KR20040031376A - 왕복동 연동식 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2실린더를 가지고 4행정을 유도하여 1사이클을 완성하는 피스톤 연동식 왕복동 엔진으로, 병열로 2개의 실린더를 구비하고, 각 실린더내에는 2개의 기통을 공유하여 왕복동하는 피스톤을 설치하고, 이들 피스톤의 양단면에 피스톤 샤프트를 연결하고, 피스톤 샤프트에 커넥팅 로드를 연결하고, 각 기통측에 흡,배기 밸브를 설치하여 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 수행한다.

Description

왕복동 연동식 엔진{Shuttle linkage engine}

본 발명은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 왕복동 엔진에 관한 것으로, 특히 2실린더를 가지고 4행정을 유도하여 1사이클을 완성하는 피스톤 연동식 왕복동 엔진에 관한 것이다.

기관의 내부에서 발생한 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 내연기관에는 4행정 사이클 엔진이 포함되어 있다.

4행정 사이클 기관은 4개의 행정(흡입, 압축, 폭발, 배기) 즉, 크랭크축이 2회전하여 1사이클(cycle)을 완성한다. 도 10에는 4행정 사이클 엔진의 개략도가 도시되어 있다. 이는 4개의 기통(실린더)을 가지고 있고, 각 기통에 하나씩 설치되어 모두 4개의 피스톤이 구비된다. 이러한 4기통 엔진은 4개의 실린더가 차지하는 공간과 4개의 피스톤이 동작하기 위한 실린더 공간을 필요로 한다. 따라서 엔진의 전체적인 부피를 증대시킬 뿐만아니라 무게를 증가시키는 요인으로 작용한다.

따라서 본 발명은 2개의 실린더와 2개의 피스톤만으로 엔진의 유효한 동력을얻을 수 있도록 하여 저중량 및 소형화가 가능하도록 한 왕복동 연동식 엔진을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 왕복동 연동식 엔진의 개념도.

도 2는 4행정에 따른 엔진의 작동상태도.

도 3은 엔진에 흡,배기 밸브가 설치된 상태도.

도 4는 4행정에 따른 흡,배기 밸브의 개폐상태도.

도 5는 모두 8개의 흡,배기 밸브를 4개조로 묶어서 매 행정시의 동작상태를 보인 예시도.

도 6a 내지 도6d는 밸브 개폐수단에 따른 각 행정시의 밸브 동작상태도.

도 7a,7b는 해당 밸브만 작동키 위한 가이드 수단이 도시된 예시도.

도 8은 피스톤의 피스톤링 및 오일공급통로를 도시한 예시도.

도 9a,9b는 엔진의 응용예를 도시한 예시도.

도 10은 4행정 사이클 기관의 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1-1,2-1,3-1,4-1 : 흡기밸브

1-2,2-2,3-2,4-2 : 배기밸브

21,22 : 실린더

31,32 : 피스톤

41,42 : 피스톤 샤프트

51,52: 커넥팅 로드

C1,C2,C3,C4 : 기통

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 개념을 이해하기 위한 왕복동 연동식 엔진의 개념도이다.

본 발명의 엔진은 도 1과 같이 기본적으로 2개의 실린더(21,22)를 갖고, 각 실린더(21,22)는 실린더 보어(21a,22a)를 갖는다. 이때 한쌍의 실린더(21,22)는 이웃하게 병열로 배치된다.

도 1에서 상부측 실린더(21)는 상측 피스톤(31)에 의해 양분되어 제1기통(C1)과 제2기통(C2)을 공유하고, 하부측 실린더(22)는 하측 피스톤(32)에 의해 양분되어 제3기통(C3)과 제4기통(C4)을 공유한다. 그리고 각 기통(C1,C2,C3,C4)에는 통상의 4행정 사이클 엔진이 갖는 점화플러그가 설치되어 있고, 이 점화플러그는 각 행정시마다의 연소시 연료를 점화시키는 기능을 수행한다.

상기 피스톤(31,32)은 도 1에서 실린더(21,22)의 길이 방향으로 이동가능하도록 설치되고, 피스톤(31,32)의 각 양측면에는 피스톤 샤프트(41,42)가 연결되어 있고, 한쌍의 샤프트(41,42)는 서로 방향을 달리하여 연동하도록 커넥팅 로드(51,52)에 연결되어 있다.

도 2는 본 발명의 엔진이 각 행정시 흡입, 압축, 연소, 배기를 반복하는 것을 나타낸다.

1행정시 제1기통(C1)-흡입, 제2기통(C2)-압축, 제3기통(C3)-연소, 제4기통(C4)-배기가 각기 일어난다. 여기서 화살표는 진행방향을 나타낸다. 2행정시 제1기통(C1)-압축, 제2기통(C2)-연소, 제3기통(C3)-배기, 제4기통(C4)-흡입이 각기 일어난다. 3행정시 제1기통(C1)-연소, 제2기통(C2)-배기, 제3기통(C3)-흡입, 제4기통(C4)-압축이 각기 일어난다. 4행정시 제1기통(C1)-배기, 제2기통(C2)-흡입, 제3기통(C3)-압축, 제4기통(C4)-연소가 각기 일어난다. 즉, 본 발명은 4행정의 순환이 순차적으로 이루어진다.

이와 같이 4행정이 이루어지는 본 발명의 엔진은 연료를 흡입하고 배기가스를 배출시키기 위해 4개의 기통에는 도 3과 같이 각기 흡기밸브(1-1,2-1,3-1,4-1)와 배기밸브(1-2,2-2,3-2,4-2)를 갖는다.

상기 흡,배기밸브는 행정 순서에 따라 도 4와 같이 동작한다.

도 4와 같이 1행정시 흡기를 위하여 제1기통측 흡기밸브(1-1)가 열리고, 동시에 연소가스 배출을 위하여 제4기통측 배기밸브(4-2)가 열리고 나머지 밸브는 모두 닫혀있게 된다.

2행정시에는 제1기통(C1)의 흡기밸브(1-1)와 제4기통(C4)의 배기밸브(4-2)가 모두 닫히고, 이와 연동하여 제3기통측 배기밸브(3-2)가 연소가스 방출을 위해 열리고, 제4기통측 흡기밸브(4-1)가 연료흡입을 위해 열려 있다. 나머지 밸브는 모두 닫혀 있게 된다.

3행정시에는 연소가스를 배출한 제2기통측 배기밸브(3-2)와 흡입을 완료한 제4기통측 흡기밸브(4-1)가 닫힌다. 이와 동시에 제2기통측 배기밸브(2-2)가 열소가스 방출을 위해 열리고 제3기통측 흡기밸브(3-1)가 연료 흡기를 위해 열린다. 나머지 밸브는 모두 닫혀 있게 된다.

4행정시에는 연소가스를 방출한 제2기통측 배기밸브(2-2)가 닫히고, 흡기가 끝난 제3기통측 흡기밸브(3-1)가 닫힌다. 이와 연동하여 제1기통측 배기밸브(1-2)가 연소가스 방출을 위해 열리고 제2기통의 흡기밸브(2-1)가 흡기를 위하여 열린다. 나머지 밸브는 모두 닫히게 된다.

4행정이 완료되면 다시 1행정으로 돌아가 사이클 행정을 순차적으로 반복한다.

이와 같이 각 기통의 흡기밸브(1-1,2-1,3-1,4-1)와 배기밸브(1-2,2-2,3-2,4-2)는 한쌍으로 여닫음을 반복하기 때문에 열고 닫음을 각기 한쌍으로 연동시킬 수 있다. 본 실시예에서는 도 5와 같이 2개의 밸브를 1개조로 하여 모두 4개조의 밸브로 구성되어 있다.

즉, 제1기통측 흡기밸브(1-1)와 제4기통측 배기밸브(4-2)가 연결되어 제1밸브(1)를 이루고, 1행정시에 제1밸브(1)가 열릴 때 제1기통측 배기밸브(1-2)와 제2기통측 흡기밸브(2-1)는 제4밸브(4)로서 연동하여 동시에 닫힌다.

다음, 제4기통측 흡기밸브(4-1)와 제3기통측 배기밸브(3-2)가 연결되어 제2밸브(2)를 이루고, 2행정시 제2밸브(2)가 열릴 때 제1밸브(1)는 연동하여 동시에 닫힌다.

그 다음, 제2기통측 배기밸브(2-2)와 제3기통측 흡기밸브(3-1)가 연결되어 제3밸브(3)를 이루고, 3행정시에 제3밸브(3)가 열리면 제2밸브(2)는 연동하여 동시에 닫힌다.

그 다음, 제2기통측 흡기밸브(2-1)와 제1기통측 배기밸브(1-2)가 연결되어 제4밸브(4)를 이루고, 4행정시에 제4밸브(4)가 열리면 제3밸브(3)가 연동하여 동시에 닫힌다.

따라서 본 엔진은 도 5와 같이 4개의 제1,2,3,4밸브(1,2,3,4)의 열림과 닫힘의 작용으로 각 행정을 순차적으로 일어나게 할 수 있다.

도 6a 내지 도 6d는 한쌍으로 서로 조합된 제1,2,3,4밸브(1,2,3,4)의 각 행정시마다 동작 상태를 피스톤 샤프트(41,42)에 설치된 누름수단을 이용하여 나타낸 것이다.

도 6a 내지 도 6d에서 제1기통측 피스톤 샤프트(41)에 설치된 누름수단을 제1기통측 누름버튼(P1)이라 하고, 제2기통측 피스톤 샤프트(41)에 설치된 누름수단을 제2기통측 누름버튼(P2)이라 하고, 제3기통측 피스톤 샤프트(42)에 설치된 누름수단을 제3기통측 누름버튼(P3)이라 하고, 제4기통측 피스톤 샤프트(42)에 설치된 누름수단을 제4기통측 누름버튼(P4)이라 한다.

도 6a는 1행정의 시작과 종료시의 밸브 동작을 각각 나타내고 있다. 1행정의 시작시 제1밸브(1)가 열려 연료흡입과 연소가스 배기가 준비된다. 이 상태에서 제3기통(C3)측에서 연소(폭발)가 일어나면 하부 피스톤(32)은 좌측으로 이동하고 동시에 커넥팅 로드(51,52)의 연동에 의해 상부 피스톤(31)은 우측으로 이동한다. 이와 동시에 제1기통측 누름버튼(P1)은 기구적으로 제2밸브(2)를 연다.

따라서 1행정이 종료되면, 제1기통누름버튼(P1)에 의해 제1밸브(1)를 닫고제2밸브(2)를 연다. 이로 인해 제1기통(C1)은 흡입에서 압축을 준비하고, 제2기통(C2)은 압축에서 연소를 준비하고, 제3기통(C3)은 연소에서 배기를 준비하고, 제4기통(C4)은 배기에서 흡기를 준비한다.

다음, 도 6b와 같이 2행정의 시작시에는 제2밸브(2)가 열려있는 상태이다. 이 상태에서 제2기통(C2)에서 연소가 이루어져 종료되면 제4기통 누름버튼(P4)이 제3밸브(3)를 열고 동시에 제2밸브(2)를 닫는다. 따라서 2행정의 종료시에는 제1기통(C1)은 압축에서 연소가 준비되고, 제2기통(C2)은 연소에서 배기가 준비되고, 제3기통(C3)은 배기에서 흡기가 준비되고, 제4기통(C4)은 흡기에서 압축이 준비된다.

그 다음, 도 6c와 같이 3행정의 시작시에는 제3밸브(3)가 열려있는 상태이다. 이 상태에서 제1기통(C1)에서 연소가 이루어져 종료되면 제3기통측 누름버튼(P3)이 제4밸브(4)를 열고 동시에 제3밸브(3)를 닫는다. 따라서 3행정의 종료시에는 제1기통(C1)은 연소에서 배기를 준비하고, 제2기통(C2)은 배기에서 흡기를 준비하고, 제3기통(C3)은 흡기에서 압축을 준비하고, 제4기통(C4)은 압축에서 연소를 준비한다.

그 다음, 도 6d와 같이 4행정의 시작시에는 제4밸브(4)가 열려있는 상태이다. 이 상태에서 제4기통(C4)에서 연소가 이루어져 종료되면 제2기통측 누름버튼(P2)이 제1밸브(1)를 열고 제4밸브(4)를 동시에 닫는다. 따라서 4행정의 종료시에는 제1기통(C1)은 배기에서 흡기를 준비하고, 제2기통(C2)은 흡기에서 압축을 준비하고, 제3기통(C3)은 압축에서 연소를 준비하고, 제4기통(C4)은 연소에서배기를 준비한다.

이같이 본 발명은 각 기통측 피스톤 샤프트(41,42)에 누름버튼 수단을 설치하여 제1,2,3,4밸브(1,2,3,4)를 여닫으면서 각 행정을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명은 1행정과 3행정, 2행정과 4행정의 피스톤 위치 및 기통누름버튼이 동일 위치에 놓여 있어 서로 다른 행정에서 동일한 밸브가 열리거나 닫힐 수 있다. 따라서 본 실시예는 해당 누름버튼만 누를 수 있도록 가이드수단을 갖는다.

도 7a와 도 7b는 가이드에 따른 1행정 종료시와 2행정 종료시 가이드의 이동상태를 나타낸다.

1행정 종료시에는 도 7a와 같이 제1기통측 누름버튼(P1)이 작동하여 제1밸브(1)가 닫히고 제2밸브(2)가 열린다. 이와 동시에 제2밸브(2)가 열리면서 다음 2행정을 위한 4기통누름버튼(P2)만 누를 수 있도록 가이드(10)가 이동한다.

2행정 종료시에는 도 7b와 같이 4기통누름버튼(P4)이 작동하여 제2밸브(2)를 닫고 제3밸브(3)를 연다. 이와 동시에 제3밸브(3)가 열리면서 다음 3행정을 위한 3기통 누름버튼(P3)만 누를 수 있도록 가이드(11)가 이동한다.

계속해서 3행정과 4행정시에도 다음 행정을 위해 해당 누름버튼만 누를 수 있도록 가이드가 이동된다.

이와 같이 가이드를 사용하는 방법은 일예로서 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에서 각 행정의 진행중 열려진 밸브는 그 행정이 종료되기 전까지는 그 열린 상태를 유지하여야 한다.

이같이 본 발명은 1행정이 시작시 제1밸브(1)를 열고 진행하며, 1행정의 종료시 1기통누름수단으로 열린 제1밸브(1)를 닫고 제2밸브(2)를 열어 열림 상태를 유지하고, 동시에 가이드가 이동하여 다음 행정을 대기한다.

이러한 일련의 사이클로 흡입, 압축, 폭발(연소), 배기의 행정이 순차적으로 일어나면서 피스톤 샤프트(41,42)에는 직선 왕복운동이 일어나고, 커넥팅 로드(51,52)는 회전각운동을 반복하게 된다.

이때 커넥팅 로드(51,52)와 피스톤 샤프트(41,42)는 힌지 연결하되 커넥팅 로드(51,52)의 각운동에 의해 커넥팅 로드(51,52)에는 유격을 두어야 한다. 이를 위해 본 실시예에서는 도 1과 같이 피스톤 샤프트(41,42)의 단부에는 연결핀(43,43)이 결합되어 있고, 이 연결핀(43,43)은 커넥팅로드(51,52)의 각 장공(51a,52a)에 슬라이딩 가능하게 결합되어 있다.

한편, 피스톤(31,32)은 도 8과 같이 압축링(101,101)과 오일링(102,102)이 설치되어 있고, 압축링(101,101)과 오일링(101,102)은 피스톤(31,32)이 각기 2개의 기통을 공유하므로 서로 대향되게 설치되고, 피스톤 샤프트(41,42)와 접하는 실린더(21,22)에도 압축링(103)과 오일링(104)이 설치되어 있다.

그리고 상기 피스톤(31,32)에는 각기 피스톤 샤프트(41,42)와 피스톤(31,32)에 연통된 오일공급통로(105)를 통해 오일이 공급되게 되어 있고, 이때 오일공급통로(105)로 공급되는 오일은 엔진의 출력을 이용한 오일펌프(도시안됨)에 의해 가능하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 왕복 연동식 엔진은 도 9a와 같이 피스톤 샤프트(41,42)의 양단부를 크랭크축(201,202)에 연결하여 회전력을 얻을 수 있다.

또한 도 9와 같이 각운동이 일어나는 커넥팅 로드(51,52)에 날개(201,202)를 연결하여 비행수단으로 이용할 수도 있다.

상기에서 기술되지 않는 흡기장치 및 연소행정의 점화장치는 주지된 기술을 적용한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 왕복 연동식 엔진에 따르면, 종래의 4기통 엔진을 2기통으로 줄임으로서 동일한 출력하에 엔진의 부피를 소형화시키고 무게를 대폭 줄일 수 있는 내연기관을 제공한다.

따라서 본 발명은 일반적인 주행 차량용 뿐만아니라 스카이 비행용 엔진으로도 활용이 가능하다.

Claims (4)

1. 병열로 실린더 보어(21a,22a)를 갖는 한쌍의 실린더(21,22)와;

   상기 한쌍의 실린더 보어(21a,22a)에 각기 슬라이딩 운동가능하게 결합되어 제1,2,3,4의 기통(C1,C2,C3,C4)을 제공하는 한쌍의 피스톤(31,32)과;

   상기 한쌍의 피스톤(31,32)을 각기 중앙에 두고 대향되게 연결된 2쌍의 피스톤 샤프트(41,42)와;

   상기 2쌍의 피스톤 샤프트(41,42)에 연결되어 상기 피스톤(31,32)의 왕복 직선운동을 서로 반대방향으로 연동시키는 한쌍의 커넥팅 로드(51,52)와;

   상기 4개의 기통(C1,C2,C3,C4)에 각기 설치되어 있는 흡기밸브(1-1,2-1,3-1,4-1) 및 배기밸브(1-2,2-2,3-2,4-2)가 포함된 것을 특징으로 하는 왕복동 연동식 엔진.
2. 제 1항에 있어서, 상기 흡,배기밸브(1-1,2-1,3-1,4-1)(1-2,2-2,3-2,4-2)를 여닫기 위한 밸브개폐수단은,

   상기 피스톤 샤프트(41,42)에 각기 설치된 누름버튼수단과;

   매 행정 종료시 마다 다음 행정의 누름버튼수단에 눌려지기 위한 가이드수단이 포함된 것을 특징으로 하는 왕복동 연동식 엔진.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 8개의 흡,배기밸브를 2개씩 연결시켜 4개의 제1,2,3,4밸브(1,2,3,4)로 구성시킨 것을 특징으로 하는 왕복동 연동식 엔진.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 피스톤(31,32)에는 적어도 한쌍의 압축링(101) 및 한쌍의 오일링(102)이 대향적으로 배치되고, 상기 한쌍의 오일링(102)의 사이에는 피스톤 샤프트(41,42)로부터 피스톤(31,32)에 연통된 오일공급통로(105)를 통해 오일이 공급됨을 특징으로 하는 왕복동 연동식 엔진.