KR102185298B1 - 수성 유체 분사를 동반하는 내연 기관 - Google Patents

수성 유체 분사를 동반하는 내연 기관 Download PDF

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Abstract

내연 기관(10)이 연소 챔버(12)를 포함한다. 챔버는, 챔버 체적을 변화시키도록 챔버 내에서 이동 가능한 몸체(18)를 포함하며 그리고 촉매(50)를 수용한다. 제1 밸브 장치(24)가 챔버 내로 흡입 기체를 진입시키도록 작동할 수 있으며 그리고 수성 유체 공급 시스템(32)과 연결되는 제2 밸브 장치(26)가 챔버 내로 수성 유체 및 증기 개질 연료를 진입시키도록 작동할 수 있다. 컨트롤러(48)가, 제2 밸브 장치(30)가 수성 유체 및 정해진 양의 증기 개질 연료를 챔버 내로 진입시키는 것을 야기하도록 그리고, 증기 개질 연료 또는 상기 수성 유체로부터 수소를 분리하기 위한 증기 개질 프로세스를 촉진하기 위해, 흡입 기체의 압축 도중에 사전 결정된 상태가 챔버 내에 존재할 때, 수성 유체 및 증기 개질 연료가, 촉매의 존재 상태에서 흡입 기체의 압축에 의해 생성되는 열을 흡수하는 것을 야기하도록 구성된다.

Description

수성 유체 분사를 동반하는 내연 기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AQUEOUS FLUID INJECTION}
본 발명은 내연 기관에 관한 것이며, 그리고 구체적으로, 배제적이지 않지만, 자동차에 동력을 공급하기 위한 내연 기관에 관한 것이다.
왕복 피스톤 스파크 점화 기관은, 자동차에 동력을 공급하기 위해 사용되는 내연 기관의 하나의 공지된 형태이다. 왕복 피스톤 스파크 점화 기관들은, 개별적인 실린더 내에서 왕복하도록 배열되며 그리고 크랭크 샤프트에 각각 연결되는 복수의 피스톤을 포함한다. 각각의 실린더는, 공기와 연료의 유입 유동을 제어하기 위한 유입 밸브 장치, 연소 생성물의 배출을 제어하기 위한 배기 밸브 장치, 및 공기 연료 혼합물을 점화하기 위한 스파크 플러그를 구비하게 된다. 기관으로의 연료의 공급이 기화기에 의해 제어되는 경우, 공기 및 연료는 실린더들의 상류의 흡입 매니폴드 내에서 혼합되며 그리고 유입 밸브 장치는 실린더 내로 연료 공기 혼합물의 흡입을 제어하는 흡입 밸브를 포함한다. 실린더들로의 연료 공급이 연료 분사에 의한 것일 경우, 유입 밸브 장치는 2개의 밸브를 포함한다. 밸브들 중 하나는 연료 분사기이며 그리고 다른 하나는 공기 흡입 밸브이다. 연료 분사기는, 실린더 내로 직접적으로 연료를 분사하도록 또는 공기 흡입 밸브 바로 상류의 흡입 덕트 내로 연료를 분사하도록 배열될 수 있을 것이다.
전형적으로, 왕복 스파크 점화 기관들은 4-행정 사이클로 작동한다. 각각의 실린더 위로 또는 아래로의 피스톤의 각각의 운동은 4-행정 사이클의 하나의 행정을 포함한다. 4-행정 사이클은:
유입 밸브 장치가 개방되며 그리고 공기와 연료가 피스톤이 크랭크 샤프트를 향해 이동함에 따라 엔진 내로 취해지는, 흡입 행정;
유입 밸브 장치 및 배기 밸브 장치가 폐쇄되며 그리고 피스톤이 크랭크 샤프트로부터 멀어지게 이동하는 가운에 공기 연료 혼합물이 압축되는, 압축 행정;
압축된 혼합물이 점화되며 그리고 혼합물의 연소에 의해 야기되는 빠른 팽창이 피스톤을 다시 크랭크 샤프트를 향해 압박하는, 동력 행정 또는 작동 행정; 및
배기 밸브 장치가 개방되며 그리고 피스톤이 크랭크 샤프트로부터 멀어지게 다시 이동함에 따라 배기가스가 실린더 밖으로 내몰리는, 배기 행정으로 구성된다.
일부 왕복 피스톤 스파크 점화 기관들은, 4-행정 사이클의 변형인, 2-행정 사이클로 작동한다. 그러한 기관들은 일반적으로, 4-행정 기관들보다 더 작은 용량의 것이며 그리고 승용차의 관점에서 이륜차를 위해 사용되는 경향이 있다. 2-행정 기관들은, 밸브들 대신에 실린더의 측면을 따라 위치하게 되는 포트들을 사용한다. 피스톤이 실린더 위로 그리고 아래로 이동함에 따라, 포트들은, 피스톤이 실린더 내에서 어디에 있는지에 의존하여, 덮이게 되고 덮이지 않게 된다. 본질적으로, 2-행정 기관에서, 흡입 및 압축 프로세스는 제1 행정 도중에 일어나며 그리고 연소 및 배기 프로세스는 제2 행정 도중에 일어난다.
왕복 피스톤 압축 점화 내연 기관은, 자동차에 동력을 공급하기 위해 통상적으로 사용되는 엔진의 다른 형태이다. 왕복 피스톤 압축 점화 내연 기관들은, 스파크 점화 기관들에 의해 사용되는 연료들보다 높은 자동-점화 온도를 갖는 연료를 사용하며 그리고 상기한 4-행정 사이클의 수정된 버전으로 작동한다. 구체적으로, 흡입 행정 도중에, 공기가 실린더 내로 이끌리게 되며 그리고 그 공기는 압축 행정 도중에 고압 및 고온으로 압축된다. 연료가 이어서 실린더 내로 (또는 실린더 내로 이어지는 혼합 챔버 내로) 직접적으로 주입되며 그리고 연료가 실린더 내에서 고온의 압축 공기와 혼합됨에 따라 연소가 일어난다. 역사적으로, 왕복 피스톤 압축 점화 기관들은, 소음이 심하고 느린 것으로 생각되었으며 그리고 자동차 분야에서 트럭들 및 버스들과 같은 다른 상용차들을 위해 주로 사용되었다. 그러나, 더욱 최근에, 고성능 왕복 피스톤 압축 점화 기관들이 개발되었으며 그리고 현재 왕복 피스톤 압축 점화 기관들은 세단형 자동차(sedans)와 같은 작은 승용 차량들에 통상적으로 사용된다.
방켈 기관(Wankel engine)은, 자동차에 동력을 공급하기 위해 사용되었던, 스파크 점화 기관의 다른 형태이다. 방켈 기관은, 왕복 피스톤 스파크 점화 내연 기관에 의해 사용되는 4-행정 사이클과 유사한, 4 '행정' 사이클을 사용한다. 그러나, 왕복 피스톤들 대신에, 방켈 엔진은, 대략 계란형(에피트로코이드-형상: epitrochoid-shaped) 챔버 내에 회전을 위한 편심 샤프트 상에 장착되는 대략 삼각형의 로터를 구비한다. '4 행정'은 로터와 챔버 벽 사이의 공간들에서 일어난다.
이러한 공지의 내연 기관의 일반적인 특징은, 연료 공기 혼합물이 그 내부에서 연소되는 챔버로 연료 공기 혼합물이 유입되며, 따라서 연소에 의해 야기되는 혼합물의 빠른 팽창이 샤프트의 회전을 야기하기 위해 출력 샤프트에 연결되는 몸체(피스톤 또는 로터) 상에 직접적으로 작용하도록 한다는 것이며, 기관의 출력은 샤프트의 회전이다.
액체의 몸체가 왕복 피스톤으로서 작용하는 기관이 또한 제안된 바 있다.
본 발명은 청구항 1에 구체화되는 바와 같은 내연 기관을 작동하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 청구항 13에 구체화되는 바와 같은 내연 기관을 포함한다.
본 발명은 또한 청구항 14에 구체화되는 바와 같은 내연 기관을 포함한다.
뒤따르는 개시에서, 도면들을 참조하게 될 것이다.
도 1은 내연 기관에 대한 개략적 도면이며;
도 2는 도 1의 내연 기관의 밸브 장치의 예에 대한 개략적 도면이고;
도 3은 도 1의 내연 기관의 밸브 장치의 다른 예에 대한 개략적 도면이며;
도 4는 내연 기관을 위한 컨트롤러의 예에 대한 개략적 도면이고;
도 5는 도 1의 내연 기관의 사이클을 도시하는 압력-체적 다이어그램이며;
도 6은 도 4의 사이클을 도시하는 온도-엔트로피 다이어그램이고;
도 7은 도 1의 내연 기관의 일부의 변형예에 대한 개략적 도면이며;
도 8은 다른 내연 기관에 대한 개략적 도면이고;
도 9는 도 8의 내연 기관의 분사기 밸브에 대한 개략적 도면이며; 그리고
도 10은 도 1 내지 도 4, 도 7 및 도 8의 내연 기관을 위한 연소 개시기(combustion initiator)에 대한 개략적 도면이다.
도 1을 참조하면, 내연 기관(10)이, 벽들(14, 16) 및 챔버 내에서 이동 가능한 몸체를 구비하는 실린더 또는 하우징에 의해 한정되는, 가변 체적 연소 챔버(12)를 포함한다. 도시된 예에서, 몸체는, 커넥팅 로드(22)에 의해 크랭크 샤프트(20)와 연결되는, 왕복 피스톤(18)이다.
내연 기관(10)은, 연소 챔버(12) 내로 흡입물(aspirant)을 포함하는 흡입 기체를 진입시키도록 작동할 수 있는 제1 밸브 장치(24)를 포함한다. 도시된 예에서, 흡입 기체는 제1 밸브 장치(24)와 연결되는 공기 공급 시스템(26)으로부터 받아들여지는 공기이다. 공기 공급 시스템(26)은 대기를 받아들이도록 구성되는 매니폴드를 포함하며 그리고 제1 밸브 장치(24)로 공기를 전달한다. 제1 밸브 장치(24)는 공기 공급 시스템(26)과 연결되는 하나 또는 복수의 밸브를 포함할 수 있을 것이다. 공기 공급 시스템(26)은 공기를 깨끗하게 하기 위해 적당한 필터들을 포함할 수 있을 것이다.
내연 기관(10)은, 증기 공급 시스템(32) 및 내연 기관을 위한 연료를 수용하는 저장 탱크(34)와 연결되는 제2 밸브 장치(30)를 포함한다. 제2 밸브 장치(30)는, 증기 공급 시스템(32)으로부터의 증기 및 저장 탱크(34)로부터의 연료를 혼합물로서 연소 챔버(12) 내로 진입시키도록 작동할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 밸브 장치(30)는, 연소 챔버(12) 내로 개방되는 하나 또는 복수의 제1 밸브(36) 및, 증기 공급 시스템으로부터 제1 밸브들을 격리하도록 하기 위한 그리고 연소 챔버 내로 단지 연료만을 진입시키는 것을 허용하도록 하기 위한, 증기 공급 시스템(32)과 제1 밸브(들)(36) 사이에 배치되는 하나 이상의 제2 밸브(38)를 포함할 수 있을 것이다. 도 3에 도시된 다른 예에서, 제2 밸브 장치(30)는, 연소 챔버(12) 내로 개방되며 그리고 연소 챔버 내로 연료-증기 혼합물을 진입시키기 위해 증기 공급 시스템(32) 및 저장 탱크(34)와 연결되는, 하나 또는 복수의 제1 밸브(36) 및, 연소 챔버(12) 내로 개방되며 그리고, 제1 밸브(들)와 독립적으로 연소 챔버 내로 연료를 진입시키는 것을 허용하기 위해, 증기 공급 시스템으로부터 격리되고 저장 탱크(34)에 별개로 연결되는, 하나 또는 복수의 제2 밸브(38)를 포함한다.
내연 기관(10)은, 배기 시스템(40) 및 배기 시스템 내로 연소 챔버(12)로부터의 배기가스를 방출하도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 배기 밸브를 포함하는 배기 밸브 장치(42)를 구비한다. 도시된 예에서, 배기 시스템(40)은, 증기를 생성하기 위해 사용되는 열의 적어도 일부를 제공하기 위해 배기 시스템 내에서 유동하는 배기가스로부터 열을 추출하기 위해 증기 공급 시스템(32)과 협력할 수 있다. 이것은, 예를 들어, 증기가 그 내부에서 생성되는 파이프 또는 용기의 둘레에 감기는 배기가스가 그를 통해 유동하는 배관을 구비함에 의해, 또는 하나 이상의 증기 파이프를 수용하는 용기를 통해 배기가스를 유동시키는 것에 의해, 달성될 수 있을 것이다.
내연 기관(10)은, 제1 밸브 장치(24), 제2 밸브 장치(30) 및 배기 밸브 장치(42)의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러(48)를 포함한다. 도시된 예에서, 제1 밸브 장치(24), 제2 밸브 장치(30) 및 배기 밸브 장치(42)는, 컨트롤러(48)에 의해 출력되는 전기적 명령 신호들에 응답하여 개방되고 폐쇄되는, 전기적으로 구동되는 밸브들, 예를 들어 솔레노이드 밸브들을 포함한다. 다른 예에서, 제1 밸브 장치(24), 제2 밸브 장치(30) 및 배기 밸브 장치(42) 중의 적어도 하나는, 유압 또는 공압 구동 유체의 공급원에 대해 컨트롤러(48)에 의해 출력되는 전기적 명령 신호들에 응답하여 유압식으로 또는 공압식으로 구동되는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있을 것이다.
내연 기관(10)은, 연소 챔버(12) 내의 압력/온도를 지시하는 신호들을 컨트롤러에 제공하기 위해 컨트롤러(48)와 연결되는, 하나 이상의 센서(50)를 더 포함한다. 센서(들)(50)는 압력 센서(들) 또는 온도 센서(들)일 수 있을 것이다. 센서(들)(50)는, 내연 기관(10)에서의 사용에서 직면하게 될 비교적 높은 온도에서 작동할 수 있는, 임의의 유형의 센서일 수 있을 것이다. 내연 기관(10)의 작동을 제어할 목적을 위해, 적어도 그의 작동 중의 일부 국면들 도중에, 온도 센서(들)는, 연소 챔버(12) 내에서 일어나는 온도 변화에 매우 잘 반응하게 될 필요가 있다. 온도 센서(들)는, 반투명 창(미도시)을 통해 연소 챔버 내의 온도를 감지하는, 적외선 온도 센서(들)일 수 있을 것이다. 대안적으로, 예를 들어, 미국 특허 제5,659,133호(그의 내용이 참조로 본 명세서에 통합됨)에 개시되는 바와 같은, 고온 매립형 포토다이오드가 사용될 수 있다.
내연 기관(10)은, 연소 챔버(12) 내에서 연소 이벤트들을 개시하는 것을 지원하기 위한 연소 개시기(52)를 구비할 수 있을 것이다. 연소 개시기(52)는, 예열 플러그, 고온 와이어, 스파크 플러그 또는 이와 유사한 것과 같은, 전기적 연소 개시기일 수 있을 것이다.
촉매(54)가, 임의의 편리한 방법에 의해 연소 챔버(12) 내에 장착된다. 촉매(54)는, 예를 들어, 벽(14) 내에 제공되는 적절한 홈(recessing)을 포함하는 장착부(mounting) 내에 장착될 수 있으며, 따라서 촉매(54)가 연소 챔버(12)의 체적에 영향을 미치지 않도록 한다. 촉매(54)는, 대안적으로, 또는 부가적으로, 피스톤(18)의 상단부(crown) 상에, 바람직하게 도 1에 도시된 바와 같이 적절한 홈을 포함하는 장착부 내에, 장착될 수 있을 것이다. 피스톤 상에 촉매(54)를 장착하는 것은, 촉매가 피스톤의 관성을 증가시킴에 따라, 현재 바람직하지 않다. 다른 예에서, 촉매는, 대신에 또는 부가적으로, 제1 밸브(들)(36) 상에 장착될 수 있을 것이다. 분사기 밸브 상에 장착되는 촉매의 예들이, 도 8 및 도 9를 참조하여 이하에 설명된다. 다른 예에서, 촉매는, 대신에 또는 부가적으로, 연소 개시기(52) 상에 제공될 수 있을 것이다. 연소 개시기 상에 장착되는 촉매의 예들이, 도 10을 참조하여 이하에 설명된다.
도 1에, 컨트롤러(48)와 밸브 장치들(24, 30, 42) 및 센서(들)(50) 사이의 연결들이 도시되지 않는다. 이는 단지 도시의 명료함을 위한 것이며 그리고 당업자는 적절한 방법들 및 연결들을 이루는 수단들을 예상하는 것에 어려움을 갖지 않을 것이다.
도 1에서, 내연 기관(10)은, 단지 하나의 연소 챔버(12)를 포함하는 것으로 도시된다. 이것은 일부 적용들에 대해 적절할 수 있지만, 전형적으로 내연 기관(10)은, 각각 크랭크 샤프트(20)에 연결되는 피스톤(18)을 구비하는, 복수의 연소 챔버(12)를 포함할 것이다. 복수의 챔버 또는 실린더, 엔진에서, 챔버들은, 직렬형, 평면형 또는 V형과 같은 임의의 적당한 공지의 배열 형태로 배열될 수 있을 것이다.
도 4를 참조하면, 내연 기관(10)을 위한 적절한 컨트롤러(48)가, 예를 들어, 컨트롤러가 센서(들)(50)로부터의 신호들을 수신하고 사용하는 것 및 밸브 장치들(24, 30, 42) 및 컨트롤러에 의해 제어될 수 있는 내연 기관(10)의 다른 요소들로 유용한 신호들을 출력하는 것을 허용하기 위해, 아날로그 신호를 디지털 신호로 그리고 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한, 그리고 신호들을 증폭하기 위한, 하나 이상의 프로세서(1600) 및 신호 조화 요소(signal conditioning components)(1602)를 포함한다. 컨트롤러(48)는 부가적으로, 내연 기관의 작동 도중에 생성되는 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 랜덤 엑세스 메모리(RAM) 및 프로세서를 위한 유용한 입력을 제공하기 위해 하나 이상의 센서로부터 들어오는 신호들을 샘플링하는데 사용하기 위한 회로(1606)를 포함한다. 컨트롤러(48)는 부가적으로, 하나 이상의 제어 소프트웨어 부분(1608)이 그 내부에 영구적으로 저장되는, 리드 온리 메모리(ROM)일 수 있는, 영구적인 메모리(1606) 형태의 하나 이상의 데이터 저장 요소를 포함할 수 있을 것이다. 물론, 일부 적용을 위해, 영구적 메모리가 요구되지 않는다. 예를 들어, 컨트롤러는, 제어 알고리즘이 그 내부에 저장되며 그리고 컨트롤러의 설정시 컨트롤러 내의 RAM에 제어 알고리즘을 업로드하는, 마스터 컴퓨터와 연결될 수 있을 것이다. 다른 대안예에서, 컨트롤러는, 마스터 컨트롤러 또는 컴퓨터에 종속될 수 있을 것이다. 또 다른 대안예에서, 컨트롤러는, 하나 이상의 하드웨어 내장 제어 회로(hard wired control circuit)를 포함할 수 있을 것이다.
내연 기관(10)은 수정된 디젤 사이클로 작동할 수 있을 것이다. 수정된 디젤 사이클을 사용하는 내연 기관(10)의 작동이, 도 5 및 도 6을 참조하여 지금부터 설명될 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 지점(1)은 내연 기관(10)의 작동 사이클을 시작을 지시한다. 지점(1)에서, 피스톤(18)은 그의 왕복 행정의 일단부(도 1에 도시된 바와 같은 가장 낮은 위치)에 놓인다. 이것은 통상적으로, 심지어 엔진 실린더들이 평면형에서와 같이 수평으로 지향하게 되는 경우에도, 하사점(bottom dead centre: BDC) 위치로서 언급된다. 이 단계에서, 개별적으로 배기 밸브 장치(42) 및 제1 밸브 장치(24)의 작동에 의해, 앞선 사이클로부터의 배기가스는 연소 챔버(12)로부터 실질적으로 제거되었으며 그리고 대기압 및 대기온도의 흡입 기체의 새로운 1회분이 진입하게 되었다. 제1 밸브 장치(24) 및 배기 밸브 장치(42)는 폐쇄된다. 흡입 기체는 제1 압력(P1) 및 제1 온도(T1)이다. 피스톤(18)은 이어서 하사점(BDC)으로부터 벽(14)을 향해 이동한다. 피스톤이 벽(14)을 향해 이동함에 따라, 피스톤은 연소 챔버(12)의 체적을 감소시키며 그리고 그렇게 함으로써, 피스톤은 흡입 기체를 압축한다. 흡입 기체의 압축은, 흡입 기체의 압력 및 온도를 제1 압력(P1) 및 제1 온도(T1)로부터 상승시킨다. 내연 기관(10)은, 피스톤이 벽(14)에 가장 가깝게 놓이는, 통상적으로 상사점(TDC) 위치로 언급되는, 피스톤 행정의 타단부에 피스톤(18)이 도달할 때, 연소 챔버(12)의 체적이 흡입 기체에 대해 충분히 감소하게 되어 사전 결정된 압력(P2)까지 압축되도록, 구성된다. 상사점(TDC) 위치는 위치(2b)로 지시된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 흡입 기체의 압력이 지점(1)에서의 압력(P1)으로부터 올라감에 따라, 흡입 기체 온도가 초기에, 전형적으로 대략 293K일 수 있는, 온도(T1)로부터 상응하게 올라간다. 지점(2a)에서 사전 결정된 압력/온도(P2a/T2a)가 달성될 때, 컨트롤러(48)는 제2 밸브 장치(30)가 개방되는 것 및 연소 챔버(12) 내로 연료와 증기의 계량된 혼합물을 진입시키는 것을 야기하도록 신호들을 출력한다. 촉매의 존재 상태에서 고온 흡입 기체들 내로의 연료 및 증기 혼합물의 진입은, 수소가 그에 의해 연료 또는 증기로부터 분리되는, 증기 개질 프로세스를 촉진한다. 수소는, 사이클의 이후 단계에서 연소 챔버(12) 내에서 연소된다. 증기 및 연료는, 증기 개질 프로세스로 인해 압축된 흡입 기체들로부터 열을 흡수하여, 그로 인해 흡입 기체들을 냉각하도록 한다. 도시된 예에서, 연료 및 증기 혼합물은, 흡입 기체들의 압력이 지점(2a)으로부터 지점(2b)으로 이어짐에 따라, 실질적으로 일정한 온도를 유지하기에 충분하게 흡입 기체를 냉각시키는 계량된 속도로 진입하게 되며, 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 온도들(T2a, T2b)은 적어도 실질적으로 동등하다. 지점(2b)은, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달했으며 그리고, 피스톤이 하사점(BDC)으로 복귀하는 팽창 행정을 준비하는 지점을 지시한다. 지점(2b)에서, 컨트롤러(48)는, 제2 밸브 장치(30)가 연소 챔버(12)로의 증기 진입을 중단시키는 것 및 연소 프로세스를 위해 연소 챔버 내로 계량된 1회분의 연료를 진입시키는 것을 야기하기 위한 신호들을 출력한다.
지점(2b)에서의, 연소 챔버(12) 내의 압력(P2b) 및 온도(T2b)는, 수소 및 연료가 자연스럽게 점화하도록 하는 것이다. 예열 플러그, 고온 와이어 또는 이와 유사한 것(52)이 수소 및 연료의 연료를 개시하는 것을 지원하기 위해 제공되는 경우에, 컨트롤러(48)는, 제2 밸브 장치(30)가 증기 진입을 중단시키는 것 및 연소 챔버(12) 내로 계량된 1회분의 연료를 진입시키는 것을 야기하기 위한 신호의 출력과 동시에 또는 직후에, 예열 플러그, 고온 와이어 또는 이와 유사한 것(52)이 여자되는 것을 야기하기 위해, 전원(미도시)으로 신호를 출력하도록 구성된다. 연소 챔버(12) 내에서의 연료와 수소의 연소는, 피스톤(18)이 상사점(TDC) 위치로부터 다시 하사점(BDC) 위치를 향해 구동되는 것을 야기한다. 피스톤의 운동은, 크랭크 샤프트를 회전시키며 그리고 내연 기관(10)으로부터의 일 출력(W)을 제공하기 위해, 커넥팅 로드(22)에 의해 크랭크 샤프트(20)로 전달된다. 도시된 예에서, 연료는 선택되는 계량된 속도로 연소 챔버(12) 내로 진입하게 되며, 따라서 연료 및 수소의 연소는 실질적으로 일정한 압력 상태 하에서 일어난다. 계량된 연료는, 도 5 및 도 6에서 지점(2b)과 지점(3) 사이의 기간 도중에 진입하게 된다.
지점(2b)으로부터의 사전 결정된 시간의 경과에 따라 또는 사전 결정된 압력/온도가 센서(들)(50)에 의해 검출될 때 결정될 수 있는, 지점(3)에서, 컨트롤러(48)는, 제2 밸브 장치(30)가 연소 챔버(12)로의 연료 진입을 중단시키는 것을 야기하는 신호를 출력한다. 연소 기체들은, 피스톤(18)이 하사점(BDC) 위치를 향해 이동함에 따라 계속해서 팽창하며 그리고 연소 챔버 내의 압력 및 온도는, 하사점(BDC) 위치를 나타내는, 지점(4)을 향해 점진적으로 떨어진다. 센서(들)(50)에 의해 검출되는 압력/온도(P4/T4)에 의해 지시될 수 있는, 지점(4)에서, 컨트롤러(48)는, 배기 밸브 장치(42)가 배기 시스템(40) 내로 연소 기체들(배기가스들)을 방출하기 위해 개방되는 것을 야기하기 위한 신호를 출력한다. 배기가스가 연소 챔버(12)로부터 방출됨에 따라, 챔버 내부의 압력은 대기압을 향해 빠르게 떨어진다. 이 단계에서, 제1 밸브 장치(24)는 새로운 1회분의 흡입 기체를 진입시키기 위해 개방되도록 야기되며, 그리고 작동 사이클은 다시 지점(1)에 놓이며 그리고 다음 사이클을 준비한다. 배기 밸브 장치(42)는, 챔버를 들어오는 흡입 기체에 의해 청소하는 것을 허용하기 위해 제1 밸브 장치(24)의 개방에 뒤따라, 적어도 초기에, 개방 상태를 유지할 수 있을 것이다.
이상에 설명된 사이클은, 증기 개질에 의해 생성되는 수소 형태의 부가적인 연료를 생성하기 위해 압축 행정 도중에 생성되는 열을 획득한다. 이러한 부가적인 연료는 사이클 성능을 증가시킨다. 도 5 및 도 6의 지점(2b)과 지점(3) 사이에서 연소하게 되는 연료의 총량은, 증기 개질 프로세스에서 소모되는 연료보다 적은, 지점(2a)과 지점(2b) 사이의 압축 행정 도중에 분사되는 연료에, 증기 개질 프로세스에 의해 생성되는 수소 연료 및 지점(2b)과 지점(3) 사이에서 연소 챔버 내로 진입하게 되는 연료를 더한 양이다. 전체적으로, 그러한 조합은, 수소 생성 반응이 전체적으로 흡열성(endothermic) 임에 따라, 지점(2a)과 지점(3) 사이에 진입하게 되는 연료보다 더 높은 열량 값을 가질 것이다. 동일한 양의 공급 연료가 표준 디젤 사이클에 공급되었다면, 연료는 도 5 및 도 6의 지점(2) 및 지점(3) 사이에 연소 챔버로 진입하게 될 것이다. 수정된 디젤 사이클[지점(1)에서 지점(2a)으로, 지점(2b)으로, 지점(3)으로, 지점(4)으로, 지점(1)으로]에 대한 지시된 일(도 5에 도시된 P-V 다이어그램의 면적)이, 비교 가능한 표준 디젤 사이클[지점(1)에서 지점(2)으로, 지점(3)으로, 지점(4)으로, 지점(1)으로]에서와 같은 동일한 양의 진입 연료에 대해, 더 크다는 것이, 그에 따라 수정된 디젤 사이클의 탁월한 효율이, 확인될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시되는 수정된 디젤 사이클에 의해 제공되는 효율 개선은, 뒤따르는 것들과 같이 각각의 단계에 대한 일 및 열 에너지를 고려함에 의해 평가될 수 있다:
등엔트로피 압축[지점(1)에서 지점(2a)]:
Figure 112016038020857-pct00001
(3)
등온 압축[지점(2a)에서 지점(2b)]:
Figure 112016038020857-pct00002
(증기 개질에 의해 흡수되는 열) (4)
등압 연소[지점(2b)에서 지점(3)]:
Figure 112016038020857-pct00003
(5)
등엔트로피 팽창[지점(3)에서 지점(4)]:
Figure 112016038020857-pct00004
(6)
청소[지점(4)에서 지점(1)]
Figure 112016038020857-pct00005
(7)
효율은 이때 소비된 열(spent heat)에 대한 총 일(net work)로서 평가된다:
Figure 112016038020857-pct00006
(8)
(
Figure 112016038020857-pct00007
은 음의 값임을 알아야 한다)
(동일한 최대 압력 및 체적의) 비교 가능한 표준 디젤 사이클이 아래와 같은 효율을 가질 것이다:
Figure 112016038020857-pct00008
(9)
1:25의 압축비, 표준 대기 온도 및 압력 상태(ambient STP conditions), 700K의 (촉매 반응을 일으키는) 지점(2a) 온도, 연료로서 메탄 및 화학양론적 연소에서, 66% 내지 75%의 이론적 사이클 효율 개선이 달성된다. 메탄이 적당한 연료의 예로서 주어진다는 것 및 원칙적으로, 임의의 적당한 탄화수소가, 모두 증기 개질을 위한 양호한 연료로 간주되는, (특정의 순서 없이) 부탄, 에탄올, 메탄올 및 프로판과 함께, 됨에 따라 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 디젤 및 휘발유(가솔린)와 같은 전통적인 내연 기관 연료들이 또한 사용될 수 있다.
연료가 압축 행정 도중에 연소 챔버(12) 내로 진입하게 되는 지점(2a)에서의 온도(T2a)는, 일어날 상당한 양의 증기 개질을 위해 충분할 최소 온도로서 선택된다. 최소값이 압축 행정으로부터 더 많은 열이 흡수되는 것을 허용하며, 이는 동일한 최대 압력(P2b)이 획득되도록 더 높은 압축비를 허용함에 따라, 이러한 온도(T2a)를 최소값이 되도록 하는 것이 바람직하다. 선택되는 온도(T2a)는 경험적으로 확인될 수 있으며 그리고 합당한 양의 증기 개질을 달성하는 것과 부가적인 열을 흡수하는 것 사이의 타협을 나타낼 수 있을 것이다. 온도(T2a)를 결정하는데 고려될 다른 인자가, 촉매화 반응의 속도이고, 촉매화 반응의 속도는, 온도와 함께 증가하며 그리고 상당한 양의 증기 개질이 일어나야 하는 경우에 온도가 얼마나 낮을 수 있는지에 대한 제한을 제시한다. 일반적으로, 더 낮은 속도에서 작동하는 더 큰 엔진들이 촉매들에 대한 더 넓은 선택 또는 더 낮은 지점(2a) 온도를 수용하도록 할 수 있을 것이라는 점이 기대될 수 있다.
도 5 및 도 6에 의해 도시된 수정된 디젤 사이클의 다른 잠재적 이점은, 내연 기관(10)의 최대 작동 온도를 상승시키지 않고 더 높은 효율을 달성하는 것이, 동력 출력을 위해 생성되는 오염물질의 감소를 효과적으로 생성한다는 것이다. 부가적으로, 수소 연소가 연관되기 때문에, 일산화탄소(CO) 및 탄화수소들(HC)의 배출 수준들이 전통적인 디젤 기관과 비교하여 매우 낮을 것이라는 점이 기대된다.
수정된 디젤 사이클의 또 다른 이점은, 증기 개질 프로세스에 의한 열 흡수가, [도 6에서 지점(2b)과 지점(2)을 비교하면] 비교 가능한 전통적인 디젤 기관에서의 온도(T2)보다 압축 행정의 종료점에서 연소 챔버의 더 낮은 온도(T2b)를 결과적으로 초래할 수 있다는 것이다. 질소산화물(NOx) 생성은 온도에 기하급수적으로 의존하기 때문에, 수정된 디젤 사이클로 작동하는 내연 기관(10)의 질소산화물(NOx) 배출 수준은, 적어도 전통적인 디젤 사이클로 작동하는 기관과 비교할 때, 매우 낮을 것이다.
도 7은 도 1 내지 도 4의 내연 기관의 수정된 형태를 도시한다. 도 7에서, 도 1에 도시된 요소들과 동일하거나 그들과 유사한 요소들은, 100만큼 증가된 동일한 참조 부호들에 의해 지시되며 그리고 다시 설명되지 않는다. 내연 기관(110)과 내연 기관(10) 사이의 차이점은, 내연 기관(110)이 제2 저장 탱크(170)를 갖는다는 것이다. 제1 저장 탱크(134)는, 증기 개질 프로세스에서의 소모를 위한 압축 행정의 지점(2a)과 지점(2b) 사이에 연소 챔버(112) 내로 진입하게 되는, 증기 개질 프로세스를 위한 증기 개질 연료(steam reforming fuel)를 유지하기 위해 사용된다. 제2 저장 탱크(170)는, (도 5 및 도 6의) 지점(2b)과 지점(3) 사이의 연소 행정 도중에 연소 챔버(112) 내로 진입하게 되는 연소 가능한 연료를 유지한다. 이러한 예에서, 제2 밸브 장치(130)는, 연소 챔버 내로 연료-증기 혼합물을 진입시키기 위해 증기 공급 시스템(132) 및 제1 저장 탱크(134)와 연결되는 적어도 하나의 제1 밸브(136) 및 연소 챔버 내로 연료를 진입시키기 위해 제2 저장 탱크(170)와 연결되는 적어도 하나의 제2 밸브(138)를 포함한다. 제1 밸브(들)(136)는, 예를 들어, 도 8 및 도 9를 참조하여 이하에 설명되는 바와 같은, 촉매와 함께 조립되는 분사기 밸브를 포함할 수 있을 것이다. 내연 기관(110)은, 증기 개질 프로세스를 위한 촉매를 보유하는, 예를 들어, 도 10을 참조하여 이하에 설명되는 바와 같은, 예열 플러그와 같은, 연소 개시기를 구비하게 될 것이다.
도 7에 도시된 예에 의해 예시되는 배열 형태는, 증기 개질 프로세스를 위한 하나의 연료 및 연소 프로세스를 위한 상이한 연료를 공급할 가능성을 허용하며, 따라서, 예를 들어 효율성 또는 이용 가능성 이유에 대해 연소 프로세스 위해 상이한 연료를 사용하는 것이 바람직한 경우에, 증기 개질 프로세스에 대해 더 양호한 수소 수율을 제공할 것으로 기대될 수 있는 연료가, 선택될 수 있도록 한다. 따라서, 예를 들어, 일부 예에서, 비교적 값싼 생체 폐기물 연료와 같은 제한된 이용 가능성을 갖는 연료가 증기 개질 프로세스를 위한 증기 개질 연료로서 사용될 수 있으며, 그리고 더 빠르게 이용 가능한 연료, 예를 들어, 디젤 또는 휘발유(가솔린)가 연소 프로세스를 위한 연소 가능한 연료로서 사용될 수 있을 것이다. 유사하게, 메탄올 또는 메탄과 같은 '가벼운' 연료가, 이들이 더 높은 효율을 생성할 수 있기 때문에, 증기 개질 프로세스를 위한 증기 개질 연료로서 사용될 수 있는 가운데, 디젤 또는 휘발유와 같은 더 빠르게 이용 가능한 화석 연료가 연소 프로세스를 위한 연소 가능한 연료로서 사용될 수 있을 것이다.
도 8 및 도 9는 다른 내연 기관(210)의 특징들을 도시한다. 내연 기관(10)의 부분들과 유사한 또는 동일한 내연 기관(210)의 부분들은, 200만큼 증가된 동일한 참조 부호들에 의해 지시되며 그리고 다시 설명되지 않을 것이다.
도 8을 참조하면, 내연 기관(210)은, 벽들(214, 216)에 의해 한정되는 연소 챔버(212)를 포함한다. 연소 챔버(212)는, 커넥팅 로드(미도시)에 의해 크랭크 샤프트(미도시)와 연결되는, 왕복 피스톤(218)을 수용한다. 내연 기관(210)은, 연소 챔버 내로 흡입물을 포함하는 흡입 기체를 진입시키기 위한 제1 밸브 장치(224)를 더 포함한다. 제1 밸브 장치(224)는 공기 공급 시스템(226)에 연결될 수 있을 것이다. 내연 기관(210)은, 적어도 하나의 분사기 밸브(236)를 포함하는 제2 밸브 장치(230)를 더 포함한다. 순수하게 제시의 편의를 위해, 뒤따르는 설명에서, 분사 밸브(236)에 대한 기준은 단수형일 것이다. 이는, 복수의 분사기 밸브(236)가 제공될 수 있음에 따라 제한으로서 취해져서는 안 된다.
분사기 밸브(236)는 연료 펌프(254)를 통해 저장 탱크와 연결된다. 저장 탱크(252)는 연소 가능한 연료를 유지하며 그리고 연료 펌프(254)는 분사기 밸브로 연료를 펌핑하도록 작동할 수 있다. 저장 탱크(252) 및 연료 펌프(254)는 내연 기관(210)에 제공되는 표준 연료 탱크 및 연료 펌프일 수 있을 것이다. 분사기 밸브(236)는 또한 펌프(258)를 통해 제2 저장 탱크(256)와 연결된다. 펌프(258)는 수성 유체 또는 수성 유체와 증기 개질 연료를 포함하는 혼합물을 분사기 밸브(236)로 펌핑하도록 작동할 수 있다.
도 9를 참조하면, 분사기 밸브(236)는, 벽(214) 내에 한정되는 분사기 포트(272) 내에 삽입되도록 구성되는 밸브 몸체(270)를 포함한다. 밸브 몸체(270)는, 복수의 배출 구멍(274)을 구비하게 되는 제1 단부 또는 배출 단부 및 플랜지(276)를 구비하게 되는 제2 단부를 구비한다. 고정 플레이트(278)가, 나사, 볼트 또는 이와 유사한 것(280)에 의해 벽(214)에 고정될 수 있을 것이다. 제1 분사기 밸브(236)는 고정 플레이트(278)에 의해 맞물리도록 구성되어, 제1 분사기 밸브가 고정 플레이트에 의해 작용하게 되는 압착력에 의해 벽(214)에 고정되도록 한다. 적당한 시일(282)이 플랜지(276)와 벽(214) 사이에, 이들 사이에서 압축되고 밀봉하도록, 배치될 수 있을 것이다.
분사기 밸브(236)는, 밸브 몸체(270)가 연장되는 측부 반대편의 플랜지(276)의 측부로부터 연장되는 유입 헤드(284)를 구비한다. 유입 헤드(284)는, 분사기 밸브(236)를 펌프들(254, 258)과 연결하는 개별적인 파이프(290, 292)로의 연결을 위한 커넥터 부품들(286, 288)을 구비한다.
분사기 밸브(236)는, 도 5 및 도 6을 참조하여 이상에 설명된 수정된 디젤 사이클과 동일한 또는 유사한, 수정된 디젤 사이클과 같은 증기 개질 프로세스를 통합하는 사이클을 작동할 때, 연소 챔버(212) 내에서 일어나는 증기 개질 프로세스를 위한 촉매(254)를 보유한다. 촉매(254)는, 밸브 몸체(270)의 배출 단부에 고정되는 슬리브(290)의 형태로 제공될 수 있을 것이다. 슬리브(290)는, 밸브 몸체(270)의 배출 단부로부터 연장되는 완전히 둘러싸인 유동 경로를 한정하는 원통형 부재일 수 있을 것이다. 대안적으로, 슬리브(290)는, 예를 들어, 예를 들어, 길이방향으로 연장되는 슬릿(들)일 수 있는, 측면 개구(들)를 구비하게 되는 부분적 슬리브일 수 있을 것이다. 배출 구멍들(274) 중 적어도 일부는, 촉매(254) 상으로 직접적으로 배출 유체의 비말(spray)을 지향시키도록 구성될 수 있을 것이다.
촉매를 보유하는 분사기 밸브가, 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이, 새롭게 구축된 기관들에 제공될 수 있을 것이다. 이는, 촉매를 위한 장착부를 수용하기 위해, 연소 챔버를 재구성할 또는 특별하게 구성할 필요 없이, 도 5 및 도 6을 참조하여 이상에 설명된 수정된 디젤 사이클과 같이, 증기 개질 프로세스를 통합하는 사이클로 작동하도록, 기관을 구성할 가능성을 제공한다. 그러한 분사기 밸브들은 또한, 수정된 디젤 사이클로 작동하도록 기존의 내연 기관들을 맞추는 비교적 간단한 수단을 제공하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 촉매를 보유하는 하나 이상의 분사기 밸브는, 예를 들어, 하나 이상의 표준 분사기 밸브들 대신에 기존의 내연 기관에 대한 개장(retrofitting)을 위한 키트로서 공급될 수 있을 것이다. 키트는, 펌프에 분사기 밸브(들)를 연결하기 위한 적절한 배관과 함께, 저장 탱크(256) 및 펌프(258)와 같은, 저장 탱크 또는 펌프를 포함할 수 있을 것이다.
도 8 및 도 9의 예에서, 촉매가, 연소 사이클의 연소 행정 도중에 연소 챔버 내로, 수성 유체, 또는 증기 개질 연료, 또는 수성 유체와 증기 개질 연료를 포함하는 혼합물을 진입시키도록 작동하게 되는, 분사기 밸브 상에 제공된다. 이는 본질적인 것은 아니다. 촉매는, 사이클의 연소 행정 도중에 진입하게 되는 흡입물 또는 연료를 진입시키도록 작동할 수 있는 분사기 밸브 상에 제공될 수 있을 것이다. 각각의 경우에, 밸브는, 수성 유체, 증기 개질 연료 및 연소 챔버 내의 열에 노출되는 촉매를 보유하도록 그리고 촉매가 증기 개질 프로세스를 위한 촉매로서 기능할 수 있도록, 구성될 수 있을 것이다.
이상에 도시된 예에서, 분사기 밸브가 그에 의해 2개의 펌프를 통해 저장 탱크들에 연결되도록 하는, 별개의 파이프들을 위한 개별적인 커넥터 부품을 구비한다. 다른 예에서, 매니폴드 또는 이와 유사한 것이 저장 탱크들로부터 그들의 펌프들을 통해 공급물을 받아들이기 위해 분사기 밸브의 상류에 제공될 수 있으며, 따라서 분사기 밸브는, 분사기 밸브가 그에 의해 단일 파이프에 의해 매니폴드 또는 이와 유사한 것에 연결 가능하도록 하는, 단일 커넥터 부품을 구비할 수 있다.
다른 예에서, 도 1 내지 도 4, 도 7, 도 8 및 도 9에 의해 도시되는 것과 같은 내연 기관이, 촉매를 보유하는 연소 개시기를 구비하게 될 수 있을 것이다. 연소 개시기는, 예열 플러그, 고온 와이어, 또는 스파크 플러그와 같은, 전기적 연소 개시기의 형태를 취할 수 있다. 도 10을 참조하면, 예열 플러그(452)의 형태인 전기적 연소 개시기는, 연소 개시기가 연소 챔버의 벽 내에 한정되는 적절하게 나사 가공된 포트 내로 나사 결합되는 것을 허용하도록 구성되는 나사 가공 몸체 포트(490)를 포함한다. 예열 플러그(452)는, 연소 개시기가 그러한 포트 내로 확고하게 나사 결합되는 것을 허용하도록, 렌치 소켓과 같은 체결 도구에 의해 맞물리게 되도록 구성되는 플랜지(492)를 포함할 수 있을 것이다. 예열 플러그(452)는, 예열 플러그가 적절한 전원(미도시)과 전기적으로 연결되는 것을 허용하도록 구성되는, 전기적 입력 단자(494)를 포함할 수 있을 것이다. 전원들 및 그러한 전원들과 내연 기관 내의 전기적 연소 개시기들 사이의 연결은, 당업자에게 익숙할 것이며 그리고 본 명세서에 설명되지 않을 것이다. 예열 플러그(452)는, 입력 단자(494)와 전기적으로 연결되는 중심 전극(496) 그리고 가열 및 조정 코일(498, 500)을 더 포함할 수 있을 것이다. 가열 및 조정 코일(498, 500)은, 입력 단자(494)가 위치하게 되는 단부 반대편의 예열 플러그(452)의 단부에 배치되는 피복 또는 튜브(504) 내에 수용되는 절연 파우더(502) 내에 둘러싸이게 된다. 피복(504)은, 몸체 부분(490)의 단부로부터 동축으로 연장된다. 피복(504)은 에너지 출력 부재로서 기능하며 그리고 사용시 연소 챔버 내에 배치되고, 따라서, 피복은, 연소 챔버 내의 연료, 수소 및 공기 혼합물에 노출되며, 그리고 에너지를 혼합물에 열 형태로 부가할 수 있도록 한다. 예열 플러그(452)는, 벽들(214, 216)이 비교적 차가우며 그리고 흡입 기체들의 압축 도중에 생성되는 상당량의 열을 흡수할 수 있을 때, 적어도 내연 기관(210)의 시동 도중에, 연소를 개시하는 것을 적어도 지원할 수 있을 것이다.
예열 플러그(452)는, 증기 개질 연료 및 수성 유체가 흡입 기체들의 압축 도중에 챔버로 진입하게 될 때 연소 챔버 내에서 일어나는, 증기 개질 프로세스를 위한 촉매(454)를 더 포함한다. 도시된 예에서, 촉매(454)는 예열 플러그의 몸체부(490)에 고정되는 부재(506)이다. 부재(506)는 몸체부(490) 및 피복(504)과 동축으로 연장되며 그리고, 예열 플러그(452)가 설치될 때, 촉매가 연소 챔버(212) 내에서 수성 유체, 열 및 증기 개질 연료에 노출되도록, 위치하게 될 수 있을 것이다. 부재(506)는, 그의 길이의 일부에 걸쳐 피복(504)을 둘러싸는 슬리브일 수 있을 것이다. 대안적으로, 부재(506)는, 예를 들어, 피복(504)이 연소 챔버(212) 내의 유체로부터 과도하게 보호되지 않는 것을 보장하기 위한, 측면 개구들을 구비하는 부분적 슬리브일 수 있을 것이다. 다른 예에서, 촉매는, 예열 플러그(452)에 고정되는 복수의 부재의 형태로 제공될 수 있으며 또는 예열 플러그의 부분 상에 도금될 수 있을 것이다.
분사기 밸브가 촉매를 포함하는 예에 따르면, 촉매를 갖는 연소 개시기를 제공하는 것은, 그들의 작동 사이클 내로 증기 개질 프로세스를 통합하기 위해, 기존의 내연 기관들을 맞추는 비교적 간단한 수단을 제공한다. 물론, 촉매를 구비하는 연소 개시기가, 그의 작동 사이클 내로 증기 개질 프로세스를 통합하도록 설계되는 신규 제작 엔진에 사용될 수 있을 것이다.
촉매를 구비하는 연소 개시기(들)가, 동일한 또는 상이한 촉매일 수 있는, 촉매를 구비하는 분사기 밸브(들)와 함께 사용될 수 있으며, 그리고 앞서 설명된 바와 같은 저장 탱크와 펌프를 갖는 키트로 공급될 수 있을 것이다. 유사하게, 촉매를 구비하는 분사기 밸브(들) 또는 연소 개시기(들)가, 연소 챔버 내에 장착되며 그리고 각각 동일하거나 상이한 촉매일 수 있는, 촉매들과 함께 사용될 수 있을 것이다.
기존의 내연 기관을 개장하기 위한 키트가, 증기 개질 프로세스를 통합하는 새로운 사이클로 작동하도록 기관을 구성하기 위해, 기관의 기관 컨트롤러의 작동을 수정하기 위한 제어 회로 또는 명령을 부가적으로 포함할 수 있을 것이다. 제어 회로는, 예를 들어, 컨트롤러, 교체 회로 보드(들) 또는 명령을 갖도록 로딩되는 프로세서 디바이스로 접속하게 될, 부가적인 회로 보드(들)의 형태를 취할 수 있을 것이다. 대안적으로, 다른 예에서, 키트는, 기억할 펌웨어 업그레이드 또는 소프트웨어 업그레이드에 의해 새로운 명령이 컨트롤러 상으로 로딩되는 것을 허용하도록, 기관 컨트롤러와 일시적으로 연결될 수 있는 데이터 캐리어를 포함할 수 있을 것이다.
일부 예에서, 연소 챔버 내의 증기에 노출되는 촉매 물질의 표면적을 증가시키는 수단으로서, 촉매의 표면에 불연속부들을 제공하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 촉매는, 예를 들어, 표면 홈들 또는 릿지들(ridges), 또는 원형의, 불규칙한 또는 다른 단면 형상을 구비할 수 있는, 별개의 돌출부들 도는 함몰부들과 같은, 다른 불연속부들을 구비할 수 있을 것이다.
연소 개시기 또는 분사기 밸브 상에 증기 개질 프로세스를 위한 촉매를 제공하는 것이, 이것이 연소 챔버 벽들 내에 제공되는 기존의 포트들 내에 교체 부품들을 단순히 고정함에 의해 촉매를 제공할 가능성을 허용함에 따라, 유리할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 기존의 내연 기관이, 엔진 블록 또는 실린더 헤드에 대해 행해지는 변경들 없이 그의 작동 사이클 내로 증기 개질 프로세스를 통합하도록 변환될 수 있다. 대안적으로, 연소 챔버 벽들 내의 하나 이상의 홈들 내에, 분사기 밸브(들) 상에 그리고 연소 개시기(들) 상에 촉매를 제공함에 의해 촉매 표면적을 최대화하는 것이 유리할 수 있을 것이다.
도시된 예들에서, 증기 및 증기 개질 연료는, 별개의 밸브들을 통해 챔버 내로 진입하게 되며 그리고 챔버 내의 분사 구역에서 혼합되거나, 또는 공통적인 분사기를 통해 주입되어, 특정 양의 혼합이 챔버의 상류에서 일어날 수 있도록 한다. 특정 예를 위해, 혼합 챔버가 제2 밸브 장치 상류에 제공되어, 증기 및 증기 개질 연료가 혼합물로서 제2 밸브 장치에 공급될 수 있도록 할 수 있을 것이다.
도시된 예들에서, 수성 유체 및 증기 개질 연료의 조합이, 연소 챔버 내에서 연소될 증기 개질 연료 또는 증기로부터 수소를 분리하기 위한 증기 개질 프로세스를 촉진하기 위해, 압축 도중에 연소 챔버 내로 진입하게 된다. 다른 예에서, 수성 유체는, 물 비말(water mist) 또는 물 비말과 수증기의 조합의 형태일 수 있을 것이다.
도시된 예들에서, 증기 개질 프로세스를 위한 증기 개질 연료는, 비-수성 수소 함유 화합물, 탄화수소 또는 화석 연료일 수 있을 것이다. 동일한 연료가, 증기 개질 연료 및 연소 가능한 연료로서 역할을 할 수 있을 것이다. 대안적으로, 증기 개질 연료 및 연소 가능 연료는 상이할 수 있을 것이다. 일반적으로, 증기 개질 연료는, 산소와 발열성으로 반응하도록 기관의 압축 국면 또는 행정 도중에 챔버 내로 분사될 수 있는, 즉 산화될 때 에너지를 방출하는, 임의의 유체일 수 있을 것이다. 증기 개질에서, 증기 개질 연료는, 물(증기)의 산소에 의해 산화될 수 있고, 그로 인해 물(증기) 또는 증기 개질 연료로부터 수소를 방출하도록 할 수 있으며, 이는 수소가 양자 모두로부터 방출될 수 있다는 것으로 이해된다. 앞서 언급된 연료들에 더하여, 자동점화성 연료들, 히드로과산화물 및, 디보란, 펜타보란 및 데카보란과 같은 보란들을 포함하는, 다른 연료들이 증기 개질 연료를 위해 사용될 수 있을 것이다.
증기 개질 연료는 반드시 가연성일 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 증기 개질 연료가 가연성이라면, 증기 개질 프로세스로부터의 임의의 잔류물이 연소 프로세스 도중에 탈 수 있다.
증기 개질이 챔버 내에서 일어나는 지배적인 수소 분리 프로세스인 가운데, 해리(dissociation)에 의해 물(증기)로부터 분리되는 약간의 수소가 또한 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
연소 프로세스 도중에 연소 챔버 내에 존재하는 비교적 높은 수준의 수증기로 인해, 연소 챔버로부터 방출되는 배기가스는 상당한 양의 수증기를 함유할 것이다. 일부 예에서, 하나 이상의 응축기가, 후속의 기관 사이클들에서 수성 유체로서의 재사용을 위해 수증기를 응축하기 위해, 배기 시스템 내에 제공될 수 있을 것이다.
특정 내연 기관 및 증기 개질 연료를 최상의 촉매는, 시험에 의해 결정될 수 있을 것이다. Cu/ZnO, Pd/ZnO, CuZrO2 또는 이들의 복합 합금이 적당한 촉매들일 것임이 현재 예상된다. 선택되는 촉매는, 연소 환경에서의 사용을 견디기 위해 충분한 열적 내구성을 구비하는 것이 필요할 것이다.
도시된 예들에서, 가변 체적 연소 챔버를 부분적으로 한정하는 몸체는 왕복 피스톤이다. 다른 예에서, 몸체는 회전형 부재일 수 있을 것이다. 또 다른 예에서, 피스톤은, 그 내용이 참조로 본 명세서에 통합되는, WO2009/101420에 개시되는 바와 같은 액체의 몸체일 수 있을 것이다.
도시된 예들의 설명은, 연소 행정 도중에 수성 유체 및 비-수성 수소 함유 화합물의 분사를 야기하기 위한 신호들을 컨트롤러가 출력하도록 야기하는, 압력/온도 지시들을 제공하기 위해 압력/온도 센서(들)의 사용을 언급한다. 일부 예에서, 특히 더 느리게 운동하는 기관들에서, 연소 챔버 내에서 몸체, 예를 들어 피스톤(18)의 위치를 검출하는 위치 센서(들)가 사용될 수 있을 것이다. 따라서, 예를 들어, 피스톤의 이동 방향에서 서로 이격된 2개의 위치 센서가, 피스톤의 이동 방향에 대한 지시를 제공하기 위해 사용될 수 있는 가운데, 제2 센서는, 압력/온도가, 분사가 일어날, 요구되는 압력/온도가 되도록 하는, 챔버의 체적이 될 위치에, 피스톤이 도달했다는 것을 지시한다.
비록 그러한 적용들에 제한되는 것은 아니지만, 도 5 및 도 6에 의해 도시되는 바와 같은 수정된 디젤 사이클로 작동하는 내연 기관들은 자동차 산업에서의 적용들에 적합할 것이라고 예상된다. 이상에 설명되는 구조 및 작동 원리들이 새롭게 제작되는 내연 기관에 유리하게 적용될 수 있는 가운데, 기존의 기관들이 본 발명의 이익을 획득하기 위해 개조될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (30)

  1. 촉매를 수용하는 가변 체적 연소 챔버를 포함하는 내연 기관을 작동하는 방법으로서,
    상기 연소 챔버 내의 제1 압력에서, 상기 연소 챔버 내로 흡입물을 포함하는 흡입 기체를 진입시키는 것;
    상기 제1 압력으로부터 상기 제1 압력보다 더 높은 제2 압력으로 상기 연소 챔버 내의 압력을 상승시키도록 상기 흡입 기체를 압축하기 위해 상기 연소 챔버의 체적을 감소시키는 것;
    상기 연소 챔버 내의 압력이 상기 제1 압력과 상기 제2 압력 중간의 사전 결정된 압력에 도달할 때, 상기 연소 챔버 내로 수성 유체 및 증기 개질 공정을 위한 증기 개질 연료를 진입시키는 것으로서, 상기 수성 유체 및 증기 개질 연료가, 상기 흡입 기체의 상기 압축에 의해 생성되는 열을 흡수하도록 하며, 그리고 상기 촉매가, 수소가 그에 의해 상기 증기 개질 연료 또는 상기 수성 유체로부터 분리되도록 하는, 증기 개질 프로세스를 촉진하도록 하는 것인, 수성 유체 및 증기 개질 연료를 진입시키는 것; 및
    상기 연소 챔버의 압력이 적어도 상기 제2 압력일 때, 상기 챔버 내로 연소 가능한 연료를 진입시키며 그리고 상기 연소 가능한 연료 및 수소를 연소시키는 것
    을 포함하며, 그리고
    상기 연소 챔버의 체적은, 상기 연소 챔버 내에서 몸체의 이동에 의해 변화하게 되며 그리고 상기 연료 및 수소의 연소가, 상기 연소 챔버의 체적을 증가시키기 위해 상기 몸체의 이동을 야기하며, 그리고 상기 몸체의 상기 이동은, 상기 연소 챔버의 에너지 출력을 제공하는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수성 유체 및 상기 증기 개질 연료를 상기 연소 챔버 내로 혼합물로서 진입시키는 것을 포함하는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 온도가 실질적으로 일정하게 유지되도록, 상기 수성 유체 또는 상기 수성 유체와 상기 증기 개질 연료의 상기 연소 챔버 내로의 진입을 제어하는 것을 포함하는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수성 유체를, 물 비말, 수증기, 또는 물 비말과 수증기의 조합으로서, 상기 연소 챔버 내로 진입시키는 것을 포함하는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연소 챔버로부터 상기 연소 가능한 연료 및 수소의 연소에 의해 생성되는 배기가스를 방출하는 것 및 상기 연소 챔버로의 상기 수성 유체의 진입 이전에 상기 수성 유체를 가열하기 위해 상기 방출된 배기가스로부터의 열을 추출하는 것을 포함하는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    실질적으로 일정한 압력이 상기 연소 가능한 연료 및 수소의 연소의 적어도 제1 단계 도중에 유지되도록, 상기 연소 챔버 내로의 상기 연소 가능한 연료의 진입을 제어하는 것을 포함하는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체는:
    i) 왕복 피스톤; 또는
    ii) 회전형 부재를 포함하는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 왕복 피스톤 또는 상기 회전형 부재에 의해 보유되는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  9. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 연소 챔버의 벽 상에 제공되는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  10. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는:
    i) 상기 증기 개질 연료 또는 상기 연소 가능한 연료가 상기 연소 챔버 내로 진입하게 되도록 하는 분사기; 및
    ii) 상기 연소 가능한 연료 및 연료의 연소를 개시하기 위해 제공되는 연소 개시기
    중 적어도 하나에 제공되는 것인, 내연 기관 작동 방법.
  11. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증기 개질 연료 및 상기 연소 가능한 연료는 동일한 것인, 내연 기관 작동 방법.
  12. 내연 기관으로서,
    하우징 및 가변 체적 연소 챔버를 한정하기 위해 상기 하우징 내에서 이동 가능한 몸체;
    상기 연소 챔버 내의 촉매;
    상기 연소 챔버 내로 흡입 기체를 진입시키기 위한 제1 밸브 장치;
    수성 유체 공급 시스템;
    상기 수성 유체 공급 시스템과 연결되며 그리고 상기 수성 유체 공급 시스템으로부터의 수성 유체 및 증기 개질 공정을 위한 증기 개질 연료를 상기 연소 챔버 내로 진입시키도록 작동할 수 있는, 제2 밸브 장치; 및
    i) 상기 제1 밸브 장치가 상기 연소 챔버 내로 1회분의 흡입 기체를 진입시키는 것을 야기하도록 구성되며, ii) 제1 압력으로부터 제2 압력으로 상기 흡입 기체의 압력을 상승시키기 위해 상기 흡입 기체를 압축하도록 상기 연소 챔버의 체적을 감소시키기 위한 상기 몸체의 이동 도중에, 사전 결정된 상태가 상기 연소 챔버 내에 존재할 때, 상기 제2 밸브 장치가 상기 수성 유체 공급 시스템으로부터의 수성 유체 및 정해진 양의 상기 증기 개질 연료를 상기 연소 챔버 내로 진입시키는 것을 야기하도록 구성되어, 상기 수성 유체 및 증기 개질 연료가, 상기 흡입 기체의 상기 압축에 의해 생성되는 열을 흡수하도록 하며, 그리고 상기 촉매는, 수소가 그에 의해 상기 증기 개질 연료 또는 상기 수성 유체로부터 분리되도록 하며, 그리고, ⅲ) 상기 연소 챔버의 압력이 적어도 상기 제2 압력일 때, 상기 챔버 내로 연소 가능한 연료를 진입시키며 그리고 상기 연소 가능한 연료 및 수소를 연소시키도록 구성되는, 증기 개질 프로세스를 촉진하도록 하는 것인, 컨트롤러
    를 포함하며, 그리고
    상기 연소 가능한 연료 및 수소의 연소는, 상기 몸체의 이동을 야기하며, 그리고 상기 몸체의 상기 이동은, 상기 연소 챔버의 에너지 출력을 제공하는 것인, 내연 기관.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 몸체는:
    i) 왕복 피스톤; 또는
    ii) 회전형 부재를 포함하는 것인, 내연 기관.
  14. 내연 기관으로서,
    하우징 및 가변 체적 연소 챔버를 한정하기 위해 상기 하우징 내에서 이동 가능한 몸체;
    상기 연소 챔버 내에 촉매를 장착하기 위한 적어도 하나의 장착부;
    상기 연소 챔버 내로 흡입 기체를 진입시키기 위한 제1 밸브 장치;
    수성 유체 공급 시스템;
    상기 수성 유체 공급 시스템과 연결되며 그리고 상기 수성 유체 공급 시스템으로부터의 수성 유체 및 증기 개질 공정을 위한 증기 개질 연료를 상기 연소 챔버 내로 진입시키도록 작동할 수 있는, 제2 밸브 장치; 및
    i) 상기 제1 밸브 장치가 상기 연소 챔버 내로 1회분의 흡입 기체를 진입시키는 것을 야기하도록 구성되며, ii) 제1 압력으로부터 제2 압력으로 상기 흡입 기체의 압력을 상승시키기 위해 상기 흡입 기체를 압축하도록 상기 연소 챔버의 체적을 감소시키기 위한 상기 몸체의 이동 도중에, 사전 결정된 상태가 상기 연소 챔버 내에 존재할 때, 상기 제2 밸브 장치가 상기 수성 유체 공급 시스템으로부터의 수성 유체 및 정해진 양의 상기 증기 개질 연료를 상기 챔버 내로 진입시키는 것을 야기하도록 구성되어, 상기 촉매가, 수소가 그에 의해 상기 증기 개질 연료 또는 상기 수성 유체로부터 분리되도록 하는, 증기 개질 프로세스를 촉진하도록 하는 가운데, 상기 수성 유체 및 증기 개질 연료가, 상기 적어도 하나의 장착부에 의해 상기 연소 챔버 내에 장착되는 촉매의 존재 상태에서, 상기 흡입 기체의 상기 압축에 의해 생성되는 열을 흡수하도록 하며, 그리고, ⅲ) 상기 연소 챔버의 압력이 적어도 상기 제2 압력일 때, 상기 챔버 내로 연소 가능한 연료를 진입시키며 그리고 상기 연소 가능한 연료 및 수소를 연소시키도록 구성되는 것인, 컨트롤러
    를 포함하며, 그리고
    상기 연소 가능한 연료 및 수소의 연소는, 상기 몸체의 이동을 야기하며, 그리고 상기 몸체의 상기 이동은, 상기 연소 챔버의 에너지 출력을 제공하는 것인, 내연 기관.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 증기 개질 연료를 수용하기 위한 제1 저장 탱크를 더 포함하며, 그리고
    상기 제2 밸브 장치는, 상기 연소 챔버 내로 상기 증기 개질 연료를 진입시키기 위해 상기 제1 저장 탱크와 연결되는 것인, 내연 기관.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1 저장 탱크, 상기 제1 밸브 장치 및 상기 수성 유체 공급 시스템은, 상기 증기 개질 연료 및 상기 수성 유체가 혼합물로서 상기 연소 챔버 내로 진입하게 되도록 구성되는 것인, 내연 기관.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증기 개질 연료는 연소 가능한 연료이며, 그리고 상기 컨트롤러는, 상기 수소와 함께 연소하게 되도록 하기 위해, 상기 연소 챔버 내의 압력이 적어도 상기 제2 압력일 때, 상기 제2 밸브 장치가 제2 양의 상기 증기 개질 연료를 상기 연소 챔버 내로 진입시키는 것을 야기하도록 구성되는 것인, 내연 기관.
  18. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증기 개질 연료와 상이한 연소 가능한 연료를 수용하기 위한 제2 저장 탱크를 더 포함하며, 그리고
    상기 제2 밸브 장치는 상기 제2 저장 탱크와 연결되며, 그리고 상기 컨트롤러는, 상기 수소와 함께 연소하게 되도록 하기 위해, 상기 연소 챔버 내의 압력이 적어도 상기 제2 압력일 때, 상기 제2 밸브 장치가 상기 연소 챔버 내로 상기 연소 가능한 연료를 진입시키는 것을 야기하도록 구성되는 것인, 내연 기관.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제2 밸브 장치는, 상기 수성 유체 및 증기 개질 연료 중 적어도 하나를 상기 챔버 내로 진입시키기 위한 제1 밸브 및 상기 연소 가능한 연료를 상기 챔버 내로 진입시키기 위한 제2 밸브를 포함하는 것인, 내연 기관.
  20. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버 내의 온도를 지시하는 신호를 제공하기 위한 센서를 더 포함하며, 그리고
    상기 컨트롤러는, 상기 연소 챔버 내에서 실질적으로 일정한 온도를 유지하기 위해, 상기 연소 챔버 내로의 상기 수성 유체 또는 상기 수성 유체와 증기 개질 연료의 진입을 제어하도록 구성되는 것인, 내연 기관.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 센서는 광학적 온도 센서인 것인, 내연 기관.
  22. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버로부터 배기가스를 받아들이기 위한 배기 시스템을 더 포함하며, 그리고 상기 배기 시스템은, 상기 수성 유체 공급 시스템 내의 상기 수성 유체를 가열하기 위해 상기 배기 시스템 내에서 유동하는 배기가스로부터의 열을 추출하기 위해, 상기 수성 유체 공급 시스템과 협력할 수 있는 것인, 내연 기관.
  23. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수성 유체 공급 시스템 및 상기 제2 밸브 장치는, 상기 수성 유체가, 물 비말, 수증기 또는 물 비말과 수증기의 조합으로서, 상기 연소 챔버로 진입하게 되도록, 구성되는 것인, 내연 기관.
  24. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 제2 밸브 장치 상에 제공되는 것인, 내연 기관.
  25. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는, 상기 연소 챔버 내에서 연소를 개시하도록 작동할 수 있는, 연소 개시기 상에 제공되는 것인, 내연 기관.
  26. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는:
    i) 왕복 피스톤; 또는
    ii) 회전형 부재를 포함하는 것인, 내연 기관.
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