KR102108605B1 - 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각의 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)에 연결된 서로 맞은편에 있는 파워 캠(300, 400)과 내부에 피스톤(140, 150, 160, 170)을 가진 하나 또는 그 이상의 실린더(120, 130)를 포함하는 내연기관(100)에 관한 것이다. 피스톤(140, 150, 160, 170)이 왕복운동하면 파워 캠(300, 400)에 작동하여 회전 샤프트(500, 600)에 회전 운동을 제공한다. 회전 샤프트(500, 600)를 서로 연결시키기 위해 결부 장치(700)가 제공된다. 상기 엔진(100)은 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)를 서로 연결시켜 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)가 함께 회전될 수 있도록 하기 위한 결부 장치(700)를 추가로 포함하고, 상기 결부 장치(700)는 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 상대적 각위치를 변경시키기 위한 시프팅 수단(705)을 포함한다. 이에 따라 엔진 배분 및 압축비가 동적으로 변경된다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관과 같은 엔진, 그리고, 보다 구체적으로는 대향 피스톤 엔진에 관한 것이다.

종래 기술에는, 대향 피스톤 연소 엔진이 알려져 있다. 이러한 엔진 내에는, 각각의 단부에 배열된 하나의 피스톤을 가진 하나 이상의 공통 실린더(common cylinder)가 제공된다. 일반적으로, 2개의 대향 피스톤이 연소 챔버를 형성한다. 내부에서 연소가 발생되면, 가스가 두 피스톤에 작동하여 피스톤을 반대 방향으로 구동시킨다.

일반적으로, 대향 피스톤 엔진에는 실린더의 한 단부 가까이에 배열된 흡기 포트 및 실린더의 맞은편 단부에 배열된 배기 포트가 제공되며, 이들은 각각의 피스톤에 의해 구동된다.

파워(power)를 전달하기 위해 파워 캠을 가지거나 혹은 크랭크샤프트를 가진 대향 피스톤 연소 엔진이 제공된다. 본 발명은 파워를 전달하기 위해 파워 캠을 가진 대향 피스톤 엔진에 관한 것이다.

이러한 엔진의 예는 US5551383, EP0357291 및 WO2005008038에 기술되어 있다. 상기 엔진들은 반대 방향으로 왕복운동 하도록 구성된 대향 피스톤 및 2개의 파워 캠을 수용하는 메인 샤프트를 포함한다. 상기 피스톤에는, 구동 단부에서, 파워 캠에 작동하는 베어링 또는 팔로워(follower)가 제공된다. 피스톤이 왕복운동하면 메인 샤프트가 회전 운동하게 된다.

예를 들어, WO2010118457에서는, 실린더의 세로축을 따라 반대 방향으로 왕복운동하기 위해 한 쌍의 피스톤이 위치된다. 피스톤 사이에는 연소 챔버가 형성된다. 각각의 축방향으로 거리가 떨어져 있는(axially spaced) 캠들에 연결되고 서로 정렬된 제1 및 제2 샤프트가 제공된다. 작동 시에, 제1 샤프트는 제2 샤프트에 대해 반대 방향으로 연속적으로 회전된다. 제2 샤프트는 제1 샤프트가 연장될 수 있고 회전될 수 있는 세로 보어(longitudinal bore)를 가진다. 이러한 엔진은 사용 시에 형상(configuration)을 변경하도록 구성되지는 않는다.

본 발명의 출원인이 출원한 WO2012113949는 중앙의 중공 샤프트와 상기 샤프트로부터 돌출하고 각각의 실린더에 연결된 중공 암을 포함하며, 이들은 각각 그 사이에서 챔버를 형성하는 맞은편 피스톤을 가진 엔진에 대해 기술하고 있다. 상기 엔진은 각각의 피스톤 내에 형성된 베어링이 굴러 엔진을 구동시키는 2개의 맞은편 파워 캠을 추가로 포함한다.

이러한 연소 엔진들의 주된 이점은 측면 하중(side load)이 제거되거나 또는 적어도 현저하게 감소된다는 사실이다. 하지만, 위에 기술된 종래 기술의 연소 엔진은 값비싸며, 특히, 상이한 특성을 가진 상이한 엔진이 제작되어야 하는 경우에 비용이 많이 든다. 또한, 이러한 종래 기술의 연소 엔진은 연료 소모율이 높으며 엔진 성능이 좋지 못하다.

따라서, 서로 상이한 특성을 가지는 것에 무관하게 높은 성능과 파워를 가지며 제작하기가 용이한 대향 피스톤 엔진을 제공할 필요성이 존재한다.

본 발명에 따른 내연기관은 대향 피스톤(opposed piston) 타입의 엔진으로 구성된다. 상기 엔진은 엔진 블록(engine block), 바람직하게는, 예를 들어, 기계가공(machining)에 의해 제작될 수 있는 원통형의 형태를 가진 엔진 블록을 포함한다. 하지만, 본 발명의 대향 피스톤 엔진의 엔진 블록은 프리즘 형태(prismatic) 또는 심지어 불규칙적인 형태를 가질 수 있다. 이러한 연소 엔진은 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진, 혹은 심지어 바이오연료 엔진(biofuel engine)일 수도 있다. 바람직한 한 실시예에서, 본 발명의 내연기관은 3-행정 엔진(three-stroke engine)일 수도 있다. 하나 이상의 실린더가 엔진 블록 내에 제공된다. 한 바람직한 실시예는 밑에 제공되는 특징들 중 적어도 몇몇 특징들을 가진 3-행정 트윈 실린더 대향 피스톤 엔진이다. 실린더는 임의의 원하는 위치에서, 가령, 수평, 수직 또는 경사 위치에서 작동하도록 배열될 수 있다.

엔진 블록 내부에 적어도 제1 및 제2 상호 맞은편 파워 캠이 제공된다. 각각의 파워 캠은 제1 및 제2 회전 샤프트의 각각의 맞은편 단부에 연결되거나 혹은 상기 맞은편 단부의 일부분이다. 따라서, 파워 캠은 각각의 회전 샤프트와 함께 회전될 수 있다. 각각의 출력 샤프트는 각각의 파워 캠에 연결되거나 각각의 파워 캠의 일부분이다. 작동 시에, 제1 및 제2 회전 샤프트, 출력 샤프트 및 각각의 파워 캠은 함께 회전된다.

제1 및 제2 회전 샤프트는 서로 정렬된다(aligned). 회전 샤프트들은 엔진 블록 내의 중앙 부분에 배열되는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 회전 샤프트 사이의 공간배열은, 제1 및 제2 회전 샤프트가 서로 옆에 배열되지만 서로 접촉되지는 않도록 각각의 제1 및 제2 회전 샤프트의 단부 사이에 제공되는 것이 바람직하다.

위에 기술한 것과 같이, 본 발명의 엔진은 하나 또는 그 이상의 실린더를 포함할 수도 있다. 실시예의 개수에 따라, 파워 캠은 상이한 개수의 캠 트랙(cam track)을 가질 것이며, 이러한 캠 트랙은 상응하는 돌출 영역에 의해 형성된다. 예를 들어, 트윈 실린더 엔진(twin cylinder engine)의 경우, 파워 캠은 2개의 각각의 돌출 영역에 의해 형성된 2개의 캠 트랙을 가진다. 이에 따라 엔진 사이클(engine cycle)은 우수한 중량 균형(weight balance)과 함께 샤프트의 매 회전(each turn)에 대해 2배로 성능을 발휘한다.

본 발명의 엔진의 실린더는 엔진 블록과 일체형으로 형성될 수 있다. 하지만, 실린더가 엔진 블록에 결합된 개별 부분들인 실시예들은 배제되지 않는다.

각각의 실린더 내부에, 그에 상응하는 피스톤들이 배열된다. 사용 시에, 피스톤들은 실린더의 세로축을 따라 왕복운동한다(reciprocate). 각각의 피스톤은 피스톤 헤드, 피스톤 바디 및 커넥터를 포함한다. 커넥터는 피스톤 헤드와 피스톤 바디를 서로 연결하기 위해 제공된다. 커넥터는 진동 운동(oscillating movement)이 전혀 없거나 또는 거의 없이 연결 로드(connecting rod)와 같이 형성된다. 제작상의 불완전성 및 허용오차(tolerance)로 인해, 부분들 사이에 작은 움직임(movement)을 수용하기 위하여 진동 운동이 거의 없는 것이 바람직하다. 커넥터는 조립체를 경량화시켜주는(lightening) 다수의 실질적으로 평행한 로드를 포함할 수 있다. 커넥터를 형성하는 상기 평행 로드는 피스톤 바디와 피스톤 헤드를 연결하는 상부 및 바닥 공통 샤프트에 의해 서로 결합된다.

각각의 실린더 내의 두 피스톤 사이에, 연소 챔버가 형성된다. 예를 들어 본 발명의 엔진이 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진인지에 따라, 하나 이상의 스파크 플러그 또는 분사장치(injector)가 연소 챔버 내에 제공된다.

또한, 흡기 및 배기 포트가 엔진 블록 내에 형성되고 각각의 실린더를 통해 챔버와 결합된다. 하나 또는 그 이상의 스파크 플러그(가솔린 엔진) 혹은 연료 분사장치(디젤 엔진)가 챔버 내에 제공된다. 본 발명의 구성이 제공될 수 있는 그 외의 다른 엔진 타입들, 가령, 바이오디젤 엔진, 가스 엔진 등은 배제되지 않는다. 가솔린 엔진의 경우, 카뷰레터(carburettor) 혹은 간접/직접 분사로 작동될 수 있으며, 직접 분사가 가장 바람직하다.

피스톤 헤드는 압축 피스톤 세그먼트를 수용한다(carry). 이러한 피스톤 세그먼트는 연소 챔버 가까이에 있는 피스톤의 한 단부에 배열된다. 또한, 피스톤 헤드는 윤활 피스톤 세그먼트를 수용한다. 윤활 피스톤 세그먼트는 피스톤 헤드의 한 단부 부분 즉 피스톤 스커트(piston skirt) 내에 배열된다. 피스톤 세그먼트, 특히, 윤활 피스톤 세그먼트를 배열시키는 것은, 상기 흡기 및 배기 포트의 위치배열 및 피스톤 행정(piston stroke)과 밀접한 관련이 있다. 윤활 피스톤 세그먼트는, 오일이 포트, 따라서, 실린더 유입되는 것을 방지하기 위해 압축 행정 포트가 개방될 수 없다는 것을 고려한다면, 압축 피스톤 세그먼트에 가능한 최대한 가까이 배열되는 것이 바람직하다.

피스톤 바디는 압력 가스(pressure gas)가 각각의 파워 캠과 결합된 출력 샤프트에 제공되는 토크(torque)로 변환될 때 메인 하중(main load)을 견뎌낸다.

파워 캠은, 위에 기술한 것과 같이, 서로를 향하는 제1 및 제2 회전 샤프트의 각각의 외측 단부에 배열된다. 피스톤들은 각각, 피스톤이 왕복운동하여 제1 및 제2 회전 샤프트에 회전 운동이 제공되어 엔진을 구동시키도록, 각각의 파워 캠에 작동되도록 구성된 구동 단부(drive end)를 가진다.

한 예에서, 각각의 파워 캠 내에 2개의 캠 트랙이 형성되어 내부에서 동일한 파동 트랙(wave track)이 180°만큼 제공된다. 구체적으로, 한 피스톤 내의 파워 캠은 2개의 흡기 캠 트랙을 가지며, 맞은편 피스톤 내의 파워 캠은 2개의 배기 캠 트랙을 가진다.

이에 따라, 위에 기술한 거소가 같이, 피스톤 사이에서 챔버와 결합되고 엔진 블록 내에 형성된 배기 및 흡기 포트가 제공된다. 배기 포트는 배기 피스톤 즉 배기 캠 트랙을 가진 파워 캠과 결합된 피스톤에 의해 구동되고, 흡기 포트는 흡기 피스톤 즉 흡기 캠 트랙을 가진 파워 캠과 결합된 피스톤에 의해 구동된다. 따라서 포트가 개방되고 밀폐되는 과정은 캠 트랙의 프로파일(profile)에 의해 조절된다.

본 발명의 엔진의 한 예에서, 각각의 캠 트랙은 2개 이상의 부분 즉 상승 또는 압축 부분과 하강 또는 파워 부분(power portion)을 형성한다. 파동(wave)은 배기 피스톤이 흡기 피스톤에 대해 전진되도록 구성된다. 하지만, 각각의 캠 트랙 내의 각각의 파동은 압축 부분과 하강 부분 사이에서 적어도 추가적인 평평 부분(flat portion)을 형성할 수 있다.

흡기 및 배기 캠 트랙이 반드시 서로 다를 필요가 없다는 것을 유의해야 한다. 흡기 및 배기 캠 트랙이 동일한 경우, 캠 트랙은 적절한 각이동(angular shift)을 가져야 한다.

따라서, 본 발명의 엔진의 중요한 특징에 따르면, 폭발 행정(power stroke)이 끝나기 전에, 흡기 포트가 개방되기 전에, 상응하는 피스톤 헤드에 의해 배기 포트가 개방되고, 압축 행정이 시작될 때 흡기 포트가 밀폐되기 전에, 상응하는 피스톤 헤드에 의해 배기 포트가 밀폐된다.

본 발명의 엔진의 중요한 특징에 따르면, 결부 장치가 제공된다. 결부 장치는 예를 들어 엔진 블록 내에 배열된다. 결부 장치는 제1 및 제2 회전 샤프트를 서로 연결시키기 위해 구성되어 제1 및 제2 회전 샤프트가 함께 회전될 수 있다. 따라서, 작동 시에, 결부 장치는 제1 및 제2 회전 샤프트와 함께 회전된다. 제1 및 제2 회전 샤프트의 부분은 적절하게 윤활된다.

이러한 결부 장치는 시프팅 수단(shifting means)을 포함한다. 시프팅 수단은 이동될 수 있는, 예를 들어, 세로축을 따라 이동될 수 있는 슬라이더(slider)를 포함할 수도 있다. 모터 수단, 가령, 적절한 컨트롤 유닛에 의해 명령을 수행하는(commanded) 서보모터가 슬라이더를 작동시키도록 사용될 수 있다.

슬라이더가 작동될 때, 제1 및 제2 회전 샤프트는 서로 회전하게 되는데 이는 즉 제1 및 제2 회전 샤프트의 상대적 각위치가 변경하게 된다는 것을 의미한다. 이에 따라 파워 캠의 상대적 각위치도 변경하게 된다.

이를 위하여, 슬라이더는 제1 및 제2 회전 샤프트 내에 형성된 각각의 외부 치형부(teeth) 또는 채널(channel)과 결합하도록 구성된 치형부 또는 채널을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 회전 샤프트의 치형부 또는 채널은 각각의 서로 인접하거나 또는 근접한 단부에 형성된다. 한 실시예에서, 슬라이더의 치형부 또는 채널은 슬라이더 내부에 형성되는 반면 회전 샤프트의 치형부 또는 채널은 회전 샤프트의 단부 외부에 형성된다.

슬라이더와 제1 및 제2 회전 샤프트 둘 모두의 치형부 또는 채널은 예를 들어 나선형으로 구성될 수 있다. 상기 실시예에서, 제1 회전 샤프트의 치형부 또는 채널은 제2 회전 샤프트의 치형부 또는 채널에 대해 대칭으로 구성될 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 회전 샤프트 내의 치형부의 대칭 평면(plane of symmetry)은 제1 및 제2 회전 샤프트에 대해 수직이며 따라서 나선형 기어(helical gear)를 형성한다.

또한, 시프팅 수단이 작동될 때 제1 및 제2 회전 샤프트가 서로 회전되는 한, 치형부 또는 채널을 위한 그 외의 다른 기하학적 형상(geometry)도 가능하다.

시프팅 수단이 작동되어 파워 캠과 제1 및 제2 회전 샤프트가 서로 회전하게 되면, 엔진 배분(engine distribution) 및 압축비(compression ratio)가 변경된다. 엔진 배분 및 압축비가 변경되는 것은 동적으로 동시에 수행되며 엔진 작동 동안 배기 및 흡기 포트의 작동이 변경하게 된다. 또한, 연소 챔버 내의 체적(volume)도 변경되며 따라서 엔진의 압축비도 변경되는데, 이는 밑에서 상세하게 설명될 것이다.

간단한 방법으로 광범위한 엔진 속도에 걸쳐 상대적으로 높은 토크(torque)가 전달될 수 있게 해 주는 가변 배분(variable distribution)이 구현되는 것이 바람직하다. 흡기 및 배기 포트가 밀폐되고 개방되는 것은 엔진 요건(engine requirement)에 있어서 임의의 시간에서도 가능하다. 이는 엔진 성능을 크게 향상시키고, 토크가 증가되어 높은 파워를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 연료 소모율과 오염물질은 감소되기 때문에 중요한 이점이다.

가변 배분은 엔진 요건, 가령, 엔진 속도, 흡기 컬렉터(intake collector) 내의 공기 압력, 스로틀 위치(throttle position) 등에 따라 조절될 수 있는데, 이러한 엔진 요건들은 컨트롤 유닛에 의해 조절된다. 엔진이 저속에 있을 때(공전 속도(idle speed)로부터 시작하여) 흡기 개방(intake opening)보다 덜 기대되는(less anticipated) 배기 개방이 추구되는데, 이는 덜 기대되는 배기 개방으로 인해 실린더 내의 압력이 제시간에 배출되어(released in time) 흡기 포트가 개방될 때 가스는 쇼팅(shorting) 없이도 가능한 최대한 최적으로 유입될 수 있게 되기 때문이다. 본 발명의 가변 배분 엔진(variable distribution engine)으로 인해, 가스의 흡기가 시작되는 것을 용이하게 하기 위하여, 흡기 포트가 개방될 때 실린더 내의 압력은 흡기 컬렉터 내의 압력 또는 대기압(atmospheric pressure)보다 더 작다. 본 발명의 가변 배분 엔진으로 인해, 배기 포트가 가능한 최대한 늦게 개방되어, 출력 샤프트 상에서 가능한 최고 파워를 얻을 수 있으며 폭발 행정 동안 배출되는 에너지의 더 많은 이점을 누리게 된다. 다른 한편으로, 엔진 속도가 증가될 때(위에 기술한 것과 같이, 그 외의 다른 다수의 변수들에 좌우되기는 하지만, 엔진 속도가 가장 중요한 요인임), 배기 포트의 개방이 기대되며 따라서 흡기 포트가 개방되기 전에 실린더 내부의 압력이 배출되도록 사용되는 시간이 짧아지는 데 대해 상쇄되는 것이 중요하다.

이 모든 것들은 서로에 대한 파워 캠의 상대적 각위치를 적절하게 변경시킴으로써 구현된다. 배기 및 흡기 캠 트랙은 약간 회전되어, 배기 캠 트랙은 흡기 캠 트랙에 대해 전진되거나(advanced) 혹은 흡기 캠 트랙은 배기 캠 트랙에 대해 지연된다(delayed). 이에 따라, 결부 장치의 슬라이더가 제로 위치(공전 상태)에 대해 이동될 때, 배기 캠 트랙이 회전되고 흡기 캠 트랙에 대해 전진되어 폭발 행정에서 흡기 포트 전에 개방되며, 배기 포트는 압축 행정에서 흡기 포트 전에 밀폐된다. 슬라이더가 더 많이 이동되면 될수록 흡기에 대해 더 많은 배기가 전진되는데 즉 배기 포트가 흡기 포트에 대해 더 빨리 개방되고 밀폐된다. 따라서, 배분은 동적으로 변경된다.

또한, 압축비는 간단한 방법으로 제1 및 제2 회전 샤프트가 결합되는 결부 장치의 작동을 통해 구현되는 것이 유리하다. 이에 따라 엔진이 작동될 때 엔진의 압축비가 동적으로 조절될 수 있게 된다. 이런 방식으로, 엔진이 가변 하중(varying load) 하에서 작동되는 동안에도 연료 효율(fuel efficiency)이 증가될 수 있다. 구체적으로, 피스톤은 상사점(TDC)에 있으며 슬라이더는 정지 위치(rest position) 또는 제로 위치에 있다(제1 및 제2 샤프트에는 어떠한 상대적 회전 운동이 발생되지 않음). 이상적으로는, 상기 위치는 공전 상태에 있을 때의 엔진의 위치와 일치하며 이에 따라 두 파워 캠의 캠 트랙도 일치한다. 위에 기술한 것과 같이, 흡기 및 배기 캠 트랙이 동일한 경우 이들은 적절한 각이동(angular shift)을 가진다는 점을 유의해야 한다. 시프터(shifter)의 상기 위치에서, 압축비는 가장 높은데, 이는 저속에서 적절하다. 엔진이 속도를 증가시키면, 압축비는 감소되어 엔진 상태는 항상 엔진의 최적 지점(optimum point)에 가깝게 유지된다. 이러한 조절은, 몇몇 엔진 변수(엔진 속도 뿐만 아니라), 가령, 흡기 컬렉터 내의 공기 압력, 엔진 하중(engine load), 스로틀 위치(파워 요구량(power demand) 등에 좌우된다. 따라서, 압축비를 감소시키기 위하여, 시프터 위치(shifter position)는 제1 및 제2 샤프트를 향해 축방향으로 변경된다(changed axially). 이에 따라 배기 캠 트랙은 흡기 캠으로부터 특정 각도로 전진된다. 최고점(highest point)으로 간주되는 흡기 캠 트랙의 상부 위치는 가솔린 엔진 내의 스파크 플러그의 점화(ignition)(또는 디젤 엔진에서 주입 작동(injection actuation))에 대한 기준점(reference)으로 고려된다. 따라서, 흡기 피스톤이 상사점(TDC 위치)에 있을 때 배기 피스톤은 TDC 위치 밑으로 이동하기 시작하고 이에 따라 연소 챔버가 증가되고 압축비가 감소된다. 따라서 컨트롤 유닛에 의해 명령을 수행하는 시프터는 압축비가 엔진의 필요조건 및 요건들에 더 잘 맞도록 연속으로 이동된다.

엔진 배분 및 압축비는 결부 장치에 의해 동적으로 동시에 변경된다.

결부 장치가 어떤 방식으로 작동하는지 그리고 캠 프로파일(cam profile)에 대한 2개 이상의 가능 형상(possible configuration)이 고려되는데, 이는 시작점(starting point)과 초기 회전 각도(공전 속도에서의)에 주로 영향을 미친다.

제1 가능 형상은 폭발 행정에서 배기 포트가 우선 개방되고 압축 행정에서는 배기 포트가 우선 밀폐되도록 캠 트랙이 구성되는 형상이다. 이런 방식으로, 공전 속도에서 캠 트랙의 상부는 정렬된다. 위에 기술한 것과 같이, 상기 위치는 결부 장치의 제로 위치에 상응한다. 따라서, 배기 트랙(exhaust track)은 흡기 트랙(intake track)에 대해 전진될 필요는 없다. 배기 포트는 폭발 행정의 끝에서 흡기 포트 전에 개방되고 압축이 시작되기 전에 밀폐된다. 이 위치로부터, 엔진 출력 샤프트가 회전될 때 결부 장치는 컨트롤 유닛에 의해 명령을 수행하는 서보모터를 통해 이동되고, 위에 기술한 것과 같이, 슬라이더의 내부 치형부 또는 채널이 제1 및 제2 회전 샤프트에서 제1 및 제2 회전 샤프트가 서로 회전되게 하는 각도로 작동되는데, 파워 캠의 상대적 각위치가 변경되어 엔진 배분 및 압축비가 동적으로 동시에 변경된다.

캠 트랙의 또 다른 가능 형상은 파동의 피크(peak) 및 밸리(valley)가 동일하도록 형성하고 배기 및 흡기 캠 트랙이 동일하도록 형성하는 것이다. 상기 경우에서, 엔진이 작동하도록 하기 위하여, 결부 장치는 배기 캠 트랙이 흡기 캠 트랙에 대해 절절한 각도로 회전되는 위치로부터 (공전 속도로) 시작하여야 한다. 이러한 형상으로, 엔진은 두 회전 방향으로 작동될 수 있다.

각각의 카운터 캠(counter cam)은 각각의 파워 캠과 상응하게 형성되며 이들에 결합된다. 따라서, 카운터 캠은 각각의 제1 및 제2 샤프트에 결부되거나 이들의 일부분이며, 또는 각각의 파워 캠에 결부되거나 이들의 일부분이다. 카운터 캠의 직경은 파워 캠의 직경보다 더 작은 것이 바람직하다. 카운터 캠은 이에 상응하는 파워 캠과 동일한 형태를 가지며, 이들은 서로 향하게 배열된다. 카운터 캠의 목적은 실린더 내에서 피스톤의 충돌(collision)을 방지하는 것이며, 상기 충돌은 피스톤의 관성력(inertial force)이 파워 캠에 대해 반대 방향에 있을 때, 그리고, 실린더 또는 실린더들 내의 가스 압력의 힘이 상기 관성력보다 더 작을 때 발생될 수 있다. 제1 및 제2 회전 샤프트는 카운터 캠과 파워 캠과 함께 회전된다.

트윈 실린더 엔진의 특정 예에서, 그리고, 위에 기술한 것과 같이, 2개의 캠 트랙은 각각의 파워 캠 내에 형성되어, 하나의 피스톤 내의 파워 캠이 두 흡기 캠 트랙을 가지며 맞은편 피스톤 내의 파워 캠이 두 배기 캠 트랙을 가지도록 동일한 파동 트랙을 형성한다. 구체적으로, 각각의 실린더는, 한 면(side)에서는, 파워 캠 내에 제공된 흡기 캠 트랙에 의해 조절되는 피스톤 헤드에 의해 조절되는 흡기 포트를 가진다. 실린더의 맞은편 면에서, 맞은편 파워 캠 내에 제공된 배기 캠 트랙에 의해 조절되는 피스톤 헤드에 의해 조절되는 배기 포트가 제공된다.

특히 바람직한 한 실시예에서, 트윈 실린더 엔진이 제공된다. 두 실린더는 제1 및 제2 샤프트의 한 면에 위치되며, 이는 즉 두 실린더는 샤프트의 축방향으로 서로 180°만큼 떨어져 있다. 위에 기술한 것과 같이, 각각의 카운터 캠과 파워 캠을 구동시키기 위하여, 두 피스톤은 서로를 향하는 각각의 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용된다(slidingly received).

실린더의 배기 및 흡기 포트는 캠 트랙의 회전 및 형태에 따라 피스톤 헤드에 의해 개방되고 밀폐된다. 캠 트랙의 형태는, 위에 기술한 것과 같이, 폭발 행정에서 배기 포트가 우선 개방되고 압축 행정에서 배기 포트가 우선 밀폐되도록 구성된다.

각각의 피스톤은 피스톤 헤드, 피스톤 바디 및 커넥터를 포함한다. 커넥터는 연결 로드(connecting rod) 방식이지만 스윙운동(swing) 하지는 않는다. 커넥터는 피스톤 헤드와 피스톤 바디를 함께 연결한다. 피스톤 헤드는 연소 챔버에 가장 가까운 단부에서 압축 링(compression ring)을 수용하며, 피스톤 헤드의 하측 부분(스커트)에서는 윤활 링(lubrication ring)을 수용한다. 피스톤 링(특히, 윤활 링)의 위치는 실린더 포트의 위치 및 피스톤 행정(piston stroke)과 밀접한 관련이 있다. 피스톤 바디는 가스 압력이 샤프트 토크로 변환될 때 응력을 견뎌내도록 구성된다.

피스톤은 하나 이상의 캠 팔로워 휠(cam follower wheel), 예를 들어, 2개 또는 3개의 캠 팔로워 휠을 포함할 수 있다. 팔로워 휠은 피스톤이 이동될 때 파워 캠 상에서 구르도록(roll) 구성된다. 피스톤은 하나 이상의 카운터 캠 팔로워 휠, 예를 들어, 단일의 카운터 캠 팔로워 휠을 추가로 포함할 수 있다. 카운터 캠 팔로워 휠은 카운터 캠 상에서 구르도록 구성된다. 바람직한 한 실시예에서, 팔로워 휠 및 카운터 캠 팔로워 휠(들)은 모두 공통 샤프트 상에 장착된다. 한 실시예에서, 상기 공통 샤프트는 제1 및 제2 샤프트 및 실린더의 세로축에 대해 적어도 실질적으로 수직이다.

각각의 실린더에는, 작동 시에, 피스톤이 이동만 될 수 있도록 피스톤이 회전되는 것을 방지하기 위한 잠금 수단(locking means)이 추가로 제공될 수 있다. 상기 잠금 수단은 실린더 내에 형성된 돌출부를 수용하기 위해 피스톤을 따라 형성된 홈(groove)을 포함할 수도 있다. 대안으로, 상기 잠금 수단은 실린더를 따라 형성된 홈을 수용하기 위해 피스톤 내에 형성된 돌출부를 포함할 수도 있다. 대안으로, 피스톤이 회전되는 것을 방지하기 위해 그 밖의 균등한 잠금 수단이 포함될 수도 있다.

실린더에는, 2개의 카운터 캠 팔로워 휠을 위해 구성된 두 단부에 형성된 2개의 동일한 만입부(indentation)가 제공되어, 압축 행정 동안, 샤프트는 실린더와 충돌하지 않는 것이 바람직하다.

이는, 피스톤 중량이 감소되는 것을 방지하여, 진동(vibration)을 피하고, 폭발 행정 동안 더 작은 오버행(overhang)으로 인해 피스톤 바디와 실린더 사이의 레버리지 효과(leverage effect)를 감소시키며, 마찰이 줄어들고, 엔진의 크기가 보다 컴팩트하게 되게 하기 때문에 중요하다.

실린더는 공기-냉각되는 것이 바람직하지만 액체-냉각도 가능하다. 실린더 주위에 핀형 영역(finned area)이 제공되며, 냉각 팬(cooling fan)으로부터 나온 공기가 상기 핀형 영역을 통해 흐를 수 있다. 구체적으로, 상기 핀형 영역은 피스톤이 수용되는 실린더와 실린더 바디의 최외측 부분 사이의 중간 영역 내에 제공된다. 공기는 상기 냉각 팬으로부터 이어지는 중간 부분을 통해 흐른다. 따라서, 냉각은 더 잘 배분되고 효율적으로 수행된다.

각각의 윤활 부분은 엔진 블록의 맞은편 단부 부분들과 엔진 블록 자체 사이에 형성된다.

사용 시에, 피스톤이 각각의 캠 트랙의 상부에 위치되는 상사점(TDC)으로부터, 따라서 이들이 서로 가까이 배열되는 위치로부터, 가스는 2개의 피스톤 헤드와 실린더 사이에서 연소 챔버 내에서 고온으로 압축된다. 예를 들어, 스파크 플러그에 의해 야기된 가스 혼합물(gas mixture)의 점화(ignition)로 인해, 챔버 내의 온도와 압력이 증가하여, 피스톤을 눌러 이동하게 만든다. 폭발 행정 동안, 피스톤의 선형 운동은 파워 캠에 작동될 때 회전 운동으로 변환되며 따라서 엔진 출력 샤프트를 구동시킨다.

폭발 행정의 끝부분 가까이에서, 배기 포트는 피스톤 헤드에 의해 개방되며, 배기 컬렉터와 실린더의 압력차(pressure differential)로 인해 가스가 배기되게 한다. 위에 기술한 것과 같이, 배기 포트의 개방은, 흡기 포트가 개방될 때, 실린더 내의 압력이 충분히 강하하여 흡기 포트를 통해 신선한 가스가 유입될 수 있도록 하기 위하여 미리 수행된다. 흡기 및 배기 포트가 개방되어 흡기 컬렉터로부터 신선한 가스가 유입되는 사이클 단계 동안, 배기 가스는 배기 포트를 통해 제거된다(swept). 상승 단계가 시작되고 난 바로 직후, 실린더 흡기가 최적화되도록, 배기 포트는 배기 피스톤에 의해 밀폐되며 흡기 포트는 주어진 각도로 계속하여 개방된다. 흡기 포트가 밀폐되면 압축이 시작된다. 압축 단계 동안, 연료는 실린더 내로 주입된다. TDC 바로 직전에, 점화가 다시 시작되어 연소가 된다.

시프팅 수단의 추가적인 실시예들이 고려된다. 예를 들어, 파워 캠 중 하나는 샤프트를 따라 관통 홀을 가질 수 있으며 그 외의 다른 파워 캠도 그 외의 다른 파워 캠을 통해 후방 부분으로 연장되는 샤프트를 가질 수 있다. 이 지점까지, 두 파워 캠은 그들 사이에 어떠한 링크(link)도 없이 자유로이 회전할 수 있게 된다. 상기 실시예에서, 서로에 대해 두 파워 캠을 회전시키기 위한 시프팅 수단은 사이드 크랭크실(side crankcase)과 관통 홀이 있는 파워 캠의 후방 부분 사이에 수용된다. 상기 시프팅 수단은 사이드 크랭크실 외부에 제공될 수 있다.

또한, 시프터와 상호작용하는(interacting) 나선형 램프(helical ramp)가 나선형 치형부를 포함하며 캠 샤프트에 평행한 제2 샤프트가 제공되는 추가적인 실시예가 고려된다. 상기 제2 샤프트는 샤프트의 각각의 치형부와 맞물린(meshing) 2개의 나선형 기어를 가진다. 따라서, 상기 제2 샤프트는 파워 캠 샤프트와 함께 회전되고 이들이 함께 회전하게 한다. 다른 한편으로, 제2 샤프트는 파워 캠들 사이의 상대 각도가 변경되도록 선형으로 이동될 수 있다.

마지막으로, 시프팅 수단의 추가적인 실시예에서, 파워 캠과 이에 상응하는 샤프트는 서로 일체형으로 형성되지 않으며 파워 캠은 상응하는 샤프트에 대해 약간 회전될 수 있다. 파워 캠 내부에, 반경 방향으로 배분된 챔버가 형성된다. 이러한 각각의 챔버 내부에는, 챔버를 2개의 영역으로 분리하는 벽이 제공된다. 상기 벽은 샤프트와 일체형으로 형성되며 각각의 챔버를 2개의 서브-챔버(sub-chamber)로 분리한다. 이런 방식으로, 오일이 압력 하에서 적절하게 각각의 서브-챔버 내에 공급될 때 파워 캠은 원하는 위치로 회전하게 된다.

추가적인 실시예에서, 캠 트랙은 피크와 밸리가 동일하도록 형태가 형성된다. 상기 경우에서, 슬라이더는 한 위치(공전)로부터 시작하여 배기 캠 트랙이 흡기 캠 트랙에 대해 적절한 각도로 회전되는 위치로 가야 되야 된다. 이러한 형상으로, 엔진은 두 회전 방향으로 작동될 수 있다.

배기 및 흡기 피스톤이 대칭으로 이동되기 때문에 진동(특히, 저속에서)이 최소화되도록, 흡기 및 배기 캠 트랙의 프로파일이 서로 비슷하며, 심지어는 동일한 것이 바람직하다. 이에 따라, 실린더, 피스톤 바디, 파워 캠 등의 피크 힘(peak force)이 현저하게 감소되며, 따라서, 마모, 진동 등이 감소하게 된다. 본 발명의 엔진은 디자인 및 계산에 대해 매우 융통성이 있으며 이에 따라 원하는 용도에 더 잘 맞도록 구성될 수 있다.

본 발명의 내연기관은 다수의 이점을 제공한다. 이러한 이점들은, 이들에만 제한되지는 않지만, 측면 하중(side load)이 제거되거나 혹은 적어도 부분적으로 감소되며, 매우 간단하고 따라서 비용 효율적인 구성을 가지는, 공지인 대향 피스톤 엔진의 일반적인 이점들을 포함한다. 하지만, 본 발명의 내연기관의 가장 현저한 이점은, 엔진이 작동될 때 배분 및 압축비가 동적으로 동시에 변경될 수 있다는 사실이다. 이러한 엔진 배분 및 압축비가 동적으로 동시에 변경되는 것은 매우 간단한 방법으로 구현되어, 광범위한 엔진 속도에 걸쳐 토크가 높아지며, 흡기 및 배기 포트의 개방 및 밀폐는 엔진 요건에 대해 항상 꼭 맞고, 엔진이 가변 하중(variable load) 하에서 작동되는 동안, 엔진 성능이 증가되고, 오염물질이 감소되며, 연료 효율이 향상된다.

본 발명의 엔진의 추가적인 목적, 이점 및 특성들은 본 발명의 상세한 설명을 읽음으로써 당업자에게 자명해 지거나 또는 이들을 실시함으로써 습득될 수 있다.

본 발명에 따른 대향 피스톤 엔진의 특정 실시예들이 첨부도면들을 참조하여 하기에서 비-제한적인 예들로 기술될 것이다.
도면에서:
도 1은 트윈 실린더형 대향 피스톤 직접 분사 가솔린 엔진의 한 실시예의 일반적인 투시도로서, 엔진 블록은 조립된 상태 즉 엔진에 조립된 상태로 예시되며;
도 2는 도 1에 도시된 엔진의 일반적인 투시도로서, 엔진 블록은 흡기 및 배기 컬렉터, 사이드 크랭크실 및 냉각 하우징이 제거된 상태로 도시되고;
도 3은 엔진 블록이 분해된 상태 즉 엔진으로부터 제거된 상태로 도 1에 도시된 엔진의 일반적인 투시도;
도 4는 결부 장치가 회전 샤프트로부터 제거된 도 3에 도시된 엔진의 일반적인 투시도;
도 5는 결부 장치의 투시도;
도 6은 결부 장치의 슬라이더의 투시도;
도 7은 한 피스톤의 측면 입면도;
도 8은 도 6에의 라인 A-A'를 따라 절단한 횡단면도;
도 9 및 10은 상이한 면으로부터 절단한 도 7과 8에 도시된 피스톤의 투시도;
도 11은 파워 캠과 각각의 카운터 캠 중 하나를 도시한 투시도;
도 12는 그 밖의 파워 캠과 각각의 카운터 캠 중 하나를 도시한 투시도;
도 13은 도 1에 도시된 대향 피스톤 엔진의 측면 입면도;
도 14는 도 13의 라인 B-B'를 따라 절단한 횡단면도;
도 15는 엔진 블록의 투시도; 및
도 16은 엔진의 한 사이드 크랭크실의 투시도이다.

한 예로서, 도면들에는 트윈 실린더형 3-행정 대향 피스톤 직접 분사 가솔린 엔진이 도시된다. 상기 가솔린 엔진은 전체적으로 도면부호(100)로 표시된다.

도 1에 도시된 것과 같이, 대향 피스톤 엔진(100)은 원통형의 엔진 블록(110)을 포함한다. 도 1에 도시된 실시예는 엔진 블록(110)의 한 가능한 예이다. 하지만, 엔진 블록은 특정 요구사항에 따라 상이한 형태, 가령, 프리즘 형태 또는 불규칙적인 형태를 가질 수도 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, 냉각을 위해 엔진 블록(110) 안에 홀(118, 119)이 형성된다.

엔진 블록(110) 상에 흡기 컬렉터(116)와 배기 컬렉터(115)가 제공된다. 상기 흡기 및 배기 컬렉터(116, 115)는 그에 상응하는 배기 및 흡기 포트(도시되지 않음)로 이어진다.

엔진 블록(110)이 엔진(100)으로부터 제거된 도 3에 도시된 엔진(100)의 투시도로부터, 2개의 실린더(120, 130)를 볼 수 있다. 실린더(120, 130)는 내부에 제공된 상응하는 피스톤(140, 150 및 160, 170)을 도시하기 위하여 점선으로 표시되는데, 이는 밑에서 추가로 설명될 것이다.

실린더(120, 130)는 서로 평행한 상응하는 세로축(X)의 축방향으로 서로로부터 180°만큼 떨어져 있는 엔진 블록(110) 내에 배열된다. 실린더(120, 130)는 엔진 블록(110)에 결합된 개별 부분들이긴 하지만 엔진 블록(110)과 일체형으로 형성된다. 실린더(120, 130)는 임의의 원하는 위치, 가령, 수평, 수직 또는 경사 위치에서 작동되도록 배열될 수 있다.

엔진 블록(110)에는 도 1에 도시된 것과 같이 맞은편 단부에 위치되고 실린더(120, 130)를 둘러싸는 사이드 크랭크실(117)이 추가로 제공된다. 사이드 크랭크실(117)은 엔진 블록(110) 내에 파워 캠(300, 400)을 수용하는데, 이는 밑에서 추가로 설명될 것이다. 사이드 크랭크실(117)은 피스톤의 팽창력(expansion force)을 흡수하고 윤활 영역(lubrication area)을 형성한다.

위에 기술한 것과 같이, 두 피스톤(140, 150 및 160, 170)은 각각의 실린더(120, 130) 내에 제공된다. 각각의 실린더(120, 130) 내의 피스톤(140, 150 및 160, 170)은, 사용 시에, 피스톤(140, 150 및 160, 170)이 실린더의 세로축을 따라 즉 세로축(X)을 따라 왕복운동하도록(reciprocate) 서로 정렬된다(aligned).

피스톤(140, 150 및 160, 170)은 위에서 언급한 흡기 및 배기 포트와 연결된다. 따라서, 배기 포트들은 배기 피스톤에 의해 구동되며(driven) 흡기 포트들은 흡기 피스톤에 의해 구동된다. 흡기 및 배기 포트의 개방과 밀폐는 밑에 기술된 것과 같이 조절된다.

각각의 실린더(120, 130) 내에 연소 챔버(250)가 형성된다. 구체적으로, 각각의 연소 챔버(250)는 도 4에 도시된 것과 같이 각각의 실린더(120, 130) 내에서 인접한 두 피스톤(140, 150 및 160, 170) 사이의 공간(space)에 의해 형성된다. 이에 상응하는 스파크 플러그가 각각의 실린더(120, 130) 내에서 연소 챔버(250) 안에 제공된다. 도 1-3에 도시된 것과 같이, 스파크 플러그(230, 231)는 상부 하우징 내에 형성되고 엔진 블록(110) 내에 수용되는 상응하는 접근 홀(225, 226)을 통해 끼워맞춤될 수 있다(fitted). 위에서 언급한 흡기 및 배기 포트는 상기 챔버(250)들과 연결된 상태로(in correspondence with) 형성된다.

도 7-10은 피스톤(140, 150 및 160, 170)의 한 실시예를 도시한다. 각각의 피스톤(140, 150 및 160, 170)은 피스톤 헤드(180), 피스톤 바디(190) 및 커넥터(200)를 포함한다. 커넥터(200)는 도 8의 단면도로 도시될 수 있다. 커넥터(200)는 진동 운동(oscillating movement)이 전혀 없거나 또는 거의 없이 피스톤 헤드(180)와 피스톤 바디(190)를 서로 연결하기 위한 연결 로드(connecting rod)와 같이 형성된다. 도 8에 도시된 실시예에서, 커넥터(200)는 피스톤 헤드(180)와 피스톤 바디(190)를 연결하는 상부 공통 샤프트(221)와 바닥 공통 샤프트(220)에 의해 상호 결합된 3개의 평행 로드(210)를 포함한다.

피스톤 헤드(180)는 도 7-10에 도시된 것과 같이 압축 및 윤활 피스톤 세그먼트(185, 186)를 수용한다(carry). 압축 피스톤 세그먼트(185)는 연소 챔버(250) 가까이에 있는 피스톤(140, 150 및 160, 170)의 한 단부에 배열된다. 윤활 피스톤 세그먼트(186)는 압축 피스톤 세그먼트(185) 가까이에 있는 피스톤 헤드(180)의 최하측 부분 내에 배열되는데, 압축 행정(compression stroke)에서는, 오일이 포트로 흡기되며, 이에 따라, 실린더(120, 130)에 흡기되는 것을 방지하기 위해, 상기 포트들이 개방될 수 없다는 사실에 유의해야 한다.

각각의 피스톤 바디(190)는 도 10에 도시된 것과 같이 만입부(280)를 가진다. 만입부(280)는 각각의 피스톤(140, 150 및 160, 170)의 한 단부에 형성되며 피스톤 바디가 상응하는 캠 트랙(cam track)과 충돌하는 것을 방지하기에 적합하다. 다른 한편으로, 실린더(120, 130)는, 카운터 캠 팔로워 휠(228)과 샤프트가 실린더(120, 130)와 충돌하지 않도록 하기 위하여, 맞은편 단부에 형성된 만입부(125, 135)를 가진다. 이는 도 15에서 볼 수 있다.

피스톤(140, 150 및 160, 170)에는 피스톤(140, 150 및 160, 170)이 회전되는 것을 방지하기 위한 잠금 수단(locking means)이 제공된다. 이러한 잠금 수단은, 도 3과 4에 도시된 것과 같이, 실린더(120, 130) 내에 형성된 돌출부(270)를 수용하기 위해 피스톤 바디(190)를 따라 형성된 홈(260)을 포함한다. 돌출부(270)는 실린더(120, 130)에 결부될 수 있거나 혹은 실린더와 일체형으로 구성될 수 있다.

도면에 도시된 엔진(100)은 도 2와 3에 도시된 것과 같이 2개의 서로 맞은편에 있는 파워 캠(300, 400)을 추가로 포함하는데, 이 파워 캠들은 도 11과 12에서 엔진(100)으로부터 분해되어 상세하게 도시된다. 파워 캠(300, 400)은 맞은편 단부에서 서로를 향해 엔진 블록(110) 내에 회전 가능하게 끼워맞춤된다(rotatably fitted).

도 11과 12에 도시된 것과 같이, 각각의 파워 캠은 캠 트랙(315, 316, 415, 416)을 가진다. 캠 트랙(315, 316, 415, 416)은 각각 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)가 반 바퀴 회전(half turn)하면 연소를 완료하고 열역학적 사이클(thermodynamic cycle)을 완료하도록 형태가 형성된다.

구체적으로, 도 11과 12는 파워 캠(300, 400)의 흡기 캠 트랙(315, 316)과 배기 캠 트랙(415, 416)을 예시한다. 흡기 캠 트랙(315, 316)은 서로 동일하다. 배기 캠 트랙(415, 416)도 서로 동일하다.

상기 캠 트랙(315, 316, 415, 416)은 도 11과 12에 도시된 것과 같이 내부에 형성된 개별 돌출 영역 또는 돌출부에 의해 형성된다. 흡기 캠 트랙은 흡기 피스톤의 운동 즉 엔진 흡기 행정(intake stroke)과 연관된 피스톤의 운동(movement)을 조절하며 배기 캠 트랙은 배기 피스톤의 운동 즉 사용 시에 행정에 따른 엔진 배기 행정과 연관된 피스톤의 운동을 조절한다.

따라서, 포트의 개방과 밀폐는 배기 피스톤이 흡기 피스톤에 대해 전진되도록 각각의 캠 트랙(315, 316, 415, 416)의 프로파일(profile)에 의해 조절된다. 따라서, 폭발 행정(power stroke)이 끝나기 전에, 흡기 포트가 개방되기 전에 배기 포트가 개방되고, 압축 행정이 시작될 때 흡기 포트가 밀폐되기 전에 배기 포트가 밀폐된다.

도 11과 12에 도시된 것과 같이, 각각의 출력 샤프트(310, 410)가 각각의 파워 캠(300, 400)에 연결된다. 출력 샤프트(310, 410)는 파워 캠(300, 400)에 결부될 수 있거나 혹은 파워 캠과 일체형으로 형성될 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)가 엔진 블록(110) 내부에서 실질적으로 중앙 부분에 제공된다. 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)는 서로 정렬되며, 샤프트의 자유 단부(free end)들은 서로 옆에 배열되지만 서로 접촉하지는 않는다. 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)는, 도 11과 12에 도시된 것과 같이, 각각의 파워 캠(300, 400)에 연결되거나 혹은 파워 캠과 일체형으로 형성된다.

도 7-10을 보면, 피스톤(140, 150 및 160, 170)은 각각의 구동 단부(drive end)를 가진다. 각각의 피스톤(140, 150 및 160, 170) 내의 구동 단부는 3개의 캠 팔로워 휠(227)을 포함한다. 팔로워 휠(227)은 각각의 파워 캠(300, 400) 상에서 구르도록(roll) 구성된다. 각각의 피스톤(140, 150 및 160, 170) 내의 구동 단부는 위에서 언급한 카운터 캠 팔로워 휠(228)을 추가로 포함한다. 상기 카운터 캠 팔로워 휠(228)은 각각의 카운터 캠(305, 405) 상에서 구르도록 구성되는데, 이는 도 3, 4, 11, 12 및 15에서 상세하게 기술될 것이다. 각각의 피스톤(140, 150 및 160, 170)의 구동 단부 내의 4개의 휠(227, 228)은, 도 7, 8 및 10에 도시된 것과 같이, 위에서 언급한 공통 샤프트(220) 상에 장착된다. 공통 샤프트(220)는 상기 제1 및 제2 샤프트(500, 600) 및 피스톤(140, 150 및 160, 170)의 세로축(X)에 대해 수직으로 배열된다.

작동 시에, 팔로워 휠(227)은 각각의 제1 및 제2 파워 캠(300, 400) 상에서 구른다. 피스톤(140, 150 및 160, 170)이 파워 캠(300, 400)에 대해 왕복운동(reciprocation) 함으로써, 회전 운동(rotating motion)이 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)에 제공되어 엔진(100)을 구동시켜, 출력 샤프트(310, 410)가 회전되게 한다.

이제, 도 3-6을 참조하라. 도 3에 도시된 것과 같이, 엔진(100)의 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)는 결부 장치(700)를 통해 서로 링크연결된다(linked). 상기 결부 장치(700)는 엔진 블록(110) 내부에 배열되는데, 상기 결부 장치(700)는 도 4에서 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)를 보여주기 위해 제거되었다. 결부 장치(700)는 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)를 서로 연결하여 작동 시에 함께 회전될 수 있다.

상기 결부 장치(700)는 도 5에 상세하게 도시된다. 결부 장치(700)는 시프팅 수단(705)을 포함한다. 도 5에 도시된 실시예에서, 시프팅 수단(705)은 슬라이더(710)를 포함한다. 슬라이더(710)는 서로 결부된 2개의 본체(711, 712)를 포함한다. 슬라이더(710)는 서보모터(M)를 포함하는 모터 수단을 통해 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 세로축을 따라 이동되게 하는 컨트롤 유닛(도시되지 않음)에 의해 명령을 수행한다(commanded). 슬라이더(710)를 이동시키기 위해 컨트롤 유닛(도시되지 않음)에 의해 조절되는 그 외의 다른 모터 수단들, 가령, 유압 모터를 포함하는 모터 수단도 고려될 수 있다.

슬라이더(710)는 베어링(721)을 통해 내부에 회전 가능하게 장착된(rotatably mounted) 내부 부싱(720)을 포함한다. 도 6에 상세하게 도시된 것과 같이, 부싱(720)의 내측 표면에, 다수의 나선형 치형부(730)가 제공된다. 내부 부싱의 나선형 치형부(730)는, 도 4, 11 및 12에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 각각의 서로 인접하거나 또는 근접한 단부들에 형성된 각각의 나선형 치형부(505, 605)에 결합하도록 배열된다.

구동 조립체(715)는 연결 로드(717)에 작용하는 구동 암(716)을 포함한다. 구동 조립체(715)의 연결 로드(717)는 구동 암(716)을 포크 요소(718)를 통해 슬라이더(710)의 본체(711, 712)와 연결한다.

슬라이더(710)가 작동될 때 즉 슬라이더(710)가 컨트롤 유닛에 의해 명령이 수행되는 서보모터(M)에 의해 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)를 따라 이동될 때, 구동 조립체(715)를 통해, 슬라이더(720)의 나선형 치형부(730)가 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 나선형 치형부(505, 605)와 결합되면, 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 상대적 각위치(relative angular position)가 변경되어 서로 약간 회전된다. 이는 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)와 슬라이더(720)의 나선형 치형부(730, 505, 605)의 대칭 배열 때문에 발생된다.

상기 특정 예에서, 흡기 및 배기 파워 캠(300, 400)은 서로 동일하다. 따라서, 파워 캠(300, 400) 사이에는 적절한 각이동(angular shift)이 존재한다. 상기 특정 예에서, 각이동은 대략 4.5°이다. 이는 배기 파워 캠이 흡기 파워 캠에 대해 전진한다는 것을 의미한다. 이는 결부 장치(700)에 의한 것이 아니고 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)와 슬라이더(720)의 나선형 치형부(730, 505, 605)의 디자인 때문인 파워 캠들 사이의 초기 각이동이다. 그 뒤, 시작 위치(공전 위치)로부터, 엔진(100)이 작동됨에 따라, 슬라이더(710)는 대략 16mm의 최대 변위(displacement)만큼 이동할 수 있으며, 그에 따라, 파워 캠(300, 400)은 서로 회전되는데, 이는 즉 상기 특정 예에서 배기 파워 캠이 최대 12.8°만큼 흡기 파워 캠에 대해 전진된다는 의미이다. 하지만, 기어 피치(gear pitch), 치형부 형태(가령, 일정하거나 또는 가변적인 반경 치형부를 가지는지)에 따라 변경될 수 있다.

작동 시에, 피스톤(140, 150 및 160, 170)은, 각각의 구동 단부를 통해, 파워 캠(300, 400) 상에서, 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)와 함께, 동일한 방향으로 회전하게 하도록 작동되며, 슬라이더(710)는 작동되어 즉 이동되어 엔진 배분(distribution) 및 압축비(compression ratio)가 변경되게 한다.

위에 기술한 것과 같이, 그리고, 도 3, 4, 11, 12에 도시된 것과 같이, 각각의 카운터 캠(305, 405)은 각각의 파워 캠(300, 400)과 상응하게 제공된다. 카운터 캠(305, 405)은 도 15에 도시된 것과 같이 엔진 블록(110)의 양쪽 단부에 형성된 각각의 리세스(240) 안에 수용된다. 카운터 캠(305, 405)은 각각의 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)에 결부되거나 혹은 상기 회전 샤프트의 일부분이다. 카운터 캠(305, 405)은 각각의 파워 캠(300, 400)에 결부되거나 혹은 상기 파워 캠의 일부분이다. 도 11, 12에 도시된 것과 같이, 카운터 캠(305, 405)의 직경은 파워 캠(300, 400)의 직경보다 더 작다. 카운터 캠(305, 405)은 동일한 형태를 가지며 서로를 향한다. 카운터 캠(305, 405)은 피스톤(140, 150 및 160, 170)이 파워 캠(300, 400)의 캠 트랙(315, 316, 415, 416)과 접촉이 떨어지는 것을 방지하며, 따라서, 서로 충돌(collision)할 수도 있는 가능성을 방지하도록 구성되는데, 이러한 충돌은 피스톤(140, 150 및 160, 170)의 관성력(inertial force)이 파워 캠(300, 400)에 대해 반대 방향으로 작용하고 실린더 또는 실린더(120, 130) 내부의 가스 압력이 상기 관성력보다 낮을 때 발생할 수 있다.

본 명세서에서는 오직 특정 실시예들만이 기술되고 도시되었지만, 당업자들이라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 본 발명의 변형예 및 균등예 및/또는 대안예들이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

예를 들어, 본 명세서에서는 시프팅 수단(705)이 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 세로축을 따라 이동하도록 슬라이더(710)를 포함하는 것으로 기술되었지만, 상기 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)는 서로 회전되며, 그 외의 다른 대안의 기계적인 실시예들도 가능하다. 예를 들어, 시프팅 수단(705)은 회전 액츄에이터를 포함할 수도 있다. 이러한 액츄에이터가 회전되면, 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)도 서로 회전되어 엔진 배분 및 압축비가 위에 기술한 것과 같이 변경되게 된다.

본 발명은 본 명세서에 기술된 특정의 엔진 실시예의 모든 가능한 조합들을 다루고 있다. 도면들에 표시되고 청구항에서 괄호 안에 표시된 도면부호들은 청구항 이해를 높이도록만 사용되며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명의 범위는 특정 실시예들에 의해 제한되는 것이 아니라 하기 청구항들을 읽음으로써 결정되어야 한다.

Claims (22)

1. 하나 이상의 실린더(120, 130) 및 적어도 제1 및 제2 파워 캠(300, 400)을 포함하는 내연기관(100)으로서, 상기 하나 이상의 실린더(120, 130)에는 각각의 실린더(120, 130)의 세로축(X)을 따라 왕복운동하도록 배열된 상응하는 피스톤(140, 150, 160, 170)이 제공되고, 상기 제1 및 제2 파워 캠(300, 400)은 각각 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)에 연결되고 서로 대향하도록 배열되며, 피스톤(140, 150, 160, 170)이 왕복운동을 하면 피스톤(140, 150, 160, 170)은 제1 및 제2 파워 캠(300, 400)에 작동하여 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)에 회전 운동을 제공하여 내연기관(100)이 구동되며, 내연기관(100)은 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)를 서로 연결시켜 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)가 함께 회전될 수 있도록 하기 위한 결부 장치(700)를 추가로 포함하고, 상기 결부 장치(700)는 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 상대적 각위치(angular position)를 변경시키기 위한 시프팅 수단(705)을 포함하는 내연기관(100)에 있어서,
   내연기관(100)은 피스톤(140, 150, 160, 170)이 파워 캠(300, 400)과의 접촉이 떨어지는 것을 방지하기 위하여 각각의 파워 캠(300, 400)과 결합된 카운터 캠(305, 405)을 포함하며, 피스톤(140, 150, 160, 170)은 카운터 캠(305, 405) 상에서 구르도록 구성된 하나 이상의 카운터 팔로워 휠(228)을 포함하고, 실린더(120, 130)는 카운터 캠 팔로워 휠(228)과 샤프트가 실린더(120, 130)와 충돌하지 않도록 하기 위하여 맞은편 단부들에 형성된 만입부(125, 135)를 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
2. 제1항에 있어서, 시프팅 수단(705)은 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600) 내에서 각각의 치형부(505, 605)와 결합하도록 구성된 치형부(730)을 포함하는 슬라이더(710)를 포함하며, 상기 슬라이더(710)가 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 세로축을 따라 이동할 때, 상기 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)는 서로 회전되는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
3. 제2항에 있어서, 슬라이더(710)와 제1 및 제2 회전 샤프트(500, 600)의 치형부(730, 505, 605)는 나선형이며, 제1 회전 샤프트(500)의 치형부(505)는 제2 회전 샤프트(600)의 치형부(605)에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
4. 제2항에 있어서, 시프팅 수단은 슬라이더를 작동시키기 위한 구동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
5. 제1항에 있어서, 피스톤(140, 150, 160, 170)은 파워 캠(300, 400) 상에서 구르도록 구성된 하나 이상의 팔로워 휠(227)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
6. 제1항에 있어서, 각각의 파워 캠(300, 400)에는 하나 이상의 캠 트랙(315, 415)이 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
7. 제6항에 있어서, 각각의 캠 트랙(315, 415)은 폭발 행정에서 배기 포트가 흡기 포트 전에 개방되고 압축 행정에서 배기 포트가 흡기 포트 전에 밀폐되도록 구성된 2개의 개별 돌출 영역들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
8. 제6항에 있어서, 각각의 캠 트랙은 적어도 상승 또는 압축 부분과 하강 또는 파워 부분(power portion)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
9. 제1항에 있어서, 피스톤(140, 150, 160, 170)은 피스톤 헤드(180), 피스톤 바디(190) 및 상기 피스톤 헤드(180)를 피스톤 바디(190)와 연결하기 위한 커넥터(200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
10. 제9항에 있어서, 각각의 실린더(120, 130) 내에서 인접한 두 피스톤 헤드(180) 사이의 공간(space)에 의해 형성된 연소 챔버(250)가 각각의 실린더(120, 130) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
11. 제1항에 있어서, 피스톤 바디(190)는 압축 행정 및 폭발 행정 동안 피스톤 바디(190)가 캠 트랙과 충돌하는 것을 방지하기 위해 맞은편 단부들에 형성된 만입부(280)를 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
12. 제1항에 있어서, 내연기관(100)은 피스톤(140, 150, 160, 170)이 각각의 실린더(120, 130)에 대해 회전하는 것을 방지하기 위해 잠금 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
13. 제10항에 있어서, 피스톤 헤드(180)는 연소 챔버(250) 가까이에 있는 피스톤 헤드(180)의 한 단부에 배열된 압축 피스톤 세그먼트(185)와 피스톤 헤드(180)의 최하측 부분 내에 배열된 윤활 피스톤 세그먼트(186)를 수용하는(carry) 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
14. 제1항에 있어서, 각각의 실린더(120, 130)는, 한 면에서는, 하나의 파워 캠(300) 내에 제공된 상응하는 캠 트랙들에 의해 조절되는 피스톤들에 의해 조절되는 흡기 포트, 및 맞은편 파워 캠(400) 내에 제공된 상응하는 캠 트랙들에 의해 조절되는 피스톤들에 의해 조절되는 배기 포트를 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관(100).
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