KR20100045721A

KR20100045721A - 엔진의 크랭크샤프트

Info

Publication number: KR20100045721A
Application number: KR1020080104798A
Authority: KR
Inventors: 류현수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-05-04
Also published as: KR101405673B1

Abstract

본 발명은 2기통 운전을 상용운전 모드로 설정하고, 엔진의 출력성능 및 소음 진동 특성을 2기통 운전 상태에 최적화시키며, 3기통으로 운전시에도 소음 진동 특성의 악화를 최소화하도록 하고, 간단한 구조로 중량이 저감되며, 제작이 용이하고 제작비용이 저렴한 크랭크샤프트를 제공한다.

밸런스웨이트, 크랭크핀, 가변기통

Description

엔진의 크랭크샤프트{Crankshaft of Engine}

본 발명은 엔진의 크랭크샤프트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직렬로 배치된 3개의 실린더를 가지며 모든 실린더에서 폭발행정을 수행할 수도 있고 일부 실린더의 폭발행정을 생략할 수도 있는 가변기통 엔진을 위한 크랭크샤프트의 구조에 관한 기술이다.

가변기통 엔진은 일정한 조건하에서는 모든 실린더에서 폭발행정이 이루어지는 것이 아니라, 일부 실린더에서의 폭발행정을 생략하고 휴지하도록 함으로써 연료의 소비를 저감하도록 하는 것이다.

통상 엔진은 모든 실린더에서 정상적인 폭발행정이 정해진 순서에 따라 차례로 수행되는 것을 기본으로 하여 설계되므로, 이러한 통상의 엔진에서 어느 하나 또는 그 이상의 실린더에서 폭발행정을 수행하지 않고 휴지 상태로 하는 경우에는 부등간격 점화가 발생되고, 이에 의해 소음 진동이 악화되며, 흡/배기 간격도 부등간격이 되어 흡배기효율 저하로 엔진의 성능이 저하되고, 이에 따라 연비가 악화되는 문제가 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 직렬 3기통 엔진에 사용되는 크랭크샤프트(500)는 크랭크핀(502)이 각각 120도 간격으로 균일하게 벌어져서 배치되어 있어서, 모든 실린더에서 정해진 순서에 따라 균일한 간격으로 점화가 발생되어 폭발행정이 이루어지는 것이 예정되어 있으므로, 상기한 바와 같이 어느 한 실린더의 점화가 이루어지지 않는 작동시에는 상기한 바와 같은 문제의 발생이 필연적인 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 고유가 시대의 저연비 성능에 대한 기대에 충분히 부합하기 위하여, 2기통 운전을 상용운전 모드로 설정하고, 엔진의 출력성능 및 소음 진동 특성을 이 상태에 최적화시키며, 3기통으로 운전시에도 소음 진동 특성의 악화를 최소화하도록 한 직렬 3기통 가변 기통 엔진을 구성하기 위한 크랭크샤프트를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명 엔진의 크랭크샤프트는

총 3개의 크랭크핀이 크랭크샤프트의 중심축선을 지나는 단일 평면상에 배치되고;

이중 2개는 상기 중심축선을 기준으로 나머지 하나와 반대방향으로 배치된 것

을 특징으로 한다.

상기 크랭크샤프트의 길이방향을 따라 일측으로부터 차례로 1번, 2번 및 3번으로 순서를 정할 때, 1번크랭크핀과 3번크랭크핀은 상기 중심축선을 기준으로 동일한 방향으로 배치되고;

2번크랭크핀은 상기 중심축선을 기준으로 상기 1번크랭크핀 및 3번크랭크핀과 반대방향으로 배치된 구조로 할 수 있다.

상기 1번크랭크핀을 상기 중심축선에 대해 지지하는 1번웨브에는 밸런스웨이트가 연장되어 형성되고;

상기 3번크랭크핀을 상기 중심축선에 대해 지지하는 6번웨브에도 밸런스웨이트가 연장되어 형성되며;

상기 1번크랭크핀을 지지하는 2번웨브와, 상기 2번크랭크핀을 지지하는 3번웨브 및 4번웨브와, 상기 3번크랭크핀을 지지하는 5번웨브는 밸런스웨이트가 연장되어 형성되지 않는 구조로 할 수 있다.

상기 밸런스웨이트 각각은, 하나의 크랭크핀 질량의 50%와, 한 기통에 대한 왕복질량의 50%와, 하나의 커넥팅로드 대단부 회전질량의 50%를 합한 질량과 동일하게 형성되는 구조로 할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명 실시예는 총 3개의 크랭크핀이 크랭크샤프트(1)의 중심축선(C)을 지나는 단일 평면상에 배치되고; 이중 2개는 상기 중심축선(C)을 기준으로 나머지 하나와 반대방향으로 배치된 구조이다.

물론, 상기 크랭크샤프트(1)의 중심축선(C)은 메인저널(3)의 중심축선을 말한다.

상기 크랭크샤프트(1)의 길이방향을 따라 일측으로부터 차례로 1번, 2번 및 3번으로 순서를 정할 때, 1번크랭크핀(5)과 3번크랭크핀(9)은 상기 중심축선(C)을 기준으로 동일한 방향으로 배치되고, 2번크랭크핀(7)은 상기 중심축선(C)을 기준으로 상기 1번크랭크핀(5) 및 3번크랭크핀(9)과 반대방향으로 배치된 구조이다.

즉, 도시된 바와 같이 1번크랭크핀(5)과 3번크랭크핀(9)은 수직면 상에서 상측에 위치하고, 2번크랭크핀(7)은 상기 수직면 상에서 하측에 위치하여, 상기 1번크랭크핀(5) 및 3번크랭크핀(9)과는 180도의 위상차를 가지도록 배치한 것이다.

상기 1번크랭크핀(5)을 상기 중심축선(C)에 대해 지지하는 1번웨브(11)에는 밸런스웨이트(23)가 연장되어 형성되고, 상기 3번크랭크핀(9)을 상기 중심축선(C)에 대해 지지하는 6번웨브(21)에도 밸런스웨이트(23)가 연장되어 형성되며, 상기 1번크랭크핀(5)을 지지하는 2번웨브(13)와, 상기 2번크랭크핀(7)을 지지하는 3번웨브(15) 및 4번웨브(17)와, 상기 3번크랭크핀(9)을 지지하는 5번웨브(19)는 밸런스웨이트(23)가 연장되어 구비되어 있지 않은 구조이다.

따라서, 상기 밸런스웨이트(23) 각각은, 하나의 크랭크핀 질량의 50%와, 한 기통에 대한 왕복질량의 50%와, 하나의 커넥팅로드 대단부 회전질량의 50%를 합한 질량과 동일하게 형성함으로써, 불평형상태를 완전히 해소하도록 한다.

즉, 1번웨브(11)에 연결되어 형성된 밸런스웨이트(23)의 입장에서 보면, 2번크랭크핀(7) 질량은 1번크랭크핀(5)과 3번크랭크핀(9)에서 반씩 상쇄시키므로 1번크랭크핀(5)의 나머지 50%에 해당하는 질량을 상쇄시켜야 하며, 마찬가지로 2번 크랭크핀(7)에 연결된 왕복질량은 1번크랭크핀(5)과 3번크랭크핀(9)에 연결된 왕복질량에 의해 반씩 상쇄되어 1번크랭크핀(5)에 연결된 왕복질량의 나머지 50%를 상쇄시켜야 하고, 커넥팅로드 대단부 회전질량에 대해서도 마찬가지로 2번크랭크핀(7)에 연결된 것을 상쇄시킨 나머지 50%의 1번크랭크핀(5)에 연결된 커넥팅로드 대단부 회전질량을 상쇄시켜야 하므로, 이들을 모두 합한 질량이 되도록 형성하는 것이다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 크랭크샤프트(1)는 우선 양산성이 종래에 비하여 우수하다.

즉, 주물 또는 단조 제작시, 파팅라인이 단순하고 상하형의 2개의 금형만으로 완제품의 형상을 완성할 수 있어서 덧살이 최소화되어 투입되는 소재의 중량을 저감할 수 있고, 특히 단조 제작시 종래에는 형상을 만들기 위해 필요했던 트위스팅 장비가 불필요하다.

또한, 황삭 가공이 필요한 밸런스웨이트(23)를 2개만 형성하고 나머지는 모두 삭제한 구조이므로, 가공비가 저감되어 크랭크샤프트(1) 제작비용의 전반적인 저감을 가져올 수 있다.

한편, 본 발명의 크랭크샤프트(1)는 종래 구조에 대비하여 밸런스웨이트(23) 하나의 크기는 다소 증가하지만, 나머지 4개의 밸런스웨이트(23)를 삭제한 효과에 의해 크랭크샤프트(1)의 대폭적인 경량화를 이룰 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명 크랭크샤프트(1)가 적용된 엔진에서 2기통만 운전할 때의 점화순서 및 점화시기와 3기통으로 운전할 때의 점화순서 및 점화시기를 함께 비교하여 도시하고 있다.

2기통으로 운전할 때에는 1번실린더(25)와 3번실린더(29)만 교대로 점화하여 폭발행정을 수행하도록 한다. 따라서, 점화간격은 360도로 일정하여, 흡/배기가 규칙적으로 이루어져 흡/배기 효율의 상승으로 엔진 출력 및 연비의 향상을 가져오게 된다.

즉, 본 발명의 크랭크샤프트(1)가 적용된 엔진은 주로 상기와 같은 2기통으로 운전을 하는 것을 기본으로 하고 있기 때문에, 상기와 같이 2기통으로 운전을 할 때, 엔진 출력 및 연비 특성이 우수하게 형성되도록 한 것이다.

한편, 3기통으로 운전하는 경우를 보면, 1번실린더(25), 3번실린더(29), 2번실린더(27) 그리고 다시 1번실린더(25) 순서로 점화가 이루어지게 되며, 이 경우 점화 간격은 360도, 180도, 180도, 360도 순서로 형성되어 도 1의 종래 크랭크샤프트(1)를 적용한 경우에 비하여서는 소음 진동의 측면에서 다소 불리하지만, 고출력을 필요로 하는 경우에 일시적으로 사용될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 크랭크샤프트 구조를 설명한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 크랭크샤프트 구조를 설명한 도면,

도 3은 본 발명의 크랭크샤프트가 채용된 엔진의 작동을 설명한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 크랭크샤프트 3; 메인저널

5; 1번크랭크핀 7; 2번크랭크핀

9; 3번크랭크핀 11; 1번웨브

13; 2번웨브 15; 3번웨브

17; 4번웨브 19; 5번웨브

21; 6번웨브 23; 밸런스웨이트

25; 1번실린더 27; 2번실린더

29; 3번실린더 C; 중심축선

Claims

총 3개의 크랭크핀이 크랭크샤프트의 중심축선을 지나는 단일 평면상에 배치되고;

이중 2개는 상기 중심축선을 기준으로 나머지 하나와 반대방향으로 배치된 것

을 특징으로 하는 엔진의 크랭크샤프트.
청구항 1에 있어서,

상기 크랭크샤프트의 길이방향을 따라 일측으로부터 차례로 1번, 2번 및 3번으로 순서를 정할 때, 1번크랭크핀과 3번크랭크핀은 상기 중심축선을 기준으로 동일한 방향으로 배치되고;

2번크랭크핀은 상기 중심축선을 기준으로 상기 1번크랭크핀 및 3번크랭크핀과 반대방향으로 배치된 것

을 특징으로 하는 엔진의 크랭크샤프트.
청구항 2에 있어서,

상기 1번크랭크핀을 상기 중심축선에 대해 지지하는 1번웨브에는 밸런스웨이트가 연장되어 형성되고;

상기 3번크랭크핀을 상기 중심축선에 대해 지지하는 6번웨브에도 밸런스웨 이트가 연장되어 형성되며;

상기 1번크랭크핀을 지지하는 2번웨브와, 상기 2번크랭크핀을 지지하는 3번웨브 및 4번웨브와, 상기 3번크랭크핀을 지지하는 5번웨브는 밸런스웨이트가 연장되어 형성되지 않는 것

을 특징으로 하는 엔진의 크랭크샤프트.
청구항 3에 있어서,

상기 밸런스웨이트 각각은, 하나의 크랭크핀 질량의 50%와, 한 기통에 대한 왕복질량의 50%와, 하나의 커넥팅로드 대단부 회전질량의 50%를 합한 질량과 동일하게 형성되는 것

을 특징으로 하는 엔진의 크랭크샤프트.