KR102166541B1 - 길이변환 커넥팅로드(성욱 싸이클) - Google Patents

Abstract

본 발명은 엣킨슨 사이클에서의 문제점을 해결하는 것이다. 현재 상용화되어 있는 엣킨슨 사이클은 3점식 링크를 사용하는 복잡한 장치를 가지고 있다. 그리고 엣킨슨 사이클은 낮은 압축비를 사용하고 있다. 본 발명인 길이변환 커넥팅로드를 사용하여 복잡한 장치를 단순화 하였다. 그리고 일반 엔진에서 사용하는 압축비를 동일하게 사용할 수 있게 하였다. 또한 가솔린엔진뿐만 아니라 디젤엔진에서도 사용할 수 있게 하였다. 길이변환 커넥팅로드는 흡입행정 시 커넥팅로드에 인장력이 작용하여 길이가 먼저 늘어나도록 하여 행정의 길이를 줄인다. 그리고 압축행정 때는 커넥팅로드에 압축력이 작용하여 길이가 먼저 줄어들도록 하여 행정의 길이를 줄인다. 폭발행정과 배기행정에서는 줄어든 커넥팅로드에 압축력이 작용하여 길이가 변하지 않도록 하였다. 폭발행정과 배기행정에서는 흡입 및 압축행정 길이에 비해 길어지도록 한 것이다. 그리고 길이변환 커넥팅로드를 적용한 싸이클을 성욱 싸이클이라 한다.

Description

길이변환 커넥팅로드(성욱 싸이클){Length-conversion connecting rods(Sungwoog's cycle)}

본 발명은 가솔린 기관 및 디젤기관의 에너지 효율을 높여 배기가스 배출기준을 만족시키고 현재 개발하여 상용화되어 있는 엣킨슨 사이클에서의 문제인 낮은 압축비를 일반 기관의 높은 압축비에 근접하게 사용하도록 하여 출력이 감소하는 문제를 해결하고 3점식 링크를 사용하는 복잡한 장치를 단순화하여 복잡한장치로 인한 엔진의 부피를 줄이며 가솔린기관뿐만 아니라 디젤기관에도 적용할 수 있도록 한 장치에 관한 것이다.

커넥팅로드의 움직임을 힘의 작용방향에 따라 구분하면 크랭크축의 회전력으로 인하여 작용하는 과정과 연료의 폭발력에 의한 피스톤의 움직이는 힘으로 작용하는 과정으로 구분할 수 있으며 피스톤에서 커넥팅로드로 압축력이 전달되는 폭발행정을 제외하면 모두 크랭크축의 회전력으로 인해 커넥팅로드에 인장력 또는 압축력이 작용하여 피스톤에 전달하는 움직임으로 설명된다. 따라서 흡입행정 시에는 크랭크축의 회전력이 커넥팅로드의 인장력에 의해서 피스톤으로 전달되는데 이를 커넥팅로드가 먼저 흡수하여 길이가 늘어나게 되며 최대의 길이가 되었을 때 연결고리끼리 만나 인장력이 작용하여 피스톤을 당겨주는 원리이며 이로 인하여 흡입행정에서 커넥팅로드가 길어진 길이만큼 행정길이가 짧아진다. 또한 압축행정에서도 크랭크축의 회전력이 커넥딩로드에 압축력으로 작용하여 처음에는 커넥팅로드의 길이가 줄어드는데 회전력에 의한 압축력이 사용되고 스몰엔드 부위와 빅엔드 연결고리부가 만나고 빅엔드 부위와 스몰엔드 연결고리가 만나는 시점에 커넥팅로드는 피스톤에 전달하는 압축력이 발생하게 되며 커넥팅로드의 길이가 최소로 된 이 후에 크랭크축의 회전력이 피스톤을 움직이는 힘으로 작용하게 된다. 폭발행정 시에는 혼합가스의 폭발 및 팽창력으로 인하여 피스톤이 운동하게 되며 피스톤의 움직이는 힘으로 압축력이 작용하는 커넥팅로드를 통하여 크랭크축을 회전시키게 됨으로 압축행정 말기의 최소 길이 상태로 커넥팅로드는 힘을 전달하게 된다. 이때 최대의 행정길이를 가지게 되며 행정길이는 크랭크의 회전지름과 동일하게 된다. 배기행정 시에는 크랭크축의 회전력에 의한 압축력이 작용하여 움직이게 되며 커넥팅로드는 길이 변화 없이 짧아진 상태로 압축력을 전달하여 피스톤을 운동시키게 된다. 즉, 커넥팅로드에 인장력이 작용할 경우 커넥팅로드의 길이가 늘어나고 압축력이 작용할 때는 커넥팅로드의 길이가 줄어들거나 변화가 없으며 피스톤은 커넥팅로드의 길이변화와 반대의 행정길이를 가지는 운동을 하게 된다.

이렇게 커넥팅로드의 길이를 변화시킬 수 있으면 폭발행정의 길이를 늘이게 하는 엣킨슨 싸이클과 같은 원리를 실현시킬 수 있다. 그리고 기존의 커넥팅로드를 길이변환 커넥팅로드로 교체함으로써 오토싸이클과 디젤싸이클을 엣킨슨 싸이클처럼 흡입

압축행정의 길이보다 폭발

배기행정의 길이가 긴 기관으로 변환시킬 수 있다.

상기 내용을 그림으로 설명한 것이 도면 4이다.

도면 4에서 그림 1은 배기행정이 끝나고 흡입행정으로 진입할 때는 배기행정 후의 커넥팅로드와 같은 최소길이를 유지하는 상태이며 그림 2는 흡입행정이 진행되는 초기이며 실제 흡입행정이 일어나지 않고 크랭크축의 회전력이 인장력으로 작용하여 커넥팅로드가 먼저 길어지면서 피스톤의 위치는 변함없이 유지되는 것을 나타내고 있으며 그림 2~4는 커넥팅로드가 최대로 길어진 후에 인장력이 피스톤에 전달되어 실제 흡입행정이 이루어지는 과정을 설명하고 있다.

도면 4에서 그림 4와 5는 압축행정의 초기과정으로 크랭크축의 회전력이 압축력으로 작용하여 커넥팅로드에만 적용되고 실제로는 압축행정이 이루어지지 않고 커넥팅로드의 길이만 줄어드는 것을 표현하며 그림 5~7의 과정은 커넥팅로드가 최소의 길이가 되어 크랭크축의 회전력에 의한 압축력이 피스톤에 전달되어 실질적으로 압축행정이 진행되는 것을 설명한 것이다.

도면 4에서 그림 8~11의 과정은 폭발행정으로 흡입행정의 커넥팅로드 움직임과 다르게 폭발력에 의한 피스톤의 움직임이 압축력으로 작용하여 커넥팅로드가 최소의 길이로 상태로 진행함을 설명한 것이다.

도면 4에서 그림 11~14의 과정은 배기행정으로 크랭크축의 회전력에 의한 압축력이 피스톤에 전달되어 커넥팅로드가 최소의 길이로 행정이 진행함을 나타낸 것이다.

본 발명은 가솔린 기관에서만 적용되는 흡입 및 압축행정의 길이에 비해 폭발행정의 길이를 길게 하는 기존 엣킨슨 싸이클을 이용한 기관이 가지는 복잡한 장치를 단순화 시키고 이로인한 체적의 감소와 낮은 압축비를 사용하는 단점을 개선하고 연비향상의 효과를 디젤기관에서도 적용하도록 하는데 목적이 있다.

본 발명은 각 행정에 따른 혼합가스의 폭발력으로 인하여 피스톤이 상사점에서 하사점으로 움직여 크랭크축에 동력을 전달하는 피스톤의 능동적 움직임과 크랭크축의 회전력에 의해 피스톤이 왕복하는 피스톤의 수동적인 움직임으로 구분하였으며 수동적인 움직임에서 피스톤링과 실린더 벽면에 작용하는 마찰력을 이용하여 커넥팅로드의 길이를 변할 수 있게 한 장치이다.

커넥팅로드의 길이를 변화하게하기 위하여 두 부분으로 나누었으며 하나는 피스톤과 연결되는 스몰엔드 부위며 다른 부분은 크랭크샤프트와 연결되는 빅엔드 부위로 이루어져 있다. 이 두 부분은 사슬의 형태 또는 실린더의 형태로 결합된 상태를 가지도록 하였다. 또한 두 부분이 일직선상으로 왕복 운동만 할 수 있도록 가이드 형상을 가지도록 하여 두 부분이 휘어짐이 없이 직선을 이루어지게 하여 정상적으로 힘이 전달 되도록 하여 커넥팅로드의 역할을 수행하도록 한 장치이다.

커넥팅로드의 길이가 변하는 동작원리는 흡입행정 시 피스톤링과 실린더 벽면에 작용하는 마찰력이 인장력으로 작용하는 커넥팅로드 간의 마찰력보다 크기 때문에 피스톤은 멈춰있고 스몰엔드 부위 커넥팅로드는 피스톤핀을 중심으로 약간의 회전운동을 하며 빅엔드 부위 커넥팅로드는 크랭크축이 회전함에 따라 커넥팅로드의 전체길이가 길어지게 되며 두 부분의 사슬형태의 고리끼리 만나게 되면 최대의 길이가 되고 이때 인장력이 커넥팅로드에 생겨 피스톤을 움직이게 되어 크랭크의 회전 지름보다 짧은 거리를 흡입행정 길이로 가지게 된다. 행정길이는 크랭크의 회전 지름에서 커넥팅로드가 늘어난 길이를 뺀 값이다. 압축행정 시에는 크랭크축의 회전력이 압축력으로 작용하며 초기에는 피스톤링과 실린더 벽면에 작용하는 마찰력이 압축력이 작용하는 커넥팅로드 간의 마찰력보다 크기 때문에 피스톤은 멈춰있고 스몰엔드 부위 커넥팅로드는 피스톤핀에 의해 회전운동을 하며 빅엔드 부위 커넥팅로드는 크랭크축이 회전함에 따라 커넥팅로드의 전체길이가 짧아지게 된다. 커넥팅로드의 전체길이가 최소로 되면 커넥팅로드에 압축력이 작용하여 피스톤을 밀어 압축행정이 이루어지고 행정길이가 크랭크 회전 지름보다 짧아지게 되며 크랭크축의 회전력이 압축력으로 전달되고 배기행정 후의 피스톤의 위치에 도달하기 때문에 압축비를 낮추지 않아도 된다.

폭발행정 시에는 혼합가스의 폭발력으로 인하여 피스톤이 상사점에서 하사점으로 움직임 때문에 커넥팅로드에 압축력이 작용하여 짧아진 전체길이의 변화가 없으며 행정의 길이는 크랭크회전 지름과 같아진다. 또한 배기행정에서는 크랭크축의 회전력으로 커넥팅로드에 압축력이 작용하여 피스톤을 움직이게 됨으로 짧아져 있는 커넥팅로드의 상태로 행정이 이루어지며 그 행정의 길이는 폭발행정과 같다.

상기의 이유로 길이변환 커넥팅로드의 사용으로 엣킨슨 사이클처럼 흡입 및 압축 행정에 비해 폭발 행정의 길이를 길게 실현할 수 있으며 폭발행정 시 늘어난 길이만큼 시간 또한 동일 흡입량을 가진 기관보다 증가하여 완전연소에 가까워져 불완전연소에서 발생하는 오염원을 줄이 수 있으며 압축행정보다 폭발행정의 늘어난 길이만큼 에너지 또한 추가로 발생하며 흡입에서 커넥팅로드와 피스톤의 행정방향과 이루는 각도를 줄여 마찰손실을 줄임으로써 에너지 효율을 높일 수 있으며 현재 상용화되어있는 엣킨슨 사이클에 비하여 압축비가 충분히 크기 때문에 보다 효율이 높은 싸이클을 실현시킬 수 있다.

본 발명에 따른 길이변환 커넥팅로드를 사용함으로써의 이점으로는 동일한 폭발행정길이를 가지는 기관에 비해 흡입행정 시 행정길이가 줄어들고 커넥팅로드의 움직이는 각도가 작아짐으로 실린더 벽면과 피스톤링사이에 발생하는 마찰력을 줄이 수 있다. 압축행정의 경우 행정길이가 짧아짐에 의해 피스톤링에 의한 실린더 벽면 마찰손실을 줄이 수 있다. 분리된 커넥팅로드 간의 약간의 마찰이 발생할 수 있으나 커넥팅로드와 피스톤을 연결하는 핀의 베어링에 의해 움직임이 자유로워 분리된 커넥팅로드 간에 작용하는 힘은 거의 평행으로 작용하기 때문에 마찰에 의한 손실은 거의 없을 것이므로 커넥팅로드간의 마찰손실보다 피스톤링과 실린더 벽면사이의 마찰손실을 줄인 이득이 훨씬 크다고 볼 수 있다. 그리고 연료 흡입량이 동일하고 흡입행정의 길이가 같은 기관에 비하여 폭발행정이 길어 더 많은 에너지를 얻을 수 있으며 거의 완전한 연소를 이룰 수 있어 연료효율이 높아지고 배기가스의 온도가 낮아지는 효과를 볼 수 있다.

그리고 흡입밸브를 조작하는 캠의 각도를 줄여 캠과 밸브사이에 작용하는 마찰 손실을 줄일 수 있으며 길이변환 커넥팅로드의 길이변화를 조절하여 최적의 길이를 찾아 에너지 효율이 최대가 되는 엔진을 개발할 수 있다.

길이변환 커넥팅로드를 적용할 수 있는 기관은 엣킨슨 싸이클을 이용한 기관에 비하여 가솔린 엔진뿐만 아니라 디젤 엔진에도 사용할 수 있다. 그리고 기존 엔진에 사용하는 압축비를 사용할 수 있어 출력을 향상시킬 수 있으며 구조가 간단하여 무게를 줄일 수 있다. 그리고 실린더 벽면과 피스톤 링 사이에 작용하는 마찰력을 각도 감소로 줄일 수 있으며 흡입 캠의 각도를 줄일 수 있어 마찰력을 줄일 수 있다. 그리고 연료효율을 높여 획기적인 연비향상을 가져 올 수 있으며 같은 흡기량을 가진 기관보다 연소(폭발)시간이 길어 완전연소에 가까워 일산화탄소의 발생을 줄일 수 있다. 또한 엣킨슨 싸이클을 적용한 기관들이 대부분 하이브리드의 엔진으로 사용되고 있으나 길이변환 커넥팅로드를 적용한 기관을 직접 구동엔진으로 사용할 수 있어 전기 모터가 들어가는 하이브리드 자동차에 비해 무게를 줄일 수 있다

길이변환 커넥팅로드의 여러 형태 중 사슬형태를 가진 용접으로 연결하는 길이변환 커넥팅로드의 예를 나타낸 도면이며 용접부위를 핀으로 고정시킬 수도 있다.
도면 1은 길이변환 커넥팅로드의 사시도로 최단길이 상태와 최장길이 상태이다.
도면 2는 길이변환 커넥팅로드의 용접된 상태의 피스톤 측 부위와 크랭크 측 부위의 사시도이다.
도면 3은 길이변환 커넥팅로드의 용접 전의 분리된 상태의 사시도이다.
도면 4는 길이변환 커넥팅로드를 채용한 기관의 각 행정에서 길이변환 커넥팅로드의 움직임을 표현한 것으로 흡입 및 압축행정에서 커넥팅로드의 길이변환 과정과 폭발 및 배기행정에서 길이변화가 없음을 설명한 그림이다.
도면 5와 6은 다른 형태의 길이변환 커넥팅로드의 중앙의 연결부위를 나타낸 사시도이다

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.

도면 3의 스몰엔드 연결고리부(120)와 빅엔드 연결고리부(220)를 스몰엔드 연결고리 가이드(123)와 빅엔드 연결고리 가이드(223)가 마주보도록 체결한 후 스몰엔드 부위(110)와 스몰엔드 연결고리부(120), 빅엔드 부위(210)와 빅엔드 연결고리(220)부를 각각 용접하여 각각 도면 2의 형태를 이루도록 한 후 도면 1의 완성체가 되었을 때 스몰엔드 부위(110)와 피스톤을 체결하고 빅엔드 부위(210)와 크랭크샤프트를 체결하여 사용하도록 하였으며, 흡입행정 시 커넥팅로드의 길이가 길어지면서 스몰엔드 연결고리(121)와 빅엔드 연결고리(221)가 만날 때 충격을 완화시키기 위해 원형의 형태를 가지며 압축행정 시 커넥팅로드의 길이가 짧아지면서 스몰엔드 부위(110)와 빅엔드 연결고리부(220) 및 빅엔드 부위(210)와 스몰엔드 연결고리부(120)가 각각 충격을 받으므로 스몰엔드 충격완화 홈(111), 빅엔드 충격완화 돌기(222), 빅엔드 충격완화 홈(211), 스몰엔드 충격완화 돌기(122)를 설치하여 충격완화 작용을 하도록 설치하였다. 이때 연결고리는 크랭크축의 회전력에 의해 발생하는 인장력을 견딜 수 있어야 한다. 그리고 최대의 길이로 늘어난 커넥팅로드가 실린더 벽면과 부딪히지 않도록 하여야하며 최대한 실린더 및 피스톤의 직경을 크게 설계하면 변환 길이를 크게 하여 효율을 증가시킬 수 있지만 압축비를 감안하여 실린더 상부 흡배기 밸브의 움직임을 저해하지 않도록 실린더를 설계해야 한다.

그리고 4기통의 엔진에서는 압축에 사용되는 충분한 힘을 유지하기 위해서는 커넥팅로드의 변환 길이를 충분히 길게 할 수 없지만 5기통이상의 엔진에서는 커넥팅로드의 변환 길이를 4기통보다 더 길게 설계할 수 있어 좋은 효율을 얻을 수 있는 기관을 개발할 수 있다.

101 피스톤핀 홀 110 스몰엔드 부위
111 스몰엔드 충격완화 홈 112 스몰엔드 용접부위
120 스몰엔드 연결고리부 121 스몰엔드 연결고리
122 스몰엔드 충격완화 돌기 123 스몰엔드 연결고리 가이드
124 스몰엔드 연결고리부 용접부위 201 크랭크샤프트 연결 부위
210 빅엔드 부위 211 빅엔드 충격완화 홈
212 빅엔드 용접부위 220 빅엔드 연결고리부
221 빅엔드 연결고리 222 빅엔드 충격완화 돌기
223 빅엔드 연결고리 가이드 224 빅엔드 연결고리부 용접부위

Claims (1)

1. 피스톤과 크랭크샤프트를 연결하여 힘을 전달하는 커넥팅로드를 흡입행정 초기에는 인장력이 작용하여 커넥팅로드가 길어져서 흡입행정을 하고 압축행정 초기에는 압축력이 작용하여 커넥팅로드의 길이가 짧아지게 되어 압축행정이 진행되며 짧아진 상태로 나머지 폭발 및 배기행정에 동작하는 커넥팅로드로써 피스톤 핀과 결합하는 스몰엔드 부위와 크랭크샤프트와 결합하는 빅엔드 부위의 두 부분으로 분리되어 있으며 두 부위가 일직선으로 움직이게 하기 위한 가이드와 커넥팅로드의 늘어나는 길이를 한정시킬 수 있도록 고리가 설치되어 있는 스몰엔드 부위와 빅엔드 부위가 사슬형태로 결합된 커넥팅로드.
   
   

Images