KR100372165B1 - 세라믹 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 벽면과 피스톤 외벽에 세라믹체를 부착하여 단열효과를 높임으로써 냉각 열량의 감소로 인해 엔진효율을 극대화시키고 냉각회로의 최소화로 인해 엔진전체의 크기 및 중량을 감소시킬 수 있는 세라믹 엔진에 관한 것으로, 이 세라믹 엔진의 구성을 보면, 실린더의 벽면에는 다수의 제 1세라믹체(200, 202, 206)가 부착되어 있으며, 피스톤의 외벽에는 상기 제 1세라믹체(200, 202, 206)와 함께 단열공간을 제공하는 다수의 제 2세라믹체(210, 212, 214, 216, 218, 220)가 부착되어 있으며, 이들 세라믹체는 결합돌기 및 결합홈에 의해 자체적으로 결합되어 있다.

Description

세라믹 엔진{CERAMIC ENGINE}

본 발명은 세라믹 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 실린더 벽면과 피스톤 외벽에 세라믹체를 부착하여 단열효과를 높여 열효율을 향상시킬 수 있는 세라믹 엔진에 관한 것이다.

가솔린이나 디젤, LPG등을 연료로 사용하는 대부분의 산업용 엔진은 주철이나 알루미늄으로 만들어진다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도 1을 참조하여 본 출원인이 개발한 동축형 왕복 2행정엔진에 대하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 동축 왕복형 2행정엔진의 전체적인 구성을 보면, 내주부에 다수의 고정판(22)이 부착되고 일측면에는 다수의 흡입구(24)가 형성된 하우징(20)과, 이 하우징(20)내에 회전 가능하게 배치되며 외주부에는 다수의 피스톤(32)이 형성된 로터(30)와, 이 로터(30)를 사이에 두고 상기 하우징(20)내에 결합되며 다수의 배기공(44, 44') 및 흡기공(54, 54')을 지닌 제 1 및 제 2고정디스크(40), (50)와, 다수의 배기구(64)가 구비되고 상기 하우징(20)을 덮는 커버(60)와, 상기 로터(30)의 회전에 의해 발생되는 동력을 출력축(170)으로 전달하는 동력전달장치(100)로 이루어져 있다.

여기에서, 하우징(20)의 외부 원주면에는 제 1 및 제 2고정디스크(40), (50)를 고정하기 위한 다수의 체결홀(26, 28)이 형성되어 있으며, 제 1 및 제 2고정디스크(40), (50)에도 이 체결홀(26, 28)과 대응되는 다수의 체결홀(46, 56)이 형성되어 있다. 하우징(20)내의 인접한 고정판(22)사이에는 스파크 플러그가 삽입된다.

로터(30)를 사이에 두고 양옆에 대향으로 배치되는 제 1 및 제 2고정디스크(40), (50)에는 다수의 배기공(44, 44') 및 다수의 흡기공(54, 54')이 형성되어 있으며, 중앙에는 출력축(170)이 관통되는 관통홀(42), (52)이 형성되어 있다. 제 1고정디스크(40)의 외측에 배치되어 하우징(20)을 덮는 커버(60)에는 다수의 배기구(64)가 형성되어 있다.

또한, 동력전달장치(100)는 로터(30)의 내주면에 부착되며 가이드 레일(112)이 구비된 가이드 플레이트(110)와, 일단에는 가이드 롤러(130)를 개재하여 상기 가이드 레일(112)을 따라 상하로 이동하는 롤러 고정축(122)이 형성되고 타단에는 구동기어(150)가 고정되는 기어 고정축(124)이 구비된 슬라이더(120)와, 베어링(154)을 개재하여 구동기어(150)를 회전 가능하게 지지하며, 걸림턱(162)을 지닌 제 1수직 고정틀(160)과, 상기 걸림턱(162)이 걸어맞춤되는 걸림홈(162') 및 다수의 체결공(164)을 지닌 제 2수직 고정틀(160')과, 상기 제 2수직 고정틀(160')의 체결공(164)과 대응되는 체결공(186)을 지니며, 조립시에 이들 체결공(164), (186)을 통해 삽입되는 볼트가 상기 로터(30)의 내주면에 고정되는 수평고정틀(180)로 이루어져 있다.

여기에서, 슬라이더(120)에는 로터(30)의 회전시에 균형을 유지하기 위한 질량부(126)가 구비되어 있으며, 롤러 고정축(122)에는 링홈(122a)이 형성되어 있어, 조립시에는 롤러 고정축(122)의 외경부에 롤러(130)의 내경부(132)를 삽입한 다음, 이 링홈(122a)에 고정링(도 4의 142)을 끼워 롤러(130)의 이탈을 방지한다. 또, 기어 고정축(124)에도 링홈(124a)이 형성되어 있어, 조립시에는 기어 고정축(124)에 구동기어(150)를 끼운 다음에, 링홈(124a)에 고정링(도 3의 144)을 끼워 구동기어(150)의 이탈을 방지한다.

또한, 수평고정틀(180)의 플랜지부(184)에는 수직 고정틀(160), (160')과의 결합을 위한 다수의 체결공(186)이 형성되어 있으며, 내부에는 2개의 내주면(182, 183)이 형성되어 있다. 이중에서, 하부의 내주면(182)에는 구동기어(150')의 외주면이 배치되며, 상부의 내주면(183)에는 베어링(154')이 끼워져 구동기어(150')를 회전 가능하게 지지한다.

그러나, 이러한 동축형 왕복 2행정엔진을 비롯한 대부분의 산업용 엔진은 주철이나 알루미늄으로 제조되므로, 강도면에서는 우수하나 내열성 및 내마모성이 취약하여 피스톤이 소착되거나 마모로 인해 압축강도가 저하되어 엔진의 효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 과거에도 단열성이 우수한 세라믹을 엔진에 설치하려는 시도는 있었으나, 취성이 약한 세라믹을 열팽창 계수가 다른 금속재의 실린더에 부착하게 되면, 고속 운행시에 열팽창으로 인해 세라믹이 파손되기 때문에 실용화에는 성공하지 못하였다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 산업용 엔진의 연소실을 제공하는 실린더 블록의 외벽과 피스톤의 외벽에 세라믹체를 부착하여 단열효과를 높임으로써 냉각에 필요한 열량의 감소로 인해 엔진효율을 극대화시키고 냉각회로의 최소화로 인해 엔진전체의 크기 및 중량을 감소시킬 있는 한편, 세라믹 간에는 팽창간극을 제공하여 기존의 실린더에도 적용할 수 있도록 구성한 세라믹 엔진을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 2행정엔진의 구성을 보인 분리 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 세라믹 엔진의 일예로서 세라믹체가 분리되어 있는 상태를 분리 사시도,

도 3은 도 2에서 세라믹체가 결합된 상태를 보인 분리 사시도,

도 4는 도 3에 도시한 2행정엔진의 결합상태를 보인 단면도,

도 5a와 도 5b는 도 4의 A부분 확대도들로서, 각각, 피스톤의 압축시 및 팽창시를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 엔진의 일부를 보인 평면도.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

20:하우징 22:고정판

24:흡입구 30:로터

32:피스톤 40, 50:제 1, 2고정디스크

44, 44':배기공 54, 54':흡기공

60:커버 64:배기구

100:구동장치 110:가이드 플레이트

112:가이드 레일 120:슬라이더

122:베어링 고정축 124:기어 고정축

126:질량부 150:, 150':구동기어

160, 160':수직고정틀 170:출력축

180:수평고정틀 200, 202, 206:제 1세라믹체

210, 212, 214, 216, 218, 220:제 2세라믹체

상술한 본 발명의 목적은 연소실을 제공하는 다수의 실린더 및 이 실린더 내의 혼합기를 압축하기 위한 피스톤을 구비한 산업용 엔진에 있어서, 상기 실린더의 벽면에는 다수의 제 1세라믹체가 부착되어 있으며, 상기 피스톤의 외벽에는 상기 제 1세라믹체와 함께 단열공간을 제공하는 다수의 제 2세라믹체가 부착되어 있으며, 이들 제 1 세라믹체와 제 2세라믹체를 구성하는 각각의 세라믹 간에는 열팽창에 따른 길이조절이 가능하도록 팽창간극을 두고 결합되는 것을 특징으로 하는 세라믹 엔진에 의해 달성된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 엔진에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 2는 본 발명을 동축 왕복형 2행정엔진에 적용한 상태를 보이기 위해 세라믹체를 분리하여 도시한 사시도로서, 도시의 목적상 도 1에서 구동장치 부분은 생략하였다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 단열공간을 제공하기 위하여 실린더의 벽면에 다수의 제 1세라믹체(200, 202, 206)를 부착하였으며, 피스톤의 외벽에도 다수의 제 2세라믹체(210, 212, 214, 216, 218, 220)를 부착하였다. 또한, 이들 제1,2세라믹체(200, 202, 206), (210, 122, 214, 216, 218, 220)에는 자체 결합을 위한 다수의 결합돌기(200a,206a,210a,214a,218a,...) 및 결합홈(216a,216b,...)이 형성되어 있다.

즉, 도 3에 일부 확대하여 도시한 바와 같이, 실린더 벽면에 부착되는 제 1세라믹체(200), (206)의 결합구조를 보면, 일측 단부에 형성된 결합돌기(200a), (206a)를 서로 맞댄 상태에서 자체 결합을 통해서 양 세라믹체(200), (206)를 결합시켰다. 또한, 제 2세라믹체(210), (218)의 경우에도 일측 단부에 형성된 결합돌기(210a), (218a)를 서로 맞댄 상태에서 자체 결합을 통해 양 세라믹체(210), (218)를 결합시키는 한편, 경우에 따라서는 세라믹체(216)에 결합홈(216a)을 형성하고, 세라믹체(218)에는 결합돌기(218a)를 형성하여, 조립시에 결합돌기(218a)를 결합홈(216a)에 삽입되도록 한다.

또, 3개의 세라믹체(214), (216), (220)가 결합되는 경우에는 이중 하나의 세라믹체(216)에 결합홈(216a, 216b)을 형성한 다음, 다른 2개의 세라믹체(214), (220)에 형성된 결합돌기(214a), (220a)를 상기 결합홈(216a, 216b)에 끼워서 조립시키는 것도 가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 제1,2 세라믹체(200, 202, 206), (210, 122, 214, 216, 218, 220) 간에 서로 조립되는 부위에 팽창간극(230)을 충분히 제공하게 되면, 열팽창에 따른 간극 조절을 통해 제1,2세라믹체(200, 202, 206), (210, 122, 214, 216, 218, 220)의 파손을 방지할 수 있게 된다.

도 4에는 제 1세라믹체(200, 202, 206)와 제 2세라믹체(210, 122, 214, 216, 218, 220)가 결합되어 있는 상태를 보인 단면도이다.도시된 바와 같이 슬라이더(120)는 롤러(130)를 개재하여 가이드 플레이트(110)의 가이드 레일(112)에 미끄럼 이동 가능하게 장착되어 있다.또한, 구동기어(150)의 톱니부(152)는 출력기어(171)의 톱니부(172)와 작동적으로 맞물려 있다.그러므로, 로터(30)가 회전하게 되면, 로터(30)의 회전력은 가이드 플레이트(110)의 가이드 레일(112)에 삽입되어 있는 롤러(130)를 통해서 슬라이더(120)로 전달되고, 슬라이더(120)로 전달된 동력은 구동기어(150)와 출력기어(171)를 통해서 출력축(170)으로 전달된다.

이때, 실린더를 이루는 하우징(20)의 내주면과 고정자의 외벽에는 상술한 제 1세라믹체(200, 202, 206)가 부착되어 있고, 로터(30)의 피스톤(32)의 외벽에는 상술한 제 2세라믹체(210, 212, 214, 216, 218, 220)가 부착되어 있어, 이들 제1, 2 세라믹체(200, 202, 206), (210, 122, 214, 216, 218, 220)에 의해 단열된 형태의 연소실이 제공된다.

다음에, 도 5a와 도 5b는 도 4의 A부분 확대도들이다. 도 5a에서 보면, 본 발명의 단열 연소실은 피스톤(32)이 현재 위치하고 있는 제 1연소실과, 피스톤(32)이 위치하고 있지 않은 제 2연소실로 이루어져 있으며, 이들 연소실은 피스톤(32)의 이동에 따라 교대로 압축챔버 및 팽창챔버로서 작용하게 된다.

먼저, 도 5a는 가령, 팽창시의 상태를 나타낸 것으로, 로터(30)의 회전에 따라 피스톤(32)이 시계방향으로 이동하게 되면, 흡기공(54')을 통해 유입된 혼합기가 압축되기 시작한다. 다음에, 도 5b와 같이 피스톤(32)이 중립위치를 지나서 제 2연소실쪽의 혼합기를 최대로 압축하였을 때 스파크 플러그에 전기가 공급되면서 점화되어 혼합기를 연소시킨다.

다음에, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 엔진의 일부를 보인 평면도로, 통상의 왕복 피스톤 엔진에 세라믹 조립체가 장착된 상태가 도시되어 있다.즉, 가솔린, 디젤, LPG등의 4행정 산업용 엔진의 경우 대부분이 피스톤이 직선 왕복운동을 하게 되고, 실린더가 원통형을 이루게 된다.이와 같은 경우에 있어서, 피스톤(300)과 실린더(304) 보어 간에는 다수(본 실시예에서는 4개)의 세라믹체(302)로 이루어진 세라믹 조립체가 배치되어 있다. 따라서, 연소실 내에서 발생되는 고온의 열이 이들 세라믹체(302)에 의해서 실린더 블록(306)으로 전달되는 것을 차단하게 된다.물론, 이 경우에도 세라믹체(302)가 조립될 때 열팽창을 고려하여 조립부위에 팽창간극(203)을 두는 것이 바람직하다.

이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 상술한 동축 왕복형 2행정엔진을 비롯하여, 현재 널리 사용되고 있는 가솔린, 디젤, LPG등의 4행정 산업용 엔진을 구성하는 실린더의 벽면과 피스톤의 외벽에 세라믹체를 부착하여 단열효과를 높임으로써 냉각에 필요한 열량의 감소로 인해 엔진효율을 극대화시킬 수 있다. 그밖에도 기존의 엔진을 냉각하기 위한 냉각장치가 불필요하거나 최소화할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 내주부에 다수의 고정판(22)이 부착되고 일측면에는 다수의 흡입구(24)가 형성된 하우징(20)과, 이 하우징(20)내에 회전 가능하게 배치되며 외주부에는 다수의 피스톤(32)이 형성된 로터(30)와, 이 로터(30)를 사이에 두고 상기 하우징(20)내에 결합되며 다수의 배기공(44, 44') 및 흡기공(54, 54')을 지닌 제 1 및 제 2고정디스크(40), (50)와, 다수의 배기구(64)가 구비되고 상기 하우징(20)을 덮는 커버(60)와, 상기 로터(30)의 회전에 의해 발생되는 동력을 출력축(170)으로 전달하는 동력전달장치(100)로 이루어지되;

   상기 고정판(22)에 의해 상기 하우징(20) 내에 다수의 실린더가 구획되어 다수의 연소실을 형성하게 되고, 상기 피스톤(32)이 현재 위치하고 있는 제 1연소실과, 상기 피스톤(32)이 위치하고 있지 않은 제 2연소실로 연속하여 이루어지며, 이들 연소실은 피스톤(32)의 이동에 따라 교대로 압축챔버 및 팽창챔버로 작용하는 동축 왕복형 2행정엔진과 같은 산업용 엔진에 있어서,

   상기 각각의 실린더의 벽면에는 다수의 제 1세라믹체(200, 202, 206)가 부착되고,

   상기 각각의 피스톤(32)의 외벽에는 상기 제 1세라믹체(200, 202, 206)와 함께 단열공간을 제공하는 다수의 제 2세라믹체(210, 212, 214, 216, 218, 220)가 부착되되,

   상기 제 1세라믹체(200, 202, 206)와 상기 제 2세라믹체(210, 212, 214, 216, 218, 220)의 각 단부에는 각각 결합돌기(200a,206a,210a,214a,218a,...) 및 결합홈(216a,216b,...)들이 형성되어 있어, 이 각각의 결합돌기(200a,206a, 210a,214a,218a,...) 및 결합홈(216a,216b,...) 들의 일대일 대응에 의한 끼움 결합을 통해 자체 결합되는 것을 특징으로 하는 세라믹 엔진.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1세라믹체(200, 202, 206)와 상기 제 2세라믹체(210, 212, 214, 216, 218, 220)들에 각각 형성된 결합돌기(200a,206a,210a,214a,218a,...) 및 결합홈(216a,216b,...)에 의해 끼움 조립될 때, 상기 제 1세라믹체(200, 202, 206)와 상기 제 2세라믹체(210, 212, 214, 216, 218, 220)들의 각 조립 부위에는 각각의 제1, 2 세라믹체(200, 202, 206), (210, 212, 214, 216, 218, 220)간의 열팽창에 따른 길이조절이 가능하도록 팽창간극(230)을 두고 결합하는 것을 특징으로 하는 세라믹 엔진.
3. 피스톤(300)이 직선 왕복운동을 하게 되고, 실린더(304)가 원통형을 이루는 가솔린, 디젤, LPG등의 4행정 산업용 엔진에 있어서,

   상기 피스톤(300)과 실린더(304)에 의해 형성되는 연소실의 보어 간에는 다수의 세라믹체(302)가 조립부위에 팽창간극(203)을 두고 조립되어 원통형 세라믹 조립체로 밀착 배치되는 것을 특징으로 하는 세라믹 엔진.