KR100585037B1 - 크랭크-커넥팅 로드 기구 - Google Patents

크랭크-커넥팅 로드 기구 Download PDF

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KR100585037B1
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데구이어람버투스헨드릭
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저멕시스 비.브이.
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Abstract

내연기관 등에 대한 크랭크-커넥팅 로드 기구는 축 둘레를 회전하는 샤프트(1)와, 상기 샤프트에 고정된 제 1 크랭크(2)와, 상기 제 1 크랭크에 고정된 제 2 크랭크를 포함한다. 크랭크 핀은 상기 샤프트와 팽행하나 그로부터 제 1 방사상 거리만큼 연장한다. 상기 제 1 크랭크 핀상에 회전 가능하게 장착된 제 2 크랭크는 상기 제 1 크랭크 핀(6)의 축으로부터 제 2 방사상 거리만큼 연장된 축을 갖는 제 2 크랭크 핀(4)에 고정된다. 연결 로드(12)는 상기 제 2 크랭크 핀(6)상에 회전 가능하게 장착된다. 회전 수단(7)은 상기 샤프트(1)의 회전에 기초하여 제 2 크랭크가 제 1 크랭크에 대해 회전하도록 힘을 제공한다.
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내연기관, 크랭크-커넥팅 로드 기구, 샤프트, 크랭크, 크랭크 핀, 커넥팅 로드, 회전 수단

Description

크랭크-커넥팅 로드 기구{Crank-connecting rod mechanism}
본 발명은 내연기관의 크랭크-커넥팅 로드 기구에 관한 것이다.
모든 표준형 피스톤 엔진에서 사용되는 크랭크 샤프트는 이미 수십년 전부터 사용되어 왔으며, 그의 원리는 변하지 않고 있다. 비록, 일정한 정밀도로 인해 높은 신뢰성과 고장 없는 크랭크 기구가 실현된다 할지라도, 상기 기구는 분명히 그의 한계를 갖는다.
본 발명의 목적은 혁신적인 새로운 가능성을 제공하는 크랭크-커넥팅 로드 기구를 제공하는 것이다.
상기 목적을 성취하기 위하여, 본 발명은 내연기관 등에 대한 크랭크-커넥팅 로드 기구를 제공하며, 상기 기구는 축 주위로 회전하는 샤프트와, 상기 샤프트에 고정된 제 1 크랭크와, 상기 샤프트로부터 제 1 방사상 거리만큼 상기 샤프트와 평행하게 연장하는, 상기 제 1 크랭크에 고정되는 크랭크 핀과, 상기 제 1 크랭크 핀의 축으로부터 제 2 방사상 거리상에 축을 갖는 제 2 크랭크 핀에 고정되며, 상기 제 1 크랭크 핀상에 회전 가능하게 장착되는 제 2 크랭크와, 상기 제 2 크랭크 핀상에 회전 가능하게 장착되는 커넥팅 로드, 및 상기 샤프트의 회전시 제 2 크랭크를 제 1 크랭크에 대해 회전시키는 회전 수단을 포함한다.
특정 사용에 있어서, 중요한 이점은 상기 제 1 크랭크에 대한 제 2 크랭크의 회전을 결정하는 회전 수단을 포함하는 추가의 크랭크에 의해 얻어질 수 있다.
상기 2-행정 엔진의 경우, 예를 들어, 만약 상기 회전 수단이, 반대 방향일 경우에도 제 2 크랭크가 제 1 크랭크와 동일 속도로 회전하고, 상기 제 1 방사상 거리가 제 2 방사상 거리와 동일하도록, 배치될 경우 장점을 갖는다.
상기와 같은 크랭크-커넥팅 로드 기구를 사용함으로써, 상기 커넥팅 로드는 상하를 직선으로 이동하게 되며, 반대 방향으로 회전하는 2개의 크랭크 핀은 상기 커넥팅 로드와 수직 방향으로 서로 다른 운동을 상쇄시키고, 이 때, 커넥팅 로드 방향으로의 운동을 강화한다. 따라서, 상기 커넥팅 로드는 선형 베어링을 갖는다. 이와 같은 구성은 몇 가지 장점을 제공한다. 첫째로, 상기 커넥팅 로드가 상하로 직선 운동하므로, 상기 피스톤과 실린더 벽 사이에는 거의 횡력(transverse force){소위, 가이드웨이력(guideway force)이라 함}이 발생하지 않는다. 따라서, 피스톤의 정지나 또는 피스톤 벽과 실린더 벽 사이의 마찰에 따른 위험이 감소된다. 또한, 피스톤 스프링을 사용하기 보다는 강제 밀봉으로 상기 피스톤과 실린더 사이를 밀봉시킴으로써, 윤활에 대한 필요성을 감소시킨다. 또한, 상기 기구는 각각의 개별 실린더에 대해 완전 균형을 이룸으로써, 1 기통 엔진과 같은 저진동 작동이 가능해진다. 그와 같은 구조는 단순한 흡입막의 사용을 가능하게 하며, 흡입 및 충전이 강화됨에 따라, (막과 피스톤 하부 사이의) 소위 "오용적(false volume)"이 최소화될 수 있다. 또한, 가로 방향으로 외향 이동하지 않는 커넥팅 로드는 피스톤의 긴 행정을 가능하게 하며, 여기서 포트 설계는 최적화 될 수 있다. 압축/팽창 비가 결정될 수 있게 됨으로써, 흡입량은 커넥팅 로드 직경의 적합한 설정에 의해 영향을 받을 수 있다. 마지막으로, 상기와 같은 구조는 대치된 실린더 배치의 경우 매우 장점을 가지며, 이 때, 피스톤은 동일한 커넥팅 로드의 양 측부상에 장착될 수 있다.
본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구가 제공하는 또 다른 가능성은 압축비의 조정성에 있으며, 특히 4-행정 엔진의 경우 중요한 요인이 된다. 그와 같은 조정성은 상사점에서 제 1 크랭크에 대해 제 2 크랭크를 회전시킴으로써 성취될 수 있고, 제 2 크랭크 핀의 직선 상하 운동을 약간의 경사 운동으로 변화시킬 수 있게 한다. 따라서, 하사점 및 상사점의 위치 변화가 발생된다. 상기 상사점은, 최종 압축 압력이 낮은 흡입 압력에도 불구하고 적절한 수준에 도달할 수 있으므로, 운전중인 내연기관의 하부 부분 부하 범위에서 사용될 수 있다. 대기 흡입 이하의 중간부 부분 부하 범위에 있어서, 상기 상사점은 정상 압축비에 도달할 때 까지 감소된다.
서로에 대한 크랭크 핀의 조정은 상기 회전 수단이 적어도 2개의 부분으로 구성될 때 용이하게 성취될 수 있으며, 이 경우, 제 1 부분은 제 2 샤프트상에 회전 가능하게 장착되고 제 2 크랭크에 고정 연결되며, 제 2 부분은 상기 제 1 부분과 결합되고 크랭크 케이스에 대해 조정 가능하게 된다. 실질적인 실시예에 있어서, 상기 제 1 부분은 기어이고, 제 2 부분은 상기 제 1 기어가 맞물리는 내부 링 기어이다. 이 경우, 상기 링 기어는 제 2 크랭크 핀의 운동을 조정하도록 상기 크랭크-커넥팅 로드 기구가 작동하는 동안 다른 부하 범위로의 전환에 따른 각의 통해 조정될 수 있다.
크랭크-커넥팅 로드 기구의 사용은 4-행정 엔진에 있어서 유용하며, 그것은 팽창 행정과 압축 행정 사이의 다른 길이 비를 성취하기 위해 사용될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 반대 방향이기는 하지만 제 2 크랭크가 제 1 크랭크 속도의 반으로 회전하도록, 상기 회전 수단을 배치시킬 수 있으며, 여기서 적합하게는 연소 행정의 최상 포인트에서 상기 제 1 크랭크는 0°로 위치하며, 상기 제 2 크랭크는 실제로 90°로 위치되며, 따라서, 상기 제 1 및 제 2 행정은 모두 팽창 행정의 말미에서 실제로 180°로 위치된다. 완전 회전 사이클은 그 경우 제 1 크랭크의 2 회전을 포함하며, 상기 팽창 행정과 압축 행정 사이의 비는 상기 제 1 및 제 2 방사상 거리를 선정함으로써 결정될 수 있다.
상기와 같은 실시예는 다음과 같은 복수의 중요한 장점을 갖는다:
- 첫째로, 상기 방식에서는 팽창 에너지의 사용을 최대화하고 배기 밸브의 개구시 압력을 최소화하도록 긴 팽창 행정을 성취할 수 있다. 이와 같은 상대적으로 큰 팽창비를 통해 이론적 효율의 증가를 초래한다.
- 상기 실시예에 있어서는 또한, 상기 커넥팅 로드는 가이드웨이력이 크게 감소됨으로써 일반적인 경우 보다는 팽창 행정시 많은 직선 운동을 한다. 따라서, 마찰 손실이 감소되며, 기계적 효율을 강화한다.
- 조정 가능한 피스톤의 상사점과 결합하는 고압 터빈/압축기(3.5 바아 이하)를 사용할 수 있으므로, 과급을 필요로 하지 않는 종래 엔진의 약 30%의 피스톤 배기량으로 동일한 엔진 동력이 성취될 수 있다. 결과적으로, 엔진의 부분 부하 작업중 펌핑 손실이 훨씬 작아지며, 그 결과 부분 부하 작업시 기계적 효율은 현저하게 강화된다. 한 실시예에 있어서, 상기 피스톤 행정은 조정 가능하며, 낮은 압축비는 높은 부스트 압력이 사용될 때 선정될 수 있으며, 적합한 가스 교환이 발생할 수 있으며, 이 때, 상기 압축비는 증가될 수 있으며, 증가된 가스 잔여분은 낮은 부스트 압력이 사용될 때 재순환 될 수 있다.
- 상기 피스톤은 압축 행정의 말미에서 저속으로 이동하며, 그 결과 낮은 조기 점화가 요구된다. 또한, 상기 피스톤의 조정 가능한 상사점 위치로 인해 최종 압축 압력이 높은 상태로 남게 되므로, 부분 부하시 낮은 조기 점화가 요구된다.
- 고압 터빈/압축기를 사용할 때, 비교적 작은 엔진을 사용할 수 있으므로, 상기 엔진의 중량은 엔진 부품의 수가 증가함에도 불구하고 현존 엔진과 동일한 상태를 유지할 수 있다.
상술된 장점들에 근거하여, 부분 부하시 약 50 - 70%의 효율 강화가 가능해지며, 또한, 30 - 50%의 전체 효율 강화가 평균 구동 스타일로 실현될 수 있다.
본 발명은 이하에서 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 실시예를 도시하는 도면을 참고로 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 제 1 실시예의 복수의 부품을 종단면으로 도시한 분해 사시도.
도 2는 도 1의 부품들에 대한 종단면도.
도 3은 도 1 및 도 2의 원리에 크랭크-커넥팅 로드 기구의 분해 사시도.
도 4는 크랭크 샤프트가 1 회전하는 동안 그의 9개의 위치를 설명하는 도 3의 크랭크-커넥팅 로드 기구의 측면도.
도 5는 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 제 1 실시예의 변형을 나타내는 분해 조립도.
도 6은 도 5의 크랭크-커넥팅 로드 기구를 부분 절단한 사시도.
도 7은 도 6의 크랭크-커넥팅 로드 기구를 포함하는 2-행정 피스톤 엔진을 절단한 사시도.
도 8은 크랭크 샤프트가 2 회전하는 동안 그의 9개의 위치를 설명하는 4-행정 엔진에 대한 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 다른 실시예를 도 4와 비교하여 설명하는 도면.
도 9는 약간 회전된 링 기어를 갖는 4개의 다른 위치에 있어서 도 5의 크랭크-커넥팅 로드 기구를 도시한 도면.
도 10은 도 8 및 도 9의 크랭크-커넥팅 로드 기구의 실질적인 실시예의 분해 조립도.
도 11은 도 10의 크랭크-커넥팅 로드 기구의 제 2 크랭크를 갖는 커넥팅 로드의 확대 부분 절단된 사시도.
도 12는 V 형상이나 또는 평면 대치 관계로 배치된 실린더를 포함하는 다중 실린더 엔진에서 사용하기 위한 도 10의 크랭크-커넥팅 로드 기구의 변형을 도시한 사시도.
도 13은 4 기통 4 행정 인-라인(in-line) 엔진에서 사용되는 바와 같은 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 다른 변형을 도시하는 개략 종단면도.
도 14는 도 13의 탈착된 크랭크-커넥팅 로드 기구의 사시도.
도 15는 도 13 및 도 14의 크랭크-커넥팅 로드 기구의 크랭크 샤프트의 분해 조립도.
도 1 및 도 2는 매우 개략적인 형태의 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 원리를 도시한다. 상기 기구는 베어링(도시되지 않음)에 회전 가능하게 장착되는 샤프트(1)를 포함하며, 여기서 샤프트는 그의 축에 대해 회전할 수 있다. 제 1 크랭크(2)는 본 실시예에 있어서 동심적 디스크 형태로 상기 샤프트(1)상에 형성되며, 샤프트(1)와 평행하게 연장하나 제 1 크랭크(2)의 다른 측부로부터 돌출하는 제 1 크랭크 핀(3)을 편심적으로 지지한다. 상기 제 1 크랭크 핀(3)의 축은 샤프트(1)의 축으로부터 방사상 거리(R1)에 위치한다.
제 2 크랭크(4)는 베어링(도시되지 않음)에 의해 제 1 크랭크 핀(3)상에 회전 가능하게 장착되며, 여기서 상기 제 1 크랭크 핀(3) 둘레에 결합되는 제 2 크랭크(4)의 홀(5)은 제 2 크랭크(4)에 대해 편심적으로 위치된다. 제 2 크랭크 핀(6)은 제 2 크랭크(4)상에 형성되며, 상기 크랭크 핀(6)은 제 2 크랭크와 동심을 가지므로 본 도면상에는 시각적으로 노출시키지 않았다. 사실, 커넥팅 로드(12)의 베어링(11)은 제 2 크랭크(4)를 둘러싸며, 따라서 제 2 크랭크(4)의 축은 상기 제 2 크랭크 핀(6)의 축으로서 기능하게 될 것이다. 제 2 크랭크 핀(6)의 축은 제 1 크랭크 핀(3)의 축으로부터 거리(R2)를 두고 배치된다.
본 발명에 따르면, 제 2 크랭크(4)는 제어 방식으로 제 1 크랭크 핀(3)에 대해 회전해야만 하고, 그로 인해, 본 실시예에 있어서는 회전 수단(7)은 제 2 크랭크(4)에 고정된 기어(8) 및 상기 크랭크-커넥팅 로드 기구의 크랭크 케이스에 회전 가능하게 연결되거나 또는 연결되지 않는 링 기어(9)와 함께 제공된다. 상술된 실시예에 있어서, 기어(8)는 콤팩트한 구조를 성취하기 위해 제 1 크랭크(2)와 제 2 크랭크(4) 사이의 제 1 크랭크 핀(3)상에 베어링 장착된다. 기어(8)는 상기 기구의 균형을 잡는 역할을 하는 평형추(10)와 함께 조립된다.
기어(8)와 링 기어(9) 사이의 결합과 제 1 크랭크 핀(3)상에 기어(8)가 존재함으로써, 기어(8)는 샤프트(1)의 회전하에 링 기어(9) 위로 회전되어 제 1 크랭크 핀(3)의 회전 운동이 초래되며, 따라서, 기어는 샤프트(1)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전되며, 그 결과 한 편으로 기어(8)에 연결된 제 2 크랭크(4)는 제 1 크랭크 핀(3)의 운동에 따르며, 또한 반대 방향의 운동을 형성한다. 상기 제 2 크랭크 핀(6) 또는 그 위에 베어링 장착된 커넥팅 로드(12)의 다양한 운동은 기어(8)의 반경(R3) 및 방사상 거리(R1 및 R2)와, 상기 제 1 크랭크 핀(3)에 대한 제 2 크랭크 핀(6)의 초기 각 위치를 적절히 선정함으로써 달성될 수 있다.
상술된 실시예에 있어서, R1=R2=R3가 적용된다. 이것은 제 1 크랭크 핀(3)상의 제 2 크랭크(4)가 비록 반대 방향일지라도 샤프트(1)와 같은 속도로 회전하는 것을 의미하며, 반면, 상술된 위치에 있어서 상기 제 1 크랭크 핀(3)의 모든 수평 운동은 상기 제 2 크랭크 핀(6)의 반대 방향의 수평 운동에 의해 상쇄되며, 그 결과, 실제 제 2 크랭크 핀(6)은 회전 운동을 발생시키나, 그로 인해 상하로 수직 운동한다.
도 3 및 도 4는 상기와 같은 크랭크-커넥팅 로드 기구를 포함하는 본 실시예의 내연 기관 엔진인 1 기통 엔진의 실질적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 복수의 부품은 한 쌍의 부품으로 사용되는데, 본 실시예에 있어서 제 2 크랭크(4)의 양 측부상에 사용된다. 상기 도면들은 상기 크랭크 샤프트가 연속될 수 있고 분할될 필요가 없게 되므로 제 2 크랭크 핀(6)으로서 제 2 크랭크(4)를 사용한다는 큰 장점을 나타내며, 또한 매우 콤팩트한 구조를 성취할 수 있게 된다. 오직 커넥팅 로드(12)의 베어링(11)만이 상대적으로 큰 직경을 갖는다.
도 4의 a-i는 크랭크-커넥팅 로드 기구의 작동을 나타내며, 여기서, 평형추(10)를 포함하는 기어는 제 1 크랭크(2)와 같은 회전 속도로 반대 방향으로 회전하며, 동일한 방사상 거리(R1 및 R2)를 사용함으로써, 2＊(R1+R2)와 같은 행정으로 정확한 수직 운동을 하는 것을 명확히 알 수 있다. 그에 대하여는 이미 그와 같은 장점에 대해서 설명한 도입부, 특히 2 행정 엔진의 경우에 있어서 설명한 바 있다.
커넥팅 로드(12)의 수직 운동은 또한 기어(8) 및 링 기어(9) 이외의 회전 수단으로 달성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 커넥팅 로드가 가로 또는 수평 방향으로 이동되는 것을 방지하는 가이드로서 커넥팅 로드(12) 또는 베어링(11)를 조립할 수도 있게 된다. 이와 같은 방식에 있어서, 상기 제 2 크랭크(4)는 커넥팅 로드(12) 자체에 의해 수직로 안으로 강제 유입되고, 제 1 크랭크 핀(3)에 대해 고정된 상태로 회전된다. 또한, 물론 다른 회전 수단도 가능하다.
도 5-7은 선행 도면에 개략적으로 도시된 바와 같은 크랭크-커넥팅 로드 기구의 실시예를 더욱 실용적으로 도시한 도면으로서, 여기서 주변 내연 엔진의 부품이 또한 도시되어 있다. 상기 크랭크-커넥팅 로드 기구는 커넥팅 로드(12)의 양 측부상에서 거울-대칭을 갖는다. 상기 도면들에 있어서, 제 1 샤프트(1)는 구분될 수 있으며, 상기 샤프트는 베어링(15)(도 6,7), 예를 들어, 볼 베어링에 장착된 샤프트이다. 2개의 크랭크 샤프트 반부들을 하나의 크랭크 샤프트로 조립하도록, 상호 조립되는 부품 형상으로 상기 2개의 크랭크 샤프트 반부들의 제 1 크랭크 핀부(6', 6'')를 수용하기 위해 기능하는, 베어링(17)을 하우징하는 베어링 리세스가 제 1 샤프트(1)에 대해 제 1 크랭크(2)에 편심 위치된다.
상기 크랭크 샤프트는 제 1 크랭크 핀(2)의 제 1 평형추(18)와 제 2 크랭크(4)의 제 2 평형추(19)로 조립된다. 여러 도면들에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 크랭크 핀(3)을 위한 회전 수단을 형성하고 링 기어(9)와 맞물리는 기어(8)는 축 방향에서 볼 때 제 1 평형추(18)의 외부에 배치된다. 상기 제 1 크랭크 핀(3)을 위한 베어링은, 상기 제 1 크랭크 핀(3)상의 굽힘 변형도가 낮은 상태로 남게된 결과, 제 2 크랭크(4)에 매우 근접 위치된다. 그로 인해, 제 1 크랭크 핀(3)은 베어링(17)으로부터 이격되어 있는 기어(8)의 측부상에서 제 2 베어링(20)으로 지지된다. 상기 크랭크 샤프트는 그의 큰 직경으로 인해 큰 굽힘 강도를 나타내며, 반면, 크랭크 샤프트 베어링(15)은 가능한 한 커넥팅 로드(12)와 근접하게 배치된다.
상기 도면들은 또한 링 기어(9)가 연장된 장착 홀(21)과 함께 제공되며, 링 기어(9)의 내부 이(tooth)의 중심 축에 대해 동심적으로 연장하며, 링 기어(9)를 회전 가능하게 장착하기 위해 사용될 수 있음을 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연소 엔진의 크랭크 케이스 커버(22)는, 링 기어(9)용 체결 스크류(도시되지 않음)가 링 기어(9)를 조정 및 고정시킬 목적으로 체결 및 풀림으로써, 인접 조정 홀(23)과 함께 제공된다. 따라서, 상기 크랭크-커넥팅 로드 기구의 가장 신뢰할 수 있는 운동, 즉, 피스톤(13)의 커넥팅 로드(12)의 가장 직선적인 운동을 얻기 위해, 링 기어(9)의 재 조정을 성취할 수 있게 된다.
도 7은 또한 크랭크 케이스 커버(22)에 있는 크랭크 샤프트(1)의 베어링(15) 장착에 대해 도시하고 있다. 도 7은 또한 피스톤(13)에 대한 연소 엔진 및 그와 공동 작동되는 부품들의 구성에 대해 도시한다.
피스톤(13)은 출구 포트(도시되지 않음) 및 소기 포트(25)와 함께 제공되는 실린더(24)에서 상하로 운동한다. 상기 도면은 또한 결합된 입구 및 가이드 하우징(26)을 도시한다. 상기 하우징(26)은 커넥팅 로드(12)를 안내하기 위한 내부 가 이드(26')와 함께 제공된다. 상기 가이드(26')는 또한 피스톤(13) 아래의 실린더(24)에 있는 공간을 밀봉시키며, 그 결과, 소기 압력이 상기 공간에 형성될 수 있다. 따라서, 하우징(25)은, 소기 공간의 오용적이 최소화된 결과, 피스톤 스커트가 피스톤(13)의 하사점에 있는 하우징을 밀접하게 둘러쌈으로써 최적의 소기 효과를 얻을 수 있는 형상을 갖는다.
또한, 입구 및 안내 하우징(26)의 외부상에 장착된 입구측 박막(27)의 위치는 오용적을 최소화하는 방향으로 기여한다. 공기 및 연료의 공급은, 채널이 박막(27)에 의해 개방 및 폐쇄될 입구와 연통 상태로 있는, 하우징(26)의 채널(29)에 연결되는 입구 채널(28)로부터 발생한다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 다른 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 반드시 동일한 부품은 도 1-4에 따른 제 1 실시예와 같이 사용하였으나, 부품들의 상대적인 크기와 위치는 다르다. 예를 들어, 본 실시예에 있어서, 기어(8)의 직경(R3)은 제 2 크랭크(4)의 회전 속도가 제 1 크랭크(2)의 회전 속도의 1/2이 됨에 따라 제 1 크랭크 핀(3)의 방사상 거리(R1)의 2배가 되며, 반면 회전 방향은 그와 반대가 된다. 그 결과 제 1 실시예의 경우와 비교하여 제 2 크랭크 핀(6)의 완전히 다른 운동이 초래된다. 먼저, 상기 제 1 크랭크 핀(3)의 수평 운동은 더 이상 상쇄되지 않으며, 그 결과 커넥팅 로드(12)는 더 이상 수직으로 왕복 운동하지 않으며, 따라서 종래의 커넥팅 로드(12)를 사용할 수 있게 된다. 또한, 예를 들어 도 8a에 있어서, 제 1 크랭크 핀(3)이 그의 최상 위치를 점유할 때 제 2 크팽크 핀(6)은 그의 최상 위치를 점유하지 않고 중간 위치를 점유하며, 그 결과, 상기 크랭크 핀은 상기 최상 위치에서 서로에 대해 90° 각도로 오프셋 되는 것을 알 수 있다. 이 경우, 제 2 크랭크 핀(6)의 제 2 방사상 거리(R2)는 (더 이상 수평 방향의 상쇄를 제공할 필요가 없게 된다는 사실로 인해) 제 1 방사상 거리(R1)와 다르게 되며, 피스톤(13)의 2개의 연속 행정의 상대적 크기를 결정하는 것이 가능해진다. 제 2 크랭크(4)가 1/2 속도로 이동하므로, 제 2 크랭크는 크랭크(20)가 완전히 회전되는 동안 오직 반 회전되며, 따라서 상기 크랭크-커넥팅 로드 기구의 완전 사이클은 제 1 크랭크(2)의 2회전 후에야 완료된다. 상술된 실시예에 있어서, 피스톤(13)의 제 1 및 제 2 행정(팽창 및 배기 행정)은 2×R1+R2와 같게 되며{도 8a 및 8c, 또는 8c 및 8e에 도시된 위치들 사이의 피스톤(13)의 행정}, 반면, 상기 제 3 및 제 4 행정은 2×R1-R2와 같게 된다{도 8e 및 8g, 또는 8g 및 8i에 따른 위치들 사이의 피스톤(13)의 행정}.
이미 상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구의 실시예는 압축 행정과 팽창 행정이 서로 다른 4-행정 엔진을 구성할 수 있게 하며, 더욱 양호한 팽창력을 사용하기 위해 수행된다.
도 9는 도 8과 동일한 구조를 도시하고 있으나, 이 경우, 링 기어(9)는 도 8에 도시된 대칭 위치와 비교하여 일정 각도(이 경우, 11°)로 시계 방향으로 회전되며, 각 변위는 링 기어(9)상의 포인트(14) 위치로부터 인식될 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 크랭크 핀(6)은 제 1 크랭크 핀(3)이 최상 위치를 점유할 때 그의 중간 위치를 점유하지 않으며(도 9a), 상기 도 9a에 도시된 위치에서 극단의 압축 위치가 설명되고, 상기 피스톤(13)의 위치는 압출 말미가 낮아진 결과 도 8a에 따른 위치보다 낮아진다. 따라서, 링 기어(9)의 회전은 전부하에서 하부 단부 압축을 위해 선택되거나 또는 충전 압력이 사용될 때 사용될 수 있다(또는, 다른 방향의 회전을 할 경우, 부분 부하 상태에서 최고의 단부 압축을 위해 선택될 때 사용될 수 있다). 상기 배기 행정의 말미에서 상사점의 위치(도 9c)는, 압축 행정의 말미에서 상사점의 위치가 낮아지는 값과 동일한 값에 의해, 도 8e에 도시된 위치와 비교하여 상승되었다. 또한, 상기 팽창 행정과 흡입 행정의 말미에서 하사점의 위치는 다르게 될 것이나, 하사점에서의 제 2 크랭크 핀(6)이 거의 수직으로 위치된 결과, 상기 위치에 대한 제 2 크랭크 핀(6)의 각 변위는 하사점의 위치에 크게 영향을 미치지는 않는다.
연소 엔진의 작동되는 동안 링 기어(9)의 회전은 엔진 특성의 조정에 명백한 영향을 미칠 수 있으며, 그 결과, 링 기어(9)의 회전에 대한 전자 제어는 그 순간의 특정 부하 상태에 근거한 연소 엔진의 최적의 작동을 가능하게 한다.
도 10 및 도 11은 도 8 및 도 9의 크랭크-커넥팅 로드 기구의 실질적인 실시예를 도시한다. 본 실시예에 있어서, 상기 링 기어(9)가 중심적으로 배치되고 상기 제 1 및 제 2 크랭크 핀(3,6)이 축 방향에서 보아 링 기어(9) 내에 위치된다는 관점에서, 매우 콤팩트한 구조가 성취될 수 있다. 커넥팅 로드(12)의 큰 단부의 베어링은 제 2 크랭크(4)의 편심부(6)를 둘러싸며, 따라서 제 2 크랭크 핀(6)을 형성한다. 제 2 크랭크(4)는 제 2 크랭크 핀(6)의 양 측부상에, 그리고 연속해서 커넥팅 로드(12)의 양 측부상에 제공되며, 그의 기어(8)는 링 기어(9)의 각각의 내부 이(9')와 맞물린다. 링 기어(9)는 커넥팅 로드(12)를 위한 통로(30)와 함께 그의 이(teeth)들 사이에 제공된다. 제 2 평형추(10)는 제 2 크랭크(4)에 일체화 된다. 상기 제 1 크랭크 핀(3)의 중앙 축 둘레에 형성된 정면 홈(31)은 제 2 크랭크(4)의 외부를 위한 수용부를 제공하며, 따라서, 최소화된 치수를 제공할 수 있다.
도 12는 V 형상이나 또는 평면 대치 관계로 배치된 실린더를 포함하는 다중 실린더 엔진에서 사용하기 위한 크랭크-커넥팅 로드 기구의 변형의 또 다른 실질적인 실시예를 도시하고 있습니다. 본 실시예에 있어서, 기어(8)는 2개의 커넥팅 로드(12)의 2개의 제 2 크랭크(4) 사이에 배치되며, 링 기어(9)도 마찬가지로 상기 2개의 커넥팅 로드(12) 사이에 배치된다. 이와 같은 방식에 있어서, 매우 콤팩트한 구조가 실현된다.
도 13-15는 4 기통, 4 행정 인-라인(in-line) 엔진에서 사용되는 바와 같은 다른 변형을 도시하고 있다. 상기 도면들에 도시된 바와 같이, 상기 2개의 제 2 크랭크(4)를 위한 회전 수단(7)은 서로에 대해 180° 각도로 오프셋 되는 2개의 인접한 크랭크(4) 사이에 장착된다. 각각의 제 2 크랭크(4)는 그들 사이에 어떠한 공간 손실도 갖는 일 없이 그 위에 직접 장착되는 기어(8)를 갖는다. 링 기어(9)는 기어(8)를 둘러싼다. 본 실시예에 있어서 크랭크에 회전 가능하게 수용되는 중간 링(31)이 상기 인접 링 기어들(9) 사이에 위치한다. 상기 중간 링은 볼트(도시되지 않음)에 의해 2개의 인접 링 기어(9)에 고정된다. 크랭크 샤프트의 개별부(33)를 회전 가능하게 지지하도록 기능하는 베어링(32)은 상기 중간 링(31) 안에 위치한다. 상기 크랭크 샤프트부(33)는 또한 평형추(34)를 포함하며, 또한 기어(8)를 밀접하게 둘러쌈으로써, 따라서 어떠한 추가의 축상 공간도 필요로 하지 않는다.
상기 연소 엔진이 작동하는 동안 회전 수단(7)을 조정할 목적으로, 중간 링(31)은 제어 핀(35)과 함께 제공되며, 부시(36)에 미끄럼 결합하며, 상기 부시는 2개의 조정 핀(35)을 위해 함께 사용되는 제어 밸브(37)에 회전 가능하게 수용된다. 제어 밸브(37)는 예를 들어 스핀들 너트(38)로 조립될 수 있으며, 상기 스핀들 너트는 예를 들어 스테핑 모터에 의해 회전 가능하게 구동될 수 있는 스핀들과 함께 작동됨으로써, 중간 링(31)을 회전시키도록 제어 밸브(37)를 정확하게 이동시킬 수 있으며, 따라서 상기 링 기어(9)는 피스톤(13) 행정의 압축 말미 포인트와 팽창 말미 포인트를 조정하게 된다.
상술된 크랭크 샤프트와 회전 수단(7)의 구조로 인해, 종래의 4 행정 엔진의 피스톤들 사이의 동일한 중심-대-중심 거리를 사용할 수 있게 되었으며 오직 크랭크 케이스만이 크랭크 샤프트의 새로운 구조에 적응될 필요가 있으므로, 표준 실린더 블록을 사용할 수 있게 되었다.
이상으로, 본 발명은 어떠한 복잡한 측정을 필요로 하지 않고도 피스톤 엔진 또는 다른 기계의 작동을 최적화 하기 위한 새로운 가능성을 포함하는 크랭크-커넥팅 로드 기구를 제공한다는 사실을 분명히 알 수 있게 되었다.
본 발명은 도면에 도시된 바와 같은 상술된 실시예에 한정되지 아니하고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 변경될 수 있다. 따라서, 본 발명은, 직선 운동이 회전 운동으로 변환되거나 또는 그 반대로 되는, 압축기 또는 다른 기계와 같은 크랭크 기구와 함께 사용할 수 있게 된다. 피스톤 엔진의 경우에 있어서, 본 발명은 또한 다양한 배치의 다중 실린더 엔진에 관한 것이다.

Claims (20)

  1. 내연기관 등에 대한 크랭크-커넥팅 로드 기구에 있어서,
    축 주위로 회전하는 샤프트와;
    상기 샤프트에 고정된 제 1 크랭크와;
    상기 샤프트로부터 제 1 방사상 거리에서 상기 샤프트와 평행하게 연장하는, 상기 제 1 크랭크에 고정되는 크랭크 핀과;
    상기 제 1 크랭크 핀의 축으로부터 제 2 방사상 거리상에 축을 갖는 제 2 크랭크 핀에 고정되며, 상기 제 1 크랭크 핀상에 회전 가능하게 장착되는 제 2 크랭크와;
    상기 제 2 크랭크 핀상에 회전 가능하게 장착되는 커넥팅 로드; 및
    상기 샤프트의 회전시 제 2 크랭크를 제 1 크랭크에 대해 회전시키는 회전 수단을 포함하며,
    상기 회전 수단은 반대 방향일 경우에도 상기 제 2 크랭크가 제 1 크랭크의 1/2 속도로 회전하도록 배치되며,
    상기 제 1 및 제 2 크랭크는, 연소 행정의 최상부 포인트에서, 상기 제 1 크랭크가 0°로 위치하며, 상기 제 2 크랭크가 거의 90°로 위치되며, 적합하게는 상기 제 1 및 제 2 크랭크가 모두 팽창 행정의 종료시에 거의 180°로 위치되도록, 상대 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 방사상 거리는 상기 제 2 방사상 거리와 같거나 또는 다른 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 수단은 적어도 2개의 부분으로 구성되며, 그의 제 1 부분은 제 2 샤프트상에 회전 가능하게 장착되고 상기 제 2 크랭크에 고정 연결되며, 제 2 부분은 상기 제 1 부분과 결합되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 부분은 기어이고, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분의 기어가 맞물리는 내부 링 기어이며, 1 기통 엔진용 크랭크-커넥팅 로드 기구의 경우, 상기 링 기어는 적합하게는 상기 커넥팅 로드의 양 측부상으로 연장하여 중앙에 배치되며, V-엔진과 같은 다 기통 엔진의 경우, 상기 링 기어는 엇갈려 배치된 제 2 크랭크들 사이에 배치되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  5. 제 4 항에 있어서, 4 기통 인-라인 엔진 또는 8 기통 V-엔진에 사용하는 경우, 각각의 제 1 기어가 관련된 제 2 크랭크와 커넥팅 로드에 직접 인접 배치되고, 반면, 관련된 크랭크 샤프트 베어링이 엇갈려 배치된 제 2 크랭크들의 2개의 기어들 사이에 배치되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  6. 제 5 항에 있어서, 2개의 인접 링 기어는 중간 링상에 장착되어, 한편으로는 상기 샤프트 베어링을 지지하는 기능을 하며, 다른 한편으로는 작동시 환형 링 기어를 회전시키기 위한 요소로서 기능할 수 있는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 링 기어는 크랭크-커넥팅 로드 기구의 작동시 대체로 고정 위치에서 유지되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 링 기어는 각을 통해 조정되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 링 기어는 작동시 엔진의 부하 상태에 기초하여 스테핑 모터 등에 의해 회전될 수 있는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 크랭크는 평형추와 함께 제공되며, 상기 기어는 상기 평형추의 외부에 장착되며, 적합하게도 베어링이 제 1 크랭크 핀을 지지하기 위해 상기 기어의 내부에 장착되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 크랭크 자체는 제 2 크랭크 핀의 형상을 가지며, 상기 제 2 크랭크의 중앙 축은 제 2 크랭크 핀의 축을 형성하며, 상기 커넥팅 로드는 제 2 크랭크 둘레에 베어링 장착되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  12. 제 4 항에 있어서, 상기 기어는 평형추 형상으로 디스크상에 장착되는 크랭크-커넥팅 로드 기구.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구로 조립된 피스톤 엔진.
  14. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 크랭크-커넥팅 로드 기구로 조립된 피스톤 엔진에서,
    링 기어를 외부로부터 조정 또는 고정시키기 위한 조정 홀이 제공되는 크랭크 케이스를 포함하는 피스톤 엔진.
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