KR970001461B1 - 요동피스톤식 내연 기관 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

요동피스톤식 내연 기관

제1도는 요동자의 정면도.

제2도는 제1도의 A-A선 단면도.

제3도는 제1도의 B-B선 단면도.

제4도는 벽면하우징의 단면도.

제5도는 제4도의 C-C선 단면도.

제6도는 제4도의 D-D선 단면도.

제7도는 제4도의 E-E선 단면도.

제8도는 제4도의 F-F선 단면도.

제9도는 단위 기관의 일부절개 사시도.

제10도는 단위 기관의 횡단면도.

제11도는 보조하우징의 일부와 이에 축삽된 요동운동전달핀에 의한 린케지의 일예의 정면도.

제12도는 단위 기관에 있어서 환형공간내에서 요동피스톤의 요동운동에 따른 각 계의 행정진행상황을 설명한 개략도.

제13도는 제11도의 변형된 린케지의 일예의 정면도.

제14도는 요동운동전달핀에 의항 제13도의 예의 린케지의 작동에 관한 개략도.

제15도는 돌출부와 요동피스톤의 양측면이 서로 교합하지 않으며 또 그들 사이에 부정형의 공간을 갖는 예의 단면도.

제16도는 싸이드 씨일의 정면도 및 G-G, H-H선 단면도.

제17도는 싸이드 씨일과 헤드 씨일이 결합되는 헤드 부위의 일부 절개 평면도.

제18도는 싸이드 씨일 모서리 홈과 곡면 부위의 일부의 확대 단면도.

제19도는 헤드 홈과 피스톤 홈 및 여기에 각각 장치되는 헤드 씨일과 피스톤 씨일 및 각각의 스프링이 장치된 상태의 단면도.

제20도는 헤드 씨일의 평면도, 측면도 및 스프링의 정면도와 측면도.

제21도는 피스톤 홈이 삭설된 피스톤의 측면도 및 M-M, N-N선 단면도.

제22도는 싸이드 씨일의 측면도와 평면도 및 스프링의 측면도.

제23도는 싸이드 씨일, 헤드 씨일 및 피스톤 씨일의 실시예로 단위 기관의 필요한 부분이 일부절개된 단위의 일부분의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 단위 기관 2,3 : 요동하우징

4,5 : 요동피스톤 6 : 보조하우징

7,87',8' : 벽면하우징 및 돌출부 9, 10 : 헤드

15,16,25,26 : 흡, 배기구 및 급배기 밸브 17 : 점화장치연통구

18,18' : 환형 공간 19 : 베어링

20 : 요동운동전달핀 21,21' : 푸시로드

23,23',23 : 크랭크암 24 : 요동아암

27 : 요동핀 28,28',28 : 크랭크축

29 : 단위 기관 30,34 : 사이드 씨일 및 홈

31,35 : 헤드 씨일 및 홈 32,37 : 피스톤 씨일 및 홉

33 : 모서리홈 36,36' : 스프링

본 발명은 요동피스톤에 의한 내연 기관에 관한 것으로, 특히, 밀폐된 환형공간 내에서 요동피스톤이 요동하우징과 함께 요동운동함에 따라 요동피스톤의 전후방에 발생되는 용적의 변화를 이용하여 연료를 연수시킴으로써 동력을 발생하는 요동피스톤식 내연 기관 관한 것이다.

종래의 왕복피스톤식 내연 기관은 그 구조적 특성에 의하여 일정한 수준의 출력을 발생시키면서 기관의 부피와 중량을 크게 줄이거나, 일정한 체적과 중량하에서 기관의 출력성능을 향상시키는 방법에는 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 왕복피스톤식 내연 기관의 구조적 특성에 의한 한계에서 벗어나기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명은 피스톤이 원통형의 실린더 내에서 직선왕복운동을 하는 왕복피스톤식 내연기관과는 달리, 요동피스톤이 환형(環型)의 밀폐된 공간, 즉 환형을 이루는 실린더에 의해 형성된 원호상의 일정구간 내에서 좌우로 요동운동을 하는 구조에 의한 기관을 형성함으로써, 그 출력성능을 증대시키면서도 그 체적과 중량을 대폭적으로 감소시킬 수 있는 내연 기관을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명은 본인의 특허 제 58515호로 등록된 공간 개폐식 회전형 내연 기관을 개량보완한 것으로 선등록 발명에 있어서, 2개조의 공간개폐자가 장착되는 위치에 공간개폐자 대신 벽면하우징과 그 돌출부를 연장시켜 그 공간을 폐쇄시킴으로써, 이 연장된 벽면하우징의 돌출부가 환형의 공간을 두 개로 분리 밀폐하는 실린더헤드의 기능을 하게 되고, 또한 선등록 발명에 있어서의 회전자의 회전피스톤이 환형공간을 따라 회전운동을 하는 반면에 본 발명에 의한 기관은 회전자(본 발명에서는 요동자)의 회전피스톤(본 발명에서는 요동피스톤)2개가 2개의 헤드에 의해 분리된 환형의 공간 내에서 좌우로 요동운동을 하고, 이 요동자의 요동운동을 린케이지에 의해 회전운동으로 변환하여 동력을 발생시키는 기관이다.

다음 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 구체적으로 설명하겠다.

도면 제1도는 본 발명에 따른 요동자를 도시한 것으로써, 요동자(1)는 원관(圓管)형태의 지름이 다른 두 개의 1차 및 2차 요동하우징(2,3)과, 각각의 요동하우징의 사이에는 2개의 요동피스톤(4,5)이 대향되게 설치되며, 상기 2개의 요동피스톤(4,5)은 그 중간점이 서로 180도의 간격을 갖도록 설치된다.

그리고 1차요동하우징(2)과 결합되어, 연소 압력에 의해 1차요동하우징이 변형되는 것을 방지하며, 요동자(1)의 요동운동력을 린케이지에 전달하는 요동전달핀(20)을 구비하는 보조 요동하우징(6)으로 형성되어 이들 전체가 하나의 요동자(1)로 결합되어 동심 요동운동을 한다.

첨부된 도면 제4도 내지 제8도는 본 발명에 따른 벽면하우징으로 제조 조립의 편의상 두개의 1차 및 2차 벽면하우징(7,8)으로 분리 형성되어 텐션볼트(도시안됨)로 결합되고, 벽면하우징은 다시 또다른 텐션볼트(도시안됨)나 기타의 고정장치등에 의하여 기관 본체(도시안됨)와 결합 지지된다.

벽면하우징(7,8)의 각각의 돌출부(7',8')는 두 요동하우징의 양측단으로부터 요동피스톤(4,5)의 양측면에 이르는 면과 밀착되고 또한 요동피스톤(4,5)의 양측면과도 교합하는 면을 가지고 요동피스톤의 양측면과 밀착되어 요동피스톤과 동일한 단면의 환형공간을 형성하고, 이 환형공간은 벽면하우징(7,8)의 돌출부(7',8')가 연장되어 환형공간의 일부를 폐쇄함으로써, 두 개로 분리된다. 이 환형공간을 두 개로 분리하는 돌출부(7',8')의 연장부분을 제1 및 제2헤드라 하면, 두헤드(9,10)는 각각의 중간점이 떨어져서 이 환형공간을 두 개의 환형공간(18,18':이하 두 개의 환형공간 또는 환형공간이라함.)으로 분리한다.

이들 두헤드(9,10)에 의해 분리되는 두 개의 환형공간에서 각 헤드의 양측에 인접한 벽면하우징(7,8)의 돌출부(7',8')에는 흡기구(15) 및 배기구(16)가 기관외부로 천공되며, 따라서 두 개의 환형공간의 헤드(9,10)부근에는 4개의 흡기구(15) 및 배기구(16)가 설치된다. 또한 각 헤드(9,10)의 환형공간에 면한 부위는 각 헤드의 중간 부분을 향하여 뿔모양을 이루는 공간의 정점부근에는 점화장치 및 필요한 경우 연료분사장치를 위한 연통구(17)(본 도면에서는 점화장치를 위한 연통구만 도시함)가 기관외부로 천공된다.

도면 제9도와 제10도는 요동자(1)과 벽면하우징(7,8)이 결합된 상태에서의 일부가 절개된 상태를 도시한 사시도 및 횡단면도로써, 2차 요동하우징(3)의 외측과 벽면하우징(7,8)사이는 베어링이 설치되어 요동자(1)의 요동운동이 요동중심을 벗어나지 않도록 함과 동시에 연소로 인해 발생한 열을 외부로 전달하는 기능도 수행하게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 하나의 단위기관에 있어서, 각 환형공간내에서 요동운동을 하는 각각의 요동피스톤(4,5)과 헤드와(9,10)의 사이에는 도면 제10도에 도시된 바와 같이 4개의 공간이 형성된다. 이들 4개의 공간을 편의상 계라고 칭하며, 제1헤드(9)와, 제1요동피스톤(4)사이의 공간을 제1계(11), 제2헤드(10)와 제1요동피스톤(4) 사이의 공간을 제2계(12), 제2헤드(10)와 제2요동피스톤(5) 사이의 공간을 제3계(13), 그리고 제1헤드(9)와 제2요동피스톤(5) 사이의 공간을 제4계(14)라 하면, 두 개의 헤드(9,10)에 의하여 분리되는 두 개의 환형공간 중 하나의 환형공간에는 1계(11)와 2계(12) 그리고 또 하나의 환형공간에는 3계(13)와 4계(14)가 형성되며 (첨부된 도면 제12도의 가도 참조)이들 4개의 공간에서는 요동자(1)가 요동운동을 함에따라 각각의 독립적 체적변화가 일어난다.

본 발명은 이러한 독립된 체적의 변화를 이용하여 적절힌 시기에 각 공간에서 순차적으로 연료의 연소가 이루어지게 함으로써, 지속적인 요동자(1)의 요동운동을 유발하고, 이 요동운동을 동력하는 전환하는 기관인 것이다.

이러한 요동운동의 요동범위는 왕복피스톤식 내연 기관의 내념을 인용하여 설명하면 기관의 상사점에서 하사점에 이르는 운동범위의 개념으로 적용할 수 있다.

즉, 기존의 왕복피스톤식 내연 기관에서는 피스톤이 실린더내에서 실린더헤드와 최근접한 위치에 있는 상태를 상사점으로 또한 최원거리에 있는 상태를 하사점으로 정의하고 있다.

이와 같은 개념으로 본 발명에 의한 기관의 요동범위를 정의하면, 제1계(11)를 기준으로 하여 제1요동피스톤(4)이 제1헤드(9)에 가장 근접한 제1계(11)의 상사점에 도달하면 제2계(12)는 하사점의 상태이고, 제3계(13)는 상사점, 그리고 제4계(14)는 하사점의 상태에 있게되며, 제1요동피스톤(4)이 제1헤드(9)와 가장멀리 떨어진 제1계(11)의 하사점에 도달하면 제2계(12)는 상사점에, 제3계(13)는 하사점에, 그리고 제4계(14)는 상사점의 상태에 있게된다.

각 계의 상사점에서 하사점에 이르는 범위는 왕복피스톤식 내연 기관의 행정체적과 같은 개념이며, 제1요동피스톤(4)과 제2요동피스톤(5)의 중간점은 서로 180도의 각을 갖고 결합되어 있고, 제1헤드(9)와 제2헤드(10)의 중간점 역시 서로 180도의 각을 가지고 결합되어 있다.

그러므로 각 계의 요동범위 즉, 행정체적은 서로 동일하며, 이 요동운동의 범위는 요동자(1)의 요동운동의 중심점 0를 중심으로 하여 헤드(9,10)와 요동피스톤(4,5)의 중간점과의 사이의 각도로 표시될 수 있다.

이상을 정리하면 제10도에 도시되는 바와 같이, 제1계(11)의 상사점에서의 제1계(11)와 제3계(13) 그리고 제1계(11)의 하사점(도면에서는 요동피스톤이 점선으로 표시됨)에서의 제2계(12)와 제4계(14)의 용적은 서로 같으며, 이 용적이 기관의 연소실체적이고, 이때 각 헤드(9,10)와 각 요동피스톤(4,5)의 중간점이 요동피스톤(4,5)의 중간점이 요동중심에 대하여 갖는 각의 크기 α도 일정하다.

또한 제1계(11)의 하사점에서의 제1계(11)와 제3계(13) 및 상사점에서의 제2계(12)와 제4계(14)의 용적도 서로 같으며, 이 용적이 기관의 전 실린더체적이고, 이때 각 헤드(9,10)와 각 요동피스톤(4,5)의 중간점이 요동중심에 대하여 갖는 각의 크기 γ도 역시 일정하다.

따라서 요동자(1)의 요동운동범위가 요동의 중심점에 대하여 갖는 각을 요동각θ라고 정의하면 요동각 θ=γ-α 또는 θ=180도 -2α가 되며, 요동자가 이 요동각 θ만큼 요동 운동을 하는 동안 요동피스톤(4,5)이 배제하는 환형공간(18,18')의 용적이 기관의 행정체적이 되는 것이다.

이 요동각 θ의 크기는 헤드(9,10)와 요동피스톤(4,5)의 크기 그리고 전 실린더체적, 행정체적 및 연소실체적을 고려하여 기관의 운전시 적절한 연소가 이루어지는 압축비에 이르도록 조정하여야 할 것이며, 또한 이 요동 각 θ의 크기는 요동자(1)의 요동운동의 요동범위를 한정하는 이론적 인자로써, 이 요동운동의 범위를 기계적 제어하는 기능은 요동운동을 회전운동으로 변환하는 린케지에 의해 한정되며 이는 뒤에 상세히 설명한다.

도면 제12도의 (a)도에서부터(h)도 까지는 본 발명에 의한 기관의 작동 원리를 설명하는 환형공간(18,18')과 요동피스톤(4,5)의 작동생태를 도시하는 개략도로써, 환형공간내에서 요동피스톤이 요동운동을 할 때 각계(11,12,13,14)의 용적의 변화에 의하여 발생하는 흡기-압축-연소-팽창-배기등의 행정 진행상태를 설명한 것이다. 이들 각 도면에서는 벽면하우징(7,8)에 개설되어 도면상 환형공간 도면의 면(面)상하의 방향으로 표시되어야 할 흡기구(15)와 배기구(16)를 편의상 요동중심의 방향으로 표시하였다.

점화장치는 종래의 왕복피스톤식기관과 동일하게 구성되는 것으로 피스톤이 실린더의 일측으로 이동되면서 내부의 혼합 가스를 압축한 상태에서 스파크를 일으켜 실린더(본 발명에서는 환형의 공간) 내부의 혼합 가스를 연소시키어 폭발시키는 동작과 동일한 것으로 이는 축전지점화 방식, 고압 자석 점화 방식, CDI방식, 세미트랜지스터방식, 폴트랜지스터방식, 디스트리뷰터리스 점화방식등으로 구성시킬 수 있는 것이다.

그리고 각각의 흡 배기밸브의 동작 또한 종래의 왕복피스톤식기관과 동일하게 구성되는 것으로 이를 보다 구체적으로 설명하면 왕복피스톤식기관이 최초 스타팅 모터의 회전력에 의하여 크랭크축이 회전되면서 피스톤이 실린더 내부에서 승하강동작을 이루게 되고 크랭크축에 연결되어 회전하는 캠축의 캠과 접촉되어 동작하는 푸시로드 및 로커암에 연결되는 흡 배기밸브도 개폐 동작을 이루며, 실린더의 내부로 혼합 가스를 분사시키고, 내부의 연소가스를 외부로 배출시키는 동작을 이루는 것이다.

이때 각각의 흡 배기밸브는 기관의 출력단인 크랭크축의 회전력을 전달받아 동작됨으로써, 피스톤과 일정한 싸이클로 연동하는 것으로 이는 출력단인 크랭크축과 연결되어 회전하는 캠축에 설치되는 캠의 형상과 크기 동력전달방식에 따라 다양하게 구성되는 것이다.

본 발명의 흡 배기밸브 또한 상기와 동일한 기술 구성에 의하여 각각의 밸브가 동작되는 것으로 크랭크축과 연동되는 캠축과 결합된 다수의 캠이 회전되면서 푸시로드 및 로커암을 통하여 전달되는 구동력에 의하여 개폐 동작을 이루는 것이다.

흡 배기밸브의 동력전달수단은 기관의 형태에 따라 다르게 구성될 수 있는 것이다. 기관의 형태는 크게 실린더가 단수 또는 복수로 설치되는가에 의하여 단기통기관 다기통기관을 분류되며, 다기통의 경우에서도 직렬형, V형, 수평대향형, 성형(radial type), 경사형 등의 설치 형태에 따라 밸브의 개폐 동작을 시키는 동력의 전달수단은 다르게 구성되는 것이나, 출력단인 크랭크축과 연동하는 캠축의 캠과 연결되는 푸시로드 및 로커암에 의하여 개폐 동작되는 기본개념은 변한 것이다.

단지 본 발명에서는 최초 구동시 스타트 모더에 의하여 회전하는 크랭크축의 회전력이 린케지를 거치며 회전 운동이 요동 운동으로 변환되는 것이 왕복피스톤식기관과 다른 차이점이다.

이하의 설명에서는 밸브 및 점화장치의 동작 설명을 배제시킨 상태에서 본 발명을 설명하고자 한다.

도면 제12도의 (a)는 제1계(11)의 상사점으로, 제1계(11)는 흡기, 배기밸브(25,26)가 닫힌 상태에서 연료를 연소시켜 팽창행정을 시작하며, 제2계(12)는 하사점으로 흡기, 배기밸브(25,26)가 닫히고 전 행정에서 흡입한 공기를 압축하는 압축행정이 시작되며, 제3계(13)는 상사점으로 배기밸브(26)는 닫히고 흡기밸브(25)가 열려 공기를 흡입하는 흡기행정이 시작되고 제4계(14)는 하사점으로 흡기밸브(25)가 닫힌 상태에서 배기밸브(26)가 열려 전 행정에서 발생한 연소 가스를 배출하는 배기행정이 시작되는 상태이다.

제12도의 도면(b)는 도면(a)에서 시작된 각 계(11,12,13,14)의 각 행정이 진행되는 상태로 이어서 제1계(11)의 하사점(도면(c))에 도달한다.

도면(c)는 제1계(11)의 하사점으로, 제1계(11)는 배기밸브(26)가 열리면서 배기행정이 시작되고, 제2계(12)는 상사점으로 연소-팽창행정이 시작되며, 제3계(13)는 하사점으로 흡기밸브(25)가 닫히면서 압축행정이 시작되며, 제4계(14)는 상사점으로 배기밸브(26)가 닫히고 흡기밸브(25)가 열리면서 흡기행정이 시작되는 상태이다.

도면(d)는 도면(c)에서시작된 각 계(11,12,13,14)의 각 행정이 진행되는 상태로 이어서 다시 제1계(11)의 상사점(도면(e))에 도달한다.

도면(e)는 다시 제1계(11)의 상사점으로, 제1계(11)는 배기밸브(26)가 닫히고 흡기밸브(25)는 열리면서 흡기행정이 시작되고, 제2계(12)는 하사점으로 배기밸브(24)가 열리면서 배기행정이 시작되며, 제3계(13)는 상사점으로 연소-팽창행정이 시작되고, 제4계(14)는 하사점으로 흡기밸브(25)가 닫히면서 압축행정이 시작되는 상태이다.

도면(f)는 (e)에서 시작된 각 계(11,12,13,14)의 각 행정이 진행되는 상태로 이어서 다시 제1계(11)의 하사점(도면(g))에 도달한다.

도면(g)는 다시 제1계의 하사점으로, 제1계(11)는 흡기밸브(25)가 닫히면서 압축행정이 시작되고, 제2계(12)는 상사점으로 배기밸브(26)가 닫히고 흡기밸브(25)가 열리면서 흡기행정이 시작되고, 제3계(13)는 하사점으로 배기밸브(26)가 열리면서 배기행정이 시작되고, 제4계(14)는 상사점으로 연소-팽창행정이 시작되는 상태이다.

도면(h)는 도면(g)에서 시작된 각 계(11,12,13,14)의 각 행정이 진행되는 상태로 이어서 다시 제1계(11)의 상사점(도면(a))에 도달하면서 기관이 1싸이클이 완료되는 것이다.

연소-팽창의 행정을 기준으로 본 도면에서는 제1계(11), 제2계(12), 제3계(13), 그리고 제4계(14)의 순서로 연소-팽창행정이 진행되나, 제1계(11), 제4계(14), 제3계(13), 그리고 제2계(12)등의 순서로 연소-팽창 행정이 진행될 수도 있으며, 어느 순서이든 기관의 운전에는 영향을 미치지 않는다.

이상의 제12도의 도면(a)에서 도면(h)까지의 진행 과정을 보면, 본 발명의 의한 기관은 4실린더 4사이클 왕복피스톤식 내연 기관과 동일한 작동가스의 교환을 하고 있다.

즉, 4실린더 4사이클 왕복피스톤식 내연 기관에서, 4개의 실린더내에서 각각의 피스톤이 상사점에서 하사점으로, 또는 하사점에서 상사점으로 이르는 1행정을 진행하는 동안, 각 실린더내에서는 흡기, 압축 연소-팽창, 그리고 배기의 각 행정이 독립적으로 발생하여, 각각의 피스톤이 2회의 왕복운동을 하는 동안에 기관은 1싸이클을 완료하는 것과 마찬가지로, 본 발명에 의한 내연 기관에서도 헤드(9,10)와 요동피스톤(4,5)에 의해 분리된 4개의 계(11,12,1314)에서 요동피스톤(4,5)이 요동자(1)와 함께 상사점에서 하사점으로, 또는 하사점에서 상사점으로 한쪽 방향으로의 요동운동, 즉 1행정을 진행하는 동안, 각 계(11,12,13,14)에서는 흡기, 압축, 연소-팽창, 배기의 각 행정이 독립적으로 발생하여, 요동피스톤(4,5)이 2회의 왕복요동운동을 하는 동안에 기관은 1사이클을 완료한다.

그러므로, 벽면하우징(7,8)과 요동자(1)로만 구성된 본 발명에 의한 내연 기관의 하나의 단위 기관(29)은 4실린더 4싸이클 왕복피스톤식 내연 기관과 그 기능의 면에서 동일한 반면, 두 기관의 체적의 면에서 보면, 두 기관의 행적체적, 또는 배기량이 동일한 경우, 본 발명에 의한 내연 기관의 체적은 4실린더 4싸이클 왕복피스톤식 내연 기관에서 하나의 피스톤에 의해 구동되는 하나의 크랭크기구가 차지하는 체적 정도 밖에는 치지하지 않는다.

따라서 하나의 단위 기관(29)의 요동운동을 회전운동으로 변환하는 린케지(뒤에 설명함) 기구를 포함한다 하더라고, 본 발명에 의한 기관의 체적과 중량은 개략의 계산으로도 4실린더 4싸이클 왕복피스톤식 내연 기관 1/4 정도에 불과하게 된다.

이상을 다시 정리하여 말하면, 본 발명에 의한 내연 기관은 동일 행정체적 또는 배기량의 4실린더 4싸이클 왕복피스톤식 내연 기관에 비해 그 체적과 중량이 1/4 정도에 지나지 않는다.

한편, 요동운동에 의해 발생한 요동운동력을 린케지에 전달하여 회전운동으로 변환하는 방법은 수없이 많고, 그 방법에 따라 보조요동하우징(6)의 형태도 다양하게 되며, 따라서 본 발명의 특허청구범위에 속하지 않으므로, 첨부 도면에서는 설명의 편의상 1차요동하우징(2)과 결합되어 충분한 강도와 구조를 가진 보조요동하우징(6)에 축삽된 요동운동전달핀(20)이 요동자(1)의 요동운동을 푸시로드(21)에 전달하는 린케지로 설명한다.

제11도는 그 한 예로, 요동자(1)의 요동운동으로 발생된 요동운동력은 요동운동 전달핀(20)에 의해 푸시로드(21)를 종동시키고, 이 푸시로드(21)가 다시 기관 본체(22)에 축삽된 크랭크아암(23')도 1회전을 하게된다.

제13도는 또 하나의 예로써, 1차푸시로드(21)가 기관 본체(22)에 결합된 또 하나의 요동아암(24)을 요동운동시키고 이 요동아암(24)에 결합된 또 하나의 2차푸시로드(21')가 이 요동운동을 기관 본체(22)에 축삽된 크랭크아암(23)에 전달하여 크랭크축(28)을 회전시키는 기구이다.

이 도면에 도시된 요동아암(24)의 좌측에 점선으로 표시된 린케지는 크랭크축(28)의 회전중심0가 요동자(1)의 요동중심 0와 일치하도록 크랭크축(28)을 기관 본체(22)에 축삽한 경우로써, 기관의 체적을 최소화시키는 최선의 방법이다.

그러나 도면 설명의 편의상 크랭크축(28)의 회전중심 0'가 요동자(1)의 요동중심 0로부터 벗어난 위치에서 기관 본체(22)에 축삽된 경우를 제14도의 (a)에서 (h)까지 개략도로 도시하였고, 앞에 설명한 크랭크축(28)가 요동자(1)의 요동중심 0와 일치하도록 크랭크축(28)기관 본체(22)에 축삽한 경우는 도면 좌측에 점선으로 표시하였으며, 또한 요동자(1)의 요동운동에 의해 동일 요동운동을 하는 요동운동전달핀(20)을 잇는 실선으로 표시 하였다.

특히 이들 도면에서는 제1계(11)의 상사점을 요동자(1)의 상사점으로 정의하여 설명하면, 또한 이들 도면에 도시된 린케지는 요동자(1)의 상사점에서 요동아암(24)의 위치와 요동자(1)의 하사점에서의 요동 아암(24)의 위치가 동일하고, 요동자(1)의 요동중심 0와 요동자(1)의 상점과 하사점에서의 요동핀(27)의 중심의 위치 및 크랭크축(28,28)의 회전중신 0', 또는 0가 일직선상에 오도록 푸시로드(21,21',21)의 길이와 요동아암(24)의 위치 및 길이를 조정한 기구로써, 각 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면(a)는 요동자(1)의 상사점으로, 요동자(1)의 요동중심 0와 요동아암(24)의 요동핀(27, 제13도)은 서로 최단의 거리에 위치한다. 요동자(1)가 하사점을 향하여 요동운동을 하면(도면(b)), 1차푸시로드(21)는 요동아암(24)을 밀어내어 요동운동을 유발하며, 요동아암(24)의 요동운동은 다시 2차푸시로드(21',21)를 종동시켜 크랭크아암과 축(23,28,23,28)을 회전시킨다. 이 도면 (b) 상태하에 있는 이 린케지 기구의 실시예를 도시한 것이 도면 제13도이다.

이러한 운동이 계속되어 요동자(1)의 요동중심 0와 요동핀(17)이 서로 최원거리에 달했을때(도면(c)), 크랭크축(28,28)의 1/2회전을 완료하며, 따라서 요동자(1)의 요동중심과 요동핀(27) 사이의 최원거리와 최단거리와의 차이의 1/2이 크랭크아암(23,23)의 길이가 된다.

요동자(1)가 하사점을 향하여 계속 요동운동을 하면(도면(d)), 1차푸시로드(21)는 요동아암(24)을 반대방향으로 끌어당기게 되며, 이에 따라 2차푸시로드(21',21)의 종동으로 크랭크축(28,28)도 회전운동을 계속한다.

요동자(1)가 하사점에 도달하면(도면(e)), 요동자(1)의 요동중심과 요동핀(27)의 다시 최단거리인 요동아암(24)이 요동자(1)의 상사점에 있었을때의 원래의 위치로 되돌아 오며, 즉 요동자의 요동중심 0, 요동핀(27)의 중심, 및 크랭크축(28,28)의 회전중심 0', 또는 0가 일직선상에 있게 되며, 이때 크랭크축(28,28)도 1회의 회전을 완료한다.

요동자(1)가 방향을 바꾸어 상사점을 향하여 다시 요동운동을 하게 되면(도면(f)), 1차푸시로드(21)는 다시 요동아암(24)을 밀어내고, 이에 따라 2차푸시로드(21',210는 크랭크축(28,28)을 계속하여 회전운동을 시키게 된다.

이러한 운동이 계속되어 요동자(1)의 요동중심과 요동아암(24)의 요동핀(27)이 다시 서로 최원거리에 도달하면(도면(g)), 크랭크축(28,28)은 또 다시 1/2회전을 완료한다.

이어서 요동자(1)가 상사점을 향하여 요동운동을 계속하면 (도면(h)), 2차푸시로드(21',21)의 종동에 의해 크랭크축(28,28)도 회전운동을 계속하여, 요동자(1)는 또다시 상사점에 그리고 요동아암(24)은 다시 원래의 위치로 되돌아오게 되며, 따라서 요동자(1)의 1회의 왕복요동운동에 의하여 크랭크축(28,28)은 2회의 회전을 완료하게 된다.

이상에서 보면, 본 발명에 의한 기관에서 요동자가 한번의 한쪽 방향으로서의 요동 운동, 즉 상사점에서 하사점, 또는 하사점에서 상사점에 이르는 1행정을 하는 동안 요동아암(24)은 1회의 왕복요동운동을 하고, 이에 따라 크랭크축(28,28)도 1회의 회전운동을 한다.

이 크랭축(28)의 1회의 회전운동을 요동자(1)의 요동운동범위를 기계적으로 한정한다.

이것은 왕복피스톤 기구에서 크랭크 기구가 피스톤의 왕복운동범위를 한정하는 것과 동일한 것으로, 크랭크축(28)이 1회전하는 동안 요동자(1)는 상사점에서 하사점으로, 또는 하사점에서 상사점으로 1행정을 하며, 이때 요동자(1)의 상사점과 하사점에서 요동자(1)의 요동중심0와 요동핀(27)이 서로 최단거리에 도달하게 되고, 또한 이때 2차푸시로드(21')와 크랭크아암(23)이 일직선 상에 놓이게 된다. 따라서 요동자(1)의 요동중심 0와 요동핀(27)의 거리가 더 이상 단축될 수 없으며, 이에 의하여 요동자(1)의 상사점과 하사점은 그 범위를 벗어나지 않게 되며, 따라서 2차푸시로드(21')와 크랭크아암(23)에 의해 요동자(1)의 상사점과 하사점이 한정된다.

이것이 앞에서 설명하려 한 요동범위의 기계적 제어로써 앞의 이론적 요동범위와 함께 요동자의 요동범위를 한정한다.

이상과 같이 본 발명에 의한 내연 기관에 있어서는, 연료의 연소로 인하여 발생한 팽창력이 요동자(1)를 강제 요동운동시키게 되는 구조적 특성으로 인하여, 제13도와 같은 린케지 기구가 가능하게 되며, 이에 따라서 4실리더 4싸이클 왕복피스톤식 기관이 1회의 연속행정, 즉, 1행정에 의해 크랭크축이 1/2회전 하는 반면에, 본 발명에 의한 기관은 1회의 연소행정에 의해 크랭크축(28)이 1회전 한다.

이것을 바꾸어 설명하면, 4실린더 4싸이클 기관이 1싸이클을 완료하는 동안에 2회의 크랭크축 회전을 발생시키는 반면, 본 발명에 의한 기관은 1싸이클을 완료하는 동안에 4회의 크랭크축 회전을 발생시키게 된다. 따라서 본 발명에 의한 내연 기관에서는 4실린더 4싸이클 기관에 비하여 이론적으로 2배에 달하는 출력성능의 향상을 가져온다.

더욱이 본 발명에 의한 내연 기관은 그 체적과 중량을 4실린더 4싸이클 내연 기관의 1/4정도로 축소 경량화한 기관으로, 이는 2배에 달하는 출력성능의 향상과 더불어 2배 이상의 연비 향상을 의미하게 되는 것이다.

본 발명에 의한 내연 기관에 있어서, 내연 기관의 필수 구성요소인 배기가스, 기관의 냉각 및 윤활, 그리고 기미유지의 문제를 간과할 수는 없다.

우선 기관의 배기가스의 문제에 있어서, 본 발명에 의한 기관의 구조, 작동 가스교환, 및 작동원리등은 기존의 4실린더 4싸이클 기관의 그것들과 비교하면, 본 발명에 의한 기관의 요동피스톤이 왕복직선운동을 하는 4실린더 4싸이클 기관의 피스톤과는 달리 요동운동을 한다는 것 이외에는 별 차이가 없다.

따라서 본 발명에 의한 기관이 가지고 있는 배기가스의 문제는 기존의 4실린더 4싸이클 기관이 현재 갖고 있는 배기가스에 관한 문제가 별다른 차이가 없으므로, 현재로서는 배기가스의 문제에 관한 본 발명에 의한 기관이 별도로 안고 있는 문제점은 없다.

또한 기관의 냉각은 벽면하우징(7,8)이나 돌출부(7',8')에 기관의 냉각을 위해 가공된 물 재킷(WATER JACKET, 도시안됨)에 의하여 할 수 있으며, 이 물 재킷에 의해 냉각될 수 없는 제1요동하우징(2)의 냉각은 한 단위 기관(29)과 린케지 기구가 고정되는 기관 본체(22) 즉 기관의 케이싱(CASING, 도시 안됨) 내에 수유실(도시 안됨)을 형성하여, 이 수유실 내에 있는 윤활유가 요동자(1)의 요동운동에 의해 기관의 케이싱내에서 확산되어 냉각시킬 수 있으며, 제2요동하우징(3)의 냉각은 베어링(19)을 통하여 그 외곽의 벽면하우징(7,8)에 가공된 물재킷(도시 안됨)에 의해 할 수 있다.

또한 기관의 윤활은 별도의 오일 펌프에 의해 가압된 윤활유를 각 마찰 부위에 강제로 공급하여 윤활을 할수 있으므로 기관의 윤활 역시 별 문제가 되지 않는다.

그러나 기관의 기밀 유지는 본 발명에 의한 기관의 구조가 생소한 관계로 기밀 유지를 위한 새로운 씨링(SEALING)의 개념을 도입하지 않으면 안된다.

첨부된 도면 제15도 내지 제23도는 본 발명에 의한 기관의 기밀 유지를 위한 씨링(SEALING)에 관한 것으로, 이 씰링은 기관의 벽면하우징(7,8)의 돌출부(7'8')의 환형공간(18,18')에 면한 부분과 요동피스톤(4,5)사이에 장치되어 벽면하우징(7,8)의 돌출부(7',8')와 요동하우징(2,3)과의 접촉부위를 밀폐하는 싸이드 씨일(30, SIDE SEAL)과, 헤드(9,10)와 벽면하우징(7,8)의 일부분에 걸쳐 장치되어 헤드(9,10)와 요동하우징(2,3)과의 접촉부위를 밀폐하는 헤드 씨일(31, HEAD SEAL), 그리고 싸이드 씨일(30)과 접촉하는 요동피스톤(4,5)의 측면에 장치되어 싸이츠 씨일(30)과 요동피스톤(4,5)과의 접촉부위를 밀폐하는 피스톤 씨일(32,PISTON SEAL)로 구성되며, 이들 3종류의 씨일 피스는 각 종류마다 2개가 한 개의 조를 형성하여, 각 계(11,12,13,14)마다 3개의 씨일조가 하나의 세트를 이루어 각 부위에 장치된다.

본 명세서에 첨부된 각 도면에 있어서, 각 요동피스톤(4,5)의 양측면이 돌출부(7',8')와 접촉되는 면은 이들 면이 요동하우징(2,3)과 만나는 면에 대해 직각으로 도시되어 있다. 다시 말하면 돌출부(7',8')와 요동하우징(2,3)이 형성하는 환형공간(18,18')의 횡단면이 직각사각형으로 도시되어 있으며, 이것은 도면 설명의 편의상, 그리고 도면의 이해를 쉽게하기 위한 것으로, 환형공간(18,18')의 횡단면이 반드시 직각사각형일 필요는 없다.

따라서 앞의 본문 설명이나 뒤의 특허청구범위에서 요동피스톤(4,5)의 단면이 원이 아니다고 한 것으로, 그 이유는 접촉부위가 직각으로 만나는 경우 그 씰링이 매우 어려운 때문이다.

제15도는 확실한 씰링을 위하여 환형공간(18,18')의 횡단면이 직긱사각형이 아닌 한 예로써, 요동하우징(2,3)과 벽면하우징(7,8)의 돌출부(7',8')는 직각으로 만나나, 요동피스톤(4,5)은 그의 양측면과 요동하우징(2,3)이 만나는 부분이 직각이 아니고, 임의의 곡면 R을 갖으며 동시에 요동피스톤(2,3)의 양측면은 직접 돌출부(7',8')와 접촉되지 않고 일정한 간격을 갖도록 가공되며, 따라서 돌출부(7',8')와 요동피스톤(4,5)의 양측면, 그리고 요동하우징(2,3)은 그 사이에 부정형의 공간(도면상 사선이 없는 여백부분)을 가지게 된다.

이 공간에 싸이드 씨일(30, 제16도, 제17도 및 제23도)이 장치되며, 이 싸이드 씨일(30)이 요동피스톤(4,5)의 양측면에 접하는 부위는 미세한 간극을 가지고 요동피스톤(4,5)의 양측면에 교합하는 형태를 가지나, 싸이드 씨일(30)이 돌출부(7',8')에 접하는 부분은 돌출부(7',8')에 교합하는 형태의 면(본도면에서는 직각으로 만나는 평면)을 가지며, 이 면의 상하 양단의 모서리에는 모서리 홈(33)이 절삭 가공된다(제16도).

이 모서리 홈(33)은 한 계(11,12,13, 또는 14)에서 높은 압력이 발생할 때, 제 18도에 도시된 바와 같이, 압력 'P'가 발생하면 싸이드 씨일(30)의 곡면 부위가 각 요동하우징(2,3) 방향으로 변형(제18동에서 점선으로 표시됨)될 수 있도록 하며, 그 일부분은 뒤에 설명하는 헤드 씨일(31)과 연결되는 홈 역할도 한다. (제17도)

2개 1조의 싸이드 씨일(30)은 하나의 환형공간(18또는18')에 걸쳐 요동피스톤(2,3)의 양측면과 돌출부(7',8') 사이의 공간에 장치되어, 그 1개조가 하나의 환형공간(18,18')즉, 두 개의 제(제1계와 제2계, 또는 제3계와 제4계)의 기밀유지를 동시에 수행하며, 헤드(9, 10)에 근접한 부위에 있는 각 계(11,12,13,14)의 흡기구(15)와 배기구(16) 부근에서는 흡, 배기구(15,16)와, 흡, 배기밸브(25,26)의 작동 공간을 위하여, 그 중앙부분이 원호 방향을 따라 절삭되어 있고, 각 싸이드 씨일(30)의 양단은 헤드(9,10) 부위에 가공된 싸이드 씨일 홈(34,제23도)에 삽입된다.

이와 같이 된 싸이드 씨일(30)은 한 계(11,12,13, 또는 14)에서 높은 압력이 발생할 때, 제18도와 같이 그 압력 P에 의해 싸이드 씨일(30)을 돌출부(7',8')에 밀어붙이거나 싸이드 씨일(30)의 곡면 부위가 변형되어 각 요동하우징(2,3)에 밀착되게 함으로써, 벽면하우징(7,8)의 돌출부(7',8')와 요동하우징(2,3)과의 접촉부위를 밀폐한다.

헤드 씨일(31, 제17도, 제20도 및 제23도)은 그 양단이 싸이드 씨일(30)의 끝부분의 모서리 홈(33)으로부터 헤드(9,10)와 요동하우징(2,3)이 접하는 헤드(9,10)의 적절한 위치에 각 헤드(9,10)의 적절한 위치에 각 헤드(9,10)가 각 요동하우징(2,3)접촉하는 상하 양면에 가공된 헤드 홈(35)에 그 두 개가 1개조로 장치되어, 헤드(9,10)와 요동하우징(2,3) 사이에 간극에서 가스의 누출을 방지하는 씰링으로 ㄷ자 U자 등의 형태로 될 수 있으나, 본 도면(제20도)에서는 ㄷ자 형으로 도시하였다.

이 헤드 씨일(31)과 헤드 홈(35)의 단면은 제19도와 같으며, 헤드 씨일(31)은 압력을 받지 않으면 헤드 씨일(31)과 헤드 홈(35)사이에 있는 스프링(36)의 장력, 및 관성과 마찰력에 의해 각 접촉부위를 밀폐한다. 그러나 압축이나 연소 등으로 인하여 높은 압력이 발생되면, 그 압력은 P는 도면에서의 화살표 방향으로 분리 작용하여 방향으로 가스 누설을 방지한다.

따라서 이 헤드 씨일(31)은 헤드(9,10)와 요동하우징(2,3)과의 간극에서의 가스 누설을 방지한다.

제17도는 싸이드 씨일(30)과 헤드 씨일(31)이 결합되는 헤드(9,10)부위 일부를 도시한 것으로, 이를 두 씨일(30,31)에 의하여 각 돌출부(7',8')와 헤드(9,10)를 있는 상하 양면과 각 요동하우징(2,3) 사이의 간극으로 발생하는 가스의 누출을 방지한다.

피스톤 씨일(32, 제22도)은 역시 2개 1조로 요동피스톤(4,5)의 양측면의 적절한 위치에 요동하우징(5,6)의 일부분에까지 걸쳐 절삭된 피스톤 홈(37, 제21도)에 스프링(36')과 함께 삽입된다. 이 피스톤 씨일과 홈(32,37)의 단면도는 제19도와 동일한 것으로, 그 기능도 헤드 씨일(20)의 경우에서의 제19도의 설명과 동일하다.

이 피스톤 씨일(32)은 싸이드 씨일(30)이 요동피스톤(4,5)의 양측면과 접하는 면에 교합하는 형태를 갖고, 싸이드 씨일(30)과 요동피스톤(4,5)과의 사이의 가스 누설을 방지한다.

본 발명에 의한 내연 기관에 있어서의 작동실의 기밀 유지는 각 환형공간(18,18')에 2개 1조의 싸이드 씨일(30) 2개조, 그리고 헤드 씨일(31)과 피스톤 씨일(32)등 2종류의 씨일이 각각 2개가 한 조가 되어 각 계(11,12,13,14)에 장착됨으로써 이루어진다.

제23도는 이러한 3종류의 씨일이 장착되는 실시예로 단위 기관(29)에서 필요한 부분을 절개한 단위 기관(29)의 일부분의 사시도로 요동피스톤(4,5)은 제21도와 같이 M-M 절개 상태를 도시한 것이다.

이러한 씰링은 왕복식 기관과 비교하여 씨일 자체의 가공과 씨일 홈의 가공이 다소 복잡하고 정밀성을 요하나, 그 기능 면에서는 왕복식 기관의 씰링에 뒤떨어지지 않는다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 내연 기관은 벽면하우징(7,8)과 요동자(1)에 의해 형성된 환형광간(18,18')이 4개의 작동실(11,1213,14)로 분리되어 4싸이클식 작동가스의 교환을 하는 내연 기관이다.

이상을 종합하여 본 발명에 의한 기관을 같은 행정체적을 갖는 4싸이클 4실린더 왕복형 기관을 비교하면, 우선 그 체적과 중량이 왕복형 기관의 1/4 정도에 지나지 않는다는 점이다.

지금까지 기관의 축소, 경량화라는 과제에 대해 많은 연구가 있었으나, 왕복형 기관의 구조적 특성으로 인하여 별다른 성과를 얻지 못하고 있었다.

본 발명은 왕복형 기관의 이러한 구조적 한계성을 벗어나 피스톤의 왕복운동을 요동운동으로 전환시킴으로써, 기관의 축소 경량화를 달성하였음은 물론, 요동자가 요동운동을 하는 구조적 특성을 이용하여 특수한 린케지 기구를 도입함으로써, 1행정, 즉 1회의 연소행정에 의해 1회의 크랭크축(28)의 회전을 발생시켰으며, 이것은 싸이클 4실린더 기관에 비해 두 배의 출력성능의 향상을 의미하며, 이와 더불어 기관의 1/4에 달하는 축소, 경량화로 그 이상의 연비향상을 달성한 것이라 할 수 있다.

특히 왕복형 기관의 4개의 피스톤과 4개의 크랭크 기구등 질량이 큰 구동 기구를 요동자와 이에 따르는 하나의 린케지 기구로 대체함으로써 1회의 연소-팽창행정에 의해 기관의 연속적 운전을 위해 필수적으로 구동되는 종동체의 질량을 감소시키고 이에 따른 기관 효율의 향상은 물론, 기관을 축소, 경량화 함으로써, 기관의 제조상 재료와 가공공정의 감소로 제조 원가도 크게 저감시키게 된 것이다.

Claims (4)

1. 원관(圓管) 형태의 각각의 지름이 다른 두 개의 1차 및 2차요동하우징(2,3)과 각각의 요동하우징(2,3)의 양측단으로부터 일정한 거리를 두고 두 요동하우징(2와 3)사이의 중앙 부위에 결합된(그 단면이 원(圓)이 아니고 그 각가그이 중간점이 서로 180°떨어져 있음) 두 개의 제1 및 제2요동피스톤(4,5), 그리고 1차요동하우징(2)과 결합되어 연소 압력에 의해 1차요동하우징(2)이 변형되는 것을 방지하며, 요동자(1)의 요동운동력을 린케지에 전달하는 요동전달핀(20)을 구비하는 보조요동하우징(6)으로 형성되어 이들 전체가 하나로 결합되어 동심 요동운동을 하는 요동자(1)와, 두 요동하우징(2,3)의 양측단으로부터 요동피스톤(4,5)의 양측면에 이르는 면과 밀착되고, 요동피스톤(4,5)의 양측면과도 교합하는 면을 가지고 요동피스톤(4,5)의 양측면과 밀착되어 요동피스톤(4,5)의 단면과 동일한 단면의 환형공간을 형성하는 돌출부(7',8')와 이 환형공간의 일부를 폐쇄 함으로써 이 환형공간을 두 개의 공간(18,18')으로 분리하는 돌출부(7',8')의 연장 부분이며, 그 각각의 중간점이 서로 180° 떨어진 제1 및 제2헤드(9,10)그리고 이들 헤드 (9,10)에 의해 분리되는 두 개의 환형공간(18,18')에서 각 헤드(9,10)에 인접한 돌출부(7',8')에 기관 외부로 향하여 천공된 4개조의 흡기구(15)와 배기구(16), 그리고 점화장치가 설치되는 연통구(17)로 구성된 벽면하우징(7,8)이 결합되어 하나의 단위기관(29)을 형성하고, 이 단위기관(29)에 각각의 헤드(9,10)와 요동피스톤(4,5) 사이의 공간에 형성된 4개의 계(11,12,13,14)내에서 요동자(1)이 요동운동으로 발생하는 체적의 변화를 이용하여 요동운동을 유발하고, 이 요동운동을 린케지에 전달시켜 회전운동으로 변환시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 요동피스톤식 내연기관.
2. 제1항에 있어서 : 상기 린케지가 요동 운동력을 푸시로드(21)에 의해 다른 요동아암(24)에 전달하여 이 요동아암(24)을 요동운동 시키고, 이 요동아암(24)의 요동운동이 또 하나의 푸시로드(21')를 종동시켜서 이 푸시로드(21')가 크랭크축(28)을 회전시킴으로써, 요동자(1)의 최초의 요동운동력에 의한 1회의 왕복 요동운동으로 2회의 크랭크축(23)의 회전을 발생시킬 수 있게 구성되는 것을 특징으로 하는 요동피스톤식 내연기관.
3. 제1항에 있어서 : 상기 벽면하우징(7,8)의 돌출부(7',8')가 환형공간(18,18')에 면하는 부위와 요동피스톤(4,5)의 양측면의 형태가 서로 교합하지 않는 면을 가지는 것을 특징으로 하는 요동피스톤식 내연기관.
4. 제1항에 있어서 : 상기 환형공간(18,18')의 내주면과, 헤드(9,10), 요동피스톤(4,5)에 각각의 씨일(30,31,32)이 설치되어 가스 누설을 방지하는 것을 특징으로 하는 요동피스톤식 내연기관.