KR20120093153A - 등속 엔진/기술 - Google Patents

Abstract

선형 운동을 회전 운동으로 또는 회전 운동을 선형 운동으로 변환할 수 있는 등속 내연 엔진/구성은 크랭크샤프트 대신에 기어샤프트와 적어도 한 쌍의 대향 왕복 피스톤을 포함하는데, 기어샤프트는 피스톤의 왕복 선형 병진 운동을 제어한다.

Description

등속 엔진/기술 {CONSTANT VELOCITY ENGINE/TECHNOLOGY}

본 발명은, 예를 들어 모든 크랭크샤프트 연소 엔진을 대체하도록 구성된, 선형 운동을 회전 운동으로 또는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 특별한 등속 내연 엔진/기술에 관한 것이다.

오늘날, 전 세계는 급속하게 천연 자원을 잃어가고 있다. 지구 온난화는 빙하를 녹여서 수위와 그 평형이 놀라운 결과를 가지고 변동시킨다. 화석 연료 소비는, 일반적으로 매일 상승하는 배럴당 비용에도 불구하고 높은 수요가 지속된다. 이런 수요는 석유 회사들이 더 많은 연료원을 찾아 세계의 새로운 발견되지 않은 지역으로 진출하기 위한 계획을 세우도록 한다. 새로운 석유 매장량에 대한 추적은 오늘날에도 성공적인 것으로 입증되고 있다.

지난 20 년 동안, 현재 환경 상태에 대한 사람들의 인식은 세계의 생태 보전을 위한 효율성을 전문적으로 연구한 제품의 개발을 증가시켰다. 보다 효율적으로 되기 위한 노력의 일환으로, 기존의 기술을 기초로 한 이런 아이디어의 대부분은 소비자의 장기간 노력에 대해 한계가 있고 비용이 너무 비싼 전자 기술의 미봉책에 불과하였다.

오늘날 전 세계가 일상적인 것부터 고급스러운 것까지 에너지, 운송, 레크리에이션을 위해 소비하는 자원을 고려했을 때, 이것은 수십 억 달러의 산업 가치가 있다. 새로운 기술은 세계의 자원, 그 거주자와 이러한 모험의 개척자들에게 대단히 유리할 수 있는 새로운 녹색 운동의 매버릭 (maverick) 이고, 큰 변화의 계기일 수 있다.

게다가, 프로토타입 (prototypical) 내연 엔진의 이점은 엄청나다. 이 엔진은 보편적으로 자동차뿐만 아니라 선외 기관, 스노모빌, 개인용 보트, 오토바이, 농장 시설, 비행기, 고정 구동 기계류, 잔디 깎는 기계, 쇠사슬 톱과 그 밖의 기계 기기에서 사용된다. 일반적인 자동차는 3 개부터 12 개까지 다양한 실린더 구성을 가지는 4-행정 사이클을 사용한다. 더 작은 선박과 장비는 2-행정 사이클을 사용하고 1 개의 실린더부터 4 개의 실린더까지 이용한다. 이런 엔진은 시간 입증되고 테스트되었으며 기계적 신뢰를 가지고 제조될 수 있다. 하지만, 환경 오염에 대한 염려뿐만 아니라 피할 수 없는 화석 연료의 장기적인 부족과 상승하는 비용 요인 때문에, 부정적인 미래 결과와 일반 대중의 반응은 단기간의 이점보다 더 크다.

그리고, 종래의 4-행정 엔진은 2-행정 엔진보다 더 복잡한 엔진이므로, 4-행정 엔진이 중량이 더 무겁고 제조 비용이 더 비싸다. 더 적은 부품과 복잡성을 가지는 2-행정 엔진은 4-행정 엔진보다 더 가볍고 제조 비용이 더 저렴하다. 2-행정 엔진은 4-행정 엔진보다 입방인치당 더 큰 마력을 달성할 수 있었지만, 더 높은 오염 배출 때문에 2-행정 엔진은 환경피해에 훨씬 더 큰 영향을 미친다.

본 발명은 결국 모든 크랭크샤프트 연소 엔진을 대체하도록 고려되는 등속 엔진/기술을 특징으로 한다. 선형 운동을 회전 운동으로 또는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 다른 적용이 또한 제공된다.

등속 구성의 두 가지 주요 구성요소는 가동부 (조립체) (도 1) 이다:

A: 크랭크샤프트 대신에 기어샤프트가 있다. 기어샤프트는 직경 주위에 배치된 일련의 치형부를 포함하여서, 각 방향으로 대부분의 행정동안 연결을 형성한다. 행정의 대향 방향 각각으로, 치형부는 일 방향으로 맞물리고 반대 방향으로 맞물림을 해제할 수 있도록 오프셋된다. 캠 그루브는 치형부 세트 사이에 있고, 이 그루브는 각 행정 사이에 리버싱 (reversing) 점을 형성하면서 램프업 (ramp up) 과 램프다운(ramp down) 할 수 있게 한다. 이것은 행정과 리버싱 행정 동안 전부 맞물리도록 할 수 있다. 램프업은, 연소와 행정 전환에 의해 초래되는 가장 높은 힘의 집중으로 부가적 강도를 제공하면서 치형부와 완벽한 정렬을 형성한다. 다시 말하면, 램프다운은 제어된 감속을 제로 (0) 로 제공하고 램프업은 리버싱 행정에 제어된 정렬을 제공한다.

B: 로드랙 조립체는 대향한 피스톤, 링크로드, 회전 캠 및 로드랙으로 된 강성 연결한 구성요소이다 (도 2 참조). 피스톤은 4 개의 부품, 즉 피스톤 최상부, 바닥부, 링과 핀으로 구성된다 (도 3 참조). 링크로드에 조립되었을 때, 유닛이 일체형으로 만들어지다면 강성이 된다. 로드랙은 기어샤프트와 맞물릴 수 있는 링크로드의 중심선의 각 측으로부터 오프셋에 위치한 두 세트의 치형부를 가진다 (도 2 참조). 로드랙의 각 단부는 회전 캠 액슬을 이용하여 링크로드에 연결한다. 이것은 또한 일체형으로 만들어진다면 강성으로 부착된다. 로드랙의 최상부와 바닥부는 케이스에 장착된 베어링으로 끼움장착되는 기계가공된 평행한 면을 가진다. 이것은 로드랙 조립체의 정확한 선형 운동을 제공한다. 피스톤 조립체는 공통의 선형 위치에서 로드랙에 장착된다. 로드랙 조립체의 정확한 선형 운동은 공통의 선형 축선에서 실린더의 중심에 피스톤을 유지한다. 이 강성 조립체는 불균형 또는 편심 부하가 없으므로 가능하다.

다음 모든 도면에서, 나타낸 등속 엔진은 90° 형태이다. 실린더 헤드, 냉각수 시스템, 윤활 시스템, 연료 시스템 및 공기/연료 유도 시스템은 모두 도면에서 제외되었다. 도면의 일부 물체/부품은 물품/세부를 더 잘 볼 수 있도록 반투명인데 그렇지 않으면 볼 수 없다.

도 1 은 본 발명에 따른 등속 엔진의 사시도이고, 내부 작동이 도시되어 있다.
도 2 는 완전한 강성 유닛으로서 로드랙 조립체의 사시도이다.
도 3 은 피스톤 링크로드의 분해된 조립체의 사시도이다.
도 4 는 랙 롤러 조립체와 기어샤프트를 보여주는 로드랙 조립체의 사시도이다.
도 5 는 각각 랙 롤러 조립체 및 기어샤프트를 가지는 두 로드랙 조립체의 사시도이다.
도 6 은 전방 및 후방 로드랙 조립체 양자를 보여주는 등속 엔진 조립체의 정면도이다.
도 7 은 후방 로드랙 조립체가 생략된 등속 엔진 조립체의 정면도이다.
도 8 은 기어샤프트의 주요 부분의 사시도이다.
도 9 는 그 단부 부분을 보여주는 기어샤프트의 주요 부분의 사시도이다.
도 10 은 단부 부분과 전방 샤프트 베어링을 보여주는 기어샤프트의 주요 부분의 사시도이다.
도 11 은 단부 부분과 샤프트 플랜지를 보여주는 기어샤프트 조립체의 주요 부분의 사시도이다.
도 12 는 상사점으로부터 로드랙의 운동을 보여주는 측면도이다.
도 13 도 상사점으로부터 로드랙의 운동을 보여주는 측면도이다.
도 14 는 상사점으로부터 이동한 로드랙의 사시도이다.
도 15 는 치형부의 오프셋을 보여주는 각도에서 기어샤프트의 단부 부분이 제거된 로드랙의 사시도이다.
도 16 과 도 17 은 디젤 연료 구성에서 완전한 등속 내연 엔진의 사시도인데, 도 16 은 정면 우측면도이고 도 17 은 정면 좌측면도이다.
도 18 과 도 19 는 각각 본 발명에 따른 완전한 등속 내연 엔진의 상면도와 정면도이다.
도 20 과 도 21 은 종래의 내연 엔진의 토크 대 본 발명에 따른 내연 엔진의 토크를 비교하는 그래프이다.

도 1 에서, 내부 작동이 나타난 등속 기술을 보여준다. 이상적인 엔진은 4 개의 실린더 (피스톤) 를 구비하는 2 개의 로드랙으로 구성될 것이다. 각 로드랙의 선형 방향은 다른 것과 반대일 것이고, 이것은 상호간 힘을 제거하거나 서로 균형을 잡아주는 것을 도울 것이다.

도 2 에서 로드랙 조립체는 완전한 강성 유닛으로 나타나 있고, 도면에서 도면부호 1 은 치형 맞물림과 롤러 빔을 구비하는 오프셋 레일을 가지는 로드랙을 나타낸다. 도면부호 2 는 링크로드를 나타내고, 도면부호 3 은 피스톤을 나타내고, 도면부호 4 는 맞물림 가이드 베어링을 나타내고, 도면부호 5 는 치형 맞물림 롤러를 나타내고, 도면부호 6 은 연동 플랫 탭 (interlocking flat tab) 을 나타낸다.

도 3 에 피스톤 링크로드의 분해된 조립체가 자세히 나타나 있다. 도 3 에서, 도면부호 7 은 링크로드 조립체 부착구를 나타내고, 도면부호 8 은 맞물림 가이드 샤프트를 나타내고, 도면부호 9 는 맞물림 가이드 롤러를 나타내고, 도면부호 10 및 도면부호 11 도 맞물림 가이드 롤러를 나타내고, 도면부호 12 는 피스톤 로크 (lock) 를 나타내고, 도면부호 13 은 피스톤 최상부를 나타내고, 도면부호 14 는 피스톤 바닥부를 나타내고, 도면부호 15 는 링크로드를 나타내고, 도면부호 16 은 연동 플랫 점 (spot) 을 나타낸다. 이 도면에, 압축 링은 나타나 있지 않다. 피스톤 최상부는 피스톤 로크 핀을 가지는 링크로드에 꼭 맞게 끼워져서 회전 운동을 방지한다. 피스톤 바닥부는 피스톤에 나사 결합되어서 고형 강성 부착구를 제공하는 피스톤 로크 핀을 샌드위치 형태로 삽입한다. 링크로드 조립체 볼트가 맞물림 가이드 샤프트를 통하여 삽입되고 링크로드에 나사 결합됨에 따라 맞물림 가이드 샤프트는 로드랙 안으로 삽입된다. 링크로드 플랫측은 로드랙 상의 탭과 결합되어서 회전을 방지한다. 조여지면, 로드랙 (미도시) 은 고형 부착구를 제공하는 맞물림 가이드 샤프트와 링크로드 사이에 샌드위치 형태로 삽입된다.

피스톤은 그 운동을 가이드하기 위해서 실린더 벽을 사용하지 않기 때문에, 피스톤은 정확한 간격 (clearance) 을 가질 수 있고 링은 보다 나은 시일링 (sealing) 을 위해 연속될 수 있다. 피스톤이 두 부분 (piece) (최상부와 바닥부) 으로 구성될 때; 연속 링을 설치할 수 있다. 현재 이용할 수 있는 일부 발전된 재료의 사용으로, 연소 중 발생된 온도 범위 전체에 대해 충분한 간격을 유지하면서 링이 최소 간격으로 구성될 가능성이 높다.

랙 롤러 조립체와 기어샤프트를 가지는 로드랙 조립체가 도 4 에 나타나 있는데, 이것은 롤러-가이드 하우징 조립체를 도시한다. 이 도면에 도시된 4 개의 롤러는 등속 기술의 확실하고 정확한 선형 운동을 뒷받침한다.

도 5 에, 각각 랙 롤러 조립체와 기어샤프트를 가지는 두 로드랙 조립체가 나타나 있다. 이 도면에서 각 로드랙 조립체의 반대 또는 교번 운동을 주목한다.

도 6 에 전방 및 후방 로드랙 조립체 양자를 가지는 등속 엔진 조립체의 정면도가 나타나 있다. 전방 로드랙 조립체는 우측에 상사점 (상사점) 이 좌측에 하사점 (하사점) 이 나타나 있고, 후방 로드랙 조립체는 전방 로드랙 조립체와 반대로 좌측에 상사점을 우측에 하사점이 나타나 있다.

도 7 에서, 등속 엔진 조립체의 정면도는 후방 로드랙 조립체가 생략되어 있다. 도 7 은 케이스 (18), 실린더 블록 (19), 실린더 라이너 (20) 와 링크로드 시일 (21) 을 보여준다. 우측 피스톤은 상사점에 있고 좌측 피스톤은 하사점에 있다. 링크로드는 정확한 선형 운동으로 움직이므로, 링크로드 시일을 설치하여 피스톤의 바닥부 측에 특별한 챔버를 형성할 수 있다. 이 챔버는 공기 또는 공기/연료 혼합물 유도를 도울 수 있다. 90°형태에서, 임의의 밸브 작동은 기어샤프트의 로브 (lobe) 로부터 떨어져 직접 작동하여 캠샤프트의 필요성을 없앨 것이다.

2 사이클 구성에서, 공기 또는 공기/연료 혼합물은 피스톤의 후방 측에서 챔버로 유도되고 밸브가 헤드에서 개방됨에 따라 피스톤의 최상부 측에서 실린더의 하부로 옮겨져서, 배기가스를 배출한다. 피스톤 하부의 챔버의 바닥부에서 링크로드 시일은 또한 유닛의 중간부에서 윤활유를 유지하고 윤활유를 연료 유도 영역 외부에 유지하는 시일이 된다. 4 행정 형태는 피스톤의 바닥부 측에 시일을 필요로 하지 않을 수도 있다. 공기 또는 공기/연료 혼합물과 배기가스는 헤드의 흡기 및 배기 밸브를 통과할 것이다. 중요한 특징은 피스톤의 양측을 사용할 수 있는 능력이다.

도 8 은 리버싱 맞물림 그루브 (22) 와 맞물림 치형부 (23) 를 나타낸다.

도 10 에, 단부 부분과 전방 샤프트 베어링 (24) 을 가지는 기어샤프트 주요 부분이 나타나 있다. 반대쪽 단부는 동일한 샤프트 베어링을 가질 것이다.

도 11 에, 단부 부분 (26) 과 샤프트 플랜지 (27) 를 가지는 기어샤프트 주요 부분 (25) 이 나타나 있다. 이 도면에서 분명히 알 수 있듯이, 기어샤프트는 동심이어서 회전 균형을 유지하기 위해서 균형추를 형성할 필요성을 없앤다. 기어샤프트의 중심에 도시된 상당 크기의 홀도 중요한 장점을 가진다. 이 홀은 유닛의 중심선에서 바로 공통 샤프트를 사용하여 다중 유닛을 결합 및/또는 분리할 수 있도록 해준다.

로드랙 운동의 방향을 보여주는 도 12 에서, 로드랙은 상사점으로부터 0.100" 이동하여 0° 에서 8° 로 기어샤프트를 회전시킨다. 이런 상사점의 각 측에서 8° 는 로드랙 조립체를 리버싱하기 위한 램프다운과 로드랙과 기어샤프트를 정확하게 정렬하기 위한 램프업에 사용된다.

다중 치형부가 맞물린 상태 (28) 와 오프셋 치형부가 맞물리지 않은 상태 (29) 를 나타내는 도 13 에서, 로드랙은 상사점으로부터 0.500" 이동하여 기어샤프트를 0° 에서 22° 까지 회전시킨다. 이전 회전의 8° 를 빼면 14° 의 회전을 제공하여, 치형부가 맞물릴 때처럼 정확한 속도/비율로 로드랙을 움직인다. 로드랙 조립체의 추가적인 14° 회전과 운동은, 캠 그루브에서 빠져나오긴 전에 2 개의 치형부의 완전하고 정확한 맞물림을 보장한다. 로드랙 조립체의 각 측과 각 단부에 있는 이런 캠 그루브는 가장 필요한 곳에서 리버싱을 위한 강도를 제공한다.

다중 치형부가 맞물린 상태 (30) 와 오프셋 치형부가 맞물리지 않은 상태 (31) 를 나타내는 도 14 에서, 나타낸 로드랙은 상사점으로부터 0.500" 이동하여 0° 에서 22° 까지 기어샤프트를 회전시킨다. 기어샤프트의 단부 부분이 제거되어 비스듬히 보여질 때, 기어샤프트 치형부의 맞물림과 대향한 기어샤프트 치형부의 오프셋은 분명히 알 수 있다.

도 15 에서, 기어샤프트의 단부 부분이 치형부의 오프셋을 보여주는 각도로 제거되었을 때 로드랙은 상사점에 나타나 있고 기어샤프트는 0° 에 나타나 있다.

등속 기술은 최소 마찰을 달성한다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 구성은 본질적으로 피스톤 영역에서 마찰을 감소시킨다. 게다가, 로드랙과 맞물리는 기어샤프트의 맞물림 치형부도 마찰을 최소화하도록 구성되었다. 랙과 피니언 스타일 기어 장치와 같은 보다 종래의 수단으로 기어샤프트와 로드랙 사이의 작동을 구성할 수 있다. 이 기어 장치는 직선 또는 나선 컷 스타일 치형부 중 어느 하나일 수 있다. 스프로켓과 유사한 기어샤프트의 치형부의 개념과 롤러 체인과 유사한 로드랙으로 수용은 기어 스타일 치형부의 사용에 비해 적은 마찰을 발생시킨다는 것을 생각할 수 있다. 증가된 강도에 대한 필요가 필수적이라면, 기어샤프트의 여러 열의 치형부 및 대응하는 열의 롤러가 구성시 통합되어서, 강도를 크게 증가시킬 수 있다.

도 16, 17, 18 및 19 는 디젤 연료 구성에서 완전 등속 내연 엔진의 도면을 제공한다. 이것의 특징은 다음과 같다:

설명:

구성: 수정된 2-행정; 자연 흡기

실린더 갯수: 4

배기량: 593 CC

추정 마력: 디젤 연료로 230 @ 2200 rpm

(가솔린으로 260 @ 3500 rpm)

추정 중량: 85 lbs

치수:

너비 - 전체 (배기관의 외부) 27 1/4" (배기관 제외) 24 1/2"

높이 - 전체 (공기 유도 포함) 11 5/8" (공기 유도 제외) 7 1/2"

길이 - 전체 (벨 하우징과 기어샤프트 단부 제외) 11"

행정과 행정으로 회전하는 등속 엔진의 가변 보어에 따라, 전술한 대로, 크랭크샤프트 엔진에 비해 2 배가 넘는 연소 토크가 달성된다. 등속 기술의 다른 구성 장점은 더 낮은 마찰이 발생된다는 것이다. 최소화된 마찰 때문에 등속 엔진에 더 적은 열이 발생될 것이라는 것을 추정할 수 있다. 더 적은 마찰과 더 적은 열 때문에, 결과적 장점은 또한 동력을 증가시킬 것이고 더 적은 환경 오염 물질을 배출할 것이다.

둘 다 동일한 배기량을 가지는 종래의 크랭크샤프트 엔진과 등속 엔진을 비교했을 때, 등속 엔진의 전체 치수와 구성이 상당히 더 작다. 등속 구성은 높이가 매우 낮고 길이가 짧다; 너비는 종래의 크랭크샤프트 엔진과 유사하지만 일반적으로 더 작다. 전체 결과는 더 적은 중량과 관련된다. 더 적은 중량은 이동 차량을 제조하는데 더 적은 비용이 들고 기구를 작동하는데 보다 경제적이어서 현 종래 기술에 대하여 더 큰 장점을 달성함을 의미한다. 1/2 속도의 샤프트 회전으로 구성하면, 토크는 훨씬 더 크고 구동 차륜의 변속비는 감소된다. 엔진 샤프트 회전 속도에 대한 차륜 속도가 감소되거나 종래의 엔진보다 균일한 비율에 더 가까워진다. 다시, 등속 구성은 전체 차량에 대해 보다 경제적인 가치를 창출한다.

따라서, 크랭크샤프트 엔진과 비교했을 때 등속 엔진의 이점은 다음과 같다:

더 나은 연료 경제성 - 연료 경제성은 4 가지 근원에 있다. 첫 번째는 각 힘 벡터 (angular force vector) 를 가지지 않는 선형 피스톤 운동 때문에 감소된 내부 마찰이다. 두 번째는 기어샤프트로 회전을 전달하는 레버까지 피스톤에 의한 동력의 선형 전달이다. 세 번째는 고정된 레버 길이에 의해 동력 출력으로 전달된 일정한 토크이다. 네 번째는 등가 소요 마력에 대해 크기와 중량이 감소되어서, 엔진 및 작업 부하를 지지하는 다른 관련된 중량을 감소시킨다.

더 낮은 작동 비용 - 더 낮은 비용은 더 높은 연비 및, 엔진 오일 교환 및 오일 필터를 제거하는 데서 비롯된다.

중공 기어샤프트 - 공통 구동 샤프트가 중심선에서 기어샤프트를 통과할 수 있도록 충분한 크기를 가지는 중공 샤프트를 가지는 것은 공통 샤프트를 따라 다중 엔진을 적층하는 능력을 제공한다. 이런 특별한 특징은 엔진을 원하는 대로 맞물리게 하고 분리하는 능력을 제공한다. 이것은 엔진에 더 나은 경제성, 더 긴 수명과 유연한 반복을 제공하는데 중요할 수 있다. 이 특징은 항공 산업 및 무거운 짐을 적재한 운송 차량에서 극히 가치가 있어서 엔진 오작동시 조절 가능한 동력 레벨과 능력이 기능하도록 한다.

더 높은 토크와 더 낮은 RPM - 등속 엔진의 더 낮은 rpm 은 엔진 및 변속기, 기어 감속기 및 차동 장치와 같은 모든 관련된 구동 구성요소에 대해 감소된 마모와 더 긴 수명의 이점을 가진다.

더 가벼운 중량 - 등속 엔진에 대한 추정치는 등가 마력에 대한 중량의 대략 절반이다. 훨씬 더 큰 중량 절감도 기대될 수 있다. 중량 감소는, 기어샤프트와 동일한 접촉점에서 대향한 피스톤을 이중으로 하는 능력과 감소된 응력 및 열 때문에, 크랭크샤프트의 제거, 더 적은 가동부, 더 가벼운 구성에서 비롯된다. 하지만, 엔진은 더 작은 배기량 엔진의 더 큰 토크로 비교할 만한 마력을 달성할 수 있는 고유 능력 때문에 대부분 더 가볍다.

더 짧은 엔진 수명 - 더 긴 수명은 선형 힘, 더 낮은 마찰, 더 낮은 열, 더 적은 가동부 및 새로운 재료와 개선된 윤활을 이용하는 능력의 결과이다.

더 낮은 작동 열 - 측력 없이 선형 피스톤 주행은 실린더 측벽에 부하를 주지 않는다. 케이스 (블록) 는 어떠한 냉각도 필요로 하지 않는데 이것은 등속 엔진을 훨씬 더 가볍고 더 단순하게 할 것이다.

균일한 토크 전달 - 등속 엔진은 그 동력 행정의 매우 작은 부분을 제외하고는 원활하고 균일한 토크를 전달한다. 이것은 필요하다면 다중 실린더의 타이밍으로 쉽게 완화될 수 있다. 매우 효율적인 토크 전달, 선형 피스톤 힘 벡터와 비선형 힘의 부재는 등가 엔진 크기에 대해 마력을 증가시키기 위한 주요한 이유이다.

2-행정을 위한 연료에서 오일 부재 - 무마찰 피스톤은 피스톤/연소 영역의 윤활을 요구하지 않을 것이다. 이것은 오염과 작동 비용을 감소시키면서 마력을 증가시킬 것이다.

광범위한 행정 길이 - 등속 엔진 행정은 크랭크샤프트 저널 (journal) 의 도달 거리의 두 배보다 크도록 제한되지 않고 더 짧거나 더 길 수도 있다.

기어샤프트 회전 (revolution) 에 대한 광범위한 행정 - 기어샤프트 회전에 대한 피스톤 행정 수는 단지 현실적으로 제한된다. 행정은 숫자 1 과 일부 분수를 더한 임의의 짝수일 수도 있다.

특별한 더 낮은 피스톤 챔버 - 케이스가 시일링되어 피스톤 운동으로부터 분리될 수 있게 하는 선형 피스톤 주행은 터보 과급기 및/또는 연료 혼합 스테이지로서 사용될 수도 있는 더 낮은 기능성 피스톤을 가질 수 있도록 한다.

되풀이하여, 등속 개념의 한 가지 장점은 구성과 직접 관련된 기계적 장점 때문에 발생된 증가된 동력이다. 도 20 에서 그래프는 상사점에서 출발하는 종래의 내연 엔진을 나타내는데, 여기에서 피스톤은 토크가 가장 불리한 크랭크샤프트의 중심선으로부터 토크가 가장 유리한 90 도 회전까지 가장 멀리 떨어져 있다.

힘의 중심선까지 90 도에서 종래의 크랭크샤프트 엔진의 평균 레버 암 길이 = 0.741* = 1.144* 의 최대 레버 암 길이의 64.8% 가 된다. 피스톤에 대한 100 lbs 에서 샤프트를 180 도 회전시 = 74.1 in-lbs 의 평균 토크에서, 로드 각 압력의 연결로부터 발생되는 피스톤과 실린더의 마찰에 기인한 토크 손실이 있을 것이다. 이 마찰은, 힘이 증가하고 샤프트 회전 저항이 발생됨에 따라 증가한다.

도 21 의 그래프에서 볼 수 있듯이, 종래의 내연 엔진과 등속 엔진을 비교했을 때, 등속 엔진의 효율성이 종래의 엔진을 훨씬 능가하는 것은 분명하다. 두 엔진이 동량의 인가 압력 (100psi) 을 가질 때, 등속 엔진은 종래의 엔진보다 큰 거의 243 in-lbs 토크를 가진다.

힘의 중심선까지 90 도에서 종래의 크랭크샤프트 엔진의 평균 레버 암 길이 = 0.741* = 1.144* 의 최대 레버 암 길이의 64.8% 가 된다. 피스톤에 대한 100 lbs 에서 샤프트를 180 도 회전시 = 74.1 in-lbs 의 평균 토크에서, 로드 각 압력의 연결로부터 발생되는 피스톤과 실린더의 마찰에 기인한 토크 손실이 있을 것이다. 이 마찰은, 힘이 증가하고 샤프트 회전 저항이 발생됨에 따라 증가한다.

힘의 중심선까지 90 도에서 등속 엔진 레버 암 길이 = 1.478* = 1.598* 의 최대 레버 암 길이의 92.5% 가 된다. 피스톤에 대한 100 lbs 에서 샤프트를 180 도 회전시 = 147.8 in-lbs 의 평균 토크에서, 로드와 각 압력의 연결로부터 발생되는 피스톤과 실린더의 마찰이 없다.

구성에 통합되고 행정과 행정으로 회전하는 등속 구성의 가변 보어에 따라, 전술한 대로, 2 배가 넘는 연소 토크가 달성된다. 등속 기술의 다른 구성 장점은 더 낮은 마찰이 발생된다는 것이다. 최소화된 마찰 때문에 등속 엔진에 더 적은 열이 발생될 것이라는 것을 추정할 수 있다. 더 적은 마찰과 더 적은 열 때문에, 결과적 장점은 또한 동력을 증가시킬 것이고 더 적은 환경 오염 물질을 배출할 것이다.

위에 나타낸 것처럼, 둘 다 동일한 배기량을 가지는 종래의 엔진과 등속 개념을 비교했을 때, 등속 엔진의 전체 치수와 구성은 상당히 더 작다. 등속 구성은 높이가 매우 낮고 길이가 짧다; 너비는 종래의 크랭크샤프트 엔진과 유사하지만 일반적으로 더 작다. 전체 결과는 더 적은 중량과 관련된다. 더 적은 중량은 이동 차량을 제조하는데 더 적은 비용이 들고 기구를 작동하는데 보다 경제적이어서 현 종래 기술에 대하여 더 큰 장점을 달성함을 의미한다. 1/2 속도의 샤프트 회전으로 구성하면, 토크는 훨씬 더 크고 구동 차륜의 변속비는 감소된다. 엔진 샤프트 회전 속도에 대한 차륜 속도가 감소되거나 종래의 엔진보다 균일한 비율에 더 가까워진다. 다시, 등속 구성은 전체 차량에 대해 보다 경제적인 가치를 창출한다.

한 가지 매우 특별한 장점은 등속 엔진 샤프트를 관통하는 대형 홀에 있다. 이것은 결합된 엔진의 최대 동력을 발생시키도록 가변 엔진이 필요에 따라 공통 샤프트에 의해 결합되도록 하여서 임의의 하나 또는 다중 엔진이 원할 때 사용되거나 분리되거나 회전되도록 한다. 이것은 동력이 감소되었을 때에도 연속 사용시 엔진을 부가하거나, 빼거나 회전시키도록 유연성을 가지고 전체 엔진에서 더 큰 값을 발생시킬 것이다. 또한, 엔진 중 임의의 하나의 엔진에 기계적 고장이 발생한 경우에, 필요에 따라 다른 엔진을 사용하고 동력을 최대화하도록 접근한다. 현재, 제조사는 등속 기술의 부가 장점을 가지지 않는 오리지널 캐딜락 (original Cadillac) 8-6-4 엔진 형태를 가진다. 크라이슬러의 다중 가변 시스템 (MDS), GM 의 액티브 연료 관리 (AFM), 혼다의 가변 실린더 관리 (VCM) 및 메르세데스 벤츠의 액티브 실린더 제어 (ACC) 는 모두 고속도로를 운전할 때처럼 필요성이 감소할 때 실린더를 폐쇄하는 엔진을 가진다. 크라이슬러는 이 엔진의 경제성이 시중에 나와 있는 현 V8 엔진보다 10 ~ 20% 초과할 거라고 예상한다. 등속 기술은 기존의 제품이 달성한 바를 취하고 이를 차세대에 이용할 수 있다.

등속 구성은 또한 피스톤의 후방 측을 사용할 수 있는 장점을 가진다. 이것은 연료를 유도하기 위해 사용될 수 있다. 2-행정 형태의 등속 엔진에서, 피스톤 후방 측 아래의 챔버는 엔진 유닛의 나머지로부터 시일링된다. 따라서, 윤활유는 이 챔버에 존재하지 않고 청정 연소 연료를 발생시킬 것이다. 2-행정 엔진은 일반적으로 4-행정 엔진보다 효율성이 낮고 더 많이 오염시키지만 이것은 또한 4-행정보다 훨씬 큰 동력을 발생시킨다. 종래의 2-행정 엔진의 초기 개발시, 연료 대 오일 비율은 15:1 이었고 이것은 예초기나 모페드 (moped) 또는 그 밖의 2-행정 엔진을 작동할 때 연소되는 15 갤런의 연료마다, 1 갤런의 오일이 대기로 배출되었음을 의미한다. 오늘날, 고성능 윤활유의 사용으로, 이 비율은 50:1 까지 증가하였다.

등속 구성은 종래의 엔진에서 발견되는 윤활유 문제를 해결할 필요가 없으므로, 오염 물질은 4-행정 사이클보다 적거나 같아야 한다. 부가적으로, 등속 2-행정 사이클은 더 큰 동력을 발생시켜서, 다시 더 효율적인 엔진을 생산한다.

등속 기술의 다른 이점은, 등속 엔진에서 후방 측 피스톤이 또한 부가 연소를 위해 사용될 수 있다는 것이다. 이 개념은 전례없는 소형 크기의 아주 높은 동력 엔진으로 개발될 수 있다. 이것의 이점들이 바로 설명된다.

유닛의 모든 운동은 롤러 및/또는 볼 베어링으로 구성되므로, 예상 수명은 종래의 크랭크샤프트 타입 유닛을 훨씬 능가할 것이다.

엔진이 원하는 용도로 구성되면, 발생된 동력에 대한 더 적은 연료 소비 및 환경 오염 물질을 더 적게 배출하는 보다 소형화된 구성의 조합된 장점은 등속 기술의 전체 이점으로 분명한데 왜냐하면 이 장점들은 현실적으로 현 크랭크샤프트 타입 엔진의 이점의 두 배 이상일 수 있기 때문이다.

등속 엔진은 미래의 엔진으로 간주되고 결국 모든 크랭크샤프트 연소 엔진을 대체할 것으로 생각된다. 또한, 선형 운동을 회전 운동으로 또는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 임의의 적용도 이용할 수 있다.

새로운 등속 엔진 기술의 수용과 크랭크샤프트 엔진의 대체는 각각의 산업에 대해 상이할 것이다. 산업 결정은 옛 것을 새로운 것으로 바꾸는데 얼마의 비용이 들 것인지, 더 높은 효율성 (연비) 과 오염 감소를 위한 의무적인 또는 수요 필요 및 감소된 제조 비용, 연장된 엔진 수명과 중량 감소의 가치를 고려할 것이다.

새로운 공구 비용은 OEM 구성요소로서 완전한 엔진을 구입하는 것을 제외한 모든 산업에 대해 고려할 요인일 것이다. 하지만, 특허권 사용권자의 공구 비용은 구성 기술과 서류 양도에 기인해 실질적으로 더 낮아질 것이다.

감소된 제조 비용은 모든 산업에 대해 고려할 것이다. 비용 감소는 간단한 제작, 더 적은 수의 부품 및 감소된 중량에서 비롯된다. 특허권 사용권자는 양도된 구성 기술과 서류 때문에 초기 비용의 우위를 얻을 것이다.

더 나은 효율성은 모든 산업에 대해 고려할 것이다. 증가된 효율성은 기어샤프트로 더 높고 더 균일한 토크 전달, 선형-축선 힘 벡터로 오프액시스 (off-axis) 힘 벡터의 변화, 등가 행정에 대한 증가된 배기량, 감소된 작동 마찰 (열), 감소된 중량 및 고유한 (built-in ) 강제 공기/공기 연료 유도 능력에서 비롯된다. 등속 개념은 그 윤활유에 대해 더 긴 수명을 달성할 수 있을 것이다. 사실상, 이 구성은 오일 필터와 엔진 오일 교환의 필요성을 없앨 수도 있다. 윤활유는 엔진의 수명에 가까워질 것이다. 이것만으로 환경 오염과 달러를 수십 억 절약한다.

효율성은 엔진의 수명 비용의 방대한 구성요소를 형성한다. 전기 모터에 대해, 에너지의 수명 비용은 약 95% 이다. 이러한 이해는 레일, 트럭 운송, 발전 및 선적과 같은 산업용이 아니라 단지 소비자 제품용 레이더에 대한 것이고, 이것은 막대한 절약을 의미한다.

더 긴 엔진 수명은 혼합 시장의 문제가 될 것이다. 상용 엔진 시장 (레일, 트럭 운송 등) 은 특히 증가된 엔진 수명을 원할 것이다. 자동차 및 유틸리티 엔진 산업은 이것을 수입 감소의 문제로 볼 수도 있지만 경쟁은 그들이 이익을 받아들이도록 할 수도 있다. 연장된 엔진 수명은 특별한 내부 마찰의 감소, 연소 및 마모 영역으로부터 기어 케이스 오일의 분리, 등가 동력에 대한 더 낮은 작동 rpm 과 불필요한 실린더를 분리시키는 능력, 더 적은 수의 가동부와 새로운 재료를 사용하는 기회로부터 비롯된다.

중량 감소는 모든 산업에 대해 고려할 것이다. 더 적은 중량은 더 낮은 비용, 감소된 볼륨 또는 차지하는 공간 및 어느 정도 관련된 효율성을 의미한다. 더 경량인 엔진은 자동차 전체가 더 경량임을 의미하므로 자동차는 모든 면에서 유리할 것이다. 선박에서, 연료를 포함해 더 작은 볼륨을 가지는 엔진은 바로 더 많은 화물을 실을 수 있어 더 많은 수익을 발생시킨다.

등속 개념을 이용한 2-행정 엔진의 더 낮은 오염은, 2-행정 엔진을 시판하고 새로운 EPA 배출 감소 기준을 충족시켜야 하는 모든 산업에 대해 중요한 장점이고 특별한 특징이다. 엔진이 개선되지 않는다면, 그것은 어떤 사용 영역과 시장으로부터 제한될 수도 있거나 심지어 그 제품 판매가 금지될 수도 있다. 현재 크랭크샤프트 기술의 오염 감소는 단지 비용, 복잡성 및 크기 증가로 달성될 수 있다.

등속 구성의 그 밖의 다른 적용은 예를 들어 하이드로 구동 발전기 및 구동된 압축기/펌프에서도 분명하다.

특히, 세계 전기의 20 % 가 현재 수력 발전소에 의해 발생되고 미국에 2,000 개 넘는 수력 발전소가 있어서, 전체 전기의 대략 10% 를 제공한다. 캐나다, 노르웨이와 뉴질랜드는 주요 전기 발생원으로서 수력전기력을 사용하는 3 개국이다. 중국은 그 에너지원의 40% 넘게 수력 발전을 통하여 얻고 있다. 전 세계의 수력 발전소는 매년 2.3 조 킬로와트-시 (hour) 를 초과하는 등가물을 발생시키는 모두 합쳐 총 675,000 메가와트를 생산하는데, 국립 재생 에너지 연구소에 따르면 이 에너지는 36 억 배럴 오일과 등가이고, 10 억 명이 넘는 사람들에게 영향을 미친다.

오늘날 사용되는 전통적인 하이드로 구동 발전기는 5 개의 구성요소를 포함한다. 이것은 댐, 터빈, 발전기와 전송 라인을 포함한다. 댐은 물의 흐름을 제어하면서 저수지를 형성한다. 저수지의 물은 터빈을 통하여 움직이고 터빈 블레이드에 대해 미는 떨어지는 물의 힘은 터빈이 스핀 (spin) 하도록 한다. 터빈은 떨어지는 물의 운동 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 터빈이 스핀할 때 샤프트와 가능하다면 기어에 의해 터빈에 연결되므로 이것은 발전기도 스핀하도록 한다. 이것은 터빈으로부터 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 수력 발전소에서 발전기는 다른 타입의 발전 장치에서 발전기와 똑같이 작동한다. 전송 라인은 수력 발전소로부터 가정과 사업체로 전기를 전달한다. 동력 발전소의 터빈으로부터 댐에 의해 형성된 수면까지 높이와 유수 볼륨은 발생된 전기의 품질을 결정한다. 간단히, 흐름이 더 많고 물이 더 높이 떨어질수록 더 많은 전기가 생성됨을 의미한다.

전통적인 하이드로 터빈 발전기 대신에, 등속 기술을 이용한 이 구성에서, 물의 소비는 최소화되지만 동력은 상당히 커진다. 기존의 하이드로 발전기는 고속으로 터빈을 스핀하기 위해서 큰 볼륨의 물을 이용하여서, 다량의 에너지를 생성한다. 등속 구성의 장점 때문에, 물의 소비는 훨씬 적을 것이고 사용 갤런당 발생된 동력은 훨씬 클 것이다.

양수식 발전소에서, 이것이 이용하는 가역 터빈의 하나의 저수지 대신에 두 개의 저수지가 있다. 발전소는 제 2 저수지로부터 상부 저수지, 즉 제 1 저수지로 물을 펌프로 이송할 수 있다. 이것은 피크를 지난 시간에 수행된다. 특히, 제 2 저수지는 상부 저수지를 다시 채운다. 물을 상부 저수지로 펌프로 이송함으로써, 발전소는 피크 소비 기간동안 전기를 발생시키기 위해서 더 많은 물을 가진다. 예비 펌프에서 등속 기술의 사용은 전 세계의 수력 발전소를 위해 더 높은 효율성과 경제성을 다시 촉진할 것이다.

구동된 압축기/펌프에 대하여, 등속 기술의 구성 장점에서, 유닛은 가스 또는 액체 펌프로서도 작용한다. 두 가지 종류의 펌프가 있다. 하나는 세탁기와 식기세척기에서 보통 사용되는 원심 펌프이다.

다른 타입의 펌프는, 고정된 양의 유체를 포집한 후 포집된 볼륨을 배출관으로 보냄으로써 작용하는 용적형 펌프 시스템이다. 등속 기술의 구성 능력이 바뀔 수 있으므로, 유닛은 저압/고볼륨의 가스 및/또는 액체를 고압/저볼륨으로 옮기는데 장점을 가진다. 모든 구성에서 유닛은 매우 소형이고 아주 효율적일 것이다.

본 발명은 다양한 특정의 바람직한 실시형태에 관하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 다양한 수정, 대체, 생략 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 하기 청구항과 그 등가물을 포함한 범위에 의해서만 제한되도록 한다.

Claims (11)

1. 적어도 한 쌍의 대향 피스톤,
   상기 피스톤의 왕복 병진 운동을 제어하는 기어샤프트 부재 및,
   선형 운동을 회전 운동으로 또는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하기 위한 수단을 포함하며, 상기 기어샤프트의 회전에 응답하는 왕복 로드랙 조립체를 포함하는 등속 내연 엔진/구성.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 로드랙 조립체는 상기 기어샤프트 부재와 치형 맞물림을 제공하는 오프셋 레일과 롤러 빔을 포함하는 등속 내연 엔진/구성.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 기어샤프트 부재는 맞물림 치형부와 리버싱 맞물림 그루브를 포함하는 등속 내연 엔진/구성.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 기어샤프트 부재는 기어샤프트 플랜지를 구비한 단부 부분을 포함하는 등속 내연 엔진/구성.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 기어샤프트 부재는 오프셋 치형부를 포함하는 등속 내연 엔진/구성.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 기어샤프트 부재는 그 직경 주위에 배치된 일련의 치형부를 포함하는 등속 내연 엔진/구성.
7. 제 6 항에 있어서,
   피스톤 행정의 대향 방향 각각으로, 상기 치형부는 일 방향에서 맞물리고 반대 방향으로 맞물림이 해제될 수 있도록 오프셋 되는 등속 내연 엔진/구성.
8. 제 1 항에 있어서,
   공통의 선형 위치에서 상기 로드랙에 장착된 피스톤 조립체를 포함하는 등속 내연 엔진/구성.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 로드랙의 각각의 단부는 회전 캠 액슬을 이용하여 링크로드에 연결되는 등속 내연 엔진/구성.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드랙의 최상부와 바닥부는 이를 위한 케이싱에 장착되는 베어링에 끼움장착되는 기계 가공된 평행한 면을 가지는 등속 내연 엔진/구성.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기어샤프트는 이를 통하여 연장되는 중심홀을 가지는 등속 내연 엔진/구성.

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