KR100403388B1 - 가변압축비를가지는왕복피스톤식내연기관 - Google Patents

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Abstract

커넥팅 로드(9)가 크랭크 축 측의 편심 크랭크 핀(1)에 설치됨으로써, 피스톤 행정이 조절될 수 있고, 그럼으로써 압축비가 변동될 수 있다. 편심 크랭크 핀
(1)은 엔진의 주행 동안 조종 부재(3-6)에 의해 회전축(2)을 중심으로 조정될 수 있다. 상기 조종 부재(3-6)는, 편심 크랭크 핀(1)의 회전축과 동심으로 회전되고 상기 회전축과 결합된 하나의 톱니바퀴(3)를 포함한다. 상기 톱니바퀴(3)는 직경이 더 큰 속 기어(4)내에서 외접 기어(3)로서 작용하고, 속 기어 내부를 회전한다. 속 기어(4)는 크랭크 샤프트(14)의 축(8)을 중심으로 동심으로 설치됨으로써 회전 위치가 조절될 수 있다. 외접 기어(3)는 회전 동안 속 기어(4)내에서 회전될 때마다 정확하게 회전된다.

Description

가변 압축비를 가지는 왕복 피스톤식 내연 기관{RECIPROCATING PISTON TYPE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION RATIO}
지난 몇 년 동안, 엔진내에서의 연소 과정을 최상화 하는 것과 관련하여 괄목할만한 진전이 있었는데, 그것은 한편으로 현재 사용되고 있는 마이크로 프로세서 제어부를 더 광범위하게 사용할 수 있다는 것이고, 다른 한편으로는 제작 재료 기술의 성과이다. 따라서, 근래의 대다수의 엔진에서 혼합물 처리는 마이크로 프로세서에 의해 제어된다. 예를 들어 흡입된 공기의 양, 공기의 온도 및 습도가 측정되고, 분사되는 연료의 양은 분사될 때마다 상기 식별값에 의존하여 재차 산정 및 최적화된다. 또한, 점화 시점, 및 분사의 경과 시간도 마이크로 프로세서에 의해 매번 새롭게 산정되며, 이 경우에는 엔진의 회전수도 고려된다. 제작 재료를 개선함으로써 일상에서 사용되는 엔진에 4개 밸브-기술을 적용할 수 있지만, 이전의 고효율 엔진에 상기 기술을 적용할 때는 비용이 많이 든다. 개선된 연료, 특히 개선된 가솔린류 및 개선된 제작 재료에 의해 더 높은 연소 온도 및 연소 압력이 가능해지고, 그럼으로써 이전의 엔진과 비교해서 최근의 엔진에서는 더 높은 압축비가 얻어진다. 압축비도 연료 혼합물의 연소 및 엔진의 효율에 결정적인 역할을 한다. 통상적으로는, 압축비가 상승될수록 연소의 효과도 더 좋아진다. 압축비가 지나치게 높은 경우에는 연료 혼합물이 자동으로 점화되고, 그에 따라 제어되지 않은 연소가 잘못된 시점에 이루어지기 때문에, 최대 압축비의 한계는 노킹 저항이다. 엔진이 노킹된 후에는 엔진이 손상된다.
서문에 언급된 모든 파라미터는 복잡하게 상호 작용을 한다. 자동차 엔진은 계속적으로 변동되는 회전수 및 상이한 부하로 작동된다. 또한, 상이한 외부 조건들, 즉 변동되는 공기 온도, 공기 압력 및 공기 습도가 상기 파라미터에 부가된다. 따라서, 압축비가 고정된 종래의 엔진은 결코 이상적이거나 최적으로 가동될 수 없다. 기껏해야 고정된 몇 가지 작업점에서만 연소가 어느 정도 최적화될 수 있다. 엔진의 전체 사용 범위에 걸친 연소 과정은 압축비가 변동됨으로써 더욱 최적화될 수 있다.
본 발명은, 연소 과정을 최적화할 때 압축 비율을 고정시키는 것은 고려하지만, 작동 상태에 따라 압축비를 변동적으로 매칭시키는 것은 고려하지 않고 있다는 생각에서 출발하였다. 선택된 고정 압축비는 근대의 엔진 기술에서 계속적으로 엔진의 작동 상태의 대역폭에 따라 정밀하게 절충적으로 선택된다. 압축비가 높을수록 출력 밀도 또는 엔진의 특성 출력은 상승되지만, 노킹 저항 및 엔진 부품의 스트레스 문제가 보다 크게 되고, 이들은 엔진의 수명에 영향을 준다.
과거에는 내연 기관에서 압축비를 변동시키기 위한 여러 가지 제안들이 제기 되었다. 예를 들어 크랭크 샤프트가 실린더에 비해 상승되어 있거나, 또는 실린더의 길이를 변동시키면서 작동시키는 것이다. 피스톤의 길이를 변동시킬 수 있는 시스템도 또한 공지되어 있다. 독일 전문 잡지 자동차-산업 4/85에는 압축비가 변동 가능한 1.6리터 분사 엔진을 갖춘 VW Golf가 장치된 폭스 바겐에 대한 테스트가기술되어 있다. 압축비의 변동은 실린더 헤드에 배치된 부속 챔버에 의해 실현된다. 부속 챔버의 체적 및 압축비가 상기 부속 챔버내에서 움직이는 피스톤에 의해 변화됨으로써, 압축비가 ε= 9.5 내지 ε= 15.5에서 엔진의 부하 상태에 따라 전기기적으로 변화될 수 있다. 부분 부하 영역(ECE-도시 사이클: city cycle)에서는 최적화된 연속 생산 엔진에 비해 12.7%까지의 연료 절약이 측정되었다. 1/3 혼합시의 절감율은 9.6%에 달한다. 따라서 압축비를 변동시킨다는 것은 현저한 연료 절약 가능성을 내포하고 있다. 그러나 지금까지도 연속 생산으로 변환하기에는 변동 압축비에 대한 구성비용이 지나치게 크다. 전술한 부속 챔버에 의한 해결책도 또한, 연소 과정 및 배기 특성에 단점으로 작용하는 낮은 밀도에서는 연소 공간이 더 이상 콤팩트하지 않다는 단점이 있다. 압축비의 변동을 실현하기 위한 다른 제안은, 파리 출신의 루이스 당블랑에 의해 1929년 12월 5일의 독일 제국 특허 제 488'059에서 제안되었다. 크랭크 핀 위에 제공된 편심 커넥팅 로드 베어링 부싱은 차동 기어를 이용하여 크랭크 샤프트로부터 위치가 변환될 수 있다. 상기 차동 기어는 그것의 내부 공간에 크랭크 샤프트에 대해 동심으로 뻗는 하나의 샤프트를 포함한다. 내부 치형 기어(internally toothed gear)는 크랭크 샤프트에 의해 구동되고, 그것의 내부 둘레 주위에 분배 배치된, 치형 섹터(toothed sector)로서 작용하는 플레이트 위의 볼트에 지지된, 직경이 약 3배 작은, 기어 내부에 배치된 3개의 위성 치형기어를 구동시키며, 상기 위성 치형기어는 모두 크랭크 샤프트의 내부를 관통하는 샤프트 위에 배치된 중앙 치형기어와 맞물린다. 치형기어는 그것의 둘레에서 작용하는 다른 치형기어에 의해 조정될 수 있다. 상기 차동 기어는 무엇보다도 크랭크 샤프트 내부에 필요한 샤프트 때문에 비용이 많이 든다. 압축비를 조절하기 위한 상기와 같은 구성은 보급되지 못했다.
본 발명은 청구 범위의 전제부에 따른 압축비가 가변적인 왕복 피스톤식 내연 기관에 관한 것이다. 오늘날 사용되고 있는 대다수는 왕복 피스톤식 엔진이다. 이러한 유형의 왕복 피스톤 엔진에 있어서, 압축비는 피스톤이 상사점에 있을 때에 비어 있게 되는 연소실과 피스톤이 하사점에 있을 때의 실린더 전체의 체적 사이의 비(ratio)이다. 이와 같은 왕복 피스톤 엔진 및 내연 기관에 있어서의 연소 프로세스는 일반적으로 상당히 복잡하며 다수의 파라미터에 의해 영향을 받는다. 이것은 디젤 엔진 또는 다른 연료로 작동하는 실제의 엔진과 마찬가지로 가솔린 엔진에서도 나타난다. 최적의 연료 연소 및 그에 따른 최대 엔진 효율은, 기본적으로 흡기량 또는 흡입공기량(volume of air sucked or taken in), 그 온도, 습도 및 압축, 엔진에 분사되는 연료의 종류 및 질, 그리고 연료와 공기가 혼합되는 방식, 및 혼합물의 점화 방식에 의존한다. 따라서, 연료-공기 혼합물의 질, 이 혼합물이 점화되는 정밀한 타이밍 및 방법도 피스톤 운동에 영향을 준다. 연소 동안의 압력 패턴도 연소 타이밍 자체와 동일하게 중요한 역할을 한다. 엔진이 고부하 하에서 작동하고 있을 때에는, 아이들 운전(idle operation)시 보다 연소 압력이 높아지게 된다. 엔진이 고속작동하고 있을 때에는, 저속 작동하고 있을 때보다도 연소시간이 훨씬 짧다. 엔진을 운전하는 방법에 의존하는 이들의 변화에 추가해서, 외부의 기후 조건도 엔진의 운전 상태나 연소 효율에 영향을 미친다. 따라서, 엔진이 평균 해면에서 작동하는지, 기압이 낮은 고도에서 작동하는지에 따라서 상이한 경우가 있다. 외부 온도와, 기후에 관련한 공기의 습도도 마찬가지로 영향을 미친다.
도 1은 압축비를 최대로 세팅함으로써 피스톤이 상사점에 놓이게 되는, 압축비를 기계적으로 조절할 수 있는 왕복 피스톤식 엔진의 개략도이고,
도 2는 치형기어 및 편심의 2가지 구성요소를 개략적으로 나타낸 개략도이며,
도 3은 상기 2가지 구성요소의 투시도이고,
도 4는 피스톤이 상사점 및 하사점 사이에 놓이도록 압축비를 최대로 세팅한 개략도이며,
도 5는 피스톤이 하사점에 놓이도록 압축비를 최대로 세팅한 개략도이고,
도 6은 피스톤이 상사점에 놓이도록 압축비를 최소로 세팅한 개략도이며,
도 7은 피스톤이 상사점 및 하사점 사이에 놓이도록 압축비를 최소로 세팅한 개략도이고,
도 8은 피스톤이 하사점에 놓이도록 압축비를 최소로 세팅한 개략도이며,
도 9는 압축비가 상이하게 세팅될 때 편심으로 배치된 크랭크 핀의 중심을 나타낸 타원형 동작 곡선이고,
도 10은 압축비가 조절되는 구조를 측면에서 바라본 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 익센트릭(또는 익센트릭 크랭크 핀)
2 : 크랭크 핀 축
3 : 치형 기어(외치 기어) 4 : 내치 기어
5 : 스퍼 기어 6 : 치형 제어 기어
7 : 피스톤 9 : 커넥팅 로드
10 : 실린더 11 : 흡입 밸브
12 : 배출 밸브 13 : 플라이웨이트
14 : 크랭크 샤프트 15 : 크랭크아암 샤프트
16 : 포인트(노우즈) 17 : 디스크
18 : 돌출부 19 : (내치 기어의)치형부
20 : (외치 기어의) 치열 21 : (익센트릭 크랭크 핀)의 중심
22 : (스퍼 기어의) 치형부 23 : (치형 제어 기어의) 치형부
24 : 측면 샤프트 25 : 크랭크 아암
26, 27 : 셸 28, 29 : 치형 기어 세그먼트
30 : 하부 커넥팅 베어링
본 발명의 목적은, 가변 압축비가 익센트릭 크랭크 핀(eccentric crank pin)에 의해서 제공되고, 이런 이유로 현행의 엔진 작동 조건에 적합하고, 그 전범위에 걸쳐 최적화할 수 있는 내연 기관을 제공하며, 이것에 의해서 전체적으로 효율을 높이고, 엔진의 작동을 원활하게 하는 과제에 근거한다.
이러한 목적은, 가변압축비의 왕복 피스톤식 내연 기관에 의해서 해결된다. 이 왕복 피스톤식 내연기관에서는, 커넥팅 로드가 크랭크 샤프트측에서 익센트릭 크랭크 핀에 부착되고, 엔진의 작동중에 제어 수단에 의해서 상기 익센트릭 크랭크 핀이 그 회전축 둘레로 조정됨으로써, 피스톤 허브가 조정가능하다. 이 내연 기관에서는, 그 특징으로서, 상기 익센트릭 크랭크 핀은, 크랭크 샤프트의 크랭크아암 샤프트의 둘레를 둘러싸도록 배치된 적어도 2개의 셸에 의해서 구성되고, 이들의 셸은 각각 치형 세그먼트에 연결되며, 상기 치형 세그먼트도 상기 크랭크 샤프트의 크랭크아암 샤프트를 둘러싸고 있고, 이들 세그먼트에 의해서 형성된 치형기어는, 보다 큰 직경의 내치 기어내에서 외치 기어로서 롤링하고, 상기 내치 기어는 상기 크랭크 샤프트의 축과 동축으로 설치되며, 그 회전 위치(rotating position)는 조정가능하고, 상기 내치 기어가 정지해 있는 경우에 상기 외치 기어가 내치 기어를 1회전 롤링할 때 마다 외치 기어 자신은 1회전한다.
본 발명의 실시예로서의 왕복 피스톤식의 내연 기관은 도면에 도시되고, 본발명의 실제 기능은 하기 명세서에서 자세히 설명된다.
도 1은 내연 기관을 개략적으로 도시한 개략도이다. 이 도면에는 하나의 실린더가 도시되어 있다. 실린더가 서로에 대해 일렬, V-포메이션(V-formation) 또는 복서 구성(boxer configuration)으로 배치되는가와는 관계없이, 다수의 실린더를 갖춘 엔진의 전체적인 원리를 구현하는데에는 문제가 없다. 도면에는 실린더 헤드 상에 흡입 밸브(11) 및 배출 밸브(12)를 갖춘 실린더(10)와, 그리고 커넥팅 로드(9)를 통해 크랭크 샤프트(14)와 연결되어 실린더(10)내에 설치된 피스톤(7)이도시되어 있다. 크랭크 샤프트(14)의 고정축은 도면 부호 8로 표시된다. 이러한 크랭크 샤프트(14) 상에는, 크랭크 샤프트(14)와 고정 연결되어 있고 크랭크 무게에 대해 카운터 웨이트(counter weight)를 형성하는 플라이 웨이트(flyweight)(13)가 배치된다. 크랭크 아암(25) 자체는 상당히 특수한 크랭크 핀(1)을 구비한다. 종래의 엔진에 있어서, 크랭크 핀은 크랭크 아암 회전면에 대해 직각으로 이동하고, 엔진 작동시에는 동심원을 그린다. 따라서, 크랭크 핀은 항상, 크랭크 샤프트 축(8) 즉, 크랭크 샤프트를 구동하는 크랭크 샤프트의 축(8)에 대해서 정해진 일정한 간격을 유지한다. 이와 달리, 본 발명에 따른 크랭크 핀(1)은, 종래의 크랭크 핀 축(2)에 관련한 익센트릭(eccentric; 1) 즉, 크랭크 핀의 종래의 축(2)에 관련한 익센트릭(1)이다. 이 익센트릭(1)은 종래의 크랭크 핀 축(2)을 중심으로 회전할 수 있다. 커넥팅 로드(9)의 크랭크 샤프트(14)측의 단부(end)는, 그 익센트릭(1)을 커넥팅 로드 베어링(30)으로 둘러싸고 있어서, 익센트릭(1)이 커넥팅 로드 베어링(30)내에서 회전할 수 있다. 그 실예에서, 익센트릭(1)의 구조상 배열은, 익센트릭 크랭크 핀(1)을 2개의 셸(shell; 26, 27)에 의해 구성하고, 그 셸(26, 27)이 크랭크 샤프트(14)의 크랭크아암 샤프트(15)를 둘러싸도록 그 주위에 배치되고, 이것에 의해서 익센트릭 크랭크 핀(1)을 형성하는 것이 해결된다. 이러한 2개의 셸(26,27) 각각은 치형기어 세그먼트(28, 29)와 각각 연결되어 있고, 이 치형 기어 세그먼트(28, 29)도 크랭크 샤프트(14)의 크랭크아암 샤프트(15)를 둘러싼다. 이러한 세그먼트(28, 29)에 의해 형성된 치형기어(3)는 보다 큰 직경의 내치(內齒) 기어(internal toothed gear; 4) 안쪽에서 외치(外齒) 기어(externaltoothed gear; 3)로서 회전한다. 이 내치 기어(4)는 크랭크 샤프트(14)의 축(8)과 동축으로 설치되어, 자유롭게 회전할 수 있고 그 회전 위치는 조정 가능하다. 내치 기어(4)가 정지 상태에 있을 때, 외치 기어(3)는 내치 기어(4) 내부에서 1회 롤링할 때마다, 외치 기어(3) 자신은 정확히 1회전하게 된다.
도 2는 외치 기어(3) 및 익센트릭(1)을 형성하는 구성요소의 정면도(a) 및 상기 구성요소의 바닥 부분에 있는 셸(27)과 세그먼트(29)의 평면도(b)를 도시된다. 치형기어(3)는 라운드형이지만 중앙을 2개의 세그먼트(28, 29)로 절단되어 있고, 이 2개의 세그먼트(28, 29)는 그 전단부에서 하프(half)의 셸(26, 27)을 유지하고 있으며, 이들 셸(26, 27)이 함께 부착되면, 치형기어(3)의 회전축과 관련하여 익센트릭(1)을 형성한다. 구성요소의 2개의 세그먼트(28, 29)는 크랭크 샤프트 축의 둘레로, 즉 크랭크 샤프트의 종래의 크랭크 핀의 둘레로 연결되며, 이렇게 형성된 익센트릭(1)의 둘레에 커넥팅 로드가 부착되어 있다. 하방 커넥팅 로드 베어링은 2부분을 긴밀하게 함께 유지시킨다.
도 2b는 구성요소 저부의 평면도로서, 해칭이 평탄한 "절단"면을 나타낸다. 그 구성요소는 응력이 기해지는 치형기어에 통상 사용되는 유형의 적합한 경강합금(硬鋼合金)으로 형성된다. 구성요소의 내측은 화이트-메탈 코팅(white-metal coating)을 가지며, 마멸을 피하기 위해 경화 및 연삭된다. 이러한 구성요소의 내측은 주조강으로 형성된 크랭크아암 샤프트(15)상에서 작동된다. 구성요소의 외측 즉, 셸(26, 27)의 외측은 경질-크롬도금(hard-chrome plated)된다. 이들 셸(26, 27)의 외측은 커넥팅로드 베어링에 의해 둘러싸여 있다. 커넥팅 로드는 통상 알루미늄으로 이루어지며, 이 경우 셸(26, 27)의 외측은 마멸을 피하기 위해 경질-크롬도금되는 것이 필요하다.
도 3은 2부분으로 이루어진 구성요소의 사시도이다. 도면에는 2개의 셀(26, 27) 및 2개의 치형기어 세그먼트(28, 29)가 도시되어 있다. 2개의 치형기어 세그먼트가 연결되어 하나의 원형 치형기어(3)를 형성하고, 2개의 셸(26, 27)은 치형기어 축과 관련하여 하나의 익센트릭(1)을 형성한다. 따라서, 치형기어(3)가 회전하면 익센트릭(1)도 마찬가지로 치형기어 축을 중심으로 회전한다. 이것은 익센트릭(1)을 둘러싸고 있는 하부 커넥팅 로드 베어링(30)을 이동시키고, 그리고 익센트릭(1)의 위치에 따라서 커넥팅 로드(9)가 상하로 이동한다. 이 회전축과 관련해서, 최대 반경을 갖는 익센트릭(1)상의 포인트(point)는 도면 부호 16으로 표시되고, 일종의 노우즈(nose)를 형성한다. 변형예로서, 구성요소가 2개의 부분 대신에 다수의 부분, 예컨대 각각 120°만큼의 각도로 벌려있는 3개의 세그먼트로 형성될 수도 있다.
도 1에서, 익센트릭(1)에 의해 형성된 노우즈(16)는 위로 향해 있다. 따라서 상술한 위치에서 피스톤(7)은 최고 위치로 이동하고, 이에 상응하여 연소실의 체적이 작아진다. 익센트릭(1)이 상술한 위치에 있는 경우, 압축비는 최대이다. 치형기어(3)는 외치 기어(3)로서 형성되고, 둘레에 치형부(toothing)가 있으며, 내치 기어(4)내측을 회전시켜 롤링한다. 이 내치 기어(4)는 크랭크 샤프트(14)를 중심으로 회전 가능하게 부착된 디스크(17)로 이루어진다. 이러한 디스크(17)의 외연부에는 돌출부(18)가 설치되고, 이 돌출부의 내부 둘레로 치형부(19)가 형성되어있다. 치형기어(3)는 치형부(19)와 관련하여 외치 기어(3)를 형성하고 있어서, 치형부(19)를 따라 이 돌출부(18)의 내부 엣지(edge) 둘레로 롤링하고, 이에 맞추어, 외치 기어(3)의 치열(teeth; 20)은 내치 기어(4)의 치형부(19)와 맞물린다. 외치 기어(3)에 대한 내치 기어(4)의 치형부(19)의 둘레의 비는 2:1이다. 따라서, 외치 기어(3)는 내치 기어(4) 치형부(19)의 둘레부 전체를 롤링하면, 외치 기어가 360°만큼 회전하게 되고, 이것에 대응해서, 외치 기어가 내치 기어 치형부(19)의 둘레부의 절반만 회전하면 외치 기어는 180°만 회전하게 된다. 치형기어(3)와 고정적으로 연결된 익센트릭(1)과 관련하여, 이것은, 익센트릭(1)의 노우즈(16)가 상향이므로 압축이 최대인 도 1에 도시된 위치로부터 개시되면, 크랭크 샤프트(14)가 1회전하는 동안, 노우즈(16)가 아래와 같이 위치를 변화한다는 것을 의미한다: 치형기어(3)는 전체로서, 또 이 치형기어(3)를 갖춘 크랭크 아암 샤프트는, 예컨대, 크랭크 샤프트(14)를 중심으로 시계 방향으로 회전하며, 이 경우 치형기어(3) 자체는 반시계 방향으로 회전한다. 크랭크 샤프트가 이러한 방식으로 90°만큼 회전한 후, 노우즈(16)가 크랭크 샤프트 축을 향하도록 좌향으로 된다. 따라서, 치형기어(3) 및 이 치형기어(3)를 갖춘 익센트릭(1)은 90°만큼 반시계 방향으로 회전해 있다. 이와 같은 90°회전 후의 새로운 위치는 도 4에 도시된다. 크랭크 아암(25)은 이제 수평으로 있고, 그 실제 유효 길이는 도 1에 도시된 개시 위치에서의 길이에 비해 짧다. 90°만큼 더 회전한 후에, 크랭크 아암(25)이 아래로 이동하고, 노우즈(16)는 아래를 향한다. 이러한 상태는 도 5에 도시된다. 이 위치에서는, 커넥팅 로드(9) 및 피스톤(7)이 종래의 엔진과 비교해서 아래로 이동되어있다. 엔진 작동하고 있는 상태에서는 피스톤(7)의 흡입 행정도 이전의 구조에 비해 더 길어지고, 압축비도 마찬가지로 양호하게 되는 것을 의미한다. 보다 더 90°회전하면, 노우즈(16)는 재차 크랭크 샤프트 축의 방향으로 향하게 되고, 또 한번 90°회전한 후, 즉 완전히 360°회전된 후에는 도 1이 개시 위치로 도시된 바와 같이 노우즈가 다시 위로 향하게 된다. 하부 커넥팅 베어링이 익센트릭(1)을 둘러싸고 있기 때문에, 익센트릭(1)의 중심은 실제의 크랭크 거리를 나타낸다.
이제, 도 1에서 알수 있는 바와 같이, 익센트릭(1)의 중심은 도면 부호 21로 표시되고, 그 중심(21)은 치형기어(3)의 회전축에 의해서 형성되는 것이므로, 크랭크아암 샤프트(15)의 축(2)에 관하여 상방으로 이동되어 있다. 따라서, 익센트릭(1)에 연결된 커넥팅 로드(9)가 상승되고, 이 커넥팅 로드(9)의 상부에 접속된 피스톤(7)도 당연히 상승되어 있다. 따라서, 피스톤(7)은 도 1에 나타낸 바와 같이 상사점(dead-centre)에 있어서 상승된 위치에 있게 된다. 이에 대응해서, 보다 높은 압축에 도달한다. 이와 반대로, 도 5에 나타난 바와 같이, 익센트릭(1)의 노우즈(16)가 아래쪽으로 향해 있음으로써 피스톤(7)의 하사점이 동일한 정도만큼 아래로 이동되면, 그것에 의해, 상술한 바와 같이 흡입 행정이 더 길어질 수 있고, 이에 의해 압축비를 다시 상승시킨다. 유효 크랭크 아암 길이와 관련해서 볼 때, 후자는 중간위치, 예컨대 도 4에 도시된 위치에서 중간에 놓인 값을 채택한다. 따라서, 크랭크 아암의 길이는 피스톤(7)의 상사점에서 최대로 되고, 90°회전 후에 최소가 되며, 그 다음에 하사점을 향할 때 재차 최대값이 된다. 피스톤이 상사점에 도달될 때까지 크랭크 아암의 길이는 상술한 바와 동일하게 변동된다. 따라서 크랭크는 더 이상 원을 그리지 않고 수직형 타원을 그리게 된다.
이 내연 기관은 이제, 압축비가 변할 수 있다. 치형기어(3)는 익센트릭(1)과 함께 크랭크아암 샤프트(15)의 축(2)을 중심으로 회전한다. 이러한 회전 동작은 내치 기어(4)가 크랭크 샤프트를 중심으로 회전함으로써 진행된다. 도 6에는 다른 극단 위치(extreme position)가 도시되어 있는데, 여기서는, 피스톤(7)의 최고 위치에서, 즉 그 상사점에서, 익센트릭(1)의 노우즈(16)가 아래를 향해 있다. 연소실의 체적은 이와같은 상태에서 최대이다. 치형기어(3)가, 내치 기어(4)의 둘레부(치형부)(19)를 따라서 동일한 방식으로 그 개시 위치로부터 롤링을 하는 경우, 크랭크 샤프트가 시계 방향으로 90°회전한 후에, 익센트릭(1)은 우선 도 7에 나타난 중간 위치에 도달된다. 여기서는, 노우즈(16)는 크랭크 샤프트의 축(8)과 관련하여 방사 방향으로 바깥으로 향하며, 유효 크랭크 아암의 길이는 최대 길이가 된다. 피스톤(7)의 하사점에 있어서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 노우즈(16)가 위쪽, 즉 크랭크 샤프트의 축(8)을 향하도록 위치를 변화한다. 이 압축 상태에서는 피스톤(7)의 행정은 최소가 된다. 흡입 경로는 최소이고, 연소실의 체적은 최대이며, 압축비는 최소가 된다. 크랭크는 수평 타원을 그린다. 상술한 2개의 최대 위치의 범위에서 익센트릭(1)을 조정함으로써, 압축비가 자유롭게 선택될 수 있다. 중간 상태에서도 크랭크는 항상 동일한 형태의 타원을 그리게 되지만, 이 타원은 수직도 수평도 아니고 피스톤의 운동 방향에 따라서 비스듬히 경사질 수 있다.
도 9는, 동일한 구성(배치)의 익센트릭(1)이 중심에 따라서 그리게 되는 여러 상이한 곡선이 도시되어 있다. 이 경우 피스톤은 화살표로 지시된 방향으로 움직인다. 도 9a는 최대 압축비로 세팅된 상태를 나타낸다. 여기서는, 크랭크가 수직 타원을 그린다. 비교를 위해, 종래의 엔진에 있어서의 크랭크의 경로를 점선으로 도시하고 있다. 이 구성에 있어서는, 피스톤 경로가 보다 길어지게 된다. 흡기 경로 및 압축 경로의 양방과도, 보다 길고, 또 동시에 연소실의 체적이 감소된다. 이러한 구성에서는 압축비가 최대가 된다. 압축이 증대하면 엔진의 효율도 상승되고, 이 효율의 상승은 낮은 부하의 경우에 최대로 되므로, 그 구성은, 부분 부하 범위 중 어느 것으로 가솔린 엔진에 사용되지만, 압축비는 전 부하에서 다소 감소된다. 디젤 엔진에서는, 엔진의 개시를 위해 최대 압축비를 설정하고, 그 후, 엔진 작동을 위해 이것을 감소시키는 것이 유리하다.
도 9b에는 최소 압축비 상태에서 익센트릭(1)의 중심이 그리게 되는 곡선이 도시되어 있다. 크랭크 핀은 수평이라는 점을 제외하고는 동일한 타원을 그린다. 피스톤 경로는 최소가 되고, 즉 흡입 경로 및 압축 경로도 최소가 된다. 그와 동시에, 상사점이 아래로 이동되기 때문에 연소실의 체적이 증대한다. 따라서, 이러한 구성에서는 상응하게 압축비도 최소가 된다. 이러한 구성은, 예컨대, 엔진이 아이들링 상태인 경우에 적합하다.
도 9c에는 중간 구성에 있어서, 익센트릭(1)의 중심을 따라 그리게 되는 곡선이 도시되어 있다. 유효 크랭크 핀은 동일한 타원을 다시 그리게 되지만, 피스톤의 운동 방향에 대해서는 경사져 있다. 익센트릭(1) 및 이 익센트릭(1)에 의해 형성된 노우즈(16)는 회전 방향에 의존하여, 좌측 또는 우측으로 터닝(turning)될수 있다. 여기에 도시된 타원에 관하여는, 바람직한 엔진 특성에 의해, 엔진이 시계 방향으로 진행되어야 하는지 혹은 반시계 방향으로 작동하는지가 결정된다. 시계 방향으로의 운동은 압축을 가능한 길게 유지하기 때문에 유리한데, 그 결과 연소가 최적으로 이루어질 수 있고, 연소 압력이 가장 효율적으로 전개될 수 있다. 즉, 크랭크의 길이가 감소되면서 크랭크가 최대로 그러나 점차적으로 회전된다.
익센트릭(1)의 실제 이동은 내치 기어(4)에 의해 외치 기어(3)를 회전시킴으로써 조정된다. 익센트릭(1)이 최대 위치로부터 다른 위치로 180°만큼 회전할 수 있도록 하기 위하여, 내치 기어(4)는 크랭크 샤프트의 축(8)을 중심으로 1/4만큼 회전되어야 한다. 내치 기어(4)의 이러한 회전은 상이한 조정 수단에 의해 실현될 수 있다. 도 1, 도 4 내지 도 8 및 도 10에 이러한 실시예가 도시되어 있다. 돌출부로부터 떨어진 디스크(17)의 평편한 외면에서, 스퍼 기어(spur gear)로서 기능하는 동심의 치형기어(5)에 내치 기어(4)가 고정적으로 결합되어 있다. 측면에 배치된 측면 샤프트(24)를 중심으로 회전할 수 있는 치형 제어 기어(6)의 치형부(23)는, 그 스퍼 기어(5) 주변에서, 도 1에 도시하는 치형부(22)와 맞물린다. 여기에 도시된 바와 같이, 치형 제어 기어(6)의 반경은 스퍼 기어(5) 보다 2배 이상 크므로, 하나의 극대 위치로부터 다른 극대 위치로 움직이기 위해서 치형 제어 기어가 단지 약 40°만큼만 회전되면 된다. 연속으로 배치된 다수의 실린더에서는 상기 다수의 치형 제어 기어가 공통의 측면 샤프트(24)상에 배치된다. V-엔진에서는, 각 실린더에 대한 내치 기어(4)를 작동시키는 중앙 샤프트를 V-아암 사이에 배치할 수 있다. 박스형 엔진에서도 유사한 배치가 가능하므로, 이 측면 샤프트가 각각의방향이 일치한 실린더에 대한 내치 기어를 제어한다. 치형 제어 기어(6)의 작동은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 동기 벨트 또는 피니언 기어를 이용하여 직접 또는 간접적으로 측면 샤프트(24)에 작용하는 전기 스텝 모터(electric stepping motor)의 형태로 서보 모터를 이용한 작동을 생각할 수 있고, 이러한 작동에 의해 하나의 극대 위치로부터 다른 극대 위치로의 신속한 변환이 이루어진다. 스텝 모터는 마이크로 프로세서에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 제어를 위해 사용되는 마이크로 프로세서에는 다수의 전기적 파라미터가 제공될 수 있다. 데이터가 많은 자동식 기어 장치 회로에 대해서 검출하는 방식으로, 예를 들어 작동 중의 엔진 부하가 전기적으로 측정할 수 있다. 또한, 엔진의 회전수는 표준적인 파라미터로서 전기적으로 검출할 수 있고, 마찬가지로 압축비를 조절하기 위해 고려할 수 있다. 최근 다수의 자동차 엔진에 이미 존재하는 신호 센서의 신호도 처리할 수 있다. 연소 압력 및 연소 온도를 측정하여 고려할 수 있다. 최종적으로, 다차원 성능 특성에 의해, 이들 모든 데이터는, 이후, 마이크로 프로세서에 의해, 스텝 모터에 제어 기어의 위치를 변화시키도록 촉진하는 출력 신호를 처리한다.
도 10은 엔진을 측면에서 바라본 도면으로서, 크랭크 구동부를 갖춘 2개의 피스톤(7)이 도시되어 있다. 상기한 바와 같이, 압축비를 조정하기 위한 구성은 크랭크 샤프트(14) 위에 배치된 내치 기어(4)를 포함하며, 이 내치 기어는 크랭크 샤프트(14)에 자유롭게 이동가능하도록 부착되어 있다. 도면에서 내치 기어(4)는 이해를 용이하게 하기 위해 부분적으로 절단 도시되었다. 돌출부로부터 떨어진 디스크(17)의 평편한 외면은 이것에 고정적으로 결합된 치형 기어(5)를 동축으로 지지한다. 익센트릭(1)에 고정적으로 연결된 치형기어(3)는 내부에 치형부가 형성된 내치 기어(4) 내부 둘레에서 돌출부를 따라서 이동한다. 이 익센트릭(1)은 크랭크아암 샤프트(15)를 포함하고, 자유 회전할 수 있도록, 각각에 부착되어 있다. 커넥팅 로드(9)의 하부 커넥팅 로드 베어링(25)은 익센트릭(1)을 둘러싸고, 익센트릭의 노우즈(16)는 좌측 피스톤(7) 경우는 위로 향해 있고, 우측 피스톤(7)의 경우는 아래로 향해 있다. 따라서, 좌측 피스톤(7)은 다소 상승해 있고, 우측 피스톤(7)은 하강해 있다. 치형기어(5)가 내치 기어(4)와 함께 회전하면, 익센트릭(1)도 또한 고정되어 회전함으로써, 익센트릭에 의해 형성된 포인트(16)의 위치가 바뀌게 된다. 엔진 작동시 치형기어(3)는 내치 기어(4)의 내부에서 외치 기어로서 회전되고, 익센트릭(1)이 크랭크 샤프트 둘레를 중심으로 정확히 360°회전하는데 영향을 미친다. 따라서, 크랭크 샤프트가 180°만큼 회전하면 익센트릭(1)도 180°만큼 회전하고, 우측에 도시된 크랭크 샤프트 단면에서 볼 수 있는, 익센트릭에 의해 형성된 포인트(16)가 그에 상응하게 아래로 향하게 된다. 크랭크 샤프트 단면에서는, 포인트(16)가 아래로 향해 있기 때문에 하부 피스톤의 위치가 낮추어져 있다. 이것에 의해, 전체적으로 피스톤 행정이 보다 크게 되고, 동시에 연소실의 체적이 자연히 감소하게 된다. 압축비는 상승하게 된다. 중간 위치에서는 유효 크랭크 아암이 짧게 된다. 크랭크 핀의 실제 유효 중심은 압축비가 상승시, 수직 타원을 그린다.
대안적으로, 내치 기어(4)는 외부 둘레에 치형부를 포함하고, 상기 치형부에직접 맞물리는 치형기어에 의해 조정된다. 압축이 일정하게 세팅된 경우에 내치 기어는 엔진 작동 동안 정지된다. 내치 기어는 크랭크 샤프트와 함께 움직일 수도 있다. 상술한 경우에 익센트릭의 회전 위치가 하나의 회전부를 통해 계속적으로 동일한 위치를 유지함으로써, 전체 회전부 둘레에서는 크랭크 아암 길이가 언제나 동일하게 유지된다. 그에 상응하게 익센트릭의 중심이 그리는 곡선은 더 이상 타원이 아니고 원이다. 위치 조정은, 내치 기어의 회전 위치가 크랭크 축과 관련하여 변화되도록 이루어져야 한다.
본 발명에 따른 엔진은 압축비를 조절함으로써 엔진의 특성 및 파워 전개에 결정적으로 영향을 미치는 다른 중요한 파라미터를 고려할 수 있다. 이 때 변형은 현재 존재하는 엔진으로부터 시작될 수 있으며, 이 경우에는 단지 크랭크 샤프트만이라도, 어떤 경우에는 새로운 시리얼을 위한 엔진 구성이 매칭되어야하고, 엔진을 전체적으로 새롭게 구성할 필요는 없다. 구성 엔진 유닛은 대부분의 경우, 치형기어 및 측면 샤프트를 배치하기 위한 공간이 충분히 존재하는 경우에도 또한 사용될 수 있다. 따라서, 실린더, 피스톤, 커넥팅, 및 점화 장치 및 분사 장치와 같은 엔진의 주변 구성 부품, 및 보조 장치는 원칙적으로 변형되지 않는다. 압축이 가변적인 점화 엔진에 의해 주행이 훨씬 조용하게 진행되는 동시에 파워 전개가 현저하게 개선될 수 있고, 상승된 효율로 인해 연료 점화가 최상으로 이루어질 수 있으며, 최상의 연소로 인해 유해 물질 배출도 훨씬 감소될 수 있다.

Claims (10)

  1. 커넥팅 로드(9)가 크랭크 샤프트 측에서 익센트릭 크랭크 핀(1)에 부착되고, 엔진의 동작 중에 제어 수단(3-6)에 의해 상기 익센트릭 크랭크 핀(1)이 그 회전축(2) 둘레에서 조정됨으로써, 피스톤 허브가 조절가능한, 가변 압축비를 가지는 왕복 피스톤식 내연 기관에 있어서,
    상기 익센트릭 크랭크 핀(1)은, 크랭크 샤프트(14)의 크랭크아암 샤프트(15)를 둘러싸도록 상기 크랭크아암 샤프트(15) 둘레로 배치되는 2개 이상의 셸(26, 27)에 의해 형성되고, 상기 셸(26, 27)은 치형 기어 세그먼트(28, 29)와 결합되며, 상기 치형 기어 세그먼트(28, 29)는 상기 크랭크 샤프트(14)의 상기 크랭크아암 샤프트(15)를 둘러싸고, 상기 세그먼트(28, 29)에 의해 형성된 치형기어(3)는 보다 큰 직경의 내치 기어(4)내에서 외치 기어(3)로서 기능하여 상기 내치 기어(4)내에서 롤링하며, 상기 내치 기어(4)는 상기 크랭크 샤프트(14)의 축(8)에 동축으로 회전가능하게 장착되고, 상기 내치 기어(4)의 회전 위치는, 상기 내치 기어(4)가 조절된 정지 위치에서 유지되는 경우, 상기 외치 기어(3)가 상기 내치 기어(4) 둘레를 1회전 할 때마다 상기 외치 기어(3) 자신이 정확하게 1회전하는 방식으로 조정되며, 상기 조절된 정지 위치는, 하부 커넥팅 로드 베어링의 유효 중심의 이동이 상기 조절된 정지 위치에 따라 항상 타원을 그리고, 상기 타원은 수직형 타원과 수평형 타원 사이의 모든 중간 세팅 위치를 연속적으로 취할 수 있는 위치인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내치 기어(4)가 평편한 외면상에서 스퍼 기어(5)와 동축으로 연결되고, 상기 스퍼 기어(5)는 상기 스퍼 기어(5)와 맞물리는 다른 치형 제어 기어(6)에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내치 기어(4)는 외부 둘레에 치형부를 가지며, 상기 치형부와 직접 맞물리는 치형 제어 기어(6)에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 치형 제어 기어(6)는 개별의 서보 모터에 의해 회전될 수 있어서, 상기 크랭크 길이를 변화시킴으로써 엔진의 압축비를 변동시킬 수 있고, 상기 서보 모터는 마이크로 프로세서에 의해 제어되며, 상기 마이크로 프로세서는 하나 이상의 엔진 동작 측정 파라미터가 전기적으로 처리될 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 서보 모터는 피니언을 통해 상기 치형 제어 기어(6)를 구동시키는 전기 스텝 모터인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 서보 모터는 치형 벨트를 통해 상기 치형 제어기어(6) 또는 그 구동 샤프트(24)를 구동시키는 전기 스텝 모터인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  7. 제 4 항에 있어서, 노킹 센서로부터의 신호 및, 기어 박스에서 측정된 엔진 부하, 측정된 엔진 속도와 흡기량 또는 흡입공기량을 나타내는 하나 이상의 신호가 공급되는 마이크로 프로세서이며, 상기 마이크로 프로세서에 의해 상기 값들을, 서보 모터를 위한 제어 신호로 전기적으로 처리할 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 다수의 실린더를 구비하는 엔진의 경우에, 상기 치형 제어 기어(6)는 각 실린더에 관련하여 공통의 측면 샤프트(24)에 고정적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 치형 제어 기어(6)의 반경은 상기 스퍼 기어(5) 반경의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내치 기어(4)는 상기 크랭크 샤프트(14)와 함께 작동되도록 구성되고, 상기 크랭크 샤프트(14)에 대한 상기 내치 기어(4)의 회전 위치는, 유효 크랭크 아암의 길이가 전체 크랭크 회전 내내 항상 동일하도록 조절 가능한 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤식 내연 기관.
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