KR100366469B1 - 가스터빈-2행정피스톤복합엔진의냉각장치 - Google Patents

가스터빈-2행정피스톤복합엔진의냉각장치 Download PDF

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Abstract

복합엔진(10)은 가스터빈 유닛(36)과 피스톤 유닛(12)을 포함하고 피스톤 유닛용 순환 공기는 상부 실린더 영역(161)과, 배기밸브(190,203)의 내부 및 외부표면과, 실린더 헤드(173,222)의 다른 선택된 영역 등을 포함하는 피스톤 유닛의 몇몇 영역의 충돌 냉각을 제공하기 위해 냉각통로(152,158,168,174,178,184,196,210,220,228)를 통해 전용된다.

Description

가스 터빈-2행정 피스톤 복합 엔진의 진보된 냉각장치
가스터빈 유닛과 피스톤 유닛으로 구성된 초기의 복합엔진이 존스톤에게 허여된 미국특허 제 3,498,053호에 발표되었다, 존스톤의 특허에서, 터빈 유닛은 왕복 2 행정 압축착화 피스톤 유닛으로 부터의 배기가스에 의해 작동된다. 존스톤의 가스터빈 유닛은 피스톤 유닛을 여압하기 위한 압축기 요소를 가지며, 또한 터빈 유닛은 피스튼 유닛의 출력축과 연결된다. 존스톤의 피스톤 유닛은 피스톤을 크랭크축에 연결하는 스카치(scotch) 이음쇠를 가진 대향 실린더 쌍을 구비한다.
복합엔진의 차세대 이론이 자동차 기술자의 공동체에 의해 1971년도 학회간 에너지 전환공학 협의회 회보에 제안된 38페이지의 "내연기관의 연료소모 감소를 위한 새로운 개념(A New Concept For Reduced Fuel Consumption In International Combuslion Engines)"이란 표제의 발표에 기술되었다. 상기 발표는 피스톤 유닛의 출력축에 기계적으로 연결되고, 고압 터빈 유닛의 출력에 의해 유동적으로 구동되는 저압 터빈을 개시하고 있다. 상기 피스톤 유닛은 행정의 밸브-개방 위치의 초과 배기 공기흐름이 피스톤과 실린더의 내부적인 냉각에 사용되는 2 행정 압축착화 기관이다. 배기밸브는 실린더의 상단부에 배치된 환형밸브이고, 연소실 벽의 일부를 형성한다. 바이패스(bypass) 연소기, 즉, 별 반응기는 고압 터빈과 고압 압축기 사이의 병렬 흐름경로에 배치된다. 엔진을 시동하기 위해 소형 시동모터가 고압터빈을 회전시키고, 바이패스 먼소기애서 연소가 시작된다. 그후, 바이패스 연소기는 고압 터빈용 구동 가스를 제공하기 위한 연소 시스템이 된다. 고압터빈은 처음에 고압의 공기를 피스톤 유닛에 공급하기 위해 압축기를 기계적으로 구동하고, 두번째로, 순차적으로, 피스톤 유닛을 시동하기 위해 크랭크를 돌리는 동력을 제공하는 저압 터빈에 구동 가스를 공급한다.
엔진 효율을 최적화하는 것은 일반적으로 모든 엔진의 일반 설계 목적이다. 일반적으로 상기된 복합엔진은 대부분의 출력 설정에서 피스톤 유닛에 걸쳐 유지되는 완전히 일정한 압력강하(예로서 5%)를 갖기 위해 설계된다. 상기 유닛의 모든 냉각이 순환 공기에 의해 제공되고, 외부적인 냉각장치가 사용되지 않는 것이 바람직하다. 이를 위해, 배기밸브 자리 바로 위의 실린더 헤드및 실린더의 통로와, 그안에 선택된 지역을 냉각하기 위해 실린더 헤드 및 중앙 본체를 통해 소량의 사이클 공기를 전용하는 것이 바람직하다. 상기 엔진은 바이패스 냉각 공기의 양을 감소시키고 터빈 하류부문에서 회복될 수 있는 에너지를 얻는 것(배기 매니폴더에서 사이클로 재유입)을 허공하도록 온도 레벨(예로서, 연소실 구역에서 649℃-816℃, 상단부 링 구역에서 316℃-371℃)이 높게 유지되는 것이 바람직하다.
상기 냉각 배열은 효과적일 수 있는 반면에 당면한 부가적인 문제가 있다. 예로서, 피스폰 링은 피스톤의 고온 상단부 아래로 상당한 거리에 배치되어야만 한다. 연소실에 인접한 실린더 벽 상단부의 온도는 매우 높아서 피스톤 링이 피스톤 외부 단부 가까이에 배치되는 것을 허용하지 않는다. 더욱이, 높은 실린더 벽의 온도는 또한 상대적으로 두꺼운 단열 캡(cap)이 피스톤의 단부상에 장착되는 것을 필요로한다. 따라서, 피스톤과 조합된 실린더의 물리적인 길이는 연소실에 인접한 실린더 벽의 온도가 낮아질 때 필요한 길이보다 더 길어진다. 그러므로, 커진 피스톤과 실린더 유닛을 가지게 되는 결과적인 엔진 형상은 더 무거워지고, 피스톤의 작동에 더 많은 에너지가 필요해지는 손실이 생기고, 그에의해 엔진 효율이 감소된다. 부가적으로, 물리적으로 길어진 피스톤과 실린더 부품은 제조에 더 많은 재료가 필요하로 그래서 더욱 비싸진다. 더욱이, 커진 피스톤은 다른 부품도 커질 것을 필요로하고 그 때문에 엔진의 전체적인 크기와 무게가 증가한다.
유사하게, 단순히 냉각 유체를 내부 통로를 따라 순환시킴으로서 실린더 해드와 중앙 본체를 냉각시키는 것은 냉각이 효율적으로 이루어질 때에 비해 부품이 크고 비싼 내열성 재료로 만들어지는 것을 필요로한다. 그러므로, 냉각 시스템이 상기 부품으로부터 더 효과적으로 열을 끌어낼 수 없다는 것으로 인해 엔진의 전체 효율을 향상시키기 위한 부품 설계 개선에 필연적인 한계를 나타낸다.
따라서, 피스톤 유닛의 연소실에 인접한 복합엔진 부품의 더 효율적인 냉각과, 복합엔진 부품에서 열 에너지의 전반적인 제거에 대한 요구사항이 남아있다.
본 발명은 복합엔진, 특히, 양쪽 모두 구동가능하게 출력 구동측에 연결된 피스톤 유닛과 가스터빈 유닛의 조합으로 구성된 복합 엔진에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합엔진의 개략 사시도.
도 2는 도 1의 엔진의 단순화된 개략도.
도 3은 피스톤과 실린더와 스카치 이음쇠 조립체를 도시한 부분 단면도.
도 4는 도 1의 엔진의 연소기중 하나를 도시한 개략적인 단면도.
도 5는 본 발명의 원리에 따른 충돌냉각 기구를 사용한 피스톤과 실린더 조립체를 도시한 부분 단면도.
종래의 피스톤 엔진의 고유의 비효율을 극복하기 위해, 본 발병의 목적은 종래의 복합엔진 보다 더 효율적인 복합엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보다 적은 냉각 유체로 필요한 냉각을 제공하기 위해 상당히 개선된 열 전달 기구를 갖는 복합엔진용 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 더 효율적인 엔진 설계와 작고 가벼운 엔진 부품을 허용하는, 피스톤 유닛의 고온 부분의 향상된 제어를 제공하는 복합엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 작동시 고온을 겪는 엔진의 선택된 구역을 크게 효과적으로 냉각하는 복합엔진을 제공하여 그에의해 상기 구역에 가까운 엔진 부품의 수명을 연장하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉각공기의 열 에너지를 출력 동력으로 전환함에 의해 효율을 더 증가시킨 복합엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 원리에 따르면, 더 효과적인 냉각이 필요한 엔진의 구역상에 순환공기로부터 얻어진 냉각공기를 선택적으로 충돌시키고, 또 엔진으로부터 출력축을 구동하기위해 가열된 냉각 공기를 사용하는 가스터빈 유닛으로 가열된 냉각 공기를 배출하는, 피스톤 유닛과 가스터빈 유닛을 포함하는 복합엔진이 제공된다.
본 발명의 한 실시예에서, 냉각공기는 피스톤 유닛의 흡기 매니폴더의 순환공기로부터 연소실에 근접한 외부 실린더 벽의 부분으로 고속의 냉각공기를 안내하는 제 1 복수의 충돌 냉각홀로 전용된다. 연소실에 인접한 실린더 벽의 단부에서의 충돌냉각의 사용은 종래에 가능했던 것보다 충분히 낮은 온도의 실린더 벽 구역을 유지한다. 따라서, 피스톤 링은 실린더 벽의 부분에 인접한 위치의 피스톤의 단부에 가깝게 이동될 수 있고, 피스톤상의 고온 단열 캡은 크기가 감소된다. 더욱이,연소실에 인접한 실린더 벽의 단부를 저온으로 유지함에 의해 피스톤의 길이와, 실린더 벽의 길이와 피스톤 유닛 전체의 길이는 충분히 감소된다. 그러므로, 피스톤 유닛은 감소된 가격의 저질 재료로 만들어질 수 있고, 더 효과적으로 엔진이 작동되는 것이 허용된다. 더욱이, 냉각 공기의 체적 단위당 더 많은 열이 실린더 벽으로부터 제거되었기 때문에 냉각과정이 충분히 더 효과적이다. 냉각 유체의 흐름 체적 감소의 장점은 더 효율적인 복합엔진의 작동이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제 2 복수 충돌 냉각홀은 고속 순환 공기를 배기밸브의 외부표면의 임계구역으로 안내한다. 상기 임계구역은 연소실에 인접한 배기밸브의 부분과 밀봉링과 미끄럼 접촉을 하는 배기밸브의 외부표면이다. 충돌냉각방식은 통로를 통한 냉각공기의 단순한 순환보다 효과적이고, 그러므로, 배기밸브의 외부표면은 저온으로 될 수 있거나, 보다 작은 냉각유체로서도 같은 온도를 유지한다. 최종 결과는 배기밸브의 동체는 더 낮은 온도에서 유지되며, 연장된 배기밸브 수명을 제공하는 장점을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 냉각유체는 배기밸브 내부 중앙 본체를 통해 연장된 냉각통로로 운반된다. 충돌냉각은 배기밸브로부터 열을 제거하고 수명을 향상시키도록 선택된 배기밸브의 내부표면을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 부가적으로, 중앙 본체의 충돌냉각은 연소실에 인접한 중앙 본체의 바닥을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 중앙 본체 바닥의 냉각은 중앙 본체의 단부를 낮은 온도로 유지하고, 그것에의해 중앙 본체의 단부에 작은 고온 단열 캡과 더 낮은 내열성 재료의 사용을 허용하여 효과적이다. 그러므로, 중앙 본체의 단부의 향상된 열 제어는 부품의 크기를 감소하고, 더 낮은 내열성 재료의 사용을 허용하고, 그것에 의해 비용명에서 더 효과적인 설계를 허용한다.
더욱이, 중앙 본체의 충돌냉각은 중앙 본체를 통해 연장된 연료라인을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 상기 냉각은 분사기를 통과하는 연료의 온도의 향상된 조절을 허용하고, 그것에의해 연소실로 들어가는 연료의 온도가 더 일정하고 정밀하게 제어될수 있도록 허용한다. 연료 온도의 향상된 제어에 의해, 연소과정의 효율은 더 효과적인 엔진 작동의 제공의 장점과 함께 잘 제어된다.
이것과 다른 목적과 그리고 본발명의 장점은 여기에 도시된 도면과 함께 하기의 기술동안 쉽게 명백해질 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면 복합엔진(10)은 피스톤 유닛(12)과 가스터빈 유닛(36)으로 구성된다. 피스톤 유닛(12)은 복수의 피스톤과 실린더 조립체를 포함하는 단일흐름 배기 유닛인 2 행정 압축착화 기관이 바람직하다. 복수의 피스톤과 실린더 조립체는 가급적 8쌍의 대향 실린더(14)를 포함한다. 대향 실린더 쌍은 두개의 뱅크(16)에 배열되고, 한 뱅크(16)의 한 실린더(14)는 반대편의 나머지 뱅크(16)의 한 실린더(14)를 향한다. 실린더(14)의 각 쌍은 스카치 이음쇠(20) 수단에 의해 크랭크축(18)지 동력을 전달할 수 있도록 연결된다. 각 실린더(14)는 스카치 이음쇠(20)의 한 단부와 단단히 연결된 피스톤(22)을 포함한다. 스카치 이음쇠(20)는 크랭크(18)의 편심기(30)와 회전가능하게 연결되고, 그안에 미끄러질수 있도록 장착된 미끄럼 블록(28)을 가진 직사각형 슬롯(26)이 달린 크로스헤드(24)를 갖는다. 실린더(14)는 일반적으로 동일하고, 상호 연결된 스카치 이음쇠(20)를 가진 실린더(14)의 각 쌍도 일반적으로 동일하다. 유사하게, 실린더(14)의 뱅크(16)는 일반적으로 동일하고 각각의 거울면 대칭(mirror imige)이 된다, 복합엔진(10)의 피스톤 유닛(12)은 2 행정 압축착화 디젤 유닛이고, 각 실린더(14)에 각 피스톤(22)이 행정의 최대 하부일 때 흡기 매니폴더(32)와 흡기 포트(port;34)를 통해 연소나 순환공기가 공급된다.
순환 공기는 정상유동 고압 압축기(38)와, 고압터빈(40)과, 한 쌍의 연소기(42) 및 측량흐름 저압터빈(44)으로 구성된 고압 가스터빈 유닛(36)에 의해 공급된다. 선택된 실시예에서, 고압 압축기(38)는 입구(46)를 통한 순환 공기를 수용한다. 그리고, 공기는 압축기 로터(47)의 배인(vane)을 통과하고, 압축 공기를, 두 개의 배출경로(49)로 분할하는 배출 스크롤(48)통과하고, 상기 경로 각각은 두 개의 연소기(42) 중 하나로 공기를 안내한다. 터빈유닛(36)은 피스톤유닛(12)의 각 뱅크(16)의 실린더(14)로부터의 배기가스가 배기매니폴더(50)의 쌍중 하나로 통과하도록 형성된다. 연소기(42)는 연소기(42)로 부터의 배기가스를 엔진 측면상의 이중입구 가변 면적 터빈 노즐 스크롤(52)의 두 입구로 안내하고, 고압 터빈 로터(53)의 베인을 통과하게 함에 의해 고압터빈(40)을 구동하도록 형성된다. 고압터빈(40)의 출력축은 고압 압축기(38)를 작동가능하게 회전시킬수 있도록 축 조립체(54)와 베어링에 연결된다. 고압터빈(40)은 피스톤(12)이 저속이어서 상당히 작은 배기 가스를 배출하는 경우에도 고압터빈(40)이 100%의 원하는 속도로 작동되는 것을 허용할 수 있도록 고압터빈의 입구 영역을 변경할수 있는 가변 입구 베인(도시되지 않음)을 갖는다. 고압 터빈(40)의 출구는 축향흐름 저압터빈(44)의 입구에 연결된 원뿔형 디퓨저(56)에 유동적으로 연결된다. 가변 베인(도시되지 않음)은 압력저하를 변경하고, 그리하여 저압터빈에 의한 동력 생산을 변경할수 있도록 저압터빈(44)의 입력상에 사용될수 있다. 저압터빈(44)으로 부터의 출력가스는 출구(58)를 통해 대기중으로 배출된다.
저압터빈(44)은 출력이 크랭크축(18)과 기계적으로 연결된 감속 유닛(62)을 통해 연결된 출력축(60)과 단일 로터(59)를 갖는다. 감속 유닛(62)은 직접적으로 저압터빈 유닛(44)상애 장착되고, 일반적인 시스템에 의해 윤활된다. 감속 유닛(62)은 매우 낮은 마찰력과 저압터빈(44)과 동일한 축 중심선상에서 10:1의 감속을 제공하도록 하나의 링기어와, 세 유성기어와, 하나의 선기어로 구성된다. 2:1의 감속은 크랭크축(18)과 감속 유닛(62)의 출력에 연결된 풀리와 브이벨트(V-belt)배열(64)을 통해 성취된다. 약 120파운드 무게의 플라이휠(66) 또한 복합엔진으로부터 회전축 출력 동력을 제공하는 크랭크축(18)상에 장착된다.
스카치 이음쇠(20)는 피스톤(22)에 강성적으로 연결되고, 중심에 배치된 직사각형 슬롯(26)은 대향된 피스톤(22)의 행정에 수직 방향인 길이방향으로 연장된다. 상기 배열은 몇몇의 장점을 갖는다. 첫째, 스카치 이음쇠(20)는 피스톤(22)과 실린더(14) 사이의 측방향 힘을 최소화 함으로써 실린더(14)의 내부에서 왕복운동하는 피스톤(22)을 능동적으로 안내한다. 그러므로, 피스톤링(도시되지 않음) 과 실린더(14) 사이의 마찰과 마모가 최소화된다. 둘째, 냉각되지 않은 작동에서 실린더와 피스톤의 상단부는 927℃에 이를수 있다. 고정된 스카치 이음쇠(20)에서, 피스톤(22)은 냉각되고 윤활된 피스톤 베이스의 간극 제어에 의해 실린더(14) 내부로 안내된다. 스카치 이음쇠(20)에서, 피스톤 스커트는 매우 짧아질 수 있고, 피스톤(22)을 안내할 수 있다. 피스톤과 스커트 위의 실린더의 간격은, 예로서, 약 0.005inch. 뜨거운 실린더 부품과 피스톤의 추가적인 마찰이 없기 때문에 유지될수 있다. 셋째, 한 피스톤의 연소 팽창력은 대향하는 피스톤에 직접적인 압축력으로 전달된다. 부가적으로, 여덟 개의 실린더 유닛에서, 스카치 이음의(20)중 둘은 항상 동일한 속도로 움직이지만, 그러나, 조화된 왕복 유닛의 결과로 방향은 반대이다. 스카치 이음의(20)는 알루미늄나 복합 재료로 만들어지는 것이 바람직하고, 약 14파운드의 총 왕복질량을 갖는다. 작동 사이클을 요약하면, 도 1내지 도3을 참조하여, 상기 복합 엔진에서, 큰 체적의 저압 공기는 약 200:1의 총비율로 압축된다. 순환 공기는 처음에 회전 고압 압축기(38)에 의해 약 5:1의 비율로 압축되고, 그 후, 공기는 연소기(42)와, 흡기 매니폴더(32)와, 흡기 포트(34)를 통해 유동하고, 피스톤 유닛(12)의 실린더(14)로 들어간다. 공기는 피스톤(12)이 최대 동력으로 작동중일때 100%에 가까운 효율에서 약 40:1 비율의 고압으로 추가 압축된다. 압축은 피스톤 사이클의 상사점 부근의 실린더(14) 속으로 주입된 연료를 발화시키고, 연소와 팽창가스의 에너지는 피스톤 유닛(12)에 의해 상사점이후 약 95° 크랭크축 회전과 배기밸브(110)의 개방 동안의 부가직인 30° 를 통해서 가능한 100%에 가까운 효율에서 최대 크기로 추출된다. 가스가 실린더(14)내애서 최대로 팽창하고, 냉각과 배기공기가 결합되었을 때, 결합된 공기는 고압 압축기(38)을 회진시키는 고압터빈(44)을 구동하기 위해서 연소기(42)를 통해 되돌려진다. 피스톤 유닛(12)으로부터 배기된 가스의 잔여 에너지는 크랭크축(18)의 출력을 위한 기어 감소 유닛(62)과 브이벨브 유닛(64)에 연결된 저압터빈(44)에서 추출된다.
피스톤(12)의 2 행정 사이클은 2 행정 사이클의 순환 공기 흐름 특성이 가스 터빈 유닛의 연속적인 가스 흐름 특성과 더 근접하게 조화되기 때문에 중요하다. 실예로, 피스톤 유닛(12)의 흡기와 배기 밸브는 큰 부분, 예로서, 크랭크축(18) 회전의 1/3 동안 개방된다. 복합엔진(10)의 순환 공기 흐름은 연소기(42)에 의해 제공되는 병렬적 흐름경로 때문에 독특하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 고압 압축기(38)로 부터의 순환 공기는 연소기(42)의 후단부에서 원통형 흐름로(81)를 가로지른 제 1 입구(80)로 들어가고, 전단부로 흐른다. 그후, 순환 공기는 환형 포트(82)를 통과하고, 제 2 원통형 흐름경로(84)로 들어간다. 제 2 원통형 흐름경로(84)는 흡기 매니폴더(32)와 방사상으로 연장된 스트러트나 원주형 밸브(88)의 공기통로(86)에 교차한 제 1 공기 출구를 제공한다. 원주형 밸브(88)은 미끄러질수 있도록 스트러트 공기통로(86)의 위에 배치되고, 스트러트공기통로(86)의 개구와 조화된 개구를 구비한 슬리브(89)를 포함한다. 정상 엔진 작동 동안 원주형 밸브(88)의 슬리브(89)는 폐쇄 위치로 회전되나 흡기 매니폴더(32)와 포트(34)의 내부를 통한 환형 통로(80)로 부터의 공기흐름과 공기통로(86)를 막지는 않는다. 원주형 밸브(88)의 슬리브(89)는 가스터빈(36)의 연소기(42)내부의 히터나 바이패스 연소기의 작동시 공기 통로(86)의 개방 위치로 회전한다. 연소기 작동에서, 공기통로(86)는 실린더 공기 포트(92)에 의해 연소 공기를 연소실 내부의 바이패스 연소기 또는, 히터로 구성된 연소실(94)로 공급하는 내부 원통형 공기흐름 경로(90)에 교차한다. 연료는 분사라인(96)애 의해 연소실 안으로 분사된다. 열 반응기나 연소실(42)에서 연소중인 연료는 구동용 가스로 고압터빈(40)을 작동시키는 제 2 배출통로(106)로 배기가스를 생산한다. 연소기(42) 내부의 바이패스 연소기는 피스톤 유닛(12)의 시동시, 또는 복합엔진(10)에 동력 증가를 공급하기를 원할 때 점화된다. 복합엔진(10) 고유의 특성은 연소기(42) 내부의 병렬적 공기흐름로이다. 예로서, 순환 공기는 피스톤 유닛(12)과 연소기(42)의 연소실(94)의 양쪽으로 흐를수 있다. 피스톤 유닛(12)과 터빈 유닛(36)의 연소실(94)이나 바이패스 연소기내에서 연소중인 연료에 의해 양쪽 유닛(12,36)은 구동용 가스를 배출구(43;도2)를 통하여 고압터빈(40)에 공급하고 회전하여 구동용 가스의 상당한 증가를 저압터빈(44)의 입구(45)에 공급한다. 저압터빈(44)로 부터의 출력 구동축(60)은 상당한 동력을 복합엔진(10)으로 부터의 동력이 취해지는 크랭크축(18)에 추가한다.
다른 흐름경로에서, 실린더(14)내부의 연소로부터의 배기 순환 공기는 배기매니폴더(50)를 경유해서 실린더(14)를 벗어나고, 98의 연소기 제 2 입구로 들어간다. 피스톤 유닛(12)으로 부터의 배기 순환 공기는 스트러트, 또는, 방사형 공기통로(86) 사이로 연장된 길이방향 통로(100)를 통해 흐른다. 연소기(42)의 다른 단부에서, 원통형 길이방향 공기통로(102)를 통해 흐르는 배기 사이클공기와 흡기 사이클공기는 고압터빈(40)의 입구에 연결된 출구 통로(106)안으로 더 빨리 혼합되고, 융합되기 쉽도록 배기 순환 공기와 흡기 순환 공기를 작은 흐름으로 분리하는 데이지믹서(daisy mixer;104)를 통과한다. 고압 압축기(38)로 부터의 공기는 연소기(42)를 통해 피스톤 유닛(12)상의 개방 실린더의 흡기구와 고압터빈(40)으로 흐른다. 상기 작동은 압축되고 가열된 공기를 흡기 매니폴더(32)에 제공하고, 고압터빈(40)에 유동적으로 결합된 저압터빈(44)을 통해서 크랭크축(18)에 토크를 가한다. 연소기(42)를 통해 제공된 평행한 흐름로의 독특한 점은 피스톤 유닛(12)에 대해 독립적으로 시동되고 작동될 수 있는 가스터빈(36)이고, 이에의해 쉬운 시동및 내부 냉각 흐름경로 제어의 장점을 제공한다. 상기 독특한 공기흐름 형상은 가스터빈 유닛과 2 행정 양쪽 때문에 가능하고, 단일흐름 배기 피스톤 유닛은 작동 가능하도록 시스템 전반에 걸친 총 압력 저하를 갖는다. 종래의 가스터빈은 압축기와 터빈 사이의 약 5%의 압력저하를 갖는다. 회복형 터빈(recuperated turbine)은 더 높다. 종래 2 행정 실린더에 걸친 압력저하는 밸브배열과, 속도와, 동력 설정을 변경한다. 고정변위 배기 압축기를 가진 유닛에서, 압축율은 무부하에서 매우 낮은 값으로 부터 최고 속도와 최대 동력에서 약 40% 까지 다양해질수 있다. 복합엔진(10)의 표면 또는 영역을 초과한 적용에서, 약 82%의 최대효율을 가진 고압터빈(38)에서 약 5:1의 압력비가 선택되는 것이 바람직하다. 압축기 효율은 가스터빈과 디젤 복합엔진에서 중요한 파라미터이다. 압축기(38)는 약 205℃에서 피스톤 유닛(12)에 공기를 공급하기 때문에, 낮은 압력비는 고압터빈(40)에서 회복되는 배기 에너지를 감소시킬 것이다. 다른 면에서, 높은 압력비는 적당한 최대 실린더 압력을 유지하기 위해 피스톤 압축율이 낮아질 것을 요구한다. 추가적으로, 압축기의 비율이 증가함에따라. 피스톤 유닛(12)에 공급되는 공기 온도가 증가하고, 그 때문에 공기의 냉각성능이 감소한다. 더욱이, 흡기 매니폴더에서 순환 공기의 온도는 체적효율, 또는 각 행정상의 공기의 충분한 충전을 획득하기 위한 실린더의 능력에 큰 영향을 갖는다.
약 5%의 피스톤 유닛(12)의 실린더에 걸친 압력비와 피스톤 유닛(12)의 압력강하와 속도의 함수로써 변화하는 피스톤 공기 유동 하에서 고압터빈(40)과 저압터빈(44)의 양쪽 모두에 가변 영역 노즐이 사용된다. 그러므로, 고압로터는 100%에서 적동되거나, 최대 동력으로부터 아래로 약 20%동력까지 최대 속도로 작동된다. 동력 범위의 대부분에 걸쳐 최대 속도로 작동하는 고압 로터에서, 고압공기는 흡기 매니폴더(32)로 공급된다. 그리고 5% 압력 강하는 대부분의 동력 설정에서 실린더(14)에 걸쳐 유지된다. 이 배치에서 배기율은 무부하 부근의 약 500%에서 최대 동력과 최대 속도에서 약 120%까지 변화할 것이다. 배기율 또는 트래핑(trapping) 효율은 피스톤 유닛(12)의 속도에 의해 크게 영향을 받는다. 배기 효율은 또한 배기율에 의해 영향을 받는다.
복합엔진(10)의 설계 목적의 하나는, 엔진 냉각을 최소화하고, 압축 연소 과정동안 생성되는 열의 사용을 최적화 하는 것이다. 그러므로, 내부 피스톤과 실린더 표면은 816℃-927℃의 표면 온도를 견뎌야 한다. 복합엔진(10)의 효율과 성능은 복합엔진의 고온 작동에 의해 향상된다. 더욱이, 피스톤 유닛의 열 흐름 특성은 각각의 찬 압축기 배출 공기가 실린더(14)의 바닥으로 들어가고, 배출 순환 공기는 그 상단부에서 실린더를 벗어나기 때문에(입구로 부터 수평적으로 치환된다) 향상된다. 이 배열은 윤활유로의 열전달을 최소로 하기 위해 도 3의 크랭크케이스의 각각의 냉각 영역을 유지하는 것을 쉽게 만든다. 실린더의 균등하게 순환하는 온도 변화도 또한 제공되며 그에의해 변형이나 뒤틀림을 방지한다. 추가적인 냉각이 크랭크케이스(108) 내부의 오일에 의해 제공된다, 일련의 오일 스프레이 노즐(도시되지 않음)은 스카치 이음쇠 베어링 표면과 각 피스톤(22)의 하부상에 오일을 충돌시킬수 있도록 크랭크케이스(108)의 내부에 배치된다. 크랭크축(18)은 각 주 베어링과 내부 미끄럼 베어링에 압력 윤활을 제공하기위해 천공되어 있다.
최소 한도의 내부 냉각에 대한 필요성과, 실린더(14)를 통한 낮은 압력 강하와, 매우 높은 실린더 압력의 정점과, 뜨거운 금속 온도 때문에 복합엔진(10)은 몇몇의 독특한 설계형상을 갖는다. 첫째로, 대향하는 실린더(14)는 같은 중심선 상에서 정확히 180° 떨어져 있고, 실린더는 상호 대향하는 실린더 헤드 사이로 연장된 고강도 관통 볼트로 결합되어 있다. 이는 조립과 분해를 간편하게 하고, 실린더 벽의 길이방향 응력을 경감 시킨다. 상기 배열은 또한 넓은 흡기포트 영역을 제공한다. 길고, 고강도인 결합 로드(rod)는 또한 실린더 라이너와 헤드가 구획 안에서 일단을 이루도록 하고, 만약 원한다면 실린더 라이너 벽의 하부로 열전달을 최소화하기 위해 단열재나, 지르코니아(zirconia) 같은 저 열 전달 개스킷의 사용은 허용한다.
둘째, 피스톤 유닛(12)는 내부에 실린더(14)와 피스톤(22)가 상단부를 향해 가늘어지는 단일흐름 배기 유닛으로 설계되었고, 그에의해, 상단부에서 연소실의 내부 체적이 감소되어 몇몇의 장점을 제공한다. 실린더 기부의 흡기포트(34)와 실린더 상단부의 배기밸브(110)의 배치에서, 상기 형상은 흡기포트에서 사이클공기의 초기 스월(swirl)을 제공한다. 흡기 공기의 스월 형태는 실린더(14)를 통해 상승되면서 연속되고, 더 작게 압축되면서 가속되고, 원뿔형 실린더 체적을 따라 상승하면서 직경이 더 작아진다. 연소실은 작은 주어진 여유체적의 체적 영역 비율로 감소되는 표면을 가진 원통형 플러그 형상을 채택한다. 상기 요소는 연소실 표면의 높은 온도를 따라 고열 방출 구성을 제공한다. 더욱이, 실린더 내부 표면으로 부터의 열 방출율은 온도가 가장 높은 영역에서 가장크다. 추가적으로, 실린더 상단부의 감소된 체적은 압축 착화 과정을 촉진한다. 편리하게, 점화지연은 538℃를 초과한 표면 온도의 작동에서 제거된다.
감소된 직경의 연소실은 또한 피스톤(22)과 같은 중심을 가진 실린더 헤드(112)의 보어(109)내에 장착된 환형 배기밸브(110)의 사용을 촉진한다(도3). 이런 밸브에서, 실린더 상단부의 원주는 실린더에 걸친 매우 낮은 압력강하를 제공하는 공기 동역학적 형상의 배기 스크롤을 제공하기 위해 개방된다. 밸브가 폐쇄되었을때, 배기밸브(110)의 단부(111)는 실린더 헤드(112)내의 환형 표면(113)을 지탱하고 끼워진다. 그리고, 연소실은 배기밸브와 실린더의 내부에 배치된다. 배기밸브(110)은 또한 배기밸브 원통형 주변 벽(115)상에 내부 립(lip;114)을 갖고, 상기 립은 수평에 대해 약 30℃ 의 각도를 지향하며 실린더 내부가 최대 압력인 연소동안 능동적인 고정력을 제공하기 위해 사용된다. 이 밸브의 장점은 배기 효율이 최소 70%에서 90%에 달한다는 것이다. 더욱이, 가스터빈과 피스톤의 연소 속도에 따라 배기효율은 100%에 이른다.
배기밸브(110)는 연료 분사기(118)를 가진 중앙 본체(116)에 대해 주변에 장착되고 길이방향으로 움직인다. 연료분사는 켐 플런저 스프링과 여덟 개의 연료 분사기를 구동하기 위한 조속기를 구비한 8-플런저(eight-plunger) 연료펌프(도시되지 않음)의 사용에 의해 성취된다. 모든 여덟 개의 고압 연료분사 라인은 모든 분사기 니들(needle) 상승 압력이 예로서, 3200psi로 대략 동일하도록 동일한 길이를 갖는다. 밀봉링(120)은 그 속에서 왕복운동하는 배기밸브(110)를 지나 누출되는 가스로부터 연소가스를 밀봉하기 위해 중앙 본체와 실린더 헤드(112) 양쪽 모두에 포함된다. 도시되지 않은 기계장치에 의해, 중앙 본체(116)는 선택적으로 피스톤(22)을 향하거나 멀어지는 방향으로 약간 이동될수 있고, 이에의해 피스톤 유닛(12)내의 연소실의 크기가 변하고, 이 때문에 압축비가 변한다. 압축비의 변화는 피스톤 유닛(12)의 예로서, 무부하 상태같은 매우 저속에서의 작동시 유익하다.
피스톤 유닛에 걸친 설계된 압력 강하에서, 모든 냉각은 순환 공기에 의해 제공된다. 그리고 스카치 이음쇠 윤활을 제외하면 외부 냉각 기계장치는 사용되지 않는다. 충돌냉각은 냉각될 가열된 표면상에 충돌할 수 있도록 고속으로 구멍으로부터 순환 공기가 배출됨에 의해 사용되는 것이 바람직하다. 고속 충돌냉각 공기제트(jet)는 가열된 표면에 바로 인접하여 배출되는 층류 공기흐름을 관통하고 헤체하는데 효과적이다. 도 5를 참조하여, 소량의 사이클공기는 하나 또는 더 많은 홀이 천공된 제 1 냉각통로(152)나 실린더(14)를 원주형으로 둘러싼 환형 통로를 통해 전용된다. 제 1 냉각통로(152)의 한 단부(154)는 흡기 매니폴더(32)와 교차한다. 제 1 냉각통로는 실린더(14)에 대해 길이방향으로 연장되고, 제 1 복수의 충돌 냉각홀(158)의 제 1 단부(157)와 교차하는 제 2 단부(156)을 구비한다. 제 1 복수의 충돌 냉각홀(158)은 연소실(94)에 인접한 실린더(14)의 단부에서 환형 플리넘(160)과 교차하는 제 2 단부(159)를 구비한다, 그렇기 때문에, 제 1 복수의 충돌 냉각홀(158)은 사이클공기를 수용하고, 배출하며, 실린더(14)의 외부표면(161)에 대해 고속의 순환 공기를 충돌시키고, 그것에의해 연소실(94)에 인접한 실린더(14)의 단부에서 실린더(14)의 온도를 상당히 감소시킨다, 상기 플리넘(160)과 제 1 복수의 충돌 냉각홀(158)은 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤(22)가 상사점의 위치일 때 피스톤 링(162)의 위치에 인접한 지점에서 실린더(14)의 외부표면(161)의 둘레에 원주형으로 배치된다. 피스톤(22)의 상사점 위치는 피스톤의 압축행정의 끝 또는 상단부에서 피스톤(22)이 방향을 바꾸는 지점이다. 실린더 벽(14)상의 지점에서 충돌 냉각의 제공은 피스톤 링(162)이 피스톤(22)의 헤드(166) 또는 캡(cap)에 근접한 피스톤 상에 장착되는 것을 허용한다. 제 2 복수의 충돌 냉각홀(168)은 사이클공기를 수용하기 위해 플리넘(160)과 교차하는 제 1 단부(170)를 구비한다. 상기 제 2 복수의 충돌 냉각홀(168)은 배기밸브(110)이 폐쇄되었을 때 배기밸브(110)의 단부의 외부표면(173)에 인접하게 고속의 순환 공기를 배출하고 충돌 시키는 제 2 단부(172)를 구비한다. 그후 가열된 냉각공기는 배기 매니폴더(50)에서 피스톤 유닛의 배기가스와 혼합된다.
부가적인 충돌냉각은 외부 배관의 수단에 의해 흡기 매니폴더(32)와 유체 소통하는 제 1 단부(176)을 구비한 제 2 냉각통로(174)에 의해 제공된다. 상기 배관(178)은 제 2 냉각통로(174)에 사이클공기를 공급하기 위해 다른 원천과 연결될수 있다. 예로서, 사이클공기의 원천은 연소기(42)의 사이클공기 통로나, 압축기(38)의 출력로(49)로 부터 연결될 수 있다. 제 2 냉각통로(174)의 제 2 단부(180)는 연소실(94)에 근접하게 배치된 배기밸브의 단부(111)를 향한 배기밸브(110)의 외부표면에 대해 플리넘(188)을 통해 고속으로 순환 공기를 배출하고 충돌시키는 제 2 단 부(186)을 구비한 제 3 복수의 충돌 냉각홀(184)의 제 1 단부와 교차한다. 제 2 냉각통로(174)는 하나 또는 더많은 천공된 홀 또는 배기밸브(110)을 원주형으로 둘러싼 환형 통로일 수 있다. 그리고, 상기 제 3 복수의 충돌 냉각홀(184)와 플리넘(188)은 배기밸브(110)의 외부 둘레에 원주형으로 연장된다. 제 2 플리넘(188) 내부의 상기 가열된 냉각공기는 배기밸브(110)의 외부표면(190)을 따라 배기 매니폴더(50)으로 들어갈때까지 이동하고, 피스톤 유닛의 배기가스와 혼합된다.
밀봉링(194)은 실린더 헤드 내부에 장착되고, 왕복운동하는 배기밸브(110)의 외부표면(190)과 미끄럼 접촉한다. 밀봉링(194)는 배기밸브(110)가 바라는 왕복 경로를 따라 안내되는 것을 돕는다. 제 4 복수의 충돌 냉각홀(196)은 제 4 복수의 충돌 냉각홀로부터의 냉각 사이클공기를 수용하기 위한 제 2 냉각통로(174)와 교차하는 제 1 단부(198)를 구비한다. 제 4 복수의 충돌 냉각홀(196)은 환형의 제 3 플리넘(202)과 교차하는 제 2 단부(200)를 구비한다. 제 4 복수의 충돌 냉각홀(196)과 제 3 플리넘(202)은 배기밸브(110)의 외부 표면의 둘레로 원주형으로 연장되는 것이 바람직하다. 더욱이, 제 3 플리넘(202)은 밀봉링(194)의 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 제 4 복수의 충돌 냉각홀(196)은 밀봉링(194)의 사이의 배기밸브(110)의 외부표면(190)에 대해 고속의 냉각 공기를 배출하고 충돌 시키고, 그에의해, 부가적인 냉각을 제공한다. 플리넘(202)내부의 상기 가열된 냉각 공기는 공기통로(197)을 통해 제 2 플리넘(188)로 들어가고, 그후, 배기밸브(110)의 외부표면(190)을 따라 배기매니폴더(50)으로 들어갈때까지 이동하고 피스톤 유닛의 배기가스와 혼합된다.
부가적인 냉각을 제공하기 위해, 중앙 본체(116)은 배기밸브(110)의 내부표면(203)과, 중앙 본체(116)의 단부(204)와, 연료 분사라인(208)을 통한 연료통행을 선택적으로 냉각하기위한 냉각 공기 통로와 충돌 냉각홀을 포함하고 있다. 상기 중앙 본체(116)은 배관(178)에 연결되고 흡기 매니폴더(32)안의 순환 공기와 유체 소통하는 제 1 단부(212)를 구비한 제 3 냉각통로(210)을 포함한다, 상기한 바와같이, 제 3 냉각통로(210)은 흡기 매니폴더(32)나 다른 순환 공기의 원천과 연결될 수 있다. 상기 통로(210)은 하나 혹은 더 많은 홀이거나, 또는 중앙 본체(116)의 내부에 길이방향과 원주형으로 연장된 환형 통로일 수 있다. 상기 통로(210)은 중앙 본체의 단부(204)에 인접하게 배치된 흡기 플리넘(216)과 교차한다. 원형 디스크(disk)나 부재(218)는 흡기 플리넘(216)의 내부에 장착되고, 배기 플리넘(217)으로 부터 흡기 플리넘(216)을 분리한다. 상기 디스크(218)는 중앙 본체(116)의 단부(204)에 인접한 내부표면(222)에 대해 고속의 사이클공기를 배출하고 충돌 시키는 제 5 복수의 충돌 냉각홀(220)을 구비한다. 중앙 본체(116)의 상기 단부(204)는 연소실(94)에 바로 인접한다; 그리고, 그 때문에 상기 충돌 냉각이 중앙 본체(116)의 최고온부의 온도를 감소시키는데 효과적이다. 냉각공기 배출통로(223)는 배기 플리넘(217)과 교차하고, 중앙 본체(116)을 통해 길이방향으로 연장된 한 단부를 갖는다. 냉각공기 배출통로(223)는 고압터빈(40)의 출력과 유체 소통하는 다른 단부(226)를 가진 단단하거나 부드러운 배관(225)에 연결된 대항하는 단부(224)를 구비한다. 배관(225)의 다른 단부(226)는 피스톤 유닛의 배기 가스와 혼합되는 배기 매니폴더(50)에 연결되고 가열된 냉각공기를 배기 매니폴더로 안내한다.
제 6 복수의 충돌 냉각홀(228)은 제 4 냉각 통로(210)로 부터의 냉각 사이클 공기를 수용하기 위해 제 4 냉각 통로와 교차하는 제 1 단부를 구비한다, 제 6 복수의 충돌 냉각홀(228)의 제 2 단부(230)는 배기밸브(110)의 내부 표면(203)에 대해 플리넘(232)를 통해 고속의 순환 공기를 배출하고 충돌시킨다. 플리넘(232)은 환형으로 형성되고 제 6 복수의 충돌 냉각홀(228)과 함께 중앙 본체(116)의 되부표면의 둘레에 원주형으로 연장되는 것이 바람직하다. 중앙 본체는 중앙 본체(116)의 외부표면에 장착되고, 중앙 본체(116)에 대해 왕복운동하는 배기밸브(110)의 내부표면(203)과 접촉하는 밀봉링(234)을 구비한다. 밀봉링(234)은 배기밸브(110)의 외부표면(190)에 접촉된 밀봉링(194)에 바로 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 더욱이, 플리넘(232)은 밀봉링(234)의 사이에 배치되고, 배기밸브(110)의 외부표면상에 배치된 플리넘(202)에 바로 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.
냉각공기 배출 통로(236)는 제 5 플리넘(232)과 교차하고, 중앙 본체(116)를 통해 길이방향으로 연장된 한 단부를 구비한다. 냉각공기 배출 통로(236)은 고압터빈(40)의 출력과 유체 소통하는 다른 단부(238)를 구비한다. 배출 통로(236)의 다른 단부(238)은 중앙 본체(116)으로 부터 배기 매니폴더(50)으로 가열된 냉각공기를 안내하는 배관(225)에 연결되는 것이 바람직하다.
제 7 복수의 충돌 냉각홀(240)은 제 4 냉각통로(210)으로 부터의 냉각공기를 수용하기 위해 제 4 냉각통로와 교차하는 제 1 단부를 구비한다. 제 6 복수의 충돌 냉각홀(240)의 제 2 단부(244)는 연료 분사 라인(208)에 인접한 중앙 본체(116)의 내부표면(248)에 대해 플리넘(246)을 통해 고속의 사이클공기를 배출하고 충돌 시킨다. 플리넘(246)은 환형으로 형성되고, 제 7 복수의 충돌 냉각홀(240)과 함께 연료 분사라인(208)의 둘레에 원주형으로 연장되는 것이 바람직하다. 제 7 복수의 충돌 냉각홀(240)은 연료분사라인(208) 내부의 연료를 바라는 온도에서 유지하는 것을 돕는다. 냉각 공기 배출 통로(248)는 플리넘(246)과 가열된 냉각공기를 배기 매니폴더(50)로 안내하는 냉각 공기 배출 통로(223)의 사이로 연장되고 교차한다.
상기한 충돌 냉각방식의 사용은 몇몇의 장점을 제공한다, 첫째, 상부 실린더 벽의 출돌 냉각은 캡(166)에 근접한 피스톤(22)의 외부 단부에 인접한 피스톤(22)상에 피스톤 링(162)이 장착되는 것을 허용한다. 최종 결과는 종래의 형상보다 상당히 짧아지고, 엔진의 효율을 향상시키는 더 작은 질량을 가진 피스톤이다. 부가적으로, 실린더의 길이도 역시 감소되고, 실린더 벽의 두께도 감소되며, 그에의해 무게가 감소된다. 배기 밸브의 내부, 외부 표면의 양쪽상의 충돌 냉각은 늘어난 밸브 수명을 제공한다. 충돌 냉각 장치의 다른 장점은 더 작은 순환 공기로 더 효율적인 냉각이 제공된다는 것이다. 예로서, 두 개의 냉각 용도로 전용된 사이클공기의 흐름율은 상기된 종래의 복합엔진에 사용된 전용된 순환 공기의 양에 비해 약 50% 감소될 수 있다.
본 발명이 선택된 실시예의 설명과 함께 상당히 세부적으로 설명되는 동안 한정이나 어떤식으로든 청구항을 세부적으로 제한하지 않았다. 추가적인 장점과 변용은 기술에 숙련된다면 쉽게 드러날 것이다. 예로서, 충돌 냉각홀(158,168,184,196,220,228,240)의 치수는 직경이 약 0.001inch에서 약 0.005inch의 범위인 것이 바람직하다. 어쨌든, 충돌냉각홀과 조합된 플리넘의 치수와, 어떤 위치에서건 홀의 수는 냉각응용과, 사용가능한 물리적 공간과, 제조 비용등의 요구에따라 변한다. 더욱이, 본 발명의 충돌 냉각 장치는 예로서, 2 행정이나 4 행정 또는 가스나 디젤 피스톤 유닛 등의 어떤 형태의 복합엔진용 피스톤 유닛에도 사용될 수 있다. 그러므로, 광범위한 형상의 본 발명은 도시되고 상기된 명확한 세부 사항에 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않은 변용이 상기 항목에서 만들어 질 수 있다.

Claims (9)

  1. 순환 공기를 제공하기 위해 주변 공기를 받아 들이는 압축기(38)와, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하는 제 1 터빈(40)과, 상기 제 1 터빈의 출력 부(43)에 유체 소통식으로 결합된 입력부(45)를 구비한 제 2 터빈(44)을 포함하는 가스 터빈 유닛(36)과,
    상기 압축기로부터 순환공기를 받아들이는 흡기 매니폴드(32)와, 상기 제 1 터빈과 유체 소통되어 상기 제 1 터빈으로 순환 가스를 제하는 배기 매니폴드(50)와, 상기 제 2 터빈에 기계적으로 결합된 크랭크 샤프트(18)와, 복수의 피스톤 및 실린더 조립체를 포함하는 피스톤 유니트(12)를 포함하고,
    상기 각 복수의 피스톤 및 실린더 조립체는 실린더 벽(14)에 의해 둘러싸여진 실린더 보어와, 상기 실린더 보어내에 활주가능하게 장착되고 상기 실린더 벽과 미끄럼 접촉하는 환형 피스톤 링(162)을 구비하면서 상기 실린더 보어 내에서 왕복운동하도록 작동가능하게 상기 크랭크 샤프트에 일 단부가 연결되어 있는 피스톤(22)을 포함하고,
    상기 피스톤은 각 피스톤의 하사점 위치에 근접한 실린더 벽내에 위치되어 상기 흡기 매니폴드와 유체 소통하는 흡기 포트(34)를 포함하는 복합 엔진(10)에 있어서,
    제 1 복수의 충돌 냉각홀(158)을 포함하고,
    상기 제 1 복수의 충돌 냉각홀은 순환 공기를 받아들이기 위해 흡기 매니폴드와 유체 소통된 제 1 단부(157)와, 상사점 위치에 위치된 각 피스톤의 피스톤링에 인접한 제 1 위치에서 각 실린더 벽의 외부 영역상에 고속으로 순환 공기를 방출하여 충돌시키는 제 2 단부(159)를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤 링은 피스톤의 대향 단부에 인접한 위치에서 각 피스톤상에 장착되고,
    각 복수의 피스톤 및 실린더 조립체는 상기 제 1 위치에서 실린더 벽의 외측면 둘레에서 원주방향으로 연장하는 환형 플리넘(160)을 추가로 구비하며,
    상기 제 1 복수의 충돌 냉각홀의 제 2 단부는 상기 환형 플리넘과 교차하는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  3. 순환 공기를 제공하기 위해 주변 공기를 받아 들이는 압축기(38)와, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하는 제 1 터빈(40)과, 상기 제 1 터빈의 출력부(43)에 유체 소통식으로 결합된 입력부(45)를 구비한 제 2 터빈(44)을 포함하는 가스 터빈 유닛(36)과,
    상기 압축기로부터 순환공기를 받아들이는 흡기 매니폴드(32)와, 상기 제 1 터빈과 유체 소통되어 상기 제 1 터빈으로 순환 가스를 제공하는 배기 매니폴드(50)와, 상기 제 2 터빈에 기계적으로 결합된 크랭크 샤프트(18)와, 복수의 피스톤 및 실린더 조럽체를 포함하는 피스톤 유니트(12)를 포함하고,
    상기 각 복수의 피스톤 및 실린더 조립체는 상기 크랭크 샤프트에 작동가능하게 연결되어있는 피스톤(22)과, 상기 피스톤 및 실린더 조립체의 일단부에서 보어내의 피스톤과 동심으로 장착되면서 교대로 반복되는 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 왕복 운동하는 배기 밸브(110)를 포함하는 복합 엔진(10)에 있어서,
    제 1 복수의 충돌 냉각홀(168, 184, 196)을 포함하고,
    상기 제 1 복수의 충돌 냉각홀은 순환 공기를 받아들이기 위해 흡기 매니폴드와 유체 소통된 제 1 단부(170, 182, 198)와, 상기 배기 밸브의 표면상에 고속으로 순환공기를 방출하여 충돌시키는 제 2 단부(172, 186, 200)를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 각 피스톤 및 실린더 조립체는 중공 원통형 배기 밸브(110)와, 상기 왕복운동하는 중공 원통형 배기 밸브내에 장착된 원통형 중앙 본체 부재(116)를 추가로 포함하고,
    상기 원통형 중앙 본체는 일 단부가 연소실의 일부에 접합되어 있으며,
    상기 복수의 피스톤 및 실린더 조립체는 제 1 밀봉링(194)이 보어내에 배치되어 상기 왕복운동하는 배기 밸브의 외면과 접촉하고 있으며, 제 2 밀봉 링(234)이 중앙 본체의 외면에 장착되어 상기 왕복운동하는 배기 밸브의 내면과 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 충돌 냉각홀(184)의 제 2 단부(186)는 피스톤에 인접한 배기 밸브의 말단부와 제 1 밀봉 링 사이에서 배기 밸브의 외면상에 고속으로 순환 공기를 충돌시키는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서. 상기 흡기 매니폴드와 유체 소통하는 제 1 단부(198)와, 고속 순환 공기를 배출하여 상기 배기 밸브의 대향 단부와 제 1 밀봉 링 사이의 위치에서 각 배기 밸브의 외면에 고속 순환 공기를 충돌시키는 제 2 단부(200)를 구비하는 제 2 복수의 충돌 냉각홀(196)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  7. 순환 공기를 제공하기 위해 주변 공기를 받아 들이는 압축기(38)와, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하는 제 1 터빈(40)과, 상기 제 1 터빈의 출력부(43)에 유체 소통식으로 결합된 입력부(45)를 구비한 제 2 터빈(44)을 포함하는 가스 터빈 유닛(36)과,
    상기 압축기로부터 순환 공기를 받아들이는 흡기 매니폴드(32)와, 상기 제 1 터빈과 유체 소통되어 상기 제 1 터빈으로 순환가스를 제공하는 배기 매니폴드(50)와, 상기 제 2 터빈에 기계적으로 결합된 크랭크 샤프트(18)와, 복수의 피스톤 및 실린더 조립체를 포함하는 피스톤 유니트(12)를 포함하고,
    상기 각 복수의 피스톤 및 실린더 조립체는 실린더 벽(14)에 의해 둘러싸여진 실린더 보어와, 상기 실린더 보어에 활주가능하게 장착되어 있으면서 상기 실린더 보어내에서 왕복 운동하게 작동하도록 상기 크랭크 샤프트에 일 단부(20)가 연결되어 있는 피스톤과, 상기 각 피스톤 및 실린더 조립체내에서 미끄러지도록 장착되어 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 왕복운동하는 중공 원통형 배기 밸브(110)와, 상기 왕복운동하는 중공 원통형 배기 밸브에 대해 미끄럼운동할 수 있도록 상기 원통형 배기 밸브내에 장착되어 있으면서 일 단부(204)가 연소실의 일부에 접합되어 있는 원통형 중앙 본체 부재(116)를 포함하는 복합 엔진에 있어서,
    제 1 복수의 충돌 냉각홀(220)을 포함하고,
    상기 제 1 복수의 충돌 냉각홀은 순환 공기를 받아들이기 위해 상기 흡기 매니폴드와 유체 소통된 제 1 단부와, 상기 중앙 본체 부재의 내부면(222)상에 고속 순환 공기를 방출하여 충돌시키는 제 2 단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서, 각 복수의 피스톤 및 실린더 조립체는 순환 공기를 받아 들이기 위해 흡기 매니폴드와 유체연통된 제 1 단부와, 중공 원통형 배기 밸브의 내면상에 고속 순환 공기를 배출하여 충돌시키는 제 2 단부(230)를 구비하는 제 2 복수의 충돌 냉각홀(228)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 중앙 본체 부재는 그를 통해 연장되는 연료 라인(118)을 구비하고,
    상기 각 복수의 피스톤 및 실린더 조립체는 제 3 복수의 충돌 냉각홀(240)을 구비하며,
    상기 제 3 복수의 충돌 냉각홀은 순환 공기를 받아 들이기 위해 흡기 매니폴드와 유체 소통된 제 1 단부(242)와, 상기 연료 라인에 인접한 중앙 본체 부재의내면상에 고속 순환 공기를 배출하여 충돌시키는 제 2 단부(244)를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 엔진.
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