KR900002876B1 - 로터리 엔진 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

로터리 엔진

제 1 도는 구체화된 본 발명의 횡단면도.

제 2 도는 제 1 도의 로우터에 대한 상세도로서 (a)~(c)는 외형설명도이고, (d)~(g)는 그 단면설명도.

제 3 도는 제 1 도의 허브(고정축)에 대한 정면도 및 측면도.

제 4 도는 알려진 원주피스톤 펌프의 횡단면도.

제 5 도는 본 발명의 동력 발생과정에 대한 작업유체 흐름도.

제 6 도는 브레이톤 싸이클(BRAYTON CYCLE)의 T/S(온도 엔트로피) 선도.

제 7 도는 디젤 싸이클(DIESEL CYCLE)의 T/S 선도.

제 8 도는 정적/정압 싸이클(본 발명의 동력발생과정)의 T/S 선도.

제 9 도는 정적/정압 싸이클 및 기타 싸이클의 T/S 선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가스운반로우터(GAS TRANSFER ROTOR)

2 : 동력로우터(POWER ROTOR)

3 : 연소실 벽면(COMBUSTION CHAMBER WALLS)

4 : 팽창실 벽면(EXPANSION CHAMBER WALLS)

5 : 허브(CYLINDRICAL HUB)

6 : 허브(CYLINDRICAL HUB)

7 : 공기입구(AIR INLET)

8 : 가스통로(GAS TRANSFER PASSAGE)

9 : 배기구(EXHAUST OUTLET)

10-17 : 냉매통로(COOLANT PASSAGE)

18 : 연료분사노즐 홀더(FUEL INJECTION NOZZLE HOLDER)

19 : 계기노즐(INSTRUMENT NOZZLE)

20 : 연소포켓(COMBUSTION POCKET)

21 : 팽창포켓(EXPANSION POCKET)

22 : 밸브노즐(VALVE NOZZLE)

23 : 체크벨브(CHECK VALVE)

24 : 대드스페이스(DEADSPACE)

A : 공기압축기(AIR COMPRESSOR)

B : 공기가열버너(AIR HEATING BURNER)

C : 발명엔진(INVENTED ENGINE)

D :발전기(ELECTRIC POWER GENERATOR)

E : 연료분사펌프(FUEL INJECTION PUMP)

G : 연료탱크(FUEL TANK)

H : 레디에이터(RADIATOR)

K : 냉각수순환펌프(COOLING WATER PUMP)

본 발명은 로터리엔진 및 그 운전방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 압축점화형 로터리엔진에 관련된다.

본 발명의 목적은 서서히 진행되는 정적연소 및 정압배기의 과정이 모두 성취되며, 연료가 고압축비에서도 연료의 질에 관계없이 정숙하게 연소되며, 열효율이 높고, 소형으로 고출력이 가능하고, 구조가 간단하여 제작이 용이하고, 진동이 없고, 노킹이 없고, 배기소음이 없는 이상적인 로터리 엔진 그 운전방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 대하여 설명하기 전에 피스톤 왕복엔진 및 가스터빈에 대한 장단점과, 엔진이 높은 열효율로 고출력을 내기 위한 필요조건에 대하여 다음에 대체로 기술하였다.

피스톤 왕복엔진은 작업유체의 온도/압력이 고온/고압이기 때문에 그 열효율이 상당히 높다. 그러나 피스톤 엔진은 그 구조상 개선할 길이 없는 단점들 즉, 무겁고, 진동이 심하며, 에너지 배기손실과 더불어 배기소음을 유발하는 단점들을 가지고 있다. 한편 가스터빈은, 그 작업유체의 온도/압력이 낮아 비록 그 열효율이 낮지만, 반면에 가볍고, 진동이 없고, 동력이 연속적으로 발생하며, 또 고출력을 내는 장점을 가지고 있다. 만약 가스터빈과, 예를들어, 디젤엔진이 모두 같은 압축비로 작동한다면, 가스터빈의, 열효율은 디젤엔진의 그것보다 더 높을 것이다. 그러나 가스터빈은, 고온의 작업유체와 접촉하는 모든 요소들을 냉각하는 것이 용이하지 아니하여, 디젤엔진과 같은 정도의 고압축비에서는 작동할 수 없다.

내연기관에 있어서, 압축비가 높으면 높을수록 작업유체의 온도도 높아지고 또 열효율도 높아진다. 그리고, 엔진은 고속으로 작동할수록 그만큼 더 고출력을 낸다. 따라서, 엔진은, 높은 열효율로 고출력을 내기 위하여서는, 고압축비로 또 고속으로 작동하여야 한다. 그런데, 압축비가 높으면 작업유체의 온도도 높다. 따라서 고온의 작업유체와 접촉하게 되는 모든 요소들은, 그들이 과열되어 파괴되지 아니하도록 또 그들의 미끄럼면(예을들면 시린더 벽면)에 유막이 유지되도록 적절히 냉각되어야 한다. 또한 모든 로우터들은 고속으로 회전이 가능하도록 그 회전축에 대한 관상모멘트의 균형이 잡혀 있어야 한다.

유성 회전형 반켈 로터리 엔진이 하나의 내연기관으로 실현된 이래 지금까지, 다수의 로터리 엔진이 발명되어 왔다. 그러나 어느것도 위에서 기술한 고압축비, 이에 따른 적절한 냉각 및 관성모멘트의 균형의 문제를 모두 다 해결하지 못하였다. 그리하여 그 발명들은 어느것도 열기관으로 실현되지 못하였다.

오토 싸이클 불꽃점화 엔진에서는, 대체로 공연비가 같은 공기/연료 혼합가스가 전기스파크 점화에 이하여 매우 바쁜 속도로 한 순간에 확 연소한다. 일반적으로 이 과정은 정적연소 과정으로 간주한다; 한편 압축점화형 디젤엔진에서는, 연료에 대하여 공기가 더 많이 공급되며 분사된 연료는 비교적 서서히 연소한다; 일반적으로 이 과정은 정압연소과정으로 간주한다. 그런데, 위의 두 엔진이 모두 같은 압축비에서 운전된다면, 정적연소 과정을 수행하는 불꽃점화 엔진의 열효율이 정압연소 과정을 수행하는 압축점화 엔진의 열효율보다 열역학적으로 분명히 더 높아야 한다. 그러나 오토싸이클 불꽃점화 엔진에서는, 그 압축비가, 공연비가 같은 공기/연료 혼합가스의 사전점화를 방지하기 위하여 또 연소노크를 방지하기 위하여, 어떤 값 이하로 한정된다. 따라서 엔진의 열효율도 사실상 어떤값 이하로 한정된다.

이러한 문제는 압축점화 디젤엔진에 의하여 얼마간 해결된다. 그리하여 그 압축비가 오토엔진의 그것보다 더 높고, 결과적으로 열효율도 역시 더 높다. 그러나 과잉공기의 공기/연료 혼합가스를 사용하는 디젤엔진은 그 연소속도가 느리기 때문에 낮은 회전속도로 작동하여야 하므로 고출력을 내지 못한다.

이러한 문제들은 본 발명에 의한 엔진(이하 발명엔진이라 칭한다)에 의하여 모두 해결된다. 다음은 본 발명엔진의 구성에 대하여 설명한 것이다.

본 발명엔진은 되도록 서로 가까이 인접하는, 2개의 크고 작은 작업실로 구성된다. 그리고 각 작업실은, 중앙에 실린더처럼 생긴 고정축 허브(5, 6)가 각각 설치되어 있는 2개의 원통형 용기가 부분적으로겹쳐진 형상을 하고 있다. 이러한 각 작업실에 원주 피스톤 펌프의 로우터와 유사한 한쌍의 피스톤 로우터가 원주 피스톤 펌프에서와 같이 각 조어축허브에 지지되도록 장치된다. 따라서 본 발명 엔진은, 마치 2개의 크고 작은 원주 피스톤 펌프가 직열로 연결되어 있는 것처럼 보인다. 이 작은 작업실 및 큰 작업실에서는, 각각 연소과정 및 팽창과정이 발생하는 바, 앞으로 이들을 각각 연소실 및 팽창실이라 칭한다. 제 1 도에 도시한 바와같이, 연소실에는 공기입구(7) 또 팽창실에는 배기구(9)가 있으며, 이들 연소실과 팽창실은, 연소가스가 연소실에서 팽창실로 흘러 들어갈 수 있도록, 비교적 그 구멍이 작은 두개의 통로(8)로 연결되어 있다. 이 통로를 앞으로는 가스통로라 칭한다. 이 가스통로(8)는 내열재로 라이닝(LINING)된다. 위에서 언급한 연소실의 두 로우터들에 의하여 작업유체는 공기입구(7)로부터 가스통로(8)로 옮긴다. 이 로우터들을 앞으로는 가스운반 로우터라 칭한다. 한편, 팽창실의 로우터들은 고압의 연고가스에 의하여 회전하게 되는바, 앞으로 이들을 동력 로우터라 칭한다. 이들 가스운반 로우터(1) 및 동력 로우터(2)들은, 모두 회전축에 대한 관성모멘트가 완전히 균형이 잡혀 있기 때문에 진동없이 고속으로 회전하는 것이 가능하다. 모든 로우터들은 대칭적으로 두곳이 돌출되어 있다. 따라서 모든 로우터들에는, 돌출부 사이의 요부공간이 형성된다. 그런데, 이 요부공간은, 로우터가 회전할 때, 연소실 벽면(3) 또는 팽창실 벽면(4)에 의하여 완전히 둘러싸여 밀폐되기도 하고, 또 부분적으로 둘러싸여 열린 상태가 되기도 한다. 앞으로는 연소실 및 팽창실에 형성된 각 요부공간을 각각 연소포켓 및 팽창포켓이라 칭한다. 따라서 연소실에도 모두 4개의 연소포캣(20)이 있고, 팽창실에도 역시 4개의 팽창포켓(21)이 있다. 로우터들의 내부에는, 제 2 도에 도시한 바와같이 그 몸통 내부에 대칭적으로 배열된 통로(10-16)가 있다. 이 통로를 통하여 냉매(공기, 물 또는 오일)가 고온의 작업유체로부터 로우터에 흡수된 열을 제거하기 위하여 순환하게 된다. 앞으로는 이 통로를 냉매통로라 칭한다.

제 4 도는, 본 발명엔진의 구조를 이해하는데 도움이 되도록, 본 발명엔진의 연소실 및 팽창실과 유사한 구조의, 일종의 로터리 펌프인, 원주 피스톤 펌프의 주요 단면을 도시한 것이다. 이 펌프의 로우터들이 그 펌핑참버 내에서 모두 같은 회전속도로 회전하듯이, 본 발명엔진의 로우터들도, 도시하지는 아니하였으나, 타이밍 기어에 의하여 모두 같은 회전속도로, 고정축 허브(5, 6)에 지지된 상태에서, 관련되는 연소실 및 팽창실 내에서 원운동을 하도록 되어있다. 이 로우터들은 회전하면서 서로 맞물리지도 또 접촉하지도 아니한다. 더군다나 이들은, 베어링부분을 제외하고는, 관련되는 연소실 및 팽창실의 벽면(3, 4)과 직접 접촉하지 아니하도록 되어있다.

연소실의 하우징에는, 적어도 한쌍 이상의 연료분사노즐을 장치하기위한 노즐홀더(18)가, 앞으로 자세히 설명하게될 정적연소과정이 서서히 진행될 수 있도록, 적절하게 배열되며, 이 홀더(18)에는 디젤엔진에서 사용되는것과 유사한 연료분사노즐이 장치된다. 또한 팽창실의 하우징에도, 팽창실 내의 압력이 1기압 이하로 떨어짐을 방지하기 위하여, 한쌍의 밸브노즐들(22)이 제 1 도에 도시한 바와같이 배열되고, 여기에 압력차에 따라 자동적을 열리고 닫히는 첵크밸브(23)가 장치되거나 또는 도시하지는 아니하였으나, 피스톤 왕복엔진이 흡입밸브와 같이 캠과 레버에 의하여 작동하는, 적어도 한쌍 이상의 포핏형 밸브가 장치된다. 이 밸브를 앞으로는 브리이싱 밸브라 칭한다. 또한 이 팽창실의 하우징에는, 팽창과정 후의 팽창실내의 압력을 감지하기 위하여, 계기노즐(19)이 있고 여기에 압력 감지용 계기가 장치된다. 앞으로는 이 계기를 배기압 감지기라 칭한다.

이와같이 구성한 주된 목적은 서서히 진행되는 정적연소 과정과, 언제나 1기압에서 진행되는 정압재배 과정을 모두 성취시키기 위한 것이다. 다음은 본 발명엔진의 작동원리 및 그 장점에 대하여 상세히 기술한 것이다.

본 발명엔진의 동력발생 과정은 열역학적으로, 제 8 도에 도시한 바와같이, 4개의 기본과정 즉, 등엔트로피압축, 정적연소, 등엔트로피 팽창 및 정압배기의 과정들로 구성된 사이클로 표현된다. 앞으로는 이 사이클을 정적/정압 사이클이라 칭한다. 이 정적/정압 싸이클의 열효율은 같은 압축비에서 작동하는 공지의 내연기관의 어떠한 사이클의 열효율보다 더 높다. 이것은 다음에 증명될 것이다.

본 발명엔진에는, 디젤엔지에서 사용되는 연료공급장치(즉, 연료분사펌프 및 기타 보조장치)와 로터리 타입 공기압축기 그리고, 이 압축기로부터 공기입구(7)로 흘러가는 압축공기를 가열하기 위한 버너(이하 공기 가열 버너라 칭한다.)가 갖추어진다. 이 공기가열버너는 압축기와 직열로 공기입구(7)에 연결되며, 엔진을 시동할 때에만 사용된다. 본 발명엔진이 정상운전중일 때는, 공기압축기가 공기를, 압축공기의 온도가 연료의 자연발화온도에 달하도록, 충분한 압력으로 압축한다. 그리고 이 압축공기는 곧바로 본 발명엔진의 공기입구(7)로 흘러들어간다. 그러나 시동중에는, 압축공기의 온도가 연료의 자연발화온도에 접근하기가 그렇게 용이하지 않으므로, 압축기에 의하여 생산된 압축공기는, 위에서 기술한 공기가 열버너에 의하여 자연발화온도 이상으로 가열된 후, 본 발명엔지의 공기입구(7)로 유입된다.

본 발명엔진의 로우터가 정숙하게 회전함에 따라, 압축공기는 정숙한 흐름으로 계속 전진하여 열려있는 연소포켓(20)내로 들어간다. 그리고 이 연소포켓은 곧, 또 하나의 연소포켓이 열린 후, 닫힌다. 압축공기는 연속적으로 4개의 연소포켓을 번갈아가며 흘러들어간다. 그런데, 막 밀폐된 이 연소포켓(20)내로, 마치 디젤엔진에서 연료가 시리던내로 분사되듯이, 연료가 연료분사노즐을 통하여 무화상태로 분사된다. 그러면 분사된 연료는 즉각 점화된다. 계속하여, 연료는 서서히 점진적으로 분사되며, 대응하여 그 연소의 진행도 역시 점진적으로 발전한다. 이러한 국면은, 회전하는 가스운반 로우터(1)의 돌출부가 연소가스를 가스통로(8)가 있는 곳으로 몰고가, 연소포켓(20)이 가스통로를 통하여 팽창실로 연결될 때까지 계속된다. 이 연소과정은 밀폐된 연소포켓내에서 일어나므로 이 연소포켓 내에 고압이 얻어진다. 즉, 이과정은 정적연소 과정이다. 더군다나 이 정적연소과정은 매과정마다 가스운반 로우터의 약 1/2회전에 해당하는 긴 시간동안 지속된다. 이러한 연소과정은 순간적인 연소를 하는 공지의 내연기관의 어느 연소과정과도 구별되며 유일하다.

본 발명엔진에서는, 매연소과정마다 이용가능한 연소시간은 약 로우터의 1/2회전에 해당하는 긴 시간이다. 이 연소시간은 피스톤 왕복엔진 또는 반켈 로터리엔진의 그것과는 비교할 수 없을 만큼 긴 시간이다. 이 충분한 연소시간 때문에 연료는 일정한 부피하에서 고압축비에서도 노킹없이 서서히 점진적으로 연소하게 된다.

디젤엔진과 같은 압축점화형 엔진에서는, 연소노크가 분사된 연료의 착화지연이 비교적 길 때 발생한다. 일반적으로 착화지연은 작업유체의 온도가 높으면 높을수록 짧아진다. 따라서 연소노크는 작업유체의 온도가 높으면 높을수록 발생하지 아니한다. 그러므로, 만약 압축점화형 엔진에서 연소노크가 발생한다면, 연소노크는, 한 연소과정중 초기에 분사된 연료의 착화지연이 후기에 분사된 연료의 그것보다 더 길기 때문에, 초기에 분사된 연료에 의하여 발생하게 된다.

본 발명엔진에서는, 초기에 소량의 연료만을 분사하여 노킹이 발생하기 아니하도록 한다. 따라서 분사된 연료는 노킹없이 연소하게 된다. 그리하여 작업유체의 온도가 어느정도 상승하게 되므로 연료를 그만큼 더많이 분사할 수 있게 된다. 이와같이, 연료의 분사량이 계속하여 점진적으로 증가함에 따라, 앞서 분사된 연료가 연소하여, 작업유체의 온도가 노킹이 일어나지 않을만큼 착화지연이 짧은 고온에 도달하게 된다. 그리하여 연소과정 후기에는, 다량의 연료가 분사되어도, 연료는 분사되는 즉시로 착화지연 없이 연소하게 된다. 이러한 점진적인 연소는 연소과정에 허용되는 시간이 충분하기 때문에 가능하다. 이러한 연소방법은, 다량의 연료가 한 순간에 분사되어 일어나는 디젤엔진의 연소과정과는 구별된다.

본 발명엔진의 연소과정에서, 밀폐된 연소포켓(20)내의 공기는 연소분사노즐에 대하여 빠른 속도로 달려간다. 따라서 분사된 연료는 공기와 잘 혼합되므로 완전연소가 가능하다. 더군다나, 연소가스가 팽창실에 흘러들어갈 때, 모든 연소가스는 비교적 그 구멍이 작은 가스통로(8)를 통과하게 되므로, 혹 미연소 입자들이 남아 있을 경우, 이들은 가스통로에서 재연소하게 된다. 이와같이 본 발명엔진에서는, 공기와 분사된 연료가 잘 혼합되고 또 충분한 연소시간이 연소과정에 허용되기 때문에, 가소린에서 벙커-A(예열이 요구됨)에 이르는 다양한 연료의 사용이 가능하고, 또 이들의 완전연소도 가능하다. 완전연소는 엔진의 열효율을 향상시킬 뿐만 아니라 공해방지에도 크게 기여한다.

하나의 연소포켓(20)이 이 공기입구(7)로부터 압축공기를 공급받고 밀폐된 후 로우터가 약 1/2회전하는 동안, 고압의 연소가스가 연소포켓 내에서 생산되었다. 그런데, 팽창실에서 하나의 팽창포켓(21)이 밀폐되면, 곧 바로 또 하나의 팽창포켓의 앞쪽 구석이 상술한 연소포켓과 연결된다. 그러면 위에서 기술한 연소포켓 내의 고압의 연소가스가 가스통로(8)를 통하여 막 연결된 팽창포켓(21)의 앞쪽 구석으로 흘러들어, 대기압으로 팽창할 때까지 동력 로우터(2)를 회전시킨다; 동력은 이때 발생하며 이 팽창포켓의 앞쪽 공간은 성장하여 완전한 팽창포켓 형태가 된다. 다음, 팽창을 다한 연소가스의 대부분을 담고 있는 팽창포켓이 밀폐되며, 따라서 팽창을 다한 연소가스는 이 팽창포켓 내에 존재한 대부분의 연소가스와 이 팽창포켓 밖에 존재한 소량의 연소가스로 분리된다. 그리고 나서, 대부분의 연소가스가 대기로 배출되도록 배기구(9)로 옮겨지는 동안에, 또 하나의 팽창포켓(20)에서 생산된 고압의 연소가스가, 다음 팽창과정을 수행하기 위하여, 팽창을 다한 소량의 연소가스가, 다음 팽창과정을 수행하기 위하여, 팽창을 다한 소량의 연소가스가 순간 머물러 있는 팽창소켓의 앞쪽 구석으로 또 흘러들어가서, 그들과 혼합된 후, 앞서 기술한 바와같이 동력을 생산하며 팽창하게 된다.

이 팽창과정에서, 고압연소가스가 팽창포켓 앞쪽 구석으로 진입하기 바로 진적에, 이 팽창포켓의 앞쪽 구석의 공간을 앞으로는 대드스테이스라 칭한다. 이 대드스테이스(24)에 매팽창과정마다, 팽창을 다한 소량의 연소가스가 남겨지며 또 고압의 연소가스가 진입하게 된다. 따라서 그들은 서로 혼합된다. 그런데, 혼합되기 전 그들의 압력이, 온도 역시, 서로 다르므로 연소가스의 앤트로피가, 앤트로피 증가의 법칙에 따라서, 대드스테이스의 부피에 비례하여 증가한다. 앤트로피의 증가는 엔진의 열효율을 저하시킨다. 그러므로 대드스페이스가 크면 클수록 엔진의 열효율은 저하된다. 본 발명엔진과 유사한 구조에 있어서는, 본 발명엔진의 피스톤 로우터(1, 2)가 비록 대드스페이스를 아니 만들지는 못하나, 어떠한 다른 형태의 로우터들보다도 더 작게 만드는 유일한 로우터이다. 따라서 본 발명엔진은 대드스테이스(24)가 작기 때문에, 앞 팽창과정에서 팽창을 다한 대부분의 연소가스가 다음 팽창과정의 고압이 연소가스와는 혼합되지 아니하고 배기되는 것이 가능하다.

본 발명엔진에서는, 각 연소포켓(20)내의 고온/고압의 연소가스가 2개의 가스통로를 번갈아 가며 통과하여, 통력 로우터(2)의 각 돌출부 원주표면에 곧바로 충돌하지 아니하고, 팽창실에 흘러들어가게 된다. 따라서 팽창실에 흘러드는 이 연소가스의 고속유동이 동력 로우터를 과도하게 가열하는 것이 방지된다.

본 발명엔진에서는, 작업유체의 흐름은 공기입구(7) 및 배기구(9)에서 한결같고, 앞서 기술한 연소, 팽창 및 배기의 과정들은 로우터의 매 회전마다 4번 발생한다. 따라서 로우터 1회전에 대하여 4번 맥동적인 동력이 2개의 동력 로우터(2)로부터 번갈아 가며 발생한다.

팽창실에 밀폐된 연소포켓(21)내의 압력을 앞으로는 폐포켓 압력이라 칭한다. 이 폐포켓 압력은 언제나 1기압으로 유지되어야 한다. 폐포켓 압력이 1기압 이하이거나 또는 이상이면, 이 대기압과의 압력차는 에너지손실일 뿐만 아니라 배기과정에 있어서 피스톤 엔진에서와 같이 배기소음을 유발한다. 그러나 이 폐포켓 압력은 다음에 설명한 바와같이 언제나 1기압으로 유지된다.

폐포켓 압력이 1기압 이상일 때, 이 폐포켓 압력은 즉시 팽창실의 계기노즐(19)에 장치된 배기압 감지기에 의하여 감지된다. 그러므로 이 신호에 따라서, 공기입구(7)에 압축공기를 공급하고 있는 압축기의 회전속도를 보다 낮은 속도로 줄이면 결과적으로 압축비가 낮아지므로 폐포켓 압력이 떨어져 1기압에 이르게 된다. ; 그런데 본 발명엔진이 정상운전 중이라면 폐포켓 압력이 1기압 이상으로 될 가능성은 별로 없다.

팽창실에 압력이 1기압 이하로 되면, 첵크밸브(23)가 압력차에 따라 자동적으로 열리게 되므로, 대기가 즉시 이 체크밸브를 통하여 팽창실내로 흘러들어간다. 그리하여 폐포켓 압력이 1기압 이하로 떨어짐이 방지된다. 이 첵크밸브 대신에, 피스톤 왕복엔진에서 사용되는 흡입밸브와 같은 밸브(브리이싱 밸브)가 사용될 수도 있다. 이 브리이싱밸브는 공기입구(7)로 진입하는 압축공기의 압력과 연손실에 분사된 연료의 양에따라, 보통 사용되는 캠 및 레버에 의하여 작동한다 ; 팽창실내의 압력은 공기입구로 진입하는 압축공기의 압력과 연소실에 분사되는 연료의 양에 좌우되기 때문이다. 예를 들면, 공기입구로 진입하는 압축공기의 압력과 연소실에 분사되는 연료량의 결과에 따라서,팽창실의 압력이 1기압 이하로 떨어지기 바로 직전에, 브리이싱 밸브가 열리기 한다. 그러면 대가기 팽찰실로 흘로들어, 폐포켓 언제나 1기압을 유지된다. 위에서 기술한 첵크 밸브 및 브이리싱 밸브의 출구는 대기로 열려 있는 것으로 되어 있다 ; 이렇게 하는 것이 본 발명엔진의 설명 및 이해하는데 도움이 된다. 그러나, 도시하지는 아니하였으나 이 첵크 밸브 또는 브리이싱 밸브의 출구를 어느것이 사용될지라도 모두 배관으로 배기구(9)에 연결하는 것이 보다 바람직하다. 따라서 이들 밸브가 연결되어 작동할 경우에는, 배기가스의 일부가 배기구(9)로부터 되돌아와 팽창실로 흘러들어가게 된다. 그래서 폐포켓 압력은 여전히 1기압으로 유지된다. 이리하여 본 발명엔진에서는, 정압배기 과정이 성취되며, 따라서 배기소음이 제거된다.

본 발명엔진의 모든 로우터들(1, 2)에는, 연소실 벽면(3) 또는 팽창실 벽면(4)에 밀접한, 그들의 돌출부의 원주면이 매우 넓으며, 그리고 제 2 도에 도시한 바와 같이, 그들의 몸통 내부를 통하여 냉매가 순환될 수 있도록 냉매통로들(10-16)이 갖추어져 있다. 그러므로, 고온의 연소가스로부터의 이 로우터에 흡수된 열은 그넓은 원주면을 통하여, 또 냉매통로(10-16)를 통한 냉매의 순환에 의하여 외부로 방출된다.

제 1 도에는, 볼발명엔진의 하우징에 대하여 이것의 냉각을 위한 어떠한 수단도 고려되어있지 아니하나 역시 적절히 냉각되어야 한다. 이 하우징의 냉각은 공지의 기술에 의하여 가능하다 . 즉, 본 발명엔진의 하우징에 물재킷(WATER JACKET) 또는 냉각핀(COOLING FIN)을 형성하면, 이하우징은 적절히 냉각될 수 있다. 수냉식인 경우에 대한 예로서, 본 발명엔진의 하우징에 반켈 로터리 엔진의 물재킷과 유사한 물재킷들이 형성되고 또 이 물재킷들이 앞서 기술한 냉매통로(10-17)와 연결되어 있다면, 본 발명엔진은, 제 5 도에 도시한 바와같이 냉각수 순환펌프(K)에 의한 냉매(물)의 순환에 의하여 적절히 냉각될 수 있다.

피스톤 왕복 엔진에서는, 피스톤의 원주면은 시린더 벽면과 유막접촉을 하며 미끄러진다. 따라서 만약 시린더 벽면의 온도가 고온으로 되면, 그 미끄럼면에 유막이 파괴되므로 그들은 급속접촉을 하게된다 .이러한 이유로, 피스톤 엔진의 냉각방식이 공냉식일 경우, 이 엔진은 미끄럼에 유막을 유지하기 위하여 수냉식의 엔진보다 더 낮은 압축비(즉, 더 낮은 온도)에서 작동되어야 한다. 따라서 그 냉각손실이 줄어들기는 하지만, 결과적으로 열효율은 보다 낮다. 그러나 본 발명엔진에서는, 로우터의 모든 표면은 관련되는 연소실 및 팽창실의 벽면과 직접 접촉하기 아니한다. 즉, 로우터의 모든 미끄럼면은 관련되는 연소실 및 팽창실 벽면(3, 4)과 매우 밀접한 틈새를 유지하면 접할 수도 있고 또, 유막접촉을 할 수도 있다. 더군다나, 연소실에서는, 기밀이 다소 불충분할지라도, 열효율에는 발명엔진의 구조상 큰 영향이 미치지 않는다. 그위에 또, 본 발명엔진을 보다 더 높은 고온으로 작동시키기 위하여, 연소포켓(20)을 형성하는 로우터(1)의 돌출부 곡면을 단열성이 좋은 내열재로 라이닝하는 것이 가능하다. 이러한 이유로, 본 발명엔진은 공냉식으로, 고압축비로 작동이 가능하다. 이때는 공기가 로우터 몸통내부의 냉매통로(10-16)를 통과하게 된다. 엔진이 공냉식으로 고압축비로 작동하면, 냉각손실이 줄어들어 연효율이 얼마간 향상된다.

지금까지 기술한 바를 간단히 요약하면, 본 발명엔진은, 어떠한 로우터보다도 대드스페이스를 작게 만드는, 또 어느 연소포켓도 로우터가 약1/2회전하는 동안 밀폐상태를 유지하는 것이 가능한 구조의 각각 한쌍의 피스톤 로우터들(1, 2)이 갖추어진 연소실과 팽창실로 구성되어, 고압축비에서도 모든 연료의 정적연소가 가능하고, 또 정압배기도 허용되어, 결과적으로 같은 압축비에서 작동하는 내연기관의 어느 싸이클보다도 더 높은 열효율이 성취되는 정적/정압 싸이클에서 작동하며, 또한 피스톤 왕복 엔진에 있어서, 왕복운동에 따르는 진동, 무거움, 저출력, 배기소음, 등의 구조상 개선할 길이 없는 단점을 모두 제거한 이상적인 엔진이다.

제 5 도는 본 발명엔진을 이용한 하나의 동력발생계통에 대한 작업유체흐름도로서, 동력을생산하기 위한 필수기기들 및 이들의 상호관계를 보인 것이다. 도시한 바와같이, 본 발명엔진(C)에 압축기(A), 공기가열버너(B), 연료분사펌프(E), 레디에이터(H), 기타 보조기기들이 갖추어져 있다. 본 발명엔진에는, 본 발명엔진이 소형엔진으로 되느냐 대형엔진으로 되느냐에 따라, 헬리칼 스크류 압축기가 이용될 수도 있고 가스터빈에서 주로 사용되는 다단 축류 압축기가 이용될 수도 있으며, 또는 본 발명엔진의 적합한 어떤 다른 타입의 압축기가 사용될 수도 있다. 다음은 압축공기의 공급과정 및동력 생산 과정에 대하여 기술한 것이다. 동력 생산과정에 대하여, 앞서 설명한 바 있으나 ,여기에서는 본 발명엔진의 작동에 중점을 두어 구체적으로 다시 설명한 것이다.

압축공기에 연료를 분사하면 연료가 자연적을 점화되도록, 압축기(A)가 공기를 단열적으로 충분한 고압을 압축하여, 압축공기의 온도가 연료의 자연발화점 이상의 고온에 이르게 한다. 그러나 엔진을 시동할 때는, 압축기(A)가 시동모터(도시하지 않음)에 의하여 구동되므로 압축기가 공기를 충분한 압력으로 압축하지 못하여, 압축공기의 온도가 연료의 자연발화 온도에 이르지 아니할 수도 있다. 그러므로 시동중에는, 공기가열 련료펌프(F)를 작동하여 연료를 압축공기가 통과하고 있는 공기가열 버터(B)에 분사하면서, 또 공기가열버너에 전기스파크를 발생시킨다. 그러면 분사된 연료는 쉽게 점화, 연소하여 압축공기의 온도가, 연료가 저절로 발화될 수있는 충분한 고온으로 상승하게 된다. 이리하여 연료가 자동적으로 점화되는 고온의 압축공기가 본 발명엔진(C)의 공기입구(7)로 진입하게 된다.

본 발명엔진의 로우터들이 회전함에 따라, 압축공기는 공기입구(7)로 흘러들어 열여있는 연소포켓(20)내로 들어가고, 이어서 또 하나의 연소포켓이 열리면 이 연소포켓은 닫히게 된다. 이때 연료 분사펌프(E)에 의하여 연료가, 충분한 고압으로 밀폐된 연소포켓(20)내에, 연료분사노즐 홀더(18)에 장착된 연료분사노즐(도시되지 아니함)을 통하여, 무화상태로 분사된다. 그러면 분사된 연료는 즉시 점화된다. 이러한 연료의 분사 및 분사된 연료의 연소는, 연소포켓(20)이 회전하여 팽창실로 가스통로(8)를 통하여 연결될 때까지, 부피가 일정한 상태에서 지속된다. 그리하여 가스운반 로우터(1)가 작업유체를 입구에서 가스통로(8)로 옮기는 동안 고압의 연소가스가 회전하는 연소포켓(20)내에서 생산된다. 이러한 연소과정은 밀폐된 연소포켓들(20)내에서 로우터의 매회전마다 4번, 연소포켓들을 번갈아가며, 발생하게 된다.

팽창실에서 제 1 도에 도시한 바와같이, 하나의 동력 로우터(2)의 돌출부앞쪽 모서리가 회전하여 가스통로(8)에 가까운 팽창실 벽면(4)모서리에 도착함에 따라, 하나의 팽창포켓(21)이 밀폐되고 이어서 곧바로 다른 동력로우터의 또 하나의 팽창포켓의 앞쪽 구석이 가스통로(8)를 통하여 연소포켓(20)에 연결된다. 그러면 막 열린 연소포켓(20)내의 고압의 연소가스가 가스통로를 통하여 막 연결된 팽창포켓의 앞쪽 구석으로 흘러들어가 대기압으로 팽창할 때까지, 동력 골우터(2)를 회전시키게 된다. 즉, 동력이 동력 로우터로부터 발생하게되고, 그 앞쪽 구석의 공간은 성장하여 완전한 팽창포켓으로 된다. 이어서 이 팽창포켓(21)이 밀폐되고, 따라서 이 팽창포켓 내의 팽창을 다한 대부분의 연소가스는, 배기구(9)로 옮겨진 후, 대기로 배기된다. 한편, 대드스테이스(24)에 남겨진 소량의 연소가스는 다음 팽창과정을 수행하기 위하여 또다시 진입한 고압의 연소가스와 혼합된다. 따라서 로우터의 매회전마다 4회맥동하는 동력이 2개의 동력 로우터(2)로부터 번갈아가며 발생한다.

만약 본 발명엔진이 최대부하에서 운전되고 있지 아니할 때는, 브리이싱밸브가, 팽창실내의 압력이 1기압이하로 떨어지기 바로 직전에, 열리게 된다. 그러면 배기가스의 일부가 즉시 팽창실로 브리이싱 밸브를 통하여 흘러들어간다. 따라서 밀폐된 팽창포켓 내의 압력은 언제나 1기압으로 유지된다. 그러므로 본 발명엔진에서, 정압배기 과정이 성취되면, 따라서 출구에서 배기가스의 흐름은 정숙하다.

앞서 설명한 압축, 연소, 팽창 및 배기의 과정은 열역학적으로 제 8 도에 도시한 정적/정압 싸이클로 표현된다. 다음은 제 8 도와 관련하여 이 정적/정압 싸이클을 열역학적으로 설명한 것이다.

과정 1-2 : 공기가 이상적인 압축기에 의하여 상태 -1에서 상태 -1로 압축되는 등엔트로피 압축과정이다. 제 8 도에서 상태 -1과 상태 -2는 각각 압축기 입구의 대기의 상태와 압축기 출구의 압축공기의 상태이다. 압축공기는 상태변화없이 공기입구(7)로 흘러들어 열려있는 연소포켓(20)안으로 들어가게 된다.

과정 2-3 : 연소포켓이 밀폐된 후, 분사된 연료의 연소에 의하여 열(HEAT)이 밀폐된 연소포켓 내의 압축 공기에 공급되어지는 과정이다. 작업유체는 체적변화없이 상태 -3으로 가열된다. 따라서 부피는 일정하고 온도와 압력만 상승하게 된다. 상태 -3은, 연소가스가 팽창실로 진입하기 직전 연소포켓(20)내에서의 연소가스의 상태이다.

과정 3-4 : 고압의 연소가스가 막 열리기 시작하는 팽창 포켓(21)의 앞쪽 구석으로 흘러들어, 동력 로우터(2)를 회전시키고, 상태 -3에서 상태 -4로 팽창하는 과정이다. 열역학적으로는, 이러한 팽창과정 및 전술한 압축과정은 보통 등엔트로피 과정으로 간주한다. 상태 -4는 팽창실에서 1기압으로 팽창을 다한 연소가스의 상태이다.

과정 4-1 : 팽창을 다한 연소가스가 배기구(9)로 옮겨져, 대기로 정숙하게 배출되는 배기과정이다. 곡선 4-1은 배기가스가 지닌 열량이, 압력이 일정한 상태에서, 대기로 방출됨을 의미한다.

이 싸이클에서, 동력은 팽창과정(상태 -3에서 상태 -4로 되는)으로부터 발생하며 ,이 동력중에 일부는 압축기 구동에 사용되고 그 나머지는 출력된다. 정적/정압 싸이클의 열효율은 같은 압축비에서 작동하는 내연기관의 어떠한 싸이클의 열효율보다도 더 높다. 이것은 다음과 같이 입증된다.

제 9 도는 정적/정압, 브레이톤, 오토 및 디젤 싸이클을, 이들의 열효율이 서로비교되도록 그 압축비 및 공급열량은 모두 같게하여, 하나의 온도/엔트로피 평면에 모두 도시한 것이다. 제 9 도에서 각 싸이클은 다음과 같다.

정적/정압 싸이클: 싸이클 1-2-3-4-1

보레이톤 싸이클 : 싸이클 1-2-3'-4＾-1

오토 싸이클 : 싸이클 1-2-3-4''-1

디젤 싸이클 : 싸이클 1-2-3'-4'-1

제 9 도는 온도/엔드로피 평면에서, 정적/정압 싸이클에 주어지는 열량이나 오토 싸이클에 주어지는 열량은 어느 것이나 면적 62356으로 나타나며, 브레이톤 싸이클에 주어지는 열량도 또 디젤 싸이클에 주어지는 열량도 어느 것이나 면적 623'5'6으로 나타난다. 그런데 이 두 면적들은 주어진 열량과 같으므로 서로 같다. 한편, 각 싸이클로부터 배출되는 열량을 나타내는 면적은 각각 다음과 같다.

정적/정압 싸이클: 면적 61456

보레이톤 싸이클 : 면적 614＾5'6

오토 싸이클 : 면적 614''56

디젤 싸이클 : 면적 614'5'6

어느 싸이클에서나 공급된 배출되는 열량의 차는 이용가능한 동력으로 변환된다. 따라서 각 싸이클로부터 변환된 동력을 나타내는 면적은 다음과 같다.

정적/정압 싸이클: 면적 12341

보레이톤 싸이클 : 면적 123'4＾1

오토 싸이클 : 면적 1234''1

디젤 싸이클 : 면적 123'4'1

열역학에서 싸이클의 열효율은 공급된 열로부터 변환된 동력(출력)을 총 공급열량으로 나누어준 것으로 정의된다. 자, 그런데 정적/정압 싸이클의 출력에 대응하는 면적이 위의 어느 싸이클에 대한 면적보다 더 넓다. 그러므로 정적/정압 싸이클의 열효율이 어느 싸이클의 그것보다 더 높음이 분명하다.

본 발명엔진은 압축기가 분리되어 있기 때문에 재생 싸이클에서도 작동할 수 있다. 이 경우에는, 본 발명엔진에 열교환기가 요구되면, 만일 필요할 경우 흡입펌프도 요구된다. 예를들어, 본 발명엔진에, 오일분사식 스크류 압축기가 주어지고 또 배기구(9)에 열교환기가 장치되어 있다면, 압축기에 의하여 생산된 압축공기는 열교환기에 의하여 가열된 후 본 발명엔진의 공기입구(7)로 진입하게 된다 ; 압축공기와 배기가스는 모두 이 열교환기를 통과한다. 좀더 자세히 기술하면, 압축기가 공기를 1기압, 25℃(가장)에서 20기압, 90℃로 압축한다. 그리고, 본 발명엔진이, 그 냉각손실이 25%이고, 이론공기량의 150%인 500℃의 압축공기가 공급된 상태에서 운전될 때, 그 배기가스의 온도는 약 650℃로 된다. 그러므로, 열교환기를 통과하는 압축공기는 90℃에서 500℃로 배기가스의 열교환에 의하여 용이하게 가열될 수 있다. 그런데, 만약 배기구(9)에서의 배기가스의 온도가 1기압에 대하여 700℃이상으로 높다면, 열교환기의 배기가스 출구에 흡입펌프(또는 블로우어)를 더 장착하는 것이 바람직하다. 이와같이 흡입펌프를 장치하여 작동하면, 배기가스가 흡입되어 대기로 배출되므로 본 발명엔진의 팽찰실내의 연소가스는 대기압 이하로 팽창하게 되면, 대응하여 역시 배기가스의 온도도 열교환기 하나만 장치할 때보다 더 낮은 온도로 된다. 따라서 결과적으로, 열교환기 내에서의 배기가스의 체적변화에 해당하는 동력이 얼만간 더 발생하게 되고 또한, 열교환기에 의하여 배기열도 회수된다. 따라서 전 열효율은 상당히 향상된다.

본 발명엔진은 브레이톤 싸이클에서도 또 랜킨 싸이클에서도 작동할 수 있다. 이경우에는 작업유체가 연소과정을 겪지않고 공기입구(7)로부터 가스통로(8)로 단순히 옮겨지게된다. 그러나 본발명엔진은 가스터빈 이나 스팀터빈보다 열역학적인 면에서 더 우수하다. 가스터빈 및 스팀터빈에서는, 고압의 작업유체가 지닌 에너지가 노즐을 통한 팽창에 의하여 운동에너지로 변환되고 다음, 이 운동에너지로부터 유용한 동력이 얻어진다. 그러므로, 작업유체의 엔트로피가 크게 증가한다. 더군다나, 터빈 맨 마지막 스테이지를 떠나는 작업유체의 운동에너지는 이용이 불가능하다. 그러나 본 발명엔진에서는 고압의 작업유체가 지닌 에너지가, 엔트로피 증가의 요인이 되는 운동에너지로 변화되지 아니하고, 유용한 동력으로 직접 변환된다. 또한 본 발명엔진은 대드스페이스(24)가 작기 때문에, 그 팽창과정에서 엔트로피의 증가가, 브레이톤 또는 랜킨 싸이클에서 작동이 가능한 어떠한 엔진의 그것보다 더 작다. 그러므로 본 발명엔진은 브레이톤 또는 랜킨 싸이클에서 작동하는 어느 엔진보다도 더 높은 열효율을 성취할 수있다. 더군다나, 본 발명엔진은 그 구조상 브레이톤 또는 랜킨 싸이클에서 가스터빈 또는 스킴터빈보다 더 고온/고압에서 작동하는 것이 가능하다.

Claims (3)

1. 중앙이 시런더처럼 생긴 고정축 허브(5)가 각가 설치되어 있는 2개의 원통형 용기가 부분적으로 겹쳐진 형상의 하나의 연소실과, 이에 인접한 연소실과 동일한 형태이나 그 규모가 더 큰 하나의 팽창실로 구성되어 있고, 이들 연소실과 팽창실은 2개의 가스통로(8)에 의하여 서로 연통하고 있으며, 이들 연소실과 팽창실에 각각 , 연소포켓(20)이 형성되어 있는 한쌍의 가스운반 로우터(1)와 팽창포켓(21)이 형성되어 있는 한쌍의 동력로우터(2)가, 서로 맞물리지도 또 접촉하지도 아니하고 회전할 수 있도록 원주피스톤 펌프의 펌핑참버에서와 같이, 각각 시린더처럼 생긴 고정축허브(5, 6)에 지지되도록 장착되어 있으며, 상기한 연소실의 하우징에 대칭적으로 배열된 적어도 한쌍 이상의 연소분사노즐이 갖추어져 있으며, 따라서 밀폐되어 회전하는 연소포켓(20)내에 연료를 분사하여 고압축비에서도 정적연소과정이 밸브없이 서서히 진행될 수있으며, 또, 팽창실에서 팽창을 다한 연소가스의 대부분이 다음 팽창과정을 위하여 진입하는 고압의 연소가스와는 격리되어 오직 하나의 팽창실만으로 팽창가스의 대부분이 일정한 압력하에서 배기되도록, 팽창 포켓(21)이 최소의 대드스페이스(24)를 갖는 것이 특징인 로터리 엔진.
2. 제 1 항에 따른 로터리 엔진에 의하여 동력을 생산함에 있어서, 압축공기를 연소포켓(20)내에 진입시키고, 밀폐되어 회전하는 연소포켓내에 연료를 분사하여 분사된 연료가 일정한 부피하에서 비교적 서서히 연소되도록 하며, 이 연소과정에 의하여 얻어진 고압의 연소가스를, 팽창포켓에 앞서 진입하여 팽창을 다한 연소가스의 대부분이 팽창포켓이 밀폐됨에 의하여 대드스페이스(24)와는 격리되어진 직후에, 가스통로(8)를 통하여 또 하나의 팽창포켓의 앞쪽 구석으로 흘러들게 하여 1기압으로 팽창할 때까지 동력 로우터(2)를 회전시키게 하며, 팽창을 다한 연소가스의 대부분이 압력이 일정한 상태에서 대기로 배출되도록 하여, 그리하여 위에서 기술한 정적연속과정, 팽창과정 및 정압배기과정이 로우터의 매회전마다 4번 발생하는 비율로 계속적으로성취 되도록 하여, 같은 압축비에서 작동하는 내연기관의 어떠한 싸이클의 열효율보다도 더 높은 열효율을 갖는 정적/정압 싸이클로, 엔진을 작동시킴에 의하여 동력을 생산함에 특징이 있는 로터리 엔진.
3. 제 1 항에 따른 엔진에 의하여 동력을 생산하는 방법에 있어서, 연소포켓(20)내로 진입한 고압의 가스 또는 스팀과 같은 작업유체가 연소실에서 연소과정을겪지 않고 그대로 가스통로(8)를 통하여 팽창포켓(21)의 앞쪽 구석을 흘러들게하고, 다음 요구되는 압력으로 팽창하도록 하여, 엔진을 브레이톤 또는 랜킨 싸이클로 작동시킴에 의하여 동력을 생산함에 특징이 있는 로터리 엔진.

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