KR20080054814A - 로터리 엔진 - Google Patents

Abstract

로터리 엔진이 개시된다. 개시된 로터리 엔진은, 하우징과; 상기 하우징 내부에 일측에 구비된 실린더와; 상기 하우징 내부로 상기 실린더의 일측에 회전 가능하게 설치된 로터리와; 상기 하우징에 일정 간격으로 다수개가 설치되어 연료를 분사하는 인젝터와; 상기 하우징의 중앙에서 왕복운동 가능하게 설치된 피스톤과; 상기 피스톤의 왕복운동에 따라 개폐되게 상기 실린더 일측에 설치된 흡기포트, 배기포트;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 출력축 1회전에 6번의 폭발을 낼 수 있는 메커니즘을 구비한 본 발명의 엔진은, 기존의 어떤 엔진보다도 고출력을 낼 수 있고, 또한 로터리의 회전 운동이 출력으로 직접적으로 전달되기 때문에 기존의 왕복형 피스톤기관이나 방켈 엔진에 비해 소음 및 진동이 극히 적은 NVH(Noise Vibration Harshness)가 탁월한 엔진을 구현할 수 있다. 또한 연료를 적게 씀으로써 배기가스의 절대 배출량을 감소시킬 수 있는 청정엔진이기도 하다.

로터리 엔진, 방켈 엔진, 인젝터

Description

로터리 엔진{ROTARY ENGINE}

도 1은 종래의 가솔린용 방켈 엔진의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 본 발명에 따른 로터리 엔진의 구성을 개략적으로 나타내 보인 개략도.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 로터리 엔진을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 동작 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21. 하우징

22. 실린더

23. 흡기포트

24. 배기포트

25. 출력축

26. 로터리

27. 제1인젝터

28. 제2인젝터

29. 제3인젝터

30. 피스톤

본 발명은 로터리 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2행정 왕복 피스톤을 이용하여 엔진 내부에 회전용 로터리와 왕복형 피스톤을 일체형으로 결합하여 연소 시 발생하는 동력으로 로터리를 회전시켜 동력을 얻고 왕복 피스톤은 동력과 상관없이 연료가 연소할 수 있는 환경만을 제공해 주기 위한 로터리 엔진에 관한 것이다.

현재 로터리 엔진이라고 하면 종래의 왕복형 피스톤식 내연기관에 대하여 적당한 회전체를 사용한 엔진을 말하며, 이 중에는 완전한 회전형이 아닌 것도 포함된다.

단순히 로터리 엔진이라고 하면 1959년 독일의 F.방켈이 고안한 방켈 회전형 엔진을 가리키는 경우가 많다. 이 방켈 엔진은 원리적으로는 행정이 작은 왕복형 엔진이고, 완전한 로터리형 엔진은 아니다.

왕복운동은 정지하기도 하고 운동하기도 하는 것을 반복하기 때문에, 그 운동속도에는 한계가 있다. 회전운동은 정지하는 일이 없으므로 극히 고속으로 운전할 수가 있다.

기계는 왕복운동을 하는 것으로부터 회전운동을 하는 것으로 발전해 나가는 것이 순리이다. 따라서 왕복운동을 하는 내연기관도 회전운동을 하는 로터리엔진으로 발전하는 것이 당연하다고 할 수 있다.

20세기 초에는 로터리 엔진의 발명이 여러 사람들에 의해 이루어졌는데, 최초에 누구든지 생각해낼 수 있었던 것은 실린더를 도넛형으로 만드는 것으로, 이것은 프랑스인 드방드레(Dewandre)와 독일인 베크(Beck)에 의해 착안되었다. 그러나 이것들이 실제로 작동되었다는 기록은 없다.

1920년경 에셀베(Esselbe)는 완전한 로터리 엔진을 발명하였다. 타이어형 실린더 속을 피스톤이 한쪽 방향으로 도는 완전한 로터리엔진이다. 피스톤은 4개 있고, 실린더의 바깥쪽에 4개의 로터리 밸브를 배열한 것이었는데, 이 엔진도 실제로 제작되었다는 기록은 없으며, 그 까닭은 제작이 어려운 타이어형 실린더 등이 그 주된 원인일 것이다.

그리고 에셀베 이후에도 같은 종류의 엔진이 잇달아 고안되었으며, 1968년 뉴질랜드의 기계 기술자인 H.워커가 새로운 로터리엔진을 고안하였다. 이것은 타원형의 회전자가 회전하는 것이었지만, 그 후 제작되었는지의 여부는 분명하지 않다.

최근 방켈 엔진을 탑재한 자동차가 실용화되고 있는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 방켈 엔진은 에피트로코이드(epitrochoid) 곡선 모양의 케이싱(casing)(11)과, 이 케이싱(11)에 내접하는 삼각형 모양의 로터(회전자)(12)로 되어 있다.

상기 케이싱(11)은 실린더에 해당하고 로터(12)가 피스톤에 해당한다. 상기 케이싱(11)과 로터(12) 사이에 3개의 공간이 있으며, 로터(12)의 회전으로 각 공간의 부피는 시시각각으로 변화하여 흡입→압축→폭발→배기를 한다.

또한 상기 로터(12)가 1회전하는 사이에 각 날개마다 4사이클 동작을 완성한 다. 흡입, 압축을 위한 밸브는 없고 2사이클과 같은 흡기구, 배기구를 피스톤 자신이 개폐한다. 크랭크나 연접봉(連接棒)이 없으므로 소형으로 할 수 있는 장점이 있다.

상기한 방켈 엔진의 작동원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 1의 ①과 같이, 공기와 연료가 연소실(11a)로 들어온다.

이어서 도 1의 ② 및 ③과 같이, 압축 및 점화가 이루어지며, 팽창된 가스가 로터(12)를 돌린다.

또한 도 1의 ④와 같이, 배기가스를 배출하고, 타지 않은 가스(4번의 갈색부분)는 밖으로 배출되지 않고, 다시 사이클을 돈다.

이런 식으로 상기 로터(12)가 한바퀴 회전하면 3번의 폭발이 일어나고, 따라서 중량당 출력이 높아지게 되고, 또한 회전운동을 하기에 진동이 없는 정숙한 운전이 가능하다는 장점을 가진다. 단, 가솔린을 연료로 사용해야 하는데, 이는 높은 압축비를 얻을 수 없어 경유를 사용하기엔 부적절한 면이 있기 때문이다.

그리고 이 엔진은 흡, 배기 밸브를 가진 것이 아니라, 포트(11b,11c)를 통해 흡기 및 배기를 교환하기 때문에 정확한 흡, 배기의 교체가 이루어지지 않아 혼합기를 공급하는 가솔린 방켈 엔진의 경우, 연료 효율이 지극히 떨어지는 단점을 극복하지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 기존의 방켈 엔진이 가진 단점을 극복하면서도 더욱 고성능의 출력을 얻기 위해 포트방식 의 2행정의 왕복피스톤을 이용한 로터리 엔진을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로터리 엔진은, 하우징과; 상기 하우징 내부에 일측에 구비된 실린더와; 상기 하우징 내부로 상기 실린더의 일측에 회전 가능하게 설치된 로터리와; 상기 하우징에 일정 간격으로 다수개가 설치되어 연료를 분사하는 인젝터와; 상기 하우징의 중앙에서 왕복운동 가능하게 설치된 피스톤과; 상기 피스톤의 왕복운동에 따라 개폐되게 상기 실린더 일측에 설치된 흡기포트, 배기포트;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 로터리 엔진의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 로터리 엔진은, 하우징(21)과, 이 하우징(21) 내부에 일측에 구비된 실린더(22)와, 상기 하우징(21) 내부로 실린더(22)의 일측에 회전 가능하게 설치된 로터리(26)와, 상기 하우징(21)에 일정 간격으로 다수개가 설치되어 연료를 분사하는 인젝터(27,28,29)와, 상기 하우징(21)의 중앙에서 왕복운동 가능하게 설치된 피스톤(30)과, 이 피스톤(30)의 왕복운동에 따라 개폐되게 실린더(22) 일측에 설치된 흡기포트(23), 배기포트(24)를 포함하여 구성된다.

상기 실린더(22)와 로터리(26)는 일체형으로 이루어지고, 상기 인젝 터(27,28,29)는 하우징(21)에 120도 간격으로 3개의 제1인젝터(27), 제2인젝터(28) 및 제3인젝터(29)가 각각 설치된다.

그리고 후술하는 바와 같이, 연소 전 상기 실린더(22) 내부에서 일어나는 신기와 배기의 교환은, 상기 피스톤(30)의 왕복운동에 따라 자동적으로 흡기포트(23)와 배기포트(24)가 개폐되면서 소기(scavenging) 작용이 일어나도록 구비된다.

또한 상기 흡기포트(23) 쪽에 과급장치가 설치되어 강제로 공기를 공급하게 되고, 이전 사이클에서 발생한 배기가스는 상기 배기포트(24)를 통하여 강제로 배출되도록 구비된다.

그리고 상기 흡기포트(23)와 배기포트(24)는 실린더(22) 상하 좌우로 서로 엇갈리며 대향되게 각각 2개소씩 설치된다.

또한 상기 로터리(26)는 좌우로 서로 대향된 형태로 구비되며, 상기 피스톤(30)은 이러한 로터리(26)의 중앙에 설치된다.

그리고 상기 로터리(26)는 엔진의 출력축(25)과 연결되며 설치되고, 이 로터리(26)가 1회전하는 동안 총 6번의 출력을 얻도록 구비된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 로터리 엔진의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 로터리 엔진은, 전술한 바와 같은 기존의 방켈 엔진이 가진 단점을 극복하면서도 더욱 고성능의 출력을 달성하기 위해 출력축(25) 1회전(360도)에 6번의 연소를 통해 작동한다.

이로써, 회전하는 상기 로터리(26)로 동력을 얻게 하고, 가솔린용 방켈 엔진 에서 문제가 되는 연료 효율의 저하를 막기 위해 통상의 디젤엔진과 같이 신기를 먼저 공급하고, 나중에 연료를 분사하여 연료를 압축 착화시키는 방법을 택하여 연료의 쓸모 없는 소모를 막았다.

또한 본 발명은, 흡기 및 배기 과정 중의 신기와 배기의 완벽한 소기 작용을 돕기 위하여 과급장치를 설치하여 보다 신속하게 연료의 연소 환경을 만들어주기 위해 밸브 방식이 아닌 포트방식의 2행정의 왕복 피스톤(30)을 이용하여 경유를 이용한 디젤 로터리 엔진이다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(21) 내부에 실린더(22) 일체형 로터리(26)가 설치되어 있으며, 상기 하우징(21)에는 120도 간격으로 연료분사용 제1,2,3인젝터(27,28,29)가 설치된다.

그리고 상기 실린더(22) 내부에는 피스톤(30)이 설치되어 있어 직선 왕복운동을 하며 양쪽 실린더(22) 끝단에 이르게 되면서 내부의 공기를 압축하여 연소 분위기를 형성하게 된다. 이때 상기 제1,2,3인젝터(27,28,29)에서 압축된 고온의 공기에 연료분사가 수행되면 연소가 일어나게 되고, 폭발력으로 로터리(26)는 회전을 하게 되면서 출력축(25)에 동력을 전달하게 된다.

또한 연소 전 상기 실린더(22) 내부에서 일어나는 신기와 배기의 교환은 피스톤(30)의 왕복운동에 따라 자동적으로 흡기포트(23)와 배기포트(24)가 개폐되면서 소기 작용이 일어나게 되는데 흡기포트(23) 쪽에는 과급장치를 설치하여 강제로 공기를 공급함으로써 이전 사이클에서 발생한 배기가스를 배기포트(24)로 강제로 밀어내게 된다.

도 3a 내지 도 3e에는 본 발명에 따른 로터리 엔진을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 동작 순서도가 도시되어 있다.

상기한 일련의 작동 원리에 대하여 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명하기로 한다.

우선, 도 3a에 도시된 바와 같이, 이 도 3a의 상태는 처음 시작 상태로, 제1인젝터(27)에서 분사가 일어나고 있고, 곧 연소가 시작된다. 이때 반대쪽의 실린더(22) 내에서는 신기의 도입이 진행되고 있으며 다음 사이클을 준비하고 있다.

그리고 상기 로터리(26)가 화살표 방향으로 회전하면서, 도 3b의 상태에 도달하게 되고, 이전 사이클에서 발생한 폭발로 피스톤(30)이 반대로 이동하면서 흡기포트(23)와 배기포트(24)를 통해 소기 작용이 일어나면서 반대쪽에서는 자연스럽게 신기를 압축하게 된다.

또한 도 3c의 상태에 도달하게 되면 역시 압축된 공기에 제3인젝터(29)에서 연료 가 분사되면 이전과 같이 로터리(26)는 회전력을 얻어 계속 회전을 한다.

이어서, 도 3d와 도 3e의 상태에 이르게 된다. 역시 마찬가지로 제2인젝터(28)에서 분사가 일어나며 반대쪽 실린더(22)에서는 소기 작용과 함께 다음 연소를 준비하고 있다.

그리고 상기 로터리(26)와 출력축(25)이 서로 연결 설치되어 있기 때문에 상기와 같이 로터리(26)가 계속 회전하면 동력을 연속적으로 얻게 되고, 로터리(26)가 1회전하는 동안 총 6번의 출력을 얻게 된다.

따라서 전술한 종래의 방켈 엔진은 1회전에 3번의 출력을 얻게 되는데 반해, 본 발명은 방켈 엔진에 비해 2배의 출력을 얻을 수 있으며, 로터리(26)의 회전 관성을 이용하면 아주 적은 양의 연료로도 작동이 되기 때문에 저연비의 효과도 거둘 수가 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 로터리 엔진은 다음과 같은 효과를 갖는다.

출력축 1회전에 6번의 폭발을 낼 수 있는 메커니즘을 구비한 본 발명의 엔진은, 기존의 어떤 엔진보다도 고출력을 낼 수 있다.

또한 로터리의 회전 운동이 출력으로 직접적으로 전달되기 때문에 기존의 왕복형 피스톤기관이나 방켈 엔진에 비해 소음 및 진동이 극히 적은 NVH(Noise Vibration Harshness)가 탁월한 엔진을 구현할 수 있다.

그리고 본 발명의 엔진은 회전 관성을 이용하기 때문에 마찰동력이 적어서 적은 양의 연료로도 운전이 가능하다. 따라서 연비 향상의 효과도 거둘 수가 있으며, 로터리 외엔 다른 링크 기구가 없어 엔진의 크기도 줄일 수 있어 원가 절감 효과와 연비 향상을 이중으로 도모할 수 있다.

또한 연료를 적게 씀으로써 배기가스의 절대 배출량을 감소시킬 수 있는 청정엔진이기도 하다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 하우징과;

   상기 하우징 내부에 일측에 구비된 실린더와;

   상기 하우징 내부로 상기 실린더의 일측에 회전 가능하게 설치된 로터리와;

   상기 하우징에 일정 간격으로 다수개가 설치되어 연료를 분사하는 인젝터와;

   상기 하우징의 중앙에서 왕복운동 가능하게 설치된 피스톤과;

   상기 피스톤의 왕복운동에 따라 개폐되게 상기 실린더 일측에 설치된 흡기포트, 배기포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 실린더와 로터리는 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
3. 제1항에 있어서,

   상기 인젝터는 상기 하우징에 120도 간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
4. 제1항에 있어서,

   연소 전 상기 실린더 내부에서 일어나는 신기와 배기의 교환은, 상기 피스톤 의 왕복운동에 따라 자동적으로 상기 흡기포트와 상기 배기포트가 개폐되면서 이루어지도록 구비된 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
5. 제1항에 있어서,

   상기 흡기포트 쪽에 과급장치가 설치되어 강제로 공기가 공급되고, 이전 사이클에서 발생한 배기가스는 상기 배기포트를 통하여 강제로 배출되도록 구비된 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
6. 제1항에 있어서,

   상기 흡기포트와 상기 배기포트는 상기 실린더 상하 좌우로 서로 엇갈리며 대향되게 각각 설치된 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
7. 제1항에 있어서,

   상기 로터리는 좌우로 서로 대향되게 구비되며, 상기 피스톤은 상기 로터리의 중앙에 설치된 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
8. 제1항에 있어서,

   상기 로터리는 엔진의 출력축과 연결된 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.
9. 제8항에 있어서,

   상기 로터리가 1회전하는 동안 6번의 출력을 얻도록 구비된 것을 특징으로 하는 로터리 엔진.

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