KR101180793B1

KR101180793B1 - 차량용 가변 압축 시스템

Info

Publication number: KR101180793B1
Application number: KR1020060112876A
Authority: KR
Inventors: 한경찬
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2012-09-10
Also published as: KR20080044061A

Abstract

본 발명은 차량용 가변 압축 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피스톤의 중앙부에 보울을 높낮이 조절 가능하게 장착하여, 피스톤의 압축 행정시 보울이 승하강을 하여 압축비를 가변시킬 수 있도록 한 차량용 가변 압축 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 엔진의 실린더블럭 및 이 실린더블럭의 각 실린더내에서 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 차량용 가변 압축 시스템에 있어서, 상기 피스톤의 상단부에 관통 형성된 설치구에 높낮이 조절 가능하게 장착되는 보울과; 상기 피스톤의 저부에 피스톤로드와의 연결을 위해 위치된 피스톤 핀에 체결되는 캠과; 상기 캠과 연결되어, 캠에 상하 직선 운동 및 좌우 각회전력을 제공하는 캠조절용 링과; 상기 캠조절용 링에 각회전력을 제공하기 위하여 상기 실린더블럭의 실린더 하단부 내경면에 각회전 가능하게 내설되는 보조실린더와; 상기 보조실린더에 각회전력을 제공하는 동력원을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 가변 압축 시스템을 제공한다.

차량용, 가변 압축, 시스템, 캠, 보울, 캠조절용 링, 보조실린더, 피스톤

Description

차량용 가변 압축 시스템{Variable Compression System for vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템으로서, 피스톤에서 보울 상승(압축비 최대) 및 보울 하강(압축비 최소) 동작을 나타내는 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템으로서, 보울과 캠의 작동 궤적을 설명하는 측면도,

도 3은 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템으로서, 캠과 캠조절용 링의 작동 궤적을 설명하는 측면도,

도 4a 및 도 4b 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템으로서, 각각 압축비 최대 및 최소시에 캠과 캠조절용 링의 작동 궤적을 설명하는 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템으로서, 캠조절용 링에 각회전력을 제공하는 보조실린더 및 이 보조실린더에 결합되는 캠조절용 링이 압축비 최대 및 최소시에 작동하는 궤적을 설명하는 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템의 전체 모습을 설명하는 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 실린더 12 : 피스톤

14 : 보울 16 : 캠

18 : 캠조절용 링 20 : 보조실린더

22 : 설치구 24 : 피스톤로드

26 : 상부단 28 : 하부단

30 : 캠핀 32 : 연결봉

34 : 슬롯 36 : 철부

38 : 요부 40 : 동력원

42 : 링크바 44 : 피스톤핀

통상적으로, 차량용 엔진에 있어서 압축비는 연소실 체적에 의해 결정이 되며, 항상 일정한 값을 가진다.

압축비를 변경하여, 연소시키려면 새로운 피스톤 형상을 설계 및 제작하여야 하고, 그 시험 결과에 따라 최종 결정된 피스톤 및 이 피스톤에 따른 고정된 압축 비로 양산을 하게 된다.

대개, Nox 저감을 위해서 저 압축비 연소로 연비나 출력 측면에서 많은 손실을 보고 있는 바, 엔진 운전에 맞는 연소 상태를 유지하고, 또한 일반적인 연소가 아닌 HCCI와 같은 신연소 방법을 안정적으로 구현하기 위해서는 가변 압축비 시스템이 요구된다.

종래에는, 엔진의 압축비가 고정되어 있기 때문에, 여러 엔진 운전조건에서 최적의 성능을 얻을 수 없고, 고압축비 상태의 운전조건에서 출력을 최대로 하기 위하여 점화 타이밍을 진각하는 것이 유리하나, 그럴경우 녹킹(Knocking)의 위험이 존재하기 때문에 점화 타이밍을 진각하는 데에는 한계가 있다.

또한, 부분부하에서는 연료소모율(BSFC)를 좋게 하기 위하여, 압축비를 낮추어 주는 것이 좋으며, 따라서 상기한 여러 운전 조건에서 최적의 압축비를 선정함으로써, 일정 배기량에서 연료소모율과 출력을 좋게 할 수 있으므로, 이러한 점을 감안하여 가변 압축비 시스템이 요구된다 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 피스톤의 중앙부에 보울이 높낮이 조절 가능하게 장착되고, 이 보울의 저면에는 피스톤핀에 회전 가능하게 체결되어 보울을 승하강시키는 캠이 장착되며, 이 캠에는 캠의 각회전 범위를 조절하는 캠조절용 링이 배치되는 동시에 캠조절용 링의 하부에는 캠조절용 링에 각회전력을 제공하는 보조실린더를 배치함으로써, 피스톤의 압축 행정시 보울이 높 낮이가 조절되면서 압축비를 가변시킬 수 있도록 한 차량용 가변 압축 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 엔진의 실린더블럭 및 이 실린더블럭의 각 실린더내에서 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 차량용 가변 압축 시스템에 있어서, 상기 피스톤의 상단부에 관통 형성된 설치구에 높낮이 조절 가능하게 장착되는 보울과; 상기 피스톤의 저부에 피스톤로드와의 연결을 위해 위치된 피스톤 핀에 체결되는 캠과; 상기 캠과 연결되어, 캠에 상하 각회전 운동 및 좌우 각회전력을 제공하는 캠조절용 링과; 상기 캠조절용 링에 각회전력을 제공하기 위하여 상기 실린더블럭의 실린더 하단부 내경면에 각회전 가능하게 내설되는 보조실린더와; 상기 보조실린더에 각회전력을 제공하는 동력원을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 가변 압축 시스템을 제공한다.

바람직한 일구현예로서, 상기 캠은 피스톤핀에 체결된 중앙 지점을 기준으로, 상부단은 상기 보울의 저면에 면마찰되도록 곡률반경이 크고, 캠의 하부단은 곡률반경이 작게 형성되며, 상기 보울의 저면은 상기 캠의 상부단과 면마찰을 위하여 위쪽으로 오목한 곡면으로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 캠의 하부단에는 캠핀이 회전 가능하게 삽입되고, 이 캠핀의 외끝단에는 상기 캠조절용 링의 내경면에 형성된 슬롯에 삽입 체결되도록 연결봉이 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 보조실린더의 내경면에는 상하방향으로 철(凸)부가 형성되고, 상기 캠조절용 링의 외경면에는 요(凹)부가 형성되어, 상기 철(凸)부가 요(凹)부에 상하 슬라이드 이동 가능하게 삽입되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 보조실린더의 하단끝에는 각회전력을 제공하는 동력원과 연결되는 링크바가 일체로 더 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 주된 특징은 피스톤의 중앙부에 보울을 승하강 가능하게 즉, 높낮이 조절 가능하여 설치하여 가변 압축비를 실현하는 시스템을 제공하는데 있다.

첨부한 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 가변 압축 시스템의 구성은 실린더블럭의 실린더(10)를 왕복 운동하는 피스톤(12)과, 이 피스톤(12)에 승하강 가능하게 구현되는 보울(14)과, 이 보울(14)을 승하강시키는 캠(16)과, 캠(16)에 상하 각회전 및 좌우 각회전력을 제공하는 캠조절용 링(18)과, 캠조절용 링(18)에 각회전력을 제공하는 보조실린더(20)를 포함하여 구성된다.

상기 보울(14)은 상면이 연소실쪽을 향하며 아래쪽으로 오목하게 형성되고, 저면은 캠(16)과의 면마찰을 위하여 위쪽으로 오목하게 형성된 것으로서, 상기 피스톤(12)의 상단 중앙부에 관통 형성된 설치구(22)에 높낮이 조절, 즉 승하강 가능하게 장착된다.

상기 피스톤(12)의 저부에는 피스톤로드(24)와의 연결을 위해 피스톤 핀(26)이 존재하게 되는데, 이 피스톤 핀(44)에 캠(16)이 회전 가능하게 체결된다.

상기 캠(16)은 피스톤 핀(44)에 체결된 중앙 지점을 기준으로, 상부단(26)은 상기 보울(14)의 저면에 면마찰되도록 곡률반경이 크고, 캠(16)의 하부단(28)은 상부단(26)보다 곡률반경이 작게 즉 보다 뾰족한 형상으로 형성된다.

여기서, 상기 캠(16)에는 캠조절용 링(18)이 연결되는 바, 이 캠조절용 링(18)은 상기 캠(16)에 상하 각회전력 및 좌우 각회전력을 제공하는 역할을 하게 된다.

이때, 상기 캠(16)의 하부단에는 캠핀(30)이 회전 가능하게 삽입되는 바, 이 캠핀(30)의 외끝단에는 상하방향의 봉 형상을 갖는 연결봉(32)이 일체로 형성되며, 이 연결봉(32)이 상기 캠조절용 링(18)의 내경면에 형성된 슬롯(34)에 삽입 체결됨에 따라, 상기 캠(16)과 캠조절용 링(18)간의 연결이 이루어진다.

또한, 상기 캠조절용 링(18)의 외경면에는 캠조절용 링(18)에 각회전력을 제공하는 보조실린더(20)가 연결되는 바, 상기 보조실린더(20)의 내경면에 상하방향으로 형성된 철(凸)부(36)가 상기 캠조절용 링(18)의 외경면에 형성된 요(凹)부(38)에 삽입되어, 서로 간의 결합이 이루어지고, 이때 상기 철(凸)부(36)는 요(凹)부(38)를 따라 상하 슬라이드 이동 가능하게 삽입된다.

한편, 상기 캠조절용 링(18)에 각회전력을 제공하기 위한 보조실린더(20)는 상기 실린더블럭의 실린더(10) 하단부 내경면에 각회전 가능하게 내설되며, 상기 피스톤(12)의 하단과는 간섭이 일어나지 않는 범위내로 내설된다.

또한, 상기 보조실린더(20)의 하단끝에는 각회전력을 제공하는 실질적인 동력원(40)과 연결되도록 링크바(42)가 일체로 더 형성된다.

이하, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 가변 압축 시스템에 대한 작동 상태를 설명하기로 한다.

일단, 상기 피스톤이 압축행정을 위하여 연소실쪽으로 승강하는 상태에서, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤(12)에 장착된 보울(14)이 상승하면 압축비가 최대가 되고, 보울(14)이 하강이 하강하게 되면 압축비가 최소가 된다.

상기 보울(14)의 압축비 최대를 위한 승강 작동 과정을 보면, 먼저 상기 보조실린더(20)의 링크바(42)에 연결된 동력원(40)으로부터 각회전력을 제공받게 되어, 첨부한 도 5에 화살표로 표시된 바와 같이, 보조실린더(20)가 시계방향으로 회전하게 되면, 보조실린더(20)와 함께 캠조절용 링(18)도 동일 각도로 회전을 하게 된다.

즉, 상기 보조실린더(20)의 철부(36)와 상기 캠조절용 링(18)의 요부(38)가 체결된 상태이므로, 보조실린더(20)와 캠조절용 링(18)이 동일 각도로 회전을 하게 된다.

연이어, 상기 캠조절용 링(18)의 슬롯(34)에 체결된 캠핀(30)이 캠조절용 링(18)을 따라 동일각도로 회전을 하게 되고, 이어서 캠핀(30)이 캠(16)의 하부단(28)를 가압하며 밀어주는 형태가 되어, 결국 캠(16)은 피스톤핀(44)을 중심으로 상하방향의 각회전을 하게 된다.

따라서, 첨부한 도 1 및 도 4a에서 더 잘 볼 수 있듯이, 상기 캠(16)이 수직 으로 세워지는 상태가 되면서, 캠(16)의 상부단(26)이 보울(14)의 저면을 밀어올리게 되어, 보울(14)의 최대 승강, 즉 압축비가 최대가 된다.

반대로, 상기 보울(14)의 압축비 최소를 위한 하강 작동 과정을 보면, 먼저 상기 보조실린더(20)의 링크바(42)에 연결된 동력원(40)으로부터 각회전력을 제공받게 되어, 첨부한 도 5에 화살표로 표시된 바와 같이, 보조실린더(20)가 시계반대방향으로 회전하게 되면, 보조실린더(20)와 함께 캠조절용 링(18)도 동일 각도로 회전을 하게 된다.

마찬가지로, 상기 보조실린더(20)의 철부(36)와 상기 캠조절용 링(18)의 요부(38)가 체결된 상태이므로, 보조실린더(20)와 캠조절용 링(18)이 시계반대방향으로 동일 각도로 회전을 하게 된다.

연이어, 상기 캠조절용 링(18)의 슬롯(34)에 체결된 캠핀(30)이 캠조절용 링(18)을 따라 동일각도로 회전을 하게 되고, 이어서 캠핀(30)이 캠(16)의 하단부를 당겨주는 형태가 되어, 결국 캠(16)은 피스톤 핀(44)을 중심으로 상하방향의 역방향 각회전을 하게 된다.

따라서, 첨부한 도 1 및 도 4b에서 더 잘 볼 수 있듯이, 상기 캠(16)이 원위치(거의 수평상태)로 되돌아가는 상태가 되면서, 캠(16)의 상단부가 보울(14)의 저면으로부터 하강하는 동시에 보울(14)이 하강을 하게 되며, 결국 보울(14)의 최대 하강, 즉 압축비가 최소가 된다.

이와 같이, 피스톤에 구비된 보울의 높낮이를 조절시키면서 압축비를 가변시킬 수 있고, 보울의 승하강 높이 제어, 캠의 각회전 제어, 캠조절링 및 보조실린더 의 각회전 제어 등은 일련의 실험 및 제작과정을 통해 얻어지는 제어기에 의하여 이루어지며, 그 제어기에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 가변 압축 시스템에 의하면, 피스톤의 중앙부에 보울이 높낮이 조절 가능하게 장착되고, 이 보울의 저면에는 피스톤핀에 회전 가능하게 체결되어 보울을 승하강시키는 캠이 장착되며, 이 캠에는 캠의 각회전 범위를 조절하는 캠조절용 링이 배치되는 동시에 캠조절용 링의 하부에는 캠조절용 링에 각회전력을 제공하는 보조실린더를 배치하여, 피스톤의 압축 행정시 보울이 높낮이가 조절되면서 압축비를 가변시킬 수 있도록 함으로써,

1) 동일 배기량의 엔진에서 압축비 변경에 의한 엔진의 성능 및 연비 향상, 그리고 HCCI등 향후 신연소 실현에 실제 적용을 할 수 있는 장점이 있다.

2) 동일 역할을 하는 시스템이 비하여 구조 간단 및 부품수 적게 들어, 원가절감을 실현할 수 있는 잇점이 있다.

3) 같은 힘을 내는 엔진에 비하여 배기량이 작기 때문에 엔진 무게가 감소하고, 차량의 전체 중량을 줄일 수 있다.

4) 동일 배기량의 엔진 적용 차량에서 가속성능 향상 및 연비 향상, 독자 시스템 구현으로 인한 브랜드 이미지 및 상품성 향상에 기여할 수 있다.

Claims

엔진의 실린더블럭 및 이 실린더블럭의 각 실린더내에서 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 차량용 가변 압축 시스템에 있어서,

상기 피스톤의 상단부에 관통 형성된 설치구에 높낮이 조절 가능하게 장착되는 보울과;

상기 피스톤의 저부에 피스톤로드와의 연결을 위해 위치된 피스톤 핀에 체결되는 캠과;

상기 캠과 연결되어, 캠에 상하 직선 운동 및 좌우 각회전력을 제공하는 캠조절용 링과;

상기 캠조절용 링에 각회전력을 제공하기 위하여 상기 실린더블럭의 실린더 하단부 내경면에 각회전 가능하게 내설되는 보조실린더와;

상기 보조실린더에 각회전력을 제공하는 동력원;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 가변 압축 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 캠은 피스톤핀에 체결된 중앙 지점을 기준으로, 상부단은 상기 보울의 저면에 면마찰되도록 곡률반경이 크고, 캠의 하부단은 곡률반경이 작게 형성되며, 상기 보울의 저면은 상기 캠의 상부단과 면마찰을 위하여 위쪽으로 오목한 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 가변 압축 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 캠의 하부단에는 캠핀이 회전 가능하게 삽입되고, 이 캠핀의 외끝단에는 상기 캠조절용 링의 내경면에 형성된 슬롯에 삽입 체결되도록 연결봉이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 가변 압축 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 보조실린더의 내경면에는 상하방향으로 철(凸)부가 형성되고, 상기 캠조절용 링의 외경면에는 요(凹)부가 형성되어, 상기 철(凸)부가 요(凹)부에 상하 슬라이드 이동 가능하게 삽입되는 것을 특징으로 하는 차량용 가변 압축 시스템.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 보조실린더의 하단끝에는 각회전력을 제공하는 동력원과 연결되는 링크바가 일체로 더 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 가변 압축 시스템.