KR20110097198A - 동력전달장치 - Google Patents

Abstract

4행정 내연기관의 크랭크암을 타원형 톱니바퀴(3)로 대체하고, 같은 크기의 타원형 톱니바퀴(4)를 맞물려 회전하도록 조립하는데, 2개의 타원형 톱니바퀴(3,4)의 동력전달방향에 따라 회전중심(5,7)으로부터 동력전달지점(6)까지의 거리가 교대로 가변되도록 타원의 중심점(8,9)에서 타원의 긴축을 따라 일정 거리만큼 이동한 위치가 타원형 톱니바퀴들의 회전중심(5,7)이 되도록 조립하여, 동일한 크기의 피스톤 동력으로부터 더 큰 회전력을 발생시키고, 더 작은 회전력으로부터 피스톤의 압축과 배기행정에 필요한 동력이 발생 되도록 하여, 동일한 배기량의 4행정 내연기관으로부터 더 큰 최대 회전력을 발생시켜서 가속 및 등판능력을 높이고, 손실 동력을 줄여서 더 큰 유효출력(실마력)을 발생시킬 수 있도록 하는 동력전달구조의 발명에 관한 것이다.

Description

4행정 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달구조 {Power transmission assembly for improve on fuel efficiency of four cycle internal combustion engine}

본 발명은 피스톤 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환하여 구동력을 발생시키는 4행정 내연기관의 동력전달구조를 개선하여, 동일한 배기량의 내연기관에서 더 큰 회전력(Torque)을 발생 되도록 하여 가속 및 등판능력을 향상시키고, 더 큰 유효출력(실마력)이 발생 되도록 함으로써, 내연기관의 연비를 개선할 수 있는 동력전달구조에 관한 것이다.

4행정 내연기관은 급기,압축,폭발,배기의 4행정을 순차적으로 반복하여 피스톤을 왕복운동 하게 하고, 피스톤과 크랭크암을 커넥팅로드로 연결하여 피스톤의 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환시켜서 동력을 발생하는 장치인데, 내연기관의 피스톤 4행정 중에 폭발행정에 의해 발생 되는 동력만이 회전력을 발생시키고, 폭발행정을 제외한 나머지 행정(급기,압축,배기)은 다른 피스톤의 폭발행정에 의해 발생 되는 동력이나 플라이휠의 회전 관성으로부터 동력을 전달받아 작동하게 된다.

즉, 4행정 내연기관의 폭발행정이 진행되는 동안에는 피스톤의 동력이 크랭크축의 회전력으로 변환되도록 동력이 전달되고, 나머지 행정(급기,압축,배기)이 진행되는 동안에는 크랭크축의 회전력이 피스톤의 행정 진행에 필요한 동력으로 변환되도록 동력전달의 방향이 바뀌게 된다.

즉, 4행정 내연기관의 폭발행정이 진행되는 동안에는 엔진출력에 필요한 동력이 발생 되지만, 나머지 행정(급기,압축,배기)이 진행되는 동안에는 다른 피스톤에서 발생 되는 동력을 오히려 소모하게 된다.

가솔린 엔진의 경우 폭발행정에서 발생 되는 에너지의 25~30%만 엔진출력 발생에 유효한 동력으로 변환되고, 나머지 에너지는 손실되어 버린다. 그래서, 4행정 내연기관의 폭발행정에 의해 발생 되는 피스톤 동력이 더 큰 크랭크축의 회전력으로 변환되고, 압축과 배기행정에 필요한 피스톤의 동력은 더 작은 크랭크축의 회전력으로부터 발생 되도록 동력전달구조를 개선함으로써, 4행정 내연기관이 발생할 수 있는 최대 회전력을 높여서 엔진의 가속 및 등판능력을 개선하고, 유효 발생출력(실마력)을 높여서 결과적으로 4행정 내연기관의 유효 발생출력 대비 연료소비율 즉, 연비가 낮아지도록 개선함이 해결하려는 과제이다.

4행정 내연기관의 크랭크암을 (도2)와 같이 타원형 톱니바퀴(3)로 대체하고, 같은 크기의 타원형 톱니바퀴(4)를 맞물려 회전하도록 조립하는데, 동력전달방향에 따라 2개의 타원형 톱니바퀴의 회전중심(5,7)으로부터 동력전달지점(6)의 거리가 교대로 가변되도록 (도3)과 같이 타원의 중심점(8,9)에서 타원의 긴축을 따라 일정 거리 만큼 이동한 위치가 타원형 톱니바퀴들의 회전중심(5,7)이 되도록 한다.

그래서, 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하는 동안에는 크랭크암을 대체한 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리는 작아지게 하고, 이에 맞물려 회전하는 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리는 커지게 하여 더 큰 회전력이 전달되도록 하고, 반대로 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 동안에는 크랭크암을 대체한 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리는 커지게 하고, 이에 맞물려 회전하는 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달하는 지점까지의 거리(6)는 작아지게 하여 더 작은 회전력으로부터 피스톤 행정에 필요한 동력으로 변환되어 전달되도록 한다.

이때에, 크랭크축은 피스톤의 운동위치에 따라 다른 속도로 회전하게 되기 때문에 피스톤 단위별로 분리하여 각각 다른 속도로 회전할 수 있는 구조로 고정하고, 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)의 회전으로부터 동력을 전달받는 모든 타원형 톱니바퀴(4)들과 회전축은 같은 속도로 묶여서 회전하도록 일체화 한다.

피스톤의 동력으로부터 변환되는 크랭크축의 회전력이 동일하다고 할 때에, 개선된 동력전달구조에 의해 피동 톱니바퀴(4)에 발생되는 최대의 회전력은 피스톤 행정의 진행이 (도2)의 상태일 때에 발생 되는데, 이때에 구동 톱니바퀴(3)의 회전중심점(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리와 피동 톱니바퀴(4)의 회전중심점(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리의 비율에 따라 전달되는 회전력의 크기가 다르게 되는데, 8기통 내연기관에 개선된 동력전달구조를 적용한 경우 (도3)을 참고하여 계산해 보면 구동 톱니바퀴(3)의 회전중심점(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리와 피동 톱니바퀴(4)의 회전중심점(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리의 비율은 1:2.41421이 되고, 이에 따라 피동 톱니바퀴(4)의 회전중심축에 발생되는 최대 회전력도 (도5)와 같이 1개의 피스톤 동력으로부터 변환되는 최대 회전력의 2.41421배가 될 것이다.

그런데, 4기통 이상의 기존 4행정 내연기관에서는 폭발행정에 의한 회전력 발생주기가 크랭크축이 720도 회전하는 동안에 고르게 분포되도록 하기 때문에 2개 이상의 피스톤 동력으로부터 크랭크축 회전력으로의 변환이 일어나게 되며, 2개의 피스톤 동력으로부터 크랭크축 회전력으로의 변환이 순차적으로 시차를 갖고 동시에 진행되게 되므로, 발생되는 최대 회전력은 (도5)에서와 같이 1개의 피스톤 동력으로부터 변환되는 최대 회전력의 1.73205배가 될 것이다.

따라서, 개선된 동력전달구조의 8기통 내연기관은 기존의 8기통 내연기관에 비해 1.39385(2.41421/1.73205)배 만큼 더 큰 회전력을 발생시킬 수 있을 것이다.

이렇게, 더 큰 회전력이 발생 된다는 것은 가속 및 등판능력이 개선된다는 것이고, 더 작은 회전력으로부터 압축과 배기행정에 필요로 하는 피스톤 동력을 발생시킬 수 있다면 손실 동력을 줄여서 더 큰 유효출력(실마력)을 발생시킬 수 있을 것이다.

도1 피스톤 운동에 따른 개선된 동력전달구조의 작동 개요도.
도2 개선된 동력전달구조의 타원형 톱니바퀴 조립 기준도.
도3 타원형 톱니바퀴의 회전중심 결정방법을 설명하기 위한 도면
도4 타원형 톱니바퀴의 형태 결정 방법을 설명하기 위한 도면
도5 기존 엔진과 동력전달구조를 개선한 엔진의 최대 회전력 발생 주기도

4행정 내연기관의 피스톤에 연결된 커넥팅로드와 결합 되어 크랭크축을 회전시키는 크랭크암을 타원형 톱니바퀴(3)로 대체하고, 크기와 형태가 같은 또 다른 타원형 톱니바퀴(4)를 각 타원의 긴축이 일직선을 이루게 하고, 타원의 형태가 같은 방향이 되도록 (도2)와 같이 맞물려 조립한다.

그리고, 크랭크암을 대체하는 타원형 톱니바퀴(3)들은 각각 다른 속도로 회전 가능하도록 크랭크축을 피스톤별로 분리하여 회전 가능한 구조로 고정하여야 하며, 이에 맞물려 회전하는 또 다른 타원형 톱니바퀴(4)들은 모두 같은 속도로 회전하도록 회전축과 일체화하고, 이 회전축의 회전력이 내연기관의 유효출력(실마력)이 되도록 한다.

상기의 동력전달구조에서는 피스톤이 상사점에서 하사점까지 운동하는 동안 크랭크축은 180도를 회전하지만, 크랭크축의 회전력을 전달받는 피동 톱니바퀴(4)는 180도 보다 작게 회전하게 되므로, 폭발행정으로부터의 동력발생 연속성을 유지하기 위해서는 최소 5개 이상의 피스톤으로 엔진을 구성하여야 한다.

그리고, 내연기관을 구성하는 피스톤의 수에 따라 크랭크축과 구동 톱니바퀴 (3)가 180도 회전하는 동안에 피동 톱니바퀴(4)의 최소 회전각도(720/피스톤의 갯수)가 결정되게 되고, 이렇게 결정된 피동 톱니바퀴(4)의 최소 회전각도에 따라 타원의 중심(9)으로부터 톱니바퀴의 회전중심(7)까지의 편심 거리가 결정되게 되며, 2개의 타원형 톱니바퀴(3,4)가 편심의 회전중심(5,7)을 축으로 원활하게 맞물려 회전할 수 있도록 타원의 긴축과 짧은축의 길이 비율을 결정하여 타원형 톱니바퀴의 형태를 결정하면 된다.

예를 들어, 8기통 내연기관의 개선된 동력전달구조에서는 크랭크축과 구동 톱니바퀴(3)가 180도 회전하는 동안에 동력을 전달받는 피동 톱니바퀴(4)의 최소 회전각도는 720도의 1/8인 90도 이상이 되어야 하므로,(도3)의 방법에 의해 타원의 중심(8,9)으로부터 타원의 긴축 길이의 0.2071068배에 해당되는 길이 만큼 이동하여 원주길이-10과 원주길이-11이 같아지는 지점을 타원형 톱니바퀴의 회전중심(5, 7)이 되도록 하고, (도4)의 방법에 의해 타원형 톱니바퀴의 중심(8,9)을 잇는 직선과 회전중심(5,7)를 잇는 직선이 서로 교차하는 점에서 타원의 원주가 접하도록 타원의 짧은축 길이를 결정하면 되는데, (도4)의 방법에 의해 타원의 짧은축 길이가 조정이 되면 (도3)의 방법에 의한 회전중심의 편심거리가 다시 조정되어야 하므로, (도3)의 방법과 (도4)의 방법을 번갈아 적용하면서 타원형 톱니바퀴의 짧은축 길이와 긴축 길이의 비율을 결정하여야 하는데, 8기통 내연기관의 개선된 동력전달구조에 적용하기 위한 타원형 톱니바퀴는 짧은축과 긴축의 길이비율이 1:1.09868395051이 되도록 형태를 결정하면 된다.

1: 피스톤
2: 커넥팅로드
3: 타원형 톱니바퀴(크랭크암 대체)
4: 타원형 톱니바퀴(피동 톱니바퀴)
5: 타원형 톱니바퀴(3)의 회전 중심
6: 타원형 톱니바퀴의 동력전달 접점
7: 타원형 톱니바퀴(4)의 회전 중심
8: 톱니바퀴(3)의 타원형 중심
9: 톱니바퀴(4)의 타원형 중심

Claims (1)

1. 4행정 내연기관의 동력전달구조 중에 크랭크암을 타원형 톱니바퀴로 대체하는 것과;
   크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴에 또 다른 같은 크기와 형상의 타원형 톱니바퀴를 맞물려 회전하도록 조립하여 동력을 전달하는 것;
   을 특징으로 하는 4행정 내연기관의 동력전달구조.

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