KR20090060619A - 내연기관의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤의 위치 즉, 크랭크샤프트의 회전 각도에 따라 크랭크샤프트의 회전 각속도가 변화되도록 하여 엔진의 출력 향상에 유리한 연소실 조건 및 피스톤 운동조건을 형성할 수 있도록 함으로써, 내연기관의 출력을 보다 향상시킬 수 있도록 한다.

유니버설조인트, 굴절각, 피스톤, 출력, 내연기관, 상사점, 하사점

Description

내연기관의 구조{Internal Combustion Engine Structure}

본 발명은 내연기관의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료의 연소 작용에 의해 피스톤이 직선 왕복운동 하여, 크랭크샤프트를 회전시키도록 된 내연기관의 구조에 관한 기술이다.

가솔린 엔진이나 디젤 엔진 등과 같은 내연기관은 실린더헤드와 실린더블록 및 피스톤이 형성하는 연소실에서 연료가 폭발하면서 발생시키는 에너지로 피스톤을 직선 운동시키고, 상기 피스톤은 커넥팅로드를 통해 크랭크샤프트에 연결되어 크랭크샤프트를 회전시키도록 되어 있으며, 상기 크랭크샤프트에는 플라이휠이 연결되어 상기 크랭크샤프트에 회전관성이 부여될 수 있도록 한다.

상기한 바와 같은 내연기관은 흡기, 압축, 폭발, 배기의 4개의 행정을 차례로 반복 수행하면서 동력을 발생시키도록 되어 있는 바, 상기 흡기행정은 연료의 연소에 필요한 공기를 연소실 내부로 흡입하기 위한 것으로서 상대적으로 흡기행정의 시간이 길다면 충진효율이 향상되어 엔진의 출력 향상에 기여할 수 있게 된다.

한편, 상기 압축행정 말기의 피스톤 상사점 부근에서는 연료의 연소가 진행 되고 연소실의 압력이 상승하여 엔진의 회전에 대해 반대방향의 힘을 작용하는 셈이므로 짧은 시간을 가지는 것이 엔진의 출력에 유리하며, 상기 폭발행정에서는 연료가 연소될 시간을 조금 더 부여하면 연소효율의 향상으로 출력 향상에 바람직하다.

한편, 피스톤의 속도는 상사점과 하사점의 중간에서 가장 큰 속도를 가지며 이때 저항 손실이 크게 증가되므로 이 부분에서의 속도를 낮게 하면 저항 손실을 줄일 수 있을 것이다.

결국, 엔진의 각 행정의 순환 및 피스톤의 거동을 크랭크샤프트의 회전으로 고려하면, 크랭크샤프트의 일회전 동안, 그 회전 각도에 따라 각기 바람직하게 요구되는 회전속도 즉, 각속도가 다르다는 것이다.

그러나, 종래의 내연기관은 크랭크샤프트에 플라이휠이 동심축을 이룬 상태로 단순하게 연결되어 있어서, 상기 플라이휠이 제공하는 회전관성에 의해 크랭크샤프트는 거의 일정한 각속도로 회전되어, 내연기관의 출력에 유리한 각 행정에 필요한 최적의 연소실 조건 및 피스톤의 운동조건을 형성하지 못함으로써, 구조적으로 내연기관의 출력을 제한하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 피스톤의 위치 즉, 크랭크샤프트의 회전 각도에 따라 크랭크샤프트의 회전 각속도가 변화되도록 하여 엔진의 출력 향상에 유리한 연소실 조건 및 피스톤 운동조건을 형성할 수 있도록 함으로써, 내연기관의 출력을 보다 향상시킬 수 있도록 한 내연기관의 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 내연기관의 구조는

직선왕복운동하는 피스톤이 커넥팅로드를 통해 크랭크샤프트에 연결되어 크랭크샤프트를 회전시키도록 된 내연기관의 구조에 있어서,

상기 크랭크샤프트의 회전축에 경사진 방향의 회전축을 가진 플라이휠과;

상기 플라이휠과 상기 크랭크샤프트를 연결하는 유니버설조인트;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 크랭크샤프트와 유니버설조인트 사이에는 상호간의 상대적인 위상각을 조절할 수 있는 액츄에이터를 더 설치할 수 있다.

또한 상기 크랭크샤프트와 플라이휠 사이에는 유니버설조인트의 굴절각을 조절할 수 있는 각조절액츄에이터를 더 설치할 수 있다.

본 발명은 피스톤의 위치 즉, 크랭크샤프트의 회전 각도에 따라 크랭크샤프트의 회전 각속도가 변화되도록 하여 엔진의 출력 향상에 유리한 연소실 조건 및 피스톤 운동조건을 형성할 수 있도록 함으로써, 내연기관의 출력을 보다 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 직선왕복운동하는 피스톤(1)이 커넥팅로드(3)를 통해 크랭크샤프트(5)에 연결되어 크랭크샤프트(5)를 회전시키도록 된 내연기관의 구조에 있어서, 상기 크랭크샤프트(5)의 회전축에 경사진 방향의 회전축을 가진 플라이휠(7)과; 상기 플라이휠(7)과 상기 크랭크샤프트(5)를 연결하는 유니버설조인트(9)를 포함하여 구성된다.

즉, 종래와 달리 플라이휠(7)이 크랭크샤프트(5)와 동심축을 가지지 않고, 서로의 회전축이 서로 어긋나게 배치되고, 그 사이를 상기 유니버설조인트(9)로 연결한 것이다.

상기 유니버설조인트(9)는 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 요크(11)를 스파이더(13)로 연결한 것으로서, 상기 2개의 요크(11)에 연결된 구동축과 종동축 사이의 굴절각이 존재하면, 상기 구동축이 등속회전하더라도 종동축은 부등속회전을 하게 되며, 굴절각이 커질수록 종동축의 각속도 변화는 심화되는 성질을 가지고 있다.

예컨대, 도 3은 구동축이 1000 rpm으로 등속회전할 때, 상기 구동축에 유니버설조인트(9)로 연결된 종동축이 상기 유니버설조인트(9)의 굴절각에 따라 부등속 회전을 하는 회전수 변동을 그래프로 예시한 것이다.

즉, 유니버설조인트(9)로 연결된 구동축과 종동축 사이에는 구동축이 등속회전할 때, 종동축은 2번의 최대 각속도와 2번의 최소 각속도를 가지게 되며, 그 각속도의 변동량은 상기 굴절각에 따라 변화되는 것이다.

본 발명의 실시예에서는 상기 유니버설조인트(9)의 구동축은 상기 플라이휠(7)에 연결된 쪽이고, 종동축은 상기 크랭크샤프트(5)에 연결된 쪽으로 볼 수 있다. 왜냐하면, 상기 플라이휠(7)은 매우 큰 회전관성을 가지고 있어서, 일회전의 운동으로 보면 거의 동일한 등속회전을 하는 것으로 볼 수 있기 때문이다.

상기한 바와 같이 플라이휠(7)과 유니버설조인트(9)로 크랭크샤프트(5)가 연결되고 상기 유니버설조인트(9)가 굴절각을 가지면, 상기 플라이휠(7)의 등속회전에 대해, 상기 크랭크샤프트(5)는 부등속 회전을 하게 된다.

즉, 플라이휠(7)이 1회전 등속회전할 때, 상기 크랭크샤프트(5)는 2번의 최대 각속도와 2번의 최소 각속도가 서로 교번하여 순차적으로 발생하는 것이다.

여기서, 상기 크랭크샤프트(5)의 회전 각속도 변화를 내연기관의 출력에 유리한 각 행정에 필요한 최적의 연소실 조건 및 피스톤(1)의 운동조건을 형성하도록 맞추면, 종래 내연기관의 구조적 한계를 극복하고, 조금 더 높은 내연기관의 출력을 얻을 수 있다.

즉, 내연기관의 피스톤(1)이 상사점과 하사점 부근에서 크랭크샤프트(5)의 회전 각속도가 최대가 되도록 하면, 상기 피스톤(1)이 상사점과 하사점 사이 부근에 있을 때에는 상기 크랭크샤프트(5)의 회전 각속도가 최소가 되는데, 이는 흡기 행정의 시간을 길게 하여 충진효율을 향상시키면서, 압축행정 말기의 상사점 부근에서는 크랭크샤프트(5)의 빠른 회전 각속도를 형성하여 크랭크샤프트(5)의 회전에 대해 반대방향의 힘이 작용하는 시간을 상대적으로 줄이게 하는 역할을 하고, 폭발행정에서는 연료가 연소될 시간을 조금 더 부여하여 엔진의 출력향상에 보다 유리한 연소조건을 형성할 수 있도록 함으로써, 궁극적으로 엔진의 출력을 증대시키는 것이다.

물론, 상기와 같은 경우 피스톤(1)의 속도는 상사점과 하사점의 중간에서 가장 낮은 속도를 가지게 되어 저항 손실을 줄임으로써, 엔진의 출력손실을 최소화하게 된다.

여기서, 상기 크랭크샤프트(5)의 회전 각속도의 최대 또는 최소의 상태 변화를 피스톤(1)의 위치에 따라 맞추는 것은, 상기 유니버설조인트(9)의 크랭크샤프트(5) 쪽의 요크(11)와 크랭크샤프트(5) 사이의 위상각을 조절하면 이루어지는 바, 해당 내연기관에서 달성하고자 하는 출력특성 등을 고려하여 적절히 선정하면 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이 실시예는 크랭크샤프트(5)의 회전축에 경사진 방향의 회전축을 가진 플라이휠(7)과, 상기 플라이휠(7)과 상기 크랭크샤프트(5)를 연결하는 유니버설조인트(9)와, 상기 크랭크샤프트(5)와 유니버설조인트(9) 사이에는 상호간의 상대적인 위상각을 조절할 수 있는 액츄에이터(15)가 개재된 구조이다.

즉, 상기 첫 번째 실시예에 비하여 상기 액츄에이터(15)가 상기 크랭크샤프트(5)와 유니버설조인트(9) 사이에 더 추가된 것이다.

상기 액츄에이터(15)는 유압식 또는 전동식으로 구현할 수 있으며, 내연기관을 제어하는 도시되지 않은 컨트롤러 등에 연결되어, 내연기관의 작동 조건 및 상태에 따라서, 상기 액츄에이터(15)를 구동하여 상기 크랭크샤프트(5)와 상기 유버설조인트의 상기 크랭크샤프트(5) 쪽의 요크(11) 사이의 위상각을 조정하도록 할 수 있다.

상기와 같이 액츄에이터(15)로 상기 크랭크샤프트(5)의 상기 유니버설조인트(9)에 대한 위상각을 조절하면, 상술한 바와 같이 크랭크샤프트(5)의 회전 각속도 변화가 피스톤(1)의 위치에 대하여 적절한 시점에 이루어지도록 할 수 있다.

이와 같이 내연기관의 작동중에 상기 크랭크샤프트(5)의 상기 유니버설조인트(9)에 대한 위상각을 실시간으로 조절하면, 내연기관의 작동 조건 및 상태에 따라 최적의 상태로 연소조건 등을 형성할 수 있어서, 더욱 최적화된 내연기관의 작동으로 보다 향상된 출력특성을 얻어낼 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이 실시예는 크랭크샤프트(5)의 회전축에 경사진 방향의 회전축을 가진 플라이휠(7)과, 상기 플라이휠(7)과 상기 크랭크샤프트(5)를 연결하는 유니버설조인트(9)와, 상기 크랭크샤프트(5)와 플라이휠(7) 사이에는 상호간의 상대적인 굴절각을 조절할 수 있는 각조절액츄 에이터(17)가 개재된 구조이다.

즉, 상기 첫 번째 실시예에 비하여 상기 각조절액츄에이터(17)가 상기 크랭크샤프트(5)와 플라이휠(7) 사이에 더 추가된 것이다.

상기 각조절액츄에이터(17)는 유압식 또는 전동식으로 구현할 수 있으며, 내연기관을 제어하는 도시되지 않은 컨트롤러 등에 연결되어, 내연기관의 작동 조건 및 상태에 따라서, 상기 각조절액츄에이터(17)를 구동하여 상기 크랭크샤프트(5)와 플라이휠(7) 사이의 유버설조인트의 굴절각을 조정하도록 할 수 있다.

상기와 같이 액츄에이터(15)로 상기 크랭크샤프트(5)의 상기 플라이휠(7)에 대한 굴절각을 조절하면, 상술한 바와 같이 크랭크샤프트(5)의 회전 각속도 변화가 굴절각의 크기에 따라 변화 되도록 할 수 있다.

이와 같이 내연기관의 작동중에 상기 크랭크샤프트(5)의 상기 플라이휠(7)에 대한 굴절각을 실시간으로 조절하면, 내연기관의 작동 조건 및 상태에 따라 최적의 상태로 연소조건 등을 형성할 수 있어서, 더욱 최적화된 내연기관의 작동으로 보다 향상된 출력특성을 얻어낼 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 구조를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 적용되는 유니버설조인트를 설명한 도면,

도 3은 유니버설조인트의 1회전에 대한 회전수 변동을 설명한 그래프,

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 피스톤 3; 커넥팅로드

5; 크랭크샤프트 7; 플라이휠

9; 유니버설조인트 11; 요크

13; 스파이더 15; 액츄에이터

17; 각조절액츄에이터

Claims (3)

1. 직선왕복운동하는 피스톤이 커넥팅로드를 통해 크랭크샤프트에 연결되어 크랭크샤프트를 회전시키도록 된 내연기관의 구조에 있어서,

   상기 크랭크샤프트의 회전축에 경사진 방향의 회전축을 가진 플라이휠과;

   상기 플라이휠과 상기 크랭크샤프트를 연결하는 유니버설조인트;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 크랭크샤프트와 유니버설조인트 사이에는 상호간의 상대적인 위상각을 조절할 수 있는 액츄에이터가 개재된 것

   을 특징으로 하는 내연기관의 구조.
3. 직선왕복운동하는 피스톤이 커넥팅로드를 통해 크랭크샤프트에 연결되어 크랭크샤프트를 회전시키도록 된 내연기관의 구조에 있어서,

   상기 크랭크샤프트의 회전축에 경사진 방향의 회전축을 가진 플라이휠과;

   상기 플라이휠과 상기 크랭크샤프트를 연결하는 유니버설조인트;

   를 포함하여 구성된 것으로 상기 크랭크샤프트와 플라이휠 사이에는 상호간의 상대적인 굴절각을 조절할 수 있는 각조절액츄에이터가 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관의 구조.

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