KR20010052571A - 두개 또는 세개의 동력 모드에서 단일-에너지 또는이중-에너지로 작동하는 추가의 압축 공기 분사 엔진의작동 방법 및 장치 - Google Patents

두개 또는 세개의 동력 모드에서 단일-에너지 또는이중-에너지로 작동하는 추가의 압축 공기 분사 엔진의작동 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피스톤의 왕복운동에 의하여 작동하는 유입-압축 챔버(1) (및/또는) 팽창-배기 챔버(4)를 구비하고, 독립되어 쌍을 이루는 연소 챔버(2)를 더 포함하는 엔진 작동 방법에 관한 것으로 상기 세개의 챔버는 엔진의 순환 주기를 따라 상기 피스톤(15)을 최상단 중심에 일시 정지하게 하는 장치에 의하여 구별되는데, 상기 피스톤의 위치에서 연소 챔버와 팽창-배기 챔버가 분리되고, 또한 고압의 압축 공기 챔버(23)와 주변의 열 에너지를 회복하고 부가적으로 가열하기 위한 부가적 구조를 구비하여 공기와 추가 압축 공기의 단일-에너지로 작동하거나 이중-에너지로 작동하고 또는 내부 또는 외부 연소에서 종래의 연료를 공급하거나 또는 압축 공기를 어느정도 주입하여 사용방식에 따라 세개의 작동모드룰 만들 수도 있다. 본 발명은 모든 형태의 엔진 작동 방법에 유용하다.

Description

두개 또는 세개의 동력 모드에서 단일-에너지 또는 이중-에너지로 작동하는 추가의 압축 공기 분사 엔진의 작동 방법 및 장치{OPERATING METHOD AND DEVICE FOR SUPPLEMENTARY COMPRESSED AIR INJECTION ENGINE OPERATING WITH MONO-ENERGY OR BI-ENERGY IN TWO OR THREE POWERING MODES}
프랑스 특허 제 2319769 호 또는 제 2416344 호에 기술된 것과 같은 독립 연소실과 압축 팽창실을 구비한 순환 내연엔진은 종래의 엔진에 어느 정도 작동 성능을 향상시킬 수 있으나, 가스의 전달과 연소에 걸리는 시간은 매우 짧고, 좋은 효율을 기대할 수 없다.
공고 특허 WO 97/39232에서 술자는 유도-압축 챔버, 연소 챔버 및 팽창-배기 챔버의 완전히 독립된 세부분으로 구성되고, 상기 유도-압축 챔버의 순환은 팽창-배기 챔버의 순환 이전에 배치되어 긴 연소 시간을 가능하게 하는 독립적인 일정 체적 연소실을 가지는 순환 내연 엔진에 대한 방법을 기술하고 있다. 이 방법의 주요한 잇점 중 하나는 종래의 엔진에 비하여 혼합물이 아주 긴 시간동안 아주 일정한 체적에서 연소한다.
이러한 종류의 엔진의 문제점중 하나는 가스를 연소 챔버와 팽창 챔버 사이에 전달할 때 팽창 챔버에서 압력을 설정하는 시간이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 다른 프랑스 특허 제 97/13313 호에서 술자는 일정엔진이나 압축기와 같은 장치의 피스톤의 운동을 제어하기 위한 방법을 기술하고 있는데, 그 최상단 중심에서 피스톤이 일시정지하여 그 정지상태를 긴 시간동안 즉 회전동안 큰 각의 섹터를 유지하여 일정 체적에서
- 종래의 엔진의 경우에 점화와 연소 작동,
- 디젤 엔진의 경우에 연료 주입 작동,
- 각각 독립적 연소 (및/또는) 팽창 챔버를 구비한 엔진의 경우에 가스 (및/또는) 압축 공기의 전달 작동,
- 엔진과 다른 압축기의 모든 경우에 유도의 시작과 배기 종단 작동,
과 같은 작동이 일어난다.
피스톤은 최상단 중심에 멈추어 캠이나 피니언 등과 같은 당해 기술분야에서 일반적으로 알려진 어떤 수단에 의하여 그 상태를 유지하게 된다. 그러나 바람직하게는 피스톤이 그 최상단 중심에 멈추게하기 위하여 피스톤은 연결 로드와 크랭크 시스템에 의하여 자체 제어되는 압력 레버 장치를 사용하여 제어된다. "압력 레버"라는 용어는 두개의 연결 부재의 구조를 얘기하는데, 그중 하나는 고정 또는 피봇되는 일단을 구비하고, 다른 하나는 축 주위를 움직일 수 있다. 만약 두개의 부재가 일적선 상에 있을 때 힘이 두개의 부재의 관절에 축에 대하여 오른편 각에 미치면 자유 단부가 움직이게 된다. 이러한 자유 단부는 피스톤에 연결되어 작동시킬 수 있다. 피스톤의 최상단 중심은 두개의 관절연결된 부재가 특히 하나가 다른 하나와 일직선으로 연장될 때(약 180도)에 설정된다.
상기 크랭크샤프트는 제어 연결 로드에 의하여 두 부재의 관절축에 연결된다. 여러가지 구성부분의 공간적 위치와 크기에 의해 조립체의 동적 특성을 바꾸는 것이 가능하다. 정지 단부의 위치는 피스톤의 작동축과 두 부재가 일직선을 이룰 때의 그 일직선 사이에 각을 결정한다. 크랭크샤프트의 위치는 또한 제어 연결로드와 두개의 부재가 일직선을 이룰때 그 일직선 사이의 각을 결정한다. 이러한 각들의 크기와 연결로드와 부재의 길이의 변화는 피스톤이 최상단 중심에 일시정지하는 동안 크랭크샤프트의 회전각을 결정한다. 즉, 이는 피스톤 정지시간에 따라 결정되는 것이다.
이러한 종류의 엔진에서 열적 모드에서의 가스의 전달, 특히 연소 가스의 연소 챔버에서 팽창 챔버로의 전달은 고온에서 발생하고, 따라서 이러한 온도에서의 개폐를 조절하기 위한 구조를 제공하는 것은 매우 까다로운 문제이다.
본 발명은 육상 차량에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고압의 압축 공기 저장구를 구비하여 공기 추가 압축 공기의 주입에 의하여 작동하는 육상차량에 관한 것이다.
도 1은 팽창-배기 팸버가 피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한 구조에 의하여 제어되고, 쌍을 이루는 두개의 연소 챔버로 구성되는 본 발명에 따른 엔진의 일 실시예의 개략적 단면도,
도 2는 공기-연료 홈합물이 점화시에 연소 챔버로 유입된 후의 동일 엔진을 도시한 도면,
도 3은 팽창이 시작될 때의 동일 엔진을 도시한 도면,
도 4는 배기와 압축동안의 동일 엔진을 도시한 도면,
도 5는 압축된 공기-연료 혼합물이 연소 챔버로 주입될 때, 축적 압축 공기의 버퍼 체적이 압축기와 연소 챔버 사이에 구비되는 작동의 다른 모드를 도시한 개략전 단면도,
도 6은 동일 엔진의 점화시점을 도시한 도면,
도 7은 팽창하는 동안의 동일 엔진을 도시한 도면,
도 8은 동일 엔진의 배기 종단시점을 도시한 도면,
도 9는 이중 모드, 이중 에너지 작동을 위한 추가 공기 주입 장치를 구비한 본 발명에 따른 엔진의 개략적 단면도,
도 10은 배기가 시작될 때 그 최하단 중심에서의 동일 엔진을 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 압축 공기 엔진의 최상단 중심에서의 개략적 단면도,
도 12는 배기중의 이 엔진을 도시한 도면,
도 13은 재압축중의 이 엔진을 도시한 도면,
도 14는 주위의 열 에너지를 회복하기 위한 장치와 연속적인 연소열 장치를 구비한 엔진의 단면을 도시한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 이중-에너지 내연 엔진의 유동중의 단면도를 도시한 도면,
도 16은 이 엔진의 점화시점을 도시한 도면,
도 17은 팽창중의 이 엔진을 도시한 도면,
도 18은 배기중의 이 엔진을 도시한 도면,
도 19는 이중-에너지 삼중-작동모드에서 작동되는 본 발명에 따른 엔진의 단면도이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 엔진에서 서로 분리된 챔버 즉, 유입-압축, 팽창-배기, 일정 체적의 연소 (및/또는) 팽창 챔버를 연관시키는 방법에 의하여 달리 연소 챔버에서 팽창 챔버로 압력을 전달하는 것인데, 이러한 방법에서 피스톤이 그 최상단 중심에서 일시정지 하도록 피스톤의 스트로크를 조절하는 장치는 적어도 팽창챔버에는 설치된다. 연소 (및/또는) 팽창 챔버는 팽창-배기 챔버의 상부에 셔터없이 쌍으로 설치되고, 실질적으로 피스톤이 최상단 중심에 위치할때 연소 챔버와 팽창-배기 챔버를 분리한다. 또한, 유도-압축 실린더의 싸이클의 작동은 팽창-배기 실린더의 싸이클에 대하여 어느정도 지연될 수 있고, 따라서 엔진이 회전할 때 팽창-배기 실린더의 피스톤은 유입-압축 실린더의 피스톤이 최상단 중심에 도달하는 것보다 먼저 최상단 중심에 도달하게 된다. 팽창 실린더의 피스톤이 연소 챔버를 부분적으로 막으면서 최상단 중심에 도달하자 마자 유도-압축 챔버의 피스톤이 최상단 중심에 도달하고,
- 상기 연소 챔버와 상기 유입-압축 챔버 사이의 교환
- 상기 유입-압축 챔버의 피스톤이 최상단 중심에 도달하면서 압축되는 공기-연료 혼합물을 연소 챔버에 충진
- 상기 연소 챔버와 상기 유입-압축 챔버 사이의 교환의 차단
- 혼합물 점화 및 연소로 압력상승 발생
의 작동이 일어나는 동안 그 위치를 유지하며, 그 후 하강을 시작하자마자 압력 상승에 의한 일을 생성한다. 연소는 혼합물이 팽창 챔버로의 전달 없이 직접 팽창하기 때문에 아주 일정한 체적에서 일어나고, 팽창-배기 피스톤이 하강을 시작하면서부터 동력을 생성한다.
상기 용어 "아주 일정한"은 종래의 엔진에서 피스톤은 항상 작동 상태에 있으면서도 체적은 결코 동일하지 않은 반면 일반적인 어법에서 "일정 체적에서의 연소"라는 용어를 사용하는 기술 상태를 말한다.
이러한 장점은 소형 연소 챔버에서의 긴 연소시간과 함께 종래의 엔진에서 보다 배기에 있어 오염물질의 배기를 아주 낮게 해준다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 따르면, 압축 챔버와 연소 챔버 사이에 압축 공기가 축적된 완충 공간을 형성할 수 있는데, 이는 순전한 전달 체적과 연소 챔버 충진중의 팽창에 의하여 발생할 수 있는 서지 효과와 압력 하락을 방지할 수 있다.
유입-압축 챔버의 작동 모드는 따라서 본 발명의 원리의 어떤 변화 없이 변화될 수 있는데, 통상적으로 피스톤형 압축기를 사용하는 것이 간편해 보일 수 있고, 압축 공기를 생성하는 다른 방법 - 단일 또는 다중 단계의 피스톤 압축기, 로터리 베인, 기어(루츠(Roots),라이숌(Lyshom))형, 또는 배기 가스에 의하여 구동되는 터보 압축기- 등이 사용될 수도 있다. 또 어떤 적용예에서는 실린더(또는 다른 용기)의 연소 챔버에서 팽창될 수 있는 저장공기를 사용할 수 있고, 또는 네트워크(네트워크로부터 압축 공기를 사용하는 공장에서 사용되는 정지 엔진의 경우에 있어서)로부터 이미 압축된 공기를 사용할 수도 있다.
바람직하게는 쌍을 이루는 연소 챔버는 연소가 잘 일어날 수 있도록 거친 부분이나 코너가 없는 구형에 가까운 형상으로 형성되고, 매우 고온으로 유지되는 벽을 통한 에너지 손실이 없도록 세라믹 또는 덧씌우는 단열 물질로 만들어진 열장벽으로 코팅되어 단열되는데, 따라서 연소 불꽃은 꺼지지 않고 배기 가스에 연소되지 않은 탄화 수소가 포함되는 것을 막을 수 있다. 즉, 이러한 조합은 배기 가스의 오연도를 상당히 낮추어줄 수 있다.
본 발명에 따른 엔진의 작동 방법은 균일한 공기-연료 혼합물을 사용할 수 있도록 하고, 상기 혼합물은 주입 구조(전자적 또는 기계적)가 바람직하기는 하지만 유입-압축 단계에 앞서 기화기(카뷰레터,Carburetor)에 의하여 생성될 수 있다. 그러나, 연소 챔버로의 직접 주입은 본 발명의 기본 원리를 변경하지 않고 달리 변화될 수 있다.
본 발명에 따른 엔진의 작동 방법은 또한 디젤 엔진에서와 같이 균일하지 않은 자가-점화 혼합물을 사용할 수도 있다. 이 경우에 연소 챔버에 설치된 스파크 플러그는 생략되고, 펌프로부터 디젤 연료의 직접 주입기와 디젤 엔진에서 일반적으로 사용되는 이러한 종류의 장치가 상기 연소 챔버에 구비될 수 있다. 본 발명은 이중의 모드에서 이중 에너지 작동에서도 적용될 수 있다.
특허 출원 WO 96/27737 에서 술자는 독립된 내연엔진에 대하여 기술하고 있는데, 고속도로에서는 가솔린이나 디젤 연료와 같은 종래의 연료를 사용하고(공기-연료의 단일 모드에서 작동), 낮은 속도 특히 시내 또는 교외에서는 다른 연료의 행정(공기와 추가 압축 공기의 제 2 모드에서의 작동)에서는 연소 챔버(다른 무오염 가스)로 압축 공기를 주입하는 두가지 타입의 에너지를 가지는 이중 모드 원리에 의하여 작동한다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 본 발명에 따른 엔진의 작동 방법은 이러한 이중 에너지 이중 모드의 원리를 적용하고 있다. 공기-연료 모드에서, 공기-연료 헌합물은 독립된 유입-압축 챔버로 유입되어 압축된다. 이러한 혼합물은 그 압력으로 팽창-배기 챔버와 쌍을 이루는 연소 챔버로 전달된다. 팽창-배기 피스톤이 최상단 중심에서 멈추었을 때, 연소 챔버는 일정 체적하에 있고, 혼합물은 점화되어 온도와 압력이 상승된다. 연소는 피스톤이 최상단 중심에 정지해 있는 동안 계속되고, 그 후 혼합물은 팽창-배기 챔버로 전달됨 없이 일을 생성하도록 직접 팽창한다. 팽창된 가스는 배기 덕트를 통하여 대기로 방출된다.
낮은 속도에서의 공기와 추가 압축공기 모드에서 연료 주입기는 더이상 작동하지 않고, 팽창-배기 피스톤이 최상단 중심에 정지해 있는 동안 연소 챔버는 일정 체적을 유지하며, 유입-압축 챔버로부터 (연료 없는) 압축 공기가 유입된 상당히 지난 후 상온, 고압 예컨대 200 bar 정도의 공기가 저장된 외부 저장구로부터 어느정도의 추가 압축 공기가 유입된다. 이러한 상온의 추가 압축 공기는 연소 챔버(이 경우 팽창 챔버가 되는)의 고온의 공기와 접촉하며 가열되고 팽창하며, 두 공기의 혼합물은 챔버 내의 압력을 상승시켜 팽창하는 동안 동력을 생성할 수 있게 한다.
본 발명은 또한 단일 에너지 공기와 추가 압축 공기 모드의 작동에 적용될 수 있다. 특허 출원 WO 97/4884에서 술자는 서비스 차량, 예컨대 시내 버스, 택시, 운반 밴등에서 공기와 추가 압축 공기로 단일 모드에서 작동하는 이러한 타입의 엔진의 설치를 기술하고 있다.
이러한 타입의 이중-모드, 이중-에너지(공기와 가솔린 또는 공기와 추가 압축 공기)엔진은 사실 시내에서 사용되는 모드 차량, 특히 시내 버스나 다른 서비스 차량(택시, 쓰레기 차량 등)들에 적합하도록 변환될 수 있는데, 즉 엔진에서 종래의 연료에 의하여 작동되기 위한 부품 즉, 탱크, 연료 순환, 주입기 등을 생략함으로써 공기와 추가 압축 공기의 단일 모드에서 작동하도록 변환하는 것이다.
본 발명의 다른 특성에 의하면 본 발명에 따른 엔진의 작동 방법은 또한 연소 챔버에 추가 압축 공기를 주입하여 단일-에너지, 단일-모드 원리를 사용할 수 있고 이때 연서 챔버는 팽창 챔버가 된다. 또한, 엔진에 의하여 유입된 공기는 하나 이상의 목탄 필터 또는 다른 기계적 또는 화학적 방법 또는 분자 체 또는 다른 필터를 통하여 여과 또는 순수화하여 오염물이 아주 적은 엔진을 형성할 수 있다. 이 글에서 "공기"라는 용어는 "어떤 오염 없는 가스"를 통칭하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 압축 공기 모드에서 본 발명은 압축 공기 엔진의 작동을 위한 다른 방법을 제안하고 있는데, 피스톤의 스트로크를 제어하여 그 최상단 중심에 정지할 수 잇도록 하는 장치를 구비하는 것이다. 유입-압축 실린더는 밸브의 개폐를 유지함으로써 작동을 조절하거나 또는 엔진이 압축-공기 모드의 단일 모드에서만 작동할때 생략함으로써 분리될 수 있다. 엔진은 배기 포트와 쌍을 이루는 독립된 팽창 모드를 구비한 팽창-배기 실린더를 구비하여 작동한다. 팽창-배기 챔버의 피스톤의 상승 중, 즉 배기 싸이클 중 상기 배기 포트는 닫혀서 팽창 챔버에서 팽창 가스의 어느 정도를 고온 고압으로 재압축하고 피스톤이 최상단 중심에 머무르는 동안 저장구로부터 추가 압축 공기가 어느 정도 주입되어 상기 챔버내의 압력을 증가시켜 피스톤을 밀어내어 하강시키면서 일을 생성한다.
따라서,엔진은 싸이클에서 크랭크샤프트의 각 순환 팽창(즉, 파워 스트로크)하도록 작동하는데, 근본적으로는 다르지만 이는 매 엔진 순환마다 팽창하는 종래의 2-스트로크 엔진의 그것과 비교될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 엔진의 작동 방법은 프랑스 특허 출원 제 97/00851 호에 기술된 바와 같은 주변 열 에너지 회복을 위한 구조를 구비하고 있는데, 상기 특허에서는 고압(예컨대 200 바)과 상온(예컨대 20℃)의 저장구에 저장된 압축 공기는 사용 종단 압력(예컨대 30 바 이하)이전에 가변 체적 구조(예컨대 실린더의 피스톤)에서 사용 종단 지점에서 요구되는 압력 가까이 팽창하면서 기계, 전자, 유압등의 어떤 장치에 의하여 회복 되고 사용될 수 있는 일을 생성한다. 일을 수반하는 이러한 팽창은 결과적으로 사용압력에 가까운 압력으로 팽창하는 압축 공기를 아주 낮은 온도(예컨대 -100℃)로 냉각시킨다. 아주 낮은 온도의 사용압력으로 팽창된 이 압축 공기는 그 후 대기와 열을 교환하는 열 교환기로 보내지고 대기 온도에 가깝게 가열되며, 따라서 대기로부터 전달된 에너지를 회복하여 압력과 체적이 증가한다.
또한 바람직하게는 본 발명에 따른 엔진의 작동 방법은 프랑스 특허 제 98/00877 호에 기술된 바와 같은 열적 가열 구조가 구비될 수 있다. 상기 특허에서 술자는 사용될 수 있고 가능한 에너지량을 증가시킬 수 있는 방법을 제시하고 있는데, 이 방법은 연소 챔버로 주입되기 전에 직접 또는 공기 대 공기 열 교환기를 통과한 압축 공기가 연소 (및/또는) 팽창 챔버로 주입되기 전에 압력 (및/또는) 체적을 더 증가시킬 수 있는 가열기를 통과하도록 하여 엔진에 의하여 얻어질 수 있는 작동 성능을 상당히 향상시킬 수 있는 것이다. 가열기의 사용은 촉진되고, 오염이 아주 적은 배기를 얻기 위한 어떤 수단에 의하여 감소된 오염물로부터 연속적인 연소를 정화할 수 있는 잇점이 있다.
본 발명에 따른 다른 면은 또한 유도-압축 챔버를 생략하여 엔진이 이중 에너지 모드(시내에서는 공기와 추가 압축 공기에 의하여 작동하고, 고속도로에서는 공기와 종래의 연료에 의하여 작동)에서 작동할 수 있도록 하는 다른 방법을 제기하고 있다. 매 엔진 순환의 피스톤 상승 부분에서 오픈되는 배기 밸브의 개폐를 위한 싸이클은 매 두번째 순환의 피스톤 상승 중 오픈되는 작동동안 변화한다. 게다가 엔진은 공기와 가솔린, 디젤 오일 등의 연료를 위한 주입구를 가지고 이는 기화된 혼합물이 주입되는데, 이는 종래의 4-스트로크 엔진 싸이클에 따라 피스톤이 하강하는 동안 들어와 팽창 챔버(그 후 연소 챔버가 되는)에서 압축된 후 연소 팽창되어 피스톤을 밀어내면서 일을 생성하고 그 후 배기로 방출된다.
본 발명의 다른 면에 따르면 발명은 삼중-모드 이중-에너지의 작동 방법을 제기하는데, 여기서 엔진은 예컨대 무오염의 시내 운전에 있어서 추가 가열이 없는 압축 공기로 작동하고, 예컨대 아주 낮은 오연도를 갖는 교외운전에 있어서 종래의 연료가 공급되는 가열기에서 외부 연소에 의하여 가열되는 압축 공기에 의하여 작동하고, 고속도로 운전에 있어서 내부 연소에 의여 작동하거나 공기와 가솔린(다른 연료)의 주입으로 작동하는데, 즉 기화된 혼합물은 종래의 4-스트로크 엔진 싸이클에 따라 피스톤이 하강하는 동안 들어와 팽창 챔버에서 압축된 후 연소 팽창되어(이때 팽창 챔버는 연소 챔버가 된다) 피스톤을 밀어내면서 일을 생성하고 그 후 배기로 방출된다.
상기 3개의 작동 모드-공기와 추가 압축 공기, 공기와 버너에 의하여 가열되는 추가 압축 공기, 공기와 연료-는 분리되어 사용되거나 복합적으로 사용될 수 있는데, 배기와 입구 덕트를 개폐하는 모드와 모드를 바꾸는 방법 및 장치는 전자 장치 또는 전자 기계적 장치, 기계적 장치등에 의하여 제어되고, 사용된 연료나 가스는 본 발명의 요지를 변경함 없이 변화될 수 있다. 이처럼 유입 및 배기 밸브는 바람직하게는 작동 특성에 따라 전자 컴퓨터에 의하여 작동되는 전자적으로, 압축 공기에 의하여 또는 유압 장치에 의하여 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 목적과 장점 및 특성은 제한적이지 않은 예, 첨부한 도면을 참조한 몇몇 실시예에 의한 상세한 설명에 의하여 더욱 명확해 질 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 일 실시예을 도시한 것으로 유입과 압축, 팽창, 배기 챔버는 연결로드와 크랭크 시스템 및 실린더 내부를 슬라이딩하는 피스톤에 의하여 제어되는데, 단면도에서는 압축 챔버(1)와 스파크 플러그(3)를 구비한 일정 체적의 연소 챔버(2)와 쌍을 이루는 팽창 챔버(4)가 도시되어 있다. 상기 압축 챔버(1)는 개폐가 밀봉 셔터(6)에 의하여 제어되는 덕트(5)에 의하여 연소 챔버(2)에 연결된다. 상기 연소 챔버(2)는 팽창 챔버(4)와 짝을 이루어 팽창 챔버의 상단부로 열린다.
상기 압축 챔버에는 종래의 피스톤-압축기 조립체 즉, 연결 로드(11)와 크랭크샤프트(12)에 의하여 제어되어 실리더(10) 내부를 슬라이딩하는 피스톤(9)에 의하여 압축 공기가 공급된다. 신선한 공기-연료 혼합물은 입구 덕트(13)를 통하여 유입되는데, 그 개방은 밸브(14)에 의하여 제어된다.
팽창 챔버는 피스톤의 왕복운동을 조절하는 수단을 구비한 피스톤으로 엔진 조립체를 제어하는데, 상기 수단에서 실린더(16) 내부를 슬라이딩 하는 상기 피스톤(15)(최상단 중심의 위치에 도시됨)은 압력 레버에 의하여 제어된다. 상기 피스톤(15)은 고정된 다른 부재(17B)와 공통축(17A)에서 관절연결되는 부재(17)로 구성되어 있어 상기 정지 축(17C)에서 피봇하는 상기 압력 레버의 자유 단부(15A)에 그 축에 의하여 연결된다. 두개의 부재(17,17B)가 공통으로 연결되는 축(17A)에는 축(18B) 둘레를 회전하는 크랭크 샤프트(18)의 관절(18A)에 연결되는 제어 연결 로드(17D)가 연결된다.
크랭크 샤프트가 회전함에 따라, 제어 연결 로드(17D)는 압력 레버의 두개의 부재(17,17B)의 공통축(17A)에 힘을 부여하여 피스톤(15)을 실린더(16)의 축을 따라 이동하도록 하고, 동력 순환동안 피스톤(15)에 부여되는 힘을 크랭크 샤프트(18)로 이동시켜 회전하도록 한다. 상기 정지된 축(17C)은 피스톤(15)이 이동하는 축에 대하여 측부에 배치되어 피스톤의 작동축과 두개의 부재(17,17B)가 일직선상에 놓일때 그 일직선(X'X)과의 사이의 각 A를 결정한다. 상기 크랭크 샤프트는 실린더 (및/또는) 압력 레버에 대하여 측부에 배치되는데 그러한 배치는 제어 커넥팅 로드(17D)와 두개의 부재(17,17B)가 일직성상에 놓일때 그 일직선(X'X)의 축 사이의 각 B를 결정한다. 각 A와 각 B 와 연결 로드와 부재의 길이의 다양한 변화에 따라서 조립체의 작동 특성이 변화하는데 따라서 피스톤(1)의 왕복운동을 나타내는 대칭 커브를 얻을 수 있고, 피스톤(15)이 그 최상단 중심에 정지할 때 크랭트 샤프트의 회전 각도를 결정할 수 있다. 연소된 가스는 배기 덕트(19)를 통하여 배기되고, 그 개방은 밸브(20)에 의하여 제어된다.
크랭크 샤프트(18)는 팽창 피스톤과 압축 피스톤의 최상단 중심 사이의 각 오프셋을 갖는 링크(21)를 통하여 압축기를 동일한 속도로 작동시키는데, 압축 피스톤의 최상단 중심에서는 바람직한 연소 시간에 따라 선택된 회전각에 의하여 지연된다. 상기 압축기는 역시 동일한 크랭크 샤프트에 배치되고 상기 관절들의 각 오프셋은 본 발명의 장치의 원리를 변화시킴없이 최상단 중심의 오프세팅을 얻을 수 있는데, 본 실시예에서는 링크(21)로 도시되어 있고, 유사 도면이 가능할 수 있다.
도 1은 압축기 피스톤(9)이 최상단 중심에 가까이 가고, 일정-체적 연소 챔버(2)에 신선한 공기-연료 혼합물이 주입될 수 있도록 셔터(6)가 막 열렸을 때의 엔진을 도시하고 있는데, 이때 팽창 챔버(4)의 피스톤(15)은 그 최상단에 위치되고 엔진회전 예컨대 110도의 어떤 시간동안 머무르게 된다.
도 2에서와 같이 시계방향으로 회전을 계속하는 동안에 압축기 피스톤(9)은 최상단 중심을 지나게 되고, 하강을 시작하게 된다. 즉, 셔터(6)는 클로즈되어 덕트(5)가 닿히며, 입구 밸브(14)는 압축기로부터 신선한 공기-연료 혼합물의 보충을 위하여 열린다. 상기 셔터(6)가 닫히자마자 스파크 플러그(3)에 의하여 점화가 이루어지고, 공기-연료 혼합물은 팽창-배기 실린더과 쌍을 이루는 일정 체적의 챔버(2)에서 연소되는데, 이때 팽창 피스톤(15)은 연소가 일어나는 동안 그 최상단 중심에 머무르게 된다.
크랭크샤프트(12,18)는 회전을 계속하고(도 3은 약 100도 위치를 도시한 것임),팽창 피스톤(15)은 그 하강을 시작하며, 쌍을 이루는 연소 챔버(2)내의 아주 고압상태의 가스는 팽창 챔버(4)에서 팽창되고, 피스톤(15)을 신장시키며 따라서 동력 순환을 제공하게 되는 것이다. 이때 압축기 피스톤(9)은 신선한 탄소화합된 혼합물의 주입이 완성하는 과정에 있게 되고, 상기 입구 밸브(14)는 클로즈된다.
팽창은 도 4에서와 같이 크랭크샤프트가 회전하여 약 180도에 이르기까지 계속되어 배기밸브(20)는 열리고 피스톤(15)은 연소, 팽창된 가스를 배기 덕트(19)로 방출시키는데, 이때 압축 피스톤(9)은 상기 압축 챔버(1)에서 공기-연료 혼합물을 압축하고 상기 셔터(6)는 신선한 공기-연료 혼합물을 일정 체적 챔버(2)로 주입하여 사이클을 재개할 수 있도록 한번 더 열린다(도 1).
크랭크 샤프트(엔진과 압축기)의 각각의 회전을 위하여 대응되는 팽창(또는 파워 스트로크)이 있고, 압축기 피스톤(9)의 최상단 중심과 팽창 피스톤(15)의 최상단 중심 사이의 오프셋의 선택과, 팽창 피스톤(15)이 최상단 중심에 정지해 있는 시간은 일정 체적 연소 챔버(2)에서의 혼합물의 연소시간을 결정한다는 것은 이해할 수 있을 것이다.
또한, 팽창 피스톤(15)에 의하여 대체되는 팽창 체적은 압축기(9)에 의하여 대체된 체적에 비하여 크다. 이러한 차이는 팽창 단계에서 최저 압축가능 압력을 얻기 위한 다향성 압축 및 팽창 커브의 차이에 따라 결정될 수 있는데, 이것은 좋은 효율과 낮은 소음 발생의 검증한다.
도 5 내지 8은 본 발명에 따른 다른 실시예의 개략적 단면을 도시한 것으로 압축기와 일정 부피 연소 챔버(2) 사이에는 어떤 적당 수단으로 덕트(22A)를 통하여 압축공기가 공급되는 압축 공기 버퍼 체적(22)이 구비된다. 이 체적은 실제로 일정한 압력이 유지되고, 어떤 서지(surge) 효과를 피할 수 잇는 효과가 있으며, 압력은 연소 챔버(2)를 채우는 동안 순전한 전달 체적에 의하여 팽창되는 만큼 떨어진다. 개폐가 셔터(6)에 의하여 제어되는 상기 덕트(5)는 압축-공기 버퍼 체적(22)을 연소 챔버(2)에 연결하고, 연소 챔버(2)에 주입되기 전에 어느정도의 공기-연료 혼합물을 만들어 주기 위한 연료 주입기(24)를 구비하고 있다. 이 덕트에 역시 구비되는 셔터(25)는 연소 챔버로의 주입을 조절하게 된다.(쓰로틀)
도 5는 인젝터(24)에 의하여 분무되는 연료와 혼합된 압축 공기가 덕트(5)를 통하여 일정-체적 연소 챔버(2)로 주입되도록 셔터(6)가 오픈될 때의 엔진을 도시한 것으로, 이때 이전 순환에서 연소,팽창된 가스는 덕트(19)를 통하여 대기로 배기되는 동안(배기 밸브(20)는 열림) 팽창 피스톤(15)은 상승하여 최상단 중심에 위치하고 있다.
도 6에서는 상기 혼합물이 쌍을 이루는 독립된 연소 챔버(2)로 주입되자마자 셔터(6)는 다시 클로즈되고, 독립 연소 챔버(2)는 고립되며, 바로 스파크 플러그(3)가 점화를 시작하고, 팽창 피스톤(15)이 그 최상단 중심에 머무르는 동안 공기-연료 혼합물은 일정-체적 연소 챔버(2)에서 연소된다.
도 7에서 크랭크샤프트(18)는 회전을 계속하고, 팽창 피스톤(15)은 하강실행하며, 쌍을 이루는 연소 챔버(2)에 포함된 고압 가스는 팽창 챔버(4)에서 팽창하여 피스톤(15)을 밀어내어 파워 스트로크를 제공한다.
팽창은 크랭크샤프트(18)가 거의 180도 회전하는 동안 최하단 중심까지 계속되고, 그 후 배기 밸브(20)가 열리고, 피스톤(15)이 상향하며, 도 8에서와 같이 최상단 중심까지 배기 덕트(19)의 가스가 팽창한다. 그 후 상기 셔터(6)는 일정-체적 챔버(2)에 신선한 공기-연료 혼합물을 새로 충전하여 순환을 재개할 수 있도록 열린다(도 5).
압축 공기 버퍼 체적의 주입과 함께 엔진의 작동 원리는 동일하게 유지되는 것을 관찰할 수 있는 것이다. 그러나, 공기 압축기는 완전히 독립적으로 되고, 더이상 엔진 크랭크샤프트(18)에 대하여 특별한 각 타이밍을 가질 필요가 없는데, 따라서 이러한 원리의 선택은 촉진될 수 있으며, 예컨대 로터리 압축기들이 사용될 수도 있다. 더구나, 상기 버퍼 체적의 크기가 커지면 커질수록, 체적 전달과 연소 챔버를 채우는 동안의 팽창에 있어서 서지와 압력 하강의 효과의 감소는 더 커지게 된다.
도 9와 도 10은 이중-에너지 이중-모드 작동을 위한 본 발명에 따른 따른 엔진을 도시한 것으로 추가 공기 주입기(24A)와 고압 압축공기 저장구(23)를 구비하여 도시지역에서 공기 오염 없이 작동할 수 있다. 즉, 상기 엔진은 일정량의 추가 압축공기를 연소챔버(2)(따라서, 팽창챔버로 변환)에 주입함으로써 압력을 높여 연료의 주입 없이 작동하게 된다. 순환하는 내연엔진을 도시한 이 도면들에서 쌍을 이루는 연소 챔버(2)에는 압축 공기의 완충 공간(22)이 제공되는데, 상기 완충공간은 어떤 수단에 의하여 덕트(22A)로 압축 공기가 충진되어 실질적으로 일정 압력이 유지되고 따라서, 순전한 전달 체적과 연소 챔버(2)를 채우는 동안의 팽창에 따른 서지와 압력 하강의 어떤 효과를 피할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 셔터(6)에 의하여 개폐가 조절되는 덕트(5)는 압축 공기 완충 공간(22)을 팽창 및 배기 챔버(4)와 쌍을 이루는 연소 챔버(2)에 연결하고, 연소 챔버(2)에 주입되기 전에 이느정도 공기-연료 혼합물을 만들어 주기 위한 연료 주입기(24)를 포함하여 구성된다. 이 덕트에 역시 구비되는 셔터(25)는 연소 챔버로의 주입을 조절하게 된다.(쓰로틀)
이러한 동일한 도 9와 도 10에서 엔진은 또한 피스톤의 왕복운동을 조절하기 위한 수단이 구비되는데 상기 수단에서 실린더(16) 내부를 슬라이딩하는 피스톤(15)은 압력 레버에 의하여 제어되는데, 그 작동과 상세한 구조는 도 1에서 기술된 것과 동일하다.
종래의 연료를 사용하여 고속도로에서 작동될때, 엔진은 도 5내지 8에서 기술된 것과 같이 작동한다.
저동력의 작동에서 연료 주입기(24)는 더이상 작동하지 않고, 회전에 있어서는 도 9에서와 같이 엔진에서 피스톤이 팽창 실린더(16)의 피스톤의 최상단 중심에 있을때 추가 공기 주입구(24A)만 작동하여 고압 저장 실린더(23)에서 챔버로 일정량의 추가 압축공기만 주입하고, 연소챔버(2)에서 얻어진 압력보다 약간 더 높은 압력으로 팽창하여 그것이 전달될 수 있도록 한다. 이러한 추가 압축 공기는 챔버 내의 압축공기와 접촉하여 가열되고, 그 두 공기의 혼합물은 압력 상승을 어느정도 유발하여 팽창하는 동안 일을 생성할 수 있다. 팽창은 크랭크샤프트가 회전하여 약 180도에 이르기까지 계속되어 도 10에 도시된 바와 같이 배기밸브(20)는 열리고 상향하는 피스톤(15)은 최상단 중심에 이르기까지 연소, 팽창된 가스를 배기 덕트(19)로 방출시킨다.
도 11 내지 도 13은 본 발명에 따른 단일-에너지 공기 엔진의 개략적 단면을 도시한 것으로 피스톤의 왕복운동을 조절하기 위한 수단이 구비되는데, 즉 실린더(16) 내부를 슬라이딩하는 피스톤(15)(도 11에는 최상단 중심에 위치된 상태가 도시됨)는 압력레버에 의하여 조절된다. 상기 피스톤(15)는 압력 레버의 자유 단부(15A)에 그 축에 의하여 연결되는데, 상기 압력레버는 하나의 부재(17)가 고정되어 정지축(17C) 둘레를 피봇할 수 있는 다른 부재(17B)에 공통축에 의하여 연결되는 구조로 구성된다. 두개의 부재(17,17B)가 공통으로 연결되는 축(17A)에는 축(18B) 둘레를 회전하는 크랭크 샤프트(18)의 관절(18A)에 연결되는 제어 연결 로드(17D)가 연결된다. 따라서, 크랭크 샤프트가 회전함에 따라, 제어 연결 로드(17D)는 압력 레버의 두개의 부재(17,17B)의 공통축(17A)에 힘을 부여하여 피스톤(15)을 실린더(16)의 축을 따라 이동하도록 하고, 파워 스트로크동안 피스톤(15)에 부여되는 힘을 크랭크 샤프트(18)로 이동시켜 회전하도록 한다. 상기 정지된 축(17C)은 피스톤(15)이 이동하는 축에 대하여 측부에 배치되어 피스톤의 작동축과 두개의 부재(17,17B)가 일직선상에 놓일때 그 일직선(X'X)과의 사이의 각 A를 결정한다. 상기 크랭크 샤프트는 실린더 (및/또는) 압력 레버에 대하여 측부에 배치되는데 그러한 배치는 제어 커넥팅 로드(17D)와 두개의 부재(17,17B)가 일직성상에 놓일때 그 일직선(X'X)의 축 사이의 각 B를 결정한다. 각 A와 각 B 와 연결 로드와 부재의 길이의 다양한 변화에 따라서 조립체의 작동 특성이 변화하는데 따라서 피스톤(1)의 왕복운동을 나타내는 대칭 커브를 얻을 수 있고, 피스톤(15)이 그 최상단 중심에 정지할 때 크랭트 샤프트의 회전 각도를 결정할 수 있다. 피스톤과 연결 로드 및 크랭크샤프트의 이와 같이 구조에 있어서 그 상부에는 도 11에서와 같이 한편에는 개폐가 배기 밸브(20)에 의하여 조절되는 배기 포트(19)가 구비되고, 다른 한편에는 주입기(24A)에 의하여 추가 압축공기가 공급되어 압력하에 있는 팽창챔버가 연결된 실린더 헤드(11)가 구비된다. 회전하는 동안 팽창 챔버(2)의 압축 공기는 팽창하여 피스톤(15)을 최하단 중심까지 밀어내고, 따라서 그 파워 스트로크를 생성하며, 배기 밸브(20)는 이러한 과정동안 클로즈된 상태를 유지하게 된다. 특히 최하단 중심에서는 도 12에 도시된 바와 같이 배기 밸브(20)는 오픈되고, 피스톤(15)은 상승하여 배기 덕트(19)를 통하여 이전 순환에서 팽창된 얼마정도의 압축 공기를 대기중으로 배기하게 된다. 피스톤(15)이 상승하는 동안중 어떤 주어진 순간에 예컨대 도 13에 도시된 바와 같이 상기 상승 중간지점에서 배기 밸브는 다시 클로즈되고, 피스톤은 실린더에 아직 남은 가스를 재압축하여 팽창 챔버(14)에 고압,고온(핫 공기)을 형성할 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이 피스톤이 최상단 중심에 멈추자마자 주입기(15)는 팽창 챔버의 압력을 증가시킬 수 있도록 어느정도의 추가 압축 공기를 고압 저장구(23)로부터 주입하도록 작동하고, 따라서 팽창하는 동안 순환을 반복하여 동기 파워를 형성하게 된다.
당해 기술분야의 당업자는 본 발명의 기본 원리를 변화시킴 없이 배기가 압축이 끝날 때의 최종 온도와 압력과 같은 바람직하고 선택되는 변수에 적당하게 가깝도록 그 시간을 결정할 수 있을 것이다.
도 14는 또한 본 발명에 따른 엔진을 도시한 것으로 주변 열 에너지를 회복하고 가열하기 위한 수단을 구비하고 있다. 즉, 상기 엔진은 주변 열 에너지를 회복하기 위한 수단을 구비하고 있는데, 저장구(23)에 저장된 고압 압축 공기의 일을 하는 팽창이 트랜스미션 장치(21A)에 의하여 엔진 크랭크샤프트(18)에 연결되는 크랭크샤프트(18C)에 직접 커플링되는 연결 로드(53)와 작동 피스톤(54) 조립체에서 수행된다. 이러한 피스톤(54)은 블라인드(blind) 실린더(55) 내부를 슬라이딩하고, 한편에는 전자적으로 작동하는 밸브(38)에 의하여 조절되는 고압 공기 주입 덕트(37)에 오픈될 수 있고, 다른 한편에는 그 자체가 덕트(42)에 의하여 실질적으로 일정한 사용마감 압력(43)을 가지는 완충 공간에 연결되는 공기 대 공기 열교환기 또는 라디에이터(41)에 연결되는 배기 덕트(39)로 오픈될 수 있는 작동 챔버(35)를 결정한다. 상기 작동 피스톤(54)이 최상단 중심에 있을 때 작동하는 동안 전자적으로 작동하는 밸브(38)는 아주 높은 압력의 공기를 공급하기 위하여 다시 열렸다 닿히는데, 공기는 팽차하면서 피스톤(54)을 최하단 중심까지 밀어내면서 일을 생성하고, 연결 로드(53)를 통하여 크랭크샤프트(18C)를 구동하며, 트랜스미션 장치(21A)를 통하여 엔진 크랭크샤프트(18)를 구동한다. 상기 피스톤(54)이 수축하는 동안 전자적으로 작동되는 배기 밸브(40)는 열리게 되고, 작동챔버에서 실질적으로 사용압력과 아주 저온을 갖도록 팽창된 압축 공기는 공기 대 공기 교환기 또는 라디에이터(41)로(화살표 F 방향) 방출된다. 이러한 공기는 따라서 주변 온도에 가까운 온도로 가열되고, 완충 공간(43)으로 이동하는 동안에 대기로부터 상당량의 에너지를 회복하여 체적이 증가하게 된다.
또한, 상기 공기 대 공기 교환기(41)와 완충 공간(43) 사이의 덕트(42)에는 열적 히터(56)가 설치되는데, 이는 공기 대 공기 교환기(14)에서 나오는 압축 공기를 열 교환 코일(58)을 지나면서 온도 따라서 압력 (및/또는) 체적을 증가시킬 버너(57)를 구비하고 있다.
도 15 내지 18은 본 발명의 다른 일면에 따른 엔진의 개략적 단면을 도시한 것으로 두가지 타입의 에너지를 사용하는 이중-모드에서의 본 발명의 원리에 따라 작동하도록 적용할 수 있다. 즉, 고속도로에서는 가솔린이나 디젤 오일과 같은 종래의 연료를 사용하고(공기-연료 작동에서의 싱글모드), 저속 특히 도시나 교외지역에서는 연소 챔버에 압축 공기를 주입하며, 실린더(16) 내부를 슬라이딩하는 피스톤(15)은 압력 레버에 의하여 조절되는데 그 상세 구조와 작동은 도 1에서 기술된 것과 동일하다.
피스톤과 연결 로드 및 크랭크샤프트의 이와 같이 구조에 있어서 그 상부에는 도 11에서와 같이 한편에는 개폐가 배기 밸브(20)에 의하여 조절되는 배기 포트(19)와 쌍을 이루는 연소 챔버(2)가 구비되고, 다른 한편에는 개폐가 밸브(14A)에 의하여 조절되는 주입 포트(13A)가 구비된다. 엔진이 공기와 추가 압축 공기 모드에서 작동할 때, 주입 밸브(13A)는 작동하지 않고 닿혀 있고, 따라서 엔진은 도 11 내지 13에 기술된 것과 같이 작동하는데, 어떤 속도 즉 60km/h 이상에서는 공기-연료 혼합물에 의한 열적 모드로 전환되고, 배기 밸브의 개폐를 조절하는 순환은 변환되어 밸브는 단지 매 두번째 엔진 순환에서의 피스톤이 수축하는동안에 오픈되는 반면에 주입 밸브(13A)는 매 두번째 엔진 순환에서의 피스톤이 신장하는 동안에 오픈된다. 따라서 도 15에서와 같이 피스톤(15)이 신장하는 동안 엔진은 모드와 순환 싸이클을 변환할 수 있는데, 주입 밸브(13A)는 오픈되고 피스톤은 주입기(24)에 의하여 전달되는 공기와 가솔린 혼합물을 받아들인다. 그 후 이 혼합물은 도 16에서와 같이 피스톤(15)이 상승하는 동안 연소 챔버에서 압축되고, 스파크 플러그(3)에 의하여 점화가 이루어지고, 도 17에서와 같이 팽창하면서 파워 스트로크 동안 최하단 중심까지 피스톤(15)을 밀어낸다. 이때 배기 밸브(20)는 오픈되고, 혼합물은 도 18에서와 같이 피스톤(15)이 상승하면서 배기 덕트(19)를 통하여 대기중으로 방출된다. 피스톤이 최상단 중심에 있을 때, 주입 밸브(13A)는 다른 순환(도 15)을 재개할 수 있도록 오픈된다. 따라서, 엔진은 종래의 4-스트로크 싸이클에서 작동하는 것이다.
도 19는 본 발명에 따른 이중-에너지 삼중-모드 엔진 조립체를 도시한 것으로 낮은 부하에서 공기 플러스 추가 압축 공기에서 작동할 수도 있고, 압축 공기 플러스 열 히터에 의하여 가열되는 추가 압축 공기에서도 작동할 수 있는데, 상기 두개의 작동 모드는 각 순환마다 하나의 파워 스트로크를 가지는 싸이클에 포함도리 수 있고, 또는 달리 매 두개의 순환마다 하나의 파워 스트로크가 있는 내연 모드에서 열적 공기와 연료가 함께 있을 수 있다. 상기 도면에서 작동상 사용되는 모든 요소에서 실린더(16) 내부를 슬라이딩하는 피스톤(15)이라는 것은 압력 레버에 의하여 조절되고, 그 상세 구조와 작동은 도 1에 기술된 것과 동일하다.
피스톤과 연결 로드 및 크랭크샤프트의 이와 같이 구조에 있어서 그 상부에는 도 11에서와 같이 한편에는 개폐가 배기 밸브(20)에 의하여 조절되는 배기 포트(19)와 쌍을 이루는 연소 챔버(2)가 구비되고, 다른 한편에는 개폐가 밸브(14A)에 의하여 조절되는 주입 포트(13A)가 구비된다. 주변 열 에너지를 회복하고 가열하기 위한 수단을 구비하고 있다. 즉, 상기 엔진은 주변 열 에너지를 회복하기 위한 수단을 구비하고 있는데, 저장구(23)에 저장된 고압 압축 공기의 일을 하는 팽창이 트랜스미션 장치(21A)에 의하여 엔진 크랭크샤프트(18)에 연결되는 크랭크샤프트(18C)에 직접 커플링되는 연결 로드(53)와 작동 피스톤(54) 조립체에서 수행된다. 이러한 피스톤(54)은 블라인드(blind) 실린더(55) 내부를 슬라이딩하고, 한편에는 전자적으로 작동하는 밸브(38)에 의하여 조절되는 고압 공기 주입 덕트(37)에 오픈될 수 있고, 다른 한편에는 그 자체가 덕트(42)에 의하여 실질적으로 일정한 사용마감 압력(43)을 가지는 완충 공간에 연결되는 공기 대 공기 열교환기 또는 라디에이터(41)에 연결되는 배기 덕트(39)로 오픈될 수 있는 작동 챔버(35)를 결정한다. 상기 작동 피스톤(54)이 최상단 중심에 있을 때 작동하는 동안 전자적으로 작동하는 밸브(38)는 아주 높은 압력의 공기를 공급하기 위하여 다시 열렸다 닿히는데, 공기는 팽차하면서 피스톤(54)을 최하단 중심까지 밀어내면서 일을 생성하고, 연결 로드(53)를 통하여 크랭크샤프트(18C)를 구동하며, 트랜스미션 장치(21A)를 통하여 엔진 크랭크샤프트(18)를 구동한다. 상기 피스톤(54)이 수축하는 동안 전자적으로 작동되는 배기 밸브(40)는 열리게 되고, 작동챔버에서 실질적으로 사용압력과 아주 저온을 갖도록 팽창된 압축 공기는 공기 대 공기 교환기 또는 라디에이터(41)로(화살표 F 방향) 방출된다. 이러한 공기는 따라서 주변 온도에 가까운 온도로 가열되고, 완충 공간(43)으로 이동하는 동안에 대기로부터 상당량의 에너지를 회복하여 체적이 증가하게 된다.
또한, 상기 공기 대 공기 교환기(41)와 완충 공간(43) 사이의 덕트(42)에는 열적 히터(56)가 설치되는데, 이는 공기 대 공기 교환기(14)에서 나오는 압축 공기를 열 교환 코일(58)을 지나면서 온도 따라서 압력 (및/또는) 체적을 증가시킬 버너(57)를 구비하고 있다.
또한, 이 실린더 헤드(11)에는 주입 포트(13A)가 형성되고, 그 개폐는 밸브(14A)에 의하여 조절된다. 엔진이 공기와 추가 압축 공기 모드에서 작동할 때, 주입 밸브(13A)는 작동하지 않고 닿혀 있고, 따라서 엔진은 도 11 내지 13에 기술된 것과 같이 작동하며, 바람직하게는 이 모드에서는 주변 열 회복 장치가 작동한다. 어떤 속도, 예컨대 50km/h 이상에서는 히터 장치를 버너(57)를 켜도록 작동시킬 수 있는데, 이는 계속적인 촉매 연소를 통하여 공기 오염을 매우 낮추면서도 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예컨대 70km/h 이상에서는 추가 압축 공기 주입구(24A)가 더 이상 작동되지 않아 버너(57)는 소화되고, 공기-연료 혼합물을 사용한 열적(내연) 모드로 전환되는데, 배기 밸브의 개폐를 조절하는 순환은 변환되어 밸브는 단지 매 두번째 엔진 순환에서의 피스톤이 수축하는 동안에 오픈되는 반면에 주입 밸브(13A)는 매 두번째 엔진 순환에서의 피스톤이 신장하는 동안에 오픈된다. 따라서 도 15에서와 같이 피스톤(15)이 신장하는 동안 엔진은 모드와 순환 싸이클을 변환할 수 있는데, 주입 밸브(13A)는 오픈되고 피스톤은 주입기(24)에 의하여 전달되는 공기와 가솔린 혼합물을 받아들인다. 그 후 이 혼합물은 도 16에서와 같이 피스톤(15)이 상승하는 동안 연소 챔버에서 압축되고, 스파크 플러그(3)에 의하여 점화가 이루어지고, 도 17에서와 같이 팽창하면서 파워 스트로크 동안 최하단 중심까지 피스톤(15)을 밀어낸다. 이때 배기 밸브(20)는 오픈되고, 혼합물은 도 18에서와 같이 피스톤(15)이 상승하면서 배기 덕트(19)를 통하여 대기중으로 방출된다. 피스톤이 최상단 중심에 있을 때, 주입 밸브(13A)는 도 15에서와 같이 다른 순환을 재개할 수 있도록 오픈된다. 따라서, 엔진은 종래의 4-스트로크 싸이클에서 작동하는 것이다.
물론 본 발명은 상기된 실시예에 어떤 방법으로든 국한되지 않고, 이는 당해 기술 분야의 당업자에 의하여 본 발명의 기본 원리에서 벗어남 없이 여러 방법으로 많은 변화가 가능하다 할 것이다.

Claims (23)

  1. 왕복동식 피스톤에 의하여 작동하는 유입-압축 챔버,팽창-배기 챔버를 포함하고, 연소 챔버를 더 구비하며, 각 세개의 챔버는 서로 분리되어 있고,
    적어도 상기 팽창-배기 챔버에는 피스톤의 왕복운동을 제어하여 상기 챔버의 피스톤이 그 최상단 중심에 일시 정지하도록 하기 위한 수단이 구비되며;
    상기 연소 챔버는 셔터없이 상기 팽창-배기 실린더의 상부에 쌍을 이루도록 설치되고, 상기 피스톤이 특히 그 최상단 중심에서 팽창-배기 챔버와 연소 챔버를 분리하는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유입-압축 챔버의 작동 싸이클은 상기 팽창-배기 챔버의 싸이클에 따라 지연되고, 따라서 상기 팽창-배기 챔버의 피스톤은 상기 유입-압축 챔버의 피스톤이 최상단 중심에 도달하는 것보다 먼저 최상단 중심에 도달하여
    - 상기 연소 챔버와 상기 유입-압축 챔버 사이의 교환
    - 상기 유입-압축 챔버의 피스톤이 최상단 중심에 도달하면서 압축되는 공기-연료 혼합물을 연소 챔버에 충진
    - 상기 연소 챔버와 상기 유입-압축 챔버 사이의 교환의 차단
    - 혼합물 점화 및 연소로 압력상승 발생
    의 작동이 일어나는 동안 그 위치를 유지하며, 그 후 하강을 시작하자마자 압력 상승에 의한 일을 생성하는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 엔진은 균일하지 않은 자가-점화 혼합물에 의하여 작동하고, 연료 주입기는 연소 챔버가 유입-압축 챔버로부터 고립하자 마자 연소를 발생시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버는 상기 팽창-배기 챔버와 쌍을 이루고, 구의 일부 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버들 중 적어도 하나 - 연소와 팽창 - 는 덧씌우는 단열 물질로 만들어진 열적 장벽으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 신선한 공기의 유입-압축을 위한 챔버와 쌍을 이루는 독립된 연소 챔버 사이에는 압축된 공기의 완충 공간이 구비되어 챔버들 사이의 전체 체적 전달 또는 연소 챔버에 전달되는 동안 가스의 부분적 팽창에 의해 발생할 수 있는 서지 효과와 압력 하강을 막을 수 있고, 상기 완충 공간과 연소 챔버 사이에는 그 연결 덕트와 개폐조절 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 도시 내에서와 같이 저 동력 작동상태에서는 유입-압축 챔버에 더이상 연료가 공급되지 않고 유입-압축 챔버로 부터 상당히 압축된 공기(무연료)가 연소 챔버로 주입되고, 초기 고압상태(예컨대 상온, 200 bar 정도)로 저장된 외부 저장구의 추가 압축 공기가 어느정도 주입되는데, 이 상온의 추가 압축 공기는 연소 챔버(그 후 팽창 챔버로 전환) 내의 고온의 공기와 접촉하여 가열, 팽창, 압력상승이 일어나면서 상기 연소 챔버로 퍼져 나가고, 따라서 팽창과정에서 동력을 전달하며,
    고속도로에서와 같이 고동력 상태에서는 엔진에는 연료가 공급되어 상기한 제 1 항 내지 제 6 항의 어느한 항에 따라 작동하는 것을 특징으로 하는 이중 에너지, 이중 모드작동에 사용되는 엔진의 작동 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진에 종래의 연료를 공급하기 위하여 제공되는 모든 기관은 생략되고, 유입-압축 챔버로 부터 상당히 압축된 공기(무연료)가 연소 챔버로 주입되고, 초기 고압상태(예컨대 상온 200 bar 정도)로 저장된 외부 저장구의 추가 압축 공기가 어느정도 주입되는데, 이 상온의 추가 압축 공기는 이 경우 팽창 챔버로 변하는 연소 챔버 내의 고온의 공기와 접촉하여 가열, 팽창, 압력상승이 일어나면서 상기 연소 챔버로 퍼져 나가고, 따라서 팽창과정에서 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 단일-에너지, 단일 모드의 공기와 추가 압축 공기 작동에서의 엔진 작동 방법.
  9. 실린더 내부를 슬라이딩하는 피스톤에 의하여 작동하는 팽창-배기 챔버와, 배기 포트 및 쌍을 이루는 독립된 팽창 챔버를 포함하여 구성되고,
    상기 팽창-배기 챔버에는 피스톤의 왕복운동을 제어하여 상기 챔버의 피스톤이 그 최상단 중심에 일시 정지하도록 하기 위한 수단이 구비되며,
    유입-압축 실린더는 갖추지 않고,
    상기 팽창-배기 실린더의 피스톤이 상승하고, 배기 싸이클 과정에서 상기 배기 포트는 이미 팽창된 가스 중 일부가 팽창 챔버의 고온,고압으로 재압축 되도록 닿혀 있으며,
    상기 피스톤이 그 최상단 중심에 일시 정지하는 동안 저장구로부터 추가 압축 공기가 어느 정도 공급되어 팽창 챔버의 압력을 상승시키고 상기 피스톤을 하강하도록 밀어내면서 일을 생성하는 것을 특징으로 하는 압축 공기 단일 모드 작동에서의 엔진 작동 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압의 저장구에 저장된 압축 공기는 팽창 챔버에 주입되기 전에 온도 하강을 수반하는 일을 하면서 팽창하고, 그 후 주변 공기와 열을 교환할 수 있도록 열 교환기로 보내지며, 여기서 주변 열 에너지를 회복하여 가열되고 압력과 체적이 상승하는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항에 있어서, 상기 저장구로부터 공급되는 압축 공기는 상기 팽창 챔버로 유입되기 전에 직접 또는 공기 대 공기 열 교환기를 거쳐 압력과 체적이 더 상승할 수 있는 열 히터로 유입되는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 매 엔진 싸이클에서 피스톤이 상승하는 중에 오픈되는 배기 밸브의 개폐를 위한 싸이클은 피스톤이 매 두번째 왕복운동중 상승할때 오픈되기 위하여 작동하는 동안 변화하고, 엔진에는 실린더에 기화된 혼합물을 주입하기 위한 공기와 연료 주입구가 구비되는데, 이러한 기화된 혼합물은 종래의 4-스트로크 엔진 싸이클에 따라 피스톤이 하강할 때 주입되어 쌍을 이루는 팽창 챔버(그 후 연소 챔버로 전환)에서 압축되며, 연소 팽창되어 피스톤을 밀어내면서 일을 생성하고 그 후 배기로 방출되는 것을 특징으로 하는 이중 에너지 작동에서의 엔진 작동 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진은 열없이 공기오염이 발생하지 않도록 압축 공기에 의하여 작동할 수 있고, 실질적으로 공기오염이 발생하지 않는 종래의 연료가 공급되는 열 히터에 의하여 외부 연소로 가열되는 압축공기에 의하여 작동할 수도 있으며, 공기와 연료 주입에 의한 내부 연소에서 의하여 작동할 수도 있는데 이때 기화된 혼합물은 종래의 4-스트로크 엔진 싸이클에 따라 피스톤이 하강할 때 주입되어 쌍을 이루는 팽창 챔버(그후 연소 챔버로 전환)에서 압축되며, 연소 팽창되어 피스톤을 밀어내면서 일을 생성하고, 그 후 배기로 방출되며 따라서 삼중-모드의 작동을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 삼중-모드에 사용되는 엔진 작동 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기된 세개의 작동 모드 즉, 공기와 추가 압축 공기, 공기와 버너에 의하여 가열된 추가 압축 공기, 공기와 연료는 각각 분리되어 또는 함께 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 삼중-모드에 사용되는 엔진 작동 방법.
  15. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진으로 유입되는 공기는 활성 목탄법, 기계적 방법, 화학적 방법, 분자 체 중 하나 이상의 여과 단계에 의하여 여과 및 순수화처리 되는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  16. 팽창 챔버(4)와 쌍을 이루는 연소 챔버(2)를 구비하고,
    상기 팽창 챔버(4)는 왕복운동을 조절하여 최상단 중심에서 150도 정도의 회전 각의 기간을 일시 정지시킬 수 있는 수단을 구비한 그 자체의 피스톤을 가지며;
    상기 수단은 크랭크 샤프트(18)의 관절(18A)에 연결되는 연결 로드(17D)에 의하여 제어되는 압력레버(17,17A,17B,17C)로 구성되고,
    상기 크랭크 샤프트(18)는 축을 중심으로 회전하고, 밀봉된 셔터(6)에 의하여 개폐가 조절되는 덕트(5)에 의하여 연소 챔버(2)에 연결되는 압축 챔버(1) 내의 유입-압축 피스톤(9)을 압축기 크랭크 샤프트(12)와 연결 로드(11)를 통하여 구동시키며,
    상기 유입-압축 챔버의 크랭크 샤프트(12)는 엔진 크랭크 샤프트(18)에 의하여 기계적 링크를 통하여 구동되고, 싸이클에서 시간적으로 지연되어 팽창-배기 피스톤(15)이 최상단 중심에 도달하여
    - 셔터(6)가 오픈되고,
    - 연소 챔버는 압축기 피스톤이 최상단 중심에 도달하면서 압축시킨 혼합물로 채워지고,
    - 셔터가 클로즈되고,
    - 스파크 플러그(3)가 점화를 일으키고,
    - 연소가 발생하여 챔버(2) 내의 압력을 상승시키고 팽창 피스톤(15)을 밀어내어 파워 스트로크로 알려진 일을 생성하는
    과정이 일어나는 동안 그 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법을 실행하기 위한 엔진 장치.
  17. 팽창 챔버(4)와 쌍을 이루는 연소 챔버(2)를 구비하고,
    상기 팽창 챔버(4)는 왕복운동을 조절하여 최상단 중심에서 긴 회전 각의 기간을 일시 정지시킬 수 있는 수간을 구비한 그 자체의 피스톤을 가지며;
    상기 수단은 크랭크 샤프트(18)의 관절(18A)에 연결되는 연결 로드(17D)에 의하여 제어되는 압력레버(17,17A,17B,17C)로 구성되고,
    상기 크랭크 샤프트(18)는 축을 중심으로 회전하고, 밀봉된 셔터(6)에 의하여 개폐가 조절되는 덕트(5)에 의하여 연소 챔버(2)에 연결되는 압축 챔버(1) 내의 유입-압축 피스톤(9)을 압축기 크랭크 샤프트(12)와 연결 로드(11)를 통하여 구동시키며,
    압축기와의 사이에는 완충 공간(22)이 구비되고, 상기 압축기는 덕트(23)를 통하여 상기 완충공간에 연결되며;
    상기 완충 공간과 연료 주입기(24)를 구비한 덕트(5) 사이에는 쓰로틀 밸브(25)가 구비되어, 피스톤(15)이 최상단 중심에 도달하자마자부터 이 피스톤이 정지하고 있는 동안 셔터(6)가 오픈되고, 상기 연료 주입기(24)는 상기 챔버(2)에 압축된 혼합물을 채우도록 작동하고, 그 후 셔터는 다시 클로즈되고, 스파크 플러그(3)에 의하여 전화가 이루어져 연소가 발생하며 따라서 상기 챔버(2) 내의 압력을 증가시키고 피스톤을 밀어내면서 파워 스트로크로 알려진 일을 생성하는 것을 특징으로 하는 제 3 항에 따른 방법을 실행하기 위한 엔진 장치.
  18. 연소 챔버(2)에는 고압의 저장구(23)로부터 공급되는 추가 압축 공기 주입구(24A)가 구비되고,
    낮은 동력 작동에서는 연료 주입기(24)가 작동하지 않는 동안 추가 압축 공기가 어느정도 주입되어 연소 챔버(2) 내의 압력을 상승시켜 피스톤이 하강하는 동안 일을 생성하는 것을 특징으로 하는 제 7 항에 따른 방법을 실행하기 위한 엔진 장치.
  19. 연소 챔버(2)는 팽창 챔버(4)와 쌍을 이루고,
    상기 팽창 챔버(4)는 왕복운동을 조절하여 최상단 중심에서 긴 회전 각의 기간을 일시 정지시킬 수 있는 수단을 구비한 그 자체의 피스톤을 가지며;
    상기 수단은 축을 중심으로 회전하는 크랭크 샤프트(18)의 관절(18A)에 연결되는 연결 로드(17D)에 의하여 제어되는 압력레버(17,17A,17B,17C)로 구성되고,
    상기 연소 챔버에는 고압 저장구(23)로부터 공급되는 추가 압축 공기 주입기(24A)가 설치되며,
    배기 덕트(19)를 클로즈시키는 배기 밸브(20)는 피스톤이 특히 최하단 중심에 있을 때 오픈되었다가 상기 피스톤(15)이 상승하는 동안 다시 닿혀져서 팽창 챔버(2) 내의 남은 가스를 재압축하여 뜨거운 압축 공기를 만들고, 피스톤이 최상단 중심에 도달하자마자 신선한 추가 압축 공기를 어느정도 주입하여 상기 챔버 내의 압력을 증가시키고 피스톤(15)이 하강을 시작할 때부터 팽창하는 동안 일을 생성하는 것을 특징으로 하는 제 9 항에 따른 방법을 실행하기 위한 엔진 장치.
  20. 저장구(23)와 추가 압축 공기 주입기(24A) 사이에 위치되는 피스톤(54)은 구동 샤프트(18)에 직접 커플링되고, 작동 챔버(35)를 형성하는 블라인드 실린더(55) 내부를 슬라이딩 하는데,
    상기 블라이드 실린더는 한편은 그 개폐가 전자적으로 작동되는 밸브(38)에 의하여 작동되는 고압 공기 주입 덕트(37)에 오픈되고, 다른 한편은 덕트(42)에 의하여 특히 일정한 사용 종단 압력을 가지는 완충 공간(43)에 연결되는 공기 대 공기 열 교환기 또는 라디에이터에 연결되는 배기 덕트(39)에 오픈되며,
    고압의 압축된 공기는 팽창하여 피스톤을 밀어내면서 일을 생성하고, 온도는 하강하는데 그 후 가열하고 압력과 체적을 증가시키기 위하여 공기 대 공기 교환기(41)로 방출되는 것을 특징으로 하는 제 10 항 내지 제 14 항에 따른 방법을 실행하기 위한 엔진 장치.
  21. 상기 고압의 저장구(23)와 추가 압축 공기 주입기(24A) 사이에는 버너를 갖는 가열기(56)가 구비되어 고압의 저장구(23)에서 공급되는 압축 공기를 교환 코일을 지나는 동안 온도를 상승시키고 따라서 압력 (및/또는) 체적을 상승시키는 것을 특징으로 하는 제 10 항 내지 제 14 항에 따른 방법을 실행하기 위한 엔진 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 고압의 저장구(23)로부터 공급되는 압축 공기는 제 20 항에 따른 공기 대 공기 교환기를 통과하는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  23. 피스톤의 왕복운동을 조절하여 최상단 중심에서 긴 회전 각의 기간을 일시 정지시킬 수 있는 수단을 구비하고,
    상기 수단은 축을 중심으로 회전하여 상부에는 쌍을 이루는 연소 챔버(2)를 구비한 실린더 헤드(11)를 가지는 크랭크 샤프트(18)의 관절(18A)에 연결되는 연결 로드(17D)에 의하여 제어되는 압력레버(17,17A,17B,17C)로 구성되며,
    상기 연소 챔버는 한편은 개폐가 밸브(14A)에 의하여 제어되는 연료 주입기(24)를 가지는 유입 덕트에 오픈되고, 다른 한편은 개폐가 밸브(20)에 의하여 제어되는 배기 덕트(19)에 오픈되고,
    상기 밸브(20)는 작동 모드에 따라 매 두번째 순환의 피스톤 상승시에 또는 매 순환마다 피스톤 상승시에 오픈될 수 있고,
    스파크 플러그(3)와 추가 압축 공기 주입기(24A)에는 고압의 압축 공기 저장구(23)에서 압축 공기가 공급되어
    이러한 조립체는 엔진이 두개의 모드에서 작동되도록 하여 낮은 동력에서는 추가 압축 공기를 제공하고, 높은 동력에서는 종래의 연료를 사용하는 기화된 공급으로 제공하는 것을 특징으로 하는 제 13 항 또는 제 14 항에 따른 방법을 실행하기 위한 엔진 장치.
KR1020007013740A 1998-06-03 1999-06-02 두개 또는 세개의 동력 모드에서 단일-에너지 또는이중-에너지로 작동하는 추가의 압축 공기 분사 엔진의작동 방법 및 장치 KR100699603B1 (ko)

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