KR20110013991A - 왕복 피스톤 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 왕복 피스톤 엔진에 관한 것으로서, 피스톤 승강장치가 실린더의 상부에 배치된 제2 피스톤의 동작을 적절히 제어하여 연소실의 최대 압축 시점 및 최대 압축 압력을 최적화시킬 수 있고, 밸브조절장치가 밸브와 연결된 캠의 형상을 제어하여 밸브의 밸브 개폐 시점 및 밸브 개폐 시간 등을 간편하게 조절할 수 있다.

왕복 피스톤 엔진, 실린더, 제1 피스톤, 제2 피스톤, 피스톤 승강장치, 밸브조절장치, 연료폭발장치

Description

왕복 피스톤 엔진 {RECIPROCATING PISTON ENGINE}

본 발명은 왕복 피스톤 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있고, 필요시 연료의 최대 압축 시점과 최대 압축 압력, 밸브의 개폐시점과 개폐시간 등을 조절할 수 있는 왕복 피스톤 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치로써, 운송기계나 산업기계의 동력원으로 사용되고 있다. 이러한 엔진이 열에너지를 기계적인 일로 바꾸기 위해서는 작동물질이 필요하다. 즉, 가솔린 엔진에서는 가솔린과 공기를 혼합시킨 연료 가스 및 그 연료 가스의 연소 가스가 작동물질로 작용된다. 디젤기관에서는 디젤유와 공기를 혼합시킨 연료 가스 및 그 연료 가스의 연소 가스가 작동물질로 작용된다. 증기기관에서는 물과 수증기가 작동물질로 작용된다.

이와 같은 엔진들 중에서 왕복 피스톤 엔진은, 실린더와 피스톤으로 형성되어 있으며, 최근에는 자동차, 압축기, 발전기, 배 등에 널리 사용되고 있다. 즉, 왕복 피스톤 엔진은 연소실에서 발생한 에너지, 즉 연료 가스의 폭발 에너지를 피스톤의 왕복 운동에 의해 기계적인 일로 바꾸는 장치이다. 이러한 왕복 피스톤 엔진은 크랭크축과 커넥팅 로드를 이용하여 피스톤의 직선운동을 회전운동으로 바꿀 수 있다. 연소실에서 압축된 연료 가스의 폭발력이 피스톤을 밀어주고, 피스톤과 함께 커넥팅 로드와 크랭크축이 작동되면서 피스톤의 직선 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 전환시킨다.

하지만, 종래의 왕복 피스톤 엔진은, 연소실의 내부를 최대로 압축시키는 시점 및 최대 압축 압력을 변경하는 것이 불가능한 구조일 뿐만 아니라, 흡기밸브와 배기밸브의 개폐시점 및 개폐시간 등을 필요에 따라 다양하게 변경하는 것이 불가능하다. 따라서, 종래의 왕복 피스톤 엔진은 운전 상황에 따라 최적의 성능을 구현할 수 없기 때문에, 효율의 향상에 한계가 있다. 특히, 최근에는 에너지 고갈, 에너지 비용 상승, 환경 오염 등과 같은 이유로 효율이 우수한 엔진의 필요성이 더욱 증가되는 추세이다.

본 발명의 실시예는 연료의 최대 압축 시점과 최대 압축 압력, 밸브의 개폐 시점과 개폐 시간 등을 설계 조건에 따라 최적의 상태로 조절하여 엔진의 효율을 향상시킬 수 있는 왕복 피스톤 엔진을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는 기존에 사용되는 엔진의 구조를 간단히 변형하는 것만으로 연료의 최대 압축 시점과 최대 압축 압력, 밸브의 개폐 시점과 개폐 시간 등을 간편하게 조절할 수 있는 왕복 피스톤 엔진을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 실린더, 상기 실린더의 내부에 상하 방향으로 승강 가능하게 구비되고 커넥팅 로드에 의해 크랭크축과 연결된 제1 피스톤, 상기 제1 피스톤 및 상기 실린더와 함께 연소실을 형성하도록 상기 제1 피스톤의 상측에 배치되고 상기 실린더의 내부에 상하 방향으로 승강 가능하게 구비된 제2 피스톤, 상기 제2 피스톤과 상기 크랭크축 사이에 구비되고 상기 제1 피스톤이 최고점으로부터 하강되는 일정 시점에서 상기 연소실의 크기를 최소로 만들도록 상기 크랭크축의 회전 각도에 따라 상기 제2 피스톤의 승강 동작을 조절하는 피스톤 승강장치, 및 상기 실린더에 구비되고 상기 연소실이 최소의 크기로 형성될 때 상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키는 연료폭발장치를 포함하는 왕복 피스톤 엔진을 제공한다.

즉, 상기 피스톤 승강장치가 상기 제2 피스톤의 승강 동작을 적절히 제어하면, 상기 연소실의 크기를 최소로 형성하는 시점 및 상기 연소실 내의 최대 압축 압력 등을 간편하게 조절할 수 있다. 상기 연소실의 크기가 최소인 시점은 상기 연료폭발장치의 작동 시점이며, 상기 연소실 내의 최대 압축 압력은 상기 연소실의 크기가 최소인 시점에서 상기 연소실 내의 압력이다. 따라서, 상기 왕복 피스톤 엔진은 설계 조건 또는 운전 환경에 따라 엔진 효율을 최적화시킬 수 있다.

상기 연소실의 크기가 최소인 시점은, 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤이 최고점에서 함께 하강될 때부터 상기 크랭크축이 10도 내지 50도의 각도로 회전된 시점으로 설정될 수 있다. 즉, 상기 연소실의 크기가 최소인 시점은 상기 왕복 피스톤 엔진의 설계 조건에 따라 최대 효율을 실현할 수 있는 임의의 각도로 설정될 수 있다.

상기 피스톤 승강장치는, 상기 실린더에 상하방향으로 길게 형성된 복수개의 승강홀부들에 삽입되도록 상기 제2 피스톤의 외주면에서 반경 방향으로 돌출된 복수개의 승강돌기들, 상기 승강홀부들을 관통한 상기 승강돌기들의 단부가 삽입되는 승강홈부들이 형성되고 상기 승강돌기들이 상기 승강홈부들을 따라 승강 작동되도록 상기 실린더에 이동 또는 회전 가능하게 배치된 승강가이드, 및 상기 승강가이드가 상기 크랭크축과 연동되도록 상기 크랭크축의 동력을 상기 승강가이드에 전달하는 동력전달기구를 포함할 수 있다.

즉, 상기 승강가이드는 상기 동력전달기구의 동력에 의해 이동 또는 회전될 수 있고, 상기 승강돌기들은 상기 승강가이드의 구동시 상기 승강홈부들을 따라 상 하방향으로 승강될 수 있다. 따라서, 다양한 형상의 승강홈부들을 구비한 승강가이드들이 선택적으로 채용되면, 상기 제2 피스톤의 승강 동작이 간편하게 변경될 수 있다.

상기 제2 피스톤은 상기 피스톤 승강장치의 작동시 상기 승강홀부들보다 하부가 하측에 배치되도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 승강홀부들이 상기 제2 피스톤의 승강시 상기 제2 피스톤의 하측으로 노출되지 않으므로, 상기 연소실의 밀폐 상태가 계속 유지될 수 있다.

상기 승강가이드는, 상기 승강돌기들의 단부가 삽입되는 승강홈부들이 내주면에 형성된 링 형상으로 형성될 수 있고, 상기 실린더의 외측에 원주 방향으로 회전 가능하게 배치될 수 있다. 그리고, 상기 승강돌기들은 상기 제2 피스톤의 외주면에 원주 방향을 따라 동일 간격으로 이격되게 배치될 수 있다. 따라서, 상기 승강홈부들은 상기 승강가이드의 내주면 중에서 상기 승강돌기들과 대응되는 부위들에 각각 동일 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 승강홈부들은 상기 승강가이드의 내주면에 원주 방향을 따라 서로 연결된 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 승강가이드가 일방향으로 계속 회전되면, 상기 승강돌기들은 상기 승강홈부들에 차례로 삽입될 수 있다.

상기 동력전달기구는, 상기 크랭크축과 연동 가능하게 연결된 캠축, 및 상기 캠축에 일측이 연동 가능하게 연결되고 상기 승강가이드의 외주면에 형성된 종동승강기어와 타측이 치합되는 구동승강기어를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 종동승강기어와 상기 종동승강기어의 구조를 변경하면, 상기 승강가이드의 회전 속도 및 회 전 주기 등이 간편하게 변경될 수 있다.

상기 연료폭발장치는, 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤 사이에 배치되도록 상기 실린더의 측면에 적어도 하나가 구비될 수 있다. 즉, 상기 실린더의 상부에 상기 제2 피스톤이 배치되므로, 상기 실린더의 측면에 상기 연료폭발장치를 배치하는 것이 설치 공간의 확보에 유리하다.

여기서, 상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 크기가 최소인 시점에 상기 연소실의 내부로 연료 가스를 분사하는 연료분사기구를 구비할 수 있다. 즉, 상기 왕복 피스톤 엔진이 디젤 엔진이면, 상기 연료폭발장치는 상기 연료분사기구로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 연소실의 크기가 최소인 시점에서는 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤이 상기 연료 가스를 자연 착화가 가능한 온도까지 상승시킬 수 있다.

그리고, 상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 크기가 최소인 시점에 상기 연소실 내의 연료 가스를 점화시키는 점화기구를 구비할 수 있다. 즉, 상기 왕복 피스톤 엔진이 가솔린 엔진이면, 상기 연료폭발장치는 상기 점화기구로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 연소실의 크기가 최소인 시점에서는 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤이 상기 연료 가스를 완전 연소시키는 압력으로 상기 연소실 내의 공기를 압축시킬 수 있다.

상기 점화기구는, 상기 실린더의 내부에 배치된 단부에 돌출된 제1 점화 플러그, 및 상기 제1 점화 플러그에서 일정 거리 이격된 위치에 돌출되고 상기 제1 점화 플러그와 평행하게 형성된 적어도 하나의 제2 점화 플러그를 구비할 수 있다. 즉, 상기 제1 점화 플러그와 상기 제2 점화 플러그는 상기 실린더의 내측으로 개방된 구조로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1 점화 플러그와 상기 제2 점화 플러그 사이에 발생되는 불꽃이 상기 연소실의 내부에 효과적으로 전파될 수 있고, 그로 인하여 상기 실린더의 측면에 배치된 점화기구의 점화 성능을 충분히 확보할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진은, 상기 제2 피스톤의 상부에 배치되고, 상기 크랭크축의 회전 각도에 따라 상기 배기밸브와 상기 흡기밸브의 개폐를 조절하는 밸브조절장치를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 밸브조절장치가 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브의 개폐 시점 또는 개폐 시간 등을 조절하면, 상기 왕복 피스톤 엔진의 성능도 설계 조건과 운전 환경에 따라 최적으로 조절될 수 있다.

상기 실린더의 상부에는 흡기관 및 배기관이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제2 피스톤에는 상기 흡기관과 상기 연소실을 연통시키는 적어도 하나의 흡기구 및 상기 배기관과 상기 연소실을 연통시키는 적어도 하나의 배기구가 형성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 상기 배기구에는 배기밸브가 개폐 가능하게 구비될 수 있고, 적어도 하나의 상기 흡기구에는 흡기밸브가 개폐 가능하게 구비될 수 있다.

상기 밸브조절장치는, 상기 제2 피스톤의 상부에 회전 가능하게 구비되고, 상기 크랭크축과 연동 가능하게 연결된 케이스, 상기 케이스에 배치되고, 상기 크랭크축에 의해 상기 케이스가 회전됨에 따라 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브의 개폐 동작을 제어하도록 형성된 밸브개폐기구, 및 상기 밸브개폐기구에 구비되고, 상 기 흡기밸브와 상기 배기밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 선택적으로 조절하는 개폐조절기구를 포함할 수 있다.

상기 케이스는, 상기 크랭크축에 연동 가능하게 연결된 회전부, 및 상기 회전부에 승강 가능하게 연결되고 상기 제2 피스톤의 상부에 회전 가능하게 연결되며 상기 흡기관과 적어도 하나의 상기 흡기구를 연결하는 흡기 통로 및 상기 배기관과 적어도 하나의 상기 배기구를 연결하는 배기 통로가 형성된 본체부를 포함할 수 있다. 즉, 상기 회전부는 상기 크랭크축의 동력을 전달받아 회전될 수 있으며, 상기 본체부는 상기 제2 피스톤과 함께 상하방향으로 승강될 뿐만 아니라 상기 회전부와 함께 회전될 수 있다. 따라서, 상기 본체부는 상기 제2 피스톤의 상부에 회전력을 전달하는 않는 구조로 연결될 수 있다.

상기 밸브개폐기구는, 상기 본체부의 일측에 구비되고 상기 본체부의 회전시 상기 흡기밸브의 상부가 슬라이딩 가능하게 접촉되는 흡기밸브 안내면이 하부에 형성된 흡기캠, 상기 본체부의 타측에 구비되고 상기 본체부의 회전시 상기 배기밸브의 상부가 슬라이딩 가능하게 접촉되는 배기밸브 안내면이 하부에 형성된 배기캠, 및 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브의 상부가 상기 흡기밸브 안내면과 상기 배기밸브 안내면에 탄성적으로 밀착되도록 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브에 각각 구비된 탄성부재를 포함할 수 있다.

따라서, 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브는 상기 탄성부재에 의해 상기 흡기밸브 안내면과 상기 배기밸브 안내면에 밀착되므로, 상기 흡기캠과 상기 배기캠의 회전시 상기 흡기밸브 안내면과 상기 배기밸브 안내면의 형상에 따라 밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간 등이 결정될 수 있다.

상기 흡기캠과 상기 배기캠은 서로 다른 반경을 갖는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 흡기캠과 상기 배기캠은 상기 본체부와 동일한 회전 중심을 갖도록 상기 본체부에 반경 방향으로 상호 중첩되게 배치될 수 있다. 즉, 상기 흡기캠과 상기 배기캠은 상기 본체부와 함께 회전되는 원통캠이며, 상기 흡기캠과 상기 배기캠 중 어느 하나가 다른 하나의 내부에 삽입된 구조로 배치된다.

여기서, 상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브는 상기 제2 피스톤의 반경 방향으로 복수개가 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제2 피스톤의 중심에서 상기 흡기밸브들 및 상기 배기밸브들까지의 거리가 모두 다르게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 흡기캠 및 상기 배기캠은 상기 흡기밸브들 및 상기 배기밸브들의 상부에 개별적으로 접촉되도록 상기 본체부에 반경 방향으로 복수개가 구비될 수 있다. 즉, 상기 흡기캠과 상기 배기캠은 상기 흡기밸브들과 상기 배기밸브들의 개수와 동일한 개수로 상기 본체부에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 흡기밸브들은 상기 흡기캠들에 일대일로 각각 배치될 수 있고, 상기 배기밸브들은 상기 배기캠들에 일대일로 각각 배치될 수 있다.

또는 상기와 다르게, 상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브는 상기 제2 피스톤의 원주 방향으로 복수개가 서로 다른 위치에 배치될 수도 있다. 즉, 상기 제2 피스톤의 중심에서 상기 흡기밸브들 및 상기 배기밸브들까지의 거리가 모두 동일하게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 흡기캠 및 상기 배기캠은 상기 흡기밸브들 및 상기 배기밸브들의 상부에 동시에 접촉되도록 하부에 상기 흡기밸브 안내면 및 상기 배기 밸브 안내면이 원주 방향으로 복수개가 형성될 수 있다. 즉, 상기 흡기밸브 안내면 및 상기 배기밸브 안내면은 상기 흡기밸브들과 상기 배기밸브들의 개수와 동일한 개수로 상기 흡기캠과 상기 배기캠에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 흡기밸브들은 상기 흡기캠에 모두 배치될 수 있고, 상기 배기밸브들은 상기 배기캠에 모두 배치될 수 있다.

상기 흡기캠과 상기 배기캠은 상기 본체부에 원주 방향으로 회전 가능하도록 복수개가 중첩되게 구비될 수 있다. 즉, 상기 흡기캠들과 상기 배기캠들은 동일 형상의 흡기캠 또는 동일 형상의 배기캠을 각각 중첩시킨 구조로써, 복수개의 원통형 캠들 중 적어도 하나는 원주 방향을 따라 회전 가능하게 배치될 수 있다. 상기 개폐조절기구는 상기 흡기캠들의 적어도 하나 또는 상기 배기캠들의 적어도 하나를 원주 방향으로 회전시켜 상기 흡기밸브 또는 상기 배기밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조절할 수 있다.

상기 개폐조절기구는, 상기 흡기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 흡기캠 조절부, 상기 배기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 배기캠 조절부, 및 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부에 배치되고 상기 흡기캠들과 상기 배기캠들의 적어도 하나를 원주 방향으로 회전시키는 회전가이드부를 포함할 수 있다. 즉, 상기 회전가이드부가 상기 흡기캠 조절부 및 상기 배기캠 조절부의 상부를 회전시키면, 상기 흡기캠 조절부의 하부에 연결된 흡기캠 및 상기 배기캠 조절부의 하부에 연결된 배기캠이 소정 각도로 회전될 수 있다.

상기 회전가이드부는, 상기 흡기캠 조절부의 상부에 승강 가능하게 배치되고 승강 작동시 상기 흡기캠 조절부를 회전시키도록 상기 흡기캠 조절부의 상부와 슬라이딩 가능하게 접촉되는 흡기캠 안내면이 형성된 흡기용 회전가이드부, 상기 배기캠 조절부의 상부에 승강 가능하게 배치되고 승강 작동시 상기 배기캠 조절부를 회전시키도록 상기 배기캠 조절부의 상부와 슬라이딩 가능하게 접촉되는 배기캠 안내면이 형성된 배기용 회전가이드부, 및 상기 흡기캠 안내면 및 상기 배기캠 안내면에 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부의 상부를 탄성적으로 밀착시키도록 상기 흡기캠 조절부 및 상기 배기캠 조절부에 배치된 탄성부재를 포함할 수 있다.

즉, 상기 흡기용 회전가이드부 또는 상기 배기용 회전가이드부가 승강되면, 상기 흡기용 회전가이드부의 상부가 상기 흡기캠 안내면에 의해 회전될 수 있고, 상기 배기용 회전가이드부의 상부가 상기 배기캠 안내면에 의해 회전될 수 있다. 이때, 상기 탄성부재는 상기 흡기캠 안내면 및 상기 배기캠 안내면에 상기 흡기용 회전가이드부와 상기 배기용 회전가이드부의 상부를 항상 밀착시키는 역할을 수행한다.

또는 상기와 다르게, 상기 개폐조절기구는, 상기 흡기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 흡기캠 조절부, 상기 배기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 배기캠 조절부, 및 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부의 상부에 형성되고, 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부가 상기 밸브개폐기구와 함께 선회되면 원심력에 의해 상기 흡기캠들과 상기 배기캠들을 원주 방향으로 회전시키는 원심추를 포함할 수 있다.

즉, 상기 왕복 피스톤 엔진의 작동시 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조 절부가 원형의 경로를 따라 선회되면, 상기 원심추는 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부의 상부를 중심으로 원심력에 의해 일방향으로 회전될 수 있고, 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부는 상기 원심추와 함께 일방향으로 회전될 수 있다. 그리고, 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부가 일방향으로 회전되면, 상기 흡기캠 조절부의 하부에 연결된 흡기캠 및 상기 배기캠 조절부의 하부에 연결된 배기캠이 소정 각도로 회전될 수 있다.

상기와 같이 흡기캠들과 배기캠들이 회전되면, 상기 흡기밸브들과 상기 배기밸브들의 개폐 시점 및 개폐 시간 등이 조절될 수 있다. 따라서, 상기 왕복 피스톤 엔진의 작동시 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부의 회전수에 따라 상기 흡기밸브들과 상기 배기밸브들의 개폐 시점 및 개폐 시간 등이 자동으로 조절될 수 있다.

상기 개폐조절기구는, 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부에 배치되고, 상기 원심추의 회전 가능한 범위를 제한하는 회전가이드부를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 회전가이드부는, 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부의 상부에 배치되고 상기 원심추의 회전 범위를 설정하는 적어도 하나의 경계면이 형성된 흡배기용 회전가이드부, 및 상기 원심추의 초기 위치를 설정하는 경계면을 향해 상기 원심추를 탄성적으로 회전시키도록 상기 흡기캠 조절부 및 상기 배기캠 조절부에 배치된 탄성부재를 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 경계면은, 상기 원심추의 초기 위치를 설정하는 경계면, 및 상기 원심추의 최대 회전 위치를 설정하는 경계면을 포함할 수 있다. 즉, 상기 원심추는 상기 경계면들의 사이에서 일정 각도로만 회전될 수 있다.

한편, 상기 흡기밸브들과 상기 배기밸브들의 개폐 시점 및 개폐 시간 등을 조정하는 방법으로는, 상기 흡배기용 회전가이드부를 교체하여 상기 경계면들의 위치를 변경하거나, 상기 원심추를 교체하여 상기 원심추의 질량을 변경하거나, 또는 상기 탄성부재를 교체하여 상기 흡기캠 조절부 및 상기 배기캠 조절부에 작용되는 탄성력을 변경할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진은, 제1 피스톤의 상측에 배치된 제2 피스톤의 승강 작동을 적절히 제어하여 연소실의 크기가 최소인 시점 및 연소실 내의 최대 압축 압력 등을 조절할 수 있다. 따라서, 왕복 피스톤 엔진의 설계 조건 및 운전 조건에 따라 연소실의 크기가 최소인 시점 및 연소실 내의 최대 압축 압력 등을 최적화시키면, 엔진의 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진은, 제2 피스톤을 승강시키는 피스톤 승강장치를 교체하거나 변경하는 간단한 작업만으로 왕복 피스톤 엔진의 성능과 효율을 간편하게 변경할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진은, 밸브조절장치를 이용하여 밸브의 개폐시점과 개폐시간을 간편하게 조절할 수 있다. 그러므로, 엔진의 흡기효율과 배기효율을 향상시킬 수 있고, 엔진의 운전 조건에 따라 엔진 성능도 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진은, 기존의 엔진에 제2 피스톤과 피스톤 승강장치 및 밸브조절장치를 추가하는 간단한 구조 변경만으로 구현이 가능할 뿐만 아니라 적은 비용으로도 구현이 가능할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진은, 점화기구의 제1 점화 플러그와 제2 점화 플러그가 실린더의 내부를 향해 개방된 구조로 형성되므로, 제1 점화 플러그와 제2 점화 플러그가 제1 점화 플러그 및 제2 점화 플러그의 사이에 발생된 불꽃의 전파를 방해하지 않을 수 있다. 따라서, 왕복 피스톤 엔진은 연료의 연소 성능을 더 향상시킬 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진이 도시된 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A를 확대하여 나타낸 도면이다. 그리고, 도 3은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 승강가이드를 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 B-B선에 따른 단면을 나타낸 도면이다.

도 1를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진(100)는 실린더(110), 제1 피스톤(120), 제2 피스톤(130), 피스톤 승강장치(140), 및 연료폭발장치를 포함한다. 여기서, 실린더(110)와 제1 피스톤(120) 및 제2 피스톤(130)의 내부에는 연소실(E)이 형성된다. 연소실(E)은 연료 가스를 수용하거나 연소시키는 공간이다.

상기 실린더(110)의 내부에는 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)이 상하방향으로 이동 가능하게 배치될 수 있다. 제1 피스톤(120)은 제2 피스톤(130)의 하측에 배치될 수 있다. 실린더(110)의 상부에는 연료 가스 또는 공기를 흡입하는 흡기관(112) 및 연소 가스를 배기하는 배기관(114)이 형성될 수 있다.

상기 제1 피스톤(120)은 실린더(110)의 내부에 상하 방향으로 승강 가능하게 구비되며, 크랭크축(122)에 커넥팅 로드(124)로 연결된다. 따라서, 상기 연소실(E) 내에서 폭발된 연소 가스의 에너지는 제1 피스톤(120)과 커넥팅 로드(124)를 통해 크랭크축(122)에 전달된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 연료폭발장치는 실린더(110)에 구비되고, 연소실(E)의 크기가 최소로 작아질 때 연소실(E)의 내부에서 연료를 폭발시키는 기능을 수행한다. 연료폭발장치는 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130) 사이에 배치되도록 실린더(110)의 측면에 적어도 하나가 구비될 수 있다. 즉, 연료폭발장치는 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)에 간섭되지 않는 부위에 배치된다.

여기서, 왕복 피스톤 엔진(100)이 디젤 엔진이면, 연료폭발장치는 연소실(E)의 크기가 최소인 시점에서 연소실(E)의 내부로 연료 가스를 분사하는 연료분사기구(미도시)를 구비할 수 있다. 이때, 연소실(E)의 크기가 최소인 시점에서는 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)이 연료 가스를 자연 착화시키는 온도로 연소실(E) 내의 공기를 압축시킨다.

또는, 왕복 피스톤 엔진(100)이 가솔린 엔진이면, 연료폭발장치는 연소실(E)의 크기가 최소인 시점에 연소실(E) 내의 연료 가스를 점화시키는 점화기구(150)를 구비할 수 있다. 이때, 연소실(E)의 크기가 최소인 시점에서는 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)이 연료 가스를 완전 연소시키는 압력으로 연소실(E) 내의 공기를 압축시킬 수 있다.

이하, 본 실시예에서는 왕복 피스톤 엔진(100)이 가솔린 엔진이고, 연료폭발장치가 점화기구(150)를 포함하는 것으로 설명한다. 점화기구(150)는 실린더(110)의 측면에 수평하게 배치될 수 있다. 그리고, 점화기구(150)는 실린더(110)의 측면에 2개가 서로 대향되게 배치될 수 있다. 하지만, 점화기구(150)의 개수와 위치가 본 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 위치에 단수개 또는 복수개가 배치될 수도 있다.

점화기구(150)는, 실린더(110)의 내부에 배치된 단부에 돌출된 제1 점화 플러그(152), 및 제1 점화 플러그(152)와의 사이에 발생된 불꽃이 연소실(E)의 내부로 원활하게 전파될 수 있도록 제1 점화 플러그(152)에서 일정 거리 이격된 위치에 돌출된 적어도 하나의 제2 점화 플러그(154)(156)를 포함할 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 제1 점화 플러그(152)의 주위에 복수개의 제2 점화 플러그(154)(156)가 배치된 것으로 설명한다. 그리고, 제2 점화 플러그(154)(156)들은 제1 점화 플러그(152)와 평행하게 형성될 수 있다. 따라서, 제1 점화 플러그(152)와 제2 점화 플러그(154)(156)들은 연소실(E)의 내부를 향해 개방된 구조로 형성될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 제2 피스톤(130)은 실린더(110) 및 제1 피스톤(120) 과 함께 연소실(E)을 형성하도록 실린더(110)의 상부에 상하 방향으로 승강 가능하게 배치될 수 있다. 제2 피스톤(130)에는 흡기관(112)과 연소실(E)을 연통시키는 적어도 하나의 흡기구(132)가 형성될 수 있고, 배기관(114)과 연소실(E)을 연통시키는 적어도 하나의 배기구(134)가 형성될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 흡기구(132)과 배기구(134)가 2개씩 제2 피스톤(130)에 형성된 것으로 설명하지만, 필요에 따라 흡기구(132)와 배기구(134)의 개수는 다양하게 결정될 수 있다.

배기구(134)들에는 배기밸브(135)가 개폐 가능하게 각각 구비될 수 있고, 흡기구(132)들에는 흡기밸브(133)가 개폐 가능하게 각각 구비될 수 있다. 배기밸브(135)들과 흡기밸브(133)들은 제2 피스톤(130)의 배기구(134)들 및 흡기구(132)들에 상하 방향으로 이동 가능하게 배치될 수 있다.

도 1과 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 피스톤 승강장치(140)는 제2 피스톤(130)의 승강 동작을 크랭크축(122)의 회전 각도에 따라 조절하는 장치이다. 즉, 피스톤 승강장치(140)는 제1 피스톤(120)이 최고점으로부터 하강되는 일정 시점(H)에서 연소실(E)의 크기를 최소로 만들도록 제2 피스톤(130)의 승강 동작을 조절할 수 있다. 이와 같은 피스톤 승강장치(140)는 크랭크축(122)의 동력을 제2 피스톤(130)에 전달하도록 제2 피스톤(130)과 크랭크축(122) 사이에 구비될 수 있다.

연소실(E)의 크기가 최소인 시점(H)은, 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)이 최고점에서 함께 하강될 때부터 크랭크축(122)이 30도 내지 40도의 각도로 회전된 시점으로 설정될 수 있다. 왜냐하면, 이 시점(H)에서는 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)의 하강은 크지 않으면서 크랭크축(122)의 회전은 크기 때문이며, 크랭 크축(122)의 회전된 각도가 30도일 때 50%의 회전력을 발생시키는 각도가 되기 때문이다. 상기 연소실(E)의 크기가 최소인 시점(H)에서 점화기구(150)가 작동될 수 있다. 하지만, 연소실(E)의 크기가 최소인 시점(H)은 크랭크축(122)이 30도 내지 40도의 각도로 회전된 시점으로 반드시 한정되는 것은 아니며, 엔진의 설계 조건에 따라 다양한 임의의 각도로 설정될 수 있다.

예를 들면, 피스톤 승강장치(140)는 승강돌기(142), 승강가이드(144), 및 동력전달기구(146)를 포함할 수 있다. 상기 승강돌기(142)는 제2 피스톤(130)의 외주면에서 반경 방향으로 돌출될 수 있다. 실린더(110)의 상부 측면에는 승강돌기(142)들이 관통되게 삽입되는 승강홀부(116)들이 형성될 수 있다. 승강돌기(142)들은 제2 피스톤(130)의 외주면에 원주 방향을 따라 동일 간격으로 이격되게 형성될 수 있다. 승강홀부(116)들은 실린더(110)의 측면에 승강돌기(142)들과 대향되는 위치에 이격되게 형성될 수 있다.

승강홀부(116)들은 승강돌기(142)들의 상하 이동을 안내할 수 있도록 상하 방향으로 길게 형성될 수 있다. 이때, 제2 피스톤(130)의 상하 길이 또는 승강돌기(142)들의 상하 위치는, 제2 피스톤(130)이 승강됨에 따라 제2 피스톤(130)의 하측으로 승강홀부(116)들이 노출되지 않도록 형성될수 있다. 즉, 제2 피스톤(130)의 승강시 연소실(E)이 승강홀부(116)들에 의해 개방되는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 상기 승강가이드(144)는 동력전달기구(146)의 동력에 의해 승강홀부(116)들을 따라 승강돌기(142)들을 승강시키는 부재이다. 승강가이드(144)는 실린더(110)에 이동 또는 회전 가능하게 배치될 수 있다. 그리고, 승강가이드(144)에 는 승강홀부(116)들을 관통한 승강돌기(142)들의 단부가 삽입되는 승강홈부(144a)들이 형성될 수 있다. 이러한 승강홈부(144a)들은 승강돌기(142)들의 단부와 대응되는 부분에 각각 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 승강홈부(144a)들은 승강가이드(144)의 회전 또는 이동시 승강돌기(142)들의 승강 동작을 안내할 수 있다.

이하, 본 실시예에서는 승강가이드(144)가 실린더(110)의 상부 외주에 회전 가능하게 배치된 것으로 설명한다. 즉, 승강가이드(144)는 실린더(110)의 상부 외주면에 원주 방향으로 회전 가능하게 배치되는 링 형상으로 형성될 수 있다. 승강가이드(144)의 내주면에는 승강홈부(144a)들이 원주 방향을 따라 서로 연결된 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다. 승강가이드(144)의 외주면에는 후술하는 동력전달기구(146)의 구동승강기어(146b)와 치합되는 종동승강기어(144b)가 형성될 수 있다.

또한, 상기 동력전달기구(146)는 크랭크축(122)의 동력을 승강가이드(144)에 전달하여 승강가이드(144)를 크랭크축(122)과 연동시키는 장치이다. 예를 들면, 동력전달기구(146)는 캠축(146a) 및 구동승강기어(146b)를 포함할 수 있다.

상기 캠축(146a)은 크랭크축(122)의 회전력에 의해 회전되도록 크랭크축(122)과 연동 가능하게 연결될 수 있다. 캠축(146a)은 구동승강기어(146b)에 구동력을 제공할 뿐만 아니라 후술하는 밸브개폐기구(164)에 구동력을 제공할 수 있다.

한편, 캠축(146a)은 일반적인 가솔린 엔진과 같이 타이밍 벨트와 풀리 등으로 크랭크축(122)과 간접적으로 연결될 수 있지만, 필요에 따라 캠축(146a)과 크랭 크축(122)이 직접 연결될 수 있다. 또한, 방편으로 구동승강기어(146b)가 생략되고, 캠축(146a)과 승강 가이드(144)가 직접 연결되어 동기될 수도 있다.

상기 구동승강기어(146b)는, 캠축(146a)에 일측이 연동 가능하게 연결될 수 있고, 종동승강기어(144b)에 타측이 연동 가능하게 치합될 수 있다. 즉, 구동승강기어(146b)의 일측은 기어, 체인과 스프로킷휠(sprocketwheel), 벨트와 풀리 등을 통해 캠축(146a)에 연결되거나 또는 캠축(146a)에 직접적으로 연결될 수 있다. 이하에서는 구동승강기어(146b)의 일측이 베벨기어를 이용하여 캠축(146a)과 연결된 것으로 설명한다. 그리고, 구동승강기어(146b)의 타측은 승강가이드(144)의 종동승강기어(144b)와 수평 방향으로 치합되도록 원통형의 평기어로 형성될 수 있다.

도 5는 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 밸브개폐기구를 나타낸 평면도이다. 그리고, 도 6은 도 5에 도시된 C-C선에 따른 단면을 나타낸 도면이며, 도 7은 도 5에 도시된 밸브개폐기구를 이용하여 밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조절하는 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 왕복 피스톤 엔진(100)은, 크랭크축(122)의 회전 각도에 따라 배기밸브(135)와 흡기밸브(133)의 개폐를 조절하는 밸브조절장치(160)를 더 포함할 수 있다. 밸브조절장치(160)는 제2 피스톤(130)의 상부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 밸브조절장치(160)는 케이스(162), 밸브개폐기구(164), 및 개폐조절기구(166)를 포함할 수 있다.

상기 케이스(162)는 제2 피스톤(130)의 상부에 회전 가능하게 구비될 수 있다. 즉, 케이스(162)는 제2 피스톤(130)과 함께 상하 방향으로 승강될 수 있지만, 제2 피스톤(130)과 개별적으로 회전될 수 있다. 또한, 케이스(162)는 크랭크축(122)과 연동 가능하게 연결된다. 이러한 케이스(162)는 크랭크축(122)에 직접 연결될 수도 있지만, 캠축(146a)을 통해 간접적으로 연결될 수도 있다. 이와 같은 케이스(162)는, 캠축(146a)에 연동 가능하게 연결된 회전부(168), 및 회전부(168)에 승강 가능하게 연결되고 제2 피스톤(130)의 상부에 회전 가능하게 연결된 본체부(169)를 포함할 수 있다.

회전부(168)의 상부는 캠축(146a)으로부터 구동력을 전달받도록 캠축(146a)에 베벨기어로 연동 가능하게 연결될 수 있다. 회전부(168)의 하부는 상하방향으로 길게 형성된 원기둥으로 형성될 수 있고, 표면에 상하방향으로 길게 형성된 기어가 구비될 수 있다. 이와 같은 회전부(168)는 실린더(110)의 상부에 회전만 가능하게 배치될 수 있다.

본체부(169)는 제2 피스톤(130)의 상부에 회전 가능하게 연결된 링 형상의 부재이다. 본체부(169)는, 회전부(168)와 함께 제2 피스톤(130)의 상부에서 회전될 수 있고, 제2 피스톤(130)과 함께 상하방향으로 승강될 수 있다. 본체부(169)의 중앙에는 회전부(168)의 하부와 상하방향으로 승강 가능하게 치합되는 기어링(167)이 배치될 수 있다. 한편, 본체부(169)와 제2 피스톤(130)의 승강시 회전부(168)의 하부와 제2 피스톤(130)의 간섭을 방지하기 위하여 제2 피스톤(130)의 상부 중앙에 회피홈(미도시)이 형성될 수 있다.

그리고, 본체부(169)의 일측에는 흡기관(112)과 흡기구(132)들을 연결하는 흡기 통로(169a)들이 형성될 수 있고, 본체부(169)의 타측에는 배기관(114)과 배기 구(134)들을 연결하는 배기 통로(169b)들이 형성될 수 있다. 흡기 통로(169a)들과 배기 통로(169b)들은 본체부(169)의 외주 부위에 원주 방향을 따라 복수개가 형성된 홀로 형성될 수 있다. 이와 같은 홀들은 흡기 통로(169a)들과 배기 통로(169b)들로 미리 한정된 것은 아니며, 본체부(169)의 회전시 흡기 통로(169a) 또는 배기 통로(169b) 중 어느 하나의 역할을 수행할 수 있다.

도 1, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 밸브개폐기구(164)는 케이스(162)의 회전시 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 동작을 제어하는 장치이다. 밸브개폐기구(164)는 케이스(162)와 함께 회전될 수 있도록 케이스(162)에 배치될 수 있다. 예를 들면, 밸브개폐기구(164)는 흡기캠(170)(171), 배기캠(172)(173), 및 탄성부재(174)(175)를 포함할 수 있다.

흡기캠(170)(171)은 본체부(169)와 함께 회전되도록 본체부(169)에 배치된 원통 형상의 캠이다. 흡기캠(170)(171)은 본체부(169)의 기어링(167)보다 큰 반경을 갖도록 형성될 수 있다. 흡기캠(170)(171)은 본체부(169)의 회전 중심선을 공유하도록 본체부(169)에 배치될 수 있다. 그리고, 흡기캠(170)(171)의 하부에는 흡기밸브(133)의 상부가 슬라이딩 가능하게 접촉되는 흡기밸브 안내면(170a)(171b)이 형성될 수 있다. 한편, 흡기밸브(133)의 상부는 흡기밸브 안내면(170a)(171b)을 따라 슬라이딩 이동이 용이하도록 원형으로 형성되거나 또는 롤러가 구비될 수 있다.

흡기밸브 안내면(170a)(171b)은 원주 방향을 따라 일정 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 흡기캠(170)(171)이 회전되면, 흡기밸브 안내면(170a)(171b)을 따라 흡기밸브(133)가 승강될 수 있다.

배기캠(172)(173)은 본체부(169)와 함께 회전되도록 본체부(169)에 배치된 원통 형상의 캠이다. 배기캠(172)(173)은 흡기캠(170)(171)보다 큰 반경을 갖도록 형성될 수 있다. 배기캠(172)(173)은 본체부(169)의 회전 중심선을 공유하도록 본체부(169)에 배치될 수 있다. 따라서, 본체부(169)의 중심으로부터 기어링(167), 흡기캠(170)(171), 배기캠(172)(173) 순으로 중첩되게 배치될 수 있다. 그리고, 배기캠(172)(173)의 하부에는 배기밸브(135)의 상부가 슬라이딩 가능하게 접촉되는 배기밸브 안내면(172a)(173b)이 형성될 수 있다. 한편, 배기밸브(135)의 상부는 배기밸브 안내면(172a)(173b)을 따라 슬라이딩 이동이 용이하도록 원형으로 형성되거나 또는 롤러가 구비될 수 있다.

배기밸브 안내면(172a)(173b)은 원주 방향을 따라 일정 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 배기캠(172)(173)이 회전되면, 배기밸브 안내면(172a)(173b)을 따라 배기밸브(135)가 승강될 수 있다.

상기 탄성부재(174)(175)는 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)를 탄성적으로 지지하도록 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)에 각각 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 탄성부재(174)(175)의 일측이 제2 피스톤(130)에 배치되고, 탄성부재(174)(175)의 타측이 흡기밸브(133) 또는 배기밸브(135)에 배치된 것으로 설명한다. 하지만, 탄성부재(174)(175)는 필요에 따라 다양한 형상과 배치 구조를 가질 수 있다. 탄성부재(174)(175)는 흡기밸브(133)의 상부를 흡기밸브 안내면(170a)(171b)에 탄성적으로 밀착시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기밸브(135)의 상부를 배기밸브 안내면(172a)(173b)에 탄성적으로 밀착시킬 수 있다.

한편, 흡기밸브 안내면(170a)(171b)과 배기밸브 안내면(172a)(173b)은 밸브의 개방 시점과 대응되는 부위에 하측으로 돌출되게 형성될 수 있다. 따라서, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 상부는 흡기밸브 안내면(170a)(171b)과 배기밸브 안내면(172a)(173b)의 돌출 부위를 따라 하측으로 하강되므로, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)가 개방될 수 있다. 흡기밸브 안내면(170a)(171b)은 왕복 피스톤 엔진(100)의 흡입 행정(F)과 대응하는 구간이 압축 행정(G), 팽창 행정(I), 및 배기 행정(J)과 대응하는 구간보다 하측으로 돌출되게 형성될 수 있다. 배기밸브 안내면(172a)(173b)은 왕복 피스톤 엔진(100)의 배기 행정(J)과 대응하는 구간이 흡입 행정(F), 압축 행정(G), 및 팽창 행정(I)과 대응하는 구간보다 하측으로 돌출되게 형성될 수 있다.

또한, 제2 피스톤(130)에 배치된 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개수 및 위치에 따라 흡기캠(170)(171)과 배기캠(172)(173)에 형성되는 흡기밸브 안내면(170a)(171b)과 배기밸브 안내면(172a)(173b)의 개수 및 위치도 변형될 수 있다. 흡기밸브(133) 또는 배기밸브(135)가 한쪽으로 편심된 위치에 2개가 배치되면, 흡기밸브 안내면(170a)(171b) 또는 배기밸브 안내면(172a)(173b)도 흡기캠(170)(171)와 배기캠(172)(173)의 하부에 원주 방향을 따라 2개가 편심된 위치에 형성될 수 있다. 도 6에는 2개의 배기밸브 안내면(172a)(173b)이 형성된 배기캠(172)(173)이 도시되어 있다.

흡기밸브(133)들은 흡기캠(170)(171)의 하부에 상부가 밀착되도록 제2 피스톤(130)에 원주 방향으로 2개가 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 그리고, 배기밸 브(135)들은 배기캠(172)(173)의 하부에 상부가 밀착되도록 제2 피스톤(130)에 원주 방향으로 2개가 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 즉, 흡기밸브(133)들과 배기밸브(135)들은 본체부(169)의 회전 중심선을 기준으로 각각 2개가 동일 반경으로 배치될 수 있다.

또한, 흡기캠(170)(171) 또는 배기캠(172)(173)은 단수개로 각각 형성되거나 복수개가 중첩된 구조로 각각 형성될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 흡기캠(170)(171)과 배기캠(172)(173)이 2개를 상호 중첩시킨 구조로 본체부(169)에 배치된 것으로 설명하지만, 3개 이상을 중첩시킨 구조로 배치될 수도 있다.

흡기캠(170)(171)들은 제1 흡기캠(170)과 제2 흡기캠(171)으로 구성되며, 제1 흡기캠(170)은 원주 방향으로 소정 각도 회전 가능하게 배치될 수 있다. 제1 흡기캠(170)은 제2 흡기캠(171)의 외주면에 회전 가능하게 배치될 수 있다. 배기캠(172)(173)들은 제1 배기캠(172)과 제2 배기캠(173)으로 구성되며, 제1 배기캠(172)은 원주 방향으로 소정 각도 회전 가능하게 배치될 수 있다. 제1 배기캠(172)은 제2 배기캠(173)의 외주면에 회전 가능하게 배치될 수 있다. 따라서, 개폐조절기구(166)가 제1 흡기캠(170)과 제1 배기캠(172)을 회전시키면, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간이 조절될 수 있다.

도 7의 (a)를 참조하면, 제1 배기캠(172)을 본체부(169)의 회전 방향으로 소정 각도 회전시키면, 제1 배기캠(172)의 배기밸브 안내면(172a)(173b)의 돌기 부위가 제2 배기캠(173)의 배기밸브 안내면(172a)(173b)의 돌기 부위보다 전방에 배치될 수 있다. 따라서, 배기밸브(135)의 개방 시점이 설정 시간(K1)만큼 빨라질 수 있고, 배기밸브(135)의 개방 시간이 설정 시간(K1)만큼 증대될 수 있다.

도 7의 (b)를 참조하면, 제1 배기캠(172)을 본체부(169)의 회전 방향과 반대 방향으로 소정 각도 회전시키면, 제1 배기캠(172)의 배기밸브 안내면(172a)(173b)의 돌기 부위가 제2 배기캠(173)의 배기밸브 안내면(172a)(173b)의 돌기 부위보다 후방에 배치될 수 있다. 따라서, 배기밸브(135)의 폐쇄 시점이 설정 시간(K2)만큼 느려질 수 있고, 배기밸브(135)의 개방 시간이 설정 시간(K2)만큼 증대될 수 있다.

상기와 같이 배기밸브(135)는 제1 배기캠(172)을 회전시키는 간단한 조작만으로 개폐 시점 및 개폐 시간을 간편하게 조절할 수 있다. 한편, 흡기밸브(133)도 배기밸브(135)와 동일 유사한 방법으로 제1 흡기캠(170)을 회전시켜 개폐 시점과 개폐 시간을 조절할 수 있으나, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 8은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 개폐조절기구를 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 개폐조절기구의 작동 상태를 나타낸 평단면도이다. 그리고, 도 10은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 개폐조절기구에 대한 다른 예를 나타낸 단면도이다.

도 1과 도 5 및 도 8을 참조하면, 상기 개폐조절기구(166)는 제1 흡기캠(170)과 제1 배기캠(172)을 회전시켜 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조절하는 장치이다. 예를 들면, 개폐조절기구(166)는 흡기캠 조절부(180), 배기캠 조절부(182), 및 회전가이드부(184)를 포함할 수 있다.

상기 흡기캠 조절부(180)는 상하방향으로 길게 형성된 로드 형상의 부재로써, 케이스(162)의 회전부(168)에 일부가 회전 가능하게 삽입된 구조로 배치될 수 있다. 흡기캠 조절부(180)의 상부에는 후술하는 회전가이드부(184)의 흡기캠 안내면(186a)에 슬라이딩 가능하게 접촉되는 접촉돌기(180a)가 형성될 수 있다. 흡기캠 조절부(180)의 하부에는 제1 흡기캠(170)의 상부에 회전 가능하게 연결되는 연결돌기(180b)가 형성될 수 있다.

상기 배기캠 조절부(182)는 상하방향으로 길게 형성된 로드 형상의 부재로써, 케이스(162)의 회전부(168)에 일부가 회전 가능하게 삽입된 구조로 배치될 수 있다. 배기캠 조절부(182)의 상부에는 후술하는 회전가이드부(184)의 배기캠 안내면(187a)에 슬라이딩 가능하게 접촉되는 접촉돌기(182a)가 형성될 수 있다. 배기캠 조절부(182)의 하부에는 제1 배기캠(172)의 상부에 회전 가능하게 연결되는 연결돌기(182b)가 형성될 수 있다.

그리고, 배기캠 조절부(182)의 연결돌기(182b)는 흡기캠(170)(171)들의 상부를 가로질러 제1 배기캠(172)과 연결되므로, 연결돌기(182b)와 대응되는 흡기캠(170)(171)들의 상부에는 연결돌기(182b)와 흡기캠(170)(171)들의 간섭을 방지하도록 회피홈(176)이 형성될 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 회전가이드부(184)는 흡기캠 조절부(180)와 배기캠 조절부(182)를 원주 방향으로 회전시키기 위하여 흡기캠 조절부(180)와 배기캠 조절부(182)의 접촉돌기(180a)(182a)에 접촉 가능하게 배치될 수 있다. 예를 들면, 회전가이드부(184)는, 흡기캠 조절부(180)를 회전시키기 위하여 흡기캠 조절부(180)의 접촉돌기(180a)에 승강 가능하게 배치된 흡기용 회전가이드부(186), 배기캠 조절부(182)를 회전시키기 위하여 배기캠 조절부(182)의 접촉돌기(182a)에 승 강 가능하게 배치된 배기용 회전가이드부(187), 및 흡기캠 조절부(180) 및 배기캠 조절부(182)를 회전 방향으로 탄성적으로 지지하도록 흡기캠 조절부(180) 및 배기캠 조절부(182)에 배치된 탄성부재(188)를 포함할 수 있다.

상기 흡기용 회전가이드부(186)는 승강 작동시 흡기캠 조절부(180)를 회전시키도록 흡기캠 조절부(180)의 접촉돌기(180a)와 슬라이딩 가능하게 접촉되는 흡기캠 안내면(186a)이 형성될 수 있다. 흡기캠 안내면(186a)은 흡기용 회전가이드부(186)의 내부에 원주방향을 따라 형성될 수 있다. 흡기캠 안내면(186a)은 상하방향으로 경사지게 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 흡기용 회전가이드부(186)가 상하방향으로 승강되면, 흡기캠 조절부(180)의 상부와 흡기캠 안내면(186a) 사이의 간격이 변경될 수 있고, 흡기캠 안내면(186a)과 접촉된 접촉돌기(180a)는 일방향으로 회전될 수 있다.

상기 배기용 회전가이드부(187)는 승강 작동시 배기캠 조절부(182)를 회전시키도록 배기캠 조절부(182)의 접촉돌기(182a)와 슬라이딩 가능하게 접촉되는 배기캠 안내면(187a)이 형성될 수 있다. 배기캠 안내면(187a)은 흡기캠 안내면(186a)과 동일 유사하게 형성될 수 있으므로, 배기용 회전가이드부(187)는 흡기용 회전가이드부(186)와 동일 유사하게 작동될 수 있고, 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

배기용 회전가이드부(187)는 흡기용 회전가이드부(186)의 상측에 배치될 수 있다. 배기용 회전가이드부(187)와 흡기용 회전가이드부(186)는 케이스(162)와 함께 회전될 수 있도록 실린더(110)의 상부에 배치될 수 있으며, 그 배치 구조는 설계 조건에 따라 다양하게 구현될 수 있다.

상기 탄성부재(188)는 흡기캠 안내면(186a)와 배기캠 안내면(187a)에 흡기캠 조절부(180)와 배기캠 조절부(182)의 접촉돌기(182a)를 탄성적으로 밀착시키도록 흡기캠 조절부(180) 및 배기캠 조절부(182)에 배치될 수 있다. 탄성부재(188)는 설계 조건에 따라 다양한 형상 및 다양한 배치 구조로 구비될 수 있다.

한편, 도 10은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 개폐조절기구에 대한 다른 예를 나타낸 단면도이다. 도 10에 도시된 개폐조절기구(466)에서는 회전가이드부(484)를 제외한 다른 구성은 도 8의 개폐조절기구(166)와 동일 유사하게 형성될 수 있다. 본 실시예의 회전가이드부(484)는 흡기용 회전가이드부(486), 배기용 회전가이드부(487), 및 탄성부재(188)를 포함할 수 있다. 여기서, 탄성부재(188)는 도 8의 탄성부재(188)와 동일 유사하게 형성되므로 그에 대한 설명은 생략한다.

반면에, 흡기용 회전가이드부(486)는, 중앙이 중공된 링 형상으로 형성되고, 내부에 원주 방향을 따라 도 8의 흡기캠 안내면(186a)과 동일 유사한 형상의 흡기캠 안내면(486a)이 형성될 수 있다. 그리고, 배기용 회전가이드부(487)는 흡기용 회전가이드부(486)의 중공된 부위에 배치될 수 있으며, 내부에 원주 방향을 따라 도 8의 배기캠 안내면(187a)과 동일한 기능을 수행하는 배기캠 안내면(487a)이 형성될 수 있다.

따라서, 도 10에 도시된 흡기용 회전가이드부(486)와 배기용 회전가이드부(487)는, 도 8에 도시된 흡기용 회전가이드부(186)와 배기용 회전가이드부(187)보다 콤팩트하게 구성될 수 있으며, 그로 인해 엔진의 전체 높이도 감소될 수 있 다. 특히, 도 10에 도시된 흡기용 회전가이드부(486)와 배기용 회전가이드부(487)는, 도 8에 도시된 흡기용 회전가이드부(186)와 배기용 회전가이드부(187)처럼 케이스(162)와 함께 회전될 필요가 없는 구조이다.

도 11은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 개폐조절기구에 대한 또 다른 예를 나타낸 단면도이고, 도 12는 도 11에 도시된 개폐조절기구의 작동 상태를 나타낸 평단면도이다. 즉, 도 11 및 도 12에는 본 발명의 왕복 피스톤 엔진(100)에 적용 가능한 개폐조절기구(566)의 다른 예가 도시되어 있다.

도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)가 도 8의 개폐조절기구(166)와 상이한 점은, 왕복 피스톤 엔진(100)의 작동시 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 상부에 구비된 원심추(580a)(582a)가 원심력에 의해 일방향으로 회전될 수 있다는 점이 상이하다.

즉, 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 상부에는 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 회전시 작용되는 원심력에 의해 회전되는 원심추(580a)(582a)가 구비될 수 있다. 원심추(580a)(582a)는 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 상부에서 길게 돌출된 구조로 형성될 수 있다. 원심추(580a)(582a)의 단부는 다른 부분보다 큰 질량을 가지는 구조로 형성될 수 있다. 따라서, 원심추(580a)(582a)의 단부는 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 상부를 중심으로 원심력에 의해 원활하게 회전될 수 있다.

상기와 같이 원심추(580a)(582a)가 원심력에 의해 회전되면, 흡기캠 조절 부(580)와 배기캠 조절부(582)가 원심추(580a)(582a)와 함께 동일 방향으로 회전될 수 있고, 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 회전에 의해 흡기캠(170)(171)과 배기캠(172)(173)도 회전될 수 있다. 따라서, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간은 왕복 피스톤 엔진(100)의 작동시 발생되는 원심력에 의해 자동적으로 조절될 수 있다. 한편, 도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)는 질량이 다른 원심추(580a)(582a)로 교체함으로써, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조정할 수 있다.

하지만, 도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)는, 도 8의 개폐조절기구(166)와 달리, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간을 한쪽 방향으로만 조절할 수 있다. 왜냐하면, 도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)는 원심추(580a)(582a)에 작용되는 원심력이 한쪽 방향으로만 작용되기 때문이다.

즉, 도 8의 개폐조절기구(166)는 배기용 회전가이드부(187)와 흡기용 회전가이드부(186)를 승강시킴으로써, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점을 다양한 조합으로 조절할 수 있다. 예를 들면, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점을 빠르게만 조절하거나, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점을 느리게만 조절할 수 있다. 뿐만 아니라, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개방 시점은 빠르게 조절하고 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 폐쇄 시점은 느리게 조절할 수 있고, 그 반대도 조절하는 것도 가능할 수 있다.

반면에, 도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)에서는 원심 추(580a)(582a)에 작용되는 원심력이 한쪽 방향으로만 작용되는 구조이므로, 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)가 한쪽 방향으로만 회전되고, 흡기캠(170)(171)과 배기캠(172)(173)도 한쪽 방향으로만 회전될 수 있다. 따라서, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점은 빠르게만 조절되거나 느리게만 조절될 수 있다.

도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)는 회전가이드부(584)를 더 포함할 수 있다. 회전가이드부(584)는 흡배기용 회전가이드부(586) 및 탄성부재(588)를 포함할 수 있다. 상기 흡배기용 회전가이드부(586)는 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 상부에 배치될 수 있다. 그리고, 흡배기용 회전가이드부(586)는 이동과 회전이 불가능하게 고정될 수 있다.

흡배기용 회전가이드부(586)의 내부에는 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 원심추(580a)(582a)와 슬라이딩 가능하게 접촉되는 외측 경계면(586a) 및 내측 경계면(586b)이 형성될 수 있다. 외측 경계면(586a)은 원심력에 의해 회전되는 원심추(580a)(582a)의 최대 회전 위치를 설정할 수 있고, 내측 경계면(586b)은 원심추(580a)(582a)의 초기 위치를 설정할 수 있다. 즉, 원심추(580a)(582a)는 외측 경계면(586a)과 내측 경계면(586b)의 사이에서 회전될 수 있다. 한편, 도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)는 외측 경계면(586a) 및 내측 경계면(586b)의 위치가 다른 흡배기용 회전가이드부(586)로 교체함으로써, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조정할 수 있다.

탄성부재(588)는 흡배기용 회전가이드부(586)의 내측 경계면(586b)에 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)의 원심추(580a)(582a)를 밀착시키는 방향으로 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)에 탄성력을 제공할 수 있다. 물론, 상기 탄성부재(588)의 탄성력은 상기 원심추(580a)(582a)에 제공되는 최대 원심력보다 작게 설정된다. 따라서, 탄성부재(588)는 원심추(580a)(582a)에 작용되는 원심력이 감소되면, 흡기캠 조절부(580)와 배기캠 조절부(582)를 초기 위치로 리턴시킬 수 있다. 한편, 도 11 및 도 12에 도시된 개폐조절기구(566)는 탄성력이 다른 탄성부재(588)로 교체함으로써, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조정할 수 있다.

도 13은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 밸브개폐기구에 대한 다른 예를 나타낸 평면도이고, 도 14는 도 13에 도시된 밸브개폐기구를 이용하여 밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조절하는 작동 상태를 나타낸 도면이다. 즉, 도 13 및 도 14에는 본 발명의 왕복 피스톤 엔진(100)에 적용 가능한 밸브개폐기구(264)의 다른 예가 도시되어 있다.

도 13 및 도 14에 도시된 밸브개폐기구(264)에서 도 5 내지 도 7의 밸브개폐기구(164)와 상이한 점은, 흡기캠 조절부(180)들의 연결돌기(280b)(280b′)들이 흡기캠(270)(271)들의 제1 흡기캠(270)과 제2 흡기캠(271)에 개별적으로 각각 연결되고, 배기캠 조절부(182)들의 연결돌기(282b)(282b′)들이 배기캠(272)(273)들의 제1 배기캠(272)과 제2 배기캠(273)에 개별적으로 각각 연결된다는 점이 상이하다.

즉, 제1 흡기캠(270)과 제2 흡기캠(271)은 본체부(169)에 모두 원주 방향으 로 회전 가능하게 배치될 수 있고, 제1 배기캠(272)과 제2 배기캠(273)도 본체부(169)에 모두 원주 방향으로 회전 가능하게 배치될 수 있다. 따라서, 개폐조절기구(166)가 흡기캠 조절부(180)와 배기캠 조절부(182)의 작동을 조절하면, 제1 흡기캠(270)과 제2 흡기캠(271)을 독립적으로 회전시킬 수 있고, 제1 배기캠(272)과 제2 배기캠(273)을 독립적으로 회전시킬 수 있다. 한편, 흡기캠(170)(171)들과 배기캠(172)(173)의 상부에는 연결돌기(182b)들과의 간섭을 방지하기 위해 회피홈(276)(277)(278)이 각각 형성될 수 있다.

상기와 같이 제1 흡기캠(270), 제2 흡기캠(271), 제1 배기캠(272), 및 제2 배기캠(273)의 회전 동작이 독립적으로 제어되면, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)의 개폐 시점 및 개폐 시간을 더욱 넓게 조정할 수 있다. 즉 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 배기캠(272)과 제2 배기캠(273)이 서로 동일한 위치에 배치된 상태에서 제1 배기캠(272)을 전방으로 회전시킴과 동시에 제2 배기캠(273)을 후방으로 회전시킬 수 있다. 그러면, 제1 배기캠(272)의 회전으로 인해 설정 시간(K1)만큼 배기밸브(135)의 개방시점이 빨라질 수 있고, 제2 배기캠(273)의 회전으로 인해 설정 시간(K2)만큼 배기밸브(135)의 폐쇄시점이 늦어질 수 있다. 또한, 제1 배기캠(272)과 제2 배기캠(273)의 설정 시간(K1)(K2)만큼 배기밸브(135)의 개방시간도 증가될 수 있다.

도 15은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 밸브개폐기구에 대한 또 다른 예를 나타낸 평면도이다. 즉, 도 15에는 본 발명의 왕복 피스톤 엔진(100)에 적용 가 능한 밸브개폐기구(364)의 또 다른 예가 도시되어 있다.

도 15에 도시된 밸브개폐기구(364)에서 도 5 내지 도 7의 밸브개폐기구(164)와 상이한 점은, 흡기밸브(333)(333′)들과 흡기캠(370)(371)(370′)(371′)들이 일대일로 서로 대응되게 구비될 수 있고, 배기밸브(335)(335′)들과 배기캠(372)(373)(372′)(373′)들이 일대일로 서로 대응되게 구비될 수 있다는 점이 상이하다.

즉, 흡기밸브(333)(333′)가 2개이면 흡기캠(370)(371)(370′)(371′)도 2개가 구비될 수 있고, 배기밸브(335)(335′)가 2개이면 배기캠(372)(373)(372′)(373′)도 2개가 구비될 수 있다. 따라서, 흡기밸브(333)(333′)의 작동은 흡기캠(370)(371), 및 상기 흡기캠(370)(371)의 외측에 배치된 흡기캠(370′)(371′)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 그리고, 배기밸브(335)(335′)의 작동은 배기캠(372)(373), 및 상기 배기캠(372)(373) 의 외측에 배치된 배기캠 (372′)(373′)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.

흡기캠(370)(371)(370′)(371′)들과 배기캠(372)(373)(372′)(373′)들은 본체부(169)에 반경방향으로 중첩된 구조이므로, 흡기밸브(333)들과 배기밸브(335)들은 제2 피스톤(130)의 반경 방향으로 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 또한, 흡기캠 조절부(180)들의 연결돌기(380b)(380b′)들은 제1 흡기캠(370)(370′)에 개별적으로 각각 연결될 수 있고, 배기캠 조절부(182)들의 연결돌기(382b)(382b′)들은 제1 배기캠(372)(372′)들에 개별적으로 각각 연결될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진(100)의 작동을 살펴보면 다음과 같다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 도 9에 도시된 왕복 피스톤 엔진(100)으로 한정하여 설명한다. 도 16 내지 도 20는 본 발명의 일실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진의 흡입 행정(F), 압축 행정(G), 폭발 행정(H), 팽창 행정(I), 및 배기 행정(J)이 각각 도시된 작동 상태도이다.

도 16를 참조하면, 상기 흡입 행정(F)에서는 제1 피스톤(120)이 하측으로 하강되고, 제2 피스톤(130)은 최고점에 정지된 상태이다. 그리고, 흡기밸브(133)는 개방된 상태이고, 배기밸브(135)는 폐쇄된 상태이다.

따라서, 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)에 의해 연소실(E)의 크기가 최대로 증가되고, 연소실(E)의 크기 증가로 인해 연소실(E) 내의 압력이 저하된다. 상기와 같이 연소실(E) 내의 압력이 저하되면, 연료 가스가 흡기관(112), 흡기 통로(169a), 및 흡기구(132)를 통해 연소실(E)의 내부로 유입될 수 있다.

이때, 제1 피스톤(120)은 최저점으로 하강되고 제2 피스톤(130)은 최고점에 배치되므로, 연소실(E)은 최대 크기로 확장될 수 있다. 즉, 왕복 피스톤 엔진(100)의 내부에 연료 가스가 최대로 흡입될 수 있으므로, 왕복 피스톤 엔진(100)의 흡입 효율도 향상될 수 있다.

도 17을 참조하면, 상기 압축 행정(G)에서는 제1 피스톤(120)이 최고점으로 상승된 후 하측으로 하강되고, 제2 피스톤(130)은 제1 피스톤(120)의 하강시 최고점에 하강된다. 그리고, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)는 폐쇄된 상태이다.

즉, 제1 피스톤(120)이 최고점으로 상승된 상태에서는 제2 피스톤(130)도 최 고점에 배치되므로, 연소실(E)의 크기가 최소로 형성되지 않는다. 이후에, 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)이 최고점으로부터 함께 하강될 경우, 제2 피스톤(130)이 제1 피스톤(120)의 하강 속도보다 빠르게 하강되므로, 제2 피스톤(130)이 최대로 하강된 시점(H)에서 연소실(E)의 크기가 최소로 형성될 수 있다. 이때, 연소실(E) 내의 압축 압력도 최대로 형성된다.

따라서, 본 실시예의 왕복 피스톤 엔진(100)은 기존의 왕복 피스톤 엔진보다 압축 행정(G)이 더 길게 형성되나, 폭발 행정(H)은 더 짧게 형성된다.

도 18을 참조하면, 상기 폭발 행정(H)에서는 연소실(E)의 크기가 최소로 작아지는 시점(H)에 점화기구(150)를 작동시켜 연소실(E) 내의 연료 가스를 폭발시킨다. 이때, 제1 피스톤(120)은 하측으로 하강되고, 제2 피스톤(130)은 최저점에 정지된 상태이다. 그리고, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)는 폐쇄된 상태이다.

상기와 같이 연소실(E)의 크기가 최소이면, 연소실(E) 내의 압축 압력이 최대로 형성되기 때문에 연료 가스의 불완전 연소가 방지될 수 있다. 연소실(E)의 크기가 최소로 작아지는 시점(H)은 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)이 함께 하강되는 시점부터 크랭크축(122)이 회전한 각도가 30도~40도인 시점(H)으로 설정될 수 있다. 본 실시예에서는 크랭크축(122)의 회전 각도가 30도~35도인 시점(H)을 연소실(E)의 크기가 최소로 작아지는 시점으로 설정한다.

한편, 다른 형상의 승강홈부(144a)가 형성된 승강가이드(144)로 교체하거나 동력전달기구(146)에 의해 승강가이드(144)로 전달하는 동력을 조절하면, 제2 피스톤(130)의 승강 시점과 승강 속도 등이 간편하게 조절될 수 있다. 따라서, 왕복 피 스톤 엔진(100)의 설계 조건 및 주변 환경에 따라 점화기구(150)의 작동 시점 및 연료 가스의 압축 압력 등을 조절할 수 있으므로, 왕복 피스톤 엔진(100)의 효율을 설계 조건에 따라 최대로 향상시킬 수 있다.

도 19을 참조하면, 상기 팽창 행정(I)에서는 제1 피스톤(120)이 하측으로 하강되고, 제2 피스톤(130)은 최저점에 정지된 상태이다. 그리고, 흡기밸브(133)와 배기밸브(135)는 폐쇄된 상태이다. 따라서, 연료 가스의 폭발력은 제1 피스톤(120)과 커넥팅 로드(124)를 통해 크랭크축(122)으로 모두 전달될 수 있다.

도 20을 참조하면, 상기 배기 행정(J)에서는 제1 피스톤(120)이 상측으로 상승되고, 제2 피스톤(130)은 최저점에 정지된 상태이다. 그리고, 흡기밸브(133)는 폐쇄된 상태이고, 배기밸브(135)는 개방된 상태이다.

따라서, 제1 피스톤(120)과 제2 피스톤(130)에 의해 연소실(E)의 크기가 최소로 감소된다. 연소실(E)의 크기 감소되면, 연소실(E) 내의 연료 가스가 배기구(134), 배기 통로(169b), 및 배기관(114)을 통해 연소실(E)의 외부로 배출될 수 있다.

이때, 제1 피스톤(120)은 최고점으로 상승되고 제2 피스톤(130)은 최저점에 정지된 상태이므로, 연소실(E)은 최소의 크기로 형성된다. 따라서, 연소실(E) 내의 연소 가스도 최대한 많이 외부로 배출시킬 수 있으므로, 왕복 피스톤 엔진(100)의 배기 효율도 향상될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진이 도시된 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 A를 확대하여 나타낸 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 승강가이드를 나타낸 평면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 B-B선에 따른 단면을 나타낸 도면이다.

도 5는 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 밸브개폐기구를 나타낸 평면도이다.

도 6은 도 5에 도시된 C-C선에 따른 단면을 나타낸 도면이다.

도 7은 도 5에 도시된 밸브개폐기구를 이용하여 밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조절하는 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 8은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 개폐조절기구를 나타낸 단면도이다.

도 9는 도 8에 도시된 개폐조절기구의 작동 상태를 나타낸 평단면도이다.

도 10은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 개폐조절기구에 대한 다른 예를 나타낸 단면도이다.

도 11은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 개폐조절기구에 대한 또 다른 예를 나타낸 단면도이다.

도 12는 도 11에 도시된 개폐조절기구의 작동 상태를 나타낸 평단면도이다.

도 13은 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 밸브개폐기구에 대한 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.

도 14는 도 13에 도시된 밸브개폐기구를 이용하여 밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조절하는 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 15는 도 1에 도시된 왕복 피스톤 엔진의 밸브개폐기구에 대한 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.

도 16 내지 도 20는 본 발명의 일실시예에 따른 왕복 피스톤 엔진의 흡입행정, 압축행정, 폭발행정, 팽창행정, 및 배기행정이 각각 도시된 작동 상태도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 간단한 설명>

100: 왕복 피스톤 엔진 110: 실린더

120: 제1 피스톤 130: 제2 피스톤

140: 피스톤 승강장치 150: 점화기구

160: 밸브조절장치

Claims (26)

1. 실린더;

   상기 실린더의 내부에 상하 방향으로 승강 가능하게 구비되고, 커넥팅 로드에 의해 크랭크축과 연결된 제1 피스톤;

   상기 제1 피스톤 및 상기 실린더와 함께 연소실을 형성하도록 상기 제1 피스톤의 상측에 배치되고, 상기 실린더의 내부에 상하 방향으로 승강 가능하게 구비된 제2 피스톤;

   상기 제2 피스톤과 상기 크랭크축 사이에 구비되고, 상기 제1 피스톤이 최고점으로부터 하강되는 일정 시점에서 상기 연소실의 크기를 최소로 만들도록 상기 크랭크축의 회전 각도에 따라 상기 제2 피스톤의 승강 동작을 조절하는 피스톤 승강장치; 및

   상기 실린더에 구비되고, 상기 연소실이 최소의 크기로 형성될 때 상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키는 연료폭발장치;

   를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연소실의 크기가 최소인 시점은,

   상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤이 최고점에서 함께 하강될 때부터 상기 크랭크축이 10도 내지 50도의 각도로 회전된 시점으로 설정되는 왕복 피스톤 엔진.
3. 제1항에 있어서,

   상기 피스톤 승강장치는,

   상기 실린더에 상하방향으로 길게 형성된 복수개의 승강홀부들에 삽입되도록 상기 제2 피스톤의 외주면에서 반경 방향으로 돌출된 복수개의 승강돌기들;

   상기 승강홀부들을 관통한 상기 승강돌기들의 단부가 삽입되는 승강홈부들이 형성되고, 상기 승강돌기들이 상기 승강홈부들을 따라 승강 작동되도록 상기 실린더에 이동 또는 회전 가능하게 배치된 승강가이드; 및

   상기 승강가이드가 상기 크랭크축과 연동되도록 상기 크랭크축의 동력을 상기 승강가이드에 전달하는 동력전달기구;

   를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 피스톤은 상기 피스톤 승강장치의 작동시 상기 승강홀부들보다 하부가 하측에 배치되도록 형성된 왕복 피스톤 엔진.
5. 제4항에 있어서,

   상기 승강가이드는, 상기 승강돌기들의 단부가 삽입되는 승강홈부들이 내주면에 형성된 링 형상으로 형성되고, 상기 실린더의 외측에 원주 방향으로 회전 가능하게 배치되는 왕복 피스톤 엔진.
6. 제5항에 있어서,

   상기 승강돌기들은 상기 제2 피스톤의 외주면에 원주 방향을 따라 동일 간격으로 이격되게 배치되고,

   상기 승강홈부들은 상기 승강가이드의 내주면 중에서 상기 승강돌기들과 대응되는 부위들에 각각 동일 형상으로 형성된 왕복 피스톤 엔진.
7. 제6항에 있어서,

   상기 승강홈부들은 상기 승강가이드의 내주면에 원주 방향을 따라 서로 연결된 폐곡선 형상으로 형성된 왕복 피스톤 엔진.
8. 제5항에 있어서,

   상기 동력전달기구는,

   상기 크랭크축과 연동 가능하게 연결된 캠축; 및

   상기 캠축에 일측이 연동 가능하게 연결되고, 상기 승강가이드의 외주면에 형성된 종동승강기어와 타측이 치합되는 구동승강기어;

   를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연료폭발장치는, 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤 사이에 배치되도록 상기 실린더의 측면에 적어도 하나가 구비된 왕복 피스톤 엔진.
10. 제9항에 있어서,

    상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 크기가 최소인 시점에 상기 연소실의 내부로 연료 가스를 분사하는 연료분사기구를 구비하고,

    상기 연소실의 크기가 최소인 시점에서는 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤이 상기 연료 가스를 자연 착화시키는 온도로 상기 연소실 내의 공기를 압축시키는 왕복 피스톤 엔진.
11. 제9항에 있어서,

    상기 연료폭발장치는 상기 연소실의 크기가 최소인 시점에 상기 연소실 내의 연료 가스를 점화시키는 점화기구를 구비하고,

    상기 연소실의 크기가 최소인 시점에서는 상기 제1 피스톤과 상기 제2 피스톤이 상기 연료 가스를 완전 연소시키는 압력으로 상기 연소실 내의 공기를 압축시키는 왕복 피스톤 엔진.
12. 제11항에 있어서,

    상기 점화기구는,

    상기 실린더의 내부에 배치된 단부에 돌출된 제1 점화 플러그; 및

    상기 제1 점화 플러그에서 일정 거리 이격된 위치에 돌출되고, 상기 제1 점화 플러그와 평행하게 형성된 적어도 하나의 제2 점화 플러그;

    를 구비한 왕복 피스톤 엔진.
13. 실린더;

    상기 실린더의 내부에 상하 방향으로 승강 가능하게 구비되고, 커넥팅 로드에 의해 크랭크축과 연결된 제1 피스톤;

    상기 제1 피스톤 및 상기 실린더와 함께 연소실을 형성하도록 상기 제1 피스톤의 상측에 배치되고, 흡기밸브와 배기밸브가 개폐 가능하게 배치되며, 상기 실린 더의 내부에 상하 방향으로 승강되는 제2 피스톤;

    상기 제2 피스톤의 상부에 배치되고, 상기 크랭크축의 회전 각도에 따라 상기 배기밸브와 상기 흡기밸브의 개폐를 조절하는 밸브조절장치; 및

    상기 실린더에 구비되고, 상기 연소실이 최소의 크기로 형성될 때 상기 연소실의 내부에서 연료를 폭발시키는 연료폭발장치;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
14. 제13항에 있어서,

    상기 실린더의 상부에는 흡기관 및 배기관이 형성되고,

    상기 제2 피스톤에는 상기 흡기관과 상기 연소실을 연통시키는 적어도 하나의 흡기구 및 상기 배기관과 상기 연소실을 연통시키는 적어도 하나의 배기구가 형성되며,

    상기 흡기밸브는 적어도 하나의 상기 흡기구에 개폐 가능하게 구비되고, 상기 배기밸브는 적어도 하나의 상기 배기구에 개폐 가능하게 구비된 왕복 피스톤 엔진.
15. 제14항에 있어서,

    상기 밸브조절장치는,

    상기 제2 피스톤의 상부에 회전 가능하게 구비되고, 상기 크랭크축과 연동 가능하게 연결된 케이스;

    상기 케이스에 배치되고, 상기 크랭크축에 의해 상기 케이스가 회전됨에 따라 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브의 개폐 동작을 제어하도록 형성된 밸브개폐기구; 및

    상기 밸브개폐기구에 구비되고, 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 선택적으로 조절하는 개폐조절기구;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
16. 제15항에 있어서,

    상기 케이스는,

    상기 크랭크축에 연동 가능하게 연결된 회전부; 및

    상기 회전부에 승강 가능하게 연결되고, 상기 제2 피스톤의 상부에 회전 가능하게 연결되며, 상기 흡기관과 적어도 하나의 상기 흡기구를 연결하는 흡기 통로 및 상기 배기관과 적어도 하나의 상기 배기구를 연결하는 배기 통로가 형성된 본체부;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
17. 제16항에 있어서,

    상기 밸브개폐기구는,

    상기 본체부의 일측에 구비되고, 상기 본체부의 회전시 상기 흡기밸브의 상부가 슬라이딩 가능하게 접촉되는 흡기밸브 안내면이 하부에 형성된 흡기캠;

    상기 본체부의 타측에 구비되고, 상기 본체부의 회전시 상기 배기밸브의 상부가 슬라이딩 가능하게 접촉되는 배기밸브 안내면이 하부에 형성된 배기캠; 및

    상기 흡기밸브와 상기 배기밸브의 상부가 상기 흡기밸브 안내면과 상기 배기밸브 안내면에 탄성적으로 밀착되도록 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브에 각각 구비된 탄성부재;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
18. 제17항에 있어서,

    상기 흡기캠과 상기 배기캠은, 서로 다른 반경을 갖는 원통 형상으로 형성되고, 상기 본체부와 동일한 회전 중심을 갖도록 상기 본체부에 반경 방향으로 상호 중첩되게 배치된 왕복 피스톤 엔진.
19. 제18항에 있어서,

    상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브는 상기 제2 피스톤의 반경 방향으로 복수개 가 서로 다른 위치에 배치되며,

    상기 흡기캠 및 상기 배기캠은 상기 흡기밸브들 및 상기 배기밸브들의 상부에 개별적으로 접촉되도록 상기 본체부에 반경 방향으로 복수개가 구비된 왕복 피스톤 엔진.
20. 제18항에 있어서,

    상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브는 상기 제2 피스톤의 원주 방향으로 복수개가 서로 다른 위치에 배치되며,

    상기 흡기캠 및 상기 배기캠은 상기 흡기밸브들 및 상기 배기밸브들의 상부에 동시에 접촉되도록 하부에 상기 흡기밸브 안내면 및 상기 배기밸브 안내면이 원주 방향으로 복수개가 형성된 왕복 피스톤 엔진.
21. 제18항에 있어서,

    상기 흡기캠과 상기 배기캠은 상기 본체부에 원주 방향으로 회전 가능하도록 복수개가 중첩되게 구비되고,

    상기 개폐조절기구는 상기 흡기캠들의 적어도 하나 또는 상기 배기캠들의 적어도 하나를 원주 방향으로 회전시켜 상기 흡기밸브 또는 상기 배기밸브의 개폐 시점 및 개폐 시간을 조절하는 왕복 피스톤 엔진.
22. 제21항에 있어서,

    상기 개폐조절기구는,

    상기 흡기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 흡기캠 조절부;

    상기 배기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 배기캠 조절부; 및

    상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부에 배치되고, 상기 흡기캠들과 상기 배기캠들의 적어도 하나를 원주 방향으로 회전시키는 회전가이드부;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
23. 제22항에 있어서,

    상기 회전가이드부는,

    상기 흡기캠 조절부의 상부에 승강 가능하게 배치되고, 승강 작동시 상기 흡기캠 조절부를 회전시키도록 상기 흡기캠 조절부의 상부와 슬라이딩 가능하게 접촉되는 흡기캠 안내면이 형성된 흡기용 회전가이드부;

    상기 배기캠 조절부의 상부에 승강 가능하게 배치되고, 승강 작동시 상기 배기캠 조절부를 회전시키도록 상기 배기캠 조절부의 상부와 슬라이딩 가능하게 접촉되는 배기캠 안내면이 형성된 배기용 회전가이드부; 및

    상기 흡기캠 안내면 및 상기 배기캠 안내면에 상기 흡기캠 조절부와 상기 배 기캠 조절부의 상부를 탄성적으로 밀착시키도록 상기 흡기캠 조절부 및 상기 배기캠 조절부에 배치된 탄성부재;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
24. 제21항에 있어서,

    상기 개폐조절기구는,

    상기 흡기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 흡기캠 조절부;

    상기 배기캠들의 적어도 하나에 하부가 연결된 배기캠 조절부; 및

    상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부의 상부에 형성되고, 상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부가 상기 밸브개폐기구와 함께 선회되면 원심력에 의해 상기 흡기캠들과 상기 배기캠들을 원주 방향으로 회전시키는 원심추;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
25. 제24항에 있어서,

    상기 개폐조절기구는,

    상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부에 배치되고, 상기 원심추의 회전 가능한 범위를 제한하는 회전가이드부를 더 포함하는 왕복 피스톤 엔진.
26. 제25항에 있어서,

    상기 회전가이드부는,

    상기 흡기캠 조절부와 상기 배기캠 조절부의 상부에 배치되고, 상기 원심추의 회전 범위를 설정하는 적어도 하나의 경계면이 형성된 흡배기용 회전가이드부; 및

    상기 원심추의 초기 위치를 설정하는 경계면을 향해 상기 원심추를 탄성적으로 회전시키도록 상기 흡기캠 조절부 및 상기 배기캠 조절부에 배치된 탄성부재;

    를 포함하는 왕복 피스톤 엔진.

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