KR20070057084A

KR20070057084A - 개선된 2-사이클, 대향-피스톤 내연기관

Info

Publication number: KR20070057084A
Application number: KR1020067025853A
Authority: KR
Inventors: 제임스 유. 렘크; 윌리엄 비. 맥하르그; 미카엘 하. 바흘; 패트릭 알. 리
Original assignee: 아카테스 파워, 엘엘씨
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2007-06-04
Also published as: CN1985082A; US20080314688A1; US7546819B2; US20050274332A1; WO2005124124A1; US7549401B2; JP4987714B2; CA2568196A1; EP1781914A1; US7591235B2; US20100186723A1; CN1985082B; MXPA06014336A; US8276552B2; JP2008502849A; US20070245892A1; US20110094223A1; ATE526496T1; US7156056B2; RU2006143207A

Abstract

2-사이클, 대향-피스톤 내연기관에 있어서, 실린더 내에 배치된 대향 피스톤은 피스톤과 크랭크축 사이에서 작용하는 신장력의 영향을 받는 커넥팅 로드에 의해 한 쌍의 측부-장착식 크랭크축에 결합된다. 이러한 구조는 실린더의 보어와 피스톤 사이의 측력(side forces)을 감소 또는 제거한다. 이 실린더 및 피스톤은 기관 작동시 열팽창에 의해 야기되는 원통형 변형을 감소시키기 위해서 독립적으로 냉각된다.

내연기관, 대향-피스톤, 크랭크축, 실린더, 커넥팅 로드

Description

개선된 2-사이클, 대향-피스톤 내연기관 {IMPROVED TWO-CYCLE, OPPOSED-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 발명의 명칭이 "2-사이클, 대향-피스톤 내연기관"으로서 2004년 6월 10일자로 특허 출원되어 공동 계류 중인 미국특허출원 US 10/865,707호의 일부 계속 출원(continuation-in-part)이다.

본 발명은 내연기관에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 2-사이클, 대향-피스톤 기관(two-cycle, opposed-piston engine)에 관한 것이다.

대향-피스톤 기관은 19세기 말 경 휴고 준커스(Hugo Junkers)에 의해 발명되었다. 준커스의 기본 구성은, 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 피스톤의 하사점 근처에 흡입 및 배기포트(I 및 E)를 가지는 공통의 실린더(C) 내에서 머리를 맞대고 배치된 2개의 피스톤(P1 및 P2)을 사용하며, 이들 피스톤은 포트들에 대한 밸브로서 기능한다. 브릿지(B)는 포트(I 및 E)를 지나는 피스톤 링의 통과를 지지한다. 기관은 실린더의 각각의 끝에 배치된 2개의 크랭크축(C1 및 C2)을 갖는다. 동일한 방향으로 회전하는 이 크랭크축은, 로드(R1 및 R2)에 의해 각 피스톤에 연결되어 있다. 피스톤 핀(W1 및 W2)은 피스톤에 로드를 연결한다. 크랭크축은 포 트의 상태를 제어하고 기관 출력을 제공하기 위해서 함께 연동된다. 전형적으로, 터보-과급기(turbo-supercharger)는 배기 포트로부터 구동되며, 관련 압축기는 기관의 각 회전마다 실린더를 배기시키고 신선한 공기를 공급하기 위해서 사용된다. 종래의 2-사이클 및 4-사이클 기관에 비해 준커스의 대향 피스톤 기관이 갖는 장점들은, 우수한 배기, 절감된 부품수 및 증가된 신뢰성, 높은 열효율, 그리고 높은 출력밀도를 포함한다. 1936년에, 그 당시 가장 성공적인 디젤기관인 준커스 주모 비행기 엔진(the Junkers Jumo airplane engines)은 그때까지의 어떠한 디젤기관에 의해서도 달성하지 못한 출력밀도를 성취할 수 있었다. 테일러(C. F. Taylor)의 내연기관의 이론과 실제(The Internal-Combustion Engine in Theory and Practice: Volume II, revised edition; MIT Press, Cambridge, Mass., 1985): "지금은 사용되지 않는 준커스 비행기 디젤기관이 여전히 실제 사용중인 디젤기관의 비출력에 대한 기록을 가지고 있다(Volume I, Fig. 13-11)." 참조

그렇지만, 준커스의 기본 설계는 많은 결함을 가지고 있다. 이 기관은 4개의 피스톤의 길이 및 실린더의 각각의 끝에 배치된 2개의 크랭크축의 직경에 걸친 높이를 가질만큼 크다. 통상 5개의 기어를 가지는 긴 기어열은 출력 구동에 2개의 크랭크축의 출력을 합할 필요가 있다. 각각의 피스톤은 피스톤의 내부로부터 뻗어있는 로드에 의해 크랭크축에 연결되어 있다. 결과적으로, 로드는 피스톤과 크랭크축 사이에서 높은 압축력을 수용할 수 있도록 육중한 것이어야 한다. 이들 압축력은, 피스톤 가열 및 피스톤 핀의 진동 운동과 합해져, 피스톤에 로드를 연결하는 피스톤 핀의 손상을 앞당긴다. 피스톤의 축선에 대해 경사지게 커넥팅 로드에 의 해 각 피스톤에 가해지는 압축력은 피스톤과 실린더 보어 사이에서 반경방향 힘(측력(side force))을 야기시킨다. 이러한 측력은 피스톤/실린더 마찰을 증가시키며, 이것은 피스톤 온도를 상승시켜 기관에 의해 성취 가능한 제동 평균 유효 압력(brake mean effective pressure; BMEP, 기관 동력의 지표)을 제한한다. 하나의 크랭크축은 배기측 피스톤에만 연결되고, 다른 하나는 흡입측 피스톤에만 연결된다. 주모 기관에 있어서 배기측 피스톤은 70%까지의 토크를 차지하며, 이 배기측 크랭크축은 부과된 보다 무거운 토크를 지탱한다. 토크 불균형, 크랭크축의 넓은 간격, 및 크랭크축을 연결하는 기어열의 길이의 조합은 기어열에 있어서의 비틀림 공명 효과(torsional resonance effect)(진동)를 야기시킨다. 육중한 엔진 블록은 연소시 크랭크축 상에 피스톤에 의해 가해지는 높은 척력(repulsive force)을 강요받으며, 이것은 문자 그대로 기관을 날려버리게 한다.

기본적인 대향-피스톤 기관에 대한 하나의 제안된 개선점은, 버드(Bird)의 영국특허 제 558,115 호에 개시된 바와 같이, 실린더 옆쪽에 크랭크축을 위치시켜 그 회전축이 실린더를 가로지르고 실린더 보어의 축선에 수직인 평면 내에 놓이도록 하는 것이다. 그러한 측면-장착식 크랭크축은 주모 기관에서보다 근접하며, 보다 짧은 기어열에 의해 연결된다. 피스톤 및 크랭크축은, 실린더의 측면에 예각을 가지는 상태로 비스듬히 실린더의 측면을 따라서 각각의 피스톤으로부터 각각의 크랭크축까지 뻗어있는 로드에 의해 연결된다. 이러한 배열에 있어서, 로드에는 신장력이 가해지고 있으며, 이것은 크랭크축 상에서 척력을 제거하고 중량을 감소시키는데, 이는 동일한 크기의 압축 하중 하에서의 로드에 대한 것보다 신장력이 가 해지는 로드에 대하여 보다 덜 육중한 로드 구조체가 요구되기 때문이다. 피스톤에 로드를 연결하는 피스톤 핀은 피스톤의 외부 스커트부에 장착된 새들(saddle) 상에서 피스톤의 외측에 배치된다. 버드에 의해 제안된 기관은 양쪽 크랭크축에 각각의 피스톤을 연결하는 것에 의해 초래되는 비틀림 균형을 갖는다. 이 균형, 크랭크축의 근접, 및 기어열의 감소된 길이는 양호한 비틀림 안정성을 가져온다. 동적 기관 출력을 균형 잡히게 하기 위해서, 각각의 피스톤은 하나의 크랭크축에 대해 한 세트의 로드에 의해 연결되며 다른 하나의 크랭크축에 대해 또 다른 세트의 로드에 의해 연결된다. 이러한 부하 균형은, 그렇지 않다면 실린더의 내부 보어와 피스톤 사이에서 작용하게 될 측력을 본질적으로 제거한다. 또한 기관의 크기는 실린더의 측면에 크랭크축을 위치시킴으로써 감소되며, 보다 짧은 기어열은 주모 기관보다 적은 기어(4개)를 필요로 한다. 그러나, 이러한 개선점에도 불구하고, 많은 문제점들로 인해 버드에 의해 제안된 기관은 간소화 및 출력 대 중량비(power-to-weight ratio; "PWR", 파운드 당 마력(hp/lb)으로 측정)를 최대한으로 이끌어낼 수 없었다.

다른 2 사이클 및 4 사이클 기관과 비교하여 대향 피스톤 기관의 바람직한 PWR은, 실린더 헤드, 밸브열, 및 다른 부분을 제거할 수 있어 이들 기관의 간단한 설계를 가능하게 한다. 그러나, 중량을 줄이는 것만으로는 PWR을 증가시키는데 한계가 있는데, 이는 주어진 중량에서 출력을 증가시키기 위해 BMEP를 증가시키는 것은 실린더 및 피스톤을 냉각시키기 위한 기관의 제한된 능력에 의해 한정되기 때문이다.

연소실 열(combustion chamber heat)은 피스톤 및 실린더에 흡수된다. 사실상 피스톤의 머리는 2-사이클, 대향-피스톤 압축-점화 기관에 있어서 가장 뜨거운 곳 중 하나이다. 과도한 열은 피스톤의 머리를 팽창시키며, 이것은 피스톤 융착을 초래한다. 이러한 위험을 완화시키기 위해서 피스톤은 냉각되어야만 한다. 모든 고성능 기관에 있어서, 피스톤은 그 머리 근처의 피스톤의 외측표면에 장착된 링에 의해서 주로 냉각된다. 피스톤의 링은 실린더 보어에 접촉되어 피스톤으로부터 실린더로 열을 전도하며, 그 후 냉각 재킷을 통하여 유동하는 냉매, 또는 기관 실린더 조립체 상의 냉각 핀으로 열을 전도한다. 피스톤을 효율적으로 냉각시키기 위해서 링과 실린더 보어 사이에서 밀착된 접촉이 요구된다. 그러나 매우 복합적인 응력이 발생되는 곳인, 실린더 포트의 브릿지를 통과하기 위해서, 2-사이클, 포트식 기관에 있어서는 피스톤 링이 가볍게 접촉되어야만 한다. 그러므로, 링은 피스톤을 냉각시키기 위한 능력에 한계가 있으며, 이것은 기관 고장이 생기기 전에 달성 가능한 최대 연소실 온도에 한계를 두게 한다. 피스톤을 냉각시키기 위해서 피스톤의 내부 표면에 액체 윤활제를 적용하는 것이 공지되어 있지만, 피스톤의 내부에 하나 이상의 피스톤 핀을 수용하기 위한 공간이 존재하는 경우에는 냉각을 위해 활용할 수 있는 표면 및 액체 윤활제가 적용될 수 있는 수단이 크게 제한된다.

이전의 대향-피스톤 기관은, 기관의 1차 구조 및 구성 요소로서 기능하는 넓은 피동 유닛 내에서 실린더 및 기관 베어링이 주조(cast)된 엔진 블록을 포함한다. 비록 버드의 기관이 토크 불균형을 교정하였고, 로드 상의 대부분의 압축력을 제거하였고, 실린더 보어 상의 측력을 제거하였지만, 1차 구조 요소로서 엔진 블록 을 여전히 사용하고 있었다. 즉, 이 엔진 블록은 실린더 및 기관 베어링용 서포트, 실린더 포트용 매니폴드, 그리고 실린더용 냉각 재킷을 구비하였다. 엔진 블록을 통하여 전달된 열 및 기계적인 응력은 실린더의 불균일한 반경방향 뒤틀림을 야기시키며, 피스톤/실린더 밀봉의 유지를 조력하기 위해 피스톤 링을 필요로 한다.

2-사이클, 대향 피스톤 기관에 있어서의 기관 출력의 증가는, 실린더의 불균일한 반경방향 비틀림을 야기시키는 열 및 기계적인 응력의 제거 또는 적어도 감소와 피스톤 머리부분의 열적 비틀림의 제거 또는 적어도 감소를 성취할 수 있다는 것은 명백하다.

증가된 BMEP는, 효과적이면서도 조절된(tailored) 냉각에 의해, 그리고 실린더로부터 기계적인 응력을 제거하는 것에 의해 측면-장착식 크랭크축을 갖는 2-사이클, 대향-피스톤 기관에서 실현된다.

효율적인 냉각은 기관 작동중 가능한 한 많은 열을 실린더 및 피스톤으로부터 멀리 전도시킴으로써 실린더 및 피스톤의 최대 온도를 제한한다. 조절된 냉각은 기관 작동중 실린더 및 피스톤의 가열에 의해 야기될 수도 있던 실린더의 불균일한 비틀림 및 피스톤 머리부의 팽창을 제거 또는 적어도 상당히 감소시킨다. 일 태양에 있어서, 실린더는 실린더의 외부 표면 상에 여러 그룹의 홈을 통하여 액체 냉매를 직접적으로 흘림으로써 냉각될 수 있다. 또 다른 태양에 있어서, 각각의 피스톤은 피스톤 머리부분의 배면에 액체 냉매의 하나 이상의 직접적인 분사를 적용함으로써 냉각될 수 있다.

실린더 상의 반경방향으로의 불균일한 기계적인 응력은, 엔진 블록과 같은 기관의 피동적인 구조 또는 구성 요소로부터 실린더를 구속받지 않도록 함으로써 제거 또는 적어도 상당히 감소된다. 일 태양에 있어서, 실린더는 피스톤 구조물과 연료 및 냉매 라인에 의해 주로 기관 내에서 지지될 수 있다.

요컨대, 이들 개선점은, 실린더와 피스톤 사이에서 확실한 밀봉을 가능하게 하는, 밀접하고 균일한 실린더 대 피스톤 간극을 유지하는 한편, 실린더의 내측 표면과 피스톤 사이의 접촉을 방지한다.

기관 작동에 있어서의 또 다른 개선점들은 기관 작동중 실린더와 피스톤 사이의 약간의 컴플라이언스(compliance)를 허용함으로써 실현될 수 있다. 피스톤은 기관 작동중 피스톤이 실린더와의 정렬을 유지할 수 있도록 하는 정도의 가요성을 가지면서 기관에 장착될 수 있다.

이어지는 설명에서 기술되는 이들 개선점과, 또 다른 개선점들 및 장점들은, 매우 단순한 2-사이클, 대향-피스톤 기관이, 감소된 중량으로 BMEP의 실질적인 증가를 가능하게 하도록 하며, 기관이 동일한 크기 및 속도의 종래의 기관에 의해 달성되는 것보다 높은 PWR을 성취할 수 있는 가능성을 가지도록 한다.

이하 기술된 도면들은 이어지는 상세한 설명에서 논의될 원리 및 실시예들을 예시하기 위한 것이다. 이것들은 반드시 일정한 비율로 만들어질 필요는 없다.

도 1은 종래기술에 따른 대향 피스톤 디젤기관의 일부를 부분적으로 도시한 개략 예시도,

도 2a 및 도 2b는 대향-피스톤 내연기관의 제1 실시형태에 있어서 2개의 크랭크축에 로드를 신장력-부과식(tensile-loaded)으로 연결함으로써 대향 피스톤이 결합되는 상태의 실린더의 측단면도로서, 도 2a는 내부 즉 상사점에서의 피스톤을 도시하는 도면이고, 도 2b는 외부 즉 하사점에서의 피스톤을 도시하는 도면,

도 3a 내지 도 3f는 피스톤의 완벽한 사이클을 설명하는 도 2a 및 도 2b의 실린더 및 피스톤의 개략적인 단면도,

도 4는 도 3a 내지 도 3f의 2개의 대향 피스톤의 상대적인 위상을 나타내는 그래프,

도 5a는 축선 상에서 90° 회전된 도 2a 및 도 2b의 대향 피스톤을 가지는 실린더의 측단면도,

도 5b는 실린더를 냉각시키기 위한 변형 실시형태를 나타내는 도 5a에서의 실린더와 동일한 도면,

도 6a 및 도 6b는 제1 실시형태의 대향-피스톤 기관을 위한 단일 실린더 메카니즘(single cylinder mechanism)의 조립체의 더욱더 완벽한 단계를 나타내는 측면 사시도,

도 7a 내지 도 7c는 조립체의 더욱더 완벽한 단계에서의 조립체 상세를 나타내는 제1 실시형태의 대향 피스톤 기관을 위한 단일-실린더 대향-피스톤 기관 모듈의 사시도,

도 7d는 부분적으로 절취된 하나의 기어를 갖는 개방 기어박스를 나타내는 단일-실린더 대향-피스톤 기관 모듈의 끝면도,

도 8a 내지 도 8c는 조립체의 더욱더 완벽한 단계에서의 조립체 상세를 나타내는 제1 실시형태의 대향-피스톤 기관 모듈의 다중-실린더(multiple-cylinder) 실현예의 사시도,

도 9a는 기관에 액체 냉매를 제공하는 대향-피스톤 기관용 공급 시스템의 개념도,

도 9b는 대향-피스톤 기관용의 복합식 연료 및 냉매 공급 시스템의 개념도,

도 9c는 기관에 액체 냉매를 제공하는 대향-피스톤 기관용의 또 다른 공급 시스템의 개념도,

도 10은 대향-피스톤 기관 내의 가스 유동의 개념도,

도 11a 내지 도 11d는 대향-피스톤 내연기관의 제2 실시형태에 있어서 사용 가능한 실린더의 구조를 예시하는 도면,

도 12는 대향 피스톤 기관의 작동중 축선방향으로의 시간-평균된 실린더 열유량(time-averaged cylinder heat flux)을 모델링하는 곡선도,

도 13a 내지 도 13e는 제2 실시형태의 기관에 있어서 사용 가능한 피스톤의 구조를 예시하는 도면,

도 14a는 2개의 크랭크축에 로드를 주로 신장력-부과식(tensile-loaded)으로 연결함으로써 피스톤이 결합되는 대향 피스톤을 가지는 실린더를 나타내는 제2 실시형태의 기관의 측단면도로서, 도 13a 내지 도 13e에 따른 피스톤 냉각 구조를 나타내기 위해 부분적으로 절취된 도면,

도 14b는 2개의 크랭크축에 로드를 주로 신장력-부과식(tensile-loaded)으로 연결함으로써 피스톤이 결합되는 대향 피스톤을 가지는 실린더를 나타내는 제2 실시형태의 기관의 부분 측단면도로서, 변경 피스톤 냉각 구조를 나타내기 위해 부분적으로 절취된 도면,

도 15a 내지 도 15e는 조립체의 다양한 단계에서 조립체 상세를 나타내는 제2 실시형태의 다중-실린더 실현예의 사시도,

도 16a는 제2 실시형태의 기관의 실린더 및 대향 피스톤에 대한 액체 냉매의 적용을 제어하기 위해서 사용 가능한 공급 시스템의 개념도,

도 16b는 제2 실시형태의 기관의 실린더 및 대향 피스톤에 대한 액체 냉매의 적용을 제어하기 위해서 사용 가능한 변형된 공급 시스템의 개념도,

도 17a 내지 도 17f는 대향-피스톤 기관의 적용 예시도이다.

제1 실시형태

대향 피스톤 기관의 제1 실시형태의 구성요소는 도 2a 및 도 2b에 예시되어 있다. 이들 도면은 대향 피스톤(12 및 14)이 내부에 배치된 실린더(10)를 도시한다. 피스톤(12 및 14)은 서로를 향하여 또한 서로로부터 멀어지는 대향 운동으로 실린더(10) 내에서 동축방향 이동한다. 도 2a는 상사점(내사점)에서의 피스톤(12 및 14)을 예시하는 도면으로서, 여기에서 피스톤은 점화순간 근처에서 그 압축 행정의 정점에 있다. 도 2b는 하사점(외사점) 근처에서의 피스톤을 예시하는 도면으로서, 여기에서 피스톤은 그 팽창 즉 출력 행정의 끝에 있다. 이하 이들 위치와 중간 위치들이 상세하게 설명된다.

이어지는 설명은 예시로서 압축-점화 기관을 가정하여 이루어진다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자들은 설명된 요소, 모듈 및 조립체들이 불꽃-점화 기관에도 적용될 수 있다는 것을 깨달을 것이다.

도 2 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 실린더(10)는 실린더(10)의 중심 및 서로를 향하여 그리고 서로로부터 멀어지게 대향 움직임을 왕복운동하기 위하여 배치되는 대향 피스톤(12 및 14)을 가지는 튜브이다. 피스톤(12 및 14)은, 순차적으로 공통 출력(common output)(도시생략)에 결합되는 제1 및 제2 측면-장착식 반대-회전 크랭크축(side-mounted counter-rotating crankshafts)(30 및 32)에 결합된다.

피스톤(12 및 14)은 머리부분(12d 및 14d)에서 종결되는 폐쇄 축선 단부(closed axial ends)(12a 및 14a), 개방 축선 단부(open axial ends)(12o 및 14o), 및 개방 축선 단부(12o 및 14o)로부터 머리부분(12d 및 14d)까지 뻗어있는 스커트부(12s 및 14s)를 가지는 중공 실린더형 부재이다. 개방 환형 구조의 형상인 새들(16 및 18)은, 피스톤(12 및 14)의 개방 축선 단부(12o 및 14o)에 각각 장착된다. 각각의 새들(16, 18)은 장착된 각각의 피스톤에 복수의 커넥팅 로드의 단부를 연결한다. 이들 도면에는 각각의 피스톤에 대하여 단지 2개의 커넥팅 로드만이 도시되어 있지만, 하나 이상의 추가적인 커넥팅 로드가 도시되지 않았다. 커넥팅 로드(20a 및 20b)는 피스톤(12)의 개방 단부 근처에서 새들(16)에 연결되는 한편, 커넥팅 로드(22a 및 22b)는 피스톤(14)의 개방 단부 근처에서 새들(18)에 연결되어 있다. 새들(16 및 18)이 피스톤(12 및 14)과 해당 로드 사이에서 링크연결을 제공하기 때문에, 피스톤은 내부의 피스톤 핀을 결여시킬 수 있다. 그 결과 새들 및 피스톤의 개방 구조는, 냉매 디스펜서(24 및 26)가 개방 단부(12o 및 14o)로부터 피스톤(12 및 14)의 머리부 및 내부 스커트부를 향하도록 피스톤(12 및 14) 내에서 각각 축선방향으로 뻗어있게끔 허용한다.

2개의 측면-장착식 크랭크축(30 및 32)은 그 축선이 서로 평행하도록 배치되며, 길이방향 중심에서 혹은 근처에서 실린더(10)를 가로지르고 또한 실린더의 축선에 수직인 공통 평면 내에 놓인다. 크랭크축은 반대 방향으로 회전한다. 커넥팅 로드(20a, 20b 및 22a, 22b)는 크랭크축(30 및 32) 상에서 크랭크 드로우(crank throws)에 연결된다. 각각의 커넥팅 로드는 실린더(10) 및 피스톤(12 및 14)의 축선(및 측면)에 대하여 예각을 형성하도록 배치된다. 커넥팅 로드는 니들 베어링(36)에 의해서 새들(16 및 18)에 링크연결 되고, 롤러 베어링(38)에 의해서 크랭크 드로우에 링크연결 된다. 각각의 피스톤이 기관의 작동 사이클 동안에 움직이기 때문에, 피스톤의 새들에 결합된 커넥팅 로드의 단부는 각 경로(angular path)를 통하여 진동하며, 이들 단부와 이들이 결합된 새들의 요소 사이에서는 완벽한 회전은 존재하지 않는다. 충분히 작은 직경의 롤러를 가지는 니들 베어링은 각각의 진동 동안에 롤러의 적어도 전체 회전(full rotation)을 만들어내며, 그에 따라 비대칭 마모를 감소시키고 베어링 수명을 연장시킨다.

도 2a 및 도 2b에서 커넥팅 로드, 새들, 및 크랭크축 사이의 기하학적 관계는, 높은 기관 속도에서 피스톤의 관성력으로부터 초래되는 압축 응력의 제한된 수준을 가지는 상태로, 피스톤(12 및 14)이 실린더(10) 내에서 움직임에 따라, 주로 신장응력(tensile stress) 하에서 커넥팅 로드를 유지시킨다. 이러한 구조는 피스톤과 실린더의 보어 사이에서 측력을 감소 또는 실질적으로 제거한다.

도 2a 및 도 2b에 있어서, 실린더(10) 및 피스톤(12 및 14)의 추가적인 상세 및 특징들이 나타나 있다. 실린더(10)는 흡입 포트(46)를 포함하며, 이를 통해, 압력 하에서, 공기는 실린더(10) 내로 유동한다. 또한 실린더는 배기 포트(48)를 가지며, 이를 통해 연소의 산물은 실린더(10) 밖으로 유동한다. 이들 포트에 대한 위치 때문에, 피스톤(12 및 14)은 "배기" 및 "흡입" 피스톤으로 각각 언급될 수 있으며, 실린더(10)의 단부는 유사하게 명명될 수 있다. 바람직한, 그러나 그것만으로 한정되지는 않는, 포트(46 및 48)에 대한 구성이 이하 설명된다. 배기 및 흡입 포트의 작동은 기관 작동중 피스톤의 움직임에 맞춰 조절된다. 하나 이상의 연료 인젝터(추후 설명)에 의해 제어되는 적어도 하나의 분사 사이트(infection site)(도시생략)는 실린더(10) 내로 연료를 집어넣는다.

이어지는 예시 및 설명이 이루어지는 바와 같이, 피스톤이 그 하사점 위치를 가로지름에 따라 피스톤 사이의 위상 차이와 연관되는, 피스톤 길이, 실린더의 길이, 및 실린더 매니폴드만큼 실린더 보어에 더해지는 길이 사이의 관계는, 피스톤 사건(event)으로 포트 작동을 조절하고 시퀀싱(sequence)한다. 이러한 관계에 있어서, 흡입 및 배기 포트(46 및 48)는 그 단부 근처에서 실린더의 길이방향 중심으로부터 축선방향으로 변위한다. 피스톤은 동일한 길이일 수 있다. 각각의 피스톤(12 및 14)은 하사점 위치에 접근할 때까지 실린더(10)의 당해 포트(46 및 48)를 폐쇄 유지한다. 하사점 위치 사이의 위상 오프셋은, 배기 피스톤이 그 하사점 위 치 근처로 움직일 때 배기 포트가 개방되고, 그 다음 흡입 피스톤이 그 하사점 위치 근처로 움직일 때 흡입 포트가 개방되며, 계속해서 배기 피스톤이 그 하사점 위치로부터 멀리 움직인 후에 배기 포트가 폐쇄되고, 그 다음 흡입 피스톤이 그 하사점 위치로부터 멀리 움직인 후에 흡입 포트를 폐쇄하는 시퀀스(sequence)를 만들어낸다.

도 3a 내지 도 3f는 작동의 대표 사이클("작동 사이클")을 설명하는 도 2a 및 도 2b의 실린더(10) 및 피스톤(12 및 14)의 개략 설명도이다. 본 실시예에서, 피스톤이 상사점에 있을 때, 실린더의 각각의 측면 상에서 대향하는 로드는 도 3a에 도시된 바와 같이 대략 120°의 각도를 형성한다. 이러한 구조는 다만 작동 사이클을 설명할 목적이며, 다른 작동 사이클을 가지는 다른 가능한 구조를 제외하려는 것은 아니다. 편의상, 작동 사이클은 피스톤이 도 3a에 도시된 바와 같이 상사점에 있는 0°의 크랭크 각에서 시작하여 360°에서 끝나는 회전식으로 측정될 수 있다. 도 3a를 참조하면, "상사점"이라는 용어는, 피스톤(12 및 14)의 폐쇄 단부(12a 및 14a)가 서로에 그리고 크랭크축에 가장 근접하고 공기가 단부들 사이의 실린더 공간(42) 내에서 가장 높게 압축되는 지점을 나타내는데 사용된다. 이것은 양쪽 피스톤의 압축 행정의 상단이다. 간편한 측정을 이용하여, 상사점은 작동 사이클의 0°에서 일어난다. 또, 도 3c 및 도 3e를 참조하면, "하사점"이라는 용어는, 피스톤(12 및 14)의 폐쇄 단부(12a 및 14a)가 크랭크축(30 및 32)으로부터 가장 멀리 있는 지점을 나타낸다. 피스톤(12)에 대한 하사점은 작동 사이클의 180° 직전에 일어난다. 피스톤(14)에 대한 하사점은 작동 사이클의 180° 직후에 일어 난다.

이하, 2-행정, 압축-점화 작동 사이클이 도 3a 내지 도 3f를 참조하여 설명된다. 이 설명은 예를 들어 설명하기 위한 것이며, 전체 사이클을 측정하기 위해 360°를 이용한다. 사이클의 사건 및 작동(the events and actions of the cycle)은 360° 사이클 내의 특정 지점을 참조하며, 상이한 구조에 대하여, 사건 및 작동의 시퀀스는 동일한 반면, 360° 사이클에서 사전 및 작동이 일어나는 지점은 이 설명에서와는 상이할 것임을 알 수 있다.

이제 도 3a를 참조하면, 피스톤(12 및 14)이 상사점에 있을 경우 작동 사이클에 있어서 0° 참조 지점 이전에, 연료는 적어도 하나의 분사 사이트를 통하여 실린더 내로 최초 분사된다. 연료는 연소 개시 후 계속 분사될 수 있다. 연료는 압축된 공기와 혼합되고 이 혼합기는 폐쇄 단부(12a 및 14a) 사이에서 점화되어, 출력 행정에서 피스톤을 멀리 구동시키고, 크랭크축(30 및 32)을 구동시켜 반대 방향으로 회전시킨다. 피스톤(12 및 14)은 출력 행정 동안에 흡입 및 배기 포트(46 및 48)를 폐쇄 유지하여, 흡입 포트를 통해 공기가 흡입되는 것을 막고 배기 포트를 통해 공기가 배기되는 것을 막는다. 도 3b에 있어서, 작동 사이클의 90°에서, 피스톤(12 및 14)은, 출력 행정에 있어서 중간 근처에서, 실린더(10)의 밖으로 계속 이동한다. 흡입 및 배기 포트(46 및 48)는 여전히 폐쇄되어 있다. 도 3c에 있어서, 작동 사이클의 167°에서, 피스톤(12)의 폐쇄 단부(12a)는 배기 포트(48)를 개방시키기에 실린더(10)의 밖으로 충분히 멀리 움직이는 한편, 흡입 포트(46)는 여전히 폐쇄되어 있다. 이제 연소의 산물들은 배기 포트(48)의 밖으로 흘러나가기 시작한다. 사이클의 이 부분은 블로우-다운으로 언급된다. 도 3d에 있어서, 작동 사이클의 180°에서, 흡입 및 배기 포트(46 및 48)는 개방되어 있고 압축된 공기는 흡입 포트(46)를 통하여 실린더(10) 내로 유동하는 한편, 연소에 의해 만들어진 배기가스는 배기 포트(46)의 밖으로 유동한다. 이제 배출(scavenging)이 일어나 나머지 연소 가스들이 압축된 공기로 대체된다. 도 3e에 있어서, 193°에서 배기 포트(48)는 피스톤(12)에 의해 폐쇄되는 한편, 흡입 포트(46)는 상기 설명된 그리고 이하에 더욱 상세하게 설명되는 위상 오프셋으로 인하여 여전히 개방되어 있다. 공기 충전은 흡입 포트가 폐쇄될 때까지 흡입 포트(46)를 통하여 실린더(10) 내로 강제적으로 계속되며, 그 후 압축 행정이 시작된다. 도 3f에 도시된, 작동 사이클의 270°에서, 피스톤(12 및 14)은 압축 행정에 있어서 중간 근처에 있으며, 흡입 및 배기 포트(46 및 48) 모두는 폐쇄된다. 피스톤(12 및 14)은 그 다음 상사점을 향하여 다시 움직이며, 사이클은 기관이 작동하는 한 계속해서 반복된다.

도 4는 막 설명된 대표 작동 사이클 동안에 피스톤(12 및 14)의 위상을 나타내는 도면이다. 피스톤 위상은 각각의 피스톤의 상사점에 관련하여 각 크랭크축에서 측정될 수 있다. 도 4에 있어서, 축선 AA는 상사점 위치로부터 피스톤의 머리부분의 거리를 나타내며, 축선 BB는 위상을 나타낸다. 피스톤(12)의 위치는 라인(50)에 의해 지시되는 한편, 피스톤(14)의 위치는 라인(52)에 의해서 지시된다. 상사점(60)에서, 양 피스톤은 위상이 같으며 폐쇄 단부(12a 및 14a)는 실린더(10)의 길이방향 중심으로부터 동등하게 멀다. 작동 사이클이 진행함에 따라, 피스톤(12)은 작동 사이클에서 62로 표시된 180° 직전의, 하사점(61)에 도달할 때까 지, 위상이 같이 점진적으로 안내된다. 180° 지점 이후에, 피스톤(14)은 하사점(63)을 통과하며 2개의 피스톤이 다시 사이클 내의 360°의 위상에 도달할 때까지 피스톤(12)과 가까워지기 시작한다.

도 4에 도시된 피스톤(12 및 14) 사이의 진동 위상 오프셋은 흡입 및 배기 포트(46 및 48)의 소정의 시퀀스를 가능하게 한다. 이러한 관점에서, 도 4의 라인 CC는 피스톤에 의해 제어되는 포트가 개방되는, 피스톤의 머리부분의 위치를 나타낸다. 따라서, 피스톤(12)의 폐쇄 단부(12a)가 CC 상에서 64로 표시된 지점에 도달하면, 배기 포트만이 개방되기 시작한다. 피스톤(14)의 폐쇄 단부(14a)가 CC 상에서 65로 표시된 지점을 지나쳐 움직이면, 양 포트는 개방되고 배출이 일어난다. CC의 67에서, 배기 포트는 폐쇄되고 피스톤 단부(14a)가 양 포트가 폐쇄되고 압축이 시작될 때인 CC 상의 68로 표시된 지점에 도달할 때까지 실린더 공기 충전이 일어난다. 이러한 소정의 결과는 각각의 피스톤에 대한 커넥팅 로드가 크랭크축 회전 동안에 상이한 경로를 통하여 움직인다는 사실로부터 기인한다. 하나의 로드가 하나의 크랭크축의 상단을 넘어 움직이는 동안, 다른 하나의 로드는 동일한 크랭크축의 바닥 아래로 회전하고 있다.

도 4를 참조하면 배기 및 흡입 포트에 대한 각각의 개방 위치들이 동일한 라인 상에 놓여있을 필요가 없다는 것과 해당 개방 및 폐쇄 상태가 도시된 것과 상이할 수도 있다는 것을 알 수 있다.

도 2a, 2b 및 5a에 도시된 바와 같이, 실린더(10)는 대향 축선 단부와 환형 배기 및 흡입 매니폴드(72 및 74)를 가지는 실린더 튜브(70)를 포함하며, 이 환형 배기 및 흡입 매니폴드(72 및 74)는 실린더 튜브(70)의 각각의 축선방향 단부에 각각 나사결합, 용접, 또는 다른 방식으로 결합된다. 이 매니폴드(72 및 74)는 각각, "실린더 배기 매니폴드" 및 "실린더 흡입 매니폴드"라고 명명될 수 있다. 매니폴드(72 및 74)는 각각, 배기 및 흡입 포트를 구성하는 각각의 내부 환형 회랑(gallery)(76 및 78)을 가진다. 바람직하게 각각의 회랑(76 및 78)은 내부에서 유동하는 가스의 와류(swirling)를 유도하기 위해서 소용돌이(scroll) 형상을 가진다. 압축된 공기의 소용돌이는 배출을 용이하게 하고 연소 효율을 증대시킨다. 또한 실린더 매니폴드(72)는 환형 회랑(76)을 둘러싸는 환형 통로(77)를 포함한다. 환형 통로(77)는 공기흐름을 수용하기 위해 연결될 수 있거나, 또는 변경적으로 매니폴드(72)의 주변을 냉각시키기 위해, 정체된 공기를 담고 있을 수 있다. 실린더 매니폴드(72 및 74)가 실린더 튜브(70)에 결합될 때, 그 외부 부위는 튜브의 보어를 연장시킨다. 이 보어는 피스톤(12 및 14)의 직경에 근접하게 매칭되기 위해 정밀 가공될 수 있으며, 피스톤 및 실린더는 적절한 열팽창 특성을 갖는 재질로 제작될 수 있다. 링리스 피스톤(ringless pistons)(링이 없는 피스톤)이 사용된다면, 포트에 걸쳐지는 브릿지가 필요 없으며, 공통의 보어의 내경과 피스톤의 외경 사이에서 매우 정밀한 공차가 얻어질 수 있다. 링리스 작동으로, 예를 들어, 보어와 각각의 피스톤 사이의 간격은 0.002″ 내지 0.003″(2 밀(mils), 즉 50 마이크론 내지 3 밀, 즉 75 마이크론)의 정도일 수 있다. 또한 브릿지의 부재는 흡입 매니폴드(74)의 형상을 소용돌이와 같은 와류 유도형상으로 하기 쉽게 한다. 한편, 피스톤이 링을 구비한다면, 튜브(70)에 대하여 개방의 환형 시퀀스를 갖는 환형 통로 로서 배기 및 흡입 포트를 형성할 필요가 있을 것이며, 그에 따라 포트를 지나는 링의 통과를 지지하기 위해 브릿지를 구비해야 한다. 실린더 매니폴드(72 및 74) 상에 형성된 튜브(82 및 84)는 내부 환형 회랑(76 및 78) 내로 개방되어, 배기 및 흡입 포트와 각각의 배기 및 흡입 매니폴드 사이에서 연결을 제공한다.

도 5a는 작동 사이클이 180° 지점 근처에 있을 때 대향 피스톤(12 및 14)이 각각의 위치에 있는 상태의 실린더(10)의 확대된 측단면도이다. 비록 피스톤이 설계 및 작동에 의해 지시된다면 링을 구비할 수는 있지만, 이 도면에 도시된 바와 같이, 피스톤(12 및 14)은 피스톤 링을 구비하지 않는다. 피스톤 링은 2가지 이유에서 이 기관에 있어서 선택적인 요소이다. 우선, 피스톤 링은 기관 작동중 실린더/피스톤 밀봉 제어를 보조하기 위해서 피스톤 및 실린더의 반경방향 비틀림을 수용한다. 그러나, 본 명세서에서 예시되고 설명된 실린더는 엔진 블록으로 주조되지 않으며 따라서 다른 기관 구성요소, 또는 비대칭 냉각 요소에 의해 발생되는 어떠한 열응력 또는 어떠한 기계적인 응력으로부터의 불균일한 비틀림에 영향받지 않는다. 결과적으로 실린더 및 피스톤은 매우 정밀한 맞춤을 위한 매우 치밀한 공차로 가공될 수 있으며, 그에 따라 각각의 피스톤과 실린더 사이의 간격을 따라서 연소를 한정하고 연소 생성물의 불어냄을 제한한다. 둘째로, 피스톤 링은 기관 작동중 피스톤을 냉각시키기 위해 기능한다. 그러나, 액체 냉매가 외부 표면에 적용될 수 있도록 하사점 위치를 통하여 이동함에 따라 각각의 피스톤이 실린더로부터 주기적으로 전체적으로 꺼내지기 때문에, 기관이 작동하는 동안, 각각의 피스톤은 액체 냉매의 적용에 의해 냉각될 수 있다. 피스톤이 실린더로부터 밖으로 이동하고 또한 실린더 내로 되돌아감에 따라, 스커트부의 외부 표면을 (설명될 디스펜서에 의해) 액체 냉매로 적신다. 더욱이, 액체 냉매는 (디스펜서(24 또는 26)에 의해) 스커트부를 따라서 머리부분까지 내부표면에 적용된다.

예를 들어, 도 5a 및 6a에 있어서, 각각의 피스톤(12 및 14)은 하사점 위치 근처에서 실린더(10)로부터 꺼내진다. 대표로서 피스톤(12)을 취하면, 이것은, 피스톤(12)의 폐쇄 단부(12a)가 환형 회랑(76)의 외부 가장자리 근처에 있는 상태로, 피스톤(12)의 스커트부(12s)가 실린더(10)로부터 전체적으로 꺼내져 있는 한편 배기 매니폴드(72)의 외측 가장자리(72o)와 회랑(76)의 외측 가장자리(76o) 사이에서 피스톤 머리부분(12d)만이 이하 설명하는 바와 같이 실린더(10)의 단부에 끼워맞춰진 배기 매니폴드(72) 내에 남아있다는 것을 의미한다. 각각의 피스톤(12 및 14)은, 피스톤이 상사점 위치에 도달할 때 실린더(10)에 의해 둘러싸이는 범위까지 실린더(10) 내로 되돌아간다.

따라서, 하사점 위치에서, 각각의 피스톤(12 및 14)의 전체 스커트부는 실린더(10)로부터 돌출되며 냉각을 위해 노출된다. 본 실시예에서 그것이 어떻게 발생되는지에 대한 상세한 설명은 본 발명의 범위를 한정하는 것을 의미하지 않는다. 필요한 것은, 각각의 피스톤(12 및 14)의 스커트부의 충분한 외측 표면이 실린더 외측의 스커트부의 외측 표면에 대한 냉매의 적용에 의해 충분히 냉각되기 위해 기관 작동중 주기적으로 실린더(10)의 외측으로 나오는 것이다. 특정의 적용에 있어서 노출되는 피스톤 스커트의 비율은, 예를 들어 시스템 냉매 요구, 기관 구조, 및 설계자 선호를 포함하는 다수의 인자에 기인하여 변화할 수 있다.

피스톤은 실린더 내로 또한 실린더 밖으로 움직임에 따라 스커트부의 외부 표면에 대한 (설명될 디스펜서에 의해) 액체 냉매의 적용에 의해 냉각된다. 더욱이, 액체 냉매는 머리부분을 포함하여 또한 이 머리부분까지 스커트부를 따라서 내부 표면에 대해 (디스펜서(24 또는 26)에 의해) 적용된다. 바람직하게 동일한 액체 냉매는 피스톤의 내부 및 외부 양쪽에서 냉각을 위해 사용된다. 도 5a 및 도 6a를 참조하면, 바람직하게 강철 튜브로 만들어진 냉매 디스펜서는 기관 작동중 실린더(10) 및 피스톤(12 및 14) 상으로 액체 냉매를 분배한다. 기다란 디스펜서 매니폴드(86)는 실린더 튜브 및 배기 및 흡입 매니폴드(72 및 74)를 적어도 축선방향을 따라서 또한 대항하여 연장된다. 4개의 축선방향으로 이격된 반원형 디스펜서(86a, 86b, 86c 및 86d)는 실린더(10) 주위 중간에서 매니폴드 튜브로부터 연장된다. 디스펜서(86a)는 외측 가장자리(72o) 근처에서 배기 매니폴드(72) 중심의 밖에 위치결정된다. 2개의 디스펜서(86b 및 86c)는 매니폴드(72 및 74) 사이에서, 바람직하게 보다 많은 액체 냉매를 다른 곳보다 실린더의 가장 뜨거운 영역에 대해 어울리게 적용하기 위해서 실린더(10)의 축선방향 중심 근처에서, 실린더(10)에 걸쳐 위치된다. 그리고 디스펜서(86d)는 외측 가장자리(74o) 근처에서 흡입 매니폴드(74) 중심의 밖에 위치결정된다. 제2 디스펜서 매니폴드 튜브(88)는 실린더 튜브와 배기 및 흡입 매니폴드(72 및 74)를 적어도 일반으로 축선방향으로 따라서 그리고 대항하여 연장된다. 4개의 축선방향으로 이격된 반원형 디스펜서(88a, 88b, 88c, 및 88d)는 실린더(10) 주위 중간에서 매니폴드 튜브로부터 연장된다. 디스펜서(88a)는 외측 가장자리(72o) 근처에서 배기 매니폴드(72) 중심의 밖에 위치결정 된다. 2개의 디스펜서(88b 및 88c)는 매니폴드(72 및 74) 사이에서, 바람직하게 보다 많은 액체 냉매를 다른 곳보다 실린더의 가장 뜨거운 영역에 대해 어울리게 적용하기 위해서 실린더(10)의 축선방향 중심 근처에서, 실린더(10)에 걸쳐 위치된다. 그리고 디스펜서(88d)는 외측 가장자리(74o) 근처에서 흡입 매니폴드(74) 중심의 밖에 위치결정된다. 대향하는 디스펜서는 구조적인 완성을 위해 89에서와 같이 함께 링크연결된다. 변경적으로, 디스펜서들은 전체적으로 원형일 수 있으며 단일의 매니폴드 튜브에 연결될 수 있다. 나아가서, 보다 적거나 보다 많은 디스펜서들이 구비될 수 있으며 도시된 것과는 다른 위치에 위치결정될 수 있다. 더 나아가서, 디스펜서 분관들(dispensing branches)은 공통의 공급원으로부터의 액체 냉매를 공급하는 복수의 원주방향으로 이격된 노즐 또는 분무기로 대체될 수 있다.

디스펜서는 그 안에 형성된 개구를 가지며, 이 개구로부터 압력하의 액체 냉매가 실린더 튜브(70)의 외측 표면 및 피스톤(12 및 14)의 스커트부의 외측 표면에 적용된다. 바람직하게, 디스펜서는 액체 냉매가 각각의 피스톤의 축선방향 길이를 따라서 스커트부의 전체 외측 표면에 적용되는 것을 확실하게 하기 위해서 매니폴드의 각각의 외측 가장자리 근처에 위치결정된다. 시스템 냉매 필요량, 기관 구조 및 설계자의 선호와 같은 인자들에 따라서, 디스펜서, 노즐, 또는 다른 적절한 냉매 적용 요소가 보다 작은 비율의 스커트부의 외주 표면 영역에 액체 냉매를 분배 또는 적용하기 위해서 다른 장소에 위치될 수 있다. 예를 들어, 액체 냉매는 각각의 피스톤의 축선방향 길이의 적어도 25%, 50%, 또는 75%를 따라서 스커트부의 외측 또는 외부 표면에 적용될 수 있다.

도 5a 및 도 6a에 있어서, 피스톤 및 실린더의 외측 표면에 액체 냉매를 적용시키는 액체 냉매 디스펜서는 별도의 요소로서 도시된다. 그러나, 하나 이상의 디스펜서가 도면에 도시된 별도의 요소에 더하여, 또는 대신하여, 실린더 매니폴드(72 및 74)와 일체일 수도 있다.

도 5b에 도시된 변경 실시형태에 있어서, 디스펜서를 통하여 실린더 튜브(70)를 냉각시키는 대신에, 실린더 튜브는 냉매가 순환될 수 있는 실린더 주위의 냉각 통로(90)를 제공하도록 재킷(87) 내에 배치될 수 있다. 이러한 경우에, 디스펜서는 피스톤을 냉각시키기 위해 여전히 사용될 수 있다.

새들(16 및 18)의 개방 구조 및 피스톤 내의 피스톤 핀의 부재는 피스톤의 내부 표면에 대한 액체 냉매의 개선된 직접적인 적용을 허용한다. 이러한 관점에서, 도 2a, 도 2b 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 피스톤(12 및 14)은 스커트부를 따라서 개방된 축선방향 단부까지 머리부분을 포함하는 내부 표면에 대한 디스펜서(24 및 26)를 통한 액체 냉매의 적용에 의해 기관 작동중 계속적으로 냉각된다. 각각의 냉매 디스펜서(24, 26)는 하나 또는 복수의 개별 분사로 구성될 수 있으며, 여기에서 각각의 분사는 피스톤의 머리부분을 향한 냉매의 흐름을 전하기 위한 것이다.

도 5a에서, 피스톤 및 실린더 상으로의 액체 냉매의 흐름은 부재번호 91로 표시되어 있다.

도 5a의 설명에 이어서, 매니폴드(72 및 74)의 단부 근처에서 환형 홈 내에 위치되는 환형의, 고온 중합체 링(92)은 피스톤(12 및 14)에 가볍게 접촉되어 피스 톤이 실린더(10) 내로 이동할 때 피스톤으로부터 여분의 윤활제를 닦아낸다. 마지막으로, 하나 이상의 연료 분사기가 실린더에 구비된다. 예를 들어, 연료 분사기(94)는 적어도 하나의 분사 사이트(95)에 연결된다.

다음에 2-행정, 대향-피스톤 기관 메카니즘이 설명되며, 여기에서 작동 요소(실린더, 피스톤, 연동장치, 크랭크축 등)는 이 작동 요소를 지지하기 위해 함께 끼워맞춰지는 피동 구조 요소의 프레임의 형태로 구조 유니트에 수용된다. 프레임은 크랭크축 사이의 압축력과 같은, 기관 작동의 응력 및 힘을 견뎌내기 위한 것이다. 많은 종래의 2-사이클, 대향-피스톤 기관과 비교하여, 실린더는 블록으로 주조되지 않고 다른 피동 구조 요소로 형성되지도 않는다. 따라서, 실린더는 기관의 피동 구조 요소가 아니다. 각각의 실린더는 그 내부에 배치된 한 쌍의 피스톤에 의해 주로 기관 프레임 내에 지지된다. 따라서, 연소 챔버력(combustion chamber forces)의 제외로, 실린더는 기능적인 요소에 의해 야기되는 기계적인 응력으로부터 분리되며, 엔진 블록의 기계적인 그리고 열적인 응력으로부터 분리된다. 그러므로, 실린더는 본질적으로 단지 압력용기일 뿐이다. 이러한 기관 구조는, 피스톤과 실린더의 불균일한 반경방향 비틀림을 제거하고, 실린더-피스톤 경계면이 매우 밀착된 끼워맞춤으로 되도록 하고, 실린더 및 피스톤을 만드는 재료의 열 특성의 가까운 매칭을 가능하게 한다. 장점적으로, 개선된 피스톤 냉각으로, 이러한 특징은 피스톤 링을 가지고 분배하는 기관 설계의 옵션을 가능하게 한다.

도 6a 및 도 6b는 이전 도면의 실린더/피스톤 배열에 기초한 측면-장착식 크랭크축을 가지는 대향-피스톤 기관을 위한 단일-실린더 기관 메카니즘(100)의 완벽 한 조립체를 도시하는 측면 사시도이다. 이 기관 메카니즘(100)은 하나에서 복수의 실린더까지를 가지는 기관 및 어떠한 크기의 기관에 대해 일정한 비율로 만들어질 수 있다. 도 6a에 있어서, 이 메카니즘(100)은 도 5a에 예시된 구조를 가지는, 내부에 배치되는 대향 피스톤(12 및 14)을 갖는 단일 실린더(10)를 포함한다. 대향 피스톤의 새들(16 및 18)은 도면에 도시되어 있다. 커넥팅 로드(20a 및 20c)는 크랭크축(30)에 새들을 연결하고, 커넥팅 로드 쌍(20b)은 크랭크축(32)에 새들(16)을 연결한다. 커넥팅 로드 쌍(22a)은 크랭크축(30)에 새들(18)을 연결하고, 커넥팅 로드(22b 및 22c)는 크랭크축(32)에 새들(18)을 연결한다. 디스펜서 매니폴드 튜브(88) 및 디스펜서(24)는 냉매 매니폴드(96)에 연결되어 있다. 매니폴드 튜브(86) 및 디스펜서(26)는 또 다른 냉매 매니폴드(98)에 연결되어 있다. 2개의 반경방향-대향 정렬 핀(그 중 하나는 부재번호 99로 표시된다)은 기관 작동중 실린더 고정을 위해 실린더(10) 상에 형성되어 있다. 2개의 빔(110 및 112)은 참고로 도 6a에 도시되어 있다. 빔(110)은 매니폴드 튜브(84)가 공기 흡입 매니폴드(도시생략)에 연결될 수 있는 개구(113) 및 연료 매니폴드(도시생략)에 연료 분사기(94)를 연결하는 튜브를 위한 개구(115)를 갖는다. 빔(112)은 매니폴드 튜브(82)가 배기 매니폴드(도시생략)에 연결될 수 있는 개구(117) 및 튜브가 연료 매니폴드(도시생략)에 또 다른 연료 분사기(도시생략)를 연결할 수 있는 개구(119)를 갖는다.

도 6b에 있어서, 기관 메카니즘(100)용 프레임은, 빔(110 및 112)과 함께, 실린더(10)의 각각의 측면에 배치된 2개의 서포트 분리벽(support bulkheads)(120)을 포함한다. 분리벽(120)은 크랭크축(30 및 32)을 수용하고 지지한다. 각각의 분리벽(120)은 I-빔 부분(122) 및 횡단 부분(124)을 포함한다. I-빔 부분은 기관 작동중 크랭크축을 위한 주 지지를 제공한다. 빔(110 및 112)은 횡단 부분(124)의 단부에 부착된다. 크랭크축은 베어링(128)에 의해 I-빔 부분(122) 내에서 회전 가능하게 지지된다. 각각의 분리벽은 인접 실린더의 정렬 핀(99)을 수용하는 짧은 탄성중합체 실린더(132)를 갖는 중앙 개구를 포함한다. 관통구멍(134)은 예를 들어 기어박스와 같은 부가 구성요소의 부착을 위하여 각각의 지지 분리벽 내에 제공된다.

도 6a 및 도 6b의 기관 메카니즘(100)으로부터 단일-실린더 대향 피스톤 기관 모듈의 조립체가 도 7a 내지 도 7d에 도시되어 있다. 이 단일-실린더 기관 모듈에 있어서, 가벼운 알루미늄 단부 플레이트(160 및 162)는 각각의 분리벽(120) 및 각각의 빔(110 및 112)에 부착된다. 이 단부 플레이트(160)는 공급 라인(도시생략)에 액체 냉매 매니폴드(96 및 98)를 수용시키기 위한 개구(163 및 164)를 갖는다. 도 7a 내지 도 7d는 단부 플레이트(160)의 외측 표면을 통하여 분리벽(이들 도면에서는 도시생략) 상에 장착된 기어박스(170)를 도시한다. 기어박스(170)는 크랭크축의 대향 회전 운동이 출력 구동 축에 연결되는 출력 기어열을 수납한다. 크랭크축(30 및 32)의 단부는 기어박스(170) 내로 연장된다. 톱니형 외부 림을 갖는 기어 휠(172)은 크랭크축(30)의 단부에 고정되고 톱니형 외부 림을 갖는 기어 휠(173)은 크랭크축(32)의 단부에 고정된다. 출력 기어 휠(175)은 톱니형 내측 원주(177) 및 톱니형 외측 원주(178)를 갖는 고리(176)를 가진다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 기어 휠(172)의 외부 림은 하나의 위치에서 출력 기어 휠(175)의 내 측 원주(177)를 연결하고 기어 휠(173)의 외부 림은 하나의 위치에 직경방향으로 대향하는 또 다른 위치에서 출력 기어 휠(175)의 외측 원주(178)를 연결한다. 내부 기어(172)와 내측 원주(177) 사이의 기어비는 내부 기어 및 내측 원주 상의 MOD 4 치형을 갖는 33/65 일 수 있는 한편, 외부 기어(173)와 외측 원주(178) 사이의 기어비는 외부 기어 및 외측 원주 상의 MOD 5 치형을 갖는 33/65 일 수 있다. 이러한 기어의 배열은, 불완전한 기어비를 갖는, 그리고 어떠한 중간 벨트, 체인, 또는 다른 토크 전달 요소 없이, 크랭크축(30 및 32)의 대향 회전이 홀수의 기어(본 실시예에서는 3개)를 갖는 출력 기어 휠(175)의 연속적인 회전으로 변화되도록 허용한다. 그 결과는 단순한, 짧은 출력 기어열이다.

단일-실린더 대향 피스톤 기관 모듈의 조립체는 조립된 분리벽 및 빔으로 만들어진 프레임에 가벼운 알루미늄 케이싱 패널(180)을 부착시킴으로써 도 7a 내지 도 7d에 도시된 바와 같이 완성된다. 커버(182)는 기어박스(170)에 고정된다. 커버(182)는 출력 기어 휠(175)의 축(186)을 수용하여 프레임이 회전 가능하게 출력 기어(175)를 지지할 수 있도록 하는 출력 베어링(185)을 포함한다. 그 결과 조립된 단일-실린더 대향-피스톤 기관 모듈은 도 7c에 부재번호 190으로 표시된다. 축(186)은 기관 모듈(190)의 출력 구동을 만들어낸다. 축은 하나 이상의 기어, 벨트, 체인, 캠 또는 다른 적절한 토크 전달 요소 또는 시스템(도시생략)에 의해 구동 구성요소에 직접적으로 또는 중간 전동장치에 연결될 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 한 줄로 배치된 3개의 기관 메카니즘(100)을 갖는 다중-실린더, 대향-피스톤 기관 모듈의 조립체를 예시한다. 전방 및 후방 분리벽은 편 의상 도 8a에는 제거되어 있다. 이 메카니즘(100)은 도 6a 및 도 6b에 이미 예시되고, 앞선 도면에 대하여 논의된 구조물을 가진다. 4개의 분리벽(120)은 이 기관 모듈의 프레임 내에 구비되며, 각각의 베어링으로 크랭크축을 각각 지지한다. 또한 프레임은 분리벽(120)의 횡단 부분에 고정된 기다란 빔(110 및 112)을 포함한다. 단부 플레이트(160 및 162)는 기관 모듈의 단부를 폐쇄한다. 3개의 기어 구동열은 기어박스(170) 내에서 회전 가능하게 지지된다. 액체 냉매 매니폴드(96 및 98)는 3개의 기관 매니폴드(100)에 걸치도록 길다. 다중-실린더 대향 피스톤 기관 모듈의 조립체는 프레임에 가벼운 알루미늄 케이싱 패널(180)을 부착시킴으로써 완성된다. 커버(182)는 기어박스(170)에 고정된다. 커버(182)는 출력 기어 휠(175)의 축(186)을 수용하여 프레임이 회전 가능하게 출력 기어(175)를 지지할 수 있도록 하는 출력 베어링(185)을 포함한다. 그 결과 조립된 단일-실린더 대향-피스톤 기관 모듈은 도 8c에 부재번호 290으로 표시된다. 축(186)은 기관 모듈(290)의 출력 구동을 만들어낸다.

바람직하게, 4개의 동일한 커넥팅 로드가 각각의 피스톤에 구비된다. 본 실시예는 도 6a에 가장 잘 도시되어 있다. 도 6a에 있어서, 실린더(10)의 배기 포트 측 상에서, 2개의 커넥팅 로드(20a 및 20c)는 이격되어 있으며 각각은 새들(16)에 일단이 연결되고 크랭크축(30)에 타단이 연결되어 있다. 커넥팅 로드 쌍(20b)은 2개의 부착 로드로 이루어지며, 각각은 로드(20a 및 20c)에 대해 형상 및 구조가 동일하다. 커넥팅 로드 쌍(20b)은 새들(16)에 일단이 연결되고, 크랭크축(32)에 타단이 연결되어 있다. 실린더(10)의 입력 포트 측 상에서, 2개의 커넥팅 로드(22b 및 22c)는 이격되어 있으며 각각은 새들(18)에 일단이 연결되고 커넥팅 로드 쌍(20b)의 각 측면에서 크랭크축(32)에 타단이 연결되어 있다. 커넥팅 로드 쌍(22a)은 2개의 부착 로드로 이루어지며, 각각은 로드(22b 및 22c)에 대해 형상 및 구조가 동일하다. 커넥팅 로드 쌍(22a)은 새들(18)에 일단이 연결되고, 커넥팅 로드(20a 및 20c) 사이에서, 크랭크축(30)에 타단이 연결되어 있다. 따라서, 각각의 크랭크축에서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 실린더의 일단에서의 피스톤의 커넥팅 로드 쌍은 실린더의 타단 상에서의 피스톤의 2개의 커넥팅 로드와 끼워진다. 이것은 피스톤 상에 힘의 최적 균형을 제공하며 또한 기관을 위한 부품 수를 감소시킨다. 또한 동일한 로드는 기관 작동중 로드의 균일한 열팽창을 유지하는 것을 조력한다.

커넥팅 로드는 단조된 강철 또는 티타늄으로 만들어지며, 실린더 및 피스톤은 크롬도금된 실린더 보어와 함께 알루미늄-실리콘 합금으로 만들어지며, 액체 냉매-안내요소는 강철 튜브로 만들어지며, 크랭크축은 단조된, 기계가공된 강철로 만들어진다. 기관 프레임 부품은 알루미늄과 같은 경량 합금으로 만들어질 수 있다.

하나 이상의 실린더의 대향-피스톤 기관 내에서 실린더 상에 그리고 피스톤 상 및 내에 분배되도록 액체 냉매를 공급하기 위한 공급 시스템(300)이 도 9a에 예시되어 있다. 이 액체 냉매는 피스톤에 적용되어 소정의 적용에 대해 충분히 피스톤을 냉각시킬 수 있는 어떠한 액체일 수도 있다. 윤활유 및 디젤 연료는 2개의 가능성이다. 이 도면에서, 액체 냉매(310)의 공급원은 저-압력, 고-체적 펌프(312)에 연결된다. 펌프(312)는, 예를 들어 100HP 기관용 3 내지 10gal/min의 범위 내에서 액체 냉매를 제공하는 원심펌프로 이루어질 수 있으며, 이 펌프는 매니폴드(96 및 98)에 분배 라인(313)을 통해 액체 냉매를 공급한다. 이들 매니폴드는 하나 이상의 모듈(100)의 분배 매니폴드(86 및 88)에 그리고 디스펜서(24 및 26)에 낮은 압력으로 액체 냉매의 고 체적을 공급한다. 액체 냉매는 대향-피스톤 기관 내에서 섬프(sump)(315)에 의해 수집된다. 섬프에 연결된 펌프(317)는 수집된 액체 냉매를 필터(318) 및 라디에이터(319)를 통하여 공급원(310)에 되돌아가도록 공급한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 라인(320)은 라디에이터(319)와 평행하게 구비될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 밸브(321)는 라디에이터(319)를 통하여 액체 냉매 흐름을 제어하며 밸브(322)는 라인(320)을 통하여 액체 냉매 흐름을 제어한다. 통상의 작동을 위하여, 단지 밸브(321)만이 개방되어, 라디에이터(319)를 통하여 액체 냉매를 유동시키도록 허용하며, 그에 따라 라디에이터(319)를 경유하여 피스톤 및 실린더의 열을 방산한다. 짧은 기간의 부스트 작동(boosted operation)을 위하여, 밸브(321 및 322)는 모두 개방되고, 그에 따라 라디에이터(319)를 경유하여 피스톤 및 실린더의 열을 방산하며 공급원(310) 내에서 액체 냉매의 저장소 내의 열 일부를 흡수한다. 마지막으로, 라디에이터 고장과 같은 비상 작동 중에, 밸브(321)는 폐쇄되고 밸브(322)는 개방되며, 그에 따라 액체 냉매의 저장소 내로 피스톤 및 실린더의 열을 일시적으로 전환시킨다.

대향-피스톤 기관이 압축-점화 기관으로서 작동된다면, 연료 분사는 연소용 실린더에 디젤 연료를 공급하는 방법이다. 이러한 경우에, 디젤 연료는 액체 냉매로서 그리고 피스톤용 윤활제로서 바람직하게 기능할 수도 있다. 그러므로 연료 및 냉각 공급원을 병합시켜, 다중 공급원에 대한 필요를 제거하는 것이 가능하다. 도 9b를 참조하면, 피스톤 상 및 내에 그리고 실린더 상에 분배되도록 그리고 하나 이상의 실린더의 대향-피스톤 기관 내의 연료 분사기에 디젤 연료를 공급하기 위한 시스템(400)이 예시되어 있다. 본 도면에서, 디젤 연료의 공급원(410)은 저-압력, 고-체적 펌프(412)(예를 들어 원심 펌프)에 연결되며, 이 펌프는 분배 라인(413)을 통하여 매니폴드(96 및 98)에 액체 냉매를 공급한다. 이들 매니폴드는 하나 이상의 기관 메카니즘(100)의 분배 매니폴드(86 및 88)에 그리고 디스펜서(24 및 26)에 저압으로 액체 냉매의 고 체적을 공급한다. 디젤 연료는 대향-피스톤 기관 내에서 섬프(415)에 의해 수집된다. 섬프에 연결된 펌프(417)는 수집된 디젤 연료를 필터(418) 및 라디에이터(419)를 통하여 공급원(410)에 되돌려 보내도록 공급한다. 라디에이터(419)와 평행한 복귀 라인(420)이 구비된다. 밸브(421 및 422)는 도 9a의 밸브(321 및 322)와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 라디에이터(419) 및 복귀 라인(420)의 사용을 제어한다. 공급원(410)에 연결된 프리-펌프(423)는 필터(424)를 통하여, 그리고 분사기에 공급되는 연료의 압력을 가압시키는 고압 펌프(426)에 디젤 연료를 공급한다. 예를 들어, 펌프(426)는 30,000psi로 디젤 연료를 공급할 수 있다. 펌프(426)로부터의 연료는 하나 이상의 연료 분사기(94)의 입력 포트 그리고 공통의 레일(429)에 연결된 입력 연료 라인(427)을 통하여 공급된다. 하나 이상의 연료 분사기의 복귀 포트는 라인(430)을 통하여 공급원(410)까지 복귀된다. 전자 제어 유닛(ECU)(431)은 하나 이상의 연료 분사기(94)의 작동을 제어한다.

본 명세서에 따라서 만들어진 기관의 또 다른 장점은 크랭크축 및 커넥팅 로 드를 지지하기 위해 사용되는 모든 베어링이 롤러 베어링일 수 있다는 것이다. 이들 베어링은 디젤 연료를 분사함으로써 윤활될 수 있으며, 대향-피스톤 기관의 작동 온도에서의 그 윤활성 및 점성은 윤활을 위해 완벽하게 어울린다.

따라서, 펌프(412)를 통하여, 시스템(400)은 기관의 모든 베어링에 대한 윤활제로서 디젤 연료를 공급할 수 있으며, 기어박스(170) 내에 저장할 수 있다. 이러한 관점에서, 디스펜서로부터 공급되는 디젤 연료로서, 이 디젤 연료는 기관 내에서 안개상으로 교반되며 기관의 가동부품 사이에서 그리고 기관 내에 포함된 구름 베어링 내로 기관의 구석구석에 펼쳐진다. 그래서 단일의 공급원은 그러한 냉매 및 기관에 대한 윤활제를 공급하기 위해 사용될 수 있다.

하나 이상의 실린더의 대향-피스톤 기관 내에서 피스톤 상 및 내에 그리고 실린더 상에 분배되도록 액체 냉매를 공급하기 위한 또 다른 공급 시스템(350)이 도 9c에 예시되어 있다. 이 시스템은 도 9a의 시스템(300)과 같이 액체 냉매만을 분배하기 위하여 사용될 수도 있고, 또는 도 9b에 예시된 바와 같이 기관을 냉각시키고, 윤활시키고, 연료를 공급시키기 위해 디젤 연료를 분배하기 위해 시스템 내에 다른 요소를 병합할 수도 있다. 액체 냉매는 피스톤에 적용되어 소정의 적용을 위해 충분히 피스톤을 냉각시킬 수 있는 어떠한 액체일 수도 있다. 윤활유 및 디젤 연료는 2개의 가능성이다. 본 도면에서, 하나 이상의 기관 메카니즘(100)을 포함하는 기관 인클로저(engine enclosure)(352)는, 상기 설명된 디스펜서에 의해 방출되는 액체 냉매가 수집되는 섬프 구역(357)을 포함한다. 섬프 구역(357) 내에 수집된 액체 냉매는 통상의 작동 유체 레벨(358)을 가진다. 공급원 밸브(359)는 기관 인클로저 내에 장착된다. 섬프 구역(357) 내에 수집된 액체 냉매와 접촉되는 레벨 센서(360)는 공급원 밸브(359)의 상태를 선택하는 연동장치(361)를 제어한다. 공급원 밸브(359)는 저-압력 고-체적 펌프(362)에 연결된 출력을 가진다. 펌프(362)는, 예를 들어 원심 펌프로 이루어질 수 있다. 공급원 밸브(359)는 2개의 입력, 즉 섬프 구역(358)으로부터 공급 라인(363)에 연결되는 첫 번째 입력과, 액체 냉매를 담고 있는 공급 탱크(366)로부터 공급 라인(364)에 연결되는 두 번째 입력을 가진다. 펌프(362)는 공급 라인(367)을 통하여 필터(368)에 그리고 그것을 통해 라디에이터(369)에 액체 냉매를 공급한다. 라이에이터(369)로부터, 액체 냉매는 공급 라인(370)을 통하여 매니폴드(96 및 98)까지 유동한다. 이들 매니폴드는 디스펜서(24 및 26)에 그리고 하나 이상의 모듈(100)의 분배 매니폴드(86 및 88)에 저압으로 액체 냉매의 고 체적을 공급한다. 예를 들어, 액체 냉매는 100HP 기관용 3 내지 10gal/min의 범위로 제공될 수 있다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 열 밸브(thermal valve)(372)는 필터(368)의 출력과 공급 라인(370) 사이에서 라디에이터(369)와 평행하게 연결되어 있다. 열 밸브(372)의 상태는 액체 냉매의 온도에 의해 또는 비상 회로(373)에 의해 제어된다. 또한 비상 회로(373)는 공급원 밸브(359)에 연결되어 있다. 레벨 밸브(375)는 필터(368)의 출력, 라디에이터(369)의 입력, 및 열 밸브(372)의 입력과 공통으로 연결된 입력을 가진다. 레벨 밸브(375)의 출력은 공급 라인(377)을 통하여 공급 탱크(366)에 연결되어 있다. 또한 제어 전동장치(361)는 레벨 밸브(375)의 상태를 제어하기 위해 연결되어 있다.

도 9c를 참조하면, 통상의 작동시, 레벨 센서(360)는 섬프 구역(357) 내의 액체 냉매의 레벨을 검출하여 섬프 구역(357) 또는 공급 탱크(366) 중 어느 하나를 펌프(362)를 위한 공급원으로서 선택한다. 작동 레벨에 도달되면, 레벨 센서는 섬프 구역(357)으로부터만 액체 냉매를 끌어당기는 상태로 공급원 밸브를 위치시키도록 제어 연동장치를 설정한다. 가열된 액체 냉매는 필터(368)를 통해 라디에이터(369) 및 열 밸브(372)까지 펌프(362)에 의해 공급된다. 액체 냉매의 설계 작동온도가 달성되면, 열 밸브는 라디에이터(369)를 통한 액체 냉매의 유동을 조절하도록 부분적으로 또는 전체적으로 폐쇄되고, 그에 따라 기관 온도를 조절한다. 액체 냉매의 유동은 이 액체 냉매가 기관 구성요소로부터 열을 제거하도록 적용되는 디스펜서까지 공급 라인(370)을 통하여 이어진다. 섬프 구역 내의 액체 냉매의 레벨이 너무 높으면, 레벨 센서(360)는 제어 연동장치(361)가 레벨 밸브(375)를 부분적으로 개방시키도록 하여 368에서 여과 후 공급 탱크(366)로 액체 냉매 일부를 복귀시킨다. 라디에이터(369)를 일시적으로 우회할 필요가 있는 비상 상황에서, 비상 회로(373)는 열 밸브(372)를 완전히 개방시키고, 그에 따라 라디에이터(369)를 회피시켜, 공급원 밸브(359)가 공급 탱크(366)로부터 액체 냉매를 초기에 끌어당기도록 강제한다. 섬프 구역(357) 내에 축적된 여분의 액체 냉매는 레벨 센서(360)에 응답하여 레벨 밸브에 의해 제거된다. 일시적인 최대 성능을 위하여, 열 밸브(372)는 폐쇄되고, 그에 따라 라디에이터(369)의 전체 능력을 활용하는 한편, 공급원 밸브(359)의 상태는 공급 탱크(366)로부터만 유체를 끌어당기도록 설정된다.

대향-피스톤 기관에 충전 공기를 제공하고 배기가스를 배출시키기 위한 시스템(500)은 도 10에 예시되어 있다. 시스템은 하나 이상의 실린더(10)를 사용하기 위해 일정한 비율로 만들어질 수 있다. 시스템(500)에 있어서, 공기 흡입 매니폴드 라인(534) 및 배기 출구 매니폴드 라인(532)은 하나 이상의 모듈의 흡입 포트 튜브(84) 및 배기 포트 튜브(82)에 각각 연결되어 있다. 이들 매니폴드 라인은 기관 인클로저 외측에 장착되는 것이 바람직하다. 도 10에 개략적으로 예시된 기관은 터보-과급(turbo-supercharged) 또는 과급 기관이다. 따라서, 매니폴드 라인은 터보-과급기(536)에 연결되어 있다. 특히, 배기 매니폴드 라인(532)을 통하여 이동하는 배기가스는 압축기(542)를 기계적으로 구동시키기 위해 출력 라인(538) 도중의 터빈(540)을 구동시킨다. 압축기(542)는 공기 흡입 라인(537) 내의 공기를 끌어당겨, 인터쿨러(539)를 통하여 흡입 매니폴드 라인(534)에 공기를 향하게 하기 전에 흡입 공기를 압축한다. 통상, 과급기 또는 동등한 장치는 기관을 시동시키기 위하여 공기 배출(scavenge)을 제공하기 위해 인터쿨러(539)와 매니폴드 라인(534) 사이에 연결될 수 있다.

본 제1 실시형태의 예시에 포함되지 않은 다른 기관 요소들은 대향-피스톤 기관의 각 적용의 특정 환경에 따라서 구비될 수 있다. 이러한 관점에서, 기어박스(170)는 기름에 의해 밀봉되고 자가-윤활될 수 있거나 기관의 나머지 부분으로부터 별개로 윤활될 수 있다. 변경적으로, 개방된 상태로 남겨지고, 적절한 윤활제가 활용된다면, 피스톤을 냉각시키고 윤활시키기 위해 사용되는 냉매/윤활제에 의해 윤활될 수 있다.

이전의 기관에서, BMEP가 증가함에 따라, 피스톤 링/실린더 경계면에서의 마찰은 증가하고 경계면 온도는 상승한다. 증가된 경계면 온도는 궁극적으로 피스톤 으로부터 경계면으로의 열의 흐름보다는 경계면으로부터 피스톤 내로 돌아가는 열의 흐름을 야기시킨다. 결과적으로, 링은 더 이상 피스톤을 냉각시키지 않는다. 피스톤 스커트부 및 머리부분의 내측 표면에 대한 냉매의 최대 흐름을 가정하면, 남아있는 냉각시킬 피스톤 표면은 단지 스커트부 및 머리부분의 외부 표면뿐이다. 머리부분의 외부 표면은 연소 챔버의 구성요소이며 연소가스 팽창 및 공기흐름 배출에 의해 단지 간신히 냉각될 뿐이다. 그밖에는 이 표면은 외부 냉각이 이루어지기 어렵다. 종래의 기관에 있어서, 피스톤이 실린더 내에 들어있었기 때문에 피스톤 스커트부의 외부 표면 역시 피스톤 냉각이 이루어지기 어렵다. 그러나, 실린더 보어로부터 피스톤을 실질적으로 꺼내짐으로써 피스톤 스커트부의 외부 표면의 주기적인 노출로, 이 표면은 냉각될 수 있다. 결과적으로, 피스톤 스커트부 및 머리부분의 내측 표면만을 냉각시키는 것에 비해 대략 2배의 열전달 양이 성취될 수 있다.

제2 기관 실시형태

대향-피스톤 내연기관에 있어서, 실린더는 기관 작동중 연소의 결과로서 불균일한 열응력을 받는다. 상기된 제1 실시형태의 고려는, 외측 표면으로부터 실린더의 바닥을 향하여 떨어지는 액체 냉매의 넓은, 저속 흐름으로는 실린더의 외부 표면을 직접 적심으로써 모든 경우에 있어서 그러한 응력이 적절하게 제어될 수는 없다는 것을 깨닫게 한다. 한편, 피스톤은 피스톤 머리부분의 배후 표면에 대한 액체 냉매의 직접적인 분사의 적용에 의해서만 높은 BMEP의 조건 하에서 적절하게 냉각될 수 있다는 것이 또한 인정된다.

이들 통찰력은, 실린더 내의 비대칭적인 열 분포에 대해 냉각을 맞추기 위해서 열의 변화량을 제거하도록 방향을 바꾸고 면적밀도를 바꾸는 실린더의 외부 표면의 전체 환경에 걸친 액체 냉매 흐름의 적용에 의해 실린더 내에서 발생하는 열 불균일성이 제거되거나 또는 적어도 실질적으로 감소된 대향-피스톤 내연기관의 제2 실시형태의 설계를 이끌어냈다. 더욱이, 피스톤의 열적으로 유도된 비틀림은 피스톤 머리부분에서의 감소된 벽 두께를 준비함으로써 그리고 머리부분의 배후 표면에 대해 액체 냉매의 직접적인 분사를 적용함으로써 감소되거나 제거된다.

실린더내의 열적인 불균일의 부재 및 높은 BMEP에서 피스톤 머리부분의 열 비틀림은 압축 및 연소중 실린더와 피스톤 사이의 최소한의 가스 흐름("블로우바이(blowby)")을 가지는 실린더 보어와 피스톤 사이의 단단하게 제어된 끼워맞춤을 초래한다. 열적으로 유도된 비틀림의 개선된 제어 및 제1 실시형태에서의 커넥팅 로드, 새들, 및 크랭크축 사이의 구조적인 관계로, 제2 실시형태의 기관은 감소된 피스톤 측력을 가지고 작동하며 링리스(ringless) 피스톤을 가지고 작동될 수 있다.

제2 실시형태의 대향-피스톤 내연기관은 상기 설명된 제1 실시형태의 요소와 형태 및/또는 기능에 있어서 상응하는 요소를 포함한다. 그럼에도 불구하고, 편의상 또한 이해를 돕기 위하여, 제2 실시형태의 요소들은 제1 실시형태의 상응하는 요소의 부재번호와는 독립적으로 부재번호가 부여된다.

도 11a 내지 도 11d는 대향-피스톤 내연기관의 제2 실시형태에 사용될 수 있 는 실린더(1100)를 예시한다. 이 실린더(1100)는 4개의 부분, 즉 원통형 보어(1103)를 갖는 개방된 원통형 튜브로서 형성된 실린더 라이너(1102), 배기 매니폴드(1104), 흡입 매니폴드(1106), 및 실린더 슬리브(1140)를 가진다. 바람직하게, 실린더(1100)는 고온 알루미늄 합금과 같은 알루미늄으로 만들어지며, 단일의 조각으로 주조될 수도 있고, 또는 실린더 슬리브(1140)에 매니폴드(1104 및 1106)를 고정시킨 다음 실린더 라이너(1102)의 외부 표면에 그 하위 조립체를 고정시킴으로써 조립될 수 있다. 또한 실린더 라이너(1102)의 길이방향 축선(Ac)은 실린더(1100)의 길이방향 축선이다.

도 11a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 실린더 라이너(1102)는 실린더 라이너(1102)의 배기 단부(1109) 근처에서 일련의 원주방향으로 이격된 개구(1108)로 구성된 배기 포트(1105)를 가진다. 또한 실린더 라이너(1102)는 흡입 단부(1112) 근처에서 일련의 원주방향으로 이격된 개구(1110)로 구성된 흡입 포트(1107)를 가진다. 배기 포트(1105)의 각각의 개구(1108)는 아래쪽으로 경사진 단부(1108r)를 가진다. 실린더 라이너(1102)의 배기 단부(1109)를 향하여 소용돌이치는 연소 가스는 배기 매니폴드(1104) 내로 적어도 실린더 라이너(1102)의 밖으로 우회된다. 유사하게, 흡입 포트(1107)의 각각의 개구(1110)는 위쪽으로 경사진 단부(1110r)를 가지며 여기에서 흡입 매니폴드(1106)를 통하여 흡입 포트(1107) 내로 유동하는 압축된 공기는 배기 단부(1109)를 향하여 나선 방향으로 보어(1103) 내로 우회된다.실린더 라이너(1102)의 중심 부분(1114)에는, 다수의 나사가공된 개구(1116)가 원주방향으로 잇달아 구비된다. 적어도 하나의 개구(1116)는 연료 분사기를 수용하 며, 적어도 하나의 다른 개구(1116)는 압력 또는 온도와 같은 기관 작동 조건을 감지하기 위한 센서를 수용한다. 도시된 실린더 라이너(1102)에 있어서, 예를 들어 연료 분사기를 수용하기 위한 2개의 개구(1116), 압력 센서를 수용하기 위한 하나의 개구(1116), 그리고 온도 센서를 수용하기 위한 하나의 개구(1116)가 존재할 수 있다.

도 12의 곡선(1200)은 기관 작동중 실린더 라이너(1102)의 내측 벽 상에서 길이방향 경로(trace)를 가로지르는 평균 열유량(average heat flux)을 나타낸다. 곡선(1200)이 나타내는 바와 같이, 실린더 라이너(1102)는 그 길이방향 축선에 대하여 불균일하게 가열된다. 실린더 라이너(1102)는 연소가 일어나는 중심 부분(1114) 내에서 가장 큰 열 부하를 가진다. 또한, 배기 포트(1105)를 가지는 실린더 라이너의 단부는 흡입 포트(1107)를 가지는 단부보다 큰 열 부하를 경험한다. 따라서, 실린더(1100)의 온도 내에서의 불균일성 및 그 결과의 보어(1103)의 원통형 불균일성을 최소화하기 위해서, 실린더(1100)는 그 부분이 기관 작동중 가열되는 불균일 경로(way)를 수용하는 조절된 방식으로 냉각되어야 한다. 다시 말해서, 실린더(1100)를 냉각시키기 위한 시스템은 축선방향 중심 근처로부터 흡입 단부까지의 실린더 부분보다 축선방향 중심 근처로부터 배기 단부까지의 실린더 부분에 대해 보다 큰 냉각 용량을 제공하여야 하며, 실린더의 중심 부분에 가장 높은 냉각 용량을 제공하여야 한다.

실린더(1100)의 길이방향 축선을 따라서 열유량을 변화시킴으로써 야기되는 그 축선을 따른 실린더 벽 온도에 있어서의 불균일성을 최소화하는 것에 더하여, 일련의 개구(1116)로 인한 중심 부분(1114)에 있어서의 경우와 같이 외주 주위에서 냉각이 불균일하다면, 균일한 열유량을 갖는 실린더 벽 내의 원주방향 온도 변화에 대한 가능성이 존재한다. 원주방향 온도 균일성을 유지하기 위해, 그에 따라 원통형 균일성을 유지하기 위해, 중심 부분(1114)에 있어서 이들 개구(1116) 근처의 냉각은 개구가 존재하지 않을 때 야기되는 냉각을 포괄해야만 한다.

이러한 목표에 만족하는 조절된 냉각 용량을 제공하기 위해, 다수의 홈부 또는 채널들이 실린더 라이너(1102)의 외측 표면(1120) 상에 구비된다. 도 11a, 도 11b, 및 도 11d를 참조하면, 얽혀진 홈부(1123)의 제1 그룹(1122)은 중심 부분(1114)으로부터 배기 포트(1105)를 향하여 외측 표면(1120) 둘레에서 나선형을 그리며 형성되고, 얽혀진 홈부(1127)의 제2 그룹(1126)은 중심 부분(1114)으로부터 흡입 포트(1107)를 향하여 외측 표면(1120) 둘레에서 나선형을 그리며 형성된다. 이들 2개의 그룹의 각 홈부는 중심 부분(1114) 내 또는 근처에서 시작되어, 외측 표면(1120) 둘레에 나선형 경로를 형성하고, 각각의 포트(1105, 1107) 근처에서의 드릴가공된 반경방향 단면(drilled radial section) 내에서 종결된다. 각각의 드릴가공된 반경방향 단면은 실린더 라이너(1102)의 가장자리를 통하여 실린더 라이너(1102) 내에서 길이방향으로 연장된 드릴가공된 축선방향 채널과 연통한다. 부재번호 1129로 표시된 그러한 축선방향 채널 중 하나는 홈부(1127)의 단부(1127e)와 함께 드릴가공된 반경방향 단면(1130)을 통하여 연통되며 구멍(1133)을 통하여 가장자리(1131)를 관통한다. 이것은 액체 냉매의 흐름이 중심 부분(1144) 내 또는 근처의 홈부의 시작으로부터 유동되어, 실린더 라이너(1102)의 각각의 단부를 향하 는 홈부의 나선형상을 따라서, 실린더 라이너 내의 채널을 통해, 그리고 실린더 라이너(1102)의 가장자리 내의 구멍 밖으로 유동되도록 한다. 홈부의 각각의 그룹(1122, 1126)은 중심부분(1114)으로부터 실린더 라이너(1102)의 단부까지 액체 냉매의 모든 유동을 안내하며, 실린더 라이너의 각각의 상응하는 부분, 그에 따라 실린더(1100) 자체의 냉각을 가능하게 한다. 각각의 그룹의 홈부들 사이에는 피치(pitch), 또는 간격(일정하거나 변화할 수 있는)이 존재하며 중심 부분(1114)으로부터 배기 단부(1109)를 향하여 연장되는 그룹(1122)의 홈부에 대한 피치는 중심 부분(1114)으로부터 흡입 단부(1112)를 향하여 연장되는 홈부의 그룹(1126)에 대한 피치보다 작다. 결과적으로, 보다 많은 액체 냉매가 흡입 포트(1107)를 포함하는 실린더 라이너 부분보다 배기 포트(1105)를 포함하는 보다 넓은 표면적에 걸친 원통형 라이너 부분에 접촉되며, 그에 따라 배기 포트(1105)를 포함하는 원통형 라이너 부분에 대한 보다 큰 냉각 용량을 제공한다. 또한 냉매는 냉각 요구가 가장 큰 곳인 실린더 라이너(1102)의 중심부분(1114) 근처에서 홈부에 들어가기 때문에, 가장 차갑고, 그러므로 가장 큰 열교환 능력을 갖는다. 나아가서, 홈부는 그 길이를 따라서 변경가능한 단면적을 가질 수 있어, 홈부 내에서 냉매의 국지적인 유속에 또한 그에 따라 열 제거율에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 나선형상 홈부의 냉각 용량은 얽혀진 홈부의 개수, 홈부의 길이, 홈부의 피치, 홈부의 길이를 따른 단면적 및 채널 내로의 냉매 유량 중 하나 또는 모두를 변화시킴으로써 넓은 범위에 걸쳐서 설정 가능하다.

여전히 도 11a, 도 11b, 및 도 11d를 참조하면, 홈부(1135)의 제3 그룹은, 각각이 홈부(1135)가 중심 부분 내에서의 2개의 개구(1116) 사이에서 연장되는 상태로, 실린더 라이너(1102)의 중심 부분 내에서의 외측 표면(1120) 둘레에서 연장된다. 각각의 홈부(1135)는 실린더 라이너(1102)의 외주 상에서 원호형상으로 연장되는 기다란 부분(1137), 및 이 기다란 부분(1137)의 대향 단부에서의 횡단 부분(1138)을 가진다. 각각의 횡단 부분(1138)은 기다란 부분(1137)을 가로질러 각각의 홈부(1135)는 I자의 형상을 가진다. 도 11a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 횡단 부분(1138)은 개구(1116)에 근접하여 위치결정된다. 작동시, 기다란 부분(1137)의 중심에서 각각의 홈부(1135)로 인도된 액체 냉매는 기다란 부분(1137)을 통하여 각각의 횡단 부분(1138)을 향하여 유동하고 그 후 각각의 횡단 부분(1138)의 양쪽 끝에서 실린더 슬리브(1140) 내의 구멍(1147)으로부터 배출된다. 따라서, 각각의 홈부(1135) 내에서 유동하는 액체 냉매는, 개구(1116) 근처에서, 홈부의 각각의 단부(1138)에서 보다 긴 유동 경로를 가진다. 결과적으로, 각각의 홈부(1135)는, 개구(1116) 근처에서, 중심 부분(1114)의 가장 뜨거운 부분에서의 냉각을 위한 가장 큰 용량을 제공한다. 중심 부분(1114)에 제공되는 냉각 용량은 중심 부분 내에서의 가장 가까운 개구(1116)까지의 원주방향 거리에 따라 변화한다. 홈부(1135) 내에서의 냉각은 나선형 홈부(1122, 1126)의 그룹에 의해 냉각되기 어려운 개구(1116)의 영역으로부터 열을 제거하기 위한 매우 효과적이고, 집중된 방법이다. 중심 부분(1114) 내에서의 열 제거의 효과는, 냉매가 단부의 끝까지 유동하기 전에 각각의 단부(1138)의 중심까지 유동 또한 접촉하는 구역 내에서 야기되는 냉매의 정체 유동 패턴에 기인한다.

실린더(1100)의 조립체 상세는 도 11a 내지 도 11d에 도시되어 있다. 관형 실린더 슬리브(1140)는 표면(1120) 상에 수용되고, 중심 부분(1114) 상에 집중되며 배기 및 흡입 매니폴드(1104 및 1106)까지 연장되어 있다. 매니폴드(1104, 1106)는 배기 및 흡입 매니폴드(1104 및 1106)와 실린더 슬리브 사이의 심부(seam)(1141)에서 실린더 슬리브(1140)에 용접될 수 있다. 그러한 용접부(1141w)는 도 11d에 가장 잘 도시되어 있다. 변경적으로, 매니폴드(1104 및 1106)는 실린더 슬리브(1140)의 각각의 부분과는 개별적으로 주조되어 용접에 의해 서로 또한 실린더 라이너(1102)에 고정될 수 있다. 또한, 배기 및 흡입 매니폴드(1104 및 1106)와 실린더 슬리브(1140)는 홈부(1123, 1127 및 1135)를 덮으며, 이들 홈부 내에 액체 냉매의 흐름을 한정시킨다. 도 11b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 실린더 슬리브(1140)는 포트(1142, 1144, 및 1145)를 포함한다. 각각의 포트(1142)는 중심 부분(1114) 근처의 각각의 홈부(1123)의 시작부분에 위치결정된다. 각각의 포트(1144)는 중심 부분(1114) 근처의 각각의 홈부(1127)의 시작부분에 위치결정된다. 그리고 각각의 포트(1145)는 중심 부분(1114) 근처의 각각의 홈부(1135)의 기다란 부분(1137)의 중심에 위치결정된다. 액체 냉매는, 실린더 라이너(1102)의 중심 부분(1114)에서 또는 근처에서, 포트(1142 및 1144)를 통하여 홈부(1123 및 1127) 내로 유동하며, 홈부 및 드릴가공된 채널(1129)을 통하여 흘러, 실린더 라이너(1102)의 단부 가장자리에서 구멍(1133) 밖으로 유동한다. 액체 냉매는 포트(1145)를 통하여 홈부(1135) 내로 유동하며, 기다란 부분(1137)을 통하여 흘러, 단부(1138)까지 유동한다. 실린더 슬리브(1140)를 관통하여 구비된 구 멍(1147)은 액체 냉매가 홈부(1135)의 밖으로 유동하도록 허용하기 위해 단부(1138)의 끝에 위치결정된다. 도 11c에 가장 잘 도시된 바와 같이, 포트(1142, 1144 및 1145)는 도 16a 및 도 16b와 관련하여 아래에 설명되는 바와 같이 액체 냉매 공급 시스템에 연결되는 액체 냉매 공급 라인(1149) 상에 장착된 커플링(1148)을 수용한다. 3개의 액체 냉매 공급 회로가 홈부의 3개의 그룹에 대하여 액체 냉매를 공급하도록 액체 냉매 공급 시스템 내에 구비될 수 있다. 각각의 회로는 홈부의 그룹에 대하여 소정의 압력 및 유량으로 액체 냉매를 입력하도록 홈부와 연통되는 포트를 통하여 홈부의 각각의 그룹에 연결되어 있다. 이들 도면에 있어서, 라인은 실린더 라이너(1102)의 외측 표면(1120) 상의 홈부 밖으로 유동하는 액체 냉매를 안내하기 위해 구비되지 않는다. 도 9a의 도시에 따라서, 액체 냉매는 기관 내의 섬프에 의해 수집될 수 있다. 이러한 경우에, 실린더 라이너(1302)의 각각의 가장자리에서 구멍(1133)을 통하여 방출되는 액체 냉매의 일부는 피스톤이 보어(1303) 내에서 왕복운동함에 따라 대향 피스톤의 외측 스커트부 표면 상으로 떨어지며(도 11a 내지 도 11e에는 도시생략), 그에 따라 기관 작동중 이들 표면을 냉각 및 윤활시킨다. 변경적으로, 실린더(1100) 상의 홈부의 단부 밖으로 유동하는 액체 냉매는 도 16b와 관련하여 아래에 설명되는 바와 같이 액체 냉매의 수집 및 재순환을 위하여 구멍(1133 및 1147)에 대한 종래의 끼워맞춤에 의해 연결되는 액체 냉매 복귀 라인 내로 안내될 수 있다.

도 11c 및 11d에 도시된 바와 같이, 배기 및 흡입 매니폴드(1104 및 1106)는 배기 및 흡입 포트(1105 및 1107)와 연통하는 각각의 내부 환형 소용돌이부(1150 및 1152)를 각각 가진다. 바람직하게 각각의 소용돌이부(1150 및 1152)는 유동하는 가스의 와류를 유도하는 한편, 거친 소용돌이 혼합을 제어하기 위해서 소용돌이 형태를 가진다. 압축된 공기를 소용돌이치게 하는 것은 배출을 용이하게 하고 연소 효율을 강화시킨다. 덕트(1153 및 1154)는, 도 10의 시스템과 같이, 대향-피스톤 기관으로부터 배기가스를 방출하고 공기 충전을 제공하기 위한 시스템에 배기 및 흡입 매니폴드(1104 및 1106)를 연결한다.

도 11b 내지 도 11d에 도시된 바와 같이, 실린더 슬리브(1140)는 하나 이상의 개구(1156)를 포함하며, 각각의 개구는 실린더 라이너(1102) 내에서 상응하는 나사가공된 개구(1116)와 정렬된다. 하나 이상의 연료 분사기(1158)는 노즐에 각각 나사결합되어 개구(1116) 내로 나사결합됨으로써 실린더(1100)에 장착된다. 각각의 연료 분사기(1158)는 고압 연료 라인(1160)에 대해 1159에서 결합되며 도 9b의 시스템에서와 같은 시스템에 의해 연료를 제공받을 수 있다. 실린더(1100)가 대향-피스톤 기관 내로 조립될 때 이 실린더(1100)는 프레임(이들 도면에서는 도시생략) 내에 수용되는 장착 탭(1164)을 구비한다.

도 13a 내지 도 13e는 대향-피스톤 내연기관의 제2 실시형태에 사용될 수 있는 피스톤(1300)을 예시한다. 바람직하게 이 피스톤(1300)은 링을 가지고 있지 않다. 이 피스톤(1300)은 피스톤 머리부분(1308)을 형성하는 폐쇄된 단부를 갖는 원통형부(cylindrical section)(1302)를 가진다. 이 원통형부(1302)는 머리부분(1308)에 대향되는 개방단부(1309)를 가진다. 머리부분(1308)으로부터 개방단부(1309)까지 뻗어있는 원통형부(1302) 부분은 피스톤 스커트부(1310)를 형성한다. 또한 원통형부(1302)의 길이방향 축선(Ap)은 피스톤(1300)의 길이방향 축선이다.

링 없이 효과적으로 작동하기 위해서, 피스톤(1300)은 모든 기관 작동 조건 하에서 적어도 실질적으로 원통형 대칭을 유지하고 있어야만 한다. 피스톤의 변형은 열팽창, 압축압력, 연소압력, 관성력 및 블로우바이(blowby) 압력을 초래한다. 열변형의 가장 큰 위험은 머리부분에서, 특히 머리부분(1308)이 스커트부(1310)로 바뀌는 코너부(1312)에서 또한 코너부 근처에서 일어난다. 냉각이 없다면, 피스톤(1300)의 이 부분은 기관 작동중 불룩해질 수 있어, 피스톤(1300)을 버섯 또는 튤립 형상으로 만들 수 있다. 이러한 열-유도된 변형은 실질적으로 균일하며, 제어되지 않는다면, 피스톤과 실린더 보어 사이의 접촉에 있어서의 위험을 상승시킨다. 이 변형은 머리부분(1308)에 있어서의 열 임피던스를 최소화하기 위해서 머리부분(1308)에 있어서 단면 x-x를 가능한 한 얇게 유지하는 한편 머리부분의 배후 표면 상에 액체 냉매의 하나 이상의 분사의 직접적인 적용에 의해 머리부분을 냉각시킴으로써 제거되거나, 또는 적어도 실질적으로 감소될 수 있다. 변형이 실질적으로 균일하기 때문에, 냉각은 머리부분 내 및 근처에서의 실질적으로 대칭인 열 분포로 조절될 수 있다.

그러나 얇은 머리부분은 정확하게 연소중 가장 큰 압력이 수용되어야 하는 피스톤을 약하게 만들 수 있다. 피스톤(1300)에 있어서, 머리부분(1308)에서의 구조적인 견고성은 연소중 머리부분에서 견뎌낼 부하를 피스톤의 스커트부 및 다른 요소에 대해 전달하도록 머리부분(1308)과 스커트부(1310) 사이에서 연장되는 부하-지지 요소 또는 부재의 준비에 의해 확보된다. 머리부분(1300)의 효과적인 냉각 으로, 피스톤 스커트부(1302)를 통하여 열을 전달하는 것은 보다 덜 중요해지게 된다. 결과적으로, 스커트부(1302)는 요구되는 것보다 얇게 만들어질 수 있으며 그에 따라 피스톤의 무게를 감소시키고 기관 PWR을 강화시킬 수 있다.

또 다른 이점은 실린더의 보어 내에서 피스톤이 왕복운동함에 따라 피스톤과 실린더 사이의 축선방향 정렬을 회복할 및/또는 유지할 목적으로 기관 작동중 어떤 방식으로 피스톤 지지 구조체가 탄성적으로 변형되도록 함으로써 실현될 수 있다.

머리부분(1308)은 피스톤이 실린더(1100) 내에서 상사점에 또는 근처에 있을 때 연소 챔버를 한정함에 있어서 대향 피스톤의 동일한 외형에 상응하는 오목한, 사발(bowl) 형태 외형(1318)을 가진다. 피스톤(1300)이 강철 또는 알루미늄의 고온 합금으로 만들어졌다면, x-x에서 머리부분(1308)의 두께는 2mm 이하일 수 있다. 예를 들어, 머리부분(1308)이 5454 알루미늄으로 구성되고, 80mm의 직경을 가진다고 가정하면, x-x에서 머리부분(1308)의 두께는 1.5 내지 2.0mm의 범위 내에 있을 수 있다.

피스톤(1300)은 상기 논의된 부하-지지 요소로서 기능하는 원통형부(1302) 내에 형성된 리브(1322)를 포함한다. 바람직하게, 이 리브(1322)는 길이방향 축선(Ap) 주위에서 원주방향으로 균등하게 이격되며 원통형 보스(1326)로부터 피스톤의 내부 표면(1324)까지 반경방향으로 연장된다. 리브(1322)는 머리부분(1308)의 배후 표면(1316)에 접촉되며 또한 스커트부의 내측 표면(1324)을 따라서 적어도 부분적으로 배후 표면(1316)으로부터 개방단부(1309)를 향하여 피스톤(1300) 내에서 길이방향으로 연장된다. 또 다른 실시형태에 있어서, 이 리브(1322)는 개방단 부(1309)에 접근되거나 도달될 수조차 있다. 또한 이 리브(1322)는 축선방향 크기를 가지며 원통형 보스(1326) 상에서 집중된다. 원통형 보스(1326)는 나사가공된 저부 환형 고리(1327)를 가지며, 머리부분(1308) 뒤에서, 길이방향 축선(Ap) 상에 집중된다. 리브(1322)는 기관 작동중 머리부분(1308) 상에 가해지는 축선방향 부하를 스커트부(1310) 및 원통형 보스(1326)에 전달한다. 리브(1322)의 정확한 형상, 크기, 및 개수는 기관 설계 및 작동 상세에 따라서 변화될 수 있다. 스커트부(1310)의 저부가 단일의 원통형 유닛으로 형성되고 1325에서 머리부분 유닛에 결합되는 상태로, 머리부분(1308), 스커트부(1310)의 상부, 리브(1322), 및 원통형 보스(1326)는 단일의 머리부분 유닛으로서 형성된다. 머리부분 및 원통형 유닛은 주조 및/또는 기계가공된 고온 알루미늄 또는 강철 합금에 의해 만들어져 브레이징, 용접 또는 나사가공에 의해 결합될 수 있다.

여전히 도 13a 내지 도 13e를 참조하면, 원통형 보스(1326)는 내부 유체 축적 공간(1328)을 가진다. 다수의 구멍이 원통형 보스(1326)의 벽을 관통하여 개구된다. 이 구멍들은 원주방향으로 이격된 제1 구멍(1329)을 포함한다. 각각의 제1 구멍(1329)은 리브(1322)의 각각의 쌍 사이에 위치되며 축선방향으로 기울어져 배후 표면(1316)을 향하여 경사지게 원통형 보스(1326)를 통하여 개방된다. 또한 이 구멍은, 제1 구멍(1329)으로부터 머리부분(1308)의 배후 표면(1316)을 향하여 길이방향으로 이격되어 원통형 보스(1326)가 배후 표면(1316)과 연결되는 곳에 위치결정되는 복수의 원주방향으로 이격되고, 반경방향으로 배치되는 제2 구멍(1330)을 포함한다. (제2 구멍(1330)을 형성하기 위한 접근은 머리부분 내의 반경방향 구 멍(1330a)을 통하여 제공된다.) 각각의 제2 구멍(1330)은 리브(1322)의 각각의 쌍 사이에서 원주방향으로 위치결정되며 머리부분(1308)의 배후 표면(1316) 근처에서 원통형 보스(1326)를 통하여 반경방향으로 개방된다. 도 13c 및 도 13d에 가장 잘 도시된 관형 커넥팅 로드(1331)는 중심 보어(1332) 및 나사가공된 단부(1333 및 1334)를 가진다. 이 로드(1331)는 단부(1333)와 고리부(1327) 사이의 나사결합에 의해 원통형 보스(1326) 내에 수용되어 유지되며, 이 로드(1331)는 나사가공된 너트(1335)에 의해 피스톤(1300)에 고정된다.

도 13c 및 도 13d에 가장 잘 도시된 바와 같이, 개방된 십자형 구조로 형성되는 새들(1345)은, 로드(1331)의 나사가공된 단부(1334)에 나사가공된 중심편(central piece)(1347)에 의해 장착된다. 단부(1334) 상에 나사가공된 잠금 너트(1348 및 1349)는 피스톤(1300) 상에 새들(1345)을 유지시킨다. 포트 고정부(1350)는 단부(1334)의 끝에 나사가공된다.

도 13c 및 도 13e를 참조하여 인식될 수 있는 바와 같이, 로드(1331)는 머리부분(1308)의 배후 표면(1316) 상에 액체 냉매의 적어도 하나의 직접적인 분사를 전달하기 위해 채널을 가진다. 로드(1331)의 보어(1332)는 축적 공간(1328)과 연통하며, 포트 고정부(1350)를 통하여 안내된 액체 냉매는 보어(1332)를 통하여, 축적 공간(1328) 내로, 그리고 배후 표면(1316) 상의 제1 및 제2 구멍(1329 및 1330)의 밖으로 유동한다.

이제 도 13a 및 도 13e를 참조하면, 머리부분(1308)의 배후 표면(1316)에 대한 냉매의 적용이 이해될 수 있다. 리브(1322)는 머리부분(1308)의 배후 표 면(1316) 상에서 챔버(1351)의 반경방향으로 대칭인 링을 한정한다. 냉매(C)가 로드(1331)의 보어(1332)를 통하여 축선방향으로 유동함에 따라, 냉매는 챔버(1351) 중 하나에서 배후 표면(1316)의 일부를 향하는 축선방향으로 경사진 분사(J1)로 각각의 제1 구멍(1329)을 통하여 그리고 원통형 보스(1326)의 밖으로 전환된다. 냉매(C)가 원통형 보스(1326)의 내부 축적 공간(1328)에 들어감에 따라, 축선방향으로 배후 표면에 부딪혀 이 배후표면(1316)의 중심 부분을 냉각시킨다. 냉매(C)는 배후 표면(1316)의 중심 부분을 가로질러 반경방향으로 전환되고, 길이방향 축선(Ap)에 대하여 반경방향으로 향하는 분사(J2)로 각각의 제1 구멍(1329)을 통하여 흘러나온다. 각각의 챔버(1351)는 각각의 제1 구멍(1329)을 통하여 방사되어 챔버(1351) 내에서 배후 표면(1316) 부분을 향하는 액체 냉매의 소용돌이치는 축선방향으로 경사진 분사(J1)를 수용한다. 또한, 각각의 챔버(1351)는 제2 구멍(1330)을 통하여 방사되는 액체 냉매의 소용돌이치는 반경방향 분사(J2)를 수용한다. 액체 냉매의 소용돌이치는 분사(J1 및 J2)는 챔버(1351) 내에서 배후 표면(1316) 부분에 충돌한다. 방사된 액체 냉매는 챔버(1351)를 한정하는 리브(1322)의 대향 표면 및 내측 표면(1324) 부분을 따라서 유동하며, 그 후 스커트부(1310)의 내측 표면(1324)을 따라서 챔버(1351) 밖으로 유동한다. 따라서, 기관 작동중, 피스톤(1300)은, 리브(1322) 사이에서, 배후 표면(1316)에 부딪히는 액체 냉매의 하나의 상의 직접적인 분사에 의해 냉각된다. 제1 및 제2 구멍(1329 및 1330)의 직경 및 냉매(C)의 점도 및 압력은 배후 표면(1316)에 대하여 그리고 챔버(1351) 내에서 냉매의 국지적인 흐름에서 분사의 와류를 보장하도록 변화될 수 있다. 알려진 바 와 같이 와류는 챔버(1351)의 측면 및 배후 표면(1316)으로부터 멀리 열을 전도시키기 위한 냉매의 용량을 강화시킨다. 냉매(C)의 유량은 머리부분(1308)으로부터 열을 빠르게 제거하는 것을 보장하기 위한 수준으로 상승된다. 분사(J1 및 J2)는 배후 표면(1316) 상에 충돌하도록 향해진다. 따라서, 제1 및 제2 구멍(1329 및 1330)의 냉각 용량은 수멍의 개수, 구멍의 직경, 구멍의 축선방향, 그리고 피스톤(1300)내로의 냉매(C)의 점도, 압력 및 유량 중 하나 또는 모두를 변화시킴으로써 넓은 범위에 걸쳐서 설정 가능하다. 바람직하게, 액체 냉매가 섬프에 의해 실린더(1100)의 밖으로 유동하는 상태로 냉매(C)는 수집되는 피스톤(1300)의 개방단부(1309) 밖으로 유동한다.

따라서, 머리부분(1308)의 배후 표면(1316)을 향하는 액체 냉매의 분사의 얇은 단면 및 원통형으로 대칭인 전달은 기관 작동중 머리부분의 균일한 냉각을 보장하며, 머리부분에 근접한 스커트부 부분 및 머리부분의 팽창을 제거, 또는 실질적으로 감소시킨다. 피스톤(1300)의 원통형 대칭은 그에 따라 높은 BMEP로 유지되며, 이것은 링이 없는 피스톤 구조 및 작동을 지지한다. 열 비틀림을 제어하기 위해 그러한 분사를 활용하는 예시된 피스톤 설계에 따라서, 3.8″직경 피스톤의 저부 원통형부에 대한 머리부분의 차동 팽창(differential expansion)은 0.001″보다 작게 유지될 수 있다.

또한 피스톤(1300)의 구조는 기관의 다른 부분에 크랭크축 및 피스톤의 강고한 상호연결로부터 일어나는 버드(Bird)식 대향-피스톤 기관의 또 다른 결과를 경감시킨다. 버드의 기관에 있어서, 각각의 피스톤은 복수의 커넥팅 로드 및 단일 요크(yoke)에 의해 2개의 측면-장착식 크랭크축에 연결된다. 이 요크는 피스톤의 외부 스커트부와 일체 또는 고정되며 이 요크의 각각의 단부는 크랭크축 중 하나에 하나 이상의 딱딱한 로드에 의해 연결된다. 실린더는 엔진 블록 내에 고정된다. 결과적으로, 피스톤을 포함하는 실린더와 피스톤의 축선 사이의 변형된 비정렬(misalignment)은 실린더나 피스톤의 지지 구조의 컴플라이언스(compliance)에 의해 수용될 수 없다. 이러한 관점에서, "컴플라이언스"란 유닛 부하 당 부하된 구조의 신장 또는 변형의 양을 말한다. 버드에 비하여, 도 13a 내지 도 13e에 예시된 구조는 실린더(1100)의 길이방향 축선 및 피스톤(1300)의 길이방향 축선 사이의 변형된 비정렬에 응답하여 관형 로드(1331)의 구부러짐을 허용함으로써 피스톤의 지지 구조 내에서 상당히 많은 컴플라이언스를 가져온다.

이하 도 14a에 개략적인 형태로 예시된 2-사이클, 대향-피스톤 내연기관이 설명된다. 이 설명은 단지 예시 및 구체화를 위하여 압축-점화 기관에 적용된다. 이것은 불꽃 점화식 기관으로 대체될 수 있다. 설명된 기관은, 열 불균일성이 도 11a 내지 도 11d에 예시된 실린더(1100)에 대하여 설명된 방식으로 액체 냉매의 흐름에 적용됨으로써 제거 또는 실질적으로 감소될 수 있는 적어도 하나의 실린더로 구성된다. 이 기관의 실린더는 한 쌍의 대향 링리스 피스톤을 가지며, 각각의 피스톤에서 열 변형은 도 13a 내지 도 13e와 관련하여 설명된 피스톤(1300)에 대하여 설명된 방식으로 액체 냉매의 하나 이상의 분사의 적용에 의해 제거 또는 실질적으로 감소된다.

도 14a에 도시된 바와 같이, 기관(1400)은 실린더(1100)의 중심 및 서로를 향하여 또한 서로로부터 멀리 대향된 움직임을 왕복운동하기 위하여 실린더 내부에 배치된 대향 피스톤(1300A 및 1300B)을 갖는 적어도 하나의 실린더(1100)를 포함한다. 실린더의 길이방향 축선(Ac)은 피스톤(1300A 및 1300B)의 길이방향 축선(Ap)과 동일선상에 있다. 피스톤(1300A 및 1300B)은, 차례로 공통의 출력(이 도면에는 도시생략)에 연결되는, 제1 및 제2 측면-장착식 반대방향-회전 크랭크축(1430 및 1432)에 연결되어 있다. 새들(1345)은 피스톤(1300)에 장착되어 있다. 각각의 새들(1345)은 피스톤 각각에 복수의 커넥팅 로드(1447)의 단부를 연결한다. 이 도면의 시각에서는 각각의 피스톤에 대하여 단지 2개의 커넥팅 로드(1447)만이 예시되며, 하나 이상의 추가적인 커넥팅 로드가 도시되지 않았다는 것을 알아야 할 것이다. 커넥팅 로드(1447)는 각각의 피스톤(1300A 및 1300B)의 개방단부(1309) 근처에서 새들(1345)에 연결되어 있다.

2개의 측면-장착식 크랭크축(1430 및 1432)은 그 축선이 서로 평행하게 배치되며, 길이방향 중심에서 또는 근처에서 실린더(1100)를 가로지르고 또한 실린더의 길이방향 축선(Ac)에 수직인 공통의 평면 내에 놓여진다. 크랭크축은 반대 방향으로 회전한다. 커넥팅 로드(1447)는 크랭크축(1430 및 1432) 상에서 크랭크 드로우(crank throw)에 연결된다. 각각의 커넥팅 로드(1447)는 피스톤(1300A 및 1300B)과 실린더(1100)의 축선(그리고 측면)에 대하여 예각을 형성하도록 배치된다. 커넥팅 로드(1447)는 니들 베어링(1436)에 의해 새들(1345)에 링크연결되며, 롤러 베어링(1438)에 의해 크랭크 드로우에 링크연결된다.

도 14a에서 커넥팅 로드(1447), 새들(1345), 및 크랭크축(1430, 1432) 사이 의 구조적인 관계는, 압축응력의 제한된 수준이 높은 기관 속도로 피스톤의 관성력을 야기시키는 상태로, 피스톤(1300A 및 1300B)이 실린더(1100) 내에서 움직임에 따라 주로 신장응력 하에서 커넥팅 로드를 유지한다. 이러한 구조는 실린더(1100)의 보어 및 피스톤(1300A 및 1300B) 사이의 측력을 제거 또는 적어도 실질적으로 감소시킨다.

도 14a에는, 실린더(1100) 및 피스톤(1300A 및 1300B)의 추가적인 상세 및 특징들이 도시되어 있다. 실린더(1100)는 배기 매니폴드(1104)에 의해 덮여진 배기 포트(1105)를 포함하며 이것을 통하여 연소의 산물이 실린더(1100) 밖으로 유동한다. 기관(1400)의 고출력 작동중, 예를 들어 BMEP = 150psi에서, 배기 매니폴드(1104) 및 덕트(1153)의 평균 외부온도는 디젤 연료를 코킹시키기에 충분히 높은 온도인 375℃에 달하거나 초과한다. 매니폴드(1104) 및 덕트(1153)의 평균 온도는 이후의 공기를 배출시키는 많은 흐름에 의해 높은 초기 배기가스 온도로부터 상당히 감소된다. 따라서, 배기 매니폴드(1104) 및 덕트(1153)의 외부 표면은 고온 페인트와 같은 단열 코팅재로 피복될 수 있다. 실리콘기 혼합물이 이러한 목적에 유용하다. 그러한 혼합물 중 하나로서 아렘코 사(Aremco)에 의해 상품명 Corr-Paint CP4040으로 판매되는 1 W/meter-°K 보다 작은 열전도성(K)을 갖는 금속 산화물 충전식 페인트가 있다. 또 다른 적절한 혼합물로서 아렘코에 의해 상품명 Aremco 8080으로 판매되는 실리콘기 바인더 시스템과 포터스 유럽(Potters Europe)에 의해 판매되는 유리의 미소구체 또는 이거 플라스틱스 사(Eager Plastics, Inc.)에 의해 판매되는 sil-cell spherical microballoons를 혼합함으로써 형성된 코팅재가 있 다.

도 14A에 도시된 바와 같이, 실린더(1100)는 흡입 매니폴드(1106)에 의해 감춰지는 흡입 포트를 또한 가지며 이것을 통하여 압축된 공기는 실린더(1100) 내로 유동한다. 이들 포트에 대한 위치 때문에, 피스톤(1300A 및 1300B)은 "배기" 및 "흡입" 피스톤으로서 각각 언급될 수 있으며, 실린더(1100)의 단부들은 비슷하게 명명될 수 있다. 적어도 하나의 연료 분사기(1158)는 실린더(1100) 내로 연료를 분사한다. 포트(1142, 1144, 및 1145)는 실린더(1100)의 외부 표면 상에서 홈부의 각각의 그룹 내로 액체 냉매를 안내한다.

제1 실시형태와 관련하여 설명된 바와 같이, 피스톤이 하사점 위치를 가로지름에 따른 피스톤(1300A 및 1300B) 사이의 위상 차이와 관련하여, 실린더의 길이와 피스톤 길이 사이의 관계는, 포트 작동을 조절하고 피스톤 사건과 함께 정확하게 이어진다. 따라서, 하사점 위치 사이의 위상 오프셋은, 배기 피스톤(1300A)이 하사점 위치 근처에서 움직일 때 배기 포트(1105)가 개방되고, 그 다음 흡입 피스톤(1300B)이 하사점 위치 근처에서 움직일 때 흡입 포트(1107)가 개방되며, 이어서 배기 피스톤이 하사점 위치로부터 멀어진 후 배기 포트가 폐쇄되고, 그 다음 흡입 피스톤(1300B)이 하사점 위치로부터 멀어진 후 흡입 포트(1107)가 폐쇄되는 시퀀스를 야기한다.

도 13c 및 도 14a를 참조하면, 2개의 저장소(1460A 및 1460B)는 피스톤(1300A 및 1300B)의 개방단부의 아웃보드(outboard)를 구비한다. 각각의 저장소는 고정부(1461)를 가지며 이 고정부로부터 해당 피스톤(1300A 또는 1300B)을 냉각 시키기 위한 액체 냉매가 피스톤 로드(1331)의 나사가공된 단부(1334) 상에 장착된 고정부(1350)에 이송된다. 이 고정부(1350)는 저장소(1460A 또는 1460B) 상에서 노즐(1461)과 정렬된다. 저장소(1460A 또는 1460B) 내로 이송된 액체 냉매는 고정부(1350)를 통하여 상응하는 로드(1331)의 보어(1332)에 들어가는 돌출된 흐름(projected stream)으로 노즐(1461) 밖으로 가압된다. 피스톤(1300A 또는 1300B)의 움직임 및 돌출된 흐름의 힘은 제1 및 제2 구멍(1329 및 1330)을 통하여 머리부분(1308)의 배후 표면 상으로 향하는 하나 이상의 분사로 로드(1331) 밖으로 액체 냉매를 가압한다.

도 14b는 변형된 피스톤 서포트 및 냉각 구조를 가지는 것을 제외하고는 모든 관점에서 기관(1400)과 동일한 제2 실시예 기관의 변형예의 일부 측단면도이다. 도 14b에 있어서, 실린더(1100)는 2개의 대향 피스톤(1480A 및 1480B)을 그 내부에 배치시키고 있으며 각각의 피스톤(1480A 또는 1480B)은 제1 실시형태 기관에 대하여 상기 설명된 방식으로 각각의 새들(1482)에 슬리브 주위에서 결합된다. 이러한 관점에서 도 2a, 도 2b, 도 6a, 및 도 6b에서의 새들(16 및 18)에 대한 피스톤 슬리브(12s 및 14s)의 결합을 참조하라. 게다가, 피스톤(1480A 및 1480B)의 머리부분(1480c)은 얇고 피스톤(1300)의 방식으로 리브(도시생략)에 의해 배후 표면(1486) 상에 지지된다. 그러나, 피스톤(1480A 및 1480B)에는 피스톤(1300)의 관형 로드 및 실린더 보스(1326)가 결여되어 있다. 각각의 피스톤(1480A, 1480B)에 대하여, 저장소(1460)에 고정되고 피스톤(1480A 및 1480B)의 배후 표면(1486)을 향하는 튜브(1492)의 관형 배열을 가지는 냉각 구조체(1490)가 존재한다. 각각의 튜 브(1492)의 출구는 리브(1488)의 각각의 쌍 사이에 냉매의 소용돌이 분사를 향하게 한다. 각각의 관형 배열 내의 중심에 단일 튜브(1493)가 존재한다. 이 튜브(1493)의 출구는 피스톤 머리부분(1480c)의 배후 표면(1486)의 중심부준을 향한다. 해당 관형 배열을 통하여, 각각의 저장소(1460A 및 1460B)로부터 이송된 액체 냉매는 기관 작동중 실린더(1100) 내에서 피스톤이 왕복운동함에 따라 피스톤 머리부분(1480c)의 배후 표면(1486)을 향하는 복수의 분사로서 튜브(1492, 1493)로부터 나오게 된다.

제1 실시형태와 관련하여 상기 설명된 바와 같이, 제2 실시형태에 따른 2-행정, 대향-피스톤 기관은 작동 요소를 지지하기 위해 함께 끼워맞춰진 피동 구조 요소인 프레임의 형태로 구조 유닛 상에 지지된 작동 요소(실린더, 피스톤, 링크 연동장치, 크랭크축 등)를 가진다. 프레임은 크랭크축 사이의 압축력과 같은 기관 작동의 응력 및 힘을 견뎌내며, 실린더는 블록으로 주조되거나 다른 피동 구조 요소와 함께 형성되지 않는다. 각각의 실린더는 기관 프레임 내에 지지되며 엔진 블록의 기계적인 또한 열적인 응력으로부터 분리되어 있다. 그러므로, 제1 실시형태와 같이, 본질적으로 제2 실시형태 내의 실린더는 단지 압력용기일 뿐이다. 상기 설명된 방식으로 실린더(1100) 및 피스톤(1300A 및 1300B)의 냉각과 함께, 이러한 기관 구조는, 피스톤 머리부분의 팽창 및 실린더의 불균일한 반경방향 비틀림을 제거하고, 실린더-피스톤 경계면이 매우 단단한 끼워맞춤이 되도록 허용한다. 장점적으로, 조절된 냉각으로, 이러한 특징은 피스톤 링 없는 기관 설계의 옵션을 제공한다.

도 15a 내지 도 15e는 도 11a 내지 도 11d 및 도 13a 내지 도 13e의 실린더 및 피스톤 구조에 기초한 측면-장착식 트랭크축을 갖는 대향-피스톤 기관(1400)의 완성된 조립체를 도시하는 측면 사시도이다. 이 기관(1400)은 2개의 실린더를 가지지만, 이것은 단지 예시를 위한 것이다. 사실상, 이것은 어떠한 크기의 기관 또한 하나, 2개 또는 그 이상의 실린더를 가지는 기관에 대해서도 일정한 비율로 만들어질 수 있다. 도 15a에 있어서, 기관(1400)은, 대향 피스톤(1300A 및 1300B)이 내부에 배치되는 상태로, 도 11a 내지 도 11d에 예시된 구조를 가지는 2개의 실린더(1100)를 포함한다. 대향 피스톤의 새들(1354)은 도 15a에 도시되어 있다. 커넥팅 로드(1447)는 크랭크축(1430 및 1432)에 새들(1354)을 연결한다. 배기 덕트(1153)는 기관 플레이트(1510) 내의 상응하는 개구에 수용되며, 흡입 덕트는 기관 플레이트(1520)의 상응하는 개구 내에 수용된다.

도 15b 및 도 15c는 실린더(1100) 및 저장소(1460)가 없는 기관(1400)을 도시한다. 이 기관(1400)은 단부 플레이트(1522 및 1524), 및 이 단부 플레이트(1522 및 1524) 사이에 위치결정된 중간 플레이트(1526)로 구성된 프레임을 가진다. 슬롯(1528)은 플레이트(1522, 1524, 및 1526)의 대향 측면에 배치되어 있다. 플레이트(1522, 1524 및 1526)는 크랭크축(1432)을 회전 가능하게 지지하기 위하여 크랭크축(1430) 및 베어링(1532)을 회전 가능하게 지지하기 위하여 베어링(1530)을 가진다. 단부 및 중간 플레이트(1522, 1524, 및 1526)는 기관 플레이트(1510) 및 반대편 기관 플레이트(1511)를 포함하는 복수의 기관 플레이트에 의해 일측면 상에서, 그리고 기관 플레이트(1520) 및 반대편 기관 플레이트(1521)에 의해 제2 측면 상에서 함께 유지된다. 하나의 저장소(1460)는 기관 플레이트(1521 및 1511) 사이의 프레임의 일측면에 장착되며, 다른 하나는 기관 플레이트(1510 및 1521) 사이의 프레임의 다른 측면에 장착된다.

기어박스(1570)는 크랭크축(1530 및 1532)의 대향 회전운동을 출력 구동축에 연결하는 출력 기어열을 수용한다. 크랭크축(1430 및 1432)의 단부는 기어박스(1570) 내로 연장된다. 톱니형 외부 림을 갖는 기어 휠(1572)은 크랭크축(1430)의 단부에 고정되며 톱니형 외부 림을 갖는 기어 휠(1573)은 크랭크축(1432)의 단부에 고정된다. 출력 기어 휠(1575)은 톱니형 내측 원주(1577) 및 톱니형 외측 원주(1578)를 갖는 고리(1576)를 가진다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 기어 휠(1572)의 외부 림은 하나의 위치에서 기어 휠(1575)의 내측 원주(1577)를 연결하고 기어 휠(1573)의 외부 림은 하나의 위치에 직경방향으로 대향하는 또 다른 위치에서 기어 휠(1575)의 외측 원주(1578)를 연결한다. 내부 기어(1572)와 내측 원주(1577) 사이의 기어비는 내부 기어 및 내측 원주 상의 MOD 4 치형을 갖는 33/65 일 수 있는 한편, 외부 기어(1573)와 외측 원주(1578) 사이의 기어비는 외부 기어 및 외측 원주 상의 MOD 5 치형을 갖는 33/65 일 수 있다. 이러한 기어의 배열은, 불완전한 기어비를 갖는, 그리고 어떠한 중간 벨트, 체인, 또는 다른 토크 전달 요소 없이, 크랭크축(1430 및 1432)의 대향 회전이 홀수의 기어(본 실시예에서는 3개)를 갖는 출력 기어 휠(1575)의 연속적인 회전으로 변화되도록 허용한다. 그 결과는 단순한, 짧은 출력 기어열이다.

축 플레이트(1581)는 나사가공된 스크루에 의해 고리(1576)에 부착되며 커 버(1582)는, 기어박스(1570) 상에서, 나사가공된 스크루에 의해 단부 플레이트(1522)에 고정된다. 축 플레이트(1581)는 중심 축(1586)을 가진다. 커버(1582)는 축(1586)을 수용하는 출력 베어링(1585)을 포함하며, 따라서 프레임이 회전 동안 출력 기어(1575)를 지지하도록 할 수 있다. 축(1586)은 기관(1400)의 출력 구동을 구성한다. 이것은 중간 전동장치에 또는 하나 이상의 축, 기어, 벨트, 체인, 캠 또는 다른 적절한 토크 전달 요소 또는 시스템(도시생략)에 의해 구동 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있다.

도 15d는 슬롯(1528) 내에서 탭(1164)의 결합에 의해 단부 및 중간 플레이트(1522, 1524, 및 1526)에 장착되는 2개의 실린더(1100)를 갖는 기관(1400)을 도시한다. 이 슬롯(1528)은 실린더 또는 피스톤의 점검, 수리, 또는 교체를 위하여 기관(1400)으로부터 실린더를 간편하게 제거하기 위해 구비된다. 조립된 기관(1400)은 저장소(1460)가 단부 플레이트(1522 및 1524) 사이에서 나사가공된 스크루에 의해 장착되는 상태로 도 15e에 도시되어 있다. 기관 플레이트(1520, 1521, 1510, 및 1511), 저장소(1460), 및 커버 플레이트(1580)는 프레임의 단부 및 중간 플레이트(1522, 1524, 및 1526)에 나사가공된 스크루 및/또는 볼트에 의해 장착된다.

기관(1400)용 프레임 부품은 기관의 작동 및 조립에 필요한 바와 같이 주조 및/또는 기계가공된 고온 알루미늄 합금(5454 알루미늄과 같은)으로 만들어지는 것이 바람직하다. 기관 연료 및 배출 시스템은 제1 실시형태에 대하여 상기 설명된 바와 같을 수 있다. 바람직하게, 기관(1400)을 위하여 사용되는 액체 냉매 및 연 료는 피스톤 및 다른 기관 요소를 위한 윤활제로서 기능할 수도 있는 디젤 연료이다. 바람직하게, 기관 작동은, 필요하다면, 해당 센서 및 액추에이터와 함께 기관 제어 유닛(ECU)을 통하여 제어된다.

기관(1400)에 대한 보조 기관 장치의 장착은 도 15a 내지 도 15e를 참조하여 이해될 수 있다. 예를 들어, 과급기(1590)는 하나 이상의 배기 덕트(1153)에 대한 용이한 결합을 위하여 기관 플레이트(1510)에 장착되며 과급기(1591)는 흡입 덕트(1154)에 대한 용이한 결합을 위하여 기관 플레이트(1520)에 장착된다. 연료 분사 펌프(1593)는 크랭크축(1430, 1432)의 하나의 단부로부터 타이밍 벨트에 의해 구동된다. 냉매, 윤활제 및 배출 펌프(도시생략)는 기관(1400)의 배면에 장착되며 크랭크축(1430, 1432)의 하나의 단부에 의해 구동된다. 냉매 펌프는 저장소(1460A 및 1460B)에 대해 그리고 실린더 슬리브(1140) 내의 포트에 대해 액체 냉매를 제공한다. 섬프 펌프(1594)는 바닥 플레이트(1580)에 장착된다. 이들 도면에 도시되지는 않았지만, 배면 플레이트(1524)를 통하여 크랭크축(1430 및 1432)을 연장시킨 것은 기관 부속품 및 진동 댐퍼를 구동하기 위해서 활용될 수도 있다.

제2 실시형태에서 사용 가능한 액체 냉매 공급 시스템(1600)에 의해 액체 냉매의 배급을 제어하는 것은 도 16a의 개념도에 예시되어 있다. 공급 시스템(1600)은 프로그램된 기관 제어 유닛(ECU)(1601)을 포함한다. ECU(1601)는 실린더 라이너(1102) 내의 개구(1116) 중 하나 내로 삽입되는 센서(1610)를 통하여 실린더(1100)의 온도를 감지한다. 또한 ECU(1601)는 피스톤(1300A 및 1300B) 내에 장착된 센서(1611A 및 1611B)를 통하여 피스톤(1300A 및 1300B)의 머리부분의 온도를 감지한다. 다른 센서(모두 도시하지는 않음)는 ECU(1601)에 다양한 기관 작동조건을 나타내는 입력을 제공할 수 있다. 공급 시스템(1600)에 있어서, 배출 펌프(1594)는 실린더(1100) 및 피스톤(1300A 및 1300B)으로부터 배출된 냉매를 회수하여 공기 분리기(1630) 및 필터(1631)를 통하여 (건조) 섬프(1632)까지 냉매를 공급한다.

실린더 냉매 회로 펌프(1634A)는 섬프(1632) 내에 수집된 냉매를 열교환기(1635A) 및 바이패스 밸브(1636A)를 통하여 그리고 매니폴드(1638A) 내로 공급한다. 실린더(1100) 내의 홈부에 제공되기 위하여 액체 냉매는 매니폴드(1638A) 내의 압력 센서(1639A) 및 ECU(1601)에 의한 바이패스 밸브(1636A)의 제어에 의하여 매니폴드(1638A) 내에서 선택된 압력으로 유지된다. 매니폴드(1638A)로부터, 액체 냉매는 비례 밸브(proportional valve)(1642, 1644, 및 1645)를 통하여 그리고 포트(1142, 1144, 및 1145)를 경유하여 실린더(1100)의 외측 표면 상의 홈부 내로 유동한다. 모든 밸브(1636A, 1642, 1644, 및 1645)는 ECU(1601)에 의해 제어된다.

피스톤 냉매 회로 펌프(1634B)는 섬프(1632) 내에 수집된 냉매를 열교환기(1635B) 및 바이패스 밸브(1636B)를 통하여 그리고 매니폴드(1638B) 내로 공급한다. 피스톤(1300A 및 1300B) 내의 튜브(1331)에 제공되기 위하여 액체 냉매는 매니폴드(1636B) 내의 압력 센서(1639B) 및 ECU(1601)에 의한 바이패스 밸브(1636B)의 제어에 의하여 매니폴드(1638B) 내에서 선택된 압력으로 유지된다. 매니폴드(1638B)로부터, 액체 냉매는 비례 밸브(1660A 및 1660B)를 통하여 저장소(1460A 및 1460B) 내로 그리고 저장소로부터 피스톤(1300A 및 1300B) 내의 머리부분의 배 후 표면 상까지 튜브(1331)의 보어(1332)를 통하여 유동한다. 모든 밸브(1636B, 1660A, 및 1660B)는 ECU(1601)에 의해 제어된다.

ECU(1601)는 다양한 기관 작동 부하에 대하여 냉매 압력 및 유량에 대한 기관 작동 조건을 나타내는 실린더 및 피스톤 온도 및 다른 감지 데이터의 미리 정해진 맵핑에 의해 프로그램된다. ECU(1601)는 기관 작동 조건과 실린더 및 피스톤 온도를 감지하여, 현재 기관 부하를 결정하고 실린더(1100) 및 피스톤(1300A 및 1300B)의 3개의 회로를 위한 소정의 압력 및 유량을 입수하여 연산한다. 그 다음 ECU(1601)는 현재 기관 작동 지점에서 원통형 대칭을 유지하기에 필요한 바와 같이 실린더(1100)의 냉매 회로에 냉매를 제공하도록 밸브(1636A, 1642, 1644, 및 1645)를 제어한다. 이러한 제어는 개방 로프 또는 폐쇄 루프 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 기관 총 출력에서, 냉매로서 디젤 연료를 사용하면, 포트(1142 및 1144)에 제공되는 압력 및 유량은 분당 1gallon에서 1bar보다 적을 수 있으며, 포트(1145)에 제공되는 압력 및 유량은 분당 4gallon에서 1bar보다 적을 수 있다. 동시에, ECU(1601)는 현재 기관 작동 지점에서 머리부분(1308)의 열 비틀림을 제어하기에 필요한 바와 같이 피스톤(1300A 및 1300B)의 냉매 회로에 냉매를 제공하도록 밸브(1636B, 1660A, 및 1660B)를 또한 제어한다. 예를 들어, 기관 총 출력에서, 냉매로서 디젤 연료를 사용하면, 저장소(1460A 및 1460B)에 제공되는 압력 및 유량은 피스톤당 분당 15gallon에서 3bar보다 적을 수 있다.

제2 실시형태에서 사용 가능한 변형 액체 냉매 공급 시스템(1650)에 의해 액체 냉매의 분배를 제어하는 것은 도 16a 및 도 16b의 개념도에 예시되어 있다. 시 스템(1650)은 실린더(1100)에 제1 냉매(예를 들어 물)를 제공하며, 피스톤(1300A 및 1300B)에 또 다른 제2 냉매(예를 들어 윤활제 또는 디젤 연료)를 제공한다. 공급 시스템(1650)은 실린더(1100) 및 피스톤(1300A 및 1300B)에 있어서 센서(1610, 1611A, 및 1611B) 및 프로그램된 기관 제어 유닛(ECU)(1601)을 포함한다. 공급 시스템(1651)은 실린더(1100)의 단부에서의 구멍(1133) 및 실린더 슬리브(1140)에서의 구멍(1147)에 통상적으로 연결되는 액체 냉매 복귀 라인(1661)을 활용한다. 액체 냉매 복귀 라인(1661)은 실린더(1100)로부터 저장소(1663)까지 제1 액체 냉매를 복귀시키는 복귀 매니폴드(1662) 내로 집중된다.

실린더 냉매 회로 펌프(1664)는 저장소(1663) 내에 수집된 제1 액체 냉매를 열교환기(1665) 및 바이패스 밸브(1666)를 통하여 매니폴드(1667) 내로 공급한다. 실린더(1100) 내의 홈부에 제공되기 위하여 제1 액체 냉매는 매니폴드(1667) 내의 압력 센서(1669) 및 ECU(1601)에 의한 바이패스 밸브(1666)의 제어에 의하여 매니폴드(1667) 내에서 선택된 압력으로 유지된다. 매니폴드(1667)로부터, 제1 액체 냉매는 포트(1142, 1144, 및 1145)를 통하여 실린더(1100)의 외측 표면 상의 홈부 내로 비례 밸브(1672, 1674, 및 1675)를 통하여 유동한다. 모든 밸브(1666, 1672, 1674, 및 1675)는 ECU(1601)에 의해 제어된다.

또한 공급 시스템(1650)은 공급 시스템(1600)의 피스톤 냉매 회로를 포함하며, 이것은 도 16a와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 피스톤(1300A 및 1300B)을 냉각시키기 위하여 배출 펌프(1594)로부터 저장소(1460A 및 1460B)를 통하여 차례로 제2 액체 냉매를 분배하기 위한 요소로 구성된다. 시스템(1600)으로서, 제2 액 체 냉매는 피스톤(1300A 및 1300B) 내로 분사되며 배출 펌프(1594)에 의해 회수된다.

ECU(1601)는 실린더(1100) 및 피스톤(1300A 및 1300B)에 대해 압력 및 유량에서 제1 및 제2 액체 냉매의 제공을 제어하기 위해, 그리고 다양한 기관 작동 부하에 대하여 제1 및 제2 냉매 압력 및 유량에 대해 기관 작동 조건을 나타내는 실린더 및 피스톤 온도 및 다른 감지 데이터의 미리 정해진 값을 맵핑하도록 공급 시스템(1600)의 방식으로 공급 시스템(1650)을 프로그램되어 작동시킨다.

도 16a 및 도 16b의 공급 시스템이 기관 작동 조건에 응답하여 피스톤(1300A 및 1300B)과 관계없이 실린더(1100)의 냉각을 제어한다는 것은 분명하다. 따라서, 실린더(1100) 및 피스톤(1300A 및 1300B)은 상이한 온도로 유지될 수 있다. 이러한 구조의 하나의 장점은 기관 조건이 변화함에 따라 피스톤의 외측 직경 및 보어(1103) 사이의 소정 간격을 유지하기 위해서 피스톤(1300A 및 1300B)보다 높은 온도로 실린더(1100)를 유지할 수 있다는 것이다.

기관 출력

종래의 대향-피스톤 기관과 비교할 때, 본 명세서에 따라서 만들어진 대향-피스톤 기관이 개선된 BMEP, 비출력(specific output), 및 PWR을 성취할 수 있다는 결과로, 강화된 기관 성능은 실현된다. 예를 들어 본 명세서에 따라서 만들어진 대향-피스톤 기관은 개선된 냉각으로 인하여 적어도 200psi, 적어도 250psi, 또는 적어도 300psi의 BMEP를 허용한다. 그러한 대향-피스톤 기관은 적어도 11.0HP/in², 적어도 12.0HP/in², 또는 적어도 13.0HP/in²의 피스톤 면적에 대해 비출력밀도(specific power densities)(SPD)를 제공할 수 있다. 이러한 개선은 본 대향-피스톤 기관이 적어도 0.5HP/lb, 적어도 0.667HP/lb, 또는 적어도 1.0HP/lb의 PWR을 성취하도록 할 수 있다.

본 명세서에서 설명된 대향-피스톤 기관의 용도 및 적용은 많은 폴드(fold)이다. 이것은, 2-사이클 디젤 기관을 포함하는, 2-사이클 기관을 이용한 어떠한 적용예에 대해서도 일정한 비율로 만들어질 수 있다. 이 기관은 여러 가지의 차량, 공구, 장치, 또는 회전출력의 분배를 필요로 하는 다른 장치에 설치되거나 장착될 수 있다. 이러한 관점에서 예를 들어 도 17a 내지 도 17d를 참조하라. 도 17a에 있어서, 이러한 2-사이클 대향-피스톤 기관(1100, 1400)은 지상용 탈것 내에 설치되며, 이 지상용 탈것은 자동차, 오토바이, 스쿠터, 트럭, 탱크, 군용차량, 스노 모빌, 그리고 모든 동등한 또한 유사한 탈것과 같은 바퀴 또는 트랙 차량을 포함할 수 있다. 도 17b에 있어서, 이 기관은 보트, 호퍼크래프트, 잠수함, 개인용 워터 크래프트, 그리고 모든 동등한 또한 유사한 탈것과 같은 수상용 탈것에 설치될 수 있다. 도 17c에 있어서, 이 기관은 고정익 또는 회전익 항공기에 설치될 수 있다. 도 17d에 있어서, 이 기관은 잔디깍는 기계, 톱(edger), 트리머, 나뭇잎 블로어, 눈(snow) 블로어, 체인 톱, 그리고 모든 동등한 또한 유사한 장치과 같은 동력 기구에 설치될 수 있다. 도 17e에 있어서, 이 기관은 전기 동력 발생장치에 설 치될 수 있다. 도 17f에 있어서, 이 기관은 펌핑 장치에 설치될 수 있다.

본 발명이 특정 예시 및 실시예를 참조하여 설명되었지만, 다양한 변형이 본 기관의 원리의 범주로부터 벗어남 없이 만들어질 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명은 이어지는 청구항에 의해서만 한정된다.

Claims

외측 표면, 중심 및 단부 부분, 및 보어를 갖는 실린더;

중심부분으로부터 단부 부분을 향하여 유동하는 액체 냉매의 흐름을 외측 표면 상에 적용할 수 있는 공급 시스템;

보어 내에서 왕복운동할 수 있는 제1 및 제2 대향 피스톤으로서, 각각의 피스톤은 배후 표면을 가지는 머리부분을 포함하는 것; 그리고

각각의 피스톤의 내부에서 상기 머리부분의 배후 표면 상에 액체 냉매를 적용시킬 수 있는 상기 공급 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 대향-피스톤 내연기관.
제 1 항에 있어서, 상기 실린더는, 중심부분으로부터 단부 부분을 향하여 외측 표면 상에서 연장되는 홈부의 그룹, 및 중심 부분에서 원주방향으로 연장되는 홈부의 그룹을 포함하며, 상기 홈부를 덮는 실린더 슬리브 및 상기 실린더 슬리브 내의 하나 이상의 포트를 더 포함하며, 각각의 포트는 각각의 홈부와 연통하며, 상기 공급 시스템은 하나 이상의 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 각각의 피스톤은 원통형 몸체, 개방 단부, 및 머리부분을 한정하는 폐쇄 단부를 포함하며, 상기 기관은 적어도 2개의 냉매 채널을 더 포함하며, 각각의 냉매 채널은 상기 공급 시스템에 연결되어 상기 피스톤의 머리부분의 배후 표면에 액체 냉매의 적어도 하나의 분사가 향하도록 위치결정되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 3 항에 있어서, 상기 실린더는, 중심부분으로부터 단부 부분을 향하여 외측 표면 상에서 연장되는 홈부의 그룹, 및 중심 부분에서 원주방향으로 연장되는 홈부의 그룹을 포함하며, 상기 홈부를 덮는 실린더 슬리브 및 상기 실린더 슬리브 내의 하나 이상의 포트를 더 포함하며, 각각의 포트는 각각의 홈부와 연통하며, 상기 공급 시스템은 하나 이상의 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 3 항에 있어서, 각각의 피스톤은 길이방향 축선 및 상기 머리부분의 배후 표면에 인접하며 상기 길이방향 축선에 대하여 반경방향으로 연장되는 복수의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 5 항에 있어서, 프레임을 더 포함하며, 각각의 냉매 채널은 상기 프레임에 장착되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 5 항에 있어서, 각각의 냉매 채널은 각각의 피스톤에 장착되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 프레임을 더 포함하며, 상기 실린더는 배기 및 흡입 단 부, 배기 단부 상의 배기 매니폴드, 흡입 단부 상의 흡입 매니폴드 및 각각의 배기 및 흡입 매니폴드 상의 적어도 하나의 탭을 포함하며, 각각의 탭은 상기 프레임 내에 수용 가능한 것을 특징으로 하는 기관.
제 8 항에 있어서, 상기 배기 매니폴드 상에 단열 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 각각의 피스톤은 반경, 개방 단부, 머리부분을 한정하는 폐쇄 단부, 및 튜브를 가지는 원통형 몸체를 포함하며, 상기 튜브는 원통형 몸체와 동축방향이며 상기 머리부분의 배후 표면 근처에서 피스톤에 부착되는 제1 단부 및 상기 개방 단부를 통하여 연장되어 상기 기관 내의 왕복운동 메카니즘에 연결될 수 있는 제2 단부를 가지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 10 항에 있어서, 상기 튜브는 냉매 채널을 형성하며, 액체 냉매를 상기 공급 시스템에 연결하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 11 항에 있어서, 상기 튜브는 가요성을 가지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 실린더 및 피스톤에 제공되는 액체 냉매는 동일한 액체 냉매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 실린더 및 피스톤에 제공되는 액체 냉매는 상이한 액체 냉매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 공급 시스템은 상기 실린더에 제1 액체 냉매를 적용시키기 위한 제1 수단 및 제1 및 제2 피스톤에 상기 제1 액체 냉매와는 상이한 제2 액체 냉매를 적용시키기 위한 제2 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 각각의 피스톤은 피스톤 핀을 가지지 않는 중공 피스톤인 것을 특징으로 하는 기관.
제 15 항에 있어서, 상기 공급 시스템은 상기 피스톤의 머리부분을 향하는 냉매 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 공급 시스템은 각각의 온도로 상기 실린더 및 피스톤을 유지시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서,

제1 및 제2 측면-장착식 크랭크축; 및

상기 크랭크축에 피스톤을 연결시키는 로드; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 19 항에 있어서, 상기 로드는 기관의 작동중 주로 신장력에 영향을 받는 것을 특징으로 하는 기관.
제 19 항에 있어서, 상기 실린더는 배기 및 흡입 포트를 가지며 상기 크랭크축, 상기 로드, 및 상기 배기 및 흡입 포트는 상기 피스톤이 상사점 위치에서의 위상과 같고 하사점 위치에서의 위상에 오프셋되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 19 항에 있어서, 회전 동안 크랭크축을 지지할 수 있는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 22 항에 있어서, 상기 프레임은 상기 크랭크축 사이에서 압축력을 지지하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 19 항에 있어서, 상기 기관은 2-사이클 압축-점화 기관인 것을 특징으로 하는 기관.
제 24 항에 있어서, 상기 실린더는 매니폴드를 더 포함하며, 상기 배기 및 흡입 포트는 각각의 매니폴드 내로 개방되며, 각각의 매니폴드는 와류를 유도하는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 기관은 적어도 0.50HP/lb의 출력-대-중량비로 작동하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 26 항에 있어서, 상기 기관은 적어도 0.67HP/lb의 출력-대-중량비로 작동하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 27 항에 있어서, 상기 기관은 적어도 1.00HP/lb의 출력-대-중량비로 작동하는 것을 특징으로 하는 기관.
청구항 1의 기관에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 기계.
청구항 1의 기관에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 탈것.
제 30 항에 있어서, 상기 탈것은 수상용 탈것인 것을 특징으로 하는 탈것.
제 30 항에 있어서, 상기 탈것은 지상용 탈것인 것을 특징으로 하는 탈것.
제 30 항에 있어서, 상기 탈것은 고정익 항공기인 것을 특징으로 하는 탈것.
제 30 항에 있어서, 상기 탈것은 회전익 항공기인 것을 특징으로 하는 탈것.
청구항 1의 기관에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 동력 공구.
청구항 1의 기관에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 동력 발전기.
제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 반대 회전 크랭크축을 더 포함하며, 상기 기관은:

회전을 위하여 상기 크랭크축을 지지할 수 있는 프레임;

제1 크랭크축 상의 제1 기어;

제2 크랭크축 상의 제2 기어; 및

상기 프레임 상에 지지되는 제3 기어로서, 상기 제3 기어는 제1 위치에서 상기 제1 기어를 연결하는 외측 원주 및 제2 위치에서 상기 제2 기어를 연결하는 내측 원주를 갖는 고리를 가지는 것을 특징으로 하는 기관.
제 37 항에 있어서, 상기 제2 위치는 상기 제1 위치에 반대되는 것을 특징으로 하는 기관.
보어, 외측 표면, 중심 부분, 배기 단부 및 흡입 단부를 갖는 실린더;

상기 중심 부분으로부터 상기 배기 단부를 향하여 액체 냉매를 안내하기 위한 상기 외측 표면 상의 홈부의 제1 그룹;

상기 중심 부분으로부터 상기 흡입 단부를 향하여 액체 냉매를 안내하기 위한 상기 외측 표면 상의 홈부의 제2 그룹;

상기 중심 부분에서 원주방향으로 액체 냉매를 안내하기 위한 상기 외측 표면 상의 홈부의 제3 그룹;

상기 보어 내에서 왕복운동할 수 있는 제1 및 제2 대향 피스톤으로서, 각각의 피스톤은 머리부분을 포함하는 것;

상기 머리부분의 배후 표면 상의 상기 제1 피스톤의 내부에 대해 액체 냉매의 직접적인 분사를 적용하기 위한 적어도 하나의 냉매 채널; 그리고

상기 머리부분의 배후 표면 상의 상기 제2 피스톤의 내부에 대해 액체 냉매의 직접적인 분사를 적용하기 위한 적어도 하나의 냉매 채널; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 대향-피스톤 내연기관.
제 39 항에 있어서, 상기 실린더에 대한 상기 제1 또는 제2 피스톤의 종속적인(compliant) 조절을 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기관.
제 39 항에 있어서, 상기 피스톤은 링이 없는 것을 특징으로 하는 기관.
보어, 외측 표면, 중심 부분, 배기 포트 및 흡입 포트를 갖는 실린더;

상기 배기 포트 상의 배기 매니폴드 및 상기 흡입 포트 상의 흡입 매니폴드를 포함하는 상기 실린더;

상기 중심 부분으로부터 상기 흡입 포트를 향하는 방향으로 상기 외측 표면 상에 액체 냉매를 안내하기 위한 수단;

상기 중심 부분으로부터 상기 배기 포트를 향하는 방향으로 상기 외측 표면 상에 액체 냉매를 안내하기 위한 수단;

상기 중심 부분에서 원주방향으로 상기 외측 표면 상에 액체 냉매를 안내하기 위한 수단;

상기 보어 내에서 왕복운동할 수 있는 제1 및 제2 대향 피스톤으로서, 각각의 피스톤은 머리부분을 포함하는 것;

상기 피스톤 머리부분의 배후 표면 상의 상기 제1 피스톤의 내부에 대해 액체 냉매의 직접적인 분사를 적용하기 위한 적어도 하나의 냉매 채널; 그리고

상기 피스톤 머리부분의 배후 표면 상의 상기 제2 피스톤의 내부에 대해 액체 냉매의 직접적인 분사를 적용하기 위한 적어도 하나의 냉매 채널; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 대향 피스톤 내연기관용 조립체.
제 42 항에 있어서, 상기 피스톤과 상기 실린더 사이의 정렬을 유지하기 위해 각각의 피스톤에 장착되는 적어도 하나의 종속(compliant) 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
제 42 항에 있어서, 상기 피스톤은 링이 없는 것을 특징으로 하는 조립체.
외측 표면, 중심 및 단부 부분, 및 보어를 갖는 실린더;

중심부분으로부터 단부 부분을 향하여 유동하는 액체 냉매의 흐름을 외측 표면 상에 적용할 수 있는 공급 시스템; 그리고

보어 내에서 왕복운동할 수 있는 제1 및 제2 대향 피스톤; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 대향-피스톤 내연기관.
제 45 항에 있어서, 상기 실린더는, 중심부분으로부터 단부 부분을 향하여 외측 표면 상에서 연장되는 홈부의 그룹, 및 중심 부분에서 원주방향으로 연장되는 홈부의 그룹을 포함하며, 상기 홈부를 덮는 실린더 슬리브 및 상기 실린더 슬리브 내의 하나 이상의 포트를 더 포함하며, 각각의 포트는 각각의 홈부와 연통하며, 상기 공급 시스템은 하나 이상의 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 45 항에 있어서, 각각의 피스톤은 배후 표면을 가지는 머리부분을 포함하며, 상기 공급 시스템은 상기 머리부분의 배후 표면 상의 각각의 피스톤의 내부에 대해 액체 냉매를 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 기관.
제 47 항에 있어서, 각각의 피스톤은 원통형 몸체, 개방 단부, 및 머리부분 을 한정하는 폐쇄 단부를 포함하며, 상기 기관은 적어도 2개의 냉매 채널을 더 포함하며, 각각의 냉매 채널은 상기 공급 시스템에 연결되어 상기 피스톤의 머리부분의 배후 표면에 액체 냉매의 적어도 하나의 분사가 향하도록 위치결정되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 48 항에 있어서, 상기 실린더는, 중심부분으로부터 단부 부분을 향하여 외측 표면 상에서 연장되는 홈부의 그룹, 및 중심 부분에서 원주방향으로 연장되는 홈부의 그룹을 포함하며, 상기 홈부를 덮는 실린더 슬리브 및 상기 실린더 슬리브 내의 하나 이상의 포트를 더 포함하며, 각각의 포트는 각각의 홈부와 연통하며, 상기 공급 시스템은 하나 이상의 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
보어를 갖는 실린더;

상기 보어 내에서 왕복운동할 수 있는 제1 및 제2 대향 피스톤으로서, 각각의 피스톤은 배후 표면을 가지는 머리부분을 포함하는 것; 그리고

상기 머리부분의 배후 표면에 액체 냉매의 하나 이상의 분사를 적용할 수 있는 공급 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 대향-피스톤 내연기관.
제 50 항에 있어서, 상기 실린더는 외측 표면, 중심부분 및 단부 부분을 더 포함하며, 상기 공급 시스템은 실린더의 상기 외측표면 상에 상기 중심부분으로부터 상기 단부 부분을 향하여 유동하는 액체 냉매의 흐름을 적용할 수 있는 것을 특 징으로 하는 기관.
제 51 항에 있어서, 상기 실린더는, 중심부분으로부터 단부 부분을 향하여 외측 표면 상에서 연장되는 홈부의 그룹, 및 중심 부분에서 원주방향으로 연장되는 홈부의 그룹을 포함하며, 상기 홈부를 덮는 실린더 슬리브 및 상기 실린더 슬리브 내의 하나 이상의 포트를 더 포함하며, 각각의 포트는 각각의 홈부와 연통하며, 상기 공급 시스템은 하나 이상의 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
제 50 항에 있어서, 각각의 피스톤은 원통형 몸체, 개방 단부, 및 머리부분을 한정하는 폐쇄 단부를 포함하며, 상기 기관은 적어도 2개의 냉매 채널을 더 포함하며, 각각의 냉매 채널은 상기 공급 시스템에 연결되어 상기 피스톤의 머리부분의 배후 표면에 액체 냉매의 적어도 하나의 분사가 향하도록 위치결정되는 것을 특징으로 하는 기관.
외측 표면, 중심 및 단부 부분, 및 보어를 갖는 적어도 하나의 실린더와 상기 보어 내에서 왕복운동할 수 있는 한 쌍의 대향 피스톤을 포함하며, 각각의 피스톤은 배후 표면을 갖는 머리부분을 포함하는 내연기관을 작동하는 방법으로서, 상기 방법은:

상기 중심부분으로부터 상기 단부 부분을 향하여 유동하는 상기 외측 표면에 액체 냉매의 나선형 흐름을 적용하는 단계; 및

상기 머리부분의 배후 표면 상의 각각의 피스톤의 내부에 액체 냉매의 적어도 하나의 직접적인 분사를 적용하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 54 항에 있어서, 상기 중심 부분 내에서 상기 외측 표면에 원주방향으로 액체 냉매의 흐름을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 55 항에 있어서, 액체 냉매의 나선형 흐름을 적용하는 단계, 액체 냉매의 적어도 하나의 직접적인 분사를 적용하는 단계, 및 상기 중심 부분 내에서 상기 외측 표면에 액체 냉매의 흐름을 적용하는 단계는 모두 연료를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
실린더와 제1 및 제2 대향 피스톤을 포함하며, 상기 실린더는 외측 표면, 중심부분, 단부 부분 및 보어를 포함하며, 상기 제1 및 제2 대향 피스톤은 상기 보어 내에서 왕복운동할 수 있으며, 각각의 피스톤은 배후 표면을 갖는 머리부분을 포함하는 대향 피스톤 기관을 냉각하는 방법으로서, 상기 방법은:

상기 외측 표면의 외주 및 길이를 따라서 적어도 균일한 온도를 얻도록 액체 냉매를 이용하여 상기 실린더의 외측 표면을 냉각하는 단계; 및

액체 냉매와의 직접적인 충돌에 의해 각각의 피스톤 머리부분의 상기 배후 표면을 냉각하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 57 항에 있어서, 상기 실린더의 외측 표면을 냉각시키기 위해 사용되는 상기 액체 냉매와 각각의 피스톤 머리부분의 상기 배후 표면을 냉각시키기 위해 사용되는 상기 액체 냉매는 동일한 액체 냉매인 것을 특징으로 하는 방법.
제 57 항에 있어서, 상기 실린더의 외측 표면을 냉각시키기 위해 사용되는 상기 액체 냉매와 각각의 피스톤 머리부분의 상기 배후 표면을 냉각시키기 위해 사용되는 상기 액체 냉매는 상이한 액체 냉매인 것을 특징으로 하는 방법.
실린더와 제1 및 제2 대향 피스톤을 포함하며, 상기 실린더는 외측 표면, 중심부분, 단부 부분 및 보어를 포함하며, 상기 제1 및 제2 대향 피스톤은 상기 보어 내에서 왕복운동할 수 있으며, 각각의 피스톤은 배후 표면을 갖는 머리부분을 포함하는 대향 피스톤 기관을 냉각하는 방법으로서, 상기 방법은:

상기 외측 표면의 외주 및 길이를 따라서 적어도 균일한 온도를 얻도록 액체 냉매를 이용하여 상기 실린더의 외측 표면을 불균일하게 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
실린더와 제1 및 제2 대향 피스톤을 포함하며, 상기 실린더는 외측 표면, 중심부분, 단부 부분 및 보어를 포함하며, 상기 제1 및 제2 대향 피스톤은 상기 보어 내에서 왕복운동할 수 있으며, 각각의 피스톤은 배후 표면을 갖는 머리부분을 포함하는 대향 피스톤 기관을 냉각하는 방법으로서,

상기 피스톤 머리부분의 배후 표면에 대하여 액체 냉매의 와류 분사를 향하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
반대-회전하는 크랭크축에 연결되는 제1 및 제2 기어; 및

제1 위치에서 상기 제1 기어를 연결하는 외측 원주 및 제2 위치에서 상기 제2 기어를 연결하는 내측 원주를 갖는 고리를 가지는 제3 기어; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 기어열.
제 62 항에 있어서, 상기 제2 위치는 상기 제1 위치에 반대되는 것을 특징으로 하는 기어열.