭 폭(g), 외주길이, 힝단면적(s), 축방향 길이(L), 및 S×L의 간극체적(Vg)을 갖는 간극을 형성하고, 체적(V_B)은 상기 간극체적(Vg)을 포함하고 나머지 체적이 중간의 소경부와 상기 소경부와 겹쳐지는 가상의 원통면 사이에 위치하고, 상기 원통면은 피스톤과 동심적인 직경(D)을 가지며, 상기 체적(V_B)이 식

   

   의 관계를 갖고 여기서 단위는 미터법에 따르고 C는 작동실내의 압축된 혼합기의 자연점화온도와 대략 같은 온도에서 V_B안에서의 음속(cm/sec)이며, k는 간극의 기하학적 형상에 기초하여 결정되는 0.6 내지 0.85사이의 헬름홀쯔 수정계수이고, F_B는 F_B= K/D Hz의 관계를 갖는 진동수이고 여기서 k는 43,000 내지 51,000사이의 값을 갖는 상수이고, L은 화염이 간극을 통하여 작동실과 공기실로 전파되는 것을 방지하기에 충분한 길이이고 최소한 간극의 최소 치수와 같은 길이이며, 체적(V_B)와 체적(Vg)를 형성하는 최대 길이는 연소/팽창 동안 공기실의 온도에서의 F_B의 파장의 1/4보다 작고, S는 g=0.01072D+0.1143의 식에 따른 균일한 공칭 간극폭(g)를 가정하여 공차범위 +0.050cm 내지 -0.025cm 내에서 얻어지며, 또한 L, V_B,g 및 S가 식

   

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 간극은 균일하고 피스톤 몸체와 동심관계에 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 간극은 피스톤의 전체외주 주위로 뻗는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 1 항에 있어서, 체적(Vg)을 제외한 상기 체적(V_B)은 대체로 횡단하여 뻗으며, 반경 방향의 내부로 경사지고 축방향으로 이격된 표면에 의해 적어도 부분적으로 구획되며, 상기 간극에 근접한 경사면은 얇은 에지를 따라서 피스톤 외벽과 교차되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 피스톤은 작동실에 인접한 작동단부의 끝에 위치한 작동면을 포함하고, 상기 작동면은 경사진 에지를 따라 상기 간극과 교차하며 상기 경사진 에지는 중간의 소경부 쪽으로 경사진 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 간극에 근접한 경사면은 반경방향으로 그리고 축방향으로 돌출한 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.

Images