KR101598875B1

KR101598875B1 - 내연기관

Info

Publication number: KR101598875B1
Application number: KR1020137034094A
Authority: KR
Inventors: 크리스찬 벅시
Original assignee: 콕스 파워트레인 엘티디
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2016-03-02
Also published as: IL229585A0; IL229585B; ES2638339T3; US9512777B2; EP2721256A2; WO2012160376A3; KR20140031333A; PT2721256T; EP2721256B1; PL2721256T3; US20140165967A1; WO2012160376A2; GB2491155A; DK2721256T3; GB201108766D0; CN103842618A; GB2491155B; JP6069306B2; HK1197092A1; DE212012000008U1

Abstract

본 발명의 내연기관은 적어도 하나의 실린더(12), 및 피스톤들 사이에 연소 챔버(28)를 형성하는 실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤(16, 18)을 포함한다. 내연기관은 실린더 내에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 연료 인젝터(34)를 가지며, 연료 인젝터는 연소 챔버 내부에 위치된 노즐(38)을 갖고, 노즐을 통해 연소 챔버 안으로 연료가 방출되며, 노즐(38)은 연소 챔버(28) 내로 직접 노출된다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 내연기관에 관한 것이다. 더 구체적으로, 대향하는 피스톤 구성을 갖는 내연기관에 관한 것이다.

WO2008/149061[콕스 파워트레인(Cox Powertrain)]은 2-실린더 2-스트로크 직접 분사 내연기관을 개시한다. 두 개의 실린더는 수평으로 대향되며, 각 실린더에는 그 사이에 연소 챔버를 형성하는 대향된 왕복 피스톤이 위치한다. 이 피스톤은 두 개의 실린더 사이에서 중앙 크랭크 샤프트를 구동시킨다. 각 실린더에서 내측 피스톤(즉, 크랭크 샤프트에 가까운 피스톤)은 한 쌍의 평행한 스코치 요크 기구를 통해 크랭크 샤프트를 구동시킨다. 각 실린더에서 외측 피스톤은 내측 피스톤의 중앙을 관통하는 구동 로드를 거쳐, 내측 피스톤의 두 개의 스코치 요크 기구 사이에 안착된 제3 스코치 요크를 통해 크랭크 샤프트를 구동시킨다. 구동 로드는 중공관 형태를 갖고 연료는 구동 로드 내에 수용된 연료 인젝터에 의해 연소 챔버 내로 분사된다. 구동 로드의 벽은 원주방향으로 이격된 일련의 개구를 갖고, 이 개구를 통해 연료가 측방향 외향으로 연소 챔버 내로 방출된다.

본 발명은 일반적으로 대향하는 피스톤 내연기관에 관한 것으로서, 내연기관은 실린더 내의 2개의 대향하는 왕복 피스톤 사이에 형성된 연소 챔버 내로 연료를 직접 분사하기 위해 각각의 실린더 내에 배치된 연료 인젝터를 갖는다. 본 발명은 WO2008/149061에 개시된 엔진 구성예의 개선품으로, 초기 엔진의 장점, 즉 중량 대비 높은 파워 출력비를 갖는 매우 소형이며 효율적인 엔진의 장점을 유지하고 또한 추가 장점을 제공하는 실시예를 제안하는 것을 추구한다.

제1 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 실린더, 피스톤들 사이에 연소 챔버를 형성하는 실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤, 및 적어도 부분적으로 실린더 내에 배치된 적어도 하나의 연료 인젝터를 포함하고, 연료 인젝터는 연소 챔버 내에 배치된 노즐을 가지며, 노즐을 통해 연소 챔버 내로 연료가 방출되고, 노즐은 연소 챔버 내에 직접 노출된다.

인젝터의 노즐을 분사 시점의 지점에서 연소 챔버에 직접 노출시킴으로써(즉, 노즐을 물리적으로 연소 챔버 내에 배치하는 것), 인젝터가 중앙 구동 로드 내에 수용되는 전술한 종래 기술의 배열과 달리, 벽 내의 구멍을 통해 연료를 분사할 필요성이 없어진다. 이는 더 단순한 구성, 개선된 연료 분사, 공기 이동 및 연소 특성을 야기하고, 종래의 인젝터를 사용할 수 있게 한다.

특히, 단일 인젝터가 채용되는 경우, 인젝터는 실린터/피스톤의 중심축에 또는 그와 가까이 있는 것이 바람직하다. 인젝터 노즐은 통상적으로 인젝터의 일 단부(실린더 내로 돌출하는 단부)에 있을 것이다.

본 발명의 사상은 압축 점화(CI & HCCI) 엔진은 물론 스파크 점화(SI) 및 스파크 보조 점화 엔진에도 적용될 수 있다. CI 구현예에서, 연료는 일반적으로 2개의 피스톤이 가장 근접하여 연소 챔버 체적이 최소인 엔진 사이클 중의 지점에서 또는 그와 가깝게 연소 챔버 내로 주입될 것이다. 인젝터의 노즐은 사이클 중의 이 지점에서 연소 챔버 내에 위치하도록 배치될 것이다. HCCI 및 SI 변형예의 경우, 분사는 사이클 중에 훨씬 빨리, 흡기 포트가 개방되자마자 가능한 한 빨리 이루어질 것이다.

연료 인젝터의 노즐은 실린더 축의 방향으로 인젝터의 하우징의 단부면으로부터 외측으로 돌출하는 것이 바람직하다. 노즐은 외주부 주위에 일련의 구멍을 가질 수 있고, 구멍으로부터 연소 챔버 내로 연료가 대체로 방사상으로 방출된다. 바람직하게는, 노즐 내에 밸브(예컨대, 니들 밸브)가 존재하며, 밸브는 구멍으로의 연료의 가압 공급을 제어하도록 작동될 수 있다. 연료의 공급은 종래의 방식으로 제어될 수 있다.

일부 실시예에서, 엔진 사이클을 통틀어 연소 챔버 내인 고정 위치에 인젝터 노즐을 위치시키기 위해, 연료 인젝터는 실린더의 일단부에서 통상적으로는 고정된 구조 요소에 고정되고, 실린더의 중심축을 따라 또는 그와 평행하게 그 단부로부터 실린더 내로 돌출된다. 이 경우, 인젝터는 인젝터가 돌출되는 실린더의 단부에 가장 가까운 피스톤을 통해 연장하며, 이 피스톤은 인젝터의 하우징을 따라 왕복하도록 구성된다.

대안적인 배열에서, 연료 인젝터는 피스톤들 중 하나와 함께 이동한다. 연료 인젝터는 피스톤의 전체 행정을 통틀어 피스톤과 함께 이동하기 위해 피스톤에 고정될 수 있거나, 대안적으로 피스톤 행정의 부분에서만 피스톤과 함께 이동할 수 있다.

통상적으로, 피스톤의 운동은 실린더의 일단부에 배치된 크랭크 샤프트를 구동시킬 것이며, 실린더의 크랭크 샤프트 단부에 가장 가까운 피스톤을 "내측 피스톤"으로, 크랭크 샤프트로부터 가장 먼 피스톤을 "외측 피스톤"으로 지칭한다. 상기 연료 인젝터 또는 각각의 연료 인젝터는 외측 피스톤 또는 내측 피스톤과 연계될 수 있다.

특히, 인젝터가 고정되고 인젝터 하우징을 따라 왕복하는 (예컨대, 외측) 피스톤과 연계되는 경우, 인젝터가 냉각되는 것이 바람직하다. 냉각은 인젝터 하우징의 내부로, 예를 들어 냉각 유체(예컨대, 엔진 오일, 엔진 냉각 유체, 해수와 같은 원수 냉각, 또는 연료)를 공급함으로써 제공될 수 있다.

피스톤들 중 하나가 인젝터 하우징 상에서 왕복하는 경우, 인젝터 하우징의 외부 표면은 피스톤이 활주할 수 있는 주행 표면을 제공하는 것이 바람직하다. 밀봉 시스템, 예를 들어 하나 이상의 밀봉 링이 피스톤과 인젝터 하우징의 주행 표면 사이에 제공되어, 연소 가스의 탈출 및 연소 챔버로의 윤활 오일의 침투를 제한한다.

인젝터는 임의의 적절한 커플링에 의해 엔진 구조물의 외부 부품에 고정될 수 있다. 몇몇 경우, 인젝터가 인젝터와 연계된 피스톤의 열적 뒤틀림 및 공차를 수용하고, 실린더의 중심선에 평행하게 인젝터가 스스로 자체정렬하는 것을 허용하는 커플링을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 올드햄(Oldham) 커플링이 사용될 수 있다(이러한 유형의 커플링은 인젝터가 그 축에 수직한 평면 내에서 이동하는 것과 원하는 정렬을 가능하게 하는 것은 허용하는 반면 그 축을 따르는 이동은 방지한다).

피스톤이 크랭크 샤프트를 구동하는 경우, 임의의 적절한 구동 링키지가 사용되어 피스톤의 대향하는 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환할 수 앞다. 그러나 바람직한 실시예의 경우, 스코치 요크 기구가 사용된다. 스코치 요크 기구가 사용되는 경우, 최소로서, 내측 피스톤(즉, 크랭크 샤프트에 가장 가까운 피스톤)이 크랭크 샤프트를 구동하데 이용되는 적어도 하나의 스코치 요크 및 외측 피스톤이 크랭크 샤프트를 구동하는데 이용되는 적어도 하나의 스코치 요크를 가질 필요가 있다. 그러나 외측 피스톤 상에 바람직하지 않은 불균형력이 인가되는 것을 방지하고 실린더를 관통하는 중앙 구동 로드에 대한 요구를 회피하기 위해, 외측 피스톤은 한 쌍의 스코치 요크를 통해 크랭크 샤프트를 구동시키는 것이 더 바람직할 수 있고, 한 쌍의 스코치 요크는 실린더의 양측에 하나씩 위치되고 실린더의 대향 측면 상에서 각각의 연결 부재에 의해 외측 피스톤에 연결된다. 연결 부재는, 예를 들어 실린더의 주연부에 있거나 그와 가까운 실린더 내의 로드 또는 슬리브 부분일 수 있다. 연결 부재가 실린더 외부에 있는 것이 더 바람직하다. 연결 부재는, 예를 들어 하나 이상의 구동 로드일 수 있다.

제2 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 실린더, 피스톤들 사이에 연소 챔버를 형성하는 실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤, 및 연소 챔버 내로 연료를 분사하도록 구성되어 실린더의 중심축 상에 또는 실린더의 중심축과 평행하게 배치된 적어도 하나의 연료 인젝터를 포함하는 내연기관을 제공하며, 피스톤은 개별 구동 링키지를 통해 실린더의 일 단부에 배치된 크랭크 샤프트를 구동하며, 크랭크 샤프트로부터 가장 먼 피스톤('외측' 피스톤)에 대한 구동 링키지는 실린더 외부에 있다.

외측 피스톤에 대한 링키지를 실린더 외부에 제공함으로써, 실린더 내부를 관통하는 임의의 구동 로드에 대한 필요성이 회피된다. 또한, 연소 챔버를 관통하는 구동 로드 또는 로드들이 존재하지 않음으로 인해 더 간단한, 통상적인 연소 챔버 설계, 더 단순한 내측 피스톤의 냉각, 크랭크 케이스로의 블로우바이(blowby) 경로의 제거 및 구동 로드로의 열 손실 제거가 가능하다. 또한, 외부 링키지의 사용은 인젝터가 장애 없이 피스톤에 대해 중앙에(또는 피스톤의 중앙에 가깝게) 위치될 수 있는 것을 의미한다.

전술한 제1 양태의 실시예와 같이, 임의의 적절한 구동 링키지가 사용되어 피스톤의 대향하는 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환할 수 있지만, 스코치 요크 기구가 바람직하다. 예를 들어, 외측 피스톤은 한 쌍의 스코치 요크를 통해 크랭크 샤프트를 구동할 수 있으며, 한 쌍의 스코치 요크는 실린더의 양측에 하나씩 있고, 외부 구동 링키지에 의해 외측 피스톤에 연결된다. 외부 구동 링키지는 연결 부재, 예컨대 하나 이상의 구동 로드를 실린더의 양측에 포함할 수 있다.

한편, 단일 실린더 구성예는 다수의 실린더, 예를 들어, 두 개의 실린더, 네 개의 실린더, 여섯 개의 실린더, 여덟 개의 실린더 또는 그 이상을 포함하는 본 발명의 제1 및/또는 제2 양태에 따르는 바람직한 엔진에 가능하다.

다중 실린더가 사용되는 곳에서, 힘의 균형, 엔진의 전체 형상 및 크기 등의 관점에서 다른 장점을 제공할 수 있는 다양한 구성예가 가능하다. 예시적인 구성예는 (이에 제한되지 않지만) 대향된 쌍의 동축 실린더[예를 들어, '플랫 투(flat two)', '플랫 포(flat four)' 등], 모든 실린더가 나란히 위치된 '직선형(straight)' 구성예, 실린더의 두 개의 직선형 뱅크가 나란히 위치된[예를 들어 '스퀘어 포(square 4)'] 'U' 구성예, 'V' 구성예 및 'W' 구성예(즉, 'V' 구성 실린더의 두 개의 인접한 뱅크) 및 방사상 구성예를 포함한다. 구성예에 따라, 다중 실린더는 단일 크랭크 샤프트 또는 복수의 크랭크 샤프트를 구동시킬 수 있다. 통상적으로, '플랫', '직선형', 'V' 및 방사상 구성예는 단일 크랭크 샤프트를 구비할 것이고, 'U' 및 'W' 구성예는 실린더의 각각의 뱅크에 대해 하나가 위치되는, 두 개의 크랭크 샤프트를 구비할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 베벨 기어박스를 통해 공유된 출력 샤프트를 구동시키는 콘트라-회전(contra-rotating) 크랭크 샤프트를 구비한 두 개의 엔진 유닛(각각은 하나 이상의 실린더를 구비)을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 배열은 토크 리코일 효과가 균형되는 이점을 갖는다.

이제, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 예로서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플랫 포(flat four) 엔진 구성의 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 z-z 선을 따라 취한 도 1의 엔진의 횡단면도이다.
도 3은 도 1에 도시되어 있는 최저 대향 쌍의 실린더의 중심선을 따라 취한 도 1의 엔진의 횡단면도이다.
도 4는 도 1의 엔진에 대한 등척도이다.
도 5는 크랭크 샤프트, 스코치 요크, 피스톤, 구동 로드 및 연료 인젝터를 비롯한 도 1의 엔진의 핵심 구성요소(조립된 형태)의 개략 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시되어 있는 핵심 구성요소에 대한 개략 등척도이다.
도 7a 내지 도 7m은 도면의 하부 좌측에서 봤을 때 실린더의 최소 연소 챔버 체적의 사이클의 지점(이것은 이하에서 편의를 위해 "상사점" 또는 "TDC"로 지칭되는데, 이러한 TDC라는 용어가 사용되는 이유는 당업자라면 보다 통상적으로 배치되는 엔진의 작동 사이클 내의 유사 지점임을 알 수 있기 때문이다)으로부터 시작하여, 크랭크 샤프트의 완전한 일회전에 걸쳐서 각각 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 240°, 272°, 300°, 330°, 360°에서 도 1의 엔진의 스냅샷을 도시한다.

여기서 본 발명을 예시하기 위해 사용되는 실시예는 2-행정, 직접 분사식, 4 실린더 엔진이다. 엔진은 2개의 수평 대향 쌍의 실린더로 구성된다. 한 쌍의 실린더는 "플랫 포" 구성을 제공하도록 다른 것과 나란히 배치된다. 도 4에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 구성은 몇몇 용례, 예를 들어 아웃보드 마린 엔진(outboard marine engine)으로서의 용도에 유용할 수 있는 로우-프로파일 전체 엔빌로프를 엔진에 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진은 다른 해양 용도 및 지상 차량과 비행기용의 추진 또는 동력 발생 유닛으로서 사용될 수 있다.

보다 구체적으로, 최초로 도 1 내지 도 3을 살펴보면, 엔진(10)은 축 z-z(도 1 참조)을 중심으로 회전하도록 장착된 중심 크랭크 샤프트(14)를 중심으로 배열된 4개의 실린더(12)를 포함하고 있다. 2개의 실린더는 도 1의 하부측에 대해 크랭크 샤프트의 양쪽 측부에 하나씩 위치된 한 쌍의 대향 실린더이고, 2개의 다른 실린더는 도 1의 상부를 향하는 다른 쌍의 대향 실린더이다.

각 실린더 내에는, 2개의 피스톤과, 내측 피스톤(16)과, 외측 피스톤(18)이 있다. 각 실린더 내의 2개의 피스톤은 서로 대향되어 있고, 반대 방향으로, 이 예에서는 180도 다른 위상으로, 왕복운동한다.

각 피스톤은 크라운(20, 22)을 구비하고, 2개의 피스톤의 크라운은 서로 마주보고 있으며, 스커트(24, 26)는 크라운에 현수되어 있다. 이 예에 있어서, 외측 피스톤의 크라운(26)은 실질적으로 플랫한 반면, 내측 피스톤의 크라운(24)은 대체로 눈물-방울 형상 단면을 가진 환형 함몰부를 구비하고 있다. 상사점에서, 피스톤 크라운이 서로에 대해 가장 인접할 때(그리고, 바로 거의 접촉할 때), 대향 크라운(24, 26)은 연료가 주입되는 원환체(toroidal) 연소 챔버(28)를 형성한다.

이하에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 피스톤이, 도 1의 상부 좌측 및 하부 우측 실린더에서 볼 수 있는 바와 같이, 그 사이클 중에 피스톤이 서로로부터 가장 멀리 이격되어 실린더 내에서 최대 제한 체적("하사점")을 형성하는 위치에 있을 때에, 피스톤 크라운은 각각 실린더의 내측 및 외측 단부를 향해 흡입 포트(30)와 배기 포트(32)를 노출시키도록 충분히 멀리 후퇴한다. 피스톤(16, 18)이 사이클의 압축 행정에서 서로를 향해 이동함에 따라, 피스톤 스커트는 포트를 덮어서 폐쇄하고, 내측 피스톤(16)의 스커트(24)는 흡입 포트(30)를 폐쇄하고, 외측 피스톤(18)의 스커트(26)는 배기 포트(32)를 폐쇄한다. 도 1 및 도 2에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 배기 포트(32)는 흡입 포트보다 더 큰 축방향 범위(즉, 실린더의 종축 방향에서의 치수)를 가져서, 배기 포트가 더 빨리 개방되고, 흡입 포트보다 더 오랫동안 개방 상태로 유지되어, 실린더의 배기를 돕는다.

각각의 실린더(12)가 연료 인젝터(34)와 연계되어 있다. 연료 인젝터(34)는 일단부에 인젝터 노즐(38)과 함께 원통형 하우징(36)을 구비하고 있다. 연료는 통상적인 방법으로 인젝터 하우징을 통해 노즐에 가압 상태로 공급된다. 노즐(38)은 인젝터 하우징(36)의 단부면으로부터 돌출되어 있고, 그 주변 둘레에 등간격으로 이격되어 있는 일련의 구멍을 구비하며, 상기 구멍을 통해 대체로 반경방향으로 연료가 주입된다. 노즐은 니들 밸브(도시되어 있지 않음)에 의해 개방 및 폐쇄된다. 니들 밸브가 개방되면, 연료가 구멍을 통해 가압 상태로 주입된다. 니들 밸브의 개방 및 폐쇄는 통상적인 방법으로 제어될 수 있다. 사용 시에, 인젝터 하우징은 냉각 유체의 공급에 의해 냉각될 수 있고, 상기 냉각 유체는 연료 자체일 수도 있고, 또는 (비록 몇몇 경우에는 필요하지 않을 수도 있지만) 예를 들어 엔진 냉매일 수도 있다.

연료 인젝터(34)는 실린더(12)의 중심축을 따라 장착된다. 본 실시예에서, 연료 인젝터(34)의 외측 단부는 실린더의 외측 단부[즉, 크랭크 샤프트(14)에 대향하는 실린더의 단부]의 구성요소(40)에 고정된다. 연료 인젝터(34)는 노즐(38)이 돌출되는 인젝터의 내측 단부를 실린더(12)의 중앙에 위치시키기 위해 외측 피스톤 크라운(22)의 중앙 개구(42)를 통해 연장된다. 더 구체적으로는, 도 1의 좌측 하단 실린더와 우측 상단 실린더 및 도 2의 좌측 실린더에 도시된 대로 피스톤(16, 18)이 상사점에 있을 때, 연료 인젝터(34)의 노즐(38)은 원환체 연소 챔버(28) 내부에 직접적으로 있으며, 연료는 노즐(38)로부터 측방향으로 연소 챔버(28) 내로 주입될 수 있다.

본 명세서에 기술된 중앙 인젝터 배열에서 연료 인젝터(34)는 제자리에 고정되고, 엔진(10)이 작동하는 동안 외측 피스톤(18)은 인젝터 하우징(36)의 바깥쪽을 따라 이동한다. 피스톤(18)이 인젝터 하우징(36)를 따라 앞뒤로 왕복하는 동안 피스톤 크라운(22)과 인젝터 하우징(36) 사이에서 밀봉을 유지하고, 가압된 가스가 실린더 내부로부터 누설되는 것을 방지하거나 적어도 이를 최소화하며, 연소 챔버로의 오일 침투를 방지하기 위해, 적절한 밀봉부(44)가 외측 피스톤 크라운(22) 내의 개구(42)의 외주 주위에 제공된다.

연료 인젝터(34)는 인젝터 하우징의 외부 표면이 피스톤(18)과의 슬라이딩 접촉을 허용하도록 구성됨을 제외하고는 종래 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 연료 스프레이는 인젝터의 노즐 주위에 이격되고 단일 밸브 배열(예를 들어, 니들 및 밸브를 잠그기 위해 니들과 맞물리는 안착부를 포함하는 니들 밸브 배열)에 의해 제어되는 복수의 반경 방향 제트의 형태를 취할 것이다. 연료 인젝터는, 예컨대 외부 하우징을 제공하는 슬리브 내에 수용될 수 있고, 외부 하우징을 따라 피스톤이 활주할 수 있는, 종래의 인젝터일 수 있다. 이러한 배열에서, 종래의 인젝터의 노즐은 슬리브의 일 단부로부터 돌출될 수 있다. 인젝터는 슬리브 내의 냉매에 의해 포위될 수 있지만, 몇몇 실시예의 경우에는 요구되지 않을 수 있다. 대안적으로, 그 외부에 주행 표면을 제공하며, 선택적으로 내부 냉각을 제공하는 본체를 갖는 비스포크(bespoke) 인젝터가 사용될 수 있지만, 이 경우에 내부 구성요소는 여전히 종래의 것일 수 있다.

본 실시예에서, 피스톤(16, 18)은 크랭크 샤프트(14) 상의 각각의 편심부(58)에 장착되는 4개의 스코치 요크 배열(50, 52, 54, 56)을 통해 크랭크 샤프트(14)를 구동한다. 피스톤(16, 18)과 스코치 요크(50, 52, 54, 56), 특히 외측 피스톤(18)을 위한 스코치 요크 사이의 연결은 도 5와 도 6에 가장 잘 나타나있다. 본 실시예에서, 이하에서 상세하게 설명되는 것처럼, 스코치 요크는 스코치 요크의 개수를 최소화함으로써 크랭크 샤프트의 필요한 길이를 최소화하여 더 밀집된 설계를 제공하기 위하여 다수의 피스톤에 의해 공유된다.

이하와 본 명세서의 이하 및 다른 곳에서 사용되는 방향/상대적 위치("상부", "하부", "좌측", "우측" 등)는 구성 요소의 상대적인 위치를 지칭하고 엔진의 임의의 특정한 배향이나 공간상 엔진 구성요소에서의 위치를 암시하는 것으로 간주되어서는 안된다.

도 5를 참조하면, 4개의 스코치 요크(50, 52, 54, 56)는 도면 중간에 수직으로 연장되는 크랭크 샤프트(14)에 연결되는 것을 볼 수 있다.

제1 스코치 요크[(50), 도 5의 상부]는 크랭크 샤프트(14)의 일단부에 인접하여 연결된다. 구동 로드(60)는 이 요크(50)를 2개의 상부 실린더(12a, 12b)의 외측 피스톤(18a, 18b)에 연결시킨다(도 5에 도시됨). 도 6에 가장 잘 도시된 바대로, 외측 피스톤(18a, 18b) 당 2개의 구동 로드(60)가 피스톤(18a, 18b)에 자체적으로 고정되는 연결 플레이트(72a, 72b)의 인접한 코너(도 1에서 크랭크 샤프트의 상부 단부 쪽으로 가장 위의 코너)에 고정된다. 연결 플레이트(72a, 72b)는 실린더(12)의 외부 주연 너머로 연장되어 구동 로드(60)가 실린더의 바깥쪽을 따라 (즉, 외부적으로) 플레이트(72a, 72b)의 코너로부터 연장된다.

제2 스코치 요크(52)는 2개의 상부 실린더(12a, 12b) 사이에 위치하고 각각의 구동 로드(62)에 의해 이 2개의 실린더의 내측 피스톤(16a, 16b)에 연결된다(도 1에 가장 명확하게 도시됨). 구동 로드(62)는 내측 피스톤(16a, 16b)의 중심으로부터 스코치 요크(52)와의 연결부까지 연장된다. 바람직하게, 제2 스코치 요크(52)는 구동 로드(64)에 의해 외측 피스톤(18c, 18d)의 하부 쌍에 또한 연결된다. 상술된 구동 로드(60)와 유사하게, 피스톤 당 2개의 로드(64)가 구비되고, 피스톤 로드들은 외측 피스톤(18c, 18d)의 외측 단부에 고정되는 각각의 연결 플레이트(72c, 72d)의 인접한 코너(본 실시예서는 크랭크 샤프트의 중점에 가장 가까운 2개의 코너)로부터 연장된다.

제3 스코치 요크(54)는 2개의 하부 실린더(12c, 12d) 사이에 위치하고 각각 구동 로드(66)에 의해 이 2개의 실린더의 내측 피스톤(16a, 16b)에 연결된다(이 또한 도 1에 가장 명확하게 도시됨). 구동 로드(66)는 내측 피스톤(16c, 16d)의 중심으로부터 스코치 요크(54)와의 연결부까지 연장된다. 제2 스코치 요크(52)와 유사하게, 제3 스코치 요크는 구동 로드(68)에 의해 외측 피스톤(18a, 18b)의 상부 쌍에 추가적으로 연결된다. 피스톤 당 2개의 이들 로드(68)가 구비되고 이 로드는 연결 플레이트(72a, 72b)의 다른 2개의 인접한 코너[구동 로드(60)가 연장되는 코너의 반대쪽, 즉 크랭크 샤프트의 중점에 가장 가까운 코너의 반대쪽]로부터 연장된다.

제4 스코치 요크(56)는 도 5에서 크랭크 샤프트(14)의 하부 단부에 도시된다. 이 요크(56)는 피스톤(18c, 18d) 당 또 다른 구동 로드(70) 쌍에 의해 외측 피스톤(18c, 18d)의 하부 쌍에 연결된다. 이들 로드는 외측 피스톤(18c, 18d)의 하부 쌍에 고정되는 연결 플레이트(72c, 72d)의 각각의 하부 코너[즉, 구동 로드(64)가 연결되는 코너의 반대쪽 코너]에 연결된다.

연결 플레이트(72)는 크랭크 샤프트의 중점에 가장 가까운 코너에 연결된 구동 로드들이, 피스톤이 이동하는 동안 서로 간섭하지 않고 평행하고 서로 나란하게 배치되는 형상을 갖는다.

따라서, 각각의 상부 외측 피스톤(18a, 18d)은 한 쌍의 제1 구동 로드(60)에 의해 제1 스코치 요크(50)에 연결되고 한 쌍의 제2 구동 로드(68)에 의해 제3 스코치 요크(54)에 연결된다. 각각의 하부 외측 피스톤(18c, 18d)은 한 쌍의 제1 구동 로드(70)에 의해 제4 스코치 요크(56)에 연결되고 한 쌍의 제2 구동 로드(64)에 의해 제2 스코치 요크(52)에 연결된다. 상부 내측 피스톤(16a, 16b)은 각각의 중앙 구동 로드(62)에 의해 제2 스코치 요크(52)에 연결되고, 하부 내측 피스톤(16c, 16d)은 각각의 중앙 구동 로드(66)에 의해 제3 스코치 요크(54)에 연결된다.

달리 말하면, 제1 스코치 요크(50)는 상부 외측 피스톤(18a, 18b)에 의해 구동되고, 제2 스코치 요크(52)는 상부 내측 피스톤(16a, 16b) 및 하부 외측 피스톤(18c, 18d)에 의해 구동되며, 제3 스코치 요크(54)는 하부 내측 피스톤(16c, 16d) 및 상부 외측 피스톤(18a, 18b)에 의해 구동되고, 제4 스코치 요크(56)는 하부 외측 피스톤(18c, 18d)에 의해 구동된다.

전술한 바와 같이, 내측 피스톤과 외측 피스톤 간의 이러한 스코치 요크 공유는, 공유되지 않을 경우 요구되는 것에 비해 스코치 요크의 개수를 감소시키고, 크랭크 샤프트의 요구되는 길이를 최소화시킨다.

또한, 한 쌍의 대향 실린더의 내측 피스톤의 다른 한 쌍의 대향 실린더의 외측 피스톤과의 스코치 요크를 통한 교차 링크는 피스톤이 실린더 내에서 안정화되는 것을 조력하여, 실린더의 중앙 축에 수직인 축에 대한 피스톤의 원치 않는 회전에 저항한다. 또한, 이러한 배열은 요크 슬라이더를 위치시키기 위한 다른 구성(예를 들어, 트랙 또는 원통형 주행 표면)의 필요성을 회피하면서 요크 슬라이더를 위치시키도록 기능한다.

엔진의 작동

도 7은 하나의 완전한 크랭크 샤프트 회전에 걸친 엔진의 작동을 도시한다. 구체적으로, 도 7a 내지 도 7m은 30°증분에서의 피스톤 위치를 도시한다.

0°ADC의 도 7a는, 0°의 크랭크 샤프트 위치의 엔진을 도시한다[도 5의 하부 좌측 실린더(12c)에서 TDC로 임의 정의됨]. 이러한 위치에서, 하부 좌측 외측 피스톤(18c) 및 하부 좌측 내측 피스톤(16c)은 이들의 가장 가까운 접근 지점에 있게 된다. 예시된 직접 분사 엔진에서, 크랭크 샤프트 회전의 대략 이러한 각도에서 연료 충전물은 하부 좌측 실린더 내로 분사될 것이고 연소가 시작될 것이다. 이 시점에, 하부 좌측 실린더의 배기 및 흡기 포트(32, 30)는 외측 및 내측 피스톤 각각에 의해 완전 폐쇄된다.

30°ADC의 도 7b에서, 하부 좌측 실린더의 내측 및 외측 피스톤은 동력 행정(power stroke)의 시작시에 떨어져서 운동한다.

60°ADC의 도 7c에서, 하부 좌측 실린더는 2개의 피스톤이 동일하지만 반대되는 속도로 이의 동력 행정을 계속한다.

90°ADC의 도 7d에서, 하부 좌측 실린더는 이의 동력 행정을 계속한다.

120°ADC의 도 7e에서, 하부 좌측 실린더의 외측 피스톤은 개방된 배기 포트(32)를 갖는 반면, 흡기 포트는 폐쇄되어 유지된다. 이러한 "블로우다운" 조건에서, 연소 챔버로부터의 팽창 가스의 운동 에너지의 일부는 터보차저에 의해 원하는 경우, 예를 들어, 그 다음번 압축을 위해, 외부적으로 회복될 수 있다("펄스" 터보차징).

150°ADC의 도 7f에서, 하부 좌측 실린더의 내측 피스톤은 흡기 포트(30)를 개방시켰고, 실린더는 단류 소기(uniflow scavenged) 상태이다.

180°ADC의 도 7g에서, 하부 좌측 실린더의 내측 및 외측 피스톤은 흡기 및 배기 포트(30, 32)가 개방되어 유지되고, 단류 소기가 계속되도록 한다. 피스톤은 하사점에 있다.

210°ADC의 도 7h에서, 하부 좌측 실린더에서 포트(30, 32) 양자의 세트는 개방되어 유지되고 단류 소기가 계속된다.

240°ADC의 도 7i에서, 하부 좌측 실린더에서 내측 피스톤은 흡기 포트(30)를 폐쇄시킨 반면, 배기 포트(32)는 부분 개방되어 유지된다. 다른 실시예에서, 배기 포트는 흡기 포트의 개방/폐쇄 이후에 개방되거나 그리고/또는 그 이전에 폐쇄된다. 또한, 일부 적용례에서, 포트 타이밍은 예를 들어, 슬리브 밸브를 사용하여 포트의 개방 및 폐쇄를 제어하도록 비대칭적인 것이 바람직하다.

270°ADC의 도 7j에서, 하부 좌측 실린더에서 외측 피스톤은 배기 포트(32)를 폐쇄시켰고 2개의 피스톤은 이들 사이에서 서로를 향해 운동하며 이들 사이의 공기를 압축시킨다.

300°ADC의 도 7k에서, 하부 좌측 실린더에서 피스톤은 압축 행정을 계속한다.

330°ADC의 도 7l에서, 하부 좌측 실린더는 압축 행정의 끝에 다다르며 "스퀴시" 상태가 시작된다. 이는 내측 및 외측 피스톤의 외부, 환형, 대향면이 이들 사이로부터 공기를 배출하는 단계이다.

360°ADC의 도 7m에서, 피스톤은 도 3(a)에서와 동일하다. 하부 좌측 실린더는 피스톤이 이의 가장 가까운 접근의 위치에 있는 TDC 위치에 도달하였다. "스퀴시" 상태는 계속되며, 부분 접선방향 흡기 포트에 의해 야기된 이미 존재하는 실린더 축 와류 상에 강화된 "스모크 링" 효과가 중첩되도록 야기된다. 이러한 복합 가스 운동은 연소 챔버가 대부분 거의 원환체 형상을 하고 최소 체적인 TDC에서 이의 가장 강한 상태에 있을 것이다. 이 시점에서 중앙 연료 인젝터로부터 다수의 방사상 연료 스프레이가 분사되어, 거의 모든 가능한 공기에 도달하며 매우 효과적인 연소를 야기한다. 분사는 정확하게 최소의 체적에서 시작될 필요가 없으며, 일부 실시예에서 분사 타이밍은 속도 및/또는 하중의 함수로 변화될 수 있다.

특정 각도 및 타이밍은 크랭크 샤프트 형상 및 포트 사이즈 및 위치에 따른다. 상기 설명은 오직 본 발명의 개념을 설명하도록 의도된다.

당업자는 본 발명을 벗어나지 않고 상세하게 설명된 실시예에 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 연료 인젝터는 실린더의 내측 단부로부터 돌출할 수 있고, 이때 내측 피스톤은 인젝터 상에서 활주한다. 이 경우, 외측 피스톤에 연소 보올(bowl)이 형성될 수 있다. 당업자는 본 발명의 실시예가 2-행정 또는 4-행정일 수 있으며 압축 점화 또는 스파크 점화일 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

내연기관이며,
적어도 하나의 실린더와,
실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤으로서, 피스톤들 사이에 연소 챔버를 형성하는, 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤과,
실린더 내에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 연료 인젝터로서, 연소 챔버 내부에 위치된 노즐을 갖고, 노즐을 통해 연소 챔버 안으로 연료가 방출되는, 적어도 하나의 연료 인젝터를 포함하며,
노즐은 연소 챔버 내로 직접 노출되고,
연소 챔버 체적이 최소일 때 인젝터 노즐을 연소 챔버 내의 고정된 위치로 위치시키기 위해, 연료 인젝터는 실린더의 일단부에 고정되어 실린더의 중심축을 따라 또는 실린더의 중심축과 평행하게 상기 일단부로부터 실린더 내로 돌출되는,
내연기관.
제1항에 있어서, 연료 인젝터는 실린더의 중심축 상에 또는 실린더의 중심축과 평행하게 배치되는, 내연기관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 인젝터의 노즐은 실린더의 축방향으로 인젝터의 하우징의 단부면으로부터 외측으로 돌출하는, 내연기관.
제3항에 있어서, 노즐은 외주부에 일련의 구멍을 갖고, 구멍으로부터 연소 챔버 내로 연료가 대체로 방사상으로 방출되는, 내연기관.
삭제
제1항에 있어서, 인젝터는 인젝터가 돌출하는 실린더의 단부에 가장 가까운 피스톤을 통해 연장하며, 이 피스톤은 인젝터의 하우징을 따라 왕복하도록 구성되는, 내연기관.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 인젝터가 냉각되는, 내연기관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 인젝터는 실린더의 축에 대해 수직한 평면 내에서의 이동은 허용하지만 실린더의 축방향 이동은 구속하는 커플링 내에 보유되는, 내연기관.
제1항 또는 제2항에 있어서,
내연기관은 실린더의 일단부에 배치된 크랭크 샤프트를 더 포함하며,
피스톤의 왕복 운동은 크랭크 샤프트를 구동하고,
연료 인젝터는 크랭크 샤프트로부터 가장 먼 외측 피스톤과 연계되는, 내연기관.
제10항에 있어서,
피스톤의 대향 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환하기 위해, 피스톤을 크랭크 샤프트에 연결하는 구동 링키지를 더 포함하는, 내연기관.
제11항에 있어서, 구동 링키지는 복수의 스코치 요크 기구를 포함하는, 내연기관.
제12항에 있어서, 내측 피스톤이 크랭크 샤프트를 구동하는데 사용되는 적어도 하나의 스코치 요크, 및 외측 피스톤이 크랭크 샤프트를 구동하는데 사용되면서 실린더의 각 측면에 하나씩 있는 적어도 2개의 스코치 요크를 포함하는, 내연기관.
제13항에 있어서, 상기 한 쌍의 스코치 요크는 실린더의 대향 측면 상의 개별 연결 부재에 의해 외측 피스톤에 연결되고, 연결 부재는 실린더의 외부에 있는, 내연기관.
내연기관이며,
적어도 하나의 실린더와,
실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤으로서, 피스톤들 사이에 연소 챔버를 형성하는, 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤과,
연소 챔버 내로 연료를 분사하도록 구성되며, 실린더의 중심축 상에 또는 실린더의 중심축과 평행하게 배치된 적어도 하나의 연료 인젝터를 포함하며,
피스톤은 개별 구동 링키지를 통해 실린더의 일 단부에 배치된 크랭크 샤프트를 구동하며, 크랭크 샤프트로부터 가장 먼 피스톤에 대한 구동 링키지는 실린더 외부에 있는, 내연기관.
제15항에 있어서, 외측 피스톤은 한 쌍의 스코치 요크를 통해 크랭크 샤프트를 구동하며, 한 쌍의 스코치 요크는 실린더의 양측에 하나씩 있으며 외부 구동 링키지에 의해 외측 피스톤에 연결되는, 내연기관.
제16항에 있어서, 외부 구동 링키지는 실린더의 양측에 하나 이상의 구동 로드를 포함하는, 내연기관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 실린더를 포함하는, 내연기관.
제18항에 있어서, 동축으로 대향하는 적어도 2개의 실린더를 포함하며, 각각의 실린더는 한 쌍의 대향하는 피스톤을 갖고, 모든 피스톤이 2개의 실린더 사이에 위치된 단일 크랭크 샤프트를 구동하는, 내연기관.
제19항에 있어서, 동축으로 대향하는 두 쌍의 실린더를 포함하며, 실린더의 쌍은 플랫 포(flat four) 구성으로 서로 인접하게 배열되고, 각각의 실린더는 한 쌍의 대향하는 피스톤을 가지며, 모든 피스톤이 각 쌍의 2개의 실린더 사이에 위치된 단일 크랭크 샤프트를 구동하는, 내연기관.