KR100512762B1 - 4사이클엔진 가변행정 크랭크장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 4사이클 엔진에 있어서 혼합가스의 폭발력을 통해 실린더의 내부를 왕복 운동하면서 크랭크샤프트에 동력을 전달하는 피스톤의 상사점 위치와 하사점의 위치를 가변할 수 있도록 엔진용 가변크랭크장치에 관한 것으로, 종래의 크랭크장치에 있어서는 폭발행정시에 팽창압력이 남았음에도 불구하고 피스톤(12')이 흡기행정시의 하사점 이하로 하강되지 못하고 상승되면서 그대로 배기행정이 진행되기 때문에 대략 20~30%의 에너지손실이 있게 되는 문제가 있게 되며, 배기행정시에 잔류 배기가스가 실린더 내부에 남았음에도 불구하고 피스톤(12')이 압축행정시의 상사점 이상으로 상승되지 못하고 하강되면서 그대로 흡기행정이 진행되기 때문에 잔류 배기가스에 의해 혼합기의 산소농도가 낮아지게 되어 열효율이 낮아지게 되고 불완전연소비가 높아지게 될 뿐 아니라 공해물질의 생성률이 높아지게 되는 문제가 있었던 바, 커넥팅로드(14)의 연결구멍(15)에 내접기어(16)를 형성하고, 내접기어(16)의 일측에 설치한 대직경 접속기어(21)에 크랭크샤프트(13)의 크랭크핀(13a)을 결합한 것 등을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 피스톤(12)과 크랭크핀(13a) 사이의 축간거리를 흡기행정시보다 폭발행정시에 더 길게 할 수 있게 되므로 폭발행정시에 피스톤(12)의 하사점을 더욱 낮출 수 있게 되어 연소가스의 폭발압력을 최대한 동력화할 수 있게 되고, 압축행정시보다 배기행정시에 축간거리를 더 길게 할 수 있게 되므로 실린더에 잔류하는 배기가스를 저감할 수 있게 되어 새로 흡기되는 혼합가스에 미배출배기가스가 섞이는 것을 억제할 수 있게 된다.

Description

4사이클엔진 가변행정 크랭크장치 { a variable stroke crank for a 4 cycle-engine }

본 발명은 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 4사이클 엔진에 있어서 혼합가스의 폭발력을 통해 실린더의 내부를 왕복 운동하면서 크랭크샤프트에 동력을 전달하는 피스톤의 상사점 위치와 하사점의 위치를 가변할 수 있도록 엔진용 가변크랭크장치에 관한 것이다.

일반적으로 4사이클 엔진은 흡기밸브가 열려 있는 상태에서 피스톤이 상사점에서 하강하여 혼합가스가 실린더 안으로 흡입되는 흡입행정(Intake), 흡기밸브와 배기밸브가 닫혀 있는 상태에서 피스톤이 상승하여 혼합가스를 압축하는 압축행정(Compression), 압축행정이 끝나는 상사점의 조금 전에 점화플러그를 통해 점화된 혼합가스가 연소하여 발생한 압력을 받아 피스톤이 내려가면서 커넥팅로드를 통해 피스톤과 연결된 크랭크샤프트에 회전력을 가하는 폭발행정(Explosion), 배기밸브가 열려있는 상태에서 피스톤이 상승하면서 연소가스를 배출하는 배기행정(Exhaust)으로 이루어지는 것이 보통이다.

한편 4사이클 엔진에 있어서 피스톤과 크랭크샤프트는 커넥팅로드를 통해 연결되는데, 도 1과 같이 커넥팅로드(14') 하단부의 연결구멍(15')이 크랭크샤프트(13')의 크랭크핀(13a')과 동심원상으로 접속된 종래의 크랭크장치에 있어서는 각 행정을 수행할 때에 피스톤과 크랭크핀 사이의 축간거리(L')가 동일하게 되므로 피스톤(12')이 최대로 상승하는 위치인 상사점의 위치가 압축행정 및 배기행정에서 각각 동일하게 되고, 피스톤(12')이 최대로 하강하는 위치인 하사점의 위치가 흡기행정과 폭발행정에서 각각 동일하게 된다.

따라서 종래의 크랭크장치에 있어서는 폭발행정시에 팽창압력이 남았음에도 불구하고 피스톤(12')이 흡기행정시의 하사점 이하로 하강되지 못하고 상승되면서 그대로 배기행정이 진행되기 때문에 대략 20~30%의 에너지손실이 있게 되는 문제가 있게 되며, 배기행정시에 잔류 배기가스가 실린더 내부에 남았음에도 불구하고 피스톤(12')이 압축행정시의 상사점 이상으로 상승되지 못하고 하강되면서 그대로 흡기행정이 진행되기 때문에 잔류 배기가스에 의해 혼합기의 산소농도가 낮아지게 되어 열효율이 낮아지게 되고 불완전연소비가 높아지게 될 뿐 아니라 공해물질의 생성률이 높아지게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 폭발행정시에 연소가스의 팽창압력이 낭비되지 않도록 하고, 배기행정시에 잔류 배기가스가 저감되도록 하는 것에 엔진의 효율을 향상시킬 수 있게 함은 물론 공해물질의 배출을 억제할 수 있도록 하는 4사이클엔진의 가변행정 크랭크장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 피스톤과 크랭크샤프트를 연결하는 커넥팅로드의 연결구멍 내주면에 내접기어를 형성하는 동시에 연결구멍의 내부 일측과 타측에 각각 내접기어에 기어결합되는 대직경 접속기어와 소직경 접속기어를 설치하고, 대직경 접속기어와 소직경 접속기어를 한 쌍의 소직경 연결기어로 접속하며, 대직경 접속기어의 내부에 크랭크샤프트를 삽입 설치하여 압축행정의 상사점보다 배기행정의 상사점을 높게 하고 흡기행정의 하사점보다 폭발행정의 하사점을 낮게 하는 것을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 2에는 본 발명의 한 실시예의 요부 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 동 실시예의 요부 분해사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 동 실시예의 요부 정면도가 도시되어 있고, 도 5에는 동 실시예의 요부 분해 정면도가 도시되어 있는 바, 본 발명은 실린더(11) 내부를 상하방향으로 왕복 운동하는 피스톤(12)과 크랭크샤프트(13)가 커넥팅로드(14)를 통해 연결되는 4사이클 엔진의 크랭크장치에 있어서, 상단부가 피스톤(12)에 접속되는 커넥팅로드(14)의 하단부에 형성되는 연결구멍(15)의 내주면에 내접기어(16)를 형성하는 동시에 연결구멍(15)의 내부 일측과 타측에 각각 내접기어(16)에 기어결합되는 대직경 접속기어(21)와 소직경 접속기어(22)를 설치하고, 대직경 접속기어(21) 및 소직경 접속기어(22)의 상부와 하부에 판상의 베어링(17)을 설치하며, 상부 베어링(17) 및 하부 베어링(17)에 삽입 결합되는 한 쌍의 소직경 연결기어(23)로 대직경 접속기어(21)와 소직경 접속기어(22)를 접속하고, 대직경 접속기어(21)의 내부에 크랭크샤프트(13)의 크랭크핀(13a)을 삽입 설치하는 것에 의해 압축행정의 상사점보다 배기행정의 상사점을 높게 하고 흡기행정의 하사점보다 폭발행정의 하사점을 낮게 하여서 되는 것이다.

도시된 실시예에서 연결구멍(15)이 형성되는 커넥팅로드(16)의 하단 연결부위는 반원형의 상부체(15a)와 반원형의 하부체(15b)가 플랜지 결합된 형태로 되어 있으며, 그 상부체(15a) 및 하부체(15b)의 내주면 전방과 후방에 각각 내접기어(16)가 형성되어 있다.

그리고 크랭크샤프트(13)의 크랭크핀(13a)이 삽입 결합되는 대직경 접속기어(21)도 상부체(21a)와 하부체(21b)로 이루어지고, 그 상부체(21a) 및 하부체(21b)의 외주면 전방과 후방에 커넥팅로드 내접기어(16)와 대응되는 외접기어가 형성되어 있으며, 소직경 접속기어(22)의 외주면 전방과 후방 및 각 베어링(17)에 삽입 결합되는 각 소직경 연결기어(23)의 전방과 후방에도 커넥팅로드 내접기어(16)와 대응되는 외접기어가 형성되어 있다

도면부호중 미설명부호 17a는 오일통로이다.

이하 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 9와 같이 고정된 원 속에 작은 구슬이 내접면을 따라 시계방향으로 자전을 한다면 작은 구슬은 내접면 속에서 자신이 자전한 거리만큼에 해당하는 반시계방향의 공전을 하게 된다.

4사이클 엔진에서 크랭크샤프트는 1행정마다 180。의 회전(자전)을 한다.

도 9에서 작은 구슬을 크랭크샤프트의 크랭크핀이라 하고, 큰 원을 커넥팅로드라 한다면 크랭크핀도 작은 구슬처럼 스스로의 자전에 의해 공전을 하게 될 것이고 해당 공전위치에 따라 해당 비율만큼 피스톤의 위치가 가변되게 될 것이다.

이처럼 크랭크핀의 공전위치에 따라 커넥팅로드의 높이가 차이가 생기게 되므로 상사점의 도 10과 같이 높이가 달라지게 된다.

본 발명의 가변행정 크랭크장치는 도 10과 같이 크랭크샤프트(13)가 접속되는 커넥팅로드 연결구멍(15)의 직경을 크게 만들어 각 행정마다 180。씩의 자전을 하게 되는 크랭크핀(13a)의 편심공전에 의해 얻어지는 각도차이를 이용하여 피스톤의 높이를 변화시키는 것이다.

커텍팅로드(14)의 연결구멍(15) 속에서 크랭크핀(13a)이 180。의 자전을 할 때에 90。의 편심공전을 이루어낸다면 4행정을 완료한 후에는 360。의 공전을 하므로 처음 위치로 돌아올 수 있다.

또는 크랭크핀(13a)이 180。의 자전을 할 때마다 270。의 편심공전을 하게 되어도 이 역시 360。- 90。에 해당하는 공전을 하는 결과이므로 이 역시도 4행정을 완료한 후에는 처음위치로 돌아올 수 있다.

본 발명에 있어서 크랭크핀(13a)이 180。로 회전(자전)할 때에 크랭크로드(14)의 연결구멍(15)속에서 270。의 편심공전을 하게 된다.

한편 도 11a와 같이 1R의 지름을 갖는 구체를 절대각도 360。로 회전시키면 1πR 만큼의 거리를 이동하게 되고, 내접면에 대한 각도 역시 360π로 회전한 것이 된다.(절대각도 X = 내접각도 C = 360。)

만약 상기 구체를 도 11b와 같이 30。의 경사진 언덕으로 내접면에 대해 360。 회전시키면 똑같이 1πR 만큼의 거리를 이동하게 되지만 실제로 회전한 절대각도는 언덕의 경사율에 해당하는 30。를 덜 회전한 330。만 회전한 것이 된다.(절대각도 X = 330。, 내접각도 C = 360。)

즉, 절대각도 330。의 회전만으로도 내접각도 360。 회전에 해당하는 1πR의 거리를 이동하게 된 것이며, 이는 내접각도에서 경사각도를 보상받은 것이다.(절대각도 X = 내접각도 C - 경사각도 Y, 330。 = 360。 - 30。)

도 12와 같이 구체(대직경 접속기어)와 내접원(내접기어) 직경비가 3 : 5로 설계된 경우의 회전율을 살펴보면 다음과 같다.

3R의 직경을 가진 구체가 5R의 직경을 가진 내접원 속에서 내접각도 C。만큼 회전하게 되면 C/360。 ×3πR에 해당하는 거리를 이동하게 된다.(이동거리 M = C/360。 ×3πR)

이동거리에 대한 공전각도(경사각도) Y는 360。 회전을 완료하여야 3/5 ×360。의 각도를 보상받게 되므로 C/360。 ×3/5 ×360。 = C ×0.6이 된다.(Y = C ×0.6)

절대각도 X = 내접각도 C - 경사각도 Y에서 X = C - ( C ×0.6) = C ×(1 - 0.6) = C ×0.4가 되며, C = X/0.4가 된다.

결국 구체가 절대각도 180。 회전할 때에 내접각도 C = 180。 /0.4 = 450。만큼 내접 회전한 결과가 되며, 도 13과 같이 내접면에 대한 이동거리는 450/360 ×3πR = 3.75πR이 되고, 공전한 각도는 3.75/5 ×360。 = 270。가 된다.

즉, 크랭크샤프트(13)의 크랭크핀(13a)이 삽입 결합되는 대직경 접속기어(21)의 외경과 내접기어(16)의 내경을 3 : 5의 비율로 설계하는 경우 크랭크샤프트 (13)및 대직경 접속기어(21)가 180。 회전하면 270。의 공전이 일어나게 된다.

이처럼 대직경 접속기어(21)를 커넥팅로드 내접기어(16)로부터 270。씩 공전시키게 되면 한 사이클을 마친 후 원래 위치로 복귀할 수 있게 되며, 4행정 모두에 가변길이를 골고루 나누어 관여시키기 위해 편심시작 각도를 45。로 정한 경우 가변되는 길이를 알아보면 다음과 같다.

도 14a와 같이 외경 3r과 내경 5r로 설계된 대직경 접속기어(21) 중심과 내접기어(16) 중심간의 거리는 2.5r - 1.5r = 1r이 된다.

도 14b와 같이 대직경 접속기어(21)의 중심을 내접기어 중심으로 45。방향으로 위치시켰을 때에도 상호 중심점의 거리는 여전히 1r이며, 실제 높이는 √(r²/2) = 약 0.7r이 된다.

크랭크샤프트의 높이변화 L을 10이라 하고, 편각 및 커넥팅로드의 진자운동을 무시할 경우 행정별로 미치는 거리의 변화는 다음과 같다.

	흡입	압축	폭발	배기
크랭크핀의 높이변화(L)	-10r	+10r	-10r	+10r
크랭크로드의 편심율 높이변화(r)	+0.7r	-0.7r	-0.7r	+0.7r
계산식	-10r+0.7r	+10r-0.7r	-10r-0.7r	+10r+0.7r
결과	-9.3r	+9.3r	-10.7r	+10.7r

상기 표 및 도 6과 같이 본 발명에 있어서는 흡입행정시보다 폭발행정시에 피스톤(12)의 하사점이 낮게 되고, 압축행정시보다 배기행정시에 피스톤(12)의 상사점이 높게 되며, 각 행정마다 변화되는 피스톤(12)과 크랭크핀(13) 사이의 축간거리는 흡기행정시의 축간거리(L1)와 배기행정시가 축간거리(L4)가 압축행정시의 축간거리(L2)와 폭발행정시의 축간거리(L3)보다 훨씬 길게 된다.(L1=L4 > L2=L3)

한편 폭발행정에서 피스톤(12)의 하강력은 커넥팅로드(14))를 통해 크랭크샤프트(13)로 전달되는 바, 본 발명에 있어서는 도 4와 같이 커넥팅로드(14)의 수직 작용력이 베어링(17)을 통해 크랭크핀(13a)으로 직접 전달되는 하중과 대직경 접속기어(21)의 회전력으로 분산되며, 지렛대원리에 의해 1r/3.5r에 해당되는 약 28% 정도의 하중만 회전력으로 적용되고 약 72% 이상의 대부분의 하중은 크랭크핀(13a)에 직접 전달된다.

즉, 피스톤(12)에 1t의 압력이 작용한다고 가정하면 720kg 이상의 하중은 베어링(17)을 통해 크랭크핀(13a)으로 직접 전달되고 나머지 280kg 정도의 하중이 회전력으로 바뀌어 대직경 접속기어(21)와 소직경 접속기어(22), 연결기어(23)에 작용하게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 커넥팅로드(14)의 연결구멍(15)에 내접기어(16)를 형성하고, 내접기어(16)의 일측에 설치한 대직경 접속기어(21)에 크랭크샤프트(13)의 크랭크핀(13a)을 결합한 것으로, 본 발명에 의하면 피스톤(12)과 크랭크핀(13a) 사이의 축간거리를 흡기행정시보다 폭발행정시에 더 길게 할 수 있게 되므로 폭발행정시에 피스톤(12)의 하사점을 더욱 낮출 수 있게 되어 연소가스의 폭발압력을 최대한 동력화할 수 있게 되고, 압축행정시보다 배기행정시에 축간거리를 더 길게 할 수 있게 되므로 실린더에 잔류하는 배기가스를 저감할 수 있게 되어 새로 흡기되는 혼합가스에 미배출배기가스가 섞이는 것을 억제할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의하면 엔진의 효율을 극대화시킬 수 있게 될 뿐 아니라 연료를 절감할 수 있게 되고, 배기가스에 포함되는 인체유해성분을 저감할 수 있게 되어 환경보호에도 크게 이바지할 수 있게 되는 등 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 종래 크랭크장치의 각 행정시의 피스톤 위치변화 상태도

도 2는 본 발명의 한 실시예의 요부 사시도

도 3은 동 실시예의 요부 분해사시도

도 4는 동 실시예의 요부 정면도

도 5는 동 실시예의 요부 분해 정면도

도 6은 동 실시예의 각 행정시의 피스톤 위치변화 상태도

도 7은 동 실시예의 흡기행정과 압축행정 사이의 피스톤 위치변화 상태도

도 8은 종래 크랭크장치에 의한 피스톤 위치와 본 발명에 의한 피스톤 위치변화를 비교한 그래프

도 9는 내접원에 구체가 자전 및 공전하는 상태도

도 10은 내접기어에서의 크랭크핀 위치변화에 따른 상사점의 변화상태도

도 11a는 구체가 자전하면서 평면을 이동한 상태도

도 11b는 구체가 자전하면서 내접면을 이동한 상태도

도 12는 내경 5r의 내접원에 3r의 구체가 설치된 상태도

도 13은 내경 3r의 구체가 450。 만큼 회전하면서 이동한 상태도

도 14a는 내경 5r의 내접원에 3r의 구체가 설치되어 자전 및 공전하는 상태도

도 14b는 도 12a에서 3r 구체의 위치를 45。로 기울인 상태도

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

11 : 실린더 12 : 피스톤

13 : 크랭크샤프트 13a : 크랭크핀

14 : 커넥팅로드 15 : 연결구멍

16 : 내접기어 17 : 베어링

21 : 대직경 접속기어 22 : 소직경 접속기어

23 : 소직경 연결기어

Claims (2)

1. 실린더(11) 내부를 상하방향으로 왕복 운동하는 피스톤(12)과 크랭크샤프트(13)가 커넥팅로드(14)를 통해 연결되는 4사이클 엔진의 크랭크장치에 있어서, 상단부가 피스톤(12)에 접속되는 커넥팅로드(14)의 하단부에 형성되는 연결구멍(15)의 내주면에 내접기어(16)를 형성하는 동시에 연결구멍(15)의 내부 일측과 타측에 각각 내접기어(16)에 기어결합되는 대직경 접속기어(21)와 소직경 접속기어(22)를 설치하고, 대직경 접속기어(21) 및 소직경 접속기어(22)의 상부와 하부에 판상의 베어링(17)을 설치하며, 상부 베어링(17) 및 하부 베어링(17)에 삽입 결합되는 한 쌍의 소직경 연결기어(23)로 대직경 접속기어(21)와 소직경 접속기어(22)를 접속하고, 대직경 접속기어(21)의 내부에 크랭크샤프트(13)의 크랭크핀(13a)을 삽입 설치하는 것에 의해 압축행정의 상사점보다 배기행정의 상사점을 높게 하고 흡기행정의 하사점보다 폭발행정의 하사점을 낮게 한 것을 특징으로 하는 4사이클 엔진의 가변행정 크랭크장치.
2. 제1항에 있어서, 대직경 접속기어(21) 외경과 내접기어(16) 내경의 직경비를 3 : 5로 한 것을 특징으로 하는 4사이클 엔진의 가변행정 크랭크장치.