KR101459426B1

KR101459426B1 - 가변 압축비 장치

Info

Publication number: KR101459426B1
Application number: KR1020090112238A
Authority: KR
Inventors: 우수형; 공진국; 이은호
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2014-11-21
Also published as: KR20110055283A

Abstract

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

이를 위해, 본 발명은 엔진의 피스톤, 상기 피스톤에 장착된 피스톤 핀, 크랭크 샤프트 및 상기 피스톤과 상기 크랭크 샤프트를 연결하는 커넥팅 로드를 포함하는 가변 압축비 장치에 있어서, 상기 커넥팅 로드의 소단부의 내주면에 삽입되는 피스톤 핀, 상기 피스톤 핀의 중앙부의 양측면에 형성되는 복수개의 핀 돌기, 상기 양측면의 핀 돌기를 상호 관통하여서 오일이 공급되도록 형성되는 오일 공급로, 상기 핀 돌기에 대응되도록 형성되는 플레이트 돌기에 의해 결합되는 상, 하부 플레이트, 상기 상부 플레이트의 상, 하측을 관통하도록 형성되는 오일 드레인 홀, 상기 하부 플레이트의 상, 하측을 관통하도록 형성되는 플레이트 오일 공급홀 및 상기 피스톤 핀의 길이 방향으로 양단부에 삽입되는 피스톤 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 제공한다.

피스톤 핀, 록 플레이트, 피스톤 링

Description

가변 압축비 장치{VARIABLE COMPRESSION RATIO DEVICE}

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 구현하기 위해, 저부하시에는 고압축비/저배기량 고부하시에는 저압축비/고배기량을 실현하는 것이 유리하다.

게다가, 가변압축비는 압축비를 가변하기 위하여 오일압, 전기 모터 등의 액추에이터를 사용하므로 그에 따라 오일 펌프 용량이 증가하고 대용량 전기 모터로 인하여 전기부하도 증가하는 문제점이 야기된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 부품 개수를 저감시킴과 동시에 그 구성을 단순하게 할 수 있는 가변 압축비 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 엔진의 피스톤, 상기 피스톤에 장착된 피스톤 핀, 크랭크 샤프트 및 상기 피스톤과 상기 크랭크 샤프트를 연결하는 커넥팅 로드를 포함하는 가변 압축비 장치에 있어서, 상기 커넥팅 로드의 소단부의 내주면에 삽입되는 피스톤 핀, 상기 피스톤 핀의 중앙부의 양측면에 형성되는 복수개의 핀 돌기, 상기 양측면의 핀 돌기를 상호 관통하여서 오일이 공급되도록 형성되는 오일 공급로, 상기 핀 돌기에 대응되도록 형성되는 플레이트 돌기에 의해 결합되는 상, 하부 플레이트, 상기 상부 플레이트의 상, 하측을 관통하도록 형성되는 오일 드레인 홀, 상기 하부 플레이트의 상, 하측을 관통하도록 형성되는 플레이트 오일 공급홀 및 상기 피스톤 핀의 길이 방향으로 양단부에 삽입되는 피스톤 링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피스톤 핀의 양단부에는 상기 피스톤 링의 내주면의 지름과 동일한 지름을 갖는 좌, 우측 결합부가 각각 형성되고, 이러한 좌, 우측 결합부에 상기 피스톤 링이 각각 삽입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 핀 돌기와 상기 플레이트 돌기는 각각 양각부 및 음각부로 형성 되고, 이러한 양각부 및 음각부가 상호 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양측의 피스톤 링은 상기 소단부의 내측에 삽입됨과 동시에 상기 피스톤 핀의 양단부를 감싸도록 끼워지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오일 공급로와 상기 오일 드레인 홀 및 플레이트 오일 공급 홀은 선택적으로 연통 및 해제되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상, 하부 플레이트의 각각의 일단에는 탄성 부재 장착홈이 형성되고, 이러한 탄성 부재 장착홈에 장착됨으로써 상기 양측의 록 플레이트를 탄성지지하는 리턴 부재가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 플레이트의 플레이트 오일 공급 홀을 통하여 오일이 공급되는 것을 제어하기 위한 오일 컨트롤 밸브가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 커넥팅 로드의 소단부 내주면 형상은 각 코너에 2개소 이상의 라운드가공이 되는 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상, 하부 플레이트의 이동에 의해 상기 피스톤 핀의 높이가 가변되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피스톤 핀의 높이가 가변함에 따라 이에 결합되는 피스톤의 높이도 함께 가변됨으로써 실린더 연소실의 체적이 가변하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 압축비 장치에 의하면, 편심 베어링을 회전시키기 위하여 오일압이나 전기 모터를 사용하지 않으므로 부품 개수가 감 소되고, 구성이 단순하다.

또한, 크랭크 및 피스톤의 설계변경없이 커넥팅 로드만 설계변경하게 되므로 설계가 용이하고, 크랭크 웹 관성 질량 증가 요인이 최소화된다.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 피스톤 핀의 삼면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 록 플레이트의 삼면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 고압축비 상태일 때의 작동 상태도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 저압축비 상태일 때의 작동 상태도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 개략적인 전체 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치는 커넥팅 로드(100), 피스톤 핀(200) 상, 하부 플레이트(210, 220) 및 피스톤 링(300)을 포 함한다.

여기서, 엔진의 구동력에 의해 실린더(미도시) 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤(미도시)에 의해 하측에 배치되는 크랭크 샤프트(미도시)가 회전되도록 배치된다.

통상적으로, 상기 커넥팅 로드(100)는 대단부(110) 및 소단부(120)로 분류된다.

여기서, 상기 대단부(110)는 크랭크 샤프트가 결합되는 부분이고, 상기 소단부(120)는 상기 피스톤 핀(200)이 연결되는 부분을 의미한다.

상기 피스톤 핀(200)의 길이 방향의 양단부에는 후술하는 피스톤 링(300)의 외주면의 지름에 대응되도록 좌, 우측 결합부(201)가 형성된다.

즉, 상기 좌, 우측 결합부(201)에는 상기 좌, 우측 피스톤 링(300)이 각각 삽입된다.

이때, 도시하지 않은 좌, 우측 결합부(201)의 사이에는 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)가 형성된다.

상기 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)는 연속적인 돌기 형상으로 형성된다.

이러한 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)는 후술하는 상, 하부 플레이트(210, 220)의 음, 양각부(215, 217, 225, 227)에 대응되도록 형성된다.

즉, 상기 상, 하부 플레이트(210, 220)는 상기 피스톤 핀(200)의 상면과 하면에 각각 형성되는 음, 양각부(205, 207)에 대응되도록 각각 결합된다.

이때, 상기 상부 플레이트(210)가 상기 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)로부터 분리되었을 때, 상기 상부 플레이트(210)가 이동가능하도록 배치되므로, 상부 플레이트(210)의 이동으로 인하여 상기 상부 플레이트(210)의 음, 양각부(215, 217)가 상기 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)와 상호 맞닿게 되면 상기 피스톤 핀(200)의 높이가 가장 높아지게 된다.

한편, 상기 상부 플레이트(210)가 상기 하부 플레이트(220)의 음, 양각부(225, 227)와 상호 어긋나도록 위치하면, 상호 각각의 음, 양각부(215, 227, 225, 227)가 맞물리게 되므로 상기 피스톤 핀(200)의 높이가 가장 낮아지게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 피스톤 핀(200)의 3면도를 나타낸다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 피스톤 핀(200)의 대략 중앙부에는 연속적으로 돌기형상으로 형성되는 음, 양각부(205, 207)가 배치된다.

또한, 상기 피스톤 핀(200)의 양측 단부에는 좌, 우측 결합부(201, 202)가 형성된다.

이때, 상기 좌, 우측 결합부(201, 202)에는 좌, 우측 피스톤 링(300)이 결합되어야 하므로, 상기 좌, 우측 피스톤 링(300)의 외주면의 반지름에 대응되도록 형성되어야 한다.

또한, 상기 피스톤 링(300)의 상면 및 하면을 관통하도록 오일 공급로(209)가 형성된다.

상기 오일 공급로(209)는 상기 상, 하부 플레이트(210, 220)에 동시에 오일 을 공급하기 위한 통로로 형성된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 상, 하부 플레이트의 3면도를 나타낸다.

여기서, 상기 상, 하부 플레이트(210, 220)의 일측면에는 상기 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)의 형상에 대응되도록 음, 양각부(205, 207)가 각각 형성된다.

또한, 상기 상, 하부 플레이트(210, 220)의 일단에는 탄성 부재 장착홈(218, 228)이 각각 형성된다.

이러한 탄성 부재 장착홈(218, 228)은 후술하는 탄성 부재(211, 221)가 장착될 수 있도록 공간이 형성된다.

즉, 상기 탄성 부재(211, 221)는 코일 스프링(미도시)이 바람직하며 이러한 코일 스프링이 안착될 수 있는 공간이라면 어떠한 형상이든 가능하다.

이때, 상기 탄성 부재(211, 221)가 상기 상, 하부 플레이트(210, 220)를 탄성지지할 수 있도록 상기 상, 하부 플레이트(210, 220)의 반대측으로부터 지지될 수 있도록 도 4에 도시한 바와 같은 지지판(212)이 형성되는 것이 바람직하다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 작동과정을 나타낸 것으로, 이를 상술하면 다음과 같다.

도 4는 운전 조건에 따라 연비를 절감할 수 있는 저압축비로부터 고압축비로의 전환 과정을 나타낸다.

우선, 하부 플레이트(220)의 일단 하측에 위치하는 오일 공급 홀(111)을 통 하여 오일이 공급된다.

이때, 상기 오일은 도 6에 도시한 바와 같이 별도로 구비되는 오일 컨트롤 밸브(400)에 의해 그 공급 및 해체가 제어될 수 있다.

도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 상기 오일 공급 홀(111)을 통하여 공급된 오일은 피스톤 핀(200)의 오일 공급로(209)를 경유하여 상기 상부 플레이트(210)의 동일측 일단을 가압하게 된다.

이때, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 상기와 같이 가해지는 유압에 의해 상부 플레이트(210)가 탄성 부재(211)의 탄성력을 극복하고 도면상에서 좌측으로 이동하게 된다.

이러한 과정에서, 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 상부 플레이트(210)의 상측에 위치하는 오일 드레인 홀(112)을 통하여 오일이 배출되므로, 상, 하부 플레이트(210, 220) 간의 압력차이로 인하여 상기 피스톤 핀(200)이 상측으로 이동하게 된다.

따라서, 도 4의 (d)에 도시한 바와 같이, 상부 플레이트(210)의 음, 양각부(215, 217) 및 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)가 서로 교차되어 맞물리게 됨과 동시에 하부 플레이트(220)는 이것을 지지하고 있는 탄성 부재(221)의 탄성력에 의해 도면상에서 우측으로 이동하게 되어서, 피스톤 핀(200)의 하측을 고정되도록 지지하므로 도 4의 (a)인 때와 비교하여 볼 때, 피스톤 핀(200)의 높이가 더욱 높아진 고압축비로의 전환을 완료하게 된다.

도 5는 운전 조건에 따라 엔진의 성능을 요구하는 경우의 고압축비로부터 고 압축비로의 전환 과정을 나타낸다.

우선, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 오일이 오일 공급 홀(111)을 통하여 공급되면, 이러한 오일이 오일 드레인 홀(112)을 통하여 배출됨과 동시에 하부 플레이트()의 일단을 밀게 된다.

이때, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 상기 하부 플레이트(220)는 그 타단을 지지하고 있는 탄성 부재(221)의 탄성력을 극복하고, 도면상에서 좌측으로 이동하게 된다.

이후, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 상기 하부 플레이트(220)의 음, 양각부(225, 227) 및 상기 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)가 상호 교차함과 동시에 맞물리기 시작한다.

이때, 상부 플레이트(210)의 음, 양각부(215, 217) 및 상기 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)는 상호 분리되기 시작한다.

따라서, 도 5의 (d)에 도시한 바와 같이, 상기 상부 플레이트(210)는 그 일단을 탄성지지하고 있는 탄성 부재(211)의 탄성력에 의해 도면상에서 우측으로 이동하며, 상기 하부 플레이트(220)의 음, 양각부(225, 227) 및 상기 피스톤 핀(200)의 음, 양각부(205, 207)의 결합된다.

이와 같이 상기 도 5의 (d)일 때의 피스톤 핀(200)의 높이는 도 5의 (a)일 때보다 낮게 되므로 고압축비로의 전환이 완료된다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 피스톤 핀의 3면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 상, 하부 플레이트의 3면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 고압축비로의 가변과정을 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 저압축비로의 가변과정을 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.

* 도면에 사용된 주요부분 부호설명 *

100: 커넥팅 로드 110: 대단부

111: 오일 공급 홀 112: 오일 드레인 홀

120: 소단부 200: 피스톤 핀

201: 우측 결합부 202: 좌측 결합부

205: 음각부 207: 양각부

209: 오일 공급로 210: 상부 플레이트

212: 지지판 215: 양각부

217: 음각부 218: 탄성 부재 장착홈

219: 오일 가압부 220: 하부 플레이트

225: 양각부 227: 음각부

228: 탄성 부재 장착홈 300: 피스톤 링

301: 우측 피스톤 링 302: 좌측 피스톤 링

400: 오일 컨트롤 밸브 410: 오일 공급 라인

Claims

엔진의 피스톤, 상기 피스톤에 장착된 피스톤 핀, 크랭크 샤프트 및 상기 피스톤과 상기 크랭크 샤프트를 연결하는 커넥팅 로드를 포함하는 가변 압축비 장치에 있어서,

상기 커넥팅 로드의 소단부의 내주면에 삽입되는 피스톤 핀;

상기 피스톤 핀의 중앙부의 양측면에 형성되는 복수개의 핀 돌기;

일측면의 핀 돌기로부터 타측면의 핀 돌기로 오일이 공급되도록 형성되는 오일 공급로;

상기 핀 돌기에 대응되도록 형성되는 플레이트 돌기에 의해 결합되는 상, 하부 플레이트;

상기 상부 플레이트에 형성되는 오일 드레인 홀;

상기 하부 플레이트에 형성되는 플레이트 오일 공급홀; 및

상기 피스톤 핀의 길이 방향으로 양단부에 삽입되는 피스톤 링;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 피스톤 핀의 양단부에는 상기 피스톤 링의 내주면의 지름과 동일한 지름을 갖는 좌, 우측 결합부가 각각 형성되고, 이러한 좌, 우측 결합부에 상기 피스톤 링이 각각 삽입되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 핀 돌기와 상기 플레이트 돌기는 각각 양각부 및 음각부로 형성되고, 이러한 양각부 및 음각부가 상호 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 양측의 피스톤 링은 상기 소단부의 내측에 삽입됨과 동시에 상기 피스톤 핀의 양단부를 감싸도록 끼워지는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 오일 공급로와 상기 오일 드레인 홀 및 플레이트 오일 공급 홀은 선택적으로 연통 및 해제되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 상, 하부 플레이트의 각각의 일단에는 탄성 부재 장착홈이 형성되고, 이러한 탄성 부재 장착홈에 장착됨으로써 상기 양측의 록 플레이트를 탄성지지하는 리턴 부재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 하부 플레이트의 플레이트 오일 공급 홀을 통하여 오일이 공급되는 것을 제어하기 위한 오일 컨트롤 밸브가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 커넥팅 로드의 소단부 내주면 형상은 각 코너에 2개소 이상의 라운드가공이 되는 형상인 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,

상기 상, 하부 플레이트의 이동에 의해 상기 피스톤 핀의 높이가 가변되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제9항에 있어서,

상기 피스톤 핀의 높이가 가변함에 따라 이에 결합되는 피스톤의 높이도 함께 가변됨으로써 실린더 연소실의 체적이 가변하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.