KR100243635B1 - 내연기관 - Google Patents

Abstract

내연 기관은, 제1실린더(12)가 제2실린더(14)보다 큰 스웨프트 용적을 가지는 하나이상의 쌍의 제1및 제2실린더들(12,14)과, 그 실린더들내에서 각각 왕복운동가능한 제1및 제2피스톤들(16,18)을 포함한다. 제2피스톤(18)은 구동 스템(234)을 가지고 있고, 제2실린더(14)를, 제2피스톤의 구동 스템을 수용하는 제1용적부(15a)와 2개의 피스톤들사이의 제2용적부(15b)로 분할한다. 공기 흡입구(25)와 배기가스 배출구(27)가 제1실린더(16,18) 사이에 공통의 연소 공간(20)이 형성되고, 그 연소 공간은 제2용적부를 포함한다. 이송 수단(39,128,391)이 압축 행정의 끝 무렵에 제1용적부(15a)와 연소 공간(20) 사이에서의 가스 흐름을 가능하게 하는 한편, 억제 수단(128)이 제2피스톤(18)의 압축 행정의 끝 무렵까지 제1용적부로부터 제2용적부로의 연료/공기 혼합물의 이동을 억제한다. 연료 분사기(34)가 제2피스톤의 흡입 행정중에 제1용적부에 연료를 제공한다. 이 기관은 또한, 제2피스톤(18)을 구동시키기 위한 구동 수단도 가지고 있고, 그 구동 수단은 제1피스톤(16)의 팽창 행정의 적어도 일 부분중에 제2피스톤(18)을 사실상 그의 내측 사점 위치에 유지하기 위한 수단을 포함한다.

Description

내연기관

[도면의 간단한 설명]

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명을 더 설명한다. 첨부 도면들에서,

제1도는 공지된 형태의 직접 분사(DI) 디젤기관의 일 부분의 부분 단면도.

제2도는 공지된 형태의 간접 분사(IDI) 디젤기관의 일 부분의 부분 단면도.

제3도는 공지된 형태의 중간 분사(INI) 디젤기관의 일 부분의 부분 단면도.

제4도는 SIGE 혼성(하이브리드) 형태의 공지된 메리트기관의 부분 단면도.

제5도는 흡입행정의 끝에서 나타내어진, 본 발명에 따른 메리트기관의 제1의 직접진입 기관 예의 일 부분의 부분 단면도.

제6도는 압축행정의 끝에서의 제5도의 기관을 나타내는 도면.

제7a도, 제7b도, 제7c도 및 제7d도는 제5도 및 제6도의 기관의 1완전 작동사이클을 나타내는 도면.

제8a도는 진입과정에 대한 제어방법을 나타내는 것으로, 압축행정중의 제5도 및 제6도의 기관의 큰 피스톤과 작은 피스톤에 대한 크랭크각 변위 곡선들을 나타내는 그래프.

제8b도는 진입과정의 지속기간 동안의 제어를 나타내는, 제8a도의 세부도.

제9도는 진입 직전의 제5도 및 제6도의 기관의 작은 실린더와 작은 피스톤을 상세히 나타내는 도면.

제10도는 진입중의 것을 나타내는, 제9도와 유사한 도면.

제11도는 흡입행정의 끝에서 나타내어진, 본 발명에 따른 메리트기관의 제2의 간접진입 기관 예를 나타내는, 제5도와 유사한 도면.

제12도는 압축행정의 끝에서 나타내어진, 본 발명에 따른 기관의 제3의 중간진입 기관 예를 나타내는, 제5도와 유사한 도면.

제13a도, 제13b도, 제13c도 및 제13d도는 본 발명에 따른 기관의 실린더 헤드를 위한 4가지 형태의 불꽃판(flame plate) 구멍들을 나타내는 평면도.

제14도는 간접진입 기관 예를 위한 점화 플러그, 하부 홈, 및 제한 오리피스를 가지는 개조된 구조를 나타내는, 제9도와 유사한 도면.

제15도는 혼성 불꽃점화 회박 연소 토칭(torching) 구조의 형태의 본 발명에 따른 기관의 제4의 직접진입 기관 예를 나타내는, 제5도와 유사한 도면.

제16도는 디젤 혼성 토칭 구조의 본 발명에 따른 기관의 제5의 직접진입 기관 예를 나타내는, 제5도와 유사한 도면.

제17도는 작은 실린더에 대한 2개의 연료분사기를 가지는, 디젤 혼성 구조의 본 발명에 따른 기관의 제6의 직접진입 기관 예를 나타내는, 제5도와 유사한 도면.

제18a도, 제18b도, 제18c도 및 제18d도는 제17도의 기관에 대한 것들을 나타내는, 제7a도∼제7d도와 유사한 도면.

제19도는 작은 실린더에 대한 1개의 연료분사기를 가지는, 디젤 혼성 구조의 본 발명에 따른 기관의 제7의 직접진입 기관 예를 나타내는, 제5도와 유사한 도면.

제20a도, 제20b도, 제20c도 및 제20d도는 제19도의 기관에 대한 것들을 나타내는, 제7a도一제7d도와 유사한 도면.

제21도는 STCI를 사용하여 가솔린 연료에 사용하는데 적당한, 큰 피스톤에 대한 배기행정의 시작시에 있어서의 제11도의 기관의 개조 형태를 나타내는 도면.

제22도는 연료분사기들의 가능한 배치위치들을 나타내는, 제9도와 유사한 도면.

제23도는 SIGE 혼성 모드로의 작동을 위한, 제5도의 기관의 변형례를 나타내는 도면.

제24a도, 제24b도, 제24c도 및 제24d도는 작은 피스톤에 대한 연장된 흡입행정과 직접진입으로 작동하는 제23도의 기관에 대한 것을 나타내는, 제7a도∼제7d도와 유사한 도면.

제25a도, 제25b도, 제25c도 및 제25d도는 작은 피스톤이 정지된 채 순수 SIGE 모드로 작동하는 제23도의 기관에 대한 것을 나타내는, 제7a도∼제7d도와 유사한 도면.

제26도는 비교적 작은 캠 리프트(lift)들을 사용하여 비교적 긴 행정거리에 걸쳐 기관의 작은 피스톤을 이동시키는데 사용할 수 있는 이중 캠기구의 부분 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 상세한 설명

메리트기관은 디젤기관과 유사한 3가지 구조로 구성될 수 있다 즉,

1. 직접진입(DI) 메리트기관

2. 간접진입(IDI) 메리트기관

3. 중간진입 또는 피스톤 폐쇄 간접진입(INI) 메리트기관.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 내연기관에 관한 것이다.

“분리기관”(segregating engine)은, 점화 직전 압축행정의 끝 가까이 까지는 기관에 의해 흡입된 공기의 대부분과 연료가 혼합하기 시작하지 않는 기관이고, 분리기관으로 분류될 수 있는 여러가지 내연기관들이, 예를 들어 GB-A-2155546호, GB-A-2186913호, GB-A-2218153호, GB-A-2238830호, GB-A-2246394호, 및 GB-A-2261028호로부터 알려져 있다. 현재, 이들 기관들이 문헌에는 메리트(Merritt)기관으로서 알려져 있다.

디젤기관 역시 분리기관인데 반하여, 불꽃점화 가솔린기관(SIGE)은 미리혼합된 연료와 공기의 혼합물을 압축한다.

디젤기관 및 메리트기관과 같은 분리기관들의 중요한 특성은, 점화의 순간직전까지 연료를 공기와 떨어져 있게 하고, 압축행정의 끝 가까이에서 그 연료를 연소실내로 신속하게 송출하는 것이다.

메리트기관은, 왕복 연소기관에서 연소를 조장하도록 설계된 일련의 과정들을 나타내는 메리트 연소관리 시스템(MCC)으로 불리는 것을 사용한다. 이 점에서, 그 시스템은, 디젤, 및 Otto 또는 SIGE와 같은 다른 일반적인 연소 관리 시스템들과 유사하다. MCC는 위에 언급된 영국 특허 명세서들에 기술된 다수의 장치들에 의해 작동될 수 있다. MCC는, 작은 피스톤을 가지고 약간의 공기를 수용하는 제2의 작은 실린더내에서 기관에 공급된 연료의 적어도 일 부분을 분리시키고, 큰 피스톤의 흡입행정 및/또는 압축행정중에 작은 실린더내로 연료로 도입시키는 것을 특징으로 한다. 연료는 양 피스톤들의 압축행정의 끝 가까이에서, 진입이 일어날 때까지 공기의 대부분으로부터 분리되어 유지된다. 이러한 구조는, 점화의 순간 직전에 액체 연료가 공기내로 먼저 분사되는 디젤 분리기관과 대조적으로, 연소가 시작되기전에 약간의 공기내에서 기화할 약간의 시간을 연료에 부여한다. MCC 시스템에서는, 작은 실린더가 기화 실린더로서 사용되고, 작은 피스톤이 연료 이송 피스톤으로서 사용된다. 따라서, 작은 실린더가 연료 관리 실린더로 불릴 수 있다. 큰 실린더는 절기(節氣)되지 않은 공기를 연료없이 수용하고, 큰 피스톤은 공기를 압축하는데 사용된다.

다음의 용어들은 여기에 사용된 때 다음의 의미들을 가진다

연료비 - F

공기흡입덕트가 절기되지 않은 때 큰 실린더와 작은 실린더의 결합된 스웨프트(swept) 용적(행정용적)을 채우는데 필요한 공기의 질량내 모든 산소를 소모시키는데 요구되는 연료의 양에 대한, 기관에 실제로 공급된 연료의 양의 비.

공기

이것은, 기체상 또는 액체(즉, 기화된 액체) 연료의 연소를 위한 사실상 순수한 산소뿐만 아니라, 평소에는 불활성인 다른 기체와 산소의 어떤 적당한 혼합물을 말한다. 그 공기는 재순환되는 배기 가스, 크랭크케이스 가스, 및 재순환되는 내연기관 가스내의 존재하는 적은 비율의 탄화수소 물질을 함유할 수 있다.

SIGE(Spark Ignition Gasoline Engine)

통상의 불꽃점화 가솔린 기관.

STCI - (불꽃 기동 압축점화(Spark Triggered Compression Ignition))

공기와 혼합하는 부분적으로 기화된 연료의, 불꽃에 의해 기동(트리거)되는 압축점화과정.

하사점 위치

피스톤이 그의 실린더내에서 그 피스톤 윗쪽에 최대 용적을 제공한 후 그의 운동방향을 변경할 때의 피스톤 위치.

상사점 위치

피스톤이 그의 실린더내에서 그 피스톤 윗쪽에 최소 용적을 제공한 후 그의 운동방향을 변경할 때의 피스톤 위치.

휴지(休止) 행정(Rest stroke)

작은 피스톤이 정지하여 유지될 때의 기관 사이클중의 기간.

BMEP(Brake Mean Effedtive Pressure)

큰 피스톤에 대한 정미(正味) 평균 유효압력.

다음의 용어들은 종래기술에 관하여 여기에 사용된 때 다음의 의미들을 가진다.

진입(Ingression)

작은 피스톤에 의해 영향을 받는, 제2실린더로부터 연소공간내로의 메리트 기관 특유의 연료/공기 혼합물의 이동.

분리(Segregation)

진입이 시작될 때까지, 작은 실린더로 송출된 연료를 작은 실린더내에 한정 시키는 것.

[종래기술의 설명]

디젤기관

디젤기관은, 연료분사에 이어 연료와 공기의 혼합을 촉진시키기 위해, 아래의 3가지 구성으로 될 수 있다.

1. 제1도에 도시된 직접분사 디젤기관(DI(direct injection) 디젤기관으로서 알려진).

2. 제2도에 도시된 간접분사 디젤기관(IDI(indirect injection) 디젤기관으로서 알려진).

3. 제3도에 도시된 중간분사 또는 피스톤 폐쇄 간접분사 디젤기관(INI 디젤기관으로서 알려진).

제1도에 도시된 DI 디젤기관은, 피스톤(16)의 크라운에 형성된 개방된 연소실(20)을 가지고 있다. 공기가 흡입 덕트(25)와 흡입 밸브(24)를 통하여 실린더(12)에 들어가고, 그 곳에서 소용돌이 운동이 공기에 부여된다. 연료 분사기(60)가 다수의 액체 연료 분사류들을 연소실내로 분사하고, 그 연소실에서, 소용돌이치는 공기가 연소과정 전과 그 과정중에 그 연료와 혼합한다.

제2도에 도시된 IDI 디젤기관은, 구멍(42)을 통하여 실린더(12)와 소통하는 별도의 반포위된 연소실(20)을 가지고 있다. 그 구멍이 압축행정중에 연소실로 들어가는 공기에 소용돌이를 부여하고, 연료가 대략 100바아 이하의 연료 라인 압력을 사용하여, 일반적으로 핀틀(pintle) 타입으로 된 연료 분사기(60)에 의해 연소실내로 분사된다. 팽창행정중에, 뜨거운 가스가 고속으로 구멍(42)에서 나오고, 그 가스는 미연소 연료가 기생 용적(parasitic volume)내, 특히, 밸브 공동부(空洞部)(424)내와 피스톤(16)위의 완충 틈새내에 수용된 또 다른 공기와 혼합하는 것을 돕는다.

제3도에 도시된 INI 디젤기관 구조가 GB-A-0241398호, GB-A-0361202호, GB-A-0523137호, GB-A-2088952호, 및 그 밖의 것들에 기술되었다. 이 구조는 연소실(20)의 확대된 구멍내로 들어가는 피스톤(16)상의 돌출부(116)를 사용한다. 그 돌출부는, 제2도의 간접분사 디젤기관의 구멍(42)과 동일한 목적으로 작용하는 작은 구멍(161)을 가지고 있다. 이러한 구조에서, 그 기관은 피스톤이 그의 상사점 위치 근방에 도달한 때는 IDI 디젤기관과 같이 작용하고, 다른 모든 시기에서는 DI 디젤기관과 같이 작용한다.

메리트(Merritte)기관

기본적인 순수 형태의 메리트기관은, 디젤기관과 같지만 매우 중요한 차이점들을 가지는 분리기관이다. 약간의 소량의 공기가 기관 사이클의 상당 부분에 걸쳐 작은 제2실린더내의 사실상 모든 연료와 혼합되어, 진입전에 기화할 시간을 연료에 부여한다. 연소실내로의 진입은 큰 구멍을 통해 일어나고, 연소는 더 빠르고 지연없이 시작된다.

메리트 연소관리 시스템에 관해서는, 이 시스템은 그 자신이, 특히 부분부하(part 1oad)에서 높은 열효율을 조장하도록 순수 MCC로서 사용될 수 있거나, 또는 SIGE 연소관리 시스뎀과 혼성(하이브리드)으로 될 수 있다. 후자의 경우, 이것이 전(全)부하(full 1oad)에서의 높은 출력과 부분 부하에서의 높은 열효율을 결합할 수 있는 기관을 제공한다. 그 시스템은 또한, 통상의 디젤기관과 비교하여 증대된 출력과 낮은 배기물질 방출 수준을 가지는, 디젤 연료를 사용하는 기관을 제공하도록 디젤 연소관리 시스템과 혼성으로 될 수도 있다.

메리트 연소시스템은 SIGE 기관과 비교하여, 도시 운행 차량들에 사용될 때 기관 열효율을 크게 향상시킬 수 있고, 자동차로부터의 유해한 배기물질을 적게 생성할 수 있다.

공지의 메리트기관의 일 예가 첨부 도면 제4도에 도시되어 있다. 그 도면은 그 기관의 일 부분의 부분 단면도이고 GB-A-2246394호로부터 복사된 것이다. 그 기관이 아래에 간단히 설명되며, 더 상세한 설명은 GB-A-2246394호를 참조하기 바란다.

제4도에서, 메리트기관이, 불꽃 기동 압축점화(STCI)를 사용하여 혼성(하이브리드) 메리트/SIGE 기관의 작동을 제공하는 구조로 나타내어져 있다.

이 기관은 큰 피스톤(16)의 크라운(36)상에 설치된 작은 피스톤(18)을 포함한다. 그 작은 피스톤(18)은 기둥(234)과 크라운(35)을 포함한다. 기둥(234)은 외형이 만곡되어 있음이 제4도로부터 보여 질 것이다. 그 곡선은 큰 실린더(12)로부터 연소공간(20)으로 들어가는 공기의 소용돌이와, 연소공간(20)내로의 진입(즉,연료/공기 혼합물의 이동)후의 연료/공기 혼합물의 소용돌이를 조장한다. 그 연소공간은 기둥(234)과 작은 실린더(14)의 벽(14a) 사이에 형성된다. 기둥의 형태와 크기는 적절한 크기와 형상의 적당한 연소 용적부(combustion volume)를 생성하도록 선택된다.

작은 피스톤(18)의 크라운(35)은, 피스톤(18,16)들의 크라운(35,36)들 사이의 축방향 거리보다 상당히 작은 축방향 두께를 가지는 가장자리(37)를 가지고 있다. 즉, 그 크라운(35)은, 환상(環狀) 간격부(128) 형태의 억제 수단을 형성하도록 작은실린더(14)의 벽(14a)으로부터 약간 떨어져 있는 원통형의 가장자리(37)를 가지고 있다. 도면에서 보아 작은 실린더(14)의 상단부에는 원주방향 홈(39)이 형성되어 있고, 그 홈은 아래에 기술되는 바와 같이 진입을 조장하는 바이패스부를 제공한다. 작은 실린더(14)의 상단부에는, 흡입 밸브(31)와 스로틀 밸브(32)가 설치되어 있다. 흡입 덕트(33)내로 액체 연료를 송출하기 위해 연료 분사기(34)가 제공되어 있다. 스로틀 밸브(32)는 흡입 덕트(33)를 통해 흐르는 공기의 양을 제어하고, 연료 분사기(34)에 의해 분사되는 연료의 양과 사실상 무관하게 그러한 제어를 행한다. SIGE모드를 위해 제2분사기(82)가 사용되고, SIGE 모드에서 스로틀 밸브(83)가 점화 플러그(52)와 함께 작동한다.

메리트 작동모드에서의 그 기관의 흡입행정중에 공기가 흡입 덕트(25)를 통하여 큰 실린더(12)로 들어간다. 또한, 분사기(34)로부터의 연료와 함께 개방된 흡입 밸브(31)를 통하여 작은 실린더(14)에도 공기가 들어간다. 압축행정의 초기 부분에서의 작은 피스톤(18)의 크라운(35)을 가로질러서의 압력차는 흡입 밸브(31)의 폐쇄 타이밍과 스로틀 밸브(32)에 의해 영향을 받을 수 있다. 이것은 또한, 압축행정의 끝 무렵 작은 피스톤(18)의 상사점 위치 가까이에서 연소공간(20)내로의 작은 실린더(14)의 내용물의 진입 타이밍에도 영향을 끼친다. 진입 타이밍은, 작은 실린더(14)내 연료/공기 혼합물이 압축행정중에 큰 피스톤(16)에 의해 연소공간(20)으로 송출되는 뜨거운 공기와 만날 때 압축점화에 의한 기화된 연료의 점화 타이밍을 제어할 수 있다.

홈(39)은 작은 피스톤의 크라운(35) 둘레에서 진입할 연료/공기 혼합물을 위한 확대된 간격부를 제공하도록 그 작은 피스톤의 크라운(35)의 가장자리(37)의 두께보다 큰 축방향 길이를 가진다. 그 홈(39)은 또한, 작은 실린더(14)내 틈새 용적(clearance volume)을 제공하고, 이 틈새 용적은 압축행정중 작은 실린더(14)내에 여분의 용적을 제공함으로써 진입 타이밍에 영향을 끼칠 수 있다.

배기밸브와 배기구가 제4도에는 도시되지 않았으나, 그들은 큰 실린더(12)와 소통하여 기관에 존재한다. 피스톤들의 실선 위치는 하사점 위치를 나타내고, 점선은 상사점 위치에 있는 피스톤들을 나타낸다.

제4도의 "개방된" 연소공간 구조는 연소공간(20)내로 직접 점화 플러그(52)가 통하게 한다. 그 점화 플러그는 작은 실린더(14)의 벽(14a)을 관통한다.

이미 연소공간내로 진입하기 시작한 연료의 일부가 불꽃에 의해 점화된 후, 그 연소공간내 가스의 압력과 평균 온도가 상승한다. 이것에 의해, 연소공간내로 계속 진입하여 그 안의 공기와 혼합하는 기화된 연료의 나머지가, 불꽃에 의해 발생된 본래의 화염이 전체 연소공간을 가로지르지 못할지라도 압축점화에 의해 점화되게 된다. 이러한 점화과정이 불꽃 기동 압축점화(STCI)로 불린다.

STCI를 사용하는 중요한 이점은, 그것이 가변적인 기관 조건들에 부합하도록 용이하게 타이밍맞게 될 수 있다는 것이다. STCI를 사용할 때, 진입과정의 타이밍 동안에 요구되는 제어의 정확도는 기관의 작동에 덜 중요하고 덜 결정적일 수 있다.

STCI를 달성하기 위해, 기관 시스템은, 선택된 특정 연료의 진입의 초기 기간중에 압축점화를 야기하는데 불충분한 기하학적 압축비로 작동할 수 있다. 또 다르게는, 압축 압력과 온도의 끝을 조정하도록 스로틀 밸브(83)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 가솔린의 경우, 압축비가 불꽃 기동 압축점화를 위한, 예를 들어,10:1의 값으로 낮추어 질 수 있다. 그러나, 압축점화 자체가 그러한 연료에 사용되는 것이면, 예를 들어,18:1의 압축비 값이 요구될 수 있다. 두번째 요구사항은, 연료가 진입과정의 초기 부분에서 연소공간내의 공기와 혼합하는 동안, 점화 플러그가 연료증기와 만나는 곳에 점화 플러그를 위치시키는 것이다. 그 점화 플러그는 STCI과정을 개시시키는 정확한 시간에 불꽃을 제공한다.

한가지 점화방법만을 사용할 수 있는 SIGE 또는 디젤기관과 달리, 메리트기관은 그의 설계와 사용되는 연료에 따라 불꽃점화 또는 압축점화중 어느 하나를 사용할 수 있다.

진입전에 연료의 적어도 일 부분을 기화시킴으로써, 메리트기관은 위에 기술된 바와 같이 불꽃점화를 사용할 수 있다. 압축행정중에 공기의 대부분으로부터 연료를 분리시킴으로써, 메리트기관은 압축점화로서 알려진 점화과정을 사용할 수 있다.

분리기관으로서, 메리트기관은 적당한 연료를 점화시키기 위해 압축점화를 사용하는데 탁월하게 적합할 수 있다. 이것은, 높은 압축비가 사용될 때라도, 압축과정의 대부분중에 자발적으로 점화하도록 연료가 충분한 공기와 미리혼합되지 않기(즉, 혼합물이 너무 진하지 않기) 때문이다. 역시 분리기관인 디젤기관에서는, 점화의 타이밍이 연소공간내로의 연료분사 시작의 타이밍에 의해 결정된다. 공지의 메리트기관에서는, 점화 타이밍의 제어가 진입과정의 시작 타이밍을 제어하거나, 또는 STCI를 개시시키는 불꽃의 타이밍을 제어함으로써 달성된다. 높은 압축비와 적당한 연료를 사용하는 메리트기관에서, 연료의 점화는, 연료 증기가 연소공간에 들어가기 시작하고 그 안의 매우 뜨거운 공기와 만나는 순간에 불꽃의 도움없이 일어날 수 있다. 메리트기관과 같은 분리기관은 또한, GB-A-2155546호 및 GB-A-2186913호와 같은, 몇몇 초기의 메리트기관에 대한 특허 명세서들에 기술된 바와 같이 연소실의 벽들에 배치된 백금과 같은 촉매에 의해 점화될 수도 있다.

점화방법의 선택은 또한, 가솔린과 디젤 연료를 포함하여 넓은 범위의 연료들의 선택을 가능케 한다. 선택된 압축비와 함께 연료의 선택은 메리트기관에서 사용되는 점화방법을 결정할 수 있다. 예를 들어, 디젤 연료 또는 매우 낮은 옥탄가의 가솔린은 높은 압축비가 선택된 때 압축점화에 의해 점화될 수 있는데 반하여, 낮은 압축비와 함꼐 고옥탄가의 가솔린은 불꽃에 의해 점화될 수 있다. 메리트기관 STCI과정에서의 불꽃점화는 모든 연료와 공기의 혼합과정의 완료를 기다릴 필요가 없는데, 그 이유는, 그것이 연료의 일 부분만을 점화하는 것을 필요로 하기 때문이다. 그래서, 그것은 나머지 연료가 연소공간내로 진입함에 따라 압축점화에 의해 그 나머지 연료의 계속되는 점화를 일으킨다.

GB-A-2246394호에 기재된 바와 같은 메리트기관 기술은, NOx량에 대한 현재의 배기물질 규정을 충족시켜야 하는 문제를 극복하기 위해 SIGE와 혼성하는 방법을 사용한다. 추가 연료분사기 또는 기화기와 흡입 매니포울드내 스로틀 밸브 뿐만 아니라, 연소실내 점화 플러그를 추가함으로써, 제4도의 메리트기관은,(i) 높은 BMEP 범위에서, 3원촉매 컨버터와 조화되는 통상의 불꽃점화 화학량론적 가솔린기관으로서 작동되거나, 또는 (ii) 무시해도 좋은 NOx 배기물질 방출량으로 중간 BMEP로부터 낮은 BMEP까지의 범위에서 순수 메리트기관으로서 작동될 수 있다.

STCI 방법은, 점화 플러그가 연소실내에 이미 존재하기 때문에 혼성 메리트/SIGE 기관에 매우 매력적이다. SIGE 작동모드와 메리트 작동모드 사이의 전환이 기관 전자관리시스템을 사용하여 자동적으로 행해질 수 있어, 높은 BMEP 또는 높은 기관 부하에서, 그 기관이 SIGE로서 작동하는데 반하여, 중간 범위와 낮은 BMEP에서는 그 기관이 NOx 방출없이 그리고 매우 향상된 열효율을 가지고 순수 메리트기관으로서 작동하게 된다.

앞의 설명들은, 메리트기관의 연소관리시스템이 일반적으로 사용되는 다른 2가지 연소시스템들, 즉, 디젤기관과 SIGE 사이의 연동장치를 제공하는 것을 나타낸다. 디젤기관과 같이, 메리트기관은 분리기관이지만, SIGE와 같이 그 기관은 연료가 연소실에 들어가기 전에 그 연료가 기화하게 한다. 디젤기관과 같이, 그 기관은 압축점화를 사용하거나, 또는 SIGE와 같이, 높거나 낮은 압축비 값과 함께 불꽃 기동 점화를 사용할 수 있다. 그 기관은 가솔린이나 디젤 연료중 어느 하나를 사용할 수 있다. 가장 중요하게는, 그 기관이, 특히 부분 부하에서 디젤기관의 것만큼 높거나 그것들보다 더 높은 열효율 값으로 작동할 수 있으나, 그의 빠른 연소과정 때문에, 그 기관은 디젤기관이 할 수 있는 것보다 더 밀접하게 SIGE의 출력 수준에 접근할 수 있다. 디젤기관과 같이, 그 기관은 그의 기하학적 압축비를 낮출 필요없이 터보과급(turbocharge)된 또는 다른 압축된 공기 공급물을 사용할 수 있다. 그 기관은 비절기(non-throttle)식 기관이지만, 디젤기관과 달리, 그 기관은 고압 연료 분사시스템을 요하지 않는데, 그 이유는, 압축행정과 그 뒤의 연소과정이 시작되기 전에 연료가 사이클의 저압 부분중에 메리트기관의 작은 실린더로 들어가기 때문이다.

SIGE 압축행정은 미리혼합된 연료/공기 혼합물에 대하여 작동하고, 그의 불꽃점화 방법이 거의 화학량론적(stoichiomeric) 비율의 연료/공기 혼합물만을 점화시킬 수 있다. SIGE 연소과정는 연소공간내 전체 연료/공기 혼합물을 가로질러 이동하는, 불꽃(스파크)에 의해 일으켜진 화염에 좌우된다. 대조적으로, SIGE보다 나은 분리기관의 주 잇점은, 수용된 연료의 양에 무관하게 연료를 공기와 혼합하는 과정중에 연료를 연소시킬 수 있다는 것이다. 그리하여, 극도로 희박한 전체 연료/공기 혼합물이 연소될 수 있다. 중간 BMEP로부터 낮은 BMEP까지의 범위에서 매우 희박한 전체 연료/공기 혼합물을 연소시키는 이러한 능력은, 팽창행정중에 낮은 가스 온도를 조장한다. 이것은 또한, 특히 부분 부하에서, 기관의 열효율을 향상시키고 배기물질내 유해한 NOx 가스의 양을 낮춘다. 왕복 내연기관의 열효율은 연료/공기 비가 회박하게 됨에 따라 상승한다는 것은 인지된 사실이다. 왕복 내연기관의 열효율을 증가시키기 위한 2가지 주요 방법은 팽창행정의 시작시에 매우 빠른 연소를 조장하는 것과, 열 방출에 이어 평균 가스온도를 감소시키는 것이다. 후자는, 기관이 큰 피스톤에 대한 그의 최대의 지시 평균 유효압력 아래에서 작동할 때 적용된다.

분리기관은, 연소과정에서 실린더내에서 이용될 수 있는 모든 산소를 거의 전부 사용함으로써 달성되는 SIGE의 평균 유효압력의 높은 최대값들에 필적할 수 없다. 분리기관은 갈라진 틈들과 기생 용적부들내에 숨겨진 공기를 이용할 수 없으나, 기화된 연료를 연소시키는 메리트기관은 액체 방울들에 집중된 연료를 연소시키는 디젤기관보다 더 양호하게 그러한 것을 행할 수 있다.

자동차 기관으로부터의 배기물질 방출의 제어에 관한 최근의 규정에 의해 3원촉매 컨버터가 사용되어 왔다. 그러한 촉매 컨버터는 부분적으로 연소된 연료의 산화과정을 완성하고, 또한 연소과정중에 형성된 유해한 질소산화물(NOx)을 환원시킨다. 현재 유용한 촉매 컨버터는, 기관이 화학량론적 공기/연료 혼합물을 수용하는 경우 NOx 감소에만 효율적으로 작용할 수 있는데, 그 이유는, 배기가스내에 존재하는 어떤 초과 산소가 NOx를 감소시킬 때 촉매 컨버터를 무력하게 하기 때문이다. 그리하여, SIGE를 사용하는 차량은 NOx에 대한 규정된 한계내에서만 작동한다. 현재 디젤기관을 사용하는 차량은 이러한 이유로 SIGE를 위한 NOx 감소 목표를 충족시킬 수 없고, 순수 메리트기관 역시, 높은 범위의 평균 유효압력(MEP)으로 작동할 때 유사한 문제에 부딪칠 수 있다. 그러나, 중간과 낮은 범위의 MEP에서는, 메리트기관이 연소과정중에 무시해도 좋을 정도의 양의 NOx를 발생하면서 작동할 수 있다.

회박 연소 SIGE는, 화학량론적으로 희박한 연료/공기 혼합물로 작동할 때, 즉, 예를 들어,16:1 ∼ 20:1의 범위의 공기/연료 비에서 연소가 가장 뜨거울 때 최대양의 NOx를 생성한다. 앞에서 설명된 바와 같이, 이러한 NOx는, 초과 산소가 배기물질 흐름내에 존재하기 때문에 3원촉매 컨버터에 의해 감소될 수 없다. 그러나, 기관 BMEP의 대략 70% 이하로 더 희박한 범위에서, 예를 들어,20:1보다 큰 공기/연료 비로 작동할 때는, 초과 공기에 의한 회석물이 가스를 냉각시키고 연소중의 NOx의 형성을 정지시키는데 충분할 수 있다.

다른 분리기관, 즉, 디젤기관과 같이, 메리트기관은 연소과정 직전과 그 과정중에 연료와 공기의 효과적인 혼합을 위한 수단을 제공할 필요가 있다. 메리트기관은 DI 또는 IDI 형태의 디젤기관의 것들과 유사한 구조를 사용하여 그러한 것을 행할 수 있다. 메리트기관에서는, 연료가 적어도 부분적 기화상태로, 압축행정의 끝무렵 진입과정중에 연소실에 들어간다. 디젤기관에서의 병렬 과정이 연료분사로 불린다.

다음 용어들은 본 발명과 관련하여 여기에 사용될 때 다음의 의미를 가진다.

스웨프트 용적(swept volume)비 - E

작은 실린더내 제1용적부의 스웨프트 용적대 큰 실린더의 스웨프트 용적의 비.

압축대 진입 용적비(Compression to Ingression Volume Ratio) - CIVR

CIVR-큰 실린더

피스톤들 사이 큰 실린더내 공간 용적의 최대값대 진입 시작시의 피스톤들 사이 공간 용적값의 비.

CIVR-작은 실린더

작은 실린더의 제1용적부의 최대값대 진입 시작시의 제1용적부의 값의 비.

상대적 압축대 진입 용적비

작은 실린더의 압축대 진입 용적비에 대한 큰 실린더의 압축대 진입 용적비의 비. 이 비는 1과 같거나 그보다 클 수 있다.

진입

압축행정의 끝 또는 그 끝 무렵에 일어나고, 작은 피스톤에 의해 영향을 받는, 제2실린더의 제1용적부로부터 연소공간내로의 연료/공기 혼합물의 이동.

분리

진입이 시작될 때까지 작은 실린더의 제1용적부로 송출된 연료를 그 제1용적부내에 한정시켜 놓는 것.

본 발명은 개선된 내연기관을 제공하는 것을 추구한다.

따라서, 본 발명은, 제1실린더가 제2실린더보다 큰 스웨프트 용적을 가지는 적어도 1쌍의 제1및 제2실린더; 그 실린더들 각각에서 왕복운동가능한 제1및 제2피스톤으로서, 제2피스톤이 구동 스템을 가지고 있고, 상기 제2실린더를, 제2피스톤의 상기 구동 스템을 수용하는 제1용적부와 상기 2개의 피스톤들 사이의 제2용적부로 분할하는 제1및 제2피스톤;상기 제1실린더와 소통하는 공기 흡입수단;상기 제1실린더와 소통하는 배기수단;상기 제1및 제2피스톤들이 그들의 하사점위치에 있을 때, 상기 피스톤들 사이에, 상기 제2용적부를 포함하는 공통의 연소공간을 형성하는 수단;상기 제1용적부내에서의 압축행정의 끝 무렵에 상기 제1용적부와 제2용적부 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 이송수단;상기 제2피스톤의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부로부터 상기 제2용적부로의 연료/공기 혼합물의 이동을 억제하기 위한 억제수단;연료를 상기 제1용적부에 제공하기 위한 제1연료공급원; 및 상기 제2피스톤을 구동시키기 위한 구동수단으로서, 상기 제1피스톤의 팽창행정의 일 부분중에 상기 제2피스톤을 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 정지하여 유지하기 위한 수단을 포함하는 구동수단을 포함하는 내연기관을 제공한다.

본 발명의 모든 형태에서의 본 발명의 현저한 이점들중 하나는, 크랭크케이스와 변속기 조립체가 영향을 받지 않는 채로 두고 실린더 헤드만의 설계를 변경함으로써 디젤기관과 SIGE기관 모두가 본 발명의 원리에 따라 전환될 수 있다는 것이다.

SIGE 모드로 제4도에 도시된 구조의 기관을 작동시킬 때, 작은 실린더(16)의 기둥(234)은, 흡입 밸브(24)를 통해 기관에 들어가는 미리혼합된 공기와 연료의 조기점화를 막기 위해 온도를 낮게 유지시키도록 효과적인 냉각을 요할 수 있다. SIGE 모드에서, 그러한 냉각은 피스톤 핀으로부터 기둥(234)의 내부 공동부내로 오일 분사류를 분무함으로써 제공될 수 있으나, SIGE 작동모드에서의 조기점화의 문제가 본 발명에 따른 기관의 구조로 해결될 수 있다. 본 발명에 따른 구조는 또한, 다른 이점들도 가진다. 예를 들어, 메리트기관 원리를 GB-2246394호에 기술된 것과 같은 디젤기관과 혼성으로 할 때, 기둥(234)을 제거함으로써, 디젤연료 분사기로부터 연소공간(20)내로의 연료 분무의 분포가 더 용이하게 된다.

DI 메리트기관(그의 일 예가 제5도 및 제6도에 나타내어져 있다)에서는, 큰 실린더(12)와 연소공간(20) 사이의 구멍이 가장 크고, 작은 실린더(14)의 전체 보어(bore)일 수 있다.

IDI 메리트기관(그의 일 예가 제11도에 나타내어져 있다)에서는, IDI 디젤기관의 방법과 유사한 방식으로, 팽창행정의 초기 부분중의 뜨거운 가스의 강력한 분사류 뿐만 아니라, 큰 피스톤의 압축행정중에 연소실로 송출되는 공기에서의 적당한 소용돌이 운동을 조장하도록 구멍(2161)이 비교적 작게 만들어질 수 있다.

INI 메리트기관(그의 일 예가 제12도에 나타내어져 있다)에서는, 큰 피스톤이, 압축행정의 후반 부분과 팽창행정의 초기 부분중에 구멍을 부분적으로 막는 돌출부(116)를 구비하고 있다.

제5도∼제7도의 DI 메리트기관은, 큰 실린더(제1실린더)(12)와 그 큰 실린더의 축방향 연장부인 작은 실린더(제2실린더)(14)를 가지고 있다. 작은 피스톤(제2피스톤)(18)이 작은 실린더(14)내에서 이동가능하고, 크라운(35)과 원통형의 구동 스템(234)을 가지고 있다. 큰 피스톤(제1피스톤)(16)이 큰 실린더(12)내에서 이동가능하고, 크라운(36)을 가지고 있으며, 통상의 방식으로 피스톤 링들의 도움으로 시일(seal)되어 있다. 그 2개의 피스톤들은, 함께 맞물리거나 결합될 수 있거나 적당한 기구(C)에 의해 함께 작동하도록 제어되는 별도의 기구에 의해 구동된다. 예를 들어, 큰 피스톤(16)은 크랭크축 및 연결봉 설비에 의해 구동될 수 있고, 작은 피스톤(18)은 캠축(600)에 부착된 캠(500)에 의해 구동될 수 있다. 2개의 피스톤들의 행정거리는 상이할 수 있다. 큰 피스톤이 더 긴 행정을 가지는 것이 바람직하다.

작은 피스톤(18)이 작은 실린더(14)를, 작은 피스톤의 크라운(35) 뒤에 있고 구동 스템(234)을 수용하는 제1용적부(volume)(15a)와, 2개의 피스톤(16,18)들 사이에 위치되는 제2용적부(15b)로 분할한다(제7a도). 그 용적부들은 작은 피스톤(18)의 운동에 따라 변한다는 것이 인식될 것이다.

작은 실린더(14)내의 스웨프트 용적(행정용적)은, 실린더 벽(14a), 작은 피스톤(18)의 크라운(35)의 뒷면, 및 작은 피스톤(18)의 구동 스템(234)의 표면에 의해 경계가 이루어진 공간이다. 이것이 제5도에 가장 잘 나타나 있고, 여기서, 작은 실린더의 스웨프트 용적은, 작은 피스톤이 그의 상사점 위치에 있을 때 최대값으로 된다. 제6도는, 큰 피스톤이 상사점 위치에 그리고 작은 피스톤이 하사점 위치에 접근할 때인 압축행정의 끝 가까이의 상태에 있는 기관을 나타낸다. 그래서, 작은 실린더의 벽(14a)에 의해 경계가 이루어진 공간이 연소공간(20)으로 된다.

작은 피스톤(18)의 크라운(35)은, 그 피스톤(18)의 행정거리보다 상당히 작은 축방향 두께를 가지는 가장자리(37)를 가지고 있다. 그 크라운(35)이, 환상(環狀) 간격부(128)를 형성하도록 작은 실린더의 벽(14a)으로부터 약간 떨어져 있는 원통형의 주변 가장자리(37)를 가지는 것으로 도시되어 있다. 도면에서 보아 작은 실린더(14)의 상단부에는 임의의 원주방향 홈(39)이 형성되어 있고, 그 홈은 아래에 기술되는바와 같이 진입을 조장하는 바이패스부를 제공하고, 또한 작은 실린더내 틈새 용적을 제공한다.

작은 피스톤(18)의 크라운(35)이 제5도 및 제6도에 단순화된 형태로 나타내어져 있으나, 여러가지 형태로 설계될 수 있고 그들중 몇몇을 아래에 기술한다.

작은 피스톤(18)은 기관의 실린더 헤드내의 보어(511)에 의해 안내되고, 그 보어내에서 미끄럼이동한다. 그 보어는 스템(234) 둘레에 작은 틈새를 제공하여, 그 스템이 자유롭게 이동하게 할 뿐만 아니라, 과도한 가스 탈출을 방지하는 시일(seal)을 제공하도록 한다. 하나 이상의 미끄럼 시일 링들(510)이, 스템(234)을 시일(seal)하고 가스 누출을 더욱 감소시키도록 직렬로 배치될 수 있다. 작은 피스톤은, 크랭크축의 속도의 절반 속도로 회전하는 캠(500)의 영향하에 운동한다. 스프링(501)이, 작은 피스톤(18)이 캠과 접촉하여 유지되게 하는 것을 돕는다. 캠(500)은, 큰 피스톤(16)이 압축행정의 끝에서 그의 상사점 위치에 도달할 때(제6도), 작은 피스톤(18)은 도시된 바와 같이 사실상 그의 하사점 위치에 도달하게 하도록 큰 피스톤(16)의 크랭크축 기구와 동기된다. 작은 피스톤이 하사점 위치에 있을 때, 보어(511)를 통한 스템(234) 둘레에서의 가스 누출을 사실상 방지하도록 작은 피스톤(18)의 크라운(35)의 하측면이 시일 면(515)에 대하여 시일(seal)될 수 있다.

캠(500)의 윤곽(profile)은 작은 피스톤(18)에 긴 흡입행정을 제공하도록 형성되어 있다.

작은 피스톤(18)의 운동은 행정의 길이만이 아니라 큰 피스톤(16)의 운동과도 다르다. 예를 들어, 작은 피스톤의 흡입행정은 큰 피스톤의 흡입행정 뿐만 아니라, 배기행정에까지 연장할 수 있다. 또한, 2개의 피스톤들의 행정의 시작 및/또는 종료가 정확히 동일한 순간에 일어날 필요는 없다.

작은 피스톤을 구동시키는 기구는 도시된 캠축과 다를 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 그 기구는 캠 작동식 로커(rocker) 또는 제26도에 도시된 것과 같은 2개의 캠에 의해 작동되는 비임(beam)일 수 있다. 대안으로서는, 그것이, 큰 피스톤의 크랭크축으로부터의 신호에 의해 제어되는 유압 또는 공기 작동 시스템을 사용함으로써 달성될 수도 있다. 그러한 제어부가 오작동하면, 작은 피스톤의 불규칙적인 운동이 바람직하지 않은 접촉에 의해 큰 피스톤을 손상시킬 수 있다.

액체 형태의 연료가, 작은 피스톤의 흡입행정 및/또는 압축행정중에 연료 분사기(34)와 같은 연료 도입 밸브에 의해 작은 실린더(14)내로 송출된다. 따라서 그 연료 분사기는 비교적 낮은 압력의 송출에 맞게 설계될 수 있고, 연소 기간과 큰 피스톤의 팽창행정중에 시일 면(515)에 대하여 착좌된 때 작은 피스톤의 크라운(35)에의해 제공되는 차폐를 이용할 수 있다. 그 액체 연료는 약간의 공기와 함께 분사될수 있다.

기체 형태의 연료도, 기계적 또는 전기적으로 작동될 수 있고 약간의 공기와 혼합된 연료를 송출할 수 있는 작은 밸브기구(도면에는 도시되지 않음)를 통하여 작은 실린더(14)에 도입될 수 있다.

연료 분사기의 대안으로서, 작은 피스톤(18)의 운동에 의해, 그 피스톤의 스템(234)을 통해 연료를 펌핑하고 그 연료를 크라운(35)의 하측면 또는 그 하측면 가까이에 있는 구멍을 통하여 작은 실린더(14)내로 주입하는 것으로 할 수도 있다.

그러한 구조(도면에는 도시되지 않음)에서는, 연료분사기(34)와 그의 연료 핌프가 작은 피스톤의 구조에 포함될 수 있다.

큰 실린더(12)는, 사실상 절기되지 않은 공기를 큰 실린더내로 도입시키기 위한 흡입 밸브(24)를 구비한 흡입 덕트(25)와, 배기 밸브(26)를 가지고 있다.

연소공간은, STCI 원리로 작동하게 하도록 점화 플러그(52)를 구비할 수 있다. 그러한 경우, 기관의 압축비가 낮아질 수 있는데, 그 이유는, 농후한 혼합물(기화된 연료를 함유하는)이 압축행정의 끝에서 홈(39)과 간격부(128)를 통해 진입한 후 그 혼합물의 점화가 제6도에 도시된 순간 직전에 일어나는 불꽃에 의해 먼저 야기되기 때문이다. 그 불꽃에 이어, 초기 연소가 연소공간(20)내 가스의 온도와 압력을 상승시켜, 간격부(128)와 홈(39)을 통해 계속 진입하는 나머지 연료가 압축점화에 의해 점화되게 한다.

제6도에 도시된 연소공간(20)의 용적은 실린더 헤드내에 작은 실린더(14)를 위해 제공된 공간내에 포함되는 것이 바람직하지만, 큰 실린더(12)내로, 예를 들어, 큰 피스톤(16)의 크라운(36)의 오목부(117)(점선으로 나타내어짐)내로 연장될 수 있다. 대안으로서, 그 연소공간(20)의 용적이, 큰 피스톤(16)의 크라운(36)상에 돌출부(116)(역시 점선으로 나타내어짐)를 형성함으로써 감소될 수도 있다.

그 피스톤(16,18)들중 어느 하나 또는 그 피스톤들 모두가, 연소공간에서의 가스 운동을 안내하고 또한 연소공간의 용적의 조정에 의해 기관에 소망의 압축비를 제공하는 것을 도울 수 있는 돌출부(116) 또는 오목부(117)를 가질 수 있다. 작은 실린더(14)내 선택된 용적이, 주어진 압축비에 대하여 연소공간에서 요구되는 틈새 용적을 제공하기에 불충분하면, 큰 피스톤의 크라운의 오목부(117)나 또는 밸브시트 공동부들을 포함할 수 있는 실린더 헤드의 오목부에 의해 추가 연소 틈새 용적이 제공될 수 있다.

작은 실린더(14)의 용적은 연소공간(20)의 용적보다 작거나 클 수 있다. 순수 메리트기관은 기관에의 모든 연료 공급물이 작은 실린더(14)로 송출되는 것을 요하고, 그러한 구조는, 작은 실린더의 큰 스웨프트 용적 또는 큰 스웨프트 용적비(E)로부터 이익을 얻을 수 있다. 혼성 형태의 메리트기관은 E에 대하여 낮은 값을 사용할 수 있다. 예를 들면, 작은 실린더는 기관에 공급되는 연료의 작은 분율만을 수용하도록 소형화될 수 있다. 그 연료의 나머지는, 메리트/디젤 혼성모드에서와 같이 연소공간에 직접 공급되거나, 또는 메리트/SIGE 혼성모드에서와 같이 큰 실린더의 흡입 덕트(25)에 공급될 수 있다. 이렇게 하여, 작은 실린더는, 주 연료 장입물의 점화에 이용될 수 있는 에너지를 크게 증가시킬 수 있는 점화 증폭기를 제공한다. 그러한 응용은 디젤기관에서의 연소과정을 향상시키거나, 또는 SIGE 기관에서의 희박한 미리혼합된 공기/연료 혼합물의 점화를 허용할 수 있다.

캠(500)의 윤곽은,180。의 캠 회전 또는 360。의 크랭크 회전에 걸쳐 작은 피스톤(18)을 하사점 위치로부터 상사점 위치로 이동시키도록 형성되어 있다. 이것은, 큰 피스톤(16)의 배기행정 및 흡입행정중에 일어나는 작은 피스톤의 긴 흡입행정을 제공한다. 작은 피스톤의 압축행정은 90。의 캠 회전에 걸쳐 일어날 수 있고, 캠 회전의 마지막 90。중에는 작은 피스톤이 그의 하사점 위치에 정지하여 유지된다.

제7a도∼제7d도는, 순수 메리트모드에서 제5도∼제7도의 기관이 4행정 사이클로 작동하는 것을 개략적으로 나타낸다. 제7a도∼제7d도는 큰 피스톤(16)에 대한 흡입행정, 압축행정, 팽창행정 및 배기행정을 나타낸다. 제7d도와 제7a도는 작은 피스톤(18)에 대한 흡입행정을 나타내고, 제7b도는 양 피스톤들에 대한 압축행정의 시작을 나타내며, 제7c도는 작은 피스톤에 대한 정지 기간을 나타낸다.

제7a도∼제7d도에 도시된 타이밍 구조는, 큰 피스톤(16)이 그의 상사점 위치로부터 먼쪽으로 이동하여 그의 배기행정을 시작할 때, 작은 피스톤(18)이 그의 하사점 위치로부터 먼쪽으로 이동하여 그의 흡입행정을 시작하게 한다(제7d도). 이렇게 하여, 작은 피스톤(18)의 속도가 큰 피스톤(16)에 비하여 느려지게 되어, 큰 피스톤(16)이 그의 배기행정의 끝에서 상사점 위치에 도달하는 시점에서 작은 피스톤은 그의 흡입행정 거리의 대략 절반에만 도달하게 된다(제7a도). 그 다음, 큰 피스톤(16)이 그의 흡입행정중에 그의 상사점 위치로부터 먼쪽으로 이동하는 동안, 작은피스톤(18)이 그의 하사점 위치로부터 먼쪽으로 그의 흡입행정을 계속한다. 그 흡입행정에 이어, 큰 피스톤(16)과 작은 피스톤(18) 모두가 대략 동시에 그들의 압축행정을 시작할 수 있다(제7b도). 마지막으로, 큰 피스톤이 그의 팽창행정을 수행할때, 작은 피스톤(18)은 그의 하사점 위치에 정지하여 유지된다(제7c도). 이러한 구성에서, 작은 피스톤의 흡입행정의 첫번째 부분이 큰 피스톤의 배기행정중에 일어나고, 두번째 부분이 큰 피스톤의 흡입행정중에 일어난다.

그러한 구성의 중요한 이점은, 180도 캠각 만큼 클 수 있는 긴 각을 이룬 호(弧)를 리프트중의 캠축에 제공하는 것이다. 이것은, 과도한 기계적 응력없이 비교적 큰 캠 리프트를 이용할 수 있게 한다. 작은 피스톤(18)의 흡입행정의 지속기간을 연장시키는 주요 이점은 작은 실린더의 제1용적부내에서의 연료 기화를 위한 추가 시간을 제공하는 것이다.

연료분사기(34)는 작은 피스톤(18)에 대한 흡입행정의 시작시(제7d도)에 연료의 송출을 시작할 수 있고, 그 송출은 그 피스톤의 흡입행정 전체중과 그의 압축행정중에도 계속될 수 있다. 바람직하게는, 연료분사는, 작은 실린더(14)내 액체 연료를 기화시키는데 이용될 수 있는 시간을 최대화하도록 작은 피스톤의 흡입행정의 시작시에 가능한 한 일찍이 시작되어야 한다. 작은 피스톤의 흡입행정의 초기 부분중에, 큰 실린더(12)내 배기가스는 작은 피스톤의 크라운 둘레의 간격부(128)를 통하여 제1용적부(15a)로 들어간다. 그 뜨거운 가스는 연료분사기(34)에 의해 분사된연료의 기화를 돕는다.

작은 실린더(14)는 흡입 밸브나 배기 밸브 어느 것도 구비하고 있지 않으며, 작은 피스톤(18)의 흡입행정의 후반 부분중에 큰 실린더내 새로운 공기가 간격부(128)를 통하여 흘러 작은 실린더의 내용물과 혼합하게 된다. 작은 피스톤이 그의 상사점 위치에서 그의 흡입행정의 끝에 도달한 때 작은 피스톤의 크라운(35) 둘레의 주변 간격부를 확대시킴으로써 작은 실린더내로 이송되는 공기의 양을 증가시키도록 임의의 하부 홈(391)(제14도)이 사용될 수 있다. 직접진입 또는 중간진입 실시예에 적당한 한가지 임의의 구조에서는, 작은 피스톤의 크라운(35)이 큰 실린더로부터 작은 실린더내로의 공기의 추가 흡입을 돕도록 흡입행정의 끝에서 작은 실린더(14)의 보어로부터 나갈 수 있다.

간격부(128)의 크기는, 작은 피스톤의 흡입행정중에 작은 실린더내 압력을 큰 실린더내 압력보다 낮은 값으로 제한하도록 신중히 설계될 수 있다. 그 간격부는 기관 회전속도 범위, 사용되는 연료, 스웨프트 용적비(E) 및 다른 파라미터들에 적합하도록 설계될 수 있다. 상부 홈(39)이 사용되는 경우, 그 간격부는, 작은 피스톤(18)의 크라운의 가장자리가 홈(39)에 도달할 때까지 진입을 방지하도록, 거의 접촉하는 불확실한 틈새에 가깝게 매우 작을 수 있다. 그 홈(39)이 생략될 수 있으나,이 경우, 간격부(128)는, 진입중에 연료가 그 간격부를 통하여 연소공간(20)내로 흐르게 하는데 충분히 크게 만들어져야 한다.

작은 실린더(14)의 제1용적부(15a)의 크기가 흡입행정중에 증가하기 때문에,큰 실린더(12)로부터 작은 실린더(14)의 제1용적부내로의 가스의 이송이 연료의 기화에 기인한 작은 실린더(14)내 압력의 증가에 의해 영향을 받는다.

일단 작은 실린더(14)의 제1용적부가 압축행정(제7b도)중에 감소하기 시작하면, 작은 피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 분리가 유지된다.

분리가 마침내 끝난 때, 작은 실린더(14)의 제1용적부(15a) 내측의 가스의 혼합물이 진입과정에서 강제로 연소공간(20)내로 들어가게 된다. 그 혼합물은 기화된 연료와, 약간의 공기와, 약간의 배기가스 및 여전히 액체 형태의 약간의 연료를 함유하지만, 압축점화에 의한 연소를 조장하기에는 불충분한 산소를 함유한다.

이러한 진입과정중에, 작은 피스톤의 크라운의 하측에서 작은 실린더(14)의 단부면쪽으로 빠르게 이동한다. 이것이 제9도 및 제10도에 더 명확하게 도시되어있다. 제9도는 진입 시작 직전 압축행정의 끝 가까이에서의 작은 피스톤의 바람직한 형태를 나타낸다. 이 지점에서, 분리가 여전히 우세하고, 공기가 간격부(128)를 통하여 연소공간(20)으로부터 제1용적부(15a)내로 이동한다.

제10도에서는, 작은 피스톤의 크라운(35)의 가장자리(37) 옆에서 홈(39)이 가려져 있지 않고, 작은 실린더(14)로부터의 틈새 용적의 제거와 동시에 간격부(128)의 확대에 의해, 제1용적부의 내용물이 화살표들로 나타낸 바와 같이 연소공간(20)내로 진입한다. 캠(500)의 윤곽은 작은 피스톤(18)이 느린 속도로 그의 시이트(515)에도달하게 하도록 설계될 수 있다. 이렇게 하여, 가스가 적은 힘으로 진입하게 된다. 진입된 연료/공기 혼합물은 홈의 형상에 의해 특정한 방식으로 연소공간내로 향해질수 있고, 이 형상의 약간의 변경이 가능하다는 것이 인식될 것이다. 한가지 변형예가 제22도에 도시되어 있고, 그 도면에서, 홈의 윤곽과 작은 피스톤의 크라운(35) 모두가 제22도에서 화살표들로 나타내어진 바와 같이 진입하는 연료/공기 혼합물을 위한 발산하는 통로를 제공하도록 하는 형상으로 되어 있다.

연소공간으로 들어가는 연료는 추가 산소와 혼합하고, 압축점화나, 점화 플러그(52)를 사용한 불꽃점화에 의해 점화한다. 그러나, 진입과정이 완료되고 작은 피스톤이 제22도에 도시된 바와 같이 시이트(515)에 착좌될 때까지 모든 연료가 완전히 연소하지는 않는다.

압축행정 또는 진입 기간중의 시일(5l0)을 통한 가스 누출물이 작은 매니포울드(5100)(제10도)내에 수집될 수 있고, 그 매니포울드로부터 그 가스 누출물이 통로(5101)를 통하여 큰 실린더(12)의 공기 흡입 덕트(25)로 보내질 수 있다.

큰 피스톤(16)의 팽창행정중에 작은 피스톤은 그의 하사점 위치에 정지하여있어, 높은 압력과 온도 조건들로부터 시일(510)과 연료분사기(34)를 보호한다. 작은 피스톤의 크라운(35)은 연소 기간중에 가열되고, 이것이 다음번 기관 사이클에서의 연료의 기화를 돕는다.

연소 기간의 대부분중과 팽창행정중에 작은 피스톤을 정지시킴으로써 연소과정이 향상된다.

큰 피스톤(16)의 배기행정(제7d도)이 작은 피스톤(18)의 흡입행정의 시작과동시에 일어나고, 제1용적부내로의 연료의 분사가 이 행정중에 시작될 수 있다.

작은 피스톤의 하사점 위치와 상사점 위치 사이에서의 그 작은 피스톤(18)의 운동의 시작 및 종료가, 큰 피스톤의 하사점 위치와 상사점 위치 사이에서의 그 큰피스톤(16)의 운동의 시작 및 종료와 타이밍상으로 정확히 동시에 일어나거나 일어나지 않을 수 있다. 큰 피스톤(16)이 그의 상사점 위치에 접근할 때 최적의 크랭크위치에서 점화의 순간을 조장하도록, 작은 피스톤(18)이 그의 상사점 위치에 접근하거나 홈(39)(제공되어 있을 경우)을 막 개방하기 시작할 때로 진입 순간의 시기를 정하는 것이 바람직할 수 있다. 점화는 점화 플러그(52)에서 발생된 불꽃의 결과로 시작되거나, 또는 사용되는 연료와 기관의 압축비의 조합이 압축 점화를 허용하도록 선택된 경우에는 압축점화에 의해 시작될 수 있다.

작은 피스톤(18)의 행정은 큰 피스톤(16)의 행정보다 작고, 바람직하게는, 상당히 작다.

적당한 제2의 타이밍 장치는 제25a도∼제25d도에 나타낸 바와 같은 캠(506)을 사용한다. 이 구조에서는, 작은 피스톤과 큰 피스톤의 흡입행정들이 대략 동일한 크랭크각 위치에서 시작되고, 양 피스톤의 압축행정들이 역시 대략 동일한 크랭크각 위치에서 종료된다. 그후, 큰 피스톤(16)이 그의 팽창행정으로 계속되고 그의 배기행정으로 이어지는 한편, 작은 피스톤(18)은 압축행정의 끝에서 도달한 그의 하사점 위치에 정착하여 양 행정들중에 정지하여 유지된다. 피스톤 운동을 위한 다른 타이밍 장치들도 가능하다.

두 피스톤들의 운동(제7도에 도시된)은 정확히 동기될 필요는 없다. 바람직하게는, 작은 피스톤(18)이 큰 피스톤(16)의 팽창행정의 대부분 동안 그의 사일 면상에 착좌되어 유지된다. 그 다음, 그 작은 피스톤이 큰 피스톤의 팽창행정의 끝 가까이에서, 또는 큰 피스톤의 배기행정의 사직시 또는 그 배기행정중에 그의 흡입행정을 시작할 수 있다. 대안으로서, 작은 피스톤이 큰 피스톤의 배기행정중에 어느때라도 그의 흡입행정을 시작할 수도 있다. 작은 피스톤이 큰 피스톤의 배기행정중에 그의 흡입행정을 시작하면, 그 작은 피스톤이 작은 실린더(14)의 제1용적부내에약간의 뜨거운 기체상 연소 생성물을 유발한다. 연료가 흡입행정중에 그 제1용적부내로 분사될 때, 그 뜨거운 가스가 그 연료의 기화를 돕는다.

제11도, 제14도, 및 제21도에 도시된 메리트 간접진입 구조에서는, 연소공간(20)이, 구멍(2161)을 가진 제한부 또는 판(216)에 의해 큰 실린더(12)로부터 부분적으로 분리되어 있다. 그 구멍은 연소공간(20)과 큰 실린더(12) 사이에서의 가스의 이동을 허용하고, 다수의 기능들을 이행한다. 그 구멍은 큰 피스톤(16)의 압축행정중에 큰 실린더(12)로부터 연소공간(20)으로 이동하는 공기에 소용돌이 운동을 조장한다. 그 구멍은 또한, 연소의 초기 단계중에 연소공간으로부터의 고속 분사류의 형태의 뜨거운 가스의 유출을 조장한다. 이러한 분사류는 연소과정에서 관여하도록 될 수 있는 미사용 또는 기생적인 공기를 함유하는, 큰 실린더(12)내의 밸브 공동부들 쪽으로 향해질 수 있다. 구멍(2161)의 크기는, 사용되는 연료와 압축비에 따른 설계자의 선택에 따라 변경될 수 있다. 간접 진입 혼합 구조가, 압축점화 또는 STCI와 함께 가솔린 또는 디젤 연료 또는 어떤 다른 연료를 사용하는 메리트기관에서 사용될 수 있다. 간접진입 메리트기관의 명백한 이점은 기관 불꽃판(flame plate)상의 구멍(2161)을 위한 공간의 요구가 감소된다는 것이다. 이것은 제11도 및 제13a도에서 보여질 수 있는 바와 같이 밸브 공간에 대한 적은 방해를 제공한다. 연소공간은 판(216)과 작은 피스톤의 크라운(35) 사이에 수용되거나, 또는 큰 실린더내로, 예를 들어, 제11도에 도시된 바와 같은 큰 피스톤(16)의 오목부(117)내로 부분적으로 연장될 수 있다.

제12도의 중간진입 메리트기관 구조에서는, 큰 실린더(12)쪽으로 열린 연소공간(20)의 지역이 단단한 경계물(116)에 의해 일시적으로 막힌다. 이 경계물(116)은 제11도의 구멍(2161)과 유사한 기능을 행하는 구멍 또는 구멍들(1161)을 가지고 있다. 이 구멍은 접선방향 및/또는 축선방향 속도 성분으로 큰 실린더(12)로부터 연소공간(20)내로 공기를 보낼 수 있다. 이것은 압축행정의 후반 부분중에 연소공간(20)으로 송출된 공기에서의 가스의 회전운동을 조장한다.

그 단단한 경계물은 큰 피스톤(16)상의 돌출부로서 형성된 마개(116)의 형태일 수 있다. 그 마개(116)는 피스톤의 운동중 접촉을 피하도록, 연소공간(20)을 포함하는 작은 실린더(14)의 벽으로부터 충분한 틈새를 가질 수 있다. 큰 피스톤(16)의 크라운위 마개(116)의 유효 높이(H)는, 예를 들어, 큰 피스톤(16)의 행정의 10%∼20%의 범위로 비교적 작을 수 있다. 이것은, 큰 실린더(12)내 공기의 질량의 큰 비율(예를 들어,50%∼70%)이 압축행정의 끝 무렵 큰 피스톤의 운동의 마지막 10%∼20%중에·마개를 지나 연소공간(20)내로 이송되기 때문이다. 더욱이, 이 공기는 그 공기가 크게 압축된 상태에 있을 때 증가된 밀도를 가진다.

제12도에서 보여질 수 있는 바와 같이, 마개(116)와 작은 피스톤(18)은 연소공간(20)내 공기의 소용돌이 운동을 조장하는 것을 돕는 부분 구형(球形)의 표면을 가진다.

제13a도∼제13d도는 기관 불꽃판의 4가지 가능한 형태의 평면도들이다. 그 불꽃판은 밸브 헤드 시이트들을 포함하며, 그 도면들은 큰 실린더(12)와 작은 실린더(14) 사이의 개방부에 대한 여러가지 가능한 형태들을 나타낸다. 제13d도와 제13c도의 구조는 실린더당 4개의 밸브들을 고려한 것이다. 2개의 흡입 밸브(24)와 2개의 배기 밸브(26)가 직접진입 기관에서 완전 개방되고 중앙에 위치된 작은 실린더(14)를 둘러싸고 배치되어 있다. 그 작은 실린더의 단면은 원형이거나, 또는 불꽃판에서 이용가능한 지역을 최선으로 사용할 수 있도록 제13c도에서와 같은 다른 적당한 형태일 수 있다. 작은 피스톤(18)의 스템(234)이 적극적으로 안내되는 구조에 의해, 크라운(35)이 작은 실린더의 벽(14a)에 접촉할 위험이 없는 어떠한 단면 형태로도 될 수 있게 된다. 4밸브 구조는 대칭이고, 양호한 가스 흐름을 유도한다. 제13a도는 간접진입 기관에서의 2밸브 구조의 일 예를 나타낸다. 여기서, 연소공간은 구멍(2161)을 통하여 큰 실린더(12)와 소통한다(또한, 제11도 참조).

제13b도는 간접진입 기관에서의 흡입 밸브(24)와 배기 밸브(26)의 밸브 공동부(424)들과 연소공간(20)의 단부를 나타낸다. 가스를 구멍(2161)으로 보내도록 얕은 통로(360)가 실린더 헤드에 절삭되거나, 또는, 큰 피스톤의 크라운에 절삭될 수 있다. 화살표 369는 압축행정의 후반 부분중에 연소공간내로 도입되는 공기의 회전방향을 나타내는 한편, 화살표 367과 368은 통로(360)로부터 밸브 공동부들내로 나올 때의 연소 가스들의 회전방향을 나타낸다. 이렇게 하여, 밸브 공동부들의 기생용적들내에 포획된 산소가 리카르도 코메트(Ricardo Comet) 구조를 사용한 IDI 디젤기관의 작동과 유사한 방식으로 연소과정에 도입될 수 있다.

[메리트 기관에서의 분리과정]

본 발명에 따른 기관에서, 분리는, 작은 실린더(14)의 제1용적부(15a)내 연료/공기 혼합물을 큰 실린더(12)에 도입된 공기와 떨어져 유지시키는 과정이다. 그 과정은, 제1용적부내에서 우세한 압력이 작은 피스톤(18)의 흡입행정과 대부분의 압축행정중에 제2용적부(15b)내 압력보다 낮거나 그 압력과 같은 것에 의존한다. 이 분리는 다음의 여러가지 특징들중 하나 이상을 사용함으로써 달성된다.

1. 선택된 조건하에 간격부를 통하여 가스가 흐르게 하는데 충분히 큰 때의 작은 실린더의 벽과 작은 피스톤의 크라운 사이의 간격부(128).

2. 간격부를 통해 가스가 흐르게 하기에는 너무 작은 때의 작은 실린더의 벽과 작은 피스톤의 크라운 사이의 간격부(128).

3. 작은 실린더에 그의 틈새 용적을 제공하는 용적을 가지는 상부 홈(39).

4. 상대적 압축대 진입 용적비.

5. 특히 압축행정중 큰 피스톤(16)에 대한 작은 피스톤(18)의 변위 크랭크각 관계. 이것은 2개의 피스톤들의 압축행정의 대부분중의 작은 실린더(14)와 큰 실린더(12)에서의 용적 감소의 비율을 결정한다.

기관의 설계에 따라 상기 특징들을 선택된 조합으로 또는 단독으로 사용함으로써, 작은 피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 진입이 억제된다. 예를 들어, 상기 특징 2의 사용은 특징 3의 사용도 요한다. 그러나, 특징 1의 사용은 작은 피스톤이 큰 피스톤보다 많이 지연되는 것(특징 5)을 요할 수 있다.

특징 2와 3은, 예를 들어, 가스가 간격부(128)를 통하여 작은 피스톤(18)의 크라운(35)을 가로질러 이송되는 것을 나타내는 제9도에서 사용된다. 작은 피스톤의 흡입행정중에, 작은 실린더(14)의 제1용적부(15a)가 증가할 때, 연료가, 예를 들어,연료 분사기(34)에 의해 제1용적부내로 송출된다. 그 연료가 기화함에 따라, 그 연료가 제1용적부내 부가적인 분압(分壓)을 생성하고, 큰 피스톤의 배기행정중에 그압력이 큰 실린더(12)내 압력보다 낮게 유지되면, 큰 실린더내 가스들중 일부가 연료와 혼합하도록 간격부(128)를 가로질러 이동한다. 그 간격부의 크기에 의해 부여되는 제한이 제1용적부(15a)내 압력을 큰 실린더내 압력보다 낮게 유지하는 압력강하를 조장할 수 있고, 이러한 효과는 기관 회전속도에 따라 증가할 수 있다.

작은 피스톤의 흡입행정중 완전한 분리를 보장하기 위해, 작은 실린더(14)내 제1용적부(15a)로 송출되는 연료의 양은, 제1용적부내 전체 압력이 흡입행정중 큰 실린더내의 것보다 낮게 유지되는 것을 보장하도록 작은 실린더의 스웨프트 용적과 일치될 필요가 있다. 가솔린과 같은, 더욱 휘발성인 연료는, 진입과정이 시작되기전에 작은 실린더내에서 완전히 기화하지 않을 수 있는 덜 휘발성의 연료와 비교하여, 작은 실린더(14)에 대한 더 큰 스웨프트 용적을 필요로 할 수 있다. 덜 휘발성의 연료가 여전히 메리트기관에서 사용될 수 있는데, 그 이유는, 진입과정이 제10도에 도시된 바와 같이 가스의 강력한 분출을 제공할 수 있고, 이러한 가스가 연소공간내에서 빠르게 연소될 수 있는 미세한 액체방울 형태의 약간의 기화되지 않은 연료를 운반할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 순수 메리트기관은 작은 실린더(14)내 제1용적부로 저압 연료분사기(34)에 의해 분사되는 디젤 연료를 사용할 수 있고,특히 전(全)부하(full 1oad)에서 모든 연료량의 완전 기화 없이도 여전히 작동할 수있다. 그러한 경우, 연료의 일 부분만이 작은 피스톤의 흡입행정 및 압축행정중에 기화하고, 나머지 액체 연료는 진입과정중에 뜨거운 가스와 함께 분출될 때 분무화된다.

홈(39)내에 포함된 용적은 또한, 압축행정의 끝 무렵에 작은 피스톤의 크라운(35)이 그 홈에 도달할 때까지 작은 실린더(14)에 대한 틈새 용적을 제공한다. 예를들어, 작은 실린더의 상부 홈(39)내 틈새 용적은, 압축행정중에 작은 피스톤(18)의 각각의 연속적인 변위 단계를 가로질러서의 용적비(따라서, 압력비)가 동일한 변위시간 간격에 걸쳐 큰 실린더(12)내 상응하는 용적비보다 작은 실린더(14)에서 더 작게 하도록 선택될 수 있다. 이렇게 하여, 작은 실린더(14)의 제1용적부내에서의 압력 상승은, 양 실린더들이 동일한 압력으로 압축단계를 시작할지라도 큰 실린더(12)내에서의 압력 상승보다 작다. 이렇게 하여, 작은 피스톤이 홈(39)에 도달할 때까지 양 피스톤들의 압축행정중에 분리가 유지된다. 그 다음, 간격부(128)가 갑작이 확대될 때 일어나는 이러한 틈새 용적의 돌연한 상실에 의해 진입과정이 시작되게 된다.

특징 5가 제8a도 및 제8b도를 참조하여 설명될 수 있다. 2개의 피스톤(16,18)들이 캠으로부터 먼쪽의 사점(死点)위치(ODC)로부터 캠에 가까운 쪽의 사점위치(IDC)로 그들의 압축행정을 따라 이동함에 따른 양 피스톤들의 위치들이 180。로부터 360。까지의 기관의 크랭크각에 대하여 그래프로 나타내어져 있다. 각 피스톤의 위치가 피스톤에 대한 행정 길이의 백분률로 표현되어 있다. 곡선 6000은 큰 피스톤에 대한 크랭크 기구의 전형적인 거의 사인곡선적인 운동을 나타내고, 곡선 6001과 6002는, 크랭크축이 그 크랭크축에 대한 2가지 위상각으로 설정된 상태에서 캠 윤곽에 의해 작은 피스톤에 부여되는 운동을 나타내는 2가지 예이다. 지점 6003과 6004는, 작은 피스톤의 크라운의 가장자리(37)가 상부 홈(39)을 개방하기 시작하는 진입과정의 시작을 나타낸다.

곡선 6001(6002)은, 대부분의 크랭크각 위치들에서, 지점 6003(6004)에서의 진입 전에 큰 피스톤(16)이 작은 피스톤(18)보다 더 전방으로 이동하고, 그래서, 작은실린더(14)의 제1용적부(15a)내에서 일어나는 압력 상승보다 더 큰 압력 상승을 큰실린더내에서 발생하도록 곡선 6000보다 지연될 수 있다. 제8a도 및 제8b도에 도시된 운동들은, 압축행정중에 큰 피스톤이 작은 실린더의 제1용적부내에서의 상응하는 감소보다 비례적으로 더 빠르게 큰 실린더내 용적을 감소시키는 것을 나타낸다는 것이 인식될 것이다. 지점 6003(6004)은 작은 피스톤의 나머지 행정 길이를 따라서의 진입 지점을 나타낸다. 큰 피스톤(16)에 대한 작은 피스톤(16)의 상대적인 지연은 캠(500)(제5도)의 윤곽에 의하거나, 큰 피스톤을 작동시키는 크랭크축에 대한, 작은 피스톤을 작동시키는 캠의 각도 위치를 이동시키는 것에 의하거나, 또는 그 2가지에 의해 달성될 수 있다.

[메리트기관에서의 진입과정]

진입과정은 분리과정뒤에 일어나고, 작은 피스톤(18)의 크라운(35)의 가장자리(37)를 가로질러 연소공간(20)내로 작은 실린더(14)의 제1용적부(15a)의 내용물을 이동시키는 것이다. 이것은 작은 피스톤(18)의 압축행정의 끝 가까이에서 일어나고,제10도의 도움으로 설명된다. 이때, 작은 실린더(14)의 제1용적부(15a)의 내용물은, 완전히 기화되거나 부분적으로 기화될 수 있는 연료와, 추가 양의 약간의 공기와, 약간의 기체상 연소 생성물을 포함한다. 이 혼합물은 연료가 매우 풍부하고 산소가 없으며, 따라서, 압축행정의 끝에서도 쉽게 연소하지 않는다. 대부분의 흡입 공기가 수용되어 있는 연소공간(20)내로 그 혼합물이 이송된 때, 그 연료가 산소를 만난 후 그리고 점화후에 쉽게 연소되기 시작할 수 있다.

작은 피스톤(18)의 크라운(35)의 가장자리(37)가 홈(39)의 가장자리에 도달한 때, 분리과정이 끊어진다. 그 다음, 작은 실린더의 제1용적부(15a)내에 수용된 가스가 작은 피스톤(18)의 추가 운동에 의해 연소공간(20)내로 이동된다. 연료가 농후한 가스가 반경방향 및 하방으로 그 홈에 의해 편향되고, 원통형 벽 둘레를 따라 연소공간내에서 회전하는 공기와 혼합한다. 작은 피스톤(18)이 최종적으로 시이트(515)에 닿을 때, 그 연료가, 분리 기간중에 기화하지 않은 액체 연료를 포함하는 연소공간(20)내로 분출된다.

작은 피스톤의 크라운(35)의 가장자리(37)의 두께(T)(제10도)는, 진입이 시작되는 그 작은 피스톤(18)의 위치에 영향을 끼친다. 그 두께(T)가 두꺼울수록, 진입이 더 늦게 시작된다.

진입 시작의 타이밍은 기관 설계에 따라, 특히, 사용되는 점화방법에 따라 변할 수 있다. 압축점화가 사용되는 경우, 진입의 타이밍이 연소의 시작을 결정하지만, 연소과정은 작은 피스톤이 그의 시이트에 도달하고 모든 연료를 산소가 존재하는 연소공간내로 송출할 때까지 끝나지 않는다. STCI가 사용되는 경우에는, 진입이, 불꽃점화가 일어나기 전에 더 일찍 시작될 수 있다. 그의 정확한 타이밍은 덜 중요한데, 그 이유는, 연소의 시작이, 진입이 시작된 후 일어나야 하는 불꽃의 타이밍에 의해 제어되기 때문이다.

진입과정의 시작의 타이밍은 점화 타이밍에 약간 선행하는데, 그 이유는, 연료가 지속적인 연소과정을 허용하도록 연소공간내 산소와 혼합될 필요가 있기 때문이다. 진입과정에 시간이 걸리기 때문에, 진입과정의 타이밍을, 큰 피스톤의 위치와 관련한 연소과정의 소망의 타이밍과 동기시키는 것이 필요하다. 한가지 바람직한 해결책은 짧은 지속기간의 늦은 진입을 조장하는 것이다.

분리과정에 관하여 앞에서 설명된 제8a도 및 제8b도는, 진입과정의 타이밍과 지속기간이 어떻게 제어될 수 있는가를 나타낸다. 곡선 6001과 6002는, 한가지 캠 윤곽을 사용하고, 캠축(작은 피스톤을 작동시키는)과 크랭크축(큰 피스톤을 작동시키는) 사이의 위상각을 변경함으로써 초래되는 작은 피스톤의 2가지 가능한 운동을 나타낸다. 지점 6003과 6004는, 제10도에 도시된 바와 같이 상부 홈의 시작부에의 작은 피스톤의 도달에 의해 물리적으로 결정될 수 있는 진입과정의 시작을 나타낸다. 이들 양 지점들은 그 행정의 끝으로부터 거리 X에서 공동의 선상에 놓여 있는 것으로 도시되어 있다. 그 거리 X는 홈(39)의 시작점의 위치를 나타낸다.

제8a도에서, 양방향 화살표 6005는, 캠축과 크랭크축 사이의 위상을 변경시키는 것의, 진압과정의 시작에 대한 영향을 나타낸다. 그 결과, 진입은 각각 곡선들 6001과 6002를 위한 크랭크각 θ1과 θ2에서 시작된다. 곡선 6000과 곡선 6002 사이의 지연각을 증가시킴으로써 곡선 6002가 얻어진다. 곡선 6002는, 각 크랭크 위치에서 작은 피스톤이 곡선 6001과 비교하여 큰 피스톤의 위치에 추가 거리 만큼 지연되는 것을 나타낸다. 이러한 피스톤 거리 지연이 분리의 시작을 제어할 수 있는 방식들중 하나인데, 그 이유는, 그것이 압축행정중에 2개의 피스톤(16,18)들의 연속하는 용적비들을 제어하기 때문이다. 그 지연이 또한, 진입의 시작이 일어나는 작은 피스톤(18)의 위치(지점 θ1 또는 지점 θ2로 나타내어진)에도 영향을 끼친다는 것을 볼 수 있다.

제8b도는, 진입과정의 지속기간에 걸친 제어를 나타내도록 제8a도의 확대된 부분을 나타낸다. 곡선 6002상의 진입 기간이 θ2로부터 θC2까지의 크랭크축의 각 운동으로 나타내어진다. 위치 6001로부터 위치 6002로의 작은 피스톤(18)의 지연의 증가는, 진입과정의 시작(θ1으로부터 θ2로)과 끝(IDC로부터 θC2로)을 지연시킨다. θC2에서의 끝이 큰 피스톤(16)의 팽창행정의 시작으로 진전한 것으로 도면상에 나타내어져 있고, 이것은 진입과정의 시작을 지연시키는 바람직하지 못한 결과일 수 있다. 그러한 단점을 극복하기 위해, 캠(500)의 윤곽이,θ2에서 진입의 시작을 위한 지점에 도달한 후 작은 피스톤(18)으로부터의 돌연한 분리를 허용할 수 있다. 그러한 구성을 위한 가능한 캠 윤곽이 제21도에 도시되어 있다. 이러한 캠 윤곽을 사용한 때, 6004에서 θC2a까지의 점선 곡선과 6004에서 θC2b까지의 점선 곡선은 진입과정중의 작은 피스톤(18)의 위치를 나타낸다. 지점 6004에 도달하기 전에, 작은 피스톤의 운동이 그 캠 윤곽에 의해 제어된다. 지점 6004 후에는, 즉, 진입과정이 시작된 후에는, 작은 피스톤(18)이, 스프링(501)의 작용과 그 위치에서 작은 피스톤에 영향을 끼치는 가스 힘의 결과로 얻어질 수 있는 가장 높은 속도로 자유로이 가속되어 진다. 이러한 자유운동은 시간 의존적이고, 따라서, 진입과정의 끝이 낮은기관 회전속도(지점 θC2a에서)와 비교하여 높은 기관 회전속도에서(지점 θC2b에서) 뒤의 크랭크각에서 일어난다. 이것은, 전체 진입과정이 높은 기관 회전속도에서, 예를 들어, 11。 의 크랭크각 회전에 걸쳐 빠르게 일어날 수 있으면 단점이 아니다. 예를 들어, 600 rpm의 아이들링(idling) 속도에서는, 진입과정이 2。의 크랭크각(상사점전 큰 피스톤(16)의 10。의 크랭크 회전으로부터 상사점전 8。의 크랭크 회전까지)에 걸쳐 연장할 수 있다. 6000 rpm에서는, 진입과정이 11。의 크랭크각(상사점전 10。의 크랭크 회전으로부터 큰 피스톤에 대한 상사점후 1。에서 끝나기까지)에 걸쳐 연장할 수 있다.

지점 6004에서의 작은 피스톤(18)의 자유 가속운동의 시작전에, 그 작은 피스톤이 600 rpm에서보다 6000 rpm의 기관 회전속도에서 더 빠르게 이동하고, 이것은 높은 기관 회전속도에서 짧은 진입과정을 조장하는 것을 돕는다.

진입과정의 끝에서, 작은 피스톤은, 그 피스톤(18)의 크라운이 그의 시이트(515)와 접촉할 때 정지하게 된다. 그때의 충격은 작은 실린더(14)의 제1용적부(15a)로부터 빠르게 변위되는 가스에 의해 완충된다. 그 결과로 일어나는 진입 가스(제10도에서 화살표 5111)의 높은 속도가 연소공간(20)내 연료와 공기의 혼합을 돕는다.

위에 기술된 구조는 매우 짧은 지속기간의 늦은 진입을 조장한다. 이 과정은, 모든 연료가 작은 실린더(14)내로 도입되는 순수 메리트 작동모드에서 불꽃 기동 점화에 사용하는데 매우 적당할 수 있다. 그러한 구조에서, 점화는 진입이 시작되자마자 일어날 수 있고 연소 기간이 모든 기관 회전속도에서 짧을 수 있어, 매우 높은 열효율을 조장한다.

캠 윤곽의 영향하에 소정의 크랭크각 지속기간에 걸쳐 진입과정을 언제든지 조장하는 대체 구조가 가능하다. 이것이, 상사점 위치(360도 크랭크축 위치)에서의 진입 끝까지의 곡선 6001의 연속으로 나타내어져 있다. 이 경우, 점화 타이밍이 지점 θ1에서의 진입과정의 시작 후까지 지연될 필요가 있을 수 있고, 이것은, 압축점화가 일부러 피해지면 정시의 불꽃의 도움으로 행해질 수 있다. 점화가 일어난 후, 여전히 진입하고 있는 농후한 연료 혼합물이 연소하고, 초기에 진입한 연료를 점화할 수 있다. 이러한 초기의 연료는 연소실(20)내 공기와 혼합한 후 희박한 공기/연료 혼합물을 형성하였다. 이미 연소공간(20)내에 있는 이러한 희박한 공기/연료 혼합물이 이렇게 하여(예를 들어, 기관이 아이들링을 하고 연료를 거의 사용하지 않을때) 점화될 수 없으면, 큰 실린더에의 공기 흡입 덕트(25)가 부분적으로 절기될 수 있다. 이것은 점화시의 연소실(20)내 공기량을 감소시키고, 그래서, 점화시의 연소실(20)내 공기/연료 혼합물을 농후하게 한다. 그러한 임의의 스로틀 밸브(83)가 제23도에 도시되어 있으나, 이 목적을 위해 스로틀 밸브를 사용하는 것을 최소로 하는 것이 권할만 한데, 그 이유는, 그것이 기관의 열효율을 낮출 수 있기 때문이다. 대안으로서, 또는 부가적으로, 진입중에 작은 실린더(14)의 제1용적부(15a)에서 나오는 넝후한 연료/공기 혼합물이 불꽃에 의해 연소실(20)내에서 발화성으로 남아 있도록 계층화될 수 있다.

압축점화를 사용하는 메리트/디젤 혼성 형태의 메리트기관을 사용할 때, 제8b도에 도시된 지점 θ2에서의 연료/공기 혼합물의 진입이, 메리트 모드에서 작은실린더로 들어간 소량의 연료의 점화를 유발한다. 이것이, 크랭크각 위치들과 관련하여 최적의 연소기간을 조장하도록 별도로 그리고 때를 맞춰 연소실에 들어가는 연료의 주 장입물의 토칭(torching)을 조장한다. 그러한 기관에서, 오직 소량의 토칭 연료만의 압축점화가, 압축행정의 끝에서 약간의 부정적인 일을 야기함이 없이 주 연료분사과정에 앞서 일어날 수 있다.

[메리트기관에서의 점화과정]

메리트기관은 연소실내로 기체상 연료를 송출하는 분리기관이다. 따라서, 연소과정을 시작하기 위해 압축점화나 STCI를 사용하는 것과는 별개로, 메리트기관은 글로우 플러그(glow plug), 또는 연소실(20)의 벽에 부착된 촉매물질(예를 들어, 백금)의 층과 같은 연속 점화장치도 사용할 수 있다. 연속 점화장치는, 메리트기관이 SIGE 연소시스템과 혼성으로 된 경우에는 사용될 수 없다.

압축점화를 사용하기 위해서는, 디젤기관과 같이, 메리트기관은 적당한 연료를, 연료의 압축점화에 충분히 높은 압축비에 맞출 필요가 있다. 디젤 연료를 사용할 때, 직접진입 기관으로 설계된 순수 메리트기관은, 예를 들어, 14:1 내지 16:1의 압축비를 사용할 수 있다. 메리트기관에서 미리 기화된 디젤 연료를 점화하는데 필요한 압축비는, 연료의 일부가 기화과정중에 뜨거운 공기로부터 열을 추출한 후에만 액체 연료가 점화되는 디젤기관에서 사용되는 압축비보다 낮을 수 있다. 간접진입기관으로 설계된 메리트기관들은, 예를 들어, 18:1 내지 20:1의 더 높은 압축비를 필요로 할 수 있다. 이 비는 전형적인 IDI 디젤기관의 요구량보다 적을 수 있는 값이기도 하다.

STCI의 사용이 메리트기관에서 가능한데, 그것은, 점화가 일어나기 전에 연료가 작은 실린더의 제1용적부(15a)내에서 미리 기화되기 때문이다. STCI가 사용되는 경우, 도움이 없는 조기 압축점화가 피해져야 한다. 따라서, 도움이 없는 압축점화를 피하기 위해, 기관의 압축비가 사용되는 연료에 맞추어질 필요가 있다. 예를 들어, 고옥탄가 가솔린이 사용되는 경우, 예를 들어, 10:1의 압축비가 적당할 수 있다.

STCI과정은 점화 플러그(52)의 전극들에서 발화성 혼합기체를 요한다. 따라서, 연료와 공기 모두가 전극들 가까이에 모일 수 있는 적절한 장소에 점화 플러그를 배치하는 것이 중요하다.

그러한 한가지 적당한 구조가 제14도에 도시되어 있고, 여기서, 점화 플러그 전극들이 작은 실린더의 벽(14a)의 공동부(1152)내에 위치한다. 그 공동부가 홈(39)의 약간 아래의 위치에 있는 것으로 도시되어 있고, 농후한 기화 연료가 점화 플러그 전극들에 도달하게 하도록 홈(39)으로 열려 있다. 연소공간(20)의 벽 둘레에서 소용돌이치는 공기가 그 공동부의 하부부분(1153)에 의해 점화 플러그 전극들 쪽으로 보내지게 된다. 그 결과로 얻어지는 혼합기체는 스파크가 화염을 일으킬 수 있게 하고, 그래서, 그 화염이 홈(39)을 따라 계속 이동할 수 있다. 기관을 위한 압축비의 적당한 선택이 주어진 때, 일단 약간의 연료의 불꽃점화가 일어나면, 그 결과로서 일어나는 압력과 온도의 상승이 작은 실린더의 제1용적부(15a)로부터 나와 연소공간(20)내로 들어가는 추가 기체상 연료에 대한 압축점화과정을 유발하는데 충분할 수 있다. STCI과정은, 화학량론적 공기/연료 혼합물이 전체 혼합물을 가로지를 수 있는 화염 전면(flame front)을 가르는 불꽃에 의해 점화되는 SIGE에서 사용되는 것과 같은 통상의 불꽃점화와 다르다. 메리트기관에서는, 디젤기관과 같이, 연료와 공기의 혼합이 연소과정중에 일어나고, 모든 연료가 연소공간으로 보내질 때까지 완료될 수 없다.

순수 메리트기관의 연소공간은, 점화가 요구될 때까지 연료가 연소공간에 들어가지 않기 때문에 전형적인 SIGE의 연소실보다 더 높은 온도에서 작동될 수 있다.

[메리트기관 혼성 구조들에서의 토칭(torching)점화 능력]

본 발명에 따른 메리트기관에서 사용되는 분리과정이, 작은 실린더의 제1용적부(15a)에의 연료 공급기 이외의 연료원들로부터 연소공간(20)에 송출된 연료를 점화하는 고에너지 점화원을 제공하는데 사용될 수 있다.

이러한 적용의 2가지 예가 제15도 및 제16도에 도시되어 있다.

제15도의 구조는 점화 플러그에 의해 정상적으로 발화할 수 있는 균질의 연료/공기 혼합물에 사용하는데 적당하다.

제15도에서, 연료분사기(82)를 통한 제2연료공급기가 큰 실린더(12)에 직접 연료를 제공한다. 작은 실린더(18)는, 적은 연료량, 예를 들어, 화학량론적 연료량의 10%(연료비 F = 10%)를 기화시키는데 충분한 작은 스웨프트 용적비(E)를 가진다. 연료분사기(34)를 통해 기관 사이클당 송출되는 연료의 양은 일정하거나, 또는 점화과정에 요구되는 에너지에 따라 변할 수 있다. 이 연료가 저압 연료분사기(34)에 의해 송출되는 것으로 도시되어 있으나, 다른 저압 조량(調量)장치가 사용될 수 있다. 예를 들어, 작은 피스톤의 스템의 운동이 사이클당 한번 일정 양의 연료를 펌핑하는데 사용될 수 있다. 연료는 연료분사기(82)에 의해 송출되는 연료와 동일하거나, 또는 더욱 휘발성인 연료 또는 기체상 연료일 수 있다.

작은 실린더는 연소공간(20)내로 진입하는 연료/공기 혼합물을 점화하도록 점화 플러그(52)를 구비하고 있다. 그 연소공간(20)은 큰 실린더(12)의 요구사항을 충족시키도록 설계된 큰 쐐기형태의 연소실(220)과 소통하는 것으로 나타내어져 있다. 작은 실린더의 제1용적부(15a)내 연료 가스 혼합물은 불꽃에 의해 쉽게 발화할 수 있게 될 수 있고, 예를 들어, 화학량론적으로 될 수 있다.

제2저압 연료분사기(82)는 큰 실린더(12)에 공기를 공급하는 흡입 덕트(25)에 연료를 송출한다. 그러한 기관의 출력을 제어하는데 스로틀 밸브(83)가 필요할 수 있다. 연료분사기(82)를 통한 연료 공급물은, 흡입행정 및 압축행정중에 화학량론적 혼합기가 큰 실린더(12)내에 형성되는데 요구되는 양보다 적을 수 있다. 따라서, 큰 실린더(12)는 회박 연소기관으로서 작동하고, 점화 플러그(52)는 압축행정의 끝에서 희박 혼합기를 점화하도록 충분한 에너지를 도움없이 제공할 수 없다. 그러나, 작은 실린더의 제1용적부(15a)로부터 진입된 연료/공기 혼합물은 점화 플러그(52)에 의해 더욱 쉽게 발화될 수 있고, 이러한 발화에 이어, 그렇게 생성된 화염이 큰 피스톤(16)에 의해 연소실(220)로 송출된 희박 혼합기를 점화할 수 있다. 그러한 구조에서, 기관은 연료분사기(82)가 꺼진 채 연료분사기(34)에 의해 송출되는 연료만을 사용하여 아이들링을 할 수 있다. 낮은 부분 부하에서, 스로틀 밸브(83)는, 작은 실린더로부터의 토칭 화염에 의한 점화를 위한 희박 혼합기 세기를 조정하기 위해 필요할 수 있다. 대안으로서, 토칭 화염에 의해 점화에 충분한 세기의 희박 혼합기를 생성하도록 연료분사기(82)가 작동될 수 있을 때까지 여분의 연료가 연료분사기(34)에 의해 작은 실린더에 송출될 수 있다.

토칭 연료는 페트롤(petro1) 또는 수소와 같은 기체상 연료, 또는 프로판 또는 부탄과 같은 자기기화(self-vaporising) 액체연료일 수 있다.

제15도에 도시된 구조는 또한, 큰 실린더(12)에 공급되는 거의 균질의 연료/공기 혼합물에 사용하는데에도 적당하다. 작은 실린더(14)는, 통상의 직접 점화 플러그 대신에 연소공간(20)내 공기/연료 혼합물을 점화하는 플라스마를 발생하도록 점화 플러그를 가능한 한 작게 하는 것과 함께 가능한 한 작게 만들어진다. 작은실린더, 피스톤, 및 점화 플러그 조립체가, 통상의 점화 플러그 대신에 통상의 SIGE기관의 실린더 헤드내에 나사결합될 수 있다. 그러한 구조에서는, 작은 피스톤(18)이 전기적으로 작동될 수 있다.

제15도에 도시된 구조는 또한, 작은 피스톤의 운동을 위한 경사진 축선을 가진다. 그러한 기계적 구조는 흡입 밸브(24) 및 배기 밸브(26)와 작은 피스톤(18)을 위한 작동기구에 대한 구조의 이점을 제공할 수 있다.

제16도는 혼성 토칭 모드로 사용되는 메리트기관을 위한 다른 구조를 나타낸다. 도시된 구조는, 디젤 연료와 같은, 압축점화에 의해 정상적으로 발화할 수 있는 연료에 사용하는데 적당하다. 부분적으로는 실린더 헤드에 형성되고 또 부분적으로는 큰 피스톤(16)의 크라운에 형성된 구형(球形)의 연소실(220)은 큰 실린더(12)의 요구를 충족시키고, 연소실 구조에 대한 여러가지 가능성들중 하나의 예로서 나타내어져 있다. 작은 실린더내 제1용적부는, 저압 연료분사기일 수 있는 연료분사기(34)에 의해 연료를 공급받는다. 이 연료는 제2고압 연료분사기(60)에 의해 연소공간에 공급되는 연료를 토치 점화하는데 사용된다. 이러한 구조는 메리트기관을 위한 전형적인 디젤 혼성구조이며, 여기서, 연료분사기(60)가 전형적인 고압 디젤분사기인데 반하여, 연료분사기(34)는 소량의 디젤 연료나, 또는 다른 더욱 휘발성인 연료 또는 기체상 연료를 작은 실린더에 송출하는 저압 연료분사기일 수 있다. 그러한 구조에서, 연료분사기(34)에 의해 송출되는 분리된 연료가 점화 플러그를 사용하지 않고 압축점화에 의해 점화되는 것으로 나타내어져 있다. 그러나, 연료분사기(34)를 통하여 공급되고 제15도를 참조하여 기술된 STCI과정을 사용하여 불꽃에 의해 점화되는 가솔린과 같은 휘발성 연료로 디젤 기관을 토치 점화하는 것이 가능하다. 그러한 메리트/디젤 혼성기관의 한가지 이점은, 디젤기관에 특유의 점화지연 기간을, 흔한 시끄러운 디젤 노크(knock)가 없어질 수 있는 점까지 감소시키거나 그 기간을 아주 제거하는 것이다. 다른 이점은, 디젤기관의 매연 또는 입자상 방출물을 낮추고 연소과정을 빠르게 하여, 디젤기관의 출력을 증가시키는 것이다.

[순수 형태와 혼성(하이브리드) 형태의 메리트기관]

1. 순수 메리트기관 모드

예를 들어, 최대 BMEP에서 10%(아이들링을 위한)∼80%의 연료비(F) 범위에서 순수 메리트 모드로 작동할 때, 큰 실린더(12)에 흡입된 공기는 절기되지 않고 어떠한 연료도 함유하지 않을 수 있다. 순수 메리트 모드는, 큰 실린더내에 존재하는 공기의 일부가 연소과정중에 연료와 혼합할 수 없기 때문에 연료비 F = 100%를 완전히 연소시키지 않을 수 있다. 더욱이, 예를 들어, 80%∼90%의 연료비(F)의 연료의 연소는 배기가스내 바람직하지 않은 질소산화물을 생성할 수 있는 한편, 약간의 산소가 배기가스내에 존재한다. 이것은 배기가스를 처리하기 위해 사용되는 통상의 3원촉매 컨버터를 무력하게 한다. 예를 들어, 80%의 연료비 아래에서는, 대략20% 초과 공기의 존재가 질소산화물의 생성을 피하도록 연소가스의 온도를 낮추는 데 충분할 수 있다.

순수 메리트 모드에서, 작은 실린더의 스웨프트 용적비(E)가 최대 양의 연료에 대처하도록 최대화된다. 제5도에 도시된 직접진입 기관의 예에서, 작은 피스톤(18)의 크라운의 직경은, 비록 그 크라운(35)의 형태가 제13c도에 도시된 바와 같이 비원형일 수 있을지라도, 흡입 밸브(24)와 배기 밸브(26)를 위한 불꽃판상의 충분한 면적을 제공할 필요에 의해 제한된다. 작은 실린더내 스웨프트 제1용적부(15a) 역시, 구동기구에 의해 제어되는 작은 피스톤(18)의 행정을 증가시킴으로써 증대될 수 있다. 제5도에 도시된 단순한 직접 오버헤드 캠은, 예를 들어, 20mm까지의 행정거리를 제공할 수 있다. 통상의 캠 작동식 로커(rocker)기구(도시되지 않음)는 그 운동을, 예를 들어, 30mm 행정까지 확대시킬 수 있다. 제26도에 도시된 이중 캠-비임 구조는 간소한 설비에서, 예를 들어, 5의 인수 만큼 상당히 캠 리프트를 확대시킬 수 있다. 제26도에서, 예를 들어, 기어들(도시되지 않음)에 의해 함께 연결된 2개의 캠(500)이, 스프링(501)에 의해 그 캠들과 접촉하여 유지되는 비임(519)을 진동시킨다. 비임(519)의 끝이 핀(236)에 의해 작은 피스톤(18)의 스템(234)에 부착되어 있고, 측방 스러스트가 칼라(235)에 의해 흡수된다.

제7도는, 360도의 크랭크각 또는 180도의 캠각 만큼 길 수 있는, 작은 피스톤(18)에 대한 흡입행정의 연장된 기간을 나타낸다. 캠 리프트의 그러한 긴 지속기간이, 제25도에 도시된 캠(506)의 윤곽과 비교하여, 주어진 행정 거리에서 캠과 그의 폴로어(follower) 사이의 응력이 덜 요구되는 캠(500)의 윤곽에 의해 제공된다.

또 다르게는, 작은 실린더의 용적비(E)가 제l1도에 도시된 간접진입 기관 예를 사용하면서 보어의 직경을 증대시킴으로써 확대될 수 있다. 이 예에서는, 흡입밸브 및 배기밸브와 오리피스(2161)(큰 실린더의 보어에 인접한 불꽃판의 원형 가장자리에 가까이 배치될 수 있는) 사이의 방해가 매우 적다. 따라서, 작은 피스톤의 직경이 증대될 수 있고, 주어진 스웨프트 용적에서 작은 피스톤의 행정이 감소될 수 있다.

표 1은, 4행정 기관을 위한 순수 메리트 작동모드를 예로서 요약한 것이다. E의 값과 연료비(F)는 예시의 목적으로만 주어진 것이다.

[표 1]

순수 메리트 모드 - 전형적인 예로서 도시 운행에서 높은 연료절약을 위해 승용차에 사용하기 위한, 제21도에 도시된 바와 같은 간접진입 실시예.

스웨프트 용적비 E = 12% 내지 5%

연료 = 가솔린(휘발성)

압축비 = 1O:1, 짧은 진입과정

불꽃 기동 압축점화(STCI)

스웨프트 용적비 E = 12%를 가지는 전형적인 기관의 경우, 다음의 값들이

적용된다.

스웨프트 용적(큰 실린더) = 500 cc

스웨프트 용적(작은 실린더) = 60 cc

요구되는 연소실 용적 = 60 cc

2. 메리트/디젤 혼성(하이브리드) 형태

제17도는 디젤기관과의 혼성 구조의 메리트기관을 나타내고, 제18도는 그러한 기관의 4행정 작동 순서를 나타낸다. 이 구조에서는,2개의 연료분사기가 사용된다. 연료분사기(34)는 메리트 모드를 위한 저압 연료공급기이고, 연료분사기(60)는 디젤모드를 위한 고압 연료공급기이다. 연료분사기(34)는 작은 피스톤의 흡입 행정중에 작은 실린더내 제1용적부(15a)로 연료를 송출한다. 이것은 큰 피스톤의 배기행정중에 시작된다. 예를 들어, 연료비 F = 10%의 소량의 연료만이 메리트 모드에서 송출되고, 이 양은 일정하게 유지되거나, 또는 특정 연소실 설계의 연소 특성들에 따른 기관 부하와 회전속도에 따라 변할 수 있다. 제2연료분사기(60)(전형적인 디젤 연료분사기)는 연소실(20)내 균일한 분포를 위해 나머지 양의 연료, 즉, 디젤과 같은 저옥탄 또는 고옥탄 연료를 송출하도록 배치된다. 제22도가 2개의 연료분사기(34,60)들을 위한 적당한 위치들을 나타낸다.

제17도에 도시된 기관은 압축점화에 의해 점화된다.

4행정 사이클에서의 이 기관의 작동 순서를 제18a도∼제18d도를 참조하여 설명한다.

제18d도는 큰 피스톤(16)의 배기행정과 작은 피스톤(18)의 흡입행정의 시작을 나타낸다. 소량의 디젤 연료가 저압 연료분사기(34)에 의해 작은 실린더(14)내 제1용적부(15a)내로 분사된다. 소량의 배기가스도 흡입행정의 초기 부분중에 간격부(128)를 통하여 작은 실린더에 들어간다.

큰 피스톤의 흡입행정중에(제18a도), 작은 피스톤은 그의 흡입행정을 계속한다. 양 피스톤에 대한 압축행정의 끝 가까이에서(제18b도), 작은 실린더내 기화된 연료가 연소실(20)내로 진입하고, 그 연소실에서, 그 연료가 압축점화로서 알려진 과정에서 뜨거운 공기와의 접촉에 의해 점화된다. 이때, 전형적인 디젤 분사기인 제2연료분사기(60)가 제18b도에 도시된 바와 같이 그의 연료를 분사한다. 그 연료는 토칭 화염, 또는 메리트 모드에서 연료의 연소에 의해 발생되는 온도 상승의 영향하에 매우 빠르게 점화된다. 제18c도에 도시된 팽창행정중에, 작은 피스톤(18)은 그의 하사점 위치에 정지하여 유지되고, 연소공간(20)내에서의 연소과정을 방해하지 않는다.

메리트/디젤 혼성모드는, 제16도와 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이 주 디젤 연료 송출을 위한 빠르고 강력한 점화원을 제공하기 위해 제2실린더가 사용되는 토칭(torching)구조이다.

메리트/디젤 혼성모드를 위한 제2구조가 제19도에 도시되어 있고, 4행정 기관으로서의 순환 작동 순서가 제20a도∼제20d도에 도시되어 있다. 이 구조에서는, 고압 연료분사기인 단일의 연료분사기(6034)가, 작은 피스톤(18)의 흡입행정(제20d도)중에, 예를 들어, F = 10%의 소량의 연료를 분사하고, 제20b도에 도시된 바와 같이 진입중이나 진입과정이 일어난 후, 또는 그 진입중과 진입후에는 큰 피스톤(16)의 상사점 위치 가까이에서 나머지 더 많은 양의 디젤 연료를 분사하는 2중 목적을 행한다. 그러한 연료분사기(6034)의 위치결정은, 그 분사기가 작은 피스톤의 흡입행정중에 작은 실린더(14)내 제1용적부(15a)내로 제1양의 연료를 송출할 수 있는 한편, 대략 500도의 크랭크각 후에 제2양의 연료가 큰 피스톤(16)의 압축행정의 끝 가까이에서 연소공간(20)에 직접 송출되도록 정해진다. 사이클당 이중 연료송출이 전자적으로 제어될 수 있다. 그러한 전자적으로 제어되는 디젤연료 분사시스템이 디젤기관에 사용하기 위해 최근 소개되었다. 연료분사기(6034)를 위한 적당한 위치가 제22도에도 나타내어져 있다. 전체 연료 양은 일정한 또는 가변적인 유량으로 2이상의 펄스로 또는 사실상 연속적으로 솔출될 수 있다.

제20c도는, 작은 피스톤(18)이 그의 하사점 위치에 정지하여 유지될 때의 큰 피스톤(16)에 대한 팽창행정을 나타낸다.

제18a도∼제18d도 및 제20a도∼제20d도의 메리트/디젤 혼성구조로, 2개의 연소시스템이 동시에 작동한다는 것이 인식될 것이다.

표 2와 표 3은 메리트/디젤 혼성 작동모드들을 예로서 요약한 것이다. 표에 있는 연료비(F)의 양은 예시의 목적으로만 선택된 것이다.

[표 2]

메리트/디젤 혼성모드 - 전형적인 예로서 승용차에 사용하기 위한, 제19도 및 제20a도∼제20d도에 도시된 바와 같이 하나의 이중 펄스 고압 연료분사기를 사용하는 직접진입 실시예.

스웨프트 용적비 E = 5%

연료 = 디젤 연료

압축비 = 16:1

도움이 없는 압축점화

스웨프트 용적비 E = 5%의 경우, 다음의 값들이 적용된다.

스웨프트 용적(큰 실린더) = 500 cc

스웨프트 용적(작은 실린더) = 25 cc

추가 연소실 용적(작은 실린더내) = 8 cc

[표 3]

메리트/디젤 혼성모드 - 전형직인 예로서 중화물 차량에 사용하기 위한 제17도에 도시된 바와 같이 디젤 모드를 위한 고압 연료분사기(60)와 메리트 모드를 위한 저압 연료 분사기(34)를 가지는 2중 연료모드.

스웨프트 용적비 E = 3%

연료 = 큰 실린더에 대해서는 디젤 연료

연료 = 작은 실린더에 대해서는 가솔린(또는 프로판 가스)

압축비 = 14:1

불꽃 기동 압축점화(제17도에 도시되지 않음)

스웨프트 용적비 E = 3%의 경우, 다음의 값들이 적용된다.

스웨프트 용적(큰 실린더) = 2000 cc

스웨프트 용적(작은 실린더) = 60 cc

추가 연소실 용적(큰 피스톤의 크라운내-도시되지 않음) = 94 cc

압축점화와 함께 디젤 연료를 사용하는 순수 메리트기관은 디젤기관이 아니다는 것이 인식될 것이다. 그러한 메리트기관(간접진입 기관의 예로 제11도에 도시되고, 중간진입 기관의 예로 제12도에 도시된)은, 작은 실린더내 제1용적부(15a)와 소통하고 작은 피스톤(18)의 흡입행정중에 저압으로 연료를 송출하는 오직 하나의 연료공급기만을 사용한다. 순수 메리트기관은 압축점화 기관으로서 디젤 연료로 작동할 수 있고, 그럼에도 불구하고, 순수 메리트 모드로 작동할 때는 혼성 디젤기관이 아니다. 예를 들어, 간접진입 모드 메리트기관(그의 작은 실린더가 제14도에 도시됨)은 혹은 불꽃 보조 점화 또는 STCI와 협력하여 디젤 연료를 사용할 수 있다. 그러나, 작은 피스톤의 흡입행정중에 모든 연료가 연료분사기(34)를 통하여 이 기관에 송출되기 때문에, 이 기관은 순수 메리트기관으로 남아 있고, 디젤 혼성 형태가 아니다.

3. 메리트/SIGE 혼성기관 구조

이 구조는, 순수 메리트기관이 동일한 기관 구조의 SIGE, 즉, 불꽃점화 가솔린기관에 연속하여 작동하게 한다. 그 구조가 제23도에 도시되어 있다.

제23도는 SIGE 기관에 특유의 구조에서 큰 실린더(12)의 흡입 덕트내에 배치된 추가 저압 연료분사기(82)와 스로틀 밸브(83)를 나타낸다. 점화 플러그(52)가 연소공간(20)내에 배치되어 있고 2중 목적을 이행한다. 그 점화 플러그는 STCI 점화과정에서 메리트 모드로 진입된 연료를 점화하거나, 또 다르게는, 순수 SIGE 모드에서 미리 혼합된 화학량론적 공기/연료 혼합물을 점화한다.

가솔린 타입 기관과의 혼성 구조는, 예를 들어, 80%∼100%의 높은 범위의 연료비(F) 값에서 화학량론적 공기/연료 혼합물 작동을 사용할 수 있게 하는 이점을 가진다. 그래서, 배기가스로부터 모든 산소가 제거되어, 3원촉매 컨버터의 사용을 허용한다. 80%∼100% 범위의 F값은 기관 배기가스내 질소 산화물의 대부분의 생성을 야기한다.

메리트/SIGE 혼성모드는, SIGE로서도 작동할 수 있도록 설계된 메리트기관으로 설명될 수 있다. 그러한 기관에서, 작은 실린더(14)는, 예를 들어, 전부하에서의 기관의 최대 연료 흡입물의 80%까지(80%까지의 F)의 상당한 양의 연료를 받아들이기에 충분히 크게 만들어진다. 일반적으로 말하여, 작은 실린더(14)가 클수록, 그 실린더내에 도입되고 진입전에 거의 기화될 수 있는 연료의 비율이 크게 된다. 작은 실린더(14)는, 예를 들어, 큰 실린더(12)의 스웨프트 용적의 대략 10%의 스웨프트 용적비(E)를 가질 수 있으나, 두 실린더의 상대적인 크기는 기관 설계자의 선택사항이다. 작은 실린더는 연소공간(20) 전체를 수용할 수 있고, 직접진입, 간접진입, 또는 중간진입 기관의 예들중 어느 하나로 구성될 수 있다. 점화 플러그(52)를 사용하는 불꽃 조력(STCI)이, 8:1 내지 12:1의 범위의 적당한 압축비를 사용하는 메리트 모드의 기관으로 가솔린과 같은 연료를 점화하는데 사용된다. 그 불꽃은, 소량의 연료가 작은 실린더(14)내 제1용적부(15a)로부터 연소공간(20)으로 진입할 때 그 연료를 점화한다. 연료가 연소에 필요한 공기와 혼합하면서 진입과정이 계속됨에 따라 나머지 연료의 압축점화를 허용하도록, 최초의 화염이 연소공간(20)내 압력과 온도를 상승시킨다. 이러한 구조에서, 점화과정의 정확한 타이밍이 불꽃 타이밍 뿐만 아니라 진입과정의 타이밍에 의해서도 영향을 받을 수 있다는 것을 주목하는 것이 중요하다.

혼성 기관은, 예를 들어, F = 0% 내지 80%의 연료비 범위에서 메리트 모드로 작동한다.

예를 들어, 80%보다 큰 연료비(F)로 작동할 때, 순수 모드의 메리트기관은 통상의 불꽃점화 가솔린기관으로 변한다. 이것은 연료분사기(34)를 통한 작은 실린더(14)에의 연료공급을 중단하고, 대신, 제23도에 도시된 흡입 매니포울드 분사기(82)에의 연료공급을 시작함으로써 달성될 수 있다. 이 분사기는 큰 실린더(12)의 흡입 덕트(25)에 사실상 화학량론적인 연료 혼합기를 위한 연료를 분사한다. F = 80% 내지 100% 범위의 연료비는, 메리트 모드로 작동할 때는 완전히 개방되었지만, F = 80%의 연료비에서는 부분적으로 닫히고, F = 100%의 연료비에서는 완전히 열리는 스로틀 밸브(83)를 사용하여 화학량론적으로 유지되도록 제어된다.

순수 SIGE 모드에서, 연료분사기(82)와 스로틀 밸브(83)가 기관에 화학량론적 연료/공기 혼합물을 제공하는 한편, 순수 메리트 모드에서는, 연료분사기(82)가 작용하지 않고, 연료분사기(34)가 작용한다. 양 연료분사기(34, 82)를 동시에 통하여 필요한 화학량론적 연료량을 혼합하는 것도 실제적으로 가능하다.

제24도는 순수 SIGE 모드에서의 메리트 SIGE 혼성 기관의 작동의 4행정 순서를 나타낸다. 연료가, 큰 피스톤(16)의 흡입행정중에 연료분사기(82)에 의해 흡입매니포울드내로 분사된다(제24a도). 점화 플러그(52)가 압축행정의 끝에서 화학량론적 혼합기를 점화한다(제24b도). 작은 피스톤(18)은 팽창행정중에 정지하여 유지되고(제24c도), 그래서, 연소과정을 방해하지 않는다. 배기행정(제24d도)중에, 연료분사기(34)가 작용하지 않을 수 있거나, 또 다르게는, 연료분사기(82)가 약간 감소된 연료량을 분사하도록 되는 경우, 그 연료분사기(34)가 도시된 바와 같이 소량의 연료를 분사할 수 있다. 작은 실린더(14)에 약간의 연료를 분사하는 것은, 조기점화 문제를 피하도록 작은 피스톤의 크라운을 냉각시키는 것을 도울 수 있다.

표 4는 메리트/SIGE 혼성 작동모드를 예로서 요약한 것이다. 표에 있는 연료비(F)의 양은 예시의 목적으로만 선택된 것이다.

[표 4]

전형적인 예로서 고출력 승용차의 경우.

스웨프트 용적비 E = 10%

연료 = 가솔린

압축비 = 8:1

메리트 모드 - 불꽃 기동 압축점화

SIGE 모드 - 제23도 및 제24a도∼제24d도에 도시된 바와 같은 정상적인 불꽃점화

스웨프트 용적비 E = 10%의 경우, 다음의 값들이 적용된다.

스웨프트 용적(큰 실린더) = 400 cc

스웨프트 용적(작은 실린더) = 40 cc

추가 연소실 용적(작은 실린더내) = 17 cc

불꽃 기동 점화와 함께 가솔린 연료를 사용하는 순수 메리트기관은 SIGE 기관이 아니다는 것도 인식될 것이다. 직접진입 기관의 예로 제5도에 도시되고 간접진입 기관의 예로 제21도에 도시된 그러한 순수 메리트기관은, 작은 피스톤의 흡입행정중에 연료를 분사하고 작은 실린더내 제1용적부(15a)와 소통하는 하나의 연료분사기(34)만을 사용한다. 순수 메리트기관은 가솔린 연료로 작동할 수 있고, 불꽃점화를 사용하며, 그럼에도 불구하고, 순수 메리트 모드로 작동하는 혼성 SIGE가 아니다.

제24도 및 제25a도∼제25d도의 메리트/SIGE 혼성구조에서, 2개의 연소시스템이 순차적으로 작동한다.

4. 메리트/희박 연소 SIGE 혼성 기관 모드

제15도는 이러한 모드에서의 작동을 설명한다. 이 모드에서, 작은 실린더(14)는 작은 용적비(E)로 되어 있을 수 있다. 이 메리트/회박 연소 SIGE 혼성모드의 목적은 흡입 밸브(24)를 통하여 큰 실린더에 도입된 희박 혼합기의 점화를 돕는 것이다. 이러한 혼성 형태에서, 메리트 모드와 SIGE 모드는 동시에 작동한다.

스웨프트 용적비는, 예를 들어, E = 2% 내지 5%의 범위내 일 수 있고, 순수메리트 모드에서의 작동을 위한 연료비(F)는, 예를 들어, 대략 10%일 수 있다. 따라서, 그 기관이 순수 메리트 모드에서 아이들링을 하지만, 출력 요구가 높아짐에 따라 약간의 가솔린이 연료분사기(82)에 의해 큰 실린더에의 주 공기 흡입 덕트(25)에 공급된다.

낮은 부분부하 BMEP값들에서, 연료분사기(82)에 의해 제공된 매우 희박한 혼합기는 메리트 모드의 조력으로도 발화할 수 없다. 그러한 경우, 스로틀 밸브(83)가 사용되어, 그러한 점화가 가능하게 될 때까지 흡입 밸브(24)에 도입되는 혼합기체를 농후하게 한다. 이러한 상태가 20% 내지 50%의 F값에서 아래 표 5에 예로서 나타내어져 있다.

[표 5]

메리트 모드에 의해 토치 점화되는 희박 연소 가솔린기관.

스웨프트 용적비 E = 4%

연료 = 가솔린

압축비 = 9:1

메리트 모드-제15도에 도시된 바와 같은 불꽃 기동 압축점화

스웨프트 용적비 E = 4%의 경우, 다음의 값들이 적용된다.

스웨프트 용적(큰 실린더) = 500 cc

스웨프트 용적(작은 실린더) = 20 cc

추가 연소실 용적(큰 피스톤의 크라운내) = 40 cc

[플라스마 점화]

다시 제15도를 참조하면, 이 구조는 본 발명의 또 다른 적용에 적당하다. 작은 실린더가, 화학량론적으로 작동하는 SIGE기관 적용과 낮은 압축비로 작동하는 디젤기관 적용을 위한 강력한 불꽃 시동 플라스마 점화원으로 사용될 수 있다. 그러한 구조에서, 작은 실린더는 적당한 최소 연료량을 기화시키는데 충분한 작은 용적비(E)를 가질 수 있다.

연료분사기(34)가 매우 소량의 휘발성 연료나 다른 기체상 연료중 어느 하나를 분사할 수 있다. 기체상 연료는 전기 또는 공기 수단에 의해 작동되는 작은 밸브에 의해 작은 피스톤의 흡입행정중에 분배될 수 있다. 예를 들어, 수소, 프로판, 또는 부탄 가스가 1% 이하 만큼 작은 값의 작은 실린더 스웨프트 용적비에서 적당할 수 있다. 제15도에 도시된 바와 같은 메리트/회박 연소 SIGE 혼성, 또는 제16도에 도시된 바와 같은 메리트/디젤 혼성으로서의 기관의 작동은 위에 기술된 과정들과 유사하지만, 작은 실린더(14)의 크기를 감소시키는 목적은, 독력의 점화 플러그와 비교한 때 점화에너지를 증대시키는 가장 간단한 방식을 제공하는 것이다. 예를 들어, 수소 공급물을 점화 플러그에 제공하는 시스템이 플라스마 제트 점화기로서 알려져 있다. 메리트 분리과정은, 예를 들어, 액체 부탄이 흡입행정중에 저압으로 작은 실린더에 도입되게 하고, 그 부탄이 진입에 이어 점화 플러그에 의해 점화될 때까지 그곳에 분리되어 남아 있게 한다. 그 결과로 얻어진 플라스마 제트가 SIGE기관의 미리 혼합된 공기/연료 혼합물을 점화하거나, 또 다르게는, 디젤기관의 점화와 연소과정을 크게 돕는다. 가솔린 또는 다른 적당한 연료들도 플라스마를 생성하는 데 사용될 수 있다.

소형의 작은 실린더(14)가 작은 피스톤(18)을 위한 작은 구동기구를 필요로하고, 이것은 전기나 공기로 작동될 수 있다.

완전한 작은 실린더-작은 피스톤 조립체가, SIGE 기관내의 도움없는 점화플러그를 대신하거나 디젤기관에서의 점화를 돕도록 실린더 헤드내 나사결합 부착물로서 구성될 수 있다.

제22도는 작은 실린더(14) 또는 연소실(20)에 연료를 공급하는 연료분사기들의 몇몇 가능한 배치위치들을 나타낸다.

표 6과 표 7은, 메리트 모드에서 플라스마 토치 점화를 사용한, 제15도 및 제16도의 기관의 디젤 및 화학량론적 페트롤 작동 모드들을 예로서 나타낸다.

[표 6]

플라스마 점화 - 전형적인 예로서 직접분사 선박용 디젤기관의 경우.

스웨프트 용적비 E = 0.5%

토칭 연료 = 가솔린

압축비 = 16:1

점화 - STCI

스웨프트 용적비 E = 0.5%의 경우, 다음의 값들이 적용된다·

스웨프트 용적(큰 실린더) = 5000 cc

스웨프트 용적(작은 실린더) = 25 cc

추가 연소실 용적(큰 피스톤의 크라운에 제공된) = 305 cc

작은 피스톤은 전기적으로 작동됨

[표 7]

플라스마 점화 - 전형적인 예로서 화학량론적 가솔린 기관을 가진 경량 화물차량의 경우.

스웨프트 용적비 E = 1%

토칭 연료 = 가솔린

압축비 = 10:1

점화 - STCI

스웨프트 용적비 E = 1%의 경우, 다음의 값들이 적용된다.

스웨프트 용적(큰 실린더) = 100O cc

스웨프트 용적(작은 실린더) = 1O cc

추가 연소실 용적 = 10O cc

작은 피스톤이 전기적으로 작동됨

작은 실린더와 소통하는 연료분사기들의 위치결정은 메리트기관의 구조와 그의 의도된 용도에 좌우된다. 여러가지 위치들이 제22도에 도시되어 있다.

연료분사기(34)는, 메리트 모드에서 저압 연료분사기가 연료를 공급하게 하도록 위치된다. 이러한 위치는, 그 연료분사기가 팽창 기간중과 대부분의 연소과정중에 작은 피스톤의 크라운에 의해 차폐되는 이점을 가진다.

연료분사기(6034)의 위치는 순수 메리트 모드에 작당하거나, 또는 제19도 및 제20a도∼제20d도에 도시된 디젤 혼성구조에서의 전기 작동식 디젤분사기에 적당하다.

이 위치가 메리트 모드에서 사용되는 경우에는, 연료분사기는 그 분사기가 가솔린과 같은 연료를 저압으로만 송출하는 것이 필요할지라도, 연소 압력과 온도에 견딜수 있어야 한다. 외측으로 열려 있는 핀틀(pintle) 타입 분사기들이 그러한 용도에 적당하고, 그 분사기들은 저크(jerk) 펌프에 의해 또는 전자적으로 작동될 수 있다. 이 위치가 디젤 혼성모드에서 사용되는 경우에는, 연료분사기가 1 기관 사이클중에 2번 디젤 연료를 고압으로 송출할 수 있어야 한다.

연료분사기(60)의 위치는 연료가 연소실(20)의 전체 용적에 걸쳐 균일하게 분사되게 하고, 제17도 및 제18a도∼제18d도에 도시된 바와 같은 2개의 연료분사기를 사용하는 메리트/디젤 혼성기관으로 작동하는 고압 디젤연료분사기에 가장 적당하다.

제25a도∼제25d도는, 앞에서 나타내어진 연장된 윤곽의 캠(500)과 비교되는 다른 캠(506)을 사용하는 메리트/SIGE 혼성구조를 나타낸다. 이 캠(506)은 흡입행정(제25a도)과 압축행정(제25b도) 동안에 작은 피스톤을 큰 피스톤과 사실상 동기하여 이동시킨다. 큰 피스톤(16)의 팽창행정(제25c도)과 배기행정(제25d도)중에, 그 캠은 작은 피스톤이 그의 하사점 위치에 정지하여 유지되게 한다. 그러한 캠은 혼성형태를 포함하여 모든 형태의 메리트기관에서 사용될 수 있다. 작은 피스톤의 흡입행정이 제25d도에 도시된 큰 피스톤의 배기행정중에 시작되게 하고 제25a도에 도시된 큰 피스톤의 흡입행정의 끝 전에 종료되게 하는 변형들도 가능하다.

이 캠(506)은 캠(500)과 비교하여 작은 피스톤의 흡입행정중에 그 작은 피스톤에 더 높은 속도를 부여하고, 이 때문에, 더 크고 더 느린 기관에 또는 작은 값의 용적비(E)에 사용하는데 더 적당할 수 있다.

제25a도∼제25d도는 또한, 작은 피스톤(18)의 운동을 행하게 하는 구동기구가, 기관이 순수 SIGE 모드로 작동할 때는 단절되고 기관이 메리트기관 모드로 작동할 필요가 있을 때는 재연결되는 메리트/SIGE 혼성기관에 적당한 임의의 구조를 나타낸다. 따라서, 제25a도∼제25d도에 도시된 작동 사이클은 4행정 작동의 전형적인 SIGE 사이클이다. 그러한 단절은 어떠한 적당한 캠 윤곽에도, 또는 작은 피스톤을 이동시키도록 선택된 어떠한 구동기구(예를 들어, 전기적, 기계적, 또는 공기 구동기구)에도 사용될 수 있으며, 또한, 메리트/디젤 혼성기관에도 적용될 수 있다.

Claims (75)

1. (정정) 제1실린더(12)가 제2실린더(14)보다 큰 스웨프트 용적을 가지는 1쌍의 제1 및 제2실린더(12,14); 상기 실린더들 각각에서 왕복운동가능한 제1및 제2피스톤(16,18)으로서, 제2피스톤(18)이 구동 스템(234)을 가지고 있고, 상기 제2실린더(14)를, 제2피스톤의 상기 구동 스템을 수용하는 제1용적부(15a)와 상기 2개의 피스톤들 사이의 제2용적부(15b)로 분할하는 제1 및 제2피스톤(16,18); 상기 제1실린더(12)와 소통하는 공기흡입수단(25); 상기 제1실린더(12)와 소통하는 배기수단(27); 상기 제1및 제2피스톤(16,18)이 그들 각각의 하사점 위치에 있을 때, 상기 제1피스톤(16)과 제2피스톤(18) 사이에, 상기 제2용적부(15b)를 포함하는 공통의 연소공간(20)을 형성하는 수단; 상기 제1용적부(15a)내에서의 압축행정의 끝 무렵에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 이송수단(39,128); 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부로부터 상기 제2용적부내로의 연료/공기 혼합물의 이동을 억제하는 억제수단(128, C);연료를 상기 제1용적부(15a)에 제공하기 위한 제1연료공급원(34,70); 및 상기, 제2피스톤(18)을 구동시키기 위한 구동수단(D)으로서, 상기 제1피스톤(16)의 팽창행정의 일부분중에 상기 제2피스톤(18)을 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 정지하여 유지시키는 유지수단을 포함하는 구동수단(D)을 포함하는 내연기관.
2. (정정) 제1항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)과의 사이에 간격부(128)를 형성하도록 그 측벽(14a)으로부터 반경방향으로 떨어져 있는 가장자리(37)를 가진 크라운(35)을 가지고 있고; 상기 이송수단이, 상기 제1실린더(12)로부터 먼쪽의 상기 제2실린더(14)의 끝에 형성되어 있고, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 상기 제2피스톤의 크라운(35)의 상기 가장자리(37) 둘레에 제1바이패스부를 형성하는 수단(39)을 포함하고; 상기 간격부(128)가, 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부로부터 상기 연소공간내로 상기 측벽과 상기 제2피스톤의 크라운(35) 사이에서의 가스의 통과를 제한하도록 하는 크기로 되어 있어 상기 억제수단을 구성하는 내연기관.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 그 제2피스톤(18)의 전체 행정중에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 간격부(128)를 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)과의 사이에 형성하도록 그 측벽(14a)으로부터 반경방향으로 떨어져 있는 가장자리(37)를 가진 크라운(35)을 가지고 있고; 상기 간격부(128)가 상기 이송수단을 구성하며; 상기 억제수단이, 상기 제1 및 제2실린더(12,14)의 상대적 압축대 진입 용적비(명세서에 정의된 바와 같은)를 포함하고, 상기 상대적 압축대 진입 용적비가 1 이상인 내연기관.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 그 제2피스톤(18)의 전체 행정중에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 간격부(128)를 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)과의 사이에 형성하도록 그 측벽(14a)으로부터 반경방향으로 떨어져 있는 가장자리(37)를 가진 크라운(35)을 가지고 있고; 상기 간격부(128)가 상기 이송수단을 구성하며; 상기 억제수단은, 사용시, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부(15a)로부터 상기 제2용적부(15b)로의 연료/공기 혼합물의 흐름을 억제하기 위해 상기 간격부를 가로질러 압력차가 생성되도록 상기 제1및 제2피스톤(16,18)을 구동시키기 위해 그 피스톤들 사이를 연결하는 연결수단(C)을 포함하는 내연기관.
5. (정정) 제1항에 있어서, 상기 이송수단이, 상기 제1실린더(12)로부터 먼쪽의 상기 제2실린더(14)의 끝에 형성되어 있고, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한곳에 있을 때 상기 제2피스톤 둘레에 제1바이패스부를 형성하는 수단(39)을 포함하고; 상기 억제수단이, 상기 제1 및 제2 실린더(12,14)의 상대적 압축대 진입 용적비를 포함하고, 상기 상대적 압축대 진입 용적비가 1 이상인 내연기관.
6. (정정) 제1항에 있어서, 상기 이송수단이, 상기 제1실린더(12)로부터 먼쪽의 상기 제2실린더(14)의 끝에 형성되어 있고, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 상기 제2피스톤 둘레에 제1바이패스부를 형성하는 수단(39)을 포함하고; 상기 억제수단은, 사용시, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부(15a)로부터 상기 제2용적부(15b)로의 연료/공기 혼합물의 흐름을 억제하기 위해 상기 간격부를 가로질러 압력차가 생성되도록 상기 제1 및 제2피스톤(16,18)을 구동시키기 위해 그 피스톤들을 연결하는 연결수단(C)을 포함하는 내연기관.
7. 제2항에 있어서, 상기 억제수단이, 상기 제1 및 제2실린더(12,14)의 상대적 압축대 진입 용적비를 더 포함하고, 상기 상대적 압축대 진입 용적비가 1 이상인 내연기관.
8. 제2항, 제5항, 제6항, 또는 제7항에 있어서, 상기 제1바이패스부를 형성하는 상기 수단(39)이, 상기 제2실린더(14)의 원주의 일부 또는 전체에 걸쳐 연장하여 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)에 형성된 홈인 내연기관.
9. (정정) 제2항, 제3항, 제5항, 또는 제7항에 있어서, 상기 억제수단이, 사용시, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부(15a)로부터 상기 제2용적부(15b)로의 연료/공기 혼합물의 흐름을 억제하기 위해 상기 간격부를 가로질러 압력차가 생성되도록 상기 제1 및 제2피스톤(16,18)을 구동시키기 위해 그 피스톤들을 연결하는 연결수단(C)을 더 포함하는 내연기관.
10. (정정) 제1항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 그 제2피스톤(18)의 전체 행정중에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 간격부(128)를 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)과의 사이에 형성하도록 그 측벽(14a)으로부터 반경방향으로 떨어져 있는 가장자리(37)를 가진 크라운(35)을 가지고 있고; 상기 이송수단이 상기 간격부(128)와, 상기 제1실린더(12)로부터 먼쪽의 상기 제2실린더(14)의 끝에 형성되어 있고, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 상기 제2피스톤의 크라운(35)의 상기 가장자리(37) 둘레에 제1바이패스부를 형성하는 수단(39)을 포함하고; 상기 억제수단은,사용시, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부(15a)로부터 상기 제2용적부(15b)로의 연료/공기 혼합물의 흐름을 억제하기 위해 상기 간격부를 가로질러 압력차가 생성되도록 상기 제1 및 제2피스톤(16,18)을 구동시키기 위해 그 피스톤들을 연결하는 연결수단(C)을 포함하는 내연기관.
11. (정정) 제1항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 그 제2피스톤(18)의 전체 행정중에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 간격부(128)를 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)과의 사이에 형성하도록 그 측벽(14a)으로부터 반경방향으로 떨어져 있는 가장자리(37)를 가진 크라운(35)을 가지고 있고; 상기 이송수단이 상기 간격부(128)와, 상기 제1실린더(12)로부터 먼쪽의 상기 제2실린더(14)의 끝에 형성되어 있고, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 상기 제2피스톤 크라운(35)의 상기 가장자리(37) 둘레에 제1바이패스부를 형성하는 수단(39)을 포함하고; 상기 억제수단이, 상기 제1및 제2실린더(12,14)의 상대적 압축대 진입 용적비를 포함하고, 상기 상대적 압축대 진입 용적비가 1 이상인 내연기관.
12. (정정) 제1항에 있어서, 상기 억제수단이, 상기 제1 및 제2실린더(12,14)의 상대적 압축대 진입 용적비로서, 1 이상인 상기 상대적 압축대 진입 용적비를 포함하고, 사용시, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부(15a)로부터 상기 제2용적부(15b)로의 연료/공기 혼합물의 흐름을 억제하기 위해 상기 간격부를 가로질러 압력차가 생성되도록 상기 제1및 제2피스톤(16,18)을 구동시키기 위해 그 피스톤들 사이를 연결하는 연결수단(C)을 포함하고; 상기 이송수단이, 상기 제1실린더(12)로부터 먼쪽의 상기 제2실린더(14)의 끝에 형성되어 있고, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 상기 제2피스톤의 크라운(35)의 상기 가장자리(37) 둘레에 제1바이패스부를 형성하는 수단(39)을 포함하는 내연기관.
13. 제12항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 그 제2피스톤(18)의 전체 행정중에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 간격부(128)를 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)과의 사이에 형성하도록 그 측벽(14a)으로부터 반경방향으로 떨어져 있는 가장자리(37)를 가진 크라운(35)을 가지고 있고; 상기 이송수단이 상기 간격부(128)를 포함하는 내연기관.
14. (정정) 제4항, 제6항, 제10항, 제12항중 어느 한항에 있어서, 상기 연결수단(C)이 기계적 결합기구인 내연기관.
15. (정정) 제2항, 제5항, 제6항, 제7항, 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1바이패스부를 형성하는 상기 수단(39)이 상기 제2실린더(14)의 원주의 일부 또는 전체에 걸쳐 연장하여 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)에 형성된 홈인 내연기관.
16. (정정) 제15항에 있어서, 상기 제1바이패스부를 형성하는 상기수단(39)이 상기 제2실린더(14)의 보어의 급격한 또는 점진적인 확대부에 의해 형성된 내연기관.
17. (정정) 제15항에 있어서, 상기 홈(39)과 상기 제2피스톤의 크라운(35)의 상기 가장자리(37)가, 상기 제2용적부(15b)내로 유입하는 연료/공기 혼합물과 상기 제2용적부내 공기와의 혼합을 돕기 위한 발산하는 간격부를 제공하도록 하는 형상으로 되어 있는 내연기관.
18. (정정) 제1항 내지 제7항과 제19항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이 그의 상사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 상기 제2피스톤(18) 둘레에 제2바이패스부를 형성하는 수단(391)이 상기 제1실린더(12)에 가까운 쪽의 상기 제2실린더(14)의 단부에 형성된 내연기관.
19. 제18항에 있어서, 상기 제2바이패스부를 형성하는 상기 수단(391)이 상기 제2피스톤의 크라운(35)의 가장자리(37)의 두께보다 큰 축방향 길이를 가지는 내연기관.
20. (정정) 제18항에 있어서, 상기 제2바이패스를 형성하는 상기 수단(391)이 상기 제2실린더(14)의 원주의 일부 또는 전체에 걸쳐 연장하여 상기 제2실린더(14)의 측벽(14a)에 형성된 홈인 내연기관.
21. (정정) 제18항에 있어서, 상기 제2바이패스를 형성하는 상기 수단(391)이 상기 제2실린더(14)의 보어의 급격한 또는 점진적인 확대부에 의해 형성된 내연기관.
22. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)의 상기 스템(234)이 기관의 실린더 헤드의 보어내에서 시일(seal)되어 축방향으로 미끄럼이동 가능하게 배치되는 내연기관.
23. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)의 상기 스템(234)이 기관의 실린더 헤드의 보어내에서 시일되어 축방향으로 미끄럼이동 가능하게 배치되고; 상기 기관이, 상기 보어로부터상기 공기흡입수단(25)으로 누출 가스를 공급하기 위해 상기 보어를 상기 공기흡입수단(25)에 연결하는 통로수단(5101)을 더 포함하는 내연기관.
24. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1실린더(12)와 제2실린더(14) 사이에서 흐르는 공기에 소용돌이를 유발하는 수단(116,1161,216,2161)을 더 포함하는 내연기관.
25. (정정) 제24항에 있어서, 상기 제1실린더(12)와 제2실린더(14) 사이에서 흐르는 공기에 소용돌이를 유발하는 상기 수단이, 상기 제1피스톤의 크라운상에 형성되고, 상기 제1피스톤이 그의 상사점 위치에 접근할 때 상기 제2실린더(14)내로 돌출하도록 배치된 돌출부(116)를 포함하는 내연기관.
26. 제25항에 있어서, 상기 돌출부(116)가 미리 설정된 방향으로 상기 가스 흐름의 분사류를 보내기 위한 구멍(1161)을 가지는 내연기관.
27. 제24항에 있어서, 상기 제1실린더(12)와 제2실린더(14) 사이에서 흐르는 공기에 소용돌이를 유발하는 상기 수단이 상기 제1실린더(12)와 제2실린더(14) 사이의 제한부(216)를 포함하고, 상기 제한부가 미리설정된 방향으로 상기 가스 흐름의 분사류를 보내기 위한 구멍(2161)을 가지는 내연기관.
28. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1실린더(12)와 제2실린더(14) 사이에 배치되는 격벽(216)을 더 포함하고 상기 격벽이 미리 정해진 방향으로 상기 가스 흐름의 분사류를 보내기 위한 구멍(2161)을 가지는 내연기관.
29. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1연료공급원(34)이 연소중에 상기 제2피스톤(18)에 의해 차폐되도록 하는 위치에 배치된 저압 연료분사기인 내연기관.
30. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1연료공급원(34,6034)이 액체연료 분사기인 내연기관.
31. (2회 정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1연료공급원(34,6034)이 기체상 연료 분사기인 내연기관.
32. (2회 정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 연소공간(20)내 연료를 점화시키기 위한 점화수단(52)을 더 포함하는 내연기관.
33. 제32항에 있어서, 상기 점화수단(52)이 점화 플러그, 글로우 플러그, 또는 다른 점화장치를 포함하는 내연기관.
34. (2회 정정) 제32항에 있어서, 상기 점화수단이 상기 연소공간(20)내 선택된 위치에 배치된 촉매물질층을 포함하는 내연기관.
35. (정정) 제15항에 있어서, 상기 작은 실린더(14)의 상기 측벽(14a)의 공동부(空洞部)(1152)내에 배치된 점화 플러그를 포함하는 점화수단(52)을 더 포함하고, 상기 공동부가 상기 제1바이패스부를 형성하는 상기 수단(39)으로 개방하여 있는 내연기관.
36. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 고압액체연료 분사기 형태의 제2연료공급원(60)이, 상기 제2연료공급원(60)이 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 상기 제2연료공급원(60)이 상기 제1연료공급원(34)에 의해 상기 제1용적부(15a)에 공급되는 연료에 추가하여 다량의 연료를 압력하에 상기 연소공간(20)으로 송출할 수 있도록 배치된 내연기관.
37. (정정) 제36항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치로부터 떨어져 있는 미리 정해진 위치에 있을 때, 송출될 전체 연료량중 일정 비율을 상기 제1용적부(15a)내로 송출하는것을 시작하고 종료하도록 상기 제1연료공급원(34)을 제어하고, 후에 상기 제1피스톤(16)이 그의 상사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳이 있고 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 전체 연료량 중 나머지 비율을 상기 연소공간(20)내로 송출하도록 상기 제2연료공급원(60)을 제어하는 제어수단(M)을 더 포함하는 내연기관.
38. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한상에 있어서, 상기 제1연료공급원(6034)이 상기 제2실린더(14)의 상기 제1 및 제2용적부(15a, 15b)내로 직접 연료를 송출하기 위해 상기 제2실린더(14)의 벽에 배치된 고압 연료분사기인 내연기관.
39. 제38항에 있어서,상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치로부터 떨어져 있는 미리정해진 위치에 있을 때, 송출될 전체 연료량중 일정 비율을 상기 제1용적부(15a)내로 송출하는 것을 시작하고 종료하고, 후에 상기 제1피스톤(16)이 그의 상사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있고 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 있을 때 전체 연료량중 나머지 비율을 상기 연소공간(20)내로 송출하도록 상기 연료분사기(6034)를 제어하는 제어수단(M)을 더 포함하는 내연기관.
40. (정정) 제39항에 있어서, 상기 제어수단(M)이, 상기 작은 피스톤(18)의 흡입행정과 압축행정중에 또는 그들 행정중에 어느 한 행정중에 연료의 상기 첫번째 비율이 상기 제2실린더(14)의 상기 제1용적부(15a)내로 송출되고, 진입의 개시와 함께 시작하거나 진입후의 기간중에 연료의 상기 나머지 비율이 상기 연소공간(20)으로 송출되도록 하는방식으로 연료의 전체 양을 소정의 기간에 걸쳐 일정하거나 가변적인 유량으로 2개 이상의 펄스로 또는 연속적으로 송출하도록 작동하는 내연기관.
41. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 가변 흐름면적 밸브수단(83)이 상기 제1실린더(12)에의 공기 공급의 제한을 가능하게 하기 위해 상기 제1실린더(12)와 소통하여 상기 공기흡입수단(25)의 상류측에 배치된 내연기관.
42. (정정) 제1항 내지 제7하아과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 가변 흐름면적 밸브수단(83)이 상기 제1실린더(12)에의 공기 공급의 제한을 가능하게 하기 위해 상기 제1실린더(12)와 소통하여 상기 공기흡입수단(25)의 상류측에 배치되고; 제2연료공급원(82)이, 기관이 SIGE 모드로 작동할 수 있게 하도록 불꽃점화성 연료/공기 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1실린더(12)의 상기 공기흡입수단(25)에 배치된 내연기관
43. (2회정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1실린더(12)에 연료를 제공하기 위한 제2연료공급원(82); 상기 제1실린더(12)에의 공기 공급이 제한을 가능하게 하기 위해 상기 제1실린더(12)와 소통하여 상기 공기흡입수단(25)의 상류측에 배치된 가변 흐름면적 밸브수단(83); 상기 연소공간(20)내 연료를 점화하기 위한 점화수단 (52); 상기 점화수단(52)을 제어하는 제어수단(M); 및 압축행정의 끝 가까이에서 상기 연소공간내에 발생된 압력과 온도가 사용된 연료의 자발적 압축점화를 야기하기에 불충분하게 되게 하는 수단을 더 포함하는 내연기관.
44. 제43항에 있어서, 상기 점화수단(52)이 상기 작은 실린더(14)의 상기 측벽(14a)의 공동부(1152)에 배치된 점화 플러그를 포함하는 내연기관
45. 제43항에 있어서, 상기 제1연료공급원(34)이 작동하지 않고 상기 가변 흐름면적 밸브수단(83)이 상기 제1실린더(12)내로 흡입되는 연료/공기 혼합물을 화학량론적이도록 제어하는 SIGE 모드와, 상기 제2연료공급원(82)이 작동하지 않고 상기 가변 흐름면적밸브수단(83)이 완전히 개방되어 있는 STCI 모드와의 사이에서 기관을 전환하도록 상기 제1및 제2연료공급원(34,82)과 상기 가변 흐름면적 밸브수단(83)을 제어하는 제어수단(M)을 더 포함하는 내연기관
46. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 기관의 아이들링(idling)이, 상기 제2실린더(14)의 상기 제1용적부(15a)로 송출된 공기내로 상기 제1연료공급원(34,6034)으로부터 연료를 도입시킴으로써 실행되고; 상기 혼합물이, 압축 온도를 압축점화값 아래로 제한하도록, 절기된 양의 공기를 상기 제1실린더(12)내로 도입시킨 후 상기 연소공간(20)내로 진입되고; 상기 혼합물이, 상기 제2피스톤(18)이 그의 하사점 위치와 관련된 적당한 위치에 있을 때 점화 플러그(52)에 의해 점화되는 내연기관
47. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 연소공간(20)이 상기 제2용적부(15b)를 포함하는 내연기관.
48. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 13항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2용적부(15b)가 상기 연소공간(20)을 포함하는 내연기관.
49. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 유지수단이, 상기 제1피스톤(16)의 팽창행정과 배기행정의 일부 또는 전체중에 상기 제2피스톤(18)을 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 정지하여 유지시키도록 배치된 내연기관
50. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 구동수단(D)이, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 처음 부분중에는 상기 제1피스톤(16)보다 작은 백분률의 행정에 걸쳐 상기 제2피스톤(18)을 이동시키고, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 후반 부분에 걸쳐서는 상기 제1피스톤이 상사점 위치에 그리고 제2피스톤이 하사점 위치에 동시에 도달하게 하도록 상기 제2피스톤을 가속시키도록 배치된 내연기관
51. (정정) 제50항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이 그 제2피스톤(18)을 그의 하사점 위치쪽으로 밀어 붙이는 바이어싱수단(501)을 가지고 있고;상기 구동수단이 상기 제2피스톤(18)을 이동시키기 위한 캠수단(500,506)을 포함하고; 그 캠수단(500,506)이, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 후반 부분에 걸쳐 상기 제2피스톤을 가속시키도록 그의 각운동의 일 부분에 걸쳐서는 상기 제2피스톤으로부터 떨어지도록 하는 윤곽을 가지는 내연기관.
52. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 구동 수단이 상기 제2피스톤(18)을 이동사키기 위한 캠수단(500,506)을 포함하는 내연기관.
53. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 구동수단이 상기 제1피스톤(16)의 배기행정과 흡입행정중에 상기 제2프스톤(18)을 그의 흡입행정에 걸쳐 이동시키도록 배치된 내연기관.
54. (정정) 제1항 내지 제7항 과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기 구동수단이, 상기 제1피스톤(16)이 그의 흡입행정에 걸쳐 이동하는 동안 상기 제2피스톤(18)을 그의 흡입행정에 걸쳐 이동시키도록 배치된 내연기관.
55. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 기관이 통상의 기관으로 작동할 수 있게 하도록, 상기 제1피스톤(16)의 각 사이 클중에 상기 제2피스톤(18)을 그의 하사점 위치에 유지시키는 수단을 더 포함하는 내연기관.
56. (정정) 제1항 내지 제7항과 제10항 내지 제13항중 어느 한항에 있어서, 상기구동수단이 전기, 공기, 또는 유압 작동기수단을 포함하는 내연기관.
57. (정정) 제1실린더(12)가 제2실린더(14)보다 큰 스웨프트 용적을 가지는 1쌍의 제1 및 제2실린더(12, 14); 그 실린더들 각각에서 왕복운동가능한 제1 및 제2피스톤(16,18)으로서, 제2피스톤(18)이 구동 스템(234)을 가지고 있고, 상기 제2실린더(14)를, 제2피스톤의 상기 구동 스템을 수용하는 제1용적부(15a)와 상기 2개의 피스톤들 사이의 제2용적부(15b)로 분할하는 제1 및 제2피스톤(16, 18); 상기 제1실린더(12)와 소통하는 공기흡입수단(25); 상기 제1실린더(12)와 소통하는 배기수단(27); 상기 제1 및 제2피스톤(16, 18)이 그들 각각의 하사점 위치에 있을 때, 상기 제1피스톤(16)과 제2피스톤(18) 사이에, 상기 제2용적부(15b)를 포함하는 공통의 연소공간(20)을 형성하는 수단; 상기 제1용적부(15a)내에서의 압축행정의 끝 무렵에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 이송수단(39, 128); 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부로부터 상기 제2용적부내로의 연료/공기 혼합물의 이동을 억제하는 억제수단(128, C); 연료를 상기 제1용적부(15a)에 제공하기 위한 제1연료공급원(34, 70); 및 상기 제2피스톤(18)을 구동시키기 위한 구동수단(D)으로서, 상기 제1피스톤(16)의 팽창행정의 일 부분중에 상기 제2피스톤(18)을 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 정지하여 유지시키는 수단을 포함하는 구동수단(D)을 포함하는 내연기관을 작동시키는 방법으로서, 상기 제2피스톤(18)의 흡입행정과 압축행정중에 또는 그들 행정중 어느 한 행정중에 미리선택된 양의 제1연료를 제1용적부(15a)내로 도입하는 단계; 상기 제1실린더(12)내에 미리선택된 연료/공기비의 혼합물을 제공하도록 상기 제1피스톤(16)의 흡입랭정중에 미리선택된 양의 제2연료를 상기 제1실린더(12)내로 도입하는 단계;및 진입하는 연료의 일 부분을 점화시켜, 상기 제1실린더(12)내로 이미 도입된 상기 연료/공기 혼합물의 점화를 야기하도록 진입 개시후와 진입 완료전에 상기 연소공간(20)내로 점화에너지를 방출하는 단계를 포함하는 내연기관 작동방법.
58. 제57항에 있어서, 상기 제1실린더(12)내 상기 미리선택된 연료/공기 혼합물이 화학량론적인 것보다 더 희박한 내연기관 작동방법.
59. 제57항에 있어서, 상기 제1실린더(12)내 상기 미리선택된 연료/공기 혼합물이 화학량론적인 내연기관 작동방법.
60. (정정) 제1실린더(12)가 제2실린더(14)보다 큰 스웨프트 용적을 가지는 1쌍의 제1및 제2실린더(12, 14); 상기 실린더들 각각에서 왕복운동가능한 제1 및 제2피스톤(16, 18)으로서, 제2피스톤(18)이 구동 스템(234)을 가직고 있고, 상기 제2실린더(14)를, 제2피스톤의 상기 구동 스템을 수용하는 제1용적부(15a)와 상기 2개의 피스톤들 사이의 제2용적부(15b)로 분할하는 제1및 제2피스톤(16, 18);상기 제1실린더(12)와 소통하는 공기흡입수단(25); 상기 제1실린더(12)와 소통하는 배기수단(27); 상기 제1및 제2피스톤(16, 18)이 그들 각각의 하사점 위치에 있을 때, 상기 제1피스톤(16)과 제2피스톤(18) 사이에, 상기 제2용적부(15b)를 포함하는 공통의 연소공간(20)을 형성하는 수단; 상기 제1용적부(15a)내에서의 압축행정의 끝 무렵에 상기 제1용적부(15a)와 제2용적부(15b) 사이에서 가스가 흐를 수 있게 하는 이송수단(39, 128); 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵까지 상기 제1용적부로부터 상기 제2용적부내로의 연료/공기 혼합물의 이동을 억제하는 억제수단(128,C);연료를 상기 제1용적부(15a)에 제공하기 위한 제1연료공급원(34, 70); 및 상기 제2피스톤(18)을 구동시키기 위한 구동수단(D)으로서, 상기 제1피스톤(16)의 팽창행정의 일 부분중에 상기 제2피스톤(18)을 그의 하사점 위치 또는 그 위치에 인접한 곳에 정지하여 유지시키는 수단을 포함하는 구동수단(D)을 포함하는 내연기관을 작동시키는 방법으로서, 상기 제2피스톤(18)의 흡입행정과 압축행정중에 또는 그들 행정중 어느 한 행정중에 미리선택된 양의 제1연료를 상기 제1용적부(15a)내로 도입하는 단계와; 진입하는 연료의 일 부분을 점화시켜, 상기 연소공간(20)내 온도와 압력을, 진입하는 연료의 나머지를 압축점화에 의해 점화하는데 충분한 수준으로 상승시키도록 진입 개시후와 진입 완료전에 상기 연소공간(20)내로 점화에너지를 방출하는 단계를 포함하는 내연기관 작동방법.
61. 제60항에 있어서, 상기 제1실린더(12)내에 미리선택된 연료/공기비의 혼합물을 제공하도록 상기 제1실린더(12)내로 흡입되는 공기의 양을 제어하면서 상기 제1피스톤(16)의 흡입행정중에 상기 제1실린더(12)내로 미리선택된 양의 또다른 연료를 도입하는 단계를 더 포함하는 내연기관 작동방법
62. 제61항에 있어서, 상기 미리선택된 연료/공기 혼합물이 화학량론적인 내연기관 작동방법.
63. 제60항 내지 제62항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1실린더(12)내로 흡입되는 공기가, 상기 연소공간(20)내로의 점화에너지의 방출전에 압축점화를 일으키기에 불충분한 수준으로 압축 온도와 압력의 끝을 제어하도록 절기되는 내연기관 작동방법.
64. (정정) 제60항 내지 제62항중 어느 한항에 있어서, 상기 미리선택된 양의 제1연료가 상기 점화에너지를 발생하도록 불꽃에 의해 점화되는 내연기관 작동방법.
65. (정정) 제60항 내지 제62항중 어느 한항에 있어서, 상기 미리선택된 양의 제1연료가 상기 점화에너지를 발생하도록 압축점화에 의해 점화되는 내연기관 작동방법.
66. 제60항에 있어서, 압축점화에 의한 점화를 위해 상기 제2피스톤(18)의 압축행정의 끝 무렵에 상기연소공간(20)내로 미리선택된 양의 제2액체연료를 고압하에 분사하는 단계를 더 포함하는 내연기관 작동방법.
67. 제66항에 있어서, 상기 미리선택된 양의 제1연료가 상기 제2피스톤(18)의 흡입행정중에 상기 제2실퀵더(14)의 상기 제1용적부(15a)내로 분사되는 내연기관 작동방법.
68. (정정) 제66항에 있어서, 상기 제2연료가 저옥탄 또는 고세탄 연료이고, 상기 제1연료가 휘발성의 고옥탄 연료인 내연기관 작동방법.
69. 제68항에 있어서, 상기 제1연료가 가솔린인 내연기관 작동방법.
70. 제68항에 있어서, 상기 제2연료가 디젤 연료인 내연기관 작동방법.
71. (정정) 제60항 내지 제62중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 싱기 제1피스톤(16)의 배기행정 및 흡입행정의 일부 또는 전체 동안에 흡입행정을 행하는 내연기관 작동방법.
72. (정정)제60항 내지 제62항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이, 상기 제1피스톤(16)의 배기행정 및 흡입행정의 전체에 걸쳐 흡입행정을 행하는 내연기관 작동방법.
73. (정정) 제60항 내지 제62항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)의 압축행정이 상기 제1피스톤(16)의 압축행정의 전체에 걸쳐 일어나는 내연기관 작동방법.
74. (정정) 제60항 내지 제62항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이 상기 제1피스톤(16)의 팽창행정의 전체 동안에 그의 하사점 위치에 정지하여 유지되는 내연기관 작동방법.
75. (정직) 제60항 내지 제62항중 어느 한항에 있어서, 상기 제2피스톤(18)이 상기 제1피스톤(16)의 배기행정 및 팽창행정의 전체 동안에 그의 하사점 위치에 정지하여 유지되는 내연기관 작동방법.