KR20050098847A

KR20050098847A - 반구형 연소실을 가지는 로타리 밸브 엔진을 위한 로타리밸브 및 밸브 씰링 어셈블리

Info

Publication number: KR20050098847A
Application number: KR1020057012262A
Authority: KR
Inventors: 죠지 제이. 코츠
Original assignee: 죠지 제이. 코츠
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-10-12
Also published as: CN1742318A; CN100412945C; US20040159293A1; WO2004061272A3; ZA200504178B; AU2003303134B2; WO2004061272A2; JP4471846B2; CA2508347C; JP2006513345A; CA2508347A1; AU2003303134A1; MXPA05007355A; US6789516B2; NZ540036A

Abstract

본 발명은 피스톤과 실린더 형태의 내연엔진(internal combustion engine)에서 사용되기 위한 로타리 밸브 어셈블리(rotary valve assembly)를 위한 밸브 배열에 관한 것이며, 실린더헤드/연소실(combustion chamber)은 반구형(hemispherical) 타입이며, 연료/공기 혼합기로써 실린더를 충전하도록 하고 소비된 가스가 배출될 수 있도록, 밸브 씰링(valve seal)이 반구형 헤드와 각을 이루는 관계로 위치되어진다.

Description

반구형 연소실을 가지는 로타리 밸브 엔진을 위한 로타리 밸브 및 밸브 씰링 어셈블리{ROTARY VALVE AND VALVE SEAL ASSEMBLY FOR ROTARY VALVE ENGINE HAVING HEMISPHERICAL COMBUSTION CHAMBERS}

본 발명은 연료/공기 혼합기를 실린더 속으로 주입(introduction)하고 연소된 기체의 배출(evacuation)을 위한 구형 로타리 밸브 어셈블리(spherical rotary valve assembly)를 가지는 피스톤-실린더 형식의 내연엔진(internal combustion engine)에 관한 것이고, 반구형으로 형상화되어진 실린더헤드/연소실(combustion chamber)에 대하여 상기 로타리 밸브를 위한 밸브(valve) 및 밸브 씰링(valve seal)의 위치설정(positioning)에 직접적으로 관계되는 것이다.

본 출원인은 피스톤-실린더 형식의 내연엔진에 상당한 주목을 하여왔으며, 특히 실린더 속으로 공기연료 혼합기를 주입하고 연소된 기체를 배출하기 위한 구형(spherical) 로타리 밸브 어셈블리로써 포핏밸브(poppet valve), 스프링(spring), 마운팅(mounting) 그리고 관련 캠 샤프트(cam shaft)를 포함하는 포핏밸브 시스템의 대체에 특히 관심을 가져왔다. 본 출원인은 미국특허 제4,989,576호의 “내연엔진(internal combustion engine)”, 미국특허 제4,944,261호의 “내연엔진을 위한 구형 로타리 밸브 어셈블리(spherical rotary valve assembly for internal combustion engine)”, 미국특허 제4,953,527호의 “내연엔진을 위한 구형 로타리 밸브 어셈블리”, 미국특허 제4,976,232호의 “로타리 밸브 엔진을 위한 밸브 씰링(valve seal for rotary valve engine)”, 미국특허 제4,989,558호의 “내연엔진을 위한 구형 로타리 밸브 어셈블리”, 미국특허 제5,109,814호의 “구형 로타리 밸브(spherical rotary valve)”, 미국특허 제5,361,739호의 “로타리 밸브 내연엔진에서 사용하기 위한 구형 로타리 밸브 어셈블리(spherical rotary valve assembly for use in a rotary valve internal combustion engine)”, 그리고 미국특허 제6,308,676 B1호의 “로타리 밸브 엔진을 위한 냉각시스템(cooling system for rotary valve engine)”의 발명자이다. 상기에서 언급한 미국특허들은 자세하고 상세하게 본 명세서에 포함되어진다.

본 출원의 주제인 본 발명은 밸브 및 밸브 씰링(valve seal)과 반구형 실린더헤드/연소실에 대한 이들의 위치설정에 관한 것이다.

도 1은 출원인의 종래의 구형 로타리 밸브 어셈블리의 배열(arrangement)의 단부 단면도

도 2는 본 발명에서 사용되기 위한 밸브 씰링(valve seal)의 평면도

도 3은 본 발명에서 사용되기 위한 밸브 씰링의 절단된 측면도습

도 4는 본 발명에서 사용되기 위한 밸브 씰링의 측면도

도 5는 반구형 실린더헤드/연소실과 그리고 반구형 연소실에의 밸브씰링과 구형 로타리 밸브의 관계를 보여주는 구형 로타리 밸브 어셈블리의 단부 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 로타리 흡기밸브 16 : 실린더

18 : 피스톤 20 : 캐버티(cavity)

22 : 샤프트 36 : 밸브씰링(valve seal)

58 : 씰링링(sealing ring) 70 : 실린더헤드/연소실

본 발명의 목적은 로타리 밸브 엔진(rotary valve engine)을 위한 신규하고, 개선된 밸브, 밸브 씰링(valve seal) 그리고 실린더헤드/연소실(combustion chamber) 배열(arrangement)을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은, 실린더헤드/연소실이 반구형 설계(hemispherical design)로 되는 로타리 밸브 엔진 어셈블리를 위한 신규하고, 개선된 밸브, 밸브 씰링 그리고 실린더헤드/연소실 배열을 제공하는 것이다.

피스톤과 실린더 형식의 내연엔진(internal combustion engine)에서 사용되기 위한 로타리 밸브 어셈블리(rotary valve assembly)를 위한 밸브배열에서, 실린더헤드/연소실은 반구형 타입이 되며, 밸브씰링(valve seal)은 연료/공기 혼합기로써 실린더가 충전(charging)되어지고 소비된 가스가 배출(evacuation)되어지도록 하기 위하여 반구형 헤드에 대해 각을 이루는 관계로 위치되어진다.

상기한 그리고 다른 장점 및 개선내용은 다음의 첨부도면과 관련하여 특히 취해질 때 더욱 명확하게 될 것이다.

피스톤과 실린더 형식의 내연엔진(internal combustion engine)을 위한 구형 로타리 밸브 어셈블리(spherical rotary valve assembly)의 기능은 캠샤프트(cam shaft)와 포핏밸브(poppet valve) 그리고 관련 하드웨어(hardware)를 제거하고, 따라서 엔진을 간단하게 하는 것이다. 도 5에서 도시되어진 형식의 구형(spherical) 로타리 흡기밸브(intake valve)는 연료/공기 혼합기를 실린더 속으로 주입하고, 구형(spherical) 로타리 배기밸브(exhaust valve)는 소비된 기체를 배출하게 된다. 구형(spherical) 로타리 흡기밸브와 배기밸브의 작동은, 부수된 밸브씰링(valve seal)과 함께 다음에서 상세하고 자세하게 포함되어지는 상기에서 언급한 특허에서 자세히 개시되어져 있다.

상기에서 언급한 특허들은 구조적으로 특정한 변경과 개선 및 구형(spherical) 흡기밸브와 배기밸브의 작동 뿐만 아니라 이와 관련된 밸브씰링(valve seal)에 대한 개선을 반영한다. 밸브씰링과 밸브 그 자체에 대한 현저한 개선내용에 대한 추가적인 출원이 현재 계류 중에 있다.

본 출원은 실린더헤드/연소실(combustion chamber)이 반구형 설계(hemispherical design)이며, 그 설계는 다양한 가솔린의 큰 보어(bore) 엔진과 디젤엔진에서 발견되어질 수 있는 엔진에서 구형(spherical) 흡기밸브와 배기밸브 그리고 밸브씰링(valve seal)의 위치설정(positioning)을 개시하고 있다.

도 1과 관련하여, 상반부(upper half, 12) 내에 포함되어진 로타리 흡기밸브(10)와 분할된 헤드어셈블리의 하반부(14) 사이의 관계를 상세하게 설명하는 본 출원인의 종래 특허의 구형(spherical) 로타리 밸브 어셈블리의 종전의 실시예에 대한 단부 단면도를 도시하고 있다. 분할된 헤드 어셈블리는 피스톤(18)이 왕복하게 되는 실린더(16)를 가지는 엔진블록(engine block)에 결속되어진다.

상반부(12)와 하반부(14)를 포함하는 분할된 헤드어셈블리는, 로타리 흡기밸브(10)가 그 속에서 위치되어지는 드럼을 수용하는 캐버티(drum accommodating cavity, 20)를 한정한다. 로타리 흡기밸브(10)는 로타리 흡기밸브(10) 상의 중앙에 위치된 구멍(aperture, 24)을 통하여 샤프트(shaft, 22) 상에 위치되어진다. 본 출원인의 종래의 특허에서 상세하게 기술되어진 바와 같이, 실린더(16)로의 주입포트(inlet port, 32)로써 연속적인 레지스트레이션(registration)이 수행되는 로타리밸브(10)의 구형 둘레부(spherical periphery, 21) 상에 위치되어진 구멍(30)에 의해서, 로타리 흡기밸브(10)는 연료 공기 주입포트(26)와 실린더(16) 사이의 상호작용을 제공한다.

샤프트(22) 상의 캐버티(20)를 수용하는 드럼 내에서 회전하는 로타리 흡기밸브(10)는 밸브씰링(35)과 접촉하고, 실린더(16)로의 흡기포트(32) 둘레에서 고리모양 그루브(groove) 또는 시트(seat, 38) 내에 고리모양으로 위치되어진다. 밸브씰링(35)은 흡입행정(intake stroke) 동안 로타리 흡기밸브(10)로부터 실린더(16) 속으로 연료/공기 혼합기가 통과하는 것을 보장하는 씰링(seal)을 제공하도록 기능하며, 나아가 연료/공기 혼합기의 연소가 실린더(16) 내에서 발생하고 드럼 수용 캐버티(drum accommodating cavity, 20) 속으로 이동하지 않도록 하는 것을 보장하도록 팽창행정(compression stroke) 동안 로타리 흡기밸브(10)와의 씰링(seal)을 추가적으로 제공한다. 나아가, 씰링(35)은 배기가스가 로타리 배기밸브를 통하여 배출되는 것을 보장하도록 배기행정(exhaust stroke) 동안 로타리 흡기밸브(10)와의 씰링을 제공한다.

반구형 실린더헤드/연소실과의 사용을 위하여 적절한 밸브씰링(valve seal, 36)의 평면도, 절단된 측면도 그리고 측면도에 해당하는 도 2, 3, 4와 관련하여, 본 명세서에서 기재된 밸브씰링의 기재는 도 1에서 도시되어지고 설명되어진 로타리 흡기밸브(rotary intake valve)에 대해서 이루어진다. 밸브씰링(35)은 상기에서 언급된 본 출원인의 종래의 특허들에서 개시되어진 구형(spherical) 로타리 밸브 어셈블리의 로타리 배기밸브와의 관계에 있어서 동일한 목적과 기능으로서 제공되며 동일한 디자인이 된다. 나아가, 각각의 실린더는 적어도 하나이상의 로타리 흡기밸브와 하나의 로타리 배기밸브와 그리고 이들 각각과 관련되어진 밸브씰링(valve seal)을 가지는 것으로 이해되어진다.

밸브씰링(36)은 다음에서 더욱 상세하게 기술되어지는 바와 같이 밸브씰링 몸체부(valve seal body, 37)와 그리고 세라믹 탄소 삽입 윤활링(ceramic carbon insert lubricating ring, 52)을 포함한다. 밸브씰링(36)이 고리모양 그루브(groove) 또는 시트(seat, 38) 속으로 삽입되어질 때, 밸브씰링(36)은 유입포트(inlet port, 32)와 정렬가능한 중앙에서 배치되어진 구멍(aperture, 40)을 가진다. 고리모양 그루브와 시트(38)는 반구형 실린더헤드 연소실의 내부표면에 평행한 곡률(curvature)을 가질 수도 있다. 더 나아가, 밸브씰링(36)의 바닥의 고리모양 표면(41)은 고리모양 그루브 또는 시트(38)와 보완적인 곡률을 가질 수도 있다. 밸브 몸체부(37)의 상부 고리모양 표면(42)은 구멍(40)의 중앙을 향하여 안쪽으로 커브(curve)되어진다. 상기 곡률은 로타리 흡기밸브(10)의 구형(spherical) 둘레부 곡률(23)에 대응한다. 밸브 몸체부(37)의 상부표면(42)은 내부측벽(inner side wall, 46)과 외부측벽(outer side wall, 48)과 그리고 베이스표면(base surface, 50)에 의해서 한정되어진 고리모양 그루브(annular groove, 33)로써 형성되어진다. 내부측벽(46)은 베이스표면(50)과 90° 각도를 형성하나, 외부측벽(48)은 베이스표면(50)과 90° 보다 작은 각도를 형성한다. 고리모양 그루브(44)는 세라믹 탄소 삽입 윤활링(52)의 수용을 위한 것이다. 탄소 삽입 윤활링(52)은 고리모양 그루브(44) 내에 위치되어져서, 그 상부표면(54)이 밸브몸체부(37)의 상부표면(42)의 곡률과 일치하도록 한다. 탄소 삽입 윤활링(52)을 밸브몸체부(37)와 맞춤에 있어서, 약간의 팽창(expansion)을 겪도록 하기 위하여 밸브몸체부(37)는 가열되어진다. 다음으로 세라믹 탄소 삽입 윤활링(52)은 가열공정(heating process) 동안 고리모양 그루브(44) 속으로 삽입되어진다. 다음으로 밸브몸체부(37)는 냉각되어지도록 된다. 고리모양 그루브의 외부측벽(48)은 내부측벽(46)의 방향으로 90°로부터 약간 차감(offset)되어지기 때문에, 세라믹 탄소 삽입 윤활링(52)은 상기 “잠금각도(locking angle)”에 의해서 제 위치에 고정되어지고, 내연엔진의 연소공정 동안 밸브씰링(36)이 얼마나 뜨거워지는지에 관계없이 제 위치에서 유지되어지는 것이 보장된다. 밸브씰링이 부착되어지는 내연엔진이 통상적인 가솔린연료 또는 디젤연료보다 실질적으로 더 높은 온도를 발생시키는 천연가스(natural gas)에 의해서 구동되어질 때, 이러한 것은 특히 중요하다.

밸브씰링(36)의 외부측벽(54)은, 밸브씰링(36) 측벽(54)과 주입포트(32)에 대한 고리모양 그루브 또는 시트(38)의 둘레부 사이에서 씰링(seal)을 확립하는 피스톤 링(piston ring)과 같이 기능하는 씰링 또는 블라스트 링(blast ring, 58,59)의 수용과 위치설정을 위한 다수의 이격된 고리모양 리브(annular rib, 56,47)로써 스텝(step)되어지고 형성되어진다. 본 실시예에 있어서는, 두개의 리브(56,57)와 두개의 씰링 또는 블라스트 링(58,59)이 도시되어진다.

또한 밸브씰링(36) 상에서 구멍(40)을 한정하는 내부측벽(62)과 외부측벽(60) 사이에는, 밸브씰링(36)의 측벽(54)을 통하여 실린더헤드로부터 가스의 상호작용(communication)을 허용하고 씰링링(sealing ring, 59)에 대해서 상호작용하도록, 둘레부에 대해서 형성되어지는 다수의 방사상 관통보어(throughbore, 64)가 있다. 이러한 설계는 피스톤이 압축행정(compression stroke) 하에서 위쪽방향으로 움직이게 될 때, 밸브씰링(36)의 씰링(sealing)과 씨팅(seating)을 강화한다. 이러한 경우에 있어서, 로타리 흡기밸브(10)는 그 구형(spherical) 둘레부(21)가 밸브씰링(36)의 밀폐된 구멍(40)을 가지도록 회전되어지게 된다. 압축행정 하에서, 피스톤은 실린더 헤드 내의 가스들을 압축하게 된다. 관통보어(64)들은 상기 압축된 가스들이 씰링링(sealing ring, 58) 상에 압력을 발휘하도록 하며, 씰링링(58)이 밸브씨트(38)의 벽과 접촉하도록 강제한다.

도 5는 반구형 실린더헤드/연소실과 관계를 가진 본 발명의 구형(spherical) 로타리 밸브 어셈블리의 단부 단면도이다. 많은 구성요소들은 동일하지만, 반구형 실린더헤드/연소실을 수용(accommodate)하도록 하기 위하여 배열은 다르게 된다. 로타리 흡기밸브(10)와 로타리 배기밸브(11)는 분할된 헤드 어셈블리의 상반부(upper half, 12)와 하반부(lower half, 14)내에서 둘러싸여진다. 분할된 헤드 어셈블리(split head assembly)는 피스톤이 왕복운동하는 실린더(16)를 가지는 엔진블록(engine block)에 결속되어진다. 이러한 경우에 있어서, 실린더헤드/연소실(70)은 형상이 반구형(spherical)이며, 분할된 헤드어셈블리의 하반부(14) 내에 형성되어진다. 분할된 헤드어셈블리의 상반부(12)와 하반부(14)가 고정되어질 때, 로타리 흡기밸브(10)가 그 속에서 위치되어지는 드럼 수용 캐버티(drum accommodating cavity, 20)와 그리고 로타리 배기밸브(11)가 그 속에서 위치되어지는 유사한 드럼 수용 캐버티들이 형성되어진다. 각각의 로타리 흡기밸브(10)와 로타리 배기밸브(11)는 회전(rotation)을 위하여 샤프트(shaft) 상에 장착되기 위한 구멍(aperture, 24)을 가진다. 밸브씰링(36)은 밸브씨트(valve seat, 38) 상에 위치되어지고, 밸브씨트(38)는 밸브씰링(36)의 하부벽을 구현하게 되는 고리모양의 표면이 된다. 최적의 형상은 반구형 실린더헤드/연소실(70)의 돔(dome) 상에서 서로 180° 관계로 위치되어지는, 반구형 실린더헤드/연소실(70)을 위한 유입포트(inlet port)와 배출포트(outlet port)를 가지게 된다. 도 5는 이러한 형상을 도시하고 있으며, 가스가 구형(spherical) 로타리 흡기밸브(10)의 둘레부 상의 구멍으로부터 실린더헤드/연소실(70)까지 통과하여야만 하는 가장 짧은 거리를 허용하고, 그리고 반구형 실린더헤드/연소실(70)로부터 배출(evacuation)하기 위하여 실린더헤드/연소실(70)로부터 구형(spherical) 로타리 배기밸브(11) 상의 구멍까지의 가장 짧은 거리를 허용한다. 구형(spherical) 로타리 흡기밸브와 구형(spherical) 로타리 배기밸브로부터 그리고 이들로의 흡기도관(intake conduit)과 배기도관(exhaust conduit)은 도시되어지지 않았지만, 본 출원인의 종래의 특허들에서 충분히 설명되어지고 있다.

반구형 실린더헤드/연소실(70)과 관련하여, 분할 헤드 어셈블리(split head assembly)의 상반부(12) 내에 흡기도관과 배기도관의 위치설정에 적용되도록 하기 위하여, 어떤 경우에서는 유입포트와 배출포트가 어긋나거나(stagger) 또는 차감(offset)되는 것을 허용할 수도 있다. 180°의 관계에 있든지 아니면 약간 어긋나게 있든지간에, 유입포트(inlet port)의 어떠한 형상에서도, 구형(spherical) 로타리 밸브와 밸브씰링의 결합은 연료와 공기 혼합기가 반구형 실린더헤드/연소실 속으로 주입되고, 반구형 실린더헤드/연소실로부터 연소된 가스가 배출되는 것을 허용한다. 더 나아가, 비록 반구형 실린더헤드/연소실과 관련한 배열의 기재가 본 출원인에 의해서 전개된 밸브씰링의 하나의 타입에 대해서 개시되어지고 있으나, 본 출원인의 종래의 특허에서 개시되어진 밸브씰링의 형태도 적절하게 될 수 있다.

비록 본 출원은 예시적인 실시예와 관련하여 기술되어지고 있으나, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 당업자들에 의해서 수많은 변형과 변경이 수행되어질 수 있는 것으로 이해되어진다. 따라서, 본 발명은 청구항과 그 동등한 내용의 범위에 의해서 제한되어지도록 의도되어진다.

Claims

피스톤과 실린더 형식의 내연엔진(internal combustion engine)에서 사용되기 위한 로타리밸브 어셈블리를 위한 밸브 배열(valve arrangement)에 있어서,

실린더 연소실은 반구형(hemispherical) 타입이며, 로타리밸브 어셈블리는 두개의 부재(two piece) 실린더 헤드 내에 위치되어지고, 상기 실린더헤드는 다수의 로타리 흡기밸브(intake valve)와 로타리 배기밸브(exhaust valve)를 수용하기 위한 다수의 드럼 수용 캐버티(drum accommodating cavity)를 한정하며, 상기 로타리 흡기밸브와 상기 로타리 배기밸브는 구형(sphere)의 두개의 평행한 평면에 의해서 한정되어진 구형 섹션(spherical section)을 가지며, 상기 평면은 상기 구형(sphere)에 대해서 동심적으로 배치되어지며, 구형(spherical) 둘레부와 평면 단부벽을 한정하며, 상기 로타리 흡기밸브와 로타리 배기밸브는 흡기포트(inlet port)와 배기포트(exhaust port)와 가스 씰링 접촉(gas tight sealing contact)하는 상기 드럼 수용 캐버티 내에서 샤프트 수단(shaft means)상에서 장착되어지고, 상기 로타리 흡기밸브와 상기 로타리 배기밸브는 실린더로의 연료 공기 혼합기의 도입과 차단 그리고 실린더로부터 연소된 가스의 배출을 위한 통로(passageway)를 가지며, 상기 흡기포트와 상기 배기포트의 로타리 흡기밸브와 로타리 배기밸브의 가스 씰링 접촉(gas tight sealing contact)은 밸브씰링(valve sealing)과 밸브씨트(valve seat)에 의해서 달성되어지고, 상기 반구형 연소실을 위한 밸브배열(valve arrangement)은,

서로에 대해서 각을 이루는 관계에 있는 유입포트(inlet port)와 배출포트(outlet port)를 포함하는데, 상기 유입포트와 밸브포트는 밸브씨트(valve seat)를 한정하며, 상기 유입포트의 밸브씨트와 상기 배출포트의 밸브씨트는 서로에 대해서 각을 이루는 관계에 있고,

상기 각각의 유입포트와 배출포트 내에 위치되어진 유입밸브 씰링(inlet valve seal)과 배출밸브 씰링(outlet valve seal)을 포함하는데, 상기 유입밸브 씰링과 배출밸브 씰링은 서로에 대해서 비-평면(non-planar) 각을 이룬 관계에 있고, 상기 구형(spherical) 로타리 흡기밸브와 상기 구형(spherical) 로타리 배기밸브와 각각 접촉하기 위한 상기 드럼 수용 캐버티(drum accommodating cavity)와 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 밸브 배열(valve arrangement)
제 1 항에 있어서, 상기 유입포트(inlet port)와 배출포트(outlet port)와 그리고 상기 각각의 흡기밸브 씰링(inlet valve seal)과 상기 배기밸브 씰링(outlet valve seal)은 180° 이격된 관계에 있는 것을 특징으로 하는 밸브배열(valve arrangement)
제 1 항에 있어서, 상기 유입포트와 상기 배출포트와 그리고 상기 흡기밸브 씰링과 상기 배기밸브 씰링은 180° 보다 작은 각도로 이격된 관계에 있는 것을 특징으로 하는 밸브배열(valve arrangement)
제 1 항에 있어서, 상기 흡기밸브 씰링과 상기 배기밸브 씰링은 두개의 부재(two piece) 실린더 헤드의 결합(joinder)에 의해서 한정된 평면(plane)과 30°의 각도로 된 관계에 있는 것을 특징으로 하는 밸브배열(valve arrangement)