KR101510335B1

KR101510335B1 - 가변 압축비 장치

Info

Publication number: KR101510335B1
Application number: KR20130129966A
Authority: KR
Inventors: 김원규; 최명식
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-04-08
Also published as: US20150114356A1; DE102014110964A1; DE102014110964B4; CN104595042B; US9441539B2; CN104595042A

Abstract

본 발명은 응답성이 확보됨에 따라 엔진의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있는 가변 압축비 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는, 엔진의 운전상태에 따라 연소실의 내부와 연통된 공간에서 왕복운동 가능하게 구비된 플런저의 작동에 따라 상기 연소실의 용적을 가변시키는 가변 압축비 장치도서, 상기 플런저를 왕복운동 시키도록 유압으로 작동되는 작동부; 상기 작동부에 공급되는 유압을 조절하는 오일 컨트롤 밸브; 상기 오일 컨트롤 밸브를 경유하여 상기 작동부에 공급되는 오일을 저장하고, 저장된 오일을 상기 오일 컨트롤 밸브에 전달하는 오일 공급부; 상기 오일 컨트롤 밸브를 작동시키는 솔레노이드; 및 상기 솔레노이드 및 상기 오일 펌프와 연결되고, 엔진의 운전상태에 따라 상기 솔레노이드 및 상기 오일 펌프를 제어하는 제어기; 를 포함할 수 있다.

Description

가변 압축비 장치{VARIABLE COMPRESSION RATIO DEVICE}

본 발명은 가변 압축기 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소실의 용적을 변화시켜 압축비를 가변시키는 가변 압축비 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열기관의 열효율은 압축비가 높으면 증가된다. 여기서, 압축비는 실린더 안으로 들어간 기체가 피스톤에 의해 압축되는 용적의 비율이며, '실린더 용적/피스톤의 상사점에서 연소실 용적'으로 나타낸다. 즉, 피스톤의 상사점이 높아질수록 압축비가 증가된다.

스파크 점화기관의 경우, 점화시기의 진각에 의해 열효율이 증가될 수 있으나, 이상 연소 등을 고려하면 점화시기 진각에 한계가 있을 수 있다. 따라서, 열기관의 열효율을 향상시키기 위한 가변 압축비(variable compression ratio; VCR) 장치가 요구된다.

상기 가변 압축비 장치는 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 변화시키는 장치이다. 이러한 가변 압축비 장치는 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 향상시키도록 기능한다.

종래의 가변 압축비 장치는 실린더 블록을 이동시키는 방식, 연소실의 용적을 변경시키는 방식, 및 피스톤의 상사점을 변경하는 방식 등을 사용하고 있다.

하지만, 상기 종래의 가변 압축비 장치를 구현하기 위해서는 많은 기계적인 구성요소가 요구되어 구성이 복잡해지며, 이러한 기계적인 구성요소를 구동시키기 위하여 전기를 동력원으로 하는 모터 등이 사용될 경우, 연비가 악화될 수 있는 문제가 있었다. 나아가, 모터의 동력전달은 다른 기어결합에 비해 상대적으로 큰 구동토크가 요구됨에 따라 상기 모터의 용량이 작아지는 것에 한계가 있다. 한편, 기계적인 구성요소들의 연결관계가 복잡해지면, 가변 압축비 장치의 빠른 응답성을 구현하기에 용이하지 못하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 구성이 간단하면서도, 엔진의 운전상태에 따라 압축비를 변경할 수 있는 가변 압축비 장치를 제공하는 것이다.

또한, 응답성이 확보됨에 따라 엔진의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있는 가변 압축비 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는, 엔진의 운전상태에 따라 연소실의 내부와 연통된 공간에서 왕복운동 가능하게 구비된 플런저의 작동에 따라 상기 연소실의 용적을 가변시키는 가변 압축비 장치도서, 상기 플런저를 왕복운동 시키도록 유압으로 작동되는 작동부; 상기 작동부에 공급되는 유압을 조절하는 오일 컨트롤 밸브; 상기 오일 컨트롤 밸브를 경유하여 상기 작동부에 공급되는 오일을 저장하고, 저장된 오일을 상기 오일 컨트롤 밸브에 전달하는 오일 공급부; 상기 오일 컨트롤 밸브를 작동시키는 액츄에이터; 및 상기 액츄에이터와 연결되고, 엔진의 운전상태에 따라 상기 액츄에이터를 제어하는 제어기; 를 포함할 수 있다.

상기 작동부는, 일면 및 타면이 폐쇄된 중공의 원통형상으로 형성되는 유압 실린더; 상기 유압 실린더의 중공에서 상기 유압 실린더의 길이방향으로 왕복운동 가능하게 구비되는 피스톤; 및 상기 피스톤과 일체로 운동하며, 상기 플런저와 접촉되는 작동 로드; 를 포함하고, 상기 유압 실린더의 중공은 상기 피스톤에 의해 제1 챔버 및 제2 챔버로 구획될 수 있다.

상기 오일 컨트롤 밸브는 상기 제1 챔버 또는 상기 제2 챔버에 선택적으로 오일이 공급되도록 유압을 조절할 수 있다.

상기 제1 챔버에 오일이 공급되면, 상기 피스톤과 함께 움직이는 상기 작동 로드가 상기 플런저를 밀고, 상기 연소실의 용적이 줄어들며, 상기 제2 챔버에 오일이 공급되면, 상기 피스톤과 함께 움직이는 상기 작동 로드가 상기 플런저를 당기고, 상기 연소실의 용적이 증가될 수 있다.

상기 오일 컨트롤 밸브는 복수개의 포트가 형성된 밸브바디 및 상기 밸브바디의 길이방향을 따라 슬라이딩 가능하도록 상기 밸브바디에 삽입되는 밸브스풀을 포함하고, 상기 밸브스풀은 상기 밸브바디 내부에 거의 이격없이 삽입되는 2개의 랜드 및 상기 2개의 랜드보다 상대적으로 가늘게 형성되고 상기 2개의 랜드를 연결하는 스풀축을 포함하며, 상기 복수개의 포트는 각각 상기 2개의 랜드 중 하나에 의해 폐쇄되거나 상기 스풀축이 배치된 공간과 연통됨으로써 개방될 수 있다.

상기 복수개의 포트는, 항시 개방되고, 상기 오일 공급부로부터 오일을 공급받도록 상기 오일 공급부와 연통된 공급 포트; 항시 개방되고, 상기 밸브바디로부터 오일이 유출되도록 형성된 유출 포트; 상기 2개의 랜드 중 하나에 의해 선택적으로 개폐되고, 상기 제1 챔버로부터 상기 밸브바디로 오일이 유입되도록 상기 제1 챔버와 연통된 제1 유입 포트; 및 상기 2개의 랜드 중 다른 하나에 의해 선택적으로 개폐되고, 상기 제2 챔버로부터 상기 밸브바디로 오일이 유입되도록 상기 제2 챔버와 연통된 제2 유입 포트; 를 포함할 수 있다.

상기 유출 포트와 연결된 유압라인은 2개의 유압라인으로 분기되고, 상기 분기된 2개의 유압라인은 각각 상기 제1 챔버와 상기 제1 유입 포트를 연결하는 유압라인 및 상기 제2 챔버와 상기 제2 유입 포트를 연결하는 유압라인 상에 연결될 수 있다.

상기 분기된 2개의 유압라인에는 각각 체크밸브가 배치되며, 상기 체크밸브는 상기 유출 포트와 연결된 유압라인으로부터 상기 제1 챔버와 상기 제1 유입 포트를 연결하는 유압라인 또는 상기 제2 챔버와 상기 제2 유입 포트를 연결하는 유압라인으로만 오일이 흐르도록 개방될 수 있다.

상기 액츄에이터는 상기 오일 컨트롤 밸브를 2단계로 작동시키도록 ON 또는 OFF 작동만을 수행하는 솔레노이드일 수 있다.

상기 액츄에이터는 연속적으로 변경되는 압축비를 구현하도록 상기 오일 컨트롤 밸브를 작동시킬 수 있다.

상기 가변 압축비 장치는, 상기 플런저, 상기 피스톤, 또는 상기 작동 로드 중 적어도 하나의 위치를 감지하는 위치센서를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 위치센서로부터 감지된 위치 정보를 전달받으며, 전달받은 위치정보에 따라 상기 액츄에이터를 제어할 수 있다.

상기 플런저, 상기 피스톤, 또는 상기 작동 로드의 위치 정보에 따라 작동되는 상기 액츄에이터에 의해 상기 밸브스풀이 작동됨으로써, 상기 제1 유입 포트 및 상기 제2 유입 포트의 개방량이 듀티 제어될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 운전상태에 따라 압축비를 변경하는 응답성이 확보되고, 엔진의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있다.

또한, 작동을 위해 요구되는 기계적인 구성요소들이 삭제됨에 따라 생산원가가 절감될 수 있다.

나아가, 유압식으로 작동됨에 따라 내구성이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이다.
도 2는 엔진의 고부하 및 저부하 시의 연소실의 압력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 압축비를 낮추도록 작동되는 작동도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 고부하 시에 압축비를 낮추도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 저부하 시에 압축비를 낮추도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 압축비를 높이도록 작동되는 작동도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 고부하 시에 압축비를 높이도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 저부하 시에 압축비를 높이도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 플런저(30), 작동부(40), 오일 컨트롤 밸브(50), 오일 팬(60), 유압라인(70, 72, 74, 75, 76, 78), 및 제어기(100)를 포함한다.

상기 플런저(30)는 흡기밸브 개폐장치(12), 배기밸브 개폐장치(13), 흡기통로(14), 배기통로(15), 및 점화 플러그(17) 등이 배치된 실린더 헤드(도시하지 않음)에 구비된다.

상기 흡기밸브 개폐장치(12)의 일단은 연소실(20)에 연통된 흡기구를 개폐하도록 흡기밸브(도시하지 않음)에 연결되고, 상기 흡기통로(14)에 배치된다. 또한, 상기 흡기밸브 개폐장치(12)의 타단은 상기 흡기밸브 개폐장치(12)가 흡기 캠(10)의 회전에 의해 작동되도록 상기 흡기 캠(10)과 구름 접촉된다.

상기 배기밸브 개폐장치(13)의 일단은 연소실(20)에 연통된 배기구를 개폐하도록 배기밸브(도시하지 않음)에 연결되고, 상기 배기통로(15)에 배치된다. 또한, 상기 배기밸브 개폐장치(13)의 타단은 상기 배기밸브 개폐장치(13)가 배기 캠(11)의 회전에 의해 작동되도록 상기 배기 캠(11)과 구름 접촉된다.

이러한 흡기 캠(10), 배기 캠(11), 흡기밸브 개폐장치(12), 배기밸브 개폐장치(13), 흡기통로(14), 배기통로(15), 및 점화 플러그(17)의 구성은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, 당업자)에게 자명하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 플런저(30)는 상기 연소실(20)의 내부와 연통된 공간에서 왕복운동 가능하게 구비된다. 또한, 상기 플런저(30)가 상기 연소실(20)을 향하여 움직이면, 상기 연소실(20)의 용적이 줄어들고, 그 반대 방향으로 움직이면, 상기 연소실(20)의 용적이 증가한다. 따라서, 상기 플런저(30)의 왕복운동에 따라 엔진의 압축비가 변경될 수 있다. 여기서, 상기 플런저(30)가 상기 연소실(20)을 향하여 움직이는 방향을 정방향으로 정의하고, 그 반대로 움직이는 방향을 역방향으로 정의하기로 한다.

상기 작동부(40)는 상기 플런저(30)와 연결되고, 상기 플런저(30)를 선택적으로 정방향 또는 역방향으로 이동시킨다. 상기 작동부(40)는 유압 실린더(41), 피스톤(42), 작동 로드(44)를 포함한다.

상기 유압 실린더(41)는 일면 및 타면이 폐쇄된 중공의 원통형상으로 형성된다.

상기 피스톤(42)은 원통형상으로 형성되고, 상기 유압 실린더(41)의 중공에 배치된다. 또한, 상기 피스톤(42)은 상기 유압 실린더(41)의 길이방향을 따라 왕복운동 가능하게 배치된다. 나아가, 상기 피스톤(42)의 외주면이 상기 유압 실린더(41)의 내주면에 접촉되도록 상기 피스톤(42)의 직경은 상기 유압 실린더(41)의 직경에 대응되는 크기로 형성된다. 따라서, 상기 유압 실린더(41)의 중공은 상기 피스톤(42)에 의해 두 개의 공간으로 구획된다.

상기 두 개의 공간 중 상기 유압 실린더(41)의 일면과 상기 피스톤(42)의 일면 사이의 공간을 제1 챔버(46)라 하고, 상기 유압 실린더(41)의 타면과 상기 피스톤(42)의 타면 사이의 공간을 제2 챔버(48)라 한다.

상기 작동 로드(44)는 일방향으로 길게 연장된 바(bar) 형상으로 형성된다. 또한, 상기 작동 로드(44)는 그 길이방향을 따라 상기 유압 실린더(41)의 일면, 상기 피스톤(42)의 일면, 상기 피스톤(42)의 타면, 및 상기 유압 실린더(41)의 타면을 관통하도록 배치된다. 한편, 상기 작동 로드(44)에 의해 관통된 상기 유압 실린더(41)의 일면, 상기 피스톤(42)의 일면, 상기 피스톤(42)의 타면, 및 상기 유압 실린더(41)의 타면과 상기 작동 로드(44)의 사이에는 기밀이 보장된다. 나아가, 상기 작동 로드(44)는 상기 피스톤(42)과 일체로 형성되거나, 함께 운동하도록 구비된다.

여기서, 상기 작동 로드(44)의 일단은 상기 유압 실린더(41)의 일면을 관통하여 상기 유압 실린더(41)의 외측에 위치되고, 상기 작동 로드(44)의 타단은 상기 유압 실린더(41)의 타면을 관통하여 상기 유압 실린더(41)의 외측에 위치된다. 또한, 상기 유압 실린더(41)의 타면을 관통한 상기 작동 로드(44)의 타단은 는 상기 플런저(30)와 연결된다. 따라서, 상기 피스톤(42), 상기 작동 로드(44), 및 상기 플런저(30)는 함께 운동한다.

상기 작동부(40)는 스프링(45)을 더 포함한다.

상기 스프링(45)의 일단은 상기 유압 실린더(41)의 일면에 고정되고, 타단은 상기 피스톤(42)의 일면에 고정된다. 또한, 상기 스프링(45)은 상기 피스톤(42)이 정방향 혹은 역방향으로 지나치게 이동되는 것을 방지한다.

상기 오일 컨트롤 밸브(50)는 오일이 상기 작동부(40)의 제1 챔버(46) 또는 제2 챔버(48)에 선택적으로 공급되도록 오일의 흐름을 제어한다. 또한, 상기 오일 컨트롤 밸브(50)는 밸브바디(51) 및 밸브스풀(52)을 포함한다.

상기 밸브바디(51)에는 복수개의 포트(SP, IP1, IP2, OP)가 형성된다. 또한, 상기 복수개의 포트(SP, IP1, IP2, OP)는 상기 밸브바디(51)의 내측과 외측이 연통되도록 상기 밸브바디(51)를 관통하여 형성된다. 나아가, 상기 밸브바디(51)의 길이방향 일단은 개방되고, 타단은 폐쇄된다.

상기 밸브스풀(52)은 상기 밸브바디(51)의 길이방향으로 슬라이딩 가능하도록 상기 밸브바디(51)에 삽입된다. 또한, 상기 밸브스풀(52)은 밸브바디(51) 내부에 거의 이격없이 삽입되는 제1 랜드(L1) 및 제2 랜드(L2)를 포함한다. 나아가, 상기 밸브스풀(52)은 상기 제1, 2 랜드(L1, L2)보다 상대적으로 가늘게 형성되고, 상기 제1 랜드(L1)와 상기 제2 랜드(L2)를 연결하는 스풀축(54)를 포함한다.

상기 오일 컨트롤 밸브(50)는 솔레노이드(58) 및 리턴 스프링(56)을 더 포함한다.

상기 솔레노이드(58)는 상기 밸브스풀(52)의 일단과 연결된다. 또한, 상기 밸브스풀(52)의 일단은 상기 제1 랜드(L1)의 일면으로부터 연장되고, 상기 밸브바디(51)의 개방된 일단을 통하여 상기 솔레노이드(58)와 연결된다. 나아가, 상기 솔레노이드(58)의 작동에 의해 상기 밸브스풀(52)이 상기 밸브바디(51)의 길이방향을 따라 일방향 또는 타방향으로 슬라이딩된다. 한편, 상기 스풀축(54)은 상기 제1 랜드(L1)의 타면과 상기 제2 랜드(L2)의 일면을 연결한다. 즉, 상기 솔레노이드(58)는 상기 오일 컨트롤 밸브(50)를 작동시키는 액츄에이터(actuator)로서 기능한다. 여기서, 상기 액츄에이터는 상기 솔레노이드(58)에 한정되지 않으며, 당업자의 설계에 따라 변경될 수 있다.

상기 리턴 스프링(56)은 상기 밸브스풀(52)의 타단과 상기 밸브바디(51)의 폐쇄된 타단 사이에 배치된다. 즉, 상기 리턴 스프링(56)은 상기 제2 랜드(L2)의 타면과 상기 밸브바디(51)의 타단 사이에 배치된다. 또한, 상기 리턴 스프링(56)의 일단은 상기 제2 랜드(L2)의 타면에 고정되고, 타단은 상기 밸브바디(51)의 타단에 고정된다. 나아가, 상기 솔레노이드(58)가 상기 밸브스풀(52)을 일방향 또는 타방향으로 슬라이딩시키도록 작동되지 않을 경우, 상기 리턴 스프링(56)은 상기 밸브스풀(52)이 원위치되도록 기능한다.

상기 오일 팬(60)은 상기 오일 컨트롤 밸브(50)를 통하여 상기 작동부(40)의 제1 챔버(46) 또는 제2 챔버(48)에 공급되는 오일을 저장한다.

상기 유압라인(70, 72, 74, 75, 76, 78)은 제1 유압라인(70), 제2 유압라인(72), 제3 유압라인(74), 제4 유압라인(75), 제5 유압라인(76), 및 제6 유압라인(78)으로 구성된다. 또한, 상기 밸브바디(51)에 형성된 복수개의 포트(SP, IP1, IP2, OP)는 공급 포트(SP), 제1 유입 포트(IP1), 및 제2 유입 포트(IP2), 유출 포트(OP)를 포함한다.

상기 제1 유압라인(70)은 상기 오일 팬(60)과 상기 공급 포트(SP)를 연통시킨다. 또한, 상기 제1 유압라인(70) 상에는 오일 펌프(62)가 배치되고, 상기 오일 펌프(62)의 작동에 의해 상기 오일 팬(60)으로부터 펌핑된 오일이 상기 제1 유압라인(70) 및 상기 공급 포트(SP)를 통하여 상기 밸브바디(51)의 내측으로 공급된다.

상기 제2 유압라인(72)은 상기 제1 유입 포트(IP1)와 상기 제1 챔버(46)를 연통시킨다. 또한, 상기 제1 챔버(46)에서 상기 작동부(40)의 작동에 사용된 오일이 상기 제1 챔버(46)로부터 상기 제2 유압라인(72) 및 상기 제1 유입 포트(IP1)를 통하여 상기 밸브바디(51)의 내측으로 유입될 수 있다.

상기 제3 유압라인(74)은 상기 제2 유입 포트(IP2)와 상기 제2 챔버(48)를 연통시킨다. 또한, 상기 제2 챔버(48)에서 상기 작동부(40)의 작동에 사용된 오일이 상기 제2 챔버(48)로부터 상기 제3 유압라인(74) 및 상기 제2 유입 포트(IP2)를 통하여 상기 밸브바디(51)의 내측으로 유입될 수 있다.

상기 제4 유압라인(75)은 상기 유출 포트(OP)와 연통된다. 또한, 상기 유출 포트(OP)로부터 연장된 제4 유압라인(75)은 제5 유압라인(76) 및 제6 유압라인(78)으로 분기된다.

상기 제5 유압라인(76)은 상기 제2 유압라인(72) 상에 연결된다. 또한, 상기 제6 유압라인(78)은 상기 제3 유압라인(74) 상에 연결된다.

상기 제5 유압라인(76) 상에는 오일이 상기 제4 유압라인(75)으로부터 상기 제2 유압라인(72)으로 일방향으로만 이동되도록 개방되고, 오일이 반대방향으로는 흐르지 못하도록 폐쇄되는 제1 체크밸브(80)가 배치된다. 또한, 상기 제6 유압라인(78) 상에는 오일이 상기 제4 유압라인(75)으로부터 상기 제3 유압라인(74)으로 일방향으로만 이동되도록 개방되고, 오일이 반대방향으로는 흐르지 못하도록 폐쇄되는 제2 체크밸브(82)가 배치된다.

한편, 상기 오일 팬(60)으로부터 상기 밸브바디(51)의 내측으로 공급된 오일, 상기 제1 챔버(46)로부터 상기 밸브바디(51)의 내측으로 유입된 오일, 및 상기 제2 챔버(48)로부터 상기 밸브바디(51)의 내측으로 유입된 오일은 상기 유출 포트(OP)를 통하여 상기 제4 유압라인(75)으로 유출된다. 또한, 상기 제4 유압라인(75)으로 유출된 오일은 상기 제5 유압라인(76) 및 상기 제2 유압라인(72)을 순차적으로 경유하여 상기 제1 챔버(46)에 공급되거나, 상기 제6 유압라인(78) 및 상기 제3 유압라인(74)을 순차적으로 경유하여 상기 제2 챔버(48)에 공급될 수 있다.

상기 제어기(100)는 상기 솔레노이드(100), 및 엔진과 연결된다. 또한, 상기 제어기(100)는 엔진의 운전상태에 따라 상기 작동부(40)가 작동되도록 상기 솔레노이드(100)의 작동을 제어한다.

도 2는 엔진의 고부하 및 저부하 시의 연소실의 압력을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 2의 그래프에서 세로축은 연소실(20)의 압력이고, 가로축은 크랭크 축(도시하지 않음)의 회전각이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 엔진의 고부하 시에 연소실(20)의 압력을 나타낸 고부하 압력곡선(C1) 및 엔진의 저부하 시에 연소실(20)의 압력을 나타낸 저부하 압력곡선(C2)는 설정압력(P)를 기준으로 압력이 높은 부분과 압력이 낮은 부분이 각각 존재한다. 한편, 실험을 통해 도출해낸 설정압력(P)의 적당한 크기는 5bar 이다. 하지만, 상기 설정압력(P)은 이에 한정되지 않으며, 상기 가변 압축비 장치의 작동과 엔진의 효율을 고려하여 당업자에 의해 다르게 설정될 수 있다. 또한, 상기 설정압력(P)은 상기 작동부(40)의 스프링(45)이 상기 피스톤(42)을 정방향으로 미는 힘과 동일하다. 이하, 상기 설정압력(P)는 스프링압(P)으로 표현하기로 한다.

이하, 도 3 내지 도 8을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 작동을 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 압축비를 낮추도록 작동되는 작동도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 고부하 시에 압축비를 낮추도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 저부하 시에 압축비를 낮추도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이다. 한편, 도 3에는 오일의 흐름이 점선의 화살표로 도시되었다.

도 3에 도시된 바와 같이, 엔진의 압축비를 낮춰야 하는 경우, 상기 제어기(100)는 상기 밸브스풀(52)을 상기 밸브바디(51)의 타단을 향하여 이동시키도록 상기 솔레노이드(58)를 작동시킨다. 또한, 상기 밸브스풀(52)이 상기 밸브바디(51)의 타단을 향하여 이동되면, 상기 스풀축(54)이 배치된 공간이 상기 공급 포트(SP), 상기 제1 유입 포트(IP1), 및 상기 유출 포트(OP)와 연통되도록 위치된다. 즉, 상기 공급 포트(SP), 상기 제1 유입 포트(IP1), 및 상기 유출 포트(OP)가 개방된다. 이 때, 상기 제1 랜드(L1)는 상기 제2 유입 포트(IP2)를 폐쇄시키도록 위치된다.

상기 오일 펌프(62)는 상기 개방된 공급 포트(SP)를 통하여 상기 오일 팬(60)으로부터 상기 밸브바디(51)의 내측으로 오일이 공급되도록 작동한다.

상기 오일 펌프(62)는 상기 크랭크 축의 구동에 의해 작동되도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 오일 펌프(62)가 상기 상기 크랭크 축의 구동에 의해 작동될 경우, 상기 오일 펌프(62)는 별도의 제어없이 상기 작동부(40)에서 손실되는 유량만큼의 오일을 상기 오일 컨트롤 밸브(50)를 통하여 공급한다. 즉, 상기 오일 펌프(62)는 상기 제어기(100)의 제어를 필요로 하지 않는다. 도 1, 도 3, 도 6, 및 도 9에는 상기 오일 펌프(62)가 상기 제어기(100)와 연결된 것이 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다.

한편, 상기 제어기(100)는 상기 오일 펌프(62)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 오일 펌프(62)와 연결된 제어기(100)는 엔진의 운전상태에 따라 상기 오일 펌프(62)의 작동을 제어한다. 상기 오일 펌프(62)의 작동이 상기 제어기(100)에 의해 제어되는 경우, 상기 제어기(100)는 상기 개방된 공급 포트(SP)를 통하여 상기 오일 팬(60)으로부터 상기 밸브바디(51)의 내측으로 오일이 공급되도록 상기 오일 펌프(62)를 작동시킨다. 따라서, 상기 작동부(40)의 작동에 소모되는 오일이 상기 오일 컨트롤 밸브(50)를 통하여 공급된다.

상기 엔진의 압축비를 낮춰야 하는 경우는 도 4에 도시된 엔진의 고부하 시에 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 큰 구간(HS1) 및 도 5에 도시된 엔진의 저부하 시에 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 큰 구간(HS2)에 해당하는 엔진의 운전상태이다.

상기 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 커지면, 상기 연소실(20)의 압력에 의해 상기 플런저(30) 및 상기 피스톤(42)이 역방향으로 밀린다. 또한, 상기 피스톤(42)에 의해 가압된 상기 제1 챔버(46)의 압력에 의해 오일이 상기 제1 챔버(46)로부터 상기 제2 유압라인(72)을 통하여 상기 개방된 제1 유입 포트(IP1)로 이동된다. 따라서, 상기 제2 유압라인(72)과 연결된 제5 유압라인(76) 상에 배치된 제1 체크밸브(80)가 폐쇄된다. 나아가, 상기 제1 유입 포트(IP1)를 통하여 상기 밸브바디(51)에 유입된 오일 및 상기 공급 포트(SP)를 상기 밸브바디(51)에 통하여 공급된 오일은 상기 개방된 유출 포트(OP)를 통하여 상기 밸브바디(51)로부터 유출되고, 상기 밸브바디(51)로부터 유출된 오일은 상기 제4 유압라인(75), 제6 유압라인(78), 및 제3 유압라인(74)를 순차적으로 경유하여 상기 제2 챔버(48)에 공급된다. 이러한 작동에 의해 상기 플런저(30) 및 상기 피스톤(42)이 역방향으로 운동한다.

이 때, 상기 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 작아지면, 상기 플런저(30)가 상기 스프링(45)의 압력(P)에 의해 정방향으로 밀린다. 하지만, 상기 제2 챔버(48)의 압력에 의해 오일이 상기 제2 챔버(48)로부터 상기 제3 유압라인(74)을 통하여 이동되려 하면, 상기 제2 체크밸브(82)가 폐쇄된다. 한편, 상기 제2 유입 포트(IP2)가 폐쇄된 상태이므로 상기 피스톤(42)의 정방향 운동은 제한된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 압축비를 높이도록 작동되는 작동도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 고부하 시에 압축비를 높이도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치가 엔진의 저부하 시에 압축비를 높이도록 작동되는 구간을 나타내는 그래프이다. 한편, 도 6에는 오일의 흐름이 점선의 화살표로 도시되었다.

도 6에 도시된 바와 같이, 엔진의 압축비를 높여야 하는 경우, 상기 제어기(100)는 상기 밸브스풀(52)을 상기 밸브바디(51)의 일단을 향하여 이동시키도록 상기 솔레노이드(58)를 작동시킨다. 또한, 상기 밸브스풀(52)이 상기 밸브바디(51)의 일단을 향하여 이동되면, 상기 스풀축(54)이 배치된 공간이 상기 공급 포트(SP), 상기 제2 유입 포트(IP2), 및 상기 유출 포트(OP)와 연통되도록 위치된다. 즉, 상기 공급 포트(SP), 상기 제2 유입 포트(IP2), 및 상기 유출 포트(OP)가 개방된다. 이 때, 상기 제2 랜드(L2)는 상기 제1 유입 포트(IP1)를 폐쇄시키도록 위치된다.

한편, 상기 제어기(100)는 상기 개방된 공급 포트(SP)를 통하여 상기 오일 팬(60)으로부터 상기 밸브바디(51)의 내측으로 오일이 공급되도록 상기 오일 펌프(62)를 작동시킨다. 따라서, 상기 작동부(40)의 작동에 소모되는 오일이 상기 오일 컨트롤 밸브(50)를 통하여 공급된다.

상기 엔진의 압축비를 높여야 하는 경우는 도 7에 도시된 엔진의 고부하 시에 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 작은 구간(LS1) 및 도 8에 도시된 엔진의 저부하 시에 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 작은 구간(LS2)에 해당하는 엔진의 운전상태이다.

상기 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 작아지면, 상기 스프링(45)의 압력(P)에 의해 상기 플런저(30) 및 상기 피스톤(42)이 정방향으로 밀린다. 또한, 상기 피스톤(42)에 의해 가압된 상기 제2 챔버(48)의 압력에 의해 오일이 상기 제2 챔버(48)로부터 상기 제3 유압라인(74)을 통하여 상기 개방된 제2 유입 포트(IP2)로 이동된다. 따라서, 상기 제3 유압라인(74)과 연결된 제6 유압라인(78) 상에 배치된 제2 체크밸브(82)가 폐쇄된다. 나아가, 상기 제2 유입 포트(IP2)를 통하여 상기 밸브바디(51)에 유입된 오일 및 상기 공급 포트(SP)를 상기 밸브바디(51)에 통하여 공급된 오일은 상기 개방된 유출 포트(OP)를 통하여 상기 밸브바디(51)로부터 유출되고, 상기 밸브바디(51)로부터 유출된 오일은 상기 제4 유압라인(75), 제5 유압라인(76), 및 제2 유압라인(72)를 순차적으로 경유하여 상기 제1 챔버(46)에 공급된다. 이러한 작동에 의해 상기 플런저(30) 및 상기 피스톤(42)이 정방향으로 운동한다.

이 때, 상기 연소실(20)의 압력이 상기 스프링압(P)보다 커지면, 상기 플런저(30)가 상기 연소실(20)의 압력에 의해 역방향으로 밀린다. 하지만, 상기 제1 챔버(46)의 압력에 의해 오일이 상기 제1 챔버(46)로부터 상기 제2 유압라인(72)을 통하여 이동되려 하면, 상기 제1 체크밸브(80)가 폐쇄된다. 한편, 상기 제1 유입 포트(IP1)가 폐쇄된 상태이므로 상기 피스톤(42)의 역방향 운동은 제한된다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 작동에서 상기 솔레노이드(58)는 상기 제어기(100)의 제어에 의해 ON 또는 OFF의 작동을 수행한다. 여기서, 상기 솔레노이드(58)의 ON 또는 OFF 작동 중 하나의 작동에 의해 상기 공급 포트(SP), 상기 제2 유입 포트(IP2), 및 상기 유출 포트(OP)가 개방되고, 상기 제1 유입 포트(IP1)가 폐쇄되도록 상기 밸브스풀(52)이 상기 밸브바디(51)의 일단을 향하여 이동된다. 또한, 상기 솔레노이드(58)의 ON 또는 OFF 작동 중 다른 하나의 작동에 의해 상기 공급 포트(SP), 상기 제1 유입 포트(IP1), 및 상기 유출 포트(OP)가 개방되고, 상기 제2 유입 포트(IP2)가 폐쇄되도록 상기 밸브스풀(52)이 상기 밸브바디(51)의 타단을 향하여 이동된다. 한편, 상기 밸브스풀(52)의 원위치는 상기 솔레노이드(58)의 OFF 작동 시 상기 리턴 스프링(56)의 탄성력에 의해 상기 밸브스풀(52)이 정착되는 위치이다.

이하, 도 9를 참조로 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 압축비 장치를 설명한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이다.

도 9를 참조로 한 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치와 동일한 구성요소의 반복적인 설명은 생략하기로 한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치와 비교하여 위치센서(90)을 더 포함한다.

상기 위치센서(90)는 상기 플런저(30), 상기 피스톤(42), 또는 상기 작동 로드(44) 중 적어도 어느 하나의 위치를 감지하도록 배치된다. 또한, 상기 위치센서(90)는 감지된 위치 정보를 상기 제어기(100)에 전달하도록 상기 제어기(100)와 연결된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 솔레노이드(59)는 상기 제어기(100)가 상기 위치센서(90)로부터 전달받은 위치 정보에 따라 상기 오일 컨트롤 밸브(50)를 듀티 제어(duty control)한다. 자세히 설명하면, 본 발명의 다른 실시예에서도 본 발명의 실시예와 같이 상기 공급 포트(SP) 및 상기 유출 포트(OP)는 항시 개방된다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 솔레노이드(59)는 상기 밸브스풀(52)의 제1 랜드(L1) 및 제2 랜드(L2)가 각각 상기 제2 유입 포트(IP2) 및 상기 제1 유입 포트(IP1)의 개방량을 듀티 제어하도록 상기 밸브스풀(52)의 이동을 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예서는 상기 솔레노이드(58)의 ON/OFF 작동에 따라 엔진의 압축비가 2단으로 변경되도록 단계적으로 제어되지만, 본 발명의 다른 실시예서는 엔진의 고부하 및 저부하에 따라 압축비가 연속적으로 변경되도록 제어될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 운전상태에 따라 압축비를 변경하는 응답성이 확보되고, 엔진의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 작동을 위해 요구되는 기계적인 구성요소들이 삭제됨에 따라 생산원가가 절감될 수 있다. 나아가, 유압식으로 작동됨에 따라 내구성이 향상될 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.

10: 흡기 캠 11: 배기 캠
12: 흡기밸브 개폐장치 13: 배기밸브 개폐장치
14: 흡기통로 15: 배기통로
17: 점화 플러그
20: 연소실
30: 플런저
40: 작동부 41: 유압 실린더
42: 피스톤 44: 작동 로드
45: 스프링 46: 제1 챔버
48: 제2 챔버
50: 오일 컨트롤 밸브 51: 밸브바디
52: 밸브스풀 54: 스풀축
56: 리턴 스프링 58, 59: 솔레노이드
L1: 제1 랜드 L2: 제2 랜드
SP: 공급 포트 OP: 유출 포트
IP1: 제1 유입 포트 IP2: 제2 유입 포트
60: 오일 팬 62: 오일 펌프
70: 제1 유압라인 72: 제2 유압라인
74: 제3 유압라인 75: 제4 유압라인
76: 제5 유압라인 78: 제6 유압라인
80: 제1 체크밸브 82: 제2 체크밸브
90: 위치센서
100: 제어기

Claims

엔진의 운전상태에 따라 연소실의 내부와 연통된 공간에서 왕복운동 가능하게 구비된 플런저의 작동에 따라 상기 연소실의 용적을 가변시키는 가변 압축비 장치에 있어서,
상기 플런저를 왕복운동 시키도록 유압으로 작동되는 작동부;
상기 작동부에 공급되는 유압을 조절하는 오일 컨트롤 밸브;
상기 오일 컨트롤 밸브를 경유하여 상기 작동부에 공급되는 오일을 저장하고, 저장된 오일을 상기 오일 컨트롤 밸브에 전달하는 오일 공급부;
상기 오일 컨트롤 밸브를 작동시키는 액츄에이터; 및
상기 액츄에이터와 연결되고, 엔진의 운전상태에 따라 상기 액츄에이터를 제어하는 제어기;
를 포함하되,
상기 작동부는,
일면 및 타면이 폐쇄된 중공의 원통형상으로 형성되는 유압 실린더;
상기 유압 실린더의 중공에서 상기 유압 실린더의 길이방향으로 왕복운동 가능하게 구비되는 피스톤; 및
상기 피스톤과 일체로 운동하며, 상기 플런저와 접촉되는 작동 로드;
를 포함하고,
상기 유압 실린더의 중공은 상기 피스톤에 의해 제1 챔버 및 제2 챔버로 구획되며,
상기 오일 컨트롤 밸브는 복수개의 포트가 형성된 밸브바디 및 상기 밸브바디의 길이방향을 따라 슬라이딩 가능하도록 상기 밸브바디에 삽입되는 밸브스풀을 포함하고,
상기 밸브스풀은 상기 밸브바디 내부에 거의 이격없이 삽입되는 2개의 랜드 및 상기 2개의 랜드보다 상대적으로 가늘게 형성되고 상기 2개의 랜드를 연결하는 스풀축을 포함하며,
상기 복수개의 포트는 각각 상기 2개의 랜드 중 하나에 의해 폐쇄되거나 상기 스풀축이 배치된 공간과 연통됨으로써 개방되고,
상기 복수개의 포트는,
항시 개방되고, 상기 오일 공급부로부터 오일을 공급받도록 상기 오일 공급부와 연통된 공급 포트;
항시 개방되고, 상기 밸브바디로부터 오일이 유출되도록 형성된 유출 포트;
상기 2개의 랜드 중 하나에 의해 선택적으로 개폐되고, 상기 제1 챔버로부터 상기 밸브바디로 오일이 유입되도록 상기 제1 챔버와 연통된 제1 유입 포트; 및
상기 2개의 랜드 중 다른 하나에 의해 선택적으로 개폐되고, 상기 제2 챔버로부터 상기 밸브바디로 오일이 유입되도록 상기 제2 챔버와 연통된 제2 유입 포트;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 오일 컨트롤 밸브는 상기 제1 챔버 또는 상기 제2 챔버에 선택적으로 오일이 공급되도록 유압을 조절하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 챔버에 오일이 공급되면, 상기 피스톤과 함께 움직이는 상기 작동 로드가 상기 플런저를 밀고, 상기 연소실의 용적이 줄어들며,
상기 제2 챔버에 오일이 공급되면, 상기 피스톤과 함께 움직이는 상기 작동 로드가 상기 플런저를 당기고, 상기 연소실의 용적이 증가되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 유출 포트와 연결된 유압라인은 2개의 유압라인으로 분기되고,
상기 분기된 2개의 유압라인은 각각 상기 제1 챔버와 상기 제1 유입 포트를 연결하는 유압라인 및 상기 제2 챔버와 상기 제2 유입 포트를 연결하는 유압라인 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제7항에 있어서,
상기 분기된 2개의 유압라인에는 각각 체크밸브가 배치되며,
상기 체크밸브는 상기 유출 포트와 연결된 유압라인으로부터 상기 제1 챔버와 상기 제1 유입 포트를 연결하는 유압라인 또는 상기 제2 챔버와 상기 제2 유입 포트를 연결하는 유압라인으로만 오일이 흐르도록 개방되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
상기 액츄에이터는 상기 오일 컨트롤 밸브를 2단계로 작동시키도록 ON 또는 OFF 작동만을 수행하는 솔레노이드인 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
상기 액츄에이터는 연속적으로 변경되는 압축비를 구현하도록 상기 오일 컨트롤 밸브를 작동시키는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
상기 플런저, 상기 피스톤, 또는 상기 작동 로드 중 적어도 하나의 위치를 감지하는 위치센서를 더 포함하고,
상기 제어기는 상기 위치센서로부터 감지된 위치 정보를 전달받으며, 전달받은 위치정보에 따라 상기 액츄에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제11항에 있어서,
상기 오일 컨트롤 밸브는 복수개의 포트가 형성된 밸브바디 및 상기 밸브바디의 길이방향을 따라 슬라이딩 가능하도록 상기 밸브바디에 삽입되는 밸브스풀을 포함하고,
상기 밸브스풀은 상기 밸브바디 내부에 거의 이격없이 삽입되는 2개의 랜드 및 상기 2개의 랜드보다 상대적으로 가늘게 형성되고 상기 2개의 랜드를 연결하는 스풀축을 포함하며,
상기 복수개의 포트는 각각 상기 2개의 랜드 중 하나에 의해 폐쇄되거나 상기 스풀축이 배치된 공간과 연통됨으로써 개방되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제12항에 있어서,
상기 복수개의 포트는,
항시 개방되고, 상기 오일 공급부로부터 오일을 공급받도록 상기 오일 공급부와 연통된 공급 포트;
항시 개방되고, 상기 밸브바디로부터 오일이 유출되도록 형성된 유출 포트;
상기 2개의 랜드 중 하나에 의해 선택적으로 개폐되고, 상기 제1 챔버로부터 상기 밸브바디로 오일이 유입되도록 상기 제1 챔버와 연통된 제1 유입 포트; 및
상기 2개의 랜드 중 다른 하나에 의해 선택적으로 개폐되고, 상기 제2 챔버로부터 상기 밸브바디로 오일이 유입되도록 상기 제2 챔버와 연통된 제2 유입 포트;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제13항에 있어서,
상기 플런저, 상기 피스톤, 또는 상기 작동 로드의 위치 정보에 따라 작동되는 상기 액츄에이터에 의해 상기 밸브스풀이 작동됨으로써,
상기 제1 유입 포트 및 상기 제2 유입 포트의 개방량이 듀티 제어되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제13항에 있어서,
상기 유출 포트와 연결된 유압라인은 2개의 유압라인으로 분기되고,
상기 분기된 2개의 유압라인은 각각 상기 제1 챔버와 상기 제1 유입 포트를 연결하는 유압라인 및 상기 제2 챔버와 상기 제2 유입 포트를 연결하는 유압라인 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제15항에 있어서,
상기 분기된 2개의 유압라인에는 각각 체크밸브가 배치되며,
상기 체크밸브는 상기 유출 포트와 연결된 유압라인으로부터 상기 제1 챔버와 상기 제1 유입 포트를 연결하는 유압라인 또는 상기 제2 챔버와 상기 제2 유입 포트를 연결하는 유압라인으로만 오일이 흐르도록 개방되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.