KR20040018513A - 공압 피스톤엔진의 작동 및 배열 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공압 피스톤엔진(PPE)의 작동법과 구성에 관한 것이다. PPE(1)의 실린더(2)는 크랭크(4)를 통해 크랭크축(5)에 기구학적으로 연결된 피스톤(3)과, 압축공기 공급수단(7)가 배기수단(8)을 갖춘 작업실(6)을 구비한다. 압축공기 공급의 시작은, 정상 엔진속도에 따라 크랭크축의 크랭크 회전각도를 기준으로 상사점 이전 40도부터 상사점 이후 25도 범위에 피스톤(3)이 위치할 때 이루어지고, 압축공기의 공급 종료는 크랭크의 회전각도 기준으로 상사점 이후 0도 내지 90도 범위에 피스톤(3)이 위치할 때 이루어진다. 정상 엔진속도가 2.12s^-1일 경우, 최적 닥동모드는 크랭크축의 크랭크 회전각도 기준으로 피스톤이 상사점 이전 23도 위치에 있을 때 압축공기의 공급이 시작되고 피스톤(3)이 상사점 이후 5도 위치에 있을 때 압축공기 공급이 종료도도록 하면 된다. 본 발명에 의하면 동일한 크기와 인자의 내연기관에 비해 비연료소비량이 5내지 6분의 1까지 감소되면서도, 내연기관에 비해 피스톤 비출력이 향상될 수 있다.

Description

공압 피스톤엔진의 작동 및 배열 방법{METHOD FOR OPERATING AND ARRANGEMENT OF A PNEUMATIC PISTON ENGINE}

오늘날 수송에 있어서 출력소비가 큰 것은 문제점이다. 이때문에, 수송 엔지니어링 분야의 전문가들은 엔진의 피스톤 비출력을 증가시키면서도 연료소비는 낮추기에 적당한 속도를 개발할 임무를 부여받고 있다.

내연기관(ICE; Internal Combustion Engines)은 현재의 수송기관의 대부분을 차지하고 있다. 이동속도를 높이려면 엔진 출력밀도를 증가시켜야 한다. 그러나, 엔진작업실의 고온과 이로인한 열응력은 물론, 엔진의 낮은 신뢰성과 짧은 수명에 의해 ICE의 엔진 출력밀도 상승이 방해된다. 다른 ICE 단점들중 구조의 복잡성이 특히 큰데, 특히 연료배급시스템, 냉각시스템, 엔진 작업실의 터보차저 시스템이 필요하다.

ICE(디젤엔진)을 메인 엔진으로 사용하는 선박 추진시스템의 기본적인 한계는 선박 파워플랜트가 고장났을 때 메인 엔진(디젤)이 정지된다는데 있다. 이때문에 선박이 조난되고, ICE의 신뢰성이 생존에 주요 원인이 된다. 철도수송의 경우에도 ICE의 역할이 마찬가지로 중요한데, 이는 발전기가 고장나면 열차가 비상정지하기 때문이다.

공압 피스톤엔진(PPE; Pneumatic Piston Engines)은 자동차의 엔진브레이크, 광산에서의 굴착기나 컨베이어처럼 자동화장치의 제어출력기로 사용된다. PPE는 환경적으로 청정하지만, 낮은 효율로 인해 수송분야나 발전분야에는 사용이 제한되었다.

공압 피스톤엔진의 용량과 효율을 향상시키는 여러가지 방법은 다음과 같다:

- SU 1553731 발명자증(1990)에 따라 작업실의 피스톤 상부공간내의 압축공기와 연소기체 혼합물에 연료를 첨가;

- SU 183127 발명자증(1992)에 따라 추진시스템에 액체연료 사용, 액체연료 증발, 가열 및 열회수;

그러나, 이들중 어느 방법도 효율을 증가시키면서, 즉 연료소비를 낮춤과 동시에 PPE 출력을 증가시키지는 못했다.

본 발명과 가장 비슷한 방법으로, 1979년 발명자증 SU 663858에 따른 공압 피스톤엔진의 작동 및 구성 방법이 있는데, 이 방법에서는 엔진의 작업실에 압축공기를 공급한 다음, 피스톤이 하사점 영역에 있을 때 작업실에서 잔류 압축공기를 배출시킨다. 이 방법에서는, 피스톤이 상사점 영역에 있을 때 작업실에 대한 압축공기 공급을 시작하고 피스톤이 하사점 영역에 있을 때 그 공급을 종료한다. 효율을 개선하기 위해, 엔진 작업실에 대한 압축공기 공급에 앞서, 공기에 수소-산소혼합물을 3-4 % 첨가하고, 이렇게 얻은 혼합물을 촉매산화실에 통과시킨다. 이때 공기온도는 170-220℃까지 상승하고, 그 결과 공기체적이 1.6-1.8배 증가한다. 이렇게 되면, 공기소비량과 배관단면적이 피스톤 비출력과 비례하여 줄어들거나, 공기소비의 증가 없이 증가한다. 그럼에도 불구하고, 현재의 수송추진장치에 필요한 고출력을 필요한 효율로 얻을 수 없다.

본 발명은 엔지니어링 산업분야에 관한 것으로, 구체적으로는 엔진빌딩, 즉 공압 피스톤엔진(PPE; pneumatic piston engine)에 관한 것이다. 본 발명은 출력구동부와 출력생성분야의 수송에 이용될 수 있다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 1단 일측 공급 PPE의 구성도;

도 2는 도 1의 PPE의 작동상태를 보여주되, 크랭크축 크랭크의 회전각도를 기준으로 피스톤이 상사점을 지나 5도 위치에 있는 동안 압축공기 공급수단이 닫히는 경우의 그래프;

도 3은 도 1의 PPE의 작동상태를 보여주되, 크랭크축 크랭크의 회전각도를 기준으로 피스톤이 상사점을 지나 90도 위치에 있는 동안 압축공기 공급수단이 닫히는 경우의 그래프;

도 4는 (비교를 위해) 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 압축공기 공급수단이 닫히는 경우의 기존의 PPE의 작동상태를 보여주는 그래프;

도 5는 파워행정이 1단 실린더에 있는, 본 발명에 따른 2단 일측 공급 PPE의 구성도;

도 6은 후진행정이 1단 실린더에 있는, 본 발명에 따른 2단 일측 공급 PPE의구성도;

도 7은 (비교를 위해) ICE의 작동 그래프.

도 2-4의 그래프는 엔진속도가 2.12s^-1인 경우의 PPE의 작동상태를 보여준다. 그러나, 원칙적으로 본 발명에 따른 작동 메커니즘은 그래프에서 보듯이 엔진속도가 다른 경우에도 동일하다.

이상의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은 PPE의 높은 작동효율과 고출력을 제공하는 PPE 작동법을 제공하는데, 즉 PPE의 피스톤 비출력을 증가시키고 동시에 비연료소비량을 낮추는데 있다. 본 발명의 다음 목적은 새로운 작동법을 구현하는 새로운 PPE를 제공하는데 있다. 전술한 방법을 구현하는 공압 피스톤엔진을 포함한 새로운 출력장치를 제공하는 것도 본 발명의 목적이다.

본 발명에 따르면, 공압 피스톤엔진의 실린더 작업실에 압축공기를 공급하고 피스톤이 하사점에 있는 동안 작업실에서 공기를 배기하는 것을 포함한 공압 피스톤엔진을 작동시키는 방법에 있어서:

엔진속도에 따라, 크랭크축(5)의 크랭크 회전각도 기준으로 피스톤(3)이 하사점 이전 40도부터 상사점 이후 25도 내에 있을 때 압축공기의 공급을 시작하고, 피스톤(3)이 크랭크축의 크랭크 회전각도 기준으로 상사점 이후 0도 내지 90도 범위에 있는 동안 압축공기 공급이 종료되는 공압 피스톤엔진의 작동방법에 의해 상기 목적이 달성된다.

이때 효율 측면에서 보면 압축공기를 단기간에 펄스 형태로 공급하는 것이바람직하다.

본 발명의 목적 달성을 설명하기 위해, PPE에서 생긴 표시출력(N _iE )과 PPE의 작동에 필요한 압축공기를 생산하는 공기압축기에 공급되는 표시출력(N _iC )을 계산하여 비교했다. 공기압축기는 ICE로 구동된다고 본다. 계산은 본 발명의 PPE와 종래의 PPE에 대해 하되, 둘다 엔진의 인자와 크기는 동일하고 엔진속도는 2.12 s^-1이었으며, 압축공기 공급은 피스톤이 크랭크축 크랭크의 회전각도 기준으로 상사점 이전 2도 위치에 있을 때 시작했다. 본 발명에 따른 PPE의 계산은 다음과 같은 두가지 엔진 작동모드에서 실행했다:

- 첫째, 피스톤이 크랭크축 크랭크의 회전각도 기준으로 상사점 이후 5도 위치에 있는 동안 압축공기 공급을 종료할 경우;

- 둘째, 피스톤이 크랭크축 크랭크의 회전각도 기준으로 상사점 이후 90도 위치에 있는 동안 압축공기 공급이 종료될 경우;

종래의 PPE에 대해서는, 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 압축공기 공급이 종료하는 동작모드에 대한 계산을 했다("계산" 챕터 참조).

개략적 계산으로도 알 수 있듯이, 크랭크축 크랭크의 회전각도 기준으로 피스톤이 상사점을 지나 5도 위치에 있는 동안 압축공기 공급수단이 닫히면, 본 발명에 따른 PPE에서 6630 kW 출력을 얻기 위해, PPE에 압축공기를 공급하는 공기압축기에 약 1108 kW의 파워를 공급한다. 즉, 이 경우 압축기의 구동부 역할을 하는 ICE, 즉 모든 ICE에 비해 약 1/6까지 비연료 소비량이 낮아진다("계산" 챕터참조). 여기서, 크랭크축 크랭크의 회전각도 기준으로 피스톤이 상사점을 지나 90도 위치에 있는 동안 압축공기 공급수단이 닫히면, 본 발명에 따른 PPE에서 17002kW의 출력을 얻기 위해, PPE에 압축공기를 공급하는 공기압축기에는 약 8516kW의 파워가 공급된다. 즉, 이 경우 ICE에 비해 약 1/2까지 비연료 소비량이 낮아진다("계산" 챕터 참조).

종래의 PPE에서는, 엔진속도가 2.12s^-1이고, 압축공기 공급수단이 하사점 영역에서 닫히는 종래의 작동법일 경우 공압엔진에 생긴 출력이 25483kW이되, 약 25548kW의 파워를 공기압축기에 공급해야 한다. 따라서, 종래의 PPE 작동법을 이용해서는, 비연료소비량의 감소효과가 ICE에 비해 거의 없게 된다("계산" 챕터 참조).

따라서, 엔진속도가 2.12s^-1이고 본 발명의 방법으로 작동하는 PPE에 대해, 바람직한 작동모드는 크랭크축 크랭크의 회전각도 기준으로 피스톤이 상사점을 지나 5도 위치에 있을 때 압축공기 공급수단이 닫히는 동안의 짧은(펄스) 압축공기 공급이다. 계산에 의하면, 크랭크축 크랭크의 회전각도 기준으로 피스톤이 상사점을 지나 90도를 넘는 지역에 있는 동안 본 발명의 PPE의 작업실의 충전을 종료하는 것은 부적절함이 밝혀졌다.

전체적으로, 본 발명은 양호한 기술적 효과를 보이는데: 종래의 기술에 비해 압축공기 에너지를 엔진축 회전에너지로 변환하는 효율이 높다. 본 발명의 PPE를 이용하면, 비연료소비량이 감소하고, PPE에 공급되는 압축공기의 압력을 크게 증가시킬 수 있으며, 그 결과 동일한 엔진 인자들을 갖는 종래의 PPE에 비해 비출력이 상당히 증가한다.

따라서, 본 발명은 엔진의 작동효율을 증가시키는 공압 피스톤엔진에 대한 새로운 작동법과 구성을 구현한다.

본 발명의 설명에 있어서, 단기간의 압축공기 공급의 장점은 엔진속도가 2.12s^-1일 때 분명하지만, 엔진속도가 다른 경우에도 본 발명의 PPE에 대해 그 장점이 드러난다. 여기서, 바람직한 압축공기 공급조건은 엔진속도에 따라 다르되, 특허청구범위내에서 다르다.

ICE와 대조적으로 공압엔진에는 열응력이 없고, 이로인해 PPE의 작업실로 공급되는 압축공기 압력을 재료의 강도한계내에서 ICE와 같거나 더 높게 올릴 수 있다.

압축공기의 높은 잠재에너지를 이용하기 위해, 본 발명에 따른 공압 피스톤엔진 작동법을 이용하는 것이 바람직한데, 이 방법은 적어도 하나의 후속 피스톤엔진 작동단계를 더 포함하여 다단 공압 피스톤엔진 작동방식을 실현하고; 여기서,

- 이전 단계의 작업실로부터 후속 단계의 작업실로의 공기 바이패스가 이전 단계의 피스톤이 아직 하사점에 도달하지 않은 출력행정동안 실현되며;

- 후속 단계들중 하나의 작업실로부터의 공기배출은 피스톤이 아직 하사점에 도달하지 않는 출력행정동안 실현되고;

- 각각의 후속 단계의 작업실로부터의 공기배출은 피스톤이 하사점 영역에있는 동안 실현된다.

바이패스에 의해, 엔진 크기가 제한된 경우 극히 필요한 피스톤 행정길이의 증가 없이도 압축공기의 높은 잠재에너지를 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 적어도 일 단계의 작업실로부터 공기가 대기중으로 배출되는 것이 유용하다.

이때, 본 발명에 따르면, 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 적어도 하나의 단계의 작업실로부터 공기가 재사용 가능성을 갖고 배출되는 것이 바람직하다. 이렇게 되면 PPE 작동시 에너지손실이 줄어든다.

또, 본 발명에 따른 PPE의 작동법을 실린더에 대한 압축공기의 양측 공급 모드로 실현하는 것이 더 바람직하다.

본 발명에 따른 공압 피스톤엔진의 작동법을 실현하기 위해, 작동유체가 압축공기이고, 기구학적으로 크랭크를 통해 크랭크축에 연결된 피스톤과 작업실을 갖는 실린더를 구비하며, 작업실에는 압축공기를 공급하는 수단과 상기 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 공기를 배출하는 수단이 구비된 공압 피스톤엔진에서, 압축공기 공급수단은 엔진속도에 따라 피스톤이 크랭크축의 크랭크 회전각도를 기준으로 상사점 이전 40도로부터 상사점 이후 25도의 범위에 있는 동안 압축공기 공급을 시작하고, 피스톤이 상사점 이후 0도 내지 90도 범위에 있는 동안 압축공기 공급을 종료하도록 배열된다.

본 발명에 따른 더 바람직한 공압 피스톤엔진은, 하나 이상의 추가 실린더가 차례로 연결되어 다단 엔진을 형성하되,

- 추가 실린더는 크랭크를 통해 크랭크축에 기구학적으로 연결된 피스톤과 작업실을 포함하며, 작업실에는 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 공기를 배출하는 수단이 제공되고;

- 다단엔진의 각각의 앞단계의 실린더에는 피스톤이 아직 하사점 영역에 도달하지 않는 동안 앞단계의 실린더의 작업실로부터 후속 추가 실린더의 작업실로 공기를 바이패스하는 수단이 있으며;

- 추가 실린더 세트중 최종 실린더에는 피스톤이 아직 하사점 영역에 도달하지 않은 동안 공기를 배출하는 수단이 있고;

- 모든 실린더의 피스톤은 공통 크랭크축에 기구학적으로 연결된다.

본 발명에 따른 공압 피스톤엔진에서, 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 공기배출수단이 배기공기를 재사용할 수 있도록 실린더중 적어도 하나에 배열되는 것이 바람직하다.

본 발명의 공압 피스톤엔진에 있어서, 이전 단계의 실린더의 작업실로부터 후속 추가 실린더의 작업실로 공기를 바이패스시키는 상기 수단이 일방향 밸브가 내장된 바이패스 채널로 구현되고, 바이패스 채널의 입구는 이전 실린더의 작업실의 바이패스 출구에 연결되며, 바이패스 출구는 피스톤의 하사점 영역 위에 위치하고, 바이패스 채널의 출구는 추가 실린더의 작업실의 인입구에 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법을 구현하기 위한 파워플랜트는 본 발명에 따른 공압 피스톤엔진과 압축공기 공급원을 포함한다. 이렇게 되면 PPE계 시스템에 고출력 파워를제공함과 동시에 비연료 소비량을 낮출 수 있다.

본 발명에 따른 파워플랜트에서, 공압 피스톤엔진에서 생긴 출력의 일부를 압축공기 공급원의 구동부로 향하게 하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 방법을 구현하기 위한 파워플랜트는 본 발명에 따른 다단 공압 피스톤엔진을 포함하되, 각각의 후속 실린더의 내경과 피스톤의 직경은 이전 실린더의 내경보다 큰 것이 바람직하다.

1단 PPE의 설명

도 1에 도시된 1단 일측공급 공압 피스톤엔진(1; PPE)은 실린더(2), 피스톤(3), 크랭크(4), 크랭크축(5), 작업실(6; 실린더 상부 공간), 압축공기 공급수단(7; 흡입밸브); 배기수단(8; 배기밸브), 및 실린더 하부공간(9)을 포함한다.

도 1의 PPE는 기구학적으로 크랭크(4)를 통해 크랭크축(5)에 연결된 피스톤(3)을 갖는 실린더(2)와, 작업실(6; 실린더 상부공간)로 구성된다. 작업실(6)은 흡입밸브 등의 압축공기 공급수단(7)과, 피스톤이 하사점에 있는 동안 배기밸브 역할을 하는 배기수단(8)을 포함한다. 실린더 하부공간(9)은 대기로 통한다. 압축공기 공급수단(7)은 외부 압축공기 공급원에 연결되기도 한다.

본 발명의 장치는 아래와 같이 동작한다:

PPE의 동작이 도 2, 3에 그래프로 도시되어 있다. 그래프는 크랭크축(5)의 크랭크(4) 회전각도(φ˚)에 의한 피스톤(3)의 위치에 따른 피스톤엔진(1)의 실린더(2) 내 압축공기압(p)의 변화를 보여준다.

(엔진 속도가 2.12 s^-1일 때) PPE(1)에서, 소정 압력(p _max)의 압축공기의 작업실로의 공급은 크랭크축의 크랭크 회전각도 기준으로 피스톤(3)이 상사점보다 2˚앞에 위치할 때(도 2, 3의 a 지점) 압축공기 공급수단(7)이 개방되기 시작한다. 배기수단은 이순간 완전히 닫힌다. 피스톤(3)이 크랭크축(5)의 크랭크(4)의 회전각도 기준으로 상사점보다 5˚뒤의 위치에 이르는 순간 작업실 내부압력이p _max(도 2, 3의 b 지점)에 도달한다. 피스톤의 출력행정이 시작된다.

본 발명에 따른 PPE의 바람직한 제1 작동모드(도 2)에서, 크랭크축(5)의 크랭크(4) 회전각도 기준으로 상사점 이후 5˚의 피스톤 위치에 대응하는p _max의 값에 작업실 내부압력이 도달하는 순간 압축공기 공급수단(7)이 닫히고 압축공기 공급이 중단된다. 피스톤(3)이 계속 내려가고, 피스톤 출력행정이 진행한다. 피스톤(3)이 하사점 영역을 지나는 동안, 작업실 내부압력이 수 기압(1.5 내지 3 atm)으로 떨어지면, 배기수단(8)이 대기로 열리고(c 지점), 작업실 내부압력이 대기압(p _atm)(d 지점)에 해당하는 값까지 떨어지며, 피스톤(3)은 자유로이 상승한다. 피스톤의 자유 후진행정이 진행한다(d-a 구간). 피스톤(3)이 도 2의 a 지점에 대응하는 위치에 도달할 때, 배기수단(8)이 다시 닫히고, 압축공기 공급수단이 열리기 시작하며, 엔진의 작업사이클이 반복한다. 압축공기를 공급하는 동안, 피스톤은 크랭크축의 크랭크 회전각도 약 7˚에 대응하는 거리를 움직인다. 따라서, 이 작동모드의 경우, 엔진의 작업실에 대한 압축공기의 공급은 극히 짧은 피스톤 행정구간(a-b 구간) 동안만, 소위 "펄스모드"로 진행한다.

본 발명에 따른 PPE의 두번째 변형모드의 경우(도 3), 크랭크축의 크랭크 회전각도 기준으로 상사점 이후 90˚ 위치에 피스톤이 위치할 때(b' 지점) 압축공기 공급수단(7)이 닫힌다. 이때까지 피스톤은 피스톤 행정의 절반(b-b'구간)에 대응하는 거리를 움직인다. 배기작용은 하사점 영역(c 지점)에서 일어나고, 작업실 내부압력은 대기압(d 지점)까지 강하하며, 피스톤의 자유 후진행정이 일어난다(d-a 구간).

대조적으로, 종래부터 알려진 방법에 따른 PPE 작동 그래프는 압축공기(p _max)의 공급이 피스톤 출력행정동안 진행되고 하사점 영역(도 4의 c 지점)에서 끝나는 것으로 제시되었다. 압축공기 공급기간 내내 작업실내의 압력은p _max값으로 유지된다. 그래프의 면적은 1 작업사이클동안 엔진실린더 내의 압축공기에 의해 진행된 작업을 나타낸다(면적이 클수록 실린더에 공급되는 출력도 크다). 도 2에 따르면, 본 발명에 따른 엔진의 작동 그래프의 면적은 바람직한 모드의 경우 종래부터 알려진 방법에 따라 동작하는 엔진에 비해 3.84배 작다(도 4 참조). 이 경우, 엔진실린더에 공급된 출력은 기존의 PPE의 경우보다 3.84배 작다. 도 3, 4를 비교하면, 본 발명에 따른 PPE의 두번째 작동모드에 의해 실린더에 공급된 출력은 기존의 PPE 작동법보다 1.5배 작음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 PPE의 경우, 원하는 결과에 따라 엔진의 작동사이클의 특정 제한내에서 압축공기를 공급할 수 있다. 특히, 엔진속도가 2.12s^-1인 본 발명에 따른 엔진에 대해 바람직한 작동모드는 전술한 첫번째 모드로서, 상사점 이후 크랭크축이 5˚회전한 시점에 압축공기 공급수단이 닫힐 때 짧은기간의 압축공기 공급이 이루어진다. 크랭크의 회전각도가 90˚일 때 본 발명에 따른 PPE의 작업실에 대한 압축공기 공급은 부적절하다.

본 발명을 적용할 때 예상되는 효과는 "PPE와 압축기에 대한 출력계산"을 이용해 엔진속도 2.12s^-1인 경우에 대해 증명되었다.

본 발명의 PPE가 다른 엔진속도(5s^-1, 8.33s^-1등)로 동작할 때, 바람직한 압축공기 상태는 본 발명의 청구범위내에서 다르다.

다단 PPE의 설명

본 발명에 따른 다단 PPE의 동작을 2단 일측공급 PPE를 예로 들어 설명하고, 이 PPE는 다음과 같은 구성요소로 구성된다(도 5, 6 참조):

2단 공압 피스톤엔진(10), 1단 실린더(11), 2단 실린더(12), 1단 실린더 작업실에 대한 압축공기 공급수단(13; 흡입밸브), 1단 실린더의 작업실(14), 1단 실린더 작업실의 배기수단(15; 배기밸브), 1단 실린더의 피스톤(16), 바이패스 채널(17), 일방향밸브(18), 바이패스 출구(19), 2단 실린더 작업실의 인입구(20), 2단 실린더의 작업실(21), 2단실린더의 피스톤(22), 피스톤이 아직 하사점에 도달하지 않는 동안의 2단실린더 작업실의 배기수단(23; 배기구), 1단실린더 하부공간(24), 2단실린더 하부공간(25), 크랭크(26,27), 크랭크축(29), 피스톤이 하사점에 있는 동안의 2단실린더 작업실의 배기수단(29; 배기밸브).

2단 PPE는 1단실린더(11)와 2단실린더(12)로 구성된다. 1단실린더(11)는 물론 도 1의 1단엔진(1)의 실린더(2)는 작업실(14)에 대한 압축공기(p _max) 공급수단(13; 흡입밸브로 구성됨)과 대기로 통하는 작업실의 배기수단(15)을 구비하지만, 피스톤(16)은 배기밸브가 배열된 하사점 영역을 지난다. 흡입밸브(13)를 외부 압축공기 공급원에 연결할 수도 있다. 1단실린더(11)는 일방향밸브(18)를 갖는 바이패스채널(17)을 통해 2단실린더(12)에 연결된다. 바이패스채널(17)의 인입구는 실린더(11)의 바이패스출구(19)에 연결되고, 바이패스출구(19)는 피스톤(16)의 하사점 위로 작업실(14) 내부에 위치한다. 바이패스채널(17)의 출구는 2단실린더(12)의 작업실(21)의 인입구(20)에 연결된다. 2단실린더(12)는 피스톤(22) 하사점 위로 작업실내에 위치하는 배기수단(23)을 구비한다. 배기수단(23)와 양쪽 실린더의 실린더 하부공간(24,25)은 대기로 통한다. 양쪽 실린더의 피스톤(16,22)는 기구학적으로 공통 크랭크축(28)의 크랭크(26,27)에 연결된다. 실린더(12)의 작업실에서, 피스톤이 하사점에 있는 동안 배기수단(29)은 배기밸브로 기능한다.

다단엔진은 다음과 같이 동작한다:

p _max압력의 압축공기가 흡입밸브(13)를 통해 실린더(11)의 작업실로 공급되고(도 5 참조), 물론 도 1의 1단엔진(1)의 경우 피스톤의 행정중에 공급된다. 피스톤(16)의 출력행정중에, 피스톤이 실린더(11)의 바이패스출구(19)는 지나되 아직 하사점에 도달하지 않았을 때, 바이패스채널(17)이 잠시동안 실린더(11) 작업실(14)에 대해 개방된다. 잔류압력p _max의 압축공기는 바이패스채널(17)을 통과하고, 일방향밸브(18)를 지나 2단실린더의 작업실(21)로 들어간다. 이때 양쪽 실린더의 작업실의 압력치는 평형을 이루고p _res보다 낮은p _mres'와 같아지며, 일방향밸브(18)가 닫혀 작업실(21)의 공기누설이 방지된다.

실린더(11)의 피스톤은 하사점을 지난 뒤 후진행정을 한다(도 6 참조). 피스톤(16)이 하사점을 지나는 동안, 실린더(11)의 배기밸브(15)는 대기로 개방되고, 피스톤(16)은 자유 상승행정을 한다. 2단실린더의 피스톤(22)은 작업행정을 한다. 이때 일방향밸브(18)는 닫혀있다.

상승행정동안, 피스톤(16)은 바이패스출구(19)를 지나고, 바이패스채널(17)은 대기로 통하는 실린더(11) 하부공간(24)으로 개방된다. 일방향밸브(18) 위의 실린더(11)측의 공기압은 대기압(p _atm)과 같고; 밸브(18)위의 실린더(12)측 공기압은 대기압(p _atm) 보다 높은p _res'이며; 밸브(18)는 1단피스톤(16)의 후진행정동안 계속 닫혀있다.

출력행정동안, 피스톤(22)은 실린더(12)의 출구(23)를 지나고, 작업실(21)은 대기로 연결된다. 이때문에, 압력p _res"의 공기가 대기로 배출되고, 실린더(12) 작업실 내부압력은 대기압(p _atm)과 같아진다. 이때, 일방향밸브(18) 양측의 압력은 동일하고 대기압(p _atm)과 같으며, 피스톤(16,22)의 현재 행정동안 이 값을 유지한다. 1단피스톤(16)이 다음 행정동안 바이패스출구(19)를 지나갈 때까지 일방향밸브(18)는 계속 닫혀있다. 그 뒤, 2단실린더(12) 작업실의 내부압력은 다시p _res'와 같아진다.

피스톤(22)은 상승하면서 출구(23)를 지나고, 실린더(12)의 작업실은 대기에서 격리되며; 피스톤(22)이 더 상승하면서 작업실내의 공기(초기압력은 대기압과 같음)를 압축한다. 이렇게 되면 2단 엔진의 전체 시스템의 효율이 줄어든다. 이런 손실을 피하기 위해, 피스톤(22)이 하사점에 있을 때 나머지 압축공기를 대기중으로 배출하기 위한 (배기밸브(15)와 비슷한) 수단(29)을 실린더(12)에 설치한다. 이렇게 되면 피스톤(22)이 자유로이 상승한다. 배기수단(29)은 실린더(11)에서 공기가 나간 뒤 닫힌다.

단수가 2단을 넘으면, 중간단계에 배기밸브(29)를 설치한다. 다단 PPE에서, 모든 실린더의 피스톤은 공통 크랭크축에 연결된다.

본 발명에 따른 PPE에서는, 피스톤이 하사점에 있을 때 배기되는 공기를 압축기에 공급하는 등으로 재사용할 수 있다. 이렇게 되면 PPE의 에너지손실이 줄어든다.

계산

PPE와 공기압축기 출력 계산

PPE의 출력과 공기흡입량의 비교계산에서, 종래의 방법과 본 방법에 따른 동작을 제시한다. PPE를 작동시키는데 필요한 압축공기량을 얻기 위해 PPE에서 생긴 출력(N _iE )과 ICE로 구동되는 공기압축기에 공급되는 출력(N _iC )을 계산했다.

PPE의 엔진속도가 2.12 s^-1이고 피스톤이 크랭크의 회전각도가 상사점 이전2도에 해당하는 위치에 있는 동안 압축공기의 공급이 시작되는 특수한 경우에 대해 계산을 했다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 PPE의 두가지 변형 동작모드에 대해 아래와 같이 계산을 했다:

- 크랭크 회전각도가 상사점을 5도 지난 위치에 피스톤이 있을 때 압축공기 공급이 종료되는 경우; 및

- 크랭크 회전각도가 상사점을 90도 지난 위치에 피스톤이 있을 때 압축공기 공급이 종료되는 경우.

압축공기 공급이 하사점에서 종료되는 기존의 PPE에 대한 계산을 비교하기 위해 했다.

(여러가지 압축공기 공급 종료상태하의) PPE의 비교를 위한 출력과 압축공기의 계산을 다음과 같은 요건하에 했다:

- 실린더 수5

- 실린더 내경0.48m

- 피스톤행정2m

- 엔진속도2.12 s^-1

- 압축공기 압력3.73x10⁶Pa

PPE에서 생긴 출력 계산식:

(1)

여기서,N _iE 는 PPE의 표시출력(kW);

p _i 는 평균 표시압력(Pa);

D는 실린더내경(m);

n은 엔진속도(s^-1);

S는 피스톤행정(m);

i는 실린더 수.

PPE를 작동시키는데 필요한 압축공기량을 얻기 위해 공기압축기에 공급되는 출력을 계산하는 식은 다음과 같다:

(2)

여기서,N _iC 는 공기압축기의 표시출력(kW);

p _i 는 PPE의p _i 는 평균 표시압력(Pa)과 같은 공기압축기의 평균 표시압력(Pa);

V _s 는 공기압축기에서 생기는 초당 공기량(m³/s).

압축기에서 생기고 PPE에서 소모되는 초당 공기량V _s 의 계산은 아래와 같다:

PPE의 실린더 하나당 작동실 체적은

여기서, D는 실린더내경(D=0.48m);

H는 작업실에 대한 압축공기의 공급이 끝날 때의 피스톤 행정(m).

엔진의 모든 실린더에서 크랭크축 1회전마다 PPE에서 소비되는 공기량은:

여기서 i는 실린더 수(i=5).

PPE의 초당 공기소비량은

여기서 n은 엔진속도로서 2.12s^-1이다.

따라서,

피스톤이 하사점에 있을 때 작업실에 대한 압축공기 공급이 종료되는 종래의 PPE의 경우, 공급이 끝날 때의 피스톤행정 H의 길이가 2m이므로,

V_s= 1.918 x 2 = 3.836 (m³/s)

본 발명의 PPE에 대해, 피스톤이 상사점을 지나 90도에 대응하는 위치에 있을 때 압축공기 공급이 끝날 경우, 공급이 끝날 때의 피스톤행정 H의 길이가 1m이므로,

V_s= 1.918 x 1 = 1.918 (m³/s)

본 발명의 PPE에 대해, 피스톤이 상사점을 지나 5도에 대응하는 위치에 있을 때 압축공기 공급이 끝날 경우, 공급이 끝날 때의 피스톤행정 H의 길이가 0.166m이다. 정확한 계산을 위해, 데드스페이스에 따른 손실율 2를 대입하여, 작업실 체적과 공기소비량을 두배로 하면:

V_s= 1.918 x 0.166 x 2 = 0.637 (m³/s)

위의 식 (1), (2)에 따라 PPE의 출력(N _iE )와 공기압축기의 출력(N _iC )를 비교한 결과가 아래 표와 같다:

항목	본 발명의 PPE	종래의 PPE
	첫번째 작동모드	두번째 작동모드
압축공기 공급종료시 피스톤 위치	상사점 지나 5도	상사점 지나 90도	하사점
평균 표시압력(MPa) P i	1.74	4.44	6.66
압축공기 공급종료에 의한 피스톤 행정 길이 H	0.166	1.0	2.0
공기압축기에서 생기고 PPE에서 소비된 초당 공기량(m3/s) V s	0.637	1.918	3.836
PPE의 표시출력(kW) N iE	6630	17002	25483
공기압축기의 표시출력(kW) N iC	1108	8516	25548

ICE와 본 발명의 PPE의 연료소비 비교

본 발명의 공압 피스톤엔진의 출력과 경제성을 종래의 운반엔진의 조건과 비교하고 또한 현재의 내연기관과 함께 PPE를 파워풀 엔진으로 사용할 가능성을 추정하기 위해, 본 발명의 PPE의 작동인자와 크기가 현재의 ICE와 같다고 보고 본 발명의 PPE의 작동상태를 고려한다.

PPE의 작동인자:

실린더 수5

실린더 내경0.48m

피스톤행정2m

엔진속도2.12 s^-1

압축공기 압력13.73 MPa

출력(N _iE )6630 kW

평균 표시압력(p _i )1.74 MPa

비교를 위해, SULZER RTA48T급 박용프로펠러용 ICE(디젤기관)의 동작을 취했다.

ICE 작동인자:

실린더 수5

실린더 내경0.48m

피스톤행정2m

엔진속도2.12 s^-1

연소압력13.73·10⁶Pa

출력(N _iICE )5100 kW

평균 표시압력(p _i )1.34 MPa

엔진속도가 2.12 s^-1인 본 발명의 PPE의 바람직한 작동모드의 표시 그래프(도 2)를 ICE의 그래프(도 7)와 비교하면 비슷하다고 볼 수 있지만, PPE에서는 압축행정이 없어, 그래프면적이 증가하여, 결국 평균 표시압력과 출력이 30% 이상 증가됨을 의미한다.

ICE의 경우의 시간당 연료소비 계산식은:

M _ICE = q _ICE · N _i

여기서,M _ICE 는 시간당 연료소비량(kg/s);

q _ICE 는 ICE에서의 비연료소비량(kg/kW·s)로서q _ICE =5·10^-5kg/kW·s;

N _i 는 엔진의 표시출력(kW).

따라서, 출력이 5100kW인 ICE의 경우, 소비해야 할 연료는

M _ICE = 5·10^-5kg/kW·s · 5100kW = 0.255 kg/s

앞에서의 "PPE와 공기압축기의 출력계산"에 따라, 바람직한 작동모드에서 본 발명의 PPE(속도 2.12s^-1)가M _iE = 6630kW의 출력을 내려면, 약 1108kW의 출력M _iC 를공기압축기에 공급해야 하고, 이것은 1/6까지 작다.

따라서, 본 발명의 방법으로 작동하는 PPE의 비연료소비량(q)은:

q_E= 5·10^-5kg/kW·s/6 = 8.333·10^-6kg/kW·s

연료소비량(M)은:

M_E= 8.333·10^-6kg/kW·s·6630kW = 0.055 kg/s

모든 손실, 에러, 가정들을 감안해, 그리고 실제로는 PPE의 크기와 인자들이 아주 다양하고 및 다양한 공기압축기를 사용한다는 사실을 감안하면, PPE가 ICE와 같은 축출력을 얻는데 소비되는 연료량은 1/5 까지 작다고 본다. 즉, 본 발명에 따른 PPE의 경우 비연료 소비량은 ICE보다 1/5까지 작다는 것을 알아야 한다.

본 발명의 공압 피스톤엔진은 기존의 기술과 현재의 재료 및 장비를 이용해 구성할 수 있다. 본 발명에 따른 공압 피스톤엔진에서는, 공기 이외에도 그 성질상 필요한 정도까지 압축될 수 있고 엔진 작동의 안전성과 청정도를 제공할 수 있는 다른 기체들을 이용할 수도 있다.

본 발명은 이상 설명한 실시예에 한정되지 않고, 청구범위내에서 다양한 변형이 가능하다.

본 발명의 공압 피스톤엔진은 자동차엔진, 선박엔진은 물론, 기관차엔진으로도 사용될 수 있다. 현재에는 출력이 한정되고 환경조건을 만족하지 못하는 ICE들이 이들 분야에 사용되고 있다. 본 발명은 강력하고, 경제적이면서도 친환경적인 다양한 등급의 청정 운송엔진을 구성할 수 있다. 본 발명을 기초로 발전소도 실현할 수 있다.

Claims (12)

1. 공압 피스톤엔진(1)의 실린더(2) 작업실(6)에 압축공기를 공급하고 피스톤(3)이 하사점에 있는 동안 작업실(6)에서 공기를 배기하는 것을 포함한 공압 피스톤엔진(1)의 작동방법에 있어서:

   정상 엔진속도에 따라, 크랭크축(5)의 크랭크(4) 회전각도 기준으로 피스톤(3)이 상사점 이전 40도부터 상사점 이후 25도 사이의 값에 대응하는 위치를 지날 때 압축공기의 공급을 시작하고, 필요한 효율에 따라 피스톤(3)이 크랭크축의 크랭크 회전각도 기준으로 상사점 이후 0도 내지 90도 사이의 값에 대응하는 위치를 지날 때 압축공기 공급이 종료되며, 상기 값들은 엔진에 따라 미리 정해지고 엔진 작동중에 변하지 않는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진의 작동방법.
2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 후속 피스톤엔진 작동단계를 더 포함하여 다단 공압 피스톤엔진(10) 작동방식을 실현하고; 여기서,

   - 이전 단계의 작업실(14)로부터 후속 단계의 작업실(21)로의 공기 바이패스가 이전 단계의 피스톤(16)이 아직 하사점에 도달하지 않은 출력행정동안 실현되며;

   - 후속 단계들중 하나의 작업실(21)로부터의 공기배출은 피스톤이 아직 하사점에 도달하지 않는 출력행정동안 실현되고;

   - 각각의 후속 단계의 작업실(21)로부터의 공기배출은 피스톤이 하사점 영역에 있는 동안 실현되는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진의 작동방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 피스톤(16,22)이 하사점 영역에 있는 동안 적어도 일 단계의 작업실(14,21)로부터 공기가 대기중으로 배출되는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진의 작동방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 피스톤(16,22)이 하사점 영역에 있는 동안 적어도 일 단계의 작업실(14,21)로부터 공기가 재사용 가능성을 갖고 배출되는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진의 작동방법.
5. 제1항 내지 제4항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진(1,10)의 동작이 실린더에 대한 압축공기의 양측 공급 모드로 실현되는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진의 작동방법.
6. 작동유체가 압축공기이고, 기구학적으로 크랭크(4)를 통해 크랭크축(5)에 연결된 피스톤(3)과 작업실(6)을 갖는 실린더(2)를 구비하며, 상기 작업실(6)에는 압축공기를 공급하는 수단(7)과 상기 피스톤(3)이 하사점 영역에 있는 동안 공기를 배출하는 수단(8)이 구비된 공압 피스톤엔진(1)에 있어서:

   상기 압축공기 공급수단(7)은 정상 엔진속도에 따라, 크랭크축(5)의 크랭크(4) 회전각도 기준으로 피스톤(3)이 상사점 이전 40도부터 상사점 이후 25도사이의 값에 대응하는 위치를 지날 때 압축공기의 공급을 시작하고, 필요한 효율에 따라 피스톤(3)이 크랭크축의 크랭크 회전각도 기준으로 상사점 이후 0도 내지 90도 사이의 값에 대응하는 위치를 지날 때 압축공기 공급이 종료되며, 상기 값들은 엔진에 따라 미리 정해지고 엔진 작동중에 변하지 않는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진.
7. 제6항에 있어서, 하나 이상의 추가 실린더(12)가 차례로 연결되어 다단 엔진(10)을 형성하고; 다단엔진에서,

   - 상기 추가 실린더(12)는 크랭크(27)를 통해 크랭크축(28)에 기구학적으로 연결된 피스톤(22)과 작업실(21)을 포함하며, 작업실(21)에는 피스톤(22)이 하사점 영역에 있는 동안 공기를 배출하는 수단(29)이 제공되고;

   - 상기 다단엔진(10)의 각각의 앞단계의 실린더(11)에는 그 피스톤(22)이 아직 하사점 영역에 도달하지 않는 동안 앞단계의 실린더의 작업실(14)로부터 후속 추가 실린더(12)의 작업실(21)로 공기를 바이패스하는 수단이 있으며;

   - 추가 실린더(12) 세트중 최종 실린더에는 피스톤(22)이 아직 하사점 영역에 도달하지 않은 동안 공기를 배출하는 수단(23)이 있고;

   모든 실린더(11,12)의 피스톤(16,22)이 공통 크랭크축(28)에 기구학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 피스톤(16,22)이 하사점 영역에 있는 동안 공기를 배출하는 상기 수단(15,29)이 배기공기를 재사용할 수 있도록 상기 실린더(11,12)중 적어도 하나에 배열되는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 이전 단계의 실린더(11)의 작업실(14)로부터 후속 추가 실린더(12)의 작업실로 공기를 바이패스시키는 상기 수단이 일방향 밸브(18)가 내장된 바이패스 채널(17)로 구현되고, 바이패스 채널(17)의 입구는 이전 실린더(11)의 작업실의 바이패스 출구(19)에 연결되며, 상기 바이패스 출구(19)는 피스톤(16)의 하사점 영역 위에 위치하고, 바이패스 채널(17)의 출구는 추가 실린더(12)의 작업실의 인입구(20)에 연결되는 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진.
10. 제7항 내지 9항중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 후속 실린더의 내경과 그 피스톤의 직경이 이전 실린더의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 공압 피스톤엔진.
11. 제6항 내지 9항중 어느 한 항에 따른 공압 피스톤엔진과 압축공기 공급원을 포함하는 파워플랜트에 제1항 내지 5항중의 어느 한 항에 따른 방법을 이용하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 공압 피스톤엔진에서 생긴 출력의 일부를 압축공기 공급원의 구동부에 전달하는 것을 특징으로 하는 방법.