KR20100014526A - 폐열에서 회수된 보조 증기동력을 이용하는 내연기관 - Google Patents

폐열에서 회수된 보조 증기동력을 이용하는 내연기관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐연소열에서 구한 증기동력을 이용하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진에 관한 것으로, 연소열로 생긴 증기가 피스톤 운동을 돕고, 실린더에 달린 피스톤은 실린더 내부의 연소실과 증기팽창실 사이를 왕복운동하며, 연소 압력과 증기압이 피스톤의 양단부에 작용해 작동중에 피스톤의 운동에 영향을 미치고, 실린더 측벽을 통해 증기팽창실과 통하는 배기구가 실린더 측벽에 위치하여, 증기팽창실의 일단부에 있는 고정식 고온 실린더캡에 가까운 실린더 측벽 부분에서 증기가 실린더 측벽을 통해 배출되기 때문에, 폐연소열로 점화된 보일러로부터 증기팽창실로 들어가는 증기의 냉각이나 응축이 실린더캡에 의해 방지된다.

Description

폐열에서 회수된 보조 증기동력을 이용하는 내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AUXILIARY STEAM POWER RECOVERED FROM WASTE HEAT}
본 발명은 폐연소열에서 구한 증기동력을 이용하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진에 관한 것이다.
내연기관은 전세계의 거의 모든 도로운송에 사용되고 있지만 복사, 엔진 냉매 및 배기에 의해 연료 발열량의 72~75%는 손실되고 있다. 보통 자동차 6기통 엔진의 브레이크 마력은 72MPH에서는 연료발열량의 21%이고, 43MPH에서는 18%이다(J.B. Heywood와 McGraw Hill의 1988년판 Internal Combustion Engine Fundamentals 675 페이지 참조). 반면에, 연료가격은 인상되고 대기오염은 증가한다. 폐열에서 에너지를 회수하여 내연기관의 효율을 높이려는 시도는 여러번 있었지만, 기존의 장치는 분명한 단점을 보였다. BMW의 미국특허 6,834,503에 소개된 장치는 별도의 증기팽창기를 벨트로 내연기관에 연결해 엔진의 냉매와 보일러에서 동력을 회수한다. 이 장치는 크기와 중량과 비용을 크게 증가시킴은 물론 열회수에 한계가 있었다. 자동차 내부의 공간적 한계로 인해, 전체 장치의 부피와 중량은 중요한 문제이다. 포르쉐에서 개발한 폐열터빈은 내연기관에 기어로 연결된다(미국특허 4,590,766 참조). 본 발명은 내연기관의 배기조건을 개선하면서도 우선적으로 경제성을 고려한 고효율 팽창기를 갖춘 (증기배출이 없는) 폐회로에서 증기를 연속적으로 리사이클하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 폐열 회수를 위해 개솔린엔진과 증기기관을 병합하려는 시도가 있었고, 그 예로는 Still의 엔진(1910년과 1912년의 영국특허 25,356과 28,472 및 미국특허 1,324,183)과 Mason의 미국특허3,921,404가 있다. Still의 엔진에서는 피스톤 밑에 실린더 커버가 있고, 좁은 환형 틈새에서 실린더 벽면의 구멍을 통해 실린더커버와 피스톤 사이에 증기를 출입시킨다. 역류형 기관에서는, 실린더 전체의 증기압이 배기행정 동안 대기압 가까이 떨어져 증기온도를 강하시키고, 이 때문에 실린더 벽면이 냉각되어 다음 행정에 진입된 증기의 응축을 일으킨다. 이렇게 되면 엔진의 동력이 저하된다. 한편, 단류(uniflow) 원리로 동작하는 증기기관의 효율은 증기의 응축을 줄여 역류식 증기기관보다 효율이 훨씬 높다. 이중동작 피스톤 단류기관이 1987년판 Marks Standard handbook for Mechanical Engineer의 섹션 9-37에 소개되었지만, 피스톤의 과열 문제 때문에 내연기관과 증기기관의 복합엔진에는 부적절하다.
본 발명의 목적은 기존의 복합엔진의 열적 비효율성을 극복하면서도 내연기관의 주요 요소인 피스톤, 실린더, 커넥팅로드, 크랭크축을 이용하는 장점은 살리고 또한 내연기관의 기계적 손실을 공유함으로 인한 효율개선과 F헤드 엔진에 있는 포켓이 없는 콤팩트한 연소실을 이용함으로써 고성능 고압축 4행정 내연기관을 제공하는데 있다. 구체적으로는, 내부연소와 증기가 동일한 피스톤에 작용하면서도증기가 진입할 때 실린더나 피스톤의 벽면이나 헤드에서 증기의 응축이 없어서 기존의 내연기관에 고유한 응축손실을 없앤다. 이를 위해, 본 발명에서는 증기실 벽면의 냉각을 방지해야만 하는데, 이를 위해 저압 배출증기를 이용한다. 이중작동내연증기기관의 중요한 조건은, 엔진의 크기와 중량을 최소화하기 위해 가능한한 실린더 길이를 적게 늘리는데 있다. 그러나, 이미 연소된 가스/오일과 블로바이(blow-by) 가스가 증기를 오염시켜 보일러와 컨덴서의 효율을 낮추는 것을 지하는 것도 필요하다. 본 발명은 오일이나 연소생성물로 증기를 오염시키지 않으면서 실린더 길이를 가능한한 조금 늘이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 내연기관 자체에 생기는 폐열을 더 효과적으로 이용하는 동력원을 제공해, 별도의 증기기관은 없으면서도 내연기관의 폐열회수율은 높이고 전체적인 부피는 줄이며 생산비는 줄여, 특히 승용차, 버스, 트럭 등의 자동차에 사용할 수 있는 엔진을 개발하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 피스톤에 작용하는 증기와 연소로부터 동력을 이끌어내는 복합 내연증기기관이 부하와 보일러 출력과 같은 변수의 변화에 맞게 효율적으로 작동케 하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 엔진 자체의 작동액에 열을 전달하고 내연기관의 냉매와 배가스에서 폐열을 회수하여 연소열을 더 효과적으로 회수하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 오일과 블로바이 가스가 증기배관에 들어가기 전에 이들을 모아 제거하는데 있다.
이런 목적들을 위해, 본 발명의 복합 내연기관은 자동차에 사용하기 좋은 것으로, 연료를 태워 피스톤을 작동시키기 위한 팽창실이 있는데, 팽창실은 내연기관의 폐연소열에서 생긴 증기에 의해 작동된다. 피스톤 각각의 위에 있는 반구형의연소실은 피스톤 윗면에 작용하고, 피스톤 바닥면에 인접해 실린더 내부에 있는 증기팽창실은 연소실 밑에 위치하며, 증기밸브는 고온의 엔진면 가까이 위치하여 폐연소열에서 추가 동력을 얻어 기존의 단류식 증기엔진보다 높은 효율을 제공한다.
이때문에 기존의 역류형 단류엔진보다 훨씬 효율이 높고, 불균일한 보일러 압력과엔진 부하조건에 필요한 융통성이 본 발명의 가변적인 증기배기량에 의해 특히 자동차에 제공된다.
본 발명은 연소열을 회수하는 더 효과적인 방법을 제공한다. 이런 연소열은 내연기관의 냉매와 배가스에 포함되고, 또한 연소실 내부에 생긴 열의 직접적인 전도에 의해 피스톤에 인접한 증기실 내부의 증기가 팽창된다.
본 발명의 다른 특징은 열회수와 열교환과 보일러를 개선하고, 증기팽창실과, 실린더헤드와 고온 증기배출부와 증기공급부의 구조를 개선해 내연기관의 피스톤에 동시에 작용하도록 하여 연료효율을 개선하고 복합기관의 효율을 높이며 증기배기량과 보일러출력의 균형을 맞춰 효율을 더 높이는데 있다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 더 자세히 설명한다.
도 1은 밸브를 보여주기 위해 실린더헤드를 90도 회전시키고 피스톤이 상사점에 위치한 상태의 본 발명에 따른 엔진의 한쪽 실린더의 단면도;
도 2는 피스톤을 자세히 보여주기 위한 도 1의 부분확대도;
도 3은 커넥팅로드에 연결된 크로스헤드의 사시도;
도 4는 도 3의 4-4선 단면도;
도 5는 하사점에 있는 피스톤과 실린더의 벽면 일부를 보여주는 확대단면도;
도 5A는 오일링을 보여주는 도 5와 비슷한 확대단면도;
도 6은 실린더헤드와 피스톤을 보여주는 전개사시도;
도 7은 이중시트 평형 포핏밸브를 보여주는 실린더헤드의 확대단면도;
도 8은 다른 형태의 흡기밸브를 보여주는 단면도;
도 9는 4기통 자동차엔진에 적용된 본 발명의 일례의 단면도;
도 9A는 애프터버너에 공급된 연소공기를 보충하는 부분의 개략도;
도 9B는 다른 컨덴서와 열회수회로를 보여주는 도 9와 비슷한 단면도;
도 10은 본 발명에 따른 단형 피스톤을 이용한 엔진의 단면도;
도 11은 도 10의 피스톤의 사시도;
도 12는 브레이크 에너지의 회수를 보여주는 개략도;
도 13은 본 발명에 따른 범프밸브를 보여주는 부분단면도;
도 14는 엔진배기량의 변화에 사용되는 컨트롤러를 보여주는 개략도;
도 15는 피스톤로드의 패킹과 크로스헤드의 관계를 보여주는 부분단면도;
도 16은 금속 패킹의 일례의 사시도;
도 17은 금속 패킹의 다른 예의 사시도.
도 1~8에 도시된 것은 내연기관과 증기기관이 조합된 엔진(10)의 개략도로서, 실린더(12) 안에 있는 컵 모양의 피스톤(14)은 원래의 피스톤과는 달리 외 부(16)는 물론 내부(18) 양쪽다 정밀하게 연마다듬질되고 실린더(12)의 내벽면(12a)과 고정식 실린더헤드 사이의 환형 틈새(11)를 통과하면서 왕복운동한다.
피스톤(14) 안에 있는 증기실린더헤드는 원형 캡(20)을 갖는데, 이 캡은 두께가 1/4~1/2 인치이고, 볼트(21a)로 크랭크케이스(21)에 고정된 크로스헤드 가이드컬럼(20a; crosshead guide culumn)의 자유 상단부에 지지된다. 캡(20)은 가이드컬럼(20a)의 엔드캡은 물론 증기실(44)의 일단부 역할을 하고, 캡의 스커트(19a; skirt)는 원통형으로서 아래로 뻗은 칼라(19; collar)의 일부분이며, 칼라는 피스톤(14) 내부에 미끄럼 끼워맞춤될 정도의 크기를 갖고 압축링(20b)을 끼울 홈이 형성되어 있으며, 피스톤(14)의 내주면과의 미끄럼 밀봉은 압축링에 의해 이루어진다. 캡(20)은 실린더(12) 내부를 움직이되 끝에서는 떨어져 있다. 캡(20)의 스커트(19a) 와 중심 사이에 흡기밸브(48)가 설치된다. 가이드컬럼(20a)과 실린더(12)사이의 공간이 증기체스트(46; steam chest)인데, 밸브(48)가 열렸을 때 피스톤(14) 위로 증기팽창실(44)을 형성하는 쓰로틀압력(throttle pressure)에서 증기체스트(46)에 고압고온 증기가 들어가, 피스톤(14)을 밀어올린다. 필요하다면, 도면과 같이 실린더(12)를 일체형이 아닌 독립적으로 크랭크케이스(59)에 볼트로 고정하여 열적 불평형을 조절할 수도 있다.
스패너렌치(spanner wrench)로 조일 수 있는 너트(24a)로 피스톤에 고정되는피스톤로드(24)를 감싸 밀봉하는 부싱(22)이 캡(20) 상단에 위치한다. 피스톤로드는 부싱(22)을 관통해 미끄럼운동하고 커넥팅로드(28; connecting rod)에 연결되어크랭크축(30)에 동력을 전달한다. 피스톤로드(24)의 하단부에 피스톤 스타일의 크 로스헤드(25)가 달려있는데, 이 크로스헤드의 원통형 외면(25a)은 크로스헤드 가이드 역할을 하는 캡 가이드컬럼(20a)의 원통형 내벽면(27)을 타고 움직이면서 커넥팅로드(28)의 측면추력(side thrust)을 받는다(도 3 참조). 그 결과, 대부분의 내연기관에 일반적인 피스톤슬랩(piston slap)이 없어진다. 크로스헤드는 핀(26)으로 커넥팅로드에 결합된다. 피스톤(14)과 캡(20)에 사용된 합금은 시동기간 동안의 팽창을 허용해야 한다. 알루미늄 피스톤을 사용할 경우, 내벽면(18)을 공지의 방법으로 다공성 크롬으로 전기도금하거나 스틸슬리브(도시 안됨; steel sleeve)로 덮어 단단한 피스톤링 접촉면을 제공한다. 스틸슬리브는 알루미늄 피스톤의 윗면(14a)에서 약간 떨어져 있어 피스톤 내부증기의 열손실을 줄인다. 작동시, 피스톤(14)의 윗면(14a)은 실린더(12)의 벽면과 캡(20) 사이의 환형 틈새(11)를 왕복운동하는데, 이는 증기체스트(46)로부터 밸브(48)를 통해 피스톤 위의 증기팽창실(44)로 증기가들어가면서 피스톤을 올리기 때문이다.
피스톤(14)의 윗면(14a) 윗쪽의 기존의 연소실(34)은 (밸브를 보여주기 위해 실린더와의 정렬상태에서 90도 돌려서 도시한) 실린더헤드(35)와 실린더의 윗면으로 둘러싸이는데, 실린더헤드에는 흡기밸브(36), 배기밸브(38)와 배기구(37), 냉매 순환실(39) 및 4행정기관의 스파크플러그(40)가 달려있고, 이런 연소실(34)은 디젤엔진이나 2행정기관에도 사용될 수 있다. 연소실(34)은 실린더(12)의 물재킷(12b;
water jacket)을 통해 흐르는 냉매순환실(39)의 냉매에 의해 냉각된다.
캡(20)보다 약간 위에 실린더(12) 벽면에 있는 배기 매니폴드(50; manifold)는 배기구(51)를 통해 실린더(12) 내부에 연결된다. 도 2를 보면, 흡기밸브(48)와 배기구(51)가 나란히 위치하되, 배기구가 약간 높게 있음을 알 수 있다. 작동중에, 내연기관의 배기구(37)로 배출된 배기가스는 후술하는 보일러를 통과하고, 이때 물이나 다른 열전달 액체를 끓여 증기체스트(46)로부터 흡기구(46a,46b)를 통해 피스톤 밑의 팽창실(44)로 들어가는 증기를 형성한다. 피스톤이 상사점에 도달하면 배기증기가 배기 매니폴드(50)를 통해 저압증기 복귀라인(52)에 들어가는데, 이는 도 1과 같이 피스톤의 배기구(14b)가 실린더의 배기구(51)와 일치해 자동 배기밸브로 작용하여 내연기관의 피스톤(14) 밑에 자체 증기기관을 배치하는 셈이기 때문이다. 자동 배기밸브는 증기실(44)이 팽창상태에 있는 동안 개폐된다. 배기증기는 응축재가열되어 내연기관의 흡배기 가스와 분리된채 밀폐회로내의 팽창실(44)로 계속 되돌아가므로, 거의 교체할 필요가 없다.
캡(20)은 증기팽창실(44)용의 하부(증기) 실린더헤드로 작용하여 팽창실을 밀폐하는 한편 흡기밸브(48)를 지지하기도 하고, 효과적인 작동을 위해 팽창실(44)의 체적을 의도적으로 적게 유지하는 기능도 한다(도 2 참조). 이 경우, 증기체스트(46)의 고압고온(예; 1000 psi; 850°F)에 가까운 흡기밸브(48)와 캡(20)의 윗면을 포함해 팽창실(44)의 하단부 전체가 증기로 덮이므로, 팽창실(44) 내부의 증기응축으로 인한 동력손실이 방지된다. 배기구(51)는 다른 구멍과는 달리 고온의 캡(20) 가까이에서 실린더 벽면에 위치하고, 캡은 피스톤로드(24) 부근만 제외하고는 증기체스트(46)에 의해 외부로부터 가열된다. 팽창실(44)이 전체 부피 대비 50%이상, 바람직하게는 75% 이상 팽창될 때 배관(52)을 통해 저압증기가 배기된다. 도시된 바와 같이, 팽창실(44)이 89% 정도 충분히 팽창될 때 배기구가 열리기 시작한
다.
도 1~8의 구조는 기존의 엔진에 비해 상당한 효율상승을 가져온다. 예를 들어, 쓰로틀압력이 800psi이고 10% 컷오프(cut off)라 할 때, 도 1~8에서 설명된 단류 증기엔진의 유량은 8.2 lb./HP-Hr이지만 동등한 역류기관의 유량은 11 lb./HPHr이므로,본 발명이 25% 정도 개선된다. 컷오프 12.5%에서는 본 발명과 기존의 기관의 비율은 8.31 : 10.4 lb./HP-Hr로서 20% 정도 개선된다. 하강행정에서 잔류증기의 온도가 상승하므로, 유입 증기의 응축을 피할 수 있는데, 이는 본 발명이 단류기관이기 때문이다. 그러나, 단류기관과는 달리 배기밸브 부근의 피스톤 표면이가열될 수 없는 곳, 즉 도 1의 구성에서는 고압 증기체스트(46) 위의 캡(20) 전체가 증기체스트(46)에 의해 계속 가열되어 흡입증기의 냉각을 방지하기 때문에 효율은 더 좋다. 배관(52)을 통해 배출된 저압증기가 캡(20) 밑의 가열구역에서 떨어져있다는 것이 아주 중요하다. 열손실을 줄이기 위해, 가이드컬럼(20a)의 벽면을 2개의 동심관으로 만들되, 그 틈새를 단열공간으로 한다.
과거 증기동력 자동차에 많이 사용되던 섬유질 패킹(22a)은 고온증기의 사용으로 인해 그을려서 정기적으로 교환해야만 했다. 이런 문제를 피하고 크랭크케이스에 응축기체가 스며들지 않고 수명을 늘이기 위해, 도 15~17과 같이 고열 증기를 사용할 때는 금속패킹(175)을 사용할 수 있다. 패킹(175)은 피스톤링이나 베어링보다 자주 패킹을 교체할 필요가 없는 해양 증기기관에 사용되는 배빗(babbitt)과 같은 연질합금으로 구성된다. 증기팽창실(44)을 향해 윗쪽으로 벌어진 청동제 패킹링(176)의 경사시트(176a)에 맞도록 패킹(175)에 경사면(175a)이 있다. 패킹(175) 은 필요에 따라 도 17과 같이 4조각으로 이루어지거나 도 16과 같이 한조각으로 이루어질 수 있다. 패킹링(176)은 패킹(175) 윗면에 설치된 압축스프링(178)에 의해 힘을 받는다. 시트(176a)의 기울기는, 패킹이 너무 밀착되어 마찰손실이 생기지 않도록 선택한다. 작동시, 패킹(175)은 스프링의 힘을 거슬러 시트에서 약간 올라갈 수 있다. 한편, 가이드컬럼(20a)의 내벽면(27)의 양쪽에는 2개의 기다란 공기통로 역할을 하는 홈(179)이 있어서, 가이드컬럼(20a)의 최상단을 제외하고는 크로스헤드 둘레에 공기가 흐를 수 있다. 따라서, 도 15와 같이, 패킹(175)은 원통형 크로스헤드(25) 및 피스톤링(173)과 협력해, 크로스헤드(25)가 홈(179) 위의 상사점에접근하면서 패킹 밑에 압력이 높아질 때 가스나 증기나 액체를 크랭크케이스로 누출되지 않고 증기팽창실(44)로 되돌린다. 필요하다면 패킹(175)과 패킹링(176)을섬유패킹으로 더 보강할 수도 있다. 오일배관(177)을 통해 패킹(175)과 크로스헤드(25)에 윤활유를 공급하지만, 필요하다면 옆면이 평면인 기존의 크로스헤드를 더많이 사용해 주변에 공기가 흐르도록 할 수도 있다(도 3 참조). 크랭크케이스(59)내부에 증기가 응축될 위험을 없애기 위해, 배관 (52)이 흡입관에 접하면서 그 안의 오일을 가열해 수분을 증발시키도록 한다.
증기밸브의 구조
증기기관은 분당 3,000피트 정도의 피스톤 속도가 필요해 비교적 높은 rpm을 내는 구조를 갖는 것이 필수적이다. 따라서, 밸브는 질량은 낮고 높은 rpm에서 안정되어야 한다. 밸브기관은 어떤 것도 사용할 수 있지만, 도 7에 예시한 평형 포핏(poppet) 밸브(48)를 예로 들어 설명한다. 이 밸브(48)는 평형 이중시트 포핏밸 브로서, 2개의 밸브시트(48a,48b)는 각각 캡(20) 내부의 흡기구(46a)의 상하단에 놓인다. 밸브(46)가 열리면 증기실(44)은 흡기구(46a)를 통해 증기체스트(46)와 통한다. 고압증기 때문에 일어날 움직임은 밸브시트(48a)보다 표면적이 약간 커서 증기로 인한 상승력이 작은 밸브시트(48b)에 의해 평형을 이루고, 이런 상승력은 도2의 캠(64)에 의해 쉽게 극복된다. 작동중에, 캠(64)이 밸브(48)를 내리면, 증기체스트(46)로부터 흡기구(46a,46b)를 통해 피스톤 밑의 증기팽창실(44)로 증기가 흘러들어가 피스톤을 밀어올린다. 하부 밸브시트(48b)의 외경이 3/4인치이고, 스핀들직경이 1/8인치이며, 상부 밸브시트(48a)의 내경이 9/16인치이고, 압력이 750lb/in2이면, 밸브에 작용하는 순수 상승력은 130 lbs에 스프링 힘을 더한 것과 같다. 필요하다면, 밸브 하단에 밸런싱 플런저(balancing plunger; 도시 안됨)를 설치해 밸브가 닫히는 힘을 더 높일 수 있다. 하부 시트의 내경과 상부 시트의 외경의 차가 1/64인치라 하면, 밸브를 열기위한 하항력은 증기팽창실(44)의 압력이 750psi일 때는 12.4 lb이고 1000psi일 때는 16.5 lb가 된다. 필요하다면 밸브헤드를 회전 가능하게 설치하기도 한다(도 7 참조). 작동중에 밸브(48)가 자유롭게 회전할 수 있도록, 밸브시트(48b) 내부의 스냅링(snap ring)이나 볼커플링(ball coupling) 등을 이용해 밸브를 로드(rod)에 결합할 수도 있다. 도 14의CEM(central engine management) 컴퓨터(305)로 제어되는 서보모터(S')에 의해 동작중에 축방향으로 움직이는 캠(64)에 접촉하여 휠(64b)을 지지하는 로커(64a; rocker)에 의해 후퇴할 때 로드(48a)가 밸브를 개방한다. 밸브(48)의 시트는 평평하거나 원추형이다. 밸브 와 밸브시트는 열팽창이 같도록 동일 재료로 제작한다. 그러나, 서로 다른 금속을 사용할 경우, 스키너(Skinner) 자체팽창 포핏밸브를 사용하되 밸브 상하단 사이에 스프링강 패킹링을 사용해 .003 내지 .004 인치의 신축운동을 허용하도록 한다. 미끄럼밸브에 비해, 이중시트 평형 포핏밸브는 속이 비어서질량이 작고 윤활유가 불필요하며 적게 움직여도 완전히 열리고 가변적 컷오프(cut off) 동작으로 아주 이른 컷오프에 더 적합하다는 점에서 유리하다. 필요하다면 밸브(48) 2개를 하나의 로드에 병렬 연결할 수도 있다.
도 8은 다른 평형 포핏밸브(31)의 단면도로서, 스프링(31a)에 의해 밸브시트(32)가 위로 올라가 있다. 밸브(31)의 하단부에 슬리브(33)를 나사결합하고, 슬리브 상단부의 보스는 밸브리프터인 로커아암(35; rocker arm)에 의해 동작중에 하강하며, 로커아암의 끝은 2갈래로 갈라져 구멍(35a)을 이루고, 이 구멍에 밸브스템(31; valve stem)을 끼워 보스를 누르면 밸브(31)가 열린다. 밸브(31)의 스템은 밸브가이드(31b)를 관통하고, 밸브가이드의 하단부에는 컬럼(20a)을 지지하는 캡의 베이스(20d; base)가 나사결합된다. 팽창실(44) 내부압력이 증기체스트(46)의 압력을 넘을 때 밸브(31)는 하강하여 릴리프밸브(relief valve)로 기능한다.
한편, 포핏밸브 대신에 범프밸브(182; bump valve)를 사용할 수도 있다(도 13 참조). 피스톤 윗면(14a)의 밑으로 밸브리프터(180; valve lifter)가 나사결합되어 있어, 피스톤이 하강하면 밸브리프터(180)가 범프밸브(182)를 여는데, 이때 실린더헤드(20)를 관통한 흡기구(185)와 동축인 시트(14)에서 환형 밸브면(182a)이떨어지면서 밸브가 열리는 것이다. 밸브(182)는 브리지(190)를 통해 나사결합된 스 프링 리테이너(188; spring retainer)에 지지된 스프링(186)의 힘을 받고, 브리지는 가이드컬럼(20a)에 일체이다. 범프밸브(182)는 고정된 컷오프를 제공한다. 범프밸브를 하나가 아닌 4개 설치할 수도 있는데, 이 경우 피스톤(14)은 4개의 정렬된 밸브리프터(180)를 가져야 한다.
작동액
증기를 만드는데 쓰이는 작동액은 증류수나 탈이온수나 물과 알코올의 혼합물이나, 기타 암모니아와 물과 같이 기존의 2가지 액체의 혼합물은 물론, 폐쇄회로에서 계속 순환되는 이소부탄(isobutane)이나 이소펜탄(isopentane)과 같은 탄화수소액이 있다. “증기”란 광의적으로 이런 작동액의 증기는 물론 수증기를 포함하는 개념이다. 물을 사용할 때는 동결을 방지하기 위해, Saab-Scania사에서는 1주일에 연료의 1/4만 소비하는 파일럿 라이트(pilot light)를 개발했는데, 이것은 냉수에 사용될 수 있다. 동결을 피하기 위한 자체배수 시스템도 이미 개발되었다.
블로바이(blow-by) 가스/오일의 수집
피스톤이 하사점에 있는 도 5를 보면, 피스톤(14)에 한쌍의 압축링(54)과 하나의 오일링(55)이 있는데, 오일링에는 한쌍의 스트리퍼(stripper)가 상하로 떨어져 달려있고, 스트리퍼에는 모따기(55a,55b)가 있고, 이런 모따기는 아래로 이동하면서 잉여 오일을 긁어내 원형의 수집채널(56)로 보내는데, 배기 매니폴드(50) 위의 실린더 벽면(12a)에 원주방향으로 이격된 구멍들이 수집채널(56)에 통한다. 동작중에, 수집채널(56)에 들어간 잉여 오일과 블로바이 가스는 복귀덕트(60)를 통해 배기 매니폴드(50)로 들어간다. 공급수에 들어간 모든 오일은 여과에 의해 제거되 거나, 침전탱크나 원심분리에 의해 제거된다.
도 5a는 오일수집채널의 다른 예를 보여준다. 여기서, 블로바이 가스와 오일을 기름통으로 보내는 수집채널(56)은 실린더 벽면에 형성된 홈으로서, 이 홈에 한쌍의 와이퍼링(59; wiper ring)을 끼우는데, 보통의 피스톤링과는 달리 와이퍼링은 중심을 향해 윗면이 아래로 기울어져 있고 그 작동면에는 미끄럼운동하는 피스톤이 닿는다. 와이퍼링(59)을 사용할 경우, 피스톤의 겉면은 철이나 알루미늄으로 도금되어야 한다. 와이퍼링(59)은 홈(56) 안에서 서로 접촉해있고 피스톤의 외벽면을 안쪽으로 누른다. 와이퍼링(59)에는 반경방향으로 여러개의 슬롯(59a; slot)이 형성되고, 이들 슬롯을 통해 오일과 블로바이 가스가 복귀덕트(60)로 들어가고, 이덕트는 크랭크케이스에 연결된다. 그 결과, 링(54,55)을 지난 소량의 오일과 블로바이 연소가스가 와이퍼링(59)에 의해 수집채널(56)에 들어가 모이므로, 연소가스와 폐유로 인한 증기의 오염을 최소화할 수 있다. 나머지 오일과 입자들은 여과나 침전이나 원심분리에 의해 응축증기에서 제거된다. 와이퍼링(59)을 사용한다면, 적당한 직경의 주조파이프에서 와이퍼링을 절단해 밖으로 펼치되, 절단 단부들을 0.5인치 정도 간격을 두고 분리하여 피스톤과 같은 직경의 원형 연마기에 두고 제대로성형면, 링의 안쪽 작업면을 피스톤의 외경과 같은 외경을 갖도록 팽창시킬 수 있다.
피스톤 바닥에서 배기구(14b) 양쪽에 2개 이상의 압축링(54)이 있다. 모든
피스톤링(20b,54,550은 핀으로 제자리에 고정되면서도 실린더 벽면과 피스톤(14)의 흡기구나 배기구를 막지 않도록 한다.
이제 도 2와 6을 살펴보자. 증기팽창실(44)의 증기압을 유지하기 위해, 캡(20)에 3개의 압축링(20b)이 설치되는데, 하단의 압축링은 피스톤(14) 내부에서 잉여 오일을 긁어내 캡의 구멍과 배관(20c)을 통해 기름통(59)으로 되돌리기 위한 오일링 역할을 한다. 작동 중에, 피스톤(14)의 연마마무리된 내면을 캡(20)의 외면(20)이 타고 미끄럼한다. 배기밸브 기능을 하는 피스톤의 배기구(14b)가 열려있는 동안, 캡(20) 상부의 모든 수분이 실린더 밖으로 밀려나가 역류기관에서 그러하듯이 배기행정 동안 다시 증발된다. 전술한 바와 같이, 하강행정시, 실린더 내부의 나머지 증기는 허용압력까지 압축된다. 오일펌프(도시 안됨)에서 오일을 운반하는 이송배관(20f)을 통해 캡(20)과 피스톤(14) 사이에 윤활유가 공급된다. 필요하다면, 캡(20)에 스프링 작동식 릴리프나 바이패스 밸브(도시 안됨)를 설치해 시동중이나 컨덴서가 고장났을 경우 팽창실(44) 내부의 과잉 압력을 방지한다. 증기실내의 모든 오일이나 응축물은 배출구(60a)를 통해 배출한다.
배기 매니폴드(50)에서 나온 저압증기는 파이프(52)를 통해 컨덴서로 갔다가 다시 보일러로 보내진다. 증기는 보일러에서 배관(49)을 통해 고압 증기체스트(46)로 들어갔다가, 밸브(48)를 통해 증기팽창실(44)로 들어가면서 계속적으로 순환하는 무한회로를 완성한다.
급기(給氣)
도 2~8과 13은 증기를 실린더에 공급하는 급기방법을 설명한다. 흡기밸브(48)는 크랭크축(30)에 기어연결된 캠축(61)에 접하는 휠(64b)을 지지하는 밸브로커(64a)에 의해 열린다(도 2 참조). 이 로커는 휠(64b)에 뒤에 위치하는 피봇핀(pivot pin)에 의해 크랭크케이스에 연결된다. 내연기관 밸브에 사용되는 것과 동일한 크랭크축에 설치되는 흡기밸브용 캠의 2개 돌출부는 180도 떨어져 있어, 캠이 1회전할 때마다 밸브가 열린다. 캠축(61)은 기어로 구동되는데, 예를 들면 크랭크축의 캠(64)을 전후진시키는데 기존의 헬리컬기어(helical gear)를 사용한다. 한편, 캠(64)을 3차원 형상으로 하여 캠축(61)을 축방향으로 미끄럼운동시키면서 여러가지 컷오프를 제공할 수도 있다(도 2 참조). 예를 들어, 캠(64)의 일단부에서는 5% 컷오프를 제공하고 나머지 부분에서는 50% 컷오프를 제공하는 형상으로 할 수있다. 따라서, 캠축(61)을 축방향으로 운동 시키면서 컴퓨터(305)는 최적의 컷오프를 선택하여 가장 효율적인 동작을 함으로써, 최고의 연비를 제공할 수 있다.
엔진관리
서보모터(S1)에 의한 캠(64)의 관리나 서보모터(S2)에 의한 스로틀(T)의 관리를 포함한 엔진의 각각의 동작을 조정하는 컨트롤러로서 CEM(central engine management) 컴퓨터(305)가 있는데(도 1 참조), 이 컴퓨터는 승용차나 트럭의 엔진제어에 사용되는 것과 같은 종류의 요소들을 갖는다. CEM 컴퓨터는 입력센서에 연결되고, 입력센서는 본 발명에 사용되는 작동변수들의 조건을 표시하여 보일러의 압력, 엔진 rpm, 부하에 맞게 연료소비를 최소화한다. 감지되는 증기기관의 작동변수들을 이용해 스로틀(T), 캠(64) 등을 조절하여 열회수는 최대화하고 연료소비와 오염배출은 최소화한다. CEM 컴퓨터(305)는 실린더 컴파운딩(cylinder compounding)을 제공하는데는 물론, 배기량과 보일러 출력의 균형을 맞추는데에도 사용되는데, 이에 대해서는 도 14에서 자세히 설명한다.
증기기관의 효율과 엔탈피 손실
도 2에서 보다시피, 증기체스트(46) 위의 캡(20)과 밸브(48)와 피스톤의 온도는 인입되는 증기의 온도에 가깝다. 실린더의 하부에 12c로 표시된 부분과 가이드컬럼(20e)의 내벽면(27)을 단열하면 증기체스트(46)의 열손실을 최소화할 수 있다.
미국특허 1,324,183과 3,921,404에 소개된 종류의 엔진은 역류 원리로 작동하여, 피스톤이 하강할 때 대기압에서 배기작용을 한다. 반면에, 본 발명의 증기기관은 피스톤(14)의 아래 위치하고, 효율이 아주 높은 단류형 증기기관의 성능조차도 추월한다. 단류형 기관의 경우, 피스톤이 배기구를 가리지 않되 배기구 가까이 있는 피스톤 단부가 가열되지 않은 짧은 순간동안에만 실린더 중심에서 증기가 흘러나온다. 본 발명의 경우, 피스톤의 구멍(14b)과 실린더 벽면의 배기구(51)가 일치하면, 팽창실(44)이 팽창상태일 때 매 행정의 상단부에서 실린더(12)를 둘러싸는 배기 매니폴드(50)에 증기가 들어갈 수 있다. 배기구(51)가 막혀있지 않으면, 가열된 캡(20)의 위에 모인 모든 수분이 그대로 남아 재증발되지 않고 실린더 밖으로 수평배출된다. 하강 행정시, 증기실(44)에 남아있는 증기는 허용압력까지 압축되지만, 단류형 기관과는 달리 증기실(44)의 상하부 인접 표면들이 가열되므로 실린더와 피스톤이 고온상태로 유지된다. 즉, 내연기관 연소실에 의해 피스톤(14)의 윗면이 가열되고, 캡(20), 밸브(48) 및 피스톤 스커트를 포함한 실린더의 하단부는 증기체스트(46)의 고압증기에 의해 가열된다. 이런 식으로, 단류기관에 비해, 기관의 표면이 냉각될 위험이 방지된다. 단류기관에서의 증기 재압축은 역류 증기기관에서 일어나는 단속적인 냉각은 피하지만, 본 발명은 배기구(51) 부근의 캡(20)의 가열 은 신선한 증기의 응축을 최소화하여 단류기관보다 더 높은 효율을 유지한다. 도 2, 7, 8은 흡기밸브(48)가 달린 캡(20)에 증기자켓을 둘러 전 작동기간 중에 배기구(51) 부근의 실린더 헤드 표면온도를 높게 유지하는 열을 공급한다.
연소실(34)의 연소열을 피스톤의 윗면(14a)을 통해 피스톤 하부의 증기에 직접 전도해도 증기기관의 효율이 향상된다. 연료를 연소할 때 생기는 손실열은 연소 중에는 8% 정도이고 팽창중에는 6% 정도이다. 이런 손실열 대부분은 피스톤의 윗면을 통해 증기실(44)의 증기로 전달된다. 피스톤의 헤드는 하부의 증기체스트를 통과하는 증기량이 많아 안전한 작동온도를 유지할 수 있다.
효율을 더 높이고 (특히 저속에서의) 하강행정시의 부토크(negative torque)를 보상하기 위해, 피스톤헤드내의 체적 2in3정도의 배제실(45; displacement chamber)을 직경 0.18인치 정도의 쓰로틀관(47)을 통해 40in3의 증기실린더의 증기실(44)에 연결해(도 2 참조), 틈새부피(clearance volume)를 가변적으로 함으로써, 하강행정시의 증기실(44)내 압축압력을 쓰로틀 압력으로 제한하기도 하는데, 이 경우 높은 rpm에서 유량을 줄이면서 쓰로틀관을 통과하는 높은 유량 때문에 낮은 rpm에서 유효 틈새부피가 더 커져 결국 실린더에 들어가는 부하가 제한된다. 이런 작용에 의해 높은 rpm에서의 초기 컷오프의 영향으로 랭킨기관(Rankine engine)의 효율이 증가한다. 이런 특징과, 내연기관과 증기동력의 합동으로 제공되는 4행정 중의 3행정의 순수 정토크(positive torque)로 인해 엔진이 균일하게 돌아간다. 다른 3행정의 순수 부토크의 10~12% 정도의 부토크는 흡기행정 동안에만 일어난다. 본 발명에 의하면, 증기기관이 동력을 내는데 높은 회전수를 필요로 하지 않아 피스톤하부의 증기가 1회전당 1회의 파워행정을 제공하고 낮은 rpm에서 더 큰 토크를 제공하기 때문에 같은 수의 피스톤을 갖는 내연기관보다도 더 균일한 토크를 낼 수있다. 4기통 엔진은 증기팽창에서의 4행정을 포함해 매 회전당 2회가 아닌 6회의 파워행정을 일으킨다.
도 2, 15의 압력공급관(20f,57, 177)처럼 캡 벽면이나 피스톤이나 실린더의 벽면에 오일을 공급하는 방식이나, 크랭크축이나 커넥팅로드를 통해 압력을 공급하거나 기름통에서 오일을 분무하는 등의 여러 방식으로 윤활유를 공급할 수 있다.
열에너지 회수
도 9는 본 발명에 따른 열에너지 회수장치와 방법의 개략도이다. 보통의 내연기관에서는 브레이크 출력이 사용 상태에 따라 연료의 발열량의 25~28% 정도이고 72~75%까지 손실된다(J.B. Heywood의 I.C. Engine Fundamentals 674 페이지 참조). 내연기관의 손실에는 배기가스와 냉매로 인한 손실과, 엔진과 배기장치의 복사와 기구학적 손실이 포함된다. 도 9의 열에너지 손실장치는 엔진(10), 보일러(100), 이코노마이저(102; economizer), 증기과열기(104, 2개의 역류형 액체-액체 열교환기(106,108), 컨덴서(112) 및 라디에이터(110)를 포함한다. 실린더를 둘러싼 매니폴드(50)에 저압증기가 모였다가 증기 복귀배관(52)을 통해 배출된다. 증기 복귀배관(52)은 한쌍의 튜브가 안팎으로 배치된 열교환기(106)에 증기복귀배관(52)이 배관(114)을 통해 연결되는데, 열교환기의 안쪽 튜브는 열전도율이 좋은 구리와 같은 재료로 형성된다. 열교환기(106)는 안쪽 튜브(116)에 흐르는 공급수를 예열하는 2 차 예열기로 작용하고, 튜브의 물은 배관(118)을 통해 이코노마이저(102)로 보내진다. 이코노마이저(102)를 보일러 케이싱(124) 안에 둘 수도 있지만, 도시된 것과 같이 밖에 두면 열전달이 더 좋아진다. 도시된 이코노마이저(102)는 역류형 열교환기로 작용해, 내부의 코일(120)을 통과하는 공급수와 열전도 관계에 있는 엔진 배기가스에 의해 공급수를 더 가열하여 보일러(100)에 예열된 물을 공급한다.
여러가지 보일러를 사용할 수 있지만, 미국특허 5,845,609에 소개한 것과 같이 7/16인치 직경의 코일이 나선형 형태로 감겨있는 보일러가 바람직하다. 이코노마이저(102)에서 예열된 물을 공급받는 보일러내의 튜브의 코일(122)은 흡기구(126)를 통해 보일러(100)의 케이싱(124) 안으로 들어갔다가 반대 방향의 배기구(128)에서 나가는 엔진 배기가스의 연속적인 원형 흐름에 작동기간 내내 노출되면서 역류형 열교환 기능을 하는데, 보일러의 코일(122)을 나가는 순간의 증기는 흡기구(126)로 들어간 고온 배기가스에 가장 많이 노출되어 가장 많이 가열된다. 도면에는 몇개의 코일만 도시되었지만 실제로는 이보다 많은 코일이 사용된다. 외경 5/8인치, 길이 17.5피트의 코일 24개, 총 420피트 길이의 코일을 사용했더니 가열면적이 75 제곱피트에 달하고 20마력 보일러를 제공할 수 있다. 도시된 보일러가 좋기는 하지만, 다른 보일러도 사용할 수 있다. 예를 들어, LaMont 보일러는 85%의 효율을 내고(1952년판 R.H. Grundy의 Heat Engines의 452-453 페이지 참조), Benson 보일러는 90% 효율을 낸다(1960년판 D.A. Wrangham의 Theory and Practice of Heat Engines의 710-711 페이지 참조). 본 발명은 보일러의 버너에 송풍기로 공기를 불어넣는 일반 보일러처럼 인입되는 비교적 찬 증기의 희석으로 보일러(100) 내부의 가스온도가 낮아지지 않기 때문에 효율이 같거나 더 좋다. 튜브형 보일러의 열량도 표준 보일러보다 빠르다. 어떤 플래시튜브(flash tube) 보일러는 15~30초정도의 잠깐 동안에 높은 증기압을 취할 수 있는데, 이는 상당히 효율적인 열전달이 이루어짐을 말한다. 병렬회로(도시 안됨)에 순환펌프를 설치하면 열전달 효율을 최대화할 수 있다.
도 9B는 다른 증기 순환회로를 보여준다. 도 9B에서, 보일러, 보조연소기, 이코노마이저는 도 9의 것과 같지만, 예열기(160), 컨덴서(162), 필터(164), 응축펌프(166) 및 온도계로 제어되는 바이패스 밸브(170)는 다르게 배열된다. 동작중에, 열교환기(106)에서 나온 습한 증기와 응축수는 바이패스 밸브(170)를 통해 컨덴서(162)의 상부로 들어간다. 그러나, 낮은 응축온도에서는, 밸브(170)에 의해 많은 부분이 파이프(172)를 통해 컨덴서(162)를 우회해 필터(164)로 들어갔다가 응축펌프(166)에 의해 열교환기(160)로 들어가고, 엔진을 나가는 고온 냉매의 온도에 가깝게, 100~115℃까지 가열된다. 엔진의 냉매 자체는 워터펌프(109)에 의해 반대방향으로 공급되고, 파이프(111)를 통해 나갈 때는 컨덴서(162)를 나가는 응축수의 온도까지 냉각되면서 거의 모든 열이 응축수로 전달된다. 바이패스 밸브(170)는 엔진(10)에 대한 최적의 설계온도에서 응축수와 냉매를 관리하도록 가능한한 컨덴서(162)를 우회한다. 이코노마이저(102)와 열교환기(106)를 통한 증기의 순환은 도9에서 설명한 것과 같다.
이상 도 9, 9A, 9B에서 설명한 본 발명의 열에너지 회수장치와 방법은 폐열회수시의 고효율과 비교적 경량이라는 점에서 자동차에 특히 응용될 수 있다. 그러 나, 미국특허 4,087,974; 4,201,058, 4,300,353, 4,351,155, 4,803,958, 6,834,503, 6,964,168, 7,013,644에 소개된 다른 장치도 사용할 수 있는데, 이들 장치의 몇가지 특징은 도 1~8의 내연기관의 폐열회수에 사용될 수 있다.
도 9~9B는 증기와 냉매의 일반적인 순환관계를 보여준다. 온도센서, 압력센서, 체크밸브, 저장탱크, 온도계식 냉매밸브, 라디에이터/컨덴서용 송풍기, 압력게이지, 릴리프밸브, 배수장치 등의 다른 기존의 요소(도시 안됨)는 모두 종래와 같이 사용하면 된다. 열손실을 최소화하기 위해, 온도가 높은 요소들은 보통 도 2의 12c와 20e 부분과 같이 단열을 한다.
과열기
본 발명에 의하면, 내연기관의 배기 매니폴드 위치에 과열기(104)를 설치한다. 원래의 내연기관의 배기 매니폴드보다 용량이 큰 과열기는 애프터버너(afterburner) 기능을 하는 것으로, 배기 매니폴드의 일부분을 이루어 추가 폐에너지를 회수하면서 일산화탄소나 탄화수소와 같은 오염물은 제거한다. 실린더헤드(35)의 배기구(37)에 직접 연결된 배기파이프(141-144)를 통해 과열기(104)에 들어간 배기가스에서 전달된 열로 보일러(100)에서 생긴 증기를 과열하도록 과열기 내부에 스테인리스 스틸로 된 코일(130)을 설치한다. 과열기(104)가 보일러와 실린더 사이에 위치해 배기구(37)에서 2~10인치 정도 가까이에서 배기파이프(141-144)에 연결되므로, 내부의 코일(130)은 배기가스에 반대로 흐르는 증기에 의해 최대의 열에 노출된다. 오염을 줄이면서 배기가스 온도를 최대로 높이기 위해, 공기공급관(146)을 통해 송풍기(148)의 공기를 공급하는 인젝터를 거쳐 고온의 2차공기를 파이프(141-144)에 분사한다. 도 9A는 파이프(147)에 들어가는 보충 공기가 내연기관 파이프(103)에 의해 어떻게 가열되는지를 보여준다. 엔진의 실린더에서 생긴 연소생성물은 물론, 2차공기의 분사로 인해 과열기 내부에서 일어나는 미연소 가스의 연소로 인한 연소생성물 둘다에 코일(130)이 노출된다. 송풍기(148)는 전기모터(150)나 소량의 배기가스나 배관(114)에 연결된 증기터빈에 의해 구동된다. 배기파이프(141-144)를 통해 과열기(104)에 들어간 공기는 900℃까지 가열되기도 하지만 대부분 400~600℃ 정도로 가열된다. 공기공급관(146)을 통해 들어간 추가 공기가 연료 발열량의 9%에 이를 수 있는 미연소 탄화수소나 배기가스내의 일산화탄소의 상당량을 산화시킨다. 최적의 연소와 잔류시간의 증가를 위해, 과열기(104)는 표준 배기매니폴드보다 대형으로 만드는데, 보통 4기통 엔진의 직경보다 6~8인치정도 더 크게 한다. 블레이드(blade)들이 일정 간격으로 방사상으로 돌출해 있는 선회가이드(105)는 가스를 순환시켜 과열기(104) 내부에서의 잔류시간을 늘려 미연소 기체의 연소를 높이는데, 220°K에서 1.5% CO 제거가 이루어질 수 있다. 과열기(104)는 배기 매니폴드의 일부분인 애프터버너이고, 최고 온도의 배기가스가 4군데에서 과열기로 들어가 연소가 일어나는데, 이때 보일러의 배관이 애프터버너를 통과하기 때문에 보일러의 증기가 배기가스와는 역방향으로 흐르면서 배기가스를 최고 온도로 높인다. 증기는 보일러에서 과열기로 흐르고 과열기는 엔진에서 막 나온 상류측의 배기가스를 받으며, 그 동안 전단계에서 연소되지 않은 탄화수소와 기타 가연성 기체가 2차 공기공급관(146)의 고온공기 분사로 인해 연소되면서 증기가 더 가열된다. 결국, 연료의 가열량의 3~9% 정도에 이르는 미연소 가스와 연료로부 터 열을 회수할 수 있다.
요컨대, 증기와 응축수의 순환 과정은 배관(52,114)에서 열교환기(106)를 거쳐 컨덴서(112)에 이른다. 컨덴서의 응축수는 필터(113), 펌프(115), 열교환기(108), 열교환기(106; 이곳에서 220~240℃로 나감), 이코노마이저(102), 보일러(124), 과열기(104), 증기쓰로틀(T), 고압 증기배관(49), 솔레노이드 작동 선택 밸브(V), 증기체스트(46)를 거쳐 흡기밸브(48)로 간다. 응축된 증기는 펌프(113)에 의해 필터(115)에서 1차 열교환기(108)로 보내진 다음, 펌프(109)에 의해 배관(117)을 통해 반대 방향으로 공급된 엔진 냉매에 의해 가열된다. 따라서, 엔진의 냉매는 먼저 응축수에 열을 전달한 다음 라디에이터(110)를 지나면서 더 냉각되고, 엔진 냉각로(35,12b)를 통해 호스(111)를 거쳐 재순환된다.
운전사가 쓰로틀레버를 밟으면 컴퓨터(305)에 명령을 내려 쓰로틀 설정점을 조절해, 자동차가 운행하는 동안 효율은 최적화하고 연비는 최대화할 수 있다. 즉, 쓰로틀(T)과 컷오프 세팅값들을 조합해 엔진출력을 조절하여 연료소비를 최소화한다. 한편, 미국특허 3,908,686과 4,023,537에 소개된대로 조절된 압력과 온도를 이용해 미국특허 4,300,353에 소개된 것과 같이 증기쓰로틀(T)를 작동시킬 수도 있다. 사용연료를 늘이거나 저장에너지를 사용하기 위해 운전사가 페달을 밟기 전에 운전사는 증기쓰로틀(T)을 열 수 있다.
증기 배기량 조절
본 발명의 목적은 자동차 운전조건과 폐열의 변화로 인한 다양한 부하와 보일러 압력에서 효율적으로 동작하는데 있다. 본 발명은 증기 배기량을 변화시키면 서 다양한 조건하에 작동하는 융통성을 제공하는 메커니즘을 포함한다. CEM 컴퓨터로 여러 밸브를 순차적으로 개폐하여 보일러와 과열기의 증기출력 엔트로피와 증기 엔진 배기량을 가능한한 일치시키고 배기량을 증가시키는 본 발명의 목적은, 시동중은 물론 교통조건에 따라 엔진속도가 변하기 때문에 전체 작동기간 내내 배기량과 엔트로피 사이에 일정한 비율을 유지하는 것이다. 이를 위해, 엔진부하 센서(토크센서)나 보일러나 실린더의 증기압 센서를 CEM 컴퓨터(305)에 연결하여, 보일러 출력이 상승함에 따라 밸브들을 순서대로 개방한다. 그 결과, 보일러 출력이 낮을 때는 한두개의 실린더만 사용하되, 내연기관의 발열량 변화에 맞춰 좋은 효율을 유지하도록 보일러 출력을 높여야 하는만큼 더 사용한다. 예를 들어, 증기동력 자동차에서는 다른 것은 동일하게 두되, 8.5 lb/HP-Hr.의 일정 증기량에서 200 CID 내지140 CID의 과잉 배기량을 낮춰 증기를 순환시키면서 보일러출력과 엔진배기량을 잘 조화시키면 엔진의 경제성을 초기의 9.9MPG에서 14.4MPG로 높이는데, 이렇게 되면 연료효율이 45% 가까이 개선된다.
본 발명에 따른 엔진 배기량을 조절하는 일례가 도 14이다. 보일러(100)로부터 쓰로틀(T), 증기배관(49), 4개의 솔레노이드 밸브(V)를 거쳐 다기통엔진(10)의 실린더로 증기가 공급된다. 보일러에 설치된 온도나 압력 센서(도시 안됨)는 도체(300,302,303)를 통해 컴퓨터(305)에 연결되어 보일러에 공급된 열량을 표시한다. 엔진(10)의 부하와 엔진의 rpm은 배관(306,307)을 통해 컴퓨터(305)에 전달된다. 엔진이 작동하는 동안, 컴퓨터는 기존의 작동조건하에 최적의 배기량을 실시간 계산하여 최적의 연비를 구한다. 이 결과를 이용해 솔레노이드 밸브(V)를 작동시킨 다. 엔진(10)의 각각의 실린더의 배기량이 같으면, 밸브(V)를 순서대로 작동시키면서 작동조건과 배기량을 일치시키는데, 예를 들면 보일러 출력이나 엔진부하의 감소에 맞게 배기량은 줄이되 보일러에 공급되는 증기압이나 온도나 열량이 증가하면서 배기량을 차례대로 15, 30, 45, 60 입방인치로 증가시키게 되면, 엔진이 동작중이거나 시동중이거나 주행중인 동안 컴퓨터가 감지한 작동조건하에 최적의 증기기관 효율을 유지할 수 있다. 엔진에 부하가 없을 때, 예컨대 정속주행일 때는 쓰로틀(T)이나 모든 밸브(V)를 닫지만, 페달을 놓으면 바뀐다. 매니폴드의 압력이나 자동차의 속도와 같은 다른 변수들을 감시해 컴퓨터(305)에 다른 작동조건을 제공할 수 있다. 엔진을 설계할 때, 증기 작동을 위해 선택한 최적의 배기량은 피스톤의 내경이나 피스톤로드의 외경을 특별하게 선택하면 구할 수 있다. 피스톤 스커트가 두꺼워야 하면, 피스톤 스커트와 라이너 슬리브 사이의 피스톤에 단열틈새를 둘 수도 있다. 필요하다면 미국특허 2,196,980에서 배기밸브를 열어둔 것처럼 작동하지 않는 증기실의 밸브를 열어둘 수 있다.
증기실린더 컴파운딩
컴파운드(compound) 증기기관은 제곱인치당 150파운드 이상의 압력에서 효율이 높다고 알려져 있다. 실린더의 배기관(52)과 실린더의 흡기관(49) 사이의 솔레노이드 밸브(도시 안됨)를 이용해, 한쪽 실린더의 배기증기를 배기량이 더 큰 다른 실린더로 보내거나 동일 배기량의 2개 이상의 실린더로 보내 컴파운딩(compounding)을 이룰 수 있는데, 이때 실린더(1)에서 수신기가 없는 다른 실린더(2,4)로 증기를 보내는데 컴퓨터로 자동제어한다. 열전달과 작동온도 어떤 엔진 도 윤활유에 손상을 주지 않는 온도를 유지해야 한다. 일반적인 수냉식 4행정 스파크점화 엔진의 피스톤 상단과 상단링 주변과 뒤에서 측정한 온도는 290~340℃의 범위에 있다. 따라서, 증기온도 300~350℃인 엔진(10)을 어느 경우에도 사용할 수 있어야 하는데, 이는 표준 내연기관의 알루미늄과 주철 피스톤이 모두 200~400℃의 온도범위에서 피스톤헤드와 함께 작동할 수 있기 때문이다. 배기밸브와 점화플러그는 310~340℃ 온도에서 안전하게 동작할 수 있다. 본 발명에서는 헤드와 실린더 모두 수냉식이다. 내연기관의 실린더 벽면이 물재킷으로 냉각되므로, 피스톤헤드가 가장 과열될 가능성이 높다. 피스톤(14)의 열전달과 냉각은 중요하다. 도 2와 같이, 흡기밸브(48)가 열리면 압축된 증기로 인해 피스톤헤드(14a)가 밀려올라가면서 과잉 열도 가져가버린다. 일반적인 고속도로 출퇴근 상황의 속도에서는 피스톤헤드의 밑면에 초당 0.3파운드의 증기압력이 작용해 열을 가져가 피스톤헤드의 과열을 피할 수 있는데, 연소실내 가스를 연소시키는 초기 2000~4000℃의 온도에서도 그렇다. 본 발명에 의하면, 피스톤 밑으로 증기를 보내 증기압은 높이면서 연소열로 인해 피스톤헤드 부근에 증기가 응축되는 것은 방지하는데, 이때 피스톤 밑면에 작용하는 증기에 연소실의 열을 직접 전도하기 때문에 에너지를 보존 할 수 있다. 필요하다면 피스톤헤드의 밑면에 냉각휜(cooling fin)을 설치해 증기로의 열전달을 높일 수 있다.
열회수 과정에서의 열손실
에너지 활용도와 손실을 보이는 아래 표들은 Heywood의 1988년판 저서 674~675 페이지에서 인용한 것이다. 효율 측정을 위해, 냉매와 배가스에 전달된 열 량은 물론 사용되는 연료의 낮은 발열량을 보충하는 다른 손실과 브레이크 파워를 비교한다.
표 1
스파크 점화엔진에서의 일반적인 연료에너지 분포도
브레이크 파워 26%
냉매의 손실 23% 회수가능
기타 손실 8%
현저한 배가스 엔탈피 26% 회수가능
동력학적 배가스 엔탈피 3%
배기장치에 대한 복사 손실 5%
불완전연소 5~9% 회수가능
100%
총 회수율 : 54~58%
표 2
6기통 점화엔진 자동차에서의 연료의 에너지 분포도
43 MPH 72MPH
1100RPM 1800RPM
브레이크 파워 18% 21%
냉매 부하 54% 43% 회수가능
배가스 엔탈피 21% 27% 회수가능
배기장치의 기타 복사 2.5% 3.2%
불완전연소 4.5% 5.8% 회수가능
100% 100%
총 회수율 : 79% 76%
냉매에 대한 열차단율은 작동조건에 따라 변한다. 자동차의 저속 저부하에서(표 2 참조), 냉매의 열전달율은 상당히커서 브레이크파워의 2~3배에 달한다.
에너지 회수의 결정
표 1의 조건하에 작동하고 내연기관의 용량이 100마력인 4기통 4행정 자동차 엔진의 경우, 고속도로 조건에서 생긴 브레이크 파워는 26마력이고 연료의 발열량의 54%는 회수가 가능하다. 보일러 효율이 85%이고 증기기관은 실제 브레이크 효율 24%의고압과열 응축기관으로 작동한다고 하면(Allen Bradley의 Heat Engine 407 페이지 참조), 종합 효율은 20% x 54HP 또는 10.8HP로서 41.5%의 개선을 이룬다. 43MPH나 72MPH로 주행하는 자동차에서 구한 표 2의 손실에너지 값을 이용하면, 잠재적 회수율은 20%x79%=15.8%로서 43MPH에서 87%의 연비 개선을 이룬다. 72MPH에서는 브레이크 파워에 이용되는 열에너지 회수율 76%x20%=15.2%로서 72%의 개선을 이룬다. 그 결과, 실험데이터를 근거로 본 발명을 통해 얻은 연비의 개선율은 41~87%에 이른다.
미연소 연료의 에너지회수
미연소 연료가 폐배가스 엔탈피의 3~9%에 달함은 이미 설명했다. 미연소 연료를 태우면 배가스의 온도가 200°K로 상승한다.
도 9A와 같이, 공기펌프(148)에 연결된 흡기파이프(147)는 배기파이프(103)와 역류 열교환 관계에 있어 배가스 열을 회수해 공기에 전달하는데, 이 공기는 펌프(148)에 의해 공기분사관(146)을 통해 배기관(141-144) 각각에 보내지는 것으로 과열기(104) 내부의 탄화수소를 연소시키는 산소를 공급한다. 배기관(141-144)은 배기구(145)를 통해 과열기(104)에 연결되는데, 배가스는 과열기(104)를 통과하면서 선회운동한다. 선회운동은 나선형 운동을 일으키는 다수의 선회판(105)에 의해 일어나고, 이런 선회운동에 의해 고온 2차공기가 완벽히 혼합되어 완전연소와 오염물 감축을 이룬다. 즉, 배기구(145)가 선회운동을 시작하고 선회판(105)은 선회와 교반을 촉진하여 2차 공기의 완벽한 혼합을 이루는데, 2차공기는 직경 6~8인치의 대형 과열기와 협력해 미연소 성분의 산화를 일으켜, 결국 배가스의 온도를 600~900℃ 이상으로 높인다. 이 온도는 미연소 탄화수소와 CO의 완전연소에 필요한 온도(각각 50ms 동안 600℃, 100~150ms 동안 700℃)보다 상당히 높다. 과열기(104)안에 증기코일(130)을 설치하면, 흡기관(146)을 통해 고온 2차공기를 분사해 과열기 자체가 버너나 노의 역할을 하므로, 최종 코일(130)의 증기의 온도가 엔진의 배기 매니폴드보다 높아지고, 이런 고온과 고압으로 인해 엔진 팽창실(44)의 랭킨 엔진효율이 더 개선된다.
따라서, 과열기의 배가스의 온도가 900~1000℃이고 70~75 MPH의 속도로 운전하면, 미연소연료의 연소로 인한 열이 추가로 생겨, 설계 유량에서의 쓰로틀(T)의 증기를 500℃ 이상의 온도로 가열할 수 있다. 이 때문에, 효과적인 랭킨엔진 동작에 필요한 고온고압 증기를 본 발명에서는 쉽게 얻을 수 있다.
자동차의 모멘텀 회수
도 12는 본 발명에 따라 브레이크를 거는 동안 운동에너지를 회수하는 과정을 보여주는 개략도이다. 도 9~9B에 도시된 것과 같은 본 발명의 4기통 자동차엔진(150)은 구동축(151)을 통해 지면의 구동바퀴(152)에 연결된다. 배기관(52)의 솔레노이드 선택밸브(153)와 보일러에 이어진 증기관의 솔레노이드 밸브(158)를 볼 수 있다. 배관(49)에 있는 솔레노이드 선택밸브(159)는 첫 번째 공기배관을 통해 주변 공기를 받는 체크밸브(154)에 연결되고, 또한 압축공기탱크(156)에 연결된 체크밸브(155)에도 연결된다. 선택밸브(159)는 두 번째 공기배관의 체크밸브(157)를 통해 압축공기탱크(159)에도 연결된다. 브레이크를 밟으면, 엔진(150) 내부의 포핏밸브(48)가 컴퓨터에 의해 열리고, 선택밸브(159)에 의해 밸브(154,155)를 통해 탱크(156)가 배관(49)에 연결되어 변하는 증기팽창실(44)의 체적에 의해 자동차가 멈출때까지 압축공기가 탱크(156)로 들어가, 결국 압축공기 형태의 운동에너지를 저장하게 된다(도 1, 2 참조). 운전사가 액셀러레이터(accelerator)를 밟으면, 선택 밸브(159)에 의해 체크밸브(157)를 통해 탱크(156)가 배관(49)에 연결되고, 그동안 밸브(48)는 정상으로 작동하여, 브레이크를 밟는 동안 저장되었던 팽창실(44)의 압축공기로 자동차가 움직인다. 압축공기는 밸브(153)를 통해 순환된다. 이런 식으로, 엔진의 증기팽창실을 압축공기 저장탱크에 연결해 팽창실의 공기를 브레이크 동작 동안 저장탱크에 보내거나, 증기팽창실을 공기탱크에 연결해 공기탱크의 압축공기를 증기팽창실로 보내는 작업에 의해 내연기관의 폐열과 모멘텀에서 회수된 열에너지에서 생기는 증기동력과 내연기관의 조합에 의해 자동차가 추진된다. 압축공 기는 차가운 엔진과 증기압이 없는 상황에서도 고속시동을 할 수 있는데, 증기를 상승시키거나 시동 중에 연료효율을 개선하기 전에도 가능하다.
단형 피스톤(Stepped Piston)
도 10-11은 단형피스톤(80)을 채택한 본 발명의 다른 예를 보여준다. 이 피스톤은 구조가 다르지만 마찬가지로 폐열을 회수할 수 있다. 도 10-11의 변형 엔진(79)도 전술한 바와 마찬가지로 효율과 연비의 개선을 주목적으로 하지만, 피스톤 내부의 증기팽창실 대신에, 단형피스톤(80)은 상단부에 압축링(80c)을 설치하고 스커트(skirt) 영역인 하단부는 대직경부(80a)를 두고, 대직경부에도 압축링(80b)을 설치한다. 연소실(34)은 물론 실린더헤드(35)와 그 부품들도 전술한 바와 동일하다. 피스톤(80)은 실린더(82) 안에서 미끄럼 운동하고, 실린더의 하부 대직경부(84)는 피스톤의 대직경부(80a)와 맞물려, 실린더의 대직경부에 환형의 증기팽창실(86)이 생긴다. 연소실(34)과 증기팽창실(86)이 피스톤에 인접하고, 연소실(34)은 피스톤(80)의 바닥면에 인접한다. 압력에 의해 배관(89,91)을 통해 실린더 내벽면에 윤활유가 공급된다. 동작중에, 고압밸브실(94)로부터 흡기밸브(92)와 흡기구(91)를 통해 증기팽창실(86)에 증기가 들어간다. 피스톤이 하사점에 도달해 실린더의 구멍이 열리면, 대직경부(84)를 둘러싼 실린더블록(89)의 일부분에 배치된 증기매니폴드(88)를 통해 증기가 배출되는데, 이런 흐름은 전술한 컨덴서(도시 안됨), 체크밸브인 리드밸브(91; reed valve), 저압 증기복귀배관(90)을 포함해 폐쇄회로를 이룬다. 도시된 것과 같이 연소실(34)과 증기팽창실(86) 사이에 있는 피스톤(80)은 핀(83)과 커넥팅로드(85)에 의해 크랭크축(87)에 연결된다. 연소실(34)의 폐연소열은 도 9~9B에서 설명한 바와 같이 보일러와 증기회로에서 회수되어, 증기팽창실(86)에 증기가 들어가면서 피스톤(80)을 하강시켜 크랭크축(87)을 회전시킨다. 환형 증기팽창실(86)의 표면대 체적비가 커서 냉각속도가 빨라 증기압이 낮아지므로, 이 실시예는 바람직한 실시예는 아닐 수 있다. 피스톤 둘레에서의 유동 제한 때문에 호흡손실(breathing loss)이 커지고 링(80b)이 길어져 기계적 손실도 증가하고, 배기구(88) 부근의 표면도 가열되지 않는다.
발명의 효과
본 발명의 실린더와 피스톤은 동일한 피스톤으로 연소동력과 증기동력을 제공하는데, 이때 실린더의 양단부 사이의 중간에 지지된 실린더캡을 통해 열리는 흡기밸브와 같은 높이의 원형의 배기 매니폴드와 배기밸브를 이용한다. 도 1에서 알 수 있듯이, 단류엔진이 아닌 저압 배출증기를 통해 금속면의 냉각에서도 더 잘 보호를 할 수 있다. 단류식 엔진의 경우 피스톤헤드에서 증기를 배출하고, 증기가 배출되는 표면에서는 단류식 피스톤헤드의 표면을 가열할 방법이 없다. 반면에, 본 발명에서는 증기 실린더헤드가 달린 캡(20), 정확히는 인접 증기체스트(46)에 의해 증기팽창실로 최대의 열이 공급되는 부분에서 저압증기가 배출된다. 그 결과, 본 발명은 단류식 엔진보다 열손실이 적어 효율이 향상된다. 본 발명에서는, 한편으로는 증기체스트를 향해 열리는 캡의 흡기밸브를 통해, 다른 한편으로는 피스톤과 실린더 양쪽의 배기구를 갖는 이중 자동 배기밸브를 통해 증기가 들어갈 때는 배기구가 막히지만 증기실이 팽창상태인 동안에는 양쪽 배기구가 서로 연결되어 열리도록 함으로써, 작동중에 열손실을 줄인다. 또, 본 발명에서는, 실린더헤드나 증기체스 트를 냉각시킬 수 있는 저압 배출증기가 실린더헤드 밑으로 흐르지 않으므로, 증기체스트(46) 위의 실린더헤드 밑면 전체를 증기체스트로 둘러싸 저압증기에 의해 밑면이 냉각되는 것을 방지함은 물론, 실린더의 하단부와 피스톤의 스커트가 가열되는 것도 방지한다.
또, 본 발명에서는 실린더에서 과잉 오일을 긁어내는 오일링을 피스톤에 설치하여 과잉 오일은 물론 블로바이 가스를 별도로 모은다.
본 발명의 피스톤은 연소기능과 증기기능을 복합적으로 구비한 것으로, 실린더캡을 관통하는 피스톤로드에 고정되고, 실린더캡 자체는 환형 틈새로 둘러싸인 지지컬럼의 상단부에 실린더와 동축으로 위치하며, 환형 틈새는 증기체스트로 작용하는 한편 실린더 내부에서 피스톤이 캡을 지나쳤을 때 피스톤의 스커트가 환형 틈새로 들어간다. 고정식 중앙 캡은 증기팽창실(44)을 밀봉하는 외에, 흡기밸브를 지지하여 캡의 윗면과 피스톤 사이의 증기틈새부피(steam clearance volume)를 줄이고, 증기체스트의 상부를 형성하며, 증기체스트를 가열하고 피스톤로드 둘레를 밀봉해 증기누출을 방지한다. 실린더헤드 및 실린더 벽면과의 사이에 밀봉 및 미끄럼 관계에 있는 스커트를 피스톤에 제공함으로써, 증기를 수용하는데 필요한 실린더의 추가 길이를 최소화할 수 있는데, 이는 증기실과 연소실이 동일 공간을 차지하기 때문이다. 또, 내연기관에서 폐연소열을 효율적으로 회수할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 효과는 다음과 같다:
1) 실린더의 길이를 가능한한 늘이지 않아 동일한 내연기관보다 엔진이 크거나 무겁지 않음;
2) 증기팽창실이 내연기관의 연소실과 같은 공간을 차지함;
3) 증기팽창실이 내연기관 연소실로부터의 열전달로 직접 가열됨;
4) 연소실에서 연소된 오일은 물론 블로바이 가스를 증기팽창실과 배출증기에서 분리할 수 있음;
5) 증기 실린더헤드의 증기재킷과 간섭하거나 인입 증기를 냉각할 수 있는 저압증기를 배기밸브가 실린더헤드 밑으로 배출하지 않음;
6) 증기 피스톤헤드를 이루는 헤드와 피스톤의 마주보는 표면이 평면이어서 틈새부피를 필요한만큼 작게할 수 있음;
7) 배기밸브는 열렸을 때 증기와 수분을 실린더 밖으로 내보내고, 닫힌 상태에서는 실린더 압력을 증기 흡입압력까지 높여, 대기압의 증기가 실린더 벽면과 헤드의 열을 빼앗지 않도록 함(열을 빼앗기면 인입 증기의 응축이 생김);
8) 배기구가 열린 잠깐 동안만 실린더 벽면이 배출 증기압에 노출되고, 곧바로 압력과 온도가 상승하여 하강행정의 끝에서는 인입 증기가 비교적 고온의 표면을 만나게 되므로, 응축이 방지됨;
9) 단류식 엔진과는 달리, 배출증기에 접하는 증기실의 단부의 금속면을 외부에서가열할 수 있어, 대기압의 증기가 인입 증기를 냉각하거나 응축하는 것을 방지함.

Claims (34)

  1. 연소열로 생긴 증기가 피스톤 운동을 돕고, 실린더에는 하나의 피스톤이 장착되어, 상기 피스톤이 실린더 내부에서, 상기 피스톤의 양단부들을 면하고 있는 내부연소실과 증기팽창실 사이를 왕복운동하며, 연소압력과 증기압이 상기 피스톤의 양단부에 작용해 작동중에 피스톤의 운동에 영향을 미치고, 실린더 측벽을 통해 증기팽창실과 통하는 하나 이상의 증기 배기구가 실린더 측벽에 위치하여, 증기팽창실의 일단부에 있는 고정식 고온 실린더캡에 가까운 실린더 측벽 부분에서 증기가 실린더 측벽을 통해 배출되기 때문에, 폐연소열로 작동되는 보일러로부터 증기팽창실로 들어가는 증기의 냉각이나 응축이 상기 실린더캡에 의해 방지되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고온 실린더캡이 외부에서 증기로 가열되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피스톤에 구멍이 뚫려있고, 이 구멍이 실린더의 배기구와 일치할 때 증기가 배출되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고온 캡은 실린더 양단부의 중간에서 실린더를 가로지 르는 디스크이고, 실린더의 내벽면에서 떨어져 있어 실린더 벽면과의 사이로 피스톤의 스커트를 수용하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진
  5. 제4항에 있어서, 상기 디스크가 실린더와 떨어져 환형 틈새를 이루고, 피스톤의 스커트가 이 틈새로 들어가 디스크의 외주변과 미끄럼 결합하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고온 캡이 디스크를 포함한 실린더헤드로서, 피스톤의 내벽면과 밀봉결합하고, 디스크를 통해 증기팽창실에 증기를 들여보내기 위한 흡기 밸브가 디스크에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  7. 제1항에 있어서, 증기팽창실이 팽창상태에 있을 때 배기구가 개폐되고, 증기팽창실과 보일러를 연결하는 흡기밸브를 통해 증기팽창실에 증기가 들어가기 전에 증기팽창실내 잔류 증기가 재압축되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  8. 제1항에 있어서, 연소 배가스를 받아 그 안에 포함된 미연소 가스와 입자들을 계속 연소하기 위한 과열기가 연결되고, 증기가 상기 과열기 내에 형성된 연소생성물 및 배기가스와 열교환한 뒤에 증기팽창실 안으로 들어가는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  9. 제8항에 있어서, 상기 과열기에 공기를 유입시켜 배가스의 연소를 촉진하고 추가 열을 증기에 전달하면서 공기오염은 줄이며, 내연기관의 배기구와 보일러 사이에 상기 과열기를 연결해 배가스는 보일러로 보내고 증기는 보일러에서 받는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  10. 제8항에 있어서, 상기 과열기에 블레이드를 설치해 연소가스의 선회운동을 촉진하여 연소된 배가스 성분들의 연소를 개선하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  11. 내연기관의 열로 작동되는 보일러의 증기에 의해 부분적으로 구동되고, 실린더에 장착된 피스톤은 피스톤 양쪽의 연소실과 증기실 사이를 왕복운동하며, 증기 실린더헤드의 고정식 원형 캡은 피스톤의 내벽면과 미끄럼가능하게 결합하고, 피스톤의 피스톤로드는 실린더캡을 관통해 크랭크축에 연결되며, 실린더캡 내부의 흡기밸브는 실린더 내부에서 실린더캡 양쪽에 있는 증기체스트(steam chest)와 증기실을 연결해 피스톤과 실린더캡을 가열함으로써, 연소실의 직접적인 열전도와 증기체스트의 열전도에 의해 증기실이 가열되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  12. 제11항에 있어서, 상기 흡기밸브가 실린더캡의 범프밸브(bump valve)를 포함 하고, 범프밸브와 맞물리는 위치에서 피스톤 내부에 밸브리프터(valve lifter)를 설치하여 피스톤이 움직이면 범프밸브를 개방하여 증기실에서 증기체스트로 증기가 들어가도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  13. 제11항에 있어서, 상기 밸브가 평상시 닫혀있는 원형 밸브부재가 달린 싱글시트(single-seated) 또는 더블시트 포핏밸브(poppet valve)로서, 실린더캡 내부의흡기구와 밸브시트가 연결될 때 밸브부재가 한쪽으로 밀리는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  14. 제11항에 있어서, 내연기관이 다기통 기관이고, 한쪽 실린더의 배기구와 다른 실린더의 흡기구 사이에 컴파운딩 밸브(compounding vlave)가 설치되어 상기 한 쪽 실린더의 배출증기를 다른 실린더로 공급할 때 컴파운딩 밸브를 통한 컴파운딩을 달성하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  15. 제11항에 있어서, 실린더 내벽면에 형성된 수집채널에 오일링을 설치하여, 실린더의 오일과 연소생성물이 증기배관에 들어가기 전에 상기 오일링으로 긁어내 상기 수집채널로 배출하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  16. 제11항에 있어서, 실린더 내벽면에 형성되어 안쪽으로 연결된 원주형 홈에 오일링을 설치하여, 실린더의 오일과 연소생성물이 증기배관에 들어가기 전에 오일 링으로 긁어내 홈에 연결된 덕트를 통해 제거하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  17. 제11항에 있어서, 증기배기량, 증기쓰로틀 또는 가변 흡기밸브 컷오프(cutoff)와 같은 조정인자를 제어하기 위한 컨트롤러를 엔진에 연결하여 엔진의 작동변수의 변화에 맞게 증기기관의 효율을 개선하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  18. 제11항에 있어서, 복합엔진에 공급된 증기의 온도나 압력, 엔진에 증기를 공급하는 보일러의 출력, 엔진의 부하 및 엔진의 rpm 중에서 선택된 엔진의 작동변수의 변화에 맞게 증기기관 쓰로틀, 증기배기량 또는 가변 흡기밸브 컷오프를 제어하는 엔진 컨트롤러를 엔진에 연결하여, 엔진의 작동효율을 높이는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  19. 제11항에 있어서, 상기 복합엔진이 다기통 엔진이고, 하나 이상의 실린더와 증기공급원 사이에 하나 이상의 증기밸브를 연결하며, 엔진관리 컨트롤러를 연결해, 보일러 출력이나 보일러에 공급된 열이 증가하면 하나 이상의 증기밸브를 열어 엔진배기량을 증가시키고, 보일러출력이나 보일러에 공급된 열이 낮아지면 하나 이상의 증기밸브를 닫아, 엔진의 작동효율을 높이는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  20. 내부연소로부터 발생하는 폐열에 의해 증기가 발생되고, 실린더에 장착된 하나의 피스톤은 실린더 내부의 연소실과 증기실 사이를 왕복운동하는데, 상기 피스톤은, 피스톤의 양단부에서 내부연소와 증기에 의해 동력을 받고, 증기실은 증기실 일단부의 고정식 실린더헤드와 피스톤 사이에 위치하여, 실린더헤드가 증기실의 일단부를 밀봉하며, 흡기밸브를 통해 증기실 안으로 증기가 들어가고, 증기실의 배기밸브가 실린더의 배기구와 일치했을 때 배기밸브가 열리고 증기실이 팽창상태일 때는 배기밸브가 닫히며, 피스톤이 계속 움직여 증기실의 부피를 줄이면서 잔류증기를 재압축할 때 재압축된 잔류증기에 흡기밸브를 통해 증기가 진입하기 때문에, 잔류증기로 인한 진입 증기의 냉각이 방지되는 것을 특징으로하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  21. 제20항에 있어서, 상기 실린더헤드가 피스톤 내벽면과 밀봉결합하고 크로스헤드 가이드의 자유단부에 지지되는 실린더 캡인 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  22. 제20항에 있어서, 증기쓰로틀이나 흡기밸브의 컷오프의 엔진에 연결된 컨트롤러로 조정하여 엔진의 작동변수의 변화에 맞게 엔진효율을 최적화하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  23. 제22항에 있어서, 엔진관리 컴퓨터를 연걸해, 증기공급원의 온도나 압력, 보일러 출력, 엔진부하 또는 엔진 rpm과 같은 엔진 작동변수의 변화에 맞게 증기쓰로틀이나 흡기밸브 컷오프를 조절하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  24. 제20항에 있어서, 상기 복합엔진이 다기통 엔진이고, 증기보일러와 하나 이상의 실린더 사이에 하나 이상의 밸브를 연결해 실린더에 증기를 공급함으로써 보일러출력과 증기실린더 배기량 사이에 더욱 일정한 비율을 유지하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  25. 실린더 일단부가 크랭크케이스에 연결되고, 실린더 타단부에 연소실이 있으며, 상기 연소실에는 연소 흡기구 및 배기구들과 연료공급원이 연결되고, 스커트가 달린 하나의 피스톤이 실린더 내부의 연소실과 증기팽창실 사이를 밀봉상태로 미끄럼운동하며, 피스톤 일단부에 피스톤로드가 연결되고, 피스톤 타단부에 크로스헤드가 달려있으며, 크로스헤드와 크랭크축 사이에 커넥팅로드가 연결되고, 실린더헤드는 피스톤로드에 연결되어 피스톤의 스커트 내벽면과 밀봉상태로 미끄럼운동하며, 일단부가 크랭크케이스로 지지되는 지지컬럼의 타단부에 고정 캡이 설치되고, 상기 크로스헤드는 고정컬럼 내부에서 미끄럼 운동하며, 캡과 고정컬럼이 증기체스트(steam chest)의 상부 중앙면을 이루면서, 증기체스트와 통하는 연소실의 폐열로 생긴 증기원과, 캡 내부의 흡기밸브와, 엔진 내부에 있으면서 증기팽창실과 통하는 배기밸브와 함께 캡에 인접한 실린더가 증기체스트를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  26. 제25항에 있어서, 복합엔진이 다기통 엔진이고, 실린더에 증기밸브가 연결되어 실린더의 증기량을 선택적으로 조절함으로써 엔진의 증기배기량을 변화시키는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  27. 제25항에 있어서, 내연 배기 매니폴드의 일부분으로서 증기 과열기를 연결해 연소실로부터 배가스를 받고, 증기를 옮기면서 열을 전도하여 증기체스트에 공급된 증기를 가열하기 위한 덕트를 구비하며, 공기공급원을 과열기에 연결해 배가스 성분의 연소를 촉진하면서 배가스로 인한 공기오염은 줄이는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  28. 연소열에 의해 보일러 내부에서 증기가 생겨 피스톤의 운동을 돕고, 엔진이 다기통 엔진으로서, 실린더마다 내부의 연소실과 증기실 사이에서 왕복운동하는 하나의 피스톤이 설치되고, 실린더 벽면을 통해 증기실 각각과 통하는 하나 이상의 증기 배기구가 있어 실린더 벽면을 통해 증기배출이 가능하며, 보일러와 각각의 실린더 사이에 증기밸브가 연결되고, 증기밸브를 개폐시키는 엔진관리 컨트롤러를 설치하여 각각의 실린더에 증기를 공급하되, 보일러출력이나 보일러에 공급된 열이 증가하면 증기배기량을 증가시키고 그 반대이면 증기배기량을 감소시키도록 함으로 써, 보일러출력과 증기배기량 사이의 비율을 조절해 엔진의 효율을 개선하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  29. 제11항에 있어서, 상기 복합엔진이 자동차에 설치되고, 브레이크를 밟는 동안에는 에너지를 저장하기 위해 압축공기가 저장탱크에 보내지도록 증기실이 저장탱크에 연결되며, 저장탱크의 압축공기가 증기실에 공급되면 자동차를 전진시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  30. 제1항에 있어서, 낮은 rpm에서는 유효 틈새부피를 늘리고 높은 rpm에서는 유효 틈새부피를 줄이도록 쓰로틀 덕트를 통해 보조배기실을 증기실에 연결하는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  31. 제28항에 있어서, 증기밸브가 실린더마다 하나씩 연결되고, 보일러출력이 증가할수록 점차로 많은 실린더에 증기가 들어가고 보일러출력이 낮아질수록 점차로 적은 실린더에 증기가 들어가도록 컨트롤러에 의해 증기밸브가 순차적으로 개방되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  32. 제1항에 있어서, 피스톤의 배기구가 실린더의 배기구와 일치할 때 실린더 배기구를 통해 증기가 배출되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  33. 제20항에 있어서, 실린더헤드가 피스톤과 밀봉결합하는 디스크이고, 흡기밸브는 디스크 내부에 위치하여 디스크를 관통한 흡기구를 밀봉하는 것을 특징으로하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
  34. 제11항에 있어서, 증기쓰로틀로부터 가변 컷오프를 갖는 흡기밸브를 통해 증기실 안으로 증기가 들어가고, 엔진 작동변수와 컷오프와 증기쓰로틀의 세팅값을 조정하기 위한 운전사의 쓰로틀 제어행위에 의한 입력값과 엔진 작동변수를 받는 컨트롤러에 의해 컷오프와 증기쓰로틀이 조정되는 것을 특징으로 하는 내연기관과 증기기관의 복합엔진.
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