KR101787794B1 - 개선된 연소 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 직선 운동을 피스톤 움직임으로 변환하기 위해 스카치 요크들을 이용하는 왕복 피스톤 엔진들에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 피스톤 및/또는 피스톤들은 주어진 연료 충전물에 대하여 공기/연료 혼합물의 효과적인 점화와 연소를 위해 일정 시간 동안 자신들의 최상위 위치에 놓일 수 있고, 그러므로 피스톤 및/또는 크랭크 구동 파워 샤프트 사이에 보다 효율적인 커플링으로 피스톤 엔진의 향상된 효율을 제공한다.

Description

개선된 연소 엔진{IMPROVED COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관에 관한 것이며 더욱 구체적으로는 직선운동을 회전운동으로 변환하는 스카치 요크들(Scotch yokes)을 이용한 왕복 피스톤 엔진에 관한 것이다.

당해 기술분야의 통상의 기술자가 인정하듯이, 내연기관은 수십 년 동안 우리와 함께 해왔으며 가장 익숙한 디자인으로 자리 잡아왔는데, 왕복 피스톤은 연결 로드를 사용하여 피스톤을 크랭크샤프트의 크랭크 핀들에 연결하여 피스톤들의 직선적인 왕복운동을 크랭크샤프트의 회전운동으로 변환한다.

대부분의 경우, 연결로드는 양쪽 단부에서 관절연결이 가능하며 그 양 단부는 피스톤과 크랭크 핀에 부착된다. 이 피스톤은 손목 핀에 의해 그 연결로드에 연결되며, 그 손목 핀은 그 피스톤과 그 연결로드를 관통한다. 대부분의 경우, 그러한 내연기관들을 위한 이런 종류의 디자인들은 슬라이더 크랭크 엔진들로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 시간은 이러한 유형의 내연기관들이 중요한 단점들과 한계를 가진다는 점을 입증하였다.

특히 현재 사회적 압력이 있는데, 그것은 화석 연료들이 부족해지고 있으며, 기존의 내부 연소 에너지에서 나오는 배기에 의해 환경을 보호하기 위해 기존의 슬라이더 크랭크 엔진을 개선하려는 더 큰 지역 사회의 강조가 있다는 점이다.

스카치 요크는 슬라이더 크랭크 엔진 전반에 걸쳐 순환 역학(cyclic dynamics)을 활용하고자하는 특정 엔진 설계에 사용되어 왔다.

대부분의 경우, 전통적인 스카치 요크 엔진은 수평면상 서로 반대쪽에 있는 두 개의 피스톤을 비관절연결형 로드로 셔틀에 연결하며, 그 셔틀에는 크랭크 사프트의 크랭크 핀을 수용하는 슬롯이 마련되어 있다. 안내 서비스들이 작용하여 그 셔틀의 움직임을 선형 경로로 제한하고, 크랭크샤프트가 자신의 범위를 통하여 회전함에 따라 크랭크 핀이 그 슬롯 내에서 슬라이드하여, 그 선형 왕복하는 피스톤 운동을 회전하는 크랭크샤프트 운동으로 변환한다.

당해 기술분야의 통상의 기술자가 깨닫게 될 것처럼, 그 셔틀 내의 그 슬롯은 적어도 그 크랭크 핀의 지름만큼 넓어야 하며 또한 적어도 그 크랭크 핀 주행경로의 직경만큼 길어야 한다.

나아가, 피스톤 로드가 선형 왕복 운동에 한정되는 피스톤 플레이트나 그와 유사한 것의 일부이므로, 크랭크샤프트 움직임도 자동적으로, 스파킹(sparking) 지점을 포함하여, 어떤 설정가능한 순간 위치(settable momentary position)로부터 연장되거나 축소된 위치를 경험할(see) 것이다.

엔진 디자인의 현재 추세는 스카치 요크 구조를 갖는 종래의 피스톤 로드를 사용하여 엔진 회전수(RPM)을 높이는 것이다. 피스톤 스트로크가 짧고 공기를 연소실로 끌어들이는 데 사용할 수 있는 시간이 매우 짧으므로, 종래의 스카치 요크들을 사용하는 것은 대부분의 경우에 항상 가능한 것은 아니다. 이는 연료에 관해 이상적인 15 대 1 공기/연료비 미만의 연소를 야기하고, 미연소 연료를 남겨 대기 중에 오염물질로 배기되게 하는 결과를 초래한다.

그 배기된 미연소 연료가 낭비된 에너지로 전락하는 것인데, 그것은 피스톤을 구동하는 파워로 변환되었어야 하는 것이다.

현재 가용한 슬라이더 크랭크 엔진들뿐만 아니라 스카치 요크 기반 엔진들 모두에 있어서 효과적으로 일어나고 있는 일은 피스톤 로드와 크랭크샤프트 사이에 비효율적인 커플링이 있다는 것이며, 지금까지 이 문제를 극복하기 위해 모든 사람들이 해온 노력은 값비싼 흡입 밸브를 각 실린더 속에 부가적으로 배치하여 그 공기/연료 혼합물의 불완전한 연소에서 비롯되는 추가적 공기 흡입을 촉진함으로써 그 문제점을 완화하려 한 것이다.

그러므로 피스톤 로드/크랭크샤프트 결합에서의 그 비효율을 극복하는 최선의 방법들 중 하나는, 피스톤 로드가 점에 상당하는 시점(a point of time)이 아니라 어느 정도의 시간동안(for a moment of time rather than a point of time) 완전히 신장된 위치에 있고, 그 피스톤의 전체 힘이 발화실(firing chamber) 내 최상위지점에 완전히 수직되게 배치되어 그 공기/연료 혼합물의 효과적인 연소를 보장하는 점화를 제공하는 메커니즘을 만드는 것이다.

그러므로 본 발명의 목적은 위에서 언급한 문제점들의 적어도 일부를 극복하는 것이거나 또는 공중에게 유용한 대안을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스카치 요크 구성을 사용하는 원칙에 기반한 내연기관을 제공하여, 피스톤 및/또는 피스톤들이 주어진 연료 충전물에 대하여 공기/연료 혼합물의 효과적인 점화와 연소를 위해 일정 시간 동안 자신들의 최상위 위치에 놓일 수 있고, 그러므로 피스톤 및/또는 크랭크 구동 파워 샤프트 사이에 보다 효율적인 커플링으로 피스톤 엔진의 향상된 효율을 틀림없이 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적들과 이점들은 이하의 명세서를 완전히 읽어보면 명백해질 것이다.

따라서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 비록 이것은 본 발명의 유일하지 그렇다고 가장 넓지도 않는 형태이긴 하지만, 상사점(a top dead center)과 하사점(a bottom dead center) 사이에서 움직일 수 있는 선형적 가동 부재(a linearly moveable member )의 실질적 직선 운동(substantially rectilinear motion )을 회전가능 샤프트(a rotatable shaft)의 회전운동으로 또는 그 반대로 변환하기 위한 조립체로서, 상기 조립체는,
상기 선형적 가동 부재와 결부된(associated with) 요크 구조체(a yoke structure)를 구비하고, 상기 요크 구조체는 내측 표면(an inner surface)을 포함하며, 상기 회전가능 샤프트는 상기 회전가능 샤프트의 회전 축선으로부터 소정거리 떨어져 배치된 축선을 중심으로 회전할 수 있는 휠 부재(a wheel member)를 포함하여, 회전가능한 상기 휠 부재의 외측 주변 에지(an outer peripheral edge)가 상기 요크 구조체의 내측 표면과 실질적으로 무마찰 맞물림(frictionless engagement)을 이루도록 되어 있고, 상기 맞물림은 샤프트 회전각의 적어도 제1범위를 통해서는 크랭크-관련된(crank-related) 것이고 샤프트 회전각의 적어도 제2범위를 통해서는 캠-관련된(cam-related) 것이며, 상기 적어도 제1범위 동안 상기 선형적 가동 부재의 신장 또는 수축 운동이 상기 샤프트의 회전운동으로 변환하며, 상기 적어도 제2범위 동안 상기 선형적 가동 부재의 위치는 상기 샤프트가 샤프트 회전각의 상기 적어도 제2범위를 넘어서 회전할 때까지 신장된 또는 수축된 위치에 멈추며, 상기 맞물림은 적어도 각 샤프트 회전의 시작 시점에서 캠-관련되어(cam-related) 상기 선형적 가동 부재가 상사점에 멈추게 하는 것을 특징으로 하는 조립체가 제공된다.

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바람직하게, 상기 요크 구조체는 내강부(內腔部(속이 파내어진 부분), a hollowed out portion)를 포함하며, 상기 내측 표면은 상기 내강부의 내측 주변 에지이다.

바람직하게, 상기 내측 주변 에지는, 상기 샤프트의 45도에서 360도 사이의 회전 시에, 상기 조립체가 크랭크 모드에 있고 이에 의해 상기 샤프트와 레버리지 수단의 회전이 신장 및 수축하는 부재의 직선 운동을 상기 샤프트에 대한 회전 운동으로 변환하도록 하는 정도의 디멘젼을 갖는다.

바람직하게, 상기 내측 주변 에지는, 상기 샤프트의 0도에서 45도 사이의 회전 시에, 상기 조립체가 캠 모드에 있고 이에 의해 상기 가동 부재의 위치는 상기 샤프트가 45도를 넘어서 회전할 때까지 상사점에 멈추도록 하는 정도의 디멘젼을 갖는다.

바람직하게, 상기 내측 주변 에지 디멘젼은 두 개의 평행 선형 에지들의 단부로부터 벗어나있는 적어도 하나의 어깨부(shoulder)를 포함하며, 상기 어깨부는 상기 캠 모드 동안에 캠으로서 기능하는 내측 주변 에지를 갖는다.

바람직하게, 상기 휠 부재는 실질적으로 상기 샤프트의 매 회전 동안 두 개의 접촉 지점에서 상기 내측 주변 에지와 접촉하도록 구성되어, 상기 휠 부재가 상기 내측 주변 에지에 의해 회전가능하게 가이드된다.

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본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 상사점과 하사점 사이에서 움직일 수 있는 신장 및 수축하는 피스톤의 실질적 직선 운동을 크랭크샤프트의 회전 운동으로 변환하기 위한 내연기관으로서, 상기 내연기관은, 적어도 하나의 피스톤이 내측 표면을 갖는 요크 구조체와 결부되어 있고(having associated therewith), 상기 크랭크샤프트는 상기 회전가능 샤프트의 회전 축선으로부터 소정 거리 떨어져 배치된 축선을 중심으로 회전할 수 있는 휠 부재를 포함하여, 상기 휠 부재의 외측 주변 에지가 상기 요크 구조체의 내측 표면과 실질적으로 무마찰 맞물림을 이루도록 되어 있고, 상기 맞물림은 크랭크 회전각의 적어도 제1범위를 통해서 크랭크-관련된(crank-related) 것이고 크랭크 회전각의 적어도 제2범위를 통해서는 캠-관련된(cam-related) 것이며, 상기 적어도 제1범위 동안 상기 피스톤의 신장 또는 수축 운동이 상기 샤프트의 회전운동으로 변환하며, 상기 적어도 제2범위 동안 상기 피스톤의 위치는 상기 샤프트가 크랭크 회전각의 상기 적어도 제2범위를 넘어서 회전할 때까지 신장된 또는 수축된 위치에 멈추며, 상기 맞물림은 적어도 각 샤프트 회전의 시작 시점에서 캠-관련되어 상기 피스톤이 상사점에 멈추게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관이 제공된다.

바람직하게, 상기 내연기관은, 상기 휠 부재가 상기 내측 주변 에지의 길이를 따라 어깨부와 맞물릴 때, 그리고 상기 휠 부재가 캠의 상기 모드로 들어갈 때, 상기 어깨부 맞물림에서, 상기 피스톤이 자신의 최상위 지점에 있으면서 잔류하게 되도록 구성되며, 상기 피스톤은 상기 휠 부재가 상기 내측 주변 에지의 상기 어깨부를 넘어서 회전가능하게 가이드될 때까지 상기 최상위 지점에 잔류하게 된다.

바람직하게, 상기 내측 주변 에지는 자신의 길이를 따라 상기 어깨부를 도입하여 상기 휠부재의 상기 에지를 중심으로 한 회전이 상기 휠 부재가 상기 어깨부 상에 머무르도록 하고, 그리고 이에 의해 안내 시간 동안 상기 캠 모드로 유지되어 상기 피스톤이 상기 최상위로 신장된 지점에 있을 때 0°에서 45° 사이에서 크랭크 샤프트 회전을 경험한다(see).

바람직하게, 상기 피스톤이 상기 공기/연료 혼합물의 점화 순간에 상기 최상위 지점에 있을 때, 상기 크랭크 샤프트는 0°에서 45° 사이의 회전을 계속하며 그 때 그러한 회전 운동은 전혀 상기 피스톤의 직선운동상으로 변환되지 않는다.

이와 같은 장치구성의 장점은, 스카치 요크 구성의 내부 주변 에지를 따라 어깨 길이를 도입하여 사용하면, 상기 피스톤과 직선운동이 회전운동으로 변환되는 것을 경험하는(see) 상기 크랭크 간의 계속적인 직선운동이, 일단 상기 휠 부재가 상기 어깨부와 맞물리면 상기 휠 부재가 크랭크에서 캠으로 기능 변화를 시작한다는 점에서, 잠깐 동안 인터럽터가 걸린다는 의미를 갖는다는 점이다.

상기 휠 부재는 상기 어깨부와 접촉하고 있을 때에는 캠이 아니므로, 그 피스톤이 자신의 최상위 지점으로부터 자리잡는 것에는 아무런 변화가 없다. 바람직하게, 상기 휠 부재의 모드가 상기 크랭크로부터 상기 캠으로 스위칭하거나 변경하는 것에 의해 상기 피스톤 로드와 크랭크샤프트가 효과적으로 결합해제되므로(decoupled), 이는 상기 피스톤이 탄화수소 연료의 완전한 연소를 낳는 상기 최상위 지점에 잔류하는 어느 정도의 멈추는 시간(a certain dwell time)을 가질 수 있음을 의미한다.

바람직하게, 대기 중으로 오염물질로서 배기되어야 하는 타지 않은 연료는 없다.

타지 않은 연료의 배기가 없으므로, 에너지 낭비가 없고, 실제로, 연료 전체가 대부분 점화되므로, 이것은 상기 피스톤 등을 상기 크랭크샤프트 상으로 구동하는 부가적인 파워로 변환된다.

상기 스카치 요크에 상기 어깨부를 도입하는 이와 같은 스카치 요크에 관한 특유의 재설계에 따르면, 상기 피스톤과 크랭크샤프트의 맞물림 해제가 일어나도록 휠 부재가 크랭크에서 캠으로 바뀌게 된다. 이러한 결합해제(de-coupling)는 상기 피스톤이 상기 최상위 지점에 있을 수 있는 어느 정도의 일정 시간을 만들어내어, 상기 연료의 점화가 인가되고 있는 상기 피스톤의 전체적인 힘을 경험하게(see) 될 것이다. 왜냐하면 일단 상기 휠 부재가 다시 크랭크로서 직접적으로 맞물리게 되면, 모든 연료가 타고 이것이 상기 크랭크샤프트까지의 출력 샤프트에서 더 높은 토오크 파워로 변환하기 때문이다.

당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면, 이러한 장치 구성이 상기 피스톤의 파워를 상기 출력 샤프트에 더 많이 그리고 종래의 피스톤 로드와 크랭크 샤프트 간의 결합으로서 가능한 것보다 파워 스트로크 보다 더 큰 부분에 걸쳐 적용된다는 점을 알게 될 것이다.

효과적으로, 이러한 특유의 특징을 통해, 상기 내부 주변 에지를 중심으로 상기 휠 부재의 회전가능한 운동은, 상기 크랭크샤프트의 약간의 회전각도 동안에, 상기 피스톤의 주행이 신장 또는 수축된 위치 중 어느 한 쪽으로 이루어지든 간에 회전이 아무런 움직임을 경험할 수 없을 정도일 수 있도록 상기 스카치 요크의 상기 내부 주변 에지를 설계할 수 있다.

바람직하게, 상기 내부 주변 에지는 자신의 길이를 따라 상기 어깨부를 도입하여, 상기 에지를 중심으로 한 상기 휠 부재의 회전이 상기 휠 부재가 상기 어깨부에 머무르게 하고, 이에 의해, 상기 피스톤이 상기 최상위 신장 지점에 있을 때 0°에서 45°사이의 크랭크샤프트 회전을 경험하는 안내시간 동안에 상기 캠 모드에 있게 된다.

결과적으로, 상기 피스톤이 상기 공기/연료 혼합물의 점화 순간에 상기 최상위 지점에 있을 때, 상기 크랭크샤프트는 상기 피스톤의 직선 운동으로 변환되는 어떠한 회전 운동도 없이 0°에서 45°사이에서 회전을 계속할 수 있다.

바람직하게, 참조하는 캠(압력)과 크랭크(해제)의 회전은 표 1에 나타낸 아래 결과를 따른다.

크랭크 회전 0° - 45°	피스톤 멈춤(피스톤 멈춤은 상사점(top dead centre: TDC) 이전/이후에 임의의 크랭크 각으로 변경될 수 있음)
크랭크 회전 45° - 135°	가장 효과적으로 크랭크 회전을 만들어 내는 피스톤 압력
크랭크 회전 135° - 180°	피스톤이 스트로크의 하사점(bottom dead centre: BDC)에 도달
크랭크 회전 180° - 0°	피스톤이 스카치 요크 운동에 따라 상사점으로 되도록 가는 주행을 함
크랭크 회전 180° - 0°	피스톤 주행이 하사점 멈춤 등가적인 것- 아래로 주행(0°- 45°)하거나 기타 다른 움직임을 하는 피스톤에 대해-을 갖도록 수정될 수 있음

멈춤은 가장 효과적인 크랭크 각도(토오크)에서 모든 압력을 풀어주어 모든 연료가 효율적이면서 효과적으로 (방출물을 줄임) 연소되는 것을 허용한다. 무마찰 디자인은 hp와 신뢰도를 얻는다. 요크 디자인은 TDC 이전이나 이후에 임의의 움직임 각도로 변경될 수 있다.

반대의 경우는, 상기 휠 부재의 사용을 통해 크랭크샤프트와 피스톤간에 결합해제 효과가 대부분 존재하고, 이에 의해 상기 피스톤이 최상위 지점에서, 상기 공기 혼합물로 상기 연료의 효과적인 연소를 경험할 수 있는 약간의 멈춤 시간을 한 번 가지도록 해주는 경우이다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 피스톤 및/또는 피스톤들은 주어진 연료 충전물에 대하여 공기/연료 혼합물의 효과적인 점화와 연소를 위해 일정 시간 동안 자신들의 최상위 위치에 놓일 수 있고, 그러므로 피스톤 및/또는 크랭크 구동 파워 샤프트 사이에 보다 효율적인 커플링으로 피스톤 엔진의 향상된 효율을 제공한다.

첨부한 도면들은, 본 명세서에 포함되어 일부를 구성하는데, 본 발명의 몇 가지 구현예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 이점들과 원리들을 설명해준다. 첨부 도면에서,
도 1은 4개 실린더 내연기관을 제공하는 본 발명의 일 실시예의 사시도이고;
도 2는 두 개의 피스톤이 부착된 스카치 요크의 일예를 분해상태의 구성으로 보여주는 도 1의 전개도를 예시하며;
도 3은 회전 주기 동안 각각의 실린더 안에서 크랭크샤프트와 피스톤간의 움직임의 관련된 변환에 관한 개략적 표현을 예시하며;
도 4a-4b는 도 3에 도시된 표현을 더 확장하여 예시한 것으로서, 0°부터 360°사이의 완전한 크랭크샤프트의 회전을 그 대응하는 회전 동안 변환된 피스톤 주행에 관해 확인할 수 있으며;
도 5는 몇 가지 부가적 특징들과 설명들이 포함된 도 2에 도시된 구성과 비슷한 실시예를 비확장 구성형태로 예시하며;
도 6은 크랭크샤프트가 변조된(modulated) 세그먼트들로 구성된 본 발명의 추가적인 실시예를 소개해준다.

이하에서 본 발명의 상세한 설명은 첨부한 도면들을 참조한다. 상세한 설명은 예시적인 실시예들을 포함하지만, 다른 실시예들도 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않고 설명된 실시예들에 대한 변경사항이 이루어질 수 있다. 가능하다면, 동일한 참조 번호가 실시예들과 이하의 설명 전반에 걸쳐 동일한 구성부들을 참조하기 위해 사용될 것이다.

이제 도면들을 더 상세하게 참조하면, 내연 기관(10)은 상단 부분(28)과 하단 부분(26)으로 나누어져 있는 스카치 요크 구조(12)를 그의 구성의 일부로서 포함한다.

그 스카치 요크 구조(12)는, 가이드를 제공하는 내부 주변 에지(13)를 포함하며, 그 가이드를 중심으로 휠 부재(29)가 회전하도록 구성된다.

도 1에서 네 개의 피스톤, 또는 더욱 정확하게는, 네 개 실린더 내연기관이 예시되어 있다.

편의를 위해, 각 피스톤 (16, 18, 20, 그리고 22)들이 그 안에서 신장하거나 수축하는 실제 실린더 챔버들은 제거하여, 본 발명의 중요하고 발명적인 측면들이 더 명확하게 논의될 수 있도록 하였다.

피스톤 쌍 (16과 18) 그리고 (20과 22)는 전체적인 스카치 요크 구조(12)의 일부를 형성한다. 그러므로 실린더 챔버 안에서 연소가 일어날 때, 그 피스톤들과 그 스카치 요크 구조(12)는 직선 경로를 따라 이동하고 그러한 움직임은 스카치 요크 구조(12) 옆에 나란히 연장된 크랭크 암(33)을 통해 크랭크샤프트에 대한 회전운동으로 변환한다. 도시된 실시예에서, 크랭크샤프트는 자신의 단부들에서 두 개의 디스크(31)를 포함하며, 그 두 개의 디스크(31)들은 바깥쪽 표면상에서 꼭 들어맞도록 되어 있어서 하우징이나 기타 다른 엔진 구성요소(비도시)에 대한 연결을 용이하게 해준다.

가이드 부재(30)들이 마련되어 있으며, 도 2에서 32로 나타낸 볼 베어링 구성의 배열을 통해 각각의 하우징(38, 39)들에서 회전가능하게 지지되어 있고 볼트(34)에 의해 함께 결합되어 있는 일련의 롤러(36)들을 포함한다.

그 가이드 부재(30)는 베어링 또는 롤러 배열(32)와 함께 실린더실 내에서 각각의 피스톤들이 자신의 신장 및 수축된 위치에서부터 무마찰 신장하는 데 대부분 기여한다.

도 2에 잘 도시되어 있듯이, 피스톤 헤드(17과 19)는 고정 핀(43과 45)들을 사용함으로써 쉽게 제거될 수 있다.

바람직하게는, 이는 실린더 헤드 또는 피스톤 헤드들이 보수(maintenance)나 교체가 필요할 때, 각각의 헤드들을 그 스카치 요크의 상부 구조로부터 분해할 수 있으므로 작업이 직접적으로 바로 이루어진다는 것을 의미한다.

상기 베어링 또는 롤러 배열(32)이 가이드(30) 위와 아래로 그 롤러 메커니즘을 통해 안내될 수 있기 때문에, 실린더 또는 피스톤 헤드들이 실린더실 위와 아래로 움직일 때 그들 간에는 실제적인 마찰성 결합이 없다는 것을 의미한다.

도 5에 가장 가능성 있게 잘 도시되어 있듯이, 링과 오일 스크레이퍼(102)의 사용은, 휠 부재가 그 스카치 요크 구조의 내부 주변 에지의 주변으로 움직임에 따라, 움직이는 피스톤들의 실질적인 직선 운동이 크랭크샤프트에 대해 회전운동으로까지 변환되므로, 피스톤이 실린더실 내부에서 위와 아래로 나아갈 때 아무런 불필요한 열이나 상승된 온도 조건들이 생성되지 않음을 의미한다.

도 2와 도 5에 잘 도시되어 있는 것처럼, 스카치 요크 구조의 상단 및 하단 부분은 각각의 볼트(61과 63)를 통해 각각의 포인트(42a, 42b 그리고 44a, 44b)에서 함께 결속될 수 있다.

이동식 내부 슬라이드(104)들이 그 장치구성의 일부로서 포함될 수 있으며, 스카치 요크 구조(12)의 그 내부 주변 에지를 중심으로 회전가능하게 움직이는 그 휠 부재의 효과를 통해 그 피스톤이 위와 아래로 움직임에 따라, 그 실린더 챔버 안에서 완전 무마찰 공기밀폐식 신장과 수축 상태의 그 피스톤을 위해 안내 시스템 지지부로 다시 보강한다.

바람직한 실시예는 경사진 표면을 갖는 피스톤을 제공하는데, 그것은 그 피스톤 헤드의 타원형 표면 영역과 점화될 연료가 맞닿도록 해준다. 그 타원형 표면은 더 큰 표면적을 제공한다. 그와 같은 디자인을 사용하는 것이 유리하긴 하지만, 이는 본 발명에 필수적인 사항은 아니다.

도 1-5를 고려해서, 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 이러한 내연 기관용으로 채용된 시스템이 어떻게 작동하는지를 제대로 인식해야 하며, 그것의 주된 목적을 위해, 그 실린더들 각각은 단순히 점과 같은 순간적 시점(point of time)이 아니라 어느 정도의 시간(a period of time) 동안 발화하는 지점에서 자신의 최상위 지점에 있는 피스톤을 가져, 그 피스톤이 그 최상위 지점에 머무를 수 있고 그래서 공기/연료 흡입물 내의 모든 탄화수소 연료가 배기될 비연소 연료를 남기지 않고 다 연소되도록 한다는 것을 알아야 한다.

그 피스톤이 실린더 챔버 내부의 최상위 지점에 머무는 멈춤 시간을 만들어내는 이와 같은 능력은 휠 부재(29)가 스카치 요크 구조(12)의 내부 주변 에지(13)의 어깨부(41) 내부로 연장하는 제1선형 표면(46)에 대해 끝까지 회전하고 그리고 이런 일이 일어남에 따라 휠 부재의 기능성이 크랭크 모드에서 캠 모드로 변화한다는 사실에 의해 달성된다.

그러므로 도 3에 잘 도시되어 있듯이, 그 크랭크샤프트가 0° - 45°사이에서 회전을 계속하는 동안에 그 피스톤들 스스로는 그들의 최상위 지점에서 다른 데로 이동하지 않는데, 이것은, 그 크랭크샤프트가 자신의 회전을 계속하고 있다는 사실에도 불구하고, 그 피스톤은 짧지만 어느 정도의 시간동안 자신의 최상위 지점에 멈추는 것이 허용됨에 따라, 이러한 부가적인 시간이 그 탄화수소 연료의 완전 연소를 가능하게 해준다는 것을 의미한다.

바람직하게는, 최적 크랭크 각도에서 최대 압력은 특정 시점 동안(a point of time)이 아니라 실제로는 어느 정도의 시간 동안(a period of time)에 달성된다.

휠 부재(29)가 스카치 요크 구조(12)의 내부 주변 에지(13) 둘레로 계속 나아감에 따라, 다시 그 스카치 요크의 통상적인 구성과 재조합되도록 그 휠 부재가 어깨부(41)를 놓아줄 때까지 --그래서 스카치 요크 구조(12)의 내부 주변 에지(13)의 어깨 길이(shouldered length)로부터 그리고 제2선형 표면까지 멀어지는 그 휠 부재(29)의 움직임이 그 휠 부재(29)의 기능을 크랭크로 다시 되돌려, 그 크랭크샤프트의 어떤 후속적인 회전과 그 반대로 상기 피스톤의 어떤 직선 운동도 그 피스톤에서부터 그 크랭크샤프트로 그리고 그 반대로의 그러한 움직임 간에 직접적인 변환을 경험할 수 있게 될 때까지-- 그 어깨부(41)가 상기 캠 모드에서 그 휠 부재를 붙잡는 규정된 길이(a defined length)를 갖는다.

통상적인 스카치 요크 장치구성에 있어서, 그러한 디자인들을 도 1 내지 도 5에 예시된 것들에 선뜻 적용하는 것은 어렵긴 하지만, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 대부분의 경우 그 휠 부재는 상기 스카치 요크 구조 내 연속 회전을 위한 가이드 림 내로 매우 조심스럽게 제한된다는 점을 알 수 있을 것이다.

그 휠 부재의 회전가능한 어떤 움직임도 단순하게 크랭크샤프트 상의 운동으로 변환된다.

그러므로 그 피스톤은 그 크랭크샤프트가 회전하는 중인 한 결코 정지 상태에 머무르지 않고, 그래서 그 피스톤은 기간(a period of time)이 아닌 순간적인 시점(a point of time)보다 더 오랫동안 단순히 자신 최상위 지점에 머무를 기회가 없다.

그러나, 바람직하게 본 발명에서, 스카치 요크의 주변 에지에 대한 어깨부의 도입은 피스톤과 크랭크샤프트가 크랭크샤프트의 어느 정도의 회전각을 통해 효과적으로 분리되는(decoupled) 수단을 제공하는 것이다.

바람직하게는, 피스톤과 크랭크샤프트 간의 그 분리 효과가 어디서 그리고 언제 일어나서 얼마나 오랫동안 유지되는지를 결정하는 것은 엔진 디자이너에게 달려있다.

효과적으로, 본 발명에서 제공하는 이런 엔진은 설계자가 이제 크랭크 각도와 탄화수소 연료의 최적의 화염 연소를 달성하기 위한 실린더 압력에 관해 어느 정도를 적용할지 스스로 결정할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 필수적인 부분이지만, 스카치 요크 구조에 단일 조작으로서 연결된 두 실린더를 전혀 갖지 않으면서도, 거기에는 다양하고 유리한 확장안(extensions)들이 포함될 수 있다.

당해 기술분야의 통상의 기술자라면 인식할 수 있듯이, 하나의 피스톤은 인접 피스톤이 공기를 흡기하는 등의 위치에 있는 동안에 점화 지점에 있을 수 있다.

바람직하게, 두 개의 피스톤을 그 스카치 요크 구조 위에 편리하게 위치시킬 수 있다는 것에 의해, 내연 기관의 사이즈는 크게 줄어들 수 있다.

위에서 소개한 것처럼, 롤러(32)와 함께 가이드(30)들을 통한 가이드 메커니즘을 도입한 것은 각각의 피스톤들이 실린더 챔버의 측면들과 어떠한 마찰이나 접촉 없이 제자리에 붙잡혀 있고, 이에 의해 그 엔진의 온도를 다시 실질적으로 더 낮게 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

도 3과 4는 0°의 (47) 지점에서 시작하여 크랭크샤프트 회전이 345°까지 연장될 때 (47), (49), (51), (52), (54), (56), (58), (60), (62), (64), (66), (68), (70), (72), (74), (76), (78), (80), (82), (84), (86), (88), (90) 및 (92)까지 작동하는 크랭크샤프트 회전에 따라 그 크랭크샤프트 회전에 대한 피스톤의 상대적인 주행 거리를 개략적으로 도시한다.

리스트된 크랭크샤프트 회전 동안에, 피스톤은 어떤 길이를 주행하는데, 그렇지만 그 피스톤은 일단 그 휠 부재가 캠 모드--이 캠 모드를 위한 기능은 일단 그 휠 부재가 스카치 요크 구조의 주변 에지 상의 그 어깨부에 맞물리기 시작하면 제공됨--가 아닌 크랭크 모드에 있게 되면 단지 주행할 것이다.

도 6은 본 발명의 추가적인 실시예를 제공하는데, 이 실시예에서는 크랭크샤프트(110)가 모듈 섹션 (112)와 (114) 등으로 분리되어 부가적인 스카치 요크 구조들을 구축할 수 있고 이에 의해 그 엔진의 실린더 용량이 필요한 만큼 될 수 있다.

다른 장점들과 개선점들이 본 발명에 대하여 그것의 범위를 벗어나지 않고서 매우 잘 만들어질 수도 있다. 본 발명이 가장 실용적이고도 바람직한 실시예라고 여겨지는 형태로 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위 내에서 발전된 형태들이 본 발명으로부터 만들어질 수도 있으며, 그것은 여기에 기술된 상세한 사항들에 국한되지 않지만 특허청구범위의 전체 범위에 일치하여 모든 등가적인 디바이스들과 장치를 포괄할 수 있다.

이하의 청구항과 본 발명의 요지에서, 표현 언어나 필요한 함축 때문에 문맥이 달리 요구하는 경우를 제외하고는, 어휘 구비하는(comprising)은 포함하는(including)의 의미로 사용된다, 즉 특정된 특징들은 본 발명의 다양한 실시예에서 다른 특징들과 연관될 수도 있다.

10: 내연 기관 12: 스카치 요크 구조
13: 내부 주변 에지 17, 19: 피스톤 헤드
16, 18, 20, 22: 피스톤 26: 바닥 부분
28: 상단 부분 29: 휠 부재
30: 가이드 부재 31: 디스크
32: 롤러배열 33: 크랭크 암
34: 볼트 36: 롤러
38, 39: 하우징 41: 어깨부(shoulder)
43, 45: 고정핀 102: 오일 스크레이퍼
104: 이동식 내부 슬라이드

Claims (20)

1. 상사점(a top dead center)과 하사점(a bottom dead center) 사이의 피스톤의 실질적 직선 운동(substantially linear motion )을 크랭크 샤프트의 회전운동으로 변환하기 위한 내연기관으로서,
   상기 크랭크 샤프트(110)와 결부되어(associated with) 회전 가능한 크랭크 암(33); 및
   상기 피스톤(16, 18, 20, 22)과 결부되고 상기 피스톤과 함께 이동 가능한 요크 구조체(12, yoke structure)를 포함하고,
   상기 크랭크 아암(33)은 외측 주변 에지(outer peripheral edge)와 회전축선을 갖는 회전 가능한 휠(29)을 포함하고,
   상기 요크 구조체(12)는 상기 크랭크 암(33)의 회전동안 상기 휠(29)이 따라가면서 구를 수 있도록 하는 내측 주변 에지(13, inner peripheral edge)를 포함하며, 상기 내측 주변 에지(13)는 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)의 이동 방향에 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)이 상기 상사점에 접근함에 따라 상기 휠과 만나는 제1선형 표면을 포함하고,
   상기 피스톤(16, 18, 20, 22)이 상기 상사점 위치에 도달할 때 상기 제1선형 표면과 상기 외측 주변 에지 간의 접촉점은 실질적으로 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)의 이동 방향에 평행하게 상기 휠의 회전 축선을 통해 연장되는 축선을 따르고, 상기 내측 주변 에지(13)는 각각의 축회전의 시작부터 상기 휠(29)과 만나며 상기 제1선형 표면으로부터 바깥으로 그리고 다운스트로크(downstroke) 방향으로 벗어나는 어깨부(41)를 더 포함하고, 상기 어깨부(41)는 상기 접촉점이 상기 휠(29)의 상기 외측 주변 에지를 따라 바깥으로, 그리고 상기 이동 방향에 평행하게 상기 휠의 회전 축선을 통해 연장하는 상기 축선으로부터 바깥으로 변위를 일으키도록 디멘젼된(dimensioned) 내측 표면을 가지며,
   상기 어깨부는 상기 크랭크 샤프트의 회전의 45도부터 크랭크-관련된(crank-related) 결합이 되고, 상기 크랭크 샤프트의 회전의 45도에서 90도까지 상기 접촉점은 상기 휠(29)의 상기 외측 주변 에지를 따라 바깥으로 그리고 상기 이동 방향에 평행하게 상기 휠의 회전 축선을 통해 연장된 상기 축선으로부터 바깥으로 변위를 계속하도록 디멘젼된 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
2. 제1항에 있어서, 상기 외측 주변 에지와 상기 요크 구조체의 상기 내측 주변 에지(13)는 상기 휠(29)이 상기 제1선형 표면을 만날 때는 둘 간에 크랭크-관련된 결합을 하도록 디멘젼 되고(dimensioned),
   상기 크랭크-관련된 결합동안 상기 크랭크 샤프트(110)는 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)의 직선 운동을 상기 크랭크 샤프트(110)에 대한 회전 운동으로 변환하고, 상기 휠(29)이 상기 어깨부(41)와 만나기 시작할 때부터 상기 크랭크 샤프트의 회전의 45도까지 둘 간에 캠-관련된(cam-related) 결합을 하도록 디멘젼 되고, 상기 캠-관련된 결합동안 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)은 멈추는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
3. 제2항에 있어서, 상기 휠(29)이 상기 어깨부를 만나기 시작하여 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)을 멈추게 할 때, 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)은 상사점에 있도록 디멘젼된 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어깨부(41)는 상기 제1선형 표면의 끝과 제2선형 표면의 끝으로부터 벗어나고, 상기 제2선형 표면은 상기 제1선형 표면과 평행하게 연장되고 상기 휠(29)이 상기 제1선형 및 제2선형 표면들 사이에서 이동할 때 상기 휠(29)이 회전할 수 있도록 상기 휠(29)의 직경보다 큰 거리로 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
5. 제4항에 있어서, 상기 어깨부(41)의 이격된 표면들은 상기 휠(29)이 상기 어깨부로 들어갔다가 나오는 이동을 할 수 있도록 상기 제1선형 및 제2선형 표면들 사이의 간격과 대응하는 이격된 디멘젼(dimension)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
6. 제4항에 있어서, 상기 휠은 상기 어깨부를 만난 후에 상기 크랭크 샤프트의 180도 회전에서 상기 제2선형 표면을 만나는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)은 상기 피스톤의 선형 운동을 용이하게 하는 가이드 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
8. 제5항에 있어서, 상기 휠은 상기 어깨부를 만난 후에 상기 크랭크 샤프트의 180도 회전에서 상기 제2선형 표면을 만나는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
9. 제4항에 있어서, 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)은 상기 피스톤의 선형 운동을 용이하게 하는 가이드 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
10. 제5항에 있어서, 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)은 상기 피스톤의 선형 운동을 용이하게 하는 가이드 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
11. 제6항에 있어서, 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)은 상기 피스톤의 선형 운동을 용이하게 하는 가이드 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
12. 제8항에 있어서, 상기 피스톤(16, 18, 20, 22)은 상기 피스톤의 선형 운동을 용이하게 하는 가이드 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(10).
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