KR20120103127A - 2행정 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달구조 - Google Patents

Abstract

2행정 내연기관의 크랭크암을 타원형 톱니바퀴로 대체하고, 같은 크기의 타원형 톱니바퀴를 맞물려 회전하도록 조립하는데, 2개의 타원형 톱니바퀴의 동력전달방향에 따라 회전중심으로부터 동력전달지점의 거리가 교대로 가변되도록 타원의 중심점에서 타원의 장축을 따라 일정 거리만큼 이동한 위치가 타원형 톱니바퀴들의 회전중심점이 되도록 조립하여, 동일한 크기의 피스톤 동력으로부터 더 큰 회전력을 발생시키고, 더 작은 회전력으로부터 폭발행정을 제외한 나머지 행정에 필요로 하는 피스톤 동력을 발생시킬 수 있도록 하여, 동일한 배기량의 2행정 내연기관으로부터 더 큰 최대 회전력을 발생시켜서 가속 및 등판 능력을 높이고, 손실 동력을 줄여서 더 큰 유효출력(실마력)을 발생시킬 수 있도록 하는 동력전달구조의 발명에 관한 것이다.

Description

2행정 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달구조 {Power transmission assembly for better fuel efficiency of two cycle internal combustion engine}

본 발명은 피스톤 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환하여 구동력을 발생시키는 2행정 내연기관의 동력전달구조를 개선하여, 동일한 배기량의 내연기관에서 더 큰 회전력(Torque)이 발생 되도록 하여 가속 및 등판능력을 향상시키고, 더 큰 유효출력(실마력)이 발생되도록 함으로써, 2행정 내연기관의 연비를 개선할 수 있는 동력전달구조에 관한 것이다.

내연기관은 급기 압축 폭발 배기행정을 순차적으로 반복하여 피스톤을 왕복운동 하게 하고, 피스톤의 왕복운동을 커넥팅로드와 연결된 크랭크암에 의해 크랭크축의 회전운동으로 변환시켜서 동력을 발생하는 장치인데, 폭발행정에 의해 발생 되는 동력만이 회전력을 발생시키고, 폭발행정을 제외한 나머지 행정(급기,압축,배기,소기)은 피스톤의 폭발행정에 의해 발생 되는 동력이나 플라아휠 또는 counterbalance의 회전 관성으로부터 동력을 전달받아 작동하게 된다.

그러므로, 내연기관의 폭발행정이 진행되어 피스톤이 하향운동을 하는 동안에는 엔진출력에 필요한 동력이 발생되지만, 폭발행정을 제외한 나머지 행정의 진행으로 피스톤이 상향운동을 하는 동안에는 엔진출력에 필요한 동력이 발생되지 않는다.

즉, 내연기관의 폭발행정이 진행되는 동안에는 피스톤의 동력이 회전력으로 변환되도록 동력이 전달되지만, 폭발행정을 제외한 나머지 행정이 진행되는 동안에는 회전력이 피스톤의 행정진행에 필요한 동력으로 변환되도록 동력의 전달방향이 바뀌게 된다.

2행정 내연기관의 폭발행정에 의해 발생 되는 피스톤 동력이 더 큰 회전력으로 변환될 수 있도록 하고, 폭발행정을 제외한 나머지 행정에 필요한 피스톤의 동력은 더 작은 회전력으로부터 변환되도록 동력전달구조를 개선함으로써, 2행정 내연기관의 발생할 수 있는 회전력을 높여서 가속 및 등판능력을 개선하고, 유효발생출력(실마력)을 높여서 결과적으로 2행정 내연기관의 연료소비량 대비 유효출력 발생율 즉, 연비가 개선되도록 함이 해결하려는 과제이다.

2행정 내연기관의 크랭크암을 (도2)와 같이 타원형 톱니바퀴(3)로 대체하고, 같은 크기의 타원형 톱니바퀴(4)를 맞물려 회전하도록 조립하는데, 각각의 타원형 톱니바퀴는 회전중심(5,7)으로부터 동력전달지점(6)까지의 거리가 동력의 전달방향에 따라 교대로 가변되도록, (도2)와 같이 타원의 중심점(8,9)에서 타원의 긴축을 따라 일정 거리 만큼 이동한 위치가 타원형 톱니바퀴(3,4) 각각의 회전중심(5,7)이 되도록 조립한다.

그래서, 2행정 내연기관의 폭발행정 진행으로 피스톤이 상사점에서 하사점으로 움직이는 동안에는 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리는 짧아지게 하고, 이에 맞물려 회전하는 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리는 길어지게 하여 피스톤 동력이 더 큰 회전력으로 변환되도록 하고, 반대로 피스톤이 하사점에서 상사점으로 움직이는 동안에는 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리는 길어지게 하고, 이에 맞물려 회전하는 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리는 짧아지게 하여 더 작은 회전력으로부터 피스톤 행정에 필요한 동력이 발생되도록 한다.

이때에, 내연기관을 구성하는 피스톤 수가 2개 이상인 경우, 크랭크축은 피스톤의 운동위치에 따라 다른 속도로 회전하게 되므로, 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)들은 피스톤 단위별로 분리하여 각각 다른 속도로 회전할 수 있는 구조로 고정하여야 하고, 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)에 맞물려 회전하는 타원형 톱니바퀴(4)들은 회전축과 함께 같은 속도로 묶여서 회전하도록 일체화하여 조립한다.

피스톤 동력으로부터 변환되는 크랭크축의 회전력이 동일하다고 할 때에, 개선된 동력전달구조에 의해 타원형 톱니바퀴(4)에 발생되는 최대 회전력은 피스톤의 행정 진행이 (도2)의 상태일 때에 발생 되는데, 이때에 발생되는 회전력의 크기는 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)의 회전 중심(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리와 맞물려 회전하는 타원형 톱니바퀴(4)의 회전 중심(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리의 비율에 따라 달라지게 된다.

예를 들어, 크랭크암을 대체하는 타원형 톱니바퀴(3)의 회전 중심축이 타원의 중심점으로부터 긴 중심축 길이의 0.1배 만큼 중심축선을 따라 이동 되도록 동력전달구조를 조립하면, 크랭크암을 대체하는 타원형 톱니바퀴(3)의 회전 중심(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리는 긴 중심축 길이의 최소 0.4배가 되고, 맞물려 회전하는 타원형 톱니바퀴(4)의 회전 중심(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리는 긴 중심축 길이의 최대 0.6배가 되며, 동력전달지점(6)으로부터 회전 중심(5,7)까지의 거리가 각각 최소와 최대일 때에 최대의 회전력이 발생되게 되는데, 이때에 발생되는 최대 회전력은 기존의 내연기관의 1개 피스톤에서 발생되는 회전력의 0.4분의 0.6에 해당하는 1.5배가 되게 된다.

이와 같은 원리에 의해 개선된 동력전달구조를 적용한 내연기관은 동일한 용량의 내연기관에서 더 큰 회전력을 발생시킬 수 있고, 더 큰 회전력이 발생 된다는 것은 가속 및 등판능력이 개선된다는 것이며, 동일한 용량의 내연기관에서 폭발행정시 발생되는 동일한 에너지로부터 더 큰 회전력을 발생시키는 개선과 더불어 폭발행정을 제외한 나머지 행정에 필요한 동력을 더 작은 회전력으로부터 변환할 수 있도록 하여 그 만큼 손실동력이 적어지도록 하는 개선으로 더 큰 유효출력(실마력)을 발생시킬 수 있을 것이다.

( 도1 ) 개선된 동력전달구조의 작동 개요도
내연기관의 행정 진행에 따른 피스톤의 상하운동 상태와 피스톤 위치에 따라 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)와 이에 맞물려 회전하는 또 다른 타원형 톱니바퀴(4)가 360도 회전하는 과정을 회전각도 45도 단위로 구분하여 작성한 동력전달구조의 작동 개요도
( 도2 ) 발명된 동력전달구조의 조립 기준도
내연기관의 동력 발생 및 전달방향에 따라 최대의 회전력(Torque) 발생을 위한 2개의 타원형 톱니바퀴와 커넥팅로드 하단부의 조립방법을 설명하기 위한 도면으로, 피스톤이 상하운동 범위의 중앙에 위치할 때에 크랭크암을 대체하는 타원형 톱니바퀴(3)와 이에 맞물려 회전하는 타원형 톱니바퀴(4) 각각의 긴 중심축과 커넥팅로드의 하단부 결합지점이 수평의 일직선 상에 있도록 조립하여야 한다.
( 도3 ) 타원형 톱니바퀴의 형상 결정 방법을 설명하기 위한 도면
각 타원형의 짧은 중심축이 일직선을 이루도록 하고, 짧은 중심축과 회전 중심(5,7)을 잇는 직선의 교차점에서 타원형 톱니바퀴(3,4)의 2개 타원이 접하도록 타원의 짧은 중심축 길이를 결정하여야 2개의 타원형 톱니바퀴(3,4)가 원활하게 맞물려 회전할 수 있다.
( 도4 ) 최대 회전력( Torque ) 계산 예시도
타원형 톱니바퀴(3,4)의 회전 중심축이 타원 중심점으로부터의 편심거리에 따라 발생되는 최대 회전력(Torque)의 크기를 계산한 예를 도식화한 도면
( 도5 ) 기존 내연기관과 발명된 동력전달구조 내연기관의 토크 발생 주기도
내연기관의 폭발행정이 진행되는 동안 발생되는 최대 회전력을 기존 형태의 동력전달구조와 발명된 형태의 동력전달구조로 구분하여 행정 주기별로 표기한 도표

내연기관의 피스톤에 연결된 커넥팅로드와 결합 되어 크랭크축을 회전시키는 크랭크암을 타원형 톱니바퀴(3)로 대체하고, 크기와 형태가 같은 또 다른 타원형 톱니바퀴(4)를 맞물려 회전할 수 있도록 조립하되, 각각의 타원형 톱니바퀴(3,4)는 타원형의 중심으로부터 타원의 긴 중심축을 따라 일정한 거리 만큼 이동한 편심의 위치를 중심축으로 맞물려 회전하며 동력을 주고 받을 수 있도록 조립하는데, 피스톤이 상하 운동범위의 중앙에 위치할 때에 각 톱니바퀴(3,4) 타원형의 긴 중심축이 일직선을 이루도록 하고, 타원의 형태가 같은 방향이 되도록 (도2)와 같이 타원형 톱니바퀴(3,4)를 조립한다.

그리고, 내연기관을 구성하는 피스톤의 수가 2개 이상인 경우, 크랭크 축에 결합되어 크랭크암을 대체하는 타원형 톱니바퀴(3)는 각각 다른 속도로 회전 가능하도록 크랭크축을 피스톤 단위별로 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 크랭크암을 대체한 타원형 톱니바퀴(3)는 180도를 회전하지만, 타원형 톱니바퀴(3)으로부터 회전력을 전달받는 피동 타원형 톱니바퀴(4)는 180도 보다 작게 회전하게 된다.

즉, 타원형 톱니바퀴의 중심으로부터 회전중심축의 편심거리가 클수록 발생되는 최대 회전력을 크게 할 수는 있으나, 회전력의 발생 주기가 짧아지게 되므로, 회전중심축의 편심거리는 내연기관을 구성하는 피스톤의 갯수 등을 고려하여 폭발행정으로부터의 동력발생주기의 연속성과 적정 주기가 유지될 수 있도록 사전 검토하여 동력전달구조를 구성하여야 한다.

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: 타원형 톱니바퀴(3)의 중심
9: 타원형 톱니바퀴(4)의 중심
10: 타원형 톱니바퀴(3)와 커넥팅로드 결합접점

Claims (1)

1. 2행정 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 2행정 내연기관의 동력전달구조.

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