KR20130117796A - 내연 기관 및 발전기의 기계 콤비네이션 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 차량의 내연 기관 및 발전기(41)의 기계 콤비네이션은 두 개의 실린더-피스톤 유닛을 가지며, 이는 공통 하우징에 서로 평행하게 배열되며, 이의 각 피스톤(3, 4)은 피스톤과 결합된 연접봉(5, 6)에 의하여 개개 크랭크 샤프트에 대한 구동 연결을 갖는다. 크랭크 샤프트는 각각 하나의 기어(9, 10)에 의하여 서로 반대 방향-회전 연결을 갖는다. 기어(9, 10)에 의한 두 개의 크랭크 샤프트(7, 8)의 이러한 결합은 특히 컴팩트한 설계로 내연 기관을 발생기와 결합되게 할 수 있으며, 발생기의 샤프트(44)가 크랭크 샤프트의 기어(9, 10)와 동일한 평면에 배열된 기어(45)를 갖는다.

Description

내연 기관 및 발전기의 기계 콤비네이션 {MACHINE COMBINATION COMPRISING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND A GENERATOR}
본 발명은 하이브리드 차량의 배터리를 충전시키기 위한 발전기 및 내연 기관을 포함하는 기계 콤비네이션(machine combination)으로서, 기계 콤비네이션에서 내연 기관이 공통의 하우징에 둘러싸여진 한 쌍의 실린더/피스톤 유닛을 가지며, 이의 두 개의 피스톤이 연접봉(connecting rod)에 의하여 각 경우에 하나의 전용 크랭크 샤프트에 구동-연결되며, 두 개의 크랭크 샤프트가 각 경우에 하나의 톱니바퀴에 의하여 반대 방향으로 회전하도록 서로 회전 가능하게 연결된, 기계 콤비네이션에 관한 것이다.
모터사이클 구동을 위해 의도된 기술된 타입의 내연 기관은 GB 584215호에 공지되어 있다. 두 개의 피스톤 및 서로 평행하게 작동하는 이들의 크랭크 샤프트의 두 개의 평형추 모두가 샤프트의 종방향으로 서로에 대해 오프셋 배열되기 때문에, 이러한 타입의 기계의 관성력은 원활한 작동(smooth running)을 위하여 균형을 유지하지 못하고 발전기에 직접 결합시키기에 특히 적합하지 않다.
본 발명은 도입부에 기술된 타입의 기계 콤비네이션으로서, 기계 콤비네이션이 이의 내연 기관의 특히 원활한, 다시 말해서 낮은 소음 및 무진동 작동을 나타내고 단순한 방식으로 가능한 한 특히 낮은 마찰 손실로 실행되며, 그 결과로 자발적인 초기 시동 및 마모에 대한 낮은 감수성의 결과로서 하이브리드 차량의 간헐 운전을 위해 특히 만족스럽게 적합한, 기계 콤비네이션을 발견한다는 목적을 기반으로 한다. 또한, 이는 공간-절약적이고 간단히 제작될 수 있는 설계로 컴팩트 구조 유닛(compact structural unit)을 형성시키기 위해 하이브리드 차량의 발전기에 연결되게 하며, 그 결과로 자동차에서 이의 배치를 위한 새로운 옵션(option)이 존재한다.
본 발명에 따르면, 기술된 목적은 특허 청구항 1의 특징부를 기초로 하여 달성된다.
본 발명의 하나의 바람직한 구체예에서, 내측으로 지향된 오프셋을 형성시키기 위하여, 서로 평행한 내연 기관의 실린더 축은 두 개의 크랭크 샤프트 모두의 축들 간의 간격에 해당하는 것 보다, 서로 간의 간격이 작게 존재한다. 이러한 설계는 첫째로 보다 작은 기계 치수에 기여하고, 둘째로 피스톤 상의 최대 수평방향 힘의 감소를 유발시키며, 이에 따라 실린더 벽 상에 보다 낮은 피스톤 마찰 및 보다 낮은 마모를 유발시킨다.
또한, 각 경우에 하나의 실린더/피스톤 유닛에 하나의 클랭크 샤프트의 배치는 본 발명의 하나의 유리한 구체예에서, 두 개의 크랭크 샤프트 모두가 윤활 베이링(antifriction bearing)에 저마찰 방식으로 탑재되는 것을 가능하게 하며, 그 결과로 기계의 자발적인 시동(spontaneous starting)이 특히 낮은 마찰 저항 및 마모에 대한 낮은 감수성과 함께 일어나며, 결론적으로 하이브리드 차량의 간헐 운전을 위해 특히 만족스러운 적합성을 나타낸다.
하이브리드 차량의 간헐 운전을 위한 특별한 적합성은 본 발명의 다른 구체예에서, 내연 기관의 하우징이 이러한 유형의 기계에 대해 통상적인 온도 제어를 위한 수단 이외에 단열을 나타낸다는 사실에 의해서 개선될 수 있다. 이러한 유형의 단열은 심지어 비교적 긴 운전 중단 후에도 저온 시동을 방지할 수 있게 한다. 또한, 이러한 유형의 단열은 기계적 작동 소음의 추가 감소에 기여한다.
컴팩트 설계의 본 발명에 따른 기계 콤비네이션의 대체로 독립적인 배열에 대한 옵션은 컴팩트 기계 하우징에 건식 섬프 윤활(dry sump lubrication)의 시스템이 제공된다는 사실에 의해서 개선될 수 있다.
또한, 이러한 유형의 기계 콤비네이션의 기관(engine)의 효능 정도는 전부하 운전(full load operation)을 위해 스로틀 밸브 없이 구성되며 이의 작동 상태에 의하여 전류-발생 전기 기계의 전력 소비에 따라 제어되는 이의 연료 공급에 의해 규정된다는 사실에 의하여 개선될 수 있다.
본 발명의 추가의 유리한 개선예에서, 실린더 헤드, 및 두 개의 크랭크 샤프트에 제공되는 크랭크 케이스는 단일 캐스트 부품으로서 형성되며, 그 결과로, 실린더 헤드 개스킷 및 실린더 헤드 볼트가 필요하지 않다.
본 발명의 추가의 유리한 개선예 및 적용은 종속항의 대상이고, 도면을 이용한 하기 설명으로부터 이해될 수 있다.
도 1은 톱니바퀴 연결부 및 관련된 피스톤 봉 및 피스톤을 갖는, 본 발명에 따른 기계의 마주하는 크랭크 샤프트의 부분 예시를 도시한 것이다.
도 2는 기계의 하우징을 통해 유도되거나 상기 하우징에 캐스팅된 유입 및 유출 채널을 구비하고 관련된 밸브 스템(valve stem)을 구비한, 도 1에 따른 배열의 도시적 예시를 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 따른 배열의 도식적으로 예시된 평면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 기계의 두 개의 실린더/피스톤 유닛의 캠샤프트 제어 수단의 별개의 도식적 예시를 도시한 것이다.
도 5는 일직선으로 배열된 발전기를 갖는, 도 1 내지 도 4에 따른 기계의 구동 부품의 콤비네이션의 예시를 도시한 것이다.
도 6은 도 4에 따른 밸브 제어 수단, 및 흡입 펌프 및 건식 섬프 윤활 수단의 오일 펌프를 위한 톱니 벨트 드라이브(toothed belt drive)를 갖는 도 5에 따른 배열을 도시한 것이다.
도 7은 내연 기관과 발전기의 일직선 콤비네이션의 전체도(overall view)를 도시한 것이다.
도 8은 도 7에 따른 기계 콤비네이션의 반대 측면의 전체도를 도시한 것이다.
도 9는 관련된 크랭크 샤프트의 축에 대한 실린더 축의 내측으로 이동되는 오프셋 배치를 예시하기 위한 별도의 도면을 도시한 것이다.
도 10은 기계를 둘러싸는 단열 하우징 쉘의 좁은 측면(narrow side)의 도식적 예시의 도면을 도시한 것이다.
도 11은 도 10에 따른 하우징 쉘의 측면도를 도시한 것이다.
도 12는 내연 기관에 대한 발전기의 측면 배열을 갖는 내연 기관과 발전기의 콤비네이션의 전체도를 도시한 것이다.
하기 기술에서 기계(1)라 불리워지는 내연 기관은 공통 하우징(2)에 서로 평행하게 배열되어 있는 두 개의 실린더/피스톤 유닛을 가지고, 4행정 운전 방법으로 제어되며, 이의 왕복 피스톤(3, 4)은 각 경우에 하나의 연접봉(5, 6)에 의하여 각 경우에 하나의 전용 크랭크 샤프트(7, 8)에 구동-연결되어 있다. 상기 크랭크 샤프트(7, 8)는 그에 관해서, 동축으로 고정되는 톱니바퀴(9, 10)에 의해 반대 방향으로 회전하도록 구동-연결되며, 그 결과로, 이들의 진동 관성력들이 서로 상호 간에 상쇄시키며 기계(1)는 밸런싱 샤프트(balancing shaft)를 사용하지 않으면서 무진동 방식으로 작동한다. 이를 위하여, 크랭크(11, 12)의 회전 위치, 및 크랭크 샤프트(7) 중 하나의 평형추(13, 14)의 회전 위치는 다른 크랭크 샤프트(8)의 회전 위치에 대하여 180°오프셋된다. 결과적으로, 이러한 것들 상에서 작용하는 왕복 피스톤(3, 4)은 서로 평행하게 이동한다. 심지어 운전 방법을 위하여, 실린더/피스톤 유닛 둘 모두의 관련된 작동 행정(working stroke)은 360°의 크랭크 샤프트 회전 간격으로 제어되며, 그 결과로, 다른 피스톤(4)은 피스톤(3) 중 하나의 작동 행정에 대해 평행한 흡입 행정에서 작동한다.
크랭크 샤프트(7, 8)는 각 경우에 두 개의 윤활 베어링(15, 16 및 17, 18)에 탑재되며, 그 결과로, 기계는 낮은 마찰 저항을 가지고 간헐 운전에 대해 특히 적합하다.
마찰 손실의 추가 감소는 도 3 및 도 9의 도면에 의해 알 수 있는 바와 같이, 상술된 크랭크 메카니즘의 오프셋에 의해 달성된다. 도 3에 도시된 실린더(21, 22)의 서로 평행한 축(19, 20)이 내측으로 지향된 오프셋을 형성시키기 위하여, 두 개의 크랭크 샤프트 축(23, 24)들 간의 간격에 해당하는 것 보다 서로 보다 작은 간격으로 존재한다는 사실의 결과로서, 연접봉(5, 6)은 이러한 타입의 오프셋이 없는 것 보다, 가장 큰 힘의 작용 순간에 더욱 경사진 위치를 가지며, 그 결과로 피스톤 마찰에 영향을 미치고 피스톤 상에서 실린더 마모가 일어나는 수평방향 힘을 상응하게 낮춘다. 또한, 피스톤/실린더 유닛이 더욱 가깝게 서로 나란히 배열되는 것은 기계(1)의 더욱 컴팩트한 설계에 기여하는데, 이러한 보다 가까운 배열은 상기 오프셋의 경우에 제공되는 것이다.
기계(1)의 특히 낮은 마찰 손실에 대한 추가 기여는 두 개의 실린더/피스톤 유닛의 밸브(25 내지 28)를 제어하고 마찬가지로 윤활 베어링(29)에 탑재된 중앙 캠샤프트(30)의 사용으로부터 기인한다. 캠샤프트(30)의 두 개의 캠(31, 32)은 각 경우에, 각 밸브에 제공되는 2-암 로커 암(37 내지 40)의 레버 암(lever arm) 상에 탑재된 팔로잉 롤러(following roller)(33 내지 36)에 의하여 저마찰 방식으로 이어진다.
도 5 내지 도 8의 예시는 하이브리드 차량용 에너지 공급원으로서 제공하기 위하여, 본 발명에 따른 기계(1)가 어떻게 발전기(41)와 특별히 컴팩트한 방식으로 결합되어 기계 콤비네이션(42)을 형성시킬 수 있는 지를 나타낸 것이다. 이러한 타입의 기계 콤비네이션(42)의 특별히 컴팩트한 설계는 두 개의 크랭크 샤프트(7, 8)를 서로 연결시키는 평톱니바퀴(9, 10)에 의해 가능하며, 상기 톱니바퀴 중 하나(10)에 의하여 직접적으로 또는 중간 톱니바퀴(43)에 의하여 발전기(41)의 샤프트(44) 상에 고정된 평톱니바퀴(45)에 구동-연결된다. 도 5 내지 도 8의 예시는 공통의 일체형으로 형성된 하우징(46)에 결합된 이러한 유형의 기계 콤비네이션(42)의 결과로서 가능한 평평하고 컴팩트한 설계를 나타낸 것이다.
길고 평평한 기계 콤비네이션(42) 대신에, 도 12의 예시에 따른 특별히 컴팩트한 기계 콤비네이션(47)은 또한, 기계(1)에 제공되는 톱니바퀴(9, 10)를 기초로 하여 실현될 수 있으며, 발전기(48)의 톱니바퀴에 의하여, 기계(1)의 톱니바퀴(9, 10)와 직렬로 제공되는 대신에, 상기 톱니바퀴(9, 10)에 대해 삼각형 배열 위에 또는 그러한 배열 안에 제공되며, 그 결과로, 발전기(48)는 기계(1)의 두 개의 피스톤/실린더 유닛에 나란히 가깝게 위치된다.
컴팩트 설계로 인하여 기계(1) 또는 도 7 및 도 8 또는 도 12에 따른 기계 콤비네이션(42 또는 47)을 하이브리드 차량에서 더욱 더 구조적 및 위치적으로 자유롭게 설치하는 것을 가능하게 하기 위하여, 그리고 컴팩트한 설계를 어렵게 만드는 하부 기름 받이(bottom oil sump)를 방지하게 위하여, 본 발명에 따른 기계에는 바람직하게 건식 섬프 윤활 수단이 장착된다. 이는 도 6 내지 도 8의 예시에 따라 기계(1)의 상부 영역에 흡입 및 압력 펌프를 포함하는 펌프 콤비네이션(49)을 가지며, 펌프 콤비네이션(49)은 톱니 벨트 드라이브(toothed belt drive)(51)와 맞물려 있는 톱니바퀴(50)에 의해서 구동된다. 건식 섬프 윤활 수단의 요망되는 흡입 및 압력 채널은 캐스트 기계 하우징(cast machine housing)(2, 52)에 형성된다.
또한, 실린더 헤드(53) 및 크랭크 케이스(54)의 부분을 포함하는 기계(1) 또는 기계 콤비네이션(42)에 제공되는 하우징(2, 46, 52)은 유리하게, 실린더 활면(cylinder face)의 형성된 회주철 라이닝을 갖는 경량 금속으로부터 제조된 캐스트 부품으로부터 형성되며, 그 결과로, 실린더 헤드 볼트를 갖는 실린더 헤드 개스킷이 사용되지 않는다. 여기서, 두 개의 실린더의 배기 가스 파이프(54, 55)는 도 2 및 도 3의 도식적 예시에 따라 상기 단일 캐스트 부품 내에서 결합되며, 실린더(21, 22)의 흡기 파이프(56, 57)는 실린더 헤드에 대해 비스듬하게 유도되며, 그 결과로, 연소실 내에서의 연소 공기의 스월링(swirling)에 도움이 된다. 연소 시퀀스를 돕는 이중 점화를 위하여, 두 개의 스파크 플러그(58 내지 61)는 가솔린 기관으로서의 구체예에서 각 실린더(21, 22)에 제공된다.
기계 온도를 제어하기 위하여 냉각 매질을 순환시키기 위한 통상적인 채널 시스템(보다 상세히 도시되지 않음) 이외에, 기계는 도 10 및 도 11의 예시에 따라 단열 재료로부터 제조된 외부 이중쉘 피복(62)을 가지며, 그 결과로, 비교적 긴 운전 중단 후에도 저온 시동이 방지된다. 또한, 이러한 타입의 단열은 기계의 작동 소음의 감소에 기여한다. 또한, 상기 단열 하우징 쉘(62)은 작동 온도의 최소값의 유지를 위해 전기 에너지가 공급되는 가열 시스템을 구비할 수 있다.

Claims (13)

  1. 기계 콤비네이션에서, 내연 기관(1)이 공통의 하우징에 둘러싸여진 한 쌍의 실린더/피스톤 유닛을 가지며, 이의 두 개의 피스톤(3, 4)이 연접봉(5, 6)에 의하여 각 경우에 하나의 전용 크랭크 샤프트(7, 8)에 구동-연결되며, 이의 두 개의 크랭크 샤프트(7, 8)가 각 경우에 하나의 톱니바퀴(9, 10)에 의하여 반대 방향으로 회전하도록 서로 회전 가능하게 연결된, 하이브리드 차량의 배터리를 충전시키기 위한 발전기 및 내연 기관을 포함하는 기계 콤비네이션(machine combination)으로서,
    구동력이 동일한 평면에 배열된 톱니바퀴(10, 43, 45)에 의하여 내연 기관(1)의 크랭크 샤프트(7, 8)에서 발전기(41, 48)의 구동 샤프트로 전달되며, 내연 기관(1) 및 발전기(41, 48)가 공통 하우징(46)에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  2. 제 1항에 있어서, 내연 기관(1)의 두 개의 실린더/피스톤 유닛이 발전기(41)와 일렬로 배열되며, 그 결과로 기계 콤비네이션(42)이 공통의 평평한 하우징(46)에 둘러싸여짐을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  3. 제 1항에 있어서, 발전기(48)가 내연 기관(1)의 두 개의 실린더/피스톤 유닛의 측면으로 나란히 돌출하도록 배열됨을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 헤드(53), 두 개의 크랭크 샤프트에 제공되는 크랭크 케이스(54), 및 발전기(41)의 하우징(52)이 단일 캐스트 부품(unitary cast part)으로서 형성됨을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 단열 하우징 쉘(62)에 둘러싸여짐을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  6. 제 5항에 있어서, 운전 온도를 사전규정된 범위 내에서 유지시키기 위하여, 이의 단열 하우징 쉘(62)이 전기 에너지가 공급되는 온도조절장치로 제어된 가열 시스템에 연결됨을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관(1)의 관성력의 평형을 유지하기 위하여, 크랭크 샤프트(7, 8) 중 하나의 크랭크(11, 12)의 위치가 다른 하나의 크랭크 샤프트의 위치에 대해 180°로 오프셋되며, 두 개의 실린더/피스톤 유닛의 작동 사이클이 360°의 크랭크 샤프트 회전의 간격으로 서로 이어지며, 두 개의 실린더/피스톤 유닛의 기하축이 크랭크 샤프트(7, 8)에 대해 수직으로 확장하는 공통의 제 1 평면에 위치되어 있으며, 각 경우에 두 개의 크랭크 샤프트(7, 8)의 두 개의 평형추(13, 14)의 순환 경로가 또한 각 경우에, 다른 크랭크 샤프트(8, 7)의 평형추(14)와 동일한, 제 1 평면에 대해 평행한 평면에서 진행함을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  8. 제 7항에 있어서, 두 개의 실린더/피스톤 유닛(3, 4)의 크랭크 샤프트(7, 8)의 평형추(13, 14)의 순환 경로가 확장하는 평면(plane)이 두 개의 연접봉(5, 6) 모두가 이동하는 평면에 대해 거울-대칭적으로 진행함을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 내측으로 지향된 오프셋을 형성시키기 위하여, 서로 평행한 실린더 축(19, 20)이 두 개의 크랭크 샤프트(7, 8) 모두의 축들 간의 간격에 상응하는 것 보다 작은 서로의 간격을 가짐을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  10. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 각 경우에 하나의 실린더/피스톤 유닛에 배치된 크랭크 샤프트(7, 8)가 각 경우에 두 개의 윤활 베어링(15-18)에 탑재됨을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 각 경우에 로커 암(37-40) 상에서 작용하는 두 개의 캠(31, 32)을 구비한 캠샤프트(30)가 각 경우에 두 개의 실린더/피스톤 유닛의 두 개의 밸브(25-28)를 제어하기 위해 제공됨을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 전부하 운전(full load operation)을 위하여 스로틀 밸브 없이 구성되며, 이의 운전 상태가 전류-발생 전기 기계의 전력 소비에 따라 제어되는 이의 연료 공급에 의해 규정됨을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 윤활유를 공급하기 위하여, 건식 섬프 윤활 수단의 채널 시스템에 하우징에 통합된 오일 탱크 및 흡입 및 압력 펌프(49)가 제공됨을 특징으로 하는, 기계 콤비네이션.
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