KR20100045996A - 2행정 회전 피스톤기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차, 선박, 비행기, 발전기 등에 사용되는 회전 피스톤기관에 관한 것으로, 고정식 하우징; 내부 측벽을 갖는 하나의 원통형 슬리브와, 하단 헤드가 서로 마주보고 있는 2개 원통형 피스톤을 구비한 고정식 실린더블록; 일정 곡선으로 이루어진 닫힌 내부 작업면을 갖고, 하우징과 실린더블록에 의해 회전 가능하게 지지된 로터; 2개의 피스톤에 각각 연결된 2개의 트래버스; 트래버스 각각에 연결되고, 스프링의 힘으로 로터를 내리누르는 다수의 지지 롤러; 내부 측벽을 갖는 가이드 부싱으로 양단부가 막혀있고 내부 측벽을 갖는 2개의 고정식 오일펌프 튜브; 튜브에 오일을 공급하기 위한 오일 공급수단; 튜브에서 오일을 배출하기 위한 오일 배출수단; 튜브 각각의 내부에 미끄럼 가능하게 설치된 2개의 플런저; 및 오일 공급수단과 외부 틈새들을 연결하는 오일 드레인수단;을 포함

Description

2행정 회전 피스톤기관{TWO-STROKE OPPOSITE RADIAL ROTARY-PISTON ENGINE}

본 발명은 자동차, 선박, 비행기, 발전기 등에 사용되는 회전 피스톤기관에 관한 것이다.

원심형이나 회전형 피스톤기관(이하, ORPE라 함)의 여러가지 구조가 알려졌는데, 이들 기관은 기존의 피스톤기관의 단점들을 없애려는데 목적이 있고, 이런 구조가 소개된 특허는 DE3907307 US6279518, WO2005098202, RU2143572, JP7113452가 있다. 이런 특허의 목적은 크랭크축의 왕복운동 없이 타원형 내벽면을 따라 캠을 회전시켜 피스톤에 가해진 횡압력을 억제하고, 효율을 개선하며, 진동을 줄이고 크기와 중량을 획기적으로 줄이는데 있다.

DE3907307에 소개된 4행정 기관에서는 실린더블록이 복잡한 구조의 로터 내부에서 회전하며 가동부분들을 포함한 밸브 시스템과의 균형이 맞지 않는다.

US6279518에 소개된 4행정 기관은 밸브시스템과 원추형 로터를 갖는다. 이 특허명세서의 도 7에 도시된 원추형 로터에는 타원형 홈이 있고, 이 홈 안에 일련의 피스톤 폴로워들이 있다. 이 장치는 구조가 복잡하고 마찰손실이 상당하여 용도가 제한되었다. 이 구조에서는 실린더 벽면에 피스톤이 가하는 횡력을 없앨 수 없다.

RU2143572의 4행정 기관에서는 실린더블록이 타원형 궤도로 회전하고 입출력 시스템에 회전밸브가 있다. 이 구조는 복잡하고 균형을 잡기가 어렵다. 피스톤은 로드와 미끄럼베어링을 통해 타원형 하우징에 작용한다. 하우징과 접촉하는 부분에서 큰 마찰이 일어나 열이 발생하므로 수명이 짧아진다.

본 발명자의 견해로는, US6161508의 디자인이 좀더 큰 진보를 보였다고 본다. 이 특허는 구멍이 뚫린 디스크형 링들이 미끄럼 가능하게 배열되되 그중 하나는 고정되고 나머지는 로터의 회전운동에 참여하도록 배열된 밸브장치를 갖춘 회전형 피스톤기관을 소개한다. 밸브의 구멍은 디스크의 각도를 수동으로 조절하여 결정된다. 이 발명에 의하면, 고정 디스크에 위치하는 인젝션 노즐을 통해 분사가 일어난다. 밸브링에 뚫린 구멍은 연료가 점화될 때 피스톤에 의한 로터에 반응하여 인젝션 노즐과 연소실을 연결한다.

그러나 이 발명도 단점과 제한이 있다. 실린더블록이 로터 둘레를 회전하면서 로터를 밀어내는 4행정 기관에 기인한다. 지지베어링에 생긴 반발력이 아주 커서, 동작기간이 짧아진다. 이 장치는 회전슬라이딩 베어링에 근거한 흡배기 시스템을 채택한다. 이 경우 복잡한 밀봉수단을 사용해야 하고, 대체로 그 수명이 최대 100시간으로 제한된다. 피스톤은 선형으로 왕복운동하는 회전 실린더블록은 균형잡기가 아주 어려워, 아주 심각한 진동을 일으킨다. 이런 문제들은 본 발명에 의해 성공적으로 해결될 수 있다.

본 발명의 ORPE는 로터의 회전운동을 피스톤의 직선행정이나 그 반대로 바꾸는데 전술한 종래의 구조를 채택하지 않는다. 본 발명의 목적은, 엔진의 실린더 벽면에 피스톤이 가하거나 그 반대로 생기는 횡력을 흡수함은 물론, 중량과 연료소비/출력 비를 개선하며, 랭클(Wankel) 로터 엔진을 포함해 본 발명자들에게 알려진 거의 모든 엔진에 유용한 장점을 보이는데 있다.

본 발명의 로터 동작면은 x²/a²+y²/b²=1의 폐대칭 타원형 곡선이나 (x²+y²)-2c²(x²-y²)=a⁴-c⁴의 공식으로 설명되는 카시니 곡선으로 이루어지는데, 여기서 x와 y는 2차원 좌표이고 a와 b는 일정 상수이다.

본 발명에 따른 2행정 회전 피스톤기관은, 고정식 하우징; 내부 측벽을 갖는 하나의 원통형 슬리브와, 하단 헤드가 서로 마주보고 있는 2개 원통형 피스톤을 구비하고 있으며, 슬리브의 측벽과 피스톤 사이에 일정 크기의 제1 간격이 형성된채 피스톤이 슬리브 안에서 미끄럼 운동하되 2개의 피스톤들이 서로 반대 방향으로 움직이면서 슬리브의 측벽과 헤드 사이에 공통 작업실과 공통 연소실을 형성하도록, 하우징에 설치되는 고정식 실린더블록; 일정 곡선으로 이루어진 닫힌 내부 작업면을 갖고, 하우징과 실린더블록에 의해 회전 가능하게 지지된 로터; 2개의 피스톤에 각각 연결된 2개의 트래버스; 트래버스 각각에 연결되고, 스프링의 힘으로 로터를 내리누르는 다수의 지지 롤러; 내부 측벽을 갖는 가이드 부싱으로 양단부가 막혀있고 내부 측벽을 갖는 2개의 고정식 오일펌프 튜브; 튜브에 오일을 공급하기 위한 오일 공급수단; 튜브에서 오일을 배출하기 위한 오일 배출수단; 튜브 각각의 내부에 미끄럼 가능하게 설치된 2개의 플런저; 및 오일 공급수단과 외부 틈새들을 연결하는 오일 드레인수단;을 포함하고, 튜브의 측벽과 플런저 사이에 일정 크기의 제2 간격이 형성되는데, 제1 간격의 크기가 제2 간격의 크기보다 크며, 플런저들은 트래버스에 연결되고 가이드 부싱의 안내를 받아 서로 반대쪽으로 움직이고, 플런저마다 종방향으로 뚫린 쓰로틀 채널과 외면이 있으며, 외부 틈새들은 부싱의 내부 측벽과 외면 사이에 형성되는 것이고, 플런저마다 내면이 있는데, 내면과 튜브의 내부 측벽이 내부 틈새를 형성하고, 이런 내부 틈새는 상기 오일 공급수단 및 오일 배출수단과 통한다. 구체적으로, 제1 간격의 크기가 50㎛이고, 제2 간격의 크기가 2~4㎛인 것이 바람직하다.

본 발명의 가장 중요한 장점은 단순한 디자인, 낮은 질량, 오랜 수명(1,000,000km 이상), 낮은 연료소비, 고출력 토크, 낮은 오염도(환경친화적)에 있다.

부가 장치 없는 엔진 중량은 30kg 정도이고, 배기량은 500cc이며 출력은 250마력이다. 좀더 강력한 버전의 엔진 자체 중량은 부가장치 없이 65kg 정도이고 배기량 1000cc이며 출력 500마력이다.

본 발명의 엔진은 발전기, 수륙양용차, 비행기 등의 다른 분야에도 사용할 수 있으며, 전통적인 내연기관에도 훌륭히 사용될 수 있다.

엔진의 윤활장치와 냉각장치에 채택한 본 발명의 설계방식으로 인해 엔진이 12000~15000 rpm의 힘을 낼 수 있어, 모터스포츠에도 사용할 수 있다. 본 발명에서 채택한 구조상 개솔린이나 천연개스는 물론 디젤유도 엔진연료로 사용할 수 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 조립 엔진의 정면도;
도 1b는 로터가 상사점에 있을 때의 엔진의 측단면도;
도 2a는 조립된 엔진의 정면도;
도 2b는 로터가 하사점에 있을 때의 엔진의 측단면도;
도 3a는 조립된 엔진의 측면도;
도 3b는 플런저, 튜브 등의 구조를 보여주는 엔진의 정단면도;
도 4a는 엔진이 하사점에 있을 때의 플런저 튜브와 플런저의 단면도;
도 4v는 엔진이 상사점에 있을 때의 플런저 튜브와 플런저의 단면도.

개솔린을 연료로 하는 본 발명의 엔진이 도 1~3에 도시되었다. 이 엔진은 자동차에 고정되는 실린더블록(1); 실린더블록(1)에 설치된 원통형 슬리브(2); 및 슬리브(2)에 헐거움 끼우맞춤되어 서로 반대쪽으로 움직이는 2개의 원통형 피스톤(3)을 포함한다. 피스톤(3)과 슬리브(2) 측벽의 제1 간격은 50㎛ 정도인 것이 바람직하다.

피스톤(3)마다 하단 헤드가 달려있다. 하단 헤드의 표면과 슬리브(2)의 측벽 중의 (하단 헤드 사이의) 일부분이 공통의 작업실과 연소실을 형성한다.

실린더블록(1)은 볼베어링 형태가 바람직한 지지베어링을 구비하고, 실린더블록 안에 스파크-플러그(16)와 인젝터(17)가 설치된다.

실린더블록(1)과 슬리브(2)에는 공기를 공급하고 연소생성물을 배출하기 위한 흡기구(12)와 배기구(13)가 밀링가공으로 형성된다. 공기의 공급은 과급형 압축기(14)에서 이루어지는데, 여기서는 압축기가 엔진에 의해 기계식으로 구동되지만, 다른 방식으로 구동될 수도 있다. 압축기(14)는 흡기구(12)에 연결된다.

2개의 포크형 트래버스(4)가 피스톤(3)에 각각 결합되는데, 이때 트래버스의 수나사에 암나사가 달린 로크너트가 결합된다. 이런 나사결합을 통해 조립과정에서 압축비를 8 내지 11 사이에서 조절할 수 있다.

엔진의 지지롤러(5)는 피스톤(3)의 힘을 트래버스(4)에 전달하는데, 이들 롤러(5)는 핀(도시 안됨)에 의해 트래버스(4)에 설치된다.

엔진의 하우징(11)은 차체에 고정된다. 이 하우징(11)에 지지베어링(10)이 달려있는데, 지지베어링으로는 볼베어링이 바람직하다. 도 1~2에서는 하우징(11)이 수직인 것으로 보이지만, 실제로는 대개 수평으로 설치된다. 하우징(11)은 윤활유 등으로 채워지는데, 이에 대해서는 후술한다.

엔진의 로터(8)의 내부 폐 작동면은 전술한 바와 같은 폐대칭 타원형 곡선(csed symmetrical ellipse-type line)이나 카시니 곡선(Cassini line)과 같은 곡선으로 이루어진다. 로터(8)는 하우징(11) 안의 지지베어링과 실린더블록(1) 안의 지지베어링에 설치된다.

엔진의 회전식 동력인출 축(9)은 지지베어링(10)에 설치되고 로터(8)에 고정된다. 로터(8)의 회전토크가 축(9)에 전달된 다음 트랜스미션으로 전달된다.

트래버스(4)는 스프링(7)과 작용하고, 이 스프링은 지지롤러(5)를 로터(8)에 내리눌러, 엔진을 시동할 때 부드러운 결합을 이루도록 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 엔진은 리버스밸브(도시 안됨)가 달린 저압 급유관(19)과, 리버스밸브와 감압밸브(둘다 도시 안됨)가 달린 고압 오일배출관(20)을 구비한다. 이들 관(19,20)은 하우징(11)에 연결되고 엔진의 윤활과 후술하는 다른 목적에 사용된다.

도 3~4에 의하면 오일펌프의 2개 구간 각각이 하나의 튜브(15)와 2개의 플런저(6)를 구비하고, 플런저는 튜브(15)에 헐거운 끼워맞춤되어 미끄러진다. 플런저(6)마다 피스톤부와 로드부를 갖는다. 플런저(6)의 로드부는 핀(도시 안됨)으로 트래버스(4)에 연결된다(도 3b 참조). 펌프 튜브(15)와 플런저(6) 사이의 제2 간격은 2~4㎛ 정도로 제1 간격보다 작아야 한다.

튜브(15)의 오일흡입구는 급유관(19)에 연결되고, 오일배출구는 오일배출관(20)에 연결된다(도 4 참조).

오일펌프의 가이드 부싱(18)은 튜브(15)의 양단부에 결합된다(도 4a 참조). 이부싱(18)은 튜브(15)의 단부를 막고 플런저(6)의 로드부의 선형 이동을 안내하는 역할을 한다.

도 4에서, 튜브(15) 안쪽의 플런저(6)의 피스톤부의 2개의 내면(D)이 서로 마주보고 있으며; 플런저(6)의 피스톤부의 외면(C)은 부싱(18)을 마주하고; 내면(D)과 튜브(15)의 내측벽 사이에 내부 틈새(A)가 형성되며; 외면(C)과 로드부 측벽과 부싱(18)의 내측벽 사이에 외부 틈새(B)가 형성된다.

오일펌프의 2개의 오일 드레인파이프(21) 각각은 오일흡입구와 함께 외부 틈새(B)에 연결된다(도 4 참조).

플런저(6)의 종축선을 따라 쓰로틀 채널(22)이 뚫려있는데, 그 직경은 오일 누수를 방지하는데 필요할만큼 작은 것이 좋다. 채널(22)이 목적은 동작 중에 수충격에 의한 장치의 파손을 방지하기 위한 것이다. 채널(22)은 틈새(B)와 통할 수 있는 수직 관통부를 갖는다.

플런저(6)는 엔진에서 여러가지 중요한 기능을 수행하는데, 첫번째 기능은 오일을 펌핑하는 것인데, 이 기능은 오일펌프에 공통적인 정기적인 윤활기능이다. 두번째 기능은 롤러(5)와 로터(8) 사이의 상호작용으로 인한 횡력을 흡수하는 것이다. 슬리브(2)와 피스톤(3) 사이의 간격(50㎛ 정도)이 펌프튜브(15)와 플런저(6) 사이의 간격(2~4㎛ 정도)보다 기본적으로 크기 때문에, 플런저(6)가 이런 횡력을 흡수할 수 있는 것이다. 플런저의 세번째 기능은 횡력의 흡수를 통해 슬리브(2) 내부에서 피스톤(3)의 평행운동을 유지하는 것이다. 플런저의 네번째 기능은 연소시에 일정한 체적을 제공하면서 피스톤(3)에 의해 로터(8)에 가해지는 관성력을 흡수하는 것이다. 이 기능은 피스톤의 상사점과 하사점에서 플런저(6)가 "하이드로락(hydro-lock)" 밸브처럼 동작하기 때문에 생긴다.

도 1b는 트래버스(4)가 상사점에 있을 때의 피스톤(3)의 위치를 보여주는데, 이때 피스톤의 헤드와 슬리브의 내부 측벽면 부분에 의해 공통 연소실이 형성되고, 이 상사점에서 공통 연소실의 체적은 최소로 된다. 이 위치에서, 스파크-플러그(16)에 의해 점화기 일어나, 연소실내 연료-공기 혼합물이 점화되고 트래버스(4)가 달린 피스톤들(3)을 반대 방향으로 움직인다. 롤러(5)는 로터(8)의 내부 곡면부를 눌러 로터가 회전되게 하고, 이로인해 동력인출 축(9)이 회전한다.

로터(8)가 90도 회전할 때까지 피스톤(3)이 더 움직이는 동안, 흡기구(12)와 배기구(13)가 열려 연소생성물은 내보내고 실린더의 슬리브(2)는 압축기(14)에서 공급된 신선한 공기로 일부 채워지는데, 도 2b에도시된 바와 같이, 로터가 90도 회전했을 때의 하사점에서 공통 연소실의 체적이 최대가 된다.

로터(8)가 90도 더 회전하는 동안, 로터는 관성력에 의해 롤러(5)와 트래버스(4)를 통해 피스톤(3)을 밀어주어 양쪽 피스톤을 상사점까지 서로를 향해 움직이게 하고, 이때 슬리브(2)내의 공기가 압축된다. 피스톤(3)이 흡기구(12)와 배기구(13)를 지난 뒤, 연료의 일부분이 인젝터(17)를 통해 연소실 안으로 분사된다. 연료와 공기의 혼합물은 피스톤(3)이 상사점에 올 때까지 연소실 안에서 심하게 섞인다(도 1b 참조).

로터(8)가 180도 회전하면, 연소실에서 다음 점화가 일어나고 전술한 2행정 사이클이 반복된다. 따라서, 동력인출 축이 180도 회전하는 동안 2행정 사이클이 일어나는 반면, 기존의 피스톤 내연기관과 전술한 모든 종래의 엔진에서는 180도가 아닌 360도 회전하는 동안 2행정 사이클이 일어난다. 본 발명에서는 이에 따라 엔진의 사이클 주기가 2배로 되어, 동력의 증가를 가져온다.

엔진이 동작하는 동안 펌프튜브(15)와 플런저(6)에서 병렬 과정이 일어난다. 피스톤(3)이 하사점까지 움직이는 내내, 하우징(11)에서부터 급유관(19)과 오일흡입구를 통해 펌프튜브(15)의 팽창하는 틈새(A)까지 오일이 흡입된다(도 4a 참조). 이와 동시에, 피스톤부의 외면(C)에 의해 틈새(B)에서 오일 드레인파이프(21)로 오일이 배출된다.

외면(C)이 드레인 파이프(21)를 지나면 플런저(6)의 피스톤부에 의해 파이프(21)가 막히고, 틈새(B)에 남은 오일이 플런저(6)의 더이상의 움직임을 방해하므로, 결국 트래버스(4)를 통해 플런저(6)와 연계된 피스톤(3)의 움직임이 방지된다. 이 상황을 틈새(B)에서의 "하이드로락"이라 하고, 엔진의 하사점을 유발한다. 쓰로틀 채널(22)은 하이드로락에 의한 플런저(6)의 갑작스런 정지로 인해 생기는 수충격에 의해 플런저는 물론 이에 연계된 다른 메커니즘이 파손되는 것을 방지한다.

플런저(6)가 반대로 움직이면, 틈새(A)가 수축하면서 내면(D)에 의해 틈새(A)에서 오일배출구를 통해 오일배출관(20)에 오일이 배출된다. 내면(D)이 오일흡입구를 지나면 틈새(A)에 남은 오일이 갇혀 틈새(A) 내의 하이드로락을 형성하고, 이렇게 되면 엔진의 상사점의 위치가 결정된다.

크랭크축이 없어서, 크랭크축에서 생기는 횡력과 크랭크축의 회전으로 인한 관성부하가 모두 없어진다. 이때문에 마찰손실이 50%까지 줄어들어, 연료소비도 줄어들고 마찰손실을 커버하는데 필요한 연료량도 절감된다. 이런 엔진의 연료효율은 오염의 감소를 가져오기 때문에 환경친화적이 된다.

Claims (3)

1. 고정식 하우징;
   내부 측벽을 갖는 하나의 원통형 슬리브와, 하단 헤드가 서로 마주보고 있는 2개 원통형 피스톤을 구비하고 있으며, 슬리브의 측벽과 피스톤 사이에 일정 크기의 제1 간격이 형성된채 피스톤이 슬리브 안에서 미끄럼 운동하되 2개의 피스톤들이 서로 반대 방향으로 움직이면서 슬리브의 측벽과 헤드 사이에 공통 작업실과 공통 연소실을 형성하도록, 상기 하우징에 설치되는 고정식 실린더블록;
   일정 곡선으로 이루어진 닫힌 내부 작업면을 갖고, 하우징과 실린더블록에 의해 회전 가능하게 지지된 로터;
   상기 2개의 피스톤에 각각 연결된 2개의 트래버스;
   상기 트래버스 각각에 연결되고, 스프링의 힘으로 로터를 내리누르는 다수의 지지 롤러;
   내부 측벽을 갖는 가이드 부싱으로 양단부가 막혀있고 내부 측벽을 갖는 2개의 고정식 오일펌프 튜브;
   상기 튜브에 오일을 공급하기 위한 오일 공급수단;
   상기 튜브에서 오일을 배출하기 위한 오일 배출수단;
   상기 튜브 각각의 내부에 미끄럼 가능하게 설치된 2개의 플런저; 및
   상기 오일 공급수단과 외부 틈새들을 연결하는 오일 드레인수단;를 포함하고,
   튜브의 측벽과 플런저 사이에 일정 크기의 제2 간격이 형성되는데, 제1 간격의 크기가 제2 간격의 크기보다 크며, 상기 플런저들은 트래버스에 연결되고 가이드 부싱의 안내를 받아 서로 반대쪽으로 움직이고, 플런저마다 종방향으로 뚫린 쓰로틀 채널과 외면이 있으며, 상기 외부 틈새들은 부싱의 내부 측벽과 상기 외면 사이에 형성되는 것이고, 플런저마다 내면이 있는데, 상기 내면과 튜브의 내부 측벽이 내부 틈새를 형성하고, 이런 내부 틈새는 상기 오일 공급수단 및 오일 배출수단과 통하는 것을 특징으로 하는 2행정 회전 피스톤기관.
2. 제1항에 있어서, 상기 곡선이 폐대칭 타원형 곡선이나 카시니 곡선인 것을 특징으로 하는 2행정 회전 피스톤기관.
3. 제1항에 있어서, 제1 간격의 크기가 50㎛이고, 제2 간격의 크기가 2~4㎛인 것을 특징으로 하는 2행정 회전 피스톤기관.

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