KR101395871B1 - 액티브 팽창 챔버를 구비한 개선된 압축 공기 또는 가스 및/또는 추가의 에너지 엔진 - Google Patents

액티브 팽창 챔버를 구비한 개선된 압축 공기 또는 가스 및/또는 추가의 에너지 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 크랭크샤프트(5)를 구동시키는 메인 구동 피스톤(1) 및 일이 생성되게 하는 가변 용적으로 이루어지고, 통로(6)에 의해서 구동 실린더(2) 내에 수용된 용적과 연결되는 하나의 액티브 팽창 챔버(13)를 포함하는 압축 공기가 공급되는 엔진으로서, 상기 통로(6)는 상기 액티브 팽창 챔버가 불용체적으로부터 격리되거나 이에 연통하게 할 수 있는 셔터(7)를 포함하며, 이는 엔진이 4단계 열역학 사이클: 일을 하지 않는 등온 팽창; 준등온으로 불리는 일을 하는 전달이 적은 팽창; 일을 하는 폴리트로픽 팽창; 대기압에서 배기에 따라 작동하도록 되는 것을 특징으로 한다.

Description

액티브 팽창 챔버를 구비한 개선된 압축 공기 또는 가스 및/또는 추가의 에너지 엔진{IMPROVED COMPRESSED-AIR OR GAS AND/OR ADDITIONAL-ENERGY ENGINE HAVING AN ACTIVE EXPANSION CHAMBER}
본 발명은 특히 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스로 작동하고 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진에 관한 것이다.
본 발명자는, 도시 및 교외 지역에서 완전하게 청결한 작업을 위해, 가스, 특히 압축 공기를 이용한 추진 장치 및 그 설치에 관한 여러 특허를 출원하였다: WO 96/27737, WO 97/39232, WO 97/48884, WO 98/12062, WO 98/15440, WO 98/32963, WO 99/37885, WO 01/69080, WO 03/036088.
내용이 참조될 수 있는 국제 특허 공개 WO 99/37885에서, 쓸 수 있는 이용가능한 에너지의 양을 증가시키는 해법을 제안하고 있는데, 저장 탱크로부터 연소 및/또는 팽창 챔버 안으로 도입되기 전에, 압축 공기는, 즉시, 또는 주변 열 에너지 회수 장치의 열교환기 또는 교환기를 관통한 후에, 그리고 연소 챔버 안으로 도입되기 전에, 열 가열기로 전달되고, 온도 증가 결과, 엔진의 연소 및/또는 팽창 챔버 안으로 도입되기 전에 압력 및/또는 용적이 더 증가할 것이고, 이로써 상기 엔진에 의해 얻어질 수 있는 성능을 다시 상당히 증가시킨다.
화석 연료의 사용에 불구하고, 열 재가열기의 이용은, 극미량의 오염물을 배출하도록 모든 공지된 수단에 의해 촉매 작용할 수 있거나 오염이 제거될 수 있는 연속적인 청정 연소를 이용할 수 있는 이점이 있다.
화석 연료가 사용된다는 사실에 불구하고, 열 가열기의 이용은, 극도로 적은 양의 오염물 배출을 얻을 목적으로 임의의 공지된 수단에 의해 촉매 변환될 수 있거나 오염이 제거될 수 있는 청결한 연속적인 연소를 이용할 수 있다는 이점이 있음이 사실이다.
본 발명자는 하나 및 여러 에너지로 작동하는 추가의 압축 공기 주입 모터-컴프레서-모터-교류기 세트에 관하여, 그 내용이 참조될 수 있는, 특허 공개 WO 03/036088을 출원하였다.
압축 공기로 작동하고 압축 공기 저장 탱크를 포함하는 이러한 유형의 엔진에서, 탱크에 매우 높은 압력으로 저장되지만 그 압력이 탱크가 비워짐에 따라 엔진 실린더(들)에서 이용될 수 있기 전에 작업실로서 알려진 버퍼 용량에서의 최종 사용 압력으로 알려진 안정적인 중간 압력까지 감소하는, 압축 공기를 팽창시키는 것이 필요하다. 셔터 및 스프링 타입의 잘 알려진 종래의 조절 장치는 매우 낮은 유량을 갖고, 상기 용례에서 이를 이용하는 것은 매우 성가시고 불량하게 작동되는 장치를 필요로 한다; 더욱이, 종래의 조절 장치는 팽창 중에 냉각되는 공기 내 습기로 인해 결빙에 매우 민감하다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명자는 또한 고압 압축 공기 탱크 및 작업실을 포함하는, 압축 공기가 주입 제공되는 엔진용 분배 장치 및 동적 가변 유 량 조절 장치에 관련되는, 그 내용이 참조될 수 있는, 국제 특허 공개 WO-A1-03/089764를 출원하였다.
본 발명자는 또한 두 개의 다른 용량으로 이루어진 가변 용적 팽창 챔버에 관한 특허 공개 WO-A1-02/070876을 출원하였고, 여기서 용량 중 하나는 압축 공기 입구와 연결되고 다른 하나는 실린더와 짝을 이루며, 용량은, 배기 사이클 중에 이들 용량 중 제1 용량을 압축 공기로 급기하고, 피스톤이 상사점에 고정되어 있는 동안, 그리고 피스톤이 행정을 재개하기 전의 배기 단계의 종료시에 즉시 제2 용량에 압력을 설정하는 것이 가능하며, 두 개의 용량은 동력 행정을 수행하도록 연결되어 함께 팽창하고, 두 개의 용량 중 적어도 하나는 그 용적을 변경하는 수단을 마련하여 결과적인 엔진 토크가 동일한 압력에서 변하게 하는 방식으로 서로 통하게 배치되거나 단절될 수 있다.
이러한 "급기 팽창" 엔진의 작동에서, 팽창 챔버의 급기는 항상 장치의 전체 효율에 불리한 일이 없는 팽창을 나타낸다.
상기 문제점을 해결하기 위해서, 또한 본 발명자는 액티브 챔버를 갖는 엔진을 설명하는 특허 공개 WO-A1-2005/049968을 출원하였는데, 여기서 팽창 챔버는 일을 생성하기 위한 수단이 장착된 가변 용적으로 이루어지고 메인 구동 피스톤 위의 공간과 짝을 이루며 통로를 통해 영구히 접촉한다.
WO-A1-2005/049968 (FR-A1-2.862.349)는 특히
- 일을 갖지 않는 등온 팽창
- 준등온으로 언급되는 일을 갖는 전달이 적은 팽창
- 일을 갖는 폴리트로픽 팽창
- 대기압에서 배기
를 특징으로 하는 압축 공기 모노(하나의) 에너지 모드로 작동하는 4단계 열역학 사이클을 나타낸다.
엔진은 상기 열역학 사이클에서 작동하고 종래의 커넥팅 로드/크랭크 장치를 이용한다. 바람직하게는 엔진에는 작업실로 알려진 버퍼 용량을 통해 고압 저장 탱크 내에 수용된 압축 공기 또는 다른 압축 가스가 공급된다. 듀얼 에너지 버전의 작업실은, 장치를 통과하는 공기의 압력 및/또는 온도를 증가시키도록 추가의 에너지(화석 또는 다른 에너지원)에 의해 공급되는 공기를 가열하기 위한 장치를 포함한다.
WO-A1-2005/049968(FR-A1-2.862.349) 문헌에서, 열역학 사이클에서의 작동은 메인 구동 피스톤, 작동 크랭크샤프트 및 액티브 팽창 챔버의 피스톤을 연결하는 기계적 수단에 의해 얻어진다.
본 발명의 목적은, 상기한 모든 이점을 보유하는 동시에 상기 엔진의 구성을 단순화하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 고압 저장 탱크에 수용된 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스가 공급되는 엔진으로서,
- 통상의 커넥팅 로드/크랭크 장치의 크랭크샤프트를 구동시키도록 구동 실린더 내에서 활주하는 적어도 하나의 메인 구동 피스톤, 및
- 일이 생성되게 하는 수단이 장착된 가변 용적으로 이루어지고, 상사점에서 구동 피스톤 위의 구동 실린더 내에 수용된 소위 불용체적으로 불리는 용적과 통로에 의해서 연결되는 적어도 하나의 액티브 팽창 챔버
를 포함하는 엔진에 있어서,
- 상기 통로는 상기 액티브 팽창 챔버가 불용체적으로부터 격리되거나 이에 연통하게 할 수 있는 셔터를 포함하며,
- 엔진은 액티브 팽창 챔버 내에서 개방되어 엔진에 압축 공기 또는 압축 가스가 공급되게 하는 입구 도관을 포함하고,
- 챔버가 최소 용적에 있을 때 압축 공기 또는 가스가 팽창 챔버 내로 유입되고 압축 공기의 추력하에 용적이 증가하여 일을 생성하며,
- 팽창 챔버가 대체로 최대 용적에 있고 구동 피스톤이 대체로 상사점에 있을 때, 입구 도관이 닫히고, 상기 액티브 팽창 챔버가 구동 실린더와 연통하게 되고, 액티브 팽창 챔버 내에 수용된 압축 공기 또는 압축 가스가 팽창하여 구동 피스톤을 하향 행정을 하게 밀어내어, 이번에는 구동 피스톤이 일을 공급하고,
- 상기 팽창 중에, 액티브 팽창 챔버의 용적은 새로운 사이클을 착수하도록 최소의 용적으로 돌아옴으로써,
엔진은 4단계 열역학 사이클, 즉
* 일을 하지 않는 등온 팽창
* 준등온으로 불리는 일을 하는 전달이 적은 팽창
* 일을 하는 폴리트로픽 팽창
* 대기압에서 배기
에 따라 작동하도록 되는 것을 특징으로 하는 엔진을 제안한다.
본 발명의 다른 특징에 따라,
- 상기 불용체적은, 액티브 팽창 챔버가 불용체적과 연통하게 될 때 일을 하지 않으면서 팽창하는 것을 방지하도록 기계적 공차가 허용할 수 있는 최소값으로 줄어들고;
- 엔진은 작업실로 불리는 버퍼 용량을 통해 압축 공기 또는 가스가 공급되되, 작업실에는 저장 탱크에 수용된 고압의 압축 공기가 공급되고, 이 고압의 압축 공기는 작업실에서 바람직하게는 동적 조절 장치를 통해 작동 압력으로 불리는 중간 압력으로 팽창되며; 본 발명에 따른 엔진에는, 유리하게는 등온형의 일을 갖지 않는 팽창을 수행함으로써 저장 탱크로부터 압축 공기가 상용압력에서 작업실에 공급되게 하는 동적 조절 장치로서 알려진 국제 특허 공개 WO-A1-03/089764에 따른 가변 유량 조절 장치가 장착되며;
- 작업실은 추가의 에너지, 화석 연료 또는 다른 형태의 에너지를 이용하여 압축 공기 또는 가스를 가열하기 위한 가열 장치를 포함하고, 상기 가열 장치는 이를 통과하는 공기의 압력 및/또는 온도가 증가하게 하며; 이러한 구성은 압축 공기 또는 가스는 액티브 팽창 챔버 내로 도입되기 전에 성능 및/또는 범위를 증가시킬 수 있는 온도 및 압력 및/또는 용적이 증가할 것이라는 사실을 통해 쓸 수 있는 이용가능한 에너지의 양을 증가시킬 수 있고; 열 가열기는 그 에너지를 위해 휘발유, 디젤 또는 대안의 차량용 LPG나 천연가스(NG)와 같은 화석 연료를 이용할 수 있으며; 바이오 연료 또는 알코올 연료를 이용할 수 있어서 버너가 온도 증가를 야기할 외부 연소로 듀얼 에너지 작업을 허용하고;
- 압축 공기 또는 가스는 압축 공기 또는 가스 내에서 직접 화석 연료 또는 바이오 연료를 연소시킴으로써 가열되고, 엔진은 외연 내연 기관으로 언급되며;
- 열 가열기는, 열화학적 고체-기체 반응 기법을 이용한 열 가열기이고, 열화학적 고체-기체 반응 기법은, 증발기 내에 수용된 반응 유체, 예컨대 액체 암모니아를 반응기 내에 수용된 고체 반응물, 예컨대 염화칼슘, 염화망간, 염화바륨 등과 반응할 기체로 증발시키는 전환과, 열을 생성하는 화학적 반응에 기초하며, 반응의 종료시 반응은 증발기에서 후속하여 재응축될 기체 암모니아를 탈착시키기 위해 반응기에 열을 공급함으로써 다시 발생될 수 있으며; 가열기는 유리하게는 예컨대 특허 EP-A1-0.307.297 및 EP-B1-0.382.586에서 사용되고 기술한 것과 같은 열화학 방법을 이용하며, 장치는 열전지처럼 작동하고;
- 엔진은 추가의 에너지를 갖는 듀얼 에너지 모드로 작동하고, 이러한 듀얼 에너지 모드에서의 열역학적 사이클은, 상기 작업실에서 수행된 에너지의 전환을 이용하여 일을 하지 않으면서 등온 팽창하고, 화석 에너지를 이용하여 공기 또는 가스를 가열함으로써 공기 또는 가스의 온도를 상승시키고, 이어서 일을 하면서 준등온으로 알려진 매우 약한 팽창을 하고, 구동 실린더에서 일을 하면서 폴리트로픽 팽창하고, 최종적으로 대기압에서 배기가 이루어져, 다음과 같은 5개의 연속 단계,
* 등온 팽창;
* 온도의 상승;
* 준등온으로 불리는 일을 갖는 전달이 약한 팽창;
* 일을 하는 폴리트로픽 팽창;
* 대기압에서 배기
를 나타내며;
- 엔진 토크 및 엔진 속도는 상기 작업실에서 압력을 제어함으로써 제어되고; 상기 제어는 유리하게는 동적 조절 장치에 의해 제공되며;
- 엔진은 추가의 에너지를 갖고 듀얼 에너지 작동 모드에서 작동되고, 듀얼 에너지 모드 중에, 전자 제어 장치가 상기 작업실에 도입된 압축 공기 또는 가스의 압력, 및 이에 따른 공기의 질량에 의존하여 공급되는 추가의 에너지량을 제어하며;
- 액티브 팽창 챔버의 상기 가변 용적은 실린더 내에서 활주하고 엔진의 크랭크샤프트에 커넥팅 로드에 의해 연결되는 급기 피스톤으로 불리는 피스톤으로 이루어지며;
- 엔진에는 고압 탱크 내에 수용된 압축 공기 또는 가스가 공급되고 및/또는 추가의 에너지를 갖는 듀얼 에너지 모드에서 작동하며, 압축 공기 또는 가스 저장 탱크가 비워지고 추가의 에너지가 이용될 때 자발적인 작동을 허용하기 위해, 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진은, 고압 압축 공기 또는 가스 저장 탱크에 압축 공기 또는 가스가 공급되게 하는 공기 또는 가스 컴프레서에 결합되며;
- 상기 컴프레서는 작업실에 압축 공기 또는 가스를 직접 공급하고; 이러한 경우에, 엔진의 제어는 컴프레서의 압력을 제어함으로써 실시되고, 고압 저장 탱크와 작업실 사이에 배치된 동적 조절 장치가 닫힌 채로 남아 있고;
- 결합된 컴프레서는 저장 탱크와 작업실에 모두 압축 공기 또는 가스를 공급하며;
- 엔진은 화석 연료, 식물 연료 등을 사용한 모노 에너지 모드에서 작동하여, 결합된 컴프레서에 의해서만 압축되고, 작업실 내에 수용된 공기 또는 가스를 가열하고, 고압 압축 공기 또는 가스 저장 탱크가 매우 간단하게 생략되고;
- 잇따른 배기 릴리프는 결합된 컴프레서의 입구 측으로 재순환되며;
- 엔진은 압축 공기 모노 에너지 모드에서 작동하고, 실린더 용량을 증가시키는 여러 팽창 단계로 이루어지며, 각 단계는 일을 생성하는 수단이 장착된 가변 용적으로 이루어진 액티브 팽창 챔버를 포함하고 각 단계 사이에 이전 단계로부터 배기된 공기를 가열하기 위해 교환기가 존재하며;
- 엔진은 추가의 에너지를 갖는 듀얼 에너지 모드에서 작동하고, 각 단계 사이에 위치한 교환기는 추가의 에너지 가열 장치가 장착되어 있으며;
- 교환기 및 가열 장치는 동일한 에너지원을 이용한 다단계 장치에 함께 또는 단독으로 결합된다.
본 발명에 따른 열역학 사이클은 동적 조절 장치에 의해 허용된 일을 갖지 않는 등온 팽창, 액티브 팽창 챔버가 채워지는 동안 작업실 내에 포함된 공기 또는 가스의 압력을 이용함에 의한 제1 일을 갖는 매우 적은 준등온 팽창(예컨대, 3000 ㎤의 용량을 3050 ㎤의 용량으로)에 의한 잇따른 전달, 제2 일을 갖는 구동 실린더 내로 팽창 챔버의 폴리트로픽 팽창 및 팽창된 공기를 대기로 배출하는 것으로 종료하는 온도의 감소를 특징으로 한다.
본 발명의 대안적인 형태에 따라, 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진은 버너 등을 구비한 열 가열기를 갖추고 있고, 열화학 가열기의 1 단계 중에 함께 또는 연달아 이용될 수 있는 상기한 타입의 열화학 가열기를 갖추고 있으며, 그동안 버너를 구비한 열 가열기는 장치가 버너 가열기를 이용하여 작동을 계속하는 동안 반응기를 가열함으로써 열화학 반응기가 비워질 때 열화학 반응기를 재생(2 단계)할 것이다.
연소 가열기를 이용하는 경우, 본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진은, 외연기관으로 알려진, 외연 챔버를 구비한 엔진이다. 그러나, 화염이 작용 압축 공기와 직접 접촉한다면 상기 가열기의 연소는 내적일 것이고, 이 경우 엔진은 "내연-외연 기관"이라 불리며, 또는 상기 가열기의 연소가 교환기를 통해 가열된 작용 공기와 외적인 경우, 엔진은 "외연-외연 기관"이라 불린다.
추가의 에너지로 작동하는 모드에서, 열역학 사이클은 5개의 상기 단계를 포함한다.
예컨대 도시 환경의 차량에서 압축 공기 모드에서의 작동 중에, 고압 탱크 내의 압축 공기의 압력만이 작동을 위해 이용되고; 고속도로상의 차량에서 화석 또는 다른 형태의 에너지를 이용하여 추가의 에너지 모드에서 작동하는 동안, 작업실의 가열이 요구되고, 차량을 통과하는 공기의 온도를 증가시킬 수 있고 그에 따라 액티브 팽창 챔버를 급기하는 일을 위해 이용될 수 있는 용적 및/또는 압력을 증가시킬 수 있다.
액티브 팽창 챔버를 갖는 듀얼 에너지 엔진은, 예컨대 도심지에서의 차량에서, 고압 저장 탱크 내에 수용된 압축 공기로 작동하는 청정 모드 및 다시 예컨대 고속도로상의 차량에서, 고압 저장 탱크에 공기 컴프레서에 의해 공기가 재공급되는 동시에 화석 에너지 또는 다른 형태의 에너지가 공급되는 열 가열기로 작동하는 추가의 에너지 모드를 이용하는 두 가지 모드로 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 듀얼 에너지 엔진은 사실상 세 가지 작동 모드를 가질 수 있다:
- 압축 공기의 단일 에너지 모드
- 압축 공기에 추가의 에너지를 더한 듀얼 에너지 모드
- 추가 에너지 연료의 단일 에너지 모드
액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진이 상기한 바와 같이 작업실을 공급하는 공기 컴프레서에 결합될 때 화석 연료 또는 다른 연료의 모노 에너지 버전에서 제조될 수 있고, 고압 압축 공기 저장 탱크가 매우 간단하게 생략된다.
압축 공기 모노 에너지 엔진의 경우, 제1 실린더의 팽창은 온도 저하를 야기하였고, 유리하게는 공기는 주변 환경과 에너지를 교환하는 공기-공기 교환기에서 가열될 것이다.
추가의 에너지 모드에서 작동하는 듀얼 에너지 엔진의 경우, 공기는 열 가열기에서 추가의 에너지를 이용하여, 예컨대 화석 연료를 이용하여 가열된다.
이러한 구성의 대안적인 형태에 따라, 각 단계 후에, 배기 공기는 하나의 다단 가열기로 안내되고, 따라서 단지 하나의 연소원을 이용할 수 있다.
열 교환기는 공기-공기 교환기 또는 공기-액체 교환기일 수 있거나 소망의 효과를 생성하는 임의의 다른 장치 또는 가스일 수 있다.
본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진이 모든 자동차, 선박, 철도차량, 또는 항공기에서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진은 또한 유리하게는 비상발전기 세트 및 또한 전기와 열을 생성하고 온도를 조절하는 수많은 가정용 열병합 용례에서 용례를 찾을 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 특징이, 임의의 한정을 내포하지 않고, 첨부한 도면을 참조로 하는 다수의 실시예의 설명을 이해하는 것으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 종단면에서 바라본 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진 및 엔진의 고압(HP) 공기 공급 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 엔진 작업의 다양한 단계의 종단면을 개략적으로 도시한다.
도 5는 압축 공기 모노 에너지 모드에서 열역학 사이클의 그래프를 도시한다.
도 6은 단면에서 바라본 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진 및 연소에 의해 공기를 가열하기 위한 장치를 포함하는 엔진의 HP 공기 공급 장치를 개략적으로 도시한다.
도 7은 압축 공기 및 추가의 듀얼 에너지 모드에서 열역학 사이클의 그래프를 도시한다.
도 8은 자발적인 작동을 가능하게 하는 공기 컴프레서에 결합된 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진을 개략적으로 도시한다.
도 9는 저장 탱크 및 작업실을 공급하는 컴프레서에 결합된 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진을 개략적으로 도시한다.
도 10은 화석 연료 모노 에너지 모드에서 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진을 도시한다.
도 1은 커넥팅 로드(3)를 통해 크랭크샤프트(5)의 크랭크 핀(4)에 연결되는 메인 구동 피스톤(1)이 구동 실린더(2) 내에서 활주하는 것을 나타내는 본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진을 도시한다.
구동 실린더(2)는 그 상단 근처에서 셔터(7)가 장착된 통로(6)를 통해 액티브 팽창 챔버 실린더(13)와 연통하고, 이 액티브 팽창 챔버 실린더(13) 내에서 크랭크샤프트(5) 상의 구동 실린더의 크랭크 핀(4)으로부터 실질적으로 반대편인 180°에 위치하는 크랭크 핀(16)에 커넥팅 로드(15)에 의해 연결되는 급기 피스톤으로 불리는 피스톤(14)이 활주한다.
밸브(18)에 의해 제어되는 입구 도관(17)이 액티브 팽창 챔버 실린더(13) 안으로 개방되어, 엔진에 작동 압력에서 유지되는 작업실(19)로부터의 압축 공기가 공급되게 하는데, 작업실(19)은 작동 압력으로 유지되는 것으로, 이 작업실에는 고 압 저장 탱크(22)가 동적 조절 장치(21)에 의해 제어되는 도관(20)을 통해 압축 공기를 공급한다.
배기 밸브(24)에 의해 제어되는 배기 도관(23)이 실린더(2)의 상부에 형성된다.
가속 페달에 의해 제어되는 장치가 동적 조절 장치(21)를 제어하여 작업실 내의 압력을 조절하고 그에 따라 엔진을 제어한다.
도 2는 유입 단계 중의 본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진을 도시한다. 구동 피스톤(1)은 상향 행정 중에 있는 것으로, 이전의 사이클 중에 팽창되었던 공기를 배기 밸브(24)가 개방된 상태에서 도관(23)을 통해 배기하고 있다. 유입 밸브(18)가 개방되고, 작업실(19) 내에 수용된 공기의 압력이 급기 피스톤(14)을 하향 행정하게 하여 피스톤(14)을 밀어내는 동시에, 액티브 팽창 챔버(13)의 실린더를 채우면서 제1 일을 생성하고, 이에 의해 커넥팅 로드(15)를 통해, 크랭크샤프트(5)를 회전시키는데, 이러한 제1 일은 준등압으로, 실질적으로 압력 경감 없이 수행되기 때문에 상당하다.
도 3으로 넘어가서, 구동 피스톤(1)은 대체로 상사점에 도달하고 대체로 동시에 배기 밸브(24) 및 유입 밸브(18)가 다시 폐쇄되며 연결 도관(6)의 셔터(7)가 개방된다. 액티브 팽창 챔버(13) 내에 수용된 압축 공기의 급기 또는 양이 팽창하여, 구동 피스톤(1)을 하향 행정하게 밀어내고, 이에 따라 제2 일을 생성하여 크랭크샤프트(5)를 회전시킨다. 구동 피스톤(1)의 하향 행정 중에, 급기 피스톤(14)은 상사점을 향해 상승을 계속한다.
도 4로 넘어가서, 구동 피스톤(1)은 하사점에 도달하고 급기 피스톤(14)은 상사점에 도달한다. 셔터(7)가 다시 폐쇄되고 유입 밸브(18) 및 배기 밸브(24)가 개방되어 다른 급기가 액티브 팽창 챔버(13) 내로 도입되게 하고 구동 실린더(2) 내에서 팽창된 이전의 급기가 대기를 향해 배기하게 한다.
도 5는 압축 공기 모노 에너지 모드에서 작동하는 엔진의 열역학 사이클의 그래프를 도시하는 것으로, 도 5는 본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진을 구성하는 (가로 축에 따른) 가변 용량 및 세로 축에 도시한 압력에서의 사이클의 다양한 단계를 도시한다.
저장 탱크(22)인 제1 용량에서, 저장 압력(Pst)으로부터 초기의 작동 압력(PIT)까지 변화하는 등온 커브의 집합이 존재하고, 저장 압력은 탱크가 비워짐에 따라 감소하고, 동시에 압력(PIT)은 소망의 토크에 따라 최소 작동 압력과 최대 작동 압력 사이에서(본 예에서, 10 bar와 30 bar 사이에서) 제어될 것이다.
액티브 팽창 챔버(13)의 급기 중의 작업실(19)에서, 압력은 거의 동일하게 유지된다. 유입 밸브가 개방되자마자, 작업실 내에 수용된 압축 공기가 액티브 팽창 챔버로 전달되며, 압력의 매우 적은 감소에 수반된 일을 생성한다. 예컨대, 3000 ㎤의 작업실 및 35 ㎤의 액티브 팽창 챔버의 경우, 압력 강하는 1.16%인데, 즉, 예를 들면, 초기 작동 압력의 30 bar인 경우에 실제 작동 압력은 29.65 bar이다.
구동 피스톤은, 배기 밸브가 개방될 때(예컨대 약 2 bar)까지 압력이 감소하면서 일을 생성하는 폴리트로픽 팽창으로 하향 행정을 시작하고, 새로운 사이클을 시작하기 전에 배기 행정 중에 대기압까지 복귀한다.
도 6은 듀얼 에너지 버전의 엔진을 전체적으로 도시하며, 작업실(19)에서 추가의 에너지를 공급함으로써 압축 공기를 가열하기 위한 개략적인 가열 장치, 본 예에서는, 가스 실린더(26)에 의해 연료가 공급되는 버너(25)를 도시한다. 따라서, 도 6에 도시된 연소는 내연-외연이고 저장 탱크로부터의 압축 공기의 용적 및/또는 압력을 현저하게 증가시킨다.
도 7은 추가의 에너지를 더한 듀얼 에너지 모드에서 열역학 사이클의 그래프를 도시하는 것으로, 다양한 사이클 단계를, 본 발명에 따른 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진을 구성하는 가변 용량과 세로축 상의 압력으로 나타내고 있다.
저장 탱크인 제1 용량에서, 저장 압력(Pst)으로부터 초기의 작동 압력(PIT)까지 변화하는 등온 커브의 집합이 존재하고, 저장 압력은 탱크가 비워짐에 따라 감소하고, 동시에 압력(PIT)은 소망의 토크에 따라 최소 작동 압력과 최대 작동 압력 사이에서(예컨대, 10 bar와 30 bar 사이에서) 제어될 것이다.
작업실(19)에서, 압축 공기를 가열하여 압력이 초기 압력(PIT)으로부터 최종 작동 압력(PFT)까지 상당히 증가하게 한다. 예컨대, 30 bar의 PIT의 경우, 약 300℃까지의 온도 증가는 약 60 bar의 PFT를 얻을 수 있게 한다. 유입 밸브가 개방되자마자, 작업실 내에 수용된 압축 공기가 액티브 팽창 챔버로 전달되고, 압력의 매우 적은 감소에 수반된 일을 생성하며, 예컨대, 3000 ㎤의 작업실 및 35 ㎤의 액티브 팽창 챔버의 경우, 압력 강하는 1.16%인데, 즉, 예를 들면, 초기 작동 압력 60 bar에 대하여 실제 작동 압력은 59.30 bar이다.
구동 피스톤은, 배기 밸브가 개방될 때(예컨대 약 2 bar)까지 압력이 감소하면서 일을 생성하는 폴리트로픽 팽창으로 하향 행정을 시작하고, 새로운 사이클을 시작하기 위해서 배기 행정 중에 대기압까지 복귀한다.
또한, 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진은, 도 8에 도시한 바와 같이 본 발명의 대안적인 형태에 따라, 엔진 저장 탱크(22)에 압축 공기를 공급하는 압축 공기 컴프레서(27)를 구동하는 경우, 화석 또는 식물에서 유래할 수 있는 추가의 에너지로서 알려진 에너지를 이용하여 자발적으로 듀얼 에너지 모드에서 작동한다.
기계의 전체적인 작동은 도 1 내지 도 4에 대하여 상기한 것과 동일하다. 그러나, 이러한 구성은 저장 탱크(22)를 추가의 에너지를 이용하여 작업하는 동안 다시 채우게 하지만 컴프레서 때문에 상당한 에너지 손실을 야기한다.
(도면에 도시되지 않은) 본 발명의 또 다른 대안적인 형태에 따라, 공기 컴프레서가 작업실에 직접적으로 압축 공기를 공급한다. 이러한 형태의 작동에서, 동적 조절 장치(21)가 폐쇄되어 유지되고 컴프레서(27)는 작업실에 압축 공기를 공급하고, 이러한 작업실에서 공기가 가열 장치에 의해 가열되고 종래의 경우에서 기술한 것처럼 액티브 팽창 챔버(13) 내로 공급되도록 압력 및/또는 용적이 증가한다. 게다가, 이러한 형태의 작동에서, 엔진의 제어는 컴프레서를 이용하여 압력을 직접 조절함으로써 실시되고 컴프레서에 기인한 에너지의 손실이 종래의 경우보다 훨씬 더 낮다.
마지막으로, 도 9에서, 본 발명의 또 다른 대안적인 형태에 따라, 컴프레서는 에너지 요구에 따라 동시에 또는 연속하여 고압 저장 탱크(22) 및 작업실(19)에 압축 공기를 공급한다. 양방향 밸브(28)가 저장 탱크(22)와 작업실(19) 중 어느 하나, 또는 이들 모두에 동시에 공기를 공급하게 한다. 선택은 컴프레서의 에너지 요구에 대한 엔진의 에너지 요구에 따른다: 엔진에서의 요구가 비교적 낮다면, 고압 탱크로 공급되고; 엔진에서의 에너지 요구가 높다면, 작업실만으로 공급된다.
도 10은 화석 연료로(또는 대안적으로, 식물 연료 또는 어떤 다른 원인으로) 작동하는 액티브 팽창 챔버를 갖는 모노 에너지 엔진을 도시하고, 본 실시예에서 엔진은 가스 실린더(26)에 의해 에너지가 공급되는 버너(25)를 포함하는 작업실(19)에 압축 공기를 공급하는 컴프레서(27)에 결합된다. 장치가 작동하는 전체적인 방식은 상기한 바와 같다.
액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진이 압축 공기를 이용한 작업을 위해 기술된다. 그러나, 기술된 바와 같은 본 발명을 임의의 방식으로 변경하지 않고 임의의 압축 가스를 이용할 수 있다.

Claims (19)

  1. 고압 저장 탱크(22)에 수용된 압축 공기 또는 압축 가스가 공급되는 엔진으로서,
    - 커넥팅 로드 및 크랭크 장치에서 크랭크샤프트(5)를 구동시키도록 구동 실린더(2) 내에서 활주하는 적어도 하나의 메인 구동 피스톤(1), 및
    - 일을 생성할 수 있는 가변 용적으로 이루어지고, 구동 피스톤(1)이 상사점에 있을 때 구동 실린더(2) 내의 불용체적과 통로(6)에 의해서 연결되는 적어도 하나의 액티브 팽창 챔버
    를 포함하는 엔진에 있어서,
    - 상기 통로(6)는 상기 액티브 팽창 챔버가 불용체적으로부터 격리되거나 이에 연통하게 할 수 있는 셔터(7)를 포함하며,
    - 엔진은 액티브 팽창 챔버(13) 내에서 개방되어 엔진에 압축 공기 또는 압축 가스가 공급되게 하는 입구 도관(17)을 포함하고,
    - 액티브 팽창 챔버가 최소 용적에 있을 때 압축 공기 또는 가스가 팽창 챔버 내로 유입되고 압축 공기의 추력하에 용적이 증가하여 일을 생성하며,
    - 팽창 챔버가 최대 용적에 있고 구동 피스톤이 상사점에 있을 때, 입구 도관(17)이 닫히고, 상기 액티브 팽창 챔버(13)가 구동 실린더(2)와 연통하게 되고, 액티브 팽창 챔버 내에 수용된 압축 공기 또는 압축 가스가 팽창하여 구동 피스톤(1)을 하향 행정을 하게 밀어내어, 이번에는 구동 피스톤(1)이 일을 공급하고,
    - 상기 팽창 중에, 액티브 팽창 챔버(13)의 용적은 새로운 사이클을 착수하도록 최소의 용적으로 돌아옴으로써,
    엔진은 4단계 열역학 사이클,
    * 일을 하지 않는 등온 팽창;
    * 준등온으로 불리는 일을 하는 전달이 적은 팽창;
    * 일을 하는 폴리트로픽 팽창;
    * 대기압에서의 배기
    에 따라 작동하도록 되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불용체적은, 액티브 팽창 챔버가 불용체적과 연통하게 될 때 일을 하지 않으면서 팽창하는 것을 방지하도록 기계적 공차가 허용할 수 있는 최소값으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작업실(19)로 불리는 버퍼 용량을 통해 압축 공기 또는 가스가 상기 엔진에 공급되고, 작업실(19)에는 고압 저장 탱크(22)에 수용된 고압의 압축 공기가 공급되며, 상기 고압의 압축 공기는 동적 조절 장치를 통해 작업실(19)에서 작동 압력으로 불리는 중간 압력으로 팽창되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  4. 제3항에 있어서, 작업실(19)은 별도로 추가의 에너지를 이용하여 압축 공기 또는 가스를 가열하기 위한 가열 장치(25)를 포함하고, 상기 가열 장치는 가열 장치를 통과하는 공기의 압력 또는 온도를 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  5. 제4항에 있어서, 압축 공기 또는 가스는 압축 공기 또는 가스 내에서 직접 화석 연료 또는 바이오 연료를 연소시킴으로써 가열되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  6. 제4항에 있어서, 작업실 내에 수용된 공기는 화석 연료 또는 바이오 연료를 연소시킴으로써 교환기를 통하여 가열되고, 화염이 압축 공기 또는 가스와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  7. 제4항에 있어서, 가열 장치(25)는, 열화학적 고체-기체 반응 기법을 이용한 가열 장치이고,
    상기 열화학적 고체-기체 반응 기법은, 증발기 내에 수용된 반응 유체를 반응기 내에 수용된 고체 반응물과 반응할 기체로 증발시키는 전환과, 열을 생성하는 화학적 반응에 기초하며,
    반응의 종료시 반응은 증발기에서 후속하여 재응축될 기체 암모니아를 탈착시키기 위해 반응기에 열을 공급함으로써 다시 발생될 수 있는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  8. 제4항에 있어서, 엔진은 추가의 에너지를 이용하는 듀얼 에너지 모드로 작동하고,
    상기 듀얼 에너지 모드에서의 열역학적 사이클은, 상기 작업실에서 수행된 에너지의 전환을 이용하는 일을 하지 않는 등온 팽창과, 화석 에너지를 이용한 공기 또는 가스의 가열에 의한 공기 또는 가스의 온도의 상승과, 일을 하는 준등온으로 알려진 후속적인 팽창과, 구동 실린더(2) 내에서의 일을 하는 폴리트로픽 팽창과, 최종적인 대기압에서의 배기로 이루어지며, 다음과 같은 연속적인 5단계,
    * 등온 팽창;
    * 온도의 상승;
    * 준등온으로 불리는 일을 하는 전달이 적은 팽창;
    * 일을 하는 폴리트로픽 팽창;
    * 대기압에서의 배기
    를 나타내는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  9. 제3항에 있어서, 엔진 토크 및 엔진 속도가 상기 작업실(19) 내의 압력을 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  10. 제8항에 있어서, 엔진은 추가의 에너지를 갖는 듀얼 에너지 작동 모드에서 작동되고,
    듀얼 에너지 모드 중에, 전자 제어 장치가 상기 작업실(19)에 도입된 압축 공기 또는 가스의 압력에 따라 그리고 압력에 따른 공기의 질량에 따라 공급되는 추가의 에너지의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액티브 팽창 챔버(13)의 상기 가변 용적은, 실린더(13) 내에서 활주하고 그리고 커넥팅 로드(15)에 의해 엔진(9)의 크랭크샤프트에 연결되는, 급기 피스톤으로 불리는 피스톤(14)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고압 저장 탱크(22) 내에 수용된 압축 공기 또는 가스가 엔진에 공급되거나, 엔진은 추가의 에너지를 이용하는 듀얼 에너지 모드에서 작동하며,
    압축 공기 또는 가스 저장 탱크가 비워지고 그리고 추가의 에너지가 이용될 때 자발적인 작동을 허용하기 위해, 액티브 팽창 챔버를 갖는 엔진은 고압 압축 공기 또는 가스 저장 탱크(22)에 압축 공기 또는 가스를 공급할 수 있는 공기 또는 가스 컴프레서(27)에 결합되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  13. 제12항에 있어서, 상기 컴프레서(27)는 작업실(19)에 압축 공기 또는 가스를 직접 공급하고; 이러한 경우에, 엔진의 제어는 컴프레서의 압력을 제어함으로써 실시되고, 고압 저장 탱크(22)와 작업실 사이에 배치된 동적 조절 장치(21)가 닫힌 채로 유지되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  14. 제12항에 있어서, 결합된 컴프레서(27)는 저장 탱크(22)와 작업실(19) 양자 모두에 압축 공기 또는 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  15. 제13항에 있어서, 엔진은, 결합된 컴프레서(27)에 의해서만 압축되는 작업실 내에 수용된 공기 또는 가스를 가열할 수 있는, 화석 연료, 식물 연료를 이용하는 모노 에너지 모드에서 작동하는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  16. 제12항에 있어서, 릴리프 후의 배기 가스가 결합된 컴프레서의 입구 측으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  17. 제1항에 있어서, 엔진은 압축 공기 모노 에너지 모드에서 작동하고, 실린더 용량을 증가시키는 여러 팽창 단계로 이루어지며, 각 단계는 일을 생성하는 수단이 장착된 가변 용적으로 이루어진 액티브 팽창 챔버를 포함하고 각 단계 사이에 이전 단계로부터 배기된 공기를 가열하기 위해 교환기(29)가 존재하는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  18. 제17항에 있어서, 엔진은 추가의 에너지를 이용하는 듀얼 에너지 모드에서 작동하고, 각 단계 사이에 위치한 교환기는 추가의 에너지 가열 장치가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 교환기 및 가열 장치는 동일한 에너지원을 이용하는 여러 팽창 단계로 이루어진 엔진에 함께 또는 단독으로 결합되는 것을 특징으로 하는 액티브 팽창 챔버를 구비한 엔진.
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