KR102331644B1 - 로터리 엔진 - Google Patents

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KR102331644B1
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이윤희
유병훈
이병철
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 로터리 엔진은, 크랭크 축; 상기 크랭크 축을 둘러싸도록 배치되는 로브 수용부와, 상기 로브 수용부와 연통되는 연소실을 구비하는 하우징; 상기 크랭크 축과 편심되어 회전하고, 상기 로브 수용부에 연속적으로 수용되는 로브를 구비하는 로터; 상기 크랭크 축이 관통되어 회전 가능하도록 지지되는 베어링부를 구비하는 하우징 덮개; 및 상기 베어링부에 오일을 공급하도록 이루어지는 윤활 유닛을 포함하며, 상기 윤활 유닛은, 오일을 수용하는 오일 팬(oil pan); 상기 오일 팬의 오일을 흡상하도록 이루어지는 오일 펌프; 및 양 단이 각각 상기 오일 펌프 상기 베어링부에 위치되는 오일 공급 유로를 구비한다. 이에 따르면, 베어링부에 직접적이고 효과적인 윤활이 수행될 수 있고, 저널 베어링이 적용될 수 있다.

Description

로터리 엔진{ROTARY ENGINE}
본 발명은 회전운동으로 동력을 생산하는 로터리 엔진에 관한 것이다.
로터리 엔진은 회전운동으로 동력을 생산하는 엔진으로서, 방켈(Wankel)에 의해 처음 고안되었다.
방켈에 의해 고안된 방켈 엔진은 내부면이 에피트로코이드 곡선으로 이루어진 하우징과, 하우징 내에서 회전하는 삼각형 모양의 로터를 포함한다. 하우징의 내부 공간은 로터에 의해 세 개의 공간으로 구획되며, 이들 공간의 체적이 로터의 회전에 따라 변하여, 흡기→압축→폭발→배기의 4행정이 연속적으로 일어나도록 구성된다. 방켈 엔진에서, 로터가 1회전하는 동안 각 행정은 3회 진행되며, 편심축은 3회전하도록 구성된다.
방켈 엔진이 고안된 이후, 방켈 엔진의 설계 최적화를 위한 다양한 연구가 이루어져 왔으며, 형태가 변형된 로터리 엔진 또한 개발되고 있다.
로터리 엔진은 단순한 구조로 인하여 소형화가 용이하며, 고속운전에서 높은 출력을 낼 수 있는 고출력 엔진이다. 이러한 특징들로 인하여, 로터리 엔진은 히트 펌프 시스템, 자동차, 자전거, 항공기, 제트스키, 체인톱, 드론 등 다양한 장치에 적용 가능한 장점을 가진다. 뿐만 아니라, 로터리 엔진은 회전력이 균일하여 진동 및 소음이 적고, NOx를 적게 배출한다는 장점을 가진다.
다만, 로터리 엔진은 행정체적이 비해 넓은 표면적을 가짐에 따라, 소염면적이 확대되어 미연탄화수소(UHC: Unburned Hydrocarbon)가 다량 배출되고, 연비 및 효율이 낮다는 단점을 가진다.
특히 종래 개시된 로터리 엔진에는, 동력이 생성되어 회전되는 크랭크 축을 회전 가능하게 지지하기 위하여 볼 베어링 또는 니들 베어링이 채용된 바 있다. 이러한 베어링은, 외륜과 내륜이 각각 하우징 측과 크랭크 축 측에 고정되도록 설치되어 교체가 어렵고, 지지할 수 있는 하중에 한계가 있는 문제점들이 있다.
로터리 엔진의 대형화 및 구성 부품의 신뢰성 향상을 위하여, 저널 베이링과 같은 면 접촉이 가능한 베어링의 장착이 고려될 수 있다. 이때, 저널 베어링 방식은 저널면에 윤활유를 공급하는 것이 중요한 문제가 된다. 그러나, 종래의 방식은 공기와 연료의 혼합기에 오일을 일정 비율로 함께 유입시키도록 이루어져 있었다. 이러한 방식은 혼합기가 공급되지 않는 부분에는 오일이 공급되지 못하는 문제점이 있었고, 저널 베어링이 적용되기 어려운 제약 조건이 되었다.
아울러, 윤활 시스템을 구현함에 있어, 베어링부 뿐만 아니라 편심 회전을 위한 기어 구조, 씰링 구조에도 오일을 공급하는 등 통합된 시스템이 구현될 수 있다. 나아가, 각 구성요소에 공급된 오일의 누설을 방지하고, 윤활에 사용된 오일을 회수하여 재공급할 수 있도록 이루어지는 순환 시스템이 구현되는 것이 바람직하다.
본 발명의 첫 번째 목적은, 혼합기에 노출되지 않는 위치에도 저널 베어링을 적용할 수 있도록, 혼합기와는 별도로 베어링부에 오일을 공급할 수 있는 윤활 유닛이 구비되는 로터리 엔진을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은, 로터의 편심 회전을 가이드하는 기어부에도 오일을 함께 공급할 수 있도록 통합된 윤활 유닛이 구비되는 로터리 엔진을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은, 베어링부 등에서 윤활을 수행한 오일이 회수되어 순환되도록 이루어지는 윤활 유닛을 구비하는 로터리 엔진을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 로터리 엔진은, 크랭크 축; 상기 크랭크 축을 둘러싸도록 배치되는 복수 개의 로브 수용부 및 연소실을 구비하는 하우징; 상기 크랭크 축과 편심되어 회전하고, 각각 상기 로브 수용부에 연속적으로 수용되는 로브를 구비하는 로터; 상기 크랭크 축을 회전 가능하도록 지지하는 베어링부를 구비하는 하우징 덮개; 및 상기 베어링부에 오일을 공급하도록 이루어지는 윤활 유닛을 포함하며, 상기 윤활 유닛은, 오일을 수용하도록 형성되는 오일 팬; 상기 오일 팬의 오일을 흡상하도록 이루어지는 오일 펌프; 및 상기 오일 펌프와 상기 베어링부를 서로 연결하는 오일 공급 유로를 구비한다.
본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 로터리 엔진은, 크랭크 축; 상기 크랭크 축을 둘러싸도록 배치되는 복수 개의 로브 수용부 및 연소실을 구비하는 하우징; 상기 크랭크 축과 편심되어 회전하고, 각각 상기 로브 수용부에 연속적으로 수용되는 로브를 구비하는 로터; 상기 로브 수용부를 덮도록 상기 하우징에 결합되고, 내주면에 톱니가 형성되는 가이드 기어를 구비하는 하우징 덮개; 상기 로터와 고정되도록 위치되고 상기 가이드 기어에 내접하는 기어부를 구비하는 로터 기어; 및 상기 가이드 기어에 오일을 공급하도록 이루어지는 기어 유로를 구비하는 윤활 유닛을 포함한다.
본 발명의 세 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 로터리 엔진은, 크랭크 축; 상기 크랭크 축을 둘러싸도록 배치되는 복수 개의 로브 수용부 및 연소실을 구비하는 하우징; 상기 크랭크 축과 편심되어 회전하고, 각각 상기 로브 수용부에 연속적으로 수용되는 로브를 구비하는 로터; 상기 크랭크 축을 회전 가능하도록 지지하는 하우징 덮개; 및 상기 크랭크 축의 주위에 오일을 공급하도록 이루어지는 윤활 유닛을 포함하며, 상기 윤활 유닛은, 오일을 수용하도록 형성되는 오일 팬; 상기 오일 팬의 오일을 흡상하도록 이루어지는 오일 펌프; 상기 오일 펌프로부터 상기 크랭크 축의 주위로 오일을 공급하는 오일 공급 유로; 및 상기 크랭크 축의 주위로부터 상기 오일 팬으로 오일을 회수하는 오일 회수 유로를 더 포함한다.
이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫 번째, 본 발명의 로터리 엔진은, 윤활 유닛이 베어링부에 오일을 공급한다. 이에 따라, 종래 윤활을 위한 오일이 연료와 공기의 혼합기에 추가되어 흡기 측에 공급되는 경우와 달리, 베어링부에 오일이 직접 공급될 수 있어 효율적이다. 아울러, 혼합기에 포함되어 흡기, 연소 및 배기되는 과정을 거치는 오일이 감소될 수 있어, 본 발명의 엔진 효율이 개선될 수 있다.
또한 윤활 유닛이 구비됨으로써, 본 발명의 베어링부에는 저널 베어링이 적용될 수 있다. 저널 베어링에 의해 종래 볼 베어링보다 접촉 면적이 넓게 형성됨으로써, 본 발명의 로터리 엔진의 대형화 및 대용량화가 가능하다. 또한, 저널 베어링으로 이루어지는 본 발명의 베어링부는 교체가 용이하며, 수명이 증대될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 윤활 유닛에서, 오일 펌프는 흡기측 덮개에 장착되고 오일 팬은 흡기측 덮개에 고정되는 저유 덮개에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 윤활 유닛이 하우징 및 하우징 덮개와 일체를 이루게 되므로, 윤활 유닛이 구비된 로터리 엔진의 구조가 간결하게 구현될 수 있다.
또한, 오일 펌프가 크랭크 축과 연결되어 회전되는 트로코이드 펌프로 이루어짐으로써, 오일 펌프는 별도의 구동 수단 없이 구동되고, 특히, 엔진의 출력에 따라 가변되도록 작동될 수 있다.
한편, 오일 공급 유로는 하우징 유로와 공급 튜브의 조합으로 이루어질 수 있다. 오일이 공급 튜브를 통과하면서 외기와 열교환되어 냉각될 수 있고, 이후 하우징 유로를 따라 흐르면서 본 발명의 내부 구성요소들이 냉각될 수 있다.
또한, 오일 공급 유로는 크랭크 축을 관통하는 축 유로를 포함할 수 있다. 이에 따라, 한 개소의 하우징 유로에 의해 흡기측 및 배기측 덮개 각각의 베어링부에 오일이 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 로터리 엔진의 윤활 유닛은, 편심 회전되는 로터를 지지하는 편심 베어링에 오일이 공급될 수 있다. 특히, 편심 베어링이 하우징 유로와 연통되는 축 유로에 의해 윤활됨으로써, 통합적인 윤활 시스템이 구현될 수 있다. 아울러, 축 유로를 흐르는 오일에 의해 크랭크 축 및 로터의 냉각이 수행될 수 있다.
두 번째, 본 발명의 윤활 유닛은 로터의 편심 회전을 안내하는 가이드 기어 및 기어부에 오일을 직접 공급할 수 있다. 이에 따라, 이들 톱니의 맞물림에 따른 마모 및 소음이 효과적으로 저감될 수 있다.
본 발명에 따른 로터리 엔진의 하우징 덮개에는 씰링 홈과 오일 씰링 부재가 구비될 수 있다. 따라서, 베어링부, 편심 베어링 또는 가이드 기어 측에 공급된 오일이 로브 수용부 등으로 흘러 혼합기에 섞이는 것이 제한될 수 있다.
아울러, 본 발명의 윤활 유닛은 버튼 씰에 오일을 직접 공급하도록 형성됨으로써, 버튼 씰과 로브의 마찰 손실이 감소되고, 혼합기 및 배기가스의 누설 차단이 더욱 보장될 수 있다.
세 번째, 본 발명의 윤활 유닛은 베어링부 등에 공급된 오일이 회수되는 오일 회수 유로를 구비할 수 있다. 구체적으로, 하우징 덮개 내부에서 오일이 흘러 오일 팬으로 가이드되거나, 회수 튜브에 의해 외부를 통해 흘러 오일 팬으로 회수될 수 있다. 이에 의해, 오일이 순환되어 효율적으로 윤활에 사용될 수 있고, 아울러, 혼합기 또는 배기가스로 비산될 가능성이 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 로터리 엔진의 종단면도.
도 2는 도 1에 도시된 로터리 엔진의 일부 구성요소들의 분해 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 로터리 엔진의 내부 구조를 보인 개념도.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 로터를 서로 다른 방향에서 바라본 사시도들.
도 5는 도 3에 도시된 로터리 엔진 내부의 흡기과정을 보인 개념도들.
도 6은 도 3에 도시된 로터리 엔진 내부의 압축과정을 보인 개념도들.
도 7은 도 3에 도시된 로터리 엔진 내부의 폭발과정을 보인 개념도들.
도 8은 도 3에 도시된 로터리 엔진 내부의 배기과정을 보인 개념도들.
도 9는 도 1에 도시된 로터리 엔진에 구비된 윤활 유닛을 보인 개념도.
도 10은 도 1에 도시된 영역 A를 보인 확대도.
도 11은 도 10에 도시된 영역 B를 보인 확대도.
도 12는 오일 씰링 부재와 로터 기어의 위치 관계를 보인 개념도.
도 13은 도 1에 도시된 영역 C의 확대도.
도 14는 도 13에 도시된 버튼 씰이 삽입된 위치를 보인 사시도.
이하, 본 발명에 관련된 로터리 엔진에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 로터리 엔진의 종단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 로터리 엔진의 일부구성요소들의 분해 사시도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 로터리 엔진의 내부 구조를 보인 개념도이며, 도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 로터를 서로 다른 방향에서 바라본 사시도들이다.
본 발명에 따른 로터리 엔진(100)은, 로터(120)가 하우징(110) 내부를 편심 회전함에 따라, 하우징(110)과 로터(120) 사이에 형성된 N개의 작동실의 용적이 변화하며, 이과정에서 흡기→압축→폭발→배기의 4행정이 연속적으로 일어나도록 구성된다. 크랭크 축(180)은 이러한 로터(120)의 편심 회전에 대응하여 회전되며, 타 기관과 연결되어 생성된 동력을 전달하게 된다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 로터리 엔진(100)은, 하우징(110), 점화 플러그(130), 로터(120), 하우징 덮개(141, 142), 로터 기어(170), 크랭크 축(180)을 포함한다.
먼저, 하우징(110)은 내부에 N개(N은 3 이상인 자연수)의 로브 수용부(111)를 구비한다. 본 실시예에서는, 로브 수용부(111)가 3개(즉, N=3)로 구성된 일 예를 보이고 있다. 로브 수용부(111) 및 후술하는 로브(120', 120")의 형상은, 임의의 형상 위를 회전하면서 이동하는 구름원이 있을 때, 구름원 상에 존재하는 임의의 점이 구름원의 회전에 따라 그리게 되는 궤적인 에피트로코이드(Epitrochoid) 곡선을 기초로 설계될 수 있다.
각각의 로브 수용부(111)의 상부 중앙에는 로브 수용부(111)와 연통되는 N개의 연소실(112)이 구비된다. 도 3을 참조하면, 연소실(112)은 로브 수용부(111)를 형성하는 하우징(110)의 내측벽에서 리세스된 형태를 가진다. 연소실(112)의 크기는 로터리 엔진(100)의 압축비에 따라 달리 설계될 수 있다.
하우징(110)에는 각각의 연소실(112)에 불꽃을 방전하여 연소실(112)에 충진된 혼합기를 점화시키는 점화 플러그(130)가 설치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 점화 플러그(130)는 하우징(110)의 장착홀(113)에 장착되며, 연소실(112)의 상부에 노출되도록 배치될 수 있다. 상기 장착홀(113)은 연소실(112)과 연통되도록 구성된다.
한편, 로브 수용부(111)의 내부에는 로터(120)가 삽입되어, 로브 수용부(111)의 중심을 기준으로 편심 회전하도록 구성된다. 로터(120)는 편심 회전시 각각의 로브 수용부(111)에 연속적으로 수용되는 N-1개의 로브(120', 120")를 구비한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 로터(120)의 중심부에는 로터 기어(170)가 장착되는 지지부(121)가 형성되며, 지지부(121)에는 로터 기어(170)에 삽입된 크랭크 축(180)이 관통하는 관통홀(122)이 형성된다. 지지부(121)의 전면에는 로터 기어(170)의 플랜지부(171)가 지지되며, 체결부재 등과 같은 체결수단에 의해 플랜지부(171)와 견고한 결합 상태를 유지한다.
로터(120)의 전면부에는 하우징 덮개 중 하나인 흡기측 덮개(141)를 통하여 흡입된 혼합기의 일시적인 저장을 위한 제1저장부(123a)가 형성된다. 제1저장부(123a)는 로터(120)의 전면부에서 후면부를 향하여(즉, 크랭크 축(180)의 축방향으로) 리세스된 형태를 가진다.
제1저장부(123a)가 형성됨에 따라, 로터(120)의 일 부분(도시된 바와 같이, 제1저장부(123a) 중 제2저장부(123b)와 측벽을 공유하지 않는 부분)은 테두리가 얇게 남겨져 강성이 저하될 수 있다. 이를 고려하여, 제1저장부(123a)를 형성하는 로터(120)의 내측면에는 로터(120)의 강성 보강을 위한 리브(125)가 복수의 개소에서 돌출 형성될 수 있다. 이때, 적어도 하나의 리브(125')는 지지부(121)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 제1저장부(123a)에 일시적으로 저장된 혼합기가 반대편으로 이동할 수 있도록 로터(120)의 두께보다 낮은 높이를 가지는 부분을 포함하여 형성될 수 있다.
로터(120)의 측면부에는 제1저장부(123a)와 연통되는 흡기포트(124a)가 형성되어, 흡입된 혼합기가 로브 수용부(111) 내부로 유입될 수 있도록 이루어진다. 본 발명에서 흡기포트(124a)는 로터(120)가 반시계 방향으로 120° 회전하는 동안 혼합기의 흡입이 가능한 위치에 형성된다.
로터(120)의 후면부에는 연소 후 생성된 배기가스의 일시적인 저장을 위한 제2저장부(123b)가 형성된다. 제2저장부(123b)는 로터(120)의 후면부에서 전면부를 향하여(즉, 크랭크 축(180)의 축방향으로) 리세스된 형태를 가진다. 제2저장부(123b)에 일시적으로 저장된 배기가스는 하우징 덮개 중 하나인 배기측 덮개(142)를 통과하여 외부로 배출된다.
로터(120)의 측면부에는 제2저장부(123b)와 연통되는 배기포트(124b)가 형성되어, 연소 후 생성된 배기가스가 제2저장부(123b)로 유입될 수 있도록 이루어진다. 본 발명에서 배기포트(124b)는 흡기된 양보다 많은 팽창이 이루어진 후 배치될 수 있도록, 로터(120)가 반시계 방향으로 270° 회전된 이후에 배기될 수 있는 위치에 형성된다. 이러한 과팽창에 의해 로터리 엔진(100)의 효율이 증가될 수 있다.
하우징(110)의 전면부에는 흡기측 덮개(141)가 구비되고, 하우징(110)의 후면부에는 배기측 덮개(142)가 구비된다.
흡기측 덮개(141)는 로브 수용부(111)의 일측을 덮도록 하우징(110)에 결합된다. 흡기측 덮개(141)에는 하우징(110) 및 로터(120)와의 기밀 유지를 위한 실링 부품(미도시)이 설치된다.
흡기측 덮개(141)는 하우징(110)을 밀폐시키면서, 흡입되는 혼합기를 로터(120)에 전달해주는 통로 역할을 한다. 이를 위하여, 흡기측 덮개(141)에는 로터(120)의 전면부에 구비되는 제1저장부(123a)와 연통되는 흡기홀(141a)이 구비된다.
로브 수용부(111)와 마주하는 흡기측 덮개(141)의 내측에는 가이드 기어(160)가 장착된다. 가이드 기어(160)는 내주를 따라 톱니가 형성된 링 형태로 형성되며, 로터 기어(170)가 이에 내접하여 회전되도록 구성됨으로써, 로브 수용부(111)의 중심에 대한 로터(120)의 편심 회전을 가이드하도록 이루어진다. 가이드 기어(160)의 잇수는 로터(120)와 동력을 전달하는 크랭크 축(180)의 회전비를 고려하여 설계된다.
로터(120)에는 로터 기어(170)가 장착된다. 로터 기어(170)의 외주를 따라서는 톱니가 형성되며, 로터 기어(170)는 흡기측 하우징 덮개(141)에 고정된 가이드 기어(160)에 내접하여 회전하도록 구성된다. 로터 기어(170)의 잇수는 로터(120)와 크랭크 축(180)의 회전비를 고려하여 설계된다.
로터 기어(170)의 중심부에는 크랭크 축(180)의 편심부(182)가 삽입되는 수용부(174)가 형성되며, 편심부(182)는 수용부(174) 내에서 회전 가능하게 구성된다. 상기 구성에 의해, 로터(120)의 편심 회전에 대응하여 수용부(174)에 수용된 편심부(182)가 회전하게 된다. 구조적으로, 로터(120)가 반시계 방향으로 1바퀴 편심 회전하면, 크랭크 축(180)의 축부(181)는 시계 방향으로 N-1 바퀴 회전하게 된다.
도시된 바와 같이, 로터 기어(170)는 로터(120)의 지지부(121)에 지지 및 고정되도록 구성되는 평판 형태의 플랜지부(171), 상기 플랜지부(171)의 일면에 형성되어 가이드 기어(160)에 내접하도록 구성되는 기어부(172), 상기 플랜지부(171)가 로터(120)의 지지부(121)에 장착시 로터(120)의 관통홀(122)에 삽입되도록 상기 플랜지부(171)의 타면으로부터 돌출 형성되는 보스부(173), 및 크랭크 축(180)의 편심부(182)가 삽입될 수 있도록 상기 기어부(172)와 상기 보스부(173)를 관통하여 형성되는 수용부(174)를 포함하여 구성될 수 있다.
크랭크 축(180)은 로터리 엔진(100)을 관통하도록 구성되는 축부(181)와, 축부(181)로부터 편심되게 형성되어 로터 기어(170)의 수용부(174)에 삽입되는 편심부(182)를 포함한다. 본 실시예에서, 축부(181)는 전방으로는 흡기측 덮개(141)를 관통하며, 후방으로는 배기측 덮개(142)를 관통하도록 이루어질 수 있다. 축부(181)는 타 기관(시스템)과 연결되어 본 발명의 로터리 엔진(100)에 의해 형성되는 동력을 타 기관(시스템)으로 전달하도록 구성된다.
배기측 덮개(142)는 로브 수용부(111)의 타측을 덮도록 하우징(110)에 결합된다. 배기측 덮개(142)는 하우징(110)을 밀폐시키고, 생성된 배기가스를 배기 매니폴드(152)로 전달해주는 통로 역할을 한다. 이를 위하여, 배기측 덮개(142)에는 로터(120)의 후면부에 구비되는 제2저장부(123b)와 연통되는 배기홀(142a)이 구비된다.
이상에서 설명한 구조를 가지는 본 발명의 로터리 엔진(100)은, 한 사이클 동안 흡기-압축-폭발(팽창)-배기의 4행정으로 작동한다. 이하에서는, 각 행정 동안의 하우징(110) 내의 로터(120)의 움직임에 대하여 설명한다.
도 5 내지 도 8은 도 3에 도시된 로터리 엔진(100) 내부가 흡기→압축→폭발→배기과정을 로터(120)의 회전 각도를 중심으로 설명한 개념도들이다. 앞서 설명한 바와 같이, 로터(120)의 측면부에는 흡기포트(124a)와 배기포트(124b)가 각각 구비된다.
먼저, 도 5를 참조하여 흡기과정에 대하여 설명하면, 흡기과정은 하우징(110) 내부를 반시계방향으로 회전하는 로터(120)에 의해 이루어지며, 로터(120)의 회전 각도가 0도에서 120도까지 변하는 동안 이루어진다. 도면상에서 로터(120)가 0도에서 120도까지 반시계방향으로 회전하는 동안 하우징(110)의 상부에 구비되는 로브 수용부(111)와 이에 연통하는 연소실(112)에는 흡기포트(124a)를 통하여 혼합기가 유입된다.
이때, 도시된 바와 같이 로터(120)의 회전 각도가 90도일 때 가장 많은 흡기가 이루어지나, 본 발명의 로터리 엔진(100)은 120도까지 흡기를 할 수 있도록 설계된다. 이는 추후 이루어지는 팽창과정에서 과팽창이 이루어져 로터리 엔진(100)의 효율이 향상되도록 하기 위함이다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 흡기과정이 끝난 혼합기는 로터(120)의 회전에 의해 압축되기 시작한다. 압축과정은 로터(120)의 회전 각도가 120도에서 180도까지 변하는 동안 이루어진다. 압축비는 로터(120)가 180도 회전되었을 때 최대가 되며, 이때 혼합기는 이상적으로는 연소실(112) 내에 완전히 충진된 상태가 된다.
압축과정의 말기에는 점화 플러그(190)에 의한 점화가 시작되어, 혼합기의 연소과정이 시작된다. 상기 연소과정은 폭발과정의 초기까지 이어진다. 연소과정은 로터(120)의 회전각도가 160도 부근일 때부터 시작되어, 로터(120)의 회전각도가 200도 부근일 때 완전히 종료된다.
한편, 도면상에서 하우징(110)의 좌측 하단에 구비되는 로브 수용부(111)와 이에 연통하는 연소실(112)에는 흡기포트(124a)를 통하여 혼합기가 유입되는 흡기과정이 시작된다. 즉, 흡기→압축→폭발(팽창)→배기과정은 로터(120)의 회전방향에 대응되는 로브 수용부(111) 및 이와 연통되는 연소실(112)에서 연속적으로 일어난다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 폭발(팽창)과정은 로터(120)의 회전각도가 180도에서 270도까지 변하는 동안 이루어진다. 앞선 압축과정의 말기에서 시작된 연소과정은 폭발과정의 초기에 완전히 종료된다.
이 과정에서 주목할 사항은 앞선 흡기과정은 로터(120)의 회전각도가 120도인 상태, 즉 본 도면에서 로터(120)가 240도 회전되었을 때에 해당하는 체적만큼 혼합기의 흡입이 이루어지는 반면에, 팽창과정은 이보다 큰 체적을 형성하는 로터(120)의 회전각도 270도까지 이루어진다는 것이다. 따라서 본 발명의 로터리 엔진(100)은 흡기되는 체적보다 큰 팽창을 이루는 과팽창 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 배기과정은 로터(120)의 회전각도가 270도에서 360도까지 변하는 동안 이루어진다. 생성된 배기가스는 로터(120)가 270도에서 360도까지 반시계방향으로 회전하는 동안 배기포트(124b)를 통하여 배출된다.
이상에서는 본 발명의 로터리 엔진(100)에 관하여, 동력의 발생과 관련되는 구성요소들을 중심으로 그 구조 및 동작을 설명하였다. 이하에서는, 도 9를 참조하여 본 발명의 로터리 엔진(100)의 윤활 유닛(190)에 대하여 설명한다.
도 9는 도 1에 도시된 로터리 엔진(100)에 구비된 윤활 유닛(190)을 보인 개념도이다. 또한, 도 10은 도 1에 도시된 영역 A를 보인 확대도이다.
도 9 및 10을 참조하면, 본 발명의 하우징 덮개(141, 142)는 크랭크 축(180)의 축부(181)를 지지하는 베어링부(143)를 구비한다.
구체적으로 베어링부(143)는 원통형으로 이루어지는 저널 베어링으로 이루어질 수 있다. 즉, 베어링부(143)의 외주면은 하우징 덮개(141, 142)에 고정되고, 베어링부(143)의 내주면은 축부(181)를 회전 가능하도록 지지할 수 있다. 축부(181)를 지지하기 위하여, 내주면에는 후술하는 윤활 유닛(190)에 의하여 오일이 공급되어 유막이 형성될 수 있다.
본 발명의 로터리 엔진(100)은 윤활 유닛(190)을 더 포함한다. 윤활 유닛(190)은 오일 팬(Oil Pan, 191), 오일 펌프(192) 및 오일 공급 유로(193)를 포함한다. 이들 구성요소들은 각각 오일을 저장하고, 오일을 펌핑하고, 오일을 베어링부(143) 등에 공급하는 역할을 수행한다.
도 9에 도시된 실시예에서, 흡기 측에 위치되는 하우징 덮개는 흡기측 덮개(141)와 저유 덮개(150)로 이루어질 수 있다. 이때 흡기측 덮개(141)에서, 로터(120)를 향하도록 결합되는 후면에는 흡기홀(141a)이 형성될 수 있고, 그 반대편인 전면에는 오일 펌프(192)가 장착될 수 있다.
저유 덮개(150)는 흡기측 덮개(141)의 전면을 덮어 오일 펌프(192)를 수용하도록 형성된다. 그리고 저유 덮개(150)와 흡기측 덮개(141)에 의해 형성되는 공간의 저면에는 오일이 채워지도록 이루어지는 오일 팬(191)이 구비될 수 있다. 오일 팬(191)과 오일 펌프(192)는 오일을 퍼올리는 배관 또는 튜브(미도시)에 의해 서로 연결될 수 있고, 배관 또는 튜브의 단부에는 오일을 여과하는 오일 스트레이너(Strainer, 미도시)가 오일 팬(191)에 잠길 수 있도록 더 구비될 수 있다.
오일 펌프(192)는 예를 들면, 회전체의 편심 회전에 의하여 오일을 흡상하는 트로코이드 펌프(Trochoid Pump)로 이루어질 수 있다. 특히, 도 9에 도시된 것처럼 크랭크 축(180)과 나란하게 회전되도록 이격 배치될 수 있다. 그리고 크랭크 축(180)의 외주면에는 체인 기어(183)가 장착되고, 트로코이드 펌프와 크랭크 축(180)은 체인 부재(192a)에 의하여 서로 연결될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 로터리 엔진(100)의 작동에 따라 크랭크 축(180)에 발생된 회전력이 트로코이드 펌프로 전달될 수 있다.
오일 공급 유로(193)는, 오일 펌프(192)로 퍼 올려진 오일이 베어링부(143)에 공급되도록 연결될 수 있다. 즉, 일 단은 오일 펌프(192)의 토출 측과 연결되고 타 단은 베어링부(143)와 인접한 지점에 위치될 수 있다. 오일 공급 유로(193)의 구체적인 구조는 후술한다.
본 발명의 윤활 유닛(190)은, 크랭크 축(180)에 동력이 발생됨에 따라 오일 펌프(192)의 동작이 개시되고, 오일 팬(191)에 채워진 오일이 오일 공급 유로(193)를 통하여 베어링부(143)에 공급되도록 동작된다. 이에 의해, 저널 베어링으로 이루어질 수 있는 베어링부(143)에 충분한 오일 공급이 이루어질 수 있다. 특히, 베어링부(143)가 연료와 공기의 혼합기에 노출되지 않도록 위치되더라도 윤활이 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 로터리 엔진(100)에 윤활 유닛(190)이 더 구비됨으로써, 종래 혼합기에 소량의 비율로 오일이 함유되어 공급되는 경우와는 달리, 오일이 베어링부(143)에 보다 직접적으로 공급될 수 있다. 따라서, 윤활을 위한 오일이 보다 효과적으로 사용될 수 있게 되며, 혼합기에 오일이 함유됨으로써 엔진의 연소 효율이 저하될 수 있는 가능성이 감소될 수 있다.
나아가, 본 발명의 윤활 유닛(190)에 의하여, 본 발명의 베어링부(143)는 앞서 언급한 것과 같이 저널 베어링이 적용될 수 있다. 볼 베어링 또는 니들 베어링 대신 저널 베어링이 적용될 수 있게 되면, 크랭크 축(180)을 지지하는 면적이 크게 확대될 수 있다. 이러한 차이는 베어링부(143)의 수명 증대에 기여할 수 있고, 나아가 본 발명의 로터리 엔진(100)이 대형화 및 대용량화를 가능케 하는 효과가 있다. 그리고, 볼 베어링이 외주 측과 내주 측이 모두 고정되는 것과는 달리, 저널 베어링으로 형성되는 베어링부(143)는 외주 측만 하우징 덮개(141, 142)에 고정되면 되므로 교체가 용이한 이점이 있다.
한편, 본 발명의 윤활 유닛(190)은 흡기측 덮개(141)와 저유 덮개(150)에 의하여 형성되는 공간에 오일 팬(191)이 형성되고 오일 펌프(192)가 수용될 수 있다. 즉, 윤활 유닛(190)이 하우징 및 하우징 덮개(141, 142)와 일체를 이룰 수 있어, 윤활 유닛(190)이 구비된 본 발명의 로터리 엔진(100)의 구조가 간결하게 구현될 수 있다.
다른 한편으로, 오일 펌프(192)는 체인 부재(192a)에 의하여 크랭크 축(180)과 연동되어 작동될 수 있다. 이로써, 오일 펌프(192)는 별도의 구동 수단이 추가될 필요 없이 작동이 가능하다. 나아가, 엔진의 출력이 높아짐에 따라 오일 공급이 증가되도록 가변될 수 있어, 출력에 대응되는 가변적인 윤활 작용이 구현될 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 도 9 및 10을 참조하여, 오일 공급 유로(193)가 오일 펌프(192)로부터 베어링부(143)까지 오일을 공급하도록 이루어지는 유로 구성에 대하여 설명한다.
본 발명에 구비되는 오일 공급 유로(193)는 하우징 유로(193a)와 공급 튜브(193b)를 포함할 수 있다. 하우징 유로(193a)는 하우징 덮개(141, 142)를 관통하는 유로이며, 공급 튜브(193b)는 하우징(110) 및 하우징 덮개(141, 142)의 외부에 형성되는 외부 유로의 형태를 갖는다.
구체적으로, 하우징 유로(193a)는 하우징 덮개(141, 142)를 관통하도록 형성될 수 있다. 예를 들면 하우징 유로(193a)는, 일 단부가 하우징 덮개(141, 142)의 외면에 노출되고 타 단부는 베어링부(143)에 인접하도록 위치될 수 있다. 도 9에 보인 것처럼, 하우징 유로(193a)는 크랭크 축(180)의 반경방향으로 배기측 덮개(142)를 직선으로 관통하도록 형성될 수 있다. 이때, 하우징 유로(193a)의 타 단부는 베어링부(143)의 외주면에 맞닿도록 이루어질 수 있다. 다만, 베어링부(143)의 내주면에 오일이 공급되어야 하므로, 베어링부(143)에는 외주 측과 내주 측이 서로 연통되도록 홀이 형성될 수 있다.
공급 튜브(193b)는 오일 펌프(192)와 하우징 유로(193a)를 서로 연통시키도록, 하우징 및 하우징 덮개(141, 142)의 외부에 형성될 수 있다. 즉, 일 단부는 오일 펌프(192)의 토출 측 단부에 연결되고, 타 단부는 하우징 유로(193a)가 하우징 덮개(141, 142)의 외면에 노출되는 부분과 서로 연결될 수 있다.
위와 같이, 오일 공급 유로(193)가 하우징 유로(193a)와 공급 튜브(193b)의 조합으로 이루어짐으로써, 혼합기의 흐름을 이용하지 않고도 별도의 유로에 의한 오일 공급이 이루어질 수 있다. 아울러, 공급 튜브(193b)에서는 오일이 외기와 열교환되어 냉각될 수 있고, 이후 오일은 하우징 유로(193a)로 유입되어 흐르면서 하우징 덮개(141, 142)를 냉각하도록 기능할 수 있는 부가적인 효과가 있다.
한편, 오일 공급 유로(193)는 도 10에 자세히 보인 것과 같은 축 유로(193c)를 더 포함할 수 있다. 축 유로(193c)는 흡기측 덮개(141)와 배기측 덮개(142) 각각에 형성되는 두 개소의 베어링부(143) 사이에서 오일을 공급하는 역할을 수행한다.
본 발명의 로터리 엔진(100)에서, 동력이 발생되는 크랭크 축(180)을 지지하기 위하여 흡기측 덮개(141)와 배기측 덮개(142) 각각에 베어링부(143)가 형성될 수 있다. 이때, 각 베어링부(143)에 하우징 유로(193a)가 별도로 형성될 수도 있다. 다만 본 실시예와 같이, 하나의 베어링부(143)에 마련되는 하우징 유로(193a)에, 그와 연결되는 축 유로(193c)를 부가하여 다른 베어링부(143)에 오일을 공급하는 것도 가능하다.
구체적으로 축 유로(193c)는, 일 단은 하우징 유로(193a)와 연통되도록 이루어지고 타 단은 베어링부(143)에 인접하게 위치되도록, 크랭크 축(180)에 관통 형성될 수 있다. 도 10에 보인 것과 같이 배기측 덮개(142)에 하우징 유로(193a)가 형성될 때, 축 유로(193c)의 일 단은 배기측 덮개(142)에 장착되는 베어링부(143) 인근에서 하우징 유로(193a)와 연통될 수 있다. 그리고, 축 유로(193c)의 타 단은 흡기측 덮개(141)에 장착되는 베어링부(143)에 인접하게 위치될 수 있다. 결과적으로, 축 유로(193c)는 배기측 덮개(142)의 베어링부(143)와 흡기측 덮개(141)의 베어링부(143)에 양 단이 위치되도록 이루어질 수 있다.
또한, 축 유로(193c)는, 크랭크 축(180)에 관통 가공되는 축방향 홀(193c1)과 반경방향 홀(193c2)로 이루어질 수 있다. 축방향 홀(193c1)은 크랭크 축(180)의 축방향으로 연장 형성되며, 반경방향 홀(193c2)은 축방향 홀(193c1)과 교차되어 서로 연통되도록 이루어질 수 있다. 특히, 반경방향 홀(193c2)은 크랭크 축(180)의 외주면에 단부가 형성되어 베어링부(143)에 인접하도록 형성될 수 있다.
도 9 및 10을 참조하여 이상에서 설명한 오일 공급 유로(193)에 의하여 베어링부(143)에 오일이 공급되는 과정을 정리하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 로터리 엔진(100)의 흡기, 연소 및 배기 사이클이 시작되면, 크랭크 축(180)의 회전 구동이 시작된다. 그리고, 크랭크 축(180)과 연결된 체인 부재(192a)에 의하여, 오일 펌프(192)는 회전력을 전달 받아 작동되기 시작한다. 오일 펌프(192)는 오일 팬(191)에 저장된 오일을 흡상하여 오일 공급 유로(193)로 펌핑한다.
펌핑된 오일은 공급 튜브(193b)를 통하여 이동된다. 로터리 엔진(100) 내부에서 가열된 오일은, 공급 튜브(193b)를 통과하면서 외기와 열교환됨으로써 냉각이 이루어질 수 있다. 공급 튜브(193b)를 통과한 오일은 하우징 유로(193a)로 공급된다.
본 실시예에서 하우징 유로(193a)는 배기측 덮개(142)에 형성된다. 오일은 배기측 덮개(142)를 크랭크 축(180)의 반경방향으로 통과하고, 배기측 덮개(142)에 형성되는 베어링부(142b)의 내주면 측에 공급된다. 이에 따라 배기측 덮개(142)에 형성되는 베어링부(142b)의 윤활이 이루어질 수 있다.
다음으로, 오일은 축 유로(193c)를 따라서 흡기측 덮개(141)에 형성되는 베어링부(143)로 이동된다. 오일은 반경방향 홀(193c2) 및 축방향 홀(193c1)을 따라 이동되어 흡기측 덮개(141)의 베어링부(143) 내주면으로 공급되어 윤활면을 형성할 수 있다.
본 실시예에서와 같이 오일 공급 유로(193)가 축 유로(193c)를 포함함으로써, 배기측 덮개(142)를 통과하는 하우징 유로(193a)를 공유하여, 흡기측 덮개(141)의 베어링부(141b)에도 오일이 공급될 수 있다. 아울러, 축 유로(193c)를 통하여 오일이 흐름으로써, 혼합기에 노출되기 어렵게 위치되는 크랭크 축(180)의 냉각이 수행될 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 10에 보인 것과 같이, 로터(120)와 크랭크 축(180) 사이에는 로터 기어(170) 및 편심 베어링(175)이 형성되고, 앞서 설명한 본 발명의 축 유로(193c)에 의하여 편심 베어링(175)에도 오일이 공급될 수 있다.
도 2 및 10을 참조하면, 본 발명에 따른 로터리 엔진(100)은 로터 기어(170)를 더 포함할 수 있다. 로터 기어(170)는 로터(120)와 고정되고, 후술하는 가이드 기어(160)와 맞물려 로터(120)의 편심 회전을 구현하는 역할을 한다.
로터 기어(170)는 플랜지부(171), 기어부(172) 및 보스부(173)를 구비할 수 있다. 플랜지부(171)는 크랭크 축(180)의 반경방향으로 연장되는 원판형으로 이루어질 수 있다. 플랜지부(171)는 로터(120)와 하우징 덮개(본 실시예에서는 흡기측 덮개(141)) 사이에 개재되고 로터(120)에 고정되도록 장착될 수 있다.
보스부(173)는 플랜지부(171)로부터 크랭크 축(180)의 축방향으로 연장 형성될 수 있다. 도 10에 보인 것처럼, 보스부(173)는 플랜지부(171)로부터 후방으로 연장되어 로터(120)와 크랭크 축(180) 사이에 개재될 수 있다.
또한, 기어부(172)는 플랜지부(171)로부터 흡기측 덮개(141)를 향하여 돌출 형성되고, 크랭크 축(180)의 원주 방향을 따라 외주면에 톱니가 형성되도록 이루어질 수 있다. 기어부(172)는 하우징 덮개(141)에 장착되는 가이드 기어(160)와 맞물리도록 이루어질 수 있다. 구체적으로, 흡기측 덮개(141)에는 로터(120)와 마주보는 면에서 리세스되는 안착부(144)가 형성되고, 안착부(144)에는 기어부(172)와 맞물리도록 내주면을 따라 톱니가 형성되는 링 형상의 가이드 기어(160)가 고정되도록 장착될 수 있다. 가이드 기어(160)와 기어부(172)의 맞물림에 의하여 앞서 설명한 로터(120)의 편심 회전이 가이드될 수 있다.
로터(120)와 고정되어 회전되는 로터 기어(170)는, 그 내주면에 편심 베어링(175)을 구비할 수 있다. 편심 베어링(175)은 크랭크 축(180)과 서로 슬라이딩될 수 있고, 베어링부(143)와 마찬가지로 원통형의 저널 베어링으로 이루어질 수 있다. 도 10에 도시된 것처럼, 편심 베어링(175)은 복수 개가 구비되어 서로 이격 배치될 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 윤활 유닛(190)의 오일 공급 유로(193)는 공급 튜브(193b), 하우징 유로(193a) 및 축 유로(193c)를 구비할 수 있다. 이때, 축 유로(193c)는 크랭크 축(180)을 축방향으로 관통하면서 로터(120)를 통과하므로, 축 유로(193c)가 분지되어 편심 베어링(175)에 오일을 공급할 수 있다.
편심 베어링(175)에 오일을 공급하기 위하여, 앞서 설명한 것과 같은 반경방향 홀(193c2)이 편심 베어링(175)과 인접하는 위치에도 형성될 수 있다. 도 10에 보인 것처럼, 복수 개의 편심 베어링(175)이 장착되는 위치에 복수 개의 반경방향 홀(193c2)이 축방향 홀(193c1)과 교차되어 연통되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 윤활 유닛(190)은, 위와 같은 구조에 의하여 크랭크 축(180)을 따라 형성되는 편심 베어링(175)에도 오일을 공급할 수 있다. 즉, 크랭크 축(180)을 관통하는 축 유로(193c)에 의하여 두 개소의 베어링부(143), 두 개소의 편심 베어링(175)에 한꺼번에 오일이 공급될 수 있어, 통합적인 윤활이 구현될 수 있다.
더 나아가 본 발명의 오일 공급 유로(193)에는, 추가적으로 앞서 설명한 가이드 기어(160) 및 기어부(172)에도 오일을 공급하는 기어 유로(193d)가 구비될 수 있다. 도 1 및 9에 보인 것과 같이, 기어 유로(193d)는 가이드 기어(160)가 안착되는 흡기측 덮개(141)를 관통하도록 형성될 수 있다. 기어 유로(193d)는 흡기측 덮개(141)를 크랭크 축(180)의 반경방향으로 관통하여 단부가 가이드 기어(160)의 외주면에 인접하도록 위치될 수 있다.
기어 유로(193d)가 형성되어 가이드 기어(160) 및 기어부(172)의 톱니면에 오일이 공급됨으로써, 가이드 기어(160) 및 하우징 덮개(141, 142), 로터 기어(170)의 마모 및 소음이 저감될 수 있다.
더 구체적으로, 도 11은 도 10에 도시된 영역 B를 보인 확대도이다. 가이드 기어(160)는 내주면에 톱니가 구비되어 기어부(172)와 맞물리므로, 기어 유로(193d)를 통하여 가이드 기어(160)의 외주면에 공급된 오일이 가이드 기어(160)의 내주면 측으로 흐를 수 있는 유로가 확보되어야 한다. 도 11을 참조하면, 오일은 로터 기어(170)의 플랜지부(171)와 마주보는 가이드 기어(160)의 후면을 통하여 흐를 수 있다. 본 발명의 로터리 엔진(100)의 작동 시, 플랜지부(171)의 전면과 가이드 기어(160)의 후면이 서로 마찰되어 회전되므로 오일이 이 부분을 통과하여 오일 윤활면이 추가로 형성되는 것이 바람직하다.
특히, 가이드 기어(160)의 높이(크랭크 축(180)의 축방향으로의 두께)는, 안착부(144)의 리세스된 깊이(크랭크 축(180)의 축방향으로의 높이)보다 2 mm 이하만큼 작게 형성될 수 있다. 또는, 조립 공차 등을 고려하여 가이드 기어(160)의 높이와 안착부(144)의 리세스된 깊이는 서로 동일하게 가공될 수 있다. 이에 의해, 안착부(144) 내부에 잔여 공간의 체적이 감소하여, 하우징 덮개(141, 142)와 플랜지부(171) 사이에 형성되는 마찰면에 오일 유면이 충분히 확보되는 효과가 있다.
한편, 도 12는 오일 씰링 부재(146)와 로터 기어(170)의 위치 관계를 보인 개념도이다. 도 10 및 12를 참조하면, 본 발명의 하우징 덮개(141, 142)는 씰링 홈(145) 및 오일 씰링 부재(146)를 구비할 수 있다. 씰링 홈(145) 및 오일 씰링 부재(146)는, 크랭크 축(180) 및 베어링부(143), 나아가 편심 베어링(175) 및 기어부(172)에 공급되었던 오일이 누설되는 것을 방지하기 위한 구성이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 씰링 홈(145)은 흡기측 및 배기측 덮개(141, 142)에 각각 형성될 수 있다. 흡기측 덮개(141)에서는, 로터 기어(170)의 플랜지부(171)와 마주보는 흡기측 덮개(141)의 후면에 씰링 홈(141d)이 형성될 수 있다. 씰링 홈(141d)은 크랭크 축(180)의 축방향인 두께 방향으로 리세스되고, 크랭크 축(180) 및 가이드 기어(160)를 원주 방향으로 감싸도록 연장될 수 있다. 배기측 덮개(142)에서는, 하우징의 후면과 마주보는 흡기측 덮개(141)의 전면에 씰링 홈(142d)이 형성될 수 있다.
아울러, 씰링 홈(145)에는 오일 씰링 부재(146)가 삽입 장착될 수 있다. 오일 씰링 부재(146)는 플랜지부(171)의 전면 또는 하우징(110)의 후면에 접촉되도록 설치될 수 있다. 도 10 및 12에 보인 것처럼, 오일 씰링 부재(146)가 형성하는 원 내부에는, 로터 기어(170)의 기어부(172) 및 그와 맞물리는 가이드 기어(160), 그리고 크랭크 축(180)이 위치될 수 있다.
오일 씰링 부재(146)에 의하여, 크랭크 축(180) 주위에 집중적으로 공급된 오일이 로터(120)의 전면 및 후면을 타고 크랭크 축(180)의 반경방향으로 누출되는 것이 제한될 수 있다. 따라서, 혼합기와는 별도로 오일 공급 유로(193)를 통하여 공급된 오일이, 윤활을 수행하는 과정에서 로브 수용부(111) 등으로 누설되어 혼합기에 섞이는 것이 제한될 수 있다.
도 13은 도 9에 도시된 영역 C의 확대도이며, 도 14는 도 13에 도시된 버튼 씰(147)이 삽입된 위치를 보인 사시도이다. 이하에서는 도 9, 13 및 14를 참조하여 본 발명의 로터리 엔진(100)에 형성되는 버튼 씰(Button Seal, 147), 사이드 씰(Side Seal, 127) 및 에이펙스 씰(Apex Seal, 117)에 오일을 공급하도록 이루어지는 윤활 구조에 대해 설명한다.
앞서 설명한 것과 같이, 본 실시예의 로터리 엔진(100)은 3개의 로브 수용부(111) 및 2개의 로브(120', 120")를 구비한다. 이때, 하우징(110)은 각 로브 수용부(111) 사이에서 크랭크 축(180)을 향하도록 돌출 형성되는 피크부(114)를 구비한다. 피크부(114)는 도 3에 도시된 것처럼 3개의 로브 수용부(111) 사이사이에 3개가 형성된다. 그리고, 도 5 및 8에 보인 것처럼 본 발명의 로터리 엔진(100)의 작동 시, 피크부(114)들은 항상 로브(120', 120")와 접촉되어 마찰되는 상태가 유지된다. 즉, 서로 이웃한 두 로브 수용부(111)의 혼합기는 피크부(114)에 의해 서로 격리된 상태로 흡기→압축→폭발→배기 과정을 각각 거치게 된다.
각 로브 수용부(111)들 사이의 격리와, 아울러 제1 및 제2저장부(123a, 123b)와 로브 수용부(111) 사이의 격리를 보장하기 위하여, 본 발명의 로터리 엔진(100)에는 사이드 씰(127), 에이펙스 씰(117) 및 버튼 씰(147)이 형성된다.
도 13 및 14에 보인 것처럼, 사이드 씰(127)은 로터(120)의 둘레를 따라 전후 양면에서 돌출되도록 형성될 수 있다. 사이드 씰(127)은 로터(120) 내부의 제1 및 제2저장부와 로브 수용부(111) 사이를 격리할 수 있다.
그리고, 에이펙스 씰(117)은 피크부(114)의 단부에서 로터(120)를 향하여 돌출되어 접촉되도록 이루어지고, 로터(120)의 두께 방향으로 연장되도록 이루어진다. 에이펙스 씰(117)은 각 로브 수용부(111) 사이의 격리를 구현할 수 있다.
여기에, 사이드 씰(127)과 에이펙스 씰(117) 사이의 간극을 밀폐하도록, 버튼 씰(147)이 더 구비된다. 도 13 및 14에 보인 것처럼, 버튼 씰(147)은 각 흡기홀(141a)과 배기홀(142a)로부터 크랭크 축(180)의 반경 방향으로 이격되는 지점에 위치된다. 버튼 씰(147)은 하우징 덮개(141, 142)에 삽입 장착되고, 사이드 씰(127)과 에이펙스 씰(117) 사이에서 로터(120)의 표면을 가압하도록 이루어진다.
도 9 및 13에 보인 것과 같이, 본 발명의 윤활 유닛(190)에 구비되는 오일 공급 유로(193)는, 버튼 씰(147)에 오일을 공급하는 씰 유로(193e)를 구비할 수 있다. 씰 유로(193e)는 하우징 덮개(141, 142)의 내부를 관통하도록 이루어질 수 있고, 앞서 설명한 공급 튜브(193b)의 일부가 분지되어 씰 유로(193e)와 연결될 수 있다. 씰 유로(193e)의 단부는 도 13에 보인 것처럼, 버튼 씰(147)에 인접하도록 위치될 수 있다.
버튼 씰(147)은 도 13에 보인 것과 같이 몸체부(147a)와 가압부(147b), 탄성부(147c)를 구비할 수 있다. 몸체부(147a)는 하우징 덮개(141, 142)에 고정되고, 가압부(147b)는 로터(120)의 표면을 가압하도록 형성될 수 있다. 가압부(147b)와 몸체부(147a)는 탄성부(147c)에 의해 서로 연결되며, 탄성부(147c)는 가압부(147b)를 로터(120)의 표면을 향하여 가압하는 힘을 제공하도록 이루어질 수 있다.
이때, 씰 유로(193e)의 단부는 버튼 씰(147)의 몸체부(147a)와 가압부(147b) 사이의 공간과 연통되도록 위치될 수 있다. 씰 유로(193e)로 공급된 오일은, 몸체부(147a)와 가압부(147b) 사이의 공간으로 흘러 들어가고, 이어서 가압부(147b)와 하우징 덮개(141, 142) 사이의 간극을 타고 흘러 가압부(147b)와 로터(120)가 서로 접촉되는 가압부(147b)의 단부로 공급될 수 있다.
위와 같이 버튼 씰(147)의 윤활을 수행한 오일은, 로터(120) 측으로 더 흘러 들어가 사이드 씰(127)과 에이펙스 씰(117)의 윤활도 수행할 수 있다. 도 13에 보인 것과 같이, 오일의 일부는 사이드 씰(127) 측으로 흐를 수 있고, 다른 일부는 에이펙스 씰(117)과 로터(120)가 맞닿는 표면으로 공급될 수 있다. 오일의 또 다른 일부는 에이펙스 씰(117)과 하우징 덮개(141, 142) 사이로 흘러 들어갈 수 있다.
이상의 경로에 의하여, 본 발명의 윤활 유닛(190)은 버튼 씰(147), 사이드 씰(127) 및 에이펙스 씰(117)에 오일을 직접 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명의 작동 시 밀폐를 위하여 마찰되는 마찰면들의 내구성이 향상되고, 혼합기의 누설이 효과적으로 방지될 수 있다.
이상에서는, 본 발명의 윤활 유닛(190)에 의하여 베어링부(143), 편심 베어링(175), 로터 기어(170), 그리고 버튼 씰(147)에 오일이 직접 공급되는 구조에 대하여 차례로 설명하였다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 윤활 유닛(190)의 오일 공급 유로(193)는, 윤활 유닛(190)의 오일 펌프(192)의 구동 부위를 윤활하도록 이루어질 수 있다.
도 9에 보인 것과 같이, 오일 공급 유로(193)는 펌프 유로(193f)를 더 포함할 수 있다. 펌프 유로(193f)는 중력에 의하여 체인 부재(192a)에 오일을 낙하시키도록 체인 부재(192a)의 상 측에서 저유 덮개(150)와 연결되도록 이루어질 수 있다. 펌프 유로(193f)의 일 단부는 공급 튜브(193b)로부터 분지되도록 이루어질 수 있으며, 타 단부는 저유 덮개(150)의 상부면에서 저유 덮개(150) 내부 공간과 연통되도록 설치될 수 있다.
아울러, 트로코이드 펌프는 크랭크 축(180)의 하 측에 위치될 수 있고, 도 9에 보인 것과 같이, 펌프 유로(193f), 체인 기어(183), 체인 부재(192a) 및 트로코이드 펌프가 상 측으로부터 차례로 정렬될 수 있다. 펌프 유로(193f)의 일 단부는 경우에 따라 저유 덮개(150)를 관통하여 체인 부재(192a)에 근접되도록 위치될 수 있다.
이러한 펌프 유로(193f)에 의하여, 본 발명의 윤활 유닛(190) 자체의 구동을 위한 체인 기어(183) 및 체인 부재(192a)에도 오일이 공급될 수 있고, 윤활 유닛(190)의 구동에 대한 신뢰성이 향상될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 로터리 엔진(100)의 각 구성요소들에 오일이 공급되기 위한 구조에 대하여 설명하였다. 이하에서는 도 9를 참조하여 공급된 오일을 오일 팬(191)으로 회수할 수 있도록 이루어지는 오일 회수 유로(194)에 대하여 설명하기로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 윤활 유닛(190)은 오일 팬(191), 오일 펌프(192) 및 오일 공급 유로(193)를 포함한다. 나아가, 윤활 유닛(190)은 베어링부(143), 편심 베어링(175), 가이드 기어(160) 또는 기어부(172)에 공급된 오일을 오일 팬(191)으로 회수하도록 가이드하는 오일 회수 유로(194)를 더 포함할 수 있다.
오일 회수 유로(194)는, 크랭크 축(180)의 외주면에 형성되는 간극 유로(194a)를 구비할 수 있다. 즉, 간극 유로(194a)는, 베어링부(143)와 편심 베어링(175)에 덮이는 부분 이외의 크랭크 축(180)의 외주면이 하우징 덮개(141, 142) 또는 보스부(173)와 이격되는 부분으로 이루어질 수 있다. 일차적으로 베어링부(143) 또는 편심 베어링(175)으로부터 흘러나온 오일이 간극 유로(194a)를 따라 흐를 수 있다.
다음으로, 오일 회수 유로(194)는 가이드 유로(194b)를 구비할 수 있다. 가이드 유로(194b)는 간극 유로(194a)와 연통되고, 오일 팬(191)으로 오일을 가이드하도록 하우징 덮개(141, 142)에 형성될 수 있다. 가이드 유로(194b)는, 하우징 덮개(141, 142)의 표면에 형성되는 홈의 형상으로 이루어지거나, 하우징 덮개(141, 142)를 관통하는 홀의 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 가이드 유로(194b)의 양 단부는 각각 간극 유로(194a) 및 오일 팬(191)과 연통되도록 형성될 수 있다.
또한, 오일 회수 유로(194)는, 하우징 덮개(141, 142) 또는 하우징의 외부로 연결되는 회수 튜브(194c)를 포함하여, 외부로 오일을 회수하도록 이루어질 수 있다. 일 예를 들어, 하우징 덮개(141, 142)에 베어링부(143)와 인접한 배유공간(148)이 형성되고, 배유공간(148)과 오일 팬(191)이 서로 연통되는 회수 튜브(194c)가 형성될 수 있다.
도 9에 도시된 것과 같이, 배유공간(148)은 배기측 덮개(142)에 형성되는 베어링부(143)와 인접한 공간으로 이루어질 수 있다. 즉, 배유공간(148)은 배기측 덮개(142)에서, 크랭크 축(180)과 마주보는 내주면에서 리세스되는 공간으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 배유공간(148)에는 배기측 덮개(142)의 베어링부(143)로부터 흘러나오는 오일이 수용될 수 있다.
아울러 회수 튜브(194c)는 배유공간(148)에 회수된 오일을 오일 팬(191)으로 회수하도록 이루어질 수 있다. 회수 튜브(194c)의 일부는 배기측 덮개(142)를 일부 관통하도록 이루어질 수 있다. 회수 튜브(194c)의 나머지 일부는 하우징 덮개(141, 142)의 외부로 이어져, 흡기측 덮개(141) 또는 저유 덮개(150)에 의해 형성되는 오일 팬(191) 공간과 연통되도록 이루어질 수 있다.
이상에서와 같이 오일 회수 유로(194)가 더 형성되면, 오일 공급 유로(193)를 통하여 베어링부(143) 등에 공급되어 윤활에 사용된 오일이 별도로 회수될 수 있게 된다. 따라서, 회수된 오일이 윤활에 재사용되도록 순환되는 윤활 시스템이 구현될 수 있다. 즉, 오일이 혼합기 또는 배기가스로 비산되는 등으로 낭비되는 양이 감소될 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 로터리 엔진을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
100: 로터리 엔진 110: 하우징
111: 로브 수용부 112: 연소실
113: 장착홀 114: 피크부
117: 에이펙스 씰 120: 로터
121: 지지부 122: 관통홀
123a: 제1저장부 123b: 제2저장부
124a: 흡기포트 124b: 배기포트
125: 리브 127: 사이드 씰
130: 점화 플러그 141: 흡기측 덮개
141a: 흡기홀 142: 배기측 덮개
142a: 배기홀 143: 베어링부
144: 안착부 145: 씰링 홈
146: 오일 씰링 부재 147: 버튼 씰
148: 배유공간 150: 저유 덮개
160: 가이드 기어 170: 로터 기어
171: 플랜지부 172: 기어부
173: 보스부 174: 수용부
175: 편심 베어링 180: 크랭크 축
181: 축부 182: 편심부
183: 체인 기어 190: 윤활 유닛
191: 오일 팬 192: 오일 펌프
192a: 체인 부재 193: 오일 공급 유로
193a: 하우징 유로 193b: 공급 튜브
193c: 축 유로 193c1: 축방향 홀
193c2: 반경방향 홀 193d: 기어 유로
193e: 씰 유로 193f: 펌프 유로
194: 오일 회수 유로 194a: 간극 유로
194b: 가이드 유로 194c: 회수 튜브

Claims (20)

  1. 크랭크 축;
    상기 크랭크 축을 둘러싸도록 배치되는 N개(N은 3 이상인 자연수)의 로브 수용부와, 각각의 상기 로브 수용부와 연통되는 연소실을 구비하는 하우징;
    상기 크랭크 축과 편심되어 회전하고, 각각 상기 로브 수용부에 연속적으로 수용되는 N-1개의 로브를 구비하는 로터;
    상기 크랭크 축이 관통되어 회전 가능하도록 지지되는 베어링부를 구비하고, 상기 로브 수용부를 오버랩하여 상기 하우징에 결합되는 하우징 덮개; 및
    상기 베어링부에 오일을 공급하도록 이루어지는 윤활 유닛을 포함하며,
    상기 윤활 유닛은,
    오일을 수용하도록 상기 하우징 덮개에 형성되는 오일 팬(oil pan);
    상기 하우징 덮개에 장착되고, 상기 오일 팬의 오일을 흡상하도록 이루어지는 오일 펌프; 및
    일 단은 상기 오일 펌프와 연결되고 타 단은 상기 베어링부에 인접하도록 위치되는 오일 공급 유로를 구비하고,
    상기 하우징 덮개는,
    상기 크랭크 축의 원주방향을 따라 연장되도록 상기 로터를 향하는 면에서 리세스되는 씰링 홈; 및
    상기 씰링 홈에 삽입 장착되도록 환형으로 형성되어, 상기 크랭크 축의 반경방향으로 오일의 유출을 제한하도록 이루어지는 오일 씰링 부재를 구비하는 로터리 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베어링부는 상기 하우징 덮개에 고정되고 상기 오일을 공급 받아 유막을 형성하여 상기 크랭크 축을 지지하는 저널 베어링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 덮개는,
    상기 하우징과 결합되는 일 면에 복수 개의 흡기홀을 구비하고, 타 면에 상기 오일 펌프가 장착되는 흡기측 덮개; 및
    상기 흡기측 덮개와 결합되어 상기 오일 펌프를 수용하고, 저면에 상기 오일 팬을 형성하는 저유 덮개를 구비하는 로터리 엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오일 펌프는,
    상기 크랭크 축과 이격 배치되고 회전력에 의하여 오일을 흡상하도록 이루어지는 트로코이드 펌프(trochoid pump); 및
    상기 트로코이드 펌프와 상기 크랭크 축을 서로 연결하여 동력을 전달하도록 이루어지는 체인 부재를 구비하는 로터리 엔진.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오일 공급 유로는,
    일 단은 상기 하우징 덮개의 외면에 노출되고 타 단은 상기 베어링부에 인접하도록, 상기 하우징 덮개의 내부를 관통하여 형성되는 하우징 유로; 및
    상기 오일 펌프와 상기 하우징 유로를 서로 연통시키도록 형성되는 공급 튜브를 구비하는 로터리 엔진.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오일 공급 유로는,
    상기 하우징 덮개의 내부를 관통하도록 형성되는 하우징 유로; 및
    일 단은 상기 하우징 유로와 서로 연통되고 타 단은 상기 베어링부에 인접하게 위치되도록, 상기 크랭크 축의 내부에 관통 형성되는 축 유로를 포함하는 로터리 엔진.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 축 유로는,
    상기 크랭크 축의 축방향으로 연장되는 축방향 홀; 및
    상기 축방향 홀과 교차되어 서로 연통되고, 상기 베어링부에 인접하도록 형성되는 반경방향 홀을 구비하는 로터리 엔진.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 로터와 하우징 덮개 사이에 개재되고 상기 로터와 고정되는 플랜지부와, 상기 로터와 크랭크 축 사이에 개재되도록 상기 플랜지로부터 연장 형성되는 보스부를 구비하는 로터 기어를 더 포함하고,
    상기 보스부의 내주면에는 상기 크랭크 축을 회전 가능하도록 지지하는 편심 베어링이 장착되는 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오일 공급 유로는,
    상기 하우징 덮개의 내부를 관통하도록 형성되는 하우징 유로; 및
    일 단은 상기 하우징 유로와 서로 연통되고 타 단은 상기 편심 베어링에 인접하게 위치되도록, 상기 크랭크 축의 내부에 관통 형성되는 축 유로를 포함하는 로터리 엔진.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 로터와 하우징 덮개 사이에 개재되고 상기 로터와 고정되는 플랜지부와, 상기 플랜지부에서 상기 하우징 덮개를 향하여 돌출 형성되고 상기 크랭크 축의 원주 방향을 따라 외주면에 톱니가 형성되는 기어부를 구비하는 로터 기어를 더 포함하고,
    상기 하우징 덮개는,
    상기 로터와 마주보는 면에서 리세스되도록 형성되는 안착부; 및
    상기 안착부에 장착되고 내주면을 따라 톱니가 형성되어 상기 기어부와 맞물리도록 형성되는 가이드 기어를 구비하는 로터리 엔진.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 오일 공급 유로는, 상기 하우징 덮개의 내부를 관통하여 상기 가이드 기어와 인접하도록 형성되는 기어 유로를 구비하는 로터리 엔진.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 N개의 로브 수용부 사이에 각각 상기 크랭크 축을 향하도록 돌출 형성되어 상기 로브와 접촉되는 N개의 피크부를 구비하고,
    상기 하우징 덮개는, 상기 피크부와 접촉되는 상기 로브의 양 단부와 접촉되도록 각각 형성되는 버튼 씰을 구비하며,
    상기 오일 공급 유로는, 상기 하우징 덮개의 내부를 관통하여 상기 버튼 씰과 인접하도록 형성되는 씰 유로를 구비하는 로터리 엔진.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 하우징 덮개는,
    상기 하우징과 결합되는 일 면에 복수 개의 흡기홀을 구비하고, 타 면에 상기 오일 펌프가 장착되는 흡기측 덮개; 및
    상기 흡기측 덮개와 결합되어 상기 오일 펌프를 수용하고, 저면에 상기 오일 팬을 형성하는 저유 덮개를 구비하고,
    상기 오일 공급 유로는, 중력에 의하여 상기 체인 부재에 오일을 낙하시키도록 상기 체인 부재의 상 측에서 상기 저유 덮개와 연결되는 펌프 유로를 구비하고,
    상기 트로코이드 펌프는 상기 크랭크 축의 하 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 윤활 유닛은, 상기 베어링부로부터 상기 오일 팬으로 오일을 가이드하도록 형성되는 오일 회수 유로를 더 포함하는 로터리 엔진.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 오일 회수 유로는,
    상기 하우징 덮개와 상기 크랭크 축의 외주면 사이에 형성되는 간극 유로; 및
    상기 간극 유로와 연통되고, 상기 오일 팬으로 오일을 가이드하도록 상기 하우징 덮개에 형성되는 가이드 유로를 구비하는 로터리 엔진.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 하우징 덮개는, 상기 크랭크 축과 마주보는 내주면에서 리세스되는 공간으로 형성되어 상기 베어링부로부터 흘러나오는 오일을 수용하는 배유공간을 포함하고,
    상기 오일 회수 유로는, 상기 배유공간과 상기 오일 팬을 서로 연통시키도록 설치되는 회수 튜브를 구비하는 로터리 엔진.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 하우징 덮개는, 상기 로터와 마주보는 면에서 리세스되도록 형성되는 안착부를 구비하고,
    상기 오일 회수 유로는,
    상기 크랭크 축과 보스부 사이에 형성되는 간극 유로; 및
    상기 간극 유로 및 상기 안착부와 연통되어 상기 오일 팬으로 오일을 가이드하도록 상기 하우징 덮개를 관통하여 형성되는 가이드 유로를 구비하는 로터리 엔진.
  19. N개(N은 3 이상인 자연수)의 로브 수용부와, 각각의 상기 로브 수용부와 연통되는 연소실을 구비하는 하우징;
    상기 로브 수용부의 중심으로부터 편심되어 회전하고, 각각 상기 로브 수용부에 연속적으로 수용되는 N-1개의 로브를 구비하는 로터;
    상기 로브 수용부의 중심에 위치되고, 상기 로터와 연결되어 회전력이 발생되는 크랭크 축;
    상기 크랭크 축이 관통되어 회전 가능하도록 지지되는 베어링부를 구비하고, 상기 로브 수용부를 오버랩하여 상기 하우징에 결합되는 하우징 덮개; 및
    오일을 수용하도록 형성되는 오일 팬과, 상기 오일 팬으로부터 상기 베어링부에 오일을 공급하도록 형성되는 오일 공급 유로와, 상기 오일 공급 유로의 오일을 이동시키도록 구동되는 오일 펌프를 구비하는 윤활 유닛을 포함하며,
    상기 베어링부는 상기 하우징 덮개에 고정되고 오일을 공급 받아 유막을 형성하여 상기 크랭크 축을 지지하는 저널 베어링으로 이루어지고,
    상기 로터와 하우징 덮개 사이에 개재되고 상기 로터와 고정되는 플랜지부와, 상기 로터와 크랭크 축 사이에 개재되도록 상기 플랜지로부터 연장 형성되는 보스부를 구비하는 로터 기어를 더 포함하고,
    상기 보스부의 내주면에는 상기 크랭크 축을 회전 가능하도록 지지하는 편심 베어링이 장착되는 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
  20. 삭제
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