KR100582140B1

KR100582140B1 - 내연기관의 밸브메커니즘

Info

Publication number: KR100582140B1
Application number: KR1020047019409A
Authority: KR
Inventors: 롤린 에이. 아머
Original assignee: 롤린 에이. 아머
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2006-05-22
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: KR20050020815A

Abstract

적어도 하나의 실린더(13)에 적어도 하나의 파워 피스톤(17)을 구비한 내연기관으로서 각 실린더에 피스톤형 연료 흡입 밸브(14)가 적어도 하나 구비되어 있다. 연료흡입슬리브(32)는 실린더의 상부에 개방단부를 가지고 있으며, 실린더로부터 떨어져서 연료 흡입 포트(37)를 구비하고 있다. 슬리브의 밸브 피스톤(39)이 밸브를 개폐시키는 액추에이터 시스템에 의해 실린더를 향하여 왕복 운동한다. 액추에이터 시스템은 밸브의 개방 타이밍과 개방시간을 변동시켜서 내연기관의 출력을 제어함으로써 스로틀 밸브의 필요성이 없어지고 그에 수반된 동력손실도 제거된다. 밸브 피스톤(39) 운동은 출력에 따라 엔진 실린더에서 유효압축비를 변동시켜서 연료효율을 더욱 개선한다.

내연기관, 연료효율, 파워 피스톤, 밸브 피스톤, 연료 흡입 밸브, 연료압축비

Description

내연기관의 밸브메커니즘 {VALVE MECHANISM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 출원은 2002년 5월 31일 출원된 미국 가출원 제60/384274호에 개시된 발명을 우선권 주장한다.

본 발명은 적어도 하나의 실린더를 왕복 운동하는 적어도 하나의 파워 피스톤을 갖는 내연기관에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 파워 피스톤이 연료흡입행정, 압축행정, 팽창행정 및 배기 행정의 사이클을 반복하여 수행하는 사(4)-행정 내연기관에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 연료-공기 혼합물을 엔진에 유입시키는 흡입 밸브 및 배기 밸브 작동 구성에 관한 것이다.

연료효율은 단위시간 내에 전달된 일에 대해 소모된 연료의 비로 정의 될 수 있다. 상기와 같은 형태의 대부분의 엔진에서 동력 또는 엔진 속도에 따라서 그 연료효율이 크게 달라진다. 효율이 극대화 될 때는 엔진이 최대 혹은 그 근방의 출력에서 일정속도로 작동할 때이다. 엔진이 저 출력으로 작동할 때 효율은 감소한다. 엔진이 많이 사용되면 그 만큼 출력이 감소하게 된다. 이는 특히 자동차 엔진의 경우 가장 현저하게 나타난다. 자동차 엔진은 수시로 고출력을 제공 할 수 있도록 디자인되어 있다. 예를 들어, 자동차가 고속도로 진입로에서 가속되어야 할 때, 다른 차를 추월 할 때, 혹은 경사로에서 속도를 유지해야 할 때 고출력이 요구된다. 출력은 자동차가 정상속도로 고속도로를 항속 할 때 감소하거나 교통상황으로 인한 감속운행 시 감소한다. 출력은 자동차가 일시적 엔진 공회전으로 멈췄을 때 중단된다.

이러한 요인들로 인하여 종래의 대부분의 자동차 엔진이 실제적으로는 축소된 연료효율로 대부분의 시간 작동되고 있다. 이로 인하여 운전비용이 상승하고, 연료를 낭비하게 되며, 배연을 줄여 환경을 보호하려는 노력에 역효과를 주게 된다.

이러한 문제는 부분적으로는 전형적인 자동차 엔진을 최대 혹은 그 근방의 출력에서 엔진의 최적의 성능을 내게 하기 위하여 낮은 압축비를 갖도록 디자인하는데 있다. 높은 압축비는 엔진이 저출력에서 작동할 때는 높은 효율을 낼 수 있지만, 종래의 엔진에서 높은 압축비는 엔진이 최대 혹은 그 근방의 출력에서 작동할 때 연소를 과도하게 빠르게 만들어서 때때로 이상폭발이나 노킹(knocking)으로 연결된다. 연료 폭발은 심하게 엔진 부품을 변형시키고, 견디기 어려운 소음을 발생시키며, 크게 엔진 효율을 떨어뜨리게 된다.

지금까지, 압축비가 엔진 부하에 따라 변화하도록 엔진을 설계함으로써 전체적으로 보다 효율적인 운전이 가능하다는 것으로 인식되고 있었다. 부하가 작을 때에도 압축비는 높을 수 있으며 이러한 조건에서는 이상폭발의 문제는 없다. 아킨슨(Atkinson) 사이클 엔진에서는, 실린더 내 파워 피스톤의 이동길이가 변화되도록 하는 메커니즘이 구비되어 있기 때문에 흡입행정이 출력 혹은 팽창행정보다 훨씬 짧아지게 된다. 몇몇의 종래 엔진에서는 보조 피스톤을 구비하고 있는데 이는 파워 피스톤 실린더와 연통 하는 챔버에서 왕복 운동을 한다. 보조 피스톤의 작동은 엔진 부하에 따라 압축비를 변화시킨다. 상기 보조 피스톤은 연소실에 상당한 양의 공간을 차지하게 된다. 이로써 흡입과 배기 밸브는 최적의 흡배기에 바람직한 사이즈보다 작아지게 된다. 이러한 종류의 종래의 엔진은 부피가 큰 추가 부품을 필요로 하게되고, 이는 엔진이 실질적으로 복잡하게 되게 하고 급속하게 마모되게 하는 는 경향이 높다.

또한, 밀러(miller) 사이클 엔진은 출력에 따라 압축비를 변화시키지만, 상기한 문제는 없다. 밀러 사이클 엔진에서는 실린더의 유효부피가 파워 피스톤의 위치에 대하여 연료 흡입 밸브의 폐쇄 타이밍을 변동시키므로 서 변화 조절된다. 예를 들어 연료 흡입 밸브의 폐쇄는 피스톤의 흡입행정이 완료된 이후 압축행정이 진행될 때까지도 지연될 수 있다. 따라서 공급연료의 실제적인 압축 행정은 피스톤의 압축행정 작동이 개시된 다음 얼마 후까지도 시작되지 않는다. 이와 같이, 연료 흡입 밸브의 폐쇄 지연시간만큼의 압축비의 감소가 발생하게 된다. 흡입 밸브의 작동 메커니즘은 엔진출력이 증가했을 때 상기 지연을 늘리고 출력이 감소했을 때는 줄여 줌으로써 압축비를 필요에 따라 변화시켜 전체 출력범위에 걸쳐서 보다 효율적인 작동을 제공하게 된다.

앞서 전술한 종래의 밀러 사이클 엔진작동의 방식은 연소실의 유효크기가 비교적 작아야 한다. 따라서, 비교적 적게 공급된 연료는 연소가 시작될 때 일반적으로 높은 압력으로까지 압축된다. 이어지는 출력행정은 실린더 전체 용적을 활용한 다. 이렇게 하여 팽창비가 파워행정동안 매우 높아지게 되므로 일정량의 연료공급에 대하여 더 많은 일을 할 수 있게 된다. 이러한 장점에도 불구하고 지금 까지 자동차에 밀러 사이클 엔진의 광범위한 활용으로는 이어지지 못했으며, 이는 실린더 용적에 비하여 연소실의 유효크기가 작아서 종래의 엔진이 피스톤 배출 단위 리터 당 낮은 출력을 내기 때문이다.

밀러 사이클 엔진의 연료 흡입 밸브와 밸브작동장치는 연료효율에도 역효과를 주는 다른 문제점들을 해결하도록 설계되지 못했다. 예를 들어, 종래의 엔진은 운전자가 공기와 연료의 유통 경로에 위치한 스로틀(throttle)밸브로 속도와 출력을 조절하도록 되어있다. 스로틀로 조여 진 공급로를 통해 연료-공기 혼합물을 끌어들이기 위해 엔진은 더 많은 파워를 소비하게 된다. 이 스로틀 손실은 스로틀밸브 통과유량과 밸브의 입출류 사이의 압력차의 곱에 비례한다. 스로틀 손실은 엔진이 최대출력에서 작동할 때 최소가 되는데, 이는 스로틀 밸브가 완전히 열려 입출류의 압력차가 최소화되기 때문이다. 스로틀 손실은 또한 엔진이 공회전 혹은 그 근사의 속도로 작동할 때 최소가 되는데 이는 밸브 통과유량이 이때에 최소가 되기 때문이다. 스로틀 손실은 실질적으로 상승하여 엔진출력 중간범위에서 엔진 파워의 30%정도를 소비 할 만큼 커질 수 있다. 앞서 지적한 바와 같이 자동차 엔진은 많은 시간을 이 중간 엔진출력범위에서 작동하게 된다. 스로틀을 사용하지 않음으로써 그에 따른 손실을 제거하면 엔진의 연료효율을 상당히 높일 수 있을 것이다.

종래 엔진의 연료 흡입 밸브는 상당한 스로틀 손실을 추가시킨다. 이는 현대 엔진에 사용되는 흡입 밸브가 스프링 바이어스드 포핏 밸브(spring biased poppet valve)일 때 더욱 두드러진다. 포핏 밸브는 밸브개방 초기와 밸브폐쇄 마지막 단계에서 연료-공기 혼합물 통로를 상당히 수축하게 된다. 포핏 밸브의 개방은 바람직하지 못하게도 매우 느려서 개방 초기단계에서는 순간적으로 작동하지 않는다. 밸브의 폐쇄 또한 상당히 느려서 이 과정에서도 작동하지 않는 상태가 도출된다. 이러한 추가적인 흡입 밸브의 스로틀 손실을 줄이면 엔진 연료효율을 크게 증진시킬 수 있을 것이다.

대부분의 엔진은 피스톤의 압축행정의 마지막 단계에서 소위 스퀴시(squish) 효과라는 것을 발생하도록 설계 되어있다. 연소실 상부를 이루는 실린더 헤드 표면에 리세스가 있는데 스파크 플러그는 어느 정도 중간지점에 있는 이 리세스 쪽으로 연장되어 있다. 실린더 헤드 표면의 다른 부위는 스퀴시면이라고 부르며 상사점으로 갈수록 파워 피스톤과 아주 가깝게 된다. 이는 크게 압축 및 가열된 연료-공기 혼합물을 급속한 난류운동으로 점화 플러그 쪽으로 추진시키기 때문에 연료 연소 과정을 가속화시킨다. 빠른 연소작용은 연료의 이상폭발을 방지해 출력을 향상시키고 연료효율을 증가시킨다. 이상폭발은 크게 압축된 공급연료 중 연소되지 못한 연료가 발화점에 다다르고 전진하는 화염의 전단에 의해 점화되었을 때 발생한다. 공급연료의 격렬한 전체 연소가 순간적으로 들을 수 있을 정도의 녹(knock)을 유발한다.

종래의 엔진은 좁은 스퀴시면적을 가지고 있어서 고부하에서의 연소진동(rumble)을 피하기 위해서는 저부하 또는 중간부하에서 바람직하다. 연소진동은 공급연료가 너무 빨리 연소할 때 발생하며, 이상폭발(detonation)과는 연소가 순간적으로 일어나지 않는 다는 점에서 다르다. 그러나, 연소진동은 엔진 베어링에 과도한 부하를 가할 만큼 빠르며, 가스 난류(turbulence)가 너무 커서 과도한 열을 냉각시스템에 전달하게 된다. 전달된 열은 팽창단계에서 유효일량으로 전환되지 않는 에너지 손실이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진 실린더 내를 왕복 운동하는 적어도 하나의 파워실린더를 갖는 내연기관의 연료 흡입 밸브 시스템이 제공된다. 본 발명의 연료 흡입 밸브 시스템은 상기 엔진 실린더에 개방된 출구 단부를 갖는 슬리브와 이 슬리브의 측벽에 적어도 하나의 연료 흡입 포트를 구비하고 있는 연료 흡입 밸브를 포함한다. 상기 슬리브 내에서 축방향으로 연장되는 이동 경로를 따라 밸브 피스톤이 움직이며, 상기 밸브 피스톤은 흡입 포트가 출구 단부와 점차적으로 유통되는 개방위치에 걸쳐서 상기 슬리브의 출구 단부로부터 멀어지도록 움직인다. 또한, 상기 밸브 피스톤은 상기 흡입 포트로부터 출구 단부까지의 연료흐름이 밸브 피스톤에 의해 차단되는 폐쇄위치로 상기 출구 단부를 향하여 움직일 수 있도록 되어 있다. 제1 군의 구성요소를 구비한 밸브 액추에이터가 포함되어 있고, 상기 제1 군의 구성요소는 밸브 액추에이터가 엔진 캠 샤프트의 회전에 반응하여 개방 및 폐쇄위치사이에서 밸브 피스톤을 주기적으로 움직이도록 상기 밸브 피스톤에 상호 연결되어 있다. 또한, 상기 밸브 액추에이터는 제2 군의 구성요소를 더 포함하고 있고, 이 제2 군의 구성요소는 내연기관의 가속 제어부의 출력증가 이동에 반응하여 상기 밸브 피스톤의 이동 경로를 상기 슬리브의 출구 단부로부터 멀어지도록 변동시키고, 또 상기 가속 제어부의 출력감소 이동에 반응하여 상기 이동 경로를 상기 출구 단부쪽으로 이동시키도록 상기 밸브 피스톤에 상호 연결되어 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 엔진 실린더 내에서 왕복 운동하는 적어도 하나의 파워 피스톤과, 상기 엔진 실린더에 연료가 도입되는 연료 흡입 밸브와, 어느 일방향으로 움직여 내연기관의 출력을 증가시키고 그 반대 방향으로 움직여 내연기관의 출력을 감소시키는 가속 제어부를 구비하고 있는 내연기관이 제공된다. 상기 연료 흡입 밸브는 상기 엔진 실린더로 개방되어 있는 출구 단부를 갖춘 밸브실과 상기 밸브실의 출구 단부로부터 이격된 위치에서 상기 밸브실의 측벽에 적어도 하나의 연료 흡입 포트를 구비한 피스톤밸브이다. 상기 연료 흡입 밸브는 상기 밸브실의 출구 단부를 향하여 전진 및 그로부터 후진운동을 하는 밸브 피스톤을 상기 밸브 실에 더 구비하고 있다. 상기 밸브 피스톤은 제1 범위의 밸브 위치와 제2 범위 밸브 위치를 포함하는 이동 경로를 따라 움직이며, 상기 제1 범위의 밸브 위치에서는 상기 흡입 포트를 통한 연료흐름이 상기 밸브 피스톤에 의해 점차적으로 억제되며, 상기 제2 범위의 밸브 위치에서는 상기 흡입 포트를 통한 연료흐름이 피스톤에 의해 완전히 차단되며 상기 피스톤이 상기 밸브실의 출구 단부로 점차적으로 근접하게 되어 있다. 상기 밸브 피스톤에 결합된 밸브작동요소가 구비하고 있으며, 밸브작동요소는 상기 파워 피스톤의 연료 흡입 행정 중 상기 제1 범위의 밸브 위치 내에 상기 밸브 피스톤을 위치시키고 내연기관의 다른 행정사이클 단계에 서는 상기 제2 범위 밸브 위치 내에 상기 밸브 피스톤을 위치시키는 제1 군의 요소를 포함한다. 상기 밸브작동요소는 상기 엔진 제어부의 작동에 반응하여 상기 밸브 피스톤의 상기 이동 경로를 변환시는 제2 군의 요소를 더 포함하며, 상기 이동 경로는 가속 제어부의 상기 일방향으로의 이동에 반응하여 상기 밸브실의 상기 출구 단부로부터 멀어지며 가속 제어부의 상기 대향 방향으로의 이동에 반응하여 상기 출구 단부쪽으로 움직이도록 되어 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 엔진 실린더에서 왕복 운동하는 적어도 하나의 파워 피스톤과 제1 방향으로 움직여서 내연기관의 출력을 증가시키고 그 반대 방향으로 움직여서 내연기관의 출력을 줄이는 가속 제어부를 구비하고 있는 내연기관용 연료 흡입 밸브 시스템이 제공된다. 상기 연료 흡입 밸브는 상기 엔진 실린더에 개방된 출구 단부를 갖춘 밸브실과 상기 밸브실에서 상기 출구 단부와 이격된 위치에 연료 흡입 포트를 포함한다. 상기 흡입 밸브는 상기 밸브실에 상기 밸브실의 출구 단부를 향하여 연장된 이동 경로를 따라 이동하는 밸브 피스톤을 더 포함한다. 상기 밸브 피스톤은 상기 흡입 포트로부터 상기 출구 단부까지 점차적으로 커지는 유동 경로를 제공하는 개방위치를 통하여 상기 출구 단부로부터 멀어지며, 상기 밸브 피스톤은 상기 출구 단부를 향하여 폐쇄위치로 움직일 수 있으며, 이 폐쇄위치에서 상기 흡입 포트로부터 상기 출구 단부까지의 연료흐름이 상기 밸브 피스톤에 의해 차단되고 밸브 피스톤은 점차적으로 상기 출구 단부로 근접하도록 되어 있다. 상기 시스템은 상기 밸브 피스톤이 상기 흡입 포트로부터 상기 엔진 실린더로 연료가 흐를 수 있도록 하는 개방 위치와 상기 연료흐름이 차단되는 폐쇄위치사이를 주기적으로 움직이도록 하기 위한 제1 밸브 액추에이터 수단을 더 포함하고 있다. 상기 시스템은 상기 가속 제어부의 상기 제1 방향으로의 이동에 반응하여 상기 밸브 피스톤의 이동 경로를 상기 출구 단부로부터 멀어지도록 움직이고 또한 상기 가속 제어부의 상기 대향 방향으로의 이동에 반응하여 상기 밸브 피스톤의 이동 경로를 상기 출구 단부쪽으로 움직여주기 위한 제2 밸브 액추에이터 수단을 포함하고 있다.

본 발명에 따른 연료 흡입 밸브 구조와 그 밸브작동 구성은 몇 가지 엔진조작 특성을 변화시켜주므로써, 내연기관의 전출력범위에 걸쳐서 높은 연료효율을 가능케 한다.

본 발명의 연료 흡입 밸브는 공기/연료 혼합물의 흐름을 제어하여 내연기관의 출력 또는 속도를 가변한다. 따라서, 스로틀 밸브의 필요성이 없어지며 스로틀밸브에 수반되는 동력손실도 제거된다. 또한, 흡입 밸브는 엔진의 부하에 따라 엔진 실린더에의 압축비 및 팽창비를 가변시켜주는 작용을 함으로써, 전범의의 엔지부하에 걸쳐 높은 연료효율을 제공한다. 바람직하게는, 엔지부하의 변화에 따라 본 발명의 흡입 밸브는 엔진 실린더 상부의 유효 스퀴시 면적을 가변시켜 줌으로써, 그 성능을 더욱 최적화 시킬 수 있다. 본 발명의 기타 다른 장점들은 차후 설명될 것이다.

이어지는 발명의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하면 본 발명 및 본 발명의 다른 목적과 장점들이 더욱 이해될 것이다.

도1은 내연기관의 엔진 블록의 일부로서 엔진 실린더의 파워 피스톤의 상부를 도시한 평면도.

도2는 도1의 경사진 2-2선을 따라 절개한 단면으로서 파워 피스톤 위의 헤드 부재에 위치한 흡입 밸브 및 배기 밸브를 도시한 정단면도.

도3은 도2의 경사진 3-3선을 따라 절개하여 엔진 헤드 부재의 밑면과 헤드 부재 밑면으로 연장된 구성을 도시한 단면도.

도4는 내연기관의 추가 구성들과 이들 구성간의 상호작용을 개략적으로 도시한 다이아그램.

도5는 종래의 포핏형 흡입 밸브의 개폐 타이밍을 파워 피스톤 위치에 대비하여 도시한 흡입 밸브 타이밍 서클.

도6은 본 발명의 예시로서 내연기관이 최소 출력 또는 공회전할 때 흡입 밸브의 개폐 타이밍을 도시한 흡입 밸브 타이밍 서클.

도7은 본 발명의 예시로서 내연기관이 중간 출력 또는 공전할 때 흡입 밸브의 개폐 타이밍을 도시한 흡입 밸브 타이밍 서클.

도8은 본 발명의 예시로서 엔진이 최대 출력으로 작동할 때 흡입 밸브의 개폐 타이밍을 도시한 흡입 밸브 타이밍 서클.

도9는 내연기관이 저출력, 중간출력, 및 고출력으로 작동할 때, 본 발명의 흡입 밸브의 개폐 타이밍을 엔진 크랭크 샤프트 회전과 관련하여 도시하고 각기 다른 출력에서의 흡입 밸브의 개방정도의 변화를 도시한 그래프.

도10은 내연기관의 흡입 밸브에 대한 정단면도.

도11은 도10의 11-11선을 따라 절개한 흡입 밸브의 하단면도.

도12는 밸브 피스톤의 운동에 반응하여 연료 유입량의 변화율을 바꾸어 주도록 흡입 밸브의 흡입 포트 형상을 변형한 제1 변형예.

도13은 밸브 피스톤의 운동에 반응하여 연료 유입량의 변화율을 바꾸어 주도록 흡입 밸브의 흡입 포트 형상을 변형한 제2 변형예.

도14는 내연기관의 액추에이터 메커니즘에 대한 단면도.

도15는 도14의 밸브 액추에이터 메커니즘의 상부.

도16은 도14의 밸브 피스톤이동 조립체의 분해도.

도17은 내연기관의 캠 샤프트의 일부에 대한 측면도.

도18은 도17에 도시한 캠 샤프트에 대한 종단면.

도19는 도14 및 도15에 도시된 밸브 액추에이터 메커니즘의 일 구성인 캠 작동 셔틀.

도20은 도19의 셔틀 조립체의 종단면.

도21은 엔진이 최소출력으로 작동하고 흡입 밸브가 닫혀있을 때, 밸브 액추에이터 메커니즘의 구성요소의 위치를 도시한 다이아그램.

도22는 엔진이 최저출력으로 작동하고 흡입 밸브가 열려있을 때, 밸브 액추에이터 메커니즘의 구성요소의 위치변화를 도시한 다이아그램.

도23은 엔진이 최고출력으로 작동하고 흡입 밸브는 닫혀있을 때, 밸브 액추에이터 메커니즘의 구성요소의 위치를 도시한 다이아그램.

도24는 엔진이 최고출력으로 작동하고 흡입 밸브가 열려있을 때, 밸브 액추 에이터 메커니즘의 구성요소의 위치를 설명한 다이아그램.

도25는 본 발명의 다른 실시예로서 각 실린더에 두 개의 흡입 밸브와 두 개의 배기 밸브가 구비된 헤드 부재의 밑면.

도1은 내연기관(12)에서 하나의 엔진 실린더(13)에 대한 엔진 블록(11)의 일부분을 도시하고 있다. 도2는 도1의 엔진 블록(11)을 경사진 2-2선을 따른 단면도로서 연료 흡입 밸브(14)와 배기 밸브(16)의 구성을 보다 상세히 예시하고 있다. 여기서, 상기 연료 흡입 밸브(14)와 배기 밸브(16)는 엔진 블록의 횡단선보다 상기 경사진 선 2-2상의 중심위치에서 실린더(13)상부로 연장되어 있다.

도2와 도3을 참조하면, 본 발명은 파워 피스톤(17)이 왕복 운동하는 적어도 하나의 실린더(13)를 가지고 사(4)-행정 사이클을 작동하는 내연기관(12)에 적용된다. 상기 파워 피스톤(17)은 연료흡입행정, 압축행정, 팽창행정과 배기 행정의 사-행정 사이클을 반복하여 수행한다. 이러한 형태의 내연기관(12)은 헤드단부(18)에 적어도 하나의 연료 흡입 밸브(14)와 적어도 하나의 배기 밸브(16)를 갖는다. 본 발명의 첫 번째 실시예는 한 개의 연료 흡입 밸브(14)와 한 개의 배기 밸브16)를 각 실린더(13)에 구비하고 있다.

상기 연료 흡입 밸브(14)와 배기 밸브(16)는 상기 엔진 블록(11)에 체결된 실린더 헤드 부재(19)내부로 연장되어있고, 헤드 개스킷(21)이 엔진 블록(11)과 헤드 부재(19) 사이에 배치된다. 상기 실린더 헤드 부재(19)와 엔진 블록(11)은 내부 통로(22)를 가지며, 이 통로를 따라 냉각액이 공지된 방법으로 순환한다.

상기의 배기 밸브(16)는 원형 헤드(23)가 있는 종래의 포핏형일 수도 있으며, 이 원형 헤드(23)로부터 밸브 스템(stem)(24)이 실린더 헤드 부재(19) 안의 리세스(26)쪽으로 상향 연장되어 있다. 원형 헤드(23)는 실린더 헤드 부재(19) 안의 배기 통로(28) 끝에 있는 실린더 헤드 부재(19) 하부면에서 합치하는 원형 밸브시트(27)에 안치된다. 상기 리세스(26)에 안치된 압축스프링(29)은 밸브의 폐쇄위치로 상기 배기 밸브(16)를 밀치고 있다. 차후 설명될 밸브 액추에이터 메커니즘은 파워 피스톤(17)의 배기 행정 시에 배기 밸브(16)를 일시적으로 개방시킨다.

또한, 대표적으로 포핏형 밸브인 연료 흡입 밸브(14)는 파워 피스톤의 연료흡입행정에서 열려 연료-공기 혼합물을 엔진 실린더에 흡입하고, 그 외의 엔진행정 사이클에서는 닫혀 연료 유입을 막는다. 본 발명의 연료 흡입 밸브(14)는 피스톤 타입의 밸브로써 종래에는 별도의 다른 부품을 필요로 하던 기능까지 수행한다. 내연기관(12)의 출력을 제어하기 위하여 연료 흡입 밸브(14)는 연료의 유입을 변동조절하며, 이로 인하여 종래의 스로틀 밸브가 필요 없게 되고 부대적인 출력 손실을 제거하게 된다. 또한, 연료 흡입 밸브(14)는 엔진 실린더(13)의 압축비를 엔진출력에 따라 변동조절 하여 전 출력범위에 걸쳐 연료효율을 최대화한다. 상기 연료 흡입 밸브(14)는 최소 혹은 그 근방의 출력에서 엔진 실린더(13)의 연소실의 스퀴시(squish)면적을 증가시켜 연료 연소를 가속화하고 고출력에서는 스퀴시면적을 감소시켜 과도한 연료 연소 및 그에 따른 연소진동과 같은 역효과를 방지한다.

실린더 헤드 부재(19)에는 엔진 실린더(13)의 상부에 위치한 연소실 확장 리세스(31)가 있다. 연료 흡입 밸브(14)는 실린더형 중공 슬리브(32)에 의해 형성되 며, 이 실린더형 슬리브는 실린더 헤드 부재(19)로 연장되어 있고 연소실 확장 리세스(31)에 열려있는 하부 또는 출구 단부(33)를 갖는다. 슬리브(32)는 엔진 실린더(13) 중심축(34)에 대하여 기울어져 있고, 중심축(34)으로부터 측방으로 오프셋(offset) 되어있음으로서 배기 밸브(16)와 확장 리세스(31)에 있는 종래의 스파크 플러그(36)-도3에 도시-를 위한 공간을 제공하고 있다. 슬리브(32)가 기울어져 있으므로 해서 출구 단부(33)도 경사져 있으며 확장 리세스(31)의 바닥으로부터 리세스 상부까지 연장되게 된다.

슬리브(32) 측벽에 서로 이격되어 있는 연료 흡입 포트들(37)이 출구 단부(33)로부터 등거리로 배치되어있다. 상기 연료 흡입 포트들(37)은 실린더 헤드 부재(19)의 연료-공기 혼합물 흡입통로(38) 상에 위치하며, 이 흡입 통로는 통상적 방법에 따라 카뷰레터(carburetor) 또는 연료분사기와 공기 매니폴드(manifold)로부터 연료-공기 혼합물을 받는다.

상기 연료 흡입 밸브(14)는 슬리브 내경에 부합하는 지경을 갖는 실린더형 밸브 피스톤(39)을 슬리브(32) 내에 더 포함하고 있다. 밸브 피스톤(39)은 연결봉(41)에 의해 슬리브(32) 내에서 축방향을 따라 움직이며, 이 연결봉은 리스트(wrist)(42)핀으로 밸브 피스톤의 상단에 피봇 연결되어있다.

연결봉(41)은 아래에서 설명될 밸브 액추에이터 기계장치에 연결된다. 상부 피스톤 링(piston ring)(43)과 하부 피스톤 링(44)은 밸브 피스톤(39)을 둘러싸 슬리브(32)와 피스톤사이를 밀봉해준다. 상부 피스톤 링(43)은 밸브 피스톤(39)의 모든 왕복 운동 단계에서 항상 연료 흡입 포트(37)위에 유지되는 밸브 피스톤(39)의 위 지점에 위치하고 있다. 하부 피스톤 링(44)은 밸브 피스톤이 최저위치에서 최상위치로 상승할 때, 연료 흡입 포트(37) 하부 위치에서 연료 흡입 포트(37)의 약간 상부 위치사이를 왕복한다.

내연기관이 최소 혹은 그 근방의 출력으로 작동하고 있을 때 스퀴시 효과를 증대하기 위하여, 밸브 피스톤(39) 하단부(46)는 밸브 피스톤이 슬리브(32)의 최하 혹은 최하 근사부에 위치할 때 연소실 확장 리세스(31)쪽으로 튀어나오도록 하는 형상을 갖는다. 밸브 피스톤(39) 하단의 편평부(47)는 그 이동의 최하단에 위치해 있을 때 엔진 파워 피스톤(17) 상부와 평행하게 연장되어 있고 또한 엔진 헤드 부재(19)의 하부면과 동일 평면상에 있게 된다.

특히, 도3을 참조하면 본 실시 예에서는 밸브 피스톤 하단부(46)의 편평부(47)가 타원형을 하고있고 부분적으로만 밸브 피스톤 하단부(46)에 걸쳐 연장되어 있다. 상기 하단부(46)의 다른 부분(48)은 상기 편평부에 의해 절개된 원추형 표면을 하고 있다. 상기 편평부(47)는 밸브 피스톤(39)이 그 이동의 최하지점에 위치할 때 경사진 밸브 슬리브(32)의 출구 단부(33)상의 최저지점으로부터 연장되어 있다.

엔진 헤드 부재(19)의 편평한 밑면의 스퀴시면(49)은 엔진 실린더(13)의 상부의 일부분 위로 연장되어 돌출 되어 있으므로, 실린더 헤드 부재(19)에 있는 연소실 확장 리세스(31)는 비원형의 형상을 갖게된다. 내연기관이 최소 혹은 최소근사 출력에서 작동할 때 밸브 피스톤은 왕복 운동의 최저 혹은 최저근사 위치에 있게 되는데, 이때 밸브 피스톤(39)의 편평부(47)는 추가적인 스퀴시면적으로서 기능 을 하게 된다. 엔진이 최대 혹은 최대근사 출력으로 작동할 때 상기 편평부(47)는 슬리브(32)의 출구 단부(33)까지 이동하지 않으며, 이러한 상태에서 추가적인 스퀴시 효과를 제공하지 않는다.

도4는 연료 흡입 밸브(14)와 내연기관(12)의 다른 부분들간의 상호 관련성을 도시하고 있다. 밸브 피스톤(39)에 피봇 연결된 연결봉(41)은 앞서 설명한 바와 같이 밸브 액추에이터(51)에 연결되어 있으며, 이 액추에이터는 슬리브(32)내에서 축방향으로 연장된 이동 경로(52)를 따라 밸브 피스톤을 움직인다. 밸브 액추에이터(51)의 상세한 구성은 차후 설명될 것이다. 밸브 액추에이터(51)는 엔진 캠 샤프트(53)의 회전에 반응하여 연료 흡입 밸브(14)를 열고 닫는다. 엔진 캠 샤프트(53)는 종래와 같이 엔진 크랭크 샤프트(54)에 의해 벨트나 기어로 회전되고, 크랭크 샤프트의 절반속도로 회전한다. 연결봉(56)이 종례 방법대로 파워 피스톤(17)을 크랭크 샤프트(54)의 오프센터(offcenter) 크랭크부(57)에 연결한다. 밸브 액추에이터(51)는 엔진 가속제어(58)의 증가에 반응하여 밸브 피스톤(39)의 이동 경로(52,52a,52b)를 엔진 실린더(13)로부터 외측으로 바꾸고, 또한 그 이동 경로를 짧게 하며, 가속제어(58)의 감속에 반응하여 이동 경로를 엔진 실린더(13)쪽으로 전진시키고 또한 그 이동 경로를 연장한다.

차량에서 엔진 가속제어(58)는 전형적으로 발로 조작하는 가속페달(59)이다. 엔진 가속제어(58)의 작동은 필요 시 기계적 연결장치에 의해 밸브 액추에이터(51)에 전달 될 수도 있으나, 바람직하게는 파워증폭 서보 모터(62)가 가속페달의 작동에 반응하여 밸브 액추에이터(51)를 조정한다. 본 실시 예에서는, 전기 전위차계 (potentiometer)(61)가 가속페달(59)에 의해 작동되고, 페달의 위치 변화에 따라서 변동하는 전압을 서보 모터 제어장치(60)로 전달한다. 상기 서보 모터(62)는 다음에 기술되는 바와 같이 밸브 액추에이터(51)를 조정하므로 서 반응한다.

연료흡입행정의 초기에 파워 피스톤(17)은 실린더(13)의 상사점에 위치하며, 이때의 크랭크 샤프트(54)의 그 회전상의 위치를 영도(0ㅀ)위치라 지정된다. 캠 샤프트(53)의 회전에 반응하여, 밸브 액추에이터(51)는 엔진 피스톤(17)의 각 연료흡입행정의 초기 혹은 그 근방에서 연료 흡입 밸브(14)를 개방한다. 엔진출력은 가속페달(59)의 위치에 의해 정해지는 기간동안 연료 흡입 밸브(14)의 폐쇄를 지연시킴으로서 조절된다. 가속페달(59)의 출력증가 작동은 크랭크 샤프트(54)의 회전후반단계까지 연료 흡입 밸브(14)의 폐쇄를 지연시킨다. 가속페달(59)의 출력감소 작동은 크랭크 샤프트의 회전하는 동안 연료 흡입 밸브(14)가 열려있는 시간을 단축시킨다. 이는 엔진 피스톤(17)의 연료흡입행정 중에 실린더(13)로 유입되는 연료-공기 혼합물의 양을 변화시키고, 따라서 엔진의 출력 또는 속도를 가속페달(59)의 작동에 반응하여 변화시킨다.

도5에서 도8은 연료 흡입 밸브 타이밍 서클(timing circle)을 도시한 다이아그램이며, 여기서 방사선IO는 흡입 밸브의 개방 타이밍을 엔진 크랭크 샤프트 회전에 비교하여 각도로 표시하고 있다. 방사선 IC는 흡입 밸브 폐쇄타이밍을 표시한다. 점선의 방사선은 밸브의 개방 간격의 중간점을 표시한다. 방사선TDC는 크랭크 샤프트(54)의 영도(0ㅀ)지점, 즉 엔진의 파워 피스톤(17)이 상사점에 있는 위치를 표시하고, 방사선BDC는 하사점 표시한다.

비교의 목적으로, 도5는 종래의 전형적인 포핏형의 흡입 밸브 타이밍을 도시하고 있다. 이와 같은 밸브의 개방은 비교적 서서히 이루어지는데 이는 밸브가 열리기 시작할 때 관성에 의한 저항으로 밸브가 정체되기 때문이다. 폐쇄도 비교적 서서히 이루어지며 이는 밸브작동이 밸브를 상기 정체 상태로 유지하려 하면서 느려지기 때문이다. 포핏 흡입 밸브의 개방은 전형적으로 상사점에 이르기 전 대략 20도에서 시작되고, 하사점을 지나 약 55도에서 끝난다. 이와 같이 긴 개방 시간은 고출력에서는 양호한 연료효율을 제공하지만, 저출력에서는 연료효율을 떨어뜨린다. 저출력에서 엔진 피스톤은 그 출력에 필요이상의 더 많은 연료-공기 혼합물을 끌어들이고, 실린더 내 실제 압축이 시작되기 전에 그 일부를 흡입 밸브를 통해 돌려 내보낸다. 본 발명은 연료 흡입 밸브의 개폐 타이밍을 엔진 부하에 따라 변화하게 하여 전 출력범위에 걸쳐 높은 효율을 제공한다.

예를 들어, 도6은 본 발명의 일 실시 예에서 최저출력에서의 흡입 밸브 타이밍을 도시하고 있다. 밸브는 엔진 피스톤의 상사점에서 열리고 단지 50도의 크랭크 샤프트의 회전이후 닫힌다. 도7은 중간 엔진 속도(최대출력의 10~15%)하에서 상기와 동일한 흡입 밸브의 타이밍을 도시하고 있다. 밸브는 엔진 파워 피스톤의 상사점에서는 계속 열려있지만, 크랭크 샤프트의 공전 85도 회전하고 나서는 닫혀있다. 도8은 엔진이 최대 출력으로 작동할 때 상기와 동일한 흡입 밸브의 타이밍을 도시하고 있다. 밸브는 상사점 이전 약 10도 지점에서 열리고 크랭크 샤프트 230도 회전 이후에서 닫힌다. 따라서, 밸브는 파워 피스톤의 상사점 혹은 그 근처지점에서 항상 열리며, 개방시간은 출력이 증가하면서 점차적으로 증가한다. 도6, 7 및 8에서 점선의 방사선으로 표기된 밸브의 개방 시간의 중간점은 출력이 증가함에 따라 점차적으로 파워 피스톤 왕복 운동의 후반에서 야기된다.

저출력하의 흡입 밸브의 조기 폐쇄는 하향의 엔진 파워 피스톤이 연료흡입행정의 마지막 단계에서 엔진 실린더 내에 부분진공을 만들어 에너지를 소모하게 유발한다. 이는 출력손실로 연결되지는 않는데 이는 그 소모된 에너지가 차후의 압축행정의 초기단계에서 회복되기 때문이다. 부분진공은 엔진 피스톤을 압축행정의 초기단계에서 상향으로 끈다.

도9는 각기 다른 세 작동 조건(도6, 7, 8에서 설명함)하에서 흡입 밸브의 연료 흡입 포트의 개방 정도와 지속시간의 변화를 보여주는 그래프이다. 도9의 곡선 63은 최저출력일 때 도6의 타이밍 서클(timing circle)동안의 연료 흡입 포트 하단부 위 흡입 밸브 피스톤의 이동 경로를 보여준다. 도9의 곡선 64는 중간출력일 때 도7의 타이밍 서클의 동안의 흡입 밸브 피스톤의 이동 경로를 보여준다. 도9의 곡선 66은 도8의 최고출력일 때 밸브 피스톤 이동 경로를 흡입 포트와 대비하여 본 것이다. 각각 다른 세 작동 조건하에서 흡입 밸브의 흡배기능력은 수평 영(0)선 위, 곡선 63, 64, 및 66 아래의 각 면적에 비례한다.

도4를 다시 참조하여, 밸브 액추에이터(51)는 가속페달(59)의 출력 증가 작동에 반응하여 밸브 피스톤(39)의 이동 경로(52)를 실린더로부터 바깥으로 움직인다. 이동 경로(52)는 실린더(13)로부터 멀어짐에 따라 또한 단축되며, 실린더 쪽으로 가까워지면 연장된다. 이러한 작동은 엔진 실린더(13)의 효과적인 압축과 팽창비로 변화 조절한다. 최고출력에서 흡입 밸브(14)가 폐쇄위치에 있을 때 상기 밸브 피스톤(39)은 도4의 실선으로 표시한 위치에 있게 된다. 상기 밸브 피스톤(39)은 밸브 슬리브(32)의 출구 단부(33)로부터 거리를 두고 떨어져있다. 밸브 피스톤(39)보다 아래에 위치한 슬리브(32) 하부(67)는 사실상 엔진 실린더(13)의 연소실의 연장이다. 따라서, 실린더(13)내의 압축비는 비교적 낮다. 상기에서 설명한 밸브 피스톤(39)의 작동과 이동 경로(52)의 연장으로 인하여, 밸브 피스톤은 상기 밸브가 폐쇄위치에 있고 엔진이 최소출력일 때 도4의 점선(39a)으로 표기된 위치에 놓이게 된다. 이러한 조건하에서 밸브 피스톤(39)은 슬리브(32)의 하부(67)를 채우게 되고, 실린더(13)내의 압축비는 극대화된다. 밸브폐쇄위치에서 슬리브(32) 내 밸브 피스톤(39)의 위치는 출력이 증가하면 전진적으로 부양되고, 출력이 감소하면서 전진적으로 낮춰진다. 이로써 압축비의 전진적 변화를 가져와 전 출력 범위에 걸쳐 연료효율을 극대화한다.

내연기관(12)의 성능의 극대화는 엔진 파워 피스톤(17)의 지름과 파워 피스톤 행정길이에 따른 흡입 밸브(14) 부속의 비례에 달려있다. 중요한 변수들이 도10 과 11에 표기되어있다. 본 발명 실시예에서 밸브 피스톤(39)의 지름은-도11에 D로 표기- 엔진파워 피스톤의 지름의 약 54%이다. 이로써 상기 기술된 방법대로 연소실의 압축비를 변화할 수 있을 만큼 충분한 연소실의 부피변화가 가능하면서도 밸브 액추에이터 메커니즘은 자동차 엔진부의 후드(hood)아래 탑재 될 수 있는 적당한 크기를 유지한다. 밸브 피스톤(39)의 최저출력 시의 폐쇄지점과 최고출력 시의 폐쇄지점 사이의 거리 (도10에서 A로 표기)는 엔진 파워 피스톤의 행정거리의 24%이다. 슬리브(32)의 단부(33)로부터 연료 흡입 포트(37)의 하단부의 간격(도10 에서 B로 표기)은 파워 피스톤 행정거리의 31%이다. 이로써 엔진이 최고출력으로 작동하고 흡입 밸브는 닫혀 있을 때 밸브 피스톤(39)이 흡입 포트(37) 아래로 연장되는 거리만큼의 최소한의 겹치기 거리가 수립된다. 상기조건에서 겹치기 거리 L은 파워 피스톤 행정거리의 7%이며, 엔진출력이 감소함에 따라 증가한다. 최저출력 하에서 밸브 피스톤(39) 왕복거리는 B보다 약간 크며, 이것은 공회전속도(idling speed)로 엔진작동을 유지할 충분한 연료-공기 혼합물을 유입하기 위함이다. 연료 흡입 포트(37)는 C로 표기되어있다. 최대출력 하에서 밸브 피스톤(39)의 왕복거리는 L과C를 합한 거리보다 약간 길다.

연료 흡입 포트(37)의 모양의 변형은 밸브 폐쇄위치에서 변동하는 압축비에 따라서 흡입 밸브(14)로 유입되는 연료-공기 혼합물의 양을 정밀하게 조정할 수 있게 한다. 본 발명의 실시예에서 연료 흡입 포트(37)는 사각형이다. 도12는 첫 번째 변형예로서, 각 흡입 포트(37)는 상부에서 폭이 확장되고 흡입 포트 바닥으로 내려오면서 점차적으로 좁아진다. 이로써 고출력에서 저출력에서보다 더 길게 왕복하는 밸브 피스톤의 작동에 따라서 밸브(14)로의 유입통로 크기가 변화 조정된다. 도13은 다른 흡입 포트(37) 변형으로, 흡입 포트가 하부보다 상부가 더 좁게 되어있다. 이로써 고출력에서의 밸브 피스톤 작동에 의해 유발되는 유입통로 크기의 변화를 저출력에서의 변화보다도 덜 크게 한다.

도10을 다시 참조하면, 밸브 슬리브(32)의 단부(33)에는 슬리브의 하부(67)로의 가스 출입을 돕는 코니컬 베벨(conical bevel)(68)이 있다. 단부(33) 최하부에 있는 좁은 편평부(69)는 엔진헤드 부재 밑면과 동일면상이 됨과 동시에 또한 밸 브 피스톤(39)이 최하부에 위치하게 되면 밸브 피스톤(39) 바닥에 있는 스퀴시 증진 편평부(47)와 동일면상에 오게 위치되게 된다. 따라서 슬리브(32) 자체는 엔진 실린더로 튀어나오지 않는다.

도4를 다시 참조하면, 상기 설명한 대로 비례가 맞는 피스톤형의 흡입 밸브(14)는 실린더(13)내의 압축비를 최대출력에서 9:1 그리고 최소출력에서 19:1 사이에서 변화 조절한다. 이 범위는 0.5리터 실린더가 일반 무연 가솔린으로 작동하는데 적절하다. 밸브의 비례는 다른 엔진에 적합한 다른 범위의 압축비를 제공하기 위해 변경 될 수 있다.

상기에 설명한대로 밸브 피스톤(39)을 왕복하는 밸브 액추에이터(51)는, 다른 장치들도 같은 작동을 하지만, 도14와 15에서 보듯이 우선적으로 비교적 소형이고 마모에 강한 것이 바람직하다. 도14는 경사지게 놓고 본 내연기관(12)이며, 바로 서 보이는 흡입 밸브(14)는 액추에이터 작동을 더 쉽게 이해할 수 있게 한다.

도14와 15를 함께 참조하면, 흡입 밸브(14)의 연결봉(41)은 제1 피봇 핀(72)에 의해 'ㄱ' 자 벨 크랭크(71)의 한쪽 암(arm)에 피봇 연결되어있다. 'ㄱ' 자 벨 크랭크(71)는 제2 피봇 핀(74)에 의해 앵커링 클레비스(anchoring clevis)(73)에 연결되어있다. 앵커링 클레비스(73)는 체결된 앵커프레임 조립체(76)쪽으로 상향으로 연장되어 있고 이 앵커 프레임 조립체(76)에 연결되어 움직이게 된다. 클레비스(73)가 흡입 밸브(14)로부터 바깥쪽으로 이동되면 엔진의 출력이 증가되고, 클레비스(73)를 흡입 밸브(14) 쪽으로 가까이 이동하면 엔진출력이 감소된다. 상기의 방식으로 앵커 프레임 조립체(76)안에 연장되어 있는 파워 컨트롤 랙(77)이 이동하여 클레비스(73)를 움직이게 된다. 도14와 16을 참조하면, 랙(77)은 앵커 프레임 부재(79) 안에 있는 트랙 슬롯(78)을 따라 왕복 운동을 하며, 프레임 부재에 체결된 보유기(retainer)(81)에 의해 제자리에 체결되어진다. 랙(77)은 앵커링 클레비스(73)내에 정합(conforming) 슬롯(83)으로 연장되어 있는 램프돌출부(82)가 있고, 상기 돌출부와 슬롯은 랙의 운동방향으로 기울어져있다. 따라서, 랙(77)이 어느 한 방향으로 움직이면서 클레비스(73)를 흡입 밸브(14)에 더 가깝게 이동시키게 되고, 그 대향 방향으로 움직이면 클레비스(73)를 흡입 밸브로부터 더욱 바깥쪽으로 가게 한다.

도16을 참조하면, 특히 랙(77)은 상기 기술된 서보 모터(62)에 의해 다양한 출력으로 변형 전달된다. 외면 나사 리드스크류(84)는 랙(77)으로부터 서보 모터(62)로 연장되어, 서보 모터의 축차에서 내면나사 커플링(86)과 조여 진다. 도16에서 보는 바와 같이 동시에 세 개의 엔진 실린더에 연료 흡입 밸브를 조절하기 위하여 랙(77)은 세 개의 경사진 램프 돌출부(82)를 갖는다. 다른 형태의 엔진 디자인에서는 엔진 실린더 줄에 다른 개수의 실린더를 가질 수 있고 따라서 랙(77)은 다른 개수의 램프 돌출부(82)를 가질 수 있다.

도14와 15를 다시 참조하면, 밸브 피스톤(39)은 캠 종동자 조립체(87)에 의하여 상하로 움직여져 흡입 밸브(14)를 개폐하게 되며, 이 캠 종동자 조립체는 엔진 캠 샤프트(53)에 배치되어있는 연동장치(88) 시스템에 의해 앵커링 클레비스(73)와 벨 크랭크(71)에 연결된다. 도17과 18을 참조하여, 캠 종동자 조립체가 놓여있는 캠 샤프트(53)의 부분은 제2 캠(91)으로부터 원형 홈(92)만큼 떨어져있는 제1 캠(89)으로 구성되어 있다. 윤활유가 캠 샤프트(53)의 축방향 통로(90)를 통해 이 원형 홈(92)으로 유도되며, 이 원형 홈(92) 토대부에는 오프닝(opening)(93)이 있다. 캠 샤프트(53)의 부속캠(94)은 락커 레버(locker lever)(95)를 종래의 방법대로 피봇 연결하여 엔진 파워 피스톤의 배기행정동안 배기 밸브(16)를 연다.

제1 캠(89)은 일정한 지름두께로 되어있는 언덕바지 영역(96)을 갖고 있는데 이 영역은 캠 샤프트(53)의 축으로부터 외부로 연장된 파선 상의 로브영역(cycloidal lobe region)(100)과 연속된다. 구체적으로 본 발명의 실시예에서, 언덕바지 영역(96)의 반지름이 1.562 인치(inch)이고, 로브영역(100)은 추가적으로 0.35인치 더 캠 샤프트(53) 축으로부터 멀리 연장되어져 있다. 제2 캠(91)은 제1 캠(89)의 제도상 정반대의 치수를 갖는다. 다시 말하면, 제1 캠(89)은 캠 샤프트(53)의 한쪽 면에 있는 캠 종동자(87)를 왕복 운동하게 할 수 있는 모양으로 되어있다. 제2 캠(91)은 동일한 작동을 대향 방향의 캠 샤프트에 있는 다른 캠 종동자에 분배할 수 있는 모양으로 되어있다.

캠(89,91)의 치수는 흡입 밸브의 개방시간을 결정하고, 필요에 따라 변동 조절되어 개방시간을 증감한다.

도19와 20을 참조하면, 캠 종동자 조립체(87)는 볼트(101)에 의해 접합되어 사각형의 셔틀 프레임(102)을 형성하는 두개의 직각 프레임 부재(98)를 포함하며 이 프레임은 캠(89)과 캠(91) 사이에 배치되어 캠 샤프트(53)에 직각방향으로 연장된다. 이 프레임(102)은 두개의 베어링 블록(103)에 의해 지지되어지며, 이 베어링 블록은 공동으로 원형 홈(92)에서 캠 샤프트(53)를 감싸게 되어 연장된 직각 프 레임 부재(98)를 따라 세로의 틈을 갖는다. 따라서 셔틀 프레임(102)은 캠 샤프트(53)의 직각방향으로 이동되고 그리고 베어링 블록(103)과 함께 캠 샤프트를 축으로 회전하게 된다.

셔틀 프레임(102) 한 끝의 제1 캠 종동자 롤러(104)는 제1 캠(89)과 프레임 반대 끝 지점에 있는 제2 캠(91)에 접촉되게 위치하며, 상기 프레임 반대 면에서는 제2 캠 종동자 롤러(106)와 접촉되게 위치한다. 따라서, 캠 샤프트(53)와 캠 (89,91)이 회전함에 따라 셔틀 프레임(102)을 캠 샤프트의 직각 방향으로 앞뒤로 이동시킨다.

도14와 15를 참조하여, 연동장치(88)는 셔틀 프레임(102)의 왕복순환운동에 따라서 밸브 개폐위치사이로 흡입 밸브(14)의 밸브 피스톤(39)을 움직이게 한다. 이러한 목적으로 연동장치(88)는 레버(107)를 포함하며, 이 레버는 그 중간지점에서 제2 캠 종동자 롤러(106)의 피봇축(108)에 의해 셔틀 프레임(102)에 피봇 연결된다. 레버(107)의 하향연장 아암(arm)(109)은 피봇(112)에 의해 레버 위치 설정 링크(lever positioning link)(111)의 한끝에 연결되어있다. 링크(111)의 다른 한쪽 끝은 체결핀(113)에 피봇 연결되어있으며 이 체결핀은 엔진 헤드 부재(19)로부터 상향으로 연장된 지주(114)에 의해 지지된다. 레버(107)의 상향 연장 아암(arm)(116)은 피봇(118)으로 운동전달링크(117)의 한끝에 연결된다. 또 다른 피봇(119)은 운동전달링크(117)의 다른 한끝을 상기한 벨 크랭크(71)에 연결한다. 피봇(119)은 벨 크랭크(71)를 앵커링 클레비스(anchoring clevis)(73)에 연결하는 피봇 핀(74)으로부터 일정반경 오프셋(offset) 되어 있고, 벨 크랭크를 밸브 피스톤 연 결봉(41)에 연결하는 피봇(72)으로부터 이격되어 있다. 따라서 캠(89, 91)에 의해 유발되는 셔틀 프레임(102) 왕복선회운동은 레버(107)와 운동전달링크(117)를 동하여 벨 크랭크(71)의 각운동으로 연결되어 밸브 피스톤을 상하로 움직여 흡입 밸브(14)를 여닫는 조절을 하게 된다.

상기 설명한대로 벨 크랭크(71)는 파워 컨트롤 랙(77)의 작동에 따라 상하로 움직인다. 연동장치(88)는 캠 샤프트(53) 과 캠(89, 91)을 축으로 셔틀 프레임(102)의 각위치가 변화됨에 따라 그 수직작동에 조정된다. 이러한 목적으로, 앵커링 클레비스(73)는 레버(107)로 연장되어있는 아암(arm)(121)을 갖는다. 커넥터 링크(122)는 피봇(123)에 의해 아암(121)의 끝에 연결되어 있으며, 피봇(112)에서 레버(107)의 하부 아암(109)에 연결된다. 따라서, 출력을 올리기 위한 앵커링 클레비스(73)를 올리는 것은 아암(121), 링크(112)와 레버(107)를 통하고 도14와 같이 시계방향으로 셔틀 프레임(102)을 돌리게 되며, 클레비스를 내리는 것은 프레임을 대향 방향으로 돌리게 된다. 셔틀 프레임(102)의 각위치의 변경은 벨 크랭크(71)의 각운동의 폭을 변화시킨다. 이로써 엔진출력에 따라 밸브 피스톤(39)의 행정길이를 변화 조정하고 또한, 도6 내지 8을 참조하여 지금까지 설명한 바와 같이, 상기 흡입 밸브의 상대 개폐시간의 변이를 불러온다. 상기의 밸브 액추에이터 메커니즘(51)은 도21 내지 24에 다이아그램으로 도시되어, 각각의 작동단계에서의 액추에이터의 부속들의 상대 위치를 보여준다. 도21 내지 24의 점선 124는 캠 샤프트(53)의 회전함에 따라, 제1, 제2 캠 종동자 롤러(104, 106)가 이동하는 운동경로를 나타낸다.

도21은 엔진이 최저출력으로 작동하고 흡입 밸브는 닫혀있을 때, 액추에이터(51) 부속의 위치를 도시한다. 앵커링 클레비스(73)와 밸브 피스톤(39)은 최저위치에 있게 된다. 밸브 피스톤(39)은 밸브 슬리브(32)의 하부를 채우므로 해서 최대의 압축비를 이루게 한다. 도22는 최저출력에서 흡입 밸브(14)는 열려있을 때, 액추에이터(51) 부속의 위치를 설명한다. 앵커링 클레비스(73)의 위치는 변하지 않고 머무르게 된다. 캠 샤프트(53)의 회전은 제1 캠 종동자 롤러(104)를 캠 샤프트로부터 더 멀리 가게하고 제2 캠 종동자 롤러(106)를 캠 샤프트 쪽으로 끌어오게 된다. 따라서 레버(107)는 캠 샤프트(53)쪽으로 피봇 연결되어져 있다. 링크(117)를 통해 작동하는 레버 작동은 벨 크랭크(71)를 돌려 회전하게 한다. 벨 크랭크(71)의 회전은 밸브 피스톤(39)을 부상시키는데 이는 연료 흡입 포트(37)를 통해 최소의 연료-공기 혼합물 제공할 만큼만 올려지게 된다.

도23은 앵커링 클레비스(73)가 최소 출력을 제공하기 위해 올려진 후 흡입 밸브(14)는 닫혀있을 때, 액추에이터(51) 부속의 위치를 도시한다. 밸브 피스톤(39)은 밸브 슬리브(32)의 바닥까지 왕복하지 않으며, 따라서 압축비는 상기 설명한 바와 같이 감소하게 된다. 링크(122)를 통해 작동하는 클레비스 아암(121)은 아크 센터체결핀(arc centered fixed pin)(113)을 따라 피봇(112)올리고, 따라서 조정 레버(107)를 올리고, 조정 레버(107)의 각위치를 변경하였다. 이로써 또한 레버(107)를 통해 캠 종동자 롤러(104, 106)의 운동경로(124)가 캠 샤프트(53)를 축으로 시계방향으로 회전되었다. 상기의 변화는 캠 종동자 롤러(104, 106)의 왕복 운동에 따른 레버(107)상부에 있는 피봇(118)에 의해 이동하는 아치형의 경로를 도21과 22를 참조로 상기된 최저출력 조건하에서 보다 더 짧게 한다. 도24는 최고출력일 때 밸브(14)가 개방된 상태에서 부속의 변화된 위치를 도시한다. 최고출력 조건-도23, 24참조- 하에서 벨 크랭크(71)의 각운동과 이로 인한 밸브 피스톤(39)의 수직행정은 최저출력 조건-도21, 22참조- 하에서 보다 짧아 보일 수 있다.

밸브 피스톤(39)의 행정길이 점차적으로 감소하고, 출력증가를 위해 클레비스(73)가 올려짐에 따라 밸브 피스톤이 부상하면 상기 도6, 7을 참조로 설명한대로 밸브(14)의 개폐 타이밍에 변화를 주게 된다.

도21과 23을 동시에 참조하면, 상기된 밸브 액추에이터(51)메커니즘의 장점은 연료점화 시 밸브 피스톤(39)에 가해지는 갑작스러운 하중부하가 연동장치(88)와 캠(89, 91)에 전달되지 않는데 있다. 밸브(14)의 폐쇄지점에, 피봇 핀(42, 72와 74)은 서로 일직선상이 되며, 피스톤(39)의 중심축과 일직선상이 된다. 따라서, 연료 연소 시 피스톤(39)의 바닥에 가해지는 높은 하중부하는 파워 컨트롤 랙(77)에 의해 지지되어지고, 연동장치(88)에 의해 캠과 캠 종동자로는 전달되지 않는다. 따라서 밸브 액추에이터(51)의 부속들의 마모가 줄게 된다.

밸브 피스톤(39)이 행정의 최상부에 이르러 방향을 바꾸려 할 때 발생하는 저항은 하중부하를 가중시키고 이는 캠과 캠 종동자에 미친다. 이는 고출력에서 더욱 현저해지는데, 이 때 피스톤 속도가 더 커지기 때문이다. 상기에 설명한 바와 같은, 높은 출력에서 짧은 밸브 행정은 저항력을 감소 시키게되고, 나아가 밸브 액추에이터 메커니즘의 마모를 감소시키게 된다. 상기 도8을 참조로 설명한 바와 같이, 고출력 하에서 엔진의 압축행정이 이미 시작되고 나서도 흡입 밸브(14)는 닫 혀지지 않는다. 상기시점에서의 밸브 피스톤이 폐쇄위치로 감에 따라 엔진 실린더의 증가하는 압축은 밸브 피스톤에 쿠션효과(cushion effect)를 낸다. 이로써, 상기시점에서 액추에이터 메커니즘(51)에 가해지는 힘이 너무 갑작스럽지 않게 한다. 상기의 사항은 밸브 액추에이터 메커니즘(51)이 작게 설비되게 하며, 높은 속도에서도 적당한 압력으로 작동 할 수 있게 한다.

도2, 3을 다시 참조하여, 상기 기술된 본 발명의 실시예는 한 개의 흡입 밸브(14)와 한 개의 배기 밸브(16)를 각 엔진 실린더(13)에 갖는다. 도25는 엔진의 헤드 부재(19)의 밑면을 도시하고 있으며, 각각의 실린더에 두개의 흡입 밸브(14a)와 배기 밸브(16a)가 있다. 밸브(14a, 16a)의 디자인과 작동은 동일하게 압축비의 변화를 제공하면서 밸브의 지름이 작아질 수 있다는 점을 제외하고, 상기 설명한 본 발명의 실시예와 같다.

각각의 실린더에 네 개의 밸브(14a, 16a)를 조합하므로 해서 엔진이 더 복잡해지고 가격이 높아질 수는 있으나 확실한 장점이 있다. 예를 들어, 스파크 플러그(36a)가 실린더상의 좀더 중앙에 위치하게 되어서 더욱 빠르고 안정적인 연료 연소를 활성 시킨다. 헤드 부재(19) 하부의 연소실 리세스(31a)는 더욱 극대화된 체결 스퀴시면(49)을 실린더 상부에 제공할 수 있는 모양으로 되어있다. 배기 밸브16b)는 더 가볍게 되어 엔진 회전 속도에 가해지는 제한이 적게 한다.

본 발명의 연료 흡입 밸브는 공기/연료 혼합물의 흐름을 제어하여 내연기관의 출력 또는 속도를 가변한다. 따라서, 스로틀 밸브의 필요성이 없어지며 스로틀밸브에 수반되는 동력손실도 제거된다. 또한, 흡입 밸브는 엔진의 부하에 따라 엔진 실린더에의 압축비 및 팽창비를 가변시켜주는 작용을 함으로써, 전범의의 엔지부하에 걸쳐 높은 연료효율을 제공한다. 바람직하게는, 엔지부하의 변화에 따라 본 발명의 흡입 밸브는 엔진 실린더 상부의 유효 스퀴시 면적을 가변시켜 줌으로써, 그 성능을 더욱 최적화시킬 수 있다.

지금까지 본 발명에 따른 몇 가지 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였다. 그러나, 상기 설명은 본 발명의 예시에 불과하며 본 발명이 상기 실시예의 설명에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 정의되며, 본 기술분야의 통상의 지식을 갖은 기술자이면 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 본 발명의 다양한 변형과 개조가 가능할 것이다.

Claims

엔진 실린더 내에서 왕복 운동하며 엔진 크랭크 샤프트에 결합되어 있는 적어도 하나의 파워 피스톤을 구비하고 있고, 상기 크랭크 샤프트에 의해 회전되는 캠 샤프트를 가지며, 엔진의 출력을 변동시키기 위해 이동 가능한 가속 제어부를 구비하고 있는 내연기관에 있어서,

출구 단부가 상기 엔진 실린더에 개방되어 있는 슬리브와 슬리브의 측벽에 적어도 하나의 연료 흡입 포트를 가지고, 상기 슬리브 내에서 축방향으로 연장되는 이동 경로를 따라 이동 가능한 밸브 피스톤을 더 구비하고, 상기 밸브 피스톤은 상기 연료 흡입 포트가 점진적으로 상기 출구 단부와 연통된 개방위치를 통해 상기 출구 단부로부터 멀리 이동 가능하고, 상기 연료 흡입 포트로부터 상기 출구 단부로의 연료흐름이 상기 밸브 피스톤에 폐쇄되는 폐쇄위치로 상기 출구 단부를 향해 이동 가능한 연료 흡입 밸브와,

상기 캠 샤프트의 회전에 반응하여 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 상기 밸브 피스톤을 주기적으로 이동시키는 상기 밸브 피스톤에 상호 연결된 제1군의 구성 요소와, 상기 가속 제어부의 출력 증가 이동에 반응하여 상기 이동 경로를 상기 출구 단부로부터 이격시키고 상기 가속 제어부의 출력 감소 이동에 반응하여 상기 이동 경로를 상기 출구 단부를 향하여 이동시키는 상기 밸브 피스톤에 상호 연결된 제2군의 구성 요소를 갖는 밸브 액추에이터를 포함하는 내연기관.
제1항에 있어서, 상기 밸브 액추에이터는 연결 앵커 부재와 상기 연결 앵커 부재에 피봇 결합된 벨 크랭크와 상기 벨 크랭크로부터 상기 밸브 피스톤까지 연장되어 그 각각에 피봇 결합된 연결봉을 포함하며, 상기 제1 군의 밸브 액추에이터 구성요소는 상기 캠 샤프트의 회전에 의해 두 위치사이를 왕복 운동하는 캠 종동자를 포함하고, 캠 종동자는 상기 벨 크랭크에 상호 연결되어 상기 연결 앵커 부재에 대한 두 개의 각 위치 사이에서 상기 벨 크랭크를 회전시켜, 상기 연결봉이 상기 캠 샤프트의 회전에 반응하여 상기 연료 흡입 밸브를 개폐시키는 내연기관.
제2항에 있어서, 상기 벨 크랭크는 제1 피봇 핀에서 상기 연결 앵커 부재에 체결되어 있고, 상기 연결봉은 제2 피봇 핀에서 상기 벨 크랭크에 체결되어 있으며, 상기 연결봉은 제3 피봇 핀에서 상기 밸브 피스톤에 체결되어 있고, 연료 흡입 밸브가 폐쇄될 때, 상기 제1, 제2 및 제3 피봇 핀은 서로간에 정렬되고, 상기 밸브 피스톤의 상기 이동 경로와 정렬되도록 위치되어, 상기 엔진 실린더 내에서 연료 연소에 의해 생성된 갑작스런 힘이 상기 연결 앵커 부재에 의해 지지되고 상기 캠 종동자로 전달되지 않게 하는 내연기관.
제2항에 있어서, 상기 캠 종동자는 상기 캠 샤프트의 대향 측면들에 위치된 서로 이격되어 있는 제1 및 제2 캠 종동자 롤러를 지지하는 이동 가능한 셔틀을 구비하며, 상기 이동 가능한 셔틀은 제1 셔틀 위치에서 제2 셔틀 위치로의 셔틀 이동에 반응하여 상기 연료 흡입 밸브를 개방시키고 제2 셔틀 위치에서 제1 셔틀 위치 로의 셔틀 이동에 반응하여 상기 연료 흡입 밸브를 폐쇄시키도록 상기 벨 크랭크와 상호 연결되고, 상기 캠 샤프트는 상기 제1 종동자 롤러에 의해 접촉된 제1 로브캠과 상기 제2 종동자 롤러에 의해 접촉된 제2 로브캠을 포함하고, 이들 제1 및 제2 로브캠은 상기 캠 샤프트의 각 회전중 상기 셔틀을 상기 제1 셔틀 위치로부터 상기 제2 셔틀 위치로 다시 제1 셔틀 위치로 이동시키는 형상인 내연기관.
제4항에 있어서, 상기 연결 앵커 부재는 상기 내연기관의 출력을 증가시키도록 제1 방향으로 이동 가능하고 내연기관의 출력을 감소시키도록 반대 방향으로 이동 가능하고, 상기 셔틀은 상기 캠 샤프트의 회전중 상기 연료 흡입 밸브의 개폐시기를 변화시키기 위해, 상기 캠 샤프트를 중심으로 회전 가능하고, 상기 제1 군의 밸브 구성 요소들은 상기 연결 앵커 부재의 파워 증가 이동에 반응하여 상기 셔틀을 제1 각방향으로 회전시키고 상기 연결 앵커 부재의 파워 감소 이동에 반응하여 상기 셔틀을 대향 방향으로 회전시키도록 상기 셔틀을 상기 연결 앵커 부재에 상호 연결시키는 부품을 포함하는 내연기관.
제1항에 있어서, 상기 밸브 액추에이터는 연결 앵커 부재와 상기 연결 앵커 부재에 피봇 연결된 크랭크 부재와 상기 크랭크 부재의 아암으로부터 상기 밸브 피스톤까지 연장되어 그 각각에 피봇 연결된 연결봉을 포함하며, 상기 제2 군의 밸브 액추에이터 구성요소는 상기 내연기관의 상기 가속 제어부의 이동에 반응하여 이동하는 파워 제어 부품을 포함하고, 상기 파워 제어 부품은 상기 가속 제어부의 파워 증가 이동에 반응하여 상기 연결 앵커 부재를 상기 연료 흡입 밸브 슬리브의 출구 단부로부터 더 멀리 이동시키고 상기 가속 제어부의 파워 감소 이동에 반응하여 상기 연결 앵커 부재를 상기 슬리브의 출구 단부쪽으로 전진시키도록 구성된 내연기관.
제6항에 있어서, 상기 연결 앵커 부재는 슬롯을 구비하며, 상기 파워 제어 부품은 상기 연결 앵커 부재의 상기 슬롯을 따라 연장된 램프를 포함하고, 상기 슬롯과 상기 램프는 상기 밸브 피스톤의 이동 경로에 대해 경사져서, 상기 램프의 제1 방향으로의 이동이 상기 연결 앵커 부재를 상기 슬리브의 출구 단부로부터 더 멀리 이동시키고 대향 방향으로의 램프의 이동이 상기 연결 앵커 부재를 상기 출구 단부를 향하여 전진시키는 내연기관.
제6항에 있어서, 상기 파워 제어 부품에 결합되고, 내연기관의 상기 가속 제어부의 이동에 반응하여 상기 파워 제어 부품을 이동시키는 서보 모터를 더 포함하는 내연기관.
제1항에 있어서, 상기 흡입 밸브가 폐쇄되고 상기 내연기관이 최소 파워 출력으로 작동하고 있을 때, 상기 밸브 피스톤은 상기 밸브 피스톤의 단부 표면이 상기 슬리브의 출구 단부에 위치하도록 조절되는 내연기관.
제9항에 있어서, 상기 밸브 피스톤의 단부 표면의 제1 부분은 상기 내연기관의 파워 피스톤의 상부 표면과 실질적으로 평행한 관계로 연장된 편평한 영역인 내연기관.
제10항에 있어서, 상기 밸브 피스톤의 상기 단부 표면의 제2 부분은 상기 밸브 피스톤이 상기 슬리브의 상기 출구 단부에 있을 때 상기 파워 피스톤의 상부표면으로부터 외측으로 경사져 연장되고, 상기 편평한 제1 영역으로부터 연장된 내연기관.
제1항에 있어서, 상기 내연기관의 상기 파워 피스톤은 엔진 블록 내에서 왕복 운동하고, 상기 엔진 블록에는 엔진헤드 부재가 체결되어 있으며, 엔진헤드 부재는 상기 엔진 실린더의 연소실 확장부를 형성하는 리세스를 구비하고 있고, 상기 연료 흡입 밸브는 상기 밸브 슬리브의 출구 단부가 상기 리세스, 상기 밸브 슬리브 및 상기 밸브 피스톤에 있는 상태에서 상기 헤드 부재 내에 연장되어 있으며, 밸브 피스톤의 이동 경로는 상기 내연기관의 상기 파워 피스톤의 이동방향에 대해 경사져 있고, 상기 밸브 피스톤은 상기 연료 흡입 밸브가 폐쇄되고 내연기관이 최소 파워 출력으로 작동할 때 상기 리세스로 돌출하는 단부영역을 구비한 내연기관.
제12항에 있어서, 상기 밸브 피스톤의 상기 단부영역은 상기 연료 흡입 밸브가 폐쇄되고 내연기관이 최소 파워 출력으로 작동할 때 상기 헤드 부재의 하부면과 실질적으로 동일 평면의 관계로 연장되는 편평한 영역을 갖는 내연기관.
제1항에 있어서, 상기 슬리브의 상기 측벽에 있는 상기 연료 흡입 포트는 상기 슬리브의 상기 출구 단부에 가장 가까운 제1 단부와 상기 슬리브의 출구 단부로부터 더 멀리 떨어진 대향 단부를 가지며, 상기 연료 흡입 포트는 상기 제1 단부에서 최소폭을 가지고 상기 제2 단부를 향하여 점차 그 폭이 넓어지는 내연기관.
제1항에 있어서, 상기 슬리브의 상기 측벽에 있는 상기 연료 흡입 포트는 상기 슬리브의 상기 출구 단부에 가장 가까운 제1 단부와 상기 슬리브의 출구 단부로부터 더 멀리 떨어진 반대쪽 단부를 가지며, 상기 연료 흡입 포트는 상기 제1 단부에서 최대폭을 가지고 상기 제2 단부를 향하여 점차 그 폭이 좁아지는 내연기관.
제1항에 있어서, 밸브 액추에이터의 상기 제1 군 및 제2 군의 부품은 상기 이동 경로가 상기 슬리브의 출구 단부로부터 멀어질 때 상기 밸브 피스톤의 이동 경로를 단축시키고 상기 이동 경로가 상기 슬리브의 출구 단부를 향하여 이동할 때 상기 이동 경로를 연장하도록 위치된 내연기관.
엔진 실린더 내에서 왕복 운동하는 적어도 하나의 파워 피스톤과, 상기 엔진 실린더에 연료가 도입되는 연료 흡입 밸브와, 내연기관의 파워 출력을 증가시키도록 일 방향으로 이동 가능하고 내연기관의 출력을 감소시키도록 대향 방향으로 이 동 가능한 가속 제어부를 구비한 내연기관에 있어서,

상기 엔진 실린더로 개방되어 있는 출구 단부를 구비한 밸브실과 상기 밸브실의 출구 단부로부터 이격된 위치에서 상기 밸브실의 측벽에 적어도 하나의 연료 흡입 포트를 구비한 피스톤밸브이며, 상기 연료 흡입 밸브는 상기 밸브실의 출구 단부를 향하여 전진 및 그로부터 후진 이동 가능한 밸브 피스톤을 상기 밸브실에 더 구비하고 있고, 상기 밸브 피스톤은 상기 흡입 포트를 통한 연료흐름이 상기 피스톤에 의해 점차적으로 억제되는 제1 범위의 밸브 위치와, 상기 흡입 포트를 통한 연료흐름이 피스톤에 의해 완전히 차단되는 제2 범위의 밸브 위치를 포함하는 이동 경로를 따라 이동 가능하고, 상기 피스톤이 상기 밸브실의 출구 단부로 점차적으로 근접하는 연료 흡입 밸브와,

상기 밸브 피스톤에 결합되고, 상기 파워 피스톤의 연료 흡입 행정 중 상기 제1 범위의 밸브 위치 내에 상기 밸브 피스톤을 위치시키고 내연기관의 작동 사이클의 다른 단계에서는 상기 제2 범위 밸브 위치 내에 상기 밸브 피스톤을 위치시키는 제1 군의 구성 요소를 포함하고, 상기 밸브 작동 요소는 상기 엔진 제어부의 이동에 반응하여 상기 밸브 피스톤의 상기 이동 경로를 이동시키는 제2 군의 구성 요소를 더 포함하며, 상기 이동 경로는 가속 제어부의 상기 일방향으로의 이동에 반응하여 상기 밸브실의 상기 출구 단부로부터 멀리 이동되며 가속 제어부의 상기 대향방향으로의 이동에 반응하여 상기 출구 단부쪽으로 이동되는 내연기관.
엔진 실린더에서 왕복 운동하는 적어도 하나의 파워 피스톤과 내연기관의 출 력을 증가시키도록 제1 방향으로 이동 가능하고 내연기관의 출력을 감소시키도록 대향 방향으로 이동 가능한 가속 제어부를 구비한 내연기관에 있어서,

상기 엔진 실린더에 개방된 출구 단부를 구비한 밸브실과 상기 밸브실에서 상기 출구 단부와 이격된 위치에 연료 흡입 포트를 구비하고, 상기 밸브실의 출구 단부를 향하여 연장된 이동 경로를 따라 이동 가능한 밸브 피스톤을 상기 밸브실에 더 포함하고, 상기 밸브 피스톤은 상기 흡입 포트로부터 상기 출구 단부까지 점차적으로 커지는 유동 경로를 제공하는 개방위치를 통해 상기 출구 단부로부터 멀리 이동 가능하고, 상기 밸브 피스톤은 상기 출구 단부를 향하여 상기 흡입 포트로부터 상기 출구 단부까지의 연료흐름이 상기 밸브 피스톤에 의해 차단되고 밸브 피스톤은 점차적으로 상기 출구 단부로 근접하는 폐쇄 위치로 이동 가능한 연료 흡입 밸브와,

상기 흡입 포트로부터 상기 엔진 실린더로 연료가 흐를 수 있도록 하는 개방위치와 상기 연료흐름이 차단되는 폐쇄위치사이에서 상기 밸브 피스톤을 주기적으로 이동시키기 위한 제1 밸브 액추에이터 수단과,

상기 가속 제어부의 상기 제1 방향으로의 이동에 반응하여 상기 밸브 피스톤의 이동 경로를 상기 출구 단부로부터 멀리 이동시키고 상기 가속 제어부의 상기 대향 방향으로의 이동에 반응하여 상기 밸브 피스톤의 이동 경로를 상기 출구 단부쪽으로 이동시키기 위한 제2 밸브 액추에이터 수단을 구비하는 내연기관.
제18항에 있어서, 상기 밸브 액추에이터 수단은 상기 이동 경로가 상기 슬리 브의 출구 단부로부터 멀리 이동될 때, 상기 밸브 피스톤의 상기 이동 경로를 단축시키고, 상기 이동 경로가 상기 슬리브의 출구 단부를 향하여 이동할 때 상기 이동 경로를 연장시키는 내연기관.
제18항에 있어서, 상기 내연기관은 상기 실린더가 위치해 있는 엔진 블록과 상기 엔진 블록에 중첩되는 헤드 부재를 구비하고, 상기 헤드 부재는 실린더연소실의 확장부를 형성하는 리세스를 가지며, 상기 내연기관이 최소 파워 출력으로 작동할 때 상기 밸브 액추에이터 수단은 상기 밸브 피스톤을 상기 리세스로 돌출시키고 상기 내연기관이 높은 파워 출력으로 작동할 때 상기 밸브 피스톤을 상기 리세스로부터 후진시키는 내연기관.
제20항에 있어서, 상기 밸브 피스톤은 상기 엔진 실린더와 대면하는 단부 표면을 가지고, 상기 단부 표면은 상기 엔진피스톤의 상부표면과 실질적으로 평행한 관계로 연장되는 스퀴시 강화 편평 영역을 갖는 내연기관.