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KR950013203B1 - 2행정 사이클 내연기관과 그 작동 방법 - Google Patents

2행정 사이클 내연기관과 그 작동 방법 Download PDF

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KR950013203B1
KR950013203B1 KR1019890701166A KR890701166A KR950013203B1 KR 950013203 B1 KR950013203 B1 KR 950013203B1 KR 1019890701166 A KR1019890701166 A KR 1019890701166A KR 890701166 A KR890701166 A KR 890701166A KR 950013203 B1 KR950013203 B1 KR 950013203B1
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discharge port
catalytic
catalyst
exhaust gas
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킴 슈런크 크리스토퍼
리어 마크
Original Assignee
오비탈 엔진 캄파니 프로프라이어터리 리미티드
켄 죤슨
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Abstract

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Description

2행정 사이클 내연기관과 그 작동 방법
[도면의 간단한 설명]
제 1 도는 공기/연료비가 평형상태일때 4행정 사이클 기관 배출 가스로부터 배출 가스의 공기/연료비를 갖는 3방향 촉매의 전환 효율의 정상적 변화를 도시한 그래프.
제 2 도는 기관 배출 포트에 인접한 배출 촉매 유니트의 한개의 배열과 2행정 내연기관의 부분을 통하여 단면을 다이어그램적으로 도시한 도면.
제 3 도는 제 2 도에서 촉매 유니트의 적절한 형태로부터 한개의 요소의 물리적 형태를 도시한 도면.
제 4 도는 촉매 유니트의 다른 배열과 관련된 배출 형상이지만 제 2 도의 기관과 유사한 기관의 다이어그램적으로 도시한 도면.
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 내연기관 배출 가스의 불만족스러운 성분을 다루기 위하여 촉매의 사용에 의해 2행정 사이클 내연기관으로부터 배출 가스 방출의 제어에 관한 것이다.
여러나라에서 환경 보호 당국은 자동차의 배출가스에서 배출을 제한하도록 규정하였으며, 통상 개인차, 오토바이 및 경량 상업용 차량으로부터 배출의 제한 부분은 점차 더 엄격해졌다. 대개의 나라에서 자동차에 대한 배출의 허용 수준은 이동한 마일이나 킬로미터당 배출 가스의 다양한 성분의 무게를 기초로 하여 규정하였으며 상기 제한은 그들의 엔진의 크기나 차량의 무게에 관계없이 적용되었다.
따라서, 상대적으로 소형 자동차의 생산을 하는 추세이므로 연료의 소모 비율은 이동한 단위거리당 발생한 다양한 배출 가스 성분의 무게에 상응한 감소를 줄일 수 있다.
제어되어야만 하는 배출 가스의 3가지 중요한 성분은 탄화수소(HC), 질소의 산화물(NOX) 및 일산화탄소(CO)이다. 질소 산화물은 질소로부터 산소를 분리하도록 환원 상태의 설정을 요구한 촉매에 의해 정상적으로 취급하게 되는 반면에 산화 공기는 탄화수소와 일산화탄소로 취급되기를 요구한다.
차량 내연기관의 배출 시스템에서 촉매의 사용은 널리 알려져 있으며 배출 방출의 제어에서 실시된다. 배출 시스템에서 촉매를 기관의 실린더나 실린더의 실제 배출 포트로부터 약간 하류에 위치시키는 것이 통상적이나 어떤 한개의 실린더나 다수의 실린더로부터 배출 가스는 실린더를 떠나는 시간과 촉매에 도착하는 시간 사이에 혼합의 정도에 종속하게 된다. 혼합한 결과 배출 가스의 다양한 성분의 분배는 촉매가 나타날때 동일 혼합물에 접근한다. 따라서, 촉매 시스템은 통상 동일 배출 가스 혼합물의 탄화수소, 질소의 산화물, 일산화탄소를 취급하도록 할 수 있는 것을 사용해야만 한다.
도요타 중앙 연구 및 개발 실험실 산하에서의 조사에 따른 세이 페이퍼(SAE Paper) 872098에 도시한 바와 같이 자동형 4행정 사이클 엔진에 적용된 3방향 촉매 시스템의 변환 효율 촉매에 나타난 배출 가스의 공기/연료비에 실질적으로 의존한다는 것이 알려져 있다. 특히, 극적인 효율은 화합비를 변환한 공기/연료비로써 변화한다는 것이 알려져 있다. 첨부된 도면의 제 1 도의 그래프로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 탄화수소 및 일산화탄소의 변환 효율은 배출 가스의 공기/연료비와 같이 증가와 같이 증가하므로 혼합물을 더 흐리게 된다.
2행정 사이클 작동시 기관은 종래의 배기 공정동안 배출 포트를 통하여 연료가 타지 않는 부분으로써 엔진 실린더를 들어갈때 배출 방출 특히, 연료는 공기 충진물에 싣게 되는 곳에서 기판의 레벨의 제어에서 실질적인 문제가 나타난다. 배출 가스에서 탄화수소와 일산화탄소로 분리하는 타지 않는 연료의 상기 이탈은 도입 공기 충전과 실린더 안으로 이송된 연료보다 기관 실린더 안으로 직접 연료를 분사하는 근래 전기적으로 제어된 연료 분사 시스템에 의해 감소될 수 있다. 그러나, 연료의 직접 분사는 그 자체는 아니지만 질소 산화물의 발생의 제어 특히, 이동한 단우 길이당 질량을 측정했을때 질소 산화물의 레벨에서 상응한 증가로 인한 차량의 크기의 증가와 연료 소모 증가와 비율로써 귀착된다. 비록 다른 연소 제어기술은 작은 동력 기관에서 질소 산화물의 제어에 기여하도록 적용될 수 있으며 질소 산화물의 레벨의 증가는 증가한 동력출력으로 발생되며 질소 산화물의 제어는 특히, 가격의 고려와 작동의 안정성으로부터 배출 가스의 촉매 취급으로 잘 취급하게 된다.
직접 분사된 2개의 행정 사이클 기관에서 기관실린더로 들어온 연료 없는 깨끗한 충진물은 배출 포트와 입구포트가 개방하는 동안 고려할만한 상기 화합비 공기/연교료비로 잇달아 강제로 배출된 배출 가스의 희석을 초래한다. 이것은 촉매 취급에 의해 질소 산화물의 효과적인 감소를 얻도록 바람직한 환원 조건으로 직접 충돌한 배출 시스템내에 존재한 산화 조건으로 된다. 따라서 동일 배출 가스를 취급하도록 종래 위치에 배출 시스템내에 종래의 3방향 촉매 시스템의 설비는 탄화수소와 일산화탄소의 저감을 초래하지만 질소 산화물을 분류하지는 않는다.
본 발명의 목적은 2행정 사이클 내연기관의 배출 가스의 취급에서 촉매 시스템의 성능을 개선하는 것이다.
상기 목적에 비추어, 입구 포트가 배출 포트의 폐쇄를 하기 전에 개방하기 위하여 입구 및 배출 포트가 배열되며, 연소실로 들어간 공기의 깨끗한 충진물을 통하여 최소 하나의 입구 포트에 그리고 연소실로부터 배출 시스템으로 통과한 가스를 통하여 배출 포트로 가며 연소실로 연료를 공급하기 위한 수단이 제공되며 그안에 각 연소실이 있는 2행정 사이클 내연기관을 작동하기 위한 방법에 있어서, 각 연소실의 배출 포트 개방 주기동안 상기 가스의 제 1 위치는 연소실로부터 배출되며, 배출 포트 개방 주기가 제 1 촉매 특성의 제 1 촉매 수단과 접촉하도록 조작되는동안 동일 배출 포트 개방 주기로 상기 연소실로부터 배출된 가스의 연속 제 2 부분은 제 1 촉매 수단으로 다른 촉매 특성의 제 2 촉매 수단과 접촉하도록 조작되는 것을 특징으로 한다.
직접 연료 분사를 갖는 2행정 사이클 내연기관에 있어서, 제 1 부분내의 배출 가스는 그것이 먼저 개방될 때 배출 포트를 통한 가스이며 종종 화합비나 연료에서 보다 진하므로 환원 공정을 유지할 수 있는데 반하여 제 2 부분에서 배출가스는 연료에서 보다 옅은 나중 배출 포트를 통하여 산화공정을 유지할 수 있다. 화학 양론적 또는 화학적으로 환원한 가스는 연소실내에 도입된 질소 산화물의 질량의 대부분을 포함한 가스이다. 상기 화학적으로 환원한 가스는 화학 양론적 연소를 위하여 산소 부족을 갖는 가스를 의미한다. 바꿔 말해서, 가스는 가스내에서 부분 연소의 산물과 타지 않은 연료를 완전히 산화시키도록 불충분한 양이지만 산소가 없는 것을 유지할 것이다. 유사하게, 화학적으로 산화 가스는 화학 양론적 연소를 위한 산소 나머지를 가진 가스를 의미한다.
편리하게, 제 1 촉매 수단은 특별한 연소실의 배출포트에 인접하게 위치한다. 제 1 촉매 수단의 위치는 선택하게 되므로 각 배출 포트 개방 주기동안 제 1 촉매 수단은 화학적으로 환원한 배출 가스인 배출 포트 개방 주기의 초기 부분동안 배출 포트를 통한 배출 가스를 수용할 것이며 배출 포트로부터 수용된 가스내에 질소 산화물을 환원하도록 하기 위한 성질의 활성 촉매재를 포함한다.
제 1 촉매 수단의 위치는 적절히 선택되므로 배출 포트가 개방되는동안 제 1 촉매 수단은 특별한 배출 포트를 통하여 배출하게 된 실질적으로 단지 가스만을 수용한다.
편리하게, 최소 제 1 촉매 수단은 기관의 복수개의 실린더의 각 배출 포트와 다양한 관통을 한 배출 포트로부터 배출 가스를 연장한 통로내에 위치하게 된다. 배출 포트와 인접한 제 1 촉매 수단의 단부는 그들로부터 최소로 간격져 있으므로 배출 포트가 개방될때 제 1 촉매 수단의 단부에 배출가스의 공기/연료비는 배출 포트에서의 것과 거의 다르지 않다.
제 1 및 제 2 촉매 수단은 배출 포트의 개구의 방향에서 화학적 합성물내에서 변화한 촉매 시스템의 활성물질로 배출 포트에 인접하여 위치된 촉매 시스템과 병합된다. 배출 포트의 단부에 촉매의 활성 물질은 배출 포트의 개구과 환원 특성인 제 1 촉매 수단인동안 우선 노출되며 배출 포트의 대향 단부에 촉매의 활성물질은 산화특성인 제 2 촉매 수단이다.
번갈아, 산화 특성의 제 2 촉매는 배출 포트로부터 배출 가스의 경로에서 간격진 하류일 것이며 기관의 다수의 실린더의 배출 포트와 관련된 다기관내에 위치하게 된다.
배출 가스의 제 1 위치의 최소 부분은 제 1 부분이 접촉하게 되고 제 1 촉매 수단으로 취급된 후 제 2 촉매 수단과 직접 접촉하게 된다. 이것은 제 1 촉매 수단에 의해 취급된 후 연소실이나 포트 뒤로 배출 가스의 제 1 위치의 부분을 배치함에 의해 효과적으로 된다.
적절하게 연료는 배출 주기에서 다른 시간으로 배출 포트에 배출 가스의 화학적으로 합성물에 변화를 주며 직접 분사로써 연소실안으로 직접 분사하게 되며 연료 효율을 증가시키도록 배출 포트를 통하여 연소 손실을 줄인다.
연소실로 연료를 공급하도록 각 연소실 수단을 가지며, 배출 포트는 연소실로부터 배출 시스템으로 가스가 통과하며, 최소 한개의 입구 포트는 연소실로 들어온 공기의 깨끗한 충진물이 통과하고, 입구 및 배출 포트는 입력 포트가 배출 포트를 폐쇄하기 전에 개방하기 위하여 배열되는 2행정 사이클 내연기관이 본 발명에 의해 제공되는데 그 특징은 배출 포트 개방 주기동안 연소실로부터 배출된 가스의 제 1 부분을 수용하도록 위치된 제 1 촉매 특성의 제 1 촉매 수단과, 제 1 촉매 수단과 다른 촉매 특성이며 제 1 부분의 배출로써 동일 배출 포트 개방 주기에서 개시 다음에 연소실로부터 배출된 가스의 제 2 부분을 수용하기 위한 제 2 촉매 수단을 배출 시스템내에 제공하게 되는 것이다.
제 1 촉매 수단은 환원 특성이 있고 화학적 산화 가스를 노출함에 의해 어떤 부분적 불활성이 연소실의 이전 사이클 동안 발생된 후 화학당론적 또는 화학적 환원 가스를 노출함에 의해 불활성하게 된다.
몇몇 화학적 불활성 가스는 연소실로부터 촉매 수단을 통과하게 될 것이며 연소실 사이클의 연속적인 연소 단계에서 산화로써 사용될 연소실로 통한 촉매 수단 위로 연속해서 복귀하게 된다.
제 1 촉매 수단은 배출 포트가 입구 포트 개방전에 개방하게 되는 주기동안 기관으로부터 배출된 배출 가스를 수용하도록 편리하게 위치하게 될 것이다.
적절하게 제 1 촉매 수단은 배출 포트 가까이에 근접하게 위치하며 활성 촉매 재료는 상기 가스가 동일 혼합물에 접근하고 중요한 정도로 혼합도록 기회를 갖기 전에 연소실로 떠나는 가스를 노출하게 된다. 제 2 촉매 수단은 배출 포트에 근접하여 위치하며 사실 배출 포트와 제 1 촉매 수단으로부터 약간 하류에 위치하게 된다.
적절하게 배출 포트의 단부로부터 연장한 제 1 촉매 수단은 입구 포트가 개방된 곳에서 레벨보다 낮은 레벨로 배출 포트의 개구동안 먼저 노출하게 된다.
배출 포트의 초기 개방시 배출 포트를 통하여 연소실로부터 통과한 가스는 대부분 화학당론적 또는 낮은 공기/연료비에 상응한 혼합물과 같은 상대적으로 연료가 풍부한 연료-공기의 태움으로부터 생긴 연소 가스이다. 그것이 폐쇄하기 전에 바로 그리고 그들의 개방 주기에서 나중 배출 포트를 통하여 떠나간 가스는 비교하여 옅은 연료이며 입구 포트가 개방된 후 연소실로 들러온 얼마간의 깨끗한 공기를 포함하는 것에 기인하여 화학당론적보다 약간 높은 공기/연료비를 갖는다.
자동차의 구동 사이클에서 중요한 것으로써 기관 작동시에 통상 있는 부하와 속도에 있어서, 사건의 다음 연속은 배출 포트가 실린더 연료 분사와 2사이클 스파크 또는 압축 점차 내연기관의 배출 행정이나 팽창시 개방한 후 발생할 것이다.
(1) 우선, 더운 가스는 연소실내에서 압축되며 어느정도로 촉매 수단을 통하여 이동하며 배출 포트를 통하여 이동한 연소공정에 참가한다. 구동 사이클동안 질소 산화물의 높은 레벨을 생기게 한 자동차의 기관의 작동의 영역에서, 통상 배출 가스의 제 1 부분은 화학당론적 또는 보다 풍부한 공기/연료비를 가지며 온도는 높다. 질소 산화물의 환원을 위한 이상적인 조건은 연료 풍부한 배출 가스의 환원 특성과 그들의 높은 온도 때문에 촉매로 발생하게 된다.
(2) 이어서, 상기 더운 가스의 통로로 배출 포트를 통한 연료 풍부한 가스, 배출 가스의 혼합물, 실린더로부터 배출 포트를 통하여 낮은 온도로 깨끗한 배기 공기가 통과하므로 전달 포트나 입구 밸브는 개방되고 깨끗한 공기는 실린더로 들어가는것을 허용한다. 배출 가스의 상기 제 2 부분은 깨끗한 공기의 나타남으로 옅어지게 된다. 이것은 촉매가 질소 산화물 방출을 환원하도록 촉매 물질의 능력을 저하시킬 수 있지만 탄화수소 방출의 산화를 위하여 이상적인 산화 공기내에서 작동하게 되는 것을 의미한다.
(3) 모든 포트가 폐쇄시, 배기 공정은 마치게 되어 촉매를 통한 가스의 흐름은 거의 제로로 떨어진다.
흐름 역전 또는 다수의 흐름 역전은 배출 및 유도 시스템의 공명 특성에 의존한 몇몇 기관 속도로 배출 포트에서 발생할 것이다. 상기 역전 가스가 상기 단계 (1) 및 (2)동안 기관 실린더 후방으로 배출 포트로부터 통과하므로 상기 가스는 배출 포트내에 촉매 수단을 위치시키는 잇점을 촉매 재료를 여러번 통과하면서 격게 된다.
(4) 단계(1-2-3)는 촉매 수단을 통하여 화학당량적 또는 연료 풍부 가스가 더운 가스의 흐름을 갖는 배출 포트의 다음 개구에서 다시 개시한다. 상기 촉매에서 생긴 높은 온도 환원 대기는 질소 산화물 방출을 환원시키도록 촉매의 능력을 재저장하는 능력을 가질 수도 있다.
그러므로, 배출 가스의 제 1 및 제 2 부분은 중요한 다른 특성을 가지며 기관 전체 방출은 각 부분으로 다른 촉매 처리를 제공하므로 이롭게 된다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 여러 실제적인 배열의 다음 설명으로부터 더 명백하게 알 수 있을 것이다.
이제, 제 2 도에 따라서, 기관(10)은 피스톤(12)이 왕복하는 실린더(11)를 구비하고 있으며, 피스톤은 크랭크축(도시하지 않음)에 로드(13)에 의해 연결되어 있다. 기관은 종래의 2행정 사이클상에서 작동하며 실린더(11)의 한측에 배출 포트(15)와 그 대향 단부에 전달 포트(16,17)를 구비하고 있다. 배출 매니폴드(220)는 통상 배출 파이프(도시하지 않음)와 기관의 실린더 각각의 배출 포트와 연통하여 있다. 각 실린더(11)는 스파크 플러그(19)와 실린더 헤드(18)에 위치한 연료 분사기(14)를 구비하며 상기 분사기(14)는 연소실안으로 직접 연료를 도입한다.
제 2 도에 도시한 바와 같이 실린더의 단면은 통상 공지된 구조의 다-실린더 기관의 한개의 실린더나 단일 실린더 기관일 것이다.
2행정 사이클 기관의 기술에서, 실린더로 들어온 공기 충진물을 통하여 다수의 입구 또는 전달 포트를 제공하는 것이 통상적이며 단일 배출 포트를 사용할 수도 있다. 다시, 2행정 사이클 기관에서 통상 실시되는 것과 같이, 실린더에서 피스톤의 움직임은 배출 포트가 한개 혹은 그 이상의 전달 및 입구 포트의 개방전에 개방하는 것과 같이 된 각 포트의 치수 및 그 배열에 대하여 입구 및 배출 포트의 개방 및 폐쇄를 제어하며 입구 및 배출 포트가 실린더의 효과적인 배기를 얻기 위하여 개방될때가 그 주기이다.
촉매 유니트(223)는 그것이 왕복하는 것과 같이 피스톤(12)과 인접하고 기관 실린더(11)의 벽과 일치한 형태인 내측면(237)으로 구성되었다. 촉매 유니트(223)는 배출 포트(15)에 인접한 내측 단부로부터 배출 매니폴드(20)에 인접한 대향 단부로 그 길이를 따라서 가스의 자유 이동을 허락하며 배출 통로(222)를 따라서 연장한다. 촉매 유니트(223)는 배출 포트(15)가 피스톤(12)에 의해 노출된 방향에서 엔진 실린더의 축에 평행인 방향으로 중요한 정도가 생기지 않는 촉매 유니트내에서 가스가 흐르는 것과 같은 내부 채널로 이루어졌다. 그래서, 배출 가스는 촉매 유니트(223)의 내측면(237)의 상부에 들어오며 하강 피스톤(12)이 배출 포트(15)에 우선 노출될때 매니폴드(220)안으로 촉매 유니트의 외측면(238)의 하부 부분 (232)으로부터 나가지 않는다.
촉매 유니트(23)는 제 2 도에서 도시한 바와 같이 그 상부 부분이 환원 촉매와 우선 적재되며 그 하부 부분은 산화 촉매와 적재될 것이다. 이것은 서로 적층된 다수의 시트 요소로부터 구성된 촉매 유니트를 구비하며, 상부에 시트와 촉매 활성에서 변화한 시트는 환원 촉매 코팅을 구비하고 그 바닥에 산화 코팅을 구비한다. 중앙쪽에는 시트는 하나 또는 양쪽이 산화 코팅을 구비할 것이며 환원 촉매는 배출 가스의 성질에 의존하며 요구된 취급은 다른 기관과 함께 변화될 것이다.
각 시트 요소(241)는 납작한 금속 시트(81)가 그들 사이의 통로(83)를 떠나 주름잡힌 금속시트(82)와 결합되는 곳에서 제 3 도에 도시한 통상 공지된 물리적 형태의 촉매 기관으로부터 잘려지게 된다. 배출 통로(222)의 구부러진 벽에 기인하여 결합한 시트 요소는 시트 요소가 위치된 레벨로 통로의 대향벽 사이에서 연장하기 위하여 다른 크기가 된다.
시트(81, 82)의 기판은 촉매적 활성 물질의 얇은층으로 코팅된다. 상부 시트 요소(242)는 하부 시트 요소(243)가 백금 성분이 높은 것으로 코팅하는 동안 로듐 성분이 높은 것으로 코팅한다. 중간 시트 요소는 다른 로듐 대 백금 비율의 각 시트 요소를 갖게 로듐과 백금의 조합인 코팅으로 되며 상기 비율은 상부 및 하부 요소(242, 243)의 극한 사이에서 점차 변화할 것이다.
단지 2개의 다른 촉매 코팅을 갖는 다른 배열 시트 요소(241)에서 요구된다. 지배적인 환원 작용의 한개의 촉매코팅을 갖는 요소의 한개의 그룹은 통로(222)의 상부에 위치하며 지배적인 산화 작용의 다른 촉매 코팅을 갖는 요소의 다른 그룹은 하부 부분에 위치하게 된다. 이것은 촉매 작용의 점차적인 변환을 제공하도록 시트 요소상에 화학적인 많은 다른 코팅을 제공한 처음 기재한 실시예를 넘어 중요한 가격 절감을 얻을 수 있지만 그것은 촉매 형태의 갑작스런 변화가 낮은 전체 촉매 성능에 영향을 끼침을 인식할 수 있다.
더 다른 배열에서, 시트 요소(241)는 통로(222)의 하부 부분으로부터 완전히 삭제하게 되지만 환원 작용을 갖는 요소는 통로의 상부 부분에 위치하게 된다. 이와같은 배열은 충분한 멀리 하류에 위치한 산화 작용을 갖는 분리 촉매에 의해 제공되므로 그것은 기관에서 다른 연소실로부터 배출 가스에 의해 접촉하게 된다.
제 4 도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 기관(10)는 배출 시스템의 형상이 중요하게 다르게 되어 있는 제 2 도의 것과 동일하다. 배출 매니폴드(120)는 각기 상부 및 하부 배출 통로(124,125)를 갖는 상부와 공통 배출 파이프를 갖는 하류와 연결한 2개의 매니폴드 공동(133,134) 안으로 웨브(121)에 의해 세로 방향으로 분리하게 된다.
통로(124,125)는 배출 포트(115)쪽으로 연장한 웨브(121)의 연장(121a)에 의하여 분리하게 된다. 통로(124,125)는 배출 가스가 취급되기 위하여 통과한 각 촉매 유니트(126,127)를 포함한다. 상부 촉매 유니트(126)는 환원 작용을 가지므로 하부 촉매 유니트(127)는 산화 작용을 갖는다.
배출 포트를 가로질로 피봇(142)에 대하여 이동할 수 있는 배출 밸브(141)는 공지된 방법으로 배출 포트(115)와 상호 협동하도록 제공하게 된다. 배출 밸브(141)는 기관 작동에서 어떤 단계에서 포트(115)를 완전히 폐쇄하지 못했지만 배출 포트가 개방하도록 한 피스톤의 행정에서 위치를 변경함에 의해 배출 포트의 상부 엣지의 효과적인 위치로 변경하도록 설치한다. 밸브는 각 연소 사이클동안 그 위치를 변경하지 않지만 기관작동 조건에 따라서 변화하도록 제어하게 된다. 이와같은 밸브 및 그들 작동은 2행정 기관의 설계에서 그 기술분야에 있는 사람이면 알 수 있으며 그 예는 오스트레일리아 특허출원 1986년 제 57898호에 게재되어 있다. 밸브는 최대 개방 주기와 초기 밸브 포트 개방 시간을 주도록 전체에 걸쳐 일어나는 위치가 제 4 도에 도시되어 있다.
기관에서 병합된 것과 같은 본 배출 밸브(141)는 이전에 사용된 것과 중요하게 다를 것이다. 이와같은 밸브의 종래의 구조에서와 같이, 본 배출 밸브(141)는 어떤 작동 위치에서 피스톤(12)에 대향하여 실질적으로 밀봉하도록 채택되게 안내된 엣지(144)와 배출 포트의 주위를 갖게 실질적으로 연속일때 연소실로 표면에 나타나기 위하여 형상을 갖는 작동 표면(143)을 갖는다. 그러나, 본 배출 밸브(141)는 상부 배출 통로(124)와 배출 포트(115)를 연통하기 위하여 작동 표면(143)을 통한 단일 또는 일련의 슬롯(145)의 안내 엣지(144)에 근접하며 작동 표면(143)에 설비에 의해 이전에 사용된 것과 비교하여 다를 것이다. 기관의 작동동안 연소실로부터 상부 배출 통로(124)를 흐를 유일한 흐름의 배출 가스는 슬롯(145)을 경유하게 된다.
배출 밸브(141)의 각 위치에서 배출 포트(115)를 개방하도록 하는 개시와 그 동력 행정상에서 아래로 피스톤이 움직이는 것과 같은 기관(110)의 작동에서 포트를 통하여 탈피하기 위한 제 1 배출 가스는 슬롯(145)을 통과한다. 이것은 상부 촉매 유니트(126)를 통하고 상부 배출 통로(124) 안으로 통과한다. 피스톤 이동은 밸브의 안내 엣지(144)를 통과하여 아래로 이동하므로 배출 가스는 하부 촉매 유니트(127)를 통하고 하부 배출 통로(125) 안으로 밸브하에서 통과하도록 할 수 있다. 이 단계에서 소량의 배출이 상부 통로(124)안으로 슬롯(145)을 통과한다. 낮은 배출 통로가 상부 배출 통로(124)내에서 발생된 덮어지지 않은 압력 펄스를 갖게 되기 전에 상부 촉매 유니트를 통하여 후방으로 역흐름을 생기게 하며 상기 흐름 형태는 배출 포트의 개방 주기동안 몇시간 반복하게 될 것이다.
먼저 설명한 바와 같이, 관통 포트(115)를 탈피하기 위한 제 1 배출 가스는 상대적으로 높은 질소 산화물 함유량을 가지며 풍부한 공기/연료비 혼합물의 연소의 산물이며 현저한 환원 촉매 취급을 요구한다. 대조적으로 상기 포트(115)를 통하여 나중에 나온 배출 가스는 신선한 배기 가스를 병합한 옅은 공기/연료비 혼합물이며 비교적 낮은 질소 산화물 함유량을 갖지만 현저한 산화 촉매 취급을 요구한다.
촉매 유니트(126,127)는 제 2 도 및 제 3 도에 기재한 통상의 형태일 것이며 그안에 시트 요소는 서로 접하도록 하기 위한 적층된 면이다. 그러나, 적절하게 그들은 다수의 통로를 제공한 적절한 세라믹이나 금속 재료의 기본 구조를 구비한 더 통상적인 기판을 갖는다. 상부 촉매 유니트(126)내에 통로의 노출된 표면은 적절한 환원 촉진 재료 즉, 로듐과 같은 것으로 피복되는데 반하여 낮은 촉매 유니트(127)내에 노출된 표면은 팔라듐이나 백금과 같은 적절한 산화 촉진 재료로 피복하게 된다.
제 4 도의 기관은 몇몇 적용에서 유익한 성능을 얻도록 다음 방법으로 수정하게 될 것이다. 하부 공동(134)으로부터의 것과 촉매 유니트(126)로부터 짧은 거리 하류로 그 처리량을 단순히 결합함에 의해 배출시스템으로 상부 매니폴드 공동(133)을 배출한 것보다 상부 공동은 그 개구가 실린더로 촉매 유니트(126)에 의해 되는 것과 같이 대신 막혀진다. 먼저 기술한 바와 같이, 제 1 배출 가스가 배출 포트(115)를 통과할때 그들은 상부 배출 통로(124)에 들어가지만 낮은 배출 통로(125)로 들어가지는 않는다. 상기 가스는 환원 촉매 유니트(126)를 통과하며 상부 공동(133)으로 들어가지만 더이상 들어가지는 않는다. 상기 공동(133)은 가압되고 피스톤(12)이 배출 밸브의 안내 엣지(144)를 통과할때까지 머무르며 상부공동(133)내에서 압축된 가스는 배출 파이프로 낮은 배출 통로(125), 낮은 (산화) 촉매 유니트(127)와 낮은 매니폴드 공동(134)안으로 배출 포트를 통하여 통과하도록 기관 실린더 안으로 환원 촉매 유니트(126), 상부 배출 통로(124) 및 슬롯의 후방을 통과한다. 이렇게 하여, 배출 포트를 통과한 제 1 가스는 환원 촉매위로 2번 통과하게 되며 하나는 그것이 가장 요구한 배출의 부분을 매우 개선된 촉매 취급을 준 산화 촉매를 지나간다. 상부 매니폴드 공동의 크기 및 형상은 그 공명 및 압력파상의 효과가 기관의 장식 효과에 유효하도록 조정하게 될 것이다.
제 4 도에 따라서 기재된 바와 같이, 더 나아간 변경에서 화학적으로 산화된 가스이고 배출 개구 주기에서 나중에 배출된 가스를 취급한 하부 촉매 유니트(127)는 배출 포트에 인접한 것으로부터 배출된 배출 시스템내에 위치하게 될 것이다. 상기 하부 촉매 유니트(127)가 동일 기관의 2개 또는 그 이상의 실린더로부터 배출 가스를 취급할 수 있는 위치에서 배출 매니폴드내에 위치하게 된다면 바람직할 것이다.
첨부된 도면에 따라서 상기 기재한 바와 같이, 2행정 사이클 기관은 연료 분사 시스템이 제공되므로 연료가 기관 실린더로 직접 분사하게 된다. 특히 잇점이 있는 연료 분사 장치 및 그 작동은 미합중국 특허 제 4693224호에 게재되어 있다. 본 발명은 배출 포트를 통하여 배출 가스에서 공기/연료비가 배출 포트 개방 주기동안 중요하게 변하는 것과 같이 연소후 도입된 배출 가스에서 그리고 연소로 연소실에서 연료 분배와 같은 방법으로 연소실안으로 도입된 연료 및 공기를 제공하게 된 직접 연료 분사를 하지 않는 2행정 사이클을 적용하게 됨을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 2행정 사이클로 작동하는 디이젤 기관 및 점화기관을 점화하도록 또한 적용할 수 있다.

Claims (23)

  1. 각각의 연소실용으로, 연소실로 들어간 공기의 깨끗한 충진물이 통하는 적어도 한개의 유입구 포트와, 연소실로부터 배출 시스템으로 지나가는 가스가 통과하는 배출 포트와, 연료를 연소실로 공급하기 위한 수단이 제공되며, 유입구 및 배출 포트는 유입구 포트가 배출 포트의 폐쇄에 앞서 개방되도록 배치되어 있는, 2행정 사이클 내연기관 작동 방법에 있어서, 각 연소실의 배출 포트 개방 기간동안, 배출 포트 개방 기간동안에 연소실로부터 배출되는 가스의 제 1 부분은 제 1 촉매 특성의 제 1 촉매 수단과 접촉하도록 향해지고, 상기 동일한 배출 포트 개방 기간에 상기 연소실로부터 배출되는 가스의 연소 제 2 부분은 제 1 촉매 수단에 다른 촉매 특성의 제 2 촉매 수단이 접촉하도록 향해지는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클 내연기관 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 촉매 수단은 가스의 제 1 부분에서 질소 산화물을 환원시키도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항중 어느 한항에 있어서, 제 2 촉매 수단은 가스의 제 2 부분에서 탄화수소나 일산화탄소를 산화시키도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 배출 가스의 제 1 부분은 제 1 부분이 기관으로부터 다른 배출 가스와 혼합되기 전에 그리고 연소실로부터 배출한 후에 제 1 촉매 수단과 직접 접촉하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 배출 가스의 제 1 부분은 배출 가스의 제 2 부분과 제 1 부분의 최소 부분에서 제 1 촉매 수단에 의해 처리하게 된 후 제 2 촉매 수단과 직접 접촉하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 1 촉매 수단과 접촉한 후 배출 가스의 제 1 부분의 최소 부분은 연소실 후방으로 있으며 제 2 촉매 수단과 접촉한 배출 가스의 제 2 부분에 있게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 배출 가스의 제 1 부분의 상기 부분은 제 2 촉매 수단과 직접 접촉하게 될때 배출 가스의 제 2 부분의 싣게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 연소실로 연료를 공급하도록 각 연소실 수단을 가지며, 배출 포트를 연소실로부터 배출 시스템으로 가스가 통과하고, 최소 한개의 입구 포트는 연소실로 들어온 공기의 깨끗한 충진물이 통과하고, 입구 및 배출 포트는 입력 포트가 배출 포트를 폐쇄 하기 전에 개방하기 위하여 배열되는 2행정 사이클 내연기관에 있어서, 배출 포트 개방 주기동안 연소실로부터 배출된 가스의 제 1 부분을 수용하도록 위치된 제 1 촉매 특성의 제 1 촉매 수단과, 제 1 촉매 수단과 다른 촉매 특성이며 제 1 부분의 배출로써 동일 배출 포트 개방 주기에서 개시 다음에 연소실로부터 배출된 가스의 제 2 부분을 수용하기 위한 제 2 촉매 수단을 배출 시스템내에 제공하게 되는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클 내연기관.
  9. 제 8 항에 있어서, 제 1 촉매 수단은 환원 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제 8 항에 있어서, 제 2 촉매 수단은 산화 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 제 2 촉매 수단은 입구 포트가 개방된 후 그리고 배출 포트가 개방되는 동안 연소실로부터 배출된 배출 가스를 수용하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 제 8 항, 제 9 항, 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 제 1 촉매 수단은 배출 포트의 주변과 거의 연속적으로 그들의 한 단부와 연소실의 배출 포트내에 위치하게 되며 상기 제 1 촉매 수단은 이와같은 노출이 진행하는 방향에서 배출 포트의 개방동안 먼저 노출하게 되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 2 촉매 수단은 배출 포트의 주변과 거의 연속적으로 그들의 한 단부와 제 1 촉매 수단과 접한 배출 포트내에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  14. 제 13 항에 있어서, 제 2 촉매 수단은 배출 포트로부터 연장한 통로내에 위치하며, 제 2 촉매 수단의 단부는 그들로부터 하류에 간격진 배출 포트에 인접하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  15. 제 12 항에 있어서, 제 1 촉매 수단은 공동의 폐쇄 단부가 제 1 촉매 수단의 인접 단부 사이에 형성된 실을 구비하며, 다른 단부에서 폐쇄되고 배출 포트를 갖는 한 단부와 연통한 공동내에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  16. 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 제 1 촉매 수단은 배출 포트를 갖는 한 단부에 연통된 공동내에 위치하고, 밸브 수단은 공동의 한 단부에 제공되며, 상기 밸브 수단은 연소실과 배출 포트를 통한 공동사이의 연통의 타이밍을 변화할 수 있도록 작동되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  17. 제 16 항에 있어서, 밸브 수단의 부분이 배출 포트와 관련하여 연속적으로 연소실의 축에 평행한 방향에서 움직이는 것과 같이 밸브 수단은 배출 포트에 대하여 제어된 움직임을 위하여 설치된 부재이며, 상기 부재는 공동과 연통하도록 상기 부분을 통한 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  18. 제 1 항에 있어서, 기관은 스파크 점화되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  19. 제 8 항에 있어서, 상기 기관은 스파크 점화 기관인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  20. 제 1 항에서 연료는 연소실안으로 직접 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 8 항에 있어서, 연료를 공급하기 위한 상기 수단은 연소실안으로 직접 연료를 분사하도록 배열된 연료 분사 기관인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  22. 제 1 항에 있어서, 배출 가스의 제 1 부분은 화합 당량적 공기/연료비 또는 환원 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 8 항에 있어서, 배출 가스의 제 1 부분은 화합 당량적 공기/연료비 또는 환원 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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