KR102394987B1 - 가변 공간 전달 셔틀 캡슐 및 밸브 기구 - Google Patents

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길라드 투어
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Abstract

엔진은 작동 유체를 흡입하여 압축하는 압축 챔버; 작동 유체를 팽창시키고 배기하는 팽창 챔버; 및 상기 압축 챔버로부터 작동 유체를 받아 팽창 챔버로 전달하는 전달 챔버로서, 작동 유체의 전달 동안 상기 전달 챔버의 내부 공간이 감소하는, 전달 챔버를 포함한다.

Description

가변 공간 전달 셔틀 캡슐 및 밸브 기구{VARIABLE VOLUME TRANSFER SHUTTLE CAPSULE AND VALVE MECHANISM}
본원에 관련된 모든 사람들:
Hugo Benjamin Tour(이스라엘 시민권자), Oded Tour(이스라엘 시민권자), 및 Gilad Tour(이스라엘 시민권자), Ehud Sivan(이스라엘 시민권자), 및 Michael H. Wahl(독일 시민권자)는 신규의 유용한 이동 셔틀 캡슐 및 밸브 기구를 발명하였음을 알려드린다. 이의 명세서는 아래와 같다:
관련 출원에 대한 교차 -참조
본 출원은 2014년 1월 20일에 출원된 미국 가 출원 제 61/929,143호의 이익을 청구하며, 본 출원은 인용에 의해 본원에 포함된다.
기술 분야
본 개시물은 일반적으로 엔진 성능을 강화할 수 있는 다양한 상세 및 설계 특징을 포함하는 스플릿-사이클 엔진(split-cycle engine)에 관한 것이다. 특히, 본 개시물은 스플릿-사이클 엔진 압축비를 증가시킬 수 있다. 또한 압축 행정 동안 저온 작동 유체 그리고 팽창 행정 동안 고온 작동 유체를 제공함으로써 작동 유체 온도 변화를 상승시킬 수 있다. 이러한 개선은 스플릿-사이클 엔진의 다양한 구성요소 내에 통상적으로 남아 있는 불용 공간을 감소시키고 압축 실린더(저온) 출구와 팽창 실린더(고온) 입구 사이의 유체 연결 통로로서 기능하는 튜브를 연결함으로써 달성될 수 있다. 감소된 불용 공간은 더 높은 압축비를 이용하는 것을 가능하게 할 수 있으며 이는 더 높은 전력 밀도 출력 및 개선된 효율을 초래한다. 더 높은 압축 작동 유체를 가짐으로써 외연 엔진(EC 엔진)에서 더 효율적인 열 전달을 가능하게 한다.
(예를 들면, 스털링 엔진과 같은) EC 엔진은 가열되고 팽창되고, 냉각되고 압축되어 이에 의해 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 작동 유체의 고정된 매스의 폐쇄-사이클을 설정하기 위하여 이의 고온 실린더 및 이의 저온 실린더 사이의 온도 차이를 이용한다. 작동 유체의 고온 상태와 저온 상태 사이의 온도 차이가 클수록, 열 효율이 커진다. 최대 이론 효율은 카르노 사이클로부터 유도되지만, 다양한 손실에 의해 실제 엔진의 효율은 이러한 값 미만이다.
증기 엔진 및 내연 엔진에 비해 스털링 엔진은 이의 잠재적으로 높은 효율, 이의 조용한 작동, 및 이의 작동을 위한 거의 모든 열원 또는 연료를 사용하는 능력에 주목한다. 대안적이고 재생 가능한 에너지원의 이러한 호환성은 화석 연료의 가격이 상승됨에 따라 그리고 또한 온도 변화 및 제한된 석유 자원과 같은 우려의 관점에서 매우 중요하게 된다.
스털링 엔진(재생기를 구비하든 구비하지 않든)은 저온 실린더와 고온 실린더 사이에 연결 파이프를 갖는다. "불용 공간"으로서 종종 간주되는 이러한 파이프의 공간은 주요 에너지 손실의 원인이 된다. 파이핑을 통해 불용 공간에 연결된 이상적인 스털링 엔진을 고려하자. 사이클의 고압 부분 동안, 엔진으로부터의 고온 공기는 불용 공간에서 저온 공기와 혼합되어 효율에서의 손실을 초래한다. 이는 또한 따뜻한 공기가 압축이 발생하는 엔진의 부분에서 저온 공기와 혼합하기 때문에 사이클의 저압 부분 동안 사실이다. 동일한 것이 변위기 챔버 내의 불용 공간과 같은, 어떠한 다른 불용 공간에도 적용될 것이다. 명확하게 하기 위하여, 저온 및 고온 공기를 혼합하는 것은 동시에 엔트로피를 증가시키지만 엑서지를 감소시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 재생기(또는 로버트 스털링(Robert Stirling)로서 칭하는 이코너마이저)가 스털링 엔진의 효율을 증가시키기 위해 개발되었다. 상기 설계는 원래는 고리형상부를 통과하는 작동 유체로서 과잉 에너지를 흡수하는 고리형상부 내에 배치된 강선의 매스였다. 재생기는 본질적으로 주 냉각기에 대한 열적 부하를 감소시키는 사전-냉각기(pre-cooler) 및 작동 유체를 가열하기 위해 주 가열기에 의해 요구된 에너지를 감소시키는 사전-가열기이다.
여기서 개시된 것은 적절한 방식으로 작동 유체의 전달을 제어하고 스플릿 사이클 엔진의 저온 챔버로부터 고온 챔버로의 압력 에너지 손실을 감소시키기 위한 상이하고 효과적인 기구이다. 이는 높은 수준의 밀봉으로 지속가능할 수 있는 전달 셔틀 캡슐 및 밸브 시스템을 이용하여 달성될 수 있다. 여기서 설명된 시스템 및 방법은 그 사이에 최소 "불용 공간"을 가지고 저온 및 고온 실린더를 분리할 수 있으며 이에 따라 유효 엔진 압축비 및 효율을 증가시킨다.
공지된 타입의 외부 열 엔진에서의 고유 단점의 견지에서, 여기서 개시된 실시예들은 외부 열 엔진의 부분(또한 내연 엔진의 부분일 수 있음)으로서 전달 셔틀 캡슐 및 밸브 기구(TSCVM)를 포함하며, 이는 종래의 외열 엔진(예를 들면, 다양한 셔틀링 엔진 구성)보다 온도 구분 실린더의 더욱 효율적인 이용을 제공한다. 일부 실시예는 그 사이에 최소 "불용 공간"을 구비하는 저온 챔버로부터 고온 챔버로의 작동 유체의 효율적이고 신뢰성있는 전달을 용이하게 하기 위한 신규의 TSCVM을 이용한다.
예시적인 일 실시예에서, TSCVM 외열 엔진은 제 2 실린더에 연결되는 실린더, 상기 제 1 실린더 내에 배치되며 흡입 행정 및 압축 행정을 수행하도록 구성된 피스톤, 및 상기 제 2 실린더 내에 배치되며 팽창 행정 및 배기 행정을 수행하도록 구성된 제 2 피스톤을 포함한다. 저온(압축) 실린더를 의미하는 제 1 실린더 및 고온(팽창) 실린더를 의미하는 제 2 실린더는 두 개의 별도의 실린더로서 고려될 수 있고, 이는 TSCVM의 왕복 운동에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 연결될 수 있으며, 여기서, 제 1(저온) 챔버는 저온 실린더 내에 위치되고 제 2(고온) 챔버는 고온 실린더 내에 위치된다. 제 3(전달) 챔버는 TSCVM 내에 위치되고 연결에 의해 제 1 내지 저온 챔버 그리고 이어서 고온 챔버는 작동 유체를 서로 전달한다.
예시적인 일 실시예에서, 전달 챔버의 가열 또는 냉각은 부가 효율을 얻기위해 적용될 수 있다.
추가의 예시적인 실시예에서, 제 4(저장) 챔버는 흡입 행정 동안 저온 실린더 내로 취입되기 전에 작동 유체를 냉각시키는 기능을 한다. 고온 실린더는 배기 행정 동안 이러한 제 4(저장) 챔버 내로 고온의 작동 유체를 축출한다. 3방 밸브는 저온 챔버 및 저장 챔버를 연결하고 연결해제한다. 추가의 예시적인 실시예에서, 동일한 3방 밸브는 또한 고온 챔버 및 저장 챔버 내에 있는 제 2 고온 챔버를 연결 및 연결해제한다.
추가의 예시적인 실시예에서, 엔진은 두 개의 피스톤 커넥팅 로드 및 두 개의 실린더 내에서 두 개의 피스톤을 작동시키기 위해 사용되는 크랭크샤프트를 포함한다. 두 개의 커넥팅 로드는 각각의 피스톤을 크랭크샤프트로 연결한다. 크랭크샤프트는 회전 운동을 압축 피스톤의 왕복 운동으로 전환한다. 팽창 크랭크샤프트 행정에 대한 압축 크랭크샤프트 행정(throw)의 상대 각도는 서로 상이할 수 있어서 위상-각도-지연(위상-지연)을 실행하여 압축 실린더의 피스톤이 팽창 실린더의 피스톤보다 먼저 이동한다. 일부 실시예에서, 위상-지연은 팽창 실린더의 피스톤이 압축 실린더의 피스톤보다 먼저 이동하는 것일 수 있다. 두 개의 피스톤 및 두 개의 실린더는 서로 일렬로(평행하게) 설계될 수 있거나 서로 마주하도록 설계될 수 있다. 두 개의 피스톤 및 두 개의 실린더의 일렬 구성을 갖는 이 같은 실시예에서, 두 개의 열 전도 재료의 절연 층이 예를 들면 상대적으로 고온의 제 2 챔버로부터 상대적으로 저온의 제 1 챔버를 분리하기 위해 설치될 수 있는데, 이는 당 업계에서 통상적으로 공지되어 있다.
일부의 예시적인 실시예에서, TSCVM은 수 개의 구성요소들로 구성될 수 있다: 캡슐(스풀) 실린더, 캡슐 실린더 내에 배치된 캡슐 셔틀, 전달 챔버 포트, 캡슐 커넥팅 로드 및 캡슐 크랭크샤프트. 압축 실린더는 출구 포트를 가질 수 있고 팽창 실린더는 입구 포트를 가질 수 있다. 전달 챔버는 캡슐 왕복 운동의 결과로서 참조되는 셔틀 캡슐의 상대적인 순간 위치에 따라 압축 실린더 출구 포트로부터 그리고 팽창 실린더 입구 포트로부터 연결되거나 연결해제될 수 있다.
다른 실시예에서, 엔진은 작동 유체를 흡입하여 압축하는 압축 챔버; 작동 유체를 팽창시키고 배기하는 팽창 챔버; 및 상기 압축 챔버로부터 작동 유체를 받아 팽창 챔버로 전달하는 전달 챔버로서, 작동 유체의 전달 동안 상기 전달 챔버의 내부 공간이 감소하는, 전달 챔버를 포함한다.
작동 유체의 전달 동안 전달 챔버의 내부 공간의 감소는 유리하게는 엔진의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 감소하는 공간은 전달 전에 작동 유체의 압력을 더 증가시킬 수 있어, 엔진의 압축비를 증가시킨다. 상기 엔진은 외부 스플릿-사이클 엔진 및 내부 스플릿-사이클 엔진, 또는 임의의 엔진일 수 있다.
추가 실시예에서, 상기 전달 챔버의 내부 공간에서 작동 유체가 더 압축된다.
추가 실시예에서, 상기 엔진은 외부 열원으로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 포함한다.
추가 실시예에서, 상기 엔진은 작동 유체를 상기 팽창 챔버로부터 상기 압축 챔버로 보내는 도관을 더 포함한다. 추가 실시예에서, 상기 엔진은 도관 내에 냉각 챔버를 포함한다. 추가 실시예에서, 상기 엔진은 상기 압축 챔버 및 상기 팽창 챔버를 유체적으로 연결하고 연결해제하는 밸브를 상기 도관 내에 더 포함한다.
추가 실시예에서, 상기 엔진은 팽창을 개시시키는 점화 소스를 엔진 내부에 포함한다.
추가 실시예에서, 상기 엔진은 상기 압축 챔버의 출구 포트로 그리고 상기 팽창 챔버의 입구 포트로 번갈아서 유체를 연결하는 상기 전달 챔버의 전달 포트를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 전달 포트는, 엔진의 사이클의 일 구간 동안, 상기 압축 챔버의 상기 출구 포트를 상기 전달 챔버의 상기 전달 포트에 그리고 상기 팽창 챔버의 상기 입구 포트를 상기 전달 챔버의 상기 전달 포트에 동시에 연결한다.
추가 실시예에서, 상기 전달 챔버는 전달 실린더, 전달 실린더 압출부, 및 전달 실린더 하우징을 포함하고, 상기 전달 실린더는 상기 전달 실린더 하우징 내에 배치되며 상기 전달 실린더 하우징에 대해 이동하고, 상기 전달 실린더 압출부는 상기 전달 실린더 내에 배치되며 상기 전달 실린더 하우징에 대해 이동하지 않는다. 또 다른 실시예에서, 압출부는 포물선 모양이다. 또 다른 실시예에서, 상기 엔진은 상기 전달 실린더와 상기 전달 실린더 하우징 사이 그리고 상기 전달 실린더와 상기 전달 실린더 압출부 사이에 밀봉 링들을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 엔진 작동 방법은 제 1 챔버에서 작동 유체를 압축하는 단계; 작동 유체를 상기 제 1 챔버로부터 제 2 챔버로 전달하는 단계; 작동 유체가 상기 제 2 챔버의 내부 공간에 있는 동안 상기 내부 공간을 감소시키는 단계; 작동 유체를 상기 제 2 챔버로부터 제 3 챔버로 전달하는 단계; 및 상기 제 3 챔버에서 작동 유체를 압축하는 단계를 포함한다.
작동 유체의 전달 동안 전달 챔버의 내부 공간의 감소는 유리하게는 엔진의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 감소하는 공간은 전달 전에 작동 유체의 압력을 더 증가시킬 수 있어, 엔진의 압축비를 증가시킨다. 상기 엔진은 외부 스플릿-사이클 엔진 및 내부 스플릿-사이클 엔진, 또는 임의의 엔진일 수 있다.
추가 실시예에서, 상기 방법은 상기 전달 챔버의 내부 공간에서 작동 유체가 더 압축되는 단계를 포함한다. 추가 실시예에서, 상기 방법은 부분적으로 상기 엔진의 외부에 배치된 열 교환기를 사용하여 상기 제 2 챔버 내의 작동 유체에 열을 전달하는 단계를 포함한다. 추가 실시예에서, 상기 방법은 작동 유체를 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 보내는 단계를 포함한다. 추가 실시예에서, 상기 방법은 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 보낼 때 상기 작동 유체를 냉각시키는 단계를 포함한다.
추가 실시예에서, 상기 방법은 작동 유체를 제 3 챔버에서 압축하는 단계를 포함한다.
추가 실시예에서, 상기 방법은 상기 제 1 챔버의 출구 포트로 그리고 상기 제 3 챔버의 입구 포트로 번갈아서 유체를 연결하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서 상기 방법은 상기 엔진의 사이클의 일 구간 동안, 상기 제 2 챔버를 상기 제 1 챔버의 출구 포트 및 상기 제 3 챔버의 입구 포트에 동시에 유체적으로 연결하는 단계를 포함한다.
추가 실시예에서, 상기 제 2 챔버는 실린더, 실린더 압출부, 및 실린더 하우징을 포함하고, 상기 실린더는 상기 실린더 하우징 내에 배치되며 상기 실린더 하우징에 대해 이동하고, 상기 실린더 압출부는 상기 실린더 내에 배치되며 상기 실린더 하우징에 대해 이동하지 않는다. 추가 실시예에서, 압출부는 포물선 모양이다. 또 다른 실시예에서, 상기 엔진은 상기 전달 실린더와 상기 전달 실린더 하우징 사이 그리고 상기 전달 실린더와 상기 전달 실린더 압출부 사이에 밀봉 링들을 포함한다.
다른 실시예에서, 엔진은 작동 유체를 흡입하여 압축하는 압축 챔버; 작동 유체를 팽창시키고 배기하는 팽창 챔버; 상기 압축 챔버로부터 작동 유체를 받아 팽창 챔버로 전달하는 전달 챔버로서, 작동 유체의 전달 동안 상기 전달 챔버의 내부 공간이 감소하는, 전달 챔버; 및 외부 열원으로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 포함한다.
작동 유체의 전달 동안 전달 챔버의 내부 공간의 감소는 유리하게는 엔진의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 감소하는 공간은 전달 전에 작동 유체의 압력을 더 증가시킬 수 있어, 엔진의 압축비를 증가시킨다. 상기 엔진은 외부 스플릿-사이클 엔진 및 내부 스플릿-사이클 엔진, 또는 임의의 엔진일 수 있다.
다른 실시예에서, 외열 엔진으로서 여기서 개시된 것과 동일한 기구는 냉동기 기반 스털링 사이클 또는 스털링 사이클 기반 열-펌프로서 유익하게 사용될 수 있다. 상기 두 개의 기계 사이클은 기계의 열 흡수 단부, 즉 팽창 실린더가 여기서 냉각 사이클이 되고 팽창 실린더가 기계 고온 챔버가 되는 것을 제외하고 외열 엔진 사이클과 동일하다.
또한, 비록 특정 실시예가 단지 스플릿-사이클 외연 엔진 또는 내부 스플릿-사이클 내연 엔진 둘 모두 또는 이중 하나에 대해 설명되었지만, 상기 시스템 및 방법은 스플릿-사이클 외연 엔진, 스플릿-사이클 내연 엔진, 및 임의의 다른 엔진에 동일하게 적용된다는 것이 인정되어야 한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 인라인(in-line) TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 예시되며 여기서 압축 피스톤은 이의 상사점(TDC)에 도달하고 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에 도달하기 전 45도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 최대 좌측 위치(DBC) 후의 45도이다.
도 2는 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 TDC 후 22.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에 도달하기 전 22.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 DBC 후의 67.5도이다.
도 3은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 TDC 후 45도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에서 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 DBC 후의 90도이다.
도 4는 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 TDC 후 67.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에 도달하기 전 22.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 최대 우측 위치(TDC) 후의 67.5도이다.
도 5는 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 TDC 후 90도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에 도달한 후 45도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 TDC 전의 45도이다.
도 6은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 하사점(BDC) 전 67.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에 도달한 후 67.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 TDC 전의 22.5도이다.
도 7은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 BDC 전 45도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에 도달한 후 90도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 TDC에 도달한다.
도 8은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 BDC 전 22.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에 도달하기 전 67.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 TDC 후의 22.5도이다.
도 9는 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 BDC에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에 도달하기 전 45도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 TDC 후의 45도이다.
도 10은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 BDC 후 22.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에 도달하기 전 22.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 TDC 후의 67.5도이다.
도 11은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 BDC 후 45도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에서 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 TDC 후의 90도이다.
도 12는 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 BDC 후 67.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에 도달하기 전 22.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 BDC 전의 67.5도이다.
도 13은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 BDC 후 90도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에 도달하기 전 45도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 BDC 전의 45도이다.
도 14는 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 TDC 전 67.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에 도달한 후 67.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 BDC 전의 22.5도이다.
도 15는 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 TDC 전 45도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 BDC에 도달한 후 90도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 BDC에 있다.
도 16은 도 1의 인라인 TSCVM 외열 엔진의 단순화된 횡단면도로서, 상기 압축 크랭크샤프트 행정 각도가 이의 TDC 전 22.5도에서 예시되며 팽창 크랭크샤프트 행정 각도는 팽창 피스톤이 이의 TDC에 도달하기 전 67.5도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 BDC 후의 22.5도이다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른, 인라인 TSCVM 외열 장치의 단순화된 횡단면도이며, 여기서 TSCVM은 일정 공간을 갖는다. 크랭크샤프트 행정 각도는 여기서 압축 피스톤이 이의 상사점(TDC)에 도달하고 팽창 크랭크 행정 각도가 팽창 피스톤의 TDC에 도달하기 전 45도로 예시된다. TSCVM 크랭크샤프트는 이의 BDC 후의 45도이다.
도 18은 예시적인 실시예에 따라, 엔진을 작동하는 방법을 예시한다.
본 발명은 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명되며, 여기서 유사한 요소는 전체를 통하여 유사한 도면 번호로 참조된다. 도면들이 반드시 스케일 대로 도시되지 않은 것이 이해된다. 또한 도면들이 도시된 다양한 예시된 실시예의 상세 모두를 보여주지 않는다. 오히려, 도면들은 예시적인 실시예의 가능한 설명을 제공하기 위하여 소정의 특징 및 요소를 도시한다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따라, 인라인 구성의 외열 엔진은 압축 실린더(4), 팽창 실린더(8), 압축 피스톤(5), 팽창 피스톤(10), 저온 챔버(A) 및 고온 챔버(C)를 포함한다. 이 외열 엔진은 또한 두 개의 피스톤 커넥팅 로드(3 및 9), 및 두 개의 실린더에서 피스톤을 작동시키는 크랭크샤프트(1)를 포함한다.
도 1을 계속해서 참조하면, 외열 엔진은 또한 TSCVM(7), TSCVM 실린더(6), TSCVM(7) 내에 배치된 전달 챔버(B), TSCVM 스풀 포트(19), TSCVM 커넥팅 로드(21), TSCVM 크랭크샤프트(2), 및 TSCVM 실린더 압출부(22)를 포함한다.
도 1을 계속해서 참조하면, 압축 실린더(4)는 압축 피스톤(5), 저온 챔버(A), 및 압축 실린더 작동 유체 출구 포트(18)를 수용하는 피스톤 엔진 실린더이다. 팽창 실린더(8)는 팽창 피스톤(10), 고온 챔버(A), 및 팽창 실린더 작동 유체 입구 포트(20)를 수용하는 피스톤 엔진 실린더이다.
커넥팅 로드(3 및 9)는 이들의 각각의 피스톤을 이들의 각각의 크랭크샤프트 행정에 연결한다. 압축 크랭크샤프트(1)는 회전 운동을 압축 피스톤(5) 왕복 운동을 변환한다. 팽창 피스톤(10)의 왕복 운동은 크랭크샤프트(1)의 회전 운동으로 변환하고 이 회전 운동은 엔진 회전 운동 또는 작업으로 변환한다(예를 들면, 크랭크샤프트(1)는 또한 엔진 출력 샤프트로서 기능할 수 있다). 압축 피스톤(5) 및 팽창 피스톤(10)은 불규칙한 구조 또는 돌기를 갖거나 갖지 않을 수 있다. 이러한 돌기의 기능은 불용 공간을 감소시킬 수 있는 것이다. 예시적인 돌기는 미국 가 출원 제 14/362,101호에서 개시되며, 이 출원은 인용에 의해 본원에 포함된다.
예시적인 실시예에서, TSCVM 실린더(6)는 TSCVM(7)을 수용하고 둘 모두 압축 실린더(4) 및 팽창 실린더(8) 둘 모두의 상부에 그리고 이들에 수직하게 배치된다. TSCVM 커넥팅 로드(21)는 TSCVM(7)을 TSCVM 크랭크샤프트(2)에 연결한다. TSCVM 크랭크샤프트(2)는 회전 운동을 TSCVM(7) 왕복 운동으로 변환한다. TSCVM 크랭크샤프트(2)는 기계적 링키지 기구 또는 기어 트레인을 통하여 크랭크샤프트(1)에 연결하고 이에 의해 크랭크샤프트(1)가 TSCVM 크랭크샤프트(2)를 구동하고 이에 따라 두 개의 크랭크샤프트가 동기화된다. 다른 예시적인 실시예에서, 스와시 플레이트 기구 또는 캠샤프트 기구는 TSCVM(7)을 구동하기 위해 사용될 수 있다. TSCVM(7)은 구형 또는 장방형 전달 챔버(B) 및 TSCVM 포트(19)를 수용한다(챔버(B)는 단열될 수 있다).
TSCVM(7) 왕복 운동 동안, 전달 챔버(B)는 저온 챔버(A) 및 고온 챔버(C) 에 유체적으로 연결되는 사이에서 교번한다. 일부 실시예에서, 전달 챔버(B)는 임의의 챔버(A) 및 챔버(B) 중 한번에 하나에만 유체적으로 연결된다. 다른 실시예에서, 전달 챔버(B)는 엔진 사이클의 소정의 기간 또는 지점 동안 챔버(A) 및 챔버(C) 둘 모두에 유체적으로 연결된다. 열 전달 요소(17)는 챔버(B 및 C)들 사이에 배치된다.
도 1을 계속해서 참조하면, 냉각 챔버(D)는 압축 실린더 흡입 작동 유체 라인(14)을 통해 챔버(A)에 그리고 팽창 실린더 배기 작동 유체 라인(15)을 통해 챔버(C)에 연결된다. 3방 밸브(16)는 챔버(A 및 C) 중 어느 하나, 또는 둘 모두에 연결될 수 있거나 둘 모두에 연결되지 않을 수 있다. 챔버(D)는 냉각 리브(12)로 둘러싸인다. 작동 유체 저장부(11)는 챔버(D)를 관리하는 구조물이다. 작동 유체 저장부(11)는 고온 작동 유체가 저온 작동 유체(저장부(11) 내의 수직한 실선) 배출되기 전에 고온 작동 유체가 저장부 내에서 이동하도록 강제되는 바와 같이 저장부 내에서 작동 유체 유동을 지향하는 수단을 포함할 수 있다. 챔버(D) 및 작동 유체 저장부(11)는 열 교환기로서 기능하고 당업계에서 공지된 바와 같이, 최적 방식으로 고온 작동 유체를 수용하여 저온 작동 유체를 공급하도록 설계될 수 있다.
다른 실시예에서, TSCVM(7) 왕복 운동 동안 그리고 크랭크샤프트(2) 회전 사이클의 일 부분에서, 전달 챔버(B)는 저온 챔버(A) 및 고온 챔버(C) 둘 모두에 유체적으로 연결될 수 있다.
TSCVM(7) 왕복 운동 동안, 전달 챔버(B)는 TSCVM 포트(19)를 통해, 챔버(A)에 유체적으로 연결될 수 있거나 챔버(A)로부터 유체적으로 연결해제될 수 있다.
TSCVM(7) 왕복 운동 동안, 전달 챔버(B)는 TSCVM 포트(19)를 통해, 챔버(C)에 유체적으로 연결될 수 있거나 챔버(C)로부터 유체적으로 연결해제될 수 있다.
TSCVM(7) 왕복 운동 동안, 전달 챔버(B)가 TSCVM 포트(19)를 통해 포트(18)를 통해 챔버(A) 또는 포트(20)를 통해 챔버(C)에 연결되지 않을 때, TSCVM 포트(19)의 밀봉이 유지된다. 몇몇 실시예에서, TSCVM 포트(19)는 엔진의 사이클의 일 구간 동안 챔버(A) 및 챔버(C)에 동시에 연결한다.
예시적인 실시예에서, 미리결정된 위상 지연은 크랭크샤프트(1)를 통해 도입되어, 압축 피스톤(5)이 팽창 피스톤(10)을 따르거나 후속한다. 도 1 내지 도 16은 이 같은 예시적인 일 실시예를 묘사하고 여기서 크랭크샤프트(1)를 통해 도입되는 예정된 상 지연은 도 1에서 "1a"로 표시된 크랭크샤프트(1)의 측면도 설명에서 예시된 바와 같이, 압축 피스톤(5)이 45도 크랭크 각도만큼 팽창 피스톤(10)을 선행하도록 한다.
일 실시예에서, 3방 밸브(16)는 압축 피스톤(5)이 이의 TDC에 도달할 때(몇 도 주어지거나 취할 때) 그리고 BDC(몇 도 주어지거나 취할 때)에 도달할 까지 시작하는 크랭크샤프트 각도의 범위에서 챔버(A 및 D)를 유체적으로 연결하기 위해 개방될 수 있다. 이 동안, 3방 밸브(16)는 챔버들(D 및 C)을 연결해제한다. 피스톤 위상-지연 각도 범위 내에서, 압축 피스톤(5) 및 팽창 피스톤(10)이 이들의 TDC들 및 BDC들을 통과하기 전 및 후에, 약간의 오버레이(overlay) 또는 언더레이(underlay)가 허용된다, 즉 양 밸브(16) 전달 통로(14 및 15)는 동시에 폐쇄될 수 있거나 개방될 수 있다.
일 실시예에서, 3방 밸브(16)는 팽창 피스톤(10)이 이의 TDC에 도달할 때(몇 도 주어지거나 취할 때) 그리고 TDC(몇 도 주어지거나 취할 때)에 도달할 까지 시작하는 크랭크샤프트 각도의 범위에서 챔버(C 및 D)를 유체적으로 연결하기 위해 개방될 수 있다. 이 동안, 3방 밸브(16)는 챔버들(D 및 A)을 연결해제한다. 피스톤 위상-지연 각도 범위 내에서, 압축 피스톤(5) 및 팽창 피스톤(10)이 이들의 TDC들 및 BDC들을 통과하기 전 및 후에, 약간의 오버레이(overlay) 또는 언더레이(underlay)가 허용된다, 즉 양 밸브(16) 통로(14 및 15)는 동시에 폐쇄될 수 있거나 개방될 수 있다.
일 실시예에서, TSCVM 실린더(6)는 TSCVM(7)을 수용하고 둘 모두 압축 실린더(4) 및 팽창 실린더(8) 둘 모두의 상부에 그리고 이들에 수직하게 배치된다. TSCVM 커넥팅 로드(21)는 TSCVM(7)을 TSCVM 크랭크샤프트(2)에 연결한다. TSCVM 크랭크샤프트(2)는 회전 운동을 TSCVM(7) 왕복 운동으로 변환한다. TSCVM(7)은 구형(예를 들면) 전달 챔버(B) 및 TSCVM 포트(19)를 수용한다. TSCVM(7) 왕복 운동 동안, 전달 챔버(B)는 저온 챔버(A) 및/또는 고온 챔버(C)에 유체적으로 연결하는 것 사이에서 교번한다.
도 1을 다시 참조하면, 압축 실린더 내에는 압축 피스톤(5)이 있다. 압축 피스톤(5)은 압축 실린더(4)에 대해 이의 TDC를 향해 위쪽 방향으로 이동한다. 팽창 실린더(8) 내에는 팽창 피스톤(10)이 있다. 팽창 피스톤(10)은 팽창 실린더(8)에 대해 이의 TDC를 향해 그리고 위쪽 방향으로 이동한다. 압축 실린더(4) 및 압축 피스톤(5)은 저온 챔버(A)를 형성한다. 팽창 실린더(8) 및 팽창 피스톤(10)은 고온 챔버(C)를 형성한다. 일부 실시예에서, 팽창 피스톤(10)은 팽창 피스톤(5)보다 미리 이동한다.
팽창 행정 동안, 엔진이 작업을 생성하고 팽창 피스톤(10)은 팽창 커넥팅 로드(9)를 가압할 수 있어, 크랭크샤프트(1)를 회전시킨다. 팽창 행정 동안, 관성력(도시되지 않은 플라이휠 매스에 의해 시작될 수 있음)은 크랭크샤프트(1)를 계속해서 회전시키고, 팽창 커넥팅 로드(9)가 팽창 피스톤(10)을 이의 TDC를 향하여 이동시키고 이어서 도 11 내지 도 16 및 도 1 및 도 2에서 예시된 바와 같이 작동 유체를 라인(15)(도관)을 통하여 이의 냉각 챔버(D) 내로 배기한다. 크랭크샤프트(1) 회전은 압축 피스톤(5) 및 팽창 피스톤(10)을 동시에 그러나 위상 지연 회전으로 이동시킨다(즉, 양 크랭크샤프트 행정은 동일한 속도로 회전하지만 이들의 각각의 크랭크 각도가 상이할 수 있다).
도 1을 참조하면, 크랭크샤프트(1)는 이의 실린더 하우징(4) 내에서 회전 운동을 커넥팅 로드(3)를 통해 압축 피스톤(5) 왕복 운동으로 변환한다.
다양하고 예시적인 실시예에서, 크랭크샤프트(1) 구조적 구성은 원하는 엔진 구성 및 설계에 따라 변화할 수 있다. 예를 들면, 가능한 크랭크샤프트 설계 인자는 크랭크샤프트의 개수, 듀얼 실린더의 개수, 상대적 실린더 위치 설정, 크랭크 기어링 기구, 및 회전 방향을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 단일 샤프트는 압축 커넥팅 로드(3) 및 팽창 피스톤 커넥팅 로드(9)를 통해 압축 피스톤(5) 및 팽창 피스톤(10)을 작동시킬 것이다. 이 같은 단일 샤프트는 다수 쌍의 압축 피스톤(5) 및 팽창 피스톤(10)을 작동시킬 수 있다.
도 1 내지 도 16은 각각의 피스톤 커넥팅 로드(3 및 9)에 연결되는 두 개의 실린더 크랭크샤프트(1) 행정의 사시도를 예시한다. 두 개의 실린더 크랭크 샤프트(1) 행정은 서로 상대적으로 배향될 수 있어 다른 동기 운동의 피스톤(5 및 10) 사이의 미리 결정된 위상 차를 제공한다. 압축 피스톤 및 팽창 피스톤의 TDC 위치들 사이의 미리 결정된 위상 차는 상대적 위치 상 지연 또는 전진을 도입할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도 1 내지 도 16에 예시된 바와 같이, 위상 지연이 도입되어 압축 피스톤(5)은 팽창 피스톤(10) 앞 45도로 움직인다.
도 1 내지 도 16에서 예시된 바와 같이, 크랭크샤프트(1) 회전이 시작하면(도시되지 않은 외부 스타터를 통해), 양 피스톤(5 및 10)들이 이들의 왕복 운동을 시작한다.
도 1에 예시된 바와 같이, 흡입 행정은 압축 피스톤(5)이 이의 TDC에 도달할 때 시작하고 3방 밸브(16)는 압축 실린더 흡입 작동 유체 라인(도관)(14)을 통해 챔버(A 및 D)를 유체적으로 연결하기 위해 개방한다. 압축 피스톤(5)이 이의 BDC를 향하여 이동할 때(도 1 내지 도 9), 챔버(A) 공간은 증가하여 저온 작동 유체가 챔버(D)로부터 챔버(A)로 이동하도록 한다.
압축 행정은 압축 피스톤(5)이 이의 BDC 지점을 통과할 때 시작하고 3방 밸브(16)는 챔버(A)를 D(도 10 내지 도 16 및 도 1)로부터 연결해제하여 작동 유체를 챔버(A) 내에 포획한다. 크랭크샤프트 회전이 계속되는 동안(도 10 내지 도 16 및 도 1에 도시됨), 챔버(A) 공간은 감소하고 작동 유체의 온도 및 압력이 증가한다. 챔버(A) 공간이 감소하는 사이클의 이러한 부분의 후반부 동안(도 13 내지 도 16), TSCVM(7) 위치는 TSCVM 포트(19)를 통한 전달 챔버(B)가 챔버(A)와 유체적으로 연결되도록 한다. 따라서, 압축 행정 동안, 작동 유체는 압축 행정의 마지막에사와 같이 챔버(B) 내로 압축되고 압축 피스톤(5)이 이의 TDC(도 1)에 도달할 때 작동 유체 모두가 챔버(A)로부터 챔버(B)로 전달된다.
TSCVM(7)이 이의 BDC에 도달하고(도 15) 이의 TDC를 향하여 이동한 후(도 15 및 도 16 및 도 1 내지 도 7), TSCVM이 정적 TSCVM 실린더 압출부(22)를 항하여 이동하기 때문에 TSCVM이 이의 TDC에 도달할 때(도 7)까지 챔버(B)의 공간이 감소한다. 결론적으로, 챔버(B) 내에 포획된 작동 유체의 압력은 계속해서 증가할 수 있다(도 1 내지 도 7).
전술된 바와 같이, TSCVM 전달 챔버는 압축 챔버(A)로부터 팽창 챔버(B)로의 작동 유체의 전달 동안 감소하는 내부 공간을 포함한다. 작동 유체의 전달 동안 전달 챔버의 내부 공간의 감소는 엔진의 효율을 유리하게 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 감소하는 공간은 전달 전에 작동 유체의 압력을 더 증가시킬 수 있어, 엔진의 압축비를 증가시킨다.
일부 실시예에서, 전달 챔버는 압축 챔버로부터 받은 작동 유체를 더 압축한다. 작동 유체를 더 압축하여 전달함으로써, 일부 실시예는 유리하게는 "불용 공간"을 최소화할 수 있다. 일부 실시예는 또한 팽창 행정에 참여하기 위해 전달되는 압축 작동 유체의 양을 증가시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 전달 챔버는 압축 챔버로부터 받은 작동 유체를 더 압축할 수 있다. 일부 실시예에서, 전달 챔버(B)는 작동 유체를 팽창 챔버(C)로 전달하는 동안 압축한다. 이는 TSCVM(7)이 이의 TDC에 도달함과 동시에 팽창 피스톤(10)이 이의 TDC(도시안됨)에 도달하는 경우 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 전달 전 작동 유체의 추가 압축이 없다(예를 들면, 팽창 피스톤이 정적 TSCVM 실린더 압출부(22)를 향한 TSCVM(7) 이동에 의한 챔버(B)에서 감소된 공간보다 더 많은 공간을 비운 경우, 즉 이의 TDC로부터 멀리 이동한 경우). 일부 실시예에서, 작동 유체는 전달의 마지막 동안 사이클 및 팽창의 부분 동안 전달 챔버에서의 압축을 겪는다(예를 들면, 팽창 피스톤이 전달 챔버가 포함하는 공간보다 더 많은 공간을 비운 경우; 이는 단지 전달 공정의 마지막에 발생할 수 있다). 작동 유체의 모든 3개의 상태, 압축, 변화 없음, 및 팽창은 사이클의 상이한 단계들에서 동일한 작동 유체 전달 공정 동안 일어날 수 있음에 주목하자. 비록 여기에서 일부 설명이 전달 공정의 일 구간 동안 추가로 압축되는 작동 유체를 설명하였지만, 청구된 요지의 일 실시예이고 예시적인 목적을 위해 제안된 것에 주목하자.
여기서 설명된 예에서, 전달 챔버는 전달 실린더, 전달 실린더 압출부, 및 전달 실린더 하우징을 포함한다. 여기서 사용된 바와 같이, 전달 실린더 압출부는 전달 챔버의 경계의 일 부분을 제공하는 전달 실린더 내에 배치된 구조물이 되는 것으로 이해될 수 있다. 전달 실린더 압출부는 전달 챔버의 공간을 감소시키기 위해 전달 실린더의 내부 벽에 대해 가동될 수 있다. 전달 실린더는 전달 실린더 하우징 내에 위치 설정되어 전달 실린더 하우징에 대해 이동하고, 전달 실린더 압출부는 전달 실린더 내에 배치되며 전달 실린더 하우징에 대해 이동하지 않는다. 소정의 추가 실시예에서, 압출부는 포물선 모양의 헤드를 갖는다.
당업자는 설명된 실린더, 압출부, 및 하우징이 전달 동안 감소하는 내부 공간을 갖는 전달 챔버의 일 예라는 것을 인정할 것이다. 다른 예들은 전달 피스톤 및 전달 실린더를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이러한 예에서, 전달 실린더 벽 상의 포트는 압축 챔버를 전달 챔버에 그리고 팽창 챔버를 전달 챔버에 유체적으로 연결할 수 있다. 또 다른 예들은 전달 피스톤이 작동 유체를 마무리한 후 전달 실린더로 개방하는 게이트를 구비하고 그 도중에 압축 챔버(실린더)와 다시 연결하는 도관을 포함할 수 있다. 이러한 도관을 통하여 저온 작동 유체가 전달 챔버로 도입될 수 있다. 전달 피스톤이 팽창 실린더를 향하여 다시 이동하기 시작하면, 이 게이트가 폐쇄될 것이다.
피스톤(10)이 이의 TDC에 도달할 때 팽창 행정이 시작하고 TSCVM 포트(19)가 팽창 실린더 작동 유체 입구 포트(20)와 정렬될 때 그 TDC를 향한 TSCVM(7) 왕복 운동은 전달 챔버(B) 및 챔버(C)가 유체적으로 연결되게 한다(도 3 내지 도 11 참조). 챔버(B) 내에서 추가로 압축되는 작동 유체는 지금부터 전달되어 가열 요소(12)를 통해 챔버(C) 내로 팽창한다. 일부 실시예에서, 가열 요소(12) 내부 작동 유체 공간은 그 열 교환을 최소화하면서 불용 공간을 최소화하도록 설계된다. (가열 요소(12)에 의해) 가열된 작동 유체는 추가로 팽창되어 팽창 피스톤(10)을 이의 BDC를 향하여 가압하여 파워 행정(엔진 작업)을 생성한다. TSCVM 크랭크샤프트(2)가 이의 TDC를 향하여 이동할 때 작동 유체 모두가 챔버(B)로부터 가열 요소(12)를 통하여 챔버(C) 내로 전달하는데, 이는 챔버(B)의 공간이 0으로 감소하기 때문이며 정적 TSCVM 실린더 압출부(22)는 챔버(B)의 공간을 무효화한다(도 7).
당업자에 의해 인정되는 바와 같이, 가열 요소(12)는 선택적이고 외열원으로부터 작동 유체로 효과적인 열 전달을 제공하기 위해 부가될 수 있다. 또한, 도 1 내지 도 16의 열 요소(12)가 전달 챔버와 팽창 챔버 사이에서 예시되지만, 가열 요소가 부분적으로 또는 완전히 엔진의 다른 부분 내에 위치될 수 있다는 것이 인정되어야 한다. 예를 들면, 열 교환기의 요소는 전달 챔버 주위에 위치될 수 있다. 전달 챔버 열 교환기는 전달 챔버 내의 작동 유체로부터 열을 축출할 수 있으며(예를 들면, 추가 압축을 위해 또는 압축 효율을 증가시키기 위해), 열을 전달 챔버 내의 작동 유체로 부가할 수 있으며(예를 들면 작동 유체로 엑서지를 부가하기 위해) 또는 둘 모두 가능하다.
도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 예시적인 일 실시예에서, TSCVM(7)이 이의 TDC에 도달한 후(도 7) 이의 BDC를 향하여 이동을 시작하고(도 8 내지 10), 작동 유체의 부분은 다시 챔버(C)로부터 챔버(B)로 전달될 수 있고, 가열 요소(12) 및/또는 전달 챔버(B) 주위에 위치될 수 있는 열 교환기의 부가 가열 요소로부터 부가 열을 흡수한다. 이러한 부가된 열은 팽창 피스톤(10)을 이의 DBC를 향하여 그리고 TSCVM(7)을 이의 BDC를 향하여 가압하는 것을 도움으로써 더 많은 작업을 생성한다.
배기 행정은 팽창 피스톤(04)이 파워 행정의 마지막에 이의 BDC를 통과한 후 시작하고 이의 TDC를 향한 이동을 시작한다(도 11 내지 도 16, 및 도 1 내지 도 3). 이제 챔버(C) 내에 남아 있는 작동 유체는 챔버(C)로부터 팽창 실린더 배기 작동 유체 라인(도관)(15)을 통하여 챔버(D) 내로 가압된다. 이는 상기 시간 동안 3방 밸브(16)가 개방되어 챔버(C 및 D)와 유체적으로 연결되고 TSCVM(7) 위치는 전달 챔버(B) 및 챔버(C)가 연결해제되도록 하기 때문이다.
도 17에 예시된 바와 같이, 다양하고 예시적인 실시예에서, TSCVM 실린더(6a)와 관련된 압출이 없으며(도 1 내지 도 16에 도시된 TSCVM 실린더 압출부(22)에 비해) 그리고 챔버(B)는 TSCVM(7a)에서 일정한 공간을 갖는다.
저장 챔버(D)는 엔진 사이클에서 사용된 작동 유체에 대해 더 긴 냉각 기간을 가능하게 하는 압축 행정 동안 압축된 것보다 더 많은 작동 유체를 유지할 수 있다.
TSCVM(7)를 포함하는 모든 이동하는 피스톤은 밀봉될 수 있어 당업계에서 공지된 바와 같은 밀봉 링들을 이용할 수 있다. TSCVM에 대해, 밀봉 링들은 전달 실린더 TSCVM(7)과 전달 실린더 하우징(6) 사이 및 전달 실린더 TSCVM(7) 및 전달 실린더 압출부(22) 사이에 부가될 수 있다.
외부 연소 엔진에서, 작동 유체는 공기 또는 예를 들면 헬륨 또는 산소와 같은 다른 가스일 수 있다. 엔진 내에 포함되는 내부 작동 유체 압력는 대기 압력을 넘어(또는 그 아래)로 가압될 수 있다(또는 가압되지 않을 수 있다).
3방 밸브(16)는 냉각 챔버(D) 내로 고온 실린더 배기 작동 유체를 지향시키고 저온 작동 유체를 냉각 챔버(D)로부터 압축 챔버(A) 내로 지향시킨다. 3방 로터리 밸브 타입, 슬리브 3방 밸브 타입 내 스풀과 같은 이러한 밸브를 실시하거나 예를 들면 두 개의 각각의 "듀얼 위치"(예를 들면 개방/폐쇄, 포핏 밸브)를 사용하기 위한 당업계에서 공지된 몇가지 방법이 있다.
저온 실린더(압축 실린더)는 예를 들면 리브 및/또는 수냉 기구를 사용하여 외부적으로 냉각될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 저장 챔버(D)는 예를 들면 냉각 리브(12)를 사용함으로써, 외부에서 냉각된다.
고온 실린더(팽창 실린더)는 외부 열원에 의해 외부에서 가열될 수 있다.
작동 유체로서 대기 공기를 사용하는 다른 예시적인 실시예에서, 도 1 내지 도 17 중에서 아이템 11 내지 15가 사용되지 않았다. 대신, 대기 공기는 흡입 밸브(도시 안됨)를 통하여 챔버(A)로 유입되고 챔버(B)를 경유하여 챔버(C)로 전달되고 배기 밸브(도시안됨)를 경유하여 챔버(C)로부터 배출될 것이다. 주변으로부터 취한 신선한 공기를 갖는 개방 회로는 셋업을 매우 단순화하고 3방 밸브 및 저장부(11)에 대한 필요를 배제하였다.
작업이 폐쇄 회로 루프(도 1 내지 도 17에서 설명된 바와 같이)로 제한되는 다른 예시적인 실시예에서, 전체 엔진(출력 샤프트 또는 발생기 전기 출력을 제외함)은 밀봉 엔벨로프(도시 안됨)에 의해 캡슐화되었다. 이는 정지 중에 있는 엔진 폐쇄 회로에서의 대기 압력보다 더 높게 유지한다는 점에서 유익하다. 외부 고압 저장부는 작동 유체 누출에 의한 압력 강화를 보충하기 위해 폐쇄 회로 루프에 링크될 수 있다.
엔진의 상대적으로 높은 압축비는 비교적 작은 공간 열 교환기를 이용하는 것을 가능하게 하여 불용 공간을 더 감소시킨다.
도 18은 예시적인 실시예에 따라, 엔진을 작동하는 방법을 예시한다. 상기 방법(100)은 제 1 챔버에서 작동 유체를 압축하는 단계(102); 작동 유체를 상기 제 1 챔버로부터 제 2 챔버로 전달하는 단계(104); 작동 유체가 상기 제 2 챔버의 내부 공간에 있는 동안 상기 내부 공간을 감소시키는 단계(106); 작동 유체를 상기 제 2 챔버로부터 제 3 챔버로 전달하는 단계(108); 및 상기 제 3 챔버에서 작동 유체를 압축하는 단계(110)를 포함한다.
작동 유체의 전달 동안 전달 챔버의 내부 공간의 감소는 유리하게는 엔진의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 감소하는 공간은 전달 전에 작동 유체의 압력을 더 증가시킬 수 있어, 엔진의 압축비를 증가시킨다. 상기 엔진은 외부 스플릿-사이클 엔진 및 내부 스플릿-사이클 엔진, 또는 임의의 엔진일 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "불용 공간"(또는 "불용 용적")은 외열 엔진 또는 내연엔진에서 압축 챔버(A) 또는 팽창 챔버(C)의 또는 TSCVM의 부분의 영역을 지칭하는 것으로 이해될 수 있으며, 여기서 공간(용적)은 팽창에 이용되지 않은 압축된 작동 유체를 유지한다. 이 같은 불용 공간은 전달 밸브 또는 연결 튜브 또는 유체가 전달되어 팽창되는 것을 방지하는 다른 구조일 수 있다. 또한 불용 공간 또는 기생 공간과 같은 다른 용어는 이 같은 구조를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 불용 공간의 특정 예는 이러한 개시물 전체를 통해 논의되지만 반드시 이러한 경우로 제한되지 않을 수 있다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "유체"는 액체 및 기상 상태 둘 모두를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
여기서 사용된 바와 같이, "크랭크샤프트 각도"는 크랭크 회전의 일 부분을 지칭하는 것으로 이해될 수 있으며, 여기서 완전한 회전은 360도이다.
비록 특정 실시예가 단지 외연 엔진 또는 내부 내연 엔진에 대해 설명되었지만, 상기 시스템 및 방법은 외연 엔진, 내연 엔진, 및 임의의 다른 엔진에 동일하게 적용된다는 것이 인정되어야 한다. 일부 실시예에서, 내연 엔진 내부의 점화 소스는 팽창을 개시할 수 있다(예를 들면, 스파크 점화; SI). 일부 실시예에서, 점화 소스는 내연 엔진 내의 팽창을 개시하기 위해 사용되지 않고 연소는 압축에 의해 시작될 수 있다(압축 점화; CI).
위상-지연, 연소 타이밍, 대향 위상 지연, 압축 피스톤 선행, 팽창 실린더에 연결 후 그리고 스풀에서의 연소, 및 단일 압축 실린더에 대한 다중 패창 실린더를 포함하는 내연엔진의 설명은 PCT 출원 제 PCT/US2014/047076호에 기재되어 있으며, 이의 내용은 전체가 모든 목적을 위해 인용에 의해 본원에 포함된다.
도표 및 도면에서 폰트에서의 임의의 변화는 우연한 것이고 구별 또는 강조를 나타내기 위한 것이 아니다.
비록 본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 본원의 실시예와 관련하여 충분히 설명되었지만, 다양한 변화 및 수정은 당업자에게 명백함이 고려되어야 한다. 이 같은 변화 및 수정은 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예는 이들이 단지 예로서 제시되는 것이지 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 다양한 도표는 본 발명에 대한 예시적인 구조 또는 다른 구성을 설명할 수 있으며, 이는 본 발명이 포함될 수 있는 특징 및 기능을 이해하는데 도움을 주기 위해 설명된다. 본 발명은 설명된 예시적인 구조 또는 구성을 제한하지 않고 다양하고 대안적인 구조 및 구성을 사용하여 실시될 수 있다. 부가적으로, 비록 본 발명이 다양하고 예시적인 실시예 및 실행의 면에서 상술되었지만, 하나 또는 그 이상의 개별 실시예에서 설명된 다양한 특징 및 기능성이 이들이 설명되는 특정 실시예에 대한 이들의 적용성을 제한하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 대신 다양한 특징 및 기능성은 이 같은 실시예가 설명되든지 설명되지 않든지 그리고 이 같은 특징이 설명된 실시예의 일부가 되는 것으로 제시되든지 제시되지 않든지 홀로 또는 일부 조합하여 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 폭 및 범주는 상술된 예시적인 실시예들 중 어느 것으로도 제한되지 않아야 한다.
명료성을 위해, 상기 설명이 상이한 기능적 유닛 및 프로세서를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 상이한 기능적 유닛, 프로세서 또는 도메인들 사이의 기능성의 임의의 적절한 분배가 본 발명으로부터 벗어남이 없이 이용될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예를 들면, 별도의 프로세서 또는 제어기에 의해 수행될 예시된 기능은 동일한 프로세서 또는 제어기에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 특정 기능 유닛에 대한 참조는 단지 엄격한 논리적이거나 물리적인 구조 또는 조직을 나타내지 않고 설명된 기능을 제공하기 위한 적절한 수단에 대한 참조로서 판단되어야 한다.
종속 청구항들에서 제시된 특별한 특징은 본 발명의 범위 내에서 다른 방식으로 서로 조합될 수 있어 본 발명이 또한 종속 청구항들의 특징의 임의의 다른 가능한 조합을 갖는 다른 실시예들에 특별히 관련되는 것으로서 인정되어야 한다. 예를 들면, 청구항 공개의 목적을 위해, 다중 종속항 형식이 관할 구역 에서 허용되는 형식인 경우 후술하는 어떠한 종속항도 이 같은 종속항에서 인용되는 모든 선행 구성을 보유하는 모든 이전의 청구항으로부터 다중 종속으로서 대안적으로 작성된 것으로 취해져야 한다(예를 들면 청구항 1에 직접 종속하는 청구항은 모든 이전의 청구항들로부터 종속되는 것으로 취해져야 한다). 다중 종속항 형식이 제한되는 관할 구역에서, 아래의 종속항들은 각각 이 같은 종속 청구항 아래 열거된 특정 청구항이 아닌 종래의 선행 구성 보유 청구항으로부터 종속항을 생성하는 각각의 단일 종속항 형식으로 대안적으로 작성되는 것으로 취해져야 한다.
본 서류에서 사용된 용어 및 문구, 및 이의 변형은 특별히 달리 언급되지 않으면, 제한되지 않는 개방 단부형으로 이해되어야 한다. 전술된 것의 예로서, 용어 "포함하는(including)"는 포함하지만 제한되지 않는" 등의 의미로서 이해되어야 하고, 용어 "예"는 논의에서 아이템의 예시적인 예를 제공하는 것으로 이해되어야 하고, 이의 완전하고 제한하는 리스트로서 이해되지 않아야 하며, "종래의", "전통적인", "보통의", "표준의", "공지된" 및 유사한 의미의 용어는 주어진 시간에 대해 설명된 용어 또는 주어진 시간에서 이용가능한 용어로 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 대신 이러한 용어는 현재 미래의 어느 때라도 이용가능하고 알 수 있는 종래의, 전통적인, 보통의, 또는 표준적인 기술을 포함하는 것으로 이해되어야 하다. 또한, 접속사 "그리고"로 연결된 아이템들의 그룹은 그룹 내에서 존재하는 아이템들 중 각각 및 모든 것을 요구하는 것으로 이해되지 않아야 하고 오히려 달리 특별히 언급되지 않으면 "및/또는"으로서 이해되어야 한다. 유사하게, 접속사 "또는"으로 연결된 아이템들의 그룹은 그룹 중에서 상호 배타성을 요구하는 것으로 이해되지 않아야 하고 오히려 달리 특별히 언급되지 않으면 "및/또는"으로서 이해되어야 한다. 더욱이, 비록 본 발명의 아이템, 요소 또는 구성요소가 단수로 설명되거나 청구되었지만, 단수로 제한하는 것으로 명백히 언급되지 않으면 본 발명의 범위 내에서 복수가 고려되어야 한다. 일부 예에서 "하나 또는 그 이상", "적어도", "이에 제한되지 않는다" 또는 다른 유사 문구와 같이 의미를 확장하는 단어 및 문구의 존재는 이 같은 의미를 확장하는 문구가 존재하지 않을 수 있는 경우에 의미가 좁아지는 케이스가 의도되거나 요구하는 것을 의미하는 것으로 이해되지 않아야 한다.

Claims (27)

  1. 작동 유체를 흡입하여 압축하는 압축 챔버;
    상기 작동 유체를 팽창하고 배기하는 팽창 챔버;
    상기 압축 챔버로부터 상기 작동 유체를 받아 팽창 챔버로 전달하고, 상기 압축 챔버 및 상기 팽창 챔버 사이에서 그리고 상기 압축 챔버 및 상기 팽창 챔버에 대해 수직으로 왕복 운동하는 전달 챔버; 및
    상기 압축 챔버에서 그리고 상기 전달 챔버로 작동 유체를 압축하는 압축 피스톤으로서, 상기 작동 유체의 전달 동안 상기 전달 챔버 내의 작동 유체를 추가로 압축하기 위해 상기 전달 챔버의 내부 공간이 감소하는 압축 피스톤을 포함하는,
    엔진.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    팽창을 개시시키는 점화 소스를 상기 엔진 내에 더 포함하는,
    엔진.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축 챔버의 출구 포트로 그리고 상기 팽창 챔버의 입구 포트로 번갈아서 유체적으로 연결하는 상기 전달 챔버의 전달 포트를 더 포함하는,
    엔진.
  9. 제 8 항에 있어서,
    엔진의 한 사이클의 일 구간 동안, 상기 전달 포트는 상기 압축 챔버의 상기 출구 포트를 상기 전달 챔버의 상기 전달 포트에 연결하는 동시에 상기 팽창 챔버의 상기 입구 포트를 상기 전달 챔버의 상기 전달 포트에 연결하는,
    엔진.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전달 챔버는 전달 실린더, 전달 실린더 압출부, 및 전달 실린더 하우징을 포함하고, 상기 전달 실린더는 상기 전달 실린더 하우징 내에 배치되며 상기 전달 실린더 하우징에 대해 이동하고, 상기 전달 실린더 압출부는 상기 전달 실린더 내에 배치되며 상기 전달 실린더 하우징에 대해 이동하지 않는,
    엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 압출부는 포물선 모양인,
    엔진.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전달 실린더와 상기 전달 실린더 하우징 사이, 그리고 상기 전달 실린더와 상기 전달 실린더 압출부 사이의 밀봉 링들을 더 포함하는,
    엔진.
  13. 제 1 챔버에서 그리고 제 2 챔버로 작동 유체를 압축하는 단계;
    상기 작동 유체를 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버로 전달하는 단계;
    상기 제 2 챔버를 상기 제 1 챔버와 제 3 챔버 사이에서 그리고 상기 제 1 챔버와 상기 제 3 챔버에 대해 수직으로 왕복 운동하는 단계;
    상기 제 2 챔버 내의 작동 유체를 추가로 압축하기 위해 상기 작동 유체가 상기 제 2 챔버의 내부 공간에 있는 동안 상기 내부 공간을 감소시키는 단계;
    상기 작동 유체를 상기 제 2 챔버로부터 제 3 챔버로 전달하는 단계; 및
    상기 제 3 챔버 내에서 상기 작동 유체를 팽창시키는 단계를 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    부분적으로 상기 엔진의 외부에 배치된 열 교환기를 사용하여 상기 제 3 챔버 내의 작동 유체에 열을 전달하는 단계를 더 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 작동 유체를 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 보내는 단계를 더 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 보낼 때 상기 작동 유체를 냉각시키는 단계를 더 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  18. 제 13 항에 있어서
    상기 작동 유체를 상기 제 3 챔버에서 팽창시키는 단계를 더 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 챔버 및 상기 제 3 챔버 사이의 상기 제 2 챔버의 운동을 통해, 상기 제 1 챔버의 출구 포트로 그리고 상기 제 3 챔버의 입구 포트로 번갈아서 제 2 챔버를 유체적으로 연결하는 단계를 더 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 엔진의 사이클의 일 구간 동안, 상기 제 2 챔버를 상기 제 1 챔버의 상기 출구 포트 및 상기 제 3 챔버의 상기 입구 포트에 동시에 유체적으로 연결하는 단계를 더 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 챔버는 실린더, 실린더 압출부, 및 실린더 하우징을 포함하고, 상기 실린더는 상기 실린더 하우징 내에 배치되고 상기 실린더 하우징에 대해 이동하고, 상기 실린더 압출부는 상기 실린더 내에 배치되고 상기 실린더 하우징에 대해 이동하지 않는,
    엔진 작동 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 압출부는 포물선 모양인,
    엔진 작동 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 실린더와 상기 실린더 하우징 사이의 밀봉 링들을 더 포함하는,
    엔진 작동 방법.
  24. 작동 유체를 흡입하여 압축하는 압축 챔버;
    상기 작동 유체를 팽창시키고 배기하는 팽창 챔버;
    상기 압축 챔버로부터 상기 작동 유체를 받고, 상기 압축 챔버 및 상기 팽창 챔버 사이에서 그리고 상기 압축 챔버와 상기 팽창 챔버에 대해 수직으로 왕복 운동하며, 상기 작동 유체를 상기 팽창 챔버로 전달하는 전달 챔버;
    상기 압축 챔버에서 그리고 상기 전달 챔버로 작동 유체를 압축하는 압축 피스톤으로서, 상기 작동 유체의 전달 동안 상기 전달 챔버 내의 작동 유체를 추가로 압축하기 위해 상기 전달 챔버의 내부 공간이 감소하는, 피스톤; 및
    외부 열원으로부터 상기 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 포함하는,
    엔진.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 작동 유체를 상기 팽창 챔버로부터 상기 압축 챔버로 보내는 도관을 더 포함하는,
    엔진.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 도관 내에 냉각 챔버를 더 포함하는,
    엔진.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 압축 챔버 및 상기 팽창 챔버를 유체적으로 연결 및 연결해제하는 밸브를 상기 도관 내에 더 포함하는,
    엔진.
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