KR100969376B1 - 가변 압축비 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달받아 차량을 구동시키는 엔진에 장착되어 있으며 혼합기의 압축비를 변경하는 것으로, 양단을 포함하며, 그 일단은 상기 피스톤에 회전 가능하게 연결되어 혼합기의 연소력을 전달 받는 상부 커넥팅 로드; 양단을 포함하며, 그 일단이 상기 상부 커넥팅 로드의 타단에 회전 가능하도록 연결되어 상기 상부 커넥팅 로드로부터 전달 받는 혼합기의 연소력에 의하여 회전하는 하부 커넥팅 로드; 상기 하부 커넥팅 로드에 편심되어 회전 가능하게 장착되어 있는 크랭크 샤프트; 양단을 포함하며, 그 일단이 상기 하부 커넥팅 로드의 타단에 회전 가능하게 연결되어 상기 하부 커넥팅 로드의 회전 궤적을 변경하는 제어 로드; 그리고 상기 제어 로드의 타단에 편심되어 회전 가능하도록 연결되어 있으며 상기 제어 로드의 타단의 위치를 변경시키는 제어 샤프트;를 포함할 수 있다.
가변 압축비 장치, 유성기어세트, 링기어, 선기어, 유성 캐리어

Description

가변 압축비 장치{VARIABLE COMPRESSION RATIO APPARATUS}
본 발명은 가변 압축비 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내의 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 가변시키는 가변 압축비 장치에 관한 것이다.
일반적으로 열기관의 열효율은 압축비가 높으면 증가되며, 스파크 점화기관의 경우 일정 수준까지 점화시기를 진각하면 열효율이 증가된다. 그러나, 스파크 점화기관은 높은 압축비에서 점화시기를 진각하면 이상 연소가 발생하여, 엔진 손상을 가져올 수 있으므로 점화시기 진각에 한계가 있고, 이에 의해 출력 저하를 감수해야 한다.
가변 압축비(variable compression ratio; VCR) 장치는 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 변화시키는 장치이다. 가변 압축비 장치에 따르면, 엔진의 저부하 운전 상태(low load condition)에서는 혼합기의 압축비를 높여 연비를 향상시키고 엔진의 고부하 운전 상태(high load condition)에서는 혼합기의 압축비를 낮추어 녹킹의 발생을 방지하고 엔진 출력을 향상시킨다.
종래의 가변 압축비 장치는 엔진의 운전 상태에 따라 설정된 혼합기의 압축 비가 구현될 뿐 흡입/압축/폭발/배기 행정에서 각 스트로크(stroke)를 다르게 설정하지 못하였다. 특히, 압축 행정보다 팽창 행정을 길게 하면 열효율이 더욱 상승되나 종래의 가변 압축비 장치로는 압축 행정보다 팽창 행정보다 길게 구현하기가 어려웠다.
또한, 저연비, 고마력 엔진을 구연하기 위해, 저부하시에는 고압축비/저배기량, 고부하시에는 저압축비/고배기량을 실현하는 것이 유리하다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 엔진의 운전 상태에 따라 혼합기의 압축비를 가변시킴으로써 연비와 출력을 향상시키는 가변 압축비 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흡입/압축/폭발/배기 행정에서 각 스트로크를 다르게 설정함으로써 연비를 더욱 향상시키는 가변 압축비 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달받아 차량을 구동시키는 엔진에 장착되어 있으며 혼합기의 압축비를 변경한다.
상기 가변 압축비 장치는, 양단을 포함하며, 그 일단은 상기 피스톤에 회전 가능하게 연결되어 혼합기의 연소력을 전달 받는 상부 커넥팅 로드; 양단을 포함하며, 그 일단이 상기 상부 커넥팅 로드의 타단에 회전 가능하도록 연결되어 상기 상부 커넥팅 로드로부터 전달 받는 혼합기의 연소력에 의하여 회전하는 하부 커넥팅 로드; 상기 하부 커넥팅 로드에 편심되어 회전 가능하게 장착되어 있는 크랭크 샤프트; 양단을 포함하며, 그 일단이 상기 하부 커넥팅 로드의 타단에 회전 가능하게 연결되어 상기 하부 커넥팅 로드의 회전 궤적을 변경하는 제어 로드; 그리고 상기 제어 로드의 타단에 편심되어 회전 가능하도록 연결되어 있으며 상기 제어 로드의 타단의 위치를 변경시키는 제어 샤프트;를 포함할 수 있다.
상기 가변 압축비 장치는 구동기로부터 동력을 입력 받아 상기 크랭크 샤프트와 상기 제어 샤프트의 위상을 변경시키는 유성기어세트를 더 포함할 수 있다.
상기 유성기어세트는: 상기 제어 샤프트에 연결되어 상기 제어 로드와 함께 회전하는 제1작동부재; 상기 크랭크 샤프트에 연결되어 상기 크랭크 샤프트를 회전시키는 제2작동부재; 그리고 상기 구동기에 연결되어 상기 제어 샤프트의 위상을 변화시키는 동력을 입력 받는 제3작동부재;를 포함할 수 있다.
상기 크랭크 샤프트에는 크랭크 기어가 고정 부착되어 있으며, 상기 제2작동부재에는 상기 크랭크 기어와 기어 결합하는 컨트롤 기어가 고정 부착되어 있을 수 있다.
상기 구동기는 구동축을 포함하며, 상기 구동축에는 상기 제3작동부재와 연결되어 동력을 전달하는 동력 전달 수단이 장착되어 있을 수 있다.
상기 구동기는 상기 크랭크 샤프트의 회전속도와 상기 제어 샤프트의 회전 속도의 비가 1:1 또는 1:2가 되도록 구성될 수 있다.
상기 유성기어세트는 선기어, 링기어, 그리고 유성 캐리어를 그 작동부재로포함하고, 상기 제1작동부재는 상기 유성 캐리어이고, 상기 제2작동부재는 상기 링기어이고, 그리고 상기 제3작동부재는 상기 선기어일 수 있다.
상기 하부 커넥팅 로드는 부채꼴 형상이며, 상기 하부 커넥팅 로드의 양단은 상기 부채꼴 호의 양단에 위치할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 압축비 장치에 의하면, 엔진 운전 중 혼합기의 압축비를 연속적으로 변환시키므로 저부하 운전 상태에서는 연비를 향상시키고 고부하 운전 상태에서는 출력을 향상시킬 수 있다.
또한, 크랭크 샤프트와 제어 샤프트의 회전 속도의 비를 1:1로 하는 경우 가변 압축비가 실현되고 크랭크 샤프트와 제어 샤프트의 회전 속도의 비를 1:2로 하는 경우 가변 압축비와 함께 아킨슨 사이클(Atkinson Cycle)이 구현된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치(10)는 혼합기의 연소력을 피스톤(30)으로부터 전달 받아 차량을 구동시키는 엔진(도시하지 않음)에 장착되어 있으며, 상기 혼합기의 압축비(compression ratio)를 변경한다.
상기 피스톤(30)은 실린더(20) 내에서 상하 운동을 하며 상기 피스톤(30)과 실린더(20) 사이에는 연소실이 형성된다. 또한, 상기 실린더(20)의 상부에는 혼합기의 흡입을 위한 흡기 밸브(도시하지 않음)와 연소된 혼합기의 배출을 위한 배기 밸브(도시하지 않음)가 장착되어 있다. 따라서, 흡기 밸브를 통해 연소실로 흡입된 혼합기는 연소되며 그 연소력을 상기 피스톤(30)에 전달하여 차량을 구동시키고, 연소된 혼합기는 배기 밸브를 통해 연소실로부터 배출된다.
상기 가변 압축비 장치(10)는 상부 커넥팅 로드(40), 하부 커넥팅 로드(50), 크랭크 샤프트(65), 제어 로드(80), 제어 샤프트(90), 그리고 유성기어세트(110)를 포함한다.
상부 커넥팅 로드(40)는 피스톤(30)으로부터 연소력을 전달 받아 이를 하부 커넥팅 로드(50)에 전달한다. 상기 상부 커넥팅 로드(40)는 양단을 포함하며, 그 일단은 제1결합 부재(35)에 의하여 상기 피스톤(30)에 회전 가능하게 연결되어 있다. 상기 상부 커넥팅 로드(40)의 하단에는 하부 커넥팅 로드(50)와의 연결을 위한 제1안착홈(42)이 형성되어 있다. 상기 제1결합 부재(35)는 핀, 샤프트 등 두 개의 부재를 회전 가능하도록 연결하는 수단이면 무엇이든 가능하다.
하부 커넥팅 로드(50)는 상기 상부 커넥팅 로드(40)로부터 연소력을 전달 받아 크랭크 샤프트(65)를 회전시킨다. 상기 하부 커넥팅 로드(50)는 양단을 포함하며, 그 일단은 상기 상부 커넥팅 로드(40)의 제1안착홈(42)에 삽입되고 제2결합 부재(45)에 의하여 상기 상부 커넥팅 로드(40)에 회전 가능하게 연결된다. 상기 제2결합 부재(45)는 핀, 샤프트 등 두 개의 부재를 회전 가능하도록 연결하는 수단이면 무엇이든 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치(10)에서는 상기 하부 커넥팅 로드(50)는 부채꼴 형상으로 되어 있으며, 상기 하부 커넥팅 로드(50)의 양단은 상기 부채꼴 호의 양단에 위치할 수 있다. 그러나, 다른 형상의 하부 커넥팅 로드(50)를 사용하는 것도 가능하다.
크랭크 샤프트(65)는 크랭크 핀(60)에 의하여 상기 하부 커넥팅 로드(50)에 회전 가능하게 장착된다. 크랭크 샤프트(65)는 상기 하부 커넥팅 로드(50)에 편심되게 장착되므로 하부 커넥팅 로드(50)가 회전하며 크랭크 암을 크랭크 샤프트(65)를 중심으로 회전하도록 한다. 따라서, 상기 크랭크 샤프트(65)는 상기 피스톤(30)으로부터 연소력을 전달 받고 이 연소력을 회전력으로 변환하여 변속기(도시하지 않음)에 전달한다. 또한, 상기 크랭크 샤프트(65)에는 크랭크 기어(70)가 동축상으로 고정 장착된다. 한편, 크랭크 샤프트(65)와 엔진 사이에는 회전 마찰력을 줄이기 위한 베어링(65)이 개재될 수 있다.
제어 로드(80)는 양단을 포함하며, 상기 하부 커넥팅 로드(50)의 회전 궤적을 변경시킴으로써 혼합기의 압축비를 변경한다. 상기 제어 로드(80)의 일단에는 제2안착홈(82)이 형성되어 있으며, 이 제2안착홈(82)에 상기 하부 커넥팅 로드(50)의 타단이 삽입된다. 상기 하부 커넥팅 로드(50)의 타단은 제4결합 부재(85)에 의하여 상기 제어 로드(80)에 회전 가능하게 연결된다. 상기 제4결합 부재(85)는 핀, 샤프트 등 두 개의 부재를 회전 가능하도록 연결하는 수단이면 무엇이든 가능하다.
제어 샤프트(90)는 상기 제어 로드(80)의 타단에 편심되어 회전 가능하도록연결되어 있다. 따라서, 제어 샤프트(90)가 회전하는 경우 상기 제어 로드(80)의 타단의 위치가 변경된다. 한편, 제어 샤프트(90)와 엔진 사이에는 회전 마찰력을 줄이기 위한 베어링(65)이 개재될 수 있다.
유성기어세트(110)는 선기어(130), 유성 캐리어(120), 그리고 링기어(105)를 그 작동부재로 포함하는 단순 유성기어세트이다. 상기 유성 캐리어(120)는 상기 선기어(130)와 링기어(105)에 기어 결합하는 복수개의 피니언 기어(140)에 연결되어 있으며, 피니언 기어들(140)에 의하여 회전한다. 또한, 상기 유성기어세트(110)의 하나의 작동부재는 구동기(160)에 연결되어 동력을 전달받는다.
구동기(160)는 구동축(150)을 포함하고 있으며, 상기 구동축(150)의 외주면에는 웜 기어가 형성되어 있다. 상기 웜 기어는, 도 4에 도시된 바와 같이, 선기어(130)와 기어 결합하여 구동기(160)의 동력(즉, 회전 속도)을 선기어(130)에 전달한다. 구동기(160)는 DC모터나 스텝 모터 또는 회전력을 구동축(150)에 입력시킬 수 있는 모든 수단일 수 있다. 상기 구동기(160)는 엔진 제어 유닛(engine control unit; ECU)(도시하지 않음)에 연결되어 엔진 제어 유닛의 신호에 따라 작동한다.
본 발명의 실시예에서는 구동축(150)의 외주면에 웜기어가 형성되어 있는 것을 예시하였으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 아니하고 구동기(160)의 회전력을 선기어(130)에 전달할 수 있는 모든 동력 전달 수단은 본 발명의 범위에 포함된다.
링기어(105)에는 컨트롤 기어(100)가 고정 부착되어 있으며, 상기 컨트롤 기어(100)는 상기 크랭크 샤프트(65)의 크랭크 기어(70)와 기어 결합한다. 따라서, 크랭크 샤프트(65)의 회전 속도가 상기 컨트롤 기어(100)를 통하여 링기어(105)에 입력된다. 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치(10)에서는 상기 링기어(105) 와 컨트롤 기어(100)가 별개로 제작되어 고정 부착된 것을 예시하였으나, 링기어(105)의 외주면에 기어치를 형성할 수도 있다.
유성 캐리어(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제어 샤프트(90)에 동축상으로 결합되어 상기 제어 샤프트(90)를 회전시킨다. 유성기어세트(110)의 특성에 의하여 상기 유성 캐리어(120)의 회전 속도는 상기 선기어(130)와 상기 링기어(105)의 속도에 의하여 결정된다. 따라서, 상기 제어 샤프트(90)의 회전 속도는 상기 크랭크 샤프트(60)의 회전 속도와 상기 구동축(150)의 회전 속도에 의하여 결정되며, 이에 따라 크랭크 샤프트(60)와 제어 샤프트(90)의 회전 속도가 다를 수 있다. 따라서, 상기 크랭크 샤프트(60)와 제어 샤프트(90) 사이에 위상의 차가 발생하게 되고 크랭크 샤프트(60)의 위상에 따른 제어 로드(80)의 타단의 위치가 바뀌게 되며 이에 따라 하부 커넥팅 로드(50)의 회전 궤적이 변경되게 된다. 결국, 혼합기의 압축비가 변경되게 된다.
한편, 상기 크랭크 샤프트(60)의 회전 속도와 상기 제어 샤프트(90)의 회전 속도의 비는 엔진 설계자의 필요에 의하여 임의의 값으로 설정될 수 있으며, 1:1 또는 1:2로 설정될 수 있다. 엔진 제어 유닛은 엔진의 운전 상태에 따라 상기 크랭크 샤프트(60)의 회전 속도와 상기 제어 샤프트(90)의 회전 속도의 비가 1:1 또는 1:2가 되도록 구동기(160)를 제어한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 작동을 보인 개략도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 고 압축비 상태로 작동하는 경우를 저압축비 상태로 작동하는 경우와 비교하면, 피스톤(30)의 상사점(top dead center;TDC)이 높아지고 피스톤(30)의 하사점(bottom dead center; BDC)이 낮아지게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치를 사용하는 엔진에서 피스톤의 속도 및 가속도, 그리고 행정을 보인 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치를 사용하는 경우, 상기 크랭크 샤프트(60)의 회전 속도와 상기 제어 샤프트(90)의 회전 속도의 비를 조절함으로써 압축 행정의 길이와 팽창 행정의 길이를 다르게 할 수도 있으며, 그러한 예는 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 저압축비 상태로 작동하는 경우, 압축 행정의 길이는 84.09mm이고 팽창 행정의 길이는 95.8mm이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 고압축비 상태로 작동하는 경우, 압축 행정의 길이는 82.63mm이고 팽창 행정의 길이는 106.9mm이다. 따라서, 흡입 행정보다 압축 행정의 길이가 길기 때문에 열효율과 연비가 상승하게 된다.
여기에서는 압축 행정의 길이와 팽창 행정의 길이만을 비교하였으나, 상기 크랭크 샤프트(60)의 회전 속도와 상기 제어 샤프트(90)의 회전 속도의 비를 조절함으로써 흡입/압축/폭발/배기 행정에서 각 스트로크(stroke)를 다르게 설정할 수 있다.
한편, 앞에서 예시한 수치는 목표로 하는 엔진의 성능에 따라 당업자가 용이하게 설정할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치에서 사용되는 유성기어세트와 제어 샤프트의 연결 구조를 보인 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치에서 사용되는 유성기어세트와 구동기의 결합 구조를 보인 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 작동을 보인 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치를 사용하는 엔진에서 피스톤의 속도 및 가속도, 그리고 행정을 보인 그래프이다.

Claims (8)

  1. 혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달받아 차량을 구동시키는 엔진에 장착되어 있으며 혼합기의 압축비를 변경하는 가변 압축비 장치에 있어서,
    양단을 포함하며, 그 일단은 상기 피스톤에 회전 가능하게 연결되어 혼합기의 연소력을 전달 받는 상부 커넥팅 로드;
    양단을 포함하며, 그 일단이 상기 상부 커넥팅 로드의 타단에 회전 가능하도록 연결되어 상기 상부 커넥팅 로드로부터 전달 받는 혼합기의 연소력에 의하여 회전하는 하부 커넥팅 로드;
    상기 하부 커넥팅 로드에 편심되어 회전 가능하게 장착되어 있는 크랭크 샤프트;
    양단을 포함하며, 그 일단이 상기 하부 커넥팅 로드의 타단에 회전 가능하게 연결되어 상기 하부 커넥팅 로드의 회전 궤적을 변경하는 제어 로드;
    상기 제어 로드의 타단에 편심되어 회전 가능하도록 연결되어 있으며 상기 제어 로드의 타단의 위치를 변경시키는 제어 샤프트; 그리고
    구동기로부터 동력을 입력 받아 상기 크랭크 샤프트와 상기 제어 샤프트의 위상을 변경시키는 유성기어세트;
    를 포함하되,
    상기 유성기어세트는 단순 유성기어세트이며, 상기 제어 샤프트에 연결되어 상기 제어 로드와 함께 회전하는 제1작동부재, 상기 크랭크 샤프트에 연결되어 상기 크랭크 샤프트를 회전시키는 제2작동부재, 그리고 상기 구동기에 연결되어 상기 제어 샤프트의 위상을 변화시키는 동력을 입력 받는 제3작동부재를 포함하는 가변 압축비 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트에는 크랭크 기어가 고정 부착되어 있으며, 상기 제2작동부재에는 상기 크랭크 기어와 기어 결합하는 컨트롤 기어가 고정 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구동기는 구동축을 포함하며, 상기 구동축에는 상기 제3작동부재와 연결되어 동력을 전달하는 동력 전달 수단이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구동기는 상기 크랭크 샤프트의 회전속도와 상기 제어 샤프트의 회전 속도의 비가 1:1 또는 1:2가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유성기어세트는 선기어, 링기어, 그리고 유성 캐리어를 그 작동부재로포함하고,
    상기 제1작동부재는 상기 유성 캐리어이고, 상기 제2작동부재는 상기 링기어이고, 그리고 상기 제3작동부재는 상기 선기어인 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 커넥팅 로드는 부채꼴 형상이며, 상기 하부 커넥팅 로드의 양단은 상기 부채꼴 호의 양단에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
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