KR20190058323A - 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구 - Google Patents

왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조절가능한 가변적인 압축비와 긴 폭발(power) 스트로크와 배기 스트로크, 및 짧은 흡기 스트로크와 압축 스트로크를 결합하여 가변 흡기 유량을 갖는 내연기관을 얻고, 일정한 압력 점화를 유지하는 내연기관의 균형된 회전 기구가 개시된다. 상기 기구는 거울상(mirror-image) 유성-기어(planetary-gear) 조립체(1), 기어-핀(gear-pin) 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드(piston-and-connecting rod) 조립체(27)를 포함한다. 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)는 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)를 포함하고; 이들 각각은 선 기어(sun gear, 4), 제1차 유성기어(5), 복수의 제2차 유성기어(6), 및 링 기어(ring gear, 7)를 포함한다. 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 주 회전축(18)을 따라 장착되고, 서로로부터 오프셋(offset)되어 서로 거울상을 이룬다. 상기 기어-핀 조립체(20)는 상기 제1차 유성기어(5) 사이에 편심되어 연결된다. 결과적으로, 상기 선 기어(4)를 회전시키면 상기 기어-핀 조립체(20)의 배향이 변경되고, 이에 따라 상사점 높이가 변경된다.

Description

왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구{Infinitely Variable Compression Ratio and Single Stroke Length Mechanism or Dual Stroke Length Mechanism of Reciprocating 2-Cycle or 4-Cycle Internal Combustion Engine}
본 발명은 전체적으로 내연기관(internal combustion engine)에 대한 대안적인 설계에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 피스톤의 상사점 위치(top dead center position)를 변화시켜 내연기관의 전체 압축비를 변화시킬 수 있는 내연기관에 관한 것이다. 상기 압축비는 언제든지 순간적으로 변하여, 사이클 내의 각 스트로크가 성능 및 효율성을 향상시키기 위해 맞춤화될 수 있다. 본 발명은 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관에서 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 4-사이클 내연기관에서의 구현을 위해 긴 폭발(power) 스트로크와 배기 스트로크 및 짧은 흡기 스트로크와 압축 스트로크를 제공한다.
본 발명은 피스톤 이동 상향 정지 위치를 변화시켜 모든 종류의 내연 왕복 피스톤 엔진에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 하나의 완전한 4-사이클 동작 내에 구현되는 두 개의 상이한 피스톤 스트로크 이동 길이를 가능하게 한다.
Otto, Diesel, Joule-Brayton, Wankel, Atkinson, Moteki 등은 내연기관용으로 다른 장치 및 방법을 개발하였다. 본 발명(SOWDA 엔진으로 공지됨)은 상기 언급한 발명의 장점을 하나의 독창적이고 모든 것을 아우르는 디자인에 결합시킨 것이다. 4-스트로크(Otto), 정압(constant pressure) 압축점화(Diesel), 무한 가변 압축비(Moteki), 긴 폭발 스트로크와 짧은 압축 스트로크(Atkinson), 및 균형 잡힌 원심의 회전기구(Wankel)의 장점은 본 발명을 매우 독창적이고 에너지 효율을 높게 만든다. 본 발명은 Atkinson의 길고 짧은 피스톤 스트로크 길이 운동, Moteki와 유사한 가변 압축비 개념, Otto 사이클의 흡기류 교축(throttling) 제어, 및 Diesel 사이클의 정압 점화를 구비한 내연기관을 제공한다.
본 발명은 고정되고 짧은 흡기 스트로크 및 압축 스트로크를 갖는 고정되고 긴 폭발 스트로크 및 배기 스트로크를 제공한다. 실질적으로, 폭발 스트로크 및 배기 스트로크는 흡입 스트로크 및 압축 스트로크보다 40 % 내지 50 % 더 길게 설정될 수 있다.
잔디-트랙터, 골프 카트, 체인 톱, 자동차, 트럭, 버스, 비행기, 발전기 등에 대한 에너지/연료 소비는 경제적인 안정과 지구의 환경적인 안정에 점점 더 중요해지고 있다. 현재, Otto의 4-스트로크 사이클의 흡기류 교축 제어와 Diesel의 4-스트로크 사이클의 정압 점화를 제공하는 동시에, Atkinson의 길고 짧은 스트로크 사이클을 적용하고, 합리적인 비용으로 기존의 내연기술에 쉽게 적용할 수 있는 작고 균형 잡힌 원심의 회전기구로 패키징되어 제공되는 장치나 방법은 없었다. 본 발명이 장착된 내부 엔진은 거의 모든 연료에서 작동할 수 있고, 터보과급기(turbo-charger) 또는 과급기(super-charger) 유무와 상관없이 매우 높은 효율로 작동할 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 사실상 임의의 가스, 액체, 고체 연료, 또는 이들의 임의의 조합 또는 혼합물을 사용하는 모든 왕복 내연기관에 적용될 수 있다.
본 발명의 목적은 피스톤의 상사점 위치(top dead center position)를 변화시켜 내연기관의 전체 압축비를 변화시킬 수 있는 내연기관을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 4-스트로크 사이클의 흡기류 교축 제어와 4-스트로크 사이클의 정압 점화를 제공하는 동시에, 길고 짧은 스트로크 사이클을 적용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 합리적인 비용으로 기존의 내연기술에 쉽게 적용할 수 있는 작고 균형 잡힌 원심의 회전기구로 패키징되어 제공되는 장치나 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 거울상(mirror-image) 유성-기어(planetary-gear) 조립체(1), 기어-핀(gear-pin) 조립체(20), 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)를 포함하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구로서, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)는 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)를 포함하고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 선 기어(sun gear, 4), 제1차 유성기어(5), 복수의 제2차 유성기어(6) 및 링 기어(ring gear, 7)를 포함하고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 서로로부터 오프셋(offset)되도록 장착되고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2)로부터의 선 기어(4) 및 제2 유성-기어 조립체(3)로부터의 선 기어(4)는 주 회전축(18)에 대하여 서로 동심원상에 위치하고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2)로부터의 제1차 유성기어(5) 및 제2 유성-기어 조립체(3)로부터의 제1차 유성기어(5)는 공유 회전축(19)을 따라 서로 동심원 상에 위치하고, 상기 기어-핀 조립체(20)는 제1 유성-기어 조립체(2)로부터의 제1차 유성기어(5)와 상기 제2 유성-기어 조립체(3)로부터의 제1차 유성기어(5) 사이에 비틀려져 편심되도록 연결되고, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 기어-핀 조립체(20)에 기계적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구를 제공한다.
상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 비율조정 마운팅 샤프트(ratio-adjustment mounting shaft, 10)를 더 포함하고, 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 상기 기어-핀 조립체(20)의 맞은편인, 상기 선 기어(4)에 인접하여 위치하고, 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 비틀어져 축방향으로 상기 선 기어(4)에 연결될 수 있다.
또한, 상기 내연기관은 하나의 엔진 블록(30)을 더 포함하고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 베어링(11)을 더 포함하고, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1), 기어-핀 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 상기 엔진 블록(30) 내에 위치하고, 상기 베어링(11)은 상기 선 기어(4)에 인접한, 상기 엔진 블록(30) 내에 인접하게 연결되고, 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 상기 베어링(11)을 갖는 상기 엔진 블록(30)에 회전가능하게 장착되고; 그리고 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 피스톤(29)은 상기 엔진 블록(30)의 실린더(31)와 슬라이딩 가능하게 맞물리게 할 수 있다.
한편, 상기 내연기관은 비율-제어 샤프트(ratio-control shaft, 32)를 더 포함하고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 제어 암(control arm, 12), 아크 기어(13), 및 구동-조정 기어(drive-adjustment gear, 14)를 더 포함하고, 상기 비율-제어 샤프트(32)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 평행하고 오프셋되도록 장착되고, 상기 제어 암(12)은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 말단에서 수직으로 연결되고, 상기 아크 기어(13)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10) 맞은편인, 상기 제어 암(12)의 말단에 연결되고, 상기 구동-조정 기어(14)는 상기 비율-제어 샤프트(32)에 대하여 동심으로(concentrically) 연결될 수 있다.
상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 편심의 환상 외부-평형추(15)(eccentric annular external-counterweight, 15)를 더 포함하고, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 기어-핀 조립체(20)의 맞은편인, 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)에 인접하여 위치하고, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10) 주위에 위치하고, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각에 회전가능하게 장착되고, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15) 및 공유 회전축(19)의 무게중심은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 대하여 서로 맞은편에 위치할 수 있다.
또한, 상기 내연기관은 하나의 출력 동력 샤프트(output power shaft, 33) 및 하나의 엔진 블록(30)을 더 포함하고, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1), 기어-핀 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 상기 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착되고, 상기 출력 동력 샤프트(33)는 주 회전축(18)에 평행하게 오프셋되어 위치하고, 상기 출력 동력 샤프트(33)는 상기 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착되고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2)의 상기 링 기어(7)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 비틀림 결합되고, 상기 제2 유성-기어 조립체(3)의 상기 링 기어(7)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 비틀림 결합되고 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 피스톤(29)은 상기 엔진 블록(30)의 실린더와 슬라이딩 가능하게 맞물리는 것을 특징으로 한다.
상기 링 기어(7)는 내부-외부 링 기어이고, 상기 내부-외부 링 기어는 하나의 외부 링 기어(8) 및 하나의 내부 링 기어(9)를 포함하고, 상기 제1 유성-기어 조립체(2)는 출력 구동(driven) 기어(34)를 더 포함하고, 상기 출력 구동 기어(34)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 대하여 동심으로 연결되고, 상기 출력 구동 기어(34)는 상기 내부-외부 링 기어와 동일 평면에 위치하고, 상기 외부 링 기어(8)는 상기 출력 구동 기어(34)와 기계적으로 맞물리고, 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각은 상기 내부 링 기어(9)에 기계적으로 맞물릴 수 있다.
상기 링 기어(7)는 내부-외부 링 기어이고, 상기 내부-외부 링 기어는 하나의 외부 링 기어(8) 및 하나의 내부 링 기어(9)를 포함하고, 상기 제2 유성-기어 조립체(3)는 출력 구동(driven) 기어(34)를 더 포함하고, 상기 출력 구동 기어(34)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 대하여 동심으로 연결되고, 상기 출력 구동 기어(34)는 상기 내부-외부 링 기어와 동일 평면에 위치하고, 상기 외부 링 기어(8)는 상기 출력 구동 기어(34)와 기계적으로 맞물리고, 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각은 상기 내부 링 기어(9)에 기계적으로 맞물리게 할 수 있다.
상기 기어-핀 조립체(20)는 베어링 저널(journal) 샤프트(21), 제1 마운팅 풋(mounting foot, 23), 및 제2 마운팅 풋(24)을 포함하고, 상기 베어링 저널 샤프트(21)의 중심축은 상기 공유 회전축(19)에 평행하게 오프셋되어 위치하고, 상기 제1 마운팅 풋(23) 및 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)를 가로질러, 서로 맞은편에 위치하고, 상기 제1 마운팅 풋(23)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)와 제1 유성-기어 조립체(2)의 제1차 유성기어(5) 사이에 연결되고, 상기 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)와 제2 유성-기어 조립체(3)의 제1차 유성기어(5) 사이에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기어-핀 조립체(20)는 제1 평형추 플레이트(25) 및 제2 평형추 플레이트(26)를 포함하고, 상기 제1 평형추 플레이트(25)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인, 제1 마운팅 풋(23) 말단에 연결되고, 상기 제2 평형추 플레이트(26)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인 제2 마운팅 풋(24) 말단에 연결될 수 있다.
상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 피스톤 로드(28) 및 피스톤(29)을 포함하고, 상기 피스톤 로드(28)는 상기 기어-핀 조립체(20)의 베어링 저널 샤프트(21)의 말단에 회전가능하게 연결되고, 상기 피스톤(29)은 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인, 상기 피스톤 로드(28)에 인접하여 위치하고, 상기 피스톤(29)은 상기 피스톤 로드(28)에 회전가능하게 연결될 수 있다.
상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 하나의 평형추 커플링 플레이트(17)를 더 포함하고, 상기 복수의 제2차 유성기어(6)는 제1 유성기어(36) 및 제2 유성기어(37)를 포함하고, 상기 제1 유성기어(36), 제2 유성기어(37), 및 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4)에 대하여 방사상으로(radially) 분포되고, 상기 제1 유성기어(36), 제2 유성기어(37), 및 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4)와 상기 링 기어(7) 사이에 기계적으로 맞물리고, 상기 평형추 커플링 플레이트(17)는 제1 유성-기어 조립체(2)와 제2 유성-기어 조립체(3) 사이에 위치하고, 상기 평형추 커플링 플레이트(17)는 제1 유성기어(36)와 제2 유성기어(37)에 회전가능하게 장착될 수 있다.
또한, 상기 내연기관은 하나의 엔진 블록(30), 및 복수의 내연(internal combustion, IC)기구(35)를 더 포함하고, 상기 복수의 내연기구(35) 각각은 거울상 유성-기어 조립체(1), 기어-핀 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)를 포함하고, 상기 복수의 내연기구(35)는 상기 엔진 블록(30)을 따라 선형으로 분포되고, 상기 복수의 내연기구(35) 각각은 상기 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착되고, 상기 복수의 내연기구(35) 각각으로부터의 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 피스톤(29)은 상기 엔진 블록(30)에 대응하는 실린더(31) 내에 슬라이딩 가능하게 위치할 수 있다.
상기 선 기어(4), 상기 복수의 제2차 유성기어(6)와 제1차 유성기어(5), 및 상기 링 기어의 내부 링 기어(9) 사이의 주 톱니 비율이 1:1:3 또는 1:2:5인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 내연기관은 4-스트로크, 정압 압축점화, 무한 가변 압축비, 긴 폭발 스트로크와 짧은 압축 스트로크, 및 균형 잡힌 원심의 회전기구의 결합에 의해 매우 독창적이고 에너지 효율을 높게 만드는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 피스톤의 상사점 위치(top dead center position)의 변화에 의해 내연기관의 전체 압축비를 변화시키고, 거울상 유성-기어 조립체가 작동 중에 적절하게 균형을 잡어, 진동을 감소시키고, 에너지 손실을 감소시키고, 또한 내연기관의 효율을 증가시킨다.
도 1은 본 발명의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 전방 분해도이다.
도 4는 본 발명의 내부 일부분의 측면도이다.
도 5는 일렬로 늘어선 4-실린더 내연기관에 통합된 본 발명의 사시도이다.
상기 도면의 모든 예시는 본 발명의 선택된 버전을 설명하기 위한 목적이고, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 발명은 전체적으로 내연기관(internal combustion engine)에 대한 대안적인 설계에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 종래의 왕복 내연기관에 적용되는 균형 잡힌 회전 컴팩트 기구에 관한 것이다. 본 발명은 가변 흡기류(Otto)를 구비한 내연기관을 얻고, 정압 점화(Diesel)를 유지하기 위해, 무한대로 조절가능한 가변 압축비와, 긴 폭발 스트로크와 배기 스트로크 및 짧은 흡기 스트로크와 압축 스트로크(Atkinson)를 결합한다.
본 발명은 내연기관에 통합된 내연(internal combustion, IC)기구이다. 간략화를 위한 목적으로, 본 발명은 단일 실린더를 구비한 내연기관에 통합된 것으로서 개시된다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 코어에서 본 발명은, 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27), 기어-핀(gear-pin) 조립체(20), 및 거울상(mirror-image) 유성-기어(planetary-gear) 조립체(1)를 포함한다. 종래의 설계와 유사하게, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 팽창하는 기체로부터 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)로 힘을 전달하는 선형으로 왕복하는 구성요소이다. 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)는 기어-핀 조립체(20)와 함께 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 왕복 운동을 상기 내연기관의 출력에서 사용되는 회전운동으로 변환시키는 크랭크(crank) 기구로 작동한다. 또한, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)와 상기 기어-핀 조립체(20)는 내연기관의 압축비를 변화시키고 제어한다.
상기 거울상 유성-기어 조립체(1)는 본 발명의 몸체를 구성하고, 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)를 더 포함한다. 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 선(sun) 기어(4), 제1차 유성기어(5), 복수의 제2차 유성기어(6), 및 링 기어(7)를 포함하는 유성(epicyclic)기어 시스템이다. 도 1을 참조하면, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 맞은편으로부터 상기 기어-핀 조립체(20)를 대칭적으로 지지하기 위해 서로 오프셋되도록 장착된다. 보다 상세하게는, 제1 유성-기어 조립체(2)의 선 기어(4)와 제2 유성-기어 조립체(3)의 선 기어(4)는 주 회전축(18)에 대하여 서로 동심원상에 위치된다. 이와 같이, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 주 회전축(18)이 중앙에 위치하도록 설치된다. 종래의 설계와 유사하게, 상기 선 기어(4)는 상기 제1차 유성기어(5), 상기 복수의 제2차 유성기어(6), 및 상기 링 기어(7)에 대한 중앙지지부재로서 작용하는 상대적으로 작은 평(spur) 기어이다. 상기 선 기어(4)는 제1차 유성기어(5), 상기 복수의 제2차 유성기어(6), 및 상기 링 기어(7)를 지지하기 위한 구조적 부재로 작용한다. 또한, 일반적으로, 상기 선 기어(4)가 회전할 때, 상기 선 기어(4)는 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 상사점(top dead center, TDC) 높이를 상승 또는 하강시켜, 압축비를 변화시킨다.
상기 제1차 유성기어(5) 및 상기 복수의 제2차 유성기어(6) 각각은 상기 선 기어(4)에 대하여 방사상으로(radially) 분포하고, 상기 선 기어(4)에 기계적으로 맞물리는 평 기어이다. 종래의 설계와 유사하게, 상기 제1차 유성기어(5) 및 상기 복수의 제2차 유성기어(6) 각각은 상기 선 기어(4), 즉 주 회전축(18)을 중심으로 회전한다. 상기 제1 유성-기어 조립체(2)의 제1차 유성기어(5) 및 제2 유성-기어 조립체(3)의 제1차 유성 기어(5)는 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 직선 운동을 주 회전축(18)에 대한 회전 운동으로 변환시키기 위해 상기 기어-핀 조립체(20)를 지지한다. 상기 복수의 제2차 유성기어(6)는 비틀림 힘의 전달을 돕고, 제1차 유성기어(5)의 균형을 유지하고, 링 기어(7)가 주 회전축(18)에 대하여 대칭으로 회전할 수 있도록 상기 링 기어(7)를 지지한다. 상기 링 기어(7)는 선 기어(4)와 동일한 축으로 장착되고, 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각과 기계적으로 맞물린다. 따라서, 상기 링 기어(7)는 선 기어(4), 제1차 유성기어(5), 및 복수의 제2차 유성기어(6)를 둘러싸고 있다. 상기 제1차 유성기어(5)가 선 기어(4)에 대하여 회전할 때, 상기 선 기어(4)는 고정되어 있으므로, 상기 링 기어(7)는 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)에 의해 주 회전축(18)을 중심으로 회전된다. 상기 선 기어(4)는 압축비를 변경시키는 경우에만 약간 회전한다.
상기 기어-핀 조립체(20)는 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)를 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)에 기계적으로 결합시키는 구성요소인 크랭크핀(crankpin)으로 작용하는 편심 저널(eccentric journal)이다. 도 3을 참조하면, 상기 제1 유성-기어 조립체(2)의 제1차 유성기어(5) 및 상기 제2 유성-기어 조립체(3)의 제1차 유성기어(5)는 공유 회전축(19)을 따라 서로 동심을 가지게 위치하고, 상기 기어-핀 조립체(20)를 지지한다. 보다 구체적으로, 상기 기어-핀 조립체(20)는 제1 유성-기어 조립체(2)의 제1차 유성기어(5)와 제2 유성-기어 조립체(3)의 제1차 유성기어(5) 사이에 비틀어져 편심적으로 연결된다. 상기 기어-핀 조립체(20)는 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)가 동일한 속도로 방사상으로 움직이도록 힘을 가한다. 상기 기어-핀 조립체(20)는 공유 회전축(19)에 대하여 편심되어 있음을 주목하는 것이 중요하다. 이 구성은 상사점(TDC) 높이를 변경하여 압축비를 변경함에 있어 핵심이다. 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)은 종래의 연소에 기반한 방법 또는 다른 유사한 방법을 통해 상기 기어-핀 조립체(20) 상에 선형의(linear) 힘을 가한다. 일반적으로, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 상기 거울상 유성-기어 조립체(1) 상에 운동을 전하기 위해 기어-핀 조립체(20)에 기계적으로 연결된다.
도 5를 참조하면, 상기 내연기관에 관하여, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1), 상기 기어-핀 조립체(20), 및 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 내연기관의 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착된다. 또한, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 엔진 블록(30)의 실린더(31) 내에 슬라이딩 가능하게 위치하여 연소 챔버를 생성한다. 연소 챔버의 크기는 상기 내연기관의 압축비에 직접적으로 영향을 준다.
본 발명의 전체적인 방법은 연소 챔버에서 연소에 의해 생성되는 고온 및 고압 가스의 팽창과 함께 시작된다. 본 발명의 전체적인 방법은 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3) 모두에 관하여 개시되고, 특히 제1 유성-기어 조립체(2)의 서브 구성요소는 제2 유성-기어 조립체(3)의 동일한 서브 구성요소와 동일하게 움직인다. 이 팽창하는 가스는 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)에 힘을 가하여, 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)가 주 회전축(18)을 향해 이동하도록 하며, 이 배향은 상기 실린더(31) 내에서 아래쪽으로 나타난다. 차례로, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 상기 기어-핀 조립체(20)에 힘을 가할 수 있다. 상기 기어-핀 조립체(20)가 상기 제1차 유성기어(5)에 연결되므로, 상기 제1차 유성기어(5)는 공유 회전축(19) 및 주 회전축(18)을 중심으로 회전하기 시작한다. 상기 제1차 유성기어(5)가 주 회전축(18)에 대하여 움직임에 따라, 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 반복적으로 방향을 반전시키고, 종래의 설계와 유사하게, 결과적으로 실린더(31) 내에서 왕복 운동을 하게 된다. 특정 증가분에서 상기 실린더(31) 내에서의 반복된 연소는 상기 전술한 과정을 통해 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)에 에너지를 계속적으로 전달한다. 이 과정은 종래의 내연기관에서 볼 수 있는 크랭크샤프트(crankshaft) 기구를 모방한 것이다.
유성기어의 특성으로 인해, 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)는 동일한 속도로 주 회전축(18)을 중심으로 회전한다. 이 회전은 상기 선 기어(4)가 고정된 상태로 유지되면서 상기 링 기어(7)가 주 회전축(18)을 중심으로 회전하게 한다. 상기 링 기어(7)의 회전 속도는 크기 및 톱니수의 차이로 인해 제1차 유성기어(5)의 회전 속도와는 상대적으로 다르다. 상기 링 기어(7)의 회전 운동/에너지는 출력 동력(power) 샤프트로 전달된다. 상기 출력 동력 샤프트(33)는 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)로부터 회전 에너지를 받고, 상기 내연기관으로부터 상기 회전 에너지를 전달한다. 상기 출력 동력을 전달하기 위해, 상기 출력 동력 샤프트(33)는 상기 주 회전축(18)에 평행하게 오프셋되도록 배치된다. 또한, 출력 동력 샤프트(33)는 상기 링 기어(7)에 비틀림 결합된다. 전술한 바와 같이, 이 과정은 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3) 모두에서 일어난다. 특히, 상기 출력 동력 샤프트(33)는 상기 제1 유성-기어 조립체(2)의 링 기어(7) 및 상기 제2 유성-기어 조립체(3)의 링 기어(7)에 비틀림 결합된다.
상기 압축 챔버 체적을 변화시키기 위해, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 상사점(TDC) 높이가 상승 또는 하강한다. 상기 높이 변화는 제1 유성-기어 조립체(2)의 선 기어(4) 및 제2 유성-기어 조립체(3)의 선 기어(4)를 균등하게 회전시켜 달성된다. 다음의 움직임에 대한 설명은 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3) 모두에 관련하여 개시된다. 상기 상사점 높이를 상승 또는 하강시키기 위해, 상기 선 기어(4)는 부분적으로 회전된다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 제1차 유성기어(5), 복수의 제2차 유성기어(6), 선 기어(4), 및 링 기어(7)들 간의 기어장치 및 크기는 다수의 상이한 사이클, 상이한 상사점 높이, 상이한 챔버 크기 등을 달성하도록 변경될 수 있다.
상기 기어-핀 조립체(20)는 공유 회전축(19)에 대하여 편심되어 위치하고, 상기 상사점 높이는 상기 제1차 유성기어(5)의 회전, 즉 선 기어(4)의 부분적인 회전을 통해 변경될 수 있다. 바꾸어 말하면, 기어-핀 조립체(20)가 선 기어(4) 둘레에 감겨져 있는 원형 경로를 따라 움직이는 동안, 상기 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4) 주위의 원형 경로를 따라 움직인다. 결과적으로, 상기 기어-핀 조립체(20)는 선 기어(4)가 이동하지 않는 한, 항상 상사점 높이에서 동일한 방향으로 복귀한다; 상기 상사점 높이는 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)가 하향 스트로크를 시작하기 위해 상향으로의 움직임을 멈추는 위치에서의 이동지점으로 정의된다; 상기 단일 사이클은 주 회전축(18)에 대하여 제1차 유성기어(5)의 단일 360° 회전으로 정의된다. 유성기어의 특성으로 인하여, 상기 선 기어(4)를 부분적으로 회전시키는 것은 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각의 상대적인 위치를 회전시킨다. 상기 선 기어(4)의 부분적인 회전은 상사점 높이에서 제1차 유성기어(5)의 배향 및 상기 기어-핀 조립체(20)의 배향을 변경시킨다. 따라서, 상기 선 기어(4)의 부분적인 회전은 사이클에 대한 상사점 높이를 상승 또는 하강시킴에 따라, 결국 압축비를 상승 또는 하강시킨다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3) 각각은 비율조정 마운팅 샤프트(ratio-adjustment mounting shaft, 10) 및 베어링(11)을 더 포함한다. 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 상기 선 기어(4)의 반경 방향 변위(radial displacement) 및 회전을 제어하여, 제1차 유성기어(5)의 상대위치를 변화시켜 압축비를 변경시킨다. 상기 비율조정 샤프트(10)는 상기 기어-핀 조립체(20) 맞은편인, 상기 선 기어(4)에 인접하여 위치한다. 또한, 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)의 임의의 회전 운동이 상기 선 기어(4)의 동등한 회전 운동으로 변환되도록, 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 상기 선 기어(4)에 비틀어져 축방향으로 연결된다. 상기 베어링(11)은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)를 상기 엔진 블록(30) 내부에 회전가능하게 장착한다. 보다 구체적으로, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1), 상기 기어-핀 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)가 상기 엔진 블록(30) 내에 위치된다. 상기 베어링(11)은 상기 선 기어(4)에 인접하여, 상기 엔진 블록(30) 내에 인접하게 연결된다. 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)가 상기 베어링(11)을 구비한 엔진 블록(30)에 회전가능하게 장착되는 것과 같이, 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 상기 베어링(11) 내에 부착된다. 이러한 구성은 제1 유성-기어 조립체(2)와 제2 유성-기어 조립체(3)가 동일하다. 또 다른 구체예에서는, 다른 수단 및 기구가 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)를 엔진 블록(30) 내에 장착하는데 사용될 수 있다.
상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 다양한 수단을 통하여 제어될 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체에서, 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 비율-제어 샤프트(ratio-control shaft, 32)에 의해 제어된다. 보다 구체적으로, 상기 비율-제어 샤프트(32)는 제1 유성-기어 조립체(2)의 비율조정 마운팅 샤프트(10) 및 제2 유성-기어 조립체(3)의 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 기계적으로 결합된다. 이 결합을 위해, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 상기 비율-제어 샤프트(32)를 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 기계적으로 결합시키기 위해 각각 제어 암(arm, 12), 아크 기어(13), 및 구동-조정 기어(14)를 더 포함한다. 상기 비율-제어 샤프트(32)는 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착되고, 특히 상기 비율-제어 샤프트(32)는 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 평행하게 오프셋되도록 장착된다. 상기 제어 암(12)은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10) 말단에 수직으로 연결된 긴 플레이트 또는 로드(rod)이다. 상기 아크 기어(13)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10) 맞은편인, 상기 제어 암(12)의 말단에 연결된 반원 형상의 기어이다. 상기 구동조정 기어(14)는 상기 비율-제어 샤프트(32)와 동심으로(concentrically) 연결되고, 상기 아크 기어(13)와 기계적으로 맞물린다. 결과적으로, 상기 비율-제어 샤프트(32)의 회전 운동은 상기 아크 기어(13)와 상기 구동조정 기어(14) 사이의 기계적인 맞물림을 통해 상기 제어 암(12)의 일 단부를 상승 또는 하강시킨다. 이 맞물림은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)와 상기 선 기어(4)를 회전시키고, 결과적으로 압축비를 변경시킨다. 전체시스템과 관련하여, 상기 비율-제어 샤프트(32)는 제1 유성-기어 조립체(2)의 비율조정 마운팅 샤프트(10) 및 제2 유성-기어 조립체(3)의 비율조정 마운팅 샤프트(10)와 기계적으로 결합된다.
상기 비율-제어 샤프트(32)는 가변 압축비 구동 장치에 의해 관리된다. 상기 가변 압축비 구동 장치는 바람직하게는 종래의 공압(pneumatic)-회전 작동기(actuator)이다. 상기 가변 압축비 구동 장치는 다른 엔진 파라미터 뿐만 아니라 매니폴드(manifold)나 흡기 압력을 감지하고, 미리 정의되거나 지정된 설정에 따라 상기 비율-제어 샤프트(32)를 변환시킨다. 특히, 가변 압축비-구동 장치는 상기 비율-제어 샤프트(32)의 각 변위(angular displacement)를 직접적으로 제어하기 위해 상기 비율-제어 샤프트(32)에 비틀림 결합된다. 다양한 대안들이 상기 비율-제어 샤프트(32)를 회전시키고 압축비를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 또다른 구체예에서, 전기 서보-모터(servo-motor) 또는 유압(hydraulic) 작동기가 상기 비율-제어 샤프트(32)에 비틀림 결합된다.
도 3을 참조하면, 상기 기어-핀 조립체(20)는 베어링 저널(journal) 샤프트(21), 제1 마운팅 풋(mounting foot, 23), 및 제2 마운팅 풋(24)을 포함한다. 상기 제1 마운팅 풋(23) 및 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)를 제1 유성-기어 조립체(2)의 제1차 유성기어(5) 및 제2 유성-기어 조립체(3)의 제1차 유성기어(5)에 오프셋되는 거리 즉, 편심적으로 연결한다. 보다 구체적으로, 상기 베어링 저널 샤프트(21)의 중심축(22)은 상기 공유 회전축(19)에 평행하고 오프셋되도록 위치된다. 상기 제1 마운팅 풋(23) 및 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)를 지지하도록 설계된 구조적인 요소이다. 이와 같이, 상기 제1 마운팅 풋(23) 및 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)를 가로질러, 서로 맞은편에 위치된다. 보다 구체적으로, 상기 제1 마운팅 풋(23)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)와 제1 유성-기어 조립체(2)의 제1차 유성기어(5) 사이에 연결된다. 유사하게, 상기 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)와 제2 유성-기어 조립체(3)의 제1차 유성기어(5) 사이에 연결된다. 이는 상기 베어링 저널 샤프트(21)에 대칭적인 지지를 제공한다.
상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 및 중심 축(22)을 중심으로 회전하고, 여기에서 상기 베어링 저널 샤프트(21)는 공유 회전축(19)에 대하여 편심되어 장착된다. 상기 상사점(TDC) 높이는 상기 제1차 유성기어(5)의 상대적인 회전위치, 즉 상기 선 기어(4)의 부분 회전의 변경에 의해 변화될 수 있다. 이는 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3) 모두에 관하여 설명된다. 상기 기어-핀 조립체(20)의 베어링 저널 샤프트(21)가 선 기어(4) 주위를 다른 경로를 따라 움직이는 동안, 상기 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4) 주위를 원형 경로를 따라 움직인다. 결과적으로, 상기 기어-핀 조립체(20)는 상기 선 기어(4)가 이동하지 않는 한, 항상 상사점(TDC) 높이에서 동일한 배향으로 되돌아온다. 그러나, 상기 베어링 저널 샤프트(21)의 상대적인 오프셋은 선 기어(4)를 고정량 회전시킴에 의해 상승 또는 하강될 수 있고, 이에 의해 제1차 유성기어(5)의 상대적인 위치를 변경시키고, 상기 베어링 저널 샤프트(21)의 경로를 변경시켜, 상사점(TDC)을 상승 또는 하강시킬 수 있다.
본 발명은 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)가 작동 중에 적절하게 균형을 잡어, 진동을 감소시키고, 에너지 손실을 감소시키고, 또한 내연기관의 효율을 증가시키는 것을 보장하기 위해 다수의 방법을 이용한다. 보다 구체적으로, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 편심의 환상 외부-평형추(eccentric annular external-counterweight, 15) 및 평형추 커플링 플레이트(17)를 더 포함한다. 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 중심을 벗어난 위치에 있는 구멍을 구비한 원형 플레이트이고, 따라서 그 무게의 대부분을 원형 플레이트의 한쪽 절반에 위치시킨다. 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 기어-핀 조립체(20)의 맞은편인, 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)에 인접하여 위치한다. 또한, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10) 주위에 위치되어, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)가 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)와 맞물림 없이 회전할 수 있도록 한다. 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 기어-핀 조립체(20), 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27), 및 전술한 구성요소와 관련된 임의의 힘의 무게균형을 상쇄하기 위해 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)와 함께 주 회전축(18)을 회전하도록 설계되었다. 이와 같이, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각에 회전가능하게 장착된다. 또한, 상기 편심의 환상 외부-평형추(15)와 공유 회전축(19)의 무게중심(16)은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 대하여 서로 맞은편에 위치된다.
도 2를 참조하면, 상기 평형추 커플링 플레이트(17)가 상기 편심의 환형 외부-평형추(15)에 부가된다. 상기 평형추 커플링 플레이트(17)는 바람직하게는 상기 복수의 제2차 유성기어(6)에 부착되는 직사각형 형태의 긴 플레이트이다. 보다 구체적으로, 상기 평형추 플레이트는 상기 제1 유성-기어 조립체(2)와 상기 제2 유성-기어 조립체(3) 사이에 위치한다. 상기 평형추 플레이트는 상기 복수의 제2차 유성기어(6) 각각에 회전가능하게 장착된다. 상기 편심의 환형 외부-평형추(15) 및 상기 평형추 커플링 플레이트(17)의 설계, 형상, 무게, 및 재료구성은 변경될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 바람직한 구체예에서, 상기 기어-핀 조립체(20)는 제1 평형추 플레이트(25) 및 제2 평형추 플레이트(26)을 더 포함한다. 상기 제1 평형추 플레이트(25) 및 제2 평형추 플레이트(26)는 상기 편심된 위치에 있는 베어링 저널 샤프트(21)에 의해 균형이 맞지 않는 공유 회전축(19)의 균형을 잡아주는 작용을 한다. 상기 제1 평형추 플레이트(25)와 제2 평형추 플레이트(26)는 각각 반원형 플레이트이다. 상기 제1 평형추 플레이트(25)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인, 제1 마운팅 풋(23) 말단에 연결된다. 유사하게, 제2 평형추 플레이트(26)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인, 제2 마운팅 풋(24) 말단에 연결된다. 이러한 배치는 상기 저널 베어링 샤프트(21)를 상기 제1 평형추 플레이트(25) 및 제2 평형추 플레이트(26)에 대해 공유 회전축(19)을 가로질러 맞은편에 위치시킨다.
도 3을 참조하면, 종래 설계와 유사하게, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 피스톤 로드(28)와 피스톤(29)을 포함한다. 상기 피스톤 로드(28)는 상기 베어링 저널 샤프트(21)에 운동을 부여하기 위해 상기 저널 베어링 샤프트(21)를 상기 피스톤(29)에 부착한다. 연소 챔버를 설명하기 위해, 상기 피스톤(29)은 상기 실린더(31) 내부 체적을 밀봉하고 제어한다. 상기 피스톤 로드(28)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 말단에 회전가능하게 연결된다. 상기 피스톤(29)은 상기 피스톤 로드(28)에 회전가능하게 연결된 피스톤(29)이 있는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인, 피스톤 로드(28)에 인접하여 위치한다. 결과적으로, 상기 피스톤(29)의 직선 운동을 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)의 회전 운동으로 전환시키기 위해, 상기 피스톤 로드(28)가 상기 베어링 저널 샤프트(21)와 회전하는 동안 상기 피스톤(29)은 상기 실린더(31) 내에서 슬라이딩 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 링 기어(7)는 다양한 수단을 통해 상기 출력 동력 샤프트(33)에 결합될 수 있다. 일 구체예에서, 상기 링 기어(7)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 체인을 통해 결합된다. 바람직한 구체예에서, 상기 링 기어(7)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 기어 맞물림(gear mesh)을 통해 결합된다. 보다 구체적으로, 상기 링 기어(7)는 하나의 외부 링 기어(8) 및 하나의 내부 링 기어(9)를 포함하는 내부-외부 링 기어이다. 상기 내부 링 기어(9)는 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각에 상호보완적으로 설계되어 맞물려 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)은 상기 내부 링 기어(9)와 기계적으로 맞물려있다. 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 상기 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 출력 동력 기어(34)를 더 포함한다. 상기 출력 동력 기어(34)는 출력 동력 샤프트(33)와 동심으로 연결되고 상기 내부-외부 링 기어와 동일 평면상에 위치한다. 회전 에너지/운동을 전달하기 위해, 상기 외부 링 기어(8)는 상기 출력 구동 기어(34)에 기계적으로 결합된다.
도 5를 참조하면, 상기 본 발명은 다양한 크기 및 상이하게 구성된 내연기관에 통합될 수 있다. 일부 실시예에서는 4-실린더 엔진 설계, 6-실린더 또는 V 엔진 설계, 디젤-기반 엔진, 가솔린-기반 엔진, 및 기타 기존의 엔진/설계를 포함한다. 복수의 실린더를 구비한 구체예에 있어서, 본 발명은 복수의 내연(Internal Combustion, IC)기구(35)를 포함한다; 상기 복수의 내연기구(35)는 상기 거울상 유성-기어 조립체(1), 상기 기어-핀 조립체(20), 및 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)를 포함한다. 상기예에 있어서, 상술한 바와 같이, 상기 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착된 복수의 내연기구(35)가 있는 엔진 블록(30)에 대해 복수의 내연기구(35)가 선형으로 분포한다. 상기 복수의 내연기관(35) 각각의 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)에 있는 상기 피스톤(29)은 상기 엔진 블록(30)과 대응하는 실린더(31) 내에 슬라이딩 가능하게 위치된다. 또한, 상기 비율-제어 샤프트(32)는 상기 복수의 내연기구(35) 각각에 기계적으로 결합된다. 또한, 상기 엔진 블록(30)으로부터 상기 복수의 내연기구(35)에 의해 생성된 회전 운동을, 바람직하게는 커플링된 전달장치로 전달하기 위해, 상기 출력 동력 샤프트(33)가 복수의 내연기구(35) 각각에 기계적으로 결합된다.
일 구체예에서, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)는 2-긴 스트로크 및 2-짧은 스트로크 사이클, 즉 4-스트로크 사이클을 달성하기 위해 1:2:5의 톱니 비율을 이용한다. 보다 구체적으로, 상기 선 기어(4), 상기 복수의 제2차 유성기어(6) 및 제1차 유성기어(5), 및 상기 내부 기어(8) 사이의 주 톱니 비율은 1:2:5이다. 본 구체예에서, 하나의 선 기어(4), 하나의 제1차 유성기어(5), 복수의 제2차 유성기어(6) 내의 2개의 기어, 및 하나의 링 기어(7)가 존재한다. 구체적으로, 상기 복수의 제2차 유성기어(6)는 제1 유성기어(36) 및 제2 유성기어(37)를 포함한다. 상기 제1 유성기어(36), 제2 유성기어(37), 및 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4)에 대하여 방사상으로 배치된다. 또한, 상기 제1 유성기어(36), 제2 유성기어(37), 및 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4)와 상기 링 기어(7) 사이에 기계적으로 결합된다. 상기 평형추 커플링 플레이트(17)는 상기 제1 유성기어(36)와 상기 제2 유성기어(37)에 회전가능하게 장착된다. 상사점에서, 상기 선 기어(4)의 부분 회전 운동은 선 기어(4)의 회전각을 0° 부터 약 50°로 변화시킴에 의해 압축비가 8:1과 37:1 사이에서 변할 수 있도록 한다. 전술한 바와 같이, 상기 회전각은 흡기 매니폴드 압력(intake manifold pressure) 및 사용되는 연료에 직접적으로 의존한다.
상기 가변 압축비-구동 장치는 상기 가변 압축비 샤프트(32)를 부분적으로 회전시키고, 상기 가변 압축 구동 기어(14)를 회전시키고, 상기 아크 기어(13)를 맞물리게 하고, 제어 암(12)을 이동시키고, 지지 샤프트(10)를 회전시키고, 궁극적으로 상기 선 기어(4)를 회전시켜, 임의의 상사점 높이에서 소정의 제어된 압력이 점화시 유지될 수 있다. 이 과정은 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3) 모두에 적용가능하다.
도 4를 참조하면, 이러한 구성은 흡기 스트로크 및 압축 스트로크 보다 더 긴 폭발 스트로크 및 배기 스트로크를 허용한다. 보다 구체적으로, 상기 제1차 유성기어(5)가 선 기어(4) 및 주 회전축(18)의 1회전을 일으킬 때, 상기 제1차 유성기어(5)는 공유 회전축(19)을 중심으로 1/2 회전한다. 상기 1/2회전이 상기 4-스트로크 중 2번을 수행하고, 상기 선 기어(4) 주위의 제1차 유성기어(5)의 두 번째 회전이 나머지 2번의 스트로크를 수행한다. 상기 내부 링 기어(9)는 상기 선 기어(4)의 5배의 톱니수를 가지고, 상기 외부 링 기어(8)는 임의의 특정한 수의 톱니를 가질 필요는 없다. 그러나, 수학적으로 상기 1:2:5의 주 톱니 비율로 인하여, 상기 링 기어(7)는 제1차 유성기어(5)의 궤도속도 보다 1.2배 빠르게 회전하고, 상기 외부 링 기어(8)에 있는 톱니수는 96개로 임의로 설정할 수 있다. 따라서, 상기 출력 동력 샤프트(33)의 회전 속도를 제1차 유성기어(5)의 회전 속도의 3.2배로 임의로 설정하기 위해, 상기 출력 구동 기어(34)의 속도는 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)와 동일한 수의 톱니를 포함해야 한다. 상기 출력 동력 샤프트(33)의 속도는 임의의 회전 속도 비율로 설정될 수 있지만, 비율을 3.2배 더 빠르게 설정하는 의도는 내연기관의 전방에서 교류발전기에 직접 커플링을 제공하고, 내연기관의 후방에서 더 작은 크기의 동력 변속기를 제공하기 위함이다.
상세한 구현예에서, 상기 선 기어(4)의 톱니수를 18개, 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어의 톱니수를 36개, 상기 내부 링 기어(9)의 톱니수를 90개, 상기 외부 링 기어(8)의 톱니수를 96개, 및 상기 출력 구동 기어(34)의 톱니수를 36개로 설정하여, 제1차 유성기어(5)의 궤도속도의 3.2배로 상기 출력 동력 샤프트(33)의 회전속도를 설정하였다. 주 톱니 비율을 활용하기 위한 다른 설정도 사용될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 상기 거울상 유성-기어 조립체(1)는 단일 스트로크 길이, 2-스트로크 사이클 공정이 있는 가변 압축비 조정을 달성하기 위해 1:1:3 톱니 구성을 이용한다. 보다 구체적으로는, 상기 선 기어(4), 상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6), 및 상기 내부 링 기어(9) 사이의 주 톱니 비율은 1:1:3이다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 적어도 하나이상의 유압 클러치 팩(hydraulic clutch pack)을 더 포함한다. 상기 유압 클러치 팩은 본 발명이 복수의 내연기구(35)로부터 하나이상 결합되거나 분리되게 한다. 상기 유압 클러치 팩은 복수의 내연기구(35)들 중 특정 내연기구의 상기 제1 유압-기어 조립체(2)의 외부 링 기어(8) 및 복수의 제2 유압-기어 조립체(3)의 외부 링 기어(8)에 추가될 수 있다. 상기 유압 클러치 팩은 또한 복수의 내연기구(35)들 중 특정 내연기구를 결합 또는 분리시키기 위해 상기 출력 구동 기어(34)사이에 있는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 추가될 수 있다. 상기 유압 클러치 팩은 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 이동을 멈추게 하여, 특정 내연기구(35)를 작동시키거나 정지시킬 수 있다.
비록 본 발명이 바람직한 구체예와 관련하여 설명되었지만, 이하에서 청구되는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 많은 다른 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다.
1: 거울상 유성-기어 조립체(1) 2: 제1 유성-기어 조립체
3: 제2 유성-기어 조립체 4: 선 기어
5: 제1차 유성기어 6: 복수의 제2차 유성기어
7: 링 기어 8: 외부 링 기어
9: 내부 링 기어 10: 비율조정 마운팅 샤프트
11: 베어링 12: 제어 암
13: 아크 기어 14: 구동조절 기어
15: 편심의 환상 외부-평형추 16: 무게중심
17: 평형추 커플링 플레이트 18: 주 회전축
19: 공유 회전축 20: 기어-핀 조립체
21: 베어링 저널 샤프트 22: 중심 축
23: 제1 마운팅 풋 24: 제2 마운팅 풋
25: 제1 평형추 플레이트 26: 제2 평형추 플레이트
27: 피스톤-커넥팅 로드 조립체 28: 피스톤 로드
29: 피스톤 30: 엔진 블록
31: 실린더 32: 비율-제어 샤프트
33: 출력 동력 샤프트 34: 출력 구동 기어
35: 내연기구 36: 제1 유성기어
37: 제2 유성기어

Claims (15)

  1. 거울상(mirror-image) 유성-기어(planetary-gear) 조립체(1);
    기어-핀(gear-pin) 조립체(20); 및
    피스톤-커넥팅 로드 조립체(27);
    를 포함하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구로서,
    상기 거울상 유성-기어 조립체(1)는 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)를 포함하고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 선 기어(sun gear, 4), 제1차 유성기어(5), 복수의 제2차 유성기어(6) 및 링 기어(ring gear, 7)를 포함하고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 서로로부터 오프셋(offset)되도록 장착되고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2)로부터의 선 기어(4) 및 제2 유성-기어 조립체(3)로부터의 선 기어(4)는 주 회전축(18)에 대하여 서로 동심원상에 위치하고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2)로부터의 제1차 유성기어(5) 및 제2 유성-기어 조립체(3)로부터의 제1차 유성기어(5)는 공유 회전축(19)을 따라 서로 동심원 상에 위치하고;
    상기 기어-핀 조립체(20)는 제1 유성-기어 조립체(2)로부터의 제1차 유성기어(5)와 상기 제2 유성-기어 조립체(3)로부터의 제1차 유성기어(5) 사이에 비틀려져 편심되도록 연결되고; 그리고
    상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 기어-핀 조립체(20)에 기계적으로 결합되는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 비율조정 마운팅 샤프트(ratio-adjustment mounting shaft, 10)를 더 포함하고;
    상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 상기 기어-핀 조립체(20)의 맞은편인, 상기 선 기어(4)에 인접하여 위치하고; 그리고
    상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 비틀어져 축방향으로 상기 선 기어(4)에 연결되는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  3. 제2항에 있어서, 하나의 엔진 블록(30)을 더 포함하고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 베어링(11)을 더 포함하고;
    상기 거울상 유성-기어 조립체(1), 기어-핀 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 상기 엔진 블록(30) 내에 위치하고;
    상기 베어링(11)은 상기 선 기어(4)에 인접한, 상기 엔진 블록(30) 내에 인접하게 연결되고;
    상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)는 상기 베어링(11)을 갖는 상기 엔진 블록(30)에 회전가능하게 장착되고; 그리고
    상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 피스톤(29)은 상기 엔진 블록(30)의 실린더(31)와 슬라이딩 가능하게 맞물리는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  4. 제2항에 있어서, 하나의 비율-제어 샤프트(ratio-control shaft, 32)를 더 포함하고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 제어 암(control arm, 12), 아크 기어(13), 및 구동-조정 기어(drive-adjustment gear, 14)를 더 포함하고;
    상기 비율-제어 샤프트(32)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 평행하고 오프셋되도록 장착되고;
    상기 제어 암(12)은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 말단에서 수직으로 연결되고;
    상기 아크 기어(13)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10) 맞은편인, 상기 제어 암(12)의 말단에 연결되고;
    상기 구동-조정 기어(14)는 상기 비율-제어 샤프트(32)에 대하여 동심으로(concentrically) 연결되고; 그리고
    상기 아크 기어(13)는 상기 구동-조정 기어(14)와 기계적으로 맞물리는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 편심의 환상 외부-평형추(15)(eccentric annular external-counterweight, 15)를 더 포함하고;
    상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 기어-핀 조립체(20)의 맞은편인, 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6)에 인접하여 위치하고;
    상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10) 주위에 위치하고;
    상기 편심의 환상 외부-평형추(15)는 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각에 회전가능하게 장착되고; 그리고
    상기 편심의 환상 외부-평형추(15) 및 공유 회전축(19)의 무게중심은 상기 비율조정 마운팅 샤프트(10)에 대하여 서로 맞은편에 위치하는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  6. 제1항에 있어서, 하나의 출력 동력 샤프트(output power shaft, 33); 및
    하나의 엔진 블록(30);
    을 더 포함하고,
    상기 거울상 유성-기어 조립체(1), 기어-핀 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 상기 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착되고;
    상기 출력 동력 샤프트(33)는 주 회전축(18)에 평행하게 오프셋되어 위치하고;
    상기 출력 동력 샤프트(33)는 상기 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착되고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2)의 상기 링 기어(7)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 비틀림 결합되고;
    상기 제2 유성-기어 조립체(3)의 상기 링 기어(7)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 비틀림 결합되고; 그리고
    상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 피스톤(29)은 상기 엔진 블록(30)의 실린더와 슬라이딩 가능하게 맞물리는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  7. 제6항에 있어서, 상기 링 기어(7)는 내부-외부 링 기어이고;
    상기 내부-외부 링 기어는 하나의 외부 링 기어(8) 및 하나의 내부 링 기어(9)를 포함하고;
    상기 제1 유성-기어 조립체(2)는 출력 구동(driven) 기어(34)를 더 포함하고;
    상기 출력 구동 기어(34)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 대하여 동심으로 연결되고;
    상기 출력 구동 기어(34)는 상기 내부-외부 링 기어와 동일 평면에 위치하고;
    상기 외부 링 기어(8)는 상기 출력 구동 기어(34)와 기계적으로 맞물리고; 그리고
    상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각은 상기 내부 링 기어(9)에 기계적으로 맞물리는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  8. 제6항에 있어서, 상기 링 기어(7)는 내부-외부 링 기어이고;
    상기 내부-외부 링 기어는 하나의 외부 링 기어(8) 및 하나의 내부 링 기어(9)를 포함하고;
    상기 제2 유성-기어 조립체(3)는 출력 구동(driven) 기어(34)를 더 포함하고;
    상기 출력 구동 기어(34)는 상기 출력 동력 샤프트(33)에 대하여 동심으로 연결되고;
    상기 출력 구동 기어(34)는 상기 내부-외부 링 기어와 동일 평면에 위치하고;
    상기 외부 링 기어(8)는 상기 출력 구동 기어(34)와 기계적으로 맞물리고; 그리고
    상기 제1차 유성기어(5) 및 복수의 제2차 유성기어(6) 각각은 상기 내부 링 기어(9)에 기계적으로 맞물리는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기어-핀 조립체(20)는 베어링 저널(journal) 샤프트(21), 제1 마운팅 풋(mounting foot, 23), 및 제2 마운팅 풋(24)을 포함하고;
    상기 베어링 저널 샤프트(21)의 중심축은 상기 공유 회전축(19)에 평행하게 오프셋되어 위치하고;
    상기 제1 마운팅 풋(23) 및 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)를 가로질러, 서로 맞은편에 위치하고;
    상기 제1 마운팅 풋(23)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)와 제1 유성-기어 조립체(2)의 제1차 유성기어(5) 사이에 연결되고; 그리고
    상기 제2 마운팅 풋(24)은 상기 베어링 저널 샤프트(21)와 제2 유성-기어 조립체(3)의 제1차 유성기어(5) 사이에 연결되는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기어-핀 조립체(20)는 제1 평형추 플레이트(25) 및 제2 평형추 플레이트(26)를 포함하고;
    상기 제1 평형추 플레이트(25)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인, 제1 마운팅 풋(23) 말단에 연결되고; 그리고
    상기 제2 평형추 플레이트(26)는 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인제2 마운팅 풋(24) 말단에 연결되는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  11. 제1항에 있어서, 상기 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)는 피스톤 로드(28) 및 피스톤(29)을 포함하고;
    상기 피스톤 로드(28)는 상기 기어-핀 조립체(20)의 베어링 저널 샤프트(21)의 말단에 회전가능하게 연결되고;
    상기 피스톤(29)은 상기 베어링 저널 샤프트(21) 맞은편인, 상기 피스톤 로드(28)에 인접하여 위치하고; 그리고
    상기 피스톤(29)은 상기 피스톤 로드(28)에 회전가능하게 연결되는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 유성-기어 조립체(2) 및 제2 유성-기어 조립체(3)는 각각 하나의 평형추 커플링 플레이트(17)를 더 포함하고;
    상기 복수의 제2차 유성기어(6)는 제1 유성기어(36) 및 제2 유성기어(37)를 포함하고;
    상기 제1 유성기어(36), 제2 유성기어(37), 및 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4)에 대하여 방사상으로(radially) 분포되고;
    상기 제1 유성기어(36), 제2 유성기어(37), 및 제1차 유성기어(5)는 상기 선 기어(4)와 상기 링 기어(7) 사이에 기계적으로 맞물리고;
    상기 평형추 커플링 플레이트(17)는 제1 유성-기어 조립체(2)와 제2 유성-기어 조립체(3) 사이에 위치하고; 그리고
    상기 평형추 커플링 플레이트(17)는 제1 유성기어(36)와 제2 유성기어(37)에 회전가능하게 장착되는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  13. 제1항에 있어서, 하나의 엔진 블록(30);
    및 복수의 내연(internal combustion, IC)기구(35);
    를 더 포함하고,
    상기 복수의 내연기구(35) 각각은 거울상 유성-기어 조립체(1), 기어-핀 조립체(20), 및 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)를 포함하고;
    상기 복수의 내연기구(35)는 상기 엔진 블록(30)을 따라 선형으로 분포되고;
    상기 복수의 내연기구(35) 각각은 상기 엔진 블록(30) 내에 회전가능하게 장착되고; 그리고
    상기 복수의 내연기구(35) 각각으로부터의 피스톤-커넥팅 로드 조립체(27)의 피스톤(29)은 상기 엔진 블록(30)에 대응하는 실린더(31) 내에 슬라이딩 가능하게 위치하는;
    것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  14. 제1항에 있어서, 상기 선 기어(4), 상기 복수의 제2차 유성기어(6)와 제1차 유성기어(5), 및 상기 링 기어의 내부 링 기어(9) 사이의 주 톱니 비율이 1:1:3인 것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
  15. 제1항에 있어서, 상기 선 기어(4), 상기 복수의 제2차 유성기어(6)와 제1차 유성기어(5), 및 상기 링 기어의 내부 링 기어(9) 사이의 주 톱니 비율이 1:2:5인 것을 특징으로 하는 왕복 2-사이클 또는 4-사이클 내연기관의 무한 가변 압축비 및 단일 스트로크 또는 이중 스트로크 길이 기구.
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