KR101243655B1 - 크랑크 회전형 Piston Rotary Engine - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전형 내연기관에 관한 것이다.
현재의 회전형 기관으로 실용화 되고 있는 반켈기관은 트로코이드 실린더 곡면으로 되어 편마모와 마찰 및 기밀유지가 곤란하여 기관효율이 낮고 기관의 내구성이 저하되고 있다.
현재의 왕복형 피스턴 기관은 팽창에너지를 피스턴과 컨넥팅 로드와 크랑크 샤후트로 구성된 크랑크 기구에 의해서 왕복운동을 원운동 에너지로 전환 하도록 되어 있는 기계적 구조로 되어 있으나,
본 발명 기관은 왕복운동 부분을 제거하고 모둔 운동부분이 일정한 방향 정속 원 운동만을 수행하도록 한 회전기관으로 관성력이 가속력으로 작용하게 됨으로 기관 효율 향상과 기관의 경량화, 소형화, 간편화가 가능하고 기관제작과 운용면에서 경제적인 내연기관이다.
따라서 운송기구의 동력이나 항공기 동력으로 적합하며 저탄소 배출이 요구되는 하이브리드 자동차의 보조동력기구로 적용할 수 있다.

Description

크랑크 회전형 Piston Rotary Engine{omitted}

본 발명은 회전형 내연기관에 관한 것이다.

종래의 내연기관은 기구운동학적으로 왕복형 기관, 회전형 기관, 분사추진기관으로 분류할 수 있다.

현용 회전형 내연기관중 실용화 되고 있는 대표적인 반켈기관의 경우, 문제점은 트로코이드 곡면으로 형성된 실린더 제작이 어려우며, 실린더 편마모로 인한 면윤활 및 기밀유지가 곤란하여, 기계효율이 저하되고 내구성이 떨어지고 있다.

왕복운동부분이 없이 일정방향, 일정속도의 회전운동만을 수행하도록 하며 반켈기관에서 야기되는 문제점을 해소하였다.

이를 위하여 일정 원주를 따라 일정속도의 회전운동만을 수행하는 다수의 크랑크 회전형 피스턴이 크랑크 운동원리에 의해서 용적변화를 일으키는 4cycle 내연기관으로 작동하게 하였다.

운동부분의 원운동 관성력은 회전동력과 일치되어 가속됨으로 기관효율을 향상시킬 수 있다.

실린더 곡면은 원주면으로 제작이 용이하며 편마모가 없어 윤활이 용이하여 기관의 수명을 연장시킬 수 있다.

모든 접동면은 원주면 또는 평면으로 유막형성이 보장되여 기계효율을 향상시킬 수 있다.

자흡입, 자배기가 이루어지며 무발브로 소음이 없고 기계적 손실을 줄일 수 있으며 기관이 간단하다.

유동 연소 화구 점화기관으로 점화장치가 간단하며 실화염려가 없고 진동과 소음이 작다.

4cycle 기관으로 Piston의 자연냉각(흡기에 의한 냉각)은 왕복기관과 동일하며 공기냉각과 유냉각 모두 가능하다.

기관의 출력당 중량과 부피감소로 운송기구 및 항공기 동력으로 적합하다.

에너지 절감과 저탄소 배출을 위한 하이브리드 자동차의 보조동력장치로 적용할 수 있다.

도 1 은 본 발명 엔진의 주회전축(100)에 대한 횡단면도
도 2 는 본 발명 엔진의 주회전축(100)에 대한 종단면도
도 3 은 본 발명 엔진의 편심회전기어 단면도
도 4 는 본 발명의 크랑크 회전형 피스턴도
도 5 는 탄소섬유 Belt 구성도

도 1 에서와 같이 다수의 크랑크 회전형 Piston(500-1∼16)으로 구성된 로타리 엔진의 구조와 작동에 관하여 설명하기로 한다.(본 발명에서는 16개의 Piston으로 설정하였음)

본 발명 엔진의 가스작동실은

1) 외부실린더(400) 원주 내면벽과

2) 내부고정실린더(300)의 원주 외면벽 그리고

3) 양측면의 평면벽으로 구성된 공간을

4) 여러개의 크랑크 회전형 Piston(500-1∼16)에 의해서 재분활 구획되는 여러개의 소격실로 구성된다.

외부 실린더(400)내면벽 형성은 도 1과 도 2에서와 같이 엔진의 주회전축(100)에 편심거리(e)만큼 상,하로 떨어져 대칭이 되도록 2개의 편심회전축을 상정한다.

도 1에서 상측편심축선(210-A)를 중심으로한 반경 = R + ｒ 의 상반원주 내면과 하측편심축선(210-B)를 중심으로 한 반경 = R + ｒ 의 하반원주 내면을 평면 이음새로 상호 연결하여 이루어진 트랙형 원주면을 실린더 내면벽으로 형성한다.

내부고정실린더의 외주면벽 형성은 도 1에서 하측편심축선(210-B)를 중심으로 반경 = R - r 로 형성되는 상측반원주의 외주면과 상측편심축선(210-A)를 중심으로 반경 = R - r 로 형성되는 하측 반원주면을 상호 연결하여 럭비 Ball 형태의 원주외면벽을 형성한다.

가스작동실의 양측면의 평면벽 형성은 편심회전기어(200-A)와 (200-B)의 측단면과 외부 실린더에 고정된 측평면벽으로 형성되어 있다.

위에서와 같이 형성된 공간은 양측면의 편심회전기어(200-A)와(200-B)의 측면에 크랑크 핀구를 등간격으로 설치하고 이에 상기 크랑크 회전형 Piston의 크랑크핀을 결부하여 16개의 소격실로 분할한다.

도 2 와 도 3 에서 편심회전기어(200-A) 와 (200-B)에 각각 내치기어를 설치한다.

주회전축(100)에 외치기어(110-A)와 (110-B)를 설치하여 편심회전기어(200-A)와 외치기어(110-A)가 상호 내외접 결부되고 다른 한편에서는 편심회전기어(200-B)와 외치기어(110-B)가 내외접 결부되어 주회전축(100)을 중심으로 대각선 대칭을 이루도록 결부된다.

내외치 기어의 비를 4 : 3 로 하여 주회전축(100)과 편심회전기어(200)의 회전비가 4 : 3 되게 한다.

외부 실린더(400)은 케이싱에 고정되고 내부실린더(300)은 내외치기어가 편심 결부로 조성된 틈새 공간을 통하여 내부실린더 고정볼트(310-A) 와 (310-B)에 의해서 좌우측 케이싱에 고정된다.

주회전축(100)회전에 따라서 양측 편심회전기어(200-A)와 (200-B)는 동일방향 동일속도로 회전하게 된다.

크랑크 회전형 피스턴(500-1∼16)은 주회전축(100)을 중심으로 원운동을 하게 되고 크랑크 작용으로 소격실은 용적 변화가 일어난다.

크랑크 회전형 피스턴(500-1∼16)의 양단부는 실린더와 요동접촉을 하게 됨으로 양단부는 반경 = r 의 반원주면을 형성하게 하고, 피스턴의 두께는 2r 로 한다.

도 4 에서와 같이 피스턴의 크기는 편심거리 = e 와 피스턴의 양단의 반원주 반경=r 에 의해 결정되며, 피스턴의 좌우측에 달려있는 두 크랑크 핀의 중심선 간의 거리가 2e 가 되도록 하여야 한다.

본 발명 엔진의 크기 결정은 피스턴의 회전반경(R)와 피스턴의 수(N)와 편심량(e)와 피스턴의 양단부 원주 반경(r)에 의해서 결정되며 피스턴 상호 간섭을 피하기 위하여

의 함수관계는 필수 조건이다.

내연기관에서 접동면의 마찰감소를 위한 윤활과 작동실의 기밀유지는 기관의 효율과 내구성을 향상시키는 중요한 요소로서, 도 5 에서와 같이 Piston의 표면은 탄소섬유 Belt로 감싸져서 화염으로부터 보호되어 마찰면의 유막파괴가 일어나지 않아야 한다.

도 1 에서와 같이 주회전축(100)의 회전에 의해서 일어나는 소격실의 체적변화는 흡입구간에서 점진적 용적 증대로 압축 구간에서는 점진적 용적 축소가 이루어지고 연소 팽창구간에서는 다시 용적 증대가 되고 배기 구간에서는 다시 용적축소로 연소후 배기가 이루어진다.

편심 회전기어(200-A)1회전에 4개 행정이 이루어지게 되며 배기구간과 흡기구간이 인접되여 잔류 배기가스의 흡입구간으로 전이되는 것을 방지하고 흡입공기의 충진효율을 향상시켜 주기 위한 터보차져 장착은 더욱 효과적이다.

용적변화에 따르는 접동부분의 마찰과 작동가스누설을 방지하기 위하여 접면의 윤활과 실링은 내연기관의 필요적 중요 요소이며, 특히 회전기관에서 피할 수 없는 피스턴 헤드의 이동선 접촉에 대한 아래와 같은 대책이 강구되어야 한다.

도 5 에서 피스턴은 고내열 고강도의 탄소섬유 Belt로 감싸지고 냉각 윤활에 의해서 상호 유막상에서 미끄럼 운동이 일어나도록 하였다.

외부실린더(400)의 내면벽과 이동선 접촉이 이루어지는 피스턴 양단부는 도 5에서와 같이 탄소섬유 Belt 가 외부실린더(400)내면을 따라 이동하게 됨으로 미끄럼 마찰을 피할 수 있도록 하였다.

도 5 에서 피스턴의 탄소섬유 Belt 와 내부 실린더(300)간의 미끄럼 마찰방지를 위하여 내부 실린더(300)의 외부 원주면을 감싸고 이동회전하는 또 다른 탄소섬유 Belt 를 설치하였다.

크랑크 회전형 Piston(500-1∼16)의 측면과 접촉하는 작동실의 측면은 상호 평면접촉으로 유막상에서 미끄럼 접촉이 이루어진다.

마찰부의 윤활과 기관냉각을 위하여 Piston 핀에 냉각유 통로가 설치되고 지속적인 냉각유 순환공급이 요구된다.

100 : 주회전축
110-A : 주회전축 외치기어 1
110-B : 주회전축 외치기어 2
200-A : 좌측편심 회전기어
200-B : 우측편심 회전기어
210-A : 상측 편심축선
210-B : 하측 편심축선
220 : 크랑크 핀구
300 : 내부 실린더
310-A : 상측 케이싱과 내부실린더 고정 Bolt
310-B : 하측 케이싱과 내부실린더 고정 Bolt
400 : 외부 실린더
410 : 흡기구
420 : 배기구
430 : 연료 분사구
440 : 열구
500-1∼16 : 크랑크 Piston
[주기]
R : 크랑크 Piston 의 중심점의 원운동반경
e : 편심거리
r : 피스턴 양단 헤드의 원주반경(핀축을 중심으로)
N : 피스턴의 수

Claims (2)

1. 등속 회전운동을 하는 다수의 크랑크 회전형 Piston으로 구성된 Rotary Engine의 구조에서 가스 작동실을 구성함에 있어서
   외부실린더의 내면벽 형성은 회전주축에서 상하로 편심량 e 만큼 떨어져서 상호 대칭을 이루는 상측 편심축선 A 와 하측편심축선 B를 상정하여 상기 상측 편심축선 A를 중심으로 한 반경 = R + r 의 상반 원주 내면벽과 하측 편심축선 B 를 중심으로 한 반경 = R + r 의 하반원주 내면벽을 평면 이음새로 연결하여 트랙형 외부 실린더의 내면벽을 형성하고
   내부 실린더의 외주면벽 형성은 하측 편심축선 B 를 중심으로 한 반경 = R - r 로 형성되는 상측 반원주의 외주면 벽과 상측 편심축선 A를 중심으로 한 반경 = R - r 로 형성되는 하측 반원주의 외주면 벽을 연결하여 럭비 Ball 형태의 내부실린더의 외주면 벽을 형성하며
   가스작동실의 양측면벽 형성은 좌우 편심 회전기어의 측면과 외부실린더의 좌우측에 고정설치된 측평면벽으로 구성되어 있으며
   상기와 같이 형성된 가스작동실을 재분할 소구획함에 있어서 양측면 편심회전 기어의 측면 원주상에 등분으로 16개의 크랑크 핀구를 설치하고 상기 크랑크 핀구마다 크랑크 회전이 가능하도록 크랑크핀으로 Piston 을 결부하여 16개의 소격실로 분할하였으며
   좌측편심 회전기어 A 와 주회전축에 설치한 외치기어 A'가 편심으로 내외접 결부되고 우측 편심회전기어 B 가 다른 한쪽에서 주회전축에 설치된 외치기어 B' 와 편심 내외접 결부되어 2개의 좌우 편심회전기어가 대각선으로 대칭을 이루고 있으며
   내부 실린더의 지지는 내외치 기어가 편심 내외접으로 조성되는 공간을 통하여 좌측 고정 Bolt A 와 우측고정 Bolt B 에 의해서 양측 케이싱에 고정 결부되어 있으며
   편심 회전기어 1 회전시 격실의 용적이 변화되여 4개 행정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 크랑크 회전형 피스턴 로타리 엔진.
2. 청구항 1 의 크랑크 회전형 피스턴 구조에서 편심거리 e 의 2배의 길이가 되도록 피스턴의 좌측 크랑크 핀의 중심선과 우측 크랑크핀의 중심선 거리를 설정하고 양단 헤드부분은 크랑크 핀의 중심선에서 반경 r 의 반원주 면을 형성하여 내외부 실린더 벽과 이동선 접촉을 이루게 하고 피스턴의 두께는 2r 이 되며 피스턴의 양측면에 대각선 대칭을 이루는 피스턴핀을 가진 것을 특징으로 하는 크랑크 회전형 피스턴 로타리 엔진.

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