1. 유체를 압축/팽창/이송하는 로터리 피스톤 장치

특허 출원일: 2014.01.15. 양기와

본 발명은 유체를 압송하는 펌프, 기체를 압축하는 Compressor, 공기를 흡입하는 Vacuum Pump, 압력을 지닌 기체를 소음 없이 팽창시키는 Silencer, 또 (Steam/Gas Turbine에서와 같이) 압력을 지닌 기체로 동력을 생산하는 동력 발생기, 저수지 등에서 물의 위치에너지로 동력을 생산하는 수차(Water Turbine) 등으로 활용할 수 있는 기본 장치에 관한 것이다.

작업유체를 흡입/압축/압송/팽창/배기 하도록 된 장치로서 크랭크 피스톤 유형의 것이 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 크랭크 피스톤 유형의 공기압축기 또는 내연기관에서는 피스톤이 왕복운동을 하므로 고속운전을 할 수 없는 결함을 지니고 있다. 본 발명은 이러한 결함을 해소한 것으로, 피스톤이 왕복운동을 하지 않고 도넛 형태의 실린더에서 계속 원운동을 하면서 작업유체를 흡입, 압축, 팽창, 배기, 또는 이송할 수 있도록 구성한 것이다.

본 발명에서는 실린더가 도넛 모양으로 구성되어 있고, 이러한 실린더에서 피스톤이 원운동을 하도록 되어 있으며, 이러한 로터리 피스톤의 진로에는 실린더 헤더가 장치되어 있다. 따라서 로터리 피스톤과 실린더 헤더 사이의 작업유체는 흡입, 압축, 팽창, 배기 또는 압송된다. 상식적으로는 로터리 피스톤과 실린더 헤더는 서로 충돌한다. 그러나 본 발명에서는 Crossed Helical Gear의 원리로 로터리 피스톤은 실린더 헤더와 충돌하지 않고 원운동을 계속하고 실린더 헤더는 작업유체를 가로 막는다. 따라서 본 발명에서는 작업유체의 흡입, 압축, 팽창, 배기 또는 이송의 과정이 실현된다.

Fig01   Fig02

위 그림 Fig01은 일반적인 직교축 헬리컬 기어의 모양을 보인 것이다. 이러한 헬리컬 기어에서 치차 하나만 남기고 모두 제거하고, 두 축을 Miter/Bevel 기어로 연결하면 우측에 보인 그림 Fig02와 같은 모양이 된다.

아래 그림 Fig03은 그림 Fig02에 보인 기어의 단면을 보인 것으로, 해칭 부분을 제거하면 톱니가 하나인 그림 Fig02에 보인 치차는 그림 Fig04에 보인 바와 같다.


Fig03
  Fig04

아래 그림 Fig05와 Fig06은 Fig04에 보인 Rotary Piston이 원운동을 하도록 구성한, 도넛(Doughnut) 형태의 실린더의 반쪽 모양을 대체로 보인 것이다.

Fig05
Fig06
Fig07
Fig08

이러한 도넛 형태의 반쪽 실린더(Fig05)의 위에, 그림 Fig04에 보인 Rotary Piston과 실린더 헤더(Header)를 장착하면 그림 Fig07에 보인 바와 같고, 이를 위에서 보면 그림 Fig08에 보인 바와 같다. 여기에 또 하나의 (Identical) 반쪽 실린더로 위에서 덮으면 상기 로터리 피스톤은 도넛 형태의 실린더에 놓이게 되고, 실린더 헤더는 피스톤의 진로를 가로 막고 있는 형상으로 된다. 그러나 이들은 원운동을 하면서 그림 Fig01에 보인 바와 같이 직교축 헬리컬 기어의 속성을 지니고 있으므로 서로 충돌하지 않는다. 즉, 로터리 피스톤은 도넛 실린더에서 원운동을 하면서 작업유체를 흡입, 압축, 팽창, 배기 또는 압송할 수 있게 된다.

Fig09 Fig10
Fig11 Fig12
Fig13 Fig14

본 발명에서 로터리 피스톤 및 실린더 헤더의 (치형) 곡면은 여러 가지 형태로 될 수 있다. 일반적으로 기어의 치형은 Involute 치형이 널리 사용된다. 그러나 시계, 계기 등에는 사이클로이드 치형의 기어가 사용된다. 위 그림 Fig09는 일반적인 사이클로이드 치형을 보인 것이고, 그림 Fig10은 톱니가 오직 하나인 평행축 사이클로이드 치형을 보인 것이다. 이는 톱니가 오직 하나이므로 그 형상이 서로 다르다. 이러한 사이클로이드 치형으로 두 축이 서로 교차하는 Crossed Helical Gear의 (동력 전달 수단이 아닌) 형태의 것을 공지의 기술로 제작할 수 있다. 그림 Fig11~Fig14는 이러한 (사이클로이드 치형으로 오직 하나의 톱니로 된) 직교축 헬리컬 기어 형태의 것이 서로 맞물려 있는 상태를 입체적으로 보인 것이다.

2. 압축공기 예열 엔진 (공랭식 엔진)

특허 출원일: 2014.05.14. 양기와

모든 내연기관에서는 실린더를 냉각해 주어야 하는 바, 이 냉각손실은 주어진 연료의 에너지에 대하여 약 30% 이상으로 높다. 본 발명은 이 냉각손실을 줄여 엔진의 열효율을 높이기 위한 것이다.

종래의 엔진에는 실린더 주변의 냉각수 통로(Water Jacket)로 냉각수가 순환되면서 엔진의 실린더가 냉각된다. 그러나 본 발명에서는 이 냉각수 통로로 압축공기가 흐르면서 실린더가 냉각된다. 즉, 본 발명은 실린더에서 피스톤의 왕복운동에 따라 흡입 압축된 압축공기가 이 통로에서 실린더를 냉각하면서 예열되고 다시 실린더로 되돌아오도록 하여, 열에너지가 동력으로 변환되도록 구성한 것이다. 이 통로(압축공기 예열통로)에는 압축공기와의 열 교환이 용이하도록 공기 예열 핀(Air Heating Fin)이 형성되어 있다.

종래의 엔진에는 엔진의 타이밍 벨트에 연결된 캠(Cam)으로 작동하는 흡배기 밸브가 있다. 본 발명에는 이 흡배기 밸브와 유사한 형태이나 (커먼레일 엔진에서 실린더에 연료를 분사하는 Injector처럼 전력으로) 엔진의 ECU에 의하여 작동하는 (솔레노이드 밸브인) 압축공기 나들이(Outgoing) 밸브와 압축공기 리턴(Return) 밸브가 장치되어 있다.

근래 발달된 (실린더에 연료를 직접 분사하는) 직분사 엔진에서는 피스톤의 왕복운동에 따라 실린더에 흡입 압축된 압축공기에 (피스톤이 상사점에 이를 때) 엔진 ECU의 신호에 따라 연료가 Injector로 분사되면 바로 연소되고, 연소가스가 팽창하면서 기계적 동력을 생산한다.

그러나 본 발명에서는 피스톤이 상사점 가까이 이를 때 상기 압축공기 나들이 밸브가 엔진의 ECU의 신호에 따라 열리고, 이 압축공기는 실린더 주변에 형성된 (종래 엔진의 냉각수 통로에 해당하는) 압축공기 예열통로로 압송된다. 이 통로에서 압축공기는 실린더를 냉각하면서 더 높은 고온으로 가열된다. 이어서 피스톤이 상사점에 도달하면 상기 압축공기 나들이 밸브는 닫히고 압축공기 리턴 밸브가 열린다. 이어서 피스톤이 후진함에 따라 상기 압축공기 예열통로로부터 더 고온으로 가열된 압축공기가 실린더로 되돌아와 피스톤을 밀어내 동력을 생산하게 된다. 다음 ECU의 신호에 따라 상기 압축공기 리턴 밸브는 닫히고 연료가 Injector에서 분사되면 바로 연소되고, 종래의 엔진에서와 같이 연소가스가 팽창하면서 기계적 동력을 생산하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명은 엔진의 냉각손실을 압축공기 예열 에너지로 회수할 수 있고, 엔진 실린더를 냉각수가 아닌 압축공기로 냉각함에 따라 엔진의 중량을 줄일 수 있어, 자동차 엔진에 적용하면, 엔진의 연비를 더 높일 수 있는 것이 특징이다.

Fig01: 본 발명의 개요도

Fig02: 기존 엔진의 실린더 라이너     Fig03: 본 발명의 실린더 라이너

근래의 차량 엔진에서는 전자장치의 발달로 흡배기 밸브, 실린더에 연료가 주입되는 인젝션 노즐 등 대부분의 기기는 차량의 ECU(Electronic Control Unit)의 제어에 의하여 작동한다. 즉, 흡배기 밸브가 열리고 닫히는 시기가 가변적으로 ECU에 의하여 제어되고, 또 실린더에 분사되는 연료의 유량/시기가 ECU에 의하여 제어된다.

본 발명은 위 그림 Fig01에 바와 같이 종래 엔진의 흡배기 밸브와 유사한 모양이나, 전기로 작동하는 2개의 솔레노이드 밸브인, 압축공기 나들이 밸브(Comp. Air Outgoing Valve) 및 압축공기 리턴(Return) 밸브가 추가로 장치된다. 이들 밸브는 솔레노이드 코일에 전기가 인가되지 않을 경우, 밸브 디스크가 스프링에 의하여 압축공기 나들이 통로(Outgoing Passageway) 및 (압축공기가 예열된 후 되돌아오는) 리턴 통로(Return Passageway)를 막고 있다. 본 발명에는 이러한 솔레노이드 밸브 유형의 밸브가 아닌, 기존 엔진의 흡배기 밸브와 같은 형태의 것으로 가변적으로 작동하는 밸브가 장착될 수도 있다. 이들 밸브는 공지의 기술로 실현가능하다. 밸브의 형태/유형은 본 발명의 특허 범위에 속하지 않는다.

위의 그림 Fig02은 기존 엔진의 실린더 라이너를 보인 것이다. 이러한 실린더라이너는 엔진블록에 끼워 맞춤으로 장착된다. 그림 Fig03은 본 발명의 실린더 라이너를 입체적으로 보인 것이다. 이 실린더 라이너에는 압축공기 가열 핀(Compressed Air Heating Fin)이 형성되어 있다. 이 압축공기 가열 핀의 형상은 본 발명의 특허청구 범위에 속하지 않는다. 이러한 실린더 라이너를 본 발명의 엔진 블록에 끼워 맞춤하면 실린더 둘레에 (종래의 엔진의 냉각수 통로(Water Jacket)에 해당하는) 압축공기 예열 통로(Compressed Air Preheating Passageway)가 형성된다.

본 발명에서는 크랭크에 의한 피스톤의 왕복운동에 따라 흡입된 공기가 피스톤이 상사점 가까이 이르면 엔진 ECU에 의하여 압축공기 나들이 밸브가 열린다. 즉, 솔레노이드 코일에 전기가 인가되면 솔레노이드 코일에 자력이 생겨나 이 자력이 Armature(Plunger)를 끌어당기고, 이 플런저는 밸브 스템(Stem)으로 연결되어 있으므로, 압축공기 나들이 밸브가 밸브 스프링에 의하여 막고 있는 나들이 통로를 열게 된다.

이어서 실린더의 압축공기는 압축공기 나들이 통로를 통하여 실린더 주변에 형성된 상기 압축공기 예열통로로 압송되어 이 예열 통로에서 더 고온으로 가열된다. 다음, 피스톤이 상사점에 이르면 엔진의 ECU 신호에 따라 상기 압축공기 나들이 밸브는 닫히고 동시에 압축공기 리턴밸브가 열리게 된다. 따라서 상기 압축공기 예열통로로부터 더 고온으로 가열된 압축공기가 실린더로 되돌아와 피스톤을 밀어내면서 동력을 생산하게 된다. 즉, 압축공기가 엔진 실린더를 냉각하면서 가열되어 엔탈피가 증가되고 따라서 열에너지가 기계적 동력으로 변환된다. 다음 압축공기가 실린더에 얼마간 공급되면 ECU의 신호에 따라 이 압축공기 리턴밸브는 닫히고, 연료가 분사기(Injector)를 통하여 분사되다. 연료가 분사되면 바로 연소되어 종래의 엔진에서와 같이, 연소가스가 팽창하면서 기계적 동력을 생산하게 된다.

종래의 엔진에서는 엔진 시동 후 실린더의 온도가 정해진 온도 이상으로 높아지면, ECU에 의하여 냉각수 순환펌프가 작동하여 실린더가 냉각된다. 즉, 엔진의 열손실을 줄이기 위하여 엔진이 처음 시동될 때에는 냉각수 순환펌프가 작동하지 않는다. 본 발명에서도 엔진이 처음 작동될 경우에는, 상기 압축공기 나들이 밸브 및 예열 압축공기 리턴밸브가 작동하지 않는다. 다음, 실린더 벽면의 온도가 정해진 온도 이상으로 가열되면 엔진의 ECU에 의하여 상기 밸브들이 작동하게 된다. 이들 압축공기 나들이 밸브 및 리턴밸브가 작동하지 않을 경우 본 발명은 일반 커먼레일 엔진처럼 작동한다.

한편, 항공기 (Gas Turbine) 엔진에서 (Axial Flow) 압축기로 흡입되는 공기에 물(Water)을 (예를 들어 Spray Nozzle을 통하여) 주입하면 물의 증발열로 공기의 압축비가 높아져 엔진의 출력이 더 증가한다. 이는 공지의 기술로 Pratt & Whitney의 JT9D By-Pass 엔진과 Rolls-Royce의 DART 터보 프롭, Spey MK512DW 터보 제트, Pegasus Vectored Thrust 등의 엔진에 사용되었다.

본 발명 엔진에서 과부하로 엔진의 실린더가 과열될 수 있다. 이러한 경우에 대비하여 본 발명에는, 도시하지는 아니 하였으나, (공기가 실린더에 흡입되는) 흡기 매니폴드에 물(Water)을 주입(Injection)하는 물 Spray Nozzle이 장치되어 있다. 본 발명에서는 이 물 주입 노즐로 상기 실린더가 정해진 온도 이상으로 상승하면 엔진의 ECU에 의하여 물이 분사 주입된다. 주입된 물은 실린더에서 그 증발열로 냉각작용을 하므로 본 발명 엔진에서는 과열이 방지된다.

하이브리드 차량에서는 운전자가 내리막길을 주행하거나, 또는 브레이크 페달을 밟으면 차량의 위치에너지 또는 운동에너지가 전기 에너지로 바뀌어 배터리에 저장된다. 본 발명이 차량 엔진으로 사용될 경우, 본 발명에서도 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 엔진의 ECU에 의하여 상기 압축공기 나들이 밸브는 작동하나, 압축공기가 되돌아오도록 열리는 리턴밸브는 작동하지 않는다. 따라서 이 경우 차량의 운동에너지가 하이브리드 차량에서 전기에너지로 저장되듯이 본 발명에서는 예열된 압축공기가 실린더 예열통로에 얼마간 저장된다.

이와 같이 구성된 본 발명은 엔진의 냉각손실을 압축공기 예열 에너지로 회수할 수 있고, 엔진 실린더를 냉각수가 아닌 압축공기로 냉각함에 따라 엔진의 중량을 줄일 수 있어, 자동차 엔진에 적용하면, 엔진의 연비를 더 높일 수 있는 것이 특징이다.

3. 복합 피스톤 엔진

특허 출원일: 2009.08.31. 양기와

도1: 본 발명의 개요를 보인 압축공기 흐름도 도2:압축공기 주입펌프의 개요도
도3: 엔진 헤드부분 작동상태를 보인 개략도 도11: 도2의 압축공기 분배기에 대한 상세도
도4:
본 발명에 사용되는 볼-체크밸브의 요부 단면도
도5: 또 다른 볼-체크밸브의 요부 단면도
도6: 팽창과정에서 볼-체크밸브의 작동상태 도8: 압축과정에서 볼-체크밸브의 작동상태
도7: 배기/흡입 과정 볼-체크밸브 작동상태
도9: 또 다른 볼-체크밸브 팽창과정 작동상태 도10: 또 다른 볼-체크밸브 압축과정 작동상태

자동차 등에 사용되는 소형 피스톤엔진에서는 엔진의 냉각손실이 보통 30% 정도이고, 배기 매니폴드를 통과하는 배기가스는 약 600℃ 이상으로 고온으로, 이 배기가스의 배기 열손실은 32% 정도이다.

본 발명은 이러한 피스톤크랭크 엔진에 관한 것으로, 본 발명에서는 별도의 공기압축기로 공기가 압축되고, 이 압축기에서 생산된 압축공기가 엔진을 냉각하면서 가열되거나, 또는 배기가스의 열을 열교환기로 회수하여, 종래의 엔진에서 냉각손실 또는 배기손실에 해당하는 열에너지를 기계적 동력으로 변환되도록 하는 데 목적이 있고, 이를 실현하기 위하여 600℃ 이상의 고압 압축공기가 실린더 내로 적절히 주입되도록 하는 수단에 관련된다.

디젤엔진에서는 연료가 (압축과정에서) 피스톤이 상사점에 이르는 적절한 시기에 연료 분사펌프로 연료를 실린더 내에 순간적으로 분사한다. 본 발명에서는 압축공기가, 디젤엔진에서 연료가 실린더 내에 분사되듯이 압축공기 주입펌프의 수단으로 적절한 시기에 실린더 내로 주입된다. 본 발명에서는 압축공기가 실린더 내로 주입되는 과정에 엔진을 냉각하거나, 배기가스의 열을 회수하도록 구성한 것이다. 즉, 본 발명은 냉각손실(또는 배기가스의 열에너지)을 기계적 동력으로 회수하도록 구성한 것이다.

냉각 열을 회수하는 수단은 공지의 기술로 용이하게 해결된다. 종래의 엔진의 냉각수 통로(Water Jacket)에 가열핀(Heating Fin)을 형성하고 이 통로에 압축공기가 흐르도록 하면, 압축공기는 대기압의 공기보다 그 밀도가 더 높음으로 공지의 공랭식 엔진에서보다 더 효과적으로 엔진을 냉각할 수 있다. 또 종래의 엔진 배기 매니폴드에 열교환기를 장착하고 이 열교환기에 압축공기가 흐르도록 하면, 배기 매니폴드에서 배기가스의 온도는 600℃ 이상으로 매우 높은 고온임으로, 고온의 압축공기를 얻을 수 있다.

이러한 고온의 압축공기가 엔진의 압축과정에서 피스톤이 상사점에 이르는 시기에 실린더 내로 주입(분사)되면, 버려지는 냉각손실(또는 배기손실)을 기계적 동력으로 회수할 뿐만이 아니라, 실린더 내의 압축공기(또는 가솔린과 공기의 Mixture)의 와류가 자동적으로 만들어짐으로 연소과정에서 엔진노크는 발생하지 않는다. 또한 압축행정(압축과정)에서 압축공기의 온도가 더 높아짐으로 (연료의 연소과정에서) 완전연소를 기할 수 있어 배기가스의 환경문제를 크게 개선할 수도 있다.

피스톤엔진에서 사용되는 흡배기 밸브는 버섯모양의 포핏(Poppet)과 스프링 및 캠(Cam)으로 구성되어, 캠의 회전에 따라 포핏이 왕복운동을 하면서, 흡기구와 배기구를 열고 닫도록 되어있다. 이러한 구조의 포핏밸브는 작업유체의 온도가 500℃ 이하로 저온이고 압력이 저압인 경우에 매우 안정적으로 작동한다. 그러나 작업유체의 온도가 600℃ 이상으로 높아지고 또 압력이 고압이면, 포핏밸브는 스프링의 강도가 급격히 떨어질 것이고, 포핏의 스템(Stem) 부위에서 작업유체의 기밀(Sealing)을 보장할 수 없으며, 회전운동을 하는 캠 장치에 공급되는 어떠한 윤활유도 연소해버릴 것임으로, 안정적인 작동을 기대할 수 없다.

따라서 엔진을 냉각하면서 또는 배기가스와의 열교환으로 온도가 600℃ 이상으로 높아진 고압의 압축공기를 적절한 시기에 실린더 내로 주입(분사)시키기 위해서는 이러한 고온 고압의 압축공기의 흐름을 제어할 수 있는, 스프링의 탄성도 활용하지 않고 윤활유 없이도 작동하는 어떤 새로운 형태의 밸브가 요구된다. 그렇지 않으면 고온 고압의 압축공기를 실린더 내로 주입시킬 수가 없다.

피스톤크랭크 엔진에서 피스톤/헤드를 압축공기로 냉각하는 것은 종래의 기술로 용이하게 달성할 수 있다. 또한 배기 매니폴드에 열교환기를 장착하고, 이 열교환기에 압축공기가 흐르도록 하여 압축공기의 온도를 600℃ 이상으로 높이는 것도 공지의 기술로 용이하게 실현될 수 있다. 그러나 엔진의 열효율이 크게 향상되기 위해서는 엔진을 냉각하면서 또는 배기가스와의 열교환으로 얻어진 고온 고압의 압축공기를 적절한 시기에 실린더 내로 주입시켜야 한다. 즉, 압축행정에서 피스톤이 상사점에 이르는 시기에 압축공기 입구가 순간적으로 열리고, 이때 압축공기가 주입되어야 한다.

본 발명에서는 이러한 조건이 만족되도록 중력을 활용한 볼(Ball) 체크밸브가 창안되었다. 이 볼-체크벨브의 챔버(Chamber)는 마치 배가 볼록한 올챙이 모양이고 (입구와 출구) 위아래에 모두 볼 시트(Seat)를 갖추고 있어, 볼이 아래로 내려오면 아래 시트를 막고 위로 향하면 위 시트를 막도록 되어 있다. 그러나 디젤엔진의 연료 분사펌프처럼 압축공기 주입펌프가 작동하여 압축공기를 실린더 내로 주입할 경우에는 볼이 올챙이의 배에 해당하는 볼 휴식처(Stay Pocket)에 머무르고, 입구와 출구 (위아래) 볼 시트가 모두 열리도록 구성되어 있다. 따라서 고온의 압축공기가 압축공기 주입펌프에 의하여 실린더 내로 주입(분사)된다.

한편, 하이브리드 자동차에서는 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 모터/발전기가 작동하여 자동차의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 자동차의 연비를 높일 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명을 자동차의 엔진으로 사용할 경우, 본 발명에서도 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 (엔진은 휴식 상태로 하고) 압축기만 작동하여 공기를 압축하도록 할 수 있음으로, 하이브리드 자동차에서와 같이 자동차의 연비를 크게 높일 수 있다.

본 발명은 종래의 피스톤 엔진과 유사한 형태의 엔진(50)과, 공기를 고압으로 압축하는 공기 압축기(10), 이 압축기에서 생산된 압축공기를 저장할 압축공기 저장탱크(20), 이 압축공기를 좀 더 높은 고압으로 승압하는 공기 승압펌프(30,Blower), 그리고 이 압축공기를 엔진의 실린더 내로 압송하여 주입시키는 압축공기 주입펌프(40) 등으로 구성된다. 본 발명에는 엔진의 배기 매니폴드에 배기가스의 열에너지를 회수하기 위한 (공지의) 열교환기가 장착될 수도 있다. 도 1은 본 발명의 개요를 보인 압축공기의 흐름도(Compressed Air Flow Diagram)이다.

상기 공기압축기(10)는 저속에서도 고압을 얻을 수 있는 피스톤 타입이 바람직하다. 이 압축기는 다수의 피스톤으로 구성되고 엔진의 크랭크축에 직접 연결되거나 클러치 또는 커플링(Coupling)으로 연결된다. 이 압축기(10)는 배관으로 압축공기 저장탱크(Reserved Tank)에 연결되고, 압축기에서 생산된 압축공기는 모두 압축공기 저장탱크(20)에 저장된다. 이 압축기의 타입과 압축기의 축이 엔진의 크랭크축에 연결되는 형태/수단은 본 발명의 특허청구 범위에 속하지 않는다.

디젤엔진에서는 연료 분사펌프(Fuel Injection Pump)가 흡입공기를 압축한 후 적절한 시기에 연료를 실린더에 분사한다. 이 분사펌프는 캠의 회전운동에 따라 피스톤의 일종인 플런저(Plunger)가 왕복운동을 하면서 연료를 실린더에 분사하도록 되어있는데, 엔진의 실린더의 수량과 같은 수량의 캠과 플런저를 갖추고 있는 열형 인젝션펌프가 주로 사용되고 있다. 그러나 한 벌의 캠/플런저와 (하나의) 분배기로 구성된 분배형 인젝션펌프도 사용되고 있다. 본 발명에서는, 이러한 연료 분사펌프와 같이, 압축공기 주입펌프(40)의 수단으로 엔진의 압축과정 후반 적절한 시기에 압축공기를 실린더에 주입하게 되는 바, 이에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.

디젤엔진의 연료 분사펌프는 소량의 연료를 다루지만, 본 발명의 압축공기 주입펌프는 다량의 압축공기를 실린더에 압송해야 함으로, 그 구조가 같은 형태일 수는 없다. 도 2는 (도면에 보이지 않는) 크랭크로 왕복운동을 하는 하나(또는 2개)의 피스톤(42)으로 압축공기 분배기(49)에 의하여 압축공기를 디젤엔진의 분배형 연료 분사펌프에서와 같이 엔진의 실린더에 주입하는 압축공기 주입펌프(40)의 개요를 보인 다이아그램이다. 일반 공기압축기에는 공기 흡기구와 압축공기 배출구에 모두 흡배기 체크밸브가 장치되어 있다. 그러나 이 압축공기 주입펌프(40)의 배출구(45)에는 압축한 공기의 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 없는 것이 특징이다. 이 이유는 다음에 설명된다.

이 압축공기 주입펌프에서는 피스톤(42)이 크랭크에 의하여 상사점으로부터 후진하면 압축공기가 흡입구(43)로 흡입되고, 상사점으로 진행하면 배출구(45)로 배출된다. 한편, 플랜트 배관계통(Piping System)에서는 볼밸브(Ball Valve)가 기체의 개폐용으로 주로 사용되고 있다. 이는 구조가 간단하면서도 기밀(Sealing)을 유지하는 것이 용이하기 때문이다. 이러한 볼밸브(47)의 볼(Ball)을 하나의 회전축(48)에 도 2에 상징적으로 보인 바와 같이 모두 연결하면, 디젤엔진의 분배형 연료 분사펌프에서와 같이, 피스톤(42)에 의하여 배출된 압축공기를 정해진 엔진의 각 실린더로 배송할 수 있다. 이러한 압축공기 주입펌프(40)에 대한 특징은 본 발명의 특허청구 범위에는 포함되어 있지 않다. 이는 종래의 기술로도 압축공기를, 디젤엔진의 연료 분사펌프처럼, 엔진의 각 실린더에 적기에 주입시킬 수 있음을 보이기 위한 설명이다.

도 1에는 엔진(50)에 실린더가 4개 표시되어 있으나, 이는 오직 상징적으로 표시한 것일 뿐이다. 도 1에 보인 바와 같이, 상기 공기압축기(10)에서 생산된 압축공기는 압축공기 저장탱크(20; Compressed Air Reserved Tank)에 저장되고, 이 압축공기가 앞서 설명한 압축공기 주입펌프(40)로 공급되도록, 배관으로 이 압축공기 저장탱크(20)에서 압축공기 승압펌프(30)를 경유하여 압축공기 주입펌프(40)로 연결된다. 또 이 압축공기 주입펌프(40)와 엔진(50)은 비교적 작은 사이즈의 배관(46)으로 연결된다. 즉, 작은 사이즈의 배관(46)으로 압축공기 주입펌프(40)의 분배기(49)에서 각 실린더의 압축공기 가열통로(57)로 또는 배기 매니폴드에 장착된 열교환기 각각의 가열통로에 연결된다. 상기 압축공기는 이 가열통로(57)에서 열교환으로 600℃ 이상으로 가열된다.

상기 압축공기 승압펌프(30)는 원심(Centrifugal)형 또는 축방향(Axial Flow) 타입의 공기 압축기로서 엔진의 크랭크축에 벨트로 연결되거나, 또는 제어가 용이한 모터로 구동되도록 장치된다. 본 발명에서는 이 승압펌프(30)의 회전수(RPM)를 적절히 조절하여 압축공기 주입펌프(40)에 공급되는 압축공기의 압력을 제어하도록 되어 있다. 이는 다음에 더 자세히 설명된다.

종래의 엔진에서 배기 매니폴드를 통과하는 배기가스의 온도는 600℃ 이상으로 고온이다. 따라서 (본 발명에서) 배기 매니폴드에 열교환기를 장착하면 이 열교환기로 상기 압축공기의 온도를 600℃ 이상으로 높일 수 있다. 또한 본 발명에서는 엔진(50)을 물(Water)로 냉각하지 않고 앞서 설명한 압축공기로 냉각하여 압축공기의 온도를 600℃ 이상으로 높일 수도 있다. 이렇게 압축공기로 냉각하는 방법은 종래의 수랭식 엔진의 냉각수 통로(Water Jacket)에 가열핀(Heating Fin)을 형성하고, 이 통로에 압축공기가 흐르도록 함으로서 실현될 수 있다. 필요에 따라, 대기와 접하는 엔진의 외부에 공랭식 엔진처럼 냉각핀을 형성하여 엔진의 냉각효율을 더 높일 수도 있다.

한편, 디젤엔진에서는 피스톤이 압축과정에서 상사점에 이를 때 압축공기의 온도가 약 400 - 500도(℃) 정도임으로, 본 발명의 열효율이 열역학적으로 종래의 엔진보다 더 높기 위해서는, 본 발명에서 엔진을 냉각하고 실린더에 주입되는 압축공기의 온도가 적어도 500℃ 이상으로 고온이어야 한다. 그러나 이러한 고온의 압축공기를 적절한 시기에 엔진의 실린더로 주입시키기 위해서는 윤활유가 공급되고 스프링이 작동해야 하는 보통의 밸브로는 그 흐름을 제어할 수 없다.

도 3은 본 발명의 엔진 헤더의 형상을 상징적으로 보여준 다이아그램이다. 엔진 헤더에는 본 발명의 핵심장치인 고온 고압의 압축공기의 흐름을 제어하는 볼(Ball) 체크밸브(60)가 장치되어 있고, 압축공기 주입구(Compressed Air Injection Nozzle)가 형성되어 있다. 도 4는 이 볼-체크밸브의 요부를 (단면도로) 보인 것이다. 이 볼-체크밸브(60)에는 좌우(63,66)에 2개의 볼 시트(Seat)가 있고, 위쪽으로 마치 올챙이의 배처럼 보이는 공간(65)이 있는데, 이는 볼이 잠시 머무는 (휴식처) 공간이다. 이 볼-체크밸브(60)의 (도면에서) 우측 볼 시트(63)는 밸브의 입구(Inlet)와 통하고, 이 입구(61)는 도시한 바와 같이 가열핀(58)이 형성되어 있는 가열통로(Heating Passageway)에 연결되어 있다. 이 가열통로(57)는 엔진을 냉각하기 위하여 실린더 주변에 형성된 (Water Jacket에 해당하는) 가열핀이 있는 압축공기 가열통로 또는 배기 매니폴드에 장착된 열교환기의 압축공기 가열통로에 해당한다. 상기 볼-체크밸브(60)의 좌측 볼 시트(66)는 밸브의 출구로서 엔진의 실린더와 통하는 상기 압축공기 주입구(69)와 연결되어 있다.

도 5에 보인 볼-체크밸브(60)는 입구 볼 시트(63)와 출구 볼 시트(66)가 위아래에 위치하고, 또 볼 시트에 요부(Groove) 홈(62a)이 형성되어 있는 것이 특징이다. 이 볼-체크밸브(60)에 대해서는 다음에 별도로 설명된다.

이러한 볼-체크밸브에서는 볼(Ball)이 중력과 압력차에 따라 위아래 볼 시트(63,66)를 열고 막게 되는데, 이 볼(67)은 고온에 견딜 수 있도록 합금강으로, 챔버에서 위아래로 빠르게 진동해야 함으로 가볍게 속을 비우고 제작된다. 본 발명에서는 이와 같이 구성된 볼-체크밸브(60)를 통하여 압축공기 주입펌프(40)가 압축공기로 엔진의 실린더를 냉각하면서 높은 온도로 가열된 압축공기를 엔진의 실린더에 주입(분사)하게 된다. 다음은 이 볼-체크밸브(60)의 작동상태를 상세히 설명한 것이다.

본 발명이, 연료의 연소가 시작된 후, 연소가스의 팽창이 시작되는 시기에 있다고 가정하자. 도 6은 연소가스의 팽창과정을 3단계로 나누어 보인 것이다. (도면에서) 좌측 밸브의 볼 시트(66)는 엔진의 실린더와 통하고 있음으로 이 볼-체크밸브 출구에 가해지는 압력은 언제나 실린더 내 작업유체의 압력과 같다. 따라서 팽창과정 초기에는 실린더의 연소가스의 압력이 매우 높음으로 볼(67)이 도시한 바와 같이 우측 볼 시트(63)를 막게 된다. 이어서 엔진의 피스톤이 하사점으로 내려감에 따라 연소가스가 팽창함으로 연소가스의 압력이 서서히 낮아진다. 연소가스가 팽창을 거의 다할 시기에는, 압축공기의 압력(P_InjAir)이 연소가스의 압력(P_Exp)보다 더 높은 경우가 발생한다. 따라서 볼(67)이 입구 볼 시트(63)를 막지 못하고 중력으로 (비교적 서서히) 아래로 굴러 내려가, 도시한 바와 같이, 출구 볼 시트(66)를 막게 된다. 즉, 팽창과정 후반기에는 압축공기의 압력으로 볼-체크밸브의 출구 볼 시트(66)가 막히게 된다.

도 7은 본 발명의 배기과정과 흡입과정에서 볼-체크밸브의 상태를 보인 것이다. 앞서 설명한 팽창과정에서 피스톤이 하사점 근방에 이르면서 배기밸브가 열리고, 배기과정이 시작된다. 이 배기과정에서는 실린더 내 압력이 매우 낮음으로 볼-체크밸브(60)의 볼(67)은 여전히 출구 볼 시트(66)를 막고 있게 된다. 다음, 배기과정 후, 이어서 흡입과정이 진행되나 이 흡입과정에서는 실린더 내의 압력이 배기과정에서보다 오히려 더 낮음으로 볼(67)은 여전히 볼-체크밸브(60)의 출구 볼 시트(66)를 막고 있게 된다.

이어서 압축과정이 이어진다. 도 8은 본 발명의 압축과정을 6단계로 나누어 보인 것이다. 압축과정이 진행됨에 따라 실린더 내의 압축공기의 압력이 서서히 증가하게 되는데, 이 압력이 엔진을 냉각하고 실린더에 주입되어질 압축공기의 압력보다 더 높게 증가하면, 실린더의 압축공기가 출구 볼 시트(66)를 막고 있는 볼(67)을 밀어내면서 볼-체크밸브(60)의 챔버로 흘러들게 되고, 이 압축공기의 흐름(Flow)으로 볼은 회전하면서, 비탈면(64)을 굴러 볼-체크밸브(60)의 입구 볼 시트(63)를 도시한 바와 같이 막게 된다. 다음, 압축과정 종반쯤, 압축공기 주입펌프(40)의 피스톤이 작동하여 열교환을 진행하며 엔진의 실린더를 냉각하고 있는 압축공기에 압력을 가하면, 도 8에 보인 바와 같이 볼-체크밸브의 입구(61)의 압력이 별안간에 크게 증가하게 된다. 따라서 이 압력으로 입구 볼 시트(63)를 막고 있었던 볼(67)은 (비탈면을 구르지 못하고) 빠르게 비행하여 맞은편에 형성되어 있는 볼 휴식처 공간(65)에서 잠시 머무르게 된다. 볼이 이와 같이 볼 휴식처 공간(65)에 머무르게 되는 이유는 아래와 같다.

도 4에는 볼-체크밸브(50)의 입구 볼 시트(63)의 중심선과 상기 볼(67)의 휴식처 공간(65)의 중심선에 대한 치수(d)가 도시되어 있다. 한편, 앞서 언급한 볼은 별안간에 크게 증가한 압력으로 입구 볼 시트(63)에서 볼 휴식처 공간(65) 쪽으로 비행하면서 중력으로 얼마간 자유낙하 하게 된다. 이 자유낙하 거리가 적어도 앞서 언급한 값(d)보다 더 적으면 볼(67)은 볼-체크밸브의 출구 볼 시트(66) 쪽으로 떨어지지 않고 (별안간에 크게 증가한) 압축공기의 압력으로 볼 휴식처 공간(65)의 벽면에 붙어있게 된다.

이러한 원리로, 본 발명에서는 압축공기 주입펌프(40)가 열교환 중에 있는 압축공기에 압력을 가하면, 볼-체크밸브(60)에서 좌우 (입구와 출구) 볼 시트(63,66)의 통로가 모두 열리고, 따라서 상기 압축공기가 볼-체크밸브를 통하여 실린더에 공급된다. 즉, 고온 고압의 압축공기가 엔진의 헤드에 형성되어 있는 압축공기 주입구(69; Compressed Air Injection Nozzle)를 통하여 실린더에 주입된다.

이어서, 압축공기 주입펌프(40)의 피스톤(42)은 상사점에서 결국 후진하게 되다. 이 압축공기 주입펌프(40)의 배출구(45)에는 압축공기의 역류를 방지하는 체크밸브가 없다. 따라서 피스톤(42)이 후진함에 따라 열교환 중인 압축공기의 압력은 감소된다. 그러나 엔진의 실린더 내 압축공기의 압력은 계속 증가함으로, 이미 공급된 압축공기가 이 볼-체크밸브(60)에서 얼마간 역류(Back Flow)하게 된다. 이 압축공기의 역류로, 챔버(65)의 벽면에 붙어있는 볼(67)은 중력으로 좀 내려오다 비탈면(64)을 따라 올라가고, 이어서 볼-체크밸브의 (우측) 입구 볼 시트(63)를 막게 된다. 따라서 피스톤(42)이 더 후진해도 실린더로 공급된 압축공기의 역류는 더 일어나지 않는다.

그러나 가열통로(46)에서 열교환 중에 있는 압축공기는 압축공기 주입펌프(40)의 실린더(41)로 얼마간 역류하게 된다. 결과 열교환 중인 압축공기의 압력은 좀 낮아진다. 압축공기 주입펌프(40)의 압축공기 배출구(45)에 체크밸브가 없는 이유는 이와 같이 얼마간의 역류가 일어나 열교환 중인 압축공기의 압력을 얼마간 감소시키기 하기 위함이다. 즉, 압축공기는 열교환기(47)에서 가열되어 온도가 계속 상승하고, 따라서 그 압력도 상승함으로, 상승하는 압력만큼 너 낮은 압력으로 열교환 중인 압축공기의 압력을 떨어트리기 위함이다.

이어서 피스톤(42)이 더 후진하고, 압축공기의 압력이 계속 내려가다가 정해진 압력 이하로 낮아지면, 흡입밸브(44)가 열리고 새로운 압축공기가 압축공기 저장탱크(20)로부터 주입펌프(40)의 실린더(41)로 공급된다. 이렇게 새로운 압축공기가 실린더(41)에 공급되는 것은 앞서 간단히 설명한 바 있는 압축공기 승압펌프(30)의 작용 때문이다. 이 승압펌프(30)는 압축공기 저장탱크(Compressed Air Reserved Tank)의 압력과 가열통로에 위치한 압축공기의 압력을 감지하여 그 회전수(RPM)를 적절히 조절할 수 있도록 되어 있다. 따라서 적절한 시기에 새로운 압축공기가 압축공기 주입펌프(40)의 실린더로 공급된다. 이렇게 압축공기 승압펌프(30)가 작동하도록 하는 것은 공지의 기술로 용이하게 실현될 수 있고, 이 압축공기 승압펌프(30)에 관한 어떠한 사항도 본 발명의 특허청구 범위에는 포함되어 있지 않다.

위에서 설명한 바를 요약하면 다음과 같다. 본 발명에서는 엔진의 크랭크축에 연결된 공기 압축기(10)로 공기를 압축하고, 이 압축기에서 생산된 압축공기는 저장탱크(20)에 저장되며, 이 압축공기 저장탱크에 저장된 압축공기는 압축공기 승압펌프(30)와 주입펌프(40)의 수단으로 엔진(50)에 공급된다. 엔진에 공급된 압축공기는 엔진(50)을 냉각하면서 고온으로 가열되거나, 배기 매니폴드에 장착된 열교환기로 가열된 후, 엔진의 헤더 부위에 장치된 볼-체크밸브(60)에 의하여, 압축과정 후반기 적절한 시기에, 각 실린더에 주입(분사)된다. 이와 같이 구성된 본 발명에서는 종래에 엔진의 냉각손실(또는 배기손실)로 버려지는 열에너지가 기계적 동력으로 회수되어 엔진의 열효율이 크게 향상된다. 뿐만 아니라, 본 발명을 자동차용 엔진으로 사용할 경우, 운전자가 자동차의 브레이크를 밟을 경우, 엔진(50)은 휴식(Idle) 상태로 하고 공기압축기(10)가 압축공기를 생산하도록 함으로서 (즉, 자동차의 운동에너지가 압축공기로 변환됨으로) 자동차의 연비를 하이브리드 차량에서와 같이 크게 높일 수도 있다.

아래는 도 5에 보인 바와 같이 출구 볼 시트(66)와 입구 볼 시트(63)가 각각 위아래 위치하는 또 다른 형태의 볼-체크밸브에 대한 간단한 설명이다.

도 9는 팽창과정 후반기에 볼(67)이 볼-체크밸브(60)의 출구 볼 시트(66)를 막는 과정을 보인 것이다. 연소가스의 압력이 압축공기의 압력보다 높으면 볼(67)은 아래의 입구 볼 시트(63)를 막는다. 그러나 연소가스가 팽창하면서 연소가스의 압력이 서서히 감소함으로, 결국 연소가스의 압력은 압축공기의 압력보다 더 낮아지게 된다. 따라서 마침내 도시한 바와 같이 볼은 입구 볼 시트(63)에 위로 들리면서 반시계 방향으로 회전하게 된다. 이 이유는 아래와 같다.

상기 볼이 막 들어 올려 지면서 압축공기가 위로 분출할 때, 압축공기는 마찰손실(Friction Loss)이 적은 쪽으로 흐르게 된다. 볼(67)과 접하는 시트(63)의 면적은 볼록한 공간(65) 쪽(63a)이 더 작음으로, 압축공기는 볼록한 공간(65) 쪽으로 흐르게 되고, 따라서 이 압축공기의 흐름은 볼(67)을 반시계 방향으로 회전시키게 된다. 이와 같이 압축공기와 팽창 중인 연소가스의 압력차에 따라 볼(67)이 회전하면서 위로 들어 올려지고, 이어서 곧 위쪽 시트(66)를 막게 된다. 그러나 압축과정에서 압축공기 주입펌프(40)가 열교환 중에 있는 압축공기에 순간적으로 큰 압력을 가할 때는 이 볼(67)은 시계방향으로 회전하면서 들리게 된다.

도 10은 압축과정에서 볼(67)이 들어 올려 지면서 시계방향으로 회전하고, 이 회전력으로 비탈면(64)을 굴러서 볼 휴식처 공간(66)에 이르고, 이 공간에서 머무는 바를 설명하기 위한 것이다.

이 볼-체크밸브에서 압축공기 입구(61)의 방향은 얼마간의 경사각(a)으로 입구 볼 시트(63)를 향하고 있고, 또 이 볼 시트(63)에는 요부 홈(62)이 형성되어 있다. 이 요부 홈(Groove)에 있는 압축공기는 볼 시트를 막고 있는 볼(67)에 압력차에 해당하는 힘을 가하게 된다. 따라서 볼(67)은 도시한 바와 같이 시계방향으로 회전하면서 볼 시트(63)에서 들리게 되고, 다음 볼(67)은 비탈면(64)을 굴러서 볼 휴식처 공간(66)에 이르고, 이어 이 공간 벽면에 붙어있게 된다.

이상을 요약하면 다음과 같다. 이 압축공기 입구(61)의 압력(P_InjAir)과 볼-체크밸브의 챔버의 압력차가 서서히 일어날 경우, 볼(67)은 반시계 방향으로 회전하면서 들리게 되고, 다음 볼-체크밸브의 출구 볼 시트(66)를 막게 된다. 그러나 상기 압력차가 순간적으로 크게 주어지면 볼(67)은 시계방향으로 회전하면서 들리고, 결과 볼-체크밸브의 위아래 볼 시트(63,66)의 통로가 모두 열리게 된다.

도 11은 도 2에 보인 압축공기의 분배기(49,Distributer)에 대한 모양을 개략적으로 보여준 단면도이다. 이는 4개의 볼밸브가 하나로 결합되어 있고, 각각의 볼(47a)들이 모두 하나의 회전축(48)에 연결되어 있는 모양이다. 이 회전축은 엔진의 크랭크축이 2회전할 때 1회전하도록 장치된다. 이 분배기에 관한 사항은 본 발명의 특허 청구 범위에 포함되어 있지 않다. 도 11은 하나(또는 2개)의 크랭크피스톤으로 압축하여 배송하는 압축공기를 엔진의 각각의 실린더에 순차적으로 공급할 수 있음을 보이기 위하여 오직 참고용으로 도시한 것이다. -끝-