KR20010096725A - 가변 크랭크아암을 구비한 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 길이가 가변되는 크랭크아암을 구비한 엔진에 관한 것이다. 본 발명에 의한 엔진은, 실린더 내에서 직선왕복운동하는 피스톤과; 상기 피스톤에 연결되어, 동력을 전달받는 컨넥팅로드와; 상기 컨넥팅로드와 연결되는 크랭크핀을 구비하고, 상기 피스톤의 직선왕복운동에 의하여 회전운동하는 크랭크아암; 상기 크랭크아암을 내부에 수납하여, 직선 슬라이딩 운동이 가능하게 지지하는 슬라이딩안내블럭; 상기 슬라이딩안내블럭와 연결되어, 토오크를 출력하는 크랭크축; 그리고 상기 크랭크핀의 양단부가 수납되어 원운동을 가이드하는 원형홈을 구비하고, 상기 크랭크축과는 편심된 위치에 중심을 가지는 안내가이드를 포함하여; 폭발 및 흡입행정 동안, 상기 크랭크아암이 슬라이딩안내블럭에서 빠져나와 길이가 길어지도록 슬라이딩 운동하는 것을 기술적 요지로 한다. 이러한 본 발명에 의하면, 동력전달과정 동안, 크랭크아암의 길이가 길어져서 그 만큼 출력 토오크가 증가하게 되는 잇점이 있다.

Description

가변 크랭크아암을 구비한 엔진{Engine with flexible crank arm}

본 발명은 엔진에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전동력을 발생시키는 크랭크아암의 길이가 변할 수 있도록 구성하는 것에 의하여, 토오크 및 출력을 향상시킬 수 있도록 구성되는 엔진의 구조에 관한 것이다.

먼저 도 1에 기초하면서 일반적인 엔진의 구성에 대하여 간단하게 살펴보기로 한다. 일반적인 엔진은 내부의 폭발에 의하여 실린더 내에서 왕복 직선운동을 수행하는 피스톤(2)과, 상기 피스톤에 일단부가 연결되는 컨넥팅로드(4), 그리고 컨넥팅로드(4)의 타단부에 연결되어 직선운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크아암(6)을 포함하여 구성되고 있다.

그리고 종래의 엔진에 있어서는, 상기 크랭크아암(6)의 크랭크축(6a)에서 컨넥팅로드(4)에 이르는 길이는 항상 일정하다. 그러나 상기 크랭크축(6a)을 중심으로 할 때, 크랭크축(6a)에 가해지는 토오크(즉, 출력토오크)는, 여러가지 변수에 의하여, 변하게 된다.

가장 기본적인 변수로는 엔진의 배기량(엔진 자체의 힘)과, 크랭크아암(6)의 길이를 들 수 있다. 동일한 배기량을 가지는 엔진에 있어서는, 상기 크랭크아암(6)의 길이에 의하여 크랭크축(6a)에 전달되는 토오크가 변하게 된다. 즉, 크랭크아암(6)의 길이가 길면, 이에 상응하여, 출력 토오크가 상승하게 된다. 물론 이 때 상기 피스톤(2)의 하강하는 힘(F)(즉 폭발에 의한 힘)이 일정한 것을 가정한 상태이다.

그러나 이와 같이 크랭크아암(6)의 길이를 변화시키는 것은, 실질적으로 엔진 자체의 크기를 변화시키지 않으면 안된다는 단점이 지적된다. 즉 동일한 배기량 및 동일한 크기에서는 크랭크아암(6)의 길이를 변화시키지 못하는 단점이 되는 것이다.

그리고 여기서 출력 토오크가 크다는 것은, 실질적으로 동일한 배기량의 엔진에 있어서도, 출력이 더욱 향상되는 것을 의미하는 것임은 당연하다.

동일한 사양의 범위 내에서, 엔진의 출력을 향상시키고자 하는 노력이 현재까지 계속 진행되고 있다. 그러나 이러한 노력의 대부분은, 도 1에 도시한 바와 같이, 일정한 길이의 크랭크아암(6)을 사용하는 것을 전제로, 주로 연소과정의 개선을 통하여 추구하고 있는 실정이다.

그러나 최근 등록된 대한민국 특허 제169566호에 의하면, 3절 링크기구를 이용하여 크랭크아암의 길이를 변화시키는 방법을 통하여 엔진의 출력을 향상시키고자 하고 있다. 그러나 상기 특허에 의한 구조는, 구조가 매우 복잡하기 때문에 실용성의 측면에서 제한되고 있으며, 구조의 복잡성에 대응하는 만큼의 생산코스트 및 조립성의 측면에서의 단점을 가지고 있다.

본 발명은, 크랭크축의 새로운 기계적 구조를 이용하는 것에 의하여 동일한 조건에서 출력을 향상시키고자 하는 것이다.

즉, 본 발명은, 동일한 배기량의 엔진과 행정거리, 그리고 압축비를 사용하는 범위 내에서, 크랭크축의 기구적인 변경을 추구하고 있기 때문에, 실질적으로 엔진의 외형은 크게 되지 않고, 거의 동등한 수준을 유지하게 될 것이다.

도 1은 일반적인 크랭크아암을 구비한 엔진의 설명도.

도 2는 본 발명에 의한 크랭크아암을 구비한 엔진의 개략도.

도 3은 본 발명에 의한 크랭크아암의 운동을 보인 설명도.

도 4는 본 발명에 의한 단기통엔진의 부분 절개 사시도.

도 5는 본 발명을 4기통 엔진으로 구현한 경우 크랭크축의 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 ..... 실린더 12 ..... 피스톤

14 ..... 컨넥팅로드 20 ..... 크랭크아암

21 ..... 크랭크핀 21a ..... 가이드롤러

24 ..... 슬라이딩안내블럭 22 ..... 크랭크축

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 엔진은, 실린더 내에서 직선왕복운동하는 피스톤과; 상기 피스톤에 연결되어, 동력을 전달받는 컨넥팅로드와; 상기 컨넥팅로드와 연결되는 크랭크핀을 구비하고, 상기 피스톤의 직선왕복운동에 의하여 회전운동하는 크랭크아암; 상기 크랭크아암을 내부에 수납하여, 직선 슬라이딩 운동을 가능하게 지지하는 슬라이딩안내블럭; 상기 슬라이딩안내블럭과 연결되어, 토오크를 출력하는 크랭크축; 그리고 상기 크랭크핀의 양단부가 수납되어 원운동을 가이드하는 원형홈을 구비하고, 상기 크랭크축과는 편심된 위치에 중심을 가지는 안내가이드를 포함하여 구성되어; 폭발행정 동안, 상기 크랭크아암이 슬라이딩안내블럭에서 빠져나와 길이가 길어지도록 슬라이딩 운동하는 것을 기술적 요지로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 엔진의 폭발행정에서, 크랭크아암의 길이가 길어지기 때문에, 그 길어진 길이에 해당하는 만큼의 출력 토오크가 증가하게 되는 장점을 기대할 수 있다. 이는, 동일한 사양의 엔진에서 크랭크아암의 길이변화에 대응하는 만큼의 토오크의 증가를 의미하는 것이다.

다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 기본적인 개념을 보이고 있다. 본 발명은 실질적으로 엔진의 출력을 외부로 전달하는 폭발행정에 있어서, 크랭크아암의 길이를 더욱 길게 가변적으로 설계하는 것에 의하여, 길어진 크랭크아암의 길이에 해당하는 만큼의 토오크를 상승시키고자 하고 있다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 크랭크아암(20)은, 슬라이딩안내블럭(24)의 내부를 슬라이딩 가능한 상태로 조립되어 있다. 도 2에서, 상기 크랭크아암(20)의 슬라이딩 방향을 도시한 화살표에서 알 수 있는 바와 같이, 본발명에 의한 크랭크아암(20)은, 슬라이딩안내블럭(24)의 내부로 수납되거나, 외부로 빠져나올 수 있도록 구성되며, 이러한 크랭크아암(20)의 슬라이딩운동에 의하여 실질적으로 길이가 가변하도록 구성하고 있다.

상기 슬라이딩안내블럭(24)의 내부에서, 직선운동하는 크랭크아암(20)을 보다 효율적으로 지지하기 위하여, 필요하다면 양자의 접촉부분에 베어링을 설치하는 것도 가능하고, 고압상태에서의 윤활유가 충분히 공급될 수 있도록 크랭크축의 내부를 설계하는 것도 가능함은 물론이다.

그리고 도 2에서 도면부호 Ca는 종래의 엔진에 있어서의 크랭크아암(20)의 외측단부의 회전경로를 보이는 것이고, 도면부호 Cb는 본 발명에 의한 크랭크아암(20)의 크랭크핀(21)의 회전경로를 보이는 것이다. 그리고 회전경로(Cb)는, 실질적으로 본 발명에 의한 안내가이드(30)의 원형홈(32)에 의하여 이루어지는 경로이다.

크랭크아암(20)의 회전운동에 대하여 살펴보기로 한다. 컨넥팅로드(14)와 크랭크아암(20)은 크랭크핀(21)을 통하여 서로 연결되어 있다. 그리고 상기 크랭크핀(21)은, 실질적으로 회전운동 가능하게 연결되어 있기 때문에, 컨넥팅로드(14)를 통하여, 피스톤(12)의 직선 상하 운동이, 회전운동으로 변환시키는 기능을 수행하게 될 것이다.

그리고 본 발명에 의하면, 상기 크랭크핀(21)의 양측단부에 설치되어 있는 가이드롤러(21a,21b)가, 안내가이드(30,130)의 원형홈(32,132)의 내부에 삽입된 상태로 구성된다. 안내가이드(30)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 원형으로 형성되고,상기 가이드롤러(21a,21b)가 그 내부에 수납되어, 원형의 회전경로(Cb)를 형성할 수 있는 원형홈(32,132)을 구비하고 있다. 그리고 도 4에 도시한 실시예에 있어서는 상기 안내가이드(30,130)는, 크랭크실(CB)의 양측면에 형성되고 있음을 알 수 있다.

그러나 본 발명에 있어서, 상기 안내가이드(30)는, 크랭크실(CB)의 내측면에 일체로 성형하는 것도 가능하지만, 별도로 설치하는 것과 조립의 편의성을 위하여 분할제작하여 설치하는 것도 가능함은 당연하다. 상기 안내가이드(30)는, 크랭크핀(21)이 원형의 회전운동을 수행할 수 있도록 설치되는 범위 내에서 다른 많은 변형이 가능하다.

다음에는 도 3에 기초하면서, 본 발명에 의한 엔진의 구동상태와 크랭크아암(20)의 길이변화에 대하여 자세하게 살펴보기로 한다.

도 3의 (a)에 도시한 상태는, 피스톤(12)이 상사점에 있는 순간이고 실질적으로 폭발행정이 시작되기 직전의 상태이다. 이러한 상태에서, 크랭크아암(20)의 크랭크핀(21)도 회전경로(Cb)에서 상사점에 위치하게 된다. 여기서 폭발이 시작되면, 피스톤(12)은 하강하면서 그 폭발력을 크랭크아암(20)에 전달하게 된다.

그리고 (b)에 도시한 상태를 살펴보면, 상기 크랭크아암(20)이, 슬라이딩안내블럭(24)에서 가장 우측으로 빠져나온 상태가 되고, 실질적으로 크랭크아암(20)의 길이가 가장 긴 상태로 되는 것이다.

이 때의 상태가 도 2에 도시하고 있는 상태이다. 따라서 이 때는, 종래의 크랭크아암의 길이를 R이라고 할 때, 본 발명의 크랭크아암(20)의 길이는, 우측으로 빠져나온 길이(d) 만큼 더 길어진 상태로서, 실질적인 크랭크아암(20)의 길이는 R+d로 된다. 실제로 크랭크축(22)에 전달되는 토오크는 피스톤의 하강하는 힘(F)과 크랭크아암의 길이의 곱으로 나타나기 때문에, 도 2 또는 도 3의 (b)에 도시한 상태에서 전달되는 토오크는, 길이(d)에 해당하는 만큼의 토오크가 커지게 되는 것이다.

그리고 (a)에서 (b)로 이동하는 과정에서, 상기 크랭크아암(20)의 크랭크핀(21)의 양측단부에 성형된 가이드롤러(21a,21b)가 안내가이드(30,130)의 원형홈(32,132) 속에 수납된 상태로 회전운동하기 때문에, 크랭크아암(20)의 외측단부(크랭크축의 반대측 단부)는 상기 안내가이드(30,130)를 따라 원운동을 수행하게 된다.

그리고 계속하여 (c)의 상태에 이르게 되면, 실질적으로 피스톤(12)는 하사점에 있는 상태이고, 실질적으로 폭발행정은 완료된 상태이다. 그리고 (d)에 도시한 바와 같이, 피스톤(12)이 상사점을 향하여 상승하게 되면, 상기 크랭크아암(20)의 크랭크핀(21)은 안내가이드(30)를 따라 회전하게 된다. 이 때에는 실질적으로 상기 크랭크아암(20)은, 슬라이딩안내블럭(24)의 내부로 슬라이딩하면서 들어가게 되어, 크랭크아암(20)의 길이가 짧아져서 R-d의 길이로 된다. 그러나 (c)에서 다시 (a)까지 진행되는 행정은, 압축 또는 배기행정으로 폭발행정에 비하여 피스톤에 작용하는 힘이 작기 때문에, 크랭크아암(20)의 길이가 짧아져도 출력토오크에는 거의 영향이 없다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의한 기본적인 기술적 사상을 정리하면, 크랭크아암(20)의 길이가 가변되도록 구성하고 있고, 폭발 및 흡입과정에 있어서는 크랭크아암의 길이가 길어지도록 구성하고 있다. 그리고 크랭크아암(20)의 길이 가변을 위해서, 크랭크아암(20) 자체가 슬라이딩안내블럭(24)의 내부에 수납가능하도록 구성하고 있음을 알 수 있다.

그리고 종래의 엔진은 피스톤이 상사점에 도달하기 직전에 폭발이 일어남으로써 비록 짧은 순간이지만, 엔진이 회전하고 있는 방향과는 역방향의 토오크가 걸리는 경우가 있었다. 그리고 폭발 초기의 큰 힘은 크랭크축이 어느 각도 이상 돌아가기 전에는 토오크를 발생시키지 못하는 단점이 있다. 그러나 본 발명의 엔진은 피스톤이 상사점에 있을 때에도, 토오크를 일으킬 수 있는 팔의 길이가 d만큼 확보되어 있고, 토오크의 작용 방향 역시 엔진의 회전 방향과 일치하고 있기 때문에, 크랭크아암의 길이가 증가하는 비율보다 더욱 큰 출력의 증가를 얻을 수 있는 것이다.

다음에는 이와 같은 본 발명의 기술적 범주 내에서, 실제로 엔진에 구현된 일실시예를 살펴보기로 한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 피스톤(12)과 연결되어 있는 컨넥팅로드(14)는, 크랭크핀(21)에 연결되어 있음과 동시에, 크랭크핀(21)의 연장선상에 성형되는 가이드롤러(21a,21b)는, 안내가이드(30,130)의 원형홈(32,132)의 내부에 조립된다. 상기 가이드롤러(21a)가 안내가이드(30,130)의 원형홈(32,132)에 삽입된 상태에서 회전하도록 구성되는 것에 의하여, 실질적으로 크랭크핀(21)이 원운동을 수행하게 되는 것이다.

필요하다면, 상기 컨넥팅로드(14)와 크랭크핀(21)의 연결부분에 저널베어링을 설치하는 것도 가능하고, 이렇게 저널베어링을 설치할 때는 크랭크축의 중심을 통하여 윤활유를 공급할 수 있도록 구성할 것이다.

그리고 상기 크랭크핀(21)과 연결되는 크랭크아암(20)은, 토오크가 전달되는 크랭크축(22)의 내측단부에 성형된 슬라이딩안내블럭(24)에 수납 가능하게 연결되어 있다. 상술한 슬라이딩안내블럭(24)은, 도시한 실시예에 있어서, 제1슬라이딩안내블럭(24b)과, 제2슬라이딩안내블럭(24a)으로 구성되고 있다.

상기 제2슬라이딩안내블럭(24a)의 크랭크축(22)은, 크랭크실(CB)의 내측면에서 상기 안내가이드(30)와 편심되게 성형된 회전지지축공(33)에 삽입되어 회전가능하게 지지되고 있다.

즉, 도시한 실시예는 슬라이딩안내블럭(24)은, 제1 및 제2슬라이딩안내블럭 (24a,24b)으로 구성되고 있으며, 그들 외측으로는 크랭크축(22)이 회전 가능하게 지지되고 있다.

그리고 상기 슬라이딩안내블럭(24a,24b)의 대향면에는, 도브테일홈(24c,24d)이 성형되어 있고, 본 실시예에 의한 도브테일형 단면을 가지는 크랭크아암(20)을 수납할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 슬라이딩안내블럭(24)의 일실시예로서, 도브테일홈을 구비하도록 구성하고, 크랭크아암(20)을 상기 도브테일홈(24c,24d)에 수납되어, 슬라이딩 운동이 가능하도록 구성하고 있음을 알 수 있다. 그리고 도 4에서 가이드롤러(21a,21b)는 상기 안내가이드(30,130)의 원형홈(32,132)의 내부에 수납되며 크랭크핀(21)의 양측에 회전 가능하게 설치된다.이러한 가이드롤러(21a,21b)를 통하여, 상기 원형홈(32)의 내부에서 미끄럼운동을 수행하는 것에 의하여, 보다 원활하게 회전운동을 가이드할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기의 구성에서 미끄럼 운동을 수행하는 크랭크아암(20)과 접촉부분에는 윤활유를 충분하게 공급할 수 있도록 하거나, 필요하다면 직선 베어링 또는 롤러베어링 등을 설치하는 것도 가능함은 물론이다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 엔진의 크랭크아암(20)은, 엔진의 폭발력에 의하여 도 3에 도시한 바와 같은 과정을 거치면서, 회전운동을 수행하게 된다. 그리고 도 3에서, 이러한 폭발행정을 포함하는 각각의 운동에 대해서는 상술한 바와 같다.

그리고 도 5는, 도 4에서 상세하게 도시하고 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 엔진의 크랭크축을 이용하여 4기통 엔진을 구성할 경우, 크랭크축의 구성과 안내가이드 등의 구성을 예시적으로 보이고 있다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 크랭크축의 구성은, 다기통엔진을 구성하는데 전혀 무리가 없고, 실용화가 가능한 잇점을 가지고 있음을 알 수 있을 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명은 다음과 같은 기술적 사상에 기초하고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 토오크를 출력하는 크랭크축(22)에 회전 동력을 전달함에 있어서, 컨넥팅로드(14)와 크랭크축(22) 사이에서 회전운동으로 변환되는 크랭크아암(20)의 길이를 가변적으로 설계하는 것에 기본적인 기술적 사상이 있는 것이다. 즉, 크랭크아암(20)의 길이가 크랭크축(22)을 중심으로 가변하되, 엔진의 폭발시 피스톤이 하강할 때 크랭크아암(20)의 길이가 최대로 되도록 하고있다.

그리고 도시한 실시예에 있어서는 상기 크랭크아암(20)의 길이를 변화시키기 위하여, 슬라이딩안내블럭의 내부로 수납되거나 빠져나오도록 구성하고 있다. 그러나 본 발명은, 상기 크랭크아암(20)의 길이가 크랭크축을 중심으로 가변적으로 구성하되, 크랭크아암의 단부가 크랭크축과는 편심적인 회전경로를 가지도록 구성하는 범위 내에서 다른 변형이 가능함은 물론이다.

예를 들면, 다기통엔진에서 크랭크아암(20)을 쌍으로 구성하되, 서로 맞물린 상태로 결합되고, 서로 기구적으로 신축 또는 신장될 수 있도록 구성함으로써, 충분히 본 발명을 실시할 수 있을 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 장점을 가지고 있음을 알 수 있다.

첫째, 폭발행정에 있어서, 피스톤의 힘을 받는 크랭크아암의 길이가 종래의 것에 비하여 길이(d) 만큼 길어지기 때문에, 실질적으로 토오크가, 길어진 길이(d) 만큼 증가하는 잇점이 있다. 이러한 잇점은, 실질적으로 동일한 사양의 엔진에 있어서 그 출력을 향상시킬 수 있는 것을 의미하는 것이다. 따라서 예를 들면 크랭크아암의 길이가 10% 길어진다면, 실질적인 출력도 10% 정도 향상된다고 할 수 있다.

둘째, 본 발명에 의하면, 피스톤이 상사점에 도달한 상태에서 크랭크아암의 길이가 d만큼 확보되어 있고, 토오크의 작용방향 역시 엔진의 회전방향과 일치하고있다. 이러한 것은, 실질적으로 크랭크아암의 길이의 증가 비율보다 더욱 큰 출력의 향상을 가져온다는 것을 의미한다.

셋째, 본 발명에 의하면, 상술한 바와 같이 실질적으로 엔진의 토오크와 출력을 향상시킬 수 있음에 비하여, 비교적 종래의 것에 비하여 동등한 수준의 크기를 가지고 구현하는 것이 가능하게 된다. 따라서 동일한 사양 및 크기를 가지는 엔진을 이용하여, 그 출력을 충분하게 향상시킬 수 있게 되는 잇점을 기대할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 실린더 내에서 직선왕복운동하는 피스톤과;

   상기 피스톤에 연결되어, 동력을 전달받는 컨넥팅로드와;

   상기 컨넥팅로드와 연결되는 크랭크핀을 구비하고, 상기 피스톤의 직선왕복운동에 의하여 회전운동하는 크랭크아암;

   상기 크랭크아암을 내부에 수납하여, 직선 슬라이딩 운동을 가능하게 지지하는 슬라이딩안내블럭;

   상기 슬라이딩안내블럭과 연결되어, 토오크를 출력하는 크랭크축; 그리고

   상기 크랭크핀의 양단부가 수납되어 원운동을 가이드하는 원형홈을 구비하고, 상기 크랭크축과는 편심된 위치에 중심을 가지는 안내가이드를 포함하여 구성되어;

   상기 크랭크아암이 슬라이딩안내블럭에서 슬라이딩 운동을 하여 크랭크아암의 길이가 가변하는 것을 특징으로 하는 엔진.
2. 제1항에 있어서, 상기 안내가이드는, 크랭크실의 내측면에 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 엔진.
3. 제1항에 있어서, 상기 슬라이딩안내블럭은 대향면에 각각 도브테일형 홈을 구비하는 제1슬라이딩안내블럭과 제2슬라이딩안내블럭을 구성되고, 크랭크아암은상기 한쌍의 도브테일형 홈에 슬라이딩 가능하게 수납되도록 단면이 도브테일형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
4. 엔진의 폭발에 의하여 직선왕복운동하는 피스톤과;

   상기 피스톤의 직선왕복운동을 회전원운동으로 변환시키는 변환수단과;

   상기 변환수단에 의한 회전운동을 외부의 출력으로 연결하는 크랭크축을 포함하여 구성되고;

   상기 변환수단은;

   상기 크랭크축을 중심으로 회전하되, 서로 신장 및 수축이 가능하여 상기 크랭크축과는 편심된 외측단부의 회전경로를 구비하는 한쌍의 크랭크아암과;

   상기 크랭크아암의 외측단부와 상기 피스톤을 연결하는 컨넥팅로드로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.