KR19990046506A - 터빈식내연기관 - Google Patents

Abstract

1. 발명이 속한 기술분야

가스터빈 기관과 디젤기관 원리 및 구조를 조합한 터빈식 내연기관

2. 발명의 목적

가스터빈 기관과 디젤기관에 있어서 양자의 단점을 보완하고 장점만을 구현하여 보다 구조가 간단하고 효율성 있는 내연기관을 제공하고자 함

3. 발명의 구성

동력축에 연결된 구동링 회전으로 피스톤을 왕복 운동시키는 기구와, 시린더내에 공기를 흡입하는 흡기기능과 폭발된 가스를 압축·분출하는 배기기능을 동시에 수행하는 흡배기 겸용 밸브와 그 구동장치, 개스의 분출압력을 받아 회전 동력을 발생하는 터빈으로 구성되어 있음

4. 발명의 효과

기존의 디젤기관이나 가솔린 기관보다 구조가 단순하면서도 가스터빈 기관의 효과를 기대할수 있으며 폭발된 개스를 압축 활용함으로 기관의 효율을 높일 수 있고 부속장치 필요성이 적어 경량화 내지는 소형의 내연기관 제작 가능하고 독립적인 동력장치로 인하여 개개의 시린더 조립체 착탈이 매우 용이하여 보수유지(補修維持)면에서 상당한 이점이 있음

Description

터빈식 내연기관{turbine type internal combustion engine}

산업상의 이용분야

본 발명은 내연기관에 관한 것으로 피스톤 왕복운동 기구와 밸브의 기능을 개선하여 기관의 구조를 단순화하고 폭발된 개스를 압축 활용하여 기관을 소형화하고 나아가 에너지 효율을 높일 수 있는 내연기관 동력발생 장치에 관한 것이다.

종래기술

일반적으로 가스터빈 기관은 공기흡입, 압축, 팽창, 배기의 각 과정이 피스톤 기관과는 달리 압축기, 연소실, 압축기터빈, 출력터빈으로 성립된 장치에 의하여 동력을 얻는 원동기로 중량/출력비가 적어 경량·소형화가 가능하고 진동이나 토크변동이 적은 등의 장점이 있는 반면에 연료소비량이 많고 압축기 터빈의 기능상 급격한 부하 변동에 대해 추종성이 약한 단점이 있다.

디젤기관은 피스톤 기관으로 압축된 흡입공기에 연료를 분사시킨후 얻어진 폭발에너지로 크랭크축을 회전시켜 동력을 얻는 원동기로 가솔린 기관에 비해 구조가 단순한 반면 진동과 소음이 크며 불완전한 흡배기 작용으로 인하여 기관의 신뢰성이 적은 단점이 있다.

본 발명이 해결하려는 문제점

일반적인 피스톤 내연기관은 피스톤의 폭발 싸이클을 맞추기 위하여 크랭크축이 복잡하게 제작되어 있고, 회전 관성을 얻기 위하여 크랭크축이 무겁게 되어 있을 뿐만 아니라 후라이휠 같은 중량물이 장착되어 전체적으로 내연기관의 중량이 무겁다.

동력이 고체 전달(폭발개스→피스톤→콘넥팅로드→크랭크축)됨에 따라 동력축에 충격과 진동이 발생되고 흡·배기 밸브 구동을 위한 캠축 등의 부속장치가 필요하여 구조가 복잡하고 이들을 구동하기 위한 에너지 소요가 많다.

가스터빈 기관은 압축기용 터빈이 고속으로 회전하지 않으면 흡입공기 유량이 감소하여 기관 출력이 불안정해 지는 이유로 인하여 일정 수준 이상의 터빈 회전이 필요하여 연료 소모가 많고 부하변동에 취약한 문제점이 있다.

문제점을 해결하기 위한 수단

본 발명은 가스터빈 기관의 장점과 디젤기관의 장점만을 구현하기 위하여 안출한 것으로서,

기관의 크랭크축을 없애고 대신 동력축에 터어빈을 설치하여 피스톤으로 압축 폭발된 개스가 터어빈에 전달될 수 있도록 하는 방식을 사용하여 기관에 발생될 수 있는 충격과 진동을 줄이고, 피스톤 왕복운동 기구를 단순화하여 사점(死點) 제거를 위한 중량물 장착 필요성을 없앴다. 크랭크축을 이용한 회전운동이 아니므로 피스톤 내연기관에서 일반적으로 보여지는 노킹(knocking) 현상에 의한 영향이 적다.

1개의 부품으로 구성된 흡배기 겸용 밸브를 장착하여 시린더내 연소실 용적 범위까지 피스톤 상사점을 높여 연소개스를 시린더내에서 완전 배출되도록 하여 디젤기관의 경우와 같은 흡배기 작용의 불완전한 문제점에 대처하였다.

개스는 폭발된 상태에서 압축하여 노즐 모양의 배기 밸브를 거쳐 고압의 분출 압력으로 터어빈과 터보챠자를 구동하도록 하였다.

동력축이 회전하는 동안은 시린더내에서 계속 압력개스를 생산하므로 가스터빈 기관에서와 같이 저속 회전시 유입공기 부족으로 인하여 발생되는 문제점에 대처하고 일반적인 피스톤 기관의 구조를 보다 단순화 하였다.

제1도는 본 발명에 적용된 피스톤 왕복운동 기구

제2도는 제1도에 있어서 "J"의 단면도

제3도는 슬라이딩바 궤적(軌跡) 도해도

제4도는 본 발명에 적용된 흡배기 겸용 밸브 평면도

제5도는 제4도 (11)의 정면도

제6도는 제4도를 좌측으로 90도 회전하였을때 평면도

제7도는 제6도 (11)의 정면도

제8도는 시린더 및 피스톤 조립도

제9도는 제8도에 있어서 "K"의 정면도

제10도는 제8도의 정면도

제11도는 제12도의 좌측면도

제12도는 터빈식 내연기관 조립도

제13도는 제12도의 우측면도

제14도는 제12도에 있어서 시린더 배열 확장예(擴張例)

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:피스톤 2:로드하우싱 3:피스톤로드 4:스프링 5:슬라이딩바 6:구동링 7:슬라이딩 면 8:동력축 11:흡배기겸용 밸브 12:배기구멍 13:밸브 흡기홈 14:밸브 피니온 15:첵크밸브 16:밸브 구동바 17:구동바 래크 18:포지션니플 21:연료분사변 22:분사변로드 23:분사변구동바 24:스프링 25:시린더 31:기관후레임 32:터빈 33:가스안내판 34:터보챠자 35:배기닥트 36:배기관

작 용

제1도는 본 발명에 적용된 피스톤 왕복운동 작동도이다.

축 회전시 피스톤와 연결된 슬라이딩바(5)는 경사진 구동링(6)의 폐곡선 홈을 따라 왕복운동을 한다. 구동링의 홈(7)의 기울기 각도(α)가 크면 슬라이딩바(5) 유동이 원활한 반면 행정(S)은 짧아지고, 반대로 각도(α)가 작으면 행정이 긴 반면에 슬라이딩바 유동이 원활치 못하므로, 제3도에서 보는바와 같이 2폐곡선(B) 또는 3폐곡선(C)을 이용하여 기울기 각도 α를 크게 하면 슬라이딩바(5) 유동을 원활하게 하면서 행정거리를 조정할수 있다.

제3도는 폐곡선상에서의 슬라이딩바(5) 궤적을 도해한 것으로 피스톤이 1왕복 하기 위해서 필요한 축 회전수는 그림에서 보는바와 같이 A는 1 회전, B는 2 회전, C는 3 회전이 필요하여 기관의 다양한 출력 설계가 가능하다.

그림 D는 같은 모양의 궤적을 증가시켜 슬라이딩바(5) 갯수를 늘림으로서 슬라이딩바가 수용할 수 있는 부하용량을 늘릴 수 있음을 표시한 것이다.

제2도는 제1도 "J" 부분의 단면을 표시한 것으로 슬라이딩바(5)가 홈의 밑면에 닿지 않도록 하여 마찰을 줄이고 공간(7)의 부분에 오일을 채워 슬라이딩바가 원활하게 구동이 되도록 한다

제4도는 구동바(16)가 밸브피니온(14)을 밀었을 때 밸브(11)의 상태를 평면으로 도해한 것이며 제5도는 제4도 밸브(11)의 정면도이다.

원형봉에 노즐 모양의 배기구멍(12)과 흡기구 역할을 하는 흡기홈(13)이 서로 직각 방향으로 뚫려져 있고 구동바(16)의 작동에 의하여 밸브(11)는 90도 각도로 왕복반회전(半回傳)한다.

구동바(16)에는 밸브(11)를 90도 각도로만 회전시킬수 있도록 래크(17)가 길이 L만큼 창성되어 있다. 밸브(11)의 정확한 회전각도 유지를 위하여 밸브후렌지 사이드에 90도 각도로 배치되는 포지션니플(18)을 8개 설치하였다.

제5도는 폭발개스가 배기될때의 상태로 흡기구의 첵크밸브(15)와 밸브의 흡기홈(13)이 서로 분리되어 있는 상태를 표시한다.

제6도는 구동바(16)가 당겨져 제4도의 밸브(11)가 좌측으로 90도 회전 하였을때의 상태를 평면으로 도해한 것이며, 제7도는 제6도 밸브(11)의 정면도이다.

제7도는 흡기될때의 상태로 흡기구의 첵크밸브(15)와 밸브의 흡기홈(13)이 서로 도통되어 있는 상태를 표시한다.

공기 흡입구에는 공기압력차(空氣壓力差)로 개폐되는 첵크밸브(15)를 설치하였다.

여기서 공기압력차란 공기흡입구의 송풍압력과 시린더 내부의 압력차를 의미하는 것으로, 시린더 내부가 저압 상태(피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동할때)일 때는 첵크밸브(15)가 개방되어 도통되어져 있는 밸브(11)의 흡기홈(13)으로 공기가 계속 유입되고 반대로 시린더 내부가 고압 상태(피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동할때)일 때는 첵크밸브(15)가 폐색되어 공기 유입이 없다.

제8도는 피스톤(1)과 시린더(22)를 조립한 평면도이며 a, b, c의 영문자는 각각 피스톤(1)의 하사점, 폭발지점, 상사점 위치를 표시한 것이다.

피스톤(1)이 a점에서 상사점을 향할때 밸브는 제7도와 같이 흡기구 첵크밸브(15)와 밸브의 흡기홈(13)이 일치된 상태에 있으나 피스톤의 압축에 의하여 시린더 내부가 고압상태에 있으므로 첵크밸브(15)는 닫혀 있는 상태이다.

피스톤(1)이 b점에 이르면 분사변구동바(23)가 분사변로드(22)를 밀어 분사변(21)에서 연료가 분사되어 압축된 공기가 폭발되고 이어서 구동바(16)의 래크가 밸브피니온(14)을 90도 회전시켜 제5도와 같이 배기구멍(12)를 열어 압력개스를 방출하게된다.

피스톤이 c지점에 이르면 구동바(16)의 래크(17)가 밸브피니온(14)을 90도 회전시킨 상태이므로 압력개스는 완전히 방출된 상태이다. 이때 배기구멍(12)의 개방시기가 개스의 폭발시기 보다 늦으므로 폭발된 개스는 압축된 상태에서 분출하게 되며, 폭발시의 충격 완화를 위하여 제1도에서 보는 바와 같이 피스톤 로드에 스프링 상수가 높은 스프링(4)을 설치하였다.

피스톤(1)이 c지점에서 하사점을 향하면 구동바(16)의 래크에 의해 밸브가 반전되어 배기구멍(12)이 닫히고 제7도에서 보는바와 같이 흡기구 첵크밸브(15)와 밸브의 흡기홈(13)이 도통된 상태에 놓이게 된다.

이때는 피스톤의 하강으로 시린더 내부가 저압상태에 있으므로 첵크밸브(15)가 피스톤이 하사점에 이를때까지 개방되어 공기가 시린더 내부로 유입되며 상기와 같은 싸이클을 반복적으로 유지한다.

제9도는 제8도 "K" 부분의 작동관계를 정면도로 표시한 것으로 피스톤이 상사점(c)을 향할 때 분사변구동바(23)가 분사변로드(22)를 밀어 연료가 분사되게 한다.

피스톤이 하사점(a)을 향할 때는 분사변로드(22)가 작동되지 않도록 하고 분사변구동바(23)는 원위치로 복귀되도록 (24)와 같이 스프링을 장착한다.

제10도는 제8도의 정면도를 표시한 것으로, 피스톤(1)의 형상은 그림에서 보는 바와 같이 원형봉 모양의 밸브 형상과 일치되도록 한다.

제12도는 터빈식 내연기관의 정면도이고 제11도 및 제13도는 각각 제11도의 좌,우 측면도이다. 임펠라(32)는 축에 고정되어 시린더(25)에서 분출되는 압력개스를 받아 회전하여 동력을 전달하고, 터보챠자(34)는 베어링에 장착되어 임펠라(32)를 거쳐 나온 가스의 압력으로 회전된다.

임펠라(32) 뒷편으로는 제11도에서 보는 바와 같이 개스 방출관(35)을 좌우로 설치한후 하단에 위치한 배기관(36)에 합치도록 하였다.

제13도는 시린더 배열을 도해한 것으로 중앙에 구동링(6)이 위치하고 이를 공유하는 시린더(25)를 방사상으로 배치하였다. 시린더는 기관의 설계 출력 정도에 따라 갯수를 조정하여 장착할 수 있으며 기관에서 탈착이 쉽고 보수가 용이하다.

제14도는 제12도에 있어서 시린더 기통수를 증대하였을 때 기관의 형상을 도해한 것이다. 이 경우 피스톤로드(2)와 구동링(6)을 공유하여 2개의 피스톤을 동시에 작동시킬수 있으며 임펠라(32)는 축회전 방향이 일치하도록 같은 방향의 비틀림을 준다.

발명의 효과

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 터빈식 내연기관은 가스터빈 기관의 장점과 디젤기관의 장점만을 구현한 것으로서 기존의 디젤기관이나 가솔린 기관보다 구조가 단순하면서도 가스터빈 기관의 효과를 기대할수 있도록 하였다.

폭발된 개스를 압축 활용함으로 기관의 효율을 높일 수 있으며 부속장치 필요성이 적어 경량화 내지는 소형의 내연기관 제작이 가능할 것으로 기대된다.

기존 내연기의 경우 일부 동력장치 고장이 연쇄적으로 작용하여 다른 동력장치에 손상을 주거나 기관 전체 시스템에 영향을 주는 구조로 되어 있는바,

본 발명에 의한 내연기관은 개별적인 동력발생 구조로 되어 있어 동력 장치간에 간섭이 없으며 일부 동력 장치가 정지되어도 어느 한도까지는 시스템 기능이 안정적으로 유지될 수 있고 또한 개개의 시린더 조립체 착탈이 매우 용이하다.

Claims (3)

1. 피스톤 왕복운동에 의하여 혼합기를 폭발시킨후 압축 분출하여 그 압력으로 임펠라를 회전시켜 동력을 얻는 것을 특징으로 하는 내연기관.
2. 일정한 각도로 경사진 폐곡선 홈을 설치한 원형축이 회전할때, 폐곡선 홈에서 슬라이딩바가 구동함에 따라 피스톤이 왕복 운동하는 구동장치.
3. 원형봉에 배기구 구멍과 흡기구 홈을 만들어 원형봉이 회전함에 따라 배기 및 흡기 작용이 이루어 지는 흡·배기 겸용 밸브와 그 구동장치.