KR101199084B1

KR101199084B1 - 자동차용 엔진

Info

Publication number: KR101199084B1
Application number: KR1020060098419A
Authority: KR
Inventors: 박흥근
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2012-11-07
Also published as: KR20080032497A

Abstract

본 발명은, 자동차용 엔진에 관한 것으로서, 피스톤이 왕복 운동되는 실린더 보어가 형성되며, 블록 구배면이 형성된 실린더 블록과; 상기 실린더 블록의 하측에 마련되며, 프레임 구배면이 형성된 래더 프레임과; 상기 래더 프레임과 상기 실린더 블록 사이에 크랭크 저널을 지지하는 메인 베어링이 마련되며, 상기 블록 구배면과 상기 프레임 구배면을 따라 슬라이딩되는 메인 베어링 지지부재와; 상기 실린더 보어의 센터와 상기 크랭크축의 센터가 옵셋(offset)되도록 상기 메인 베어링 지지부재를 상기 블록 구배면 및 상기 프레임 구배면을 따라 이동시키는 옵셋 조정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여, 크랭크축의 센터와 실린더 보어의 센터가 옵셋될 때 크랭크축이 구배를 가지고 이동하도록 마련하여, 연소실의 체적 및 최대 압축비에 변화가 발생하는 것을 방지하여 엔진 효율을 극대화할 수 있다.

Description

자동차용 엔진{ENGINE FOR VEHICLE}

도 1은 종래의 자동차용 엔진에서 실린더 보어 센터와 크랭크축 센터가 옵셋되는 원리를 설명하기 위한 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 자동차용 엔진에서 실린더 보어 센터와 크랭크축 센터가 옵셋되는 원리를 설명하기 위한 정면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 자동차용 엔진에서 실린더 보어 센터와 크랭크축 센터가 옵셋되는 원리를 설명하기 위한 평면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

5 : 피스톤 10 : 실린더 블록

11 : 실린더 보어 12 : 블록 구배면

15 : 래더 프레임 16 : 프레임 구배면

20 : 크랭크 21 : 풀리축

22 : 출력축 23 : 크랭크 축

24 : 크랭크 저널 30 : 메인 베어링 지지부재

31 : 메인 베어링 40 : 제1 올드햄

41, 42 : 제1 올드햄의 외측부재 50 : 제2 올드햄

51, 52 : 제2 올드햄의 외측부재 60 : 옵셋 조정부

본 발명은, 자동차용 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 크랭크축 옵셋에 따른 체적 및 최대 압축비의 변화를 방지하여 엔진 효율을 극대화할 수 있는 자동차용 엔진에 관한 것이다.

연료비 상승과 배기가스 규제 강화로 인해 저연비, 저에미션과 관련한 기술 개발의 요구가 날로 증대되고 있다. 특히, 엔진의 마찰 손실을 줄이면, 엔진의 열효율이 높아져서 차량이 동일한 연료로 주행할 수 있는 거리가 증가하고, 동일한 일을 하기 위해서 투입되는 연료의 양도 줄어 대기 오염을 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 그러미로, 엔진의 마찰 손실을 저감하는 일은 저연비, 저에미션 차량 개발을 위해 아주 중요하다. 한편, 피스톤에서 발생하는 마찰 손실을 엔진 전체 마찰 손실의 상당 부분을 차지하므로 피스톤의 마찰 저감은 엔진 효율 향상에 크게 기여한다.

일반적으로, 피스톤의 마찰을 줄이는 한 방법으로 크랭크 축을 옵셋(offset)시키는 기법이 적용되고 있다. 이 기법은 실린더 보어의 센터와 크랭크 축의 센터가 일치하지 않게(편심되게)하여, 실린더 내 연소압이 최대가 될 때 커넥팅로드의 작용각을 작게하여 피스톤 측력을 작게하는 기법이다.

이 방식은 압축 행정에서는 측력이 증가하나, 흡기와 팽창 팽정에서의 측력 감소분이 더 커서 전체적으로 마찰이 저감되는 효과를 볼 수 있다.

즉, 크랭크축 옵셋원리가 적용된 종래의 자동차용 엔진은, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 피스톤(105)이 왕복 운동 가능하도록 실린더 보어(111)가 형성된 실린더 블록(110)과; 실린더 블록(110)의 하측에 마련되어 크랭크축(123)을 회전 가능하도록 지지하며, 실린더 블록(110)에 볼트(103)로 결합되는 메인 베어링(131)과; 일단이 피스톤 핀(106)과 결합되고 타단이 크랭크축(123)과 결합되어 피스톤(105)과 크랭크축(123)을 연결하는 커넥팅 로드(102)를 포함하여 구성된다.

이 때, 크랭크축(123)의 센터(Q')를 실린더 보어(111)의 센터(P')에 대해 옵셋시키면, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 크랭크축(123)의 센터(Q')와 실린더 보어(11)의 센터(P')가 편향되게 이동된다.

그런데, 이러한 종래의 자동차용 엔진에 있어서는, 크랭크축(123)의 센터(Q')와 실린더 보어(11)의 센터(P')가 옵셋될 때 크랭크축(123)이 평행 이동을 하기 때문에, 연소실(11a)의 체적이 ΔX 만큼 변화되어 그 결과 최대 압축비에 변화가 발생하여 엔진 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 크랭크축의 센터와 실린더 보어의 센터가 옵셋될 때 크랭크축이 구배를 가지고 이동하도록 마련하여, 연소실의 체적 및 최대 압축비에 변화가 발생하는 것을 방지하여 엔진 효율을 극대화할 수 있는 자동차용 엔진을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 자동차용 엔진에 있어서, 피스톤이 왕복 운동 되는 실린더 보어가 형성되며, 블록 구배면이 형성된 실린더 블록과; 상기 실린더 블록의 하측에 마련되며, 프레임 구배면이 형성된 래더 프레임과; 상기 래더 프레임과 상기 실린더 블록 사이에 크랭크 저널을 지지하는 메인 베어링이 마련되며, 상기 블록 구배면과 상기 프레임 구배면을 따라 슬라이딩되는 메인 베어링 지지부재와; 상기 실린더 보어의 센터와 상기 크랭크축의 센터가 옵셋(offset)되도록 상기 메인 베어링 지지부재를 상기 블록 구배면 및 상기 프레임 구배면을 따라 이동시키는 옵셋 조정부에 의해 달성된다.

여기서, 상기 크랭크축과 상기 풀리축 사이에는 제1 올드햄(oldham) 커플링이 설치되며, 상기 제1 올드햄 커플링의 제1 및 제2 외측부재는 각각 상기 크랭크축 및 상기 풀리축과 일체로 형성되어, 상기 실린더 보어의 센터와 상기 크랭크축의 센터가 옵셋(offset)될 때 상기 풀리축은 옵셋되지 않는 것이 바람직하다.

상기 크랭크축과 상기 출력축 사이에는 제2 올드햄(oldham) 커플링이 설치되며, 상기 제2 올드햄 커플링의 제1 및 제2 외측부재는 각각 상기 출력축 및 상기 크랭크축과 일체로 형성되어, 상기 실린더 보어의 센터와 상기 크랭크축의 센터가 옵셋(offset)될 때 상기 출력축은 옵셋되지 않는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 자동차용 엔진에서 실린더 보어 센터와 크랭크축 센터가 옵셋되는 원리를 설명하기 위한 정면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 자동차용 엔진에서 실린더 보어의 센터와 크랭크축 센터가 옵셋되는 원리를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 엔진은 피스톤(5)이 왕복 운동 가능하도록 실린더 보어(11)가 형성되고, 블록 구배면(12)이 형성된 실린더 블록(10)과; 실린더 블록(10)의 하측에 마련되며, 프레임 구배면(16)이 형성된 래더 프레임(15)과; 크랭크 저널(24)을 회전 가능하도록 지지하는 메인 베어링(31)이 마련되며, 블록 구배면(12)과 프레임 구배면(16)을 따라 슬라이딩되는 메인 베어링 지지부재(30)와; 실린더 보어(11)의 센터(P)와 크랭크축(23)의 센터(Q)가 옵셋(offset)되도록 메인 베어링 지지부재(30)를 블록 구배면(12) 및 프레임 구배면(16)을 따라 이동시키는 옵셋 조정부(60)를 포함하여 이루어진다.

피스톤(5)에는 피스톤 핀(6)이 결합되어 있으며, 피스톤 핀(6)은 커넥팅 로드(2)에 의해 크랭크 핀(25)이 결합되어 있다. 이에, 피스톤(5)의 직선운동이 커넥팅 로드(2)를 통해 전달되어 크랭크축(23)을 회전시키게 된다.

실린더 블록(10)의 하측에는 블록 구배면(12)이 형성되어 있으며, 블록 구배면(12)과 마주보는 메인 베어링 지지부재(30)의 상부면(33)에는 구배가 형성되어 있다. 이에, 옵셋 조정부(60)에 의해 메인 베어링 지지부재(30)가 슬라이딩될 때 메인 베어링 지지부재(30)의 상부면(33)은 실린더 블록(10)의 블록 구배면(12)을 따라 이동된다.

한편, 래더 프레임(15)의 상측에는 프레임 구배면(16)이 형성되어 있으며, 프레임 구배면(16)과 마주보는 메인 베어링 지지부재(30)의 하부면(34)에는 구배가 형성되어 있다. 이에, 옵셋 조정부(60)에 의해 메인 베어링 지지부재(30)가 슬라이딩될 때 메인 베어링 지지부재(30)의 하부면(34)은 래더 프레임(15)의 프레임 구배면(16)을 따라 이동된다.

래더 프레임(15)은 크랭크(20)가 회전 가능하도록 크랭크(20)를 지지하며, 실린더 블록(10)과 볼트(3) 결합된다.

메인 베어링 지지부재(30)에는 크랭크 저널(24)을 지지하는 메인 베어링(31)이 복수개 마련되어 있으며, 이 때 메인 베어링(31)은 메인 베어링 지지부재(30)와 일체로 형성될 수도 있고, 분리 가능하게 형성될 수도 있다. 그리고, 메인 베어링 지지부재(30)의 중앙부에는 크랭크(20)가 회전시 크랭크(20)가 회전 가능할 정도의 크랭크 거동 공간(32)이 형성되어 있다.

크랭크(20)는 크랭크축(23)과, 크랭크축(23)과 일체로 형성되어 메인 베어링(31)에 의해 지지되는 크랭크 저널(24)과, 커넥팅 로드(2)가 연결되는 크랭크 핀(25)과, 크랭크 저널(24)과 크랭크 핀(25)을 연결하는 크랭크 암(26)과, 크랭크축(23)의 앞 끝에 마련되어 발전기를 구동시키는 풀리축(21)과, 크랭크축(23)의 뒤 끝에 마련되어 트랜스미션(Transmission)과 연결되는 출력축(22)으로 구성된다.

풀리축(21) 및 출력축(22)은 실린더 블록(10)에 일체로 형성된 풀리축 지지베어링(13) 및 출력축 지지베어링(14)에 의해 각각 지지된다.

여기서, 풀리축(21)과 크랭크축(23) 앞 끝 사이에는 3개의 부재로 이루어진 제1 올드햄(oldham) 커플링(40)이 설치되고, 출력축(22)과 크랭크축(23) 뒤 끝 사이에는 제1 올드햄 커플링(40)과 같은 구성인 제2 올드햄 커플링(50)이 설치되는 것이 바람직하다. 올드햄 커플링(40, 50)은 서로 편심을 이루는 2개의 축 사이의 회전을 전달하는 구조물로서, 이에 대한 자세한 설명은 한국특허공개 제1990-0014782호를 참조하길 바란다.

제1 올드햄 커플링(40)은 크랭크축(23)과 일체로 움직이는 제1 외측부재(41)와, 풀리축(21)과 일체로 형성된 제2 외측부재(42)와, 제1/제2 외측부재(41, 42) 사이에 결합된 중간부재(43)로 구성된다. 이에, 도 2의 (b) 및 도 3의 (b)와 같이 옵셋 조정부(60)가 작동하면, 메인 베어링 지지부재(30)는 실린더 보어(11)의 센터(P)와 편심되는 방향으로 이동되어 실린더 보어(11)의 센터(P)와 크랭크축(23)의 센터(Q)가 옵셋(offset)되는데, 이 때 제1 올드햄 커플링(40)의 제1 외측부재(41)만이 메인 베어링 지지부재(30)와 같이 움직이므로 풀리축(21)은 옵셋되지 않는다. 즉, 제1 올드햄 커플링(40)에 의해 크랭크축(23)과 풀리축(21)이 분리되기 때문에, 크랭크축(23)과 함께 풀리축(21)이 함께 이동되었던 종래와 달리 흡배기 포트나 체인계를 변경시킬 필요가 없으므로 개발시간이 단축되고 제조원가를 절감할 수 있다.

마찬가지로, 제2 올드햄 커플링(50)은 출력축(22)과 일체로 형성된 제1 외측부재(51)와, 크랭크축(23)과 일체로 움직이는 제2 외측부재(42)와, 제1/제2 외측부재(51, 52) 사이에 결합된 중간부재(53)로 구성된다. 이에, 도 2의 (b) 및 도 3의 (b)와 같이 옵셋 조정부(60)가 작동하면, 메인 베어링 지지부재(30)는 실린더 보어(11)의 센터(P)와 편심되는 방향으로 이동되어 실린더 보어(11)의 센터(P)와 크랭크축(23)의 센터(Q)가 옵셋(offset)되는데, 이 때 제2 올드햄 커플링(50)의 제2 외측부재(42)만이 메인 베어링 지지부재(30)와 같이 움직이므로 출력축(22)은 옵셋되지 않는다. 즉, 제2 올드햄 커플링(50)에 의해 크랭크축(23)과 출력축(22)이 분리되기 때문에, 크랭크축(23)과 함께 출력축(22)이 함께 이동되었던 종래와 달리 출력축(22)과 연결된 트랜스미션 결합면을 재설계할 필요가 없으므로 개발시간이 단축되고 제조원가를 절감할 수 있다.

옵셋 조정부(60)는 운전조건에 따라 제어부에 의해 컨트롤되며, 일반적으로 유체압을 이용하여 메인 베어링 지지부재(30)를 이동시킨다.

이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 자동차용 엔진에서 실린더 보어(11)의 센터(P)와 크랭크축(23)의 센터(Q)가 옵셋되는 원리를 간단히 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하겠다.

실린더 보어(11)의 센터(P)와 크랭크축(23)의 센터(Q)가 일치하는 초기상태는 도 2의 (a) 및 도 3의 (a)와 같다.

그 후, 운전 조건(rpm, 부하 등)에 따라 제어부가 옵셋 조정부(60)를 작동시키면, 도 2의 (b) 및 도 3의 (b)와 같이, 메인 베어링 지지부재(30)는 옵셋 조정부(60)의 유체압에 의해 블록 구배면(12) 및 프레임 구배면(16)을 따라 왼쪽 방향으로 슬라이드 이동되어 실린더 보어(11)의 센터(P)와 크랭크축(23)의 센터(Q)가 편심되어 옵셋된다. 이 때, 메인 베어링 지지부재(30)가 종래와 달리 평행 이동하지 않고 블록 구배면(12) 및 프레임 구배면(16)을 따라 곡선 운동하기 때문에, 연소실(11a)의 체적 및 최대 압축비에 변화가 발생하지 않으므로 연료 효율을 극대화할 수 있다.

한편, 풀리축(21) 및 출력축(22)은 크랭크축(23)과 같이 움직이지 않고 제1 올드햄 커플링(40) 및 제2 올드햄 커플링(50)에 의해 그 위치가 변화되지 않게 된다. 따라서, 크랭크축(23)과 함께 풀리축(21)이 움직이게 되었던 종래와 달리 흡배 기 포트나 체인계를 변경시킬 필요가 없으며, 크랭크축(23)과 함께 출력축(22)이 움직이게 되었던 종래와 달리 출력축(22)과 연결된 트랜스미션 결합면을 재설계할 필요가 없으므로 개발시간이 단축되고 제조원가를 절감할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 크랭크축의 센터와 실린더 보어의 센터가 옵셋될 때 크랭크축이 구배를 가지고 이동하도록 마련하여, 연소실의 체적 및 최대 압축비에 변화가 발생하는 것을 방지하여 엔진 효율을 극대화할 수 있는 자동차용 엔진을 제공한다.

또한, 크랭크축의 센터가 실린더 보어의 센터에 대해 옵셋될 때, 크랭크축이 풀리축 및 출력축과 분리되어 이동되기 때문에, 풀리축 및 출력축과 연결된 다른 시스템을 변경할 필요가 없으므로 개발 시간이 단축되고 제조 원가가 절감될 수 있다.

Claims

피스톤이 왕복 운동되는 실린더 보어가 형성되며, 블록 구배면이 형성된 실린더 블록과;

상기 실린더 블록의 하측에 마련되며, 프레임 구배면이 형성된 래더 프레임과;

상기 래더 프레임과 상기 실린더 블록 사이에 크랭크 저널을 지지하는 메인 베어링이 마련되며, 상기 블록 구배면과 상기 프레임 구배면을 따라 슬라이딩되는 메인 베어링 지지부재와;

상기 실린더 보어의 센터와 크랭크축의 센터가 옵셋(offset)되도록 상기 메인 베어링 지지부재를 상기 블록 구배면 및 상기 프레임 구배면을 따라 이동시키는 옵셋 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진.
제1항에 있어서,

상기 크랭크축과 풀리축 사이에는 제1 올드햄(oldham) 커플링이 설치되며, 상기 제1 올드햄 커플링의 제1 및 제2 외측부재는 각각 상기 크랭크축 및 상기 풀리축과 일체로 형성되어, 상기 실린더 보어의 센터와 상기 크랭크축의 센터가 옵셋(offset)될 때 상기 풀리축은 옵셋되지 않는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진.
제2항에 있어서,

상기 크랭크축과 출력축 사이에는 제2 올드햄(oldham) 커플링이 설치되며, 상기 제2 올드햄 커플링의 제1 및 제2 외측부재는 각각 상기 출력축 및 상기 크랭크축과 일체로 형성되어, 상기 실린더 보어의 센터와 상기 크랭크축의 센터가 옵셋(offset)될 때 상기 출력축은 옵셋되지 않는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진.