KR20020097208A

KR20020097208A - 엔진

Info

Publication number: KR20020097208A
Application number: KR1020027012827A
Authority: KR
Inventors: 마이클 윌로우비 에섹스 코니; 히참 사라 압달라; 로저 리챠드즈
Original assignee: 인노지 피엘씨
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-12-31
Also published as: AU2001242649B2; PL357280A1; CA2404259A1; WO2001075290A1; NO20024580D0; JP4605974B2; NO20024580L; JP2003529715A; EP1269001A1; BR0109595A; IL151827A; CN1218120C; ZA200207542B; GB0007917D0; NZ521548A; IL151827A0; MY133801A; HUP0300252A2; US6817185B2; CN1432102A

Abstract

엔진으로서 등온 공기 압축기(1)를 포함하고, 공기가 압축되는 경우 이 등온 공기 압축기로 액체가 스프레이되는 엔진. 연소 챔버(4)는 액체가 제거된 압축 공기를 수용하고 이를 팽창시킨다. 사전압축기(21, 27)는 등온 프로세서의 상류에서 공기를 압축한다. 등온 압축기로부터의 압축 공기는 제 1 열 교환기(3)의 연소 챔버로부터의 배기 가스로부터 열을 수용한다. 제 2 열 교환기(31, 45)는 제 1 열 교환기(3)의 상류에서 엔진의 일부로부터 회수되는 열을 등온 압축기(1)로부터의 압축 공기에 전달한다.

Description

엔진{AN ENGINE}

본 발명은 공기가 압축되는 경우 압축이 실질적으로 등온이 되도록 공기에 액체를 분사하는 액체 스프레이가 제공되는 양 변위 등온 공기 압축기; 압축된 공기가 팽창되어 동력을 생성하는 연소 챔버; 등온 압축기로부터 연소 챔버까지 압축 공기를 공급하는 수단; 연소 챔버의 상류에서 압축 공기로부터 액체를 제거하는 분리기; 연소 챔버로부터의 배기 가스로부터 연소 챔버의 상류의 압축 공기까지 열을 전달하기 위한 제 1 열 교환기; 등온 압축기의 상류에서 공기를 압축하는 사전압축기; 그리고 사전압축기로부터의 공기를 등온 압축기로 공급하는 수단을 포함하는 엔진에 관한 것이다.

이하 "기술된 유형"으로서 언급되는 이러한 엔진은 WO 94/12785에 기술되어 있다.

US 5,839,270에는 상이한 열 엔진이 기술된다. 이 엔진에서 대기는 직접 슬라이딩-블레이드 압축기로 공급된다. 프로세스가 전체적으로 등온임을 확보하도록 압축하는 동안 공기에 급수가 분사된다. 이후 급수 및 압축 공기의 혼합은 급수 및 공기가 분리되는 분리기로 공급된다. 그런 후 일부 공기가 연소 챔버로 공급되는데, 이 연소 챔버에서 연료가 분사되고 연료/공기 혼합이 연소된다. 연소 가스는 이후 개별적인 팽창기로 공급되는데, 여기서 가스가 단열 팽창되어 유용한 일을 수행하고 그리고 압축기를 구동시킨다. 팽창기로부터의 배기 가스는 열 회수 장치로 공급되어, 여기서 가스가 분리기로부터의 잔류 냉각 압축 공기를 예열한다. 예열된 압축 공기는 연소 챔버에서 냉각 압축 공기와 함께 혼합된다. 일예로서, 분리기로부터의 급수에 의하여 팽창기가 냉각된다. 그런 후 팽창기를 벗어나는 가열된 급수는 보일러에 공급되는데 이 보일러는 증기 팽창기에서 유용한 일을 제공하는 증기를 생성하는데 사용된다. 그러므로 상기 명세서에는 압축 공기가 팽창되는 연소 챔버가 개시되지 않고 사전압축기 또는 사전압축기로부터의 공기를 등온 압축기에 공급하는 수단이 개시되지 않는다. 그러므로 이는 기술된 유형의 엔진이 아니다.

Wo 94/12785의 연소 챔버로부터 열을 회수하기 위하여 분리기로부터의 압축 공기의 일부가 연소 챔버를 둘러싸는 냉각 자켓을 관류됨으로써 가열된다. 그런 후 유용 일을 하기 위하여 이 가열된 압축 공기는 실린더에서 팽창된다. 하지만, 냉각제의 온도는 필수적으로 연소기의 재료 및/또는 윤활유가 지지하는 것까지 제한된다. 그러므로 압축 공기의 단위 질량당 냉각 자켓에서 흡수될 수 있는 열량은 매우 작다. 이러한 열을 회수하기 위하여는 상당한 양의 여분 압축 일이 등온 압축기로부터 요구되어 열 회수 이점을 감소시킨다.

본 발명의 제 1관점에 따라, 기술된 유형의 엔진은 엔진의 일부로부터 회수되는 열을 제 1 열 교환기의 상류에서 등온 압축기로부터의 압축 공기에 전달하도록 제공되는 제 2 열 교환기에 의하여 특징지워진다.

그러므로 압축된 공기를 더욱 경제적으로 사용하도록 하여, 본 발명은 WO 94/12785에 개시된 열 회수 프로세스보다 더욱 효율적인 프로세스를 제공한다. 이는 압축 일을 저장하고 전체 효율을 증가시킨다. 본 발명은 엔진의 일부로부터 열을 회수하고 이를 등온 압축기에 의하여 생성되는 압축 공기를 가열하는데 사용한다. WO 94/12785에 기술된 발명과는 달리, 이러한 열을 회수하기 위하여 추가적인 공기가 압축될 필요는 없다. 더욱이, WO/12785와는 달리, 본 발명은 추가적인 열을 회수하는데 사용되는 공기의 팽창을 위한 개별적인 팽창 챔버를 구비할 필요가 없다.

제 2 열 교환기에 의하여 회수되는 열은 배기 가스를 포함하는 엔진의 일부로부터 회수될 수도 있다. 후자의 경우에, 사전압축기가 배기 가스에 의하여, 예를 들어 터빈 또는 다른 유형의 팽창기에 의하여 구동되도록 배치되는 경우, 사전압축기를 구동하는데 사용되는 배기 가스의 온도는 여전히 충분하게 높아서 제 2 열 교환기에서 이들 가스로부터 열을 회수할 수 있다. 하지만, 이는 연소 챔버 냉각 시스템으로 지나는 연소 챔버로부터 및/또는 사전압축기에 의하여 압축되는 공기로부터 열을 회수하려는데 주로 의도된다.

가장 효율적인 엔진 사이클에 대하여, 열은 연소 챔버로부터 그리고 사전연소챔버로부터의 공기로부터 회수된다. 이러한 경우, 제 2 열 교환기는 사전압축기 열 교환기와 그리고 평행하게 연결되는 연소 챔버 열 교환기를 포함하고, 등온 압축기로부터의 압축 공기는 두 개의 스트림으로 분리되는데, 하나의 스트림은 사전압축기 열 교환기에 공급되어 사전압축기로부터의 공기로부터 열을 수용하고, 그리고 다른 스트림은 연소 챔버 열 교환기에 공급되어 연소 챔버로부터 열을 수용하며, 엔진은 등온 압축기로부터의 공기 유동의 두 개의 스트림으로의 분리를 제어하는 수단을 더 포함한다.

엔진의 개별적인 구성 요소로부터 각각이 열을 회수하는 평행한 두 개의 열 교환기를 제공하는 장점은 개별적인 구성 요소로부터의 유용한 열의 온도 범위가 폭 넓게 유사하지만, 엔진 부하에 따라 변화될 수 있다는 점이다. 직렬 배치는 하나의 열원이 일관되게 다른 열원보다 상당히 높은 온도라는 점을 전제로 한다. 사전압축기로부터의 열 및 엔진 냉각 시스템은 겹치는 온도 범위에 대하여 열을 생성하기 때문에, 이는 사전압축기로부터의 열 및 엔진 냉각 시스템으로부터의 열을 구비한 경우가 아니다. 평행 배치는 이러한 상황에서 더욱 적응성이 있다.

또한, 각각의 평행한 유동 경로에서 감소된 공기 유동에도 불구하고, 제 2 열 교환기에서 증발될 양으로 제 2 열 교환기를 진입하는 압축 공기에 급수를 가함으로써 대부분의 유용한 열을 흡수하도록 충분한 용량을 제공하는 것도 가능하다. 물의 높은 증발 잠열은 소량의 물에 의하여 상당한 양의 열을 흡수하는 것을 가능하게 한다. 증발 급수의 장점은 엔진에 추가적인 작동 유체를 제공한다는 점인데, 이는 추가적인 압축일없이 얻게 된다. 이는 보다 높은 엔진 효율과 보다 높은 동력 출력을 일으킨다. 통상적으로 시스템이 제 1 열 교환기의 상류에서 생성되는 증기의 전체 엔탈피를 최대화하도록 형성되는 경우 최적 사이클 효율이 달성된다는 것이 알려진다. 초과 액체 급수를 제 1 열 교환기로 전달하는 것은 비록 동력 출력은 유리할 수도 있으나 통상적으로 사이클 효율에 악영향이라는 것이 알려진다.

압축 공기에 액체를 부가하는 것은 이상 스트림을 형성한다. 스트림이 제 2 열 교환기 내에서 다수 개의 열 교환 요소 중에 배분되는 경우 이러한 스트림의 조성을 제어하는 것은 어렵다. 그러므로, 제 2 열 교환기가 압축 공기를 이송하는 다수 개의 열 교환 요소를 구비하는 경우, 액체는 직접 개개의 요소로 분사되는 것이 바람직하다. 이는 열 교환기 전체에 대한 상 조성의 직접 제어를 가능하게 한다.

액체는 소스로부터 취해질 수도 있다. 하지만, 분리기로부터 취해지는 것이 가장 편리하다.

열이 사전압축기의 공기와 연소 챔버의 공기로부터 회수되는 경우 액체는 각각 사전압축기 열 교환기의 압축 공기 스트림과 연소 챔버 열 교환기의 압축 공기 스트림에 각각 공급되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 엔진은 사전압축기 열 교환기로의 그리고 연소 챔버 열 교환기로의 액체 유동을 제어하는 수단을 더 포함한다.

사전압축기와 연소 챔버 열 교환기로부터의 스트림은 개별적으로 제 1 열 교환기로 공급될 수도 있다. 하지만, 이들은 제 1 열 교환기의 상류에서 결합되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 엔진은 연소 챔버로부터 열을 추출하고 이 열을 제 2 열 교환기에서 압축 공기로 전달하는 액체를 포함하는 냉각제 회로를 포함한다. 제 2 열 교환기가 앞서 기술된 사전 열 교환기와 연소 챔버 열 교환기를 포함하는 경우, 물론 냉각제 회로는 연소 챔버 열 교환기에서 열을 전달할 것이다.

액체 냉각제를 사용하는 것은 종래의 압축 공기보다 연소 챔버의 보다 효율적인 냉각을 제공하여, 엔진의 동력이 증가되는 것을 허용한다.

냉각제 회로의 액체는 가압되지 않을 수도 있다. 하지만, 열 전달의 등급을 낮추고 국부 과열을 일으키는 보일링을 방지하기 위하여 액체는 가압되는 것이 바람직하다. 냉각제 회로는 회로 주변으로 액체를 구동하기 위한 액체 펌프를 구비하는 것이 바람직하다. 냉각제 회로의 액체에 의하여 제공되는 냉각도(degree of cooling)를 향상시키기 위하여, 제 2 열 교환기의 하류에 보조 냉각기를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다.

단순한 형태로, 냉각제 회로는 단일 열 교환기를 구비하는 단일 회로를 포함한다. 연소기는 윤활제의 등급이 떨어지는 것을 방지하기 위하여 비교적 낮은 온도(예를 들어, 200℃보다 낮은 온도)에서 유지되어야 하는 윤활부를 구비할 것이다. 다른 한편, 연소기는 통상적으로 보다 높은 온도에 도달될 수 있는 실린더 헤드와 같은 비윤활부를 구비할 것이다. 단일 냉각 회로가 사용되는 경우, 냉각제는 보다 높은 고온 비윤활 표면 전의 냉각 윤활 표면을 통과하도록 배치되어야 한다. 하지만, 금속 표면과 냉각제 사이의 비교적 작은 온도 차로 상당한 비율의 연소기에 충분한 냉각을 제공하기 위하여, 고온 전달 계수와 보다 높은 유동율을 구비할 필요가 있다. 불행히도, 유동율이 높지 않다면, 냉각제 온도는 매우 높게 증가하지 않으며, 이러한 결과 최종 냉각제 온도는 제 2 열교환기에서 상당히 낮다. 그러므로, 일정한 실시예에 대하여 엔진은 제 2 열 교환기가 높은 고온 열 교환기와 저온 열 교환기를 포함하도록 배치될 수도 있고, 그리고 냉각제 회로는 고온 회로와 저온 회로를 포함하는데, 고온 회로는 액체가 연소 챔버의 비교적 높은 고온부를 거쳐 고온 열 교환기를 지나 순환하도록 배치되고, 그리고 저온 회로는 액체가연소 챔버의 비교적 낮은 저온부를 거쳐 저온 열 교환기를 지나 순환하도록 배치되며, 그리고 분리기로부터의 압축 공기를 공급하여 저온 열 교환기를 거쳐 열을 수용하는 그리고 이어 고온 열 교환기를 거쳐 제 1 열 교환기로 진입하기에 앞서 추가적인 열을 수용하는 수단을 포함한다. 연소 냉각제 유동율, 그리고 이로 인한 열 전달 계수는 각 회로에서의 비교적 작은 온도 변화로, 양 회로에서 높은 레벨로 유지될 수 있다.

최대 냉각제 온도는 각각의 경우에 윤활 표면 및 비윤활 표면에서 수용할 수 있는 높은 레벨로 유지될 수 있다.

이 경우, 엔진은 저온 열 교환기의 개개의 요소에서 그리고 고온 열 교환기의 개개의 요소에서 압축 공기에 액체를 부가하는데, 상기 저온 열 교환기의 개개의 요소에서의 액체는 저온 열 교환기에서 증발되고 상기 고온 열 교환기의 개개의 요소에서의 액체는 고온 열 교환기에서 증발된다. 이는 저온 및 고온 열 교환기로 진입하는 공기/액체의 상 배분을 제어하는 문제를 해결한다.

저온 열 교환기 및 고온 열 교환기를 구비하는 상기 언급된 배치에 대한 대안으로서, 냉각제 회로가 제 2 열 교환기, 주 회로로부터 액체를 공급받는 저온 회로, 저온 회로 주변으로 연소 챔버의 비교적 낮은 저온부를 거치도록 액체를 펌핑하기 위한 저온 펌프, 저온 회로로부터의 액체 추출 유동을 공급받는 고온 회로, 고온 회로 주변으로 연소 챔버의 비교적 높은 고온부를 거쳐 액체를 펌핑하기 위한 고온 펌프, 그리고 고온 회로로부터의 추출 액체 유동을 제 2 열 교환기에 공급하는 수단을 포함할 수도 있다.

이러한 장치는 고온 회로 및 저온 회로가 제 2 열 교환기의 1차측이 적절한 유동율을 구비하는 것을 허용함과 동시에, 이들 각각의 최대 온도에 근접하게 유지되는 것을 허용하고 그리고 연소기를 거친 높은 유동율을 허용한다. 이는 단일 열 교환기를 요구하는 사전 배치에 대한 장점을 구비한다. 다른 한편으로는, 세 개의 펌프가 요구된다. 그러므로 시스템의 선택은 요소의 상대적인 가격에 어느 정도 의존한다.

Wo 94/12785에서처럼 사전압축기가 배기 가스에 의하여 전체적으로 구동될 수 있도록 배치될 수도 있다. 하지만 사전압축기가 단지 배기 가스에 의하여 부분적으로 구동되도록 배치되는 경우 엔진의 동력 출력은 상당히 증가될 수도 있다는 것이 알려진다. 또한 사전압축기가 배기 가스에는 무관한 추가적인 동력 소스를 구비하는 경우 더욱 신속하게 부하를 변경시킬 수도 있다는 의미에서 엔진은 더욱 유연한 것으로 알려진다.

엔진의 동력 출력은 공기의 질량 유량에 의하여 그리고 압축 시스템에 의해 연소 실린더에 이송되는 최종 압력에 의하여 주로 결정된다. 공기의 질량 유동이 보다 높을수록 보다 많은 연료가 일정한 연공비(fuel to air ratio)로 엔진의 열 부하 제한에 종속하여 추가될 수 있다. 또한 보다 높은 압력이 연소 가스의 팽창의 관점에서 증가하고 그리고 매연의 제한에 종속하여 이의 장점을 취하도록 연공비를 증가시키는 것이 가능하다. 연소 프로세스의 효율 자체가 유지될 수 있는 경우 효율과 동력 출력은 연공비를 증가시킴에 따라 증가한다.

등온 압축기는 압축 시스템의 전체 압력비의 보다 큰 부분을 제공할 수 있다. 통상적으로 본 발명에서 사용되는 등온 압축기는 약 10:1 내지 약 25:1의 범위의 압축비에 대하여 가장 적절하다. 예를 들어 100:1의 전체 압력비가 요구되는 경우, 이는 등온 압축기가 25:1을 실행하고 사전압축기가 4:1을 실행하는 경우에 달성될 수 있다. 보다 높은 압력비는 직렬의 두 개의 등온 압축기를 사용함으로써 달성될 수 있다. 두 개의 등온 압축기는 동일한 크랭크샤프트로 구동되는 것이 바람직하다.

배기 가스 온도에 의존하여 10⁵㎩의 유입 공기 압력으로, 전형적인 터보과급기는 등온 압축기의 유입구에 약 4×10⁵㎩의 압력을 가할 수 있고, 이는 보조적인 압축의 형태없이 약 10⁷㎩의 압력을 가할 수 있다. 하지만 등온 압축기로의 유입구에서의 압력이 높은 동력 요구의 주기 동안 8×10⁵㎩까지 두배로 되는 경우, 동일한 물리적 크기의 등온 압축기가 10⁷㎩의 동일한 유출 압역으로 두 배의 공기 질량 유동을 이송하는 것이 가능하다. 등온 압축기의 압력비를 12.5:1까지 감소시키는 것에 의하여 야기되는 절감보다 보조 압축기를 구동하는데 요구되는 동력이 훨씬 증가될 것이기 때문에 엔진 효율은 수 퍼센트까지 감소될 것이다. 하지만, 이러한 방법에 의하여 달성되는 동력 출력의 증가는 거의 50%까지 증가한다. 이는 증가된 동력 출력 및 적응성의 한 실시예인데, 이는 보조 압축을 제공함으로써 달성될 수 있다.

보조 압축은 배기 가스의 가용한 에너지에 전체적으로 의존하기 때문에 또다른 장점이 생긴다. 터보과급기에 의존하여 왕복운동 유니트의 상류에서 공기 압축을 제공하는 엔진은 추가적인 동력에 대한 요구에 반응하는 상당한 시간을 취한다. 이는 연료의 증가와 이에 의한 터보과급기의 속도의 증가 사이에 존재하는 시간 지연 때문이다.

이는 최대 압력을 증가시키는 가능성을 허용하기 때문에 보조 압축의 다른 중요한 장점을 일으킨다. 이는 엔진이 높은 효율과 동시에 높은 동력 출력을 달성하는 것을 허용한다.

그러므로 이러한 장치는 순 엔진 동력이 상당히 증가하며 종래의 높은 사이클 효율이 유지되거나 역으로 효과를 받지 않는 엔진을 제공한다. 또한, 이러한 장치는 엔진의 반응 속도와 제어에 있어 상당한 개선을 제공할 수 있다.

배기 가스에 의하여 구동됨과 더불어, 사전압축기는 엔진 사이클에 대한 전기 모터와 같은 외부 동력 소스에 의하여 구동되거나 또는 연소 챔버의 피스톤에 작동하는 가스의 팽창에 의하여 생성되는 동력에 의하여 구동될 수도 있다. 후자의 경우에, 주 크랭크샤프트가 연소 챔버의 피스톤에 작용하는 가스에 의하여 구동되는 경우 이러한 크랭크샤프트는 바람직하게는 기어박스를 통하여 사전압축기를 구동하는데 사용된다.

다른 대안은 사전압축기를 구동하는 배기 가스의 온도를 증가시키도록 버너와 같은 열원을 제공하는 것이다. 이는 사전압축기에 동력을 증가시키는 단순한 방식을 제공하며 특히 짧은 주기 동안 동력을 증가시키는데 적절하다.

사전압축기는 이중 동력원을 구비하는 단일 압축기일 수도 있다. 하지만,사전압축기는 직렬로 연결되는 두 개의 압축기를 포함하는 것이 바람직한데, 하나의 압축기는 배기 가스에 의하여 구동되고 그리고 다른 하나의 압축기는 그러하지 않다. 이러한 경우, 하나의 압축기는 다른 압축기보다 높은 압축비를 구비하는 것이 바람직하고, 그리고 압축기의 하류에서 열이 회복된다. 달리 말하면, 배기 가스는 다른 동력원보다 높은 압축도를 제공하는데 사용된다. 통상적으로, 하나의 압축기는 다른 압축기의 압축비의 두 배의 압축비를 구비할 수도 있다.

사전압축기가 직렬로 배치되는 두 개의 압축기로 구성되는 경우, 여기서 한 압축기는 배기 가스에 의하여 구동되고 그리고 다른 압축기는 개별적인 동력원에 의하여 구동되는 경우, 상류 위치에 하나 또는 다른 하나를 구비하는 것이 가능하다. 선택은 적절한 구성 요소의 가용성에 기초하여 그리고 부분 부하 조건의 범위에 대한 구성 요소 압축기의 압력 및 유동 특성에 기초하여 행해질 수도 있다.

배기 가스에 의하여 구동되지 않는 압축기와 같은 다른 압축기는 적절한 압축기일 수도 있다. 하지만, 다른 압축기는 비교적 저렴한 비용으로 큰 유동 체적을 다룰 수 있도록 회전 압축기인 것이 바람직하다. 이 경우, 회전 압축기는 단일단 원심 압축기인 것이 바람직하다. 필요한 제어도(degree of control)를 제공하기 위하여 다른 압축기는 가변 속도 모터에 의하여 구동될 수도 있고 또는 가변 기하 압축기(geometry compressor)일 수도 있다. 추가적인 선택은 다른 압축기가 유입구 스월 각(inlet swirl angle)을 변경시킴으로써 고정 속도 압축기의 압축비를 감소시킬 수 있는 가변 유입구 가이드 베인을 구비하는 것이다.

사전압축기의 효율을 증가시키기 위하여, 중간 냉각기는 사전압축기의 두 개의 압축기 사이의 공기를 냉각시키도록 제공되는 것이 바람직하다. 추가적인 개선은 사전압축기와 등온 압축기 사이의 공기를 냉각시키도록 사전-냉각기를 사용함으로써 제공될 수 있다. 이는 등온 압축기에 진입하는 공기가 최저 가능 온도에 있다는 것을 확보하는 것이다. 제 2 열 교환기가 사전압축기로부터의 공기로부터 열을 회수하는 경우, 공기 사전-냉각기는 제 2 열 교환기의 하류에 배치된다. 등온 압축기에 진입하는 공기의 추가적인 냉각은 등온 압축기로 진입하기에 앞서 공기를 냉각시키는 급수 스프레이에 의하여 제공될 수 있다.

양 변위 등온 공기 압축기는 슬라이딩 베인 또는 스크류 압축기와 같은 압축기일 수도 있다. 하지만, 이는 실린더 내에서 피스톤이 왕복운동하여 공기를 압축시키는 왕복운동 압축기인 것이 바람직하다.

바람직하게는, 동력 요구의 상당한 변동에 용이하게 대응할 수 있는 엔진을 제공하기 위하여, 저장 챔버, 등온 압축기로부터 저장 챔버까지 압축 공기를 공급하는 수단, 저장 챔버로부터 연소 챔버까지 압축 공기를 공급하는 수단, 그리고 등온 압축기로부터의 압축 공기를 저장 챔버 또는 연소기에 선택적으로 공급하기 위한 그리고 저장 챔버로부터의 압축 공기를 연소 챔버로 선택적으로 공급하기 위한 밸브 시스템이 제공된다.

그러므로, 저동력 요구의 경우에, 공기는 예를 들어 압력 베젤, 고압 파이핑 또는 일종의 지하 공동(underground cavern)에 압축되어 저장될 수 있다. 이러한 압축 공기는 높은 요구의 주기 동안 동력 생성을 위하여 사용될 수 있다. 특히, 엔진은 압축 공기의 저장에 적합한데, 등온 압축기를 벗어나는 공기가 연소기에서사용될 수 있는 압력에 있는 경우 이는 추가적인 압축을 요구하지 않고 그리고 허비 압력 감소없이 직접 사용될 수 있다. 엔진은 시스템 압력의 범위에 대하여 효율적으로 작동될 수 있는 것처럼, 사용될 그리고 사용되기 전에 보정 작동 압력까지 공기를 스로틀링시키는 압력보다 상당히 높은 압력까지 공기를 압축할 필요는 없다. 또한, 등온 압축기에 의하여 압축되는 공기가 냉각되는 경우, 저장에 앞서 열을 제거할 필요가 없다.

저장 용량을 지닌 시스템의 적응성을 개선하기 위하여, 등온 압축기 및 연소기는 구동 샤프트에 의하여 연결되고, 그리고 모터/생성기가 한 쌍의 클러치 사이의 샤프트에 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 엔진으로부터의 배기 가스에 의하여 구동되는 생성기가 제공될 수도 있고 그리고 독립적인 동력 공급기가 사전압축기에 대하여 제공될 수도 있다.

엔진의 일부로부터 열을 회수하여 열을 엔진의 외부 사이트로 전달하도록 수단이 제공되는 경우, 엔진은 복합 열 및 동력 시스템(combined heat and power system, CHP system)으로서 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 엔진에 의하여 생성되는 외부 용도의 동력 및 열의 상대 양을 조절하는 수단이 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 일정한 부분으로부터 열이 회복될 수 있다. 하지만, 하나의 유동 선호는 압축 공기 및/또는 배기 가스의 일부를 제 1 열 교환기를 거쳐 전달하는 바이패스 라인을 제공하고 그리고 바이패스 라인을 통한 유동을 제어하기 위한 바이패스 밸브를 제공하는 것이다. 이는 연소기를 진입하는 압축 공기 온도의 결과적인 감소로 일정한 압축 공기가 제 1 열 교환기를 관류하지 않고 연소기에 직접 공급되는것을 가능하게 한다. 하지만, 배기 가스는 열을 덜 방출시킬 것이고 이는 보다 높은 온도로 제 1 열 교환기를 벗어나게 한다. 이러한 보다 높은 온도의 배기 가스는 외부 가열을 위하여 사용된다. 밸브는 요구되는 열 또는 동력의 상이한 비율을 생성하는 적응성을 허용함으로써 제 1 열 교환기를 우회하는 압축 공기의 양이 제어되는 것을 허용한다. 압축 공기에 대한 바이패스 라인에 대한 대안으로, 제 1 열 교환기 주변으로 배기 가스의 일부를 우회시키는 바이패스 라인이 제공될 수 있다. 이는 압축 공기 바이패스 라인과 유사한 효과를 지닌다. 바이패스 라인 및 밸브는 또한 CHP 시스템의 독립적인 밸브를 구비한다. 이는 즉, 사전압축기를 구동하는 배기 가스의 온도를 증가시켜 엔진 부하의 신속한 조정을 허용함으로써 버너에 유사한 효과를 구비하는데 사용될 수 있다.

산업 목적을 위해 높은 등급의 열을 제공하기 위하여, 제 1 열 교환기가 외부 가열 회로에 연결되는 다수 개의 유동 경로를 포함할 수도 있다.

또한 본 발명은 동력 생성 방법으로 연장되는데, 이 방법은 양 변위 압축기의 공기를 압축하는 단계; 압축이 실질적으로 등온이 되도록 공기가 압축되는 경우 압축기에 액체를 분사하는 단계; 압축 공기로부터 액체를 제거하는 단계; 압축 공기를 연소 챔버에 공급하는 단계; 연료를 분사하는 단계; 연료를 분사시키고 그리고 연소 챔버에서 연소 가스를 팽창시켜 동력을 생성하는 단계; 그리고 연소 챔버로부터의 배기 가스를 제 1 열 교환기에 공급하여 연소 챔버의 상류 압축 공기를 가열시키는 단계를 포함하고; 엔진의 일부로부터 열을 회수하고 그리고 제 1 열 교환기의 상류에서 등온 압축기로부터의 압축 공기에 열을 전달하는 것을 특징으로한다.

바람직하게, 상기 방법이 추가적으로 양 변위 압축기의 상류에서 사전압축기의 공기를 압축하는 단계를 포함하고, 그리고 열을 회수하는 단계가 사전압축기 열 교환기의 사전압축기로부터 열을 회수하고 그리고 연소 챔버 열 교환기의 연소 챔버로부터 열을 회수하는 단계를 포함한다.

이러한 상황에서, 열 회수는 양 변위 압축기로부터의 공기를 두 개의 스트림으로 분리하고 하나의 스트림을 사전압축기 열 교환기에 공급하고 그리고 다른 스트림을 연소 챔버 열 교환기에 공급하며, 열 회수를 최적화시키는 방식으로 공기를 두 개의 스트림으로 분리시키는 것을 제어하는 단계에 의하여 개선될 수 있다.

두 개의 열 교환기의 성능을 최적화하기 위하여, 상기 방법은 요구 공기 분리를 사전압축기 열 교환기와 연소 챔버 열 교환기에 대한 다양한 유입구 조건의 함수로서 특정하는 조사표에 의하여 각각의 스트림에 지시되는 공기의 분율을 제어하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

다른 개선은 각각의 열 교환기 상류에 각각의 두 개의 스트림에 액체를 공급하고 각각의 스트림에 공급되는 액체 양을 조절하는 단계에 의하여 달성될 수 있다.

다른 개선으로서, 본 방법은 사전압축기 열 교환기와 연소 챔버 열 교환기 각각의 고온 단부에서 유입 스트림 및 유출 스트림 사이의 온도차를 모니터링하는 단계를 포함할 수도 있고 그리고 원하는 레벨로 온도차를 유지하도록 각각의 열 교환기로의 급수 유동을 제어하는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따라 구성되는 엔진의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다:

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 엔진의 다양한 기본 구성 요소를 도시하는 개략도를 도시하고;

도 2는 제 1 엔진의 다양한 구성 요소의 상호 관계를 도시하는 개략도이고;

도 3은 제 2 엔진의 다양한 구성 요소의 상호 관계를 도시하는 개략도이고;

도 4는 제 3 엔진의 다양한 구성 요소의 상호 관계를 도시하는 개략도이고;

도 5는 제 4 엔진의 다양한 구성 요소의 상호 관계를 도시하는 개략도이다.

기본 엔진 구성 요소

도 1에는 본 발명에 적용되는 엔진의 기본 구성 요소가 도시된다. 엔진은 네 가지 구성 요소, 즉 등온 압축기(isothermal compressor, 1), 분리기(separator, 2), 열 회수 장치(recuperator, 3) 및 연소기(combustor, 4)로 구성된다.

등온 압축기(1)는 피스톤이 왕복 운동하는 단일 실린더를 포함한다. 급수 분무는 스프레이 펌프(5)에 의하여 제공되고 그리고 공기는 공기 흡입구(6)를 거쳐 등온 압축기로 진입된다. 적절한 유입구 밸브 및 유출구 밸브가 제공되어, 피스톤 하강 행정에서는 공기가 공기 유입구(6)를 통하여 등온 압축기로 흡입되고 그리고 복귀 행정시에 공기가 압축되는 동시에, 압축을 가능한한 등온 압축 부근에서 유지하도록 액체 분무가 제어된다. 압축 행정의 종부에서 비말 동반된(entrained) 급수를 구비한 냉각 압축 공기(cold compressed air)는 등온 압축기 유출구(7)를 통하여 배출된다.

등온 압축기는 WO 94/12785에 기술되어 있다. 압축기 그리고 특히 물 분무용으로 사용되는 노즐의 보다 상세한 기술은 WO 98/16741에 제시된다.

분리기(2)는 유입 스트림을 급수 스트림(8)과 냉각 압축 공기 스트림(9)으로 분리한다. 그런 후 냉각 압축 공기 스트림(9)은 열 회수 장치(3)로 공급되는데, 여기서 냉각 압축 공기 스트림은 연소기(4)로부터 유도되는 배기 스트림(10)의 배기 가스에 의하여 가열된다. 이렇게 가열된 압축 공기는 고온 압축 공기 스트림(11)으로서 열 회수 장치(3)를 벗어나 연소기(4)로 공급된다.

연소기(4)에서, 고온 압축 공기는 연료 유입구(12)로부터 공급되는 연료와 혼합되고 그리고 연소되어 동력을 생성한다. 연소기는 왕복 내연 기관이고, 이 경우 세 개의 실린더를 포함한다. 연소기(4)에 의하여 구동되는 크랭크샤프트(13)는 등온 압축기(1)에 연결되어, 등온 압축기는 직접 연소기에 의하여 구동된다.

열을 냉각 압축 공기에 방출한 배기 가스는 냉각 배기 스트림(14)으로서 열 회수 장치를 벗어나는데, 이 냉각 배기 스트림은 이 시점에서 대기로 방출되거나 또는 이하 기술되는 바와 같이 사용될 수도 있다.

도 1을 참조하여 기술되는 원리는 본래 Wo 94/12785의 도 4에 도시된 것들이다.

제 1 실시예

도 2에는 본 발명에 따라 구성된 엔진의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 이러한 엔진은 앞서 도 1에 도시된 모든 구성 요소를 포함하고, 그리고 이러한 구성요소는 동일한 도면 부호를 사용하여 도 2에 도시된다.

도 2의 실시예는 등온 압축기(1)의 유입 공기 상류 스트림을 압축하기 위한 공기 충진 시스템(air charge system)을 병합한다.

공기는 대기 공기 유입구(20)를 통하여 공기 충진 시스템에 유입되고 그리고 가변 속도 모터(22)에 의하여 구동되는 전기 송풍기(electric blower, 21)에서 초기에 압축된다. 전기 송풍기(21)는 터보과급기(turbocharger)에 사용되는 것과 유사한 단일-단 원심 압축기(single-stage centrifugal compressor)이다. 대안적으로 스크류 압축기, 루트 송풍기, 축 팬, 또는 하나 또는 그 이상의 단 원심 압축기일 수 있다. 압축은 등온 또는 단열일 수도 있다. 비교적 저렴한 비용으로 큰 유동 체적을 처리할 수 있기 때문에 송풍기의 가장 적절한 형태는 회전 압축기이다. 단의 수를 증가시켜 물리적 크기 및 비용을 증가시키기 쉽지만 송풍기는 고속보다는 동기 속도(synchronous speed)로 구동될 수 있다. 가변 속도 모터(22) 대신에 송풍기(21)는 주 엔진 크랭크샤프트로부터 기계적인 수단에 의하여 구동되거나 또는 외부 동력 소스에 의하여 구동될 수 있다.

부분 부하의 효율성 측면에서는 가변 속도 모터(22)가 선호되지만, 비용적인 측면에서 가변 유입구 가이드 베인을 구비하는 고정 속도 원심 압축기를 구비하는 것이 나을 수도 있다. 유입구 가이드 베인은 유입구 스월 각을 변경시킴으로써 고정 속도의 압축비를 감소시킬 수 있다. 송풍기의 동력 소비는 감소되지만, 특히 큰 가이드 베인 각에서 효율성이 감소된다. 가변 유입구 가이드 베인은 가변 주파수를 제공하는 인버터의 가격에 비하여 상대적으로 저렴하기 때문에 비용이 더욱절감된다. 송풍기가 기어박스를 통하여 엔진에 의하여 구동되는 경우 비용이 훨씬 절감된다. 이는 전기 모터의 비용을 절감시킨다. 효율성이 개선되는가 아닌가는 요구되는 추가적인 기어링의 효율성에 대한 모터의 효율성에 의존한다.

상기 배치는 가변 확산기 베인(variable diffuser vanes)을 포함하여 적응성을 개선한다. 가변 속도, 가변 유입구 가이드 베인 및 가변 확산기 베인이 원심 압축기의 적응성을 개선하는데 종종 채택되는 것은 알려진 것이다.

통상적으로 전기 송풍기(21)는 유입 공기용 2:1 압축비를 제공하도록 설정된다.

송풍기를 벗어나는 공기는 전기 송풍기 배출 라인(23)을 따라 중간 냉각기(intercooler, 24)를 통하여 배출되는데, 이 중간 냉각기는 제 1 냉각 타워 라인(26)을 통하여 냉각 타워(25)로 열을 방출한다. 비록 이러한 열은 사이클 내에서 사용되지는 않지만, 방출되는 열은 대략 평균 65℃이여서 이러한 열이 공간 또는 급수 가열과 같은 일정한 외부 목적을 위하여 사용되지 않는다면 이러한 열을 회복시키는 이점은 거의 없거나 또는 전혀 없게 된다.

중간 냉각기(24)를 벗어나는 공기는 중간 냉각기 배출 라인(28)을 통하여 터보 압축기(27)로 진입된다. 터보 압축기(27)는 통상적으로 대략 4:1의 압축비를 구비하고 그리고 이미 부분적으로 압축된 공기를 더 압축하도록 제공된다. 터보 압축기(27)는 터보 터빈(29)에 의하여 직접 구동되며, 터보 터빈은 이하 기술되는 바와 같이 배기 가스에 의하여 직접 구동된다. 터보 압축기(27)로부터의 가스는 터보 압축기 배출 라인(30)을 따라 터보 열 교환기(31)에 공급되며, 이 터보 열 교환기에서 가스는 일부 열을 이하 기술되는 바와 같이 사이클의 다른 부분으로 전달한다. 터보 압축기에서의 보다 높은 압축비로 인하여, 송풍기(21)를 벗어나는 때의 가용 열보다는 터보 압축기(27)를 벗어나는 때의 가용 열이 상당히 크다.

터보 열 교환기 냉각 배출 라인(32)을 따라 터보 열 교환기(31)를 벗어나는 공기는 공기 사전-냉각기(pre-cooler, 33)를 관류하는데, 이 공기 사전-냉각기는 공기를 가능한한 최저 온도에 근접하도록 냉각시키고 방출된 열을 제 2 냉각 타워 라인(34)을 따라 냉각 타워(25)로 배출시킨다. 이러한 열의 평균 온도는 매우 낮아서, 효율성 측면에서 거의 역효과가 없다.

공기 사전-냉각기를 벗어나자 마자, 냉각 부분 압축 공기는 등온 압축기(1)로 진입하고 그리고 앞서 기술된 바와 같이 압축된다.

도 3 및 도 4에 도시된 대안적인 장치에 있어서, 터보 압축기(27)에 의하여 초기 사전 압축이 이루어진다. 그런 후 터보 압축기(27)를 벗어나는 공기는 추가적인 압축을 위해 중간 냉각기(24)를 통하여 등온 압축기(1)에 공급되기에 앞서 터보 열 교환기(31)에 열을 방출한다. 그런 후 도 2를 참조하여 기술되는 바와 같이 공기는 공기 사전 냉각기(33)를 통하여 등온 압축기(1)에 공급된다.

도 2의 실시예로 돌아가서, 앞서 기술된 바와 같이 압축하는 동안 급수가 등온 압축기(1)의 상류의 공기로 그리고 등온 압축기(1)로 분사된다. 도시된 급수 시스템은 보충수 공급 라인(35)을 구비하여, 작동하는 동안 급수 공급 시스템으로부터 손실된 급수를 교체한다. 보충수 공급 라인으로부터의 급수는 이온제거기(deioniser, 36)를 통하여 공급되고 펌프(37)에 의하여 펌핑되어 등온압축기(1)의 상류에 배치된 분무화 노즐을 통하여 공기 유입구(6)로 진입된다. 이는 이 지점에서 공기를 추가적으로 냉각시켜 각각의 행정에서 압축되는 공기의 질량을 최대화한다. 이 지점에서의 보충수를 부가하는 또 다른 장점은 보충수 펌프는 급수를 등온 압축기 유입구 압력까지 급수를 펌핑하는데에만 필요하다는 점이다.

급수 및 압축 공기는 등온 압축기 유출구(7)를 통하여 등온 압축기(1)를 벗어나고 분리기(2)에 공급된다. 분리기는 압축 공기로부터 급수를 분리하고, 이 급수는 제 1 급수 스트림(8)과 제 2 급수 스트림(38)으로 배출된다.

제 1 급수 스트림(8)은 스프레이 급수 냉각기(39)에서 열을 방출하여 제 3 냉각 타워 라인(40)을 통하여 냉각 타워(25)로 열을 방출한다. 그런 후 냉각된 급수는 스프레이 급수 냉각기(39)로부터 등온 압축기로 사전 기술된 바와 같은 스프레이 펌프(5)에 의하여 펌핑된다.

액체 체적이 제 1 급수 스트림(8)을 통하여 복귀되는 동안, 액체 추기 유동이 제 2 급수 스트림(38)으로서 제공된다. 이는 터보 열 교환기 급수 스트림(41)과 엔진 열 교환기 스트림(42)으로서의 두 개의 유동으로 분리된다. 유사하게, 분리기를 벗어나는 공기 스트림(9)은 터보 열 교환기 공기 스트림(43)과 엔진 열 교환기 공기 스트림(44)으로 분리된다.

그런 후, 두 개의 터보 열 교환기 스트림(41, 43)은 터보 열 교환기(31)에서 재결합되는데, 이들은 이 터보 열 교환기에서 터보 압축기(27)로부터의 유동 배출로부터 열을 수용한다. 유사하게, 두 개의 엔진 열 교환 스트림(42, 44)은 이하기술되는 엔진 냉각 시스템으로부터 열을 수용하도록 엔진 열 교환기(45)에 결합된다.

터보 열 교환기(31)와 엔진 열 교환기(45)에 부가되는 급수는 대략 각각의 열 교환기의 양 측면에서 열적 용량을 대략 균등화한다. 부가되는 액체 질량은 모든 액체가 열 교환기에서 증발되도록 충분히 작아야 한다. 이상 혼합제(two-phase mixutre)의 열 교환기 내에서의 분포를 제어하기 어렵기 때문에 공기 및 액체가 분리되어 열 교환기에서 재결합된다. 그러므로 두 개의 유동의 재결합은 열 교환기의 개개의 구성 요소 내에서만 발생하여, 정확한 위상 조합의 제어가 가능하다.

공기 유동 분리의 제어 및 급수 분사의 제어가 기술될 것이다. 공기 유동 분리는 요구 사항에 의하여 결정되어 터보 열 교환기(31)로부터의 그리고 엔진 열 교환기(45)로부터의 열 회복을 최대화한다. 제어 시스템 내에 간직된 조사표(look-up table)를 사용함으로써 최적화될 수도 있는데, 이는 파라미터의 함수로서 최적 공기 유동 분리를 제공하고 파라미터 함수는 유입구 경계 조건을 정한다. 이러한 파라미터는 분리기로부터의 압력, 온도 및 공기 유량을 포함하고 그리고 제 1 측부 유동의 온도 및 유량을 포함한다. 조사표는 사이클의 사전 분석으로부터 유도되어 최적 공기 유동 분리를 찾는데, 이는 급수 부가 효과를 포함한다.

두번째 단계는 각각의 열 교환기로 분사되는 급수 유동을 결정하는 것이다. 물은 예를 들어 각각의 열 교환기를 위한 개별적인 계측 펌프에 의하여 분사될 수도 있다. 각각의 경우에 분사되는 급수의 양을 조절하는 것은 각각의 열 교환기 고온 단부에서의 특정 1차측에 대한 2차측 온도 차의 달성에 기초될 수 있다. 측정 온도 차가 너무 낮다면, 열 흡수를 최대화하기에 급수가 불충분하다는 것이다. 측정된 온도 차가 너무 높다면, 모든 급수가 증발된 것은 아니거나 증기 엔탈피가 너무 낮아서 급수 분사율은 감소되어야 한다.

추가적으로, 일정한 제한이 특별한 열 교환기의 공기 유출구 온도에 의존하는 급수 분사량까지 부과될 수 있다. 일정한 제한(120℃ 부근) 이하라면, 급수가 분사되지 않는다. 저온 압축 공기에서는 증발이 거의 없기 때문에 이러한 제한이 부과되는데, 이는 예를 들어 제어 시스템의 오작동의 결과로 급수가 초과 분사되는 가능성을 줄인다.

열 교환기 출구에서의 측정 온도 차를 사용하는 방법이 효과적인 이유는 증발 잠열때문에 증발을 완성시키기에 앞서 2차측에서의 온도 증가율은 1차측의 온도 증가율에 비하여 낮다는 것이다. 일단 증발이 이루어지면, 2차측의 온도는 급격하게 증가한다. 이는 증발이 완성된 후에 열 교환기의 1차측과 2차측 사이의 온도차를 급격하게 좁힌다. 이러한 좁힘 효과는 용이하게 감지 가능하고 최적 효율로 시스템을 유지하도록 신속한 피드백되는 방식으로 급수 입력을 제어하는데 사용될 수 있다.

상기 제어 방법은 부하 조건의 범위에 대하여 효율적인 방식으로 엔진을 작동시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어 높은 부하에서는 터보 열 교환기(31)와 엔진 열 교환기(45)로부터의 상당한 열량이 있을 것이고, 이들 둘 사이의 대략 동일한 공기 분리가 있을 수도 있다. 열 교환기의 양 유형으로 상당히 큰 급수 분사율이 있을 수도 있다. 매우 낮은 부하에서는, 터보 압축기(27)의 부스트 압력은 상당히 감소하고 그리고 제어 시스템은 공기 또는 급수를 터보 열 교환기(31)로 지향시키지 않을 것이다. 상기 시스템은 부하 변화, 작동 압력, 스타트-업 및 중지, 그리고 대기 온도 변화의 효과 또는 엔진의 냉각 요구 사양의 다른 효과를 포함하는 폭 넓은 엔진 작동 조건에 대하여 자체 최적화할 것이다.

터보 열 교환기 고온 배출 스트림(46) 및 엔진 열 교환기 배출 스트림(47)은 결합 배출 스트림(48)으로 결합되고, 이 결합 배출 스트림은 열 회수 장치(3)에 공급되고 이 열 회수 장치에서 결합 배기 스트림이 엔진 배기 스트림(10)으로부터 열을 수용하며, 그런 후 고온 공기 스트림(11)으로서 연소기(4)에 공급된다. 여기서 고온 공기 스트림은 연료 유입구(12)로부터의 연료와 결합되고 연소되고 팽창되어 동력을 생성한다.

엔진 냉각 회로(49)가 제공되어 엔진을 냉각하고 그리고 회수된 열을 엔진 열 교환기(45)에 공급하는데, 이 엔진 열 교환기에서 열이 엔진 열 교환기 급수 및 공기 스트림(42, 44)으로 전달된다. 급수는 급수 펌프(water pump, 50)에 의하여 냉각 회로 주변으로 펌핑되는 엔진 냉각 유체로 사용된다. 엔진 열 교환기(45)의 급수 하류의 추가적인 냉각을 제공하는데 필요하다면 보조 엔진 냉각기(51)가 유용할 수도 있다. 보조 엔진 냉각기(51)에서 제거된 낮은 등급의 열은 제 4 냉각 타워 라인(52)을 따라 냉각 타워(25)로 배출된다. 오일 냉각기(53)로부터의 열은 제 5 냉각 타워 라인(54)을 통하여 냉각 타워로 배출된다.

열 회수 장치를 벗어나는 냉각 배기 스트림(14)은 터보 터빈(29)으로 공급되고, 여기서 팽창되어 터보 압축기(27)를 구동한다. 전체는 아니지만 대부분의 유용한 에너지가 추출된 팽창 배기 가스는 터보 터빈 배출 라인(55)을 통하여 배출된다.

단일 사전 압축기로서 터보과급기를 사용하는 선택 사양

가장 경제적인 선택 사양은 모든 사전 압축이 고압비의 터보 과급기를 사용하여 실행되는 것일 수도 있다. 이러한 시스템은 도 2에 도시되는데, 여기서 일부 구성 요소들(22, 21, 23, 24, 26, 및 28)은 생략된다. 이 경우 유입구 공기(20)는 직접 터보과급기 압축기(28)로 전달된다. 100:1보다 큰 전체 압력비가 고 성능 티타늄 임펠러를 구비하는 터보과급기를 구비한 그리고 배기 가스에 대부분의 에너지를 남겨두는 축소 표면 에너지의 열 회생 장치를 구비한 시스템에서 달성될 수 있다.

선택적인 배기 가스 급수 회수

필요하다면 배기 가스로부터 급수를 회수하도록 도 2에 도시된 사이클이 개조될 수도 있다. 이러한 선택적인 구조는 급수가 부족하거나 고가인 실시예에서 바람직하다. 배기 가스로부터 급수를 회수하기 위하여, 터보 터빈 배출 라인(55)은 회전 재생기(55A)의 1차측으로 전달되고 그리고 배기 가스 냉각기(55B)로 전달된 후에 다시 대기로 배출되기에 앞서 회전 재생기(55A)의 2차측으로 전달된다.

배기 가스는 대기의 원래 수분, 추가된 급수 및 연료의 수소로부터 생성된 수증기를 포함한다. 배기 가스가 냉각기(55B)에서 냉각되는 경우, 급수는 응축되고 그리고 회수된 급수 스트림(55C)으로서 수집될 수 있다. 회전 재생기(55A)의 목적은 최종 냉각에 앞서 배기 가스를 냉각시키는 것이다. 그런 후 따뜻한 배기가스의 부력을 개선하고 그리고 대기에서의 가스 방산을 돕기 위하여 배출되기에 앞서 흡수된 열은 배기 가스에 재저장된다. 회전 재생기(55A)는 두 개의 스트림 사이의 압력 차이가 작고 그리고 유동 사이의 적절한 누설이 용인될 수 있는 상태에서 우수한 열 전달을 달성하는 편리한 방법이다.

제 1 실시예를 참조하여 기술되었으나, 이러한 급수 회수 장치는 다음의 실시예에서 사용될 수 있다.

제 2 실시예

본 발명에 따른 엔진의 제 2 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 이는 도 2의 엔진과 거의 유사하며, 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 도면 부호를 사용하였다.

앞서 기술된 바와 같이, 도 3에 도시된 터보 압축기(27)와 송풍기(21)는 도 2와는 대립되는 구조로 배치된다.

도 2와 도 3 사이의 중요한 다른 차이점은 엔진 냉각제 회로에 있다. 이 경우, 도 2의 단일 엔진 냉각제 회로(49)는 저온 냉각제 회로(49L)와 고온 냉각제 회로(49H)에 의하여 대체된다. 이러한 회로는 도 2의 유동 회로(49)와 같은 동일한 기본 구성 요소로 구성되며, 동일한 도면 부호로 지시되고, 저온 회로 구성 요소는 도면 부호에 따라 "L"로 지시되고, 고온 구성 요소는 도면 부호에 따라 "H"로 지시된다.

저온 회로는 연소기(4)의 저온 부분(4L)로부터 열을 추출하도록 배치된다. 통상적으로, 저온부(4L)는 실린더 라이너와 윤활되는 밸브 가이드를 포함할 것이다. 액체는 저온 급수 펌프(50L)에 의하여 저온 열 교환기(45L)를 거치고 그런 후 저온 보조 엔진 냉각기(51L)를 통하여 저온 회로 주변으로 펌핑되는데, 저온 보조 엔진 냉각기에서 열은 라인(52L)을 통하여 냉각 타워로 방출된다.

고온 회로는 연소기(4)의 고온부(4H)로부터 열을 추출한다. 고온부는 통상적으로 실린더 헤드와 유입구 밸브 포트 및 배기 밸브 포트를 포함하는데, 유입구 밸브 포트 및 배기 밸브 포트는 윤활되지 않아 보다 높은 온도에 도달될 수도 있다. 액체는 고온 급수 펌프(50H)에 의하여 고온 엔진 열 교환기(45H)와 고온 보조 엔진 냉각기(51H)를 통하여 고온 회로 주변으로 펌핑되는데, 고온 보조 엔진 냉각기에서는 열이 라인(52H)를 통하여 냉각 타워로 방출된다.

저온 엔진 열교환기(45L)에는 개별적인 엔진 열 교환기 급수(42L)와 공기 스트림(44L)이 제공되는데, 여기서 앞선 실시예에서와 같이 이들은 열 교환기에서 통합된다. 그런 후 결합 스트림은 저온 엔진 열 교환기(45L)에서 가열되고 그리고 액체가 기화된다. 저온 열 교환기(45L)를 벗어나는 스트림(44H)은 고온 엔진 열 교환기(45H)로 공급된다. 개별적인 고온 엔진 열 교환기 급수 스트림(42H)은 고온 엔진 열 교환기(45H)에서 스트림(44H)과 결합된다. 이는 급수가 개별적으로 저온 엔진 열 교환기에 부가되는 것과 동일한 이유로, 즉 열 교환기에서 이상 배분(distribution of the two phases)의 제어를 가능하게 하기 위하여 행해진다. 이러한 부가적인 액체는 보다 높은 고온 열 교환기(45)에서 증발되고, 그리고 후속적으로 엔진 열 교환기 배출 스트림(47)은 도 2에서와 동일한 방식으로 처리된다.

제 3 실시예

도 4에는 본 발명에 따른 엔진의 제 3 실시예가 도시된다. 이는 대부분이 도3의 엔진과 유사하며, 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 도면 부호를 사용하였다.

도 3 및 도 4의 실시예 사이의 차이점은 엔진 냉각제 회로(49)에 있다.

도 3과는 달리, 도 4의 실시예는 단일 엔진 열 교환기(45)와 단일 보조 엔진 냉각기(51)를 포함한다. 유입 압축 공기 및 액체 스트림을 가열하는 관점에서 엔진 열 교환기(45)의 작동은 주 급수 펌프(50)와 보조 엔진 냉각기(51)를 포함하는 주 냉각제 회로 구성 요소인 도 2를 참조하여 기술된 바와 동일한 것이다.

도 3에서와 같이, 도 4에서 개별적인 고온 및 저온 회로는 엔진의 고온부(4H)와 저온부(4L)를 냉각시키도록 제공된다. 하지만, 도 3에서와는 달리 도 4에서는 회로가 연결되어 양 회로를 거친 동일한 액체가 유동한다. 급수는 연소기의 고온부 (4H)를 거쳐 펌프(50H)에 의하여 고온 회로(49H) 주변으로 펌핑된다. 급수는 저온 급수 펌프(50L)에 의하여 저온 회로(49L) 주변으로 펌핑되어 연소기(4)의 저온부(4L)를 냉각시킨다. 제 1 유동 경로(56)는 저온 회로(49L)를 고온 회로(49H)와 연결하고 제 2 유동 경로(57)는 고온 회로(49H)로부터 주 냉각제 회로(49)까지 유도된다.

급수는 주 펌프(50)에 의하여 저온 회로(49L)로 펌핑되고 저온 펌프(50L)에 의하여 연소기(4)의 저온부(4L)로 펌핑된다. 이러한 가열된 대부분의 급수는 저온 회로(49L) 주변을 재순환하지만, 이러한 것들은 제 1 유동 경로(56)를 통하여 저온 회로를 벗어나고 그리고 고온 회로(49H)로 진입한다. 이러한 급수는 고온회로(49H)에서 재순환 고온 급수와 혼합되는데, 이 고온 회로는 고온 펌프(50H)에 의하여 순환되고 연소기(4)의 고온부(4H)를 통과한다. 그런 후 이러한 유동의 일부가 제 2 유동 경로(57)를 따라 주 냉각제 회로(49)로 변위되고 엔진 열 교환기(45)로 변위된다. 이러한 급수는 엔진 열 교환기(45)에서 그 열을 배출하고, 그런 후 다시 주 급수 펌프(50)에 의하여 저온 회로(49L)로 펌핑된다.

질량 보존은 주 급수 펌프(50) 주변의 유동이 제 1 유동 경로 및 제 2 유동 경로(56, 57)과 동일할 것을 요구한다. 이러한 유동은 주 급수 펌프(50)에 지배된다. 고온 회로(49H)와 저온 회로(49L)에서의 유동율은 각각의 펌프(50H, 50L)에 의하여 지배되는데, 이들 주 회로에서의 유동보다 훨씬 높을 수 있다. 그러므로 고온 회로 (49H) 및 저온 회로(49L)를 각각의 최대 온도에 근접하게 유지하고, 연소기를 거친 높은 유동율을 유지하지만, 열 교환기(45)의 1차측이 적절한 유동율을 가지도록 하는 것은 가능하다.

도 4는 바이패스 밸브(48B)의 제어 하에 배출 스트림(48)로부터 유도되는 바이패스 라인(48a)을 도시한다. 이는 사전 가열된 압축 공기의 일부가 열 회수 장치(3)를 우회하여 연소기(4)로 직접 공급되도록 한다. 이는 연소기(4)로 공급되는 공기 온도의 전체 감소를 일으키지만, 배기 스트림(14)으로서 열 회수 장치(3)를 벗어나는 배기 가스의 온도를 상응하는 온도로 증가시킬 것이다. 이러한 스트림에서의 부가적인 열은 외부 가열을 위하여 또는 터보 터빈(29)으로 부가적인 동력을 제공하는데 사용될 수 있다. 도 4에 이러한 바이패스 라인(48A)이 예시적으로 도시되어 있지만, 기술된 실시예의 어떠한 경우에도 적용될 수 있다. 유사한 장치가열 회수 장치(3) 주변으로 일부 배기 가스를 우회시키는데 사용될 수도 있다.

복합 열 및 동력(COMBINED HEAT AND POWER, CHP)

열역학적 효율을 개선시키고자 기술된 모든 사이클들은 가능한한 많은 유용 열을 회수하려고 시도하고 이를 사이클로 복귀시킨다. 이러한 사이클들은 복합 열 및 동력 시스템(CHP system)으로서의 사용을 위하여 용이하게 개조 가능한데, 이 복합 열 및 동력 시스템에서는 사이클로 회수되거나 또는 냉각 타워로 배출되는 낮은 등급의 열은 외부적으로 사이클이 공간 가열 또는 급수 가열과 같은 낮은 등급의 열에 대한 수요로 공급하는데 사용된다. 이러한 적응성은 다양한 유동 및 온도를 제어하여 전기적 효율을 최적화하고, 전체 효율을 최적화하고, 동력 출력을 최대화하고, 열 출력을 최대화하고, 또는 특정 열 대 동력 비를 달성하는 포텐셜에 기인한다. 저 등급 열은 경제적으로 저장되거나 상당한 거리에 대하여 전달될 수 없기 때문에, 이러한 적응성은 기간마다, 나날이 또는 한 가지 이유로부터 다른 이유에 이르기까지 요구의 변동에 대응하는데 있어 매우 유익하다.

또한 엔진은 광범위한 동력에 대하여 높은 전기적 변환 효율을 유지할 수 있는데, 이러한 광범위한 동력은 등온 압축과 배기 열의 열 회수와의 조합의 결과이다. 그러므로 높은 효율을 유지함과 동시에 열과 동력의 이중 적응성은 열 대 동력 비가 상당한 범위에 대하여 변화되어 각각의 생성에 대한 현재 요구(current demand)를 조화시키도록 할 수 있다. 다른 원동기에 연결된 CHP 시스템의 경우는 아니다.

엔진 사이클은 낮은 등급 열의 다수 개의 포텐셜 소스를 구비하는데, 이는외부 가열을 위하여 사용될 수 있다. 이들은 중간 냉각기(24), 터보 열 교환기(31), 공기 사전 냉각기(33), 스프레이 급수 냉각기(39), 엔진 열 교환기(45), 오일 냉각기(53), 그리고 터보-배출 라인(55)을 포함한다. 터보 열 교환기(31) 또는 엔진 열 교환기(45)가 CHP에 대한 열원으로서 사용되는 경우 급수 분사를 감소시키거나 중단하는 것이 바람직한데, 그렇지 않다면 열 회수 장치(3)를 진입하는 공기는 너무 냉각되고 열 회수 장치의 냉각 단부를 벗어나는 배기 가스는 터보 터빈(29)을 드라이브하는 충분한 에너지를 구비하지 못한다. 동일한 이유로 터보 열 교환기(31)와 엔진 열 교환기(45)를 CHP에 대한 열원으로서 사용하는 것이 바람지하지 않다. 스프레이 급수 냉각기(39)가 열원으로서 사용되는 경우, 등온 압축기는 보다 낮은 급수 유동으로 신중히 작동될 수 있어, 급수는 보다 높은 온도까지 가열된다. 그러므로 사이클 효율을 희생하여 여분의 열이 생성된다.

추가적으로, 복합 배출 스트림(48)은 열 회수 장치(3)를 우회하도록 배치될 수 있고 그리고 열 회수 장치의 하류에서 고온 공기 스트림(11)과 결합될 수 있다. 이는 연소기(4)에 공급되는 공기의 온도를 감소시키지만, 터보 터빈(29)으로 진행하는 배기 가스의 온도는 증가시킨다. 이러한 보다 높은 온도의 가스는 터보 터빈(29)에 의하여 생성되는 동력을 증가시키는데 사용될 수 있거나 또는 터보 터빈 배출 라인(55)에서의 가스 온도를 증가시키는데 사용될 수 있는데, 이러한 터보 터빈 배출 라인의 가스는 사이클의 외부 열로서 사용될 수 있다. 변화하는 동력과 열 요구에 대응하는 적응성을 제공하도록 열 회수 장치를 우회하는 공기량이 밸브에 의하여 제어될 수 있다. 열 회수 장치를 벗어나는 배기 가스의 온도를 증가시키는 대안적인 방법은 라인(10)을 거쳐 연소기를 벗어나는 고온 배기 가스에 대한 우회로를 제공하여, 본 가스의 제어 량이 열 회수 장치를 거쳐 통과하지는 않지만 제어 밸브를 거쳐 직접 라인(14)에 관류하도록 하는 것이다. 이러한 구성에서, 바이패스 제어 밸브는 고온 가스 온도를 견디어낼 필요가 있으나, 일정한 조정에 대한 속도의 관점에서 이러한 바이패스 유형에는 장점이 있다.

상기 기술된 CHP에 대한 모든 선택 사양은 예를 들어 단지 공간 가열 또는 급수 가열을 위한 낮은 등급 열의 외부 설비에만 적절하다. 산업적인 목적을 위하여 높은 등급의 열을 제공할 수 있도록 엔진을 채택하는 것도 가능하다. 산업 협동-생성(co-generation)은 종종 약 10 bar와 180℃에서의 포화 증기를 생성하는 것을 요구한다. 이러한 유형의 열을 제공하는 방법은 다음과 같이 기술된다.

열 회수 장치 내 튜브의 일정한 부분은 엔진의 유동 회로에 연결되지는 않지만 대신에 개별적인 외부 증기-물 회로에 연결된다. 외부 회로는 펌핑된 급수 유동을 제공하는데, 이러한 유동은 원하는 작동 압력의 포화 온도에 또는 그 부근에 있는 것이 바람직하다. 광범위한 압력은 튜빙 내에 수용될 수 있기 때문에, 산업 프로세스에 적절하도록 급수 압력이 선택된다. 포화 급수는 열 회수 장치 튜브를 따라 유동하는 동안 점진적으로 증기로 증발된다. 급수 유동율과 열 회수 장치의 1차 측의 가스 온도에 의존하여, 열 회수 장치의 고온 단부에 존재하는 유동은 이상 증기 급수 혼합제일 수도 있거나, 또는 포화 증기 또는 과열 증기일 수도 있다. 증기가 응축되는 동안 요구 가열 듀티(heating duty)를 실행하도록 이러한 높은 엔탈피 유동이 취해진다. 그런 후 응축 급수는 펌프를 통하여 열 회수 장치로 복귀된다.

열 회수 장치 튜브의 잔여 부분은 고압 공기를 이송하는데, 이러한 고압 공기는 앞서 기술된 바와 같이 정상 엔진 작동 유체이다. 열 회수 장치에서 가능한 열의 상당한 부분은 증기 형태의 외부 열을 제공하도록 전환되는 경우, 열 회수 장치를 벗어나는 최종 공기 온도는 감소될 것이다. 연소기에 제공되는 공기 온도의 감소는 엔진의 동력 출력을 재저장하기 위하여 더욱 많은 연료가 연소될 필요가 있다는 것을 의미한다. 명확하게 이는 엔진의 전기적 효율성에 효과가 있지만, 이러한 감소는 유용한 열의 출력에 의하여 보상된다.

두 세트의 튜브는 다양한 배치가 가능하고 이들과 연계된 가스는 열 회수 장치에서 유동한다. 이들 두 개의 가스 경로는 직렬로 배치되어 공기를 함유하는 튜브가 고온의 배기 가스와 만날 수도 있지만, 증기 튜브는 적절한 온도에서 부분적으로 냉각된 배기 가스와 만날 수도 있다. 이러한 배치는 효율을 최대화하고 컴팩트한 열 회수 장치를 유지한다는 차원에서 우수하다. 대안적으로 두 세트의 튜브가 평행하게 이어지는 개별적인 가스 유동 경로와 함께 배치될 수 있다. 또 다른 가능성은 특정 축 위치에서 가스 온도의 큰 차이로부터 야기되는 기계적 응력을 회피하는 방식으로 증기 튜브를 단일 공통 가스 유동 경로 내에서 공기 튜브와 교차시키는 것이다.

기술된 방식으로 산업 협동-생성을 위한 엔진을 사용하는 장점은 이미 열 회수 장치가 엔진의 일부로서 존재한다는 점이다. 이는, 특히 열 전달에 있어서의 고온 가스 압력의 유리한 효과의 관점에서 통상적인 설비에 비하여 증기 플랜트의비용을 감소시킨다. 또 다른 장점은 튜브의 적절한 배치에 의하여 적응성이 있는 협동-생성이 가능하다는 점이다. 예를 들어, 공기 및 증기 튜브가 상기한 바와 같은 동일한 가스 경로 내에서 교차되거나 또는 두 세트의 튜브가 직렬로 배치되는 경우 동력 생성을 위한 최적 방식으로 잔여 열을 사용하는 동시에 협동-생성의 목적을 위하여 추출된 열량을 변동시키는 것이 가능하다.

산업 협동-생성을 위하여 증기를 제공하는데 충분히 높은 온도의 열을 제공하는 대안적인 방법은 열 회수 장치로부터 터보과급기 터빈으로 배기 가스를 취하는 파이프(14)로 보충 연료 버너를 도입하는 것이다. 증기 생성기는 터보-터빈으로부터 배출되는 배기 가스 스트림(55)에 배치될 수도 있다. 이러한 선택은 부하 변화에 대한 적응성을 제공하는 것과 연계하여 언급된다.

압축 공기 저장

엔진은 도 5에 도시된 압축 공기 에너지 저장 시스템을 구비하도록 개조될 수도 있다. 도면에서, 대부분의 동일한 구성 요소는 도 3에서와 같이 존재하고, 그리고 동일한 도면 부호로 지시된다. 추가적으로, 이러한 시스템은 저장 라인(61)에 의하여 분리기(2)의 하류에서 공기 스트림(9)에 연결되는 저장 챔버(60)를 구비한다. 추가적인 저장 밸브(63, 64)는 저장 라인(61)의 어느 한 편에 제공되어 저장 챔버(60)와 엔진 시스템 사이에서 다양한 작동 모드로 압축 공기의 완전 제어를 가능하게 한다.

급수 저장 체적(69) 및 급수 저장 밸브(70)는 시스템으로 저장 급수의 선택적인 공급을 위하여도 제공된다.

압축 공기를 저장하는 프로세스는 연소기를 구동하는데 사용되는 것보다 더 많은 양의 압축 공기를 압축 시스템이 생성하는 것을 요구한다. 이는 압력을 증가시킴으로써 그리고 송풍기(21)와 터보 터빈(29)에 의하여 이송되는 유동을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이는 송풍기(21)에 전력을 증가시킴으로써 엔진의 변화되지 않은 구성으로 한 지점까지 행해진다. 하지만, 터보 압축기(27)를 관류하는 질량이 터보 터빈(29)을 관류하는 질량 유동보다 훨씬 큰 경우 터보과급기의 압력-유동 특성의 균형을 맞추는 것은 어렵다.

유사하게 저장된 압축 공기를 사용하여 엔진의 동력 출력을 증가시키는 프로세스는 압력과 그리고 송풍기(21) 및 터보 터빈(29)에 의하여 등온 압축기(1)의 유입구까지 이송되는 질량 유량이 감소될 것을 요구한다. 이는 송풍기로의 동력 입력을 감소시킴으로써 변화되지 않은 엔진 구성으로 한 지점까지 달성될 수 있다. 하지만, 터보 압축기(27)의 질량 유동과 터보 터빈(29)의 질량 유동 사이의 불균형이 다시 발생할 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이 압축기로부터 물리적으로 단절되는 터빈을 구비함으로써 압축 공기 유동이 배기 가스 유동과 상당히 다를 수도 있는 조건 범위를 다루는 송풍기(21)와 터보 터빈(29)의 가용성이 상당히 개선될 수 있다. 이러한 경우 터빈은 보조 생성기(71)에 연결되고 그리고 개별적인 모터는 전체 사전-압축기에 동력을 공급한다. 이러한 배치에서 터빈에 의하여 이송되는 동력이 낮음과 동시에 압력 그리고 송풍기(21) 및 터보 터빈(29)에 의하여 이송되는 질량 유동은 높을 수도 있다. 반대 상황도 가능하다. 그러므로 엔진은 압축 공기 저장의 높은속도로부터 자기-지지 동력 생성(self-sustaining power generation)을 거쳐 저장소로부터 압축 공기의 신속한 추출로 높은 동력 생성까지의 광범위한 조건에 대하여 작동할 수 있다.

주 생성기가 모터로서 작동할 수 있는 경우, 재형성된 사전-압축기의 유리한 점으로 사전-압축기와 외부 동력을 사용하는 등온 압축기를 구동하는 것도 가능하다. 사전-압축기를 완전히 차단하고 최소 동력 소비로 등온 압축기를 작동시키는 것도 가능하다.

연소기 냉각제 시스템으로부터 열을 회수하는 방법은 동력 생성을 포함하는 모든 조건하에서 적용될 수 있다. 사전-압축기가 등온 압축기의 유입구로의 증가된 압력을 생성하는데 사용될 때마다, 압축 공기로부터 회수될 수 있는 열도 있을 것이다. 보조 열 교환기의 다양한 부분으로의 급수 그리고 공기 유동을 조절하는 가용성은 광범위한 조건하에서 열을 회수하는 적응성을 제공한다.

엔진이 순 압축기로서 또는 순 동력 생성기로서 장기간 동안 작동되도록 의도되는 경우, 엔진을 재구성하는 선택 사양이 있어서 모터-생성기가 등온 압축기와 연소기 사이에 배치된다. 모터-생성기를 등온 압축기나 연소기 또는 동시에 이들 모두에 연결하는 것은 도 5에 도시된 바와 같은 기계적인 클러치를 사용하여 배치될 수 있다. 이 경우 등온 압축기(1)를 연소기(4)에 연결하는 축(65)은 두 개의 클러치(66, 67)와 모터/생성기(68)를 병합하는 방식으로 분리한다. 클러치(66, 67)는 미끄러짐 또는 열 발생이 없도록 하기 위하여 자기-동기화 타입이 바람직하다. 클러치(66, 67)는 모터/생성기(68)를 등온 압축기(1)나 연소기(4)에 또는 동시에 이들 모두에 선택적으로 연결할 수 있다. 모터/생성기(68)는 명칭이 의미하는 바와 같이 모터로서 또는 생성기로서 작동될 수 있다. 이러한 설비로 연소기를 작동시키지 않고 단독으로 압축기를 작동시키거나 또는 압축기없이 연소기를 작동시키는 것은 가능하다. 이는 엔진의 구동 부분에 의하여 야기되는 기생 마찰 손실(parasitic friction losses)이 불필요한 경우 이 손실을 감소시킨다.

기술된 방식으로 적용되는 압축 공기 저장소 시스템의 적응성은 다음의 작동 모드 리스트에 의하여 도시된다.

a) 저장 리저버로부터 부가되거나 또는 추출되는 공기 없이 정상 동력 생성.

b) 외부 그리드 동력에 의하여 구동되는 압축 시스템 및 생성되는 모든 공기의 저장소, 이러한 모드에서, 연소기는 불활성화됨.

c) 저장소로부터의 공기를 사용하여 동력 생성. 이 모드에서 압축 시스템은 불활성화됨.

d) 순 생성없이 압축 시스템의 동력 소비에 매칭되는 동력 생성. 압축 시스템에서 생성되는 대부분의 공기가 저장됨.

또한 작동 상태도 중간 조건의 무한 수로 존재한다.

Claims

공기가 압축되는 경우 상기 공기에 액체를 분사하여 압축이 실질적으로 등온이 되도록 액체 스프레이가 제공되는 양 변위 등온 공기 압축기(1);

상기 압축 공기가 팽창되어 동력을 생성하는 연소 챔버(4);

상기 등온 공기 압축기로부터 상기 연소 챔버까지 상기 압축 공기를 공급하는 수단(7, 9, 11);

연소 챔버의 상류에서 상기 압축 공기로부터 액체를 제거하는 분리기(2);

상기 연소 챔버로부터의 배기 가스로부터 상기 연소 챔버 상류의 압축 공기로 열을 전달하기 위한 제 1 열 교환기(3);

상기 등온 압축기의 상류에서 상기 공기를 압축시키는 사전압축기(21, 27);

상기 사전압축기로부터 상기 등온 압축기까지 상기 공기를 공급하는 수단(30, 32)을 포함하는 엔진으로서,

상기 제 1 열 교환기(3)의 상류에서 상기 등온 압축기(1)로부터의 상기 압축 공기로 상기 엔진의 일부로부터 회수된 열을 전달하도록 제공되는 제 2 열 교환기(31, 45)에 의하여 특징지워지는 엔진.
제 1항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기(45)에 대한 열이 상기 연소 챔버(4)로부터 회수되는 엔진.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기(31)에 대한 열이 상기 사전압축기(21, 27)로부터의 공기에서 회수되는 엔진.
제 2항 및 제 3항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기가 사전압축기 열 교환기(31) 및 평행하게 연결되는 연소 챔버 열 교환기(45)를 포함하고, 그리고 상기 등온 압축기로부터의 상기 압축 공기가 두 개의 스트림(43, 44)으로 분리되는데, 하나의 스트림(43)은 상기 사전압축기 열 교환기(31)에 공급되어 상기 사전압축기(21, 27)로부터 열을 수용하고, 그리고 다른 스트림(44)은 상기 연소 챔버 열 교환기(45)에 공급되어 상기 연소 챔버(4)로부터 열을 수용하며; 상기 엔진은 상기 등온 압축기로부터의 공기 유동을 두 개의 스트림으로 분리하는 것을 제어하는 수단을 더 포함하는 엔진.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기(31, 45)에서 증발될 양으로 상기 제 2 열 교환기에 진입하는 상기 압축 공기에 액체(38, 41, 42)가 부가되도록 배치되는 엔진.
제 5항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기(31, 45)는 상기 압축 공기를 이송하는 다수 개의 열 교환 요소를 구비하고, 그리고 상기 액체가 직접 각각의 요소에 분사되는 엔진.
제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 액체(38)가 상기 분리기(2)로부터 취해지도록 배치되는 엔진.
제 4항 그리고 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 액체(41, 42)는 상기 사전압축기 열 교환기(31)와 연소 챔버 열 교환기(45)에서의 각각의 압축 공기 스트림(43, 46; 44, 47)에 공급되고; 상기 사전압축기 및 연소 챔버 열 교환기(31, 45)로의 액체 유동을 제어하는 수단을 더 포함하는 엔진.
제 4항 또는 제 8항에 있어서, 상기 두 개의 스트림(46, 47)이 상기 제 1 열 교환기(3)의 상류에서 결합되는(48) 엔진.
제 2항에 있어서, 상기 연소 챔버(4)를 냉각시키고 상기 제 2 열 교환기(45)의 열을 상기 압축 공기로 전달하는 액체를 함유하는 냉각제 회로(49)를 포함하는 엔진.
제 10항에 있어서, 상기 액체가 가압되는 엔진.
제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 냉각제 회로(49)가 상기 회로 주변으로 상기 액체를 구동시키기 위한 액체 펌프(50)를 구비하는 엔진.
제 12항에 있어서, 상기 회로(49)가 상기 제 2 열 교환기(45)의 하류에서 보조 냉각기(51)를 포함하는 엔진.
제 10항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기(45)가 고온 열 교환기(45H)와 저온 열 교환기(45L)를 포함하고, 그리고 상기 냉각제 회로(49)는 고온 회로(49H)와 저온 회로(49L)를 포함하며, 상기 고온 회로는 연소 챔버의 상대적으로 높은 고온부(4H)를 지나 상기 고온 열 교환기를 거치게 액체를 순환시키도록 배치되는 고온 펌프(50H)를 구비하고, 상기 저온 회로는 상기 연소 챔버의 상대적으로 낮은 저온부(4L)를 지나 상기 저온 열 교환기를 거치게 액체를 순환시키도록 배치되는 저온 펌프(50L)를 구비하며, 그리고 상기 저온 열 교환기를 거쳐 열을 수용하고 이어 상기 고온 열 교환기를 거쳐 상기 제 1 열 교환기(3)로의 진입 전에 추가적으로 열을 수용하도록 상기 분리기(2)로부터의 상기 압축 공기를 공급하는 수단(44L, 44H)을 포함하는 엔진.
제 14항에 있어서, 상기 저온 열 교환기(45L)의 개별적인 구성 요소에서 상기 압축 공기에 급수를 부가하고, 그리고 상기 고온 열 교환기(45H)의 개별적인 구성 요소에서 상기 압축 공기에 급수를 부가하는 수단(42H, 42L)을 더 포함하고, 상기 저온 열 교환기의 개별적인 구성 요소의 모든 액체는 상기 저온 열 교환기에서 증발되고 그리고 상기 고온 열 교환기의 개별적인 구성 요소의 모든 액체는 상기 저온 열 교환기에서 증발되는 엔진.
제 10항에 있어서, 상기 냉각제 회로는 상기 제 2 열 교환기(45)를 포함하는 주 회로 주변으로 액체를 펌핑하기 위한 주 펌프(50), 상기 주 회로로부터 액체를 공급하는 저온 회로(49L), 상대적으로 낮은 상기 연소 챔버의 저온부(4L)을 거쳐 상기 저온 회로 주변으로 액체를 펌핑하기 위한 저온 펌프(50L), 상기 저온 회로로부터 액체의 추기 유동(56)이 공급되는 고온 회로(49H), 상대적으로 높은 상기 연소 챔버의 고온부(4H)를 거쳐 상기 고온 회로 주변으로 액체를 펌핑하기 위한 고온 펌프(50H), 그리고 상기 고온 회로로부터 상기 제 2 열 교환기(45)까지 액체의 추기 유동을 공급하는 수단(57)을 포함하는 엔진.
제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사전압축기가 상기 연소 챔버로부터의 배기 가스에 의하여 부분적으로만 구동되도록 배치되는 엔진.
제 17항에 있어서, 상기 사전압축기(21, 27)가 상기 연소 챔버(4)에서 가스 팽창에 의하여 생성되는 동력에 의하여 부분적으로 구동되는 엔진.
제 18항에 있어서, 상기 연소 챔버(4)에서 가스의 팽창에 의하여 주 크랭크샤프트(13)가 구동되며, 상기 주 크랭크 샤프트가 상기 사전압축기(21, 27)를 구동하는데 사용되는 엔진.
제 17항에 있어서, 상기 사전압축기(21, 27)가 외부 동력 소스(22)에 의하여 부분적으로 구동되는 엔진.
제 20항에 있어서, 상기 사전압축기(27)를 구동하는 상기 배기 가스의 온도를 증가시키도록 열원이 제공되는 엔진.
제 21항에 있어서, 상기 열원이 버너인 엔진.
제 17항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사전압축기가 직렬로 연결된 두 개의 압축기(21, 27)를 포함하고, 상기 두 개의 압축기 중 압축기(27)는 배기 가스에 의하여 구동되고, 그리고 상기 다른 압축기(21)는 배기 가스에 의해 구동되지 않는 엔진.
제 23항에 있어서, 상기 압축기(27)는 상기 다른 압축기(21)보다 높은 압축비를 구비하고 그리고 열이 상기 압축기의 하류에서 회수되는 엔진.
제 24항에 있어서, 상기 압축기(27)가 상기 다른 압축기(21)의 압축비보다 적어도 두 배인 압축비를 구비하는 엔진.
제 23항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다른 압축기(21)가 회전 압축기인 엔진.
제 26항에 있어서, 상기 회전 압축기(21)가 단일단 원심 압축기인 엔진.
제 23항 내지 제 27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다른 압축기(21)가 가변 속도 모터(22)에 의하여 구동되는 엔진.
제 23항 내지 제 28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다른 압축기(21)가 가변 기하 압축기인 엔진.
제 29항에 있어서, 상기 다른 압축기(21)가 가변 유입구 가이드 베인을 구비하는 엔진.
제 20항 내지 제 30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사전압축기의 두 개의 압축기(21, 27) 사이의 공기를 냉각시키도록 중간 냉각기(24)가 제공되는 엔진.
제 1항 내지 제 31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사전압축기(21, 27) 및 상기 등온 압축기(1) 사이의 공기를 냉각시키도록 공기 사전-냉각기(33)가 제공되는 엔진.
제 1항 내지 제 32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 등온 압축기(1)로 진입하기에 앞서 공기를 냉각시키도록 급수의 스프레이가 제공되는 엔진.
제 1항 내지 제 33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양 변위 등온 압축기(1)는 피스톤이 실린더 내에서 왕복운동하여 상기 공기를 압축시키는 왕복 운동 압축기인 엔진.
제 1항 내지 제 34항 중 어느 한 항에 있어서, 저장 챔버(60), 상기 등온 압축기(1)로부터 상기 저장 챔버까지 상기 압축 공기를 공급하는 수단(61), 상기 저장 챔버로부터 상기 연소 챔버(4)까지 압축 공기를 공급하는 수단(61), 그리고 상기 저장 챔버로 또는 상기 연소 챔버로 상기 등온 압축기로부터 압축 공기를 선택적으로 공급하기 위한 그리고 압축 공기를 상기 저장 챔버로부터 상기 연소 챔버까지 선택적으로 공급하기 위한 밸브 시스템(62, 63, 64)를 더 포함하는 엔진.
제 35항에 있어서, 상기 등온 압축기(1)와 연소 챔버(4)가 드라이브 샤프트(65)에 의하여 연결되고 그리고 모터/생성기(68)가 한 쌍의 클러치(66, 67) 사이에서 상기 샤프트에 연결되는 엔진.
제 35항 또는 제 36항에 있어서, 상기 엔진으로부터의 배기 가스에 의하여 구동되는 생성기(71)가 제공되고 그리고 상기 사전압축기를 위한 독립 동력공급기(22)가 제공되는 엔진.
제 1항 내지 제 37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진의 일부로부터 열을 회수하는 그리고 상기 엔진 외부로의 목적을 위하여 상기 열을 사용하는 수단을 더 포함하는 엔진.
제 38항에 있어서, 상기 엔진에 의하여 생성되는 외부 사용을 위한 상대적인 동력량과 열량을 제어하는 수단을 더 포함하는 엔진.
제 1항 내지 제 39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 공기의 일부 및/또는 상기 제 1 열 교환기(4)를 거친 배기 가스의 일부를 전송하는 바이패스 라인(48A), 그리고 상기 바이패스 라인을 거친 유동을 제어하기 위한 바이패스 배브(48B)를 더 포함하는 엔진.
제 1항에 있어서, 상기 연소 챔버(4)로부터의 배기 가스로부터 상기 제 2 열 교환기에서 열이 회수되는 엔진.
제 38항에 있어서, 상기 제 2 열 교환기에 대한 열이 상기 사전압축기의 하류에서의 상기 배기 가스(55)로부터 회수되는 엔진.
제 38항에 있어서, 상기 제 1 열 교환기(4)가 외부 가열 회로에 연결되는 다수 개의 유동 경로를 포함하는 엔진.
양 변위 압축기(1)에서 공기를 압축시키는 단계;

상기 공기가 압축되는경우 상기 압축기에 액체를 분하시켜 상기 압축기 실질적으로 등온이 되도록 하는 단계;

상기 압축 공기로부터 액체를 제거하는 단계;

상기 압축 공기를 연소 챔버(4)로 공급하는 단계;

연료를 분사하는 단계;

상기 연료를 연소시키고 상기 연소 챔버에서 상기 연소 가스를 팽창시켜 동력을 생성하는 단계; 그리고

상기 연소 챔버로부터의 상기 배기 가스를 제 1 열 교환기(3)에 공급하여 상기 연소 챔버의 압축 공기 상류스트림을 가열시키는 단계를 포함하는 동력을 생성하는 방법으로서;

상기 엔진 일부로부터의 열을 회수하고 그리고 이 열을 상기 제 1 열 교환기의 상류 스트림에서 상기 등온 압축기로부터의 압축 공기로 전달하는 단계에 의하여 특징지워지는 동력을 생성하는 방법.
제 44항에 있어서, 상기 양 변위 압축기(1)의 상류에서 사전압축기(27, 29)의 공기를 압축시키는 단계를 더 포함하고, 그리고 상기 열을 회수하는 단계가 사전압축기 열 교환기(31)에서 상기 사전압축기로부터 열을 회수하고 그리고 연소 챔버 열 교환기(45)에서 상기 연소 챔버(4)로부터의 열을 회수하는 단계를 포함하는 동력을 생성하는 방법.
제 45항에 있어서, 상기 양 변위 압축기(1)로부터의 상기 공기를 두 개의 스트림(43, 44)으로 분리시키는 단계, 상기 스트림(43)을 상기 사전압축기 열 교환기(31)에 공급하고 다른 스트림(44)을 상기 연소 챔버 열 교환기(45)에 공급하는 단계, 그리고 상기 공기를 상기 두 개의 스트림으로 분리하는 것을 조정하는 단계를 더 포함하는 동력을 생성하는 방법.
제 46항에 있어서, 상기 요구되는 공기 분리를 상기 사전압축기 열 교환기(31)와 연소 챔버 열 교환기(45)에 대한 상기 다양한 유입구 조건의 함수로서 특정하는 조사표에 의하여 각각의 스트림으로 지향되는 공기 분율을 조정하는 단계를 더 포함하는 동력을 생성하는 방법.
제 46항 또는 제 47항에 있어서, 상기 각각의 열 교환기(31, 45)의 상류에서 각각 두 개의 스트림(43, 44)에 액체를 공급하는 단계, 그리고 각각의 스트림에 공급되는 액체 양을 제어하는 단계를 더 포함하는 동력을 생성하는 방법.
제 48항에 있어서, 상기 사전압축기와 연소 챔버 열 교환기(31, 45)의 각각의 고온 단부에서 상기 유입 스트림과 유출 스트림 사이의 온도 차를 모니터링하는 단계, 그리고 원하는 레벨로 상기 온도차를 유지하도록 각각의 상기 열 교환기로의 급수 유동을 제어하는 단계를 더 포함하는 동력을 생성하는 방법.