KR101729784B1

KR101729784B1 - 고효율 내부 폭발 엔진

Info

Publication number: KR101729784B1
Application number: KR1020107021682A
Authority: KR
Inventors: 더글라스 케이. 퍼
Original assignee: 더글라스 케이. 퍼
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2017-05-11
Also published as: CN105114170B; CA2716808C; JP2015072016A; JP5677858B2; BRPI0907796A2; US20130008408A1; US20150136067A1; CN105114170A; WO2009108954A2; US20090223483A1; KR20100130610A; EP2260191A2; CN102016264B; MX2010009494A; US8215280B2; CA2716808A1; CN102016264A; WO2009108954A4; JP2011513634A; US8857404B2

Abstract

본 발명은, 회전식 크랭크샤프트를 통해 동력 출력을 제공하기 위한 4-행정의 피스톤 동력식 내부 폭발('IE') 엔진을 제공한다. 상기 IE 엔진은 작동 피스톤을 수용하기 위해 내부에 형성된 동력 실린더를 구비한 엔진 블록과, 상기 크랭크샤프트를 지지하기 위한 베어링 수단과, 복수의 오프셋 동력 크랭크 및 엔진 블록의 외측을 연장하는 출력 단부를 구비한 베어링 수단 내에 지지되는 크랭크샤프트를 포함한다. IE 엔진은 또한 동력 크랭크에 작동식으로 결합되고 상기 작동 피스톤으로부터 동력을 전달하여 상기 크랭크샤프트를 회전시키도록 구성된 커넥팅 로드와, 동력 실린더 내에 수용되고 상기 동력 크랭크에 작동식으로 결합된 작동 피스톤을 더 포함한다. 각각의 작동 피스톤은 압축 챔버를 형성하도록 실린더 헤드에 인접하게 위치되는 헤드 단부를 구비하며, 압축 챔버 내에 위치된 공기 및 연료 혼합물의 압축된 체적의 폭발로부터 동력을 수용하고, 상기 커넥팅 로드로 수용된 동력을 전달하도록 구성된다. 또한, IE 엔진은 공기 및 연료 혼합물의 압축된 체적이 사실상 일정하게 유지되고, 압축 행정 동안의 TDC 위치 이전의 적어도 20˚의 회전식 크랭크샤프트의 각 위치로부터, 동력 행정 동안 그리고 데토네이션 이전의 TDC 위치 이후의 적어도 20˚의 각 위치까지 피크 압축비가 유지되도록 구성된다.

Description

고효율 내부 폭발 엔진{HIGH EFFICIENCY INTERNAL EXPLOSION ENGINE}

본 출원은 2008년 2월 28일자로 출원되고 발명의 명칭이 "고효율 내부 폭발 엔진"이며 본 명세서에서 전체적으로 참조로 포함되는 미국 가출원 제61/067,638호에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명의 분야는 일반적으로 왕복 피스톤 엔진, 즉 내연 기관에 관한 것으로, 특히 왕복 피스톤 내부 폭발 엔진에 관한 것이다.

대다수의 전통적인 내연(IC) 기관은 엔진이 상사점(TDC) 위치에서 피스톤(들) 및 크랭크샤프트과 공기 및 연료 혼합물의 종래 방식의 점화로 구성된다는 점에서 본질적으로 양분적인 문제점을 갖고 있다. 이러한 피스톤은 연소의 최상 조건에 있다 하더라도, 피스톤과 크랭크샤프트의 역학에 있어서 연소의 최악의 조건이 된다. 탄화수소 연소의 물리학 또는 화학의 관점에서, 예를 들어 TDC에서의 점화(firing)는, 공기 및 연료 혼합물의 최고의 압축이 실현될 수 있는 크랭크샤프트 레버 아암의 회전 위치 및 피스톤의 선형 위치가 되므로 가장 적절한 것으로 여겨진다. 이와 같이 여겨지는 휘발성 공기 및 연료 혼합물의 점화 및 후속의 연소를 위한 최적의 회전 위치는 소정량의 연료에 대한 계산된 에너지 양을 발생시키는 것으로 확인되었다.

다수의 종래의 IC 엔진에 있어서, TDC는 연소비가 그 피크에 있을 때 연소 효율면에서 최상의 회전 위치에 있는 경우에도, 이것은 크랭크 및 커넥팅 로드가 TDC에서 수직으로 일시적으로 정렬되어 단지 그 위치에서 최소량의 토크가 실현될 수 있는 연동 장치(linkage)를 기본적으로 "로크"하게 되므로, 기계적으로는 가장 비효율적인 회전 위치이기도 하다. 이러한 상태는 TDC를 지나 더 큰 모멘트의 아암을 갖는 각위치로 크랭크샤프트가 회전될 기회를 가질 때까지 계속된다. 결과적으로, 연소시에 발생되는 퍼텐셜(또는 이용가능한) 에너지의 상당 부분이 기계적 일로서 적용될 수 없게 되고, 대신에 엔진 냉각 시스템에 의해 흡수되거나 또는 불필요하게 낭비되고 고온 배기 가스로서 배출된다. 회수되지 못한 열로 인한 궁극적인 에너지 및 동력 손실의 결과로서, TDC에서 또는 TDC 근방에서 점화에 의한 IC 엔진의 현재의 4-행정 기능의 적용은 협소한 RPM 밴드 폭을 제외하고 상당량의 사용불능의 토크를 불리하게 산출시킨다.

종래 기술에 내재된 문제점 및 결함을 고려하여, 본 발명은 예컨대 회전하는 크랭크샤프트를 통해 동력 출력을 제공하는 피스톤 동력식 내부 폭발(IE) 엔진을 제공함으로써 이들을 극복하고자 한다. IE엔진은 복수의 작동 피스톤을 수용하기 위해 내부에 형성된 복수의 동력 실린더를 구비한 엔진 블록을 포함하며, 작동 피스톤은 지지 수단 내에 지지되며 각각 복수의 오프셋 동력 크랭크와 함께 작동하는 엔진 블록의 외측으로 연장된 출력 단부를 구비하는 각각의 크랭크샤프트과 함께 작동한다. IE엔진은 복수의 동력 실린더 내에 수용되며 동력 크랭크에 작동식으로 결합되는 작동 피스톤과, 작동 피스톤으로부터 동력을 전달하여 크랭크샤프트를 회전시키도록 구성된 동력 크랭크에 작동식으로 결합되는 커넥팅 로드를 더 포함한다. 각각의 작동 피스톤은 압축 챔버를 형성하도록 실린더 헤드에 인접 배치된 헤드 단부를 구비하고, 압축 챔버 내에 위치된 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물의 폭발로부터의 동력을 수용하고 수용된 동력을 커넥팅 로드로 전달하도록 구성된다. IE엔진은 또한 공기 및 연료 혼합물의 압축된 체적이 사실상 일정하고, 데토네이션(detonation, 폭발) 또는 점화 전에, 회전하는 크랭크샤프트의 압축 행정의 TDC 위치 이전에 적어도 20도의 각위치로부터 동력 행정의 TDC 위치 후에 적어도 20도의 각위치까지 피크 압축비가 유지되도록 구성된다.

본 명세서에 실시되고 널리 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 또한 회전하는 크랭크샤프트를 통해 동력 출력을 제공하는 피스톤 동력식 내부 폭발 엔진에 속한다. IE엔진은 복수의 작동 피스톤, 크랭크샤프트를 지지하는 지지 수단, 그리고 복수의 오프셋 동력 크랭크와 엔진 블록의 외측으로 연장된 출력 단부를 구비한 지지 수단 내에 지지된 크랭크샤프트를 수용하기 위해 내부에 형성된 복수의 동력 실린더를 구비한 엔진 블록을 포함한다. IE엔진은 동력 크랭크에 작동식으로 결합되며 복수의 동력 실린더 내에 수용되는 작동 피스톤과, 작동 피스톤으로부터의 동력을 전달하여 크랭크샤프트를 회전시키도록 구성된 동력 크랭크에 작동식으로 결합되는 커넥팅 로드를 더 포함할 수 있다. 각각의 작동 피스톤은 압축 챔버를 형성하도록 실린더 헤드에 인접 배치된 헤드 단부를 구비하며, 압축 챔버 내에 위치된 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물의 폭발로부터의 동력을 수용하고 수용된 동력을 커넥팅 로드로 전달하도록 구성된다. IE엔진은 또한, 각각의 동력 실린더가 선형 주행의 최상 위치에서 작동 피스톤에 의해 작동 피스톤의 헤드 단부와 실린더 헤드 사이의 사공간(dead space)의 체적으로 한정되는 압축 리저버 또는 챔버를 구비하고, 작동 피스톤의 헤드 단부의 선형 이동은 크랭크샤프트의 복수의 각위치를 통해 그리고 선형 주행의 최상 위치에 있는 시간 동안 정체되도록 구성될 수 있다. 즉, IE엔진은, 크랭크샤프트가 미리 결정된 복수의 각위치를 통해 회전함에 따라, 작동 피스톤이 최상 위치(피크 압축을 야기하는 위치)에 유지되도록 구성될 수 있다. 분명히, 크랭크샤프트의 운동은 정체되지 않고 다양한 의도된 사이클 또는 회전을 통해 연속적으로 회전한다.

또한, 본 명세서에 실시되고 널리 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 또한 회전하는 크랭크샤프트를 통해 동력 출력을 제공하는 피스톤 동력식 내부 폭발 엔진에 속하며, IE엔진은 크랭크샤프트를 지지하는 지지 수단, 그리고 동력 실린더의 실린더 헤드와 작동 피스톤의 헤드 단부 사이에 압축 챔버에 의해 작동 실린더/작동 유닛을 형성하도록 작동 피스톤을 수용하는 동력 실린더를 구비한 엔진 블록을 포함한다. IE엔진은 복수의 오프셋 동력 크랭크와 엔진 블록의 외측으로 연장된 출력 단부를 구비한 지지 수단 내에 지지된 크랭크샤프트과, 작동 피스톤으로부터의 동력을 전달하여 크랭크샤프트를 회전시키도록 구성된 동력 크랭크에 작동식으로 결합된 커넥팅 로드와, 동력 크랭크에 작동식으로 결합되고 복수의 동력 실린더에 수용되는 작동 피스톤을 더 포함할 수 있다. 작동 피스톤은 압축 챔버 내에 위치된 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물의 폭발로부터의 동력을 수용하고, 수용된 동력을 커넥팅 로드에 전달하도록 구성된다.

IE 엔진은 또한 각각의 작동 실린더/피스톤 유닛이 실린더 헤드와 작동하는 플로팅 피스톤 실린더(floating piston cylinder)를 포함하도록 구성될 수 있다. 플로팅 피스톤 실린더는 개방 단부 및 폐쇄 단부를 구비할 수 있고, 개방 단부는 압축 챔버와 유체 연통하고 그것과 연관된 밀봉면을 구비한다. 플로팅 피스톤은 플로팅 피스톤 실린더 내에 위치되며, 압축 챔버 내의 압력에 응답하여 개방 단부와 폐쇄 단부 사이에서 주행할 뿐만 아니라 연소 챔버로부터 플로팅 피스톤 실린더를 동적으로 분리하도록 구성될 수 있다. 플로팅 피스톤을 밀봉면에 대항하여 폐쇄 위치 쪽으로 편향시키도록 편향 장치가 구성될 수 있다. IE엔진은 또한, 작동 피스톤의 상향 변위에 의해 야기된 압축 챔버 내측의 상승압이 편향을 압도하고, 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물의 많은 부분이 동적으로 이동하여 플로팅 피스톤 실린더 내에 수용되도록, 실린더 헤드와 작동 피스톤의 헤드 단부 사이의 사공간의 체적이 플로팅 피스톤 실린더의 체적보다 작게 구성될 수 있다. 그 결과 압축 챔버 내측의 감압된 압력은 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물의 많은 부분이 압축 챔버 내로 복귀하는 것을 허용한다. 바람직하게, 이 동적인 이동이 발생함에 따라, 즉 압축된 체적의 공기 및 연료가 플로팅 피스톤 실린더 내외로 이동함에 따라, 압축 체적 및 피크 압축비는 데토네이션 또는 점화 이전에 사실상 일정하게 유지된다. 또한, 논의된 방식으로 이동됨에 따라 공기 및 연료 혼합물의 개선된 혼합이 발생한다.

본 발명의 특징 및 잇점은 첨부 도면과 함께 이어지는 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 이 도면은 단지 본 발명의 대표적인 실시예들을 묘사하며, 범주를 한정하는 것으로 고려되어서는 않된다. 또한, 본 명세서의 도면에 도시되고 설명된 바와 같이, 본 발명의 구성은 폭넓은 다양한 다른 구성으로 배치 및 설계될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 첨부 도면을 사용하여 추가로 상세하고 구체적으로 설명된다.
도 1은 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 내부 폭발(IE) 엔진의 하부 엔진 블록의 분해 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 상부 엔진 블록의 분해 사시도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 실시예에 따른 조립된 엔진 블록의 전방 및 측면 단면도를 함께 도시한다.
도 4a 내지 도 4e는 도 1의 실시예에 따른 IE 엔진의 4 행정의 시퀀싱의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 또 다른 대표적인 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정의 시퀀싱의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 6은 도 5의 실시예에 따른 압축 및 동력 행정 중에 플로팅 피스톤 변위 대 IE 엔진의 크랭크 각을 도시하는 그래프이다.
도 7은 도 5의 실시예에 따른 압축 및 동력 행정 중에 체적비 대 IE 엔진의 크랭크 각을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 동력 행정 중에 압축 챔버 내의 내부 압력 대 IE 엔진의 크랭크 각을 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 동력 행정 중에 압축 챔버 내의 내부 온도 대 IE 엔진의 크랭크 각을 도시하는 그래프이다.
도 10은 피스톤의 사인 곡선 운동 중에 토크 대 IE 엔진의 크랭크 각을 도시하는 그래프이다.
도 11a 내지 도 11d는 도 5의 실시예에 따른 IE 엔진의 플로팅 피스톤의 시퀀싱의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 또 다른 대표적인 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정의 시퀀싱의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 또 다른 대표적인 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정의 시퀀싱의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 14a 내지 도 14b는 본 발명의 또 다른 대표적인 실시예에 따른 "CRAM" 연동 장치를 구비한 조립된 IE 엔진 블록의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 15a 내지 도 15b는 도 14의 실시예에 따른 대표적인 CRAM 연동 장치의 사시도를 함께 도시한다.
도 16a 내지 도 16i는 도 14의 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정의 시퀀싱의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 또 다른 대표적인 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정의 시퀀싱의 일련의 단면도를 함께 도시한다.
도 18a 내지 도 18f는 본 발명의 일 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정을 통한 시퀀싱 중에 또 다른 대표적인 CRAM 연동 장치의 사시도와, 그의 단면도를 함께 도시한다.
도 19a 내지 도 19f는 본 발명의 일 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정을 통한 시퀀싱 중에 또 다른 대표적인 CRAM 연동 장치의 사시도와, 그의 단면도를 함께 도시한다.
도 20a 내지 도 20f는 본 발명의 일 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정을 통한 시퀀싱 중에 또 다른 대표적인 CRAM 연동 장치의 사시도와, 그의 단면도를 함께 도시한다.
도 21a 내지 도 21f는 본 발명의 일 실시예에 따른 IE 엔진의 압축 및 동력 행정을 통한 시퀀싱 중에 또 다른 대표적인 CRAM 연동 장치의 사시도와, 그의 단면도를 함께 도시한다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 밸브 캠의 측단면도를 함께 도시한다.
도 23a 내지 도 23c는 도 22의 각 실시예에 따른 밸브 조립체와 밸브 캠의 측단면도를 함께 도시한다.

일예로서 본 발명이 실행될 수 있는 실시예를 묘사하고 그 일부를 형성한 첨부 도면을 참조하여 이하 본 발명을 상세하게 설명한다. 이러한 대표적 실시예는 이 기술분야의 당업자가 본 발명을 실시하기에 충분히 상세하게 설명되며, 다른 실시예도 실현될 수 있고 본 발명에 대한 다양한 변경이 본 발명의 사상 및 범위 내에서 이루어질 수 있다는 점을 알아야 한다. 이와 같이, 이하의 본 발명의 대표적 실시예의 보다 상세한 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 특성 및 특징을 설명하고 이 기술 분야의 당업자가 본 발명을 충분히 실시할 수 있도록 단지 도시를 위해 제공된다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부한 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

대표적인 실시예에서, 본 발명은 엔진 크랭크가 보다 기계적으로 유익한 위치로 회전될 때까지 연소식 반응의 개시 및 엔진 내부 폭발("IE")의 작동 피스톤으로의 반응의 연속 적용을 지연시키기 위한 시스템 및 방법을 설명하며, 폭발식 반응을 조장하고 용이하게 한다. 내부 폭발식 반응은 상사점(TDC)에서 연소를 개시하는 전형적인 내부 연소("IC") 엔진보다 연료의 BTU 당 많은 일을 수행하고 많은 토크를 생성할 수 있어, 엔진의 동력 출력을 증가시키면서 효율도 증가시킨다.

다른 대표적 실시예에서, 본 발명은 크랭크 위치의 범위에서 피크 압축비와 같은 일정한 체적 압축비로 왕복 피스톤 엔진의 압축 공기 및 연료 혼합물을 유지시키고, 작동 피스톤이 상사점 위치를 통과하고 엔진 크랭크가 최종 폭발 반응 생성물을 TDC에서 연소하는 종래의 IC에 비해 많은 일을 수행하고 많은 토크를 발생시키게 하는 보다 기계적으로 유익한 위치로 회전될 때까지 압축 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션을 지연시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일 태양에서, 공기 및 연료 혼합물의 압축 체적을 일정한 체적 및 양호한 압축비로 유지시키기 위한 시스템 및 방법은 플로팅 피스톤 실린더 및 플로팅 피스톤을 포함할 수 있다. 다른 태양에서, 상기 시스템 및 방법은 반구형 또는 "절반(hemi)" 동력 실린더 헤드를 갖는 "CRAM" 연동 장치를 포함할 수 있다. 또 다른 태양에서, 이들 시스템은 이하 보다 상세하기 설명하는 바와 같이 함께 조합될 수 있다.

또 다른 대표 실시예에서, 본 발명은 폭발 반응의 피크 압력 및 온도를 저감시키고 동력 행정 중에 생성된 토크 및 일을 증가시키기 위해, 데토네이션에 의해 생성된 반응 생성물을 플로팅 피스톤 실린더에 일시적으로 축적하고 크랭크가 기계적으로 유익한 위치의 범위에서 회전되는 동안 반응 생성물을 동력 실린더로 계속해서 방출하는 시스템 및 방법을 포함한다. 일 태양에서, 반응 생성물을 축적하기 위한 시스템 및 방법은 플로팅 피스톤 실린더 내에서 이동가능하고 대향 가스 충전에 의해 편향된 플로팅 피스톤을 포함할 수 있다. 또 다른 태양에서, 시스템 및 방법은 플로팅 피스톤 실린더 내에서 이동 가능하고 기계식 스프링에 의해 편향된 플로팅 피스톤을 포함할 수 있다.

또 다른 대표적 실시예에서, 본 발명은 동력 행정 중에 생성된 토크 및 일을 더욱 증가시키기 위해 반응 생성물의 피크 온도를 감소시키고 피크 압력을 더욱 증가시키도록 데토네이션 전에 공기 및 연료 혼합물에 물 마이크로-액적을 주입하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다.

다른 대표적 실시예에서, 본 발명은, 밸브 개방 또는 폐쇄의 속도 및 시간을 변경하고 1개보다 많은 밸브가 동시에 개방되게 하도록, 흡기 및 배기 밸브를 작동시키기 위해 밸브 리프터(lifter)에 대해 가압하는 다양한 밸브캠의 프로파일을 변경시키고 밸브가 개방된 시간 또는 각도를 이루는 윈도우를 연장하도록 작용할 수 있는 시스템 및 방법을 더욱 포함한다.

본 발명의 각각의 실시예에서, 내부 폭발 엔진은 종래의 왕복 피스톤 IC 엔진보다 현저한 이점을 제공할 수 있고, 이들 몇 개는 본 명세서 및 이하의 상세한 설명에서 언급한다. 예를 들어, 작동 피스톤이 상사점을 통과하고 엔진 크랭크가 (TDC를 지난 35도와 같이) 보다 기계적으로 유익한 위치로 회전될 때까지 압축 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션을 지연시키는 것은 공기 및 연료 혼합물의 표준 연소식 반응이 폭발식 반응으로 변환될 수 있는 위치로 동력 연동 장치(power linkage)(예로써, 작동 피스톤, 커넥팅 로드 및 동력 크랭크)의 저항을 저감시킬 수 있다. 이러한 신속 팽창 및 보다 완전한 형태의 반응은 연료의 BTU당 폐생성물이 종래의 IC 엔진 및 평범한 연소식 반응에 비해 작은 상태에서 저온에서 보다 큰 동력(예로써, 압력)을 생성할 수 있다. 본 발명의 폭발 엔진에 의해 제공된 기계적으로 유익한 위치는 최종 반응 생성물이 표준 IC 엔진에 비해 연료의 BTU당 보다 많은 토크를 생성하고 많은 일을 수행할 수 있게 한다.

본 명세서에서 사용한 용어 "연소(combustion)"는 작은 액체 탄화수소 액적 또는 탄화수소 증기와 산소를 혼합한 이후에 팽창이 즉각적으로 가능하지 않은 물리적 환경에서의 점화로 이어지는 종래의 공정을 지칭할 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어 "폭발"은 산소와 작은 액체 탄화수소 액적 또는 탄화수소 증기(및 물 액적 또는 증기)를 혼합하고, 팽창이 용이하고 가능하게 된 물리적 환경에서 혼합물을 데토네이션하는 것을 지칭할 수 있다.

용어 "내부 폭발 엔진" 또는 "IE 엔진"은, 본 명세서에서 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용이-이동가능한 작동 피스톤에 대한 생성물 기체의 급속-팽창을 허용하여 저온에서 큰 압력을 생성하는 폭발형 급속-팽창 반응을 유발하도록 피스톤이 TDC 위치를 충분하게 지난 상태에서 데토네이션하도록 구성된 왕복 피스톤형 엔진을 지칭할 수 있다. 동력 연동 장치의 더욱 유리한 모멘트각(moment angle) 및 TDC 기계적인 로크(lock)가 없는 경우, 피스톤 헤드의 비교적 낮은 저항은 연소 챔버 내부로부터의 거의 즉각적인 폭발에 대한 기회를 생성한다.

IC 반응으로부터 IE 반응으로의 변화 뒤에 있는 원리는 다음과 같이 설명될 수 있다. 4-행정 왕복 피스톤형 IC 엔진의 하강 흡기 행정 동안, 연료 및 공기는 흡기 매니폴드를 통해 공급되어 기화 또는 연료 분사 시스템에 의해 함께 혼합되고 흡기 밸브가 개방됨에 따라 실린더 내로 진공에 의해서 흡기된다. 흡기 행정의 말기 및 압축 행정의 초기에서, 작동 피스톤은 실린더 내의 하사점(이하 "BDC")에 위치된다. 그 다음의 상향 압축 행정 동안 공기 및 연료 혼합물은 작동 피스톤의 상부면과 동력 실린더의 폐쇄된 헤드 사이의 체적의 감소에 의해 압축된다. 동력 실린더의 헤드는 "연소 챔버"로 알려진 작은 물리적인 또는 체적 구역을 제공하고, 가솔린 엔진에서 이 연소 챔버는 통상 작동 피스톤이 BDC에 있을 때의 실린더의 배기량의 약 1/10이다. 크랭크샤프트가 이의 사인 곡선 경로(sinusoidal path)를 따라 180도 회전함에 따라, 작동 피스톤은 TDC를 향해 이의 선형 경로를 따라 이동하고, 이 TDC에서 공기 및 연료 혼합물은 대략 10기압 또는 이의 원래 주변 압력의 체적의 10배와 같은 이의 최대 압축[공업계에서 "압축비(compression ratio)"라는 용어로 공지되어 있음]에 도달한다. 고성능 가솔린 엔진 및 디젤 엔진에 대한 압축비는 더 높을 수 있고, 7:1보다 낮은 비율의 공기 및 연료 혼합물은 점화시에 연소하지 않을 수도 있고, 또는 연소가 일어나더라도 결과적인 팽창 압력이 피스톤에 가해질 때 효력이 없을 수도 있다.

가장 표준적인 IC 엔진 점화는 혼합물의 가장 효과적인 "버닝(burn)"을 보장하기 위하여 작동 피스톤이 TDC에 있고 공기 및 연료 혼합물이 최대 압축된 순간에 일어난다. 그러나, 상술된 바와 같이, TDC에서 발견되는 최소 연소 챔버 체적이 화학적 점화에 가장 유리할지라도, TDC에서 피스톤 및 크랭크의 각위치는 일(work)의 추출(extraction)에 대한 최악의 가능한 기계적인 배치를 유발한다. 이는 동력 연동 장치의 피봇 조인트부가 모두 수직 방향으로 정렬되어, 동력 연동 장치의 구성부품에 고장 없이 연소 압력의 세기에 관계없이 어떠한 운동도 실현될 수 없는 자연적인 높은 저항 또는 유효한 "로크"를 생성하기 때문이다. 기술 분야의 숙련자에 의해서 이해될 수 있는 바와 같이, 엔진 내부에서 이용가능한 일은 동력 연동 장치의 운동 없이는 발생될 수 없고, 따라서 연소 에너지가 추출될 수 있기 전에 더욱 유리한 "모멘트각"으로 크랭크가 회전하는 것을 기다려야만 한다.

표준적인 IC 엔진에서 일을 발생시키는 프로세스는 크랭크가 이의 사인 곡선 경로를 따라 보다 유리한 "모멘트각"으로 이동하는 데 요구되는 시간이 공기 및 연료 혼합물의 연소 동안 생성되는 유효 압력 스파이크의 지속 시간보다 더욱 크기 때문에 더욱 영향을 받을 수 있다. 일에 대해 원래 입수 가능한 퍼텐셜 에너지의 추정된 70％ 내지 75％가, 특히 엔진 공회전 시에 일반적인 것과 같이 낮은 크랭크 회전 속도에서, 크랭크가 더욱 유리한 모멘트각으로 회전하기를 기다리면서 손실될 수 있다. 이와 같이, 표준적인 또는 일반적인 IC 엔진은 연소에서 잠재적인 또는 입수가능한 에너지의 많은 양을 이용가능한 일 에너지로 전환할 수 없기 때문에 덜 효율적이다. 대신에, 입수가능한 일 에너지는 열로 손실 및 낭비되어, 더 높고 더 효율적인 비율의 에너지가 일로 전환되는 경우에 비해 IC 엔진이 더 고온에서 작동하게 하고 더 적은 출력 또는 토크를 생성하게 한다. 더욱 구체적으로, 일로 팽창할 수 없기 때문에, 에너지는 대신 과도한 열로 전환되어 엔진의 냉각 시스템을 통해 소멸되거나 고온의 배기 가스의 형태로 배출된다. 부가적으로, 불완전 연소 및 과도한 열은 모두 혼합물 중의 질소를 산화시켜서 질산화물을 생성할 수 있고, 온도가 수 밀리세컨드 동안 화씨 1,200도 초과에서 유지되는 "폐쇄된(closed)" 연소 챔버 내에 탄화수소 화합물(hydrocarbon chemicals)이 유지된 결과로서 과도한 일산화탄소의 바람직하지 못한 생성으로 이어질 수도 있다.

게다가, TDC에서 엔진의 동력 연동 장치에 가해지는 기계적 및 열적 스트레스 및 그 때 일어나는 기계적인 로크는 아주 높을 수 있고 시간이 흐름에 따라 조기 마모, 베어링 고장, 커넥팅 로드 휨 및 작동 피스톤 파손 등을 초래할 수 있다.

기술 분야의 숙련자는 점화 순간 즉각적인 기계적 팽창이 가능할 때 탄화수소 연료는 산소와 결합하여, 연소하지 않고, 폭발하거나 폭발형 반응을 더 많이 생성할 것이라는 것을 알 것이다. 연소의 국한적인 물리적 조건(confining physical conditions)에 비해, 현저하게 큰 압력이 기체 탄화수소 또는 원자화된 액체 탄화수소의 데토네이션 또는 점화 시에 발생될 수 있고, 연료는 급속 팽창하는 폭발 반응 동안 완전히 자기-소비(totally self-consumed)되기 더욱 쉽다. 또한, 폭발형 화학 반응이 연소형 반응보다 훨씬 짧은 시간에 걸쳐서 일어난다는 것을 알 것이다. 예컨대, 데토네이션 시에 자유롭게 팽창하는 것이 허용되는 기화된 탄화수소 및 산소의 폭발성 혼합물은 마이크로초(micro-seconds) 또는 일부 경우 나노초(nanoseconds)로 측정되는 압력 및 온도 스파이크를 실현할 수 있다. 반대로, 기화된 탄화수소 액적(carbureted hydrocarbon droplets)의 점화는 밀리세컨드로 측정되는 "버닝 기간(burn duration)"을 가질 수 있고, 이는 수백배 내지 수천배 느릴 수 있다. 이 비교는 "증기 폭발" 대 "액적 연소"로서 지칭될 수 있다.

표준 IC 엔진의 구성 요소는 TDC에서 동력 연동 장치에서 피봇식 조인트의 순간적이고 효과적으로 "로크된(locked)" 배열로 인해 신속 버닝(faster-burning) 또는 폭발식 반응으로부터의 손상에 더욱 민감해 질 수 있다. 결과적으로, 엔진의 응력 레벨을 감소시키고 기계적 구성 요소의 장기간 신뢰성을 증대시키도록 연료/공기 혼합물의 보다 느린 버닝을 더욱 용이하게 하기 위해 엔진 제조 산업에 있어서의 당업자에 의해 연소 계획이 발전되어 왔다. 이는 통상적으로, 액체 탄화수소 연료를 완전 증발된 탄화수소 증기 분자보다 수천 배 큰 액적으로 기화시키거나 분무함으로써 표준 IC 엔진에서 달성된다.

표준 IC 엔진에 비교하여, 본 발명의 IE 엔진은, 주 피스톤(primary piston)의 TDC 위치를 뒤따르는 소정의 크랭크 위치의 범위를 통해 일정한 압축 체적/원하는(예컨대, 피크) 압축비를 유지하고, 작동 피스톤이 상부 TDC 위치를 통과하여 엔진 크랭크 및 커넥팅 로드가 더욱 기계적으로 유리한 위치로 이동할 때까지 압축된 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션 또는 점화를 지연시킨다. 동력 연동 장치의 개선된 배열은, 폭발 반응 에너지에 즉각적으로 반응하여 일로 전환하게 함으로써, 폭발식 반응에서 형성된 초기 피크 압력 및 온도가 연소식 반응에서 나타나는 것보다 실질적으로 높을 수 있음에도 불구하고, 기계적인 구성 요소에 부여된 응력을 감소시킨다.

따라서, 우선 본 발명은, 복수의 크랭크 위치 위로 유지되는 공기 및 연료 혼합물의 높은 또는 균일한 피크 압축(high or even peak compression)으로부터 연소 챔버의 즉각적인 팽창을 허용함으로써, 내부 반응을 (상대적으로) 느린 버닝 연소로부터 신속 팽창, 신속 버닝 폭발로 바꿀 수 있음을 알 수 있다. 둘째로, 데토네이션 순간의 IE 엔진의 동력 연동 장치의 개선된 배열은 기계적 구성 요소로의 저감된 응력 레벨과 저온에서 보다 큰 동력(예컨대, 압력)을 생성하기 위해 증가된 반응 에너지를 유용한 기계적 일로 즉각적이고 유리하게 전환할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예의 다른 장점은, 압축 챔버 내의 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션 시 플로팅 피스톤 실린더로 반응 생성물의 순간적인 축적이다. 압축 챔버로부터 플로팅 피스톤 실린더로의 반응 가스의 이러한 축적은, 작동 피스톤으로 반응 에너지의 순간 저장 및 지연된 방출, 압축된 공기 및 연료 혼합물의 신속 팽창 폭발식 반응 중에 발생된 보다 높은 압력을 수용하기 위한 증가된 능력, 및 추가적인 팽창의 결과로서 반응의 피크 압력 및 온도의 감소를 포함하는 여러 잇점들을 가질 수 있다. 축적과 같은 분야의 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 상술한 지연된 데토네이션/일정(예컨대, 피크 또는 원하는) 압축비/일정 체적의 공기 및 연료 혼합물 시나리오에 의해 동시에 적용될 때, 보다 긴 모멘트 아암에 인가된 증가된 압력은 IE 엔진으로부터 보다 큰 토크 및 동력 출력을 더 제공할 수 있다.

각각의 상술한 장점들은 이하에 진술되는 상세한 설명에 의해 명백해지고, 첨부된 도면을 참조하여 잘 이해될 수 있을 것이며, 본 발명의 요소 및 특징부는 전체적으로 도면 부호로 나타낸다. 이들 장점은 임의의 방식으로 제한하려는 것을 의미하지 않는다. 실제로, 당업자는 본 발명을 실시할 때 본 명세서에서 구체적으로 나열된 것 이외의 다른 장점들이 실현될 수 있음을 인지할 것이다.

도 1, 도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명의 대표적인 일 실시예에 따른 고효율 내부 폭발("IE") 엔진(10)이 도시되어 있다. IE 엔진의 엔진 블록(20)의 부분 전개 사시도가 도 1에 도시되어 있고, 엔진 헤드(50)의 부분 전개 사시도가 도 2에 제공된다. 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이, 주요 동력 구성 요소, 즉 크랭크샤프트(30), 커넥팅 로드(44) 및 작동 피스톤(40)을 함께 모으고 보조 엔진 구성 요소의 호스트를 구비할 때, 엔진 블록(20) 및 엔진 헤드(50)는 전형적인 3-실린더 4-사이클 내부 폭발 엔진(10)을 형성하도록 함께 조립될 수 있다. 설명 및 시험 목적용으로 유용하지만, 도 1, 도 2 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 3 실린더, 4-사이클 IE 엔진 구성은 임의의 방식으로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 IE 엔진은 임의의 개수의 실린더를 갖고 또한 2-사이클 또는 4-사이클 변동을 포함하는 왕복식 피스톤 엔진을 성공적으로 채택할 수 있음을 이해해야 한다.

도 1을 참조하면, 엔진 블록(20)은 주로 크랭크샤프트(30)을 수용하기 위한 베어링면(22)과, 커넥팅 로드(44)에 의해 크랭크샤프트에 결합된 하나 이상의 작동 피스톤(40)을 수용하기 위한 하나 이상의 정밀 원통형 격실(24)을 갖는 구조물로서 역할을 한다. 도시한 바와 같이, 전형적인 IE 엔진(10)은 다수의 스로우(throw) 또는 동력 크랭크(32)를 갖는 크랭크샤프트(30)를 포함할 수 있으며, 각각의 크랭크는 커넥팅 로드(44)의 하부 단부에 형성된 로드 베어링(46)과 결합하는 저널면(34)을 구비할 수 있다. 리스트 핀(wrist pins)(48)은 작동 피스톤(40)과 커넥팅 로드를 함께 더욱 부착하기 위해 커넥팅 로드의 상부 단부에 형성될 수 있어, 작동 피스톤의 상부면 또는 표면(42)이 압축 챔버(60)의 하부 경계를 형성한다. 크랭크샤프트(30)은 오프셋 크랭크, 왕복식 커넥팅 로드(44) 및 작동 피스톤(40)의 중량의 균형을 맞추기 위해 동력 크랭크(32)의 대향 위치에 크랭크샤프트(30)에 형성되거나 별도로 부착되는 다수의 카운터웨이트(36)를 더 포함할 수 있다. 커먼 오일 팬 커버(common oil pan cover)(28)는 엔진 블록 내에 필요한 윤활유를 함유하는 유밀식 오일 시일(fluid-tight oil seal)을 구비한 엔진 하부 블록(20)의 저부(bottom)에 부착될 수 있다.

작동 피스톤(40)의 상부면(42), 동력 실린더 격실(24) 및 실린더 헤드(54)(도 3a 참조)는, 폭발 반응이 발생하는 압축 챔버(60)의 저면, 측면 및 상면을 각각 형성하는 역할을 할 수 있다. 게다가, 작동 피스톤(40), 커넥팅 로드(44) 및 오프셋 동력 크랭크(32)는 폭발 반응으로부터의 에너지 및 동력을 회전 크랭크샤프트(30)으로 전달하는 기능을 하는 각 엔진 스로우 또는 실린더용의 동력 연동 장치(18)를 함께 형성할 수 있다. 당업자는, 하나 이상의 동력 크랭크(32), 커넥팅 로드(44), 작동 피스톤(40) 및 원통형 격실(24)이 이하 더욱 상세히 설명되는 IE 엔진의 특정 실시예에 따라 수정 또는 변경될 수 있다는 것을 인지할 것이다.

엔진 블록(20)은 주로 동력 구성요소를 지지하기 위한 케이싱의 역할을 하지만, 도 2에 도시된 엔진 헤드(50)는 몇몇 보조적인 엔진 부품의 지지 및 구속을 위한 구조물의 역할을 할 수 있다. 이들 구성요소는 흡입 포트(64) 및 흡입 밸브(62), 배기 포트(68) 및 배기 밸브(66), 연료 인젝터(72), 자유 회전 캠샤프트(70), 헤드 본체(52)의 상부에 부착된 헤드 커버(56), 및 스파크 플러그(58)를 포함한다. IE 엔진의 다른 보조적인 구성요소(도 4e 참조)는 크랭크샤프트(30)에 부착된 스프로켓 풀리 또는 기어 풀리(92), 캠샤프트(70)에 부착된 스프로켓 풀리 또는 기어 풀리(94), 및 크랭크샤프트 및 캠샤프트 스프로켓 모두와 또는 기어 풀리들과 자유롭게 맞물려 도시된 4-사이클 IE 엔진(10)을 위해 예를 들어 2:1의 정확한 타이밍 비율로 캠샤프트 또는 밸브 실린더를 구동하는 채인 또는 기어 벨트(96)를 포함한다.

엔진 헤드(50)는 또한 본 발명에 있어서 독창적인 추가의 구성요소를 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 이들 구성요소는 엔진 블록(20)에 제공된 작동 피스톤 원통형 격실(24)을 향해 구멍이 형성되거나 공통인 교차부를 형성하도록 배치된 헤드 내의 플로팅 피스톤 원통형 격실(84); 헤드 내의 원통형 격실(84) 내에 설치되고 자유롭게 횡단 가능한 비작동 피스톤(80)(이하 "플로팅 피스톤"); 블록 내의 작동 피스톤 원통형 격실(24)과 헤드 내의 플로팅 피스톤 원통형 격실(84) 사이의 연결을 제공하는 하드-파이프(88); 헤드의 측벽에 장착되고 흡입 밸브(62)에 인접한 연료 인젝터(72); 흡입 매니폴드(64)에 장착된 물 인젝터(76)로서 사용되는 연료 인젝터; 각각의 플로팅 피스톤(80)을 위해 헤드 본체(52)에 설치된 주철 라이너(82); 연료 인젝터에 액체 연료를 공급하기 위한 연료 레일(74)(단면으로 도시됨); 및 물 인젝터에 물을 공급하기 위한 워터 레일(78)을 포함한다.

저널, 베어링, 핀, 라이너, 슬리브, 가이드, 링, 실, 시트, 개스킷, 패스너, 및 카뷰레이션 구성요소와 같은 IE 엔진 및 기타 조립체 등의 전체적인 기능에 기여하는 다른 다양한 구성요소 및 부품들이 고려될 수 있다. 이들 구성요소들 중 일부는 도면에 도시될 수 있지만, 설명 및 논의의 용이함을 위한 표시되지 않는다.

도 4a 내지 도 4d는 4-사이클 폭발 엔진의 4개의 행정을 각각 도시하는 예시적인 IE 엔진의 능동 구성요소들의 개괄적인 도면이다. 도 4a는 예를 들어 동력 연동 장치(18)의 평형추(36)가 하방으로 회전하는 한편 피스톤(40)이 압축 행정 동안 동력 실린더 격실(24) 내에서 상방으로 직선 운동하는 것을 도시한다. 연료와 공기(물도 가능함)의 혼합물이 압축 챔버(60)의 감소하는 체적 내에서 신속히 압축되고 있으며, 압축 챔버는 엔진 헤드(50)의 고정된 헤드 표면(54)에 의해 상부 경계가 형성되며, 플로팅 피스톤 실린더(84)의 하부에 플로팅 피스톤(80)이 위치한다. 배기 가스와 같은 가압 가스의 미리 결정된 충전량이 플로팅 피스톤(80) 위의 플로팅 피스톤 실린더(84)의 체적을 채울 수 있고, 아래에 기술된 바와 같이 소정의 압축비를 가져오는 일정한 임계 압력이 도달될 때까지, 아래의 압축 챔버(60) 내의 증가하는 압력에 응답하여 플로팅 피스톤이 이동하는 것을 막는 반작용 힘을 가하도록 충분히 그리고 선택적으로 가압될 수 있다.

동력 행정이 도 4b에 도시되어 있으며, 여기서 피스톤은 압축 챔버(60) 내부의 연료 및 공기의 폭발 점화에 응답하여 하방으로 가압된다. 폭발시에 발생된 압력은 플로팅 피스톤(80) 위의 체적을 채우는 가압 가스의 충전물을 극복하기에 충분할 수 있고, 따라서 플로팅 피스톤은 플로팅 피스톤 실린더(84) 안으로 상방 변위될 수 있고 위아래에서 작용하는 압력 사이에서 또는 플로팅 피스톤의 대향 측면들 사이에서 평형에 도달할 때까지 충전 가스를 압축할 수 있으며, 그 후 플로팅 피스톤은 작동 피스톤과 얼마간 동조된 방식으로 하방 이동할 수 있다.

도 4c는 배기 행정 동안의 IE 엔진의 능동 구성요소를 도시하며, 여기서 캠 샤프트(70)의 로브(lobe)는 하방으로 회전하여 배기 밸브(66)를 밀어서 개방하고 작동 피스톤이 상방으로 이동하여 배기 포트/매니폴드(68)의 배기 가스를 밀어낸다. 도 4d에서, 캠 샤프트(70)는 배기 밸브를 해제하고 흡입 밸브(62)를 개방하기 위해 크랭크샤프트(30)와 시기를 맞추어 계속 회전할 수 있고, 따라서 작동 피스톤(40)이 동력 실린더 격실(24) 내에서 하방으로 이동하여 가스 및 액체 연료/물의 현탁된 액적이 압축 챔버(60) 내로 흡입됨에 따라 새로운 연료 및 공기(물도 가능함)의 충전물이 흡입 매니폴드/포트(664)를 통해 유동할 수 있다.

도 5a 내지 도 5i는 상술한 예시적인 IE 엔진의 압축 및 동력 행정의 진행을 상세히 도시하는 일련의 단면도이다. 더 구체적으로, 도 5a 내지 도 5i는 일정 구간의 또는 복수의 크랭크(112) 피스톤을 통해 일정한 체적 및 원하는(예를 들어, 피크 또는 피크보다 작은) 선택적인 압축비로 왕복 피스톤 엔진의 압축 공기 및 연료 혼합물을 유지하고, 그리고 작동 피스톤(120)이 상사 중심 위치를 통과하여 엔진 크랭크가 연소 챔버의 빠른 팽창으로 인해 종래의 관련 IC 엔진과 비교하여 더 많은 일을 수행하고 추가의 토크를 발생시키는 결과적인 폭발 반응을 허용하는 기계적으로 더 유리한 위치로 회전할 때까지 압축 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션 또는 점화를 지연하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예(100)를 도시한다.

IE 엔진의 실시예(100)는 "스위칭(switching)" 프로세스에 의해 크랭크 피스톤의 일정 구간을 통해 일정한 체적 및 원하는 선택적인 압축비로 압축 공기 및 연료 혼합물을 유지하도록 작동할 수 있다. 이것은 플로팅 피스톤(140) 및 상술한 바와 같이 작동 피스톤 원통형 격실(104)과 유체 연통하는 플로팅 피스톤 실린더(144)를 갖도록 IE 엔진을 구성할 뿐만 아니라 엔진 헤드(108)의 바닥 표면 안으로 형성되는 연소 챔버의 사공간 체적을 제거하거나 실질적으로 감소시킴으로써 달성된다. 통상의 IC 엔진과 비교하여, 이것은 또한 크랭크샤프트(110)의 스로우(112)의 재위치설정 및 커넥팅 로드(114)의 조정을 필요로 할 수 있다.

표준 IC 엔진의 작동 분야의 당업자에게 자명한 바와 같이, TDC에서 작동 피스톤은 엔진 헤드의 바닥면과 접촉되기 바로 전에 정지되어, 압축 챔버(126)의 대략 1/10 체적일 수 있는 사공간 체적(예컨대, 연소 체적)을 남기게 된다. 본 발명의 IE 엔진(100)에서 제거되거나 또는 대체로 감소된 사공간 체적에 있어, 크랭크(112)가 TDC 전의 회전 위치(예컨대 35도 전)에 도달할 때, 연소 체적이 엔진 헤드(108)에 여전히 존재한다면, 작동 피스톤의 상부면(122) 위쪽의 압축된 체적은 TDC에서의 체적과 대략적으로 동일하게 된다. 작동 피스톤(120)이 이의 실린더(104)에서 TDC를 향해 계속 이동하고 압축 챔버(126)의 체적이 지속적으로 가압되면, 압축된 공기 및 연료 혼합물은 작동 피스톤 실린더(104)와 플로팅 피스톤 실린더(144) 사이의 공동 포트 또는 개구(142)를 통해 이동하도록 가압되어, 플로팅 피스톤(140)이 상향으로 후퇴하여 압축 챔버(126)로부터 멀어질 때 플로팅 피스톤 실린더에 축적되거나 일시적으로 저장된다.

따라서, 작동 피스톤(120)이 TDC에 도달하면, 거의 모든 또는 적어도 대부분의 압축된 공기 및 연료 혼합물은, 압축비 또는 압력이 거의 또는 전혀 변동되지 않으면서(예컨대, 시프트 발생 시기의 압축비가 유지됨) 그리고 플로팅 피스톤이 변위하는 초기 시작부터 체적이 대체로 변동되지 않으면서, 플로팅 피스톤 실린더(144)로 수용되거나 시프트된다. 이런 전달 또는 시프트는, 플로팅 피스톤이 전략적으로 사전 여압되거나 또는 편의된 상태에서 공기 및 연료 혼합물을 플로팅 피스톤 실린더(144)로 포팅(porting)함으로써 가능하고, 이에 따라 이런 시프트는 크랭크의 사전 설정된 회전 위치와 작동 피스톤의 선형 위치에서의 실행을 시작하게 한다.

크랭크샤프트(110)의 회전이 지속되고, 커넥팅 로드(114)가 사인 곡선 형태로 변화는 경로를 따라 추가 이동하면, 크랭크샤프트가 TDC를 지난 사전 설정된 지점(예를 들면, TDC를 지난 35도)에 도달할 때까지 작동 피스톤(120)은 TDC로부터 멀어지는 방향으로 이동하기 시작하여 실린더(104)로 후퇴하며, 이에 의해 공기 및 연료 혼합물이 작동 피스톤의 실린더로 복귀하여 데토네이션이 개시될 수 있다. 이런 시프트 단계 동안에, 공기 및 연료 혼합물의 연소 체적은, 점화가 발생할 시에, 비록 동적이기는 하지만, TDC 전에, TDC 통과시에 그리고 TDC 후의 특정 지점까지 대체로 일정함을 유지한다.

또한, 10 대기압 하에서 일 실린더로부터 다음 실린더로 그리고 다시 되돌아오는 공기 및 연료 혼합물의 신속한 시프트 이동은 양호한 "혼합"에 조력하며, 이에 따라 불꽃 점화 순간에 탄화수소의 보다 많은 폭발 및 자체 소모가 가능하다.

플로팅 피스톤(140)은 대부분의 압축 행정 동안 플로팅 피스톤 실린더(144)의 하사점에 안착 유지되어 플로팅 피스톤 실린더로부터 압축 챔버를 밀봉함으로써 공기 및 연료 혼합물의 완전 압축을 가능케 한다. 이를 달성하기 위해, 여압 공기 또는 배기 가스는 플로팅 피스톤의 위의 플로팅 피스톤 실린더의 체적을 완전히 충전시켜 플로팅 피스톤 실린더를 사전 장착하여(pre-load), 양 챔버 사이의 공동 포트 또는 개구(142)를 통해 작동 피스톤 실린더(104)로부터 수용되는 압축된 공기 및 연료 기상 혼합물의 균형을 잡아주거나 균형을 이룬다. 일 태양에서, 여압 배기 가스의 충전은, 배기 밸브의 개구에 선행하는 BDC의 작동 피스톤 실린더에 존재하는 소량의 소비된 가스를 배출하고, 연결 라인[예를 들면, 경질 파이프 연결부(88)]을 거쳐 도 3b에 도시된 바와 같은 압축 챔버 또는 플로팅 피스톤 실린더의 상부로 가압 가스를 포팅함으로써 공급될 수 있다. 체크 밸브는 공기 및 연료 혼합물의 압력과 동일할 수 있는 플로팅 피스톤 실린더 내의 충전 압력, 예를 들면 10:1의 압력비를 제어하기 위해 경질 파이프의 양단에 배치될 수 있다. 다른 태양에서, 압력의 오프라인 또는 독립원(예컨대, 공기 압축기로부터 발생하는 압축 공기)이 플로팅 피스톤 실린더에 충전 가스를 공급하기 위해 사용될 수도 있다.

도 5a 내지 도 5f는 대표적인 스위칭 프로세스를 도시하며, 동력 크랭크(112)와 작동 피스톤(120)은 TDC 전의 -135도의 각 위치로부터 TDC 후의 +35도의 각 위치까지 함께 회전한다. -135도에서(도 5a), 작동 피스톤은 동력 실린더(104) 내에서 상향으로 이동하면서 압축 챔버(126) 내에 포함된 공기 및 연로 혼합물을 압축하는 프로세스에 위치하며, 플로팅 피스톤(140)은 플로팅 피스톤 실린더(144)의 상부에 포함되고 플로팅 피스톤의 대향 측면에서 작용하는 여압 충전 가스에 의해 개구(142)에 견고하게 안착된다.

압축 챔버(126)의 사공간 체적을 제거함으로써, 작동 피스톤은 TDC 위치 전의 약 -35도(도 5b)에서 정점 또는 소정의 압축비(예컨대 10:1)에 도달할 수 있고, 이 지점에서 플로팅 피스톤(140)은 압축된 공기 및 연료 혼합물의 아래쪽과 여압 충전 가스의 위쪽 사이에서 균형을 이룬다. 압축 행정이 완료될 때까지 작동 피스톤이 상승을 지속하면, 플로팅 피스톤은 개구(142)를 리프트오프(lift off)하고 압축된 공기 및 연료 혼합물은 플로팅 피스톤 실린더(144)로 유동하기 시작한다. 이는 도 5c에 도시되어 있는데, 크랭크는 TDC 전의 약 -24도로 회전되어 있다. TDC에서(도 5d), 대부분의 혼합물은 플로팅 피스톤 실린더로 수용되며, 이때 혼합물은 대체로 일정한 압축비를 유지하면서 대체로 일정한 체적의 압축된 공기 및 연료를 지속적으로 포함한다.

플로팅 피스톤(140)이 상향으로 이동할 때 가압 가스 충전은 약간 압축될 수 있고, 이런 압력 증가는 압축된 공기 및 연료 혼합물 아래쪽으로 전달될 것이다. 그러나, 플로팅 피스톤의 위쪽에 남아있는 체적이 플로팅 피스톤에 의해 변위되는 체적에 비해 매우 클 수 있기 때문에, 이런 약간의 압력 증가는 공기 및 연료 혼합물의 전체 압축을 고려할 때 무시될 수 있다. 또한, 작동 피스톤이 TDC를 통과한 후에 하향으로 이동하기 시작하면, 플로팅 피스톤도 하강하기 시작하여 공기 및 연료 혼합물을 압축 챔버로 되돌아 가도록 가압하고(도 5e, TDC 후의 +24도), 크랭크가 TDC 위치(도 5f) 후의 약 +35도에 도달하면 플로팅 피스톤이 개구(142)에 다시 안착될 때까지 약간의 압력 증가는 중단되며, 플로팅 피스톤은 정점의 압축된 공기 및 연료 혼합물의 아래쪽과 가압 가스 충전의 위쪽 사이에서 균형을 다시 이룬다.

스위칭 프로세스 동안 플로팅 피스톤의 거동은 추가로 도6의 곡선(150)으로 기술될 수 있는 것으로, 플로팅 피스톤은 플로팅 피스톤 실린더를 통하여 유입 및 유출되는 공기 및 연료 혼합물의 이동에 반응하여 상방 및 후방 하향으로 움직인다. 도1 내지 도5에 도시된 예시적인 IE 엔진에 있어서, 작동 피스톤의 행정은 BDC로부터 TDC까지 대략 3"(7.62cm)일 수 있다. 플로팅 피스톤 실린더의 체적이 BDC에서 압축 챔버의 체적과 실질적으로 동일할 경우(다만, 직경은 더 작음), 플로팅 피스톤은 스위칭 또는 시프팅(shifting) 프로세스 동안 대략 0.5인치(1.27cm)의 변위를 겪는다. 하지만, 이동의 스케일은 단지 예시적인 목적으로 제공되며, 플로팅 피스톤의 실제 변위는 임의의 특정 IE 엔진의 기하학적 형상에 따라 광범위하게 변화될 수 있는 것으로 어떤 형태로 제한되는 것으로 간주되어서는 안된다는 점을 이해하여야 한다.

체적비에 있어서의 변동[예를 들어, 압축 챔버(126)의 체적에서의 변화]은 도7에 그래픽적으로 예시될 수 있는 것으로, 점선(160)은 표준 IC 엔진 실린더 내부의 체적비를 나타내고, 실선(162 내지 168)은 IE 엔진 실린더의 다양한 실시예의 내부에서 발생할 수 있는 체적비의 변화를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 체적비는 각각 압축 행정의 개시점 및 동력 행정의 종료점에서의 BDC 위치인 -180도와 +180도 위치에서의 양 엔진 타입에 대하여 1:1(또는, 미압축; zero compression)이다.

체적비가 단순 사인 곡선 패턴을 따르고 TDC에서 밀폐된 압축 챔버(126)에 대하여 최대 압축(예를 들어, 최소 체적)에 도달하는 표준 IC 엔진(160)과 달리, 도5a 내지 도5f에 도시된 예시적인 IE 엔진은 시프팅이 개시되는 지점에서 피크 또는 최대 체적비가 미리 결정된 크기에 도달할 때까지 (밀폐 체적이 감소함에 따라)급격하게 증가하는 체적비를 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 이러한 지점은 선분(162)으로 참조되는 바와 같이 TDC 이전 -35도이다. TDC 이전 -35도와 TDC 이후 +35도 사이에서, 체적비는 선분(164)으로 참조되는 바와 같이 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 다음에, TDC 이후 +35도에서 데토네이션이 발생하고, 그후 IE 엔진의 체적비는 IE 엔진의 구성에 따라 표시된 선분(166 또는 168)을 따를 수 있는 것으로, 이후에 더 상세하게 설명된다.

나아가, 도7에 나타난 체적비는 작동 피스톤(120)의 헤드 단부 또는 상단면(122), 동력 실린더(104) 및 실린더 헤드(106)에 의해 한정된 압축 챔버(126)의 실제 체적 및 개구(142)를 통해 동력 실린더실(104)과 유체 연통하는 플로팅 피스톤(140) 아래의 플로팅 피스톤 실린더(144)의 체적에 있어서의 변화를 보여준다는 것이 이해된다. 도7의 체적비는 도7에 도시된 것보다 훨씬 큰 변동이 발생할 수 있는 압축 및 데토네이션을 겪을 경우 공기 및 연료 혼합물의 압축비에 있어서의 변화를 나타내지 않는다.

TDC 이전 -35도로부터 TDC 이후 +35도까지의 시프팅은 하나의 유리한 구성으로 간주될 수 있고, 다른 시프팅 범위 및 개시/종료 각위치들도 또한 가능하고 본 발명의 범위 내에 해당하는 것으로 간주될 수 있는 것으로 평가된다. 예를 들어, 플로팅 피스톤 상방의 충전 가스를 더 가압하는 것이 가능한 것으로, 이로 인해 온셋(onset)을 지연시키도록 작용할 수 있고 TDC 이전 대략 -20도로부터 TDC 이후 대략 +20도까지의 시프팅의 기간을 감소시킬 수 있다. 유사하게, 플로팅 피스톤 상방의 충전 가스를 덜 가압하는 것이 가능한 것으로, 이로 인해 온셋을 가속시키도록 작용할 수 있고 TDC 이전 대략 -60도로부터 TDC 이후 대략 +60도까지의 시프팅의 기간을 연장시킬 수 있다. 이러한 변화는 데토네이션 또는 점화 이후에 달성된 피크 압력 및 온도뿐만 아니라, 연소형 반응으로부터 폭발형 반응으로의 반응의 천이에 영향을 줄 수 있다. 또한, 예시적인 하나의 실시예에 있어서, 개시/종료 각위치 및 시프팅 범위는 데토네이션 또는 점화의 각도 타이밍과 함께, 플로팅 피스톤 상방의 플로팅 피스톤 실린더 내의 충전 가스의 압력 조작을 통해 동역학적으로 제어될 수 있다.

도 5f 및 도 5g를 다시 참조하면, 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션은 앞서 설명된 바와 같이 크랭크의 각위치가 기계역학적으로 유리한 위치(이 경우, TDC 이후 대략 +35도)에 도달할 때 발생할 수 있다. 최대 토크 상태(예를 들어, TDC 이후 90도)에서 발생된 토크의 50 % 이상은 +35도 위치에서 달성될 수 있다(도 8 참조). 이러한 정렬의 동력 연동 장치의 감소된 저항은, 특히 고압축비가 달성되고 유지될 때 압축 챔버(126) 내에 위치된 연소 체적의 순간 팽창을 허용함으로써 (상대적으로) 느린 버닝으로부터 신속 팽창 신속 폭발로의 내부 반응의 전환을 촉진시킨다. 다양한 크기의 하중이 크랭크(112) 상에 항상 존재하고 전달 및 구동 트레인으로부터의 저항에 비례할지라도, 이러한 하중들은 TDC에서 종래의 관련 IC 엔진에 발생되는 "로크" 및 부동성 동력 전달 상태에 비교하면 상대적으로 작다. 결과적으로, 크랭크에 대한 훨씬 무거운 하중은 TDC 이후 대략 +35도의 회전 위치에서 점화 연료/공기 혼합물의 폭발 동력에 비해 거의 저항을 주지 않고, 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션 또는 점화가 폭발형 반응으로 진행되게 한다.

데토네이션 또는 점화 시 자유롭게 팽창하도록 허용되는 산소와 기화된 탄화 수소의 폭발성 혼합물은 유사한 연료 차지량을 갖는 연소형 반응보다도 훨씬 짧은 기간에 대하여 상당히 큰 압력 및 온도 상승을 달성할 수 있다. 이러한 현상은 도8 및 도9에 그래픽적으로 도시될 수 있는 것으로, 표준 IC 엔진의 연소 챔버 내부에서 발생된 가스 압력 및 온도 변동은 각각 점선(190) 및 점선(192)으로 표시되고, 데토네이션 또는 TDC 이후 대략 +35도에서의 본 발명의 IE 엔진의 반응실 내부에서 발생된 가스 압력 및 온도 변동은 각각 실선(196a) 및 실선(198a)으로 표시된다. 알 수 있는 바와 같이, 폭발성 반응은 짧은 시간동안 상당히 큰 압력 및 온도를 발생시킬 수 있고, 공기 및 연료 혼합물은 급속 팽창 폭발성 반응동안 최소한의 생성물로 더 완전하게 소비될 수 있다.

동력 행정의 잔류를 통한 작업 에너지의 연속적인 추출을 위한 기계적 레버리지(leverage)와 연소형 반응에서 폭발형 반응으로의 변환 사이에서, 크랭크의 TDC 각위치를 지난 +35도가 더욱 최적의 밸런스를 제공할 수 있음이 발견되었다. 그러나, TDC를 지난 +20도처럼 작은 크랭크 각도에서는 배기 가스의 온도와 찌꺼기의 감소에 의해 명백한 바와 같이, 반응 공정의 부분적인 변환이 발생할 수 있다. 또한, 기계적 레버리지가 계속되어서, TDC를 지난 약 +60도까지 유리할 수 있다. 결국, IE 엔진 내에서의 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션을 위한 효율적인 범위는 TDC를 지난 약 +20도에서부터 TDC를 지난 +60도까지 확대될 수 있다.

비록 TDC에서의 점화와 함께 표준 IC 엔진 내에서 이러한 강력한 반응이 발생될 수 있다 하더라도, 효율적이고 기계적으로 로킹되어 움직이지 않는 동력 연동 장치에 가해지는 결과적인 로드가 다양한 구성 부품의 재료적인 한계를 빠르게 능가할 수 있어서 베어링, 커넥션 로드 및 워킹 피스톤 등의 조기 파손 및 손상을 야기할 수 있다. 그러나, 데토네이션 시에(도 5g) IE 엔진의 동력 연동 장치의 개선된 배열은 피스톤이 하향 이동함에 따라(도 5h) 폭발 반응 에너지를 유용한 일로 즉시 그리고 효율적으로 변환시켜서, 폭발형 반응에서 생성된 압력 및 온도가 대체로 더 높더라도, 기계적인 구성 부품에 가해지는 응력을 감소시킬 수 있다. 결국, 이용가능한 에너지의 대부분이 회전하는 크랭크샤프트(110)에 가해져서 배기 가스 온도가 표준 IC 엔진에 의해 배출된 배기 가스 온도의 몇 분의 일로 감소되는 부가 이익이 있다(도 9 참조).

본 발명의 또 다른 대표적인 실시예에서, IE 엔진의 동력 출력은 피크 압력을 증가시키고 피크 온도를 낮추기 위한 폭발 내로의 물 인젝션(water injection)과 통합되어서 증가될 수 있다. 이것은 연료 인젝션(74)에 의해 공급된 연료의 작은 방울 또는 증기와 즉시 혼합될 수 있는 작은 액적을 흡입 매니폴드(64) 내로 공급하는 물 인젝션(76)을 사용하여 달성될 수 있다(도 3c 참조). 물 액적 및 공기 및 연료 혼합물은 흡입 밸브(62)가 개방되기 시작함에 따라(도 4d 참조) 내려가는 워킹 피스톤에 의해 생성된 진공의 실린더 내로 함께 당겨지며, 물 액적은 데토네이션 또는 점화가 시작되는, 크랭크 각도가 (TDC 이후의 약 +35도와 같은) TDC 이후의 포인트에 도달하는 때까지 (스위칭을 포함하는)이하의 압축 행정을 통해 공기 및 연료 혼합물과 마찬가지로 압축될 수 있다.

데토네이션 시에는, 기화된 연료/공기 혼합물의 폭발로 인해 생성된 고온 가스가 반응되며, 차례로 고압 스팀 내로 발화되어 물 액적에 의해 냉각될 수 있다. 고압 스팀은 연소하는 탄화 수소 연료 혼합물의 팽창비(예를 들어, 800:1)에 비해, 더 큰 팽창비(예를 들어, 1,600:1)를 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 대략 화씨 300도에서 강하게 팽창하는 스팀은 연료를 폭발시켜 생성되는 고온 스파이크(spike)를 냉각시키면서 동시에, 이용 가능한 동력을 증가시킬 수 있다.

전형적인 IC 엔진 챔버 내에서 점화가 일어날 때에는, 팽창하는 가스의 파면(wavefront)이 생성되는 것이 일반적으로 용인된다. 본 발명의 IE 엔진에서는 폭발형 반응을 하는 동안에 비슷한 파면이 생성될 수도 있는데, 이러한 파면은 피스톤이 즉시 응답할 수 있는 실린더 내에서 비례적으로 빠르게 이동할 수 있다. 따라서, 심지어 물 인젝션 및 스팀이 없는 실시예 또는 구조에서도, 탄화 수소 공기 연료 혼합물의 800:1 팽창이 연소만으로 실현될 수 있는 것보다 더 큰 속도의 파면을 따라서 이동할 수 있다. 또한, 물 액적과 함께 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션 또는 점화에 의해 생성된 파면은 워킹 피스톤에 추가적인 힘을 가하기 위해 추가적인 고속 팽창 스팀과 결합될 수 있다.

IE 엔진의 연소 또는 반응 챔버 내측의 물 인젝션의 영향은 도 8 및 도 9에 그래프로 도시되어 있으며, 여기서 물 인젝션을 갖는 가스의 압력은 도 8의 실선(196b)로 나타내어지며, 물 인젝션을 갖는 가스의 온도는 도 9의 실선(198b)으로 나타내어진다. 보여지는 바와 같이, 폭발형 반응 내로 물 인젝션의 통합에 의해 피크 온도의 감소와 동시에 동력 출력(예를 들어, 압력)이 증가될 수 있다. 부가 이익에 따라, 물 인젝션은 가스 혼합물의 올라간 온도에서의 지속 시간을 감소시켜서, 아산화질소(nitrous oxide) 및 일산화탄소(carbon monoxide) 찌꺼기의 형성을 현저하게 감소시키며 제거시킬 수도 있다.

도 5a 내지 도 5i에 도시된 IE 엔진의 대표적인 실시예에서, 데토네이션 시에 더욱 유리한 순간 각도와 TDC 기계적인 로크가 없을 때에, 그리고 크랭크샤프트(110) 상의 상대적으로 낮은 저항은 대략 즉시 팽창을 위한 기회를 만든다. 점화 후에 크랭크샤프트 상의 더 높은 로드로 인한 팽창을 하는 동안에, 임의의 과도한 잔류의 물리적 저항이 그 후에 플로팅 피스톤(140)을 통해 포텐셜 에너지로 향하여 변환될 수 있다. 다시 말해서, 압축 챔버(126) 내측의 압력의 급속한 증가가 워킹 피스톤(120)과 플로팅 피스톤(140)이 서로 멀어지도록 동시에 작용할 것이다. 팽창시키는 동안에, 워킹 피스톤(120)은 TDC를 지난 더욱 유리한 위치에서 로드에 따라 가능한 만큼 크랭크샤프트(110)로 일(work)을 전달할 것이며, 플로팅 피스톤(140)은 플로팅 피스톤 실린더(144)의 상위부에 포획된 가스의 충전을 압축시키는 동시에 팽창의 밸런스를 흡수할 것이다. 플로팅 피스톤 위의 충전 가스를 여압하는 공정은 축적으로 알려져 있으며, 도 5g에 도시된다. 그 후, 이렇게 축적된 압력은 플로팅 피스톤 챔버 위의 충전 가스의 압축된 부피가 팽창하면서 압축 챔버(126) 내에 포함된 반응물의 부피 상에 고압 헤드를 유지시킴에 따라, 동력 실린더(104)와 워킹 피스톤(120)를 거슬러 잔류하여 크랭크샤프트(110)에 기계적인 일을 생성하는데 작용할 수 있다.

데토네이션 및 축적 후 작동 피스톤이 하향 이동하는 동안 크랭크샤프트는 BDC를 향해 주위를 계속하여 회전함으로써, 압력 감소에 대응하여 작동 피스톤(120)과 플로팅 피스톤(140) 사이의 체적을 증가시킨다. 동시에, 플로팅 피스톤 위의 충전 가스의 고압 체적은 또한 플로팅 피스폰이 하향으로 뒤따르도록 가압하여, 아래의 감소하는 압력과의 평등화를 모색한다. 크랭크샤프트(110)의 오프셋 크랭크(112)는 TDC를 지나 +90도(도 5h 참조)를 통과하여 그 사인 곡선 경로를 따라 계속하여 회전하는데, 여기서 전동에 의해 제공되는 저항 및 구동 트레인(drive train)은 크랭크의 모멘트각에 의해 최소화될 수 있다. 이것은 고 가압 가스가 작동 피스톤(120)에 더욱 인가된다는 작동 이점의 증가로 이어지고, 충전 가스의 가압 동안 압축으로 미리 저장된 포텐셜 에너지는 그것이 플로팅 피스톤을 통해 TDC 위치 후 하강하는 작동 피스톤 상으로 다시 전달되기 때문에 일 에너지로 다시 변환된다.

2개의 실린더 사이의 압축은 2개의 피스톤이 하향 이동함에 따라 계속해서 감소한다(도 5i 참조). 에너지로서 압축의 기간 및 온도 감소가 크랭크샤프트의 회전을 통해 작동 피스톤에 의해 추출된 후에, 온도는 작동 피스톤이 BDC에 도달하는 시간까지 가까운 주위 조건까지 감소될 수 있고, 그 순간 개방된 대기로 잔여 배기 가스 압력을 통기하도록 배기 밸브가 개방된다.

축적은 도 6의 선 부분(152)에 의해 그래프로 도시될 수 있는데, 이것은 플로팅 피스톤 실린더의 상부를 향한 데토네이션 시 플로팅 피스톤의 즉각적인 변위를 설명하고, 충전 가스의 체적은 얇은 층으로 압축된다. 충전 가스의 압축된 체적은 압축 챔버(126) 내에 내장된 가스에 대해 고압 헤드를 유지시키도록 팽창되기 때문에 더 느린 하향 운동(154)으로 이어진다.

또한 축적은 도 6의 선 부분(166)에 의해 그래프로 도시될 수 있는데, 이것은 플로팅 피스톤 실린더(144)의 체적과 함께 압축 챔버(126)의 체적의 즉각적인 팽창을 설명한다. 알 수 있는 바와 같이, 플로팅 피스톤(140) 하의 플로팅 피스톤 실린더(144)의 체적이 작동 피스톤 실린더(104)의 체적보다 크거나 비교할 수 있는 정도라면, 체적비는 1:1 기준선[선 부분(166a)]을 지나치고 BDC에서 점차적으로 1:1로 다시 이동한다. 유사하게, 플로팅 피스톤 하의 플로팅 피스톤 실린더의 체적이 작동 피스톤 실린더의 체적보다 작으면, 체적비는 플로팅 피스톤 실린더의 체적이 압축 체적(126)[선 부분(166b)]에 추가됨에 따라 부분적으로 점프하여, 그 후 BDC에서 1:1로 점차적으로 상방 이동함을 알 수 있다.

도 11a 내지 도 11d는 플로팅 피스톤이 축적 후 수직 하방으로 가로지를 때의 플로팅 피스톤의 작동에 대해 상세하게 설명하는 일련의 단면도를 도시하고, 연소 챔버 근처에서 출력 행정의 단부에 감속을 제공하는 방법을 특징으로 한다.

출력 행정 동안 플로팅 피스톤은 그 바닥 위치로부터 데토네이션 또는 점화에서 그 경로의 정상 근처까지 선형으로 횡단하고 그 후 간극(142)을 밀봉하도록 복귀한다. 도 11a는 데토네이션 후에 플로팅 피스톤 챔버(144)의 정상부 근처의 플로팅 피트폰의 위치를 도시하고, 도 11b는 중간 부분에서 바닥 위치를 향해 선형 하방 횡당하는 플로팅 피스톤을 도시한다. 도 11c는 바닥 위치로부터 수 밀리미터 내에 있는 플로팅 피스톤을 도시하고, 플로팅 피트톤 상의 계단식 표면(146)과 주철 라이너(148) 상의 계단식 표면 사이에 여기서는 "연착륙(soft-landing)" 특징으로서 언급될 수 있는 결합을 시작하는 것에 대해 도시한다. 작은 환형의 에어 포켓(149)이 2개의 계단부 사이의 초기 결합의 결과로서 형성될 수 있고, 플로팅 피스톤이 바닥 위치를 향해 그 경로를 종료할 때 작은 포켓 내에 포획된 공기가 플로팅 피스톤의 경로의 방향에 대향하는 저항을 제공하도록 압축된다. 작은 연착륙 에어 포켓(149) 내의 압력 증가로부터 야기된 저항은 플로팅 피스톤에 대해 힘을 형성하고, 관성을 약하게 하고, 플로팅 피스톤의 하향 속도의 모멘텀 및 중량을 극복하게 한다. 도 11d는 속도 감속 이후에 바닥 위치에서 정지한 플로팅 피스톤을 도시한다.

도 12a 내지 도 12d는 함께 상술한 IE 엔진의 일 변형 작동에 대해 도시하는데, 여기서 가압 가스 플로팅 피스톤이 압축 스프링(176)을 갖는 절단된 스프링이 장착된 피스톤(170)으로 대체된다. 압축 스프링은 플로팅 피스톤 실린더(144)의 길이를 연장시킬 수 있고, 압축 행정의 초기 부분 동안 플로팅 피스톤 실린더로부터 TDC 전 -35도의 크랭크 위치(도 12a 참조)를 포함하는 위치까지 작동 피스톤 실린더(104)를 격리하는 간극 내부에 스프링 장착된 피스톤(170)이 놓이도록 사전에 장착될 수 있다. 스프링 장착된 피스톤(178)의 외측 표면(도 12d 참조)은 주철 라이너의 계단식 내측 표면을 밀봉하는 시일 표면을 제공하도록 계단이 형성될 수 있다.

상술한 가스 충전 플로팅 피스톤과 유사하게, 스프링이 장착된 피스톤은 크랭크가 압축 및 출력 행정의 상부 범위를 가로질러 일정한 압축비를 유지하도록 TDC 전의 -35도로부터 TDC(도 12b 참조)를 통과하여 TDC 후의 +35도까지(도 12c 참조) 이동할 때 플로팅 피스톤 실린더의 내로 및 밖으로 공기 및 연료 혼합물의 전환을 가능하게 하도록 변위될 수 있다. 저항을 제공하고 스프링이 장착된 피스톤(170)의 대향 측 상에 놓인 압축 스프링(176)이 반복하도록 제조될 수 있어 10:1 압축비로 가스의 압력을 포함하는데 필요한 힘을 제공할 수 있다.

TDC 후의 +35도에서의 데토네이션에 반응하여, 스프링이 장착된 피스톤은 플로팅 피스톤 실린더의 상부를 향해 상향 변위될 수 있거나 압축 스프링(176) 내에 잉여 포텐셜 에너지를 축적할 수 있는데, 여기서 에너지는 크랭크(112)가 출력 행정(도 12d)의 나머지 동안 하방으로 회전을 계속하기 때문에 작동 피스톤(120)으로 방출될 수 있다. 스프링을 사용하는 것의 결정적인 특징은 압축된 공기가 도 3b에 도시한 단단한 파이프 연결에 의해 제공되어 전반적인 효율성을 증가시키지만 실린더 내의 압축된 공기의 제거를 허용한다.

도 13a 내지 도 13d는 위에서 기술된 IE 엔진의 또 다른 변형예의 작동을 함께 설명하며, 가압 가스 플로팅 피스톤이 압축 스프링(186)에 의해 분리된 두 원뿔형 스프링 로드 피스톤(180, 182)으로 대체된다. 압축 스프링은 플로팅 피스톤 실린더(144)의 길이를 연장시킬 수 있고, 더 하부 스프링 로드 피스톤(180)를 개구(142) 내에 위치시키고 상부 스프링 로드 피스톤(182)을 플로팅 피스톤 실린더의 상단에 접하도록 위치시키기 위해 사전 장착될 수 있다. 더 하부 스프링 로드 피스톤(180)은 주철 라이너의 계단형 내면을 밀폐한 실링면을 제공하기 위해 계단형 외부 표면(188)을 구비할 수 있고(도 13c), TDC 이전에 -35 도의 크랭크 위치를 포함하고 이 때까지, 압축행정의 초기 부분 동안 플로팅 피스톤 실린더(144)로부터 작동하는 피스톤 실린더(104)를 밀봉하기 위해 기능할 수 있다(도 13a).

위에서 기술된 가스 충전 플로팅 피스톤과 유사하게, 하부 스프링 로드 피스톤(180)은 압축과 동력 행정의 상위 범위를 통해 일정한 압축률을 유지하기 위하여, 크랭크가 TDC 이전에 -35 도로부터 TDC를 통하여(도 13b) 그리고 TDC (도 13c) 이후에 +35 도로 이동할 때, 플로팅 피스톤 실린더의 내외부로 공기 및 연료 혼합물의 스위칭을 허용하기 위해 변위될 수 있다. 저항을 제공하고 스프링 로드 피스톤(180)의 대향 측 상에 위치되는 압축 스프링(186)은 재반응하도록 제조될 수 있으며 10: 1의 압축률에서 가스의 압력을 포함하는 것이 필요한 힘을 제공할 수 있다.

그러나, TDC 이후에 약 +35도에서의 데토네이션에 반응하여, 원뿔형 스프링 로드 피스톤(180)의 이동은 상부 스프링 로드 피스톤(182)을 접촉시키기 이전에 플로팅 피스톤 압축 챔버에서 공기의 작은 부피를 압축시키기에 충분히 길 수 있다(도 13d). 이 상태에서, 단지 에너지의 제한된 축적이 저장될 수 있고, 약간의 효율은 손실될 수 있다. 팽창 다음의 데토네이션에 의해 만들어진 워크 에너지의 대부분이 직접적으로 크랭크샤프트 상에 작용할 것이다는 것이 예상된다.

작동 피스톤이 상부 데드 중앙위치를 통과하고 엔진 크랭크가 더 많은 일을 수행하고 추가적 토크를 생성하게 하는 폭발 반응 생성물을 초래하는 기계적으로 더 유리한 위치로 회전될 때까지는, 크랭크 위치의 범위를 통하여, 최대 압축률과 같은, 등체적으로 그리고 소정의 압축률로 왕복 피스톤 엔진의 압축된 공기 및 연료 혼합물을 유지하고 압축된 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션을 지연시키기 위한 본 발명의 또 다른 대표적인 실시예(200)가 도 14a와 14b에서 설명된다.

"스위칭" 과정을 수행하기 위해 플로팅 피스톤과 플로팅 피스톤 실린더를 이용하는 것 대신에, IE 엔진의 실시예(200)는 크랭크 위치의 범위를 통하여 등체적으로 그리고 최대 압축률로 압축된 공기 및 연료 혼합물을 유지하기 위해 이하에서 "CRAM 동력 연동 장치" 또는 "CRAM"으로 공지된, 유일한 동력 연동 장치(208)를 대신 사용할 수 있다(CRAM은 용어 "크랭크 캠(CRank cAM)"을 위한 약어). CRAM은 또한 동력 크랭크(212), 커넥팅 로드(216) 및 동력 실린더(206)의 헤드 단부(230)에 대한 변형을 포함하여, 표준 IC 엔진에 대한 여러 주요 변경을 수반할 수 있다. 또한, 등체적으로 그리고 최대 압축률로 압축된 공기 및 연료 혼합물을 유지하는데 사용되지 않을지라도, 플로팅 피스톤(240)과 플로팅 피스톤 실린더(244)는 데토네이션이 발생한 이후에 어큐뮬레이션을 제공하기 위해 여전히 CRAM 실시예(200)에 포함될 수 있다.

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 IE 엔진의 대표적인 실시예(200)를 형성하기 위해 함께 조립된 엔진 블록(202)과 엔진 헤드(204)를 함께 설명한 단면도이다. IE 엔진(200)의 각각의 동력 실린더는 크랭크샤프트(210), 캠축(212), 커넥팅 로드(216), 작동 피스톤(220), 헤드 공동(232)과 플로팅 피스톤(240)/플로팅 피스톤 실린더(344) 어큐뮬레이터를 포함할 수 있다. 헤드 공동(232)은, 작동 피스톤(220)이 TDC 위치에 있을 때 작동 피스톤의 상단 표면(222)과 엔진 헤드(206) 사이에 사공간 체적을 제공하고 압축된 연료/공기 혼합물을 위한 저장소로 작용할 수 있는 동력 실린더의 헤드 단부(230)에 형성된 침하부일 수 있다. 또한, 흡기 및/또는 배기 포트(234)가 개방되어 가스가 압축 챔버(226)의 내외부로 유동하도록 하기 위해, 밸브 캠(238)의 회전을 통하여 적절한 시간에 헤드 공동(232)으로 돌출될 수 있는 흡기 및/또는 배기 밸브(236)가 도시된다. 밸브는 자유롭게 열릴 수 있지만, 이들의 이동은 헤드 공동의 범위 내로 제한된다. 이하에서 상세히 기술된 바와 같이, 헤드 공동(232)은 평평한 상부 표면을 구비한 원통형일 수 있고, 또는 일반적으로 "절반"으로 공지된 반구상 부피를 형성하기 위하여 주연 에지 주위를 둥글게 할 수 있다.

IE 엔진의 실시예(200)로, 등체적 및 공기 및 연료 혼합물의 최대 압축률은 도 15a 및 도 15b에서 상세히 도시된(효과을 위해 과장된) 바와 같이, CRAM 크랭크 또는 행정(212)의 저널 표면 또는 "로브" 내에 형성된 캠 표면(214) 및 CRAM 커넥팅 로드(216)의 정합 베어링 보어 내에 형성된 종동면(218) 때문에, 크랭크샤프트 각위치의 범위 전체에 걸쳐 유지될 수 있다. 동력 행정(212)의 회전의 예정된 지점에서, 캠 표면(214)과 종동면(218)은 커넥팅 로드의 자연적 사인 곡선 운동을 변경하도록 상호 작용하여 작동 피스톤의 선형 이동을 변경시킬 수 있다. 다르게 말하면, 크랭크샤프트과 동력 행정이 계속 회전할 때에도, 이 상호작용은 작동 피스톤(210)의 선형 주행에서 정적 유지(static dwell) 또는 중지(pause)를 생성할 수 있다. 캠과 종동면이 정확히 형성되면, 이 정적 유지는 TDC 주위에 중심화될 수 있어, 작동 피스톤이 TDC 이전에 예정된 수의 각도를 위해 상향 선형 주행을 정지하며, TDC 이후에 예정된 수의 각도에 도달할 때까지 하향 선행 운동을 지연시킨다.

그 결과, CRAM 동력 연동 장치(208)로 인해, 크랭크샤프트(210)이 TDC 이전에 -35 도의 위치와 같은 소정의 회전 위치에 도달할 때, 작동 피스톤(220)의 선형 운동을 중지시키고, 크랭크샤프트가 TDC를 향해 그리고 TDC를 지나 +35 도의 위치와 같은 각도가 더 유리한 회전 위치로 넘어 회전식으로 이동하는 동안 작동 피스톤을 정적으로 "유지시키는 것(hold)"이 가능하다. 이 위치에서, 데토네이션 또는 점화가 상기 전술된 바와 같이 폭발형 반응을 시작하기 위해 일어날 수 있다. 작동 피스톤이 상부 데드 중앙 위치를 넘어서 통과할 때까지, 가스의 데토네이션을 지연시키기 위해 등체적으로 그리고 최대 압축률로 압축된 공기 및 연료 혼합물을 유지하도록 CRAM 연동 장치를 이용하는 이벤트의 시퀀스(sequence of events)는 도 16a 내지 도 16i에 상세히 도시된다.

도 16a(TDC 이전 -135도)에 도시된 바와 같이, 압축 행정의 제1 부분 동안 크랭크샤프트(210)의 스로우 로브(212)의 부분 방사형 표면은 커넥팅 로드(216)의 부분 방사형 표면과 동심으로 작동한다. TDC 이전 -35도(도 16b)에서는, 크랭크샤프트 스로우 로브의 캠 표면(214) 및 커넥팅 로드의 종동면(218)이 작동 피스톤(220)에 의해 가해지는 하향 압력에 기인하여 함께 가압된다. 이 두 개의 면은 상호 작동을 시작하여 작동 피스톤이 동력 실린더(206) 내부에서의 그 주행 중에 정지되어 동력 실린더(230)의 헤드 단부(230)로부터 일정 거리로 유지되는 물리적 조건을 발생시킨다. 이러한 공간은 크랭크샤프트(210)의 반경 방향 회전에서 있어서 이후 70도에 걸쳐 유지될 수 있다(도 16c 내지 도 16e). 크랭크샤프트가 TDC를 지나 이동하여 TDC 이후 +35도의 반경 방향 회전에 이른 경우(도 16f), 캠(214) 및 종동부(218) 표면은 그 타원형 횡단을 완료하고 동심 회전이 반경 방향으로 계속되어, 그 최적 모멘트 각도 또는 "모멘트 아암" 효율의 55 내지 60%에서 크랭크샤프트의 스로우(212) 또는 동력 크랭크가 TDC 이후 +35도(도 16g)인 지점에서 데토네이션이 이어지게 된다(도 10 참조).

도 16a 내지 도 16f에서 알 수 있는 바와 같이, 플로팅 피스톤(240)은 데토네이션이 발생한 이후까지 동력 실린더(206)와 플로팅 피스톤 실린더(244) 사이의 구멍에 걸쳐 그 밀봉 위치로부터 이동하지 않는다. 이는 작동 피스톤의 상부면(222)이 동력 실린더의 헤드 단부(230)에 형성된 헤드 공동(232)의 하부 경계에서 정지되어, 이제는 압축 챔버(226) 내부에 수용되는 압축 공기 및 연료 혼합물의 전체 체적이 헤드 공동 감압으로 되기 때문이다. 헤드 공동(232)은 체적이 작동 피스톤(220)이 BDC인 상태에서 압축 챔버(226) 체적의 1/10인 치수를 가짐으로써, 크랭크샤프트(210)의 스로우(212)가 TDC 이후 +35도를 향해 회전함에 따라 작동 피스톤이 정지되는 전체 기간 동안 고압축(예를 들어, 10:1의 압축)이 달성 및 유지될 수 있다. 플로팅 피스톤 위의 가스 충전이 10:1 또는 이를 초과하는 압축비로 가압된 상태에서, 플로팅 피스톤이 데토네이션 이후까지 착좌되어(seated) 유지되어, 헤드 공동(232)을 보전 유지할 수 있다.

CRAM 연동 장치는 도 14 및 도 16에 도시된 바와 같이, 원통형 헤드 형상 또는 "절반" 헤드 형상을 가지는 헤드 공동(232)과 결합될 수 있다. 최근 몇 년에 걸쳐, 통상 절반으로 알려진 헤드 공동의 유행 스타일은 표준 IC 엔진에 있어서 가스의 퍼짐(reverberating) 팽창을 연소 챔버의 중심을 향해 배향 또는 반향(reflecting)시켜서 작동 피스톤의 상부면(222)의 중심을 향해 힘을 더 완전하게 집중시킴으로써 기관 연소의 효율을 증대시키도록 발전되어 왔다. 본 발명(200)은 또한 폭발 반응에서 생성된 에너지를 추가로 재배향 및 집중시키기 위해 헤드 공동(232) 내에서 절반 형상을 가질 수 있다.

CRAM 동력 연동 장치(208)가 TDC 이후 약 +35도의 기계적으로 유리한 위치에 있고 스로우 로브(212)의 부분 방사형 표면이 커넥팅 로드(216)의 부분 방사형 표면과 동심으로 다시 작동하는 상태에서, 공기 및 연료 혼합물의 데토네이션이 전술된 실시예(100)의 데토네이션과 동일한 효과로서 시작될 수 있다. 추가로, 역시 전술된 바와 같이, 플로팅 피스톤(240) 및 플로팅 피스톤 실린더(244)도 또한 작동하게 되어 나머지 동력 행정(도 16g 내지 도 16i)에 대한 축적의 추가 이득을 제공할 수 있다. 플로팅 피스톤(240) 및 플로팅 피스톤 실린더(244)가 CRAM 동력 연동 장치로 결합되는 경우, 압축 챔버의 크랭크 각도 대 체적비가 다시 도 7에 도시된 라인 세그먼트(166)를 따르게 될 수 있다. 그러나, CRAM 동력 연동 장치가 따로따로 그리고 플로팅 피스톤(240)/플로팅 피스톤 실린더(244) 없이 사용되어 축적이 동력 행정 중에 포함되지 않는 경우, 압축 챔버의 크랭크 각도 대 체적비는 작동 피스톤이 BDC로 복귀하면서 그대신 라인 세그먼트(168)를 따르게 될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조되는 IE 엔진의 설계자에게는 폭발형 반응을 촉진하는 기계적으로 더 유리한 위치로 엔진 크랭크가 회전할 때까지 압축 공기 및 연료 혼합물을 일정한 체적비 및 압축비로 유지하기 위한 다양한 기구, 예를 들어 플로팅 피스톤 실린더를 갖춘 플로팅 피스톤 및 CRAM 동력 연동 장치가 제공되었다. 각각의 기구가 연소형 반응으로부터 폭발형 반응으로의 화학적 반응의 변형을 촉진하도록 따로따로 기능할 수 있지만, 두 개의 기구의 조합 역시 가능하며 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 여겨짐을 인식하여야 한다.

도 17a 내지 도 17d는 가압 가스 플로팅 피스톤이 압축 스프링(256)을 가지는 절두식(truncated) 스프링 하중 피스톤(252)으로 대체되는 CRAM IE 엔진의 변형예(250)의 작동을 함께 도시하고 있다. 도 12a 내지 도 12b에 도시된 이미 기술된 변경 실시예의 변형과 유사하게, 압축 스프링은 플로팅 피스톤 실린더(244)의 길이만큼 연장될 수 있다. 그러나, 이러한 변형에 있어서, 스프링은, 전체 압축 행정 및 동력 행정의 초반부에 걸쳐, TDC 이후 +35도의 크랭크 위치에 이르기까지(도 17a 내지 도 17c)를 포함하여 플로팅 피스톤 실린더로부터 작동 피스톤 실린더(206)를 분리시키는 구멍 내부에 스프링 하중 피스톤(252)을 착좌시키기 위해 사전 장착될 수 있다.

TDC 이후 약 +35도에서의 데토네이션에 반응하여, 그 후 스프링 하중 피스톤(252)은 플로팅 피스톤 실린더의 상부를 향해 상향으로 변위하여 압축 스프링(256) 내부의 초과 위치 에너지를 흡수 또는 축적할 수 있어서, 크랭크(212)가 나머지 동력 행정(도 17d) 동안 계속 하향으로 회전함에 따라 에너지가 작동 피스톤(220)으로 다시 해제될 수 있다. 스프링의 사용은 실린더 내의 압축 공기의 제거를 허용하고, 기술하였지만, 압축 공기 또는 사용된 배기 가스도 도 3b에 도시된 바와 같이 하드 파이프(hard pipe) 연결에 의해 여전히 공급될 수 있으므로, 전체 효율을 증대시킨다.

도 18a 및 도 18b에 도시된 것은 동력 크랭크 또는 스로우(112)의 로브에 형성된 탄젠셜/피치 캠을 갖는 CRAM 동력 연동 장치의 대표적인 실시예(260)이다. "피치"라는 용어는 크랭크샤프트 로브(262)의 원형부 상의 절단 형상(264)과, 커넥팅 로드(216)의 크랭크-허브 내부에 형성된 베어링 또는 보어(266)의 원형부 상의 대응 절단 형상(268)에 기인한다. 이러한 절단된 표면은 캠 및 캠 트랙으로서 각각 작동하도록 정합되고 배치된다. 크랭크샤프트 로브 상의 캠 표면(264)은 크랭크샤프트의 스로우의 기하학적 동심와 동심이며 접할 수 있고, 로드의 크랭크-허브 단부 내의 캠 트랙 표면(268)은 대향 단부에서 로드의 피스톤-허브의 중심으로부터 초래된 기하학적 동심와 동심이며 접할 수 있다.

탄젠셜/피치 CRAM(260, 도 18c 내지 도 18f)의 작동 중, 캠(264) 및 캠 트랙(268)은 각각 크랭크샤프트 및 로드 내에서 표면화되고, 크랭크샤프트가 TDC 이전 -35도에 도달할 때 정합되기 시작할 수 있다. 이 형상들은 이들의 각각의 "스윙 포인트"로부터 기하학적으로 초래되기 때문에, 피스톤(220)의 왕복 이동은 TDC 이후의 +35도의 크랭크샤프트 회전에 도달할 때까지 사인 곡선으로부터 정적 조건으로 변형될 수 있다. TDC 이전, TDC 까지, 그리고 TDC 이후의 이러한 70도의 회전 중, 두 개의 정합 기어의 피치 라인 결합과 유사한, 캠 및 캠 트랙에 의해 종동되는 정밀 "피치-라인" 경로로 인해, 피스톤은 비이동의 정적 조건일 수 있다.

탄젠셜/피치 CRAM은 TDC 이전의 -35도로부터 TDC 이후의 +35도 까지의 피스톤의 정적 유지 중 높은 효율도를 제공할 수 있다. 이 시점에서, 피스톤은 325도(또는, -35도)에 도달할 때까지 정상 왕복 회전 패턴을 다시 시작할 수 있다. 크랭크 위치가 +35일 때, 커넥팅 로드는 TDC 수직 위치로부터 "흔들리거나(swagged)" 경사지고, 약 11도에 도달하는 것을 알 수 있다. 도 10에서 제공된 토크 그래프에 도시된 바와 같이, (가능한 1,000ft/lbs 토크 중) 약 575ft/lbs는 크랭크샤프트의 +35도 각위치에서 얻을 수 있다. 그러나, 크랭크에 인가될 수 있는 (가능한 1,000ft/lbs 중) 전체 710ft/lbs 토크(즉, 71%)에 대해, 대략 46도의 더 큰 각도를 생성하기 위해 추가적인 11도가 더해질 수 있다.

도 19a 및 도 19b에 도시된 것은 동력 스로우(112)의 로브(272)에 형성된 약간 "하트-형상(heart-shaped)"의 캠 표면을 구비한 CRAM 동력 연동 장치의 다른 대표적인 실시예(270)이다. "하트"라는 용어는 소정의 이동을 생성하고 가능하게 할 수 있는 커넥팅 로드 베어링(276)에 위치한 캠 트랙 종동부(279)의 하트 형상에 기인한다. 하트 CRAM 실시예(270)는 크랭크샤프트 로브의 TDC 위치를 따라가면서 그리고 약 30도 이전에 피스톤(220)에 정적 유지를 발생시키도록 설계된 캠 형상을 사용한다. 하나는 원형(274)을 갖고, 다른 하나는 하모닉 형상(275)을 갖는 두 개의 캠 구성 요소는 동력 스로우(212)의 로브(272)에 나란히 안착된다.

하트 CRAM(270, 도 19c 내지 도 19f)의 작동 중, 원형 캠은 종동부에서 대응 슬롯(278)과 정합하고, (표준 엔진에서의 로드 이동과 유사하게) 정상 크랭크샤프트 회전 중 좌우 진동 패턴으로 이동하도록 커넥팅 로드(216)를 가압한다. 이러한 정상 진동 중, 하모닉 캠(275)은 회전하고, 또한 로드 베어링(276)에 위치한 외측 하트-형상 캠 트랙(279)을 종동하여 피스톤의 정상 왕복 이동으로의 소정의 정적 유지 교대를 생성하도록 가압된다. 하트 형상의 캠 트랙(279)으로의 하모닉 캠(275)의 정합은 점화 이전에 연료/공기 혼합물의 소정의 압축을 용이하게 하기 위해 연소 챔버의 정상부에 대해 피스톤의 비이동 위치를 유지한다.

하트 CRAM 실시예(270)의 작동 피스톤(220)은, 피스톤이 330도(또는 -30도)에 도달할 때까지 정상 왕복 회전 패턴을 재시작한 이후, TDC 이전 -30으로부터 TDC 이후의 +30도까지 지속하는 TDC에서의 정적 유지 상태이다. 또한, 크랭크 위치가 TDC 이후 +30도일 때, 로드는 TDC 수직 위치로부터 좌우로 "흔들"리고, 대략 10도에 도달하는 것을 알 수 있다. 도 10에서 제공된 토크 그래프에 도시된 바와 같이, (가능한 1,000 ft/lbs 중) 약 500ft/lbs 토크는 크랭크샤프트의 +30도 각위치에서 얻을 수 있다. 그러나, 크랭크에 인가될 수 있는 (가능한 1,000ft/lbs 중) 전체 643ft/lbs 토크(또는 64%)에 대해, 대략 40도의 더 큰 각도를 생성하기 위해 추가의 10도가 추가될 수 있다.

도 20a 내지 도 20b에 도시된 것은 동력 크랭크 또는 스로우(112)의 로브(282)에 형성된 "크로스(cross)" 캠 표면을 갖는 CRAM 동력 연동 장치의 다른 대표적인 실시예(280)이다. "크로스"라는 용어는 하나의 캠 트랙을 두 개의 원형 로브로 교체한 것에 기인하고, 동력 스로우(212)의 회전 중 피스톤 헤드가 정적 유지보다 수정된 사인 곡선 경로를 따르는 것과 같은 상술한 탄젠셜/피치 실시예와는 상이하다.

로브(282)는, 제1 구성 요소가 크랭크샤프트의 로브의 스로우의 정상 위치와 동심(284)이고 제2 구성 요소가 제1 구성 요소로부터 13도 만큼 오프셋(285) 되는, 두 개의 원형 구성 요소로 분할될 수 있다. 커넥팅 로드(216)의 베어링 보어(286)는, 제1 슬롯이 로드의 길이에 수직으로 배향(288)되고 제2 슬롯이 제1 슬롯에 대해 수직(289) 즉 로드의 길이에 수평인, 두 개의 슬롯으로 구성될 수도 있다. 이러한 슬롯의 각각은 베어링 보어의 두께의 절반(1/2)으로 형성되고, 크랭크샤프트의 로브 구성 요소(284, 285)의 각각의 두께에 비례하게 대응한다.

크로스 CRAM(280)(도 20c 내지 도 20f)의 작동 중, 제1 로브 구성 요소(284)는 크랭크샤프트의 회전 중 로드의 좌우 흔들림을 구동시키고, 제2 로브 구성 요소(285)는 "스코티시 요크(Scottish yoke)" 기구에 의해 제공되는 이동과 유사한 형식 또는 패턴으로, 크랭크샤프트 회전 중 피스톤의 정상 왕복 이동에서 절단부를 제공한다. 그러나, 정적 유지는 이러한 사인 곡선 형상의 결과로는 가능하지 않고, 제2 로브(285)의 편심 오프셋으로 인해, 피스톤(220) 자체는 크랭크(212)가 회전 TDC 위치를 지난 후까지 TDC에 도달하지 않는다. 따라서, 피스톤의 "거의 정적인" 이동의 기간 단축이 실현될 수 있다.

크랭크가 +30 회전 위치에 도달할 때, 수직으로부터 로브(282)의 각도는 18도이다. 커넥팅 로드의 흔들림(swag)은 전체 25도를 만들기 위해 7도, 또는 422 ft/lbs(약 283.6 m/kg)[전체 가능한 1,000 ft/lbs(약 672.0 m/kg) 중, 도 10 참조]를 추가로 제공한다. 또한, 이러한 "거의 정적인" 유지의 조건 중에, 로드의 2개의 교차하는 슬롯(288, 289)을 2개의 고정된 크랭크샤프트 로브(284, 285)에 정합시키는 것은 연소 챔버의 상단부까지의 거리에 대한 작동 피스톤(220)의 "무-운동에 가까운(near motionless)" 위치를 제공하여, 데토네이션 전에 연료/공기 혼합물의 바람직한 압축을 용이하게 한다.

도 21a 및 도 21b에 도시된 것은 모든 캠 트랙의 부재(不在)와 함께, 원형 로브(292) 및 베어링 보어(296)에 의한 커넥팅 로드의 크랭크샤프트로의 영구 결합으로 인한 "고정 로브"로 지정된 CRAM 동력 연동 장치의 다른 대표적인 실시예(290)이다. 표준 동력 스로우와 다르게, 그러나, 고정 로브 CRAM의 로브(292)는 로브의 중심이 동력 스로우(212)의 피치 라인에 유지된 상태로, 크랭크샤프트의 회전 방향인 반시계 방향으로 약 13도 만큼 오프셋될 수 있다. 또한, 커넥팅 로드(216)는 작동 피스톤(220)이 TDC를 지나갈 때 힘을 보다 양호하게 하향으로 유도하기 위해 미세하게 오프셋되고 아치 형상으로 될 수 있다.

고정 로브 CRAM(290)의 작동 중에(도 21c 내지 도 21f), 고정 CRAM 실시예는 표준 엔진에서와 같이 정상 사인 곡선 경로를 따른다. 이러한 사인 곡선 구성의 결과로 정적 유지는 불가능하지만, 로브(292)의 오프셋으로 인해, 피스톤(220) 그 자체는, 크랭크(212)가 그 회전 TDC 위치를 완전히 통과할 때까지 TDC에 도달하지 않는다. 짧은 기간 동안의 피스톤의 "거의 정적인" 이동이 얻어진다. 크랭크가 +30 회전 위치에 도달할 때, 수직으로부터 로브의 각도는 18도이다. 커넥팅 로드(216)의 흔들림은 전체 25도를 만들기 위해서 7도, 또는 422 ft/lbs(약 283.6 m/kg)[전체 가능한 1,000 ft/lbs(약 672.0 m/kg) 중, 도 10 참조]를 추가로 제공한다. 이러한 "거의 정적인" 유지의 조건 중에, 커넥팅 로드(216)의 원형 보어(296)를 고정된 크랭크샤프트 로브(292)에 정합시키는 것은 연소 챔버의 상단부까지의 거리에 대한 피스톤의 "무-운동에 가까운" 위치를 제공하여, 데토네이션 전에 연료/공기 혼합물의 바람직한 압축을 용이하게 한다.

도 22a 내지 도 22c 및 도 23a 내지 도 23c에 도시된 것은, 흡기 및 배기 밸브(302)를 작동시키기 위해 밸브 리프터(304)를 압박하는 다양한 밸브 캠(310)의 프로파일을 변형하는 시스템 및 방법을 포함하는 본 발명의 다른 대표적인 실시예(300)에 따른 IE 엔진의 밸브 캠 및 밸브 조립체를 도시한 측단면도이다.

표준 IC 엔진 밸브 캠의 캠/밸브 조립체 및 파선형(cycloidal) 로브 프로파일이 도 22a 및 도 22b에 각각 도시된다. 엔진 분야의 숙련자들이라면 이해할 수있는 바와 같이, 파선형 로브 프로파일(312)은, 흡기 및/또는 배기 행정의 180도 사이에 흡기 및/또는 배기 밸브(302)를 완전하게 작동(예컨대, 개방 및 폐쇄)시키면서, 가능한 급격하게 원형 표면으로부터 로브 표면으로의 전이를 위해 예리하게 융기된다. 이렇게 예리하게 융기된 로브 프로파일은 고압 앵글을 발생시키고, 회전 캠과 밸브 리프터 사이에 강한 저항력을 생성한다.

도 14a 및 도 14b와 도 16a 내지 도 16i에 도시된 IE 엔진의 CRAM 실시예(200)와 함께, TDC 주변에 중심 위치된 작동 피스톤의 선형 운동의 정적 유지 또는 중지도 또한 배기 및/또는 흡기 밸브(302)가 작동될 수 있는 각도 범위(angular duration)를 연장하도록 사용될 수 있다는 것이 관찰되었다. 이는 작동 피스톤의 선형 주행 시의 정적 유지가 압축과 동력 행정 사이의 TDC 위치뿐만 아니라, 배기와 흡기 행정 사이의 TDC 위치에서 발생하기 때문이다. 결과적으로, 밸브 캠(310)의 파선형 로브 프로파일(312)은 밸브가 개방되거나 밸브의 개방 또는 폐쇄 속도가 변경되는 각도 범위(angular window)를 연장하도록 변경될 수 있고, 따라서, 1개보다 많은 밸브가 동시에 개방될 수 있도록 밸브 시퀀싱(sequencing)을 변경할 수 있다.

도 22b의 파선형 로브 프로파일(312)을 변경한 대표적인 시스템은, 사인 곡선의 물리학에 기초하며, 하부 압력 각도로써 매우 둥근 프로파일을 채용한 도 22c의 하모닉 로브 프로파일(harmonic lobe profile)(322)이다. 하모닉 로브 프로파일의 이점 중 하나는 도 23a 내지 도 23c에 도시되어 있으며, 여기서, 이러한 형상(322)의 로브는 수평선을 지나서 13도에서 최초로 밸브 리프터(304)에 결합되지만(도 22b), 반면에 파선형 로브(310)는 수평선을 지나서 31도가 될 때까지 결합하지 않는다는 것(도 23a)을 관찰할 수 있다. 따라서, 하모닉 로브(312)가 파선형 로브의 수평 위치를 지난 31도에 도달하는 시점에, 밸브(302)는 이미 개방되어 가스가 밸브 포트(306)의 내외로 유동한다. CRAM 링크에 의해 제공된 이러한 밸브 타이밍 기회는 IE 엔진의 연소 챔버를 출입하는 가스의 유속 및 혼합을 개선할 수 있다. 또한, 스프링 등의 "부수적인(lighter-duty)" 부품이 대체될 수 있고, 캠 샤프트 및 관련 시스템의 응력 및 마모를 감소시킬 수 있다.

전술된 상세한 설명은 구체적인 대표 실시예를 참조하여 본 발명을 설명한 것이다. 그렇지만, 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상세한 설명 및 첨부 도면은 제한적으로서가 아닌 단지 예시로서 간주되어야 하며, 모든 변경 또는 변형은 본 명세서에서 설명하고 기재한 본 발명의 기술 사상의 범위 내에 포함되도록 의도된 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명의 예시적인 대표 실시예가 본 명세서에 기재되어 있지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되지 않으며, 전술된 실시예를 기초로 하여 당업계의 숙련자들이 이해할 수 있는 변경, 생략, 조합(예컨대, 다양한 실시예에 걸친 태양의 조합), 적용, 및/또는 대체를 포함하는 모든 실시예를 포함한다. 청구 범위 내의 한정은 청구 범위 내에서 채용된 언어에 기초하여 광범위하게 해석되어야 하며, 전술된 실시예에, 기재된 예로 한정되어서는 안되며, 또는 출원의 진행 중에, 이들 예시는 배타적으로 해석되어서는 안된다. 예컨대, 본 명세서에서, "바람직하다"라는 용어는 "바람직하지만, 이에 한정되지는 않는다"라는 의미로 사용된 것으로서 비배타적인 것이다. 모든 방법 또는 프로세스 청구항에 나열된 단계는 임의의 순서로 실행될 수 있으며, 청구항에 기재된 순서로 한정되지 않는다. 수단 플러스 기능 또는 단계 플러스 기능 한정은, 특정 청구항의 한정에 대해서 이하의 조건, 즉, a) "~을 위한 수단" 또는 "~을 위한 단계"가 명확히 나열되고, b) 대응하는 기능이 명확히 나열되는 조건이 모두 상기 한정 내에 존재하는 경우에만 채용될 것이다. 수단 플러스 기능을 지지하는 구조, 재료 또는 작용이 본 명세서의 기재 내에 명확하게 나열된다. 따라서, 본 발명의 기술 사상의 범위는 첨부된 청구 범위 및 그 법적인 등가물에 의해서만 결정되어야 하며, 상기 제시된 설명 및 예시에 의해 결정되어서는 안된다.

청구된 내용 및 특허증에 의해 보호받고자 하는 내용은 다음과 같다.

Claims

적어도 하나의 동력 크랭크를 구비한 회전식 크랭크샤프트를 통해 동력 출력을 제공하기 위한 피스톤 동력식 내부 폭발 엔진이며,
작동 피스톤을 수용하기 위해 내부에 형성된 동력 실린더를 구비한 엔진 블록과,
상기 동력 크랭크에 작동식으로 결합되고, 상기 작동 피스톤으로부터 동력을 전달하여 상기 크랭크샤프트를 회전시키도록 구성된 커넥팅 로드와,
실린더 헤드에 인접한 상기 작동 피스톤의 헤드 단부에 의해 적어도 부분적으로 형성된 압축 챔버를 포함하고,
상기 작동 피스톤은 상기 동력 실린더 내에 지지되고 상기 동력 크랭크에 작동식으로 결합되며,
상기 작동 피스톤은 사실상 상기 압축 챔버 내에 위치된 공기 및 연료 혼합물의 압축된 체적의 폭발로부터 동력을 수용하고 수용된 동력을 상기 커넥팅 로드로 전달하도록 구성되며,
상기 공기 및 연료 혼합물의 압축된 체적은 사실상 일정하게 유지되고, 압축 행정 동안 작동 피스톤의 상사점 위치로부터 적어도 20˚이전의 회전식 크랭크샤프트의 각도 방향 위치로부터, 폭발 전 동력 행정 동안 작동 피스톤의 상사점 위치로부터 적어도 20˚이후의 각도 방향 위치까지 소정의 압축비가 유지됨으로써 상기 폭발이 일어날 때에 폭발성의 급속 팽창 반응을 촉진하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제1항에 있어서,
압축 챔버의 체적비는 회전식 크랭크샤프트의 각도 방향 위치 및 대응하는 작동 피스톤의 선 방향 위치에 따라 적어도 부분적으로 변화되며, 가변적인 상기 체적비는 상기 작동 피스톤의 상기 상사점 위치를 포함하는 상기 회전식 크랭크샤프트의 각도 방향 위치의 범위 전체에 걸쳐 사실상 일정하게 유지되며, 가변적인 상기 체적비는 절두형 사인 곡선 패턴으로 그래프식으로 나타내지고,
상기 회전식 크랭크샤프트의 각도 방향 위치의 범위는 압축 행정 동안 작동 피스톤의 상사점 위치로부터 적어도 20˚이전의 회전식 크랭크샤프트의 각도 방향 위치로부터, 폭발 전 동력 행정 동안 작동 피스톤의 상사점 위치로부터 적어도 20˚이후의 각도 방향 위치까지인
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제1항에 있어서,
상기 동력 실린더와 유체 연통하는 플로팅 피스톤 실린더와,
상기 압축 챔버 내의 다양한 압력에 응답하여 상기 플로팅 피스톤 실린더 내에서 이동하도록 구성된 플로팅 피스톤과,
밀봉 위치를 향해 상기 플로팅 피스톤을 편의시키도록 구성된 편의 요소를 더 포함하며,
상기 플로팅 피스톤은 상기 압축 챔버 및 상기 플로팅 피스톤 실린더를 밀봉시키며, 상기 플로팅 피스톤은 상기 동력 실린더로부터 상기 플로팅 피스톤 실린더를 분리시키고,
상기 작동 피스톤의 상기 압축 행정 동안, 상기 플로팅 피스톤은, 상기 소정의 압축비에 도달한 상기 압축 챔버 내의 임계 압력에 응답하여 변위되게 유도되고, 상기 임계 압력은 상기 편의 요소를 압도하여 상기 공기 및 연료 혼합물의 적어도 일부가 상기 플로팅 피스톤 실린더 내로 이동하게 유도하고,
상기 작동 피스톤의 상기 동력 행정 동안, 상기 편의 요소는 상기 밀봉 위치를 향해 상기 플로팅 피스톤을 가압함으로써 상기 공기 및 연료 혼합물의 적어도 일부가 폭발 이전에 동력 실린더 내로 다시 이동하게 유도하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제1항에 있어서,
상기 동력 크랭크의 저널상에 형성된 캠 표면과,
상기 커넥팅 로드상에 형성된 종동부 표면을 더 포함하며,
상기 캠 표면과 상기 종동부 표면 사이의 이동식 상호 관계는 작동 피스톤을 크랭크샤프트의 상기 각도 방향 위치들 사이에서 선 방향 주행 최상부 위치에 유지시키고, 상기 선 방향 주행 최상부 위치에서 실린더 헤드와 작동 피스톤 사이에 사공간 체적이 형성되는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제4항에 있어서,
상기 동력 실린더는 상기 사공간 체적을 적어도 부분적으로 형성하는 반구형 상부 표면을 구비하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제4항에 있어서,
상기 캠 표면은 상기 동력 크랭크의 피치 라인을 따라 절두되고, 상기 종동부 표면은 선 방향 주행의 최상부 위치에서 상기 작동 피스톤 주위를 피봇하는 상기 커넥팅 로드의 피치 라인을 형성하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
동력 출력을 제공하기 위한 피스톤 동력식 내부 폭발 엔진이며,
동력 실린더와,
상기 동력 실린더 내에서 이동할 수 있고 동력 행정 동안 작업을 수행하도록 작동할 수 있는 작동 피스톤과,
상기 작동 피스톤에 의해 적어도 부분적으로 형성된 압축 챔버와,
상기 동력 실린더와 유체 연통하는 플로팅 피스톤 실린더와,
상기 플로팅 피스톤 실린더 내에서 변위될 수 있도록 구성된 편의식 플로팅 피스톤과,
동적 체적의 압축된 공기 및 연료 혼합물을 포함하며,
상기 플로팅 피스톤을 변위시킴으로써 상기 동적 체적의 압축된 공기 및 연료 혼합물이 상기 동력 실린더와 상기 플로팅 피스톤 실린더 사이에서 이동하여 상기 공기 및 연료 혼합물의 폭발 시에 폭발성의 급속 팽창 반응을 촉진하고,
압축된 공기 및 연료 혼합물의 상기 체적은 사실상 일정하게 유지되고, 폭발 이전의 동력 행정과 압축 행정 모두에 걸쳐서, 상기 작동 피스톤의 선 방향 위치의 상부 범위 전체에 걸쳐 소정의 압축비가 유지되고, 상기 상부 범위는 상기 작동 피스톤의 상사점 위치를 포함하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 플로팅 피스톤 실린더 및 상기 플로팅 피스톤은 또한 상기 압축 챔버를 적어도 부분적으로 형성하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 작동 피스톤의 압축 행정 중에, 상기 플로팅 피스톤은 상기 소정의 압축비에 대응하는 압축 챔버 내의 임계 압력에 응답하여 압축 챔버로부터 떨어져 변위되며, 상기 압축된 공기 및 연료 혼합물은 상기 플로팅 피스톤 실린더로 적어도 부분적으로 수용되며, 폭발 이전 상기 작동 피스톤의 반대 방향으로의 연속 변위 시에 플로팅 피스톤은 압축 챔버를 향해 변위되어 공기 및 연료 혼합물의 적어도 일부분이 동력 실린더로 반대로 이동하도록 가압하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 작동 피스톤은 커넥팅 로드에 작동식으로 결합되고,
상기 커넥팅 로드는 크랭크샤프트의 동력 크랭크에 작동식으로 결합되고, 크랭크샤프트를 회전시키기 위해 상기 작동 피스톤으로부터 동력을 전달하도록 구성되고, 상기 내부 폭발 엔진은 회전 크랭크샤프트를 통해 동력 출력을 제공하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 공기 및 연료 혼합물과 결합되는 상기 압축 챔버 내부로 물을 도입하기 위한 물 인젝터를 더 포함하고, 상기 물은 상기 폭발성의 급속 팽창 반응으로부터 초래되는 피크 온도를 감소시키고 피크 압력을 증가시키는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 압축된 공기 및 연료 혼합물의 폭발은 상기 작동 피스톤의 상사점 위치를 지나 20도 내지 35도 사이의 동력 행정 지점에서 발생하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 압축된 공기 및 연료 혼합물의 폭발은 상기 작동 피스톤 및 플로팅 피스톤이 서로로부터 떨어져 양 방향으로 변위되게 하고, 상기 압축 챔버가 양 방향으로 급격하게 팽창하도록 하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
급격하게 증가된 체적비 및 미리 결정된 피크 체적비를 더 포함하고, 상기 피크 체적비는 상기 유지된 소정의 압축비에 해당하며, 상기 피크 체적비는 작동 피스톤의 선 방향 위치의 상기 상부 범위 전체에 걸쳐 압축 공기 및 연료 혼합물의 체적이 동력 실린더와 플로팅 피스톤 실린더 사이에서 이동하는 동안 유지되는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제9항에 있어서,
상기 플로팅 피스톤 실린더는 밀봉 표면을 포함하고, 상기 플로팅 피스톤은 대응하는 밀봉 표면을 포함하고, 상기 플로팅 피스톤은 상기 플로팅 피스톤 실린더 내부로 공기 및 연료 혼합물이 이동하기 전에, 그리고 폭발 전 다시 상기 동력 실린더로의 상기 공기 및 연료 혼합물이 이동한 후에 상기 압축 챔버로부터 플로팅 피스톤 실린더를 밀봉하기 위한 밀봉 위치를 포함하고, 상기 밀봉 표면은 계단식으로 형성되어 상기 플로팅 피스톤의 밀봉 가능성을 강화시키는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제15항에 있어서,
상기 밀봉 위치에서 소프트 랜딩을 제공하기 위해 상기 플로팅 피스톤을 감속시키는 수단을 더 포함하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제16항에 있어서,
상기 플로팅 피스톤을 감속시키는 수단은 상기 플로팅 피스톤이 밀봉 위치에 근접함에 따라 상기 플로팅 피스톤의 스텝부과 상기 플로팅 피스톤 실린더의 대응하는 스텝부 사이에 형성된 에어 포켓을 포함하고, 상기 에어 포켓은 플로팅 피스톤을 감속시키는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 플로팅 피스톤은 플로팅 피스톤 위의 플로팅 피스톤 실린더 내의 공간 체적을 채우는 가압 가스를 이용하여 편의되는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 플로팅 피스톤은 적어도 하나의 스프링 또는 스프링 조립체를 이용하여 편의되는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 플로팅 피스톤의 변위 거리를 제한하기 위한 수단을 더 포함하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제7항에 있어서,
상기 폭발 시에, 상기 플로팅 피스톤은 동력 행정 중에 상기 작동 피스톤으로 방출된 작업 에너지로 이후에 변환되는 초과 위치 에너지를 변위시켜 축적하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
동력 실린더 내에 이동가능한 작동 피스톤과 압축 챔버를 포함하는 내부 폭발 엔진 내의 폭발성의 급속 팽창 반응을 발생시키기 위한 방법이며,
압축 챔버 내부로 일정 체적의 공기 및 연료 혼합물을 주입하는 단계와,
점화를 위한 소정의 압축비를 달성하기 위해 상기 작동 피스톤의 압축 행정중에 압축 챔버 내에 상기 체적의 공기 및 연료 혼합물을 분사하는 단계와,
압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물을 실질적으로 일정하게 보유하고, 압축 행정과 동력 행정에 걸쳐서 발생하는 상기 작동 피스톤의 선 방향 위치의 상부 범위를 통해 소정의 압축비를 유지하는 단계로서, 상기 상부 범위는 상기 작동 피스톤의 상사점 위치를 포함하는, 보유 및 유지 단계와,
상기 상사점 위치를 지난 상기 작동 피스톤의 위치에서 상기 작동 피스톤의 동력 행정 중에 상기 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물을 폭발하는 단계를 포함하는
방법.
제22항에 있어서,
상기 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물을 실질적으로 일정하게 보유하고, 상기 소정의 압축비를 유지하는 단계는 상기 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물의 적어도 일부분이 상기 동력 실린더와 유체 연통하는 플로팅 피스톤 실린더와 동력 실린더 사이에서 이동하도록 하고, 상기 플로팅 피스톤 실린더는 소정의 압축비에 도달하는 상기 압축 챔버 내에서 발생하는 임계 압력에 응답하여 변이시키도록 구성된 편의식 플로팅 피스톤을 포함하고, 상기 임계 압력은 편의식 플로팅 피스톤을 압도하는
방법.
제23항에 있어서,
상기 상사점 위치 이전에 상기 작동 피스톤의 온셋 위치로부터 상사점 위치 이후에 작동 피스톤의 폭발 위치까지 상기 플로팅 피스톤 실린더로의 또는 플로팅 피스톤 실린더로부터 상기 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물의 이동 타이밍 및 지속 시간을 변경하기 위해 플로팅 피스톤 상에서 작동하는 편의력을 조종하는 단계를 더 포함하는
방법.
제22항에 있어서,
상기 작동 피스톤이 상기 상사점 위치를 지나 20 내지 60도 사이에 놓여있을 때 상기 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물을 폭발하는 단계를 더 포함하는
방법.
제22항에 있어서,
상기 폭발로부터 초래되는 피크 온도를 감소시키고 피크 압력을 증가시키기 위해 폭발 이전에 압축 챔버 내부로 물을 도입하는 단계를 더 포함하는
방법.
제22항에 있어서,
상기 폭발로부터 가스를 팽창시키는 파면을 발생시키는 단계를 더 포함하고, 상기 파면은 작동 피스톤과 플로팅 피스톤을 변위시키기 위해 양 방향으로 팽창하고, 위치 에너지는 플로팅 피스톤 실린더 내에 축적되고 그 후 동력 행정 중에 상기 작동 피스톤으로 방출된 사용가능한 작업 에너지로 변환되고, 상기 압축 챔버의 체적은 다른 방향으로 팽창하는
방법.
제22항에 있어서,
비원형의 외부 로브 표면을 갖는 오프셋 동력 크랭크와 비원형 내부 저널 표면을 갖는 동력 크랭크와 작동 가능하는 커넥팅 로드를 포함하는 상기 내부 폭발 엔진 내에서, 상기 압축된 체적의 공기 및 연료 혼합물을 실질적으로 일정하게 보유하고 소정의 압축비로 유지하는 단계는 압축 행정 및 동력 행정 모두에 걸쳐 작동 피스톤의 선 방향 위치 최상부에서 작동 피스톤을 보유하는 로브 표면과 저널 표면 사이에서 이동이 일정한 관계를 달성하고, 실린더 헤드와 작동 피스톤 사이에서 사공간 체적이 달성되는
방법.
피스톤 조립체이며,
로브를 갖는 회전 크랭크를 구비한 크랭크샤프트과,
상기 크랭크와 커넥팅 로드를 결합시키도록 상기 로브와 맞물리는 허브를 갖는 커넥팅 로드와,
상기 커넥팅 로드에 작동가능하게 결합되고, 상기 크랭크의 회전에 대응하여 선 방향으로 이동하도록 구성된 작동 피스톤과,
상기 크랭크의 상기 로브 상에 형성된 캠 표면과,
상기 크랭크의 상기 회전 동안, 상기 캠 표면과 상호 작용하는 상기 커넥팅 로드의 상기 허브 상에 형성된 종동부 표면을 포함하며,
상기 상호 작용 동안, 상기 작동 피스톤의 상기 선 방향 변위가 멈춰지고 상기 크랭크가 일정 범위의 각도 방향 위치에 걸쳐서 계속 회전하면서 정적 유지를 제공하도록 실질적으로 정적으로 유지되고,
상기 작동 피스톤의 상기 선 방향 변위는 상기 종동부 표면으로부터 상기 캠 표면의 해제 시에 다시 시작하는
피스톤 조립체.
제7항에 있어서,
상기 동력 실린더는 반구체 체적을 형성하는 헤드 공동을 갖는 실린더 헤드를 더 포함하는
피스톤 동력식 내부 폭발 엔진.
제29항에 있어서,
상기 작동 피스톤은 내부 폭발 엔진 내의 압축 챔버를 적어도 부분적으로 한정하도록 동력 실린더 내에서 작동될 수 있고, 상기 정적 유지는 상기 크랭크의 각도 방향 위치의 상기 범위에 걸쳐서 상기 압축 챔버 내에서 소정의 압축비와 일정한 체적의 압축 공기 및 연료 혼합물의 유지를 촉진하고, 상기 압축 공기 및 연료 혼합물의 폭발은 상기 작동 피스톤이 상기 정적 유지에 뒤이어 작동 피스톤의 선 방향 변위를 다시 시작할 때와 시간적으로 근접하여 발생하는
피스톤 조립체.
제31항에 있어서,
상기 동력 실린더와 유체 연통하는 플로팅 피스톤 실린더와,
상기 플로팅 피스톤 실린더 내에서 이동하도록 구성된 편의식 플로팅 피스톤을 더 포함하며,
상기 폭발 시에, 상기 플로팅 피스톤은 동력 행정 동안 상기 작동 피스톤으로 방출되는 작업 에너지로 이후에 변환되는 초과 위치 에너지를 변위시켜 축적하는
피스톤 조립체.
제31항에 있어서,
밸브 캠 및 대응하는 흡기 밸브를 구비한 제1 밸브 조립체와, 밸브 캠과 내연 기관 내에서 작동가능한 대응하는 배기 밸브를 구비한 제2 밸브 조립체를 더 포함하며, 상기 밸브 캠들 각각은 상기 정적 유지 동안 상기 흡기 밸브 및 배기 밸브의 동시적인 개방을 촉진하도록 구성된 하모닉 로브 프로파일을 포함하는
피스톤 조립체.
제29항에 있어서,
상기 크랭크의 각도 방향 위치들의 상기 범위와 상기 정적 유지는 상기 작동 피스톤의 상사점 위치뿐만 아니라 상기 작동 피스톤의 상기 상사점에 대응하는 상기 크랭크의 각도 방향 위치 이전에 그리고 이후에 발생하는 상기 크랭크의 다양한 각도 방향 위치들을 포함하는
피스톤 조립체.
제29항에 있어서,
상기 크랭크의 각도 방향 위치들의 상기 범위와 상기 정적 유지는 상기 작동 피스톤의 상사점 위치 둘레에 중심 설정되고, 상기 작동 피스톤의 선 방향 변위는 상기 상사점 위치 이전에 미리 결정된 범위의 상기 크랭크의 각도 방향 위치들에 대한 제1 방향에서 중단되고, 상기 상사점 위치에 후속하는 미리 결정된 범위의 상기 크랭크의 각도 방향 위치들에 대한 제2 방향에서 다시 시작하는
피스톤 조립체.
제29항에 있어서,
상기 캠 표면은 절두형 피치 캠 표면을 포함하고, 상기 종동부 표면은 피치- 라인 통로를 따른 이동을 촉진하도록 상기 절두형 피치 캠 표면과 맞물리는 대응하는 절두형 피치 종동부 표면을 포함하고, 상기 절두형 피치 캠 및 종동부 표면 각각의 형상은 각각의 스윙 지점으로부터 기하학적으로 배향되고, 상기 커넥팅 로드는 우세 각도(preponderance angle)를 제공하도록 수직을 지나 미리 결정된 각도로 기울어지는
피스톤 조립체.
제29항에 있어서,
상기 캠 표면은 나란히 놓인 원형 캠 부품과 조화 캠 부품으로부터 형성되고, 상기 종동부 표면은 실질적으로 하트 형상 표면을 포함하고, 상기 원형 캠 부품은 상기 커넥팅 로드가 나란히 진동하게 하기 위해서 상기 커넥팅 로드 내에서 대응 슬롯과 정합하고, 상기 조화 캠 표면은 상기 하트 형상 종동부 표면을 추적하고, 상기 커넥팅 로드는 우세 각도를 제공하도록 수직을 지나 미리 결정된 각도로 기울어지는
피스톤 조립체.
제29항에 있어서,
상기 범위의 크랭크 각도 방향 위치들은 약 30도와 70도 사이에 이르는 이동 범위를 포함하는
피스톤 조립체.
피스톤 조립체를 작동시키는 방법이며,
작동 피스톤을 선 방향으로 변위시키도록 하나 이상의 완전한 회전 사이클을 통해 크랭크를 회전시키는 단계로서, 상기 크랭크는 캠 표면을 구비하고 종동부 표면을 갖는 커넥팅 로드와 함께 작동될 수 있는 크랭크를 회전시키는 단계와,
상기 종동부 표면과 상기 캠 표면의 상호 작용시 상기 작동 피스톤의 제1 방향의 선 방향 변위를 멈추는 단계와,
상기 크랭크가 일정 범위의 각도 방향 위치들을 통해 계속 회전하면서 정적 유지를 제공하도록 정적 위치에서 상기 작동 피스톤을 유지시키는 단계와,
상기 종동부 표면으로부터의 상기 캠 표면의 해제 시에 상기 작동 피스톤의 제2 방향의 선 방향 변위를 다시 시작하는 단계를 포함하는
피스톤 조립체 작동 방법.
제39항에 있어서,
상기 정적 유지 동안, 다수의 밸브들이 동시적으로 개방되게 하도록 밸브 시퀀싱을 조작하도록 밸브 캠의 사이클로이드형 로브 프로파일을 형성하는 단계를 더 포함하는
피스톤 조립체 작동 방법.
피스톤 조립체이며,
로브를 갖는 회전 크랭크를 구비한 크랭크샤프트과,
상기 크랭크와 커넥팅 로드를 결합시키도록 상기 로브와 맞물리는 허브를 갖는 커넥팅 로드와,
상기 커넥팅 로드에 작동가능하게 결합되고, 상기 크랭크의 회전에 대응하여 선 방향으로 변위하도록 구성된 작동 피스톤과,
상기 크랭크의 상기 로브 상에 형성된 캠 표면과,
상기 크랭크의 상기 회전 동안 상기 캠 표면과 상호작용하는 상기 커넥팅 로드의 상기 허브 상에 형성된 종동부 표면을 포함하며,
상기 상호 작용 동안, 상기 작동 피스톤의 선 방향 상사점 변위 위치는 상기 회전 크랭크의 회전 상사점 위치 이후까지 실질적으로 지연되는
피스톤 조립체.
제41항에 있어서,
상기 캠 표면은 두 개의 축방향으로 인접하고 방사상 오프셋된 원형 표면들을 포함하고, 상기 종동부 표면은, 상기 회전 크랭크의 상기 회전 상사점 위치 이후까지 상기 작동 피스톤의 상기 선 방향 상사점 변위 위치를 지연시키도록 상기 두 개의 오프셋된 원형 표면들과 교대로 맞물리는 두 개의 축방향으로 인접하고 직교인 슬롯들을 포함하며, 상기 커넥팅 로드는 우세 각도를 제공하도록 수직을 지나 미리 결정된 각도로 기울어지는
피스톤 조립체.
제41항에 있어서,
상기 크랭크의 상기 캠 표면은 크랭크샤프트 회전의 방향에 대해 반시계 방향으로 오프셋되고, 상기 커넥팅 로드의 샤프트는 상기 회전 크랭크의 상기 회전 상사점 위치 이후까지 상기 작동 피스톤의 상기 선 방향 상사점 변위 위치를 지연시키도록 상기 허브에 대하여 방사상으로 오프셋되고, 상기 커넥팅 로드는 우세 각도를 제공하도록 수직을 지나 미리 결정된 각도로 기울어지는
피스톤 조립체.