KR19990071502A - 사판 엔진 - Google Patents

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KR19990071502A
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swash plate
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노엘 퀘일
코르넬리스 코페놀
Original Assignee
코르넬리스 코페놀
큐-티알이 피티와이. 엘티디.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

본 발명의 사판 엔진어셈블리(1)는, 사판(4)과 피스톤(7)에 연결된 각각의 연결로드(8) 사이에 사판(4)의 연결로드(8)의 작용라인이 구심 및 접선 성분내에 분해되어 사판(4)을 관통하여 가해진 힘의 성분은 최소로 되고, 사판(4)을 따라서 가해진 힘은 최대로 되도록 오프셋장착부를 결합한다. 사판(4) 연결로드(8)와 피스톤(7)사이의 연결부는 구형베어링(16, 17)을 결합한다. 또한 사판 내연기관은 사판 엔진어셈블리를 결합한다.

Description

사판 엔진
사판 엔진은 수년간 알려져 오고 있다. 이전의 이러한 타입의 엔진은 중앙 피구동샤프트를 중심으로 배설된 다수개의 병렬피스톤을 포함한다. 피스톤의 횡방향운동은 샤프트상에 경사지게 고정된 사판 또는 회전사판에 의하여 축의 회전운동으로 바뀐다. 피스톤의 왕복운동은 사판의 접선방향 이동을 일으킴으로써 샤프트를 회전시킨다.
크랭크리스 엔진(Crankless Engines (Aus,) Pty Ltd)사에 특허된 오스트레일리아특허 제14759/23호에는 공동 연소체임버를 분할하는 이중 단부로 이루어진 피스톤에 의하여 구동되는 회전사판 엔진이 개시되어 있다. 이 엔진 및 크랭크리스 엔진사에 의하여 개발된 다른 엔진은 자동차에 사용된다.
사판 엔진이 알려진 지가 70년이나 되었으나, 그들은 일반적으로 내연기관으로 인정되지 않고 있다. 이의 용도는 유압펌프 및 장치를 구동하는 것과는 반대로 다른 피구동장치에 한정되어 왔다. 내연기관에 사용하기 위하여 기본적인 사판 디자인을 개선 또는 변형하려는 여러 가지 시도를 해오고 있다.
에스. 브이. 엔진(S. V, Engine Co., Pty Ltd)사가 특허출원한 오스트레일리아특허출원 제41322/85호에는 사판 엔진 디자인에 채택가능한 몇 가지 진보된 것이 개시되어 있다. 이들은 안정화용 댐핑시스템(damping system); 밸런스장치; 사판 경사를 변형가능하게 하는 링크장치; 및 전체적인 구성에서 개선된 특징을 포함한다.
또한, 스타 모터스(Star Motors)사에 특허된 영국특허 제2101226호를 참조하면, 여기에는 회전사판을 기본으로 한 고압증기 피구동엔진에 대하여 개시되어 있다. 실린더는 중앙 파워샤프트 둘레에 종래방식으로 배열되어 있다. 회전사판은 샤프트상에 회전가능하게 장착되고, 각 단부의 볼조인트(ball joint)를 결합하는 로드(rod)를 연결하여 피스톤에 연결된다. 엔진은 지열(地熱) 또는 태양열 에너지에서 유도한 고압스팀으로 구동되도록 설계되어 있다.
수년간에 걸친 사판 엔진의 개발에도 불구하고, 내연기관의 제조에는 채택되지 못하였다. 그 이유는 크랭크 엔진의 기득권 및 기본적인 설계상의 문제 때문이다. 이러한 설계상의 문제 중 한 가지는 화재 발생 시, 피스톤에 의하여 사판에 직접부하가 걸린다는 것이다. 피스톤의 작용라인은 사판의 회전축과 평행이므로 커다란 힘성분이 사판을 통하고 있다. 가해진 힘의 일부만이 사판을 통하여 사판을 회전하게 한다. 이것이 높은 마찰부하를 야기하여 자동차의 효율을 저감시킨다.
본 발명은 회전사판(swash plate) 또는 사판(wobble plate)을 채택하여 파워를 병렬피스톤으로부터 중앙축으로 전달하는 타입의 내연기관에 관한 것이다.
도 1은 6기통 사판 엔진을 나타낸 일부분해도이고;
도 2는 빅엔드핀(big-end pin) 어셈블리의 확대도이고;
도 3은 종래기술의 사판 엔진어셈블리를 나타낸 도면이고;
도 4는 본 발명에 따른 사판 엔진어셈블리를 나타낸 도면이고;
도 5는 4기통 사판 엔진의 단면도이고;
도 6은 다른 예의 빅엔드 어셈블리를 나타낸 도면이고;
도 7은 안정기 플러그를 구비한 사판 엔진어셈블리를 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적은 상기 문제점 중 한 가지 이상을 극복하거나 또는 현존의 내연기관에 유용한 대안을 대중에게 최소한 제공하는 사판 엔진어셈블리를 제공하는 것이다.
일양태에 있어서, 유일하거나 또는 사실상 가장 광범위의 양태일 필요는 없으나, 본 발명의 사판 엔진어셈블리는,
실린더블록에 회전가능하게 장착된 드라이브샤프트와;
실린더블록의 각 실린더내에 왕복운동하도록 장착된 하나 이상의 피스톤과, 피스톤의 왕복운동 축은 드라이브샤프트의 종축과 대체로 평행이고;
드라이브샤프트와 결합되어 그 사이에서 회전하는 경사허브와;
경사허브상에 회전가능하게 장착되어, 드라이브샤프트 및 경사허브가 회전하는 동안 고정되어 회전하는 사판과;
각 피스톤과 결합된 연결로드와를 포함하고, 상기 연결로드는 사판에서의 연결로드의 작용라인이 구심 및 접선 성분으로 분해가능하도록 상기 피스톤을 사판상의 각각의 오프셋장착부에 연결한다.
오프셋장착부 연결로드의 작용라인은 사판 직경에서 접선방향으로 오프셋된다.
엔진어셈블리는, 피스톤의 최소한 일부는 다른 피스톤의 반대방향의 작용라인을 가져서 균형을 유지하게 되는 최소한 4개의 피스톤을 포함하는 것이 바람직하다.
경사허브는 드라이브샤프트로부터 분리되지만 드라이브샤프트에 걸려서 드라이브샤프트와 회전하도록 형성되는 것이 바람직하다.
사판은 경사베어링에 의하여 경사허브상에 회전가능하게 장착되는 것이 적절할 수 있다. 경사베어링은 스러스트 또는 롤러베어링일 수 있다.
바람직하기로는, 오프셋장착부는 한 쌍의 직립 러그(lug)를 포함한다. 러그 하나는 사판 직경의 연장인 것이 바람직하고, 다른 하나는 사판 직경의 접선에 평행인 라인을 따라 제1 러그로부터 오프셋되는 것이 바람직하다.
연결로드와 오프셋장착부 사이의 연결부는 연결로드가 선회 및 회전하도록 구형(球形)베어링과 결합되는 것이 바람직하다. 연결로드와 피스톤 사이의 연결부는 유사한 베어링과 결합되는 것이 바람직하다.
다른 양태에 있어서, 오프셋장착부는 구형베어링이 캔틸레버식으로 그 맞은편에 부착된 하나의 러그를 포함한다. 이 양태에 있어서, 연결로드가 반대쪽으로 작용하는 피스톤을 연결하는 각각의 구형베어링에 연결되는 것이 바람직하다.
또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 여기 개시된 사판 엔진어셈블리가 밸브어셈블리와 결합되는 하나 이상의 실린더헤드와 추가로 결합된다.
내연기관은 주로 밸브어셈블리의 디자인에 따라, 4 스트로크 또는 2 스트로크일 수 있다. 엔진은 4개 또는 6개의 실린더 및 이중 단부로 되는 것이 바람직하다.
다음에, 이해를 돕기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도면에 있어서, 동일 참조부호는 동일 부재를 나타낸다.
도 1은 6기통 사판엔진 1의 일부확대도이다. 엔진 1은 중앙 드라이브샤프트 3에 고정된 경사허브 2를 포함한다. 사판 4는 경사베어링 5에 의하여 경사허브 2에 회전가능하게 장착된다. 경사베어링 5는 경사허브 2 및 드라이브샤프트 3이 사판 4에 대하여 회전운동하게 한다.
도시한 실시예에서의 경사허브 2는 드라이브샤프트 3과 하나의 주조물로서 일체로 형성되어 있다. 또한, 경사허브 2는 드라이브샤프트 3에 걸리거나 또는 다른 종래수단에 의하여 고정될 수 있다.
사판 4는 외주상에 위치된 6과 같은 복수의 오프셋장착부를 가진다. 피스톤 7마다 하나의 오프셋장착부가 있다. 각 피스톤 7은 콘로드(conrod) 8에 의하여 오프셋장착부 6에 연결된다. 일단(一端)에는 피스톤과 콘로드가 피스톤핀 9에 의하여 연결되고, 타단에는 콘로드가 빅엔드핀 10에 의하여 오프셋장착부에 연결된다.
오프셋장착부 6은 이격된 직립 러그로 구성된다. 도시한 실시예에서의 2개의 인접 오프셋장착부는 공동의 중앙 러그 11을 분할한다. 중앙 러그 11은 경사허브의 직경이 연장된 것이다. 인접 오프셋장착부는 사판의 접선방향을 따라 배설된 오프셋 러그 12 및 13으로 형성된다. 이것은 도 2에 명료하게 나타나 있다. 빅엔드핀 10은 러그 11, 12 및 13을 관통한다. 도시한 특정의 실시예에 있어서, 핀 10은 일단에는 헤드 14를 그리고 타단에는 러그 12내로 나사체결되는 스레드 15를 가진다. 구형베어링 16 및 17이 빅엔드핀 10상에 장착되어 있다. 콘로드 8 및 18이 구형베어링 16 및 17상에 각각 장착되어 있다. 구형베어링이 콘로드를 선회 및 회전하게 한다.
피스톤 7을 8과 같은 콘로드의 타단에 연결하는 피스톤핀(gudgeon pins) 9는 유사한 구형베어링어셈블리를 가진다. 피스톤 7은 실린더블록 20에 내장된 실린더 19내에서 왕복운동한다. 명료하게 하기 위하여, 실린더블록의 절반부만을 나타낸다. 드라이브샤프트 3은 롤러베어링 21상의 실린더블록에 지지되어 있다.
엔진이 동작하는 동안, 실린더 19내의 폭발성 에너지로 인하여 피스톤 7이 콘로드 8을 오프셋장착부 6에 대하여 민다. 종래 공지된 사판 엔진에서는, 장착부가 오프셋되지 않아서 콘로드는 드라이브샤프트에 평행인 축상으로 밀어진다. 이것은 인라인장착부에 결합되는 사판 엔진어셈블리의 작동부재의 평면도 및 측면도를 나타내는 도 3a 및 도 3b에 명료하게 도시되어 있다. 힘의 벡터다이어그램은 점화피스톤이 상단 사점(dead centre)에 있는 경우, 점화피스톤이 도 3a 및 도 3b에 화살표 22로 나타낸 사판에 대하여 바로 밀기 때문에 엔진이 스타트할 수 없음을 나타낸다고 할 수 있다. 엔진이 이미 작동되고 있는 경우, "데드(dead)" 스폿은 순간적이고, 피스톤은 회전하는 사판의 "다운 힐 런(down hill run)"에 대하여 민다. 그럼에도 불구하고, 종래기술의 엔진은 이 문제로 인하여 효율이 떨어진다.
본 발명에 따른 사판 엔진어셈블리의 작동부재를 도 4a 및 도 4b에 나타낸다. 도시하지 않은 피스톤을 콘로드 24에 연결하는 구형베어링 23 및 콘로드 24를 사판 4에 연결하는 구형베어링 25가 콘로드를 선회 및 회전하게 한다. 콘로드 24는 오프셋위치에 밀어지고 선회 및 회전가능하기 때문에, 화살표 22의 방향으로 가해진 에너지는 구심 및 접선 성분으로 분해된다. 이들 힘으로 인하여 사판이 도 4a에 화살표 26a 및 26b로 나타낸 바와 같이 흔들거리게 된다. 이 동작이 사판에 의하여 전달되어 경사허브 및 드라이브샤프트가 화살표 27의 방향으로 회전한다.
콘로드의 선회 및 회전이 시어력(sheer force) 및 압축력을 최소로 하고, 에너지를 사판 4에 최대로 전달한다. 엔진 1은 스테이터모터가 없이 스타트할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 엔진의 동작에 플라이휠(flywheel)이 필요하지 않다. 본 발명이 도 3a 및 도 3b에 나타낸 어셈블리에 대한 문제를 실질적으로 극복함을 이해할 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 4기통 실시예의 단면도이다. 6기통 실시예에서와 같이, 4기통 엔진 28은 드라이브샤프트 30의 일부로서 형성된 경사허브 29를 포함한다. 사판 31은 베어링 32에 의하여 경사허브 29에 회전가능하게 장착되어 있다. 콘로드 33이 사판 31을 각각의 복수의 피스톤 34와 연결한다. 콘로드 33과 피스톤 34 사이는 전술한 바와 같은 구형베어링과 결합되는 피스톤핀 35로 연결된다. 피스톤 34는 실린더블록 37에 형성된 실린더 36내에서 왕복운동한다. 드라이브샤프트 30은 스러스트베어링 38에 의하여 실린더블록 37내에 지지되어 있다.
전술한 바의 오프셋장착부는 콘로드 33을 사판 31에 연결하는 데 사용될 수 있다. 대안으로서, 도 6의 캔틸레버 배열이 사용될 수 있다. 다른 배열에 있어서, 오프셋장착부는 사판 40으로부터 연장되는 하나의 러그 39로 대체된다. 구형베어링 41이 적합한 수단에 의하여 러그 39에 연결된다. 도시한 실시예에서는 이중 단부로 된 볼트 42로 연결되어 있다. 전술한 실시예에서와 같이, 콘로드 43은 구형베어링 41상에서 선회 및 회전할 수 있어서 시어력 및 압축력을 최소로 한다.
사판 4의 진동범위는 도 3에서 명확하게 알 수 있다. 발명자는 이 진동이 대략 15도, 즉 중심의 한쪽이 7.5도인 것이 가장 적합한 것을 알았다.
사판의 회전은 도 7에 나타낸 볼 및 트랙 안정기에 의하여 방지된다. 볼 44는 사판 4에 고정되어 있다. 트랙 46을 포함하는 안정기 플러그 45는 도시하지 않은 실린더블록에 장착된다. 사판 4가 운동할 때, 볼 44이 트랙 46내에 진행하여 사판 4의 운동을 안정시킨다.
여기 개시된 이중 단부로 된 엔진은 반대쪽으로 작용하는 피스톤이 동시에 점화되기 때문에 균형을 이루고 있다는 장점을 가지고 있음을 이해할 것이다. 하나의 단부로 된 엔진은 오프셋장착부를 결합하여 제작될 수 있어서 전술한 실시예의 동작에 대한 장점은 가질 수 있으나 균형이라는 장점은 갖지 못한다.
여기 개시된 엔진은 2 스트로크 또는 4 스트로크 엔진으로 제작될 수 있다.
명세서를 통하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 임의의 실시예 또는 특정 집합의 특징에 본 발명을 한정하지 않고 개시한 것이다.

Claims (15)

  1. 실린더블록에 회전가능하게 장착된 드라이브샤프트와;
    실린더블록의 각 실리더내에 왕복운동하도록 장착된 하나 이상의 피스톤과, 피스톤의 왕복운동 축은 드라이브샤프트의 종축과 대체로 평행이고;
    드라이브샤프트와 결합되어 그 사이에서 회전하는 경사허브와;
    경사허브상에 회전가능하게 장착되어, 드라이브샤프트 및 경사허브가 회전하는 동안 고정되어 회전하는 사판과;
    각 피스톤과 결합된 연결로드와를 포함하고, 상기 연결로드는 상기 피스톤을 사판에서의 연결로드 작용라인이 구심 및 접선 성분으로 분해가능하도록 사판상의 각각의 오프셋장착부에 연결하는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 오프셋장착부의 연결로드 작용라인은 사판 직경에서 접선방향으로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 각각의 오프셋장착부는 사판의 직경의 연장부로부터 사판의 외측 원주의 접선과 평행인 라인을 따라서 각각 오프셋되는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 오프셋장착부는 사판 직경의 연장부상에 형성된 제1 직립 러그 및 제1 직립 러그와 평행이지만 사판의 외측 직경과 접하는 라인을 따라서 제1 직립 러그와 떨어져 배설된 제2 직립 러그를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 연결로드와 오프셋장착부 사이의 연결부가 구형베어링과 결합되어 연결로드를 선회 및 회전하게 하는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 연결로드와 피스톤 사이의 연결부가 구형베어링과 결합되어 연결로드를 선회 및 회전하게 하는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  7. 제1항에 있어서, 오프셋장착부는 그 맞은 편에 캔틸레버식으로 부착된 구형베어링을 가진 하나의 러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  8. 제8항에 있어서, 동일 오프셋장착부에 연결된 피스톤이 반대쪽으로 작용하는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  9. 제1항에 있어서, 복수의 피스톤 및 상기 피스톤의 최소한 일부는 상기 피스톤의 다른 일부와 반대방향의 작용라인를 가지는 각각의 실린더를 포함하여, 균형이 유지되는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  10. 제9항에 있어서, 최소한 4개의 피스톤 및 4개의 각각의 실린더를 포함하고, 피스톤중 2개는 다른 2개의 피스톤과 반대방향의 작용라인을 가져서 균형이 유지되는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  11. 제1항에 있어서, 경사허브는 드라이브샤프트와 분리되어 형성되지만 드라이브샤프트에 걸려서 드라이브샤프트와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  12. 제1항에 있어서, 경사허브는 경사베어링에 의하여 경사허브상에 회전가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  13. 제12항에 있어서, 경사베어링은 스러스트 또는 롤러베어링인 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  14. 제1항에 있어서, 사판과 결합된 위치설정 볼 및 실린더블록과 결합된 대응 트랙을 더 포함하고, 사판의 운동이 트랙내에서 이동하는 볼에 의하여 안정되는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
  15. 제14항에 있어서, 트랙은 실린더블록에 삽입가능한 안정기 플러그에 형성되는 것을 특징으로 하는 사판 엔진어셈블리.
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