KR101305843B1 - 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명의 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진은 휴지상태와 가동상태로 제어되는 다수의 기통에서 발생되는 동력을 변속기(50)로 전달되는 엔진출력으로 전환하는 반면 휴지기통으로 이어지는 동력계통으로 전달하지 않는 동력축 유닛(10)과, 휴지기통과 가동기통으로 운영하는 ECU(60)의 제어로 휴지기통의 동력계통을 상기 동력축 유닛(10)과 분리시켜주는 기통분리기(30)와, 가동기통의 압축비를 다단으로 가변시켜주는 압축가변유닛(70)으로 구성됨으로써, 기통의 균일화된 연소실체적변화로 연비향상을 높이고 배출가스의 Nox저감을 높이며, 특히 다수의 기통을 가변실린더방식과 함께 가변압축비로 제어됨으로써 연비효율을 더욱 향상하고 동시에 EM 향상에도 최적화되는 특징을 갖는다.

Description

크랭크축리스 타입 내연기관 엔진{Crank Shaftless Internal Combustion Engine}

본 발명은 내연기관 엔진에 관한 것으로, 특히 행정 사이클에 따른 피스톤의 왕복운동을 크랭크축 없이 파워트레인 동력이나 또는 액세서리 동력으로 전달하고 더불어 가변적인 기통구동으로 연비 향상율을 크게 높이고 동시에 유해 배출가스도 크게 저감할 수 있는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린엔진이나 디젤엔진과 같은 내연기관 엔진은 행정 사이클에 따라 피스톤이 왕복운동하고, 이를 받아 회전되는 크랭크축을 이용하여 회전토크로 전환하게 된다.

상기와 같이 크랭크축의 회전력은 엔진동력을 뽑아 파워트레인으로 전달하거나 또는 전장기기와 같은 액세서리 구동을 위한 동력으로 이용됨으로써, 내연기관 엔진의 동력계에 있어서 가장 근본적인 구성요소로 작용한다.

국내특허공개 10-2010-0096252(2010.09.01)은 피스톤 엔진 시스템 및 방법에 관한 것이며, 이는 도 1참조.

하지만, 크랭크축은 피스톤의 왕복 행정사이클중 상사점과 하사점 부근에서 크랭크 각도의 변화대비 연소실내 부피의 변화가 크고, 이로 인해 연소실내 고압 고온의 연소가스가 피스톤 벽면으로 유출되거나 열전달 될 수밖에 없다.

이러한 피스톤 작용은 결국 연소효율을 낮추고, 이는 연비악화와 함께 유해배출가스도 증가시킴으로써 고유가와 강화되는 환경규제에도 적합하지 않은 근본적인 한계를 가질 수밖에 없다.

그러나, 고유가와 강화되는 환경규제로 인해 내연기관 엔진에서도 연비효율과 유해 배기가스저감이 구현되어야 만 한다.

이러한 예로서 가변실린더 타입 휴지 엔진(Cylinder Deactivation Engine)이 있는데, 이는 저 출력시 모든 기통을 구동시킬 필요가 없음에도 모든 기통이 동시에 구동되어 필요 이상으로 연료를 과다 소모하던 기통 구동방식에 변화를 줌으로써, 내연기관 엔진의 구성 변경 없이도 연비효율과 유해 배기가스저감을 달성할 수 있게 된다.

통상, 상기와 같은 엔진 제어방식을 갖는 가변실린더 타입 휴지 엔진도 필히 크랭크축이 적용되는 방식이다.

이로 인해, 가변실린더 타입 휴지 엔진의 경우에도 상사점과 하사점 부근에서 크랭크 각도의 변화대비 상대적으로 큰 연소실내 부피의 변화로 인해 고압 고온의 연소가스와 피스톤간 열전달이 일어날 수밖에 없다.

그러므로, 피스톤을 통한 열전달과 이로 인한 연비악화를 야기하는 크랭크축이 없이도 내연기관 엔진이 동력전달을 구현할 경우 크랭크축으로 인한 연비 악화가 방지될 수 있고, 이에 더하여 크랭크축 없는 내연기관 엔진을 가변실린더 방식으로 기통제어 한 다면 유해배출증가를 억제하고 동시에 연비악화를 추가적으로 더 방지할 수 있게 된다.

또한, 연비를 향상를 향상시키는 또 다른 방안으로 가변 압축비 제어가 있으며, 이는 엔진의 저부하 운전상태(low load condition)에서는 혼합기의 압축비를 높여 연비를 향상시키고, 반면 엔진의 고부하 운전상태(high load condition)에서는 혼합기의 압축비를 낮추어 녹킹 발생 방지와 함께 엔진 출력을 향상시키는 방식으로 운영된다.

하지만, 이러한 가변 압축비 제어는 피스톤의 높이를 달리하기 위한 별도의 가변압축기 기구를 더 필요로 하게 된다.

상기와 같이 내연기관 엔진의 연비 향상은 다양한 방식으로 구현될 수 있고, 이를 통해 연비악화 방지를 극대화하고 동시에 유해배출가스도 함께 감소시킴으로써 고유가와 강화되는 환경규제에 보다 용이하게 부합할 수 있게 된다.

그러나, 내연기관 엔진을 크랭크축 없이 구성하면서 동시에 압축비를 가변시키는 하드웨어적인 측면과 이러한 하드웨어를 가변실린더 방식으로 제어하는 소프트웨어적인 측면은 다양한 요인들로 인해 매우 복잡할 수밖에 없고, 이러한 복잡한 측면은 크랭크축 없으면서 가변실린더 방식 엔진제어를 구현할 수 있는 내연기관 엔진의 실용화를 더욱 어렵게 할 수 밖에 없는 실정이다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 행정 사이클을 따르는 왕복운동으로 동력 발생되는 피스톤을 갖추면서 파워트레인 동력이나 또는 액세서리 동력전달을 크랭크축 없이 구현함으로써 크랭크축 회전움직임에 따른 악영향 해소로 연비저하를 크게 개선하고, 더불어 차량 주행조건에 맞춰 기통구동을 가변적으로 구현해 추가적인 연비저하를 방지함으로써 전체 연비향상율을 크게 높이고 동시에 유해 배출가스도 크게 저감할 수 있는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 크랭크축 없이 동력전달을 구현하면서도 피스톤의 연소실에 대한 높이 변화를 통해 연소실 압축비를 변경해줌으로써, 연비향상율을 더욱 높여면서도 녹킹 발생 방지와 함께 엔진 출력도 더욱 향상시킬 수 있는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진은 휴지상태와 가동상태로 제어되고 각각에 왕복 운동하는 동력계통을 갖춘 다수의 기통으로 이루어지고, 각 기통에서 요구되는 연료공급과 연소배기를 위한 밸브계가 포함된 실린더헤드를 갖추며 하부부위로 오일팬을 갖춘 엔진블록과;

가동상태인 기통의 동력계통으로부터 발생된 동력을 변속기로 전달되는 엔진출력으로 전환하고, 상기 엔진출력이 휴지상태인 기통의 동력계통으로 전환되지 않는 동력축 유닛과;

상기 다수의 기통을 휴지기통과 가동기통으로 운영하는 ECU의 제어로 휴지상태인 기통의 동력계통을 상기 동력축 유닛과 분리시켜주는 기통분리기와;

상기 ECU의 제어로 가동상태인 기통의 압축비를 다단으로 가변시켜주는 압축가변유닛;

을 포함해 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 기통의 동력계통은 기통의 연소실을 왕복운동하여 4행정 사이클을 형성하는 피스톤과, 상기 피스톤의 움직임을 전달받아 상하로 왕복운동하는 커넥팅로드와, 상기 커넥팅로드에 나사체결되어 상기 커넥팅로드와 함께 움직여 상기 동력축 유닛을 회전시켜주는 기어로드로 구성된다.

상기 기어로드는 상기 엔진블록에 자유회전되는 한쌍의 제1ㅇ2인터기어에 고정된 한쌍의 제1ㅇ2고정보스를 이용해 상하 왕복운동이 가이드되고, 상기 한쌍의 제1ㅇ2고정보스가 형성되지 않는 다른 부위에 형성된 기어로 상기 동력축 유닛을 회전시켜준다.

상기 동력축 유닛은 가동중인 기통의 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드로부터 전환된 동력을 상기 변속기로 가는 엔진출력으로 전환하는 메인동력축과, 휴지중인 기통의 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드로 전달되는 상기 메인동력축의 동력을 차단하도록 상기 기통분리기와 연계되고 동시에 가동중인 기통의 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드로부터 전환된 동력을 상기 메인동력축에 부가해주는 서브동력축으로 구성된다.

상기 메인동력축과 상기 서브동력축은 상기 커넥팅로드를 중심으로 좌우 양쪽에 배열되고, 상기 커넥팅로드의 왕복 스트로크중 한쪽방향의 스트로크일 때 만 상기 커넥팅로드로부터 회전력을 전달받는다.

상기 메인동력축과 상기 서브동력축에는 각각 반기어를 구비하고, 상기 반기어에 맞물리는 상기 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드의 기어를 통해 회전력을 전달받는다.

상기 메인동력축과 상기 서브동력축은 다수의 기어가 직렬로 배열된 감속기로 연결되고, 상기 감속기는 상기 서브동력축에 연결된 입력기어와, 상기 메인동력축에 연결된 출력기어와, 상기 입력기어에 맞물리고 상기 출력기어에 맞물린 전환기어로 구성된다.

상기 메인동력축에는 상기 변속기에 연결되는 쪽으로 플라이휠을 갖추고 반대쪽으로 전장기기의 구동풀리와 함께 타이밍기어로 구성된 액세서리를 갖춘다.

상기 기통분리기는 상기 ECU의 제어로 절환되는 릴레이를 갖춘 절환동력부의 전환방향에 따라 바뀌는 무빙포크와;

상기 동력축 유닛을 이루어 상기 변속기로 엔진출력을 전달하는 메인동력축에 엔진출력을 더해주는 서브동력축을 따라 이동되도록 상기 무빙포크에 맞물리고, 상기 메인동력축과 상기 서브동력축에 각각 구비되어 상기 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드의 기어와 맞물린 반기어중 상기 서브동력축의 반기어를 이동시켜주는 무빙기어;

로 구성된다.

상기 무빙포크는 포크구조를 갖추고, 상기 무빙기어는 상기 포크에 물려지는 돌출부를 갖는 허브로 이루어지고, 상기 허브는 상기 서브동력축에 스플라인 결합되어 상기 반기어를 이동시켜준다.

상기 허브는 한번의 이동으로 적어도 2개의 상기 반기어를 이동시켜주는 쌍으로 구성되고, 상기 허브를 이동시켜주는 상기 포크도 쌍으로 구성된다.

상기 압축가변유닛은 상기 ECU의 제어로 절환되는 릴레이를 갖춘 절환동력부와, 상기 절환동력부에 의해 좌우로 직선이동되는 랙바와, 상기 랙바와 맞물려 상기 랙바의 이동방향에 의해 상하로 움직여 커넥팅로드에 구비된 피스톤의 연소실 높낮이 위치를 변화시켜주는 피니언축으로 구성된다.

상기 피니언축은 상기 커넥팅로드의 끝부위에 구비되거나 또는 상기 피니언축은 상기 커넥팅로드의 끝부위에 일체로 구비된다.

상기 압축가변유닛은 상기 오일팬으로 설치된다.

이러한 본 발명은 내연기관의 피스톤운동을 이용하면서도 크랭크축이 제거되어 크랭크축 회전움직임에 따른 악영향 해소로 연비 저하가 크게 개선되는 효과가 있고, 더불어 차량 주행조건에 맞춘 가변적인 기통구동으로 연비 저하 개선가 추가적으로 더욱 개선되는 효과도 있고, 이러한 극대화된 연비 저하개선으로 엔진 전체 연비향상율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 크랭크축의 상하사점에서 크랭크 각도 변화로 인한 악영향인 연소실 체적(Volumn)증가와 고온 및 고압에 따른 피스톤 열전달이 근본적으로 방지됨으로써, 높아진 Nox 생성 억제율로 유해 배출가스를 크게 저감할 수 있으면서 특히 열전달 손실 방지로 연비 개선율을 더욱 높일 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 크랭크축 없이 동력전달을 구현하면서도 피스톤의 연소실에 대한 높이 변화를 통해 연소실 압축비를 변경해줌으로써, 연비향상율을 더욱 높여면서도 녹킹 발생 방지와 함께 엔진 출력도 더욱 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 행정 스트로크 변화시 연소실 체적 변화선도이며, 도 3은 도 1의 엔진블록의 실린더 동력계통 상세 구성이며, 도 4는 도 1의 동력축 유닛과 기통분리기의 상세 구성이고, 도 5는 본 발명에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 고출력 작동상태이며, 도 6은 본 발명에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 저출력 작동상태이고, 도 7은 본 발명의 압축가변유닛을 이용한 압축비가변 작동도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진은 적어도 4기통이상으로 이루어진 실린더(2)를 갖춘 엔진블록(1)과, 실린더(2)의 가동에 따른 동력을 전달받아 엔진출력으로 전환하는 동력축 유닛(10)과, 실린더(2)를 이루는 기통중 일부 휴지상태의 기통과 연결을 끊어주거나 가동상태의 기통과 연결을 이어주는 기통분리기(30)와, 동력축 유닛(10)의 출력토크를 전달받는 변속기(50)와, 가속페달을 포함한 각종 차량정보를 처리하고 휴지상태와 가동상태의 기통에 따라 기통분리기(30)를 제어하는 ECU(60)와, ECU(60)의 제어로 가동중인 실린더(2)의 압축비를 변화시켜주는 압축가변유닛(70)으로 구성된다.

상기 엔진블록(1)에는 실린더(2)의 각 기통별 연료공급과 연소배기등을 위한 밸브계를 포함하는 실린더헤드가 더 포함된다.

상기 엔진블록(1)의 실린더(2)에는 동력계통이 구비되고, 상기 동력계통은 연소실을 왕복운동하여 4행정 사이클을 형성하고 압축비가변시 압축가변유닛(70)과 연계되는 피스톤유닛(4)으로 구성된다.

상기 동력축 유닛(10)은 실린더(2)의 가동중인 기통의 동력계통으로부터 전환된 동력을 변속기(50)로 가는 엔진출력으로 전환하는 메인동력축(11)과, 실린더(2)의 휴지중인 기통의 동력계통으로 전달되는 메인동력축(11)의 동력을 차단하도록 기통분리기(30)와 연계되고 동시에 가동중인 기통의 동력계통으로부터 전환된 동력을 메인동력축(11)에 부가해주는 서브동력축(12)으로 구성된다.

이와 더불어, 상기 메인동력축(11)과 상기 서브동력축(12)은 다수의 기어로 이루어진 감속기(13)로 연결된다.

또한, 상기 메인동력축(11)에는 변속기(50)로 연결되는 쪽으로 플라이휠(20)이 결합되고, 반면 상기 플라이휠(20)의 반대쪽으로 액세서리(40)가 결합된다.

상기 액세서리(40)에는 전장기기의 구동을 위한 풀리와 함께 타이밍기어가 구비된다.

또한, 상기 ECU(60)에는 실린더(2)의 각 기통을 가동상태로 만들거나 또는 휴지상태로 만들어 주고 그에 따른 제어를 수행하는 기통제어로직을 구비하며, 이는 가변실린더 엔진에서 구현되는 제어로직과 동일한 방식으로 적용될 수 있다.

이에 더해, 본 실시예에 따른 상기 ECU(60)에는 가동중인 기통의 연소실 압축비를 가변할 수 있는 압축비가변로직을 더 구현한다.

도 2는 본 실시예에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 행정 스트로크 변화시 연소실 체적 변화선도이다.

선도 A는 크랭크축을 갖는 동력계통에서 피스톤에 의한 연소실체적변화이고, 반면 선도 a는 본 실시예와 같이 크랭크축 없이 메인동력축(11)과 서브동력축(12)을 갖는 동력계통에서 가변압축비 구현시 피스톤에 의한 연소실체적변화를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 행정사이클에 따른 메인동력축(또는 크랭크축)의 각도변화인 TDC와 BDC 사이에서 선도 A는 연소실체적변화를 가져오는데 반해 선도 a는 연소실체적변화를 균일하게 유지해주는 차이를 알 수 있다.

특히, 가변압축비선도 aa와 ab 및 ac와 같이 연소실 압축비가 변하더라도 연소실체적변화를 균일하게 유지해줌을 알 수 있다.

상기와 같은 선도 a는 연소실내 고온 및 고압 상태 유지 시간이 짧아짐에 따른 압축비 향상으로 열효율이 증가됨으로써 연비향상으로 나타나고, 또한 배출가스에서도 고온의 상태에서 많이 생성되는 Nox저감으로 나타난다.

특히, 선도 a와 같은 장점을 갖는 본 실시예의 엔진이 이후 기술될 가변실린더방식으로 제어됨으로써 연비효율을 더욱 향상하고 동시에 EM 향상에도 최적화 될 수 있다.

이에 더해, 가변 압축비에서도 선도 aa와 ab 및 ac와 같은 장점을 갖는 본 실시예의 엔진이 이후 기술될 압축비가변방식으로 제어됨으로써 연비효율을 더욱 더 향상할 수 있다.

도 3은 본 실시예에 따른 엔진블록의 실린더 동력계통을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 엔진블록(1)의 하부부위로는 오일을 담는 오일팬(3)이 설치되고, 엔진블록(1)의 내부로는 실린더(2)의 동력계통을 이루는 피스톤유닛(4)이 구비된다.

상기 피스톤유닛(4)은 실린더(2)의 연소실을 왕복운동하여 4행정 사이클을 형성하는 피스톤(5)과, 피스톤(5)의 움직임을 전달받아 상하로 왕복운동하고 외주면으로 나사를 형성한 커넥팅로드(6)와, 커넥팅로드(6)에 나사 결합되어 커넥팅로드(6)를 감싸고 함께 움직이는 기어로드(9)와, 기어로드(9)의 상하 왕복운동을 가이드하는 무빙가이더와, 기어로드(9)의 상하 왕복운동을 엔진 출력으로 전환시키는 트랜스퍼로 구성된다.

도 3의 단면A-A는 상기 무빙가이더를 도시한 것으로서, 상기 무빙가이더는 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)에서 양쪽 측면으로 돌출된 한쌍의 제1ㅇ2고정보스(9a,9b)와, 엔진블록(1)에 자유회전되도록 각각 설치된 한쌍의 제1ㅇ2인터기어(7,8)로 구성된다.

상기 제1고정보스(9a)는 상기 제1인터기어(7)에 고정되고, 상기 제2고정보스(9b)는 상기 제2인터기어(8)에 고정되며, 상기 한쌍의 제1ㅇ2인터기어(7,8)는 엔진블록(1)에 파여진 내접기어(7a,8a)에 각각 치합된다.

또한, 상기 트랜스퍼는 커넥팅로드(6)와 결합된 기어로드(9)의 외주면으로 형성된 기어로 이루어지고, 상기 기어로드(9)에 동력축 유닛(10)이 맞물려짐으로써 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)의 상하 왕복운동을 동력축 유닛(10)의 회전토크로 전환하고, 동력축 유닛(10)의 회전토크는 엔진 출력(Tb)으로 제공된다.

이를 위해, 상기 동력축 유닛(10)의 메인동력축(11)에는 반기어(11a,11b,11c,11d)가 구비되고, 상기 동력축 유닛(10)의 서브동력축(12)에는 반기어(12a,12b,12c,12d)가 구비되며, 상기 반기어(11a,11b,11c,11d,12a,12b,12c,12d)는 실린더(2)의 기통수와 일치된다.

상기 동력축 유닛(10)은 메인동력축(11)이 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)의 한쪽에서 기어와 맞물리고 서브동력축(12)이 그 반대쪽에서 기어와 맞물림으로써, 상기 메인동력축(11)과 상기 서브동력축(12)은 커넥팅로드(6)를 중심으로 하여 좌우대칭되는 레이아웃을 형성한다.

본 실시예에서 상기 무빙가이더를 이루는 한쌍의 제1ㅇ2고정보스(9a,9b)가 서로 대향되는 구조로 인해 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)가 "+" 단면형상으로 이루어짐으로써, 상기 기어로드(9)에 형성되어 트랜스퍼를 이루는 기어는 상기 제1ㅇ2고정보스(9a,9b)가 형성되지 않은 대향되는 다른 두 부위로 형성된다.

한편, 상기 압축가변유닛(70)은 ECU(60)의 압축비가변 제어시 ECU(50)의 제어로 절환되는 릴레이를 갖춘 절환동력부(71)와, 절환동력부(71)에 의해 좌우로 직선이동되는 랙바(72)와, 랙바(72)에 맞물려 랙바(72)의 이동방향에 의해 상하로 움직여 커넥팅로드(6)에 구비된 피스톤(5)의 연소실 높낮이 위치를 가변시켜주는 피니언축(73)으로 구성된다.

상기 피니언축(73)은 기어로드(9)와 결합되지 않도록 길게 연장된 커넥팅로드(6)의 끝부위에 형성된다.

도시된 바와 같이, 상기 절환동력부(71)와 랙바(72)는 모터와 모터의 회전력을 직선운동으로 전환하기 위한 볼스크류와 같은 동력수단이 구비되지만, 실제적으로 랙바(72)의 직선이동을 구현할 수 있는 다양한 수단이 적용될 수 있다.

본 실시예에서 상기 압축가변유닛(70)은 오일팬(3)의 내부로 설치되지만, 필요에 따라 오일팬(3)의 외부로 설치될 수 도 있다.

한편, 도 4는 본 실시예에 따른 동력축 유닛과 기통분리기의 상세 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 동력축 유닛(10)은 실린더(2)의 한쪽으로 메인동력축(11)이 배열되고 그 반대쪽으로 서브동력축(12)이 배열되며, 감속기(13)가 상기 메인동력축(11)과 상기 서브동력축(12)을 다수의 기어로 연결하는 레이아웃을 형성한다.

상기 메인동력축(11)에는 그 직경의 반쪽부위만 기어를 형성하여 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)의 기어와 맞물리는(Ka) 다수의 반기어가 구비되며, 상기 반기어는 실린더(2)의 4기통수량에 일치되도록 4개 수량의 반기어(11a,11b,11c,11d)로 이루어진다.

상기 서브동력축(12)에는 그 직경의 반쪽부위만 기어를 형성하여 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)의 기어와 맞물리는(Kb) 다수의 반기어가 구비되며, 상기 반기어는 실린더(2)의 4기통수량에 일치되도록 4개 수량의 반기어(12a,12b,12c,12d)로 이루어진다.

상기 감속기(13)는 서브동력축(12)에 연결되어 서브동력축(12)을 통해 직접회전되는 입력기어(14)와, 메인동력축(11)에 연결되어 서브동력축(12)의 회전력을 메인동력축(11)에 부가해주는 출력기어(16)와, 상기 입력기어(14)에 맞물리고 상기 출력기어(16)에 맞물린 전환기어(15)로 구성된다.

본 실시예에서 상기 입력기어(14)와 상기 전환기어(15) 및 상기 출력기어(16)는 서로 직선상에서 맞물림으로써 직선상으로 배열된 레이아웃을 형성한다.

상기 입력기어(14)와 상기 전환기어(15) 및 상기 출력기어(16)의 기어비는 엔진사양에 따라 달리 정해진다.

그리고, 상기 기통분리기(30)는 ECU(50)의 제어로 절환되는 릴레이를 갖춘 절환동력부(31)와, 양쪽 방향의 움직임이 절환동력부(31)의 전환방향에 따라 바뀌는 무빙포크(32)와, 무빙포크(32)에 맞물려 무빙포크(32)의 이동방향으로 함께 움직이는 무빙기어(33)로 구성된다.

상기 무빙포크(32)는 절환동력부(31)의 전환방향에 따라 동일한 방향으로 함께 움직이는 한쌍의 제1ㅇ2포크(32a,32b)로 이루어지고, 상기 무빙포크(32)와 절환동력부(31)사이로는 절환동력부(31)의 전환시 통전되는 전원으로 구동되어 무빙포크(32)를 움직여주는 동력수단이 구비될 수 있다.

이를 위해, 상기 동력수단은 모터와 모터의 회전력을 직선운동으로 전환하기 위한 볼스크류로 구성되거나 또는 절환동력부(31)의 전환시 통전되는 전원으로 무빙포크(32)를 이동시켜주는 클러치 같은 수단도 적용될 수 있다.

또한, 상기 무빙기어(33)도 한쌍의 제1ㅇ2허브(33a,33b)로 이루어지고, 상기 제1ㅇ2허브(33a,33b)는 무빙포크(32)의 제1ㅇ2포크(32a,32b)에 각각 물려진다.

이를 위해, 상기 제1ㅇ2허브(33a,33b)에는 제1ㅇ2포크(32a,32b)의 포크구조와 결합되어 힘을 받을 수 있는 돌출부위가 형성된다.

상기 제1ㅇ2허브(33a,33b)는 서브동력축(12)의 반기어(12a,12b,12c,12d)중 일부 반기어를 서브동력축(12)의 축방향으로 이동시켜줌으로써, 그 이동방향에 따라 이동된 반기어와 휴지상태인 기통쪽과 분리시켜주는 작용을 하여 준다.

일례로, 제1ㅇ2허브(33a,33b)는 제1허브(33a)가 반기어(12a,12b,12c,12d)중 하나인 제2반기어(12b)를 이동시켜 주고, 제2허브(33b)가 반기어(12a,12b,12c,12d)중 또 다른 하나인 제3반기어(12c)를 이동시켜 주도록 구성될 수 있다.

더불어, 상기 제1허브(33a)는 제2반기어(12b)를 상기 제2허브(33b)는 제3반기어(12c)를 각각의 해당 커넥팅로드에 대해 정위치시켜주는 포지셔너로 작용된다.

이로 인해, 본 실시예의 기통분리기(30)는 4기통중 제2기통과 제3기통이 휴지상태인 저출력일 때 제2기통과 제3기통의 동력계통과 동력축 유닛(10)의 동력 전달경로를 분리시켜줄 수 있고, 이러한 동력 전달경로분리는 엔진 출력의 불필요한 낭비를 줄여줌으로써 연비향상에 기여할 수 있게 된다.

실제적으로 실린더(2)의 각 기통별 휴지기통 및 가동기통은 기통수량에 따라 적절히 변형될 수 있다.

한편, 도 5는 본 실시예에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 고출력 작동상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 엔진의 고출력 작동은 실린더(2)의 모든 기통이 동시에 가동되고, 기통분리기(30)의 미 작동으로 가동중인 모든 기통별 동력계통과 동력축 유닛(10)의 메인동력축(11)과 서브동력축(12)이 서로 연결된 상태를 이루게 된다.

이러한 상태에서 엔진 출력(Tb)은 기통별 동력계통인 피스톤(5)과 함께 일어나는 커넥팅로드(6)의 상하 왕복운동과, 커넥팅로드(6)의 양쪽으로 위치된 메인동력축(11)과 서브동력축(12)의 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)에 의한 회전으로 발생되어진다.

상기 커넥팅로드(6)와 함께 움직이는 기어로드(9)의 상하 왕복운동은 전술된 바와 같이 기어로드(9)의 제1ㅇ2고정보스(9a,9b)에 맞물진 제1ㅇ2인터기어(7,8)의 자유회전을 통해 안정적으로 가이드 된다.

이때, 엔진 출력(Tb)을 만들어주는 메인동력축(11)과 서브동력축(12)은 커넥팅로드(6)와 함께 상하로 움직이는 기어로드(9)에 의해 회전됨에도 한쪽 방향으로 만 회전되는데, 이는 메인동력축(11)의 반기어(11a,11b,11c,11d)와 서브동력축(12)의 반기어(12a,12b,12c,12d)의 기어형성구간은 폭발행정시 피스톤(5)과 함께 내려가는 커넥팅로드(6)의 하향 스트로크 길이에 맞춰 형성됨에 기인된다.

일례로, 도 3에 도시된 바와 같이 기통의 폭발행정으로 피스톤(5)과 함께 커넥팅로드(6)가 내려가는 스트로크에서 메인동력축(11)의 반기어(11a,11b,11c,11d)와 서브동력축(12)의 반기어(12a,12b,12c,12d)가 회전되도록 기어로드(9)의 기어에 맞물려(ka,Kb)지는 반면, 흡입행정으로 피스톤(5)과 함께 커넥팅로드(6)가 올라가는 스트로크에서 메인동력축(11)의 반기어(11a,11b,11c,11d)와 서브동력축(12)의 반기어(12a,12b,12c,12d)가 기어로드(9)의 기어에 맞물리지 않게 된다.

그러므로, 기통분리기(30)가 미 작동된 상태인 고 출력 상태에서 엔진 출력(Tb)은 감속기어(13)를 통해 전달되는 서브동력축(12)의 회전력(Ms)을 함께 받는 메인동력축(11)의 회전력(Mo)으로 나타나게 된다.

이는, 메인동력축(11)이 가동되는 모든 기통의 동력을 전부 엔진 출력(Tb)으로 이용함으로써 엔진을 고출력 상태로 가동시켜줌을 의미한다.

상기 메인동력축(11)에 나온 엔진출력(Tb)은 변속기(50)로 전달되고, 변속기(50)는 운전자의 제어나 ECU(60)의 제어에 따라 적절한 변속단으로 변속됨으로써 차량은 고출력 상태로 운행될 수 있다.

반면, 도 6은 본 실시예에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 저출력 작동상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 엔진의 저출력 작동은 실린더(2)의 4기통중 제1기통과 제4기통이 가동상태인 반면 제2기통과 제3기통은 휴지상태로 되며, 이는 ECU(60)의 기통제어로직으로 수행된다.

또한, 기통분리기(30)는 ECU(60)로 제어되어 휴지상태인 제2기통과 제3기통의 동력계통을 분리시켜줌으로써, 가동상태인 제1기통과 제4기통의 동력계통과 동력축 유닛(10)의 동력 전달경로는 연결되어 엔진출력(Ta)으로 전환되는 반면, 휴지상태인 제2기통과 제3기통의 동력계통과 동력축 유닛(10)의 동력 전달경로는 분리된다.

상기 기통분리기(30)에 의해 제2기통과 제3기통의 동력계통과 동력축 유닛(10)의 동력 전달경로를 분리되면, 가동상태인 제1기통과 제4기통을 통한 동력축 유닛(10)의 회전력이 휴지상태인 제2기통과 제3기통의 동력계통(피스톤과 커넥팅로드)을 작동시키는데 소모되지 않음으로써 엔진출력(Ta)의 저하를 방지하고 더불어 연비향상에도 기여하게 된다.

상기 기통분리기(30)가 ECU(60)를 통해 작동되면, 전원통전된 절환동력부(31)에 의해 한쌍의 제1ㅇ2포크(32a,32b)가 움직이고, 제1ㅇ2포크(32a,32b)에 물려진 한쌍의 제1ㅇ2허브(33a,33b)가 서브동력축(12)의 스플라인을 타고 상기 제1ㅇ2포크(32a,32b)와 함께 이동됨으로써 서브동력축(12)의 제2ㅇ3반기어(12b,12c)도 움직이게 된다.

이로 인해, 상기 제2반기어(12b)는 제2기통의 동력계통을 이루는 커넥팅로드로부터 분리되고, 상기 제3반기어(12c)는 제3기통의 동력계통을 이루는 커넥팅로드로부터 분리되어진다.

이러한 상태에서 ECU(60)가 한쌍의 제1ㅇ2포크(32a,32b)를 역방향으로 작동시키면 다시 연결된 상태로 전환된다.

상기와 같은 저 출력 상태에서 엔진 출력(Ta)은 감속기어(13)를 통해 전달되는 서브동력축(12)의 회전력(Msa)을 함께 받는 메인동력축(11)의 회전력(Moa)으로 나타나게 된다.

이는, 저 출력 상태일 때 메인동력축(11)의 회전력(Moa)이 엔진 출력(Tb)으로 이용되는 효율을 크게 높여줌으로써 엔진출력(Ta)의 저하를 방지하고 더불어 연비도 향상할 수 있음을 나타낸다.

한편, 도 7은 본 실시예에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진의 압축가변유닛이 구현하는 압축비가변 작동상태이며, 가동중인 기통이 중압축비(Wa)로 작동되는 상태인 도 7(나)을 기준으로 저압축비(W)로 작동되는 도 7(가)와 고압축비(Wb)로 작동되는 도 7(다)일 때 구현되는 압축가변유닛(70)의 작동을 설명한다.

도 7(가)와 같은 저압축비(W)로 기통을 운영하고자 하면, ECU(60)는 중압축비(Wa)에서 저압축비(W)로 전환하기 위한 신호를 출력해 절환동력부(71)를 작동시켜주고, 랙바(72)는 절환동력부(71)의 작동에 의해 밀려나가는 이동(도7(가)의 좌측이동)을 하게 된다.

상기 랙바(72)의 밀려나가는 이동은 이에 맞물린 피니언축(73)의 시계방향회전으로 전환되고, 피니언축(73)의 시계방향회전은 이에 연결된 커넥팅로드(6)를 함께 회전시켜 주게 된다.

이러한 커넥팅로드(6)의 시계방향회전은 엔진블록(1)의 제1ㅇ2인터기어(7,8)에 맞물려 고정된 기어로드(9)와의 상대운동으로 인해 밑으로 내려오는 하향 이동(Ud)으로 전환됨으로써, 커넥팅로드(6)에 결합된 피스톤(5)의 높낮이가 낮춰지게 된다.

이와 같은 피스톤(5)의 높낮이 저하는 연소실 체적증가를 가져오고, 이러한 연소실 체적증가로 인해 기통은 7(나)의 중압축비(Wa) 연소분위기와 다른 연소분위기로 작동될 수 있다.

반면, 도 7(다)와 같은 고압축비(Wb)로 기통을 운영하고자 하면, ECU(60)는 중압축비(Wa)에서 고압축비(Wb)로 전환하기 위한 신호를 출력해 절환동력부(71)를 작동시켜주고, 랙바(72)는 절환동력부(71)의 작동에 의해 잡아당겨지는 이동(도7(다)의 우측이동)을 하게 된다.

상기 랙바(72)의 당김 이동은 이에 맞물린 피니언축(73)의 반시계방향회전으로 전환되고, 피니언축(73)의 반시계방향회전은 이에 연결된 커넥팅로드(6)를 함께 회전시켜 주게 된다.

이러한 커넥팅로드(6)의 반시계방향회전은 엔진블록(1)의 제1ㅇ2인터기어(7,8)에 맞물려 고정된 기어로드(9)와의 상대운동으로 인해 위로 올라가는 상향 이동(Uu)으로 전환됨으로써, 커넥팅로드(6)에 결합된 피스톤(5)의 높낮이가 높아지게 된다.

이와 같은 피스톤(5)의 높낮이 상승은 연소실 체적감소를 가져오고, 이러한 연소실 체적감소로 인해 기통은 7(나)의 중압축비(Wa) 연소분위기와 또 다른 연소분위기로 작동될 수 있다.

이러한 저압축비(W)와 중압축비(Wa) 및 고압축비(Wb)의 전환은 입증된 바와 같이 연소효율을 크게 높이고 연비도 크게 개선할 수 있음을 나타낸다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진은 휴지상태와 가동상태로 제어되는 다수의 기통에서 발생되는 동력을 변속기(50)로 전달되는 엔진출력으로 전환하는 반면 휴지기통으로 이어지는 동력계통으로 전달하지 않는 동력축 유닛(10)과, 휴지기통과 가동기통으로 운영하는 ECU(60)의 제어로 휴지기통의 동력계통을 상기 동력축 유닛(10)과 분리시켜주는 기통분리기(30)와, 가동기통의 압축비를 다단으로 가변시켜주는 압축가변유닛(70)으로 구성됨으로써, 기통의 균일화된 연소실체적변화로 연비향상을 높이고 배출가스의 Nox저감을 높이며, 특히 다수의 기통을 가변실린더방식과 함께 가변압축비로 제어됨으로써 연비효율을 더욱 향상하고 동시에 EM 향상에도 최적화 될 수 있다.

1 : 엔진블록 2 : 실린더
3 : 오일팬 4 : 피스톤유닛
5 : 피스톤 6 : 커넥팅로드
7,8 : 제1ㅇ2인터기어 7a,8a : 내접기어
9 : 기어로드 9a,9b : 고정보스
10 : 동력축 유닛 11 : 메인동력축
11a,11b,11c,11d,12a,12b,12c,12d : 반기어
12 : 서브동력축 13 : 감속기
14 : 입력기어 15 : 전환기어
16 : 출력기어 20 : 플라이휠
30 : 기통분리기 31,71 : 절환동력부
32 : 무빙포크 32a,32b : 제1ㅇ2포크
33 : 무빙기어 33a,33b : 제1ㅇ2허브
40 : 액세서리 50 : 변속기
60 : ECU
70 : 압축가변유닛 72 : 랙바
73 : 피니언축

Claims (16)

1. 휴지상태와 가동상태로 제어되고 각각에 왕복 운동하는 동력계통을 갖춘 다수의 기통으로 이루어지고, 각 기통에서 요구되는 연료공급과 연소배기를 위한 밸브계가 포함된 실린더헤드를 갖추며 하부부위로 오일팬을 갖춘 엔진블록과;
   가동상태인 기통의 동력계통으로부터 발생된 동력을 변속기로 전달되는 엔진출력으로 전환하고, 상기 엔진출력이 휴지상태인 기통의 동력계통으로 전환되지 않는 동력축 유닛과;
   상기 다수의 기통을 휴지기통과 가동기통으로 운영하는 ECU의 제어로 휴지상태인 기통의 동력계통을 상기 동력축 유닛과 분리시켜주는 기통분리기와;
   상기 ECU의 제어로 가동상태인 기통의 압축비를 다단으로 가변시켜주는 압축가변유닛;
   을 포함해 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 기통의 동력계통은 기통의 연소실을 왕복운동하여 4행정 사이클을 형성하는 피스톤과, 상기 피스톤의 움직임을 전달받아 상하로 왕복운동하는 커넥팅로드와, 상기 커넥팅로드에 나사체결되어 상기 커넥팅로드와 함께 움직여 상기 동력축 유닛을 회전시켜주는 기어로드로 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 기어로드는 상기 엔진블록에 자유회전되는 한쌍의 제1,2인터기어에 고정된 한쌍의 제1,2고정보스를 이용해 상하 왕복운동이 가이드되고, 상기 한쌍의 제1,2고정보스가 형성되지 않는 다른 부위에 형성된 기어로 상기 동력축 유닛을 회전시켜주는 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
4. 청구항 2에 있어서, 상기 동력축 유닛은 가동중인 기통의 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드로부터 전환된 동력을 상기 변속기로 가는 엔진출력으로 전환하는 메인동력축과, 휴지중인 기통의 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드로 전달되는 상기 메인동력축의 동력을 차단하도록 상기 기통분리기와 연계되고 동시에 가동중인 기통의 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드로부터 전환된 동력을 상기 메인동력축에 부가해주는 서브동력축으로 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 메인동력축과 상기 서브동력축은 상기 커넥팅로드를 중심으로 좌우 양쪽에 배열되고, 상기 커넥팅로드의 왕복 스트로크중 한쪽방향의 스트로크일 때 만 상기 커넥팅로드로부터 회전력을 전달받는 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 메인동력축과 상기 서브동력축에는 각각 반기어를 구비하고, 상기 반기어에 맞물리는 상기 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드의 기어를 통해 회전력을 전달받는 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
7. 청구항 4에 있어서, 상기 메인동력축과 상기 서브동력축은 다수의 기어가 직렬로 배열된 감속기로 연결되고, 상기 감속기는 상기 서브동력축에 연결된 입력기어와, 상기 메인동력축에 연결된 출력기어와, 상기 입력기어에 맞물리고 상기 출력기어에 맞물린 전환기어로 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
8. 청구항 4에 있어서, 상기 메인동력축에는 상기 변속기에 연결되는 쪽으로 플라이휠을 갖추고 반대쪽으로 전장기기의 구동풀리와 함께 타이밍기어로 구성된 액세서리를 갖춘 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 기통분리기는 상기 ECU의 제어로 절환되는 릴레이를 갖춘 절환동력부의 전환방향에 따라 바뀌는 무빙포크와;
   상기 동력축 유닛을 이루어 상기 변속기로 엔진출력을 전달하는 메인동력축에 엔진출력을 더해주는 서브동력축을 따라 이동되도록 상기 무빙포크에 맞물리고, 상기 메인동력축과 상기 서브동력축에 각각 구비되어 상기 동력축유닛을 회전시켜주는 커넥팅로드와 함께 움직이는 기어로드의 기어와 맞물린 반기어중 상기 서브동력축의 반기어를 이동시켜주는 무빙기어;
   로 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
   
10. 청구항 9에 있어서, 상기 무빙포크는 포크구조를 갖추고, 상기 무빙기어는 상기 포크에 물려지는 돌출부를 갖는 허브로 이루어진 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 허브는 상기 서브동력축에 스플라인 결합되어 상기 반기어를 이동시켜주는 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
    
12. 청구항 9내지 청구항11중 어느 한 항에 있어서, 상기 허브는 한번의 이동으로 적어도 2개의 상기 반기어를 이동시켜주는 쌍으로 구성되고, 상기 허브를 이동시켜주는 상기 무빙포크의 포크 구조도 쌍으로 구성되는 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
    
13. 청구항 1에 있어서, 상기 압축가변유닛은 상기 ECU의 제어로 절환되는 릴레이를 갖춘 절환동력부와, 상기 절환동력부에 의해 좌우로 직선이동되는 랙바와, 상기 랙바와 맞물려 상기 랙바의 이동방향에 의해 상하로 움직여 커넥팅로드에 구비된 피스톤의 연소실 높낮이 위치를 변화시켜주는 피니언축으로 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
    
14. 청구항 13에 있어서, 상기 피니언축은 상기 커넥팅로드의 끝부위에 구비된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
    
15. 청구항 13에 있어서, 상기 피니언축은 상기 커넥팅로드의 끝부위에 일체로 구비된 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.
    
16. 청구항 13에 있어서, 상기 압축가변유닛은 상기 오일팬으로 설치되는 것을 특징으로 하는 크랭크축리스 타입 내연기관 엔진.

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