KR101598874B1 - 내연기관 - Google Patents

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크리스챤 벅세이
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콕스 파워트레인 엘티디
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Abstract

본원 발명의 내연기관은 적어도 하나의 실린더(12) 및 실린더의 일 단부에 배치된 크랭크 샤프트(14)를 포함한다. 각각의 실린더 내에는, 크랭크 샤프트로부터 가장 먼 피스톤인 외측 피스톤(18) 및 내측 피스톤(16)을 포함하는 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤(16, 18)이 있고, 이들 사이에 연소 챔버(28)가 형성된다. 피스톤들은 각각의 구동 링키지를 통해 크랭크 샤프트(14)를 구동한다. 외측 피스톤을 위한 구동 링키지(60, 68, 70)는 실린더 외부에 있다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINES}
본 발명은 내연기관에 관한 것이다. 더 구체적으로, 대향하는 피스톤 구성을 갖는 내연기관에 관한 것이다.
WO2008/149061[콕스 파워트레인(Cox Powertrain)]은 2-실린더 2-행정 직접 분사 내연기관을 개시한다. 두 개의 실린더는 수평으로 대향되며, 각 실린더에는 그 사이에 연소 챔버를 형성하는 대향된 왕복 피스톤이 위치한다. 이 피스톤은 두 개의 실린더 사이에서 중앙 크랭크 샤프트를 구동시킨다. 각 실린더에서 내측 피스톤(즉, 크랭크 샤프트에 가까운 피스톤)은 한 쌍의 평행한 스코치 요크 기구를 통해 크랭크 샤프트를 구동시킨다. 각 실린더에서 외측 피스톤은 내측 피스톤의 중앙을 관통하는 구동 로드를 거쳐, 내측 피스톤의 두 개의 스코치 요크 기구 사이에 안착된 제3 스코치 요크를 통해 크랭크 샤프트를 구동시킨다. 구동 로드는 중공관 형태를 갖고 연료는 구동 로드 내에 수용된 연료 인젝터에 의해 연소 챔버 내로 분사된다. 구동 로드의 벽은 원주방향으로 이격된 일련의 개구를 갖고, 이 개구를 통해 연료가 측방향 외향으로 연소 챔버 내로 방출된다.
본 발명은 WO2008/149061에 개시된 엔진 구성예의 개선품으로, 초기 엔진의 장점, 즉 중량 대비 높은 파워 출력비를 갖는 매우 소형이며 효율적인 엔진의 장점을 유지하고 또한 추가 장점을 제공하는 실시예를 제안하는 것을 추구한다.
본 발명은 적어도 하나의 실린더, 실린더의 일단부에 위치된 크랭크 샤프트 및 실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤으로서, 그 사이에 연소 챔버를 형성하는 왕복 피스톤을 포함하는 내연기관을 제공하고, 피스톤은 각각의 구동 링키지를 통해 크랭크 샤프트를 구동시키고, 크랭크 샤프트로부터 가장 먼('외측' 피스톤)에 대한 구동 링키지는 실린더의 외부에 있다. 하나 이상의 구동 링키지는 스코치 요크 기구를 포함하는 것이 바람직하다.
외측 피스톤에 대한 링키지를 실린더 외부에 제공함으로써, 실린더 내부를 관통하는 임의의 구동 로드에 대한 필요성이 회피된다. 또한, 연소 챔버를 관통하는 구동 로드 또는 로드들이 존재하지 않음으로 인해 더 간단한, 통상적인 연소 챔버 설계, 더 단순한 내측 피스톤의 냉각, 크랭크 케이스로의 블로우바이(blowby) 경로의 제거 및 구동 로드로의 열 손실 제거가 가능하다. 또한, 외부 링키지의 사용은 인젝터가 장애 없이 피스톤에 대해 중앙에(또는 피스톤의 중앙에 가깝게) 위치될 수 있는 것을 의미한다.
임의의 적절한 구동 링키지가 사용되어 피스톤의 대향하는 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환할 수 있다. 그러나 바람직한 실시예의 경우, 앞서 지적한 바와 같은 스코치 요크 기구가 사용된다. 스코치 요크 기구가 사용되는 경우, 최소로서, 내측 피스톤(즉, 크랭크 샤프트에 가장 가까운 피스톤)이 크랭크 샤프트를 구동하는데 이용되는 적어도 하나의 스코치 요크 및 외측 피스톤이 크랭크 샤프트를 구동하는데 이용되는 적어도 하나의 스코치 요크를 가질 필요가 있다. 그러나 외측 피스톤 상에 바람직하지 않은 불균형력이 인가되는 것을 방지하고 실린더를 관통하는 중앙 구동 로드에 대한 요구를 회피하기 위해, 외측 피스톤은 한 쌍의 스코치 요크를 통해 크랭크 샤프트를 구동시키는 것이 더 바람직할 수 있고, 한 쌍의 스코치 요크는 실린더의 각 측에 하나씩 위치되고 실린더의 대향 측면 상에서 각각의 연결 부재에 의해 외측 피스톤에 연결된다. 연결 부재는 예를 들어 하나 이상의 구동 로드일 수 있다.
한편, 단일 실린더 구성예는 다수의 실린더, 예를 들어, 두 개의 실린더, 네 개의 실린더, 여섯 개의 실린더, 여덟 개의 실린더 또는 그 이상을 포함하는 본 발명의 실시예에 따르는 바람직한 엔진에 가능하다.
다중 실린더가 사용되는 곳에서, 힘의 균형, 엔진의 전체 형상 및 크기 등의 관점에서 다른 장점을 제공할 수 있는 다양한 구성예가 가능하다. 예시적인 구성예는 (이에 제한되지 않지만) 대향된 쌍의 동축 실린더[예를 들어, '플랫 투(flat two)', '플랫 포(flat four)' 등], 모든 실린더가 나란히 위치된 '직선형(straight)' 구성예, 실린더의 두 개의 직선형 뱅크가 나란히 위치된[예를 들어 '스퀘어 포(square 4)'] 'U' 구성예, 'V' 구성예 및 'W' 구성예(즉, 'V' 구성 실린더의 두 개의 인접한 뱅크) 및 방사상 구성예를 포함한다. 구성예에 따라, 다중 실린더는 단일 크랭크 샤프트 또는 복수의 크랭크 샤프트를 구동시킬 수 있다. 통상적으로, '플랫', '직선형', 'V' 및 방사상 구성예는 단일 크랭크 샤프트를 구비할 것이고, 'U' 및 'W' 구성예는 실린더의 각각의 뱅크에 대해 하나가 위치되는, 두 개의 크랭크 샤프트를 구비할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 베벨 기어박스를 통해 공유된 출력 샤프트를 구동시키는 콘트라-회전(contra-rotating) 크랭크 샤프트를 구비한 두 개의 엔진 유닛(각각은 하나 이상의 실린더를 구비)을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 배열은 토크 리코일 효과가 균형되는 이점을 갖는다.
엔진 구성예는 나란히 배열되는(side-by-side) 구성의 다수의 실린더를 포함하며, 인접 실린더의 피스톤은 구동 링키지(예를 들어, 스코치 요크 기구)를 공유하는 것이 유리할 수 있다. 특히 일 실린더의 외측 피스톤은 인접 실린더의 내측 피스톤과 구동 링키지를 공유할 수 있다.
인접한 실린더의 피스톤이 크랭크 샤프트로의 구동 연결을 공유하는 것은 이전에 제안되지 않았다. 이러한 접근법은 또한 실린더 내에 있는 구동 기구를 갖는 엔진에 사용될 수 있다.
이러한 접근법을 채용하지 않을 경우 요구되는 구동 연결부(예를 들어, 스코치 요크)의 개수가 감소되는 이러한 접근법을 채용함으로써, 크랭크 샤프트의 필요한 길이를 최소화하여 전체적으로 더 소형인 설계로 이어진다.
구동 링키지(예를 들어, 스코치 요크 기구)를 통해 일 실린더 내의 내측 피스톤과 인접 실린더 내의 외측 피스톤을 교차 링크(cross-linking)하는 것은 또한 피스톤이 실린더 내에 안정화되는 것을 조력하여 실린더의 중앙 축에 수직인 축에 대한 피스톤의 원치 않는 회전에 저항한다. 구동 링키지가 스코치 요크 기구인 경우, 피스톤의 회전이 방지되는 이러한 배열은 요크 슬라이더를 위치시키기 위한 다른 구성[예를 들어 트랙 또는 원통형 주행 표면(running surface)]의 요구 조건을 회피하면서 요크 슬라이더를 위치시키도록 기능할 수 있다.
나란히 배열되는 구성예는 예를 들어, 서로에 대해 인접하게 배열된 둘 이상 쌍의 대향 실린더를 갖는 플랫 구성예 및 일렬로 서로에 대해 인접하고 평행한 둘 이상의 실린더를 갖는 직선형 구성예, 또는 직선형 구성예에 둘 이상의 실린더의 뱅크를 갖는 임의의 다른 배열을 포함한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 엔진은 적어도 2 쌍의 실린더를 포함하고, 각 쌍의 실린더는 동축 관계로 대향되어 있으며, 실린더 쌍은 대향하는 각 실린더 쌍 사이에서 연장되는 크랭크 샤프트와 플랫 구성으로 서로에 대해 인접하게 배치되어 있다. 각각의 실린더는 스코치 요크 기구를 통해 크랭크 샤프트를 구동하도록 실린더 내에서 왕복하는 한 쌍의 대향하는 피스톤을 구비하고 있다. 각 실린더의 외측 피스톤은 실린더의 각각의 내측 피스톤과 스코치 요크를 공유하며, 상기 내측 피스톤은 인접한 쌍의 실린더 내에 그리고 크랭크 샤프트 대향측 상에 위치한다.
외측 피스톤을 위한 외부 구동 링키지를 사용함으로써, WO2008/149061호에 기재되어 있는 구성에 사용되는 외측 피스톤용의 중앙 구동 로드에 대한 필요성이 제거된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 연소 챔버 내에 직접 노출되어 있는 노즐을 구비하는 실린더의 중심축 상에 또는 그에 인접하게 배치된 연료 인젝터를 포함할 수 있다. 구체적으로, 연료 인젝터는 일단부에 노즐을 포함할 수 있고, 상기 노즐은 주입 지점[예를 들어, 압축 점화(CI) 엔진에 있어서, 일반적으로 피스톤이 최소 제한 체적(minimum contained volume)의 사이클 내의 지점에 또는 그 부근에 있을 때, 즉 피스톤의 면이 서로에 대해 가장 가까운 경우]에서 연소 챔버 내에 배치되며, 상기 노즐을 통해 연료가 방출된다. 인젝터의 노즐을 연소 챔버에 직접 노출시킴으로써, 인젝터가 중앙 구동 로드 내에 내장되는 전술한 종래 기술의 구성과 달리, 벽 내의 구멍을 통해 연료를 주입할 필요성이 제거된다. 이로 인하여 더 간단한 구성과, 개선된 연료 주입과, 공기 운동과 연소 특성에 도달하여, 보다 통상적인 인젝터를 사용할 수 있게 된다.
연료 인젝터는 적소에 고정되어 외측 피스톤의 중심을 통해 연장될 수 있으며, 외측 피스톤은 인젝터의 하우징을 따라 왕복하도록 구성될 수 있다. 대안으로서, 연료 인젝터는 피스톤 행정의 일부 또는 피스톤의 전체 행정을 통해 외측 피스톤과 함께 이동할 수 있다. 후자의 경우에, 인젝터는 피스톤에 고정될 수 있다.
인젝터는 임의의 적절한 커플링에 의해 엔진 구조체의 외측 부분에 고정될 수 있다. 몇몇의 경우에 있어서, 인젝터가 실린더의 중심선에 평행하게 자신을 자체 정렬시키게 하고, 연계된 피스톤의 열적 왜곡 및 허용 오차(tolerance)를 수용할 수 있게 하는 커플링을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 올드햄(Oldham) 커플링이 사용될 수 있다(이러한 유형의 커플링은 인젝터가 그 축에 수직하는 평면에서 이동할 수 있게 하여, 원하는 정렬을 허용하면서, 그 축을 따른 이동을 방지한다).
이제, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 예로서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플랫 포(flat four) 엔진 구성의 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 z-z 선을 따라 취한 도 1의 엔진의 횡단면도이다.
도 3은 도 1에 도시되어 있는 최저 대향 쌍의 실린더의 중심선을 따라 취한 도 1의 엔진의 횡단면도이다.
도 4는 도 1의 엔진에 대한 등척도이다.
도 5는 크랭크 샤프트, 스코치 요크, 피스톤, 구동 로드 및 연료 인젝터를 비롯한 도 1의 엔진의 핵심 구성요소(조립된 형태)의 개략 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시되어 있는 핵심 구성요소에 대한 개략 등척도이다.
도 7a 내지 도 7m은 도면의 하부 좌측에서 봤을 때 실린더의 최소 연소 챔버 체적의 사이클의 지점(이것은 이하에서 편의를 위해 "상사점" 또는 "TDC"로 지칭되는데, 이러한 TDC라는 용어가 사용되는 이유는 당업자라면 보다 통상적으로 배치되는 엔진의 작동 사이클 내의 유사 지점임을 알 수 있기 때문이다)으로부터 시작하여, 크랭크 샤프트의 완전한 일회전에 걸쳐서 각각 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 240°, 272°, 300°, 330°, 360°에서 도 1의 엔진의 스냅샷을 도시한다.
여기서 본 발명을 예시하기 위해 사용되는 실시예는 2-행정, 직접 분사식, 4 실린더 엔진이다. 엔진은 2개의 수평 대향 쌍의 실린더로 구성된다. 한 쌍의 실린더는 "플랫 포" 구성을 제공하도록 다른 것과 나란히 배치된다. 도 4에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 구성은 몇몇 용례, 예를 들어 아웃보드 마린 엔진(outboard marine engine)으로서의 용도에 유용할 수 있는 로우-프로파일 전체 엔빌로프를 엔진에 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진은 다른 해양 용도 및 지상 차량과 비행기용의 추진 또는 동력 발생 유닛으로서 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 최초로 도 1 내지 도 3을 살펴보면, 엔진(10)은 축 z-z(도 1 참조)을 중심으로 회전하도록 장착된 중심 크랭크 샤프트(14)를 중심으로 배열된 4개의 실린더(12)를 포함하고 있다. 2개의 실린더는 도 1의 하부측에 대해 크랭크 샤프트의 한 쪽 측부에 있는 한 쌍의 대향 실린더이고, 2개의 다른 실린더는 도 1의 상부를 향하는 다른 쌍의 대향 실린더이다.
각 실린더 내에는, 2개의 피스톤과, 내측 피스톤(16)과, 외측 피스톤(18)이 있다. 각 실린더 내의 2개의 피스톤은 서로 대향되어 있고, 반대 방향으로, 이 예에서는 180도 다른 위상으로, 왕복운동한다.
각 피스톤은 크라운(20, 22)을 구비하고, 2개의 피스톤의 크라운은 서로 마주보고 있으며, 스커트(24, 26)는 크라운에 현수되어 있다. 이 예에 있어서, 외측 피스톤의 크라운(26)은 실질적으로 플랫한 반면, 내측 피스톤의 크라운(24)은 대체로 눈물-방울 형상 단면을 가진 환형 함몰부를 구비하고 있다. 상사점에서, 피스톤 크라운이 서로에 대해 가장 인접할 때(그리고, 바로 거의 접촉할 때), 대향 크라운(24, 26)은 연료가 주입되는 원환체(toroidal) 연소 챔버(28)를 형성한다.
이하에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 피스톤이, 도 1의 상부 좌측 및 하부 우측 실린더에서 볼 수 있는 바와 같이, 그 사이클 중에 피스톤이 서로로부터 가장 멀리 이격되어 실린더 내에서 최대 제한 체적("하사점")을 형성하는 위치에 있을 때에, 피스톤 크라운은 각각 실린더의 내측 및 외측 단부를 향해 흡입 포트(30)와 배기 포트(32)를 노출시키도록 충분히 멀리 후퇴한다. 피스톤(16, 18)이 사이클의 압축 행정에서 서로를 향해 이동함에 따라, 피스톤 스커트는 포트를 덮어서 폐쇄하고, 내측 피스톤(16)의 스커트(24)는 흡입 포트(30)를 폐쇄하고, 외측 피스톤(18)의 스커트(26)는 배기 포트(32)를 폐쇄한다. 도 1 및 도 2에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 배기 포트(32)는 흡입 포트보다 더 큰 축방향 범위(즉, 실린더의 종축 방향에서의 치수)를 가져서, 배기 포트가 더 빨리 개방되고, 흡입 포트보다 더 오랫동안 개방 상태로 유지되어, 실린더의 배기를 돕는다.
각각의 실린더(12)가 연료 인젝터(34)와 연계되어 있다. 연료 인젝터(34)는 일단부에 인젝터 노즐(38)과 함께 원통형 하우징(36)을 구비하고 있다. 연료는 통상적인 방법으로 인젝터 하우징을 통해 노즐에 가압 상태로 공급된다. 노즐(38)은 인젝터 하우징(36)의 단부면으로부터 돌출되어 있고, 그 주변 둘레에 등간격으로 이격되어 있는 일련의 구멍을 구비하며, 상기 구멍을 통해 대체로 반경방향으로 연료가 주입된다. 노즐은 니들 밸브(도시되어 있지 않음)에 의해 개방 및 폐쇄된다. 니들 밸브가 개방되면, 연료가 구멍을 통해 가압 상태로 주입된다. 니들 밸브의 개방 및 폐쇄는 통상적인 방법으로 제어될 수 있다. 사용 시에, 인젝터 하우징은 냉각 유체의 공급에 의해 냉각될 수 있고, 상기 냉각 유체는 연료 자체일 수도 있고, 또는 (비록 몇몇 경우에는 필요하지 않을 수도 있지만) 예를 들어 엔진 냉매일 수도 있다.
연료 인젝터(34)는 실린더(12)의 중심축을 따라 장착된다. 본 실시예에서, 연료 인젝터(34)의 외측 단부는 실린더의 외측 단부[즉, 크랭크 샤프트(14)에 대향하는 실린더의 단부]의 구성요소(40)에 고정된다. 연료 인젝터(34)는 노즐(38)이 돌출되는 인젝터의 내측 단부를 실린더(12)의 중앙에 위치시키기 위해 외측 피스톤 크라운(22)의 중앙 개구(42)를 통해 연장된다. 더 구체적으로는, 도 1의 좌측 하단 실린더와 우측 상단 실린더 및 도 2의 좌측 실린더에 도시된 대로 피스톤(16, 18)이 상사점에 있을 때, 연료 인젝터(34)의 노즐(38)은 원환체 연소 챔버(28) 내부에 직접적으로 있으며, 연료는 노즐(38)로부터 측방향으로 연소 챔버(28) 내로 주입될 수 있다.
본 명세서에 기술된 중앙 인젝터 배열에서 연료 인젝터(34)는 제자리에 고정되고, 엔진(10)이 작동하는 동안 외측 피스톤(18)은 인젝터 하우징(36)의 바깥쪽을 따라 이동한다. 피스톤(18)이 인젝터 하우징(36)를 따라 앞뒤로 왕복하는 동안 피스톤 크라운(22)과 인젝터 하우징(36) 사이에서 밀봉을 유지하고, 가압된 가스가 실린더 내부로부터 누설되는 것을 방지하거나 적어도 이를 최소화하며, 연소 챔버로의 오일 침투를 방지하기 위해, 적절한 밀봉부(44)가 외측 피스톤 크라운(22) 내의 개구(42)의 외주 주위에 제공된다.
연료 인젝터(34)는 인젝터 하우징의 외부 표면이 피스톤(18)과의 슬라이딩 접촉을 허용하도록 구성됨을 제외하고는 종래 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 연료 스프레이는 인젝터의 노즐 주위에 이격되고 단일 밸브 배열(예를 들어, 니들 및 밸브를 잠그기 위해 니들과 맞물리는 안착부를 포함하는 니들 밸브 배열)에 의해 제어되는 복수의 반경 방향 제트의 형태를 취할 것이다.
본 실시예에서, 피스톤(16, 18)은 크랭크 샤프트(14) 상의 각각의 편심부(58)에 장착되는 4개의 스코치 요크 배열(50, 52, 54, 56)을 통해 크랭크 샤프트(14)를 구동한다. 피스톤(16, 18)과 스코치 요크(50, 52, 54, 56), 특히 외측 피스톤(18)을 위한 스코치 요크 사이의 연결은 도 5와 도 6에 가장 잘 나타나있다. 본 실시예에서, 이하에서 상세하게 설명되는 것처럼, 스코치 요크는 스코치 요크의 개수를 최소화함으로써 크랭크 샤프트의 필요한 길이를 최소화하여 더 밀집된 설계를 제공하기 위하여 다수의 피스톤에 의해 공유된다.
이하와 본 명세서의 이하 및 다른 곳에서 사용되는 방향/상대적 위치("상부", "하부", "좌측", "우측" 등)는 구성 요소의 상대적인 위치를 지칭하고 엔진의 임의의 특정한 배향이나 공간상 엔진 구성요소에서의 위치를 암시하는 것으로 간주되어서는 안된다.
도 5를 참조하면, 4개의 스코치 요크(50, 52, 54, 56)는 도면 중간에 수직으로 연장되는 크랭크 샤프트(14)에 연결되는 것을 볼 수 있다.
제1 스코치 요크[(50), 도 5의 상부]는 크랭크 샤프트(14)의 일단부에 인접하여 연결된다. 구동 로드(60)는 이 요크(50)를 2개의 상부 실린더(12a, 12b)의 외측 피스톤(18a, 18b)에 연결시킨다(도 5에 도시됨). 도 6에 가장 잘 도시된 바대로, 외측 피스톤(18a, 18b) 당 2개의 구동 로드(60)가 피스톤(18a, 18b)에 자체적으로 고정되는 연결 플레이트(72a, 72b)의 인접한 코너(도 1에서 크랭크 샤프트의 상부 단부 쪽으로 가장 위의 코너)에 고정된다. 연결 플레이트(72a, 72b)는 실린더(12)의 외부 주연 너머로 연장되어 구동 로드(60)가 실린더의 바깥쪽을 따라 (즉, 외부적으로) 플레이트(72a, 72b)의 코너로부터 연장된다.
제2 스코치 요크(52)는 2개의 상부 실린더(12a, 12b) 사이에 위치하고 각각의 구동 로드(62)에 의해 이 2개의 실린더의 내측 피스톤(16a, 16b)에 연결된다(도 1에 가장 명확하게 도시됨). 구동 로드(62)는 내측 피스톤(16a, 16b)의 중심으로부터 스코치 요크(52)와의 연결부까지 연장된다. 바람직하게, 제2 스코치 요크(52)는 구동 로드(64)에 의해 외측 피스톤(18c, 18d)의 하부 쌍에 또한 연결된다. 상술된 구동 로드(60)와 유사하게, 피스톤 당 2개의 로드(64)가 구비되고, 피스톤 로드들은 외측 피스톤(18c, 18d)의 외측 단부에 고정되는 각각의 연결 플레이트(72c, 72d)의 인접한 코너(본 실시예서는 크랭크 샤프트의 중점에 가장 가까운 2개의 코너)로부터 연장된다.
제3 스코치 요크(54)는 2개의 하부 실린더(12c, 12d) 사이에 위치하고 각각 구동 로드(66)에 의해 이 2개의 실린더의 내측 피스톤(16a, 16b)에 연결된다(이 또한 도 1에 가장 명확하게 도시됨). 구동 로드(66)는 내측 피스톤(16c, 16d)의 중심으로부터 스코치 요크(54)와의 연결부까지 연장된다. 제2 스코치 요크(52)와 유사하게, 제3 스코치 요크는 구동 로드(68)에 의해 외측 피스톤(18a, 18b)의 상부 쌍에 추가적으로 연결된다. 피스톤 당 2개의 이들 로드(68)가 구비되고 이 로드는 연결 플레이트(72a, 72b)의 다른 2개의 인접한 코너[구동 로드(60)가 연장되는 코너의 반대쪽, 즉 크랭크 샤프트의 중점에 가장 가까운 코너의 반대쪽]로부터 연장된다.
제4 스코치 요크(56)는 도 5에서 크랭크 샤프트(14)의 하부 단부에 도시된다. 이 요크(56)는 피스톤(18c, 18d) 당 또 다른 구동 로드(70) 쌍에 의해 외측 피스톤(18c, 18d)의 하부 쌍에 연결된다. 이들 로드는 외측 피스톤(18c, 18d)의 하부 쌍에 고정되는 연결 플레이트(72c, 72d)의 각각의 하부 코너[즉, 구동 로드(64)가 연결되는 코너의 반대쪽 코너]에 연결된다.
연결 플레이트(72)는 크랭크 샤프트의 중점에 가장 가까운 코너에 연결된 구동 로드들이, 피스톤이 이동하는 동안 서로 간섭하지 않고 평행하고 서로 나란하게 배치되는 형상을 갖는다.
따라서, 각각의 상부 외측 피스톤(18a, 18d)은 한 쌍의 제1 구동 로드(60)에 의해 제1 스코치 요크(50)에 연결되고 한 쌍의 제2 구동 로드(68)에 의해 제3 스코치 요크(54)에 연결된다. 각각의 하부 외측 피스톤(18c, 18d)은 한 쌍의 제1 구동 로드(70)에 의해 제4 스코치 요크(56)에 연결되고 한 쌍의 제2 구동 로드(64)에 의해 제2 스코치 요크(52)에 연결된다. 상부 내측 피스톤(16a, 16b)은 각각의 중앙 구동 로드(62)에 의해 제2 스코치 요크(52)에 연결되고, 하부 내측 피스톤(16c, 16d)은 각각의 중앙 구동 로드(66)에 의해 제3 스코치 요크(54)에 연결된다.
달리 말하면, 제1 스코치 요크(50)는 상부 외측 피스톤(18a, 18b)에 의해 구동되고, 제2 스코치 요크(52)는 상부 내측 피스톤(16a, 16b) 및 하부 외측 피스톤(18c, 18d)에 의해 구동되며, 제3 스코치 요크(54)는 하부 내측 피스톤(16c, 16d) 및 상부 외측 피스톤(18a, 18b)에 의해 구동되고, 제4 스코치 요크(56)는 하부 외측 피스톤(18c, 18d)에 의해 구동된다.
전술한 바와 같이, 내측 피스톤과 외측 피스톤 간의 이러한 스코치 요크 공유는, 공유되지 않을 경우 요구되는 것에 비해 스코치 요크의 개수를 감소시키고, 크랭크 샤프트의 요구되는 길이를 최소화시킨다.
또한, 한 쌍의 대향 실린더의 내측 피스톤의 다른 한 쌍의 대향 실린더의 외측 피스톤과의 스코치 요크를 통한 교차 링크는 피스톤이 실린더 내에서 안정화되는 것을 조력하여, 실린더의 중앙 축에 수직인 축에 대한 피스톤의 원치 않는 회전에 저항한다. 또한, 이러한 배열은 요크 슬라이더를 위치시키기 위한 다른 구성(예를 들어, 트랙 또는 원통형 주행 표면)의 필요성을 회피하면서 요크 슬라이더를 위치시키도록 기능한다.
엔진의 작동
도 7은 하나의 완전한 크랭크 샤프트 회전에 걸친 엔진의 작동을 도시한다. 구체적으로, 도 7a 내지 도 7m은 30°증분에서의 피스톤 위치를 도시한다.
0°ADC의 도 7a는, 0°의 크랭크 샤프트 위치의 엔진을 도시한다[도 5의 하부 좌측 실린더(12c)에서 TDC로 임의 정의됨]. 이러한 위치에서, 하부 좌측 외측 피스톤(18c) 및 하부 좌측 내측 피스톤(16c)은 이들의 가장 가까운 접근 지점에 있게 된다. 예시된 직접 분사 엔진에서, 크랭크 샤프트 회전의 대략 이러한 각도에서 연료 충전물은 하부 좌측 실린더 내로 분사될 것이고 연소가 시작될 것이다. 이 시점에, 하부 좌측 실린더의 배기 및 흡기 포트(32, 30)는 외측 및 내측 피스톤 각각에 의해 완전 폐쇄된다.
30°ADC의 도 7b에서, 하부 좌측 실린더의 내측 및 외측 피스톤은 동력 행정(power stroke)의 시작시에 떨어져서 운동한다.
60°ADC의 도 7c에서, 하부 좌측 실린더는 2개의 피스톤이 동일하지만 반대되는 속도로 이의 동력 행정을 계속한다.
90°ADC의 도 7d에서, 하부 좌측 실린더는 이의 동력 행정을 계속한다.
120°ADC의 도 7e에서, 하부 좌측 실린더의 외측 피스톤은 개방된 배기 포트(32)를 갖는 반면, 흡기 포트는 폐쇄되어 유지된다. 이러한 "블로우다운" 조건에서, 연소 챔버로부터의 팽창 가스의 운동 에너지의 일부는 터보차저에 의해 원하는 경우, 예를 들어, 그 다음번 압축을 위해, 외부적으로 회복될 수 있다("펄스" 터보차징).
150°ADC의 도 7f에서, 하부 좌측 실린더의 내측 피스톤은 흡기 포트(30)를 개방시켰고, 실린더는 단류 소기(uniflow scavenged) 상태이다.
180°ADC의 도 7g에서, 하부 좌측 실린더의 내측 및 외측 피스톤은 흡기 및 배기 포트(30, 32)가 개방되어 유지되고, 단류 소기가 계속되도록 한다. 피스톤은 하사점에 있다.
210°ADC의 도 7h에서, 하부 좌측 실린더에서 포트(30, 32) 양자의 세트는 개방되어 유지되고 단류 소기가 계속된다.
240°ADC의 도 7i에서, 하부 좌측 실린더에서 내측 피스톤은 흡기 포트(30)를 폐쇄시킨 반면, 배기 포트(32)는 부분 개방되어 유지된다. 다른 실시예에서, 배기 포트는 흡기 포트의 개방/폐쇄 이후에 개방되거나 그리고/또는 그 이전에 폐쇄된다. 또한, 일부 적용례에서, 포트 타이밍은 예를 들어, 슬리브 밸브를 사용하여 포트의 개방 및 폐쇄를 제어하도록 비대칭적인 것이 바람직하다.
270°ADC의 도 7j에서, 하부 좌측 실린더에서 외측 피스톤은 배기 포트(32)를 폐쇄시켰고 2개의 피스톤은 이들 사이에서 서로를 향해 운동하며 이들 사이의 공기를 압축시킨다.
300°ADC의 도 7k에서, 하부 좌측 실린더에서 피스톤은 압축 행정을 계속한다.
330°ADC의 도 7l에서, 하부 좌측 실린더는 압축 행정의 끝에 다다르며 "스퀴시" 상태가 시작된다. 이는 내측 및 외측 피스톤의 외부, 환형, 대향면이 이들 사이로부터 공기를 배출하는 단계이다.
360°ADC의 도 7m에서, 피스톤은 도 3(a)에서와 동일하다. 하부 좌측 실린더는 피스톤이 이의 가장 가까운 접근의 위치에 있는 TDC 위치에 도달하였다. "스퀴시" 상태는 계속되며, 부분 접선방향 흡기 포트에 의해 야기된 이미 존재하는 실린더 축 와류 상에 강화된 "스모크 링" 효과가 중첩되도록 야기된다. 이러한 복합 가스 운동은 연소 챔버가 대부분 거의 원환체 형상을 하고 최소 체적인 TDC에서 이의 가장 강한 상태에 있을 것이다. 이 시점에서 중앙 연료 인젝터로부터 다수의 방사상 연료 스프레이가 분사되어, 거의 모든 가능한 공기에 도달하며 매우 효과적인 연소를 야기한다. 분사는 정확하게 최소의 체적에서 시작될 필요가 없으며, 일부 실시예에서 분사 타이밍은 속도 및/또는 하중의 함수로 변화될 수 있다.
특정 각도 및 타이밍은 크랭크 샤프트 형상 및 포트 사이즈 및 위치에 따른다. 상기 설명은 오직 본 발명의 개념을 설명하도록 의도된다.
당업자는 본 발명을 벗어나지 않고 상세하게 설명된 실시예에 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 당업자는 본 발명의 실시예가 2-행정 또는 4-행정일 수 있으며 압축 점화 또는 스파크 점화일 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 내연기관이며,
    적어도 하나의 실린더와,
    실린더의 일 단부에 배치된 크랭크 샤프트와,
    실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤으로서, 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤은 사이에 연소 챔버를 형성하고, 크랭크 샤프트로부터 가장 먼 피스톤인 외측 피스톤 및 내측 피스톤을 포함하는, 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤을 포함하고,
    외측 피스톤과 내측 피스톤 사이에 연소 챔버가 형성되고,
    피스톤은 각각의 구동 링키지를 통해 크랭크 샤프트를 구동하고, 외측 피스톤을 위한 구동 링키지는 실린더 외부에 있고,
    다수의 실린더를 나란히 배치되는 구성으로 포함하고,
    구동 링키지 중 하나 이상이 인접 실린더들의 피스톤들에 의해 공유되고,
    하나의 실린더의 외측 피스톤은 인접 실린더의 내측 피스톤과 구동 링키지를 공유하는, 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 구동 링키지는 스코치 요크 기구를 포함하는, 내연기관.
  3. 제2항에 있어서, 내측 피스톤이 크랭크 샤프트를 구동하는데 이용되는 적어도 하나의 스코치 요크, 및 외측 피스톤이 크랭크 샤프트를 구동하는데 이용되면서 실린더의 각각의 측면에 하나씩 배치되어 있는 적어도 2개의 스코치 요크를 포함하는, 내연기관.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스코치 요크 쌍은 실린더의 양 측면 상의 각각의 연결 부재에 의해 외측 피스톤에 연결되고, 연결 부재는 실린더 외부에 있는, 내연기관.
  5. 제4항에 있어서, 외부 연결 부재는 실린더의 양 측면으로 구동 로드를 하나 이상 포함하는, 내연기관.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 실린더를 포함하는, 내연기관.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 두 쌍의 실린더를 포함하고, 각 쌍의 실린더는 동축으로 대향하고 실린더 쌍들은 크랭크 샤프트가 각 쌍의 대향하는 실린더들 사이에서 연장하는 플랫 구성으로 서로 인접하게 배열되고, 각각의 실린더는 스코치 요크 기구를 통해 크랭크 샤프트를 구동하도록 실린더 내에서 왕복하는 한 쌍의 대향하는 피스톤을 갖고, 각각의 실린더 내의 외측 피스톤은, 인접 실린더 쌍에 속하면서 크랭크 샤프트의 대향 측면 상에 있는 실린더의 각각의 내측 피스톤과 스코치 요크를 공유하는, 내연기관.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더의 중심축 상에 또는 그와 평행하게 배치되는 적어도 하나의 연료 인젝터를 포함하는, 내연기관.
  11. 제10항에 있어서, 연료 인젝터는 실린더의 일 단부로부터 피스톤 중 하나를 통해 돌출되고, 상기 피스톤은 왕복할 때 연료 인젝터를 따라 활주하는, 내연기관.
  12. 제10항에 있어서, 연료 인젝터는 연료가 노즐로부터 분사될 때 연소 챔버 내에 직접 노출되는 하나의 단부에 노즐을 갖는, 내연기관.
  13. 내연기관이며,
    나란히 배치되는 구성의 다수의 실린더와,
    각각의 실린더 내의 한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤을 포함하고,
    한 쌍의 대향하는 왕복 피스톤 사이에 연소 챔버가 형성되고,
    피스톤은 각각의 구동 링키지를 통해 크랭크 샤프트를 구동하고 구동 링키지 중 하나 이상은 인접 실린더들의 피스톤들에 의해 공유되고,
    하나의 실린더의 외측 피스톤이 인접 실린더의 내측 피스톤과 구동 링키지를 공유하는, 내연기관.
  14. 삭제
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