KR100815091B1

KR100815091B1 - 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차엔진

Info

Publication number: KR100815091B1
Application number: KR1020060082108A
Authority: KR
Inventors: 김창선
Original assignee: 김창선
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-20
Also published as: KR20080021188A

Abstract

본 발명은 내연 기관과 외연 기관을 유기적으로 결합하여 내연 기관에서 연료의 매 연소시 발생하는 폭발에너지 및 열에너지를 대부분 등차적으로 이용하여 회전력으로 전환할 수 있는 발전기용 고효율 등차 엔진에 관한 것으로, 공기압축기 및 상기 공기압축기에서 압축된 공기를 투입받고 압축공기에 연료를 분사하여 연소폭발시키는 2행정사이클 기관으로 이루어진 내연 기관; 상기 내연 기관의 배출가스를 투입받아 내연 기관의 배기가스에 남아 있는 잔여 압력에 의하여 비교광구경 피스톤이 팽창하는 감압 기관; 상기 감압 기관의 배기가스를 투입받아 배기가스의 열에 의하여 물을 가열하여 수증기화하는 보일러; 상기 보일러로 부터 수증기를 투입받아 수증기의 압력에 의하여 피스톤이 팽창하는 스팀 기관; 및 상기 스팀 기관의 수증기를 회수하여 냉매에 의해 응축한 후 상기 보일러에 회귀시키는 수증기 응축기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

내연 기관, 외연 기관, 발전기

Description

내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진{INTERNAL AND EXTERNAL ENGINE APPLYING EQUAL PRESSURE ON PISTONS OF DIFFERENT CROSS SECTION FOR ELECTRIC GENERATOR}

도 1은 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진의 구성도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진의 바람직한 실시 예를 보여주는 단면도이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 등차 엔진의 수증기 응축기에 더 연결될 수 있는 냉매가스 기관 및 냉매가스 응축기를 보여주는 단면도이다.

도 3a 내지 도 3k는 도 2a에 도시된 등차 엔진의 동작을 단계별로 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 내연 기관 101 : 흡기구

103 : 공기관 105 : 인젝터

107 : 배기가스관 109, 111 : 회전축

113, 115 : 단열재 200 : 감압 기관(汽罐)

201 : 회전축 203, 205 : 단열재

300 : 보일러 301 : 배기가스관

303 : 단열재 305 : 보일러관

307 : 배기관 400 : 스팀 기관

401, 405 : 수증기관 403, 407 : 단열재

409, 411 : 회전축 500 : 수증기 응축기

501 : 응축탱크 503 : 응축관

505 : 응축수배관 507 : 펌프

509 : 응축냉매배관 511 : 냉매가스관

600 : 냉매가스 기관 601, 605, 607 : 냉매가스관

603 : 단열재 609, 611 : 회전축

700 : 냉매가스 응축기 701 : 응축탱크

703 : 응축관 705, 709 : 응축냉매배관

707 : 펌프 C1 ~ C7 : 실린더

P1, P2, P4, P6 : 피스톤 P3, P5, P7 : 비교광구경 피스톤

V1 ~ V10 : 밸브

본 발명은 발전기용 등차 엔진에 관한 것으로, 더 상세하게는 내연 기관과 외연 기관을 유기적으로 결합하여 내연 기관에서 연료 연소시 발생하는 폭발에너지 및 열에너지를 대부분 회전력으로 전환할 수 있는 발전기용 고효율 등차 엔진에 관한 것이다.

종래, 발전기용 엔진으로는 주로 용적형 내연 기관인 디젤엔진이나 속도형 내연 기관인 가스터빈 등을 사용한다. 용적형 내연 기관은 실린더 내에서 연료를 연소 폭발시켜 열을 버리고 폭발력을 이용하는 기관으로, 연소 폭발력은 피스톤식 내연 기관의 경우 피스톤의 왕복운동에너지로 이용되고, 로터리식 내연 기관의 경우 로터의 회전운동에너지로 사용된다. 그러나, 실린더 내에서 연료의 연소로 발생한 폭발력은 그 일부만이 회전력 발생에 사용되고 나머지는 배출가스와 함께 배출된다. 또한, 실린더 내에서 연료의 연소시 발생하는 연소 열은 냉각장치에 의하여 강제 냉각되거나 배기가스와 함께 배출된다.

외연 기관은 보일러 또는 가열기의 전열면(傳熱面)을 통해서 가열된 물, 기체 등의 작동유체 의해 동력을 일으키도록 하는 열기관이다. 즉, 내연 기관은 연소폭발력을 직접 이용하여 동력을 얻지만, 외연 기관은 연소열을 간접적으로 이용하여 동력을 얻는 것이다. 따라서, 외연 기관은 기관의 몸체와는 별도로 연소공간을 가지는 특징이 있으며, 그 종류로는 증기기관, 증기터빈, 클로즈드 가스터빈 등이 있다.

종래 내연 기관의 배기가스는 동력행정에 사용되지 않은 잔여 압력 및 열을 대량으로 보유하고 있음에도 불구하고, 잔여 압력은 전혀 사용되지 못하였고, 열은 난방용 보일러 등의 열원으로 사용되는 데만 그쳤다. 최근 디젤엔진이나 가솔린엔진의 피스톤, 실린더 등 연소실을 구성하는 재료에 세라믹스 등 단열재를 사용하여 엔진의 냉각 없이 운전할 수 있도록 한 단열 엔진이 개발되어 있다. 위와 같은 단열 엔진은 연소실 속에서의 열손실이 줄어 배기에너지가 증가하고, 그 고온의 배기가스를 난방용 보일러 등에 재활용할 수 있게 되는 것이었으나, 엔진 배기가스에 잔류하는 압력을 등차적으로 회전력을 얻는 데 이용하지 못하였고, 고열도 이를 회전력을 얻는 데 이용하지 못하고 단순히 난방 등에 이용하는 데 그쳤다. 그러나, 지역난방 등이 필요 없거나, 지역 난방을 위한 송수관 건설이 어려운 외진 곳의 화력발전소에서 사용되는 내연 기관의 배기가스는 그대로 대기에 방출되어 버려진다. 뿐만 아니라, 내연 기관의 열을 냉각 위하여 별도의 냉각장치를 마련하여야 한다.

상술한 종래 발전기용 엔진의 모순점을 개선하고자 안출된 본 발명은 연료 의 매 연소시 발생하는 폭발에너지 및 열에너지를 등차적으로 대부분 회전력으로 전환할 수 있도록, 용적형 내연 기관의 실린더를 폭발공간으로 뿐만 아니라 외연 기관의 연소실로 기능할 수 있게 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진은 공기압축기 및 상기 공기압축기에서 압축된 공기를 투입받고 압축공기에 연료를 분사하여 연소폭발시키는 2행정사이클 기관으로 이루어진 내연 기관; 상기 내연 기관의 배출가스를 투입받아 내연 기관의 배기가스에 남아 있는 잔여 압력에 의하여 비교광구경(比較廣口徑) 피스톤이 팽창하는 감압 기관; 상기 감압 기관의 배기가스를 투입받아 배기가스의 열에 의하여 물을 가열하여 수증기화하는 보일러; 상기 보일러로 부터 수증기를 투입받아 수증기의 압력에 의하여 피스톤이 팽창하는 스팀 기관; 및 상기 스팀 기관의 수증기를 회수하여 냉매에 의해 응축한 후 상기 보일러에 회귀시키는 수증기 응축기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진은 상기 수증기 응축기의 냉매로 물보다 끓는점이 낮은 액체를 사용하고, 상기 수증기 응축기에는, 상기 수증기 응축기에서 응축잠열을 흡수하여 기화 생성된 냉매가스를 투입받고 그 압력에 의하여 피스톤이 팽창하는 냉매가스 기관을 더 연결한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진의 구성도를, 도 2a는 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진의 바람직한 실시 예를 보여주는 단면도를, 도 2b는 도 2a에 도시된 등차 엔진의 수증기 응축기에 더 연결될 수 있는 냉매가스 기관 및 냉매가스 응축기를 보여주는 단면도를, 도 3a 내지 도 3k는 도 2a에 도시된 등차 엔진의 동작을 단계별로 도시한 단면도를 각각 나타낸다.

본 발명의 설명에 사용되는 "등차(等差)"는 "균등(均等) 압력(壓力) 차등(差等) 단면적(斷面績)을 이용한" 또는 "밀폐공간 내에 존재하는 균등한 압력의 유체(기체 또는 액체)가 유체와의 접촉면적이 더 큰 가동체(加動體)에 더 큰 힘을 작용하는 원리를 이용한"을 의미하며, "등차적(等差的)으로"는 "밀폐공간 내에 존재하는 균등한 압력의 유체(기체 또는 액체)가 유체와의 접촉면적이 더 큰 가동체(加動體)에 더 큰 힘을 작용하는 원리를 이용하여"를 의미한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 특징은 내연 기관(100)에서 연료를 연소 폭발시켜 고온고압의 연소가스를 생성한 후, 우선 내연 기관(100)에서 그 폭발력을 회전력으로 전환하고, 상기 내연 기관(100)에서 배출된 고온고압의 배기가스를 내연 기 관에 연결된 감압 기관(200)에 투입하여, 등차적으로 배기가스의 잔여 폭발력을 다시 회전력으로 전환하며, 상기 감압 기관(200)에서 배출된 고온의 배기가스의 열을 스팀 기관(400) 및 냉매가스 기관(600)에서 또 다시 회전력으로 전환하는 데 있다. 즉, 하나의 내연 기관(100)에서 연료를 연소 폭발시켜, 내연 기관(100)에서 뿐만 아니라 외연 기관인 감압 기관(200), 스팀 기관(400) 및 냉매가스 기관(600)에서 회전력을 얻을 수 있게 한 데 본 발명의 특징이 있는 것이다. 상기 감압 기관(200)으로 부터 배출된 고온의 배기가스로 부터 회전력을 얻기 위해, 고온의 배기가스를 보일러(300)에 투입하여 배기가스의 열로 고온고압의 수증기를 생성하고, 고온고압의 수증기를 스팀 기관(400)에 투입하여 수증기의 압력을 회전력으로 전환한다. 내연 기관(100)의 배기가스는 1차적으로 상기 감압 기관(200)에서 압력을 잃고, 2차적으로 상기 보일러(300)에서 열을 잃은 후 최종적으로 외부에 배출된다.

후술하는 바와 같이, 본 발명의 다른 특징은 상기 감압 기관(200)에서 배기가스를 등차적으로 이용하여 회전력을 얻고, 스팀 기관(400) 및 냉매가스 기관(600)에서도 수증기 또는 냉매가스의 압력을 1차적으로 이용하여 회전력을 얻은 후, 수증기 또는 냉매가스의 잔여 압력을 다시 등차적으로 이용하여 회전력을 얻는 데 있다.

뿐만 아니라, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 스팀 기관(400)에서 압력을 빼앗긴 수증기를 수증기 응축기(500)에 투입하여 잔여 열로 냉매를 가열하여 고압의 냉매가스를 생성하고 이 고압의 냉매가스를 냉매가스 기관에 투입하여, 그 압력을 회전력으로 전환할 수도 있다. 이 때, 수증기 응축기(500)에서 응축된 응축수는 펌프에 의하여 상기 보일러로 되돌아 간다. 또한, 상기 냉매가스 기관(600)에서 배출된 저압의 냉매가스는 냉매가스 응축기(600)에서 응축시켜 펌프로 상기 수증기 응축기(500)에 회귀시킨다.

이러한 과정에서 상기 내연 기관(100)의 연소실은 내연 기관(100)에 폭발력을 제공하는 연료 연소실 기능을 수행할 뿐만 아니라, 외연 기관(200, 400, 600)에 필요한 열을 제공하는 연료 연소실의 기능도 수행하게 된다. 따라서, 내연 기관(100)에서 연료를 연소시킬 때 발생되는 폭발에너지(고압) 및 열에너지(고온)는직접 및 등차적으로 대부분 회전력으로 전환되어 발전기용 엔진의 연료 효율을 극대화할 수 있게 된다.

도 2a 내지 3k에 도시된 실시 예는 도 1에 도시된 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진을 더욱 구체화한 것이다. 도 2a에는 도 1에 도시된 본 발명을 구성하는 기관 중 특히 내연 기관(200), 감압 기관(200), 보일러(300), 스팀 기관(400) 및 수증기 응축기(500)만을 도시하고, 상기 수증기 응축기(500)에 더 연결될 수 있는 냉매가스 기관(600) 및 냉매가스 응축기(700)는 도 2b에 별도로 도시하였다. 또한, 냉매가스 기관(600) 및 냉매가스 응축기(700)의 동작원리는 보일러(300) 대신 수증기 응축기(500)에서 냉매가스가 기화되는 점을 제 외하고는 보일러(300)와 스팀 기관(400)의 동작원리와 동일하므로, 본 발명의 동작을 설명하는 도 3a 내지 도 3k에는 냉매가스 기관(600) 및 냉매가스 응축기(700)를 제외하고 도시하여 본 발명을 설명하였다. 또한, 도 2a 내지 도 3k에는 인접한 회전축들이 기어에 의하여 연결된 것으로 도시되었으나 이는 설명의 편의상 이렇게 도시한 것이며, 실제에 있어서는 인접한 각 기관의 피스톤이 동일한 크랭크 축에 커넥팅 로드에 의하여 연결된다.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 또 다른 특징은 내연 기관의 구성에 있다. 즉, 본 발명에 따른 내연 기관(100)은 내연 기관(100)으로써 뿐만 아니라 외연 기관(200, 400, 600)의 연소실로 충실히 기능할 수 있는 구성을 가져야 한다. 이를 위하여 본 발명은 내연 기관(100)을 실린더(C2) 내에서 2행정마다 압축공기에 연료를 분사하여 그 연소 폭발력에 의해 피스톤을 팽창시키는 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)과, 상기 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)과 나란히 설치되고, 공기관(103)에 의하여 상기 2행정사이클기관의 흡기포트에 연결되어, 2행정마다 흡기관(101)을 통하여 외부공기를 실린더(C1) 내로 흡입한 후 피스톤(P1)으로 압축하여 상기 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)에 투입하는 공기압축기(C1, P1, V1, 109)로 구성한다. 이러한 구성에 의하여, 상기 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)은 1행정에서 배기와 공기의 흡입 및 압축이 순차적으로 이루어지고, 다른 1행정에서 연소팽창이 이루어진다. 상기 2행정사이클기관의 실린더(C2)는 내연 기관(100)의 연소폭발실 기능을 수행할 뿐만 아니라, 외연 기관(200, 400, 600)의 연소실 기능을 동시에 수행하기 때문에, 실린더(C2)에서의 열손실을 최소화하기 위해 연료의 연소폭발 후 연소가스가 실린더(C2)에 가능한 짧게 잔류하여야 한다. 이와 동시에, 내연기관((100)의 배기가 직접 대기(大氣)에 배출되지 않고 감압 기관에서 고압 상태로 이용되기 때문에 배기단계에서 배기가스가 2행정사이클기관의 실린더(C2)로 부터 완전하게 배출되게 하는 수단이 필요하다. 따라서, 본 발명은 배기, 공기의 흡입 및 압축이 1행정에서 이루어지게 하면서, 상기 공기압축기(C1, P1, V1, 109)에 의하여 배기 진행 도중에 공기가 압축되어 투입되는 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)을 채용한 것이다. 이러한 구조에 의하여, 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)의 배기단계가 끝날 무렵 공기압축기(C1, P1, V1, 109)로 부터 투입된 공기가 2행정사이클기관의 실린더(C2)로 부터 배출 중에 있는 배기가스를 강하게 밀어내어 실린더 내에 배기가스가 잔류함 없이 대부분 배출되게 한다. 2행정기관에서 배기가스 배출을 완전하게 하기 위하여 피스톤 상사점을 높게 설계하면, 공기의 압축비를 지나치게 높아지는 문제가 발생하고, 피스톤 상사점을 낮게 설계하면, 배기가스 배출이 잘 이루어지지 않는 문제가 있다. 상술한 구조에 의하면 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)의 피스톤 상사점을 지나친 압축이 일어날 정도로 높게 설계하지 않아도 연소가 일어나는 실린더(C2)로 부터의 배기가 완전하게 이루어진다. 상기 2행정사이클기관 실린더(C2) 내로의 공기 흡입 및 실린더(C2) 밖으로의 배기가스 배출은 흡입밸브(V2)와 배기밸브(V3)에 의하여 2행정사이클로 제어된다. 또한, 상기 공기압축기 실린더(C1) 내로의 공기흡입은 흡입밸브(V1)에 의해 2행정사이클로 제어되고, 공기압축기 실린더(C1)로 부터 상기 2행정사이클기관 실린더(C2)로의 공기 배출은 상기 2행정사이클기관 실린더(C2)의 흡입밸브(V2)만으로 제어된다.

상기 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)에 인접하여 별도의 연료 연소없이 배기가스의 잔여 압력에 의하여 동작하는 감압 기관(200)이 연결되고, 상기 감압 기관의 흡입포트는 상기 2행정사이클기관의 배기포트와 배기가스관(107)으로 연결된다. 본 발명의 다른 특징은 상기 감압 기관(200)의 실린더(C3) 내경 및 피스톤(P3) 직경을 상기 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111)의 실린더(C2) 및 피스톤(P2)의 내경 혹은 직경 보다 크게 한 데 있다. 이 것을 특히 본발명의 상세한 설명 및 청구항에서 "비교광구경(比較廣口徑)"이라고 표현하고 있다. 즉, 비교광구경이란 제1차기관으로 부터 압력이 남아 있는 가스를 투입 받는 제2차기관의 실린더 내경 및 피스톤 직경이 제1차기관의 실린더 내경 및 피스톤 직경 보다 큰 것을 의미한다. 감압 기관(200)의 비교광구경 실린더(C3)에는 별도의 흡입밸브(V4)가 마련되지 않고, 그 흡입은 상기 2행정사이클기관 실린더(C2)의 배기밸브(V3)에 의하여 제어된다. 상기 감압 기관 비교광구경 실린더(C3)의 배기는 배기포트에 마련된 배기밸브(V4)에 의하여 2행정사이클로 제어된다.

상기 감압 기관(200)에는, 감압 기관(200)의 배기가스를 투입받아 물을 가열하여 고온고압의 수증기를 생성하는 보일러(300)가 연결된다. 상기 감압 기관(200)에서 토출된 배기가스는 배기가스관(301)을 통해 보일러(300)에 투입된 뒤, 보일 러(300)의 보일러관(305)사이를 통과하면서 보일러관(305) 내부를 통과하는 물을 가열하여 고온고압의 수증기로 만들고, 열을 빼앗긴 배기가스는 배기관(307)을 통하여 외부로 배출된다. 상기 감압 기관(200)은 내연 기관(100)의 배기가스에 잔류하는 팽창력을 소진시켜, 배기가스를 저압 고온 상태로 만든 후 상기 보일러(300)에 투입하게 된다.

상기 보일러(305)에는 상기 보일러(300)로 부터 수증기를 투입받아 수증기의 압력에 의하여 피스톤이 팽창하는 스팀 기관(400)이 연결된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 스팀 기관(400)은 2행정마다 흡입밸브(V5)를 열어 상기 보일러(300)에서 실린더(C4)로 투입되는 수증기에 의해 피스톤(P4)을 팽창시키는 제1차스팀 기관(C4, P4, V5, 409)과, 상기 제1차스팀 기관(C4, P4, V5, 409)으로 부터 배출되어 비교광구경 실린더(C5)에 투입된 수증기에 의해 비교광구경 피스톤(P5)을 팽창시키는 제2차스팀 기관(C5, P5, V6, V7)으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 제1차스팀 기관의 실린더(C4)에는 별도의 배기밸브를 마련하지 않으며, 제1차스팀 기관의 실린더(C4)로 부터 제2차스팀 기관의 비교광구경 실린더(C5)로의 수증기 배출은 제2차스팀 기관의 흡입밸브(V6)에 의하여 제어한다. 상기 제2차스팀 기관의 비교광구경 실린더(C5)에는 수증기 배출 제어를 위한 배기밸브(V7)가 더 마련된다.

상기 스팀 기관(400)에는 스팀 기관(400)의 수증기를 회수하여 냉매에 의해 응축한 후 상기 보일러에 회귀시키는 수증기 응축기(500)가 연결된다. 상기 수증기 응축기(500)는 냉매액이 충전되는 응축탱크(501)와 상기 냉매액에 잠기어 수증기를 통과시키면서 응축되게 하는 응축관(503)으로 구성된다. 상기 응축관(503)은 응축수배관(505, 509)에 의하여 상기 보일러관(305)에 연결되고 응축수배관(505, 509)에는 응축수 순환을 위한 펌프(507)가 마련된다.

도 2b의 A지점은 도 2a의 A지점에 연결되고, 도 2b의 B지점은 도 2a의 B지점에 연결된다. 도 2b를 참조하면, 상기 수증기 응축기(500)의 냉매로 프로판, 알코올 등 물보다 끓는점이 낮은 액체를 사용하고, 상기 수증기 응축기(500)에는, 상기 수증기 응축기(500)에서 응축잠열을 흡수하여 기화 생성된 냉매가스를 투입받고 그 압력에 의하여 피스톤(P6)이 팽창하는 냉매가스 기관(600)을 더 연결할 수 있다. 프로판액 냉매를 밀폐된 공간에서 100℃로 가열할 경우 짧은 시간 이내에 20기압 내외의 압력을 가진 프로판가스를 얻을 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 냉매가스 기관(600)은 이 압력을 이용하여 회전력을 얻는 것이다.

상기 냉매가스 기관(600)은 2행정마다 흡입밸브를 열어 상기 수증기 응축기의 응축탱크에서 실린더로 투입되는 냉매가스에 의해 피스톤을 팽창시키는 제1차냉매가스 기관(C6, P6, V8, 609)과, 상기 제1차냉매가스 기관(C6, P6, V8, 609)으로 부터 배출되어 실린더에 투입된 냉매가스에 의해 비교광구경 피스톤을 팽창시키는 제2차냉매가스 기관(C7, P7, V9, V10, 611)으로 구성될 수 있다. 냉매가스 기관(600)의 다른 구성 및 동작은 상기 스팀 기관(500)와 같다.

상기 냉매가스 기관(600)에는 냉매가스 기관(600)의 수증기를 회수하여 냉각수에 의해 응축한 후 상기 수증기 응축기(500)의 응축탱크(501)로 회귀시키는 냉매가스 응축기(700)가 연결된다. 상기 냉매가스 응축기(700)는 냉각수가 충전되는 응축탱크(701)와 상기 냉각수에 잠기어 냉매가스를 통과시키면서 응축되게 하는 응축관(703)으로 구성된다. 상기 응축관(703)은 응축냉매배관(705, 709)에 의하여 상기 수증기 응축기(500)의 응축탱크(501)에 연결되고 응축냉매배관(705, 709)에는 응축냉매 순환을 위한 펌프(707)가 마련된다.

본 발명은 내연 기관(100)의 실린더(C2)에서 연료 연소시 발생하는 열을 스팀 기관(400) 및 냉매가스 기관(600)에서 회전력으로 전환하므로, 내연 기관(100)의 실린더(C2)로 부터 냉매가스 기관(600)에 이르기 까지 배기가스나 수증기 또는 냉매가스가 체류하거나 이동하는 경로에는 열이 외부로 유출되지 않도록 단열재(113, 115, 203, 205, 303, 403, 603)가 코팅될 필요가 있다. 따라서, 상기 2행정사이클기관(C2, P2, V2, V3, 111), 감압 기관(200), 보일러(300), 스팀 기관(400) 또는 냉매가스 기관(600)의 실린더(C1 ~ C7) 내벽, 피스톤(P1 ~ P7) 외벽, 배기가스관(107, 301)의 내벽, 수증기관(401, 409)의 내벽 또는 냉매가스관(601, 605, 607)의 내벽은 단열재(113, 115, 203, 205, 303, 403, 603)를 부착하여 연소가스, 배기가스, 수증기 또는 냉매가스가 상기 각 기관의 전행정 구간에서 항상 단열재와 접촉하게 한다.

이하, 도 3a 내지 도 3k를 참조하여 본 발명에 따른 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진의 동작을 설명한다.

3a는 내연 기관(100)의 공기압축기의 흡입밸브(V1)가 열리고, 피스톤(P1)이 상사점에서 하사점으로 이동하면서 외부공기를 실린더(C1) 내에 흡입하는 단계를 나타낸다. 도 3b는 공기압축기의 흡입밸브(V1)가 닫히고 공기압축기의 피스톤(P1)이 하사점을 지나 상사점을 향해 상승하면서 공기를 압축하여 2행정사이클기관의 실린더(C2)에 투입하는 단계이다. 이 때, 2행정사이클기관의 흡입밸브(V2)는 열리고, 배기밸브(V3)는 열렸다 닫히는 중이다. 또한, 2행정사이클기관의 피스톤(P2)은 상승하면서, 배기가스를 배출시키고, 배기밸브(V3)가 닫힌 직후 부터 흡입공기를 압축한다. 도 3c는 2행정사이클기관의 흡입밸브(V2)와 배기밸브(V3)가 모두 닫힌 상태에서 공기를 압축하는 단계를 보여 준다. 이 때 압축공기는 연소 팽창에 필요한 압축비까지 압축된다. 도 3d는 압축된 공기에 연료분사기(105)로 연료를 분사하는 단계이다. 도 2a 내지 도 3k에서 내연 기관으로 디젤기관을 도시하고 있는 것은 본원 발명의 실시에 디젤기관이 적합하기 때문이다. 도 3e는 2행정사이클기관의 팽창단계를 나타낸다. 이 처럼 본 발명에 따른 엔진에서는 1개의 기관에서만 연료를 연소시킨다. 도 3f는 2행정사이클기관의 피스톤(P2)이 하사점을 지나 상승할 때 우선 배기밸브(V3)를 열어 배기가스를 감압 기관(200)으로 배출하는 단계를 나타낸다. 상기 배기밸브(V3)가 열리자 마자 배기가스는 고온고압상태에서 감압 기관(200)의 비교광구경 실린더(C3)에 투입되어 감압 기관(200)의 비교광구경 피스톤(P3)을 하방으로 밀게 된다. 이 것은 배기밸브(V3)가 열릴 경우 2행정사이클기관의 실린더(C2) 내부 압력과 감압 기관의 비교광구경 실린더의 내부압력이 동일해 지면서, 배기가스 압력이 2행정사이클기관의 피스톤(P2) 보다 더 지름이 큰(배기가스 접촉면적이 넓은) 감압 기관의 피스톤(비교광구경 피스톤)에 더 크게 작용하기 때문이다. 이 것은 평등한 압력의 유체가 접촉단면적이 다른 가동물에 작용할 경우 큰 방향으로 운동에너지가 이동하는 원리를 이용한 것이다. 이를 위해, 2행정사이클기관의 피스톤(P2)이 하사점에 있을 때 상기 감압 기관(200)의 비교광구경 피스톤(P3)은 상사점에 있어야 한다. 또한, 이 단계에서 감압 기관(200)의 배기밸브(V4)는 닫혀있다. 도 3g는 2행정사이클기관의 배기밸브(V3)가 닫히고, 감압 기관(200)의 비교광구경 피스톤(P3)이 거의 하사점까지 이동하여 배기가스가 갖는 폭발에너지 혹은 운동에너지를 대부분 회전력으로 전환한 것을 보여준다. 도 3h는 감압 기관(200)의 배기밸브(V4)가 열리고, 감압 기관(200)의 비교광구경 피스톤(P3)이 하사점을 지나 상사점을 향하면서, 고온 저압의 배기가스가 보일러(300)에 투입되는 것을 보여 준다. 보일러(300)에서는 배기가스의 열에 의하여 물을 가열하여 고온고압을 수증기를 생성하고, 제1차스팀 기관의 흡입밸브(V5)가 열리면 수증기는 제1차스팀 기관의 실린더(C4)에 투입되어 피스톤(P4)을 팽창시킨다. 이 때, 제2차스팀 기관의 흡입밸브(V6)는 닫혀 있다. 도 3i는 제1차스팀 기관의 피스톤(P4)이 하사점까지 이동한 상태를 보여준다. 이 때 제1차스팀 기관의 흡입밸브(V5)는 닫힌다. 도 3j는 제2차스팀 기관의 흡입밸브(V6)가 열리고, 배기밸브(V7)가 닫힌 상태에서, 제1차스팀 기관의 피스톤(P4)이 상승하면서 수증기를 제2차스팀 기관의 비교광구경 실린더(C5)에 투입하는 단계이다. 수증기가 갖는 팽창에너지 또는 운동에너지는 이 단계에서 거의 대부분 회전력으로 전환되고, 수증기에는 열만 남게 된다. 도 3k는 제2차스팀 기관의 배기밸브(V7)가 열리고, 수증기가 수증기 응축기(500)로 배출되는 단계를 보여준다. 이 때 수증기에 남아 있던 열은 수증기 응축기(500)에서 냉매를 가열하여 증발시키고 증발된 냉매가스는 다시 냉매가스엔진에 투입되어 회전력을 발생시킨다.

내연 기관(100)에서 연료가 연소할 때는 가스압과 열이 발생하는 데, 가스압은 내연 기관(100) 및 감압 기관(200)을 거치면서 손실 없이 대부분 회전력으로 전환되고, 감압 기관(200)에서는 고온 상기압의 배기가스만 배출된다. 감압 기관(200)에서 배출된 배기가스의 열은 다음 단계인 보일러(300), 스팀 기관(400), 수증기 응축기(500) 및 냉매가스 기관(600)을 거치면서 다시 대부분 회전력으로 전환된다. 이 과정에서 단열재(113, 115, 203, 205, 303, 403, 407)는 내연 기관(100)에서 발생된 열의 외부 유출을 차단한다. 따라서, 내연 기관(100)에서 연료가 연소될 때 발생되는 가스압과 열은 대부분 회전력으로 전환되는 것이다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 용적형 내연 기관의 실린더를 폭발공간으로 뿐만 아니라 외연 기관의 연소실로 기능하게 하여, 연료 연소시 발생하는 폭발압력 및 열에너지의 외부 손실이 매우 작아지므로, 연료 연소시 발생하는 폭발압력 및 열에너지의 대부분을 엔진 내부에서 동력을 발생시키는 데 활용할 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 이용하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 발명과 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

공기압축기 및 상기 공기압축기에서 압축된 공기를 투입받고 압축공기에 연료를 분사하여 연소폭발시키는 2행정사이클 기관으로 이루어진 내연 기관;

상기 내연 기관의 배출가스를 투입받아 내연 기관의 배기가스에 남아 있는 잔여 압력에 의하여 비교광구경 피스톤이 등차적으로 팽창하는 감압 기관;

상기 감압 기관의 배기가스를 투입받아 배기가스의 열에 의하여 물을 가열하여 수증기화하는 보일러;

상기 보일러로 부터 수증기를 투입받아 수증기의 압력에 의하여 피스톤이 팽창하는 스팀 기관; 및

상기 스팀 기관의 수증기를 회수하여 냉매에 의해 응축한 후 상기 보일러에 회귀시키는 수증기 응축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진.
제 1 항에 있어서,

상기 수증기 응축기의 냉매로 물보다 끓는점이 낮은 액체를 사용하고, 상기 수증기 응축기에는, 상기 수증기 응축기에서 응축잠열을 흡수하여 기화 생성된 냉매가스를 투입받고 그 압력에 의하여 피스톤이 팽창하는 냉매가스 기관을 더 연결한 것을 특징으로 하는 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔 진.
제 1 항 또는 제2항에 있어서,

상기 내연 기관은 실린더 내에서 2행정마다 압축공기에 연료를 분사하여 그 연소 폭발력에 의해 피스톤을 팽창시키는 2행정사이클기관과, 2행정마다 흡기관을 통하여 외부공기를 실린더 내로 흡입한 후 피스톤으로 압축하여 상기 2행정사이클기관에 투입하는 공기압축기로 구성됨을 특징으로 하는 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진.
제 1 항 또는 제2항에 있어서,

상기 스팀 기관은 2행정마다 흡입밸브를 열어 상기 보일러에서 실린더로 투입되는 수증기에 의해 피스톤을 팽창시키는 제1차스팀 기관과, 상기 제1차스팀 기관으로 부터 배출되어 실린더에 투입된 수증기에 의해 비교광구경 피스톤을 등차적으로 팽창시키는 제2차스팀 기관으로 구성됨을 특징으로 하는 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,

냉매가스 기관은 2행정마다 흡입밸브를 열어 상기 수증기 응축기의 응축탱크에서 실린더로 투입되는 냉매가스에 의해 피스톤을 팽창시키는 제1차냉매가스 기관과, 상기 제1차냉매가스 기관으로 부터 배출되어 실린더에 투입된 냉매가스에 의해 비교광구경 피스톤을 등차적으로 팽창시키는 제2차냉매가스 기관으로 구성됨을 특징으로 하는 내연 기관과 외연 기관을 결합한 발전기용 고효율 등차 엔진.