KR20090027603A - 풀링 로드 엔진 - Google Patents

Abstract

왕복식 내연 기관은 커넥팅 로드를 통해 크랭크샤프트에 연결되는 피스톤과 실린더를 포함하며, 크랭크샤프트는 리스트 핀과 연소실 사이에 배치된다. 이런 방식으로 연소가 슬로우 데드 센터(slow dead center)로 이동하여 높은 엔진 회전수에서도 디젤을 사용할 수 있게 하고, 스파크 점화 엔진의 효율을 향상시킬 수 있고, 예혼합 압축 착화(Homogeneous Charge Compression Ignition; HCCI) 연소를 용이하게 만들 수 있다. 크랭크샤프트는 단일체(one piece)로 형성되지만 피스톤에 대하여 많은 커넥팅 로드들이 사용될 수도 있다. 본 발명이 대향 피스톤 엔진(opposed piston engine)으로 실시된다면, 이런 엔진은 최고의 비출력, 최고의 열효율, 내장형 소기 펌프, 및 소형화를 모두 겸비한다.

왕복식 내연 기관, 풀링 로드 엔진(Pulling Rod Engine; PRE)

Description

풀링 로드 엔진{PULLING ROD ENGINE}

본 발명은 풀링 로드 엔진에 관한 것이다.

본 발명과 가장 근접한 선행기술인 미국 특허 US 6,062,187, US 6,763,796, 및 US 6,786,189에 있어서, 그 발명의 목적은 연소 시점에서의 연료-공기 혼합기(fuel-air mixture)의 정적도(degree of constant volume)를 증가시킴으로써 열효율(thermal efficiency)을 높이는 것이다.

도 21은 통상적인 엔진을 본 발명 및 본 발명에 가장 근접한 선행기술에 대비시킨 모습을 도시한다. US 6,062,187에서 연소실(combustion chamber)은 리스트 핀(wrist pin)과 피스톤 사이에 배치된다. US 6,763,796은 크랭크샤프트(crankshaft)와 피스톤 사이에 배치되는 '연소실/실린더 헤드'를 청구한다. US 6,786,189는 크랭크샤프트의 일체성을 깨트리고, 피스톤의 활주 경로(piston sliding path) 밖에 배치되는 동기화된(synchronized) '크랭크샤프트 반편(crankshaft halves)'으로 구성된다. 풀링 로드 엔진(Pulling Rod Engine; PRE)에서 크랭크샤프트는 연소실과 리스트 핀 사이에 배치된다.

왼쪽에서 오른쪽의 순서로, 도 6은 본 발명이 제안한 구조에서 통상적인 엔진의 형태로 변형되는 모습을 도시한다. 가장 왼쪽 그림은 엔진이 조립된 모습을 도시한다. 그 후에 실린더 케이싱(cylinder-casing)이 제거된다. 그 후에 피스톤이 피스톤 핀(piston pin)에 대하여 180도 회전된다. 최종적으로 피스톤이 길이방향으로 축소되어 가장 오른쪽 그림에 도시된 바와 같이 통상적인 엔진 메카니즘 형태로 된다. 이런 방식으로 연소는 패스트 데드 센터(fast dead center; 크랭크 각도(crank angle)가 증가할 때 피스톤이 상사점(TDC; Top Dead Center) 근처에서 빨리 이동하는 것)에서 슬로우 데드 센터(slow dead center; 크랭크 각도가 증가할 때 피스톤이 상사점 근처에서 천천히 이동하는 것)로 이동한다.

통상적인 구조와 동일하게, PRE의 커넥팅 로드(connecting rod)의 일단은 크랭크샤프트의 크랭크 핀(crank pin)에 부착된다. 반면에 PRE의 커넥팅 로드의 타단은 리스트 핀에 의해 피스톤 또는 피스톤에 대응되는 왕복 부재(reciprocating member)에 부착된다. 통상적인 구조와는 대비되듯이, PRE의 크랭크샤프트는 연소실과 리스트 핀 사이에 배치된다.

본 발명의 목적은 연소 시점에서 공기-연료 혼합기의 정적도를 증가시켜 연소 효율을 향상시키는 것이다. 즉, 이는 좋은 조건에서 공기-연료 혼합기가 준비되고 연소되는 시간을 더 많이 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 다른 목적은 통상적인 엔진의 단순함과 본 발명에 가장 근접한 선행기술에서 제안된 메카니즘의 효율을 결합시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 특정 용도에 적합한 PRE 구조를 제안하는 것이다.

그 단순함에 불구하고, 본 발명이 제안한 문제 해결방식은 자명하지 않다. 이는 본 발명에 가장 근접한 선행기술에서 제안된 해결방식을 보면 명백해진다. 본 발명에 가장 근접한 선행기술에서는 서로에 대하여 기어로 맞물린 한 쌍의 크랭크샤프트 반편(crankshaft halves), 긴 길이를 갖는 한 쌍의 커넥팅 로드, 긴 피스톤 핀 등등이 모든 피스톤에 대하여 필요하기 때문이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 단순화된 아이디어를 도시하고,

도 3-6은 본 발명의 아이디어를 1 실린더 엔진 및 4 실린더 엔진에 적용한 모습을 도시하고,

도 7 및 도 8은 레이싱에 사용되는 것과 같이 짧은 행정(stroke)을 갖는 엔진(short stroke engine)에 적용가능한 다른 실시 예를 도시하고,

도 9는 긴 행정을 갖는 엔진에 적용가능한 또 다른 실시 예를 도시하고,

도 10은 피스톤의 이동거리에 따른 통상적인 엔진과 PRE의 크랭크 각도의 비율을 도시하고,

도 11은 본 발명에 따른 2 실린터 V90 엔진을 도시하고,

도 12는 본 발명에 따른 8 실린더 V90 엔진을 도시한다

도 13-20은 본 발명에 따른 '대향 피스톤(opposite piston)' 형태의 엔진과 몇 가지 애플리케이션(application)을 도시하고,

도 21은 통상적인 엔진을 본 발명 및 본 발명에 가장 근접한 선행기술에 대비시킨 모습을 도시한다

도 1-12에서, 참조부호 1은 크랭크샤프트를, 참조부호 2는 실린더를, 참조부호 3은 피스톤을, 참조부호 4는 피스톤 크라운(piston crown)을, 참조부호 5는 커넥팅 로드를, 참조부호 6은 피스톤 핀을, 참조부호 7은 크랭크 핀을, 참조부호 8은 크랭크샤프트의 회전축을, 참조부호 9는 쓰러스트 로드(thrust load)를 위한 슬라이더 수단(slider means)을, 그리고 참조부호 10은 크랭크샤프트의 밸런싱 웹(balancing web)을 나타낸다. 도 13-20은 '대향 피스톤(opposite piston)' 형태의 엔진과 몇 가지 애플리케이션(application)을 도시한다.

도 1 및 도 2는 단순화된 아이디어를 도시한다.

도 3-6은 본 발명의 아이디어를 1 실린더 엔진 및 4 실린더 엔진에 적용한 모습을 도시한다. 피스톤은 조립 상의 이유로 참조부호 15, 16에서 서로 체결되는 두 개의 부품으로 이루어진다. 피스톤 본체는 커넥팅 로드의 운동을 허용하는 슬롯(17, slot)을 구비한다. 피스톤 핀이 있는 쪽에서 피스톤은 통상적인 피스톤 스커트(piston skirt)와 유사한 슬라이더 수단(9)을 구비한다. 크랭크 핀(7)과 밸런싱 웹(10) 사이에 있는 크랭크축의 협부(11, narrowing)는 피스톤의 적절한 치수(dimension), 관성(inertia), 및 강도(strength)를 가능케 한다.

도 7 및 도 8은 레이싱에 사용되는 것과 같이 짧은 행정(stroke)을 갖는 엔진(short stroke engine)에 적용가능한 다른 실시 예를 도시한다. 도 11은 동일한 부품에 근거한 2 실린터 V90 엔진을 도시하고, 도 12는 8 실린더 V90 엔진의 무빙파트(moving part)를 도시한다.

보다 긴 행정(stroke)을 위하여, 도 7의 피스톤은 도 9에 도시된 바와 같이 변형될 수 있다. 여기서 삼각형 형상은 강성(rigidity)과 경량화(ligthweigt)를 제공한다. 도 9에서 쓰러스트 로드는 롤러(9)에 의해 전달된다.

피스톤이 상사점(TDC) 근처에 머무르는 추가적인 시간의 측면에서, 케넥팅 로드 길이의 중요성은 도 10에 있는 표에 의해 명확해진다. 짧은 커넥팅 로드를 사용하고 풀링 로드 엔진을 5500 rpm 부근에서 작동시킨다면, 작동매체(working medium)는 시간-부피 조건(time-volume condition)의 측면에서 마치 4000 rpm (5600= 1.4 * 4000)으로 회전하는 긴 로드를 갖는 통상적인 엔진 안에서 연소되는 것처럼 느끼게 된다. 이런 근거에 기초하여 특히 디젤 엔진과 천연가스 엔진(natural gas engine)의 동력 밀도(power concentration)가 상당히 커질 수 있다.

비록 피스톤이 길어지게 되지만, 통일한 행정을 갖는 통상적인 엔진과 비교할 때 전체적인 엔진의 길이는 짧아질 수 있으며 실린더 헤드와 크랭크샤프트 사이의 거리도 상당히 줄어들게 된다.

특히 디젤 엔진에 있어서 낮아진 압축비는 효율의 감소 없이 부품의 응력을 감소시키는데 이용될 수 있다. 왜냐하면 실질적으로 중요한 것은 명목 압축비(nominal compression ratio)가 아닌 연소 기간 중의 평균 압축비이기 때문이다.

레이싱 엔진의 강건도(robustness), 소형화(compactness), 및 출력(power output)도 향상될 수 있다.

짧아진 커넥팅 로드는 높은 rpm으로 회전하는 상황에서 더욱 가볍고, 더욱 강하고, 더욱 적절하며, 또한 연소를 위한 시간을 더 많이 제공할 수 있다. 피스톤 크라운에 작용하는 가스 압력(gas pressure)과 최대 관성력(maximum inertia force)는 단지 인장력(tension)의 형태로 커넥팅 로드에 가해진다.

연소실 근처에 있는 고온의 실린더 벽면이 아니라, 통상적인 슬라이더 수단 또는 롤링 수단(rolling means) 등과 함께 피스톤의 타단에서 쓰러스트 로드가 케이싱으로 전달된다. 이런 영역에서 피스톤의 유극(clearance)과 윤활은 제어하기 쉽고 보다 안정적이다. 왜냐하면 연소에서 발생하는 충격 하중(impact load)와 관성력을 더욱 억제시킬 수 있기 때문이다. 짧거나 매우 짧은 커넥팅 로드를 사용하는 경우에 있어서, 기계적 마찰과 진동의 측면에서 쓰러스트 로드가 좀더 발생하더라도 향상된 연소 효율에서 얻어지는 이득과 비교한다면 이는 작은 대가에 불과하다.

도 13-20의 대향 피스톤 PRE(opposed piston PRE)는 적은 무게와 크기로서 자급자족적(autarkic)이고 효율적인 작동을 달성할 수 있다. 연소 시점에서 작동 매체의 등적도를 증가시켜 열효율이 향상된다. 특히 압축 착화 엔진(compression ignition engine)에 있어서, 크게 압축된 상태에서의 시간이 늘어나게 되면 효율적으로 연소될 수 있는 엔진 회전속도의 한계를 더 높게 할 수 있으며, 그에 따라 동력 밀도가 증가한다. 피스톤은 양단에 크라운(crown)을 구비한다. 엔진의 중앙에서 멀리 떨어진 크라운은 엔진의 에지(edge of the engine)에서 역류방지 밸브(one way valve)와 같이 작동하여 소기 펌프(scavenging pump) 또는 압축기(compressor)를 만든다. 완전 소기(through scavenging)가 달성되면 다른 크라운은 중앙에서 연소실을 형성한다. 2개의 짧은 행정을 갖는 대향 피스톤은 긴 센트럴 실린더(long central cylinder)를 만들고 결과적으로 컴팩트하고 효율적인 연소실이 형성된다. 각각의 크랭크샤프트는 각 크랭크샤프트의 짝이 되는 리스트 핀과 연소실 사이에 배치된다. 명백하게, 리스트 핀은 피스톤의 타측, 즉 연소 크라운 측에 위치될 수도 있으나 이는 효율적인 연소에 이용될 수 있는 시간을 줄이게 된다.

도 15 및 도 16에서, 동기화되도록 대향하여 회전하는 두 개의 크랭크샤프트 각각은 경사진 블레이드(inclined blade)를 갖는 로터/헬릭스(rotor/helix)를 구동하여 휴대용 비행 기기(portable flying machine)을 형성한다. 경사진 블레이드를 갖는 로터는 종래에는 없던 것이다.

도 17 및 도 18에서, 대향 피스톤 PRE는 통상적인 두 개의 로터를 구동한다. 각각의 로터는 등속 연결(constant speed connection) 또는 카던 연결(Cardan connection)에 의해 각 로터에 짝이 되는 크랭크샤프트에 연결된다. 각각의 로터는 각 로터의 짝이 되는 크랭크샤프트 축에 대하여 약간 기울어지도록 엔진의 케이싱에 회전가능하게 장착된다. 이런 방식으로 서로에 대하여 평행하고 인접한 두 개의 크랭크샤프트는 두 개의 경사지고 큰 직경을 갖는 로터를 충돌없이 구동한다. 이런 구조는 휴대용 비행 기기에 이상적인 구조이다.

도 15-18의 비행 기기에 있어서, 비행자 또는 파일롯(flyer/pilot)은 엔진의 회전수/부하(revs/load)를 변경하고 엔진/로터 세트(engine/rotor set)에 대하여 그의 몸을 이동함으로써 제어를 계속한다. 이런 비행 기기는 공중에서 정지할 수 있으며 비행기와 같이 날 수 있다. 블레이드는 단지 점차적으로 다른 블레이드 위를 지나가기 때문에, 로터에서 보상될 토크가 없으며, 관성 또는 연소 진동이 없으 며, 소음이 억제된다. 이와 관련된 애니메이션은 www.pattakon.com에서 찾을 수 있다.

휴대용 비행 기기의 요점은 주 운전자의 무게, 결과적인 반응 토크(resulting reaction torque), 진동, 그리고 연료소비이다. 비행 기기를 더 높은 고도를 올리거나 대향 피스톤 PRE를 과급(supercharge)하기 위하여, 도 14에 도시된 바와 같이 압축 크라운(compressor crown)의 직경이 증가하여 공기 밀도(air density)가 떨어지는 것을 보상할 수 있다. 캠 샤프트, 타이밍 벨트, 포핏 밸브(poppet valve)가 없기 때문에 엔진이 보다 안정적이고 가벼워질 수 있다. 두 로터는 회전 시에 유사한 저항을 갖기 때문에, 도 13에서도 일점 쇄선의 원으로 도시된 4개의 동기화된 기어에는 거의 부하가 가해지지 않는다.

도 15-18에 도시된 시스템은 또한 비행기 및 헬리콥터의 추진 시스템(propulsion system)으로 사용될 수도 있다. 이 경우 비행체의 본체에서 진동과 작용 토크가 제거된다. 여기서 피스톤 크라운이 반드시 동일한 크기일 필요가 없으며, 하나의 피스톤은 단지 통상적인 슬리브 밸브(sleeve valve)일 수 있으며, 완전 소기(through scavenging)는 단지 하나의 선택사항임이 명백하다.

도 15-18의 두 로터를 두 전기 발전기(electric generator)로 교체하면, 도 19에 도시된 바와 같이 하이브리드 자동차, 진동에 민감한 애플리케이션(vibration sensitive application), 정치식 애플리케이션(stationary application) 등등에 필요한 관성 진동이 없고 연소 진동이 없는 전기 동력 장치(electric power plant)가 될 수 있다.

도 20은 오토바이, 자동차, 트럭 등등에 적용 가능한 다른 대향 피스톤 PRE 구조를 도시한다. 두 개의 크랭크샤프트는 중앙의 스퍼 기어(spur gear)에 의해 동일한 방향으로 동기화되어 회전한다. 동력은 두 개의 크랭크샤프트에서 중앙의 스퍼 기어로 전달되고, 그리고 나서 클러치를 통하여 변속장치(gearbox) 또는 동력사용장치(load)로 전달된다.

앞서서 본 발명이 상세히 설명되었고 도시되었으나, 이는 단지 본 발명의 설명을 위한 것이며 한정의 의미로 해석되어서는 안 됨이 명백히 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 단지 첨부된 청구항에 기재된 사항에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (10)

1. 연소실;

   제1크랭크샤프트;

   실린더 내에서 활주 가능하게 장착되는 제1피스톤;

   크랭크 핀에서 상기 제1크랭크샤프트에 부착되고, 상기 제1피스톤의 리스트 핀에서 상기 제1피스톤에 부착되는 제1커넥팅 로드;

   상기 제1크랭크샤프트와 동기화되어 회전하는 제2크랭크샤프트;

   실린더 내에서 활주 가능하게 장착되는 제2피스톤; 및

   크랭크 핀에서 상기 제2크랭크샤프트에 부착되고, 상기 제2피스톤의 리스트 핀에서 상기 제2피스톤에 부착되는 제2커넥팅 로드;를 포함하고,

   상기 제1, 2피스톤은 상기 연소실의 양 측면을 밀폐하는 왕복식 내연 기관(reciprocating internal combustion engine)에 있어서,

   상기 제1크랭크샤프트는 상기 연소실과 상기 제1피스톤의 상기 리스트 핀 사이에 배치되어 연소를 슬로우 데드 센터(slow dead center)로 변화시키고,

   상기 제2크랭크샤프트는 상기 연소실과 상기 제2피스톤의 상기 리스트 핀 사이에 배치되어 연소를 슬로우 데드 센터로 변화시키는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연소실에 대하여 반대편에 위치하는 상기 제1, 2피스톤의 적어도 하나의 측면은 펌프 또는 압축기 또는 소기 펌프의 압축실의 일 측면을 밀폐하는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
3. 제1항에 있어서,

   상기 왕복식 내연 기관은 대향 피스톤 구조(opposed piston arrangement)를 갖는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
4. 제1항에 있어서,

   상기 왕복식 내연 기관은 대향 피스톤 구조(opposed piston arrangement)를 갖고, 상기 연소실에 대하여 반대편에 위치하는 상기 제1, 2피스톤의 적어도 하나의 측면은 소기 펌프의 압축실을 밀폐하고,

   상기 소기 펌프가 내장됨에 따라 자급자족적(autarkic)으로 작동하는 대향 피스톤 구조의 내연 기관은,

   연소 시점에서 등적도가 증가함에 따라 열효율이 향상되고,

   엔진의 회전 속도가 높아지더라도 연소 시점에서 피스톤이 상사점 근처에 머무르는 시간이 늘어나기 때문에 연료가 효율적으로 연소됨에 따라 동력 밀도가 증가하고,

   상기 제1, 2크랭크샤프트의 거리가 짧아짐에 따라 컴팩트하고 가볍게 동기화된 전동 장치의 구성이 가능해지고,

   상기 피스톤의 연소가 발생하는 측과 상기 실린더의 고온 영역에서 멀리 떨어진 곳에서 쓰러스트 로드(thrust load)가 가해지기 때문에 마찰이 감소하고 윤활이 향상되는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
5. 크랭크샤프트(1);

   실린더(2);

   상기 실린더(2) 내에서 활주 가능하게 장착되고, 피스톤 크라운(4)을 구비하고, 상기 피스톤 크라운(4)은 연소실의 일 측을 밀폐하는 피스톤(3); 및

   피스톤 핀(6)에서 상기 피스톤(3)에 부착되고, 크랭크 핀(7)에서 상기 크랭크샤프트(1)에 부착되는 커넥팅 로드(5);를 포함하는 왕복식 내연 기관에 있어서,

   상기 피스톤의 일 측에서만 배타적으로 연소가 발생하고,

   상기 크랭크샤프트는 상기 연소실과 상기 피스톤 핀 사이에 배치되어 연소를 패스트 데드 센터(fast dead center)에서 슬로우 데드 센터(slow dead center)로 변화시키고,

   상기 피스톤은 적어도 하나의 커넥팅 로드에 의해 오직 하나의 크랭크샤프트에만 배타적으로 부착되고,

   통상적인 슬라이더 수단(slider means) 또는 상기 피스톤과 함께 왕복 운동하는 롤러에 의해 쓰러스트 로드가 가해짐에 의해,

   선행기술의 복잡한 구성을 제거하면서도, 연소 시점에서 등적도가 증가함에 따라 향상되는 열효율 및 통상적인 엔진의 단순한 구성이 결합 될 수 있고,

   동기화된 크랭크샤프트 반편(crankshaft halves)이 사용되지 않고,

   불균형적으로 길이가 긴 커넥팅 로드가 사용되지 않고,

   동일한 피스톤에 두 개의 크랭크샤프트가 사용되지 않고,

   시간에 대한 부피 팽창 특성(time volume expansion characteristic)이 서로 다른 연소실이 사용되지 않고,

   쓰러스트 로드를 받는 정치식 휠(stationary wheel)이 사용되지 않고,

   크로스헤드(crosshead)가 사용되지 않고,

   커넥팅 로드는 연소압(combustion pressure)을 인장력의 형태로만 받고,

   상기 피스톤과 상기 실린더의 저온 영역에 쓰러스트 로드가 가해지는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
6. 제5항에 있어서,

   상기 크랭크샤프트는 상기 피스톤을 관통하여 움직이는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
7. 제5항에 있어서,

   제2크랭크샤프트는 상기 크랭크샤프트(1)와 동기화되어 회전하고,

   제2피스톤은 제2커넥팅로드에 의해 상기 제2크랭크샤프트에 부착되고,

   상기 피스톤(3)과 제2피스톤은 연소실의 양 측면을 밀폐하여 대향 피스톤 풀링 로드 엔진(opposed piston pulling rod engine)을 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
8. 제5항에 있어서,

   제2크랭크샤프트는 상기 크랭크샤프트(1)와 동기화되어 회전하고,

   제2피스톤은 제2커넥팅로드에 의해 상기 제2크랭크샤프트에 부착되고,

   상기 피스톤(3)과 제2피스톤은 연소실의 양 측면을 밀폐하여 대향 피스톤 풀링 로드 엔진(opposed piston pulling rod engine)을 형성하고,

   상기 피스톤(3)과 상기 제2피스톤은 상기 엔진의 소기 펌프를 형성하는 제2피스톤 크라운을 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
9. 제5항에 있어서,

   상기 내연 기관은 복수 개의 실린더가 있는 멀티실린더형(multicylinder) 내연 기관이고,

   복수 개의 실린더는 하나 이상의 뱅크(bank)에 배치되고,

   일체성을 유지하면서 단일체(single piece)로 작동하는 하나의 크랭크샤프트가 모든 상기 복수 개의 실린더에 사용되는 것을 특징으로 하는 왕복식 내연 기관.
10. 통상적인 '왕복 부재(reciprocating member)-커넥팅 로드-크랭크샤프트' 메카니즘에서,

    상기 왕복 부재를 상기 커넥팅 로드와의 피봇 연결점(pivital join)에 대하 여 반회전(half turn) 시키고,

    상기 왕복 부재에 의해 일 측이 밀폐되는 연소실과 상기 왕복 부재의 상기 커넥팅 로드와의 상기 피봇 연결점 사이에 상기 크랭크샤프트를 배치하여 형성됨에 따라,

    간단하고 편리한 방법으로 연소가 슬로우 데드 센터에서 진행되어 혼합기나 스프레이(spray)가 좋은 조건에서 준비되며 연소되는 시간을 더 많이 제공하는 왕복식 내연 기관.

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