KR101090801B1 - 가변 압축비 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소실 내의 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 가변시키는 가변 압축비 장치에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달받아 차량을 구동하는 엔진에 장착되어 있으며, 상기 혼합기의 압축비를 변경하고, 상부에 형성된 실린더와 측면에 형성된 장착홀을 포함하는 실린더 블록; 상기 피스톤으로부터 연소력을 전달 받아 상기 실린더 내에서 왕복 운동을 하는 커넥팅 로드; 중심축, 상기 중심축과 동심으로 배치되는 베어링 시트, 그리고 상기 중심축에 편심되어 형성되며 상기 커넥팅 로드의 일단이 회전 가능하게 연결되어 연소력을 전달 받는 크랭크 핀을 포함하는 크랭크 샤프트; 그리고 베어링 중심축과, 상기 베어링 중심축에 편심되어 형성되는 크랭크 장착구를포함하고, 상기 실린더 블록의 장착홀에 회전 가능하도록 장착되되, 상기 크랭크 장착구에는 상기 베어링 시트가 삽입되어 회전 가능하도록 장착되는 편심 베어링;을 포함하되, 상기 편심 베어링은 차량의 운행 조건에 따라 회전하며 크랭크 샤프트의 중심축의 위치를 변경함으로써 혼합기의 압축비를 변경할 수 있다.

가변 압축비 장치, 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드

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 피스톤에 연결되어 혼합기의 연소력을 전달 받는 커넥팅 로드(connecting rod)와, 상기 커넥팅 로드로부터 혼합기의 연소력을 전달 받아 크랭크 샤프트(crank shaft)를 회전시키는 핀 링크와, 엔진의 운전 조건에 따라 상기 핀 링크의 회전 궤적을 변화시키는 제어 수단을 포함한다. 종래의 가변 압축비 장치에 따르면, 상기 핀 링크의 회전 궤적이 변화함에 따라 혼합기의 압축비가 변화하였다.

상기와 같은 종래의 가변 압축비 장치에 따르면, 제어 수단이 크랭크 샤프트의 하측으로 수직선상에 배치되거나 크랭크 샤프트의 옆으로 수편선상에 배치되어 있었다. 따라서, 실린더 블록의 체적이 증대되었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 실린더 블록의 크기 증가 없이 실린더 블록에 장착될 수 있는 가변 압축비 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달받아 차량을 구동하는 엔진에 장착되어 있으며, 상기 혼합기의 압축비를 변경하고, 상부에 형성된 실린더와 측면에 형성된 장착홀을 포함하는 실린더 블록; 상기 피스톤으로부터 연소력을 전달 받아 상기 실 린더 내에서 왕복 운동을 하는 커넥팅 로드; 중심축, 상기 중심축과 동심으로 배치되는 베어링 시트, 그리고 상기 중심축에 편심되어 형성되며 상기 커넥팅 로드의 일단이 회전 가능하게 연결되어 연소력을 전달 받는 크랭크 핀을 포함하는 크랭크 샤프트; 그리고 베어링 중심축과, 상기 베어링 중심축에 편심되어 형성되는 크랭크 장착구를포함하고, 상기 실린더 블록의 장착홀에 회전 가능하도록 장착되되, 상기 크랭크 장착구에는 상기 베어링 시트가 삽입되어 회전 가능하도록 장착되는 편심 베어링;을 포함하되, 상기 편심 베어링은 차량의 운행 조건에 따라 회전하며 크랭크 샤프트의 중심축의 위치를 변경함으로써 혼합기의 압축비를 변경할 수 있다.

상기 편심 베어링의 베어링 중심축으로부터 벗어난 외주부에 회전 가능하게 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 상기 편심 베어링을 회전시키는 제어 로드를 더 포함할 수 있다.

상기 제어 로드는 일단과 타단을 포함하며, 상기 제어 로드의 일단은 상기 편심 베어링의 중심축으로부터 벗어난 외주부에 회전 가능하게 연결되고, 상기 제어 로드의 타단은 차량의 운행 조건에 따라 회전하는 제어 캠에 편심되어 회전 가능하게 연결되어 있을 수 있다.

상기 편심 베어링의 크기를 최소화하기 위하여, 상기 편심 베어링과 상기 제어 로드의 연결점은 상기 베어링 중심축을 기준으로 상기 크랭크 샤프트의 중심축의 반대편에 위치할 수 있다.

상기 크랭크 샤프트의 중심축과 상기 베어링 중심축은 5~7mm 이격되어 있을수 있다.

상기 제어 캠은 제어 모터에 동심으로 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 회전할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 장착홀을 포함하는 실린더 블록; 상기 실린더 블록의 장착홀에 끼워져 실린더 블록 내에서 중심축을 중심으로회전하는 크랭크 샤프트; 그리고 혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달 받으며, 상기 크랭크 샤프트의 중심축에 편심되게 연결되어 혼합기의 연소력을 회전 운동으로 변환하는 커넥팅 로드;를 포함하되, 상기 크랭크 샤프트는 상기 중심축에 편심된 베어링 중심축을 가지는 편심 베어링에 끼워져 상기 장착홀에 회전 가능하도록 장착되고, 상기 편심 베어링은 차량의 운행 조건에 따라 회전하며 크랭크 샤프트의 중심축의 위치를 변경함으로써 혼합기의 압축비를 변경할 수 있다.

상기 편심 베어링의 베어링 중심축으로부터 벗어난 외주부에 회전 가능하게 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 상기 편심 베어링을 회전시키는 제어 로드를 더 포함할 수 있다.

상기 제어 로드는 상기 편심 베어링과의 연결점 이외의 부분에서 차량의 운행 조건에 따라 회전하는 제어 캠에 편심되어 회전 가능하게 연결되어 있을 수 있다.

상기 편심 베어링의 크기를 최소화하기 위하여, 상기 편심 베어링과 상기 제어 로드의 연결점은 상기 베어링 중심축을 기준으로 상기 크랭크 샤프트의 중심축의 반대편에 위치할 수 있다.

상기 크랭크 샤프트의 중심축과 상기 베어링 중심축은 5~7mm 이격되어 있을 수 있다.

상기 제어 캠은 제어 모터에 동심으로 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 회전할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 압축비 장치에 의하면, 편심 베어링과 제어 로드의 연결점이 베어링 중심축을 기준으로 크랭크 샤프트의 중심축의 반대편에 위치하므로 편심 베어링의 크기를 과다하게 키우지 않고도 혼합기의 압축비를 충분히 변화시킬 수 있다.

또한, 차량의 운행 조건에 따라 혼합기의 압축비를 변화시키므로 연비가 향상된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 분해도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치(1)는 혼합기의 연소력을 피스톤(20)으로부터 전달 받아 크랭크 샤프트(40)를 회전시키는 엔진(도시하지 않음)에 장착되며, 차량의 운전 조건에 따라 상기 혼합기 의 압축비를 변경한다. 이러한 가변 압축비 장치(1)는 실린더 블록(10) 내에 장착되는데, 도 1 및 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 실린더 블록(10)의 하단부의 구성을 생략하였다.

실린더 블록(10)은 상부에 실린더(12)가 형성되어 있으며 측면에는 크랭크 샤프트(40)가 장착되기 위한 장착홀(14)이 형성되어 있다. 이 장착홀(14)에 크랭크 샤프트(40)가 삽입되어 회전한다.

상기 피스톤(20)은 상기 실린더(12) 내에 삽입되어 있으며, 상기 피스톤(20)의 상면과 상기 실린더(12) 사이에는 연소실(도시하지 않음)이 형성된다. 혼합기는 흡기 행정에서 상기 연소실에 흡입되며 폭발 행정에서 타게 된다. 이러한 혼합기의 연소력에 의하여 상기 피스톤(20)은 상하로 왕복 운동한다.

커넥팅 로드(30)는 양단을 포함한다. 상기 커넥팅 로드(30)의 일단은 상기 피스톤(20)의 하단에 핀(22) 등의 결합 수단에 의하여 회전 가능하도록 연결되어 있고, 상기 커넥팅 로드(30)의 타단에는 크랭크 핀 삽입구(32)가 관통되어 있다. 따라서, 커넥팅 로드(30)는 피스톤(20)으로부터 혼합기의 연소력을 전달 받아 왕복 운동한다. 이러한 왕복 운동은 크랭크 샤프트(40)의 회전 운동으로 변환되어 크랭크 샤프트(40)를 회전시키게 된다.

크랭크 샤프트(40)는 상기 장착홀(14)에 삽입되어 있으며, 커넥팅 로드(30)로부터 혼합기의 연소력을 전달 받아 중심축(x)(도 3 참조)을 중심으로 회전한다. 크랭크 샤프트(40)는 상기 중심축(x)과 동심으로 배치되며 상기 장착홀(14) 내에 위치하는 베어링 시트(42), 상기 중심축(x)에 편심되어 형성되는 크랭크 핀(44), 그리고 상기 베어링 시트(42)와 크랭크 핀(44)을 연결하는 크랭크 암을 포함한다. 상기 베어링 시트(42), 크랭크 핀(44), 그리고 크랭크 암은 일체로 형성될 수도 있으며, 별개로 형성되어 조립될 수도 있다. 상기 커넥팅 로드(30)의 크랭크 핀 삽입구(32)에는 상기 크랭크 핀(44)이 삽입되어 있다. 따라서, 상기 커넥팅 로드(30)의 타단은 크랭크 핀(44)에 회전 가능하게 연결된다. 이에 따라, 혼합기의 연소력은 커넥팅 로드(30)를 통하여 크랭크 샤프트(40)에 전달되어 크랭크 샤프트(40)를 회전시키게 된다.

편심 베어링(50)은 베어링 중심축(y)(도 3 참조) 및 크랭크 장착구(52)를 포함한다. 편심 베어링(50)은 실린더 블록(10)의 장착홀(14)에 끼워져 크랭크 샤프트(40)의 회전 마찰을 줄여준다. 따라서, 편심 베어링(50)의 외주면의 직경은 장착홀(14)의 내주면의 직경과 거의 동일하다. 크랭크 장착구(52)는 베어링 중심축(y)에 편심되어 형성되어 있으며, 이 크랭크 장착구(52)에는 크랭크 축(40)의 베어링 시트(42)가 회전 가능하게 삽입된다. 따라서, 크랭크 장착구(52)의 중심축은 크랭크 샤프트(40)의 중심축(x)과 동일하며, 베어링 중심축(y)은 크랭크 샤프트(40)의 중심축(x)과 이격되어 있으며, 상기 중심축(x)과 베어링 중심축(y) 사이의 거리는 5~7mm일 수 있으며, 엔진의 치수 및 목표 압축비에 따라 설계자가 용이하게 변경할 수 있다.

또한, 상기 중심축(x)은 베어링 중심축(y)에 편심되어 있으므로, 상기 편심 베어링(50)이 회전하는 경우 상기 중심축(x)의 위치가 변화하게 된다. 즉, 상기 편심 베어링(50)이 일방향(시계방향 또는 반시계반향)으로 회전하면 상기 중심축(x) 이 일방향(위로 또는 아래로)으로 움직이고, 상기 편심 베어링(50)이 타방향(반시계방향 또는 시계방향)으로 회전하면 상기 중심축(x) 역시 타방향(아래로 또는 위로)으로 움직인다. 따라서, 상기 편심 베어링(50)의 회전에 따라 크랭크 샤프트(40)의 중심축(x)의 위치가 변화하게 되고, 이에 따라 혼합기의 압축비가 변화하게 된다.

상기 가변 압축비 장치(1)는 차량의 운행 조건에 따라 상기 편심 베어링(50)을 회전시키기 위하여 제어 로드(60)와 제어 캠(70)을 더 포함한다.

제어 로드(60)는 일단과 타단을 포함한다. 상기 제어 로드(60)의 일단은 상기 편심 베어링(50)의 베어링 중심축(y)으로부터 벗어난 외주부에 핀(62) 등의 고정 수단에 의하여 회전 가능하게 연결되고, 상기 제어 로드(60)의 타단은 상기 제어 캠(70)에 편심되어 회전 가능하게 연결되어 있다.

상기 제어 캠(70)은 제어 모터(도시하지 않음)에 동심으로 연결되어 있다. 제어 모터는 제어부(도시하지 않음)의 제어 신호에 의하여 작동한다. 따라서, 제어부는 검출기들(도시하지 않음)의 측정 신호를 기초로 차량의 운행 조건을 판단하고, 상기 차량의 운행 조건을 기초로 제어 모터의 작동을 제어한다. 즉, 제어부는 혼합기의 압축비를 변경해야 하는지 판단하고, 만일 혼합기의 압축비를 변경해야 한다면 제어 모터에 제어 신호를 출력하여 제어 모터를 구동한다. 이에 따라, 제어 모터는 제어 캠(70)을 회전시키고 제어 캠(70)에 연결된 제어 로드(60)는 편심 베어링(50)을 회전시킨다.

한편, 제어 캠(70)을 사용하지 않고 제어 모터에 제어 로드(60)를 직접 연결 시킬 수도 있으며, 다른 링크 구조를 이용하여 제어 로드(60)를 제어 모터에 간접적으로 연결할 수도 있다. 또한, 제어 모터를 사용하는 대신 유압 장치를 이용하여 제어 로드(60)를 피벗 시킬 수 있다.

한편, 목표 압축비를 얻기 위하여 베어링 시트(42)를 편심 베어링(50)에 편심되게 연결하고 핀(62)을 편심 베어링(50)에 편심되게 연결하는 경우, 편심 베어링(50)의 크기가 커질 수 있다. 이러한 편심 베어링(50)의 크기 증대는 실린더 블록(10)의 크기 증대를 가져오게 된다. 따라서, 편심 베어링(50)의 크기를 최소화하기 위하여, 상기 핀(62)의 중심(z)은 상기 베어링 중심축(y)을 기준으로 상기 크랭크 샤프트(40)의 중심축(x)의 반대편에 위치하도록 상기 제어 로드(60)를 상기 편심 베어링(50)에 연결한다(도 3 참조).

이하, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 작동을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치에서 압축비가 변하는 것을 설명하기 위한 개략도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 저압축비와 고압축비에서 작동하는 경우를 도시한 작동도이다.

도 4의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 저압축비 상태로 운전되는 경우를 도시한 것이고, 도 4의 오른쪽은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 고압축비 상태로 운전되는 경우를 도시한 것이다.

먼저, 혼합기의 압축비가 저압축비에서 고압축비로 변화하는 경우를 설명한다. 제어부는 검출기들의 측정 신호를 기초로 차량의 운행 조건을 판단하고, 혼합 기의 압축비가 저압축비에서 고압축비로 바껴야 한다고 판단한다. 이 때, 제어부는 제어 모터를 구동하여 제어 캠(70)을 설정 각도(θ)만큼 시계방향으로 회전시킨다. 이 경우, 제어 로드(60)는 편심 베어링(50)을 시계방향으로 일정 각도만큼 회전시키게 되고, 상기 편심 베어링(50)에 편심되어 장착된 크랭크 샤프트(40)의 장착 위치가 일정 높이(h)만큼 올라가게 된다. 따라서, 혼합기의 압축비가 고압축비로 바뀌게 된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 저압축비의 경우와 비교할 때, 고압축비의 경우에는 피스톤(20)이 설정 높이(d)만큼 더 올라가게 되고, 압축비가 높아지게 된다.

반대로, 혼합기의 압축비가 고압축비에서 저압축비로 변화하는 경우에는, 제어 캠(70)을 설정 각도(θ)만큼 반시계방향으로 회전시키면 크랭크 샤프트(40)의 장착 위치가 일정 높이(h)만큼 내려가게 된다. 따라서, 혼합기의 압축비가 저압축비로 바뀌게 된다.

위에서 설명한 바와 같이, 상기 혼합기의 압축비는 제어 캠(70)의 회전 각도(θ)에 따라 변화하며, 상기 제어 캠(70)의 회전 각도(θ)는 요구되는 엔진의 성능에 따라 당업자가 임의로 정할 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 분해도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치에서 크랭크 샤프트와 편심 베어링의 결합을 보인 측면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치에서 압축비가 변하는 것을 설명하기 위한 개략도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 저압축비와 고압축비에서 작동하는 경우를 도시한 작동도이다.

Claims (12)

1. 혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달받아 차량을 구동하는 엔진에 장착되어 있으며, 상기 혼합기의 압축비를 변경하는 가변 압축비 장치에 있어서,

   상부에 형성된 실린더와 측면에 형성된 장착홀을 포함하는 실린더 블록;

   상기 피스톤으로부터 연소력을 전달 받아 상기 실린더 내에서 왕복 운동을 하는 커넥팅 로드;

   중심축, 상기 중심축과 동심으로 배치되는 베어링 시트, 그리고 상기 중심축에 편심되어 형성되며 상기 커넥팅 로드의 일단이 회전 가능하게 연결되어 연소력을 전달 받는 크랭크 핀을 포함하는 크랭크 샤프트;

   베어링 중심축과, 상기 베어링 중심축에 편심되어 형성되는 크랭크 장착구를포함하고, 상기 실린더 블록의 장착홀에 회전 가능하도록 장착되되, 상기 크랭크 장착구에는 상기 베어링 시트가 삽입되어 회전 가능하도록 장착되는 편심 베어링; 그리고

   상기 편심 베어링의 베어링 중심축으로부터 벗어난 외주부에 회전 가능하게 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 상기 편심 베어링을 회전시키는 제어 로드;

   를 포함하되,

   상기 편심 베어링은 차량의 운행 조건에 따라 회전하며 크랭크 샤프트의 중심축의 위치를 변경함으로써 혼합기의 압축비를 변경하며,

   상기 제어 로드는 일단과 타단을 포함하며,

   상기 제어 로드의 일단은 상기 편심 베어링의 중심축으로부터 벗어난 외주부에 회전 가능하게 연결되고, 상기 제어 로드의 타단은 차량의 운행 조건에 따라 회전하는 제어 캠에 편심되어 회전 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 편심 베어링의 크기를 최소화하기 위하여, 상기 편심 베어링과 상기 제어 로드의 연결점은 상기 베어링 중심축을 기준으로 상기 크랭크 샤프트의 중심축의 반대편에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 크랭크 샤프트의 중심축과 상기 베어링 중심축은 5~7mm 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제어 캠은 제어 모터에 동심으로 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 회전하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
7. 장착홀을 포함하는 실린더 블록;

   상기 실린더 블록의 장착홀에 끼워져 실린더 블록 내에서 중심축을 중심으로회전하는 크랭크 샤프트; 그리고

   혼합기의 연소력을 피스톤으로부터 전달 받으며, 상기 크랭크 샤프트의 중심축에 편심되게 연결되어 혼합기의 연소력을 회전 운동으로 변환하는 커넥팅 로드;

   를 포함하되,

   상기 크랭크 샤프트는 상기 중심축에 편심된 베어링 중심축을 가지는 편심 베어링에 끼워져 상기 장착홀에 회전 가능하도록 장착되고,

   상기 편심 베어링은 차량의 운행 조건에 따라 회전하며 크랭크 샤프트의 중심축의 위치를 변경함으로써 혼합기의 압축비를 변경하며,

   상기 편심 베어링의 베어링 중심축으로부터 벗어난 외주부에 회전 가능하게 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 상기 편심 베어링을 회전시키는 제어 로드를 더 포함하되, 상기 제어 로드는 상기 편심 베어링과의 연결점 이외의 부분에서 차량의 운행 조건에 따라 회전하는 제어 캠에 편심되어 회전 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 7항에 있어서,

    상기 편심 베어링의 크기를 최소화하기 위하여, 상기 편심 베어링과 상기 제어 로드의 연결점은 상기 베어링 중심축을 기준으로 상기 크랭크 샤프트의 중심축의 반대편에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 크랭크 샤프트의 중심축과 상기 베어링 중심축은 5~7mm 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 제어 캠은 제어 모터에 동심으로 연결되어 차량의 운행 조건에 따라 회전하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.

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