KR20120032008A - 공기 탱크 밸브를 갖는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진 - Google Patents

공기 탱크 밸브를 갖는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진 Download PDF

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compression
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KR20127001348A
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리카르도 멜도레시
니콜라스 바다인
이안 길버트
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스쿠데리 그룹 엘엘씨
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Abstract

스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트를 포함한다. 압축 피스톤은 압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 팽창 피스톤은 팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 교차 통로는 상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 사이에서 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브 및 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비한다. 공기 저장소는 상기 교차 통로에 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터의 압축 공기를 저장하고 상기 팽창 실린더로 압축 공기를 전달하도록 선택적으로 작동가능하다. 공기 저장소 밸브는 상기 공기 저장소의 내부 및 외부로의 공기 흐름을 선택적으로 제어한다. 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드에서, 상기 공기 저장소 밸브는 상기 크랭크샤프트의 전체 회전 동안 폐쇄된 상태로 유지된다. 상기 공기 팽창기(Air Expander, AE) 및 공기 팽창기와 연소(Air Expander and Firing, AEF) 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브는 적어도 상기 교차팽창 밸브의 개방 동안만큼 개방된 상태로 유지된다. 공기 압축기(Air Compressor, AC) 및 연소와 차징(Firing and Charging, FC) 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브는 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 선택적으로 개방되고 폐쇄된다.

Description

공기 탱크 밸브를 갖는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진{SPLIT-CYCLE AIR-HYBRID ENGINE WITH AIR TANK VALVE}
본 발명은 스플릿-사이클 엔진에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 공기-하이브리드 시스템을 병합한 엔진에 관한 것이다.
명확한 이해를 위하여, 본 출원에서 사용되는 "종래 엔진"이라는 용어는 잘 알려진 오토 사이클의 모든 4 행정들(즉, 흡입(또는 유입), 압축, 팽창(또는 파워) 및 배기 행정들)이 상기 엔진의 개별 피스톤/실린더 조합에 모두 포함되어 있는 내부 연소 엔진을 의미한다. 각각의 행정은 크랭크샤프트의 반회전(180도의 크랭크 각도(CA))을 요구하고, 상기 크랭크샤프트의 2회전(720도 CA)은 종래 엔진의 각각의 실린더에서 완전한 오토 사이클을 완료시키는 데 필요하다.
또한, 명확한 이해를 위하여, 선행 기술에 개시되는 엔진들에 적용될 수 있고 본 출원에서 참조되는 바와 같이 "스플릿-사이클 엔진"이라는 용어를 위해 다음과 같은 정의가 제공된다.
여기서 참조되는 스플릿-사이클 엔진은,
크랭크샤프트 축에 대해 회전 가능한 크랭크샤프트;
압축 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정 및 압축 행정을 통해 왕복 운동하는 압축 피스톤;
팽창 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정 및 배기 행정을 통해 왕복 운동하는 팽창(파워) 피스톤; 그리고
상기 압축 및 팽창 실린더들을 상호 연결시키고, 내부에 배치되는 적어도 하나의 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하지만, 더욱 바람직하게는 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브와 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하는 교차 통로(포트)를 포함한다.
2003년 4월 8일에 Scuderi에게 허여된 미국등록특허 제6,543,225호 및 2005년 10월 11일에 Branyon 등에게 허여된 미국등록특허 제6,952,923호는, 여기서 참조로서 병합되며, 스플릿-사이클 및 이와 유사한 형식의 엔진들에 관한 광범위한 논의를 포함한다. 또한, 이러한 특허들은 종래의 버전에 해당하는 엔진의 상세한 설명들을 개시하고 있는데, 본 발명은 상기 엔진의 한층 더 발전된 형태를 포함한다.
스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 공기 저장소(air reservoir)와 다양한 제어들을 갖는 스플릿-사이클 엔진을 조합한다. 이러한 조합은 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진이 상기 공기 저장소에서 압축된 공기의 형태로 에너지를 저장할 수 있게 한다. 상기 공기 저장소에서의 상기 압축 공기는 이후에 상기 팽창 실린더에서 사용되어 상기 크랭크샤프트에 파워를 전달한다.
여기서 참조되는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은,
크랭크샤프트 축에 대해 회전 가능한 크랭크샤프트;
압축 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정 및 압축 행정을 통해 왕복 운동하는 압축 피스톤;
팽창 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 상기 크랭크샤프트에 작동 가능하게 연결되어 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정 및 배기 행정을 통해 왕복 운동하는 팽창(파워) 피스톤;
상기 압축 및 팽창 실린더들을 상호 연결시키고, 내부에 배치되는 적어도 하나의 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하지만, 더욱 바람직하게는 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브와 교차팽창(XovrE) 밸브를 포함하는 교차 통로(포트); 그리고
상기 교차 통로에 작동가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터 압축된 공기를 선택적으로 저장하고 상기 팽창 실린더로 전달하도록 작동하는 공기 저장소를 포함한다.
본 출원에서 참조로서 병합되는, 2008년 4월 8일자로 Scuderi 등에게 허여된 미국등록특허 제7,353,786호는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 및 이와 유사한 형태의 엔진들에 대하여 광범위한 논의를 포함한다. 또한, 이러한 특허는 종래의 버전에 해당하는 엔진의 상세한 설명들을 개시하고 있는데, 본 발명은 상기 엔진의 한층 더 발전된 형태를 포함한다.
스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 정규 작동 또는 연소 모드(normal operating or firing (NF) mode)(또한 통상적으로 엔진 연소 모드(Engine Firing (EF) mode)라고 불림) 및 네 개의 기본 공기-하이브리드 모드들로 작동될 수 있다. 상기 EF 모드에 있어서, 상기 엔진은, 공기 저장소를 사용하지 않는 비-공기 하이브리드(non-air hybrid) 스플릿-사이클 엔진의 역할을 수행한다. 상기 EF 모드에 있어서, 상기 교차 통로를 상기 공기 저장소에 작동가능하도록 연결시키는 탱크 밸브는 상기 공기 저장소를 기본 스플릿-사이클 엔진으로부터 고립시키도록 폐쇄된 채로 유지된다.
상기 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 네 개의 하이브리드 모드들에서 공기 저장소를 사용하면서 작동한다. 상기 네 개의 하이브리드 모드들은:
1) 공기 팽창기 모드(Air Expander (AE) mode), 연소없이 상기 공기 저장소로부터의 압축된 공기 에너지를 사용하는 것을 포함함;
2) 공기 압축기 모드(Air Compressor (AC) mode), 연소없이 압축된 공기 에너지를 상기 공기 저장소 내부로 저장하는 것을 포함함;
3) 공기 팽창기와 연소 모드(Air Expander and Firing (AEF) mode), 연소와 함께 상기 공기 저장소로부터의 압축된 공기 에너지를 사용하는 것을 포함함; 그리고
4) 연소와 차징 모드(Firing and Charging (FC) mode), 연소와 함께 압축된 공기 에너지를 상기 공기 저장소 내부로 저장하는 것을 포함함.
그러나, 이러한 모드들, EF, AE, AC, AEF 및 FC의 최적화는 효율을 개선하고 배출들을 감소시키는 데 바람직하다.
본 발명의 목적은 엔진 연소(EF), 공기 팽창기(AE), 공기 압축기(AC), 공기 팽창기와 연소(AEF), 및 연소와 차징(FC) 모드들의 사용이 개선된 효율을 위해 임의의 구동 사이클을 갖는 차량에서도 최적화될 수 있는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트를 포함한다. 압축 피스톤은 압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 팽창 피스톤은 팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 교차 통로는 상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 사이에서 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브 및 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비한다. 공기 저장소는 상기 교차 통로에 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터의 압축 공기를 저장하고 상기 팽창 실린더로 압축 공기를 전달하도록 선택적으로 작동가능하다. 공기 저장소 밸브는 상기 공기 저장소의 내부 및 외부로의 공기 흐름을 선택적으로 제어한다. 엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드, 공기 팽창기(Air Expander, AE) 모드, 공기 압축기(Air Compressor, AC) 모드, 공기 팽창기와 연소(Air Expander and Firing, AEF) 모드, 및 연소와 차징(Firing and Charging, FC) 모드들 중 하나 또는 그 이상에서 작동 가능하다. 상기 EF 모드에서, 상기 공기 저장소 밸브는 상기 크랭크샤프트의 전체 회전 동안 폐쇄된 상태로 유지된다. 상기 AE 및 AEF 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브는 적어도 상기 교차팽창 밸브의 개방 동안만큼 개방된 상태로 유지된다. 상기 AC 및 FC 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브는 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 선택적으로 개방되고 폐쇄된다.
본 발명에 따른 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진의 작동 방법이 개시된다. 상기 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트를 포함한다. 압축 피스톤은 압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 팽창 피스톤은 팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된다. 교차 통로는 상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 사이에서 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브 및 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비한다. 공기 저장소는 상기 교차 통로에 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터의 압축 공기를 저장하고 상기 팽창 실린더로 압축 공기를 전달하도록 선택적으로 작동가능하다. 공기 저장소 밸브는 상기 공기 저장소의 내부 및 외부와의 공기 흐름을 선택적으로 제어한다. 상기 엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드, 공기 팽창기(Air Expander, AE) 모드, 공기 압축기(Air Compressor, AC) 모드, 공기 팽창기와 연소(Air Expander and Firing, AEF) 모드, 및 연소와 차징(Firing and Charging, FC) 모드들 중 하나 또는 그 이상에서 작동 가능하다. 상기 방법은, 상기 EF 모드에서, 상기 공기 저장소 밸브를 상기 크랭크샤프트의 전체 회전 동안 폐쇄된 상태로 유지하여 상기 공기 저장소를 고립시키는 단계; 상기 AE 및 AEF 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브를 적어도 상기 교차팽창 밸브의 개방 동안만큼 개방된 상태로 유지시키는 단계; 및 상기 AC 및 FC 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브를 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 선택적으로 개방하고 폐쇄시켜 압축 공기의 저장을 위하여 상기 공기 저장소의 내부로의 압축 공기의 흐름을 허용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진을 나타내는 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 탱크 밸브를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 공기 탱크 밸브를 나타내는 사시도이다.
여기서 사용되는 약어들 및 용어들의 정의들에 대해 다음과 같은 용어 정리가 참조를 위해 제공된다.
일반
다르게 정의되지 않는 한, 모든 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍들은 팽창 피스톤의 상사점 이후(ATDCe)의 크랭크 각도로 측정된다.
다르게 정의되지 않는 한, 모든 밸브 지속기간들은 크랭크 각도들(CA)로 나타낸다.
공기 탱크(또는 공기 저장소 탱크): 압축 공기를 위한 저장 탱크.
ATDCe: 팽창 피스톤의 상사점 이후.
Bar: 압력 단위, 1 bar = 105 N/m2
압축기(Compressor): 스플릿-사이클 엔진의 압축 실린더와 이와 관련된 압축 피스톤.
팽창기(Expander): 스플릿-사이클 엔진의 팽창 실린더와 이와 관련된 팽창 피스톤.
유량 제어 밸브(들): 파이프워크(pipework)에서의 흐름을 제어할 수 있는 파이프워크의 내부로 삽입된 장치(들).
리드 밸브(Reed valve): 제어 구성요소가 고정된 하우징에 대하여 밀봉시키는 플렉시블 플레이트이고 순방향으로 흐름을 차단하는 압력 구동 밸브(pressure activated valve).
탱크 밸브: 교차 통로를 상기 압축 공기 저장 탱크에 연결시키는 밸브.
VVA: 가변 밸브 구동(Variable valve actuation). 밸브의 리프트 프로파일의 형태 또는 타이밍을 변경하도록 작동가능한 메커니즘 또는 방법.
교차(Xovr(or Xover)) 밸브, 통로 또는 포트: 압축 실린더로부터 팽창 실린더로 가스가 흐르도록 상기 압축 및 팽창 실린더들을 연결시키는 교차 밸브들, 통로들, 및/또는 포트들.
교차압축(XovrC(or XoverC)) 밸브들: 상기 교차 통로의 압축기 일단부에서의 밸브들.
교차팽창(XovrE(or XoverE)) 밸브들: 상기 교차 통로의 팽창기 일단부에서의 밸브들.
도 1을 참조하면, 예시적인 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진은 참조 부호 10에 의해 도시되어 있다. 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진(10)은 종래 엔진의 두개의 인접한 실린더들을 하나의 압축 실린더(12)와 하나의 팽창 실린더(14)의 조합으로 대체한다. 실린더 헤드(33)는 일반적으로 팽창 및 압축 실린더들(12, 14)의 개방 단부 상부에 배치되어 상기 실린더들을 커버하고 밀봉시킨다.
오토 사이클의 네 개의 행정들은 두개의 실린더들(12, 14) 상에서 "스플릿"되어 압축 실린더(12)는 관련된 압축 피스톤(20)과 함께 흡입 및 압축 행정들을 수행하고, 팽창 실린더(14)는 관련된 팽창 피스톤(30)과 함께 팽창 및 배기 행정들을 수행한다. 이에 따라 상기 오토 사이클은 이러한 두개의 실린더들(12, 14)에서 크랭크샤프트 축(17)에 대한 크랭크샤프트(16)의 일회전(360도 CA)에 의해 완료된다.
상기 흡입 행정 동안, 유입 공기는 실린더 헤드(33)에 배치된 흡입 포트(19)를 통해 압축 실린더(12) 내부로 흡입된다. 내부적으로 개방되는(상기 실린더 내부로 상기 피스톤을 향하여 개방되는) 포펫 흡입 밸브(18)는 흡입 포트(19)와 압축 실린더(12) 사이의 유체 연결을 제어한다.
상기 압축 행정 동안, 압축 피스톤(20)은 상기 공기 차지(air charge)를 압축시키고 상기 공기 차지를 교차 통로(또는 포트)(22) 내부로 이동시키고, 교차 통로(22)는 일반적으로 실린더 헤드(33)에 배치된다. 압축 실린더(12)와 압축 피스톤(20)은, 팽창 실린더(14)의 흡입 통로로 작용하는 교차 통로(22)로의 고압 가스의 소스이다. 실시예들에 있어서, 둘 또는 그 이상의 교차 통로들(22)이 압축 실린더(12)와 팽창 실린더(14)를 상호 연결시킨다.
스플릿-사이클 엔진(10)(그리고 일반적으로 스플릿-사이클 엔진들에 있어서)의 압축 실린더(12)의 기하하적(또는 체적) 압축비는 여기서는 상기 스플릿-사이클 엔진의 "압축비"라 불린다. 스플릿-사이클 엔진(10)(그리고 스플릿-사이클 엔진들에 있어서) 팽창 실린더(14)의 기하하적(또는 체적) 압축비는 여기서는 상기 스플릿-사이클 엔진의 "팽창비"라 불린다. 여기서 실린더의 기하하적 압축비는 당해 기술분야에서 왕복운동하는 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치에 있을 때 상기 실린더의 둘러싸인 부피(즉, clearance volume)에 대한 상기 피스톤이 자신의 하사점(BDC) 위치에 있을 때 상기 실린더의 (모든 리세스들을 포함한) 닫힌(또는 트랩된) 부피의 비율로서 잘 알려져 있다. 특히 여기서 정의된 스플릿-사이클 엔진들에 있어서, 압축 실린더의 압축비는 상기 교차압축 밸브가 닫혀져 있을 때 결정되고, 팽창 실린더의 팽창비는 상기 교차팽창 밸브가 닫혀져 있을 때 결정된다.
압축 실린더(12) 내부에서의 매우 높은 압축비들(예를 들면, 20 to 1, 30 to 1, 40 to 1, 또는 그 이상) 때문에, 교차 통로 입구(25)에서 외부적으로 개방되는(상기 실린더와 피스톤으로부터 멀어지도록 바깥쪽으로 개방되는) 포펫 교차압축(XovrC) 밸브(24)는 압축 실린더(12)로부터 교차 통로(22) 내부로의 흐름을 제어하기 위해 사용된다. 팽창 실린더(14) 내부에서의 매우 높은 압축비들(예를 들면, 20 to 1, 30 to 1, 40 to 1, 또는 그 이상) 때문에, 교차 통로(22)의 출구(27)에서의 외부적으로 개방되는 포펫 교차팽창(XovrE) 밸브(26)는 교차 통로(22)로부터 팽창 실린더(14) 내부로의 흐름을 제어한다. 교차압축 및 교차팽창 밸브들(24, 26)의 작동 속도들 및 위상은 상기 오토 사이클의 모든 네 개의 행정들 동안 교차 통로(22) 내의 압력을 높은 최소 압력(일반적으로 완전 부하(full load)에서 20 bar 또는 그 이상)으로 유지하도록 타이밍된다.
적어도 하나의 연료 주입기(28)는, 팽창 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치에 도달하기 전에 짧게 발생하는 교차팽창 밸브(26)의 개방에 따라 교차 통로(22)의 출구 단부에서 상기 가압된 공기 내부로 연료를 주입시킨다. 팽창 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치에 가까워졌을 때 상기 공기/연료 차지는 팽창 실린더(14)로 들어간다. 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치로부터 하강을 시작하고, 교차팽창 밸브(26)가 여전히 개방되어 있을 때, 실린더(14) 내부로 돌출된 스파크 플러그 팁(39)을 포함하는 스파크 플러그(39)는 발화되어 스파크 플러그 팁(39) 주변 영역에서 연소를 시작한다. 연소는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치를 지나 1도와 30도의 CA 사이에 있을 때 개시될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 연소는 상기 팽창 피스톤이 자신의 상사점(TDC) 위치를 지나 10도와 20도 CA 사이에 있을 때 개시될 수 있다. 또한, 연소는 글로 플러그들(glow plugs)과 같은 다른 점화 장치들 및/또는 방법들, 마이크로웨이브 점화 장치들 또는 압축 점화 방법들을 통해 개시될 수 있다.
상기 배기 행정 동안, 배기 가스들은 실린더 헤드(33)에 배치된 배기 포트(35)를 통해 팽창 실린더(14)로부터 펌핑될 수 있다. 배기 포트(35)의 입구(31)에 배치된 내부 개방 포펫 배기 밸브(34)는 팽창 실린더(14)와 배기 포트(35) 사이의 유체 흐름을 제어한다. 배기 밸브(34)와 배기 포트(35)는 교차 통로(22)로부터 분리된다. 즉, 배기 밸브(34)와 배기 포트(35)는 교차 통로(22)와 접촉하지 않거나, 교차 통로(22) 내에 배치되지 않는다.
스플릿-사이클 엔진 개념에 있어서, 압축(12) 및 팽창(14) 실린더들의 기하하적 엔진 파라미터들(예를 들면, 보어(bore), 행정, 커넥팅 로드 길이, 체적 압축비, 등)은 일반적으로 서로 독립적이다. 예를 들면, 압축 실린더(12)와 팽창 실린더(14)를 크랭크 쓰로우들(36, 38) 각각은 다른 반경들을 가질 수 있고 압축 피스톤(20)의 상사점(TDC) 이전에 팽창 피스톤(30)의 상사점(TDC)이 일어나도록 서로 다른 위상을 가질 수 있다. 이러한 독립성은 스플릿-사이클 엔진(10)이 전형적인 4행정 엔진들보다 높은 효율 레벨들과 더 큰 토크들을 달성할 수 있도록 한다.
스플릿-사이클 엔진(10)에서의 엔진 파라미터들의 기하하적 독립성은 또한 전술한 바와 같이 압력이 교차 통로(22)에서 유지되어야 하는 주된 이유들 중 하나이다. 특히, 다른 위상 각도(일반적으로 10과 30 크랭크 각도들 사이)에 의해 자신의 상사점 위치에 도달한 상기 압축 피스톤에 앞서서 팽창 피스톤(30)은 자신의 상사점 위치에 도달한다. 교차압축 밸브(24)와 교차팽창 밸브(26)의 적절한 타이밍과 함께, 이러한 위상 각도는, 자신의 압력/체적 사이클의 모든 4행정 동안 교차 통로(22)의 압력을 높은 최소 압력(일반적으로 완전 부하 동작 동안 20 bar의 절대 압력 또는 그 이상)으로 유지하는 것을 가능하게 한다. 즉, 스플릿-사이클 엔진(10)은 교차압축 밸브(24)와 교차팽창 밸브(26)의 타이밍을 조절하여 상기 교차압축 및 교차팽창 밸브들 모두가 실질적인 시간 주기(또는 크랭크샤프트 회전 주기) 동안 개방되도록 작동가능하며 상기 시간 주기 동안 팽창 피스톤(30)은 자신의 상사점 위치로부터 자신의 하사점 위치를 향하여 하강하고 동시에 압축 피스톤(20)이 자신의 하사점 위치에서 자신의 상사점 위치로 상승한다. 교차 밸브들(24, 26) 모두가 개방되는 시간 주기(또는 크랭크샤프트 회전) 동안, 실질적으로 같은 공기의 질량이 (1) 압축 실린더(12)로부터 교차 통로(22) 내부로 그리고 (2) 교차 통로(22)로부터 팽창 실린더(14)로 전달된다. 따라서, 이러한 주기 동안, 상기 교차 통로의 압력이 기 설정된 최소 압력(일반적으로, 완전 부하 동작 동안 20, 30, 또는 40 bar의 절대 압력) 아래로 떨어지는 것이 방지된다. 더욱이, 상기 엔진 사이클의 실질적인 부분(일반적으로 전체 엔진 사이클의 80% 또는 그 이상) 동안, 교차압축 밸브(24)와 교차팽창 밸브(26)는 모두 폐쇄되어 교차 통로(22) 내의 트랩된 가스의 질량을 실질적으로 일정한 레벨로 유지시킨다. 그 결과, 교차 통로(22) 내의 압력은 상기 엔진의 압력/체적 사이클의 모든 4행정 동안 기 설정된 최소 압력으로 유지된다.
이러한 목적들을 위해, 팽창 피스톤(30)이 상사점으로 하강하고 있고 압축 피스톤(20)이 상사점을 향하여 상승하고 있을 때 실질적으로 동일한 가스의 질량을 교차 통로(22) 내부로 그리고 외부로 동시에 전달하기 위하여 교차압축(24)과 교차팽창(26) 밸브들을 개방시키는 방법을 여기서는 가스 전달의 푸쉬-풀 방법(Push-Pull method)이라 하기로 한다. 스플릿-사이클 엔진(10)의 교차 통로(22)내의 압력을 상기 엔진이 완전 부하에서 동작할 때 상기 엔진 사이클의 모든 4행정들 동안에 일반적으로 20 bar 또는 그 이상으로 유지시킬 수 있는 것이 푸쉬-풀 방법이다.
전술한 바와 같이, 배기 밸브(34)는 교차 통로(22)로부터 분리된 실린더 헤드(33)의 배기 포트(35)에 배치된다. 교차 통로(22)에 배치되지 않는 배기 밸브(34), 그리고 교차 통로(22)와는 어떠한 부분도 공유하지 않는 배기 포트(35)의 구조적 배열은 상기 배기 행정 동안 교차 통로(22) 내에서 트랩된 가스의 질량을 유지하기 위하여 바람직한 것이다. 따라서, 상기 교차 통로의 압력이 기 설정된 최소 압력 아래로 떨어지게 하는 압력에서의 큰 주기적 하강들이 방지된다.
교차팽창 밸브(26)는 팽창 피스톤(30)이 자신의 상사점 위치에 도달하기 바로 전에 개방된다. 이 때, 팽창 실린더(14) 내의 압력에 대한 교차 통로(22) 내의 압력의 압력비는 높고, 그 이유는 상기 교차 통로 내의 최소 압력이 일반적으로 20 bar의 절대 압력 또는 그 이상이고 상기 팽창 실린더 내의 압력은 배기 행정 동안 일반적으로 1 내지 2 bar의 절대 압력이기 때문이다. 바꾸어 말하면, 교차팽창 밸브(26)가 개방될 때, 교차 통로(22) 내의 압력은 팽창 실린더(14) 내의 압력보다 더 높다(일반적으로 20 대 1의 차수(order) 또는 그 이상). 이러한 높은 압력비는 상기 공기 및/또는 연료 차지의 초기 흐름이 높은 속도들로 팽창 실린더(14) 내부로 흐를 수 있도록 한다. 이러한 높은 유속들은 음속이라 불리는 소리의 속도에 도달할 수 있다. 이러한 음속의 흐름은, 팽창 실린더(30)가 자신의 상사점 위치로부터 하강할 때 점화가 개시될 지라도 스플릿-사이클 엔진(10)이 높은 연소 압력들을 유지할 수 있도록 하는 빠른 연소 상태를 가능하게 하므로 스플릿-사이클 엔진(10)에 바람직하다.
스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진(10)은 또한 공기 저장소(탱크) 밸브(42)에 의해 교차 통로(22)에 작동 가능하도록 연결되는 공기 저장소(탱크)를 포함한다. 두개 또는 그 이상의 교차 통로들(22)을 갖는 실시예들은 공통 공기 저장소(40)에 연결되는 각각의 연결 통로(22)를 위한 탱크 밸브(42)를 포함하거나, 이와 달리 각각의 교차 통로(22)는 분리된 공기 저장소들(40)에 작동 가능하도록 연결될 수 있다.
탱크 밸브(42)는 교차 통로(22)로부터 공기 탱크(40)로 연장하는, 공기 저장소(탱크) 포트(44)에 배치된다. 공기 탱크 포트(44)는 제1 공기 저장소(탱크) 포트 섹션(46)과 제2 공기 저장소(탱크) 포트 섹션(48)으로 분리된다. 제1 공기 탱크 포트 섹션(46)은 공기 탱크 밸브(42)를 교차 통로(22)에 연결시키고, 제2 공기 탱크 포트 섹션(48)은 공기 탱크 밸브(42)를 공기 탱크(40)에 연결시킨다. 제1 공기 탱크 포트 섹션(46)의 체적은 탱크 밸브(42)가 폐쇄되었을 때 탱크 밸브(42)를 교차 통로(22)에 연결시키는 모든 추가적인 포트들과 리세스들의 부피를 포함한다.
탱크 밸브(42)는 다른 적당한 밸브 장치 또는 시스템일 수 있다. 예를 들면, 탱크 밸브(42)는 다양한 밸브 구동 장치들(예를 들면, 공압, 유압, 캠, 전기 또는 이와 유사한 것)에 의해 작동되는 능동 밸브일 수 있다. 또한, 탱크 밸브(42)는 두개 또는 그 이상의 구동 장치들과 함께 작동되는 두 개 또는 그 이상의 탱크 밸브들을 갖는 탱크 밸브 시스템을 포함할 수 있다.
공기 탱크(40)는 압축 공기의 형태로 에너지를 저장하고 이후에 이러한 압축 공기를 사용하여 Scuderi 등에게 허여된 미국등록특허 제7,353,786호에 설명된 바와 같이, 크랭크샤프트(16)에 파워를 인가한다. 잠재적인 에너지를 저장하기 위한 이러한 기계적 수단은 당해 기술분야의 현재 상태보다 수많은 잠재적인 장점들을 제공한다. 예를 들면, 스플릿-사이클 엔진(10)은 디젤 엔진들 그리고 전기-하이브리드 시스템들과 같이, 시장에서의 다른 기술들과 관련하여 비교적 낮은 제조 및 폐기물 처리 비용들로 연료 효율 획득과 NOx 방출 감소에 있어서 많은 장점들을 제공한다.
공기 탱크 밸브(42)의 개방 및/또는 폐쇄를 선택적으로 제어하여 교차 통로(22)와 공기 탱크(40)의 연결을 제어함으로써, 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진(10)은 엔진 연소(EF) 모드, 공기 팽창기(AE) 모드, 공기 압축기(AC) 모드, 공기 팽창기와 연소(AEF) 모드, 그리고 연소와 차징(FC) 모드에서 작동 가능하다. 상기 EF 모드는 상술한 바와 같이 공기 탱크(40)의 사용없이 엔진이 작동하는 비-하이브리드(non-hybrid) 모드이다. 상기 AC 및 FC 모드들은 에너지 저장 모드들이다. 상기 AC 모드는, 제동(braking) 동안에 엔진(10)을 포함하는 차량의 이동 에너지를 이용함으로써(예를 들면, 연료 소비 없이), 팽창 실린더(14)에서 연소 발생없이 공기 탱크(40)에 압축 공기가 저장되는 공기-하이브리드 작동 모드이다. 상기 FC 모드는 완전 엔진 부하 이하의 조건들(예를 들면, 엔진 공전(engine idle), 일정한 속도의 차량 크루징)에서와 같이, 연소를 위해 필요하지 않는 과도한 압축 공기가 공기 탱크(40)에서 저장되는 공기-하이브리드 작동 모드이다. 상기 FC 모드에서 상기 압축 공기의 저장은 에너지 비용(불이익)을 가지고 있고; 이에 따라, 상기 압축 공기가 추후에 사용될 때 전체 게인(net gain)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 AE 및 AEF 모드들은 저장된 에너지 사용 모드들이다. 상기 AE 모드는 공기 탱크(40)에 저장된 압축 공기가 팽창 실린더(14)에서 일어나는 연소 없이(즉, 연료 소비 없이) 팽창 피스톤(30)을 구동하기 위해 사용되는 공기-하이브리드 작동 모드이다. 상기 AEF 모드는 공기 탱크(40)에 저장된 압축 공기가 연소를 위해 팽창 실린더(14)에 사용되는 공기-하이브리드 작동 모드이다.
공기 탱크 밸브(42)는 어떤 원하는 타이밍에서 닫혀진 채로 유지되고, 개방된 채로 유지되거나, 선택적으로 개방되고 닫혀질 수 있는 완전히 제어가능한 가변 구동 밸브(fully controllable variably actuated valve)일 수 있다. 상기 EF 모드에서, 공기 저장소 밸브(42)는 크랭크샤프트(16)의 전체 회전 동안 닫혀진 채로 유지되어 공기 저장소(40)를 상기 엔진의 나머지로부터 고립시킨다. 상기 AE 및 AEF 모드들에서, 공기 저장소 밸브(42)는 적어도 교차팽창 밸브(26)의 개방 동안만큼 개방된 채로 유지되어, 팽창 실린더(14)에서의 사용을 위해 이미 저장된 압축 공기를 허용한다. 일 실시예에 있어서, 상기 AE 및 AEF 모드들에서, 공기 저장소 밸브(42)는 크랭크샤프트(16)의 전체 회전동안 개방된 채로 유지될 수 있다. 상기 AC 및 FC 모드들에서, 공기 저장소 밸브(42)는 크랭크샤프트(16)의 일회전동안 선택적으로 개방되고 폐쇄되어 이후의 사용을 위해 압축 공기를 저장하기 위하여 공기 저장소(40) 내부로의 상기 압축 공기의 흐름을 허용한다.
상기 EF 모드에서, 압축 피스톤(20)은 팽창 실린더(14)에서의 사용을 위해 흡입 공기를 흡입하고 압축한다. 압축 실린더(12)로부터의 상기 압축 공기는, 팽창 행정이 시작될 때, 연료와 함께 팽창 실린더(14) 내부로 허용되고, 팽창 피스톤(30)의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창되어 파워를 크랭크샤프트(16)에 전달하고, 연소 부산물들은 상기 배기 행정 상에서 배출된다. 압축 공기는 상기 EF 모드에서 공기 탱크(40)에 저장되거나 이로부터 배출되지 않으므로, 공기 탱크 밸브(42)는 닫혀져 있다.
상기 AE 모드에서, 공기 탱크(40)에 저장된 압축 공기는, 팽창 행정이 시작될 때, 팽창 실린더(14) 내부로 허용된다. 이러한 모드에서 공기 탱크 밸브(42)는 적어도 교차팽창 밸브(26)만큼 개방된 상태로 유지되므로, 팽창 실린더(14)의 내부로의 상기 공기/연료 혼합물의 흐름은 교차팽창 밸브(26)에 의해 제어된다. 상기 공기/연료 혼합물은, 팽창 피스톤(30)의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 크랭크샤프트(16)에 파워를 전달하고, 연소 부산물은 상기 배기 행정 상에서 배출된다.
상기 AEF 모드에서, 공기 탱크(40)에 저장된 압축 공기는, 팽창 행정이 시작될 때, 팽창 실린더(14) 내부로 허용된다. 이러한 모드에서 공기 탱크 밸브(42)는 적어도 교차팽창 밸브(26)만큼 개방된 상태로 유지되므로, 팽창 실린더(14)의 내부로의 상기 공기/연료 혼합물의 흐름은 교차팽창 밸브(26)에 의해 제어된다. 상기 공기/연료 혼합물은, 팽창 피스톤(30)의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 크랭크샤프트(16)에 파워를 전달하고, 연소 부산물은 상기 배기 행정 상에서 배출된다.
상기 AC 모드에서, 압축 피스톤(20)은 유입 공기를 흡입하고 압축한다. 이어서 상기 압축된 공기는 공기 탱크 밸브(42)를 선택적으로 개방하고 이어서 폐쇄시킴으로써 공기 탱크(40)에 저장된다.
상기 FC 모드에서, 압축 피스톤(20)은 크랭크샤프트(16)의 일회전동안 팽창 실린더(14)에서의 사용을 위해 흡입 공기를 흡입 및 압축한다. 압축 실린더(12)로부터 상기 압축 공기의 일부는, 팽창 행정이 시작될 때, 연료와 함께 팽창 실린더(14) 내부로 허용되고, 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 상기 크랭크샤프트에 파워를 전달하고, 연소 부산물은 상기 배기 행정 상에서 배출된다. 공기 탱크(40)는 또한 공기 탱크 밸브(42)를 선택적으로 개방시키고 이어서 폐쇄시킴으로써 크랭크샤프트(16)의 동일한 일회전동안 압축된 공기로 채워진다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 공기 탱크 밸브(42)는 공기 저장소 포트(44)에 배치되고 교차 통로(22)에 연결된 외부 개방 포펫 밸브(outwardly opening poppet valve)이다. 공기 탱크 포트(44)는 밸브(42)의 스템(43)이 상기 밸브 헤드로부터 수직하게 연장하도록 하는 각도 휨(angular bend)(즉, 엘보)을 갖는다. 상기 각도 휨은 일반적으로 직각-휨(right-angle bend)으로서 도시되어 있지만, S-커브 또는 다른 유사한 형상의 엘보일 수 있다. 공압식, 수압식, 전기 또는 기계적 밸브 구동 장치(45) 또는 이와 유사한 장치가 스템(43)의 말단부에 배치될 수 있다. 공기 탱크 밸브(42)는 외부 개방 포펫 밸브로서 예시될 수 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 상기 공기 탱크 밸브가 다음과 같은 밸브 타입들 중 하나 또는 그 이상, 또는 이들의 조합일 수 있으며: 내부 개방 포펫 밸브(inwardly opening poppet valve), 로터리 밸브(rotary valve), 슬리브 밸브(sleeve valve), 핀틀 밸브(pintle valve), 또는 이와 유사한 밸브, 그리고, 상기 조합에서 (리드 밸브와 같은) 압축 구동 체크 밸브(pressure activated check valve)를 포함할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트;
    압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 압축 피스톤;
    팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 팽창 피스톤;
    상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 사이에서 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브 및 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비하는 교차 통로;
    상기 교차 통로에 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터의 압축 공기를 저장하고 상기 팽창 실린더로 압축 공기를 전달하도록 선택적으로 작동가능한 공기 저장소; 및
    상기 공기 저장소의 내부 및 외부로의 공기 흐름을 선택적으로 제어하는 공기 저장소 밸브를 포함하고,
    엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드, 공기 팽창기(Air Expander, AE) 모드, 공기 압축기(Air Compressor, AC) 모드, 공기 팽창기와 연소(Air Expander and Firing, AEF) 모드, 및 연소와 차징(Firing and Charging, FC) 모드들 중 하나 또는 그 이상에서 작동 가능하고,
    상기 EF 모드에서, 상기 공기 저장소 밸브는 상기 크랭크샤프트의 전체 회전 동안 폐쇄된 상태로 유지되고,
    상기 AE 및 AEF 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브는 적어도 상기 교차팽창 밸브의 개방 동안만큼 개방된 상태로 유지되고,
    상기 AC 및 FC 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브는 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 선택적으로 개방되고 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 저장소 밸브는 외부 개방 포펫 밸브인 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 저장소 밸브는 완전히 제어가능한 가변 구동 밸브인 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 저장소 밸브는 상기 크랭크샤프트의 전체 회전동안 개방된 채로 유지되는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 AE 및 AEF 모드들에서, 상기 팽창 실린더 내부로의 공기 흐름은 상기 교차팽창 밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 EF 모드에서, 상기 압축 피스톤은 상기 팽창 실린더에서의 사용을 위해 흡입 공기를 흡입 및 압축하고, 압축된 공기는, 팽창 행정이 시작될 때, 연료와 함께 상기 팽창 실린더의 내부로 허용되고, 상기 연료는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 파워를 상기 크랭크샤프트에 전달하고, 연소 부산물들은 상기 배기 행정 상에서 배출되는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 AE 모드에서, 상기 공기 저장소로부터의 압축 공기는, 팽창 행정이 시작될 때, 상기 팽창 실린더의 내부로 허용되고, 상기 공기는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 팽창되어, 상기 크랭크샤프트의 파워를 전달하고, 상기 공기는 상기 배기 행정 상에서 배출되는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 AEF 모드에서, 상기 공기 저장소로부터의 압축 공기는, 팽창 행정이 시작할 때, 연료와 함께 상기 팽창 실린더의 내부로 허용되고, 상기 연료는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 상기 크랭크샤프트에 파워를 전달하고, 연소 부산물은 상기 배기 행정 상에서 배출되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 AC 모드에서, 상기 압축 피스톤은 흡입 공기를 흡입 및 압축하고, 상기 압축된 공기는 상기 공기 저장소에 저장되는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 FC 모드에서, 상기 압축 피스톤은 상기 크랭크샤프트의 일회전동안 상기 팽창 실린더에서의 사용을 위해 흡입 공기를 흡입 및 압축하고, 압축된 공기는, 팽창 행정이 시작될 때, 연료와 함께 상기 팽창 실린더의 내부로 허용되고, 상기 연료는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 파워를 상기 크랭크샤프트에 전달하고, 연소 부산물들은 상기 배기 행정 상에서 배출되고, 상기 공기 저장소는 상기 크랭크샤프트의 동일한 일회전동안 압축된 공기로 채워지는 것을 특징으로 하는 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진.
  11. 크랭크샤프트 축에 대하여 회전 가능한 크랭크샤프트;
    압축 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 흡입 행정과 압축 행정을 통하여 상기 압축 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 압축 피스톤;
    팽창 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되고 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 팽창 행정과 배기 행정을 통하여 왕복 운동을 할 수 있도록 상기 크랭크샤프트에 동작 가능하게 연결된 팽창 피스톤;
    상기 압축 실린더와 상기 팽창 실린더를 상호 연결시키며, 사이에서 압력 챔버를 정의하는 교차압축(XovrC) 밸브 및 교차팽창(XovrE) 밸브를 구비하는 교차 통로;
    상기 교차 통로에 작동 가능하도록 연결되고 상기 압축 실린더로부터의 압축 공기를 저장하고 상기 팽창 실린더로 압축 공기를 전달하도록 선택적으로 작동가능한 공기 저장소; 및
    상기 공기 저장소의 내부 및 외부로의 공기 흐름을 선택적으로 제어하는 공기 저장소 밸브를 포함하고,
    엔진은 엔진 연소(Engine Firing, EF) 모드, 공기 팽창기(Air Expander, AE) 모드, 공기 압축기(Air Compressor, AC) 모드, 공기 팽창기와 연소(Air Expander and Firing, AEF) 모드, 및 연소와 차징(Firing and Charging, FC) 모드들 중 하나 또는 그 이상에서 작동 가능한 스플릿-사이클 공기-하이브리드 엔진을 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 EF 모드에서, 상기 공기 저장소 밸브를 상기 크랭크샤프트의 전체 회전 동안 폐쇄된 상태로 유지하여 상기 공기 저장소를 고립시키는 단계;
    상기 AE 및 AEF 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브를 적어도 상기 교차팽창 밸브의 개방 동안만큼 개방된 상태로 유지시키는 단계; 및
    상기 AC 및 FC 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브를 상기 크랭크샤프트의 일회전 동안 선택적으로 개방하고 폐쇄시켜 압축 공기의 저장을 위하여 상기 공기 저장소의 내부로의 압축 공기의 흐름을 허용하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 AE 및 AEF 모드들에서, 상기 공기 저장소 밸브를 상기 크랭크샤프트의 전제 회전 동안 개방된 상태로 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 AE 모드 및 AEF 모드 중 하나를 선택하는 단계; 및
    상기 교차팽창 밸브를 개방 및 폐쇄시킴으로써 상기 팽창 실린더 내부로의 공기 흐름를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 EF 모드를 선택하는 단계;
    흡입 공기를 상기 압축 피스톤으로 흡입 및 압축하는 단계; 및
    팽창 행정이 시작될 때, 상기 압축 실린더로부터 상기 압축 공기를 연료와 함께 상기 팽창 실린더의 내부로 허용시키고, 상기 연료는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 파워를 상기 크랭크샤프트에 전달하고, 연소 부산물들을 상기 배기 행정 상에서 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 AE 모드를 선택하는 단계; 및
    팽창 행정이 시작될 때, 상기 공기 저장소로부터 압축 공기를 상기 팽창 실린더의 내부로 허용하고, 상기 공기는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 팽창되어, 상기 크랭크샤프트의 파워를 전달하고, 상기 공기를 상기 배기 행정 상에서 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 AEF 모드를 선택하는 단계; 및
    팽창 행정이 시작될 때, 상기 공기 저장소로부터 압축 공기를 연료와 함께 상기 팽창 실린더의 내부로 허용하고, 상기 연료는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 상기 크랭크샤프트에 파워를 전달하고, 연소 부산물을 상기 배기 행정 상에서 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 AC 모드를 선택하는 단계;
    흡입 공기를 상기 압축 피스톤으로 흡입 및 압축하는 단계; 및
    상기 압축된 공기를 상기 공기 저장소에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 FC 모드를 선택하는 단계;
    상기 크랭크샤프트의 일회전동안 상기 압축 피스톤으로 흡입 공기를 흡입 및 압축하는 단계;
    팽창 행정이 시작될 때, 압축된 공기를 연료와 함께 상기 팽창 실린더의 내부로 허용되고, 상기 연료는 상기 팽창 피스톤의 동일한 팽창 행정 상에서 점화, 연소 및 팽창하여, 파워를 상기 크랭크샤프트에 전달하고, 연소 부산물들을 상기 배기 행정 상에서 배출시키는 단계; 및
    상기 공기 저장소를 상기 크랭크샤프트의 동일한 일회전동안 압축된 공기로 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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