KR20020028213A - 회전식 피스톤 엔진 - Google Patents

Abstract

스태터의 실린더 스태터 동공에 위치한 중공 실린더 샤프트 구동자(13)을 포함하는 비왕복운동성 엔진. 다수의 확장 챔버(43)는 샤프트 구동자의 외부 벽면 상이에 형성되고, 스태터 벽면 및 가동성 디바이더(25)는 상기 샤프트 구동자를 지지하기 위해 스태터로부터 연장된다. 확장 챔버는 엔진 동작 중 연장 및 수축한다. 출력 샤프트는 스태터 동공 및 샤프트 구동자를 중심으로 통과하고 샤프트 구동자의 내부면을 지지하는 오프셋 베어링(34)을 갖는다. 스태터의 제거성 내부 말단 츨레이트 상의 내부 포트들은 공기 또는 공기/연료 혼합물을 가압하고, 예를 들어 확장 챔버 내로 이를 유도한다. 샤프트 구동자의 외주면으로 연속적인 챔버의 확장 및 수축은 샤프트 구동자의 궤도 및 회전 운동의 조합을 야기하고 결국 출력 샤프트를 회전토록 한다. 상기 샤프트 구동자는 출력 샤프트의 회전 속도의 일부로서 회전한다(출력 샤프트의 회전 속도의 1/10 -1/20 정도). 샤프트 구동자의 1궤도는 출력 샤프트의 1회전과 동일하다.

Description

회전식 피스톤 엔진{ROTARY PISTON ENGINE}

"크랭크가 없는"의 의미는 상기 모터가 종래의 크랭크 샤프트를 가지지 않고 왕복 운동을 하지 않음을 의미한다. 비록 엄격한 의미에서 소위 샤프트 구동자의 운동은 출력 샤프트의 회전 속도에 비해 저속 회전의 궤도 운동이지만 상기 엔진의 외부 샤프트는 사실상 샤프트 구동자로 명명될 수 있는 구동 부재내에 위치한 오프셋 베어링에 의해 회전하는 직렬 샤프트이다.

다른 많은 형태의 회전식과 궤도식 엔진 및 기타 다른 형태의 엔진이 제안되어 왔으나 적어도 자동차에 관한 한 왕복 운동의 내연 엔진에 관해서는 심각하게 개선되지는 않았다. 이러한 사실은 우선 회전식 엔진의 높은 마모율에 기인하고 왕복 운동 엔진 이상으로 회전식 엔진이 엔진 제조에 있어서 변화를 할 많큼 효율성이 크게 향상되는 것도 아니다.

본 발명은 모터 또는 엔진에 관한 것으로서 특히 내연 엔진, 에어 모터와 같은 유체 종동 모터 또는 스팀 종동 모터의 형태로 될 수 있는 크랭크가 없는 엔진에 관한 것이다.

도 1은 엔진의 내부 말단 플래이트의 내측 및 내부 다기관의 사시도.

도 2는 엔진의 스태터의 외부 사시도 및 엔진의 샤프트 구동자와 운동성 디바이더의 분해 조립도.

도 3은 엔진의 출력 샤프트 결합의 사시도.

도 4는 내부 다기관 말단부에서 본 엔진의 표면도.

도 5는 내부 말단 플레이트 및 출력 샤프트가 제거된 도 4의 유사도.

도 6은 출력 샤프트 결합의 표면도.

도 7은 내부 말단 플레이트 및 내부 다기관의 외측면에서 본 사시도(부분 분해 조립도).

도 8은 스태터, 샤프트 구동자 및 운동성 디바이더의 내측에서 본 분해 조립도의 사시도.

도 9는 출력 샤프트 결합의 추가적인 사시도(도 3에 반대측면)

도 10은 말단 캡이 제거된 도 4의 유사도.

도 11은 출력 샤프트가 제거된 출력 말단부에서 본 엔진의 표면도.

도 12는 내부 다기관 및 말단캡이 제거된 엔진 말단 플레이트의 표면도.

도 13은 출력 샤프트의 내부 말단부에 위치한 타이밍 부재의 확대 사시도.

도 14(i)-(iv)는 출력 샤프트의 일순환을 생성하는 스태터 동공 내의 샤프트 구동자의 사이클을 나타내는 도면.

본 발명의 목적은 종래 엔진의 하나 또는 그 이상의 단점을 극복한 비왕복식 모터 또는 엔진의 선택적 모형을 제공하는데 있다.

따라서, 본 발명은 확장 챔버가 상기 샤프트 구동자 상의 스태터 및 베어링 위에 설치된 가동성 디바이더에 의해 분리되고, 출력 샤프트는 스태터에 회전할 수 있도록 지지되며 스태터 동공 및 샤프트 구동자를 중심으로 통과하고, 상기 샤프트는 상기 샤프트의 일 측면에 상기 샤프트 구동자의 내부면을 지지하는 베어링 수단을 가지며, 상기 샤프트 구동자의 궤도 및 회전 운동의 조합은 상기 샤프트 구동자의 회전 속도보다 고속의 회전 속도로 상기 샤프트를 회전토록 하는 엔진의 스태터 동공에 위치하며 샤프트 구동자의 벽면과 스태터 동공의 벽면 사이로 정의되는 확장 챔버에 의해 둘러싸인 샤프트 구동자를 포함하는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 이하 첨부된 도면을 참고하여 일 실시예가 설명된다.

상기 도면에 있어서, 상기 엔진은 스태터 10, 내부 말단 플레이트 11 및 출력 샤프트 12를 필수적으로 포함하는 것으로 도시되어 있다. 샤프트 구동자 13은, 상기 엔진이 결합될 때, 스태터 10의 실린더 스태터 공동 14에 위치하는 중공 실린더 링이다.

내부 말단 플레이트 11은 이의 외부 말단부 상의 중심에 적층된 내부 다기관15를 가지며, 제거성 말단캡 16은 내부 다기관에 공기 흡입구 17을 제공한다. 내부 다기관 15(도 7 참조)는 말단 플레이트 11의 실린더 보스 45 위에 고정되고 그러브 나사(도시되지 않은)에 의해 보스 45에 고정된다. 보스 45에 관련된 다기관 15의 회전 위치는 엔진의 타이밍을 변화토록 조절될 수 있다. 유연성 압력 호스 18은 내부 다기관에서 말단 플레이트 11 상의 내부 포트 19에 확실히 연장된다. 말단캡 16의 내부는 포트 20과 연결되어(도 7참조), 이들 각각은 공기 흡입구 17에서 내부 공기를 압력 호스 18을 통하여 각각의 내부 포트 19에 분배토록 압력 호스 18 중 하나와 연결된다. 포트 20은 출력 샤프트 12의 내부 말단부에 고정된 타이밍 부재 36에 의해 열리거나 닫히며, 이하 설명된다. 말단 캡 16은 수직으로 연장되고 밀폐된 구조에서 말단부 캡 16이 내부 다기관 15에 확실히 고정될 수 있도록 볼트 21에 의해 내부 다기관 15에 고정된다. 롤러 베어링 22는 출력 샤프트 12를 지지하기 위하여 말단 플레이트 11에 위치한다.

도 5 및 8에서 보다 자세하게, 스태터 10은 샤프트 구동자 13의 직경 보다 큰 직경을 갖는 실린더 동공 14를 갖는다. 스태터 10의 벽 23은 벽 23을 통해 스태터 동공내의 지점으로부터 아치형으로 연장되며 주위의 배치된 위치에서 스태터 동공의 안쪽에 있는 부분 실린더 홈 24를 갖는다. 상기 홈들 24는 상기 각 홈 24내에서 움직일 수 있는 가동성 디바이더 25 각각을 수용하며, 디바이더 25의 말단은 샤프트 구동자 13의 외부면을 지지한다. 예를 들어 도 8에서와 같이, 가동성 디바이더 25는 상기 디바이더를 회전축으로 축 샤프트 27을 지지하는 말단부 26으로 된 부분 실린더 디바이더이다. 축 27은 스태터 10 내의 공동을 통하여 연장되고 스태터의 말단부를 지나간다. 도 11에서 명확히 나타난 바와 같이, 나선 스프링 28은 각 샤프트 27의 말단부내에 슬롯(slot)으로 위치하고 각 디바이더의 회전 운동이 편심되도록 스태터 10에 고정되고, 상기 디바이더의 말단부는 샤프트 구동자 13를 지지한다. 또 다른 롤러 베어링 29는 출력 샤프트 12를 지지하기 위하여 스티터에 위치한다. 상기 도면들에서 명확히 나타난 바와 같이, 스태터 10의 공동 30과 말단 플레이트 11의 대응 공동 31은 두 부분이 볼트(미도시)에 의해 밀봉 결합으로 함께 고정된다.

도 5 및 11에 나타난 것과 같이, 스태터 10의 고정된 말단부를 통하여 스태터 동공 14에서 연장된 배기구 32는 배출 가스가 대기에 분산되도록 한다. 배출구 32에 부가하여, 제1배출 공기가 스태터 10의 반대 말단부에서 내부 다기구 15에서 분산되도록하며, 제2배출 루트가 내부 포트 19 및 내부 다기구 15를 통하여 제공된다. 제2배출 루트는 내부 다기관 15의 외부 표면 39 (도 10)과 관련된 포트 20 및 타이밍 디스크 36 (도 13)의 안쪽에 내부 공기로를 잇는다. 타이밍 디스크 36의 유격부 37은 포트 20 중의 하나가 타이밍 디스크의 구멍과 연결되도록 한다. 타이밍 디스크 36의 구멍은 출력 샤프트 12 위에 간격 이음새(공간 40을 생성)이며, 타이밍 디스크 36에 내부 다기관을 통하여 후미에 가해지는 배출 공기는 유격 포트 37내에 포획되고 공간 40에 밀려간다. 내부 다기관 상의 방사 동공 47은 공간 40에 연장되고 배출구에 본 제2배출공기를 보낸다.

출력 샤프트 12는 본질적으로 내부 말단 플레이트 11의 롤러 베어링 22 및 29에 적층되는 직렬 샤프트 및 스태터 10으로 각각 구성된다. 종동 플레이트 33은샤프트 위에 놓이고 결합 엔진 내에서 샤프트 구동자 13내에 위치한다. 종동 플레이트 33은 상기 샤프트의 양측이 매우 인접되어 있는 한 쌍의 롤러 베어링 34를 위에 둔다. 롤러 베어링 34는 샤프트 구동자 13의 내측벽을 지지하며 하기에 설명될 샤프트 구동자 13의 내부 주위를 운동한다. 종동 플레이트 33은 롤러 베어링 34와 균형적으로 회전하도록 배열된다. 샤프트 12의 내부 말단부에서, 너트 35는 샤프트 상에 타이밍 디스크 36을 보유한다. 타이밍 디스크 36은 내부 다기관 15의 외부 표면 39를 지지하는 타이밍 디스크 36의 표면 38 상에서 유격부 37을 갖는다. 도 10에 나타난 바와 같이 다기관 15는 출력 샤프트 12 상에 설치되고 공간은 이들 사이에 존재한다. 표면 39 주위로 움직이는 유격부 37는 내부 다기관 및 샤프트 사이의 공간에서 포트 20을 노출시킨다. 위에서 설명된 상기 내부 다기관 내의 방사 동공 47은 공간 40과 연결되고 하기에서 설명되는 바와 같이 엔진의 확장 챔버에서 공기의 추가작인 배출을 가능케 한다.

타이밍 부재 36의 주위의 컷아웃(cut-out)부는 내부 공기압력으로 공기흡입부 17로부터 포트 20을 개방한다. 그러므로 타이밍 부재 36은 내부 공기압력과 관련된 타이밍 기능 및 확장 챔버에서 나오는 제2배출공기를 제어한다.

도 5 및 14에서와 같이, 엔진의 확장 챔버 43은 샤프트 구동자 13의 외부 표면 및 스태터 동공의 표면 사이에서 형성되며, 디바이더 25 사이에서, 상기 챔버는 샤프트 구동자 13의 표면과 접촉한다. 이러한 확장 챔버 43은 샤프트 구동자 13 내에서 움직임에 따라 다양한 형태를 갖는다. 이러한 운동의 이해를 돕기 위해, 도 14는 출력 샤프트 1순환에 따른 엔진의 주기를 나타낸 것이다. 본 예에서, 상기 엔진은 가압된 공기에 의해 구동되므로 압력 하에서 공기는 말단 캡 16상의 공기 흡입구 17에 연결된다. 적합한 밸브(미도시)가 압축된 공기를 개방 공급하기 위하여 제공된다.

도 14에 있어서, 4개의 확장 챔버들의 동작 주기를 설명하기 용이하게 (a), (b), (c), (d)로 명명된다. 도 14(i)에서, 타이밍 부재 36이 관련 푸트 20을 가압 공기에 노출되도록 상기 내부 다기관의 말단부에 위치하기 때문에, 확장 챔버 43(a)은 가압 공기를 수용한다. 확장 챔버 43(a) 내의 압력은 샤프트 구동자 13의 측면에 대하여 힘을 발생시켜 반시계방향으로 스태터 동공 14의 측면의 접점이 움직이도록 한다. 즉, 샤프트 구동자 13이 특별히 회전하는 것이 아니라 스태터 동공 14와 구동자 사이의 접점이나 접면이 스태터 동공 14의 주위로 움직이는 형태로 운동한다. 또한 챔버 43(a)의 확장은 샤프트 구동자 13이 도 14(ii)의 위치에 있게 하고, 이 지점에서, 상기 샤프트는 롤러 베어링 34의 위치에 의해 도시된 바와 같이 90도 회전을 하고 이는 출력 샤프트 12의 축과 관련된 시작 위치에 의하여 샤프트 구동자 13 상에 내부적으로 충분한 공간을 유지토록 한다. 상기 출력 샤프트 12의 90도 회전은 타이밍 부재 36이 다음 관련 포트 20을 고압 공기에 노출되도록 하고, 그 후 확장 챔버 43(b)가 스태터 동공 14 내부의 주위로 샤프트 구동자 13을 추가적으로 미는데 기여한다.

상기 가동성 디바이더들은 편심 스프링이어서 이의 말단은 샤프트 구동자 13의 외부면과 접촉되어 있고, 또한 확장 챔버내의 압력은 상기 디바이더와 샤프트 구동자 사이에 압력이 작용하도록 하기 위해 샤프트 구동자 13과 접촉하지 않고 디바이더 25의 말단 상의 아치형 홈 24를 통해 작용한다.

도 14(iii)을 설명하면, 상기 주기는 계속되고 도 14(iii)에 나타난 위치와 같이 샤프트는 180도 회전을 한 것을 볼 수 있다. 상기 위치에서, 압축 공기는 챔버 43(a) 및 43(b)가 완전히 확장되어 있는 동안 확장 챔버 43(c)내에 수용된다. 샤프트 구동자 13은 챔버 43(a) 내의 배출구를 노출시키고, 상기 샤프트 구동자의 추가적인 운동에 의한 챔버 43(a)의 연속적인 수축은 챔버 43(a) 내의 공기의 일부가 배출구 32를 통하여 방출되도록 한다.

도 14(iv)에서 나타난 바와 같이, 샤프트 구동자 13은 새로운 위치로 이동하고, 출력축 12는 최초 위치로부터 270도 회전한다. 상기 위치에서, 도 14(iii)에서 도시된 배출구 32는 샤프트 구동자 13의 운동에 의해 폐쇄되지만 챔버 43(a)는 계속 수축한다. 챔버 43(a)의 이러한 수축은 공기가 새어 나갈 다른 수단이 없는 한 챔버 내의 공기를 압축한다. 이는 타이밍 부재 36의 유격 포트 37 내로 적절한 내부 포트 20을 통하여 공기가 되돌아오도록 할 수 있으며, 그 후 내부 다기관과 출력축 사이의 공간에서 종국적으로 배출구 또는 방사 구멍 47을 통하여 배출되도록 할 수 있다. 이는 확장 챔버 43(a)이 상기 챔버 내의 공기를 압축하거나 상기 운동을 방해하지 않으며 도 14(iii) 및 14(iv)에 도시된 바와 같이 일정 범위 내에서 계속적으로 수축할 수 있음을 의미한다. 유사한 현상이 다른 챔버들이 수축할 때 발생한다. 주기의 다음 단계는 도 14(i)에 도시된 위치에서 상기 요소들이 다시 시작한다.

상기 설명에서와 같이, 샤프트 구동자 13은 스태터 동공 14에서 움직이며,샤프트 구동자 13의 외주면 및 스태터 동공 14의 표면의 접촉은 각 확장 챔버가 압축 공기를 수용함으로서 동공 14의 주의로 이동한다. 상기 이동은 궤도 운동의 형태로 여겨지고, 샤프트 구동자 13이 출력 샤프트 12와 동일한 속도로 회전하지는 않지만 샤프트 구동자 13은 몇 번 회전을 한다. 샤프트 구동자 13의 회전 속도는 상기 샤프트 구동자 및 스태터 동공 14 사이의 외주 차에 의존한다. 일반적으로, 샤프트 구동자 13은 출력 샤프트 12의 회전 속도에 1/12 내지 1/20의 속도로 회전한다. 이는 샤프트 구동자 13과 샤프트 구동자 13의 표면이 접촉하는 가동성 디바이더 25들의 표면 사이에 최소한의 마모만이 되는 점에서 구별되는 장점이다. 이는 출력 샤프트 12와 관련하여 샤프트 구동자 13은 거의 회전하지 않기 때문이다. 또한, 출력 샤프트 12의 회전은 샤프트 구동자 13 내에서 제공되는 공간 상에서 롤러 베어링 34들의 운동 또는 유지(remain)에 의해 일어난다.

출력 샤프트 12의 회전 방향은 실린더 보스 45상의 다기관 15의 회전에 의해 역행한다. 도 14(i)에 도시된 바와 같이, 챔버 43(a) 대신에 챔버 43(b)으로 말단 캡 16의 내부와 연결시키기 위하여, 상이 다기관의 회전이 다음의 포트 20을 타이밍 부재 36의 외주부 상의 컷-아웃 부분 42에 노출시키게 된다.

상기 설명된 실시예는 압축 공기에 의해 엔진이 구동되는 것에 관한 것이고, 다른 형태의 엔진도 용이하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 각 확장 챔버에 스태터 동공 14 상의 스파크 플러그들을 제공하고 상기 엔진에 연료/공기 혼합물을 도입함으로서, 내연 엔진이 제공될 수 있다. 또한 상기 엔진은 증기 또는 다른 유체 수단에 의해서도 구동될 수 있다. 본 발명의 내연 엔진의 실시예는 자동차의 공기 압축기 뿐만 아니라 자동차를 구동할 수 있으며, 일정 시간 동안 연료 공기 혼합물이 공급되지 않고 상기 엔진은 압축기에 의해 생성된 압축 공기로 동작될 수 있다.이는 연료가 이용되지 낳는 다는 점 또는 내연 엔진의 배기로 인한 공해가 심각한 문제인 점에서 장점이 된다. 예를 들어, 미래에 일정 도시 지역에서 내연 엔진은 사용이 금지될 수 있고 상기 설명된 형태의 엔진이 상기 지역에서 그 기간동안 압축 공기로 작동될 것이다.

본 발명에 의한 엔진이 현존하는 엔진에 비해 많은 장점을 제공하는 점은 분명하다. 예를 들어 상기 엔진은 비왕복운동을 하므로 필수적인 진동이 없게 된다. 최소한의 운동 요소와 마찰은 최소한의 마모를 갖는 고효율 엔진을 산출한다. 엔진의 출력 샤프트가 수직 샤프트이므로 현 왕복운동 엔진의 고질적인 균형 및 진동을 피할 수 있다. 본 발명에 의한 상기 엔진의 출력을 증가시키기 위해서는 동일 출력 샤프트 상에 추가적인 스태터 결합체를 제공하기만 하면 된다. 상기 엔진은 현 엔진에 비해 소형 및 경량이며 이는 효율성을 증가시키게 된다.

상기 구체적인 일 실시예에 기술되었으나 본 발명의 범위와 사상을 벗어남 없이 다양한 변화가 용이하게 이루어 질 수 있음은 본 기술 분야의 당업자에게는 용이한 것이다. 추가적인 요소들이 상기 엔진의 생산형에 제공되어 추가될 수 있다. 예를 들어 상기 배기 가스를 단일 배출점으로 보내기 위해 배기구 32를 덮는 외부 다기구를 필수적으로 제공할 수 있다. 또한, 플라이휠(fly-wheel, 미도시)이엔진의 부드러운 운전을 위해 제공될 수 있다.

Claims (12)

1. 샤프트 구동자는 중공 실린더이고,

   확장 챔버는 상기 샤프트 구동자 상의 스태터 및 베어링 위에 설치된 가동성 디바이더에 의해 분리되고,

   출력 샤프트는 스태터에 회전할 수 있도록 지지되며 스태터 동공 및 샤프트 구동자를 중심으로 통과하고,

   상기 샤프트는 상기 샤프트의 일 측면에 상기 샤프트 구동자의 내부면을 지지하는 베어링 수단을 가지며,

   상기 샤프트 구동자의 궤도 및 회전 운동의 조합은 상기 샤프트 구동자의 회전 속도보다 고속의 회전 속도로 상기 샤프트를 회전토록 함을 특징으로 하는,

   엔진의 스태터 동공에 위치하며 샤프트 구동자의 벽면과 스태터 동공의 벽면 사이로 정의되는 확장 챔버에 의해 둘러싸인 스태터 구동자를 포함하는 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 샤프트 구동자는 샤프트 구동자의 실린더 벽면의 길이를 따라 연장하는 외주 지점에서 상기 스태터를 지지하며, 상기 지점은 상기 궤도 및 회전 운동을 하는 동안 상기 스태터의 벽면 주위를 따라 이동하고,

   상기 스태터 벽면 주위의 지점의 1회전은 상기 출력 샤프트의 1회전에 해당하고 상기 1회전을 하는 동안, 상기 샤프트 구동자는 자신을 축으로 하여 1회전의 일부분만을 회전함을 특징으로 하는 엔진.
3. 제2항에 있어서,

   상기 1회전의 일부분은 1회전의 약 1/10 또는 그 이하임을 특징으로 하는 엔진.
4. 제2항에 있어서,

   상기 1회전의 일부분은 1회전의 1/10 내지 1/20임을 특징으로 하는 엔진.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 가동성 디바이더는 디바이더의 중심축 샤프트로 회전하는 부분 실린더 디바이더를 포함하고, 상기 각 디바이더의 부분 실린더 벽면은 상기 스태터 상의 아치형 홈 내에 위치하고,

   디바이더의 회전 운동은 상기 실린더 벽면의 말단이 상기 샤프트 구동자를 지지토록 하여, 이로서 상기 확장 챔버의 일 말단부가 정의됨을 특징으로 하는 엔진.
6. 제5항에 있어서,

   상기 스태터 동공의 벽면은 실린더형이고, 일 말단의 상기 스태터의 말단 벽면과 다른 말단의 가동성 내부 말단 플레이트 사이에서 연장하고, 상기 아치형 홈들 및 상기 디바이더들은 상기 스태터 동공의 길이를 연장함을 특징으로 하는 엔진.
7. 제6항에 있어서,

   상기 베어링 수단은 상기 샤프트에 고정된 디스크 위의 한 쌍의 롤러 베어링을 포함함을 특징으로 하는 엔진.
8. 제7항에 있어서,

   상기 가동성 말단 플레이트는 각각의 확장 챔버들에 내부 포트를 가지며, 상기 스테터의 말단 벽면은 외부 포트 또는 배기구를 가짐을 특징으로 하는 엔진.
9. 제8항에 있어서,

   상기 가동성 디바이더는 회전축에 편심된 스프링이어서 상기 말단부가 상기샤프트 구동자와 접촉하여 유지됨을 특징으로 하는 엔진.
10. 제9항에 있어서,

    내부 공기를 상기 내부 포트로 보내기 위하여, 내부 다기관은 상기 제거성 말단 플레이트 위에 설치됨을 특징으로 하는 엔진.
11. 제10항에 있어서,

    상기 내부 다기관은 일부 배기 가스 흐름의 출구를 추가적으로 제공함을 특징으로 하는 엔진.
12. 제11항에 있어서,

    타이밍 디스크는 상기 샤프트와 회전토록 상기 출력 샤프트의 내부 말단부 위에 설치되고, 상기 타이밍 디스크는 상기 엔진에 내부 공기 흐름을 조절하기 위하여 회전하는 동안 상기 내부 포트들을 선택적으로 덮는 것을 특징으로 하는 엔진.