KR20040031074A - 회전실린더를 갖는 왕복동 피스톤엔진 - Google Patents

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KR20040031074A
KR20040031074A KR10-2004-7003563A KR20047003563A KR20040031074A KR 20040031074 A KR20040031074 A KR 20040031074A KR 20047003563 A KR20047003563 A KR 20047003563A KR 20040031074 A KR20040031074 A KR 20040031074A
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에리히 테우플
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에리히 테우플
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    • F02F2007/0097—Casings, e.g. crankcases or frames for large diesel engines

Abstract

본 발명은 로터하우징에 배치되어 상기 하우징의 회전축선을 중심으로 하여 회전할 수 있는 실린더와 피스톤(2, 3, 4, 5)으로 구성되는 적어도 하나의 유니트(1a, 1b, 1c, 1d)로 구성된 왕복동 피스톤엔진(1)에 관한 것이다. 작동중에 토크가 로터하우징(6)에 전달되고, 피스톤(2, 3, 4, 5)의 선형 활동라인이 로터하우징(6)의 회전축선에 수직이고 로터하우징(6)의 회전축선에 대하여 편심으로 정렬되는 평면상에 놓인다. 커넥팅로드(15)가 피스톤에 고정적으로 연결되고 컨투어(8)를 따라 안내되면서 피스톤에 변위를 전달한다. 가이드부재(19)가 커넥팅로드에 연결되고 커넥팅로드를 갖는 피스톤과 가이드부재가 각각 로터하우징(6)의 직선을 따라서 스트로크변위를 수행한다.

Description

회전실린더를 갖는 왕복동 피스톤엔진 {RECIPROCATING PISTON ENGINE COMPRISING A ROTATIVE CYLINDER}
내연기관 엔진분야에서 가장 대표적으로 알려진 로타리 피스톤엔진은 반켈 엔진(Wankel engine)이다. 이는 작동챔버를 형성하는 가동 트로코이드 피스톤을 갖는다. 이 피스톤은 내부기어와 에피트로코이드 곡선의 내부공간에서 엔진 샤프트의 편심베어링에 의하여 운동한다. 피스톤의 모서리와 측면은 밀폐부재를 갖는다. 가스교환은 피스톤을 둘러싸고 있는 하우징의 슬리트를 개폐함으로서 이루어진다. 이러한 반켈 엔진은 전체적인 기계적 균형과 밸브 트레인의 생략에 의한 콤팩트한 구조를 갖는 특징이 있다. 그러나, 다른 왕복동 피스톤엔진에 비하여 토크가 낮고 기다란 연소경로를 가지므로 연소실 구조가 바람직하지 않으며 그로 인하여 탄화수소의 방출이 많고 연료와 오일의 소비가 많으며 제조코스트가 높은 결점들이 있다. 아울러, 작동원리 때문에 이러한 반켈 엔진을 디젤 엔진에 직접 사용할 수가 없다.
본 발명은 토크를 발생하기 위한 회전실린더를 갖는 왕복동 피스톤엔진에 관한 것이다. 본 발명의 왕복동 피스톤엔진은 내연기관의 엔진으로서 작동하나 제어채널의 다양하고 미세한 구조적인 변경이나 배열을 통하여 유압분야에도 또한 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따라서 이러한 엔진은 유압펌프, 과압펌프 및 진공펌프에 사용될 수도 있다.
도 1은 왕복동 피스톤엔진의 정단면도(도 2의 A-B선 단면도),
도 2는 도 1에서 보인 왕복동 피스톤엔진의 측단면도,
도 3은 밀폐부재와 가이드부재를 가지며 컨투어에서 안내되는 피스톤을 보인 부분 상세도,
도 4는 컨투어의 측면을 보이고 이 컨투어를 따라 안내되는 피스톤의 한 가이드를 보인 단면도,
도 5는 도 2에서 보인 왕복동 피스톤엔진을 위한 가스교환/밀폐시스템을 보인 사시도,
도 6은 도 5에서 보인 가스교환/밀폐시스템의 로터 씨일을 보인 분해사시도,
도 7은 도 5에서 보인 가스교환/밀폐시스템의 밀폐동체를 보인 분해사시도,
도 8은 도 5에서 보인 가스교환/밀폐시스템의 밀폐스트립을 보인 사시도,
도 9는 도 5에서 보인 가스교환/밀폐시스템의 측부씨일 스프링을 보인 사시도,
도 10은 도 2에서 보인 윤활시스템의 오일링을 보인 사시도,
도 11은 다단형으로 구성된 왕복동 피스톤엔진의 개략구성도이다.
본 발명의 목적은 전체효율이 종래기술의 왕복동 피스톤엔진에 비하여 증가되고 무게/성능비가 개선되었으며, 제어가 구조적으로 간단하고 생산 및 조립이 복잡하지 않으며, 원활한 작동이 최적화되고 오염물 방출이 감소된 왕복동 피스톤엔진을 제공하는데 있다.
이러한 본 발명의 목적은 청구범위 제1항에 따른 구성을 갖는 왕복동 피스톤엔진에 의하여 달성된다. 부가적인 장점을 갖는 실시형태와 개선된 형태가 종속항에 기재되어 있다.
회전실린더를 갖는 왕복동 피스톤엔진은 로터하우징내에 배열된 실린더 유니트 당 적어도 하나의 피스톤을 가지며, 이로써 로터하우징의 내부영역에는 회전가능한 로터하우징내에서 피스톤이 360° 이동할 수 있도록 배열되는 컨투어(contour)를 갖는 챔버가 형성되고 피스톤은 컨투어를 중심으로 하는 실린더 유니트의 운동중에 피스톤의 스트로크가 이루어질 수 있도록 하는 컨투어에 결합된다. 이러한 왕복동 피스톤엔진의 구성은 완전히 새로운 원리를 창조한다. 종래 왕복동 피스톤엔진에 있어서는 실린더 하우징이 고정되고 왕복동 피스톤이 회전 크랭크샤프트를 통하여 토크를 전달하였으나, 본 발명의 경우 피스톤은 로터하우징과 함께 컨투어를 중심으로 하여 360°회전할 수 있게 배열된다. 아울러 연소실내에서 가연성 매체의 연소가 이루어질 수 있도록 하여 압력이 피스톤상에서 생성된다. 또한 피스톤의 압력은 로터하우징에도 가하여진다. 컨투어를 중심으로 하여 회전가능하게 배열되고 피스톤이 컨투어에 결합되어 있으므로 컨투어를 중심으로 하여 토크가 발생되고 이는 컨투어를 중심으로 하는 로터하우징의 회전운동이 이루어질 수 있도록 한다. 동시에, 컨투어와 피스톤의 결합은 피스톤의 스트로크를 제어한다. 이러한 제어는 흡기, 압축, 폭발 및 배기와 같은 왕복동 피스톤엔진의 행정이 실현될 수 있도록 한다. 4-행정 원리가 적용되는 것이 좋다. 그러나, 설계가 적당하다면 2-행정 방법도 적용할 수 있다. 발생된 토크는 로터하우징에 배열되는 피스톤의 수에 따라서 달라진다. 이는 로터의 크기와, 고려되어야 하는 진동에 따라서 달라질 수 있다. 특히 다수의 로터하우징이 서로 결합됨으로서(래디얼 엔진 처럼) 전후로 배치된 일련의 피스톤이 로터하우징과 함께 컨투어를 중심으로 하여 이동될 수 있다. 하나의 로터하우징은 3개, 4개 또는 그 이상의 피스톤을 갖는 것이 좋다.
이와 같이, 본 발명에 따라서 실린더 유니트의 피스톤의 활동라인(피스톤 왕복동 방향)은 평면상에 놓이고 로터의 회전축선에 수직으로 놓여 활동라인이 직선으로 연장되고 로터의 회전축선에 대하여 편심을 이룬다.
컨투어는 행정중에 피스톤에 의하여 제한되는 연소실이 거의 등적을 이루도록, 즉 일정한 체적을 갖도록 설계된다. 연소실은 행정의 주기중에 변하지 않는다. 이는 연소실 자체가 거의 일정하게 유지되므로 컨투어를 중심으로 하여 특히 큰 토크의 발생이 이루어질 수 있도록 한다. 다른 왕복동 피스톤엔진과는 대조적으로, 이는 연소실에서 연소가스의 완전한 연소가 이루어지도록 하고, 연소중 얻는 온도와 연소실에서의 압력증가가 장시간 유리하게 유지될 수 있도록 한다. 이러한 등적 연소실의 주기는 회전속도를 이용하여 조절된다. 다른 결정요인은 행정의 길이이다. 이는 적어도 90°가 좋으나 특히 컨투어를 중심으로 하여 100°회전할 수도 있다. 연소된 가스의 배기에도 동일하게 적용하여, 거의 등적을 이루는 연소실이 약 120° 또는 그 이상이 되도록 할 수 있다. 로터는 90°의 간격을 두고 배열된 4개의 실린더 유니트를 갖는 것이 좋다. 행정중에 피스톤은 폐쇄곡선형의 컨투어 구조에 의하여 1회의 스트로크를 수행할 수 있다. 이는 특히 연소실에서 개선된 유동과 연소가 이루어질 수 있도록 할 때 이루어진다. 컨투어에 의하여 제어되는 스트로크는 흡기스트로크가 배기스트로크 보다 현저히 길게 되어 있다. 이러한 왕복동 피스톤엔진을 위한 컨투어는 모두 볼록형, 오목형 또는 직선형인 제1, 제2, 제3 및 제4세그먼트를 갖는 형상의 경로를 갖는 것이 좋다. 특히 세그먼트는 서로 연결되어 피스톤의 거의 균일한 가속(네거티브 가속 또는 포지티브 가속)이 이루어져 실질적인 부하가 낮게 유지되도록 한다. 특히 역전점(逆轉点)의 영역에서, 컨투어는 피스톤과 컨투어의 결합에 의하여 나타나는 압축부하가 가능한 한 낮게 유지될 수 있도록 설계된다. 컨투어의 한 실시형태는 이것이 캠디스크에서 이루어질 수 있도록 되어 있다. 캠디스크는 슬로트를 갖는다. 슬로트는 피스톤이 결합되어 이동하는 컨투어를 형성할 수 있게 되어 있다. 컨투어/곡선형 가이드는 이들이 실린더 유니트의 완전한 1회전 중에 적어도 한 행정을 수행할 수 있게 구성되는 것이 좋다.
왕복동 피스톤엔진은 편심디스크와 제1 및 제2 캠디스크를 갖는 것이 좋다. 두개의 캠디스크가 편심디스크에 대하여 대향되게 배열되고 이들 각각은 일치하는 윤곽을 갖는다. 두 캠디스크와 편심디스크 사이에서 피스톤의 커넥팅로드가 일치하는 가이드를 통하여 슬로트측으로 안내된다. 커넥팅로드를 통하여 컨투어에 의하여 이루어지는 제어된 운동은 피스톤에 전달되고 이는 실린더 챔버와 그 가이드를 따라 그 스트로크를 완성한다.
피스톤은 고정형 캠기구에서 니들형 스페이서 샤프트를 통하여 안내되는 것이 좋다. 스페이서 샤프트는 예를 들어 주조 또는 단조된 단일체로 구성되는 것이 좋다. 그러나 다른 구성으로서 하나의 완성품으로 조합되는 부품들로 구성될 수 있다. 캠기구는 두개의 캠디스크와 편심디스크로 구성된다. 슬로트 곡선의 두 측면부를 어긋나게 배치함으로서 피스톤을 위한 유동없는 안내가 이루어질 수 있도록 한다. 각 측면부는 스페이서 샤프트에 배치되는 그 자신의 롤러를 갖는다. 이들 롤러는 반대회전방향으로 구르며 위치가 일정하게 유지된다.
왕복동 피스톤엔진의 다른 개선점은 피스톤에 배치된 가이드부재가 밀폐부재에 의하여 피스톤으로부터 분리되었다는 점이다. 밀폐부재와 가이드부재는 피스톤에 결합되고 이에 회전가능하게 재가되어 있다. 회전가능하게 재가된 결합구조는 피스톤에 작용하는 힘을 로터하우징에 전달한다. 가이드부재는 로터하우징에서 별도 가이드를 따라서 이동가능하게 배치된다. 가이드부재는 로터하우징에서 적어도 일부분에 배치되는 것이 좋다. 이와 같이 피스톤 링을 갖는 피스톤을 통하여 형성된 밀폐부재는 제1암을 형성하는 반면에, 가이드부재는 이로부터 분리된 제2암을 형성한다. 이들 두 암은 커넥팅로드 베어링에 대하여 서로 연결되는 것이 좋다. 이와 같이 밀폐부재와 가이드부재는 레버 시스템을 구성한다. 가이드부재의 레버 암은 밀폐부재의 레버 암 보다 짧은 것이 좋다.
이와 같이 함으로서, 양측 암이 취부되는 커넥팅로드 베어링을 통하여 로터하우징에서 특히 높은 토크가 발생될 수 있다. 특히 밀폐부재와 가이드부재를 갖는 피스톤은 컨투어에 매칭되어 가이드부재와 밀폐부재가 각각 로터하우징에서 직선을 따라 1회의 스트로크를 수행할 수 있게 되어 있다. 이는 특히 가이드부재가 피스톤에 작용하는 압력이 로터하우징에 전달됨을 의미한다. 그리고 가이드부재의 1회 스트로그는 베어링, 특히 롤링 베어링에 의하여 수행된다. 이는 이러한 위치에서 특히 가이드부재로부터 로터하우징으로 압력을 연속적으로 전달할 수 있도록 설계된다. 이와 같이 밀폐부재와 가이드부재는 가이드부재를 통하여 피스톤에 작용하는 압력을 로터하우징에 전달하는 레버 시스템을 형성한다. 밀폐부재와 가이드부재를갖는 피스톤은 예를 들어 주조나 단조되는 단일체로 제작될 수 있다. 그러나 다른 실시형태에서 하나의 완성품으로 조합되는 부품들로 구성될 수 있다. 가이드부재의 축선은 로터의 회전축선에 수직으로 교차한다.
연소실을 한정하는 피스톤은 혼합회전이 흡기가정중에 연소실내에서 유지될 수 있도록 설계되는 것이 좋다. 이는 예를 들어 원형의 압착영역을 형성함으로서 와류현상을 증폭시키는 거의 중앙에 대칭으로 배치된 원추형 피스톤 헤드를 이용함으로서 이루어질 수 있다. 흡기 각운동은 연소실로 경사진 각도로 진입될 수 있도록 함으로서 연소실에서 와류가 일어나도록 하여 얻는다. 이를 위하여, 흡기공이 예를 들어 피스톤의 종축선(왕복동 축선)에 대하여 경사지게 배열된다.
더욱이 왕복동 피스톤엔진은 회전대칭형의 외부커버를 갖는 로터하우징을 갖는다. 첫째로, 이는 이와 같이 함으로서 로터하우징의 불균형을 방지할 수 있도록 하는 잇점을 갖는다. 그 이유는 왕복동 피스톤엔진의 해당 구성요소가 고속회전속도, 예를 들어 5000~8000 min-1, 특히 12000 min-1(분당 회전수)의 고속회전속도에서 비평형 토크가 발생되는 것을 방지하기 위하여 서로 대향되고 쌍으로 배열되는 것이 좋기 때문이다. 구성요소의 배열은 로터하우징의 회전에 기초하여 발생되는 힘이 서로 보상될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 회전대칭형의 외부커버는 로터하우징의 연소실에서 가스공급과 가스배출이 특히 기밀하게 이루어질 수 있도록 한다. 왕복동 피스톤엔진의 한 실시형태는 로터하우징의 외부커버에 회전형 가스교환/밀폐시스템을 가지며, 그 표면은 로터하우징의 외부커버에 방사상으로 근접, 즉 밀폐가능하게 인접한다. 만약 로터하우징이 커버하우징에 배치되는 경우, 이 위치에서 회전가능하게 재가된 가스교환/밀폐시스템이 커버하우징과 로터하우징 사이를 밀폐한다.
로터하우징은 이 로터하우징의 외부커버에 대향되게 배치된 적어도 오목면을 갖는 커버하우징에 배치되는 것이 좋다. 가스교환/밀폐시스템은 로터하우징의 연소실이 각 행정, 즉 흡기, 압축, 폭발 및 배기중에 밀폐가 이루어지도록 구성되어 있다. 아울러, 밀폐시스템은 유입 및 유출가스의 공급/배출을 통하여 연소실의 완전한 충전/배기가 이루어질 수 있도록 한다. 이를 위하여, 예를 들어 커버하우징에는 연소실이 충전 및 배출이 이루어질 수 있도록 하는 제어채널이 배치된다. 제어채널은 로터하우징의 외부커버에 대향하는 면을 따라서 또는 로터하우징의 측면을 따라서 배치된다. 이는 또한 가스교환/밀폐시스템의 경우에도 마찬가지다. 회전형 가스교환/밀폐시스템에 의하여, 특히 슬리트 형태의 제어채널은 비교적 길며, 예를 들어 이들은 배출채널을 통하여 회전각도 10°~ 30°의 범위로 연장되거나 또는 예를 들어 유입채널을 통하여 회전각도 120°까지 또는 그 이상으로 연장될 수 있으며, 유입채널은 배출채널 보다 실질적으로 긴 것이 좋다. 제어채널의 깊이와 폭 그리고 제어채널 사이의 거리는 왕복동 피스톤엔진의 크기에 따라서 달라질 수 있다. 제어채널은 유입조건과 유입 및 유출 중에 각 압력에 적당히 적응될 수 있다.
가스교환/밀폐시스템은 압력하에 로터하우징의 외부커버에 편심되게 부착된 방사상 이동가능하고 회전가능한 슬라이드부재를 갖는다. 이 슬라이드부재는 예를 들어 로터하우징의 외부커버에 편심되게 배치된 슬로트에 고정된다. 롤러형태인 슬라이드부재는 대향된 커버 챔버에 대하여 로터 챔버를 밀폐한다. 이는 구형의 형태로 되어 있다. 아울러 슬라이드링은 적어도 하나의 밀폐편, 좋기로는 두개의 밀폐편을 갖는다. 밀폐편은 커버하우징에 접촉하여 밀폐효과를 보이도록 한다. 이와 같은 방법으로 점화플러그가 배치된 점화채널의 오버플로우가 있는 경우에도 기밀한 밀폐가 이루어질 수 있도록 한다. 예를 들어, 두개의 밀폐편이 원형의 슬라이드링에 배치될 때 제1밀폐편이 제2밀폐편을 둘러싼다. 이들 밀폐편은 서로 원형으로 배열된다. 또한 슬라이드링은 방사상 운동에 북하여 축방향 운동을 수행한다. 축방향 운동은 축방향 회전운동이다. 이를 위하여, 슬라이드링은 편심되게 착설되고 커버하우징의 표면에 대하여 배치됨으로서 커버하우징이 슬라이드링에서 회전운동을 하게 된다. 회전운동은 예를 들어 이에 의하여 방사상의 힘에 의해 이물질이 외부로 옮겨짐으로서 이물질이 이동경로로부터 제거될 수 있도록 하는 잇점을 준다.
로터하우징의 토크를 줄이기 위하여, 출력드라이브는 로터하우징에 플랜지로 착설되는 것이 좋다. 이는 예를 들어 변속기어, 좋기로는 유성기어에 의하여 이루어진다. 이는 회전수를 증가시키고 또한 회전수를 감소시킬 수 있도록 한다. 특히 왕복동 피스톤엔진에 부가하여 적어도 하나의 왕복동 피스톤엔진이 하나의 축에 전후로 다단배열되게 부가적으로 배치될 때 원활한 작동이 이루어질 수 있다. 예를들어, 이는 제1 왕복동 피스톤엔진이 부분행정에 대하여 제2 왕복동 피스톤엔진로부터 180°위상차를 두고 배치될 수 있도록 한다. 이는 제1 및 제2 왕복동 피스톤엔진가 동시점화될 때 작동의 원활성을 개선한다. 다른 실시형태로서 하나의 축에 다단으로 배열되거나 서로 분리되게 배열된 다수의 왕복동 피스톤엔진은 독립적으로 작동될 수 있도록 할 수 있다. 이는 또한 왕복동 피스톤엔진의 점화가 하나의 실린더에 대하여 트리거될 수 있도록 한다. 이는 예를 들어 모터 차량에서 잘 알려진 바와 같이 왕복동 피스톤엔진를 이용할 때 감속시에 연료를 절약할 수 있도록 한다. 또 다른 실시형태는 점화될 매체와 공급되는 공기의 유입과 유출을 위한 수정된 유입 및 유출공을 갖는다. 이러한 수정은 예를 들어 스로틀의 단면을 수정하여 이루어질 수 있다. 스로틀 단면은 요구된 출력에 맞추어 엔진제어유니트에 의하여 제어 또는 조절된다.
피스톤과 기타 다른 가동요소가 마찰없이 작동될 수 있도록 하기 위하여, 왕복동 피스톤엔진은 이 왕복동 피스톤엔진의 설치위치에 관계없는, 즉 위치에 무관한 윤활시스템을 갖는다. 이 윤활시스템은 위치에 무관한 강제순환형 오일윤활시스템으로서 구성된다. 오일은 환상 기어펌프에 의하여 오일링으로부터 흡인된다. 펌프 하우징내의 압력방출밸브는 오일압력을 제한하고 과잉의 오일을 펌프의 흡입채널로 회수될 수 있도록 한다. 압력채널로부터 오일은 오일필터를 통하여 오일강제공급노즐측으로 안내한다. 이로부터, 윤활용 오일은 로터하우징으로 이동한다. 로터하우징은 회전가능하게 재가된 다수의 윤활채널을 갖는다. 이들은 윤활오일은 윤활을 필요로 하는 윤활점으로 분배한다. 원심력에 의하여, 윤활매체, 즉 오일은 외측으로 가압되어 가동구성요소가 로터하우징의 내부로부터 외측으로 윤활처리된다. 이와 같이 함으로서 다른 방식으로 왕복동 피스톤엔진의 회전속도에 잇점을 준다.
오일은 회전가능하게 재가된 다수의 스핀채널을 갖는 로터하우징을 통하여 회수된다. 원심력은 스핀채널을 통하여 윤활오일을 외측으로 가압한다. 오일은 반대측 오일링 통공측으로 투사되고 하측으로 낙하하여 오일링의 폐쇄부분으로 이동한다. 여기에서 다시 윤활싸이클로 복귀공급된다. 이러한 과정은 위치에 무관하게 신뢰가능한 윤활이 이루어질 수 있도록 연속적으로 반복된다. 오일링은 롤러 형태로 360°회전될 수 있으며 커버하우징의 전면에 배치된다. 두개의 밀폐링이 흡기채널에 대하여 오일링을 밀폐하고, 이들은 커버하우징에 고정적으로 착설된다. 흡기채널의 대향측을 밀폐하는 것은 축방향으로 이동가능하고 압축스프링이 구비되어 오일링을 연속적으로 고정하는 밀폐링에 의하여 수행된다. 커버하우징은 주연에 통공을 가지며 이를 통하여 투사된 오일이 오일링 통공측으로 이동된다. 오일링은 두 부분으로 나누어져 있고 제1 오일링 하우징이 제2 오일링 하우징에 연결된다. 그러나, 오일링은 주조품과 같이 단일체로 구성될 수 있다. 부동형(浮動形) 니들밸브가 오일링에 배치되어 부동형 니들밸브와 커버하우징에 형성된 오일회수공이 과잉의 오일을 윤활싸이클로 되돌려 보낸다. 오일링의 폐쇄부분의 체적은 오일링 통공의 체적의 절반보다 작거나 같아야 한다. 이는 불필요한 과잉의 오일이 공급되는 것을 방지하고 모든 형태의 손실을 최소화한다. 오일레벨을 확인하기 위한 검사창이 오일링과 오일링커버에 착설되어 있으며 이 검사창에는 눈금이 표시되어 있다. 오일레벨 자체는 오일링에 배치된 오일충전플러그와 오일배출플러그에 의하여 조절된다.
본 발명에 따른 왕복동 피스톤엔진은 연소매체의 에너지를 기계적인 에너지로 전환시킬 수 있다. 연소를 통하여, 가동피스톤이 배치된 연소실에서 매체가 에너지를 방출하고 피스톤을 통하여 연소로부터 얻는 압력에너지를 기계적인 에너지로 전화시킨다. 압력에너지는 고정축에 토크를 발생하고 이는 고정축을 중심으로 하여 연소실과 피스톤을 갖는 연소공간의 회전이 이루어질 수 있도록 함으로서 기계적인 에너지가 이 회전을 통하여 옮겨진다. 이러한 원리는 긴 레버 암의 원운동 또는 가속이 이루어지는 잇점을 가지며 고정축을 중심으로 하여 높은 토크가 발생될 수 있도록 한다.
첨부된 도면은 본 발명에 따른 왕복동 피스톤엔진의 한 실시형태를 보인 것이다. 이들 도면은 연소매체의 에너지가 본 발명의 왕복동 피스톤엔진에 의하여 기계적인 에너지로 전환되는 것을 설명한다.
도 1은 왕복동 피스톤엔진(1)을 보이고 있다.이는 제1 피스톤(2), 제2 피스톤(3), 제3 피스톤(4) 및 제4 피스톤(5)을 갖는다. 이들 피스톤(2)(3)(4)(5)은 왕복동 피스톤엔진(1)의 로터하우징(6)에 90°의 간격을 두고 배열된다. 공간(7)이 로터하우징(6)의 내부에 형성되어 있다. 곡선형 가이드, 즉 컨투어(8)가 이 공간(7)에 배치된다. 각 피스톤(2)(3)(4)(5)이 양방향 화살표로 보인 바와 같이 스트로크를 수행한다. 피스톤(2)(3)(4)(5)은 직선형의 제1가이드(9)를 따라서 작동한다. 제1가이드(9)는 로터하우징(6)의 실린더 유니트에 사용된다. 피스톤(2)(3)(4)(5)은 중앙(중심)에 대칭으로 배치된 원추형 상측부(10)를 구비한 피스톤 헤드를 갖는다. 이 상측부(10)가 연소실의 일부를 구성한다. 도시된 상측부(10)의 원추형 형태는 연소공간내에서 보다 양호한 와류가 형성되고 보다 양호한 혼합이 이루어질 수 있도록 하기 위하여 흡기과정에서 유입되는 연료/공기 혼합물이 경사진 방향에서 유입되도록 하는 각운동이 이루어질 수 있도록 하는 잇점을 제공한다. 따라서 이후에 일어나는 연소가 촉진된다. 연소실을 형성하기 위하여, 원추형 상측부(10)는 다른 형태의 상측부로 대체될 수 있으며 그 구조는 연소될 매체, 즉 연료가 공급되는 방법에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 가솔린엔진이나 디젤엔진에서 전형적인 방법과 같은 다른 주입방법이 이용될 수 있다. 이러한 주입방법은 대형의 저속디젤엔진용으로 알려진 6홀 또는 8홀의 주입노즐을 이용하고 공기의 와류가 일어나지 않는다. 3홀 또는 5홀의 주입노즐이 사용될 수 있는 바, 직접주입중에 각 피스톤(2)(3)(4)(5)으로 유입되는 와류형태의 연소공기가 흡기부재의 적당한 형상에 의하여 혼합이 이루어질 수 있도록 한다. 홈통형 연소실측으로 단일 홀 형태의 노즐을 편심되게 배치하여 연소실벽에 연료를 주입할 수도 있다. 직접주입방법에 부가하여, 와류실 또는 예연소실과 같은 2차연소실의 연소방법이 이용될 수 있다. 만약 왕복동 피스톤엔진(1)이 적당히 설계된다면, 점화성 혼합물이 점화플러그에서 내부혼합에 의하여 이루어지는 주입혼합물의 층화(層化)가 이루어지는 반면에 연소실의 다른 영역에서는 고갈된 혼합이 일어날 것이다.
또한 왕복동 피스톤엔진(1)은 다중연료형 엔진으로서도 사용될 수 있다. 왕복동 피스톤엔진(1)의 높은 압축비, 예를 들어 γ=14 부터 γ=25 또는 그 이상인 높은 압축비 때문에 엔진에 무리없이 매우 상이한 품질의 연료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 점화를 유지하기 위하여 연소실에 직접 주입되는 총연료량의 5~10%의 부가적인 연료만으로 점화가 이루어질 수 있도록 하는 내부혼합방식이 이용된다. 후자의 경우에 있어서 외부혼합방식이 이용될 수도 있다. 이와 같이, 왕복동 피스톤엔진(1)는 다양한 종류의 연료가 사용될 수 있다. 이러한 연료는 통상적인 가솔린 또는 디젤연료에 부가하여 알코올 또는 수소와 같은 가스를 포함한다. 연소과정에 필요한 구성부품은 로터하우징(6)이 배치된 커버하우징(도시하지 않았음)에 설치된다.
여러 연소방법에 부가하여, 왕복동 피스톤엔진(1)이 여러 과급방법에 의하여 그 작동이 유지될 수 있다. 이를 위하여서는 압력맥동식 흡기매니폴드 과급방식, 공진급기방식과, 그 유도파이프 길이가 플랩의 개폐에 의한 회전수에 따라서 달라지는 플랩전환형 과급시스템이 적합하다. 공기유도역학(에어컬럼의 파동)을 이용하는 이들 과급시스템에 부가하여, 정변위 과급기와 같은 기계적인 과급시스템이 피스톤, 베인 또는 루츠(Roots)의 형태로 사용될 수 있다. 또한 배기가스 터보차저방식이 이용될 수 있는 바, 사용될 배기가스터빈이 왕복동 피스톤엔진(1)의 회전수에 따라서 그 작동이 단속될 수 있다. 배기가스 터보차저방식에 부가하여, 압력파 과급기를 이용한 압력파 과급방식이 또한 이용될 수 있다. 더욱이 적당한 과급은 왕복동 피스톤엔진(1)을 위한 차저-에어 냉각방식을 이용함으로써 유지될 수 있다. 이와 같이 함으로써 아주 높은 압축이 이루어질 수 있다. 이에 상응하는 과급유니트가 회전에너지를 이용할 수 있도록 로터하우징(6)에 직접 또는 간접적으로 연결된다.
도 1에서 보인 피스톤(2)(3)(4)(5)은 제1피스톤링(11)과 제2피스톤링(12)을 갖는다. 이들 피스톤링(11)(12)은 공간(7)으로부터 연소실(13)을 밀폐한다. 예시된 실시형태에 따라서, 제2피스톤링(12)은 오일스크랩퍼링의 기능을 수행한다. 피스톤(2)(3)(4)(5)을 윤활시키기 위한 오일은 공간(7)의 내부영역으로부터 제1가이드(9)를 향하여 외측으로 이동한다. 더욱이, 피스톤은 팽창제어인서트를 가지므로서 여러 재질과 이에 따른 여러 팽창계수가 고려될 수 있다. 예를 들어, 로터하우징(6)과 제1가이드(9)는 알루미늄으로 제작된다.
더욱이, 도 1에서 보인 바와 같이, 피스톤(2)(3)(4)(5)은 커넥팅로드(15)와 함께 밀폐부재(14)를 구성한다. 커넥팅로드(15)는 피스톤(2)(3)(4)(5)에 직접 연결되며 이들 모두는 서로 견고하게 결합된다. 컨투어(8)의 구조는 피스톤(2)(3)(4)(5)이 직선형으로 안내될 수 있도록 한다. 예를 들어, 커넥팅로드에 피스톤 핀과 그 베어링이 없이 안내될 수 있다. 또한 컨투어(8)는 결합과 함께 왕복동 피스톤엔진(1)에서 피스톤을 안내하기 위한 직선형 가이드를 제공하기 위하여 곡선형의 가이드부재를 갖는다. 더욱이 커넥팅로드(15)에는 커넥팅로드베어링(17)을 위한 통공(16)이 형성되어 있으며 커넥팅로드 베어링(17)에는 스페이서 샤프트(18)가 삽입되어 있다. 이 스페이서 샤프트(18)는 컨투어(8)를 커넥팅로드(15)에 연결한다. 스페이서 샤프트(18)는 피스톤(2)(3)(4)(5)의 중심에 대하여 편심되게 배치된다. 이와 같이 하여 커넥팅로드(15)는 레버암을 구성한다. 커넥팅로드(15)는 단면이 봉형인 것이 좋다. 이는 삽입이 용이하도록 하고 압력의 전달이 양호하게 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 도 1은 가이드부재(19)가 커넥팅로드(15)에 견고히 고정된 것을 보이고 있다. 가이드부재(19)는 제2가이드(20)에 설치된다. 제2가이드(20)는 로터하우징(6)에 배치되는 부싱이다. 베어링(21)이 가이드부재(19)의 둘레에 배치된다. 베어링(21)은 제2가이드(20)에서 가이드부재(19)가 최대한 마찰이 없는 운동이 이루어질 수 있도록 한다. 베어링(21)은 롤링 베어링으로 구성되는 것이 좋다. 가이드부재(19)가 밀폐부재(14)와 함께 레버 시스템을 형성하므로, 특히 베어링(21)은 레버 시스템에 따라서 발생하는 압력을 로터하우징(6)에 전달할 수 있다. 이와 같이, 베어링(21)은 제2가이드(20)와 가이드부재(19)에 대하여 이동가능하게 되어 있다. 잠금링(22)이 경로제한수단으로서 로터하우징(6)에 배치되어 있어 베어링(21)이 로터하우징(6)의 외측을 향하여 방사상으로 이동하지 못한다. 이는 가이드부재(19)가 제2가이드(20)를 통하여 컨투어(8)에서 360°회전될 수 있도록 하나, 힘을 전달하는 제2가이드(20)의 표면이 전부 이용되지는 않는다. 베어링(21)은 제2가이드(20)와 마찬가지로 긴 것이 바람직하다.
도 1은 4개의 각 피스톤(2)(3)(4)(5)이 상이한 작동위치에 있음을 보이고 있다. 화살표는 회전방향을 나타낸다. 제1피스톤(2)은 흡기행정의 초기위치에 있고, 제2피스톤(3)은 흡기행정의 종료단계에 있으며, 제3피스톤(4)은 점화종료단계에 있고, 제4피스톤(5)은 작동상태에 놓여 있다. 피스톤(2)(3)(4)(5)의 각 위치에 대응하여, 가이드부재(19)는 제2가이드(20)에서 상이한 위치에 놓여 있다. 그러나, 베어링(21)은 제2가이드(20)를 통하여 방사상 내측으로 돌출되는 크기를 갖는다. 베어링(21)이 왕복동 피스톤엔진(1)이 공전시에도 컨투어(8)에 부딪치지 않도록, 이에 상응하는 경로제한수단이 제공된다. 이는 구조적인 돌출부에 의하여 가이드부재(19)상에 구성되어 있다. 또한, 제2가이드(20)는 그 자체가 경로제한수단을 갖는다. 베어링(21)은 윤활처리되는 것이 바람직하다. 윤활제는 충분한 윤활오일을 모든 구성부품에 공급하는 오일강제공급노즐(58)을 이용하여 공급된다.
더욱이, 도 1은 컨투어가 제1세그먼트(A), 제2세그먼트(B) 및 제3세그먼트(C)를 갖는 것을 보이고 있다. 이들 각 세그먼트는 곡선형이다. 곡률은 가이드부재(19)와 피스톤(2)(3)(4)(5)이 제1가이드(9) 또는 제2가이드(20)를 따라서 직선형으로 이동할 수 있도록 되어 있다. 제3세그먼트(C)는 작동단계중에 특히 피스톤(2)(3)(4)(5)이 제1가이드(9)내에서 그 위치가 거의 일정하게 유지될 수 있도록 적어도 부분적으로 구성된다. 이는 특히 연소실(13)에서 고압이 발생될 수 있도록 한다. 밀폐부재(14)와 가이드부재(19)로 구성되는 레버 시스템을 통하여, 로터하우징(6)에 큰 토크를 전달할 수 있도록 한다. 제4세그먼트(D)에서, 컨투어(8)는 피스톤(2)(3)(4)(5)이 제어되는 형상을 가지므로서 연소된 가스가 연소실(19)로부터 유출될 수 있도록 한다. 이를 위하여, 세그먼트(D)에서 컨투어(8)는 거의 직선영역을 갖는다. 더욱이 컨투어(8)는 피스톤이 상사점과 하사점에서 경사지는 것을 방지될 수 있도록 구성된다. 이는 잡음이 감소될 수 있도록 한다. 아울러 실린더벽(9)에서 피스톤(2)(3)(4)(5)의 측방향 압력이 최소화된다.
더욱이 도 1은 가스교환/밀폐시스템(23)의 슬라이드부재(24)를 보이고 있다.이 가스교환/밀폐시스템(23)은 로터하우징(6)의 외부 커버(23a)에 배치된다. 이는 가스교환/밀폐시스템(23)이 로터하우징(6)에 회전가능하게 재가될 수 있도록 한다. 가스교환/밀폐시스템(23)은 슬로트(26)내에서 일측 실린더단부(25)에 편심되게 탄력적으로 고정되고 연소실(13)에 대하여 밀폐상태로 놓이는 롤러형의 슬라이드부재(24)를 갖는다. 슬라이드부재(26)는 제1밀폐편(28)과 제2밀폐편(29)을 갖는 롤러형 슬라이드링(27)을 갖는다. 슬라이드링(27)은 커버하우징(30)의 표면에 대향되게 배치될 수 있게 되어 있다. 각 슬라이드부재(24)가 점화플러그(32)가 배치된 점화채널(31)을 통하여 오버플로우된 경우, 점화플러그(32)가 원형의 제1밀폐편(28)내에 배치될 때까지 점화가 일어나지 않는다. 커버하우징(30)에서 점화채널(31)의 구조는 양 밀폐편(28)(29)이 밀폐될 수 있도록 구성되는 것이 좋다. 이와 같이, 슬라이드부재(24)는 안전잠금장치의 형태로 작용하고, 점화채널(31)이 오버플로우될 때, 일부의 가스가 제1밀폐편(29)을 통하여 방출되는 경우, 이는 제2밀폐편(29)을 통하여 포착될 수 있다. 슬라이드부재(24) 자체는 슬로트(26)내에서 압축된 가스가 슬로트(26)를 따라서 측방향으로 방출되지 않도록 구성된다. 이를 위하여, 슬로트(26)는 예를 들어 하나 이상의 밀폐링을 갖는다. 슬라이딩부재(24)의 탄성베어링 때문에, 이러한 위치에서 유입채널(33)과 유출채널(34) 그리고 점화채널(31)이 커버하우징(30)의 표면측으로 반대압력에 의하여 오버플로우될 때 밀폐가 이루어질 수 있도록 한다.
유입가스의 공급과 배출을 통하여, 밀폐시스템(23)은 연소실의 거의 완전한 충전/배기가 이루어질 수 있도록 한다. 이를 위하여, 예를 들어 커버하우징(30)에는 연소실이 충전되고 배기되는 제어채널(33)(34)이 배치된다. 제어채널(33)(34)은 로터하우징(6)의 외부커버(23a)에 대향하는 표면을 따라 배치된다. 이는 또한 가스교환/밀폐시스템(23)에도 적용된다. 회전형 가스교환/밀폐시스템(23)에 의하여, 제어채널(33)(34)은 비교적 길다. 유입채널(33)은 유출채널(34) 보다 길다. 제어채널(33)(34)의 깊이와 제어채널(33)(34)의 폭, 그리고 제어채널(33)(34) 사이의 거리는 왕복동 피스톤엔진의 크기에 따라서 달라진다.
도 2는 도 1에 따른 왕복동 피스톤엔진(1)의 측단면을 보인 것이다. 이는 가스교환/밀폐시스템(23)이 밀폐동체(35)를 갖는 것을 보이고 있다. 밀폐스트립(36)은 밀폐동체(35)에 배치된다. 밀폐스트립(36)은 측부밀폐스프링(37)을 이용하여 압력하에 방사상으로 배치된다. 밀폐동체(35)는 그 자체는 밀폐스트립(36)에 압력을 가할 수 있다. 압력은 주연방향으로 가하여진다. 이를 위하여, 각 밀폐동체(35)는레그스프링(38)을 재가한다. 이와 같이 레그스프링(38)은 슬리이드링(27)/슬라이드부재(24)와 슬라이드부재(24)에 인접한 밀폐스트립(36) 사이를 밀폐한다. 슬라이드부재(24)는 편심되게 배치되며 그 편심도는 각도 α로 표시하였다. 밀폐동체(35), 밀폐스트립(36) 및 측부밀폐스프링(37)은 로터하우징(6)의 외부커버(23a)에 고정되어 있다. 이는 가스교환채널과 연소실(13)이 완전히 밀폐되게 한다. 이러한 밀폐는 로터하우징(6)이 점화채널(31)/점화플러그(32)를 통과할 때 이루어질 수 있다. 이와 같이 가스교환/밀폐시스템(23)은 연소공간을 밀폐하고 가스교환시에 밀폐가 이루어질 수 있도록 한다. 또한 가스교환/밀폐시스템(23)은 가스가 방사상 통공을 통하여 유입 및 유출될 수 있도록 한다. 이는 통상적인 왕복동 피스톤엔진에서는 필요하였던 완벽한 제어유니트가 필요없도록 하여 구성부품의 수를 줄이고 양호한 가스교환이 이루어질 수 있도록 한다. 도 1에서 보인 왕복동 피스톤엔진(1)은 4 행정(흡기, 압축, 폭발, 배기)으로 작동한다. 따라서, 로터하우징(6)이 1회전하는 동안에 두개의 피스톤, 예를 들어 피스톤(2)(3)이 1회의 작동 싸이클을 완료한다.
왕복동 피스톤엔진(1)은 두 부분으로 나누어진 커버하우징(30)을 갖는다. 제1 커버하우징부분(39)은 제2 커버하우징부분(40)에 연결되어 있다. 회전형 로터하우징(6)이 이 커버하우징(30)내에 배치된다. 이 로터하우징(6)도 두 부분으로 나누어져 구성되는 것이 좋다. 제1 로터하우징부분(41)이 제2 로터하우징부분(42)에 연결된다. 로터하우징(6)의 외부커버(23a)에 대향하는 커버하우징(30)의 표면은 만곡형, 실제로는 요입형이다. 밀폐에 관한 한 이러한 표면의 구상구조는 가스교환/밀폐시스템(23)에 의하여 기밀한 밀폐가 용이하게 이루어져 가스교환/밀폐시스템(23)을 위한 제조허용공차가 가동부분이 갖는 운동의 자유도에도 불구하고 기능공간이 적절히 밀폐될 수 있도록 선택될 수 있는 잇점을 갖는다. 더욱이, 커버하우징(30)에는 포트(43)가 형성되어 있다. 이는 배출채널(34)을 위한 포트이다. 도 1에서만 도시하고 커버하우징(30)에서 멀리 연장된 유입채널(33)은 피스톤에 대향되게 배치되어 가스가 편심방향에서 공급될 수 있게 되어 있다. 이와 같은 방법으로 가스가 유입될 때 와류효과가 발생된다. 편심도는 각도 α로 표시하였다.
아울러, 도 2에서는 컨투어(8)를 따른 커넥팅로드 또는 피스톤의 안내상태를 보이고 있다. 컨투어(8)는 하나의 편심디스크(44)와 상호 대향된 캠디스크(45)(46)에 배치된 두개의 슬로트(47)에 의하여 구성된다. 슬로트(47)내에는 스페이서 샤프트(18)가 배치되어 있으며 그 단부(48)(49)는 각각 롤링 베어링(50)을 갖는다. 이 롤링 베어링(50)에는 롤러(51)가 착설되어 있다. 롤러(51)와 스페이서 샤프트(18)는 컨투어(8)를 따라 연장되어 있다. 니들베어링(17)이 커넥팅로드 베어링과 같이 스페이서 샤프트(18)에 배치되어 있다. 이는 특히 높은 축지지력을 받아 전달할 수 있는 특징이 있다. 이는 레버 시스템 때문에 힘과 토크가 밀폐부재와 가이드부재(19)로부터 발생될 수 있는 잇점을 갖는다. 슬로트(47)의 외부측면부에는 피스톤(2)(3)(4)(5)의 원심력이 가하여지므로서 편심디스크(44)의 곡선측면부에는 가스의 힘이 가하여진다. 롤러(51)는 슬로트(47)의 내부곡선측면부에 대하여 유동한다. 이는 그 자신의 축선을 중심으로 하여 1회전하므로, 외부곡선측면부를 따라서 구를 때 다른 곡선측면부에 대하여 상이한 방향으로 향한다. 이러한 유동은 슬로트(47)의 두 측면부가 서로 어긋나 있고 각 측면부가 스페이서 샤프트(18)에 자신의 롤러(51)를 가지므로 편심디스크(44)를 이용하여 방지될 수 있다. 그리고 롤러(51)는 반대회전방향으로 구르고 이러한 상태가 영구적으로 유지될 수 있다. 캠디스크(45)(46)는 편심디스크(44)에 대향되게 배치되고 컨투어가 상대측에 볼트로 체결되어 고정될 수 있다. 캠디스크(45)(46)와 편심디스크(44)는 하우징 커버(52)를 통하여 커버하우징(30)에 견고히 연결된다. 또한 캠디스크(45)(46)와 편심디스크(44)는 롤링 베어링(53)의 형태인 로터하우징 베어링을 지지한다.
도 2는 윤활시스템(54)을 보이고 있다. 이 윤활시스템(54)은 로터하우징(6)과 커버하우징(30)내에 배치되고 오일펌프(55)를 갖는다. 이는 구동판(56)을 통하여 로터하우징(6)에 결합되어 구동된다. 윤활시스템(54)은 왕복동 피스톤엔진의 설치위치에 관계없이, 즉 위치에 무관하게 강제순환방식의 오일윤활시스템으로서 구성된다. 오일은 환상 기어펌프(55)에 의하여 오일링(57)으로부터 흡인되며 펌프 하우징내의 압력방출밸브는 오일압력을 제한하고 과잉의 오일이 펌프의 흡입채널측으로 회수된다. 압력채널로부터 오일은 오일필터를 통하여 오일강제공급노즐(58)측으로 안내된다. 이로부터, 윤활오일은 로터하우징(6)으로 이동한다. 설명을 간단히 하기 위하여, 압력방출밸브, 오일필터 및 오일채널은 도면에서 상세히 도시하지 않았거나 아주 도시하지도 않은 경우도 있다.
로터하우징(6)은 회전가능하게 재가된 다수의 윤활채널(59)을 갖는다. 이들은 윤활오일을 윤활이 요구되는 윤활점으로 분배한다. 원심력에 의하여 윤활매체, 즉 오일은 외측으로 가압되어 가동구성요소가 로터하우징(6)의 내부로부터 외측으로 윤활처리된다. 이와 같이 함으로서 다른 방식으로 왕복동 피스톤엔진의 회전속도에 잇점을 준다. 오일은 회전가능하게 재가된 다수의 스핀채널(60)을 갖는 로터하우징(6)을 통하여 회수된다. 원심력은 스핀채널(60)을 통하여 윤활오일을 외측으로 가압한다. 오일은 반대측 오일링 통공(61)측으로 투사되고 하측으로 낙하하여 오일링(57)의 폐쇄부분으로 이동한다. 여기에서 다시 윤활싸이클로 복귀공급된다. 이러한 과정은 신뢰가능한 위치무관형의 윤활이 이루어질 수 있도록 연속적으로 반복된다.
오일링(57)은 롤러(62)의 형태로 360°회전될 수 있으며 제1 커버하우징 부분(39)에 배치된다. 두개의 밀폐링(64)이 흡기채널(63)에 대하여 오일링(57)을 밀폐하고, 이들은 제1 커버하우징 부분(39)에 고정적으로 착설된다. 흡기채널(63)의 대향측을 밀폐하는 것은 축방향으로 이동가능하고 압축스프링(65)이 구비되어 오일링(57)을 연속적으로 고정하는 밀폐링(66)에 의하여 수행된다. 제1 커버하우징 부분(39)은 주연에 통공(68)을 가지며 이를 통하여 투사된 오일이 오일링 통공(61)측으로 이동된다. 오일링(57)은 두 부분으로 나누어져 있고 제1 오일링 하우징(69)이 제2 오일링 하우징(70)에 연결된다. 그러나, 오일링(57)은 주조품과 같이 단일체로 구성될 수 있다. 부동형 니들밸브(71)가 오일링(57)에 배치된다. 부동형니들밸브(71)와 제1 커버하우징 부분(39)에 형성된 오일회수공(72)이 과잉의 오일 또는 누설된 오일을 윤활싸이클로 되돌려 보낸다.
왕복동 피스톤엔진(1)이 기동될 때 적절한 오일압력을 갖도록 하기 위하여, 예를 들어 오일축적탱크를 가질 수 있다. 이는 왕복동 피스톤엔진(1)이 작동될 때 항상 일정한 압력하에 유지될 수 있도록 한다. 이러한 압력은 왕복동 피스톤엔진(1)의 작동이 중지되었을 때에도 감소되지 않는다. 반대로, 이러한 압력은 왕복동 피스톤엔진(1)이 기동될 때까지 방출되지 않는다. 또한 로터하우징(6)으로부터 분리된 오일펌프를 제공할 수 있다. 이는 예를 들어 배터리와 같은 외부에너지원을 통하여 공급될 수 있다. 다른 실시형태는 오일펌프가 외부에너지원 또는 왕복동 피스톤엔진(1) 자체를 통하여 공급될 수 있다. 사전에 결정된 시간에 일측 에너지원으로부터 타측 에너지원으로 전환될 수도 있다.
도 2는 왕복동 피스톤엔진(1)의 출력드라이브(73)를 보이고 있다. 이 출력드라이브(73)는 기계적인 에너지가 공급되는 장치에 직접 작용한다. 더욱이, 이는 결합이 가능하도록 되어 있다. 다른 실시형태에서는 기어가 제공된다. 이러한 기어는 유성기어(74)이다. 다른 잇점은 무한변속기가 사용될 때 얻을 수 있다.
그리고 왕복동 피스톤엔진(1)은 정속에서 작동될 수도 있다. 에너지가 공급되는 장치의 요구된 속도는 무한변속기에 의하여 조절된다. 이와 같이 함으로서 토크를 변경시킬 수 있다. 무한변속기를 사용하는 것에 부가하여, 기어스텝을 갖는 기어를 사용할 수 있다.
도 3은 도 1과 도 2에서 보인 바와 같은 왕복동 피스톤엔진(1)의 일부를 보인 것이다. 이 도면에서는 밀폐부재(14), 가이드부재(19) 및 컨투어(8)로 구성되는 레버 시스템을 보이고 있다. 이 레버 시스템의 롤러(51)는 높은 토크가 로터하우징(6)에 전달되는 상태로 컨투어(8)를 따라서 배치된다. 이러한 전달은 예를 들어 크기에 따른 힘의 삼각형으로 나타낼 수 있다. 예를 들어 2600 N인 최대의 가스힘 F1이 피스톤(2)(3)(4)(5)에 작용하는 경우, 피스톤(2)(3)(4)(5)의 구조에 기초한 역학효과에서 피스톤 중심축선과 롤러 축선사이의 예를 들어 38 mm인 거리 l2는 약 34°인 각도 β로 계산된 역학효과방향으로 향한다. 이때에 로터하우징(6)에 작용력을 전달하는 가이드부재(19)에서는 힘 F2가 약 3850 N이다. 평균길이 L1은 약 25mm로 추정된다(유효 센터 레버 암). 이러한 예를 이용하여, 피스톤(2)(3)(4)(5)에 작용하는 힘이 토크를 증가시키기 위하여 레버 시스템에 의하여 사용되는 방법이 설명될 수 있다. 힘 F1=2600 N이 힘 F2=3850 N으로 증가하는 것은 이 경우의 예일 뿐이다. 피스톤(2)(3)(4)(5) 또는 가이드부재(19)에서 레버경로와 힘전달면에 대한 수정에 따라서, 가장 적당한 토크가 각 구성요소를 위하여 사용된 재질에 의한 응력을 고려하여 조절될 수 있을 것이다. 도 3에서 보인 피스톤(2)(3)(4)(5) 및 가이드부재(19)의 선형 가이드에 부가하여, 컨투어(8)의 적당한 적용으로 가이드부재(19) 또는 피스톤(2)(3)(4)(5)의 곡선형 가이드가 그 자체로서 또는 조합되어 제공될 수 있다. 이를 위하여, 컨투어(8)는 360°회전에서 피스톤(2)(3)(4)(5) 및 가이드부재(19)가 이들의 가이드를 따라서 운동할 수 있도록 적당히 구성된다. 이는 또한 레버 시스템에 대한 힘전달효과를 적당히 조절하기 위하여 피스톤 표면의 구조를 이용할 수 있도록 한다. 이와 같이, 피스톤 축선에 중심이 벗어난 위치에서 힘이 전달될 수 있도록 한다. 예를 들어 피스톤 중심축선에 편심으로 레버 시스템에 대한 힘의 전달은 특히 큰 레버 암을 얻기 위한 외부피스톤영역에서 이루어질 수 있다. 이는 예를 들어 피스톤(2)(3)(4)(5)의 적당한 표면설계를 이용하여 이루어진다. 가이드부재(19)가 힘전달을 위하여 방사상 외측으로 더욱 연장되었을 때 더욱 유용하다. 이는 토크효과를 개선한다. 특히, 가이드부재(19)의 방사상 연장부를 이용하여 가이드부재(19)의 표면에서 힘의 적분은 균일한 증가함수 또는 지수함수를 갖도록 설계될 수 있다.
도 4는 도 3의 평단면도를 보인 것이다. 컨투어(8)에 인접한 롤러(51)는 예를 들어 800 N의 원심력 F3를 통하여 컨투어에 대하여 가압된다. 원심력은 회전속도에 비례한다. 제1 캠디스크(45)와 제2 캠디스크(46)는 이들에 대하여 이러한 원심력이 가하여질 수 있게 되어 있다. 작동싸이클에서, 편심디스크(44)의 컨투어(8)에 인접한 롤러(51)는 예를 들어 2600 N의 가스힘 F1을 이용하여 가압된다. 편심디스크(44)는 이러한 가스힘이 가하여질 수 있게 구성된다. 만약 레버 시스템이 적당한 구성요소를 갖는 경우, 이는 다른 크기로서 왕복동 피스톤엔진(1)에 적용될 수 있다. 가이드부재(19)는 단일체이며 부싱 처럼 레버 시스템에 볼트로 체결될 수 있다. 이는 특히 모듈화된 구성시스템이 이용될 수 있도록 한다. 모듈화된 구성시스템은 예를 들어 피스톤, 커넥팅로드, 베어링, 롤러, 편심디스크, 캠디스크 등을 포함한다.
도 5는 도 2에서 보인 가스교환/밀폐시스템(23)을 보이고 있다. 도 5에서 보인 바와 같이, 이 가스교환/밀폐시스템(23)는 4개의 슬라이드부재(24), 8개의 밀폐동체(35), 16개의 밀폐스트립(36)과, 16개의 측부밀폐스프링(37)을 갖는다. 밀폐스트립(36)은 밀폐동체(35)와 슬라이드부재(24)에 밀착결합된다. 측부밀폐스프링(37)은 밀폐동체(35)와 밀폐스트립(36)에 방사상 압력을 가한다.
도 6은 도 5의 슬라이드부재(24)를 분해하여 보인 것이다. 이 슬라이드부재(24)는 롤러형 슬라이드링(27)을 가지며 이에 제1밀폐편(28)과 제2밀폐편(29)이 배치되어 있다. 슬라이드링(27)은 볼케이지(75), 레이스(76) 및 컵 스프링(77)과 함께 고정되어 실린더에 형성된 슬로트(26)에 삽입되는 슬라이드부재를 고정하기 위한 방사상 압력장치로서 사용된다. 내부밀폐링(78)이 연소실(13)에 대하여 슬라이드부재(24)를 밀폐한다. 도 6은 슬라이드부재(24)가 고정되는 방법과 슬라이드부재(24)가 연소실(13)로부터 밀폐되는 방법을 보이고 있다.
도 7은 도 5에서 보인 밀폐동체(35)를 상세히 보인 것이다. 밀폐동체(35)는 실린더핀(79)을 통하여 고정되는 레그스프링(38)을 포함한다. 압력이 밀폐동체(35)에 배치될 밀폐스트립(36)에 레그스프링(38)을 통하여 가하여진다. 레그스프링(38)은 밀폐스트립(36)을 외측으로 가압하여 슬로트에서 역학적 효과가 밀폐스트립(36)을 주연방향으로 슬라이드부재(24)에 가압토록 한다. 이는 또한 밀폐스트립(36)을 이들의 위치에서 고정한다. 이와 같은 방법으로 가스교환을 위한 씨일이 제공된다. 아울러, 이는 로터하우징(6)의 내부에 위치하는 구성요소들이 밀폐될 수 있도록 한다. 밀폐동체(35)는 예를 들어 규소질화물로 형성될 수 있다.
도 8은 밀폐스트립(36)을 보이고 있다. 이는 제1단부(80)와 제2단부(81)를 갖는다. 제1단부(80)는 씨일에 해당하는 슬리이드부재(24)에 결합될 수 있게 되어 있다. 또한 제1단부(81)는 레그스프링(38)으로부터 가하여지는 압력을 밀폐스트립(36)에서 제1단부(80)에 균일하게 전달할 수 있게 되어 있다. 밀폐스트립(36)도 규소질화물로 형성될 수 있다.
도 9는 밀폐스트립(36)에 방사상 압력을 가하는 수단을 보인 것이다. 이러한 방사상 압력장치는 측부밀폐스프링(37)의 형태로 되어 있다. 파상형의 형태는 측부밀폐스프링(37)이 주연방향으로 가로질러 분배된 밀폐스트립(36)에 다수의 힘전달점이 작용토록 함을 의미한다. 이는 방사상 방향으로 압력이 균일하게 가하여져 특히 효과적인 밀폐가 이루어질 수 있도록 한다.
도 10은 윤활시스템(54)의 오일링(57)을 보인 것이다. 오일링(57)은 두 부분으로 되어있다. 제1 오일링 하우징(69)이 제2 오일링 하우징(70)에 연결된다. 오일링(57)은 제1세그먼트(E)와 제2세그먼트(F)를 갖는다. 이들은 오일링(57)의 회전축선에 방사상으로 배치되어 있다. 세그먼트(E)는 폐쇄부이고 세그먼트(F)는 오일링(57)의 개방부이다. 오일링(57)의 세그먼트(E)에서 폐쇄부의 체적은 세그먼트(F)의 오일링 통공의 체적의 절반보다 작거나 같아야 한다. 이는 불필요한 과잉의 오일이 공급되는 것을 방지하고 오일 및 유압손실을 최소화한다. 오일회수는 오일링(57)에 배치되고 제1 커버하우징부분(39)의 오일회수공(72)에 배치된 부동형 니들밸브(71)를 통하여 이루어진다. 오일링(57)은 롤러(62)에 구성되어 있어 그 자신의 축선을 중심으로 하여 용이하게 360°회전될 수 있다. 오일레벨을 제어하기 위하여 오일레벨을 측정할 수 있는 눈금이 있는 검사창(82)이 오일링(57)과 오일링 커버에 착설된다. 오일레벨은 오일링(57)에 배치된 오일충전플러그(83)와 오일드레인플러그(84)에 의하여 조절된다.
도 11은 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)으로 구성되는 다단형 구조를 보이고 있다. 이들은 서로 결합되어 있다. 더욱이, 이러한 다단형 구조는 과급장치(85)를 갖는다. 이는 배기가스과급기에 통상적으로 제공되는 차저-에어 냉각기(86)를 포함한다. 왕복동 피스톤엔진에는 윤활장치(87)를 통하여 윤활제가 공급된다. 윤활장치는 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)에 결합되어 이들에 의하여 구동된다. 그리고 윤활장치(87)에 의하여 위치에 무관하게 강제공급에 의한 윤활이 이루어진다. 또한윤활장치(87)가 외부에 설치될 수도 있다. 이 장치에는 배터리와 같은 외부에너지원(88)을 통하여 에너지가 공급될 수 있다. 더욱이, 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)에는 전자유니트(89)가 연결된다. 이 전자유니트(89)는 이들 엔진을 제어 또는 조절한다. 예를 들어, 하나 또는 다수의 이들 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)의 작동은 단속될 수 있다. 또한 전자유니트(89)는 점화를 제어한다. 예를 들어 점화는 그 작동이 단속된다. 더욱이, 전자유니트(89)는 연료저장탱크(90)와 혼합준비장치(91) 등을 통하여 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)에 공급되는 연료의 양을 조절 또는 제어한다. 배기가스처리장치(92)가 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)에 연결될 수 있다. 이는 촉매변환기, 배기가스회수기 등으로 이루어질 수 있다. 이는 연료공급을 통해 전자유니트(89)에 의하여 제어되거나 조절될 수 있다.
연료소비장치(93)가 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)에 연결될 수 있다. 이는 엔진으로부터 얻는 에너지를 전환시킨다. 중계부재(94)가 연료소비장치(93)와 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)사이에 배치된다. 이 중계부재는 커플링, 기어 등으로 이루어진다.
왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)은 하나 또는 다수의 다른 에너지공급장치(95)와 연결되어 사용될 수 있다. 이러한 에너지공급장치는 연료전지, 배터리 등일 수 있다. 또한 에너지공급장치(95)는 연료소비장치(93)에 에너지를 공급한다. 에너지공급장치(95)는 전자유니트(89)를 통하여 하나 이상의 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)과 같이 그 작동이 단속될 수 있다. 예를 들어, 왕복동 피스톤엔진(1a)(1b)(1c)은 기초에너지공급기로서 작용할 수 있다. 에너지공급장치(95)는 필요한 경우에만 작동된다. 그 반대일 수도 있다. 이들 둘은 상호 보완적인 것이다.
이상으로 설명한 바와 같은 왕복동 피스톤엔진은 단독으로 또는 다른 장치와 함께 작동된다. 예를 들어 왕복동 피스톤엔진은 고정시설용의 에너지발생기로서 사용될 수 있다. 예를 들어 이는 대단위 열 및 전력생산용으로 사용될 수 있다. 다른 고정시설용으로서 비상발전기 셋트와 같은 소형 에너지 공급기 또는 운반형 장치에 사용될 수 있다. 더욱이, 그 구성 때문에, 왕복동 피스톤엔진은 상용차, 승용차, 또는 잔디 깍는 기계, 톱과 같은 소형장비에도 사용될 수 있다. 왕복동 피스톤엔진은 모터싸이클과 모페드와 같은 다른 수송수단에도 사용될 수 있다.
이러한 새로운 왕복동 피스톤엔진에서는 연료소모를 줄일 수 있다. 또한 현재나 장래에 있어서 세계적으로 알려진 배기가스규제를 만족시킬 수 있을 것이다. 왕복동 피스톤엔진은 매우 낮은 회전수에서 매우 높은 토크를 발생한다. 따라서 구동성능이 매우 양호하다. 특히 왕복동 피스톤엔진는 근본적으로 소음발생이 적다. 이는 왕복동 피스톤엔진을 소음규제지역에서도 사용할 수 있도록 한다.왕복동 피스톤엔진을 동일한 많은 부품의 모듈화된 시스템으로 구성함으로서 제조코스트를 줄일 수 있다. 작동원리 때문에 예를 들어 밸브트레인과 같은 통상적인 왕복동 피스톤엔진의 복잡한 부품들이 필요치 않다. 그럼에도 불구하고 이들은 신뢰성이 있다. 통상적인 왕복동 피스톤엔진과는 기본적으로 상이한 구성이므로 마모부품이 거의 없다. 이는 유지보수를 용이하게 한다. 아울러, 이는 저렴한 가격으로 부품을 교환할 수 있도록 한다. 왕복동 피스톤엔진은 각 구성요소가 응력하에서 피할 수 없는 열팽창 및 이에 따른 변형이 있다 하여도 밀폐와 윤활이 유지되고 점진적인 마모가 있다 하여도 그 기능이 유지될 수 있게 되어 있다.
왕복동 피스톤엔진의 작동을 위하여 기능상의 원리는 많은 선택이 이루어질 수 있도록 한다. 예를 들어 작동싸이클중에 동일한 실린더 체적에서 연료의 연소가 이루어질 수 있다. 왕복동 피스톤엔진은 작동싸이클중에 가스힘에 대하여 관성력이 작용하지 않게 되어 있다. 별도의 가스교환이 이루어지는 4-행정 방법은 통상적인 피스톤엔진에 비하여 손실이 거의 없다. 레버 시스템과 같이 밀폐부재와 가이드부재를 갖는 피스톤의 구조는 힘전달이 높고 토크가 높도록 한다. 연소공간은 콤팩트하게 유지되어 작은 연소공간표면 만을 필요로 한다. 이로써 왕복동 피스톤엔진은 수냉형 또는 공냉형으로 구성될 수 있다. 피스톤 가이드의 작용점이 로터의 회전지점으로부터 외측에 멀리 떨어져 있어 레버 암과 함께 가스힘을 이용하여 큰 토크가 발생될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 왕복동 피스톤엔진에서는 단 하나의 점화플러그와 하나의 기화기 또는 인젝션 노즐만이 필요하다. 이는 마모되어 유지보수되어야 하는 부품수를 줄일 수 있도록 한다. 연소공간의 밀폐는 회전될 수 있는 슬라이드링에 의하여 이루어진다. 슬라이드링의 이러한 회전으로 연료/공기 혼합물이 와류되어 연소에 유리하게 된다. 커버하우징과 로터하우징 사이의 밀폐는 고정밀폐부재에 의하여 이루어진다. 예를 들어 유성기어와 같은 적당한 기어를 이용하여 왕복동 피스톤엔진의 회전수를 증가시킬 수 있다. 왕복동 피스톤엔진의 다른 잇점과 이용가능성에 대한 융통성은 위치에 무관한 오일공급에 있다. 왕복동 피스톤엔진은 예상되는 모든 설치위치에서 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고 항상 오일공급이 가능하다. 전체적으로, 유입 및 유출채널의 분리는 모든 고정 및 가동요소의 적절한 냉각이 이루어질 수 있도록 한다. 이는 또한 엔진의 다른 가동부분으로부터 연소실을 분리함으로서 유지된다. 이와 같이 본 발명의 왕복동 피스톤엔진은 출력이 높고 기능면에서 고장이 거의 없다.

Claims (15)

  1. 폐쇄형의 곡선가이드를 형성하는 컨투어(8), 이러한 컨투어(8)에 대하여 회전가능하게 배치되고 드라이브 또는 출력드라이브에 작용토크를 전달하는 로터하우징(6), 이 로터하우징(6)내에 배치되고 실린더(9)와 피스톤(2, 3, 4, 5)을 구비하며 실린더(9)에서 피스톤(2, 3, 4, 5)의 활동라인이 로터하우징(6)의 회전축선에 수직인 평면이 놓이고 또한 로터하우징(6)의 회전축선에 직선으로 편심이 되게 놓인 적어도 하나의 유니트(1a, 1b, 1c, 1d), 및 피스톤(2, 3, 4, 5)에 견고히 연결되어 있고 컨투어(8)를 따라서 안내되어 제어된 운동을 피스톤(2, 3, 4, 5)에 전달하는 하나의 커넥팅로드(15)를 구비한 왕복동 피스톤엔진에 있어서, 커넥팅로드(15)에 로터하우징(6)의 각각의 가이드를 따라서 이동가능하게 배치된 가이드부재(19)가 결합되어 있어서, 피스톤(2, 3, 4, 5)이 커넥팅로드(15) 및 가이드부재(19)와 함께 로터하우징(6)의 직선을 따라서 스트로크를 수행할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 왕복동 피스톤엔진.
  2. 제1항에 있어서, 컨투어(8)에서 안내하기 위한 커넥팅로드 베어링(17)이 커넥팅로드(15)와 가이드부재(19)의 연결점 영역에 설치된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가이드부재(19)를 위한 각각의 가이드가 선형이고 그 종축선이 로터하우징(6)의 회전축선과 교차된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  4. 제2항에 있어서, 가이드부재(19)의 선형 가이드(20)가 부싱(20)이고, 롤링 베어링(21)이 가이드부재(19)에 배치되어 있어서 부싱(20)의 종방향으로 이동가능하게 된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  5. 제4항에 있어서, 롤링 베어링(21)이 가이드부재(19)와 부싱(20)에 대하여 이동가능하게 설치되어 있어서, 롤링 베어링(21)이 경로제한수단에 의하여 가이드부재(19)의 종방향의 외측으로 이동되지 않게 된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  6. 제4항에 있어서, 경로제한수단이 로터하우징(6)에 착설된 잠금링(22)인 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 롤링 베어링(21)이 적어도 부싱(20)의 길이만큼 길게 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  8. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더(9)와 피스톤(2, 3, 4, 5)으로 구성되는 4개의 유니트(1a, 1b, 1c, 1d)가 제공되고, 이러한 피스톤의 활동라인이 로터하우징(6)의 회전축선에 수직인 평면에서 상호 90°의 간격을 두고 설치된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  9. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더(9)와 피스톤(2, 3, 4, 5)으로 구성되는 유니트(1a, 1b, 1c, 1d)가 로터하우징(6)이 일회전할 때 적어도 일회의 작동싸이클을 완료할 수 있도록 컨투어(8)가 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  10. 제9항에 있어서, 유니트(1a, 1b, 1c, 1d)의 작동싸이클중에 유니트의 피스톤(2, 3, 4, 5)에 의하여 한정되는 연소실(13)이 적어도 거의 등적을 이루도록 컨투어(8)가 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 컨투어(8)가 편심디스크(44)와 상호 대향된 캠디스크(45, 46)에 형성된 두개의 상응하는 슬로트(47)를 구비하고, 커넥팅로드 베어링(17)이 배치되는 스페이서 샤프트(8)에 슬로트(47)에 고정되는 단부측 롤러(51)가 구비된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  12. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 로터하우징(6)이 그 외부커버(23a)에서 왕복동 피스톤엔진(1)의 커버하우징(30)에 적어도 부분적으로 밀폐되게 인접하는 가스교환/밀폐시스템(23)이 구비된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  13. 제12항에 있어서, 가스교환/밀폐시스템(23)에 압력하에서 방사상으로 이동가능하고 회전가능한 슬라이드부재(24)가 구비된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  14. 제13항에 있어서, 가스교환/밀폐시스템(23)에 슬라이드부재(24)와 밀폐동체(35)에 밀폐되게 결합되는 밀폐스트립(36)이 구비된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
  15. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 위치에 무관한 윤활시스템(54)에 자신의 축선을 중심으로 하여 360°회전가능하게 롤러(62)상에 형성된 오일링(57)이 설치된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진.
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