KR960004203B1

KR960004203B1 - 진자(振子)피스톤 기관

Info

Publication number: KR960004203B1
Application number: KR1019880701364A
Authority: KR
Inventors: 빌리 에른스트 잘쯔만
Original assignee: 빌리 에른스트 잘쯔만
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1988-02-29
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2008-02-29
Also published as: EP0303649B1; AU1341288A; KR890700735A; US5186137A; ATE77869T1; JPH0792113B2; WO1988006675A1; EP0303649A1; JPH01502355A; DE3872467D1

Abstract

내용 없음.

Description

진자(振子) 피스톤 기관

제 1 도는 4행정 차량용 기관의 횡단면도.

제 2 도는 제 1 도의 4행정 차량용 기관의 종단면도.

제 3 도는 소형 냉동 압축기의 단면도.

제 4 도는 초소형 기관의 확대 단면도.

제 5 도는 2행정 차량용 기관의 종단면도.

제 6 도는 제 5 도의 2행정 차량용 기관의 횡단면도.

제 7 도, 제 8 도, 제 9 도 및 제 10도는 제 6 도의 피스톤 모서리의 확대도.

제 11 도는 2행정 자동차용 기관의 종단면도.

제 12 도는 제 11 도의 2행정 자동차용 기관의 횡단면도,

제 13 도 및 제 14 도는 피스톤 모서리의 확대도.

제 15 도는 다른 형태의 실린더헤드의 단면도.

제 16 도는 또 다른 형태의 실린더헤드의 횡단면도.

제 17 도는 제 16 도의 실린더헤드의 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 커넥팅로드(connecting rod) 2 : 진자피스톤

3 : 커넥팅로드 베어링 4 : 카운터웨이트(counter-weight)

7 : 크랭크축(crank shaft) 9 : 카운터웨이트

11, 11',13 : 피스톤링 15 : 실린더헤드(cylinder head)

16 : 크랭크 케이스(crank case) 18 : 흡입밸브

20 : 점화플러그 23 : 배기밸브

25 : 커넥팅로드 26 : 진자피스톤

28 : 카운터웨이트 30 : 크랭크축

31 : 피스톤링 34 : 흡입실

35 : 압축실 37 : 실린더커버

39 : 카운터웨이트 42 : 밸브소켓

46 : 부유피스톤 50 : 진자피스톤

53 : 커넥팅로드 베어링 57 : 커넥팅로드 베어링

63,64 : 크랭크실 충진부 72 : 로커아암

73 : 활주돌기 82 : 실린더실

92 : 실린더헤드 97 : 노즐

122 : 베어링 커버 127 : 크랭크핀

144 : 활판 150 : 전자기식 노즐

161 : 가열프러그 162 : 가열대

166 : 상사점 186 : 연소실

198 : 조정나사

본 발명은 주로 내연 기관에서의 진자피스톤 기관의 운동형태를 광범위한 의미에서 개량하고 있다.

스위스 특허 CH-특허 629286(짤즈만)에 의하면 이 신발명 기관은 커넥팅로드에 고정된 진자피스톤을 적어도 1개를 가지며, 이 진자피스톤의 가장자리는 특히 아치형의 실린더내에서 운동한다.

여기서 새로운 것은 커넥팅로드 베어링을 지나서 뻗어있고 카운터웨이트(counter-weight)의 역할을 하는 커넥팅로드의 출현이다.

이 커넥팅로드는 적당한 설계에 의하여 충격이 없고 거의 마찰이 없는 피스톤 운동뿐만 아니라 단기통 기관에서는 우수한 질량평형(weight-balance) 효과를 가져다 준다.

또한 구형(矩形)진자피스톤에서는 커넥팅로드와 카운터웨이트가 피스톤과 같은 폭으로 만들어졌고, 실린더와 크랭크 케이스에 의해서 빈틈없이 둘러싸여 있다.

따라서 용적측정이 가능한 커넥팅로드과급(connecting rod supercharging)현상이 나타난다.

이 커넥팅로드과급은 특히 2-행정기관에서 가스교환을 현저하게 개선시킨다. 이 진자피스톤 기관은 간단하고 소형화 된 구조의 새로운 고출력피스톤 기관에 쓰인다.

또한 이 기관은 새로운 형태의 실린더헤드를 제시할 수 있는데, 이 실린더헤드는 보조피스톤 없이 접촉작용에 의한 연소(자동차 기술자인 메리트 박사에 의함. 1988년 2월, 3월)를 가능하게 하고, 최상의 소비억제 및 유해성분 억제가 나타난다.

이와 같은 최적의 작용이 이루어지고 유지가 간단한 진자피스톤 기관은 상설(常設)기관 및 내장(內裝)기관과 마찬가지로 적합한 크기의 차량, 선박 및 항공기 기관으로의 제작이 가능하며 따라서 이에 따른 필요한 개량작업이 시급히 요구된다.

이하 참조도면과 함께 본 발명을 구체적으로 설명한다.

제 1 도 및 제 2 도에 의한 4-행정 차량용 기관의 경우, 진자피스톤(2)이 고정된 커넥팅로드(1)는 커넥팅로드 베어링(3)을 지나서 연장되어 있고 커넥팅커버가 카운터웨이트(4)로써 이루어짐으로 인하여 물체(1-4)의 중심(重心)(5)은 크랭크축(7)의 중심(中心)에 거의 접근한다. 카운터웨이트(4)의 적당한 설계에 의하여 질량관성에 의해 발생되는 동력학적 측면력이 진자피스톤에서는 "0"으로 된다. 즉, 진자피스톤의 중심(重心)(2')은 직선운동을 하게 된다. 이 직선운동은 커넥팅로드 베어링(3)의 중심(中心)(6)이 물체(1-4)의 회전중심에 놓여있을 경우에 한한다.

만약 물체(1-4)가 일정한 횡단면을 갖는 직선형태의 막대라면, 이 물체의 회전중심은 물체길이의 2/3선상에 있다. 따라서 카운터웨이트(4)는 중심(6)에 대하여 적분요소 dm ·r을 가지며, 이 적분요소의 절반은 커넥팅로드가 달린 진자피스톤(2)의 상응적분요소의 크기와 같다(커넥팅로드 커버 제외).

진자피스톤에서는 그밖에도 피스톤링이 가스의 힘에 대하여 항상 직각방향으로 놓여 있으므로 이에 의한 어떠한 측면력이나 피스톤 충격은 발생하지 않는다. 길게 뻗은 축상(軸上)의 피스톤중심(2')의 운동으로 인한 소량의 동력학적 측면력은 무시가능하며, 커넥팅로드 베어링에 가해지는 마찰모멘트의 반작용은 항상 회전방향으로 작용되어 연속적인 충격이 없다.

따라서 물체(1-4)는 그 자체가 피스톤중심(2')의 주위를 진자운동하며 이 진자운동이 없다면 진자피스톤(2)과 아치형태의 실린더벽(8) 사이에는 문제될만한 측면력이 발생하게 된다. 즉 진자피스톤(2)은 실린더(8)내에서 흔들거리고 있으며, 우리는 이 물체(1-4)를 가리켜 "부유(浮游)피스톤"이라 한다.

크랭크축의 적절히 선택된 카운터웨이트(4)에 의한 단기통 기관인 경우 이미 우수한 질량평형효과(質量平衡效果)가 가능한데, 이는 모델실험을 통하여 확인되었다. "부유피스톤"이 갖는 무충격, 무진동, 무마찰의 진자피스톤(2)의 동력학적 측면력으로부터 자유로워짐에 따라, 피스톤링은 안내역할 부담이 없어지며 마치 가라앉은 피스톤처럼 기밀역할만 하게 된다. 따라서 스텝형(step型)의 끝과 개방된 이음새를 갖는 저화이어링(low fire-ring)이 사용될 수 있다. 그러나, 이중링(double ring)이 더 좋은데 이 링은 2개의 동일한 박형(箔形)(11)(11')으로 구성되며, 박형(箔形)은 어느 정도 용접된 이음새와 함께 겹쳐있고 직경에 대하여 반대편에 예를들면, 점용접 또는 전자용접(12)에 의해 서로 결합된다(제 2 도 참조).

그것으로써 기체기밀도가 향상되고 이중링은 회전시 저지된다(ring 이음은 아치형 실린더벽보다 직선형벽에서 보다 좋은 기밀도가 된다).

세번째 박형(箔型)링(13) (경우에 따라서는 (11)과 (11')처럼 이중박형링도 쓰인다)은 깊은 홈속에서 방사상으로 많이 움직일 수 있도록 설치되어 있고 이 세번째 박형링(13)은 오일링과 추가적인 가스링으로서 쓰인다.

폭넓게 인용된 스위스 특허 CH-특허 629286에 의하면, 가스링과 오일링은 유체정력학적인 피스톤 정향(定向)장치(piston guide)없이도 사용 가능하다. 스커트가 없는 구조에 의하여 좁은 크랭크축-카운터웨이트(9) 및 원추형 실린더모서리(14)에 피스톤링(11)(13)과 커넥팅로드를 가지는 진자피스톤(2)을 특별한 장치없이 부착된 크랭크축의 경우 밑으로부터 장착, 장탈이 가능하다.

실린더헤드(15), 실린더하우스(8) 및 크랭크 케이스(16)과 함께 일체(一體)로 이루어질수 있으며, 예컨대 철이나 경금속을 이용하여 주물제작이 가능하며 이 경우 주물제작이 유리한 것으로 알려져 있다.

실린더헤드(15)와 함께 매우 짧은 실린더(8)는 밑으로부터 가공될 수 있으며 부득이한 경우 다이캐스팅이 가능하다.

따라서 간단한 일체형(一體型) 실린더하우스의 제작이 가능하다.

상사점범위 내에서 피스톤(2)의 진자운동 활용을 위하여 실린더헤드(15)는 다음과 같이 구상될 수 있다.

크랭크축(7)이 시계방향으로 회전할 경우 흡입은 오른쪽으로부터 특히 타원형 형태의 흡입밸브(18)를 통하여 이루어지며, 흡입밸브(18)는 진자피스톤(2)의 밑으로 경사진 좌측 테두리에 의하여 우수한 충전과 점화플러그(20)의 방향으로의 강력한 흡입와류(吸入渦流)를 이룬다.

이 와류는 압축 행정시 접시형 피스톤 두부(頭部)(21)내에서 계속되며 상사점범위에서 부하가 왼쪽으로(피스톤(2)의 진자운동과 상응) 횡적이동함으로써 층을 지어 겹친다. 이 간섭은 집중적인 가스혼합을 야기시킨다.

피스톤의 냉각은 부분적으로는 자유운동하는(따라서 코우크스화 되지 않음) 링들(11)(11')(13)과 보강재(22)를 갖는 커넥팅로드(1)에 의하여 이루어진다. 용접된 튜브형의 커넥팅로드(1)를 갖는 강재(鋼材) 진자피스톤의 경우에는 직접 오일냉각이 가능하다.

또한 접시형 피스톤 두부(頭部)(21)에 세라믹코팅이 가능하며, 이는 디젤직접분사방식에 있어서 유리하다.

배기행정은 원형밸브(23)를 통하여 횡류(橫流)또는 직류(直流)의 방식으로 이루어진다.

직렬형(in-line type) 기관에 있어서, 진자피스톤(2)을 용이하게 장착하는 문제가 제기될 경우, 이는 대부분의 경우 아치형 실린더와 진자피스톤 및 카운터웨이트가 달린 커넥팅로드의 조립만으로 충분히 해결되며, 오일실(oil sump)의 정상동작을 위하여 충분한 자유공간이 마련된다.

그것에 의하여 생산전환(生産轉換)은 상대적으로 용이하며 특히 일렬형 기관일 때 실린더케이스가 교환 가능하다.

제 1 도 및 제 2 도에 의한 실제 사용형태는 단기통 기관, 직렬형 기관 및 Ⅴ-형 기관에 적합하다.

동일한 외형, 크기에 있어서 행정체적을 크게 하려면 예컨대, 원형진자피스톤을 정방형(正方形)으로 대치 할 수 있으며, 이 정방형은 중앙에 점화플러그가 있는 4개의 수평형 또는 Ⅴ-형 배열의 밸브에 적합하다.

이때 흡입은 왼쪽으로부터 이루어지며 실린더가공시에는 분리형 실린더헤드가 필요하다. 이 경우 대형 저속기관 또는 중속 2-행정 또는 4-행정기관에서 가능하다.

제 3 도에서, 크랭크추진력에 의한 압축기(compressor)에 있어서, 프레스가공 진자피스톤(26)을 가진 커넥팅로드(25)는 커넥팅베어링(27)을 지나 연장되어 있고, 카운터웨이트(28)로써 형성되어 있다. 이 카운터웨이트는 예컨대, 구멍이 뚫린 납작한 강재(鋼材)로 되어있고, 커넥팅로드(25)와 함께 판용접을 통해 결합될 수 있다.

이러한 부유피스톤장치(25-28)는 아치형 실린더(29)안으로 비스듬히 들어가고 수직의 크랭크축(30)과 잘 알려진 방법의 베어링슬리브(27)의 고정 및 PTFE재의 피스톤링(31)로써 이루어진다.

용적측정이 가능한 효율의 증가를 위하여 피스톤의 밑부분은 원추형(32)을 가질 수 있으며, 이 원추형은 밸브판(33)의 압축구멍에 적합하다. 실린더(29)는 베어링 받침대(36)과 함께 흡입실(34)과 압축실(35)을 둘러싸는 하나의 주물로 되어있다.

앞서 조립되어 있는 이 주물은 화학적인 밀폐처리된 작은 압축기에 의하여 실린더커버(37)와 함께 비동시성기관(非同時性機關)을, 금속판을 단접하여 단지형의 거의 원추형 케이스(38)로 프레스 가공한다. 나사결합이 필요없는 장치로 비용상 아주 적절하며 부유피스톤(25-28)들과 단기통 기관에서 이미 뛰어난 질량평형이 증명된 편리한 크랭크축-카운터웨이트(39)를 가능하게 한다.

이러한 압축기는 또한 많은 실린더 기관으로서 Ⅴ-2 또는 성형(星型)배열로 형성되어질 수도 있으며 이때 커넥팅로드 베어링은 연장된 크랭크축 위에서 겹쳐 회전하며, 실린더는 적당히 한단씩 높여진다. 그러한 기관들은 예를들면, 열펌프, 또는 다량냉각설비에 적합하다. 윤활은 냉각제가 함유된 오일을 통하여 쉽게 하며, 이때 아주 가볍게 움직이는 부유피스톤은 아주 소량의 오일량을 필요로한다.

제 4 도에서와 같이 CO₂-형 기관은 부유피스톤의 사용으로 인하여 종래의 CO₂-형 기관보다 수배의 수명(life time)을 갖는다. 이러한 것은 최소한 마찰감소 및 불균형적인 가스분배에 따르는데 가스분배는 아주 간단하게 피스톤의 가장자리밑에 있는 조절못(41)에 의해 수행되며, 그 조절못(41)은 그 위에 체크밸브를 작동시킨다.

이 체크밸브는 실린더헤드에서 강재(鋼材) 또는 열가소성수지로 된 구형(求形)밸브(43)을 위한 밑부분의 받침과, 소매가 달린 암나사부에 압력관의 O-링을 가진 나사로 죄어진 밸브소켓(42)로 구성되어 있다. 작은 핸들(45)에 의한 밸브소켓(42)의 상·하 나사부에 의하여 시간조정과 동시에 소형기관의 출력이 단지 유해요소의 변화에 따르게 된다.

이러한 아주 작은 부유피스톤(46)에서는 (부분적으로는 제 3 도에서도 역시) 원통형 실린더가 가능하나(아치형 대신) 피스톤 가장자리(47)는 구면(球面)으로 하고 피스톤링의 상부에 테두리가 둘러지게 해야하며, 동시에 그것은 가끔 가장자리가 접해지지 않는 경우가 있는데 그렇지 아니하면 피스톤의 충격으로 측면력이 발생되기 때문이다.

제 5 도는 2-행정차량 기관의 종단면도, 제 6 도는 횡단면도를 나타내고, 제 7 도 내지 제 10 도는 제 6 도의 피스톤 모서리의 확대도이다. 이러한 다진자피스톤 활판기관(多振子 piston 滑板機關) 역시 실린더의 배열, 수, 크기에 따라 규정된다.

거의 정방형의 진자피스톤(50)은 커넥팅로드(52)(52')에 있는 나사들(51) 가운데 고정되어 있는데, 그 커넥팅로드는 가장 가깝게 접근된 동일한 사발형의 두쪽으로 이루어져 있고, 나사들은 또한 커넥팅로드 베어링(53)을 둘러싸고 있으며, 두 개의 체결나사(56)(56')가 조여져 카운터웨이트(55)(55')가 요부(凹부)(54)에 놓여지게 된다.

이러한 설계방식은 간편하고 비용면에서도 좋으며, 특히 결합나사들(56)(56') 사이에 가늘고 길게 가공된 커넥팅로드 베어링(57)이 위치하게 된다.

기관은 부가된 삽모양의 공기압축기를 가진 막형 크랭크실 펌프를 제시하는데 그 공기 압축기는 커넥팅로드-카운터웨이트(55)(55')와 그것의 운동궤적으로 인해 한쪽 또는 양쪽의 막형 플랜지(61)를 가지고 좁게 감싸는 크랭크실 하부(下部)를 이루게 되며 특히 막형입구를 하사점의 영역에서 열리게 된다.

새로운 공기는 기계동력학 형태로 예컨대, 다공질재로 된 크랭크실-충진부(63)(64)를 통해서 측면과 중앙의 유입구(65)(66)으로 통과하게 되는데, 그 유입구는 진자피스톤(50)에 의해서 좋은 방향전환, 세척효과가 생겨나는 것을 비대칭적으로 조절한다.

피스톤(50)의 진자운동은 신선한 공기를 연소실에 적당히 압축시키고, 그곳으로부터 연소가스는 재차 비대칭적인 조정을 하는 실린더에서 측면출구(68)를 통하여 완전히 배출되게 된다.

거의 정방형의 실린더 횡단면은 유입가스와 연소가스 사이의 접촉표면을 좌측의 원형실린더에 대해 대략 80%로 감소시킨다. 배기구(68)는 피스톤 스커트 대신에 실린더의 측면 홈에서 움직이며 옆의 흔들레버(72)(또는 로커아암)에 의하여 움직이게 되는 조정활판(70)을 필요로 하는데 그 조정활판의 활주돌기(73)는 크랭크옆에 곡선궤도로 회전한다.

간단한 크랭크축 장치를 위해 회전축의 돌출부에서 작동되는 로커아암이 마련될 수 있다. 그러나 크랭크축 장치는 제동스프링을 필요로 한다. 소음과 수명에 관계되는 부속물(76)을 통하는 활판장치는 어려운 문제이다.

그러나 진자피스톤에 의해 작동되는 활판(77)(70)은 간편하고 유익하며 그것은 커넥팅로드의 반쪽들(52)(52') 사이에서 니들 더블스프링(78)을 가진다.

아치형 실린더벽(80) 대신에 짧은 활판(70)은 분리된 아치형의 실린더벽 부분(81)과 실린더실(82) 사이에서 미끄러질 수 있고, 그리고 예를 들면 섬유질 세라믹으로 이루어진다. 단열기관에서 실린더벽 부분(81) 또는 실린더실(82) 역시 세라믹으로 되었거나 또는 세라믹 코팅되어 있고, 세라믹으로 된 니들베어링(53)(83)은 윤활유가 필요없는 기관의 작동이 가능하다.

사각의 피스톤판(50) 역시 세라믹(섬유질로 보강된)으로 이루어져 있고 요소들(85)(86) 사이에 그리고 후자는 반구형으로 된 홈으로 흔들거리며 들어가 있게 된다. 가스압력은 그 요소들을 뒤섞어 찌그러뜨려 놓는다. 이 요소(86)에서 편평한 실린더벽들(88)과 달리 크랭크판 스프링으로 된 두 개의 서로 비슷한 요소(87)이 90°각도로 연결되어 있다.

제 8 도에 대한 변형에서는 하나의 핀(90)이 부채꼴관(89) 내부에서 회전하고 있는데 그러한 것은 마찰과 파손을 감소시키고 이중가스기밀 효과를 발생한다.

제 9 도는 배기활판(77)의 측면에 대한 동일한 기밀상태를 나타내는데 그 배기활판은 위쪽에서 구선형(球扇形)으로 형성되어 있고, 거기에서 다시 핀(90)이 회전하고 있다.

제 10 도에 대한 변형에서 활판(77)의 감겨진 가장자리(91)는 꽤 높은 내구성을 갖는다. (84) 내지 (87)과 (89) 및 (90)의 요소들에 대한 재료는 세라믹이 속하며 활판(77)의 경우에는 세라믹이 코팅된 크롬강도 고려된다.

제 5 도 및 제 6 도에서 처럼 분리된 실린더헤드(92)는 예컨대, 오일냉각을 할 수 있고 주철과 경금속으로 만들어진다. 실린더 몸체 밖으로 부분적으로 길게 뻗어난 지지부(93)는 크랭크실 하부(60)에서 결합시키는데, 그것은 장력으로 세라믹 케이스를 지탱한다. 한쪽의 도관(95)은 반구형 형태의 연소실(67)에 접하게 되고, 그곳에서 축은 압축공기에 의한 연료분사노즐(DEC, 자동차엔지니어링 1986. 8)(97)을 조절할 수 있는 슬리브(98)로 나사를 조이게 된다.

이 조절할 수 있는 슬리브(98)은 커버(99)에서 홈구멍으로 끼워서 뒤틀림에 대해 안전하게 하고 요소(100)를 통해 코일을 지나 압축균형의 감소를 위해 윗쪽으로 밀려있게 된다. 비슷한 요소(100')는 서보모터(servo motor) 또는 옆에 있는 실린더의 중간 바퀴로 쓰인다. 이때 노즐(97)은 점화플러그(20)쪽으로 가까이 설치될 수 있으며 직접 흡입구(65)방향으로 분사되게 한다.

제 11 도 및 제 12 도에서와 같이 기관은 틀구조로 되어 있는데, 개개의 실린더 체적과 수를 변하게 한다. 여기서 기관케이스는 공기흡입구(102)를 가진 우측 실린더벽과 좌측 실린더벽(103)으로 이루어졌는데, 이 두 실린더벽들은 안쪽으로 아치형을 이루고 그 내부와 편평한 측면들(104)(105)은 샌드위치식으로 플랜지로 연결되어 있다. 기밀은 패킹에 의하여, 즉 긴 볼트나 거기에 맞는 리벳트(106)에 의하여 결합되게 한다. 특이하게 서로 마주보는 구멍틀(107) 및 냉각실(108) 그리고 중앙소켓트(109)들은 회선철에 의해 쉽고 간단하게 제작된다.

또다른 유익한 점은 정밀한 가스관틀(110)(111)을 지닌 다수의 작은 주물부분과 특히 아치형으로 된 내부표면(112)과 자유로운 작업방향을 가진 편평한 내면의 평면(113)에 대한 간단한 가공인 것이다. 흡입플랜지(114)와 배기플랜지(115)의 가공은 기관케이스의 조립에 따라 수행되는데, 그 플랜지들은 기관의 케이스부분에 모두 걸쳐있다. 측벽(104)(105)들은 기관의 정면부분도 아니고 케이스의 중간부분도 아닌 두 개의 실린더 사이에 있으며, 상대벽에 대해 주조된 스틱(116)에 의하여 받쳐지고 있다. 이런 기관케이스는 아래로는 크랭크실(117)을 통하고 위로는 실린더헤드(118)을 통해서 밀폐되는데, 이 두 개(117)(118)는 각각 실린더의 수와 실린더의 벽(101)(103)의 폭에 따라 여러 가지로 성형된다.

기관케이스내에서 크랭크축(121)은 미끄럼 베어링 내에서 회전하고, 베어링커버(122)로 인하여 지지되는데, 그 커버에는 또한 크랭크실 하부(17)가 고정되어 있다.

크랭크 디스크(123)들은 측벽(104)와 (105)의 편평한 내면 평면(13)으로 까지 옆으로 뻗어나가며 정반대로 나뉜 디스크 스프링(125)과 결합된 통모양의 크랭크핀(127)의 유압식 윤활과 메인베어링을 이루고 있는 실(seal)(124)를 보여주고 있다. 진자피스톤의 윤활을 위해 오일구멍이 필요하다.

직사각형의 진자피스톤(130)은 잔모양의 커넥팅로드(131)와 하나의 경금속 주물로 되어 있으며, 중금속으로 된 카운터웨이트(133)에 상부로부터 조여져있고 경우에 따라서는 강재(鋼材)나 세라믹으로 만들어진 피스톤헤드(134)의 중간에 연결되어 있다.

커넥팅로드(131)와 카운터웨이트(133)는 그 작동경로에서 크랭크 케이스 내부(135)의 공간을 가능한한 채우게 되며, 그러므로써 가장 간단한 커넥팅로드 베어링의 지지대로서 작용한다.

카운터웨이트(133)는 아래에서 특히 원통형으로 되어 있으며, 슬릿실(slit seal)을 개량하기 위해 경우에 따라서 바퀴(133)에 접속하여 생길지도 모르는 미세한 횡단홈(136)을 제시할 수 있으며 커넥팅로드(131)와 카운터웨이트(133)의 편평한 측면에서 돌출된 고랑이 가능한데 그 홈 사이에는 마찰 표면이 감소된다. 하부로부터 조여진 카운터웨이트(137)에서는 장해가 되는 중심나사(140)가 있는 활모양의 부분에 의해 나사헤드(138)가 덮여져있다.

연결대는 진자피스톤(130)의 아래부분에 중앙에 지지 및 냉각대(142)가 있는 비스듬한 격벽(141)을 보여준다. 그안에 놓여있는 빈공간의 주물의 중심은 편평한 활판(144)에 의해 열리는 측면의 틈(143)을 통해서 이루어진다. 구멍뚫린 얇은 활판(144)은 커넥팅로드와 측면의 상당 공간에 동심원의 바퀴(145)(146)가 상하로 채워져 있으며 특히 이 원들의 중심은 피스톤 중심(147)에 있다.

활판(144)의 하단부는 편평한 측벽(104)(105)의 홈안에서 작동하며 활판(144)이 커넥팅로드(131)의 커넥팅로드의 운동에 간섭하지 않도록 저지하는 활석(148)쪽으로 휘어져 있다.

그러므로 가스관(110)(111)의 틈은 실린더벽(112)에서 점점 접근하는데, 즉 보다 넓어지는데 그것은 신속한 가스교환에 있어서 중요하다. 세척관(110)의 구멍틀(151)에서 나오는 에어쟈켓(air jaket)을 가진 전자기식 노즐(150)은 진자피스톤(130)으로부터 연소가스가 잘 배출되게 한다.

새로운 방식의 실린더헤드(118)는 크랭크(127)을 향하여 수직면위에 위치해 길게 뻗친 원통식 연소실(155)에 의하여 나타난다. 연소실(155)은 흡입면에서는 관(156)을 통하여 배기면에서는 구멍(157)이나 틈(118)을 통하여 실린더에 연결되어 있는데, 이때 연소실(155)내에서의 관(156)과 구멍(157) 또는 틈(158)의 접선식 혹은 법선식 배치에 의하여 흡입와류(159)나 반전(反轉)이 일어나거나 또는 와류가 전혀 생기지 않게 된다.

연소실(155)의 종축에서 연소실과 격리되어 오른쪽에는 가열플러그 또는 점화플러그(161)가 왼쪽에는 속이 비었거나 충전되어 있는 가열대(162)가 나사로 연결되어 있다. 가열대(162)의 길이와 직경의 변화에 의해 압축비율이 조정되거나 변화될 수 있다.

연소실(155) 그리고 경우에 따라서 가열대(162)의 실린더 표면은 촉매작용 연소의 발생을 위하여 백금 등으로 얇게 코팅되어 있거나, 적당히 코팅되어 교환가능한 판상(板狀) 또는 망상(網狀) 부재로 도금되어 있다.

기관은 다음과 같이 작동된다.

하사점(165)(커넥팅로드 샤프트는 크랭크 바퀴에 접해 있다) 상사점(166)이 있는 커넥팅로드 베어링은 그 우측면으로 흡입구(102)에 의해서 압축되지 않은 공기를 빨아들인다. 동시에 좌측면은 먼저 흡입된 공기를 피스톤(168)과 피스톤 구멍(169)을 거쳐서 세척통(110)안에 압축시킨다. 이러한 통들(110)(110')은 제 2 도에서와 같이 상호 비대칭적인 형태에 의하여 평면도에서 조차 비대칭적인 통들에 의해 강화되고 혹은 공간적 상태에 관련하여 영향을 받는 흡입구와류(170)이 발생한다. 이러한 공기와류(170)에 노즐(150)을 통하여 연료가 분사되며 진자피스톤(130)을 통하여 도관(156)방향으로 이전한다.

우선 구멍(157)과 틈(158)을 통하여 연료를 포함하지 않은 공기가 있는 (연소가스를 함유한) 연소실(155)의 세척이 이루어진다.

크랭크각도 330°에 있는 피스톤 상부의 위치(134')에서 볼 수 있는 바와 같이 연료와 공기의 혼합은 도관(156)을 통하여 연소실(155)로 이어지는데 여기서 메리트 박사(Dr. Merritt)의 보고에 의한 그의 실험엔진에서는 약 16:1의 압축비율에서 즉각적인 촉매자체 점화가 이루어진다는 사실은 백금도금과 연관이 된다.

가솔린 작동에서 불꽃점화장치는 필요가 없으며 가열플러그(161)는 냉각시 등에만 사용된다.

작업 싸이클의 마지막에 진자피스톤은 수행할 수 있는 후기연소를 위해 커넥팅로드 베어링으로부터 짧은 구멍(도시되지 않음)을 통하여 압축공기를 유입시킬 수 있는 측면의 배기관(11)안으로 연소가스를 경사져 주입한다.

경우에 따라서는 체크밸브가 중간에 연결되기도 한다. 외부의 촉매는 필요치 않는 것으로 여겨지며 메리트 박사는 그을음 없는 가솔린 자체점화기의 사용이 디젤기관보다 유리한 것으로 예측한다.

제 11 도 및 제 12 도에 의하면 기관에 있어서 진자피스톤(30)은 자신의 진자운동을 통하여 흡입(커넥팅로드 베어링에 의해 위치가 바뀌며 막 등의 것들 없이도 이루어진다)과 세척의 배출에 있어서 비대칭적인 배분상태를 얻는 반면, 피스톤의 직사각형의 형태가 신선한 가스와 연소가스 사이의 접촉면적을 동일 면적의 원형피스톤의 60%로 감소시킨다는 사실이 보다 큰 의미를 갖는다.

그밖의 장점들은 고도의 배기량을 갖춘 커넥팅로드 베어링과 상당히 집중적인 실린더 세척 및 제 1 도에서와 같이 무충격, 무진동, 무마찰의 피스톤 운동들이다.

본 기관에 있어서 진자피스톤, 커넥팅로드, 카운터웨이터로 이루어진 몸체는 커넥팅로드 베어링의 세척피스톤과 내연기관의 진자피스톤을 구성하며 그것은 가동중에 실린더 내에 떠 있으므로 그것을 이중 부유피스톤이라 부를 수 있을 것이다.

이 몸체는, 총 질량이 피스톤핀과 크랭크로드를 갖춘 플런저의 총 질량보다 거의 작지 않다 하여도 크랭크 샤프트의 적당한 카운트웨이트에 의해서 외부의 질량의 힘에 관하여 확실하게 상쇄된다.

카운터웨이트의 소요는 매우 증가하지만 다기통-그 행정기관에서는 극히 작은 프라이휘일(177)을 가능하게 한다.

위에서 언급한 크랭크 샤프트의 카운트웨이트는 장소설정으로 볼 때 기관실 밖 플라이휘일(177)과 맞은편에 위치한 벨트풀리 위에 배열되어야 하며 그것은 각각의 실린더 수에 있어서 가능하다.

그러나 상당히 넓은 중간실에서는 내부의 카운트웨이트도 역시 메인베어링의 균형을 잡기 위한 자리를 가지고 있다.

제 13 도는 작업행정동안에 상사점에 있는 좌측피스톤 모서리를 확대한 것이다. 진자피스톤의 하강운동(130)은 약 345°크랭크각에서 시작된다. 특히 가스압력하에 세라믹으로 이루어진 핀이나 로울러(90)는 회전화살표 방향표시에 따라서 둥근 실린더벽쪽으로 굴러간다.

이것은 로울러(90) 아래에 그리고 뒤에 만들어진 가스록커(gas locker)에서는 매우 작은 마찰과 마멸이 생긴다.

측면(90)에 접하는 패킹부재(87)는 작은 높이에 따라 특히, 패킹파트가 회전핀으로 대치될 경우 마찰이 적어진다.

패킹요소(89)(90)는 전면부(178)에 있다. 이 전면부는 정면피스톤 홈에서 이동될 수 있고 접판스프링이나 파형스프링(179)으로 인하여 활동이 가능한 것이다.

같은 방법으로 오른쪽 피스톤 모서리가 만들어졌다. 그러나 커넥팅로드 베어링 - 마찰모멘트가 작용하는 부분에 더 단단한 스프링 또는 전혀 단단하지 않는 스프링(179)이 마련된다.

제 14 도의 변형에서 로울러(90)는 볼록한 머리부분과 함께 패킹부재(181)는 기밀도를 더 높여주고 고정축의 이동으로 코우크스화 현상이 없는 실린더벽(112)을 가능하게 한다.

그밖에 패킹요소는 제 7 도 및 제 8 도에 도시되어 있다. 패킹요소(87)(181)와 회전체(90)는 열팽창에 의해 그리고 마멸에 대한 보정으로써 세분되고 서로 겹쳐진 길이로 밀리게 된다.

제 11 도 및 제 12 도의 변형인 제 15 도는 메리트 박사에 의한 실린더의 윗부분을 나타내고 있다. 거기에서 기관피스톤은 접선방향으로 된 통로(184)를 통해 그리고 작은 보조피스톤은 법선방향통로(185)를 통해 짧고 원통형의 백금도금된 연소실(186)과 연결되어 있다.

부유피스톤(134')의 진자피스톤 움직임 덕분에 (330°)크랭크각에서 보여주듯이 그리고 부유피스톤의 코부분(188)에 의하여 촉매에 의한 자기점화가 아주 간단하게 되어진다.

저압, 분사노즐(150)의 연료분사는 배관(185)의 영역에 머물기 위해 그 축상으로 되어 있지 않고 차폐노즐 횡단으로 벗어나 있다.

제 11 도, 제 12 도 및 제 15 도에 있는 연소실은 둥글거나 또는 제 5 도와 제 6 도에 있는 타원형 부유피스톤에 적합하고 거기에서 커넥팅로드 베어링은 바람직하지 못하다. 제 15 도의 변형으로써 4-행정기관에서는 흡입밸브는 왼쪽으로, 배기밸브는 가운데에, 연소실(186)은 오른쪽으로 이동될 수 있음을 나타낸다.

도관(185)은 실린더(112)로 통한다(제 11 도와 유사).

커넥팅로드 베어링은 에어쿠션(air cushion)을 필요로 하며 입구판에도 쓰인다.

커넥팅로드 베어링은 실린더의 압축행정 아래범위에서 넓은 세척실을 통해 혼합공기를 교환하는 것에 쓰인다.

그리고 작업행정의 아래범위에서 혼합공기는 연소실의 통과세척으로 그리고 그을음가스가 일어날 수도 있는 추가연소로도 쓰인다.

그러한 4-행정기관은 간단하지도 복잡하지도 않을 수 있고 또한 당연히 3개의 빈행정에 1개의 작업행정이 생긴다는 단점을 갖고 있을 수도 있다. 그러나 이점에 대해서는 사람들이 오랫동안 익숙해져 있다.

제 16 도 및 제 17 도는 제 11 도와 제 12 도에 따른 가솔린 기관의 실린더 윗부분을 (횡단면과 종단면을 나누어서) 불꽃점화로 더 변형시킨 것이다.

거기에서 실린더벽(101)(103)은 아치형으로 된 벽(109)을 통해서 반구와 비슷한 연소실(191)을 둘러싸고 그리고 왼쪽으로 길게 드리운 선(12)에서 틈으로 된 일부분과 연결된다.

이 틈새는 연소실(191)에서 공기와류현상을 일으키고 이 공기와류는 90°옮겨져서 세척공기와류와 겹쳐진다. 그리고 이것은 혼합기의 적당한 회전을 생기게 하는 전자점화플러그(20)를 통하여 생기게 된다. 이 실린더헤드(190)는 구멍이 뚫려있어 냉각되고 (회전하는 받침대(106)와 함께 좁게 분리된 냉각제실(108)) 거기에서 냉각제로는 기관오일이 쓰인다.

이 기관오일은 크랭크축-역류구멍(126)(제 11 도 및 제 12 도 아랫부분)으로부터 나와서 도관(185)에 있는 수직으로된 기관베어링 그리고 도관(197)에 있는 오른쪽으로 세게 굽은 기관베어링에 모여진다. 그리고 관(196)을 통해서 다시 흡입된다.

분리된 실린더헤드는 제 11 도 및 제 12 도의 헤드(118)에 대한 제 16 도 및 제 17 도와 같은 내부형태에 대하여 상호 교환할 수 있는 것이다.

거기에서 기관출력의 조절은 공기흡입구(102)에 있는 교축밸브(絞縮V/V)를 통해서 이루어지고 기화기 운전시 불가피한 교축손실이 일어난다.

연료분사시 기관밸브는 도시된 정면의 도관에서가 아니라 노즐(150)을 통해서 정리되어진다. 가스도관(11)은 바이-패스로서 공기흡입(102)과 연결되고 그것으로써 부분유입이나 실린더 차단에 따라 커넥팅로드압축기에 의해 요구되어지는 과잉공기의 낭비가 적게한다.

제 11 도 및 제 12 도에 도시된 기관에 의하여 압축기가 응용된다. 피스톤의 넓이는 그 안에서 약 2배 가량 되고 가스활판(144)과 배기통로(111)(115)는 멀리 떨어져 있다.

흡입통로(110)(110″)는 확대되고 실린더헤드(108)는 배기밸브, 판밸브를 가진 실린더헤드로 대치된다.

커넥팅로드 펌프에 의하여 아주 간단하게 2단 압축기가 흡입막 없이 (단, 추위에 쉽게 동결된다) 만들어졌고, 예컨대, 열펌프에 적당하고 이 열펌프는 유지하기 쉬운(제 11 도, 제 12 도 및 제 16 도, 제 17 도와 유사한) 기체기관(gas machine)을 제공한다.

유지의 용이함은 상기 진자피스톤 기관에서 그 기관의 단순화를 통하여 이루어진다. 약간의 마멸부분은 아래쪽에서는(제 1 도에서) 부유피스톤(1-4)의 조립된 크랭크축에서 그리고 위쪽에서도(제 5 도 및 제 6 도) 분리된 진자피스톤(50)에서 그 교환이 가능하다.

짧은 나사(132')에 의하여 피스톤 상단(134) 역시 위쪽에서 분해되어질 수 있는데 그것은 다수의 씰(seal) 요소에 대한 교환을 가능하게 한다.

이러한 교환은 지지대(132)와 "ㄱ"자로 굽은 부재(201)의 홈에 끼워져 있는가는 부분(200)을 가진 길고 원기둥형의 손잡이(199)에 의해 이루어지며 실린더헤드 플랜지로부터 부유피스톤 장착과 조립이 가능하게 되는데, 그럼에도 불구하고 가까이 할 수 있는 경우에는 아래쪽에서도 역시 가능하다.

부가적인 것으로 제 11 도와 제 12 도의 실린더헤드(118)는 디젤작동을 위하여도 적합한데 가열대는 충분히 긴 가열플러그로 대치되고 전자점화플러그(161)와 고압분사노즐이 설치되고, 실린더헤드(16)(17)에서는 필요했던 흡입공기의 교축밸브가 필요없게 된다.

배기가스에너지의 부분적 이용을 위하여 제 11 도 및 제 12 도에서와 같이 기관에서 공기흡입(102)은 커넥팅로드 압축기의 하부에서 가능한데, 이때 커넥팅로드는 압축공기 콤프레서로써 작동되고 실린더 충전으로 인해 10bar 이상의 효과있는 고압은 상당히 높은 회전수에서 도달할 수 있다.

배기가스를 이용한 커넥팅로드 압축기는 그 변형으로써 소음이 없는 워엄감속기어와 플라이 휘일을 경유하여 크랭크축이 추가로 작동될 수 있다.

이때 커넥팅로드 압축기와 전달장치 사이에 배치되는 점성커플링이 심한 동시에 충격을 완화시켜준다.

Claims

엔진, 콤프레서 또는 펌프로서, 최소한 하나의 실린더, 크랭크핀을 가진 회전할 수 있는 크랭크 샤프트, 실린더내를 상하운동하는 스커트가 없는 피스톤 및 진자피스톤에 고정된 커넥팅로드로 이루어져 있으며, 크랭크핀 위에 회전할 수 있도록 고정된 커넥팅핀 베어링을 포함하고, 거기에 카운터웨이트는 커넥팅로드의 연장부분에 적당한 크기로 배치되어 있으며 그 작동에 있어서 진자피스톤은 최소한의 측면력을 가지고 적당한 허리를 가진 실린더내에서 운동하는 것을 특징으로 하는 진자피스톤 기관.
제 1 항에 있어서, 크랭크 케이스의 하부는 크랭크 샤프트 펌프의 효율을 증가시키기 위하여 삽 모양의 챠저(spade charger)와 같이 작동하는 카운터웨이트로 빈틈없이 둘러싸는 것을 특징으로 하는 진자피스톤 기관.
제 1 항에 있어서, 컵 모양의 커넥팅로드가 진자피스톤과 동일한 폭의 구형(矩形)단면을 가지며, 크랭크 케이스에 의하여 엔진의 용역측정 챠저 또는 콤프레셔 또는 펌프의 첫 단계를 이루도록 빈틈없이 둘러싸여져 있는 구형 피스톤과 실린더로 구성된 것을 특징으로 하는 진자피스톤 기관.
제 3 항에 있어서, 2-행정 미끄럼밸브 내연기관으로서, 커넥팅로드의 양 평측면을 평활면을 위하여 오목하게 되어 있고 상하 동심원환부(concentric peripheries)는 중심에 위치되게 하되, 피스톤의 중심선의 둘레를 피봇되게 하며, 활판의 낮은 모서리는 진자로부터의 미끄럼을 방지하기 위하여 실린더의 평면벽의 홈에서 미끄러지는 활주부를 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 진자피스톤 기관.
제 4 항에 있어서, 측방향이송구(lateral transfer ports)는 실린더로 주입되는 가스에 있어서 배기와류(scavenging swirl)를 발생하도록 서로에 대해 비대칭적으로 배치되어 있고, 최소 펌핑손실로 엔진의 출력을 줄이기 위하여 도관을 조절하는 스로틀밸브를 통하여 크랭크 케이스 입구로 실린더를 선택적으로 바이패싱(by-passing)하는 것을 특징으로 하는 진자피스톤 기관.
제 4 항에 있어서, 실린더헤드는 귀금속으로 코팅된 긴 원통형 연소실을 가지고, 한 끝에 가열 또는 점화플러그와 실린더의 슬롯 또는 구멍을 통하여 전달매체를 가지며 촉매연소가 가능하도록 커넥팅로드의 진동 평면에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 진자피스톤 기관.