KR101661719B1 - 동축 크랭크리스 엔진 - Google Patents

Abstract

길이 방향 연장 축(XX)을 정의하는 적어도 하나의 실린더(3)를 구비하는 동축 크랭크리스 엔진(1). 한 쌍의 피스톤들(5, 6)이 상기 실린더의 길이 방향 축을 따라 반대 방향으로 왕복운동 하도록 배치된다. 상기 피스톤들 사이의 공간(7)이 공통의 연소 챔버(70)를 형성한다. 제1 샤프트(10)는 상기 실린더의 상기 길이 방향 축과 실질적으로 평행하도록 측 방향으로 떨어져 배치된다. 제2 샤프트(12)는 상기 실린더의 상기 길이 방향 축과 실질적으로 평행하도록 측 방향으로 떨어져 배치된다. 상기 제2 샤프트(12)는 상기 제1 샤프트가 통과하여 지나가고 그 안에서 회전할 수 있는 길이 방향 연장 구멍(14)을 구비한다. 상기 피스톤 각각은 축 방향에서 떨어져 배치된 캠(16, 17)에 연결된다. 제1 캠은 상기 제1 샤프트에 의하여 지지되고, 제2 캠은 상기 제2 샤프트에 의하여 지지된다. 사용 시에는 상기 피스톤들의 왕복운동이, 대응하는 샤프트들 위에서 엔진을 구동하기 위한 회전운동으로 전달된다.

Description

동축 크랭크리스 엔진{A CO-AXIAL CRANKLESS ENGINE}

본 발명은 구동 엔진, 특히 동축/양방향 크랭크리스 엔진(coaxial/bi-directional crankless engine)에 관한 것이다.

왕복 엔진들은 전 세계적으로 흔하게 되었고, 차량과 같은 기계장치를 구동하기 위하여 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위해 통상적으로 크랭크 메커니즘을 사용한다. 그러한 엔진들의 왕복 성질로 인하여, 엔진의 효율을 감소시키는 에너지의 손실이 발생하고, 구성요소의 마모, 구성요소의 필연적인 진동, 및 과도한 소음을 유발하는 불균형이 발생된다.

상기 문제들을 해결하기 위하여 여러 시도들이 있어왔다. 예를 들어, 회전식 엔진, 궤도형 엔진(orbital engine), 분할 사이클(split cycle) 엔진, 캠 엔진(cam engine), 축 엔진(axial engine), 배럴 엔진(barrel engine) - 모든 상기 엔진들에서는 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 크랭크축이 다른 메커니즘으로 대체되고, 크랭크축의 고유한 불균형과 관련된 문제들의 다수가 어느 정도 완화된다.

그러한 엔진들은, 특정 기계장치를 추진하기 위하여 구동 샤프트(shaft)의 단부에 위치한 블레이드(blade) 또는 로터(rotor) 또는 그와 유사한 것들을 포함하는 기계장치들(예를 들어, 보트, 비행기, 잠수함, 헬리콥터 등)을 구동할 수 있다. 특히 군사용 기계장치에서, 로터 또는 프로펠러들이 반대 방향의 별개의 축 상의 분리된 샤프트들 위에서 회전하는 역회전(contra-rotating) 장치들을 제외하고는 동일한 회전축을 가진 단일 샤프트 상에 장착되고, 대향된 방향들을 가진, 한 쌍의 로터들 또는 프로펠러들을 회전시키기 위하여 동축반전 로터(coaxial rotor)들이 사용되어왔다. 어떤 구성이든 단일 샤프트의 작동을 역회전 샤프트 또는 동축 샤프트로 변환하는 임의의 기어 박스가 필요하다. 유성기어열(planetary gearset) 또는 유사한 기어박스는, 엔진으로부터 동축 또는 역회전 샤프트 배열까지 연결된 구동 샤프트의 회전을 동축 또는 역회전의 프로펠러 또는 로터들의 구동으로 변환시킨다. 그러한 시스템들은 예를 들어 해양 기계장치에서 볼 수 있다. 두 개의 프로펠러들 또는 로터들은 하나 뒤에 다른 하나가 배치되고, 동력은 엔진으로부터 기어 트랜스미션(gear transmission)을 통하여 전달된다. 회전식 흐름이 감소되고, 프로펠러 또는 로터들을 균일하게 통과하는 공기 또는 물의 최대량이 증가하게 되며, 더 높은 성능과 더 낮은 수준의 에너지 손실을 가져온다. 그러한 시스템들은 또한, 종래의 단일 프로펠러 및 로터 시스템들에서 생성되는 토크의 양을 감소시키거나 제거한다. 그러나, 상기 엔진들 및 연계된 트랜스미션 시스템들은 통상적으로 고가이고, 기계적으로 복잡하며, 더 무겁고, 유지 비용이 많이 들고, 더 소음이 많이 나고, 고장에 더 취약하다. 예를 들어, 동축반전 헬리콥터에서는 두 개의 로터 디스크들을 동시에 반대 방향으로 구동해야하는 필요성 때문에, 기어박스 및 로터 허브는 고장날 수 있는 많은 연결 장치, 플레이트들, 및 다른 부재들을 구비하여 극히 복잡해진다.

호주 특허 AU 629,238호(해당 특허의 내용은 본 명세서에서 참조 인용됨)에서는, 크랭크리스 왕복 엔진을 제공함으로써 엔진 복잡도(engine complexity)가 감소될 수 있다는 사실이 제시되어 있다. 그러한 엔진은 적어도 하나의 실린더, 서로 대향되고 각 실린더의 길이 방향 축을 따라 반대 방향으로 왕복운동 하도록 배열된 두 개의 피스톤들을 포함할 수 있고, 상기 피스톤들은 그들 사이에 공통의 연소실을 형성하고, 각 실린더의 길이 방향 축에 평행하고 동일 축으로부터 떨어져서 하나의 주 샤프트가 배치되며, 축 방향으로 떨어져 있고 실질적으로 사인곡선 형태인 두 개의 무한 괘도들이 상기 주 샤프트의 회전을 위하여 주 샤프트에 장착되어 있고, 상기 궤도들은 상기 피스톤들과 상호 연결되어서 피스톤의 왕복 운동이 주 샤프트에 회전 운동으로 전해지도록 한다. 상기 엔진은 추가로 상기 공통 연소 챔버와 연통되는 작은 급기(charge) 및 점화(ignition) 챔버와, 상기 급기 및 점화 챔버에 연료를 공급하는 수단을 포함하는데, 이는 상기 급기 및 점화 챔버에 농후한 연료 급기를 이루고, 연소 챔버에는 희박한 연료 급기를 형성하기 위한 것이다. 점화 장치는 급기 및 점화 챔버 안의 농후한 연료 급기의 점화를 위하여 급기 및 점화 챔버 안에 배치된다.

그러나 위에서 설명한 엔진에 있어서, 동일한 축 상에서 서로 대향된 방향으로 두 개의 샤프트들을 동심으로 회전시키는 것과 관련된 문제들과, 마모 및 복잡도의 문제들을 해결할 필요가 여전히 존재한다. 또한 위에서 논의한 바와 같이 단일 샤프트 엔진으로부터 전달되는 동력 및 토크를 동축 동력으로 변환하기 위하여 기어박스가 필요하다.

따라서, 요구되는 RPM에서 해당 기계장치의 완전한 동력 및 토크를, 기어박스를 사용할 필요 없이, 동심 동축 샤프트들에 전달하는 엔진을 제공할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 하나 또는 그 이상의 상기 단점들을 극복 또는 적어도 개선하거나, 또는 적어도 사용 가능한 대안을 제공하는 것이다.

본 명세서에서 개시된 동축 크랭크리스 엔진은,

- 길이 방향 연장 축을 정의하는 적어도 하나의 실린더;

- 상기 실린더의 길이 방향 축을 따라 반대 방향으로 왕복운동 하도록 배치되고, 둘 사이의 공간이 공통의 연소 챔버를 형성하는 한 쌍의 피스톤들;

- 상기 실린더의 상기 길이 방향 축과 실질적으로 평행하도록 측 방향으로 떨어져 배치된 제1 샤프트; 및

- 상기 실린더의 상기 길이 방향 축과 실질적으로 평행하도록 측 방향으로 떨어져 배치된 제2 샤프트를 구비하고, 상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트가 통과하여 연장되고 회전할 수 있는 구멍을 구비하고, 상기 피스톤 각각은 축 방향에서 떨어져 배치된 캠(cam)에 연결되며, 제1 캠은 상기 제1 샤프트에 의하여 지지되고, 제2 캠은 상기 제2 샤프트에 의하여 지지되고,

사용 시에는 상기 피스톤들의 왕복운동이, 각각 대응하는 샤프트에 상기 엔진을 구동하기 위한 반대 방향의 회전운동으로 전달된다.

상기 샤프트들 주위에 다수의 실린더들을 포함하는 것이 바람직하다.

두 개의 실린더들과 네 개의 피스톤들을 포함하고, 한 실린더의 피스톤들은 다른 실린더의 피스톤들과 180˚의 위상 차이로 작동하는 것이 바람직하다.

세 개의 실린더들과 여섯 개의 피스톤들을 포함하고, 이들은 샤프트 주위에 동일 간격을 가진 델타 형태(delta formation)로 배열되는 것이 바람직하다.

넷 또는 그 이상의 실린더들을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 캠들은 서로의 반사 형상(mirror image)인 것이 바람직하다.

상기 캠들은 단일 로브(lobe), 다중 로브, 스와쉬 플레이트(swash plate), 워블 플레이트(wobble plate), 또는 사인곡선형 캠(sinusoidal cam)인 것이 바람직하다.

대향된 실린더들 내에서 엔진의 서로 동일한 측면에 위치한 피스톤들은 동일한 캠에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 피스톤들은 상기 캠들을 서로 반대 방향으로 구동시켜서, 샤프트들의 동심 역회전을 발생시키는 것이 바람직하다.

상기 제1 샤프트는 제1 프레임에 의하여 지지되고, 상기 제2 샤프트는 제2 프레임에 의하여 지지되는 것이 바람직하다.

상기 제1 샤프트와 작동 상 연계되는 제1 기어를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제2 샤프트와 작동 상 연계되는 제2 기어를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 샤프트들에 부착된 상기 제1 및 제2 기어들은, 상기 샤프트들 사이의 시간 동기화를 보장하기 위한 수단으로 연결되는 것이 바람직하다.

상기 수단은 상기 제1 및 제2 샤프트들에 90˚ 각도에서 동력 시동 샤프트(power take-off shaft)를 위한 구동력을 제공하는 기어인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예는, 첨부된 도면을 참조하여 오직 예시적인 방식으로 아래에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 대한 측면 단면도이다.

도 1을 참조하면, 길이 방향 축(XX)을 정의하는 적어도 하나의 실린더(3)를 구비한 동심 크랭크리스 엔진(1)이 도시되어 있다. 한 쌍의 피스톤들(5, 6)은 상기 실린더(3)의 길이 방향 축(XX)을 따라 반대 방향으로 왕복운동 하도록 배치된다. 상기 피스톤들(5) 사이의 공간(7)은 공통의 연소 챔버(7)를 형성한다. 제1 샤프트(10)는 상기 실린더(3)의 길이 방향 축(XX)에 실질적으로 평행하도록 측 방향으로 간격을 두고 배치된다. 제2 샤프트(12)도 역시 상기 실린더(3)의 길이 방향 축(XX)에 평행하도록 측 방향으로 간격을 두고 배치된다. 상기 제2 샤프트(12)는 길이 방향으로 연장되는 구멍(14)을 구비하고, 그 구멍을 통하여 상기 제1 샤프트(10)이 연장되고 회전할 수 있다. 상기 제1 샤프트(10)는 상기 제2 샤프트(12)와 반대 방향으로 회전한다. 피스톤들(5, 6)은 축 방향으로 떨어져 있는 두 개의 무한괘도 캠들(16, 17)에 연결되어 있다. 제1 캠(16)은 상기 제1 샤프트(10)에 의하여 지지되고, 상기 피스톤(5)에 연결된다. 제2 캠(17)은 상기 제2 샤프트(12)에 의하여 지지되고, 상기 피스톤(6)에 연결된다. 사용 중에, 상기 피스톤들(5, 6)의 왕복운동은 각각 대응하는 샤프트들(10, 12)에서 엔진(1)을 구동하기 위한 반대 방향의 회전운동으로 전달된다.

도 1에 보인 상기 엔진의 기본적인 작동은, 통상적인 내연기관과 유사하게 이루어진다. 그러나 상기 엔진(1)은 제1 샤프트(10) 및 제2 샤프트(12)의 대향된 측면들에 배치된 두 개의 실린더(3)들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 샤프트는 베어링들(20, 21) 안에서 수평축(XX)를 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하도록 장착된다. 여기서, "축 방향" 및 "반경 방향"이라는 용어는 제1 및 제2 샤프트들(10, 12)의 길이 방향 축(YY)을 기준으로 한 것이다. 상기 제1 샤프트(10) 및 제2 샤프트(12)에는 회전을 위하여 일정 간격 떨어지고 유사한 원통형 표면들을 구비한 한 쌍의 휠들(22)이 고정되어 있다. 각각의 휠(22)은 상기 캠들(16, 17)을 지지하는데, 이 캠들은 각각 대응된 휠(22)의 상기 원통형 표면으로부터 바깥쪽으로 반경 방향으로 연장된다. 상기 캠들(16, 17)은, 캠들이 상기 휠(22)들의 원통형 표면들 주변에 무한괘도를 형성하도록 하는 축 방향 윤곽을 갖춘다. 바람직한 형태에서는, 상기 캠들(16, 17)은 로브 캠 형태, 스와쉬 플레이트, 워블 플레이트, 사인곡선형 캠, 또는 상기 샤프트들(10, 12)을 구동시키기 위하여 왕복운동을 회전운동으로 변환할 수 있는 다른 모양일 수 있다. 상기 두 개의 캠들(16, 17)은 동일하게, 서로의 반사된 이미지로 이루어진다.

각각의 실린더(3) 및 그 왕복운동 피스톤들(5, 6)은 하나의 구성품으로 이루어진다. 그러나 도 1을 참조하면, 상부 실린더(3) 내의 피스톤들(5, 6)은 하부 실린더(3) 내의 피스톤들(5, 6)과 180˚ 위상 차이로 작동한다. 대향된 상기 피스톤들(5, 6)은 실린더(3)의 길이 방향 축(XX)을 따라 반대 방향으로 왕복하도록 구성된다. 각각의 피스톤(5, 6)에는 연결 로드(connecting rod)(25)가 견고하게 또는 선회 가능하도록 연결되는데, 이 연결 로드는 하나, 둘, 또는 그 이상의 구동 베어링(drive bearing)(28) 및 하나의 후미 베어링(tail bearing)(29)을 이용하여 상기 캠들(16, 17)과 함께 작동하도록 구성된다. 상기 엔진은 각 단부에서 섬프 케이싱(sump casing)(30)에 의해 밀폐된다. 어떠한 개수의 베어링들도 활용될 수 있다.

도 1에 보인 바와 같이, 상기 연결 로드(25)의 원위 단부는 각각의 암(arm) 위에 하나, 둘, 또는 그 이상의 구동 베어링(28)을 장착하기 위하여 두 갈레로 갈라진다. 두 갈레로 갈라진 암들 중 바깥쪽의 암은 해당 캠(16)을 지나 후미 베어링(29)을 위한 장착부를 제공한다.

상기 피스톤들(5, 6)은 그들 사이에 공통의 연소 챔버(7)를 형성한다. 각각의 실린더(3)에 인접한 위치에는, 연소 챔버(7)와의 연통을 위한 구멍(42)을 구비한 급기 및 점화 챔버(40)(연료가 농후한 챔버)가 장착된다. 상기 챔버(40) 위에는 그 안의 연료 점화를 위하여 점화 플러그(45)가 장착된다. 연료 분사기(46)가 상기 급기 및 점화 챔버(40) 안으로 들어가는 연료의 공급을 제어한다. 상기 엔진 내의 연소 과정은 통상적으로 종래 엔진과 유사하고, 또한 필요한 경우 압축 점화 방식일 수 있다.

상기 엔진(1)은 또한 기어(50) 또는 그와 유사한 것을 포함할 수 있다. 상기 기어(50)는, 상기 기어(50)들과 상기 제1 및 제2 샤프트들(10, 12)의 직접 위에 위치하고 상기 동축 샤프트들(10, 12)의 회전을 함께 결합하는 공통의 직선형 베벨 또는 하이포이달 기어(도면 생략)와 짝을 이루는, 베벨(bevel) 또는 하이포이달(hypoidal) 기어이다. 상기 기어(도면 생략)는 또한, 상기 동축 샤프트들(10, 12)에 90˚로 배치된 보조 샤프트에 동력 시동을 제공한다. 이러한 샤프트 배열은 필요한 만큼 상기 엔진(1)의 둘레에 반복될 수 있다. 기어 설계는 그 기어가 구동하는 보조 장치, 즉 푸셔 프로펠러와 같은 보조 장치의 회전 속도, 기어 감속 정도, 및 토크에 대한 요구사항에 따라서 다양하게 변화할 수 있고, 이러한 기어 시스템의 동기화를 변화시킴으로써 일부 응용기기에서 요 제어(yaw control)가 향상될 수 있다.

비록 본 발명이 특정 실시예를 통하여 설명되었지만, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 다른 형태로 실시될 수 있다는 사실을 주지할 필요가 있다.

Claims (14)

1. - 길이 방향 연장 축을 정의하는 적어도 하나의 실린더;
   - 상기 실린더의 길이 방향 축을 따라 반대 방향으로 왕복운동 하도록 배치되고, 둘 사이의 공간이 공통의 연소 챔버를 형성하는 한 쌍의 피스톤들;
   - 상기 실린더의 상기 길이 방향 축과 실질적으로 평행하도록 측 방향으로 떨어져 배치된 제1 샤프트; 및
   - 상기 실린더의 상기 길이 방향 축과 실질적으로 평행하도록 측 방향으로 떨어져 배치된 제2 샤프트를 구비하고,
   상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트가 통과하여 회전할 수 있는 길이 방향 연장 구멍을 구비하고, 상기 피스톤 각각은 축 방향에서 떨어져 배치된 캠에 연결되며, 제1 캠은 상기 제1 샤프트에 의하여 지지되고, 제2 캠은 상기 제2 샤프트에 의하여 지지되고,
   사용 시에 상기 피스톤들의 왕복운동이, 대응하는 샤프트들 위에서 엔진을 구동하기 위한 회전운동으로 전달되며,
   상기 제1 샤프트는, 상기 제1 샤프트와 작동 상 연계된 제1 기어를 포함하고, 상기 제2 샤프트는, 상기 제2 샤프트와 작동 상 연계된 제2 기어를 포함하며,
   상기 제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 부착된 제1 기어 및 제2 기어는, 상기 샤프트들 사이의 시간 동기화를 보장하는 수단에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
2. 제1항에 있어서,
   상기 샤프트들 주변에 배치된 다수의 실린더들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
3. 제1항에 있어서,
   두 개의 실린더들 및 네 개의 피스톤들을 추가로 포함하고, 한 실린더 내의 상기 피스톤들이 다른 실린더 내의 피스톤들과 180˚의 위상 차이를 갖도록 작동하는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
4. 제1항에 있어서,
   세 개의 실린더들 및 여섯 개의 피스톤들을 추가로 포함하고, 상기 실린더들 및 피스톤들이 상기 샤프트들 주변에 동일 간격을 가진 델타 형태(delta formation)로 배열되는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
5. 제1항에 있어서,
   네 개 또는 그 이상의 실린더들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
6. 제1항에 있어서,
   상기 캠들이 서로의 반사 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
7. 제1항에 있어서,
   상기 캠들이 단일 로브, 다중 로브, 스와쉬 플레이트, 워블 플레이트, 또는 사인곡선형 캠인 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
8. 제1항에 있어서,
   대향된 실린더들 내에서 엔진의 서로 동일한 측면에 위치한 피스톤들이 동일한 캠에 연결되는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
9. 제1항에 있어서,
   상기 피스톤들이 상기 캠들을 서로 반대 방향으로 구동하여, 상기 샤프트들의 동축 역회전을 생성하는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
10. 제1항에 있어서,
    제1 샤프트는 제1 프레임에 의하여 지지되고, 제2 샤프트는 제2 프레임에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
11. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트들 사이의 시간 동기화를 보장하는 수단은, 상기 제1 및 제2 샤프트들에 90˚ 각도에서 동력 시동 샤프트(power take-off shaft)를 위한 구동력을 제공하는 기어인 것을 특징으로 하는 동축 크랭크리스 엔진.
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