KR20230073220A - 모노-블록 왕복 피스톤 복합 ice/orc 파워 플랜트 - Google Patents

모노-블록 왕복 피스톤 복합 ice/orc 파워 플랜트 Download PDF

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KR20230073220A
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씨에이이 (아이피) 엘엘피
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Abstract

본원은 유해 배출물이 감소 또는 제로(0)로 되는 새로운 모노-블록 왕복 피스톤 엔진을 활용하여 동력을 생성하는 장치, 시스템, 및 방법에 관한 것이다. 모노-블록은 복합 내연(IC) 섹션과 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션을 포함한다. 모노-블록 엔진은 각각 내부에 수용된 피스톤을 가진 2개 이상의 실린더; 피스톤 중 적어도 하나의 피스톤의 변위를 제어하는 복합 내연(IC) 섹션; 및 피스톤 중 적어도 하나의 피스톤의 변위를 제어하는 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션;을 포함하며; IC 및 ORC 피스톤은 모노-블록 엔진 파워 플랜트의 공통 크랭크 샤프트에 연결되어 구동되고; 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)은 내연(internal combustion) 섹션에서의 연소에 의해 생성된 열에 의해 작동되고, ORC 섹션에서의 피스톤의 변위는 가열 가압된 ORC 유체를 주입하여 이루어진다.

Description

모노-블록 왕복 피스톤 복합 ICE/ORC 발전소
발명의 분야
본 발명은 유해 배출물을 감소시키거나 제로로 만드는 새로운 모노-블록 왕복 피스톤 엔진(mono-block reciprocating piston engine)을 활용하여 동력을 생성하는 장치, 시스템, 및 방법에 관한 것이다. 모노-블록은 복합 내연(IC) 섹션과 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션을 포함하며, 각각의 섹션은 하나 이상 섹션의 각각의 피스톤을 변위시키고, 모든 피스톤은 하나 이상의 전기 제너레이터에 결합될 수 있는 모노-블록 파워 플랜트(mono-block power plant)의 공통 크랭크 샤프트에 연결되어 구동된다.
발명의 배경
내연기관(ICE)은 본질적으로 비효율적인 것이다. 현재의 ICE는 20%~35%의 효율을 달성하기 위해 고군 분투하고 있다. ICE 연료의 연소 시에 발생하는 대부분의 에너지는 열로 손실된다.
본 발명은 내연(IC) 섹션과 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션을 가진 하이브리드 복합 엔진을 제안한 것이며, IC 엔진의 상실되는 열을 포획하여 그것을 ORC 섹션에서 엔진의 추가적인 기계 에너지로 변환하고, 그 후 전기 에너지로 변환하는 방식을 채택한 것이다.
또한, 본 발명은 "2050년까지 탄소 중립화"라는 목표를 촉진하기 위해 IC 연료로서 수소를 이용하는 것이다.
본 발명은 매우 높은 효율을 제공하면서 배터리 및 연료전지 대체품의 현재의 높은 초기 비용 및 수명 주기 비용을 다루고 친숙한 기술을 이용함으로써 재장착, 재훈련 및 유지보수와 관련된 실질적인 비용을 극복한 것이다.
본 발명은 배터리 및 연료전지 대체에 따른 현재의 높은 초기 및 수명 주기 비용에 대응하면서, 매우 높은 효율을 제공하고 친숙한 기술을 이용하여, 재설비, 재교육, 및 유지보수에 따른 상당한 비용을 극복한 것이다.
다음과 같이 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 단지 예시적인 목적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 동일한 모노-블록에 IC 섹션 및 ORC 섹션을 갖는 모노-블록 복합체의 시스템의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명을 구현하는데 사용될 수 있는 전형적인 IC 엔진 블록을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 크랭크 샤프트의 각각의 단부가 제너레이터에 결합된, 커넥팅 로드를 갖고 IC 및 ORC 피스톤을 구비하는 전형적인 크랭크 샤프트를 예시한 도면이다.
도 4는 피스톤 및 실린더 챔버를 개략적으로 예시했으며, 여기서 도 4의 a)는 IC 피스톤, 실린더 챔버 및 밸브를 예시했고, 도 4의 b)는 ORC 피스톤, 실린더 ORC 팽창 챔버, ORC 유체 유입구 및 유출구, 및 실린더 내 압력 및 온도 센서를 예시했다.
도 5는 본 발명에 따른 완전 가변식 밸브 작동(FVVA)을 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 공통 크랭크 샤프트를 구동하는 IC 및 ORC 피스톤 실린더에 대한 일례의 배치 및 타이밍 사이클을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 비스포크 유입/배기 매니폴드를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 배기 가스 재순환(EGR) 회로를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 IC-ORC 모노-블록 엔진의 공정 및 구성요소에 대한 실시예의 상세도이고, 여기서 ORC 유입구는 병렬로 배치되고, ORC 유체는 각각의 ORC 실린더에 개별적으로 주입되고, ORC 피스톤은 단일 팽창 단계에서 작동하며, 단일 팽창 단계는: 응축기로의 주입-팽창-추출, 즉 ORC 실린더로의 ORC 유체 주입 당 피스톤의 1회의 하강/하향 행정 변위 및, 그 다음 피스톤의 상승/상향 행정 변위에서 ORC 유체를 응축기에 배출하는 공정이다.
도 10은 본 발명에 따른 IC-ORC 모노-블록 엔진의 공정 및 구성요소에 대한 다른 실시예의 상세도이고, 여기서 ORC 유입구는 직렬 및/또는 병렬로 보충 채움부를 갖고, ORC 유체는 ORC 실린더 사이에서 직렬로 순환 및 전달되어서 ORC 피스톤이 1회의 "새로운(fresh)" ORC 유체 주입에 대해 다수의 팽창 단계에서 작동하며: 예를 들면, 실린더5에 주입 - 피스톤5 변위 - ORC 유체 배출 및 실린더6에 주입 - 피스톤6 변위 - {ORC 유체 실린더5로 다시 전달 - n회 반복} - 그 다음, 응축기로 배출, 즉 도 4의 b)에 도시된 압력 및 온도 센서로부터의 데이터에 기초하여, 컨트롤러에 의해 ORC 유체의 압력 및 열이 소비된 것으로 간주될 때까지, ORC 실린더로의 ORC 유체 주입이 될 때마다 실린더 내에서의 반복적인 팽창을 수행한다.
도 11은 본 발명에 따른 IC 실린더로의 분기된 수소 및 분무 워터의 주입을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 각각의 입력 및 출력 포트/밸브를 갖는 IC 실린더4 및 ORC 실린더5의 도해를 예시한 도면이다.
도 13은 도 10의 실시예에 따른 ORC 유체 경로와 유사하게, 각각의 입력 및 출력 포트/밸브를 갖는 ORC 실린더5 및 ORC 실린더6의 도해를 예시한 도면이다.
발명의 내용
본 발명의 제1 양태에 따르면, 본 발명의 모노-블록 왕복 피스톤 엔진 파워 플랜트는:
각각 내부에 수용된 피스톤을 갖는 2개 이상의 실린더;
적어도 하나의 피스톤의 변위를 제어하는 내연(IC) 섹션; 및
적어도 하나의 피스톤의 변위를 제어하는 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션;을 포함하며;
IC 및 ORC 피스톤은 모노-블록 엔진 파워 플랜트의 공통 크랭크 샤프트에 연결되어 구동되고;
유기 랭킨 사이클은 내연 섹션에서의 연소에 의해 발생하는 열에 의해 작동되고, ORC 섹션에서의 피스톤의 변위는 가열 가압된 ORC 유체를 주입하여 이루어진다.
바람직하게는, 모노-블록 엔진은 하나 이상의 전기 제너레이터에 결합 된다.
바람직하게는, 하나 이상의 전기 제너레이터는 재충전식(rechargeable) 배터리 팩 또는 슈퍼커패시터 팩을 충전하도록 배치된다.
바람직하게는, 하나 이상의 전기 제너레이터는 엔진을 시동하기 위해 엔진을 돌아가게 하는, 즉 모노-블록 엔진의 스타터 모터로서 기능하도록 배치된다.
바람직하게는, 하나 이상의 전기 제너레이터의 샤프트는 엔진의 크랭크 샤프트와 직렬로 결합되어, 크랭크 샤프트 및 제너레이터 샤프트가 크랭크 샤프트의 길이를 가로질러 동일한 가상 선형 축으로 연장되게 한다.
바람직하게는, 크랭크 샤프트의 적어도 일 단부는 하나 이상의 전기 제너레이터에 결합된다.
바람직하게는, 크랭크 샤프트의 적어도 일 단부에 결합된 하나 이상의 제너레이터는 크랭크 샤프트의 동적 균형이 이루어지게 배치된다.
바람직하게는, 가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 ORC 섹션 실린더로 주입되어, 내부 피스톤의 하향 변위를 야기하고, 피스톤의 상향 변위 시에는 ORC 유체가 응축기로 배출되어, ORC 사이클로 재순환하게 된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 제1 ORC 섹션 실린더로 주입되어, 내부 제1 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
상기 제1 피스톤의 상향 변위 시에는 ORC 유체가 제1 실린더에서 배출되고:
ORC 유체의 압력 및 열은 미리 정의된 제1 임계값보다 낮아지면, ORC 유체는 사용된 유체로 간주되고, ORC 사이클에서 재순환되도록 응축기로 배출되고;
그렇지 않으면, ORC 유체를 전달하여 제2 ORC 섹션 실린더에 주입하여, 내부 제2 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
그에 따라서 ORC 유체는 사용된 것으로 간주될 때까지 ORC 섹션 실린더 사이에서 연속적으로 순환되고;
사용한 ORC 유체가 응축기로 배출되면, 고압 탱크로부터 하나의 실린더 내에 주입되는 가열 가압된 ORC 유체로 교체 된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 제1 ORC 섹션 실린더에 주입되어, 내부 제1 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
제1 피스톤의 상향 변위 시에는, ORC 유체는 제1 실린더로부터 배출되고:
ORC 유체의 압력 및 열이 미리 정의된 제2 임계값을 초과하는 경우, ORC 유체는 제2 ORC 섹션 실린더로 전달 및 주입되어, 내부 제2 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
그렇지 않으면, ORC 유체의 일부는 응축기로 배출되어, ORC 사이클로 재순환되고, 상기 일부 유체는 고압 탱크로부터 가열 가압된 ORC 유체로 교체되고;
다음, 생성된 혼합 ORC 유체는 제2 ORC 섹션 실린더에 주입되어 그 내부의 제2 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
따라서 상기 ORC 유체는 ORC 섹션 실린더 사이에서 연속적으로 혼합되고 재순환하게 된다.
바람직하게는, 모노-블록은 새로운 비스포크 모노-블록이거나, 재사용된 표준 IC 엔진 블록이며, 다수의 실린더 및 피스톤이 IC 작동을 위해 그대로 남아 있고, 나머지 실린더 및 피스톤이 ORC 섹션 실린더 내부의 ORC 유체에 의해 구동되도록 배치된다.
바람직하게는, 유기 랭킨 사이클은 엔진 모노-블록, 배기 열 및/또는 엔진 냉각 시스템 중 하나 또는 그 조합체로부터 열을 회수한다.
바람직하게는, 유기 랭킨 사이클의 회수는 하나의 유기 ORC 유체, 또는 2개의 상이한 온도 작동 범위를 갖는 2개의 유기 ORC 유체, 또는 2개 이상의 상이한 온도 작동 범위에서 작동하도록 배치된 단일 하이브리드 ORC 유체를 이용한다.
바람직하게는, 2개 이상의 상이한 온도 작동 범위에서 작동하도록 배치된 하이브리드 또는 2개의 ORC 유체를 이용하는 경우, 제1 범위는 배기 열과 같은 고온으로부터 회수된 엔진 열로부터 작동하도록 구성되고, 제2 범위는 냉각수 및 소기 열 회수로부터 회수된 엔진 열로부터 작동하도록 구성된다.
바람직하게는, 실린더는 실린더 체적 용량에 대한 유연한 제어를 할 수 있게 습식 라이닝 된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 상기 엔진을 이용하여 전기를 발전하기 위한 시스템이 제공된다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 상기 엔진을 이용하여 전기를 발전하는 방법이 제공된다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 유해한 배출물을 감소시키거나 제로(0)로 하는 모노-블록 왕복 피스톤 엔진에 대한 새로운 설계를 이용한 동력을 생성하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 모노-블록은 복합 내연(IC) 섹션 및 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션을 포함하며, 각각의 섹션은 하나 이상의 섹션 각각의 피스톤을 변위시키고, 모든 피스톤은 모노-블록 파워 플랜트의 공통 크랭크 샤프트에 연결되어 구동 된다.
본 명세서에서, 모노-블록은 공통 블록 또는 엔진 블록, 또는 단순히 블록으로 상호교환적으로 지칭될 수 있다.
블록의 내연기관(ICE) 구성요소는 가솔린, 디젤과 같은 당업계에 공지된 임의의 가연성 연료, 및 메탄, 부탄, 또는 프로판과 같은 가스상 유체를 이용할 수 있다. 그러나 탄소 배출량을 줄이거나 피하기 위해 수소와 같은 깨끗한 가연성 연료를 사용하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서, ICE 섹션의 하나 이상의 피스톤 및 실린더는 ICE-피스톤(들) 및 ICE-실린더(들)로 지칭된다.
유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션에서, 하나 이상의 피스톤 및 실린더를 ORC 피스톤(들) 및 ORC 실린더(들)로 지칭한다. 하나 이상의 ORC 피스톤은 엔진의 내연 섹션에서 연소에 의해 생성된 열을 작동에 이용하는 내부 ORC 사이클로 구동된다.
엔진의 모든 고품질 "폐기" 열은 역류 열교환기를 사용하여 회수된다. ORC 섹션은 에탄올 또는 메탄올 또는 '하이브리드' 대안과 같은 적합한 ORC 유기 유체를 가열한다.
IC 섹션과 ORC 섹션은 각각의 IC 피스톤과 ORC 피스톤을 서로 독립적으로 변위시키기 위한 동력을 생성한다. 그러나 IC 피스톤과 ORC 피스톤은 공통 크랭크 샤프트에 연결되어 구동되므로, 점화 및 변위 타이밍이 동기화되어 피스톤 변위에서 크랭크 샤프트 회전으로의 최대 에너지 전달이 이루어져서, 따라서 최대 추출 작업이 이루어질 수 있다. 도 3은 IC 피스톤과 ORC 피스톤에 연결된 크랭크 샤프트(110)를 도시한다.
이중 기능 모터 제너레이터( Dual function Motor-Generators )
일 실시예에서, 모노-블록 엔진은 하나 이상의 전기 제너레이터에 결합된다. 크랭크 샤프트의 적어도 일 단부는 하나 이상의 전기 제너레이터에 연결된다. 결합은 하나 이상의 제너레이터의 샤프트가 모노-블록의 크랭크 샤프트에 직접적으로 또는 기어 장치를 통해 결합/연결되게 한다. 상기 결합은 샤프트 및 크랭크 샤프트의 단부에 제공될 수 있다. 하나 이상의 전기 제너레이터는 재충전식 배터리 팩 또는 슈퍼커패시터 팩에 연결되어 충전하도록 배치된다.
하나 이상의 제너레이터의 샤프트는 엔진의 크랭크 샤프트와 직렬로 결합되어, 크랭크 샤프트와 제너레이터 샤프트는 크랭크 샤프트의 길이를 가로지르는 동일한 가상 직선 축으로 연장된다. 하나 이상의 제너레이터가 연결되어 있는 경우, 이들은 동일한 가상 직선 축에 직렬로 연결되어, 하나의 긴 연속한 조인트 샤프트를 형성할 수 있다. 전기 기계식 클러치는 연속 조인트 샤프트로부터 제너레이터를 결합 또는 결합해제하기 위해 사용될 수 있다.
도 3은 적어도 하나의 제너레이터(121 및 122)에 결합 될 수 있는 크랭크 샤프트(110)를 도시하고, 그 결합은 동일한 가상 직선 축(A)에서 직렬로 배치되어 하나의 긴 연속한 조인트-샤프트를 형성한다.
대안적으로, 크랭크 샤프트 및 제너레이터 샤프트는 다양한 각도 또는 평행한 배치의 기어에 의해 결합될 수 있다.
하나 이상의 전기 제너레이터 재충전식 배터리 팩 또는 슈퍼커패시터 팩이 전기 모터를 구동하기 위해 배치된다.
추가 실시예에서, 전기 제너레이터는 엔진을 시동하기 위해 엔진이 크랭크로 돌아가도록, 즉 모노-블록 엔진의 스타터 모터(들)로서 기능하도록 배치될 수 있다. 하나 이상의 모터 제너레이터가 시동 시에 엔진을 크랭크로 돌아가게 하기 위한 스타터 모터로서 사용될 수 있다. 점화를 시작하기 위해(여러 개의 모터 제너레이터가 설치된 경우), 예를 들어 전자 클러치를 통해서 엔진 시동 프로세스에 필요하지 않은 모든 제너레이터를 분리할 수 있다.
크랭크 샤프트의 적어도 일 단부에 결합된 하나 이상의 전기 제너레이터는 크랭크 샤프트의 동적 균형이 이루어지게 배치된다.
전기 제너레이터는 크랭크 샤프트로부터 전방 또는 후방의 동력 인출장치에 위치할 수 있다.
모터 제너레이터의 설계는 바람직하게는 ORC 프로세스 또는 절환식 자기저항 설계로 회수되는 높은 수준의 열을 갖는 오일 냉각식 팬케이크 설계이다.
엔진 부하 및 발전량은 필요에 따라 전자 클러치 등을 통해 하나 이상의 제너레이터를 스위치 오프 또는 기계적인 결합해제를 하여 제어될 수 있다.
모터 제너레이터는 회수된 에너지가 울트라/슈퍼 커패시터 또는 배터리 팩에 저장되어 회생 브레이크에 영향을 미친다.
IC 및 ORC 작동
작업 및 부하 요건에 따라 IC 및 ORC 섹션은 동시에 작동하거나 각 섹션이 개별적으로 오프로 전환되어 있을 수 있다. 예를 들어, 엔진 및 ORC 서브시스템이 필요한 ORC 작동 온도에 도달할 때까지 IC 섹션은 작동 가능하고 ORC 섹션은 오프로 전환될 수 있다. 마찬가지로 IC 섹션을 오프로 전환하고, ORC 섹션은 엔진에서 모든 열이 회수되었고 ORC 유체 및 ORC 섹션에서 모든 열이 소모될 때까지 크랭크 샤프트를 작동하고 배터리 뱅크를 충전하는 동작을 계속 할 것이다.
IC 섹션 및 ORC 섹션은 동일한 엔진 블록 내에 있기 때문에, 엔진의 종류나 작업 내용에 따라 IC 실린더와 ORC 실린더의 수를 조합하여 구성할 수 있다.
본 발명은 표준 ICE 엔진 블록의 재사용 및 개조뿐만 아니라 새롭게 맞춤화된 모노-블록에도 적용할 수 있으며, 실린더와 피스톤의 수는 IC 작동을 위해 그대로 남아 있으며, 나머지 실린더와 피스톤은 ORC 서브시스템에 의해 구동되도록 배치된다.
제안된 본 발명의 원리는 2개 이상의 실린더를 갖추고 있으며, 직렬, V-형상, W-형상, 복서, 선형 등 다양한 배치의 엔진 블록에 적용할 수 있다. 제안된 모노-블록은 차량 엔진, 트럭 엔진, 대형 선박, 정적(static) 및 철도 파워 플랜트 등에 이용할 수 있다.
본 발명을 보다 잘 설명하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같은 6 실린더 블록을 이용한 예를 설명한다.
도 1을 참조하면, 도 2의 블록이 개조되어, 실린더1 내지 4가 IC 실린더로 유지되고, 실린더5 및 6이 ORC 섹션에 의해 구동되도록 변경되었다. 이 구성은 도 3, 도 9, 도 10 및 도 14에 추가로 도시되었다.
IC 실린더 및 ORC 실린더는 예를 들어, 또한 본 발명을 전하는데 참조하기 쉽게 하기 위해서 이러한 배열로 도시 했다. 다른 배치도 가능하며, IC 실린더는 ORC 실린더 앞에 있거나 또는 IC 실린더와 ORC 실린더가 균일하거나 불균일하게 왕복운동 한다.
일부 실시예에서, 엔진으로부터의 열 추출을 증가시키기 위해, ORC 실린더가 바람직하게는 워터, 냉각수 펌프에 근접하게 배치된다.
도 1을 참조하면, 모노-블록(100)은 IC 섹션(200)과 ORC 섹션(300)을 포함한다. 이 예의 목적을 위해, 블록은 IC 실린더로서의 실린더1, 2, 3, 4와 ORC 실린더로서의 실린더5, 6으로 구성된다. 이들 실린더의 각각의 피스톤은 동일한 번호, 즉 피스톤1, 피스톤2로 지칭된다.
도 2는 본 발명을 달성하기 위해 사용될 수 있는 전형적인 IC 엔진 블록(100)을 도시하고, 도 3은 이 엔진의 크랭크 샤프트(110)를 도시한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명은 각각이 내부에 수용된 피스톤을 갖는 2개 이상의 실린더(예를 들어, 6개의 실린더1, 2, 3, 4, 5, 6을 가짐)를 포함하는 모노-블록 왕복 피스톤 엔진 파워 플랜트를 제안하며, 실린더1-4는 IC 섹션의 실린더이며, 실린더5 및 6은 ORC 섹션 실린더이고;
내연(IC) 섹션(200)은 피스톤1 내지 4의 적어도 하나의 변위를 제어하고, 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션은 피스톤5, 6의 적어도 하나의 변위를 제어하고; IC 및 ORC 피스톤은 모노-블록 파워 플랜트(100)의 공통 크랭크 샤프트(110)에 연결되어 구동되고;
유기 랭킨 사이클은 내연 섹션에서의 연소에 의해 발생하는 열에 의해 작동하고, ORC 섹션에서의 피스톤의 변위는 가열 가압된 ORC 유체를 주입하여 이루어진다.
IC 섹션(200)을 보면, 수소(H2) 등의 연소 연료가 실린더1 내지 4에 주입된다. 분무 워터(아래 및 도 11에서 보다 상세하게 설명됨)도 또한 IC 실린더에 주입된다.
열 회수 - 열은 배유 열뿐만 아니라, 배기 및 EGR로부터 그리고 엔진 냉각 시스템으로부터 엔진의 IC 섹션으로부터도 회수 된다.
회수된 열은 유기 랭킨 사이클(ORC)을 작동하는 데 사용된다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 열 회수로부터 가열된 ORC 유체는 고압 탱크에 수집된다. 다음, 가열 가압된 ORC 유체는 ORC 섹션 실린더5 및 6에 주입된다. ORC 유체는 피스톤이 상사점에 있는 실린더(들)에 주입되고, 주입된 ORC 유체는 내부의 피스톤을 완전히 하향 변위시킨다.
도 9는 본 발명에 따른 IC-ORC 모노-블록 엔진의 프로세스 및 구성요소의 일 실시예의 상세도이고, ORC 유입구는 병렬적으로 있으며, ORC 유체는 각각의 ORC 실린더에 개별적으로 주입되고, ORC 피스톤은 단일 팽창 단계로 작동, 즉 응축기에 대해 주입-팽창-추출 단계로 작동, 예를 들어 ORC 실린더 내로의 ORC 유체 주입에 대해 피스톤이 1회 하향/하행정 변위하고, 그 다음 피스톤의 상향/상행정 변위로 응축기 내로 ORC 유체를 배출한다.
따라서, 일 실시예에서, 가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 ORC 섹션 실린더 내로 주입되어, 내부의 피스톤의 하향 변위를 야기하고, 피스톤의 상향 변위 시에는 ORC 유체가 응축기로 배출되어, ORC 사이클로 재순환하게 된다. 실린더5 및 6의 유입구는 서로 독립적이며, 행정 타이밍에 따라 ORC 유체를 주입한다. 응축기의 ORC 유체는 EGR 쿨러(도 7 참조) 및 열 회수(Heat Recovery)에 의해 가열될 사이클로 다시 펌핑된 다음, 고압 탱크 등으로 다시 공급된다.
도 10은 본 발명에 따른 IC-ORC 모노-블록 엔진의 프로세스 및 구성요소의 다른 실시예의 상세도이고, ORC 유입구는 직렬적으로 있고 그리고/또는 병렬적으로 보충 채움부를 갖고, ORC 유체가 ORC 실린더 사이에서 직렬적으로 순환 및 전달되게, ORC 피스톤이 하나의 '새로운' ORC 유체 주입에 대해 여러 팽창 단계에서 작동하며, 예를 들면 실린더5에 주입 - 피스톤5 변위 - ORC 유체 배출 및 실린더6에 주입하기 위해 전달 - 피스톤6 변위 - {실린더5로 ORC 유체 다시 전달 - n회 반복} - 그 다음 응축기로 배출, 즉 도 4의 b)에 도시된 압력 및 온도 센서의 데이터를 기반으로, 컨트롤러가 ORC 유체 압력과 열이 소비된 것으로 간주할 때까지 ORC 실린더로의 1회 ORC 유체 주입에 대한 실린더에서의 반복적인 팽창이 일어난다.
도 10을 참조하면, OCR 실린더에서의 OCR 사이클은 아래의 2개 실시예 중 하나에 따를 수 있다.
가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 제1 ORC 섹션 실린더5로 주입되어 내부의 제1 피스톤(피스톤5)의 하향 변위를 야기하고; 제1 피스톤(피스톤5)의 상향 변위 시에는 ORC 유체가 제1 실린더5로부터 배출되고: 여기서 ORC 유체 압력 및 열이 미리 정의된 제1 임계값 미만으로 감소하면, ORC 유체는 소비된 유체로 간주되고 응축기로 배출되어 ORC 사이클에서 재순환되고; 그렇지 않은 경우에는 ORC 유체가 전달되어 제2 ORC 섹션 실린더6으로 주입되어 내부의 제2 피스톤6의 하향 변위를 야기하여; 따라서 ORC 유체는 소비된 것으로 간주될 때까지 ORC 섹션 실린더(5 → 6 → 5 → ...) 사이에서 계속 순환되고; 그리고 소비된 ORC 유체가 응축기로 배출될 때, 고압 탱크로부터 실린더 중 어느 하나의 실린더로 주입된 가열 가압된 ORC 유체로 대체된다.
컨트롤러는 열 및 압력 센서(도 4의 b) 참조)로부터 압력 및 열 데이터를 획득하고, ORC 유체의 흐름을 프로세스의 다음(next) 실린더 또는 응축기로 제어한다.
다른 실시예에서, 가열 가압된 ORC 유체가 고압 탱크로부터 제1 ORC 섹션 실린더5로 주입되어, 내부의 제1 피스톤5의 하향 변위를 야기하고; 제1 피스톤5의 상향 변위 시에는 ORC 유체가 제1 실린더에서 배출되며: ORC 유체의 압력과 열이 미리 정의된 제2 임계 값을 초과하는 경우, ORC 유체는 제2 ORC 섹션 실린더6로 전달되고 주입되어 내부의 제2 피스톤6의 하향 변위를 야기하고; 만일 그렇지 않은 경우에는, ORC 유체의 일부가 응축기로 배출되어 ORC 사이클에서 재순환되고, 상기 일부는 고압 탱크로부터의 가열 가압된 ORC 유체로 대체되고; 그 다음, 생성 혼합된 ORC 유체는 제2 ORC 섹션 실린더6에 주입되어 내부의 제2 피스톤6의 하향 변위를 야기하고; 따라서, ORC 유체는 ORC 섹션 실린더 사이에서 연속적으로 혼합되고 재순환 된다.
도 12는 IC 실린더와 ORC 실린더의 유입구 및 유출구를 개략적으로 도시한 도면이다. 보다 구체적으로는, IC 섹션(200)에서, 241로 지칭된 연소 연료 인젝터-유입구 밸브를 함께 가진 IC 실린더4와, 분무 워터 주입 밸브(240)와, 배기 밸브(244)가 도시되었다.
ORC 섹션(300)에서, ORC 유체 유입구 밸브(351)를 가진 ORC 실린더5, 다음 ORC 실린더(353)로의 순환 출구 유체 밸브(353)(예를 들어, ORC 유체가 ORC 실린더6으로 전달될 때), 및 응축기로의 출구 유체 밸브(354)가 도시되었다.
도 13은 ORC 섹션(300)에서의 2개의 ORC 실린더5 및 6의 입구 및 출구, 그리고 도 10의 실시예에 따른 ORC 유체 경로를 개략적으로 도시한다.
실린더5는 ORC 유체 유입구 밸브(351)를 포함하고, 실린더6은 ORC 유체 유입구 밸브(361)를 포함하며, 모두 고압 탱크 및/또는 다른 ORC 실린더의 순환 ORC 유체 밸브/유출구로부터의 ORC 유체를 수용할 수 있다. 예를 들어, 실린더6의 다음 ORC 실린더(363)의 순환 유출구 유체 밸브는 ORC 유체를 실린더5로 전달한다. 예를 들어, 실린더5의 다음 ORC 실린더(353)의 순환 출구 유체 밸브는 ORC 유체를 실린더6으로 전달한다. 2개 이상의 ORC 실린더가 사용 가능한 경우, 유체 순환은 ORC 순환 유체 컨트롤러에 의해 제어되며, ORC 실린더의 행정 사이클에도 따른다.
도 13은 추가로 실린더5의 응축기(354)로의 유출구 유체 밸브 및 실린더6의 응축기(364)로의 유출구 유체 밸브를 도시한다.
ORC 실린더
도 4를 참조하면, ORC의 개조된 실린더는 IC 실린더와 동일한 구성을 유지한다. 변경된 구성을 수용하기 위해 실린더 헤드는 변경될 수 있다. IC 연료 유입구 밸브는 ORC 유체 유입구가 되게 개조되고; IC 배기 밸브는 ORC 유체 유출구가 된다. 도 5에 도시된 FVVA(Fully Variable Value Actuation)는 ORC 유체 유입구 및 유출구 포트/밸브로 사용될 수 있다.
실린더 내부의 ORC 유체의 압력과 열을 측정하기 위해 압력 및 열 센서를 수용하도록 기존 인젝터 개구부를 개조할 수 있다. 표준 피스톤은 ORC에 대해 작동하지만 ORC 섹션 피스톤은 오목형인 것이 바람직하다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 가열된 ORC 유체는 용도에 따라 ORC 실린더 당 최대 2개까지, 표준 완전 가변식 밸브(들)를 통해 ORC 섹션 실린더에 주입될 때까지 고압 탱크에 수집되어 유지된다. 일단 주입되면, ORC 유체는 팽창되어 유체를 BDC로 실린더 아래로 밀어내는 피스톤에 힘을 가한다. 그러면, 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드의 작용으로 피스톤은 다시 TDC로 돌아간다. 잔류 열과 압력에 따라 소비했거나 반-소비한 ORC 유체는 제2 ORC 실린더에 주입될 수 있다. 이 프로세스는 모든 유용한 에너지가 사용되었을 때까지 2개의 ORC 실린더 사이에서 계속된다. 그 다음, ORC 유체는 유출구 밸브(들)를 통해 응축기로 되돌아간다.
도 3 및 도 6을 참조하여, ORC 피스톤은 일측이 상사점(TDC)에, 타측이 하사점(BDC)이 되도록 배치된다. 이것은 제1 피스톤의 하행정에서 TDC에서 BDC로의 ORC 팽창으로 최대 작업량이 추출되고, 다른 피스톤은 반대편 피크에 있으므로 실린더 사이의 유체 전달에서 최대 작업량이 추출된다.
예를 들어, IC 엔진의 실린더 블록은 정상 작동 조건에서 섭씨 70도 미만으로 유지된다. 즉, 피스톤의 하행정으로 인한 유체의 팽창으로 인해 제1 실린더의 부피가 증가하고 압력은 감소한다. 이 팽창은 흡열이다. 따라서, ORC는 제1 피스톤에서 일을 할 것이다. 제1 피스톤의 상행정에서, 약간 감압된 ORC 유체는 인접한 제2 실린더로 전달된다. 제2 피스톤의 하행정에서, ORC 유체가 여전히 설정된 압력 및 온도 임계값을 초과하면, 유체는 제1 실린더로 다시 전달된다. 유체가 임계값 미만이면, 응축기로 배출되고 제1 피스톤의 유입구 밸브가 개방되어 더 많은 작업을 추출하기 위한 새로운 ORC 유체를 수용한다. 모든 유용한 기계적 작업이 추출되었으면, 전환 밸브(divert valve)가 유체를 응축기로 보낸다. 컨트롤러는 ORC 유체의 잔류 압력에 따라 3방향 밸브를 작동시킬 수 있다. 즉, 응축기로 덤프하고 고압 ORC를 제1 실린더로 재충전한다. 완전히 독립적인 가변 밸브 시스템은 이러한 유연한 대응을 할 수 있게 한다. 이 프로세스는 반복 된다.
ORC 섹션은 에탄올이나, 메탄올, 또는 '하이브리드' 대안과 같은 적절한 ORC 유기 유체를 가열한다. 에탄올을 사용하는 경우의 예로서, 상온 상압(NTP), 온도 20℃, 절대 압력 1기압(101.325kPa)에서, 에탄올의 비점은 약 70℃이다. 실린더 블록의 온도는 ±70℃ 이다. 따라서 상당한 흡열 반응이 예상된다. 이를 통해서 기계적인 작업과 소비된 ORC 유체가 응축기로 돌아갈 때 액체 상태에 가까운 상태가 될 가능성을 최적화할 수 있다. ORC 시스템의 최고 온도는 용도 및 출력에 따라 다르지만 ±500℃로 추정된다.
일 실시예에서, 횡방향으로 작용하는 수력 또는 공압 스프링 설계의 흡배기 밸브는 ORC 사이클을 완성하기 위한 최종 ORC 배기 밸브를 에워싸는 밸브 체스트가 이루어지게 한다. 용도에 따라 ORC 실린더 당 최대 2개의 밸브를 사용할 수 있다. 이들은 수평한, 측면적, 동작일 것이다. ORC 유체의 상태에 따라 가능한 ORC 팽창(한 실린더에서 다른 실린더로의 유체 전달)의 횟수를 결정한다. 다른 실시예에서는, 전기 기계식 밸브가 사용될 수도 있다.
양측 ICE 및 ORC의 실린더는 모두, 실린더의 입방체 용량을 유연하게 제어할 수 있도록 습식 라이닝되는 것이 바람직하다.
IC 실린더를 갖고, 동일한 모노 불록 내에서의 ORC 팽창기로서 실린더를 사용하는 기계적 구조는 특징적인 것이다.
엔진 개요(Outline of the engine)
효율성은 다음의 사항을 통합하여 최적화된다.
- 크랭크 샤프트를 바람직하게는 하나 이상의 팬케이크 디자인의 ECDC 모터/제너레이터에 직접 연결하여 정상 상태 파워 유닛의 RPM(Revolution Per Minute)을 유지함. 전기 또는 샤프트 파워 제너레이션의 다른 수단을 적용 할 수 있음;
- 실린더 블록을 4개의 '연소 실린더', 4행정 구성으로 '분할'하고, 나머지 2개의 실린더는 서브시스템과 배기가스에서 회수한 모든 유용한 열을 활용하는 '2행정 동작' 유기 랭킨 사이클 설계로 운영함. 바람직하게는, ORC 유체는 메탄올 또는 에탄올이지만, 오존층 파괴가 적거나 제로(0)인 다른 대체 물질을 사용할 수 있음;
- ORC 실린더는 ORC 유체의 온도/압력 조건에 따라 1단, 2단, 3단 팽창기로 작동할 수 있음. 이것은 2개의 실린더 및 유기 유체 배기 사이에서 작동하는 빠른 다방향 (바람직하게는) 흡배기 밸브에 의해 달성됨;
- 6실린더 블록의 경우, 1-5-3-6-2-4의 점화 순서로, 실린더5 및 6이 우선적으로 ORC 시스템에 할당되며, 실린더1, 3, 4, 2는 수소 연료의 4행정 압축 점화로 작동한다.
- 바람직하게는, PEM 기술이 연소 공기 흡기에 포함되어 ICE 유닛으로의 산소 공급을 풍부하게 하여 불활성 NOx 가스를 감소시키는 것이다.
- 서지 배터리 시스템은 초과 전력, 예를 들면 자동차 적용 시에 회생 제동(regenerative braking), 과잉 발전 용량을 수확하여, 높은 부하 조건, 예를 들면 등판 및 시동 시에 조건을 충족하도록 저장 된다.
- 4개의 연소 실린더는 다음과 같은 특징을 가진다.
o 바람직하게는 말러(Mahler) 유형의 스파크 지원 압축 점화 시스템;
o 가변식 압축을 용이하게 하고 불필요한 '펌핑 손실'을 회피하기 위한 완전히 가변적이고 독립적으로 제어되는 유입 및 배기 밸브;
o 바람직하게는 유도 충전을 증가시키기 위한 터보 충전 또는 슈퍼 충전;
o 도 7에 도시된 바와 같이, 유도 냉각을 수행하기 위해 (배기 가스에서 응축 여과된 워터에서 수확) 직접 (실린더 내) 워터 주입과 함께 매니폴드 워터 주입(인터쿨러 효과)을 적용하여, 실린더의 핫스팟을 피하고, 고난류적 연료 공기의 혼합을 생성하고, 최대 연소 가스 온도를 제어하여 NOx 형성을 최소화하고, 실린더 파워 출력을 높이기 위해 플래시 증기를 생성;
o 적극적인 점화 타이밍 적용으로 효율과 파워를 최적화 함;
o 동력이 필요하지 않을 때, 개별 실린더를 "스위치 아웃"하여 펌핑 손실을 줄임;
o 캠 샤프트 구동 시스템과 관련된 동력 손실 회피; 별도의 스타터 모터, 별도의 교류 발전기, 고압 연료 펌프(디젤 자동차와 유사), 최소한의 라디에이터 팬의 냉각 전력 요구 등.
- 엔진은 도 8에 도시된 바와 같이 배기가스 재순환(EGR)의 온도 및 부피를 제어하는 데 사용한다. 이것은 조기 점화 및 '핫스팟(hot spot)' 선행 연소를 방지하고, EGR 가스가 부분적으로 사전 냉각되기 때문에 ICE 유닛의 전체 연소 효율이 향상되고 동시에 NOx 배출이 거의 제로가 될 것이다.
다른 보조 방법에 더하여 수소를 연료로 사용하는 제안된 발명은 64% 내지 72% 범위 내의 잠재적인 MBHP 효율을 갖는다. 미립자 물질의 배출은 사실상 제로(0)이다. NOx 배출 수준은 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 일산화탄소와 이산화탄소 배출은 제로(0)이다. 오존층 파괴 물질의 배출량은 측정 가능한 수준 이하이거나, 그에 가까운 수준이다. 윤활유로부터의 미미한 배출만이 예상된다.
제안된 파워 시스템은 연료 전지보다 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며, 그 효율은 현재의 연료 전지 시스템과 동등하거나 그 이상일 것이다.
제안된 파워 시스템은 대형 배터리 시스템보다 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. 라이프사이클의 유지보수 비용은 다른 대안의 것보다 저렴하고, 재사용 및 재활용 비용은 훨씬 더 낮다. 또한, 제안된 발명은 엔진 블록의 재활용 및 개조를 지원하여, 매우 깨끗한 파워를 생성하고 전기 제너레이터, 트럭, 차량, 해양 선박 등을 구동할 수 있다.
모노-블록은 새로운 비스포크 모노-블록이거나, 용도가 변경된 표준 IC 엔진 블록일 수 있으며, 이 경우 다수의 실린더 및 피스톤은 IC 작동을 위해 그대로 유지되고, 나머지 실린더와 피스톤이 ORC 섹션 실린더 내의 ORC 유체에 의해 구동되게 배치된다.
유기 랭킨 사이클은 엔진 모노-블록, 배기 열 및/또는 엔진 냉각 시스템 중 하나 또는 조합으로부터 열을 회수할 수 있다. 유기 랭킨 사이클의 회수는 하나의 유기 ORC 유체, 또는 2개의 상이한 온도 작동 범위를 갖는 2개의 유기 ORC 유체, 또는 2개 이상의 상이한 온도 작동 범위에서 작동하도록 배치된 1개의 하이브리드 ORC 유체를 사용하고; 2개 이상의 상이한 온도 작동 범위에서 작동하도록 배치된 하이브리드 또는 2개의 ORC 유체를 사용하는 경우, 제1 범위는 배기 열과 같은 고온으로부터 회수된 엔진 열로부터 작동하도록 구성되고, 제2 범위는 냉각수 및 일반 소모 열 회수에서 회수된 엔진 열로부터 작동하도록 구성된다.
엔진 프로세스에 대한 자세한 설명을 아래에 제공한다.
수소 연소 프로세스
IC 섹션이 연료로서 수소를 사용하는 바람직한 일 실시예에서, 아래의 기능들이 추가로 이용될 수 있다.
압축 점화 엔진 내의 스파크 보조 시스템, 바람직하게는 Mahler™ 시스템에 미량의 수소를 분사한다.
수소 연료는 파워 필요(예: 희박 또는 화학량)에 따라 3,000,000 내지 10,000,000 파스칼의 높은 압력으로 분사된다.
수소 인젝터는 단수일 수 있지만, 바람직한 실시예에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 수소 인젝터는 수소와 충전 공기의 혼합을 최대화하기 위해 분기될 수 있다.
수소 공급 밸브의 개폐에 의해 더 넓은 범위의 분사 압력이 결정된다. 타이밍 제어는 ECU를 통한 파워 수요에 의해 결정된다.
파워 수요는 ECU에 의해 결정된다. 마찬가지로, 배기가스 온도 모니터링은 SSSI/ECU를 통해 수행된다.
i) 도 11에 도시된 바와 같이, 초여과수(EGR로부터)는 NOx가 형성되는 지점에 도달하는 실린더 내의 연소온도 직전 지점에서 실린더 헤드로 주입된다.
ii) 분무 워터의 주입은, 실린더 직경 및 행정에 따라 도 11에 도시된 바와 같이, 5도 내지 12도 사이의 각도로 2개의 초미세 제트를 통해 이루어진다.
ⅲ) 워터 주입은 조기 점화를 방지하기 위해 실린더 및 배기 밸브 내에서 '핫스팟'의 위험을 방지한다.
iv) 이 프로세스는 각각의 ICE 실린더의 파워 출력을 증가시키는 '플래시-증기' 프로세스를 촉진한다.
v) 주입 워터는 NOx 임계 온도에 도달하기 직전에 피크 ICE 실린더 온도 영역에 도달하도록 타이밍이 조정된다.
수소 연료 엔진에서의 워터 주입, 플래시 증기 및 발전된 연소 제어에 대한 통합은 당업계에 알려져 있지 않다.
수소와 워터를 결합하여 실린더 헤드에 주입하는 것은 독특한 구성이다.
도 11을 다시 참조하면, 수소 주입 프로파일은 표준적인 단일 형태의 인젝터 또는 바람직하게는 분기형 인젝터일 수 있다. 수소 인젝터를 분기시키는 목적은 충전 공기와 수소의 신속한 분배를 최적화하여 실린더 내에서 균일한 가연성 혼합물을 생성하기 위한 것이다.
기존 엔진 블록, 커넥팅 로드, 크랭크 샤프트, 피스톤 설계 및 윤활을 아래와 같이 개조했다.
- 강화된 커넥팅 로드;
- 호환되지 않는 금속을 사용하지 않음;
- 강화된 크랭크 샤프트(필요한 경우);
- PTFE 또는 유사 화합물로 제조된 ORC 피스톤 링;
- 특히 '건식' 연료의 영향을 해결하기 위해 WS2 및 MS2 고체 윤활유를 엔진 오일에 포함(마모 감소 및 마찰 손실 감소);
- 필요에 따라 개조된 피스톤;
- 완전히 독립적인 가변 밸브 및 작동기의 설계 변경을 수용하기 위해 재설계된 실린더 헤드;
- 피스톤은 오목한 것이 바람직함.
표준 ICE 엔진 블록을 용도 변경 및 개조하는 경우 헤드는 다음과 같은 일부 개조가 필요하다.
밸브 시트는 밸브를 수용하기 위한 기계 가공이 필요하며, 특별한 금속 코팅을 할 필요가 있다. 용도에 따라 각각의 실린더에 1개 또는 2개의 흡기 밸브와 1개 또는 2개의 배기 밸브가 통합된다.
실린더 헤드와 밸브 기어가 개조된다. IC 실린더 및 ORC 실린더의 밸브 시트는 완전 가변식 연료 및 완전 가변식 ORC 유체 주입 및 배기 밸브 및 작동기를 수용하도록 개조되어야 한다.
이 개조는 표준 수직(포펫) 밸브와는 대조적으로, 그 하나가 도 5에 도시된 바와 같이 완전-가변식 수평 밸브(FVVA)를 장착하는 것을 용이하게 한다.
블록 및 섬프 - CA 흡기로 능동적으로 통기되는 섬프; SSSI/ECU에 대한 섬프 압력 모니터링; 및 가능한 한 외부 절연된 실린더 블록.
배기 매니폴드 - 도 7에 도시된 바와 같이, 열을 유지하고 스킨 사이를 절연하는 트윈 스킨 구조; 워터 주입 프로세스를 위해 모니터링되는 배기가스 온도.
크랭크 샤프트 - 최대 파워 출력에 따라 일부 조건에서는 크랭크 샤프트의 야금 경화 및 코팅이 필요하고; 크랭크 샤프트는 전방 및 후방 파워 인출(power take-off)을 할 수 있도록 기계 가공되며; 크랭크 샤프트 베어링은 블록 저부 내에 있을 수 있는 수소로 인한 열화에 대한 내성이 있는 재료로 되어 있다.
커넥팅 로드 - 수소 연료를 견디고 더 큰 파워를 전달하기 위해 야금 처리 및 강화가 실시되고; 커넥팅 로드의 베어링은 블록 저부 내에 있을 수 있는 수소로 인한 열화에 대한 내성이 있는 재료로 되어 있다.

Claims (17)

  1. 모노-블록 왕복 피스톤 엔진 파워 플랜트로서, 상기 파워 플랜트는:
    각각이 내부에 수용된 피스톤을 갖는 2개 이상의 실린더;
    상기 피스톤의 적어도 하나의 변위를 제어하는 내연(IC) 섹션; 및
    상기 피스톤의 적어도 하나의 변위를 제어하는 유기 랭킨 사이클(ORC) 섹션;을 포함하고;
    IC 및 ORC 피스톤은 모노-블록 엔진의 파워 플랜트의 공통 크랭크 샤프트에 연결되어 구동하고;
    상기 유기 랭킨 사이클은 내연 섹션에서의 연소에 의해 생성되는 열에 의해 작동되고, ORC 섹션에서의 피스톤의 변위는 가열 가압된 ORC 유체를 주입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모노-블록 엔진은 하나 이상의 전기 제너레이터에 결합되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 전기 제너레이터는 재충전식 배터리 팩 또는 슈퍼 캐패시터 팩을 충전하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 하나 이상의 전기 제너레이터는 엔진을 시동걸기 위해 돌아가게, 모노-블록 엔진의 스타터 모터(들)로서 동작하게 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 제너레이터의 샤프트는 엔진의 크랭크 샤프트와 직렬로 결합되어, 크랭크 샤프트와 제너레이터의 샤프트가 크랭크 샤프트의 길이를 가로 지르는 동일한 가상 선형 축으로 연장되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  6. 제5항에 있어서, 크랭크 샤프트의 적어도 일 단부는 하나 이상의 전기 제너레이터에 결합되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  7. 제5항에 있어서, 크랭크 샤프트의 적어도 일 단부에 결합된 하나 이상의 전기 제너레이터는 크랭크 샤프트의 동적 균형이 이루어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 ORC 섹션 실린더로 주입되어, 내부의 피스톤의 하향 변위를 야기하고, 피스톤의 상향 변위에서는 ORC 유체가 응축기로 배출되고, ORC 사이클에서 재순환되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 제1 ORC 섹션 실린더로 주입되어, 내부의 제1 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
    제1 피스톤의 상향 변위 시에는 ORC 유체가 제1 실린더에서 배출되고;
    여기서, ORC 유체의 압력 및 열이 미리 정의된 제1 임계값보다 낮아지면, ORC 유체는 사용된 유체로 간주되고, ORC 사이클에서 재순환되도록 응축기로 배출되고;
    그렇지 않으면, ORC 유체를 전달하여 제2 ORC 섹션 실린더에 주입하여, 내부의 제2 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
    ORC 유체는 사용된 것으로 간주될 때까지 ORC 섹션 실린더 사이에서 연속적으로 순환되고;
    사용한 ORC 유체가 응축기로 배출되면, 고압 탱크로부터 실린더 중 하나의 실린더에 주입되는 가열 가압된 ORC 유체로 대체되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 가압된 ORC 유체는 고압 탱크로부터 제1 ORC 섹션 실린더로 주입되어, 내부의 제1 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
    제1 피스톤의 상향 변위 시에는 ORC 유체가 제1 실린더에서 배출되고;
    여기서, ORC 유체의 압력 및 열이 미리 정의된 제2 임계값을 초과하면, ORC 유체는 제2 ORC 섹션 실린더로 전달되어 주입되어 내부의 제2 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
    그렇지 않으면, ORC 유체의 일부는 응축기로 배출되어 ORC 사이클로 재순환되고, 일부는 고압 탱크로부터의 가열 가압된 ORC 유체로 대체되고;
    생성된 혼합 ORC 유체는 이어서 제2 ORC 섹션 실린더에 주입되어 내부의 제2 피스톤의 하향 변위를 야기하고;
    상기 ORC 유체는 이러한 방식으로 연속적으로 혼합되고 ORC 섹션 실린더 사이에서 재순환되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 모노-블록은 새로운 비스포크 모노-블록이거나 재사용된 표준 IC 엔진 블록이며, 다수의 실린더 및 피스톤이 IC 작동을 위해 그대로 남아 있으며, 나머지 실린더와 피스톤은 ORC 섹션 실린더 내부의 ORC 유체에 의해 구동되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 유기 랭킨 사이클은 엔진 모노-블록, 배기 열 및/또는 엔진 냉각 시스템 중 하나 또는 조합으로부터 열을 회수하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유기 랭킨 사이클 회수는 하나의 유기 ORC 유체, 또는 2개의 상이한 온도 작동 범위를 갖는 2개의 유기 ORC 유체, 또는 2개 이상의 다른 온도 작동 범위에서 작동하도록 배치된 단일 하이브리드 ORC 유체를 활용하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  14. 제13항에 있어서, 2개 이상의 상이한 온도 작동 범위에서 동작하도록 배치된 하이브리드 또는 2개의 ORC 유체를 이용하는 경우, 제1 범위는 배기 열 등의 고온으로부터 회수된 엔진 열로부터 작동하도록 구성되고, 제2 범위는 냉각수 및 일반 소기 열 회수로부터 회수된 엔진 열로부터 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더는 실린더의 체적 용량을 유연하게 제어할 수 있도록 습식 라이닝되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  16. 제2항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 엔진을 이용하여 전기를 발전하기 위한 시스템.
  17. 제2항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 엔진을 이용하여 전기를 발전하기 위한 방법.
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