KR20100024338A - 로터리 베인 디젤엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤연료를 사용하면서 기존 실린더형 내연기관의 진동과 무게를 획기적으로 줄이고, 구조가 간단하여 제작비를 절감함과 동시에 크랭크 축을 통하지 않고 직접 회전력을 발생시킴으로써 기계적인 효율을 증가시키는 Rotary Vane Diesel Engine을 개발할 목적으로 창안되었다.
발명된 엔진은 타원형으로 혹은 중심이 직경의 1/3 정도 떨어진 2개의 원과 두 원의 위, 아래 접선을 연결하여 내부 단면형상을 만든 하우징(1), 그 하우징 내부에서 하우징에 접촉하여 회전하는, 단면이 원형인 로터(3), 상기 로터 내부에서 자유롭게 슬라이딩이 가능하여 로터(3) 회전시 발생하는 원심력과 외부에서 공급되는 공기압의 힘으로 하우징 내면(2)과 밀착되면서 내면을 따라 회전하는 2개, 혹은 3개의 등각도로 배열된 베인(8), 압축과 팽창 과정에서 압축공기와 연소가스의 누압을 방지하여 엔진의 성능을 향상시키도록 고안된, 압력 실(seal)(13), 실(seal) 압력실(室)(13-1), 실(seal) 스프링(13-2), 체크밸브(18)로 구성된 압력 실(seal) 장치, 고온 고압의 압축공기를 일방통행 체크밸브(17)와 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 연소가스밸브(12) 사이의 밀폐공간에 저장하고 연료분사노즐(14)에서 분사된 연료를 연소시키는 연소실(11), 연소가스를 팽창공간(20-1)으로 방출하는 연소가스밸브(12), 배기공간(20-2)의 끝 부분에서 연소가스를 엔진 밖으로 배출하는 가스 배기구(22), 그리고 공기 흡입공간(20-3)의 선단에서 엔진 밖의 공기가 유입되는 공기흡입구(21) 등의 주요 구성품으로 이루어지며, 각 구성품의 최적 배 열로 압력손실을 최소화 하였고 로터에 2~3개 장착되는 베인의 수에 따라 1 회전에 2~3번의 연소가 이루어지므로 출력대비 무게나 부피가 획기적으로 감소되었다.
또, 로터(3)가 하우징(1) 내에서 편심 되지 않고 정 중앙에 있어 로터리 엔진보다 진동이 더 작으며, 내구성이 뛰어나고, 기밀성이 뛰어나 엔진의 연비, 출력이 향상된다.
1 : 하우징 2 : 하우징 내면 3 : 로터 4 : 로터 외면 5 : 로터 회전축 6 : 로터 회전축 압축공기 통로 7 : 베인 슬롯 8 : 베인 10 : 연료조절장치 11 : 연소실 12 : 연소가스밸브 12-1 : 자동연소가스밸브 12-2 : 자동연소가스밸브 피스톤 13 : 압력 실(seal) 13-1 : 실(sela) 압력실(室) 13-2 : 실(seal) 스프링 14 : 연료분사노즐 15 : 연소가스노즐 16, 17, 18 : 체크밸브 19 : 압축공기공급통로 20-1 : 팽창공간 20-2 : 배기공간 20-3 : 흡입공간 20-4 : 압축공간 21 : 공기흡입구 22 : 가스배기구 23 : 로터 회전축 베어링 24 : 베인냉각 압축공기 통로

Description

로터리 베인 디젤엔진{Rotary Vane Diesel Engine}
발명된 엔진은 타원형으로 혹은 중심이 직경의 1/3 정도 떨어진 2개의 원과 두 원의 위, 아래 접선을 연결하여 내부 단면형상을 만든 하우징(1), 그 하우징 내부에서 하우징에 접촉하여 회전하는, 단면이 원형인 로터(3), 상기 로터 내부에서 자유롭게 슬라이딩이 가능하여 로터(3) 회전시 발생하는 원심력과 외부에서 공급되는 공기압의 힘으로 하우징 내면(2)과 밀착되면서 내면을 따라 회전하는 2개, 혹은 3개의 등각도로 배열된 베인(8), 압축과 팽창 과정에서 압축공기와 연소가스의 누압을 방지하여 엔진의 성능을 향상시키도록 고안된, 압력 실(seal)(13), 실(seal) 압력실(室)(13-1), 실(seal) 스프링(13-2), 체크밸브(18)로 구성된 압력 실(seal) 장치, 고온 고압의 압축공기를 일방통행 체크밸브(17)와 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 연소가스밸브(12) 사이의 밀폐공간에 저장하고 연료분사노즐(14)에서 분사된 연료를 연소시키는 연소실(11), 연소가스를 팽창공간(20-1)으로 방출하는 연소가스밸브(12), 배기공간(20-2)의 끝 부분에서 연소가스를 엔진 밖으로 배출하는 가스 배기구(22), 그리고 공기 흡입공간(20-3)의 선단에서 엔진 밖의 공기가 유입되는 공기흡입구(21) 등의 주요 구성품으로 이루어지며 diesel를 연료로 사용하는 rotary vane diesel engine에 관한 것이다.
첨부되는 도면과 함께 종래 기술의 구성과 작동례 및 문제점을 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 특허출원된 고성능로우터리엔진(출원번호; 10-1993-0011851)으로 본 발명과 유사하게 타원형 하우징(2), 하우징 정중앙에서 회전하는 로우터(1), 로우터 내부에서 슬라이딩하면서 하우징(2) 내면과 밀착되어 회전하는 베인(20), 압축 및 팽창시 베인의 맞은편에서 압축공기와 연소가스의 손실을 막아주는 압력 실(seal)(36), 혼합된 압축공기와 연료를 저장하고 연소시키는 연소실(室)(15)과 연소가스를 '가스팽창실'(도 4에서 로터와 베인 그리고 하우징 내면으로 구성된 우측 상부 공간)로 보내는 로우터리밸브(18) 등의 주요 구성품으로 이루어져 있다.
이 엔진은 혼합된 압축공기와 연료를 연소실(室)(15)에서 점화플러그(14)로 점화하여 연소시키고 고온 고압의 연소가스를 로우터리밸브(18)를 통해 가스팽창실로 보내 로우터(1)의 회전력을 얻는 가솔린엔진이다. 가솔린엔진의 경우 공기/연료 혼합물이 자연발화를 하지 않도록 압축비를 10 내외로 제한하기 때문에 연소실(室)(15)의 부피가 좌측 반원형 작동실(16)의 1/10 정도는 되어야 한다. ①작지 않은 연소실(室)(15)의 부피는 연소가스를 상기 '가스팽창실'로 보낼 때 상당부분의 연소가스가 잔류하게 되는 공간이 되므로 '가스팽창실'로 들어가는 연소가스의 양을 줄이는 결과를 가져오고 결국 베인(20)에 작용하는 압력을 낮추어 로터의 회전력을 약화시키고 이는 엔진의 출력 감소를 야기한다. 또 ②연소실(室)(15)에 남아있는 연소가스는 새로 유입되는 공기/연료 혼합물과 함께 섞여 압축되므로 압축된 공기/연 료 혼합물의 최소 10% 이상은 연소에 도움이 되지 않는 연소가스이고 이로 인해 연소효율을 떨어뜨리는 문제점을 갖게 된다. 또, ③상기 엔진은 1개의 베인(20)으로 구성되어 로우터(1) 1회전시 1회의 연소만 가능하도록 되어 있어 엔진의 크기에 비해 생산하는 엔진 출력이 작다는 단점이 있다.
도 4의 고성능로우터리엔진(출원번호; 10-1993-0011851)에서 연소실(15)의 부피가 좌측 반원형 작동실(16)의 1/10 정도는 되어야 하는 가솔린엔진의 특성에서 비롯되는 상기 ①,②번 문제와, 로우터(1)에 베인(20)이 1개 설치되어 로우터(1) 1회전에 1회의 연소만 발생하므로 엔진의 크기에 비해 생산하는 엔진 출력이 작다는 ③번 문제가 해결하고자 하는 과제이다.
①,②번 문제는 가솔린을 연료로 사용하는 데서 비롯된 문제이다. 도 4 엔진의 연소실(15)은 공기와 연료의 혼합물이 압축되어 들어와 점화기에 의해 연소되는 공간인데 이를 순수한 압축 공기만 들어오도록 하고 연료를 분사하여 연소시키는 디젤엔진식 연소실(室)로 개조함으로써 ①,②번 문제를 최소화 할 수 있다. 디젤엔진의 경우 연소실의 공기 압축비를 20정도로 높일 수가 있으므로 연소실 부피가 압축비가 10정도 되는 가솔린엔진의 연소실보다 대폭 줄어들어 ①,②번 문제가 최소화 된다. 본 출원의 도 1에서 연소실(11)의 부피를 공기 흡입공간(인접한 두 베인 사이의 공기가 들어있는 공간으로 베인 8-2가 흡입구(21)의 끝에 왔을 때 베인 8-2와 베인 8-3사이의 공간)의 약 1/20로 하여 압축비가 약 20이 되도록 정하였다.
도 4 엔진이 1개의 베인(20)으로 구성되어 로터 1회전시 1회의 연소만 발생하는 ③번 문제는 도 1에서와 같이 로터(3)에 2~3개의 베인을 등각도로 설치하여 해결한다. 도 1과 같이 베인(8)의 수를 3개로 할 때 각 베인(8)사이의 각도는 120도이며 각 베인의 공기흡입능력은 베인이 1개인 도 4의 경우와 거의 차이가 없으므로 1회전시 3배 가까운 공기흡입능력이 생기며 그에 따라 3배 가까운 출력을 얻을 수 있으므로 ③번 문제를 해결한다. 베인의 수를 2~3개로 함에 따라 출력도 2~3배 정도로 증가될 것으로 예측된다.
최종형상은 도 1과 같으며 도 4와 비교하면, 도 4의 점화기(14)가 제거되는 대신 도 1의 연소실(11) 내로 연료분사노즐이(14) 이동하고, 베인(8-1)이 연소가스노즐(15)를 지나는 순간 조절된 양의 연료가 연료분사노즐(14)를 통하여 연소실(11)로 분사되어 연소가 시작되며, 연소시작 직후에 연소가스밸브(12)가 열리면서 연소가스가 가스 팽창공간(20-1)으로 방출된다.
본 발명은 하우징, 로터, 베인 등의 주요 구성품으로 이루어진 rotary vane engine에서 베인의 수를 2~3개 설치함으로써 1개를 가진 기존 발명(도 4)보다 2~3배 정도의 출력 증가를 갖는다.
본 발명은 연소가스밸브(12)와 같이 로터(3) 회전에 따라 개폐가 조종되는 밸브를 가진 디젤연료 연소실(11)를 적용하여 구조가 매우 간단하고 유사한 구조의 가솔린엔진과 비교해 거의 동일한 크기로 엔진을 구성하면서 엔진의 출력과 효율이 향상되는 장점을 갖는다.
이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 작동례 및 효과를 살펴보면 다음과 같다.
도 1과 같이 본 엔진은 타원형으로 혹은 중심이 직경의 1/3 정도 떨어진 2개의 원과 두 원의 위, 아래 접선을 연결하여 내부 단면형상을 만든 하우징(1), 그 하우징 내부에서 하우징에 접촉하여 회전하는, 단면이 원형인 로터(3), 상기 로터 내부에서 자유롭게 슬라이딩이 가능하여 로터(3) 회전시 발생하는 원심력과 외부에서 공급되는 공기압의 힘으로 하우징 내면(2)과 밀착되면서 내면을 따라 회전하는 2개, 혹은 3개의 등각도로 배열된 베인(8), 압축과 팽창 과정에서 압축공기와 연소가스의 누압을 방지하여 엔진의 성능을 향상시키도록 고안된, 압력 실(seal)(13), 실(seal) 압력실(室)(13-1), 실(seal) 스프링(13-2), 체크밸브(18)로 구성된 압력 실(seal) 장치, 고온 고압의 압축공기를 일방통행 체크밸브(17)와 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 연소가스밸브(12) 사이의 밀폐공간에 저장하고 연료분사노즐(14)에서 분사된 연료를 연소시키는 연소실(11), 연소가스를 팽창공간(20-1)으로 방출하는 연소가스밸브(12), 배기공간(20-2)의 끝 부분에서 연소가스를 엔진 밖으로 배출하는 가스 배기구(22), 그리고 공기 흡입공간(20-3)의 선단에서 엔진 밖의 공기가 유입되는 공기흡입구(21) 등으로 구성된다.
압축공간(20-4)의 공기는 로터와 하우징의 접촉에 의해서 뿐만 아니라 압축공기와 실(seal) 스프링(13-2)에 의해 로터 외면(4)에 항상 접촉이 되어있는 압력 실(seal)(13)에 의해 한쪽이 밀봉되고 다른 한쪽은 vane(8-3)에 의해 밀봉되며 vane(8-3)의 회전에 따라 압축되어 실(seal) 압력실(室)(13-1)을 채우고 대부분은 연소실(11)에 저장된다(도 2 참조).
실(seal) 압력실(室)(13-1)에 저장된 압축공기는 압력 실(seal)(13)이 로터 면에 더욱 강하게 접촉되도록 위에서 밑으로 밀어주는 역할을 하며 또 압력 실(seal)(13)과 하우징(1) 사이의 미소한 공간으로 압축공기를 내보내면서 압력 실(seal)(13)을 냉각시키는 역할도 한다.
연소실(11)에 저장된 압축공기는 일방통행 체크밸브(17)와 연소가스밸브(12)에 의해 기밀이 유지된다. 베인(8-1)이 연소가스노즐(15)를 지날 때 센서를 가진 전자장치 혹은 로터 회전축에 연결된 캠이나 톱니바퀴와 같은 적절한 기구에 의해 조종되는 장치에 의해 연료분사노즐(14)에서 연료가 분사되고 분사된 연료는 연소실의 고온, 고압공기에 의해 발화되어 연소한다.
연료가 연소실(11)에서 연소된 직 후 상기의 적절한 장치에 의해 연소가스밸브(12)가 열리며 연소가스는 고속으로 팽창공간(20-1)로 방출된다. 이때 상기의 적절한 장치에 의해 개폐되는 연소가스밸브(12) 대신 연소실(11)로 유입되는 압축공기와 연소실(11)에서 연소된 연소가스의 압력 차이에 의해 개폐가 자동으로 조종되는 자동연소가스밸브(12-1)를 적용하여 압축공기와 배기가스의 연소실(11) 유입 및 방출을 조종할 수 있다.
고압의 연소가스는 베인(8-1)에 압력을 가하여 로터 회전축(23)에 회전력을 발생시킨다.
로터(3)가 회전하면 함께 회전하는 베인(8)은 하우징 내면(2)에서의 위치에 따라 공기의 흡입. 압축, 팽창 및 배기의 사이클을 완성하고 팽창시 연소가스의 압력으로 로터 회전축(23)에 회전력을 발생시킨다.
2개 혹은 3개가 등각도 간격으로 로터에 설치된 각 베인(8)은 회전하면서 공기흡입 과 동시에 압축을, 배기가스 팽창과 동시에 배기를 한다.
도 1은 본 발명의 대표도이다.
도 2는 압축공기, 연료 공급 및 연소가스 방출 시스템을 도시한다.
도 3은 자동연소가스밸브(12-1)를 적용한 압축공기, 연료공급 및 연소가스 방출 시스템을 도시한다.
도 4는 종래의 기술이 적용된 유사엔진을 도시한다.

Claims (2)

  1. 타원형으로 혹은 중심이 직경의 1/3 정도 떨어진 2개의 원과 두 원의 위, 아래 접선을 연결하여 내부 단면형상을 만든 하우징(1), 그 하우징 내부의 정중앙에서 윗면과 아랫면이 하우징에 접촉하여 회전하는, 단면이 원형인 로터(3), 상기 로터 내부에서 자유롭게 슬라이딩이 가능하여 로터(3) 회전시 발생하는 원심력과 외부에서 공급되는 공기압의 힘으로 하우징 내면(2)과 밀착되면서 내면을 따라 회전하는 2개, 혹은 3개의 등각도로 배열된 베인(8), 체크밸브(18)에 의해 실(seal) 압력(室)(13-1)에 저장된 압축공기와 실(seal) 스프링(13-2)의 힘으로 하우징(1) 상부 중앙에 설치된 압력 실(seal)(13)이 로터 외면(4)에 항상 긴밀히 접촉하도록 함으로써 압축공간(20-4)의 압축공기와 팽창공간(20-1)의 연소가스가 압력 실(seal)(13)을 통과하여 반대편으로 새 나가지 못하도록 기밀을 유지하고, 압축과 팽창 과정에서 압축공기와 연소가스의 누압을 방지하여 엔진의 성능을 향상시키도록 고안된, 압력 실(seal)(13), 실(seal) 압력실(室)(13-1), 실(seal) 스프링(13-2), 체크밸브(18)로 구성된 압력 실(seal) 장치, 압축공간(20-4)의 끝 부분에 설치된 압축공기공급통로(19)를 통해 받아들인 고온 고압의 압축공기를 일방통행 체크밸브(17)와 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 연소가스밸브(12) 사이의 밀폐공간에 저장하고 연료분사노즐(14)에서 분사된 연료를 연소시키는 연소실(11), 연소가스를 팽창공간(20-1)으로 방출하는 연소가스밸브(12), 배기공간(20-2)의 끝 부분에서 연소가스를 엔진 밖으로 배출하는 가스 배기구(22), 그리고 공기 흡입공 간(20-3)의 선단에서 엔진 밖의 공기가 유입되는 공기흡입구(21) 등으로 이루어진 로터리 베인 디젤엔진.
  2. 청구항 1에 있어서, 베인(8-1)이 연소가스노즐(15)를 지날 때 센서를 가진 전자장치 혹은 로터 회전축에 연결된 캠이나 톱니바퀴와 같은 적절한 기구에 의해 조종되는 장치에 의해 개폐되는 연소가스밸브(12) 대신 연소실(11)로 유입되는 압축공기와 연소실(11)에서 연소된 연소가스의 압력 차이에 의해 개폐가 자동으로 조종되는 자동연소가스밸브(12-1)를 적용하여 압축공기와 배기가스의 연소실(11) 유입 및 방출을 조종하는 로터리 베인 디젤엔진.
KR1020090031552A 2008-08-24 2009-04-11 로터리 베인 디젤엔진 KR20100024338A (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113482766A (zh) * 2021-07-13 2021-10-08 李炳强 转子机构和叶旋发动机

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