KR101650818B1

KR101650818B1 - Variable stroke mechanism for internal combustion engine

Info

Publication number: KR101650818B1
Application number: KR1020157004563A
Authority: KR
Inventors: 곤잘레즈 루이스 마리노 페레츠; 페레츠 사이먼 알프레도 페레츠; 페레츠 헨리크 조스 페레츠
Original assignee: 루고 디벨롭먼츠, 인코포레이티드
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-08-24
Also published as: KR20150032591A; CN104685187B; EP2893166A1; WO2014037758A1; RU2580191C1; EP2893166A4; WO2014037758A8; CN104685187A; JP2015529296A; JP5904686B2

Abstract

각각의 작동 사이클 중에 내연 엔진의 행정 길이를 변화시키기 위한 메커니즘은 엔진의 전체 행정 사이클을 통해 피스톤 왕복운동의 변화하는 길이를 생성하기 위해 균일한 기계적 크랭크 암 및 가변 캠 암을 달성하기 위해 엔진 블록에 회전 불가능하게 장착되는 제 1 기어 및 제 1 기어와 치합하는 그 내면에 형성된 치를 갖는 제 2 기어를 구비하는 기어 세트를 포함한다. 피스톤 왕복운동의 축선에 대한 크랭크 암 및 캠 암의 배향은 크랭크 암 및 캠 암이 피스톤의 상사점 위치에서 크랭크샤프트 상에 양의 토크를 협동적으로 발생하도록 선택된다. 기어 세트는 또한 캠 암의 길이 대 크랭크 암의 길이의 소정의 비율이 달성되도록 선택적으로 구성 및 치수결정된다.The mechanism for varying the stroke length of the internal combustion engine during each of the operating cycles may be applied to the engine block to achieve a uniform mechanical crank arm and a variable cam arm to produce a varying length of piston reciprocating motion through the entire stroke cycle of the engine And a gear set including a first gear that is non-rotatably mounted and a second gear that has teeth formed on its inner surface that mates with the first gear. The orientation of the crank arm and the cam arm relative to the axis of reciprocation of the piston is selected such that the crank arm and the cam arm cooperatively generate a positive torque on the crankshaft at the top dead center position of the piston. The gear set is also optionally configured and dimensioned such that a predetermined ratio of the length of the cam arm to the length of the crank arm is achieved.

Description

{VARIABLE STROKE MECHANISM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 개괄적으로 내연 엔진에 관한 것이고, 더 구체적으로는 왕복운동 피스톤과 엔진 크랭크샤프트 사이의 기계적 연결 구조가 엔진의 전체 작동 사이클 중에 피스톤 운동의 범위를 변화시키는 소위 "가변 행정" 엔진에 관한 것이다. 일반적으로, 이와 같은 메커니즘은 팽창 행정 중에 효과적으로 더 큰 기계적 크랭크 암을 달성하고, 그리고 흡기 행정 중에 효과적으로 더 짧은 기계적 크랭크 암을 달성함으로써 내연 엔진의 효율을 향상시키는 목적을 갖는다. The present invention relates generally to an internal combustion engine and more particularly to a so-called "variable stroke" engine in which the mechanical connection structure between the reciprocating piston and the engine crankshaft changes the range of piston movement during the entire operating cycle of the engine . In general, such a mechanism has the purpose of improving the efficiency of the internal combustion engine by effectively achieving a larger mechanical crank arm during the expansion stroke and effectively achieving a shorter mechanical crank arm during the intake stroke.

종래의 내연 엔진은 통상적으로 흡기 행정, 압축 행정, 팽창 행정, 및 배기 행정이라고 부르는 일련의 반복 운동에 따라 작동한다. 이러한 의미에서, "행정"은 구동 피스톤이 엔진 하우징 또는 "블록" 내의 원통상 연소실을 통해 전후로 이동할 때 이 구동 피스톤의 왕복운동을 설명한다. 용어 "사이클"은 경우에 따라 "행정"이라는 용어와 상호교환적으로 사용될 수 있다. 따라서, 위에서 설명된 방식에 따라 작동하는 엔진은 일반적으로 전출력 사이클을 완결하기 위해 피스톤이 실린더 내에서 4 회 왕복운동해야 함을 나타내는 4 사이클 또는 4 행정 엔진이라고 불린다. 또한 "사이클"은 엔진의 완전한 출력 사이클을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어의 사용은 당업자에게 모순되지 않게 잘 이해되고 있다. Conventional internal combustion engines typically operate in accordance with a series of repetitive motions, called intake, compression, expansion, and exhaust strokes. In this sense, "stroke" describes the reciprocating motion of the drive piston as it moves back and forth through the cylindrical combustion chamber in the engine housing or "block ". The term "cycle" may be used interchangeably with the term "administration" Thus, an engine operating in the manner described above is generally referred to as a four-cycle or four-stroke engine, which indicates that the piston must reciprocate four times in the cylinder to complete the full output cycle. A "cycle" can also be used to describe the complete output cycle of the engine. The use of such terms is well understood by those skilled in the art.

전술한 바와 같이, 엔진 피스톤이 흡기, 압축, 팽창, 또는 배기 행정 중에 또는 이들의 임의의 조합 중에 더 긴 거리 또는 더 짧은 거리를 이동하는, 그리고 그 이동의 일부 내에서 피스톤 속도를 변경시키는 다양한 설계가 제안되어 왔다. 예를 들면, 피스톤의 소위 상사점 또는 하사점 위치는 매 1 회전마다 또는 매 2 회전마다 상방으로 또는 하방으로 변위된다. 이러한 모든 조건은 가변 행정 엔진의 다양한 변형이다. 채드본(Chadbourne)의 미국 특허 번호 1,326,129 및 클라크(Clarke)의 미국 특허 번호 4,044,629는 확장된 팽창 행정을 설명한다. 확장된 팽창 행정의 실제 적용은 마즈다에 의해 제작된 밀레니아(Millenia) 모델 자동차로서, 이것은 미국 엔지니어인 랄프 밀러(Ralph Miller)에 의해 1947년에 설계된 유형의 소위 밀러-사이클 엔진을 사용한다. 밀러의 엔진은 선박 및 정치된 발전소에서 한동안 사용되었다. 엔지니어링의 목표는 동력을 발생하는 팽창 행정과 간섭하지 않고 엔진의 압축비를 감소시키는 것이다. 밀러-사이클 엔진에서, 피스톤은 공기 흡기 밸브가 폐쇄되기 전에 그것의 행정의 1/5을 상승시킨다. 행정의 상부에서 연소가 발생한 후, 팽창 가스는 피스톤을 행정의 하부를 향해 마지막까지 가압함으로써 팽창 비율은 영향을 받지 않는다. As described above, there is a variety of designs in which the engine piston travels a longer or shorter distance during intake, compression, expansion, or exhaust stroke, or any combination thereof, and changes the piston speed within a portion of that travel Has been proposed. For example, the so-called top dead center or bottom dead center position of the piston is displaced upward or downward every one revolution or every two revolutions. All these conditions are various variations of the variable stroke engine. US Patent No. 1,326,129 to Chadbourne and US Patent No. 4,044,629 to Clarke describe an expanded expansion stroke. The actual application of the expanded expansion stroke is the Millenia model car produced by Mazda, which uses a so-called Miller-cycle engine of the type designed in 1947 by US engineer Ralph Miller. Miller's engine has been used in ships and stationed power stations for some time. The goal of engineering is to reduce the compression ratio of the engine without interfering with the expansion stroke that generates the power. In a miller-cycle engine, the piston raises 1/5 of its stroke before the air intake valve is closed. After combustion occurs at the top of the stroke, the expansion rate is not affected by the inflation gas pushing the piston to the bottom of the stroke to the end.

20 세기의 전반기 중에, 각각의 팽창 행정 후와 흡기 행정 전 사이의 배기 행정 중에 엔진 실린더 내부부의 연소 생성물이 가능한 한 완전히 제거되어야 한다는 것이 내연 엔진의 당업자들 사이에서 일반적으로 받아들여졌다. 많은 다양한 특허가 더 큰 배기 행정을 얻기 위한 상이한 방식을 제안한다. 참고로, 예를 들면, 헐스(Hulse)의 미국 특허 번호 1,326,733; 스벳(Svete)의 미국 특허 번호 2,394,269; 캐디(Cady)의 미국 특허 번호 1,786,423; 터커(Tucker)의 미국 특허 번호 1,964,096; 및 오스틴(Austin) 미국 특허 번호 1,278,563가 있다. 채드본(Chadbourne)의 미국 특허 번호 1,326,129 및 클라크(Clarke)의 미국 특허 번호 4,044,629도 더 큰 배기 행정 및 팽창 행정과 관련된다. 그러나, 20 세기의 후반에 실시된 배출 규제로 인해, 연소실 내에서의 질소의 산화에 기인된 NOx(질소의 산화물)의 대기 방출을 감소시키는 수단으로서 배기 가스의 일부를 재순환시키거나 연소실 내에 유지시키는 새로운 엔진 설계가 제안되었다. 이것은 EGR(배기 가스 재순환) 밸브를 통해 흡기 매니폴드 내로 배기 가스를 흡입하도록 흡기 매니폴드를 진공화함으로써 달성된다. During the first half of the twentieth century, it has been generally accepted amongst those skilled in the art of internal combustion engines that the combustion products in the engine cylinders must be removed as completely as possible during the exhaust stroke between each expansion stroke and before the intake stroke. Many different patents suggest different ways to obtain larger exhaust strokes. For reference, see, for example, Hulse U.S. Patent Nos. 1,326,733; Svete U. S. Patent No. 2,394, 269; U.S. Patent No. 1,786,423 to Cady; U.S. Patent No. 1,964,096 to Tucker; And Austin U. S. Patent No. 1,278, 563. US Patent No. 1,326,129 to Chadbourne and US Patent No. 4,044,629 to Clarke also relate to larger exhaust and expansion strokes. However, due to the emission regulations implemented in the second half of the 20th century, as a means of reducing the atmospheric release of NOx (an oxide of nitrogen) caused by the oxidation of nitrogen in the combustion chamber, some of the exhaust gas is recycled or held in the combustion chamber A new engine design has been proposed. This is accomplished by evacuating the intake manifold to draw the exhaust gas through the EGR (exhaust gas recirculation) valve into the intake manifold.

다른 것은 엔진 압축비를 변경하기 위해 가변 행정 설계를 사용하였다. 실린더의 헤드에 대한 피스톤의 위치를 변화시키는 구조를 이용하여 소위 가변 압축비를 달성하기 위한 많은 연구가 특히 유럽과 일본에서 실시되었다. Others used a variable stroke design to change the engine compression ratio. A number of studies have been conducted especially in Europe and Japan to achieve a so-called variable compression ratio using a structure that changes the position of the piston relative to the head of the cylinder.

압축비는 실린더의 용량과 연소실의 용량 사이의 비율, 다시 말하면, 흡기 행정 중에 실린더 내에 유입되는 공기-연료 혼합물은 압축비 값만큼 압축된다. 일반적으로, 압축비가 높으면 높을 수로 엔진 효율도 높아진다. 혼합물 조기점화, 노킹, 엔진 온도, 및 심지어 엔진 구조와 같은 몇 가지 한계가 존재한다. 압축비는 엔진 효율에 영향을 주는 주요 인자 중 하나이므로, 이것을 다양한 작동 조건(속도율, 부하, 가속도 등)에 대해 최적화하는 것이 바람직하다. 스케치터(Schechter)의 미국 특허 번호 5,165,368은 이와 같은 엔진의 대표적인 예를 설명한다. The compression ratio is a ratio between the capacity of the cylinder and the capacity of the combustion chamber, that is, the air-fuel mixture introduced into the cylinder during the intake stroke is compressed by the compression ratio value. In general, higher compression ratios result in higher engine efficiencies. There are some limitations such as mixture early ignition, knocking, engine temperature, and even engine construction. Since compression ratio is one of the main factors affecting engine efficiency, it is desirable to optimize it for various operating conditions (speed rate, load, acceleration, etc.). US Patent No. 5,165,368 to Schechter describes a representative example of such an engine.

가변 피스톤 행정 용법은 또한 피스톤 상에 작용하는 압력을 최적화하기 위해 사용되었다. 이 목적을 위해, 연소 프로세스 및 그 결과 피스톤 상에 작용하는 힘을 최대화하기 위해 상사점 근처에서의 피스톤 속도가 종래의 피스톤의 속도에 비해 감소된다. 쉬알(Schaal) 등의 미국 특허 번호 5,158,047, 윌리엄스(Williams)의 미국 특허 번호 5,060,603, 및 맥호터(McWhorter)의 미국 특허 번호 3,686,972, 3,861,239 및 4,152,955는 이러한 개념을 대표하는 것이다.The variable piston stroke method was also used to optimize the pressure acting on the piston. For this purpose, the piston speed near the top dead center is reduced relative to the speed of the conventional piston to maximize the combustion process and consequently the force acting on the piston. US Patent No. 5,158,047 to Schaal et al., US Patent No. 5,060,603 to Williams, and US Patent Nos. 3,686,972, 3,861,239 and 4,152,955 to McWhorter represent this concept.

더 최근에, 미국 특허 번호 5,927,236는 완전한 엔진 출력 사이클에 걸쳐 피스톤 행정의 길이의 변동을 달성하기 위해 오프셋 베어링 표면을 통해 엔진의 피스톤 커넥팅 로드와 크랭크샤프트를 연결하기 위해 기어 세트 구조가 사용되는 내연 엔진 설계를 개시한다. 특히 이 설계는 토크 출력을 증가시키기 위해 출력 사이클의 팽창 부분 중에 증가된 유효 크랭크 암 길이를 통해 피스톤 행정을 증가시키도록, 그리고 체적 효율을 증가시키기 위해 사이클의 흡기 또는 흡입 및 배기 부분 중에 행정 및 피스톤 속도를 감소시키도록, 그리고 그 결과 엔진의 열효율을 향상시키는 것을 모색한다.More recently, U.S. Patent No. 5,927,236 discloses an internal combustion engine in which a gear set structure is used to connect the piston connecting rod and crankshaft of an engine through an offset bearing surface to achieve variation in the length of the piston stroke over a complete engine output cycle. Design is started. In particular, the design is designed to increase the piston stroke through the increased effective crank arm length during the expansion portion of the output cycle to increase the torque output, and to increase the piston stroke through the stroke and piston To reduce the speed, and consequently to improve the thermal efficiency of the engine.

근본적으로 본 발명의 목적은 위에서 설명된 미국 특허 번호 5,927,236의 발명을 더 발전시키기 위한 것이다. Fundamentally, the object of the present invention is to further develop the invention of the above-mentioned U.S. Patent No. 5,927,236.

더 구체적으로, 본 발명의 목적은 미국 특허 번호 5,927,236의 설계의 가변 행정 메커니즘의 개량을 이용하여 내연 엔진의 토크 출력, 마력 출력, 연료 효율, 체적 효율, 및 배기 감소의 추가의 향상을 달성하는 것이다. More specifically, the object of the present invention is to achieve further improvements in torque output, horsepower output, fuel efficiency, volume efficiency, and exhaust reduction of the internal combustion engine using an improvement of the variable stroke mechanism of the design of U.S. Patent No. 5,927,236 .

이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 피스톤이 제 1 방향으로 운동하는 흡기 행정, 제 2 방향으로 운동하는 압축 행정, 상기 제 1 방향으로 운동하는 팽창 행정, 및 상기 제 2 방향으로 운동하는 배기 행정을 통해 연소실 내에서 왕복운동하는 4 행정 사이클에 따라 작동할 수 있는 개량된 내연 엔진을 제공한다. 상기 압축 행정의 말기 및 상기 팽창 행정의 초기에서의 피스톤의 위치치는 상사점으로서 정의된다. 기본적으로, 본 발명의 엔진은 적어도 하나의 연소실을 한정하는 엔진 블록, 상기 엔진 블록에 회전가능하게 장착되는 크랭크샤프트, 연소실 축선을 따르는 왕복운동을 위해 상기 연소실 내에 배치되는 피스톤, 및 상기 피스톤에 선회가능하게 장착되는 커넥팅 로드를 포함한다. In order to achieve this object, the present invention provides an exhaust system for an internal combustion engine including an intake stroke in which the piston moves in a first direction, a compression stroke in which the piston moves in a second direction, an expansion stroke in which the piston moves in the first direction, Stroke cycle of reciprocating motion within the combustion chamber through the combustion chamber. The position of the piston at the end of the compression stroke and at the beginning of the expansion stroke is defined as top dead center. Basically, the engine of the present invention comprises an engine block defining at least one combustion chamber, a crankshaft rotatably mounted on the engine block, a piston disposed in the combustion chamber for reciprocating motion along the combustion chamber axis, Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

본 발명에 따르면, 내연 엔진에서 가변 행정 길이를 생성하는 메커니즘은 피스톤의 왕복운동을 크랭크샤프트의 회전 운동으로 변환시키기 위해 크랭크샤프트에 커넥팅 로드를 회전가능하게 연결하기 위한 기계적 기어 조립체를 사용한다. 기본적으로, 상기 기계적 조립체는 상기 엔진 블록에 회전 불가능하게 장착되는 적어도 하나의 제 1 기어 부재 및 상기 제 1 기어 부재와 치합되는 제 2 기어 부재를 포함하는 기어 세트를 포함한다. 상기 제 2 기어 부재는 상기 커넥팅 로드가 장착되는 제 1 베어링 표면 및 상기 크랭크샤프트와 함께 상기 제 2 기어 부재의 회전을 위해 상기 크랭크샤프트에 장착되는 제 2 베어링 표면을 갖는다. 상기 제 2 베어링 표면은 상기 엔진의 상기 4 행정 사이클의 전체를 통해 상기 크랭크샤프트 상에 균일한 기계적 크랭크 암을 부과(imposing)하기 위해 상기 크랭크샤프트 축선을 중심으로 원형 경로 내에서 운동하도록 상기 크랭크샤프트 축선으로부터 오프셋된다. 상기 제 1 및 제 2 베어링 표면은 오프셋 거리만큼 상호로부터 이격되고, 이것에 의해 상기 제 1 베어링 표면은 상기 크랭크샤프트 상에 가변 캠 암을 부과하기 위해 상기 상기 크랭크샤프트를 중심으로 내부 및 외부 타원형 경로 내를 교대로 운동하게 된다. 따라서, 상기 크랭크 암 및 상기 캠 암의 합에 의해 상기 피스톤 왕복운동의 길이는 상기 엔진의 4 행정 사이클의 전체를 통해 변화한다. According to the present invention, a mechanism for generating a variable stroke length in an internal combustion engine uses a mechanical gear assembly for rotatably connecting a connecting rod to a crankshaft to convert the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the crankshaft. Basically, the mechanical assembly includes a gear set including at least one first gear member non-rotatably mounted to the engine block and a second gear member engaged with the first gear member. The second gear member has a first bearing surface on which the connecting rod is mounted and a second bearing surface mounted on the crankshaft for rotation of the second gear member with the crankshaft. Wherein said second bearing surface is adapted to move within a circular path about said crankshaft axis to impose a uniform mechanical crank arm on said crankshaft through the entirety of said four- Offset from the axis. Wherein the first and second bearing surfaces are spaced apart from each other by an offset distance such that the first bearing surface defines an inner and outer elliptical path about the crankshaft to impose a variable cam arm on the crankshaft, I exercise alternately. Therefore, the length of the piston reciprocating motion by the sum of the crank arm and the cam arm varies throughout the four-stroke cycle of the engine.

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 상기 제 1 베어링 표면의 상기 내부 및 외부 타원형 경로는 상기 크랭크 암 및 상기 캠 암이 상기 피스톤의 상사점 위치에서 상기 크랭크샤프트 상에 양의 토크를 협동적으로 생성하도록 상기 연소실 축선의 하나의 점에서 또는 상기 연소실 축선에 근접하는 하나의 점에서 상기 연소실 축선과 교차한다. 예를 들면, 본 발명의 하나의 실시형태에서, 상기 제 1 베어링 표면의 내부 및 외부 타원형 경로는 상기 연소실 축선과 일치하는 하나의 점에서 교차한다. 대안적으로, 후속되는 상기 흡기 행정을 개시할 때 상기 연소실이 소정량의 배기를 유지할 수 있도록 허용하기 위해, 상기 배기 행정의 말기 및 상기 흡기 행정의 초기에서의 상기 피스톤의 위치가 상기 상사점 위치의 하측으로 소정의 간격을 가지도록, 상기 제 1 베어링 표면의 내부 및 외부 타원형 경로는 상기 크랭크샤프트의 회전 방향으로 상기 연소실 축선에 앞서 바람직하게 약 25도(°) 이하의 소정의 각도만큼 이격된 하나의 점에서 교차한다.According to one aspect of the present invention, the inner and outer elliptical path of the first bearing surface is such that the crank arm and the cam arm cooperatively generate a positive torque on the crankshaft at the top dead center position of the piston So as to intersect the combustion chamber axis at one point of the combustion chamber axis or at one point near the combustion chamber axis. For example, in one embodiment of the present invention, the inner and outer elliptical paths of the first bearing surface intersect at one point coinciding with the combustion chamber axis. Alternatively, in order to allow the combustion chamber to maintain a predetermined amount of exhaust gas at the start of the subsequent intake stroke, the position of the piston at the end of the exhaust stroke and at the beginning of the intake stroke is set to the top dead center position The inner and outer elliptical paths of the first bearing surface are preferably spaced a predetermined angle less than about 25 degrees (占) prior to the combustion chamber axis in the direction of rotation of the crankshaft Intersect at one point.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 2 기어 부재의 제 1 및 제 2 베어링 표면은 상기 캠 암의 길이 대 상기 크랭크 암의 길이의 소정의 비율을 달성하기 위해 선택적으로 구성 및 치수결정된다. 바람직하게, 상기 캠 암 길이는 상기 크랭크 암의 길이의 적어도 약 20%이고, 크랭크 암의 길이의 최대 약 100%일 수 있다. According to another aspect of the invention, the first and second bearing surfaces of the second gear member are selectively configured and dimensioned to achieve a predetermined ratio of the length of the cam arm to the length of the crank arm. Preferably, the cam arm length is at least about 20% of the length of the crank arm and up to about 100% of the length of the crank arm.

본 발명의 관련된 양태에 따르면, 상기 캠 암의 길이 대 상기 크랭크 암의 길이의 비율은 상기 흡기 행정의 말기에서 상기 연소실 내의 소정의 체적 용량을 달성하도록 선택된다.According to a related aspect of the present invention, the ratio of the length of the cam arm to the length of the crank arm is selected to achieve a predetermined volume capacity in the combustion chamber at the end of the intake stroke.

상기 제 1 기어 부재는 바람직하게 피니언 기어일 수 있고, 상기 제 2 기어 부재는 유성 기어 식으로 그 주위에서 운동하도록 피니언 기어와 치합하기 위한 바람직하게 환형 본체의 반경방향의 내면의 주위에 형성된 기어 치를 갖는 크라운 기어 부분을 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 제 2 기어 부재는 또한 크라운 기어 부분으로부터 외방으로 돌출하는 베어링 부분을 포함하고, 상기 베어링 부분의 외면 상에 형성된 제 1 베어링 표면 및 상기 베어링 부분의 내면 상에 형성된 제 2 베어링 표면을 갖는다. 이러한 방식으로, 상기 커넥팅 로드는 상기 제 1 베어링 표면 상에서 회전할 수 있고, 상기 제 2 베어링 표면은 상기 크랭크샤프트 상에서 회전할 수 있다. The first gear member may preferably be a pinion gear, and the second gear member preferably has a gear tooth formed around the radially inner surface of the annular body for engagement with the pinion gear for movement in and around the planetary gear type The crown gear portion having a crown gear portion. Preferably the second gear member further comprises a bearing portion projecting outwardly from the crown gear portion and has a first bearing surface formed on the outer surface of the bearing portion and a second bearing surface formed on the inner surface of the bearing portion . In this way, the connecting rod can rotate on the first bearing surface, and the second bearing surface can rotate on the crankshaft.

본 발명은 실질적으로 임의의 내연 엔진에 적합될 수 있고, 바람직하게는 복수의 연소실 및 이 연소실의 개수 이하의 수에 대응하는 복수의 기어 세트를 갖는 멀티-실린더 엔진에 장착될 수 있다.The present invention can be adapted to virtually any internal combustion engine and is preferably mounted to a multi-cylinder engine having a plurality of combustion chambers and a plurality of gear sets corresponding to a number less than or equal to the number of the combustion chambers.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 피스톤 행정의 가변 길이를 생성하기 위한 기계적 조립체를 장착한 개량된 내연 엔진의 사시도이고;
도 2는 도 1의 실시형태에 따른 가변 행정 메커니즘의 사시도이고;
도 3은 도 1 및 도 2의 내연 엔진 및 가변 행정 메커니즘의 절취된 개략 단면도이고;
도 4는 도 3에 도시된 가변 행정 메커니즘의 제 2 절취도이고;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 가변 행정 메커니즘을 장착한 내연 엔진의 팽창 행정의 개략도이고;
도 6은 도 5의 실시형태에 따른 내연 엔진의 배기 행정의 개략도이고;
도 7은 도 5의 실시형태에 따른 내연 엔진의 흡기 행정의 개략도이고;
도 8은 도 5의 실시형태에 따른 내연 엔진의 압축 행정의 개략도이고;
도 9는 미국 특허 번호 5,927,236의 발명에 대해 도 5 내지 도 8의 도시된 본 발명의 실시형태를 비교한 개략도이고;
도 10은 본 발명에 따른 내연 엔진용 가변 행정 메커니즘의 대안적 실시형태를 도시하는 도 5 내지 도 8과 유사한 개략도이고;
도 11은 본 발명에 따른 가변 행정 메커니즘을 장착한 내연 엔진 및 종래의 4 행정 내연 엔진의 비교 토크 곡선을 도시하는 그래프이고;
도 12는 캠 암의 길이 대 크랭크 암의 길이의 비율의 각각 상이한 선택적 변동을 사용하는 본 발명의 가변 행정 메커니즘의 상이한 실시형태에서의 캠 암 및 크랭크 암이 운동되는 상이한 경로를 개략적으로 도시하고; 그리고
도 13은 본 발명의 실시형태에서의 캠 암의 길이 대 크랭크 암의 길이의 비율의 상이한 선택적 변동을 위한 비교 데이터를 수집한 도표이다.1 is a perspective view of an improved internal combustion engine equipped with a mechanical assembly for producing a variable length piston stroke in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
2 is a perspective view of the variable stroke mechanism according to the embodiment of Fig. 1;
3 is a cut-away schematic sectional view of the internal combustion engine and the variable stroke mechanism of Figs. 1 and 2;
Fig. 4 is a second cut-away view of the variable stroke mechanism shown in Fig. 3;
5 is a schematic view of an expansion stroke of an internal combustion engine equipped with a variable stroke mechanism according to a preferred embodiment of the present invention;
6 is a schematic view of an exhaust stroke of the internal combustion engine according to the embodiment of Fig. 5;
7 is a schematic view of an intake stroke of the internal combustion engine according to the embodiment of Fig. 5;
8 is a schematic view of the compression stroke of the internal combustion engine according to the embodiment of Fig. 5;
9 is a schematic diagram comparing the embodiments of the present invention shown in Figs. 5 to 8 with respect to the invention of U.S. Patent No. 5,927,236;
10 is a schematic view similar to Figs. 5 to 8 showing an alternative embodiment of the variable stroke mechanism for an internal combustion engine according to the present invention; Fig.
11 is a graph showing a comparative torque curve of an internal combustion engine equipped with a variable stroke mechanism and a conventional four-stroke internal combustion engine according to the present invention;
12 schematically shows the different paths in which the cam arms and the crank arms are moved in different embodiments of the variable stroke mechanism of the present invention using different variations of the ratio of the length of the cam arms to the length of the crank arms; And
13 is a chart collecting comparison data for different optional variations in the ratio of the length of the cam arms to the length of the crank arms in an embodiment of the present invention.

이제 첨부한 도면의 도 1 내지 도 4를 먼저 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 개량된 내연 엔진은 전체적으로 10으로 도시되어 있고, 종래의 엔진 블록(12)을 포함한다. 엔진 블록(12)은 본 발명에 따른 기계적 조립체를 위한 지지체로서 부분적 및 도식적으로 도시되어 있다는 것에 주의해야 한다. 더욱이, 설명의 목적을 위해, 엔진은 단지 2 실린더의 엔진으로서 도시되어 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 메커니즘은 사실상 임의의 멀티-실린더 엔진을 위한 다양화된 구성에 적합될 수 있다는 것이 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다. Referring now to Figs. 1-4 of the accompanying drawings, an improved internal combustion engine according to a preferred embodiment of the present invention is shown generally at 10 and includes a conventional engine block 12. It should be noted that engine block 12 is shown partially and schematically as a support for a mechanical assembly according to the present invention. Furthermore, for purposes of explanation, the engine is shown as an engine of only two cylinders. Nevertheless, it will be readily appreciated by those skilled in the art that the mechanism of the present invention may be adapted to a diversified configuration for virtually any multi-cylinder engine.

일반적으로 종래의 크랭크샤프트(16)는 크랭크샤프트(16)와 엔진 블록(12)의 접합점에 크랭크샤프트 베어링 표면(17)를 구비한다. 2 개의 볼트 개구가 형성된, 그리고 그 하측면으로서 만곡된 베어링 표면(21)을 갖는 폼 피팅 아치웨이(form fitting archway)로서 형성되는 베어링 캡(19)은 크랭크샤프트(16)를 정위치에 유지하기 위해 베어링 캡(19)을 엔진 블록(12)에 고정하기 위해 종래의 볼트를 수용하도록 정렬되는 엔진 블록 및 베어링 캡(19) 내에 사전형성된 개구를 이용하여 엔진 블록(12)에 장착된다. The conventional crankshaft 16 generally has a crankshaft bearing surface 17 at the junction of the crankshaft 16 and the engine block 12. A bearing cap 19, which is formed as a form fitting archway with two bolt openings and with a bearing surface 21 curved as its lower side, is used to hold the crankshaft 16 in place Is mounted to the engine block 12 using an opening previously formed in the bearing cap 19 and an engine block arranged to receive a conventional bolt to secure the bearing housing cap 19 to the engine block 12. [

엔진 블록에는 2 개의 원통상 보어(14)(도 3 및 도 4)가 형성되어 있고, 그 내부에는 2 개의 종래의 피스톤(22)이 왕복운동을 위해 배치된다. 2 개의 동일한 종래의 커넥팅 로드(24)는 피스톤(22)에 선회가능하게 장착되고, 다음에 이후에 더 상세히 설명되는 방식으로 본 발명의 기계적 조립체를 통해 크랭크샤프트(16)에 장착된다. 종래의 단부 캡(26)은 크랭크샤프트(16)와 관련하여 회전가능한 방식으로 커넥팅 로드(24)를 유지하기 위해 커넥팅 로드(24)에 부착된다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 커넥팅 로드(24)는 크랭크샤프트(16)에 직접적으로 장착되지 않고, 본 발명의 메커니즘의 베이스 표면에 장착된다. In the engine block, two cylindrical bores 14 (Figs. 3 and 4) are formed in which two conventional pistons 22 are arranged for reciprocating motion. Two identical conventional connecting rods 24 are pivotally mounted on the piston 22 and then mounted to the crankshaft 16 through the mechanical assembly of the present invention in a manner to be described in greater detail below. The conventional end cap 26 is attached to the connecting rod 24 to retain the connecting rod 24 in a rotatable manner with respect to the crankshaft 16. As will be described in greater detail below, the connecting rod 24 is not mounted directly on the crankshaft 16 but mounted on the base surface of the mechanism of the present invention.

본 발명의 기계적 조립체는 기어 세트(30)가 본 발명의 일차적 구동 부분을 형성하도록 각각의 피스톤 및 커넥팅 로드 조립체와 관련하여 크랭크샤프트(16)에 장착되는 기어 세트(30)를 포함한다. 각각의 기어 세트(30)는 바람직하게 크라운 기어의 형태인 제 2 기어 부재(36)와 작동가능한 치합 상태인 바람직하게 피니언 기어의 형태인 제 1 기어 부재(32)를 포함한다. 편심 카운터웨이트(20)는 2 실린더 엔진에서 통상적인 바와 같이 평형을 위해 크랭크샤프트에 장착된다. 기어 세트(30)는 엔진(10)을 본질적으로 2개의 거울상의 하프(half)로 분할하는 상호 거울상으로 구성되고, 기어 세트(30)는 중앙에 위치한다. The mechanical assembly of the present invention includes a gear set 30 that is mounted to the crankshaft 16 in association with each piston and connecting rod assembly such that the gear set 30 forms the primary drive portion of the present invention. Each gear set 30 preferably includes a first gear member 32 in the form of a pinion gear preferably in operative engagement with a second gear member 36 in the form of a crown gear. The eccentric counterweight 20 is mounted to the crankshaft for balancing as is typical with two-cylinder engines. The gear set 30 is configured on a mutual mirror that essentially divides the engine 10 into two mirrored halves and the gear set 30 is centrally located.

도 2를 참조하면, 제 1 기어 부재(32)는 그 주위에 원주방향으로 형성되는 일련의 치(34)를 구비하는 원통상 본체를 갖는 바람직한 피니언 기어 형태로 도시되어 있다. 제 2 기어 부재(36)는 그것의 반경방향 내측 환형 표면의 주위에 형성된 연속적인 치(38)를 구비하는 컵형상의 대체로 원통상인 기어 본체(37)를 갖는 바람직한 크라운 기어의 형태로 도시되어 있다. 2 개의 제 1 기어 부재(32)는 원통상 지지 부재(35)에 의해 분리 및 장착되고, 이 원통상 지지 부재(35)는 도 1에 도시된 바와 같이 클램핑 부재(33)에 의해 엔진 블록에 고정된다. 이것에 의해 각각의 제 1 기어 부재(32)는 회전이 방지되도록 엔진 블록 내의 정위치에 고정된다. 제 2 기어 부재(36)의 치는 유성 기어 식으로 제 1 기어 부재(32)의 주위에서 제 2 기어 부재(36)의 회전을 위해 제 1 기어 부재(32)의 치와 치합된다. Referring to FIG. 2, the first gear member 32 is shown in the form of a preferred pinion gear having a cylindrical body with a series of teeth 34 formed circumferentially about it. The second gear member 36 is shown in the form of a preferred crown gear having a cup-shaped, generally cylindrical gear body 37 having a continuous tooth 38 formed around its radially inner annular surface have. The two first gear members 32 are separated and mounted by a cylindrical support member 35 which is fixed to the engine block by a clamping member 33 as shown in Figure 1 . As a result, each first gear member 32 is fixed in the correct position in the engine block so as to prevent rotation. The teeth of the second gear member 36 mesh with the teeth of the first gear member 32 for rotation of the second gear member 36 around the first gear member 32 in planetary gear form.

이제 도 3 및 도 4로 돌아가면, 본 발명에 따른 메커니즘의 더욱 개략적인 도면이 제공되어 있다. 여기서도 마찬가지로, 엔진 블록은 내부에서 피스톤(22)이 운동하는 하나의 실린더(14)를 도시하기 위해 전체적으로 12로 나타낸 바와 같이 부분적 및 개략적으로만 도시되어 있다. Turning now to Figures 3 and 4, a more schematic illustration of the mechanism according to the present invention is provided. Again, the engine block is shown only partially and schematically, as indicated generally at 12, to illustrate one cylinder 14 within which the piston 22 moves.

제 2 기어 부재(36)는 내부 기어 치(38)로부터 대향하는 직선방향으로 변위되는 컵형상의 기어 본체(37)의 외면으로부터 축방향의 외방으로 돌출하는 환형 허브의 형태로 베어링 부재(48)를 포함한다. 베어링 부재(48)는 그 외면의 주위에서 원주방향으로 형성되는, 그리고 그 주위에 커넥팅 로드(24)가 회전가능하게 장착되는 제 1 외부 환형 베어링 표면(40) 및 베어링 부재(48)의 반경방향 내면의 주위에 형성되는 제 2 내부 베어링 표면(42)을 갖는다. 내부 베어링 표면(42)은 컵형상의 원통상 기어 본체(37)와 공통의 중심축선을 갖는 원통상이다. 외부 베어링 표면(40)도 원통상이지만, 내부 베어링 표면(42) 및 기어 본체(37)의 축선에 대해 편심을 이루고, 그 결과 베어링 부재(48)의 본체는 베어링 표면들(40, 42) 사이에 반경방향으로 확대된 오프셋 부분(44)을 갖고, 이것은 이하에서 더 상세히 설명되는 최대 오프셋 거리(46)를 한정한다. 베어링 표면(40, 42)을 한정하는 베어링 부재(48)는 기어 부재(36)과 일체적으로 형성될 수 있으나, 이것은 특별한 요건이 아니다. 유일한 요건은 베어링 부재(48)가 기어 부재(36)와 일체로 회전해야 한다는 것인데, 이 결과를 달성하기 위한 가장 간단한 방식은 일체적 형성이다. The second gear member 36 is rotatably supported by the bearing member 48 in the form of an annular hub protruding axially outward from the outer surface of the cup-shaped gear body 37 which is displaced in the opposite linear direction from the internal gear teeth 38. [ . The bearing member 48 has a first outer annular bearing surface 40 formed circumferentially around the outer surface thereof and around which a connecting rod 24 is rotatably mounted and a second annular bearing surface 40 in the radial direction of the bearing member 48 And a second inner bearing surface 42 formed around the inner surface. The inner bearing surface 42 is cylindrical with a central axis common to the cup-shaped cylindrical gear body 37. The outer bearing surface 40 is also cylindrical but eccentric to the axis of the inner bearing surface 42 and the gear body 37 so that the body of the bearing member 48 is between the bearing surfaces 40, Which has a radially enlarged offset portion 44, which defines a maximum offset distance 46, which is described in more detail below. The bearing member 48 defining the bearing surfaces 40 and 42 may be integrally formed with the gear member 36, but this is not a special requirement. The only requirement is that the bearing member 48 must rotate integrally with the gear member 36, the simplest way to achieve this result is an integral formation.

따라서 도 3 및 도 4를 참조하여 이해될 수 있는 바와 같이, 3 개의 회전 축선이 본 기계적 조립체에 의해 한정된다. 크랭크샤프트(16)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 기어 부재(32)의 기하학적 축선과 일치되는 크랭크샤프트 축선(70), 즉 기어 부재(32)의 엔진 블록에 대한 장착부가 자유 회전될 수 있는 경우 기어 부재(32)의 회전 중심인 축선을 중심으로 회전된다. 제 1 기어 부재(32)의 배치는 크랭크샤프트 축선(70)을 중심으로 몇 각도의 회전 조절을 허용하도록 조절될 수 있다. 일체식 베어링 부재(48)를 포함하는 제 2 기어 부재(36)는 크랭크샤프트 축선(70)과 평행한, 그러나 소정의 오프셋 거리(50) 만큼 크랭크샤프트 축선(70)으로부터 오프셋되는 축선(72)을 중심으로 회전한다. 이 크랭크샤프트 오프셋(50)은 모든 크랭크-구동식 내연 엔진에 존재하고, 피스톤의 펌핑하는 왕복운동을 크랭크샤프트(16)의 회전으로 변환하는 크랭크샤프트(16) 상에 작용하는 비가변식 기계적 크랭크 암을 생성한다. 베어링 표면(40, 42)의 편심 배향으로 인해, 커넥팅 로드(24)는 크랭크샤프트 축선(70) 및 오프셋 축선(72)에 평행하게 연장하는 별도의 축선(74)을 중심으로 회전한다. 오프셋 축선(72) 및 커넥팅 로드 축선(74) 사이의 거리는 크랭크샤프트(16) 상에 작용하는 가변 캠 암을 부과하는 최대 오프셋 거리(46)를 한정한다. 이러한 방식으로, 최대 오프셋 거리(46)는 크랭크샤프트 오프셋(50)와 결합하여 총 유효 크랭크 길이를 한정하고, 이것은 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 엔진 작동 사이클의 전체를 통해 가변 캠 암에 따라 변화한다. Thus, as can be appreciated with reference to Figures 3 and 4, the three rotational axes are defined by the present mechanical assembly. The crankshaft 16 has a crankshaft axis 70 that is coincident with the geometric axis of the first gear member 32 as shown in Figures 3 and 4, And is rotated around the axis which is the rotation center of the gear member 32, if it can be rotated. The arrangement of the first gear member 32 can be adjusted to allow rotational adjustment at several angles about the crankshaft axis 70. The second gear member 36 including the integral bearing member 48 is supported by an axis 72 that is offset from the crankshaft axis 70 by a predetermined offset distance 50 but parallel to the crankshaft axis 70. [ As shown in FIG. This crankshaft offset 50 is present in all crank-driven internal combustion engines and includes a non-displaceable mechanical crankshaft 16 that acts on a crankshaft 16 that converts the pumping reciprocating motion of the piston into rotation of the crankshaft 16. [ . Due to the eccentric orientation of the bearing surfaces 40 and 42 the connecting rod 24 rotates about a separate axis 74 extending parallel to the crankshaft axis 70 and the offset axis 72. The distance between the offset axis 72 and the connecting rod axis 74 defines a maximum offset distance 46 imposing a variable cam arm acting on the crankshaft 16. In this manner, the maximum offset distance 46, in combination with the crankshaft offset 50, defines the total effective crank length, which varies with the variable cam arm through the entire engine operating cycle, do.

당업자는 엔진이 밸브 시스템, 냉각 시스템, 점화 시스템, 및 완전히 작동하는 내연 엔진을 제공하기 위해 수반되는 어떤 구조적 부품도 가지지 않는 것으로 설명되어 있음을 이해할 것이다. 엔진은 이들 시스템 및 부품을 필수적으로 포함하지만, 이러한 시스템 및 부품은 종래의 표준 내연 엔진의 부품 및 시스템과 다를 필요가 없다. 따라서, 이러한 부품은 본 발명의 범위 밖에 있고, 본 발명의 설명 및 이해를 위해 필요하지 않으므로 본 발명을 더 명확하게 설명할 수 있도록 생략되었다. 임의의 적절한 밸브 시스템, 냉각 시스템, 점화 시스템, 및 관련된 구조적 부품은 본 발명과 함께 만족스럽게 작동할 것이고, 본 발명은 사실상 어떤 표준 크랭크-구동식 내연 엔진에도 적합될 수 있다는 것에 주목해야 한다. Those skilled in the art will appreciate that the engine is described as not having any structural components involved in providing a valve system, a cooling system, an ignition system, and a fully operating internal combustion engine. The engine essentially includes these systems and components, but such systems and components need not be different from the components and systems of conventional standard internal combustion engines. Therefore, such a component is outside the scope of the present invention, and is omitted for the sake of explanation and understanding of the present invention, so that the present invention can be more clearly described. It should be noted that any suitable valve system, cooling system, ignition system, and associated structural components will work satisfactorily with the present invention, and that the present invention may be adapted to virtually any standard crank-driven internal combustion engine.

종래의 내연 엔진에서와 같이, 피스톤(22)의 상측의 실린더(14)의 연소실 부분 내의 공기 연료 혼합물의 폭발은 피스톤(22)을 하방으로 구동하고, 크랭크샤프트(16)의 회전을 유발한다. 멀티-실린더 엔진은 원활한 엔진 작동을 위해 소정의 순서로 연료 공기 혼합물의 순차적 폭발을 위해 배치된 다중의 피스톤/실린더 구조를 제공한다. 일반적으로, 실린더의 수가 많으면 많을 수록 엔진은 더 원활하게 작동한다. 비록 본 발명이 2-실린더 엔진으로서 도시되어 있으나, 본 발명은 사실상 임의의 수의 실린더를 갖는 엔진에 완전히 적합될 수 있다. 본 발명은 불꽃 점화식 엔진, 디젤 및 기타 압축 점화식 엔진, 및 레이디얼 엔진에 동등하게 적합될 수 있다. The explosion of the air fuel mixture in the combustion chamber portion of the cylinder 14 above the piston 22 drives the piston 22 downward and causes rotation of the crankshaft 16, as in a conventional internal combustion engine. The multi-cylinder engine provides multiple piston / cylinder structures arranged for sequential detonation of the fuel-air mixture in a predetermined sequence for smooth engine operation. In general, the greater the number of cylinders, the more smoothly the engine operates. Although the present invention is illustrated as a two-cylinder engine, the present invention may be fully adapted to an engine having virtually any number of cylinders. The invention is equally applicable to spark ignition engines, diesel and other compression ignition engines, and radial engines.

본 발명의 개선은 유효 행정 길이, 즉 완전한 엔진 작동 출력 사이클의 전체를 통해 피스톤이 이동하는 범위를 변화시키기 위해 작용한다. 본 발명에 따른 엔진은 완전한 엔진 작동 사이클이 흡기 또는 흡입 행정, 압축 행정, 팽창 또는 출력 행정, 및 배출 또는 배기 행정의 4 개의 별도의 행정에 의해 정의되는 변형된 앳킨슨(Atkinson) 사이클에 따라 작동한다. 소정의 실린더에서 흡기 행정 중에, 실린더의 관련된 흡기 밸브가 개방되고, 피스톤은 크랭크샤프트의 회전에 의해 하방으로 견인되고, 이것에 의해 연료 공기 혼합물이 연소실 내에 수용된다. 압축 행정 중에, 흡기 밸브는 폐쇄되고, 피스톤은 상방으로 이동하여 연소실 내의 연료 공기 혼합물을 소정의 정도까지 압축하고, 소정의 시간에 상기 압축된 연료-공기 혼합물이 폭발되고, 예를 들면, 실린더와 관련된 점화 플러그가 착화되고, 따라서 연소에 의해 생성되는 가스가 팽창함에 따라 실린더 내에서 피스톤을 다시 하방으로 구동함으로써 팽창 행정을 개시한다. 팽창 행정의 완료 시, 배기 또는 배출 행정을 실행하기 위해 피스톤이 실린더 내에서 상방으로 다시 이동하기 시작할 때 실린더의 배기 밸브는 개방되고, 그 동안에 피스톤은 배기 밸브를 통해 연소실로부터 폐 연소 가스를 배출하여 4 사이클 엔진의 4 행정 또는 4 사이클을 반복하도록 준비한다. 소위 행정 길이는 작동 사이클의 4 행정의 각각의 행정 중에 연소실 내에서의 피스톤이 이동하는 거리로서 정의된다. 종래의 내연 엔진에서, 행정 길이는 일정하고, 엔진 작동 출력 사이클의 4 작동 행정의 전체를 통해 변하지 않는다. The improvement of the present invention serves to vary the effective stroke length, i.e. the range over which the piston travels, through the full engine operation output cycle. The engine according to the invention operates in accordance with a modified Atkinson cycle in which the complete engine operating cycle is defined by four separate strokes of intake or intake stroke, compression stroke, expansion or output stroke, and exhaust or exhaust stroke . During the intake stroke in a given cylinder, the associated intake valve of the cylinder is opened and the piston is pulled downward by the rotation of the crankshaft, whereby the fuel-air mixture is contained in the combustion chamber. During the compression stroke, the intake valve is closed and the piston moves upwards to compress the fuel-air mixture in the combustion chamber to a predetermined extent, and at a predetermined time the compressed fuel-air mixture is exploded, for example, The associated spark plug is ignited and thus the expansion stroke is initiated by driving the piston again downward in the cylinder as the gas produced by the combustion expands. At the completion of the expansion stroke, the exhaust valve of the cylinder is opened when the piston starts to move upward again in the cylinder to perform the exhaust or exhaust stroke, during which the piston discharges the waste combustion gas from the combustion chamber through the exhaust valve Prepare to repeat four strokes or four cycles of a four-cycle engine. The so-called stroke length is defined as the distance the piston moves within the combustion chamber during each stroke of the four strokes of the stroke. In a conventional internal combustion engine, the stroke length is constant and does not vary throughout the entire four operating strokes of the engine operation output cycle.

이에 반해, 본 발명은 가변 행정 길이를 제공하는 역할을 한다. 제 2 기어 부재(36)의 치는 그 내면 상에 형성되므로, 제 2 기어 부재(36)는 크랭크샤프트(16)의 회전 방향과 동일한 방향으로 제 1 기어 부재(32)를 중심으로 유성처럼 회전한다. 제 1 및 제 2 기어 부재(32, 36) 사이의 기어는 1:2의 기어비를 제공하도록 선택되고, 이것에 의해 베어링 부재(48), 및 그 결과 오프셋 부분(44) 및 최대 오프셋 간격(46)은 크랭크샤프트(16)의 매 1회 회전마다 1/2 회전 만큼 회전한다. 이 기계적 작용의 효과는 각각 엔진의 작동 출력 사이클의 단일의 행정을 도시하는 도 5 내지 도 8에 도시되어 있다. On the other hand, the present invention serves to provide a variable stroke length. Since the teeth of the second gear member 36 are formed on the inner surface of the second gear member 36, the second gear member 36 rotates like a planetary gear around the first gear member 32 in the same direction as the rotational direction of the crankshaft 16 . The gears between the first and second gear members 32 and 36 are selected to provide a gear ratio of 1: 2 whereby the bearing member 48 and thus the offset portion 44 and the maximum offset gap 46 Rotates by half a revolution per one revolution of the crankshaft 16. The effect of this mechanical action is shown in Figures 5-8, each showing a single stroke of the engine's operating output cycle.

이제 도 5 내지 도 8로 돌아가면, 피스톤(22) 및 이 피스톤(22)을 커넥팅 로드(24) 통해 크랭크샤프트(16)에 연결하는 본 발명의 관련된 기어식 기계적 조립체의 진행이 팽창 또는 출력 행정, 배기 행정, 흡기 행정 및 압축 행정을 통한 순서로 개략적으로 도시되어 있다. 도 5 내지 도 8의 각각에서, 각각의 행정은 차례대로 문자에 의해 표시되는 초기의 출발 위치, 중간 위치, 및 최종 위치로 도시되고, 하나의 행정의 최종 위치는 동일 문자 표시 하에서 다음에 이어지는 행정의 초기 위치를 구성한다. 따라서, A로 도시되는 피스톤(22)의 초기 위치(통상적으로 "상사점" 위치라고 부름), B로 도시되는 중간 구동 위치, 및 C로 도시되는 최종 위치를 갖는 조립체의 팽창 또는 출력 행정은 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 도 6은 팽창/출력 행정 후의 배기 행정에서의 조립체의 초기 위치(C), 중간 위치(D) 및 최종 위치(E)를 도시한다. 도 7은 배기 행정 후의 흡기 행정에서의 조립체의 초기 위치(E), 중간 위치(F) 및 최종 위치(G)를 도시한다. 도 8은 흡기 행정 후의 압축 행정에서의 피스톤(22)의 초기 위치(G), 중간 위치(H) 및 최종 위치(A)를 도시한다. Returning now to Figures 5-8, the progression of the associated geared mechanical assembly of the present invention, which connects the piston 22 and the piston 22 to the crankshaft 16 via the connecting rod 24, , An exhaust stroke, an intake stroke and a compression stroke. In each of Figures 5 to 8, each stroke is shown in an initial start position, an intermediate position, and a final position, which are indicated by letters in order, and the final position of one stroke is the stroke As shown in FIG. Thus, the expansion or output stroke of an assembly having an initial position (generally referred to as a "top dead center" position) of the piston 22 shown by A, an intermediate drive position shown by B, 5 schematically. 6 shows the initial position C, the intermediate position D and the final position E of the assembly in the exhaust stroke after the expansion / output stroke. Fig. 7 shows an initial position (E), an intermediate position (F) and an end position (G) of the assembly in the intake stroke after the exhaust stroke. 8 shows the initial position G, the intermediate position H and the final position A of the piston 22 in the compression stroke after the intake stroke.

도 5 내지 도 8에서, 피스톤(22)이 왕복운동하는 엔진 블록(12)의 실린더(14)의 종방향 중심 축선은 102로 표시되었고, 크랭크샤프트(16)의 회전 축선을 70으로 표시되었다. 축선(74)과 일치하는 베어링 부재(48)와 커넥팅 로드(24) 사이의 연결부를 나타내는 접합점은 개략적으로 52로 표시되고, 축선(72)과 일치하는 베어링 부재(48)와 크랭크샤프트(16) 사이의 연결부를 나타내는 이격된 접합점은 54로 표시되고, 각각의 접합점(52, 54) 사이의 간격은 최대 오프셋 간격(46)으로 표시된다. 크랭크샤프트 오프셋에 의해 크랭크샤프트(16) 상에 작용하는 기계적 크랭크 암은 베어링 부재(48)와 크랭크샤프트(16) 사이의 접합점(54)과 크랭크샤프트 축선(70) 사이에 연장하는 50으로서 표시되고, 최대 오프셋 거리에 의해 생성되는 가변 캠 암은 커넥팅 로드(24)와 베어링 부재(48) 사이의 접합점(52)과 베어링 부재(48)와 크랭크샤프트(16) 사이의 접합점(54) 사이에 연장하는 46으로서 표시된다. 자체의 축선(70)을 중심으로 한 크랭크샤프트(16)의 회전 중, 베어링 부재/크랭크샤프트 접합점(54)은 조립체가 회전할 때 크랭크샤프트 축선(70)을 중심으로 동심의 원형 경로(56)를 따라 운동한다. 오프셋(46) 만큼의 축선(72, 74)의 간격으로 인해, 커넥팅 로드/오프셋 접합점(52)은 외부 타원형 경로(58)와 내부 타원형 경로(60) 사이에서 교대되는 2 개의 별개의 타원형 경로를 따라 운동한다.5 to 8, the longitudinal center axis of the cylinder 14 of the engine block 12 in which the piston 22 reciprocates is denoted by 102 and the rotational axis of the crankshaft 16 is denoted by 70. [ The joint point indicating the connection between the bearing member 48 and the connecting rod 24 coinciding with the axis 74 is shown schematically at 52 and the bearing member 48 coinciding with the axis 72 and the crankshaft 16, The spaced junctions representing the connections between the junction points 52 and 54 are denoted by 54 and the spacing between the respective junctions 52 and 54 by the maximum offset spacing 46. [ The mechanical crank arm acting on the crankshaft 16 by the crankshaft offset is designated as 50 extending between the junction point 54 between the bearing member 48 and the crankshaft 16 and the crankshaft axis 70 The variable cam arm produced by the maximum offset distance extends between the junction point 52 between the connecting rod 24 and the bearing member 48 and between the bearing member 48 and the junction point 54 between the crank shaft 16 As shown in FIG. During rotation of the crankshaft 16 about its own axis 70, the bearing member / crankshaft joint point 54 is aligned with the concentric circular path 56 about the crankshaft axis 70 as the assembly rotates, Lt; / RTI > Because of the spacing of the axes 72 and 74 by the offset 46, the connecting rod / offset junction 52 has two distinct oval paths that alternate between the outer elliptical path 58 and the inner elliptical path 60 Move along.

이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 기계적 기어 세트 조립체가 없었더라면, 커넥팅 로드(24)는 종래의 엔진에서와 마찬가지로 크랭크샤프트(16)에 접합될 것이다. 대신, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 기계적 기어 세트 조립체의 크랭크샤프트 오프셋(50)에 의해 생성되는 크랭크 암 및 최대 오프셋(46)에 의해 생성되는 캠 암은 함께, 폭발 후 팽창/출력 행정이 피스톤(22)의 중간 위치(B)를 통해 최종 위치(C)로 진행할 때, 피스톤(22)의 행정 길이를 효과적으로 증대시킨다. 구체적으로, 팽창 행정 중, 베어링 부재(48)와 커넥팅 로드(24) 사이의 접합점(52)은 자체의 외부 편심 경로(58)를 따라 운동하고, 그 결과 조립체가 도 5의 위치 B를 통해 위치 C로 진행할 때, 크랭크샤프트(16)는 1/2 회전하고, 그 동안에 최대 오프셋(46)에 의해 생성되는 캠 암은 유효 행정 길이를 증가시키도록 크랭크샤프트 오프셋(50)에 추가하도록 작용하고, 그 결과 팽창 행정은 최대의 총 유효 크랭크 길이로 완료된다. 이러한 유효 행정 길이의 증가는 팽창 행정에서 엔진(10)에 의해 수행되는 일(work)을 증대시키도록 작용한다. 이 시점에서, 배기 행정이 개시된다. As can be appreciated, without the mechanical gear set assembly of the present invention, the connecting rod 24 would be joined to the crankshaft 16 as in a conventional engine. 5, the cam arms created by the crank arm and the maximum offset 46 created by the crankshaft offset 50 of the present mechanical gear set assembly together form an expansion / The stroke length of the piston 22 is effectively increased when advancing to the final position C through the intermediate position B of the piston 22. [ Specifically, during the expansion stroke, the abutment point 52 between the bearing member 48 and the connecting rod 24 moves along its own external eccentric path 58, such that the assembly moves through position B C, the crankshaft 16 rotates one half, while the cam arm produced by the maximum offset 46 acts to add to the crankshaft offset 50 to increase the effective stroke length, As a result, the expansion stroke is completed with the maximum total effective crank length. This increase in the effective stroke length serves to increase the work performed by the engine 10 in the expansion stroke. At this point, the exhaust stroke starts.

도 6에서 피스톤 위치 C, D 및 E로 도시된 바와 같이, 후속되는 배기 행정 중에 크랭크샤프트/오프셋 접합점(54)은 접합점(52, 54)이 자체의 각각의 경로에서 진행할 때 오프셋/커넥팅 로드 접합점(52)을 통과하고, 그 결과 배기 행정의 말기에서 접합점(52, 54)은 도 5의 A에서의 팽창 행정의 개시로부터 본질적으로 반전된 그 상대적 위치를 갖고, 이것에 의해 배기 행정 중의 피스톤 행정의 총 길이는 팽창 행정의 피스톤 행정 길이와 실질적으로 동일하다. 결과적으로, 피스톤은 연소실로부터 연소 가스 및 부산물을 완전히 배출한다. During subsequent exhaust strokes, the crankshaft / offset junction 54, as shown by piston positions C, D, and E in Figure 6, has an offset / connecting rod junction (not shown) when junction 52, (52) and, as a result, at the end of the exhaust stroke, the junctions (52, 54) have their relative positions essentially reversed from the start of the expansion stroke in Figure 5A, Is substantially the same as the piston stroke length of the expansion stroke. As a result, the piston completely discharges the combustion gas and the by-product from the combustion chamber.

도 7은 도 6의 배기 행정의 최종 위치(E)에서 개시되는 피스톤(22)에 의해 연료/공기 혼합물을 흡인하기 위한 흡기 행정을 도시한다. 작동 사이클의 이 부분 중에, 오프셋/커넥팅 로드 접합점(52)은 그 내부 경로(60)를 따라 운동하고, 그 결과 조립체가 위치 F를 향해, 그리고 위치 F를 통과하여 전진함에 따라, 흡기 행정의 말기의 위치 G에서 유효 행정 길이가 최대 오프셋(46) 미만인 크랭크샤프트 오프셋(50)와 동등한 양만큼 그 최소 길이까지 감소될 때까지, 유효 행정 길이는 점진적으로 감소된다. 도 7의 초기 위치(E)로부터 최종 위치(G)까지 크랭크샤프트(16)는 1/2 회전 만큼 회전한다. 흡기 행정 중의 유효 행정 길이의 감소로 인해, 연소실(14) 내에 연료/공기 혼합물을 흡입하기 위해 피스톤을 후퇴시킬 때 엔진이 수행해야 하는 일의 양은 이에 따라 감소되어 상응하는 연료 사용의 감소를 달성한다. 흡기 행정 중에 피스톤(22)이 하방으로 이동하는 속도는 선행하는 팽창 및 배기 행정 중의 속도보다 비례적으로 더 느리다.Fig. 7 shows an intake stroke for sucking the fuel / air mixture by the piston 22 initiated at the final position E of the exhaust stroke of Fig. During this portion of the operating cycle the offset / connecting rod junction 52 moves along its internal path 60 and as a result the assembly advances toward position F and through position F, The effective stroke length is gradually reduced until the effective stroke length at position G of the crankshaft is reduced to its minimum length by an amount equivalent to the crankshaft offset 50 that is less than the maximum offset 46. [ The crankshaft 16 rotates by half the rotation from the initial position (E) to the final position (G) in Fig. Due to the reduction of the effective stroke length during the intake stroke, the amount of work that the engine must perform when the piston is retracted to draw the fuel / air mixture into the combustion chamber 14 is accordingly reduced to achieve a corresponding reduction in fuel use . The speed at which the piston 22 moves downward during the intake stroke is proportionally slower than the speed during the preceding expansion and exhaust stroke.

도 8은 흡기 행정의 말기인 위치 G에서의 후속하는 압축 행정 초기를 도시한다. 조립체가 다른 팽창 행정을 개시하기 위해 중간 위치(H)를 통해 출발 위치(A)로 복귀하도록 진행함에 따라, 오프셋/커넥팅 로드 접합점(52)은 그 내부 경로(60)를 통한 자신의 운동을 종료하고 다시 한번 그 외부 경로(58)로 이동한다. Fig. 8 shows the beginning of a subsequent compression stroke at position G, which is the end of the intake stroke. As the assembly proceeds to return to the starting position A through the intermediate position H to initiate another expansion stroke, the offset / connecting rod junction 52 terminates its motion through its internal path 60 And once again moves to its outer path 58.

본 발명은 미국 특허 번호 5,927,236의 발명에 비해 수 개의 진보를 제공한다. 본 발명의 하나의 양태에 따르면, 제 2 기어 부재(36)의 베어링 부재(48)와 커넥팅 로드(24) 사이의 연결부가 접합점(52)(즉, 커넥팅 로드(24)의 축선(74))에 의해 추적되는 외부 및 내부 타원형 경로(58, 60)를 연소실 축선(102)의 하나의 점 또는 연소실 축선(102)에 근접하는 하나의 점에서 교차하도록 기어 세트(30)를 배치하고, 이것에 의해 기계적 크랭크 암 및 캠 암은 협동하여 피스톤의 상사점 위치에서 크랭크샤프트 상에 양의 토크를 생성한다. 더 구체적으로, 도 5 내지 도 8은 타원형 외부 및 내부 경로(58, 60)의 교차부가 실린더/연소실의 축선(102)과 일치하는 본 발명의 실시형태를 도시한다. 이에 반해, 도 9에 도시된 바와 같이, 미국 특허 번호 5,927,236에 도시 및 설명된 바람직한 실시형태에서, 외부 및 내부 경로(58, 60)의 교차부는 크랭크샤프트(16)의 회전 방향에 관련하여 보았을 때 실린더 축선(102)에 대해 90도(°) 앞서 위치되어 있다. The present invention provides several advances over the invention of U.S. Patent No. 5,927,236. According to one aspect of the present invention, the connection between the bearing member 48 of the second gear member 36 and the connecting rod 24 is connected to the junction point 52 (i.e., the axis 74 of the connecting rod 24) The gear set 30 is arranged so that the outer and inner elliptical paths 58 and 60 traced by the combustion chamber axis 102 intersect at one point of the combustion chamber axis 102 or at a point near the combustion chamber axis 102, Whereby the mechanical crank arm and the cam arm cooperate to produce a positive torque on the crankshaft at the top dead center position of the piston. 5 to 8 illustrate embodiments of the present invention in which the intersection of the elliptical outer and inner paths 58 and 60 coincides with the axis 102 of the cylinder / combustion chamber. 9, the intersection of the outer and inner paths 58, 60, in the preferred embodiment shown and described in U. S. Patent No. 5,927, 236, when viewed in relation to the direction of rotation of the crankshaft 16 And is positioned 90 degrees ahead of the cylinder axis 102.

유리하게, 본 발명의 기계적 구조의 이러한 변경된 배향은 도 9에서 비교하여 도시된 바와 같이 미국 특허 번호 5,927,236의 바람직한 실시형태에 비해 그 상사점 위치에서 피스톤 상에 작용하는 확대된 기계적 크랭크 암을 생성하고, 엔진의 4 사이클의 전체 범위에 걸쳐 기계적 크랭크 암 및 이에 따른 크랭크샤프트 토크를 비례적으로 개선한다. 크랭크 암의 개량은 도 11의 그래프에서 도시된 바와 같이 가변 행정 구조가 없는 종래의 엔진에 비해 특히 현저하다. 도 11에서, 곡선(104)은 4 사이클 또는 행정에 걸쳐 엔진의 크랭크 각에 대해 본 발명을 구현하는 1000 cc 배기량의 4 실린더 엔진에서 생성되는 밀리미터로 측정된 기계적 크랭크 암을 작도한 것이고, 곡선(106)은 피스톤 커넥팅 로드가 피스톤 행정을 변화시키기 위한 임의의 기계적 구조 또는 다른 구조 없이 크랭크샤프트에 직접적으로 연결되는 종래의 1000 cc 배기기량의 4 실린더 엔진에서 생성되는 기계적 크랭크 암을 비교하여 작도한 것이다. Advantageously, this altered orientation of the mechanical structure of the present invention produces an enlarged mechanical crank arm acting on the piston at its top dead center relative to the preferred embodiment of U. S. Patent No. 5,927, 236 as shown by comparison in Figure 9 , Proportionally improves the mechanical crank arm and thereby the crankshaft torque over the entire range of four cycles of the engine. The improvement of the crank arm is particularly remarkable as compared with the conventional engine having no variable stroke structure as shown in the graph of Fig. In Figure 11, curve 104 is a mechanical crank arm measured in millimeters produced in a four cylinder engine with a displacement of 1000 cc that implements the present invention for a crank angle of the engine over four cycles or strokes, 106 is constructed by comparing the mechanical crank arm produced in a conventional four cylinder engine of 1000 cc displacement with the piston connecting rod directly connected to the crankshaft without any mechanical structure or other structure for varying the piston stroke .

곡선(106)이 도시하는 바와 같이, 종래의 엔진은 팽창/출력 행정에 접근하는 압축 행정 중에 크랭크샤프트 상에 상당량의 음의 토크를 발생하므로 통상적으로 연소 불꽃은 상사점 위치의 35도(°) 앞에서 점화되어야 한다. 이와 같은 엔진에서, 피스톤은 음의 토크를 극복하기 위해 음의 일을 수행해야 하고, 이것은 상사점(TDC)에서 0의 토크 값에 도달될 때까지 지속적으로 존속하고, 상사점 이후 약 16도(°)의 위치(ATDC)까지는 상당량의 양의 토크가 생성되지 않는다. 이것은 종래의 엔진이 약 800 RPM 미만의 엔진 속도에서 일반적으로 아이들링이 불가능한 일차적 원인이다. 이에 반해, 접합점(52)(즉, 커넥팅 로드(24)의 축선(74))이 운동하는 외부 및 내부 타원형 경로(58, 60)의 교차점을 연소실 축선(102)에 또는 연소실 축선(102)에 근접하여 일치시키는 본 발명의 구조의 경우, 증가된 크랭크 암은 상사점 위치에 대해 35도(°) 앞서는 위치로부터 상사점 위치까지 증가하는 양의 토크를 생성하고, 상사점 위치의 16도(°) 이후의 위치에서, 본 엔진에서 생성되는 토크는 종래의 엔진의 토크의 2 배 이상이다.As curve 106 shows, conventional engines produce a significant amount of negative torque on the crankshaft during the compression stroke approaching the expansion / output stroke, so that the combustion flame is typically at 35 degrees (degrees) of the top dead center position, Must be ignited before. In such an engine, the piston must perform a negative work in order to overcome the negative torque, which continues to last until a torque value of zero is reached at the top dead center (TDC), and about 16 degrees after the top dead point Lt; RTI ID = 0.0 > (ATDC). &Lt; / RTI > This is a primary cause that conventional engines are generally unable to idle at engine speeds below about 800 RPM. In contrast, the intersection of the outer and inner elliptical paths 58, 60, at which the junction 52 (i.e., the axis 74 of the connecting rod 24) is moving, is located at the combustion chamber axis 102 or at the combustion chamber axis 102 In the case of the structure of the invention in close proximity, the increased crank arm produces a positive torque increasing from a position 35 degrees before the top dead center position to the top dead center position, ), The torque produced by this engine is more than twice the torque of the conventional engine.

도 10에 도시된 바와 같이, 타원형 외부 및 내부 경로(58, 60)의 교차점이 연소실 축선의 약 25도(°) 내에 위치하는 본 발명의 대안적 실시형태가 가능하다. 구체적으로, 도 10은 크랭크샤프트의 회전 방향에서 보았을 때, 본 발명의 기계적 구조가 연소실 축선에 앞서 약 25도(°) 이하의 소정의 각도만큼 이격되는 하나의 점에 타원형 외부 및 내부 경로(58, 60)의 교차점을 일치시키도록 구성되는 대안적 실시형태를 도시한다. 도 10에서 위치 A'는 팽창 행정의 초기의 발단, 즉 상사점 위치에서의 피스톤 및 본 발명의 다른 관련된 기계적 부품을 도시한 것으로서, 미국 특허 번호 5,927,236에 비해, 이와 같은 위치에서 피스톤 상에 작용하는 상당히 확대된 기계적 크랭크 암을 여전히 생성함을 볼 수 있다. 더욱이, 이러한 구조에 의해 얻어지는 추가의 이점은 배기 행정의 말기 및 흡기 행정의 초기에서의 피스톤의 위치가 도 10에서 위치 E'로 표시된 바와 같이 상사점 위치의 하측의 소정의 간격에 위치되는 것이다. 이러한 방식의 기계적 구조의 선택적 배향에 의해 연소실은 흡기 행정의 개시 시에 소정의 체적의 배기 가스를 유지할 수 있고, 이것은 엔진으로부터 유해한 배출을 감소시키는 것에 기여한다.As shown in FIG. 10, an alternative embodiment of the present invention is possible in which the intersection of the elliptical outer and inner paths 58, 60 lies within about 25 degrees (degrees) of the combustion chamber axis. Specifically, FIG. 10 shows that the mechanical structure of the present invention, when viewed in the direction of rotation of the crankshaft, has an oval outer and inner path 58 (see FIG. 5) at one point spaced by a predetermined angle of about 25 degrees 0.0 > 60, < / RTI > 10, position A 'shows the piston at the initial start of the expansion stroke, i.e., the top dead center position, and other related mechanical components of the present invention, as compared to U.S. Patent No. 5,927,236, It can be seen that it still produces a significantly enlarged mechanical crank arm. Moreover, a further advantage gained by this structure is that the position of the piston at the end of the exhaust stroke and at the beginning of the intake stroke is located at a predetermined distance below the top dead center position, as indicated by position E 'in Fig. By selective orientation of the mechanical structure in this manner, the combustion chamber can maintain a predetermined volume of exhaust gas at the start of the intake stroke, which contributes to reducing harmful emissions from the engine.

캠 암의 길이(46) 대 크랭크 암의 길이(50)의 비율의 선택적 변경으로 인해, 흡기 행정의 말기에 연소실 내의 체적 용량 및 압축 대 팽창 비율의 관련된 기능적 변수를 선택적으로 변화시킬 수 있다는 것이 또한 밝혀졌다. 예를 들면, 캠 암 길이는 크랭크 암의 길이의 적어도 약 20% 내지 크랭크 암의 길이의 약 100%에서 변화될 수 있다는 것이 고찰된다. 이와 같은 변동은 베어링 부재(48)의 외부 및 내부 베어링 표면(40, 42)의 치수 및 편심 관계를 변화시켜 상이한 선택된 크랭크 암(50) 및 상이한 선택된 캠 암(46)을 얻음으로써 달성될 수 있다. 도 12는 20 퍼센트(%)의 증가분으로 캠 암 대 크랭크 암 비율을 선택적으로 변화시킬 때 접합점(52)(즉, 커넥팅 로드(24)의 축선(74))이 운동하는 외부 및 내부 타원형 경로(58, 60) 내의 구성에서 생성되는 상대적 변화 및 상대적 차이(크기 및 형상)를 개략적으로 도시한다. 도 13의 도표는 이와 같은 변화에 의해 영향을 받은 변수를 위한 비교 데이터를 수집한 것이다. 특히, 이 도표에 수집된 데이터는 1000 cc 배기량의 엔진, 즉 일정한 1000 cc 흡입 사이클 및 일정한 10:1의 압축비(불꽃 점화식 연소를 사용하는 엔진의 경우) 또는15:1의 압축비(압축 점화식 엔진의 경우)를 갖는 엔진을 가정한다. 전체적으로, 도표는 캠 암 대 크랭크 암 비율의 증가는 연료 소비량(갤런당 이동 마일 수) 및 토크의 면에서 1000 cc 배기량의 종래의 엔진에 비해 상당한 이점을 달성한다는 것을 설명한다. 예를 들면, 이와 같은 1000 cc 엔진에서 70%의 캠 암 대 크랭크 암 비율의 경우, 엔진은 1739 cc의 팽창 용량을 달성하고, 10:1의 압축비에서 16.7:1의 팽창 비율이 달성된다. 사실상, 이러한 구성의 본 발명에 따른 1000 cc 엔진은 1739 cc 엔진의 토크 및 마력 출력을 생성하지만 종래의 1000 cc 엔진과 동일한 양의 연료를 소비한다.It is also noted that due to the selective change in the ratio of the length 46 of the cam arm to the length 50 of the crank arm it is possible to selectively change the relevant functional parameters of the volume capacity and compression to expansion ratio in the combustion chamber at the end of the intake stroke It turned out. For example, it is contemplated that the cam arm length may vary from at least about 20% of the length of the crank arm to about 100% of the length of the crank arm. This variation can be achieved by varying the dimension and eccentric relationship of the outer and inner bearing surfaces 40 and 42 of the bearing member 48 to obtain different selected crank arms 50 and different selected cam arms 46 . Figure 12 shows the outer and inner elliptical path (s) in which junction point 52 (i.e., axis 74 of connecting rod 24) moves when selectively changing the cam-to-crank arm ratio in 20 percent (% (Size and shape) generated in the configurations in the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, and tenth embodiments. The chart of FIG. 13 is a collection of comparison data for the variables affected by these changes. In particular, the data collected in this chart show that a 1000 cc displacement engine, a constant 1000 cc suction cycle and a constant compression ratio of 10: 1 (for engines using spark ignition combustion) or a compression ratio of 15: 1 Case). Overall, the chart illustrates that an increase in the cam-to-crank arm ratio achieves a significant advantage over conventional engines with 1000 cc displacement in terms of fuel consumption (number of miles traveled per gallon) and torque. For example, with a 70% cam-to-crank arm ratio in such a 1000 cc engine, the engine achieves an expansion capacity of 1739 cc and an expansion ratio of 16.7: 1 at a compression ratio of 10: 1 is achieved. In fact, the 1000 cc engine according to the present invention in this configuration produces the torque and horsepower output of the 1739 cc engine, but consumes the same amount of fuel as the conventional 1000 cc engine.

그러므로 본 기술분야의 당업자는 본 발명을 광범위하게 활용 및 적용할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 본 발명의 요지 또는 범위로부터 벗어나지 않는 한, 본 명세서에 설명된 것 이외의 본 발명의 많은 실시형태 및 개조 뿐만 아니라 많은 변동, 개조 및 등가의 구조가 본 발명 및 본 발명의 전술한 설명으로부터 명백하거나 합리적으로 제시될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 그것의 바람직한 실시형태에 관련하여 상세히 설명되었으나, 본 개시는 본 발명의 설명 및 예시에 불과하고, 본 발명의 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해 작성된 것임을 이해해야 한다. 전술한 개시는 본 발명의 제한하려는 목적을 갖지 않고, 또는 본 발명의 제한하거나, 아니면 임의의 이와 같은 다른 실시형태, 적합, 변동, 개조 및 등가의 구조를 배제하는 것으로 해석되어서는 안되고, 본 발명은 본 명세서에 첨부된 청구항 및 그 등가에 의해서만 제한된다. It will therefore be readily apparent to those skilled in the art that the present invention may be widely utilized and applied. Many variations, modifications, and equivalent structures as well as many of the embodiments and modifications of the invention other than those described herein are evident from the foregoing description of the invention and the present invention, It will be presented reasonably. Thus, while the present invention has been described in detail herein with reference to its preferred embodiments, it is to be understood that this disclosure is intended to be illustrative and exemplary of the invention only, and to provide a thorough understanding of the disclosure of the invention. The foregoing disclosure should not be construed as an attempt to limit the scope of the present invention or to exclude other embodiments, adaptations, variations, alterations, and equivalents of the present invention, Are only limited by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims

As an internal combustion engine,
An engine block defining a plurality of cylindrical combustion chambers each defining a combustion chamber axis,
A crankshaft mounted to the engine block to rotate about a crankshaft axis extending transversely to the combustion chamber,
A piston disposed in each combustion chamber to reciprocate along the axis of the combustion chamber, the internal combustion engine being operable in accordance with a four stroke cycle, the piston having an intake stroke for moving in a first direction, Wherein the piston is reciprocated in the combustion chamber through an expansion stroke that moves in the first direction, and an exhaust stroke that moves in the second direction, wherein the position of the piston at the end of the compression stroke and at the beginning of the expansion stroke is a top dead center Wherein the position of the piston at the end of the expansion stroke and at the beginning of the exhaust stroke is defined as bottom dead center,
A connecting rod pivotally mounted on each piston, and
And a mechanical assembly rotatably connecting each connecting rod to the crankshaft to convert the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the crankshaft,
The mechanical assembly includes a first gear member rotatably mounted on the engine block and a second gear member meshing with the first gear member,
The first gear member includes a cylindrical body having a pinion gear portion having gear teeth formed around the radially outer surface of the cylindrical body,
The second gear member
An annular body having a crown gear portion having gear teeth formed around a radially inner surface of an annular body, wherein the cylindrical body of the first gear member has a gear tooth portion of the pinion gear portion that engages with the gear teeth of the crown gear portion An annular body extending into said annular body,
A bearing portion protruding outward from the crown gear portion, the bearing portion having a first bearing surface formed on an outer surface of the bearing portion and a second bearing surface formed on an inner surface of the bearing portion, Wherein the crankshaft is mounted within the second bearing surface for rotation of the second gear member with the crankshaft and the connecting rod is rotated on the first bearing surface, 2 bearing surface rotates on said crankshaft,
The pinion gear portion of the first gear member and the crown gear portion of the second gear member have a gear ratio of 2: 1 so as to cause one rotation of the second gear member every two rotations of the crankshaft,
The second bearing surface is offset from the crankshaft axis to move in a circular path relative to the crankshaft axis to impose a constant mechanical crank arm on the crankshaft throughout the entire four stroke cycle of the engine,
Wherein the first and second bearing surfaces are spaced apart from each other by an offset distance such that the first bearing surface is movable between a first position and a second position on the crankshaft in order to apply a mechanical cam arm And alternately moves in the inner and outer elliptic paths about the crankshaft,
Wherein rotation of said second gear member with said crankshaft causes said crankshaft to rotate continuously over a four stroke cycle of said engine so as to vary the length of reciprocation of said piston through the entire four- And a combined effective crank arm corresponding to a vector sum of the cam arms on the crankshaft,
Wherein the first and second bearing surfaces of the second gear member
The cam arm has a length of 20% to 100% of the length of the crank arm,
At the top dead center, the cam arm is oriented at substantially 90 degrees relative to the crank arm,
At the top dead center, the crank arm is oriented at an angle preceding the combustion chamber axis,
Wherein the crank arm and the cam arm cooperatively operate to produce a positive torque on the crankshaft and wherein the positive torque is prior to the end of the compression stroke by a maximum of 20 degrees from the top dead center position of the piston And continues through the top dead center position of the piston toward the expansion stroke and during the expansion stroke,
At the end of the expansion stroke, each of the crank arm and the cam arm extends in alignment with the combustion chamber axis, and the cam arm extends outward from the crank arm, so that the longest A combined effective crank arm is formed,
At the end of the intake stroke, each of the crank arm and the cam arm extends in alignment with the combustion chamber axis, and the cam arm extends inward to overlap with the crank arm, so that during the four stroke cycle of the engine The shortest effective crank arm is formed,
Wherein the intake stroke and the compression stroke of the four stroke cycle of the internal combustion engine are shorter than the expansion stroke and the exhaust stroke,
Wherein a substantially constant compression ratio is maintained throughout the entire four-stroke cycle of the internal combustion engine,
Wherein the internal combustion engine is selectively constructed and dimensioned.

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