KR101500411B1 - 가변 압축비 장치를 구비한 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치를 구비한 엔진은, 연료의 연소에 의해 실린더의 내부에서 왕복 운동하도록 구비되는 피스톤; 상기 피스톤과 일정 간격 이격되어 회전 가능하게 구비되는 크랭크 샤프트; 상기 피스톤과 회전 가능하게 결합하는 커넥팅 로드; 상기 커넥팅 로드에 회전가능하게 구비되는 편심 캠; 일측은 상기 크랭크 샤프트와 연결되고, 타측은 편심 핀을 통해 상기 편심 캠과 결합하는 크랭크 암; 공급되는 압력에 의해 상기 크랭크 샤프트의 내부에 이동가능하게 구비되는 이동 링크; 및 상기 이동 링크의 움직임에 따라 상기 편심 캠을 회전시키도록 일측은 상기 이동 링크와 연결되고, 타측은 상기 편심 핀과 편심되어 상기 편심 캠과 연결되는 편심 링크;를 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진에 의하면, 커넥팅 로드에 구비되는 편심 캠을 회전시켜 피스톤의 압축비를 용이하게 가변시킬 수 있다.

Description

가변 압축비 장치를 구비한 엔진 {Engine having Variable Compression Ratio Apparatus}

본 발명은 가변 압축비 장치를 구비한 엔진에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소실의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 가변시킴으로써 연소 효율을 향상시키고, 소음 및 진동을 감소시키며, 엔진의 출력을 증가시키는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진에 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.

압축비를 가변시키는 가변 압축비 엔진에 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 압축비를 가변시키는 가변 압축비 엔진은 피스톤과 크랭크 샤프트를 연결하는 크랭크핀 사이의 길이를 변화시킴으로써 압축비의 변화를 구현하였다.

이러한 타입의 압축비를 가변시키는 가변 압축비 엔진은 컨트롤샤프트, 샤프트캡, 블록커버, 및 제어모터를 포함하고, 상기 제어모터가 상기 컨트롤샤프트를 회전시키고, 상기 컨트롤샤프트에 구비된 구동암이 링크를 통해서 편심베어링을 회전시키는 구조를 갖고 있다.

한편, 컨트롤샤프트를 엔진블록에 고정하기 위해서 샤프트캡을 사용해야 하고, 그 위에 블록커버를 덮는 구조로 부품수가 늘어나고 중량이 늘어나는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가변 압축비 장치를 구성한 부품의 수를 절감하고 중량을 줄일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치를 구비한 엔진은, 연료의 연소에 의해 실린더의 내부에서 왕복 운동하도록 구비되는 피스톤; 상기 피스톤과 일정 간격 이격되어 회전 가능하게 구비되는 크랭크 샤프트; 상기 피스톤과 회전 가능하게 결합하는 커넥팅 로드; 상기 커넥팅 로드에 회전가능하게 구비되는 편심 캠; 일측은 상기 크랭크 샤프트와 연결되고, 타측은 편심 핀을 통해 상기 편심 캠과 결합하는 크랭크 암; 공급되는 압력에 의해 상기 크랭크 샤프트의 내부에 이동가능하게 구비되는 이동 링크; 및 상기 이동 링크의 움직임에 따라 상기 편심 캠을 회전시키도록 일측은 상기 이동 링크와 연결되고, 타측은 상기 편심 핀과 편심되어 상기 편심 캠과 연결되는 편심 링크;를 포함할 수 있다.

상기 이동 링크는 상기 크랭크 샤프트의 축 방향 중앙에 이동 가능하게 구비될 수 있다.

상기 편심 캠은 상기 커넥팅 로드에 회전 가능하게 구비될 수 있다.

상기 편심 링크는 상기 이동 링크의 선단과 상기 편심 캠에 볼 조인트로 결합할 수 있다.

상기 이동 링크를 이동시키도록 동력을 제공하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 구동부는, 상기 이동 링크를 이동 시키도록 유압을 공급하는 오일 펌프; 및 상기 오일 펌프에서 공급되는 유압을 조절하는 제어 밸브;를 포함할 수 있다.

상기 연료의 연소는, 디젤, 또는 가스에 의해서 수행될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진에 의하면, 커넥팅 로드에 구비되는 편심 캠을 회전시켜 피스톤의 압축비를 용이하게 가변시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2(a)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급하기 전의 구성을 개념적으로 도시한 정면도이다.
도 2(b)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급하기 전의 구성을 개념적으로 도시한 측면도이다.
도 3(a)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급한 후의 구성을 개념적으로 도시한 정면도이다.
도 3(b)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급한 후의 구성을 개념적으로 도시한 측면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진의 구성을 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진은, 실린더의 내부에서 왕복운동하는 피스톤(100), 상기 피스톤(100)과 일정 거리 이격되어 회전 가능하게 구비되는 크랭크 샤프트(140), 상기 피스톤(100)에 회전 가능하게 결합하는 커넥팅 로드(110), 상기 커넥팅 로드(110)와 상기 크랭크을 연결하는 크랭크 암(130)을 포함하여 구성된다.

상기 피스톤(100)은 상기 실린더의 내부에 유입되는 연료의 연소에 의해 상기 실린더 내에서 상하 방향으로 왕복 운동하도록 구비된다. 상기 피스톤(100)은 대략 원통 형상으로 형성된다.

상기 피스톤(100)의 하단에 결합하는 상기 커넥팅 로드(110)는 상기 피스톤(100)과 피스톤(100) 핀을 통해 회전 가능하게 결합한다.

상기 크랭크 암(130)의 일측은 상기 크랭크 샤프트(140)를 중심으로 회전 가능하게 결합하고, 상기 크랭크 암(130)의 타측은 상기 편심 캠(120)에 결합한다. 이때, 상기 크랭크 암(130)과 상기 편심 캠(120)은 편심 핀(123)을 통해 회전 가능하게 결합한다.

상기 편심 캠(120)은 상기 커넥팅 로드(110)의 하단부에 상기 커넥팅 로드(110)에 대해 회전 가능하게 결합한다.

상기 크랭크 샤프트(140)는 대략 원통 형상으로 형성되어, 상기 크랭크 샤프트(140)의 축 방향 중앙에는 이동 링크(150)가 축 방향으로 이동 가능하도록 구비된다. 즉, 상기 크랭크 샤프트(140)는 원통 형상으로 형성되지만, 그 내부가 비어있는 중공 형상으로 형성된다.

상기 편심 캠(120)과 상기 이동 링크(150)는 편심 링크(153)에 의해 연결된다. 즉, 상기 편심 링크(153)의 일측 선단은 상기 이동 링크(150)의 선단과 결합하고, 상기 편심 링크(153)의 타측 선단은 상기 편심 캠(120)에 결합한다. 이때, 상기 편심 링크(153)와 이동 링크(150), 그리고 상기 편심 링크(153)와 편심 캠(120)은 볼 조인트로 결합할 수 있다.

그리고 상기 편심 링크(153)와 결합하는 상기 이동 링크(150)의 타측은 오일 펌프(170)로부터 동력을 전달받는다. 그리고 상기 오일 펌프(170)와 상기 이동 링크(150)의 사이에 구비되는 오일 라인에는 제어 밸브(172)가 구비된다. 상기 제어 밸브(172)는 상기 오일 펌프(170)로부터 공급되는 오일량을 조절하여 상기 이동 링크(150)의 이동량을 제어한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진에서 실린더의 압축 거리를 조절하여 압축비를 가변시키는 동작에 대해 구체적으로 설명한다.

도 2(a)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급하기 전의 구성을 개념적으로 도시한 정면도이다. 그리고 도 2(b)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급하기 전의 구성을 개념적으로 도시한 측면도이다. 도 3(a)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급한 후의 구성을 개념적으로 도시한 정면도이다. 그리고 도 3(b)는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 유압을 공급한 후의 구성을 개념적으로 도시한 측면도이다.

도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상기 오일 펌프(170)를 통해 유압이 공급되면 상기 이동 링크(150)가 전방으로 이동한다. 그리고 상기 이동 링크(150)가 전방으로 이동하면서, 상기 이동 링크(150)에 결합한 편심 링크(153)가 상기 편심 캠(120)을 밀어올리면서 상기 편심 캠(120)은 반시계 방향으로 회전된다. 이때, 상기 편심 링크(153)의 양측은 볼 조인트에 의해 상기 이동 링크(150)와 편심 캠(120)에 결합되어 있어, 상기 편심 링크(153)의 경사 각도가 원활히 가변될 수 있다.

이에 따라, 상기 편심 캠(120)에 결합한 상기 커넥팅 로드(110)와 상기 피스톤(100)은 아래쪽 방향으로 이동된다. 따라서 상기 피스톤(100)이 실린더 내에서 이동하는 압축 거리가 감소하고, 엔진의 압축비는 감소한다.

도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 상기 오일 펌프(170)를 통해 공급되는 유압이 차단되면 상기 이동 링크(150)가 후방으로 이동한다. 상기 이동 링크(150)가 후방으로 이동하면서, 상기 이동 링크(150)에 결합한 편심 링크(153)가 상기 편심 캠(120)을 아래쪽으로 잡아 당기면서 상기 편심 캠(120)은 시계 방향으로 회전된다. 이때, 상기 편심 링크(153)의 양측은 볼 조인트에 의해 상기 이동 링크(150)와 편심 캠(120)에 결합되어 있어, 상기 편심 링크(153)의 경사 각도가 원활히 가변될 수 있다.

이에 따라, 상기 편심 캠(120)에 결합한 상기 커넥팅 로드(110)와 상기 피스톤(100)은 위쪽 방향으로 이동된다. 따라서 상기 피스톤(100)이 실린더 내에서 이동하는 압축 거리가 증가하고, 엔진의 압축비는 증가한다.

그리고 상기 오일 펌프(170)에서 공급되는 오일량을 상기 제어 밸브(172)를 통해 적절히 조절함으로써, 상기 이동 링크(150)의 이동량을 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 이동 링크(150)에 결합된 편심 링크(153)와 편심 캠(120)의 회전 각도가 조절되어, 상기 커넥팅 로드(110)와 피스톤(100)의 상하 방향 이동량을 원활히 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 장치를 구비한 엔진에 의하면, 중공 형상의 크랭크 샤프트(140)의 내부에 전후 방향으로 이동 가능한 이동 링크(150)를 구비하고 상기 이동 링크(150)에 연결된 편심 링크(153)가 편심캠을 회전 시켜, 상기 커넥팅 로드(110)와 피스톤(100)의 높이를 상하 방향으로 조절함으로써 실린더내에서 연소되는 연료의 압축비를 용이하게 가변 시킬 수 있다.

또한, 상기 크랭크 샤프트(140)가 중공 형상으로 형성되어 피스톤(100)의 왕복 운동에 의해 회전하는 크랭크 샤프트(140)의 가동 질량을 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 가변 압축비 엔진은 연소동작을 수행하는 모든 연료에 적용될 수 있고, 특히 가솔린, 디젤, 또는 가스를 공기와 연소시키는 내연기관에 적용될 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 피스톤
110: 커넥팅 로드
120: 편심 캠
123: 편심 핀
130: 크랭크 암
140: 크랭크 샤프트
150: 이동 링크
153: 편심 링크
170: 오일 펌프
172: 제어 밸브

Claims (7)

1. 연료의 연소에 의해 실린더의 내부에서 왕복 운동하도록 구비되는 피스톤;
   상기 피스톤과 일정 간격 이격되어 회전 가능하게 구비되는 크랭크 샤프트;
   상기 피스톤과 회전 가능하게 결합하는 커넥팅 로드;
   상기 커넥팅 로드에 회전가능하게 구비되는 편심 캠;
   일측은 상기 크랭크 샤프트와 연결되고, 타측은 편심 핀을 통해 상기 편심 캠과 결합하는 크랭크 암;
   공급되는 압력에 의해 상기 크랭크 샤프트의 내부에 이동가능하게 구비되는 이동 링크; 및
   상기 이동 링크의 움직임에 따라 상기 편심 캠을 회전시키도록 일측은 상기 이동 링크와 연결되고, 타측은 상기 편심 핀과 편심되어 상기 편심 캠과 연결되는 편심 링크;
   를 포함하는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 이동 링크는 상기 크랭크 샤프트의 축 방향 중앙에 이동 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 편심 캠은 상기 커넥팅 로드에 회전 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 편심 링크는 상기 이동 링크의 선단과 상기 편심 캠에 볼 조인트로 결합하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 이동 링크를 이동시키도록 동력을 제공하는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 구동부는,
   상기 이동 링크를 이동 시키도록 유압을 공급하는 오일 펌프; 및
   상기 오일 펌프에서 공급되는 유압을 조절하는 제어 밸브;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 연료의 연소는, 디젤, 또는 가스에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 구비한 엔진.

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