KR20100071033A - 내연 기관 - Google Patents

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KR20100071033A
KR20100071033A KR1020107000123A KR20107000123A KR20100071033A KR 20100071033 A KR20100071033 A KR 20100071033A KR 1020107000123 A KR1020107000123 A KR 1020107000123A KR 20107000123 A KR20107000123 A KR 20107000123A KR 20100071033 A KR20100071033 A KR 20100071033A
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데이비드 콕스
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콕스 파워트레인 엘티디
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Abstract

본 발명은 2개의 대향식 피스톤을 수용하고 하나 이상의 배기 포트 및 하나 이상의 흡기 포트를 각각 갖는 2개의 대향식 실린더와, 비대칭적으로 배열된 저널과 피스톤으로부터 저널을 구동시키는 스카치-요크 기구를 갖는 크랭크샤프트를 포함하는 2-행정 내연 기관을 제공한다. 각각의 실린더 내의 피스톤은 실린더의 흡기 포트보다 먼저 실린더의 배기 포트를 개방하도록 그리고 실린더의 흡기 포트보다 먼저 실린더의 배기 포트를 폐쇄하도록 작동한다.

Description

내연 기관 {INTERNAL COMBUSTION ENGINES}
본 발명은 내연 기관에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 피스톤 대향식 실린더 대향식(piston-opposed, cylinder-opposed)("POCO") 구성을 갖는 내연 기관에 관한 것이다.
내연 기관은 제2차 세계대전이 끝난 이후 거의 변화를 겪지 않았고, 오늘날 보편적으로 사용하는 피스톤 엔진은 제2차 세계대전 동안 일어난 발전보다 제2차 세계대전의 발발에서의 설계 경험에 더 많은 공통점을 갖는다.
전쟁이 끝남에 따라, 생산하기에 값싸고 단순한 것, 특히 진보한 기계가공 기술 또는 신종의 재료를 필요로 하지 않는 것이 요구되었다. 이 시기에, 내연 기관은 다른 기술이 이어받을 때까지 미봉책에 지나지 않는 것으로 보여졌고, 이 추정은 10년간에 걸쳐 몇 번이고 반복되었다.
회전식 엔진은 전쟁 이후의 많은 발전들 중 하나였다. 회전식 엔진의 기본적인 형상은 증기의 시대 이후 내내 있었지만, 방켈 펠릭스(Wankel, Felix)에 의해 이루어진 제작품은 실용적인 해결책을 제공하는 듯이 보이는 시점을 초래했다. 종래의 내연 기관에 비교하여, 방켈의 제작품은 주어진 용적이 훨씬 더 작았고, 거의 진동이 없는 주행의 부가적인 보너스를 제공하였다. 10년의 말기까지, 거의 모든 대부분의 엔진 제작자는 회전식 엔진을 생산하기 위해서 방켈 협회로부터 허가증을 샀지만, 문제점들이 곧 명백해졌다. 첫 번째인 회전자 팁의 부족한 밀봉은, 결국에는 극복되었지만, 많은 제품이 회수되고 보증이 요구된 후에도 선도적인 제작사들을 거의 파산까지 가게 했다. 두 번째는 기본적인 설계에서 본래부터 가지고 있었다. 연소 용적을 빼앗은 방켈 제품 내의 챔버 벽 및 스피닝 회전자의 형상은 연소 시점에서 회전자와 챔버 벽 사이에 무엇인가 잔존물이 있게 되었다. 이것은 큰 영역/용적 비로 인한 불완전 연소와 비효율적인 형상을 초래했다. 열악한 연료 소비는 1974년이지만 하룻밤 새에 출현한 1차 연료 위기의 등장까지 세상에서 얼마간 존재할 수 있었다고 생각되었다. 오늘날 연료 소비만큼 중요한 배기에 있어서, 방켈 제품의 비효율적인 연소는 사용자가 작은 크기 및 부드러움 대신에 이들 결점들을 참을 수 있는 어플리케이션을 제외하고 미래에 어떤 중요한 역할을 할 것으로 보기는 어렵다.
방켈 제품은 사라졌고, 제작사들은 종래의 엔진으로 되돌아갔으며 미래의 동력원, 즉 연료 전지가 받아들여지는 진보를 기다리게 되었다. 진보된 배터리의 개발이 또한 진행중이지만, 최초의 상용 전기 차량이 현실적으로 고려될 수 있는 바로 이 시기에, 내연 기관이 그 자체로 아주 효율적인 유닛 또는 하이브리드 전동기구의 부품으로서 여러 해 동안 상당한 장래성을 가질 것이라는 사실이 증대되고 있다는 것은 역설적이다.
몇몇 측면에서, 상업적인 사용을 위한 디젤 엔진의 설계자들에게는 1930년대에 준커스 주모(Junkers Jumo)에 의해 그리고 1950년대 및 1960년대에 나피에르 델틱(Napier Deltic)에 의해 독일에서 개발된 대향식 피스톤 2-행정과 콤머 티에스쓰리(Commer TS3)가 더욱 모험적인 것이었다.
현재 피스톤 엔진을 위한 요건을 달성했는가라는 의문은 구비해야 하는 특징이 무엇이냐는 것이다.
제작 효율성 및 사용시 신뢰성 때문에, 엔진은 최소한의 이동 부품들을 가지면서 가능한 단순해야한다. 차량의 패키징을 강화하고 향상시키고, 보행자의 안전을 개선하고 하이브리드 전동기구 내로 통합되게 하는 것이 무엇이든 간에 용이하게 수용될 수 있도록, 엔진은 가능한 작아야 한다.
최소의 에너지가 자체 질량을 이동시키는데 사용되면서, 더 큰 유효 탑재량이 고정된 총 차량 무게 내에 가능한 이루어지도록, 엔진은 경량이어야 한다.
엔진은 동시대의 엔진보다 더욱 효율적으로 연료를 사용해야 하며, 더 좋은 연소, 더 적은 내부 마찰 및 감소된 왕복운동 질량체를 갖는 것을 의미한다.
가능하다면, 엔진은 차량 좌석의 편안함을 향상시키고 새시(chassis) 내의 응력을 감소시키도록 진동이 없어야 한다.
이론적으로, 2-행정 엔진은 각각의 실린더가 1회전마다 동력을 생성하기 때문에 크기에 비해 더 큰 출력을 달성하는 장점을 갖는다. 그러나, 이 가능성은 과도한 흡기 및 배기 기간의 오버랩에 의해, 그리고 피스톤 대향식 2-행정이 전통적으로 가장 효율적인 연소를 달성하도록 최적의 비대칭을 가지지 못했다는 사실에 의해 손상되었다. 연료, 분사 시스템 및 엔진 관리에서의 진보는 많은 이러한 단점들이 최근 만들어진 청정 엔진으로 극복될 수 있다는 것을 의미한다.
공통의 중앙 크랭크샤프트에 연결된 한 쌍의 대향식 피스톤을 각각 구비한 대향식 실린더를 갖는 2-행정 내부 연소 엔진은 미국 특허 제6,170,443호에서 개시되었다. 크랭크샤프트 상의 편심부의 독립적인 각도 위치설정은 흡기 포트 및 배기 포트의 비대칭 타이밍을 허용하고, 따라서 흡기 및 배기 포트 오버랩을 최적화한다. 생성되는 주된 동적 불균형의 영향은 복잡한 방식으로 이동 부품의 질량과 기하학적 구성을 제어함으로써 최소화된다.
종래 엔진의 종합적인 비효율성과 생성된 배출물에 대한 다른 유도 인자는 로드/크랭크샤프트 형상을 연결함으로써 야기된 피스톤 측면 스러스트에 의해 일어난 것이지만, 대단부(big-end) 및 주 베어링 상에 직접 작용하는 연소 힘으로 인한 마찰 손실은 상당하다.
모든 이들 영역들의 개선은 단지 유익할 수 있다.
본 발명은 일반적으로 2-실린더 2-행정 내연 기관에 관한 것이다.
현재의 4-실린더 4-행정 엔진에 비해 뛰어난 성능 특성을 가지면서도 향상된 설치, 진보된 과급 및 연료 분사 방법에 대한 적합성, 동적 균형성 및 감소된 생산비를 위한 기계적 단순성을 위하여 향상된 효율, 감소된 높이 형상 및 더 낮은 질량을 갖는 2-실린더 2-행정 내연 기관을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
이에 따라, 전체적인 태양에서, 본 발명은 크랭크샤프트와 2개의 공축의 대향식 실린더를 포함하는 2-행정 내연 기관을 제공한다.
각각의 실린더는 피스톤들 사이에 연소 챔버를 형성하도록 왕복운동가능하게 배치되는 대향식 내부 피스톤 및 외부 피스톤을 포함하는 것이 바람직하다. 외부 피스톤과 견고하게 결합하는 스카치-요크 기구는 크랭크샤프트에 외부 피스톤을 구동식으로 결합하도록 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 전술된 외부 피스톤의 단일 스카치-요크를 활주식으로 수용하도록 실린더들 사이에서 충분한 공간을 갖고 실린더의 중앙 라인을 중심으로 균등하게 배치된 2개의 평행한 스카치-요크 기구가 형성되며, 크랭크샤프트에 내부 피스톤을 구동식으로 결합하도록 내부 피스톤과 견고하게 결합한다.
몇몇 실시예에서, 스카치-요크 기구에 외부 피스톤을 연결하는 로드의 작동을 위한 공간을 형성하도록 각각의 내부 피스톤의 정상부에는 구멍이 밀봉 수단과 함께 형성된다. 따라서, 외부 피스톤의 스카치-요크 기구는 내부 피스톤의 2개의 스카치-요크 기구 내에 겹쳐진다.
내부 피스톤 및 외부 피스톤의 조립을 용이하게 하기 위해서, 본 발명의 양호한 특징은 실린더의 축을 통과하고 크랭크샤프트의 축에 직각인 평면을 따라 내부 피스톤을 분할하는 것이다. 이어서, 내부 피스톤의 2개의 반부는 체결구로 재부착된다. 대안적인 조립 방법이 동일한 효과를 달성하도록 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 크랭크샤프트는 각각의 스카치-요크 기구로부터 구동력을 수용하기 위하여 3개 이상의 개별 저널을 갖는 것이 바람직하다. 각각의 실린더는 실린더의 각각의 단부 부근에 형성된 흡기 포트 및 배기 포트를 갖는다.
본 발명의 양호한 특징은 실린더와 공축인 배치 축을 갖는 방사상으로 배치된 다수의 저널을 통해 연료 분사 수단이 연료를 운반한다는 것이다. 분사 기간 동안, 외부 피스톤의 관형 로드 내에 방사상으로 배치된 같은 개수의 포트는 연료 분사 흐름과 정합하여 둘러싸므로, 연소 챔버 내로 연료 분사 흐름의 진입을 허용한다.
본 발명의 중요한 양호한 특징은 내부 및 외부 견고한 피스톤/스카치-요크/피스톤 조립체(API 및 APO)의 질량이 엔진의 주된 동적 불균형을 제거하거나 최소화하도록 선택되는 것이다. 스카치-요크 기구를 이용하는 엔진은 순수한 단순 조화 운동으로 피스톤을 구동시키므로, 2차 또는 더 높은 차수의 조화 운동 성분을 갖지 않는다. 특히, API의 구동 크랭크샤프트 저널의 행정과 API의 질량의 곱이 APO의 구동 크랭크샤프트 저널의 행정과 APO의 질량의 곱과 같도록 API의 질량을 선택하는 것이 바람직하다. 이 구성은 크랭크샤프트 저널 비대칭이 도입되지 않는다면 동적 불균형을 제거한다.
본 발명의 다른 양호한 특징에 따르면, API 및 APO를 구동시키는 크랭크샤프트 상의 저널은, 정반대로 되어 있는 대신에, 실린더의 흡기 포트가 개방되기 이전에 관련 실린더의 배기 포트가 개방되고 실린더의 흡기 포트가 폐쇄되기 이전에 관련 실린더의 배기 포트가 폐쇄되도록 비대칭적으로 배치된다. 이 비대칭 포트 타이밍은 배기 가스 배기를 향상시키고 엔진 효율성을 개선하도록 과급을 이용할 수 있게 한다.
비대칭 피스톤 운동이 피스톤 대향식 엔진으로 도입되면, 엔진 설계의 대다수의 경우에서 실린더 내부에 포함된 최소 및 최대 용적과 일치하는 상사점(TDC)과 하사점(BDC)의 의미는 재정의될 필요가 있다. (180+α)°의 각도로 역위상(out-of-phase)으로 되어 있는 피스톤을 갖는 피스톤 대향식 엔진의 경우에서, 여기서 α는 역위상 각도(OOP)로서 알려져 있고, 최소 함유 용적의 위치는 내부 사점(inner dead centre, IDC)으로 알려져 있고, 최대 함유 용적의 위치는 외부 사점(outer dead centre, ODC)으로 알려져 있다.
본 발명의 다른 중요한 특징은 흡기 포트 및 배기 포트를 포함하고 내부에서 피스톤이 왕복운동하는 실린더를 형성하는 2개의 슬리브 밸브의 사용이다. 크랭크샤프트의 일단부에서의 편심 구면 저널이 하나의 슬리브 밸브를 구동시키는 반면에, 크랭크샤프트의 타단부에서의 유사한 공축 저널이 제2 슬리브 밸브를 구동시킨다는 것은 본 발명의 양호한 특징이다. 몇몇 실시예에서, 편심 저널의 최대 편심부는 APO 크랭크샤프트 저널을 (90+α/2)°만큼 지체시킨다.
위에 기술된 바와 같은 동역학적 배치가 OOP 각도(α)를 갖는 경우에, 주된 역위상 힘이 (90+α/2)°만큼 APO 저널 위치의 지체를 발생시키고 API 또는 APO 곱하기 질량/크랭크행정을 곱한 2sin(α/2)의 크기인 것은 대수학 삼각법에 의해 나타낼 수 있다. 완전한 동적 균형을 달성하기 위해서, 필요한 전부는 이미 기술된 불균형 힘의 크기와 같도록 편심 저널의 행정을 곱한 2개의 슬리브 밸브의 질량의 총합의 곱으로 배치하는 것이다. 따라서, 엔진은 본질적으로 완전한 동적 균형을 얻게 된다. 슬리브 밸브의 동작의 회전 성분이 반대 방향으로 되어 있고 서로 완전히 상쇄되는 것을 여기서 알 수 있어야 한다. 또한, 대향식 실린더가 공축이기 때문에, 진동 우력(rocking couples)이 발생되지 않고, 공간이 종래의 수평 대향식 엇갈림식 실린더 배치와 비교하여 절감된다.
본 발명의 이 특징에 대한 다른 중요한 이유는 배기 피스톤 작동을 (90+α/2)°만큼 지체시키는 슬리브 밸브 작동을 갖는 효과가 3개 이상의 요인에 의해 포트 타이밍 비대칭을 증가시킨다는 것이고, 이것은 피스톤 비대칭을 최소화시키고 내부 불균형 성분 - 엔진 설계에서 드문 고결한 원형 및 엔진 용적의 손실을 차례로 최소화하게 한다.
문헌에서 잘 기록된 다른 양호한 효과는 편심부에 의해 슬리브 밸브에 부가된 원형 운동이, 결코 제로가 되지 않는, 실린더에 대한 피스톤 링의 속도로 인하여 피스톤 마찰 및 실린더 마모를 상당히 감소시킨다는 것이다. 이에 의해, 유체역학적 윤활이 최대화된다. 동시에, 윤활 오일이 더욱 균일하게 분사되어, 윤활 파손 가능성의 감소를 통해 그리고 과열 점 및 온도 기울기의 감소를 초래하는 향상된 열 전이를 통해 더욱 높은 신뢰성을 초래한다.
본 발명에 따른 엔진에서의 최대 동력 효율은 각각의 실린더의 흡기 포트에 가압 공기를 인가함으로써 달성될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 비대칭 타이밍을 갖는 엔진의 현재 양호한 형태는 2개의 과급기를 포함하고, 각각의 과급기는 블로우다운 가스(blowdown gas)를 수용하도록 그리고 관련 실린더의 흡기 포트에 가압 공기를 인가하도록 관련 실린더의 배기 포트에 결합되어 있다. 각각의 배기 포트에 대한 개별 과급기의 밀접한 결합은 임의의 피스톤 엔진에서 본래 갖고 있는 가스의 동적인 진동으로부터의 여분의 에너지를 이용함으로써 더 큰 효율을 초래한다.
본 발명의 실시예는 이제 수반하는 도면을 참조하여 예시의 방식으로 기술된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 구성의 단면도이고, 좌측 및 우측 실린더의 축을 통과하고 크랭크샤프트의 축에 직각인 수직 평면상에 위치된 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 구성의 단면도이고, 좌측 및 우측 실린더의 축과 크랭크샤프트의 축을 통과하는 수평 평면상에 위치된 단면도이다.
도 3(a) 내지 도 3(m)는 하나의 완전한 크랭크샤프트의 회전 동안 도 1 및 도 2의 엔진 구성의 구성 부품들의 상대 위치를 도시하는데,
도 3(a)는 우측 실린더에서 흡기(IN) 및 배기(EX) 포트가 개방 상태인 시동 위치에서의 크랭크샤프트를 도시하고,
도 3(b)는 30°의 반시계방향 회전 이후의 모든 구성요소들의 상대 위치를 도시하고,
도 3(c) 내지 도 3(m)은 각각 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 240°, 270°, 300°, 330°, 360°회전 이후의 모든 구성요소들의 상대 위치들을 도시한다.
이하는 양호한 실시예의 기술내용이지만, 많은 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 엔진 구성은 우측 실린더(7), 좌측 실린더(8) 및 실린더들 사이에 위치된 단일 중앙 크랭크샤프트(112)를 포함한다(명료함을 위하여, 도면부호 1 및 2를 제외하고 엔진의 지지 구조의 대부분은 도 1 및 도 2로부터 생략되었다).
우측 실린더(7)는 연소 면(23 및 25)이 각각 형성된 외부 피스톤(PRO)(3) 및 내부 피스톤(PRO)(5)을 갖고, 2개의 피스톤은 그들 사이에 연소 챔버(27)를 형성한다. 유사하게, 좌측 실린더(8)는 연소 면(24 및 26) 및 연소 챔버(28)가 형성되는 외부 피스톤(PLO)(4) 및 내부 피스톤(PLI)(6)을 갖는다. 2개의 외부 피스톤(3 및 4)은 스카치 요크(101)에 의해 견고하게 함께 연결된다. 2개의 상부 및 내부 피스톤 반부(5a 및 6a)는 상부 스카치 요크(103)에 의해 견고하게 함께 연결되고, 내부 피스톤 반부(5b 및 6b)는 하부 스카치 요크(104)에 의해 견고하게 함께 연결된다. 양호한 실시예에서, 조립을 가능하게 하기 위해서, 분할 라인이 실린더의 축을 통과하고 크랭크샤프트의 축에 직각인 2개의 얻어진 내부 피스톤/스카치 요크/피스톤 반부는 피스톤 링 밀봉 그룹(17 및 18)을 설치하는 동시에 견고하게 함께 체결된다.
외부 피스톤/스카치 요크/피스톤 시스템(3, 101 및 4)은 슬리퍼(102)를 통해 크랭크샤프트(112) 상의 5개의 편심부 중 중앙 편심부(115)에 부착된다. 내부 피스톤/스카치 요크/피스톤 시스템은 슬리퍼(105 및 106)를 통해 크랭크샤프트(112) 상의 5개의 편심부 중 내부 쌍의 편심부(114 및 116)에 부착된다. 4개의 피스톤(3, 4, 5(a+b) 및 6(a+b))은 연소 면 뒤에 배치된 복수의 피스톤 링(19, 20, 21 및 22)과 함께 각각 도시된다. 엔진의 다른 실시예에서, 추가의 피스톤 링은 포트로부터 크랭크케이스(118)까지 가스의 누출을 최소화하도록 정합 실린더 벽 내에 또는 피스톤 본체를 따라 추가로 이용될 수 있다. 양호한 실시예에서, 추가의 피스톤 링은 외부 구역(31 및 32) 내에 이용된다.
실린더는 슬리브 밸브(7 및 8)와 슬리브 밸브의 베어링 캡(bearing cap)(110 및 109)으로 구성되고, 베어링 캡은 편심부(113 및 117) 각각에 의해 크랭크샤프트로부터 구동된다. 슬리브 밸브(7 및 8)는 배기 포트(35, 34)와 흡기 포트(33)를 각각 구비한다(좌측 슬리브 밸브(8)의 흡기 포트는 도시되지 않음). 우측 실린더의 슬리브 밸브(7)에는, 외부 피스톤(3)이 배기 포트(33)를 개방 및 폐쇄하고, 내부 피스톤(5(a+b))이 흡기 포트(35)를 개방 및 폐쇄한다. 다수의 방사상 연료 분사 포트(37)는 외부 피스톤의 관형 부착부를 관통하여, 포트(37)가 분사 위상 동안 노즐(39)과 정합하여 둘러싸는 경우에만 연소 챔버(27)에 접근하도록 분사기(9)의 다수의 방사상 연료 분사 노즐(39)로부터의 연료용 통로를 제공한다. 유사하게, 좌측 실린더의 슬리브 밸브(8)에는, 외부 피스톤(4)이 배기 포트(34)를 개방 및 폐쇄하고, 내부 피스톤(6(a+b))이 흡기 포트(36)를 개방 및 폐쇄한다. 다수의 방사상 연료 분사 포트(38)는 외부 피스톤의 관형 부착부를 관통하여, 포트(38)가 (도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이것은 좌측 실린더에서 일어나는) 분사 위상 동안 노즐(40)과 정합하여 둘러싸는 경우에만 연소 챔버(28)에 접근하도록 분사기(10)의 다수의 방사상 연료 분사 노즐(40)로부터의 연료용 통로를 제공한다.
5개의 크랭크샤프트 편심부(113, 114, 115, 116 및 117) 각각은 크랭크샤프트 회전축(111)에 대하여 독특하게 위치설정된다. 예시된 실시예에서, 외부 배기 피스톤(115)용 편심부와 내부 흡기 피스톤(114 및 116)용 공축 편심부는 크랭크샤프트 회전축(111)으로부터 동일한 반경방향 거리에 있다. 양호한 실시예에서, 스카치 요크(101)는 내부 흡기 피스톤(5(a+b) 및 6(a+b))의 스커트 내부에 교대로 수용되고, 이에 따라 편심부(115)의 반경이 제한된다. 그러나, 공축 편심부(114 및 116)의 반경에 대한 등가 제한은 없으며, 이에 따라 이들 편심부의 반경을 연장하는 것이 가능하여 내부 흡기 피스톤의 행정을 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 이전의 피스톤 대향식 2-행정 엔진은, 문헌에 따르면, 약 110°의 흡기 주기와 약 130°의 크랭크샤프트 회전의 배기 주기를 갖는다. 최대 이용가능한 포트 영역이 관련 피스톤의 행정과 선형으로 변화되기 때문에, 여분의 흡기 피스톤 행정이 흡기 영역 및 배기 영역의 균등을 회복시킬 수 있다. 이것이 엔진의 크기 및 총효율(duty)에 따른 임의의 주어진 엔진 실시예에 대하여 바람직한지는 하나하나 개별적으로 최적화를 위한 추가의 컴퓨터 분석 및 시험에 좌우될 것이다.
2개의 실린더 내의 배기 포트를 개방 및 폐쇄하는 외부 배기 피스톤용 편심부(115)는 양호한 실시예에서 4°씩 각을 이루어 전진하는 반면에, 2개의 실린더 내의 흡기 포트를 개방 및 폐쇄하는 내부 흡기 피스톤용 공축 편심부(114 및 116)는 (대칭 포트 타이밍을 갖는 엔진 실시예에서 이론적인 180°대향식 피스톤에 대하여) 4°씩 각을 이루어 지연시키고, 실린더 슬리브 밸브 동작을 구동시키는 공축 편심부(113 및 117)는 편심부(115)의 위치에 대하여 (90+4)°씩 각을 이루어 지연시킨다(화살표로 지시된 바와 같이, 크랭크샤프트 회전의 방향은 반시계방향임을 지시한다).
편심부의 독특한 위치는 아래 기술되는 바와 같이 배기 블로우다운(exhaust blowdown)으로부터의 에너지의 과급 및 회복에 대하여 엔진 균형 및 엔진 작동 양쪽 모두에 도움이 된다. 엔진 균형은 크랭크샤프트 캔슬링(cancelling)에 대한 모든 비회전력을 초래하고, 따라서 아래에 기술되는 바와 같이 단순화된 크랭크샤프트 설계를 허용한다. 대향식 피스톤의 사용은 실린더당 더 큰 행정 체적(swept volume)을 달성하지만 동시에 크랭크샤프트 행정을 감소시킴으로써, 엔진 높이를 감소시킨다. 겹친 스카치 요크 구성은 매우 짧은 소형 엔진에 허용되면서도, 피스톤/실린더 인터페이스를 통한 반응력으로부터 마찰 손실을 크게 감소시킨다.
필적할만한 성능을 갖는 현재 발달 수준의 제품인 4-실린더 4-행정 인라인 엔진에 비교하여, 본 발명의 엔진은 설치 적합성, 마찰 손실이 감소 및 진동의 제거에서 실질적인 향상을 제공한다. 대향식 피스톤 대향식 실린더 엔진의 높이는 크랭크샤프트의 최대 행정 및 최소 이용가능한 클러치 직경에 의해 그리고 플라이휠 요건에 의해 주로 결정된다. 피스톤 대향식 설계에서, 크랭크샤프트 행정은 동일한 실린더 변위에 대하여 대략 절반으로 삭감될 수 있다. 그러므로, 4-실린더 4-행정 인라인 엔진을 위한 450mm 높이와 비교하여, 대략 200mm까지 높이가 감소될 수 있다. 예시된 바와 같이, 본 발명을 구현하는 엔진은 158㎤의 행정 체적을 생성하는 46.6mm의 보어를 갖는다. 단일 중앙 크랭크샤프트와 겹친 스카치-요크 구성은, 대략 720mm를 갖는 원형 설계에서, 자동차, 상업용 차량 및 경항공기 등을 위한 이용가능한 설치 폭 범위에 있는 독특한 소형 엔진을 허용한다. 152 × 83.5mm의 보어 및 행정에서는 5.5리터의 행정 체적을 초래한다. 대략 130kg의 질량을 갖는 과급기(supercharger) 및 부속품이 예상될 수 있다. 더 작은 변형이 최대 질량 제품 어플리케이션에 요구될 수 있다.
피스톤/실린더 인터페이스를 통한 반응력으로 인한 마찰은 본 발명에 의해 크게 감소된다. 현재 발달 수준의 4-실린더 4-행정 인라인 엔진은 약 0.25의 연결 로드 중심비(λ)에 대한 크랭크샤프트 행정을 갖는다. 스카치-요크 기구 때문에, 무한대의 λ값이 달성되고 모든 피스톤의 완전한 단순 조화 운동(Simple Harmonic Motion)을 초래한다.
본 발명의 2-실린더 엔진이, 필적할만한 동력 출력을 위하여, 종래의 4-실린더 4-행정 인라인 엔진과 동일한 전체 개수의 피스톤을 갖지만, 평균 피스톤 속도는 각각의 피스톤이 더 짧은 거리를 이동하기 때문에 실질적으로 감소된다.
피스톤 대향식 구성은, 외부 피스톤으로부터의 당김(pull)이 내부 피스톤으로부터의 푸시(push)를 상쇄하기 때문에, 주 베어링 상의 비회전 연소 힘을 본질적으로 제거한다. 이들 큰 힘은 이중 전단 응력(double shear)으로 크랭크샤프트에 응력을 가하고 크랭크샤프트에 거의 순수한 토크를 부여한다. 그러므로, 많은 주 베어링이 2개까지 감소될 수 있고, 이에 대응하여 크랭크샤프트와 지지 엔진 구조는 더 가벼워질 수 있다.
본 발명의 엔진은 아래에 기술되는 바와 같이 배기 포트 타이밍 및 흡기 포트 타이밍에서 실질적인 비대칭으로 균일하게 전체로 동적으로 균형을 이룰 수 있다. 이것은 2개의 피스톤/스카치-요크/피스톤 시스템의 질량/편심 행정 곱의 불균형된 성분을 정확하게 상쇄시키는 슬리브 밸브의 질량/편심 행정 곱의 사용을 통해 달성된다. 또한, 슬리브 밸브의 운동은 포트 타이밍 비대칭이 크랭크샤프트 편심의 비대칭의 3배 이상이 될 수 있는 방식으로 배기 포트 타이밍 및 흡기 포트 타이밍을 변경시킨다.
본 발명의 엔진 구성은 과급(supercharging)에 아주 적합하다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 양호한 실시예에서, 엔진의 각각의 실린더는 분리된 과급기(29 및 30)를 갖는다. 단지 2개의 실린더에서 있어서, 과급기가 각각의 실린더에 경제적으로 제공될 수 있고, 펄스 터보차징(pulse turbocharging)과 같은 기술을 더 실용적이게 한다. 과급기는, 배기를 향상시키고 낮은 엔진 속도에서 엔진 성능을 향상시키면서도, 용이한 냉각 개시를 위하여 흡입 공기를 미리 가열할 뿐만 아니라 아래에 기술되는 바와 같이 엔진의 배기[혼합(compounding)]로부터 에너지를 회복시키고 터보 지연(turbo lag)을 회피하도록 이바지하는, 전기 모터 보조식 터보차저인 것이 바람직하다.
엔진의 작동
도 3은 하나의 완전한 크랭크샤프트 회전 동안의 본 발명의 엔진의 작동을 도시한다. 도 3(a) 내지 도 3(m)은 30°증가에서의 피스톤 위치, 슬리브 밸브 및 관련 배기 및 흡기 포트 위치를 도시한다(도 3에서의 크랭크샤프트 회전은 화살표에 의해 도시된 바와 같이 반시계방향임을 지시한다). 크랭크샤프트 각도(φ)는 도면 번호의 우측에 도시되어 있고, 좌측 및 우측 실린더 내의 피스톤이 동시에 내부 사점(IDC) 및 외부 사점(ODC) 각각에 있기 때문에 후사점(after dead centre, ADC)으로 분류된다. 흡기 포트(IN) 및 배기 포트(EX)에서의 화살표는 포트가 개방되어 있다는 것을 지시한다.
0°ADC에서의 도 3(a)는 (좌측 실린더 내의 IDC로서 임의로 한정된) 0°의 크랭크샤프트 위치에서의 엔진을 도시한다. 이 위치에서, 좌측 외부 피스톤(PLO) 및 좌측 내부 피스톤(PLI)은 가장 가까운 접근 위치에 있다. 직접-분사형 엔진에서 크랭크샤프트 회전의 대략 이러한 각도에서, 연료 충전은 좌측 실린더 내로 분사될 것이고 연소가 시작될 것이다. 이 지점에서, 좌측 실린더의 배기 포트 및 흡기 포트(EX 및 IN)는 PLO 및 PLI 각각에 의해 완전히 폐쇄된다. 배기 포트를 작동시키는 피스톤의 타이밍이 4°씩 전진되고 흡기 포트를 작동시키는 피스톤의 타이밍이 4°씩 지연되기 때문에, 양쪽 피스톤(PLO 및 PLI)은 좌측으로의 적은 속도를 갖고, PLO는 단지 변화된 방향을 갖는다. 우측 실린더에서, 우측 외부 피스톤(PRO) 및 우측 내부 피스톤(PRI)은 가장 멀리 떨어진 위치에 있다. 우측 실린더의 배기 포트 및 흡기 포트(EX 및 IN) 양쪽 모두는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 개방되어 있고, 이전의 연소 사이클로부터의 배기 가스는 단일유동[루핑 유동(looping flow)보다는 일 방향으로의 유동] 배기된다. 좌측 실린더 내의 피스톤과 같이, 양쪽 PRO 및 PRI는 겹친 스카치-요크 기구에 의해 견고하게 연결되기 때문에 좌측으로 적은 속도를 또한 가져야만 하고, PRO는 단지 변화된 방향을 갖는다. 동기 작동하여 (90+4)°씩 피스톤(PRO 및 PLO)의 이동을 지연시키고 (90+4)°씩 피스톤(PLI 및 PRI)의 이동을 유도하는 양쪽 슬리브 밸브는, 우측으로 최대 속도를 갖는 중간-행정에 있게 됨으로써, 포트 타이밍에 대한 유효 변화를 야기하지 않는다.
30°ADC에서의 도 3(b)에서, 좌측 실린더의 피스톤(PLO 및 PLI)은 동력 행정의 초기에 멀리 이동되고, PLI는 변화된 이동 방향을 갖는다. PLO가 8°씩 PLI를 유도하기 때문에, PLO는 PLI보다 더 높은 속도에서 이동한다. 우측 실린더에서, 양쪽 설정의 포트(EX 및 IN)는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 개방을 유지하지만, 포트(EX)는 폐쇄되기 시작한다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 우측으로 편심 행정의 50%이고, 우측으로 여전히 이동함으로써 흡기 포트(IN)의 개방을 증가시키고, 우측 실린더의 배기 포트(EX)의 개방을 감소시킨다.
60°ADC에서의 도 3(c)에서, 좌측 실린더는 동력 행정을 계속하고, 2개의 피스톤(PLO 및 PLI)은 거의 같지만 대향 속도를 갖는다. 우측 실린더에서, 외부 피스톤(PRO)은 폐쇄된 배기 포트(EX)를 갖는 반면에, 흡기 포트(IN)는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 과급을 수용하도록 부분적으로 개방을 유지한다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 우측으로 편심 행정의 87%이고, 우측으로 여전히 이동함으로써 흡기 포트(IN)의 개방을 증가시키고 우측 실린더의 배기 포트(EX)의 폐쇄를 촉진한다.
90°ADC에서의 도 3(d)에서, 좌측 실린더는 동력 행정을 계속하는 반면에, 우측 실린더에서는 PRI가 폐쇄된 흡기 포트(IN)를 갖고, 2개의 피스톤(PRO 및 PRI)은 서로를 향하여 이동하여, 그들 사이의 공기를 압축한다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 우측으로 편심 행정의 100%이고, 정지되어 우측 실린더 내의 흡기 포트(IN)의 폐쇄를 지연시킨다.
120°ADC에서의 도 3(e)에서, 좌측 실린더의 피스톤(PLO)은 화살표에 의해 도시된 바와 같이 개방된 배기 포트(EX)를 갖는 반면에, 흡기 포트는 폐쇄를 유지한다. 이 "블로우다운(blowdown)" 상태에서, 연소 챔버로부터의 팽창 가스의 동역학적 에너지의 일부가 엔진의 크랭크샤프트(혼합) 내로 저장 및/또는 복귀될 수 있는 전기 에너지를 발생시키거나 및/또는 다음의 충전을 압축하기 위하여 터보차저("펄스" 터포차징)에 의해 외부로 회복될 수 있다. 우측 실린더에서, 피스톤(PRO 및 PRI)은 압축 행정을 계속한다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 우측으로 편심 행정의 87%이고, 좌측으로 이동함으로써 배기 포트(EX)의 개방을 증가시키고, 좌측 실린더 내의 흡기 포트(IN)의 개방을 지연시킨다.
150°ADC에서의 도 3(f)에서, 좌측 실린더의 피스톤(PLO)은 개방된 흡기 포트(IN)를 갖고, 실린더는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 단일유동 배기된다. 우측 실린더는 압축 행정의 말기에 인접하여 있고, "스퀴쉬(squish)" 위상이 시작된다. 이것은 피스톤(PRO 및 PRI)의 외부 환형 대향 면들이 점선 꼬리모양(dashed tail)으로 화살표에 의해 도시된 바와 같이 그들 사이로부터 공기를 배출하기 시작하는 곳이다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 우측으로 편심 행정의 50%이고, 여전히 좌측으로 이동함으로써 배기 포트(EX)의 개방을 증가시키고, 좌측 실린더 내의 흡기 포트(IN)의 개방을 감소시킨다.
180°ADC에서의 도 3(g)에서, 좌측 실린더의 피스톤(PLO 및 PLI)은 화살표에 의해 도시된 바와 같이 양쪽 포트(EX 및 IN)로 하여금 개방을 유지하게 하고, 단일유도 배기는 계속된다. 외부 피스톤(PLO)은 단지 변화된 이동 방향을 갖는다. 우측 실린더는 피스톤(PRO 및 PRI)이 가장 가까운 접근 위치에 있는 IDC 위치에 도달하고, PRO는 단지 변화된 방향을 갖는다. "스퀴쉬" 위상은 점선 꼬리모양으로 화살표에 의해 지시된 바와 같이 계속되어, 부분적으로 접선 흡기 포트(IN)에 의해 초래된 이미 존재하는 실린더 축 소용돌이에 대하여 격렬한 "스모킹 링(smoking ring)" 효과가 중첩되게 한다. 이들 합성 가스 운동은 연소 챔버가 거의 대부분 도넛형을 닮았고 최소 체적으로 되어 있을 때 IDC에서의 최대로 강할 것이다. 이 지점에서, 다수의 반경방향 연료 분무는 점선의 영역으로 지시된 바와 같이 중앙 연료 분사기로부터 방사되고, 거의 모든 이용 가능한 공기에 도달하여, 혼합 상태에서, 최고 등급의 특정 연료 소비를 초래하는 매우 효율적인 연소를 일으킨다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간 행정에서 좌측으로 최대 속도를 가짐으로써, 포트 타이밍에 대한 유효 변화를 초래하지 않는다.
210°ADC에서의 도 3(h)에서, 좌측 실린더에서, 양쪽 설정의 포트(EX 및 IN)는 화살표로 도시된 바와 같이 개방을 유지하지만, 포트(EX)는 폐쇄되기 시작한다. 우측 실린더의 피스톤(PRO 및 PRI)은 동력 행정의 초기에 멀리 이동되고, PRI는 변화된 이동 방향을 갖는다. PRO가 8°씩 PRI를 유도하기 때문에, PRO는 PRI보다 더 높은 속도에서 이동한다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 좌측으로 편심 행정의 50%이고, 여전히 좌측으로 이동함으로써 흡기 포트(IN)의 개방을 증가시키고, 좌측 실린더의 배기 포트(EX)의 개방을 감소시킨다.
240°ADC에서의 도 3(i)에서, 좌측 실린더에서, 외부 피스톤(PLO)은 폐쇄된 배기 포트(EX)를 갖는 반면에, 흡기 포트(IN)는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 과급을 수용하도록 부분적으로 개방을 유지한다. 우측 실린더는 동력 행정을 계속하고, 2개의 피스톤(PRO 및 PRI)은 거의 같지만 대향 속도를 갖는다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 좌측으로 편심 행정의 87%이고, 여전히 좌측으로 이동함으로써 흡기 포트(IN)의 개방을 증가시키고 좌측 실린더의 배기 포트(EX)의 폐쇄를 촉진한다.
270°ADC에서의 도 3(j)에서, 좌측 실린더에서, PLI는 폐쇄된 흡기 포트(IN)를 갖고, 2개의 피스톤(PLO 및 PLI)은 서로를 향하여 이동하여 그들 사이의 공기를 압축하는 반면에, 우측 실린더는 동력 행정을 계속한다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 좌측으로 편심 행정의 100%이고, 정지되어 좌측 실린더 내의 흡기 포트(IN)의 폐쇄를 지연시킨다.
300°ADC에서의 도 3(k)에서, 좌측 실린더에서, 피스톤(PLO 및 PLI)은 압축 행정을 계속한다. 우측 실린더의 피스톤(PRO)은 화살표에 의해 도시된 바와 같이 개방된 배기 포트(EX)를 갖는 반면에, 흡기 포트는 폐쇄를 유지한다. 이 "블로우다운(blowdown)" 상태에서, 연소 챔버로부터의 팽창 가스의 동역학적 에너지의 일부가 엔진의 크랭크샤프트(콤파운딩) 내로 저장 및/또는 복귀될 수 있는 전기 에너지를 발생시키거나 및/또는 다음의 충전을 압축하기 위하여 터보차저("펄스" 터포차징)에 의해 외부로 회복될 수 있다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 좌측으로 편심 행정의 87%이고, 우측으로 이동함으로써 배기 포트(EX)의 개방을 증가시키고, 우측 실린더 내의 흡기 포트(IN)의 개방을 지연시킨다.
330°ADC에서의 도 3(l)에서, 좌측 실린더는 압축 행정의 말기에 인접하여 있고, "스퀴쉬(squish)" 위상이 시작한다. 이것은 피스톤(PLO 및 PLI)의 외부 환형 대향 면들이 점선 꼬리모양으로 화살표에 의해 도시된 바와 같이 그들 사이로부터 공기를 배출하기 시작하는 곳이다. 우측 실린더의 피스톤(PRO)은 개방된 흡기 포트(IN)를 갖고, 실린더는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 단일유동 배기된다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간-행정 위치의 좌측으로 편심 행정의 50%이고, 여전히 우측으로 이동함으로써 배기 포트(EX)의 개방을 증가시키고, 우측 실린더 내의 흡기 포트(IN)의 개방을 감소시킨다.
360°ADC에서의 도 3(m)에서, 위치는 도 3(a)에서와 같다. 좌측 실린더는 피스톤(PLO 및 PLI)이 가장 가까운 접근 위치에 있는 IDC 위치에 도달하고, PLO는 단지 변화된 방향을 갖는다. "스퀴쉬" 위상은 점선 꼬리모양으로 화살표에 의해 지시된 바와 같이 계속되어, 부분적으로 접선 흡기 포트(IN)에 의해 초래된 이미 존재하는 실린더 축 소용돌이에 대하여 격렬한 "스모킹 링(smoking ring)" 효과가 중첩되게 한다. 이들 혼합 가스 운동은 연소 챔버가 거의 대부분 도넛형을 닮았고 최소 체적으로 되어 있을 때 IDC에서의 최대로 강할 것이다. 이 지점에서, 다수의 반경방향 연료 분무는 점선의 영역으로 지시된 바와 같이 중앙 연료 분사기로부터 방사되고, 거의 모든 이용 가능한 공기에 도달하여 최고 등급의 특정 연료 소비를 초래하는 매우 효율적인 연소를 일으킨다. 우측 실린더의 피스톤(PRO 및 PRI)은 양쪽 포트(EX 및 IN)가 개방을 유지하게 하고, 단일유동 배기는 화살표에 의해 도시된 바와 같이 계속한다. 외부 피스톤(PRO)은 단지 변화된 이동 방향을 갖는다. 양쪽 슬리브 밸브는 중간 행정에서 우측으로 최대 속도를 가짐으로써, 포트 타이밍에 대한 유효 변화를 초래하지 않는다.
특정한 각도 및 타이밍은 크랭크샤프트 형상 및 포트 크기 및 위치에 좌우되고, 위의 기술은 본 발명의 태양을 단지 예시하도록 정해진다.
배기 포트 및 흡기 포트의 비대칭 타이밍
2-행정 엔진 내의 배기 포트 및 흡기 포트의 비대칭 타이밍은 많은 중요한 장점들을 발생시킨다. 만약 배기 포트가 흡기 포트보다 먼저 개방된다면, 배치 가스 내의 에너지는 터보차저에 의해 더욱 효과적으로 회복될 수 있고, 만약 배치 포트가 흡기 포트보다 먼저 폐쇄된다면, 실린더는 더욱 효과적으로 과급될 수 있다.
본 발명의 엔진 구성에서, 위에서 기술된 바와 같이, 배기 포트는 각각의 실린더 내의 외부 피스톤에 의해 제어되고, 흡기 포트는 내부 피스톤에 의해 제어된다. 이 구성은 효과적인 배기("단일유동" 배기)를 허용할 뿐만 아니라 배기 포트 및 흡기 포트의 독립적인 비대칭 타이밍을 허용한다.
각각의 실린더 내의 2개의 피스톤의 비대칭 타이밍은 대응하는 크랭크샤프트 저널의 상대적인 각도 위치를 변화시킴으로써 달성된다. 배기 피스톤 및 흡기 피스톤용 저널을 180°멀리 위치 설정하는 것은 양쪽 피스톤이 동시에 최대 편의 및 최소 편의에 도달하도록 초래할 수 있다(대칭 타이밍). 본 발명의 양호한 실시예에서, 배기 피스톤용 저널은 4°씩 각도를 이루어 전진되고, 흡기 피스톤용 저널은 4°씩 지연된다(따라서, 내부 사점 및 외부 사점이 대칭적으로 타이밍된 엔진과 동일한 크랭크샤프트 각도에서 일어나지만 양쪽 피스톤은 실린더에 대하여 작은 공통의 속도를 갖는다). 이에 추가되는 것은 모든 배기 포트 및 흡기 포트를 포함하고 그 동작이 배기 피스톤의 내부 사점을 90°씩 지체시키는 양쪽 슬리브 밸브의 공통의 속도의 기여이다. 양호한 실시예에서, 이 동작은 유효 배기 피스톤을 12.5°로 증가시키고, 유효 흡기 피스톤을 12.5°로 지체시킨다. 결과적으로, 배기 포트는 "블로우다운"을 위하여 흡기 포트보다 먼저 개방되고 과급을 위하여 흡기 포트보다 먼저 폐쇄된다.
슬리브 밸브의 질량/편심 행정 곱은 피스톤 저널의 비대칭에 의해 초래된 1차적인 불균형을 완전히 제거하는 방식으로 맞춰질 수 있다. 따라서, 본 발명은 1차적이고 모든 더 높은 순서에서 완전한 균형을 달성할 수 있는 2-실린더 2-행정 엔진을 기술한다. 또한, 대향하는 피스톤/스카치 요크/피스톤 시스템의 질량/편심 행정 곱이 같게 유지되는 한, 배기 및 흡기 피스톤의 행정은 최고의 성능을 위하여 최대 이용가능한 포트 영역의 최적화를 허용하도록 다를 수 있다.
대형 엔진에 대한 피스톤 대향식 실린더 대향식 구성의 적합성
많은 엔진 구성에서, 균형은 개별 피스톤에 의해 기여된 자유-질량 힘이 상쇄되도록 배치된 4개, 6개, 8개 또는 더 많은 실린더를 갖느냐에 좌우된다. 회전식 평형추(counter-rotaing weight)가 또한 흔히 이용되며, 복잡성, 질량 및 마찰 손실을 엔진에 부가한다. 본 발명의 장점은 전체적인 균형이 단지 2개의 실린더로 소형 엔진에서 달성될 수 있다는 것이다. 대형의 다중 실린더 엔진은 다수의 2-실린더 엔진을 나란히 위치시키고 크랭크샤프트를 함께 결합함으로써 이루어질 수 있다. 결합은 작동자 또는 논리 제어 하의 클러치와 같은 이러한 수단에 의한 것일 수 있고, 낮은 하중(low load)에서 필요하지 않을 때 실린더의 쌍이 결합되지 않게 한다. 현재 엔진은 부분적인 하중에서 작동할 때 모든 실린더보다 적게 사용하도록 존재하지만, 실린더는 크랭크샤프트에 연결되어 유지되고, 피스톤은 실린더 내부에서 계속 이동하므로, 엔진 상의 기생적인 마찰 하중이 계속 있게 된다.
결론
위의 기재는 본 발명의 특정한 실시예의 상세한 설명이다. 개시된 실시예로부터의 이탈이 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다는 것과 명백한 변형이 당업자에 의해 일어날 수 것이 인식된다. 본 명세서는 본 발명이 부여하는 보호의 완전한 범위를 과도하게 좁히도록 해석되지 않아야 한다.
아래의 청구범위에서의 기능 요소들에 더하여 대응하는 구조, 재료, 작동 및 모든 수단 또는 단계의 등가물은 특정하게 주장된 바와 다른 주장된 요소들과 조합하여 기능을 수행하기 위하여 임의의 구조, 재료 또는 작동을 포함하도록 의도된다.

Claims (30)

  1. 2개의 대향식 피스톤을 수용하고 하나 이상의 배기 포트 및 하나 이상의 흡기 포트를 각각 갖는 2개의 대향식 실린더와,
    비대칭적으로 배열된 저널과, 피스톤으로부터 저널을 구동시키는 스카치-요크 기구를 갖는 크랭크샤프트를 포함하는 2-행정 내연 기관이며,
    각각의 실린더 내의 피스톤은 흡기 포트보다 먼저 배기 포트를 개방하도록 그리고 흡기 포트보다 먼저 배기 포트를 폐쇄하도록 작동하는
    2-행정 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서,
    피스톤의 기하학적 구성 및 질량은 엔진의 작동 동안 엔진의 동적 불균형을 최소화하도록 선택되는
    2-행정 내연 기관.
  3. 복수의 저널을 갖는 크랭크샤프트와,
    크랭크샤프트에 인접한 내부 단부를 갖고, 내부에 왕복 가능하게 배치된 내부 피스톤 및 외부 피스톤을 각각 갖고 내부 피스톤과 외부 피스톤 사이에서 연소 챔버를 형성하는 2개의 대향식 실린더와,
    내부 피스톤에 견고하게 부착되고, 크랭크샤프트의 대응 저널에 내부 피스톤을 구동식으로 결합시키며, 동기 작동하는 제1 스카치-요크 기구 및 제2 스카치-요크 기구와,
    외부 피스톤에 견고하게 부착되고, 크랭크샤프트의 대응 저널에 외부 피스톤을 구동식으로 결합시키는 제3 스카치-요크 기구를 포함하는
    2-행정 내연 기관.
  4. 제3항에 있어서,
    피스톤 및 스카치-요크 기구의 기하학적 구성은 엔진의 작동 동안 엔진의 동적 불균형을 최소화하도록 선택되는
    2-행정 내연 기관.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    제3 스카치-요구 기구는 내부 피스톤의 연소 면 내의 구멍을 통과하는 로드를 통해서 외부 피스톤에 견고하게 부착되는
    2-행정 내연 기관.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 피스톤과 제3 스카치-요크를 포함하는 제1 시스템의 유효 질량과 관련 크랭크샤프트 저널의 행정의 곱은, 제1 스카치-요크 및 제2 스카치-요크와 내부 피스톤을 포함하는 제2 시스템의 유효 질량과 관련 크랭크샤프트 저널의 행정의 곱과 본질적으로 동일하여, 제1 시스템으로 인한 동적 불균형이 제2 시스템으로 인한 동적 불균형을 본질적으로 상쇄하는
    2-행정 내연 기관.
  7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    크랭크샤프트는 3개 이상의 저널을 갖고, 제1 시스템을 위한 저널은 외부 피스톤과 제3 스카치-요크를 포함하고, 제2 시스템을 위한 저널은 내부 피스톤과 제1 스카치-요크 및 제2 스카치-요크를 포함하고, 제1 시스템 및 제2 시스템 각각의 유효 질량과, 관련 크랭크샤프트 저널의 행정은 엔진이 본질적으로 동적으로 균형을 이루도록 선택되는
    2-행정 내연 기관.
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 실린더는 각각의 단부 부근에 형성된 흡기 포트 및 배기 포트와, 연소 챔버와 연통하는 연료 분사 수단을 갖는
    2-행정 내연 기관.
  9. 제8항에 있어서,
    각각의 실린더용 스카치-요크 기구와 관련된 크랭크샤프트 저널은, 흡기 포트가 개방되기 이전에 관련 실린더의 배기 포트가 개방되고 흡기 포트가 폐쇄되기 이전에 관련 실린더의 배기 포트가 폐쇄되도록 비대칭적으로 배치되는
    2-행정 내연 기관.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    스카치-요크 크랭크샤프트 저널들에 의해 범위가 정해진, 합이 360°를 이루는 2개의 각도 중 더 작은 각도는 약 155도인
    2-행정 내연 기관.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 실린더는 일단부에서 하나 이상의 배기 포트와 타단부에서 하나 이상의 흡기 포트를 갖는 슬리브 밸브를 포함하는
    2-행정 내연 기관.
  12. 제11항에 있어서,
    크랭크샤프트에 인접한 슬리브 밸브의 단부에 대한 강성 연장부는 크랭크샤프트의 일단부 상의 제1 편심 구면 저널에 구동식으로 결합된 구멍을 포함하고, 상기 연장부는 조립을 가능하게 하기 위해서 연장부에 체결된 제거 가능한 캡을 형성하는 실린더 축에 직각인 평면을 관통하여 구멍의 직경에서 분할되는
    2-행정 내연 기관.
  13. 제12항에 있어서,
    제2 실린더의 슬리브 밸브는 크랭크샤프트의 타단부 상에서, 제1 편심 구면 저널과 공축인 제2 편심 구면 저널과 구동식으로 결합되어, 슬리브 밸브가 정위상에서 왕복운동하도록 강제하지만 대향 위상에서는 회전하도록 강제하는
    2-행정 내연 기관.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    관련 크랭크샤프트 저널에 의해 슬리브 밸브에 부여된 복합 운동은, 실린더의 축을 따른 선형의 단순 조화 운동 성분과 실린더의 축을 중심으로 한 회전 성분을 포함하는
    2-행정 내연 기관.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    슬리브 밸브를 구동시키는 저널은 스카치-요크 크랭크샤프트 저널들에 의해 범위가 정해진 2개의 각도 중 더 큰 각도를 양분하도록 위치설정되는
    2-행정 내연 기관.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    관련 저널 중 하나의 저널의 행정을 곱한 양쪽 슬리브 밸브의 질량은, 외부 피스톤 및 제3 스카치 요크를 포함하는 시스템 또는 관련 크랭크샤프트 저널 행정을 곱한 제1 스카치 요크 및 제2 스카치 요크와 내부 피스톤을 포함하는 시스템의 질량 곱하기 2sin(α/2)과 본질적으로 같고, 여기서 α는 180°에서 슬리브 밸브와 관련된 저널에 의해 범위가 정해진 더 작은 각도를 뺀 각도인
    2-행정 내연 기관.
  17. 제16항에 있어서,
    스카치-요크 크랭크샤프트 저널에 의해 범위가 정해진 더 작은 각도는 약 172도인(α=8)
    2-행정 내연 기관.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    양쪽 실린더는 크랭크샤프트에 가장 인접한 내부 단부 상의 배기 포트와, 크랭크샤프트로부터 가장 먼 외부 단부 상의 흡기 포트를 갖는
    2-행정 내연 기관.
  19. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    양쪽 실린더는 크랭크샤프트로부터 가장 먼 외부 단부 상의 배기 포트와, 크랭크샤프트에 가장 인접한 내부 단부 상의 흡기 포트를 갖는
    2-행정 내연 기관.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    실린더의 축들은 평행하지만 크랭크샤프트의 축으로부터 대향하는 방향으로 오프셋되는
    2-행정 내연 기관.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 실린더의 흡기 포트에 가압 공기를 인가하기 위한 수단이 포함되는
    2-행정 내연 기관.
  22. 제21항에 있어서,
    2개의 과급기가 포함되고, 각각의 과급기는 배기 포트로부터 블로우다운 가스를 수용하도록 관련 실린더의 배기 포트에 결합되고, 가압 공기를 흡기 포트에 인가하도록 관련 실린더의 흡기 포트에 결합되는
    2-행정 내연 기관.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    관련 스카치-요크에 외부 피스톤을 부착시키는 관형 부재 내부에 왕복운동가능하게 수용된, 크랭크샤프트로부터 멀리 떨어진, 각각의 실린더를 위한 연료 분사 수단이 제공되고, 관련 실린더의 내부 피스톤 및 외부 피스톤이 가장 가까운 접근 위치에 있는 시점 부근의 분사 위상 동안 다수의 방사상 고압 연료 제트가 방출되며, 이들 제트는 분사 기간 동안 제트와 정합하여 둘러싸는 관형 부재를 관통한 작은 방사상 구멍을 통해 관련 연소 챔버에 접근하는
    2-행정 내연 기관.
  24. 제23항에 있어서,
    실린더 내의 연료 공기 혼합물의 압축이 연료 공기 혼합물의 점화를 초래하는
    2-행정 내연 기관.
  25. 2개의 대향식 피스톤을 각각 수용하고 하나 이상의 흡기 포트 및 하나 이상의 배기 포트를 각각 구비하는 2개의 대향식 실린더와,
    피스톤을 구동시키기 위한 크랭크샤프트를 포함하는 2-행정 내연 기관이며,
    각각의 실린더는 흡기 포트 및 배기 포트의 개방 및 폐쇄를 제어하도록 크랭크샤프트에 의해 구동가능한 슬리브 밸브를 포함하는
    2-행정 내연 기관.
  26. 2개의 대향식 피스톤을 각각 수용하고 하나 이상의 흡기 포트 및 하나 이상의 배기 포트를 각각 구비하는 2개의 대향식 실린더와,
    피스톤으로부터 저널을 구동시키기 위하여 비대칭적으로 배치된 저널을 구비한 크랭크샤프트를 포함하는 2-행정 내연 기관이며,
    각각의 실린더는 흡기 포트 및 배기 포트의 개방 및 폐쇄를 제어하도록 크랭크샤프트에 의해 구동가능한 슬리브 밸브를 포함하는
    2-행정 내연 기관.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    크랭크샤프트는 실린더의 슬리브 밸브를 구동시키기 위하여 비대칭적으로 배치된 저널을 갖는
    2-행정 내연 기관.
  28. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브 밸브의 질량 및 기하학적 구성은 피스톤의 비대칭 운동에 의해 초래된 동적 불균형을 상쇄하기 위해서 선택되는
    2-행정 내연 기관.
  29. 크랭크샤프트와,
    크랭크샤프트에 가장 인접한 내부 단부를 갖고, 내부에 배치된 내부 피스톤 및 외부 피스톤을 각각 갖고 내부 피스톤과 외부 피스톤 사이에 연소 챔버를 형성하는 2개의 대향식 실린더를 포함하는 2-행정 내연 기관이며,
    각각의 외부 피스톤은 연소 챔버를 통해 대체로 축방향으로 연장하는 각각의 관형 부재에 의해 크랭크샤프트에 구동식으로 결합되고,
    관형 부재 내부에 수용된 연료 분사 수단이 연소 챔버 내로 방사상 외향으로 연료를 분사하도록 배치되는
    2-행정 내연 기관.
  30. 복수의 저널을 갖는 크랭크샤프트와,
    크랭크샤프트에 인접한 내부 단부를 갖고, 내부에 배치된 내부 피스톤 및 외부 피스톤을 각각 갖고 내부 피스톤과 외부 피스톤 사이에서 연소 챔버를 형성하는 2개의 대향식 실린더와,
    내부 피스톤에 견고하게 부착되고, 크랭크샤프트의 대응 저널에 내부 피스톤을 구동식으로 결합시키며, 동기 작동하는 제1 스카치-요크 기구 및 제2 스카치-요크 기구와,
    외부 피스톤에 견고하게 부착되고, 크랭크샤프트의 대응 저널에 외부 피스톤을 구동식으로 결합시키는 제3 스카치-요크 기구를 포함하는
    2-행정 내연 기관.
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