VCR 엔진 시스템 크랭크샤프트 회전축 가변 이용 방식

크랭크샤프트 축 가변 방식은

편심 크랭크샤프트 디자인과 달리 베어링을 지지하여 베어링의 진동을 줄이고 수명이 증가되도록 설계되었으며 낮은 생산비용과 내구성이 높으며 콤팩트하고 경량 및 저 마찰 구동 메커니즘의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있지만 편심 링의 이동 맥동 부하로 인한 대형 구조 응력 및 엔진 배치 변화를 위한 소형 부속을 사용할 수 없다는 것인데 이러한 문제를 해결하기 위해 출력 축이 중심선에 장착되었으며 기존 엔진을 크게 변경시키지 않고 사용이 가능하며 또한 이동식 크랭크 핀 및 카운터 웨이트를 갖춘 방식으로 엔진이 운행 중 다중 연료의 사용 오염 물질의 감소와 동시에 엔진 효율을 향상할 수 있으며 자동 및 수동으로 컨트롤도 가능하고 독일 엔진 개발 업체인 FEV 사 에서는 크랭크샤프트와 변속기가 평행하게 연결되고 크랭크샤프트 축 중심이 다른 커플링과 연결되고 한쪽의 엔드 디스크에 입력된 동력이 링크와 센터 디스크를 통해 다른 쪽으로 연결을 돕도록 하는 슈미트 커플링을 사용하여 샤프트 정렬 불량을 균등하게 하고 일정한 각속도를 유지하면서 마찰 손실을 줄이는 방법을 개발하였습니다.

 

Envera LLC 사의 Fig 2 3 1

라인 2기 통 엔진은 크랭크샤프트에 수평으로 인접하여 위치하는 단일 기본 밸런스 샤프트가 장착되고 동력의 전달은 헬리컬 기어를 통해 크랭크에서 밸런스 샤프트로 전달되고 엔진의 모든 동력이 출력되며 캠 풀리도 밸런스 샤프트에서 구동되며 이러한 레이아웃을 사용하게 되면 기어 중심선 간격을 최소한으로 변경하여 압축비를 조정할 수 있으며 크랭크샤프트는 편심 크랭크샤프트 크래들에 장착되고 주철 크랭크샤프트 크래들은 3개의 크랭크샤프트 메인 베어링을 견고하게 지지하고 크래들은 외측 베어링으로 지지되며 외측 베어링과 밸런스 샤프트 저널 베어링은 알루미늄 베드 플레이트에 장착되며 엔진 베드 플레이트 위에 크랭크샤프트와 크래들 저널이 위치하고 있고 크랭크샤프트와 크래들 사이는 약 시계방향 5도 정도의 편심을 두고 장착되었으며 크랭크샤프트 베어링과 메인 베어링 캡은 Acura Integral Type R 엔진을 기반으로 한다고 합니다.

 

FEA를 이용하여 150 Horse power Liter의 엔진

으로 크랭크샤프트 메인 베어링 정렬이 종래의 자연 흡기 엔진의 메인 베어링 정렬보다 우수하다는 것이 확인되었고 엔진은 낮은 응력과 신뢰성 및 내구성이 뛰어나며 낮은 마찰 수준과 엔진 밸런스에 중요한 베어링 크기 또는 왕복 질량을 변화시키지 않으며 광범위한 작동 부하 및 속도에서도 원활하게 작동되는 것을 검증했으며 엔진 작동 중 유압 액추에이터는 설정에 따라 문제없이 압축비를 매끄럽게 변경하였고 이 시험 결과로 엔진은 높은 내구성 빠른 응답 정밀 제어 및 상용화에 대한 저비용의 잠재성을 확인하였고 인 라인과 I 4 그리고 V 엔진 구조의 V 6 V 8 엔진에서 호환이 가능하며 엔진 크기의 변화를 최소 하면서 변경이 가능하다고 평가했고 Gomecsys 사에서 특허 출원한 이 엔진은 편심 부품을 이용하여 크랭크샤프트 축 중심을 이동시킴으로써 압축비를 가변 시키며 크랭크샤프트와 기어박스의 입력 샤프트가 정렬되는 동안 엔진 블록에 기어박스가 고정 상태를 유지하는 것이 중요하며 Fig 2 3 2를 보면 피스톤의 TDC 및 BDC는 크랭크샤프트 회전축의 위치에 따라 달라지며 축 중심의 위치를 조정함으로써 압축비를 변경시킵니다.

 

크랭크샤프트의 편심륜은 수 밀리미터의 편심률을 가지며

엔진 블록 안에 베어링 회전으로 크랭크샤프트 중심선이 변경되고 Fig 2 3 3을 보면 크랭크샤프트 중심선의 변화는 기어박스의 입력 샤프트가 크랭크샤프트와 정렬이 유지되도록 기어박스의 위치가 변경되며 기어 박스는 편심륜과 동일한 편심을 갖는 림을 통해 엔진 블록과 연결되며 기어박스가 크랭크샤프트와 함께 회전하는 것을 방지하기 위해 리액션 로드가 부착되며 다른 끝단은 자동차 또는 엔진 블록에 연결되고 압축비는 Fig 2 3 4와 같이 기어박스 플랜지에 연결된 유압 실린더 형태의 외부 액추에이터에 기어박스 또는 플라이휠 하우징의 슬롯을 통해 편심륜의 위치를 조정함으로써 변경되며 부하 및 회전 속도와 같은 엔진 운행 조건에 따라 전자 제어 시스템에 의해 작동되며 그리고 쉘은 편심 부품의 플로스 마이너스 30도 회전을 위해 상부에서부터 30도씩 절단된다고 합니다.

 

이 엔진은 기어박스의 입력샤프트 축 중심을 변화

시키는 동안 엔진 블록이 고정 상태를 유지하기 위한 유동이 발생하며 이 유동은 엔진의 냉각계통 배기장치 배선 등 진동과 과도한 응력으로 인한 문제가 발생하고 Lugo developments Inc는 Fig 2 3 5와 같이 기어를 이용하여 크랭크샤프트 편심을 변화시켜 압축비를 변경하는 엔진을 디자인했으며 TDC 15도 이전에 모든 연소가 토크로 변환되어 출력이 향상되었으며 또한 공회전 상태에서 프로토타입 엔진의 최대 속도인 3500 rpm까지 부드럽게 작동했으며 조기 점화 및 노킹이 감소되었고 NVH가 거의 없었으며 크라운 캠은 크랭크가 두 번 회전하는 동안 동일한 위치에 있지 않고 회전하여 크랭크 회전으로 발생되는 불균형을 상쇄시켜 진동이 발생하지 않았으며 TDC에서 스트로크 변화를 일으키기 위해 크랭크샤프트 메인 베어링에 편심 어셈블리를 이용하거나 크랭크 핀의 편심을 이용하는 여러 시스템들이 제안되었고 Fig 2 3 6은 기존 크랭크 핀 주위에 편심 슬리브를 형성하고 움직일 수 있는 크랭크 핀이 대형 기어로 구동되는 Gomecsys 사의 VCR 엔진을 보여주고 배열은 병렬 트윈 실린더 또는 광각 V 4 레이아웃에 적합하며 엇갈린 크랭크 핀 저널 형상은 정밀성이 떨어지며 여러 개의 기어 드라이브가 필요합니다.

 

※ 참조문헌 : 자동차 배기가스 및 연비 대응을 위한 VCR 엔진 설계 기술 연구 (김덕성 2019)