KR960000437B1 - 왕복운동기계 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

왕복운동기계

본 발명은 넓게는 왕복 운동 기계에 관한 것으로서, 특히 2 싸이클의 불꽂점화에 적합한 내연기관에 관한 것이다.

종래의 내연기관은 적절한 타이밍 조정(tune)이 매우 어려운 것으로 알려져 왔다. 그럼에도 불구하고, 통상적인 엔진 및 기타의 엔진의 가변 밸브 타이밍 방식이 잘 알려져 있는 바, 이 방식은 대개 크랭크 샤프트와 밸브 캠 샤프트 사이의 회전 관계를 조정함으로써 수행된다. 크랭크 샤프트와 밸브 캠 샤프트 사이의 타이밍을 조정하기 위한 장치가 제안되었는데 예를들면 영국 특허 제 2109858 호를 보면 흡입 및 배기 밸브에는 분리된 캠 샤프트가 제공되어 흡입 및 배기 밸브 사이의 밸브 타이밍의 오버랩핑이 바람직하게 변화하도록 상기 각각의 캠 샤프트를 조정할 수 있다.

각각의 대향 피스톤에 의해 포트가 개폐되는 다른 경우, 피스톤 사이의 위상관계 (phase relationship)를 조정하는 조정장치가 제공된다. 이러한 장치는 독일연방공화국 특허 제 616,451호와 미합중국 특허 제 2,113,480호, 제 2,401,188호 및 영국 특허 제 584,783호에 제안되어 있다. 영국 특허의 경우, 터보 과급기(turbocharger)가 흡입 포트와 연결되어 있다. 이 엔진에서, 예를들면 엔진부하에 따른 피스톤 타이밍의 조정은 압축비를 변화시키기 위하여 다소 효과가 있고 그에 따라 밸브 타이밍을 조정하지만 분명 밸브 타이밍을 독립적으로 조정할 수는 없다. 더우기 피스톤 사이의 위상 관계를 변화시키면 크랭크 샤프트와 피스톤의 제위상에 있는 경우에 발생하는 각 실린더내의 매우 높은 수준의 동적평형(dynamic balance)을 훼손하거나 감소시키게 된다.

본 발명의 목적은 왕복 운동기계의 전술한 단점을 완화시키는데 있다.

본 발명자들은, 내연기관에서 밸브 타이밍을 성취함에 있어서 부딪히는 난점이 흡입 및 배기 포트 및/도는 이와 관련된 밸브의 위치에서 야기되며, 종래의 대부분의 엔진, 특히, 4 싸이클 기관에서 포트들이 인점함으로 인해 야기된다는 점을 인식하였다. 대부분의 경우, 흡입 및 배기 포트는 상사점에 인접한 가용 공간에서 실린더 헤드에 위치하며, 피스톤과 밸브 사이의 타이밍 관계를 조금이라도 조정하면 피스톤과 밸브가 서로 간섭하게 되고 그 결과로 엔진에 손상을 가하게 된다. 흡입 및 배기 포트용 밸브들 간의 타이밍 관계를 조정할 수 있다하더라도, 그 조절은 밸브 사이의 간섭을 피해야할 필요성에 의해 제한되게 된다.

흡입 및 배기 포트를 인접하게 배치하기 때문에, 흡입 및 배기 개스가 역류 또는 환류될 수 있으며, 밸브 타이밍의 조정은 바람직하지 못한 역류유동을 피할 수 있을 정도로 충분히 작아야 한다. 본 발명의 발명자는 밸브 개폐 수단으로 작용하는 피스톤들 간의 위상관계를 조정하는 것인 밸브개폐 수단간의 위상 관계를 조정하는 실질적인 목적에는 만족스럽지 못하다는 것을 인지하였다.

따라서, 본 발명은 작동 체임버를 형성하는 수단과, 상기 체임버내에서 왕복운동하는 적어도 하나의 피스톤과 연결되어 왕복 운동을 회전 운동으로 또는 그 반대로 변환하기에 적합한 변환수단과, 작동채임버용 흡입 및 배기 포트와 상기 피스톤에 부가된 상기 포트용의 각 밸브 수단으로 구성되고, 상기 흡입 및 포트는 상기 작동 채임버의 각 단부 또는 그에 인접한 곳에 배치되어 변위 수단과 밸브 수단의 변위간의 타이밍 관계를 조정하기 위한 수단이 제공되어 있어서 각 밸브 수단 간의 관계를 타이밍 조절할 수 있는 왕복동기관을 제공한다.

왕복운동 기계는 작동 체임버에서 작동하는 점화 수단을 구비하고 2 싸이클로 작동되는 엔진을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 흡입 및 배기 유동을 정확히 조정하고 원한다면 흡입 및/또는 배기 개스의 역류를 완전히 배제하도록 흡입 및 배기 포트를 이격시킴으로서, 밸브 타이밍을 넓은 범위로 무한히 변화시킬수 있다. 또한 작동 체임버의 각 단부에서 또는 그와 인접한 곳에서 밸브 수단을 분리함으로써 이들이 충돌하는 것을 막고, 피스톤과 밸브 수단중의 하나와의 충돌 위험성은, 그 하나의 밸브 수단을 단지 약간 조정하거나 전혀 조정하기 않는 한편 다른 밸스 수단은 충분히 조정가능하게 함으로써, 또는, 상기 밸브수단으로서 슬리이브형 밸브와 같이 충돌이 일어나지 않는 밸브를 이용함으로써 완화될 수 있다. 그러나 일반적으로 본 발명은 슬리이브형 밸브, 포핏 밸브 및 로터리 분포형 밸브를 포함하는 여러가지 형태의 밸브 수단의 조합 구조에 적용가능하며 흡입 및 배기 밸브 수단이 모두 타이밍 조정 가능하다. 본 발명이 쉽게 적용될 수 있는 엔진의 예는 실린더 헤드 포핏 배기 밸브와 하사점 근처의 실린더에 흡입 포트가 있는 디트로이트 디젤엔진과 리카르도 슬리이브 밸브 엔진이 있다.

넓은 범위에 걸친 실질적으로 무한한 밸브 타이밍 변화는 흡입 타이밍, 배기 타이밍, 유효 압축비, 유효 팽창비, 배기 “블로우 다운(blow down)” 주기 및 과급 주기를 변화시킬 수 있게 한다. 이러한 변화 범위는 예를들면 경주용 차량 엔진에서 가족 승차용 세단에 쓰이는 저마력 엔진까지 왕복동 기관의 특성을 변화시킬 수 있게 한다. 밸브 타이밍은 엔진 작동중에 조정될 수 있으며, 복식 캠과 편심기 및/또는 다른 적당한 작동 기구를 사용함으로써 타이밍의 변화는 연속적으로 뿐만 아니라 각 싸이클 범위내에도 실행될 수 있다.

“유효 압축비”란 각 싸이클중에 작동 체임버가 밀폐 압축되기 시작하는 제 1 순간에서의 작동 체임버의 용적을 각 싸이클중에 작동 체임버의 최소 용적으로 나누 것을 말하며, “유효 팽창비”란 각 싸이클중에 작동 체임버가 배기를 위해 개방되는 제 1 순간에 차지하는 작동 체임버 용적을 작동 체임버의 최소 용적으로 나눈 것을 의미한다.

밸브 타이밍을 정밀하게 조정할 수 있다는 본 발명의 한가지 특별한 장점은 2 싸이클 엔진을 터보 과급기와 최적으로 결합할 수 있게 한다. 터보과급의 이점은 잘 알려져 있고 오랫동안 4 싸이클 엔진에 성공적으로 이용되어 왔다. 그러나 2 싸이클 엔진에 터보과급을 이용하는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 왔는데, 이는 주로 속도의 3제곱 함수로 증가되는 엔진의 흡입 메니폴드 압력과 상당히 상이한 터보 과급기의 배출압력과 특성간의 상충됨과, 2 싸이클 엔진이 통상의 4 싸이클 엔진에서 자연적으로 발생하는 흡입 싸이클을 제공할 수 없다는 점 때문이다.

이러한 문제는 본 발명에 의해 해결된다. 두 밸브 수단 간의 조정은 2가지 주목할만한 순간적 타이밍 관계를 가능하게 했는데 이는 다음과 같다, 즉,

ⅰ) 가온의 재시동(warm re-start)이 요구될때, 배기 밸브를 조기 개방하면, 터보 과급기를 구동하기 위해서 실린더 내의 고온 잔류개스의 압력, 열, 운동 에너지중 한가지 이상을 이용할 수 있게 하며,

ⅱ) 일반적인 시동, 특히 저온 시동의 경우에, 압축비를 상승시키도록 밸브 타이밍이 조정될 수 있는데, 그 압축비는 후속 작동 과정에서 다시 감소된다. 대체로 밸브 수단은 한개 이상의 크랭크 샤프트를 포함하는 변환 수단에 의해 구동되는데, 구동 수단은 타이밍 벨트로 알려진 내부에 톱니가 형성된 벨트 또는 기어열, 크랭크 및 핀 또는 편심기와 종동 기구를 구비할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 소정의, 또는 모든 조정가능한 밸브에 대한 구동 수단은 헬리컬 기어를 구비하는 헬리컬 기인 체인(helical gear chain)을 포함하여, 그 헬리컬 기어는 축방향으로 움직일 수 있어 기어 체인을 통해 위상을 변화시킬 수 있다.

초기의 내연기관에서 포펫 밸브 장치는 과도한 소음과 이상폭발 및 조기 점화를 일으키는 단점을 가졌다. 이에 대한 대안으로 슬리이브 밸브가 최근의 상업용 엔진, 특히 항공기 엔진에 사용되어 왔다. 슬리이브 밸브 엔진의 역사는 긴 수명의 슬리이브 밸브엔진을 다수 발명하였고 이들 엔진들의 성능 및 최적 설계에 대해 광범위하게 연구한 해리 리카르도 경(Sir Harry Ricardo)의 “고속내연기관”(런던의 블랙키 앤드 손 리미티드사에서 발행)이란책에 잘 나와 있다.

슬리이브 밸브 엔진은 많은 중요한 장점을 갖고 있는 것으로 판명되었다. 이 엔진의 기계적 효율과 연료 소모율은 아주 우수하며, 질화강으로 구성된 왕복 슬리이브와 실린더 배럴 및 피스톤 사이의 계면에서 기대 이상의 낮은 마찰 손실을 갖는다.

슬리이브가 종향향 및 원주방향으로 왕복 운동 한다면, 슬리이브와 실린더 배럴 사이는 탁월하게 윤활된다. 리카르도 엔진은 슬리이브 또는 피스톤 운동에서의 심각한 문제 없이 장시간 작동되었다. 이 엔진은 소음이 없고, 액체 냉각식 슬리이브 밸브의 피스톤 온도는 실제로 동일한 용적과 출력을 내는 포펫 밸브에서보다 조금 낮은 것으로 판명되었다. 이는 슬리이브와 실린더벽 사이의 유동 오일막이 피스톤으로 부터 열을 대류하기에 매우 효과적이기 때문이다. 실린더 헤드가 포트나 밸브에 의해 제한되지 않기 때문에, 연소실의 크키 및 형태를 완전히 자유롭게 정할 수 있다.

이러한 장점은 특히 2 싸이클 엔진에 적합하나, 2 싸이클 슬리이브 밸브 엔진의 상업적 이용성을 반감시키는 몇가지 중요한 단점들이 발견되었으며, 또한 초기 포펫 밸브 엔진의 주요 단점들은 그 후에 해결되었다. 리카르도는 전술한 그의 저서 387P에서 다음과 같은 2가지 중요한 난점을 설명하였다.

1. 질화된 슬리이브는 슬리이브의 단부가 그 역할을 할 수 없을 정도로 마모될때까지 2000 내지 4000시간의 수명을 갖는다. 이러한 수명은 구용 항공기에 대해서는 충분히 길지만 보통의 상업적 용도의 경우에는 충반할 정도로 길지는 않다. 상기 상단부의 마모속도를 감소시킬 수 있는 수단들을 찾아야 할 것이다.

2. 단부가 개방된 슬리이브가 모든 작동 조건하에서 완벽하게 밀봉하는듯 하지만, 저온에서 시동을 걸면 완전하게 밀봉하지 못하므로, 저온에서의 시동을 위해서는 압축점화가 가능하도록 어느 정도 두께의 오일을 분사하는 분사 수단과 같은 것이 반드시 필요하며 ; 이는 오히려 바람직하지 못한 특성이다.

슬리이브의 상부의 마모는, 이 부분이 전체 배기 개스 유동에 노출되거나 또는 실린더 배럴 또는 헤드의 상부와 기계적으로 간섭하기 때문에 생기게 된다. 슬리이브 엔진의 부차적인 단점은, 정크헤드(junkhead)로 알려진 너무 부피가 크고 비싸며 공기 냉각 방식에서 불필요하게 열손실이 생기는 재-유입헤드(re-entrant head)를 적절히 냉각시키기 어럽다는 점이다.

4.싸이클 슬리이브 밸브 엔진의 경우 리카르도가 설명한 2가지 문제는 없지만 정크 헤드가 있음으로 해서 상업적으로 개발되기에는 커다란 장애가 되고 있다.

리카르도는 인식하지 못했지만 포크만의 영국 특허 제 497,300호와 린제이의 영국 특허 제 1,015,189 호에 기재된 상기 문제의 한가지 해결방법은 슬리이브 밸브를 대향 피스톤 엔진에 적용하는 것으로, 즉 한쌍의 대향 피스톤에 배기 및 흡입 포트용 밸브를 구비한 각각의 슬리이브를 제공하는 것이다. 대향 피스톤 엔진은 상당히 성공적이었고, 호평을 받았으며 그 전형적인 예는 정커스 점보(Junkers Jumbo), 루츠 대젤(Rotes Diesel) 및 내피어 델틱(Napier Deltic) 엔진이 있으나, 이 모두는 피스톤 조정 밸브 장치에 종속된다. 포크만 또는 린제이 설계의 대향 피스톤 엔진이 리카르도가 제시한 장점에도 불구하고 제 2차 세계대전 말기 이후 역사적 호기심으로만 남아있고 상업적으로는 이용되지 못했다. 본 발명은 피스톤이 대향 형태든 아니든 상기 장점이 실현되도록 할 것이다.

이제 슬리이브 밸브 엔진에 관해 설명하면, 각 슬리이브는 원주방향 및 종방향으로 왕복 운동하도록 구성되는 것이 바람직하다. 원주방향 행정거리는 종방향 행정거리의 적어도 20%인 것이 바람직하다.

작동 체임버에서 대향 배치된 2개의 피스톤 및 이격 배치된 흡입 및 배기 포트용의 개별적 슬리이브 밸브 형태의 슬리이브 밸브 장차의 경우에, 각각의 슬리이브는 각 피스톤에 대해 왕복 운동하도록 하는 것이 유리하다. 2개의 피스톤에서, 피스톤마다 각 크랭크 샤프트가 마련되고, 별도의 구동 수단과 연결된 상기 크랭크 샤프트에 의해 슬리이브가 왕복 운동하는 것이 바람직하다. 상기 크랭크 샤프트는 내부에 톱니가 형성된 벨트에 의해 직접 연결되며, 부하를 받는 구동축은 상기 한개 또는 두개의 크랭크 샤프트에 평행하거나 동축으로 연결되는 것이 바람직하다.

흡입 포트는 과급기에 연결되는 것이 유리하며 배기 포트로 부터의 생성물에 의해 구동되도록 장착되어 있는 터보 과급기에 연결되는 것이 가장 유리하다.

본 발명의 실시예는 첨부도면을 참조하여 상세히 설명된다.

제1도는 피스톤이 상사점 근처에 있는 본 발명에 다른 2 싸이클 피스톤이 대향 배치된 슬리이브 밸브형 엔진의 축방향 단면도.

제2도는 제1도의 엔진의 한 단부의 확대도.

제3도는 제2도와 비슷하지만 단독으로 작동되도록 개조된 제 2 도와 비슷한 엔진의 한 단부의 확대도.

제1도 및 제2도를 참조해보면, 중앙 횡평면 A-A에 대해 대체로 대칭을 이루는 도시된 2 싸이클 대향 피스톤 엔진(8)은 작동 체임버를 형성하는 실린더 배럴(12)을 둘러싸는 주조 엔진블록(9)과 덮개부(35)를 갖는 크랭크 케이스(14),(15)를 포함한다. 상기 엔진은 또한 각각의 크랭크 샤프트 조립체(16),(17)와, 톱니가 형성된 벨트(24)에 의해 타이밍 조정되는 작동 체임버내의 왕복 운동을 위해 커넥팅로드(20),(21)에 의해 크랭크 샤프트 조립체(16),(17)에 연결되어 있는 한쌍의 대향 피스톤(18),(19)을 포함한다. 배럴(12)과 크랭크 케이스 조립체(14),(15)는 편의 상 단일 주조품으로 도시되어 있지만 상황에 따라 변경될 수 있다. 제1도에는 제위상에 있는 크랭크 샤프트와, 실린더 배럴(12)내의 포트(26),(27)링의 내측에 위치하며 상사점에 있는 피스톤이 도시되어 있다. 크랭크 샤프트는 원하는 대로 위상을 세팅할 수 있으며, 예를들면 2 싸이클식에서 소기(掃氣) 작용을 향상시킬 수 있다. 포트(26),(27)는 흡입 매니폴드를 포함하여 덕트(25a),(29a)와 연동하는 원형 매니폴드(25),(29)쪽으로 개방된다. 매니폴드와 이에 연결된 덕트의 정확한 구조는 도시되어 있지 않고 제1도에 개략적으로만 도시되어 있다. 흡입 덕트(25a)는 터빈(94)에 의해 구동되는 송풍기(92)를 갖는 터보 과급기 조립체(90)의 축구와 연결되어 있다. 터빈(94)은 덕트(29a)를 따라 이동하는 배기 캐스에 의해 동력을 공급 받는다.

연소체임버(13a)는 실제로 피스톤(18),(19)의 헤드(30),(31)에 있는 한쌍의 공동(28)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 공동(28)은 구형이지만, 또다른 형상을 원한다면, 피스톤 헤드 또는 분리된 크라운(crown)을 편평하거나 볼록하게할 수 있다. 연소 체임버에 대한 불꽃 점화 및/또는 분사의 출입을 위하여 실린더배럴(12)에는 원주방향으로 이격 배치된 점화용 포트(32)와, 그것에 일치하는 요홈(32a)을 갖춘 피스톤에드(30),(31)이 설치되어 있다. 압축점화용 분사장치(1),(1)이 도시되어 있지만 필요에 따라 점화 플러그를 대체할 수 있음을 강조하고자 한다.

크랭크 케이스 조립체와 크랭크 샤프트 조립체는 실질적으로 동일하므로 제1도에서 도시된 바와 같은 엔진의 상단부만을 상세하게 설명하기로 한다. 이 상단부를 제2도에 확대도시하였다. 크랭크 샤프트 조립체(16)는 한쌍의 동축 크랭크 샤프트 즉 드라이브 크랭크 샤프트(40)과 타이밍 크랭크 샤프트(41)을 갖는다. 상기 두개의 크랭크 샤프트는 크랭크 케이스(14)의 크랭크 케이스 커버(35)에서 이격된 롤러베어링(42) , (44)에 의해 지지된다. 크랭크 샤프트 조립체는 관형 크랭크 핀(46)과, 피스톤(18)에 있는 횡단 구멍(51)에 유지되는 거전 핀(gubgeon pin)(50)과, 각각의 롤러케이스 (54),(55)내에 크랭크핀(46)과 거전핀(50)을 수용하는 커넥팅 로드(20)을 구비한 통상적인 장치에서 피스톤과 연결된다.

두개의 타이밍 크랭크 샤프트(41)은 크랭크 샤프트(40)를 통하여 타이밍 벨트 (24)용 풀리(60)(61)(제1도에서) 각각에 키이로 고정된다. 장비를 견고히 한다고 하는 통상적 이유뿐 아니라 아이들러 풀리(idler pulley)가 없을때에 타이밍 벨트에 인장력을 줄 목적으로, (40a)로 도시된 바와 같이 테이퍼진 장착기구를 이용한다.

실린더 배럴(12)에는 한쌍의 긴 슬리이브 밸브(10),(11)가 장착되는데, 그 밸브들은 슬리브에서 구멍(26a)(27a)의 이격된 리엥 의해 포트(26),(27)에서 밸브 조정 작용을 제공할 수 있고 각각의 피스톤(18),(19)에 대하여 왕복 운동할 수 있다. 슬리브(10),(11)을 주철, 질화강 도는 세라믹 같은 재료 또는 고성능 플라스틱으로 형성될 수 있다. 슬리브는 양호한 공차로서 실린더 배럴내에 끼워 맞춰지고 종방향 및 원주방향으로 각각 자유롭게 왕복 운동한다. 실린더 배럴의 중간벽과 피스의 실린더 표면(10a),(11a) 사이는 O-링으로 밀봉된다. 작동에 있어, 오일의 얇은막이 슬리브와 배럴 사이에 공급되어 유지되는데, 이 막을 적당하게 분포 유지시키기 위하여는 진동의 원주방향 성분이 주로 필요하다.

슬리브(10),(11)은 별도의 핼레컬 기어 열(train)(68)에 의하여 각각의 크랭크 샤프트(40)으로 부터 왕복운동하는데, 대체로 상호 동일한 각각의 헬리컬 기어 열에는 각각의 피스톤과 슬리브에 의한 관련포트의 밸브 개폐작동 사이의 타이밍 관계 또는 위상을 조정하여 본 발명에 따른 슬리브 사이의 타이밍 관계를 조정하기 위한 수단이 결합된다. 각각의 기어 열(68)은 크랭크 샤프트(41) 및 크랭크(74)상의 각각의 헬리컬 기어(72),(73)으로 구성된다. 이들 기어는 중간에 위치하는 스터드(75)상에서 활주 및 회전이 가능하게 장착된 중재 헬리컬 기어(intermediate helical gear)(71)과 맞물린다. 도시된 엔진은 2 싸이클으로 작동하도록 구성되어 있기 때문에 기어(72)와 (73)은 1:1의 비를 갖는다.

롤러베어링(74a)에 지지되는 크랭크(74)는 슬리브(10)로 부터 측방으로 일체적으로 돌출하는 스피것(spigot)(80)용의 구면(spherical)베어링(78)을 내장하는 소켓(76)을 갖는다. 이 장치는 필요한 두가지 성분의 운동을 얻는다. 즉 만일 왕복 운동의 원주방향 성분의 싸이클이 길이방향 성분의 싸이클의 적어도 20%이라면 이 운동은 윤활 목적으로는 최적이다.

위상 조정은 중재기어(71)상의 보스(boss)(82)의 환형 홈(81)에 장착된 활주가능한 푸시-풀 방식(push-pull)로드(77)에 의하여 이루어진다. 로드(77)는 기어 케이스 커버(79)를 통하여 활주식으로 돌출된다. 즉 스터드(75)를 따라 기어(71)가 약간 이동하면 이들은 헬리컬기어이기 때문에 기어들 간의 상대 회전을 일으키고 따라서 크랭크 샤프트(40)과 크랭크(74)의 위상을 변화시킨다. 이것은 결국 위에서 설명한 타이밍 관계를 변화시키게 된다. 이 장치는 180°에 걸쳐 무한한 타이밍 조정을 가능하게 한다.

크랭크(74)를 매개로 하여 각각의 슬리이브를 구동하는 대신 캠 샤프트가 이용될 수 있다. 이것은 엔진의 각 싸이클내에서 로드(77)를 조정함에 따라 의해서만이 아니라 선택된 형상의 캠을 사용함으로써 타이밍 관계를 변화시킬 수 있는 추가의 잇점을 갖는다.

모니터된 다양한 흡입 매니폴드 압력, 엔진속도, 주행속도, 스로틀셋팅(throttle setting) 및 토크출력에 따라서 자동조절 또는 수동 조절하기 위하여 로드(77)를 장착할 수 있다.

슬리브(10),(11)에는 필요한 시간에 분사부(32) 및 피스톤 홈(32a)와 일치하는 보충 스켈럽(32b)에 제공된다. 필요에 따라, 슬리브의 구멍(26a), (27a)는 배럴 포트(26),(27)과 협동한다. 포트형상은 엔진의 작동 방식, 공기 흐름 및 바람직한 위상 특성의 범위에 따라 다르므로, 포트형상에 관한 특별한 설명을 할 필요없는 것으로 생각된다. 상이한 엔진 부하 조건하에서 타이밍을 조정하는 것에 관한 연구가 잘 알려져 있다.

원활하고 문제가 없는 작동을 촉진하는 제1도와 제2도에 도시된 엔진의 중요한 특징은 크랭크 샤프트 사이의 직접적인 구동 연결 장치로 타이밍 벨트(24)를 사용하는 것이다. 특수한 응용분야에서는, 유니로얄 컴패니(UniRoyal Company)가 판매하는 HTD 디자인의 개량된 벨트가 바람직하다. 이런 벨트는 또한 부하를 받는 출력샤프트를 연결하는 데에도 효과적으로 이용될 수 있다.

제1도와 제2도에서 도시된 엔진은 이 엔진이 작동되는 방식 및 엔진 설계의 표준원리에 따라 변화되거나 수정될 수 있다. 예를들어, 다른 형태의 과급기 즉, 카덴시형(Kadency) 및/또는 종래의 양변위(positive displacement)형 및/또는 기계적 구동 원심 과급기가 이용될 수 있다. 확립된 슬리브 밸브 포트 개폐 원리를 슬리브의 두가지 성분의 운동 및 피스톤링과 배럴 포트 사이에 직접 접촉하지 않는 배럴과 슬리브에서의 포트 개폐의 장점을 취하기 위하여 이용할 수 있다.

리카르도(Ricardo)가 언급할 상기 2 싸이클 슬리브 밸브 엔진의 주요한 결함은 제거될 것이다. 즉 배기개스 유동에 노출됨으로 인한 슬리브 단부의 비교적 짧은 기간의 마모가 더이상 생기지 않고, 저온 상태로 부터 점화할 때 슬리브의 개방 단부에서의 밀봉 결함은 더이상 생기지 않는다. 제1도와 제2도의 엔진의 외축 슬리브 단부는 크랭크 케이스에 위치하고 내측단부는 실린더 배럴로 둘러싸이며 이로인해 배기 개스의 유동에 노출되지 않고 시동시 밀봉이 필요없다. 이것은 또한 배럴 갭에 대한 슬리브의 크기와 갭(gap)을 통한 열전달속도 사이의 관계를 스스로 보상한다고 하는 슬리브 밸브 엔진의 유용한 특징 중 하나를 얻을 수 있도록 한다. 예를들어, 상당한 공차가 있는 경우, 오일막을 통한 피스톤으로 부터의 열전달은 억제되고, 결국 오일막을 통한 열분산 속도와 열적으로 결정된 슬리브의 지름 사이에 균형이 이루어질때까지 슬리브를 열팽창시켜 갭을 감소시킨다.

정크헤드(junk head)를 제거하면 고가의 높은 열손실 부품 및 더우기 상당한 부피 때문에 공기 냉각하기 어려운 부품이 제거됨을 의미한다. 정크 헤드를 공냉하는 문제를 해결하기 위한 것으로는, 브리스를 에어로플레인 컴패니(Bristol Aeroplane Company)가 생산하는 고가의 복잡한 복잡 구리 냉각 헤드가 있다.

제1도와 제2도의 엔진에서 마주보는 피스톤 형상을 슬리브 밸브계에 맞게 조정하여 슬리브 밸브 엔진의 두드러진 결합을 제거할 뿐 아니라 대향 피스톤 엔진에서의 슬리브 밸브의 상당한 잇점을 보유하는 것이 가능한다. 특히 기계적 효율과 연료소비는 종래의 대향 피스톤 엔진에 비하여 상당히 개선되며 힘에 대한 중량비가 뛰어나게 향상된다. 따라서, 어떤 주요 용도에서 대향 피스톤 엔진에 대한 결함중 하나, 즉, 치수의 문제는 대향 피스톤 엔진을 소정의 출력에 대해 매우 작은 크기로 감소시킬 수 있으므로 제거될 수 있다.

각각의 슬리브와 관련 피스톤 사이의 타이밍 관계를 선택적으로 변화시키는 능력은 효과적인 압축비, 효과적인 팽창비, 타이밍 및 작동공간의 용적들을 넓은 범위에서 무한히 변화시킬 수 있게 한다. 이들 변화는 단지 싸이클간에서만 가능한 것이 아니고 각 싸이클내에서도 가능하여 제어 시스템이 엔진 부하 조건의 변화에 신속하게 반응하도록 한다. 이러한 융통성은 특히 2 싸이클 작동에서는 매우 유용한 것으로서, 대부분의 종래 엔진의 고정식 절충 타이밍 셋팅 장치와 대조된다. 이 엔진은 간단한 전달 장치를 통하여 가변 토크 부하에 적합하게 작동될 수 있다. 즉 연속적인 가변 토크 전달장치에 의해 적절한 최적효율의 부하를 얻는 현재의 방법은 엔진자체를 이용하는 방법으로 대체될 수 있다.

엔진에서, 흡입밸브(26)과 배기 밸브(27)을 이격 배치하면, 또다른 잇점을 갖는다.

이중에 하나는 유효 압축비 및/또는 유효 팽창비를 변화시킬때 개스의 역류나 유출을 피할 수 있다는 것이다. 이것은 통상적인 밸브 장치를 구비하는 대향 피스톤 엔진이나 현대의 포핏 밸브엔진으로는 가능하지 않다.

본 발명에 따른 밸브 타이밍의 변화에 의해 가장 융통성 있는 터보 과급식 (turbocharged) 2싸이클 엔진을 제공할 수 있다. 종래의 2 싸이클 엔진은 일반적으로 과급에 적합하지 않고 더우기 터보과급에는 더욱 적합하지 않다. 터보과급이 제공되었을때, 시동 조건하에서 또는 엔진의 부하속도 곡선의 대부분에서 터보과급기가 엔진에 적절하게 흡입공기를 제공할 것이라고 기대할 수는 없었으며, 이 결함을 극복하기 위해서는 별도의 기계적 과급기가 요구되어 왔다.

2 싸이클 디젤 엔진의 터보과급을 채택한 경우에는 시동 목적으로 별도의 기계적 송풍기가 필요하다.

대조적으로, 본 발명의 엔진은 모든 작동 조건 범위에서 2 싸이클 엔진의 터보과급을 가능하게 하고 별도의 기계적 과급기가 필요없게 된다. 예를들어, 가온 상태의 재시동이 요구될때 배기 밸브를 조기 개방하면 터보 과급기를 구동하기 위하여 실린더내의 뜨거운 잔류 개스의 압력 및/또는 열 및/또는 운동 에너지를 이용할 수 있게 하여 재충전 사이클을 용이하게 한다. 일반적인 시동 특히, 저온 시동을 위하여 압축비를 증가시키도록 밸브 타이밍을 조정할 수 있고, 다시 후속 작동에서 그 압축비를 낮게한다. 모든 부하 조건에서, 엔진의 공기요구 특성과 터보 과급기의 출력특성의 본질적인 상충성을 극복하고, 엔진 특성을 널리요구된는 조건에 맞게 전체적으로 조정 도는 개량하기 위하여 흡입 및/또는 배기 타이밍을 변화시키는 것이 가능하다.

전술한 바와같은 본 발명의 결과로 인한 작동공간의 용적을 변화시키는 능력은 높은 열효율을 제공하는 제동 평균 유효 압력(brake mean effective pressure)에서 엔진이 더 많은 시간동안 가동되게 한다. 다시 말해서, 제동 평균 유효 압력을 효율적인 상태에서 벗어나게 하는 것이 아니라 엔진의 용적을 변화시켜 엔진 출력을 상당히 조절한다는 것이다.

상술한 장치는 각각의 실린더 내에서 거의 완전한 1차적인 균형과 2차적인 균형을 이룰 수 있게 한다. 이와 대조적으로, 이미 언급한 것처럼, 압축비를 변경시키려는 경우에 피스톤 사이의 위상관계를 변경하는 공지된 방법은 매우 높은 수준의 동적평형을 손상시킨다.

제3도는 단독으로 작동되도록 변형된 제2도의 반쪽부분에 해당하는 엔진을 도시하고 있는바, 엔진(108)의 작동은 제2도의 반쪽부분 엔진의 작동과 대체로 동일하므로, 작동의 방법은 그 차이점을 제외하고 다시 설명하지 않을 것이다.

제3도의 엔진블록(9)은 포핏 밸브(118)와 분사기 또는 점화 플러그(sparking plug)(116)를 수용하는 구명(112)와 (114)를 가진 연소헤드(110)를 형성하도록 변형되었다. 포핏 밸브는 또한 개방 위치에서 도식적으로 나타내었으나 많은 공지의 형태중 어느 것을 취할 수도 있는바, 이 공지의 형태에 대해서는 더이상 상세한 설명이 불필요한 것으로 생각된다. 또한, 포핏 밸브(118)용 구동 기구는 도시하지 않았으며, 그 구동기구는 일반적인 표준 엔진 방식에 따라 비조정식일 수도 있다. 선택적으로, 포핏 밸브(118)는 그 타이밍을 조정할 수 있는 것이 바람직하며, 이런 조정가능성은 예를들어 영국 특허 제 2109858에 개시된 장치에 의하여 제공된다. 선택적으로, 슬리브 밸브(10)와 함께 사용하는 여기에서 설명된 조정장치는 포핏 밸브용 구동장치로 채택될 수 있다. 따라서 크랭크(74)는 기어열 또는 벨트를 통하여 스프링의 편향력에 대하여 포핏밸브를 변위시키는 편심기를 가지는 캠 샤프트에 연결될 수도 있다. 헬리컬기어 (71)의 조정은 포핏 밸브의 위상을 변화시킬 수도 있다.

제1도와 제2도를 참고로 하여 설명된 엔진에 응용할 수 있는 수정과 잇점은 엔진(108)에 적용될 수도 있다.

본 발명은 내연 엔진에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 원리는 또한 펌프 또는 압축기와 같은 다른 형태의 왕복 운동기계에도 응용될 수 있다.

Claims (10)

1. 작동 체임버(12) 형성 실린더 ; 연소 체임버(13a)를 형성하도록 상기 작동 체임버(12)내에서 왕복 운동할 수 있는 피스톤 수단(18,19) ; 상기 피스톤 수단(18,19)의 왕복 운동을 회전 운동으로 또는 이와 반대로 변환하도록 구성된 변위가능한 변환 수단(16,17) ; 연소 체임버(13a)의 각각의 단부에 또는 상기 단부에 근접하여 설치되는, 연소 체임버(13a)용의 흡입 및 배기 포트 수단(26,27) ; 상기 흡입 및 배기 포트 수단(26,27)용 밸브 수단(10,11) ; 및 상기 변환 수단(16,17)의 변위와 밸브 수단 (10,11)의 변위사이의 타이밍 관계를 조정하기 위해 작동되는 조정 수단(71,77)을 구비하고, 상기 밸브 수단(10,11)이 상기 피스톤 수단(18,19)으로부터 독립되는 상기 포트 수단(26,27)용의 각각의 흡입 및 배기 밸브수단(10,11)으로 구성되고, 상기밸브 (10,11)중 적어도 하나가 상기 실린더내에서 상기 피스톤 수단 둘레를 왕복 운동할 수 있는 슬리이브 밸브인 2 싸이클 기관게 사용되는 왕복 운동 기계에 있어서, 피스톤 수단의 상기 왕복 운동에 따라 상기 각각의 밸브 수단(10,11)을 주기적으로 작동시키는 밸브 작동수단(68)이 구비되어 있고, 상기 조정 수단(71,77)은, 상기 흡입 및 배기 밸브 수단(10,11)각각의 개방 및 폐수 타이밍의 독립적인 조정을 포함하여 각각의 흡입 및 배기 밸브 수단 각각의 주기적인 동작과 변환 수단(16,17)의 변위 사이의 타이밍 관계의 독립적인 조정을 실행하도록 작동되어 상기 각각의 밸브 수단(10,11)의 주기적 동작간의 타이밍 관계를 조정하는 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤 수단은 각각의 변환 수단(16,17)과 변환 수단 (16,17)용의 독립된 조정수단(71,77)을 구비하는 2개의 대향 피스톤(18,19)으로서, 상기 밸브 수단(10,11)이 각각 별도로 조정되는 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각 밸브 수단(10,11)은 헬리컬 기어 열(68)을 포함하는 각각의 구동수단에 의해 구동되며, 상기 각각의 조정 수단(71,77)은 기어열 (68)을 통해 위상각을 변화시키는 수단(71)을 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
4. 제 3 항에 있어서, 각 밸브 수단(10,11)용 기어열(68)은 각각의 변환 수단상의 헬리컬 기어(72)와, 각 밸브 수단용 구동 샤프트(74)상의 헬리컬 기어(73) 및, 그 헬리컬 기어들의 중단에 위치하여 그 헬리컬 기어들과 맞물려 상기 헬리컬 기어들(72,73)의 축과 평행하게 직선 이동할 수 있는 중재 헬리컬 기어(71)를 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 흡입 포트수단(26)은 과급기 수단(90)과 연결되는 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 과급기 수단(90)은 상기 배기 포트 수단(27)으로부터의 개스에 의해 구동되는 터보 과급기인 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 슬리브 밸브는 종방향 및 원주 방향으로 운동하도록 장착된 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
8. 제 7 항에 있어서, 각 슬리브 밸브의 원주방향 왕복 운동의 행정은 종방향 왕복 운동의 행정의 적어도 20%인 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 변환 수단(16,17)은 내측에 톱니가 형성된 벨트에 의해 직접 구동되도록 연결된 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 변환 수단(16,17)은 하나 또는 그 이상의 크랭크 샤프트(40,41)을 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복 운동 기계.

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