KR102057370B1 - 예비압축냉각이 장착된 4 사이클 내연기관 엔진 - Google Patents

예비압축냉각이 장착된 4 사이클 내연기관 엔진 Download PDF

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Abstract

4 사이클 내연기관 엔진은 단일 또는 복수 예비냉각압축을 가진다. 이는 연소실린더들로의 흡입공기의 온도를 미세하게 제어할 수 있게 해줌으로써 연료의 자동점화온도에 미치지 않고 훨씬 높은 압축비율과 점화 전 압축압력을 이뤄낼 수 있다. 최소 흡입공기의 압력한계점은 해수면에서>1.8 Bars 그리고 열 교환기 공기냉각라디에이터에서 최소 50° C의 최소 온도저하로 결정된다. 이 설계는 효과적으로 공기연료 혼합물의 점화 전 온도를 제어하고 정할 수 있기 때문에 그 어떤 액체탄화수소연료도 노킹 없이 연소 가능하다. 더 높은 압축 비율 때문에, 본 4 사이클 엔진은 표준 4 사이클 엔진보다 더 작고 가벼운 엔진으로 더 높은 출력과 효율을 낼 수 있다.

Description

예비압축냉각이 장착된 4 사이클 내연기관 엔진{FOUR-CYCLE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH PRE-STAGE COOLED COMPRESSION}
관련신청에대한참조
본 신청은 2014년 5월 16일에 제출된 비 임시 U.S 특허 신청 no.14/279,580, 의 출원일의 이익을 주장한다. 이 특허 신청은 2014년 3월 7일에 제출된 비 임시 U.S 특허 신청 no.14/200,202, 의 연장이다.
이 발명품의 분야는 내연기관, 더 상세하게는 4 사이클 스파크 점화내연기관엔진이다.
표준석유 4 사이클내연기관엔진의 효율은 압축비율과 사전점화 압축고압온도에 한계가 있다. 이것은 연료의 사전점화온도가 자동발화온도한계에 근접하는 것을 피하기 위함인데, 사전점화온도가 자동발화온도를 넘기면 노킹작용이 효율과 엔진수명을 줄인다. 표준 4 사이클 엔진의 흡기온도는 대기중 온도 (보통은 섭씨 영하 20도에서 영상 42도)에 의해 달려 있으므로, 최대 압축일 때 엔진 실린더 내부에서는 대기중 온도차가 섭씨 120도 정도의 변화량으로 치환된다. 사전점화온도변화량 때문에, 표준 4 사이클 엔진은 낮은 압축비율로 제한되는데, 압축비율이란 전체 엔진 실린더 용량을 점화 실용량으로 나눈 수치이다. 표준가솔린연료를 사용하는 엔진의 압축비율은 보통 8을 넘지 않는데, 이는 엔진*의 사전점화압축압력이 15 Bar를 못넘게 제한한다.
이러한 표준 4 사이클 엔진 디자인의 온도와 압력 제한은 엔진의 효율을 낮출뿐만 아니라, 더 무겁고 큰 엔진의 필요성과 이러한 엔진들이 노킹을 하지 않고 연소 할 수 있는 연료의 종류에 제한을 준다.
이 발명은 단일 혹은 복수 예비압축냉각 (CWPSC) 이 있는 4 사이클 내연기관 엔진을 제안한다. 본문에서 설명하겠지만, 이 디자인은 연소 실린더의 흡기온도와 압축을 엄격하게 통제함으로써, 자동발화온도한계에 근접하지 않고 훨씬 높은 압축비율과 사전점화압축압력을 가능하게 한다. 또한, 이 새로운 디자인은 연료-공기 혼합물의 최대 전 온도를 효율적으로 통제하고 지정할 수 있기 때문에, 어떤 종류의 액체 탄화수소 연료도 노킹 위험없이 사용할 수 있다.
이 발명의 4 사이클 엔진은 훨씬 높은 압축비율 때문에 표준 4 사이클 엔진보다 동등하거나 더 높은 출력을 모든 주요 엔진 변수가 최대 출력과 효율을 완벽히 통제하는 환경과 더 가볍고 작은 엔진으로 낼 수 있다.
표준 4 사이클 가솔린 내연기관 엔진은 흡기, 압축, 팽창, 배기사이클로 이루어져 있다. 흡기사이클 동안, 피스톤은 아래쪽으로 이동하고, 공기 - 연료혼합물은 실린더로 흡입된다. 이를 피스톤이 상방으로 이동하고 공기 - 연료혼합물을 사전점화압축압력으로 압축하는 압축사이클이 따른다. 압축사이클은 공기연료혼합물의 스파크 점화로 끝나는데, 이는 팽창사이클에서 피스톤을 하방으로 이동시킨다. 배기사이클에서는 다음 흡입사이클을 준비하기 위해, 실린더 내의 배기가스를 배출하려고 피스톤이 다시 상방으로 이동한다.
엔진의 출력은 팽창사이클에서 발화된 공기연료혼합물이 실린더 내에서 팽창하는데, 이가 실린더 압력을 낮춤으로써 생성된다. 보일샤를의 법칙에 따르면 이 팽창에서 PV/T는 유지된다 (여기서 P는 Bars 단위의 기압, V는 Liters 단위의 가스용량, 그리고 T는 캘빈단위의 온도). 결과적으로, 주어진 압축 비율에서의 압력 강하는 절대온도의 비례적이지 않은 감소로 이루어내야 한다. 절대온도의 저하는 크랭크축에 전달되는 사용 가능한 기계적 에너지를 결정하기 때문에, 엔진효율은 팽창사이클동안 압력강하를 최대화함으로써 최적화된다. 이것은, 차례로, 사전점화압축압력이 고온의 부정적인 영향을 제거함으로써 최대화될 것을 요구한다.
표준 4 사이클 내연기관에서 흡입공기는 주위온도 및 대기압에서 연소실로 진입한다 (약 1 bar). 엔진제조업자들은 이러한 엔진을 정규연료를 위한 엔진이라면 보통 약 8 압축비율 (CR)로만든다. 우리는 이 CR을 평균압축비율로 정하고 예시적 비교계산을 할 때 이 값을 기반으로 하겠다. 단열가스처리 수식을 적용, P(V)γ = 고정값 (공기압축계수 γ는 1.3), 대기압= 1Pa, 우리는 예시적 엔진 실린더 용량을 Ve=1 liter로 정하겠다. CR=8 이므로, 점화용적은 Ve의 1/8, 즉 Vi=.125다. 그러므로,
Pa(Ve)γ= Pi(Vi)γ
Pa(Ve)1.3 = Pi(Vi)1.3
(1)(1)1.3 = Pi(0.125)1.3
Pi = 14.92 Bars
결과적으로, 표준 엔진에서는 최대 허용 사전점화 압력은 Pi=14.92 Bars다. 최대 사전점화 온도는 그러므로 주위 기온에 의해 계산된다. 예를 들어, 주위기온이 섭씨 27도 (300K) 일 때, 보일의 법칙에 의하면, 실린더 상사점(TDC)에 있는 압축된 공기의 온도 Ti는 이와 같이 계산될 수 있다.
PaVe/Te = PiVi/Ti
(1)(1)/300 = (14.92)(0.125)/Ti
Ti = 560°K or 287°C
따라서, 상기 압축된 공기/연료 혼합 사전-점화 온도는 이 경우에 있어서 287°C의 자동-점화 온도 이하로 유지될 필요가 있다. 그러나, 오늘날의 표준 연료 SI-ICE 엔진들에 있어서, 제조자들은 대략 42 °C(315°K) 정도인 가장 높은 잠재적인 주위 기온을 설명해야만 한다. 이러한 경우에 최대 사전-점화 온도는:
PaVe/Ta = PiVi/Ti
(1)(1)/315 = (14.92)(0.125)/Ti
Ti = 587°K or 314°C
결과적으로, 현재 사용중인 모든 석유엔진은 섭씨 314도 이상의 자동점화온도를 가지고 있다. 우리는 이 온도를 디자인 비교를 위한 최대온도 한계치로 정할것이다.
본 발명에서, 예비압축기는 흡입공기를 압축하는데 사용되며, 그리고 열교환기는 연소실로 들어가기전에 압축된 흡입공기를 냉각하기 위해 사용된다. 이는 사전 점화공기연료혼합물의 엔진압축비율을 증가시킴으로써 엔진효율을 현저히 증가시키기 위한 목적이다. 이러한 향상된 엔진효율을 달성하기 위해서는, 대기와 상당한 열교환과정이 필요하다. 본발명은 공기연료 혼합물의 사전점화온도를 낮추고 대기온도변화에도 유지시킴으로써 흡입공기의 온도를 낮춘다.
이는 디젤엔진내의 공기압축스케일과 비교해 훨씬높은 스파크사전 점화공기연료 혼합물의 압축을 달성 한다. 예를들면, 약 100 °C의 흡입공기의 온도를 낮춤으로써, 공기/연료혼합물의 사전점화온도는 약 200 °C로 낮아진다.
밑의 계산을 보면 알겠지만, 위의 과정이 제대로 작동되려면, 압축기는 약 1.8 Bar의 최소압력 임계치이상으로 흡입공기를 압축해야 하고, 압축공기의 최저온도 강하해야 냉각열교환기에 의한 최저온도 강하는 섭씨 50도이상이어야 한다. 결과는 2.1 Bar이상의 압력으로도 볼 수 있겠지만, 최적의 결과는 3 Bar 이상의 압축흡입압력으로 이뤄낼수있다. 예를들어, 압축기가 과급기처럼 1.8 Bar 이하로 흡입공기를 압축한다면, 상당한 엔진압축비율증가를 위한 필요한 열교환작용은 실현되지 않을 것이다. 왜냐하면, 대기온도변화량이 열교환기의 온도강하보다 높을 것이며, 필요한 압축비율증가는 구현되지 않을것이다. 그것이 과급기가 상당한 압축비율 증가 생성하진 않지만, 엔진출력을 엔진효율을 증가시키지 않고 흡입공기량을 늘리면서 증가시키는 이유이다.
한편, 본발명은 압축비율증가와 최종사전점화압력증가와 공기연료혼합물의 사전점화온도를 제어함으로써 더 높은엔진효율을 내는데 목적이 있다. 예를 들자면, 엔진의 실린더용량은 Ve이고 압축기용량은 Va이다. 압축공기량Vc은 엔진실린더흡입량Vt(이는Ve보다낮다)와 같다. 압축기가 대기를 Ta섭씨 27도에 대기용량Va의 1/3이하로 압축한다. Vc=Vt=0.3Va. 이로써, 사전흡입기압Pc은 이처럼 계산될 수 있다. (단열가스처리공식사용. 공기압축계수 1.3)
Pa(Va)1.3 = Pc(Vc)1.3
(1)(1)1.3 = Pc(0.3)1.3
Pc = 4.78 bars
보일의 법칙 사용, 압축된 공기의 사전흡입온도Tc는 이처럼 계산될 수 있다.
PaVa/Ta = PcVc/Tc
(1)(1)/300 = (4.78)(0.3)/Tc
Tc = 430°K = 157°C
본 발명의 열교환기는 고정흡입 부피 값, Vt = Vc= 0.3 Va,에 사전흡입 공기를 목표온도 Tt로 냉각할 것이고, Tt는 대기최대온도, 엔진압축비율 CR, 그리고 연료의 자동점화온도에 따라 결정된다. 본 발명의 예시에서는 가열된 압축공기는 고정목표온도 Tt= 318°K 또는 45°C로 냉각되어야 한다 (42°C 는 최대추정대기온도인데 여기에서 3°C를 더하면 45°C다). 그래서, 냉각된 흡입공기압력 Pt는
PcVt/Tc = PtVc/Tt
(4.78)(0.3)/430 = Pt (0.3)/318
Pt = 3.53 Bars.
그러므로, 이 엔진은 대기온도 변화와 상관없이 항상 압축흡입기온 고정값 45°C, 그리고 흡입공기압력 3.53 Bars로 작동될 것이다. 하지만, 여기서 흡입공기압력은 대기온도에 따라 바뀔 것이다. 밑에 있는 계산에 따르면, 흡입공기의 온도를 약 100°C 낮춤으로써, 연소실(TDC) 내의 압축공기온도는 원래보다 200°C 정도 낮춰지고 이러한 엔진들에 월등한 압축비율을 가능케 한다. 이 과정은 엔진의 압축 사이클을 사전점화압축을 높이기 위해 냉각단계를 포함한 두 단계로 나누는 것과 동일하다 (압축-냉각-압축).
이러한 예시 엔진들의 흡입압력은 가장 높은 대기온도인 42°C일때 3.36 Bars와 가장 낮은 대기온도인 -20°C 일 때 4.18 Bars 사이의 값이다. 이는 출력값이 고정일 경우 효율상승과 더 출력상승을 의미한다. 효율상승은 추운 날씨에 미세하게 더 높다. 흡입공기온도는 고정값이므로, 흡입공기온도에 따라 결정되는 연소실 내의 점화 직전 공기연료혼합물 온도는 대기온도 변화에 따라 변하지 않는다.
위는 본 발명의 일반적인 디자인 구성을 요약한다. 다음 부문에서는 본 발명의 상세한 전형들을 구체적으로 묘사할 것이다. 이 상세한 전형들은 위에서 언급한 일반적인 디자인 구성에 따라 본 발명적용의 실현가능성을 보여주기 위함이다. 그러므로, 이러한 전형들의 상세한 묘사는 예시적과 실례적을 보여주기 위함이 고위의 요약된 묘사와 주장의 시야를 제한하기 위함이 아니다. 함이 아니다.
Fig. 1은 예비냉각압축 단계가 하나인 본 발명 "Version 1" 4 사이클 엔진들의 4 사이클 연소 과정을 묘사한 개략도이다.
Fig. 2는 본 발명 "Version 1" 4 사이클 엔진들의 4 사이클 연소 과정과 각 엔진사이클의 크랭크축의 각도 부분을 상세하게 묘사한 개략도이다.
Fig. 3은 같은 압축기/팽창기 일 때, 예비냉각압축 단계가 하나인 본 발명 "Version II" 4 사이클 엔진들 4 사이클 연소 과정과 에너지 포착 과정을 표현한 개략도이다.
Fig. 4는 본 발명 "Version II" 4 사이클 엔진들의 4 사이클 연소 과정과 각 엔진사이클의 크랭크축의 각도 부분을 상세하게 묘사한 개략도이다.
Fig. 5는 본 발명 "Version II"4 사이클 엔진의 흡입, 압축, 팽창, 배기사이클 과정과 이 예시에 있는 압축기의 각 사이클의 크랭크축 각도 부분을 상세하게 묘사한 개략도이다.
Fig. 6는 본 발명 "Version II(A)"의 예비냉각압축 단계가 하나 있는 4 사이클 엔진들의 4 사이클 연소 과정과 강한 고속터빈의 에너지 포착 과정을 묘사한 개략도이다. 강한 고속터빈은 사전단계축압축기 그리고/또는 아주 작고 강한 연소엔진과 전기모터 구동으로 이루어진 이중 구동 차체 내의 배터리들을 발전기의 도움으로 충전하는데 사용될 수 있다.
Fig. 7은 본 발명 "Version II(A)" 의 단일사전냉각압축 4 사이클 엔진들의 4 사이클 연소 과정과 크랭크축 각 회전 측면에서 본 강한 터빈 팽창장치의 에너지 포착 과정을 묘사한 개략도이다.
Fig. 8은 본 발명 "Version II" 4 사이클 엔진의 연장된 팽창 과정과 엔진 실린더 장치와 압축/ 팽창장치 실린더를 이어주는 통로를 묘사한 개략도이다.
Fig. 10은 예비 냉각단계가 하나인 본 발명 "Version III"의 4 사이클 엔진들의 4 사이클 연소 과정을 묘사한 개략도이다.
Fig. 11은 본 발명 "Version III"의 4 사이클 연소 과정과 각 엔진 사이클의 크랭크축의 각도 부분을 상세하게 표현한 개략도이다.
Figs. 12 와 12A는 압축비율 CR=8 그리고 엔진 실린더 부피 Ve = 1 Liter일 때, 표준 4 사이클 단일 실린더 연소 과정의 예시 압력-부피 도표이다.
Figs. 13과 13A는 압축비율 CR=24일 때, 가정상의 표준 4 사이클 단일 실린더의 압력-부피 도표이다.
Figs. 14, 14A, 15, 15A, 16 그리고 16A는 압축비율 CR=24, 25.2, 25.2, 그리고 24일 때, 버전 1,2,3의 4 사이클 CWPSC 엔진 단일 실린더 연소 과정들의 예시 압력-부피 도표다.
위 예비 압축엔진 서술에서 언급한 듯이, 이 엔진들은 "Version I", "Version II", "Version II(A)" 그리고 "Version III"의 4가지 전형으로 나눌 수 있다. 위의 예시 전형들에 있는 단일 연소실린더 디자인은 복수 예비압축기들과 복수 열교환기가 있는 복수 연소 실린더로 확장시킬 수 있다는 것을 의미한다.
예비압축엔진 디자인 “Version I”
이 버전에서는 Figs. 1과2에서 볼 수 있듯이 엔진의 총 유효 압축기 용량은 엔진 실린더의 용량과 같을 것이다. 예를 들어, 압축기 실린더 용량Va은 1/2 Liter로 가정한다. 이 버전에서는 엔진 사이클 1번당 압축기가 2번 순환하기 때문에, Va*2 = 1 Liter, 그러므로 Ve 엔진 실린더 용량은 1 Liter다. 1 Liter 크기의 석유엔진은 압축비율 CR=24와 점화 전 최대 압축온도 310°C라는 것을 인지하자. 이 필요 변수들의 경우, 밑의 계산에서 볼 수 있듯이, 이 엔진의 흡입부피는 약 Vt = 0.3 Liters다. 압축기는 압축할 것이고 공기는 Va*2보다 작은 값 Vt다. 왜냐하면, 사이클 중 짧은 사이클동안 엔진 실린더 Ve가 흡입 가능할 것이고, 이 예시에서 지금의 과정이 계속될 때, Vt = Vc = 0.3 (고정값) 엔진 실린더 부피이기 때문이다. 흡입 과정은 약 0° 크랭크축 위치에서 시작될 것이고 흡입 밸브들이 잠기고 공기연료 혼합물이 더이상 엔진 실린더로 들어오지 못하는 71° 크랭크축 위치에서 끝날 것이다. 이때 흡입부피 Vt는 엔진 실린더 부피 Ve의 0.3밖에 안되므로(0.3Ve의 정확한 크랭크축 위치는 연소실 부피 포함해서 66°위치이지만 흡입에서 잃기 때문에 4° 또는 5°더 허용한다) 공기는 압축기에 의해 압축된다. 왜냐하면 엔진에서 1 Liter 부피보다 적은 양밖에 흡입할 수 밖에 없기 때문이다. 공기 압축계수가 1.3일 때, 단열가스 프로세스 공식을 사용하면 압축기는 공기를 압력Pc에 압축할 것이다.
Pa(Va*2)1.3 = Pc(Vc)1.3
(1)(1)1.3 = Pc(0.3)1.3
Pc = 4.78 bars
보일의 법칙에 의해 이 압축된 공기온도 Tc는 다음과 같이 계산될 수 있다.
PaVa2/Ta = PcVc/Tc
(1)(1)/300 = (4.78)(0.3)/Tc
Tc = 430°K = 157°C
압축된 공기를 318°K으로 냉각했을 때, 보일의 법칙을 사용해서 흡입압력 Pt를 다음과 같이 계산할 수 있다.
PcVc/Tc = PtVt/Tt
(4.78)(0.3)/430 = Pt (0.3)/318°
Pt = 3.53 Bars.
압축된 공기는 엔진으로 짧은 흡입사이클동안 표준대기압보다 높은 속력으로 엔진 실린더 부피 Ve의 3/10 크기로 들어갈 것이고 흡입시 표준 엔진들보다 더 잘 연료를 원자화할 것이다. 엔진 실린더의 흡입부피인 0.3 Liters는 모든 저장소들과 공기냉각라디에이터 부피들보다 훨씬 적고 압축기가 계속 공기를 압축할 것이므로, 이 과정을 동중과정으로 칠 것이다. 흡입공기 온도Tt는 주변 기온과 관계없이 고정값 318°K(45°C)일것이다. 크랭크축 위치가 71°인 흡입사이클 끝에 이 예시에서는 공기연료 혼합물은 3.53 Bars 압력과 약 318°K(고정값)의 온도를 가질 것이다.
실린더가 크랭크축 위치180°인 하사점(BDC)쪽 하방으로 이동하면서 공기연료혼합물의 부피는 팽창될 것이고 피스톤이 밑으로 이동하는 것을 도울 것이지만 단열 과정으로 인해 공기연료혼합물의 온도와 압력을 낮출 것이다.
공기압축계수가 1.3일때, 단열가스처리 공식을 사용하면:
Pt(Vt)1.3 = Pe(Ve)1.3
(3.53)(0.3)1.3 = Pe(1)1.3
Pe = 0.738 Bars
엔진 실린더의 하사점(BDC)에 공기연료혼합물의 압력이 Pe= 0.738 Bars다. 하사점의 공기연료혼합물의 온도Te는 보일의 법칙을 사용하여 다음과 같이 계산된다.
PtVt/Tt = PeVe/Te
(3.53)(0.3)/318 = (0.738)(1)/Te
Te = 222°K = -51°C
이 하사점의 공기연료혼합물의 아주 낮은 온도 Te= 222°K는 혼합물의 자동점화온도를 넘기지 않고 연소실에서 월등히 높은 압축비율을 가능케 한다. 여기서 CR=24인 엔진을 선택했으므로 (8보다 월등히 높은 수치), 압축된 연소실 부피 Vi = 1Liter / 24 CR = 0.042 Liters 일 때, 상사점에서 점화 직전 연소실 압력 Pi는 단열가스처리공식에 따라 계산된다.
Pe(Ve)1.3 = Pi(Vi)1.3
(0.738)(1)1.3 = Pi(0.042)1.3
Pi = 45.48 Bars
하사점에서 연소 전 압축된 공기연료혼합물 온도 Ti는 보일의 법칙에 의해 다음과 같이 계산된다:
PeVe/Te = PiVi/Ti
(0.738)(1)/222 = (45.48)(0.042)/Ti
Ti = 575°K = 302°C
이 엔진은 CR=24와 점화 전 공기연료혼합물 압력이 약 46 Bars 그리고 주변기온 27°C일 때 운용된다. 위 계산들에서 보여진 것과 같이 점화 전 압축된 공기혼합물온도는 표준 엔진보다 낮은 고정값인 302°C다. 이 개념은 어떤 점화 전 온도에 적용될 수 있어서 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있고 엔진 효율 저하 없는 복합 연료엔진을 만들수도 있다.
“Version I”엔진들의 흡입과정은 피스톤이 흡입사이클 중 아래로 내려가는 71°에서 끝나지 않고 압축사이클 중 피스톤이 위로 움직이는 289°의 크랭크축 회전각 위치에서 같은 최종 결과로 끝난다. 이 시점에서 흡입밸브들은 닫히고 공기가 압축기에 의해 압축될 때, 잔여흡입량Vt은 엔진 실린더용량Ve의 0.3정도다.
예비압축이 있는 “Version I”과 표준엔진의 효율성 차이를 비교해 보자.
1-표준엔진성능, CR=8
보일의 법칙을 활용, 연소 과정 다음에는:
PiVi/Ti = PfVf/Tf
(14.92)(0.125)/560 = (37.3)(0.125)/Tf
Tf = 1,400°K
이때 Pf는 연소 과정 후 가스압력이고, Vf는 엔진부피, Tf는 가스온도다. 연소과정이 너무 빠르게 일어남을 고려해서, 엔진부피는 이 과정에서 변하지 않는다. Vf= Vi = 0.125 Liters.
이제 엔진의 작동 과정인 팽창 과정을 고려해보자. 단열가스처리공식을 사용, 공기압축계수가 1.3일 때, 배기가스압력Px는 다음과 같이 계산된다:
Pf(Vf)1.3 = Px(Ve)1.3
(37.3)(0.125)1.3 = Px(1)1.3
Px = 2.5 Bars
보일의 법칙을 사용, 배기과정 직전의 배기가스 온도 Tx는 다음과 같이 계산될 수 있다:
PfVf/Tf = PxVe/Tx
(37.3)(0.125)/1,400 = (2.5)(1)/Tx
Tx = 751°K
그러므로 표준엔진은 배기가스 압력 Px = 2.5 Bars과 온도 Tx = 751°K의 값을 가진다.
2-예비압축이 있는 엔진 “Version I” 성능 CR =24:
보일의 법칙을 사용, 연소과정 직후:
PiVi/Ti = PfVf/Tf
(45.48)(0.042)/575 = (113.7)(0.042)/Tf
Tf = 1,437°K
이때, Pf는 연소과정 후 가스압력, Vf는 엔진부피, Tf는 가스온도다. 연소과정이 너무 빠르게 일어남을 고려해서, 엔진부피는 이 과정에서 변하지 않는다. 그러므로 Vf= Vi = 0.042 Liters.
이제 엔진의 작동 과정인 팽창 과정을 고려해보자. 단열가스처리공식을 사용, 공기압축계수가 1.3일 때, 배기가스 압력Px는 다음과 같이 계산된다:
Pf(Vf)1.3 = Px(Ve)1.3
(113.7)(0.042)1.3 = Px(1)1.3
Px = 1.84 Bars
보일의 법칙을 사용, 배기과정 직전의 배기가스 온도Tx는 다음과 같이 계산될 수 있다:
PfVf/Tf = PxVe/Tx
(113.7)(0.042)/1,437 = (1.84)(1)/Tx
Tx = 554°K
그러므로 예비냉각 압축이 있는 CWPSC “Version I”은 표준엔진 압력보다 2.5 Bars 낮은 배기가스 압력Px = 1.84 Bars, 그리고 배기가스 온도는 표준엔진 온도보다 200°K 낮은 Tx = 554°K이다. 이처럼 예비압축이 있는 엔진은 표준엔진보다 더 많은 에너지 전환이 이루어지고 이는 더 높은 효율로 연소열이 운동에너지로 전환되는 것을 의미한다.
Fig. 1를 보면, 예비냉각 압축이 있는 단일 실린더 4 사이클 내연기관 엔진의첫번째 예시적 구현을 보여주고 이것은 엔진 “Version I”로 정해져 있다. 엔진블록1은 예비압축기, 2는 연소 실린더8, 그리고 공기냉각 열교환기4로 이루어져 있다. 이 구현에는 연소 실린더8과 압축기2는 같은 크랭크축9와 플라이휠17로 연결되어 있다. 4 사이클 연소 과정19 때문에, 각 연소사이클마다 압축기2가 2번의 압축사이클을 끝낸다. 그러므로, 각 연소사이클마다 압축기2는 실린더 부피의 두배의 공기를 흡입하고 압축한다.
Fig. 2는 예시적 4 사이클, 단일실린더 연소 과정 도표 19다. 이 도표는 짧은 흡입11 과정 (0°-71°), 냉기팽창13 (71°-180°), 압축14 (180°-360°), 고온가스팽창12 (360°-540°), 그리고 배기15 (540°-0°) 사이클들로 이루어져 있다. 압축비율 CR 10은 24:1이다.
압축기 실린더2와 연소실린더8의 상대적 부피는 목표압축공기압력 Pc를 이루기 위해 선택된다. 예시적 도면Fig . 1에서는 연소실린더8은 1 Liter 고압축기실린더2는 0.5 Liters다. 그러므로, 각 엔진 연소사이클마다 압축기 2는 1 Liter의 주변 공기를 흡입하고 압축한다. 대기압력이 Pa고 대기온도가 Ta라면, 보일의 법칙에 의해 압축된 공기압력 Pc는 약 4.78 Bars 그리고 온도 Tc는 약 157°C로 계산된다. 압축실린더2 부피를 연소실린더8의 부피에 따라 상대적으로 증가시킬 시, Pc와 Tc는 더 높은 설계치를 달성할 수 있다.
압력 Pc와 온도Tc의 압축공기는 있는 예비공기저장소3에 저장되어있다. 이 공기저장소는 압력을 설계치 Pc에 유지하기 위해 조절하는 압력밸브5를 가지고 있다. 저장소3에 있는 압축공기는 부피팽창 없이 공기냉각 열교환기4로 흘러들어간다. 열교환기18의 열교환 비율은 팬 속도에 따라 제어된다.
이러한 열교환 제어들은 열교환기 앞에 있는 압력 센서들5의 수치 또는 조절판21의 수치에 따라 목표 연소실린더 흡입온도 Tt를 달성하기 위해 중앙처리장치 CPU에 의해 규제될 수 있다. 목표흡입온도 Tt는 연료의 자동점화온도에 따라, 엔진의 설계압축비율 CR일 때 엔진 노킹을 피하기 위해 결정된다. 아니면, CPU는 여러가지 연소실린더 흡입온도들 Tt를 달성할 목적의 열교환 비율을 제어하기 위해 프로그램 될 수 있다. 이는 다양한 변환될 수 있는 압축비율 그리고/또는 연료자동점화온도일 때 엔진 노킹을 피하기 위함이다.
Figs. 12와 12A는 CR=8인 표준 1Liter 엔진의 압력부피 도표들 42이다. 이 도표들에서:
a-압축할 때 엔진이 소모한 작업량 = 2.010PV/cycle,
b-팽창할 때 엔진이 얻은 작업량 = 5.035PV/cycle,
c-배기할 때 손실한 작업량= 1.880PV/cycle,
d-연료의 연소로 인해 엔진에 가해지는 열. 이 열은 압력을 2.5배 높인다.
e-엔진으로 인해 얻은 작업량 = 3.025PV/cycle.
이 엔진의 단순화 효율은 E = 3.025/4.905 = 61%
Figs. 13와 13A는 압축비율 CR=24인 1 Liter 엔진 CWPSC “Version I”의 압력부피 도표 43다. 이 도표는 표준엔진 또는 가상의 표준엔진과 비교목적이 있다. 여기서:
a-압축할 때 엔진이 소모한 작업량 = 4.33PV/cycle,
b-팽창할 때 엔진이 얻은 작업량 = 10.72PV/cycle,
c-배기할 때 손실한 작업량= 2.15PV/cycle,
d-연료의 연소로 인해 엔진에 가해지는 열. 이 열은 압력을 2.5배 높인다.
e-엔진으로 인해 얻은 작업량 = 6.39PV/cycle.
이 엔진의 단순화 효율은 E = 6.39/8.54 = 75%
Figs. 14와 14A는 압축비율 CR=24인 1 Liter 엔진 CWPSC “Version I”의 압력부피 도표 44다. 이 도표는 표준엔진 또는 가상의 표준엔진과 비교목적이 있다. 여기서:
a- 압축에 의해 소모된 엔진의 작업량 = 1.99PV/cycle,
b- 팽창에 의해 얻은 엔진의 작업량 =8.18PV/cycle,
c- 배기로 인해 손실된 엔진의 작업량= 1.075PV/cycle,
d- 연료의 연소로 인해 엔진에 가해지는 열. 이 열은 압력을 2.5배 높인다.
e- 엔진으로 인해 얻은 작업량=4.465PV/cycle
f- 압축기에 쓰인 작업량= 1.09PV/cycle,
g- 예비흡입공기냉각으로 인해 잃은 작업량= 0.635PV/cycle.
이 엔진의 함축적인 효율은 E = 4.465/5.54 = 81%.
“Version II” 와 “Version II(A)”예비압축엔진설계
Figs. 3-5에서 보여지는 Version ll에서는 엔진압축기 부피가 엔진실린더 부피보다 크다, Ve<Va. 엔진 부피는 엔진출력보다 상대적으로 작을 것이다. 예를 들어, 이 엔진실린더 부피는 Ve = 0.3 Liters 고압축 실린더 부피는 Va = 1.2 Liters라고 치자. 압축실린더는 두가지 목적을 수행할 것이다. 압축실린더는 절반의 엔진사이클 (180° - 540°크랭크축 위치) 동안 공기를 흡수/압축할 것이고 연장된 팽창/배기실린더의 역할을 나머지 절반의 엔진사이클 (연장된 팽창과정일 때, 540° - 720° 또는 0° 그리고 배기과정일 때, 720°or 0° - 180°크랭크축 위치)에서 수행할 것이다. 엔진설계가 허용하는 이상, 압축실린더가 클수록, 엔진효율은 높아진다. 압축공기압력 Pc는 조절판 장치나 방전압력밸브에 의해 제어된다. 이 엔진들의 사실상 압축비율 CR은 연소실 크기분의 엔진실린더 크기가 아니라 이 공식에 의해 계산된다. CR = Pt*cr. 이때, Pt는 엔진실린더에서의 흡입공기압력, 그리고 cr은 명목상 엔진압축비율이다. 이 예시에서는 7.14(cr = 0.3/ 0.042 = 7.14)다. 그래서, 압축비율은 CR = 3.53*7.14 = 25.20다. 이 엔진들은 흡입과정이 “Version l”처럼 단축되어 있지 않다. 이 엔진들의 흡입과정은 0°- 180° 크랭크축 위치에서는 표준엔진과 같이 평범하게 진행된다. 그리고, 공기연료혼합물 흡입압력은 Pt와 같은수치다. 압축사이클은 180° - 360° 크랭크축 위치에서 평범하게 진행되고 팽창사이클도 360° - 540° 크랭크축 위치에서 평범하게 진행된다. 유일한 차이점은 엔진의 고온가스 배출과정이 일어나려고할 때, 540° - 720° 또는 0°크랭크축 위치에서 일어난다. 동일한 시간에 고온가스 팽창밸브들이 열리면서 압축실린더는 연장된 팽창사이클이 가능해진다. 이 고온가스들은 엔진의 전체 출력의 절반 정도의 에너지를 가지고 있다. Fig. 8에 나타난듯이, 엔진실린더의 배기가스 파트는 짧은 방열통로로 압축/ 팽창실린더에 연결되어있다. 이 가스배출 과정은 엔진의 팽창과정 연장이다. 이 배열은 많은 에너지를 수집하고, 수집량은 압축기 부피Va에 따라 결정된다.
이것을 수집엔진이라고 하자. 이 엔진은 압축실린더나 강한 터빈에서의 사용되지 않은 에너지를 수집한다. (헷갈리지 않기 위해, 이것은 더 많은 공기를 요즘 터보 엔진들에 불어 넣는 표준 터보 장치가 아니라, 완전히 다른 성능의 완전히 다른 장치다. 이것은 훨씬 강력한 장치다. 왜냐하면, 엔진에너지의 반이 이 장치를 지날 것이기 때문이다.). 이 버전의 엔진 변수 계산들은 첫 번째 버전, "Version I"과 같다.
Pt = Pe = 3.53일때, 공식을 사용해서(동중과정):
Pe(Ve)1 .3 = Pi(Vi)1 .3
(3.53)(0.3)1.3 = Pi(0.042)1 .3
Pi = 45.48 Bars
상사점에서의 연소 전 압축된 공기연료 혼합물의 온도 Ti는 보일의법칙에 의해 계산될 수 있다.
PeVe/Te = PiVi/Ti
(3.53)(0.3)/318 = (45.48)(0.042)/Ti
Ti = 574°K = 301°C
같은 가정을 적용할 때, 연료연소의 열 에너지가 최종 연소압력 Pf를 2.5배로 증가시키고 연소 부피가 고정일 때:
PiVi/Ti = PfVf/Tf
(45.48)(0.042)/574 = (113.7)(0.042)/Tf
Tf = 1,435°K
단열적 가스 처리 공식 사용, 공기압축 계수 1.3, 우리는 엔진에서 배출되는 가스의 압력Pu를 계산할 수 있다(고온가스는 아직 배기되지 않을 것이다.)
Pf(Vf)1 .3 = Pu(Ve)1 .3
(113.7)(0.042)1.3 = Pu(0.3)1 .3
Pu = 8.83 Bars
보일의법칙 사용, 가스 배기 과정 바로 전의 가스 배출 온도Tu는:
PfVf/Tf = PuVe/Tu
(113.7)(0.042)/1,435 = (8.83)(0.3)/Tu
Tu = 796°K
그러므로, Pu = 8.83 Bars 와 Tu = 796°K는 수집해야 하는 많은 에너지량을 나타낸다. 이 에너지 량을 부피Va의 압축/팽창실린더에서 수집하자.
Pu(Vf)1 .3 = Px(Va)1 .3
(8.83)(0.3)1.3 = Px(1.2)1 .3
Px = 1.46 Bars
보일의 법칙을 사용해서, 우리는 배기 과정 바로 직전 배기가스 온도Tx를 계산할 수 있다:
PuVe/Tu = PxVe/Tx
(8.83)(0.3)/796 = (1.46)(1.2)/Tx
Tx = 526°K
Fig. 3은 두 번째 예시적 구현22 "Version II"는 단일 연소 실린더와 단일 예비 냉각 압축이 있는 4 사이클 내연기관 엔진을 묘사했다. 이 엔진은 압축실린더2가 엔진실린더8에서 나오는 잔여 에너지를 수집하는 것을 제외하고는 첫 번째 구현20과 동일하게 작동한다. 압축 실린더2는 두 가지 역할을 한다: 하나는 공기를 압축하고 또 하나는 잔여 엔진 에너지를 수집한다. 압축 실린더2의 사이즈는 엔진 실린더8보다 크다. CR 10은 25.2다.
Fig. 4는 4사이클 내연기관 "Version II" 의 두 번째 예시 구현22의 사이클 도면23이다. 여기서는 압축 비율10, 흡입11, 압축14, 팽창12 그리고 고온 가스 엔진 실린더 배출과정15을 보여준다.
Fig. 5는 압축실린더2에 수집되는 연장 팽창을 묘사한다. 이 과정은 공기흡수25, 압축기 공기압축27, 연장 고온가스 팽창26 그리고 대기로 가스 배기28으로 이루어진다.
Fig. 6은 단일 연소 실린더, 단일 예비 냉각 압축인 4사이클 내연기관 엔진 "Version IIA"의 세 번째 예시 구현32이다. 이 엔진은 압축실린더2가 강한 축 압축기29, 또는 압축실린더와 축 압축기의 조합으로 대체될 수 있고 연장된 팽창이 강한 터빈30에 수집된다는 점을 제외하고는 전 구현22와 동일하게 작동된다. 이 수집된 연장 팽창의 에너지는 바로 차체 유동에 사용될 수 있거나 훗날 소비를 위해 배터리31에 저장될 수도 있다. 터빈30은 엔진실린더8의 잔여 고온가스들의 에너지에 의해 구동되고 터빈은 엔진들의 기어 박스를 통해 크랭크축9에 연결되거나 되어 있지 않을 수 있다.
Fig. 7은 엔진실린더8의 연장 팽창 도표를 묘사한다. 잔여 에너지는 터빈30에서 수집된다. 엔진 공기는 축 압축기29후 압축공기, 엔진실린더공기/혼합물압축14, 엔진실린더 팽창12, 그리고 터빈으로 엔진실린더 고온 가스배출15를 흡입한다.
Fig. 8은 엔진들의 엔진실린더8 그리고 압축기/ 연장 팽창기34을 묘사했다. 잔여 에너지는 압축실린더2에 수집된다. 엔진실린더는 흡입밸브38, 엔진실린더 고온 가스 배출 밸브35, 이중목적압축/팽창실린더2, 압축/팽창실린더고온가스 확장 흡입밸브36 , 엔진실린더8에서 압축/팽창실린더2로 이어지는 고온 가스 단열통로39 , 그리고 압축/팽창 실린더 배기밸브37에 공기를 주입한다.
Fig. 9는 엔진의 압축/연장 팽창기33을 묘사했다. 잔여 에너지는 압축 실린더2에 수집된다. 이 그림은 고온 가스 흡입 밸브36, 가스 배기 밸브37, 대기 압축 흡입 밸브40, 그리고 압축기 압축공기 배출밸브41로 이루어진 압축팽창기 2의 내부 작동을 보여준다.
Figs. 15와15A는 CWPSC "Version II" 실 압축비율 CR=25.2인 0.3 Liters 엔진의 압력-부피 도표를 표준 혹은 가상의 표준엔진과의 비교목적으로 나타낸다. 이때,
a-압축 때 엔진이 소모한 작업량= 1.99PV/cycle,
b-팽창 때 엔진이 얻은 작업량= 4.925PV/cycle,
c-배기 때 잃은 수집될 수 없는 작업량= 0.655PV/cycle,
d-연료연소 때 엔진이 받은 열, 압력 2.5배증가
e-연장팽창 때 수집된 작업량 = 3.67PV/cycle,
f-엔진이 얻은 작업량 결과= 4.88PV/cycle,
g-압축기에 소모된 총 작업량 = 1.725PV/cycle.
단순화 엔진효율: E = 4.88/5.535 = 88%.
"Version III" 예비압축엔진설계
이 버전에서는, 첫 번째 버전과 같이 엔진의 총 압축기 부피크기는 엔진실린더 부피와 같을 것이다.
"Version III" 과 "Version I"의 차이점은 첫 번째 버전의 흡입 엔진부피는 엔진실린더의 부피보다 작게 지정되었다는 점(Vt = 0.3Ve)과 "Version III"의 흡입부피는 엔진실린더의 부피와 같다는 점 (Vt = Ve)에있다. 하지만, 흡입과정이 진행됨에 따라 압축공기는 좁아지는 통로 또는 진공에서의 압력배출밸브로 인해 이뤄지는 압력저하로 인해 흡입 전 저장소에서 팽창한다. 이것은 흡입 시 대기온도에 따라 공기압력을 약 0.7 Bars에서 0.89 Bars까지 저하시킬 수도 있고 공기온도를 Te = 222°K or -51°C (열 교환 후 압력 받은 압축공기가 318°K로 냉각된다 가정하면 이 값은 고정이다) 까지 떨어뜨리는 원인이 된다. 이 예시에서는 공기압력은 노즐에서 Pe = 0.74로 떨어지고 그 결과 온도는 흡입 시 Te = 222°K로 떨어진다. 이것을 "CWPSC 냉기엔진" 이라 부르자. 이 저온은 높은 압축비율 (이 예시에서는 CR = 24)을 가능케 한다. 흡입과정은 표준엔진처럼 0° - 180° 크랭크축 위치에서 평범하게 진행될 것이다. 이 엔진은 공기냉각에서 미세하게 더 많은 손실 때문에 두전버전들 보다 적은 효율을 가지지만, 표준엔진보다는 그래도 더 높은 효율을 가진다. 이 버전의 엔진변수 계산들은 첫 번째 버전과 같다. "Version I" 엔진과 같은 공식들을 사용하면 배기압력Px = 1.84 Bars와 배기온도Tx = 554°K가 나온다.
대체 가능한 유리한 설계로서는 위에서 나타낸 듯이 "Version III" 엔진의 흡입을 0° - 180° 크랭크축 위치에서 진행하는 것이 아니라 흡입을 흡입 사이클 마지막, 즉 이 예시엔진의 180° 크랭크축 위치에서 시작하는 것이다. 이것은 엔진실린더 부피의 1/3의 압축공기를 엔진실린더에 들어가게 허용한다. 이 방법에서는 엔진실린더 자체가 Fig. 10에서 나오는 팽창탱크6 대신 팽창탱크로 활용될 수 있다.
Fig. 10은 예시 단일실린더, 공기예비냉각20이 있는 4 사이클 내연기관 엔진 네 번째 구현 "Version III" 20을 도표적으로 묘사했다. 이 버전은 "Version I" 구현20과 비슷하다. 엔진은 예비압축기2, 연소실린더8, 그리고 공기 냉각열 교환기4 로 이루어져 있다. 이 구현에서는 연소실린더8 그리고 압축기2가 같은 크랭크축9 그리고 플라이 휠17로 연결되어있다. 4사이클 연소과정19 때문에, 압축기2가 두 압축사이클을 각 연소사이클 마다 끝낸다. 그러므로 각 연소사이클 동안 압축기2는 실린더부피2배의 공기를 흡입하고 압축한다. 그 후 공기는 공기 냉각라디에이터 열 교환기4에 의해 냉각되고 팽창부피 저장소6에서 팽창된다. 팽창 부피저장소에서는 압축공기온도와 압력이 엔진흡입 전 확장중공통로(보이지 않음)로 낮아지는 것을 가능케 한다.
Fig. 11은 4번째구현 "Version III"의 예시 4 사이클, 단일실린더 연소과정 도표19다. 이것은 평범한 흡입11과정 (180°), 압축14 , 팽창12, 그리고 배기15사이클로이루어져 있고 압축비율 CR 10은 24:1이다.
Figs. 16과 16A 1 Liter 엔진, 압축비율 CR=24의CWPSC "Version III"의 압력부피 도표다. 이 도표는 표준 또는 가상의 표준엔진과 비교목적을 위함이다:
a-압축 때 엔진이 사용한 작업량= 3.275PV/cycle,
b-팽창 때 얻은 엔진이 얻은 작업량= 8.81PV/cycle,
c-배기 때 수집될 수 없는 손실된 작업량= 1.245PV/cycle,
d-연료연소 때 엔진이 받은 열, 압력 2.5배증가
e-엔진이 얻은 최종작업량= 3.81PV/cycle,
f-흡입 전 압축 때 잃은 작업량= 1.730PV/cycle.
이 엔진의 단순화 효율: E = 3.81/5.055 = 75%.
표준엔진과 CWPSC 엔진의 효율 비교
Figs. 12 와 12A는 압축비율 CR=8 그리고 엔진실린더부피 Ve = 1 Liter의 4사이클 표준 단일실린더연소과정42의 예시 압력부피도표다. 가상 팽창엔진부피 2.02 Liters는 존재하지 않는 팽창부피를 나타낸다. 이때 엔진실린더는 가스배기압력이 1 Bar과 같아야 하고 배기온도 Tex에 상관없이 더이상의 작업량이 추출될 수없어야 한다. 이 압력부피도표는 총엔진부피가 1Liter인 엔진의 완전한 엔진사이클 한번 또는 2번의 완전한 크랭크축 회전을 할때의 작업량을 나타낸다. 존재하지 않는 엔진부피크기 Vex가 1 Bar 또는 대기압력에 도달하기 위한 계산은:
Pf(Vf)1.3 = Pa(Vex)1.3
(37.3)(0.125)1.3 = 1(Vex)1.3
Vex = 2.02 Liters
그리고 보일의법칙을 적용, 배기과정 직전에 엔진부피 2.02Liters의 가상배기가스온도 Tex는:
PfVf/Tf = PaVex/Tex
(37.3)(0.125)/1,400 = (1)(2.02)/Tex
Tex = 607°K
이때 Vex는 엔진실린더가 가능한 모든 작업량을 수집하기 위해 팽창해야 하는 가상부피고 Pa는 대기압력이다.
이 엔진의 단순화 효율(총 얻은 작업량의 합 대 엔진부피2.02Liters의 가상팽창 엔진이 잃은 작업량의 비율)은 압력부피도표에 의하면 61%밖에 안된다. 이계산된 효율의 단순화공식은 마찰에 의한 손실들, 엔진에서 잃은 열, 그리고 배기가스가 1 Bar에 달성했을때 열온도(가상의 엔진부피에서 증명했듯이 607°K or 334°C이상, 왜냐하면 이가스는 열에너지가 있어도 더 이상의 작업이 불가능하다.)를고려하지 않는다.
Figs. 13 과 13A는 압축비율 CR=24 가상 4사이클 표준단일실린더 연소과정43의 예시 압력부피도표다. 이 엔진에서는 연료의 자동점화온도는 고려하지 않는다. 엔진 실린더부피 Ve = 1 Liter. 이 엔진을 분석하는 이유는 이 가상의 엔진과 표준 4사이클 그리고 4사이클 CWPSC엔진의 성능효율을 비교하기 위함이다. 이 엔진은 공기만 압축하는 디젤엔진의 모든특성을 가지고 연료의 자동점화온도는 고려하지 않는다. 이 엔진의 함축된 효율은 약 75%다.
Figs. 14, 14A, 15, 15A, 16 그리고 16A는 4사이클 "CWPSC" 단일실린더연소과정43에서46까지: "Version I", "Version II", "Version II(A)" 및 "Version III" 그리고 압축비율은 각 CR = 24, 25.2, 25.2 and 24인 예시 압력부피도표다. 이 도표에서 볼수 있듯이 이 엔진들의 단순화비율은 61%의 표준 4사이클엔진 보다 높고 약75%의 가상 4사이클엔진(이엔진의 도표는 디젤엔진의 압축공기도표다) 보다 높거나 같다("Version III"만 같다).
전압력부피도표에서 나타난듯이, "CWPSC" 4사이클 엔진의 효율은 표준 SI-ICE엔진효율을 넘길 뿐만아니라 디젤엔진의 효율과 같거나 높다. 이것은 "CWPSC" 엔진들을 사실상 디젤엔진 보다 효율이 낮은 다른 SI-ICE엔진들을 구분짓는 혁신적인 성과다.
본 발명의 주요특색은 연소실린더로 주입전 압축공기의 냉각이다. 이것은 엔진이 점화전압축온도 Ti와 압력 Pi을 미세조정가능케하고 이로인해 다양한 압축비율들과 연료들에 적응할수 있도록 한다. CPU에 제어되는 냉각비율로 엔진은 다양한 압축비율들에 조절되고 다양한 연료들을 사용할수있다. 이 적용은 "CWPSC" 엔진의 우월한 효율 때문에 디젤엔진들을 포함한 모든 다른 엔진들에 적용될 수 있다.
비록 본발명의 선호 구현들은 설명목적들을 위한것이지만, 예술에 숙련된 사람들은 본발명이 본발명의 비전을 왜곡하지않고 많은추가, 수정, 대체가 가능한 것의 진가를 인정할것이다.
위와 밑에서의 주장에서 사용될 상사점(TDC)의 정의는 피스톤의 실린더헤드에 가장 가까운 위치 그리고 하사점(BDC)는 피스톤이 실린터헤드에서 가장 먼 위치다. 총실린더부피는 TDC 에서 BDC까지의 부피다.

Claims (11)

  1. 4사이클 스파크 점화 내연기관에 있어서,
    하나 이상의 연소 실린더들; 여기서, 각 실린더는 총 실린더용량, 흡입량, 상사점(TDC), 하사점(BDC)를 가지고. 각 실린더는 크랭크축과 플라이휠에 기계적으로 결합되어 축 왕복하는 피스톤을 포함하고, 각 실린더는 흡입사이클을 포함하는 4 사이클 연소과정을 실행하고, 흡입사이클에서는 피스톤이 실린더의 BDC로 축이동하고 공기연료혼합물의 흡입량을 실린더 내부로 끌어들이고, 이어지는 압축사이클에서는 피스톤이 실린더의 TDC로 축이동하고 공기연료혼합물을 점화전 압축용량, 점화전 압축 압력, 점화전 압축 온도로 압축하고, 이어서 공기연료혼합물의 스파크 점화가 있고 이는 팽창사이클에서 피스톤을 실린더의 BDC로 이동시키고, 이어지는 배기사이클에서는 피스톤이 실린더의 TDC로 이동하고 다음 흡입사이클 이전에 실린더의 배기가스를 실린더 밖으로 내보내고, 여기서 실린더 용량은 피스톤이 BDC에 있을 때의 실린더 내부 용량이고, 연소실 용량은 피스톤이 TDC에 있을 때의 실린더 내부 용량이고, 실린더용량 대 연소실용량의 비율은 압축비율을 정의하고, 여기서 압축비율은 18이상이고;
    하나 이상의 예비공기압축기들; 여기서, 각 압축기는 압축기 공기용량을 가지고, 각 압축기는 주변 공기(ambient air)의 압축기 공기용량을 대기 압력 및 주변 공기 온도에서 압축하고, 이는 흡입전 공기온도와 2.1 Bars 이상의 흡입전 공기압력을 가진 압축된 흡입전 공기용량을 생성하고; 및
    하나 이상의 열교환기들; 여기서, 압축된 흡입전 공기용량은 부피팽창 없이 1.8 Bars 이상의 흡입공기압력으로 냉각되고;
    를 포함하고,
    여기서, 열교환기들은 흡입공기온도가 주변 공기 온도와 관계없이 일정하게 유지되고 흡입공기온도가 충분히 낮아서 설정된 압축비율에서의 점화전 압축온도가 연료의 자동점화온도보다 한 단계 낮게 일정하게 유지되도록 제어되고,
    여기서, 흡입공기용량은 흡입사이클 동안 연소실린더내로 팽창되고, 여기서 피스톤은 실린더의 BDC 근처에 있고, 각 연소실린더들의 흡입용량은 흡입공기온도 보다 적어도 50℃ 낮은 저온 흡입온도로 냉각되고, 그리고 연소실린더에서의 흡입공기용량의 팽창은 저온흡입온도가 충분히 낮아서 설정된 압축비율에서의 점화전 압축온도가 연료의 자동점화온도 보다 한 단계 낮도록 제어되는 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 열교환기들은 흡입공기온도가 복수의 대체가능한 점화전 압축온도 중 어느 하나로 조절될 수 있도록 제어되고, 각각의 대체가능한 점화전 압축온도는 복수의 대체가능한 지정된 압축비율들 중 하나, 또는 복수의 대체가능한 연료자동점화온도들 중 하나, 또는 복수의 대체가능한 지정된 압축비율들 중 하나와 복수의 대체가능한 연료자동점화온도들 중 하나의 조합에 대응하는 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 예비 공기압축기들은 압축실린더 및 압축피스톤을 포함하고, 압축실린더는 총실린더용량, TDC, BDC를 가지고, 압축기 피스톤은 크랭크축과 플라이휠에 기계적으로 결합되고, 각 압축실린더는 4사이클 연소과정과 함께, 제1 압축기 흡입단계를 포함하는 4 단계 압축과정을 실행하고, 제1 압축기 흡입단계에서는 압축기 피스톤이 압축실린더의 BCD로 축이동하고, 압축공기용량과 압축실린더의 총실린더 용량과 같은 주변 공기의 첫번째 일부 용량을 압축실린더로 끌어들이고. 이어지는 제1 압축기 압축단계에서는 압축기 피스톤이 압축실린더의 TDC로 축이동하고 주변 공기의 첫번째 일부 용량을 흡입전 공기저장소로 압축하고, 이어지는 제2 압축기 흡입단계에서는 압축기피스톤이 압축실린더의 BDC로 축이동하고 주변 공기의 두번째 일부 용량을 압축기 실린더로 끌어들이고, 여기서 주변 공기의 두번째 일부 용량은 압축기 공기용량과 압축기 실린더의 총실린더 용량과 같고, 이어지는 두번째 압축기 압축단계에서는 압축피스톤이 압축기 실린더의 TDC로 축이동하고 주변 공기의 두번째 일부 용량을 흡입전 공기저장소로 압축하고, 이 흡입전 공기저장소에서 주변 공기의 압축된 첫번째 일부 용량과 압축된 두번째 일부 용량이 혼합되어 압축된 흡입전 공기용량을 구성하는 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  4. 제3항에 있어서, 각 압축기 실린더들의 총실린더용량은 각 연소실린더들의 총실린더 용량의 절반인 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  5. 제4항에 있어서, 각 연소실린더의 흡입용량은 각 연소실린더들의 총실린더용량의 절반 보다 작고, 각 연소실린더의 흡입사이클은 연소실린더의 피스톤이 연소실린더의 BDC에 도달하기 전에 끝나는 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  6. 제3항에 있어서, 각 연소실린더의 흡입용량은 각 연소실린더들의 총실린더 용량과 같고, 각 연소실린더의 흡입사이클은 연소 실린더의 피스톤이 연소실린더의 BDC에 도달할 때 끝나는 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  7. 제6항에 있어서, 흡입 공기용량이 흡입 공기저장소에서 팽창하여, 각 연소실린더들의 흡입용량이 흡입공기 온도 보다 적어도 50℃ 낮은 저온 흡입온도로 냉각되고, 흡입 공기저장소에서의 흡입공기용량의 팽창은 저온 흡입온도가 충분히 낮도록 제어되어, 지정압축비율에서의 점화전 압축온도가 연료의 자동점화온도 보다 낮은 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  8. 제7항에 있어서, 각 압축기 실린더들의 총실린더 용량은 각 연소 실린더들의 총실린더 용량 보다 크거나 같은 4사이클 스파크 점화 내연기관.
  9. 제8항에 있어서, 예비공기 압축기들의 일부 또는 전부는 압축공기 압축기들이고, 각 연소실린더들의 배기가스는 연소실린더의 배기사이클 동안, 배기터빈으로 이동되고, 그 결과 배기가스들의 팽창이 배기터빈을 구동시키고 배기터빈은 배기가스로부터 에너지를 회수하는 4사이클 스파크 점화 내연기관.
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