KR102507479B1 - 스플릿 사이클 엔진 - Google Patents

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Abstract

스플릿 사이클 엔진(4)은, 제 1 작업 유체를 위한 제 1 체적부(12) 및 제 2 작업 유체를 위한 제 2 체적부(14)를 갖는 압축 실린더(10)로서, 상기 제 1 체적부 및 상기 제 2 체적부는 압축 피스톤(20)에 의해 분리되는, 상기 압축 실린더(10), 제 1 작업 유체를 위한 제 1 체적부(52) 및 제 2 작업 유체를 위한 제 2 체적부(54)를 갖는 팽창 실린더(50)로서, 제 1 체적부 및 제 2 체적는 팽창 피스톤(60)에 의해 분리되는, 상기 팽창 실린더(50), 및 압축 실린더(10)의 제 2 체적부(14)와 팽창 실린더(50)의 제 2 체적부(54) 사이의 유체 커플링(90)으로서, 2개의 제 2 체적부(14, 54) 및 유체 커플링(90)은 제 2 작업 유체를 위한 폐쇄형 체적을 제공하며, 유체 커플링(90)은 2개의 제 2 체적부(14, 54)가 열적으로 분리되도록 배열된, 상기 재생기(92)를 포함한다.

Description

스플릿 사이클 엔진
본 발명은 스플릿 사이클 엔진에 관한 것이다
디젤 또는 오토 사이클을 사용하는 내연기관에서, 흡입 공기/연료 혼합물은 점화 전에 압축된다. 입구 전하(inlet charge)의 압축은 압축 동안 에너지 입력으로부터 생성된 상응하는 온도의 상승을 야기한다. 압축 및 팽창/연소는 모두 동일한 실린더에서 교대로 발생하고, 피스톤은 앞뒤로 움직인다.
스플릿 사이클 엔진은 압축 및 연소/팽창이 상이한 실린더에서 발생한다는 점에서 근본적으로 상이한 왕복 피스톤 엔진이다. 본 명세서에 설명된 스플릿 사이클 엔진은 압축 피스톤을 수용하는 압축 실린더, 팽창 피스톤을 수용하는 팽창 실린더를 포함하며, 압축 실린더는 공기와 같은 작업 유체(working fluid)의 유입을 위한 입구 포트, 및 열 교환기의 제 1 통로와 연통하는 출구 포트를 갖고, 팽창 실린더는 열 교환기의 제 1 통로와 연통하는 입구 포트, 및 열 교환기의 제 2 통로와 연통하는 출구 포트를 가지며, 제 2 통로는 제 1 통로와 열 교환 관계에 있다.
이러한 엔진의 예는 WO 2010/067080에 설명되어 있다.
본 발명의 양태 및 실시예는 청구 범위에서 설명된다.
스플릿 사이클 회복(recuperated) 엔진은 다음과 같은 이유로 브레이크 효율이 높다: i) 배기 생성물(exhaust product)의 열이 차단되어 압축 후 작업 가스로 다시 방향을 전환하여, 사이클에서 주어진 작업 출력을 생성하는 데 필요한 연료량을 줄인다. ii) 압축 실린더의 준-등온(quasi-isothermal) 압축은 필요한 압축 작업을 줄인다; iii) 팽창 체적은 압축 체적보다 상당히 높을 수 있으며, 연소 가스로부터 더 많은 작업을 추출할 수 있다. 오토 사이클 엔진에 비해, 시스템의 압축 측의 저온(또는 비교적 저온) 유체는 레큐퍼레이터(recuperator)에 의해 고온 팽창 실린더로부터 분리된다. 이것은 팽창 실린더가 오토 사이클 엔진보다 높은 온도로 유지될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 팽창 실린더의 온도가 높을수록, 대기로의 열 손실량은 더 커진다. 팽창 실린더로부터의 열 손실은 배기 낭비를 통해 있을 수 있거나, 실린더 벽을 통해, 예를 들어, 엔진 냉각수로의 전도 및 피스톤이 위아래로 진행할 때 실린더 블록에서 순환하는 공기 흐름을 통해 발생할 수 있다. 이러한 열 손실은 비효율의 원천이다.
본 발명의 실시예는 특히 자동차 사용을 위한 스플릿 사이클 엔진을 제공하며, 이러한 스플릿 사이클 엔진은 상술한 문제점 중 적어도 일부를 극복하고, 감소시키거나 완화시킨다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 설명한다.
도 1은 스플릿 사이클 엔진을 도시한다.
도 2는 부가적인 열 관리 특징을 가진 스플릿 사이클 엔진을 도시한다.
도 3은 스플릿 사이클 엔진의 엔진 사이클에서의 스테이지의 일례를 도시한다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 스플릿 사이클 엔진을 동작시키는 방법은 액상 냉각제를 압축 실린더 내로 주입하는 단계를 포함하며, 여기서 냉각제는 제 1 작업 유체의 흡입 후 또는 흡입 중에 저온 또는 극저온에서의 액체일 뿐인 특성을 가짐으로써, 냉각제는 압축 실린더 내에서 액상에서 기상으로 비등(boil)하여, 작업 유체와 함께 팽창 실린더로 통과한다. 냉각제는 예를 들어 액체 질소일 수 있다. 냉각제가 비등함에 따라, 그것은 압축이 적어도 준-등온이도록 압축의 결과로서 생성되는 열을 흡수한다. 온도가 실질적으로 상승하지 않는다는 사실로 인해, 압축을 수행하는 데 필요한 작업은 실질적으로 감소된다. 그 후, 냉각 압축된 작업 유체는 압축 실린더의 출구 포트를 통해 열 교환기 또는 레큐퍼레이터의 제 1 통로로 흐르며, 그것은 팽창 실린더로 흐르기 전에 상당한 온도로 가열된다. 연료, 통상적으로 디젤 연료 또는 천연 가스는 그 후 가열된 압축 작업 유체에 주입되어 연소된다. 연료/작업 유체 혼합물의 연소는 작업 피스톤의 동력 행정(power stroke)을 구동하여 토크를 생성시킨다. 연소 후에, 팽창 실린더의 배기 밸브는 개방되고, 고온의 배기 생성물은 팽창 실린더로부터 방출되어 열 교환기를 통과하여, 팽창 실린더에 공급되는 고압 작업 유체의 온도를 증가시키는 열원을 제공한다. 따라서, 2개의 피스톤은 2개의 행정 모드에서 효과적으로 동작하며, 이것은, 실질적으로 등온 압축 및 배기 열 에너지 회수부(recovery)와 결합되어 엔진이 높은 제동 열 효율을 갖는다는 것을 의미한다.
실시예에서, 스플릿 사이클 엔진은 저온 압축 실린더와 고온 팽창 실린더 사이에 배치된 재생기를 포함하는 제 2 작업 유체 시스템을 포함한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 제 2 작업 유체 시스템은 (예를 들어, 손실된 배기에서 팽창 실린더 벽 또는 팽창 피스톤을 통하거나 배기 블로우바이(blowby)를 통한 전도에 의해) 달리 소산되는 열을 포획하여, 이를 이용하여 엔진에 의해 생성된 순 토크를 증가시키도록 배치된다.
실시예에서, 재생기를 포함하는 제 2 작업 유체 시스템은 팽창 피스톤과 압축 피스톤의 비작업(앞(obverse))면 사이에 제공되어, 제 2 작업 유체 시스템 내의 제 2 작업 유체가 피스톤의 왕복 운동에 동력을 공급하는 작업을 공급한다.
실시예에서, 배기(배기 생성물)의 흐름은 레큐퍼레이터에서 유용하게 사용될 수 없는 배기 열이 제 2 작업 유체 시스템의 고온 측으로 전환되어 토크를 생성하기 위해 확실히 동력화되도록 관리된다.
일반적으로, 냉각제는 비산화성, 불연성 유체이다. 실시예에서, 냉각제는 비산화성, 불연성 극저온 유체이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 극저온 유체는 표준 온도 및 압력에서 기상(gaseous phase)을 차지하고, 액상(liquid phase)을 차지하기 위해 저온, 즉 극저온으로 냉각되어야 하는 유체를 지칭한다. 실시예에서, 냉각제는 액상에서, 즉 액체로서 압축 실린더 내에 주입된다. 실시예에서, 온도 및 압력 제어 냉각제 저장소는 압축 실린더 내에 주입하기 전에 냉각제를 액상으로 유지하기 위해 냉각제를 저온 및 선택적으로 고압으로 유지하기 위해 제공된다. 냉각제는 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 가스일 수 있지만, 특히 대기로부터 용이하게 이용 가능함에 따라 질소가 사용되는 것이 바람직하다.
도 1은 스플릿 사이클 엔진(4)의 일례를 도시한다. 스플릿 사이클 엔진(4)은 압축 실린더(10), 제 1 작업 유체 경로(40), 팽창 실린더(50), 배기 통로(80), 제 2 작업 유체 커플링(90) 및 크랭크(100)를 포함한다. 제 1 작업 유체 경로(40) 및 배기 통로(80)는 제 1 작업 유체 경로(40)와 배기 통로(80) 사이에 열 커플링을 제공하도록 배치되는 레큐퍼레이터(45)를 포함한다(통과한다). 제 2 작업 유체 커플링(90)은 재생기(92)를 포함한다(통과한다).
제 1 작업 유체 경로(40)는 압축 실린더의 제 1 체적부(12)를 레큐퍼레이터(45)를 통해 팽창 실린더의 제 1 체적부(52)에 유동적으로 결합한다. 배기 통로는 팽창 실린더의 제 1 체적부(52)를 레큐퍼레이터(45)를 통해 대기(도 1에서의 "배기")에 유동적으로 결합한다. 제 2 작업 유체 커플링(90)은 재생기(92)를 통해 팽창 실린더의 제 2 체적부(54)에 유동적으로 결합한다.
압축 피스톤(20) 및 팽창 피스톤(50)은 각각 (도시되지 않은) 크랭크 샤프트 상에 제공되는 크랭크(100)에 결합된다. 이러한 배치는 사용시에 크랭크(100)가 2개의 피스톤 압축 피스톤의 왕복(선형) 운동을 고정된 위상 관계로 결합하고, 크랭크 샤프트에서 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 병진시키도록 한다.
압축 실린더(10)는 입구 포트(30), 냉각제 유입 포트(32), 출구 포트(34) 및 압축 피스톤(20)을 포함한다.
입구 포트(30)는 제 1 작업 유체를 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12)로 유입시키도록 배치된다. 냉각제 유입 포트(32)는 냉각제를 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12)로 유입시키도록 배치된다. 출구 밸브(34)는 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12)로부터의 제 1 작업 유체(및 냉각제)의 배출을 허용하도록 배치된다. (출구 포트를 빠져나가는 유체는 사용 시에 압축 동안 제 1 작업 유체와 혼합되는 냉각제를 포함할 수 있지만, 단순화를 위해 혼합물은 본 명세서에서 단순히 제 1 작업 유체로서 지칭될 것이다).
압축 피스톤(20)은 압축 실린더의 내부 체적을 제 1 체적부(12) 및 제 2 체적부(14)로 분할하고, 제 2 체적부(14)로부터 제 1 체적부(12)를 분리하도록 압축 실린더(10) 내에 배치된다. 압축 피스톤(20)은 포트(30,32,34)를 향하거나 포트(30,32,34)로부터 멀어지는 선형 운동을 위해 배치되며, 포트를 향한 운동은 제 1 체적부(12)를 감소시키고, 제 1 체적부의 감소에 정비례하여 제 2 체적부(14)를 증가시킨다. 유사하게, 포트(30,32,34)로부터 멀어지는 압축 피스톤(20)의 운동은 제 1 체적부(12)를 증가시키고, 제 1 체적부의 증가에 정비례하여 제 2 체적부(14)를 감소시킨다. 압축 실린더(10)의 내부 표면은 압축 실린더(20)가 이동하는 슬라이딩 표면(15)을 제공한다. (도시되지 않은) 하나 이상의 윤활제 통로는 윤활제를 윤활제 저장소로부터 슬라이딩 표면(15)으로 제공하기 위해 실린더 벽을 통해 제공된다.
팽창 실린더(50)는 입구 포트(70), 연료 유입 포트(72), 출구 포트(74) 및 팽창 피스톤(60)을 포함한다.
입구 포트(70)는 압축된 제 1 작업 유체를 팽창 실린더(50)의 제 1 체적부(52)로 유입시키도록 배치된다. 연료 유입 포트(72)는 연료를 팽창 실린더(50)의 제 1 체적부(52)로 유입시키도록 배치된다. 출구 포트(74)는 팽창 실린더(50)의 제 1 체적부(52)로부터 배기 생성물의 배출을 허용하도록 배치된다.
팽창 피스톤(60)은 팽창 실린더(50)의 내부 체적을 제 1 체적부(52) 및 제 2 체적부(54)로 분할하고, 제 2 체적부(54)로부터 제 1 체적부(52)를 분리하도록 팽창 실린더(50) 내에 배치된다. 팽창 피스톤(60)은 포트(70,72,74)를 향하고 포트(70,72,74)로부터 멀어지는 선형 운동을 위해 배치되며, 포트를 향한 운동은 제 1 체적부(52)를 감소시키고, 제 1 체적부의 감소에 정비례하여 제 2 체적부(54)를 증가시킨다. 유사하게, 포트(70,72,74)로부터 멀어지는 팽창 피스톤(60)의 운동은 제 1 체적부(52)를 증가시키고, 제 1 체적부(52)의 증가에 정비례하여 제 2 체적부(54)를 감소시킨다. 팽창 실린더(50)의 내부 표면은 팽창 실린더(50)가 이동하는 슬라이딩 표면(55)을 제공한다. (도시되지 않은) 하나 이상의 윤활제 통로는 윤활제를 윤활제 저장소로부터 슬라이딩 표면(55)으로 제공하기 위해 실린더 벽을 통해 제공된다.
제 2 작업 유체 커플링(90)은 압축 실린더(10)의 제 2 체적부(14)와 팽창 실린더(50)의 제 2 체적부(54) 사이로 연장되고, 압축 실린더(10)의 제 2 체적부(14)와 팽창 실린더(50)의 제 2 체적부(54)를 유동적으로 결합한다. 제 2 작업 유체 커플링(90)은 재생기(92)를 통과한다.
압축 실린더(10)는 강철과 같은 내구성, 내열성 및 불활성 재료를 포함한다. 압축 실린더(10)는 길쭉한 원주 벽 및 원주 벽의 각각의 단부를 각각 폐쇄하는 2개의 단부 벽(11, 13)을 갖는다. 제 1 단부벽(11)은 입구 및 출구 포트(30, 34)를 포함하고, 도시된 예에서는 냉각제 유입 포트(32)를 포함한다. 다른 예에서, 하나 이상의 냉각제 유입 포트는 제 1 단부벽(11) 및/또는 압축 실린더(10)의 측벽(원주 벽)에 제공된다. 다른 가능성으로서, 하나 이상의 포트(32, 34)는 제 1 단부벽(11) 근처의 압축 실린더 측벽을 통해 제공된다.
압축 피스톤(20)은 앞면(22) 및 뒷면(24)을 갖는 일반적 원통형 몸체를 포함한다. 앞면 또는 작업면(22)은 포트(30, 32, 34)를 향하고, 압축 행정 중에 제 1 작업 체적부(12)에 포함된 제 1 작업 유체 및 냉각제로 작업물을 이송하는 면이다. 제 1 체적부(12)는 제 1 단부 벽(11), 압축 피스톤(20)의 앞면(22) 및 그 시점에서 제 1 단부 벽(11)과 앞면(22) 중간의 원주 방향의 길이에 의해 둘러싸인 체적에 의해 정의된 임의의 주어진 시간에 존재한다. 앞면(22)에 대한 피스톤(20)의 대향 측상의 뒷면(24)은 일반적으로 포트(30, 32, 34)로부터 떨어져 있고, 제 2 체적부(14)에 포함된 제 2 유체와 접촉하는 면이다. 제 2 체적부(14)는 제 2 단부 벽(13), 압축 피스톤(20)의 뒷면(24) 및 그 시점에서 제 2 단부 벽(13)과 뒷면(24) 중간의 원주 방향의 길이에 의해 둘러싸인 체적에 의해 정의된 임의의 주어진 시간에 존재한다.
피스톤(20)의 원주 표면은 압축 피스톤(20)과 압축 실린더(10)의 원주 벽 사이에 시일(seal)을 형성하도록 배치되는 하나 이상의 피스톤 링을 운반한다(carry). 시일은 압축 실린더(10) 내에서 압축 피스톤(20)의 왕복 운동을 허용하면서 제 1 체적부(12)로부터 제 2 체적부(14)로 유체 누출을 완화하고, 그 반대로 유체 누출을 완화한다. 시일은 압축 행정의 효율을 유지하는 것을 돕고, 제 2 체적부(14) 내에서 유체의 질량 및 유체의 순도를 유지하는 것을 돕는다. 피스톤 링에는 마찰 항력(frictional drag)을 줄이기 위해 윤활유가 제공된다.
일반적으로, 본 명세서에 사용될 때 용어 "시일"은 두 표면 사이의 끼워 맞춤(fit), 또는 두 표면 또는 요소 사이에 유체가 거의 또는 전혀 흐르지 않을 수 있도록 다른 표면 또는 요소와의 끼워 맞춤을 형성하기 위해 배치된 표면 또는 요소를 지칭한다.
제 2 체적부(14)는 개구부(19)를 포함한다. 피스톤 로드(26)는 개구부(19)를 통해 압축 피스톤(20)으로부터 연장되고, 연결 로드(28)에 대한 피봇식(pivotal) 커플링을 통해 피스톤(20)을 크랭크(100)에 기계적으로 결합한다. 피스톤 로드(26)는 피스톤 로드(26)의 축이 피스톤(20)의 왕복 운동의 축 방향과 정렬되도록 피스톤(20)에 비피봇식으로 연결된다. 이것은 피스톤 로드(26)가 개구부 내에서 반경 방향으로 진동하지 않는다는 것을 의미한다. 개구부(19)를 통해 제 2 체적부(14)로부터 또는 제 2 체적부(14) 내로 유체 누출을 완화시키기 위해 피스톤 로드(26)와 개구부(19) 사이에 시일이 제공된다. 시일은 개구부(19) 상에 제공된다. 다른 가능성으로서, 시일은 피스톤 로드(26) 상에 제공될 수 있거나 피스톤 로드(26) 및 개구부(19)의 표면에 의해 제공될 수 있다. 시일에는 마찰 항력을 줄이기 위해 윤활유가 제공된다. 하나 이상의 윤활제 주입 포트 또는 통로 또는 노즐은 압축 실린더 벽을 통해 또는 개구 시일 상에 윤활제를 투여하기 위해 개구부(19) 주위에 제공될 수 있다.
냉각제 유입 포트(32)는 액체 냉각제, 예를 들어 액체 질소를 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12) 내로 분사하도록 배치된 하나 이상의 주입 노즐을 포함한다. 하나 이상의 노즐은 (도시되지 않은) 냉각제 저장소와 유체 연통한다. 냉각제 저장소는 냉각제를 액체 상태로 유지하기 위해 저온, 고압 환경을 제공하도록 배치된다.
입구 포트(30)는 제어 가능 밸브를 포함한다. 제어 가능 밸브는 제 1 작업 유체의 공급부와 유체 연통한다. 통상적으로, 제 1 작업 유체는 입구 포트에 제공되기 전에 터보 차저(turbocharger)에 의해 냉각되고 고압으로 상승되는 공기를 포함한다.
출구 포트(34)는 출구 밸브를 포함한다. 압축 실린더 내에서 발생하는 고압 변화로 인해, 출구 밸브는 제 1 체적부 내의 압력 증가에 반응하여 개방되지만 제 1 체적부로부터의 유체의 유출 속도를 조절하도록 배치되는 압력 보상 밸브이다.
팽창 실린더(50)는 강철과 같은 내구성, 내열성 및 불활성 재료를 포함한다. 팽창 실린더(50)는 길쭉한 원주 벽 및 원주 벽의 각각의 단부를 각각 폐쇄하는 2개의 단부 벽(51, 53)을 갖는다. 제 1 단부벽(51)은 입구 포트(70), 연료 유입 포트(72) 및 출구 포트(74)를 포함한다. 다른 가능성으로서, 하나 이상의 포트(70, 72, 74)는 제 1 단부벽(51) 근처의 팽창 실린더 측벽을 통해 제공된다.
팽창 피스톤(60)은 앞면(62) 및 뒷면(64)을 갖는 일반적 원통형 몸체를 포함한다. 앞면 또는 작업면(62)은 포트(70, 72, 74)를 향하고, 팽창 행정 동안 연소되고 팽창될 때 제 1 작업 유체/연료 혼합물에 의해 힘이 가해지는 면이다. 제 1 체적부(52)는 제 1 단부 벽(51), 팽창 피스톤(60)의 앞면(62) 및 그 시점에서 제 1 단부 벽(51)과 앞면(62) 중간의 원주 방향의 길이에 의해 둘러싸인 체적에 의해 정의된 임의의 주어진 시간에 존재한다. 앞면(62)에 대한 피스톤(60)의 대향 측 상의 뒷면(64)은 일반적으로 포트(70, 72, 74)로부터 떨어져 있고, 제 2 체적부(14)에 포함된 제 2 유체와 접촉하는 면이다. 제 2 체적부(52)는 제 2 단부 벽(53), 팽창 피스톤(60)의 뒷면(64) 및 그 시점에서 제 2 단부 벽(53)과 뒷면(64) 중간의 원주 방향의 길이에 의해 둘러싸인 체적에 의해 정의된 임의의 주어진 시간에 존재한다.
팽창 피스톤(60)의 원주 표면은 팽창 피스톤(60)과 팽창 실린더(50)의 원주 벽 사이에 시일을 형성하도록 배치되는 하나 이상의 피스톤 링을 운반한다. 시일은 압축 실린더(50) 내에서 압축 피스톤(60)의 필요한 왕복 운동을 허용하면서 제 1 체적부(52)로부터 제 2 체적부(54)로 유체 누출을 완화하고, 그 반대로 유체 누출을 완화한다. 시일은 팽창 행정의 효율을 유지하는 것을 돕고, 제 2 체적부(54) 내에서 유체의 질량 및 유체의 순도를 유지하는 것을 돕는다. 피스톤 링에는 마찰 항력을 줄이기 위해 윤활유가 제공된다. 온도 및 따라서 윤활제의 점도를 관리하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 몇몇 예는 도 2와 관련하여 설명된다.
제 2 체적부(54)는 개구부(59)를 포함한다. 피스톤 로드(66)는 개구부(59)를 통해 팽창 피스톤(60)으로부터 연장되고, 연결 로드(68)에 대한 피봇식 커플링을 통해 팽창 피스톤(60)을 크랭크(100)에 기계적으로 결합한다. 피스톤 로드(66)는 피스톤 로드(66)의 축이 팽창 피스톤(60)의 왕복 운동의 축 방향과 정렬되도록 피스톤(60)에 비피봇식으로 연결된다. 이것은 피스톤 로드(66)가 개구부(59) 내에서 반경 방향으로 진동하지 않는다는 것을 의미한다. 개구부(59)를 통해 제 2 체적부(54)로부터 또는 제 2 체적부(54) 내로 유체 누출을 완화시키기 위해 피스톤 로드(66)와 개구부(59) 사이에 시일이 제공된다. 시일은 개구부(59) 상에 제공된다. 다른 가능성으로서, 시일은 피스톤 로드(56) 상에 제공될 수 있거나 피스톤 로드(56) 및 개구부(59)의 표면에 의해 제공될 수 있다. 시일에는 마찰 항력을 줄이기 위해 윤활유가 제공된다. 하나 이상의 윤활제 주입 포트 또는 통로 또는 노즐은 압축 실린더 벽을 통해 또는 개구 시일 상에 윤활제를 투여하기 위해 개구부(59) 주위에 제공될 수 있다.
팽창 실린더(50)의 입구 포트(70)는 일 측에서는 제 1 작업 유체 경로(40)와 유체 연통하고, 다른 측에서는 팽창 실린더(50)의 제 1 체적부(52)과 유체 연통하여 배치되는 제어 가능 밸브를 포함한다. 밸브는 압력 보상 밸브이다.
연료 유입 포트(54)는 연료 저장소와 유체 연통하여 배치되고, 연료를 팽창 실린더(50)의 제 1 체적부(52)로 주입하도록 제어 가능한 연료 인젝터(injector)를 포함한다.
팽창 실린더(50)의 출구 포트(74)는 다른 측에서 팽창 실린더(50)의 제 1 체적부(52)와 유체 연통하고, 다른 측에서는 배기 통로(80)와 유체 연통하여 배치되는 출구 밸브를 포함한다. 밸브는 연소의 배기 생성물이 제 1 체적부(52)를 배기 통로(80)로 배출하도록 제어 가능하다.
제 1 유체 경로(40) 및 배기 통로(80)는 내열성, 비반응성 도관에 의해 제공된다.
레큐퍼레이터(45)는 제 1 작업 유체 경로의 일부를 형성하는 제 1 유체 경로 및 배기 통로의 일부를 형성하는 제 2 유체 경로를 포함하는 역류(counter-flow) 에너지 회수 열 교환기를 제공한다. 사용 시에, 제 1 작업 유체는 레큐퍼레이터(45)의 제 1 유체 경로를 통해 (팽창 실린더를 향하여) 제 1 방향으로 흐르고, 배기 생성물은 레큐퍼레이터(45)의 제 2 유체 경로를 통해 (팽창 실린더로부터 멀어지는) 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 흐른다. 제 1 및 제 2 유체 경로는 사용시 열이 제 2 유체 경로에서 흐르는 고온의 배기 생성물로부터 제 1 유체 경로에서 흐르는 저온의 제 1 작업 유체로 전달되도록 열적으로 연통하여 배치된다.
제 2 작업 유체 커플링(90)은 내열성, 비반응성 도관을 포함한다. 제 2 작업 유체 커플링(90)의 체적부는 제 2 체적부(12, 52)의 각각에 비해 작음으로써, 제 2 체적부(12, 52)의 크기는 제 2 작업 유체 폐쇄된 체적부의 전체 체적의 비교적 큰 비율이고, 제 2 체적부 중 하나의 체적의 증가 또는 감소는 제 2 체적부 내에 존재하는 제 2 작업 유체의 압력 또는 온도에 무시할 수 없는 영향을 주도록 한다. 즉, 제 2 작업 유체는 제 2 작업 유체 커플링 내로의 변위에 의한 체적 변화의 영향을 피할 수 없다.
재생기(92)는, 열 저장 매체가 i) 저온 유체가 재생기(92)의 다른 (저온) 측으로 빠져나가도록 고온 (팽창/연소) 측으로부터 유입되는 유체로부터 열을 흡수하고; ii) 고온 유체가 재생기(92)의 다른 (고온) 측으로 빠져나가도록 저온 (압축) 측으로부터 유입되는 유체에 열을 제공하도록 배치된 열 저장 매체와 열적으로 연통하여 유체 경로를 가진 열 교환기이다. 이에 의해, 재생기(92)는 고온 팽창 측과 저온 압축 측 사이의 열 장벽으로서 작용하여, 그 사이의 열 구배(thermal gradient)를 유지한다. 이것은, 제 2 작업 유체가 작업을 피스톤에 제공함에 따라 팽창 실린더(50)의 제 2 체적부(54)와 압축 실린더(54)의 제 2 체적부(14) 사이에서 움직이는 동안에도 팽창 실린더(50)의 제 2 체적부(54)가 고온으로 유지되고, 압축 실린더(54)의 제 2 체적부(14)가 저온으로 유지된다는 것을 의미한다.
다시 말하면, 재생기(92)는 2개의 제 2 체적부가 열적으로 분리되도록 배치되며, 이는 이러한 체적부 사이에 직접적인 열적 관계가 없기 때문에 이 사이의 열 구배가 보존된다. 실제로, 2개의 제 2 체적부는 열적으로 독립적인 것으로 고려될 수 있다.
재생기(92)는 유체 커플링의 중간 지점에 배치될 수 있다.
압축 실린더의 제 2 체적부(14), 팽창 실린더의 제 2 체적부(54) 및 (재생기(92) 및 체적부 내에 포함된 제 2 작업 유체 및 재생기(92)를 포함하는) 제 2 작업 유체 커플링(90)은 제 2 작업 유체 시스템을 제공한다. 제 2 작업 유체 시스템은 제 2 작업 유체가 2개의 제 2 체적부(14, 54) 및 유체 커플링(90)에 의해 형성된 체적 내에 포함됨으로써 이의 질량이 일정하게 유지되는 폐쇄형(closed) 시스템이다. 일반적으로, 시스템 내의 접합(join) 또는 시일을 통한 유체 누출의 실제적인 현실성(practical reality)으로 인해, 시스템은 완전히 폐쇄되지 않을 것이며, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "폐쇄형"은 소량의 유체 누출이 있을지라도 일반적으로 외부 공간과 유체 연통하지 않는 시스템 또는 체적부를 지칭한다.
크랭크(100)는 본 기술 분야에 공지된 바와 같은 크랭크 샤프트 상에 제공되거나 크랭크 샤프트의 일부를 형성할 수 있다. 도시된 예에서, 압축 및 팽창 피스톤(20, 60)은 동일한 크랭크(100)에 결합되지만, 다른 예에서는 동일한 크랭크 샤프트 또는 연결된 크랭크 샤프트부상에 제공되는 상이한 크랭크에 결합될 수 있다. 도시된 예에서, 피스톤(20, 60)은 피스톤에 대해 회전하거나 피봇하지 않는 피스톤 로드(26, 66)에 결합되고, 선형 운동과 회전 운동 사이의 병진 운동을 가능하게 하는 피봇 커플링은 피스톤 로드(26, 66)와 크랭크(100)에 직접 연결되는 연결 로드(28, 68) 사이에 제공된다. 다른 예에서, 피봇 커플링은 피스톤에 대한 피스톤 로드의 커플링에 의해 제공될 수 있다. 이러한 예에서, 더 큰 개구부가 피스톤 로드의 왕복 피봇 운동을 수용하기 위해 각각의 실린더 벽을 통해 제공되고, 적절한 시일링(sealing) 배치가 왕복 피봇 피스톤 로드에 의해 추적된 체적부 주위에 제공될 것이라는 것이 이해될 것이다.
동작 중에, 제 1 작업 유체는 압축 피스톤(20)이 압축 실린더 포트(30, 32, 34)로부터 멀리 이동할 때 입구 포트(30)를 통해 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12)로 유입된다. 입구 포트(30)의 폐쇄에 뒤따라, 차가운 액체 냉각제는 저온에서 액상으로 유지되는 냉각제 저장소(도시되지 않음)로부터 냉각제 유입 포트(32)를 통해 주입된다. 포트(30, 32, 34)로부터 멀리 최대 이동을 완료한 후, 압축 피스톤(20)의 방향이 반전되고, 포트(30, 31, 34)를 향해 이동하기 시작한다. 그렇게 함에 따라, 제 1 체적부(12)의 체적은 감소되고, 이 내에 함유된 제 1 작업 유체는 압축된다. 이것은 엔진의 압축 행정으로서 지칭된다. 압축 피스톤(20)에 의해 수행된 압축 작업은 압축 피스톤(20)의 앞면(22)으로부터 적어도 일부가 냉각제에 의해 흡수되는 열 에너지로서 제 1 작업 유체로 전달된다. 냉각제가 극저온 액체이기 때문에, 흡수된 열은 온도 상승을 초래하기보다는 냉각제의 위상을 액체에서 기체로 변화시키는 역할을 한다. 따라서, 제 1 작업 유체는 압축 행정의 끝에 차가운 상태를 유지한다. 압축 실린더(10)의 벽이 열 전도성이기 때문에, 냉각제의 첨가는 또한 압축 실린더(10) 자체를 냉각시키는 역할을 한다. 실린더 벽을 따른 열 전도는 제 1 체적부(12)뿐만 아니라 제 2 체적부(14)도 냉각된다는 것을 의미한다. 이것은 제 2 체적부(14)에 포함된 제 2 작업 유체에 냉각 영향을 미친다.
압축 행정이 완료되면, 출구 포트(32)는 개방되어, 냉 압축된 제 1 작업 유체가 제 1 유체 경로(40)로 레큐퍼레이터(45)의 제 1 유체 경로를 통해 흐르도록 허용한다. 레큐퍼레이터(45)로부터, 제 1 작업 유체는 팽창 실린더(50)의 입구 포트(70)에 제공된다. 제 1 작업 유체는 입구 포트(70)를 통해 제 1 체적부(52) 내로 유입된다. 연료는 연료 유입 포트(72)를 통해 제 1 체적부(52)로 주입되고, 이러한 프로세스 전이나 중의 어떤 시점에서, 입구 포트(30)는 폐쇄된다. 팽창 피스톤이 팽창 실린더 포트(70, 72, 74)(상사점(top dead centre))로부터의 최소 분리 또는 그 근처에 있을 때, 즉 제 1 체적부(52)가 최소일 때, 제 1 작업 유체 및 연료의 유입이 발생한다. 연료/제 1 작업 유체 혼합물은 연소한다. 연소 혼합물은 팽창하고 팽창 피스톤(60)을 포트(70,72,74)로부터 멀어지게 구동시킨다. 이것은 엔진의 팽창 또는 동력 행정이다. 팽창 행정 동안, 팽창 피스톤(60)은 피스톤 로드(66) 및 연결 로드(68)를 통해 토크를 크랭크(100)에 전달한다. 토크의 일부는 (자동차 예에서 차량을 추진시키기 위해) 엔진의 유용한 출력으로서 추출되지만 일부는 압축 피스톤(20)을 구동하는 데 사용된다. 팽창 피스톤 및 압축 피스톤의 상대 위상의 예는 도 3에 도시된다.
팽창 행정이 완료된 후, 즉 팽창 피스톤(60)이 포트(70, 72, 74)로부터 완전히 멀리 이동할 때, 배기 출구(74)는 개방되고, 고온의 연소 배기 생성물이 팽창 실린더의 제 1 체적부(52)를 빠져나가도록 허용한다. 배기 생성물은 배기 통로(80)로 레큐퍼레이터(45)의 제 2 유체 경로를 통해 흐른다. 레큐퍼레이터(45)에서, 배기 생성물은 제 1 경로를 통해 흐르는 제 1 작업 유체와 반대 방향으로 제 2 유체 경로를 통해 흐른다. 열은 배기 생성물로부터 제 1 작업 유체로 전달된다. 팽창 피스톤은 다음 팽창 행정에 앞서 포트(70, 72, 74)를 향해 다시 이동한다. 이것은 리커버리 행정(recovery stroke)으로서 지칭될 수 있다. 리커버리 행정을 구동하는 데 사용되는 힘은 크랭크(100)에 의해 제공된다.
압축 피스톤(20)과 팽창 피스톤(60) 사이의 위상은 피스톤(20, 60)의 운동에 반응하여 제 2 작업 유체에 의해 작업이 이루어지도록 해야 한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 압축 피스톤(20)은 리드(lead)하도록 배치될 것이다.
압축 피스톤(20)이 180°보다 크고, 360°보다 작은 위상 각, 예를 들어 270°만큼 팽창 피스톤을 리드하는 배치에서, 제 2 작업 유체에서 생성된 작업은 피스톤(20, 60)의 운동을 지원할 수 있다.
엔진 시동시, 배기 통로(80)에서 배기 생성물이 흐르지 않으며, 충분한 고온 배기 생성물이 레큐퍼레이터(45)에 상당한 열원을 제공하도록 이용 가능하기 전에 여러 엔진 사이클이 완료되어야 한다는 것이 이해될 것이다. 엔진(4)이 워밍업되면, 상당한 양의 열이 레큐퍼레이터(45)의 제 1 작업 유체에 의해 배기 생성물로부터 추출되어, 제 1 작업 유체의 온도를 상당히 증가시킬 수 있다. 제 1 작업 유체는 레큐퍼레이터(45)를 나가는 온도와 실질적으로 동일한(높은) 온도에서 팽창 실린더(50)의 입구 포트(70)로 공급된다. 제 1 작업 유체를 팽창 실린더(50)에 고온으로 제공함으로써, 연소가 더욱 효율적으로 이루어진다.
팽창 실린더(50)의 벽이 열 전도적이므로, 제 1 체적부(52)로의 고온 입력은 실린더 벽을 가열한다. 원주 벽이 제 1 및 제 2 체적부(52, 54)에 공통이고, 열 전도적이기 때문에, 제 1 체적부(52) 뿐만 아니라 제 2 체적부(54)도 가열된다. 이것은 제 2 체적부(54)에 함유된 제 2 작업 유체에 가열 영향을 미친다.
한편, 2개의 실린더의 제 2 체적부(14, 54)에서, 체적 변화는 각각의 제 1 체적부(12, 52)에서 발생하는 체적 변화와 반대의 방식으로 발생한다. 즉, 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12)가 감소하는 압축 행정 중에, 제 2 체적부(14)는 증가하지만, 압축 실린더(50)의 제 1 체적부(52)가 증가하는 팽창 행정 중에, 제 2 체적부(54)는 감소한다. 제 2 체적부(14, 54)는 크랭크 메커니즘(100)에 연결되는 피스톤(20 및 60)의 작용에 의해 증가 및 감소된다. 피스톤 운동의 위상은 제 2 작업 유체의 전체 체적이 증가 및 감소할 수 있도록 배치된다. 전체 체적이 최소일 때 열은 부가되고, 전체 체적이 최대일 때 열은 추출된다. 열 부가는 제 2 작업 유체의 압력이 증가하도록 하고, 제 2 체적부로부터의 열 추출은 압력이 감소하도록 한다. 피스톤(20 및 60)의 위상은 전체 제 2 체적부가 증가할 때 제 2 작업 유체의 압력 증가가 발생하고, 전체 제 2 체적부가 감소할 때 압력이 감소하도록 배치된다. 변동하는 압력 및 체적은 제 2 작업 유체로부터 작업을 추출하게 한다.
이상화된 모델에서, 2개의 실린더의 제 2 체적부(14, 54) 및 유체 커플링(90)은 함께 제 2 작업 유체를 함유하는 완전 폐쇄된 체적부를 형성하며, 이는 체적부 내외로의 유체 누출이 없고, 체적부에 함유된 제 2 작업 유체의 질량은 일정하게 유지된다는 것을 의미한다. 언급한 바와 같이, 사실상, 약간의 유체 누출이 피스톤 로드(26, 66)를 가진 시일 및 피스톤 링 주위에서 발생할 수 있을 때 시스템은 완전히 폐쇄되지 않을 것이다. 누출은 시일 및 피스톤 링의 관리, 예를 들어 시일 및 피스톤 링 및/또는 슬라이딩 표면(18, 58)의 적절한 윤활을 보장함으로써 완화될 수 있다. 유체 누출이 없다고 가정하는 이상화된 모델에서, 제 2 작업 유체에서 발생하는 열역학적 프로세스는 스털링 사이클(Stirling cycle)의 열역학적 프로세스로서 설명될 수 있다.
제 2 작업 유체 커플링의 (고온) 팽창 측과 제 2 작업 유체 커플링의 (저온) 압축 측 사이의 온도차 또는 구배의 유지는 작업이 추출될 수 있는 제 2 작업 유체에서 사이클을 형성한다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 고온 측과 저온 측의 온도차가 클수록, 사이클이 더욱 효율적이고, 작업량이 더 많아진다.
도 2는 추가의 열 관리 특징을 포함하는 스플릿 사이클 엔진(4)의 일례를 도시한다. 도 2에서, 스플릿 사이클 엔진(4)의 상이한 부분의 상대 온도는 해칭(hatching)으로 나타내어지고, 여기서 더욱 높은 온도는 더욱 밀집한(dense) 해칭(더욱 근접하게 이격된 라인)으로 나타내어진다. 단열은 크로스 해칭(cross-hatching)으로 나타내어진다.
도 1의 특징에 부가하여, 도 2의 스플릿 사이클 엔진은 저온 측 열 교환기(300) 및 고온 측 열 교환기(400)를 포함한다. 저온 측 열 교환기(300)는 압축 실린더(10)의 제 2 체적부(14)와 열적으로 연통하여 배치된다. 고온 측 열 교환기(400)는 팽창 실린더(10)의 제 2 체적부와 열적으로 연통하여 배치된다. 레큐퍼레이터(45)는 1차 레큐퍼레이터(46) 및 2차 레큐퍼레이터(48)를 포함한다. 압축 실린더(10) 및 팽창 실린더(50)에는 각각 열 재킷(18, 58)이 제공된다. 팽창 실린더(50)에는 또한 열 절연성 코팅(59)이 제공된다. 팽창 피스톤(60)에는 열 절연성 코팅(68)이 제공된다.
압축 실린더(10)의 열 재킷(18)은 압축 실린더(10)의 가열을 줄이기 위해 압축 실린더(10)의 외부 표면 주위에 배치된다. 일례에서, 열 재킷(18)은 실린더 내로의 열 전도를 제한하도록 배치된 열 절연 재료를 포함한다. 다른 예에서, 열 재킷은 유체가 압축 실린더(10)의 표면으로부터 열을 제거하도록 순환될 수 있는 유체 슬리브를 포함한다. 열 재킷(18)의 온도를 관리하기 위한 수단이 제공될 수 있다.
팽창 실린더(50)의 열 재킷(58)은 슬라이딩 표면(55)의 영역에서 팽창 실린더 벽의 온도를 제어하기 위해 슬라이딩 표면(55) 근처의 팽창 실린더(10)의 외부 표면의 일부 주위에 배치된다. 절연 코팅(59)은 제 1 체적부(52)의 포트 단부(연소 단부)로부터의 열 손실을 제한하기 위해 포트(70, 72, 74) 근처의 팽창 실린더(10)의 외부 표면의 일부 주위에 제공된다.
일례에서, 열 재킷(58)은 팽창 실린더(50)를 고온으로 유지시키기 위해 팽창 실린더 벽에서의 열 전도를 제한하도록 배치되는 열 절연 재료를 포함한다. 다른 예에서, 열 재킷은 슬라이딩 표면(55)의 영역에서 실린더 벽의 온도를 제어하도록 온도가 관리될 수 있는 유체를 함유한 슬리브를 포함한다. 열 재킷(18)의 온도를 관리하기 위한 수단이 제공될 수 있다.
윤활제 성능이 좋지 않으면 엔진의 효율이 저하될 수 있다. 주어진 윤활제는 일반적으로 이의 점도가 슬라이딩 표면(15, 55)상의 피스톤(20, 60)의 수용 가능하고 원활한 운동을 허용하도록 바람직한 범위 내에 있는 작업 온도 범위를 가질 것이다. 윤활제가 너무 차가워지면, 그것은 너무 점성이 되어 피스톤 상의 항력(drag)을 증가시켜, 너무 고온이 될 수 있고, 그것은 건조하고 윤활유가 줄어들 수 있다. 따라서, 수용 가능한 윤활제 성능을 허용하는 온도에서 슬라이딩 표면(15, 55)을 유지하기 위해 열 재킷(18, 58)의 온도를 관리하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 이것은 적절하게 어느 하나의 실린더(10, 50)의 표면으로부터 열을 부가 또는 제거하는 것을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 윤활제 성능은 윤활제 주입의 주입 온도 및 속도를 관리함으로써 제어될 수 있다. 엔진의 고온 측으로부터의 열은 윤활제가 너무 차가워지는 것을 방지하기 위해 압축 피스톤(20)을 위한 윤활제 주입 시스템에 결합될 수 있다. 엔진의 저온 측으로부터의 저온 환경 또는 유체는 윤활유가 너무 뜨거워지는 것을 방지하기 위해 팽창 피스톤(50)을 위한 윤활제 주입 시스템에 결합될 수 있다.
압축 실린더(10)의 출구 포트(34)는 저온 측 열 교환기(300)의 입구에 유동적으로 결합된다. 저온 측 열 교환기(300)의 출구는 2차 레큐퍼레이터(48)의 입구에 유동적으로 결합된다. 2차 레큐퍼레이터(48)의 출구는 1차 레큐퍼레이터(46)의 입구에 유동적으로 결합된다. 1차 레큐퍼레이터(46)의 출구는 팽창 실린더(50)의 입구 포트에 유동적으로 결합된다. 유체 커플링은 팽창 실린더(50)의 입구 포트에 결합하기 전에 순차적으로 저온 측 열 교환기(300), 2차 레큐퍼레이터(48) 및 1차 레큐퍼레이터(46)를 통해 연장되는 제 1 작업 유체 통로(40)에 의해 제공된다.
제 1 유체 통로(40)는 레큐퍼레이터(45)를 통과하는 열 교환 통로(42)와 레큐퍼레이터(45)를 바이패스하는 바이패스 통로(44)를 포함한다. 제 1 유체 통로(40)는 열교환 통로(42) 및 2차 레큐퍼레이터(46)의 입구(업스트림)의 앞쪽에 있는 바이패스 통로(44)로 분기되고, 1차 레큐퍼레이터(48)의 제 1 유체 출구(의 다운스트림) 후에 재조합한다.
바이패스 통로(44)는 바이패스 통로(44)로 압축된 1차 유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브(43)를 갖는다. 밸브(43)는 제어기(200)에 의해 제어되도록 배치된다.
온도 센서(49)는 레큐퍼레이터(45)를 나가는 제 1 작업 유체의 온도를 감지하기 위해 1차 레큐퍼레이터(48)의 출구 또는 그 근처에 배치된다. 온도 센서(49)는 제어기(200)에 결합된다.
배기 통로(80)는 1차 배기 통로(82) 및 2차 배기 통로(84)를 포함한다. 배기 통로(80)는 1차 배기 통로(82) 및 2차 배기 통로(84)로 분기된다. 1차 배기 통로(82)는 1차 레큐퍼레이터(48)를 통해 분기점으로부터 대기로 연장된다. 2차 배기 통로(84)는 고온 측 열 교환기(400)를 통한 분기점, 2차 레큐퍼레이터(47)의 배기 통로를 통한 고온 측 열 교환기(400) 및 2차 레큐퍼레이터로부터 대기로 연장된다.
1차 배기 통로(82) 및 2차 배기 통로(84) 내로의 배기 생성물의 흐름을 제어하기 위해 밸브(83)는 배기 통로의 분기점에 제공된다. 밸브(83)는 제어기(200)에 의해 제어되도록 배치된다.
저온 측 열 교환기(300)는 압축 실린더(10)의 제 2 체적부(14)의 열 전도성 표면과 열적으로 연통하여 배치되는 유체 도관을 포함한다. 도관은 제 2 체적부(14)의 표면에 걸친 코일 구성(coiled configuration)으로 제공될 수 있거나 그렇지 않으면 제 2 체적부(14)의 연장된 표면 영역과 열적으로 연통하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도관은 압축 실린더(10)의 제 2 단부벽(13) 및/또는 제 2 단부벽(13)에 인접한 원주벽의 적어도 일부에 걸쳐 연장되도록 배치될 수 있다. 사용시에, 저온 측 열 교환기(300)는 제 2 체적부(14)로부터 열을 제거하기 위해 제 2 체적부(14)의 열 전도성 표면에 걸친 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12)에서 빠져나간 저온 압축된 유체를 운반한다.
다른 예에서, 저온 측 열 교환기(300)는 냉각제 저장소로부터 냉각제를 수용하고, 부가적으로 또는 대안으로 압축 실린더(10)의 출구 포트(34)로부터 제 1 작업 유체를 수용하도록 배치된다.
유사하게, 고온 측 열 교환기(400)는 팽창 실린더(50)의 제 2 체적부(54)의 열 전도성 표면과 열적으로 연통하여 배치되는 유체 도관을 포함한다. 도관은 제 2 체적부(54)의 표면에 걸친 코일 구성으로 제공될 수 있거나 그렇지 않으면 제 2 체적부(54)의 연장된 표면 영역과 열적으로 연통하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도관은 팽창 실린더(50)의 제 2 단부벽(53) 및/또는 제 2 단부벽(53)에 인접한 원주벽의 적어도 일부에 걸쳐 연장되도록 배치될 수 있다. 사용시에, 고온 측 열 교환기(300)는 열을 제 2 체적부(54)에 부가하기 위해 제 2 체적부(54)의 열 전도성 표면에 걸친 팽창 실린더(50)의 제 1 체적부(52)에서 빠져나간 고온 배기 생성물을 운반한다.
1차 레큐퍼레이터(46)는 도 1과 관련하여 설명된 레큐퍼레이터와 기능적으로 동일하거나 유사하며, 동일하거나 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
2차 레큐퍼레이터(48)는 1차 레큐퍼레이터(46)와 기능적으로 동일하거나 유사하며, 동일하거나 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 2차 레큐퍼레이터의 목적은 고온 측 열 교환기를 통과한 배기 생성물로부터의 잔류 열을 1차 작업 유체로 전달하는 것이다.
본 명세서에 설명된 레큐퍼레이터 또는 열 교환기 중 어느 하나를 통한 유체 경로의 길이 또는 구성은 레큐퍼레이터 또는 열 교환기의 입력 및 출력 측에서의 동작 온도 및/또는 압력 범위와 같은 동작 데이터를 고려하여 선택될 수 있다.
제어기(200)는 엔진의 엔진 관리 시스템의 일부에 의해 제공되거나 일부를 형성할 수 있거나, 별개의 제어기에 의해 제공될 수 있다. 제어기(200)는 예를 들어 프로그램된 프로그램 가능한 컴퓨터에 의해 제공될 수 있다.
온도 센서(49)는 열전대와 같은 임의의 적절한 센서를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 온도 센서(49)는 레큐퍼레이터(45)에서 빠져나가는 제 1 작업 유체의 온도를 감지하기 위해 1차 레큐퍼레이터의 출구 또는 그 부근에 제공되고, 팽창 실린더(50)에 제공된다. 다른 예에서, 온도 센서(49)는 팽창 실린더(50)의 입력 포트(70) 또는 그 근처, 또는 레큐퍼레이터(45)와 입구 포트(70) 사이의 제 1 유체 통로(40) 상에 또는 그 근처에 제공될 수 있다. 다른 예에서, 복수의 센서는 엔진 내의 하나 이상의 위치에 제공될 수 있다.
(바이패스) 밸브(43)는 선택적으로 개방 가능한 밸브를 포함한다. 개방될 때, 제 1 작업 유체는 대신에 또는 열 교환 통로(42)를 통해 흐를 뿐만 아니라 바이패스 통로(44)를 통해 팽창 실린더(50)를 향해 흐를 수 있다. 폐쇄될 때, 제 1 작업 유체의 모두는 열 교환 통로(42)를 통해 팽창 실린더(50)로 흘려야 한다.
(배기) 밸브(83)는 팽창 실린더(50)의 배기 포트(74)와 1차 배기 통로(82) 및 2차 배기 통로(84) 중 하나 또는 둘 다 사이의 유체 연통을 허용하도록 구성되는 제어 가능한 밸브를 포함한다. 도시된 예에서, 밸브(83)는 1차 배기 통로(82) 및 2차 배기 통로(84)의 둘 다가 아닌 하나와 정렬하고, 그 통로를 차단하거나, 두 통로와의 정렬로부터 벗어나 회전되어 둘 다 개방된 상태를 유지할 수 있는 회전 가능한 차단 요소를 포함한다. 다른 예에서, 다른 밸브 타입이 제공될 수 있다.
압축 실린더(10)의 열 절연성 코팅(18)은 적어도 제 1 체적부의 낮은 온도를 유지하도록 실린더 벽에 걸친 열 전달을 감소시키기 위해 실린더 벽의 외주면 위에 배치된다. 열 절연성 코팅은 포함할 수 있다. 팽창 실린더의 열 절연성 코팅(58)은 팽창 실린더(50)의 적어도 제 1 체적부(52)의 고온을 유지하도록 유사하게 제공될 수 있다.
열 절연성 코팅(18, 58)은 또한 각각의 제 2 체적부(14, 54)의 온도를 각각의 제 1 체적부(12, 52)의 온도로 가져 오는 경향이 있을 수 있는 각각의 실린더 벽을 따라 열 전도를 촉진한다. 예를 들어, 고온 실린더에서, 제 1 체적부(52)로부터 제 2 체적부(54)로의 증가된 열 전도의 효과는 그렇지 않으면 대기로 손실될 수 있는 제 1 체적부(52)의 열이 제 2 체적부(54)로 전달되어 제 2 체적부(54)를 가열한다는 것이다. 이것은 제 2 작업 유체 커플링(90)에 걸친 온도 구배의 유지를 지원한다.
팽창 피스톤(60) 상의 열 절연성 코팅(68)은 팽창 피스톤(60)을 통해 제 1 체적부(52)로부터의 열 제거를 감소시키도록 배치된다. 이것은 효과적이고 효율적인 연소에 필요한 제 1 체적부(52)의 높은 온도 환경의 유지를 촉진한다. 도시된 예에서, 열 절연성 코팅(68)은 앞면(64) 및 피스톤의 원주 표면상에 제공된다. 다른 예에서, 다른 절연의 배치가 제공될 수 있다.
동작 중에, 압축 실린더(10)의 제 1 체적부(12)를 빠져나가는 저온 압축된 제 1 작업 유체는 저온 측 열 교환기(300)를 통해 흐르고, 제 2 체적부(14)로부터의 열을 제거한다. 이것은 제 2 작업 유체 커플링(90)에 걸쳐 온도 구배를 유지하는 것을 돕고, 간접적으로 효율적인 압축을 용이하게 하기 위해 압축 실린더의 제 1 작업 체적부(12)를 저온으로 유지시키는 것을 돕는다.
온도 센서(49)는 레큐퍼레이터(46, 48)를 빠져나가는, 즉 1차 레큐퍼레이터(46)의 출구를 빠져나가는 제 1 작업 유체의 온도를 감지하고, 감지된 온도를 제어기(200)에 전달한다. 제어기(200)는 감지된 온도를 기준 온도와 비교한다. 기준 온도는 팽창 실린더(50)의 입구 포트(70)에 제공되는 제 1 작업 유체에 대한 목표(target) 온도이며, 연료의 특성, 제 1 작업 유체의 특성, 팽창 실린더의 치수 및 엔진의 동작 매개 변수 중 적어도 하나에 기초할 수 있다.
시동 시에, 레큐퍼레이터(46, 48)에 고온 배기 생성물이 없을 때, 제어기(200)는 제 1 작업 유체(32)로의 냉각제의 주입을 방지하고, 제 1 작업 유체가 레큐퍼레이터를 바이패스하여 레큐퍼레이터를 통과할 때 발생할 수 있는 온도 강하를 회피하도록 허용하기 위해 밸브(43)가 개방되도록 제어한다. 지정된 시간량 또는 엔진 사이클 후 또는 감지된 온도와 기준 온도 사이의 비교에 기초하여, 제어기(200)는 압축 실린더 내로의 냉각제의 도입을 허용하고, 제 1 작업 유체가 레큐퍼레이터(46, 48)를 통해 팽창 실린더(50)로 흐르도록 배기 통로(44)를 셔트(shut)하기 위해 밸브(43)를 폐쇄하도록 제어한다.
제어기(200)는 기준 온도에서 또는 기준 온도 부근에서 레큐퍼레이터(48, 46)를 빠져나가는 제 1 작업 유체의 출력 온도를 유지하기 위해 감지된 온도와 기준 온도의 비교에 기초하여 (배기) 밸브(83)를 제어한다. 감지된 온도가 기준 온도 미만일 때, 제어기(200)는 이용 가능한 모든 배기 생성물이 1차 레큐퍼레이터(46)로의 열의 제공을 최대화하기 위해 1차 레큐퍼레이터(46)를 통해 지향되도록 2차 배기 통로(84)를 폐쇄 또는 차단하도록 밸브(83)를 제어한다. 감지된 온도가 기준 온도와 일치하거나 초과할 때, 제어기(200)는 배기 생성물의 적어도 일부가 고온 측 열 교환기(400)로 흐르도록 허용하기 위해 2차 배기 경로(84)를 차단 해제하거나 개방하도록 밸브(83)를 제어한다. 이것은 팽창 실린더(50)에 공급되는 제 1 작업 유체의 과열을 피하고, 제 2 체적부(54)의 높은 온도를 유지하기 위해 폐기물의 과도한 열을 이용한다. 고온 측 열 교환기(400)로부터, 배기 생성물은 1차 레큐퍼레이터(48)를 통해 계속되며, 여기서 제 2 체적부(54)로 전달되지 않은 잔류 열은 1차 레큐퍼레이터(46)에 들어가기 전에 제 1 작업 유체에 제공된다.
기준 온도가 일치되거나 초과될 때, 밸브(83)는 1차 및 2차 배기 통로(82, 84) 둘 다를 통한 흐름을 동시에 허용하거나 이들을 교대로 개폐하도록 제어될 수 있으며, 또는 다른 가능성으로서, 다른 위상차로 이들을 개폐하도록 제어될 수 있다.
도 3은 압축 피스톤(20)과 팽창 피스톤(60)이 270°의 위상 각만큼 이격되고, 압축 피스톤(20)이 리드(lead)하는 일례에서 90°간격으로 엔진 사이클의 스테이지를 도시한다. 크랭크(100)의 위치는 좌측에 나타내어진다.
스테이지(2000)는 압축 실린더 포트(30, 32, 34)로부터 가장 먼 거리에서 압축 실린더(10) 내의 가장 아래의 위치에 압축 피스톤(20)을 도시한다. 압축 실린더의 제 1 체적부(12)는 최대이고, 압축 실린더의 제 2 체적부(14)는 최소이다. 제 1 작업 유체는 제 1 체적부(12)에 유입되고, 냉각제는 입구 포트(30)의 폐쇄 후에 주입된다. 따라서, 제 1 체적부(12)는 제 1 작업 유체 및 냉각제를 함유한다.
팽창 피스톤(60)은 팽창 행정을 위해 준비된 팽창 실린더 포트(70,72,74)를 향하는 횡단의 중간 지점으로 이동한다. 팽창 실린더의 제 1 체적부(52)는 최대 체적의 절반이고 감소하며, 팽창 실린더의 제 2 체적부(54)는 최대 체적의 절반이고 증가한다. 배기 포트(74)는 고온 배기 생성물이 제 1 체적부(52)를 빠져나가도록 허용하기 위해 개방된다.
스테이지(2000)에서, 압축 실린더의 제 2 체적부(14)는 제 2 체적부로부터 제 2 작업 유체 커플링(90)으로 및 제 2 작업 유체 커플링(90)을 통해 가압하면서 최소로 감소된다. 고온 측을 향한 흐름은 제 2 작업 유체를 제 2 체적부(54)로 끌어당기는 팽창 실린더의 제 2 체적부(54)의 증가하는 체적에 의해 보조된다. 제 2 작업 유체가 저온 측으로부터 재생기(92)를 통과할 때, 열을 픽업(pick up)한다. 유체는 일정한 체적의 열 부가를 받거나 거의 그렇게 될 수 있다. 유체가 재생기(92)에서 고온 측으로 유출되면, 유체는 저압 환경으로 팽창한다. 유체는 등온 팽창을 받거나 거의 그렇게 될 수 있다. 팽창은 고온 측 상에서 팽창 체적에 의해 더 조장된다. 팽창하는 제 2 작업 유체는 팽창 피스톤(60)의 뒷면(64)에 힘을 가하여, 팽창 행정을 위해 준비된 상사점 위치로 팽창 피스톤(60)을 이동시키는 것을 돕는 작업원을 제공한다.
스테이지(2001)는 압축 행정의 절반을 완료한 압축 실린더 포트(30, 32, 34)를 향한 경로의 중간점으로 이동한 압축 피스톤(20)을 도시한다. 압축 실린더의 제 1 체적부(12)는 최대 체적의 절반이고 감소하고, 압축 실린더의 제 2 체적부(14)는 최대 체적의 절반이고 증가한다. 이러한 스테이지(압축 행정) 동안, 압축 실린더의 제 1 체적부(12) 내의 유체는 작업하는 압축 피스톤(20)에 의해 제 1 체적부(12)의 내용물(content)에 공급되는 열 에너지를 흡수함으로써 냉각제가 액상에서 기상으로 비등할 때 거의 등온적으로 압축된다.
팽창 피스톤(60)은 팽창 실린더 포트(70, 72, 74)로부터의 최소 분리에서 상사점 위치에 도달한다. 팽창 실린더의 제 1 체적부(54)는 최소이고, 팽창 실린더의 제 2 체적부(54)는 최대이다. 제 1 작업 유체는 (화살표로 나타낸 바와 같이) 제 1 작업 체적부(52)로 유입되면, 배기 포트(74)는 폐쇄되고, 연료는 제 1 체적부(52)로 주입된다. 연소가 발생한다.
재생기(92)를 통한 제 2 작업 유체의 흐름이 없거나 거의 없다. 재생기(92)는 최저온 지점에 있고, 이전 스테이지에서의 고온 측에 들어가는 제 2 작업 유체에 열을 공급한다(스테이지(1004) 참조). 제 2 작업 유체의 순 압력은 전체 제 2 작업 유체의 폐쇄된 체적(2개의 제 2 체적부(14, 54) 및 제 2 작업 유체 커플링(90)을 포함함)의 체적이 스테이지(2000)에서보다 클 때 떨어진다.
스테이지(2002)는 압축 행정의 완료시 압축 실린더 포트(30, 32, 34)에 가장 가까운 최상위 위치로 이동한 압축 피스톤(20)을 도시한다. 압축 실린더의 제 1 체적부(12)는 최대이고, 압축 실린더의 제 2 체적부(14)는 최소이다. 출구 포트(34)는 개방되고, 저온 압축된 제 1 작업 유체는 압축 실린더(10)를 빠져나가, 가열을 위한 열 교환기를 향한 제 1 작업 유체 통로(40)로 들어간다.
팽창 피스톤(60)은 팽창 실린더의 제 1 체적부(52) 내의 팽창하는 연소 유체의 힘에 의해 팽창 실린더 포트(70, 72, 74)로부터 떨어져 구동된 팽창 행정의 절반을 완료한다. 팽창 실린더의 제 1 체적부(52)는 최대 체적의 절반이고 증가하고, 팽창 실린더의 제 2 체적부(54)는 최대 체적의 절반이고 감소한다.
팽창 실린더의 제 2 체적부(54)의 감소하는 체적은 제 2 작업 유체를 팽창 실린더의 제 2 체적부(54) 밖으로 밀어낸다. 제 2 작업 유체는 고온 측으로부터 저온 측으로 끌어 당겨진다. 고온 팽창 측으로부터의 고온 유체가 재생기(92)를 통과함에 따라, 열은 유체로부터 제거된다. 유체는 일정한 체적(등적)의 열을 제거하게 되거나 거의 그렇게 될 수 있다. 열 에너지의 감소로 인해, 유체 압력은 저온 측으로 들어갈 때 감소된다. 압력의 감소는 작업원을 팽창 피스톤(60)에 제공한다.
스테이지(2003)는 다음 압축 행정을 위해 준비된 압축 실린더 포트(30,32,34)로부터 압축 실린더(10)의 하부를 향하는 횡단의 중간 지점으로 다시 이동한 압축 피스톤(20)을 도시한다. 압축 실린더의 제 1 체적부(12)는 최대 체적의 절반이고 증가하며, 압축 실린더의 제 2 체적부(14)는 최대 체적의 절반이고 감소한다. 입구 밸브(30)는 개방되고, 제 2 작업 유체의 새로운 공급은 다음 압축 행정 동안 압축 실린더 제 1 체적부(12)로 유입된다. 출구 포트(34)는 셔트된다.
팽창 피스톤(60)은 팽창 행정의 완료 시에 팽창 실린더 포트(70, 72, 74)로부터의 최대 분리에서 최하부 위치에 도달한다. 팽창 실린더의 제 1 체적부(52)는 최소이고, 팽창 실린더의 제 2 체적부(54)는 최대이다.
재생기(92)를 통한 제 2 작업 유체의 흐름이 없거나 거의 없다. 재생기(92)는 최고온 지점에 있고, 이전 스테이지(스테이지(1004))에서 고온 측으로부터 흐르는 제 2 작업 유체로부터 열을 수용한다. 제 2 체적부의 작업 가스의 냉각 및 생성된 압력 강하는 피스톤(20)의 하향 운동을 통해 작업이 압축 실린더로부터 추출되도록 할 수 있다. 압축 실린더 제 2 체적부(14)의 감소하는 체적은 제 2 작업 유체를 제 2 체적부 밖으로 밀어내고, 고온 측을 향하는 제 2 작업 유체의 커플링 내로 밀어낸다. 스테이지(2002)와 스테이지(2003) 사이에서 제 2 작업 유체의 폐쇄된 체적의 순 체적은 압축 및 팽창 피스톤(10, 60) 둘 다가 각각의 실린더(10, 50)를 각각의 포트로부터 멀어지게 하향 이동함에 따라 감소한다.
사이클은 나타낸 바와 같이 반복된다.
엔진 동작 단계의 다른 상대 타이밍, 실린더 내의 포트의 개폐의 이러한 위상 및 제어 동작의 타이밍이 가능할 수 있다. 다른 예는 본 명세서에 설명된 예보다 피스톤 사이에 상이한 위상 분리를 제공한다. 다른 가능성으로는, 180°와 270° 사이 또는 270°와 360° 사이의 위상 분리가 제공될 수 있다. 일반적으로, 압축 피스톤(20)은 리드하도록 배치된다.

Claims (26)

  1. 스플릿 사이클 엔진에 있어서,
    압축 실린더(10)로서,
    제 1 작업 유체를 위한 입구 포트(30);
    냉각제 유입 포트(32);
    상기 제 1 작업 유체 및 냉각제를 위한 출구 포트(34); 및
    앞면(22) 및 뒷면(24)을 가진 압축 피스톤(20) - 상기 압축 피스톤은 상기 압축 피스톤이 상기 압축 실린더의 제 1 체적부, 상기 제 1 작업 유체를 함유하기 위한 상기 제 1 체적부(12)를 상기 압축 실린더의 제 2 체적부, 제 2 작업 유체를 함유하기 위한 상기 제 2 체적부(14)로부터 분리하도록 상기 압축 실린더 내에 배치되고, 상기 제 1 체적부는 상기 압축 실린더의 상기 앞면 및 내부 벽에 의해 형성되고, 상기 포트를 포함하며, 상기 제 2 체적부는 상기 압축 실린더의 상기 뒷면 및 상기 내부 벽에 의해 형성됨 -;
    을 포함하는, 상기 압축 실린더;
    팽창 실린더(50)로서,
    상기 제 1 작업 유체를 위한 입구 포트(70) - 상기 입구 포트는 상기 압축 실린더(10)의 출구 포트(34)와 유체 연통하여 배치됨 -;
    연료 유입 포트(72);
    연소의 배기 생성물의 출구를 위한 배기 포트(74); 및
    앞면(62) 및 뒷면(64)을 가진 팽창 피스톤(60) - 상기 팽창 피스톤은 상기 팽창 피스톤이 상기 팽창 실린더의 제 1 체적부, 상기 제 1 작업 유체를 함유하기 위한 상기 제 1 체적부(52)를 상기 팽창 실린더의 제 2 체적부, 제 2 작업 유체를 함유하기 위한 상기 제 2 체적부(54)로부터 분리하도록 상기 팽창 실린더 내에 배치되고, 상기 제 1 체적부는 상기 팽창 실린더의 상기 앞면 및 내부 벽에 의해 형성되고, 상기 포트를 포함하며, 상기 제 2 체적부는 상기 팽창 실린더의 상기 뒷면 및 상기 내부 벽에 의해 형성됨 -;
    을 포함하는, 상기 팽창 실린더; 및
    상기 압축 실린더(10)의 상기 제 2 체적부와 상기 팽창 실린더(50)의 상기 제 2 체적부 사이의 유체 커플링(90) - 상기 2개의 제 2 체적부 및 상기 유체 커플링은 상기 제 2 작업 유체를 위한 폐쇄형 체적을 제공하며, 상기 유체 커플링은 상기 2개의 제 2 체적부가 열적으로 분리되도록 배치된 재생기(92)를 포함함 -
    을 포함하는, 스플릿 사이클 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재생기(92)는 상기 유체 커플링의 고온 팽창 측으로부터 상기 유체 커플링의 저온 압축 측으로의 열의 전달을 제한하면서 상기 2개의 제 2 체적(14, 54) 사이로의 상기 제 2 유체의 흐름을 허용하도록 배치되는, 스플릿 사이클 엔진.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창 실린더(50)에는 상기 팽창 실린더로부터의 열 손실을 감소시키기 위해 열 재킷(thermal jacket)(58)이 제공되는, 스플릿 사이클 엔진.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 팽창 실린더(50)의 내부 표면상의 온도를 목표 온도에 또는 상기 목표 온도 근처에 유지하도록 상기 열 재킷(58)의 온도를 조절하기 위한 수단을 포함하는, 스플릿 사이클 엔진.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창 실린더(50)의 상기 배기 포트(74)는 배기 커플링을 통해 상기 엔진의 레큐퍼레이터(45)에 유동적으로 결합되고, 상기 레큐퍼레이터는 상기 배기 생성물의 열을 상기 제 1 작업 유체로 전달하기 위해 상기 압축 실린더(10)로부터의 제 1 작업 유체를 상기 팽창 실린더(50)로부터의 고온 배기 가스에 열적으로 결합하도록 배치되는, 스플릿 사이클 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배기 커플링은 1차 배기 커플링이고, 상기 레큐퍼레이터(45)는 1차 레큐퍼레이터(46)이고, 상기 팽창 실린더의 상기 배기 포트(74)는 2차 배기 커플링(84)을 통해 상기 배기 생성물의 열을 상기 제 2 체적부 내의 제 2 작업 유체로 전달하기 위해 상기 팽창 실린더(50)의 제 2 체적부와 열적으로 연통하여 배치된 고온 측 열 교환기(400)에 유동적으로 결합되며,
    상기 1차 레큐퍼레이터(46) 및 상기 고온 측 열 교환기 중 적어도 하나로의 상기 배기 생성물의 흐름을 제어하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 배기 생성물의 흐름을 제어하기 위한 수단은 제어기(200)에 의해 동작되도록 배치된 밸브(83)를 포함하고,
    상기 제어기(200)는 상기 엔진 내의 감지된 온도에 기초하여 상기 밸브(83)를 제어하도록 구성되고,
    상기 감지된 온도는 상기 1차 레큐퍼레이터의 상기 팽창 측의 온도이고
    상기 제어기(200)는 상기 감지된 온도가 기준 온도 미만일 때 상기 1차 배기 커플링을 통한 상기 배기 생성물의 흐름을 허용하고, 상기 2차 배기 커플링을 통한 흐름을 제한하며, 상기 감지된 온도가 기준 온도 이상일 때 상기 1차 배기 커플링을 통한 상기 배기 생성물의 흐름과, 상기 2차 배기 커플링을 통한 흐름을 허용하기 위해 적어도 하나의 상기 밸브(83)를 제어하도록 구성되는, 스플릿 사이클 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 고온 측 열 교환기(400)의 출구는 상기 제 1 작업 유체가 상기 1차 레큐퍼레이터(46)를 통과하기 전에 상기 배기 생성물의 잔류 열을 상기 제 1 작업 유체에 결합하기 위해 상기 압축 실린더의 출구 포트(34)와 상기 1차 레큐퍼레이터(46) 사이에 배치된 2차 레큐퍼레이터(48)에 유동적으로 결합되는, 스플릿 사이클 엔진.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 레큐퍼레이터(45)를 통과하지 않고 상기 압축 실린더의 출구 포트를 상기 팽창 실린더의 입구 포트에 유동적으로 결합하기 위한 바이패스 커플링을 포함하는, 스플릿 사이클 엔진.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 바이패스 커플링 및 상기 레큐퍼레이터(45) 중 적어도 하나를 통한 상기 제 1 작업 유체의 흐름을 제어하기 위한 수단을 포함하는, 스플릿 사이클 엔진.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 실린더(10)는 상기 압축 실린더(10)의 열을 감소시키기 위한 열 재킷(18)을 포함하고,
    상기 압축 실린더(10)의 내부 표면상의 온도를 목표 온도에 또는 목표 온도 근처에 유지하도록 상기 열 재킷(18)의 온도를 조절하기 위한 수단을 포함하는, 스플릿 사이클 엔진.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 체적부로부터의 열을 제거하기 위해 상기 압축 실린더(10)의 제 2 체적부와 열적으로 연통하여 배치되는 저온 측 열 교환기(300)를 포함하고,
    상기 저온 측 열 교환기(300)는 상기 압축 실린더(10)의 출구 포트(34)로부터 제 1 작업 유체를 수용하도록 배치되고
    상기 저온 측 열 교환기(300)는 냉각제 저장소로부터의 냉각제를 수용하도록 배치되는, 스플릿 사이클 엔진.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스플릿 사이클 엔진은 상기 압축 실린더의 상기 제 1 체적부 내로 주입하기 전에 실온 및 압력에서의 가스인 냉각제를 액체 상태로 유지하기 위한 수단을 포함하는, 스플릿 사이클 엔진.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 피스톤(20) 및 상기 팽창 피스톤(60)은 상기 피스톤의 운동에 반응하여 상기 제 2 작업 유체에서 작업이 생성되어 상기 작업이 상기 피스톤의 운동을 보조하도록 조정되는, 스플릿 사이클 엔진.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 피스톤(20) 및 상기 팽창 피스톤(60)은, 상기 압축 피스톤이 리드하는 피스톤 사이에 270°의 위상 관계를 형성하거나, 상기 압축 피스톤(20)이 리드하는 피스톤 사이에 180°와 270°사이의 위상 관계를 형성하거나, 상기 압축 피스톤(20)이 리드하는 피스톤 사이에 270°와 360°사이의 위상 관계를 형성하는 것 중 적어도 하나를 위해 기계적으로 결합되는, 스플릿 사이클 엔진.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 피스톤(20) 및 상기 팽창 피스톤(60)은 상기 피스톤들 사이의 위상 관계의 변화를 허용하는 기계적 커플링에 의해 기계적으로 결합되도록 배치되는, 스플릿 사이클 엔진.
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