KR100699602B1 - 추가 압축 공기를 분사하여 작동하는 무공해 엔진을 구비한 차량에서 상기 추가 공기를 가열하는 방법 및 장치 - Google Patents

추가 압축 공기를 분사하여 작동하는 무공해 엔진을 구비한 차량에서 상기 추가 공기를 가열하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압 공기 저장실(23)을 가지며 연소실(2)에 추가 공기를 분사하여 작동하는 무공해 또는 저공해 엔진, 또는 이러한 엔진을 구비한 차량에 사용되는 가열 방법에 관한 것이다. 상기 고압 저장실에 수용된 압축 공기는, 보다 낮은 압력 상태에서 최종적으로 사용되기에 앞서, 압력 또는 체적이 증가하도록 가열기(56)를 거친 후 연소팽창실(2)로 분사된다. 본 발명은 압축 공기 분사기가 구비된 모든 엔진에 적용될 수 있다.

Description

추가 압축 공기를 분사하여 작동하는 무공해 엔진을 구비한 차량에서 상기 추가 공기를 가열하는 방법 및 장치{Method and device for additional thermal heating for motor vehicle equipped with pollution-free engine with additional compressed air injection}
본 발명은 육상 차량에 관한 것으로, 더 상세하게는 고압 공기 저장실을 가지며 추가 압축 공기를 분사하여 작동하는 독립된 또는 다른 연소실을 포함하는 무공해 또는 저공해 엔진을 구비한 육상 차량에 관한 것이다.
본 출원인은 공개된 특허출원 WO 96/27737호에서, 고속도로에서는 가솔린 또는 디젤유와 같은 종래의 연료 중 하나를 사용하고(싱글 모드 공기/연료 작동), 저속주행 시, 특히 도심 및 교외에서는, 추가적인 압축 공기(또는 다른 무공해 가스)를 연소실에 공급하여 다른 연료를 사용하지 않고 작동하는(싱글 모드 공기 작동, 즉 추가 압축 공기에 의한 작동) 두 종류의 에너지를 사용하여 2 모드 원리로 작동하는 독립된 외부 연소실을 구비한 엔진의 무공해 작동 방법을 기술하였다. 또한, 동 출원인은 FR 96/07714호에서는 추가적인 압축 공기 사용하여 싱글 모드로 작동하는 이러한 유형의 엔진을 시내 버스 등의 공공 차량에 설치하는 것을 개시하였다.
이러한 형태의 엔진에서, 공기/연료 모드에서는, 공기/연료 혼합물이 별도의 흡입압축실에 공급되어 압축된다. 그 후, 이 혼합물은 압축된 상태로 일정 체적의 별도의 연소실로 전달되며 여기서 점화되어 온도 및 압력이 증가된다. 상기 연소팽창실을 팽창배기실과 연결하는 전달 포트가 개방되면, 이 혼합물은 팽창배기실에서 팽창하면서 일(work)을 발생시킨다. 그 후, 팽창된 가스는 배기 파이프를 통하여 대기로 방출된다.
본 발명과 가장 관련이 있는 작동모드인, 공기에 추가적인 압축 공기를 더하여 작동할 때, 저출력시에는 연료 분사기가 더 이상 작동되지 않으며; 이 경우, 흡입압축실로부터 압축 공기(무연료)가 연소실로 유입되고난 후에, 예컨대 200 bar 정도의 고압에 상온인 공기가 저장된 외부 저장실에서 소량의 추가 압축 공기가 연소실로 유입된다. 이러한 소량의 상온의 압축 공기는 연소팽창실 내의 고온의 공기와 접촉하면서 가열되고, 팽창하면서 연소팽창실 내의 압력을 증가시켜 동력을 전달할 수 있다.
이러한 형태의 2중 모드 또는 2중 에너지(공기 및 연료 또는 공기 및 추가 압력 공기) 엔진은 또한 도시에서 유용하도록, 예를 들어 모든 차량 또는 특히 시내 버스 또는 다른 공공 차량(택시, 쓰레기차 등)에서 유용하도록, 엔진에 종래의 연료로 작동하는 모든 구성요소들 없이 공기/추가 압축 공기 싱글 모드 작동으로 변형될 수도 있다.
상기 엔진은 추가 압축 공기를 연소실로 분사하는 단일 모드에서만 작동한다. 따라서, 상기 연소실은 팽창실이 된다. 또한, 엔진에 유입되는 공기는 하나 이상의 탄소 필터(charcoal filter) 또는 다른 기계적 또는 화학적 방법 또는 분자체 또는 다른 필터를 통하여 여과하고 정화함으로써 저공해 엔진을 형성할 수 있다. 본 명세서에서, “공기”라는 용어는 “무공해 가스(non-polluting gas)”를 의미하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이러한 형태의 엔진에서, 추가의 압축 공기는 연소팽창실의 전체적인 압력에 따라 결정되는 작동 압력, 즉 압축 공기가 유입될 수 있도록 연소팽창실의 압력보다 높은 압력, 예컨대 30 bar의 압력으로 연소팽창실에 분사된다. 이를 위하여, 열 흡수 없이, 즉 온도 강하 없이 일(work)이 발생되지 않는 팽창을 수행하여 팽창된 공기가 (본 명세서에서 약 30bar로) 대기 온도에서 연소팽창실로 분사되도록 하는 종래의 압력 감소 팽창기가 사용된다.
추가의 압축 공기를 분사하는 이러한 방법은 또한 종래의 2-행정 또는 4-행정 엔진에서 사용될 수 있으며, 이때 엔진의 연소실로 추가의 압축 공기를 분사하는 것은 점화 행정에서 대략 상사점에서 실행된다.
본 발명에 따른 방법은 사용 가능한 에너지의 양을 증가시킬 수 있는 해결 수단을 제안한다. 본 발명은, 압축 공기가 연소팽창실로 유입되기 전에 가열기를 통과하면서 압력 및/또는 체적이 증가하고, 이에 따라 엔진 성능을 상당히 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 출원인은 특허 출원 9700851호에서, 이러한 형태의 엔진에서 주위 대기로부터 열 에너지를 회수하는 방법을 또한 개시하였으며, 이 방법에서는 200bar 정도의 고압 및 20℃ 정도의 상온 상태의 저장실에 수용된 압축 공기가, 30bar 정도의 낮은 압력 상태에서 최종적으로 사용되기에 앞서, 예컨대 기계적, 전기적, 유압 등의 알려진 수단에 의하여 회수되어 사용될 수 있는 일을 발생하는 가변 체적 시스템, 예컨대 실린더 내의 피스톤에서의 최종 사용을 위해 필요한 압력에 가깝게 팽창된다. 이러한 일을 발생하는 팽창은 압축 공기를 냉각시키며, 압축 공기는 예컨대 -100℃의 초저온에서 작동 압력에 가까운 압력으로 팽창된다. 초저온에서 작동 압력으로 팽창된 이러한 압축 공기는 대기를 포함한 열교환기로 보내져, 대기 온도에 가까운 온도로 가열되고 이에 따라 압력 및/또는 체적이 증가하여, 대기로부터 취해진 열 에너지를 회수한다.
본 발명에 따른 또 다른 특징은 상기한 열 에너지를 회수하는 방법을 포함하고 이용 가능한 에너지의 양을 더 향상시킬 수 있는 해결 방법을 제안한다. 이는 공대공 열교환기를 통과한 압축 공기가 연소실로 유입되기 전에 가열기를 통과하면서 압력 및/또는 체적이 다시 한 번 증가하고, 이에 따라 엔진 성능을 상당히 향상시키는 것을 특징으로 한다.
가열기를 사용함으로써, 공지된 수단에 의해 촉매처리되거나 정화될 수 있는 연속적인 정화 연소가 가능하며, 가열기를 통과하는 압축 공기의 가열을 위해 화학 반응 및/또는 전기 에너지를 사용하는 것과 같이, 가솔린, 디젤유, 부탄 가스, 프로판 가스, LPG와 같은 종래의 연료가 공급될 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 통상의 지식을 가진 자는, 엔진의 사용에 따른 선택된 최종 작동 압력 및 가능한 한 최저 온도를 얻기 위해, 화력(heating power)을 고려하여 일을 발생하는 팽창 말기에 일을 발생하는 팽창 시스템(expansion-with-work system)에 공급되는 초고압 공기의 양, 그 특성 및 체적 등을 계산할 수 있을 것이다. 변수들의 전자 관리함으로써, 매 순간에 사용되고 회수되고 가열되는 압축 공기의 양을 최적화할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한 본 발명에 의한 방법을 변경하지 않고도, 이 분야의 공지 개념이 채택될 수 있는 가열기에 대한 기술적 세부사항 및 특징을 결정할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 주변 대기로부터 열 에너지를 회수하는 시스템을 통과하는 경우든 통과하지 않는 경우든 초고압 저장실에서 공급된 압축공기를 가열하기 위한 가열기가, 저장실로부터 직접 또는 열 회수기(recuperator)를 통해, 엔진 흡기압축실로부터 유입된 압축 공기를 가열하기 위해, 개별적으로 또는 전술한 2개의 해결수단과 조합하여 사용되며, 이에 따라 연소팽창실로 다시 유입되기 전에 그 압력 및/또는 체적을 증가시켜, 파워 스트로크를 발생시키는 팽창배기 실린더에서 팽창되기 전에 상기 연소실에 포함된 가스의 압력을 증가시킬 수 있다.
압축공기는 저장실, 주변 대기에서 열 에너지를 회수하는 기구, 및 흡입압축실로부터 개별적으로 또는 조합되어 가열기로 공급되며, 사용 조건에 따라 결정된 비율로 가열기에 공급된다.
본 발명의 다른 목적, 장점 및 특징들은, 첨부된 도면을 참조한 다수의 실시예들을 통하여 명백하게 될 것이다. 그러나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 가열기가 구비된 무공해 엔진의 단면도,
도 2는 가열기가 구비되고, 주위 대기로부터 열 에너지를 회수하는 무공해 엔진의 단면도,
도 3은 흡입-압축실을 통한 압축 공기의 바이패스로서 가열기가 구비된 엔진을 도시한 도면,
도 4는 3개의 모든 해결 수단을 조합한 엔진을 도시한 도면이다.
도 1은 흡입압축실(1), 초고압 저장실(23)에 저장되어 있는 압축 공기가 공급되는 추가 공기 분사기(22)가 구비된 일정 체적의 연소팽창실(2) 및 팽창배기실(4)을 포함하는 무공해 엔진 및 압축 공기 공급 장치의 단면도이다. 흡입압축실(1)은 파이프(5)에 의하여 연소팽창실(2)과 연결되며, 이 파이프(5)는 밀폐 셔터(6)에 의해 개폐가 조절된다. 연소팽창실(2)은 파이프 또는 전달 포트(7)에 의해 팽창배기실(4)에 연결되며, 이 파이프 또는 전달 포트(7)는 밀폐 셔터(8)에 의해 개폐가 조절된다. 흡입압축실(1)은 흡입 파이프(13)에 의하여 공기가 공급되며, 이 파이프(13)는 밸브(14)에 의해 개폐가 조절되고 그 상류에는 오염물을 감소시키는 탄소 필터(charcoal filter)(24)가 구비된다.
상기 흡입압축실(1)은 피스톤 압축기 조립체처럼 작동하여, 피스톤(9)이 커넥팅 로드(11) 및 크랭크 축(12)에 의해 제어되어 실린더(10) 내에서 활주한다. 상기 팽창배기실(4)은 실린더(16) 내에서 활주하는 피스톤(15)을 구비한 종래의 피스톤-엔진 조립체를 제어하며, 상기 피스톤(15)은 커넥팅 로드(17)를 통하여 크랭크 축(18)을 회전 구동한다. 팽창된 공기는 배기 파이프(19)를 통하여 배기되며, 이 파이프(19)는 밸브(20)에 의하여 개폐가 조절된다. 상기 흡입압축실(1)의 크랭크 축(12)의 회전은 팽창배기실(4)의 구동 크랭크 축(18)에 의하여 기계적인 링크(21)를 통해 제어된다. 따라서, 상기 기계적인 링크(21)에 의해, 상기 흡입압축실(1)의 피스톤(9)은 상기 팽창배기실(4)의 피스톤(15)에 의해 제어되는 것이다.
본 발명에 따르면, 초고압 저장실(23)과 거의 일정한 최종 사용 압력의 버퍼 체적부(43) 사이의 파이프(37A)에 버너(57)를 구비한 가열기(56)가 설치되며, 이 가열기(56)는 저장실(23)에서 나온 압축 공기가 열교환 코일(58)을 통과할 때(화살표 F 방향으로) 공기의 온도를 상당히 증가시키고, 이에 따라 압력 및/또는 체적을 상당히 증가시킴으로써, 엔진 성능을 현저히 향상시킨다.
도 2에서, 엔진은 주위 대기로부터 열 에너지를 회수하는 기구를 구비하며, 구동 크랭크 축(18)에 직접 결합되는 커넥팅 로드(53)와 작동 피스톤(54)을 포함하는 조립체에서 저장실(23)에 저장된 고압 공기의 일(work)을 발생시키는 팽창이 실행된다. 이 피스톤(54)은 막힌 실린더(blind cylinder)(55) 내에서 활주하여 작동실(working chamber)(35)를 한정하며, 이 작동실(35)은 한편으로는 고압 공기 흡입 파이프(37)가 연결되고 다른 한편으로는 배기 파이프(39)가 연결된다. 상기 고압 공기 흡입 파이프(37)는 전기 작동 밸브(38)에 의해 개폐가 조절되며, 상기 배기 파이프(39)는 공대공 열교환기(air/air heat exchanger) 또는 라디에이터(41)에 연결되고, 이 열교환기 또는 라디에이터(41)는 파이프(42)를 통하여 거의 일정한 최종 사용 압력의 버퍼 체적부(43)에 연결된다. 작동 중, 작동 피스톤(54)이 상사점에 있을 때, 팽창할 초고압의 압축 공기를 채우기 위하여 전기 작동 밸브(38)가 개방된 다음 다시 폐쇄되고, 피스톤(54)은 하사점까지 다시 구동하며, 커넥팅 로드(53)를 통하여 엔진 크랭크 축(18)을 구동한다. 따라서, 커넥팅 로드(53)에 의해 상기 피스톤(54)은 크랭크 축(18)에 연결된 피스톤(15)과 연결되어 작동함을 알 수 있다. 상기 팽창배기실(4)의 크랭크 축(18)그런 다음, 피스톤(54)의 상향 행정 중, 전기 작동 배기 밸브(40)가 개방되고, 압축되었으나 팽창된 작동실의 초저온의 공기는 공대공 열교환기 또는 라디에이터(41)로 방출된다(화살표 F 방향으로). 그러므로, 이러한 공기는 주위 온도에 가까운 온도까지 가열되고, 대기로부터 상당량의 에너지를 회복하여 버퍼 체적(43)에 이를 때까지 체적이 증가한다.
본 발명에 따르면, 공대공 열교환기(41)와 파이프(42A) 상의 버퍼 체적부(43) 사이에 버너(57)를 구비한 가열기(56)가 설치되며, 이 가열기(56)는 공대공 열교환기(41)에서 나온 압축 공기가 열교환 코일(58)을 통과할 때(화살표 F 방향으로) 공기의 온도를 상당히 증가시키고, 이에 따라 압력 및/또는 체적을 상당히 증가시킨다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 도 3에서, 가열기(56)는 흡입압축실(1)의 바이패스로 설치되며, 흡입압축실(1)에서 피스톤(9)에 의해 압축된 공기의 일부가 가열기(56)로 보내지고(화살표 F 방향으로), 버너(57)에 의해 가열된 열교환 코일(58)을 통과하면서 압력 및/또는 체적이 증가하여 버퍼 체적부(43)로 유입되고, 분사기(22)에 의해 연소팽창실(2)로 분사된다.
도 4는 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 3개의 장치들을 조합한 장치의 개략도이며, 가열기(56)의 버너들(57)은, 흡입압축실(1)의 피스톤(9)에 의해 압축된 공기의 일부를 버퍼 체적부(43)로 유입되기 전에 열교환 코일(58)에서 가열하고, 동시에 저장실에서 나온 압축 공기를 주위 공기 및 공대공 열교환기(41)로부터 열 에너지를 회수하는 기구를 통과한 후 가열한다.
상기 가열기(56)는 저장실(23)로부터 파이프(37A)를 통하여 압축 공기를 공급받고, 주위 대기로부터 열 에너지를 회수하는 기구로부터 다른 파이프(42)를 통하여 압축 공기를 공급받으며, 흡입압축실(1)로부터는 제 3 파이프(42A)를 통하여 압축 공기를 공급받는다; 세 개의 파이프들은 각각 사용 상태에 따라 각 공급원으로부터 공급되는 가열될 압축 공기의 비율을 결정할 수 있도록 조절 밸브(59,59A,59B)를 가진다.
버너들을 점화시키고 버너들의 세기를 조정하기 위한 조절 밸브 시스템들이 차량의 구동을 위한 에너지 요구에 따라 가열 코일을 통과하는 압축 공기를 더 많이 또는 더 적게 가열하기 위하여 설치된다.
가열기(56)와 분사기(22) 사이에 배치된 버퍼 체적부(43)는, 압축 공기가 연소팽창실로 분사되기 전에 가열기(56)에서 축적된 열 에너지를 유지할 수 있도록 절연 쟈켓(43A)을 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 버퍼 체적부(43)의 크기 및 절연 쟈켓의 소재를 선택할 수 있으며, 이와 유사하게 파이프워크(pipework) 및 여러 파이프들 역시 전술한 발명을 변경하지 않는 범위 내에서 어떠한 방법으로도 절연될 수 있다.
물론, 본 발명은 여기서 기술된 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어남 없이 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들이 고려할 수 있는 다양한 방식으로 변경될 수 있다.

Claims (9)

  1. 흡입압축실(1)과 팽창배기실(4) 및 별도의 연소팽창실(2)을 포함하고, 상기 연소팽창실(2)에 추가 압축 공기를 분사하여 작동하며 고압의 압축 공기 저장실(23)을 구비하여, 다른 연료를 사용하지 않는 모드로 작동할 수 있는 무공해 또는 저공해 엔진 또는 이러한 엔진이 설치된 차량에 사용되는 압축 공기의 가열 방법에 있어서,
    상기 고압의 압축 공기 저장실(23)에 수용된 압축 공기는, 저압 상태에서 최종적으로 사용되기에 앞서, 압력 또는 체적이 증가하도록 가열기(56)를 거친 후 상기 연소팽창실로 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고압 저장실에 수용된 압축 공기는, 보다 낮은 압력으로 가열기에 유입되기 전에, 실린더 내의 피스톤과 같은 일(work)을 발생시키는 가변 체적 시스템 내의 압력에 가까운 압력으로 팽창되며, 그 결과 팽창된 압축 공기가 낮은 온도로 냉각되고, 그런 다음 이러한 공기는 열 교환기로 보내져 가열되어 주위 대기로부터 추가 열 에너지를 회수함으로써 압력 또는 체적이 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 흡입압축실(1)과 팽창배기실(4) 및 별도의 연소팽창실(2)을 포함하고, 상기 연소팽창실(2)에 추가 압축 공기를 분사하여 작동하여, 다른 연료를 사용하지 않는 모드로 작동할 수 있는 무공해 또는 저공해 엔진 또는 이러한 엔진이 설치된 차량에 사용되는 압축 공기의 가열 방법에 있어서,
    압축 말기에 상기 흡입압축실의 압축 공기 일부가 가열기로 유입되어, 압축 공기의 압력 또는 체적이 증가된 후 상기 연소팽창실로 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열기로 유입되는 압축 공기는, 저장실, 주위 대기로부터 열 에너지를 회수하는 기구, 흡입압축실로부터 분리되어 또는 조합되어 공급되며, 사용 상태에 따라 결정된 비율로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 따른 방법을 수행하는 가열기 장치에 있어서,
    저장실(23)과 추가 압축 공기 분사기(22) 사이에, 연료가 공급되는 버너(57)와 열교환 코일(58)을 포함하는 가열기(56)가 배치되고, 상기 버너(57)는 저장실에서 나온 공기가 연소팽창실(2)로 분사되기 전에 공기의 압력 또는 체적을 증가시키기 위하여 상기 코일(58)을 통과하는 동안 공기를 가열하며, 연소팽창실(2)로 분사하기에 앞서 공기를 고르게 하여 서지 효과를 방지하기 위하여 상기 가열기와 추가 압축 공기 분사기(22) 사이에 버퍼 체적부(43)가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 2 항에 따른 방법을 수행하기 위한 제 5 항에 따른 장치에 있어서,
    상기 가열기(56)는 주위 대기로부터 열 에너지를 회수하는 기구의 공대공 열교환기 또는 라디에이터(41)와 버퍼 체적부(43) 사이의 파이프(42)에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 3 항에 따른 방법을 수행하기 위한 제 5 항에 따른 장치에 있어서,
    상기 가열기(56)는 엔진의 흡입압축실(1)과, 파이프(42A)를 포함하는 바이패스 회로에 있는 버퍼 체적부(43) 사이에 배치되고, 상기 파이프(42A)의 유량은 밸브(59)에 의하여 조절되어, 압축 말기에 압축 공기의 일부가 가열기로 보내지고 이 공기는 연소팽창실로 분사되기 전에 압력 또는 체적이 증가되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 4 항에 따른 방법을 수행하기 위한 제 5 항에 따른 장치에 있어서,
    상기 가열기(56)는 저장실(23)로부터 파이프(37A)를 통하여 압축 공기를 공급받고, 주위 대기로부터 열 에너지를 회수하는 기구(41)로부터 다른 파이프(42)를 통하여 압축 공기를 공급받고, 흡입압축실(1)로부터는 제 3 파이프(42A)를 통하여 압축 공기를 공급받으며, 세 개의 파이프들은 각각 사용 상태에 따라 각 공급원으로부터 공급되는 가열될 압축 공기의 비율을 결정할 수 있도록 조절 밸브(59,59A,59B)를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 가열기(56)와 분사기(22) 사이에 배치되는 버퍼 체적부(43)는 가열기(56)에서 축적된 열 에너지를 보존하기 위하여 절연 쟈켓(43A)을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
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