KR102345515B1

KR102345515B1 - 통합식 활성 챔버가 있고 활성 흡기구 분배수단이 있는 압축 공기 엔진

Info

Publication number: KR102345515B1
Application number: KR1020167032335A
Authority: KR
Inventors: 기 네그르; 시릴 네그르
Original assignee: 모터 디벨로프먼트 인터내셔널 에스.에이.
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2021-12-31
Also published as: IL248944B; KR20170007306A; RU2016145407A; AU2015263264A1; CN106414899A; EP3146167B1; RU2016145407A3; US20170211435A1; ES2715515T3; ZA201608834B; EP3146167A2; CA2946481A1; FR3021347B1; AP2016009621A0; NZ725405A; CN106414899B; CA2946481C; WO2015177076A2; AU2015263264B2; FR3021347A1

Abstract

본 발명은 활성 챔버 엔진을 제안하는데, 활성 챔버 엔진은 실린더(1) 안에서 슬라이딩가능하게 장착되어 있는 적어도 하나의 피스톤(2)을 구비하고, 등압 및 등온 이동 단계, 일을 하는 폴리트로픽 팽창 단계, 및 주위 압력에서의 배기 단계를 구비하는 3단계의 열역학적 사이클에 따라 작동하고, 고압 저장 탱크(12) 안에 존재하는 압축 공기가 공급되는 것이 바람직하며, 피스톤이 지나다니는 실린더(1)의 내부공간은 활성 챔버(CA)와 팽창 챔버(CD)로 분할되어 있고, 압축 공기는 흡기 덕트를 개방하고 나서 폐쇄하기 위하여 흡기 밸브(9)를 움직이는데 사용되며, 엔진의 활성 챔버를 공급하는 것을 가능하게 하고, 압축 공기는 상기 동작들을 위하여 이용되고 나서 추가적인 일을 하기 위해서 엔진에서 재사용된다.

Description

통합식 활성 챔버가 있고 활성 흡기구 분배수단이 있는 압축 공기 엔진{COMPRESSED-AIR ENGINE WITH AN INTEGRATED ACTIVE CHAMBER AND WITH ACTIVE INTAKE DISTRIBUTION}

본 발명은 특히 압축 공기, 또는 다른 임의의 가스로 작동될 뿐만 아니라 "활성 챔버(active chamber)"로 지칭되는 챔버를 이용하는 엔진에 관한 것이다.

본 발명은 이러한 엔진, 보다 상세하게는 통합식 활성 챔버를 포함하는 엔진 및 특히 통합식 활성 챔버가 있는 멀티 모드 자체 압력 조절형 엔진의 흡기구에 대한 분배수단에 관한 것이다.

분배수단(distribution)이라는 용어는 이러한 엔진을 압축 가스로 채우는데 사용되는 모든 수단을 의미한다.

본 발명자들은 도시 지역과 교외 지역에서의 완전히 청정한 작동을 위하여 가스, 보다 상세하게는 압축 공기를 이용하는 모터 드라이브 및 그 설비와 관련된 수많은 특허들을 출원하여 왔다.

본 발명자들은 특히 단일 에너지나 다중 에너지들로 작동되는 추가 압축 공기 주입식 모터-압축기-모터-교류발전기 세트(additional compressed air injection motor-compressor-motor-alternator set)에 관한 국제 특허 출원 WO-A1-03/036088을 출원하였으며, 그 출원의 내용은 본 명세서에서 참조할 수 있다.

압축 공기로 작동되며 압축 공기 저장 탱크를 구비하는 이러한 유형들의 엔진에서, 압축 공기가 엔진의 드라이브 실린더 또는 실린더들 안에서 사용되기 전에, 탱크가 비어감에 따라 그 압력이 감소하지만 탱크 안에서 매우 높은 압력으로 저장되어 있는 압축 공기를 작업 용기(working vessel)로 지칭되는 완충 용기(buffer vessel) 안에서 최종 사용 압력으로 지칭되는 안정된 중간 압력까지 팽창시키는 것이 필요하다.

압력 조절기 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 가변적으로 처리가능한 동역학적 압력 조절기(variable throughput dynamic pressure regulator), 및 고압 압축 공기 탱크와 작업 용기가 구비되어 있고 압축 공기 주입으로 채워지는 엔진들을 위한 분배수단에 관한 특허 출원 WO-A1-03/089764 또한 출원하였으며, 그 출원의 내용은 본 명세서에서 참조할 수 있다.

이들 "부하 완화(load relieving)" 엔진들의 작동시, 팽창 챔버의 충진은 항상 머신의 전체 효율에 악영향을 미치는 일을 하지 않는 팽창으로 표현된다.

위 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은, 작업 용기로 지칭되는 완충 용기 안에서 명목상 작업 압력으로 미리 팽창되어 있되 고압 상태의 저장 탱크 안에 존재하는 압축 공기나 다른 압축 가스로 채워지는 것이 바람직한 압축 공기 엔진이 기술되어 있는 특허 출원 WO-A1-2005/049968을 출원하였다.

이러한 유형의 엔진이 나타나 있는 WO-A1-2005/049968의 교시사항에 따르면 다음과 같다. 즉:

- 팽창 챔버는 일을 하는 것을 가능하게 하는 수단이 설비되어 있는 가변 내부공간으로 이루어져 있고, 피스톤을 그 상사점에서 정지시키기 위한 장치가 설비되어 있는 주요 구동 피스톤 위쪽에 존재하는 공간과 쌍을 이루면서 영구 통로를 통해서 접촉하고 있고,

- 구동 피스톤의 행정이 그 상사점에서 정지하는 동안, 압력을 받고 있는 공기나 가스는 나중 내부공간이 최소가 되는 경우에 팽창 챔버 속으로 진입되고, 추진력을 받고 있는 상태에서는 일을 하면서 그 내부공간이 증가할 것이며,

- 팽창 챔버가 실질적으로 그 최대 내부공간으로 유지되고 있는 상태에서, 그 내부에 존재하는 압축 공기는 이후 엔진 실린더 속으로 팽창되므로, 돌아올 때 일을 하면서 구동 피스톤을 그 하강행정(downstroke)으로 다시 밀어내고,

- 배기 단계 동안 구동 피스톤의 상승행정(upstroke) 동안, 팽창 챔버의 가변 내부공간은 완전한 작업 사이클을 재개하도록 그 최소 내부공간으로 되돌아간다.

본 발명에 따르는 엔진의 팽창 챔버는 작업에 활발하게 참여한다. 따라서, 이 엔진은 "활성 챔버(active chamber)"로 지칭된다.

공보 WO-A1-2005/049968에는 특히 압축 공기 단일 에너지 모드에서 그 작동 동안 다음과 같은 4 단계로 되어 있는 열역학적 사이클이 교시되어 있는 것을 특징으로 한다.

- 일을 하지 않는 등온 팽창(isothermal expansion);

- 소위 준-등온 상태에서 일을 하며 약간 이동하는 팽창(transfer-slight expansion);

- 일을 하는 폴리트로픽 팽창(polytropic expansion);

- 주위 압력에서의 배기.

공보 WO-A1-2005/049968의 교시사항에 관한 변형예가 나타나 있는 공보 WO-A1-2008/028881에는 전형적인 커넥팅 로드 및 크랭크 디바이스를 이용하는 동일한 열역학적 사이클, 및 활발하게 작업에 참여하고 있는 본 발명에 따르는 엔진의 팽창 챔버가 교시되어 있다.

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본 발명자들은 이어서 WO-A1-2005/049968과 WO-A1-2008/028881의 교시사항에 따르는 엔진들과 같이 동일한 열역학적 사이클을 구현하는 통합식 활성 챔버 뿐만 아니라 전형적인 커넥팅 로드 및 크랭크 디바이스가 있는 압축 공기 또는 가스 엔진에 관한 특허 출원을 출원하였다.

공보 WO-A1-2012/045693의 교시사항에 따르면, 발명자들은 통합식 활성 챔버 엔진을 제안하였는데, 이 통합식 활성 챔버 엔진은 실린더 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있는 적어도 하나의 피스톤을 구비하고 전형적인 커넥팅 로드 및 크랭크 디바이스를 이용하여 크랭크샤프트를 구동시키며 다음과 같은 단계들을 구비하는 4 단계의 열역학적 사이클에 따라 작동한다.

- 일을 하지 않는 등온 팽창;

- 소위 준-등온 상태에서 일을 하며 약간 이동하는 팽창;

- 일을 하는 폴리트로픽 팽창;

- 주위 압력에서의 배기.

작업 용기로 지칭되는 완충 용기를 통해 고압 상태로 저장 탱크 안에 존재하는 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스로 채워져 있는 것이 바람직한 것으로서, 고압 상태로 저장 탱크 안에 존재하는 압축 공기 또는 다른 압축 가스에 의해 채워지며 바람직하게는 동역학적인 압력 조절 장치에 의하여 작업 용기 안에서 작업 압력으로 지칭되는 평균 압력 상태에서 팽창되고, 다음과 같은 것을 특징으로 한다.

- 활성 챔버는 엔진 실린더 안에 포함되어/합체되어 있다;

- 엔진 실린더는 적어도 하나의 실린더 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있는 적어도 하나의 피스톤을 구비하는데, 피스톤이 지나다니는 이 실린더의 내부공간은 2개의 구분되는 부분들, 즉 활성 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분과 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분으로 분할되어 있다;

- 실린더는 적어도 하나의 흡기 덕트와 하나의 흡기 오리피스 및 적어도 하나의 배기 덕트와 하나의 배기 오리피스를 구비하는 실린더 헤드에 의해 그 정상 부분에서 폐쇄되고, 피스톤이 그 상사점에 있는 경우에는 피스톤과 실린더 헤드 사이에 존재하는 잔여 내부공간이 실재하지 않는 경우가 아니라면 피스톤과 실린더 헤드 사이의 비접촉 작동을 허용하는 바로 그 최소 간격으로 구조적으로 감소되도록 형성되어 있다;

- 압력을 받고 있는 압축 공기 또는 가스는 활성 챔버(CA)의 내부공간이 그 최소한의 내부공간 상태로 있는 경우 피스톤 위쪽에서 실린더 속으로 진입되고, 일정한 작업 압력으로 압축 공기의 지속적인 추진력을 받고 있는 상태에서 내부공간이 증가하면서 준-열적 이동 단계로 표현되어 있는 일을 할 것이다;

- 압축 공기 또는 실린더 속에서 압력을 받고 있는 가스의 흡기구는 활성 챔버(CA)의 최대 내부공간이 도달되는 경우 차단되고, 상기 활성 챔버 안에 존재하는 압축 공기 또는 압력을 받고 있는 가스의 양은 이후 팽창하고, 팽창 챔버(CD)를 획정하는 그 행정의 제 2 부분 위로 피스톤을 다시 밀어내면서 일을 하므로, 팽창 단계를 보장한다;

- 피스톤이 하사점에 도달되어 있는 상태에서, 배기 오리피스는 이후 그 모든 행정에 걸쳐 피스톤의 상승행정 동안 배기 단계를 보장하도록 개방된다.

통합식 활성 챔버(CA)의 내부공간과 팽창 챔버(CD)의 내부공간은 엔진의 명목상 작동 압력 상태에서 하사점에서의 팽창의 마지막에서의 압력이 주위 압력, 특히 대기압에 가까워지도록 치수결정된다. 활성 챔버의 내부공간은 흡기구의 폐쇄에 의해 결정된다.

유리하게도, 특히 압축 공기 단일 에너지 작동 상태에서, 상술되어 있는 통합식 활성 챔버 엔진은 입체적 용량을 증가시키는 복수의 연속적인 실린더들을 포함한다.

바람직하게도, 엔진은, 작업 용기로 지칭되는 완충 용기 안에서 명목상 작업 압력으로 미리 팽창되어 있되 고압 상태로 저장 탱크 안에 존재하는 압축 공기나 다른 압축 가스에 의해 공보 WO-A1-2005/049968 및 WO-A1-2008/028881의 교시사항에 따라 일정한 방식으로 채워져 있다.

그러나, 복수의 단계들이 있는 엔진의 경우에 실린더들 중 첫번째 것을 고압으로 채우는 것이 가능할지라도, 저장 탱크 안에 존재하는 매우 고압으로 압축된 공기를 명목상 작업 압력으로 팽창시키는 것이 여전히 필요하고, 이 팽창 작동은 전형적인 압력 조절기의 사용이나 WO-A1-03/089764의 교시사항의 이용으로 효율의 상실을 유발하거나 에너지 비용을 초래하지 않지만, 이 팽창은 탱크 안에 존재하는 고압과 일정한 내부공간 작업 용기 안에서의 명목상 작업 압력 사이에서 어떠한 팽창 작업을 수행하는 것도 가능하게 하지 않는다.

본 발명자들은 이후 새로운 특허 출원 WO-A1-2012/045694를 출원하였으며, 통합식 활성 챔버 압축 공기 엔진을 주장하는 그 출원의 내용은 본 명세서에서 참조할 수 있고, 다음과 같은 것을 특징으로 한다.

- 고압 상태의 압축 공기 또는 압력을 받고 있는 임의의 다른 가스의 저장 탱크는 엔진 실린더의 흡기구를 직접 채운다;

- 통합식 활성 챔버(CA)는 각각의 엔진 회전시 일정한 흡기 압력으로 충진되고, 이 흡기 압력은, 저장 탱크가 점진적으로 비어가는 동안 이 저장 탱크 안의 압력이 감소함에 따라 감소한다;

- 통합식 활성 챔버(CA)의 내부공간은 가변적이고, 상기 흡기 압력을 결정하는 저장 탱크 안의 압력이 감소함에 따라 점진적으로 증가된다;

- 통합식 활성 챔버(CA) 속의 압축 공기의 흡기구를 개폐하기 위한 수단은 흡기 오리피스와 덕트를 피스톤의 행정의 상사점에서 실질적으로 개방하는 것과, 흡기 지속시간 및/또는 각 섹터뿐만 아니라 개구의 통로 구간을 수정하는 것을 가능하게 한다;

- 통합식 활성 챔버(CA)의 내부공간은 최대 저장 압력에 맞게 치수결정되고 나서, 점진적으로 증가되어서, 통합식 활성 챔버(CA)와 팽창 챔버(CD) 사이의 내부공간의 비율과 흡기 압력에 좌우되어 배기구의 개방 전의 팽창의 마지막에서의 압력은 대기압에 가까워진다.

WO-A1-2012/045694에 따르는 엔진은 압력 조절기로도 이용되므로, 본 발명은 활성 챔버(CA)를 채우기 위해서 그 유형에 무관하게 독립적인 압력 조절기를 필요로 하지 않는 소위 "자체 압력 조절형(self-pressure-reguating)" 엔진을 제안하는 것을 가능하게 한다.

공보 WO-A1-2012/045694의 교시사항에 따라 통합식 활성 챔버가 있는 멀티 모드 자체 압력 조절형 엔진은 특히 압축 공기 단일 에너지 모드에서 그 작동 상태에 있는 경우 다음과 같은 단계를 포함하는 3 단계의 열역학적 사이클을 구현한다.

- 등압 및 등온 이동 단계;

- 일을 하는 폴리트로픽 팽창 단계;

- 주위 압력에서의 배기 단계.

이 엔진의 작동시, 고압 저장 탱크의 압력에 관한 함수에 따라 변하는 통합식 활성 챔버의 내부공간은 주입되는 압축 공기의 양을 결정한다. 흡기 압력이 높으면 높을 수록, 활성 챔버의 내부공간은 작아져야만 한다.

엔진 사용의 모든 단계들에서 정확한 작동을 획득하기 위하여, 속도나 회전 속도, 흡기 압력, 가속기의 포지션에 의해 결정되는 부하, 온도를 포함하는 다양한 파라미터에 관한 함수에 따라 매우 정밀하게 엔진을 채우는 것이 필요하다.

이를 위하여, 다음과 같은 것들에 변화를 줄 수 있는 것이 필요하다.

- 가스의 관성을 고려하여 상사점 전이나 후에 엔진의 회전 속도뿐만 아니라 압력 형성 시간들 사이의 비율에 관한 함수에 따라 흡기구를 개방하는 순간

- 엔진의 회전 속도뿐만 아니라 흡기 압력에 관한 함수에 따라 흡기구를 폐쇄하는 순간

- 요구되는 부하에 관한 함수에 따라 흡기 밸브의 상승

통합식 활성 챔버 속의 압축 공기의 흡기구를 개폐하기 위한 수단을 만들어 내는데에 어려움이 있는데, 이 수단은 흡기 오리피스와 덕트를 피스톤의 행정의 상사점에서 실질적으로 개방하는 것과, 흡기 지속시간 및/또는 각 섹터뿐만 아니라 개구의 통로 구간을 수정하는 것을 가능하게 한다.

모든 유형의 엔진들의 분배수단은 잘 알려져 있는 밸브 작동에 의해 제공되는 것이 일반적이다. 밸브는 흡기 및/또는 배기 덕트를 차단하고, 흡기 덕트 및/또는 배기 덕트를 실린더 안에 존재하는 팽창 챔버 및/또는 연소실과 연통되게 배치하도록 오리피스 둘레에 형성되어 있는 원형 밸브 시트 위쪽에서 스프링들에 의해 눌리는 밸브 헤드를 포함한다.

밸브 헤드는 밸브의 헤드로 뻗어있는 밸브의 스템 상에서 동작하는 캠과 캠 팔로워들로 이루어진 기계적인 시스템에 의해 움직이게 되는 경우 채워지도록 챔버 속으로 관통됨으로써 회로를 개방한다.

다른 엔진 분야에서는 특히 오염물질 감소에 관한 다른 기술적인 이유 때문에 전형적인 내연 기관의 흡기와 배기를 제어하는 것을 목표로 하는데, 많은 엔진 제조업체는 작동 동안 밸브 개방의 지속시간과 위상을 제어하는 것을 가능하게 하는 시스템 상에서 작업하고 있고, 이들 적용처들에 관한 다수의 특허를 출원하고 있다. 전기 스테퍼 모터(electric stepper motor)에 의해 구동되는 복잡한 기계적 시스템 또한 개발되어 왔고, 특히 소위 "Vamos" 장치가 있는 BMW(등록 상표)에 의해 시장에 나와있다.

본 발명자들은 또한 특허 출원 WO-A1-03/089764를 출원하였고, 이 출원의 내용은 점진적으로 제어되는 밸브들에 의한 분배수단에 관하여 참조될 수 있다.

특히 다양한 작동 파라미터를 고려하도록 제어하기에 용이한 솔레노이드에 의해 제어되는 전기기계 장치 상에서 많은 작업이 행해져 왔지만, 밸브들의 움직임의 속도와 가속도를 가능하게 하도록 효율적으로 사용되어야만 하는 전력은 그 중량과 관성이 주어진 상태에서 상당하다.

활성 챔버 압축 공기 엔진, 특히 통합식 활성 챔버 멀티 모드 자체 압력 조절형 엔진에 특히 적합한 본 발명은 출력의 증가를 만들어 내면서 위에서 언급된 모든 문제점들을 해결하도록 제안하고 있다.

압축 공기 엔진에 적용되는 본 발명에 따르는 흡기 활성 분배 장치는, 엔진의 활성 챔버의 채움을 가능하게 하는 흡기 덕트를 개방하고 나서 폐쇄하기 위하여 흡기 밸브를 움직이도록 고압 압축 탱크 및/또는 흡기 회로에 존재하는 압축 공기를 사용하고, 압축 공기는 이러한 동작들을 수행하는데 사용되고 난 후, 추가적인 일을 하도록 엔진에서 다시 사용된다.

본 발명은 다음과 같은 3 단계 열역학적 사이클, 즉:

- 등압 및 등온 이동 단계;

- 일을 하는 폴리트로픽 팽창의 단계;

- 주위 압력에서의 배기 단계;

에 따라 작동하는 활성 챔버 엔진을 제안하고, 이 엔진은:

- 고압 저장 탱크 안에 존재하는, 압력을 받고 있는 가스, 바람직하게는 압축 공기로 채워지는 적어도 하나의 실린더,

- 그 실린더 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있는 적어도 하나의 피스톤,

- 전형적인 커넥팅 로드 및 크랭크 디바이스를 이용하여 피스톤에 의해 구동되는 크랭크샤프트,

- 피스톤이 지나다니는 실린더의 내부공간을 정상에서 폐쇄하는 실린더 헤드로서, 실린더를 충진하기 위하여 압력을 받고 있는 가스의 유동을 그 안에서 유동시키는 적어도 하나의 흡기 덕트와 피스톤 위에서 압력을 받고 있는 가스를 위한 흡기 오리피스, 및 적어도 하나의 배기 오리피스와 하나의 배기 덕트를 포함하고, 피스톤이 그 상사점에 있는 경우 피스톤과 실린더 헤드 사이에 존재하는 잔여 내부공간이 피스톤과 실린더 헤드 사이에서의 비접촉 작동을 가능하게 하는 바로 그 최소 간격으로 구조적으로 감소되도록 배열되어 있는, 실린더 헤드,

- 실린더 헤드 안에 형성되어 있는 밸브 시트와 밀착되게 함께 작동하면서 흡기 오리피스를 획정하는 적어도 하나의 흡기 밸브,

를 포함하고, 엔진은:

--피스톤이 지나다니는 실린더의 내부공간은 2개의 구분되는 부분들, 즉 실린더 안에 포함되어 있는 활성 챔버를 구성하는 제 1 부분과 팽창 챔버를 구성하는 제 2 부분으로 분할되어 있고,

-- 일정한 작업 압력으로 실린더 속으로 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 지속적인 추진력을 받고 있는 상태에서, 활성 챔버의 내부공간은 증가하며 등압 및 등온 이동 단계로 표현되어 있는 일을 하고,

-- 실린더 속으로의 압력을 받고 있는 가스의 진입은 활성 챔버의 최대 내부공간이 도달되자마자 차단되고, 상기 활성 챔버 안에 존재하는 압력을 받고 있는 가스의 양은 이후 팽창하고, 팽창 챔버를 획정하는 그 행정의 제 2 부분 위로 피스톤을 다시 밀어내고 일을 하므로, 폴리트로픽 팽창 단계를 보장하고,

-- 피스톤이 하사점에 도달되어 있는 상태에서, 배기 오리피스는 이후 그 상사점까지의 그 전체 행정에 걸쳐 피스톤의 상승행정 동안 배기 단계를 보장하도록 개방되고,

-- 엔진의 속도와 토크는 흡기 밸브를 개폐함으로써 제어되고 흡기 밸브의 개방이 실질적으로 피스톤의 행정의 상사점에서 가능하게 하고, 밸브를 폐쇄함으로써 흡기 지속시간 및/또는 각 섹터뿐만 아니라 흡기 오리피스의 통로 구간을 순서대로 수정하는 것을 가능하게 하고, 저장 탱크 안에 존재하는 압축 가스의 압력과 팽창 단계의 마지막에서의 압력에 관한 함수에 따라 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 양과 활성 챔버의 내부공간을 획정하는 것을 가능하게 하고,

다음과 같은 것들, 즉:

-a) 흡기 밸브는 그 밸브 시트 상에 밀착되게 지지되는 낮은 폐쇄 포지션과 높은 개방 포지션 사이에서 축방향으로 변위되어 움직일 수 있도록 장착되어 있고,

-b) 그 개방 방향에서, 흡기 밸브는 실린더를 충진하기 위하여 압력을 받고 있는 가스의 유동 방향에 대해 반대 방향으로 축방향으로 움직이고,

-c) 그 폐쇄 포지션에서, 흡기 밸브는 흡기 덕트 안에서 압력에 의해 밸브 시트 상에 오토클래이브와 같은 방식으로 폐쇄되어 유지되어있고, 다른 흡기 밸브에도 적용되어 있고,

-d) 엔진은 활성 챔버 안에 흡기 압력의 형성을 가능하게 하기 위해서 흡기 밸브를 그 시트로부터 상승시키도록 흡기 밸브의 개방을 실질적으로 피스톤의 행정의 상사점에서 제어하기 위한 수단을 포함하고, 밸브는 이후 흡기 밸브의 대응하는 부분들 상에서 압력을 받고 있는 가스에 의해 가해지는 상이한 압력 힘들의 작용을 받는 상태에서 완전히 개방되는 행정으로 왕복운동하고,

-e) 엔진은 액추에이터 실린더와 폐쇄용 피스톤을 포함하는 흡기 밸브를 폐쇄하기 위한 공압식 액추에이터를 포함하는데, 폐쇄용 피스톤은 흡기 밸브와 축방향으로 움직이도록 흡기 밸브에 연결되어 있고 그 안쪽에서 폐쇄용 피스톤이 폐쇄 챔버로 지칭되는 액추에이터의 제어 챔버를 밀착되게 획정하고 있는 액추에이터 실린더 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있고,

-f) 엔진은, 압력을 받고 있는 가스의 탱크 또는 흡기 덕트 또는 실린더의 활성 챔버의 상부 부분에 있는 압력을 받고 있는 가스의 공급장치에 흡기 덕트(8)를 연결하는 적어도 하나의 채널을 포함하고,

-g) 엔진은 상기 폐쇄 챔버를 활성 챔버의 상부 부분에 연결하는 활성 분배 채널, 및 활성 분배 밸브로 지칭되되 활성 분배 채널 안에서의 가스의 순환을 차단하기 위한 밸브를 포함하고, 이 밸브의 개방은 폐쇄 챔버를 활성 챔버의 상부 부분과 연통되게 배치결정하도록 제어되고 흡기 밸브를 폐쇄하도록 제어되며 흡기 덕트를 통해서 활성 챔버 속으로 미리 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 충전물(charge)이 하는 일에 추가되는 일을 하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징들에 따르면,

- 활성 분배 밸브는 다음에 오는 사이클, 즉:

ⅰ) 흡기 밸브의 폐쇄를 유발하도록 폐쇄 챔버를 활성 챔버와 연통되게 배치하고 나서, 팽창 단계 동안 실린더의 팽창 챔버 속으로의 폐쇄 챔버 안에 존재하는 압축 가스의 팽창을 가능하게 해서, 흡기 덕트를 통해서 활성 챔버 속으로 미리 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 충전물이 하는 일에 추가되는 일을 하도록, 활성 분배 밸브를 개방하는 단계;

ⅱ) 팽창 단계의 마지막에, 대기압에 가까운 압력값을 가지는 팽창된 가스의 압력을 폐쇄 챔버의 내부에서 유지하도록 활성 분배 밸브를 재폐쇄하는 단계;

에 따라 제어되고;

- 제 1 실시예에 따르면, 흡기 밸브의 개방을 제어하기 위한 상기 수단(d))은:

-d1) 활성 챔버의 상부 부분을 압력을 받고 있는 가스의 탱크나 흡기 덕트에 연결하는 채널로서, 이후 흡기 밸브의 개방을 제어하는 채널로서 이용되는, 채널, 및

-d2) 개방 밸브로 지칭되되 개방을 제어하기 위한 채널 안에서 가스의 순환을 차단하기 위한 제어식 밸브,

를 포함하고,

- 상기 개방 제어 밸브는 다음에 오는 사이클, 즉:

k1) 배기 단계의 마지막에, 피스톤이 실질적으로 그 행정의 상사점에 있는 경우, 흡기 덕트 안에서의 압력과 동일한 압력을 활성 챔버 안에 형성해내는 것과 흡기 밸브를 그 시트로부터 상승시키는 것을 가능하게 하도록 상기 밸브를 개방하는 단계;

k2) 흡기 밸브가 이후 흡기 밸브의 대응하는 부분들 상에서 압력을 받고 있는 가스에 의해 가해지는 상이한 압력 힘들의 작용을 받는 상태에서 완전히 개방되는 행정으로 왕복운동하는 단계;

k3) 흡기 밸브가 개방되자마자 상기 밸브를 폐쇄하는 단계;

에 따라 제어되고;

- 엔진은 상기 폐쇄 챔버를 압력을 받고 있는 가스의 탱크 및/또는 흡기 덕트에 연결하는 채널, 및 폐쇄 챔버가 피스톤이 지나다니는 실린더의 내부공간과 연통되게 배치되기 전에 흡기 밸브의 폐쇄를 유발하도록 그 개방과 폐쇄가 제어되는 이 채널 안에서의 가스의 순환을 차단하기 위한 밸브를 포함하고;

- 제 2 실시예에 따르면, 흡기 밸브의 개방을 제어하기 위한 상기 수단은 그 상사점을 향하는 피스톤의 행정의 마지막 동안 흡기 밸브를 그 시트로부터 상승시키도록 흡기 밸브의 대향 오리피스 상의 흡기 오리피스를 통해서 동작하는 피스톤의 상부 면 상에 기립하고 있는 핑거부를 포함하고,

- 활성 분배 밸브는 다음에 오는 사이클, 즉:

j) 폐쇄 챔버를 활성 챔버와 연통되게 배치하고 폐쇄 챔버를 실린더의 팽창 챔버와 연통되게 배치하고 실린더의 팽창 챔버 속으로의 폐쇄 챔버 안에 존재하는 압축 가스의 팽창을 가능하게 해서, 활성 챔버 속으로 미리 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 충전물이 하는 일에 추가되는 일을 하도록, 활성 분배 밸브를 개방하는 단계;

jj) 팽창 단계의 마지막에, 대기압에 가까운 압력값을 가지는 압력을 폐쇄 챔버의 내부에 유지하도록 활성 분배 밸브를 재폐쇄하는 단계;

를 따라 제어되고;

- 흡기 밸브의 높은 최대 개방 포지션은 조정가능한 정지부에 의해 획정되고, 조정가능한 정지부의 축방향 포지션은 흡기 덕트를 통해서 실린더 속으로 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 유량에 변화를 주기 위하여 흡기 밸브의 움직임의 방향으로 제어된다.

본 발명의 다른 목표, 이점 및 특징은 첨부의 도면을 고려하여 주어진 다수의 실시예들에 관한 발명의 상세한 설명을 제한없이 읽는 순간 자명해질 것이다.
- 도 1a에는 실린더 안에 포함되어 있는 활성 챔버가 있는 본 발명에 따르는 엔진이 개략적으로 표현되어 있고, 그 압축 공기 공급 장치가 있는 상태로 하사점에 있는 것으로 표현되어 있는 축방향 단면이 도시되어 있다.
- 도 1b 내지 도 1d는 도 1a와 유사한 도면이고, 여기서 엔진은 본 발명에 따르는 엔진의 작동에 관한 연속적인 상이한 단계들에 있는 것으로 나타나 있고, 도 1b에는 흡기 단계 동안의 엔진이 표현되어 있는데, 흡기 밸브는 상사점에 도달하자마자 즉시 개방되어 있다.
- 도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따르는 엔진이 도시되어 있는 도 1d와 유사한 도면이다.
- 도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따르는 엔진이 도시되어 있는 도 1b와 유사한 도면이다.
- 도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따르는 엔진이 도시되어 있는 도 1d와 유사한 도면이다.

도 1a 내지 도 1d에 관한 설명

도 1a에는 본 발명에 따르는 흡기 활성 분배 시스템이 설비되어 있는 활성 챔버가 있는 자체 압력 조절형 엔진이 표현되어 있다.

도 1a 내지 도 1d에는 다음과 같은 단계들을 포함하는 3단계 열역학적 사이클에 따라 작동하는 활성 챔버(CA)가 있는 엔진이 표현되어 있다.

- 등압 및 등온 이동 단계;

- 일을 하는 폴리트로픽 팽창의 단계;

- 주위 압력에서의 배기 단계;

엔진은 그 중 임의의 하나만 표현되어 있는 적어도 하나의 실린더(1)를 포함하고, 이 실린더는 압력을 받고 있는 가스, 바람직하게는 고압 저장 탱크(12) 안에 존재하는 압축 공기로 채워진다.

엔진은 이 실린더(1) 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있는 피스톤(2), 및 전형적인 커넥팅 로드 및 크랭크 디바이스(3, 4)를 이용하여 피스톤(2)에 의해 구동되는 크랭크샤프트(5)를 포함한다.

피스톤(2)이 지나다니는 엔진 실린더(1)의 내부공간은 가상의 선(DD')(실린더의 축에 대해 직각인 분할 평면에 대응함)을 따라 2개의 부분들, 즉 실린더(1) 안에 포함되어 있는 활성 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분과 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분으로 분할되어 있다.

엔진은 피스톤(2)이 지나다니는 실린더(1)의 내부공간을 정상에서 폐쇄하는 실린더 헤드(6)를 더 포함한다.

실린더 헤드(6)는, 탱크(12)에 연결되어 있으면서 실린더를 충진하기 위하여 압력을 받고 있는 가스의 유동을 그 안에서 유동시키는 적어도 하나의 흡기 덕트(8), 및 피스톤(2) 위에서 압력을 받고 있는 가스를 위한 흡기 오리피스(7)를 포함한다.

실린더 헤드는 적어도 하나의 배기 오리피스와 하나의 배기 덕트(미도시)를 더 포함한다.

실린더 헤드(6)는, 피스톤(2)이 그 상사점에 있는 경우 피스톤(2)과 실린더 헤드(6) 사이에 존재하는 잔여 내부공간이 피스톤(2)과 실린더 헤드(6) 사이에서의 비접촉 작동을 가능하게 하는 바로 그 최소 간격으로 구조적으로 감소되도록 되어 있다.

실린더 헤드(6)는 적어도 하나의 흡기 밸브(9)를 포함하는데, 나타나 있는 흡기 밸브 중 하나는 실린더 헤드(6) 안에 형성되어 있는 밸브 시트(20)와 밀착되게 함께 작동하고 흡기 오리피스(7)를 획정한다.

공지의 방식으로, 이러한 엔진에서:

- 피스톤(2)이 지나다니는 실린더(1)의 내부공간은 실린더(1) 안에 포함되어 있는 활성 챔버로 지칭되는 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분과 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분을 구비하는 2개의 구분되는 부분들로 분할되어 있고,

- 일정한 작업 압력으로 실린더(1) 속으로 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 지속적인 추진력을 받고 있는 상태에서, 활성 챔버(CA)의 내부공간은 증가하며, 준-등온 이동 단계로 표현되어 있는 일을 하고,

- 실린더(1) 속으로의 압력을 받고 있는 가스의 진입은 활성 챔버(CA)의 선택된 최대 내부공간이 도달되자마자 차단되고, 활성 챔버(CA) 안에 존재하는 압력을 받고 있는 가스의 양은 이후 팽창하고, 팽창 챔버(CD)를 획정하는 그 행정의 제 2 부분 위로 피스톤(2)을 다시 밀어내며, 일을 하므로 폴리트로픽 팽창 단계를 보장하고,

- 피스톤(2)이 하사점에 도달되어 있는 상태에서, 배기 오리피스는 이후 그 상사점까지의 그 전체 행정에 걸쳐 피스톤의 상승행정 동안 배기 단계를 제공하도록 개방되고,

- 엔진의 속도와 토크는 흡기 밸브(9)의 개폐를 제어함으로써 제어되고, 피스톤의 행정의 상사점에서(도면에서의 배향에 따라 수직방향에 있음) 흡기 밸브(9)를 실질적으로 개방하는 것을 가능하게 하고, 밸브(9)를 폐쇄함으로써 흡기 지속시간 및/또는 각 섹터뿐만 아니라 흡기 오리피스의 통로 구간을 순서대로 수정하는 것을 가능하게 하고, 저장 탱크 안에 존재하는 가스의 압력과 팽창 단계의 마지막에서의 압력에 관한 함수에 따라 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 양과 활성 챔버(CA)의 내부공간을 획정하는 것을 가능하게 한다.

흡기 덕트(8)는 활성 챔버(CA)를 직접 채우는 고압 탱크(12)에 직접 연결되어 있고, 탱크와 같이 동일한 압력 상태에 있다.

흡기 덕트(8) 안의 압력은, 예컨대 대략 100 바 정도인 저장 탱크(12)의 압력과 동일하고, 배기 밸브가 막 개방되기 전 팽창의 마지막에 피스톤의 하사점에 대응하는 사이클의 순간에, 예컨대 1.5 바와 같은 활성 챔버(CA)와 팽창 챔버(CD) 안에서의 압력 보다 크다.

본 발명에 따르면, 흡기 밸브(9)는 그 밸브 시트(20) 상에 밀착되게 지지되는 낮은 폐쇄 포지션(도면들의 대체로 수직하는 배향은 고려되어 있되 지구 중력은 참조되지 않음)-도 1a에 표현되어 있음-과 높은 개방 포지션(도 1b에 표현되어 있음) 사이에서 축방향으로 변위되어 움직일 수 있도록 장착되어 있다.

그 개방 방향으로, 흡기 밸브(9)는 실린더를 충진하기 위하여 압력을 받고 있는 가스의 유동(F) 방향에 대해 반대 방향으로 축방향으로, 즉 위쪽으로 움직인다.

그 폐쇄 포지션에서, 흡기 밸브(9)는 흡기 덕트(8) 안에서 압력에 의해 밸브 시트(20) 상에 오토클래이브와 같은 방식으로 폐쇄되어 유지되어있고, 다른 흡기 밸브, 즉 흡기 덕트(8) 안쪽에 있는 밸브의 헤드에도 적용되어 있다.

엔진은 흡기 밸브(9)를 그 시트(20)로부터 상승시키기 위해서 그리고 흡기 덕트(8) 안의 압력과 동일한 압력을 활성 챔버 안에 형성해내는 것을 가능하게 하기 위해서 실질적으로 피스톤의 행정의 상사점에 있도록 흡기 밸브(9)의 개방을 명령하기 위한 수단을 포함한다.

개방 단계 동안, 밸브는 결과적으로 흡기 밸브의 대응하는 부분들 상에서, 그리고 특히 밸브의 헤드 상에서, 즉 한편으로는 실린더(1) 안에서 압력을 받고 있는 디스크 형상의 하부 표면(22) 상에서, 그리고 다른 한편으로는 흡기 덕트(8) 안에서 압력을 받고 있는 상부 표면(24) 상에서 압력을 받고 있는 가스에 의해 가해지는 상이한 압력 힘들의 작용을 받는 상태에서 완전히 개방되는 행정으로 왕복운동하고, 이들 2개의 표면들 사이의 차이는 밸브(9)의 스템(26)의 구간이 있는 영역에 실질적으로 대응한다.

그 폐쇄 포지션에서, 흡기 밸브(9)는 흡기 회로 및/또는 압축 공기 저장 탱크(12) 안에 존재하는 압축 공기의 압력에 의해 오토클레이브와 같은 방식으로 그 시트(20) 상에 유지되어 있고, 엔진의 활성 챔버(CA)와 팽창 챔버(CD) 안의 압력은 작동의 팽창 단계와 배기 단계 동안 낮아진다.

엔진은 제한없는 예로서 여기에서 실린더 헤드(6) 안에 배열되어 있는 흡기 밸브(9)를 폐쇄하기 위한 공압식 액추에이터(V)를 포함한다.

액추에이터(V)는 액추에이터 실린더(100)와 폐쇄 피스톤(102)을 포함하는데, 폐쇄 피스톤(102)은 흡기 밸브(9)의 스템(26)과 축방향으로 움직이도록 연결되어 있고 그 안쪽에서 폐쇄 피스톤이 밸브(9)의 액추에이터의 폐쇄 챔버로 지칭되는 상부 챔버(104)를 밀착되게 획정하고 있는 액추에이터 실린더(100) 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있다.

엔진은 실린더(1) 안에 포함되어 있는 활성 챔버(CA)의 상부 부분에 폐쇄 챔버(104)를 연결하는 활성 분배 채널(X1)을 가진다.

흡기 밸브(9)의 높은 최대 개방 포지션은 챔버(104) 속으로 뻗어있는 조정가능한 정지부(30)에 의해 획정되고, 축방향 포지션은 흡기 덕트를 통해서 실린더 속으로 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 유량에 변화를 주기 위해서 밸브의 움직임의 축 방향으로 제어된다(도면에는 표현되어 있지 않은 수단에 의함). 따라서, 제어되는 조정가능한 정지부는 가속기에 의해 제어되는 "버터플라이 밸브(butterfly valve)"로서 이용된다. 정지부의 움직임들은, 예컨대 전기 스테퍼 모터에 의해 만들어지고 제어된다.

조정가능한 정지부(30)는 엔진의 요구되는 작동 파라미터들에 관한 함수에 따라 상승력을 수정함으로써 흡기 밸브(9)의 자동 상승행정을 정지시키는 것을 가능하게 한다.

엔진은, 활성 분배 밸브(Y)로 지칭되되 활성 분배 채널(X1) 안에서 가스의 순환을 차단하기 위한 제어 밸브(Y)를 포함하고, 활성 분배 밸브의 개방은 피스톤(102)의 상부 면 상의 상보적인 압력을 폐쇄 챔버(104) 안에 형성해냄으로써 흡기구를 폐쇄하기 위한 챔버(104)를 활성 챔버(CA)의 상부 부분과 연통되게 배치하도록 명령될 수 있고, 이 피스톤의 동작은 흡기 밸브(9)를 그 시트(20) 위쪽으로 밀어내므로 흡기 회로를 폐쇄하고 이로써 활성 챔버(CA)의 일을 종료시킨다.

활성 분배 밸브(Y)는 이후 팽창 시간 동안 개방되어 유지되고 있고, 폐쇄 챔버(104) 안에 존재하는 압축 가스가 팽창 챔버 안에 존재하는 가스와 결합하여 팽창할 수 있게 하고, 흡기 덕트를 통해서 활성 챔버 속으로 미리 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 충전물이 하는 일에 추가되는 일을 한다.

엔진은 활성 챔버(CA)의 상부 부분을 흡기 덕트(8)에 연결하는 흡기 밸브(9)의 개방을 제어하기 위한 채널(X2)을 포함한다.

엔진은, 흡기 밸브 개방 밸브로 지칭되되 채널(X2) 속에서의 가스의 순환을 차단하기 위한 제어식 밸브(Z)를 포함하고, 흡기 밸브 개방 밸브의 개방은 활성 챔버(CA)의 상부 부분을 흡기 덕트(8)와 연통되게 배치하도록 명령될 수 있다.

엔진의 피스톤(2)이 그 상사점에 가까워지는 경우(도 1b), 개방 밸브(Z)를 개방함으로써 흡기 회로는 필요한 시간에 실린더의 활성 챔버(CA)와 연통되게 배치되고, 흡기 회로에서의 압력과 동일한 압력을 그 내부에 형성해내는 것을 가능하게 하고, 위에서 언급된 차이가 있는 영역 때문에 압력은 흡기 밸브(9)를 위쪽으로 자동적으로 밀어내고 피스톤이 움직임에 따라 흡기 밸브는 흡기 회로를 개방한다.

예를 들어, 6 mm 밸브 스템에 의해 제어되는 20 mm 직경의 밸브에 있어서, 하부 영역은 3.14 cm²와 같고, 상부 영역은 2.86 cm²(3.14 - 0.28)와 같고, 28 kg의 추진력은 흡기 밸브(9)를 자동적으로 개방하면서 활성 챔버(CA)의 충진을 허용하도록 가해진다.

흡기 밸브(9)는 이후 활성 챔버(CA)를 폐쇄 챔버(104)와 연통되게 배치함으로써 폐쇄되고, 이로써 폐쇄용 액추에이터(V)의 피스톤(102)의 상부 표면 상에 상보적인 압력을 만들어내고, 폐쇄용 액추에이터는 이후 흡기 밸브(9)를 그 시트(20) 위쪽으로 밀어내고 활성 챔버(CA)로부터 팽창 챔버(CD) 속으로의 팽창 사이클을 가능하게 하도록 흡기구를 폐쇄/차단한다.

팽창이 시작하자마자(도 1c), 폐쇄 챔버(104)의 내부공간은 엔진의 팽창 챔버(CD)와 연통된 상태로 유지되어 있고, 폐쇄 챔버(104) 안에 존재하는 압축 공기는 엔진의 팽창 챔버(CD) 속으로 팽창하고, 활성 챔버 속으로 진입되어 충전물의 팽창이 하는 일에 추가되는 일을 한다.

따라서, 본 발명과 관련하여, 밸브(Y)는 활성 분배 밸브이고, 채널(X1)은 활성 분배 채널이다.

팽창의 마지막에, 실린더의 활성 챔버 및 팽창 챔버와 폐쇄 챔버(104) 사이의 연통(communication)은 다시 차단되고, 나중에는 대기압에 가까운 압력을 유지하고, 새로운 사이클을 가능하게 한다.

본 발명에 따르는 소위 활성 분배의 작동은 이제 마무리되고, 흡기 밸브(9)를 개폐하기 위하여 필요한 에너지는 유리하게도 저장 탱크 및/또는 흡기 회로의 압력에 의해 제공되며(개방시킴) 활성 챔버의 압력에 의해 제공되고(폐쇄시킴), 이후 실린더에서 추가적인 일을 하는데 재사용된다.

폐쇄 챔버(104)의 내부공간은 작고, 제한없는 예시로써 실린더(1)의 입체적 용량의 10 % 미만이다.

바로 이점은 흡기구와 활성 챔버 및 폐쇄 챔버(104)를 팽창 챔버(CD)에 연결하는 채널들에 대하여 적용되고, 그 통로 구간은 다양한 챔버들 안에 압력을 형성해내기에 충분한 유량을 허용하도록 계산되어 있다.

이들 다양한 채널들은, 예컨대 대략 20 밀리미터 정도의 주요 흡기 덕트에 맞는 대략 0.5 밀리미터 내지 2 밀리미터 정도의 작은 직경을 가진다.

전기기계 타입의 밸브들(Y, Z)은 바람직하게는 전기 제어 장치(표현되어 있지 않음)에 의해 용이하게 제어되는 적합한 솔레노이드 밸브들의 형태로 사용될 것이다.

나아가, 전기 제어 장치에 의한 제어와 공압식 구동은 밸브나 밸브들의 개폐 속도와 각도 제어 단계들을 매우 정밀하게 가능하게 한다.

상술된 활성 분배의 작동 사이클에서, 폐쇄 챔버 안에 존재하는 공기의 부피는 활성 챔버의 부피와 결합하여 팽창되고, 명목상 압력으로부터 배기 압력까지 진행중인 손실 수두를 무시한다.

도 2에 관한 설명

다음에 오는 설명은 도 1a 내지 도 1d에 관하여 상술된 실시예와 비교하여 기술된다.

앞선 설계는 흡기 덕트(8)를 액추에이터(V)의 폐쇄 챔버(104)에 연결하는 추가적인 채널(X3)에 의해 완성된다.

엔진은 또한 채널(X3) 안에서의 가스 내지 압축 공기의 순환을 차단하기 위한 제어식 밸브(T)를 포함하는데, 채널(X3)의 개방은 흡기 덕트(8) 및/또는 탱크(12)를 폐쇄 챔버(104)와 연통되게 배치하도록 명령될 수 있다.

따라서, 폐쇄 챔버(104)는 제어식 차단 수단들(T, Y)을 각각 포함하는 적어도 2개의 덕트(X3, X1)를 가지는데, 제어식 차단 수단들은 폐쇄 챔버(104)를 한편으로는 흡기 회로 및/또는 고압 저장 탱크(12)와, 다른 한편으로는 실린더의 활성 및 팽창 챔버와 연속적으로 연통되게 배치하는 것을 가능하게 한다.

흡기 밸브(9)는 흡기 회로 및/또는 저장 탱크를 채널(X3)을 통해서 폐쇄 챔버(104)와 연통되게 배치함으로써 그리고 밸브(T)의 개방을 명령함으로써 폐쇄되고, 이로써 흡기 밸브(9)를 그 시트(20) 위쪽으로 밀어내면서 활성 챔버(CA)로부터 팽창 챔버(CD) 속으로의 팽창의 사이클을 허용하도록 흡기구를 폐쇄하는 폐쇄 피스톤(102)의 표면 상에 상보적인 압력을 만들어 낸다.

따라서, 폐쇄 챔버(104)로부터의 활성 팽창은 밸브(Y)의 개방을 제어함으로써 사이클 중 나중에 일어나도록 지연될 수 있다.

팽창이 시작하자마자 또는 팽창 동안, 폐쇄 챔버(104)의 내부공간은 팽창 챔버(CD)와 연통되게 배치되고, 폐쇄 챔버(104) 안에 존재하는 압축 공기는 팽창 챔버(CD) 속으로 팽창하고 활성 챔버(CA) 속으로 진입되어 충전물의 팽창이 하는 일에 추가되는 일을 한다.

실질적으로 팽창의 마지막에, 엔진의 활성 및 팽창 챔버와 폐쇄 챔버(104) 사이의 연통은 다시 차단되고, 나중에는 대기압에 가까운 압력을 유지하고, 새로운 사이클을 가능하게 한다.

도 3에 관한 설명

다음에 오는 설명은 도 1a 내지 도 1d에 나타나 있는 제 1 실시예와 비교하여 기술된다.

이 실시예에 따르면, 흡기 밸브(9)의 헤드 상에서 직접 동작하는, 흡기 밸브(9)를 그 시트(20)로부터 상승시키기 위한 (공압식 수단 대신)기계적 수단이 제공되어 있다.

흡기 밸브(9)의 개방은, 실질적으로 일정한 회전 속도로 작동해야 하므로 흡기구 개방의 보정에 관한 변경을 필요로 하지 않는 엔진의 경우에 이러한 기계적 장치의 통합에 의해 단순화되는 것이 유리하다.

이를 위하여, 흡기 밸브(9)의 개방을 제어하기 위한 상기 수단은 핑거부(D) 내지 플러저로 이루어져 있는데, 이 핑거부는 피스톤(2)의 상부 면 상에 기립하고 있고 흡기 밸브(9)의 대향 헤드를 향하여 위쪽으로 수직방향으로 뻗어있다.

그 배열과 그 치수를 이유로, 개방을 제어하는 핑거부(D)는 나중에 수직방향으로 위쪽으로 밀리도록 흡기 밸브(9)의 헤드의 하부 면(20)과 기계적으로 함께 작동할 수 있다.

그 상사점을 향하는 피스톤의 행정의 마지막 동안에는 흡기 밸브를 그 시트로부터 상승시키기 위해서 핑거부(D)가 흡기 밸브(9)의 헤드의 하부 면(22)의 대향부 상에서 흡기 오리피스를 통해서 동작한다.

핑거부(D)는 흡기 밸브의 헤드의 하부 부분과 한 줄로 위치결정되어 있어서, 흡기 밸브를 약간 들어올리고, 흡기 회로를 활성 챔버(CA)와 연통되게 배치하는 틈새를 만들어 내고, 피스톤(102)의 상부 표면 상의 상보적인 압력을 폐쇄 챔버(104) 안에 형성해내고, 그리고 밸브의 스템에 연결되어 있는 피스톤(102)의 동작에 의해 흡기 밸브(9)를 그 시트(20) 위쪽으로 밀어내므로, 흡기 회로를 폐쇄하면서 활성 챔버(CA)의 일을 종료시킨다.

밸브는 이후 흡기 밸브(9)의 대응하는 부분들 상에서 압력을 받고 있는 가스에 의해 가해지는 상이한 압력 힘들의 작용을 받는 상태에서 완전히 개방되는 행정으로 왕복운동한다.

흡기 밸브가 개방되고 팽창 사이클이 시작한 후에, 피스톤(2)의 하강 때문에 핑거부(D)는 흡기 밸브(9) 상에서 더 이상 동작하지 않고, 그리고 사이클의 나머지는 밸브(Y)를 사용하는 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 기술되어 있는 것과 동일하다.

도 4에 관한 설명

다음에 오는 설명은 도 2에 나타나 있는 제 2 실시예와 비교하여 기술된다.

흡기 밸브의 개방을 제어하는 채널(X2) 및 관련된 밸브(Z)의 배열은 수정된다.

액추에이터(V)는 피스톤(102)에 의해 분리되어 있는 2개의 밀착된 챔버들이 있는 이중 동작 액추에이터이다.

하부 챔버(105)는 채널(X2)을 통해서 압력을 받고 있는 가스의 탱크(12) 및/또는 흡기 덕트(8)에 연결되어 있는 흡기 밸브(9)의 개방을 제어하는 챔버이다.

따라서, 폐쇄 챔버(104)는 차단 제어 수단들(T, Y)을 각각 포함하는 적어도 2개의 덕트(X3, X1)를 가지는데, 제어식 차단 수단들은 폐쇄 챔버(104)를 한편으로는 흡기 회로 및/또는 고압 저장 탱크(12)와, 다른 한편으로는 실린더의 활성 및 팽창 챔버와 연속적으로 연통되게 배치하는 것을 가능하게 한다.

흡기 밸브(9)의 개방은 개방 챔버인 액추에이터(V)의 하부 챔버(105)를 압력을 받고 있는 가스로 채우는 밸브(Z)에 의해 명령된다.

압력을 받고 있는 피스톤(102)의 영역이 개방 챔버(105)의 측면 보다 챔버(104)의 측면 상에 더 높이 있다는 사실을 이유로 폐쇄상태는 획득된다(그 차이는 실질적으로 흡기 밸브의 스템의 구간이 있는 영역에 대응함).

따라서, 폐쇄 챔버로부터의 활성 팽창은 밸브(Y)의 개방을 제어함으로써 사이클 중 나중에 일어나도록 지연될 수 있다.

팽창이 시작하자마자 또는 팽창 동안, 폐쇄 챔버(104)의 내부공간은 이후 팽창 챔버(CD)와 연통되게 배치되고, 폐쇄 챔버(104) 안에 존재하는 압축 공기는 팽창 챔버(CD) 속으로 팽창하고 활성 챔버 속으로 진입되어 충전물의 팽창이 하는 일에 추가되는 일을 한다.

이 설계에 따르면, 액추에이터(V)의 피스톤(102)은 흡기 밸브(9)의 개폐를 연속적으로 명령한다.

표현되어 있지 않은 변형예에 따르면, 챔버(104)와 마찬가지로 채널(X1')과 밸브(Y') 때문에 챔버(105)를 활성 챔버에 연결하는 것이 가능하고, 이로써 2개의 평행한 활성 분배 회로들을 만들어 낸다.

폐쇄 챔버(104)의 내부공간과 개방 챔버(105)의 내부공간은 이후 팽창 챔버와 연통되게 배치될 수 있고, 그 내부에 존재하는 압축 공기는 팽창 챔버 속으로 팽창하며 주요 구동 실린더 속으로 팽창하자마자 진입되는 충전물의 팽창이 하는 일을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

활용의 유연성과 사실상 무제한적인 조정 가능성 때문에, 본 발명에 따르는 "활성" 흡기구 분배수단이 설비되어 있는 엔진은 육상 운송수단, 해상 운송수단, 철도 운송수단, 공중 운송수단 모두에서 사용될 수 있다. 본 발명에 따르는 활성 챔버 엔진은 또한 유리하게도 수많은 국내 열병합 전기, 냉난방 적용처에서와 같은 예비 발전기 세트에서의 적용처를 찾아낼 수 있다.

본 발명에 따르는 활성 챔버 엔진은 압축 공기로 작동되는 것으로 기술되어 있다. 그러나, 주장되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 압축 가스/고압 가스를 사용할 수도 있다.

본 발명은 표현되어 기술되어 있는 실시예들로 제한되지 않고, 기술된 재료, 제어 수단, 장치는 동일한 결과를 만들어 내는 균등물의 범위 내에서 달라질 수 있다. 엔진 실린더의 개수, 엔진의 입체적 용량, 실린더(들)의 변위된 내부공간에 대한 활성 챔버의 최대 내부공간 및 팽창 단계들의 개수는 달라질 수 있다.

Claims

다음과 같은 3 단계 열역학적 사이클, 즉:
- 등압 및 등온 이동 단계;
- 일을 하는 폴리트로픽 팽창의 단계;
- 주위 압력에서의 배기 단계;
에 따라 작동하는 활성 챔버 엔진으로서, 이 엔진은:
- 고압 저장 탱크(12) 안에 존재하는, 압력을 받고 있는 가스, 또는 압축 공기로 채워지는 적어도 하나의 실린더(1),
- 그 실린더(1) 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있는 적어도 하나의 피스톤(2),
- 전형적인 커넥팅 로드 및 크랭크 디바이스(3, 4)를 이용하여 피스톤에 의해 구동되는 크랭크샤프트(5),
- 피스톤이 지나다니는 실린더(1)의 내부공간을 정상에서 폐쇄하는 실린더 헤드(6)로서, 실린더를 충진하기 위하여 압력을 받고 있는 가스의 유동을 그 안에서 유동시키는 적어도 하나의 흡기 덕트(8)와 피스톤 위에서 압력을 받고 있는 가스를 위한 흡기 오리피스(7), 및 적어도 하나의 배기 오리피스와 하나의 배기 덕트를 포함하고, 피스톤(2)이 그 상사점에 있는 경우 피스톤(2)과 실린더 헤드(6) 사이에 존재하는 잔여 내부공간이 피스톤(2)과 실린더 헤드(6) 사이에서의 비접촉 작동을 가능하게 하는 바로 그 최소 간격으로 구조적으로 감소되도록 배열되어 있는, 실린더 헤드(6),
- 실린더 헤드(6) 안에 형성되어 있는 밸브 시트(20)와 밀착되게 함께 작동하면서 흡기 오리피스(7)를 획정하는 적어도 하나의 흡기 밸브(9),
를 포함하고, 엔진은:
--피스톤(2)이 지나다니는 실린더(1)의 내부공간은 2개의 구분되는 부분들, 즉 실린더(1) 안에 포함되어 있는 활성 챔버(CA)를 구성하는 제 1 부분과 팽창 챔버(CD)를 구성하는 제 2 부분으로 분할되어 있고,
-- 일정한 작업 압력으로 실린더 속으로 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 지속적인 추진력을 받고 있는 상태에서, 활성 챔버(CA)의 내부공간은 증가하며 등압 및 등온 이동 단계로 표현되어 있는 일을 하고,
-- 실린더(1) 속으로의 압력을 받고 있는 가스의 진입은 활성 챔버(CA)의 최대 내부공간이 도달되자마자 차단되고, 상기 활성 챔버(CA) 안에 존재하는 압력을 받고 있는 가스의 양은 이후 팽창하고, 팽창 챔버(CD)를 획정하는 그 행정의 제 2 부분 위로 피스톤(2)을 다시 밀어내고 일을 하므로, 폴리트로픽 팽창 단계를 보장하고,
-- 피스톤(2)이 하사점에 도달되어 있는 상태에서, 배기 오리피스는 이후 그 상사점까지의 그 전체 행정에 걸쳐 피스톤의 상승행정 동안 배기 단계를 보장하도록 개방되고,
-- 엔진의 속도와 토크는 흡기 밸브(9)를 개폐함으로써 제어되고 흡기 밸브(9)의 개방이 실질적으로 피스톤의 행정의 상사점에서 가능하게 하고 그리고 밸브(9)를 폐쇄함으로써 흡기 지속시간 및/또는 각 섹터뿐만 아니라 흡기 오리피스의 통로 구간을 순서대로 수정하는 것을 가능하게 하고, 저장 탱크(12) 안에 존재하는 압축 가스의 압력과 팽창 단계의 마지막에서의 압력에 관한 함수에 따라 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 양과 활성 챔버(CA)의 내부공간을 획정하는 것을 가능하게 하는, 엔진에 있어서,
-a) 흡기 밸브(9)는 그 밸브 시트(20) 상에 밀착되게 지지되는 낮은 폐쇄 포지션과 높은 개방 포지션 사이에서 축방향으로 변위되어 움직일 수 있도록 장착되어 있고,
-b) 그 개방 방향에서, 흡기 밸브(9)는 실린더(1)를 충진하기 위하여 압력을 받고 있는 가스의 유동 방향에 대해 반대 방향으로 축방향으로 움직이고,
-c) 그 폐쇄 포지션에서, 흡기 밸브(9)는 흡기 덕트(8) 안에서 압력에 의해 밸브 시트 상에 오토클래이브와 같은 방식으로 폐쇄되어 유지되어있고, 다른 흡기 밸브에도 적용되어 있고,
-d) 엔진은 활성 챔버(CA) 안에 흡기 압력의 형성을 가능하게 하기 위해서 흡기 밸브(9)를 그 시트로부터 상승시키도록 흡기 밸브(9)의 개방을 실질적으로 피스톤의 행정의 상사점에서 제어하기 위한 수단을 포함하고, 밸브는 이후 흡기 밸브의 대응하는 부분들 상에서 압력을 받고 있는 가스에 의해 가해지는 상이한 압력 힘들의 작용을 받는 상태에서 완전히 개방되는 행정으로 왕복운동하고,
-e) 엔진은 액추에이터 실린더(100)와 폐쇄용 피스톤(102)을 포함하는 흡기 밸브(9)를 폐쇄하기 위한 공압식 액추에이터를 포함하는데, 폐쇄용 피스톤은 흡기 밸브와 축방향으로 움직이도록 흡기 밸브에 연결되어 있고 그 안쪽에서 폐쇄용 피스톤(102)이 폐쇄 챔버(104)로 지칭되는 액추에이터의 제어 챔버를 밀착되게 획정하고 있는 액추에이터 실린더(100) 안에서 슬라이딩하도록 장착되어 있고,
-f) 엔진은, 압력을 받고 있는 가스의 탱크 또는 흡기 덕트(8) 또는 실린더의 활성 챔버(CA)의 상부 부분에 있는 압력을 받고 있는 가스의 공급장치에 흡기 덕트(8)를 연결하는 적어도 하나의 채널을 포함하고,
-g) 엔진은 상기 폐쇄 챔버(104)를 활성 챔버(CA)의 상부 부분에 연결하는 활성 분배 채널(X1), 및 활성 분배 밸브(Y)로 지칭되되 활성 분배 채널(X1) 안에서의 가스의 순환을 차단하기 위한 밸브(Y)를 포함하고, 이 밸브의 개방은 폐쇄 챔버(104)를 활성 챔버(CA)의 상부 부분과 연통되게 배치결정하도록 제어되고 흡기 밸브(8)를 폐쇄하도록 제어되며 흡기 덕트를 통해서 활성 챔버 속으로 미리 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 충전물이 하는 일에 추가되는 일을 하도록 제어되는 것을 특징으로 엔진.
제 1 항에 있어서,
활성 분배 밸브(Y)는 다음에 오는 사이클, 즉:
ⅰ) 흡기 밸브(9)의 폐쇄를 유발하도록 폐쇄 챔버(104)를 활성 챔버(CA)와 연통되게 배치하고 나서, 팽창 단계 동안 실린더의 팽창 챔버(CD) 속으로의 폐쇄 챔버 안에 존재하는 압축 가스의 팽창을 가능하게 해서, 흡기 덕트를 통해서 활성 챔버 속으로 미리 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 충전물이 하는 일에 추가되는 일을 하도록, 활성 분배 밸브를 개방하는 단계;
ⅱ) 팽창 단계의 마지막에, 대기압에 가까운 압력값을 가지는 팽창된 가스의 압력을 폐쇄 챔버(104)의 내부에서 유지하도록 활성 분배 밸브(Y)를 재폐쇄하는 단계;
에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진.
제 2 항에 있어서,
흡기 밸브(9)의 개방을 제어하기 위한 상기 수단(d))은:
-d1) 활성 챔버(CA)의 상부 부분을 압력을 받고 있는 가스의 탱크(12)나 흡기 덕트(8)에 연결하고, 흡기 밸브의 개방을 제어하기 위한 채널로서 이용되는 채널(X2), 및
-d2) 개방 밸브(Z)로 지칭되되 개방을 제어하기 위한 채널(X2) 안에서 가스의 순환을 차단하기 위한 제어식 밸브(Z),
를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
제 3 항에 있어서,
상기 개방 제어 밸브(Z)는 다음에 오는 사이클, 즉:
k1) 배기 단계의 마지막에, 피스톤(2)이 실질적으로 그 행정의 상사점에 있는 경우, 흡기 덕트(8) 안에서의 압력과 동일한 압력을 활성 챔버(CA) 안에 형성해내는 것과 흡기 밸브(9)를 그 시트(20)로부터 상승시키는 것을 가능하게 하도록 상기 밸브(Z)를 개방하는 단계;
k2) 흡기 밸브(9)가 이후 흡기 밸브(9)의 대응하는 부분들 상에서 압력을 받고 있는 가스에 의해 가해지는 상이한 압력 힘들의 작용을 받는 상태에서 완전히 개방되는 행정으로 왕복운동하는 단계;
k3) 흡기 밸브(9)가 개방되자마자 상기 밸브(Z)를 폐쇄하는 단계;
에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진.
제 2 항에 있어서,
상기 폐쇄 챔버(104)를 압력을 받고 있는 가스의 탱크(12) 및/또는 흡기 덕트에 연결하는 채널(X3), 및 폐쇄 챔버(104)가 피스톤(2)이 지나다니는 실린더(1)의 내부공간과 연통되게 배치되기 전에 흡기 밸브의 폐쇄를 유발하도록 그 개방과 폐쇄가 제어되는 이 채널(X3) 안에서의 가스의 순환을 차단하기 위한 밸브(T)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
제 1 항에 있어서,
흡기 밸브(9)의 개방을 제어하기 위한 상기 수단(d)은 그 상사점을 향하는 피스톤(2)의 행정의 마지막 동안 흡기 밸브를 그 시트(20)로부터 상승시키도록 흡기 밸브(9)의 대향 오리피스(22) 상의 흡기 오리피스를 통해서 동작하는 피스톤(2)의 상부 면 상에 기립하고 있는 핑거부(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
제 1 항에 있어서,
활성 분배 밸브(Y)는 다음에 오는 사이클, 즉:
j) 폐쇄 챔버(104)를 활성 챔버(CA)와 연통되게 배치하고 폐쇄 챔버(104)를 실린더의 팽창 챔버(CD)와 연통되게 배치하고 실린더의 팽창 챔버(CD) 속으로의 폐쇄 챔버(104) 안에 존재하는 압축 가스의 팽창을 가능하게 해서, 활성 챔버 속으로 미리 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 충전물이 하는 일에 추가되는 일을 하도록, 활성 분배 밸브(Y)를 개방하는 단계;
jj) 팽창 단계의 마지막에, 대기압에 가까운 압력값을 가지는 압력을 폐쇄 챔버의 내부에 유지하도록 활성 분배 밸브(Y)를 재폐쇄하는 단계;
를 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
흡기 밸브(9)의 높은 최대 개방 포지션은 조정가능한 정지부(30)에 의해 획정되고, 조정가능한 정지부의 축방향 포지션은 흡기 덕트를 통해서 실린더(1) 속으로 진입되어 압력을 받고 있는 가스의 유량에 변화를 주기 위하여 흡기 밸브(9)의 움직임의 방향으로 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진.