KR101587294B1

KR101587294B1 - 단블록 무밸브 대향 피스톤 내연 기관

Info

Publication number: KR101587294B1
Application number: KR1020107012620A
Authority: KR
Inventors: 호세 루이스 알론소
Original assignee: 투 헤드즈 엘엘씨
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2016-01-20
Also published as: CA2704963C; EP2225446B1; CN101910584B; EA017653B1; BRPI0819204A2; ES2819648T3; EP2225446A4; WO2009061873A3; JP5690591B2; MY165334A; KR20100106359A; AU2008323992A1; EP2225446A2; JP2011517333A; WO2009061873A2; CA2704963A1; US8789499B2; BRPI0819204B1; EA201000755A1; AR069232A1

Abstract

본 발명은 통상적 2 행정 엔진 및 통상적 4 행정 엔진 양자 모두의 장점을 제공하지만, 이들 양자와는 다른 새로운 디자인을 사용하는 내연 기관을 제공한다. 본 발명의 엔진은 실린더 벽 상에 배치된 흡입 및 배기 포트를 개방 및 폐쇄하기 위한 수단으로서 피스톤을 사용한다. 또한, 한번이 연료 폭발 이벤트가 실린더당 두 개의 피스톤의 반대 방향으로의 이동을 유발하도록 대향하는 구조로 실린더당 두 개의 피스톤을 제공한다. 실린더의 각 피스톤은 별개의 크랭크샤프트에 연결되며, 이는 실린더 내의 연료 폭발 이벤트마다 그 축 둘레에서의 단일 회전을 완료한다. 실린더를 따른 피스톤 이동의 단일 사이클 내에, 점화, 배기, 흡입 및 압축의 전체 사이클이 달성된다.

Description

단블록 무밸브 대향 피스톤 내연 기관{MONOBLOCK VALVELESS OPPOSING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

관련 출원들에 대한 교차 참조

본 출원은 본 명세서에 참조로 양자 모두의 전문이 통합되어 있는 2007년 11월 8일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/002,380 호 및 2008년 7월 21일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/082,378 호에 기초하며, 그 출원일의 이득을 주장한다.

발명의 분야

본 발명은 내연 기관의 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 개선된 연료 효율 및 개선된 동력 생성을 가능하게 하는 개선된 디자인을 갖는, 가솔린 엔진 및 디젤 엔진 양자 모두로서 사용하기에 적합한 5-사이클 내연 기관에 관한 것이다.

내연 기관은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 예로서, 대면식으로(face-to-face) 작동하는 피스톤 배열들 또는 세트들을 구비한 다양한 엔진이 본 기술 분야에 공지되어 있지만, 이러한 엔진들 중 어떠한 엔진도 그 동작을 최적화하여 완전 사이클 엔진을 달성하지는 못한다.

예로서, 미국 특허 제 5,133,306 호에 개시된 엔진은 서로 대면하는 두 개의 피스톤을 포함한다. 그러나, 이 엔진은 밸브 및 스파크 플러그가 수납되어 있는 그 상단 부분에 보조 연소 챔버 또는 프리 챔버(pre-chamber)를 더 포함한다. 또한, 이 특허에 개시된 엔진 본체는 단블록 엔진 본체가 아니다. 부가적으로, 엔진은 3개 크랭크샤프트들을 구비하여, 폭발 펄스를 수용하는 두 개의 크랭크샤프트는 서로 연결되지 않고 대신 세 번째 크랭크샤프트를 통해 연결된다. 이 특허에 개시된 엔진은 매 2회 크랭크샤프트 회전마다 폭발을 유발하고, 벨브들은 전적으로 캠 샤프트에 의해서 작동한다.

미국 특허 제 5,632,255 호에는 실린더 덮개를 포함하고 수직 배열을 갖는 엔진이 개시되어 있다. 이 엔진은 단일 크랭크샤프트와, 실린더당 하나의 피스톤과, 슬리브보다 약간 작은 직경을 가지면서 강성적 로드(stiff rod)에 의해 이동되는 다공체 재생기(regenerator)를 구비한다. 엔진은 냉간 또는 열간 동작 모두에서 동일하게 2-스테이지 사이클로 작동한다.

미국 특허 제 4,520,765 호에 개시된 모터는 하기의 특징들을 포함한다: 포트를 갖는 슬리브, 무단 로터리(endless rotary)를 통해 힘을 전달하는 볼에 의해 이동되는 피스톤, 점화는 공기/연료 혼합물의 압축에 의해 달성된 온도에 의해 특정하게 생섬됨; 비록 각 엔진 회전시 실린더마다 폭발을 수행하지만, 피스톤 행정이 매우 감소되어 있기 때문에 일하는 시간은 짧음; 연소 챔버를 분할하는 가변 개방 포트, 이 가변 개방 포트의 결과로서 각 실린더 내에는 두 개의 대향된, 그러나, 분할된 챔버들을 갖는 피스톤들이 존재함.

미국 특허 제 5,375,567 호는 크랭크샤프트를 갖지 않는, 그리고, 무단형 스파이럴(endless-type spiral) 상의 롤들의 이동의 결과로서 이동되는 피스톤을 갖는, 포트 및 관형 디자인을 갖는 2-스테이지 엔진에 관한 것이다. 이 엔진은 공기 냉각을 사용한다.

내연 기관을 위한 다수의 디자인이 존재하지만, 더 바람직한 연료 효율, 더 많은 동력 또는 양자 모두를 제공하는 개선된 엔진에 대한 필요성이 본 기술 분야에 여전히 존재한다.

본 발명은 본 기술 분야의 필요성을 해결하는 내연 기관을 제공한다. 더 구체적으로, 본 발명은 각 실린더/피스톤 조합이 크랭크샤프트 회전마다 전체 사이클을 완료하는 것을 특징으로 하는 내연 기관에 관한 것이다. 즉, 크랭크샤프트의 단일 회전시, 실린더/피스톤 조합은 이하를 완료한다: 실린더로부터 배기물의 스윕핑 또는 플러싱; 공기/연료 혼합물의 흡입; 압축; 폭발; 및 배기. 또한, 본 발명의 내연 기관은 가변 압축비를 갖는다는 점; 5 행정 열역학 사이클(즉, 5개의 잘 규정된 스테이지들)을 갖는다는 점; 적어도 하나의 크랭크샤프트에서 회전 에너지를 생성하도록 상호작용하는 대향된 피스톤 쌍들을 갖는 단블록 실린더(즉, 단일 유닛으로서 제조된 실린더 블록 및 헤드)를 구비한다는 점; 과급물(overcharge)의 도입 및 배기 가스의 스윕핑을 허용하는 실린더를 갖는다는 점; 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 특징으로 한다. 일반적으로, 엔진의 실시예들의 대향된 피스톤 쌍들은 대략 동시에 그 각각의 상사점(본 명세서에서 탑 데드 포인트 또는 상부 데드 센터라고도 지칭됨)에 도달하고, 이는 챔버 내의 단일 폭발이 양 피스톤을 반대 방향으로 동시에 구동할 수 있게 한다. 이는 엔진이 구비한 실린더와 동일한 수의 폭발을 동일한 간격으로 매 회전마다 생성한다.

본 발명은 내연 기관을 제공하며, 이 내연 기관은 실시예들에서 양 피스톤이 동일 연소 챔버를 공유하는 대향된 피스톤 쌍을 단일 챔버 내에 구비하는 수평 배열식 다중 실린더 단블록형 엔진을 특징으로 한다. 이 엔진은 크랭크샤프트 회전마다 내연 기관의 필요한 스테이지들 모두를 수행할 수 있다. 즉, 엔진은 각 크랭크샤프트 회전에 대하여 동일한 간격으로 실린더마다 폭발을 수행할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 스파크 플러그는 각각의 실린더가 실린더당 하나 또는 두 개의 플러그를 포함하는 상태로 도입 피스톤(admission piston)이라 지칭되는 피스톤들 중 하나의 바로 상사점 위치에 존재한다. 실시예들에서, 하나 이상의 스파크 플러그가 제거될 수 있고, 스파크 플러그 포트가 중공 챔버를 연결하기 위한 포트로서 사용될 수 있으며, 이 중공 챔버는 예로서, 서로 다른 연료들을 위해 필요한 바에 따라 엔진의 압축비가 조절 또는 변경될 수 있게 한다.

본 발명의 엔진은 사이클당 둘 이상의 행정으로 구동되는 엔진에서 통상적인 바와 같이 흡입 및 배기 포트 각각을 개방 및 폐쇄하기 위한 도입(흡입) 및 배기 밸브를 포함하지 않는다. 대신, 2 행정 엔진과 유사한 방식으로, 본 발명의 엔진은 흡입(도입) 및 배기 포트가 내부에 배치되어 있는 실린더 벽을 포함하고, 피스톤의 이동을 사용하여 포트를 노출시켜 개방시키고 포트를 덮어서 폐쇄시킨다. 이와 같이, 본 발명의 엔진의 피스톤은 이중 기능, 즉, 연료의 폭발 에너지의 엔진의 기계적 에너지 운동으로의 변환 및 엔진 실린더 내외로의 연료 및 배기의 이동을 위한 밸브작용을 제공한다. 또한, 본 발명의 엔진의 디자인은 4 행정 엔진에 통상적으로 필요한 실린더 덮개 및 이를 위한 연결 재료에 대한 필요성을 제거한다.

두 개의 피스톤이 실질적으로 동시에 반대 방향으로 이동하는 구조를 가짐으로써, 본 발명의 엔진은 엔진의 대향 측부들 상에 각각 존재하는 두 개의 크랭크샤프트를 포함한다. 크랭크샤프트는 기어(통상적으로 서로 맞물린 세 개의 기어)에 의해 연동되거나, 하나 이상의 연결 바아에 의해 연동되며, 이 연결 바아는 바람직한 실시예에서, 미소한 굴곡을 허용하도록 결합되고, 이는 엔진이 비교적 차가운 온도로부터 비교적 높은 온도로 이동할 때에 이득을 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 엔진의 일반적인 특징은 크랭크샤프트의 회전마다 연료 흡입 및 배기 방출의 전체 사이클을 실린더가 완료한다는 것이다. 따라서, 엔진은 일반적으로 2 행정 엔진과 유사하지만, 그러나, 현저하고 중대한 차이점들이 존재한다. 간략히, 2 행정 엔진에서, 연료의 팽창의 결과로서의 피스톤의 하향 이동은 크랭크케이스 내의 정압(positive pressure)을 생성하고, 이는 크랭크케이스 내의 연료/오일 혼합물을 연소 챔버 내로 구동한다. 또한, 피스톤의 하향 이동은 순차적으로 배기 포트를 개방(가리지 않게 됨)하고, 흡입 포트를 개방(가리지 않게 됨)하고, 흡입 포트를 폐쇄 및 배기 포트를 폐쇄한다. 따라서, 연료의 한번 폭발은 크랭크샤프트의 1 회전 및 연료 흡입 압축 폭발 및 배기의 하나의 완전한 사이클에 상관된다. 이 엔진은 기능들이 두 개의 부분, 즉 폭발/배기 및 흡입/압축으로 분리될 수 있기 때문에, 2 사이클 엔진이라 지칭된다.

2 행정 엔진과 유사하게, 본 발명의 엔진의 실린더는 크랭크샤프트의 회전마다 흡입/폭발/배기의 전체 사이클을 완료한다. 그러나, 2 사이클 엔진과는 달리, 본 발명의 피스톤은 연소 챔버 내로 연료/공기 혼합물을 밀어넣기 위해 사용되는 정압을 크랭크케이스 내에 생성하지 않는다. 대신, 본 발명의 피스톤은 흡입 포트(들)를 둘러싸고 이들을 연소 챔버 및 크랭크케이스 양자 모두로부터 밀봉하는 밀봉된 챔버를 생성한다. 따라서, 본 발명은 연료의 폭발로부터 발생된 동력이 연소 챔버 내로의 연료 구동에 사용(손실)되지 않기 때문에 디자인 및 효율의 현저한 개선을 제공한다. 또한, 본 발명의 엔진은 실린더 벽 상에 배치된 흡입 및 배기 포트 양자 모두를 개방 및 폐쇄하기 위한 단일 피스톤을 사용하지 않는다. 대신, 본 발명의 엔진은 하나의 피스톤(본 명세서에 종종 "도입" 피스톤이라 지칭됨)은 실린더를 통한 전후로의 그 이동을 통해 각각 하나 이상의 흡입(또는 "도입") 포트를 노출 및 덮음에 의해 개방 및 폐쇄하고, 다른 피스톤(본 명세서에서 종종 "배기" 피스톤이라 지칭됨)은 실린더를 통한 전후로의 그 이동을 통해 하나 이상의 배기 포트를 각각 노출 및 덮음에 의해 개방 및 폐쇄하는 이중 피스톤 구조를 포함한다. 이 디자인은 연료 흡입 및 배기를 정확하게 제어하는 기능을 제공한다. 또한, 이는 연료의 연소를 위한 준비시 실린더를 과급 또는 가압하는 기능을 제공한다. 부가적으로, 종래의 2 행정 엔진과는 달리, 배기 포트(들)는 흡입 포트(들)보다 연료 점화 지점에 더 가까이 존재하지 않는다. 대신, 두 개의 포트 세트는 연료 점화 지점으로부터 동일한 거리에 존재하며, 배기 피스톤에 관한 도입 피스톤의 이동 사이의 지연이 존재하여 배기 및 흡기 포트의 순차적 개방 및 폐쇄를 가능하게 한다.

따라서, 본 발명의 엔진의 디자인은 아래와 같은 2 행정 엔진의 다수의 장점을 제공한다: 4 행정 밸브식 엔진에 비한 디자인의 단순성(예를 들어, 흡입 및 배기 밸브, 로커 아암, 캠 샤프트 등이 불필요). 부품 수의 감소(그리고, 따라서, 기계적 고장 확률의 감소), 캠 샤프트의 회전마다 전체 사이클의 완료, 및 피스톤의 이중 기능. 유사하게, 본 발명의 디자인은 아래와 같은 4 행정 엔진의 다수의 장점을 제공한다: 흡입 및 배기의 정확한 제어 및 크랭크케이스 과압으로 인한 에너지 손실의 회피. 하나 또는 다른 유형의 엔진으로부터 유도되는 부가적인 장점 또는 양 유형의 엔진에 대비한 장점들은 하기의 설명에서 설명되거나, 이하의 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다.

예시적 실시예에서, 본 발명은 "5 행정" 엔진에 관하여 설명된다. 그러나, 엔진은 사이클당 더 소수의 또는 더 많은 수의 행정을 사용하여 설계될 수 있다. 예로서, 엔진은 공기 같은 유체를 사용하여 실린더 챔버로부터 배기의 "스윕핑" 또는 "플러싱"을 허용하는 것으로 상세히 설명된다. 이 단계 또는 "행정"은 생략되어 4 행정 엔진을 도출할 수 있다. 유사하게, 부가적 단계들 또는 행정들이 필요에 따라 부가적 특징을 제공하도록 추가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 엔진의 일반적 특징은 본 발명에 의해 모두 고려될 수 있는 다양한 디자인 및 구조의 엔진을 제공하기에 충분한 것으로 인지되어야 한다.

따라서, 본 발명은 적어도 하나의 실린더를 포함하고, 각 실린더를 두 개의 피스톤을 포함하는 내연 기관을 제공한다. 두 개의 피스톤은 반대 방향으로 실린더를 따라 이동하며, 두 개의 피스톤이 상사점에서 또는 실질적으로 상사점 부근에서 연료의 연소, 폭발, 점화 등을 위한 연소 챔버를 형성하도록 조합되도록 실린더 내에 배치된다. 연료의 단일 점화는 각각이 실린더의 중심으로부터 그 최대 거리에 도달할 때까지 실린더를 따라 반대 방향으로 두 개의 피스톤을 구동하며, 이 최대 거리의 시점에서 각 피스톤은 그 복귀 왕복운동을 시작하여 연료 폭발을 위한 연소 챔버를 다시 형성한다.

상술한 바와 같이, 각 실린더 내의 두 개의 피스톤은 대향하는 형태로 배치된다. 예시적 실시예에서, 실린더는 직선형이며, 두 개의 피스톤은 직접적으로, 그 리고, 완전히 서로 대향한다. 굴곡부를 갖는(예를 들어, 미소한 또는 상당한 "V" 형상을 갖는) 실린더가 유사하게 고려되며, 마찬가지의 특정 특징 및 장점을 제공할 수 있다. 엔진당 실린더의 수는 특정하게 제한되지 않는다. 따라서, 실린더의 수는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 또는 그 이상일 수 있다. 또한, 종래의 내연 기관과는 달리, 본 발명의 엔진은 실린더당 2 개의 피스톤을 가지며, 따라서, 2 실린더 엔진은 4 개의 피스톤을 갖고, 3 실린더 엔진은 6 개의 피스톤을 갖는 등등이라는 것을 다시 언급해둔다.

엔진의 각 실린더는 공기 또는 공기/연료 혼합물 같은 유체, 특히, 가스의 흡입을 위한 하나 이상의 구멍 또는 포트를 포함한다. 포트는 실린더 벽의 표면을 따라 배치되며, 실린더 내로의 유체의 진입부를 제공한다. 단일 흡입 포트(본 명세서에서 "도입" 포트라고도 지칭됨)가 적합하지만, 실린더 벽을 따라 다수의 흡입 포트가 배치되는 것이 바람직하다. 다수의 흡입 포트가 제공되는 경우, 이들은 실린더 내로 도입된 유체가 챔버 전반에 걸쳐 분산 및 혼합되도록 하는 관계로 배치되는 것이 바람직하다. 흡입 포트는 모두 실린더의 원주를 따라 정렬, 즉, 그 길이를 따라 실린더의 중심으로부터 동일 거리에서 실린더 벽을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 이 방식으로, 흡입 피스톤의 실린더를 따른 전후 이동은 모든 흡입 포트를 동시에 개방 및 폐쇄한다.

또한, 엔진의 각 실린더는 실린더 내의 유체의 배기를 위해 하나 이상의 구 멍 또는 포트를 포함한다. 흡입 포트와 유사한 방식으로, 배기 포트(들)는 그 길 이를 따라 실린더의 중심으로부터 동일한 거리에서 실린더 벽을 따라 배치된다. 바람직한 실시예에서, 배기 포트는 실린더의 중심으로부터 흡입 포트와 동일한 거리로 실린더 벽 상에 배치된다. 흡입 및 배기 포트는 도입 피스톤이 순차적으로 흡입 포트(들)를 덮고 노출시키며, 배기 피스톤이 순차적으로 배기 포트(들)를 덮고 노출시키도록 실린더의 중심 지점의 대향 측부들 상에 배치된다는 것을 유의하는 것이 중요하다. 또한, 흡입 및 배기 포트는 피스톤이 그 하사점에 있을 때 포트들이 완전히 개방되도록 피스톤 헤드의 상부면이 흡입 또는 배기 포트(들)의 가 장 먼 에지와 정렬되는 위치에서 실린더 벽을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 이 방식으로, 포트는 피스톤의 이동에 의해 완전히 개방되지만, 실질적으로 낭비되는 운동인, 이들이 포트를 개방 및 폐쇄하도록 기능하는 지점을 초과한 피스톤의 여분의 이동은 피해진다.

또한, 엔진의 각 실린더는 스파크 플러그 및 연소 챔버 내의 연료의 연소를 촉진, 허용 또는 유발하는 기타 장치(예를 들어 디젤 엔진용 글로우 플러그)를 위 한 하나 이상의 개구를 구비한다. 개구는 연소 챔버를 구성하는 실린더의 벽을 따른 임의의 지점에 배치될 수 있다. 통상적으로, 하나 또는 두 개의 개구가 제공된다. 바람직하게는, 두 개 이상의 개구가 제공되는 경우, 개구는 가능한 등거리 간 격에 근접한 간격을 달성하는 방식으로 실린더 벽 둘레에 분포된다. 예로서, 두 개의 개구가 제공되는 경우, 이들은 개구가 엔진의 상부 및 저부와 정렬하는 위치(예를 들어 180° 이격)에서 실린더 벽을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 세 개의 개구가 제공되는 경우, 엔진의 전체적 형상(예를 들어, 실질적으로 평탄함)으로 인해, 120°의 분리는 불가능할 수 있다. 따라서, 각 개구 사이의 각도 분리가 변할 수 있지만, 가능한 120°에 바람직하게 근접해지는 방식으로 하나의 개구는 엔진의 일 측부상에 배치되고, 두 개의 개구는 엔진의 다른 측부 상에 배치될 수 있다. 네 개의 개구가 제공되는 경우, 이들은 예로서, 동일 또는 거의 동일한 각도 거리로 분리되어, 예로서, 엔진이 측부 상에서 보여질 때 "X" 형상을 형성할 수 있다. 물론, 소정의 경우, 개구 사이의 각도 분리가 특정 목적을 위해 변할 수 있다. 이하에 더 상세히 설명된 바와 같이, 개구 중 하나 이상은 연료의 연소를 촉진, 허용 또는 유발하는 장치 이외의 요소를 포함하기 위해 사용될 수 있다. 상한 바로부터 명백한 바와 같이, 따라서, 엔진은 연료의 연소를 유발하는 등을 위한 하나 이상의 장치(예를 들어, 스파크 플러그)를 포함한다.

상술한 바와 같이, 엔진은 단일 공정으로 실린더 헤드 및 실린더 블록 양자 모두가 형성되어 있는 단블록 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 이들 실시예에서, 엔진은 블록과 헤드의 연결부도, 어떠한 커넥터, 개스킷 또는 기타 요소도 필요로 하지 않는다. 또한, 엔진이 종래의 4 행정 내연 기관에서 나타나는 바와 같은 흡입 및 배기 밸브를 포함하지 않기 때문에, 엔진은 흡입 및 배기를 위해 밸브를 사용하는 내연 기관에서 통상적으로 나타나는 캠 샤프트, 로커 아암 및 기타 요소를 필요로 하지 않는다. 엔진의 구조의 단순성은 표준 성형 기술(예를 들어, 형틀을 사용한 다이캐스팅) 및 내연 기관을 위한 표준 금속(예를 들어, 철, 알루미늄)을 사용한 용이한 제조를 가능하게 한다.

엔진의 피스톤은 이중 기능 피스톤이다. 이들은 연료의 연소의 에너지를 크 랭크샤프트를 회전시키는 기계적 에너지로 변환하도록 기능한다. 또한, 이들은 흡입 및 배기 포트를 개방 및 폐쇄하도록 기능하여, 실린더의 내외로의 유체의 이동을 가능하게 한다. 본 발명의 피스톤의 핵심 특징은 폐쇄 위치에 있을 때 흡입 및 배기 포트를 밀봉하는 기능이다. 이는 스커트 내의 링 홈에 의해 스커트 상에 배치되는 제 2 링 세트를 피스톤 스커트 내에 포함함으로써 달성된다. 일반적으로, 본 발명에 따른 피스톤은 두 세트의 링을 포함하며, 이들은 피스톤이 실린더 내에 배치될 때 흡입 또는 배기 포트를 완전히, 그리고, 전체적으로 둘러싸기에 충분한 서로로부터의 거리에서 피스톤 상에 배치된다. 따라서, 예로서, 흡입 포트의 길이 가 O.5㎝인 경우, 피스톤 상의 두 세트의 링은 O.6㎝ 이격될 수 있다. 또한, 두 세트의 링은 실린더를 통한 피스톤의 이동 거리에 관련한 위치에서 피스톤 상에 배치된다. 더 구체적으로, 다양한 실시예에서, 포트의 특정 크기에 무관하게, 포트의 적절한 폐쇄 및 밀봉을 형성하기 위해, 피스톤이 작용하는 포트의 가장 먼 에지(UDC에 대해)까지의 피스톤을 위한 UDC로부터의 거리는 UDC로부터 피스톤의 스커트 상의 압축 링까지의 거리보다 작아야만 한다. 유사하게, 피스톤을 위한 UDC로부터 가장 가까운 포트의 에지까지의 거리는 UDC로부터 피스톤의 헤드 상의 압축 링까지의 거리보다 커야만 한다. 존재하는 링의 총 수에 특정한 제한은 없지만, 피스톤 상의 각 링 세트는 피스톤 스커트 표면 상의 홈 내에 적어도 하나의 압축 링 세트를 포함한다. 이 방식으로, 피스톤과 실린더 벽 사이에 긴밀한 밀봉이 형성되어 피스톤이 포트를 덮는 동안 유체의 유입 또는 탈출로부터 실린더 챔버를 효과적으로 밀봉한다.

달리 말하면, 이러한 종류의 포트 시스템의 피스톤 링의 밀봉 곤란성이 헤드와 스커트 내에 링을 갖는 피스톤의 사용에 의해 해결된다. 피스톤 링의 조기 마 모는 하나 이상의 링의 사용을 통해 피할 수 있다. 또한, 예로서, 각각 4개 또는 그 이상의 흡입 및 배기를 위한 다수의 포트의 사용은(더 소수의 더 큰 포트를 사용하는 것에 비해) 피스톤 링을 위한 실린더 벽 상의 분리된 접촉점의 수를 증가시키며, 이는 슬리브 또는 실린더 벽과 링의 접촉면 및 지지점의 더 바람직한 분산을 달성한다. 링과 연계한 다중 포트 디자인의 사용은 또한 각진 배열에 의해 유입 및 유출 가스 흐름을 안내하여 연소 챔버 성능을 최적화하는 난류를 생성하는 것을 가능하게 한다. 일반적으로, 각진 배열은 다량의 난류가 생성되고 이것이 연료와 공기, 특히, 공기 내의 산소의 혼합을 향상시키는 방식으로 또는 와류 패턴으로 연 소 챔버에 유체(예를 들어, 공기, 공기/연료)가 진입하게 하는 나선형 배열로 개념화될 수 있다. 이 개선된 혼합은 무엇보다도 더 빠른 폭발 전두(front)를 생성함으로써, 연료의 연소 효율을 향상시킨다. 그 한가지 결과는 상업적 엔진에서 현재 사용되는 것보다 매우 더 낮은 정도로 타이밍 진각(timing advance)을 감소시키는 기능이다. 예로서, 연료와 산소의 고도의 혼합 및 연소 챔버의 과압으로 인해, 스 파크와 연료의 점화 사이의 시간이 감소되어 타이밍 진각이 10°이하로 감소될 수 있게 한다.

실린더당 두 개의 피스톤 각각은 커넥팅 로드에 의해 크랭크샤프트에 연결된다. 그 크랭크샤프트에 대한 하나의 피스톤의 연결은 다른 피스톤 및 그 크랭크샤프트에 대한 연결에 관해 오프셋된다. 오프셋은 임의의 적절한 양일 수 있으며, 일반적으로 약 10°와 약 26°사이이다. 예로서, 오프셋 또는 지연은 약 10°와 약 25°사이, 약 12°와 약 26°사이, 약 15°와 약 15°사이 또는 약 18°와 약 20°사이일 수 있다. 실시예들에서, 오프셋 또는 지연은 약 18°이다. 물론, 이들 범위에 포함되는 각 특정 값이 사용될 수 있으며, 본 기술 분야의 숙련자들은 이들 범위들이 여기에 독립적으로 각 값들을 명시적으로 나열할 필요 없이 특정된 범위들 내에 드는 각각의 그리고 모든 특정 값들을 개시하고 있다는 것을 바로 이 해할 것이다. 하나의 크랭크샤프트의 각도를 다른 것에 비해 오프셋시킴으로써, 실린더 내의 두 개의 피스톤들은 실질적 조화를 이루며 이동(즉, 양자 모두 중심으로부터 멀어지는 방향으로 이동하고, 그 후, 양자 모두 중심을 향해 이동)하고, 따라서, 단일 연료의 폭발을 양 피스톤을 외부로 또는 중심으로부터 이격 방향으로 구동하는데 사용한다. 그러나, 오프셋은 하나의 피스톤의 이동이 다른 피스톤의 이동에 미소하게 뒤처지게 한다. 이와 같이, 통상적으로 배기 피스톤인 선행 피스톤이 그 포트에 도달하여 포트를 개방시키고, 그 후, 추종 피스톤이 그 포트를 개방 및 폐쇄하기 직전에 그 포트에 도달하여 폐쇄한다. 이와 같이, 미세하게 제어된 순차적 포트의 개방 및 폐쇄가 달성된다. 선행 피스톤이 배기 피스톤인 경우, 순서는 하기와 같이 달성된다: 연소, 배기 포트 개방, 흡입 포트 개방, 배기 포트 폐쇄, 흡입 포트 폐쇄 및 압축. 이와 같이, 크랭크샤프트의 단일 회전은 단일 연료 점화 이벤트 및 완전한 사이클의 연료 흡입 및 배기와 연동된다. 실린더 벽을 따른 포트의 배치는 하기의 파라미터와 연계하여 결정된다는 것을 이해하여야 한다: 실린더를 따른 포트에 작용하는 피스톤이 이동하는 총 거리(즉, 그 UDC로부터 그 LDC까지) 및 하나의 피스톤/크랭크샤프트의 나머지로부터의 오프셋 또는 지연 각도. 오프셋 각도에 관하여, 일반적으로, 배기 피스톤과 도입 피스톤 사이의 오프셋 또는 지연이 짧을수록 배기 가스가 전체적으로 연소 챔버로부터 스윕핑되고 연료의 점화 이전에 연소 챔버와 과급되도록 충분한 포트의 개방 및 폐쇄를 가능하게 하기 위해 포트의 선단 에지는 도입 피스톤 UDC에 더 근접하게 배치되어야할 필요가 있다. 또한, 비록, 약 12°내지 약 26°를 벗어난 각도가 실린더 내의 피스톤 이동 및 크랭크샤프트 회전의 지연을 위해 사용될 수 있지만, 이들 범위 내의 각도를 사용하는 것이 엔진 성능 최대화를 위해 바람직하다. 예로서, 각도를 상승시키면, 연료 점화 이벤트가 이루어질 때 선행 피스톤은 점점 더 UDC로부터 멀어지게 된다. 약 26°오프셋을 초과한 지점에서, 거리는 선행 피스톤이 최적량의 에너지를 흡수하기에는 점화 지점으로부터 너무 멀기 때문에, 실린더의 동력 출력에 손실이 존재한다.

명백한 바와 같이, 본 발명의 엔진은 두 개의 크랭크샤프트를 포함한다. 엔진의 다른 실시예에서와 같이, 크랭크샤프트는 표준 공정 및 재료로 제조될 수 있다. 유사하게, 각 크랭크샤프트는 통상적 형태로, 윤활제(예를 들어, 모터 오일) 등을 포함하는 크랭크케이스 내에 수납된다. 두 개의 크랭크샤프트는 엔진이 배치된 차량에 운동을 전달하기 위해 사용될 수 있는 그 각각의 회전 에너지를 단일 출력부로 조합하기 위한 수단을 포함하여야 한다는 것을 주의하여야 한다.

실시예에서, 크랭크샤프트를 연결하는 수단은 기어이다. 예로서, 각 크랭크샤프트에 직접적으로 연결된 기어가 제 3 중간 기어에 의해 물리적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 크랭크샤프트를 연결하는 수단은 커넥팅 핀이며, 이 커넥팅 핀은 일 단부가 크랭크샤프트 중 하나에 결합되고, 다른 단부가 다른 크랭크샤 프트에 결합되어 두 개의 크랭크샤프트를 연동시킨다. 실시예에서, 연결 핀은 서로 다른 엔진 동작 온도 하에서 필요한 서로 다른 형상들을 수용하도록 미소하게 굴곡될 수 있다. 더 구체적으로, 엔진의 이러한 실시예에 따라, 그 길이를 따른 지점에 힌지 또는 힌지형 메커니즘을 포함하는 커넥팅 핀이 제공된다. 이 메커니즘은 엔진이 온도가 변할 때 핀이 두 개의 크랭크샤프트 사이의 일관성있는 연결을 계속 형성할 수 있게 한다. 즉, 엔진이 가열될 때 금속 부품이 팽창한다. 따라서, 두 개의 크랭크샤프트들 사이의 거리 및 커넥팅 핀의 본질적 크기는 엔진 온도 변화에 따라 변한다. 이 변화를 고려하여, 핀과 크랭크샤프트 사이의 연결 지점은 소정의 유격(즉, 밀접하게 연결되지 않아야함)을 각각 포함하거나, 밀접한 연결을 유지하면서 관련 부품의 팽창 및 수축을 가능하게 하도록 메커니즘이 제공되어야만 한다. 본 발명은 커넥팅 핀에 이런 메커니즘을 제공한다. 힌지형 메커니즘은 커넥팅 핀이 필요에 따라 제어된 지점에서 미소하게 굴곡될 수 있지만, 그 후, 굴곡이 불필요할 때 직선형으로 복귀할 수 있게 한다. 이 방식으로, 결합부에서 과도한 마모를 유발하지 않고, 그리고, 엔진 성능을 희생시키지 않으면서 핀/크랭크샤프트 결합부의 밀접한 연결이 형성된다.

상술한 바와 같이, 실시예에서, 본 발명의 엔진은 스파크 플러그 등을 수용할 수 있는 둘 이상의 개구를 포함한다. 특정 실시예에서, 개구 중 하나 이상은 연소 챔버의 크기를 변경하는 장치를 위한 연결부로서 사용된다. 더 구체적으로, 가솔린 엔진에서, 두 개의 스파크 플러그를 제공하는 대신, 하나의 스파크 플러그는 본질적으로 비사용 공간 챔버(dead-space chamber)인 장치로 대체될 수 있다. 비사용 공간 챔버는 연소 챔버의 크기를 증가시키도록 작용하는 효과가 있으며, 동시에, 연료의 연소 공정에 직접적으로 참여하지 않는다(즉, 비사용 공간 챔버 내에 서는 연료의 연소가 전혀 또는 실질적으로 전혀 이루어지지 않는다). 연소 챔버의 크기의 증가는 실린더의 압축비를 변화시키며, 엔진으로부터의 다른 성능이 필요할 때 또는 다른 연료가 사용될 때 유리할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 비사용 공 간 챔버는 챔버의 총 체적이 다양한 목적을 위해 미세하게 조율될 수 있도록 조절 가능하다. 조율은 본 기술 분야에 공지된 수단에 의해 수동으로 또는 전자적으로 수행될 수 있다(예를 들어, 챔버 내의 플랫폼을 이동시키도록 세트 스크류를 돌려 서 챔버 내의 가스 체적을 증가 또는 감소시킴).

본 발명의 엔진은 통상적으로 실린더마다 다수의 흡입 및 배기 포트를 포함한다. 각 유형의 포트는 서로 연결되며, 유체의 이동을 위한 단일 도관에 연결된다. 예로서, 흡입 포트는 흡입 포트들을 서로 링크시키는 대체로 원통형 또는 대 체로 나선형의 도관에 의해 서로 연결되거나, 실린더 내로의 연료, 공기 또는 혼합 물의 도입을 위한 소스에 연결될 수 있다. 이들 도관은 유체, 예로서 공기의 소스 에 더 작은 도관들을 링크시키는 더 큰 도관으로 조합될 수 있다. 실시예들에서, 더 큰 도관은 대체로 "U" 형상 튜브이며, 이는 과급기를 더 작은 도관 각각에 유체 연결하고, 따라서, 흡입 포트에 유체 연결한다. 과급기가 구동될 때, U-형상 튜브는 흡입 포트를 통해 연소 챔버에 가압된 공기 또는 공기/연료 혼합물을 제공하기 위한 플리넘으로서 작용한다.

유사하게, 출구 포트는 서로 연결되거나 유체의 이동을 위한 도관에 연결될 수 있다. 예로서, 배기 포트는, 배기 포트들을 링크시키는 대체로 원형 또는 대체로 나선형 도관에 의해 서로간에, 그리고, 엔진으로부터 배기 가스를 축출시키기 위한 수단(예를 들어, 배기 시스템)에 연결될 수 있다. 흡입 및 배기 포트의 형상 및 수는 실린더 내외로의 유체의 이동을 개선시키도록 각각의 도관의 형상과 연계하여 설계되는 것이 바람직하다. 예로서, 입구 포트 및 도관은 연소 챔버 내에 공 기 및/또는 연료의 우수한 혼합을 제공하도록 설계될 수 있다. 유사하게, 배기 포트 및 도관은 연소 챔버로부터의 유체(예를 들어, 배기)의 신속하고 실질적인 제거 를 제공하도록, 그리고, 열을 소산시키도록 설계될 수 있다.

본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 다수의 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 특정 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실린더의 단면도로서, 도 1a는 연료 분사기를 포함하는 흡입 도관을 포함하는 구성 부분을 갖는 실린더를 도시하는 도면이며, 도 1b는 스파크 플러그 개구 내에 배치된 연료 분사기를 포함하는 구성 부분을 갖는 실린더를 도시하는 도면,
도 2a 내지 도 2i는 전체 사이클 동안 피스톤의 위치를 순차적으로 도시하는, 본 발명의 실시예에 따른 실린더의 단면도,
도 3a는 본 발명의 엔진의 가솔린 또는 대안 연료 버전의 피스톤의 사시도,
도 3b는 그 측면도,
도 4a는 디젤 또는 대안 연료 엔진의 피스톤의 사시도,
도 4b는 그 상면도,
도 5는 화살표로 도시된 그 회전 방향 경향을 갖는 세 개의 결속된 기어의 트레인에 의해 링크된 두 개의 크랭크샤프트의 사시도,
도 6은 각각의 핀의 90°각도 배열을 도시하는, 그들이 결합되는 크랭크샤프트 섹션과 비대칭적으로 관절연결된 링크 핀의 바람직한 실시예를 도시하는 도면,
도 7a는 도 6의 링크 관절연결 핀의 바람직한 실시예의 상면도,
도 7b는 관절연결된 링크 핀의 측면도,
도 7c는 그 사시도,
도 8은 흡입 도관의 일 실시예를 도시하는 도면으로서, 도 8a는 그 측면도이며, 도 8b는 그 정면도이며, 도 8c는 그 사시도,
도 9는 배기 도관의 일 실시예를 도시하는 도면으로서, 도 9a는 그 측면도이며, 도 9b는 그 정면도, 도 9c는 그 사시도,
도 10a 내지 도 10e는 각 사이클에서 피스톤의 위치를 도시하는, 5 행정 엔진으로서 구동될 때의 엔진의 실시예의 동작을 도시하는 도면,
도 11은 본 발명에 따른 엔진의 일 실시예의 4개 실린더 버전을 위한 크랭크샤프트를 도시하는 도면으로서, 도 11a는 크랭크샤프트의 사시도이며, 도 11b는 크랭 크샤프트의 정면도이며, 도 11c는 크랭크샤프트의 상면도,
도 12는 4개 실린더를 갖는 엔진의 버전을 위한 크랭크샤프트의 각도 위치의 플롯을 도시하는 도면,
도 13은 6개 실린더를 갖는 엔진의 버전을 위한 크랭크샤프트의 각도 위치의 플롯을 도시하는 도면,
도 14는 8개 실린더를 갖는 엔진의 버전을 위한 크랭크샤프트의 각도 위치의 플롯을 도시하는 도면,
도 15는 스파크 플러그 중 하나를 대체하는 보조 압축 챔버를 갖는, 본 발명의 엔진의 실시예의 실린더의 단면도,
도 16a는 도 15의 보조 연소 챔버의 사시도,
도 16b는 챔버의 정면도,
도 16c는 그 평면도에 도시된 바와 같은 선 X-X를 따른 챔버의 단면도,
도 17a 내지 도 17c는 나선형 흡입 및 배기 도관을 도시하는 본 발명의 엔진의 실시예에 따른 블록의 분할 절단도,
도 18a 내지 도 18e는 본 발명의 실시예에 따른 그 크랭크 커버(건식 오일 팬) 및 오일 팬을 구비한 단블록 엔진의 다양한 도면,
도 19는 1,950㎤(㏄)의 배기량을 갖는 예시적 4 실린더 엔진을 위한 엔진 속도(rpm)의 함수로서 동력(CV)을 플로팅하는 선도,
도 20은 1,950㎤(㏄)의 배기량을 갖는 예시적 4 실린더 엔진을 위한 엔진 속도(rpm)의 함수로서 토크(Nm)를 플로팅하는 선도.

이제, 첨부 도면에 그 실시예들이 예시되어 있는 본 발명의 특정들 및 다양한 예시적 실시예들에 대해 상세히 언급할 것이다. 하기의 상세한 설명은 본 발명의 특정 특징들에 대한 더 정통한 이해를 제공하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 임의의 양태에 대한 제한으로서 고려되지 않아야 한다.

본 발명의 내연 기관은 상업적으로 입수할 수 있는 엔진에 비해 연료 효율, 동력 생성, 적응성 및 기타 유익한 개선사항들에 대한 개선을 제공하는 다수의 특징들 및 특징들의 조합을 갖는다. 한가지 주목할만한 특징은 이중 작용 피스톤을 포함하며, 이러한 피스톤은 연료의 연소로부터의 폭발 에너지의 기계적 에너지로의 변환을 위한 피스톤 및 각각 연료 및 배기를 위한 흡입 및 배기 포트의 개방 및 폐쇄를 위한 밸브 양자로서 작용한다. 포트를 개방 및 폐쇄하기 위해 피스톤을 사용하지만 흡입 포트를 밀봉하지는 않고 오히려 단지 유체의 유입 유동을 연소 챔버 대신 크랭크케이스로 전향시키는 공지된 2 행정 엔진과는 달리, 본 발명의 피스톤은 흡입 유체를 포함하는 독립적 챔버를 생성한다. 다른 주목할만한 특징은 별개의 크랭크샤프트에 각각 연결된 두 개의 직경방향으로 대향하는 피스톤을 포함하는 적어도 하나의 단일 실린더를 포함하는 디자인이며, 여기서, 두 개의 피스톤 중 하 나의 그 크랭크샤프트에 대한 연결은 크랭크샤프트에 대한 다른 피스톤의 연결에 관해 오프셋되어 있다. 또 다른 본 발명의 주목할만한 특징은 (실린더마다) 크랭크샤프트의 각 회전 동안 하나의 완전한 사이클이 이루어지고 보유한 실린더와 동 일한 수의 폭발을 크랭크샤프트 회전마다 생성할 수 있는 디자인이다. 또한, 본 발명은 실린더 벽 및 두 개의 대향하는 피스톤에 의해 생성된 연소 챔버를 과급 또는 과압하도록, 연소 챔버로부터 잔여 배기 가스를 스윕핑하도록, 또는 양자 모두를 위해 과급기의 사용을 제공한다. 본 발명에 의해 제공되는 특정의 다른 비제한적 예는 가변 압축 챔버이며, 이는 연료의 연소를 위한 서로 다른 압축 비율을 제공하도록 필요에 따라 조절될 수 있다. 본 발명의 특정의 다른 비제한적 예는, 연소 챔버 내로의 연료 진입이 연료의 우수한 연소 및 전반적 혼합에 유리하도록 배치된 입구 포트 및 도관, 연소 챔버로부터 냉각 시스템으로 열을 전달하고 배기 가스를 효율적으로 제거하도록 배치된 출구 포트 및 도관, 그리고, 기어, 스프로켓 등을 사용하지 않고 트윈 크랭크샤프트 엔진의 두 개의 크랭크샤프트를 연결 및 안정화하기 위한 수단을 포함한다.

일반적으로, 본 발명의 엔진은 크랭크샤프트의 단일 회전을 단일의 완전한 연소/배기 사이클에 1:1 비율로 연동시킨다. 표준 2 사이클 엔진과 유사하게, 본 발명의 엔진에서, 스파크 플러그는 크랭크샤프트의 회전마다 1 회 점화한다. 이는 크랭크샤프트의 1 회전이 연료의 흡입 및 압축을 위해 사용되고 크랭크샤프트의 두 번째 회전이 사용된 연료의 배기에 사용되는 4 사이클 엔진에 비해 개선된 동력 생 성을 제공한다. 그러나, 2 사이클 엔진과는 달리, 본 발명의 엔진은 이동하는 피스톤의 동력을 후속 동력 행정을 위해 연료를 취하기 위해 사용하지 않는다. 본 발명의 엔진에 따라서, 유효 일은 각 크랭크 회전시 상사점(UDC)으로부터 하사점(PMI)까지의 피스톤 행정의 50% 동안 수행되며, 이 방식으로 종래의 엔진에 비해 수행되는 유용한 일을 배가시킨다.

이에 비해, 현용의 4 행정 엔진에서, 흡입(1/4 행정) 동안, 소비되는 에너지가 존재한다. 유사하게, 압축 행정(2/4 행정) 동안 및 배기 행정(3/4 행정) 동안 에너지가 소비된다. 따라서, 유효 일은 폭발 및 팽창 행정(4/4 행정) 동안에만 발생된다. 이 에너지 생성 부분은 피스톤이 이동중인 사간의 단지 25%이다.

동일한 방식으로, 현용의 2 행정 엔진에서, 유효 일은 배기 포트가 완전히 닫혀질 때까지만 수행된다. 이 지점을 지나면 흡입 포트를 통한 압축/연소 챔버 내로의 연료의 후속 재장전을 유발하기 위해 사용되는 크랭크케이스 내의 압력을 발생시키기 위한 피스톤의 이동에 의해 에너지가 소비된다.

본 발명에 따른 엔진은 블록의 각 측부 상에 하나씩 배열되어 바람직하게는 하나 이상의 연결 핀에 의해 기계적으로 링크된 두 개의 크랭크샤프트를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 실린더(들) 내외로의 가스의 도입 및 축출은 과급기 같은 용 적 압축기에 의해 보조되며, 흡입 및 배기를 위한 밸브 기능은 이중 기능 피스톤 밸브작용을 하는 하나 이상의 피스톤에 의해 수행된다. 부가적으로, 과급기는 링의 연소 챔버 측부와 링의 크랭크케이스 측부 사이의 링 상의 압력차를 감소시킴으로써 피스톤 링을 냉각시키는 추가된 기능을 제공할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 크랭크샤프트들은 그들 사이의 상대 위치의 오프셋 또는 위상 변위가 존재하여 엔진의 일 측부 상의 각 실린더 내의 피스톤들이 엔진의 다른 측부 상의 정합 피스톤들에 미소하게 앞서 실린더를 따라 이동하게 하도록 하는 방식으로 피스톤들에 연결된다. 이 방식으로, 피스톤들, 특히, 피스톤 쌍들은 흡입 및 배기 포트를 순차적으로 개방 및 폐쇄시키도록 밸브로서 작용할 수 있고, 또한, 실린더 내의 연료 및/또는 압력의 파급 또는 오버로딩을 가능하게 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 피스톤은 이들이 자체적으로 도입 및 배기 포트의 개방 및 폐쇄를 제어하기 때문에 밸브 및 피스톤 양자 모두로서 이중 기능으로 작용한다. 피스톤은 이 이중 기능을 달성하기 위해 여분의 압축 링, 즉, 헤드 내의 하나의 압축 링과 스커트 내의 다른 하나의 압축 링을 구비한다. 실시예들에서, 피스톤은 또한 블라인드 볼트(blind bolt)를 포함한다.

일반적으로, 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 엔진은 도입 피스톤의 UDC에 대해 동일 거리로 각 실린더 내에 위치된 도입 및 배기 포트를 포함한다.

본 엔진은 연료 분사 체계에 사용하기에 특히 매우 적합하다. 연료 분사가 간접식인 실시예에서, 종래의 분사기는 실린더로의 공기 입구에 인접하게 도입 덕트 또는 도관 내에 위치되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 연료 분사가 직접 분 사인 경우, 종래의 분사기는 예로서, 연소 챔버를 형성하는 실린더 벽을 따른 위치에서 실린더 벽을 통해 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 이런 실시예에서, 분사기는 스파크 플러그 등을 대체할 수 있다.

엔진이 둘 이상의 서로 다른 연료를 연소시키기 위해 사용되는 실시예에서, 엔진은 스파크 플러그의 대체물로서 보조 챔버를 포함할 수 있으며, 이 보조 챔버의 내부 체적은 필요에 따라 분사된 연료의 특정 필요성에 따른 적절한 압축을 제공하도록 변경될 수 있다.

그들 사이의 각도 위상 변위를 유지하는 크랭크샤프트들 사이의 동기화된 연 동을 수행하기 위해, 그들 사이에 합체된 세 개의 기어의 트레인을 사용하거나, 그 들 사이에 변하지 않는 회전 방향을 유지하도록 약 90°60분계(90°sexagesimal)를 따라 위상 변위된 연결 핀들의 쌍을 사용하는 것이 바람직하다.

가솔린 버전의 본 발명의 엔진의 실시예들의 스파크 플러그들은 도입 피스톤의 UDC 위치에 바로 위치된다. 플러그들은 연소 챔버 내의 임의의 위치에 위치될 수 있지만, 이들을 도입 피스톤을 위한 UDC 위치에 위치시키는 것이 바람직하다.

간접 분사가 사용되는 실시예들에서, 전자 명령 유닛(ECU; Electronic Command Unit)은 연소 챔버 내로의 연료의 도입 및 연소 챔버의 플러싱/스윕핑의 두 개의 별개의 단계들을 수용하도록 캘리브레이팅된다. 즉, 과급기는 엔진이 구동되는 동안 흡입 포트에 양의 공기 압력을 공급한다. 그러나, 연료는 스윕핑 단계 동안 연소 챔버 내로 도입되지 않아야 하며, 대신, 공기만이 도입되어야 한다. 따라서, ECU는 배기 포트가 폐쇄되고 나서 챔버 내에 남아 있는 공기 내로만 연소 챔버 내로 연료 분사를 유발하도록 캘리브레이팅되어야 한다.

이제 도면으로 돌아가서 엔진의 실시예들, 그 구성부들 및 그 동작 모드들을 설명한다. 예시적 엔진에 따라서, 비제한적 선택적 특징들은 이하를 포함한다: 그 최종적 연료 경제성에 따른 효율, 다양한 연료들의 사용을 가능하게 하는 그 압축 관계 변경의 가능성, 단순성, 구성 부품 및 작동 수행의 최적화, 더 긴 사용 수명, 동일 동력에 대한 더 작은 중량, 더 작은 진동, 더 낮은 진동, 더 낮은 무게 중심, 개별적으로 더 작은 노력을 동반하는 더 소수의 부품.

도 1은 본 발명의 내연 기관(1)의 일 실시예에 따른 실린더의 단면을 도시한다. 도면은 서로 헤드가 대면하는 상태로 서로 대향하는 두 개의 피스톤(2, 2')을 포함하는, 실린더 블록 내에 배치된 단일 실린더(3)와, 단블록 구조의 헤드(4)를 도시하며, 단블록 구조의 헤드는 따라서 실린더 덮개, 헤드/블록 조인트 및 흡입 및 배기 밸브가 존재하지 않는다. 동작시, 연료의 연소 및 기계적 에너지의 생성은 크랭크샤프트의 회전마다 5 행정 사이클로 수행된다. 사이클에서, 그 상사점 위치(UDC)로부터 그 하사점 위치(LDC)로의 두 개의 대향하는 피스톤들의 이동 동안, 실린더는 전체적 팽창을 수행하고, 배기 공정을 시작한다. 피스톤의 LDC로부터 그 UDC로의 이동 동안, 실린더는 배기 행정을 완료하고, 연소 챔버의 전체적 챔버 보조 스윕(total chamber assisted sweep)을 수행하며, 도입/압축 챔버의 재충전 및 오버로딩을 완료하고, 최종적으로 압축 행정을 완료한다. 또한, 사이클은 UDC로부터 LDC로의 피스톤의 이동 동안 실린더 내의 포트의 상태를 기준으로 정의될 수 있다: 먼저, 흡입 및 배기 포트 양자 모두가 폐쇄되어 있는 점화/폭발 및 팽창 위상이 존재하고, 다음에, 배기 포트(들)가 개방되고 흡입 포트(들)가 폐쇄된 배기 위상이 존재하며, 다음에, 배기 및 흡입 포트 양자 모두가 개방되는 스윕핑 위상이 존재하고, 다음에, 배기 포트(들)가 폐쇄되고 흡입 포트(들)가 개방되는 연료 흡입 및 과급 위상이 존재하고, 마지막으로, 흡입 및 배기 포트 양자 모두가 폐쇄되는 압축 위상이 존재한다.

도 1a에 도시된 엔진(1)은 도입 피스톤(2)의 UDC 위치에 바로 배치된 스파크 플러그(6, 6'), 실린더(5)로부터 배기 가스를 밀어내고 실린더(5)를 스윕핑하며 압 축/연소 챔버(8) 내의 연료/공기의 도입 및 과급을 위해 사용되는 공기 및 연료 같은 유체를 실린더(5) 내로 밀어넣기 위한 정압을 생성하는 용적 압축기(7) 또는 과급기 및 피스톤 커넥팅 로드(10, 10')에 링크되어 적절한 기계적 수단(미도시)에 의해 서로간에 동기화된 두 개의 크랭크샤프트(9, 9')를 포함하고, 크랭크샤프트 배열은 크랭크샤프트 회전마다 실린더(5) 내에서 한 번의 폭발을 수행할 수 있게 한다. 크랭크샤프트는 크랭크샤프트를 향해 피스톤이 이동하게 되는 폭발 및 팽창 단계들이 나타내는 피스톤 행정 시간의 50% 동안 회전을 능동적으로 유발한다. 단일 폭발로 실린더당 두 개의 피스톤의 구동을 가능하게 하고, 흡입 및 배기 포트의 순차적 개방 및 폐쇄를 가능하게 하며, 실린더들의 오버로딩을 가능하게 하기 위해, 크랭크샤프트는 약 15°60분계와 약 25°60분계 사이, 예로서, 18° 서로 이격되어 장착된다. 실린더(5) 내의 오버로드를 가능하게 하도록 하는 방식에서 크랭크샤프트(9, 9')는 약 17°60분계 내지 약 21°60분계로 서로 이격되어 장착되는 것이 바람직하다. 크랭크샤프트(9, 9')는 실린더(5) 내의 오버로드를 허용하도록 약 18°60분계와 약 20°60분계 사이로 이격되어 장착되는 것이 더 바람직하다.

피스톤 행정의 결정된 영역에서, 피스톤(2, 2')은 개방시 도입 챔버(12) 및 배기 챔버(13)와 연통하는 도입 포트(23) 및 배기 포트(25)(미도시)의 개방 및 폐쇄의 제어기이다. 포트(23, 25)의 긴밀한 밀봉은 오일 링(26)에 추가하여 각 피스톤(2, 2') 상의 여분의 압축 링(14, 15)에 의해 달성되며, 압축 링들 중 적어도 하 나는 피스톤 헤드에 있고, 적어도 다른 하나는 스커트 상에 존재한다. 도입 포트(23) 및 배기 포트(25)는 그 피스톤(2, 2')의 각각의 상사점에 대해 등거리로 실린더(5) 내에 위치된다.

엔진(1)은 배기 포트(13)에 인접한 배기 덕트(18) 내에 장착된 폐쇄부로서 배기 가스 항환류 플랩(17; exhaust gas anti-reflux flap)을 포함하는 것이 바람직하다.

도 1a에 도시된 바와 같이 엔진(1)이 간접 연료 분사 시스템을 포함하는 경 우 종래의 분사기(19)는 흡입 포트(12)에 인접한 흡입 덕트(20) 내에 위치된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 직접 연료 분사 시스템을 포함하는 경우, 종래의 분사기(21)는 스파크 플러그(도 1a의 6')의 대체물로서 실린더(5) 내에 위치된다.

본 발명의 엔진의 실시예의 특징은 수평 구조로 이루어져 있다는 것이다. 즉, 실린더는 지면 상의 차와 같은 정지한 차량에 배치될 때, 실린더는 수평으로 놓여지도록 배열된다. 그 수평 구조로 인해, 엔진이 장착되는 차량의 무게 중심이 일반적 수직 배열 엔진을 구비하는 경우보다 비교적 지면에 더 근접한 위치에 있게 된다. 유사하게, 그 수평 배열 및 단블록 구조는 드레인 플러그(33)를 갖는 고유한 오일 퇴적부로서 그 각각의 더 낮은 팬 또는 오일 팬(32)을 구비하는 측부 상에 위치된 두 개의 건식 오일 팬(31, 31')의 배열을 초래한다(또한 도 18 참조). 물론, 다른 실시예에서, 차량 내의 엔진의 배치는 차량의 수평 평면 또는 지구 평면에 대해 임의의 각도로 이루어질 수 있다.

일반적인 사항으로서, 본 발명의 엔진은 본 명세서에 명시적으로 상세히 언 급 또는 설명되어 있지 않은 특징 및 요소를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 기술의 숙련자들은 이런 특징들 및 요소들을 잘 알고 있으며, 이들을 부당하거나 과도한 실험 없이 본 발명의 디자인 내에 포함시킬 수 있다. 요소(28)로서 도 1a 및 도 1b에 도시되고 이제 실제로 설명하는 한가지 이런 특징은 엔진을 통한 냉각 유체(예를 들어, 수성 냉매 또는 공기)의 이동을 위한 도관, 리세스 등이다.

도 2a 내지 도 2i는 실린더가 완전한 사이클(즉 실린더 내에서 한 번의 연료 점화 이벤트 및 크랭크샤프트의 일 회전)을 통해 이동할 때 실린더(5)를 따른 피스톤(2, 2')의 이동을 순서대로 도시한다. 도 2에 도시된 요소는 도 1에 도시된 것들과 동일하며, 따라서, 명료성을 위해, 단지 특정 요소들만이 도 2에 특정하게 표시되고 번호매김되어 있다. 예로서, 실린더를 통한 유체의 흐름은 흡입 포트를 통한 유입 및 배기 포트를 통한 유출의 유체 이동을 도시하는 화살표를 사용하여 표시되어 있다.

도 2a는 배기 피스톤(2')이 UDC에 있는 시점에서 예시적 엔진을 도시한다. 크랭크샤프트(9')가 그 길이를 따라 실린더(5)와 평행한 것을 볼 수 있다. 또한, 흡입 또는 도입 피스톤(2)이 뒤처져 있고, 아직 그 UDC에 있지 않은 것을 볼 수 있다. 그 길이를 따라 실린더(5)에 평행한 대신, 크랭크샤프트(9)는 그 길이를 따라 실린더에 대한 평행으로부터 18°에 있다.

도 2b는 도 2a에 도시된 이후 순간에 동일 실린더(5)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 피스톤(2')은 이제 그 UDC를 지났고, 크랭크샤프트(9')를 향해 이동하 고 있다. 피스톤(2)은 계속 그 UDC를 향하고 있다. 크랭크샤프트(9')는 이제 9°만큼 실린더(5)와의 평행 상태를 지나치고, 크랭크샤프트(9)는 이제 실린더(5)와의 평행을 이루기 9° 이전이다.

도 2c는 피스톤(2)이 그 UDC에 도달한 시간적으로 다음 순간을 도시한다. 이 지점에서, 크랭크샤프트(9)는 실린더(5)에 관하여 평행 위치에 있는 반면, 크랭크샤프트(9')는 실린더(5)와의 평행 상태를 18° 초과하였다는 것을 볼 수 있다. 이 시점에서 연소 챔버(8) 내의 연료 점화가 이루어져 크랭크샤프트(9, 9') 각각을 향해 반대 방향으로 피스톤(2, 2')을 구동한다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 다음 순간에 피스톤(2, 2')은 그 외향 이동을 계속하고, 피스톤(2)은 피스톤(2') 뒤에 뒤쳐져 있다. 연료의 점화로부터의 힘은 피스톤(2, 2')을 계속 외향 구동하여, 크랭크샤프트(9, 9')의 회전을 구동한다.

다음 순간에, 도 2e에 도시된 바와 같이, 배기 피스톤(2')은 배기 포트(25)를 드러내기 시작하는 지점에 도달한다. 피스톤(2)은 흡입 포트(23)를 개방시키기에 충분히 멀리 실린더(5)를 따라 이동되지 아직 못했다는 것을 주의하여야 한다. 이 시점에서, 도 2c에 도시된 폭발로부터의 배기 가스는 연소 챔버(8)를 벗어나기 시작할 수 있다.

다음에, 도 2f는 피스톤(2')이 그 LDC에 도달하고, 피스톤(2)이 그 LDC에 접 근하는 시간적 다음 순간을 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이 배기 포트(25)는 이 제 완전히 개방되고, 흡입 포트(23)는 거의 완전히 개방되어 있다. 이 시점에서, 챔버(8) 내의 연료의 이전 연소로부터의 잔류 배기 가스를 플러싱 또는 스윕핑하기 위해 챔버(8) 내로 공기가 주입된다. 플리넘에 의해 흡입 포트(23)에 연결된 과급기 같은 송풍 공기를 공급하기 위한 수단이 이 플러싱 또는 스윕핑 단계를 위해 사용될 수 있다. 챔버(8)의 스윕핑은 양 포트들(25, 23)이 개방되어 있는 전체 시간 내내 수행될 필요는 없다는 것을 주의하여야 한다. 대신, 임의의 적절한 양의 시 간이 사용될 수 있다.

도 2g는 본 발명의 본 실시예에 따른 사이클의 다음 단계를 도시한다. 이 도면에서, 피스톤(2')이 실린더(5)의 중심을 향한 그 복귀 왕복운동을 시작하였으며, 피스톤(2)이 이제 그 LDC에 있는 것을 볼 수 있다. 피스톤(2')은 배기 포트(25)를 폐쇄하기 시작하고, 피스톤(2)은 흡입 포트(23)를 여전히 넓게 개방된 상태로 유지할 수 있다. 챔버(8)의 플러싱은 이 시간 순간 동안 계속될 수 있다.

도 2h는 다음 시간 순간의 엔진을 도시하며, 여기서, 피스톤(2')은 실린더(5)의 중심을 향해 충분히 멀리 이동하였고 배기 포트(2 5)를 완전히 폐쇄하였다. 피스톤(2)은 그 복귀 왕복운동을 시작하였고, 흡입 포트(23)를 폐쇄하는 과정 중에 있다. 이 시점에서, 연료(예를 들어, 연료/공기 혼합물)가 흡입 포트(23)를 통해 챔버(8) 내로 도입된다. 대안적 실시예(미도시)에서, 연료 또는 연료/공기 혼합물이 직접 연료 분사기에 의해 챔버(8) 내로 직접 분사되는 동안 공기는 흡입 포트(23)를 통해 도입된다. 바람직한 실시예에서, 챔버(8) 내로 공기 또는 연료/공기 혼합물을 도입하여 챔버(8)의 과급 또는 과압을 초래하기 위해 과급기가 사용된다. 이 과급은 연료의 후속 점화시 연료의 개선된 연소를 가능하게 한다.

도 2i는 흡입 포트(23)가 폐쇄되는 정도까지 피스톤(2)이 실린더(5)의 중심을 향해 이동한, 시간적 다음 순간을 도시한다. 이제, 챔버(8) 내의 공기 및 연료 혼합물은 피스톤(2, 2')의 대향 이동에 의해 압축되어 연료의 효율적 점화를 가능하게 한다.

상술한 프로세스는 엔진이 동작중인 시간 동안 지속적으로 동일한 방식으로 계속된다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 비록 상술한 설명이 단일 실린더에 초점을 두고 있지만, 엔진당 다수의 실린더가 제공될 수 있고, 실린더 각각은 동일한 방식으로 기능하며, 각각 점화 이벤트의 시기가 엇갈리거나 교번함으로써, 전체 엔진을 위한 지속적 동력 출력을 제공한다.

도 1 및 도 2로부터 명백한 바와 같이, 엔진(1)의 구성부로서 밸브를 제거할 목적으로, 그리고, 실린더(5)의 오버로드를 수행하기 위해, 크랭크샤프트(9)에 관 한 크랭크샤프트(9')의 소정 60분계 각도의 지연이 이루어져야 한다. 사전설정된 도수만큼의 크랭크샤프트(9)의 각도에 앞선 크랭크샤프트(9')의 각도의 설정은 배 기 피스톤(2')의 각 실린더(5) 내의 이동이 먼저 이루어져, 크랭크샤프트(9) 지연 각도로 인해 도입 피스톤(2)이 그 상사점 위치를 향한 그 상향 행정을 여전히 수행하고 있을 때 배기 피스톤(2')이 그 상사점 위치에 도달하게 하는 시스템을 제공한다. 배기 피스톤(2')이 그 하향 행정을 시작할 때, 도입 피스톤(2)은 그 UDC까지 이를 동행하며, UDC에 도달하였을 때, 최대 압축이 달성되고, 이 지점에서 연료가 점화되며, 따라서, 동일 순간에 양 피스톤(2, 2')을 그 각각의 하향 행정으로 구동한다. 배기 피스톤(2')이 폭발 이전에 이미 그 하향 행정을 시작하였다는 사실의 견지에서, 도입 피스톤(2)이 흡입 포트(들)(23)에 도달하기 이전에, 배기 피스톤이 배기 포트(들)(25)에 도달하며, 따라서, 챔버(8)로부터의 가스 축출을 유발한다.

피스톤(9')이 이동하는 가장 먼 지점은 피스톤(9')의 헤드의 표면이 배기 포트(들)(25)의 먼 에지와 정렬 또는 실질적으로 정렬되도록 설정된다. 하향 행정 단부와 일치하는 배기 포트(25)의 먼 단부에 도달하고 나면, 도입 피스톤(2)이 도 입 포트(23)를 지나치기 시작하여 압력 공기 도입이 발생되고 상술한 잔류 폭발 가스의 스윕이 초래되는 것과 동시에, 배기 포트(25)의 폐쇄가 시작된다. 그 후, 그 크랭크샤프트(9) 지연의 결과로서 도입 포트(23)가 여전히 개방되어 있는 동안 배기 포트(25)가 폐쇄되고, 이는, 그 상향 행정에서 도입 피스톤(2)이 대응 포트(들)(23)를 폐쇄할 때까지 엔진이 실린더(5) 내에 오버로드를 수행할 수 있게 하며, 그 결과, 배기 피스톤이 그 UDC에 도달한 시점에서 상술한 프로세스가 시작될 때까지 전체 압축 기간이 양 피스톤들(2, 2') 사이에서 시작된다.

엔진 내의 밸브를 제거하는 기술적 해법은 도입 및 배기 포트를 밀봉하고 포트와 실린더 사이의 유체의 이동의 차단 또는 실질적 차단을 가능하게 함으로써 콘트롤러로서 기능하는 피스톤을 사용한다. 본질적으로, 링들은 포트가 내부에 위치되는 챔버를 형성한다. (가솔린 엔진 피스톤에 관한)도 3 및 (디젤 엔진 피스톤에 관한)도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤은 적어도 두 개의 압축 링(14, 15)을 포함하고, 그 중 하나(14)는 종래의 오일 링(26) 아래의 피스톤 헤드 상에 위치되고, 다른 하나(5)는 스커트 상에 위치된다. 이들은 각각의 피스톤이 그 하사점에 있을 때 흡입 포트(들)(23) 및 배기 포트들(25)을 둘러싸는 원통형 챔버를 형성한다.

이제, 도 5를 참조하면, 적절한 결합 기계적 수단(11')을 통해 형성된 양 크 랭크샤프트(9, 9')의 간격으로 인해 양 피스톤(2, 2')이 동일한 거리로 이동한다는 것이 부각되어 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 세 개의 결속 기어(11'a, 11'b, 11'c)가 두 개의 샤프트들을 링크하기 위해 사용된다. 도 6에 도시된 다른 예시적 실시예에서, 적어도 두 개의 강성적 또는 탄성적 결합 핀(11a, 11b)이 두 개의 크랭크샤프트들(9, 9')을 연결하고 안정화하기 위해 사용될 수 있다. 결합 수단은 기어 결속 트레인을 포함하는 것이 바람직하고, 기어 결속 트레인은 각 크랭크샤프트의 단부의 기어(11'a, 11'b)와 그들 사이에서 다른 두 기어(11'a, 11'b)를 결속하는 기어(11'c)를 포함한다. 그러나, 두 개의 결합 핀(11a, 11b)이 사용되는 경우, 하나의 크랭크샤프트(9)로부터 나머지 크랭크샤프트(9')로의 동력 전달 및 효과적 보조 설정(pacing)을 수행하고, 불변의 회전 방향을 유지하기 위해 대략 90° 60분계 만큼의 위상차로 이 둘이 배치되게 된다.

상술한 바와 같이, 결합 수단은 하나 이상의 결합 핀 또는 로드(11a, 11b)를 포함할 수 있다. 이들 결합 핀 또는 로드는 필요에 따라 로드가 굴곡될 수 있게 하도록 힌지 또는 힌지형 구조(11")를 포함할 수 있다. 로드의 굴곡은 로드의 길 이가 효율적으로 변할 수 있게 한다. 길이 변화 기능은 엔진이 가열되어 금속 부품이 팽창할 때 따로 또는 함께 크랭크샤프트들(9, 9')이 이동할 수 있게 한다(단지 미소하기는 하지만). 이런 힌지가 없다면, 결합 핀과 크랭크샤프트 사이의 결합 지점은 이런 팽창 및 수축을 가능하게 하도록 유격을 가질 필요가 있다. 이런 유격은 부품 상의 과도한 마모를 초래하고, 파손 가능성의 증가를 초래한다.

본 발명의 엔진은 흡입 및 배기 도관에 통합 형태로 연결된 흡입 및 배기 포트를 포함하며, 흡입 및 배기 도관은 순차적으로 흡입 및 배기 덕트에 통합 형태로 연결된다. 본질적으로, 덕트는 본 명세서에서 흡입 및 배기 챔버로서 지칭되는, 다수의 더 작은 통로들을 합성하는 비교적 큰 통로이다. 챔버는 적어도 하나의 벽(통상적으로 원형)을 포함하며, 이는 실린더 벽과의 결합부에서 종결된다. 챔버 벽과 실린더 벽의 결합부는 따라서 포트를 형성한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 엔진은 다이캐스팅을 통해 단조된 단블록형 엔진인 것이 바람직하다. 따라서, 물리적 수단에 의해 다른 부분에 연결되는 명확한 별개의 부품은 아니지만, 덕트와 챔버 사이의 차이점은 기능과, 배기 및 흡입 시스템 내에서의 상대 위치이며, 따라 서 또한, 상대적 크기에 관련된다.

도 8은 본 발명의 엔진의 흡입 챔버 및 덕트의 실시예를 도시한다. 본 실시 예에서, 흡입 포트(23)는 실질적으로 원형 또는 실질적 나선형 형상으로 구성된 흡입 챔버(12, 12') 및 흡입 덕트(20, 20')의 종결부들을 포함한다. 흡입 챔버(12, 12')로부터 흡입 포트(23)를 형성하는 종결부들로의 돌출부 또는 연결부(22, 22')는 흡입 챔버(12, 12')에 대해 임의의 각도로 배치될 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 즉, 이들은 임의의 적절한 각도로 실린더 내로 유체의 도입을 제공하도록 흡입 챔버(12, 12')의 종축에 평행 및/또는 그에 수직인 임의의 각도 또는 임의의 다수의 각도로 배치될 수 있다. 예로서, 각도는 연료의 분산을 최대화하고 연소를 향상시키도록 도입 연료의 난류를 최대화하게 선택될 수 있다. 흡입 시스템을 위한 실질적 또는 정확한 원형 형상은 흡입 피스톤(2)의 UDC로부터 단일 거리에서의 이들 포트의 배치 및 다수의 흡입 포트(23)의 사용을 가능하게 하여 바람직하다.

도 8에 도시된 흡입 시스템과 유사한 방식으로 도 9는 엔진을 위한 예시적 배기 시스템을 도시한다. 본 실시예에서, 실질적 원형 또는 실질적 나선형 형상으로 구성된 배기 챔버(13, 13') 및 배기 덕트(18)로부터의 돌출부 또는 연결부(84)에 의해 다수의 배기 포트(25)가 형성된다. 돌출부 또는 연결부(84)는 배기 챔버(13, 13')에 관하여 임의의 각도로 배치될 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 즉, 이들은 실린더로부터의 배기 가스의 개선된 이동, 실린더로부터 외부로의 개선된 열 전도 등과 같은 다양한 장점을 제공하도록 배기 챔버(13, 13')의 장축에 수직 및/또는 그에 평행한 임의의 각도 또는 임의의 다수의 각도로 배치될 수 있다. 다수의 배기 포트(25)의 사용 및 배기 피스톤(2')의 UDC로부터 단일 거리에 이들 피스톤의 배치를 가능하게 하도록 배기 시스템을 위한 실질적 또는 완전한 원형 형상이 바람직하다.

엔진(1)은 보유한 실린더(5)의 수와 동일한 수의 폭발을 각 크랭크샤프트(9, 9')의 회전시 수행할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, 본 발명의 엔진은 단일 챔버 또는 단일 실린더(8) 내에 대향 배치된 다수의 원통형(5) 수평 피스톤 쌍(2, 2')을 구비하는 단블록 유형(4)의 엔진(1)이다. 엔진은 전형적 열역학 사이클의 모든 통상적 행정들, 즉, 도입(흡입), 압축, 폭발 및 배기를 수행할 수 있으며, 이들 행정들은 크랭크샤프트의 각 회전 내에 달성될 수 있다. 회전마다 완전한 사이클을 달성하기 위해, 행정들을 위한 시간의 배열은 이하가 수행되는 동안 각각의 하사점 위치(LDC)로부터 각각의 상사점 위치(PMS)로 다수의 피스톤 각각의 단일 이동을 통해 나타내지는 5개 위상, 행정 또는 잘 정의된 시간의 새로운 열역학 사이클에 부합되는 방식으로 이루어진다: (i) 도입 및 배기 포트 양자 모두가 개방(도 1Oa 참조)될 때의 압축/연소 보조식 이전 폭발의 잔류 가스의 스윕핑 및 챔버의 충전, (ⅱ) 도입 포트만 개방될 때(도 10b 참조)의 오버로드 도입, (ⅲ) 양 포트가 폐쇄된 상태(도 10c 참조)에서의 완전한 압축 및 각 UDC로부터 각 PMI로 이동시 이하의 수행: (ⅳ) 팽창을 동반한 폭발(도 10d 참조) 및 (v) 배기 포트만 개방(도 10e 참조)되었을 때의 배기.

도 11은 본 발명의 엔진에 따른 크랭크샤프트의 실시예를 도시한다. 크랭크샤프트는 엔진 내의 실린더의 수에 관하여 특정하게 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 피스톤에 대한 크랭크샤프트 연결부는 실린더 점화 순서가 크랭크샤프트 연결 각도에 대응하도록 배열되는 것이 바람직하다. 달리 말하면, 실린더와 크랭크샤프 트의 연결부는 이하의 공식에 따라 폭발들 사이의 기간의 공정 분배 원리에 따라 설계되는 것이 바람직하다.

360°/(실린더 수) = 폭발들 사이의 간격에 대응하는 각도

이런 디자인은 엔진이 크랭크샤프트 회전마다 실린더당 폭발을 수행하고, 이와 같이, 폭발들 사이의 간격이 360°에 기초할 수 있기 때문에 가능하다.

도 9에 도시된 바와 같이, 4 실린더 엔진에서, 이 원리는 90° 크랭크샤프트 핀(27) 배열을 구비하여 매 90°마다 폭발을 가능하게 함으로써 바람직하게 달성된다. 구체적으로, 4 실린더 엔진에서, 실린더 수(본 특정 경우에는 4)로 각 360°의 회전을 나누면 결과로서 90°가 주어지고, 이것이 폭발 사이의 간격 각도를 정의한다는 것을 알고 있다. 이 개념은 도 12에 추가로 도시되어 있다. 이 동일한 원리를 6 실린더를 구비한 엔진의 실시 예에 적용하면, 360°/6=60°라 할 수 있다. 이때, 1번 실린더 내에서 폭발이 이루어지고, 예로서, 전형적인 점화 순서 1-5-3-6-2-4에서, 5번 실린더의 도입 피스톤이 60°에서 그 UDC에 도달하고, 이와 같이, 그 시기에 그 실린더 내에서 폭발이 이루어지고, 60°간격으로 다음 실린더에서 동일하게 반복되는 등이다. 이 시나리오는 도 13의 다이어그램에 도시되어 있다. 또한, 8 실린더를 구비한 엔진의 실시예에서 360°/8=45°이다. 이때, 1번 실린더에서 폭발이 이루어지고, 점화 순서 1-5-4-2-6-3-7-8에서, 5번 실린더의 도입 피스톤이 45°에서 그 UDC에 도달하며, 이와 같이 이때 그 실린더에서 폭발이 이루어지고, 연속적으로 45°간격으로 동일하게 반복되는 등이다. 다른 한편, 순서가 1-3-7-2-6-5-4-8인 경우, 1번 실린더에서의 폭발 이후, 3번 실린더 내의 도입 피스톤이 45°에 그 UDC에 도달하고, 그 실린더에서 그때 폭발이 이루어지며, 45° 간격으로 동일하게 반복되는 등이다. 이 시나리오는 도 14에 도시되어 있다.

이제, 특히 도 15 및 도 16을 참조하면, 엔진의 하나 이상의 실린더의 압축비를 변화시키기 위한 메커니즘이 제공되어 있다. 더 구체적으로, 도 15는 본 발 명의 실시예에 따른 엔진의 단면을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 하나의 스파크 플러그(예를 들어, 도 1a의 6')가 보조 챔버(16)로 대체되어 있다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 보조 챔버(16)는 엔진 내의 개구 내로의 그 삽입을 위한 스크류 나사부 또는 기타 전형적 수단을 구비할 수 있다. 또한, 보조 챔버(16)는 도 16c에 구체적으로 도시된 바와 같이, 챔버(16)의 기단부(엔진에 연결됨)로부터 챔버(16) 내의 블라인드 챔버(161)로 이어지는 개방 통로(160)를 포함할 수 있다. 블라인드 챔버(161)에 의해 형성되는 체적은 플랫폼(162)의 상하 이동에 의해 변할 수 있다. 플랫폼(162)은 로드(163)의 조작에 의해 블라인드 챔버(161) 내에서 이동 및 임의의 위치에 설정될 수 있다. 로드(163)는 로드(163)의 표면 상의 스크류 나사부 및 보조 챔버(16)의 내부면 상의 정합 나사부에 의한 방식 같이 공지된 방식을 통해 블라인드 챔버(161) 내에서 전후로 플랫폼(162)을 이동시킬 수 있다. 플랫폼(162)의 이동 및 설정은 공지된 원리에 따라 전자식 또는 수동식 수단에 의해 달성될 수 있다.

실시시, 보조 챔버(16)는 연소 챔버(8)의 체적을 증가시키는 챔버로서 기능 한다. 블라인드 챔버(161) 내의 체적은 연소 챔버(8)의 총 체적을 미세하게 조율하여 실린더가 직경, 피스톤 커넥팅 로드의 길이 또는 엔진의 임의의 다른 요소를 변화시킬 필요 없이 실린더의 압축비를 변경하도록 조절될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 엔진은 다수의 다른 연료 유형들의 연소를 허 용하도록 설계되며, 단일 특정 엔진에 사용되는 연료 유형들의 변경을 허용하도록 설계된다. 주요 부분에서 이 변형은 보조 챔버를 사용하여 연소 챔버의 크기(또는 체적)를 변화시킴으로써 압축비의 변경을 통해 가능해진다. 압축비는 원론적 연소/압축 챔버(8)의 중심에 위치된 보조 챔버(16)에 의해 고정식 또는 자동적 형태로 변경될 수 있으며, 그래서, 엔진은 저 옥탄, 알콜, 가소홀(gasohol) 등의 연료들을 위한 대략 6:1과 통상 또는 고 옥탄의 가연물을 위한 대략 11:1 사이에 포함되는 관계로 다른 연료를 사용하여 동작할 수 있으며, 직접 분사로 약 17:1 내지 약 25:1의 압축비로 가스 오일 및 식물성 오일을 사용하여서도 동작할 수 있다. 물론, 연료 유형이 변경되는 경우 피스톤들을 변경하는 것이 필수적이거나 바람직할 수도 있다(예를 들어, 가솔린 엔진을 위해 설계된 피스톤을 디젤 엔진을 위해 설계된 피스톤으로 교체). 유사하게, 스파크 플러그의 글로우 플러그로의 교체, 연료 전달 메커니즘의 교체(예를 들어, 가솔린 엔진의 간접 연료 분사기를 디젤 엔진의 직접 연료 분사기로 교체) 같은 연료 전달을 완료하기 위한 엔진의 다른 요소를 변경하는 것이 바람직하거나 필수적일 수도 있다.

연료로서 디젤 오일을 사용하는 엔진 실시예의 경우에, 피스톤(2, 2')은 디젤 오일 분사기(21)(예로서, 도 1b 참조)의 분무 효과를 최적화하기 위해 그 헤드 상에 각인부(30; engravement)(예로서, 도 4 참조)를 구비하는 것이 바람직할 수 있다. 디젤 버전의 엔진은 프리 챔버가 존재하지 않기 때문에 직접 분사 원리에 따라 작동한다. 사실, 연료 분사는 피스톤 헤드 위에 직접적으로 이루어진다. 디젤 오일이 연료로서 사용되는 바람직한 엔진 실시예에 따라서, 최대 압축 스테이지에서, 공기 산소와 조합한 디젤 오일 분사는 양 피스톤들 사이의 압축에 기인한 폭발을 유발한다.

차가운 엔진에서의 첫 번째 분사는 타이머에 의해 명령되는 전기 가열기 또는 글로우 플러그에 의해 열적으로 보조된다. 분사 및 엔진의 회전 속도는, 압축 행정이 수행되는 동안 소량의 예비 주입을 수용할 수 있는 경우인 종래의 "커먼 레 일" 시스템 또는 직접 분사를 위한 디젤 오일 펌프 압력에서 디젤 오일을 수용하는 분사기의 순환율(recurrence rate)에 의해 명령된다.

폭발이 이루어지고 나면, 피스톤(2, 2')은 가솔린 엔진에 대해 상술한 바와 동일한 방식으로 이동하고, 따라서, 피스톤이 그 최대 압축 지점에 도달하는 각 시 기마다 연료가 점화되고 폭발이 이루어지는 시스템을 달성하고, 피스톤 행정의 50% 동안 일을 생성하는 효율적 엔진을 얻는 목적이 충족된다.

이제 도 17 및 도 18로 돌아가면, 본 발명의 예시적 엔진의 다양한 도면이 도시되어 있다. 이들 도면은 소형의, 수평 단블록 엔진(4)을 제공하도록 다양한 구성요소의 예시적 배치를 도시하고 있다. 도 17을 참조하면, 흡입 포트(23, 23') 및 배기 포트(25, 25')와 그 각각의 흡입 덕트(20, 20') 및 배기 덕트(18)의 배치를 볼 수 있다. 흡입 포트(23, 23')는 "U" 형 튜브(미도시)에 의해 공용 유체 연결부에 통합되어 있으며, 이 U형 튜브는 일 단부에서 밀봉되고 다른 단부에서, 과압된 공기(또는 공기/연료 혼합물)가 실질적으로 또는 정확히 동일한 압력 및 체적으로 각 흡입 포트(23, 23')에 전달되는 방식으로 과급기에 연결되어 있다. 유사하게, 배기 포트(25, 25')는 차량 배기 시스템에 물리적으로 연결하기에 적합한 덕트 또는 매니폴드에 의해 공용 유체 연결부에 통합되어 있다.

도 18은 예시적 단블록 엔진(4)의 외부를 도시하며, 흡입 덕트(20), 배기 덕 트(18), 측부 건식 오일 팬(31, 31') 및 적어도 하나의 드레인 플러그(33)를 구비하는 고유한 오일 퇴적부로서의 하부 팬(오일 팬)(32)의 상대적 배치를 도시하고 있다.

상술된 작동 조건 하에서 매우 적은 피스톤의 유휴 행정이 존재하며, 현용의 상업적으로 입수할 수 있는 엔진에서보다 마모가 작고, 결과적으로, 더 긴 엔진 수 명이 얻어진다는 것을 주의하여야 한다. 또한, 일반적으로 더 많은 마모를 받는 가동부의 작업/응력이 실린더마다 두 개의 피스톤, 두 개의 로드 및 두 개의 크랭크샤프트 사이에서 분산된다. 따라서, 엔진의 유용 수명이 현저히 증가하며, 결과적으로, 새로운 엔진의 최적의 작동 상태가 더 긴 시간 동안 유지된다.

또한, 본 발명의 엔진이 실린더 덮개를 갖지 않는다는 사실의 견지에서, 결합부 가열 및 결과적인 전체 엔진의 재가열과 그 효율 손실 또는 그 작동 기능의 파괴를 유발하는 블록에 대한 그 지지면의 변형 같은 실린더 덮개에 의해 유발되는 문제점이 제거된다. 유사하게, 타이밍 벨트가 불필요하고, 이 또한 가동부 및 수리에 대한 필요성을 감소시킨다.

단블록 구조로 인해 엔진 블록에 대해 덮개를 압축 및 보유하기 위한 스크류 또는 스터드도 불필요하다. 엔진이 전형적인 흡입 및 배기 밸브와 그와 연계된 기계적 부품을 사용하지 않기 때문에 동력 손실을 유발하는 전형적 캠 샤프트, 그 마 모로 인해 교환 주기를 갖는 동기화 벨트도 불필요하다.

또한, 캠 샤프트, 리프터(lifter) 및/또는 태핏의 윤활을 위한 오일조(oil bath)를 갖는 실린더 덮개가 존재하지 않아서, 불충분한 밀봉에 기인한 소정 사용 시간 이후의 오일 소비가 존재하지 않으며, 결과적인 밸브 밀봉부의 노화도 제거된다는 것을 주의하여야 한다. 부가적으로, 본 발명의 엔진은 쉽게 유지 및 수리될 수 있다. 예로서, 링 및 금속 로드 같은 극심한 마모를 받는 부품은 측부 오일 팬(31, 31') 및 크랭크샤프트(9, 9') 중 하나의 단지 두 부분의 제거에 의해 교체될 수 있다.

다양한 실시예에서, 본 발명의 엔진은 현재 상업적으로 입수할 수 있는 엔진에 비해 다수의 장점을 제공한다. 예로서 자동차를 위해 가용한 "전형적" 상업적 엔진에서, 피스톤을 위한 각 상사점에서 폭발이 이루어질 때, 진동이 생성된다. 각 폭발에 대해, 크랭크샤프트는 2회 회전하여 추가적 진동을 제공한다. 대조적으로, 본 발명의 엔진에서, 실린더 내의 단일 폭발은 두 개의 크랭크샤프트 회전 각 각에서 두 개의 피스톤을 구동한다. 따라서, 기계적 에너지를 생성하기 위해 필요 한 폭발의 수가 감소되고 따라서, 본 발명의 엔진은 "전형적" 엔진보다 매우 적게 진동한다. 또한, 본 발명의 엔진에서, 각 크랭크샤프트는 "전형적인" 엔진에 비해, 생성되는 단위 기계적 에너지당 대략 2배 만큼 느리게 회전하며, 따라서, 크랭크샤프트의 균형화의 결손에 의해 유발되는 것 같은 진동을 추가로 감소시킨다. 부가적으로, 4 행정 사이클을 사용하는 종래의 4 실린더 엔진에서, 폭발은 크랭크샤프트의 매 180°회전마다 이루어지는 반면, 본 발명의 엔진에서는 폭발은 매 90° 크랭크샤프트 회전마다 이루어진다. 이 크랭크샤프트 회전 각도의 감소는 실린더당 생성되는 응력을 감소시키고, 엔진이 더 부드럽게 구동될 수 있게 하며, 동시에, 더 많은 토크를 갖는다. 다른 견지에서 볼 때, 본 발명의 엔진은 더 소수의 크랭크샤프트 회전에서 동일한 토크를 가지며, 이는 더 긴 엔진 내구성, 피스톤, 크랭크샤프트 및 베드 프레임 베어링 같은 가동부의 더 긴 사용 수명 및 볼트, 링 및 금속 로드 같은 특정 비가동부의 더 긴 수명을 도출한다.

본 발명의 엔진은 내연기관이 요구되는 임의의 요건에 적용 가능하다. 따라서, 이는 자동차(예를 들어, 승용차, 트럭, 버스), 선박(예를 들어, 보트, 배, 잠수함) 및 항공기(예를 들어, 비행기, 헬리콥터)에 사용될 수 있다. 이는 마찬가지로 가솔린, 첨가제(예를 들어, 에탄올)를 갖는 가솔린, 메탄올, 메탄(천연 가스), 프로판, 바이오연료(예를 들어, 바이오디젤) 및 디젤 오일을 포함하지만 반드시 이들에 한정되는 것은 아닌 임의의 수의 연료에 적용 가능하고 따라서 이들을 연소하도록 설계될 수 있다.

본 발명의 엔진은 전통적인 내연기관의 것보다 바람직한 작동 효율을 제공한다. 실제로, 동일한 피스톤 크기, 형상 및 길이에서, 본 발명의 엔진은 크랭크샤프트 회전당 더 긴 유효 작업 시간을 제공하기 때문에 더 많은 동력을 제공한다. 따라서, 마찰 마모 및 정적 마모를 받게 되는 것 모두를 포함하는 부분의 양의 감 소에 의해, 작업 행정이 피스톤의 이동의 50% 정도 및 전통적인 4 행정 엔진에서 25% 정도가 아닌 것을 나타내기 때문에 연료의 소비의 효과적인 감소가 성취된다. 본 발명의 엔진은 또한 더 바람직한 중량/동력비를 나타내고 수리 및 유지 보수가 쉬운데, 이는 더 낮은 작동 비용을 초래한다. 예를 들어, 본 발명의 엔진의 작동 중에, 열 에너지의 기계적 에너지로의 변환의 손실이 전통적인 엔진과 비교할 때 감소된다. 구체적으로, 전통적인 엔진은 일반적으로 실린더 덮개 및 덮개 조인트에서 에너지를 손실하고, 손실은 캠 샤프트, 리프터 및 태핏에서의 마찰에 의해 발 생된다. 피스톤이 흡입 행정, 압축 행정 및 배기 행정 중에 에너지를 사용하기 때 문에 부가의 에너지가 피스톤의 비생산적인 움직임에서 손실된다. 요약하면, 통상의 엔진은 약 25%의 유효 일을 성취하고, 반면에 본 발명의 엔진은 약 50%의 유효 일을 성취한다.

예를 들어, 도 19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 엔진의 실시예는 통근 주행(예를 들어, 2,000rpm 내지 3,500rpm) 중에 일반적인 엔진 속도에서 동력의 급속한 증가 및 약 4,000rpm 내지 약 9,000rpm의 지속적인 최대 동력을 성취하는 넓은 동력 곡선을 나타낼 수 있다. 도면에 도시된 그래프는 1950㎤의 배기량을 갖는 4 실린더 엔진을 언급한다. 그래프는 약 6,000rpm에서 최대 동력 출력 및 상기의 레 드 라인을 갖는 이 엔진에서, 낮은 엔진 속도에서 상당한 동력 출력 및 6,000rpm을 향한 낮은 엔진 속도로부터 동력의 지속적인 증가가 존재한다는 것을 나타내고 있다. 3000rpm 내지 6000rpm의 일반적인 작동 범위는 165CV 내지 250CV를 생성하여, 세제곱 리터 용량당 125CV의 최종 변환을 생성한다. 물론, 임의의 엔진과 같이, 최대 동력 출력 지점(이 경우, 6,000rpm 내지 7,000rpm)을 통과한 후에, 동력은 감소한다.

본 발명의 엔진의 고유한 디자인은 우수한 토크 성능을 제공한다. 도 20에 도시된 바와 같이, 본 발명의 엔진은 매우 낮은 엔진 속도에서 높은 토크를 성취할 수 있고, 통근 주행을 위한 일반적인 엔진 속도에서 최대 토크를 제공할 수 있다. 도 19에 도시된 동력 곡선과 같이, 토크 곡선은 넓은 최대 토크 생성을 도시하는데, 이는 실질적으로 평균 운전자에 대해 일반적인 주행 조건을 표현한다. 토크 곡선에 따르면, 탄성 엔진 거동이 나타나는데, 약 2,500rpm 미만에서 엔진 속도의 증가에 의한 토크의 급속한 증가가 존재하고, 반면에 3,000rpm 내지 6,000rpm에 서, 곡선은 하강한다. 실제로, 이는 토크가 정상 주행 속도에서 신속하고 효과적으로 전달되고, 반면에 토크가 높은 레벨 토크가 일반적으로 요구되지 않는 더 높은 엔진 속도에서 감소하는 것을 의미한다. 더욱이, 곡선의 탄성도는 토크가 요구될 때 엔진이 기어 변속(즉, 엔진 속도를 증가시키기 위한 변속기의 저단 변속)에 대한 필요성 없이 이를 공급하는 것을 나타낸다. 따라서, 예를 들어 차량이 경사로를 만날 때, 엔진 속도가 자연적으로 증가된 요구(부가의 연료가 엔진에 공급되지 않는다고 가정함)에 기인하여 저하되기 때문에, 토크가 증가하고, 따라서 휠에 더 많은 동력을 제공하고 속도를 유지하기 위한 저단 변속의 필요성을 감소시킨다.

상기 개시 내용의 견지에서, 본 발명은 실시예에서, (1) 기단부 및 말단부를 포함하는 적어도 하나의 실린더로서, 각각의 실린더는 실린더 내에 반대 방 향으로 그리고 실린더의 중심의 반대 측면에 배열된 제 1 피스톤 및 제 2 피스톤을 포함하고, 각각의 실린더는 내부 체적을 규정하는 벽을 포함하고, 각각의 실린더는 실린더의 기단 절반에 적어도 하나의 흡입 포트와 실린더의 말단 절반에 적어도 하 나의 배기 포트를 포함하고, 각각의 포트는 실린더 벽 내에 개구로서 배치되고, 제 1 및 제 2 피스톤의 피스톤 헤드의 표면은 실린더 벽과 함께 연료의 점화 및 연소를 위한 연소 챔버를 생성하는 적어도 하나의 실린더, (2) 제 1 크랭크샤프트는 실린더의 기단부에서 제 1 피스톤에 연결되고, 제 2 크랭크샤프트는 실린더의 말단부에서 제 2 피스톤에 연결되는 적어도 2개의 크랭크샤프트, (3) 연소 챔버 내에서의 연료의 점화를 발생시키기 위한 적어도 하나의 디바이스로서, 이 디바이스는 제 1 피스톤을 위한 실린더 내의 이동의 상사점에 또는 상사점 부근에서 실린더 상에 실린더를 통해 배치되고, 각각의 크랭크샤프트는 연료 점화 이벤트마다 그 고유축 둘레로 단일의 회전을 완료하는 적어도 하나의 디바이스를 포함하는 내연기관을 제공한다. 엔진에서, 실린더를 따른 제 1 피스톤의 전후방 이동은 흡입 포트(들)의 개방 및 폐쇄를 발생시키고 실린더를 따른 제 2 피스톤의 전후방 이동은 배기 포트(들)의 개방 및 폐쇄를 발생시킨다. 포트의 적절한 개방 및 폐쇄를 허용하기 위해, 제 1 피스톤 및 제 2 피스톤은 제 1 피스톤이 제 2 피스톤에 비교하여 실린더를 통한 그 전후방 이동이 지연되도록 실린더 내에 배치된다. 지연은 실린더의 장축에 평행한 라인으로부터 편향각에 의해 규정될 수 있고, 지연은 15° 내지 25°, 예를 들어 18°이다. 작동시에, 각각의 연료 점화 이벤트에서, 각각의 피스톤은 실린더를 통해 단일의 완전한 전후방 사이클을 수행하는데, 2개의 피스톤의 단일의 완전한 사이클은 연료 점화, 팽창, 배기 및 새로운 연료의 흡입의 단일의 완전한 사이클을 생성한다. 각각의 연료 점화 이벤트는 순차적으로, 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 개방, 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 개방, 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 폐쇄 및 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 폐쇄를 발생시킨다. 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 개방은 배기 가스가 연소 챔버를 나오게 하고, 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 개방은 공기 또는 다른 유체의 연소 챔버 내로의 흡입을 허용하고, 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 폐쇄는 흡입 포트(들)로부터 유체의 계속적인 흡입에 의한 연소 챔버의 과충전을 허용하고, 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 폐쇄는 연소 챔버를 밀봉하고 연소 챔버 내의 유체의 압축을 허용한다. 흡입 포트(들)가 개방 상태로 방치되어 있는 동안 배기 포트(들)의 폐쇄는 공기 또는 공기/연료 혼합물로의 연소 챔버의 과급을 허용한다. 엔진은 대략 그 각각의 중심에서 제 1 및 제 2 크랭크샤프트의 단일 회전 및 실린더를 통한 전후방으로의 제 1 및 제 2 피스톤의 단일 사이클링마다 이하의 5개의 행정, 즉 모든 배기 및 흡입 챔버가 폐쇄된 상태에서의 연소 챔버 내에서의 연료의 점화 및 연소, 실린더에서 아래로 그리고 점화 지점으로부터 이격하는 제 2 피스톤의 이동에 의해 개방되는 적어도 하나의 배기 포트를 통한 연소 챔버로부터의 배기 가스의 배기, 실린더에서 아래로 그리고 점화 지점으로부터 이격하는 제 1 피스톤의 이동에 의해 개방되는 적어도 하나의 흡입 포트를 통해 도입된 공기를 사용하여 적어도 하나의 배기 포트를 통한 연소 챔버로부터의 배기 가스의 정압의 공기에 의한 스윕핑, 실린더를 따라 점화 지점을 향한 제 2 피스톤의 이동에 의해 배기 포트(들)가 폐쇄된 후에 개방된 흡입 포트(들)를 통해 정압에 의해 연소 챔버 내로 공기 및 연료를 강제 이동시킴으로써 연소 챔버 내에서 공기 및 연료의 과압을 생성, 및 실린더를 따라 점화의 지점을 향해 제 1 피스톤의 이동에 의해 흡입 포트(들)의 폐쇄 후에 연소 챔버 내에서 공기 및 연료 혼합물의 압축을 완료하는 5 행정 엔진으로서 설명될 수 있다. 엔진은 정압의 공기 및/또는 과압의 공기 및 연료를 제공하기 위한 과급기를 포함할 수 있다. 엔진에서, 2개의 크랭크샤프트가 예를 들어 2개의 연결 바아와 같은 적어도 하나의 연결 바아 또는 기어의 트레인에 의해 서로 물리적으로 접속될 수 있고, 2개의 연결 바아의 각각은 탄성이고 엔진이 온도를 변화할 때 팽창 및 수축을 허용한다. 엔진에 따르면, 각각의 피스톤은 2개의 세트의 링을 포함하고, 링의 세트의 각각은 적어도 하나의 압축 링을 포함하고, 2개의 세트의 링은 피스톤이 그 상사점에 있을 때 2개의 세트의 링이 실린더 벽과 함께 흡입 및 배기 포트(들)를 에워싸는 챔버를 형성하여, 따라서 연소 챔버로부터 포트(들)를 밀봉하고 분리하도록 피스톤 상에 배치된다. 특정 실시예에서, 엔진은 그 체적이 조정될 수 있는 연소 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 보조 연소 챔버를 포함한다. 마찬가지로, 엔진은 각각의 실린더를 위한 적어도 하나의 흡입 챔버 및 덕트 조합체를 포함할 수 있고, 각각의 조합체는 적어도 하나의 흡입 포트와 유체 연통하고, 각각의 조합체는 난류가 흡입 포트(들)를 통해 실린더 내로 유체를 도입할 수 있게 하도록 구성된다. 또한, 엔진은 각각의 실린더를 위한 적어도 하나의 배기 챔버 및 덕트 조합체를 포함할 수 있고, 각각의 조합체는 적어도 하나의 배기 포트와 유체 연통하고, 각각의 조합체는 난류가 유체를 실린더 내로 도입하거나 배기 포트(들)를 통해 실린더로부터 취출하도록 구성된다. 엔진은 엔진이 실린더를 가짐에 따라 크랭크샤프트 회전당 동일한 수의 연료 점화 이벤트를 발생시킨다. 물론, 내연기관이 자동차, 보트 또는 항공기와 같은 차량 내에서 사용될 수 있는 엔진이 임의의 용도로 사용될 수 있다.

다양한 수정 및 변경이 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 실시[및 이 디바이스의 구성]에서 이루어질 수 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 명세서 및 실시의 고려로부터 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 명세서 및 예 는 단지 예시적인 것으로만 의도되고 본 발명의 진정한 범주 및 사상은 이하의 청구범위에 의해 지시되어 있다.

Claims

내연 기관에 있어서,
기단부와 말단부를 포함하는 적어도 하나의 실린더로서, 각 실린더는 실린더 중심의 서로 대향하는 측면 상에 실린더 내에서 대향하는 방향으로 배열된 제 1 피스톤 및 제 2 피스톤을 포함하고, 각 실린더는 내부 체적을 규정하는 벽을 포함하는, 상기 적어도 하나의 실린더와,
실린더의 기단부에서 제 1 피스톤에 연결된 제 1 크랭크샤프트 및 실린더의 말단부에서 제 2 피스톤에 연결된 제 2 크랭크샤프트인 적어도 두 개의 크랭크샤프트와,
제 1 피스톤에 대한 실린더 내에서의 왕복운동의 상사점에 또는 그 부근에서 실린더 벽을 통해 그리고 실린더 벽 상에 배치된, 연소 챔버 내의 연료를 점화시키기 위한 적어도 하나의 장치를 포함하며,
각 실린더는 실린더의 기단측 절반 상에 적어도 하나의 흡입 포트와, 실린더의 말단측 절반 상에 적어도 하나의 배기 포트를 포함하며, 각 포트는 실린더 벽 내에 개구로서 배치되고,
제 1 및 제 2 피스톤의 피스톤 헤드의 표면은 실린더 벽과 함께 연료의 점화 및 연소를 위한 연소 챔버를 형성하고,
상기 제 1 피스톤 및 제 2 피스톤은, 제 1 피스톤이 실린더를 통한 전후 이동에 있어서 제 2 피스톤에 비해 지연되도록, 실린더 내에 배치되고,
각각의 피스톤은 두 세트의 링을 포함하고, 링의 각 세트는 적어도 하나의 압축 링을 포함하며, 피스톤이 그 상사점에 있을 때 실린더 벽과 연계한 두 세트의 링이 흡입 또는 배기 포트(들)를 둘러싸는 챔버를 형성하여 상기 포트(들)를 연소 챔버 및 크랭크케이스로부터 밀봉 및 분리하도록 두 세트의 링이 피스톤 상에 배치되고,
상기 제 2 피스톤과 비교한 상기 제 1 피스톤의 지연이 하나의 크랭크샤프트의 다른 크랭크샤프트와 비교한 각도의 오프셋에 의해 발생하고, 상기 각도는 상기 실린더의 장축에 평행한 선으로부터의 편향 각에 의해 규정되며 소정의 도수(number of degrees)로 사전 설정되고,
각각의 크랭크샤프트는 연료 점화 이벤트마다 그 자신의 축을 중심으로 단일 회전을 완료하는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
실린더를 따른 제 1 피스톤의 전후 이동은 흡입 포트(들)의 개방 및 폐쇄를 유발하고, 실린더를 따른 제 2 피스톤의 전후 이동은 배기 포트(들)의 개방 및 폐쇄를 유발하는
내연 기관.
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제 1 항에 있어서,
상기 제 1 피스톤 및 제 2 피스톤 사이의 상기 지연은 15° 내지 25°인
내연 기관.
제 4 항에 있어서,
상기 지연은 18°인
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
각 연료 점화 이벤트에 대해, 각 피스톤은 실린더를 통한 전후로의 단일 완전 사이클을 수행하고, 두 개의 피스톤의 단일 완전 사이클은 연료 점화, 팽창, 배기 및 새로운 연료의 흡입으로 이루어진 단일 완전 사이클을 초래하는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
각 연료 점화 이벤트는 순차적으로, 상기 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 개방, 상기 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 개방, 상기 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 폐쇄 및 상기 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 폐쇄를 유발하는
내연 기관.
제 7 항에 있어서,
상기 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 개방은 배기 가스가 연소 챔버로부터 방출되도록 하고,
상기 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 개방은 공기 또는 기타 유체의 연소 챔버 내로의 흡입을 허용하고,
상기 제 2 피스톤에 의한 배기 포트(들)의 폐쇄는 흡입 포트(들)로부터의 유체의 지속적 흡입에 의한 연소 챔버의 과급을 가능하게 하며,
상기 제 1 피스톤에 의한 흡입 포트(들)의 폐쇄는 연소 챔버를 밀봉하고 연소 챔버 내의 유체의 압축을 가능하게 하는
내연 기관.
제 8 항에 있어서,
흡입 포트(들)이 개방 상태로 유지되는 동안의 배기 포트(들)의 폐쇄는 공기 또는 공기/연료 혼합물에 의한 연소 챔버의 과급을 가능하게 하는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
실린더를 통한 전후 방향으로의 제 1 및 제 2 피스톤의 단일 사이클링 및 그 각각의 중심을 중심으로 한 제 1 및 제 2 크랭크샤프트의 단일 회전마다,
모든 배기 포트 및 흡입 포트가 폐쇄된 상태에서의 연소 챔버 내의 연료의 점화 및 연소와,
점화점으로부터 멀어지는 실린더 하방으로의 제 2 피스톤의 이동에 의해 개방되는 적어도 하나의 배기 포트를 통한 연소 챔버로부터의 배기 가스의 배기,
점화점으로부터 멀어지는 실린더 하방으로의 제 1 피스톤의 이동에 의해 개방되는 적어도 하나의 흡입 포트를 통해 도입되는 공기를 이용하여, 공기의 정압(positive presure) 상태에서, 적어도 하나의 배기 포트를 통한 연소 챔버로부터의 배기 가스의 스윕핑(sweeping)과,
점화점을 향해 실린더를 따르는 제 2 피스톤의 이동에 의해 배기 포트(들)가 폐쇄된 이후 개방 상태의 흡입 포트(들)를 통해 연소 챔버 내로 정압으로 공기 또는 공기 및 연료를 가압하는 것에 의한 연소 챔버 내의 상기 공기 또는 공기 및 연료의 과압 생성과,
점화점을 향해 실린더를 따르는 제 1 피스톤의 이동에 의한 흡입 포트(들)의 폐쇄 이후의 연소 챔버 내의 상기 공기 또는 공기 및 연료 혼합물의 압축의 5개 행정을 완료하는 5 행정 엔진인
내연 기관.
제 10 항에 있어서,
공기의 정압 및/또는 공기 및 연료의 과압을 제공하기 위한 과급기를 포함하는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
수평 형상 및 단블록 구성을 갖는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
흡입 또는 배기 밸브, 실린더 덮개 및 결합부, 또는 캠 샤프트를 포함하지 않는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
두 개의 크랭크샤프트는 기계적 결합 수단에 의해 서로 물리적으로 연결되는
내연 기관.
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제 1 항에 있어서,
연소 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 보조 연소 챔버를 더 포함하고, 상기 보조 연소 챔버의 체적은 조절될 수 있는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
각 실린더를 위한 적어도 하나의 흡입 챔버 및 덕트의 조합체를 포함하고, 각 조합체는 적어도 하나의 흡입 포트와 유체 연결되며, 각 조합체는 흡입 포트(들)를 통해 실린더 내로 도입된 유체에 난류를 생성하도록 구성되는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
각 실린더를 위한 적어도 하나의 배기 챔버 및 덕트의 조합체를 포함하고, 각 조합체는 적어도 하나의 배기 포트와 유체 연결되며, 각 조합체는 배기 포트(들)를 통해 실린더로부터 취해진 유체 또는 실린더 내로의 유체에 난류를 유발하도록 구성되는
내연 기관.
제 1 항에 있어서,
상기 내연 기관은, 상기 내연 기관이 구비한 실린더와 동일한 수의 크랭크샤프트 회전 당 연료 점화 이벤트를 유발하는
내연 기관.
제 1 항의 내연 기관을 포함하는 모터식 운송수단에 있어서,
상기 운송수단은 자동차, 보트 또는 항공기를 포함하는
모터식 운송수단.
제 14 항에 있어서,
상기 두 개의 크랭크샤프트는 적어도 하나의 연결 바아 또는 기어의 트레인에 의해 서로 물리적으로 연결되는
내연 기관.
제 22 항에 있어서,
두 개의 연결 바아를 포함하고, 각각의 연결 바아는 탄성적이며 엔진 온도가 변할 때 팽창 및 수축을 허용하는
내연 기관.