KR20010014392A - 자유 피스톤 내연기관 - Google Patents

자유 피스톤 내연기관 Download PDF

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KR20010014392A
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윌리엄 티. 빌
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윌리엄 티. 비일 ; 존 지. 크로포드
썬파워, 인코포레이티드
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Abstract

개선된 밸브 타이밍을 갖는 자유 피스톤 내연기관이 개시된다. 한 쌍의 대향 연소실 통로(34, 36)가 연소실(20)과 대기 사이에 연장되고, 이들 각각은 통로(34, 36)를 통한 가스의 통과를 제어하기 위한 연소실 밸브(30, 32)를 갖는다. 연소실 밸브(30, 32)는 엔진의 압축비, 팽창비, 및 행정을 독립적으로 변경시키고 제어하기 위하여 동시에 개방 및 폐쇄된다. 연소실 밸브(30, 32)가 개방되었을 때, 연소실(20)은 연소 보조 공기로 정화되거나 과급되고, 압축을 개시하도록 폐쇄된다. 밸브(30, 32)가 개폐되는 피스톤(16, 18) 위치의 가변 제어에 의하여, 넓은 범위의 동력 출력 부하 상태에 걸쳐 높은 효율로 엔진이 작동된다.

Description

자유 피스톤 내연기관 {FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
액화 석유 생산물을 연료로 이용하는 내연기관은 오랜 세월 동안 다양한 유형의 가동장치 및 고정 장치에 기계적 동력을 공급하기 위한 주된 수단이었다. 이러한 내연기관의 연료 전환률을 향상시키기 위하여 계속적으로 노력하여 왔다. 오늘날 상업적으로 제조되어 사용되고 있는 대부분의 내연기관은 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드에 의하여 자체 운동이 제한되는 왕복 피스톤을 이용하고는 있지만, 자유 피스톤 내연기관도 사용되고 있다. 예를 들면, 미국특허 제 4,873,822호, 제 5,123,245호, 제 5,363,651호, 제 4,530,317호, 제 4,415,313호, 및 제 4,205,528호 등이 자유 피스톤 내연기관을 개시하고 있다. 이들 내연기관의 대부분이 단일 선택적 동력 출력 부하 상태에서 고효율을 제공하도록 설계되어 작동될 수 있지만, 오직 하나의 부하 상태 하에서 작동하도록 요구되는 내연기관은 거의 없다. 대부분의 내연기관은 낮은 동력에서 높은 동력까지 넓은 범위에 걸쳐서 변하는 동력을 공급하여야 한다.
내연기관의 효율과 동력 모두에 중요한 영향을 미치는 세 개의 매개변수는 행정 또는 배기량, 팽창비, 및 압축비이다. 종래의 크랭크-형식의 내연기관은 이들 매개변수 중 어떠한 것도 조절하지 못한다. 또한, 내연기관의 효율은 압축비 대 팽창비의 비의 함수이다. 종래의 내연기관에서는 이들 중 아무 것도 변하지 않는다. 내연기관의 동력은 공기, 바람직하게는 연소실을 통과하는 연료와 혼합된 공기의 질량 흐름에 비례하기 때문에 피스톤 변위의 함수이기도 하다. 그러나, 피스톤 변위는 크랭크-형식의 내연기관에서는 변하지 않는다.
본 발명의 특징 및 목적은 이들 매개변수 네 개 모두가 제어 가능하게 변경될 수 있으며, 팽창비와 압축비가 서로에 대해 독립적으로 조절될 수 있는 자유 피스톤 내연기관을 제공하는 것이다. 이에 따라서, 엔진은 압축비와 상이한 팽창비로 작동할 수 있으며, 또한 엔진의 배기량 또는 행정이 제어될 수 있다. 따라서, 낮은 동력이 요구될 때 본 발명의 내연기관은 압축비보다 상당히 큰 팽창비로 작동할 수 있어서, 완전 팽창에 보다 가깝게 작동하게 되어, 높은 비율의 연소 열에너지가 기계적 출력 동력으로 전환된다. 높은 동력이 요구될 때는, 엔진 배기량과 팽창비 모두가 소정의 동력 요구에 대한 최대 효율을 달성하도록 변경될 수 있다.
본 발명은 내연기관, 특히 개선된 자유 피스톤 내연기관에 관한 것이다. 본 발명은 내연기관을 기존의 내연기관에 있어서의 엄격하게 구조적으로 제한되는 속박으로부터 벗어나게 한다. 이것은 넓은 범위의 부하 상태에 걸쳐서 특정 부하에 대한 최적의 작동 상태로 작동하도록 엔진을 자동적으로 조절하기 위하여, 자유 피스톤, 컴퓨터 제어, 및 밸브 및 밸브 액츄에이터 타이밍의 완전 제어를 독특하게 조합한 특징에 의해 달성된다. 본 발명을 구현하는 엔진에 의하여, 현재의 동력 요구가 어떻든지 간에 엔진이 최적 작동 상태에서 또는 이에 가깝게 작동하도록 엔진 작동 파라미터 또는 모든 부품을 자유롭게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리를 도시하고 있는 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예를 도시하고 있는 도면이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있는 도면이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있는 도면이고,
도 5 및 도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있는 도면이고,
도 6 내지 도 8은 낮은, 중간의, 및 높은 동력 상태 하에 있는 본 발명의 실시예들의 작동을 도시하고 있는 압력/체적 그래프이고,
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있는 도면이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있는 도면이고, 그리고
도 11은 본 발명의 다중 엔진 실시예를 도시하고 있는 블록도이다.
본 발명은 실린더 내에서 밀봉적으로 미끄럼 왕복 운동 가능한 적어도 하나의 피스톤, 바람직하게는 실린더 내에서 양방향으로 왕복 운동하는 두 개의 대향 피스톤을 가지는 유형의 개선된 자유 피스톤에 관한 것이다. 각각의 피스톤은 중앙 연소실의 한계를 정하고 이를 형성하는 단부면을 갖는다. 또한, 엔진은 자체 압축 행정을 통해 피스톤을 구동하기 위한 피스톤에 연결된 드라이버를 포함한다. 바람직하기로는, 이 드라이버가 플라이휠 효과를 얻기 위하여 피스톤의 팽창 행정 동안 에너지를 저장하고 각각의 피스톤 상에 작용하는 스프링으로 구성된다. 또한, 엔진은 연료분사장치를 포함하며, 그리고 연소를 개시시키는 스파크 점화기를 포함할 수도 있다.
본 발명은 연소실과 대기 사이의 가스의 통로를 제어하기 위하여 연소실과 대기 사이여 연장되어 있는 통로 내에 적어도 하나, 바람직하게는 두 개의 연소실 밸브를 포함한다. 밸브 폐쇄용 액츄에이터가 적어도 하나의 연소실 밸브에 연결된다. 피스톤-위치 센서가 밸브 폐쇄용 액츄에이터에 연결되어, 실린더 내의 피스톤의 제어 가능한 가변 선택 위치에 반응하여 밸브를 폐쇄시킨다. 또한, 피스톤-위치에 반응하는 밸브 개방용 액츄에이터가 연소실 밸브에 연결된다. 이들 두 개의 연소실 밸브는 기본적으로 동시에 개방 및 폐쇄된다. 바람직하게, 송풍기 또는 다른 공기 추진장치가 연소실 밸브의 개방시 연소실을 정화시키고 연소를 지지하는 공기를 공급하기 위하여 통로에 연결된다.
작동시, 밸브는 팽창 행정의 소정의 끝단의 가까이에서 연소실을 비우기 위하여 개방된다. 밸브의 개방은 연소 가스의 팽창을 종료시키고 연소 생성물의 배기 및 제거를 개시하고 또한 충분한 송풍기에 의해 연소실의 과급을 개시한다. 밸브는 제어 가능한 가변 피스톤 위치에서 배출 및 제거를 종료시키도록 폐쇄되어, 배기를 종료시키고 압축을 개시한다.
가변 부하 상태 하에서, 엔진 제어는 연소실 내에 분사되는 연료의 양을 변경시키는 단계를 포함할 뿐만 아니라, 밸브가 개방되는 피스톤 위치 및 밸브가 폐쇄되는 피스톤 위치를 변경시키는 단계를 포함하여, 엔진이 동력이 공급될 수 있는 최대 효율로 필요한 엔진 동력을 제공할 수 있도록 한다.
도면에 도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 설명을 명확하게 하기 위하여 특정 용어가 사용될 것이다. 그러나, 이러한 특정 용어를 사용하는 것은 본 발명을 제한하기 위함이 아니며, 이들 용어는 동일한 목적을 달성하기 위하여 동일한 방법으로 작동하는 모든 기술적 등가물을 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들면, "연결" 또는 이와 유사한 용어가 종종 사용될 것이다. 이들 용어는 직접적인 연결로 제한되는 것이 아니라, 당업자에게 등가물로 인식될 수 있는 다른 회로소자를 통한 연결을 포함하는 것이다. 또한, 회로들에 대해 기술되는데, 전자 신호에 따른 공지된 작동을 수행하는 유형인 것이다. 당업자라면 등가의 것으로 인식되는 다수의 다른 회로가 존재할 수 있음을 이해할 수 있을 것인데, 그 이유는 이들 회로가 신호에 따라 동일한 작동을 제공하기 때문이다.
도 1에서는 본 발명의 원리를 설명하고 있다. 도 1은 실린더(14) 내에서 밀봉적으로 활주 왕복할 수 있으며 반대의 위상에서 작동하는 한 쌍의 피스톤(10 및 12)을 갖춘 자유 피스톤 내연기관을 도시하고 있다. 피스톤(10)의 단부면(16)과 피스톤(12)의 단부면(18)은 연소실(20)을 한정하며 형성한다.
자체 압축 행정을 통해 각각의 피스톤을 구동하기 위하여, 드라이버(22)가 피스톤(10)에 연결되며 유사한 드라이버(24)가 피스톤(12)에 연결된다. 이러한 드라이버는 공지되어 있는 것이며, 바람직하게는 팽창 행정을 발생시키는 작업에 의해 생성된 에너지를 저장하고, 플라이휠 효과를 얻기 위하여 압축 행정 동안에 피스톤에 상기 저장된 에너지를 송환하기 위한 에너지 저장 장치를 포함한다. 바람직한 드라이버는 엔진의 선택된 작동 주파수에서 피스톤 질량을 공명시키기 위한 스프링 상수를 갖춘 코일 스프링, 가스 스프링, 평면 스프링 등으로 구성된다. 선택적으로, 드라이버는 공지된 방법으로 에너지를 저장하고 송환하기 위한 유압식, 공압식, 기계적 관성 또는 전기적 시스템일 수도 있다. 예를 들면, 동력 출력의 일부분이 드라이버(22 또는 24)로서 이용되는 유압 실린더 또는 다른 유압식 액츄에이터를 구동하는데 사용되는 유압 유체의 고압력 저장기를 제공하는 유압 모터를 구동하는데 사용될 수 있다.
또한, 엔진은 고압력으로 연료를 분사하고 공지되어 있는 통상적인 구조를 이용하는 연료분사장치(26)를 갖는다. 점화가 디젤 엔진에서 통상적인 충분히 압축된 연료에 의해 개시될 수 있지만, 엔진은 통상의 스파크 플러그와 같은 점화 시스템(28)을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 스파크는 등유, 천연 가스, 디젤 연료, 가솔린 및 수소와 같은 광범위한 연료로 엔진을 작동시킬 수 있도록 저휘발성 연료를 점화시키기 위하여 고에너지 스파크인 것이 바람직하다.
연소실 밸브(30)가 피스톤(10) 내에 제공되고, 유사한 연소실 밸브(32)가 피스톤(12) 내에 제공되는 것이 바람직하다. 각각의 연소실 밸브는 통로(34 및 36)와 각각 연결되어, 각각의 연소실 밸브가 연소실(20)과 대기 사이의 가스의 이동을 제어한다. 연소실 밸브(30)는 밸브 액츄에이터(38)에 연결되고, 연소실 밸브(32)는 밸브 액츄에이터(40)에 연결된다. 일반적으로 각각의 밸브 액츄에이터가 각각의 밸브의 개폐 모두를 작동시킬 수 있지만, 본 발명의 일부 실시예에서는 밸브 중의 하나(예컨대, 밸브(32))가 체크 밸브인 것도 가능하여서, 다른 밸브가 가스 압력에 의해 개방되고 밸브 액츄에이터에 의해 폐쇄될 수 있다. 최근에는, 본 발명의 연소실 밸브만큼 충분히 빠르게 작동할 수 있는 전기 제어식 밸브가 개발되어 오고 있다.
피스톤 중의 적어도 하나인 피스톤(10)(도 1 참조)은 피스톤 위치를 나타내는 신호를 제공하기 위한 피스톤 위치 변환기(42)를 갖는다. 다양한 피스톤 위치 변환기가 당업계에 공지되어 있다. 이러한 변환기는 코일 스프링에 장착되는 변형 게이지, 선형 가변 차동 트랜스포머 또는 미국특허 제 5,342,176호, 제 4,926,123호, 제 4,912,409호, 제 4,866,378호, 및 제 4,864,232호 등에 개시되어 있는 위치 변환기 중의 하나를 포함한다. 피스톤 위치 변환기(42)는 아날로그를 디지털로 전환하는 컨버터를 포함할 수 있는 신호 처리 회로(44)에 연결될 수 있으며, 결국 디지털 컴퓨터(46)에 연결된다. 모든 작동 및 제어 기능은 기존의 내연기관에서 통상적으로 제어되는 것과 마찬가지로 컴퓨터에 의해 제어된다.
위치 변환기(42), 신호 처리 회로(44), 및 컴퓨터(46)는 본 발명의 실시예에서 밸브 액츄에이터(38 및 40)에 연결되는 피스톤 위치 센서로서 작동한다. 이들은 밸브(30 및 32)를 폐쇄하기 위하여 선택된 피스톤 위치에서 밸브 액츄에이터(38 및 40)에 신호를 함께 제공한다. 일반적으로, 이들은 밸브(30 및 32)를 개방하기 위하여 밸브 액츄에이터(3 및 40)에 상이한 신호를 제공할 수도 있다. 엔진을 제어하기 위하여, 예컨대 엔진의 동력 출력이나 행정 또는 다른 매개변수를 제어하기 위하여 제어 입력부(47)가 또한 컴퓨터(46)에 제공될 수 있다. 제어 입력부(47)는 피드백 제어 시스템에 결합될 수도 있다.
피스톤 위치 센서가 선택된 피스톤 위치를 검출하였을 때 연소실 밸브(30 및 32) 모두가 밸브 액츄에이터에 의해 직접 개방될 수도 있지만, 체크 밸브 또는 다른 압력 감응 밸브가 그들에 걸친 차압에 응답하여 개폐되어 진다. 그러한 압력 응답 밸브는 연소실 내의 압력이 피스톤 위치의 함수인 방법으로 본 발명에 있어서 반응하는 피스톤 위치이다.
작동에 있어서, 연소실 밸브(30 및 32)는 거의 동시에 개폐되며, 관성 및 기체 역학적 효과 때문에 정확하게 동시에 개폐될 필요는 없다. 송풍기(48)는 연소실 밸브(30 및 32)가 개방되었을 때 연소실로부터 연소 생성물 가스들을 정화시키고, 그리고 연소를 지원하기 위한 공기에 의해 연소실을 충진하기 위하여 제공된다. 가압 공기는 송풍기(48)에 의해 통로(36), 밸브(32), 연소실(20), 밸브(30) 및 통로(34)를 통과한다. 송풍기(48)는 대기압보다 약간 높은 압력에서 작동하거나, 또는 정화뿐만 아니라 연소실 내의 공기 질량을 증가시키도록 과급될 수도 있다.
피스톤(10 및 12)은 유용한 동력 출력을 나타내는 각각의 부하(54 및 56)에 로드(50 및 52)를 통해 연결된다. 이들 부하는 공지되어 있으며, 유압 펌프, 공압 펌프 및 전기 교류기를 포함한다. 이들 부하로부터 일부 동력은 점화 및 전기 공정 시스템, 공기 송풍기, 및 밸브 액츄에이터와 같은 엔진의 보조 시스템을 구동하는데 사용될 수 있다. 또한, 발생된 유압, 공압 또는 전기 동력은 공지되어 있는 저장 장치에 의해 시동에 사용하기 위해 저장될 수 있다.
본 발명의 작동은 도 7의 압력/체적 도표와 관련하여 설명될 수 있다. 피스톤(10 및 12)이 자체 왕복운동 경로의 가장 먼 위치에 있을 때, 이들의 위치는 도 7의 지점(A)에 대응된다. 밸브(30 및 32)가 지점(A)에서 개방되고 피스톤(10 및 12)이 드라이버(22 및 24)에 의해 자체 중앙 위치 쪽으로 내향 구동된다. 피스톤이 압축/정화 행정 중의 이러한 최초 정화 부분을 따라 지점(A)으로부터 지점(B)으로 내향 이동함으로써, 압축은 일어나지 않으며 송풍기는 연소실로부터의 연소 생성물을 가압하고 신선한 공기로 연소실을 재충진시킨다. 지점(B)의 피스톤의 위치가 피스톤 위치 센서에 의해 검출될 때, 피스톤 위치 센서는 밸브(30 및 32)를 폐쇄시키고 압축을 개시하도록 밸브 액츄에이터(38 및 40)를 작동시킨다. 압축은 피스톤이 지점(B)으로부터 지점(C)으로 이동할 때 계속된다. 지점(c)의 직후에, 연료가 분사되고 점화가 개시되어 적어도 거의 지점(D)에 이를 때까지 계속된다. 연소의 열 에너지는 사이클이 반복되는 지점(A)으로 팽창 행정과는 별도로 피스톤(10 및 12)을 구동하는 연소실 내의 가스를 계속 팽창시킨다.
결국, 본 발명에 있어서 연소실은 연소 가스의 추가 팽창을 종료시키고 연소 생성물의 배출 및 연소실의 재충진을 개시하기 위하여 팽창 행정의 말미 근처의 피스톤 위치에서 비워진다. 방출은 배출을 종료하고 압축을 개시하도록 제어 가능한 가변 피스톤 위치(B)에서 밸브를 폐쇄함으로써 종료된다. 본 발명은 희망 출력 동력 및/또는 희망 효율에서의 변화에 반응하여 방출의 개시되고 종료하도록 밸브가 개폐되는 피스톤 위치 중의 적어도 하나, 바람직하게는 둘 다의 변경을 허용한다. 팽창비는 연소실 밸브가 개방되는 피스톤 위치의 함수이고 압축비는 연소실 밸브가 폐쇄되는 피스톤 위치의 함수이기 때문에, 팽창비와 압축비 모두는 독립적으로 제어될 수 있다. 피스톤 행정은 밸브가 개폐되는 위치 및 연소되는 연료의 양의 함수이기 때문에, 본 발명은 압축이 개시되는 피스톤 위치 및 팽창이 종료하는 피스톤 위치의 독립적이고 직접적인 제어를 허용할 뿐만 아니라, 엔진 행정의 변위 또는 길이의 제어를 허용한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에서 대신 이용될 수 있는 다양한 다른 부품을 포함하는 실시예를 도시하고 있다. 도 2의 엔진은 실린더(114) 내에서 왕복운동하는 한 쌍의 피스톤(110 및 112)을 갖는다. 각각의 피스톤은 공기 펌핑 장치와 일체식으로 형성된다. 피스톤(110)은 피스톤(112)과 동일하므로, 하나의 피스톤만 설명한다. 제 2 피스톤(116)이 제 1 피스톤(110)의 말단에 넓게 형성되어 있어서 펌프 실린더(118) 내부에서 왕복운동한다. 펌프는 통상적인 구조를 가지며 이중으로 작용하고 흡입 체크 밸브(120 및 122)와 배출 체크 밸브(124 및 126)를 갖는다. 이러한 공기 펌프는 밸브 액츄에이터를 작동시키기 위한 공압 시스템에 사용되는 어큐뮬레이터를 형성하는 고압 가스 저장기(128) 내로 주위의 공기를 펌핑하는 역할을 한다. 팽창 행정 동안에 에너지를 저장하고 압축/정화 행정 동안에 내향으로 피스톤을 구동하기 위한 드라이버는 엔진의 작동의 설계상 주파수에서 또는 이에 가깝게 공진하는 피스톤(110)을 지지하기 위한 스프링 상수를 갖춘 이중 작동 코일 스프링(130)이다.
연소실 밸브(132)는 고압 가스 저장기(128)로부터 인가되고 해제되며 피스톤(134) 상에 작용하는 가스 압력에 의해 개폐된다. 이러한 압력의 인가 및 해제는 두 개의 위상 사이에서 스위칭되는 솔레노이드(138)에 의해 작동되는 Y 밸브(136)에 의해 제어된다. 피스톤 위치 변환기(140)는 순간 피스톤 위치를 감지하고 도 1과 관련하여 전술한 방식으로 컴퓨터 및 신호 처리 회로(142)로 자체 신호를 인가한다. 고압 가스가 실린더 벽 내에 형성되어 있는 환형 홈(144)으로 Y 밸브(136)를 통해 인가된다. 환형 홈(144)은 액츄에이터 피스톤(134)과 연통하는 포트(146)와 정합된다. 환형 홈(144)은 피스톤(110)의 행정 동안에 포트(146)와 연통 상태를 충분히 유지하도록 축방향으로 연장되어야 한다. 밸브(132)는 저장기(128)로부터 밸브 액츄에이터 피스톤(134)으로 압력을 인가하도록 솔레노이드가 자체 제 1 위상으로 스위칭되고 Y 밸브(136)를 스위칭할 때 개방된다. 밸브(132)는 코일 스프링(150)이 폐쇄된 밸브(132)를 가압하도록 환형 홈(144)으로부터 고압 가스를 방출하기 위하여 솔레노이드가 자체 제 2 위상으로 스위칭되고 Y 밸브(136)를 스위칭할 때 폐쇄된다. 따라서, 피스톤(134), 스프링(150), 밸브(136), 솔레노이드(138) 및 고압 저장기(128)는 유체 압력원(128)으로부터 인가되고 삽입 제어 밸브(136)에 의해 제어되는 압력에 반응하는 밸브 액츄에이터를 함께 제공한다.
피스톤(112) 내의 제 2 연소실 밸브(152)는 독립 밸브 액츄에이터를 요하지 않는 체크 밸브이고, 본 발명의 일부 실시예에서 선택적으로 사용될 수 있다. 체크 밸브(152)는 송풍기(160) 및 관련 정화 공기 저장소(162)에 의해 인가되는 압력의 결과로서 연소실 밸브(132)가 팽창 행정의 말미에 개방된 후에 개방된다. 연소실 밸브(132)가 개방된 후에 체크 밸브(152)를 거치는 차압은 흡입 통로(164)를 통해 연소실(115) 내로 가압된 공기의 유동을 허용하지만, 압축, 연소 및 팽창 동안에 반대 방향으로의 유동은 방지한다.
또한, 도 2는 종래의 방식으로 점화를 개시하기 위한 통상적인 한 쌍의 스파크 플러그 전극(166)을 사용하는 것을 도시하고 있다.
도 3은 도 2와 유사한 본 발명의 실시예를 도시하고 있지만, 피스톤용 밸브 액츄에이터(210)가 도 2에서와 같이 폐쇄되는 연소실 밸브를 편향시키는 대신에 개방 위치 쪽으로 연소실 밸브(214)를 편향시키는 스프링(212)을 포함하는 것이 다르다. 도 3의 실시예에 있어서, 도 2에 도시되어 있는 연소실 밸브(132)가 개방되는 것과 동일한 방법으로 연소실 밸브(214)를 폐쇄시키도록 고압이 고압 가스 저장기(216)로부터 인가된다. 그러나, 피스톤(210)이 연소실 압력이 선택된 압력보다 낮게 강하하도록 자체 팽창 행정을 따라 충분히 이동할 때 연소실 밸브(214)가 개방된다. 특히, 밸브(214)는 스프링의 힘이 연소실 밸브(214)상의 순수 차압의 힘을 초과할 때 개방된다. 또한, 솔레노이드에 의해 직접적으로 구동되는 밸브는 물론 캠과 유입 밸브 작동 시스템을 포함하는, 공지되어 있는 많은 유형의 밸브 액츄에이터 시스템이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에서 이용될 수 있는 다른 부품을 갖춘 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 4는 실린더(314) 내에서 밀봉적으로 왕복운동하는 한 쌍의 피스톤(310 및 312)을 갖춘 엔진을 도시하고 있다. 도 4의 실시예에 있어서, 연소실 밸브(316 및 318)는 피스톤(310 및 312) 중간의 연소실(322)에서 실린더 벽 내에 형성되어 있는 헤드(320)에 위치된다. 피스톤 위치 변환기(324)는 동력 출력부(328)를 제공하도록 연결되어 있는 피스톤 커넥팅 로드(326)의 외측부에 연결될 수 있다. 밸브(316 및 318) 모두가 전술한 방법으로 밸브 액츄에이터에 의해 개폐될 수도 있지만, 도 4는 도 2 및 도 3과 관련하여 기술된 방법으로 체크 밸브로서 연소실 흡입 밸브(316)를 도시하고 있다. 다른 연소실 밸브(318)는 피스톤 위치 센서를 함께 형성하는 자체 신호 처리 및 컴퓨터 회로(332)와 피스톤 위치 변환기(324)에 응답하여 관련 밸브 액츄에이터(330)에 의해 스위치 온 및 오프된다.
또한, 도 4는 연소실(322)로부터 배출된 배출 가스가 연소 생성물의 팽창으로부터 추가의 에너지를 추출하고 보조 시스템에 의해 사용에 적합한 전기 동력으로 전환시키도록 전기 동력 발생 교류기(336)에 연결되는 자체 회전 샤프트를 갖춘 터빈(334)을 통해 인가되는 것을 도시하고 있다. 이와 달리, 피스톤 로드로부터의 동력이 터빈을 구동시키는 유체를 펌핑하는데 사용된다면, 배출 가스는 동일한 터빈을 구동시키는 유체를 보충할 수도 있다.
도 10은 실린더(614) 내에 자유 피스톤(610 및 612)을 포함하는 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 다른 도면들에 도시된 실시예와 거의 유사하다. 그러나, 연소실 밸브(616)가 신호 처리 및 컴퓨터 회로(620)에 연결되는 전기 솔레노이드 액츄에이터(618)를 갖고 있다. 더욱이, 터빈(622), 전기 교류기(624), 및 송풍기(626)가 동일한 샤프트(628) 상에서 회전하기 위해 연결되어 있다. 왕복운동하는 자유 피스톤(610 및 612)으로부터의 출력 동력은 고압 가스 펌프(630 및 632)로 보내진다. 연소 공정으로부터 배출된 가스는 터빈에 동력을 공급하기 위하여 고압 가스 펌프(630 및 632)는 물론 통로(634)를 통해 터빈(622)으로 보내진다. 이 실시예에서, 최종 출력 동력은 교류기(624)로부터의 전기 동력이다. 따라서, 터빈은 공통 회전 샤프트(628)에 연결되어 있는 자체 연결부를 통해 교류기(624) 및 정화 송풍기(622)를 구동한다. 이와 달리, 정화 공기가 고압 가스 펌프(630 및 632)로부터의 고압 가스의 일부로부터 유도될 수 있다.
교류기는 실린더(614) 내의 공기의 최초 충진을 위하여 정화 송풍기를 구동하기 위하여 시동 중에 축전지에 의해 모터처럼 에너지를 받을 수 있게 설계될 수 있다. 이 경우, 오버라이드 클러치(override clutch)가 시동 중에 터빈으로부터 교류기를 분리시키는 것이 바람직하다. 이와 달리, 송풍기가 자체 전기 모터에 의해 구동될 수도 있다.
비록 고압 가스 펌프가 도시를 명확하게 하기 위하여 도 10의 엔진의 외부인 독립 블록으로서 도시되어 있지만, 도 3에 도시된 방법으로 자유 피스톤(610 및 612)의 말단부에 넓게 형성되는 피스톤에 의해 형성될 수도 있다. 도 11은 다수의 개별 엔진(710, 712, 및 714)으로 구성된 다단 엔진을 도시하고 있다. 이들 개별 엔진 각각은 도 1 내지 도 10에 도시되고 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예이다. 비록 세 개의 엔진이 도시되었지만, 어떠한 수의 개별 엔진도 다단 엔진으로 사용될 수 있다. 각각의 개별 엔진의 피스톤은 전기 부하(716)와 같은 동일한 부하에 출력 동력을 공급하기 위하여 통상적인 연동 장치를 통해 연결된다. 예컨대, 피스톤은 전기 부하(716)에 연결되는 전기 교류기(720 내지 730)에 연결될 수 있다. 공압 또는 유압식 등의 전술한 바와 같은 어떠한 동력 출력 시스템도 사용될 수 있다. 각각의 개별 엔진(710 내지 714)은 전술한 방식으로 단일 제어 컴퓨터(732)에 연결되어 제어된다. 그러나, 각각의 개별 엔진은 전체 개별 엔진보다 적은 수를 포함하는 선택된 개별 엔진을 동시에 작동시키기 위하여 컴퓨터에 의해 선택적으로 작동 또는 비작동될 수 있다. 이것은 도 11의 다단 엔진이 부하(716)에 연결되는 부하 요구 검출기로부터 컴퓨터에 의해 감지되고 부하 요구 신호를 제공하도록 컴퓨터에 입력부(733)에서 연결되는 전류 부하 요구를 충족시키는 개별 엔진만으로 작동되는 것을 가능하게 한다. 예컨대, 부하(716)가 전기적이면, 전류, 전압 또는 동력 검출기가 단일의 개별 엔진을 경부하 상태에서 작동시킬 수 있으며 부하 증가에 따라서 엔진의 수를 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 부하가 다단 엔진에 의해 추진되는 차량이라면, 무부하 상태에서 단일의 개별 엔진이 작동될 수 있는데, 모든 엔진이 높은 가속을 위하여 작동하고 시내주행을 위해서는 모든 엔진보다 적은 수의 엔진이 작동한다.
개별 엔진을 정지시키는 한가지 방법은 자체 연소실 밸브를 폐쇄시키고 이들 밸브를 폐쇄 위치에 유지시키는 것이다. 이것은 다른 도면에 도시된 바와 같은 송풍기가 연소실로 연소 공기를 제공하는 것을 방지한다. 또한, 연료분사장치와 연통하는 밸브(740, 742 및 744)는 정지된 연소실 내로 연료가 분사되는 것을 방지하도록 차단된다. 다른 제어 수단이 스파크를 일으키지 않도록 사용될 수도 있음은 명백하다. 또한, 밸브가 송풍기 통로를 통해 제공될 수도 있다.
본 발명의 실시예인 엔진으로 엔진 동력 및 효율을 제어하는 것이 도 6 내지 도 8에 도시되어 있으며, 적어도 하나의 피스톤 위치를 변경시키는 단계를 포함하며, 상기 피스톤 위치에서는 연소실 밸브가 개방 또는 폐쇄되거나, 바람직하게 개방과 폐쇄가 모두 일어나며, 연소실 내로 분사되는 연료의 양이 조절된다. 도 6 내지 도 8에 있어서, 수직 축선은 수평 축선을 따른 거리에 따라서 나타나는 중심으로부터 멀어지는 피스톤 변위를 갖는 엔진의 대칭 중심을 나타내도록 위치된다. 엔진은 연소실 밸브가 개방되는 피스톤 위치(A) 및 연소실 밸브가 폐쇄되는 피스톤 위치(B)를 피스톤 행정을 감소시키기 위하여 도면에서 좌측으로 이동시킴으로써 도 6에 도시된 바와 같은 비교적 낮은 동력에서 작동된다. 전형적으로 연료 공급량도 감소된다.
도 6 및 도 7은 매우 높은 비율의 연소실 내의 팽창 에너지가 피스톤을 구동시키는데 이용되는 것을 도시하고 있는데, 이에 따라서 연소실 밸브가 개방되는 시간까지 위치(A)에서 연소실 압력이 송풍기의 흡입 과급 압력으로 강하됨을 알 수 있다.
높은 동력 요구가 충족되어야 할 때, 연소실 밸브의 개방 위치(A) 및 연소실 밸브의 폐쇄 위치(B)는 우측으로 독립적이고 신속하게 이동할 수 있으며 분사 연료의 양이 증가된다. 도 8은 자체 제한치에 도달한 위치(A), 및 압축이 일어나는 위치(B)로부터 위치(C)로의 압축/정화 행정의 부분에 대한 연소의 열 에너지가 팽창 가스로부터 추출되는 위치(A)로부터 위치(A)로의 팽창 행정의 부분의 비율이 높은 동력 출력을 위해 거의 동일하게 될 수 있도록 우측으로 충분하게 이동된 위치(B)를 도시하고 있다. 이에 따라서, 위치(A) 다음에 비교적 높은 비율의 압력 강하 및 연소 가스 팽창 에너지의 일부 손실이 발생한다. 불완전 팽창으로 인한 손실은 통상적으로 극미하며 엔진이 최대 동력 레벨에 가깝게 작동할 때에만 문제가 된다. 배출 가스 터빈이 설치된 경우에, 이러한 불완전 팽창 에너지는 터빈을 통한 팽창으로 부분적으로 회수될 수 있다. 그러나, 동력 손실은 종래의 내연기관에서와 같이 많지 않으며 실용적 크기의 엔진으로부터 높은 동력 출력을 얻기 위해서는 불가피한 것이다.
도 5는 연소실 밸브(410)의 개폐를 제어하기 위한 스풀 밸브 또는 슬라이드 밸브를 형성하는 활주 부재를 기초로 하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 5에서 피스톤(412)은 실린더(414) 내에 장착된다. 한 쌍의 환형 슬라이드(416 및 418)가 실린더와 정렬되어 있지만, 선택된 위치로의 축방향 활주를 위하여 충분한 공간을 가지고 있다. 고압원(420)은 슬라이드(418)를 통해 포트(422)에 인가된다. 밸브 작동 피스톤(424)은 피스톤(412) 내의 상응하는 액츄에이터 실린더(426) 내에서 밀봉적으로 왕복운동한다. 밸브 작동 피스톤(424)은 커넥팅 로드(428)에 의해 밸브(410)에 연결된다. 피스톤 통로(432)가 피스톤(412)의 이동 중에 포트(422)와 정합될 때 실린더(426) 내부의 챔버(430)는 피스톤 통로(432)를 통해 고압원(420)에 연결된다. 이러한 방식으로, 연소실 밸브(410)를 개방시키도록 고압원(420)으로부터의 압력이 스프링(434)의 힘에 대항하여 피스톤(424)을 가압한다. 마찬가지로, 피스톤 통로(436)가 포트(438)와 정합될 때 피스톤 통로(436)는 슬라이드(416) 내의 포트(438)와 연통 상태로 연결되어 고압원(420)에 의해 챔버(430)에 인가된 압력이 해제되고, 스프링(434)에 의해 연소실 밸브(410)가 폐쇄된다.
따라서, 환형 슬라이드(416 및 418)의 축방향 위치는 연소실 밸브(410)가 개폐되는 위치를 결정한다.
도 5a는 도 5의 실시예에 대한 압력-체적 그래프를 도시하고 있다. 밸브는 범위(A)(도 5a 참조) 내의 어딘가의 위치에서 폐쇄되고 범위(B) 내의 어딘가의 위치에서 개방될 수 있으며, 그 특정 위치는 엔진의 작동 상태에 의해 결정된다.
도 9는 연소실 밸브(510)의 개방 위치를 제어하는 또 다른 방법을 도시하고 있다. 밸브(510)는 커넥팅 로드(520)를 통해 캠 종동차(522)에 연결되며, 스프링(524)에 의해 폐쇄 위치로 편향된다. 축방향으로 활주 가능한 핑거(526)가 피스톤(530) 내의 개구부(532)를 통하여, 피스톤(530) 내에 형성되어 있는 챔버(528) 내로 돌출된다.
피스톤(530)이 핑거(526)를 캠 종동차(522)에 접촉시키도록 도 9의 좌측으로 충분하게 활주하는 경우에, 피스톤(530)의 더한층의 좌측 이동에 의해 연소실 밸브(510)가 개방된다. 따라서, 도 9는 연소실 밸브의 전체적인 기계적 작동이 선택적으로 달성될 수 있음을 도시하고 있다. 비록 도 9의 실시예가 피스톤의 왕복운동에 있어서 동일한 위치에서 밸브의 개폐가 이루어진다는 단점을 갖기는 하지만, 연소실 밸브(510)가 그러한 기계적 구성에 의해 상이한 위치에서 개폐될 수 있도록 당업자에 의해 다른 유사한 작동 구성이 이용될 수도 있다.
엔진 연소 및 효율 제어의 기술은 저렴하며 강력한 컴퓨터의 등장에 의해 크게 혁신되어 왔다. 엔진은 최근의 간단한 기계장치에 의하여 구현되는 것보다 훨씬 더한 범위까지 제어된다. 예를 들면, 연료 및 공기 혼합물은 컴퓨터 제어식 분사 시스템을 사용하여 연소 효율을 최대화시키도록 사이클마다 제어된다. 본 발명의 엔진은 유입 및 배출 밸브 운동의 제어에 있어서 똑같이 상당한 진보를 이루어, 기존에는 불가능했던 공정을 달성할 수 있다. 중요한 예로는 기존의 스파크 점화 엔진에 있어서 매우 비경제적인 드로틀링 공정을 없애기 위하여, 밸브 폐쇄 시간에 의해 열역학 사이클을 겪는 질량 유동을 제어하는 것이다. 이러한 제어가 필요한 이유 및 이의 효과에 관한 기술적 설명은 "자동차 엔지니어 협회(Society of Automotive Engineers)"의 회보에 공개되어 있다.
본 발명에 있어서, 제어 컴퓨터는 예컨대, 선형 가변 차동 트랜스포머, 또는 피스톤의 경사진 부분에 작동하는 근위 센서 또는 피스톤 위치에 비례하는 전기 전압을 부여할 수 있는 많은 다른 센서들과 같은 공지되어 있는 임의의 유형의 위치 센서에 의해 피스톤 위치에 대한 정보를 공급받는다. 또한, 컴퓨터는 비연소 연료, 일산화탄소, 자유 산소, 및 연료 효율을 극대화시키는 동시에 오염을 감소시키는데 필요한 다른 정보를 검출하는 센서들로부터 정보를 받아들인다. 그리고, 제어 컴퓨터는 동력, 효율 및 동력의 변화에 대한 응답성과 같은 다른 특성의 값을 최적화시키기 위하여 엔진 상태에 필수 동력을 일치시키는 작업을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진을 시동하기 위해서는 통상적인 축전지와 같은 보조 동력원이 필요하다. 가급적, 피스톤은 자체 내측 근위 위치에 놓여지지만, 드라이브 스프링이 느슨해지는 중간 위치에 위치할 수도 있다.
시동을 위하여, 제어 컴퓨터는 시동 명령을 감지하고 소량의 연료를 연소실로 보내어, 스파크에 의해 점화시켜 피스톤을 외측 한계선 쪽으로 이동시킨다. 연소실은 정지 상태의 엔진의 최종 사이클에서 미리 정화된다. 제어 컴퓨터는 배출 밸브를 개방시키고, 그리고 미리 저장된 공기 소스나 피스톤의 외측 단부에 의해 공기를 펌핑하는 피스톤의 외측 운동으로부터, 또는 전기나 유압 모터 또는 배출 터빈에 의해 동력을 공급받는 전용 송풍기로부터 배출 및 정화 작용을 허용한다. 피스톤의 후속 사이클은 안정 상태 작동을 위해 전술한 바와 같은 동력 출력으로 거의 정상 상태에 있게 되지만, 예외적으로 밸브 타이밍은 비교적 짧은 행정을 초기에 제공할 수 있어서 밸브가 개폐되는 피스톤 위치는 행정이 안정 상태 작동까지 증가함에 따라 변경된다.
정상 작동 동안에, 만일 작업자가 더 큰 동력을 요구하면, 제어 컴퓨터는 더 많은 연료를 분사하는 동시에, 더 많은 공기가 연소실 밸브의 조기 폐쇄에 의해 열역학 사이클을 겪도록 한다. 만일 동력 요구가 높다면, 제어 컴퓨터는 사이클의 보다 높은 평균 유효 압력을 부여하도록 팽창 공정시 밸브를 조기에 개방하여, 현재 통상적인 엔진에서 행해지고 있는 바와 같이 배출 터빈 내에서 회복되거나 대기로 소모되는 팽창시 얼마간의 잔여 팽창 에너지를 남긴다.
만일 동력 감소가 요구되면, 제어 컴퓨터는 정화 공정 동안에 연소실 밸브를 늦게 폐쇄시킴으로써 사이클 내의 공기 질량 및 분사 연료를 감소시킨다. 제어 컴퓨터는 배출 포트의 늦은 개방에 의해 다른 요구와 일치하는 가장 완전한 팽창비를 얻는다.
만일 낮은 동력이 요구되면, 제어 컴퓨터는 한 쌍 이상의 실린더를 차단하여, 최적 효율로 요건을 충족시킬 수 있는 오직 하나의 실린더만이 작동하도록 할 수 있다. 따라서, 세 쌍의 피스톤을 갖춘 차량은 시내 주행시에 자체 성능의 일부만으로 작동하는 오직 하나의 피스톤만을 사용할 수도 있다. 따라서, 최고 동력이 요구되는 경우에는 제어 컴퓨터가 한가한 피스톤을 시동시켜 완전 동력으로 세 쌍의 피스톤 모두가 작동하게 할 수 있다. 이러한 유형의 작동은 완전 엔진 성능에 비해 매우 작은 동력을 요구하는 경우에도 모든 메커니즘이 작동해야 하는 종래의 엔진보다 엔진의 기계적 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
연료분사 비율은 동력에 의해 제한될 뿐만 아니라, 비연소 연료의 존재(과도한 연료 분사 또는 부족한 공기 유동을 나타냄)의 감지에 의하여, 그리고 공기의 부족을 나타내는 일산화탄소의 존재에 의하여 제한된다. 전술한 모두가 공지되어 있지만, 본 발명의 자유 피스톤 엔진의 융통성에 의하여 통상적인 고정 배기량 및 고정 밸브 타이밍 엔진의 경직성으로 말미암은 이전에는 불가능했던 최적화 방법을 완전하게 적용할 수 있게 된다.
비록 두 개의 대향 피스톤이 바람직하기는 하지만, 본 발명의 원리는 도시된 엔진의 대칭 지점에서 종료하는 단일 피스톤 엔진에 적용될 수도 있다. 그러한 엔진은 단일 연소실 밸브를 가질 수 있지만, 두 개의 연소실 밸브를 사용하는 것이 보다 실용적이다. 두 개의 밸브에 의하여, 엔진은 전술한 방법으로 작동할 수 있다. 두 개의 밸브 모두가 헤드 내에 위치되거나, 피스톤 내에 위치되거나, 또는 각자가 전술한 도면들 내에 도시되어 있는 유형의 연통 통로를 가질 수도 있다. 만일 단일 밸브가 사용된다면, 정화 및 과급이 이루어질 수 없다. 그러한 실시예에서는 엔진이 전술한 바와 같은 2-행정 모드보다는 4-행정 모드에서 작동하여야 한다. 2-행정 모드에서는, 연소 및 팽창이 하나의 행정에서 일어나고, 배출, 흡입 및 압축이 제 2 행정에서 함께 일어난다. 4-행정 모드에서는, 연소 및 팽창이 하나의 행정에서 일어나고, 배출이 제 2 행정에서 일어나며, 흡입이 제 3 행정에서, 그리고 압축이 제 4 행정에서 일어난다. 이에 따라, 동일한 행정 길이에서 더 높은 압축비를 얻을 수 있지만, 배출, 흡입, 및 압축 행정을 통과하는 피스톤을 구동시키기 위하여 보다 많은 에너지 저장이 요구된다.
본 발명의 다양한 이점을 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 가변 밸브 타이밍에 의하여 팽창비와 압축비 모두를 독립적으로 제어할 수 있다. 그 결과, 팽창비가 압축비보다 커질 수 있으며, 또한 팽창비와 압축비간의 비율을 제어할 수 있다. 이에 따라, 동력 출력을 변경시킬 수 있으며, 모든 동력 레벨에서 높은 연료 효율을 유지할 수 있다. 연소된 가스의 완전 팽창 또는 거의 완전 팽창이 가능해 진다. 또한, 도 6 및 도 7의 위치(A)에서 도시된 바와 같이 연소실 내의 압력이 낮을 때 밸브가 개방되기 때문에, 완전 팽창은 엔진을 상당히 조용하게 만든다. 엔진을 공전을 포함하는 저동력, 고효율 모드로 작동하기 위하여, 밸브는 압축비보다 높은 팽창비를 제공하고 작은 행정을 제공하도록 시간 조절된다. 결국, 엔진은 저동력으로 효율적인 소형 배기량 엔진이 되기 시작한다. 압축을 넘는 팽창의 큰 초과에 의하여, 팽창 에너지가 통상적인 내연기관의 소음 및 급격 압력 강하 특성을 가진 채 배출되는 대신에 회수될 수 있다. 또한 이에 의하여, 행정 또는 배기량이 항상 일정한 종래의 내연기관에 고유한 드로틀링 손실이 제거된다.
고동력 작동을 위하여, 압축비 및 팽창비 모두가 증가될 수 있으며, 압축비는 종래의 내연기관에서와 같은 팽창비와 거의 동일하게 만들어진다. 압축비와 팽창비 및 분사 연료의 양을 증가시킴으로써, 행정이 증가되어 엔진을 증가된 배기량을 갖는 대형 배기량 엔진으로서 작동하게 만든다. 압축/정화 행정이 정화 또는 과급에 이용되어야 하기 때문에, 압축비는 결코 팽창비만큼 클 수 없다.
이러한 타이밍의 변화가 연소실 밸브 개방 위치를 단순히 변경시킴으로써 비교적 신속하게 이루어질 수 있기 때문에, 신속한 고동력 상승이 가능하다. 팽창 행정이 높은 사이클 압력에서 작동하고 밸브는 압력이 대기압으로 감소하기 전에 개방되기 때문에 비록 고동력 작동에서의 효율이 저동력 작동에서보다 낮지만, 그럼에도 불구하고 타이밍을 조절하는 것은 기존의 것보다 훨씬 효율적인 작동을 제공한다.
실용적이며 능률적인 자유 피스톤 내연기관의 다른 이점은 특히, 피스톤과 실린더 사이에 오일 기재 윤활유 대신에 가스 베어링을 사용할 수 있다는 것이다. 가스 베어링을 사용하면 미끄럼 하중이 없기 때문에, 크랭크 메커니즘의 사용하는 것과 같은 결과를 얻는다. 가스 베어링은 기본적으로 비접촉 운동을 제공하고 링을 필요로 하지 않기 때문에, 마모를 최소화시키고 수명을 최대화시킨다. 오일 기재 윤활유를 사용하지 않으므로 실린더를 더럽히고 배출물을 오염시키는 주요 원인이 제거된다. 엔진은 오일 없이 작동하고 통상적인 냉각 재킷을 필요로 하지 않기 때문에 비용이 저렴해지고, 팽창 중의 열 손실이 최소화되기 때문에 효율이 증가된다.
다른 연료는, 연소실 밸브가 개폐되고, 연료가 분사되며, 그리고 점화가 개시되는 상이한 피스톤 위치를 포함하는 다른 제어 알고리즘을 필요로 하게 된다.
연료로 천연 가스를 사용하기 위하여, 가급적 연료는 연소실 밸브가 폐쇄되는 도 6 내지 도 8의 위치(B) 직후에 분사될 수 있다. 이에 따라서, 점화 이전에 연료 및 공기의 양호한 혼합과 저압 가스 분사가 이루어질 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 엔진은 기계적 단순성, 저중량, 저비용, 및 비교적 긴 수명을 가지며, 전기적인 차량을 위한 보조 동력원으로서 특히 유용하다. 본 발명의 자유 피스톤 내연기관은 흡입 및 배출 밸브 타이밍, 연료 분사 및 점화 타이밍, 및 가변 피스톤 배기량의 완전한 변화성과, 그리고 다중 실린더 엔진 내의 단지 일부 피스톤만을 작동시키며 일부 피스톤을 작동시키지 않는 성능을 갖는다. 내연기관의 동력은 연소실 내의 열역학 사이클을 겪는 공기의 질량 유동비에 비례한다. 결국, 본 발명의 실시예에 있어서, 동력은 연소실 밸브가 폐쇄되고 압축이 시작될 때 실린더 내의 가스의 체적에 비례한다. 그러한 체적은 본 발명의 실시예에서 가변 조절된다. 자유 피스톤의 순수 직선 운동은 오일이 필요 없는 가스 베어링을 사용하도록 피스톤 상의 미끄럼 힘을 제거시키며, 그리고 표면상에 오일이 없기 때문에 실린더 벽을 위한 적당한 고온 재료(세라믹)를 사용하는 단열(비냉각) 작동이 허용된다.
본 발명의 바람직한 특정 실시예가 상세하게 기술되었지만, 첨부된 특허청구의 범위 또는 본 발명의 요지 내에서 다양한 변형이 있을 수 있다.

Claims (26)

  1. 자유 피스톤 내연기관으로서, 실린더 내에서 활주 왕복운동할 수 있으며 상기 실린더의 연소실의 경계를 형성하는 단부면을 갖춘 하나 이상의 피스톤과, 자체 압축 행정을 통해 상기 피스톤을 구동시키기 위하여 상기 피스톤에 연결되어 있는 드라이버와, 그리고 상기 연소실과 연통하는 연료분사장치를 포함하는 자유 피스톤 내연기관에 있어서,
    (a) 상기 연소실과 대기 사이의 가스의 통과를 제어하기 위하여 상기 연소실과 대기 사이에 연장되는 통로 내에 있는 연소실 밸브와,
    (b) 상기 연소실 밸브에 연결되는 밸브 폐쇄 액츄에이터와,
    (c) 상기 실린더 내의 피스톤의 선택된 제 1 위치에 응답하여 상기 연소실 밸브의 폐쇄를 개시하며 상기 밸브 폐쇄 액츄에이터에 연결되는 제 1 피스톤 위치 센서와, 그리고
    (d) 상기 연소실 밸브에 연결되는 피스톤 위치 응답 밸브 개방 액츄에이터를 포함하고 있으며,
    상기 밸브의 개방 및 폐쇄 작동은 피스톤 위치와 관련하여 변경될 수 있어서 동력 출력에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 개방 액츄에이터가 선택된 압력보다 낮게 강하된 연소실 압력에 응답하여 상기 연소실 밸브를 개방시키기 위해 자체 개방 위치 쪽으로 상기 연소실 밸브를 편향시키는 스프링을 포함하고 있어서, 상기 스프링의 힘이 상기 연소실 밸브상의 순수 차압의 힘을 초과하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 개방 및 폐쇄 액츄에이터가 유체 압력원으로부터 인가되는 압력에 응답하며 중간 제어 밸브에 의해 제어되는 유체 액츄에이터를 포함하고 있으며, 상기 제어 밸브는 상기 피스톤 위치 센서에 연결되어 이에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 피스톤 위치 센서가 상기 선택된 제 1 피스톤 위치 및 제 2 피스톤 위치 둘 다를 감지하며, 그리고 상기 선택된 제 2 피스톤 위치의 검출에 응답하여 상기 연소실 밸브를 개방시키도록 상기 제어 밸브를 작동시키는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연소실과 대기 사이의 가스의 통과를 제어하기 위하여 상기 연소실과 대기 사이에 연장되는 제 2 통로 내에 제 2 연소실 밸브를 더 포함하고 있으며, 상기 제 2 연소실 밸브는 상기 제 1 연소실 밸브가 개방될 때 개방되고 상기 제 1 연소실 밸브가 폐쇄될 때 폐쇄될 수 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 연소실 밸브가 개방될 때 상기 실린더를 통해 공기를 가압하기 위한 통로와 연통되며 연결되는 공기 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 연소실 밸브가 상기 연소실 내로의 유체 유동을 허용하도록 배향된 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  8. 각각 제 6 항에 따르는 다수의 개별 엔진으로 구성된 다단 엔진에 있어서,
    상기 다단 엔진의 피스톤들이 동일한 부하에 출력 동력을 공급하도록 연결되어 있으며, 그리고
    상기 개별 엔진 전체의 수보다 적은 수의 선택된 개별 엔진을 동시에 작동시키기 위하여 상기 개별 엔진들이 독립적으로 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 다단 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 개별 엔진의 밸브 액츄에이터가 컴퓨터에 연결되어 이에 의해 제어되며, 상기 컴퓨터는 부하 요구에 응답하여 선택된 개별 엔진의 작동을 선택적으로 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 다단 엔진.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 내에서 활주 왕복운동할 수 있으며 연소실의 경계를 형성하는 단부면을 갖춘 제 2 대향 피스톤을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 연소실과 대기 사이의 가스의 통과를 제어하기 위하여 상기 연소실과 대기 사이에 연장되는 제 2 통로 내에 제 2 연소실 밸브를 더 포함하고 있으며, 상기 제 2 연소실 밸브는 상기 제 1 연소실 밸브가 개방될 때 개방되고 상기 제 1 연소실 밸브가 폐쇄될 때 폐쇄될 수 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 연소실 밸브 중의 하나의 통로와 연통되며 상기 내연기관 내에 장착되고, 그리고 공기를 이용하여 연소 가스를 제거하고 상기 연소실을 충진하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 연소실 밸브가 개방될 때 상기 연소실 내로 대기 공기를 유입시키는 공기 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  13. 각각 제 10 항에 따르는 다수의 개별 엔진으로 구성된 다단 엔진에 있어서,
    상기 다단 엔진의 피스톤들이 동일한 부하에 출력 동력을 공급하도록 연결되어 있으며, 그리고
    상기 개별 엔진 전체의 수보다 적은 수의 선택된 개별 엔진을 동시에 작동시키기 위하여 상기 개별 엔진들이 독립적으로 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 다단 엔진.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 개별 엔진의 밸브 액츄에이터가 컴퓨터에 연결되어 이에 의해 제어되며, 상기 컴퓨터는 부하 요구에 응답하여 선택된 개별 엔진의 작동을 선택적으로 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 다단 엔진.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 제 2 연소실 밸브가 상기 연소실 내로의 유체 유동을 허용하도록 배향된 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 연소실 밸브 중의 하나가 상기 피스톤 각각의 단부면 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 연소실 내에 스파크 간극을 형성하고 연소를 개시하기 위한 전기 방전 회로에 연결되는 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 개방 및 폐쇄 액츄에이터가 유체 압력원으로부터 인가되는 압력에 응답하며 중간 제어 밸브에 의해 제어되는 유체 액츄에이터를 포함하고 있으며, 상기 제어 밸브는 상기 피스톤 위치 센서에 연결되어 이에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 유체 압력원이 상기 피스톤 중의 하나 이상에 구동적으로 연결되는 펌프에 의해 가압된 가스로 펌핑되는 어큐뮬레이터인 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 유체 압력으로 작동되는 밸브 액츄에이터가 상기 피스톤 내에 형성되어 있는 실린더 내에서 왕복운동하며 상기 밸브에 연결되는 밸브 작동 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  21. 제 5 항에 있어서, 상기 액츄에이터가 솔레노이드를 포함하며, 상기 솔레노이드 각각이 두 개 이상의 위상을 가지며, 상기 위상 중의 한 위상은 자체 관련 연소실 밸브를 개방시키고 다른 위상은 자체 관련 연소실 밸브를 폐쇄시키는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연기관.
  22. 자유 피스톤 내연기관을 작동하는 방법으로서, 상기 자유 피스톤 내연기관은 최대 및 최소 연소실 체적 사이에서 활주 왕복운동할 수 있으며 실린더의 연소실의 경계를 형성하는 단부면을 갖춘 하나 이상의 피스톤과, 자체 압축 행정을 통해 상기 피스톤을 구동시키기 위하여 상기 피스톤에 연결되어 있는 드라이버와, 그리고 상기 연소실과 연통하는 연료분사장치를 포함하는 자유 피스톤 내연기관을 작동하는 방법에 있어서,
    (a) 연소 가스의 팽창을 종료시키고 연소 생성물의 배출을 개시하는 팽창 행정의 말미 근처의 피스톤 위치에서 상기 연소실을 방출시키는 단계와,
    (b) 배출을 종료시키고 압축을 개시하는 피스톤 위치에서 방출을 종료시키는 단계와, 그리고
    (c) 희망 출력 동력의 변화에 응답하여 피스톤 위치와 관련된 상기 밸브의 개방 및 폐쇄 작동 중의 적어도 하나를 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 출력 동력이 감소함에 따라 압축 변위 대 팽창 변위의 비를 증가시키기 위하여 상기 선택된 피스톤 위치 중의 적어도 한 위치를 변경시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, (a) 상기 피스톤이 제 1 팽창 행정 종료 위치에 있는 시간을 검출하는 단계와, 그리고 (b) 상기 피스톤이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 연소실과 대기 사이에 연통되어 있는 밸브를 개방시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 각각 제 22 항 또는 제 23 항 또는 제 24 항에 따르는 다수의 개별 엔진으로 구성된 다단 엔진에 있어서,
    상기 다단 엔진의 피스톤들이 동일한 부하에 출력 동력을 공급하도록 연결되어 있으며, 그리고
    상기 개별 엔진 전체의 수보다 적은 수의 선택된 개별 엔진을 동시에 작동시키기 위하여 상기 개별 엔진들이 독립적으로 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 다단 엔진.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 개별 엔진의 밸브 액츄에이터가 컴퓨터에 연결되어 이에 의해 제어되며, 상기 컴퓨터는 부하 요구에 응답하여 선택된 개별 엔진의 작동을 선택적으로 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 다단 엔진.
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