KR101850481B1

KR101850481B1 - 2단 엔진 배기 장치를 갖는 왕복 내연 엔진

Info

Publication number: KR101850481B1
Application number: KR1020127023058A
Authority: KR
Inventors: 저스틴 거드전
Original assignee: 호치키스 슈퍼 델틱 리미티드
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2018-05-31
Also published as: KR20130021355A; AU2011212150B2; US20120306207A1; EP2531708B1; EP2531708A1; US9010301B2; WO2011095879A1; AU2011212150A1

Abstract

하나 이상의 피스톤과 하나 이상의 배기 포트를 각각 갖는 하나 이상의 실린더를 구비한 왕복 내연 엔진용 2단 배기 장치는, 각 실린더에 제1단 제트 포트를 포함하고, 상기 제트 포트는 배기 포트를 개방하기 전에 고압 모터로 고압 배기 가스를 방출하기 위하여 개방되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

2단 엔진 배기 장치를 갖는 왕복 내연 엔진{RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH TWO-STAGE EXHAUST SYSTEM}

본 발명은 왕복 내연 엔진에 관한 것으로서, 더 상세하게는 그 엔진의 배기 사이클 및 장치에 관한 것이다.

통상의 왕복 내연(RIC) 엔진에서는, 무화된 액체 연료와 공기가 포트 또는 밸브를 통하여 실린더 내부로 들어가고, 실린더 내의 피스톤이 일 행정 운동을 하는 동안 연료/공기 혼합물이 빠르게 착화 및 연소된다. 이는 엔진 크랭크축의 1/2 회전을 발생시키며 이를 통상 "동력 행정"이라고 부른다. 도 1a는 이러한 엔진 행정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 통상적인 가솔린 RIC 엔진에서는 연료/공기 혼합물이 불꽃으로 점화되고, 디젤 엔진에서는 상기 혼합물의 압축이 충분히 높아지면 불꽃의 도움 없이 착화가 일어난다.

연소 가스의 압력에 의해 이루어지는 실린더 내에서의 피스톤의 행정 또는 "스트로크"는 크랭크축의 회전 한계에서 끝난다. 피스톤이 행정의 "하사점(BDC; bottom dead center)"이라고 부르는 실린더 내에서의 그의 동작 최저 위치에 도달하면, 고압축된 가스는 크랭크축의 회전에 동기하여 개방되는 밸브 또는 포트를 통하여 대기로 방출된다. 이러한 크랭크축의 1/2 회전은 통상 "배기 행정"이라고 부른다. 도 1b는 이러한 엔진 행정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

통상적인 RIC 엔진은 연료의 화학적 위치 에너지를 기계적 에너지 및 열로 변환시킨다. 생성된 열 에너지의 대부분은 연소실로부터 대기중으로 방출되는 배기 가스에 포함되어 대기로 손실된다. 방출 지점에서, 연소(배기) 가스는 매우 뜨겁고 고압이므로, 많은 에너지를 포함하고 있다.

상술한 바와 같이, 통상적인 RIC 엔진은 연소실로부터 대기중으로의 배기 가스의 방해되지 않는 통로를 포함하다. 배기 가스의 자유로운 방출에 어떠한 제한이 가해지면, 방출 지점에서의 가스의 신속한 팽창, 압력 및 열의 손실, 배기 가스의 열/압력 에너지의 큰 손실에서 기인하는 엔진의 효율적 기능이 손상된다.

배기 행정의 끝에서, 피스톤이 실린더의 상단으로 이동하면, 배기 가스에 포함된 모든 에너지는 대기중으로 버려지게 되어 손실된다. 여기에 개시된 본 발명의 2단 배기 장치는 배기 가스가 실린더에서 2단으로 배출되도록 하는 수단을 도입함으로써 이러한 비경제적인 에너지 손실을 피하게 한다. 제1단은 고압 가스를 기계적 모터로 우회시켜, 고압 가스가 기계적 모터의 구동력(에너지원)으로 사용될 수 있게 한다. 본 발명에 따른 배기 장치의 제2단은 잔류된 배기 가스의 자유로운 흐름이 정상적인 방식으로 엔진으로부터 배출되도록 한다.

통상의 RIC 엔진의 배기 매니폴드에 연결되는 통상적으로 사용되는 터빈/압축기(터보과급기(turbocharger))는 가스 흐름을 제한하지 않으면서 잔류 배기 에너지를 획득하도록 설계된다. 이러한 터빈은 고속 가스의 유동 방향을 바꾸며, 감소된 동적 에너지를 가지는 가스 유동을 남기는 결과 반응이 터빈의 회전 증대이다. 이러한 장치에서는, 터빈 로터 블레이드에서 약간의 압력 변화가 생기며, 이는 대략 5% 미만의 배기 에너지가 재생됨을 의미한다. 본 발명은 이러한 한계를 극복하기 위한 것이다.

본 발명의 2단 배기 장치는 하나의 소스의 연료 투입으로부터 2개 소스의 동력 출력을 생성한다. 통상의 RIC 엔진은 연료 투입으로부터 오직 하나의 소스의 동력 출력, 즉 엔진 크랭크에서 생성되는 회전력을 생성할 뿐이다. 이는 심지어 소위 하이브리드 RIC 엔진에서도 마찬가지인데, 이러한 엔진으로부터의 동력 출력도 플라이휠에서만 생성되기 때문이다. 이러한 점에서, 이러한 엔진은 하이브리드 엔진이 아니라 단지 하이브리드 파워트레인을 구동하는 엔진일 뿐이다.

본 발명의 2단 배기 장치를 구비하는 엔진은 진정한 하이브리드 엔진이다. 이는 추가 연료를 사용하지 않고, 크랭크축에서 생성되는 통상적인 기계적 동력에 더하여 제1단 배기 가스로부터 생성되는 전기적 동력을 포함하는 2개의 독립된 동력 출력을 생성한다. 이러한 2개의 동력 출력은 상호 기생하는 것이 아니다. 크랭크축에서 생성되는 기계적 동력은 제1단 배기로부터 생성되는 전기적 동력에 의해 감소되지 않는다. 이는 2단 배기 엔진의 동력출력의 명백한 순증가를 의미한다.

모든 형태의 생성 에너지를 포함하는 RIC 엔진의 총 에너지 출력은 실린더 내에서의 연료의 완전한 연소를 가정할 때 소비되는 액체 연료에 포함된 열에너지의 100%이다. 그러나 오늘날 RIC 효율의 최적 모델은 이 열 에너지의 50% 이상을 기계적 에너지로 변환시킬 수 없고, 나머지는 손실된다. 왕복 내연 엔진에 본 발명의 2단 배기 장치를 사용하면, 통상적인 배기 밸브 시스템을 가지는 통상의 엔진에서는 대기중으로 손실되는 한정된 연료/공기 연소에 의해 생성되는 큰 가스 압력을 포획하는 본 발명의 장치의 능력 때문에, RIC 엔진의 전체 기계적 출력을 대략 40% 또는 그 이상까지 증가시킬 수 있다.

본 발명의 2단 배기 장치는 "사용한" 연소 가스에 포함된 고압 에너지가, 고압 가스를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 모터로 고에너지 연소 가스의 일부를 보내는 독특한 "제트 포트" 또는 "제트 밸브"를 통하여, 기계적 에너지로 더 변환될 수 있도록 함으로써 배기 가스에서의 에너지 손실을 많이 감소시킨다. 본 발명의 2단 배기 시스템은 RIC 엔진의 적합하고 정확한 운전을 방해하는 연소 "배압(back-pressures)"을 생성하지 않으면서 RIC 엔진이 정상적 그리고 효율적으로 기능하게 한다. 아울러, 2단 배기 장치는 RIC 엔진의 설계를 원동기의 새롭고 더 효율적인 수준으로 진화시킨다.

본 발명의 2단 배기 장치의 하나의 목적은 RIC 엔진의 정상 작동으로부터 소모되는 에너지를 재생하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 배기 장치의 다른 목적은 통상적인 터보차저 시스템보다 더 많은 에너지를 RIC 엔진으로부터 재생하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기적 에너지를 생성하는 배기 에너지 재생 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다양한 방식의 RIC 엔진에 적용할 수 있는 배기 에너지 재생 개념을 제공하는 것이다.

본 발명의 배기 장치의 또 다른 목적은 저속에서 높은 토크를 발생시키는 터빈을 구동할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 교류발전기를 구동하기 위하여 기어박스를 필요로 하지 않는 터빈에 사용할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 2단 배기 장치의 또 다른 목적은 RIC 엔진 피스톤이 그의 배기 행정 시작점에서 상승할 때 피스톤에 가해지는 펌핑 부하를 줄일 수 있는 배기 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 RIC 엔진의 각 배기 행정의 초기 부분동안 발생하는 소음을 줄일 수 있는 배기 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 RIC 엔진의 통상적인 배기 포트를 통한 배기 가스의 최종 배출 온도를 낮추는 배기 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상술한 그리고 다른 목적들은 이하의 상세한 설명과 도면으로부터 명확해질 것이다.

본 발명은 적어도 하나의 피스톤과 적어도 하나의 배기 포트를 갖는 하나 이상의 실린더를 구비한 왕복 내연 장치용 2단 배기 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 각 실린더에 제1단 제트 포트를 포함하고, 상기 제트 포트는 배기 포트를 개방하기 전에 고압 모터로 고압 배기 가스를 방출하기 위해 개방되도록 구성된다.

본 발명의 장치의 바람직한 실시예에서, 상기 고압 모터는 고압 터빈이다. 상기 고압 터빈은 (1) (a) 원통형 내부 표면, (b) 실질적으로 내부 표면에 접하고 상기 내부 표면에서 종결되도록 정렬된 제트 포트에 의해 형성된 터빈 입구 도관 및 (c) 상기 내부 표면으로부터 단면이 확대되는 터빈 배출구를 포함하는 케이스, 및 (2) 두 개의 측벽과 상기 내부 표면과 회전 가능하게 결합되는 주변 표면을 구비하는 원통형 로터를 포함하고, 상기 측 벽들과 주변 표면은 상기 로터에 복수의 각이 진 챔버들을 형성한다. 상기 주변 표면과 상기 챔버들은 원주 방향으로 이격된 복수의 챔버 개구와 상기 주변 표면에 챔버 사이의 랜드들을 한정한다. 각 랜드는 상기 터빈 배출구를 폐쇄하도록 구성되고, 각 챔버는 폐쇄 하부를 구비하며, 각 챔버와 상기 터빈 배출구가 통하는 경우 축소확대 노즐을 형성하도록 상기 챔버 개구 쪽으로 점차 작아지는 단면을 갖는다. 바람직하게는, 상기 점차 작아지는 단면은 다수의 챔버의 깊이를 따라서 상기 챔버 개구 쪽으로 연장된다.

더욱 바람직한 실시예에서, 상기 터빈 배출구는 대기압으로 배기한다.

어떠한 매우 바람직한 실시예들은 고압 모터에 의해 구동되는 전기 교류 발전기를 포함하고, 그에 따라 상기 엔진은 전기적 동력 출력을 생성한다.

본 발명의 2단 배기 장치의 어떤 실시예들에서, 상기 왕복 내연 엔진은 4 행정 엔진이다. 그리고 이러한 실시예들 중 일부에서, 상기 제트 포트는 밸브에 의해 제어된다.

본 발명의 2단 배기 장치의 어떤 실시예들에서, 상기 왕복 내연 엔진은 2 행정 엔진이다.

본 발명의 2단 배기 장치의 어떤 실시예들에서, 상기 왕복 내연 엔진은 보충적-대향-피스톤 엔진이다.

"각이 진(angled)"이란 용어는 여기서 터빈 로터 내에 형성된 챔버들의 방향을 설명하기 위해 사용되었다. 여기서 설명된 터빈에서, 고압 가스는 왕복 내연 엔진의 실린더로부터 순차적으로 터빈 로터의 챔버로 제트 포트를 통하여 흘러들어 간다. 각 챔버의 방향은 원하는 (이상적인) 부피를 각각 갖는 원하는 수의 챔버들이 로터 둘레에 형성되도록 상기 로터의 주변 표면에서 개방되고, 제트 포트 밖으로 흘러나오는 가스가 가능한 로터의 반경에 수직하게 폐쇄됨으로써 충돌하도록 제트 포트를 통하여 가능한 많이 흘러나오도록 정렬된다. 원하는 또는 이상적인 부피의 각 챔버는 다음의 고려 사항으로부터 결정된다. 각 챔버의 부피가 너무 큰 경우, 챔버로 흘러들어가는 가스는 초과 팽창에 의하여 많은 에너지가 손실될 것이다. 각 챔버의 부피가 너무 작은 경우, 불충분한 양의 가스가 챔버로 들어갈 것이고, 그에 따라 제트 포트의 흐름으로부터 충분한 에너지를 추출하는 데에 실패하고, 제트 포트에서 잔여 고압 가스가 실린더로 다시 흘러들어오거나 "바운스(bounce)"되어, 다시 터빈 로터에 의해 수집되는 에너지의 양을 줄이게 된다. 따라서, 각 챔버의 원하는 부피는 각 실린더의 배기량에 직접적으로 의존하는 이상적인 부피이다.

"측 벽들"이란 용어는 여기서 로터 주변 표면에서 개방되는 터빈 로터 내의 챔버들의 형성에 기여하는 터빈 로터의 구조의 부분들을 설명하기 위하여 사용되었다. 이러한 측 벽들은 또한 로터의 일체형 부품, 그 생산 중에 로터에 부가된 부품들 또는 그 측면들에 의해 폐쇄되는 로터에서 챔버들의 형성에 동등하게 기여하는 터빈 케이스의 기능적으로 등가인 부품들로서 형성될 수 있다는 것을 이해해야만 한다.

도 1a 및 도 1b는 (종래기술에 따른) 통상적인 RIC 엔진의 동력 행정과 배기 행정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 실린더의 벽에 형성된 제트 포트를 갖는 4 행정 디젤 RIC 엔진의 작동을 설명하는 실린더 내의 4 가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 실린더의 상부에 형성된 제트 포트를 갖고 밸브에 의해서 제어되는 4행정 디젤 또는 가스 RIC 엔진의 작동을 설명하는 실린더 내의 4 가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 실린더의 측면에 형성된 제트 포트를 갖고 밸브에 의해서 제어되는 4행정 디젤 또는 가스 RIC 엔진의 선택적인 실시예의 작동을 설명하는 실린더 내의 3 가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 실린더의 벽에 형성된 제트 포트를 갖는 2 행정 디젤 RIC 엔진의 작동을 설명하는 실린더 내의 4가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 실린더의 벽에 형성된 제트 포트를 갖는 수퍼 델타 RIC 엔진을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 수퍼 델타 RIC 엔진의 작동을 설명하는 실린더 내의 4 가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 본 발명의 2단 배기 장치의 일부인 로터와 터빈의 케이스를 나타내는 분해 사시도이다.
도 9a는 도 8의 로터의 부분들을 나타내는 분해 사시도이다.
도 9b는 도 8의 터빈을 나타내는 부분 단면도이다.
도 10은 RIC 엔진의 피스톤과 실린더의 부분들을 나타내고, 도 8의 터빈의 케이스와 로터의 부분들을 도시하는 분해 사시 단면도이다.
도 11은 교류 발전기를 구동시키는 공통축을 함께 구동시키고 본 발명의 배기 장치의 제1단으로 구동되는 각각의 터빈을 갖는, RIC 엔진의 4개의 실린더를 나타내는 사시도이다.

도 1a 및 도 1b는 (종래 기술에 따른) 통상적인 RIC 엔진의 동력 행정과 배기 행정을 개략적으로 나타내는 도면들이다. RIC 엔진 작동의 기본 원리의 개략적인 설명이 이러한 두 개의 도면에서 도시되어 있고, 본 발명의 2단 배기 장치의 작동을 이해하는 데에 도움이 될 것이다. 도 1a는 하나의 피스톤 내의 동력 행정과 RIC 엔진의 실린더 장치(10)를 나타낸다. 피스톤(4)은 흡입 밸브(16)에 의해서 제어되는 흡입부(20)를 통하여 실린더(2)로 도입되는 연료/공기 혼합물이 점화된 가스(12)의 팽창에 의해 구동되어 실린더(2) 내에서 위와 아래로 움직인다. 연료/공기 혼합물은 점화 플러그(14)에 의하여 점화되어 가스가 빠르게 팽창하게 하여, 실린더(2)에서 피스톤(4)을 아래로 이동시키며 연결 로드(9)를 통하여 크랭크축(6)과 플라이휠(8)을 구동시킨다.

도 1b는 도 1a의 장치의 배기 행정을 나타낸다. 플라이휠의 역학적 에너지는 피스톤(4)을 실린더(2)에서 위로 이동시키며, 동시에 배기 밸브(18)를 개방하여, 배기 가스(12)가 저압의 배기 흐름(24)으로 배기 매니폴드(22)를 통하여 실린더(2)를 빠져나가게 한다.

상술한 바와 같이, 동력 행정의 마지막에서 실린더(2)의 고온, 고압 가스에 저장된 상당한 양의 열 에너지와 역학적 에너지가 이러한 평범한 RIC 엔진 작동에서 대기중으로 손실된다.

본 발명의 2단 배기 장치는 RIC 엔진 내에서 생성되는 연소 가스들이 2 단계로 적용되는 장치이다. 제1단에서는 최대 연소 압력으로 그 구동력(에너지원)으로서 고압 가스를 필요로 하는 모든 종류의 기계적 모터를 구동시키고, 제2단에서는 보통의 방법으로 잔여 배기 가스가 엔진을 빠져나가 자유로운 흐름을 형성하게 한다.

제1 배기 단계에서, 실린더 내의 연소 가스는 팽창하여 그 행정의 한계(하사점(BDC))까지 피스톤에 힘을 가한다. 사이클 동안에, 압축된 가스의 강력한 "제트(jet)"가 도관으로 우회되어 어떤 종류의 고압 모터도 구동시키도록 밸브 또는 포트가 개방된다. 제2 배기 단계는 4 행정 사이클에서 (피스톤이 아직 하사점(BDC)에 있는 상태에서) 복귀 행정과 함께 시작한다. 피스톤은 상사점(TDC; top dead center) 쪽으로 진행하면서 배기 포트를 통하여 잔여 연소 가스가 배출하도록 힘을 가한다. 2 행정 엔진에서, 다음 동력 행정을 위해 가스의 유입하여 배기 포트를 통하여 잔여 배기 가스에 힘을 가하는 상태에서 제2 배기 단계는 동력 행정의 마지막에 일어난다.

도 2는 실린더의 벽에 형성된 제트 포트를 갖는 4 행정 디젤 RIC 엔진의 작동을 나타내는 실린더 내의 피스톤의 4가지 위치들((a) 내지 (d))을 개략적으로 나타내는 도면이다. (도면 부호 '30'은 실린더(30)의 벽을 지시하며) 실린더(30)는 피스톤 링(40)을 갖는 피스톤(32), 흡입 밸브(34), 배기 밸브(36) 및 제트 포트(38)를 구비한다. 위치(a)는 실린더(30)에 새롭게 충전된 연료/기체 혼합물로 채워지는 도입 행정의 마지막의 피스톤의 위치를 나타낸다. 기체는 흡입 밸브(34)를 통하여 실린더(30)로 흘러가고, 연료는 연료 인젝터(도 2에 미도시)에 의하여 실린더(30)로 주입된다.

도 2의 위치(b)는 피스톤(32)을 아래로 구동킬 수 있는 지점으로 연료/공기 혼합물이 압축되는 압축 행정의 마지막을 나타낸다. 위치(c)는 제트 포트(38)가 고압 배기 가스를 직접, 예를 들면 전기적 발전 장치 또는 다른 에너지 전환 장치(도 2에 미도시)로 보내는 동력 행정의 마지막(하사점(BDC)에 대하여)에서의 피스톤의 위치를 나타낸다. 제트 포트(38)는 단순히 실린더(30) 내의 피스톤(32)의 위치와 제트 포트(38) 그 자체의 위치에 따라서 폐쇄되거나 개방된다. 제트 포트(38)는 배기 행정에서 제1단의 고압 배기 가스를 수집하기 원하는 위치에 따라서 많은 다른 위치들에 실린더를 따라서 배치될 수 있다.

도 2의 위치(d)는 제트 포트(38)가 이제 폐쇄되고 2단 배기의 제2단이 시작하는 하사점(BDC) 다음의 (하사점(BDC) 다음에 대략 2-3 도(degree)인) 피스톤의 위치를 나타낸다. 배기 밸브(36)는 실린더(30)로부터 잔여 배기 가스의 자유로운 흐름을 허용하도록 개방된다.

도 3은 제트 포트가 실린더의 상부에 형성되고 밸브에 의해서 제어되는 4 행정 디젤 또는 가스 RIC 엔진의 작동을 설명하는 실린더 내의 4 가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2에서 제트 포트(38)는 실린더(30)의 상부의 (밸브에 의해 제어되는 제트 포트인) 제트 포트 밸브(42)로 대체될 수 있다. 제트 포트 밸브(42)를 구비한 디젤 실시예에서 연료는 연료 인젝터(도 3에 미도시)를 통하여 실린더(30)로 도입되고, 제트 포트 밸브(42)를 구비한 가스-연료 실시예에서 연료는 연료 인젝터(도 3에 미도시)를 통하여 또는 흡입 밸브(34)를 통하여 기화기에 의하여 실린더(30)로 도입된다.

도 3의 위치(a)는 실린더(30)가 새로운 연료/기체 혼합물의 충전으로 채워지는 도입 행정의 마지막에서의 피스톤의 위치를 나타낸다. 기체는 흡입 밸브(34)를 통하여 실린더(30)로 흘러들어가고, 연료는 상술한 바와 같이 도입된다.

도 3의 위치(b)는 연료/공기 혼합물이 점화되어 피스톤(32)을 아래로 이동시킬 수 있는 지점까지 압축되는 압축 행정의 마지막에서의 피스톤의 위치를 나타낸다. 위치(c)는 제트 포트 밸브(42)가 고압 배기 가스를 직접, 예를 들면 전기적 발전 장치 또는 다른 에너지 전환 장치(도 3에 미도시)로 보내는 동력 행정의 마지막에서의 (하사점(BDC) 이전의 대략 2-3 도에서의) 피스톤의 위치를 나타낸다. 이 위치 다음에 배기 행정 즉시 이어지고, 마지막에 가까운 지점은 도 3의 위치(d)에 도시된다. 배기 밸브(36)가 개방되고, 잔여 배기 가스가 실린더(30)에서 방출되도록 잔여 배기 가스의 자유로운 흐름을 허용한다.

도 4는 선택적인 실시예의 4 행정 디젤 또는 가스 RIC 엔진의 작동을 설명하는 실린더 내의 3 가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다. 이 실시예는 도 3의 실시예와 유사하나 실린더(30)의 측면에 배치된 제트 포트 밸브(42)를 갖는다. 위치(a)는 압축 행정의 마지막에서의 피스톤의 위치를 나타낸다. 위치(b)는 (하사점(BDC) 이전에 대략 2-3 도인) 배기 행정의 시작에서의 피스톤의 위치를 나타내며, 배기 장치의 제1단은 고압 배기 가스를 에너지 전환 장치(미도시)로 보내도록 제트 포트(42)를 개방한 상태에서 작동한다. 도 3의 위치(c)는 (하사점(BDC) 다음의 대략 2-3 도인) 배기 장치의 제2단 작동의 시작에서 피스톤의 위치(b)의 바로 다음의 피스톤의 위치를 나타내며, 상기 위치에서 배기 밸브(36)는 잔여 배기 가스가 실린더(30)에서 방출되도록 잔여 배기 가스의 자유로운 흐름을 허용하도록 개방된다.

도 5는 본 발명의 2단 배기 장치의 또 다른 실시예를 나타내고, 실린더의 벽에 형성된 제트 포트를 갖는 2 행정 디젤 RIC 엔진의 작동을 설명하는 실린더 내의 4 가지 피스톤의 위치들을 도시한다. (도면 부호 '50'은 실린더(50)의 벽을 지칭하고) 실린더(50)는 피스톤(52), 기체 흡입 밸브(54) 및 가압된 기체 흡입 매니폴드(58), 배기 포트(62), 연료 인젝터(56) 및 제트 포트(60)를 구비한다. 도 5의 위치(a)는 동력 행정의 시작에서 피스톤의 위치를 나타낸다. 연료/공기 혼합물은 실린더(50)에서 압축되고 피스톤(52)을 아래로 구동시키도록 점화된다. 위치(b)는 단계화된 배기 장치의 제1단 작동의 시작에서 하사점(BDC) 이전에 5-10 도의 피스톤의 위치를 나타낸다. 제트 포트(60)는 개방되고(덮이지 않고), 고압 배기 가스를 에너지 전환 장치(미도시)로 보낸다.

도 5의 위치(c)는 배기 포트(62)가 개방되는(덮이지 않는) 하사점(BDC)에서 또는 하사점(BDC)에 매우 가까운 피스톤의 위치를 나타낸다. 위치(d)는 위치(c) 바로 다음에 이어지고, 흡입 밸브(54)의 개방으로 실린더(50)로 기체의 강제 흐름을 형성하는 것을 나타내며, 상기 위치(d)에서 배기 포트(62)를 통하여 실린더(50)의 잔여 배기 가스를 퍼지(purge)하고(제2단 배기 장치 작동), 실린더(50)에 새로운 기체의 충전을 제공한다.

본 발명의 2단 배기 장치의 하나의 실질적이고 효율적인 실시예에서는 수퍼 델타(Super Deltic) 엔진을 갖는다. 수퍼 델타 엔진은 2 행정, 보충적-대향-피스톤(complementally-opposed-piston) RIC 디젤 엔진이고, 상기 엔진에서 단일 사이클은 (크랭크축의 각 회전은) 하나의 동력 행정과 하나의 배기 행정을 제공한다.

도 6은 실린더의 벽에 형성된 제트 포트를 갖는 수퍼 델타 RIC 엔진을 개략적으로 나타내는 도면이다. 수퍼 델타 엔진(70)은 실린더 벽(72)을 갖는 실린더(71), 실린더(71) 내에서 서로 대향하게 배치된 좌측 피스톤(74L)과 우측 피스톤(74R), 가압되는 기체 흡입 매니폴드(76) 및 기체 흡입 포트(78)들(도 6에는 하나가 도시됨), 연료 인젝터(98), 배기 포트(96)들(도 6에는 하나가 도시됨) 및 제트 포트(80)를 포함한다. 기계적 동력은 4 개의 결합부(90)를 통하여 두 개의 연결로드(94)들로 전달되어 크랭크축(92)을 구동시킨다. 2단 배기 장치는 고압 터빈(100), 배기 방출 매니폴드(86) 및 배기 파이프(88)를 포함한다. 제트 포트(80)는 엔진 블록(83)의 일 부분을 통과하여 지나가는 도관이다.

도 7은 2단 배기 장치를 갖는 수퍼 델타 엔진의 작동을 설명하는 데에 도움이 되는 도면이다. 도 7은 도 6의 수퍼 델타 RIC 엔진의 실린더 내의 4 가지 피스톤의 위치들을 개략적으로 나타내는 도면이다. 위치(a)는 피스톤 행정의 상사점(TDC)에서 피스톤의 위치들을 나타낸다. 연료/기체 혼합물은 완전히 압축되어 점화되도록 준비된다. (연료 인젝터(98)는 도면에서 위치(d)에만 도시되어 있다는 것을 상기하자.) 위치(b)는 하사점(BDC)과 등가인 중심 위치 이전의 몇 도(대략 5-10도)에서의 피스톤의 위치들을 나타내고, 상기 위치에서 제트 포트(80)는 개방되어(덮이지 않고) 고압 배기 가스를 터빈(100) 또는 다른 에너지 회수 장치로 보낸다. 위치(b)는 2단 배기 장치의 제1단의 작동을 나타낸다. 피스톤들(74L, 76R)은 모두 동력 행정 동안에 구동되고 크랭크축(92)으로 역학적 에너지를 제공한다.

도 7의 위치(c)는 등가 하사점(BDC) 위치의 바로 이전인 (하사점(BDC) 이전의 2-3도인) 피스톤의 위치들을 나타낸다. 이 위치의 사이클에서, 배기 장치의 제2단으로 작동하기 시작한다. 배기 포트(96)들은 실린더(71)로부터 잔여 배기 가스의 흐름이 시작되도록 개방(덮이지 않게)된다. 위치(d)는 피스톤의 움직임에 등가 하사점(BDC) 위치에서의 피스톤의 위치들을 나타낸다. 기체 흡입 포트(78)가 개방되어(덮이지 않게 되어) 실린더(71)에 다음의 연료/공기 혼합물의 충전을 시작하도록 실린더(71)로 기체의 가압된 흐름을 형성한다. 연료는 기체가 실린더(71)를 채운 뒤에 연료 인젝터(98)를 통하여 도입된다.

도 8은 본 발명의 2단 배기 장치의 일부인 터빈(100)의 케이스 및 로터를 나타내는 분해 사시도이다. 터빈(100)은 터빈 케이스(101) 내에서 축(미도시) 상에서 회전하는 원통형 로터(102)를 포함한다. 케이스(101)는 도 8의 분해도에서 2 개의 부품들로 도시되었다. 케이스(101)는 로터(102)의 주변 표면(117)에 회전 가능하게 결합되는 내부 표면(119)을 포함한다. 로터(102)는 로터의 대향하는 측면들에 2 개의 측 벽(103)들을 포함한다. 주변 표면(117)과 측 벽(103)들은 로터(102)에서 복수의 각이 진 챔버(104)들을 형성한다. 주변 표면(117)과 챔버(104)들은 원주 방향으로 이격된 복수의 챔버 개구(107)와 주변 표면(117)에 챔버 사이의 랜드(land)(109)를 한정한다. 각각의 랜드(109)가 출구(108)에 대한 위치에 있는 경우 터빈 배출구(108)를 폐쇄하도록 형성된다. 출구(108)는 도 8에 두 개의 부품들로 도시되고 있으며, 출구(108)의 일부는 터빈 케이스(101)의 두 개의 부품과 일체형으로 형성된다.

각 챔버(104)는 폐쇄 하부(106)를 구비하고, 챔버(104)는 챔버(104)와 터빈 배출구(108)가 통해 있는 상태에서 축소확대 노즐(converging-diverging nozzle)을 형성하도록(추가 설명은 도 9b 참조) 챔버 개구(107) 쪽으로 점차 작아지는 단면을 갖는다.

도 9a는 로터(102)를 더욱 자세하게 나타내고, 도 8의 로터의 부분들을 나타내는 분해 사시도이다.

도 9b는 도 8의 터빈의 부분 단면도이다. 선(130)은 그 가장 넓은 지점에서 챔버(104)를 가로지르는 것으로 도시된 것이고, 선(132)은 선(130)에 대하여 수직이고, 챔버 개구(107) 쪽으로 연장되는 점차 작아지는 단면이 챔버 개구(107)에서 챔버 하부(106)까지, 전체적인 챔버의 깊이에 대하여 상대적인 길이의 선(132)으로 도시되어 있는 다수의 챔버 깊이를 따라서 연장되는 것을 나타낸다. (도면 부호 '107'은 단순히 도면 부호가 복잡해지는 것을 막기 위해 도 9b에 있지 않음. 도 8 참조) 또한, 도 9b는 챔버(104)와 배출구(108)가 로터(102)의 위치로 인하여 서로 통해 있는 경우 챔버(104)와 배출구(108)가 축소확대 노즐을 형성하는 것을 나타낸다. 챔버(104)를 빠져나가는 흐름은 챔버 개구(107) 쪽으로 챔버(104)의 축소 부분을 통하여 흘러나간다(도 8 참조). 배출구(108)는 챔버(104)로부터 흐름의 방향을 따라서 확대된다. 축소확대 노즐의 목은 내부 표면(119)에 배출구(108)의 상부 에지(112)에 의해 형성되고, 챔버 개구(107)의 하부 에지(111)는 챔버 개구(107)와 같이 배출구(108)를 지나 이동한다(도 8 참조).

챔버(104)로 흘러들어가고 나오는 흐름에 의한 충격력 및 반동력은 실질적으로 로터(102)의 반경에 수직한다. 제트 포트(80)에 대한 챔버(104)들의 기하학적 관계는 거의 일정하며, 따라서 챔버(104)로 들어가는 가스에 의한 충격력은 로터(102)의 축에 대해 거의 직각이고, 이러한 흐름으로부터 가능한 토크의 최대량을 생성한다. 로터(102)의 위치에 상관없이, 배출구(108)를 통하여 챔버(104)를 빠져나가는 고압 가스는 로터(102)에 추가적인 반작용을 형성하고, 또한 로터(102)의 축에 대해 거의 직각이 된다.

도 9b를 참조하면, 제트 포트(80)는 실질적으로 내부 표면(119)에 접한다. 케이스(101)의 내부 표면(119)과 로터(102)의 주변 표면(117)은 로터(102)가 (도시된 방향으로) 자유롭게 회전할 수 있도록 회전 가능하게 결합되어 있다. 표면(119, 117)들 사이의 가스-베어링 밀봉을 형성하는 작은 간극으로부터 밀봉이 이루어진다. 배출구(108)의 하부 에지(113)는 로터(102)가 회전하는 경우 배출구(108)와 통하는 챔버(104)와 다음 챔버(104) 사이에 좁은 밀봉를 제공한다.

도 10은 도 8의 터빈의 케이스와 로터의 부분들을 나타내는 분해 사시도이고, RIC 엔진의 실린더와 피스톤의 부분들을 나타낸다.

도 11은 RIC 엔진의 4 개의 실린더(114)를 나타내는 사시도이고, 각각은 그에 대한 터빈(100)을 갖고 본 발명의 배기 장치의 1단으로 구동되며, 함께 교류 발전기(120)를 구동시키는 공통축(122)을 구동시킨다. 교류 발전기(120)는 4 개의 터빈(100)에 의해 구동되며, 상기 터빈(100)의 로터(102)들은 축(122) 상에 설치된다. 배기 파이프(124)는 실린더(114)들로부터 멀리 배기 가스를 이동시킨다.

각 실린더에 대하여 하나의 터빈을 갖는 것이 중요하다. 상사점(TDC)의 연소지점에서, 온도와 압력은 그 최대 레벨에 있다. 또한, 실린더 안의 압력의 하강은 온도의 하강을 의미하고, 상사점(TDC)에 가까운 지점에서 피스톤의 하강으로 인한 실린더 내의 부피의 증가는 급격한 압력의 감소를 제공하고, 차례로, 실린더 내의 온도를 강하시킨다. 통상적인 배기 매니폴드의 부피는 실린더 부피의 몇 배가 되고, 이것은 탈출하는 가스의 에너지가 이미 손실되고 있음을 의미한다. 압력의 추가적 감소를 피하기 위하여, 2단 배기 장치의 제트 포트의 부피는 매우 작고, 따라서 터빈에 충돌하기 전에 연소 가스들이 팽창되거나 냉각되는 것을 모두 방지하게 된다. 각 실린더에 대하여 하나의 터빈을 갖는 것은 짧은 (작은 부피의) 제트 포트들의 사용을 가능하게 한다.

부하 하에서 교류 발전기를 구동시키기 위하여 높은 레벨의 토크가 필요하다. 소형의, 일반적인 터보 과급기로서 사용되는 통상적인 터빈은 교류 발전기를 구동시키기에는 너무 작은, 매우 작은 토크를 제공한다. 본 발명의 2단계 배기 장치의 일부로서 사용된 본 발명의 터빈(100)은 높은 토크를 제공하고, 따라서 전동 장치(gearing)의 필요없이 직접 교류 발전기(120)를 구동시킬 수 있다. 이것은 터빈(100)과 같은 터빈들은 상기 장치를 통하여 터빈에 힘을 가하는 데에 작은 부피, 고압 가스를 필요로 하고, 높은 토크에서 상대적으로 느린 회전 속도(<50,000 rpm)를 형성하기 때문이다. 비교하면, 통상적인 터빈은 그 터빈 블레이드를 통과하여 지나가기 위하여 고속의 큰 부피의 가스에 의존하고, (일반적으로 120,000 rpm 이상의) 매우 빠른 속도에서 높은 토크를 형성한다.

터빈을 구동시키기 위해 필요한 가스압은 제트 포트의 사용 없이 달성될 수 없다. 일반적인 배기 포트에 제약을 부가하는 것은 배기 행정 동안에 실린더 내의 배압의 원인이 되고, 따라서 배기 행정 동안의 피스톤의 상승에 저항하게 된다. 엔진 사이클에 2단 배기 장치의 제1단 작동을 도입으로 배기 행정 동안에 실린더 내의 가스압과 온도를 크게 감소시키고, 그에 따라 엔진의 펌프 손실(pumping loss)을 감소시키고, 전체적인 연료 효율성을 증대시킨다.

제트 포트를 통한 고압 가스의 제1단 방출 후에 실린더에 남겨진 연소 가스들의 온도와 압력을 크게 감소시키기 때문에, 본 발명의 2단 배기 장치에 부가되는 장점은 통상적인 배기 가스를 통하여 최종적으로 방출되는 배기 가스보다 노이즈를 작게 형성한다는 것이다. 더욱 정확하게, 방출되는 배기 가스의 온도가 낮아지면 고온의 배기 가스에 관련된 다수의 문제를 많이 감소시킬 수 있다.

본 발명의 원리를 특정 실시예들과 연관지어 설명하였으나, 이러한 설명은 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 것을 명확하게 이해해야 한다.

Claims

(a) 각각 하나 이상의 피스톤을 갖고, 각각의 실린더는 실린더 벽을 구비하는, 하나 이상의 실린더,
(b) 각각의 고압 모터는 그 각각의 실린더 벽과 직접 접촉하여 부착되고 일체화된, 각 실린더를 위한 하나의 고압 모터,
(c) 기계적 동력이 얻어지는 크랭크축, 및
(d) 각 실린더에
(i) 직접 대기로 저압 잔여 배기 가스를 방출하기 위한 하나 이상의 배기 포트, 및
(ii) 그 대응하는 고압 모터로 고압 배기 가스를 방출하기 위하여 개방되도록 구성된 제트 포트를 구비하는 2단 배기 장치를 구비하고,
상기 제트 포트는 상기 실린더에 상기 피스톤의 위치에 의해 오직 덮이지 않음으로써 개방되고, 제트 포트 부피는 상기 고압 모터로 방출되는 배기 가스의 팽창과 냉각을 방지하기 위한 사이즈로 형성되고, 배기 가스 방출은 상기 크랭크축으로부터 기계적 동력의 손실 없이, 엔진으로부터 추가적인 동력을 회수할 수 있도록, 배기 포트 개방 전에 있는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 1 항에 있어서,
2개 이상의 실린더가 있는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 2 항에 있어서,
각각의 고압 모터는 고압 터빈인 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진
제 3 항에 있어서,
각각의 상기 고압 터빈들은,
·(a) 원통형 내부 표면, (b) 상기 내부 표면에 접하고 상기 내부 표면에서 종결되도록 정렬되는 상기 제트 포트에 의해 형성된 터빈 입구 도관 및 (c) 상기 내부 표면으로부터 단면이 확대되는 터빈 배출구를 포함하는 케이스; 및
·로터의 대향하는 측면들에 두 개의 측 벽과 상기 내부 표면과 회전 가능하게 결합되는 주변 표면을 구비하는 원통형 로터를 포함하고,
상기 측 벽들과 주변 표면은 상기 로터에 복수의 각이 진 챔버를 형성하고, 상기 주변 표면과 상기 챔버들은 원주 방향으로 이격된 복수의 챔버 개구와 상기 주변 표면에 챔버 사이의 랜드들을 한정하며, 각 랜드는 상기 터빈 배출구를 폐쇄하도록 구성되고, 각 챔버는 폐쇄 하부를 구비하며, 각 챔버는 상기 각 챔버와 상기 터빈 배출구가 통하는 경우에 축소확대 노즐을 형성하도록 상기 챔버 개구 쪽으로 점차 작아지는 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 4 항에 있어서,
상기 점차 작아지는 단면은 다수의 챔버의 깊이를 따라서 상기 챔버 개구 쪽으로 연장되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 4 항에 있어서,
상기 터빈 배출구는 대기압으로 배기하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 2 항에 있어서,
상기 고압 모터들에 의해서 구동되는 전기적 교류 발전기를 더 포함하고, 그에 따라 상기 엔진은 전기적 동력 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 2 항에 있어서,
상기 엔진은 4 행정 엔진인 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 8 항에 있어서,
상기 제트 포트들은 대응하는 밸브에 의해서 각각 제어되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 2 항에 있어서,
상기 엔진은 2 행정 엔진인 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 10 항에 있어서,
상기 엔진은 보충적-대향-피스톤 엔진인 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
왕복 내연 엔진에 있어서,
(a) 하나 이상의 피스톤과 대기로 직접 배기 가스를 방출하기 위한 하나 이상의 배기 포트를 각각 갖는 하나 이상의 실린더,
(b) 기계적 동력이 얻어지는 크랭크축을 구비하고,
각 실린더는 그에 직접 접촉되어 부착되고 일체화되는 고압 모터 및 대응하는 제트 포트를 포함하고,
제트 포트 부피는 그 대응하는 고압 모터로 고압 배기 가스를 방출하기 위해 개방되도록 구성되고 상기 고압 모터로 방출되는 배기 가스들의 팽창과 냉각을 방지하기 위한 크기를 갖고,
제트 포트 부피는 상기 실린더에서 상기 피스톤의 위치에 의해 덮이지 않음으로써 오로지 개방되고,
고압 배기 가스를 방출하기 위해 개방되는 제트 포트는 상기 크랭크축으로부터 기계적 동력의 손실 없이 엔진으로부터 추가적인 동력을 회수할 수 있도록, 대기로 잔여 배기 가스 방출이 배기 포트 방출 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 12 항에 있어서,
2개 이상의 실린더가 있는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 13 항에 있어서,
각각의 상기 고압 모터들은 고압 터빈인 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 13 항에 있어서,
각각의 상기 고압 모터들은,
·(a) 원통형 내부 표면, (b) 상기 내부 표면에 접하고 상기 내부 표면에서 종결되도록 정렬되는 상기 제트 포트에 의해 형성된 터빈 입구 도관 및 (c) 상기 내부 표면으로부터 단면이 확대되는 터빈 배출구를 포함하는 케이스; 및
·로터의 대향하는 측면들에 두 개의 측 벽과 상기 내부 표면과 회전 가능하게 결합되는 주변 표면을 구비하는 원통형 로터를 포함하고,
상기 측 벽들과 주변 표면은 상기 로터에 복수의 각이 진 챔버를 형성하고, 상기 주변 표면과 상기 챔버들은 원주 방향으로 이격된 복수의 챔버 개구와 상기 주변 표면에 챔버 사이의 랜드들을 한정하며, 각 랜드는 상기 터빈 배출구를 폐쇄하도록 구성되고, 각 챔버는 폐쇄 하부를 구비하며, 각 챔버는 상기 각 챔버와 상기 터빈 배출구가 통하는 경우에 축소확대 노즐을 형성하도록 상기 챔버 개구 쪽으로 점차 작아지는 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 15 항에 있어서,
상기 점차 작아지는 단면은 다수의 상기 챔버의 깊이를 따라서 상기 챔버 개구 쪽으로 연장되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 15 항에 있어서,
상기 터빈 배출구들은 대기압으로 배기하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제 15 항에 있어서,
상기 고압 모터들에 의해 구동되는 전기적 교류 발전기를 더 포함하고, 그에 따라 상기 엔진은 전기적 동력 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
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