KR19980086225A

KR19980086225A - 왕복 회전식 피스톤 시스템 및 이를 이용한 압력펌프와 내연기관

Info

Publication number: KR19980086225A
Application number: KR1019970022506A
Authority: KR
Inventors: 김승균
Original assignee: 김승균
Priority date: 1997-05-31
Filing date: 1997-05-31
Publication date: 1998-12-05
Also published as: AU738469B2; WO2000032908A1; CA2308924A1; CN1281527A; US6321693B1; EP1053387A1; KR100235175B1; AU1508999A; CN1105225C; JP2002531744A

Abstract

본 발명은 원통형 내주부에 다수쌍의 피스톤이 동일 원주상에 교대로 배치되어 인접하는 피스톤 간에 서로 반대 방향의 동일한 속도로 회전 및 역회전하며 이들의 합력이 제로가 되는 구조에 의해 피스톤 운동에 따른 진동이 서로 상쇄되어 진동과 소음 및 이로 인한 편마모를 줄여 기계의 수명을 연장할 수 있고, 소형화, 경량화 및 고성능화를 실현할 수 있는 왕복 회전식 피스톤 시스템 및 이러한 피스톤 시스템을 이용한 각종 내연기관, 유공압 펌프, 진공펌프에 관한 것이다.

본 발명에 따른 피스톤 시스템은 내부에 환형상의 공간부를 이루는 실린더와, 상기 실린더 내부의 동일 원주상에 서로 교대로 배치된 제1 및 제2조 피스톤으로 구성되고, 각조는 서로 반대방향으로 동일한 속도로 일정한 원호를 왕복운동하는 다수의 피스톤과, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 외부로부터 내부로 유입되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 흡입밸브와, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 내부로 부터 외부로 배출되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 배기밸브로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

왕복 회전식 피스톤 시스템 및 이를 이용한 압력펌프와 내연기관

본 발명은 왕복 회전식 피스톤 시스템 및 이를 이용한 압력펌프와 내연기관에 관한 것으로, 특히 원통형 내주부에 다수쌍의 피스톤이 동일 원주상에 교대로 배치되어 인접하는 피스톤 간에 서로 반대 방향의 동일한 속도로 회전 및 역회전하며 이들의 합력이 제로가 되는 구조에 의해 피스톤이 운동에 따른 진동이 서로 상쇄되어 진동과 소음 및 이로 인한 편마모를 줄여 기계의 수명을 연장할 수 있고, 소형화,경량화 및 고성능화를 실현할 수 있는 왕복 회전식 피스톤 시스템 및 이러한 피스톤 시스템을 이용한 각종 내연기관, 유공압 펌프, 진공 펌프에 관한 것이다.

각종 내연기관, 유공압 펌프, 진공펌프 등에는 직선 왕복 피스톤 시스템이 유체를 압축 또는 이송하는데 널리 사용되고 있다.

이러한 직선 왕복 피스톤 시스템은 구조상 피스톤이 양방향 운동을 하여야 하므로 일방향의 힘 또는 운동방향의 전환시에 반력을 피할 수 없고, 횡적으로 다중 배치를 통하여 총체적으로는 이들을 상쇄시킨다 할지라도 개별 위치에서 본체와 크랭크 축 등에 미치는 피스톤의 힘 또는 그의 반력은 피할 수 없는 한계가 있다.

따라서 종래의 직선 왕복운동 피스톤 시스템에서는 피스톤의 직선 왕복운동으로 인해 진동과 소음을 야기하게 된다. 더욱이 내연기관의 실린더에 채용된 피스톤에 있어서는 피스톤의 직선 왕복운동이 크랭크 장치를 통하여 회전운동으로 변환될때 크랭크 장치와 연결되는 피스톤의 하단부에 작용하는 힘은 피스톤의 직선왕복 운동축에 대하여 합력이 제로가 되지 못하기 때문에 실린더에 편마로를 일으키는 원인이 될 수 있고 결국 이를 이용한 기계 전체의 수명을 짧게 할 수 있다. 또한 기계 본체의 안전을 위하여 크고 강한 부품을 사용해야 하므로 이것은 기계장치의 중량화를 초래하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 다수쌍의 피스톤이 동일 원주상에 배치되어 인접하는 피슨톤 간에 서로 반대 방향의 동일한 속도로 회전 및 역회전하며 이들의 합력이 제로가 되는 구조에 의해 피스톤 운동에 따른 진동이 서로 상쇄되어 진동과 소음 및 이로 인한 편마모를 줄여 기계의 수명을 연장할 수 있고, 소형화, 경량화 및 고성능화를 실현할 수 있는 피스톤 시스템을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 이러한 피스톤 시스템을 이용한 각종 내연기관과, 유공압 펌프 및 진공 펌프를 제공하는데 있다.

도 1은 공압펌프를 형성하는 본 발명의 제1실시예에 따른 왕복 회전식 4기통 피스톤 시스템의 분해 사시도,

도 2는 도 1의 부분 조립 사시도,

도 3A 및 3B는 도 1에 도시된 제1실시예에 따른 4기통 피스톤 시스템의 실린더 조립체에 대한 축방향 단면도 및 도 3A의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도,

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 왕복 회전식 4기통 피스톤 시스템의 분해 사시도,

도 5A 및 도5B는 도 4에 도시된 제2실시예에 따른 4기통 피스톤 시스템의 실린더 조립체에 대한 원주방향 단면도 및 도 5A의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도,

도 6A는 본 발명에 따른 4기통 피스톤 시스템의 단계별 크랭크 작동 상태도,

도 6B는 본 발명이 공압펌프 등에 적용된 경우의 단계별 작동 상태도,

도 6C는 본 발명이 내연기관에 적용된 경우의 단계별 작동 상태도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호설명

1A-1D ; 제1 내지 제4 피스톤 2,20 ; 제1 및 제2 피스톤 지지체

2A,2B ; 환형판 2C,2D ; 내측원통부

2E,2F ; 제1 및 제2 돌기 3A ; 외측 원통부

3B,3C ; 우/좌 환형판 4A-4D ; 흡입밸브

5A-5D ; 배기밸브 6 ; 연결축

6A-6D ; 제3및제6 돌기 7A-7D ; 연결핀

8A,8B ; 제1 및 제2 크랭크 장치 8C,8D ; 크랭크 로드

9A,9B ; 제1 및 제2 크랭크 기어 11A,11B ; 12A,12B ; 요홈

CH1-CH4 ; 챔버

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 환형상의 공간부를 이루는 실린더와, 상기 실린더 내부의 동일 원주상에 서로 교대로 배치된 제1 및 제2조 피스톤으로 구성되고, 각조는 서로 반대방향으로 동일한 속도로 일정한 원호를 왕복 운동하는 다수의 피스톤과, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 외부로부터 내부로 유입되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 배기밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템을 제공한다.

본 발명의 제1특징에 따르면, 상기 실린더는 외측 원통부와, 상기 외측 원통부의 양측면에 결합되는 제1 및 제2 환형판과, 각각 상기 제1 및 제2 환형판의 내주부에 외주면이 결합된 제3 및 제4 환형판과, 상기 제3 및 제4 환형판의 내주면에 회전 가능하게 결합된 내측 원통부로 구성되고, 상기 제1조의 피스톤은 상기 제3 및 제4 환형판에 결합되며, 나머지 제2조의 피스톤은 상기 실린더의 내측 원통부의 외주면에 결합되어, 상기 제3 및 제4 환형판과 내측 원통부의 상대적인 반대 방향 구동에 따라 상기 제1조 피스톤과 제2조 피스톤이 반대방향으로 구동되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 제2특징에 따르면, 상기 실린더는 외측 원통부와, 상기 외측 원통부의 양측면에 결합되는 제1 및 제2 환형판과, 각각 상기 제1 및 제2 환형판의 내주부에 외주면이 결합된 제3 및 제4 환형판과 제3 및 제4 환형판으로부터 서로 내측방향으로 연장된 제1 및 제2 내측 원통부를 갖는 제1 및 제2 피스톤 지지체로 구성되고, 상기 제1조 피스톤은 제1피스톤 지지체에 고정되고, 상기 제2조 피스톤은 제2피스톤 지지체에 고정되어, 상기 제1 및 제2 피스톤 지지체의 상대적인 반대방향 구동에 따라 상기 제1조 피스톤과 제2조 피스톤이 반대방향으로 구동되는 것을 특징으로 한다.

상기 다수의 피스톤은 2n(여기서 n은 2 이상의 양의 정수)개로 이루어지며, 이 경우 상기 피스톤 운동에 따른 힘의 합력은 제로가 되는 구조를 이룬다.

또한 본 발명의 피스톤 시스템은 축을 중심으로 대칭 구조를 이루고 있어 진동과 소음 발생이 최소화 시킬 수 있는 구조를 갖는다.

한편 상기 제1 및 제2조 피스톤을 서로 반대방향으로 동일한 속도로 상기 실린더 내의 일정한 원호를 왕복운동시키기 위한 제1 및 제2 구동수단을 더 포함하며, 이 경우 상기 피스톤 시스템은 유압펌프, 공압펌프, 진공펌프 중 어느 하나를 형성하게 된다.

상기 제1 및 제2 구동수단은 회전동력 발생수단과, 상기 회전동력에 따라 회전되는 제1크랭크 구동기어와, 상기 제1크랭크 구동기어와 기어 결합되어 회전되는 제2크랭크 구동기어와, 각각 제1 및 제2 크랭크 구동기어의 회전에 따라 각조의 피스톤이 실린더 내의 일정한 원호를 따라 왕복운동시키기 위한 제1 및 제2 크랭크 장치로 구성되는 것이 바람직하다.

다른 한편으로 본 발명에서는 상기 다수의 피스톤의 왕복운동에 따라 형성되는 다수의 챔버에 각각 설치되어, 상기 다수의 피스톤이 상사점 또는 하사점에 도달할때 마다 상기 흡입밸브를 통하여 각 챔버로 흡입된 연료와 공기의 혼합기를 점화시키기 위한 다수의 점화수단과, 다수의 챔버에서 순차적으로 혼합기의 흡입행정, 혼합기의 압축행정, 혼합기의 점화에 따른 연소가스의 팽창행정 및 연소가스의 배기행정이 이루어지도록 상기 다수의 흡입밸브, 배기밸브 및 점화수단을 제어하기 위한 제어수단과, 상기 연소가스의 팽창행정에 따라 서로 반대방향으로 동일한 속도로 상기 실린더 내의 일정한 원호를 왕복운동하는 제1 및 제2 피스톤에 각각 접속되어 상기 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 제1 및 제2 크랭크수단과, 상기 제1 및 제2 크랭크수단의 반대방향 회전력을 통합하여 하나의 회전동력을 발생하기 위한 제1 및 제2 크랭크 기어를 더 포함하는 경우, 상기 피스톤 시스템은 내연기관을 형성하여, 상기 제1 또는 제2 크랭크 기어의 회전축으로부터 회전동력을 얻을 수 있다.

상기 다수의 흡기밸브 및 배기밸브는 실린더의 외주면과 좌우 측면 중 어느 하나에 설치될 수 있다. 또한 상기 다수의 피스톤과 실린더의 내부공간은 사각형, 타원형, 원형 중 어느 하나의 형상을 갖는다.

한편 본 발명의 피스톤 시스템을 이용한 내연기관은 내부에 공간부를 형성하며 환형상을 이루는 실린더와, 상기 실린더 내부의 동일 원주상에 서로 교대로 배치된 제1 및 제2조 피스톤으로 구성되고, 각조는 서로 반대방향으로 동일한 속도로 일정한 원호를 왕복운동하는 다수의 피스톤과, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 외부로부터 내부로 유입되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 흡입밸브와, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 내부로부터 외부로 배출되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 배기밸브와, 상기 다수의 피스톤의 왕복운동에 따라 형성되는 다수의 챔버에 각각 설치되어, 상기 다수의 피스톤이 상사점 또는 하사점에 도달할때 마다 상기 흡입 밸브를 통하여 각 챔버로 흡입된 연료와 공기의 혼합기를 점화시키기 위한 다수의 점화수단과, 다수의 챔버에서 순차적으로 혼합기의 흡입행정, 혼합기의 압축행정, 혼합기의 점화에 따른 연소가스의 팽창행정 및 연소가스의 배기행정이 이루어지도록 상기 다수의 흡입밸브, 배기밸브 및 점화수단을 제어하기 위한 제어수단과, 상기 연소가스의 팽창행정에 따라 서로 반대방향으로 동일한 속도로 상기 실린더 내의 일정한 원호를 왕복운동하는 제1 및 제2 피스톤에 각각 접속되어 상기 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 제1 및 제2 크랭크수단과, 상기 제1 및 제2 크랭크수단의 반대방향 회전력을 통합하여 하나의 회전동력을 발생하기 위한 제1 및 제2 크랭크 기어로 구성되며, 상기 제1 또는 제2 크랭크 기어의 회전축으로부터 회전동력을 얻을 수 있다.

상기한 바와같이 본 발명의 피스톤 시스템에서는 원통형 내주부에 적어도 2쌍의 피스톤이 동일 원주상에 교대로 배치되어 인접하는 피스톤 간에 서로 반대 방향의 동일한 속도로 회전 및 역회전하며 이들의 합력이 제로가 되는 구조에 의해 피스톤 운동에 따른 진동이 서로 상쇄되어 진동과 소음 및 이로 인한 편마모를 줄여 기계의 수명을 연장할 수 있고, 소형화, 경량화 및 고성능화를 실현할 수 있다.

또한 이러한 피스톤 시스템에서 인접 피스톤과 실린더 내부의 밀폐된 공간안에 발생하는 유체의 양 또는 압력의 차이를 이용하면 저진동, 저소음, 소형, 경량 및 고성능의 유공압 펌프, 또는 진공 펌프를 구현할 수 있고, 역으로 인접 피스톤과 실린더 내부의 밀폐된 공간에 발생한 유체의 양 또는 압력의 차이에 의하여 피스톤이 회전 또는 역회전하는 힘을 크랭크 장치 등을 통하여 일방향으로 회전하는 동력 발생장치로서 내연기관을 구현할 수 있다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 왕복 회전식 4기통 피스톤 시스템의 분해 사시도, 도2는 도1의 부분 조립 사시도, 도3A 및 3B는 도1에 도시된 제1실시예에 따른 4기통 피스톤 시스템의 실린더 조립체에 대한 축방향 단면도 및 도3A의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도, 도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 왕복 회전식 4기통 피스톤 시스템의 분해사시도, 도5A 및 도5B는 도4에 도시된 제2실시예에 따른 4기통 피스톤 시스템의 실린더 조립체에 대한 원주방향 단면도 및 도5A의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.

먼저 도1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 왕복 회전식 4기통 피스톤 시스템은 외측 원통부(3A), 외측 원통부(3A)의 양측면에 결합되는 좌/우 환형판(3C,3B)에 의해 실린더(3)가 구성된다.

실린더(3) 내부에는 각각 외측단에 상기 환형판(3C,3B)의 내경에 일치하는 외경을 갖는 환형판(2A,2B)이 중심축(X)의 원주방향으로 배치되고, 환형판(2A,2B)의 내측에는 각각 실린더(3)의 내부면을 형성하는 내측 원통부(2C,2D)가 이와 일체로 실린더 내측으로 연장 형성되며, 각각 내측 원통부(2C,2D)의 외주면에는 원주방향으로 상기한 실린더(3)의 외측 원통부(3A)에 대응한 높이와 폭을 갖는 한쌍의 피스톤(1A,1B;1C,1D)이 고정 설치된다.

이 경우 제1 및 제2피스톤(1A,1B)과 제3 및 제4피스톤(1C,1D)은 각각 축(X)을 중심으로 대칭으로 위치되고, 또한 제1 및 제2피스톤(1A,1B)과 제3 및 제4피스톤(1C,1D)은 서로 교대로 배치되게 구성된다.

따라서 제1 및 제2피스톤(1A,1B)은 제1피스톤 지지체(2)의 회전에 따라 연동하여 실린더(3)내에서 회전되고, 제3 및 제4피스톤(1C,1D) 또한 제2피스톤 지지체(20)의 회전에 따라 연동하여 회전된다.

상기 실린더(3)의 회측 원통부(3A)에는 90°간격으로 4개의 흡기밸브(4A-4D)와 배기밸브(5A-5D)가 설치되어 있고, 그 위치는 제1 내지 제4피스톤(1A-1D)이 서로 인접한 피스톤에 대하여 서로 반대방향으로 동시에 90°씩(실제로는 피스톤의 폭각만큼 적게 회전함) 회전 또는 역회전할 때 각 두개의 피스톤이 서로 만나는 부분에 배치된다.

한편 피스톤 지지체(2)의 환형판(2A)에는 피스톤(1A,1B)과 대응한 위치에 선회제한용 제1 및 제2돌기(2E,2F)가 형성되며, 피스톤(1B)과 돌기(2E)에는 연결핀(7B)이 볼트체결되고, 연결핀(7B)의 타단부는 피스톤(1A,1B)의 선회운동을 일방향 회전운동으로 변환하거나 또는 그 반대로 일방향 회전운동을 피스톤(1A,1B)의 선회운동으로 변환시키기 위해 제2크랭크 장치(8B)의 크랭크 로드(8D) 일단에 힌지결합된다.

또한 내측 원통부(2C,2D)의 내부에는 연결축(6)이 회전 가능하게 삽입되어 있고, 그의 일측단부에는 선회제한용 제3 및 제4돌기(6A,6B)가 원주방향으로 상기 제1 및 제2돌기(2E,2F)와 교대로 배치되고, 또한 그의 타측단부에는 상기 제3 및 제4돌기(6A,6B)와 동일한 원주방향으로 연장되어 상기 피스톤(1C,1D)와 대응한 위치로 돌출된 제5 및 제6돌기(6C,6D)가 형성되어 있다.

상기 피스톤(1C,1D)과 연결축(6)의 제5 및 제6돌기(6C,6D)는 각각 연결핀(7C,7D)과 볼트로 체결되어 고정되며, 상기 연결축(6)은 실제로는 단일체로 이루어진 것이나 설명의 편의상 2개로 분리되어 양측에 절반씩 각각 도시되었다.

한편 상기 제3돌기(6A)는 연결핀(7A)이 볼트체결되고, 연결핀(7A)의 타단부는 연결핀(7B)과 동일하게 피스톤(1C,1D)의 선회운동을 일방향 회전운동으로 변환하거나 또는 그 반대로 일방향 회전운동을 피스톤(1C,1D)의 선회운동으로 변환시키기 위해 제1크랭크 장치(8A)의 크랭크 로드(8C) 일단에 힌지결합된다.

이 경우 제1크랭크 장치(8A)가 반시계 방향으로 회전하면 연결핀(7A), 제3돌기(6A), 연결축(6), 제6돌기(6D) 또한 반시계 방향으로 회전하게 되어 피스톤 지지체(20)와 피스톤(1C,1D)도 반시계 방향으로 회전한다.

한편 제1 및 제2크랭크 장치(8A,8B)에는 각각 제1 및 제2크랭크 제어(9A,9B)가 축결합되어 있으며, 제1 및 제2크랭크 기어(9A,9B)는 서로 동일한 직경을 갖고 기어가 맞물려 있어 제1크랭크 기어(9A)가 반시계 방향으로 회전하면, 제2크랭크 기어(9B)는 이와 반대로 시계방향으로 회전하게 된다.

따라서 제1크랭크 기어(9A)가 반시계 방향으로 회전하면, 상기한 바와같이 피스톤(1C,1D)은 반시계 방향으로 회전하게 되고, 제2크랭크 기어(9B)는 이와 반대로 시계방향으로 회전하게 되고 따라서 피스톤(1A,1B)도 시계방향으로 회전하게 된다. 즉, 피스톤(1A,1B)은 피스톤(1C,1D)와 항상 서로 반대방향으로 회전하거나 역회전하게 된다.

상기한 제1실시예의 구조는 후에 상세하게 설명되는 바와같이 모터 등에 의한 회전력이 제1크랭크 기어(9A)에 인가되고, 흡입밸브(4A-4D)와 압축탱크가 연결된 배기밸브(5A-5D)를 적절하게 콘트롤 하는 경우 바로 공압펌프를 이루게 된다.

이 경우 피스톤 지지체(2,20) 사이의 경계면, 피스톤 지지체(2)와 우측 환형판(3A) 사이의 경계면, 피스톤 지지체(20)와 좌측 환형판(3C) 사이의 경계면은 기밀을 유지할 수 있도록 정밀 가공되는 것이 요구된다. 그 결과 4각관 형태의 실린더(3)내에 선회 가능하게 배치된 피스톤(1A-1D)은 실린더 공간을 밀폐된 4개의 챔버(CH1-CH4)로 분할하게 된다.

또한 실제로는 다수의 베어링을 사용하여 각 부품 사이의 마찰을 줄이고 회전을 원활하게 하는 것이 바람직하나, 설명의 편의상 도면에는 이를 생략하였다.

한편, 도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 왕복 회전식 4기통 피스톤 시스템의 분해 사시도를 나타낸 것으로, 제2실시예가 제1실시예와 다른 점은 피스톤(1A-1D)의 지지와 이를 구동시키는 구조에 차이가 있다.

즉, 제1 및 제2피스톤(1A,1B)은 제1 및 제2 피스톤 지지체(2, 20)의 서로 대향한 내측 요홈(11A, 11B:12A, 12B)에 삽입되어 고정되고, 제3 및 제4피스톤(1C, 1D)은 내측 원통부를 이루는 연결축(6)의 외주면에 직접 결합된다.

또한 제1 크랭크 장치(8A)는 크랭크 로드(8C)와 연결핀(7A)을 통하여 연결축(6)의 일측에 돌출된 제3돌기(6A)에 연결되고, 제2크랭크 장치(8B)는 크랭크 로드(8D)와 연결핀(7B)을 통하여 제1피스톤 지지체(2)의 일측에 돌출된 제1돌기(2E)에 연결된다.

기타 나머지 실린더(3), 또는 크랭크 기어(9A,9B)의 구조는 제1실시예와 동일하게 형성된다.

상기한 제2실시예에 따른 왕복 회전식 4기통 피스톤 시스템은 구조적인 면에서 제1실시예 보다 간단하게 이루어지나, 이에 대한 피스톤 작동원리는 제1 및 제2피스톤 지지체(2,20)가 서로 동일방향으로 선회한다는 점을 제외하고 제1실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

제2실시예의 특징은 양방향으로 회전하는 회전체의 회전중심을 한점에 위치시킬 수 있으므로 밸런스를 위한 별도의 카운터 웨이트가 필요 없어 전체 중량을 줄일 수 있다는 점이다.

이하에 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 4기통 피스톤 시스템의 작용을 이하에 도6을 참고하여 상세하게 설명한다.

도6A는 본 발명에 따른 4기통 피스톤 시스템의 단계별 크랭크 작동 상태도, 도6B는 본 발명이 공압펌프 등에 적용된 경우의 단계별 작동 상태도, 도6C는 본 발명이 내연기관에 적용된 경우의 단계별 작동 상태도이다.

먼저 도6A와 도6B를 참고하여 본 발명이 공압펌프에 적용된 예를 설명한다.

1단계는 피스톤(1A-1D)이 회전을 일단 멈추고 좌우로 방향을 바꾸는 단계로서 챔버(CH1,CH3)는 내부용적이 최소이고 챔버(CH2,CH4)는 내부용적이 최대로서 내부공기의 흐름도 멈추어 방향을 바꾸는 단계이다. 이 경우 모는 챔버(CH1-CH4)의 흡입밸브(4A-4D)와 배기밸브(5A-5D)는 모두 클로즈 상태에 있고, 크랭크 로드(8C,8D)는 상사점에 위치에 있다.

1단계에 이어서 2단계에서는 외부로부터 크랭크 기어(9A 또는 9B)에 반시계 또는 시계방향의 회전력을 가하는 경우 피스톤(1A,1B)은 시계방향으로, 피스톤(1C,1D)은 반시계방향으로 회전중에 있으므로 챔버(CH2,CH4)의 용적은 줄어들어 내부공기는 배기밸브(5B,5D)를 통하여 밖으로 빠져 나가게 되고, 챔버(CH1,CH3)의 용적은 늘어나서 외부공기가 흡입밸브(4A,4C)를 통하여 내부로 유입하게 된다.

3단계는 크랭크 기어(9A,9B)의 회전에 따라 크랭크 로드(8C,8D)가 하사점에 도달한 경우이며, 피스톤(1A-1D)의 회전을 멈추고 좌우로 회전방향을 바꾸는 단계이다. 이 경우 1단계와 반대로 챔버(CH1,CH3)는 내부용적이 최대이고 챔버(CH2,CH4)는 내부용적이 최소로서 내부공기의 흐름도 멈추어 방향을 바꾸는 단계이다. 이 경우 모든 챔버(CH1-CH4)의 흡입밸브(4A-4D)와 배기밸브(5A-5D)는 모두 클로즈 상태에 있다.

4단계는 상기 2단계와 반대로 피스톤(1A,1B)은 반시계방향으로, 피스톤(1C,1D)은 시계방향으로 회전중에 있으므로 챔버(CH1,CH3)의 용적은 줄어들어 내부 공기는 배기밸브(5A,5C)를 통하여 밖으로 빠져 나가게 되고, 챔버(CH2,CH4)의 용적은 늘어나서 외부공기가 흡입밸브(4B,4D)를 통하여 내부로 유입하게 된다.

5단계는 크랭크 장치가 1회전을 완료한 후 다시 1단계로 돌아온 상태를 보여 준다.

상기한 제1피스톤(1A)의 운동궤적을 살펴보면 제3사분면의 일정한 원호상을 왕복운동하고 있고, 제2피스톤(1B)은 제1사분면에, 제3피스톤(1C)은 제4사분면에, 제4피스톤(1D)은 제2사분면에 있는 같은 길이의 일정한 원호상을 왕복운동하고 있다.

이하에 도6A와 도6C를 참고하여 본 발명이 내연기관에 적용된 예를 설명한다.

이 경우에는 각 챔버(CH1-CH4)마다 연료와 공기의 혼합기를 점화시켜 주기 위한 제1 내지 제4 점화 플러그를 배치하는 것이 요구된다.

먼저 1단계에서는 제3챔버(CH3)에서 제3점화 플러그에 의해 혼합기가 점화되어 폭발행정시에 발생된 가스 압력에 의해 피스톤(1A,1C)이 양측으로 밀리면서 제3챔버(CH3)의 가스는 팽창하게 되고, 제1챔버(CH1)는 그 결과 용적이 늘어나게 되어 흡입밸브(4A)를 통하여 흡기 다기관으로부터 혼합기를 받아들이는 흡입행정을 시작하게 된다. 또한 이와 반대로 제2 및 제4챔버(CH2,CH4)는 용적이 줄어들기 시작하여, 제2챔버(CH2)는 연소가스를 배기밸브(5B)를 통하여 예를들어 배기 다기관으로 배출하는 배기행정, 제4챔버(CH4)는 흡입된 혼합기의 압축행정을 시작하게 된다.

2단계에서는 계속하여 제3챔버(CH3)의 가스가 팽창되며 제1챔버(CH1)는 흡입, 제2챔버(CH2)는 배기, 제4챔버(CH4)는 압축행정이 계속된다.

3단계에서는 압축이 완료된 제4챔버(CH4)에서 혼합기의 점화에 따른 폭발이 발생하면, 상기한 1단계에서와 같이 가스압력에 의해 피스톤(1B,1C)이 양측으로 밀리면서, 제1챔버(CH1)에서는 압축, 제2챔버(CH2)에서는 흡입, 제3챔버(CH3)에서는 배기행정이 각각 시작된다.

4단계에서는 제4챔버(CH4)의 가스압력으로 제1챔버(CH1)에서 압축, 제2챔버(CH2)에서 흡입, 제3챔버(CH3)에서 배기행정이 계속되는 상태를 나타낸다.

5단계에서는 제1챔버(CH1)에서 폭발이 발생하여 상기와 같이 제2챔버(CH2)에서 압축, 제3챔버(CH3)에서 흡입, 제4챔버(CH4)에서 배기행정이 각각 시작되는 상태를 나타낸다.

상기한 바와같이 도6C에 도시된 실시예는 4기통 4행정을 갖는 내연기관을 구성하게 된다.

즉, 상기 4기통 4행정에 따른 크랭크 운동을 도6C의 2단계를 예를들어 설명하며, 도1에서 혼합기의 폭발에 따라 가스압력에 의해 제1 및 제3피스톤(1A,1C)이 좌우로 밀려나게 되며, 이 경우 펌프의 작동과 반대로 제1 및 제3돌기(2E,6A)가 각각 시계방향 및 반시계방향으로 회전하게 되어, 그 결과 연결핀(7B,7A)을 통하여 제2 및 제1 크랭크 로드(8D,8C)에 시계방향 및 반시계방향의 회전력이 인가된다. 따라서 제1 및 제2 크랭크장치에 연결된 제1 및 제2크랭크 기어(9A, 9B)는 각각 반시계방향 및 시계방향의 회전을 하게 되므로, 제1 또는 제2 크랭크 기어(9A, 또는 9B)의 회전축으로부터 회전동력을 얻을 수 있게 된다.

이 경우 제1 및 제2크랭크 장치(8A,8B)를 구성하는 부품들의 배치가 대칭으로 이루어져 있고 이들의 동작은 서로 반대방향으로 이루어지므로, 이들의 움직임으로 인한 진동은 서로 상쇄되어 기계적인 진동은 최소로 된다.

한편, 상기한 제1 및 제2 실시예에서는 실린더 내부와 피스톤의 단면 형상이 사각형을 이루는 것을 예시하였으나, 반듯이 이에 한정되는 것은 아니고, 원형 또는 다른 다각형을 이루는 것도 물론 가능하다.

또한 상기 실시예에서는 외측 원통부(3A)에 90°간격으로 4개의 흡기밸브(4A-4D)와 배기밸브(5A-5D)가 설치되어 있는 것을 예시하였으나, 좌우 환형판(3C,3B)에 설치하는 것으로 설계변경하는 것도 가능하다.

상기한 바와같이 본 발명에서는 동일 원주상에 다수의 피스톤을 배치하여 인접한 피스톤 간에는 서로 반대방향의 동일한 속도를 유지하게 하여 구조적인 강성만으로 극복되던 기계요소의 변형요인을 근본적으로 제거하고, 크랭크 장치 및 기타 부품 등을 가능한한 대칭으로 배치하여 부품의 운동에 따른 힘 또는 반력을 서로 상쇄시키도록 함으로써 피스톤 작동체 사이에는 피스톤의 움직임에 따른 힘의 합력이 제로가 되는 구조를 갖게 되어 진동과 소음을 줄일 수 있게 되었다.

또한 본 발명 구조는 실린더, 피스톤 지지체, 피스톤 등의 주요 부품들이 동일축 주위를 서로 지지하며 회전하게 함으로써 부품간의 간격의 이완을 방지하여 편마모를 줄이고 결과적으로 기계수명을 연장시킬 수 있게 구성하였다. 더욱이 횡방향으로 길게 배치하던 종래의 다기통 피스톤 장치에 비하여 본 발명의 피스톤 시스템은 훨씬 작은 외형을 가지면서도 부품의 강성을 줄일 수 있게 되어 전체적으로 경량화를 가능하게 한다.

도4의 제2실시예에 따라 본 발명의 피스톤 시스템을 제작하는 경우 직경 22㎝, 폭 7㎝의 원통체로서 1,500cc의 배기량을 갖는 본체를 형성할 수 있게 된다. 따라서 이는 종래의 공압펌프 또는 내연기관의 실린더 블록과 비교할 때 그 크기와 배기량에 있어서 현저한 차이를 나타낸다.

상기한 실시예는 피스톤 시스템을 위주로 하여 공압펌프와 내연기관에 적용된 예를 설명하였으나, 본 발명의 기본 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형이 다양하게 이루어질 수 있다. 예를들어, 공압펌프의 구조는 유압펌프에 그대로 적용이 가능하며, 진공펌프의 경우에는 공압펌프와 반대로 흡기밸브에 진공처리 하고자 하는 부분을 연통 연결하면 진공펌프로서 작용을 하게 된다.

더욱이 상기한 실시예는 4기통 피스톤 시스템을 도시하였으나, 전체적으로 4이상의 짝수개, 즉 2n개(여기서 n은 2이상의 양의 정수)를 이루는 피스톤으로 예를 들어 6개, 8개, 10개, …등으로 배기량 또는 처리용량에 따라 채택하여 6기통, 8기통, 10기통 피스톤 시스템을 구성하는 것도 쉽게 이루어질 수 있다. 즉, 예를들어 6개 피스톤을 갖는 경우 3개의 피스톤씩 한조를 이루어 인접한 피스톤간에 서로 반대방향으로 운동하도록 크랭크 장치와 결합시키면 간단하게 변형될 수 있다.

한편 상기한 실시예에서는 짝수개의 피스톤을 반씩 2개조로 나누어 2개의 크랭크 장치로 이들을 서로 반대방향으로 구동하는 예를 도시하였으나, 2개조의 피스톤을 서로 반대방향으로 구동할 수 있는 크랭크 시스템이라면 어떤 구조라도 가능하다.

더욱이 상기한 예에서는 단일의 피스톤 시스템을 예시하였으나, 상기 피스톤 시스템을 병렬로 배치함에 의해 처리용량을 배가시키는 것도 물론 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

내부에 환형상의 공간부를 이루는 실린더와, 상기 실린더 내부의 동일 원주상에 서로 교대로 배치된 제1 및 제2조 피스톤으로 구성되고, 각조는 서로 반대방향으로 동일한 속도로 일정한 원호를 왕복운동하는 다수의 피스톤과, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점이 실린더 부분마다 배치되어 외부로부터 내부로 유입되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 흡입밸브와, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 내부로부터 외부로 배출되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 배기밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항에 있어서, 상기 실린더는 외측 원통부와, 상기 외측 원통부의 양측면에 결합되는 제1 및 제2 환형판과, 각각 상기 제1 및 제2 환형판의 내주부에 외주면이 결합된 제3 및 제4 환형판과, 상기 제3 및 제4 환형판의 내주면에 회전 가능하게 결합된 내측 원통부로 구성되고, 상기 제1조의 피스톤은 상기 제3 및 제4 환형판에 결합되며, 나머지 제2조의 피스톤은 상기 실린더의 내측 원통부의 외주면에 결합되어, 상기 제3 및 제4 환형판과 내측 원통부의 상대적인 반대방향 구동에 따라 상기 제1조 피스톤과 제2조 피스톤이 반대방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항에 있어서, 상기 실린더는 외측 원통부와, 상기 외측 원통부의 양측면에 결합되는 제1 및 제2 환형판과, 각각 상기 제1 및 제2 환형판의 내주부에 외주면이 결합된 제3 및 제4 환형판과 상기 제3 및 제4 환형판으로부터 서로 내측방향으로 연장된 제1 및 제2 내측 원통부를 갖는 제1 및 제2 피스톤 지지체로 구성되고, 상기 제1조 피스톤은 제1피스톤 지지체에 고정되고, 상기 제2조 피스톤은 제2피스톤 지지체에 고정되어, 상기 제1 및 제2 피스톤 지지체의 상대적인 반대방향 구동에 따라 상기 제1조 피스톤과 제2조 피스톤이 반대방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다수의 피스톤은 2n(여기서 n은 2 이상의 양의 정수)개인 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항에 있어서, 상기 피스톤 운동에 따른 힘의 합력은 제로인 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항에 있어서, 상기 피스톤 시스템은 축을 중심으로 대칭 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다수의 피스톤과 실린더의 내부공간은 사각형, 타원형, 원형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항 내지 7항중 어느 한항에 있어서, 상기 제1 및 제2조 피스톤을 서로 반대방향으로 동일한 속도로 상기 실린더 내의 일정한 원호를 왕복운동시키기 위한 제1 및 제2 구동수단을 더 포함하며, 상기 피스톤 시스템은 유압펌프, 공압펌프, 진공펌프 중 어느 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항 내지 7항중 어느 한항에 있어서, 상기 다수의 피스톤의 왕복운동에 따라 형성되는 다수의 챔버에 각각 설치되어, 상기 다수의 피스톤이 상사점 또는 하사점에 도달할때 마다 상기 흡입밸브를 통하여 각 챔버로 흡입된 연료와 공기의 혼합기를 점화시키기 위한 다수의 점화수단과, 다수의 챔버에서 순차적으로 혼합기의 흡입행정, 혼합기의 압축행정, 혼합기의 점화에 따른 연소가스의 팽창행정 및 연소가스의 배기행정이 이루어지도록 상기 다수의 흡입밸브, 배기밸브 및 점화수단을 제어하기 위한 제어수단과, 상기 연소가스의 팽창행정에 따라 서로 반대방향으로 동일한 속도로 상기 실린더 내의 일정한 원호를 왕복운동하는 제1 및 제2 피스톤에 각각 접속되어 상기 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 제1 및 제2 크랭크수단과, 상기 제1 및 제2 크랭크수단의 반대방향 회전력을 통합하여 하나의 회전동력을 발생하기 위한 제1 및 제2 크랭크 기어를 더 포함하며, 상기 피스톤 시스템은 내연기관을 형성하여, 상기 제1 또는 제2 크랭크 기어의 회전축으로부터 회전동력을 얻는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구동수단은 회전동력 발생수단과, 상기 회전동력에 따라 회전되는 제1크랭크 구동기어와, 상기 제1크랭크 구동기어와 기어 결합되어 회전되는 제2크랭크 구동기어와, 각각 제1 및 제2 크랭크 구동기어의 회전에 따라 각조의 피스톤이 실린더 내의 일정한 원호를 따라 왕복운동시키기 위한 제1 및 제2 크랭크 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
제1항 내지 7항중 어느 한항에 있어서, 상기 다수의 흡기밸브 및 배기밸브는 실린더의 외주면과 좌우 측면중 어느 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 피스톤 시스템.
내부에 공간부를 형성하며 환형상을 이루는 실린더와, 상기 실린더 내부의 동일 원주상에 서로 교대로 배치된 제1 및 제2조 피스톤으로 구성되고, 각조는 서로 반대방향으로 동일한 속도로 일정한 원호를 왕복운동하는 다수의 피스톤과, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 외부로부터 내부로 유입되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 흡입밸브와, 상기 인접한 2 피스톤이 상호 만나는 지점의 실린더 부분마다 배치되어 내부로부터 외부로 배출되는 유체의 흐름을 조절하기 위한 다수의 배기밸브와, 상기 다수의 피스톤의 왕복운동에 따라 형성되는 다수의 챔버에 각각 설치되어, 상기 다수의 피스톤이 상사점 또는 하사점에 도달할 때 마다 상기 흡입밸브를 통하여 각 챔버로 흡입된 연료와 공기의 혼합기를 점화시키기 위한 다수의 점화수단과, 다수의 챔버에서 순차적으로 혼합기의 흡입행정, 혼합기의 압축행정, 혼합기의 점화에 따른 연소가스의 팽창행정 및 연소가스의 배기행정이 이루어지도록 상기 다수의 흡입밸브, 배기밸브 및 점화수단을 제어하기 위한 제어수단과, 상기 연소가스의 팽창행정에 따라 서로 반대방향으로 동일한 속도로 상기 실린더 내의 일정한 원호를 왕복운동하는 제1 및 제2 피스톤에 각각 접속되어 상기 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 제1 및 제2 크랭크 수단과, 상기 제1 및 제2 크랭크수단의 반대방향 회전력을 통합하여 하나의 회전동력을 발생하기 위한 제1 및 제2 크랭크 기어로 구성되며, 상기 제1 또는 제2 크랭크 기어의 회전축으로부터 회전동력을 얻는 것을 특징으로 하는 왕복 회전식 내연기관.