KR101510352B1 - 가변 압축비 엔진 - Google Patents

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최명식
곽영홍
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현대자동차 주식회사
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads

Abstract

본 발명은 가변 압축비 엔진에 관한 것으로, 엔진의 연소실과 연결되는 가변 챔버 하우징; 상기 가변 챔버 하우징 내에 이동 가능하게 구비되며, 상기 연소실과 연통하는 가변 챔버를 형성하고, 상기 가변 챔버 하우징과 유압 챔버를 형성하며, 상기 유압 챔버로부터 누유된 오일이 흐르도록 누유 라인이 형성된 가변 챔버 피스톤; 상기 가변 챔버 피스톤과 연결되고, 상기 누유 라인의 오일을 외부로 배출하는 오일 드레인 라인이 형성된 연결 축; 상기 유압 챔버로 오일을 공급하는 오일 공급부; 및 상기 연결 축과 연결되어, 상기 가변 챔버 피스톤의 위치를 제어하는 압축비 제어부;를 포함한다.

Description

가변 압축비 엔진{VARIABLE COMPRESSION RATIO ENGINE}
본 발명은 가변 압축비 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가변 압축비 엔진 에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관의 압축비는 내연기관의 압축 행정에서 연소실의 압축 전의 최대 용적과 연소실의 압축 후의 최소 용적비로 나타내어진다.
내연기관의 압축비를 증가시키면 내연기관의 출력이 증대된다. 그러나 내연기관의 압축비가 너무 높으면 소위 노킹 현상이 발생하여 내연기관의 출력이 오히려 저하될 뿐만 아니라 내연기관의 과열, 내연기관의 밸브 혹은 피스톤의 고장 등을 초래하게 된다.
따라서 내연기관의 압축비는 노킹 현상이 발생되기 이전의 적절한 범위 내에서 특정한 값으로 설정되고 있는 바, 내연기관의 부하에 따라 압축비를 적절히 가변시키면 내연기관의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있으므로, 내연기관의 압축비를 가변시키는 여러 가지 방안들이 제안되고 있다.
내연기관의 압축비를 가변시키는 방안들은 주로 압축 행정에서 연소실의 용적을 가변시키는 방법들을 채택하고 있다.
예를 들면 압축 행정에서 피스톤의 상사점의 높이를 가변시키거나 혹은 실린더 헤드에 마련한 부연소실의 용적을 증감시키는 방법들을 제안하고 있다.
피스톤의 상사점의 높이를 가변시키는 방식은 내연기관의 구조가 복잡해지는 경향이 있으므로, 실린더 헤드에 부연소실을 마련하여 압축비를 가변시키는 것이 구조가 간단하고, 연비 개선 효과도 우수해진다.
그러나, 연소에 의한 폭발충격이 가변 압축비 장치를 구동하는 부품에 그대로 전달되어 부품의 수명이 단축되는 문제가 있다.
본 발명은, 연소에 의한 폭발충격을 흡수하는 유압 챔버가 구비되어 내구성이 향상된 가변 압축비 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진은 엔진의 연소실과 연결되는 가변 챔버 하우징; 상기 가변 챔버 하우징 내에 이동 가능하게 구비되며, 상기 연소실과 연통하는 가변 챔버를 형성하고, 상기 가변 챔버 하우징과 유압 챔버를 형성하며, 상기 유압 챔버로부터 누유된 오일이 흐르도록 누유 라인이 형성된 가변 챔버 피스톤; 상기 가변 챔버 피스톤과 연결되고, 상기 누유 라인의 오일을 외부로 배출하는 오일 드레인 라인이 형성된 연결 축; 상기 유압 챔버로 오일을 공급하는 오일 공급부; 및 상기 연결 축과 연결되어, 상기 가변 챔버 피스톤의 위치를 제어하는 압축비 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 가변 챔버 피스톤과 상기 가변 하우징 사이에는 피스톤 링이 개재될 수 있다.
상기 가변 챔버 피스톤에는 상기 유압 챔버로부터 누유된 오일이 고이는 누유 그루부가 형성될 수 있다.
상기 가변 챔버 하우징에는 오일 홀이 형성되고, 상기 오일 공급부는 오일 펌프; 및 상기 오일 펌프로부터 전달되는 오일을 선택적으로 상기 오일 홀을 통해 상기 유압 챔버로 공급하는 오일 콘트롤 밸브;를 포함할 수 있다.
상기 오일 공급부는 상기 오일 콘트롤 밸브와 연통하는 어큐뮬레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 오일 공급부는 상기 오일 펌프와 상기 오일 콘트롤 밸브 사이에 배치되는 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 압축비 제어부는 콘트롤 샤프트; 상기 콘트롤 샤프트와 연결된 편심 캠; 상기 편심 캠과 상기 연결 축을 연결하는 연결 링크; 및 상기 콘트롤 샤프트를 선택적으로 회전시키는 구동부;를 포함할 수 있다.
상기 구동부는 상기 콘트롤 샤프트에 연결된 웜 휠; 및 상기 웜 휠과 치합하는 웜을 회전시키는 구동 모터;를 포함할 수 있다.
상기 압축비 제어부는 상기 연결 축과 연결된 크랭크 제어 샤프트; 및 크랭크 제어 샤프트를 선택적으로 회전시키는 구동부;를 포함할 수 있다.
상기 구동부는 상기 크랭크 제어 샤프트에 연결된 웜 휠; 및 상기 웜 휠과 치합하는 웜을 회전시키는 구동 모터;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진에 의하면, 유압 챔버가 구비되어 내구성이 향상된다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 단면도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 일부 사시도이다.
도3은 본 발명의 일부 변형 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 일부 사시도이다.
아래에서는 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
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 단면도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 일부 사시도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진(10)은 엔진의 연소실(30)과 연결되는 가변 챔버 하우징(40), 상기 가변 챔버 하우징(40) 내에 이동 가능하게 구비되며, 상기 연소실(30)과 연통하는 가변 챔버(80)를 형성하는 가변 챔버 피스톤(50), 상기 가변 챔버 피스톤(50)과 연결된 연결 축(60), 오일 공급부(150) 및 상기 연결 축(60)과 연결되어, 상기 가변 챔버 피스톤(50)의 위치를 제어하는 압축비 제어부(110)를 포함한다.
상기 가변 챔버 피스톤(50)은 상기 가변 챔버 하우징(40)과 유압 챔버(100)를 형성하며, 상기 가변 챔버 피스톤(50)에는 상기 유압 챔버(100)로부터 누유된 오일이 흐르도록 누유 라인(52)이 형성된다.
상기 연결 축(60)에는 상기 누유 라인(52)의 오일을 외부로 배출하는 오일 드레인 라인(62)이 형성되고, 상기 오일 공급부(150)는 상기 유압 챔버(100)로 오일을 공급한다.
상기 가변 챔버 피스톤(50)과 상기 가변 챔버 하우징(40) 사이에는 피스톤 링(57)이 개재되어 상기 유압 챔버(100)의 오일이 누출되는 것을 억제할 수 있다.
상기 가변 챔버 피스톤(50)에는 상기 유압 챔버(100)로부터 누유된 오일이 고이는 누유 그루부(55)가 형성되어, 상기 피스톤 링(57)과 상기 가변 챔버 하우징(40) 사이로 오일이 누출 되었을 때, 상기 오일을 일시적으로 저장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진(10)은 일반적인 점화 플러그(20)가 설치된 실린더 헤드의 일측에 상기 가변 챔버 하우징(40)이 형성된 것으로, 일반적인 엔진의 간단한 설계변경으로 가변 압축비 엔진(10)이 생산 가능하다.
상기 가변 챔버 하우징(40)에는 오일 홀(42)이 형성되고, 상기 오일 공급부(150)는 오일 펌프(154) 및 상기 오일 펌프(154)로부터 전달되는 오일을 선택적으로 상기 오일 홀(42)을 통해 상기 유압 챔버(100)로 공급하는 오일 콘트롤 밸브(152)를 포함한다.
상기 오일 공급부(150)는 상기 오일 콘트롤 밸브(154)와 연통하는 어큐뮬레이터(152)를 더 포함할 수 있고, 또한, 상기 오일 펌프(154)와 상기 오일 콘트롤 밸브(152) 사이에 배치되는 체크 밸브(158)를 더 포함할 수 있다. 상기 체크 밸브(158)는 오일이 상기 오일 펌프(154)로 역류하는 것을 방지한다.
상기 압축비 제어부(110)는 콘트롤 샤프트(112), 상기 콘트롤 샤프트(112)와 연결된 편심 캠(114), 상기 편심 캠(114)과 상기 연결 축(60)을 연결하는 연결 링크(116) 및 상기 콘트롤 샤프트(112)를 선택적으로 회전시키는 구동부(120)를 포함한다. 상기 연결 축(60)과 상기 연결 링크(116)는 연결 핀(118)로 연결된다.
상기 구동부(120)는 상기 콘트롤 샤프트(112)에 연결된 웜 휠(122) 및 상기 웜 휠(122)과 치합하는 웜(124)을 회전시키는 구동 모터(126)를 포함할 수 있다.
이하, 도1 및 도2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의간 가변 압축비 엔진의 작동을 설명한다.
엔진의 작동 상태에 따라 엔진 제어부(ECU; engine control unit; 미도시)는 압축비를 결정한다.
예를 들어, 엔진의 부분부하 영역에서는 상기 가변 압축비 엔진(10)을 고압축비로 작동하게 하여 연비를 향상시키고, 하고 전부하 영역에서는 상기 가변 압축비 엔진(10)을 저압축비로 작동하게 하여 토크를 향상시킨다.
즉, 저부하 영역에서는 상기 엔진 제어부는 상기 구동 모터의 작동을 제어하여 상기 콘트롤 샤프트(112)를 회전시켜 상기 가변 챔버 피스톤(50)을 상기 연소실(30)에 접근하도록 한다.
그러면, 상기 가변 챔버(80)의 체적이 줄어들어 상기 엔진(10)의 압축비가 증가하고, 연비 향상이 가능하다.
또한, 고부하 영역에서는 상기 엔진 제어부는 상기 구동 모터의 작동을 제어하여 상기 콘트롤 샤프트(112)를 회전시켜 상기 가변 챔버 피스톤(50)을 상기 연소실(30)에서 멀어지도록 한다.
그러면, 상기 가변 챔버(80)의 체적이 늘어나 상기 엔진(10)의 압축비가 줄어들고, 상기 엔진(10)의 토크가 증대된다.
상기 엔진의 작동 부하 판단이나, 상기 엔진 제어부의 작동은 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략한다.
여기서, 상기 연소실(30)의 연소 압력이 상기 가변 챔버 피스톤(50)으로 전달되고, 이는 다시 상기 유압 챔버(100)내의 오일로 전달된다. 상기 오일로 전달된 연소 압력은 상기 가변 챔버 하우징(40)과 상기 가변 챔버 하우징(40)과 연결된 상기 실린더 헤드로 분산된다.
따라서, 즉, 상기 엔진(10)의 연소로 인한 폭발 충격이 특정 부품으로 전달되지 않고, 그 충격이 분산되어 전체 부품의 내구성이 향상될 수 있다.
상기 유압 챔버(100)로 전달되는 충격에 의해 일부 오일이 누유 될 수 있다.
상기 가변 챔버 피스톤(50)과 상기 가변 챔버 하우징(40) 사이에 구비된 상기 피스톤 링(57)에 의해 상기 유압 챔버(100)의 오일이 누출되는 것을 억제할 수 있고, 상기 피스톤 링(57)과 상기 가변 챔버 하우징(40) 사이로 오일이 누출 되더라도 상기 누유 그루부(55)에 누출된 오일을 일시적으로 저장될 수 있다.
이 때, 누유된 오일은 상기 누유 라인(52)과 상기 오일 드레인 라인(62)을 통해 통해 외부로 배출된다. 상기 엔진(10)의 연소로 인한 폭발 충격으로 상기 유압 챔버(100) 내의 압력이 증가하게 되며, 그 압력을 통해 상기 오일이 외부로 배출될 수 있다.
상기 엔진 제어부는 상기 압축비 제어부(110)의 작동을 제어하여 상기 가변 챔버 피스톤(50)의 위치를 제어할 때, 상기 오일 콘트롤 밸브(152)의 작동도 함께 제어한다.
즉, 상기 엔진(10)의 가변 압축비를 감소 시킬 때에는, 상기 제어부의 제어로상기 오일 콘트롤 밸브(152)가 상기 유압 챔버(100) 내의 오일을 해소 시키고, 상기 엔진(10)의 가변 압축비를 증가 시킬 때는 상기 제어부의 제어로 상기 오일 콘트롤 밸브(152)가 상기 유압 챔버(100)에 오일을 공급한다.
상기 오일 콘트롤 밸브(152)가 상기 유압 챔버(100)의 오일을 해소할 때에는, 상기 오일을 상기 어큐뮬레이터(156)에 오일을 축적하고, 상기 오일 콘트롤 밸브(152)가 상기 유압 챔버(100)로 오일을 공급할 때에는, 상기 어큐뮬레이터(156)에 축적된 오일을 공급하여 오일의 공급 및 해소가 원활해 질 수 있다.
도3은 본 발명의 일부 변형 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 일부 사시도이다.
본 발명의 일부 변형 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 압축비 제어부(130)는 상기 연결 축(60)과 연결된 크랭크 제어 샤프트(132) 및 크랭크 제어 샤프트(132)를 선택적으로 회전시키는 구동부(140)를 포함한다.
상기 구동부(140)는 상기 크랭크 제어 샤프트(132)에 연결된 웜 휠(142) 및 상기 웜 휠(142)과 치합하는 웜(144)을 회전시키는 구동 모터(146)를 포함한다.
상기 구동부(140)의 작동으로 상기 크랭크 제어 샤프트(132)가 회전하면, 앞서 설명한 상기 가변 챔버 피스톤(50)의 상대적인 위치가 변하여 상기 엔진의 압축비가 가변된다.
도3에 도시된 본 발명의 일부 변형 실시예에 의한 가변 압축비 엔진은 도1및 도2에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 압축비 제어부의 구성을 제외하고 그 구성 및 작동이 동일 하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
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: 엔진 20: 점화 플러그
30; 연소실 32: 피스톤
40: 가변 챔버 하우징 42: 오일 홀
50: 가변 챔버 피스톤 52: 누유 라인
55: 누유 그루브 57: 피스톤 링
60: 연결 축 62: 오일 드레인 라인
80: 가변 챔버 100: 유압 챔버
110: 압축비 제어부 112: 콘트롤 샤프트
114: 편심 캠 116: 연결 링크
118: 연결 핀 120, 140: 구동부
122, 142: 웜 휠 124, 144: 웜
126, 146: 구동 모터 130: 압축비 제어부
132: 크랭크 제어 샤프트 150: 오일 공급부
152: 오일 콘트롤 밸브 154: 오일 펌프
156: 어큐뮬레이터 158: 체크 밸브

Claims (10)

  1. 엔진의 연소실과 연결되는 가변 챔버 하우징;
    상기 가변 챔버 하우징 내에 이동 가능하게 구비되며, 상기 연소실과 연통하는 가변 챔버를 형성하고, 상기 가변 챔버 하우징과 유압 챔버를 형성하며, 상기 유압 챔버로부터 누유된 오일이 흐르도록 누유 라인이 형성된 가변 챔버 피스톤;
    상기 가변 챔버 피스톤과 연결되고, 상기 누유 라인의 오일을 외부로 배출하는 오일 드레인 라인이 형성된 연결 축;
    상기 유압 챔버로 오일을 공급하는 오일 공급부; 및
    상기 연결 축과 연결되어, 상기 가변 챔버 피스톤의 위치를 제어하는 압축비 제어부;
    를 포함하는 가변 압축비 엔진.
  2. 제1항에서,
    상기 가변 챔버 피스톤과 상기 가변 하우징 사이에는 피스톤 링이 개재된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  3. 제1항에서,
    상기 가변 챔버 피스톤에는 상기 유압 챔버로부터 누유된 오일이 고이는 누유 그루부가 형성된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  4. 제1항에서,
    상기 가변 챔버 하우징에는 오일 홀이 형성되고,
    상기 오일 공급부는
    오일 펌프; 및
    상기 오일 펌프로부터 전달되는 오일을 선택적으로 상기 오일 홀을 통해 상기 유압 챔버로 공급하는 오일 콘트롤 밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  5. 제4항에서,
    상기 오일 공급부는
    상기 오일 콘트롤 밸브와 연통하는 어큐뮬레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  6. 제5항에서,
    상기 오일 공급부는
    상기 오일 펌프와 상기 오일 콘트롤 밸브 사이에 배치되는 체크 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 압축비 제어부는
    콘트롤 샤프트;
    상기 콘트롤 샤프트와 연결된 편심 캠;
    상기 편심 캠과 상기 연결 축을 연결하는 연결 링크; 및
    상기 콘트롤 샤프트를 선택적으로 회전시키는 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  8. 제7항에서,
    상기 구동부는
    상기 콘트롤 샤프트에 연결된 웜 휠; 및
    상기 웜 휠과 치합하는 웜을 회전시키는 구동 모터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 압축비 제어부는
    상기 연결 축과 연결된 크랭크 제어 샤프트; 및
    크랭크 제어 샤프트를 선택적으로 회전시키는 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
  10. 제9항에서,
    상기 구동부는
    상기 크랭크 제어 샤프트에 연결된 웜 휠; 및
    상기 웜 휠과 치합하는 웜을 회전시키는 구동 모터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.



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