KR101840895B1 - 통합된 능동형 챔버를 포함하는 자가압력조정형 압축 공기 엔진 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 능동형 챔버를 가지는 다중모드 엔진에 관한 것으로서, 상기 엔진은 실린더(1) 및 상기 실린더를 능동형 챔버(CA)와 팽창 챔버(CD)로 분할하는 피스톤(2)을 포함하고, 상기 엔진에서: 탱크(12) 내에 포함된 압축 공기가 엔진 실린더(1)의 흡기로 직접적으로 공급되고; 상기의 포함된 능동형 챔버(CA)가 각각의 엔진 회전 시에 일정한 유입 압력으로 충진되고, 이러한 유입 압력은, 저장 탱크 내의 압력이 감소됨에 따라 감소되며; 상기의 포함된 능동형 챔버(CA)의 부피는, 상기 저장 탱크(12) 내의 압력이 감소됨에 따라, 점진적으로 증가되며; 수단은 상기 피스톤의 행정의 상사점에서 유입 개구부 및 도관(7)이 본질적으로 개방되게 할 뿐만 아니라, 개방 통로 섹션에 더하여, 유입의 각도 섹터(angular sector) 및/또는 기간의 변경을 가능하게 하며; 그리고 상기의 포함된 능동형 챔버(CA)의 부피의 치수는 최대 저장 압력을 위해서 결정되고, 이어서 점진적으로 증가되어, 자가-압력 조정 엔진을 초래한다.
Description
본원 발명은, 특히 압축 공기, 또는 임의의 다른 가스로 작동되고, 그리고 "능동형 챔버"라고 지칭되는 챔버를 이용하는 엔진에 관한 것이다.
본원 발명자들은, 도시 및 교외 장소들에서의 완전히 청정한 작동을 위해서, 가스들 및, 보다 특히, 압축 공기를 이용하는, 모터 드라이브들(drives) 및 그들의 설비에 관한 수많은 특허를 출원하였다.
특히, 본원 발명자들은, 추가적인 압축 공기 주입 모터-압축기 - 단일-에너지 및 다중-에너지로 작동되는 모터-교류 발전기(alternator) 세트 - 와 관련된 국제 특허출원 제WO-A1-03/036088호를 출원하였고, 그 출원의 기재 내용을 본원에서 참조할 수 있을 것이다.
압축 공기를 이용하여 작동되고 그리고 압축 공기 저장 탱크를 포함하는 이러한 엔진 타입들에서, 엔진 실린더 또는 실린더들 내에서 이용되기에 앞서서, 버퍼 베슬(vessel) - 작업(working) 베슬로서 지칭된다 - 내에서, 탱크 내에서 매우 높은 압력으로 저장되나 탱크가 비워짐에 따라서 그 압력이 감소되는 압축 공기를 팽창시킬 필요가 있을 것이다.
밸브들 및 스프링들을 이용하는 주지의 통상적인 압력 조정기들은 매우 낮은 처리량(throughputs)을 가지고, 그러한 용도에서의 조정기들의 이용은 매우 무겁고 매우 효과적이지 못한 장치를 필요로 한다. 또한, 그러한 조정기들은, 팽창 중에 냉각된 공기 내의 습도로 인해서, 결빙에 대해서 매우 민감하다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 본원 발명자들은, 고압 압축 공기 탱크 및 작업 베슬을 포함하는, 압축 공기 주입이 공급되는 엔진들을 위한 가변 처리량 압력 조정기 및 분배기(distribution)와 관련된 특허출원 제WO-A1-03/089764호를 또한 출원하였으며, 그 출원의 기재 내용을 본원에서 참조할 수 있을 것이다.
이러한 "로드 완화(relieving)" 엔진들의 작동 중에, 팽창 챔버의 충진은 기계의 전체적인 효율에 유해한 작업(work; 일)을 하지 않는 팽창을 항상 나타낸다.
전술한 문제를 해결하기 위해서, 본원 발명자들은, 작업 베슬로서 지칭되는 버퍼 베슬에서 공칭 작업 압력으로 사전에 팽창된, 고압 저장 탱크 내에 포함된 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스가 공급되는 압축 공기 엔진을 개시하고 있는 국제 특허출원 제WO-A1-2005/049968호를 출원하였다. 듀얼-에너지 버전에서 작업 베슬은, 통과하는 공기의 온도 및/또는 압력을 높일 수 있는 추가적인 에너지(화석 에너지 또는 일부 다른 에너지)의 공급에 의해서 공기를 재가열하는 장치를 포함한다.
WO-A1-2005/049968에 따른 이러한 타입의 엔진에서:
- 팽창 챔버는 작업의 생성을 가능하게 하는 수단을 구비하는 가변 부피로 이루어지고, 그러한 수단은 쌍을 이루고(twinned) 그리고 영구적인 통로를 통해서 상사점에서 피스톤을 정지시키기 위한 장치를 구비하는 메인 드라이브 피스톤 위에 포함되는 공간과 접촉하며,
- 드라이브 피스톤의 상사점에서의 정지 동안에, 팽창 챔버가 가장 작은 부피에 있을 때 그리고, 추진됨으로써, 작업을 생성하는 동안 부피가 증대될 때, 가압된(under pressure) 공기 또는 가스가 팽창 챔버 내로 유입되며;
- 팽창 챔버가 실질적으로 그 최대 부피에서 유지되는 상태에서, 내부에 포함된 압축 공기가 엔진 실린더 내로 팽창되고, 그에 따라 선회(turn) 중에 작업을 공급하면서 드라이브 피스톤을 그 하향행정에서 후방으로 푸싱(pushing)하며;
- 배기 단계(phase) 중의 드라이브 피스톤의 상향행정 동안에, 완전한 작업 사이클을 재시작하기 위해서 팽창 챔버의 가변적인 부피가 가장 작은 부피로 복귀된다.
이러한 발명에 따른 엔진의 팽창 챔버는 작업에 능동적으로 참여한다. 그에 따라, 엔진은 "능동형 챔버" 엔진으로 지칭된다.
국제공개공보 WO-A1-2005/049968는 압축 공기 단일-에너지 모드로 작동되는 동안에 4-단계들의 열역학적 사이클을 청구하며, 이는 다음을 특징으로 한다:
- 작업을 하지 않는 등온 팽창;
- 소위 준(quasi)-등온 작업을 하는 트랜스퍼-슬라이트(transfer-slight) 팽창;
- 작업을 하는 폴리트로픽(polytropic) 팽창;
- 대기압에서의 배기.
WO-A1-2005/049968의 변형예를 제시하는 국제공개공보 제WO-A1-2008/028881호는 동일한 열역학적 사이클을 청구하나, 여기에서는 통상적인 커넥팅 로드-크랭크 장치가 이용된다. 바람직하게, 작업 베슬로서 지칭되는 버퍼 베슬 내에서 공칭 작업 압력으로 사전에 팽창된, 고압 저장 탱크 내에 포함된 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스가 공급된다. 듀얼-에너지 버전에서의 작업 베슬은, 통과하는 공기의 온도 및/또는 압력을 높일 수 있는 부가적인 에너지(화석 에너지 또는 일부 다른 에너지)에 의해서 공급 공기를 재가열하기 위한 장치를 포함한다.
WO-A1-2008/028881에 따른 이러한 타입의 엔진에서:
- 능동형 챔버라고 지칭되는 팽창 챔버는 작업의 생산을 가능하게 하는 수단을 구비하는 가변 부피로 이루어지고 그리고 상사점에서 드라이브 피스톤 위의 엔진 실린더 내에 포함된 부피와 접촉 또는 격리될 수 있게 하는 차단 장치를 포함하는 통로에 의해서 링크되며;
- 능동형 챔버가 가장 작은 베슬에 있을 때 그리고, 추진됨으로써, 작업을 생산하면서 부피를 증가시킬 때, 가압된 공기 또는 가스가 능동형 챔버 내로 도입되고;
- 능동형 챔버가 실질적으로 최대 부피에 있을 때, 그리고 드라이브 피스톤이 실질적으로 상사점에 있을 때, 흡기가 차단되고, 상기 챔버가 엔진 실린더와 연결되고 그리고 그 내부에 포함된 압축 공기가 팽창되며, 그에 따라 드라이브 피스톤을 그 하향행정으로 다시 푸싱하고 그리고 그 선회 중에 일을 공급하며;
- 팽창 중에, 능동형 챔버의 부피가 그 최소 부피로 복귀되며, 그에 따라 새로운 사이클을 허용한다.
이러한 발명에 따른 엔진의 팽창 챔버는 작업에 능동적으로 참여한다. WO-A1-2005/049968 및 WO-A1-2008/028881에 따른 엔진들은 능동형 챔버 엔진들로 지칭된다.
보다 최근에, 본원 발명자들은 소위 "포함형(included)" 능동형 챔버를 구비한 압축 공기 엔진에 대한 새로운 특허를 출원하였으며, 그러한 특허는 WO-A1-2005/049968 및 WO-A1-2008/028881에 따른 엔진들과 동일한 열역학적 사이클뿐만 아니라 통상적인 커넥팅 로드-크랭크 장치를 구현한다. 2010년 10월 4일자로 출원된 새로운 프랑스 특허 출원 제FR1058005호에 따라, 본원 발명자들은 엔진 사이클에 포함된 능동형 챔버를 구비하는 엔진을 제시하였고, 그러한 엔진은 실린더 내에서 슬라이딩되도록 장착되고 통상적인 커넥팅 로드-크랭크 장치에 의해서 크랭크샤프트를 구동하고 그리고 이하의 4개의 단계들을 가지는 열역학적 사이클에 따라서 작동하는 적어도 하나의 피스톤을 포함하고, 상기 4개의 단계들은:
- 작업을 하지 않는 등온 팽창;
- 소위 준-등온 작업을 하는 트랜스퍼-슬라이트 팽창;
- 작업을 하는 폴리트로픽 팽창;
- 대기압에서의 배기; 를 포함하고,
바람직하게, 고압 저장 탱크 내에 포함된 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스에 의해서 공급되는 작업 베슬로서 지칭되는 버퍼 베슬을 통해서, 고압 저장 탱크 내에 포함된 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스에 의해서 공급되고, 상기 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스는, 바람직하게 다이나믹 압력-조정 장치를 통해서 작업 베슬 내의 작업 압력으로 지칭되는 평균 압력까지 팽창되는, 엔진에 있어서:
- 적어도 하나의 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 적어도 하나의 피스톤을 포함하고, 상기 피스톤에 의해서 스위핑되는(swept) 상기 실린더의 부피가 2개의 별개의(distinct) 부분들 즉, 상기 실린더 내에 포함되는 능동형 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분 및 상기 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분으로 분할되며;
- 상기 피스톤에 의해서 스위핑되는 실린더의 부피는, 상기 피스톤이 상사점에 있을 때, 상기 피스톤과 실린더 헤드 사이에 포함되는 잔류 부피가, 구성에 의해서, 상기 피스톤과 상기 실린더 헤드 사이의 접촉이 없는 작동을 허용하는 단지 최소 갭으로 감소되도록 하는 방식으로 형성되고 그리고 적어도 하나의 흡기 도관 및 오리피스 그리고 적어도 하나의 배기 도관 및 오리피스를 포함하는 실린더 헤드에 의해서 상부 부분에서 폐쇄되며,
- 상기 압축 공기 또는 가압 가스가 상기 피스톤 위의 실린더 내로 유입되고 그리고, 일정한 작업 압력의 압축 공기를 연속적으로 추진시킴으로써, 준-등온 트랜스퍼 단계를 나타내는 작업을 생성하는 동안 상기 능동형 챔버의 부피가 증가되며;
- 능동형 챔버(CA)의 최대 부피에 도달하였을 때 상기 압축 공기의, 또는 가압 가스의 실린더 내로의 흡기가 차단되고, 그리고 이어서 상기 능동형 챔버 내에 포함된 압축 공기의 또는 가압 가스의 양이 팽창되어, 팽창 단계를 보장하는 작업을 생산하는 동안 팽창 챔버(CD)를 결정하는 그 행정의 제 2 부분에 걸쳐 피스톤을 후방으로(back) 푸싱하며;
- 상기 피스톤이 하사점에 도달하였을 때, 전체 행정에 걸친 피스톤의 상향행정 중에 배기 단계를 보장하기 위해서, 배기 오리피스가 개방되는 것을 특징으로 한다.
엔진의 공칭 작동 압력에서, 하사점에서 팽창의 종료시(end)의 압력이 대기압에 근접하도록, 능동형 챔버(CA)의 최대 부피 및 팽창 챔버(CD)의 부피의 크기가 결정된다. 능동형 챔버의 최대 부피가 흡기의 폐쇄에 의해서 결정된다.
바람직하게, 그리고 특히 압축 공기를 이용하는 단일-에너지 작동에서, 전술한 실린더 내에 포함되는 능동형 챔버를 가지는 엔진은 실린더 크기가 증가하는 다수의 연속되는 실린더들을 포함한다. 가장 작은 실린더 크기의 제 1 실린더로 압축 공기가 작업 베슬에 의해서 공급된다. 실린더 크기들이 증대되는 후속 실린더 또는 실린더들로, 선행하는 상류의 실린더로부터의 배기물(exhaust)에 의해서, 압축 공기가 공급된다. 대기와의 공기/공기 열 교환기가 연속되는 실린더들의 쌍 중의 2개의 실린더들 사이에 배치되어, 선행 실린더로부터의 배기 공기의 온도를 높이고 그리고 그 온도를 주위/대기 온도에 근접시켜 배기되는 공기의 부피를 증가시킨다.
바람직하게, 국제공개공보들 WO-A1-2005/049968 및 WO-A1-2008/028881의 교시 이후의 방식에서, 고압의 저장 탱크 내에 수용되고, 버퍼 베슬 - 작업 베슬로 지칭됨 - 내에서 사전에 공칭 작업 압력까지 팽창된, 압축 공기에 의해서 또는 임의의 다른 압축 가스에 의해서, 엔진으로 공급된다.
듀얼-에너지 버전에서의 작업 베슬은, 추가적인 에너지(화석 에너지 또는 기타 에너지)에 의해서 동력을 공급받고(powered) 통과하는 공기의 온도 및/또는 압력의 증가를 가능하게 하는, 공기 또는 가스를 재가열하기 위한 장치 또는 열적 재가열기를 포함한다. 이러한 엔진은 "포함형" 능동형 챔버로서 지칭된다.
그러나, 복수의 스테이지들을 포함하는 엔진의 경우에, 고압의 실린더들 중 제 1 실린더로 공급할 수 있지만, 고압의 저장 탱크 내에 수용된 매우 높은 압력의 압축 공기를 공칭 작업 압력으로 팽창시킬 필요성이 여전히 존재하고, 그리고 이러한 팽창 작동은 통상적인 압력 조정기의 이용을 통한 효율 손실을 촉발하거나, 또는 국제공개공보 WO-A1-03/089764의 교시 내용의 이용으로 에너지 비용을 유발시키지 않으나, 이러한 팽창은 탱크 내에 수용된 고압과 일정 부피 작업 베슬 내의 공칭 작업 압력 사이에서 어떠한 팽창 작업도 수행할 수 없다.
본원 발명은 이러한 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본원 발명에 따라 실린더 내에 포함되는 능동형 챔버를 가지는 엔진은 이러한 마지막 문제를 해결하기 위한 것이고, 그리고 그러한 엔진은 실린더 내에 포함된 능동형 챔버를 가지는 엔진 실린더의 기능적 구성들을 이용하고, 그러한 엔진은 저장 탱크의 완전한 팽창을 수행하고, 그러한 엔진은 추가적인 에너지를 이용하는 단일- 에너지 모드 및/또는 듀얼-에너지 모드로 작동된다. "자가-압력-조정형" 엔진으로 지칭되는 이러한 신규한 엔진은 실린더 내에 포함된 능동형 챔버를 가지는 "다중-모드" 엔진을 구성하고, 그리고 압력 조정기로서의 기능을 한다.
그에 따라, 본원 발명은 적어도 하나의 실린더 및 상기 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 장착되고 그리고 통상적인 커넥팅 로드-크랭크 장치에 의해서 크랭크샤프트를 구동시키는 적어도 하나의 피스톤을 포함하는 엔진을 제시하고, 상기 피스톤에 의해서 스위핑되는 상기 실린더의 부피가 2개의 별개의 부분들 즉, 상기 실린더 내에 포함되는 능동형 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분 및 상기 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분으로 분할되고, 상기 실린더는 적어도 하나의 도관 및 적어도 하나의 흡기 오리피스 및 적어도 하나의 도관 및 적어도 하나의 배기 오리피스를 포함하는 실린더 헤드에 의해서 상단부 부분이 폐쇄되고, 그리고 상기 실린더는, 상기 피스톤이 상사점에 있을 때, 상기 피스톤과 실린더 헤드 사이에 포함되는 잔류 부피가, 구성에 의해서, 상기 피스톤과 상기 실린더 헤드 사이의 접촉이 없는 작동을 허용하는 매우 최소한의 갭들로 감소되도록 하는 방식으로 배열되고, 압축 공기의 또는 임의의 다른 가압 가스의 저장 탱크로부터 공급되는 압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스가 피스톤의 위쪽에서 실린더 내로 유입되고, 그리고, 압축 공기의 또는 임의의 다른 가압 가스를 연속적으로 추진시킴으로써, 작업을 생성하면서 능동형 챔버의 부피가 증가되고, 상기 능동형 챔버의 최대 부피에 도달하였을 때 상기 압축 공기의 또는 임의의 다른 가압 가스의 실린더 내로의 흡기가 차단되고, 이어서 작업을 생성하는 동안 피스톤의 행정의 제 2 부분에 걸쳐 피스톤을 후방으로 푸싱하면서 상기 능동형 챔버 내에 포함된 압축 공기의 또는 임의의 다른 가압 가스의 양이 팽창되어 팽창 단계를 보장하고, 상기 피스톤이 하사점에 도달하면, 배기 오리피스가 개방되어 피스톤의 전체 행정에 걸쳐 피스톤이 상승하는 동안 배기 단계를 보장하며:
- 고압의 압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스의 저장 탱크가 엔진 실린더의 흡기로 직접 공급하고;
- 상기 실린더 내의 능동형 챔버(CA)가 각각의 엔진 회전 시에 일정한 흡기 압력으로 충진되고, 이러한 흡기 압력은, 저장 탱크가 점진적으로 비워지는 동안 저장 탱크 내의 압력이 감소함에 따라, 감소되며;
- 능동형 챔버(CA)의 최대 부피는, 상기 흡기 압력을 결정하는 상기 저장 탱크 내의 압력이 감소됨에 따라, 가변적이 되고 그리고 점진적으로 증가되며;
- 상기 능동형 챔버 내로의 압축 공기의 흡기를 개방 및 폐쇄하기 위한 수단은, 피스톤 행정의 실질적으로 상사점에서 흡기 오리피스 및 도관을 개방할 수 있을 뿐만 아니라, 개방부의 통로 섹션(passage section) 및 흡기의 각도 섹터(angular sector) 및/또는 기간을 변경할 수 있게 하며;
- 그리고 능동형 챔버(CA)의 최대 부피는 최대 저장 압력을 위해서 치수가 결정되고, 이어서 점진적으로 증대되며, 그에 따라, 흡기 압력에 따라서, 능동형 챔버(CA)와 팽창 챔버(CD) 사이의 부피 비에 따라서, 배기부의 개방에 앞서서 팽창의 종료시의 압력이 대기 압력에 근접하게 된다.
상기한 내용으로 인해서, 본원 발명에 따른 엔진은 압력 조정기로서의 역할을 또한 수행하고, 그에 따라 본원 발명은, 엔진의 타입에 관계없이, 능동형 챔버로의 공급을 위한 독립적인 압력 조정기를 필요로 하지 않는 "자가-압력-조정" 엔진을 제공할 수 있게 된다.
본원 발명에 따른 능동형 챔버를 구비하는 다중-모드 자가-압력-조정 엔진은 특히, 압축 공기 단일-에너지 모드에서의 작동시에, 3개의 단계들을 가지는 열역학적 사이클을 구현하고, 상기 3개의 단계들은:
- 등압 및 등온 트랜스퍼(transfer)
- 작업을 하는 폴리트로픽 팽창
- 대기압에서의 배기.
본원 발명에 따른 엔진의 작동에서, 실린더 내에 포함된 능동형 챔버의 최대 부피는 주입되는 압축 공기의 양을 결정한다. 흡기 압력이 높아질수록, 능동형 챔버가 더 작아져야 한다.
또한, 흡기 압력이 높아질수록, 하나의 그리고 동일한 실린더 크기에 대한 엔진의 포텐셜 동력(potential power)이 더 커진다. 주어진 실린더 크기에서, 실린더 내에 포함된 능동형 챔버의 최대 부피의 증가는, 흡기 압력의 감소에 따라서, 특정 이용(usage) 압력 범위 내에서, 예를 들어 210 내지 140 바아의 범위 내에서 엔진의 동력을 거의 일정하게 유지할 수 있게 한다. 하위(lower) 값 미만에서, 엔진의 동력이 점진적으로 감소되고, 그에 따라 이상적으로는, 흡기 압력이 감소될 때 엔진의 전체 실린더 크기가 증가될 수 있어야 한다.
본원 발명의 변형예에 따라서, 본원 발명에 따른 엔진은 실린더 크기가 증가하는 적어도 2개의 실린더들을 포함하고, 각각의 실린더는 바로 위에서 설명한 것과 동일한 원리에 따라서 작동되고, 그리고
- 흡기 압력이, 예를 들어 흡기 압력의 값들의 위쪽 1/3(top third of the values)에 상응하는 최상부 범위에 있을 때, 가장 작은 실린더 크기의 실린더 만으로 공급이 이루어지고;
- 흡기 압력이, 예를 들어 흡기 압력의 값들의 중간 1/3에 상응하는 중간 범위에 있을 때, 큰 실린더 크기의 제 2 실린더 만으로 공급이 이루어지며;
- 그리고, 흡기 압력이, 예를 들어 흡기 압력의 값들의 아래쪽 1/3에 상응하는 하단부 범위에 있을 때, 동시에 2개의 실린더들로 공급이 이루어진다.
동일한 원리로, 상기의 실린더 크기가 증가하는 적어도 2개의 실린더들을 포함하는 적어도 3개의 실린더들을 포함하는 본원 발명에 따른 엔진을 제공할 수 있으며, 그에 따라, 상기 엔진의 적어도 3개의 실린더들이 연속적으로, 결합되어(jointly) 및/또는 조합되어 작동하게 함으로써, 흡기 압력을 함수로 하여 사용되는 전체 실린더 크기를 미세하게 조정할 수 있게 된다.
듀얼-에너지 적용예 및 추가적인 연료 모드에서, 본원 발명에 따른 엔진에서, 저장 탱크와 엔진의 흡기부 사이에, 등압 재가열기를 형성하는 열적 장치가 배치되고, 그리고 일정한 압력의 그리고 능동형 챔버(CA) 내로의 도입 이전의 압축 공기 또는 임의의 다른 가스가, 부피 증가에 비례하여 엔진을 구비하는 기계의 범위(range)를 증가시킬 수 있게 하면서, 그 온도를 증가시킬 것이라는 그리고 그 부피를 증가시킬 것이라는 사실을 통해서, 상기 열적 장치는 통과하는 공기 또는 임의의 다른 가스의 온도를, 일정한 압력에서, 증가시킬 수 있게 하고 그리고 이용될 수 있고 가용될 수 있는 에너지의 양을 증가시킬 수 있게 한다.
압축 공기 모드에서, 예를 들어 본원 발명에 따른 엔진이 도시 장소에서의 차량에 설치될 때, 고압 탱크 내의 압축된 공기의 또는 임의의 다른 가스의 압력만이 작동을 위해서 이용된다.
추가적인 에너지, 화석 에너지 또는 기타 에너지를 이용하는 모드의 작동에서, 예를 들어 본원 발명에 따른 엔진이 도로(road) 차량에 장착될 때, 압축 공기의 재가열이 제어되고, 그에 따라 공기의 온도를 높일 수 있게 되고 그리고 후속하여 능동형 챔버의 그리고 팽창의 로드 작업을 위해서 이용될 수 있는 부피를 증가시킬 수 있게 된다.
가열은 등압적이고 그리고 온도의 2-배(2-fold) 증가에 의해서, 압축 공기의 유효 부피를 배가하는 것 등을 할 수 있게 된다.
그에 따라, 200 바아의 압축 공기의 200-리터 탱크 즉, 293 K(20 ℃) 공기의 40 m3 는 586 K(또는, 131 ℃)에서 80 m3 의 압축 공기를 가질 수 있게 한다. 초기에 주위 온도인 압축 공기를 재가열하는 것은, 매우 적은 에너지를 이용하여 충분한 온도를 신속하게 획득할 수 있게 하는 한편, 바람직하게 특별한 오염발생 및 유독성 질소 산화물들이 형성되는 온도들 미만으로 유지하기 위해서 그 온도 값을 제어할 수 있게 한다.
재가열기를 형성하는 열적 장치의 이용은, 극소량의(infinitesimal) 오염물질 방출을 달성하기 위해서, 임의의 공지된 수단에 의해서 촉매반응될 수 있고 또는 오염제거될 수 있는 청정한 연속적인 연소들을 이용할 수 있게 하는 장점을 제공한다.
재가열기를 형성하는 열적 장치는, 에너지를 위해서, 기름, 디젤 또는 심지어 LPG 또는 VNG 가스와 같은 화석 연료를 이용할 수 있다. 히터는 또한 바이오-연료들(bio-fuels) 또는 알콜/에탄올을 이용할 수 있을 것이고, 그에 따라 버너가 온도 상승을 초래하는 외부 연소를 이용하여 듀얼-에너지 작동을 생성할 수 있게 한다. 또한, 그러한 온도 상승을 허용하는 열-화학적(thermo-chemical) 방법들을 이용할 수 있다.
본원 발명의 변형예에 따라서, 압축 공기 또는 임의의 다른 가스를 재가열하기 위해서 태양열 에너지를 이용하는 엔진, 그리고 - 이러한 목적을 위해 - 등압 재가열기를 형성하는 열적 장치는 등압 재가열기를 형성하는 열적 장치 내로 초점이 맞춰진 태양열 접시(dish)를 포함하며, 그에 따라, 일정한 압력의 그리고 능동형 챔버(CA) 내로의 도입 이전의 압축 공기 또는 임의의 다른 가스가, 기계의 범위를 증가시킬 수 있게 하면서, 그 온도를 증가시킬 것이라는 그리고 그 부피를 증가시킬 것이라는 사실을 통해서, 압축 공기 또는 임의의 다른 가스의 온도를 상승시킬 수 있게 되고, 이용될 수 있고 가용될 수 있는 에너지의 양을 증대시킬 수 있게 된다.
본원 발명의 원리를 변경하지 않는 임의 방식으로, 독립적으로 또는 조합하여 이용되는 다른 에너지들 및 이용되는 재가열 열적 장치들이 변경될 수 있을 것이다.
추가적인 에너지를 이용하는 작동 모드에서, 본원 발명에 따른 엔진의 열역학적 사이클은 이하의 4개의 단계들을 포함한다:
- 온도의 등압적 상승;
- 등압/등온 트랜스퍼;
- 작업을 하는 폴리트로픽 팽창;
- 대기압에서의 배기.
듀얼-에너지 모드의 본원 발명에 따른 엔진의 독립형(stand-alone) 작동을 허용하는 본원 발명의 변형예에 따라서, 압력 조정기로서의 역할을 하는 엔진이 공기 압축기에 커플링되고 그 공기 압축기를 구동시키며, 상기 공기 압축기는, 추가적인 에너지를 이용하여 작동되는 동안, 고압 저장 탱크로 압축 공기, 또는 임의의 다른 가스를 공급할 수 있다.
바람직하게, 압축기의 출력부에서의 고압 및 고온의 압축 공기 또는 임의의 다른 가스가, 저장 탱크 내에서, 주위 온도에 근접한 온도로 복귀되도록, 공기/공기 열교환기 또는 다른 열 교환기가 압축기와 저장 탱크 사이에 배치된다.
이러한 구성에서, 본원 발명에 따른 엔진은 이하의 6개의 단계들을 가지는 열역학적 사이클에 따라서 작동한다:
- 주위/대기 공기의 폴리트로픽 압축;
- 저장을 위해서 주위/대기 온도로의 냉각;
- 온도의 등압적 증가;
- 등압 및 등온 트랜스퍼;
- 작업을 하는 폴리트로픽 팽창;
- 대기압에서의 배기.
토크 및 속도와 관련한 엔진의 제어가 잠재적으로 전자 장치에 의해서 관리되고, 엔진의 토크 및 속도가 가속장치에 의해서 구동되는 장치에 의해서 제어되고, 상기 가속장치에 의해서 구동되는 장치는 압축 공기 또는 임의의 다른 가스를 능동형 챔버(CA)로 공급하는 흡기 도관을 개방/폐쇄하기 위한 수단의 개방/폐쇄를 제어하는 한편, 실질적으로 상사점에서, 상기 개방/폐쇄 수단을 개방할 수 있게 할 뿐만 아니라, 개방/폐쇄 수단의 폐쇄에 의해서, 저장 탱크 내의 압력, 유입된 압축 공기 또는 임의의 다른 가스의 양, 능동형 챔버(CA)의 부피를 함수로 하여, 팽창의 종료시에 압력을 결정하기 위해서, 흡기부의 각도 섹터 및/또는 기간의 변경 및 개방의 통로 섹션을 변경할 수 있게 한다.
이러한 방식으로 구비된 본원 발명에 따른 단일-에너지 및 듀얼-에너지 엔진은 독립적으로 또는 조합되어 사용될 수 있는 3가지 모드들에 따라서 작동되고, 그러한 3가지 모드들은:
- 고압으로 저장 탱크 내에 수용되는 사전 압축된 공기 또는 임의의 다른 가스를 이용하는, 단일-에너지, 제로(zero)-오염, 작동 모드;
- 저장 탱크 내에 수용되는 사전 압축된 공기 또는 임의의 다른 가스 더하기 재가열기를 형성하는 열적 장치에 의해서 부가된 추가적인 에너지를 이용하는, 듀얼-에너지 작동 모드;
- 엔진에 의해서 구동되는 압축기에 의해서 저장 탱크 내에서 압축된 공기 또는 임의의 다른 가스, 더하기 재가열기를 형성하는 열적 장치에 의해서 부가된 추가적인 에너지를 이용하는, 독립형 듀얼-에너지 작동 모드.
열 교환기들은 희망하는 효과를 생성하는 공기/공기 또는 공기/액체 열 교환기들 또는 임의의 다른 장치 또는 가스일 수 있을 것이다.
본원 발명에 따른 능동형 챔버를 가지는 엔진이 모든 육상, 해상, 철도, 및 항공기에서 이용될 수 있다. 또한 그리고 바람직하게, 본원 발명에 따른 능동형 챔버를 가지는 엔진은 비상 발전기(generator) 세트들뿐만 아니라, 전기, 가열 및 공조를 생성하는 수많은 국내의(domestic) 열병합발전(cogeneration) 용도들에서 바람직하게 적용될 수 있을 것이다.
본원 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특징들은, 첨부 도면들을 참조하여 주어진, 수많은 실시예들에 관한 비제한적인 설명으로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 축방향 단면으로 도시되고, 하사점에서 표시된 실린더 내에 포함된 능동형 챔버 및 그 압축 공기 공급 장치와 함께 본원 발명에 따른 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 4는 본원 발명에 따른 엔진의 상이한 작동 단계들을 도시한다.
도 5는 2개의 실린더들을 포함하는 본원 발명에 따른 엔진을 도시한다.
도 6은, 태양열 접시에 의해서 압축 공기를 재가열하기 위한 장치를 포함하는, 엔진 및 그 엔진의 압축 공기 공급 장치를 도시한다.
도 7은 저장 탱크로 공급하는 압축기에 커플링된 본원 발명에 따른 엔진을 개략적으로 도시한다.
도 2 내지 4는 본원 발명에 따른 엔진의 상이한 작동 단계들을 도시한다.
도 5는 2개의 실린더들을 포함하는 본원 발명에 따른 엔진을 도시한다.
도 6은, 태양열 접시에 의해서 압축 공기를 재가열하기 위한 장치를 포함하는, 엔진 및 그 엔진의 압축 공기 공급 장치를 도시한다.
도 7은 저장 탱크로 공급하는 압축기에 커플링된 본원 발명에 따른 엔진을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본원 발명에 따른 능동형 챔버(active chamber)를 가지는 자가-압력-조정 엔진을 도시하고, 도 1에는 커넥팅-로드(3)에 의해서 크랭크 샤프트(5)의 크랭크 핀(4)에 연결된 피스톤(2)이 내부에서 슬라이딩하는 엔진 실린더(1)가 도시되어 있다.
피스톤(2)에 의해서 스위핑되는 본원 발명에 따른 엔진 실린더(1)의 부피가 가상선(DD')(실린더의 축선에 대해서 직교하는 분할 평면에 상응한다)을 따라서 2개의 부분들: 즉, 실린더 내에 포함되고 능동형 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분, 및 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분.
피스톤(2)이 상사점에 있을 때, 구성에 의해서, 피스톤의 상부 면(face)과 실린더 헤드(6)와 대면하는 부분 사이의 잔류 부피가 영(null)이 되거나, 또는 준(quasi)-영이 되고, 그에 따라 능동형 챔버(CA) 및 팽창 챔버(CD)의 부피가 영이 된다.
피스톤 상사점으로부터, 피스톤에 의해서 스위핑되고 그리고 피스톤의 상단부 면 위쪽에 위치되는 실린더의 부피가 점진적으로 증가될 것이고, 그에 따라 능동형 챔버(CA)와, 팽창 챔버(CD)를 연속적으로 생성한다.
그에 따라, 실린더(1) 내의 피스톤(2)의 하향행정은, 연속적으로, 소위 능동형 챔버(CA)의 점진적인(progressive) 형성에 상응하는 제 1 "상단부" 부분, 및 소위 팽창 챔버(CD)의 점진적인 형성에 상응하는 제 2 "하단부" 부분을 포함한다.
엔진 실린더(1)는 실린더(1) 내로 개방된 흡기 도관(7) 및 배기 도관(8)뿐만 아니라 상기 도관들을 차단하기 위한 연관된 수단들을 포함하는 상단부 실린더 헤드(6)에 의해서 캡핑되고, 여기에서 상기 수단들은 각각 흡기 밸브(9) 및 배기 밸브(10)가 된다.
본원 발명에 따라서, 흡기 도관(7)이 고압 탱크(12)에 직접적으로 링크되고, 그에 따라 상기 탱크는 흡기 도관(7)을 통해서 능동형 챔버(CA)로 직접적으로 공급한다.
고압 저장 탱크(12) 내에 수용된 고압의 압축 공기는 각각의 엔진 회전 중에 일정한 압력으로 흡기 도관(7)을 통해서 능동형 챔버(CA)로 직접적으로 공급되고, 이러한 압력은, 저장 탱크가 비워지는 동안 즉, 저장 탱크가 점진적으로 비워지는 동안, 저장 탱크 내의 압력이 강하됨에 따라 감소된다.
엔진 속도 및 로드가 제어될 수 있도록 허용하기 위해서, 전자적 컴퓨터에 의해서 제어되는 장치(미도시)는 특히 가속 페달과 같은 가속장치의 위치, 저장 탱크 내에 포함된 압축 공기의 압력, 엔진의 회전 속도뿐만 아니라 다른 작동 매개변수들을 고려하고, 그리고 상기의 포함된 능동형 챔버(CA)로 압축 공기를 공급하는 흡기 도관(7)의 흡기 밸브(9)의 개방 및 폐쇄를 제어하여, 실질적으로 상사점에서, 상기 밸브를 개방할 수 있게 할 뿐만 아니라, 이러한 여러 가지 매개변수들의 전부 또는 일부를 함수로 하여,
- 유입된 압축 공기의 양;
- 밸브(9)의 폐쇄를 통한 능동형 챔버(CA)의 부피;
- 팽창의 종료시의 압력;
을 결정하기 위해서, 밸브의 상승을 변경함으로써 흡기부의 각도 섹터 및/또는 기간의 변경 및 개방의 통로 섹션을 변경할 수 있게 한다.
도 2는 흡기 단계 동안의 본원 발명에 따른 엔진을 도시하고, 상기 흡기 밸브(9)는 상사점에 도달할 때 개방된다. 저장 탱크(12) 내에 포함된 가압된 압축 공기는 상기의 포함된 능동형 챔버(CA)로 공급되고, 상기 능동형 챔버의 부피는 부피가 점진적으로 증가되고 그리고 피스톤(2)의 하향행정 중에 피스톤(2)을 후방으로 푸싱하여, 작업을 생성하고 그리고 열역학적 사이클의 제 1 단계 즉, 등압 및 등온 트랜스퍼를 실시한다.
도 3은, 능동형 챔버(CA)의 부피가 최대값을 가지고 그리고 능동형 챔버 내의 압력이 저장 탱크 내에 포함된 압력이 되는 선(DD')에 피스톤(2)이 도달할 때의 본원 발명에 따른 엔진을 도시한다. 이어서, 흡기 밸브(9)가 폐쇄되고 그리고 가압 공기의 도달을 중단시킨다. 이어서, 능동형 챔버(CA) 내에 포함된 압축 공기가 팽창되어, 피스톤(2)을 그 하사점을 향해 다시 반대로 푸싱하고(도 4), 팽창 엔진으로서 작업을 실행하고, 그리고 열역학적 사이클의 제 2 단계 즉, 작업을 하는 폴리트로픽 팽창을 실행한다.
이어서, 피스톤(2)이 하사점에 도달하고(도 1), 이는 피스톤에 의해서 스위핑되는 실린더의 최대 가용 부피에 상응하고, 이어서, 상향행정 중에, 배기 도관(8)을 통해서, 압력이 주위 압력/대기압에 근접하는 팽창된 공기를 대기로 배기하기 위해서 배기 밸브(10)가 개방되며, 그에 따라 열역학적 사이클의 단계 즉, 주위 압력의 배기를 생성한다.
도 5는 증가되는 실린더 크기들을 가지는, 2개의 2-스테이지 실린더들을 가지는 본원 발명에 따른 엔진을 도시하며, 그러한 도 5에서는, 좌측으로부터 우측으로, 가장 작은 실린더 크기의 실린더인 제 1 실린더(1)가 도시되어 있고, 그러한 제 1 실린더 내에서 커넥팅-로드(3)에 의해서 크랭크 샤프트(5)의 크랭크 핀(4)에 연결된 피스톤(2)이 슬라이딩된다.
이러한 제 1 엔진 실린더(1)는 선(DD')을 따라서 이하의 2개의 부분들 즉, 능동형 챔버(CA) 및 부분적인 팽창 챔버(CD)(도 5에는 도시되지 않음)로 분할된다.
제 1 엔진 실린더(1)는 실린더 헤드(6)에 의해서 캡핑되고, 상기 실린더 헤드는 실린더(1) 내로 개방된 흡기 도관(7) 및 배기 도관(8)뿐만 아니라 상기 도관들을 차단하기 위한 연관된 수단들을 포함하고, 여기에서 상기 수단들은 흡기 밸브(9) 및 배기 밸브(10)이다. 흡기 도관(7)은, 3-방향 밸브(21)를 통해서, 고압 탱크(12)로 링크된다. 배기 도관(8)은 대기로 개방된다.
제 2 스테이지는 제 2 실린더(1A)로 이루어지고, 상기 실린더의 크기는 제 1 실린더(1)의 크기 보다 크고, 그리고 상기 실린더 내에서는 커넥팅-로드(3A)에 의해서 공통의 크랭크 샤프트(5)의 크랭크 핀(4A)에 링크된 피스톤(2A)이 슬라이딩된다.
제 2 엔진 실린더(1A)는 선(DD')을 따라서 2개의 부분들 즉, 제 2 능동형 챔버(CA1) 및 제 2의 부분적인 팽창 챔버(CD1)로 분할된다.
상기 엔진 실린더(1A)는 공통된 실린더 헤드(6)에 의해서 캡핑되고, 상기 실린더 헤드는 제 2 실린더(1A)로의 개구부들, 흡기 도관(7A) 및 배기 도관(8A)뿐만 아니라 상기 도관들을 차단하기 위한 수단들을 포함하고, 여기에서 상기 수단들은 흡기 밸브(9A) 및 배기 밸브(10A)이다. 흡기 도관(7A)은, 3-방향 밸브(21)를 통해서 고압 탱크(12)로 링크된다. 배기 도관(8A)은 대기로 개방된다.
고압 저장 탱크(12) 내에 포함된 고압 압축 공기는, 3-방향 밸브(21)를 통해서, 제 1 실린더(1)의 흡기 도관 또는 제 2 실린더(1A)의 흡기 도관으로, 또는 동시에 2개의 실린더들(1 및 1A)로 공급된다.
이하의 2-실린더 엔진의 작동에 관한 간략한 설명에서 기술된 압력 밸브들은 본원 발명의 실질적이고 가능한 실시예의 비제한적인 예들로서 주어진다.
작동 중에, 저장 탱크(12) 내에 포함된 압축 공기의 압력이 흡기 압력 값들의 상단부 영역 내에, 예를 들어 상단부 1/3 내에 있을 때, 최대 압력이 210 바아인, 예를 들어 140 내지 210 바아인 탱크의 경우에, 3-방향 밸브는 흡기 도관(7A)을 차단하고 그리고 본원 발명에 따른 엔진의 작동을 보장하는 제 1 실린더(1)의 흡기 도관(7)을 향해서 압축 공기를 지향시킨다.
저장 탱크(12) 내에 포함된 압축 공기의 흡기 압력이, 예를 들어 흡기 압력 값들의 중간의 1/3에 상응하는, 흡기 압력 값들의 중간 영역 내에 있을 때, 최대 압력이 210 바아인, 예를 들어 70 내지 140 바아인 탱크의 경우에, 3-방향 밸브는 흡기 도관(7A)을 차단하고 그리고 자가-압력-조정 엔진의 작동을 보장하는 제 2 실린더(1A)의 흡기 도관(7A)을 향해서 압축 공기를 지향시킨다.
저장 탱크(12) 내에 포함된 압축 공기의 압력이, 예를 들어 흡기 압력 값들의 하단부 1/3에 상응하는, 흡기 압력 값들의 하단부 영역 내에 있을 때, 최대 압력이 210 바아인, 예를 들어 5 내지 70 바아인 탱크의 경우에, 3-방향 밸브는 제 1 실린더(1)의 흡기 도관(7)을 향해서 그리고 제 2 실린더(1A)의 흡기 도관(7A)을 향해서 압축 공기를 동시에 지향시키고, 상기 2개의 실린더들(1 및 1A)은 엔진의 작동을 함께 보장한다.
도 6은, 챔버 내로 초점을 맞춰서 통과하는 압축 공기의 온도를 높일 수 있는 태양열 접시(16)를 포함하는 압축 공기 재가열 장치를 포함하는 고압 공기 공급 장치를 가지는 본원 발명에 따른 엔진을 도시한다. 이러한 장치는, 상기의 포함된 능동형 챔버(CA) 내로 도입되기에 앞서서, 압축 공기의 온도를 증가시킬 것이고 그리고 부피를 증가시킬 것이라는 사실을 통해서 이용가능한 그리고 가용의 에너지량을 증가시킬 수 있게 하고, 그에 따라, 하나의 그리고 동일한 성능 레벨을 위해서, 보다 적은 부피의 공기를 저장 탱크(12)로부터 취할 수 있게 하고 그리고 본원 발명에 따른 이러한 엔진을 구비한 차량의 범위(range)를 증가시킬 수 있게 한다.
도 7은, 예를 들어, 여기에서 가스 보틀(bottle)(18)에 의해서 공급되고 챔버(17A) 내에 포함되는 버너(17)를 포함하는 열적 장치 내의, 소위 추가적인 에너지를 이용하는 독립형 듀얼-에너지 모드로 작동하는 본원 발명에 따른 엔진을 도시한다.
크랭크샤프트(5)는, 그 회전 중에, 공기/공기 열 교환기(20)를 통해서 저장 탱크(12)로 공급하는 압축 공기 압축기(19)를 구동시킨다.
엔진의 일반적인 작동은 도 1 내지 4를 참조하여 전술한 작동과 동일하다. 그러나, 이러한 구성은 추가적인 에너지를 이용하는 작동 동안에 저장 탱크를 충진할 수 있게 한다.
능동형 챔버가 포함되는 자가-압력-조정 엔진이 압축 공기를 이용한 작동으로 설명되어 있다. 그러나, 본원 발명의 기본 범위(framework)를 전혀 벗어나지 않고도, 임의의 압축 가스도 이용할 수 있을 것이다.
본원 발명은 본원에서 설명되고 도시된 실시예들로 제한되지 않으며: 설명된 재료들, 제어 수단들, 장치들이 균등론의 범위 내에서 변경되어 동일한 결과를 산출할 수 있을 것이다. 그에 따라, 본원 발명의 기본 범위를 벗어나지 않고도, 엔진 실린더들의 수, 그러한 실린더들의 크기(들), 실린더(들)의 변위와 관련한 능동형 챔버의 최대 부피 및 팽창 스테이지들의 수가 변경될 수 있을 것이다.
1 : 실린더 2 : 피스톤
3 : 커넥팅-로드 4 : 크랭크 핀
5 : 크랭크 샤프트 6 : 실린더 헤드
7 : 흡기 도관 8 : 배기 도관
9 : 흡기 밸브 10 : 배기 밸브
12 : 저장 탱크
3 : 커넥팅-로드 4 : 크랭크 핀
5 : 크랭크 샤프트 6 : 실린더 헤드
7 : 흡기 도관 8 : 배기 도관
9 : 흡기 밸브 10 : 배기 밸브
12 : 저장 탱크
Claims (13)
- 능동형 챔버를 갖춘 엔진으로서,
적어도 하나의 실린더(1)와, 상기 실린더(1) 내에 슬라이딩 가능하게 장착되고 그리고 통상적인 커넥팅 로드-크랭크 장치(3, 4)에 의해 크랭크샤프트(5)를 구동시키는 적어도 하나의 피스톤(2)을 포함하고,
상기 피스톤(2)에 의해 스위핑되는 상기 실린더(1)의 부피는 2개의 별개의 부분들 즉, 상기 실린더 내에 포함되는 능동형 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분 및 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분으로 분할되고,
상기 실린더(1)는 적어도 하나의 도관 및 적어도 하나의 흡기 오리피스(7)와 적어도 하나의 도관 및 적어도 하나의 배기 오리피스(8)를 포함하는 실린더 헤드(6)에 의해 실린더의 상부 부분에서 폐쇄되고,
상기 실린더는, 상기 피스톤(2)이 상사점에 있을 때, 상기 피스톤(2)과 실린더 헤드(6) 사이에 포함된 잔류 부피가 상기 피스톤과 실린더 헤드 사이의 접촉 없이 작동될 수 있게 하는 최소 갭으로 단지 감소되도록 구성되고,
압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스의 저장 탱크로부터 공급되는 압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스가 피스톤의 위에서 실린더(1) 내로 유입되고,
압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스를 연속적으로 추진시킴으로써 능동형 챔버(CA)의 부피가 증가되면서 작업을 생성하고,
상기 능동형 챔버(CA)의 최대 부피에 도달될 때 상기 압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스의 실린더 내로의 흡기가 차단되고,
후속적으로 상기 능동형 챔버 내에 포함된 압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스의 양이 팽창되어 작업을 생성하면서 피스톤의 행정의 제 2 부분에 걸쳐 피스톤을 후방으로 푸싱함으로써 팽창 단계를 보장하며,
상기 피스톤이 하사점에 도달되면, 피스톤의 전체 행정에 걸쳐 피스톤이 상승하는 동안 배기 단계를 보장하기 위해 배기 오리피스가 개방되는,
능동형 챔버를 갖춘 엔진에 있어서,
- 고압의 압축 공기 또는 임의의 다른 가압 가스의 저장 탱크(12)가 엔진 실린더(1)의 흡기를 직접 공급하고,
- 상기 실린더 내의 능동형 챔버(CA)는 각각의 엔진 회전시에 일정한 흡기 압력에서 충진되며, 상기 흡기 압력은, 저장 탱크(12) 내의 압력이 저장 탱크가 비워지는 동안 감소함에 따라, 감소되고,
- 상기 능동형 챔버(CA)의 최대 부피는 가변적이며, 상기 흡기 압력을 결정하는 저장 탱크(12) 내의 압력이 감소됨에 따라 점진적으로 증가되고,
- 상기 능동형 챔버(CA) 내로의 압축 공기의 흡기를 개방 및 차단하기 위한 수단(7, 9)이, 피스톤 행정의 상사점에서 흡기 오리피스 및 도관(7)을 개방시키도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 흡기의 지속 기간 및 흡기의 각도 섹터 중 적어도 하나와 개방부의 통로 섹션을 변경할 수 있으며,
- 상기 능동형 챔버(CA)의 최대 부피는 최대 저장 압력을 위해 치수가 결정되며, 흡기 압력에 따라 그리고 포함된 능동형 챔버(CA)와 팽창 챔버(CD) 사이의 부피의 비율에 따라 배기부(8)의 개방 이전에 팽창의 종료시의 압력이 대기 압력에 근접하도록 점진적으로 증가되는 것을 특징으로 하는,
능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제1항에 있어서, 상기 엔진은,
- 등압 및 등온 트랜스퍼와,
- 작업을 하는 폴리트로픽 팽창과,
- 대기압에서의 배기를 포함하는 3개의 단계를 갖는 열역학적 사이클에 따라 작동하는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제2항에 있어서, 실린더 크기가 증가되는 적어도 2개의 실린더(1; 1A)를 더 포함하고, 각각의 실린더는 상술된 원리와 동일한 원리에 따라 작동되며,
- 흡기 압력이, 흡기 압력의 값들의 상위 1/3에 상응하는 상위 범위에 있을 때, 최소의 실린더 크기를 갖는 실린더로만 공급되고,
- 흡기 압력이, 흡기 압력의 값들의 중간 1/3에 상응하는 중간 범위에 있을 때, 더 큰 실린더 크기를 갖는 제 2 실린더로만 공급되며,
- 흡기 압력이, 흡기 압력의 값들의 하위 1/3에 상응하는 하위 범위에 있을 때, 동시에 2개의 실린더로 공급되는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제3항에 있어서, 실린더 크기가 증가하는 상기 적어도 2개의 실린더를 포함하는 적어도 3개의 실린더를 더 포함함으로써, 상기 엔진의 적어도 3개의 실린더가 연속적으로, 공동으로 또는 조합되어 작동되어, 사용되는 전체 실린더 크기를 흡기 압력의 함수로서 더 미세하게 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 듀얼-에너지 적용예에서, 상기 저장 탱크(12)와 엔진의 흡기부 사이에 등압 재가열기를 형성하는 열적 장치가 배치되며,
상기 열적 장치는 일정한 압력에서 열적 장치를 통과하는 공기 또는 임의의 다른 가스의 온도를 상승시켜, 상기 압축 공기 또는 임의의 다른 가스의 온도 및 부피가 일정한 압력에서 상기 능동형 챔버(CA) 내로 도입되기 전에 증가됨으로써 유효한 가용 에너지의 양을 증가시켜, 부피의 증가에 비례하여 상기 엔진을 갖춘 기계의 범위(range)를 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제5항에 있어서, 듀얼-에너지 적용예에서, 등압 재가열기를 형성하는 열적 장치는 등압 재가열기를 형성하는 열적 장치 내에 초점이 맞춰진 태양열 접시를 포함하며,
상기 태양열 접시는 압축 공기 또는 임의의 다른 가스의 온도를 상승시켜, 상기 압축 공기 또는 임의의 다른 가스의 온도 및 부피가 일정한 압력에서 상기 능동형 챔버(CA) 내로 도입되기 전에 증가됨으로써 유효한 가용 에너지의 양을 증가시켜, 상기 기계의 범위를 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제5항에 있어서, 열역학적 사이클은,
- 등압적 온도 상승과,
- 등온 트랜스퍼와,
- 작업을 하는 폴리트로픽 팽창과,
- 대기압에서의 배기를 포함하는 4개의 단계를 갖는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제5항에 있어서, 독립형 듀얼-에너지 적용예에서, 상기 엔진은 공기 압축기(19)와 커플링되어 상기 공기 압축기(19)를 구동시키며,
상기 공기 압축기는, 추가적인 에너지를 이용하여 작동되는 동안, 압축 공기 또는 임의의 다른 가스를 고압 저장 탱크(12)에 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제8항에 있어서, 상기 공기 압축기의 출력부에서의 고압 및 고온의 압축 공기 또는 임의의 다른 가스가 저장 탱크 내에서 주위 온도에 근접한 온도로 복귀되도록, 상기 공기 압축기(19)와 저장 탱크(12) 사이에 배치되는 열 교환기, 즉 공기/공기 열 교환기 또는 다른 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진.
- 제9항에 있어서, 열역학적 사이클은,
- 주위/대기 공기의 폴리트로픽 압축과,
- 저장을 위한 주위/대기 온도로의 냉각과,
- 등압적 온도 증가와,
- 등압/등온 트랜스퍼와,
- 작업을 하는 폴리트로픽 팽창과,
- 대기압에서의 배기를 포함하는 6개의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진의 토크 및 속도는 가속장치에 의해 구동되는 장치에 의해 제어되고,
상기 가속장치에 의해 구동되는 장치는, 압축 공기 또는 임의의 다른 가스를 능동형 챔버(CA)에 공급하는 흡기 도관(7)을 개방/폐쇄하기 위한 수단(9)의 개방 및 폐쇄를 제어하여, 상사점에서 개방/폐쇄 수단을 개방시킬 수 있으며, 개방/폐쇄 수단(9)을 폐쇄시킴으로써 상기 저장 탱크(12) 내의 압력, 유입된 압축 공기 또는 임의의 다른 가스의 양, 능동형 챔버(CA)의 부피의 함수로서 팽창의 종료시의 압력을 결정하기 위해 흡기의 지속 기간 및 흡기의 각도 섹터 중 적어도 하나와 개방부의 통로 섹션을 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진. - 제5항에 있어서, 추가적인 에너지를 이용하는 듀얼-에너지 모드에서의 작동 중에, 상기 엔진은 상기 능동형 챔버(CA) 내로 도입된 압축 공기 또는 임의의 다른 가스의 압력의 함수로서 그리고 상기 함수에 따른 공기 또는 임의의 다른 가스의 중량의 함수로서, 추가된 에너지의 양을 제어하는 전자 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진은 독립적으로 또는 조합되어 이용될 수 있는 3가지 모드에 따라 작동되고,
상기 3가지 모드는,
- 사전에 압축되어 고압의 저장 탱크 내에 수용된 공기 또는 임의의 다른 가스를 이용하는, 단일-에너지 제로-오염 작동 모드와,
- 사전에 압축되어 저장 탱크 내에 수용된 공기 또는 임의의 다른 가스와, 재가열기를 형성하는 열적 장치에 의해 추가된 추가적인 에너지를 이용하는, 듀얼-에너지 작동 모드와,
- 엔진에 의해 구동되는 압축기를 이용하여 저장 탱크 내에 압축된 공기 또는 임의의 다른 가스와, 재가열기를 형성하는 열적 장치에 의해 추가된 추가적인 에너지를 이용하는, 독립형 듀얼-에너지 작동 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 능동형 챔버를 갖춘 엔진.
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