KR20010030098A - 상사점에서도 출력이 생기는 편심 커넥팅로드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커넥팅로드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피스톤(12)과 크랭크핀을 연결하는 커넥팅로드를 편심시켜 피스톤(12)이 상사점에 있을 때에도 출력이 나오게 하는 편심 커넥팅로드에 관한 것이다. 일반적으로 커넥팅로드는 대단부의 크랭크핀삽입공(15)과 소단부의 피스톤핀삽입공(16)을 연결하는 로드(21)가 곧게 구성되어 있어서 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 항상 크랭크핀 중심부로 향하게 되어 있었다. 그렇기 때문에 크랭크핀 지름이 클 경우 크랭크핀 반지름만큼 일의 양이 줄어든다는 단점이 있었다. 이런 단점을 개선하기 위해 크랭크축(13)을 피스톤(12)의 운동방향으로부터 편심시킨 상태에서 커넥팅로드의 대단부의 크랭크핀삽입공 (15)을 좌측으로 편심시켜 힘의 방향전환을 통해 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 항상 크랭크핀 편심부로 전해지도록 하여 피스톤(12)이 상사점에 있을 때는 물론 상사점 이전의 연소압력까지도 출력으로 전환되도록 한 것이다.

Description

상사점에서도 출력이 생기는 편심 커넥팅로드 {Biased connecting rod for producing an output force at the top dead center}

본 발명은 내연기관용 커넥팅로드에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 피스톤과 크랭크핀을 연결하는 커넥팅로드의 소단부의 피스톤핀삽입공과 대단부의 크랭크핀삽입공을 측면부로 편심시키고 크랭크핀 원주의 상부와 크랭크핀삽입공 내원주의 사이에 간극을 형성한 상태에서 크랭크축을 피스톤의 운동방향으로부터 편심시킴으로써 피스톤이 상사점에 있을 때에도 실린더 내의 연소압력이 크랭크축을 회전시키는 힘으로 변환되게 하는 편심 커넥팅로드에 관한 것이다.

종래의 내연기관용 커넥팅로드(21)는, 도 1 및 도 2에 보이듯이, 대단부(23)의 크랭크핀삽입공(15)과 소단부(22)의 피스톤핀삽입공(16)을 연결하는 로드(21)가 수직형태로 곧게 구성되어 있다. 그러므로, 그 상태에서 피스톤핀과 크랭크핀 및 크랭크축(13)의 중심이 일직선상에 있기 때문에 실린더(11) 내에 형성된 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 크랭크축(13)을 회전시키는 힘으로 전환되지 못했다. 크랭크핀의 직경이 크고 커넥팅로드 대단부(23)가 크면 클수록 상사점에 있는 피스톤(12)에 의해 수행되는 일의 양이 감소하게 되는 것이었다. 또한 피스톤(12)이 상사점에 있을 때의 압축비는 가솔린엔진에서는 이론적으로 11:1, 현실적으로 10:1이고, 디젤엔진에서는 이론적으로 24:1, 현실적으로 22:1인데, 연소압력이 크랭크축(13) 중심부로 전달되게 되어 있으므로, 이론적 압축비 이상일 경우 가솔린엔진의 경우 노킹이 발생하고, 디젤엔진의 경우 기계효율 감소 등으로 나타나는 가장 큰 요인이 되어 왔던 것이다.

이 발명의 발명자는 이런 점을 고려하여 개량된 커넥팅로드를 제안한 바 있고, 그 것은 국제공개번호 제WO89/07705호에 개시되어 있다. 도 3에 보이듯이, 개량된 커넥팅로드는 종래의 커넥팅로드에 비해서는 월등한 관성력의 증가와 더불어 출력증가의 효과가 있을지라도, 이 커넥팅로드도 피스톤(12)이 상사점에 있을 때 일직선상에 있는 상기 3개의 중심을 통과하는 힘전달경로를 제공한다. 그러므로, 이 커넥팅로드도 압축비의 증가를 보장하지 못한다. 피스톤(12)이 상사점에 있을 때 커넥팅로드(31)를 편심시키지 않은 상태에서 생긴 연소압력의 주된 힘(F_CON)은 그 팽창이 매우 큰 힘으로 저지되고, 소단부(33)의 피스톤핀삽입공(16)의 최저점과 대단부(33)의 크랭크핀산입공(15) 속에 삽입된 크랭크핀의 중심점 및 크랭크축(13)의 중심점을 통해 직선으로 전달되기만 한다. 이 것이 압축비를 증가시키려는 시도를 좌절시키는 가장 중요한 요인이다.

본 발명에 따라 편심된 크랭크핀은 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 최단직선거리로 전달되게 한다. 즉, 연소압력의 주된 힘(F_CON)은 소단부의 피스톤핀삽입공에서 힘전달의 경로를 크랭크핀의 중심으로부터 편심된 크랭크핀의 외부부분으로 전달되도록 변화시킨다. 커넥팅로드(41)의 크랭크핀삽입공(16)의 내주와 크랭크핀의 주위의 사이에는 간극(44)이 제공되며, 그 간극(44)은 피스톤이 상사점에 배치되는 순간에 크랭크핀의 원주의 상부에 배치된다. 그 간극(44)은 피스톤이 상사점에 있을 때 뿐만 아니라 그 직전에도 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 크랭크축회전력으로 전환되게 하며, 그럼으로써, 압축비를 증가시키는 것과 관련된 앞서 설명한 문제가 해결되게 하고, 좀더 큰 압축비와 좀더 가볍고 작은 엔진 및 좀더 향상된 연소효율을 얻을 수 있게 한다.

도 1은 종래의 한 커넥팅로드를 포함하는 크랭크시스템을 도시한 사시도이고,

도 2는 도 1의 크랭크시스템을 몇몇 부품은 단면으로 해서 도시한 정면도이며,

도 3은 종래의 다른 커넥팅로드를 포함하는 크랭크시스템을 몇몇 부품은 단면으로 해서 도시한 정면도이고,

도 4는 이 발명의 양호한 한 실시예에 따른 커넥팅로드를 포함하는 크랭크시스템을 몇몇 부품은 단면으로 해서 도시한 정면도이다.

이 발명에 따는 편심 키넥팅로드는 그 커넥팅로드에 연결된 피스톤이 상사점에 있을 때 힘전달을 위한 최소의 직선거리를 제공하도록 구성되며, 그러한 커넥팅로드는 하나의 소단부와, 하나의 대단부와, 상기 소단부와 상기 대단부를 연결하는 로드와, 로드의 중심축으로부터 우측으로 이동된 상기 소단부에 있는 피스톤핀삽입공과, 상기 로드의 중심축으로부터 좌측으로 이동된 상기 대단부에 있는 크랭크핀삽입공 및, 상기 크랭크핀삽입공 속에 삽입된 크랭크핀의 상부에 형성된 간극을 포함하고, 피스톤이 상사점에 있을 때, 상기 로드와 거기에 연결된 크랭크로드의 사이에 상당히 큰 사인값을 갖는 각이 형성되게 구성되며, 피스톤이 상사점에 있을 때 최소의 힘전달거리를 제공한다.

상기 피스톤핀삽입공의 중심으로부터 상기 크랭크핀삽입공의 중심으로 그어진 선과 상기 커넥팅로드의 중심선 사이의 각은 연소압력이 최고치에 도달할 때 최대의 사인값을 제공하도록 설정되는 것이 양호하다.

상기 간극은 고속회전시에 크랭크핀의 베어링 상에 유막이 형성되는 것을 방해하지 않게 제한된 것이 양호하다.

이 발명의 상기 및 기타의 목적, 특징 및 장점은 첨부도면과 관련한 아래의 설명으로부터 좀더 잘 이해할 수 있을 것이다.

아래에서는 도면을 참조하면서 이 발명에 따른 몇몇 양호한 실시예에 의거하여 이 발명을 설명하겠다.

앞서 설명한 도1과 도2에서 보는 바와 같이 종래의 커넥팅로드(21)는 피스톤 (12)이 상사점에 있을 때 생긴 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 최단직선거리인 커넥팅로드 소단부의 피스톤핀삽입공(16) 최하단으로부터 대단부의 크랭크핀삽입공(15) 최상단을 거쳐 크랭크핀과 크랭크축(13) 중심부로 전달되게 되어 있다. 그렇기 때문에 통상적인 압축비, 즉 가솔린엔진에서의 10:1 또는 디젤엔진에서의 22:1 이상으로 높일 경우, 가솔린엔진에서는 노킹이 발생하고 디젤엔진에서는 기계효율이 감소하는 등의 문제점이 발생하여 왔던 것이다.

도 4는 이 발명에 따라 피스톤이 상사점에 있을 때에도 크랭크축회전력이 출력되는 편심 커넥팅로드(41)의 양호한 실시예가 도시되어 있다. 이 커넥팅로드(41)는 소단부(42)의 피스톤핀삽입공(16)과 대단부(43)의 크랭크핀삽입공(15)의 편심부가 피스톤(12)이 상사점에 있을 때에도 힘전달 최단직선거리가 되도록 한다. 또한, 이 커넥팅로드(41)는 대단부(42)의 크랭크핀삽입공(15) 속에 삽입된 크랭크핀의 원주의 상부 위에 간극(44)을 형성한다. 그렇게 함으로써, 피스톤(12)이 상사점에 있을 때에도 커넥팅로드(41)와 크랭크로드(14) 사이에 상당한 크기의 삼각함수법에 따른 사인(sine)값을 갖는 각이 제공되게 한다.

즉, 커넥팅로드(41)의 소단부(42)의 피스톤핀삽입공(16)은 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 그 방향을 전환하는 지점이다. 소단부(42)의 피스톤핀삽입공(16)이 피스톤(12)의 운동방향으로부터 많이 벗어날수록 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 더 크게 방향전환을 함으로써 크랭크축회전력이 더 크게 출력되게 한다. 그러나, 너무 과도하게 편심시키면 회전방향으로 미는 힘이 강해져서 크랭크로드(14)가 원주 밖으로 튕겨나가려는 힘이 생겨 400rpm 이하의 저속회전시 엔진의 떨림과 흔들림현상이 나타나게 된다. 그렇기 때문에 엔진의 진동이나 흔들림 없이 조용히 돌아가게 하기 위해 대단부(43)의 크랭크핀삽입공(15)이 크랭크로드(14)를 그 원주의 안쪽으로 밀어넣으려는 힘을 주게 구성되어야 한다. 또한, 대단부(43)의 크랭크핀삽입공(15)의 내주와 크랭크핀의 주위의 사이에 형성된 간극(44) 내에 베어링을 끼워 고속회전에도 유막형성에 영향이 없도록 하여 연소압력의 주된 힘(F_CON)이 크랭크핀 편심부로 확실히 통과하도록 한 것이다. 이 실시예에 따르면, 편심 커넥팅로드(41)의 대단부 (43)의 크랭크핀삽입공(15)은 소단부(42)의 피스톤핀삽입공(16)을 통과하는 피스톤운동방향의 선으로부터 편심되어 있으며, 피스톤(12)이 상사점에 있는 자세에서 피스톤핀삽입공(16)은 커넥팅로드(41)의 우상부에 배치되어 있고, 크랭크핀삽입공 (15)은 좌하부에 배치되어 있다. 크랭크핀삽입공(15)의 바람직한 편심의 정도는 실린더(11)의 직경과 대단부(43)의 결합캡의 형상 및 크랭크축(13)의 편심의 정도 등에 영향을 받는다. 간극(44)은 고속회전시 크랭크핀의 베어링에 과부하를 가하지 않도록 제한되어야 한다.

(실험결과)

커넥팅로드의 중심축을 피스톤(12)의 운동방향과 일치시킨 상태에서 피스톤핀삽입공(16)이 우측으로 이동되고 크랭크핀삽입공(15)이 좌측으로 이동됨에 따른 실험이 행해졌다. 이 실험에서, 피스톤핀삽입공(16)을 우측으로 많이 편심시킬수록 피스톤(12)이 상사점에 있을 때의 사인값이 커져 출력이 증가했다. 피스톤핀삽입공 (16)의 이동의 정도가 적절한 값을 초과했을 때에 엔진의 떨림과 흔들림 현상이 증가했다. 이 것은 피스톤핀삽입공(16)의 이동의 정도가 엔진의 최저회전속도, 즉 아이들속도와 크랭크축(13)의 편심의 정도에 따라 달라져야 한다는 것을 의미한다. 즉, 피스톤핀삽입공(16)을 적절한 범위 내에서 우측으로 많이 편심시킬수록 더 큰 출력이 얻어진다. 크랭크핀삽입공(15)을 좌측으로 많이 편심시킬수록 엔진의 떨림과 흔들림 현상이 줄어든다. 크랭크축(13)의 편심의 정도가 고려되지 않고 간극 (44) 이 형성되지 않은 채로 과도하게 편심시키면 크랭크핀 베어링에 과부하가 가해질 수 있다.

또한, 종래의 크랭크시스템에 비해 이 발명에 따른 크랭크시스템에서는 피스톤이 하사점에 있음으로써 연소압력이 낮을 때에는 커넥팅로드(41)가 좌에서 우로 방향을 전환함에 따라 피스톤(12)이 이동되므로 실린더의 내벽상의 마모로 인한 리지가 감소된다. 다시 말해서, 피스톤핀삽입공(16)을 우측으로, 크랭크핀삽입공(15)을 좌측으로 편심시키는 것은 가솔린 엔진에 있어서의 노킹을 방지하고 디젤엔진에 있어서의 기계효율의 향상시키는 중요한 방법들 중의 하나이다. 또한, 이렇게 함으로써 더 큰 연소효율이 실현되었다.

이상에서 상술한 바와 같이, 이 발명은 피스톤(12)이 상사점에 있을 때 주된 힘(F_CON) 전달지점을 편심시킨 커넥팅로드(41)의 구조로 인하여 피스톤(12)이 상사점에 있을 때는 물론, 상사점 이전의 연소압력까지도 출력으로 바뀌게 해, 순간 가속력을 증가시켜 출력증가와 이론적 압축비 이상의 압축비를 실현하여 연비향상의 효과는 물론 플라이휠의 경량화에 기여할 수 있다는 효과도 있다.

일례로, 최고연소압력이 60 Kgf/cm라고 가정하고 커넥팅로드(41)와 크랭크로드(14) 사이의 내각에 따른 출력을 비교하면, 다음과 같다.

종래에는 그러한 내각이 180도이었으므로, 피스톤(12)이 상사점에 있을 때의 출력은 60 Kgf/cm X sin 180°= 0 Kgf/cm로 계산된다.

그러나, 이 발명의 한 실시예에서는 그러한 내각이 165도이었으므로, 피스톤 (12)이 상사점에 있을 때의 출력은 60 Kgf/cm X sin 165°= 15.5 Kgf/cm로 계산된다.

위에서 알 수 있듯이, 종래에는 피스톤(12)이 상사점에 있을 때 출력을 얻을 수 없었음에 비해, 이 발명에 따르면 피스톤(12)이 상사점에 있을 때에도 출력을 얻을 수 있으며, 압축비를 증가시키면, 그 값은 더욱 증가하게 된다.

대우자동차에서 시판하는 800cc의 엔진을 장착한 티코 차량에 종래의 커넥팅로드(21)와 이 발명에 따른 커넥팅로드(41)를 각각 장착하고 주행실험을 행한 결과는 아래의 표 1과 같다.

이 발명의 기술적 사상들이 첨부도면을 참조해서 개시되고 도면에 대응하는 이 발명의 양호한 실시예들이 개시되어 있을지라도, 이 명세서에 기재된 것은 단지 예시적인 것일 뿐이고, 이 발명을 제한하려는 것이 아니다.

이 기술분야에서 숙련된 자들은 이 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이도 다양한 변화, 부가 및 대체가 가능함을 알 것이다. 그러므로, 이 발명은 첨부된 청구범위 및 그 균등물로만 제한되고 앞서 설명한 변화, 부가 및 대체를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (3)

1. 하나의 소단부와,

   하나의 대단부와,

   상기 소단부와 상기 대단부를 연결하는 로드와,

   로드의 중심축으로부터 우측으로 이동된 상기 소단부에 있는 피스톤핀삽입공과,

   상기 로드의 중심축으로부터 좌측으로 이동된 상기 대단부에 있는 크랭크핀삽입공 및,

   상기 크랭크핀삽입공 속에 삽입된 크랭크핀의 상부에 형성된 간극을 포함하고,

   피스톤이 상사점에 있을 때, 상기 로드와 거기에 연결된 크랭크로드의 사이에 상당히 큰 사인값을 갖는 각이 형성되게 구성되며,

   피스톤이 상사점에 있을 때 최소의 힘전달거리를 제공하는 편심 커넥팅로드.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 피스톤핀삽입공의 중심으로부터 상기 크랭크핀삽입공의 중심으로 그어진 선과 상기 커넥팅로드의 중심선 사이의 각이 연소압력이 최고치에 도달할 때 최대의 사인값을 제공하는 것을 특징으로 하는 편심 커넥팅로드.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 간극이 고속회전시에 크랭크핀의 베어링 상에 유막이 형성되는 것을 방해하지 않게 제한된 것을 특징으로 하는 편심 커넥팅로드.