KR20020081243A

KR20020081243A - 내연기관

Info

Publication number: KR20020081243A
Application number: KR1020027008628A
Authority: KR
Inventors: 폴 윌슨 할람
Original assignee: 에코포스 피티와이 엘티디
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2002-10-26
Also published as: US6715465B2; WO2001049980A1; CN1437676A; CA2395908A1; WO2001049997A1; CN1244751C; US20030075143A1; JP4454201B2; US6712039B2; EP1242726A1; AUPQ491099A0; JP2003519326A; EP1242721A1; CN1437678A; EP1242721A4; CA2395915C; KR20020091073A; JP2003519314A; US20030075144A1; EP1242726A4

Abstract

본 발명은 내연기관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 크랭크케이스(13)에 의해 결합된 실린더 어셈블리(11,12)에서 회전(rotating), 오실레이팅(oscillating) 또는 왕복(reciprocating)하는 적어도 한 쌍 이상의 피스톤(20,21)을 포함하고 있고, 상기 피스톤(20,21)이 상기 크랭크케이스(13) 내에 수용되어진 크랭크샤프트에 의해 구동되며, 상기 크랭크케이스(13)가 공기 연료 혼합가스의 유입을 위한 입구포트(63)와 압축된 공기 연료 혼합가스의 전달을 위한 출구포트(65)를 포함하고 있고, 상기 실린더(11,12)가 연소실(35)과 이 연소실(35)과 통하는 적어도 하나 이상의 흡기밸브 포트(36) 및 적어도 하나 이상의 배기밸브 포트(36)를 가지며, 상기 흡기밸브 포트(36)가 상기 크랭크케이스 출구포트(65)를 통해 크랭크케이스(13)와 통하고, 이에 따라 피스톤의 하부측이 상기 크랭크케이스 내에서 공기 연료 혼합가스를 압축하고 이 압축된 공기 연료 혼합가스가 상기 크랭크케이스 출구포트와 흡기밸브 포트를 통해 연소실로 전달되도록 하면서 엔진이 4행정 사이클로 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관에 관한 것이다.

Description

내연기관{Internal combustion engine}

자동차(motor cars), 트럭 및 오토바이(motorcycles)에 이용되는 대부분의 내연기관들은 4행정 사이클로 작동한다. 4행정 사이클 내연기관은 20세기 대부분 동안 이용되어왔다. 수년에 걸쳐 엔진 설계자들은 상기 엔진의 효율을 개선하고자 항상 노력해왔다. 최근 이러한 효율적 측면에서의 개선점들은 엔진의 환경적 영향, 즉 배기장치를 통해 배출되는 유해가스를 포함한 오염물질의 발생을 함께 고려할 필요성을 요구해오고 있다. 촉매 컨버터와 같이 배기가스를 정화하기 위한 출력 흡수 장치(power absorbing equipment)를 도입할 필요성에 의해 엔진의 전체 효율을 감소시키는 구성들로 이어졌다. 환경적 이슈(issues)들은 또한 연료에 대한 조절을 요구해오고 있으며, 결국 고압축 내연기관에서 노킹 방지제(anti-knocking agent)로서 납을 첨가하는 것은 엔진 설계에서 또 다른 구성들요소들을 초래하는 무연 가솔린의 도입으로 단계적으로 없어져오고 있다.

4행정 엔진들은 통상 실린더당 적어도 하나 이상의 흡기밸브와 적어도 하나 이상의 배기밸브를 포함한다. 몇몇의 작고 복잡한 엔진에서 다수의 배기 및 흡기밸브들이 실린더마다 구비될 수 있다. 상기 밸브들은 통상 캠샤프트의 로브(lobes)에 의해 열림위치로 구동된다. 이러한 구동은 직접적이거나 간접적일 수 있다. 상기 밸브들은 통상 일단 열려진 이 밸브를 간단히 닫힘위치로 되돌아가게 하는 금속 코일 스프링의 이용에 의해 닫힘위치로 되돌아간다. 상기 코일 스프링의 스프링력 크기는 통상 엔진이 가장 높은 분당 회전수(RPM)에서 작동할 때인 스프링에 대해 가장 크게 요구될 때 엔진을 조절할 수 있도록 설계된다. 따라서, 상기 밸브 스프링은 가장 높은 RPM에서 효과적으로 작동할 수 있는 충분한 크기, 중량 및 스프링비(spring ratio)를 가져야 한다. 이것은 낮은 RPM에서 상기 밸브 스프링이 너무 강하고 이에 따라 엔진 효율의 감소를 그 정상적인 작동범위에서 야기시키면서 불필요한 일이 스프링에 반하여 수행될 수 있음을 의미한다. 밸브 스프링은 또한 시동과정 동안 압축되어야 하는 바, 이러한 시동과정은 엔진을 시동시키는데 요구되는 힘을 증가시키며, 결국 엔진을 시동시키기 위하여 보다 큰 납 산 배터리(lead acid batteries)와 충전 시스템을 필요로 한다.

수년 동안 연소과정은 유입되는 공기 연료 혼합가스를 과급(supercharging)함으로써 개선될 수 있다고 알려져 왔으나, 과급기는 에너지를 소비하고 역으로 엔진의 효율을 감소시킨다. 대부분의 4행정 엔진들은 왕복하는 피스톤들과, 폭발과 이에 의한 팽창을 위해 실린더 헤드에서 공기 연료 혼합기를 압축하는 크라운(crown)들을 가진다. 과거에는 엔진의 효율을 개선시키기 위하여 크랭크케이스의 압축을 야기하는 피스톤의 하방 행정을 이용하는 제안들이 있어왔지만, 상기 피스톤의 왕복운동은 4행정 엔진에서 크랭크케이스를 압축하도록 항상 설계되는 것은 아니다.

본 발명은 상술한 많은 문제점들을 해결하고자 제안된 것이다.

본 발명은 내연기관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 4행정 사이클로 작동하는 내연기관에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진을 도시한 단면도,

도 2는 도 1에 도시한 엔진의 하부측 단면도,

도 3은 본 발명의 가스 밸브 제어 기구를 보여주는 구성도,

도 4는 본 발명의 엔진을 상측에서 바라본 사시도,

도 5는 본 발명의 엔진을 하측에서 바라본 사시도,

도 6은 크랭크케이스와 실린더벽을 생략하여 도시한 본 발명에 따른 엔진의 사시도,

도 7은 캠샤프트와 밸브 어셈블리를 보여주는 사시도,

도 8 ∼ 16은 본 발명에 따른 엔진의 작동상태를 보여주는 작동상태도이다.

본 발명에 의하면, 크랭크케이스에 의해 결합된 실린더 어셈블리에서 회전(rotating), 오실레이팅(oscillating) 또는 왕복(reciprocating)하는 적어도 한 쌍 이상의 피스톤을 포함하고 있고, 상기 피스톤이 상기 크랭크케이스 내에 수용되어진 크랭크샤프트에 의해 구동되며, 상기 크랭크케이스가 공기 연료 혼합가스의 유입을 위한 입구포트와 압축된 공기 연료 혼합가스의 전달을 위한 출구포트를 포함하고 있고, 상기 실린더가 연소실과 이 연소실과 통하는 적어도 하나 이상의 흡기밸브 포트 및 적어도 하나 이상의 배기밸브 포트를 가지며, 상기 흡기밸브 포트가 상기 크랭크케이스 출구포트를 통해 크랭크케이스와 통하고, 이에 따라 피스톤의 하부측이 상기 크랭크케이스 내에서 공기 연료 혼합가스를 압축하고 이 압축된 공기 연료 혼합가스가 상기 크랭크케이스 출구포트와 흡기밸브 포트를 통해 연소실로 전달되도록 하면서 엔진이 4행정 사이클로 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관이 제공된다.

첨부한 시트(sheets)의 OP(OPERATION CYCLE) 1에서 OP 4.5는 엔진의 4행정 전 사이클을 예시하기 위하여 도 1 ∼ 3을 이용하고 있다. 각 시트는 720°의 4행정 동안 90°간격에서 도 1 ∼ 도 3을 내고 있다. "STARTING CYCLE"이라 표시된 시트는 엔진의 작동개시 사이클(start-up cycle)을 예시하기 위하여 도 1 ∼ 도 3을 포함한다.

첨부한 도면들은 작동방법을 예시하기 위하여 엔진을 개략적으로 나타내고 있다. 실제의 엔진은 구조적인 세부사항에 있어서 상당한 차이가 있을 수 있음은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 엔진의 개략적 도시예가 실제 실시되는데 있어 요구될 수 있는 추가적인 세부사항을 올바르게인식하고 이해할 수 있을 것이다.

바람직한 실시예의 도면들은 수평상에 서로 대향되게 배치되어 평평한 쌍을 이루고 있는 배치형태의 엔진을 보여주고 있다. 상기 엔진(10)은 중앙의 크랭크케이스(13)로부터 반경방향 바깥쪽으로 연장된 실린더(11,12)들을 포함한다. 상기 크랭크케이스(13)에는 실린더(11,12) 내 왕복 피스톤(20,21)들을 지지하는 크랭크샤프트(25)가 수용되어 있다. 상기 각 피스톤(20,21)은 커넥팅 로드(con-rod)(23)와 큰 끝 베어링(big end bearing)(24)을 통해 크랭크샤프트(25)에 연결되어 있다. 상기 피스톤/실린더들은 도 2에 도시한 바와 같이 수평상에 간격을 두고 배치되어 있다. 상기 각 실린더(11,12)의 일측면은 점화플러그(31)를 지지하는 실린더 헤드(30)에 의해 밀폐되어 있다. 상기 실린더 헤드(30)의 내측면과 피스톤 크라운(piston crown)(22) 사이의 공간은 연소실(35)을 형성한다. 흡기 및 배기밸브 포트(36,37)는 사이드 밸브 배치(side valve arrangement)를 이루기 위하여 실린더(11,12)의 벽을 따라 연소실(35)과 통하도록 되어 있다. 상기 각 밸브 포트는 헤드(head)(51)와 스템(stem)(53)을 가지는 밸브(50)를 지지한다. 상기 밸브 헤드(51)는 포트의 입구가 되는 밸브 시트(52)와 접촉하여 밀폐한다. 상기 밸브들은 체인, 기어 또는 치형을 갖는 벨트에 의해 크랭크샤프트(25)로부터 구동되는 캠샤프트(40)의 로브(lobes)(41)와 직접 접촉하게 되는 캠 종동부(cam followers)(42)에 의해 구동된다.

수평상에 서로 대향되게 배치된 실린더 하우징은 어느 한쪽의 끝에서 밀폐된 중앙의 크랭크케이스(13)를 형성한다. 상기 크랭크샤프트(25)는 크랭크케이스내 메인 베어링(미도시됨) 주변에서 축 회전 가능하도록 장착된다. 상기 크랭크샤프트(25)는 크랭크케이스(13) 상부에 위치된 크랭크케이스 입구포트(69)를 경유하는 공기/연료 입구통로(63)와 크랭크케이스(13)의 베이스(base)에서 크랭크케이스 출구포트(70)를 경유하는 출구통로(65)를 열거나 닫는 아치형 컷-아웃부(cut-outs)(61,62)를 갖는 원형 실링 로브(sealing lobe)(60)를 포함한다. 서로 혼합된 공기 및 연료는 기존의 스로틀(68)에 의해 제어가 이루어지는 입구통로(63)에 적절히 위치된 연료 인젝터(66,67)로 유도된다. 상기 출구통로(65)는 캠샤프트실(39)를 경유하는 입구포트(36)와 통하게 된다. 위에서 언급한 엔진에서, 흡기 및 배기밸브는 캠 종동부를 통해 캠샤프트와의 직접적인 접촉을 통해 제어되나 연소행정 동안 연소실(35)로부터 그리고 시동 사이클(starting cycle) 동안 크랭크케이스로부터 나오는 가스압에 의해 제어되는 가스 구동에 의해 닫혀진다. 이러한 배치는 이후 보다 상세히 설명하기로 한다.

본질적으로 상기 엔진은 4행정 사이클로 작동하나 각 실린더의 과급을 위해 크랭크케이스 압력을 이용한다. 상기 공기 연료 혼합가스(air fuel mixture)는 크랭크케이스 내에서 압축되고 이후 캠샤프트실(39)로부터 입구포트(36)를 거쳐 상기 각 실린더의 연소실로 이동된다. 사이드에 위치된 흡기 및 배기밸브(50)는 공기 연료 혼합가스의 유입과 폭발가스의 배출을 제어한다. 상기 밸브들은 닫힘위치로의 리턴(return)을 위하여 종래의 스프링을 이용하는 대신에 엔진의 RPM에 비례하는 압력을 가지는 가스 구동을 이용한다.

이하, 9장의 시트 중 번호 OP 1에서 4.5를 참조하여 엔진의 점화사이클(firing cycle)에 대해 설명하면 다음과 같다. 시트 1에 나타낸 바와 같이, 피스톤은 동시성을 가지도록 설치되어서 두 피스톤은 동시에 상사점에 있게 된다. 선택적으로 그 배치는 'V'자 형태가 될 수 있고 같은 영역에서 상사점에 있을 수 있다. 좌측 실린더 내의 공기 연료 혼합가스(air fuel mixture)는 압축된 후 막 점화된 상태이다. 우측 실린더는 배기행정을 막 완료한 상태이다. 상사점에서, 상기 크랭크케이스 입구포트(69)는 열리나 출구포트(70)은 닫히고, 공기 연료 혼합가스는 크랭크케이스 안으로 흡입된다. 따라서, 크랭크케이스는 공기 연료 혼합가스로 채워져 대기압상태로 된다.

상기 피스톤들이 실린더 하방으로 이동할 때(90°위치, 시트 1.5 OPERATION CYCLE 참조), 좌측 실린더 내 압축된 공기 연료 혼합가스의 폭발이 피스톤을 실린더 하방으로 구동시킨다. 또한, 회전하는 크랭크샤프트는 우측 피스톤을 당기게 된다. 상기 크랭크케이스 입구포트(69)가 닫혀지면서 상기 입구통로(63)도 차단되고, 크랭크케이스가 압축되면서 크랭크케이스 내에 채워진 공기 연료 혼합가스는 크랭크케이스 출구포트(70)와 출구통로(65)를 거쳐 캠샤프트실(39)로 배출된 다음, 입구포트(36)와 그 실린더의 흡기밸브(50)를 거쳐 우측 피스톤의 연소실 내로 유입된다.

상기 피스톤들이 하사점까지 내려갈 때, 시트 2 OPERATION CYCLE에 도시한 바와 같이, 크랭크샤프트는 180°위치로 회전되며, 좌측에서는 연소행정이 완료된 상태가 되고, 배기밸브는 피스톤이 다시 실린더 상방으로 올라갈 수 있도록 약간 열리게 된다. 우측에서는 흡기밸브가 닫혀지면서 공기 연료 혼합가스의 압축이 시작된다.

상기 피스톤들이 상방으로 귀환할 때(시트 2.5 OPERATION CYCLE 참조), 좌측에서는 완전히 열려진 배기밸브를 통해 연소가스가 배출된다. 양측의 피스톤들이 올라감에 따라 크랭크케이스는 크랭크 밸브의 회전에 의해 다시 열리면서 보다 많은 공기 연료 혼합가스가 흡입되고, 우측 피스톤은 흡기밸브 및 배기밸브가 모두 닫혀진 상태에서 공기 연료 혼합가스를 압축하게 된다.

상기 피스톤들이 상사점에 도달할 때(시트 3 OPERATION CYCLE 참조), 좌측 피스톤/실린더는 배기행정을 완료한 상태가 되고, 우측 피스톤/실린더는 점화할 준비가 갖춰진다. 공기 연료 혼합가스는 계속해서 입구통로(63)를 통해 크랭크케이스 내로 유입된다. 시트 3.5 OPERATION CYCLE은 좌측 피스톤이 하방으로 당겨지면서 크랭크케이스로부터 취해져 흡기밸브를 통해 이동된 압축된 공기/연료의 새로운 충전이 이루어지고 점화플러그에 의해 공기 연료 혼합가스의 폭발이 이루어지는 동안 우측 피스톤이 하강하는 상태를 보여준다. 이것은 크랭크샤프트가 입구통로(63)를 닫은 상태이나 출구통로(65)를 개방한 상태이기 때문에 크랭크케이스를 압축한다.

다음의 시트 4 OPERATION CYCLE은 좌측 피스톤이 공기 연료 혼합가스를 완전히 흡입하고 우측 피스톤이 팽창 또는 연소행정을 완료한 상태에서 두 피스톤이 하사점에 있는 상태를 보여주고 있다. 다음으로, 시트 4.5 OPERATION CYCLE에서는 배기밸브가 열린상태가 되는데, 도시한 바와 같이, 좌측 피스톤은 공기 연료 혼합가스를 압축하기 시작하며, 우측 피스톤은 동시에 배기밸브를 통해 연소가스를 배출한다. 두 피스톤이 올라옴에 따라, 더 많은 공기 연료 혼합가스가 입구통로(63)를통해 크랭크케이스로 흡입되고 피스톤이 귀환되는 동안 압축된다. 결국, 사이클이 720°(4행정 엔진 사이클)를 완료한 상태가 되고, 이러한 작동은 시트 1 OPERATION CYCLE에서 설명한 좌측 피스톤의 점화시마다 반복된다.

상기 배기 및 흡기밸브의 열림은 캠 종동부에 대하여 작동하는 캠샤프트상의 로브를 통해 조심스럽게 제어된다. 상기 배기 및 흡기밸브의 닫힘은 전술한 바와 같이 시동 시퀀스(starting sequence)에서의 크랭크케이스뿐만 아니라 연소행정 동안의 연소실로부터 취해진 가스압에 의해 압축되는 가스 스프링에 의해 이루어진다.

상기 각 실린더의 가스 밸브 스프링은 흡기 및 배기밸브(50)의 밸브 스템(53)의 끝단에 각각 부착된 밸브 리턴 피스톤(81,82)를 슬라이딩 가능하게 지지하는 밸브 압력실(80)을 포함한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 밸브 스템(53)은 간격을 두고 평행되게 배열된 하우징(80)으로 들어가고, 상기 리턴 피스톤(81,82)은 캠샤프트(40)의 로브(41)에 의해 열림 구동되는 캠 종동부(42)의 일부를 구성한다. 상기 각 밸브 스템(53)은 옆으로 올라간 입구 및 출구포트(36,37)를 통해 연소실에 연결된 밸브 헤드(51)와 합쳐질 수 있도록 밸브 압력실 외부로 연장된다. 일 실시예에서, 상기 밸브 압력실(80)은 제1갤러리(88)를 거쳐 크랭크케이스(13)로부터 나온 압력원에 의해 시동(start up)시 압축된다. 시동(start up)시, 원 웨이 컨트롤 볼 밸브(one way control ball valve)(90)는 코일 스프링(92), 또는 리드 밸브(reed valve, 미도시됨)에 의해 제어된다. 일단 엔진이 시동되면 이 밸브는 닫혀진 상태가 된다.

상기 밸브 압력실(80)을 위한 주된 가스압력원은 연소실(35)로부터 밸브 압력 컨트롤 어셈블리(114)를 거쳐 밸브 압력실(80)로 연결되는 제2갤러리(89)로부터 나온다. 투 웨이 컨트롤 볼 밸브(91)는 일측상의 연소압과 반대측상의 밸브압으로 두 개의 실링 시트(sealing seat) 사이에서 플로팅되고 있다. 상기 밸브 압력실(80)로 들어오도록 허용되는 가스 체적은 제트(jet)(111)에 의해 제어된다. 리저바(reservoir)(113)는 밸브 압력 체적을 증가시켜준다. 이 여분의 체적은 압력의 입력 펄스를 완충시키고 미스된(missed) 폭발행정을 고려하게 된다. 상기 리저바(113)는 밸브 압력실(80)로부터 가스를 유입받는다. 상기 유입은 리드 밸브(115)에 의해 일방향 제어된다. 상기 밸브 압력실(80)은 가스를 리저바(113)로부터 투 웨이 밸브(91)를 통해 리턴시킴으로써 밸런스가 이루어진다. 상기 리저바(113)는 또한 엔진의 타이밍과 연료분사를 제어하는 전자제어유닛(ECU:Electronic Control Unit)에 의해 제어되는 압력 방출 밸브(101)를 가질 수 있다. 이러한 상태에서 가스압에 비례하는 신호들을 상기 ECU로 출력하는 압력센서(105)가 또한 상기 리저바(113)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 밸브 압력실(80)과 리저바(113)에서의 압력은 상기 ECU에 의해 제어될 수 있는 것이다.

상기 가스 밸브 압력 제어 어셈블리(114)는 미연소된 공기 연료 혼합가스를 밸브 스템으로 안내함으로써 밸브를 위한 냉각 및 윤활원을 제공할 수 있도록 흡기밸브 포트와 두 밸브의 밸브 스템 사이를 연결하는 제3윤활갤러리(110)를 또한 포함할 수 있다. 상기 리턴 피스톤(81,82)의 단면적은 압력 하우징 내에서 가스압에 의해 발생되는 힘이 리턴 피스톤을 캠샤프트(40)쪽으로 슬라이딩시켜 밸브를 닫을수 있을 정도의 충분한 크기가 되어야 한다. 이와 같이 하여, 상기 밸브는 금속재의 코일 스프링이 아닌 가스압에 의해 닫혀진다. 상기 리턴 피스톤(81,82)은 주철 또는 테플론(Teflon^TM)의 실링재를 필요로 한다. 상기 ECU는 기계 제어 시스템과 마찬가지로 압력과 닫힘력이 엔진의 RPM에 확실히 비례하도록 해줄 수 있다.

상기 밸브 압력실이 상대적으로 고온인 배기가스에 의해 압축되더라도 제2갤러리의 전달체적과 크기는 어셈블리가 가열되지 않도록 하는 수준이다. 더욱이, 일 실시예에로서, 상기 밸브 압력실은 워터 냉각 재킷(water cooled jacket)(미도시됨)에 의해 둘러싸여진 것으로 실시될 수 있다.

위에서 언급한 구성은 많은 장점들을 가진다. 피스톤이 수평상에 대향된 구조에서 동시에 상승 및 하강함은 최적의 밸런스를 제공하고 별도 밸런스 샤프트의 필요성을 없애준다. 크랭크샤프트에 의한 회전식 밸브는 최소 질량의 밸브를 제공하면서 구성요소의 수도 최소화시킨다. 상기 회전식 밸브는 압축된 혼합가스가흡기밸브를 거쳐 각 실린더의 연소실로 이어지는 흡입 공동(cavity)으로 유입 및 이동될 수 있도록 한다. 또한, 흡기 및 배기밸브가 사이드 밸브 형태로 구성됨은 오버헤드 밸브에 비해 보다 간단하고 가벼우며 보다 고차원적인 구조로서, 낮은 총 중량을 갖는 매우 작은 전달체적에 의해 이루어진다. 그러나, 종래의 오버헤드 밸브와 캠샤프트 구조, 마주선 각도의 변형들이 또한 이용될 수 있음은 물론이다.

상기 크랭크케이스가 공기 연료 혼합가스에 의해 압축됨은 어셈블리를 윤활시켜주는 오일의 별도 저장수단을 필요치 않게 한다. 더욱이, 윤활링 필요 없이 하나 또는 두 개의 압축링만 피스톤상에 설치할 수 있다. 크랭크케이스 압력의 이용은 공기 연료 혼합가스의 유입을 과급시켜주는 효과를 가지며, 실제 엔진의 전체 효율을 증가시킨다.

상기 엔진이 적당한 경량의 알루미늄으로 제조될 수 있음은 물론이며, 바람직한 실시예에서는 두 개의 실린더 배치가 도시되고 있으나, 이러한 실린더들은 대향된 쌍의 열로 배치되어 요구되는 파워 출력에 따라 2, 4, 6, 8, 10 또는 12의 실린더 배치가 고려될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 엔진은 기존의 워터 쿨링 라디에이터와 팬을 갖는 기존의 워터 쿨링 통로와 함께 구성될 수 있음은 물론이다. 공냉식 엔진 또한 구성 가능하다. 차가운 공기 연료 혼합가스(예, 기화 연료)가 크랭크케이스 내부로 흡입됨은 크랭크케이스가 기존의 것에 비해 더 냉각될 수 있고 이에 따라 쿨링 시스템의 요구를 줄일 수 있음을 의미한다. 엔진의 낮은 압축 사이드 밸브 형태에서의 셀프-슈퍼차징(self-supercharging)은 납과 같은 첨가제를 갖는 높은 옥탄 연료, 고품질 연료의 필요를 없애준다. 상기 엔진은 식물성 오일을 포함하는 낮은 품질의 연료에 대해서도 효율적으로 작동할 것이다.

흡기 및 배기밸브를 제어하여 닫아주기 위한 가스 스프링의 이용은 가스 스프링의 압력이 엔진의 RPM에 비례하기 때문에 또 하나의 장점이 된다. 따라서, 항상 압력은 엔진의 요구에 대응한다. 이것은 밸브를 닫는데 이용되는 종래의 코일 스프링과는 현저히 다른 것이다. 이러한 스프링은 높은 RPM의 경우에 필요한 힘을 제공하도록 설계되어서, 낮은 회전속도에서 스프링이 너무 강하고, 따라서 상당히 많은 양의 파워를 흡수한다. 스프링은 또한 그 자체 질량으로 야기되는 기타 문제들을 가지며, 밸브 바운스(valve bounce)와 엔진 성능에 불리하게 작용하는 기타 주기적인 진동들을 초래한다. 가스 스프링의 우수함은 시스템의 압력이 실제 연소 사이클 동안 발생된 연소압에 의해 공급된다는 점이다. 더욱이, 상기 가스 스프링 어셈블리는 가속 동안 연소행정시 하사점으로의 연소압을 줄이면서 엔진 RPM이 증가함에 따라 압력실에 의해 필요해지는 압력방출 때문에 배기밸브가 이후에 열리도록 한다. 이것은 피스톤 크라운에 대하여 유효하면서 보다 긴 밀어냄(push)을 제공한다. 스로틀 밸브가 닫혀지면서 엔진이 감속될 때, 상기 엔진은 당연히 연소압을 감소시킨다. 압력은 밸브 스프링을 증가시키는데 이용할 수는 없으나 필요하지 않으며, 밸브 압력실로부터의 압력 방출은 연료분사 및 점화 시스템과 함께 ECU에 의해 제어되거나 또는 그 자체가 내부적으로 방출을 담당하는 전자제어밸브에 의해 감소될 수 있다.

그러나, 엔진의 밸브들을 닫는데 가스압을 이용하는 것에는 한 가지 문제점이 존재한다. 시동 순간 밸브를 닫아주기 위한 가스가 없다는 점이며, 이는 실린더를 압축할 수 없음을 의미한다. 일 실시예에서, 시동 사이클은 "STARTING CYCLE"로 표시된 도 1 ∼ 3의 시트에 도시되고 있다.

상기 밸브들이 언스프렁(unsprung)하다는 점은 크랭크샤프트를 회전시키고 엔진을 시동시키는데 있어 파워를 거의 필요치 않으므로 시동모터에 대한 요구를 줄일 수 있음을 의미한다.

엔진의 시동을 위해 초기 몇 번의 회전이 시동모터에 의해 구동되어진 후, 도입된 공기 연료 혼합가스는 크랭크케이스 내에서 압축되고 언스프렁흡입밸브(unsprung intake vavle)를 거쳐 캠샤프트 흡입 공동(intake cavity)으로 그리고 연소실로 이동된다. 크랭크케이스 압력은 또한 갤러리를 거쳐서 밸브 압력 제어 어셈블리(114)의 원 웨이 밸브(90)를 통해 밸브 압력실로 전달된다. 이 순간에는 배기포트를 제외한 모든 엔진 공동 내의 압력은 동일해진다. 흡입 및 배기밸브들은 이제 효과적인 밸브 타이밍을 가지게 된다. 밸브 압력실(80) 내의 압력은 밸브 헤드 아래에 대기압만이 존재하기 때문에 배기밸브를 리턴시킬 것이고, 포트와 접하는 흡입밸브 헤드의 면적이 리턴 피스톤 표면적보다 작기 때문에 흡입밸브는 리턴될 것이다.

밸브 제어가 이루어진 후, 연소 가능한 혼합가스가 압축되고 점화가 이루어지면서 피스톤은 실린더 하방으로 구동되며, 처음으로 연소압은 갤러리를 거쳐 투 웨이 밸브(reed 또는 볼)(91)를 통해 밸브실로 공급된다. 이는 밸브 압력실 내의 압력을 정상적인 작동을 위해 밸브 제어를 할 수 있는 수준으로 상승시키며 닫혀진 원 웨이 밸브(90)는 크랭크케이스로의 압력 방출을 중단한다. 이 단계에서 엔진은 정상적인 작동 사이클(operation cycle)을 수행한다.

시동을 위해 밸브를 닫는데에 있어 또 하나의 방법은 시동모터에 작은 공기공급펌프(air priming pump)를 결합하여 밸브를 닫기 위해 밸브실로 공기압을 공급하고 엔진이 시동될 수 있도록 하는 것이다. 이러한 배치는 상기 압력밸브들을 대체할 것이다.

바람직한 실시예에서 엔진이 흡기 및 배기밸브를 닫는데 상기 가스 스프링을 이용하고 있지만 엔진이 흡기 및 배기밸브를 닫아주는 기존의 밸브 스프링으로 작동될 수 있음은 물론이다. 공기 연료 혼합가스는 전기적으로 제어될 수 있고 밸브 타이밍은 전기적으로 조정되는 캠샤프트에 의해 제어될 수 있다.

엔진의 시동을 위해 초기 몇 번의 회전이 시동모터에 의해 구동되어진 후, 도입된 공기 연료 혼합가스는 크랭크케이스 내에서 압축되고 언스프렁 흡입밸브(unsprung intake vavle)를 거쳐 캠샤프트 흡입 공동(intake cavity)으로 그리고 연소실로 이동된다. 크랭크케이스 압력은 또한 갤러리를 거쳐서 밸브 압력 제어 어셈블리(114)의 원 웨이 밸브(90)를 통해 밸브 압력실로 전달된다. 이 순간에는 배기포트를 제외한 모든 엔진 공동 내의 압력은 동일해진다. 흡입 및 배기밸브들은 이제 효과적인 밸브 타이밍을 가지게 된다. 밸브 압력실(80) 내의 압력은밸브 헤드 아래에 대기압만이 존재하기 때문에 배기밸브를 리턴시킬 것이고, 포트와 접하는 흡입밸브 헤드의 면적이 리턴 피스톤 표면적보다 작기 때문에 흡입밸브는 리턴될 것이다.

Claims

크랭크케이스에 의해 결합된 실린더 어셈블리에서 회전(rotating), 오실레이팅(oscillating) 또는 왕복(reciprocating)하는 적어도 한 쌍 이상의 피스톤을 포함하고 있고, 상기 피스톤이 상기 크랭크케이스 내에 수용되어진 크랭크샤프트에 의해 구동되며, 상기 크랭크케이스가 공기 연료 혼합가스의 유입을 위한 입구포트와 압축된 공기 연료 혼합가스의 전달을 위한 출구포트를 포함하고 있고, 상기 실린더가 연소실과 이 연소실과 통하는 적어도 하나 이상의 흡기밸브 포트 및 적어도 하나 이상의 배기밸브 포트를 가지며, 상기 흡기밸브 포트가 상기 크랭크케이스 출구포트를 통해 크랭크케이스와 통하고, 이에 따라 피스톤의 하부측이 상기 크랭크케이스 내에서 공기 연료 혼합가스를 압축하고 이 압축된 공기 연료 혼합가스가 상기 크랭크케이스 출구포트와 흡기밸브 포트를 통해 연소실로 전달되도록 하면서 엔진이 4행정 사이클로 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에 있어서, 적어도 둘 이상의 피스톤이 축선상에서 서로 대향되게 배치된(axially opposed) 실린더 내에서 왕복하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에 있어서, 적어도 둘 이상의 피스톤이 서로 각을 이루는 배치로 대향된 실린더 내에서 일치되게(in unison) 왕복하는 것을 특징으로 내연기관.
제 1 항에서 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤과 실린더 사이의 경계면에 하나의 압축링이 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에서 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크랭크샤프트가 이 크랭크샤프트가 회전함에 따라 상기 크랭크케이스 입구 및 출구포트를 개폐하는 회전식 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에서 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 포트와 연소실 사이의 유체 전달은 캠샤프트에 의해 열려지도록 구동되는 밸브에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 6 항에 있어서, 상기 캠샤프트는 상기 실린더의 흡기밸브 포트와 크랭크케이스 출구포트를 통해 크랭크케이스와 유체 전달이 이루어지는 캠샤프트실 내에서 회전되도록 위치된 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에서 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브를 상기 밸브 포트에서 닫아주는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 8 항에 있어서, 상기 흡기 및 배기밸브가 엔진의 속도에 비례하는 닫힘력을 갖는 가스 스프링에 의해 닫혀지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 9 항에 있어서, 상기 밸브가 연소실로부터 나온 가스에 의해 압축되는 밸브 압력실과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 10 항에 있어서, 상기 밸브 압력실은 유체제어수단에 의해 유체 전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에서 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크랭크케이스가 내부로 유입된 공기 연료 혼합가스에 의해 냉각되어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에서 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크랭크케이스가 공기 연료 혼합가스에 의해서만 윤활이 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.