KR20180075433A

KR20180075433A - 개선된 내연 엔진

Info

Publication number: KR20180075433A
Application number: KR1020177034454A
Authority: KR
Inventors: 왈라디슬로우 큐렉
Original assignee: 왈라디슬로우 큐렉
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2018-07-04
Also published as: JP2018515709A; EP3289201A4; EP3289201A1; WO2016176334A1; US20180195434A1

Abstract

입증되지 않은 왕복 내연 엔진은, 연소 압력이 최대의 높은 레벨 또는 중간 레벨일 때, 피스톤에 의해서 가해지는 선형 힘의 (통상적인 엔진보다) 큰 백분율을 크랭크샤프트의 회전으로 변환한다. 이러한 증가된 변환은, 비교 가능한 크기의 통상적인 엔진에 비교할 때, 사이클 당 더 큰 동력을 초래한다. 개선된 엔진은 엔진 블록, 엔진 블록 내의 실린더, 왕복 이동을 위해서 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 피스톤, 크랭크샤프트, 커넥팅 로드 및 토크 아암을 포함한다. 커넥팅 로드의 일 측면이 피스톤에 피봇 가능하게 장착되고 타 측면 상에서 토크 아암에 피봇 가능하게 장착된다. 토크 아암은 또한 엔진 블록에 장착된 템플릿(template)에 동작 가능하게 그리고 서로 상대적으로 이동되지 않게 연결된다. 템플릿은 미리 결정된 경로를 따라 토크 아암의 이동을 안내한다.

Description

개선된 내연기관

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2015년 4월 28일자로 출원된 미국 가출원 제62/153,933호의 우선권 이익을 주장한다.

기술분야

본 발명은 내연 엔진에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 크랭크샤프트를 포함하는 왕복 내연 엔진에 관한 것이다.

통상적인 상용 내연 엔진은 왕복 피스톤의 선형 이동을 크랭크샤프트의 회전 이동으로 변환하기 위해서 커넥팅 로드를 이용한다. 피스톤은 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치 사이에서 실린더를 이동시킨다. 팽창되는 연소 가스에 응답하여 피스톤이 그 실린더 내에서 이동될 때, 회전 이동이 커넥팅 로드를 통해서 크랭크샤프트에 전달된다. 커넥팅 로드의 일 단부는 피스톤에 피봇 가능하게 고정되는 한편, 커넥팅 로드의 타 단부는 크랭크샤프트의 오프셋 쓰루(offset throw)에 피봇 가능하게 연결된다(일반적으로, 오프셋 쓰루 주위에 회전 가능하게 저어널 연결된다(journeyed)). 다수의 실린더 배열체가 이용될 때, 크랭크샤프트는 각각의 커넥팅 로드를 위한 부가적인 오프셋 쓰루를 포함하도록 확장된다. 통상적인 내연 엔진에서, 크랭크샤프트는 주 베어링에 의해서 지지되고, 크랭크 쓰루의 단부에서, 크랭크 핀이 커넥팅 로드를 유지한다.

통상적인 내연 엔진에서, 연료의 연소에 의해서 발생되는 최대 압력은 행정의 상단부 직후에, 다시 말해서 피스톤이 상사점(TDC)을 지난 직후에 발생된다. 대부분의 통상적인 내연 엔진 내의 최대 압력은, 크랭크 쓰루가 피스톤의 TDC 위치에 상응하는 위치를 지나서 약 10ㅀ에 있을 때, 발생된다. 최대 압력 위치에서, 크랭크샤프트의 회전 에너지로 변환되는, 연소에 의해서 발생되는 힘의 백분율은 비교적 작은데, 이는 피스톤의 전체 힘의 비교적 작은 성분이 크랭크샤프트의 회전을 제공하기 위해서 지향되기 때문이다. 크랭크샤프트의 회전 이동을 제공하기 위해서 지향되는 피스톤 상의 연소에 의해서 발생된 전체 힘의 성분은, 피스톤이 하부사점(low dead center; LDC)를 향해서 이동됨에 따라, 증가된다. 그러나, 피스톤이 LDC 위치를 향해서 이동될 때, 연소 가스에 의해서 발생되는 압력은 계속적으로 감소된다. 따라서, 통상적인 엔진에서, 연소에 응답하여 피스톤에 의해서 발생되는 선형 힘이 크랭크샤프트 회전으로 변환되는 것의 가장 큰 백분율은, 선형 힘이 비교적 낮은 레벨일 때 발생된다.

통상적인 엔진이 최대 연소 압력에서 낮은 변환율을 제공하는지에 대한 이유는, 통상적인 엔진의 구성요소들 사이에서 전달되는 힘의 분석에 의해서 확인될 수 있다. 도 1은 전형적인 통상적 왕복 연소 엔진을 개략적으로 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(5)은: 피스톤(10), 커넥팅 로드(15), 및 크랭크샤프트(20)를 포함한다. 커넥팅 로드(15)는 피스톤 핀(25)에 의해서 피스톤에 피봇 가능하게 연결되고 크랭크샤프트 피봇(29)에 의해서 크랭크샤프트(20)의 쓰루(27)에 피봇 가능하게 연결된다.

연료가 실린더 내에서 점화될 때, 결과적인 연소 압력은 실린더 내의 피스톤을 BDC 위치를 향해서 선형적으로 이동시킨다. 도 2는 실린더 내의 압력을 TDC 위치로부터 측정된 크랭크샤프트의 각도에 따라 도시하며, 그에 따라 피스톤이 TDC 위치에 있을 때 각도는 영이고, 피스톤이 BDC 위치에 있을 때 크랭크샤프트 쓰루의 각도는 180ㅀ이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전형적인 통상적 내연 엔진에서, 커넥팅 로드에 피봇 가능하게 연결된 쓰루가 약 10ㅀ의 각도일 때, 최대 압력이 연소에 의해서 발생된다. 이러한 각도가 도 1에서 "α"로 표시되었다. 크랭크샤프트가 α의 각도일 때 피스톤의 선형 힘의 크랭크샤프트 회전력으로의 변환 백분율은 다음과 같이 계산될 수 있다(마찰 제외). 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤(10)에 의해서 커넥팅 로드(15) 상으로 가해지는 선형 힘은 F _k로서 표시된다. 이러한 힘은 1(즉, 100%)로 설정된다. 실린더의 길이방향 축과 커넥팅 로드 사이의 각도가 도 1에서 β로 표시되어 있다. 도 1에서, 각도 β는 2.88ㅀ이다. 회전력으로 변환되는 선형 힘(Fk)의 백분율을 결정하는 것은 이하의 식을 이용하여 계산될 수 있다:

도 1에 도시된 바와 같이, F _k = 1, α= 10ㅀ및 β = 2.88ㅀ이고, 계산은 이하의 결과를 야기한다:

이러한 계산은, 도 1에 개략적으로 도시된 통상적인 엔진에서, 실린더 내의 최대 압력에서, 마찰 손실을 제외하고, 피스톤(10)에 의해서 인가되는 선형 힘의 약 22.29%만이 크랭크샤프트 상에서 회전력으로 변환된다는 것을 보여준다.

그에 따라, 연소에 의해서 발생된 연소 압력이 비교적 높은 레벨에 있을 때, 그리고 특히 압력이 최대 레벨에 있거나 그 부근에 있을 때, 피스톤의 선형 힘의 보다 큰 백분율을 크랭크샤프트를 구동하는 회전 에너지로 변환하는 내연 엔진에 대한 요구가 오래 동안 있어 왔으나 아직 충족되지 못하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 연소에 의해서 발생된 피스톤의 선형 힘을 크랭크샤프트의 회전 이동으로 보다 효과적으로 변환하는 내연 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 연료 연소로부터의 피스톤 상의 압력이 가장 높은 레벨에 있거나 그 부근일 때, 연소에 의해서 발생되는 힘의 보다 큰 비율을 크랭크샤프트의 회전 에너지로 변환하는 내연 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은, 각각의 사이클 중에, 통상적인 상용 왕복 내연 엔진에 의해서 제공되는 동력보다 더 큰 실린더 부피당 동력을 크랭크샤프트에 제공하고, 그에 따라 연비를 증가시키는 왕복 내연 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 통상적인 엔진 보다 더 매끄럽게 작동되는 왕복 내연 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적은 이하의 설명을 검토한 후 당업자에게 보다 명확해질 것이다.

도 1은 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트를 포함하는 통상적인 내연 엔진의 개략도로서, 그러한 도면에는 피스톤으로부터 전달되는 선형 힘 및 크랭크샤프트 상의 회전력이 도시되어 있다.
도 2는 TDC에서의 피스톤 위치에 상응하는 0ㅀ의 크랭크샤프트 각도에서, 크랭크샤프트의 각도적인 쓰루 위치에 따른, 사이클 중에 통상적인 엔진의 실린더 내에서 발생되는 압력의 메가 Pascals(MPa) 단위의 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 엔진의 구성요소의 배열체를 개략적으로 도시하고 크랭크샤프트를 회전시키도록 전달되는 힘 성분 및 각도를 도시하는, 본 발명의 실시예의 개략도이다.
도 4는 (도 1에) 도시된 통상적인 엔진 및 도 3에 도시된 본 발명에 따라 구성된 엔진을 이용한, 엔진 사이클 중에 (마찰을 제외하고) 회전력으로 변환된 선형 힘의 추정 백분율의 그래프 비교이다.
도 5는 피스톤이 상사점(TDC)에 있는, 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 엔진의 개략적인 횡단면도이다.
도 6은 피스톤이 최대 연소 압력 위치에 있는, 도 5의 엔진의 개략적 횡단면이다.
도 7은 피스톤이 최대 연소 압력 위치 아래에 있는, 도 5의 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 8은 피스톤이 도 7의 피스톤 보다 TDC 위치로부터 더 멀리 있는, 도 5의 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 9는 피스톤이 BDC 위치 부근에 있는, 도 5의 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 10은, 피스톤이 TDC 위치에 있는, 본 발명의 추가적인 실시예에 따라 구성된 엔진의 개략적인 횡단면도이다.
도 11은 피스톤이 상사점(TDC) 위치의 약간 아래에 있는, 도 10의 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 12는 피스톤이 BDC 위치 부근에 있는, 도 5의 엔진의 횡단면도이다.
도 13은 엔진 사이클의 최대 압력에서의 성분 힘을 보여주는, 본 발명에 따라 구성된 엔진의 다른 실시예를 도시한 개략도이다.
도 14는 엔진 사이클 중의 토크 아암의 몇몇 위치 및 크랭크샤프트 피봇을 예시하는, 도 13에 도시된 실시예의 개략도이다.

본 발명의 일 양태에 따라, 개선된 왕복 내연 엔진은: 엔진 블록, 엔진 블록 내의 실린더, 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 피스톤, 및 크랭크샤프트를 포함한다. 커넥팅 로드는 일 단부에서 피스톤에 피봇 가능하게 장착된다. 커넥팅 로드의 타 단부는 토크 아암에 피봇 가능하게 연결된다. 토크 아암은 다시, 엔진 블록에 서로 상대적으로 이동되지 않게 장착된(rigidly mounted) 템플릿(template)에 동작 가능하게 연결된다. 템플릿은 미리 결정된 경로를 따라 토크 아암의 이동 경로를 안내한다. 토크 아암은 크랭크샤프트에 피봇 가능하게 연결된다. 연소에 의해서 생성된 압력이 높은 레벨에 있을 때, 피스톤 상의 연소에 의해서 발생된 힘의 증가된 백분율이 크랭크샤프트의 회전 에너지로 변환되도록, 템플릿, 커넥팅 로드, 토크 아암 및 크랭크샤프트가 구성된다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 개선된 왕복 내연 엔진은: 엔진 블록, 엔진 블록 내의 실린더, 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 피스톤, 및 크랭크샤프트를 포함한다. 커넥팅 로드는 일 단부에서 피스톤에 그리고 타 단부에서 토크 아암에 피봇 가능하게 연결된다. 토크 아암은 또한 크랭크샤프트의 쓰루에 피봇 가능하게 연결된다. 엔진 블록에 서로 상대적으로 이동되지 않게 장착된 템플릿은 미리 결정된 경로를 따라 토크 아암과 커넥팅 로드 사이의 피봇 이동을 안내한다. 실린더, 커넥팅 로드, 토크 아암, 크랭크샤프트 및 템플릿은, 피스톤 상의 연소의 힘이 최대 레벨에 있거나 그에 근접할 때, 피스톤에 의해서 가해지는 힘의 (통상적인 엔진의 백분율 보다) 더 큰 백분율을 변환하도록 구성된다.

본 발명의 추가적인 양태에 따라, 개선된 왕복 내연 엔진은: 엔진 블록, 엔진 블록 내의 실린더, 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 피스톤, 및 크랭크샤프트를 포함한다. 크랭크샤프트는 커넥팅 로드 및 토크 아암의 조합에 의해서 피스톤에 동작 가능하게 연결된다. 커넥팅 로드의 일 단부는 피스톤에 피봇 가능하게 장착되고, 커넥팅 로드의 타 단부는 롤러를 포함하는 피봇에 의해서 토크 아암의 일 단부에 연결된다. 엔진 블록에 고정적으로 장착된 템플릿은 채널을 포함한다. 채널은 롤러를 수용하고, 적어도 하나의 정확한(accurate) 단편을 포함하는 경로를 따라, 롤러의 이동을 안내한다. 토크 아암의 타 단부는 크랭크샤프트에 피봇 가능하게 장착된다. 실린더 내의 연소 가스에 의해서 높은 압력이 발생될 때 크랭크샤프트 상의 토크가 높은 레벨에 있도록, 커넥팅 로드, 토크 아암 및 크랭크샤프트가 구성된다. 실린더 내에서 최대 연소 압력에 도달될 때, 롤러가 내부에 위치되는 채널의 단편의 축 그리고 피스톤 로드의 길이방향 축이 대략적으로 정렬되도록, 템플릿, 토크 아암 및 크랭크샤프트가 또한 구성된다.

본 개시 내용을 검토할 때, 본 발명의 다른 양태는 당업자에게 명확해질 것이다.

구체적인 설명

본 발명은, 실린더 내의 압력이 높은 또는 최대 레벨일 때, 피스톤의 선형 힘을 엔진의 크랭크샤프트를 구동하는 회전력으로 (통상적인 엔진 보다) 더 효율적으로 변환하는 내연 엔진에 대한 것이다.

통상적인 내연 엔진에서, 최대 압력은 연소가 발생된 직후에, 즉 피스톤이 상사점(TDC) 위치를 지난 직후에 발생된다는 것이 당업계에 잘 알려져 있다. 최대 연소 압력이 달성된 후에, 피스톤이 하부사점(LDC) 위치를 향해서 이동됨에 따라, 실린더 내의 압력이 신속히 감소된다. 내연 왕복 엔진의 실린더 내의 전형적인 압력 프로파일이 도 2에 도시되어 있다. 본 발명은, 실린더 내의 압력이 높은 레벨일 때, 그리고 특히 실린더 내의 압력이 최대이거나 그에 근접할 때, (통상적인 엔진의 토크 보다) 토크를 증가시킴으로써, 연소에 의해서 실린더 내에서 발생된, 피스톤 상의 선형 힘을 크랭크샤프트를 구동하는 회전력으로 더 많이 변환하는 것을 제공함으로써 엔진의 효율을 개선한다.

본 발명은, (비제한적으로) 2??행정 엔진, 4행정 엔진, 5행정 엔진, 및 6 행정 엔진을 포함하는, 임의 유형의 왕복 내연 엔진과 함께 이용될 수 있다. 그러나, 바람직한 적용예는 4행정 엔진을 위한 것이다.

본 발명은 하나 이상의 실린더를 가지는 내연 엔진을 위해서 이용될 수 있다. 바람직한 용도는 8개, 6개 또는 4개의 실린더를 가지는 엔진을 위한 것이다.

본 발명은, 전기 방전(스파크)에 의해서 연소가 개시되는 내연 엔진과 관련하여, 그리고 연소가 연료의 압축에 의해서 개시되는 디젤 엔진과 관련하여 이용될 수 있다. 상응하는 통상적인 엔진에서 이용되는 임의 연료가 본 발명의 엔진에서 이용될 수 있다. 본 발명의 엔진은 낮은 품질의 연료를 이용할 수 있게 하는데, 이는 본 발명의 엔진이 연료의 연소에 의해서 발생된 힘을 구동 샤프트의 회전 이동으로 변환하는데 있어서 더 높은 효율을 가지기 때문이다.

동작 시에, 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더가 TDC 위치를 지난 직후에, 연소 가스는 실린더 내의 피스톤에 최대 압력을 가한다. 피스톤의 최대 압력 위치에서 그리고 압력이 높게 유지되는 동안, 본 발명의 개선된 엔진의 구성요소는 피스톤에 의해서 가해지는 결과적인 선형 힘을 크랭크샤프트 상의 회전력으로, 통상적인 엔진보다, 더 많이 변환하도록 구성된다. 구체적으로, 실린더 내의 피스톤이 최대 연소 압력 레벨 및 높은 압력에 상응하는 위치에 있을 때, 크랭크샤프트의 회전을 위한 토크를 달성하는 성분 벡터의 전체는 상응하는 통상적인 엔진의 성분 벡터의 전체보다 상당히 더 크다. 희망하는 큰 토크는, 크랭크샤프트의 회전에 기여하는 벡터의 합을 최대화하는 것에 의해서 달성된다. 바람직한 실시예에서, 이러한 각도는 (1) 크랭크샤프트의 중심으로부터 연장되는 선과 크랭크샤프트 피봇 사이의 각도(α); (2) 실린더의 길이방향 축과 커넥팅 로드의 길이방향 축 사이의 각도인 각도(β), (3) 템플릿 채널의 길이방향 축과 커넥팅 로드의 길이방향 축 사이의 각도(δ), 및 (4) 템플릿 채널의 길이방향 축과 토크 아암의 길이방향 축 사이의 각도(γ)를 포함한다. 실린더 내의 최대 압력에서, 크랭크샤프트의 회전에 기여하는 벡터의 합에 의해서 측정된 변환율은 (마찰 손실을 제외하고) 피스톤에 의해서 가해지는 선형 힘의 바람직하게 25% 초과, 더 바람직하게 50% 초과 그리고 가장 바람직하게 80% 초과이어야 한다. 본 발명은 최대 압력 및 높은 압력에서, 상응하는 통상적인 엔진에서의 토크 보다, 토크를 증가시킨다. 증가된 토크는 피스톤의 선형 힘이 크랭크샤프트의 회전으로 더 많이 변환되게 한다. 도 4는 엔진("A")의 동력 행정 중에 통상적인 엔진("C") 및 본 발명의 엔진("B")에 의해서 생산되는 에너지의 추정된 변환의 비교를 도시한다. 실린더 내의 압력이 최대에 그리고 높은 레벨에 있는 동안, 변환은 약 10ㅀ로부터 약 45ㅀ까지 통상적인 엔진 내의 변환보다 더 높다.

도 4에 도시된 바와 같이, 크랭크샤프트가 약 10ㅀ의 α 각도에 있을 때, 약 7.3 MPa의 최대 압력이 실린더 내에서 발생된다. 압력은, α 각도가 약 35ㅀ일 때, 1.7 MPa까지 감소된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 높은 압력(즉, 최대 압력의 50% 이내의 압력)에서, 본 발명에 따라 구성된 엔진은 통상적인 엔진보다 상당히 더 많이 선형 힘을 크랭크샤프트의 회전으로 변환한다. 실린더 내의 중간 압력(약 3.6 MPa 내지 1.8 MPa)(즉, 최대 압력의 25% 내지 50%의 압력)에서도, 본 발명에 따라 구성된 엔진은 통상적인 엔진보다 더 많은 선형 힘을 크랭크샤프트의 회전으로 변환한다. 낮은 압력(즉, 최대 압력의 25% 미만인 압력)에서, 통상적인 엔진은 선형 힘의 더 큰 백분율을 크랭크샤프트의 회전으로 변환한다. 그러나, 낮은 압력에서의 변환은 사이클 내의 전체 동력에 있어서 덜 중요하다. 도 4에서 확인될 수 있는 바와 같이, 동력 행정의 전체 변환은 본 발명의 엔진이 통상적인 엔진보다 상당히 더 크다.

최대 압력에서 마찰을 줄이기 위해서, 연소 압력이 최대 레벨 또는 그 부근, 높은 레벨 또는 중간일 때, 피스톤 로드의 축방향 축이 (실린더 벽에 평행한) 실린더의 길이방향 축의 단편과 축방향으로 정렬될 수 있다.

본 발명의 엔진은 통상적인 플라이 휠을 포함할 수 있다. 피스톤이 그 하부사점(LDC) 위치에 도달함에 따라, 플라이 휠의 모멘텀은 피스톤의 상향 이동을 돕고 엔진의 더 매끄러운 동작을 제공한다.

템플릿과 미리 결정된 경로를 따라 템플릿 상에서 활주되는 부재 사이의 마찰을 줄이기 위해서, 윤활이 제공될 수 있다. 마찰을 더 줄이기 위해서, 템플릿과 상호 작용하는 토크 아암의 일부는 롤러 또는 복수의 롤러를 구비할 수 있다. 템플릿은 바람직하게, 희망 경로의 형상인 그리고 롤러 또는 복수의 롤러를 수용할 수 있는 채널을 포함한다. 채널은 바람직하게 복수의 섹션을 가지고, 바람직하게 적어도 하나의 정확한 섹션을 갖는다. 바람직하게, 롤러 또는 롤러들은 채널의 내측 표면 상에서 활주된다.

바람직한 실시예에 관한 설명

본 발명의 더 설명하기 위해서, 바람직한 실시예의 구성 및 동작을 설명할 것이다. 바람직한 실시예에 관한 설명은, 피스톤이 존재할 때의 본 발명을 단지 더 설명하기 위해서 제공된 것이고 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

제1의 바람직한 실시예

도 3은 최대 압력 위치에서 도시된 본 발명의 제1의 바람직한 실시예에 따라 구성된 엔진을 개략적으로 도시한다. 전반적으로 번호(100)로 표시된 엔진은 엔진 블록(105)을 포함한다. 실린더(107)는 엔진 블록(105) 내에 형성된다. 피스톤(109)은 실린더(107) 내에 활주 가능하게 장착된다. 커넥팅 로드(109)는 피스톤 피봇(110)에 의해서 일 단부에서 피스톤(107)에 피봇 가능하게 부착되고 피스톤 피봇(112)에 의해서 토크 아암(111)에 피봇 가능하게 부착되다. 토크 아암의 타 단부는 크랭크샤프트(115) 쓰루(113)에 피봇 가능하게 부착된다. 공통 피봇(112)의 이동은, 엔진 블록(105)에 서로 상대적으로 이동되지 않게 장착되는 템플릿(119) 내의 채널(117)에 의해서 안내된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각도 α는 크랭크샤프트(115)의 중심(120)으로부터 피스톤의 중앙 축에 평행한 연장 선까지 연장되는 선과 중심(120)과 피봇(113) 사이의 선 사이에서 형성된다. 커넥팅 로드(109)의 길이방향 축과 실린더(107)의 길이방향 축 사이에 형성되는 각도 β는 영이다. 각도 δ는 커넥팅 로드(109)의 길이방향 축과 채널(117)의 길이방향 축 사이에 형성된다. 각도 γ는 채널(117)의 길이방향 축과 토크 아암(111)의 길이방향 축 사이에 형성된다.

도 2는 사이클 중에 실린더 내에서 발생되는 힘을 도시한다. 도 3에 도시된 엔진의 경우에, 이하의 식을 이용하여, (마찰 손실을 제외하고) 회전 에너지로 변환된 피스톤에 의해서 발생된 힘의 백분율을 결정할 수 있다.

도 3에 도시된 실시예에서, 각도는 이하의 각도이다:

초기 힘이 1(100%)로 설정될 때, 식은 이하의 결과를 야기한다:

이러한 계산은 (마찰 손실을 제외하고) 피스톤에 의해서 가해지는 선형 힘의 82.37%가 크랭크샤프트의 회전으로 변환된다는 것을 나타낸다.

제2의 바람직한 실시예

본 발명의 제2 실시예가 도 5 내지 도 9에 도시되어 있다. 이제 도 5를 참조하면, 엔진은 전반적으로 번호(200)로 표시되어 있다. 엔진(200)은 실린더(205)를 형성하는 엔진 블록(202)을 포함한다. 피스톤(207)은 실린더(205) 내에 활주 가능하게 장착된다. 실린더(205)는 피스톤 피봇(209)에 의해서 피스톤 로드(208)의 일 단부에 연결된다. 피스톤 로드(208)의 타 단부는 피봇(213)에 의해서 토크 아암(211)에 피봇 가능하게 연결된다. 토크 아암(211)은 피봇(216)에 의해서 크랭크샤프트(215)에 회전 가능하게 장착된다. 크랭크샤프트(215)는 플라이 휠(219)에 서로 상대적으로 이동되지 않게 연결된다.

피스톤 피봇(213)은, 엔진 블록(202)과 일체이고 채널(222)을 갖는 템플릿(221)에 동작 가능하게 연결된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 피스톤 피봇(212)은 템플릿(221) 내에 형성된 채널(223) 내에서 활주된다. 피스톤 피봇(213)은 마찰 감소를 위해서 롤러(미도시)를 포함할 수 있다.

동작 시에, 도 5는, 피스톤이 그 상사점 위치로부터 하향 이동되기 시작함에 따른, 상사점 위치 부근의 위치를 도시한다. 최대 압력이 연소 가스에 의해서 피스톤(207) 상에 가해질 때, 피스톤 로드(208)의 길이방향 축이, 실린더(205)의 원통형 벽(230)에 의해서 형성된, 실린더(205)의 길이방향 축에 대략적으로 평행하도록, 엔진이 바람직하게 구성된다.

실린더 내의 연료가 점화된 후에, 연소 가스는 피스톤(207)의 상단부에 압력을 가한다. 피스톤(207)의 압력은 피스톤이 하향 이동되게 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤(207)의 이동은 피스톤 로드(208)가 안내 토크 아암(211)을 회전시키게 한다. 이러한 회전은 다시 피봇(216)에 인가된 토크력에 의한 크랭크샤프트(215)의 회전을 유발한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 연소 가스의 압력에 의해서 유발되는 피스톤(207)의 추가적인 이동은, 템플릿(221)의 채널(222)을 따른 피스톤 피봇(213)의 이동을 유발한다. 이러한 이동은 다시, 피봇(216)에서 크랭크샤프트를 회전시키는 토크 아암(221)의 이동을 유발한다.

도 9에서, 피스톤이 하부사점(LDC) 위치에 접근하여, 크랭크샤프트의 추가적인 회전을 유발한다. LDC 위치에 도달하면, 크랭크샤프트의 모멘텀 또는 관성은, 플라이 휠의 모멘텀과 함께, 피봇(213)을 채널(222) 내에서 상향 이동시킨다. 이러한 이동은 피스톤 로드(208)가 상사점(TDC) 위치로 다시 이동되게 한다.

제3의 바람직한 실시예

제3의 바람직한 실시예가 도 10 내지 도 12에 개략적으로 도시되어 있다. 제2 실시예의 엔진의 부분에 상응하는 엔진의 부분은, 첫 번째 숫자 "2"가 "3"으로 대체된 것을 제외하고, 동일한 마지막 2개의 숫자를 이용하여 표시된다. 도 10은 상사점 위치 부근의 피스톤(307)을 도시한다. 도 11은 동력 행정의 중간 부근의 피스톤(307)을 도시하고, 도 12는 하사점 위치 부근의 피스톤을 도시한다.

제4의 바람직한 실시예

본 발명의 제4의 바람직한 실시예가 도 13 및 도 14에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 도면에 도시된 엔진의 부분은, 숫자 "2"가 숫자 "4"로 대체된 것을 제외하고, 제2 실시예의 부분에 상응하는 표시를 갖는다. 이러한 실시예에서 토크 아암(411)은 중간??섹션 피봇(430)에 의해서 크랭크샤프트(415)의 쓰루(416)에 피봇 가능하게 부착된다. 토크 아암(411)의 일 단부는 크랭크샤프트(408)에 피봇 가능하게 부착된다. 토크 아암(411)의 타 단부는, 채널(422)을 형성하는 템플릿(421)에 동작 가능하게 연결된다. 부재(432)는 채널(422) 내측에 탑재된다. 마찰을 줄이기 위해서 부재(432)는 바람직하게 롤러 또는 복수의 롤러를 포함한다.

도 14는, 피스톤이 실린더 내에서 이동하여 크랭크샤프트의 회전을 제공하는, 도 13의 실시예의 토크 아암의 위치를 도시한다.

Claims

개선된 왕복 내연 엔진으로서:
(a) 엔진 블록;
(b) 상기 엔진 블록 내의 실린더;
(c) 직선형 왕복 이동을 위해서 상기 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 피스톤;
(d) 크랭크샤프트;
(e) 상기 피스톤에 피봇 가능하게 장착된 내부 단부를 가지고 외부 단부를 가지는 커넥팅 로드;
(f) 피스톤 로드 단부 및 크랭크샤프트 단부를 가지는 토크 아암으로서, 공통 피봇에서 상기 커넥팅 로드의 타 단부에 피봇 가능하게 연결되고 상기 크랭크샤프트에 피봇 가능하게 연결되는, 토크 아암; 및
(g) 상기 엔진 블록에 장착된 템플릿으로서, 상기 템플릿은 상기 공통 피봇에서 상기 토크 아암에 그리고 상기 커넥팅 로드에 동작 가능하게 연결되고, 상기 템플릿은 미리 결정된 경로를 따라서 상기 공통 피봇의 이동을 안내하고, 상기 토크 아암의 상기 크랭크샤프트 단부는 상기 크랭크샤프트에 피봇 가능하게 연결되고, 상기 템플릿은, 상기 피스톤이 상기 실린더 내의 가스의 연소로부터 고압을 수용하는 행정 위치에 있을 때, 큰 토크를 성취하게 상기 토크 아암을 배치하도록 구성되는, 템플릿을 포함하는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 큰 토크는, 상기 크랭크샤프트를 회전시키기 위해서 기여하는 총 힘 벡터가 상기 피스톤에 의해서 상기 커넥팅 로드에 가해지는 힘의 적어도 25%가 되는 것에 의해서, 달성되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 큰 토크는, 상기 크랭크샤프트를 회전시키기 위해서 기여하는 총 힘 벡터가 상기 피스톤에 의해서 상기 커넥팅 로드에 가해지는 힘의 적어도 50%가 되는 것에 의해서, 달성되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 큰 토크는, 상기 크랭크샤프트를 회전시키기 위해서 기여하는 총 힘 벡터가 상기 피스톤에 의해서 상기 커넥팅 로드에 가해지는 힘의 적어도 80%가 되는 것에 의해서, 달성되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 공통 피봇은 롤러를 포함하고, 상기 템플릿은 상기 롤러를 수용하고 안내하기 위한 표면을 가지는 채널을 포함하는, 엔진.
연소 가능 연료 및 상기 연료를 점화하기 위한 점화 공급원을 수용하기 위한 연소실을 더 포함하는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 점화 공급원이 스파크 플러그인, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 피스톤으로 연소 가능 연료를 가압하는 것에 의해서 점화될 수 있는 연소 가능 연료를 수용하기 위한 유입구를 더 포함하는, 엔진.
제6항에 있어서,
상기 연소 가능 연료가 디젤 오일인, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 템플릿은, 상기 실린더 내의 상기 연소 압력이 그 최대 레벨에 있을 때, 상기 커넥팅 로드의 길이방향 축이 상기 실린더의 중앙 축에 대해서 약 0%의 각도가 되도록 상기 커넥팅 로드를 배치하게 구성되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 실린더 내의 상기 연소 압력이 그 최대 레벨일 때, 상기 채널의 길이방향 축은 커넥팅 로드의 길이방향 축과 대략적으로 동축적인, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 엔진은 다수??실린더 엔진에서 복수의 요소(a) 내지 요소(g)를 포함하는, 엔진.
제12항에 있어서,
상기 엔진은 8 실린더 엔진인, 엔진.
제12항에 있어서,
상기 엔진은 6 실린더 엔진인, 엔진.
제12항에 있어서,
상기 엔진은 4 실린더 엔진인, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 크랭크샤프트에 부착된 플라이 휠을 더 포함하는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 크랭크샤프트는 상기 엔진 블록에 회전 가능하게 장착되는, 엔진.
개선된 왕복 내연 엔진으로서:
(a) 엔진 블록;
(c) 상기 엔진 블록 내에 형성된 실린더;
(c) 직선형 이동을 위해서 상기 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 피스톤;
(d) 상기 피스톤에 피봇 가능하게 장착된 내부 단부 및 외부 단부를 가지는 커넥팅 로드;
(e) 쓰루를 가지는 크랭크샤프트;
(f) 상기 엔진 블록에 고정된 템플릿;
(g) 제1 단부 및 제2 단부를 가지는 토크 아암으로서, 상기 토크 아암의 제1 단부는 상기 크랭크샤프트의 상기 쓰루에 피봇 가능하게 연결되고, 상기 토크 아암의 상기 제2 단부는 상기 커넥팅 로드에 피봇 가능하게 연결되고 상기 템플릿에 동작 가능하게 연결되는, 토크 아암을 포함하는, 엔진.
개선된 왕복 내연 엔진으로서:
(a) 엔진 블록;
(b) 상기 엔진 블록 내의 실린더;
(c) 상부사점 위치와 하부사점 위치 사이의 상기 실린더 내의 직선형 왕복 이동을 위해서 상기 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 피스톤으로서, 상기 이동은 상기 실린더 내로 공급된 연료의 연소에 의해서 유발되고, 상기 연소 압력은, 상기 피스톤이 상기 상부사점 위치로부터 하향 이동되기 시작한 후에 최대가 되고 상기 피스톤이 하부사점 위치를 향해서 이동될 때 점진적으로 감소되는 압력인, 피스톤;
(d) 크랭크샤프트로서, 길이방향 크랭크샤프트 축 주위의 회전을 위해서 상기 엔진 블록 내에 회전 가능하게 장착되고, 쓰루를 포함하는, 크랭크샤프트;
(e) 커넥팅 로드 단부 및 크랭크샤프트 단부를 가지는 토크 아암으로서, 상기 커넥팅 로드 단부는 상기 커넥팅 로드의 상기 외부 단부에 피봇 가능하게 연결되고, 상기 크랭크샤프트 단부는 상기 크랭크샤프트 쓰루에 피봇 가능하게 연결되는, 토크 아암;
(f) 채널 표면에 의해서 형성된 채널을 가지는 템플릿;
(g) 상기 공통 피봇에 동작 가능하게 연결된 롤러로서, 상기 롤러는 상기 채널의 상기 채널 표면 상에 탑재되고; 상기 채널은 제1 단부 및 제2 단부를 가지고, 상기 실린더 내의 연소 압력이 대략적으로 그 최대 레벨에 있을 때, 상기 크랭크샤프트에 회전력을 전달하는 벡터의 조합된 값이 상기 피스톤에 의해서 가해지는 힘의 적어도 25%가 되도록, 상기 커넥팅 로드, 상기 채널 표면 및 상기 크랭크샤프트가 배치되는, 롤러를 포함하는, 엔진.
제19항에 있어서,
상기 조합된 값이 적어도 50%인, 엔진.
제19항에 있어서,
상기 조합된 값이 적어도 80%인, 엔진.
제19항에 있어서,
상기 채널은 복수의 대체로 직선형인 단편을 포함하는, 엔진.
제19항에 있어서,
상기 채널은 적어도 하나의 정확한 단편을 포함하는, 엔진.