KR20010089789A

KR20010089789A - 과급 2행정 또는 4행정 내연기관

Info

Publication number: KR20010089789A
Application number: KR1020017008614A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 드레끄
Original assignee: 다니엘 드레끄
Priority date: 1999-01-07
Filing date: 2000-01-04
Publication date: 2001-10-08
Also published as: US6352057B1; AR022211A1; FR2788307B1; JP2003516490A; BR0007418A; FR2788307A1; EP1018597B1; CN1377442A; WO2000040845A2; CN1175172C; EP1018597A1; ATE292236T1; WO2000040845A3; DE60018996D1

Abstract

본 발명은 직접 또는 간접 연료분사에 의해 새로운 공기를 흡입함으로써 또는 공기-연료 혼합물을 흡입함으로써 작동되는 2행정 또는 4행정 내연기관(M1)에 관한 것으로, 상기 기관은 가변체적의 연소실을 규정하는 적어도 하나의 실린더(1), 커넥팅로드(7)에 의해 크랭크샤프트(9)의 핀(8)에 연결되어 왕복운동을 하는 기관 피스톤(4), 그리고 공기-연료 혼합물 또는 새로운 공기로 실린더를 과급시키기 위해 각 실린더에 결합된 압축기(14)를 포함한다. 본 발명은, 상기 압축기가 압축실(14a ,14b) 내에 적어도 하나의 스테이지를 포함하는 압축기이고, 압축 피스톤(112)이 익센트릭 부재(10)에 관절식으로 연결된 커넥팅로드(111)에 의해 크랭크샤프트와 연결되어 운동하고, 상기 익센트릭 부재가 상기 크랭크샤프트에 장착되는 것을 특징으로 한다.

Description

과급 2행정 또는 4행정 내연기관{COMPRESSED TWO-STROKE OR FOUR-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 하나 이상의 실린더를 구비한 과급 2행정 또는 4행정 내연기관에 관한 것으로, 2행정 또는 4행정 내연기관은 직접 또는 간접 분사된 연료와 더불어 탄소혼합물(carburated mixture) 또는 새로운 공기를 수용함으로써 작동된다. 본 발명은 압축식 점화를 이용하는 디젤기관에 적용될 뿐만 아니라 점화플러그(spark plugs)를 구비한 가솔린 기관에도 적용될 수 있다.

본 발명이, 동력 경작기, 정원용 도구, 잔디 깎기 기계, 절단기, 스크러브 청결기(scrub clearers), 또는 이와 유사한 장치에 사용되는 소규모 공업용의 모든 분야에 적절한 2행정 기관에서의 단일-실린더 기관을 참조로 하여 보다 구체적으로 이하 설명되겠지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 인라인(in-line) 또는 V기관의 2행정 또는 4행정 멀티-실린더에도 적용될 수 있다.

크랭크실(crankcase)을 통과하는 탄소혼합물이 실린더 내로 자연흡입 (natural aspiration)됨에 따라 작동되는 2행정 단일-실린더 기관에 대해선 이미 알려져 있다. 이런 기관은 공기/혼합물을 수용하기 위한 파이프와 연소가스를 배기하기 위한 파이프를 구비하고 있으며, 양 파이프는 포트의 형태로 하사점(bottom dead center; PMB) 근처에서 실린더의 기저 쪽으로 통하여 있다. 카뷰레터(carburetor)로부터의 탄소혼합물은, 피스톤이 아래에서 위로 행정하여 크랭크실을 디프레션시키는 동안, 밸브를 통해 크랭크실 내로 흡입되고, 그 다음 피스톤이 위에서 아래로 행정하여 크랭크실의 압력을 상승시키는 동안, 실린더로 전달된다. 피스톤이 위에서 아래로 행정하는 동안, 혼합물 흡입포트는 배기포트와 동시에 개방되는데, 이것은 혼합물의 약 20%가 배기포트를 통해 직접 배기된다는 것을 의미하며, 이는 연료의 지나친 소비 및 상당한 환경오염을 야기한다. 이런 기관의 주요 장점은 가격이 저렴하다는 것이다. 하지만, 새로운 공해방지 기준은 이런 형태의 기관을 결과적으로 종식시킬 것이다.

정변위 압축기(positive-displacement compressor), 예를 들면 루트(Roots) 형태의 압축기에 의해 작동되는 루프 소기(loop scavenging) 방식의 기관은, 탄소혼합물을 보다 용이하게 실린더 내로 유입시키고 저압 과급(low-pressure supercharged)시킨다. 또한, 이런 기관은 혼합물 흡입 파이프 및 배기 파이프를 가지며, 양 파이프는 실린더의 기저 쪽으로 향하는 포트와 통하여 있다. 이런 기관에서, 탄소혼합물은 압축기로부터 실린더 내로 수용되고, 혼합물은 실린더 내에서 "루프-더-루프(loop-the-loop)" 방식 이후, 루프처럼 위쪽으로 회전운동을 하게 된다. 반면, 앞선 주기로부터의 연소가스는 배기포트로 배기된다. 흡입 및 배기포트의 특정 배열은, 수용된 혼합물이 직접 배기되지 못하도록 하고, 연비 및 환경오염을 감소시킨다.

역시 정변위 압축기를 이용하여 작동되는 유니플로우 형태의 기관이 이미 알려져 있다. 이런 기관은, 자신의 상류 단부(upstream end)에서는 압축기에 연결되고 자신의 하류 단부(downstream end)에서는 흡입링에 연결된 흡입 파이프를 가지고 있다. 이 흡입링은 실린더의 기저 쪽으로 향하는 다수의 포트와 통하여 있고, 혼합물은 수많은 회전운동을 하며 유입된다. 연소가스는 실린더의 상부에서 하나 이상의 배기밸브를 통해 배기된다. 이런 형태의 기관은, 실린더의 충전 및 연소가스의 재순환을 가능한 제어할 수 있기에, 오염이 보다 적은 연소를 달성한다. 뿐만 아니라, 이런 형태의 기관이 디젤 주기에서 작동될 때, 실린더의 하부로 유입된 공기는 양호한 효율성을 얻기 위해 필요한 다량의 공기 회전을 가능하게 한다. 이런 기관은 루프-소기 형태의 기관보다 연료소비가 적으며, 또한 오염된 매연을 감소시킬 수 있다.

그러나, 이런 형태의 두 기관은 크랭크실에 의해 트랜스퍼되는 기관보다 추가의 비용이 든다. 왜냐하면, 이런 두 기관은 보다 많은 부품, 구체적으로 압축기를 포함하기 때문이며, 게다가 유니플로우 기관의 경우에는 밸브제어 수단을 추가로 포함하고 있기 때문이다. 또한, 루트 형태의 압축기는 효율이 낮다; 예를 들면, 1리터 실린더 용량 및 55kW 전력의 2행정 단일-실린더 기관은 압축기를 작동시키기 위해 17kW를 소비할 것이다. 게다가 또 루트형 압축기는 1.2bar보다 높은 압력에서는 작동되지 않는다.

결과적으로, 배기 및 흡입밸브를 구비한 알려진 기관이, 연료 및 매연을 최대한 적게 소비하고 발생시킬 수 있지만, 이런 형태의 기관은 제어되어야 할 흡입 및 배기밸브를 가지고 있기 때문에 비용이 많이 든다. 이런 기관의 효율은 실린더 외부에 있는 부품을 이용하여 밸브의 개폐를 제어할 수 있기 때문에 보다 양호하다. 즉, 이것은 피스톤 전체 행정이 사용될 수 있다는 것을 의미하는 반면, 포트를 통해 수용이 이뤄지는 기존의 기관은 압축행정 및 팽창행정의 부품이 낭비되고 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 목적은 과급 2행정 또는 4행정 내연기관, 예를 들면 루프 소기, 유니플로우 또는 밸브 형태, 또는 4행정 밸브 형태의 내연기관을 제공하여 효율성을 개선시키고 매연을 감소시키는 것이다.

이런 목적을 위해, 본 발명의 주제는 연료의 직접 또는 간접 분사와 더불어 새로운 공기를 수용하거나 탄소혼합물을 수용함으로써 작동되는 2행정 또는 4행정 내연기관으로, 상기 기관은 가변-체적(variable volume) 연소실을 규정하는 적어도 하나의 실린더를 가지며, 커넥팅로드에 의해 크랭크샤프트의 리스트핀에 연결된 기관 피스톤은 왕복운동을 수행하고, 탄소혼합물 또는 새로운 공기를 이용하여 실린더를 과급시키기 위해 압축기가 각 실린더에 결합되어 있는 2행정 또는 4행정 내연기관에 있어서, 상기 압축기가 적어도 하나의 스테이지를 가진 압축기이고, 압축기의 압축실에서 압축 피스톤이 익센트릭에 관절식으로 연결된 링크로드에 의해 크랭크샤프트에 연결되고, 상기 익센트릭이 상기 크랭크샤프트의 샤프트에 고정되는 것을 특징으로 하고 있다.

이면각, 예컨대 하나는 익센트릭 쪽으로 연장되고 또 하나는 리스트핀 쪽으로 연장된 두개의 반평면 및 크랭크샤프트 축과의 교차에 의해 형성된 입체각은 대략 90°이며, 이는 동일한 실린더와 연관된 기관 피스톤 및 압축 피스톤의 상사점(PMH) 위치 사이에서의 위상을 이동(phase shift)시킨다. 이런 위상이동은, 탄소혼합물 및 새로운 공기가 연소실 내로 수용되기 전, 압축실 내의 압력이 최대가 되도록 한다.

이런 경우, 실린더와 직접적으로 연통되어 있는 압축실의 스테이지는 압축 피스톤과 크랭크샤프트 사이에 위치하며, 리스트핀은 크랭크샤프트의 방향으로 익센트릭을 사전에 위상을 이동시키고, 반대로, 앞서 상술한 스테이지는 크랭크샤프트에 대해 압축 피스톤의 맞은편에 위치하며, 익센트릭은 크랭크샤프트의 방향으로 리스트핀을 사전에 위상을 이동시킨다.

압축기의 실린더 용량은 실린더 용량의 크기 정도이지만, 압축 피스톤의 직경은 기관 피스톤의 직경보다 현저하게 커서, 압축 피스톤이 압축실에서 짧은 압축행정을 가지는 것이 바람직하다.

특정 실시예에서, 압축 피스톤은 자신의 중앙에 익센트릭과 연결된 링크로드가 단단히 결속되어 있어, 압축 피스톤은 압축실의 상하부 주위에서 전후로 흔들림(rocking)에 따라 압축실 내에서 이동하게 되고, 압축기의 축은 실린더의 축에 대해 크랭크샤프트 축의 방향으로 오프셋된다. 이 경우, 압축 피스톤은 구형의 시일링 링을 갖춘 구형인 에징(edging)을 자신의 둘레에 가질 수 있고, 이런 링은 링 내의 갭이 압축기의 기저에 놓이지 않는 위치에서 압축 피스톤에 대해 회전될 수 없는 것이 바람직하며, 이는 오일소비를 제한하고 이에 따라 환경오염을 제한한다.

다른 양상에서, 압축 피스톤은 자신의 중앙에, 익센트릭과 연결된 링크로도에 관절식으로 연결된 로드가 고정되며, 상기 로드는 실린더 축과 교차하는 방향으로 병진운동하도록 안내된다. 제 1 양상에서, 압축 피스톤은 자신의 둘레가 압축실의 측벽에 연결된 가변성 다이아프램(deformable diaphragm)으로, 상기 다이아프램은 자신의 둘레에 언듀레이션(undulation)을 가짐으로써, 용이하게 변형될 수 있는 것이 바람직하다. 제 2 양상에서, 압축 피스톤은, 축의 병진운동으로 이동될 수 있는 강성 실린더(rigid cylinder)이고 자신의 둘레에 적어도 하나의 시일링 링을 갖춘다.

제 2 실시예는, 압축 피스톤 로드에 시일링 부츠(sealing boots) 또는 시일이 배치될 수 있기 때문에, 크랭크실과 압축기 압축실 사이에서의 오일 통과라는 위험성이 없다는 장점을 가지고 있다.

한 특정 실시예에서, 압축실은 압축 피스톤의 각 측부에 위치되는 2개의 스테이지를 가진다. 제 1 스테이지에는 탄소혼합물 또는 새로운 공기가 제 1 논리턴 밸브(nonreturn valve) 또는 밸브에 의해 공급되고 제 2 스테이지에는 이들이 제 2 논리턴 밸브 또는 밸브를 갖춘 전달 덕트에 의해 공급된다. 제 2 스테이지는 제 3 논리턴 밸브 또는 밸브를 갖춘 흡입 덕트를 통해 실린더와 연통되어 있다. 이단 압축기(two-stage compressor)는 실린더 내에 보다 높은 부스트압(boost pressure)을 달성하기 위해 사용된다. 하지만, 이 경우, 실린더의 체적율이 감소되어, 최대 연소압력에 도달되지 않을 수 있으며, 이는 실린더의 기계적 강도에 모순된다. 이단 압축기를 갖춘 기관은, 알려져 있는 고압 형태의 과급 시스템(hyperbaric-type supercharging system)과 동일한 방식으로 작동된다.

본 발명의 2행정 기관은, 배기 퍼프(exhaust puffs)에서 에너지를 회복시키며, 개폐 수단을 통해 실린더와 연통되는 추가의 체적을 제공함으로써 배기 가스를부분적으로 재순환시키기 위한 장치를 갖출 수도 있으며, 이런 기관의 작동은, 팽창단계 동안, 실린더 내 기관 피스톤의 작동에 대해 동조(synchronism) 또는 위상이동(phase shift) 중 어느 하나에 의해 제어되고, 연소가스는 추가의 체적 내 공기를 압축하고 적어도 부분적으로 공기에 스며들며, 공기 및 연소가스 혼합물은 압력 하에 트랩되고, 그 다음 이 혼합물은 압축단계 동안 실린더 내로 수용된다.

추가의 체적 내에 앞서 트랩되어 있던 공기 및 연소가스 혼합물이 실린더 내로 수용된 후, 압축기로부터 새로운 공기가 상기 추가의 체적 내로 다시 채워지는 것이 바람직하다.

다른 특징에 따르면, 앞서 언급된 개폐수단은 추가의 체적에 의해 서로 연결된 두개의 회전식 셔터, 예를 들면 다방향 회전식 스풀(multi-way rotary spool)을 포함하는데, 셔터 중 하나는 압축기와 결합되고, 다른 하나는 실린더로부터의 배기 파이프와 결합된다.

이런 두개의 회전식 셔터는 다음과 같은 작동이 일어나도록 배열되는 것이 보다 더 바람직하다: 제 1 단계에서, 기관 피스톤이 PMH에 있을 때, 압축기로부터의 공기 유동이, 압축기와 결합된 하부 셔터를 통해 추가의 체적을 스윕하며 통과하고, 배기 파이프와 결합된 상부 셔터를 거쳐, 배기 다기관을 통해 외부로 배기된다; 제 2 단계에서, 기관 피스톤의 팽창행정이 중간정도 진행됐을 때, 상부 셔터는, 실린더가 추가의 체적과 연통되어 가압된 공기 및 연소가스 혼합물로 채워지도록 놓여지고, 또 한편으로는 실린더가 배기 파이프와 연통되도록 놓여진다; 제 3 단계에서, 상부 셔터는 추가의 체적 내에 공기 및 연소가스 혼합물이 트랩된다;제 4 단계에서, 압축기로부터의 공기는 실린더 내로 수용되고, 제 5 단계에서, 기관 피스톤의 압축행정이 시작될 때, 가압되고 트랩되어 있던 혼합물은 실린더 내로 수용된다.

제 1 양상에서, 상부 셔터는 실린더의 상단에 위치한 적어도 하나의 배기 밸브와 결합되고 하부 셔터는 실린더의 기저 쪽으로 향하여 배열된 파이프에 의해 실린더와 결합되어, 추가의 체적은 배기밸브로부터 상부 셔터를 통과하는 연소가스에 의해 자신의 상단부에서 가압되고 하부 셔터를 거쳐 자신의 하단부를 통해 실린더 내로 방출함으로써 비어지게 된다.

제 2 양상에서, 상부 셔터는 실린더의 기저 쪽으로 향하여 배열된 파이프에 의해 실린더와 결합되고 하부 셔터는 압축기의 두 스테이지 사이의 전달 파이프에 설치되어, 추가의 체적은 실린더로부터 상부 셔터를 통과하는 연소가스에 의해 가압되고 하부 셔터는 이에 연결된 파이프를 통해 실린더 내로 연소가스를 방출시킴으로써 비어지게 된다.

2행정 또는 4행정 기관의 경우, 이단 압축기와 실린더를 연결하는 흡입 파이프 및/또는 전달 파이프는 임의의 적절한 수단을 통해 냉각되는 것이 바람직하다.

2행정 기관은, 탄소혼합물 또는 새로운 공기가 압축기로부터 포트와 통하여 있는 흡입 덕트를 통해 실린더의 기저로 수용되어, 혼합물 또는 공기가 위쪽으로 루핑하는 회전운동으로 유입되고, 동시에 앞선 주기로부터의 연소가스가 실린더의 기저 쪽으로 향하여 배열된 배기포트를 통해 배기되는 루프 소기의 형태일 수 있다.

또한, 2행정 기관은, 탄소혼합물 또는 공기가 실린더의 하단에 분포된 흡입포트를 통해 실린더의 기저 쪽으로 수용되고, 동시에 앞선 주기로부터의 연소가스는 실린더의 상단에 위치한 하나 이상의 배기밸브를 통해 배기되는 유니플로우 형태일 수도 있다.

결과적으로, 2행정 또는 4행정 기관은, 밸브가 실린더의 상단에 위치하고 흡입밸브가 압축기에 제공되는, 배기 및 흡입밸브를 가지는 형태일 수 있다.

또한, 본 발명은, 각 실린더에 결합된 압축기가 크랭크실의 각 면에 교대로 배열되는, 여러 개의 인라인 실린더를 구비한 기관에도 적용될 수 있다.

본 발명의 목적을 보다 더 이해하기 위해서, 첨부된 도면에 도시된 여러 개의 실시예가 순수한 예증 및 한정되지 않는 실례들을 참조로 하여 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단단 압축기(single-stage compressor) 및 록킹 압축 피스톤(rocking compressor piston)을 구비한 2행정 루프-소기식(two-stroke loop-scavenging type) 기관의 종단면을 개략적으로 도시하는 도면으로, 록킹 압축 피스톤이 부분 확대되어 있는 도면;

도 2A 내지 도 2D는 도 1과 유사한 부분 도면으로 도 3의 Ⅱ선을 따르는 종단면을 도시하는 도면으로서, 2행정 기관의 경우, 팽창단계에서의 PMH에 놓인 기관 피스톤 및 압축단계에서의 PMB에 놓인 기관 피스톤을 각기 도시하는 도면;

도 3은 도 2A의 Ⅲ선을 따르는 종단면;

도 4는 도 1과 유사하나, 압축 피스톤이 직선변위 하는 다른 양상에 따른 도면으로, 그 일부가 확대되어 있는 도면;

도 5A 내지 도 5D는 도 2A 내지 도 2D와 유사한 도면으로서 도 6A의 Ⅴ선을 따르는 종단면이나, 압축 피스톤이 가변성 다이아프램(deformable diaphragm)이고 실린더는 점화플러그를 구비하는 다른 양상을 도시하는 도면;

도 6A 내지 도 6D는 각각의 도 5A 내지 도 5D의 Ⅵ선을 따르는 종단면으로, 도 6A의 상기 다이아프램이 부분 확대된 도면;

도 7은 도 5A의 Ⅶ선을 따르는 종단면;

도 8은 도 4와 유사하나, 이단 압축기(two-stage compressor)를 구비한 2행정 기관을 도시하는 도면;

도 9는 도 8과 유사하나, 배기 가스의 일부를 재순환시키기 위한 시스템을 추가로 갖추고 있는 2행정 기관을 도시하는 도면;

도 10 및 도 11은 도 1 및 도 4와 각각 유사하나, 본 발명의 제 2 실시예를 따른 유니플로우 타입(uniflow type)의 기관을 도시하는 도면;

도 12는 도 11과 유사하나, 이단 압축기를 갖춘 2행정 기관을 도시하는 도면;

도 13은 도 12와 유사하나, 배기 퍼프에서 에너지를 회수하기 위한 시스템을 추가로 갖추고 있는 2행정 기관을 도시하는 도면;

도 14 및 도 15는 도 1 및 도 4와 각각 유사하나, 본 발명의 제 3 실시예를 따른 배기밸브 및 흡입밸브를 구비한 2행정 기관을 도시하는 도면;

도 16은 본 발명에 따른 4개의 실린더가 일렬로 배치된 기관의 평면도;

도 17은 도 15와 유사하나, 이단 압축기를 갖춘 4행정 기관을 도시하는 도면; 그리고

도 18 내지 도 25는 도 14와 유사한 종단면이나 기관 사이클의 연속된 단계 동안의 4행정 기관을 도시하는 도면이다.

명료함을 위해, 도면에서 동일하거나 유사한 요소들은 동일한 도면부호를 사용하였다.

도 1 내지 도 9는 루프 소기작용(loop scavenging)에 의하여 2행정 단일-실린더 내연기관(M1)에 대한 본 발명의 다양한 다른 양상들을 도시하고 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 제 1 양상에서, 기관(M1)은 크랭크실(2)과 기관의 실린더 헤드(3) 사이에 규정된 실린더(1)를 가진다. 실린더 헤드(3)는, 제안된 설명이 가솔린 기관이기 때문에, 연소실(combustion chamber)을 규정하는, 실린더(1) 상단으로 향하는 리세스(3a)를 가진다. 아마도, 본 발명은 직접분사 기관 또는 간접 분사 기관에 적용될 수 있다.

실린더(1) 내 실린더 헤드(3)와 피스톤(4) 사이에서 연소실(5)을 규정하는 기관 피스톤(4)은, 실린더(1) 내에서 왕복운동을 수행한다. 기관 피스톤(4)의 둘레에는, 도 1에 도시된 시일링 링(6)이 갖추어져 있다. 커넥팅 로드(7)는, 작은 단부(small end; 7a)에 의해 피스톤(4)에 관절식으로 연결되어 있고, 큰 단부(big end; 7b)에 의해 크랭크샤프트(9)의 리스트핀(wrist pin; 8)에 관절식으로 연결되어 있다.

익센트릭(eccentric; 10)은, 크랭크샤프트(9)의 샤프트에 연결되어 있고, 디스크형 압축 피스톤(12)의 중앙에 단단히 부착된 링크 로드(link rod; 11)에 관절식으로 연결되어 있다. 압축 피스톤(12)은 자신의 둘레에 구형인 에징(edging; 12a)을 가지고 있으며, 이 에징은, 에징이 역시 구형인 시일링 링(13)을 갖추고 있어, 압축 피스톤에 대해 회전되는 것을 억제하며, 이는 이 위치에서 링(13)과 크랭크실(2)의 하부 사이에 갭이 존재하지 않도록 한다. 압축 피스톤(12)은, 크랭크실(2)에 부착된 단단 압축실(single-stage compressor; 14a) 내에서 전후로 흔들린다. 압축기(4)의 압축실(14a)에는, 논리턴 흡기 밸브(nonreturn intake valve; 15a)가 구비된 흡기 파이프(intake pipe; 15)를 통해 탄소혼합물 또는 새로운 공기가 공급된다. 탄소혼합물 또는 새로운 공기는, 압력에 의해 압축기(14)로부터 논리턴 흡입 밸브(16a)가 구비된 흡입 파이프(16)로 전달된다. 흡입 파이프(16)는 다수의 포트(17)를 통해 실린더(1)의 기저 쪽과 통하여 있기에, 가압된 혼합물 또는 공기는 루프-더-루프(loop-the-loop) 방식으로 위쪽으로 회전이동하며 실린더로 유입된다. 실린더(1)는, 흡기 포트(17)와 대략 동일한 높이에, 실린더의 기저 쪽으로 통하여 있는 하나 이상의 배기 덕트(exhaust ducts; 18)를 추가로 구비하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 익센트릭(10)은, 화살표(F)로 도시된 크랭크샤프트의 회전방향으로, 크랭크 리스트(crank wrist; 8)에 대해 대략 90°의 각()으로 오프셋되어, 기관 피스톤(4)의 PMH가 압축 피스톤(12)의 PMH로부터 90°로 위상이동된다. 도 3을 참조하면, 압축기(14)의 링크 로드(11) 축이, 기관 피스톤(4)의 커넥팅 로드(7)의 축으로부터 거리(d)만큼 오프셋되어 있음을 확인할 수 있다.

실린더(1)의 실린더용량은 압축기(14)의 실린더용량과 대략 동일한 크기의용량이지만, 압축기 피스톤(12)의 직경은 기관 피스톤(4)의 직경보다 현저하게 크다. 따라서, 압축 피스톤(12)의 행정(stroke; c)은 상대적으로 짧다.

마지막으로, 흡입 파이프(16)에는, 물 또는 새로운 공기와 같은 냉각제가 흐르는 열교환기(19)가 설치되어, 공기에 의해 냉각된 기관의 경우, 압축기(14)를 떠나는 공기를 냉각시켜, 실린더(1) 내로 수용되는 공기의 양을 증가시킬 수 있다. 특히, 공기가 압축기에서 압축되기 때문에, 상당한 양의 열이 방출된다. 그러나, 냉각 파이프(16)의 냉각은 선택이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 크랭크샤프트(9)의 리스트핀(8)이, 커넥팅 로드의 큰 단부(big end)에 대향하는 단부에서, 균형추(counterweight)로서 작용하는 플라이웨이트 (flyweight; 20)에 고정되어 있는 것을 확인할 수 있다.

기관 피스톤(4)의 PMH 및 PMB의 위치는 도 1에 파선으로 표시되어 있다.

또한, 익센트릭(10)의 경로 및 리스트핀(8)의 경로는 도 1에 쇄선으로 표시되어 있다.

이런 기관이 작동되는 방식은 도 2A 내지 도 2D를 참조로 하여 설명될 것이다.

도 2A에서, 기관 피스톤은 압축의 마지막 단계, 즉 PMH에 위치하여 있고, 압축 피스톤(12)은 PMB, 즉 도 2A의 가장 우측에 위치하여 있다. 팽창되는 동안, 연소실(5) 내 가스의 연소작용에 의해, 기관 피스톤은 도 2B에 도시된 바와 같이 위에서 아래로 이동되며, 크랭크샤프트(9)가 약 90°로 완전히 회전되면, 압축 피스톤(12)의 상부가 그 주위에서 흔들리게 된다. 즉, 압축실(14a) 내에서의 제 1 압축이 수행된다. 팽창의 마지막 단계에서, 크랭크샤프트(9)가 90°로 추가 회전된 후, 기관 피스톤(4)은 PMB에 도달되며, 동시에 배기 덕트(18)와 흡입 포트(17)가 노출된다. 동시에, 압축 피스톤(12)의 하부가 그 주위에서 흔들리게 되고, 압축 피스톤은 압축실(14a)의 왼쪽으로 이동, 최대압축 위치에 도달하게 된다. 이것은 가압된 공기 또는 탄소혼합물이 연소실(5)로 수용되도록 한다. 즉, 연소가스를 배출구 쪽으로 향하도록 하여 실린더를 충전시킨다. 도 2D는, 크랭크샤프트(9)가 90°로부터 추가 회전된 후, 압축 상태에서의 기관 피스톤을 도시하고 있다. 그리고, 동시에 이것은 흡입 및 배기를 차단하여, 압축 피스톤(12)의 상부가 흔들리게 되며, 압축실(14a)의 제 1 팽창을 허용한다. 압축실(14a) 내에서 발생된 디프레션으로 인하여 새로운 공기 또는 탄소혼합물은 흡기 파이프(15)를 통해 들어오게 된다. 결과적으로, 기관 피스톤(14)이 도 2A에 도시된 PMH에 도달하면, 크랭크샤프트(9)의 90°추가회전된 후, 압축 피스톤(12)의 하부는 그 주위에서 흔들리게 되어, 압축 피스톤의 위치는 오른쪽으로 재위치하게 되며, 새로운 공기 또는 탄소혼합물이 압축실(14a) 내로 들어오게 된다. 설명된 작동 사이클은 반복해서 되풀이된다.

도 2A 내지 도 2D에서 알 수 있듯이, 익센트릭(10)은 크랭크샤프트(9)의 샤프트에 동심을 이루며 장착된 디스크로 형성되어 있다.

하지만, 압축 피스톤(12)의 전후 흔들림(rocking)으로 인하여, 크랭크실에 포함된 오일이 압축실(14a) 내로 유입될 위험성이 있다. 이는 오일의 소모와 이런 오일이 외부로 배출됨에 따른 환경오염을 야기한다.

이런 결점은 도 4 내지 도 7에 도시된 다른 양상에 의해서 예방된다. 즉, 록킹 압축 피스톤(rocking compressor piston; 12)이, 압축실(14a) 내에서 직선병진운동으로 전후 왕복 운동하는 도 4에 도시된 압축 피스톤(112)으로 대체됨으로써 이런 결점이 예방된다.

둘레에 시일링 링을 가진 압축 피스톤(112)은, 자신의 한가운데에 단단히 부착된 로드(121)를 가지고, 익센트릭(10)에 연결된 링크로드(11)의 자유단부(free end)에 관절식으로 연결되어 있다. 로드(121)는, 격벽(partition; 123)에 의해 크랭크실(2)과 연결된 가이드 슬리브(guide sleeve; 122)를 통해 병진운동한다. 슬리브(122)에는, 시일링 링이 로드(121)가 지나가는 그 내부에 제공되거나, 또는 다른 대안으로 시일링 부츠(sealing boot; S)가 로드(121)와 상기 수직 격벽(123) 사이에 연결되어, 크랭크실에서 압축기로의 오일통과 위험성을 제거한다.

도 5 내지 도 7은 냉각핀(cooling fin; 21)을 갖춘 실린더(1) 및 압축기(14)를 도시하고 있다.

실린더(1)의 상부에는 점화플러그(22)가 배치되어 있다.

기관(M1)은, 실린더(1)를 형성하는 제 1 유닛, 크랭크실(2)을 형성하는 제 2 유닛, 그리고 압축기(14)를 형성하는 제 3 유닛으로 이루어져 있다. 강성 디스크(rigid disk) 형상의 압축 피스톤(112)은 가변성 다이아프램(212)으로 대체될 수 있고, 그 둘레는 앞에서 언급된 제 2 및 제 3 유닛 사이에 설치될 수 있다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 다이아프램(212)이 쉽게 변형되도록, 다이아프램의 둘레 근처에 언듀레이션(undulation; 212a)이 제공될 수 있다.

도 6A 내지 도 6D에 도시된 바와 같이, 로드(121)는 관절식 크로스부재(124)와 가변성 다이아프램(212)의 중앙에 연결되어 있으며, 압축기(14) 축의 양측으로 연장된 두 암(111)에 연결된 크로스부재의 자유단부는, 크랭크실에 형성된 홈(groove; 125) 내에서 활주한다. 익센트릭에 연결되는 링크로드는, 크로스부재(124) 및 두 암(111)을 포함하는 조립체에 의해 형성된다. 링크로드의 두 암(111)은 각각 디스크(10)에 장착되어 있으며, 이 디스크는 크랭크실(2)의 측벽과 리스트핀(8)의 웨브(web) 사이에서 크랭크샤프트의 샤프트(9)에 각기 그리고 동심을 이루며 장착되어 있다. 니들 베어링(22, 23, 24)은, 각 링크로드의 암(111)과 익센트릭 디스크(10) 사이에서 크로스부재(124)의 자유단부 및 크랭크샤프트(9)의 샤프트에 각각 제공되어 있다. 하지만, 회전이 저속이라면, 이 베어링은 볼 베어링 또는 저널 베어링(journal bearing)으로 대체될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 록킹 압축 피스톤은 도 1 내지 도 3의 다른 양상과 달리 압축 피스톤의 축이 기관 피스톤의 축 중심에 있다.

압축 피스톤이 크로스헤드 링크(crosshead link)를 이용하여 장착되어 있는 이런 기관의 작동 사이클은, 록킹 피스톤 기관의 작동 사이클과 실질적으로 동일하다. 크랭크샤프트(9)가 회전하면, 크로스부재(124)는 홈(125) 내에서 직선 병진운동을 하며, 이는 로드(121)를 이동시켜 다이아프램을 변형시킨다. 도 5A에서, 기관 피스톤(4)은 PMH에 위치하고, 다이아프램은 크랭크샤프트가 있는 우측으로 벤딩되어 있다. 도 5B에서, 기관 피스톤은 팽창단계의 절반정도의 행정에 위치하여 있고, 다이아프램(212)은 실질적으로 수직 평평한 상태로 있다. 도 5C에서, 기관 피스톤(4)은 PMB에 위치하고, 다이아프램(212)은 크랭크샤프트로부터 멀어지는 좌측으로 변형 벤딩되어 있다. 마지막으로, 도 5에서, 기관 피스톤(4)은 절반정도의 압축 상승행정에 위치하여 있고 다이아프램(212)은 다시 평평한 상태, 즉 휴지 상태로 되어 있다.

예를 들면, 도 5 내지 도 7에 도시된 기관은, 이런 기관 피스톤(4)의 경우 38mm 작업행정(working stroke) 및 약 42mm 직경의 실린더 하나와 압축 피스톤(212)의 경우 8.5mm 작업행정 및 80mm 직경의 압축기(14)를 가지고 있다.

도 8에 도시된 다른 양상은, 압축기(14)가 두개의 스테이지(14a, 14b)를 가진 압축실을 포함한다는 점에서 도 4에 도시된 대안적 양상과 차이가 있다. 제 1 스테이지(14b)는 격벽(123)과 압축 피스톤 사이에 형성되며, 제 2 스테이지(14a)는 압축 피스톤(112)의 다른 측에 형성된다. 제 1 스테이지(14b)의 상부에는 논리턴 밸브(115a)를 구비한 흡기 덕트(115)가 있다. 제 1 스테이지(14b)에는 이를 지나는 압축기(112)의 피스톤 로드(121)가 있다. 제 1 스테이지(14b)의 하부에는, 압축기(14)의 제 2 스테이지(14a)와 연통된 중간 배출관(intermediate delivery pipe; 130)이 있다. 이 중간 배출관(130)에는 논리턴 밸브(130a) 및 냉각기(19)가 갖추어져 있다. 압축기(14)의 제 2 스테이지(14a)는, 도 1 내지 도 7에 설명된 단단 압축기(14)의 방식과 유사한 방식으로 그 상부에 있는 흡입관(inlet duct; 16)과 연통되어 있다.

압축기(14)의 여러 밸브(115a, 130a, 16a) 및 기관의 밸브(118a, 217)는, 기관의 모든 파라미터, 즉 압축기 및/또는 기관 실린더 내 압축비 그리고 팽창비를제어하기 위해, 디지털 컴퓨터에 의해 조정될 수 있는, 기계적 또는 전자적 또는 수전기적(hydro-electronically) 제어 밸브로 대체되는 것이 바람직하다.

도 8에는 강성 플랫 디스크(rigid flat disk)의 형태인 압축 피스톤이 도시되어 있지만, 도 5 및 도 6에 도시된 형태와 유사한 가변성 다이아프램으로 대체될 수도 있다.

기관 피스톤(4)의 압축단계 동안, 압축 피스톤(112)이 우측으로 이동되어 압축실의 제 1 스테이지(14b)를 압축함으로써, 공기는 파이프(130)를 통해 제 2 스테이지(14a)로 전달된다. 위에서 아래로 행정하는 기관 피스톤(4)의 팽창단계 동안, 압축 피스톤(112)은 좌측으로 이동되어, 제 2 스테이지(14a)에 포함된 공기를 추가로 압축하는데, 그 이유는 논리턴 밸브(130a)에 의해 공기가 파이프(130a)를 통해 뒤로 후퇴될 수 없기 때문이다. 이런 공기는 단단 압축기에서 달성될 수 있는 압력보다 큰 압력에 의해 흡입 파이프(16)로 나가게 된다. 동시에, 압축저하현상이 제 1 스테이지(14b)에서 일어나게 되고, 이는 흡기 덕트(115)로부터의 공기 흡입을 일어나게 된다.

도 8에는 압축 피스톤(112)의 행정(c)이 도시되어 있다.

도 9에는 배기퍼프(exhaust puffs)로부터 에너지를 회복하고 배기가스를 부분적으로 재순환시키기 위한 장치를 갖춘 도 8의 기관이 도시되어 있다. 이에 대한 구체적인 원리는 현재 출원 중에 있는 프랑스특허출원 제 98-07835호에 설명되어 있다.

임의의 적절한 형태가 될 수 있는 추가의 체적(40)은, 파이프(41)와 연통되어 있고, 앞에서 언급한 밸브(130a)의 전달 파이프(130)의 하류에 구비된 회전식 셔터(rotary shutter; 42), 예를 들면 삼방향 회전식 스풀(three-way rotary spool)과 통하여 있다. 또한, 추가의 체적(40)은 위쪽에서 상부에 있는 제 2 회전식 셔터(44), 예를 들면 삼방향 회전식 스풀과 통하여 있다. 제 2 회전식 셔터는 파이프(45)를 통해 실린더(1)의 아래쪽과 연통되어 있고, 반면 파이프(46)를 통해서는 앞에서 언급한 배기 덕트(18)에 연결된 배기 다기관(exhaust manifold; 도시 안됨)에 연결되어 있다.

도 9에 도시된 기관의 작동방식이 설명된다.

기관 피스톤(4)이 PMH에 가깝게 도달되면, 압축단계 동안, 하부 스풀(42)은, 압축기(14)의 제 1 스테이지(14b)와 파이프(41)를 연통시키고, 동시에 제 2 스테이지(14a)와의 통로는 차단시킨다. 반면, 상부 스풀(44)은 파이프(43)와 배기 파이프(46)를 연통시키고, 동시에 실린더(1)의 아래쪽과 통하는 파이프(45)와의 통로는 차단시킨다. 그 결과로서, 제 1 스테이지(14b) 내에서 압축 피스톤(112)에 의해 압축된 공기는 추가의 체적(40)을 스윕하면서 배기 파이프를 통해 배기된다. 즉, 체적 내의 잔여 공기 및 연소가스 혼합물은 외부로 배출되고 새로운 공기로 대체된다.

그 다음, 도 9에 도시된 기관 피스톤(4)의 팽창의 시작 단계에서, 스풀(42, 44)은 어떠한 파이프와도 연통되어 있지 않고, 스풀의 회전은 크랭크샤프트(9)의 회전에 종속되어 작동되거나 또는 중앙 전자식 제어 유닛(central electronic management unit)에 의해 제어될 수 있다.

기관 피스톤(4)이 실질적으로 팽창 행정의 마지막에 도달되면, 기관 피스톤(4)은 파이프(45)의 개구를 노출시키게 되고, 연소가스는 실린더(1) 내 압력에 의하여 이 파이프(45)를 통해 배출되어 셔터(44)를 거쳐, 상부 셔터(44)가 배기 파이프(46)를 차단하고 있는 한, 추가의 체적(44) 내로 들어가게 된다. 동시에, 셔터(42)는 파이프(41)의 통로를 차단함으로써, 연소가스는 추가의 체적(40) 내 공기를 압축하고 부분적으로 공기에 스며든다.

이와 동시에, 또는 파이프(45)의 개방 직후, 기관 피스톤(4)은 배기 덕트(18)를 또한 노출시키게 되고, 압축 피스톤(112)이 좌측으로 이동됨으로써 압축작용이 실행됨에 따라 압축기의 제 2 스테이지(14a)로부터 흡입구(17)를 통해 유입되는 가압된 새로운 공기에 의해 잔류하는 연소가스를 배출시킨다. 기관 피스톤(4)이 PMB에 도달되면, 상부 스풀(44)은 어떠한 통로와도 연통되어 있지 않으며, 하부 스풀(42)은 압축기의 제 1 및 제 2 스테이지 사이의 통로를 개방시키고, 동시에 파이프(41)와의 통로 폐쇄를 그대로 유지함으로써, 추가의 체적(40) 내 가압된 공기 및 연소가스 혼합물은 체적 내에 트랩된다. PMB에서, 실린더(1) 내 소기작용은 중단되고 실린더는 압축기(14)에 의해 전달된 고압의 새로운 공기로 채워지기 시작한다.

실린더의 압축단계가 시작되면, 압축 피스톤(112)은, 파이프(130)와는 개방되어 연통되고 동시에 파이프(41)와의 통로 폐쇄를 그대로 유지하고 있는 하부 스풀(42)을 통해 제 1 스테이지(14b) 내 가압된 공기를 제 2 스테이지(14a)로 전달한다. 이와 동시에, 상부 스풀(44)은 추가의 체적(40)과 실린더(1) 사이의 통로를연통시키고 배기 파이프(46)와의 통로를 폐쇄시켜, 체적(40) 내에 트랩된 공기 및 연소가스 혼합물이 파이프(43) 및 파이프(45)를 통해 실린더(1) 내로 유입된다. 즉, 실린더(1)를 과급시켜 배기 퍼프로부터 에너지의 회복을 허용한다.

기관 피스톤(4)이 피스톤 행정의 약 절반 이상 진행되면, 배기 덕트(18) 및 파이프(45)는 기관 피스톤(4)에 의해 폐쇄되고, 스풀(44, 42)은 압축기의 제 1 스테이지(14b)와 배기 파이프(46)가 연통 되도록 단계적으로 작동된다.

이단 압축기(two-stage compressor; 14)의 경우가 도 8의 경우보다 효율성이 떨어진다는 것을 알 것이다. 왜냐하면, 압축기(14)의 제 1 스테이지(14b)의 대부분의 압축행정이 추가의 체적(40)을 스윕하기 위해 사용되기 때문이다.

본 발명에 따른 유니플로우 타입(uniflow type)의 2행정 단일-실린더 기관(M2)이 도 10 내지 도 13을 참조로 하여 설명될 것이다.

도 10 내지 도 12는 도 1, 도 4 및 도 8에 도시된 루프-소기식 기관에 각각 상응하는 세 가지의 다른 양상이 도시되어 있다. 유니플로우 기관(M2)의 작동은 이런 세 가지의 다른 양상 모드에 적용되기 때문에 단 한번 설명될 것이다.

도 10에 도시된 유니플로우 기관(uniflow engine)에 있어서, 흡입 파이프(16)는 실린더(1)의 아래쪽을 둘러싸는 고리형 링(117)과 통하여 있고, 상기 링(117)은 실린더(1)의 기저 쪽으로 통하는 다수의 포트(도시 안됨)를 가지고 있어, 수많은 회전식 이동에 의해 공기가 실린더 내로 유입된다. 배기 파이프(118)는 실린더(1)의 위쪽에 있고 임의의 적절한 수단에 의해 제어되는 적어도 하나의 밸브(118a)를 구비하고 있다.

기관 피스톤(4)이 PMH에 있으면, 배기밸브(118)는 폐쇄되고, 흡입 포트는 기관 피스톤(4)의 몸체에 의해 차단된다. 기관 피스톤(4)의 팽창단계의 마지막에서, 배기밸브(118a)는 개방되어 연소가스를 배출시키고, 기관 피스톤(4)은 흡입링(117)의 포트를 노출시켜, 압축기로부터 가압된 공기가 연소가스를 배기 파이프 쪽으로 흐르게 한다. 흡입포트가 기관 피스톤(4)으로부터 노출되어 있는 한, 기관 피스톤의 압축단계가 시작될 때까지 산화공기(oxidizing air)는 실린더(1) 내로 계속 채워진다.

도 13의 다른 양상에서, 배기퍼프(exhaust puffs)로부터 에너지를 회복하고 배기가스를 부분적으로 재순환시키기 위한 장치를 갖춘 기관(M2)이 도시되어 있다. 이 장치는, 다방향 회전식 스풀(multi-way rotary spool)로 구성된 회전식 셔터(142, 144)의 양 단부와 연통되는 적절한 단면을 가진 파이프 형태인 추가의 체적(140)을 포함하고 있다. 또한, 상부 스풀(144)은, 실린더(1)의 위쪽에 제공된 배기 밸브(118a)의 하류에서 배기 파이프(118)와 연통되어 있고, 도면에 도시되지 않은 배기 다기관(exhaust manifold)에서 종결되는 두개의 다른 파이프(145, 146)와 연통되어 있다.

하부 스풀(142)은, 흡입링(117)의 위쪽에 있고 실린더(1)의 아래쪽으로 향하여 개방된 파이프(141), 그리고 흡입 파이프(16)와 추가로 연통되어 있다.

본 기술분야의 당업자라면 알 수 있기에 설명되지 않는 임의의 적절한 방식으로, 스풀(142, 144)의 회전운동은 크랭크샤프트의 회전운동에 대해 1/1 또는 1/1 외의 다른 비율로, 그리고 크랭크샤프트(9)의 회전운동에 대해 동상(in-phase)으로 또는 변화될 수 있는 위상(phase-shiftable)으로 연결되어 있다.

게다가, 도 13에서, 압축기(14)의 두 스테이지(14a, 14b)는 압축 피스톤(112)에 대해 반대로 위치되어 있다. 구체적으로, 흡입 파이프(16)는 압축 피스톤(112)과 수직격벽(123) 사이에 위치한 스테이지(14b)와 연통되어 있는 반면, 압축 피스톤(112)의 그 반대쪽의 제 1 스테이지(14a)에는 흡기 파이프(115)를 통해 새로운 공기가 공급된다. 즉, 압축기(14)의 작동은 역으로 진행되고, 크랭크샤프트의 리스트핀(8)은 크랭크샤프트(9)의 회전방향(F)으로 익센트릭(10)에 대해 약 90°의 각(θ)으로 위상 이동된다.

기관 피스톤(4)이 PMH에 있으면, 제공된 임의의 배기밸브(118a)는 스풀(142, 144)과 마찬가지로 폐쇄된다.

기관 피스톤(4)의 팽창단계 동안, 배기밸브(118a)는 개방되고 상부 셔터(144)는 선회(pivot), 예를 들면 크랭크샤프트(9)와 동일한 방향으로 선회하여, 배기 파이프(118)를 추가의 체적을 형성하는 파이프(140)와 연통시킨다. 또한, 하부 스풀(142)은 동일한 방향으로 동일한 양만큼 회전되지만, 파이프와는 연통되지 않는다. 이것은 가압된 연소가스의 퍼프가 배기 파이프(118)를 통해 파이프(140) 내로 배출되는 결과를 가져오며, 고리형 전달 주기(annular transfer period)에 상응하는 연소가스의 일부를 파이프 내로 유입시켜 가스를 압축시킨다.

기관 피스톤(4)이 파이프(141)와 흡입링(117) 사이의 중간 위치에 도달하면, 배기밸브(118a)는 여전히 개방되어 있으나, 스풀(114)은 회전되어 파이프(118)와 파이프(145)를 연통시키고 파이프(140)와의 통로를 폐쇄시킨다; 또한, 하부스풀(142)도 회전되나 어떠한 파이프와도 연통되지 않는다. 이것은 압력(전 하중에서의 약 3.5 bar)에 의해 파이프(140) 내로 앞서 유입됐던 공기/연소가스 혼합물이 트랩되고, 연소가스가 파이프(145)를 통해 배기 다기관으로 나가는 것을 의미한다.

기관 피스톤(4)이 PMB에 도달하면, 상부 셔터가 지속적으로 회전하지만, 파이프(118)와 파이프(145) 사이의 연통을 상부 셔터(144)는 유지한다; 하부 셔터(142) 또한 회전하지만 어떠한 연통도 존재하지 않는다; 흡입링(117)의 포트는 노출된다. 이것은 압축기(14)의 스테이지(14b)로부터의 공기가, 배기밸브(118a)를 통해 연소가스를 제거하고 압축기(14)의 상대적으로 높은 압력으로 실린더(1)에 공기를 채우는 소기작용(scavenging)을 실행한다는 것을 의미한다. 압력 하에서 공기/연소가스 혼합물은 여전히 파이프(140) 내에 트랩 되어있다.

기관 피스톤(4)이 압축단계를 시작하면, 기관 피스톤은 흡입링(117)의 포트를 폐쇄시키고 파이프(141)와 동일한 면상에 놓이게 된다; 셔터(142)는 지속적으로 회전하며 파이프(118)와 파이프(145) 사이의 연통을 그대로 유지한다. 그러나, 배기밸브(118a)가 다시 폐쇄되었기 때문에, 이것은 더 이상 아무런 효과를 가지고 있지 않다; 하부 스풀(142)은 파이프(141)를 파이프(140)와 연통시킨다. 그 결과, 파이프(140)에 압력으로 트랩되어 있던 공기/연소가스 혼합물은, 압력에 의해 나아가 실린더(1)를 채우게 된다. 이것은 동시에 실린더를 과급(supercharge)시키고 연소가스를 부분적으로 재순환(recirculate)시키는데, 이는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)이라는 작동으로 알려져 있으며, 저속에서 발생되는 산화질소의 방출을 감소시키는 효과를 가지고 있다.

기관 피스톤(4)이 파이프(141)를 폐쇄할 때까지 압축이 지속되면, 배기밸브(118a)는 폐쇄되고, 스풀(142, 144)은 모든 연통이 폐쇄되는 위치로 선회한다.

기관 피스톤(4)이 압축행정의 마지막에 도달하면, 배기밸브(118a)는 폐쇄되어 있지만, 상부 스풀(144)은 파이프(140)와 파이프(146)가 연통되도록 배치된다; 하부 스풀(142)은 파이프(140)와 흡입 파이프(16)가 연통되도록 배치된다. 그 결과, 압축기(14)로부터의 새로운 공기가, 파이프(16, 140, 146)를 통해 파이프(140)에 잔류하는 공기/연소가스 혼합물을 외부로 배기시킨다.

기관 피스톤이 PMH에 도달하면, 이러한 주기가 재시작하기 위한 준비가 된다.

도 14 및 도 15에는 본 발명에 따라 흡입 및 배기밸브를 구비한 2행정 단일-실린더 형태의 기관(M3)이 도시되어 있다.

도 14 및 도 15에는, 도 10 및 도 11에 도시된 유니플로우 형태의 기관(M2)에 대응하는 두 가지의 다른 양상이 도시되어 있다.

두 다른 양상의 유일한 공통의 차이점은, 하나 이상의 흡입밸브(217)를 구비한 흡입 파이프(16)가 실린더(1)의 상단에 개방되어 있다는 것이다. 이런 형태의 기관작동은 앞에서 설명된 형태의 기관작동과 유사하다.

도 14 및 도 15에 도시된 두 가지의 다른 양상이 단단 압축기(single-stage compressor)를 포함하고는 있지만, 본 발명의 사상에 벗어남 없이 배기 가스를 부분적으로 재순환시키기 위한 장치 및/또는 이단 압축기로 구현될 수도 있다.

도 17은 2행정 기관 또는 4행정 기관에 용이하게 사용될 수 있는 이단 압축기를 구비한 기관(M4)을 도시하고 있다. 이런 기관(M4)의 구성요소는 언급된 기관의 도면부호와 동일하다.

도 18 내지 도 25는, 록킹 압축 피스톤(rocking compressor piston)을 포함한 단단 압축기, 배기 및 흡입밸브를 구비한 형태의 4행정 기관(M4) 작동주기의 여러 단계를 도시하고 있다. 물론, 기관(M4)은 하나 이상의 실린더를 가질 수 있다. 4행정 기관작동 방식은 도 18 내지 도 25를 참조로 하여 설명될 것이다.

도 18에서, 기관 피스톤(4)은 압축행정의 마지막, 즉 PMH에 있는 반면, 압축 피스톤(14)은 PMB, 즉 도 18의 가장 우측에 위치하고 있다. 이 위치에서, 흡입밸브(15a) 및 전달밸브(16a)처럼 흡입밸브(217) 및 배기밸브(118a)는 폐쇄되어 있다. 리스트핀(8)과 익센트릭(10) 사이의 각 위상이동(angular phase shift)은 대략 90°이지만, 이 위상이동은 압축기의 효율 및 실린더 충전율(filling ratio)에 따라 보다 정확하게 산출될 수 있다. 도 18에 도시된 위치는, 연소실 내 탄소혼합물(carburated mixture)의 점화에 해당한다.

도 18에 도시된 위치에서, 압축기(14)의 압축실(14a)에는 새로운 공기가 채워져 있고, 동시에 흡입 파이프에는 가압된 뜨거운 공기가 채워져 있다.

팽창되는 동안, 연소실(5) 내 가스의 연소작용에 의해, 도 19에 도시된 바와 같이, 기관 피스톤은 위에서 아래로의 행정을 수행하며, 크랭크샤프트(9)가 약 150°회전하면, 이는 압축 피스톤이 자신의 상측부 주위에서 흔들리게 되고 이어서 자신의 하측부 주위에서도 흔들리게 되어, 연소실(14a) 내에서의 제 1 압축을 실행하게 된다.

도 18에 도시된 바와 같이, 크랭크샤프트(9)는 화살표(F)로 도시된 시계방향으로 회전한다.

도 19에 도시된 위치에서, 연소실(5)에는 화살표(F2)로 도시된 바와 같이 배기밸브(118a)의 개구가 아래쪽으로 이동된 다음, 배기 덕트(118)를 통해 배기될 연소가스가 가득 채워져 있다. 흡입밸브(15a)는 폐쇄되어 있지만, 전달밸브(16a)는 개방되어, 압축실(14a) 내 가압된 공기가 이미 얼마간의 가압된 공기를 포함하고 있는 흡입 파이프(16)로 전달된다. 따라서, 추가의 가압된 공기가 화살표(F1)으로 도시된 바와 같이 흡입 파이프(16) 내에 유지된다.

팽창행정의 마지막 단계에서, 화살표(F)로 도시된 시계방향으로 30°추가회전된 후, 도 20에 도시된 바와 같이, 기관 피스톤(4)은 PMB에 도달하게 된다. 이 위치에서, 압축 피스톤(12)은 자신의 하측부에서의 흔들림(rocking)이 끝나고 최대 압축, 즉 압축실(14a)의 가장 좌측의 위치에 도달하게 된다. 흡입밸브(15a)는 폐쇄되고 전달밸브(16a)는 개방된 채로 화살표(F1)로 도시된 바와 같이, 흡입 파이프(16) 내 공기에 대한 추가의 압축을 완료한다. 이 위치에서, 연소가스는 화살표(F2)의 방향으로 배기 덕트(118)를 통해 지속적으로 배기된다. 이렇게 하여, 기관(M4)의 4행정 주기의 제 1 행정이 완료된다.

도 21에 도시된 바와 같이, 크랭크샤프트(9)가 회전하는 동안, 즉 연소실이 압축되는 동안, 기관 피스톤(4)은 연소가스를 배기 덕트(118)로 전달한다. 도 21에 도시된 위치에서, 크랭크샤프트는 약 160°추가회전하여 있다. 이 위치에서, 압축 피스톤(12)은 자신의 상측부 주위에서 흔들리고, 다음 하측부 주위에서 흔들리게 되어, 압축실(14a)의 팽창위치에 도달하게 된다. 압축기(14)의 팽창단계 동안, 흡입밸브(15a)는 개방되고 전달밸브(16a)는 폐쇄되어, 새로운 공기가 도시된 화살표(F3)를 따라 압축실(14a) 내로 흡입된다. 동시에, 흡입밸브(217)는 개방되어, 가압된 공기가 도시된 화살표(F4)를 따라 연소실 내로 유입되고 잔류하는 연소가스가 배기 덕트쪽으로 나아가게 된다. 도 22는 크랭크샤프트(9)의 행정이 도 18에 도시된 초기위치에 대해서 360°회전한, 기관 피스톤(4)의 압축행정의 마지막 단계를 도시하고 있다. 이 위치에서, 흡입밸브(15a)는 폐쇄되고 두 밸브(217, 118a)는 개방된 채로 있다. 화살표(F4)는 연소실 내로 가압된 뜨거운 공기의 유입을 도시하고 있다. 도 22의 위치는 4행정 주기의 제 2 행정을 도시하고 있다.

도 23으로 나아가기 위해서, 크랭크샤프트(9)는 20°또는 그 정도의 각으로 추가 선회되어 기관 피스톤(4)의 팽창단계가 시작된다. 이 위치에서, 배기밸브(118a)는 다시 폐쇄되지만 흡입밸브는 개방된 채로 있게 된다. 또한, 전달밸브(16a)는 개방되어 압축실(14a)에 포함된 새로운 공기를 도시된 화살표(F1)를 따라 흡입 파이프(16) 내로 전달한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 기관 피스톤(4)이 PMB에 도달하면, 즉 4행정 주기의 3행정이 실행되는 동안, 연소실(5)은 개방된 채로 있는 전달밸브(16a)를 통해 흡입 파이프(16) 내에 포함되어 있던 가압된 공기 및 압축실(14a) 내에 포함되어 있다가 압축 피스톤(12)에 의해 전달된 가압된 공기로 채워진다. 따라서, 연소실(5)의 이중 충전이 달성된다.

도 25는 약 30°추가회전된 크랭크샤프트(9)를 도시하고 있다. 이 위치에서, 두 밸브(217, 118a)는 폐쇄되고 연소실(5) 내 포함된 공기의 압축이 시작된다. 전달밸브(16a) 또한 폐쇄되지만, 흡입밸브(15a)는 개방되어, 압축실(14a) 내에 새로운 공기가 다시 채워진다. 이런 기관 피스톤의 압축행정의 마지막 단계에서는, 적어도 연료가 연소실(5) 내로 분사될 수 있다. 그 다음, 기관 피스톤(4)은 도 18에 도시된 바와 같이 PMH에 도달하게 된다.

본 발명의 다양한 기관은, 도시되지는 않았으나 가솔린 또는 디젤을 직간접 분사하기 위한 분사장치를 구비하거나, 탄소혼합물(precarburated mixture)을 이용하여 작동될 수 있다.

마지막으로, 도 16은 록킹 압축 피스톤을 구비한 4개의 단단(single-stage) 형태의 압축기(14)를 가진 기관(M)을 도시하고 있다. 지금까지와는 달리, 이 기관의 링크로드(11)는 도시된 바와 같이 각각의 실린더 축으로부터 편심되어 있고, 압축기(14)는 크랭크실(2)의 각 측면에 배치되어 있다.

물론, 본 발명은 인라인(in-line) 또는 V기관의 단일 실린더 또는 멀티-실린더에 적용될 수 있다.

본 발명이 다수의 특정 실시예들에 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 어떠한 방식에 한정되지 않으며, 본 발명의 배경 내에 포함되어 있으면, 본 발명은 설명된 수단의 모든 기술적 균등물 및 조합을 포함한다.

Claims

연료의 직접 또는 간접 분사와 더불어 새로운 공기를 수용함으로써 또는 탄소혼합물을 수용함으로써 작동되는 2행정 또는 4행정 내연기관(M, M1, M2, M3, M4)으로서, 커넥팅로드(7)에 의해 크랭크샤프트(9)의 리스트핀(8)에 연결된 기관 피스톤(4)이 왕복운동을 수행하고, 압축기(14)가 각 실린더에 결합되어 탄소혼합물 또는 새로운 공기로 실린더를 과급시키는 가변성 체적인 연소실(5)을 규정하는 적어도 하나의 실린더(1)를 가지는 상기 기관에 있어서,

상기 압축기(14)는 적어도 하나의 스테이지를 가진 압축기이고, 상기 압축기의 압축실(14a, 14b) 내에서 운동하는 압축 피스톤(12, 112, 212)은 상기 익센트릭(10)에 관절식으로 연결된 링크로드(11, 111)에 의해 크랭크샤프트(9)와 연결되고, 상기 익센트릭은 상기 크랭크샤프트(9)의 샤프트에 장착되며, 그리고 하나는 상기 익센트릭(10) 쪽으로 연장되고 또 하나는 상기 리스트핀(8) 쪽으로 연장된 두개의 반평면 및 상기 크랭크샤프트(9) 축에 의해 형성되는 교차 입체각인 이면각()은 대략 90이며, 동일한 실린더에 결합된 상기 기관 피스톤(4)의 상사점과 상기 압축 피스톤(12, 112, 212)의 상사점 사이에서, 탄소혼합물 또는 새로운 공기가 상기 연소실(5) 내에 수용되기 전에 상기 압축실(14a, 14b) 내 압력이 최대가 되도록 하는 위상이동이 달성되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항에 있어서, 상기 실린더(1)와 직접 연통하는 상기 압축실의 상기 스테이지(14b)가 상기 압축 피스톤(112, 212)과 상기 크랭크샤프트(9) 사이에 위치할 때는, 상기 리스트핀(8)이 상기 크랭크샤프트의 회전방향(F)으로 상기 익센트릭(10)에 앞서 위상이동되며, 반면에, 상기 상술한 스테이지(14a)가 크랭크샤프트에 대해 상기 압축 피스톤(12, 112, 212)의 맞은편에 위치할 때는, 상기 익센트릭이 상기 크랭크샤프트의 회전방향으로 상기 리스트핀에 앞서 위상이동되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기(14)의 상기 실린더 용량은 상기 실린더(1)의 용량과 대략 같은 크기이지만, 압축 피스톤(12, 112, 212)의 직경은 기관 피스톤(4)의 직경보다 현저하게 커서, 상기 압축 피스톤이 상기 압축실 내에서 짧은 압축행정(C)을 가지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 피스톤(112, 212)의 중앙에는, 상기 익센트릭(10)과의 연결을 위해, 상기 링크로드(111)에 관절식으로 연결된 로드(121)가 고정되며, 상기 로드는 상기 실린더(1)의 축과 교차하는 방향으로 병진운동하도록 안내되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 4항에 있어서, 상기 압축 피스톤은 자신의 둘레가 상기 압축실의 측벽에 연결되는 가변성 다이아프램(deformable diaphragm; 212)이고, 상기 다이아프램은 변형의 용이하도록 둘레에 언듀레이션(212a)을 가지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 4항에 있어서, 상기 압축 피스톤은, 적어도 하나의 시일링 링을 자신의 둘레에 구비하고, 축방향 병진운동을 하는 강성 실린더(rigid cylinder; 112)인 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 피스톤(12)의 중앙에서, 상기 익센트릭(10)과의 연결을 위해, 상기 링크로드(11)에 단단히 부착되어, 상기 압축 피스톤이 압축실의 상하측부 주위에서의 흔들림(rocking)으로 인하여 압축실(14a) 내에서 이동하여, 상기 압축기(14)의 축이 상기 실린더(1)의 축에 대해 상기 크랭크샤프트(9) 축의 방향으로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 7항에 있어서, 상기 압축 피스톤(12)은 구형(spherical)의 시일링 링(13)을 갖춘 구형인 에징(12a)을 자신의 둘레에 가지며, 상기 링은 상기 링 내의 갭이 상기 압축기(14)의 기저에 놓이지 않는 위치에서 상기 압축 피스톤에 대해 회전되지 않는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축실은 상기 압축 피스톤(112, 212)의 양쪽에 하나씩 위치된 두개의 스테이지(14a, 14b)를 가지며, 제 1 논리턴 밸브(nonreturn valve; 115a) 또는 밸브에 의해 탄소혼합물 또는 새로운 공기가 공급되는 제 1 스테이지(14a 또는 14b)는, 제 2 논리턴 밸브(130a)를 갖춘 전달 덕트(130)에 의해 제 2 스테이지(14b 또는 14a)에 연결되며, 제 2 스테이지는 제 3 논리턴 밸브(16a) 또는 밸브를 갖출 수 있는 흡입 덕트(16)를 통해 상기 실린더(1)와 연통되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 2행정 내연기관에 있어서, 개폐수단(42, 44; 142, 144)을 통해, 상기 실린더(1)와 연통하는 추가의 체적(40, 140)을 구비하며, 개폐수단의 작동은 상기 기관 피스톤(4)의 운동에 대해 위상이동 또는 동조로 제어되어, 팽창단계 동안 상기 연소가스가 상기 추가의 체적 내에서 공기를 압축하고 적어도 부분적으로 공기에 스며들어, 이런 공기 및 연소가스 혼합물이 압력 하에서 트랩되며, 그리고 압축단계 동안 이런 혼합물이 상기 실린더 내로 수용되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 10항에 있어서, 상기 추가의 체적(40, 140) 내에 트랩되어 있던 상기 공기 및 연소가스 혼합물이 상기 실린더(1) 내로 수용된 후, 상기 압축기(14)로부터의 새로운 공기가 상기 추가의 체적에 다시 채워지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 10항 또는 제 11항에 있어서, 전술한 상기 개폐수단은 두 개의 회전식 셔터(42, 44; 142, 144), 예로 상기 추가의 체적(40, 140)을 통해 서로 연결된 다방향 회전식 스풀(multi-way rotary spool)을 포함하며, 상기 셔터 중 하나(42, 142)는 상기 압축기(14)와 결합되고, 다른 하나의 셔터(44, 144)는 상기 실린더(1)로부터의 배기관과 결합되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 12항에 있어서, 제 1 단계에서, 상기 피스톤(4)이 PMH에 근접하여 있을 때, 상기 압축기(14)로부터의 공기 유동은 상기 압축기와 결합된 하부셔터(42, 142)를 거쳐 상기 추가의 체적(40, 140)을 스윕(sweep)하며 상기 배기관과 결합된 상기 상부 셔터(44, 144)를 지나 배기 다기관을 통해 외부로 배기되고; 제 2 단계에서, 상기 기관 피스톤의 팽창행정이 반정도 진행됐을 때, 상부 셔터(44, 144)가 상기 실린더(1)와 상기 추가의 체적이 연통되도록 배치되어, 가압된 공기 및 연소가스 혼합물로 상기 체적을 채우며, 반면, 상기 실린더는 상기 배기관과 연통되고; 제 3단계에서, 상기 상부 셔터는 상기 추가의 체적 내에 상기 공기 및 연소가스 혼합물을 트랩하고; 제 4 단계에서, 상기 압축기(14)로부터의 공기는 상기 실린더 내로 수용되고; 제 5 단계에서, 상기 기관 피스톤의 압축 행정이 시작될 때, 상기 트랩되어 있던 가압된 혼합물은 상기 실린더 내로 수용되도록, 작동이 실행되는 방식으로 상기 두개의 회전식 셔터가 배치되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 10항 및 제 13항에 있어서, 상기 상부 셔터(44)는 상기 실린더의 기저 쪽으로 배열된 파이프(45)에 의해 상기 실린더(1)와 연결되고 상기 하부 셔터(42)는 상기 압축기(14)의 두 스테이지(14a, 14b) 사이의 상기 전달 파이프(130)에 설치되어, 상기 추가의 체적(40)은 상기 실린더(1)로부터 상기 상부 셔터(44)를 거친 상기 연소가스에 의해 가압되고, 상기 상부 셔터에 연결된 상기 파이프(45)를 통해상기 실린더 내로 배기되어 비어지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 13항에 있어서, 상기 상부 셔터(144)는 상기 실린더(1)의 상단에 위치한 적어도 하나의 배기밸브(118a)에 결합되고 상기 하부 셔터(142)는 상기 실린더의 기저 쪽으로 배열된 파이프(141)에 의해 상기 실린더(1)와 연결되어, 상기 추가의 체적(140)은 상기 배기밸브(118a)로부터 상기 상부 셔터(144)를 통과한 상기 연소가스에 의해 자신의 상단부를 통해 가압되고, 상기 하부 셔터(142)를 거쳐 자신의 하단부를 통해 상기 실린더 내로 배기되어 비어지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기관이 루프 소기 형태의 기관(M1)이며, 상기 탄소혼합물 또는 새로운 공기가 상기 압축기(14)로부터 포트(17)를 통해 흡입 덕트(16) 개구를 통과하여 실린더(1)의 하부 내로 수용되어, 상기 혼합물 또는 상기 공기가 위쪽으로 루핑 회전운동하며 유입되고, 한편 먼저 번 주기로부터의 상기 연소가스가 상기 실린더의 기저 쪽으로 또한 배열된 흡입포트(8)를 통해 배기되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 내지 제 13항 및 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기관이 유니플로우 형태의 기관(M2)이며, 상기 탄소혼합물 또는 상기 공기가 상기 압축기(14)와 연결된 링(117)에 제공되고 상기 실린더의 하부에 분포된 흡입포트를 통해 상기 실린더(1)의 기저 쪽으로 유입되고, 한편 먼저 번 주기로부터의 상기 연소가스는상기 실린더의 상단에 위치한 하나 이상의 배기밸브(118a)를 통해 배기되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 내지 제 13항 및 제 15항 중 어느 한 항에 따른 2행정 내연기관 또는 제 1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 4행정 내연기관에 있어서, 상기 기관은 배기 및 흡입밸브를 구비한 형태의 기관(M3, M4)이며, 상기 밸브(118a, 217)는 상기 실린더(1)의 상단에 위치하고 상기 흡입밸브 또는 밸브(217)는 상기 압축기(14)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1항 내지 제 18항에 있어서, 상기 기관은, 각 실린더(1)에 결합된 상기 압축기(14)가 크랭크실(2)의 각 면에 교차하며 배열되는 여러 개의 인라인 실린더 형태의 기관(M)인 것을 특징으로 하는 기관.