SARM 엔진은 서로 다른 직경의 두 개의 동심 토로이드 링으로

구성됩니다. 엔진 샤프트(동력 출력)는 두 링의 중심에 위치합니다. 

 

내부 링은 흡입 및 압축실을 형성하고, 외부 링은 연소 및 팽창실을 형성하며, 두 실은 중간실을 통해 연결됩니다. 

 

실린더 간의 가스 교환은 슬라이딩 포트와 밸브를 사용하여 이루어집니다. 

 

회전하는 이동 암(또는 디스크)이 피스톤과 엔진 샤프트를 연결합니다. 엔진의 모든 움직이는 부품은 회전 운동을 수행합니다. .

 

엔진의 다른 두 가지 주요 구성 요소는 연료 인젝터와 점화 플러그입니다. 

 

추가 주변 부품으로는 연료 공급 라인, 작동 및 제어를 위한 전기/전자 부품, 엔진 마운트 등이 있습니다. 이러한부품들은 작동과 제어에 필수적이지만 엔진의 기본 작동 원리와는 관련이 없습니다. 따라서 이들은 도면에 표시되지 않으며 추가 설명도 생략합니다. 

 

열역학적 관점에서 SARM 엔진의 작동 사이클은 애킨슨 사이클을 기반으로 하며, 이론적으로 오토 사이클보다최대 20% 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 애킨슨 사이클로 작동하는 엔진의 주요 특징은 팽창비가 압축비보다높다는 점입니다. 이 열역학적 사이클은 이미 왕복 피스톤 엔진에 적용되고 있다. 토요타 프리우스는 유효 압축비(CR) 8:1, 팽창비(ER) 약 13:1을 갖는다. 테스트 결과 토요타는 앳킨슨 사이클로 작동하는 엔진이 동일한 오토사이클 엔진보다 12~14% 더 효율적일 수 있다고 결론지었다. 

 

기존 왕복 엔진은 모든 과정이 엔진 실린더(즉, 연소실) 내에서 서로 다른 행정 동안 진행되지만, 이 엔진에서는모든 과정이 별도의

실린더에서 동시에 발생합니다. 이러한 유형의 엔진을 분할 엔진(SARM)이라 부릅니다. 반면 모든 챔버, 피스톤 회전 및 샤프트는 동일한 축 주위에 위치하며, 이러한 관점에서 SARM 엔진은 가스 터빈과 일부 유사점을 보인다고 할 수 있습니다. 둘 다 동심내연 분할 엔진입니다. 압축실(CPC = Compression Chamber)과 연소실(CBC = Combustion Chamber) 사이에 위치한압력실(PC) 덕분에 각 열역학적 과정(흡기, 압축, 연소, 팽창)을 독립적으로 최적화할 수 있습니다. 공정과 해당 공정이 발생하는 공간을 분리함으로써 각 챔버의 형상, 재료, 심지어 표면 처리 방식에 이르기까지 높은 유연성을 확보할 수 있습니다. 

역학적 관점에서 SARM 엔진은 몇 가지 특별한 특징을 가지고 있습니다. 기존 왕복 엔진과 비교하여 SARM 엔진은 모든 방향의 왕복 운동을 제거함으로써 진동을 제한하고, 진동, 기계적 손실 및 추가 관성력을 억제합니다. 이는 엔진 구성 요소의 두께와 무게를 증가시키는 요인들입니다. 또한 SARM 엔진의 동심원 운동( )은 다른 회전식엔진에서 편심성으로 인해 발생하는 추가 관성력을 피할 수 있게 하여, 피스톤 속도를 높여 출력 밀도를 증가시킵니다. 마지막으로, 피스톤의 대칭적 배치는 엔진을 균형 있게 하여 원심력과 관성력에 의한 진동을 중화시킵니다. 반면 기존 왕복 엔진에서는 크랭크축 균형을 위해 일반적으로 균형추 시스템이 필요합니다. SARM 엔진의 생성된 대칭성은 기계적 진동을 제거하고 소음 효과를 감소시킵니다. 

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작동 단계

1. 피스톤은 토로이드 형태의 압축실(CPC) 내부에서 3000~12,000rpm의 속도로 회전합니다.

2. 피스톤과 슬라이딩 포트(SP)는 CPC를 흡기실과 압축실이라는 두 개의 실로 나눕니다. 

3. 대기 공기는 흡기 포트를 통해 흡기 챔버로 유입되며, 피스톤과 SP 사이에 갇힌 공기는 압축됩니다.

4. SP는 압축 과정 전체 동안 닫힌 상태를 유지하며, 피스톤이 이동할 때만 피스톤이 통과할 수 있도록 열립니다. 

5. SP가 열리기 전에 밸브가 열리고, 압축된 공기가 연소실로 공급됩니다. 연소실 내부에서는 연료 분사 및 공기와혼합 과정이 진행됩니다. 점화 플러그에 의해 연소가 시작됩니다.

6. 연소 혼합물의 팽창은 CBC 피스톤에 힘을 가해 일을 발생시키며, 회전하는 이동 암을 통해 회전 운동과 일을 엔진 샤프트와 CPC 피스톤으로 전달합니다. 동시에 CBC 피스톤의 반대쪽은 배기 포트를 통해 이전 연소 사이클의 연소 가스를 대기 중으로 배출합니다. 

7. SARM 엔진 작동에 대한 이 간략한 설명을 통해, 기존 왕복 피스톤 엔진 대비 장점의 기반이 되는 여러 특수한 특징들이 명확히 드러납니다. 

8. SARM 엔진과 모든 기존 SI 엔진(왕복식 또는 회전식) 간의 주요 차이점은 피스톤 작동 방식에 있습니다. 기존 4행정 왕복 엔진에서는

 

동일한 피스톤이 주기적으로 네 가지 다른 행정(흡기, 압축, 팽창, 배기)을 수행하는 반면, SARM 엔진에서는 각피스톤이 동일한 두 가지

개별 행정을 지속적으로 수행하며, 동일한 행정은 매번 동일한 측면에서 발생합니다. 흡기 과정은 압축(CPC) 피스톤의 후면에서 발생하며, 압축은 피스톤의 전면에서 이루어집니다. 마찬가지로, 팽창은 연소(CBC) 피스톤의 후면에서 발생하며, 연소된 가스는 피스톤의 전면으로 대기 중으로 배출됩니다. 따라서 흡기, 압축, 팽창, 배기라는 네 가지 스트로크가 모두 한 쌍의 CPC 및CBC 피스톤으로 동시에 발생합니다. 이는 CBC 피스톤이 고압-고온 공정만을 겪어 "뜨거운" 상태를 유지하는 반면, CPC 피스톤은 사이클의 저압-저온 구간에서 작동하여 "차가운" 상태를 유지함을 의미합니다. 이는 SARM 엔진에 추가적인 유연성을제공하는데, 각 피스톤에 대한 재료의 별도 최적화가 가능하며, 특히 서로 크게 다른 반경에서 회전한다는 점도 고려됩니다. 

동심 설계는 이 로터리 엔진의 또 다른 특수한 특징이다. 우선 로터리 작동 방식은 피스톤의 직선 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 변환할 때 발생하는 기계적 손실을 제거한다. 또한 하나의 주요 이동 부품이 모든 과정을 담당하며, 이 부품은 엔진 축과 동심으로 회전한다. 이러한 구성은 엔진 부품을 최소화하여 복잡성과 무게를 획기적으로 줄인다. 게다가 SARM 엔진 설계는 추가적인 긍정적 특성을 지닙니다. 연소 및 팽창 과정에서 피스톤에가해지는 압력력은 항상 샤프트와 피스톤을 연결하는 암에 수직입니다. 이는 이 힘이 항상 엔진 샤프트 외표면에접선 방향으로 전달되며, 이 힘의 100%가 항상 토크를 생성함을 의미합니다. 반면, 기존 왕복 엔진에서는 크랭크축에 토크를 생성하는

힘은 크랭크축의 순간 위치에 따라 피스톤에 가해지는 압력력의 일부에 불과합니다. 따라서 동일한 토크 를 생성하기 위해SARM 엔진은 더 낮은 연소 압력을 발생시켜 효율을 높이고 더 가볍고 얇은 연소실 벽을 가능하게 합니다. 이러한 높은 효율은연료 소비 감소로 이어지며, 낮은 연소 압력은 온도 저하로도 이어져 결과적으로 질소산화물(NOx) 생성 억제에 긍정적인 영향을 미칩니다. 

 

신형 엔진의 장점

1. 왕복 엔진보다 단순한 설계와 적은 움직이는 부품. 

2. 엔진 부품 수가 적어 유지보수 필요성도 감소합니다. 

3. 4행정 왕복 엔진보다 최대 4배 작고 가볍습니다. 

4. 왕복 운동을 회전 운동으로 변환할 때 발생하는 기계적 손실과 관성력이 없습니다. 왕복 운동이 없으므로 진동이발생하지 않습니다. 

5. 피스톤 운동 방향의 변화가 없어, 기존 왕복 엔진의 상사점(TDC)에서 발생하는 특징적인 피스톤 "슬랩" 현상이없어져 피스톤 스커트와 보어의 마모 및 소음을 유발하지 않습니다. 

6. 피스톤에 가해지는 압력력은 항상 접선 방향이며, 전력 생산에 완전히 활용됩니다. 또한 가해지는 힘은 유동 방향으로만 작용하므로 피스톤 슬리브를 매우 짧게 설계할 수 있습니다. 

7. 타원형 설계로 인해 다른 회전식 엔진에서 발생하는 이심률에 의한 관성력이 제거됩니다. 

8. 압축실 및 연소실 내부에 윤활유가 존재하지 않습니다. 잘 알려진 바와 같이 윤활유는 엔진의 미연소 탄화수소(HC) 배출에도 기여할 수 있습니다. 

9. 크랭크축 균형을 위한 카운터웨이트가 필요하지 않습니다. SARM 엔진은 피스톤의 대칭적 위치로 인해 자체 균형을 유지합니다. 

10. 앞서 설명한 바와 같이 높은 효율을 활용하여 최대 15%까지 연료 소비를 절감합니다. 

11. 낮은 연소 온도로 인해 NOx 배출량 저감 가능성이 매우 큼. 또한 압축실을 냉각수(또는 환경)로의 열 방출을 증대시키고, 충전 공기가 연소실로 유입되기 전 낮은 온도(따라서 높은 밀도)를 유지하도록 설계할 수 있음. 

12. 주 엔진 공정의 분리. 이는 특정 엔진뿐만 아니라 모든 분할 엔진의 고유한 특성이지만, 기존 왕복 피스톤 엔진에비해 큰 이점을 제공하므로 여기서 언급하는 것이 중요합니다. 앞서 설명한 바와 같이, 각 공정은 별도의 부피와각 피스톤의 특정 측면에서 발생하므로 열역학적 최적화는 물론, 서로 다른 재료 선택 및 개별 표면 처리 적용이가능합니다.