KR20060109497A - 왕복 엔진 - Google Patents

Abstract

2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진(10)은 정지하고 있고 실질적으로 동심으로 배열된 상호 마주보는 한 쌍의 피스톤들(13, 15)과 이들 스테틱 피스톤들의 둘레를 왕복운동하도록 적용되는 슬리브(11)를 포함한다. 왕복 슬리브(11)는 두 개의 캐비티들을 규정하고, 각 캐비티는 상기 피스톤들 중 하나에 구동적으로 연결되어 챔버를 규정한다. 제1 챔버는 프리-차지 챔버(21)로서 적어도 하나의 유입 포트(25)를 가지고, 제2 챔버는 연소실 챔버(19)로서 적어도 하나의 배기 포트(35)를 가지며, 상기 두 챔버들은 압력으로 작동되는 이송 밸브(23)에 의하여 분리된다. 슬리브(11)의 왕복 운동은 회전 운동으로 전환될 수 있다.

왕복 엔진, 압축 행정, 폭발 행정, 피스톤

Description

왕복 엔진{Reciprocating engine}

본 발명은 왕복 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배타적이지는 않지만, 크랭크샤프트가 없는 왕복 슬리브 엔진에 관한 것이다.

여러 해 동안 수많은 왕복 엔진들이 개발되었는데, 이들 각각은 이전의 모델들에 대하여 장점들 또는 개선점들을 가진다.

화석 연료 왕복 엔진들은 2행정 사이클 또는 4행정 사이클을 주로 사용하였다. 2회전마다 한 번의 폭발 행정을 하는 4행정 사이클 엔진들과는 달리, 2행정 사이클 엔진들은 1회전마다 한 번의 폭발 행정을 하는 장점을 가진다. 그러나, 2행정 사이클 엔진들은 두 가지 뚜렷한 단점들을 가진다. 그 첫 번째는 그들의 흡입이 항상 효율적이지 않고, 일부 불연소 연료 및/또는 산소가 배기 시스템으로 배출되며, 그리고 일부 배기 가스들은 배기 사이클 후에도 남아 있다는 것이다. 그리고, 두 번째는 2행정 엔진들은 크랭크샤프트와 피스톤의 윤활을 위하여 연료에 첨가되는 오일을 종종 필요로 한다. 결합된 이들 인자들 양자는 2행정 엔진들이 종종 더 높은 레벨의 오염을 생성한다는 것을 의미한다.

현재 기술의 엔진들과 관련된 또 다른 문제는 피스톤의 작용을 받은 힘들이 회전 운동으로 전환되는 것이다. 이는 전통적으로 크랭크 샤프트를 이용하여 수행 된다. 그러나, 크랭크 아암이 피스톤의 운동 방향에 대하여 직각일 때 크랭크샤프트는 가장 효율적이지만, 다른 각도에서는 덜 효과적이다. 그리고, 가장 큰 힘들이 탑 데드 센터(top dead centre) 주위 피스톤에 작용되기 때문에, 상기 크랭크 아암이 피스톤의 운동 방향과 대체로 정렬될 때, 힘들이 비능률적으로 크랭크 샤프트로 전이되는 결과로 된다.

목적

그러므로, 본 발명의 목적은 어떻게든지 적어도 상기한 문제점들을 극복하는 방향으로 가거나, 또는 적어도 대중에게 유용한 선택을 제공할 왕복 엔진을 제공하는데 있다.

본 발명의 요약

따라서, 일측면에서, 본 발명은 넓게는 2행정 사이클로 작동하는 왕복 엔진에 있는 것이라고 말할 수 있고, 상기 왕복 엔진은, 정지하고 있고 실질적으로 동심으로 배열된 상호 마주보는 한 쌍의 피스톤들을 포함하고, 상기 한 쌍의 피스톤들은 둘레에서 왕복하도록 적용되는 슬리브에 의하여 분리되고, 상기 왕복 슬리브는 두 개의 캐비티들을 규정하고, 각 캐비티는 상기 피스톤들 중 하나에 구동적으로 연결되어 챔버를 규정하고, 제1 챔버는 프리-차지 챔버로서 적어도 하나의 유입 포트를 가지고, 제2 챔버는 연소실 챔버로서 적어도 하나의 배기 포트를 가지고, 상기 두 챔버들은 이송 밸브에 의하여 분리된다.

이 기술에서 통상의 지식을 가진 자들은 이 왕복 엔진의 장점을 올바로 인식할 것이다. 상기 프리-차지 챔버는 상기 연소실 챔버보다 더 큰 체적을 가져서 상기 연소실 챔버로부터 배기 가스들의 개선된 플러싱(flushing) 및/또는 상기 연소실 챔버의 과공급(supercharging)의 가능성을 허용할 수 있다. 아울러, 고정된 좁은 통로를 경유하여 피스톤에 기름을 발라서 오일을 연료에 추가하는 요구를 없애는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 슬리브는 상기 슬리브에 인접한 출력 부재 상의 트랙에 작용하도록 적용되는 구동 부재를 장착하고 있고, 상기 트랙은, 상기 구동 부재가 상기 트랙에 작용할 때, 상기 슬리브의 왕복 운동이 상기 출력 부재의 회전 운동을 일으키도록 경로를 규정한다. 그러한 엔진은 크랭크샤프트의 원운동에 의하여 부여되는 속박들에 제한되지 않는다. 크랭크샤프트를 갖는 엔진은 크랭크샤프트가 2시 위치와 4시 위치 사이에서 크랭크샤프트의 행정이 있는 동안 파워의 대부분이 실린더로부터 추출된다는 점에서 제한된다. 대비적으로, 본 발명의 엔진은 더 큰 범위의 슬리브의 운동 내내 왕복 슬리브로부터 효율적으로 파워를 추출할 수 있다.

바람직하게는, 상기 출력 부재는 상기 왕복 슬리브의 둘레를 회전하도록 적용되는 회전 가능한 슬리브를 포함한다. 그러한 배치는 특히 컴팩트하고 엔진으로부터의 파워 출력이 부하, 예를 들어, 휘일 또는 프로펠러 허브에 직접 인가될 수 있다.

상기 출력 부재는 단일 피크로 된 굽은 트랙을 가질 수 있지만, 바람직하게는 상기 출력 부재는, 상기 왕복 슬리브의 하나 이상의 완전한 사이클을 취하여 상기 출력 슬리브의 1회전을 생성하도록, 멀티-피크로 된 굽은 트랙을 가진다. 일부 응용들에서, 높은 토크 그러나 낮은 분당 회전수, 예를 들어, 출력 슬리브의 1회전을 생성하기 위하여 왕복 슬리브의 12 사이클을 요구하는 엔진을 가지는 것이 유리할 수도 있다. 그러한 엔진은 감속 기어박스를 위한 필요없이 적절한 속도에서 선박 프로펠러를 구동하는데 유용할 수 있다.

상기 이송 밸브는 기계적으로 작동될 수 있지만, 바람직하게는 압력으로 작동된다. 그러한 밸브 배열은 적어도 두 가지 장점들을 가진다. 첫 번째는 관련 출력 손실을 야기할 수 있고 추가적인 유지를 요구할 수 있는 추가적인 메커니즘들에 대한 요구들을 제거하는 것이다. 두 번째는 프리-차지 챔버내의 압력이 프리-차지 챔버로부터 연소실 챔버로의 공기의 일방향 흐름을 촉진하기 위하여 바람직한 연소실 챔버내의 압력을 초과하자마자 밸브가 적합하게 열려질 수 있기 때문에 그 배열은 엔진의 흡입을 개선할 수 있다.

바람직하게는, 상기 프리-차지 챔버를 위한 유입 포트는 압력 작동 밸브를 장착하고 있다. 그러한 배열은 압력으로 작동하는 이송 밸브와 유사한 장점을 가진다.

바람직하게는, 상기 연소실 챔버를 위한 배기 포트는 상기 왕복 슬리브 내의 포트를 포함하고, 상기 포트는 상기 왕복 슬리브의 이송 중 적어도 일부 동안 피스톤에 의하여 닫혀질 수 있는 크기와 위치로 되어 있다.

위에서 설명된 포트부와 밸브들의 그러한 시스템은 엔진이 밸브들을 구동하기 위한 임의 종류의 구동 트레인을 위한 필요없이 작동될 수 있다는 것을 의미한다.

바람직하게는, 상기 엔진은 두 쌍의 프리-차지 챔버들과 연소실 챔버들 둘레에서 왕복운동하도록 적용되는 왕복 슬리브를 포함한다. 그러한 구성은, 하나의 프리-차지 챔버/연소실 챔버 쌍의 폭발 행정동안 상기 왕복 슬리브가 이동하는 동안, 상기 왕복 슬리브가 동시에 다른 쌍의 프리-차지 챔버로 신선한 공기를 유입시킬 수 있는 장점을 가진다.

바람직하게는, 상기 엔진은 두 개의 왕복 슬리브들을 포함하고, 더욱 바람직하게는, 상기 엔진은 각 왕복 슬리브가 서로에게 상호 마주보는 방향으로 작동하도록 구성된다. 그러한 배열은 개선된 엔진 균형을 제공할 수 있다.

제2 측면에서, 본 발명은 여기에서 구체화된 것처럼 넓게는 왕복 엔진을 실질적으로 결합한 차량 또는 크라프트에 있는 것이라고 말할 수 있다.

설명

본 발명은 넓게는 본 출원 명세서에서 개별적으로 혹은 집합적으로 언급되거나 지적된 부품들, 요소들 그리고 특징들, 그리고 임의의 둘 이상의 부품들, 요소들 또는 특징들의 어느 것 또는 조합들에 달려있다고 말할 수도 있고, 알려진 등가물들을 가지는 특정 정수들이 여기에서 언급된 곳에서, 그러한 등가물들은 마치 개별적으로 주장되는 것처럼 여기에서 결합된다.

본 발명의 수 많은 바람직한 형태들이 단지 예로서 첨부한 도면들을 참조하여 설명될 것이다:

도 1은 압축 상태에서 연소실 챔버와 왕복 엔진 사이클의 작동을 보여주는 모식도이다;

도 2는 연소실 챔버가 계속해서 압축 상태에 있고 공기가 프리-차지 챔버로 들어가기 시작하는 왕복 엔진의 작동을 보여주는 모식도이다;

도 3은 연료가 유입되어 점화가 발생하여 폭발 행정이 시작되는 상태에서 왕복 엔진 사이클의 작동을 보여주는 모식도이다;

도 4는 폭발 행정의 마지막을 향하고 배기 가스들이 연소실 챔버를 나가기 시작할 때 왕복 엔진 사이클의 작동을 보여주는 모식도이다;

도 5는 신선한 공기의 투입이 프리-차지 챔버로부터 연소실 챔버로 이송되어 배기 가스들의 정화를 완료하도록 유입 밸브가 열리는 시점에서 왕복 엔진 사이클의 작동을 보여주는 모식도이다;

도 6은 유입 밸브가 닫히고 왕복 슬리브가 방향을 변화시켜 압축 행정을 시작하는 단계에서 왕복 엔진 사이클의 작동을 보여주는 모식도이다;

도 7은 크랭크 샤프트를 이용하여 왕복 슬리브가 왕복 운동에서 회전 운전으로 전환하는 것을 보여주는 왕복 엔진의 모식도이다;

도 8은 출력 부재 위의 굽은 트랙에 대하여 작용하는 구동 롤러를 이용하여 왕복 슬리브가 왕복 운동에서 회전 운전으로 전환하는 것을 보여주는 왕복 엔진의 모식도이다;

도 9는 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진의 횡단면도이다;

도 10은 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진의 횡단면 사이도이다;

도 11 내지 도 15는 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진의 조립을 점진적으로 보여주는 사시도이다;

도 16은 해상 응용에서 엔진의 모식도이다;

도 17은 출력 구동-샤프트 속도를 변경하기 위하여 사용될 수 있는 기어 장치의 사시도이다;

도 18은 수 많은 개별적인 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진 유닛들을 결합하는 엔진 조립체의 사시도이다;

도 19는 트윈 연소실 단일 왕복 슬리브 엔진의 횡단면도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 왕복 엔진(10)은 적어도 왕복 슬리브(11), 제1 정적 피스톤(13) 및 제2 정적 피스톤(15)을 포함한다. 왕복 슬리브(11)는 두 개의 실린더형 부분들을 포함하고, 상기 두 개의 실린더형 부분의 각각은 도시된 것처럼 다른 직경을 가질 수 있고, 이들 두 실린더형 부분들은 중간 벌크헤드(16)에 의하여 분리된다.

도시된 왕복 슬리브(11)는 압축 행정 방향(17)으로 움직여서 연소실 챔버(19) 내의 가스들이 압축되도록 한다. 프리-차지 챔버(21)에는 부분적인 진공이 형성된다.

이송 밸브(23)는 중간 벌크헤드(16)에서 통로(24)를 통하여 가스들의 흐름을 조절하기 위하여 사용된다. 이송 밸브(23)는 일방향 밸브로서, 도시되지는 않았지만, 라이트 스프링(light spring)에 의하여 한쪽으로 닫혀진다. 도시된 엔진(10)의 작동 사이클의 단계에서, 이송 밸브(23)는 닫혀진다.

도 2 내지 도 6은 도 1로부터 계속되어 왕복 엔진(10)의 완전한 1 사이클을 보여준다.

도 2를 참조하면, 도시된 엔진(10)은 왕복 슬리브(11)를 가지며, 상기 왕복 슬리브(11)는 압축 행정 방향(17)으로 계속해서 움직인다. 연소실 챔버(19) 내의 가스들은 계속해서 압축되고 있다. 이 단계에서, 유입 포트(25)는 더 이상 제2 피스톤(15)으로 덮여지지 않고 공기는 방향(27)을 따라서 프리-차지 챔버(21)로 유입될 수 있다.

도 3을 참조하면, 도시된 엔진(10)은 왕복 슬리브(11)를 가지며, 상기 왕복 슬리브(11)는 압축 행정 방향(17)으로 행정의 한계에 도달하여, 폭발 행정 방향(29)으로 표시된 것처럼, 반대 방향으로 움직이기 시작한다. 이 시점에서, 연소실 챔버(19) 내의 가스들은 완전히 압축된다. 디젤 연료(31)는 적절한 시간에 연소실 챔버(19)로 주입되어 실린더 내의 압력으로 인하여 자발 점화된다. 연소하는 연료와 압축된 가스들은 팽창하여 중간 벌크헤드(16)를 밀어내고 폭발 행정 방향(29)으로 왕복 슬리브(11)를 움직인다.

도 4를 참조하면, 도시된 엔진(10)은 왕복 슬리브(11)를 가지며, 상기 왕복 슬리브(11)는 폭발 행정 방향(29)으로 움직여서 폭발 행정을 완료한다. 연소실 챔버(19) 내의 가스들은 그들의 연소와 팽창을 완료한다. 배기 포트(35)는 더 이상 제1 피스톤(13)에 의하여 완전히 덮여지지 않고 연소된 가스들 또는 배기 가스들이 방향(37)으로 배기되기 시작하도록 한다.

프리-차지 챔버(21) 내의 프리-차지 가스들은 압축되고, 유입 포트(25)는 이 제 제2 피스톤(15)으로 덮여진다.

도 5를 참조하면, 도시된 엔진(10)은 왕복 슬리브(11)를 가지며, 상기 왕복 슬리브(11)는 폭발 행정 방향(29)으로 조금 더 이동하였다. 이 단계에서, 연소된 가스들의 상당한 부분이 연소실 챔버(19)에 남겨졌다. 연소실 챔버(19) 내에 남겨진 배기 가스들의 속도 및 운동량은 연소실 챔버를 연소실 챔버를 배기하여 압력을 더 떨어뜨리려고 할 것이다. 프리-차지 챔버(21) 내의 압력이 연소실 챔버(19) 내의 압력보다 더 클 때, 이송 밸브(23)는 방향(39)으로 움직여서 통로(24)를 개방하도록 할 것이다. 이는 프리-차지 챔버(21) 내의 압축된 가스들이 방향(41)으로 움직여서 빨리 연소실 챔버(19)를 정화하고 나머지 배기 가스들이 배기 포트로 배기되는 동안 소정량의 신선한 공기로 그것을 채우도록 한다.

프리-차지 챔버(21)의 직경은 연소실 챔버(19)의 직경보다 더 크도록 하는 것은 연소실 챔버(19)의 정화를 개선한 기회를 제공하고 그리고/또는 연소실 챔버(19)에 가스를 밀어넣는 가능성을 제공하기 때문에 유리할 수 있다.

도 6을 참조하면, 도시된 엔진(10)은 왕복 슬리브(11)를 가지며, 상기 왕복 슬리브(11)는 폭발 행정 방향(29)으로 그의 운동의 최대 한께에 도달하여 다시 압축 행정 방향(17)으로 움직이기 시작한다. 가스들이 주로 프리-차지 챔버(21)로부터 이송되어 연소실 챔버(19)로 이송될 때, 이송 밸브(23)는 방향(41)으로 움직여서 닫혀질 것이다.

이후, 이 사이클은, 도 1을 참조하여 위에서 설명된 것처럼, 계속된다.

도 7을 참조하면, 왕복 엔진(10)의 보다 완전한 예가 도시된다. 이 예에서, 도시된 왕복 슬리브(11)는 짧은 핀(43)을 경유하여 커넥팅 로드(45)에 연결되고, 이는 차례로 크랭크 샤프트(47)에 연결된다. 크랭크샤프트(47)는 베어링들(49) 상에서 지지되고, 그 위에 실장된 플라이휘일(51)을 가진다.

왕복 운동(53)은 회전 운동(55)으로 전환된다. 폭발 행정 동안 플라이휘일(51)로 전달된 에너지의 일부는 압축 행정 동안 왕복 슬리브(11)를 움직이기 위하여 차례로 사용되어 엔진의 사이클들이 계속되도록 한다. 분명히 크랭크샤프트(47)는 또한 출력 샤프트 도는 구동 표면을 포함할 수도 있었다.

도 8을 참조하면, 보다 완전한 왕복 엔진의 또 다른 예가 도시되어 있다. 이 경우, 크랭크샤프트는 일측 단부 위에 형성된 굽은 트랙(59)을 갖는 짧은 강관의 형태로 된 출력 슬리브(57)로 대체된다. 롤로(61)는 방사상으로 배열된 핀(63) 상에 지지되고, 상기 핀(63)은 왕복 슬리브(11)의 외경에 부착된다. 왕복 슬리브(11)가 폭발 행정 방향(17)으로 이동함에 따라, 롤러(61)는 굽은 트랙(59)에 대항하여 작용하여 출력 슬리브(57)가 회전하도록 한다.

굽은 트랙(59)은 출력 슬리브(57)의 주축으로부터 일정한 반경에 위치하고, 두 개의 골들에 의하여 분리되는 두 개의 피크들을 갖는 4개의 굴곡점들을 포함한다. 굽은 트랙(59)은 사인파 형태 또는 유사한 프로파일을 가질 수 있다.

구동 롤러(61)와 굽은 트랙(59)의 구동 원리가 캠 프로파일의 작동 방법과 반대이지만, 굽은 트랙(59)은 캠 프로파일과 다소 유사하다. 즉, 굽은 트랙(59)에 작용하는 구동 롤러(61)의 왕복 운동은, 캠과 접촉하는 제2 물체에서 왕복 운동을 발생시키기 위하여 일반적으로 회전 운동을 사용하는 캠과는 반대로, 출력 슬리 브(57)에서 회전 운동을 생성한다.

출력 슬리브(57)이 구동 롤러(61)에 의하여 회전하게 됨에 따라, 에너지가 플라이휘일(65)로 전달된다. 플라이휘일(65) 내의 저장된 에너지는 출력 슬리브(57)가 계속해서 회전하도록 하고, 차례로 굽은 트랙의 연장부(67)가 방향(17)과 반대 방향으로 롤러(61)을 움직인다. 이 작동은 왕복 슬리브(11)가 압축 행정 방향(29)으로 움직이도록 한다. 이 도면에 도시된 것과 같은 구성은 출력 슬리브(57)의 1회전 마다 두 번의 폭발 행정을 가지는 장점을 갖는다. 둘 이상의 피크들 또는 로우브(lobe)들을 갖는 다른 굽은 트랙 프로파일들이 1회전마다 두 번 이상의 폭발 행정들을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 단일 피크가 사용될 수 있지만 동적 균형이 문제가 될 수 있을 것이다.

이 예에서, 출력 슬리브(57)는 베어링 세트(69) 위에 장착된다. 분명히 출력 슬리브(57)는 또한 출력 구동 기어 또는 구동 표면을 포함할 수 있을 것이다.

엔진으로부터의 토크는 왕복 슬리브를 포함하는 정적 슬리브를 둘러싸는 출력 슬리브(57) 위에 안착된 굽은 트랙 상에서 발생된다는 것이 유리한 것으로 생각된다. 그 이유는 폭발 행정 동안 왕복 슬리브(11)로부터의 힘들이 정압관에서 슬롯들을 통하여 핀들(63)을 경유하여 상기 굽은 트랙(59)의 반경까지 전송될 수 있고, 구동 롤러들(61)이 굽은 트랙(59)을 밀 때 그 반경이 클수록 출력 슬리브(57)에서 생성되는 토크가 더 크기 때문이다. 분명히, 출력 슬리브(57)의 반경이 클수록, 출력 슬리브(57)는 더 느리게 회전될 것이지만, 상대적으로 낮은 회전속도에서 높은 토크 출력이 요구되는 상황에서, 이 특징은 유리할 수 있고, 전동장치의 감소를 위 한 요구를 제거할 수 있다. 또한 더 큰 반경은 더 많은 수의 로우브들과 1회전마다 더 많은 폭발 행정들을 허용한다.

비교로서 크랭크샤프트를 갖는 엔진은 엔진의 행정에 의하여 제한되는 최대 크랭크샤프트 반경을 가지는데, 이는 최대 토크 능력을 제한할 수 있다.

굽은 트랙(59)에 작용하는 구동 롤러(61)의 사용은 또한 이 굽은 트랙이, 연소 행정의 각 단계동안 왕복 슬리브(11)에 의하여 인가되는 힘들을 적합하게 하는, 거의 원하는 프로파일을 가질 수 있다는 점에서 또한 유리하다. 대비적으로, 크랭크샤프트를 갖는 2행정 엔진은 2시와 4시 위치들 사이의 유효 크랭크 각들, 즉 360도의 회전 중 단지 60도에 대하여 제한된다. 단일 실린더의 4행정 엔진은 이것의 반만큼 효과적이다. 본 발명의 굽은 트랙은 구동 롤러(61)가 굽은 트랙(59) 상의 각 피크의 기울기에 대하여 작용할 때 선형력이 60도 이상을 위한 회전 토크로 효과적으로 변환되는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 굽은 트랙(59)은 적어도 두 개의 피크들을 가질 수 있으므로, 엔진은 선형력을 360도의 회전 중 120 도(60도의 2배) 이상을 위한 회전력으로 효과적으로 변환할 수 있다.

도 7과 8 모두에서, 제1, 제2 피스톤들(13, 15)과 베어링들(49, 69)의 외부 레이스(race)들이 이들 도면들에서 도시된 것처럼 부호(71)의 사용에 의하여 서로 상대적으로 고정된 것으로서 도시되어 있다.

도 9 내지 도 15는 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진(73)의 형태로 된 왕복 엔진의 보다 완전한 버젼을 보여주는데, 상기 마주보는 트윈 왕복 엔진(73)은 도 8을 참조하여 개략화된 것처럼 실질적으로 한 쌍의 조립체들을 결합하지만, 각 단부 에서 굽은 트랙을 갖는 단일 출력 슬리브를 가진다.

도 9와 도 10을 참조하면, 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진(73)의 횡단면이 도시되어 있다. 이 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진(73)은 두 개의 왕복 슬리브들(11), 두 개의 제1 피스톤들(13) 및 제2 피스톤들(15)을 가지고, 이들 각 세트는 선형적으로 그리고 마주보도록 배치된다. 마주보는 작동은 구동시 진동을 감소시키거나 엔진(73)의 동적 균형을 개선하기 위한 의도이다.

엔진(73)은 스테틱(static) 슬리브(75)의 결합에 의한 구조 또는 지지를 제공받는다. 왕복 슬리브들(11)은 스테틱 슬리브(75) 내에서 작동하고 출력 슬리브(57a, 57b)는 정적 슬리브(75)에 대하여 작동하고 베이링들(69) 상에서 지지된다. 왕복 슬리브들(11)은 스테틱 슬리브(75)의 길이방향으로 정렬된 슬롯들 내에서 작동하는 핀들(63)에 의하여 회전하는 것이 방지된다. 길이 방향으로 배열된 슬롯들의 측면들에 대한 마찰을 감소시키기 위하여 추가적인 베어링들이 핀들(63) 위에 포함될 수 있다. 길이방향으로 배열된 슬롯들은 구동 롤러들이 굽은 트랙(59)을 이탈하는 것을 방지하는 것을 돕는 크기로 될 수 있다.

이 예에서, 출력 슬리브(57a, 57b)는 두 부분들로 제조되는데, 내측 부분(57b)은 각 단부에 굽은 트랙들을 가지고, 외측 부분(57b)은 베어링들(69)의 외측 레이스들과 끼워맞추어진다. 제1, 제2 피스톤들(13, 15)은 스테틱 슬리브(75) 내에서 고정 유지된다. 나사(75a)는 제2 피스톤(15)을 스테틱 슬리브(75)에 고정한다.

두 개의 제2 피스톤들(15)은 도 9와 도 10 사이에서 다른 구조들로 형성되는 것을 볼수 있지만 이들 변화들은 단지 제조적 변화들로서 엔진(73)의 작동에 영향을 미치지 않는다. 유사하게, 도 10은 베어링 보유 링(69a)의 사용을 보여주는데, 이는 선택적인 것으로서 도 9에서는 사용되지 않는다. 다른 사소한 변화들도 도 9와 도 10에 도시된 엔진들 사이에서 존재하지만 이들은 엔진의 작동에 상당한 영향을 미치지 않는다.

유입 공기는 두 개의 포트들(25a, 25b)과 연통된 유입 포트(25)를 경유하여 유입 챔버(21)로 들어간다.

배기 가스들은 배기 통로(77)를 통하여 배기 중간 챔버(79)로 빠져나갈 수 있다. 빠져 나가는 배기 가스들 내의 압력은 왕복 슬리브(11)를 미는 것을 돕는다. 이후 배기 가스들은 중간 배기 포트(81)를 통과하여 최종 배기 포트(85)로 나가기 전에 최종 챔버(83)로 들어간다.

디젤 인젝터(87)는 필요하면 연소실 챔버(19)로 직접 디젤을 분사하기 위하여 제공된다.

도 8에 도시된 엔진(10)에서처럼, 롤러(61)는 핀(63)에 의하여 각 왕복 슬리브(11) 상에서 지지된다. 엔진(73)의 폭발 행정동안, 왕복 슬리브들(11)은 출력 슬리브(57b)의 내측 부분의 각 단부에서 굽은 트랙들에 대항하여 롤러들(61)을 밀치도록 작용하여 출력 슬리브(57a, 57b)가 회전하도록 한다. 출력 슬리브(57a, 57b)d에서의 운동량과 출력 슬리브가 결합될 수도 있는 임의 플라이휘일에서의 운동량은 출력 슬리브(57a, 57b)가 계속해서 회전하도록 하고, 이후 롤러들(61)과 굽은 트랙들의 상호작용은 왕복 슬리브들(11)이 압축 행정 방향(17)으로 움직이도록 한다. 이 작동 사이클은 위에서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 것과 동일하지만, 이 경우, 마주보는 왕복 슬리브들에서 동시에 그렇지만 반대 방향으로 일어난다.

도 11 내지 도 15는 추가적인 설명에 의하여 마주보는 트윈 왕복 슬리브 엔진(73)의 점진적인 조립을 보여준다.

도 11을 참조하면, 제1, 제2 피스톤들(13, 15)은 롤러들(61)과 핀들(63)처럼 정확한 방향을 향하고 있는 것이 도시되어 있다. 또한 제1 피스톤들(13)은 최종 배기 챔버 단부 피팅(fitting)(83a)을 결합하고 있는 것이 도시되어 있다.

도 12를 참조하면, 왕복 슬리브들(11)은 피스톤들(13, 15) 둘레에 끼워맞추어진 것이 도시되어 있다.

도 13을 참조하면, 스테틱 슬리브(75)는 베이링들(69) 및 베어링 보유 링들(69a)처럼 끼워맞추어진 것이 도시되어 있다.

도 14를 참조하면, 출력 슬리브(57b)의 내측 부분이 설치된 것이 도시되어 있다. 이 도면에서, 슬리브(57b)의 각 단부에서 굽은 트랙이 분명하게 도시되어 있다.

도 15를 참조하면, 출력 슬리브(57a)의 외측 부분이 설치되어 베어링 보유 링들(69a)과 교합된 것이 도시되어 있다.

도 16을 참조하면, 엔진 조립체(10)가 예를 들어 보우트(boat)(89)에 끼워 맞추어진 것이 도시되어 있다. 이 예에서, 엔진 조립체는 보우트 내부의 벌크 헤드 위에 실장된 엔진 마운트 피팅(engine mount fitting)(91)에 끼워 맞추어진다. 커플링(coupling)(93)은 출력 슬리브(57)를 보우트(89)의 프로펠러 샤프트(95)에 연 결한다. 그러한 배열은 컴팩트한 인-라인 해상 엔진 구조를 제공하는 것을 알 수 있다.

도 17을 참조하면, 엔진 조립체(10)가 전동장치 시스템과 결합된 것이 도시되어 있다. 이 예에서, 출력 슬리브(57), 또는 그의 연장부는 세 개의 유성 기어들(101)이 고정된 링 기어(103) 내에서 선회하도록 하고, 상기 유성 기어들(101)은 또한 출력 샤프트(107)의 일측 단부에 고정된 선 기어(sun gear)와 맞물린다. 고정된 링 기어(103)는 절개되어 부분적으로 도시되어 있다. 그러한 배열은 엔진 작동 속도에 대하여 출력 샤프트(107) 속도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있는 컴팩트 셋업 기어링 시스템(compact set-up gearing system)을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 엔진 조립체(10)가 출력 슬리브(57) 상에 수 많은 피크들 또는 로우브들을 가지고, 그리고 1회전마다 많은 폭발 행정들을 가지는 경우, 셋업 기어링 시스템은 일부 응용들에서는 유리할 것이다. 분명히 선택적인 기어링 및 구동 시스템들이 사용될 수 있다.

도 18을 참조하면, 위에서 설명된 것처럼, 출력 샤프트(151) 둘레에 설치되고 4개의 왕복 슬리브 엔진들(73)을 갖는 엔진 조립체(150)가 모식도로서 도시되어 있다. 기어 휘일(153)은 각 엔진(73)의 출력 슬리브(57) 상에 실장되고 출력 슬리브(57)에 의하여 구동된다. 각 기어 휘일(153)은 출력 샤프트(11)에 부착된 출력 기어휘일(155)과 맞물린다. 이런 식으로 4개의 엔진들(73)은 결합되어 출력 샤프트(11)를 구동한다.

개별적인 엔진들(73)은 지지 구조물(157) 상에 장착되어 엔진 조립체(150)를 구성한다. 이 예에서 지지 구조물(157)은 지주들의 망을 이용하여 예시되지만, 개별적인 엔진들(73)은 실린더형 지지 구조물 내에 선택적으로 지지될 수 있을 것이고, 이는 차례로 선박의 구조물 또는 임의 방식의 다른 지지 구조물들에 장착될 수 있을 것이다.

본 예는 4개의 개별적인 엔진들(73)을 갖는 엔진 조립체(150)를 보여주지만, 출력 기어휘일(155) 둘레의 공간과 출력 기어휘일들(155)의 수에 따라서 임의 수의 엔진들(73)이 사용될 수 있을 것이라는 것이 예견된다. 도시된 본 예는 4개의 동일하게 이격된 엔진들(73)을 가지지만, 엔진들(73)은 특별한 설치 요구들에 맞추도록 이격되거나 그룹화될 수 있을 것이라는 것이 예견된다.

그러한 엔진 조립체(150)는 선박용 엔진으로서 사용되어 프로펠러(159)를 구동할 수 있다. 그러한 엔진 구성의 장점은 수 많은 폭발 행정들이 프로펠러(159)의 1회의 회전에 대하여 생성될 수 있다는데 있다. 예를 들어, 각 엔진(73)이 그들 각각의 출력 슬리브들 상에 12 로우브 굽은 트랙을 가지고 각 기어 휘일(153)과 출력 기어휘일(155) 사이에 6개에서 1개로 감소하는 기어링 비가 있었으면, 엔진은 1회전당 576번의 폭발 행정들을 생성할 수 있을 것이다. 576의 숫자는 다음과 같이 계산된다: 12 로우브들은 각 엔진의 1회전당 24회의 폭발 행정들을 의미하고, 완전한 엔진 조립체(150)에는 4개의 엔진들(73)이 있기 때문에 이 24회의 폭발 행정들은 4로 곱하여져서 96회의 폭발 행정들을 제공하고, 6:1 감소 기어링은 6×96 또는 프로펠러(159)의 1회전당 576회의 폭발 행정들을 의미한다. 매우 큰 파워 입력을 프로펠러에 제공하는 것이 중요하지만, 매우 낮은 회전 속도로 그렇게 하는 것이 중 요한 선박용 엔진 상황에서, 그러한 엔진 조립체(150)는 유리할 것이다. 그러한 엔진 조립체의 사용은 선박 구동 시스템에서 감속 기어박스를 위한 필요를 제거하거나 감소시킬 수 있을 것이다.

이 엔진 조립체(150)는 멀티-실린더 인-라인 엔진에서 사용되는 직렬 부가와는 반대로, 수많은 연소 실린더들로부터 파워 출력을 병렬식으로 부가한다. 즉, 인-라인 엔진에서, 각 실린더는 하나의 크랭크샤프트에 토크를 부가한다. 엔진의 출력단에서 크랭크샤프트는 실린더들의 각각으로부터 모든 조합된 토크를 전달해야만 하는데, 만약 엔진이 많은 수의 연소 실린더들을 가지면 크고 무거운 크랭크샤프트를 요구한다. 더 많은 파워가 요구되고 추가적인 연소 실린더들이 부가되면, 크랭크샤프트 토크 요구들은 심지어는 더 크게 된다. 대비적으로, 여기에서 설명된 것처럼, 엔진 조립체(150) 설계를 이용하여, 파워 출력은 출력 기어휘일(155) 둘레에 추가적인 엔진들(73)을 제공하므로써 증가될 수 있고, 그리고 반면에 출력 기어휘일(155)은 증가된 토크에 대처하도록 설계되어야만 하고, 각 개별적인 엔진(73)의 부품들은 어떤 식으로 강화될 필요가 없다. 그러므로, 그러한 엔진 조립체(150)는 종래의 인-라인 엔진에 비하여 크기와 무게를 절감할 수 있다.

엔진 조립체(150)의 또 다른 장점은 개별적인 엔진들(73)이 유지를 위하여 필요하면 제거되고 그리고/또는 대체될 수 있다는 것이다. 이는 종래의 인-라인 엔진들에 비하여 엔진 조립체(150)가 사용되고 유지되는 방법에서 더 큰 유연성을 제공한다.

도 19를 참조하면, 엔진의 트윈 연소실 챔버 단일 왕복 슬리브 예가 도시되 어 있다. 이 엔진의 구조 및 작동은 많은 점에서 도 9 내지 도 15를 참조하여 도시된 엔진의 구조 및 작동과 유사하다. 주요한 차이들은 유입 포트부분과 밸브 시스템, 단일 왕복 슬리브의 사용, 그리고 배기 덕트 부분이다. 이들 측면들의 각각은 다음과 같이 논의된다.

이 예에서, 유입 포트(161)는 중간 벌크헤드(163)에 위치되고 상기 포트는 일방향 밸브(165)에 의하여 제어된다. 이러한 유형의 유입 밸브의 장점은 그 밸브가 압력으로 작동될 수 있고 이 챔버 내의 압력이 분위기 압력 이하로 떨어짐에 따라 공기가 프리-차지 챔버(167)로 들어가기 시작할 것이라는 것이다.

단일 왕복 슬리브(169)는 두 개의 제1 스테틱 피스톤들(189)과 두 개의 제2 스테틱 피스톤들(177) 둘레에서 작동한다. 또한 단일 왕복 슬리브(169)는 두 개의 프리-차지 챔버들(167)과 두 개의 연소실 챔버들(171)을 규정하고, 양 단부쪽으로 부착되는 롤러들(173)을 가진다. 이러한 단일 왕복 슬리브(169)의 장점은 롤러들(173)이 양단에서 출력 슬리브(175)와 맞물리고 그러므로 롤러들(173)은 출력 슬리브(175)의 어느 하나의 단부 상에서 굽은 트랙을 이탈할 수 없다는 것이다.

두 개의 제2 피스톤들(177)은 스테틱 슬리브(183)로부터 볼트들(181)에 의하여 지지되는 관형 구조물(179) 상에 지지된다는 것을 알 수 있다. 수많은 슬롯들(185)이 왕복 슬리브(169)에 제공되어 슬리브가 왕복할 때마다 슬리브가 볼트들(181)을 제거하도록 한다.

이 엔진에서, 단일 왕복 슬리브(169)는 일단의 피크가 타단에서의 골에 대응하도록 구성된다. 이는 일단에서 연소실 챔버(171)가 폭발 행정을 받고 있을 때, 슬리브(169)는 마주보는 프리-차지 챔버/연소실 챔버 쌍의 프리-차지 챔버(167)로의 공기 유도를 돕기 위하여 힘을 직접 전송할 수 있다.

도시된 예는 동적 균형을 이루고 있지 않지만, 도시된 둘 이상의 엔진 유닛들을 갖는 엔진 조립체를 구성하므로써 좋은 동적 균형이 달성될 수 있고, 여기서 각 유닛은 다른 유닛에 의하여 발생된 힘들과 균형을 맞추기 위하여 배열되고 동기화된다. 예를 들어, 그러한 두 개의 유닛들은 인라인으로 놓일 수 있고, 혹은 그러한 네 개의 유닛들은 도 18에 도시된 것과 같은 엔진 구성으로 배치될 수 있을 것이다.

이 예에서, 왕복 슬리브(169)는 수많은 배기 포트들(187)을 포함하고, 이들 포트들이 제1 피스톤들(189)을 제거할 때 상기 왕복 슬리브(189)는 배기 가스들이 연소실 챔버들(171)로부터 빠져나가도록 한다. 빠져나가는 배기 가스들은 환형 챔버(191)에 모이고, 이후 배기 파이프(193)를 경유하여 엔진을 나간다. 배기 파이프들(193)은 왕복 슬리브(169)와 왕복운동을 하여 한 쌍의 엔진 스탠드들(195)의 벽개 구멍들을 지나간다. 또한 배기 파이프들(193)은 스테틱 슬리브(183)의 벽개 슬롯들(197) 내에서 움직인다.

변화들

예들의 엔진은 디젤 연료를 사용하지만, 탄화수소와 연료 또는 수소와 같은 다른 연료들이 사용될 수 있고, 점화 플러그는 필요시 점화를 위하여 제1 피스톤의 머리에 부가될 수 있을 것이다.

예들은 단일 또는 이중 왕복 슬리브를 갖는 엔진을 설명하고 있지만, 분명히 임의 수의 슬리브와 피스톤 조립체들이 단일 엔진 조립체와 결합되어 파워 또는 균형 요구들을 맞출 수 있다.

정의

본 명세서를 통하여, "포함한다(comprise)"라는 단어와 그 단어의 변형들, 예를 들어 "comprises", "comprising"은 다른 부가물들, 성분들, 정수들 또는 단계들을 배제하는 것을 의도하지 않는다.

장점들

이처럼, 적어도 본 발명의 바람직한 형태는 두 폭발 행정을 갖고서 작동하는 왕복 엔진을 제공하지만, 엔진 윤활을 위한 연료와 혼합될 오일을 요구하지는 않는다.

또한, 이 왕복 엔진은 전통적인 2행정 엔진들에 비하여 흡입을 개선하였고, 배기 가스들의 더 효과적인 정화가 달성될 수 있다.

그리고, 아울러, 일단 또는 양단들에서 굽은 트랙을 갖는 출력 슬리브의 사용에 의하여 왕복 운동이 회전 운동으로 전환되는 방법은 폭발 행정동안 파워가 나오는 방법에서 더 큰 유연성을 허용한다. 즉, 상기 굽은 트랙은 폭발 행정동안 슬리브에 의하여 생성된 힘들이 가장 효율적으로 회전 운동으로 바뀌어질 수 있도록 최적화될 수 있다. 왕복운동의 회전운동으로의 전환은 크랭크샤프트의 원운동과의 기계적인 연결에 의하여 더 이상 강제되지 않는다.

Claims (11)

1. 정지하고 있고 실질적으로 동심으로 배열된 상호 마주보는 한 쌍의 피스톤들을 포함하고, 상기 한 쌍의 피스톤들은 상기 피스톤들의 둘레에서 왕복하도록 적용되는 슬리브에 의하여 분리되고, 상기 왕복 슬리브는 두 개의 캐비티들을 규정하고, 각 캐비티는 상기 피스톤들 중 하나에 구동적으로 연결되어 챔버를 규정하고, 제1 챔버는 프리-차지 챔버로서 적어도 하나의 유입 포트를 가지고, 제2 챔버는 연소실 챔버로서 적어도 하나의 배기 포트를 가지고, 상기 두 챔버들은 이송 밸브에 의하여 분리되는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 슬리브는 상기 슬리브에 인접한 출력 부재 상의 트랙에 작용하도록 적용되는 구동 부재를 장착하고 있고, 상기 트랙은, 상기 구동 부재가 상기 트랙에 작용할 때, 상기 슬리브의 왕복 운동이 상기 출력 부재의 회전 운동을 일으키도록 경로를 규정하는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 출력 부재는 상기 왕복 슬리브의 둘레를 회전하도록 적용되는 회전 가능한 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
4. 제2 항 또는 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 왕복 슬리브의 하나 이상의 완전한 사이클을 취하여 상기 출력 슬리브의 1회전을 생성하도록 상기 출력 부재는 멀티-피크로 된 굽은 트랙을 가지는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이송 밸브는 압력으로 작동되는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
6. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 프리-차지 챔버를 위한 유입 포트는 압력 작동 밸브를 장착하고 있는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연소실 챔버를 위한 배기 포트는 상기 왕복 슬리브 내의 포트를 포함하고, 상기 포트는 상기 왕복 슬리브의 이송 중 적어도 일부 동안 피스톤에 의하여 닫혀질 수 있는 크기와 위치로 된 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 엔진은 두 쌍의 프리-차지 챔버들과 연소실 챔버들 둘레에서 왕복운동하도록 적용되는 왕복 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 엔진은 두 개의 왕복 슬리브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
10. 제9 항에 있어서,

    상기 엔진은 각 왕복 슬리브가 서로에게 상호 마주보는 방향으로 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 2행정 사이클에서 작동하는 왕복 엔진.
11. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에서 주장된 왕복 엔진을 실질적으로 결합한 것을 특징으로 하는 차량 또는 크라프트.

Images