KR200249791Y1 - 베인 회전체를 이용한 엔진 - Google Patents

Abstract

본 고안은 베인 회전체를 이용한 엔진에 관한 것으로, 일 실시예에서는 내연기관 엔진을 형성함에 있어서 베인압축기(4)로 이루어진 압축부(1)에서 공기의 흡입과정과 압축과정을 수행한 후, 가스터빈 엔진에서 이용하고 있는 연속적인 연소를 수행하는 연소기(5)로 이루어진 연소부(2)에서 연료를 연소시켜서 여기서 발생하는 고온의 열로 압축부(1)에서 압축된 공기를 가열하여 팽창시키는 팽창과정을 수행한 후, 팽창된 고온·고압의 연소가스가 베인모터(6)로 이루어진 모터부(3)를 돌려 유용한 회전력을 발생시킴과 동시에 배기하며, 상기 사이클의 수행결과 발생된 동력의 일부로 베인압축기(1)를 구동시키는 엔진을 제공한다.

Description

베인 회전체를 이용한 엔진 {engine using vane rotor}

본 고안은 엔진에 관한 것으로, 특히 베인압축기로 이루어진 압축부에서 공기의 흡입과정과 압축과정을 수행한 후, 가스터빈 엔진에서 이용하고 있는 연속적인 연소를 수행하는 연소기로 이루어진 연소부에서 연료를 연소시켜서 여기서 발생하는 고온의 열로 압축부에서 압축된 공기를 가열하여 팽창시키는 팽창과정을 수행한 후, 팽창된 고온·고압의 연소가스가 베인모터로 이루어진 모터부를 돌려 회전력을 발생시킴과 동시에 배기하며, 동력의 일부로 베인압축기를 구동시키는 베인 회전체를 이용한 엔진에 관한 것이다.

오늘날 자동차 엔진을 포함한 왕복운동 내연기관은 생활 전반에서 없어서는 안될 중요한 문명의 이기이다. 생산되는 수량도 매우 많을 뿐만 아니라 사용되는 연료는 총 에너지 중에 많은 비율을 차지하고 있으므로 연료소비절감과 저공해 엔진으로의 기술진보를 요구하고 있다. 오토(Otto)사이클의 가솔린엔진 및 디젤 (Deisel)사이클의 디젤엔진으로 탄생된 이 왕복운동 열기관은 지금까지 개발된 엔진들 중에 가장 믿을 수 있는 엔진으로 육상의 대부분의 자동차와 기타 동력이 필요한 장치들의 엔진으로 이용되고 있다. 하지만 이들 왕복엔진의 사이클과정과 그 구성 장치들은 다음과 같은 시사점과 단점을 가지고 있다.

이들 엔진의 사이클과정은 실린더 내부의 피스톤이 왕복운동을 통하여 이루어지는데, 왕복운동은 상사점과 하사점에서 정지와 운동의 반복한다. 왕복운동은 관성의 법칙에 따르면 회전운동에 비교하여 힘의 낭비처럼 보인다. 또한, 실린더 내에서 흡입, 압축, 팽창, 배기의 과정을 모두 수행함으로써 공기의 유동과 배기가스의 유동이 간헐적으로 이루어지므로 연속적으로 이루어지는 다른 엔진의 사이클과정에 비교하여 덜 효율적인 것처럼 보인다는 시사점이 있다. 또한 이들 왕복엔진의 사이클과정은 연속적으로 연소하며 회전운동을 통해 사이클과정이 수행되는 다른 엔진에 비교하여 다음과 같은 단점이 있다.

1). 왕복운동에 따른 엔진의 진동이 발생한다.

2). 동력의 간헐적 생산과 그에 따른 원활한 운동을 위하여 부착하는 플라이휠(fly wheel)로 인한 동력의 낭비, 엔진의 감속과 제동의 어려움, 엔진 무게가 증가한다.

3). 진동과 간헐적 동력 생산으로부터 한 개의 실린더로 가능한 엔진을 여러 개의 실린더로 나누어 제작함으로써 구성 부품의 증가와 구조의 복잡화, 구성 부품들의 구동을 위한 동력의 소모와 엔진무게 증가에 따른 동력이 이중으로 소모된다.

4). 간헐적 연소로 인한 점화용 전기 생산에 동력을 계속 소모하며, 디젤엔진의 경우 압축착화가 되도록 높은 압축비를 갖는 견고한 설계와 이에 따른 엔진무게가 증가한다.

5). 한곳에서 흡입·압축·팽창·배기 과정이 이루어짐으로써 낮은 운용속도를 갖는다.

6). 뜨겁게 가열된 실린더에서 흡입된 공기를 압축하기 때문에 공기가 압축 전에 가열되어 압축일의 증가로 인해 엔진효율이 저하된다.

7). 다른 사이클과정의 엔진은 배기된 배기가스중에 남아있는 폐열을 이용하여 압축된 공기를 예열하는 재생과정을 통해 엔진의 열효율을 높일 수 있는데, 왕복엔진에서는 구조상 압축공기 예열이 불가하다.

8). 엔진의 냉각열을 엔진 출력에 사용하지 못하는 구조를 가지고 있기 때문에 낮은 효율 특성을 갖는다.

9). 많은 구성 부품수와 장치의 복잡함으로 유발되는 긴 엔진개발기간과 개발비의 증가 및. 많은 부품에 따른 긴 생산라인과 긴 생산시간이 필요하다.

위와 같은 오토(Otto), 디젤(Diesel)사이클의 왕복엔진이 갖는 단점들은 완벽한 회전운동을 통하여 사이클을 수행하는 브레이튼(Brayton)사이클의 가스터빈엔진을 채택함으로써 대부분 극복할 수 있으나, 가스터빈엔진 역시 다음과 같은 구조적 특징과 단점을 갖고 있다.

1). 엔진의 전면이 원형의 형태이기 때문에 작은 출력의 소형엔진의 경우 효율과 출력의 현저한 감소.

2). 공중에서 고속으로 비행중일 경우를 제외하고는 왕복엔진 등과 비교 할 때 엔진의 효율이 낮음.

3). 축(shaft)을 따라 선형으로 여러 구성부품이 흡입, 압축, 팽창, 배기 과정을 수행함으로써 작은 공간에 배치하기 곤란해 자동차등의 엔진으로 채택되기 어려움.

4). 흡입구의 공기정화장치부착의 어려움과, 배기 노즐에서 발생되는 소음억제를 위한 소음기의 부착은 엔진효율의 현저한 감소.

위와 같은 가스터빈엔진의 구조적 특성은 여러 가지 장애가 있는 지상에서의 운용에 한계가 있고, 특히 자동차의 엔진으로 채택되지 못하고 있으며, 항공기의 엔진과 지상의 특별한 용도에 제한적으로 이용되고 있다.

상기와 같이 왕복엔진과 가스터빈엔진이 가지고 있는 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 형태의 엔진으로 진보가 요구된다.

새로운 형태의 엔진연구는 연료의 연소효율을 향상시키려는 노력과 더불어 많은 진전을 보았지만, 이와같은 노력들은 가솔린엔진과 디젤엔진을 대체하는 수준까지 이르지 못하고 있다.

특히, 방켈(Wankle)로타리 엔진의 구조와 사이클은 매우 창의적인 기술로 가솔린엔진의 오토(Otto)사이클엔진의 변형을 통하여 왕복운동이 아닌 회전운동을 하는 내연기관을 구성하여 위와 같은 엔진들의 문제점을 많은 부분 해결하여 현재 일부 자동차의 엔진으로 쓰이고 있다.

하지만, 방켈(Wankle)엔진 역시 다음의 단점이 있다.

1). 로터(rotor)와 케이싱(casing)의 직접적인 마찰로 인한 마모로 기밀유지가 어렵고, 로터부품의 제작이 어렵다.

2). 기관 각부의 열변형 대책의 어려움과 윤활의 어려움이 있다.

3). 정비의 어려움이 있다.

4). 완전한 회전이 아닌 편심 회전운동이다.

상기 방켈엔진의 문제점과 미해결 과제로 말미암아 왕복엔진을 완전히 대체하지 못하고 있다.

본 고안은 현재 실제로 이용되는 왕복엔진들의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 완전한 회전운동과 연속적인 연소과정을 수행하는 브레이튼 (Brayton)사이클 기관인 가스터빈엔진의 변형을 통해 연속적인 연소과정과 이에 따른 연속적인 동력발생, 완전한 회전운동, 구성부품들의 임의적인 배치가 가능하고, 부피가 작고, 매우 적은 구성부품으로 사이클과정을 수행하는 가볍고 단순한 구조, 특히, 자동차의 엔진으로 장착이 가능한 사이클과정 및 엔진을 설계하여 연료와 엔진의 효율제고를 목적으로 한다.

본 고안은 이와 아울러 엔진의 구성장치의 대체와 다양한 조합을 통해 외연기관 및 내연·외연복합연소기관을 구성하여 다양한 연료의 이용도와 효율을 높이며, 용도에 따른 다양한 기능과 구조를 갖는 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 베인압축기로 이루어진 압축부에서 공기의 흡입과정과 압축과정을 수행한 후, 가스터빈 엔진에서 이용하고 연속적인 연소를 수행하는 연소기로 이루어진 연소부에서 연료를 연소시켜 발생하는 고온의 열로 상기 베인압축기에서 압축된 공기를 가열하여 팽창시키는 팽창과정을 수행한 후, 팽창된 고온·고압의 연소가스가 베인모터로 이루어진 모터부를 돌려 유용한 회전력을 발생시킴과 동시에 배기하며, 상기 사이클의 수행결과 발생된 동력의 일부로 베인압축기를 구동시키는 내연기관을 제공한다.

본 고안은 또, 베인압축기를 이용하여 유체를 흡입하고 압축하는 과정을 수행한 후, 시스템외부의 연소기에서 발생하는 연소열로 열교환기 내부를 관통하는 압축된 내부유체를 가열하여 팽창시키는 팽창과정을 수행한 후, 팽창된 유체가 베인모터를 돌려 유용한 회전력을 발생시키며 동시에 배기되고, 상기 베인모터에서 발생된 출력의 일부로 베인압축기를 구동시키는 방식의 외연기관을 제공한다.

또한, 본 고안은 베인압축기로 공기를 흡입하고 압축하는 과정을 수행한 후, 외연기관의 연소방식인 외부 연소기에서 이루어지는 연료의 연소열로 열교환기 내부를 관통하는 압축공기를 가열하여 팽창시킨 후, 내연기관 연소방식인 내부의 연소기에서 연소되는 연료의 연소열로 2차 가열 팽창시켜 이 압력으로 베인모터를 회전시켜 유용한 회전력을 발생하고 배기하며, 상기 베인모터에서 발생된 출력의 일부를 압축기의 구동시키는 방식의 조합형 내,외연기관을 제공한다.

도 1a 및 1b는 본 고안에 의한 내연기관 엔진의 개략적인 구성도,

도 2a,2b는 각각 베인압축기와 베인모터의 구조와 기능설명도,

도 3은 본 고안 엔진에 적용한 배기가스의 폐열을 이용하는 예열장치를 개략적으로 도시한 실시예,

도 4a,4b,4c는 본 고안에 의한 내연기관의 다양한 배치도,

도 5는 베인압축기와 베인모터의 연결을 클러치로 연결시킨 개략도,

도 6은 본 고안의 다른 실시예에 의한 엔진으로서 외연기관을 이루는 기본적인 장치들을 개략적으로 도시한 구성도,

도 7은 본 고안의 또다른 실시예에 의한 내·외연복합기관의 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축부 2 : 연소부

3 : 모터부 4 : 베인압축기

5 : 연소기 6 : 베인모터

7 : 압축공기관 8 : 연소기 라이너

9 : 연료분사노즐 10 : 점화플러그

11 : 회전축 12 : 로터

13 : 베인 14 : 하우징

15 : 스프링 16 : 베인삽입홈

17 : 연료공급관 18 : 연소가스관

21 : 예열장치 22 : 바이패스공기관

23 : 냉각관 24 : 클러치 베어링

26 : 아이들모터 27 : 출력모터

29 : 릴리프밸브 30 : 열교환기

34 : 벨트 또는 체인 35 : 배기 가스관

36 : 흡입 공기관 38 : 1차 압축기

39 : 2차 압축기 40 : 동력축

41 : 외부 연소기 42 : 2차 열교환기

43 : 3차 열교환기

이하, 본 고안을 설명하기 위하여 본 고안의 권리범위를 제한하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

《내연기관》

도 1a 및 도 1b는 본 고안의 내연기관을 구성하는 장치들의 개략적인 구성도로서 크게 이는 3부분으로 나뉘어진다. 즉, 흡입·압축과정을 수행하는 압축부 (1)와, 연료를 연소시켜 그 연소열로 공기를 팽창시키는 연소부(2)와, 팽창된 연소가스로부터 유용한 동력을 발생하는 모터부(3)로 구성된다.

본 고안의 압축부(1)와 모터부(3)는 각각 베인압축기(vane compressor)와 베인모터(vane motor)로 구성되며, 이의 구조와 기능은 다음과 같다.

도 2a와 도 2b는 각각 압축부(1)를 이루는 베인압축기와 모터부(3)를 이루는 베인모터의 구조를 도시한 단면도로써, 양자는 공통구조로 이루어져 있으므로 동일부분에 대하여는 동일 부호로서 설명한다. 베인압축기(4)와 베인모터(6)내부의 로터(12)는 회전축(11)의 회전에 의해 구동되며 다수의 베인삽입홈(16)을 구비하며, 로터 (12)의 베인삽입홈(16)에는 베인(13)이 끼워지고, 삽입홈(16) 저면에서 상부로 베인(13)을 밀어 확장하도록 하는 스프링(15)을 구비한다. 스프링(15)에 의해 로터 (12)밖으로 확장하려는 힘을 갖는 베인(13)은 회전축(11)과 원점이 다른 원형의 외부 케이싱(14)내면과 접동하며 회전함으로 유체를 압축하거나(베인압축기), 팽창된 유체가 가지고 있는 에너지에 의해 회전되어(베인모터) 유용한 회전력을 얻게된다.

본 고안에서 베인모터(6)는 회전축(11)이 동일한 방향으로 회전할 때, 베인(13)이 삽입홈(16)에서 스프링(15)에 의해 케이싱(14) 내면을 따라 확장되는 구간(A)은 압축된 유체로부터 유용한 회전에너지를 얻게된다.

위와는 반대로 회전하며 케이싱(14)내면의 축소로 인해 베인(13)이 스프링(15)을 밀며 삽입홈(16)에 들어가는 구간은 유체의 체적을 줄여 압축하게 된다.

따라서, 동일의 회전방향일 경우 베인압축기(4)에서는 압축구간(B)을 이용하는 구조를 취함으로써 압축기 기능을 수행하고, 반대로 베인모터(6)에서는 동력발생 구간(A)을 이용하는 구조를 갖음으로 유체로부터 에너지를 발생하는 모터의 기능을 수행하게 된다. 그러므로, 압축기(4)의 역기능은 모터(6)의 기능이 된다.

압축기(4)에서 압축되는 유체의 양이나 모터(6)에서 에너지를 발생하는 유체의 양은 베인(13)과 베인(13)사이 공간의 체적에 의해 결정된다.

베인(13)사이의 공간을 채우는 유체의 체적과 압력은 압축기(4)구동에 필요한 소요동력에 상응하고, 모터(6)에서 발생하는 출력과 상응하게 된다.

이후 이 명세서에 있어서 베인압축기(4)를 압축기로 약칭하며, 베인모터(6)를 모터로 약칭한다.

본 고안의 팽창과정은 현재 가스터빈엔진에서 사용하는 연소기와 기능과 구조가 동일하다. 가스터빈엔진의 연소기는 연속적인 연소과정을 수행하며, 연료를 연소시켜 발생하는 고온의 열로 압축된 공기를 가열하여 체적을 팽창시킨다.

압축기(4)에서 압축된 공기중의 산소는 연소기내 연료노즐(9)에서 분사되는 연료의 연소를 가능하게 하며, 압축공기는 연소열에 의해 팽창한다. 엔진 시동시 점화플러그(10)의 전기 불꽃에 의해 착화된 후, 연료의 분사가 계속되므로 연소불꽃에 의해 연속적으로 연소가 이루어진다.

현재 가스터빈엔진에서 사용하는 캔(can)· 애눌러(annular)· 캔 애눌러 (can annular)연소기의 플로우(flow)· 리버스 플로우(reverse flow)형태의 연소기 등이 본 엔진의 연소기로 채택될 수 있다. 이후 이 명세서에 있어서 상기의 연소기들을 연소기(5)로 약칭한다.

본 고안 엔진의 사이클과정과 사이클을 이루는 장치는 다음과 같다.

(a) 흡입과정과 압축과정은 베인압축기(4)를 이용하여 외부의 공기를 흡입하며 동시에 압축한다. 사이클과정의 결과 발생하는 모터(6)동력의 일부가 압축기(4)를 회전시킨다. 압축기(4)에 의해 압축된 공기는 압축부(1)에 결합된 압축공기관 (7)을 따라 연소부(2)로 보내지게 된다.

(b) 팽창과정은 상기의 설명과 같이 가스터빈엔진의 연소기와 같은 기능의 연소기(5)를 이용하여 수행한다. 압축기(4)에서 압축된 공기 일부는 연소기(5)에서 분사되는 연료를 연소하기 위한 산소를 공급하여 고온의 연소가스를 만든다. 또한, 압축공기의 다른 일부는 연소열에 의해 가열된 연소기(5)를 냉각하며 라이너(8)구멍으로 들어가 상기 고온의 연소가스와 섞이며 가열되고 팽창한다.

위의 과정을 통해 연소가스의 팽창은 압축기(4)의 베인(13)과 모터(6)의 베인(13)에 의해 밀폐된 공간 내에서 이루어지므로 압력의 증가로 변하게 된다. 이렇게 압력이 증가된 연소가스는 연소가스관(18)을 지나 동력의 발생부분인 모터부(3)로 보내지게 된다.

(c) 모터부(3)는 팽창과정을 통해 압력이 높아진 연소가스가 모터(6)내부의 베인(13)을 밀어 회전시켜 동력을 발생하게 된다.

압축기(4)의 역과정을 수행함으로써 모터(6)기능이 되는데, 팽창되어 높아진 압력의 연소가스가 베인모터(6)를 회전시켜 유용한 동력을 발생하고, 동시에 배기를 함으로써 일련의 사이클이 이루어지게 된다.

발생된 동력의 일부를 흡입·압축과정을 수행하는 압축기(4)의 구동에 사용하여 위와 같이 흡입·압축·팽창·배기의 과정을 연속적으로 수행하게된다.

위와 같은 사이클이 이루어져 모터(6)에서 발생되는 회전력(torque)에서 압축기(4)와 기타 보기류 구동에 소요되는 동력을 제외하면 본 엔진의 순수 출력이 된다.

위에서 본 고안의 사이클과정을 이루는 대략적인 구조와 작용을 설명을 하였는데, 그런 과정들이 이루어 질 수 있는 원리를 부가하여 설명하면 다음과 같다.

압축기(4)로 압축된 공기는 연소부(2)에서 연소열에 의해 부피가 팽창되는데, 보일(R.Boyle)-샤를(J.A.C.Charles)법칙에 의거 압축기(4)와 모터(6)의 베인 (13)에 의해 밀폐된 공간 내에서 공기가 팽창하기 때문에 압력의 증가로 변하는 정적팽창이 된다.

또한, 압축기(4)의 출구압력과 모터(6)의 입구압력은 파스칼(B.Pascal)의 원리에 따라서, 압축기(4)출구압력이 약간 높은 근사적으로 동일하게 된다. 따라서, 사이클의 수행 중 압축기(4)의 베인(13)에 주어지는 압력과 모터(6)의 베인(13)에서 받는 압력은 근사적으로 같아지게 된다.

압축기(4)에서 압축한 공기 부피에 비교하여, 연소열에 의해 팽창된 연소가스 즉. 모터(6)를 구동하고 배기 될 가스의 부피가 훨씬 크다. 따라서, 모터(6)를 회전시키는 연소가스량은 압축기(4)의 공기압축량보다 크게 되므로 모터(6)에서 얻어지는 유용한 회전력이 압축기(4)구동을 위해 소요되는 동력에 비교하여 크게 되어 엔진의 순수 출력이 발생되는 것이다.

그러므로, 압축기(4)에서 공기를 압축중인 베인(13)의 동작면적에 비해 모터(6)에서 출력중인 베인(13)의 동작면적을 크게 함으로써 사이클이 계속 수행될 수 있게 되는 것이다.

Vt = Vo(273+t/273)

Vt : t 온도의 기체의 부피, Vo : 0℃의 기체의 부피, t : 연소열에 의해 상승한 기체의 온도.

Vc ＜ Vt

Vc : 압축기에서 압축된 공기의 부피 (압축기 구동에 소요되는 동력)

Vt :연소열에 의해 팽창된 연소가스의 부피 (모터에서 발생하는 출력)

위의 조건을 갖추기 위해서는 압축기(4)내에서 작동중인 베인(13)의 동작면적에 비해 모터(4)내에서 출력중인 베인(13)의 동작면적을 크게 함으로써, 근사적으로 동일한 압력하의 공기의 흐름을 순방향으로 할 수 있으며, 또한 사이클이 정상적으로 이루어지게 된다.

Ca ＜ Ma

압축기 구동에 소요되는 동력 = 압축기내의 베인의 동작면적 (Ca)

모터에서 발생하는 출력 = 모터내의 베인의 동작면적 (Ma)

이와 같이 본 고안의 사이클은 베인압축기(4)를 이용하여 흡입과정과 압축과정을 수행하고, 가스터빈엔진에서 채용하는 연소기(5)를 이용하여 연속적으로 연료를 연소시킴으로써 발생하는 고온의 열로 압축된 공기를 가열하여 팽창과정을 수행한 후, 팽창된 연소가스는 베인모터(6)를 돌려 동력을 발생시킴과 동시에 배기하며, 사이클과정의 결과 발생되는 모터(6)의 동력 일부를 압축기(4)의 구동에 사용하는 가역사이클이다.

본 고안의 엔진은 가스터빈엔진의 흡입·압축과정을 축류압축기인 다수의 압축터빈이나 임펠라의 기능을 일단의 베인압축기(4)로 수행하며, 출력터빈기능을 일단의 베인모터(6)로 수행하는 것이다.

본 고안의 엔진은 일단의 압축기(4)에 의해 압축되고, 연속적인 연소과정을 통해 내부공기를 가열하여 팽창시키고, 일단의 모터(6)를 이용하여 회전력을 발생하므로 아래와 같은 구조적인 특징이 있다.

가스터빈엔진에 있어서, 출력터빈에서 얻어지는 회전력 중에서 압축터빈을구동하기 위해 소모되는 동력의 비율이 매우 크므로 엔진의 효율이 낮게된다.

또한, 왕복기관 엔진의 경우에 있어서, 흡입·압축·팽창·배기의 사이클과정이 모두 실린더내부에서 이루어지므로 구조적인 특성은 열역학적으로 효율제고를 위한 과정이나 장치를 이용하지 못하게 된다.

사이클 과정에서 가열된 실린더에 의해 흡입공기가 가열되어 압축일이 증가하는 것과, 실린더냉각을 위한 열손실과, 배기된 연소가스에 남아있는 열의 이용불가는 왕복엔진의 구조가 갖는 열역학적인 단점이다.

그러므로, 왕복엔진의 경우 엔진의 열역학적 효율제고 수단은 연소과정의 효율을 향상하는 방법과 엔진의 부가장치를 추가하는 방법 등에 매우 한정된다.

하지만 본 고안의 엔진은 상기 왕복엔진의 효율제고 수단과 더불어 다음과 같은 효율향상 방법이 가능하여 엔진의 효율적인 운용과 연료의 이용효율을 극대화 할 수 있다.

〈예열〉 일반적으로 엔진에 있어서 외부의 열원을 이용하여 압축공기를 가열할 경우에는 공기를 팽창시키므로 엔진효율을 증가시킨다.

예열장치(21)를 이용하여 배기가스에 남아있는 폐열로 압축기(4)에서 압축된 공기를 예열 함으로써 재생과정이 이루어져 엔진의 열효율을 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 고안의 엔진에 적용한 예열장치의 예를 개략적으로 도시한 실시예로써, 본 고안 엔진형태는 배기가스의 폐열을 이용하는 예열장치(21)의 장착이 용이한 구조를 가지고 있다.

모터(6)를 구동하여 동력을 발생시킨 배기가스는 매우 높은 온도를 유지하므로 배기가스관(35)과 아직 연소기(5)로 들어가지 않은 압축공기의 온도차이를 이용한 열교환을 통하여 연소부(2)내의 압축공기를 예열함으로써 열효율이 향상된다.

〈모터냉각공기를 팽창 열원으로 이용〉 모터(6)는 고압, 고온의 연소가스로부터 동력을 발생하는 장치이므로 냉각이 필수이다. 왕복엔진의 경우에 있어서, 기계장치보호를 위한 엔진의 냉각은 전적으로 열역학적인 비용으로 작용하지만, 본 고안의 엔진의 경우는 기관을 냉각한 후 가열된 공기를 다시 사용함으로써 열손실을 초래하지 않는다.

본 엔진에 있어서 공냉식을 채택할 경우 압축기(4)로부터 압축된 공기가 모터케이싱(14)에 구비된 냉각관(23)을 순환하며 모터부(3)를 냉각시킨다. 모터(6)의 냉각과정에서 가열되는 공기를 바이패스공기관(22)을 통해 연소부(2)의 예열장치 (21)에 투입할 경우 예열효과를 달성할 수 있으므로 냉각열을 이용하여 엔진의 열효율을 향상시킬 수 있다.

〈동력 발생방법〉 본 고안의 연소기(5)와 같은 연소기를 사용하는 가스터빈엔진에 있어서 팽창된 연소가스가 증가된 속도로 터빈로터(turbine rotor)를 회전 시켜 회전력(torque power)을 얻거나 추력(thrust power)을 얻는 동력발생방법은 램(Ram)압력상승이 가능한 고속의 전진과 고공 비행시를 제외하고 엔진효율이 낮다.

위의 같이, 같은 구조와 기능의 연소기(5)를 사용하지만 본 고안의 엔진은 증가된 압력으로 베인모터(6)의 베인(13)과 베인(13)사이의 공간을 채우는 일정한 부피의 연소가스가 회전력을 발생시킨다. 따라서, 팽창된 연소가스 부피와 정확히비례하는 동력의 발생으로 엔진효율을 높일 수 있으며, 낮은 운용속도에서도 사이클이 가능하고 일정한 효율을 달성한다.

〈구성 장치의 배치〉 도 4a,4b,4c는 본 고안 내연기관을 구성하는 장치들의 다양한 배치를 대략적으로 도시한 구성도로서, 본 고안의 엔진은 각각의 과정을 수행하는 장치들을 배치함에 있어서, 압축부(1)와 모터부(3)의 동력 연결을 동일한 축(shaft)에 의해 연결하는 직렬식 배치와, 벨트나 체인으로 연결하는 병렬식 배치가 가능하므로 장치들의 임의적인 조합을 통해 작은 공간에 설치할 수 있는 특징이 있다.

〈시동 파워〉 상기와 같이 엔진을 구성하는 장치들의 배치가 용이하기 때문에, 모터(6)의 출력시에는 압축기(4)를 구동하고, 엔진 시동시에는 모터(6)를 구동하지 않는 동력연결방법으로 도 3c에서와 같은 클러치 베어링(24)을 채택할 경우에 도시안된 공지의 스타터 모터를 사용하여 매우 낮은 시동파워를 사용하여 시동이 가능하다.

〈모터의 분리〉 본 고안의 엔진은 모터(6)에 있어서 도 5에 예시된 바와 같이, 압축기(4)와 기타 동력이 필요한 보기류 구동을 목적으로 하는 1차의 아이들모터(26)와 엔진외부의 부하에 대하여 유용한 에너지를 제공하는 2차의 출력모터(27)로 나누어 엔진을 구성할 수 있다.

저속운전이나 아이들(idle)운전 시 연소부(2)내 압력이 낮으므로 릴리프밸브(29)는 스프링에 의해 닫혀 출력모터(27)는 정지하고 아이들모터(26)만 회전한다.

가속과 고속운전시 많은 연료의 연소로 연소부(2) 내의 압력이 높아질 경우 높아진 연소가스의 압력은 릴리프밸브(29)를 밀어 열리게 하므로 출력모터(27)를 구동하여 동력을 발생시킨다.

위와 같은 출력장치의 분리는 실제 가스터빈엔진에서의 멀티 스풀 엔진 (multi spool engine)이나 프리파워 터빈(free power turbine)으로 불리는 엔진 설계방식이다.

상기와 같이 엔진을 구성할 경우 아이들(idle)운전 시 구동되는 엔진의 크기가 작아지므로 연료의 절약과 소음을 감소한다.

또한, 엔진의 고출력 셋팅(high power setting)시 연소부(2)내의 과다 압력상승을 방지하며, 모터(6)내에서 공기의 흐름을 방해하지 않게 되므로 엔진의 작동유연성을 확보할 수 있게 해준다.

부가적으로, 상기와 같이 아이들모터(26)와 출력모터(27)의 분리는 클러치의 기능을 수행하게 된다.

〈회전력 증가와 항력감소〉 압축기(4)와 모터(6)를 설계함에 있어서 내열성과 기계적인 강도가 높은 재료를 사용함으로써 베인모터(6)나 베인압축기(4)의 지름을 줄이고 로터(12)의 회전속도를 높여 운용함으로써 엔진의 부피나 무게를 줄일 수 있다.

또한, 베인(13)의 높이는 줄이고 길이를 늘려 베인의 동작면적을 같게 할 수 있으므로 같은 출력의 엔진에서 전면면적을 작게 하여 항력을 줄일 수 있게 된다.

〈공기정화와 소음기〉 본 고안의 구조는 가스터빈엔진과 같은 연소기(5)를사용하지만 공기정화장치와 소음기의 부착이 용이하고 엔진의 효율저하를 유발하지 않으므로 지상용 엔진으로나 항공기의 엔진으로 이용이 가능하다.

〈본 고안 엔진의 기타 특성〉 엔진을 이루는 장치들은 원운동을 하기 때문에 진동이 매우 작다.

왕복 운동하는 부분이 없기 때문에 높은 운용속도를 유지할 수 있다.

발생되는 동력이 간헐적이지 않고 연속적이며, 작동압력을 낮게 유지할 수 있다.

엔진을 이루는 구성부품수가 매우 적고 단순하므로 제작이 쉽고 정비가 용이하다.

부피가 작으며, 출력에 비교하여 무게가 매우 작은 기관을 형성할 수 있다.

《외연기관》

본 고안의 엔진은 도 6에 도시한 바와 같이 내연기관의 유체 팽창기인 연소기를 열교환기(30)로 대체함으로 외연기관을 형성할 수 있다.

유체가 흐르는 시스템외부에서 다양한 외부 연소기(41)를 이용하여 연료를 연소시켜 발생한 열에너지를 열교환기(30)로 열교환을 통해 시스템내부의 유체를 가열하여 팽창시킴으로써 외연기관으로 구성된다.

흡입과 압축과정을 수행하는 압축부(1)인 베인 압축기와 열교환을 통해 팽창된 고압의 유체로부터 회전에너지를 발생하는 모터부(3)인 베인 모터는 구조와 기능이 상술한 내연기관에서와 동일하므로 이에 대한 설명을 생략한다.

열 이동은 경계(Boundary)가 나뉘는 내부와 외부에서 서로가 가지고 있는 열을 주고받는데 있어서, 열 평형 상태로 가려는 열역학적인 현상이다.

높은 열은 낮은 쪽으로 가려하고, 낮은 온도의 물체는 열을 받아 같은 온도에 이르는 것을 열 평형이라 하며, 이런 열 평형 현상을 이용하여 목적하는 유체를 가열하거나 냉각하는 것을 열교환이라 한다.

상기의 열교환 경계를 이루고 열전도성이 높은 재질을 사용하고 표면면적을 크게 하여 열 교환이 쉽게 만들어진 장치를 열교환기(30)라 한다.

본 고안은 열교환기 분야의 고안이 아닌 외연기관을 이루는 사이클과정의 설명이므로, 경계의 내부를 흐르는 유체의 온도를 증가시켜 팽창함을 가능케 하는 기구와 장치들을 모두 열교환기(30)라 정의한다.

본 고안에 의한 외연기관의 사이클은 다음과 같다.

(a) 흡입과 압축과정은 내연기관에서와 같이 베인압축기(4)에서 이루어지며 압축된 공기는 열교환기(30)로 보내지며, 이때 압축기의 구동에너지는 사이클과정의 결과로 발생하는 베인 모터(6)의 출력 일부를 이용한다.

(b) 팽창과정은 시스템의 외부에서 이루어지는 연료의 연소 열이 열교환기 (30)를 통해 내부를 관통하는 공기와 열교환을 통해 내부의 공기는 가열되어 팽창한다.

(c) 상기와 같이 팽창된 공기는 밀폐된 공간내부에서 이루어지므로 압력의 증가로 변하며, 고온 고압의 공기는 베인모터(6)를 회전시켜 유용한 에너지를 발생하고 동시에 배기 된다.

위와 같이 본 고안의 외연기관 엔진은 일단의 압축기(4)로 공기를 압축하고, 외부의 다양한 열원을 이용 열교환기(30)로 열교환을 통해 내부의 공기를 가열 팽창시킨 후, 고온 고압의 공기가 일단의 모터(6)를 회전시켜 유용한 동력을 발생하고, 그 발생된 회전동력 일부를 사용하여 압축기(4)를 구동하는 가역 열기관이다.

본 고안의 외연기관 엔진은 다음과 같은 특징이 있다.

〈사용 연료〉 외연기관은 시스템의 외부에서 연소가 이루어지므로 연료의 종류, 성상, 정제정도에 구애받지 않는다. 연료는 화석연료 뿐만 아니라 목재, 태양열, 쓰레기 등등 제한이 없고 압축기에서 압축된 공기를 가열할 수 있는 온도이상이면 이용이 가능하다.

〈효율 제고〉 본 고안에 의한 외연기관에서, 압축과정을 거친 공기는 열교환기(30)를 거치며 가열되고, 팽창하여 높은 엔진의 출력을 얻을 수 있다.

연료가 연소할 때 발생하는 열에너지는 연료의 종류, 성상, 정제의 정도에 따라 단위 질량당 발열량이 일정한 값을 갖는다. 발열량이 크고 높은 온도의 연소가스를 발생하는 연료로는 석유, 가스, 석탄 등이며, 발열량이 적고 낮은 온도의 연소가스를 발생하는 연료로는 가연 쓰레기 등이 예이다.

상기의 열교환은 발열량이 적고 낮은 온도의 연소가스를 발생하는 연료를 사용하는 열교환부터 실시하고 점점 높은 온도의 열원을 사용하는 열교환을 수행하도록 배치하여 모터 입구의 공기온도를 높게 함으로써 높은 열효율을 얻는다.

그러므로, 시스템 내부의 공기를 가열함에 있어서, 최종의 열교환후 내부 공기의 최고온도는 본 고안 외연기관의 효율이 된다.

본 고안 내연기관의 설명에 있어 모터(6)의 냉각방법을 기술한 바, 모터를 냉각한 압축공기를 시스템 내부로 연결할 때 효율을 제고할 수 있다.

모터(6)에서 배기된 고온의 배기가스는 팽창과정을 이루는 열교환기(30)를 통해 내부의 공기를 가열하는 열원으로 이용하여 효율을 제고한다.

외연기관의 배기가스는 연소가스가 아닌 산소를 함유한 고온의 공기이므로 외부 연소기(41)의 연소에 이용할 경우 연소열을 높여 열교환기(30)의 효율을 높인다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안의 외연기관은 시스템 외부에서 다양한 종류의 연료를 연소시켜 발생하는 연소열을 열교환기(30)를 이용하여 시스템 내부의 유체를 가열하여 팽창시켜 압력이 증가된 유체로 모터(6)를 구동하게 하여 동력을 얻으므로 다음과 같은 특징이 있다.

연소가 외부에서 이루어지므로 연료의 제한이 없고, 낮은 발열량의 연료를 이용할 수 있다.

연소가 외부에서 이루어지므로 제어가 용이하다.

연소가 외부에서 이루어지므로 연소조건의 향상이 용이하여 오염발생의 최소화가 가능하다.

깨끗한 공기만 순환하므로 엔진내부는 오염물질에 의한 부식이 없어 엔진수명이 길어진다.

시스템구성에 있어서 여러 단계의 열교환을 통해 엔진 효율을 높일 수 있다.

《내·외연복합연소기관》

본 고안은 내연기관의 구성장치와 외연기관의 구성장치를 혼합, 병용함으로써 내연·외연복합연소기관을 구성할 수 있다.

도 7은 본 고안 내연·외연복합연소기관을 이루는 장치들을 개략적으로 도시한 구성도로서, 내연기관의 구성과 외연기관의 구성은 위에서 각각 설명하였다.

내연·외연복합연소기관을 구성함에 있어서, 상기의 내연기관이나 외연기관에서 사용하는 베인압축기(4)와 베인모터(6)는 내연·외연복합연소기관의 압축기 (4)와 모터(6)로 사용하며 기능과 구조는 동일하다.

압축기(4)에서 흡입·압축된 동작유체인 공기를 시스템의 외부에서 발열량이 낮고 연소가스의 온도가 높지 않은 연료의 연소열을 이용하여 열교환기(30)를 통해 내부의 공기를 가열하여 팽창시킬 경우 엔진의 효율이 낮게된다. 위의 경우 외연기관이 형성되며, 압축기(4)에서 압축되고 상기의 열교환기(30)로 가열하여 팽창된 공기는 산소를 함유하기 때문에 내부의 연소기(6)를 이용하여 연료를 연소시켜 공기를 더욱 팽창시킬 수 있다.

위의 경우 내연기관의 기능이 추가되는 것이다.

상기와 같이 시스템 외부의 연소열로 예열기능을 수행한 후, 시스템 내부의 연소기(6)로 연료를 연소시킴으로써 공기를 더욱 팽창시켜 모터(6)에서 높은 효율과 출력을 얻게된다.

이와 같은 내연·외연복합연소기관은 시스템 내부를 관통하는 압축공기를 외연기관 요소인 열교환기(30)를 사용하여 외부의 낮은 열량 연료의 연소열로 예열한 후, 내연기관 요소인 내부의 연소기(6)로 압축공기를 더욱 팽창시켜 고온 고압의 연소가스는 모터(6)를 구동하여 유용한 회전력을 발생시킨다.

상기의 경우에 있어서, 외부에서 낮은 열량의 연료를 이용할 수 있으며, 내부의 연소기(6)는 적은 양의 연료를 연소시켜도 높은 연소가스의 발생이 가능하므로 엔진의 높은 효율과 출력을 얻게된다.

특히, 본 고안의 내연·외연복합연소기관은 태양열과 쓰레기 소각열 등 발열량이 적고 연소가스의 온도가 낮은 열원을 이용하여 가격이 비싼 연료의 사용량을 줄이는 특징이 있다.

또한, 본 고안의 내연·외연복합연소기관은 연료의 제한 없이 다양한 외부열원의 이용과 여러 단계의 열교환을 조합하여 운용함으로써, 엔진의 이용 용도와 부존 연료에 따른 다양한 기관을 구성할 수 있는 특징이 있다.

이상과 같이 본 고안의 내연기관은 상기의 설명과 같이 간단한 구조로 높은 효율을 실현할 수 있으므로 열효율이 낮고 단점이 많은 왕복엔진을 대체하여 연료의 효율적인 이용효과와 더불어 엔진제작 전반의 비용을 줄이고 정비의 어려움을 감소하는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 고안의 외연기관은 간단하고 경량화 된 작은 기관을 구성할 수 있으므로, 다양한 구조와 기능의 조합으로 다양한 종류의 연료를 이용하여 동력을 발생함으로써 에너지의 효율적인 이용이 가능한 효과가 있다.

그리고, 본 고안의 내연·외연복합연소기관은 상기의 내연기관과 외연기관의 장점들을 조합하여 구성할 경우에 있어서, 낮은 준위의 연료를 낭비하거나 버리지 않고 이용하여 유용한 동력을 얻을 수 있으므로 에너지의 절약차원에서와 에너지의 효율적인 이용차원에서 얻어지는 효과가 매우 클 것이다.

특히, 현재 사용하는 엔진들은 내연기관과 외연기관이 완전히 구별되어 사용함으로써 다양한 연료의 효율적인 이용이 불가능하고, 연료의 낮은 열효율이용은 에너지비용의 증가와 낭비를 초래하며 대기오염을 가중시키고 있다.

본 고안의 상기 세 가지 기관의 효율적인 선택과 이용을 통하여 에너지의 연소효율을 제고시켜 대기오염의 발생을 줄이고, 버려지거나 낭비되는 에너지원의 효율적인 이용이 가능한 효과가 기대되고, 본 명세서를 기본으로 하여 더욱 다양한 장치들의 구성을 통해 엔진선택의 폭을 확대하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 내연기관을 구성함에 있어서,

   공기의 흡입과정과 압축과정을 수행하기 위해 내부의 로터(12)가 회전축(11)의 회전에 의해 구동되고 다수의 베인삽입홈(16)을 구비하며, 상기 로터(12)의 베인삽입홈(16)에는 베인(13)이 끼워지고, 상기 베인삽입홈(16)의 저면에서 상부로 베인(13)을 밀어 확장하도록 하는 스프링(15)이 구비되며, 이 스프링(15)에 의해 로터(12)밖으로 확장하려는 힘을 갖는 베인(13)은 회전축(11)과 원점이 다른 원형의 외부 케이싱(14)내면과 접동하며 회전함으로 공기를 압축하는 베인압축기(4)로 이루어진 압축부(1)와;

   연료를 연소시켜 발생하는 고온의 열로 상기 베인압축기(4)에서 압축된 공기를 가열하여 팽창시키기 위해 가스터빈 엔진에서 이용하는 연속적인 연소를 수행하도록 연료분사노즐(9)과 점화플러그(10)가 구비된 연소기(5)로 이루어진 연소부(2)와;

   상기 연소부(2)에서 팽창된 고온·고압의 연소가스가 상기 베인압축기(4)와 동일한 구조를 갖는 베인모터(6)를 돌려 회전력을 발생시킴과 동시에 배기하며, 회전력의 일부로 상기 베인압축기(4)를 구동시키는 모터부(3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 회전체를 이용한 엔진.
2. 외연기관을 구성함에 있어서,

   공기의 흡입과정과 압축과정을 수행하기 위해 내부의 로터(12)가 회전축(11)의 회전에 의해 구동되고 다수의 베인삽입홈(16)을 구비하며, 상기 로터(12)의 베인삽입홈(16)에는 베인(13)이 끼워지고, 상기 베인삽입홈(16)의 저면에서 상부로 베인(13)을 밀어 확장하도록 하는 스프링(15)이 구비되며, 이 스프링(15)에 의해 로터(12)밖으로 확장하려는 힘을 갖는 베인(13)은 회전축(11)과 원점이 다른 원형의 외부 케이싱(14)내면과 접동하며 회전함으로 공기를 압축하는 베인압축기(4)로 이루어진 압축부(1)와;

   시스템 외부의 연소기(41)에서 발생하는 연소열로 내부를 관통하는 압축된 내부 공기를 가열하여 팽창시키는 열교환기(30)와;

   팽창된 공기가 상기 베인압축기(4)와 동일한 구조의 베인모터(6)를 돌려 유용한 회전력을 발생시키며 동시에 배기되고, 상기 베인모터(6)에서 발생된 출력의 일부로 베인압축기(4)를 구동시키는 모터부(3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 회전체를 이용한 엔진.
3. 내,외연복합기관을 구성함에 있어서,

   공기의 흡입과정과 압축과정을 수행하기 위해 내부의 로터(12)가 회전축(11)의 회전에 의해 구동되고 다수의 베인삽입홈(16)을 구비하며, 상기 로터(12)의 베인삽입홈(16)에는 베인(13)이 끼워지고, 상기 베인삽입홈(16)의 저면에서 상부로 베인(13)을 밀어 확장하도록 하는 스프링(15)이 구비되며, 이 스프링(15)에 의해 로터(12)밖으로 확장하려는 힘을 갖는 베인(13)은 회전축(11)과 원점이 다른 원형의 외부 케이싱(14)내면과 접동하며 회전함으로 유체를 압축하는 베인압축기(4)로 이루어진 압축부(1)와;

   외연기관의 연소방식인 외부 연소기(41)에서 이루어지는 연료의 연소열로 내부를 관통하는 압축 공기를 1차 가열하여 팽창시키는 열교환기(30)와;

   1차 가열 팽창된 압축 공기를 2차 가열 팽창시키는 내연기관 연소방식인 내부 연소기(5)와;

   가열 팽창된 공기의 압력에 의해 회전되어 회전력을 발생시키고 배기하며, 출력의 일부를 상기 베인압축기(4)의 구동에 사용하는 상기 베인압축기(4)와 동일한 구조를 갖는 베인모터(6)로 이루어진 모터부(3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 회전체를 이용한 엔진.