KR20090045286A

KR20090045286A - 회생기 부착 6사이클 기관

Info

Publication number: KR20090045286A
Application number: KR1020097004053A
Authority: KR
Inventors: 가즈오 오오야마
Original assignee: 조호 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2009-05-07
Also published as: JP2006348947A; CA2658788A1; CN101506492A; CN102269058A; RU2009101965A; JPWO2008020498A1; EP2053214A1; US20100083921A1; KR20090042287A; BRPI0715700A2; US8821105B2; JPWO2008020519A1; MX2009001586A; WO2008020519A1; CN101506492B; WO2008020550A1; CN101506497A; CA2658790A1; EP2053215A1; US20100278628A1

Abstract

앳킨슨 사이클을 실현하고자 용적형 기관의 배기 포트에 압력 회생기를 부착하여 배기의 에너지를 회생하고자 한 경우, 4사이클 기관에서는 회생압을 높이려고 하면 이상 연소나 배기 밸브의 용손이 발생한다. 이것을, 용적형 기관으로서 6사이클 기관을 이용함으로써 해결하였다. 본 발명에 의한 회생기 부착 6사이클 기관은, 6사이클 기관과 회생기의 출력 비율을 변화시키는 것이 가능하므로, 이 원리를 이용하여 2종류의 출력을 발생시키는 기관으로서, 또 제어성이 높은 6사이클 가스 터빈으로서 이용할 수 있다. 상기 내연 기관은 발전소용부터 소형의 발전기 원동기, 또 선박이나 차량 등의 이동체에 탑재하는 기관으로서 연비면에서 우수하고 유용하다. 특히, 하이브리드 방식의 차량 등의 이동체에 대해서 적합하다. 또한, 본 발명에 관해서는 실시 허락의 용의가 있다.

용적형 기관, 압력 회생기, 6사이클 기관, 하이브리드 방식

Description

회생기 부착 6사이클 기관{6-CYCLE ENGINE WITH REGENERATOR}

본 발명은 회생기(回生幾)와 조합하는 용적형 내연 기관을 6사이클 기관으로 함으로써 연비 향상을 도모한 복합 사이클 내연 기관과 그 이용에 관한 것이다.

용적형 기관의 배출 포트에, 배기(排氣) 가스에 잔류하는 압력 에너지를 회전 동력으로 변환하는 용적형 모터나 배기 터빈 등을 부착하여 동력을 외부로 인출하는 시스템은 오래전부터 알려져 있다. 최근에도 이 회생기를 용적 팽창기로 하여, 도입되는 가스 유량을 조정하는 밸브를 설치한 회생 장치가 제안되고 있지만(예를 들면, 특허 문헌 1 참조), 회생기를 부착하기에 적합한 용적형 기관에 대해서는 언급되어 있지 않다. 이후에서는 이러한 배기 가스에 잔류하는 압력 에너지를 동력으로 변환하는 장치를 「회생기」라고 부르고, 회생기의 입구 압력이 되는 배기 포트의 압력을 「회생압」이라고 부른다.

일반적인 것은 아니지만, (1)흡기(吸氣), (2)압축, (3)폭발ㆍ팽창, (4)배기, (5)소기(掃氣) 도입, (6)소기 배기의 6행정으로 1사이클을 완료하는 내연 기관은 「소기 엔진」으로서 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조). 이 중, 배기 포트가 1개인 본 문헌에 언급하는 「종래의 소기 엔진」을 이하에서는 「6사이클 기관」이라고 부른다.

제 5 행정을 (5)물 분사 팽창 행정으로 바꾼 6사이클 디젤 기관에 회생기로서의 배기 터빈을 구비한 기관은 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조). 그러나, 배기 포트의 압력은 흡기 포트의 압력과 동일한 압력으로서(상기 문헌 도 2 참조), 회생압을 높여 보다 많은 배기의 압력 에너지를 회생하고자 하는 기술이나 시사는 없다.

용적형 내연 기관인 왕복 피스톤 기관을 연소실로 이용하는 가스 터빈 기관으로서 페스카라 사이클(Pescara Cycle)이라고 하는 자유 피스톤식 가스 터빈이 알려져 있다.

배기 터빈의 노즐을 구성하는 베인(vane)의 각도를 연속적으로 변화시켜, 터빈의 노즐의 개구 면적을 변화시키고, 가스의 통로 면적을 바꿈으로써 가스량의 변화에 대응하는 시스템은 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 4 참조). 가변 노즐 수 터빈은 본 출원의 우선권 주장의 기초가 된 출원에 의해 개시하고 있다.

하이브리드 차량으로서는, 내연 기관의 출력을 일단 모두 전력으로 변환하고, 그 전력으로 차량 구동용 모터를 구동하여 주행하는 직렬 하이브리드 차량이 알려져 있다. 내연 기관으로부터의 출력으로 변속기를 통해 차량을 구동함과 함께, 그 기관의 출력축에 직접 모터를 접속하고, 그 모터를 배터리로부터의 전력으로 구동하는 병렬 하이브리드 차량이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 5 참조).

내연 기관으로부터의 출력을 플레네터리(planatory)에 의해 분배하여, 그 출력의 일부로 차량을 구동함과 함께, 출력의 나머지 부분으로 모터 겸 발전기를 구동하여 발전하고, 발전한 전력과 배터리로부터의 전력으로 구동륜측에 접속한 다른 모터를 구동하는 형식의 모터 2개와 유성 기어를 이용한 토크 분배 시스템에 의해 직렬형과 병렬형의 양쪽 특성을 구비한 하이브리드 차도 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 6 참조).

[특허 문헌 1] 일본국 특허 공보 3739725호

[특허 문헌 2] 일본국 실용신안 공개공보 평2-96435호

[특허 문헌 3] 일본국 특허 공보 2819676호

[특허 문헌 4] 일본국 특허 공개 공보 2001-12252호(도 2)

[특허 문헌 5] 일본국 특허 공보 2857666호

[특허 문헌 6] 일본국 특허 공개 공보 2006-22890호

통상의 4사이클 기관에서는 압축비로 연소 가스의 팽창비가 결정된다. 압축 행정에서 흡기를 단열 압축하고, 온도가 상승한 상태에서 연소시키고, 폭발ㆍ팽창 행정에서 압축비 분만큼 팽창시켜서 동력으로 하고 있으므로, 아직 외부 공기의 압력보다 훨씬 높은 압력일 때 배기 밸브가 열려 배기 가스의 에너지를 대기로 해방시키고 있다.

이 압력 에너지의 이용을 의도한, 압축비보다 큰 팽창비를 가지는 내연 기관의 발명 개념은 앳킨슨 사이클(atkinson cycle)의 개념으로서, 오래전부터 알려져 있다. 이것을 흡기 밸브의 타이밍을 바꿈으로써 통상의 4사이클 기관에 적용하고자 한 것이 밀러 사이클(miller cycle)이다. 그러나, 이들 기관은 배기량이 동일하면 출력 저하가 있고, 그에 대해서 왕복 운동에 의한 마찰은 변하지 않으므로 출력에 대한 마찰 비율이 증가하는 문제가 존재한다.

4사이클 기관에서는, 회생기를 부착하고, 사이클 효율을 향상시키기 위해 높은 회생압을 취하고자 하면 이상(異常) 연소나 배기 밸브의 용손(溶損) 등의 문제가 발생한다. 회생압이 낮은 경우에는 배기 밸브가 열렸을 때 가스를 배기 포트로 압출함으로써 실린더에 잔류하는 배기 가스가 단열 팽창하고, 약간 저온이 되는 반면, 회생압이 높은 경우에는 배기 밸브가 열렸을 때의 압력 저하가 없기 때문에, 고온으로 유지된 배기 가스가 피스톤의 상승에 의해 배기 포트로 압출된다. 그러므로 저온의 가스와 접촉할 기회를 잃은 배기 밸브는 용손을 일으킨다. 또한 예혼합기식 기관의 경우에는 배기 행정이 끝났을 때의 실린더 내에 배기 가스가 보다 고온으로 보다 많이 잔류하게 되므로 이상 연소가 발생하고, 더구나 흡기 밸브가 열렸을 때 고온의 배기 가스가 혼합기와 직접 접촉하여 역화(逆火)가 발생한다.

4사이클 기관에서 연소실 주위의 냉각은 이상 연소 등의 발생을 억제하면서 압축비를 높이기 위해 필요 불가결하고, 연소 에너지의 대부분을 냉각 손실로서 냉각수에 버리고 있었다. 여기서 이상 연소란, 연소실 내의 혼합기가 국부적으로라도 고온화한 경우에 혼합기가 점화 플러그로부터의 화염 전파에 앞서, 그 압력 상승에 의한 온도 상승으로 단번에 자기 착화를 일으켜 연소하는 노킹(knocking)이라고 하는 현상이다. 이상 연소가 발생하면 본래 의도했던 연소 시기보다 이른 시기에 단번에 연소하기 때문에, 피스톤 상사점 근방에서의 연소실 내의 압력이 이상하게 상승하여 불쾌한 노킹음의 원인이 됨과 함께, 피스톤이나 헤드 등의 부품이 손상되어 기관 전체의 내구성을 현저하게 저하시키는 원인이 된다. 그러나 배기의 에너지를 회생하고자 하는 경우에는 냉각수에 버려지는 에너지만큼 회생 가능한 에너지가 감소되어 문제가 된다.

때문에, 디젤 기관에서 일부 수행되고 있는 바와 같은, 실린더 헤드나 피스톤 헤드의 연소실 벽면을 금속에서 단열성이 높은 세라믹 등으로 치환하는, 이른바 「단열화」가 종종 시도된다. 그런데, 특히 배기 밸브 주변으로 들어온 혼합기는 연소실에 남는 고온의 연소 가스와 혼합하고, 더구나 연소벽으로부터 열을 받아 온도가 상승하여 이상 연소가 발생하기 쉽게 되어 있다. 여기에 「단열화」를 하면 연소실 전체의 혼합기의 온도가 더욱 높아져 이상 연소나 배기 밸브의 용손 등이 발생하기 쉬워진다. 4사이클 기관에서의 이러한 「단열화」는, 이상 연소 등을 피하기 위해 압축비를 낮춰야하므로 오히려 효율을 저하시키는 것이었다.

가스 터빈 기관은 출력 비율에 콤팩트 하다는 이점이 있지만, 부분 연비가 나쁘고, 기동에서 전체 개방 상태가 되기까지 시간이 걸린다는 결점이 있다. 이 점을 개선하는 방법으로서 「자유 피스톤식 가스 터빈」이 알려져 있지만, 이 연소실이 되는 용적형 기관의 부분은 2사이클 기관의 형태를 취하고 있으므로, 회생압은 소기압과 거의 동일하고, 배기 밸브가 열렸을 때 배기 가스가 소기압까지 자유 팽창하여, 일부의 압력 에너지가 개방된다. 또 과급 공기를 실린더 내의 연소에 필요한 양 이상으로 보내는 관계로부터, 필연적으로 예혼합식 기관으로 하지 못하여, 직접 분사식 기관으로 한정되는 것이었다. 크랭크 샤프트가 없기 때문에, 기관 회전 수에 해당하는 시간당 사이클 수의 제어성이 나쁘다는 결점과 부하 변동에 대한 대응성이 나쁘다는 결점이 있었다.

배기 촉매에 따라서는, 산소 농도가 지나치게 높으면 질소산화물의 환원이 제대로 진행되지 않는 것이 있다. 이 대책으로서 EGR(exhaust gas recirculation;배출 가스 재순환) 시스템을 이용하여 적극적으로 기관의 흡기에 배기 순환 가스를 보내는 것이 수행되고 있다. 그러나, 6사이클 기관에서 흡기와 소기에 균일하게 순환 가스를 혼합하면, 흡기 중의 산소 농도가 낮아지고 연소할 수 있는 연료가 적어져 출력이 저하하는 반면, 소기에는 새로운 공기가 섞여 촉매를 통과하는 배출 가스가 여전히 산소 과다가 되는 문제가 있다.

다기통 6사이클 기관의 실린더 배치는 일반적으로 2사이클 기관에서 사용되고 있는 실린더 배치와 같은 것을 이용할 수 있다. 그러나, 3배수의 실린더 수를 갖는 6사이클 기관은 2사이클의 실린더 배치로는 등간격 폭발의 기관이 되지 않아, 승용차용 기관 등으로 이용하기 어렵다. 회전 수당 폭발 회수가 적은 6사이클 기관에서는 6기통 정도를 희망하는 경우가 많지만, 차량 등에 자주 사용되고 있는 V형 배치의 기관에서는 등간격 폭발로 하면 1차 진동이 발생하는 배치만 존재하기 때문에 문제가 된다.

현재, 승용차에는 엔진을 차체 앞부분에 배치하는 전륜 구동 차량, 이른바 FF차가 주류를 이루고 있는데, 여기에 최근 증가하고 있는 하이브리드 방식의 구동 시스템을 탑재하고자 한 경우 문제가 되는 것이 엔진이나 모터 등의 구동 시스템의 폭이다. 동력 전달 시스템의 효율을 고려하면, 모터나 엔진의 회전축을 차체에 대해서 가로로 탑재하고 싶지만, 모터 폭 만큼 차체 폭을 늘려야 하여, 차체 자체가 상이한 것이 되어 버리는 문제가 있다. 가령 새로운 차체로 한다 해도, 소형 승용차에 있어서 100㎜의 차체 폭 확대는 시장성면에서 치명적이다. 이러한 문제 때문에 하이브리드 차는 일부 기종으로 한정되고 있었다.

연비면에서 보면 디젤 기관과 하이브리드 시스템을 조합한 차량이 바람직하지만, 상기와 같은 문제 외에도, 과급기(過給機) 부착 디젤 기관의 보조 기기를 포함한 공간이나 토크 특성의 문제로 인해 지금까지 승용차로서 성립되지 못했다.

용어의 정의

본 발명 및 그 설명에서는 직접 분사식 기관에, 압축 착화 기관과 불꽃 착화 기관으로서 실린더 내에 연료 분사 밸브를 구비한 것을 포함한다. 회생기 부착 용적형 기관 전체의 이론 효율이 최대가 되는 회생압을 이후에서는 이상(理想) 회생압이라고 부른다. 하이브리드 차량의 개념은 전기식인 것과 유압식인 것을 포함하는 의미로 해석하는 것으로 하고, 발전기라고 기재한 경우에는 유압펌프, 배터리라고 기재한 경우에는 축압기, 동력선이라고 기재한 경우에는 고압 유로이고, 동력을 전력으로 변환한다고 기재한 경우에는 유체를 고압화하여 압송하는 것을 의미하는 것으로 한다. 특허 청구 범위에 대해서도 마찬가지이다.

과제를 해결하기 위한 수단과 효과

본 발명의 제 1 과제 해결 수단은 용적형 기관과 그 배기로부터 회생기에 의해 출력을 외부로 인출하는 기관을 회생기 부착 6사이클 기관으로 한 것을 특징으로 하는 내연 기관이다.

제 1 과제 해결 수단의 효과로서, 용적형 기관을 6사이클 기관으로 하면 (5)소기 도입, (6)소기 배기의 행정에 의해 연소실이나 배기 밸브가 소기에 의해 냉각되어, 회생압을 높여도 배기 밸브의 용손 등을 일으키지 않고, 회생기가 열적으로 수월해지는 이점이 있다. 흡기 행정을 시작할 때, 흡기 밸브가 열렸을 때에 역류할 가능성이 있는 연소실 내의 기체는 소기로서, 회생압이 높아지거나 온도가 낮아 흡기와 접촉하더라도 역화를 일으키지 않는다.

또, 6사이클 기관은 연소실을 내부에서 냉각할 수 있으므로 「단열화」한 경우라도 이상 연소가 발생되기 어렵다. 그러므로 종래에는 냉각수에 버려지던 연소 에너지를 회생기에 의해 동력으로 변환할 수 있어, 회생 효율이 향상된다는 이점이 있다.

본 발명의 제 2 과제 해결 수단은, 흡기 포트에 대해서 독립된 소기 포트를 구비하고, 회생기로부터의 배출 가스를 주로 소기 포트로 순환시키는 시스템을 구비한 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단에 의한 내연 기관이다.

제 2 과제 해결 수단은 흡기 중의 산소 농도는 낮추지 않고, 촉매를 통과하는 배출 가스의 산소 농도를 낮추어, 촉매의 환원 작용을 촉진시키는 효과가 있다. 직접 분사식 6사이클 기관에서는 소기와 흡기의 포트를 공통으로 하여, 함께 새로운 공기를 공급하여 수행하는 방법도 있는데, 이 경우에는 배기 중의 질소산화물을 제거하기 위해 수세 설비 등 고정 설비형 배기 가스 정화 시스템을 필요로 하는 반면, 배기 정화 시스템에 촉매 방식인 것을 채용할 수 있고, 소형화할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명의 제 3 과제 해결 수단은, 6사이클 기관과 회생기 사이의 배기 매니폴드를 보온재로 덮어 단열화한 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단에 의한 내연 기관이다.

제 3 과제 해결 수단은 회생기에 공급되는 배기의 에너지를 주위에 버리는 낭비가 없어, 회생 출력이 향상한다는 이점이 있다. 종래의 터보차저 부착 4사이클 기관에서는 배기 터빈의 저널이 열에 의해 손상되지 않도록 적극적으로 배기 터빈을 냉각하고, 배기 매니폴드도 직접 외부 공기와 접촉시켜서 냉각하고 있었다. 그러나, 6사이클 기관에서는 소기의 존재에 의해 배기 온도가 낮으므로, 배기 매니폴드를 적극적으로 보온하여, 보다 많은 배기 에너지를 회생기로 유도하는 것이 기관의 전체적인 효율을 높인다. 회생기 부착 6사이클 기관에서는 4사이클 기관보다 촉매의 온도 상승에 시간이 걸리는 경향이 있는데, 이것을 단축시키는 효과도 있다. 배기 촉매의 온도 상승으로는 EGR 가스를 촉매 주위로 통과시켜 보온하는 것도 한 방법이다. 효율의 향상을 위해서는 또한 회생기까지의 배기 포트도 단열화해야 한다.

본 발명의 제 4 과제 해결 수단은 배기 가스의 통과 가스량을 변화시키는 기구를 회생기에 구비하고, 상기 기구에 의해 회생압을 변화시킴으로써, 6사이클 기관의 출력과 회생기로부터의 출력 비율을 제어 가능하게 하는 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단에 의한 내연 기관이다.

제 4 과제 해결 수단의 효과로서, 2개의 부하에 대해서 동력의 배분비를 바꾸어 공급하고자 하는 경우에 적합한 내연 기관을 제공한다. 예를 들어, 주행용 구동력과는 별도로, 주행 속도와는 그다지 관계없는 농산물을 추수하거나 탈곡하는 기계 부분의 구동력을 필요로 하는 농업용 기계나, 추진력과는 별도로 비교적 큰 발전기를 구동할 필요가 있는 유람선과 같은 이동체의 동력원으로서 적합하다.

이 원리를 설명하면, 회생기에서 많은 출력을 인출할 수 있도록 회생압을 높게 취하면 (4)배기 행정과 (6)소기 배기 행정에서 실린더 내의 가스를 배출하기 위해서 6사이클 기관은 자신의 운동 에너지를 소비하게 된다. 또, 회생압을 높게 취하면 (6)소기 배기 행정에서 연소실에 남는 가스량이 증가하고, 그 다음의 (1)흡기 행정에서 흡기 가스량이 감소하여, 6사이클 기관의 출력 토크가 낮아진다. 이 두 효과에 의해, 6사이클 기관의 출력은 회생압이 높을수록 낮아지는 반면, 회생기의 출력은 단순하게 회생압이 높을수록 높아진다. 본 과제 해결 수단은, 이 원리를 이용하여 회생압을 제어함으로써, 6사이클 기관과 회생기로부터의 출력 비율을 제어하는 것이다.

회생압을 변화시키는 방법으로서, 회생기로서 용적형 팽창기를 이용하는 경우에는 그 회전 수를 변화시킴으로써 수행한다. 회생기로서 가스 터빈을 이용한 경우에는 터빈에 가스를 분사하는 노즐의 총 면적을 변화시키는 방법으로 수행한다. 특히, 가변 노즐 수 가스 터빈을 채용한 경우에는 콤팩트한 가스 터빈을 회생기로 이용하면서, 부하 변동에 의해 배기 가스량이 변화하는 내연 기관에 대해서 항상 높은 효율을 유지할 수 있다는 이점이 있다.

본 과제 해결 수단에 의해, 6사이클 기관의 부하와 상관없이 거의 일정한 회생압으로 하는 제어를 수행함으로써, 회생기로부터의 출력이 지나치게 커지는 것을 방지하는 효과가 있다. 회생기 부착 6사이클 기관은 부하가 커지면 많은 흡기를 도입하고, 연료도 증가하므로 최대 압력이 상승한다. 이때에는 이상 회생압도 높아지고, 거기에 대응하기 위해서 회생기 내부에서의 팽창비도 높아지므로 회생기로부터의 출력은 기관 전체의 출력 증가분 이상으로 증가하게 된다. 이에 대해서 회생압을 거의 일정하게 한다면 회생기에서의 팽창비는 변화하지 않고, 회생기의 출력은 기관 전체의 배기 가스량에 비례할 뿐이므로 회생기의 출력을 억제할 수 있다. 회생기로부터의 출력이 억제 가능하면 회생기의 출력을 흡수하는 발전기 등을 소형화할 수 있고, 그 제어기나 전력을 축적하는 축전기나 발전 전력을 이용하는 모터 등의 부하 용량도 작게 할 수 있어, 시스템 전체가 콤팩트해지는 이점이 있다.

또, 자연 흡기의 6사이클 기관에서도 이상 회생압은 4기압 가까이 되어, 과급기가 부착된 6사이클 기관의 이상 회생압은 더욱 높은 압력이 된다. 이러한 압력을 다루는 회생기는 용적형 팽창기로 하거나 가스 터빈으로 하더라도 다단이 되어 시스템이 복잡해진다. 그러므로 회생압을 4기압 정도 이하의 일정한 압력으로 하는 제어를 수행함으로써, 회생기의 단단화(單段化)가 가능해져 회생 시스템을 단순화하는 이점이 있다. 또, 전체 부하시의 회생기를 포함한 기관의 전체적인 효율은 약간 저하하지만, 전체 부하시의 6사이클 기관 단일체의 출력은 이상 회생압으로 한 경우보다 높아지는 이점과 소기와 흡기의 가스 교환 효율이 높아지므로 기관 전체의 최고 출력이 높아져 열적으로도 수월해지는 이점이 있다.

본 발명의 제 5 과제 해결 수단은, 6사이클 기관의 흡기 포트에 과급기를 구비하고, 또 배기 포트에 회생기인 가스 터빈을 구비하여, 상기 가스 터빈으로부터 주된 출력을 인출하는 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단에 의한 내연 기관이다.

6사이클 기관의 연소실의 최대 압력에 한계가 있다고 판단하면, 과급압을 높여갈수록 6사이클 기관의 출력 비율이 감소하고, 회생기에서의 출력 비율이 증가해간다. 과급압을 4기압 정도나 그 이상으로 높게 취하면 기관 출력의 거의 모두를 회생기인 가스 터빈에서 얻는 내연 기관이 된다. 연소실로서 6사이클 내연 기관을 이용한 가스 터빈 기관, 즉 6사이클 가스 터빈이라고 하는 것이 된다. 이하에서는 본 과제 해결 수단에 의한 내연 기관을 「6사이클 가스 터빈」이라고 부른다.

6사이클 가스 터빈은 동력축 회전 수가 높은 이용 용도로, 콤팩트하고 제어하기 쉬운 원동기가 된다. 발전용으로 이용하면 출력축의 회전 수가 높기 때문에 발전기의 자속을 자르는 속도가 빠르므로 발전 전압을 높게 취할 수 있고, 발전기가 소형화될 수 있다는 이점이 있다. 6사이클 가스 터빈은 과급압보다 높은 회생압을 설정하고 있으므로 자유 피스톤형 가스 터빈과 비교하여 소기의 양을 지나치게 증가시킬 필요가 없고, 또 배기가 열 사이클의 도중에서 자유 팽창하는 일도 없으므로 열효율이 높다. 6사이클 가스 터빈은 흡기 포트에 혼합기, 소기 포트에 새로운 공기나 순환 가스로, 가스를 포트에 의해 분리할 수 있으므로, 디젤 기관뿐만 아니라 예혼합식 기관에도 이용할 수 있는 특징이 있다. 용적형 기관 부분에 크랭크축을 갖는 6사이클 기관을 이용하고 있으므로 크랭크축을 이용한 내연 기관형 제어 방식을 사용할 수 있고, 회전 수 제어나 부하 변동에 대해서 제어가 용이한 특징이 있다.

용적형 기관은 피스톤의 왕복 운동에 의해 관성 진동을 발생하기 때문에 선박 등의 이동체에서 그 출력을 직접 스크류 등의 구동축에 전달하면 출력축이 선체 등에 고정되므로 그 진동이 선체에 전파되어 승객에게 불쾌감을 주게 된다. 반면, 6사이클 가스 터빈의 경우 용적 기관인 6사이클 기관의 출력은 과급기나 발전기 등의 보조 기기를 구동하기 위해 이용하므로 선체 등에 유연한 마운트로 탑재할 수 있어, 진동이 선체 등에 전파되지 않는다. 회생기의 존재에 의해 배기음이 조용하고 연비가 좋다는 이점이 있다. 스크류 등의 구동축은 진동이 적은 터빈으로부터 직접, 또는 한번 발전기에 의해 전력으로 변환해서 그 전력을 이용하여 모터로 돌릴 수 있다. 그러므로 여객선이나 하이브리드 차 등의 동력원으로서 연비와 상품성을 양립시킬 수 있는 것이 된다.

또, 종래의 용적형 기관의 발전기에 비해 배기음이 조용하고 연비가 좋으며, 내부 냉각에 의해 냉각 시스템도 간이하게 할 수 있으므로 시동성이 높고 제어하기 쉬운 발전용 원동기로서, 또 트레일러 하우스나 별장의 전력원이나, 연비가 좋은 휴대용 발전기로서도 이용할 수 있는 것이다. 또, 콤팩트한 터빈형 압축기를 이용하는 경우의 1㎫ 이하 정도의 공기 압축기의 동력원으로서도 우수하다.

발전기용으로서 6사이클 가스 터빈은 작은 것은 30㎾급부터, 큰 것은 용적형 기관인 6사이클 기관을 다수 설치하므로 발전소용 1O㎿급 이상까지, 종래의 내연 기관으로부터 치환 가능한 것이다. 발전소와 같은 대형은 통상의 가스 터빈의 효율도 높일 수 있고, 배출 가스에 잔류하는 열 에너지로 증기 터빈을 돌리는 복합 사이클을 이용할 수 있으며, 전체 효율을 높일 수 있으므로 이용되고 있다. 그러나 소형의 1OO㎾급인 것은 가스의 누출이나 열전도 손실에 관련하여 가스 터빈 자체의 효율을 높이는 것이 어렵고, 또 지나치게 작아서 배출 열을 이용한 복합 사이클의 이용도 어렵기 때문에 4사이클 디젤 기관 등에 대해서 효율적인 면에서 떨어져, 콤팩트한 점을 살려 비상용 발전기 등에 이용되고 있는 정도이다. 반면, 6사이클 가스 터빈은 용적형 기관의 배기에 남는 압력 에너지를 회생기에 의해 동력으로 변환하는 복합 사이클을 콤팩트하게 종합한 것으로, 효율도 4사이클 디젤 기관보다 우수하다. 그러므로 소형인 것이라도 이용의 장점이 있다. 대형인 것은 또한 배출 가스에 잔류하는 열 에너지로 증기 터빈 등을 돌리는 배출 열 회생 시스템을 부가할 수도 있어, 종래의 화력 발전용 가스 터빈의 연비 향상을 도모할 수 있는 것이 된다.

본 발명의 제 6 과제 해결 수단은 6사이클 기관의 출력축에 과급기로서의 용적형 압축기와, 6사이클 기관을 재시동할 수 있는 모터 발전기를 구비하고, 배기 가스 터빈을 회생기로서 구비하며, 상기 배기 가스 터빈에 노즐의 총 면적을 바꾸는 기구를 구비한 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단에 의한 내연 기관이다.

제 6 과제 해결 수단에 의한 내연 기관은 과급기로서 6사이클 기관의 회전 수에 비례하여 회전하는 용적형 압축기를 구비하고 있으므로, 흡기량은 기관의 회전 수에 비례하므로 과급압은 일정해지고, 기관 회전 수에 거의 비례하는 배기 가스를 회생기에 보낸다. 터빈형 압축기의 경우에는 회전 수의 제곱에 비례하는 압력이 발생하고, 기관 회전 수의 변화에 대해서 안정된 과급압으로 하기 위해서는 복수의 과급기를 조합하여 작동 터빈을 적절히 선택하여 사용할 필요가 있지만, 용적형 압축기의 경우에는 기관과 비례하는 회전 수로 하는 것만으로 과급압을 거의 일정하게 유지할 수 있어, 시스템의 요소 수를 줄일 수 있다는 이점이 있다.

상기 6사이클 기관 부분의 출력은 과급기를 구동하기 위해서 고압의 배기 가스를 회생기에 공급하는데 이용된다. 이 경우 6사이클 기관은 고압 가스 발생 장치로서 이해할 수 있고, 그 회전 수를 제어함으로써 기관 전체의 출력을 제어할 수 있다. 6사이클 기관의 회전 수를 제어하는 수단으로서는 제어용 컴퓨터에 의해, 주로 배기 터빈의 노즐 총 면적을 변화시킴으로써 회생압을 변화시키고, 또한 정확한 기관 회전 수는 출력축에 구비한 모터 발전기의 흡수 토크를 제어함으로써 부하를 변화시키는 것으로 수행한다.

이와 같이 본 과제 해결 수단에 의한 내연 기관은 아이들(idle) 회전 상태 등 미묘한 흡기 제어가 필요한 경우를 제외하고는, 기본적으로 스로틀 밸브와 같은 출력 제어 전용 수단 없이 기관 출력을 제어할 수 있으므로 간단하고, 스로틀 밸브에 의한 펌핑 손실이 없어 효율적이라는 이점이 있다. 출력의 대부분을 회생기로부터 인출하는 6사이클 가스 터빈으로서 이용하는 경우나 6사이클 기관의 출력도 포함해서 발전에 이용할 때 등, 외부에서 출력을 제어하기 쉬운 콤팩트하고 효율적인 기관이 된다. 회생기의 존재에 의해 배기음도 조용하고, 특히 하이브리드 차량용 발전부로서 유리하다.

본 발명의 제 7 과제 해결 수단은, 6사이클 기관과 회생기 사이의 배기 매니폴드에 연소실을 구비한 것을 특징으로 하는, 제 1 내지 제 6 과제 해결 수단에 의한 내연 기관이다.

제 7 과제 해결 수단의 첫 번째 효과는 배기 가스의 미연소 성분을 제거하고, 산소 농도나 온도 등의 상태를 제어 가능하게 하는 점이다. 6사이클 기관은 소기 행정의 존재로 인해 배출 가스가 산소 과다가 되기 쉽다. 그러므로 연소 자체는 다소 연료가 풍부한 상태에서 운전하게 되므로 (4)배기 행정의 배기에는 미연소 가스가 남는다. 그런데 이 (4)배기 행정의 배기와 (6)소기 배기 행정의 배기는 교대로 배출되므로 배기 포트에서 혼합하여 미연소 성분을 확실하게 연소시키는 것은 어려워, 회생기를 지나 촉매에서 연소하게 된다. 이것은 촉매의 부하를 증가시킬 뿐만 아니라, 촉매 온도의 이상 상승과 연비의 악화를 초래한다. 본 과제 해결 수단은, 배기 포트에 설치된 연소실에서 이 미연소 가스를 확실하게 회생기 바로 앞에서 연소시킬 수 있다. 이 효과를 촉진하기 위해서 연소실을 촉매로 구성하는 수단도 유효하다. 연소실에 연료 공급 장치를 부착함으로써, 배기가 산소 과다가 된 경우에 산소 농도를 낮출 수 있다. 6사이클 기관의 운전 상태를 바꾸지 않고 일시적으로 배기를 환원 분위기로 하는 등, 촉매 상태를 더욱 정밀하게 관리할 수 있다는 이점이 있다. 또, 예열시에 촉매의 온도 상승 시간을 단축하기 위해 이용할 수 있다.

본 과제 해결 수단의 두 번째 효과는 회생기의 출력을 높일 수 있다는 점이다. 미연소 가스를 확실하게 연소시키는 것으로도 회생기의 출력은 향상한다. 또한, 연료 분사 장치에 의해 연료를 연소실에 공급함으로써, 터빈의 한계 온도까지 배기 가스 온도를 높이고 회생기의 출력을 높일 수 있다. 과급기를 구비한 회생기 부착 6사이클 기관에서는 회생압이 높으므로 이 연소실에서의 연소 에너지를 회생기에 의해 비교적 효율적으로 동력으로 변환할 수 있으므로 효율의 저하가 적다. 본 목적의 유사한 공지예로서, 전투기 등의 제트 엔진에 사용되는 애프터 버너(after burner)의 예가 있다. 회생기 부착 6사이클 기관의 배기에 남는 산소 농도는 제트 엔진의 배기 만큼은 높지 않기 때문에 그만큼 현저하게 출력을 높이는 효과는 없지만, 소기를 모두 새로운 공기로 함으로써 본 효과를 최대화할 수 있다.

본 발명의 제 8 과제 해결 수단은 제 1 과제 해결 수단에 의한 내연 기관을 탑재한 이동체로서, 6사이클 기관으로부터의 출력을 구동륜에 전달하는 동력 전달 기구와 차량을 구동하는 모터와 상기 모터의 구동력을 구동륜에 전달하는 동력 전달 기구를 구비하고, 회생기의 출력축에 발전기를 구비한 것을 특징으로 하는 이동체이다.

제 8 과제 해결 수단에 의한 이동체는 6사이클 기관의 회생기로부터의 출력을 효율적으로 주행 에너지로서 이용할 수 있다는 이점이 있다. 최근에는 하이브리드 차량이 증가하는 경향이므로 하이브리드 차가 원래 가지고 있는 주행용 모터에 이 전력을 보내면 추가의 필요 부품도 적어진다는 이점이 있다. 이 경우에는 발전 전력을 일시적으로 배터리에 축적하는 방법도 사용할 수 있다. 이와 같이 본 과제 해결 수단에 의한 이동체는 배터리 등 일부 부품의 대형화만으로 더욱 연비 효율이 좋은 하이브리드 차량으로서의 시스템을 이동체에 도입할 수 있는 것이다. 다시 말해서 종래의 하이브리드 차량에 본 과제 해결을 적용하면 연비 효율이 좋은 탑재 가능한 콤팩트한 원동기를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 9 과제 해결 수단은 청구항 6의 내연 기관을 탑재한 직렬형 하이브리드 방식의 이동체이다.

제 9 과제 해결 수단에 의한 이동체는 기관 자체가 심플하고 시동성이 좋으며, 기관의 회전 수를 바꾸어도 효율이 좋으므로 배터리 용량이 적어도 되어, 하이브리드 시스템 전체가 경량으로 구성될 수 있다는 이점이 있다. 직렬 하이브리드의 특성에 의해, 평균 속도가 느려 가감속의 회수가 많은, 도시 버스나 배송용 소형 트럭이나 택시 등에 적용하면 연비의 개선 효과가 특히 크다.

본 발명의 제 10 과제 해결 수단은 6사이클 기관을 양측 60도의 W형 6기통으로 한, 청구항 1의 내연 기관이다.

제 10 과제 해결 수단에 의한 회생기 부착 6사이클 기관은, 6기통이라는 기통수를 가지면서 관성 1차 진동이 없는 180도 등간격 폭발의 기관으로서, 크랭크축 방향으로 콤팩트 하다는 이점이 있다. 차체에 대해서 횡(橫) 배치라도, 종(縱) 배치라도 탑재성이 좋고, 특히 배기량 2리터급 이상의 승용차나 소형, 중형 트럭 등의 이동체용 기관으로서 유용하다.

본 발명의 제 11 과제 해결 수단은, 6사이클 기관을 90도 V형 4기통으로 한 청구항 1의 내연 기관 또는 청구항 10의 내연 기관을 구비하고, 그 회전축을 차량의 진행 방향에 대해서 가로 배치한 전륜 구동 차량이다.

제 11 과제 해결 수단에 의한 차량은 종래의 예혼합식 4사이클 기관을 탑재한 전륜 구동 차량에 대해서 호환 가능한 하이브리드 방식의 차량을 제공할 수 있다는 이점이 있다. 종래에는 탑재가 불가능했던 디젤 기관과 하이브리드 방식의 조합도 과급압을 높여 6사이클 기관의 부분을 콤팩트하게 함으로써 가능해진다. 본 과제 해결 수단은, 270도 등간격 폭발의 90도 V형의 4기통 6사이클 기관이나 180도 등간격 폭발의 청구항 10의 내연 기관이 승용차 등에 적합한 등간격 폭발의 기관이고, 또 진동이 적고 엔진 폭이 짧은 것을 이용하여 본 과제를 해결한 것이다. V형이나 W형이 됨으로써 기관의 전후 길이가 약간 길어지지만, 차량의 전면부를 연장하는 방법을 사용할 수 있으므로 종래의 전륜 구동 차량에 대해서 호환이 가능해진다. 이 전면부의 연장은 엔진룸의 증대에 의한 하이브리드 관련 부품의 탑재 공간 확보에도 연결되어 치명적인 결점은 되지 않는다.

이와 같이 본 과제 해결 수단은, 세계적으로 많은 대수의 소형 승용차, 그 중에서도 주류를 이루고 있는 2리터급 이상의 엔진 가로 배치 FF차량을 하이브리드화할 수 있고, 또한 디젤화도 가능하므로, 세계의 석유 소비를 삭감하는데 큰 효과가 있다.

도 1의 (A)는 본 발명의 회생기 부착 6사이클 기관의 모식도이고, (B)는 4사이클 가솔린 기관과 회생기 부착 6사이클 기관의 P-V선 도면의 개념도(실시예 1).

도 2는 본 발명의 기관의 EGR 시스템의 실시예의 모식도(실시예 2).

도 3은 본 발명의 과급기 부착 기관의 EGR 시스템의 실시예의 모식도(실시예 3).

도 4는 본 발명의 다단 회생기를 구비한 기관의 EGR 시스템의 모식도(실시예 4).

도 5는 제 4 과제 해결 수단에 의한 회생기 부착 6사이클 디젤 기관의 6사이클 기관 부분의 PV선 도면(실시예 5).

도 6은 상기 기관 전체의 PV선 도면의 모식도이고, (A)는 그 전체도를 나타내고, (B)는 그 원점 근방의 확대도를 나타낸다(실시예 5).

도 7은 제 4 과제 해결 수단에 의한 제 1 실시예의 기관의 모식도(실시예 5).

도 8은 제 4 과제 해결 수단에 의한 제 2 실시예의 기관의 모식도(실시예 6).

도 9는 본 발명에 의한 6사이클 가스 터빈의 모식도(실시예 7).

도 10의 (a)는 본 발명에 의한 배기 매니폴드에 연소실을 구비한 기관의 측면도이고, (b)는 그 연소실 부분의 확대도(실시예 8).

도 11은 본 발명에 의한 전륜 구동 차량의 동력부의 4면도(실시예 9).

도 12는 상기 동력부의 제어 시스템 도면(실시예 9).

도 13은 본 발명에 의한 병렬 하이브리드 차량의 동력 시스템 도면(실시예 10).

도 14는 본 발명에 의한 W형 6기통 기관의 크랭크 핀 배치도(실시예 11).

[부호의 설명]

1：6사이클 기관

18：직접 분사 인젝터

20：실린더 헤드

21：흡기 포트

22：흡기 밸브

23：스로틀 밸브

24：액셀 센서

31：배기 포트

32：배기 밸브

35：웨스트 게이트 밸브

41：소기 포트

42：소기 밸브

43：제 2 밸브

43B：소기 포트 밸브

50a1∼50c2：크랭크 핀

51a1∼51c2：피스톤

52：회전수 센서

68：배기 센서

70：연소실

71：보온재

72：연소실 내벽

73：가스 구멍

75：연료 공급기

80, 80b：배기 매니폴드

91：액츄에이터

94：소기 밸브 액츄에이터

100：회생기(또는 배기 터빈)

111：순환 포트

112：냉각기

150：보조 기기

151：발전기

152：보조 기기용 감속기

153：보조 기기용 클러치

154：보조 기기 구동 벨트

155：발전 겸용 모터

180：변속기

181：동력 전달 벨트

200：과급기

200b：과급기의 가스 흡입구

210：과급기로서의 용적형 압축기

280：증속기

360：회전 액츄에이터

520：변속기

522, 522b：드라이브 샤프트

525, 525b：구동륜

550：차량 구동용 모터

560：모터 제어기

561：동력선

580：배터리

610：제어 컴퓨터

산업상 이용된 적 없는 6사이클 기관에 대하여 연구하고, 상기 기관에 회전형 회생기를 조합함으로써, 지금까지 실용적인 실시 방법을 찾지 못했던 앳킨슨 사이클을, 콤팩트하고 효율적으로 실시할 수 있는 복합 사이클 기관으로서 실현하여 내연 기관의 열 사이클 효율을 향상시켰다.

실시예 1

도 1의 (A)는 제 1 과제 해결 수단에 의한 회생기 부착 4기통 6사이클 기관의 위쪽에서 본 모식도이다. 무과급(無過給)의 6사이클 기관(1)의 배기 매니폴드(80)에 회생기인 배기 터빈(100)이 부착되고, 배기에 잔류하는 압력을 회전 에너지로 변환하여, 압력이 낮아진 가스를 회생기 하류의 배기 매니폴드(80b)에서 대기로 배출한다.

도 1의 (B)는 무과급의 4사이클 기관과 제 1 과제 해결 수단에 의한 기관의 압축 행정과 폭발ㆍ팽창 행정의 연소실의 용적과 압력 변화를 나타내는 그래프(이하, PV선 도면)이다. 점선은 예혼합식 4사이클 기관에서 압축비 9.5인 경우의 PV선 도면이다. 점 A1의 높이는 대기압인 흡기 압력을 나타내고, 가로축의 용적은 피스톤이 하사점일 때의 실린더 내의 용적을 나타내고 있다. 피스톤이 상승해갈 때의 단열 압축시의 용적과 압력의 변화가 점 A1부터 점 A2까지의 왼쪽 오름 곡선으로 나타나 있다. 피스톤이 상사점 A2에 왔을 때 착화하고, 연소에 의한 온도 상승으로 압력이 A3까지 상승한다. 그 후 피스톤의 하강에 의해 이번에는 단열 팽창하여 피스톤이 하사점에서 압력A4에 도달하고, 배기 밸브가 열리면 연소실 내의 가스는 대기압인 A1까지 자유 팽창하여 개방된다. 이때의 A4와 A1의 압력차는 배기 밸브를 열었을 때 자유 팽창에 의해 미회수된 채로 개방되어 버려지는 압력 에너지의 존재를 나타내고 있다. 그 후 배기 행정, 흡기 행정을 얻어 다시 A1로 돌아와 1사이클이 끝난다.

실선은 동일한 배기량의 회생기 부착 6사이클 기관의 압축비 12.2인 경우의 PV선 도면으로, 압축 행정과 폭발ㆍ팽창 행정과 회생기 내에서의 팽창 행정도 포함해서 나타내고 있다. 4사이클과의 압축비 차이는 흡기 행정 종료시의 가스 온도가, 소기에 의한 내부 냉각이 수행되는 6사이클 기관 쪽이 낮다는 것에 기인한다. B1부터 압축 행정이 시작된다. 이때 압축비가 높은 6사이클 기관 쪽이 상사점에서의 용적이 작고, 그만큼 압축 개시 시점의 용적도 작다. 압축 행정에서 단열 압축되어 피스톤이 상사점 위치까지 왔을 때 B2에 도달한다. 여기서 착화ㆍ연소하여 B3까지 압력이 상승한다. 팽창 행정에서 단열 팽창하여 피스톤이 하사점 위치까지 왔을 때, B4에서 배기 밸브가 열리고, 거의 그때의 압력을 유지한 채로 6사이클 기관에서 회생기로 보내진다. 이때의 B4의 압력을 회생압이라고 부르고, 본 도면의 실선과 같은 PV선 도면을 사용하는 경우에 이상적인 앳킨슨 사이클이 실현되어, 본 기관 전체의 이론 효율이 최대가 되므로, 이러한 회생압을 「이상 회생압」이라고 부르고 있다. 배기 가스는 그 후 회생기 안에서 B5의 압력까지 더욱 단열 팽창하여 대기압에 의해 방출된다. 6사이클 기관 쪽은 B4 후에, 배기, 소기 도입, 소기 배기, 흡기의 4행정을 얻어 1사이클을 완료한다. 회생기로 보내지는 가스로서는 배기 행정에서 보내지는 배기 가스 외에, 소기 배기 행정에서 배출되는 배기 가스가 있지만, 사이클 효율면을 생각할 때 6사이클 기관의 소기를 압축하여 배출하는 에너지를 터빈이 모두 회수한다면 관계가 없기 때문에, 그 부분은 고려하지 않은 그래프가 되어 있다.

실시예 2

도 2는 제 2 과제 해결 수단의 기관의 EGR 시스템의 모식도이다. 6사이클 기관 부분의 도면은 본 실시예의 다기통 기관의 실린더 헤드(20)의 1개의 연소실 부분을 실린더측에서 본 도면이다. 연소실에는 포핏형 흡기 밸브(22), 소기 밸브(42), 배기 밸브(32)의 산(傘) 부분과 직접 분사 인젝터(18)의 노즐 부분이 보인다. 배기 밸브가 작고 복수개로 되어 있는 것은, 후술하는 도 5의 설명과 같이 소기 배기의 밸브가 열리는 타이밍이 D8부터 D6까지로 좁기 때문에 신속하게 개폐를 수행하기 위해서이다. 기관의 소기 포트에 배출 가스를 순환시키는 가스 통로(111)가 있고, 그 통로에는 냉각기(112)가 구비되어 있다. 제 2 밸브(43)로 소기의 양을 제어하고, 소기 밸브로 소기에 섞이는 새로운 공기의 양을 제어한다. 통상, 본 기관을 과급하는 경우에는 소기와 흡기 각각에 별개의 과급 공기를 마련할 필요가 있다.

실시예 3

도 3은 제 2 과제 해결 수단의 제 2 실시예인 과급기가 부착된 기관의 EGR 시스템의 모식도이다. 기관의 흡기 포트에만 과급기(200)가 구비되고, 배출 가스압인 소기 포트의 압력보다 높게 되어 있다는 점이 상이하다. 소기압이 낮은 만큼, 6사이클 기관 내에서 소기 배기 행정에서 압축한 후 배기 포트로 압출된다. 소기는 압력이 낮은 만큼 흡기에 대해서 가스 중량이 감소하는데, 가스는 과급하면 단열 압축에 의해 온도가 상승하는 반면, 소기는 새로운 공기인 채로 보다 낮은 온도로 연소실 내부를 냉각할 수 있다. 소기 전용의 과급기가 불필요해진다는 이점이 있다.

실시예 4

도 4는 제 2 과제 해결 수단에 의한 제 3 실시예인 과급기가 부착된 기관의 실시예의 EGR 시스템의 모식도이다. 복수의 회생기(100, 100B)가 직렬로 구비되고, 이 2개의 회생기 사이의 배출 가스를 순환시키는 가스 통로(111)가 있으며, 그 통로에는 냉각기(112)가 구비되어 있다. 도 2나 도 3의 실시예와 같이 회생기 내에서 대기압까지 팽창한 배출 가스를 냉각하고, 다시 과급하여 사용하는 것이 열 사이클 효율면에서 최선의 방법인데, 소기도 과급할 것을 원하는 경우에 소기 전용의 과급기를 생략할 수 있고, 순환 가스의 압력이 높은 만큼 냉각 온도가 높아도 효과가 있으므로 냉각기를 작게 할 수 있다는 이점이 있다. 대기압에서 냉각한 배출 가스를 다시 압축하는 경우에는 단열 압축에 의한 온도 상승이 일어나므로 대기압에서 순환 가스를 냉각하려면 그만큼 충분히 냉각할 필요가 있기 때문이다. 탑재 공간이 적은 차량 등의 이동체에 탑재하는 기관의 EGR 시스템으로서 적합한 것이 된다. 이 소기의 압력은 반드시 흡기의 과급압과 동일한 압력이 될 필요는 없지만, 본 실시예에서는 소기 밸브(43B)를 열었을 때 새로운 공기가 소기에 도입될 수 있도록 하기 위해서 흡기압 쪽을 높게 하고 있다.

실시예 5

도 5는 제 4 과제 해결 수단에 의한 과급기와 회생기를 구비한 6사이클 디젤 기관의 4기압으로 과급한 6사이클 기관 단독의 PV선 도면으로, 회생압의 차이에 의한 6사이클 기관 단독의 출력 변화를 설명하고 있다. 실선은 이상 회생압을 이용한 경우의 6사이클 기관 단독의 PV선 도면이고, 점선은 회생압을 이상 회생압보다 낮게 했을 때의 PV선 도면이다. 과급압인 D1부터 압축 행정이 시작되고, 압축 행정에서 단열 압축되어 피스톤이 상사점 위치까지 왔을 때 D2에 도달한다. 여기서 연소실 내에 분사한 연료를 연소시키면 연소열에 의해 온도가 상승하여 D3까지 압 력이 상승한다. 팽창 행정에 들어와도 연료를 연소실 내부로 내뿜음으로써 연소는 계속되어 D3b에서 연소가 완료된다. 연소에서는 회생압이 낮은 쪽이 새로운 공기와의 교환 효율이 높으므로 가스 온도가 낮고, 보다 많은 연료를 연소시킬 수 있어 실제로는 압력 상승을 더 크게 할 수 있지만, 여기서는 알기 쉽도록 폭발ㆍ팽창 행정에서의 압력을 동일하게 하고 있다. 팽창 행정에서 단열 팽창하여 D4까지 팽창했을 때 배기 밸브가 열린다.

그 후에는 실선과 점선의 PV선 도면에서는 상이하지만, 먼저 실선의 이상 회생압의 경우로 설명한다. 이상 회생압의 경우, 배기 밸브가 열려도 연소실 내의 압력은 바뀌지 않고, 피스톤은 이상 회생압에 의해 배기 가스를 압출하여 상사점에서 D6에 도달한다. 여기부터 피스톤이 하강을 시작하고 잠시 뒤 D7에서 소기 밸브를 연다. 상사점에서 연소실에 남는 가스의 압력은 회생압으로서, 소기압보다 높으므로 상사점에서 밸브를 열면 연소실 내의 배기가 소기 포트로 역류해버린다. 그러므로, 연소실 내에서 팽창시키는게 효율적이고 소음도 적다. 소기가 연소실에 도입되어 피스톤이 하사점에 도달한 D1에서 소기 도입 행정은 완료되고, 소기 밸브를 닫아 도입된 소기를 압축하기 시작한다. D8에서 다시 배기 밸브를 열고, 소기를 배기 포트로 압출한다. 여기부터 피스톤은 상사점까지 회생압에 의해 소기를 압출하여 D6에 도달하면 소기 배기 행정은 끝나고, 배기 밸브를 닫는다. 여기부터 피스톤이 하강을 시작하고 잠시 뒤 D7에서 흡기 밸브를 열고, 흡기를 도입하여 피스톤이 하사점에 도달한 D1에서 흡기 행정은 완료되고, 흡기 밸브를 닫아 1사이클이 완료된다.

D1, D8, D2, D3, D3b, D4로 둘러싸인 면적은, 6사이클 기관의 압축 행정과 폭발ㆍ팽창 행정에서, 연소 가스에서 기관의 회전력으로 변환되는 에너지를 나타내고 있다. 그러나, 배기 행정과 소기 도입 행정에서는 배기를 압출하기 때문에, D4, D6, D7, D1로 둘러싸인 면적의 에너지가 기관의 회전력에서 인출된다. 또한 소기 배기 행정과 흡기 행정에서, D1, D8, D6, D7을 연결하는 실선으로 둘러싸인 면적의 에너지가 인출된다. 공통 부분의 면적을 소거하면 6사이클 기관의 1사이클로 출력 가능한 에너지는 D4, D8, D2, D3, D3b의 실선으로 둘러싸인 면적에서, D1, D8, D6, D7을 연결하는 실선으로 둘러싸인 면적의 2배의 면적을 뺀 것이 된다.

점선은 이상 회생압에 대해서 회생압을 절반의 압력으로 한 경우이다. 배기 밸브가 열리면 연소실 내의 압력은 D4점부터 회생압 D5까지 자유 팽창에 의해 저하하고, 여기부터 피스톤은 회생압에 의해 배기 가스를 압출하여 상사점에서 D6b에 도달한다. 여기서 배기 밸브를 닫고, 피스톤이 하강을 시작하고 잠시 뒤 D7b에서 소기 밸브를 연다. 피스톤이 하사점에 도달한 D1에서 소기 도입 행정은 완료되고, 소기 밸브를 닫아 소기를 압축하기 시작하여, D8b에서 다시 배기 밸브를 열어 소기를 배기 포트로 압출한다. 여기부터 피스톤은 상사점까지 회생압에 의해 소기를 압출하여 D6b에 도달한다. 여기부터 피스톤이 하강을 시작하고 잠시 뒤 D7b에서 흡기 밸브를 열고, 피스톤이 하사점에 도달한 D1에서 흡기 행정은 완료되어, 흡기 밸브를 닫고 1사이클이 끝난다.

이때의 6사이클 기관의 1사이클로 출력되는 에너지는 D5, D8b, D2, D3, D3b, D4, D5를 연결하는 실선과 점선으로 둘러싸인 면적에서, D1, D8b, D6b, D7b를 연결 하는 실선과 점선으로 둘러싸인 면적의 2배의 면적을 뺀 것이 된다. 본 도면의 경우로 계산하면 회생압을 절반으로 한 경우, 6사이클 기관 단일체의 출력이 35% 상승되고 있다. 실제로는 회생압이 낮은 경우인 쪽이 새로운 공기와의 교환 효율이 높고, 연료를 보다 많이 공급할 수 있으므로 6사이클 기관 단일체의 출력은 더욱 높아진다.

도 6의 (A)는 동일한 과급기 회생기 부착 6사이클 디젤 기관의 과급기와 회생기도 포함한 기관 전체의 PV선 도면이다. (B)는 그 원점 근방의 확대도이다. 대기압 G1에 의해 과급기에 도입된 새로운 공기는 과급되어 G2의 압력이 된다. 이 과급된 새로운 공기를 6사이클 기관은 D1의 압력으로서 흡기하고, 도 5에서 설명한 과정을 거쳐 D4에서 배기 밸브가 열린다. 본 도면에서는 그 후의 변화로서, 실선과 점선과 2점 쇄선의 3개의 PV선 도면을 나타내고 있다. 실선은 이상 회생압의 경우로서, 도 5의 실선의 그래프에 대응하고 있다. D4의 압력에 의해 6사이클에서 압출된 배기는, 그대로 회생기의 입구 압력 G3이 되어 회생기 내부에서 계속해서 단열 팽창을 수행하고, 대기압 G4에 의해 외부로 배출된다.

소기 도입 행정과 소기 배기 행정에서의 필요 에너지는 회생기가 그대로 회전 에너지로 변환하여 회수하는 것이므로, 본 도면에서는 무시하고 있다. 실제로는 그만큼 회생기로의 유입 가스량은 많고, 가스 온도는 낮은 것이 된다. 상기 기관 전체가 1사이클로 차감 출력하는 에너지는 G1, D1, D2, D3, D3b, D4, G4의 실선으로 둘러싸인 면적으로 나타난다.

점선은 도 5의 점선에 대응하고 있다. 배기 밸브가 열렸을 때 D4였던 연소 실 내의 가스는 회생압 G3b까지 자유 팽창한다. 이상 회생압으로부터의 회생기 내부에서 작용하면서 단열 팽창하는 경우보다 온도 저하가 적으므로, 이 압력일 때의 체적은 이상 회생압인 경우의 회생기 내에서 팽창하고 있는 경우보다 커서, G3b점은 실선보다 우측에 위치한다. D5의 압력에 의해 6사이클로부터 압출된 배기는 그대로 회생기의 입구 압력 G3b가 되어 회생기 내부에서 계속해서 단열 팽창을 수행하고, 대기압 G4b에 의해 외부로 배출된다. 1사이클로 출력 가능한 에너지는 G1, D1, D2, D3, D3b, D4, D5, G3b, G4b의 선으로 둘러싸이는 면적으로 나타난다.

회생기로 회생 가능한 에너지(G3b와 G4b를 연결하는 점선의 좌측 면적)는 이상 회생압인 경우(G3와 G4를 연결하는 실선의 좌측 면적)보다 적지만, 6사이클 기관 쪽의 출력이 커짐으로써 전체적인 효율의 차이는 2% 정도로, 산업상 충분히 이용 가능한 사이클이 된다. 자유 팽창한 압력 에너지는 단순히 해방된 것이 아니라, 가스의 열 에너지로 변환되었을 뿐이므로, 그 후 회생기로 그 대부분을 회생하는 것이 가능하다. 이 실선과 점선의 열 사이클의 차이는, 효율의 변화가 적고, 6사이클 기관 단독의 출력과 회생기의 출력 비율을 변화시킬 수 있으므로, 2개의 출력축으로부터의 출력을 독립적으로 제어할 필요가 있는 경우에 유리하다.

2점 쇄선은 과급압과 동일한 회생압을 갖는 경우의 PV선 도면이다. 회생압의 변화에 의해 전체 효율의 저하는 최고 효율의 압력으로부터의 차이에 대해서 2차 함수적인 것으로, 여기까지 배기를 자유 팽창시키면 전체 효율의 저하는 11%에 이른다. 그러나 높은 주행 성능을 갖는 차량과 같이 크루즈 주행하고 있는 상태에서의 부하가 전체 부하에 비해 매우 낮은 경우에는, 이러한 압력을 전체 부하시의 회생기의 설정 압력으로 하는 것은 산업 이용성이 완전히 부정되는 것은 아니다. 사용 빈도가 높은 크루즈 주행 영역에서 이상 회생압에 가까운 회생압으로 사용할 수 있다면, 사용 빈도가 낮은 전체 개방 주행 영역에서 다소 연비가 악화하더라도, 실용 연비를 향상시키는 경우도 있기 때문이다. 실제로, 2점 쇄선의 PV선 도면에서도, 회생기에 의해 과급 터빈을 돌리는 것 이상의 출력을 얻을 수 있으므로, 발전 기능이 없는 터보차저가 부착된 4사이클 디젤 기관의 PV선 도면보다 훨씬 효율이 높은 것이 된다.

반대로, 회생압을 6사이클 기관의 배기 밸브가 열렸을 때의 실린더 내압보다 약간 높은 값으로 설정할 수 없는 것은 아니다. 다만, 배기 밸브의 용손 등이 발생하지 않는 범위로 한정된다. 아이들 상태일 때 등, 6사이클 기관의 출력은 0이면 되지만, 터빈에 부착된 보조 기기에 동력을 계속 부여하고자 하는 경우 등, 기관 전체가 매우 낮은 부하로 사용되는 경우에 적극적으로 그러한 압력 설정으로 할 수 있다.

도 7은 제 4 과제 해결 수단에 의한 제 1 실시예를 나타내는 모식도이다. 6사이클 기관(1)의 배기 매니폴드(80)에 스크롤형의 용적형 팽창기를 회생기(100)로서 설치하고, 변속기(180)와 동력 전달 벨트(181)를 통해 그 출력을 6사이클 기관(1)에 동력으로서 전달하고 있다. 회생기(100)에 그려진 점선 원은 아래쪽에 있는 배기 매니폴드(80b)를 나타내고, 팽창기로부터의 배출 가스를 배출하고 있다. 변속기(180)가 가장 작은 비율을 갖는 경우 상기 기관은 이상 회생압을 취한다. 변속기(180)의 비율이 커지면, 6사이클 기관이 배기 가스를 압출하는 용적에 비해 회생기의 흡입 가스 용적은 커지고, 배기는 6사이클 기관의 배기 밸브가 열렸을 때 자유 팽창하여, 이상 회생압보다 낮은 회생압이 된다.

본 실시예의 변속기(180)와 벨트 기구(181) 대신 발전기를 구비해도, 외부에서 발전 용량을 제어함으로써 발전기의 회전 수를 바꿀 수 있으므로 동일한 효과를 갖는 것이 된다.

스크롤형의 용적형 팽창기를 회생기로서 이용하고 있으므로, 팽창기 내에서의 가스의 팽창비는 정해진 값이 되기 때문에, 회생압은 변화시키지 않는 것이 회생기의 효율이나 배기음 측면에서 바람직하다. 그러므로, 전체 부하시에는 변속기의 비율을 크게 하여, 도 6의 점선과 같이 이상 회생압보다 낮은 회생압으로 하고, 부분 부하시에는 변속기의 비율을 작게 하여, 이상 회생압으로 회생을 수행하도록 제어한다.

실시예 6

도 8은 제 4 과제 해결 수단에 의한 제 2 실시예를 나타내는 모식도이다. 6사이클 기관(1)의 배기 매니폴드(80)에는 터빈식 회생기(100)가 있고, 동축으로 배치한 발전기(151)와 보조 기기(150)를 구동하고 있다. 터빈에 가변 베인형 터빈 또는 가변 노즐수 터빈을 이용하여 노즐 총 면적을 제어함으로써 회생압을 제어할 수 있다. 노즐 총 면적을 6사이클 기관의 배출 가스 용적에 맞추어 적절한 넓이로 제어하면 회생압은 항상 이상 회생압 부근에서 운전할 수 있다. 물론 의도적으로 노즐 개구 면적을 더욱 넓히도록 제어하면 이상 회생압보다 낮은 회생압으로 운전 할 수 있다.

또, 이 6사이클 기관의 배기 부분에는 웨스트 게이트 밸브(35)가 있고, 필요에 따라 배기를 대기로 개방한다. 이 밸브를 작동시켰을 때의 효율은 악화하지만, 6사이클 기관 단일체의 출력을 순간적으로 최대까지 상승시킬 수 있다. 일시적으로 회생기의 입구 압력을 낮추더라도, 단시간이라면 그 부하인 발전기 등의 부하 토크를 일시적으로 낮춤으로써 터빈의 회전속도를 유지할 수 있다. 액셀에 대해서 6사이클 기관의 회전 수를 신속하게 상승시켜, 기관 전체의 출력을 높이고 싶은 경우에 시간 차가 적은 시스템으로서 이용할 수 있다. 차량 등의 부하가 크게 변동하는 이동체용 원동기로서 이용하는 경우에 유리하다.

본 실시예에서 6사이클 기관(1)은 모터(250)로 구동되는 과급기(200)를 구비하여, 과급압을 외부에서 제어할 수 있게 되어 있고, 과급압에 의해도 기관 전체의 출력을 제어하고 있다.

회생압을 1단이나 2단의 가스 터빈으로 회생하고자 하는 경우, 사이클 효율을 높이려면 가스 터빈은 음속 이상의 유속을 다룰 필요가 있다. 이 경우 터빈의 노즐 형상은, 단면의 면적이 한번 감소하여 네크(neck)부를 형성한 후 다시 확대되는 말단 확산 노즐로 할 필요가 있다. 이때, 네크부에서 가스가 과잉 팽창이나 부족 팽창이 되면 효율이 급속히 악화되므로 터빈의 입구와 출구의 압력비는 설계 값으로 이용할 필요가 있다. 본 실시예에서도 터빈은 초음속을 다루는 것이므로 전체 부하시의 이상 회생압보다 낮은 일정한 회생압으로 하도록 제어하고 있다. 회생 시스템을 단순화하면서 항상 기관 효율을 높게 유지할 수 있는 효과가 있다.

실시예 7

도 9는 제 5 과제 해결 수단에 의한 6사이클 가스 터빈의 모식도를 나타낸다. 본 실시예에서 6사이클 기관(1)의 출력은 증속기(280)를 통해 터빈식 압축기인 과급기(200)를 구동함과 함께, 보조 기기 구동 벨트(154)를 통해 보조 기기(150)를 구동하는데 이용되고, 대부분의 기관출력은 회생기인 터빈(100)에서 출력하여 발전기(151)에서 전력으로 변환된다.

실시예 8

도 10은 제 3 과제 해결 수단에 의한 배기 매니폴드(80)의 내부에 제 7 과제 해결 수단에 의한 연소실을 구비한, 직렬 다기통의 6사이클 기관의 측면도이다. 연소실(70)은 6사이클 기관(1)의 각 실린더의 배기 포트(31)로부터 연결되는 배기 매니폴드의 집합부에 위치하고 있다. 내부에 연소실을 갖는 배기 매니폴드(80)는 배기 터빈의 외주부도 포함하여 보온재(71)로 덮이고, 배기 매니폴드 내부도 단열성이 있는 코팅이 가해진다. 연소실의 하류에는 회생기(100)가 접속되고, 회생기 하류의 배기 매니폴드(80b)에는 배기 촉매(63)가 배치되어 있다.

연소실(70)의 내부에는 가스 구멍(73)이 형성된 연소실 내벽(72)이 있고, 연소 후의 배기 가스, 소기 배기 가스와 교대로 들어오는 배기 가스를 혼합하여, 불연소 가스를 연소시킨다. 그러므로 연소실 내벽(72)의 내부 용적은 최소한 1실린더의 1사이클 만큼의 배기 가스 체적에 해당하는 용적이 필요하다. 연소실 안쪽에 는 연료 공급기(75)의 연료 분사구가 있어, 필요시에 연료를 연소실에 공급한다. 연료가 공급되면 연소실의 온도에서 신속하게 가스화하여, 배기 가스에 잔류하고 있는 산소와 혼합되어 연소한다. 연료 공급 장치가 연소실 아래쪽으로 돌출되어 위치하고 있는 것은 열에 의한 피해를 방지하기 위해서이다.

실시예 9

도 11은 제 9, 제 11 과제 해결 수단에 의한 엔진 횡(橫) 배치 직렬 하이브리드 방식의 FF차에 탑재된 동력 장치의 4면도이다. 6사이클 기관 부분은 제 3, 제 6, 제 7 과제 해결 수단을 채용한 기관으로 이루어진다. 도 11의 (A)는 차량의 전방에서 본 동력 장치의 정면도이고, (B)는 측면도이며, (C)는 상면도이고, 도 (D)는 배면도이다.

6사이클 기관(1)은 소기와 흡기 포트를 독립적으로 구비한 90도 V형 4기통 기관으로서, 크랭크축에 직결(直結)된 스크롤형의 용적형 압축기(210)를 과급기로서 구비하고, 항상 기관 회전 수에 비례한 양의 흡기를 안정된 압력으로 6사이클 기관의 흡기 포트에 공급하고 있다. 상기 용적형 압축기(210)의 압축비는 2∼3으로, 그만큼 6사이클 기관 본체는 콤팩트해진다. 실제의 과급압은 단열 압축의 효과로 인해 온도가 높아짐으로써 그 이상의 압력이 된다.

90도 V형 4기통 6사이클 기관(1)은 약간 뒤로 비스듬하게 배치되어 있다. 각 실린더의 배기 포트로부터 연장되어 나온 단열된 배기 매니폴드의 집합부에 연료 공급기(75)를 구비한 연소실이 구비되고, 그 위쪽에 회생기인 가변 노즐수 터 빈(100)이 구비되며, 그 출력축에는 발전기(151)가 구비되어 전력으로 변환되고 있다. 배기는 그 후 앞쪽의 배기 촉매에 유도되어, 기관의 앞쪽에서 아래쪽에 유도되고, 거기에서 차체의 아랫면을 따라 뒤쪽에 유도되고 있다. 본 실시예는 실시예 3에 해당하는 EGR 시스템을 구비하고 있다. 순환하는 배기 가스는 촉매의 상류로부터 촉매 주위를 보온하도록 흐른 후, 도 11(A)에 1점 쇄선으로 그려져 있는 EGR 시스템의 냉각기(112)에서 냉각되어 6사이클 기관(1)의 소기 포트로 유도되고 있다.

6사이클 기관의 출력축에는 직결된 형태로 보조 기기로서의 발전 겸용 모터(155)가 구비되고, 6사이클 기관의 잉여 출력으로부터 발전을 수행하여, 발전기(151)에서 발전된 전력과 함께 배터리에 축적되어 차량 구동용 모터(550)의 구동에 이용된다. 기관의 출력은 주로 터빈(100)에서 출력되고, 6사이클 기관은 보조 기기로서의 과급기(200)와 발전 겸용 모터를 구동하고 있을 뿐이므로, 6사이클 가스 터빈의 일 형태이기도 하다. 상기 차량은 모터로부터의 출력을 변속기(520)에서 적절한 회전 수로 바꾸고, 드라이브 샤프트(522, 522b)에 의해 전륜을 구동함으로써 주행한다. (B)에서는 모터(550)와 변속기(520)를 1점 쇄선으로 나타내고 있다.

직렬형 하이브리드 차량에서는 차량 구동용 모터(550)가 커서, 기관을 횡 배치한 전륜 구동 차량에 탑재하는 것은 곤란했다. 그러나, 본 실시예의 동력 장치에서는 과급하고 V형으로 배치함으로써 기관 폭을 단축하고, 발전용 모터(155)는 시동에 필요한 토크를 얻으면 되므로 얇게 설계되어 있기 때문에, 그 측면에 차량 구동용 모터(550)를 더 배치할 수 있다. 발전기(151)도 회전 수가 높고 소형화가 가능하므로, 소형 승용차 등에 적용할 수 있다는 이점이 있다.

도 12는 상기 실시예의 제어 시스템 도면이다. 6사이클 기관의 부분은 알기 쉽도록 일 뱅크로 나타내고 있다. 차량 구동용 모터(550)는 액셀 센서(24)에 맞추어 모터 제어기(560)에 의해 구동되어 차량의 가감속을 수행한다.

제어 컴퓨터(610)는 배터리(580)의 충전량을 감지하는 수단과 가변 노즐수 터빈의 노즐수를 바꾸는 개폐 밸브를 회전시키는 회전 액츄에이터(360)를 동작시키는 기능이 구비되어 있다. 제어 컴퓨터(610)는 배터리 충전량의 검출 값에 의해 발전량을 결정하는 6사이클 기관의 회전 수를 결정하고, 주로 배기 터빈의 노즐 수를 제어함으로써 회생압을 변화시켜, 6사이클 기관의 회전 수를 제어하고 있다. 노즐 총 면적을 넓히면, 실시예 5나 실시예 6에서 설명한 원리에 의해 회생압이 내려가고, 6사이클 기관의 출력이 상승함으로써 6사이클 기관의 회전수가 상승하여 기관 전체의 출력이 상승한다.

또한 정밀한 기관의 출력 제어는 제어 컴퓨터가 모터 제어기(560)를 제어하고, 발전 겸용 모터(155)의 발전량에 의해 6사이클 기관의 부하를 바꾸어 회전 수를 조정함으로써 수행한다. 본 실시예에서는 스로틀 밸브가 없다. 제어 컴퓨터(610)는 발전이 필요 없어지면 연료 공급을 정지하고, 모터(155)의 부하를 높여 기관을 정지한다. 기관의 재시동도 상기 발전 겸용 모터(155)에 의해 수행한다.

또한, 제어 컴퓨터(610)는 촉매의 상태를 배기 센서(68)로부터의 신호를 감지하는 수단과, 소기 포트에 있는 제 2 밸브와 소기 밸브를 각각 개폐하는 액츄에 이터 (91)와 소기 밸브 액츄에이터(94)를 동작시키는 수단을 구비하고 있다. 배기 센서의 검출 값에 의해, 배기온도가 높다고 판단한 경우에는 액츄에이터(91)로 제 2 밸브를 열어 소기의 양을 늘린다. 산소 농도가 높다고 판단한 경우에는 소기 밸브를 닫는 방향으로 동작한다. 이때 6사이클 기관의 직접 분사 인젝터로부터의 연료 공급을 증가시킬 수도 있다. 또, 이미 제 2 밸브가 전체 개방되고, 6사이클 기관 자체가 열적으로 한계 상태이면 연료 공급기(75)로부터 배기 포트의 연소실에 연료를 공급함으로써 산소 농도를 낮춘다.

실시예 10

도 13은 제 8 과제 해결 수단에 의한 이동체의 동력 시스템 도면을 나타내고 있다. 1은 과급기(200)를 구비한 직렬 4기통의 회생기 부착 6사이클 기관이다. 본 실시예에서는 회생기(100)로서 가스 터빈을 채용하고 있다. 회생기의 출력은 발전기(151)에서 전력으로 변환되고, 모터 제어기(560)에서 차량 구동용 모터(550)를 구동하는데 적절한 전압과 주파수의 교류가 이루어져, 다시 모터(550)에 의해 구동력이 되어 변속기(520)에서 적절한 회전 수로 바꿀 수 있으며, 드라이브 샤프트(522, 522b)를 통해 좌우의 구동륜(525, 525b)에 전달된다. 6사이클 기관(1)의 출력축은 모터(550)와 공통되어 있어, 그 출력은 모터의 출력과 함께 변속기(520)를 통해 구동륜에 전달된다.

본 6사이클 기관(1)은 모터(250)로 구동되는 과급기(200)를 구비하고, 운전자의 지시에 따라 모터 제어기에 의해 과급기의 회전 수를 제어하고, 과급압에 의 해 기관 전체의 출력을 제어하고 있다. 회생기 출력의 일부는 보조 기기용 감속기(152), 보조 기기용 클러치(153)를 통해 에어컨용 압축기 등의 보조 기기(150)를 구동시키고 있다. 본 이동체의 실시예는 차량으로서, 배터리(580)를 구비하고 있다. 배터리는 최소한 과급기(200)를 가속할 만큼의 에너지가 있으면 되므로, 반드시 하이브리드 차량용 배터리 크기를 필요로 하는 것은 아니다.

잉여 전력이 생긴 경우에는 배터리(580)에 축적하고, 부족한 경우에는 이 배터리(580)에 축적되어 있는 전력으로 보충할 수 있으므로, 어떠한 이유로 기관에 출력 단차가 발생한 경우나 과급압이 상승하는 동안의 일시적인 구동력 부족을 보충할 수 있다. 도 8, 9, 10, 11의 실시예도 마찬가지이지만, 회생기(100)에 부착한 발전기(151)의 발전량을 모터 제어기(560)에 의해 제어함으로써, 회생기로서의 터빈을 항상 효율적인 적정 회전 수로 유지할 수 있다. 차량 정지시나 저속 주행시의 기관 정지나 주행 에너지의 회생을 원하는 경우에는, 배터리(580)를 크게 함으로써 하이브리드 차량으로 할 수 있다.

본 실시예의 기관에서는 회생기에 의해 보조 기기를 구동하고 있으므로, 도 9에 있는 보조 기기 구동용 벨트(154)가 필요 없어지고, 그만큼 기관(1)의 전체 길이가 단축될 수 있어, 하이브리드용의 차량 구동용 모터(550)의 공간을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

본 실시예의 감속기(152) 대신 보조 기기 구동용의 다른 모터를 구비하고, 발전기(151)에서 발전된 전력으로 그 모터를 구동하는 것으로도 동일한 목적이 달성된다. 본 실시예의 모터(550)와 변속기(520)를, 특허 문헌 6에 있는 직렬형과 병렬형의 양쪽 특성을 구비한 하이브리드 시스템으로 대체하는 것으로도 주행중의 기관 정지를 실현하여, 한층 더 실용 연비의 향상을 도모할 수 있는 것이다.

실시예 11

도 14는 W형 6사이클 6기통 기관의 실린더 방향과 크랭크 핀의 배치도이다. 1 점 쇄선 a, b, c는 W형으로 배치된 3개의 실린더 블록 내의 실린더 중심선을 나타내고, 51은 상기 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤이다. 실선으로 나타낸 50a1, 50b1, 50c1이 1세트의 W뱅크의 크랭크 핀 배치가 되고, 실선으로 나타낸 피스톤(51a1, 51b1, 51c1)은 그 핀 위치에 대응된 위치에서 그려지고 있다. 점선으로 나타낸 크랭크 핀(5Oa2, 50b2, 50c2)과 피스톤(51a2, 51b2, 51c2)은 다른 1세트의 W뱅크 위치를 나타내고 있다. 1개의 실린더 블록의 2개의 피스톤에 대한 크랭크 핀 배치는 180도 위상이 되어 있고, 커플도 포함한 1차 밸런스의 균형이 잡힌, 180도 등간격 폭발의 6사이클 기관이 된다.

크랭크의 베어링 수는 W뱅크의 1세트의 크랭크 핀 3개에 대해서 그 양측에 베어링을 배치한 3베어링이나, 크랭크의 강성이나 강도를 고려하여 2개의 크랭크 핀 마다 베어링을 구비한 4베어링으로 한다. 본 실시예의 W형 6기통 6사이클 기관은 도 11의 FF차량 동력부의 실시예 기관에 대해서, 차체 폭방향의 길이는 변하지 않고 치환 가능한 기관이다.

본 발명에 의한 회생기 부착 6사이클 기관의 용도는, 연비가 우수한 내연 기 관을 필요로 하는 모든 이용 용도에 대해서 존재한다.

본 발명은 용적형 기관의 배기에 남는 에너지를, 간단하게 효율적으로 회생 이용하기 위한 것으로, 연비 향상에 기여하는 것이다. 배기 소음도 작게 억제할 수 있다는 이점이 있다. 회생기 부착 6사이클 기관은 비교적 높은 압력으로 과급해도 효율이 저하하지 않고, 과급에 의한 소형화의 장점이 큰 시스템이다. 또, 6사이클 기관과 회생기의 출력 비율을 변화시키는 것이 가능하므로, 이 원리를 이용하여 2개의 출력축을 구동하는 기관으로서 이용할 수 있다. 또, 6사이클 가스 터빈은 제어성이 높은 가스 터빈으로서 이용할 수 있다.

회생기로서 가스 터빈을 이용한 경우, 발전의 용도에 대해서 발전기를 포함한 동력 장치를 특히 콤팩트하게 구성할 수 있다는 이점이 있다. 대형 기관으로서는 발전소용 기관부터, 선박이나 고속 버스나 대형 트럭이나 차량 등의 이동체에 탑재하는 기관으로서 이용 가능하다. 소형 발전기로서도, 6사이클 기관이 내부로부터 냉각될 수 있다는 특성에 의해, 냉각 시스템을 심플하게 할 수 있고, 발전 시스템 전체를 콤팩트하게 구성할 수 있다. 이것은 증가하고 있는 하이브리드 차량용 동력원으로서 이용 가능성이 높다는 것을 의미하고 있다.

Claims

용적형 기관과 그 배기로부터 회생기에 의해 출력을 외부로 인출하는 기관을 회생기 부착 6사이클 기관으로 한 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 1 항에 있어서,

흡기 포트에 대해서 독립된 소기 포트를 구비하고, 회생기로부터의 배출 가스를 주로 소기 포트로 순환시키는 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 1 항에 있어서,

6사이클 기관과 회생기 사이의 배기 매니폴드를 보온재로 덮어 단열화 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 1 항에 있어서,

배기 가스의 통과 가스량을 변화시키는 기구를 회생기에 구비하고, 상기 기구에 의해 회생압을 변화시킴으로써, 6사이클 기관의 출력과 회생기로부터의 출력 비율을 제어 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 1 항에 있어서,

6사이클 기관의 흡기 포트에 과급기를 구비하고, 또 배기 포트에 회생기인 가스 터빈을 구비하여, 상기 가스 터빈으로부터 주된 출력을 인출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 1 항에 있어서,

6사이클 기관의 출력축에 과급기로서의 용적형 압축기와 6사이클 기관을 재시동할 수 있는 모터 발전기를 구비하고, 배기 가스 터빈을 회생기로서 구비하며, 상기 배기 가스 터빈에 노즐의 총 면적을 변경하는 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 1 항 내지 제 6 항에 있어서,

6사이클 기관과 회생기 사이의 배기 포트에 연소실을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 1 항의 내연 기관을 탑재한 이동체로서, 6사이클 기관으로부터의 출력을 구동륜에 전달하는 동력 전달 기구와, 차량을 구동하는 모터와, 상기 모터의 구동력을 구동륜에 전달하는 동력 전달 기구를 구비하고, 회생기의 출력축에 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동체.
제 6 항의 내연 기관을 탑재하는 직렬형 하이브리드 방식의 이동체.
제 1 항에 있어서,

6사이클 기관을 양측 60도의 W형 6기통으로 하는 내연 기관.
6사이클 기관을 90도 V형 4기통으로 한 제 1 항의 내연 기관, 또는 제 10 항의 내연 기관을 구비하고, 그 회전축을 차량의 진행 방향에 대해서 횡(橫)으로 배치한 전륜 구동 차량.