[피스톤엔진의 혁명] 제가 발명한 피스톤엔진의 문제를 찾습니다. 여러분의 도움이 절실합니다.

[엔진혁명]

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봄봄과학 여러분께 인사드립니다. 새로운 피스톤엔진을 발명한 민국이라 합니다. 제가 발명한 새로운 피스톤엔진(랙형 박서엔진)의 문제를 알고자 여러분의 도움을 청합니다. 아래에 새로운 피스톤엔진에 대한 소개글(랙형 박서엔진의 이해)이 있습니다. 보시고...저의 주장에 어떤 문제가 있는 지를 알려주시면 고맙겠습니다. 물리학과 관련된 내용이 많습니다. 에너지보존의 법칙으로 피스톤엔진의 출력을 설명한, 저의 주장이 맞는 지도 알고 싶습니다. 제 발명의 문제를 찾는 것은 저에게 매우 중대합니다. 잘 부탁드립니다. [ engrevolution@daum.net으로 연락주시면 고맙겠습니다]

[엔진혁명 500만 현상금] 새로운 피스톤엔진 소개(카페공개용) PDF.pdf

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【피스톤엔진의 혁명】

랙형 박서엔진의 이해

   2017년 1월 23일에서 현재까지 진행된 연구 및 평가에 따르면 새로운 피스톤엔진(랙형 박서엔진)은 종래 피스톤엔진(박서엔진)에 비해서 최소 2배 이상의 출력이 예상된다. 또한 새로운 피스톤엔진의 실용성을 저해하는 어떠한 심각한 문제도 없는 것으로 추정된다. ☞ 「랙형 박서엔진에 대한 34명의 의견과 답변」(첨부파일) 참조

  새로운 피스톤엔진은 메카니즘에 문제가 없으며, 종래 피스톤엔진에 비해서 출력이 2배 이상이다. 또한 새로운 피스톤엔진은 ‘종래 피스톤엔진이나 내연기관에서 흔히 보이는 심각한 내구성 문제’가 없다. 적어도 현재까지 검증결과는 그렇다.

  이러한 주장을 처음 듣는 사람은 매우 황당할 것이다. (논란이 있지만...) 1860년 프랑스인 기술자인 르누아르(1822∼1900)에 의해서 최초의 내연기관(피스톤엔진)이 탄생한 후 지금까지 발전한 피스톤엔진의 출력을 2배 이상으로 증진하다니...그것도 어떠한 기계적 결함이 없다니...그것이 어떻게 가능하단 말인가? 그러한 발명이 이 시대에 가능한가? 의심하고 또 의심을 한다. 
  
  그러면 어떻게 2배 이상의 출력이 가능하고, 피스톤엔진에서 일반적으로 보이는 내구성 문제가 없을 수 있단 말인가? 여기서 그 핵심을 간략히 말하겠다. 

   
피스톤엔진의 동력손실

    [그림 1]은 피스톤엔진의 작동원리를 잘 보여준다. 

    그림 1. 피스톤엔진의 작동원리

  위의 [그림 1]에서 폭발행정을 보라. 상사점(크랭크 각=0)에서 피스톤-커넥팅 로드-크랭크(출력축)이 일직선이 된다. 상사점에서 폭발에너지(가스압력)는 피스톤에 작용하는 물리적 힘(Force)으로 전환된다. 그러면 피스톤에 작용하는 힘에서 어느 정도가 크랭크의 회전운동으로 전환될까? 

  그림 2. 토크공식

  [그림 2]를 보면 상사점에서 피스톤에 작용하는 힘(Force)에서 크랭크의 회전운동으로 전환되는 에너지(Torque)는 0이다. 피스톤-커넥팅 로드-크랭크(출력축)이 일직선이 되는 상사점에서 피스톤에 작용하는 힘은 크랭크(출력축)로 전달되지 않는다. 그리고 피스톤에 작용하는 힘에서 크랭크의 회전운동으로 전환되는 에너지의 비율은 상사점을 지나면서 점진적으로 증가한다.  

  그러면 피스톤에 작용하는 힘에서 얼마의 에너지가 동력변환과정에서 실제로 손실될까? 이에 대한 답은 피스톤엔진의 기계적 이익률(Mechanical Advantage)을 나타내는 [그림 3]에 있다.

  그림 3. 피스톤엔진에서 크랭크각과 기계적 이익률(%)  
  # (계산의 기준이 된) 보라색 그래프는 최적의 지연점화에서 크랭크각과 기계적 이익률(%)을 나타냄.
  # 출처: 아래 사이트
http://www.d-series.org/forums/engine-building/141308-advanced-tech-what-makes-torque-why-do-i-care.html

  [그림 3]에서 기계적 이익률(Mechanical Advantage)는 피스톤에 작용하는 힘에서 크랭크의 회전운동으로 전환되는 힘의 비율이다. 이러한 기계적 이익률(Mechanical Advantage)에 따라 계산할 경우에 피스톤에 작용하는 힘은 크랭크의 회전운동으로 전환되는 과정에서 약 50%가 손실된다. 이러한 동력손실은 피스톤에서 크랭크(출력축)로 이어지는 동력전달장치가 갖는 구조적 문제이다. 따라서 피스톤-커넥팅 로드-크랭크(출력축)으로 이어지는 동력전달장치를 갖는 피스톤엔진에서 해결이 불가능하다.   

  위와 같은 피스톤엔진의 문제를 해결하기 위해서 나는 새로운 방식의 피스톤엔진을 개발하였다. 구체적으로 박서엔진에서 피스톤-커넥팅 로드-크랭크(출력축)으로 이어지는 동력전달장치를 피스톤-랙기어-일방향기어(출력축)으로 이어지는 동력전달장치로 대체하였다. 
 

 본 발명의 새로운 피스톤엔진, 즉 랙형 박서엔진의 제작모형은 다음과 같다.
 

  그림 4. 랙형 박서엔진의 제작모형
   # 총 4개의 피스톤을 갖는 2행정/랙형 박서엔진 모형
   # 본 발명의 작동모습 동영상(http://cafe.daum.net/engrevolution/gAIA/4)

  [그림 4]는 2행정 랙형 박서엔진의 실시 예이다(「4행정 랙형 박서엔진」은 “특허출원 명세서” 참조). 랙형 박서엔진에서 2개의 피스톤 세트에서 발생하는 직선왕복운동은 어떠한 경우에도 중앙의 일방향기어(출력축)의 회전운동으로 전환된다. 

  다음 [그림 5]는 피스톤엔진의 주요 부분을 보여준다. 

  그림 5. 새로운 피스톤엔진의 사시도

  [그림 5]를 기준으로 새로운 피스톤엔진의 주요 부분 및 작동원리를 간단히 살펴보자. 
  위의 랙기어(1개)와 아래의 랙기어(2)가 서로 다른 일방향기어와 맞물린다. 위의 랙기어(B)는 중앙의 일방향기어(B)와 맞물리고, 아래의 랙기어(A) 및 랙기어(B)는 중앙의 일방향기어(A) 및 일방향기어(C)와 맞물린다. 일방향기어는 기어(외측기어부)가 우회전할 때만 동력을 전달한다. 
  따라서 랙기어(A, B, C)가 우측으로 이동할 때에 위의 랙기어(B)와 맞물린 일방향기어(B)가 정회전하고, 일방향기어(B)의 정회전력이 출력축으로 전달된다. 그리고 랙기어(A, B, C)가 좌측으로 이동할 때에 아래의 랙기어(A, C)와 맞물린 일방향기어(B, C)가 정회전하고, 일방향기어(B, C)의 정회전력이 출력축으로 전달된다. 
  그리고 새로운 피스톤엔진의 2행정 과정은 2행정 피스톤엔진과 같다. 좌우 실린더에 번갈아가면서 폭발이 일어나고, 동시에 피스톤 및 랙기어 세트는 직선왕복운동을 반복한다. 그리고 피스톤/랙기어의 직선왕복운동은 중앙의 일방향기어를 통해서 출력축/플라이휠로 전달된다. 그리고 피스톤/랙기어의 직선운동관성에 의해서 2행정이 실현된다. 피스톤의 1회 직선왕복운동(=피스톤의 2행정)으로 흡기/압축/폭발/배기가 이루어진다. 

  여기서 중요한 점은 피스톤/랙과 일방향기어(출력축)가 직교한다는 점이다. 피스톤/랙과 일방향기어(출력축)가 서로 직교하기 때문에 피스톤에 작용하는 힘(Force)은 모두 [그림 2]에 있는 토크공식(T=F×L)에 따라 일방향기어(출력축)의 회전운동으로 전환된다. 만약 상사점에서 피스톤에 작용하는 힘이 100이라면, 그 100에 해당되는 힘이 대부분 크랭크의 회전운동을 전환된다(마찰력 제외). 
  위와 같은 이유에서 랙형 박서엔진은 종래 피스톤엔진(박서엔진)에 비해서 출력이 2배가 된다. 그리고 새로운 피스톤엔진이 종래 피스톤엔진과 다른 몇 가지 이유에서 본 발명의 새로운 피스톤엔진(랙형 박서엔진)은 종래 피스톤엔진(박서엔진)보다 출력이 최소 2배 이상이다.   

내구성의 비밀

  2017년 1월 23일 특허출원을 한 후에 얼마 전까지 비공개적으로 전문가(기계공학 석박사급 이상) 혹은 관계자들의 평가를 받았다. 그리고 몇 주 전에 다음카페[엔진혁명]를 개설하고, 현상금을 내걸고 공개적으로 평가를 받고 있다. 그동안 34명의 사람들이 랙형 박서엔진에서 다양한 문제를 제기했으나 현상금 지급기준을 충족하는 사람은 없었다. ☞ 「랙형 박서엔진에 대한 34명의 의견과 답변」(첨부파일) 참조

  랙형 박서엔진에 대한 34명의 문제제기는 대부분 “내구성 문제”에 대한 것이다. 기존의 피스톤엔진처럼 새로운 피스톤엔진에도 내구성에 문제가 심각할 것이라 주장하였다. 또는 기존의 박서엔진이나 로터리엔진처럼 새로운 피스톤엔진에도 내구성 문제가 심각할 것이라 주장하였다. 그러나 새로운 피스톤엔진에는 종래 피스톤엔진이나 다른 내연기관에서 보이는 심각한 내구성 문제가 없다. 그 이유는 무엇인가?    

  그 비밀은 동력전달의 효율성(=기계적 이익률 mechanical advantage)에 있다. 종래 피스톤엔진에서 심각한 내구성 문제가 발생하는 가장 큰 이유는 동력전달의 효율성(기계적 이익률)이 너무 떨어지기 때문이다. 
  참고로 크랭크에 작용하는 힘과 속도를 갖는 변속기의 기어에는 피스톤엔진에서 보이는 심각한 내구성 문제가 없다. 또한 로터리엔진에서 강력한 힘과 속도를 갖는 삼각형 로터(외측기어)와 내측기어와 접촉한다. 피스톤엔진보다 훨씬 강력한 힘과 속도로 회전하는 삼각형 로터의 외측기어와, 이와 맞물리는 내측기어에 내구성 문제가 없다.        

  핵심은 동력전달의 효율성이다. 앞서 피스톤에 작용하는 힘의 약 50%가 크랭크의 회전운동으로 바뀌는 과정에서 사라진다는 사실을 설명하였다. 여기에 답이 있다. 

에너지보존의 법칙으로 보라 

  그러면 피스톤엔진의 동력변환과정에서 손실된 50%는 어디로 사라졌는가? 피스톤에 작용하는 힘의 50%(=중간에 사라진 50% 에너지)가 피스톤-커넥팅 로드-크랭크(출력축)에 직접적 충격을 주면서 사라진 것이다. 여러분이 한번쯤은 경험한 도끼질을 보라.

  도끼로 장작을 찍고, 장작은 제자리에 선다. 이때 도끼에 작용하는 힘(F=ma)은 어디로 사라진 것인가? 도끼에 작용한 힘은 장착에 충격을 주고 사라진 것이다. 따라서 도끼질에서 사라진 힘은 장작에 가해지는 충격과 비례한다. 여기서 도끼는 피스톤에 해당되고, 장작은 피스톤의 동력전달장치라 할 수 있다. 
  크랭크의 회전운동으로 전환되지 않는 피스톤의 운동에너지(피스톤에 작용하는 전체 운동에너지의 약 50%)가 피스톤-커넥팅 로드-크랭크(출력축)을 포함하는 동력전달장치에 충격을 주고 사라진 것이다. 이러한 이유로 피스톤엔진의 동력전달장치에 심각한 내구성 문제가 발생한다.   

  그러나 본 발명의 랙형 박서엔진은 피스톤에 작용하는 힘이 대부분 일방향기어(출력축)의 회전력으로 전환된다. 따라서 피스톤엔진에서 보이는 -크랭크의 회전력으로 전환되지 않는 피스톤 힘에 의한- 충격이 거의 없다. 이러한 이유에서 랙형 박서엔진의 동력전달장치의 내구성에 문제가 없다. 현재까지 평가에서 새로운 피스톤엔진에 대한 결정적 문제는 발견되지 않았다. ☞ 자세한 내용은 「랙형 박서엔진에 대한 34명의 의견과 답변」(첨부파일) 참조

에너지보존의 법칙과 피스톤엔진의 출력

새로운 피스톤엔진의 출력을 에너지보존의 법칙으로 살펴보자. 연료폭발에 의한 실린더압력은 피스톤에 작용하는 가스압력과 동일하고, 피스톤에 작용하는 가스압력은 피스톤에 작용하는 물리적 힘(F)으로 계산된다. 그리고 피스톤에 작용하는 힘(F)은 직교하는 일방향기어(출력축/플라이휠)의 회전력으로 전달된다. 그리고 피스톤에 작용하는 힘(F)에서 ‘일방향기어(출력축/플라이휠)의 회전력으로 전환되지 않는 피스톤 에너지’는 피스톤 실린더의 가스를 압축하는 역할을 한다. 그리고 ‘피스톤 실린더를 압축한 피스톤 에너지(=실린더 가스압력으로 전환됨)’와 ‘연료폭발에 의한 실린더 가스압력’은 상사점부터 피스톤을 밀어내는 힘(F)으로 작용한다.

따라서 피스톤 실린더를 압축한 피스톤에너지는 손실된 것이 아니다(피스톤에 의한 불완전한 밀봉이나 마찰력 요인은 제외). 피스톤실린더를 압축한 피스톤에너지는 상사점을 지나면서 다시 피스톤을 밀어내는 힘으로 작용하기 때문이다.

에너지보존의 법칙으로 볼 때 새로운 피스톤엔진은 피스톤의 직선왕복운동이 회전운동으로 전환되는 과정에서, 그리고 피스톤의 직선왕복운동 관성으로 실린더 가스를 압축하는 과정에서 동력손실이 발생하지 않는다(일반적으로 기어식 동력전달과정에서 나타나는 마찰력 제외). 따라서 새로운 피스톤엔진에서 피스톤에 작용하는 힘(F)은 모두 출력축(플라이휠)의 회전운동으로 전환된 것으로 볼 수 있다.

그러나 기존 피스톤엔진은 피스톤 동력전달장치의 효율성(=기계적 이익률 Mechanical Advantage)문제로 피스톤에 작용하는 힘에서 약 50%가 출력축의 회전운동으로 전환되지 못하고 손실된다. 그리고 출력축의 회전력으로 전환되지 않는 피스톤 에너지(전체 피스톤에너지의 약 50%)는 모두 피스톤 동력전달창치에 충격으로 작용한다.

또한 피스톤엔진에서 크랭크/플라이휠의 관성회전을 이용해서 피스톤 실린더의 가스를 압축해야 한다. 크랭크/플라이휠의 회전력이 피스톤의 직선운동으로 전환되는 과정에서 또한 기계적 이익률(Mechanical Advantage)이 높지 않기 때문에 동력손실이 발생한다. ≪나는 크랭크의 회전력이 피스톤의 직선운동으로 전환되는 비율을 나타내는 기계적 이익률(그래프)을 잘 모른다. 그러나 피스톤 동력전달장치 모형을 만들어서 손으로 작동해보면, 크랭크의 회전운동이 피스톤의 직선운동으로 변환되는 과정에서 낮은 기계적 이익률에 따른 심각한 동력손실이 있다는 사실을 알 수 있다.≫

에너지보존의 법칙으로 볼 때 기존 피스톤엔진은 피스톤의 직선왕복운동이 회전운동으로 전환되는 과정에서, 그리고 크랭크의 회전운동 관성으로 실린더를 압축하는 과정에서 낮은 기계적 이익률(Mechanical Advantage)에 의한 동력손실이 심각하다. 여기서 중요한 점은 “동력전달과정에서 낮은 기계적 이익률에 따라 손실된 에너지는 엔진의 행정(흡기, 압축, 폭발, 배기)에 어떠한 역할도 하지 못하고, 오직 피스톤 동력전달장치에 충격을 주면서 사라진 에너지이다”는 사실이다. 이러한 이유에서 피스톤엔진에서 발생하는 심각한 동력손실은 피스톤엔진의 동력전달장치에서 발생하는 내구성 문제의 가장 큰 원인이다.

이 글은 새로운 피스톤엔진에 대한 간략한 소개이다. 새로운 피스톤엔진을 정확히 알고자 하는 사람들은 다음의 자료를 참조하기 바란다.

# 모든 자료는 다음카페(http://cafe.daum.net/engrevolution)에 공개되었다.

자료1. 특허출원명세서: 새로운 피스톤엔진의 기본적 메카니즘 설명

자료2. 랙형 박서엔진에 대한 중간보고서: 새로운 피스톤엔진의 상세한 이해

자료3. 34명의 문제제기와 답변(종합): 새로운 피스톤엔진의 상세한 이해

자료4. 새로운 피스톤엔진과 종래 피스톤엔진의 작동 동영상(직접제작): 새로운 피스톤엔진과 종래 피스톤엔진에 대한 직관적 이해

마지막으로 이 글이 보시는 분들에게 부탁드린다. 이 글이 새로운 피스톤엔진을 평가할 수 있는 수학자, 물리학자, 기계공학자, 내연기관연구자, 발전기연구자, 자동차연구자, 에너지산업관련자, 그리고 엔진에 관심 있는 사람들에게 널리 전달되기를 바란다. 많은 사람들의 참여로 새로운 피스톤엔진에 대한 정확한 평가가 이루어지기를 진심으로 기대한다.

아울러 [엔진혁명 500만원 현상금]에 참여하실 분은 꼭 카페에 있는 「엔진혁명 500만원 현상금」(난)에 글(문제제기)을 올려주기 바란다. 새로운 피스톤엔진의 결정적 문제를 발견한 첫 사람에게 현상금을 지급하기 때문에 ‘시간(랙형 박서엔진의 문제를 발견한 시간)’이 중요하다. 카페에 글을 기준으로 하겠다.

그리고 현상금에 도전할 사람은 꼭 [랙형 박서엔진에 대한 34명의 의견과 답변]과 [랙형 박서엔진에 대한 중간보고서]를 보시기 바란다. 지금까지 현상금 지급조건을 충족한 사람은 없었다는 사실을 알고, 치밀하게 준비하시기를 바란다. 하여 지금까지와 다른 논리적 문제제기, 구체적인 문제제기, 근거가 있는 문제제기를 하시기 바란다.

새로운 피스톤엔진의 발명가 올림

2017.6.23.

2017.6.28.일부 수정.

[헨스]

우리 까페는 자연과학이나 공학을 연구하는 까페가 아니구요... 과학교육을 큰 틀로 모인 까페입니다...
물론 회원분들 중에는 각 과학 분야에서 상당한 수준의 지식을 가지고 계신 분들도 있으시지만 아마도 여기 게시글을 매개로해서 답변을 하진 않을듯하네요...
그리고 제 개인적인 생각인데 34분 대부분이 내구성에 문제가 있을거라고 생각한다면 정말 내구성에 문제가 있는건 아닐까요? 제가 보기에도 기존 시스템 엔진의 크랭크 회전운동이 토크의 손실과 내구성에 영향을 미치겠지만 그래도 쓰고 있는것은 가장 효율적인 형태의 모형이기 때문이지 않을까요?
님이 구상하신 랙앤 피니언 시스템 엔진의 발상은 아주 기발합니다.

[엔진혁명]

부연설명이 부족했네요. 지금까지 의견이 그렇고, 저와 의사소통을 한 사람들은 자신의 의견을 철회하고, 저의 의견에 동조했습니다.

[헨스]

하지만 랙과 피니언으로 엔진을 구동하여 자동차를 움직인다고 할때 엔진의 힘이 기어의 톱니에 물려 가해질수밖에 없는데요.."로터리엔진에서 강력한 힘과 속도를 갖는 삼각형 로터(외측기어)와 내측기어와 접촉한다. 피스톤엔진보다 훨씬 강력한 힘과 속도로 회전하는 삼각형 로터의 외측기어와, 이와 맞물리는 내측기어에 내구성 문제가 없다."고 했는데. 실제로 기계에 들어가는 기어나 톱니, 다른 기계요소들을 다루거나 제작해본적이 있다면 그렇게 간단히 말할 수는 없을겁니다. 마지막으로 피스톤이 폭발행정 후에 다시 압축행정을 하기위해서는 좌, 우 엔진이 완벽히 주기적으로 작동해야하는데 그것도 힘들어보입니다

[헨스]

짧은 시간의 생각으로 쓴 글이라 제안하신 분에겐 만족스런답이 되기는 부족하겠지만 양해바랍니다.
글은 과학지식채널로 옮기겠습니다

[엔진혁명]

핸스님의 의견감사드립니다. 과학지식채녈로 옮겨주셔서 감사합니다.