KR101305797B1 - 가변 압축비 기구유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명의 가변 압축비 기구유닛은 크랭크축(3)이 결합된 하단부위와 달리 피스톤(2)이 결합되는 콘로드(1)의 상단부위 폭 두께를 감싸면서 피스톤 핀(30)을 매개로 조립된 듀얼편심링크(10)와, 액추에이터의 제어샤프트(50)에 연결되어 듀얼편심링크(10)의 하부부위로 연결된 듀얼스윙링크(20)로 구성되고, 상기 듀얼편심링크(10)와 상기 듀얼스윙링크(20)가 콘로드(1)의 중심에 대해 좌우 대칭과 무게 균형을 이룸으로써, 콘로드(1)의 움직임 궤적을 가이드하는 구조를 필요로 하지 않고 액추에이터의 제어샤프트(50)에 대한 전체적인 하중 밸런스 형성을 보다 유리하게 구현하며, 특히 듀얼구조를 통한 압축비 가변 제어 정밀성을 크게 높여주는 특징을 갖는다.

Description

가변 압축비 기구유닛{Variable Compression Ratio Device Unit}

본 발명은 가변 압축비 기구에 관한 것으로, 특히 가변링크와 편심링크를 듀얼타입으로 하여 하중 밸런스 측면에서 유리하면서도 피스톤의 움직임을 추종하는 콘로드에 대한 궤적 가이드 구조도 요구되지 않는 가변 압축비 기구유닛에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 혼합기 압축비가 엔진의 운전 상태에 따라 적절히 변화되면 연비향상과 함께 엔진 출력도 향상될 수 있다.

이를 위한 방식을 가변 압축비(VCR; Variable Compression Ratio)라 칭하며, 이를 구현하는 장치를 가변 압축비 기구 또는 장치로 불리 운다.

통상, 가변 압축비 장치는 엔진의 저부하 운전상태(low load condition)에서는 혼합기의 압축비를 높여 연비를 향상시키고, 반면 엔진의 고부하 운전상태(high load condition)에서는 혼합기의 압축비를 낮추어 녹킹 발생 방지와 함께 엔진 출력을 향상시키는 방식으로 운영된다.

하지만, 가변 압축비장치가 단지 엔진의 저부하 운전상태와 엔진의 고부하 운전 상태로 양분되어 제어되면, 비록 가변 압축비 장치가 적용되었더라도 엔진의 운전 상태에 따라 설정된 혼합기의 압축비가 구현될 뿐 흡입/압축/폭발/배기 행정에서 각 스트로크(stroke)를 다르게 설정하지 못하게 된다.

이러한 방식에선 압축 행정보다 팽창 행정을 길게 하면 열효율이 더욱 상승될 수 있음에도 압축 행정보다 팽창 행정을 보다 길게 구현하기 어려운 한계를 갖게 된다.

특히, 저연비와 고마력 엔진을 구연하려면, 저부하시에는 고압축비/저배기량을 실현하고, 고부하시에는 저압축비/고배기량을 실현하는 것이 유리함에도 이를 구현하기 어려운 한계를 가질 수밖에 없다.

이에, 상기와 같이 2개의 압축비만을 변경하는 방식에 따른 단점을 극복하고자 전 영역에 걸쳐 연속적으로 압축비를 변경하는 방식에 대한 다방면의 기술개발이 이루어지고 있다.

도 3은 전 영역에 걸쳐 연속적으로 압축비를 변경하고자 기 개발된 가변 압축비 장치로서, 이는 가변링크(40)를 중점으로 편심링크의 결합관계가 표현된 개략적인 구성 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 가변 압축비 장치에는 연소실(10)을 왕복운동하는 피스톤(20)과 크랭크축(30)사이를 편심링크로 이어진 가변링크(40)로 다관절을 구성하고, 가변링크(40)를 갖는 다관절의 움직임을 이용해 피스톤(20)의 높이차를 형성해 줌으로써 연소실(10)의 압축비(a,b,c)를 다양하게 변화시키게 된다.

일례로, 도 3(가)에서 편심링크로 이어진 가변링크(40)의 움직임으로 구현되는 연소실(10)의 압축비(a)를 기준으로 할 때, 도 3(나)에서 구현되는 연소실(10)의 압축비(b)와 도 3(다)에서 구현되는 연소실(10)의 압축비(c)는 편심링크로 이어진 가변링크(40)의 움직임이 변화됨에 따라 각각 다른 압축비로 형성된다.

이와 같이, 편심링크로 이어진 가변링크(40)로 이루어진 다관절 구조를 이용하여 엔진의 운전영역을 적어도 3개의 서로 다른 압축비로 제어하고 동시에 엔진 출력을 결정하는 크랭크축(30)의 회전반경도 달리 변경해줌으로써, 2개의 서로 다른 압축비로 국한되어 운영될 때에 비해 효율이 보다 향상될 수 있다.

국내특허공개 10-2009-0104498(2009.10.06)은 가변 압축비 장치에 관한 것이며, 이는 도 5 참조.

하지만, 상기와 같이 방식에서 가변링크(40)는 한쪽으로 편심링크에 연결되고 동시에 반대쪽으로 액추에이터의 제어샤프트에 연결됨으로써 보다 많은 제약이 존재할 수밖에 없다.

일례로, 가변링크(40)는 액추에이터의 제어샤프트와 연결을 위해 콘로드 형상을 가져야 만 함으로써 중량 측면에서 취약함이 있고, 특히 편심링크 및 제어샤프트와 함께 결합됨으로써 제어하중의 밸런스 측면에서도 크게 불리하게 된다.

이와 더불어, 상기와 같이 방식에서 가변링크(40)는 피스톤과 크랭크축이 함께 결합된 콘로드 움직임에 종속되는 구조를 가짐으로써, 가변링크(40)와 편심링크의 움직임 궤적을 피스톤과 연결된 콘로드에 대해 가이드 가능한 가이드 구조가 더 요구될 수밖에 없는 구조적 취약성도 있게 된다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 스윙링크와 편심링크를 듀얼 타입으로 구성함으로써 스윙링크와 편심링크의 움직임 궤적을 스윙링크 자체적으로 가이드할 수 있고, 제어샤프트를 통해 액추에이터와 연결됨에도 하중 밸런스 형성을 보다 유리하게 구현할 수 있고 특히 듀얼구조로 인한 압축비 가변 제어 정밀성도 크게 높일 수 있는 가변 압축비 기구유닛을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 압축비 기구유닛은 크랭크축이 결합된 하단부위와 달리 피스톤이 결합되는 콘로드의 상단부위 폭 두께를 감싸면서 상기 피스톤에 연결되는 피스톤 핀을 매개로 조립된 듀얼편심링크와;

액추에이터의 제어샤프트에 연결되고 더불어 상기 듀얼편심링크의 하부부위로 연결된 듀얼스윙링크;

를 포함해 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 듀얼편심링크는 상기 콘로드의 중심에 대해 좌우 대칭을 이루고, 상기 듀얼스윙링크는 상기 콘로드의 중심에 대해 좌우 대칭을 이루는 상기 듀얼편심링크의 하부부위로 연결된다.

상기 듀얼편심링크는 상기 콘로드의 한쪽 측면으로 위치되는 좌 편심링크와, 상기 콘로드의 대향되는 다른쪽 측면으로 위치되는 우 편심링크로 구성되고;

상기 듀얼스윙링크는 상기 좌 편심링크와 상기 우 편심링크로 각각 연결되도록 바디부위의 한쪽으로 부터 2개의 부분으로 나뉘어져 연장된 한쌍의 링크연결단과, 상기 바디부위의 대향되는 반대쪽으로 부터 2개의 부분으로 나뉘어져 상기 액추에이터의 제어샤프트에 연결되는 한쌍의 입력연결단으로 구성된다.

상기 링크연결단은 상기 좌 편심링크와 상기 우 편심링크의 안쪽으로 위치되어 고정된다.

상기 좌 편심링크와 상기 우 편심링크에는 각각 상기 피스톤 핀이 관통되는 홀이 뚫려진다.

상기 입력연결단에는 홀이 뚫려 입력연결 핀이 관통되고, 상기 입력연결 핀은 상기 액추에이터의 제어샤프트와 연결된다.

이러한 본 발명은 듀얼 타입으로 이루어진 스윙링크와 편심링크를 이용하여 움직임을 위한 궤적 가이드 구조가 스윙링크를 통해 이루어짐으로써 피스톤과 연결된 콘로드를 통해 요구되지 않는 효과가 있고, 제어샤프트를 통해 액추에이터와 연결됨에도 하중 밸런스 형성을 보다 유리하게 구현할 수 있는 효과는 물론, 듀얼구조로 인한 제어 정밀성 향상으로 압축비 가변 제어 정밀성도 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가변 압축비 기구유닛의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변 압축비 기구유닛의 피스톤 장착도이며, 도 3은 종래에 따른 가변 압축비 기구이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 가변 압축비 기구유닛의 구성을 나타낸다.

도 1(가)와 같이, 가변 압축비 기구유닛은 콘로드(1)를 관통해 피스톤에 연결된 피스톤 핀(30)을 매개로 콘로드(1)의 폭 두께를 감싸도록 결합된 듀얼편심링크(10)와, 액추에이터의 제어샤프트(50)에 연결되고 더불어 듀얼편심링크(10)의 하부부위로 연결된 듀얼스윙링크(20)로 구성된다.

상기 콘로드(1)는 피스톤 핀(30)을 매개로 피스톤(2)에 상단부위가 결합되고 그 하단부위로 크랭크축(3)이 결합됨으로써, 피스톤(2)의 왕복운동을 크랭크축(3)의 회전운동으로 전환시켜 주게 된다.

상기 듀얼편심링크(10)는 서로 동일한 형상과 구조로 이루어진 한쌍의 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)로 구성되고, 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)의 위쪽부위로는 피스톤 핀(30)이 관통되는 홀이 뚫려지고, 아래쪽부위로는 듀얼스윙링크(20)가 결합되는 홀이 뚫려진다.

그리고, 상기 듀얼스윙링크(20)는 소정 두께를 갖는 바디부위의 한쪽으로 부터 2개의 부분으로 나뉘어지면서 연장되는 한쌍의 링크연결단(21)과, 상기 바디부위의 대향되는 반대쪽으로 부터 2개의 부분으로 나뉘어지면서 연장되는 한쌍의 입력연결단(22)으로 이루어진다.

상기 링크연결단(21)의 끝부위에는 돌기나 또는 홀이 뚫려지고, 상기 입력연결단(22)에는 홀이 뚫려진다.

본 실시예에서 상기 링크연결단(21)은 듀얼편심링크(10)의 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)의 하부부위로 뚫린 홀에 결합되고, 상기 입력연결단(22)은 관통된 입력연결 핀(40)을 매개로 제어샤프트(50)와 연결된다.

도 1(나)는 듀얼편심링크(10)와 듀얼스윙링크(20)의 조립상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 듀얼편심링크(10)는 피스톤(2)쪽에서 피스톤 핀(30)을 이용해 콘로드(1)의 한쪽 측면(좌측 측면으로 명명)으로 좌 편심링크(11)가 밀착되어 고정되고, 더불어 상기 콘로드(1)의 대향되는 다른쪽 측면(우측 측면으로 명명)으로 우 편심링크(12)가 밀착되어 고정된다.

반면, 듀얼스윙링크(20)는 링크연결단(21)을 이용해 듀얼편심링크(10)의 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)의 하부부위로 뚫린 홀에 결합됨으로써 듀얼편심링크(10)와 함께 연결되고, 상기 링크연결단(21)의 반대부위를 이루는 입력연결단(22)을 이용해 액추에이터와 함께 연결된다.

여기서, 상기 링크연결단(21)은 듀얼편심링크(10)의 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)의 안쪽으로 위치된다.

그리고, 상기 액추에이터는 출력축으로 작용하는 제어샤프트(50)가 듀얼스윙링크(20)의 입력연결단(22)에 뚫린 홀을 관통한 입력연결 핀(40)과 결합됨으로써, 액추에이터는 동력이 듀얼스윙링크(20)로 전달되어진다.

상기와 같이 듀얼편심링크(10)가 콘로드(1)의 폭 두께를 감싸는 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)로 양분되고, 듀얼스윙링크(20)가 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)에 각각 조립되어진다.

이에 따라, 듀얼편심링크(10)가 피스톤(2)에 결합된 콘로드(1)와 함께 연결되고, 듀얼스윙링크(20)가 듀얼편심링크(10)와 더불어 제어샤프트(50)를 통해 액추에이터와 연결됨으로써, 가변 압축비 기구유닛이 콘로드(1)와 함께 구성된다.

그러므로, 본 실시예에서는 콘로드(1)의 중심(K)에 대해 가변 압축비 기구유닛이 좌측부(a)와 우측부(b)가 서로 대칭될 수 있고, 이러한 대칭구조로 인해 콘로드(1)의 중심(K)에 대해 가변 압축비 기구유닛이 균형된 무게를 갖는 하중 밸런스를 형성할 수 있게 된다.

도 2는 본 실시예에 따른 가변 압축비 기구유닛을 구성하는 듀얼편심링크(10)와 듀얼스윙링크(20)의 작동상태를 나타낸다.

가변 압축비를 구현하고자 하면, 도시된 바와 같이 액추에이터의 작동에 따른 제어샤프트(50)의 토크가 입력연결 핀(40)으로 전달되고, 입력연결 핀(40)은 함께 결합된 입력연결단(22)을 움직여줌으로써 듀얼스윙링크(20)는 잡아 당겨지거나 또는 밀려나는 움직임(L-R)이 일어나게 된다.

이어, 듀얼스윙링크(20)의 움직임은 링크연결단(21)을 통해 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)로 전달되어 동일한 방향으로 움직임(L-R)이 일어나고, 좌 편심링크(11)와 우 편심링크(12)의 움직임(L-R)은 피스톤 핀(30)을 통해 콘로드(1)로 전달됨으로써 피스톤(2)이 움직임(U-D)에도 변화가 일어나게 된다.

상기와 같은 피스톤(2)이 움직임(U-D)변화는 피스톤(2)의 높낮이 변화를 가져옴으로써 결국 연소실의 압축비를 가변시켜 주게 된다.

이러한 연소실의 압축비 가변제어는 통상적인 적용되는 제어로직을 적용하여 구현된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 가변 압축비 기구유닛은 크랭크축(3)이 결합된 하단부위와 달리 피스톤(2)이 결합되는 콘로드(1)의 상단부위 폭 두께를 감싸면서 피스톤 핀(30)을 매개로 조립된 듀얼편심링크(10)와, 액추에이터의 제어샤프트(50)에 연결되어 듀얼편심링크(10)의 하부부위로 연결된 듀얼스윙링크(20)로 구성되고, 상기 듀얼편심링크(10)와 상기 듀얼스윙링크(20)가 콘로드(1)의 중심에 대해 좌우 대칭과 무게 균형을 이룸으로써, 콘로드(1)의 움직임 궤적을 가이드하는 구조를 필요로 하지 않고 액추에이터의 제어샤프트(50)에 대한 전체적인 하중 밸런스 형성을 보다 유리하게 구현하며, 특히 듀얼구조를 통한 압축비 가변 제어 정밀성을 크게 높여주게 된다.

1 : 콘로드 2 : 피스톤
3 : 크랭크축 10 : 듀얼편심링크
11 : 좌 편심링크 12 : 우 편심링크
20 : 듀얼스윙링크 21 : 링크연결단
22 : 입력연결단 30 : 피스톤 핀
40 : 입력연결 핀 50 : 제어샤프트

Claims (8)

1. 크랭크축이 결합된 하단부위와 달리 피스톤이 결합되는 콘로드의 상단부위 폭 두께를 감싸면서 상기 피스톤에 연결되는 피스톤 핀을 매개로 조립된 듀얼편심링크와;
   액추에이터의 제어샤프트에 연결되고 더불어 상기 듀얼편심링크의 하부부위로 연결된 듀얼스윙링크;를 포함하고,
   상기 듀얼스윙링크는 상기 듀얼편심링크로 연결되는 바디부위의 대향되는 반대쪽으로 부터 2개의 부분으로 나뉘어져 상기 액추에이터의 제어샤프트에 연결되는 한쌍의 입력연결단으로 구성된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 기구유닛.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 듀얼편심링크는 상기 콘로드의 중심에 대해 좌우 대칭을 이루고, 상기 듀얼스윙링크는 상기 콘로드의 중심에 대해 좌우 대칭을 이루는 상기 듀얼편심링크의 하부부위로 연결된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 기구유닛.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 듀얼편심링크는 상기 콘로드의 한쪽 측면으로 위치되는 좌 편심링크와, 상기 콘로드의 대향되는 다른쪽 측면으로 위치되는 우 편심링크로 구성된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 기구유닛.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 좌 편심링크와 상기 우 편심링크에는 각각 상기 피스톤 핀이 관통되는 홀이 뚫려진 것을 특징으로 하는 가변 압축비 기구유닛.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 듀얼스윙링크는 상기 듀얼편심링크로 각각 연결되도록 바디부위의 한쪽으로 부터 2개의 부분으로 나뉘어져 연장된 한쌍의 링크연결단으로 구성된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 기구유닛.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 링크연결단은 상기 좌 편심링크와 상기 우 편심링크의 안쪽으로 위치되어 고정되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 기구유닛.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서, 상기 입력연결단에는 홀이 뚫려 입력연결 핀이 관통되고, 상기 입력연결 핀은 상기 액추에이터의 제어샤프트와 연결된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 기구유닛.
   

Images