KR20130129071A - 내연기관을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

실린더와 분리 챔버 사이의 분리 구멍과 분리 구멍을 개폐하는 것을 제어하도록 채택된 분리 밸브를 포함하는 개선된 내연기관 유닛. 분리 챔버는 흡입 매니폴드와 배기 매니폴드에 흡입 구멍 및 배기 구멍에 의해 각각 연결된다. 분리 밸브와 배기 밸브를 둘 다 오픈하여 가스를 실린더 볼륨으로부터 오픈된 분리 구멍, 분리 챔버 그리고 오픈된 배기 구멍을 거쳐 배기 매니폴드로 유동하게 한다. 분리 밸브와 흡입 밸브를 둘 다 오픈하여 가스를 흡입 매니폴드에서 오픈된 흡입 구멍, 분리 챔버 그리고 분리 구멍을 거쳐 실린더 볼륨 내로 유동하게 한다. 흡입 밸브와 배기 밸브는 엔진 컴퓨터에 의해 차례로 제어되는 솔레노이드에 의해 구동된다. 분리 밸브는 엔진에 의해 차례로 구동되는 캠샤프트에 의해 구동된다.

Description

내연기관을 위한 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관 분야, 특히 흡입 구멍 및 배기 구멍, 그리고 흡입 밸브 및 배기 밸브를 위한 분리 챔버를 구비한 개선된 내연기관에 관한 것이다.

내연기관(ICE)은 연료, 예를 들면 화석연료가 연소 챔버 내에서 산화제, 주로 공기와 함께 연소가 일어나는 엔진이다. 내연기관에서는 높은 온도 및 높은 압력의 가스가 연소에 의해 생성된다. 가스의 팽창은 피스톤과 같은 엔진의 이동 가능한 구성요소에 힘을 가하며, 일정구간 동안 이동 가능한 구성요소를 이동시킴으로서 유용한 기계적 에너지를 발생시킨다.

내연기관이라는 용어는 일반적으로 친숙한 4 행정 또는 2 행정 피스톤 엔진과 같이 연소가 간헐적으로 일어나는 엔진을 말한다. 내연기관의 두 번째 부류는 연속 연소를 사용하는, 가스 터빈, 제트 엔진, 그리고 대부분의 로켓 엔진을 말한다. 내연기관에는 많은 고정적인 적용 사례가 있지만 가장 큰 적용분야는 이동수단에 있으며, 모든 규모의 자동차, 항공기, 보트 등의 동력 공급원으로서 지배하고 있다.

4 행정 내연기관과 관련하여, 4 행정은 흡입, 압축, 연소, 배기 행정을 말하며, 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진의 작업 사이클에서 크랭크샤프트의 2회전중에 발생한다.

작업 사이클은 실린더 내부에서 미끄럼 이동하는 피스톤이 크랭크샤프트 축으로부터 멀어짐에 따라 시작한다. 피스톤의 흡입 행정에서, 피스톤은 실린더 상부으로부터 내려오고, 실린더 내부의 압력을 감소시킨다. 흡입구(intake port) 또는 흡입 구멍(intake aperture)으로 공기-연료 혼합기(air-fuel mixture)가 대기압에 의해 실린더 내부로 들어온다. 그리고 나서 흡입 밸브가 닫히고, 압축 공정이 연료-공기 혼합기를 압축한다.

그리고나서, 공기-연료 혼합기는 주로 가솔린 엔진 또는 오토(otto) 사이클 엔진에서는 점화 플러그에 의해, 디젤 엔진에서는 압축의 열 및 압력에 의해 압축 공정의 끝에서 점화된다. 연소가스로 인해 야기된 압력은 동력 행정(Power Stroke)를 통해 피스톤을 민다. 배기 행정에서, 피스톤은 배기구(exhaust port) 또는 배기 구멍(exhaust aperture)을 통해 실린더로부터 연소 혼합물을 민다. 그리고나서 배기 밸브가 닫히고, 흡입 행정이 다시 일어난다.

보통, 흡입 및 배기 밸브는 크랭크샤프트가 4 행정 사이클마다 2회 회전하는 동안, 캠샤프트가 4 행정 사이클마다 1회 회전하여 구동된다. 최근, 흡입 밸브와 배기 밸브를 구동하는 데 있어 엔진 콘트롤러 또는 컴퓨터에 의해 구동되는 솔레노이드를 이용한 많은 디자인이 나와 있다.

흡입 및 배기 밸브는 압축 및 연소 행정을 하는 동안 연소실 또는 실린더에서 생성되어 나온 매우 큰 압력에 노출되어 있다. 따라서, 흡입 구멍과 배기 구멍을 압축 및 연소 행정을 하는 동안 연소실의 본체로부터 고립시키고 그 압력을 감소시키는 것이 유리할 것이다.

[발명의 간단한 요약]

본 발명의 일부 실시 예에 따라, 개선된 내연기관 유닛이 제공된다. 내연기관 유닛은 실린더 볼륨을 둘러싸는 실린더 내에서 작동하는 피스톤과, 실린더 볼륨을 흡입 매니폴드에 연결하는 흡입 구멍의 개폐를 조절하는 흡입 밸브, 그리고 실린더 볼륨을 배기 매니폴드에 연결하는 배기 구멍의 개폐를 조절하는 배기 밸브를 가진다. 개선된 내연기관 유닛은 실린더와 분리 챔버(separation chamber) 사이의 분리 구멍(separating aperture)과 분리 구멍의 개폐를 조절하도록 채택된 분리 밸브(separating valve)를 포함한다. 분리 챔버는 흡입 구멍 및 배기 구멍에 의해 각각 흡입 매니폴드 및 배기 매니폴드에 연결될 수 있다. 분리 밸브와 배기 밸브를 둘 다 오픈하여 실린더 볼륨에서 오픈된 분리 구멍, 분리 챔버, 그리고 오픈된 배기 구멍을 거쳐 배기 매니폴드로 가스를 유동시킬 수 있다. 분리 밸브와 흡입 밸브를 둘 다 오픈하여 흡입 매니폴드에서 오픈된 흡입 구멍, 분리 챔버, 그리고 분리 구멍을 거쳐 실린더 볼륨으로 가스를 유동시킬 수 있다.

일부 실시 예에서, 흡입 밸브와 배기 밸브는 전기적 메카니즘에 의해 구동된다.

일부 실시 예에서, 분리 밸브는 캠샤프트에 의해 구동된다. 캠샤프트는 크랭크샤프트 회전에 대한 캠샤프트 회전의 첫번째 비율, 예를 들면 1:4 또는 1:3으로 크랭크샤프트에 연결되어 있다. 캠샤프트는 캠샤프트 회전에 대한 분리 밸브 개방의 두번째 비율, 예를 들면 2:1을 제공한다.

일부 실시 예에서, 전체 실린더 볼륨에 대한 분리 챔버의 체적 비율은 5~20% 범위에 있다.

일부 실시 예에서, 흡입 행정을 하는 동안 분리 챔버 내의 압력은 0.25 bar 이하로 유지된다.

일부 실시 예에서, 내연기관 유닛은 센서와 연결되어 있다. 센서는 내연기관 유닛의 작동 매개변수(parameters)의 지령을 흡입 밸브와 배기 밸브의 작동에 영향을 미치는 제어 수단으로 전달한다.

일부 실시 예에서, 분리 밸브의 직경은 실린더 내부 직경의 65~95% 범위에 있으며, 바람직하게는 실린더 내부 직경의 70~85% 범위에 있다.

일부 실시 예에서, 내연기관은 둘 또는 그 이상의 분리 구멍뿐만 아니라 둘 또는 그 이상의 분리 밸브를 가진다.

일부 실시 예에서, 분리 밸브는 배기 밸브가 열리고 흡입 밸브가 닫힘에 따라 열린다.

본 발명의 일부 실시 예에 따라, 개선된 내연기관 유닛의 작동을 위한 방법이 제공된다. 그 방법은 분리 밸브를 여는 것을 포함하며, 상기 분리 밸브가 열려 있는 동안 배기 밸브를 여는 것을 포함하는데, 이를 통해 연소된 가스를 실린더 볼륨에서 오픈된 분리 구멍, 분리 챔버, 그리고 오픈된 배기 구멍을 거쳐 배기 매니폴드로 유동시킬 수 있고, 연소된 가스의 흐름을 차단하고 흡입 밸브를 열기 위한 배기 밸브를 닫는 것을 포함하는데, 이를 통해 가스를 흡입 매니폴드에서 오픈된 흡입 구멍, 분리 챔버, 그리고 오픈된 분리 구멍을 거쳐 실린더 볼륨으로 유동시킬 수 있다. 그 방법은 또한 흡입 매니폴드로부터 가스 흐름을 차단하기 위해 흡입 밸브와 분리 밸브를 닫는 것을 포함한다. 따라서 분리 밸브는 압축 및 연소 행정을 하는 동안 실린더 볼륨으로부터 고립되도록 유지되고, 흡입 매니폴드와 배기 매니폴드는 압축 및 연소 행정을 하는 동안 실린더 볼륨으로부터 이중으로 고립되도록 유지된다.

발명으로 간주되는 요지는 명세서의 결론 부분에서 특히 설명되고 상세히 주장된다. 그러나 본 발명은 시스템의 구성과 작동방법 둘 다, 기능 및 장점을 함께 가지고 있는데, 첨부된 도면을 참조하여 하기에 상세히 기술함으로써 가장 잘 이해될 수 있다:
도 1은 배기 행정을 하는 동안의 개선된 내연기관 유닛의 개략적인 도면이다.
도 2는 흡입 행정을 하는 동안의 개선된 내연기관 유닛의 개략적인 도면이다.
도 3은 압축 행정을 하는 동안의 개선된 내연기관 유닛의 개략적인 도면이다.
도 4는 연소 행정을 하는 동안의 개선된 내연기관 유닛의 개략적인 도면이다.
도 5는 다수의 센서를 포함하는 개선된 내연기관 유닛의 블록 다이어그램이다.
도 6은 개선된 내연기관 유닛의 작동 방법에 대한 플로우 챠트이다.
도 7a는 분리 밸브를 개폐하는 캠샤프트의 회전을 위해 1:4의 비율로 크랭크샤프트가 회전하는 풀리 시스템의 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 크랭크샤프트의 단면도이다.
도 8a는 분리 밸브를 개폐하는 캠샤프트의 회전을 위해 1:3의 비율로 크랭크샤프트가 회전하는 풀리 시스템의 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 크랭크샤프트의 단면도이다.

본 발명은 특정한 사례의 실시 예에 관해서 설명될 것이다. 본 발명은 개시된 특정한 사례의 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 설명된 내연기관 유닛을 다루는 방법과 시스템의 모든 특징이 첨부된 청구항의 어느 특정한 하나에서 청구하고 있는 발명을 구현하는데 반드시 수반되는 것은 아니다. 내연기관 유닛의 여러 다양한 요소와 특징들이 본 발명을 완전히 실시할 수 있도록 설명된다. 또한 본 공개를 통해, 한 단계가 먼저 수행된 첫 단계에 종속됨이 맥락에서 볼 때 자명하지 않는 한, 본 발명의 방법의 단계가 순차적으로 또는 동시에 수행될 수도 있다.

본 발명의 여러 실시 예를 자세히 설명하기 전에, 본 발명은 다음의 설명에서 명시되거나 또는 도면에 예시된 부품의 조립과 배열의 세부 사항에 대한 적용에만 국한되지 않는다. 본 발명은 다른 실시 예를 구현할 수 있고, 여러 가지 방법으로 실시되거나 수행된다. 또한 여기서 채용된 어법과 용어는 설명을 위한 것이지, 한정된 것으로 간주하여서는 안 된다.

달리 정의되지 않는 한, 여기서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속한 기술분야에서 일반적으로 통상의 지식 중 하나로 이해되는 것과 같은 의미를 가진다. 여기서 제공된 시스템, 방법, 실시 예는 설명을 위한 것이며 제한할 의도가 없다.

본 발명의 명세서 및 청구범위에서, 각각의 동사들인, 포함(comprise), 포함(include)과 가짐(have), 그리고 그 활용은 해당 목적물 또는 동사의 목적물이 필연적으로 해당 주제의 일부, 구성, 요소, 부분의 전체 목록이 아니거나, 또는 그 동사의 해당주제가 아니라는 것을 지적하는 데에 사용된다.

일부 실시 예에 따른 개선된 내연기관(5)이 도 1~4에 제시되어 있고 4행정 기관에 대한 것이다. 내연기관 유닛(5)은 실린더 볼륨(12)을 둘러싸는 실린더(10) 내에서 작동하는 피스톤(8)과, 실린더 볼륨을 흡입 매니폴드에 연결하는 흡입 구멍(16)의 개폐를 조절하는 흡입 밸브(14)을 가진다. 또한 내연기관 유닛은 실린더 볼륨(12)을 배기 매니폴드(24)에 연결하는 배기 구멍(22)의 개폐를 조절하는 배기 밸브(20)를 가진다.

개선된 내연기관 유닛(5)은 실린더(10)와 분리 챔버(32, separation chamber) 사이의 분리 구멍(30, separating aperture)과 분리 구멍(30)의 개폐를 조절하도록 채택된 분리 밸브(34, separating valve)를 포함한다. 분리 챔버(32)는 흡입 구멍(16) 및 배기 구멍(22)에 의해 각각 흡입 매니폴드(18) 및 배기 매니폴드(22)에 연결될 수 있다.

도 1에 예시된 배기 행정을 하는 동안, 분리 밸브(34)와 배기 밸브(20)가 둘다 열리면서 결과적으로 연소 가스는 실린더 볼륨(12)에서, 오픈된 분리 밸브(34)를 통해 분리 챔버(32) 그리고 오픈된 배기 구멍(22)을 거쳐 배기 매니폴드(24)로 가게 된다.

그 결과로 일어난 흡입 행정 동안, 분리 밸브(34)와 흡입 밸브(14)가 둘다 열리면서 결과적으로 신선한 공기를 흡입 매니폴드(18)에서 오픈된 흡입 밸브(14), 분리 챔버(32) 그리고 분리 구멍(30)을 거쳐 실린더 볼륨(12)으로 오게 한다.

흡입 밸브(14)와 배기 밸브(20)는 각각 솔레노이드(40, 42)에 의해 구동된다. 분리 밸브(34)는 커넥팅로드(46)로 피스톤(8)을 구동하는 크랭크샤프트의 회전비율에 대해 1/2로 회전하는 캠샤프트(44)에 의해 구동된다. 캠샤프트(44)의 편심에 의해 캠샤프트는 흡입 및 배기 행정 동안은 분리 밸브(34)를 피스톤 방향으로 밀고, 압축과 연소 행정 동안은 실린더 볼륨(12) 내의 고압축 가스가 분리 밸브(34)를 분리 구멍(30) 방향으로 민다. 분리 밸브의 열림과 닫음 사이에서 스위칭을 보다 잘 제어하기 위해 스프링이 사용될 수도 있다.

일부 실시 예에서, 전체 실린더 볼륨에 대한 분리 챔버(32)의 체적 비율은 5~20% 범위에 있다. 여기서, 분리 챔버(32)의 체적은 관련 밸브(14, 20, 34)가 닫힌 동안 분리 챔버(32)와 흡입 구멍(16), 배기 구멍(22)와 분리 구멍(30)의 경계로 둘러싸인 체적으로 한정된다. 실린더 볼륨(12)은 분리 밸브(34)에 의해 닫힌 동안 실린더 내부 벽, 크랭크샤프트에 가장 가까울 때의 피스톤(8), 그리고 분리 구멍(30)에 의해 둘러싸인 체적으로 한정된다.

종래 내연기관 유닛과 비교하여 개선된 내연기관 유닛(5)의 이점은 압축 및 연소행정 동안 분리 밸브가 실린더 볼륨(12) 내의 고압력에 노출되는 것을 막아줌에 따라, 배기 구멍 및 흡입 구멍 그리고 배기 밸브와 흡입 밸브들은 낮은 최대 압력에 노출된다는 점이다. 예를 들면, 한 실시 예에서 분리 챔버(32)의 압력은 6 바(bar) 이하로 유지되고 있는데, 반면 같은 실린더 체적을 가진 종래 내연기관 유닛에서는 60 바(bar)로 설정되어 있어 실시예와 비교하면 매우 높다.

이제 도 5를 참조하면, 내연기관 유닛은 다양한 센서를 포함할 수 있다. 예시된 센서들은 온도 메터(50), 가스 센서(52), 압력 센서(54)들이다. 센서들은 내연기관 유닛 작동 매개변수(파라메터)의 지령을 제어 수단, 예를 들면 엔진 컴퓨터(56)로 전달한다. 제어 수단(56)은 솔레노이드(40, 42)를 각각 제어하고, 그 결과로 흡입 밸브(14)와 배기 밸브(20)의 작동에 영향을 미친다. 센서들은 다양한 곳에 위치할 수 있는데, 예를 들면 내연기관 유닛 내부, 실린더 볼륨(12) 내부, 분리 챔버(32) 내부, 그리고 냉각수 내부 등이다.

도 6은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 개선된 내연기관 유닛(5)을 위한 방법(100)의 흐름도(flow chart)를 예시하고 있다.

본 방법(100)은 분리 밸브(34)를 여는 단계(110)와 배기 밸브(20)를 여는 단계(120)을 포함하며, 그렇게 함으로써 가스를 실린더 볼륨(12)에서 오픈된 분리 구멍(30), 분리 챔버(32), 그리고 오픈된 배기 구멍(22)를 거쳐 배기 매니폴드(24)로 유동시킬 수 있다. 본 방법(100)은 또한 연소 가스 흐름을 차단하기 위한 배기 밸브(20)를 닫는 단계(130)와, 그리고 흡입 밸브(14)를 여는 단계(140)을 포함하는데, 이로 인해 가스를 흡입 매니폴드(18)로부터 오픈된 흡입 구멍(16), 분리 챔버(32), 그리고 오픈된 분리 구멍(30)을 거쳐 실린더 볼륨(12)으로 유동시킬 수 있다. 본 방법(100)은 또한 가스의 흐름을 흡입 매니폴드(18)로부터 차단시키기 위해 흡입 밸브(14)를 닫는 것과 분리 밸브(34)를 닫는 것을 포함한다. 그렇게 함으로써, 분리 밸브(32)는 압축 및 연소 행정을 하는 동안 실린더 볼륨(12)으로부터 고립된다. 또한 흡입 매니폴드와 배기 매니폴드는 압축 및 연소행정을 하는 동안 둘 다 고 압력의 실린더 볼륨(12)로부터 고립되어 있다.

도 7과 도 8을 참조하면 분리 밸브(34)는 캠샤프트에 의해 구동되는데, 도 7a와 7b에서는 캠샤프트는 44a이고, 도 8a와 8b에서는 캠샤프트는 44b이다. 캠샤프트(44a, 44b)는 크랭크샤프트(200)에, 크랭크샤프트 회전에 대한 캠샤프트 회전의 첫째 비율, 도 7a에서는 1:4, 도 8a에서는 1:3으로 풀리시스템에 의해 연결되어 있다. 도 7a~d의 풀리 시스템은 타이밍벨트(225)에 의해 상호 연결된 주 휠(210a)과 보조 휠(220a)을 포함하는데, 보조 휠(220a)의 원둘레에 대한 주 휠(210a)의 원둘레 비율은 1:4이다. 도 8a~d의 풀리 시스템은 타이밍벨트(225)에 의해 상호 연결된 주 휠(210b)와 보조 휠(220b)을 포함하는데, 보조 휠(220b)의 원둘레에 대한 주 휠(210b)의 원둘레 비율은 1:3이다.

두번째 비율은 캠샤프트 회전에 대한 분리 밸브 닫힘의 비율을 다루는데, 캠샤프트 44a는 2개의 서로 다른 피크를 가지며, 따라서 2:1의 비율을 제공한다. 그에 반해서, 캠샤프트 44b는 단지 하나의 피크를 가지며, 따라서 두번째 비율로 1:1을 제공한다. 캠샤프트 44a와 44b는 피크의 모양에 따라 또한 차이가 나는데, 피크의 모양은 분리 밸브(34)에 의해 분리 구멍(30)을 여는 시간을 결정한다. 캠샤프트 44a에서 피크(230)의 양 측면 231과 232는 사이에 예각을 이루고 있어 여는 시간이 짧다. 반면 캠샤프트 44b의 열린 측면(240)은 약 180도의 아크로 형성되어 있어, 분리 밸브(34)를 적절히 열 수 있게 떨어져 있다.

한 예시된 기존의 내연기관은 캠샤프트가 분당 2000 회전할 때 분당 4000으로 회전한다. 대조적으로 두개의 피크를 가진 캠샤프트에서는 캠샤프트는 분당 1000 회전만을 해야 하므로, 따라서 동력 손실을 가져오고 내연기관과 캠샤프트에 가해지는 하중을 감소시킨다.

세번째 비율로서, 크랭크샤프트 회전에 대한 분리 밸브 닫힘의 비율을 참조하면, 그것은 첫번째 비율인 크랭크샤프트 회전에 대한 캠샤프트 회전의 비율과 두번째 비율인 캠샤프트 회전에 대한 분리 밸브 닫힘 비율의 산물이다. 도 7의 예시에서, 세번째 비율은 1:2이고, 반면 도 8의 예시에서는 그 비율은 1:3이다. 캠샤프트의 모양과 타이밍벨트의 비율의 결정이 세번째 비율의 값에 대해 지속적이고 다양한 가능성을 제공한다는 것을 언급할 필요가 있다. 예시된 앞서 언급된 데이타에서는, 세번째 비율 값의 범위는 1:4에서 2:3 사이에 있다.

세번째 비율이 1:3일때, 내연기관은 잔류 연소가스의 제거를 위한 연소 행정 없이 흡입과 배기의 추가 2개 행정을 추가함으로써 분리 챔버를 냉각시키도록 설계될 수 있다.

일부 실시예에서, 내연기관은 2개 혹은 그 이상의 분리 구멍뿐만 아니라 2개 혹은 그 이상의 분리 밸브를 가진다. 그러한 디자인에서 각각의 분리 밸브는 더 가벼워진다.

분리 밸브를 함께 가진 흡입 밸브의 전자 제어 능력은 내연기관 효율에 실제 영향을 미친다. 내연기관의 압축비는 최대 최적에서 최소체적에 이르기까지 연소 챔버와 실린더의 체적 비율을 나타낸다는 것을 언급할 필요가 있다. 피스톤 엔진에서 압축비는 피스톤이 행정의 바닥에 있을 때 실린더와 연소 챔버의 양 사이의 체적 비율이며, 피스톤이 행정의 꼭대기에 있을 때는 압축비는 연소 챔버의 체적이다. 한 예시된 4개의 실린더를 가진 1920cc 내연기관에서, 피스톤은 480cc의 공기를 함유하고 행정의 바닥에 있다(실린더의 430cc + 연소 챔버의 50cc). 피스톤이 실린더 내에서 행정의 꼭대기로 움직였을 때, 헤드 또는 연소 챔버 내에 남아 있는 체적은 50cc로 줄어들고, 이상적인 압축비인 9.6:1을 가진다.

고 압축비는 높은 열효율에 의거하여 공기-연료 혼합기의 주어진 질량으로부터 더 큰 기계적 에너지를 추출할 수 있다. 고 압축비는 사용 가능한 산소와 연료 분자를 압축 단열 열을 가지도록 감소된 공간으로 배치함으로써, 연료를 보다 잘 섞고 잘 연소 되도록 한다. 따라서 고압축비는 큰 범위까지 고온가스를 확장함으로써 점화에서 증가된 동력을 유발하고 그 동력으로부터 보다 유용한 일을 추출해 낼 수 있다.

흡입 행정에서 실린더로 들어오는 공기의 양은 압축비와 같은 내연기관의 효율에 크게 영향을 미친다. 예를 들면, 9.6:1의 압축비를 가진 내연기관이 흡입 밸브 끝단에서 1.0 bar의 압력으로 공기가 채워지도록 설계되고, 실제로는 0.8 bar의 압력으로 공기가 채워진다고 가정한다. 그러면 압축시 공기-연료 혼합기의 압력은 8:1 압축비 내연기관의 그것과 같다. 그러한 실제의 저압축비는 흡입 밸브가 열려 있지 않아 내부 공기 압력을 외부 공기 압력과 동일하게 할 수 있는 충분한 시간이 없는 고회전 속도에서 발생한다.

흡입 행정의 끝에서 공기 압력의 변화를 피하기 위해, 내연기관은 고압축비를 갖도록 설계될 수 있으며 분리 밸브와 함께 흡입 밸브가 열리는 시간을 변화시키도록 흡입 밸브의 제어가 이용될 수 있고, 거기에서는 실린더로 들어오는 공기의 양은 엔진 회전수에 관계없이 일정하다. 다른 말로 하면, 저회전 속도에서, 흡입 밸브는 보통보다 일찍 닫혀 실린더로 공기가 덜 들어오도록 한다. 대조적으로, 고회전 속도에서는, 흡입 밸브는 공기의 양이 저회전 속도에서와 같도록 하기 위해 충분한 시간을 갖고 열어 둔다.

예를 들면, 위에 언급된 480cc 실린더는 40cc의 연소 챔버를 갖도록 설계되어 있으며, 거기에서 압축비는 12:1로, 이상적인 압축비보다 훨씬 높다. 저회전 속도에서, 흡입 밸브는 부분적인 80%의 압력(즉 0.8 bar)을 갖도록 제한되고 추가 압력 20%는 배기가스를 회수하여 가져온다. 따라서 실제 압축비는 9.6:1이 된다. 고회전 속도에서, 흡입 밸브는 일체 제한되지 않거나, 또는 아주 최소 단위로 제한되며, 거기서도 실제 압축비는 9.6:1이 된다.

또는, 저회전 속도에서, 배기 밸브는 공기의 20%를 풀기 위해 압축 행정의 초기에 이용되며, 거기서 압축비는 9.6:1로 유지된다. 고압축비에서는, 압축행정 동안에 실린더의 공기를 풀기 위해 배기 밸브가 전혀 이용되지 않거나 또는 거의 이용되지 않는다.

본 발명은 그 특정 실시 예와 함께 설명되어 있지만, 그 많은 대안들, 수정 및 변형이 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람들에게 명백해 질 것이 분명하다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 사상 및 광범위한 범위에 속하는 그러한 모든 대안들, 수정과 변형이 수용될 수 있다. 특히, 본 발명은 설명된 예시에 의한 어느 방법에만 제한되지 않는다.

Claims (17)

1. 내연기관 유닛으로서, 내연기관 유닛은 실린더 볼륨을 둘러싸는 실린더 내에서 작동하는 피스톤, 실린더 볼륨을 흡입 매니폴드에 연결하는 흡입 구멍의 개폐를 조절하는 흡입 밸브, 그리고 실린더 볼륨을 배기 매니폴드에 연결하는 배기 구멍의 개폐를 조절하는 배기 밸브를 가지며,
   상기 내연기관 유닛은,
   (a) 실린더와, 흡입 구멍과 배기 구멍에 의해 각각 흡입 매니폴드와 배기 매니폴드에 연결될 수 있는 분리 챔버 사이에 최소 한개의 분리 구멍과,
   (b) 상기 분리 구멍의 개폐를 조절하기 위해 채택된 최소 한개의 분리 밸브를 더 포함하는데,
   상기 분리 밸브와 배기 밸브를 둘 다 오픈하여 가스를 실린더 볼륨으로부터 오픈된 분리 구멍, 분리 챔버, 그리고 배기 구멍을 거쳐 배기 매니폴드로 유동시킬 수 있고, 상기 분리 밸브와 흡입 밸브를 둘 다 오픈하여 가스를 흡입 매니폴드로부터 오픈된 흡입 구멍, 상기 분리 챔버와 오픈된 분리 구멍을 거쳐 실린더 볼륨으로 유동시킬 수 있는 내연기관 유닛.
2. 제 1항에 있어서
   최소 한개의 흡입 밸브 및 배기 밸브가 한개 또는 그 이상의 전기 기구에 의해 구동되는 내연기관 유닛.
3. 제 1항에 있어서
   최소 한개의 분리 밸브가 캠샤프트에 의해 구동되며, 상기 캠샤프트는 크랭크샤프트 회전에 대한 캠샤프트 회전의 첫번째 비율로 크랭크샤프트에 연결되어 있고, 상기 캠샤프트는 캠샤프트 회전에 대한 분리 밸브 개방의 두번째 비율을 제공하도록 채택되어 있는 내연기관 유닛.
4. 제 3항에 있어서
   풀리 시스템은 상기 크랭크샤프트에 상기 캠샤프트를, 상기 첫번째 비율이 1:4와 1:3중 하나가 되도록, 연결시키는 내연기관 유닛.
5. 제 4항에 있어서
   상기 두번째 비율이 2:1과 4:1중 하나인 내연기관 유닛.
6. 제 1항에 있어서
   총 실린더 체적에 대한 상기 분리 챔버 체적의 비율이 5~20% 범위에 있는 내연기관 유닛.
7. 제 1항에 있어서
   흡입 행정 동안 상기 분리 챔버 내의 압력이 0.25 psi로 유지되는 내연기관 유닛.
8. 제 1항에 있어서
   내연기관 유닛은 한개 또는 그 이상의 센서에 연결되어 있으며, 센서들은 내연기관 유닛 작동 매개변수의 지령을 제어 수단으로 전달함으로써 최소 한개의 흡입 밸브와 배기 밸브의 작동에 영향을 미치는 내연기관 유닛.
9. 제 1항에 있어서
   상기 분리 밸브의 직경은 상기 실린더 내부 직경의 65~95% 범위에 있는 내연기관 유닛.
10. 제 1항에 있어서
    상기 분리 밸브의 직경은 상기 실린더 내부 직경의 70~85% 범위에 있는 내연기관 유닛.
11. 제 1항에 있어서
    내연기관 유닛이 최소 2개의 분리 구멍과 최소 2개의 분리 밸브를 각각 가지는 내연기관 유닛.
12. 제 1항에 있어서
    배기 밸브가 열리고 흡입 밸브가 닫힘에 따라 분리 밸브는 거의 개방되어 있는 내연기관 유닛.
13. 실린더 볼륨을 둘러싸는 실린더 내에서 작동하는 피스톤, 실린더 볼륨을 흡입 매니폴드에 연결하는 흡입 구멍의 개폐를 조절하는 흡입 밸브, 그리고 실린더 볼륨을 배기 매니폴드에 연결하는 배기 구멍의 개폐를 조절하는 배기 밸브를 가지며, 실린더와, 흡입 구멍과 배기 구멍에 의해 각각 흡입 매니폴드와 배기 매니폴드에 연결될 수 있는 분리 챔버 사이에 분리 구멍과, 그리고 상기 분리 구멍의 개폐를 조절하는 분리 밸브를 더 포함하는,
    내연기관 유닛의 작동을 위한 방법으로서,
    (a) 상기 분리 밸브를 열어 개방될 때,
    (i) 배기 밸브를 열어 연소 가스를 실린더 볼륨에서 오픈된 분리 구멍, 분리 챔버와 오픈된 배기 구멍을 거쳐 배기 매니폴드로 유동시키고,
    (ii) 상기 연소 가스의 흐름을 막기 위해 상기 배기 밸브를 닫고,
    (iii) 흡입 밸브를 열어 연소 가스를 흡입 매니폴드에서 오픈된 흡입 구멍, 상기 분리 챔버 및 상기 오픈된 분리 구멍을 거쳐 실린더 볼륨으로 유동시키는 단계,
    그리고
    (b) 상기 흡입 밸브를 닫고 상기 분리 밸브를 닫는 단계를 포함함으로써, 압축 및 연소 행정동안 가스의 흐름을 상기 흡입 매니폴드로부터 차단시키고, 상기 분리 챔버를 실린더 볼륨으로부터 고립시키고, 압축 및 연소행정 동안 상기 흡입 매니폴드와 상기 배기 매니폴드를 실린더 볼륨으로부터 이중으로 고립시키는,
    내연기관 유닛의 작동을 위한 방법.
14. 상기 13항에 있어서
    상기 분리 밸브의 개폐를 캠샤프트로 작동시키는 내연기관 유닛의 작동을 위한 방법.
15. 상기 13항에 있어서
    상기 흡입 밸브와 배기 밸브를 한개 또는 그 이상의 전기 기구에 의해 작동시키는 내연기관 유닛의 작동을 위한 방법.
16. 상기 15항에 있어서
    상기 한개 또는 그 이상의 전기 기구 중 최소 한개의 전기 기구를 내연기관 유닛 작동 매개변수의 하나 또는 그 이상의 지령에 따라 작동시키며, 그 지령들은 내연기관 유닛에 연결된 한개 또는 그 이상의 센서들로부터 수령하는 내연기관 유닛의 작동을 위한 방법.
17. 상기 15항에 있어서
    최소 한개의 흡입 밸브와 배기 밸브를 엔진 회전 속도에 따라 공기 압력에 영향을 미치도록 조절시키는 내연기관 유닛의 작동을 위한 방법.
    

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