KR890001729B1

KR890001729B1 - 편심 아이치형 슬로트를 갖춘 요오크(yoke)를 갖는 동적 압축 내연기관

Info

Publication number: KR890001729B1
Application number: KR1019850700381A
Authority: KR
Inventors: 이. 제인 마이클; 디이. 앤더슨 피터; 티. 호프만 제임스; 비. 고레이 로버트
Original assignee: 알 피 앤드 앰 엔진스, 인코포레이티드; 알란 캐핀
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-10-18
Publication date: 1989-05-19
Also published as: JPS62501225A; NZ214263A; KR860700363A; WO1986003806A1; EP0205462A4; US4584972A; BR8507164A; EP0205462A1; AU5013585A

Abstract

내용 없음.

Description

편심 아이치형 슬로트를 갖춘 요오크(yoke)를 갖는 동적 압축 내연기관

본 발명은 내연기관에 관한 것으로 특히 1977년 3월 22일자 다니엘 엠. 라이츠의 미국특허 제 4,013,048호에 발표된 것과 같이 스카치 요오크(scotch yoke)를 이용한 내연기관에 관한 것이다.

예를 들면 라이츠의 특허에서와 같은 종래의 이런 엔진에서는 한 쌍의 실린더가 서로 등을 마주하고 동축으로 배치되어 이 실린더 내를 왕복하는 피스톤으로 부터 연장된 피스톤로드가 동축으로 배치되어 요오크에 의하여 연결된다.

요오크의 중간에는 크랭크핀이 끼워지도록 가로로 슬로트가 형성되어, 피스톤 및 요오크로 연결된 피스톤 로드가 하나의 단위로 왕복할 때 크랭크핀이 요오크와 함께 요오크의 운동 방향 뿐만 아니라 요오크의 슬로트를 따라 가로로도 왕복 하도록 되어 있다.

이와 같이하여 크랭크 샤프트는 한쌍의 피스톤이 왕복운동할 때 회전 구동운동을 하게된다.

스카치 요오크 엔진의 피스톤 로드, 요오크, 크랭크핀 사이의 관계는 피스톤이 상사점으로부터 출발할 때 크랭크 샤프트의 주어진 각도 변위에서의 가속도가 피스톤이 피스톤 핀(wrist pin)과 커넥팅 로드에 의하여 크랭크 핀에 연결된 종래의 내연기관에 비하여 작도록 되어 있다.

이로 인하여 종래의 엔진에 비하여 연료 공기 혼합기가 더 오랫동안 높은 압력을 유지하여 배기 밸브가 열리기 전에 보다 완전한 연소가 일어나기 쉽게 된다.

동시에 이같은 이동 중 종래 엔진에 비하여 연소의 영향을 실린더 벽이 더 좁으므로 실린더 벽을 통한 열손실이 감소되어 전체 열효율이 개선되고 연소되는 연료 및 공기 단위당 이용 마력이 증가한다.

다른 조건들이 동일하다면 스카치 요오크 엔진은 종래의 내연기관에 비하여 배기 가스 온도가 더 낮을 것으로 예측된다.

그러나 라이츠의 특허에서 예시된 바와 같이 종래의 기술로서는 엔진의 부품수를 줄이는 것과 엔진의 생산 및 유지가 어렵다는 문제가 있다. 종래 기술의 스카치 요오크 엔진의 부재는 심한 마모를 받아 불안정하게 된다.

즉, 피스톤핀과 커넥팅로드를 이용한 일반적 엔진에 비하여 실린더와 크랭크 케이스내의 피스톤과 요오크가 정렬되지 않는다.

또, 2행정 엔진에 이용하는 경우에는 복잡한 밀봉이 요구되고 대향하는 실린더로 인하여 특수한 공간적 요구 조건을 충족시켜야 하며 이에 부수하여 수리와 정비가 복잡해진다.

이 밖에도 2행정 엔진에서 연료와 윤활유가 미리 혼합되므로 엔진 작동시 현용 법규에 의한 오염 기준에서 벗어난 오염물을 배출시키게 된다. 현재의 배출기준에 의하면 종래의 라이츠형 엔진은 사용이 불가능하다.

1920년 8월 17일자 볼(Buhl)의 미국특허 1,349,660호는 복귀 또는 압축행정의 주기 보다 더 긴 주기를 갖는 요오크의 팽창 행정(power stroke)을 기술한 바와 같이 시계 또는 반시계 방향회전에 대하여 발표되어 있으나 그의 구조에 대한 수학적 해석은 사이클의 통상 위치중에 압축 행정을 가속시키고 팽창행정을 감속시키는 효과를 얻는데 실패한 것이 밝혀져 있다.

곡선 슬로트 곡률 중심은 크랭크 축의 피스톤 축에 위치한다.

또한 볼(Buhl)의 발표는 실린더 직경과 같은 크기의 곡선 슬로트의 곡률반경을 보여준다. 그러한 외형은 실린더 축에 대한 슬로트 곡률 중심의 관련된 명확한 편심과 곡선 슬로트의 짧은 반경의 결과로서 과도하고 신속한 마모가 발생된다. 커어브 진 슬로트의 짧은 반경은 또한 아주 저속에서 조차 시스템으로 과도한 진동을 유발시킨다.

바움 가르텐(Baumgarten)의 1883년 8월 21일자 미국 특허 제 283, 558호는 스팀엔진에 설치한 요오크를 보여주는데 이 요오크는 크랭크의 크로스 피 (cross piece)가 연장되는 곡선 슬로트를 갖고 있다. 바움 가르텐 슬로트는 크로스 피스보다 더 넓고 그 대향측에 연속하여 크로스 피스를 가질 수는 없다. 바움 가르텐의 불규칙 형상 곡선 슬로트는 제작 비용이 많이든다. 슬로트 내의 크로스 피스를 제한하지 않으면 작동중에 진동과 과도한 마모를 유발시킨다.

유사하게도, 커밍스(Cummings)의 영국 특허 152,799호는 크랭크 핀에 설치된 부시가 진동하는 곡선 슬로트를 갖는 요오크가 발표되어 있다. 커밍스의 곡선 슬로트 곡률 중심은 또한 크랭크축의 피스톤 측에 설치된다.

또한 커밍스 슬로트의 복잡한 곡선 형태는 제작이 어렵고 비용이 많이들며, 동시에, 작동중엔 슬로트의 한쪽 끝에서 다른 끝까지 움직이는 동안 부시가 서피스 베어링(surface bearing)보다는 오히려 포인트 베어링을 단지 갖게되어 슬로트와 부시에 수반되는 마모를 갖는 포인트 베어링에서 하중을 증대시켜 과도한 마모를 유발시키게 된다.

공개일이 1972년 10월 25일인 베그너의 독일 공개공보 2,252,277호는 포인트 베어링을 갖는 크랭크핀이 진동하는 요오크에 서로 각을 이루어 배치된 2개의 곧게 뻗은 부분을 갖는 비직선 슬로트를 보여준다. 슬로트의 내측단부에 대하여 크랭크 핀 베어링의 점 또는 선 접촉에 따른 과도한 마모와 함께 불규칙 형태의 슬로트 제작의 복잡성은 주기 이후에 수반되는 만족스럽지 못한 작동과 과도한 마모를 일으킬 것임을 예견할 수 있다.

1946년 4월 9일, 윌리암즈(Williams)의 영국 특허 576,546호는 실린더의 축과 각을 이루어 배치된 캠트랙을 갖고있고, 크랭크 핀을 중심으로 회전하도록 설치된 롤러와 맞물림 플랜지를 갖는 요오크를 보여준다. 윌리암즈가 직선 캠 트랙을 따라 움직이도록 하므로서 이송장치의 불규칙 운동을 피한다 할지라도 롤러의 베어링의 점접촉은 수반되는 마모와 함께 과도한 마찰을 갖게된다. 나타나 있는 바와 같이, 캠트랙은 실린더축과 45°의 각도를 이루어 롤러를 경유하여 크로스헤드 부재로 부터 캐리지로 부여되는 실린더 축에 측방으로 힘을 초래하고 이때 힘은 크로스 헤드에 대하여 수반하는 점접촉 베어링을 갖는 롤러를 사용하므로서 마모를 증대시키는 힘이다.

본발명에 일치하여, 스카치 요오크 엔진(scotch yoke engine)은 크랭크 축과 비교하여 피스톤으로 부터 멀리 떨어져 있고 실린더 축으로부터 편심되는 커어브의 곡률 중심을 갖는 엔진의 하부 또는 크랭크케이스끝과 마주하는 오목부(concabe side)와 피스톤과 마주하는 요오크의 볼록부(convex side)를 갖고 있으며 일정한 반경의 오히려 약간 반경방향으로 커어브 진 요오크 내 슬로트를 이루므로서 팽창행정 보다 더 빠른 압축 행정을 제공하도록 이루어진 요오크 내 슬로트를 갖고 있다.

따라서 본 발명의 제 1목적은 종래의 기술에서 안고 있는 제문제점을 극복하는 스카치 요오크 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2목적은 육상 및 항공용 소형 및 대형 마력에 적합한 스카치 요오크 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3목적은 소형 및 대형 마력 크기의 정적 발전 플랜트용 스카치 요오크 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 4목적은 2행정으로 작동할 수 있는 스카치 요오크 타입의 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 5목적은 4행정으로 작동하는 스카치 요오크 타입의 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 6목적은 연료 분사식 또는 디이젤 엔진에 사용할 수 있는 스카치 요오크 타입의 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 7목적은 제작이 용이하게 설계된 스카치 요오크 타입의 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 8목적은 스카치 요오크 구조 및 작동을 종래 구조의 엔진에 개조하기가 용이하게 설계된 스카치 요오크 타입의 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 9목적은 다수개의 실린더를 갖는 스카치 요오크 타입의 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 10목적은 개량된 동적 압축비를 발생시키도록 연소실로 부터 떨어져 마주하는 커어브의 오목부를 갖는 고정반경 커어브진 슬로트를 갖는 실린더 축을 따라 움직이기에 적합한 피스톤에 설치된 요오크와 함께 피스톤을 갖는 내연기관을 제공하는 것이다. 만일 오목부가 연소실을 향하여 있으면, 피스톤 운동은 축으로부터 커어브진 슬로트의 중심까지 연장되는 반경에서 같은 길이의 커넥팅 로드를 채용한 엔진과 동일하다.

본 발명의 제 11목적은 실린더 축을 따라 움직이는 피스톤에 설치된 요오크와 함께 피스톤과 피스톤에 대한 크랭크축의 먼 쪽에 설치되는 커어브진 슬로트의 곡률 중심과 반경 방향으로 커어브진 슬로트를 갖는 내연기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 12목적은 슬라이딩 블럭내에 설치된 크랭크 핀(crank throw) 및 요오크와 연동하는 슬라이딩 블럭과 요오크를 갖고 있으며 요오크 내 슬라이딩 블럭 통로의 위치가 빠른 압축 행정과 느랜 팽창행정에 영향을 주는 내연기관용의 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 13목적은 슬라이딩 블럭내에 설치된 크랭크 핀 및 요오크와 연동하는 슬라이딩블럭 및 요오크를 갖고 있고, 슬라이딩 블럭의 통로는 보다 빠르고 짧은 압축행정과 함께 개량된 보다 느리고 긴 팽창행정을 제공하도록 슬로트에 적합한 실린더 축으로 부터 곡률 중심의 편심을 갖는 연소실로부터 멀리 떨어져 대향하는 커어브의 오목부와 반경방향으로 커어브져 있고 그 커어브는 그러한 직경을 갖고 있고, 중심의 위치는 요오크와 크랭크 케이스 벽의 베어링 표면의 마찰을 증대시킬 수도 있으며 요오크와 슬라이딩 블럭은 팽창행정의 증대된 길이 및/또는 시간에 의하여 얻어진 잇점을 상쇄시키지 아니하는 내연기관용 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징과 장점은 본 발명에 따른 복수개의 실시예, 설명의 목적으로 도시한 첨부된 도면에 따라 다음의 기술내용으로부터 보다 명백하여질 것이다.

제1도는 실린더의 스카치 요오크 피스톤의 운동이 커넥팅 로드 및 피스톤 핀(wrist pin) 구조를 도입한 피스톤의 비교 가능한 운동과 비교한 선도이다.

제2도는 스카치 요오크 엔진의 단일 실린더에 대한 본 발명의 한 실시예를 보여준다.

제2(a)도 내지 제20도는 본 발명의 다른 요오크 엔진과 그리고 종래의 커넥팅 로드 엔진의 사이클 중에 피스톤 운동과 비교하여 도시하였다.

제3도는 본 발명에서 사용하기 위항 크랭크핀을 갖는 슬라이딩 블럭의 측면도를 나타낸다.

제3(a)도는 슬라이딩블럭의 상세도이다.

제4도는 제3도에 도시한 바와같이 윤활크러스 채널을 통과하여 취한 슬라이딩 블럭의 단면도를 도시한다.

제5도는 요오크와 슬라이딩 블럭의 관계를 나타낸 상세도이다.

제6도 및 제7도는 요오크에 조립될 수 있는 타입의 베어링 부재의 측면도 및 끝단면도를 각각 나타낸다.

제8도 및 제9도는 베어링 슈우(bearing shoe)의 평면도 및 측면도를 각각 나타낸다.

제10도는 다기통 실린더 엔진으로 구성된 본 발명의 한 실시예를 도시한다.

제11내지 제15도는 종래기술, 특히 불(Buhl)의 실시예의 작동과 본 발명의 작동을 비교할 목적으로 나타낸 개략선도이다.

부재는 같은 번호로 나타낸 도면, 특히 제1도는 커넥팅 로드와 피스톤 핀 기구와 비교한 스카치 요크 엔진의 특성을 평가하는데 적합하다.

크랭크샤프트의 축은 C로, 상사점에서 크랭크 핀의 중심은 T로 표시되어 있다. 통상의 엔진인 경우 커넥팅로드와 피스톤핀 사이의 거리는 직선 P₁-T로 나타난다. 크랭크 축이 각도 α만큼 회전하면 크랭크핀은 원호를 따라 T에서 T'까지 이동하고 커넥팅 로드는 T'-P₃위치로 이동한다.

이에 비하여 스카치 요오크 기구에서는 크랭크 핀이 상사점인 T로 부터 T'까지 회전하면 요오크가 T₂까지 이동하고 이에 따른 피스톤의 이동 P₁-P₂도 상기 요오크의 이동량과 동일하여 피스톤의 모든 부분이 실린더축을 따라 거리 T-T₂만큼 이동하게 된다.

이상의 설명으로 명백히 알 수 있는 바와 같이 상사점과 하사점 근처에서는 크랭크 축의 동일한 회전 운동에 의하여 스카치 요오크 기구는 통상적인 커넥팅 로드/피스톤핀 기구보다 실린더 내 피스톤의 이동거리를 더 짧게 한다.

스카치 요오크 엔진의 이 현상은 연료/공기 혼합기가 동일한 회전 각도에서 통상적인 엔진보다 더 오랫동안 높은 압력을 유지하도록 하여 혼합기가 보다 완전히 연소되도록 한다.

뿐만 아니라 거리 P₁-P₂는 크랭크가 각도 α만큼 회전할 때 요오크의 이동에 의하여 실린더 벽이 노출되는 면적의 지표가 되는데 이는 커넥팅 로드/피스톤 핀 엔진에서 상사점으로부터 각도 α만큼 크랭크가 회전했을때 실린더 벽이 노출되는 면적을 나타내는 거리 P₁-P₃보다 작다.

그러므로 종래의 엔진에 비하여 특정 기간동안 실린더 벽을 통한 열 손실이 낮아 스카치 요오크 엔진의 열효율이 좋다.

본 발명을 고려할 때 본 명세서에서 기술되지 않은 점화, 기화, 연료분사, 윤활, 기타 엔진 작동에 수반되는 것들은 이 분야에서 숙달된 자가 잘 알고 있는 방법에 따라 수행된다.

제2도는 부재번호(100)로 통상표시된 엔진의 단기통 실린더에 대한 본 발명의 실시예를 보여준다.

실린더 벽(1)은 피스톤 링(2')을 갖고 있는 피스톤(2)을 둘러 싸고 있는데, 이는 요오크(3, 3', 4)의 상부부재(3, 3')에 설치된다.

부재(3)가 예를 들어, 용접, 브레이징(brazing), 볼트 또는 그와 유사한 방법에 의하여 피스톤(2)에 설치될 수 있다는 사실은 본 기술이 속한 분야에서 숙련된 기술자에 의하여 잘 알수 있을 것이다. 양자택일로, 피스톤(2)과 요오크(3)의 상부(3')는 제2도에 도시된 바와 같이 단일 부재로서 주조될 수 있다. 요오크는 너트 및 볼트 또는 다른 체결구(16, 16', 16" 및 16"')에 의하여 상부 부재(3, 3')에 설치된 하부부재(4)에 의하여 완성된다.

크랭크 케이스(5, 7, 9)는 기술분야에서 숙련된 자에겐 잘 알려진 방법으로 유지보수 및 개조를 행하기 위한 적절한 부재에 적합하게 설계된 복수개의 부재로 구성될 수 있는 하우징을 갖고 있다. 각각의 부재는 기술 분야에서 종래 수단에 의하여 결합될 수 있다.

부재번호(14)는 크랭크 축의 회전 중심을 표시하며 부재번호(13)는 크랭크 핀(13')의 중심을 표시한다.

요오크(3, 3', 4)에 의하여 이루어진 운동은 요오크(3, 4)의 상, 하부 표면과 맞닿도록 설치된 슬라이딩 블럭(12)에 의하여 크랭크 핀(13')으로 병진 운동시킨다.

상사점으로 부터 하사점까지 피스톤(2) 및 요오크 부재(3, 4)의 선형 운동중에, 슬라이딩 블럭(12)에 의하여 수용되는 크랭크 핀(13')은 곡선 경로(x-x)를 따라 왕복하여 움직이는 슬라이딩 블럭(12)에 의하여 중심(14)에 대한 회전 운동을 행하게 될 것이며 경로(x-x)에 대한 곡률중심(200)은 실린더 축(z-z)에 대하여 편심될 것이다.

편심거리는 여러 크기 중에서 어느 하나를 취할 수 있는데 예를 들어, 곡률의 중심은 제2도에 도시된 크랭크 회전방향으로 실린더 축(z-z)의 우측 또는 축(z-z)상 중심 좌측으로 프린트(200, 201)에 의하여 한정된 라인을 따라 위치될 수 있다.

도시된 바와 같이, 중심(200)의 편심은 제2도에 도시된 바와 같이 시계방향 회전으로 상사점으로부터 팽창행정 중에 크랭크핀(13')에 근접하는 축(z-z)의 우측에 있다.

이 결과 커어브의 평평한 부분은 우측에 있고 스팁부분(steep part)은 시계방향 크랭크 회전으로 제2도에 도시된 바와같이 좌측에 있도록 요오크 슬로트내 커어브는 경사져 있다.

반시계 방향 크랭크 회전으로, 역회전이 이루어져, 즉 실린더축에 수직인 커어브 부분은 좌측에 있게되고 경사진 부분은 우측에 있게 될 것이다.

그 반대의 결과(counter-intuitive result)는 제2도에 도시한 바와같은 본 발명에 따른 요오크 내 슬로트의 아아크(arc)에 의하여 성취될 수 있다. 그러한 경사는 실린더 내에서 피스톤이 가장 높이 상승한 지점, 상사점이 크랭크 회전에 상대적으로 현저하게 보다 일찍 발생하도록 한다. 이는 연소 시기중에 발생된다. 반대방향으로 기울어짐은 상사점이 다음의 크랭크 위치에서 발생되어 연소 사이클의 기간을 단축시키게 된다.

요오크를 경사시키고 커어브 지도록 한 결과, 주어진 크랭크 축 반경에 대한 피스톤 이동거리는 R이 크랭크 핀의 반경일 때 2R보다 약간 크게 변경된다. 주어진 피스톤 이동 길이를 얻기 위하여 크랭크 반경은 따라서 조정되어야 하며, 이는 행정 길이를 설정하여 작용할 수 있으며 표1 및 표4의 식을 적용하여 크랭크 핀 편차를 결정할 수 있다.

곡률중심(200)은 부재번호(14)에서 크랭크 축의 축에 대하여 피스톤(2)으로 부터 떨어져 위치한다.

부재번호(19)로 지정된 크랭크 축의 시계방향 회전을 고려하여 보면, 크랭크 핀이 실린더의 축을 통과하기 전에 상사점으로부터 핀(13')의 경로는 후술되는 바와같이 복귀시 압축 행정중 보다 긴 동안의 팽창 행정을 제공할 것이다. 연소시간이 압축시간보다 비례적으로 더 길다는 것은 제2도로 부터 명확하다.

도시된 바와같이 피스톤(2) 및 요오크(3,4)는 일체이고 크랭크 케이스(39)의 양축 사이에서 안정화 되어 있으므로, 커넥팅로드와 피스톤 핀을 사용하는 종래의 엔진의 경우에서와 같이 피스톤 슬랩(slap)이 발생하지 않는다.

도시된 바와같이, 본 발명과, 종래의 기술을 비교해 보면, 슬로트는 제2도에 도시된 바와같이 편심 거리(α)를 갖는 요오크내에 위치되고, 슬로트의 곡률과 함께 편심거리는 팽창행정과 압축행정 사이 시간차를 발생시킨다.

도시된 바와 같이 편심거리(α)의 크기는 단지 예시적이나, 만일 극도로 증대되면, 예를 들어 크랭크 핀베타(β)의 크기보다 더 큰 값으로 증대되면, 베어링 부재(15, 15')에 의하여 부재(14, 17)에 대한 궁극적인 세로 방향 힘은 과대한 마찰손실을 초래할 수 있다.

따라서, 편심 거리 알파(α)가 증대되면, 알파(α)의 증대는 압축 행정 시간에 대한 팽창 행정 시간의 비를 변화시키는 동시에 마찰로 인한 손실을 증대시키며 요오크에 제공된 베어링에 과도한 마모를 초래하는 등 상호 보완관계를 갖게 된다.

유사하게도, 요오크내 슬러트의 곡률 반경의 변화는 팽창 및 압축 행정에서 동시 변화를 발생시킬 것이다.

종래의 피스톤 핀, 커넥팅 로드를 갖는 엔진과 본 발명 편심 요오크 엔진에 대한 피스톤 변위를 비교한 계산이 아래의 표 1의 공식을 사용하여 얻을 수 있다.

[표 1]

편심 아아치형 슬로트 엔진에 대한 커넥팅 로드 엔진의 피스톤 이동거리 계산

(제2(a)도 내시 2(d)도 참고)

아래에 산출된 컴퓨터 시뮬레이션(simulation)은 (a)실린더 축에 직각으로 직선 슬로트와 같이 요오크를 갖는 엔진, (b)편심이 없는, 즉, 실린더 축에 있는 아아크형 슬로트 중심을 갖는 아앙크형 슬로트와 함께 요오크를 갖는 엔진, (c)편심이 있는 아아치형 슬로트를 갖는 요오크 엔진, 종래의 로드 및 크랭크 엔진과 비교된 상기 3가지 직각의 엔진에 대하여 이들 엔진의 압축시 백분율 증대의 데이터를 나타낸다.

직선형 요오크, 중심을 맞춘 아아치형 요오크 및 중심을 맞춘 로드(4) 크랭크 엔진의 경우엔, 크랭크 반경은 정확히 행정의 1/2이다.

도시되지는 않았으나 기울어진 직선형 요오크 엔진의 경우, 크랭크 반경은 행정의 1/2COSθ배이며 여기에서 θ는 경사각이다.

기울어지고 아아치형인 요오크의 경우, 크랭크 반경과 행정 사이 관계는 복잡하다. 만일 요오크 슬로트 및 편차가(알려지지 않은) 크랭크 반경의 유니트로 명시된다면, 주어진 행정으로서 올바른 크랭크 반경을 계산하는 것은 더욱 용이해진다. 이때 크랭크 반경은 계산될 수 있으며 그로부터 슬로트 반경 및 편심의 절대치를 구할 수 있다. 여기서 해석방법이 사용될 수 있을지라도 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램은 선결된 반경을 갖는 시험 운전을 수행하고 행정의 상, 하치를 구한 다음, 명시된 범위내로 행정을 매핑(mapping)하기 위하여 쇼요되는 스케일 요소(scale factors)를 계산하므로서 크랭크 반경을 구한다. 측정된 크랭크 반경을 이용하는 제2의 운전은 구체화된 길이의 행정을 제공한다.

행정 길이, 로드 길이, 로드용 크랭크 반경, 요오크의 편심용 크랭크 반경, 절대 요오크 아아크편심(absolute yoke arc offset) 및 절대 요오크 아아크 반경의 인자(parameter)에 대하여, 디멘전은 인치로 표시된다. 상대적인 요오크 아아크 편심 및 상대적인 요오크 아아크 반경에 대한 데이터는 서로 관련한 크기를 갖는 무차원수이며 예를 들면 한 번의 컴퓨터 운전에서 상대적인 요오크 아아크 반경이 상대적인 요오크 아아크 편심의 8배이다.

지정된 각도는 팽창행정의 상사점으로 부터 개시하는 각이다.

전술한 사실로부터, 70˚의 각에서 압축시 최대 백분률 증대는 로드 및 크랭크 엔진과 비교하였을 때 도시되어 있으며 요오크 엔진의 직선형, 커어브 진 그리고 편심 커어브진 것이 서로 비교되었을 때 편심 커어브진 요오크가 로드 및 크랭크 엔진에 걸쳐 압축시 최대의 백분률 증대를 보여 주는 것을 알 수 있을 것이다.

인자(parmeter)를 변경하여 상대 요오크 아아크 반경이 10인 경우는 다음과 같다.

전술한 내용으로부터, 로드 및 크랭크 엔진에 걸쳐 압축시 백분률 증가에 비교하여 보면, 상대 아아크 반경을 증대시키므로서, 아치형 및 편심 아아치형 슬로트 요오크 엔진은 압축의 보다 높은 백분률 증가를 갖게 됨을 알 수 있을 것이다.

어느 주어진 동일한 작동속도에서, 본 발명에 따른 엔진은 피스톤 핀 커넥팅 로드 엔진보다 더 낮은 정점 피스톤 가속(다음의 표2 및 표3 참조)을 갖게 된다. 따라서 피스톤, 피스톤 핀 및 커넥팅로드 어셈블리에 걸친 피스톤 및 요오크 어셈블리의 더큰 매스(mass)임에도 불구하고, 요오크 어셈블리는 1022.25 그램 무게일 수 있으며 크라이슬러(Chrysler) 2.2 어셈블리가 782 그램 무게(표2 참조)를 갖는 것처럼 같은 최대 베어링 하중을 갖게된다.

본 발명의 엔진에서, 피스톤의 본질적인 사이너 소이달(sinusoidal)운동으로 인하여 진동은 원래 작으며, 궁극적으로 제거될 수 있다. 2개의 사인파(sine waves)의 합은 0이므로, 본 발명에 따른 요오크 피스톤 장치를 적용하여 종래의 일렬 4기통 실린더 설계에서 완전한 균형을 얻을 수 있다.

[표 2]

피스톤 이동거리, 속도 및 가속도를 결정하는 함수

상수 : ℓ = 크라이슬러 2.2에서 커넥팅 로드의 길이 = 59"

r = 크라이슬러 2.2 또는 본 발명의 크랭크반경 =1.318"

양 디자인에서 최대속도는 상사점(cosθ =0)전 또는 후에서 발생하고 최대 가속도는 상사점(sinθ = 0)주위에서 발생하며 이는 피스톤 핀 및 베어링 하중을 해석하기 위한 크랭크 회전의 적절한 페이스(phase)이다.

[표 3]

베어링 하중의 비교해석

*여기에서 계산된 미지의 상수

**sinθ = 0일 때 제2 유도함수로 계산되어 알려짐.

베어링 하중은 운동 에너지에서 변화할 수 있고, 이는 가속도에 관련된다. 그것은 베어링 하중을 결정하는 최대 피스톤 가속도이며 속도는 아니다.

1. 이 모델에서 선형운동은 고려되지만 회전운동은 고려되지 않으며, 이는 크랭크 상에서 균형을 이룰 수 있다.

따라서 요오크 어셈블리에서 커넥팅 로드 및 슬라이딩 블럭의 하부 끝단은 고려되지 않는다. 이를 설명하기 위하여 같은 최대 피스톤 속도를 갖고 있으나, 제1엔진의 피스톤은 원활한 조화 운동으로 움직이는 반면 제2엔진의 피스톤은 가속도 및 감속도를 갖는 2개의 엔진을 고려해보자. 제2엔진은 더 큰 최대 베어링 하중. 진동 및 마모를 확실히 갖게될 것이다.

유사하게도, 최대 베어링 하중은 0˚(상사점) 주위에서 발생되며, 여기에서 최대 피스톤 가속도가 발생하나 상사점 이후 또는 이전의 90˚에서는 최대피스톤속도가 발생한다.

표3은 살펴보면, 이들 데이터는 표2에 나타나 있는 관계식을 이용하여 얻어진 것으로, 본 발명에 따른 엔진의 슬라이딩블럭을 제외한 피스톤/요오크 어셈블리, 궁극적으로 동일한 진동 및 베어링 하중특성 및 주어진 동일한 매스x 가속도는 종래의 엔진, 예를 들어 클라이슬러 2.2로서의 커넥팅 로드의 정부(top), 비교할 수 있는 피스톤, 피스톤 핀 보다 어느정도 더 큰 매스(mass)를 갖을 수 있다느 사실이 명백한 것이다.

제2도에 도시된 기구의 작동은 본 발명의 엔진과 피스톤 핀 및 커넥팅로드를 장비한 종래의 엔진 사이클을 비교하여 개략적으로 나타낸 제2(a)도 내지 제20도를 살펴봄으로서 더욱 이해가 될 것이며, 본 발명 엔진은 아아치형 슬로트의 요오크를 채용하고 아아크의 중심은 실린더축에 대한 중심에서 떨어져 있으며 크랭크축에 대해서는 피스톤으로부터 떨어져 위치한다.

제2(a)도에서 피스톤 및 커넥팅로드는 크랭크축의 축(14)에 대하여 상사점에 위치되어 있는 것을 알 수 있다.

도시된 바와같이 크랭크축의 회전은 시계방향이다.

제2(a)도에 도시된 바와같이, 본 발명을 살펴보면, 종래 엔진의 상사점 위치와 비교되는 슬라이딩블럭(12)의 위치는 크랭크핀(13)의 중심, 크랭크축(14)의 중심 및 아이치형 슬로트의 곡률(200) 중심이 일직선을 이루도록 아아치형 슬로트의 곡률(200) 중심과 직경방향으로 대향하는 크랭크핀(13)의 중심에 슬라이딩블럭(12)이 배치되어 있음을 알 수 있다.

상사점, 크랭크축(14)의 중심 및 슬로트에 적합한 곡률 중심(200)이 일직선으로 되어 있는 제2도 및 제2(a)도는 전형적인 실시예이다.

상기 3지점이 일직선으로 위치하지 않을 수도 있는 그들, 예를 들어 제2도에 도시된 주어진 편심 알파(α)에 대하여, 도시된 것보다 길거나 또는 짧은 슬로트에 대한 곡률반경이 상사점, 크랭크축(14)의 축 및 곡률 중심(200)이 일직선을 이루지 않는 외형을 가질 수 있는 엔진형태를 본 발명은 갖고 있다.

중심(200)과 아아치형 슬로트의 편심으로 인하여, 시계 방향으로의 회전상태에서 크랭크핀(13)이 실린더축(z-z)에 도달하지 못한다.

슬라이딩블럭(12)의 운동은 점선으로 표시한 제2도 및 제2(a)도의 가상의 커넥팅로드(200')의 운동과 유사하다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러한 가상의 커넥팅로드가 중심(200)에 대하여 베어링을 제공하도록 제2(a)도에 점선으로 부재번호(4')로 표시된 바와같이 가상적으로 연장된 요오크부재(4)에 설치되며, 커넥팅로드는 슬라이딩블럭(12)에 대하여 수행된 아아치형 범위내에서 전후로 진동하게 될 것이다.

제2(a)도에 도시한 바와같이 그러한 가상적인 커넥팅로드(200')가 요오크에 부착된 피스톤(2)에 대하여 상사점에 있는 것을 알 수 있을 것이다.

상사점, 상승의 정점에서 피스톤의 위치는 부재번호(221)에서는 피스톤 핀/커넥팅로드 엔진에 대하여, 부재번호(222)에서는 본 발명의 편심 아아치형 슬로트 요오크 엔진에 대하여 각각 제2(b)도에 도시된다.

제2(d)도는 커넥팅로드 엔진을 도시하는데 크랭크축이 90˚회전되어 있고, 부재번호(221)에서 도시한 바와같이 피스톤은 움직인다.

제2(f)도에서 도시한 바와같이 본 발명의 요오크엔진내 크랭크축의 필적할 만한 90˚회전은 슬라이딩블럭(12)이 도시한 바와같은 위치에 있도록 가정될 수 있으며, 피스톤을 갖는 요오크는 부재번호(222)에 도시된 바와같이 실린더내에서 전진된다.

크랭크축의 90˚회전은 제2(e)도에서 부재번호(221,222)에 도시된 바와같이 1,088 내지 1,426의 관계로 2엔진의 각 피스톤 변위의 크나큰 차이를 유발시키는 것을 알 수 있을 것이다. 부재번호(222)에서 피스톤이 부재번호(221)에서 피스톤보다 적게 변위하는 한 2엔진의 사이클중 이 지점에서, 피스톤(222)의 실린더 내 압축은 피스톤(221)의 실린더의 압축보다 비례하여 크게된다는 것을 알 수 있을 것이다.

제2(g)도 내지 제2(i)도는 종래 엔진이 제2d도에서 도시한 위치로부터 90˚회전한 다음에 하사점에 있는때, 2엔진의 개략도를 보여준다. 제2(h)도에서 각각의 피스톤운동(221,222)의 관계는 각각 2.50 및 2,552이다.

끝으로, 제2(j) 내지 제2(l)도를 살펴보면, 크랭크축이 제2(a)도의 상사점으로부터 시계방향으로 270°움직이고, 종래엔진이 제2(j)도에 도시된 커넥팅로드를 갖고 있으며 제2(l)도에 도시된 바와같이 본 발명 요오크엔진은 아아치형 슬로트내 좌측방향으로 움직이는 슬라이딩 블럭을 나타낸다.

이 지점에서 제2(k)도의 부재번호(221) 및 (222)에 도시된 2개의 각각 실린더에 대한 상사점으로부터 피스톤의 분리계수는 종래 커넥팅로드 엔진에 대해서는 1,426이며 본 발명의 요오크엔진에 대해서는 1,221이다.

본 발명의 엔진 피스톤은 종래 엔진과 비교하여 볼때보다 빨리 복귀하게 된다.

제2(a) 내지 제2(l)도에 되시된 바와같이, 슬로트에 대한 곡률중심(200)의 편심위치의 효과 및 슬로트의 곡선특성의 효과는 동적 압축비, 즉 크랭크축의 회전 사이클중 변화하는 압축비를 갖는 엔진을 만들 수 있는 것이다.

제2(m)도 내지 제2(o)도는 3개의 슬로트 외형에 대한 피스톤 행정길이(S)와 크랭크 반경(C)의 관계를 비교하여 검토한 것을 나타낸다. 제2(m)도는 요오크내 슬로트가 실린더 축방향에 수직으로 연장되는 슬로트가 있는 요오크에 대한 관계를 나타낸다.

제2(n)도는 실린더 축에 대한 각도 델타(Δ)로 기울어진 직선형 슬로트에 대한 행정길이와 크랭크 반경 사이 관계와 외형을 나타낸다.

제2(o)도는 요오크 슬로트 반경(rs)과 요오크 슬로트 중심 수평편심(xs)이 도시된 행정길이(S) 및 크랭크 반경(C)의 관계를 보여준다.

본 발명으로부터 벗어나지 아니하고 슬라이딩 블럭(12)이 미끄러지는 요오크(3,4)내 슬로트 대신에 제2도에 적합하게 교번적으로 동등한 구조가 적용될 수 있다는 것을 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자이면 모두 알 것이다.

제2도에서 측(z-z)을 따른 크랭크 케이스내 요오크(3', 4)의 안정성은 축(z-z)에 대하여 직각으로 배치되고 도면의 종이 평면내에 있는 제2축을 절단하는 평면내에 위치한 베어링부재(15, 15')에 의하여 영향을 받게 되고, 베어링부재(15, 15')의 평면은 제1축(z-z)에 평행이다. 베어링부재(15, 15')는 부수적인 너트(16' 및16')와 함께 볼트(16)에 의하여 요오크부재(3,4)에 각각 설치된다. 베어링부재(15')는 제2도에 도시된 바와 같이, 크랭크케이스 하우징(7)에 설치된 베어링판(17)과 맞닿게 된다.

하나 이상의 그러한 베어링 판(17)은 벽(7)을 따라 배치될 수 있다. 베어링 부재(15)는 축(n-n)을 따라 움직일 수 있고 부재번호(9)에서 크랭크 케이싱 하우징에 수용된 베어링 슈우(shoe)(11)과 맞닿는다.

유사하게도, 복수개의 베어링 슈우(11)는 벽(9)을 따라 배치될 수 있다.

발표된 실시예는 엔진의 오일펌프 일 수 있는 압력원에 의하여 발생된 유압을 이용하도록 기술되어 있는 반면 어떤 압력원도 베어링 슈우(11)의 표면(11')에 부여된 공압, 전자기적인 것 또는 그와 유사한 것이 적용될 수도 있으며 그러한 압력이 요오크가 베어링 슈우(11)와 대향하는 부재번호(7)에서 크랭크 케이스의 벽 표면 또는 판에 교번적으로 견디도록 부재(15)를 경유하여 요오크에 힘을 가하는데 효과적이면 상관이 없다는 것을 알 수 있을 것이다.

베어링 슈우(11)에 의한 연속적인 압력이 크랭크 케이스 부재(9)와 베어링 슈우(11) 사이에 배치된 스프링에 의하여 도시되지 않은 변형실시예에 가해질 수 있으며 그러한 형태는 긴 작동 주기로 스프링의 피로를 가져온다. 따라서 발표된 실시예는 도시된 바와같이, 베어링 슈우(11)에 가하여진 윤활 또는 유압의 적용으로 교번적인 스프링 구조에 의하여 있게되는 피로의 문제점은 피할 수 있도록 설계된다. 또한 베어링 슈우(1)에 가해진 연속적인 압력을 응용하므로서, 요오크(3)의 안정화는 부재(15, 15'), 부재(15)와 맞닿아 있는 부재번호(11)의 페이스(face) 및 부재(15')와 맞닿아 베어링 판 페이스의 마모에 관계없이 영향을 받게될 것이다. 따라서, 장기간 사용하므로서 마모가 발생할지라도 부재번호(17)에서 요오크와 크랭크 케이스 사이 역할을 크게 감소되거나 결과적으로 없어지게 된다.

따라서 기술된 실시예는 스카치 요오크 엔진의 작동시에 이미 전술한 것 보다는 수리보수를 위하여 적게 분해할 수 있어 엔진의 작동수명을 크게 연장시킨다.

또한 유지보수 비용에 있어서 부수적으로 감소시킨다.

베어링 부재(15, 15')의 배치는 상사점으로부터 하사점 까지 요오크(3, 4)의 운동중에 최대압력이 복귀행정중 압력에 비하여 판(17)에 대한 베어링판(15')에 의하여 작용되고 크랭크 축 회전은 화살표(19)에 의하여 지시된 방향으로 이루어지도록 이루어진다. 베어링 부재(15')가 너트 및 볼트(16, 16')에 의하여 요오크(4)의 전진단부(leading edge)에 설치되므로 최대압력중에 베어링 부재(15')가 너트 및 볼트(16, 16')에 의하여 요오크(4)의 전진단부(leading edge)에 설치되므로 최대압력중에 베어링 부재(15')는 화살표(19)에 의하여 도시된 크랭크축의 특정회전 방향을 위하여 텐션(tension)하에 있다.

게다가, 복귀 행정 최대 압력은 볼트(16")에 의하여 요오크 부재(3)에 설치된 베어링 부재(15)에 의하여 가하여 지고 베어링 부재(15)는 상사점으로 복귀행정 중에 텐션하에 있게 된다. 따라서 최대 압력의 주기중에 텐션하에 있는 베어링 부재(15, 15')는 우그러지는 경향이 없다.

만일 회전 방향이 역전되면 베어링 부재(15, 15')의 설치는 최대 베어링 압력중에 텐션의 같은 조건을 유지시키기 위하여 역전될 수 있을 것이다.

도시되지 않은 다른 실시예에서, 베어링 부재(15, 15')은 베어링 슈우(11) 및 판(17)과 맞닿은 베어링 표면으로 제공되는 요오크 부재(3, 4)의 측면(3x, 3y, 4x, 4y)으로 나뉘어질 수 있을 것이다.

또 다른 도시되지 않은 수정 실시예에서, 베어링 판(17)은 크랭크 케이스의 측면상에 직접 닿는 요오크 부재로 나뉘어 질 수 있다. 후술될 실시예로서, 적절한 재료로 제작되고 상대적으로 제한되어 가공된 표면을 갖는 베어링 판은 전적으로 만족스럽게 나타날 수 있도록 만족할 만큼 정교하게 하기 위한 크랭크 케이스 기계 가공은 대단히 큰 표면에 걸쳐 작은 허용 오차를 요한다는 사실을 알 수 있다.

요오크(3, 3', 4) 및 피스톤(2)이 예를들어, 실린더의 벽(1)에 의하여, 도시된 실시예에서 판(17) 및 베어링 슈우(11)에 의하여 위치에 있어 안정화되므로, 피스톤에 대한 안정화 기구로서 대량의 피스톤 스커트에 의존하는 필요성은 감소되어 피스톤 자체는 적게 또는 스커트는 전혀 필요치 않게되고 요오크(3, 3', 4)와 피스톤(2)사이 거리에 있어서 그리고 피스톤 무게에 있어서 아주 크게 감소시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. 따라서 실린더축을 따라서 측방향 크기가 최소이고 단지 피스톤 링(2')이 실린더 벽(1)에 대하여 밀봉시킬 수 있고 요오크 부재(3)의 네크(3')가 짧게 되어 피스톤(2)이 크랭크 축과 크랭크 핀(13)에 의하여 이루어진 회전 표면을 완전히 클리어 시키는 피스톤 및 요오크를 설계할 수 있다.

요오크부재(3)는 지료를 절감시키고 무게를 감소시킬 목적으로 부재번호(3')에 도시된 바와같이 움푹파여질 수 있다.

제3도는 2개의 절반블럭(38, 39)으로 구성된 참조번호(12)에 의하여 표시된 슬라이딩 블럭을 나타낸다.

제3도에 도시된 바와같이, 예를 들어 슬라이딩 블럭(12)의 절반블럭(38, 39)은 요오크(3, 3', 4)의 상하부재(3, 4) 및 크랭크 핀(13') 각각에 의하여 서로 상대적으로 위치를 유지하게 되어 있다.

쇼울더(shoulder)(32)는 크랭크축 및 크랭크 핀(13')에 대하여 슬라이딩 블럭(12)과 요오크 부재(3,4)를 중심을 잡게 유지시킨다.

크랭크 핀(13')의 외측 표면은 져어널 베어링방식으로 부재(38, 39)에 의하여 제공된 원통형 표면(31)과 맞닿는다.

둥근 리세스(recess)(36)는 리세스(36)가 제2도의 크랭크 핀(13')을 여기시키는 윤활통로(13")와 함께 레지스터(resister)에 위치된 원통형 표면(31)에 이루어진다. 리세스(36) 및 쇼울더(32)는 제3(a)도에 절반블럭(39)의 표면 (35)에 나타나 있다. 절반블럭(38, 39)의 상, 하부는 부재번호(33)에서 파여진 표면을 갖고 있으며, 요오크 부재(3, 4)의 표면에 일치하여 맞닿아 있는 슬라이딩 베어링으로서 부재번호(33)의 표면은 제공된다.

리지(ridges)(40)는 요오크 부재(3,4)의 표면에 표시된 절반 블럭(38, 39)을 지지하고, 리지(40)가 요오크 부재(3, 4)의 측면에 걸려 있게 해 준다. 제2도에 잘 도시된 바와 같이 실린더 축(z-z)을 중심으로 요오크의 뒤틀림을 방지하기 위하여 절반 블럭(38, 39)을 지지하는데에서 리지(40)는 또한 제공된다.

축(z-z)을 따라 이동하는 중에 요오크(3)의 위치를 불안정 하게 하는 경향이 있는 엔진의 일부가 연장된 작동중에 마모되는 사실에도 불구하고 리지(40)의 결과로서, 실린더축(z-z)을 따라 그 이동 및 베어링 판(17)및 베어링 슈우(11)와 맞닿음에 있어 요오크(3,4)의 안정화는 개량된다.

원통형 표면(31)의 외주로부터, 윤활구멍(34)은 크로스 채널(41)을 경유하여 파여진 표면(33)과 교류하도록 퍼져있어, 제2도에서 크랭크 핀(13')대 윤활포트(port)(13")에 의하여 방사되고 저널 베어링으로서 원통형 표면(31)을 가로질러 분사시킨 윤활제는 채널(36)과 윤활제 구멍(34)를 경유하여 흘러나가서 채널(41)에서 표면(33)에 도달하고, 크로스채널(41)에 의하여 표면(33)의 전폭을 가로질러 리지(40)내 리세스(42)에 의하여 요오크 부재(3, 4)의 맞닿은 측면 및 리지(40)의 재축을 윤활시킨다.

리세스(36)는 크랭크 핀(13')으로 부터 오일포트(13")가 원통형 표면(31)에 대하여 어디에 위치하든지 간에 크링크핀(13')이 회전하면, 크랭크 핀(13") 포트로부터 윤활제는 일정한 압력하에서 연속적으로 윤활을 제공하는 리세스(36) 속으로 핀을 내보내도록 리세스(36)는 제공된다.

이는 슬라이딩 블럭에 대한 크랭크핀의 회전이 대부분의 회전중에 크랭크핀 윤활포트로부터 윤활의 이동을 막아, 단지 순간적으로 크랭크 핀 오일 포트와 함께 슬라이딩 블럭 윤활 채널의 직접적인 표시(registration)를 허용하므로서 종래기술에 발표된 간헐압력(intermittent pressure)의 윤활과 비교가 된다.

제4도는 제3도에 도시된 바와같이 리세스(42)를 보이도록 크로스채널(41)을 통과하는 단면을 나타낸 슬라이딩 블럭(38, 39)의 단면을 보여준다.

제5도는 표면(33)에서 하나의 절반 슬라이딩 블럭(38)과 맞닿은 크로스채널(41)을 통과하는 단면을 나타낸 요오크(3)의 상세도이다. 부재번호(33)과 (38) 사이 거리는 명확하도록 보다 상세히 도시되어 있다. 구멍(34)으로부터 윤활제를 받아들이는 크로스채널(41)은 리지(40)의 측면에 파여진 채널(42)과 함께 부재번호(46)에서 교류하여, 요오크부재(3)에 대하여 제5도가 상세히 도시하는 요오크(3)의 측면(45) 및 리지(40) 사이에, 명확하게 더욱 확대되어 도시된 공간에 윤활제를 공급하므로서, 요오크 부재(4)에 대하여 비교가능한 외형이 갖게 될 것임을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 크랭크 핀(13'), 슬라이딩 블럭(12) 및 요오크(3, 4)의 모든 베어링 표면은 최소의 마모로 최대의 소명을 확신할 수 있는 연속적인 윤활제 압력으로서 제공되는 것을 알 수 있을 것이다.

제6도 및 제7도는 제2도에 도시한 바와같이, 구멍(15a)을 통과하여 부재번호(16 또는 16")와 같은 볼트에 의하여 요오크에 결합될 수 있는 부재번호(15)와 같은 베어링 부재의 측면도 및 단면도(端面圖)를 각각 나타낸다.

제2도에 도시한 바와같이, 베어링 부재(15)의 베어링 표면(15c)은 베어링 슈우(11)와 맞닿는다.

제2도에 도시한 바와같이, 베어링 판(17)과 맞닿는 베어링부재(15')는 제6도 및 제7도에 도시된 것과 유사한 형태를 갖고있다.

제8도 및 제9도는 제2도 베어링슈우(11)의 평면도 및 측면도이다. 예를 들어, 엔진의 윤활제 라인으로부터 윤활압력과 같은 압력은 표면(11')에 가해져, 베어링 슈우(11)의 슈우(11')의 압력을 전달하고 표면(11

)에서 베어링부재(15)와 맞닿게 된다.

전술한 바와같은 실시예에 의하여, 베어링 판(17)과 베어링 슈우(11) 사이의 베어링 부재(15, 15')와 함께 요오크(3,4)가 있음으로하여 제2도에 도시한 바와같이 축(z-z)을 따라 요오크의 움직임을 안정화시키는 것이 가능하다.

전술내용으로 부터 제2도에서 축(z-z)을 따라 움직이는데 요오크(3, 4)의 작동을 용이하게 하고, 베어링 슈우에 의하여 연속적인 압력으로부터 단일 스트로크를 통하여 요오크를 안정화시키며 본질적으로 일정한 압력의 연속적인 윤활로 요오크(3,4) 및 슬라이딩 블럭(12)의 베어링 표면을 이동하므로서 긴 시간에 걸친 작동으로 요오크를 안정 시키기 위하여 본 실시예에는 압력을 적용하도록 설계되어 있음을 알 수 있을 것이다.

제10도는 서로, 나란히 위치한 실린더 어셈블리(100)의 개략도로서 참고번호(110)에 의하여 도시된 다기통 실린더 엔진을 이룬다. 그러한 다기통 실린더는 "일직선"형태를 가정할 수 있고 또한 양자택일적으로 몇몇 자동엔진 및 그와 유사한 것에 통상적인 V타입 형태를 가정할 수도 있다. 실린더는, 제2도에 도시된 바와같이, 크랭크 축(12)의 축주위 어떠한 위치를 가정하여, 본기술 분야에서 통상의 기술을 가진자에게 잘알려진 실시에 따라 이루어진 기화 및 점화시기를 수용할 수 있음을 본 기술이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 알 수 있을 것이다.

두 부재가 서로서로 지탱하는 제2도 내지 제10도의 전술한 내용에 관하여 서로 지탱하는 요소에 대하여 살펴보면, 결합요소의 양자 또는 하나에 대하여 뉴오요오크 14624, 로체스터, 1170 칠리 애비뉴, 베어리움금속(주) 제품인 "베어리움(BEARIIM)"①로서 알려져 있는 합금을 사용하는 것이 편리하다.

이들 재료가 베어링 슈우(11), 베어링 부재(15, 15'), 베어링 판(17), 슬라이딩 블럭(12), 페그(peg)(41)또는 링(81)에 사용되면 과도한 하중에 견디고 베어링 수명을 연장시키기 위하여, 즉 엔진의 수명을 증대시키기 위한 가장 효과적인 베어링으로서 제공한다.

베어리움(①)금속은 다양한 합금으로 제작된다.

* 대략적인 수치임.

합금 B10은 슬라이딩 블럭, 베어링판 및 베어링 슈우로서 사용하면 대단히 우수한 것이 밝혀졌다.

종래 기술 발표에 비하여 본 발명의 장점은 종래기술에 비교하여 본 발명의 형태를 해석하여 봄으로서 더욱 이해가 될 것이다. 이러한 목적으로서, 제11도 내지 제15도가 유익할 것이다. 종래기술의 하나의 실시예로서, 이미 전술하여 언급한 불(Buhl)의 특허 제1,349,660호의 발표는 맨앞 부분에서 지적한 바 있다. 슬로트(6)의 불(Buhl) 아아크의 곡률 반경이 대단히 짧다는 것은 불(Buhl)의 제1도를 살펴봄으로서 이해될 것이다.

불(Buhl)은 특허의 제1도 및 제2도에 발표한 바와같이 실린더의 직경보다 작은 곡률반경이고 곡률반경이 실린더내에 위치되어 있도록 설계하였다.

볼(Buhl) 엔진의 성능과 여기에서 밝혀진 본 발명의 것과 비교하기 위해서, 불(Buhl) 및 본 발명의 많은 구성요소가 변경할 수 있는 크게 다른 구성요소와 본질적으로 동일하게 유지되어야 한다. 불(Buhl)의 구조와 본 발명의 구조를 비교하기 위하여, 도시된 피스톤(2)이 크랭크 핀(13)의 중심부와 부재버호(14)에서 크랭크 축의 중심과 함께 대략적으로 부재번호(3, 4)로 지칭된 요오크에 연결된 대략도, 제11도를 살펴 볼 필요가 있다.

불(Buhl)특허의 기하학적 형상에 대하여, 2개의 아아크 곡률 중심이 발표되어 있는데, 즉 본 발명 엔진의 곡률반경과 비교될 수 있는 곡률반경을 갖는 참조번호(500, 501)가 발표되어 있다. 곡률(500)의 중심은 화살표(503)에 의하여 도시된 바와같이, 시계방향인 크랭크 축 회전방향으로 불(Buhl)의 특허에 발표된 것에 상응한다.

본 발명에 대하여, 요오크의 슬로트내 아아크에 대한 2개의 곡률 중심이 참조번호(504,504)로 각각 나타나 있다.

크랭크 핀(13)의 중심으로 부터 각각의 곡률중심(500, 501, 504, 505)까지의 거리는 동등하게 선택된다.

제11도에 도시된 바와같이, 크랭크핀(13)의 중심은 불(Buhl)의 엔진과 본 발명 엔진의 구성요소, 즉 각각의 엔진에 대한 슬로트의 아아크 반경 및 곡률 중심의 편심은 논지의 목표로서 유사한 방식으로 나타낼 목적으로 축(z-z)상에 있도록 묘사된다. 그러나 도시된 바와같이, 부재번호(13)의 위치는 본 발명의 엔진 또는 불(Buhl)엔진에 대한 상사점에 있지 않은 것이 관찰될 것이다.

ㄸ라서, 제11도에 도시된 형태는 통상의 크랭크 축 위치 및 회전방향, 통상의 크랭크 핀의 크기, 통상의 실린더 직경과 불(Buhl)엔진 및 본 발명 엔진 모두에 대하여 가능한 슬로트내 아아크에 대한 곡률 중심에서의 통상의 거리를 제공한다.

전술한 형태에서, 참조번호(500)의 곡률 중심을 갖는 볼(Buhl)의 엔진에서 요오크는 제11도에서 참조번호(500')로 표시된 슬로트에 대한 아아크를 갖는 동시에 참조번호(501)에서 곡률 중심을 갖는 불(Buhl)의 엔진은 아아크(501')를 따라 이루어진 요오크 아아크를 갖게 될 것이다.

유사하게도, 참조번호(504)에 곡률 중심을 갖는 본 발명에 따른 엔진은 참조번호(504')에서 이루어진 요오크내 슬로트에 대한 아아크를 갖게 될 것이며 엔진에 따른 참조번호(5050)에서 곡률 중심을 갖는 다른 변형실시예는 라인(505')를 따라 형성된 요오크내의 아아크를 갖게 될 것이다.

따라서 크랭크축의 특정 회전방향을 크랭크 핀이 갖게되는 각각의 위치로서, 아아크곡률 중심과 아아크 반경의 위치관게로 인한 엔진의 작동시에 슬로트 아아크의 관계는 본질적인 차이를 발생시킨다는 것을 알 수 있을 것이다.

전술한 차이들은 피스톤 변위총량에 차례로 크게 영향을 끼쳐, 크랭크핀의 어느 특정 위치에 대하여, 제11도에 도시된 형태의 요오크 슬로트 아아크 곡률 중심의 다른 위치에 의하여, 크나큰 차이가 압축시 수반되는 차이와 함께 피스톤 변위에 존재하게 될 것이다.

제11도에서, 곡률 중심을 갖는 불(Buhl)의 엔진에 대하여 변형실시예 사이에서 피스톤 변위의 관계는 다음의 제12도 내지 제16도의 논의시 참조번호(504)에서 곡률중심을 갖는 본 발명에 따른 엔진 형태와 이제 비교될 것이다.

불(Buhl)에 의한 엔진에 대하여, 그리고 크랭크 핀의 중심에서 상이한 편심 및 상이한 거리의 곡률 중심을 갖는 본 발명에 의한 엔진에 대하여 유사한 해석이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 엔진에 대하여, 그러한 곡률 중심의 실시예는 참조번호(505)일 것이다. 설명을 간단히 하기 위하여 단지 곡률 중심(504)은 불(Buhl)의 곡률 중심(500, 501)과 관련을 지어 논의하고자 한다.

종래의 엔진과 본 발명에 따른 엔진에 대한 피스톤 변위는 표4에서 사용된 식으로 계산될 수 있다.

[표 4]

피스톤 이동거리의 계산(제11도내지 제15도 참조)

제12도 및 제13도는 제11도에 도시한 바와같이 참조번호(500)에 위치한 곡률중심을 갖는 불(Buhl)의 엔진과 제11도의 참조번호(504)에 위치한 곡률중심을 갖는 본 발명에 따른 엔진을 비교하여 개략적으로 도시하였다. 제12(a)도에서, 0˚, 상사점에서 대하여 크랭크핀은 크랭크축(14)의 중심 주위의 참조번호(13)에 위치되며, 곡률중심(504)에 대한 아아크는 크랭크핀(13)의 중심으로 그려진 원에 접하는 참조번호(504')에 도시되어 있다.

불(Buhl)곡률 중심(500)의 상사점에 대한 비교가능한 위치는 크랭크핀(13)에 의하여 그려진 원에 다시 접하는 참조번호(500')에 도시된 제12c도의 90˚에 나타나 있다.

제12(a)도에서 0˚와 제12(c)도에서 0˚를 비교하면 실린더축(z-z)으로부터 측정된 각도는 곡률반경 및 유사한 편심거리르 허용하지 않는 2엔진에 대해서 서로 다른 것을 알 수 있을 것이다. 이는 지점(500, 504)이 도시된 바와같이 크랭크 핀(13)의 위치로 부터 대칭을 이루어 제11도에 도시되어 있을지라도, 상사점을 결정하는 접선 지점은 실린더 축(z-z)에 대하여 상이한 각도를 발생시키기 때문이다.

다른 방식으로서, 두 엔진에 대한 슬로트의 동일한 곡률 반경과 실린더축(z-z)으로부터 각 곡률중심(500, 504)의 동일한 편심이 주어지면, 크랭크핀의 중심에 의하여 그려진 원과 접하는 접선의 지점은 크랭크핀의 중심에 의하여 그려진 원을 따라 상이한 지점에서 발생된 것이다.

상사점, 즉 0˚위치는 본 발명 엔진 및 불(Buhl)의 비교 가능한 엔진에 대하여 제12(b)도에서 각각 참조번호(510, 510')로 도시된 바와같이 피스톤(2)에 대한 변위가 0임을 알 수 있을 것이다.

제12(d)도에 도시된 바와같이, 크랭크핀의 상사점 회전으로부터 30˚에서, 피스톤 변위는 상사점에서 과거와 마찬가지로 더이상 도일하지 아니하다. 제12(e)도에서 참조번호(511)로 도시된 본 발명에 따른 엔진의 변위는 불(Buhl)엔진이 제12(f)도에서 30˚로 되어 있듯이, 비율 0.096 내지 0.190에 의한 불(Buhl) 엔진에 대한 피스톤 변위(511') 보다 크게 작다.

제12(g)도 내지 제12(i)도에서 상사점으로부터 60˚에서, 피스톤변위는 증가되어 제12(h)도의 참조번호(512)에서 본 발명의 변위는 참조번호(512')에서 불(Buhl) 의 엔진의 0.710의 변위를 갖고 있는데 비하여 0.360의 값을 갖고 있다.

제13(a)도 내지 제13(c) 도에서 계속하여 분석하여보면, 크랭크축이 상사점으로부터 90˚회전하면, 본 발명 엔진은 제13(b)도의 참조번호(513)에서 0.765의 변위값을 갖게되는데 반하여 불(Buhl) 엔진은 참조번호(513')에서 1.369의 변위를 보여준다. 제13(d)도 내지 제13(f)도에서 상사점으로부터 135˚의 크랭크핀 회전시에, 본 발명엔진은 1,527값으로 제13(e)도에서 참조번호(514)에 도시된 변위를 갖는 반면 불(Buhl) 엔진은 참조번호(514')에서 2.028값의 변위를 보여준다.

끝으로 크랭크축이 제13(g)도 내지 제13(i)도에서 상사점으로부터 180˚회전한 다음, 제13(h)도에서 본 발명의 엔진은 참조번호(515)에서 2.092의 변위를 보여주는 반면, 불(Buhl) 엔진은 참조번호(514')에서 2.114의 변위를 갖는다.

제11도에서 참조번호(504)에서 곡률중심을 갖는 엔진에 따르면, 상사점(13')으로부터 지점(14")까지 180˚회전을 하사점에 도달하지 아니하나 오히려 지점(13"')에서 크랭크핀(13)이 더욱 회전할 필요가 있음을 알 수 있을 것이다.

이 지점에서, 요오크아아크곡률중심은 지점(504")에서 실린더 축(z-z)에 평행방향으로 실린더내에 위치되었다.

상사점(13')이 축(z-z)의 좌측에 있는한, 곡률중심(504)을 통과하고 실린더 축에 평행인 라인상에 있는 지점(600)까지 상사점으로부터의 거리는 참조번호(13'"-601)에서 비교할 수 있는 라인보다 더 크다. 따라서 실린더 축(z-z)과 라인(13'"-504")에 의하여 이루어진 각은 실린더축(z-z)과 라인(13'-13"-504)에 의하여 이루어진 각 보다 작다는 것을 알 수 있다.

이는 크랭크핀이 참조번호(13")를 통과하므로 이때 하사점과 같은 지점(13'")에도 통과해야 한다는 것을 의미한다. 180˚회전만큼 상사점으로부터 크랭크핀의 움직임을 통하여 본 발명에 따른 엔진이 크랭크핀의 비교 가능한 회전에 대한 불(Buhl) 엔진보다 더 적은 피스톤변위를 갖게 된다는 것은 명백할 것이다. 본 발명에 따른 엔진의 그러한 특성은 불(Buhl) 엔진의 작동과 비교되는 같은 시간동안 고압하에서 연소될 것임을 확신시켜 준다.

상사점으로의 복귀스트로크의 비교가능한 분석은 본 발명의 엔진이 불(Buhl)의 엔진보다 빠르게 복귀한다는 것을 알 수 있을 것이다.

제14도 및 제15도는 제11도에서 지점(501)에서 곡률중심을 갖는 불(Buhl) 엔진과 참조번호(504)에서 아이크에 대한 곡률 중심을 갖는 본 발명에 따른 엔진을 비교하여 나타내었다.

제14(a)도의 0。는 크랭크핀의 중심에 의하여 그려진 원에 접하는 아아크(504')와 함께 본 발명에 따른 엔진의 상사점을 표시하는 한, 제12(a)도에서 0。에대한 도면과 동일하다.

제11도에 도시된 바와같이, 곡률반경(501)이 실린더축(z-z)의 우측에 있으므로, 슬로트에 대한 아아크가 크랭크핀의 중심에 의하여 그려진 원에 접하는 상사점이 제14(c)도의 0。에서 실린더축의 우측에 있게 된다.

불(Buhl) 엔진에 대한 피스톤변위는 제14(b)도의 참조번호(510")에서 0。으로 도시되어 있다.

제14(d)도에 도시된 바와같이, 크랭크핀이 팽창행정으로 30。회전되면, 볼 발명에 따른 엔진에 대한 피스톤변위는 전술한 바와같이 0.096의 값을 갖게됨을 제14(e)도의 참조번호(511)에서 보여준다. 제11도에서 곡률중심(501)과 함께 불(Buhl)엔진에 대한 비교 가능한 30°회전은 0.174란 값으로 제14(e)도의 부재번호(511")에 도시되어 있다.

제14(g)도, 제14(h)도 및 제14(i)도에서 팽창행정으로 60°회전은 제14(h)도의 참조번호(512")에서 0.606이란 값의 피스톤 변위를 갖는 불(Buhl) 엔진과 비교해볼 때, 전술한 바와 같이, 참조번호(513)에서 도시된 0.360이란 값을 갖는 피스톤 변위를 보여준다. 제15(a)도, 제15(b)도, 및 제15(c)도에서 본 발명에 따른 엔진이 제15(b)도의 참조번호(513)에서 도시된 0.765값을 갖는 피스톤 변위를 갖는 팽창행정으로 회전이 1.123값을 갖는 불(Buhl)엔진에 대한 참조번호(513")에서 도시된 피스톤 변위와 비교되어 진다.

전술한 바와같이, 제15(d)도, 제15(e)도, 및 제15(f)도에서 135°회전시엔 본 발명에 따른 엔진은 제15(e)도의 참조번호(514)에서 1.527의 값을 갖는 피스톤 변위를 하게 되는데, 이에 비하여 불(Buhl) 엔진은 참조번호(514")에서 1.775의 값을 갖는 피스톤 변위를 하게 된다.

끝으로, 제15(g)도, 제15(h)도 및 제15(i)도에서 180°회전시엔 본 발명에 따른 엔진은 제15(h)도의 참조번호(515)에서 2.092의 값을 갖는 피스톤 변위를 하게되는데, 이에 비하여 불(Buhl) 엔진은 참조번호(151")에서 2.114의 값을 갖는 피스톤 변위를 하게 된다.

제11내지 제15도에 대하여 전술한 내용으로부터, 크랭크핀의 같은 반경과 슬로트의 같은 곡률반경이 주어지므로, 불(Buhl)엔진이 제11도에 도시된 바와같이, 실린더 축의 좌, 우측 어느 곳에 곡률중심을 갖더라도 상관 없음은 명백한 것이다.

어느경우에도, 본 발명에 따른 엔진은 상사점으로부터 팽창행정으로 주어진 회전각에 대한 불(Buhl) 엔진의 피스톤 변위 보다 더 작은 피스톤 변위를 갖게되며, 따라서 본 발명에 따른 엔진이 효율면에서 수반되는 이점을 갖는 팽창행정을 통하여 어떤 주어진 시간에 걸쳐 더욱 크게 압축을 시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다.

상기 분석에서 주어진 수치는 크랭크 핀에 대하여 가정된 크기와 요오크 슬로트 아아크의 곡률중심 실린더축으로부터 편심에 기초를 둔 표2의 식을 이용하여 계산되며 그 숫자는 단지 예시적인 것이고 본 발명 엔진과 불(Buhl) 엔진 사이 형태를 비교하여 볼때 크기에 대한 그들 관계는 본 발명에 따른 엔진의 월들한 효율을 보여주는 것을 알 수 있을 것이다.

상기 분석이 불(Buhl) 엔진에 대하여 이루어졌으며, 그 설명이 단지 예시적이며 그 분석이 아아치형태 슬로트 요오크를 갖는 다른 종래의 기술에서 적절하다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 한 실시예를 도시하였으며, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니고, 본 발명 기술에 속한 통상의 지식을 가진자에겐 잘 알려진 바와같이 다양한 변경과 수정이 가능하며, 따라서 여기서 기술되고 도시된 상세한 살명에 제한을 받지 않기를 원하며 그러나 첨부된 청구범위의 범위에 의하여 한정된 바와같이 그러한 모든 수정 실시예에도 범위가 미침을 알 수 있을 것이다.

Claims

크랭크 축의 핀 회전을 위하여 내부에 설치된 크랭크 축과 함께 수반하는 크랭크 케이스 및 제1 축과 함께 적어도 하나의 실린더를 갖는 내연기관용 장치에 있어서, 제1 축을 따라 움직이도록 실린더내에 배치된 피스톤, 제1 축을 따라 움직이도록 피스톤에 연결된 요오크, 상기 요오크와 맞닿게 하는 슬라이딩 블럭으로 구성되고 비대칭의 압축 및 팽창행정 시간을 조정하기 위한 수단이 슬라이딩 블럭상에 짝을 이루는 표면을 압축 및 팽창시간에 걸쳐 맞닿게 하는 상기 요오크상에 적어도 하나의 커어브진 표면을 갖고 있고, 압축 행정에서 보다 팽창행정중에 연소에 요하는 더긴 시간을 유지하도록 제1축에 대하여 배치되는 피스톤 및 커어브진 표면으로부터 떨어져 위치한 크랭크축의 축부상 크랭크 축으로부터 떨어져 위치한 1개의 곡률중심을 갖고 있으며, 여기에서 상기 슬라이딩 블럭의 상사점은 상기 피스톤의 상사점 이후에 발생되도록 이루어진 요오크 및 슬라이딩 블거으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제1항에 있어서, 커어브진 표면의 곡률중심이 제1축에서 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제2항에 있어서, 커어브진 표면의 곡률중심이 상사점으로 부터 팽창행정 중에 슬라이딩 블럭에 의하여 점유된 측부상 제1축으로부터 편심인 것을 특징으로 하는 내연기관.
제1항에 있어서, 다기통 실린더를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제1항에 있어서, 2행정 사이클을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제1항에 있어서, 4행정 사이클을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제1항에 있어서, 연소분사 작동을 위하여 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관.
크랭크 축의 핀회전을 위하여 내부에 설치된 크랭크 축과 함께 수반하는 크랭크 케이스 및 제1축과 함께 적어도 하나의 실린더를 갖는 내연기관용 장치에 있어서, 제1축을 따라 움직이도록 실린더내에 배치된 피스톤, 제1축을 따라 움직이도록 피스톤에 연결된 요오크, 팽창 및 압축 해정에 걸쳐 곡선운동의 단일의 곡률중심을 중심으로 이에 대하여 곡선운동하는 상기 요오크와 맞닿는 상기 슬라이딩 블럭으로 구성되고, 슬라이딩 블럭의 상사점이 상기 피스톤의 것 이후에 발생 되도록 크랭크 축에 대하여 피스톤이 측부가 마주하는 대향 측부상에 곡률중심이 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제8항에 있어서, 곡선운동의 곡률중심이 상기 제1축으로 부터 편심인 것을 특징으로 하는 내연기관.
제9항에 있어서, 커어브진 표면의 곡률중심이 상사점으로 부터 팽창행정중에 슬라이딩 블럭에 의하여 점유된 축부상 제1축으로부터 편심인 것을 특징으로 하는 내연기관.
제9항에 있어서, 곡선운동의 곡률중심이 엔진에 대한 동적 압축비에 영향을 주도록 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제1 세로방향축으로 적어도 하나의 실린더를 갖고 있고, 상기 축을 따라 움직일 수 있는 부착된 요오크와 함께 피스톤을 갖고 있는 내연기관용 장치에 있어서, 선결된 소정시간의 팽창행정을 조정하고, 상기의 선결된 소정시간보다 짧은 시간의 압축행정을 조정하기 위한 곡선으로 이루어진 슬로트로 구성되고, 상기 곡선으로 이루어진 슬로트는 슬라이딩 블럭의 상사점이 상기 피스톤의 것 이후에 발생되도록 크랭크축에 대하여 피스톤이 측부가 마주하는 대향 측부상에 곡률중심이 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제12항에 있어서, 커어브진 표면의 곡률중심이 제1축으로 부터 편심인것을 특징으로 하는 내연기관.
제13항에 있어서, 커어브진 표면의 곡률중심이 상사점으로부터 팽창 행정중에 슬라이딩 블럭에 의하여 점유된 측부상에 제1축으로 편심인 것을 특징으로 하는 내연기관.