KR100558292B1 - 회전식 흡·배기구를 구비하는 내연기관 - Google Patents

회전식 흡·배기구를 구비하는 내연기관 Download PDF

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KR100558292B1
KR100558292B1 KR1020030038047A KR20030038047A KR100558292B1 KR 100558292 B1 KR100558292 B1 KR 100558292B1 KR 1020030038047 A KR1020030038047 A KR 1020030038047A KR 20030038047 A KR20030038047 A KR 20030038047A KR 100558292 B1 KR100558292 B1 KR 100558292B1
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Abstract

본 발명은, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4개의 행정으로 1사이클이 형성되는 4행정 내연기관에 있어서, 원통형 홈 형상의 실린더 삽입공이 상단면에 하나 이상 형성되는 실린더 블록과; 실린더 삽입공을 덮을 수 있도록 실린더 블록의 상단면에 결합되며, 연료와 산소가 일정비로 혼합된 혼합가스의 흡입을 위한 흡입구와 연소가스의 배출을 위한 배기구를 구비하는 실린더 헤드와; 원통 형상의 피스톤 삽입구가 하향으로 개방되도록 내부에 형성되며, 실린더 삽입공에 삽입된 상태에서 중심축을 회전축으로 자전함에 따라 흡입구와 배기구에 대응 가능한 위치에 내·외부를 관통하는 관통공을 구비하는 회전식 실린더와; 흡입행정 시 흡입구에 관통공이 위치되고, 배기행정 시 배기구에 관통공이 위치되며, 압축 및 폭발행정 시에는 피스톤 삽입구가 외부가 밀폐되도록 회전식 실린더를 자전시키는 회전수단을 포함하여 구성되는 회전식 흡·배기구를 구비하는 내연기관을 제공한다.
내연기관, 실린더 헤드, 흡입구, 배기구, 회전

Description

회전식 흡·배기구를 구비하는 내연기관 { Internal combustion engine having rotary suction and exhaust port }
도 1은 종래의 4행정 사이클 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 2a는 흡입구와 배기구가 회전식 실린더의 측면과 대응되는 부위의 실린더 헤드에 형성된 본 발명에 의한 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 내연기관의 주요부품 분해도이다.
도 3a 내지 도 3d는 각 행정별로 회전식 실린더가 회전하는 형상을 도시한다.
도 4a 내지 도 4d는 제 2 흡입구와 제 2 배기구가 추가로 형성된 회전식 실린더의 동작을 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 흡입구와 배기구가 90°의 내각을 이루도록 형성된 회전식 실린더의 동작을 도시한다.
도 6은 흡입구와 배기구가 회전식 실린더의 상단면과 대응되는 부위의 실린더 헤드에 형성된 본 발명에 의한 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 7은 흡입구와 배기구가 상단면이 개방된 회전식 실린더의 측면에 형성된 본 발명에 의한 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 8a와 도 8b는 기어 구조로 구성된 회전수단의 형상을 도시한다.
도 8c는 슬라이드 구조로 구성된 회전수단의 형상을 도시한다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 실린더 블록 110 : 실린더 삽입공
200 : 실린더 헤드 210 : 흡입구
210' : 제 2 흡입구 220 : 배기구
220' : 제 2 배기구 230 : 실린더 안착홈
300 : 회전식 실린더 310 : 피스톤 삽입구
320 : 관통공 330 : 점화플러그 삽입구
340 : 점화플러그 400 : 피스톤
500 : 커넥팅로드 600 : 크랭크축
710 : 크랭크축 기어 720 : 실린더 기어
730 : 미들기어 732 : 변속기어
734 : 방향전환기어 750 : 가이드홈
760 : 가이드돌기
본 발명은 연료와 산소가 일정 비율로 혼합된 혼합가스를 내부에서 연소시켜 동력을 발생시키는 내연기관에 있어서, 혼합가스의 흡입 및 배기장치가 단순화 되도록 개선되어 구조가 간단하고 부품수가 절감된 내연기관에 관한 것이다.
내연기관이라 함은, 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관으로서, 사용하는 연료에 의해 가스기관·가솔린기관·석유기관·디젤기관 등으로 분류된다.
피스톤을 사용하여 동력을 발생시키는 내연기관은 행정·동작에 따라 4행정·2행정 사이클 방식으로 세분화되는데, 4행정 사이클 방식의 내연기관은 구조가 복잡하지만 효율이 좋은 반면, 2행정 사이클 방식의 내연기관은 4행정 사이클 방식의 내연기관에 비하여 효율은 떨어지지만 구조가 간단하다는 특징이 있다.
이 중에서 일상생활에서 주로 사용되는 방식은 4행정 사이클 방식으로서, 혼합가스를 실린더내에 흡입하는 흡입행정, 흡입된 혼합가스를 압축하는 압축행정, 압축된 혼합가스를 연소시켜 동력을 발생시키는 폭발행정, 연소된 가스를 배출시키는 배기행정을 완료하여 동력을 발생시킨다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 4행정 사이클 내연기관을 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 4행정 사이클 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 4행정 사이클 내연기관은, 연료와 산소가 일정비율로 혼합된 혼합가스를 연소시켜 동력을 얻는 실린더 블록(10)과, 실린더 블록(10)의 상단면에 결합되어 혼합가스의 흡입 및 연소가스의 배출을 조작하는 실 린더 헤드(20)로 크게 구분된다.
실린더 블록(10)은 상단면에 원통형 형상의 실린더(11)가 형성되어있고, 실린더(11)의 벽면에 밀착되도록 삽입가능한 원통형 형상으로 이루어져 있으며 혼합가스가 연소될 때 발생하는 폭발력을 받아 실린더(11)의 길이방향으로 왕복운동을 하는 피스톤(12)과, 왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크축(13)과, 피스톤의(12)의 왕복운동을 크랭크축(13)에 인가하는 커넥팅로드(14)와, 크랭크축(13) 뒤에 설치되 크랭크축(13) 회전의 평행을 유지시켜주는 평행추(15)를 포함하여 구성되어있다.
피스톤(12)의 상단에는 실린더 벽에 밀착되어 혼합가스 누출을 방지하는 압축링(12a)과, 실린더 벽의 오일을 긁어내리는 오일링(12b)이 외측면 전주에 걸쳐 결합되어있다.
또한, 실린더 헤드(20)는 혼합가스의 흡입통로가 되는 흡입구(21)와, 연소가스의 배출 통로가 되는 배기구(22)와, 흡입구(21)의 개폐를 위한 흡입밸브(21a) 및 배기구(22)의 개폐를 위한 배기밸브(22a)와, 크랭크축(13)의 회전력을 인가 받아 회전하는 캠샤프트(23)와, 캠샤프트(23)에 결합되어 회전하는 캠(24)과, 캠(24)의 회전력을 인가 받아 흡입밸브(21a) 및 배기밸브(22a)를 주기적으로 개폐시키는 로커아암(25)을 포함하여 구성되어있다. 이때, 캠샤프트(23)는 크랭크축 2회전에 1회전을 하도록 구성되어있다.
도 1의 상태에서 크랭크축(13)이 회전함에 따라 피스톤(12)이 실린더(11)의 하단으로 이동하고 흡입밸브(21a)가 개방되면 실린더(11) 내부로 혼합가스가 인입 되고(흡입행정), 혼합가스가 실린더(11)의 내부로 인입된 상태에서 흡입밸브(21a)가 닫혀지고 피스톤(12)이 실린더(11)의 상단으로 이동하게되면 혼합가스가 압축된다(압축행정).
피스톤(12)이 최상단 지점에 위치하여 혼합가스의 압축이 최대가 되면 압축된 혼합가스의 폭발을 유도한다(폭발행정). 이때, 혼합가스의 폭발을 유도하는 방법은 점화플러그를 통하여 전기적 스파크를 가해주는 불꽃점화방식이나, 연소점 이상의 온도가 되도록 혼합가스를 압축시키는 압축착화방식 등 여러 가지 방법으로 적용된다. 가스의 폭발력에 의하여 피스톤은 하향으로 이동하게되고, 이로 인하여 크랭크축(13)은 회전력을 얻게된다.
혼합가스의 폭발이 끝난 이후, 크랭크축(13)의 회전 관성력으로 인하여 피스톤(12)은 상향으로 이동하게 되고 배기밸브(22a)가 개방되어 연소를 마친 연소가스는 배기구(22)를 통하여 외부로 인출된다(배기행정).
상기와 같은 동작을 통하여 동력을 발생하는 종래의 4행정 사이클 내연기관은 연료의 효율이 높아 연료의 절약 효과가 있고 고속 및 고출력이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 혼합가스의 흡입과 연소가스의 배출을 위한 밸브시스템이 요구되므로 부피와 무게가 증가되고 부품수가 증가된다. 밸브시스템이 차지하는 부피와 무게는 내연기관 전체 부피와 무게의 약 1/3을 차지하고 부품수로는 내연기관 전체 부품수의 약 1/2을 차지하게되어, 제품의 경량화에 많은 어려움이 있고 구조가 복잡해져서 제작이 어려워질 뿐만 아니라 고장율 감소가 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상기 전술한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 흡입 및 배기장치의 단순화를 통하여 내연 기관의 무게 및 부피, 부품수를 줄임으로써, 내부 구성을 간단하게 할 수 있고 제품의 경량화를 도모할 수 있는 내연기관을 제공하는데 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 내연기관은, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4개의 행정으로 1사이클이 형성되는 4행정 내연기관에 있어서, 원통형 홈 형상의 실린더 삽입공이 상단면에 하나 이상 형성되는 실린더 블록과; 실린더 삽입공을 덮을 수 있도록 실린더 블록의 상단면에 결합되며, 연료와 산소가 일정비로 혼합된 혼합가스의 흡입을 위한 흡입구와 연소가스의 배출을 위한 배기구를 구비하는 실린더 헤드와; 실린더 삽입공에 삽입 가능한 원통 형상으로 형성되고, 원통 형상의 피스톤 삽입구가 하향으로 개방되도록 내부에 형성되며, 실린더 삽입공에 삽입된 상태에서 중심축을 회전축으로 자전함에 따라 흡입구와 배기구에 대응 가능한 위치에 내·외부를 관통하는 관통공을 구비하는 회전식 실린더와; 피스톤 삽입구의 벽면에 밀착되어 삽입 가능한 형상으로 형성되며, 피스톤 삽입구의 길이 방향으로 왕복직선운동이 가능하도록 피스톤 삽입구의 내부에 결합되는 피스톤과; 결합방향의 변환이 가능한 구조로 피스톤의 하단부에 결합되는 커넥팅로드와; 커넥팅로드와 결합되어 피스톤의 왕복직선운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크축과; 흡입행정 시 흡입구에 관통공이 위치되고, 배기행정 시 배기구에 관통공이 위치되며, 압축 및 폭발행정 시에는 피스톤 삽입구가 외부가 밀폐되도록 회전식 실린더를 자전시키는 회전수단;을 포함하여 구성된다.
실린더 헤드는 회전식 실린더의 상단면과 대응되는 부위에 흡입구와 배기구를 구비할 수도 있고, 회전식 실린더의 측면과 대응되는 부위에 흡입구와 배기구를 구비할 수도 있다.
흡입구와 배기구는 회전식 실린더의 중심축을 중심으로 45°의 내각을 이루도록 형성되고, 관통공은 회전식 실린더의 중심축을 중심으로 서로 마주보도록 한쌍으로 형성되며, 회전수단은 피스톤이 4회 왕복운동을 할 때마다 회전식 실린더를 1회전 자전시키도록 구성된다.
또한, 흡입밸브와 배기밸브를 2쌍씩 구비하는 DOHC(Double Over Head Camshaft)엔진과 같이 혼합가스의 흡입량과 배기가스의 배기량을 증가시키기 위한 경우, 실린더 헤드는 회전식 실린더의 중심축을 중심으로 흡입구 및 배기구와 마주보는 위치에 제 2 흡입구 및 제 2 배기구를 각각 추가로 구비한다.
회전수단은 크랭크축에 고정 결합되는 크랭크축 기어와, 회전식 실린더의 하단부 전주에 걸쳐 형성되는 실린더 기어와, 크랭크축 기어와 실린더 기어에 결합되어 크랭크축 기어 회전력의 방향과 속도를 변화시켜 실린더 기어에 전달함으로써 회전식 실린더를 자전시키는 미들기어를 포함하여 구성된다.
또한, 회전수단은, 진폭이 피스톤의 수직왕복운동 거리와 동일한 사인파 형상으로 이루어지며 회전식 실린더의 내측면 전주에 걸쳐 연속적으로 형성되는 가이 드홈과, 가이드홈을 따라 슬라이딩운동을 할 수 있도록 피스톤의 측면에 결합되는 가이드돌기를 포함하여 구성되도록 적용될 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 회전식 흡·배기구를 구비하는 내연기의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2a는 흡입구와 배기구가 회전식 실린더의 측면과 대응되는 부위의 실린더 헤드에 형성된 본 발명에 의한 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 2a에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 회전식 흡·배기구를 구비하는 내연기관은, 원통형 홈 형상의 실린더 삽입공(110)이 상단면에 하나 이상 형성되는 실린더 블록(100)과; 실린더 삽입공(110)을 덮을 수 있도록 실린더 상단면에 결합되는 실린더 헤드(200)와; 실린더 삽입공(110)에 삽입 가능한 원통 형상으로 형성되고, 원통 형상의 피스톤 삽입구(310)가 하향으로 개방되도록 내부에 형성되는 회전식 실린더(300)와; 피스톤 삽입구(310)의 벽면에 밀착되어 삽입 가능한 형상으로 형성되며, 피스톤 삽입구(310)의 길이 방향으로 수직 왕복직선운동이 가능하도록 피스톤 삽입구(310)의 내부에 결합되는 피스톤(400)과; 결합방향의 변환이 가능한 구조로 피스톤(400)의 하단부에 결합되는 커넥팅로드(500)와; 커넥팅로드(500)와 결합되어 피스톤(400)의 왕복직선운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크축(600)을 포함하여 구성된다.
실린더 헤드(200)는 실린더 삽입공(110)의 입구와 대응되는 위치에 혼합가스의 흡입을 위한 흡입구(210)와 연소가스의 배출을 위한 배기구(220)가 형성되며, 회전식 실린더는 실린더 삽입공에 삽입된 상태에서 중심축을 회전축으로 하여 자전 함에 따라 흡입구(210)와 배기구(220)에 대응 가능한 높이의 측면에 내·외부를 관통하는 한 쌍의 관통공(320)이 형성된다.
이때, 한 쌍의 관통공(320)은 회전식 실린더의 중심축을 기준으로 서로 마주보도록 형성된다.
회전식 실린더(300)는 흡입구(210)와 배기구(220)가 실린더 삽입공(110)의 외부로 노출되도록 상단 일부가 실린더블록(100)의 상단면으로 돌출된 상태를 유지한다. 또한, 관통공(320)의 수직 높이는 흡입구(210) 및 배기구(220)의 수직 높이와 동일하도록 형성되어, 회전식 실린더(300)가 회전함에 따라 관통공(310)은 흡입구(210) 및 배기구(220)에 겹쳐지게 된다.
회전식 실린더는, 상단면 중심부에 내·외부를 관통하는 점화플러그 삽입구(330)가 형성되고, 점화플러그 삽입구(330)에 삽입되도록 결합되어 피스톤 삽입구(310)의 내부로 전기적 스파크를 인가하는 점화플러그(340)를 추가로 구비한다.
크랭크축(600)의 일측에는 크랭크축(600) 회전모멘트의 평형을 유지시키는 평행추(610)가 결합된다.
도 2b는 도 2a에 도시된 내연기관의 주요부품 분해도이다.
도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명에 적용되는 실린더 헤드(200)는, 실린더 블록(100)의 상단으로 돌출되는 회전식 실린더(300)의 상단부가 삽입될 수 있도록 저면에 실린더 안착홈(230)이 형성된다.
따라서, 실린더 헤드(200)는 회전식 실린더(300)에 간섭되지 아니하고 실린 더 블록(100)에 밀착될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 각 행정별로 회전식 실린더가 회전하는 형상을 도시한다.
도 3a는 관통공(320)이 흡입구(210)와 일치되도록 회전식 실린더(300)가 위치된 흡입행정의 형상을 도시하는 평면 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 흡입구(210)와 배기구(220)는 회전식 실린더(300)의 중심축을 중심으로 45°의 내각을 이루도록 형성되고, 관통공(320)은 회전식 실린더(300)의 중심축을 중심으로 서로 마주보도록 한쌍으로 형성된다.
이와 같이 흡입구(210)와 배기구(220)는 회전식 실린더(300)의 중심축을 중심으로 45°의 내각을 이루도록 형성되는 경우, 회전식 실린더(300)는 피스톤(400)이 4회 왕복운동을 할 때마다 1회전 자전하도록 구성된다.
도 3a에 도시된 바와 같이 흡입행정의 상태가 되면, 피스톤(400)은 피스톤 삽입구(310)의 벽면과 밀착된 상태를 유지하며 하향으로 이동함에 따라 피스톤 삽입구(310)의 내부 압력이 낮아지게 되고, 이에 따라 흡입구(210)를 통하여 피스톤 삽입구(310)의 내부로 혼합가스가 유입된다.
이때, 피스톤 삽입구(310)는 흡입구(210)로만 연결되어 있고 배기구(220)와는 차단되어 있으므로, 흡입구(210)를 통하여 인입되는 혼합가스는 피스톤 삽입구(310)의 외부로 유출되지 아니하고 내부에 저장된다.
도 3b는 도 3a의 상태에서 회전식 실린더(300)가 반시계 방향으로 45°회전한 압축행정의 형상을 도시한다.
도 3b에 도시된 바와 같이 압축행정의 상태가 되면, 피스톤(400)이 피스톤 삽입구(310)의 벽면과 밀착된 상태를 유지하며 상향으로 이동함에 따라 혼합가스가 저장되어있는 공간이 축소되고, 이에 따라 피스톤 삽입구(310) 내부의 혼합가스는 고온 고압의 상태가 된다.
이때, 관통공(320)은 흡입구(210)나 배기구(220)와 겹쳐지지 아니므로, 피스톤 삽입구(310)는 외부와 밀폐된 상태를 유지하게된다.
도 3c는 도 3b의 상태에서 회전식 실린더(300)가 반시계 방향으로 45°회전한 폭발행정의 형상을 도시한다.
도 3c에 도시된 바와 같이 폭발행정의 상태가 되면, 회전식 실린더(300)의 상단에 결합된 점화플러그(미도시)는 전기적 스파크를 발생시키고, 피스톤 삽입구(310) 내부의 혼합가스는 스파크에 의하여 발화되어 폭발된다.
혼합가스의 폭발력으로 인하여 피스톤(400)은 하향으로 이동하게 되고, 크랭크축(미도시)에 회전력을 발생시키게된다.
도 3d는 관통공(320)이 배기구(220)와 일치되도록 회전식 실린더(300)가 위치된 배기행정의 형상을 도시하는 평면 단면도이다.
도 3d에 도시된 바와 같이 배기행정의 상태가 되면, 피스톤(400)은 상향으로 이동하며 피스톤 삽입구(310) 내부의 연소가스를 배기구(220)를 통하여 외부로 배출시킨다.
이때, 피스톤 삽입구(310)는 배기구(220)로만 연결되어 있고 흡입구(210)와는 차단되어 있으므로, 혼합가스는 배기구(220)로만 배출되고 흡입구(210)로는 배 출되지 아니한다.
도 4a 내지 도 4d는 제 2 흡입구와 제 2 배기구가 추가로 형성된 회전식 실린더의 동작을 도시한다.
출력의 증가를 위하여 혼합가스의 흡입량과 배기가스의 배기량을 증가시키고자 하는 경우, 도 4a에 도시된 바와 같이 회전식 실린더의 중심축을 중심으로 흡입구(210) 및 배기구(220)와 마주보는 위치의 실린더 헤드(200)에 제 2 흡입구(210')와 제 2 배기구(220')를 각각 추가로 구비한다.
도 4a는 한 쌍의 관통공(320)이 흡입구(210)와 제 2 흡입구(210')에 각각 일치되도록 회전식 실린더(300)가 위치된 흡입행정의 형상을 도시하는 평면 단면도이다.
한 쌍의 관통공(320)을 포함하여, 흡입구(210)와 제 2 흡입구(210'), 배기구(220)와 제 2 배기구(220')는 각각 회전식 실린더의 중심축을 중심으로 마주보도록 형성되므로, 하나의 관통공(320)이 흡입구(210)와 일치되도록 위치되면, 다른 하나의 관통공(320)은 자동으로 제 2 흡입구(210')에 위치되어 혼합가스의 단위 시간당 흡입량이 증가하게된다.
이와 같이 흡입구 면적과 배기구 면적이 각각 2배로 증가되면, 흡입밸브와 배기밸브를 2쌍씩 구비하는 DOHC(Double Over Head Camshaft)엔진과 같이 고속 및 고출력이 가능하게된다.
도 4b와 도 4c는 각각 압축, 폭발행정 시의 형상을 도시한 것으로서, 피스톤(400)의 동작과 혼합가스의 연소과정 등은 도 3b 내지 도 3c를 참조하여 설 명한 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4d는 한 쌍의 관통공(320)이 배기구(220)와 제 2 배기구(220')에 각각 일치되도록 회전식 실린더(300)가 위치된 배기행정의 형상을 도시하는 평면 단면도이다.
흡입구(220) 및 제 2 흡입구(220')의 경우와 마찬가지로, 하나의 관통공(320)이 배기구(220)와 일치되도록 위치되면, 다른 하나의 관통공(320)은 자동으로 제 2 배기구(220')에 위치되어 연소가스의 단위 시간당 배기량이 증가하게된다.
도 5a 내지 도 5d는 흡입구와 배기구가 90°의 내각을 이루도록 형성된 회전식 실린더의 동작을 도시한다.
본 발명에 의한 내연기관은, 회전식 실린더(300)의 중심축을 중심으로 흡입구(210)와 배기구(220)가 이루는 내각을 변경시켜 적용시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같이, 흡입구(210)와 배기구(220)가 회전식 실린더(300)의 중심축을 중심으로 이루는 내각이 90°가 되도록 형성되는 경우, 회전식 실린더는 피스톤(400)이 2회 왕복운동을 할 때마다 1회전 자전하도록 구성된다.
즉, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정이 이루어지는 동안 회전식 실린더(300)는 90°씩 반시계 방향으로 회전하게된다. 회전식 실린더(300)의 회전 각도 이외에 혼합가스가 연소되어 동력을 발생시키는 원리 및 동작은 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 흡입구와 배기구가 회전식 실린더의 상단면과 대응되는 부위의 실린더 헤드에 형성된 본 발명에 의한 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 6에 도시된 바와 같이 흡입구(210)와 배기구(220)가 회전식 실린더(300)의 상단면과 대응되는 부위에 형성되는 경우, 관통공(320)은 회전식 실린더(300)의 상단면에 내·외부가 관통되도록 형성된다.
각 행정이 진행됨에 따라 회전식 실린더(300)가 회전하여 혼합가스를 흡입하고 연소가스를 배출하는 동작 구성과, 피스톤 삽입구(310)를 밀폐시키는 구조는 도 도 2a를 참조하여 설명한 실시예와 동일하다.
내연기관이 장착되는 기계의 구조상 흡입구(210)와 배기구(220)를 특정 위치에 형성하기 어려운 경우, 흡입구(210)와 배기구(220)의 형성위치는 도 6에 도시된 위치 이외에 다양한 위치로 변경되어 적용될 수 있다. 이때, 관통공(320)의 위치는 흡입구(210)와 배기구(220)의 위치에 따라 변경된다.
도 7은 흡입구와 배기구가 상단면이 개방된 회전식 실린더의 측면에 형성된 본 발명에 의한 내연기관의 내부 구성을 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이 흡입구(210)와 배기구(220)가 실린더 블록(100)의 측면을 관통하도록 형성되는 경우, 실린더 블록(200)은 별도의 구성을 포함하지 아니하는 평판 형상으로 제작되어 적용될 수 있다. 본 실시예에서는 흡입구(210)와 배기구(220)가 오목한 홈 형상으로 실린더 블록(100)의 상단면에 형성되지만, 실린더 블록(100)의 측면을 관통하는 구멍 형상으로도 적용이 가능하다.
실린더 블록(200)이 평판 형상으로 제작되어 적용되는 경우, 회전식 실린더(300)는 실린더 블록(100)의 상단으로 돌출되지 아니하도록 실린더 삽입공(110)의 내부로 완전히 삽입된다.
상기와 같은 구조로 결합되는 회전식 실린더(300)는 상단면이 개방되어 있더라도 상단 끝단이 실린더 헤드(200)의 저면과 밀착되어 피스톤 삽입구(310)의 내·외부 기밀유지가 가능해지므로, 상·하단이 개방되는 파이프 형상으로의 적용이 가능해진다. 또한, 파이프 형상의 회전식 실린더(310)에 형성되는 관통공(320)은 도 2a와 도 6에 도시된 구멍 형상으로도 적용이 가능하고, 도 7에 도시된 바와 같이 구멍상단이 개방되어있는 개구부 형상으로도 적용이 가능하다.
도 8a는 기어 구조로 구성된 회전수단의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 8a에 도시된 바와 같이 본 발명에 적용되는 회전수단은, 크랭크축(600)에 고정 결합되는 크랭크축 기어(710)와, 회전식 실린더(300)의 하단부 전주에 걸쳐 형성되는 실린더 기어(720)와, 크랭크축 기어(710)와 실린더 기어(720)에 결합되어 크랭크축 기어(710)로부터 인가받은 회전력을 실린더 기어(720)에 전달함으로써 회전식 실린더(300)를 자전시키는 미들기어(730)를 포함하여 구성된다.
각 기어들의 기어비는 피스톤(400)이 몇 회 왕복운동을 할 때마다 회전식 실린더가 1회전 자전하여야 하는지에 따라 결정된다.
도 8b는 도 8a에 도시된 회전수단의 측면도이다.
도 8a에 도시된 바와 같이 미들기어(730)는, 크랭크축 기어(710)와 결합되어 회전속도를 변속시키는 변속기어(732)와, 실린더 기어(720)와 결합되어 회전 방향을 변환시키는 방향전환기어(734)를 포함하여 구성된다.
변속기어(732)는 크랭크축 기어(710)와의 잇수비를 조정하여 속도를 변환시키고, 방향전환기어(734)는 실린더 기어(720)와 베벨기어 결합구조로 결합되어 회전 방향을 변환시키도록 구성된다.
따라서, 본 발명에 적용되는 회전수단을 사용하면, 수평 방향의 회전축을 갖는 크랭크축(600)의 회전력을 이용하여 회전식 실린더(300)를 중심축을 회전축으로 하여 자전시킬 수 있게된다.
도 8c는 슬라이드 구조로 구성된 회전수단의 형상을 도시한다.
도 8c에 도시된 바와 같이 본 발명에 적용되는 회전수단은, 진폭이 피스톤(400)의 수직왕복운동 거리와 동일한 사인파 형상으로 이루어지며 회전식 실린더(300)의 내측면 전주에 걸쳐 연속적으로 형성되는 가이드홈(750)과, 가이드홈(750)을 따라 슬라이딩운동을 할 수 있도록 피스톤(400)의 측면에 결합되는 가이드돌기(760)를 포함하여 구성될 수도 있다.
회전식 실린더(300)는 수직 방향으로는 고정되며 자전운동만 가능하도록 결합되므로, 피스톤(400)이 수직 방향으로 왕복운동을 함으로 인하여 가이드돌기(760)가 가이드홈(750)을 따라 슬라이딩 운동을 하게되면, 회전식 실린더(300)는 중심축을 회전축으로 하여 자전운동을 하게된다.
이때, 회전식 실린더(300)의 내측면에 형성되는 가이드홈(750)의 주기는 피스톤(400)의 1회 왕복당 회전식 실린더(300)의 회전 각도에 따라 결정된다.
예를 들어, 피스톤(400)이 4회 왕복운동을 할 때 회전식 실린더(300)가 1회 자전하여야 하는 경우, 가이드홈(750)은 4번의 주기를 갖도록 회전식 실린더(300) 의 내측면에 형성된다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 회전식 흡·배기구를 구비하는 내연기관을 사용하면, 흡입 및 배기장치가 단순화되어 무게 및 부피, 부품수를 감소되므로 내부 구성을 간단하게 할 수 있고 생산비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 제품의 경량화를 도모할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 혼합가스를 흡입하는 흡입구와 연소가스를 배출하는 배기구의 형성위치를 변경시킬 수 있으므로 여러 종류의 동력장치에 적용시킬 수 있다는 장점도 있다.

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  9. 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4개의 행정으로 1사이클이 형성되는 4행정 내연기관에 있어서,
    원통형 홈 형상의 실린더 삽입공(110)이 상단면에 하나 이상 형성되는 실린더 블록(100)과;
    실린더 삽입공(110)을 덮을 수 있도록 상기 실린더 블록(100)의 상단면에 결합되며, 연료와 산소가 일정비로 혼합된 혼합가스의 흡입을 위한 흡입구(210)와 연소가스의 배출을 위한 배기구(220)를 구비하는 실린더 헤드(200)와;
    상기 실린더 삽입공(110)에 삽입 가능한 원통 형상으로 형성되고, 원통 형상의 피스톤 삽입구(310)가 하향으로 개방되도록 내부에 형성되며, 상기 실린더 삽입공(110)에 삽입된 상태에서 중심축을 회전축으로 하여 자전함에 따라 상기 흡입구(210)와 상기 배기구(220)에 대응 가능한 위치에 내·외부를 관통하는 관통공(320)을 구비하는 회전식 실린더(300)와;
    상기 피스톤 삽입구(310)의 벽면에 밀착되어 삽입 가능한 형상으로 형성되며, 상기 피스톤 삽입구(310)의 길이 방향으로 왕복직선운동이 가능하도록 상기 피스톤 삽입구(310)의 내부에 결합되는 피스톤(400)과;
    결합방향의 변환이 가능한 구조로 상기 피스톤(400)의 하단부에 결합되는 커넥팅로드(500)와;
    상기 커넥팅로드(500)와 결합되어 상기 피스톤(400)의 왕복직선운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크축(600)과;
    흡입행정 시 상기 흡입구(210)에 상기 관통공(320)이 위치되고, 배기행정 시 상기 배기구(220)에 상기 관통공(320)이 위치되며, 압축 및 폭발행정 시에는 상기 피스톤 삽입구(310)가 외부와 밀폐되도록 상기 회전식 실린더(300)를 자전시키되, 진폭이 상기 피스톤(400)의 수직왕복운동 거리와 동일한 사인파 형상으로 이루어지며, 상기 회전식 실린더(300)의 내측면 전주에 걸쳐 연속적으로 형성되는 가이드홈(750)과 상기 가이드홈(750)을 따라 슬라이딩운동을 할 수 있도록 상기 피스톤(400)의 측면에 결합되는 가이드돌기(760)로 이루어진 회전수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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  14. 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4개의 행정으로 1사이클이 형성되는 4행정 내연기관에 있어서,
    원통형 홈 형상의 실린더 삽입공(110)이 상단면에 하나 이상 형성되고, 연료와 산소가 일정비로 혼합된 혼합가스의 흡입 및 연소가스의 배출을 위하여 상기 실린더 삽입공(110)의 내부까지 관통되는 형상의 흡입구(210) 및 배기구(220)가 측면에 형성되는 실린더 블록(100)과;
    실린더 삽입공(110)을 덮을 수 있도록 상기 실린더 블록(100)의 상단면에 결합되는 실린더 헤드(200)와;
    상기 실린더 삽입공(110)에 삽입 가능한 원통 형상으로 형성되고, 원통 형상의 피스톤 삽입구(310)가 하향으로 개방되도록 내부에 형성되며, 상기 실린더 삽입공(110)에 삽입된 상태에서 중심축을 회전축으로 자전함에 따라 상기 흡입구(210)와 상기 배기구(220)에 대응 가능한 위치에 내·외부를 관통하는 관통공(320)을 구비하는 회전식 실린더(300)와;
    상기 피스톤 삽입구(310)의 벽면에 밀착되어 삽입 가능한 형상으로 형성되며, 상기 피스톤 삽입구(310)의 길이 방향으로 왕복직선운동이 가능하도록 상기 피스톤 삽입구(310)의 내부에 결합되는 피스톤(400)과;
    결합방향의 변환이 가능한 구조로 상기 피스톤(400)의 하단부에 결합되는 커넥팅로드(500)와;
    상기 커넥팅로드(500)와 결합되어 상기 피스톤(400)의 왕복직선운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크축(600)과;
    흡입행정 시 상기 흡입구(210)에 상기 관통공(320)이 위치되고, 배기행정 시 상기 배기구(220)에 상기 관통공(320)이 위치되며, 압축 및 폭발행정 시에는 상기 피스톤 삽입구(310)가 외부와 밀폐되도록 상기 회전식 실린더(300)를 자전시키는 회전수단을 구비하되, 그 회전수단은 상기 크랭크축(600)에 고정 결합되는 크랭크축 기어(710)와 상기 회전식 실린더(300)의 하단부 전주에 걸쳐 형성되는 실린더 기어(720)와 상기 크랭크축 기어(710)와 상기 실린더 기어(720)에 결합되어, 상기 크랭크축 기어(710) 회전력의 방향과 속도를 변화시켜 상기 실린더 기어(720)에 전달함으로써 상기 회전식 실린더(300)를 자전시키는 미들기어(730)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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