KR19990007907A - 자유 피스톤 엔진 - Google Patents

Abstract

연소 피스톤(12)이 직접 펌프 피스톤(13')을 구동하여, 분할-사이클 기계의 형태인 선형 운동을 회전 운동으로의 펌프/모터 전환기로 작동유를 앞뒤로(to and fro)펌프하는 자유 피스톤 엔진(10).

Description

자유 피스톤 엔진

자유 피스톤 엔진은 필수적으로 연소와 수력학(hydraulics)의 원리들을 하나의 엔진에 결합한다. 연소는 팽창하여, '자유' 피스톤을 함께 구성하는 펌프 피스톤에 단단히 부착되어있는 '연소' 피스톤을 누른다. 펌프 피스톤은 많은 적용례들에서 사용될 수 있는 다수의 펌프/모터들로 작동유를 동력 라인들(power lines)을 통하여 펌프한다.

본 발명은 피스톤 운동의 제어를 변화시키는 것에 관한 것이며, 더욱 상세히는, 피스톤-인-실린더(piston-in-cylinder) 운동의 작동 사이클 동안에 실린더내의 자유 피스톤의 행정을 변화시키는 방법들과 수단에 관한 것이다.

도1은 하나의 자유 피스톤에 적용된 본 발명의 유압 제어 방법을 설명하기 위한 개략적인 배치도이며;

도2는 24실린더 분할-사이클 회전 기계에 결합된 도1에 따라서 필수적으로 실린더들을 가지는 네 개의 실린더 자유 피스톤 엔진의 개략도이며;

도3은 네 개의 마주보는 피스톤 쌍들에 적용된 유압 제어의 한가지 방법을 설명하는 본 발명의 다른 실시예의 유압 회로도를 도시한 개략적인 배치도이며;

도4는 제1 배치(configuration)에서의 도3의 마주보는 피스톤 쌍들 중 하나의 횡단면도이며; 그리고

도5는 연소실의 배기를 가능케 하는 제2 배치에서의 마주보는 피스톤들을 가지는 도4와 유사한 도면이다.

본 발명은 자유 피스톤 내연 엔진의 피스톤 로드에 의해 스위핑된(swept) 체임버와(상기 피스톤 로드는 이 체임버 안에서 선형 운동을 받는다.), 그 일반적인 형태가 우리의 미국 특허 제5146880호 및 제5279209호에서 개시되었지만 그 실시예들에서 나타나는 실시예의 명세에 제한되지 않고 하기에서 분할-사이클(split-cycle) 기계라고 지칭되는 회전 기계의 하나 혹은 다수의 작동 체임버들 사이에 유체 커플링을 제공함으로써 본 발명에 의해 용이하게 되는 내연 엔진의 피스톤-인-실린더 운동을 자유롭게 하기 위하여 적용된 것이다. 미국 특허 명세서 제5146880호 및 제5279209호의 내용들은 여기에서 참고로 병합되었다. 본 발명의 배치에서, 결합체(combination)의 출력은 우리에게 알려진 유형의 회전 기계의 중심 회전축을 통한다.

일 태양에 따르면, 본 발명은 연소 피스톤과 펌프 피스톤에 의해 형성된 적어도 하나의 자유 피스톤을 포함하는 자유 피스톤 엔진에서 선형 피스톤 운동을 회전 운동으로 전환하는 방법을 제공하는데, 상기 펌프 피스톤은 작동유의 운동을 회전 출력 운동으로 전환하는 적어도 하나의 유압 펌프/모터로 작동유를 펌프하며, 그리고 상기 펌프/모터는 상기에서 설명된 분할-사이클 기계이다.

다른 태양에 의하면, 본 발명은 연소 피스톤과 펌프 피스톤에 의해 형성된 적어도 하나의 자유 피스톤을 포함하는 자유 피스톤 엔진을 제공하는데, 상기 펌프 피스톤은 유체 회로(fluid circuit)를 통하여 작동유를 적어도 하나의 유압 펌프/모터로 펌프하여 작동유의 운동을 회전 운동으로 전환하며, 그리고 펌프/모터는 전술된 분할-사이클 기계이다.

본 발명에 따른 배치의 기능성을 더욱 간단히 설명하자면, 펌프 피스톤의 보어가 펌프 피스톤과 유압적으로 결합하게되는 분할-사이클 기계에서의 작동 체임버들의 각각의 보어와 동일하다고 간주하는 것이 적절하다. 최대 피스톤 행정이 36mm이고 유체 커플링이 분할-사이클 기계의 여섯 개의 작동 체임버들이라고 가정하면, 펌프 및 연소 피스톤들의 36mm의 왕복운동은 분할-사이클 기계의 여섯 개의 체임버들 각각에서 각각의 피스톤의 왕복운동이 6mm인 것을 나타낸다.

자유 펌프 피스톤과 여기서 그와 연합된(associated) 연소 피스톤의 행정을 제어하기 위하여, 펌프 피스톤 체임버와 유압적으로 결합된 여섯 개의 분할-사이클 기계의 작동 체임버들 중 하나와의 사이에서의 작동유의 유동이 이루어질 수 있다. 자유 피스톤 운동의 제어는 다음과 같은 보기의 방법으로써 제공될 수 있다. 상사점으로부터 하사점으로의 자유 피스톤의 운동이 각각 상사점으로부터 하사점 위치들로의 분할-사이클 기계의 여섯 개의 연합된 유압 피스톤들의 운동과 상응하고, 거꾸로도 마찬가지라면, 유압 회로에서 작동유 제어 밸브들의 삽입에 의하여, 자유 펌프 피스톤의 행정과 그와 결합된 연소 피스톤의 스위핑된 용적(volume)은 분할-사이클 기계의 유압적으로 결합된 작동 체임버들의 하나나 몇 개 혹은 전부로의 유체 통로의 개폐에 의하여 달라질 수 있다.

본 발명의 방법에 의하여, 4행정 자유 피스톤 엔진은 분할-사이클 회전 기계와 결합될 수 있어서, 다수의 유압 피스톤들이 상기에서 언급된 36mm의 동력과 배기 행정들 및 24mm의 흡입과 압축 행정들을 가지는 것이 가능하도록 요구되는 엔진의 작동 사이클 동안에 유체 커플링으로부터 제거될 수 있다. 그러한 배치로, 8:1의 압축 행정비와 12:1의 동력 행정비가 제공될 수 있다. 그러한 방식의 기능을 할 수 있는 4행정 엔진을 제공하는 장점은 관련 분야의 기술자들에게 용이하게 분명해질 것이다. 상사점에서 엔지 피스톤(들)의 드웰(dwell)을 편리하게 제어하도록 유압적으로 결합된 분할-사이클 기계의 로브 축들에 로브들(lobes)을 형성함으로써 또한 가능할 것이다. 드웰을 제어하는 이러한 능력은 종래의 크랭크 엔진과는 특징을 이루는 대조가 된다.

본 발명에서, 엔진의 원동력(motive force)은 자유 피스톤(들)에 연결된 유압의 유체 커플링을 통하여 분할-사이클 기계의 회전축으로 전달된다. 이 유압 커플링은 종래의 회전 크랭크 엔진과 관련된 문제점들을 피하며, 한편 엔진의 자유 펌프 및 연소 피스톤들은 크랭크 운동대신 선형 운동을 따르게된다.

특히 바람직한 실시예에서, 4개의 내연 엔진 자유 피스톤들은 네 개의 피스톤들의 점화를 통합하고 매끄러운 회전 출력을 제공할 수 있는 24 실린더 분할-사이클 회전 기계에서 여섯 개의 작동 체임버들을 가지는 네 개의 단독 세트들에 유압적으로 결합된 로드들을 가진다.

본 발명은 또 다른 태양에 따르면, 각각의 연소 체임버는 2행정 사이클을 통하여 연소 모드를 가지는 두 개의 마주보는 자유 피스톤들로 형성된다. 각각의 마주보는 피스톤은 분할-사이클 회전 기계의 작동 체임버들 중 적어도 하나에 유압적으로 연결된다.

본 발명에 따른 배치로서 공통의 연소실에 마주보는 자유 피스톤들을 제공함으로써, 그러한 피스톤들의 운동의 매우 가변적인 제어를 제공할 가능성이 생긴다. 그러한 수단에 의하여, 연소실의 압축비는 달라질 수 있어서 가연성 연료 종류를 수용하는 한편, 배기구 개방의 무한한 조정성은 엔진 성능에 대한 용이한 제어를 제공할 수 있다.

본 발명의 이러한 태양에서, 두 개의 마주보는 자유 피스톤들은 그 사이에서 연소실을 형성하는 공통의 실린더에 설비되어있으며, 상기 피스톤들은 각각의 피스톤 로드들에 장착되며, 로드들은 각각의 작동유 체임버들 내에서 선형으로 운동하도록 적응되어있다. 서로 마주보는 한 쌍에서 각각의 자유 피스톤은 분할-사이클 기계의 유체 작동 체임버들 중 적어도 개별적인 체임버들에 유압적으로 연결되어서, 각 쌍의 피스톤들의 각각의 피스톤 행정은 그 쌍의 피스톤이 유압적으로 연결된 분할-사이클 기계의 유체 작동 체임버(들)에서의 각 피스톤의 행정에 의해, 적어도 부분적으로, 제어될 수 있다.

도1의 개략적인 배치는 피스톤(12)을 담고있는 실린더 헤드(11)를 가지는 단일 실린더 자유 피스톤 엔진(10)을 도시한다. 그 사이에서 너클 조인트(knuckle joint)(14)로 연결된 두 부분들로 형성된 피스톤 로드(13)에 피스톤(12)이 장착된다.

피스톤 로드(13)는 그 자신이 유압 실린더(15)내에서 유압 펌프 피스톤(13')을 형성한다. 유압 실린더(15)의 방출구(16)는 회전 기계의 각각의 피스톤들(19)과 접촉하는 로브 축들(18)의 회전의 동일 단계에서 모두 작동하는 분할-사이클 회전 기계의 여섯 개의 작동 실린더들에 유압 라인(17)을 통하여 결합된다. 각각의 분할-사이클 기계의 유압 실린더(15)에 결합되는 유압 라인(17)을 통한 유체 커플링은 라인(17)이 분기하는 각각의 병렬 유체 라인들(20)을 통해 이어진다.

각각의 실린더나 체임버(21)와 라인(17) 사이의 유압의 유체 커플링은 각각 다양하게 개방 가능한 밸브들(22)의 작동을 통하여 제어된다. 밸브들(22)은 솔레노이드 밸브나 그의 동등물일 수 있다. 도1에서 도시된 단일 실린더는 24mm의 흡입 및 압축 행정들을 가지는 한편, 36mm의 동력 및 배기 행정들을 가지도록 제어되는 4행정 내연 엔진이며, 피스톤(13')의 보어의 횡단면 면적이 여섯 개의 유압 피스톤들(19)의 각각의 보어의 횡단면 면적과 동일하다는 것을 기초로 이제 설명될 것이다.

이 실시예에서, 피스톤(12)의 36mm행정은 여섯 개 피스톤들(19) 각각의 6mm행정과 일치한다. 엔진(10)에서 연소가 일어났을 때, 피스톤(12)은 동력 행정에서 36mm를 이동하며, 이적은 여섯 개의 피스톤들(19)의 6mm이동과 직접적으로 일치한다. 피스톤들(19)이 그들의 하사점들에 있게되는 것과 유사하게 피스톤(12)이 하사점에 있게되는 피스톤(12)의 동력 행정의 끝에서, 배기 행정이 시작되며, 각각의 밸브들(22)은 체임버(21)와 피스톤(13')이 라인들(20, 17)을 통하여 유압적으로 연결되도록 개방을 유지한다. 배기 행정의 끝과 흡입 행정의 시작에서는, 두 개의 밸브들(22)이 폐쇄되어 단 네 개의 피스톤들(19)만이 피스톤(13')에 유압적으로 연결되어 피스톤(12)이 24mm의 흡입 행정을 통해서만 왕복 운동을 하게된다. 흡입 행정 동안 피스톤(13')에 유압적으로 연결되지 않은 두 개의 피스톤들(19)에는, 그 각각의 작동 체임버들 안에서의 흡입(suction) 효과를 피하기 위하여 그들의 작동 체임버들(21)에 유체의 추가가 요구될 것이다. 도1의 개략도에서, 피스톤(19)이 그의 하사점으로 돌아가는 것을 돕게 하기 위한 스프링(23)이 도시되어있다.

24mm의 흡입 행정의 끝에서, 압축 행정은 엔진의 행정의 특질에 따라 하사점 위치가 달라지는 반면에 엔진의 모든 행정들에서 일정하게 유지되는 피스톤(12)의 상사점 위치에서 피스톤(12)의 압축 행정도 또한 24mm로 제한되도록 그렇게 남은 회로의 피스톤들(19)에서 두 개로 시작한다.

도2에서, 24실린더 분할-사이클 회전 기계(30)는 도1에서 예시된 네 개의 엔진들(10)로의 유압 커플링을 위해 배치되며, 각각의 엔진(10)의 배열은 기계(30)의 여섯 개의 작동 체임버들과 연계되어있다. 그 장치의 출력은 기계(30)의 축에서 중앙의 회전축을 통해서 이루어진다. 이러한 방법에 의하여, 4실린더 엔진의 출력들에 의해 제공된 유압 구동은 작동의 사이클동안에 엔진에서 피스톤의 다양한 행정들의 가변성 있는 제어를 가능케 하는 방식으로 동력화될 수 있다.

엔진 실린더들의 피스톤 속도는 그 실린더들로 및 실린더들로부터 동력의 유압적 전달에 적절한 제어를 부여하도록 제한될 수 있다. 엔진 실린더들의 피스톤 속도가 대략적으로 피스톤 운동의 최고 속도의 1/4정도 되는 것이 관찰된다.

일시에 작동하는 전수한 실시예의 네 개의 실린더들을 모두 갖는 것이 필요하지 않는 경우들에서는, 연료 보존의 조치로서 하나나 그 이상의 실린더들의 작동을 차단하는 것이 적절할 수 있다. 본 발명의 방법과 장치에 의한 작동의 탄력성은 이전에는 가능하지 않았던 향상을 제공한다.

다른 실시예에서, 작동기를 통하여 동시 결합된 로브 축 위의 로브들에 대하여 분할-사이클 기계의 하나의 유압 피스톤의 높이를 지속적으로 다르게 함으로써, 무한히 가변성 있는 압축 비를 가지는 것이 가능하며, 그러므로 연료를 위하여 또는 가변성 있는 행정을 보정하기 위하여 원하는 비율을 선택하도록 컴퓨터 제어를 사용할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 엔진에서의 요구에 대하여, 예를 들어 아이들(idle) 상태에서 6mm행정으로 시작하여 점차적으로 최고 동력을 위해 36mm로 행정을 증가시키는 경우, 특정한 유압 실린더들을 차단함으로써, 개선된 효율이 성취될 수 있다. 이것은 계속해서 동력 행정이 36mm가 되게 함으로써 행해지며, 그로 인하여 특히 상기에서 설명된 가변적인 압축과 결합되었을 때 큰 팽창 비가 성취된다.

본 발명은 하나의 자유 피스톤에 의한 분할-사이클 기계의 하나의 유압 피스톤을 구동함으로써 실행될 수 있다.

4행정 엔진 장치에 관련하여 제1 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 방법과 장치는 2행정 사이클이나 단일 혹은 다중-사이클 자유 피스톤 엔진들에도 동일하게 적용된다.

도3은 도2와 유사한 도면이며, 유사한 부품들이 도2에서와 유사하게 번호 붙여졌다. 도3의 실시예에서, 각각의 피스톤 쌍과 실린더 결합체(40)에서 마주보는 피스톤들(41, 42)은 각각의 유압 피스톤들(43, 44)에 결합된다. 피스톤(41)은 배기구(45)의 개방을 제어하며, 한편 피스톤(42)의 운동은 엔진 행정의 주요 구성요소를 제공한다.

피스톤 로드들(43, 44)은 각각의 유압 구동 실린더 어셈블리(47)내에서 각기 유압 피스톤들(46)에 장착된다. 각각의 유압 실린더 어셈블리(47)에서 각 피스톤 로드들(43)의 반대편은 도시된 유압 회로 라인들을 통하여 분할-사이클 기계(30)의 작동 체임버들과 피스톤들(19)에 유압적으로 결합된다. 각각의 배기 피스톤(41)에 작용되는 하나의 유압 라인은 그 회로에 개재되는 고속의 솔레노이드 밸브(22)를 가지며, 한편 나머지 다른 라인은 직접 피스톤(19)에 결합된다.

본 실시예의 각각의 동력 피스톤(42)은 고속 솔레노이드 밸브가 없는 하나의 작동 체임버(19)와 병렬인 고속 솔레노이드 밸브들(22)을 가지는 그 커플링들 중 세 개를 가지는 네 개의 작동 체임버들(19)에 유압적으로 결합된다.

도4내지 5에서 도시되었듯이, 배기 피스톤(41)은 기계(30)의 두 개의 피스톤들(19)로부터 제어된 12mm의 행정이 제공된다. 각각의 그러한 피스톤(19)은 (밸브들(22)과 상응하는) 그의 연합된 솔레노이드 밸브(22)로 인하여 가변성 있는 단일 피스톤(19) 출력으로 6mm행정을 가진다.

유압 실린더 어셈블리(47)의 각각의 바디는 각 실린더 어셈블리(47)의 바디(48)를 연소실(50)로부터 혹은 연소실(50)을 향하여 이동시키기 위하여 비례 제어기에 장착되도록 도시된다. 하나의 바디(48)와 그의 연합된 피스톤(41) 사이의 변위를 제어 가능하게 변화시킴으로써, 배기구(45)로의 무한히 가변성 있는 개방을 제공하는 것이 가능하다.

엔진의 요구에 기초하여 특정한 유압 제어 피스톤들(19)을 차단하기 위하여 적절한 솔레노이드 밸브들(22)을 작동시킴으로써, 배기구(45)로의 무한히 가변성 있는 제어를 제공하는 것뿐만이 아니라 각 동력 피스톤(42)의 행정을 용이하게 변화시키는 것이 가능하다.

도4내지 5에서 도시되었듯이, 도3과 관련지어볼 때, 기계(30)의 출력에 대한 요구를 기초로 각각의 솔레노이드 밸브들(22)을 통하여 피스톤들(19) 중 특정한 피스톤들을 차단함으로써, 엔진 아이들 속도에서 소위 6mm행정을 가지는 동력 피스톤(42)으로 시작하여 점차적으로 피스톤(42) 행정을 최고 동력24mm로 증가시키는 것이 가능하다. 각각 6mm의 행정을 가지는 네 개의 개별 피스톤들(19)에 의해 제어되는 피스톤(42) 행정으로, 실린더 바디(48)와 피스톤(42) 사이에서의 분리를 다르게 하는 것에 의하여 압축 비를 무한히 달리하는 것이 실행 가능하다. 그러한 설비로 마주보는 피스톤들(41, 42)을 포함하는 각각의 2행정 실린더의 압축 비를 설정하기 위하여 컴퓨터가 사용되는 제어 장치(미도시)가 추가될 수 있다. 압축의 그러한 제어는 하나의 엔진에서 다른 종류의 연료들의 사용을 용이하게 하며, 또는 그러한 피스톤의 사이클을 작동하는데에 그 이상의 변화를 더할 수 있다.

또 다른 실시예(미도시)에서, 각각의 피스톤들(41, 42)은 각각의 배기 피스톤(41)이 두 개의 피스톤들(19)에 결합되고 각각의 압축 피스톤(42)이 네 개의 피스톤들(19)에 유압적으로 결합되는, 도시된 형태가 아닌, 기계(30)의 각각 개별적인 피스톤들(19)로 연합된 유압 라인들에 의해 연결된다.

비례적으로 제어되는 작동기들(51)은, 그 작동기들이 도3에서 도시된바와 같이 유압 실린더 어셈블리들(47)의 각각의 실린더 바디들(48)과 연합되었든지 혹은 하나 혹은 그 이상의 피스톤들(19)에서의 종동부들(followers)의 높이를 다르게 하는 역할을 하도록 어딘가 다른 위치에서 회로에 통합되었든 지간에, 관련 기술에서 알려진 방식으로 컴퓨터화된 제어 장치를 통하여 배기구들(45)의 개방 및/또는 사용되는 연료 특성에 따른 압축 비와, 스파크 플러그(spark plug)(52)의 스파크 타이밍(spark timing)의 설정을 제어하도록 복잡한 제어 배치들(arrangements)을 제공할 수 있다.

특정한 실시예들에서 보여진 바와 같이 수많은 변화들 및/또는 변경들이 넓게 설명된 본 발명의 정신이나 범위를 떠나지 않고 본 발명에 이루어질 수 있음이 관련 분야의 기술자들에게 평가될 것이다. 그러므로, 본 실시예들은 제한적이 아닌 예증을 위해서만 제공되었음이 고려되어야한다.

Claims (11)

1. 하기한 자유 피스톤 엔진에서 선형 피스톤 운동을 회전 출력 운동으로 전환하는 방법:

   연소 피스톤과 펌프 피스톤에 의해 형성되는 적어도 하나의 자유 피스톤을 포함하며, 상기 펌프 피스톤이 작동유를 적어도 하나의 유압 펌프/모터로 펌프하여 상기 유압 펌프/모터가 상기 작동유의 운동을 회전 출력 운동으로 전환하며, 상기 펌프/모터가 전술된 분할-사이클 기계인, 자유 피스톤 엔진.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 자유 피스톤 엔진이 공통의 보어 내에서 적어도 한 쌍의 마주보는 자유 피스톤들로 형성되어 연료의 연소가 상기 쌍의 피스톤들 사이의 상기 보어에서 발생하는 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 각각의 자유 피스톤 행정이 상기 각각의 피스톤과 상기 분할-사이클 기계 사이의 작동유의 유동량을 제어함으로써 가변성있게 되는 방법.
4. 전술한 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각각의 자유 연소 피스톤의 운동이 상기 자유 피스톤 엔진으로부터 요구되는 출력과 엔진에 의해 연소되는 연료를 고려함에 따라 다르게되는 방법.
5. 연소 피스톤과 펌프 피스톤에 의하여 형성되는 적어도 하나의 자유 피스톤을 포함하는 자유 피스톤 엔진으로서,

   상기 펌프 피스톤은 유체 회로를 통하여 작동유를 적어도 하나의 유압 펌프/모터로 펌프하여 상기 작동유의 운동을 회전 운동으로 전환하며, 그리고

   상기 펌프/모터가 전술된 분할-사이클 기계인,

   자유 피스톤 엔진.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 엔진이 공통의 보어 내에서 적어도 한 쌍의 마주보는 자유 피스톤들로 형성되고 상기 피스톤들 사이의 보어의 일부가 연소실을 포함하는 자유 피스톤 엔진.
7. 청구항 5 또는 6에 있어서, 자유 피스톤과 분할-사이클 기계의 작동유 작동 체임버(hydraulic fluid working chamber) 사이의 상기 유체 회로에서 작동유의 양을 변화시키는 수단을 포함하는 자유 피스톤 엔진.
8. 청구항 5, 6, 또는 7항에 있어서, 적어도 하나의 펌프 피스톤의 상기 유압 실린더가 그의 각각의 연소 피스톤의 보어에 대하여 이동 가능하여 상기 연소 피스톤의 상기 연소실의 압축비를 변화시키는 자유 피스톤 엔진.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 변화시키는 수단이 상기 유체 회로에서 적어도 하나의 컴퓨터 제어 솔레노이드 밸브를 포함하는 자유 피스톤 엔진.
10. 청구항 8에 있어서, 상기 유압 실린더를 그의 각각의 연소 피스톤의 보어에 대하여 이동시키는 상기 수단이 비례적으로 제어되는 작동기 수단을 포함하는 자유 피스톤 엔진.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 변화시키는 수단이 상기 유체 회로에서 적어도 하나의 컴퓨터 제어 솔레노이드 밸브를 포함하는 자유 피스톤 엔진.