KR101751033B1 - 질량 균일화가 개선된 왕복 피스톤 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 평행한 실린더 축선을 구비한 원형 횡단면을 구비한 4개의 실린더(8, 8') 및 출력 샤프트(2)를 가지는 왕복 피스톤 엔진(1)에 관한 것으로, 축방향 단면으로 볼 때 실린더 축선이 직사각형의 코너 지점에 놓인다. 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진은 직사각형이 정사각형이고 정사각형의 중심에 실린더 축선에 평행하게 연장하는 출력 샤프트(2)의 축선이 놓이고, 축 방향으로 볼 때, 각각의 경우 서로 대각선 방향으로 대향되게 놓이는 두 개의 실린더(8; 8')가 동일한 방향에 배치되고, 축 방향으로 볼 때, 두 개의 다른 실린더(8'; 8)에 관해 반대 방향으로 놓이며, 힘 또는 모멘트 전달이 각각의 실린더(8, 8')로부터 전용 회전 크랭크(7, 7')와 톱니 시스템(3, 4, 5, 6)을 통해 출력 샤프트(2)로 발생한다.

Description

질량 균일화가 개선된 왕복 피스톤 엔진 {RECIPROCATING PISTION ENGINE WITH IMPROVED MASS EQUALIZATION}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 대응하는 질량 균일화가 개선된 왕복 피스톤 엔진에 관한 것이다. 이 같은 엔진은 JP 2004204777호로부터 알려져 있다. 이러한 공보는 각각의 피스톤이 로커(rocker) 상에 작용하는 장치를 공개하며, 상기 로커는 로커의 부분에 대해 비스듬한 변속기(transmission) 및 자유 휠을 경유하여 실린더 축선에 대해 수직하게 연장하는 출력 샤프트의 왕복 운동을 연속 회전 운동으로 변환한다. 왕복하는 질량의 기본적 문제점 모두에 부가하여 질량 균일화가 부족하다.
DE 26 27 979호는 출력 축이 고정될 때조차, 연속적으로 작동될 수 있지만 출력 축을 중심으로 한 회전이 설정되는 왕복 피스톤을 구비한 엔진을 설명한다. 상기 엔진은 출력 축을 중심으로 동축으로 거울-도립 형태로 배열되고 카르단 조인트 또는 차동 기어 타입을 구비한 내부 변속기를 경유하여 출력 축에 연결되는 고리형 피스톤을 가지는 두 개의 고리형 실린더를 가진다. 피스톤이 완전한 질량 균일화를 가지는 경우조차, 다른 실제적인 결점을 고려조차 하지 않으면서, (실린더의 중앙 공동에 배치되는) 복잡한 변속기는 완전히 균일화되지 않는다.
일반적으로, 왕복 피스톤 엔진은 자체 완성도 및 일반적으로 이용가능한 노우 하우(know how) 및 재료의 기술적 제련 및 실린더 내의 연소 프로세스들의 광범위한 지식 및 결과적으로 달성되는 각각의 사용 분야에 대한 우수한 적용성 덕분에 광범위하게 보급된다.
왕복 피스톤 엔진의 원리에서 본질적인 문제점은 한편으로 상사점으로부터 그리고 하사점으로부터 비균일한 피스톤 속도과 관련된 피스톤의 왕복 운동의 결과로서 그리고 다른 한편으로 크랭크 운동의 측면 구성요소에 의해 발생되는 불균형의 결과로서 유발되는 질량 균일화의 문제점이다.
120°점화 간격을 갖는 4-행정 작동 동안 연속-장착된 6개의 실린더 엔진은 자유 질량 포스 및 자유 질량 토크 둘 다를 가지고, 제 2 오더(order)까지 여기서 완전한 균일화를 제공하지만, 이 같은 엔진에서 긴 크랭크샤프트의 비틀림 강도 또는 비틀림 강도의 결여가 이미 시작되어 문제가 되며, 일련의 실린더의 배치의 결과로서 매우 긴 설계가 되는 엔진 블록이 존재한다.
균일화 구조는 다양한 편심 샤프트로 작동하는데, 이 편심 샤프트는 크랭크샤프트에 대해 평행하게 형성하고 회전 고정 방식으로 크랭크샤프트에 연결되고 질량 포스 및 질량 토크를 균일화하도록 통상적으로 크랭크샤프트의 회전 속도를 2 배로 또는 회전 속도를 4 배로 회전한다. 이렇게 복잡하고 따라서 고가인 시스템과 반대로, 설계자들은 다양한 경우에 진동이 기부 또는 차량 프레임으로 가능한 많이 전달하지 않는 엔진을 매달거나 장착하는 것에 의해 충족되었다.
대조적으로, 본 발명은 컴팩트한 설계이고 질량 포스 및 질량 토크의 고-품질 균일화를 가지는 왕복 피스톤 엔진을 제공하는 목적을 가진다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1의 특징부에서 서술된 특징을 구비한 왕복 피스톤 엔진에서 달성된다.
즉, 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진은 실질적으로 출력 샤프트가 실린더 축선에 대해 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하며, 출력 샤프트로의 토크의 전달이 베벨 기어를 통해 발생한다는 사실이 또한 바람직하다. 실린더는 원형 횡단면을 가진다.
4 개의 실린더는 바람직하게는 사각형으로 배치되며, 서로에 대해 대각선으로 놓이는 실린더들이 반대 방향으로, 그러나 다른 동일한 각도 위치에서 작동하며, 이러한 방식으로 형성된 두 쌍의 실린더가 헤드 대 기부(head to foot)로 배치되며, 즉 한 쌍의 크랭크 드라이브들 사이의 실린더 헤드에는 다른 쌍의 벨브가 제공된다.
베벨 기어에 의한 출력 축으로의 개개의 실린더의 토크 전달은 높은 정밀도와 높은 안정성을 가진 건조 가능성의 결과로 더 이상 문제가 아니며, 1980년대 까지 베벨 기어의 운동 정밀도 및 사용기간에 관해 발생했던 이와 관련된 문제들은 그 시기의 매우 높은 제조 비용을 또한 가짐으로써 완전하게 극복되었다.
본 발명은 도면을 참고로 하여 아래에서 더 상세하게 설명되며, 여기에서,
도 1은 출력 축에 대해 수직한 완전한 개략 단면도를 도시하고,
도 2는 다양한 실린더 축선을 통하여 코너 주변으로 반복적으로 연장하는 완전한 개략 단면도를 도시하며,
도 3 및 도 4는 도 1 및 도 2와 동일한 도면의 변형을 도시하고
도면은 2-행정 작동의 변형을 도시한다.
도 1은 복수의 스테이지를 통해, 본 발명에 따른 왕복 피스톤 엔진(1)을 통해 연장하는 두 개의 구동 베벨 기어(4)와 맞물리고 베벨 기어(4)에 부착되는 베벨 기어(3)를 구비한 출력 샤프트(2)를 개략적인 단면도로 도시된다. 크랭크 기어(6)와 맞물리는 중간 기어(5)는 각각의 경우에 회전식으로 고정되고 동축 방식으로 구동 베벨 기어(4)에 연결된다. 크랭크 기어(6)는 이어서 실린더(8)의 피스톤(9;도 2)의 연결 로드(11)의 크랭크(샤프트)(7)에 영구적으로 연결된다. 베벨 기어의 변속 비율의 선택의 결과로서, 엔진에 대해 선호되는 엔진이 회전 속도 범위 내에서 작동 될 수 있는 결과로서, 적합한 변속 비율에서 광범위한 제한 범위 내에 도달하는 것이 가능하다.
도 1 로부터, 크랭크샤프트(7)가 도시되는 두 개의 실린더(8)가 출력 샤프트(3)에 대해 그리고 출력샤프트에 평행하게 형성된 실린더 축선에 관해 대칭적으로 배치되는 것이 명확하다. 두 개의 크랭크샤프트는 서로 평행하게 형성하며 출력 샤프트(2)는 크랭크 축선에 의해 형성된 평면에 대해 수직하게 형성한다.
실린더(8)에 대해 구조적으로 일치하고, 구별 목적으로 도면부호에 “”가 제공되는 두 개의 부가 실린더(8')는 출력 샤프트(2)의 축선 주변으로 제공되며, 90˚로 회전되고, 그들의 헤드를 향한다.
이러한 조치의 결과로써, 모든 4개의 피스톤(9)은 동시에 상사점에 도달하고 동시에 하사점에 도달한다. 하지만, 두 개 그리고 두 개의 실린더가 서로에 대해 반대 방향으로 배치되기 때문에, 머리 대 기부일 때 크랭크 회전 상에 대한 실린더 운동 사이의 차이점들은 완전히 균일화되며; 각각의 경우, 동일한 방향으로 배치된 두 개의 실린더들의 대칭의 결과로, 수평력(실제적으로 실린더 축선에 관해 수직하게 발생하는)이 완전히 균일화된다.
피스톤과 크랭크의 배치와 회전 방향을 특정한 화살표로부터 명백한 바와 같이, 엔진은 완전한 질량 균일화를 갖는다. 실린더(8')에 할당되는 벨브(10')가 피스톤(9)의 크랭크(7) 또는 실린더(8)에 의해 제어될 수 있는 컴팩트한 설계의 결과로, 공간의 요구가 적고 중심으로 관통하는 출력 샤프트(2)가 설치 장소의 다양한 변화를 허용한다. 연결 로드(11)를 경유하여, 짧은 피스톤(9) 및 출력 샤프트(2)및 톱니를 경유한 피스톤(9)으로부터의 실제의 직접적인 힘의 흐름 또는 토크 흐름의 결과로, 엔진이 예를 들어, 종래의 연속-장착된 6개의 실린더 엔진이 크랭크샤프트의 길이 때문에 경험하는 경향을 가지는, 트위스팅 및 이에 따른 비틀림 진동이 실제로 없게 된다.
본 발명의 이러한 변형예에 있어서, 제 1 변형예에서 보다 기어(3,4,5, 및 6)의 사용에 의해, 부가 구성요소에 대한 요구 없이 바람직한 엔진의 정상 회전 속도에서 엔진 자체 내의 출력 샤프트(2)의 각각의 바람직한 "메인 회전 속도"를 미리 달성하는 것이 더욱 더 만족스럽게 가능하게 된다.
본 발명의 일 변형예는 동일한 부분이 도 1 및 도 2에서 부분들과 동일한 도면 부호로 표시되면서 도 3 및 도 4에 도시되며 크랭크 구동부 또는 피스톤 엔진의 기본적인 설계가 또한 동일하며, 단지 개개의 실린더의 크랭크 축선(7')의 배향만 다르다.
도 3으로부터 특히 명백한 바와 같이, 크랭크샤프트(7)의 축선(7')이 출력 샤프트(2)의 축선을 향해 형성되어 크랭크샤프트와 교차된다. 이러한 방식으로, 크랭크샤프트(7) 상에 설치되는 구동 베벨 기어(4)가 출력 샤프트(2) 상에 설치되는 베벨 기어(3)와 맞물리는 것이 가능하게 되며, 따라서 중간 톱니(toothing)를 필요로 하지 않으면서 엔진 토크가 전달된다.
이러한 설계에 의해서, 제 1 실시예에서 필요한 스퍼 기어(5,6)가 없는 것이 가능하며, 따라서 이러한 기어를 제공하는 부가 변속 가능성이 제거되고 베벨 기어의 선택에 의해 제공되는 변속 가능성이 유지된다.
도 3 및 도 4로부터, 나사산 방식으로 드라이브 샤프트(2) 상에 장착되고 또한 웜 기어가 되도록 또한 고려될 수 있는 톱니 및 톱니와 맞물리고 대응하는 캠으로 샤프트 상에 설치된 스퍼 기어를 경유하여 벨브를 구동하기 위한 변형예가 특히 명백해진다. 하지만, 이러한 변형이 단지 부속물로 고려되기 때문에, 우리는 도면 부호를 제공하지 않았다.
도 5는 비행기(도시되지 않음)의 프로펠러(13)을 위한 구동부로서의 변형예를 도시하고 여기에서 "점화 조명 심벌"(12)에 의해 표시된 바와 같이, 2 행정 작동이 제공된다. 본 도면은 엇갈리게 배치된 방식으로 위치된 실린더를 통한 횡단면을 허용하기 위해서 다중으로 굽혀진 표면을 따라 차례로 도시된다. 댐핑 요소(14)는 엔진과 프로펠러(13) 사이의 구동 트레인(drive train) 내에 제공되며 상기 댐핑 요소(14)는 실례가 되지 않았던 도시된 예에서의 구동부와 동축으로 연결된다. 이러한 댐핑 수단은 적합한 변속 비율을 구비한 변속기와 조합 될 수 있다. 선택적 출력 샤프트에 의해, 동일한 유형의 하나 이상의 추가 엔진 유닛이 프로펠러로부터 반대 방향으로 향하는 측면에 제공되는 것이 표시되며, 이러한 엔진 유닛이 또한 프로펠러(13)와 출력 샤프트 상에 작동한다.
본 발명에 따른 장치는 임의의 새롭거나 흥미로운 재료, 제어부, 밀봉부 등을 요구하지 않으며, 그 결과로서 엔진 설계자의 발명적 지식 내에 놓이고 어려움 없이 설계되고 치수화 될 수 있다. 출력 샤프트의 회전 속도 범위와 엔진의 토크 및 힘 및 본 발명의 주어진 지식에 문제점들 없이, 톱니가 설계되고 제조될 수 있으며, 이를 위해 필요한 모든 지식은 변속기 설계의 분야에서 용이하게 접근가능하다.
본 도면은 직관적으로 수직하게 관측된 방향으로 형성하는 출력 샤프트(2)를 도시하지만 이것은 단지 관습적인 것이다. 왕복 피스톤 엔진의 경우 관습적이기 때문에 실린더 축선의 배향은 엔진 자체에 대한 영향 없이 각각의 설치 상태에 적응될 수 있다. 물 냉각 및 공기 냉각을 생각할 수 있고, 2-행정 작동 또는 4-행정 작동을 생각할 수 있으며; 가솔린, 디젤 또는 다른 연료들이 사용되는 것은 설계자의 자유재량이다.
본 발명이 컴팩트한 설계와 고-품질 질량 균일화때문에 적절한 비행기 엔진에 적용될 때, "부드러운" 연결 또는 댐핑 장치가 프로펠러에 의해 유도될 수 있고 토크 내의 충격과 같은 불안정에 대해 베벨 기어 톱니를 보호하기 위해 표시된다. 본 발명이 이런 방식으로 사용될 때, 2-행정 엔진으로서의 작동이 압축 압력이 낮기 때문에 유리하며, 결과적으로 벽의 두께와 이에 따른 질량이 감소될 수 있는데, 이는 기름 통이 요구되지 않기 때문이며, 작동이 위치("인공 비행 할 수 있는")와 독립적인데, 이는 어떠한 하중 변화도 베벨 기어 톱니에서 발생하지 않기 때문이며, 마지막으로 좁은 공간 내의 가스 흐름의 안내가 4-행정 작동의 경우에서 보다 더 용이해 질 수 있기 때문이다.

Claims (6)

  1. 서로 평행인 실린더 축선을 구비한 원형 횡단면을 가지는 4 개의 실린더(8, 8') 및 출력 샤프트(2)를 가지는 왕복 피스톤 엔진(1)으로서,
    축 단면으로 볼 때, 상기 실린더 축선이 직사각형의 코너 지점에 놓이는, 왕복 피스톤 엔진에 있어서,
    상기 직사각형은 상기 실린더 축선에 대해 평행하게 형성되는 상기 출력 샤프트(2)의 축선이 중심에 놓이는 정사각형이고, 각각의 경우 축방향으로 볼 때, 서로 대각선 방향으로 대향되게 놓이는 두 개의 실린더(8; 8')가 동일한 방향으로 배치되고, 축방향으로 볼 때, 두 개의 다른 실린더(8'; 8)에 대해 반대 방향으로 배치되며, 각 실린더(8, 8')로부터의 토크 및 힘의 전달이 개별 회전 크랭크(7, 7') 및 톱니(3,4,5,6)를 통해 상기 출력 샤프트(2)로 발생하는 것을 특징으로 하는,
    왕복 피스톤 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    서로 대각선 방향으로 대향되게 놓이는 피스톤(9; 9')이 동일한 위상으로 배치되고 반대 방향으로 회전하는 크랭크(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    왕복 피스톤 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    모든 상기 실린더(8; 8')의 피스톤(9; 9')이 동시에 그들의 상사점 및 하사점에 도달하는 것을 특징으로 하는,
    왕복 피스톤 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 톱니가 베벨 기어(3, 4)를 가지는 것을 특징으로 하는,
    왕복 피스톤 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 크랭크(7)의 축선(7')이 상기 출력 샤프트(2)의 축선과 교차하고, 상기 크랭크(7)는 출력 축 상에서 베벨 기어(3)와 맞물리는 베벨 기어(4)를 가지는 것을 특징으로 하는,
    왕복 피스톤 엔진.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 크랭크(7)의 축선(7')이 쌍으로 서로 평행으로 형성되며 상기 출력 샤프트(2)의 축선에 대해 꼬인 위치에 있고, 상기 크랭크(7)가 출력 축 상에서 베벨 기어(3)와 맞물리는 동축형 베벨 기어(4)를 가지는 중간 기어(5)와 맞물리는 크랭크 기어(6)를 가지는 것을 특징으로 하는,
    왕복 피스톤 엔진.
KR1020127028041A 2010-04-12 2011-04-08 질량 균일화가 개선된 왕복 피스톤 엔진 KR101751033B1 (ko)

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