KR101766270B1

KR101766270B1 - 열기관

Info

Publication number: KR101766270B1
Application number: KR1020127013368A
Authority: KR
Inventors: 니콜라스 리처드 코테스
Original assignee: 울트라모 리미티드
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2017-08-23
Also published as: ES2654338T3; JP5848250B2; CA2778393A1; BR112012009667A2; EP2516814A2; NO2516814T3; GB0918707D0; DK2516814T3; GB2474709B; WO2011048392A2; CN102782275A; CN102782275B; WO2011048392A3; US20130318938A1; RU2589557C2; US9534560B2; RU2012121102A; EP2516814B1; KR20120135505A; PT2516814T

Abstract

비압축식 엔진은 2개 또는 3개의 가변 용적 기구, 즉 유도 디스플레이서(1)와 연소 익스팬더(2), 또는 유도 디스플레이서(1), 연소 익스팬더(2) 및 대기 냉각기(3)를 구비한다. 가스의 작동 체적이 유도 디스플레이서(1)에 유입되고, 재생용열교환기(5)를 통해 실질적으로 일정한 체적으로 연소 익스팬더(2)로 이동한다. 연소 익스팬더(2) 내부의 가스는 연료의 연소에 의하여 더욱 가열되고 나서 팽창되어 일을 추출한다. 가스는 실질적으로 일정한 체적으로 재생용열교환기(5)를 통해 대기 냉각기(3)로 이동하거나, 일정한 압력에서 재생용열교환기로부터 배기된다. 가스는 대기압 작동을 수행하는 대기 냉각기 내부에서 수축한다. 가스는 대기압과 평형을 이루면, 대기 냉각기(3)로부터 배기된다.

Description

열기관{A heat engine}

본 발명은 열기관 분야에 관한 것으로, 특히 효율이 향상된 용적식 내연기관에 관한 것이다.

내연기관은 작동 유체가 일정한 비율의 산소를 포함하는 가스, 통상 공기 또는 배기 생성물과 혼합된 공기인 열기관으로서, 작동 유체 내에서의 연소 과정에 의하여 사이클 동안 열이 직접 가해진다.

전기 그리드에 대한 접속으로 충족될 수 없는 기계 동력에 대한 필요조건의 대부분은 내연기관에 의하여 충족된다. 자동차, 중량운반차량, 기차, 선박용 및 항공용 엔진을 포함하는 수송력 요건이 널리 공지되어 있지만, 규모의 범위로서 농업, 삼림, 건축 및 토목공학, 물, 오일 및 천연가스의 펌핑에 사용되는 동력 공구에서의 전기 동력 발생을 포함하는 다수의 기타 유형이 존재한다. 엔진은 크기면에서 몇몇 용례에서 배터리를 교체하도록 개발된 단지 2-3 그램의 무게를 갖는 마이크로 기계에서 무게가 2300 메트릭 톤인 해양 추진 유닛까지 다양하다.

전세계 화석 연료 공급은 피크 오일에 근접하는 것으로 생각하고 있으며, 그 이후에는 공급이 감소하기 때문에 격렬한 경쟁이 있을 것이다. 다수의 바이오 연료가 소개되고 있거나 개발 중이지만, 이것 중 일부는 농경지 이용을 위한 식용 작물과 경쟁한다. 게다가, 대기로의 탄소 배출이라는 환경 효과가 이제 기후 변화의 원인으로 넓게 인식되고 있다. 그러므로 이러한 관심사의 조합으로부터의 압박 때문에 내연기관의 효율을 향상에 큰 관심이 끌리고 있다.

이 분야에서는 현재 기술 수준의 엔진이 연료에서 이용 가능한 에너지 중에서 약 1/3을 유효한 일로 변환시킬 수 있을 뿐이다. 나머지 2/3 중에서, 피스톤 엔진의 경우에 약 1/3이 배기열로서 엔진을 빠져나가는 사이클 손실이다. 나머지 1/3은 작동 가스로부터 엔진의 재료로 연전달되는 냉각 손실로써, 사이클에서 손실되며 엔진의 재료와 프로세스를 보호하기 위한 냉각 핀 또는 수냉식 라디에이터에 의하여 소산된다. 그러므로 효율 개선은 상기 분야에서 다수의 작업자가 추구하는 목표이며, 사이클 손실 및 냉각 손실의 영역은 종래 기술에서 개선의 목표이다. 본 발명은 양쪽 영역에서 실질적인 개선을 제공한다.

1824년에는 세디 카르노(Sadi Carnot)은 어떠한 열기관도 100%의 효율을 달성할 수 없다는 것을 입증하였다. 모든 엔진은 더욱 높은 절대 온도 T_h에서 열을 받아들이고 더욱 낮은 절대 온도 T_c에서 열을 버린다. 널리 공지된 카르노 방정식

은 엔진이 성취할 수 있는 최대 효율η이 이러한 온도 비율에 의하여 제한된다는 것을 증명하고 있다. 그러나 약 2900K에서의 통상의 연료의 단열 연소 온도와 약 300K에서의 분위기 온도 사이에서 작동하는 엔진이 거의 90%의 효율 한계를 가질 수 있는 것을 증명하고 있다. 현재의 엔진은 이러한 범위의 온도를 이용할 수 없다.

본 발명은 이러한 온도 범위를 완전히 이용하며, 그러므로 카르노의 효율 한계가 더욱 높아진다.

내연기관은 현재 용적식(positive displacement) 기계와 운동류식(kinetic flow) 기계로 분류된다. 용적식 기계는 피스톤 엔진과 방켈(Wankel) 엔진을 포함하는 반면, 운동류식 기계는 가스 터빈을 포함한다. 용적식 기계는 용적의 변화와 열의 부가와 폐기를 포함하는 사이클을 통해서 일어나는 별개의 가스의 작동 체적을 흡입하여 처리하는 것을 특징으로 한다.

용적식 기계는 2행정 또는 4행정 사이클로 작동하는 스파크 점화 엔진과 압축 점화 엔진으로 분류된다. 이러한 엔진 모두는 압축 원리는 공통으로 가지고 있다. 이러한 원리는 우선 1862년에 발간된 팸플릿에서 알퐁스 보 드 로샤(Alphonse Beau de Rochas)에 의하여 확립되었다. 상기 팸플릿은 4행정 엔진의 작동 원리를 정확하게 기술하고 있다. 1876년에는 니콜라우스 오토(Nikolaus Otto) 박사는 이러한 원리는 재발견하고 효과적인 엔진을 제작하였다. 이 시대 이후부터 압축 원리가 보편화하였다. 가스 터빈에 적용하는 주울-브레이튼 사이클(Joule-Brayton cycle)과 오토 사이클을 지배하는 효율 방정식은 당업계에 널리 공지되어 있다.

여기에서 η는 효율이며, r_v는 체적비, 통상 압축비라고도 불리고, γ는 작동 가스의 비열 비율로서, 분위기 온도에서 1.4의 값을 가지며 2500K에서 1.29로 낮아진다.

가스 터빈에 적용하는 주울-브레이튼 사이클은 유사한 효율 방정식을 가진다.

상기 방정식에서 r_p는 압축비이다.

이러한 방정식에서 명확하게 함축된 의미는 효율이 높은 압축비에 의하여 향상되는 것이며 또한, 압축이 없는, 즉 r=1인 엔진은 제로의 효율을 가진다는 것이다. 내연기관의 초기 역사에 대한 연구에 따르면 이것은 분명한 주장이 아닌 것으로 드러났다. 압축 엔진의 발명 이전에, 비압축식 가스 엔진이 제조되었고 상업적으로 시판되었다. 에티엔느 르노와르(Etienne Lenoir)는 1860년에 비압축식 엔진을 특허받았으며, 약 600 유닛이 시판되었다. 니콜라우스 오토는 에게너 랑겐(Eugene Langen)과 함께 회사를 설립하고, 1862년부터 신뢰성이 양호하고 효율이 높은 개량된 비압축식 엔진을 시판하였다. 이러한 엔진의 기초가 되는 열역학 원리의 분석연구에 따르면 상기 방정식이 압축 및 팽창비가 같은 엔진 사이클의 인인위적 산물이란 것으로 드러났다. 또한, 압축비라는 용어는 실제로 열을 기계 동력으로 변환시키는 팽창일 때 압축을 잘못 강조하고 있다.

1710년에는 토마스 뉴코멘(Thomas Newcomen)과 존 카울리(John Cowley)는 대기 증기 엔진을 발명하였다. 저압에서의 증기가 실린더를 충진하도록 허용되었다. 수냉에 의한 증기의 후속 응축은 대기압 행정을 통해 기계적 동력을 생성하는데 이용되고, 발생한 진공에 의하여 대기압이 피스톤을 실린더 내에서 아래로 가압하였다. 이에 의하여 대기압 작동이 얻어졌다. 열역학 조건에 있어서, 대기압 원리는 엔진이 낮은 온도에서 열을 폐기하는 것 같다. 엔진은 고온 및 저온 프로세스가 같은 인클로져 내부에서 수행되어 상당량의 열이 엔진의 재료로 손실되기 때문에 낮은 효율을 갖고 있다. 이러한 문제는 이후에 고온 실린더를 밸브를 갖는 파이프로 개별 냉각 챔버에 연결한 제임스 왓트(James Watt)에 의하여 해결되었다. 왓트는 또한, 비록 저온 일지라도 상행 행정시에 동력을 생성하기 위하여 증기의 정압을 이용하기 시작하였다.

1823년에는 새뮤엘 브라운(Samuel Brown)이 대기압 원리에 기초하여 내연기관을 개발하였다. 그는 실린더 내부의 가스 공기 혼합물의 급격한 연소를 이용하여 대기압이 피스톤을 구동하는 부분 진공을 생성하기 위하여 물 분사에 의하여 잔류 가스를 냉각시키기 이전에 가스 대부분을 배출하였다. 이 때, 이용 가능한 재료의 인장 강도가 낮고 신뢰할 수 없으므로 동력을 생성하기 위하여 정압을 이용하는 것에 대하여 내키지 않는 부분이 있을 수 있었다. 상기 엔진은 차량을 추진하는데 이용되었지만, 연소에 의하여 발생한 정압이 대기압으로 배출되기 때문에 효율이 낮았다.

르노와르 및 오토의 비압축식 엔진은 공기와 점화 가스의 혼합물을 흡입하기 위하여 행정의 일부를 통해 피스톤을 이동시킨 이후에 그 혼합물을 점화하는 것에 의하여 작동하였다. 온도가 증가하면 압력이 증가하여, 그 행정의 나머지 동안 피스톤을 구동시킨다. 증기 용례로부터 널리 공지된 로드 및 크랭크 기구는 사용되지 않았다. 오토-랑겐 엔진에 있어서 피스톤은 피스톤의 질량과 그 후방에서 발생한 부분 진공의 조합에 의하여 정지할 때까지 수직 실린더에서 상승하는 연소 압력에 의하여 구동되며, 피스톤의 관성의 결과로서 대기압과 평형을 이루는 위치를 통과한다. 상기 부분 진공은 물 분사로 가스를 냉각시키는 것에 의하여 증가된다. 대기압은 피스톤을 실린더 내에서 하강시킨다. 피스톤이 하강하면 할 수록, 플라이휠을 랙을 통해 구동시키며, 상기 랙은 일방향 클러치를 갖는 플라이휠 샤프트 상에 구동하는 피니언과 결합하여 있다. 그러므로 이러한 엔진은 압력 원리와 대기압 원리 모두를 이용하여 제조되었다. 이것은 고온 및 저온 프로세스가 같은 실린더 내부에서 발생할 때 크게 발생할 수 있는 냉각 손실을 통해 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 작동하는바, 이는 본 발명과 상이하다.

오토의 크랭크 및 로드 기구를 이용하여 제조된 1876년의 압축 엔진의 후속 발명 이후에, 비압축식 엔진의 개발은 거의 완전히 포기되었다. 오토는 그의 특허가 그에게 제조에 관한 독점을 부여하는 신념에서 압축 원리를 상당히 촉진시켰다. 고트리브 다임러(Gottlieb Daimler)와 빌헬름 마이바흐(Wilhelm Maybach)와 함께 작업하여, 오토는 그의 이노베이션을 생산할 수 있는 산업적 능력을 가지게 되었다. 그러나 오토의 특허는 보 드 로샤가 작성한 팸플릿이 두각을 나타낸 시기인 1886년에 실패하였다. 이는 자신의 제품을 소개하기 위하여 다른 제작자에게 명백한 진로를 남겼다.

그 때부터 압축식 엔진은 스파크 또는 압축 점화를 갖는 4행정 또는 2행정 외관에서 최고로 군림하고 있다. 피스톤 및 실린더는 동력 대 중량 비율이 연료 경제성보다 더욱 중요한 용례에 영향을 미치기 시작한 방켈 엔진을 구비하는 뚜렷한 가변 용적 기구이다. 이러한 엔진 모두는 열역학 사이클 및 상기 사이클 과정의 모든 프로세스가 같은 인클로져 내부에서 발생하는 특징에 기초하여 매우 유사한 압축을 하는 것이 일반적이며, 이는 본 발명과 상이하다.

사이클 손실을 감소시키는 널리 공지된 방법으로는 열 재생(축열식 열교환; heat regeneration)이 있다. 배기 가스에 포함된 열을 수입하여 사이클의 일부로 복귀시켜, 그 효과가 연료에 의한 가열을 교체하여 필요한 연료량을 감소시킬 수 있다. 재생은 먼저 1816년에 로버트 스터링(Robert Stirling) 박사가 특허를 받은 고온 엔진에서 증명되었다. 축열기는 가스 대 고체 열 교환기로서, 고온 가스의 전이 스트림이 이를 통과하여 고체 매트릭스를 가열한다. 역류하는 저온 가스의 전이 스트림이 열을 회수한다. 이러한 기술은 가열 가스 및 고온 가스가 같은 질량을 가지며 같은 조건에서 그리고 같은 온도 제한 사이에서 각각 냉각 및 가열되는 사이클에서 가장 효과적이다. 이러한 기술은 가스 터빈에서 일부 성공하였다. 이러한 엔진의 연속 유동 특성으로 인하여, 열은 가스 대 가스 열 교환기 또는 회전형 메트릭스 열 교환기에 의하여 전달될 수 있다. 상기 기술의 장점은 터빈 배기를 분위기 온도로 냉각시키는 것이 필요할 때 추출되는 모든 배기 열에 대하여 이상적인 사이클로도 불가능한 사실에 의하여 제한을 받는다. 이것은 열이 압축기의 배출구에서 공기로 전달되고 이러한 공기 단열 압축 과정에 더하여 등엔트로피 손실에 의하여 가열되고 따라서 분위기 온도 이상의 수 백도로 가열되기 때문에 가능하지 않다. 따라서 열의 일부만이 회수될 수 있다. 이러한 상황은 압축 과정에 인터쿨링(intercooling)이 사용되는 경우에 개선될 수 있다.

당업계의 다수의 작업자는 재생을 용적식 내연기관에 적용하기 위한 방법을 제안하였다. 이러한 방법은 내연기관 스터링 엔진, 실린더 재생이 추가된 오토 엔진, 그리고 흡기, 압축, 연소 및 배기가 개별 신린더에서 발생하고 상기 실린더 사이에서 재생이 이루어지는 스플릿 사이클 엔진으로 분류될 수 있다.

스터링 엔진에 있어서, 고온 및 저온 용적은 재생용열교환기(regenerator)를 통해 영구적으로 연통하는바, 이는 본 발명과 상이하다. 공기는 고온 공간으로 이동하고, 재생용열교환기로부터 열을 획득한다. 그이후, 열이 그 온도를 유지하는 공기로 전달되는 동안 작동을 촉진한다. 스터링의 내연기관에서 이 열은 고온 공간 내부의 연료 연소에 의하여 공급된다. 그러므로 사이클에서의 높은 온도는 재생용열교환기 및 고온 실린더의 재료 한계로 제한된다. 이 온도는 연료의 단열 연소 온도보다 상당히 낮을 수 있으므로, 스터링 사이클이 이론적으로 카르노 한계에 도달할 수 있음에도 상기 한계는 단열 연소 온도로 작동할 수 있는 사이클보다 낮을 수 있다.

오토 사이클에서 모든 프로세스는 하나의 실린더에서 발생한다. 이것은 단순하다는 장점을 가지며, 피스톤과 실린더가 비교적 저온으로 유지되게 하며, 동시에 사이클에서의 고온은 연료의 단열 연소 온도이다. 단점은 사이클 효율이 연소 온도와 배기 온도의 비율의 함수이다. 배기 온도가 분위기 온도보다 상당히 높으며, 사이클 효율은 따라서 같은 높은 온도를 이용하는 카르노 엔진의 효율보다 낮다. 또한, 격실(containment)을 포함하는 재료는 프로세스 자체보다 상당히 저온이기 때문에 냉각 손실은 높다. 가동형 재생용열교환기를 실린더 내부에 설치하는 시도가 있었다. 이것은 연소 프로세스를 복잡하게 하며, 압축시에 온도 상승으로 인하여 재생되는 열의 일부에 대해서만 가능하다. 상기 냉각 손실 문제는 여전히 해결되지 않고 있다.

스플릿 사이클 엔진은 냉각 프로세스를 고온 프로세스와 독립된 실린더 내부에서 수행시키며, 재생용열교환기는 실린더 사이의 통로에 설치될 수 있다. 압축을 사용하는 것은 연소 압력이 높고 포핏 밸브를 사용하여 유동을 제어하는 것을 의미한다. 이것은 밸브 후방에 필요한 만곡 통로로 인하여 상당한 배제 용적(dead volume)을 발생시키는 효과를 가진다. 압축 온도 상승은 재생의 비율을 제한한다. 이러한 사이클은 냉각 손실을 감소시키는 것에 다소 도움되지만, 종래 피스톤 오일 윤활을 이용하면, 이것은 벽 온도를 섭씨 300도 이하로 제한한다. 건식 윤활을 이용하는 것이 제안되어 있다. 상기 방법은 연소 영역에 대한 광학 윈도우를 특징으로 하는 특별히 연구된 엔진으로 부터 알려져 있다. 상기 마찰 손실은 매우 높은 것으로 특별한 용례에서 받아들일 수 있지만 실제 엔진에서는 허용되지 않는다.

지금까지 제안된 개선 중 어느 것도 이상적인 사이클에서 조차 배기 열 모두를 회수할 수 없다. 게다가 개선된 엔진 어느 것도 냉각 손실에서 상당한 절감을 제안하고 있지 않다. 이러한 이유로 인하여, 이러한 엔진은 일반적으로 재생용열교환기를 갖지 않는 엔진과 비교하여 효율이 10 내지 15% 개선된 것으로 주장하고 있다. 본 발명의 목적은 전체 효율을 70 내지 80% 사이로 취하면서 30 내지 40%의 향상을 달성하는 것이다. 이는 실질적으로 모든 배기 열을 회수하고 동시에 냉각 손실을 상당히 감소하는 것에 의하여 성취된다.

본 발명은 라비린스 밀봉부 또는 선형 에어 베어링을 포함하는 비접촉 밀봉 기술을 이용할 수 있다. 가압 상태의 유체가 인클로져 내부에 수납되고, 이와 동시에 상기 인클로져에 대한 회전 또는 선형 운동의 기계적 전달이 필요한 경우가 종종 공학기술에 발생한다. 대부분의 경우에, 컴플라이언트 밀봉부가 사용될 수 있으며, 이는 동일힌 정도의 마찰 손실을 부과하면서 유체 유동을 제한하거나 방지하기 위하여 상대 운동으로 평탄면에 맞닿아 지지하며 그 표면 상에 장착된다. 그러나 고속의 운동이나 높은 온도로 인하여 또는 마찰 손실에서 감소를 대신하여 어느 정도의 압력 손실이 관용될 수 있기 때문에, 이러한 고형 밀봉부가 불가능한 경우가 있다. 이러면 비접촉식 밀봉부를 사용한다.

라비린스 밀봉부의 경우에, 상대 운동하는 표면은 작은 클리어런스로 분리되어 있다. 갭을 통과하는 가스 유동은 최대 유동 저항을 생성하도록 구성된 표면 상에 특징부에 형성하는 것에 의하여 최소화된다. 라비린스 피스톤은 피스톤 로드 상에 확실하게 장착된 피스톤이다. 상기 로드는 선형 베어링에 의하여 제한되며, 실린더 벽과 접촉하지 않고 실린더를 상하로 이동하는 피스톤을 안내한다. 피스톤은 갭을 통과하는 유체의 유동에 대한 저항을 생성하는 플랭크 상의 릿지형 프로파일을 가진다. 본 기술은 스위스에 소재하는 버크하르드트 콤프레션 아게(Burchhardt Compression AG)에 의하여 오일 윤활유의 사용이 배제된 극저온에서 작동하는 펌프에서 성공적으로 사용되고 있다. 낮은 팽창 계수를 갖는 재료를 사용하여 온도에 대한 피스톤 직경의 편차를 최소화하여 최소의 클리어런스를 유지한다.

사용되고 있는 선형 에어 베어링의 경우, 압축 공기의 공급원이 피스톤의 플랭크 둘레의 다수의 지점에 나타나도록 연결되어 있다. 피스톤은 피스톤 로드에 의하여 작동하며, 상기 피스톤 로드는 피스톤에 축방향 힘을 인가하지 않는다. 피스톤은 보어의 한측면에 밀접할 수록 공기의 지지력은 피스톤의 센터링을 재설정하는 경향이 있기 때문에 실린더 보어 내부에서 접촉하지 않고 안내된다.

1710년 토마스 뉴코멘과 존 카우리는 대기압 증기 엔진을 실증하였다.

발명의 명칭이 '진공 발생 및 그로 인한 동력 발생'이라는 1823년 새뮤엘 브라운의 특허 제4874호. 본 특허는 대기압 내연기관을 개시하였다.

1827년 로버트 및 제임스 스터링의 특허 제5456호는 열 재생 원리를 포함하고 있는 공냉식 엔진을 개시하고 있다.

발명의 명칭이 '동력을 획득하는 것에 있어서의 개선 및 그것을 채용한 기계 또는 장치'인 1860년 르노와르의 특허 제335호는 비압축식 내연기관을 개시하고 있다.

1863년의 니클라우스 오토의 특허 제2098호는 비압축 연소와 냉각 대기압 행정의 조합으로부터 동력을 유도하는 엔진을 개시하고 있다.

1866년 에게네 랑겐 및 니콜라우스 오토의 특허 제434호는 오토의 1863 엔진의 개량을 개시하고 있다.

1874년 히르쉬의 미국 특허 제155,087호는 스터링 사이클?? 내연기관을 개시하고 있다. 흥미있는 특징으로는 내화성 라이닝을 갖는 고온 실린더 및 고온 실린더에서 연료의 자발적 연소가 있다. 저온 실린더에는 물 분사 냉각이 이용된다. 이러한 엔진에서, 작동 가스의 대부분은 고온 실린더와 저온 실린더 사이에 있는 재생용열교환기를 통해 전후로 순환된다. 소량의 신선한 공기 및 연료가 고온 실린더로 급송된다. 발생한 연소는 고온 실린더의 온도를 유지한다. 내화성 라이닝을 제공하는 방법은 엔진을 저속 작동으로 제한한다. 등온 연소는 단열 연소 온도보다 상당히 낮은 사이클에서 고온 T_h를 제공할 수 있다. 따라서, 상기 사이클은 잠재적으로 카르노 효율에 접근할 수 있지만, 카르노 효율은 본 발명보다 낮으며 그 작동은 전체 다른 사이클에 기초한다.

1881년의 씨.더블유. 지멘스(C.W. Siemens)의 특허 제2504호는 재생용열교환기가 실린더 헤드에 설치된 내연기관을 개시하고 있다.

웨잇(Wait)의 미국 특허 제7201156호는 재생으로 인하여 엔진이 낮은 압축 비율에서 효율적인 것을 제안하고 있지만 비압축식 엔진을 제안하고 있지 않다. 개시된 엔진은 종래의 4행정 사이클을 갖지만, 압축 행정 이전에 배기 열이 부가된다. 이것에 의하면, 열전달 이전에 압축 열이 없으므로 열 회수가 양호하다. 불행하게도, 열을 동력으로 전화하는 방법이 없으므로 사이클의 이 포인트에서 열을 부가하는 장점이 없다. 이렇게 하면 냉각 및 연소 프로세스를 어느 정도 복잡하게 한다.

쾨니흐(Koenig)의 미국 특허 제1,111,84호. 본 엔진은 압축 실린더가 팽창 실린더보다 소형인 스플릿 사이클 엔진이다. 재생 이전에 압축 열을 최소화하기 위한 필요성은 압축 실린더에 폴리트로프 지수(polytropic index)를 감소시키기 위하여 높은 내부면을 제공하는 것에 의하여 인정된다. 열역학의 적절한 이해가 실증되지만, 오늘날의 표준에 의한 아주 작은 밸브 영역이 도면에 도시되어 있다. 파워 실린더를 냉가하는 문제는 해결되지 않았다.

코니(Coney) 등의 미국 특허제2003049139호. 개시된 본 엔진은 압축 프로세스를 거의 등온화하기 위하여 스프레이 냉각되는 매우 높은 압축을 이용하는 것에 의하여 쾨니흐의 아이디어를 개선하고 있다. 이에 의하면 높은 레벨의 배기 열 회수를 가능하게 하지만, 사용되는 예외적으로 높은 압력이 냉각 손실 감소 대책에 영향을 미칠 수 있다. 개시된 본 엔진은 대형 동력 발생 용례를 목적으로 하는 것이며, 따라서 이러한 것은 다수의 열 교환기에 의하여 매우 복잡하게 된다. 그러므로 이것은 소형 용례에는 경제적이지 못할 것이다.

패튼(Patton)의 미국 특허 제7004115호 및 제7219630호는 또한, 재생 엔진에서 낮은 압축의 장점을 발견하고 있지만, 비압축식 엔진을 제안하고 있다. 패튼은 재생식 엔진을 개시하고 있지만 냉각 손실 감소 수단을 개시하고 있지 않다.

1972년 그레이브스(Graves)의 미국 특허 제3729927호는 개별 챔버에서 연소가 발생하고 팽창 생성물이 플랩 밸브를 통해 실린더로 진입하는 점에서 르노와르 엔진과 다른 비압축식 엔진을 개시하고 있다. 이에 의하면 팽창을 위하여 피스톤 행정 전체를 이용할 수 있다. 개별 연소실은 높은 냉각 손실을 가질 수도 있으며, 플랩 밸브는 매우 고온으로 구동할 수 있다. 재생은 사용되지 않으며, 높은 효율에 대한 주장은 없다.

위덴(Widen), 카알 올로프(Karl-Olof) 및 매그너스(Magnus)의 국제공개공보 제WO/1983/000187호는 비압축식 엔진을 개시하고 있다. 이것은 실제로 로드 및 크랭크 기구가 장착된 르노와르 엔진이다. 재생은 사용되지 않으며, 높은 효율에 대한 주장은 없다.

1979년 로더의 미국 특허 제4,300,486호. 상기 특허는 주로 연소 프로세스가 실린더로부터 압축 공기가 공급되는 자동차용 비압축식 엔진의 사용을 제안하고 있다. 따라서 에너지 생성 프로세스는 압축 사이클을 이용하지만, 상기 프로세스는 압축을 위한 에너지가 차량에 저장된 연료로부터 발생하지 않도록 분할되어 있다. 재생 프로세스의 이용에 대한 제안은 없다. 그러므로 이는 본 발명과 상이하다.

1973년의 닛산 모터 컴퍼니의 일본 특허 제1439446호. 피스톤 익스팬더가 대기 공기를 사용하지 않고 과산화수소 또는 액체 수소와 같은 액체 산화제와 연료의 폭발 반응에 의하여 구동된다. 그러므로 압축을 위한 필요성이 존재하지 않는다. 재생을 이용하는 것을 제안하지 않았다. 그러므로 이는 본 발명과 상이하다.

*2006년 스테빙스의 미국 특허 제7,111,449호. 종래 터빈 및 로터리 압축기 대신에 가스 재순환 시스템을 갖는 제트 엔진이 제안된다. 그러나 본 시스템의 목적은 압축을 제공하는 것이 청구항 1로부터 명백하다. 또한, 재순환된 가스로부터 얻은 열은 바람직한 열 회수 효과를 제공하는 것으로 주장하고 있다. 그러나 웨잇 특허에서와 같이, 열이 압축 단계 이전에 시스템에 인가되어, 그 효과는 역효과를 낳는다.

따라서, 상기 종래 기술 어느 것도 재생 수단을 갖는 비압축식 엔진의 조합을 개시하고 있지 않다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 적어도 어느 정도까지 경감하는 것이다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 사이클로 작동하도록 구성되며 에너지 재생 수단을 구비하는 비압축식 엔진이 제공된다.

상기 비압축식 엔진은 사이클로 작동하도록 구성된 가변 용적 수단을 갖출 수도 있으며, 상기 에너지 재생 수단은 상기 가변 용적 수단으로부터 나온 에너지의 일부를 가변 용적 수단으로 귀환시키도록 구성될 수도 있다. 비압축식 엔진은 가스의 작동 용적을 엔진으로 끌어당기기 위한 수단을 포함할 수도 있다.

상기 에너지 재생 수단은 거의 일정한 용적으로 가스의 작동 용적에 열을 공급하도록 구성될 수도 있다. 상기 에너지 재생 수단은 가변 용적 수단의 사이클에서 작동 가스로부터 에너지를 취하고 그 에너지를 가변 용적 수단의 이후 사이클에서 열로서 복귀시키도록 구성될 수도 있다.

상기 가변 용적 수단은 연소 익스팬더를 갖출 수도 있다. 상기 비압축식 엔진은 내부에서의 연소를 위하여 연소 익스팬더에 연료를 주입하도록 배치된 연료 유입구를 또한, 포함할 수도 있다. 상기 연소 익스팬더는 피스톤 및 실린더를 갖출 수도 있다. 상기 연소 익스팬더는 가동형 부품 사이에 라비린스 밀봉부 또는 공기 베어링 수단을 갖출 수도 있다. 상기 연소 익스팬더는 노즐을 통해 터빈 휠에 연결된 연소실을 포함할 수도 있다. 상기 연소 익스팬더는 스테인레스 스틸, 고온 합금 및 엔지니어링 세라믹을 포함하는 그룹으로부터 선택된 내열성 재료로 제조될 수도 있다.

상기 비압축식 엔진은 에너지 재생 수단으로 또는 그로부터 작동 가스의 유동을 제어하기 위한 밸브 시스템을 포함할 수도 있다. 상기 밸브 시스템은 에너지 재생 수단이 그 상부에 배치된 가동형 부재를 갖출 수도 있다. 상기 가동형 부재는 연소 익스팬더에 진입하는 작동 가스에 에너지를 제공하는 제1 위치와, 연소 익스팬더에서 나오는 작동 가스로부터 열을 취하는 제2 위치 사이에서 에너지 재생 수단의 회전 이동을 제공하도록 구성된 회전가능한 디스크를 갖출 수도 있다.

상기 가변 용적 수단은 유입 밸브를 갖는 유도 디스플레이서를 갖출 수도 있다. 상기 유도 디스플레이서는 피스톤 및 실린더를 갖출 수도 있다.

상기 밸브 시스템은 연소 익스팬더, 유도 디스플레이서 및 에너지 재생 수단 사이의 연통을 제어하도록 구성될 수도 있다.

상기 가변 용적 수단은 대기압 행정 수단을 갖출 수도 있다. 상기 대기압 행정 수단은 대기 냉각기를 갖출 수도 있다. 상기 대기 냉각기는 열을 제거하기 위하여 가스에 유체를 분사하기 위한 스프레이 시스템을 갖출 수도 있다. 상기 유체는 물일 수도 있으며 첨가물을 포함할 수도 있다. 상기 대기 냉각기는 대기와 연통하는 배기 밸브를 갖출 수도 있다.

상기 비압축식 엔진은 유도 디스플레이서, 연소 익스팬더 및 대기 냉각기를 구동시키도록 구성된 크랭크샤프트를 포함할 수도 있다. 상기 연소 익스팬더와 대기 냉각기는 상호 위상이 180도 다르게 구동될 수도 있다. 상기 유도 디플레이서는 연소 익스팬더와 대기 냉각기보다 짧은 행정을 가질 수도 있다. 상기 비압축식 엔진은 상기 유도 디스플레이서를 제어하기 위하여 크랭크샤프트에 의하여 구동 가능한 페이스 캠과 캠 종동기를 갖출 수도 있다. 상기 비압축식 엔진은 폐쇄시에 배제 용적을 제거하기 위하여 캠샤프트에 의하여 변위 모드로 작동 가능한 밸브를 포함할 수도 있다.

상기 밸브 시스템은 연소 익스팬더, 유도 디스플레이서, 에너지 재생 수단 및 대기 냉각기 사이의 연통을 제어하도록 구성될 수도 있다.

상기 에너지 재생 수단은 에너지를 축적, 저장 및 제공하도록 구성된 재생용열교환기 엘레멘트를 갖출 수도 있으며, 상기 재생용열교환기 엘레멘트는 작동 가스가 통과하여 유동하는 유동로를 구비한다.

본 발명의 목적은 내연기관의 효율을 향상하는 것이다. 출발점은 매우 높은 사이클 효율과 냉각 손실에서 실질적으로 감소가 이루어진 엔진에 이르는 다수의 장점을 제공하는 비압축식 엔진이다. 압축을 제거한다는 것은 작동 가스가 초기에 분위기 온도이며, 따라서 배기 열의 상당 부분을 받아들일 수 있다. 이러한 열로부터의 혜택을 실현하기 위하여, 열 재생 동안 가스를 일정한 체적으로 제한하는 것이 필요하다. 냉각 손실을 방지하기 위하여, 고온 프로세스와 별도의 격실에서 냉각 유도 프로세스가 수행되어야 한다. 고온 프로세스 격실은 재생 온도와 연소 온도 사이의 온도에서 작동하는 것이 이상적이다. 이것은 최고 구조 온도와 이용된 팽창 비율에 따라 1000K 및 2000K 사이일 수 있다. 본 발명의 제1 실시예의 분석을 통해서 모든 배기 열을 재생하는 이상적인 목적에 상당히 부합하지 않았음을 밝혔다. 그 이유는 재생용열교환기를 통해 대기로의 배기가 일정한 압력 프로세스인 반면에 가스의 재생 가열은 일정한 용적 프로세스이기 때문이다. 일정한 체적에서의 가스의 열 용량은 일정한 압력에서의 열 용량의 단지 70%이므로, 질량 유동과 온도 제한이 동일하지만 전달된 에너지는 상이할 수 있다. 재생용 열교환기는 완전히 냉각되지 않을 수 있으므로, 재기를 분위기 온도로 냉각시킬 수 없다. 그러므로 어느 정도 사이클 손실이 발생할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예는 위에서 확인 결점을 보완한다. 팽창 이후에, 가스는 재생용열교환기를 통해 같은 체적의 부가적인 가변 용적 기구로 이동하고, 이 때 이동은 일정한 체적에서 방생한다. 재생은 완료될 수 있다. 또한, 가스는 여전히 팽창된 체적으로 유지되지만, 분위기 온도로 복귀한다. 그러므로 압력은 분위기 압력 이하가 된다. 대기압 작동은 대기압이 가스를 수축하게 하는 것에 의하여 수행될 수 있다. 그러나 이러한 것이 수행되면, 가스는 단열 가열을 수행하여, 그 결과 배기가 분위기 온도 이상일 수 있다. 이것은 실린더를 냉각시키는 것에 의하여 어느 정도 감소될 수 있다. 가스가 수축할 때 물이 가스로 분사되면, 수축은 거의 등온으로 만들게 될 수 있다. 이러한 수단에 의하여, 사이클에서의 열 차단 경우가 실질적으로 카르노 효율을 최대화하는 분위기 온도일 수 있다. 예를 들면 폐열 구동 냉동 시스템을 이용하여 또는 냉각 타워에서의 증발 냉각에 의하여 물 공급원을 분위기 온도 이하로 냉각시키는 기회가 있으면, 효율에 있어서 부가적인 개선이 얻어질 수 있다.

본 발명의 제1 실시예는 현재 기술의 엔진보다 더욱 유효하지만 본 발명의 제2 실시예보다 덜 유효한 엔진을 제공한다. 이러한 엔진은 최소 비용과 크기가 매우 중요한 영역에서 용례를 발견할 수도 있다.

수축하는 가스의 물 분사 냉각은 또 다른 압력 강하를 야기하는 수소를 포함하는 연료의 연소에 의하여 형성되는 물을 응축시킬 수 있는 부가적인 장점을 가질 수 있다. 현대의 엔진은 고온 연소 중에 형성된 질소 산화물(Nox)을 매우 제한된 양으로 배출하는 것이 요구된다. 이러한 가스는 냉각수에 제한된 용해도를 가지므로, 상기 프로세스는 배기가스를 청소하는 효과를 가질 수 있다. 이것은 첨가 시약에 의하여 향상될 수도 있다. 황을 함유하는 연료가 연소될 대 방생할 수 있는 황산화물은 냉각수에 잘 용해된다. 일부 이산화탄소는 냉각수에 용해될 수 있다. 또는, 수산화알칼리 용액을 이용하여 CO₂를 배기가스에서 제거할 수 있다. 발생한 탄산염은 탄소 격리 방법으로 처리될 수 있다. NO_x생성을 억제하기 위한 또 다른 방법은 엔진이 부분 부하로 구동할 때 연료 공급이 감소하여 초과 산소가 없는 것을 보장하는 것이다. 이것은 배기 가스와 흡입 공기를 제어식으로 혼합하는 것에 의하여 달성될 수 있다. 이러한 프로세스는 엔진에서 배출되는 배기 가스가 차가운 사실에 의하여 간단하게 된다. 또는, NO_x생성은 연소의 최고 온도를 제한하는 것에 의하여 감소될 수 있다. 1700K 이하의 온도에서 사실상 NO_x가 생성되지 않으며, 2000K 미만에서 제한된 양으로 생성된다. 이러한 낮아진 온도는 효율을 감소시키는 효과를 갖지만, 이러한 효과는 열 차단의 특이한 냉각 온도에 기인하여 제한된다. 배기가스는 거의 소량의 에너지를 함유하고 따라서 엔진으로부터 상당히 조용하게 배출되는 것이 분명하다. 전술한 상기 대비책은 저온 배기가스를 생성하여, 사이클 손실이 최소화되는 것을 보장한다.

냉각 손실 문제는 고온 연소 및 팽창 프로세스 사이의 온도차와, 격실을 구성하는 재료의 온도차에 기인하여 여전히 존재한다. 이러한 온도차는 온도차에 비례하는 재료로의 대류에 의한 열 유동을 야기할 수 있다. 이러한 방열 유동은 가스의 이중 평방수(forth power)와 벽 온도간의 차이에 비례한다. 격실의 표면 온도는 일반적으로 가변 용적 기구 내부에 접동 밀봉부를 제공하기 위한 필요조건에 의하여 제한된다. 오일 윤활유에 의하면, 벽 온도는 일반적으로 섭씨 150 내지 300도 사이이다. 이러한 이유로 인하여, 높은 내열성 재료를 이용하기 위한 필요조건이 없다. 이것은 통상의 엔진에서 사이클의 전체 고온부를 통하여 고온 프로세스에서 열이 배출된다. 비압축 프로세스로부터 발생되는 낮은 압력은 비접촉 밀봉부의 이용을 가능하게 한다. 이것은 재료의 높은 온도 특성을 제한 요인으로 만드는 접동 밀봉부에 의하여 부과된 온도 제한을 제거한다. 대부분의 재료는 온도가 증가할 때 강도가 낮아지지만, 비압축식 엔진이 작동하는 저압 체제는 원심력 부하가 매우 큰 터빈 기계 또는 더욱 높은 압력에서 작동하는 엔진과 비교하여 재료에게 가벼운 부담을 지운다.

알루미나 및 탄화규소를 포함하는 기계적 세라믹 재료는 고온에서 강도를 가지며 낮은 팽창 계수를 갖는 바람직한 특성을 가진다. 열 응력과 열 충격은 중요한 디자인 고려사항이다. 당업계에서 다수의 작업자의 목적은 이러한 재료를 종래 엔진에 적용하는 것이지만, 이러한 재료의 특성과 비압축식 엔진의 요구사항 사이에 큰 시너지 효과가 있다. 벽이 얇은 구조는 이러한 환경에서 바람직하며, 비압축식 엔진의 또 다른 장점은 작동 압력이 벽 두께가 얇은 격실을 실현 가능하게 하는 압축식 엔진더욱 낮은 자릿수인 것이다. 본 발명은 통상의 엔진에서 알려진 사이즈의 범위 전체에 걸쳐 용례를 가질 수도 있다. 고온 격실 부품이 비교적 작으면, 그것을 완전히 세라믹으로 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 그것이 더욱 대형이면, 세라믹으로 라이닝된 금속의 구조물이 바람직할 수 있다. 이에 의하면, 섭씨 1400도의 범위로 벽 온도를 제한하는 것이 가능하다. 그러므로 가스로부터 벽으로의 열 전달이 상당히 감소될 수 있다. 다른 실시예에서는 헤인즈(Haynes) 118, 헤인즈 230, 헤스텔로이(Hastelloy) X 또는 페크로이(Fecralloy) 또는 고온 격실용 텅스텐 또는 탄탈륨을 함유하는 내화 금속을 포함하는 스테인레스 스틸 재료를 포함하는 고온 합금을 이용할 수 있다.

비압축식 엔진의 비교적 낮은 작동 압력에 의하여 부여되는 또 다른 장점은 가스를 익스팬더 내부에 가두기 위하여 포핏 밸브를 이용하는 것이 필수적이지 않다는 것이다. 포핏 밸브는 밸브 가이드를 통로 벽 내부에 지지하도록 그 포핏 밸브 후방에 만곡 통로를 구비하여야 하는 단점을 가진다. 이것은 사이클 프로세스가 하나 이상의 격실에서 발생하는 엔진에서 특히 단점이 되는 가스의 실질적인 배제 용적이 존재하는 것을 의미한다. 하나 또는 두 부재의 상대적인 병진이동으로 라멜라(lamella) 부재 내부에서 포트를 제어식으로 정렬하는 것에 의하여 작동하는 밸브를 비압축식 엔진 내에서 발생하는 압력에 대하여 사용할 수 있다. 병진 이동은 선형 또는 회전일 수 있거나 캠 플레이트, 링크 기구, 서보 기구 또는 기타 다른 공지된 수단에 의하여 한정된 더욱 복잡한 통로를 따를 수 있다. 로터리 기구는 원형의 비접촉 밀봉부가 압력을 억제하는데 사용될 수 있는 장점을 가진다. 이것은 부품이 통상의 유활 방법인 경우에 매우 뜨거워질 수 있을 때 유용할 수도 있다. 낮은 압력과 팽창 행정 동안 유닛이 가압되는 사실은 바람직하지 않은 손실이 발생하지 않고 비접촉식 밀봉부가 사용될 수 있는 것을 의미한다. 볼 레이스(ball-race) 수단이 회전을 용이하게 하는데 사용될 수도 있다.

다른 방법으로서, 배제 공간을 최소화하도록 설계된 밸브 시스템이 사용될 수도 있다. 이것은 밸브를 개방 및 폐쇄하는 가동형 엘레멘트가 실린더 내부의 피스톤과 유사한 하우징의 단면에 억지끼워맞춤부를 갖는 경우에 달성될 수 있다. 상기 시스템은 정적 재생용열교환기의 사용을 허용할 수 있다. 이것은 이동으로 야기된 응력을 견디기 위하여 재료 내부에 충분한 강도가 남아 있는 것을 보장하기 위하여 재생용열교환기 매트릭스의 사용 가능한 온도가 제한될 수도 있는 가동형 재생용열교환기의 단점 중 하나를 제거할 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 열기관은 사이클로 작동하도록 구성되며 에너지 재생 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진과 가변 용적 수단은 대기압 행정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 장점은 연소 조건이 종래 엔진과 다른 것이다. 종래 압축식 점화 엔진에 있어서, 압축에 의하여 가열된 가스에 연료가 분사된다.액적은 가열되고, 증기 압력이 가스의 압력을 초과할 때 기화하기 시작한다. 가스 압력은 매우 높아서 연료의 비등점 역시 높다. 또한, 상당히 차갑고 연소시에 담금질 효과를 갖는 격식 벽 바로 옆에 공기층이 존재한다. 본 발명에 있어서, 가스 온도는 종래 압축식 점화 엔진의 그것과 유사하거나 높지만, 압력은 상당히 낮다. 그러므로 연료는 더욱 신속하게 기화할 수 있다. 게다가 높은 벽 온도는 이 영역에서 담금질 효과를 제거할 수 있다. 그러므로 엔진이 몇몇 용례에서 분말 고형 연료를 포함하는 연료의 넓은 범위에 걸쳐 작동하도록 설계하는 것이 가능하다.

비압축식 엔진의 또 다른 장점은 높은 일량비를 갖는 것이다. 이것은 작동 행정시에 수행되는 작동과 비교한 엔진의 순 작동 출력의 비율이다. 압축식 엔진에서 일량비는 압축 작동에 대한 필요성에 의하여 감소된다. 높은 일량비를 갖는 엔진의 장점은 낮은 일량비를 갖는 엔진과 비교할 때 실제 효율이 이론 효율과 근접하게 되는 경향이 있다.

비압축식 엔진 내부에서의 저압에 따른 또 다른 장점은 격실 벽이 더욱 얇아 질 수 있다는 것이다. 이것은 특히 수송 용례에서 그 자체적으로 도움이 되며 또한, 열적 질량(thermal mass)을 감소시켜 엔진의 질량을 감소시키는 효과를 가진다. 이것은 엔진을 단속적 요건에 대하여 사용하는 경우에 엔진 질량을 가열하는데 포함되는 손실이 최소화되는 것을 의미한다. 게다가, 압축 행정을 통해 엔진을 회전시키기 위한 요건이 없는 용이한 시동은 동력을 필요로 하지 않는 주기 동안 엔진을 더욱 편리하게 정지시킬 수 있으므로, 낭비적인 공회전 프로세스를 실질적으로 감소시킨다. 선박 추진과 같은 몇몇 용례에서, 엔진을 가끔 역방향으로 구동시키는 것이 편리하므로, 이것은 기어박스를 위한 요건을 제거한다. 이것이 가능하도록 설계된 밸브 및 유도 디스플레이서용 작동 기구가 마련된다. 지금까지의 설명은 종래 단일 실린더 엔진과 같은 단동식 모듈에 적용된다. 본 발명은 종래의 자둥 실린더 엔진과 같은 다중 모듈식 구조에도 동일하게 적용된다. 다중 모듈식 유닛은 더욱 원활한 동력 전달과 왕복동 부품으로부터 관성력을 제거하는 장점을 부여하며, 자체 시동하도록 구성될 수 있다. 하기의 상세한 설명으로부터 엔진이 각각의 모듈에 대하여 두개 또는 세개의 가변 용적 기구를 구비하는 것에 주목하여야 한다. 다중 모듈식 유닛에 있어서, 다른 개수의 각 유형의 가변 용적 기구를 갖는 것이 패킹 이유로 편리할 수도 있다. 예를 들면, 하나의 유도 디스플레이서는 하나의 연소 익스팬더 이상 제공할 수 있다.

압축식 엔진의 바람직하지 않은 특징은 엔진이 최저 속도로 이하로 구동하는 경우에 압축 행정을 완료할 수 없고 실속(stalling)이 발생할 수 있다. 비압축식 엔진은 그와 유사한 특징을 갖고 있지 않다. 속도를 유지할 수 있는 용량 이상으로 부하가 걸리면, 부드럽게 서행하며 궁극적으로 정지한다.

사용된 부품의 대부분은 종래 엔진에 사용된 부품과 피상적으로 유사하다. 그러나 그 기능은 상이하며, 혼동을 방지하기 위하여 다음과 같은 용어를 정의한다.

비압축식 엔진(non-compression engine)은 사이클 기준으로 적당량의 가스가 엔진에 흡입되고, 압축 프로세스에서 체적이 감소하지 않고 압력을 증가시키도록 가열되는 용적식 엔진(positive displacment engine)이다.

재생 엔진(regenerative engine)은 팽창 이후의 가스에 남아 있는 열을 포획하고, 가열 효과가 연소에 의하여 요구되는 가열량을 감소시키는데 사용되는 지점에서 후속 사이클로 복귀하는 엔진이다. 이것은 연료 요건을 감소시키며 따라서 효율을 증가시킨다.

재생 수단(regeneative means)은 열 재생을 용이하게 할 수 있는 어떠한 부품의 배치이다. 기계적 동력을 발생시킬 수 있는 모든 열역학 사이클은 그 사이클 내에서 하나의 위상으로 더욱 높은 온도에서 열을 받아들이고 그 사이클에서 이후에 더욱 낮은 온도에서 열을 차단한다. 그러므로 차단된 열의 일부 또는 전부는 후속 사이클에서 가열 이벤트까지 시간 주기 동안 저장되어야 한다. 하기에 정의된 재생용열교환기(regenerator)는 이것을 달성하는 바람직한 방법이다. 또 다른 방법은 유동 상태의 두 가스 체적이 면적이 넓은 고체 표면에 의하여 분리되는 열 교환기로서, 상기 고체 표면은 더욱 고온인 유동으로부터 더욱 저온인 유동까지 열을 전도할 수 있다. 열 차단과 수용 간의 일시적인 불일치는 다수의 모듈을 갖는 엔진을 구비하는 것에 의하여 해결될 수 있다. 두 모듈 사이의 위상차는 하나의 위상에서 열 차단 이벤트가 다른 위상에서의 열 차단 이벤트와 일치하고 유동들이 하나의 모듈 내부의 차단된 열이 다른 모듈 내에서 수용되도록 상호 관련되도록 배열된다.

가변 용적 기구(variable volume mechanism)는 내부 용역을 가변시킬 수 있는 기구이다. 밸브 시스템과 함께 사용되면, 용적 가변은 가수를 기구 안으로 또는 밖으로 이동시킬 수 있다. 밸브 시스템은 가스를 가변 용적 기구 내부에 한정할 때, 기구의 체적을 변화시키면 가스의 체적이 변화한다. 실린더 내부에서 이동하는 피스톤은 가장 널리 공지된 가변 용적 기구이며, 이외에도 많은 가변 용적 기구가 공지되어 있지만 본 발명의 경우에는 바람직한 기구로서, 본 발명은 이러한 것에 동등하게 적용한다. 바람직하게는 최소 체적 또는 클리어런스 체적은 배제 용적을 감소시키기 위하여 가능한 작게 형성되어야 한다.

유도 디스플레이서(induction-displacer)는 일정한 체적의 가스를 흡입하고 그 내부에 한정하는 가변 용적 기구이다. 가스는 실질적으로 일정한 체적으로 연소 익스팬더로 이동한다.

연소 익스팬더(combustion-expander)는 2 내지 20배의 비율, 바람직하게는 5 내지 12배의 비율만큼 유도 디스플레이서 보다 큰 최대 체적을 갖는 가변 용적 기구이다. 행정의 제1 부분 동안 유도 디스플레이서로부터 상기 체적의 가스를 수용하며, 체적 증가율은 유도 디스플레이서 내에서 체적 감소와 실질적으로 동일하게 이루어진다. 그러므로 가스는 실질적으로 일정한 체적으로 잔류한다. 연소 프로세스는 변위 동안 또는 변위 직후에 연소 익스팬더 내부에서 발생한다. 고온 가스를 팽창시켜 열의 일부를 일로 변화시키는 행정을 완료한다. 복귀 행정은 가스를 연소 익스팬더로부터 대기 냉각기로 이동시킨다.

대기 냉각기(atmospheric-cooler)는 연소 익스팬더와 실질적으로 같은 최대 및 최소 체적을 갖는 가변 용적 기구이다. 대기 냉각기는 체적을 증가시키는 행정 전체에 걸쳐 연소 익스팬더로부터 이동된 가스를 실질적으로 일정한 체적으로 수용한다. 대기 냉각기의 벽은 저온으로 유지되며, 열을 제거하기 위하여 가스에 냉각 유체를 분사할 수 있는 내부 분사 시스템이 장착될 수도 있다. 냉각된 가스가 대기압 이하일 때, 대기 냉각기의 체적 감소 행정은 대기압 작동을 발생시킨다. 가스압이 대기압과 평형을 이루면, 밸브는 대기로 개방되고, 가스 및 물은 대기로 배출되거나 배기 시스템으로 이동되며, 상기 배기 시스템은 필요에 따라 물을 가스로부터 분리할 수 있고 가스의 일부를 흡기 플레늄(intake plenum) 또는 적정 배출 포인트로 유도한다. 또 다른 실시예에서, 팽창 및 발생한 기계적 동력 변환은 노즐을 통해 가스를 팽창시키는 것에 의하여 성취되어 터빈 휠의 블레이드에 영향을 준다.

밸브 시스템(valve-system)은 유도 디스플레이서와 연소 익스팬더 사이 그리고 연소 익스팬더와 대기 냉각기 사이에서 가스가 유동하도록 포트를 제어식으로 개방 및 폐쇄할 수 있는 기구이다.

유도 밸브(induction valve)는 가스가 대기로부터 또는 유도 플레늄으로부터 유도 디스플레이서로 유동하는 것을 허용하는 제어식 또는 자체 작동 밸브이다.

배기 밸브(exhaust valve)는 가스를 대기 냉각기로부터 대기 또는 배기 시스템으로 유동하는 것을 허용하는 제어식 또는 자체 작동 밸브이다.

재생용열교환기(regenerator)는 평행한 플레이트 어레이, 튜브 어레이 또는 다량의 메쉬 부재를 구비하는 미세하게 분할된 구조체로서, 상기 구조체는 큰 표면적을 가지며, 바람직하게는 팽창 이후에 가스에 남아 있는 부가된 열의 양보다 큰 전체 열적 용량을 가진다. 상기 구조체 및 재료는 가스의 온도 및 온도 사이클의 열 충격을 견딜 수 있도록 구성된다. 밸브 시스템은 재생용열교환기를 경유해서 유도 디스플레이서와 연소 익스팬더 사이 그리고 연소 익스팬더와 대기 냉각기 사이에서 유동을 전송할 수 있도록 위치할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 재생용열교환기는 밸브 시스템과 일체로 형성될 수도 있다.

본 발명의 실시예는 본원에 설명된 것에 제한받지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 작동의 변위 단계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 작동의 연소 단계를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 작동의 팽창 단계를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 작동의 배기 및 유도 단계를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 작동의 변위 단계를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 작동의 연소 단계를 도시한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 작동의 팽창 및 배기 단계를 도시한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 작동의 대기 냉각 단계를 도시한다.
도 11은 압력 대 체적 및 온도 대 엔트로피 다이어그램을 도시하는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열역학 사이클을 그래프로 도시한다.
도 12는 유도 디스플레이서, 연소 익스팬더 및 대기 냉각기가 모두 같은 방향으로 구동되는 본 발명의 실시예를 도시한다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

비압축식 엔진의 조립체는 적어도 하나의 가변 용적 기구와 재생 수단을 구비하며, 가스의 작동 체적이 엔진으로 유입되고, 상기 가스는 우선 압축되지 않은 상태로 실질적으로 일정한 체적으로 열과 함께 공급되며, 그 열의 일부가 초기 사이클에서 후속 단계로부터 전달시키는 재생 수단에 의하여 가스에 공급된다.

본 발명의 바람직한 제1 실시예는 두개의 가변 용적 기구, 즉 유도 디스플레이서(1)와 연소 익스팬더(2)를 구비한다. 가스의 작동 체적이 유도 디스플레이서(1)에 유입된다. 그리고, 가스는 재생용열교환기(5)를 통해 실질적으로 일정한 체적으로 연소 익스팬더(2)로 이동하며, 열은 재생용열교환기(5)로부터 가스로 전달된다. 연소 익스팬더(2) 내부의 가스는 연료의 연소에 의하여 더욱 가열되고 나서 팽창되어 일을 추출한다. 가스는 재생용열교환기(5)를 통해 연소 익스팬더(2)로부터 배기되도록 이동하고, 열은 가스로부터 재생용열교환기(5)가지 전달된다. 연소 익스팬더(2)의 작동 중에, 유도 디스플레이서(1)는 다음 가스의 작동 체적을 유입하고, 상기 사이클은 반복된다.

본 발명의 바람직한 제2 실시예는 세개의 가변 용적 기구, 즉 유도 디스플레이서(1)와, 연소 익스팬더(2)와, 대기 냉각기(3)를 구비한다. 가스의 작동 체적이 유도 디스플레이서(1)에 유입된다. 그리고, 가스는 재생용열교환기(5)를 통해 실질적으로 일정한 체적으로 연소 익스팬더(2)로 이동하며, 열은 재생용열교환기(5)로부터 가스로 전달된다. 연소 익스팬더(2) 내부의 가스는 연료의 연소에 의하여 더욱 가열되고 나서 팽창되어 일을 추출한다. 가스는 재생용열교환기(5)를 통해 실질적으로 일정한 체적으로 대기 냉각기(3)로 이동하며, 열은 가스로부터 재생용열교환기(5)로 전달된다. 가스는 대기압 작동을 수행하는 대기 냉각기(3) 내부에서 대기압 더욱 낮게 수축한다. 선택적으로, 대기 냉각기(3) 내부의 물 분사를 이용하여 상기 수축이 실질적으로 등온 상태로 이루어지게 할 수도 있다. 대기 냉각기(3) 내부의 가스 압력이 대기압과 평형을 이루면, 가스는 대기 냉각기(3)로부터 배출된다. 연소 익스팬더(2)와 대기 냉각기(3)의 작동 중에, 유도 디스플레이서(1)는 다음 가스의 작동 체적을 유입하고, 상기 사이클은 반복된다.

본 발명의 양 실시예에서, 연소 익스팬더(2)는 스테인레스 스틸, 고압 합금 및 엔지니어링 세라믹을 포함하는 고온 재료로 구성하여 고온에서 작동하도록 구성되는 것이 바람직하며, 용적 가변을 용이하게 하는 접동 밀봉 기구는 라비린스 밀봉부 또는 에어 베어링 수단을 포함하는 비접촉식일 수도 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 엔진은 더욱 작은 작동 용적을 갖는 적어도 하나의 가변 용적 기구와 더욱 큰 작동 용적을 갖는 적어도 하나의 가변 용적 기구를 구비한다. 피스톤 및 실린더는 널리 공지되어 있는 가변 용적 기구의 예이지만, 베인, 스크류, 스크롤 및 다이어프램 기구, 그리고 기구 방켈 엔진과 유사한 에피트로코이드 챔버에 기초하여 회전 대칭을 이루는 보어 내부에 원형 경로를 따라 피스톤이 이동 또는 왕복이동하는 기구를 포함하는 다수의 기구가 공지되어 있다. 더욱 작은 가변 용적 기구는 유도 디스플레이서(1)이다. 더욱 큰 가변 용적 기구는 연소 익스팬더(2)이다. 가변 용적 기구는 밸브 시스템(4)을 통해 제어식으로 상호 연통 관계에 있으며, 상기 밸브 시스템은 재생용열교환기(5)에 합체하며 최소 내부 체적을 갖는 것이 바람직하다. 실시예에서, 밸브는 라비린스 밀봉부가 가스 경로를 에워싸는 상태에서 볼 베어링 상에서 구동하는 디스크 형태를 취한다. 몇몇 실시예에서, 더욱 큰 축척으로 도시된 것 같이, 재생용열교환기(5)를 가동형 밸브 시스템(4) 부품에 장착하는 것이 바람직하지 않을 수도 있으며, 밸브 시스템(4) 부품을 재생용열교환기(5)로 부터 분리하는 또 다른 장치가 바람직할 수도 있다. 디스크가 회전하면 재생용열교환기(5)를 유도 디스플레이서(1) 또는 배기구(12)로부터 통로에 따라 이동시킬 수 있으며, 양 포트가 폐쇄되면 중가나 위치로 이동시킬 수 있다. 유도 디스플레이서(1)는 도시된 바와 같이 제어식으로 또는 자체 작동되는 유도 밸브(6)를 통해 대기와 연통한다. 연소 익스팬더(2)는 배기구(12)로부터 재생용열교환기(5)를 통해 대기로 연소 가스를 안내하는 제어식 밸브 시스템(4)을 통해 대기와 연통한다.

유도 디스플레이서(1)와 밸브 시스템(4)은 타이밍 기구(25) (도 12 참조)에 의하여 작동된다. 이들 부재는 레버, 링크 캠 플레이트 또는 랙과 피니언에 의하여 왕복동 부품에, 또는 캠 시스템을 포함하는 각종 기구에 의하여 회전 부품에 기구적으로 결합될 수도 있다. 또는, 이들 부재는 엔진 관리 시스템의 제어 하에서 전기식, 유압식 또는 공압식으로 구동될 수도 있다. 이는 넓은 범위의 부하와 속도 조건에 걸쳐 작동하여야 하는 엔진에 있어서 장점으로 작용할 수도 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 작동 중에 공기는 대기로부터 유도 디스플레이서(1)로 유입되고 유도 밸브(6)에 의하여 가두어진다. 실시예에서 피스톤의 이동 방향이 화살표로 지시되어 있다. 도 1을 참조하면, 밸브 시스템(4)은 고온 상태에 있는 재생용열교환기(5)를 경유하여 유도 디스플레이서(1)를 연소 익스팬더(2)와 연통하게 한다. 공기는 재생용열교환기(5)를 통해 이동하여 고온으로 되는 반면, 재생용열교환기(5)는 저온으로 된다. 이러한 이동은 유도 디스플레이서(1)의 체적이 감소하는 것과 같은 비유로 연속 익스팬더(2) 내부의 체적이 증가하기 때문에 실질적으로 일정한 체적으로 유지된다. 밸브 시스템(4)은 연소 익스팬더(2) 내부에 가스를 고립시키는 폐쇄 위치로 이동한다. 연소성 액체, 가스 또는 분말형 고체일 수도 있으며, 적어도 하나의 분사 노즐(10)로부터 연소의 결과물인 고온 가스로 분사되어 가스를 가열한다. 연소는 연소가 일정한 체적인 장점을 갖는 변위 동안 발생할 수 있지만, 유도 디스플레이서(1)가 연소 압력을 받는 단점이 있다. 또는, 연소는 유도 디스플레이서(1)가 연소 압력을 받지 않지만, 연소 챔버(2) 내부에서 체적을 불연속한 방식으로 가변시키는 기구가 채용되지 않는 한, 연소는 일정한 체적이 아닐 수도 있다. 연소 익스팬더(2)는 2 내지 12배의 체적 비율로 도 4에서와 같이 가스를 팽창시킨다. 팽창 동안 작동이 전달되어, 공지 수단에 의하여 기계, 전기, 유압 또는 공압 출력으로 전환될 수 있다. 실시예에서, 크랭크 샤프트에 결합된 커넥팅 로드(9)가 도시되어 있다. 피봇 핀(8)과 피스톤 로드의 이동이 간명성을 위하여 도시되지 않은 선형 베어링에 의하여 구속되는 것에 주목하여야 한다. 도 5를 참조하면, 팽창 행정의 말기에 밸브 시스템(4)은 냉각 상태에 있는 재생용열교환기(5)를 통해 연소 익스팬더(2)를 대기와 연통시킨다. 연소 가스는 일정한 압력으로 대기로 이동하고, 고온 상태로 복귀한 재생용열교환기(5)에 열을 전달한다. 연소 익스팬더(2)의 팽창 및 배기 프로세스가 일어나는 동안, 유도 디스플레이서(1)에는 신규의 가스가 충전된다. 그리고, 사이클은 반복된다.

따라서 재생은 사이클 손실을 실질적으로 감소시킨다. 냉각 손실은 연소 익스팬더(2)를 매우 높은 온도로 작동하게 함으로써 최소화된다. 이를 가능하게 하기 위하여, 연소 익스팬더(2)는 스테인레스 스틸, 고온 합금 및 엔지니어링 세라믹을 포함하는 그룹으로부터 선택된 내열성 재료로 제조된다. 도 6을 참조하면, 접동 밀봉부의 윤활 문제는 도면에 도시되지 않은 선형 베어링에 의하여 안내되며 라비린스 밀봉부 또는 에어 베어링 수단을 이용하여 작은 클리어런스로 구동하도록 부품을 구성하는 것에 의하여 방지된다. 도면은 실린더 벽(14)과 밀접하게 그러나 접촉하지 않고 연장하는 릿지형 피스톤 플랭크(ridged piston flank; 13)를 도시한다. 또 다른 실시예에서, 릿지는 실린더 벽(14) 상에 형성될 수도 있지만, 피스톤 플랭크(13)는 평활하거나 피스톤 플랭크(13)와 실린더 벽(14) 모두가 릿지처럼 형성될 수도 있다. 이러한 방법은 가스가 가압 상태에 있는 사이클 내에서의 시간 길이 그리고 허용되지 않는 압력 손실을 야기할 수 있는 가스의 압축 정도에 기인하여, 압축식 엔진에서는 달성될 수 없다. 본 방법은 연소 익스팬더에서 마찰 손실을 제거하는 또 다른 장점을 가진다. 사이클 손실과 냉각 손실 모두를 최소화하는 것에 의하여 사이클은 높은 효율을 가질 수 있다. 게다가, 낮은 압력으로 인하여 연소 익스팬더(2)가 벽이 얇은 경량 구조물을 갖출 수 있다. 압축 행정이 존재하지 않으므로 엔진이 용이하게 시동할 수 있으며 소형 플라이 휠 효과를 필요로 한다.

엔진이 작동 온도에 도달하면, 고온의 재생된 가스와 백열의 격실은 벽 부근에 담금질 효과를 부여하지 않고 분사 시에 연료를 자발적으로 연소시킬 수 있다. 이것은 엔진에 넓은 범위의 연료로 작동할 수 있는 능력을 부여한다. 그러나 냉간 시동의 경우에 점화 시스템이 필요할 수 있다. 이는 글로우 플러그, 스파크 플러그, 특히 모든 실린더 또는 일부를 전기적으로 가열하는 가열된 재생용열교환기를 포함하는 공지된 수단, 연소 또는 레이저 이용 점화 시스템에 의하여 수행될 수 있다. 고온 엔진에서 잘 연소되는 몇몇 연료는 작동의 시동에 부적합하므로, 이 경우우에, 보조 시동 연료 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예는 복잡함이 증가함에도 효율 개선에 민감하다. 재생용열교환기(5)는 이상적으로 모든 배기 열을 포획할 수 없다. 그 이유는 유도 디스플레이서(1)로부터 재생용열교환기(5)를 통해 연소 익스팬더(2)까지 공기가 일정한 체적으로 유동하지만, 재생용열교환기(5)를 통과하는 배기 가스의 유동은 일정한 압력으로 발생하기 때문이다. 일정한 체적에서의 공기의 열 용량은 일정한 압력에서 열 용량의 단지 70%이므로, 재생용열교환기(5)는 유도 디스플레이서(1)로부터 이동하는 가스에 의하여 분위기 온도로 완전히 냉각되지 않으며, 따라서 이상적으로 배기 열의 70%만을 수용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따르면, 열 재생과 부가적인 대기압 행정이 마련된 비압축식 내연기관이 개시된다.

도 6을 참조하면, 내연기관은 한 세트로 이루어진 3개의 가변 용적 기구를 적어도 한 세트를 구비하며, 가변 용적 기구 중 하나는 실질적으로 같은 크기를 갖는 다른 두개의 가변 용적 기구 더욱 작은 작동 용적을 가진다. 더욱 작은 가변 용적 기구는 유도 디스플레이서(1)이다. 제1의 더욱 큰 가변 용적 기구는 연소 익스팬더(2)이고 제2의 더욱 큰 가변 용적 기구는 대기 냉각기(3)이다. 3개의 가변 용적 기구는 밸브 시스템(4)을 통해 제어식으로 상호 연통 관계에 있으며, 상기 밸브 시스템은 재생용열교환기(5)에 합체하며 최소 내부 체적을 가진다. 유도 디스플레이서(1)는 제어식으로 또는 자체 작동되는 유도 밸브(6)를 통해 대기와 연통한다. 대기 냉각기(3)는 제어식으로 또는 자체 작동되는 배기 밸브(7)를 통해 대기와 연통한다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 작동 중에 공기는 대기로부터 유도 디스플레이서(1)로 유입되고 유도 밸브(6)에 의하여 가두어진다. 도 7을 참조하면, 밸브 시스템(4)은 고온 상태에 있는 재생용열교환기(5)를 경유하여 유도 디스플레이서(1)를 연소 익스팬더(2)와 연통하게 한다. 공기는 재생용열교환기(5)를 통해 이동하여 고온으로 되는 반면, 재생용열교환기(5)는 저온으로 된다. 이러한 이동은 유도 디스플레이서(1)의 체적이 감소하는 것과 같은 비유로 연속 익스팬더(2) 내부의 체적이 증가하기 때문에 실질적으로 일정한 체적으로 유지된다. 도 8을 참조하면, 밸브 시스템(4)은 연소 익스팬더(2) 내부에 가스를 고립시키는 폐쇄 위치로 이동한다. 연소성 액체, 가스 또는 분말형 고체일 수도 있으며, 적어도 하나의 분사 노즐(10)로부터 연소의 결과물인 고온 가스로 분사되어 가스를 더욱 가열한다. 연소는 연소가 일정한 체적인 장점을 갖는 변위 동안 발생할 수 있지만, 유도 디스플레이서(1)가 연소 압력을 받는 단점이 있다. 또는, 연소는 유도 디스플레이서(1)가 연소 압력을 받지 않지만, 연소실(2) 내부에서 체적을 불연속한 방식으로 가변시키는 기구가 채용되지 않는 한, 연소는 일정한 체적이 아닐 수도 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 연소 익스팬더(2)는 2 내지 12배의 체적 비율로 가스를 팽창시킨다. 팽창 동안 작동이 커넥팅 로드(9)에 전달된다. 도 10을 참조하면, 팽창 행정의 말기에 밸브 시스템(4)은 냉각 상태에 있는 재생용열교환기(5)를 통해 연소 익스팬더(2)를 대기와 연통시킨다. 연소 가스는 일정한 체적으로 대기 냉각기(3)로 이동하고, 재생용열교환기(5)에 열을 전달한다. 가스는 분위기 온도에서 실질적으로 다시 원 체적으로 복귀하지만, 더욱 큰 체적에서는 압력이 부분 진공일 수 있다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 내부 및 외부 압력이 평형을 이룰 때까지 대기 냉각기(3)의 체적이 작동을 전달하는 대기압에 의하여 수축 구동될 때, 밸브 시스템(3)은 폐쇄하고 대기압 행정이 발생한다. 최대 효율을 위하여, 물 분사(11)를 선택적으로 사용하여 수축부를 냉각시키고 그 수축부가 거의 등온적으로 되도록 한다. 이것은 엔진 효율을 약 7% 만큼 증가시킬 수 있다. 압력이 대기압과 평형을 이루면, 배기 밸브(7)는 개방하고, 가스 및 물을 배출한다. 물은 가스로부터 분리될 수도 있으며, 열 교환기에서 냉각 및 재사용될 수도 있다.

이것은 사이클이 연료의 단열식 연소 온도에서 열을 받아들이고 거의 분위기 온도에서 열을 차단하여, 배기 열 전체를 실질적으로 재생하는 장점을 가진다. 도 11을 참조하면, 본 발명에 따라 개량된 사이클을 특징으로 하는 압력 대 체적 및 온도 대 엔트로피 다이어그램이 도시되어 있다. 당업자는 전술한 사이클이 오토 사이클, 디젤 사이클 및 주울-브레이튼 사이클 또는 스터링 또는 에릭슨 사이클과 같은 기존의 사이클과 상당히 상이하다는 것을 알 수 있을 것이다. 다이어그램에서, 위치 A로부터 위치 B까지의 도표는 일정한 체적 가열을 나타내며, 위치 A로부터 위치 R까지의 도표는 재생 가열인 반면 R로부터 B까지의 도표는 연소에 의한 가열이다. 위치 B로부터 위치 C까지의 도표는 단열 팽창을 나타낸다. 위치 C로부터 위치 D까지의 도표는 재생용열교환기(5)에 대한 열 차단을 나타낸다. 위치 D로부터 위치 A가지의 도표는 대기압으로 복귀한 등온 수축을 나타낸다. 온도 엔트로피 다이어그램은 단계 C 내지 D에서 차단된 열의 온도 한계가 가열 단계 A 내지 B에 완전히 에워싸인다. 따라서, C 내지 D에서 차단된 열의 재생에 의하여 A로부터 R가지 열을 제공하는 것이 가능하며, 연료 연소에 의하여 발생한 열은 R로부터 B까지만 필요할 뿐이다. 상기 사이클은 일정한 체적 연소 프로세스가 비가역적이기 때문에 카르노 한계와 같은 효과를 성취할 수 없다. 그러나 재료가 지탱할 수 있는 한계 이상으로의 전이 온도의 상승은 카르노 한계가 더욱 높다는 것을 의미하며, 따라서 전체 효율이 더욱 향상된다.

냉각 손실은 연소 익스팬더(2)가 매우 높은 온도에서 작동할 수 있기 때문에 본 발명의 제1 실시예에 기술된 바와 같은 수단에 의하여 최소화된다. 부품의 여러 가지 배치가 본 발명의 목적 이내에서 가능하다. 도시된 배치는 고온 및 저온 격식을 분리하여 그들 사이의 열 전달을 최소화하는 장점을 가진다. 밸브 시스템(4)과 재생용열교환기(5) 내부에 단열 수단을 구비하는 연소 익스팬더(2)로부터 열 손실을 최소화하기 위하여 다른 수단이 취해지는 것이 바람직하다.

도 12에는 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서 유도 디스플레이서(1), 연소 익스팬더(2) 및 대기 냉각기(3)는 같은 방향으로 모두 구동된다. 연소 익스팬더와 대기 냉각기는 위상이 180도 다르게 구동되도록 종래 크랭크샤프트(24)에 연결된다. 유도 디스플레이서(1)는 상당히 짧은 행정을 가지며, 불연속한 이동은 캠 종동기(23)와 결합된 페이스 캠(22)에 의하여 제어된다. 실린더 사이의 가스 유동은 한 세트의 밸브(4)에 의하여 제어되며, 상기 밸브는 폐쇄될 때 배제 공간을 제거하도록 변위 모드로 작동한다. 상기 밸브는 크랭크샤프트에 부착된 스프로켓(26)으로부터 타이밍 벨트 또는 체인(25)에 의하여 구동되는 캠샤프트(21)에 의하여 제어된다. 본 실시예에서, 흡입 밸브(6) 및 배기 밸브(7) 역시 캠에 의하여 작동된다.

또 다른 장점으로는 배기가스가 실질적으로 대기압 및 온도에서 엔진으로부터 배출되고, 따라서 대형 소음기에 대한 필요성 없이 본질적으로 조용하게 된다. 물 분사 옵션이 이용되면, 엔진의 효율을 개선할 뿐만 아니라, 몇몇 연료에 존재하는 물과, 질소산화물 또는 황산화물을 포함하는 배기가스로부터 수용성 가스를 제거할 수 있다. 또한, 질소산화물의 생성은 연소 프로세스가 산소를 거의 또는 소량 갖는 것을 보장하기 위하여 배기 가스의 일부와 흡입 공기를 제어식으로 혼합하는 것에 의하여 제어될 수 있다.

본 발명의 근거를 형성하는 원리의 대부분은 일 세기 동안 당업계에 공지된 것이다. 그러나 개시된 조합 및 체계는 신규한 것이며, 현재 기술에 따른 엔진의 두 주요 에너지 변환 손실 모드를 효과적으로 해결하고 다수의 부가적인 장점을 제공한다. 그러므로 본 발명은 실질적이고 지금까지 실현되지 않은 장점을 제공한다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

사이클로 작동하도록 구성되며 에너지 재생수단을 구비하는 비압축식 엔진으로서,
상기 엔진은 사이클 기준으로 일정량의 가스를 엔진에 흡입시키고, 압축 프로세스에서 체적을 감소시키지 않으면서 압력을 증가시키기 위하여 상기 일정량의 가스를 가열하도록 구성되며,
상기 엔진은 사이클로 작동하도록 구성된 가변 용적 수단을 구비하며, 상기 에너지 재생수단은 상기 가변 용적 수단으로부터 나온 에너지의 일부를 상기 가변 용적 수단으로 귀환시키며,
상기 엔진은 유도밸브를 통해 대기와 연통하면서 가스의 작동 용적을 상기 엔진에 흡입시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
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제 1 항에 있어서,
상기 에너지 재생 수단은 일정한 용적으로 상기 가스의 작동 용적에 열을 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 4 항에 있어서,
상기 에너지 재생 수단은 상기 가변 용적 수단의 사이클에서 작동 가스로부터 에너지를 취하고 그 에너지를 상기 가변 용적 수단의 이후 사이클에서 열로서 복귀시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가변 용적 수단은 연소 익스팬더를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 6 항에 있어서,
내부에서의 연소를 위하여 상기 연소 익스팬더에 연료를 주입하도록 배치된 연료 유입구를 또한, 포함하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 6 항에 있어서,
상기 연소 익스팬더는 피스톤 및 실린더를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 6 항에 있어서,
상기 연소 익스팬더는 가동형 부품 사이에 라비린스 밀봉부 또는 공기 베어링 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 6 항에 있어서,
상기 연소 익스팬더는 노즐을 통해 터빈 휠에 연결된 연소실을 포함하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 6 항에 있어서,
상기 연소 익스팬더는 스테인레스 스틸, 고온 합금 및 엔지니어링 세라믹을 포함하는 그룹으로부터 선택된 내열성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 6 항에 있어서,
상기 에너지 재생 수단으로 또는 그로부터 작동 가스의 유동을 제어하기 위한 밸브 시스템을 또한, 포함하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 12 항에 있어서,
상기 밸브 시스템은 상기 에너지 재생 수단이 그 상부에 배치된 가동형 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 13 항에 있어서,
상기 가동형 부재는 상기 연소 익스팬더에 진입하는 작동 가스에 에너지를 제공하는 제1 위치와, 상기 연소 익스팬더에서 나오는 작동 가스로부터 열을 취하는 제2 위치 사이에서 상기 에너지 재생 수단의 회전 이동을 제공하도록 구성된 회전가능한 디스크를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 12 항에 있어서,
상기 가변 용적 수단은 유입 밸브를 갖는 유도 디스플레이서를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 15 항에 있어서,
상기 유도 디스플레이서는 피스톤 및 실린더를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 15 항에 있어서,
상기 밸브 시스템은 상기 연소 익스팬더, 상기 유도 디스플레이서 및 상기 에너지 재생 수단 사이의 연통을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 15 항에 있어서,
상기 가변 용적 수단은 대기압 행정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제18항에 있어서, 상기 대기압 행정 수단은 대기 냉각기를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제19항에 있어서, 상기 대기 냉각기는 피스톤 및 실린더를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 19 항에 있어서,
상기 대기 냉각기는 열을 제거하기 위하여 가스에 유체를 분사하기 위한 스프레이 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 19 항에 있어서,
상기 대기 냉각기는 대기와 연통하는 배기 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 22 항에 있어서,
상기 유도 디스플레이서, 상기 연소 익스팬더 및 상기 대기 냉각기를 구동시키도록 구성된 크랭크샤프트를 또한, 포함하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 23 항에 있어서,
상기 연소 익스팬더와 상기 대기 냉각기는 상호 위상이 180도 다르게 구동되는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 24 항에 있어서,
상기 유도 디스플레이서는 상기 연소 익스팬더와 상기 대기 냉각기보다 짧은 행정을 갖는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 25 항에 있어서,
상기 유도 디스플레이서를 제어하기 위하여 상기 크랭크샤프트에 의하여 구동 가능한 페이스 캠과 캠 종동기를 또한, 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 26 항에 있어서,
폐쇄시에 배제 용적을 제거하기 위하여 캠샤프트에 의하여 변위 모드로 작동 가능한 밸브를 또한, 포함하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 19 항에 있어서,
상기 밸브 시스템은 상기 연소 익스팬더, 상기 유도 디스플레이서, 상기 에너지 재생 수단 및 상기 대기 냉각기 사이의 연통을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
제 1 항에 있어서,
상기 에너지 재생 수단은 에너지를 축적, 저장 및 제공하도록 구성된 재생용열교환기 엘레멘트를 구비하며, 상기 재생용열교환기 엘레멘트는 작동 가스가 통과하여 유동하는 유동로를 구비하는 것을 특징으로 하는 비압축식 엔진.
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