KR101518881B1 - 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치 및 압축비를 변경하는 방법 - Google Patents

Abstract

내연 기관 엔진의 압축비를 조정하는 장치는 커넥팅 로드들 각각에 선회 가능하도록 장착되어 있으며 작동시 선회하도록 되어 있는 레버와, 하나 또는 다수의 피스톤들 및 커넥팅 로드들 각각에 대하여 회전 가능하게 장착된 캠을 가지는 피스톤 위치 조정 장치를 포함한다. 상기 캠은 어떠한 순간에도 피스톤과 커넥팅 로드들 사이의 복수개의 간극들 중 하나를 유지하도록 되어 있으며, 캠의 설정된 각도만큼의 회전은 각각의 피스톤 헤드와 커넥팅 로드의 작은 단 사이의 상대 간극을 변화시킨다. 시동기는 레버의 선회, 캠과 레버 사이의 결합, 그리고 캠의 설정된 각도만큼의 회전을 야기한다.

가변 압축비 장치, 캠, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크 샤프트

Description

내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치 및 압축비를 변경하는 방법{VARIABLE COMPRESSION RATIO SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND METHOD OF VARYING COMPRESSION RATIO}

본 발명은 왕복 운동 타입의 내연 기관 엔진의 압축비를 조정하는 장치 및 관련된 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 최소한 엔진 피스톤의 상사점(top dead center)의 위치가 실린더 보어를 기준으로 위쪽으로 변경되는 것을 허용함으로써 압축비를 변경(상사점의 위치가 위쪽으로 변경되는 것에 비례적으로 압축비를 증가)하는 장치 및 관련된 방법에 관한 것이다.

대부분의 차량에 사용되는 내연 기관은 전통적으로 복수개의 왕복 운동하는 피스톤들을 가지고 있으며, 그 각각은 이에 선회 가능하도록 연결된 커넥팅 로드에 의하여 작동되고 회전 가능하게 크랭크 샤프트에 연결되어 있다. 상기 크랭크 샤프트는 복수개의 피스톤을 하나로 묶고 엔진의 순환 동안 엔진 내에서 그들의 상대적인 위치를 결정한다. 피스톤은 엔진 블록의 상부에 있는 각각의 피스톤 보어 내에서 왕복으로 슬라이딩 하는 반면 크랭크 샤프트는 엔진의 블록 부분에 장착된다. 연소는 피스톤의 상부, 실린더 보어의 벽, 그리고 실린더 헤드 사이에 정의된 각 실린더의 연소실 내에서 일어난다.

왕복하는 내연 기관에서, 압축비(r)는 실린더의 최소 연소실 체적(Vmin)과 관련된 실린더의 최대 연소실 체적(Vmax)으로, 두 체적 사이의 비율 또는 몫(quotient)의 형태로 표현된다. 최대 연소실 체적은 피스톤이 그 영역 내에서 제일 바닥에 있을 때 ?? 하사점(bottom dead center; BDC) ?? 계산되고, 최소 연소실 체적은 피스톤이 그 영역 내에서 제일 꼭대기에 있을 때 ?? 상사점(TDC) ?? 계산된다. TDC와 BDC 사이에서 움직인 거리는 피스톤의 "행정"으로 명명된다. TDC 위치에서 조차도, 연소실 체적은 전통적으로 피스톤의 위에 머무른다. 연소실 체적은 피스톤이 TDC 위치에 있을 때 실린더의 잔류 체적(Vmin)이다. 요약하면, 압축비(r)는 다음과 같이 정의된다.

압축비(r)는 엔진 성능의 다양한 면에 영향을 끼치고, 압축비에 의존하여 다른 연소 특성뿐만 아니라 출력, 연료 효율, 엔진 소음, 그리고 진동 등이 수정된다. 모든 엔진은 고정된 압축비를 가지고 있으며, 그 압축비는 전 부하(full-load) 조건 하에서 이른 연료 연소 덕분에 발생되는 "녹크"에 의하여 제한된다. 부분 부하(partial-load) 조건 하에서, 엔진은 높은 열 효율, 낮은 연료 소모, 그리고 줄어든 배기를 위하여 고 압축비에서 만족스럽게 가동될 수 있다. 그러나, 전 부하 조건에서 필요로 하는 저 압축비는 고 압축비의 이익 ?? 즉, 부분 부하 조건 하에서 고 효율, 낮은 연료 소모, 그리고 줄어든 배기 ?? 중 어느 것도 엔진이 달성하지 못하도록 제한한다.

내연 기관의 압축비를 조정할 수 있는 장치들이 이전에 개발되었으나, 그것들 중 대부분은 너무 복잡하고, 무게와 비용을 증가시키며, 신뢰성이 떨어졌다. 그러한 장치들 중 일부는 실린더 헤드의 위치를 바꾸는, 이에 따라 크랭크 샤프트와 피스톤 TDC(및 BDC) 위치에 대한 실린더의 위치를 바꾸는 가변 실린더 체적에 의존하였다. 다른 장치는 피스톤 상사점의 위치 변화에 의존하엿다. 예를 들어, 그러한 장치의 일부는 크랭크 샤프트를 움직이는 것, 이에 따라 실린더들에 대한 TDC (및BDC)의 위치를 움직이는 것에 의하여 기능을 하였고, 다른 장치는 피스톤 그 자체의 높이 치수를 조정하는 것에 의하여 크랭크 샤프트에 대한 커넥팅 로드의 위치를 조정하는 것에 의하여 기능을 하였다.

앞에서 설명한 장치들과 방법들은 그들의 복잡성, 비용, 그리고 신뢰성이 없는 것에 의하여 일반적으로 실현 가능하지 않는 것으로 증명되었다. 따라서, 연료 경제성의 효율을 달성하기 위하여 간단하고, 신뢰성이 있으며, 상대적으로 싼 압축비를 변화시키는 장치에 대한 계속된 요구가 존재한다. 본 발명은 이러한 계속된 요구에 대한 해결책을 제공한다.

본 발명의 목적 및 장점은 이어지는 상세한 설명에서 설명될 것이고 그로부터 명백해 질 것이다. 본 발명의 추가적인 장점은 첨부된 도면뿐만 아니라 기재된 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특별히 지적된 방법들 및 장치들에 의하여 현실화되거나 얻어질 수 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치는 상기 엔진 내에 하나 또는 다수가 배치되어 있으며, 그 각각이 각각의 커넥팅 로드들에 의하여 크랭크 샤프트에 연결되고, 상기 크랭크 샤프트는 엔진 블록에 지지되는 피스톤, 각각의 피스톤과 연결되어 구비된 피스톤 위치 조정 장치, 각각의 피스톤 위치 조정 장치를 작동시키기 위한 시동기, 그리고 상기 시동기를 동작시키기 위한 제어기를 포함한다.

상기 피스톤 위치 조정 장치는 각각의 커넥팅 로드에 장착되어 있으며, 동작시 선회하도록 되어 있는 레버, 각각의 피스톤과 커넥팅 로드에 대하여 회전 가능하게 장착되어 있으며, 어느 순간에도 그들 사이의 복수개의 간극 중 하나를 유지하도록 되어 있는 캠을 포함한다. 상기 캠의 미리 설정된 각도만큼 회전은 각각의 피스톤 헤드와 커넥팅 로드의 작은 단 사이의 상대 간극을 변화하도록 한다. 상기 시동기는 레버의 선회, 캠과 레버 사이의 결합, 그리고 캠의 설정된 각도만큼 회전을 야기하도록 되어 있다. 레버는 예를 들어 스프링에 의하여 커넥팅 로드로부터 탄성적으로 치우쳐 있다.

상기 장치는 상기 레버와 상기 캠 사이에 래칫 기어와 멈춤쇠를 더 포함하되, 멈춤쇠는 레버에 의하여 지지되고, 래칫 기어는 상기 캠에 대하여 회전적으로 고정된 위치에 제공되고, 레버의 선회는 래칫 기어가 멈춤쇠에 의하여 채어 지는 것을 야기하며, 결과적으로 캠이 미리 선택된 각도만틈 회전하는 것을 야기하도록 되어 있다. 상기 멈춤쇠는 그것이 래칫 기어의 이빨과 결합하도록 연장된 위치에 탄성적으로 치우쳐 있다. 멈춤쇠는 상기 커넥팅 로드에 대하여 정치 위치로 레버가 돌아가는 동안 멈춤쇠가 변형되는 것을 허용하도록 선회 부재를 포함한다.

피스톤 위치 조정 장치는 상기 캠이 상기 피스톤에 정의된 캠 면에 접촉하도록 된 복수개의 각도적으로 오프셋 된 면들을 포함하도록 되어 있다. 상기 각도적으로 오프셋 된 면들은 평면 형상이다. 이와는 달리, 상기 각도적으로 오프셋 된 면들은 아치형일 수 있다.

상기 캠은 회전적으로 대칭되며, 상기 캠의 일방향으로의 회전이 각각의 피스톤의 헤드와 커넥팅 로드의 작은 단 사이에 상대적인 간극에 기초하여 결정된 미리 정해진 압축비들 사이에서 변화를 허용하도록 되어 있다.

피스톤의 캠 면에 대한 상기 캠의 회전 정도에 의하여, 상기 캠은 각각의 피스톤과 커넥팅 로드 사이의 두 개의 간극 중 하나를 유지하도록 되어 있다.

각각의 캠은 하나 또는 다수의 간극 블록들과 상기 간극 블록들을 연결하는 피스톤 핀을 포함한다. 상기 피스톤 핀은 커넥팅 로드의 작은 단을 통과하도록 구비된다. 각각의 간극 블록들은 실린더 보어 내에서 최대한 떨어져 있어 각각의 커넥팅 로드에 대한 피스톤의 안정성을 향상시킨다.

상기 장치는 피스톤과 보어에 대하여 직선으로 슬라이드 되도록 된 하나 또는 다수의 가이드들을 포함하며, 캠과 피스톤은 하나 또는 다수의 가이드들에 의하여 상호 연결된다. 상기 하나 또는 다수의 가이드들 각각은 하나 또는 다수의 스프 링들에 의하여 피스톤에 탄력적으로 연결되도록 되어 있으며, 상기 피스톤과 축방향으로 접촉하도록 되어 있다. 상기 하나 또는 다수의 가이드들은, 상기 피스톤과 결합되어 있으며 하나 또는 다수의 가이드들과 결합된 피스톤 핀에 힘을 가하는 스프링에 의하여 탄성적으로 피스톤에 연결되어 있다.

엔진 블록은 주 블록과 대판을 포함하는 쪼개진 블록이다. 상기 시동기는 상기 대판에 연결되어 구비된다. 상기 시동기는 상기 대판에 형성된 공동에 안착되어 있다.

상기 시동기는 상기 레버가 커넥팅 로드에 대하여 선회하도록 하는 레버의 길에 상기 시동기의 일부가 진입하는 위치로 순간적으로 이동하도록 되어 있다. 시동기는 레버의 길로 연장된 스트라이커를 포함한다.

상기 시동기는 상기 레버의 길로부터 탄성적으로 벗어나도록 되어 있으며, 상기 레버의 길로 유압에 의하여 진입되도록 되어 있다. 이것은 예를 들어, 코일 스프링과 같은 스프링을 통하여 이루어진다.

제어기는 탄성력을 이기고 상기 시동기가 레버의 길에 진입하도록 강요하기에 충분한 높은 압력을 시동기에 제공하도록 되어 있는 유압 회로를 포함한다.

상기 시동기는 시동기 보어 내에 위치하며, 작동될 때 레버가 시동기를 때리는 방향의 반대 방향인 시동기의 일면의 시동기 보어에 유체가 채워져 레버와 시동기 사이의 충격을 완화시킨다.

상기 제어기는 내연 기관 엔진과 연관되어 구비된 엔진 관리 장치와 연결되어 구비되고, 상기 엔진 관리 장치는 각 피스톤의 압축비를 조정하기 위하여 시동 기가 언제 작동되어야 하는 지를 각각 결정한다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 내연 기관 엔진의 압축비를 조정하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 엔진 내에 하나 또는 다수의 피스톤이 배치되고, 피스톤은 각각의 커넥팅 로드에 의하여 크랭크 샤프트에 연결되며, 크랭크 샤프트는 엔진 블록에 의하여 지지되는 내연 기관 엔진을 제공하는 단계, 커넥팅 로드와 피스톤 베어링 면 사이에 조정 캠을 포함하는 피스톤 위치 조정 장치를 제공하는 단계, 상기 내연 기관 엔진의 작동 사이클 중 그것의 압축비를 변경해야 하는 시점을 선택하는 단계, 그리고 각각의 피스톤의 헤드와 커넥팅 로드의 작은 단 사이의 상대 간극을 변경하도록 피스톤 위치 조정 장치를 시동시키는 단계를 포함한다.

상기한 바와 도면에서 보여지는, 본 발명의 방법 및 장치는 제작과 유지 보수를 위하여 매우 복잡하지도 않고 비싸지도 않으며, 압축비를 유익하게 변경하는 것을 허용하는 내연 기관 엔진을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 방법 및 그에 해당하는 단계들은 장치의 상세한 설명과 연관하여 설명될 것이다.

본 발명은 적어도 피스톤의 상사점 위치를 변경하는 것을 허용함으로써, 그 리고 선택적으로 피스톤의 상사점과 하사점을 위로 이동하는 것을 허용함으로써 압축비를 변경하는 장치 및 관련된 방법에 관한 것이다. 본 발명은 그것들(피스톤의 상사점과 하사점을 위로 이동하는 것)에 의하여 비례적으로 엔진의 압축비를 증가시킨다. 정확한 시행에 의존하여, 피스톤 위치 조정의 시기는 엔진 사이클의 적절한 행정 동안 선택된다. 예를 들어, 4행정 내연 기관 엔진에서 압축비는 엔진 사이클의 물리적으로 유리한 지점 동안 피스톤을 커넥팅 로드에 대하여 위로 또는 아래로 움직임으로써 증가되거나 감소된다. 예를 들어, 피스톤은 전통적으로 동력 행정에 뒤따르는 배기 행정의 초기에 위로 또는 아래로 움직일 수 있다. 이와는 달리, 피스톤은 전통적으로 흡입 행정에 뒤따르는 압축 행정 초기에 위로 또는 아래로 움직일 수 있다. 이와는 또 반대로, 압축비를 조정하는 피스톤 위치 조정 장치의 동작은 예를 들어 기통 휴지 관리 장치가 사용되는 경우 휴지 행정 동안 또는 휴지 행정에 뒤따르며 일어난다. 피스톤 관성은 피스톤(140)을 커넥팅 로드(153)에 대하여 움직이는데 필요한 힘을 줄이는 데 사용된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일면에 따른 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치(100; 100a, 100b)의 부품들을 함께 보이고 있는데, 도 1은 엔진 대판(110)과, 제어 유닛(101)과 밸브(103)를 포함하는 장치(100)의 제어 부품들을 도시한 일부 평면도이다. 압축비 조정 장치는 엔진 제어 유닛(ECU)에 병합될 수 있다. 이와는 달리, 엔진 제어 관리로부터 독립된 별도의 제어 유닛이 제공될 수도 있다. 도 2는 엔진 피스톤(140)과 장치(100)의 피스톤 위치 조정 장치(120)를 보인 사시도이다.

모든 도면들을 참조하지만 우선적으로 도 1,2를 참조로, 내연 기관 엔진의 압축비를 조정하는 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)는 엔진 블록(도시하지 않음)의 상부에 배치된 하나 또는 다수의 피스톤(140)을 포함한다. 상기 피스톤(140)은 각각의 커넥팅 로드(153)에 의하여 크랭크 샤프트(151)에 연결되어 있으며, 상기 크랭크 샤프트(151)는 엔진 블록에 의하여 지지된다. 상기 엔진 블록은 단일의 구조일 수 있고, 예를 들어 상부와 대판(110)을 포함하는 복수 부분을 포함하는 구조일 수 있다. 피스톤 위치 조정 장치(120)는 각 피스톤(140)들에 연결되어 구비된다. 각 피스톤 위치 조정 장치(120)를 작동시키는 시동기(130)와 상기 시동기(130)를 작동시키는 제어기(102)가 구비된다.

비록 선택된 압축비에 의존하여 피스톤의 증가된 영역을 허용하도록 그 높이가 증가되었지만, 블록과 실린더 헤드는 일반적으로 종래의 형상을 지니고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 피스톤 위치 조정 장치(120)는 각각의커넥팅 로드(153)에 선회 가능하도록 장착된 레버(123)를 포함한다. 비록 다른 형상도 가능하지만, 커넥팅 로드(153) 상의 핀(129a)과 레버(123)에 대응하는 구멍들(129b)(도 5 참조)이 도시된 실시예에서 피벗(129)을 구성한다. 레버(123)는 시동기(130)에 의하여 작동될 때 피봇(129)을 중심으로 회전하도록 되어 있다. 레버(123)는 캠(122(도 12, 13A, 13B, 그리고 15 내지 17 참고)이 각각의 피스톤(140)과 커넥팅 로드(153)를 기준으로 회전 가능하게 장착되도록 하고, 어떤 순간이라도 그들 사이의 복수개의 간극들 중 하나를 유지하도록 되어 있다. 본 발명의 일면에 따르면, 장치(100)는 두 개의 가능한 압축비를 제공하도록 되어 있다. 일면에 따르면, 하나의 압축비의 위치와 다른 하나의 압축비의 위치 사이의 피스톤(140)의 위치 차이는 대략 3.5mm인데, 이는 커넥팅 로드(153)의 이동 중에 고정된 위치, 예를 들어 하사점으로부터 측정된 값이다.

예를 들어, 도 2, 3, 5에 도시된 바와 같이, 레버(12)는 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드(153)의 커다른 (하)단 주위에 연장된 아치형의 하단을 포함한다. 레버(123)는 바람직하게는 피벗(129)에 대하여 균형이 잡혀 있다.

예를 들어 도 13A와 13B에 도시된 바와 같이, 미리 선택된 각도만큼의 캠(122)의 회전은 각각의 피스톤(140)과 커넥팅 로드(153) 사이의 상대 간극을 변화시킨다. 실시예에서는, 캠(122)이 회전적으로 대칭이고 베어링 면들(1227a, 1227b)은 그들의 전연 반대인 베어링 면들이 허용하는 한, 캠(122)의 증가하는 회전 운동에 의하여 주기적으로 압축비들을 변화시킨다. 실시예에서는 캠(122)이 45ㅀ 이상 회전하는 것에 의하여 압축비들 사이에서 변화가 일어난다. 실시예에서는, 예를 들어 도 12에 도시된 바와 같이, 베어링 면(1227a)은 그와 반대되는 면(1227b)보다 직경방향으로 더 멀다. 하나의 바람직한 실시예에서는, 그 간극의 차이가 대략 3.5mm이며, 이는 두 개의 선택된 압축비 사이에서 피스톤(140)의 위치를 대략 3.5mm 변화시키는 효과를 가진다. 그러나, 이러한 위치의 차이 및 이에 따른 압축비의 차이는 엔진 배치 및 연료 타입(가솔린, 디젤 등) 등의 다른 요소에 기초하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

시동기(130)는 레버(123)의 선회를 야기하고, 캠(122)과 레버(123) 사이의 결합을 야기하며, 캠(122)이 미리 선택된 각도만큼 회전하는 것을 야기한다. 레버(123)는 커넥팅 로드(153)에 대하여, 예를 들어 스프링(128)(도 6 참조)에 의 하여 탄력 있게 치우쳐 있다. 스프링(128)은 판 스프링일 수 있으며, 이와는 달리 다른 종류의 스프링 또는 탄력 있게 치우치도록 하는 수단일 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 레버(123)와 캠(122) 사이에 개재된래칫 기어(1223)와 멈춤쇠(127)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 멈춤쇠(127)는 레버(123)에 의하여 지지되며, 래칫 기어(1223)는 캠(122)의 다른 부품들에 대하여 회전적으로 고정된 위치에 구비된다. 레버(123)의 선회는 래칫 기어(1223)가 멈춤쇠(127)에 의하여 채이도록 하고, 이에 따라 캠(122)이 미리 선택된 각도만큼 회전하도록 한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 래칫 기어(1223)의 각 구획들은 캠(122)의 베어링면(1227; 1227a, 1227b)의 형상에 대응하여 45ㅀ 회전에 대응한다. 멈춤쇠(127)는 그것이 래칫 기어(1223)의 이빨과 결합된 연장 위치에서 탄력적으로 치우쳐 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 멈춤쇠(127)는 선회 가능한 이빨(127a), 스프링 요소들과 결합된 지지구(127b), 그리고 피벗 핀(127c)을 포함할 수 있으며, 커넥팅 로드(153)에 대한 정지 위치로 레버(123)가 돌아가는 동안 멈춤쇠(127)의 변형을 허용한다.

앞에서 언급한 바와 같이, 피스톤 위치 조정 장치(120)는 피스톤(140)에 정의된 캠 면(147)(도 15 참조)에 접촉하도록 되어 있는 각도적으로 오프셋된 복수개의 면(1227a, 1227b)을 캠(122)이 포함하도록 되어 있다. 각도적으로 오프셋된 면들(1227)은 대체적으로 평면 형상이다. 이와는 달리, 각도적으로 오프셋된 면들(1227)은 대체적으로 아치형일 수 있다.

도시된 바와 같이, 캠(122)은 피스톤(140)의 캠 면(147)에 대한 캠(122)의 회전에 따라 각각의 피스톤(140)과 그에 연관된 커넥팅 로드(153) 사이의 두 개의 간극 중 하나를 유지하도록 되어 있다. 이와는 달리, 본 발명의 실시예에 따르면, 다른 형상의 캠 간극 블록들(1221)을 포함하는 추가적인 형상도 가능하다. 예를 들어, 도시된 간극 블록들(1221)은 대체적으로 그 단면이 8각형이다. 그러나, 간극 볼록들(1221)은 이와는 달리 3단계의 압축비를 허용하는 추가적인 베어링 면(1227)과 이에 해당하는 숫자와 배열의 래칫 기어 이빨을 가질 수 있다. 이와는 또 달리, 간극 블록들(1221)은 장축과 단축을 가지는 타원형과 같이 연속적인 곡면과, 바람직하게는 각도적으로 일정한 간력을 가진 특정한 숫자와 배열의 래칫 기어 이빨을 가질 수 있다.

도 12에서 잘 보이듯이, 각 캠(122)은 복수개의 간극 블록들(1221)과 상기 간극 블록들(1221)을 연결하는 피스톤 핀(1225)을 포함할 수 있다. 피스톤 핀(1225)은 커넥팅 로드(153)의 작은 단(154)(도 5 참조)을 통과하도록 구비된다. 간극 블록들(1221)은 실린더 보어(1357)(도 13A, 13B 참조) 내에서 최대한 떨어져 있도록 되어 있다. 이에 따라, 각각의 커넥팅 로드(153)에 대한 피스톤(140)의 안정성을 향상시킨다.

도 15 내지 17에서 잘 보이듯이, 상기 장치(100)는 핀 캐리어를 구성하며, 피스톤(140)과 보어(1357)들에 대하여 직선으로 슬라이드 되도록 된 하나 또는 다수의 슬라이딩 가이드들(143a, 143b)을 더 포함한다. 이에 따라, 캠(122)과 피스톤(140)은 상기 가이드들(143a, 143b)에 의하여 서로 연결된다. 도시된 바와 같이, 오목한 내주면, 이 경우에는 V자 형상의 홈들이 각각의 가이드들(143a, 143b)의 마주보는 양 단에 형성되어 있으며, 이에 대응하는 면이 피스톤 바디(141)의 경계단에 형성되어 있다. 따라서, 단지 대체적으로 가이드들(143a, 143b)의 직선 병진 운동만이 허용된다. 가이드들(143a, 143b) 각각은 하나 또는 다수의 스프링들(145a, 145b)에 의하여 피스톤에 탄성적으로 연결되어 있으며, 축 방향으로 피스톤(140)에 접촉하도록 강요된다. 가이드들(143a, 143b) 각각은 피스톤 바디(141)에 결합된 각각의 스프링(145a, 145b)에 의하여 피스톤 바디(141)에 탄성적으로 연결되어 있다. 각각의 스프링(145a, 145b)은 하나 또는 다수의 가이드들(143a, 143b)과 결합한 피스톤 핀(1225)에 힘을 가한다. 도시된 바와 같이, 와이어 스프링(145a, 145b)은 피스톤(140)의 스커트(skirt)와 크라운(crown)에 대하여 가이드(143a, 143b)의 병진 운동을 허용 가능한 한계 내에서 유지하기에 충분한 힘을 제공한다. 도시된 슬라이딩 가이드(143a, 143b)의 변형도 가능함을 이해할 수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이, 엔진 블록은 주 블록과 대판(110)을 가진 쪼개진 블록일 수 있다. 도 1 및 도 18에 도시된 바와 같이, 시동기(130)는 대판(110)과 연결되어 구비된다. 시동기(130)는 대판(110)에 형성된 각각의 공동에 안착될 수 있다.

특히 도 8A와 8B를 참조로, 시동기(130)는 그것의 스트라이커(137)를 레버(123)의 길(858)에 위치하도록 작동되는 위치로 움직이도록 되어 있다. 이에 따라, 레버(123)의 돌기(125)가 스트라이커(137)를 치고 레버(123)가 커넥팅 로드(153)에 대하여 선회할 수 있다. 시동기(130)는 바람직하게는 레버(123)의 길(858)로부터 탄성적으로 벗어나 있으며, 유압에 의하여 상기 길(858)로 움직일 수 있다. 이러한 탄성적인 치우침은 코일 스프링(139)에 의하여 이루어진다.

가변 압축비 장치는 전용 제어 유닛 또는 엔진 제어 장치(101)(도 1 참조)에 병합된 제어 하드웨어와 프로그램 코드에 의하여 제어될 수 있다. 이에 따라, 제어기(102)는 어떤 수간 그리고 어떤 작동 파라미터들 하에서 압축비가 변경되어야 하는지 정해진 엔진 부하와 성능 특성의 맵에 미리 프로그램될 수 있다. 그러한 파라미터들에는, 예를 들어 스로틀 위치, 매니폴드 절대 압력, 엔진 속력 및/또는 엔진 작동 온도 등을 포함한다.

제어기(102)는 유압 회로(104)를 포함할 수 있으며, 상기 유압 회로(104)는 각각의 스프링(139)의 탄성력에 대항하여 시동기(130)를 레버(123)의 돌기(125)의 길(858)로 움직이도록 강요하기에 충분한 높은 압력을 시동기(130)에 제공한다. 이를 대체하기 위하여 또는 추가적으로, 시동기(130)는 엔진 블록의 외부에 위치하는 부품으로부터 기계적인 기구에 의하여 작동할 수도 있고/있거나 자기적으로 작동할 수 있다. 제어 밸브(103)는 제어 유닛(101)으로부터 신호를 받아 시동기 내로 유체의 흐름을 허용하도록 열릴 수 있다.

실시예에서는, 각 시동기(130)는 각각의 시동기 보어(135) 내에 위치하며, 작동될 때, 레버(123)의 돌기(125)가 시동기(130)의 스트라이커(137)를 때리는 방향의 반대 방향인 시동기(130)의 일면의 시동기 보어(135)의 챔버(136)를 유체가 채워 레버(123)의 돌기(125)와 시동기(130)의 스트라이커(137) 사이의 충격을 완화한다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 내연 기관 엔진의 압축비를 조정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 일면으로는, 엔진 블록의 상부에 배치된 하나 또는 다수의 피스톤(140)을 가지는 내연 기관 엔진을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 피스톤(140)은 각각의 커넥팅 로드(153)에 의하여 크랭크 샤프트(151)에 연결되어 있으며, 크랭크 샤프트(151)는 엔진 블록에 지지된다. 상기 방법은 조정 캠(122)을 커넥팅 로드(153)와 피스톤 베어링 면(147) 사이에 포함하는 피스톤 위치 조정 장치(120)를 제공하는 단계를 더 포함한다. 이 때, 내연 기관 엔진의 작동 사이클 동안 압축비를 변경하여야 하는 점을 선택하고, 각각의 피스톤(140)과 커넥팅 로드(153) 사이의 상대 간극을 바꾸도록 피스톤 위치 조정 장치(120)를 시동시켜야 한다. 캠(122)은 회전하며 압축비를 조정할 수 있어야 한다.

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.

본 명세서와 병합되고 그 일부를 형성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 방법 및 장치를 더 잘 이해하도록 설명하고 제공하기 위하여 포함되었다. 발명의 상세한 설명과 함께, 도면들은 발명의 원리를 설명하기 위하여 제공된다.

도 1은 엔진 대판(engine bedplate)과 장치의 제어 부품들을 도시한 본 발명의 일면에 따른 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치의 일부 평면도이다.

도 2는 엔진 대판과 장치의 피스톤 위치 조정 장치를 도시한 본 발명의 일면에 따른 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치의 사시도이다.

도 3은 도 2의 엔진 피스톤 및 피스톤 위치 조정 장치의 정면도이다.

도 4는 도 2의 엔진 피스톤 및 피스톤 위치 조정 장치의 측면도이다.

도 5는 도 2의 커넥팅 로드와 피스톤 위치 조정 장치의 일부를 도시한 분해 사시도이다.

도 6은 도 2의 피스톤 위치 조정 장치의 레버부를 도시한 사시도이다.

도 7은 도2의 피스톤 위치 조정 장치의 하단을 도시한 사시도와 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 위치 조정 장치를 동작시키기 위한 시동기의 부분 단면도인데, 피스톤 위치 조정 장치의 레버는 피스톤 위치 조정 장치를 작동시키기 위하여 시동기를 치도록 위치한다.

도 8A는 곡선 길을 따라 이동하는 피스톤 위치 조정 장치의 레버의 하단부를 도시한 개략적인 측면도인데, 시동기는 그 길의 바깥쪽에 위치하는 것을 도시하였다.

도 8B는 곡선 길을 따라 이동하는 피스톤 위치 조정 장치의 레버의 하단부를 도시한 개략적인 측면도인데, 시동기는 그 길의 안쪽에 위치하고, 레버는 시동기를 쳐서 피스톤 위치 조정 장치를 작동시킬 준비가 되어 있는 것을 도시하였다.

도 9는 이전 도면들의 시동기 및 이 시동기와 관련된 제어 밸브를 도시한 평면도이다.

도 10은 멈춤쇠 부분과 리턴 스프링을 나타내는 피스톤 위치 조정 장치의 레버부의 상단을 도시한 부분 사시도이다.

도 11은 피스톤 위치 조정 장치의 멈춤쇠의 확대된 사시도이다.

도 12는 레버, 멈춤쇠, 그리고 캠과 관련된 협력하는 래칫 기어를 나타내는 피스톤 위치 조정 장치의 상부를 도시한 부분 사시도이다.

도 13A는 엔진의 제1압축비를 유지하기 위하여 위치된 캠 부분을 나타내는 피스톤과 피스톤 위치 조정 장치의 부분 단면 사시도이다.

도 13B는 엔진의 제2압축비를 유지하기 위하여 위치된 캠 부분을 나타내는 피스톤과 피스톤 위치 조정 장치의 부분 단면 사시도이다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 관련 압축비 사이에서 피스톤 위치 변화를 도시한 개략적인 측면도이다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤의 하면과 피스톤 위치 조정 장치의 캠 부분을 도시한 분해 사시도이다.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤과 피스톤 위치 조정 장치의 캠 부분을 도시한 분해 측면도이다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤의 하면과 피스톤 위치 조정 장치의 캠 부분을 도시한 저면도이다.

도 18은 엔진 대판과 그들 사이에 구비된 통합 시동기를 도시한 사시도이다.

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 시동기가 그 안에 구비된 엔진의 장착 영역의 예 및 피스톤 위치 조정 장치의 부분 절단 사시도이다.

도 20은 본 발명의 실시예에 따른 시동기가 그 안에 구비된 엔진의 장착 영역의 예를 도시한 부분 절단 측면도이다.

도 21은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 위치 조정 장치의 시동기의 이동부를 도시한 사시도이다.

Claims (21)

1. 내연 기관 엔진의 압축비를 조정하는 장치에 있어서,

   a) 상기 엔진 내에 하나 또는 다수가 배치되어 있으며, 그 각각이 각각의 커넥팅 로드들에 의하여 크랭크 샤프트에 연결되고, 상기 크랭크 샤프트는 엔진 블록에 지지되는 피스톤;

   b) 각각의 피스톤과 관련하여 구비되어 있으며,

   ⅰ) 각각의 커넥팅 로드들에 선회 가능하게 장착되어 있으며, 작동될 때 선회하도록 되어 있는 레버, 그리고

   ⅱ) 각각의 피스톤 및 커넥팅 로드에 대하여 회전 가능하게 장착되어 있으며, 어느 순간에도 그들 사이의 복수개의 간극 중 하나를 유지시키고, 미리 설정된 각도만큼 회전하면 각각의 피스톤의 헤드와 커넥팅 로드의 작은 단 사이의 상대 간극이 변화하도록 된 캠

   을 포함하는 피스톤 위치 조정 장치;

   c) 각각의 피스톤 위치 조정 장치를 작동시키고, 레버의 선회, 캠과 레버 사이에 결합, 그리고 미리 설정된 각도만큼 캠의 회전을 야기하는 시동기; 그리고

   d) 상기 시동기를 동작시키기 위한 제어기;

   를 포함하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 레버는 상기 커넥팅 로드에 대하여 탄성적으로 치우쳐 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는 상기 레버와 상기 캠 사이에 래칫 기어와 멈춤쇠를 더 포함하되,

   멈춤쇠는 레버에 의하여 지지되고, 래칫 기어는 상기 캠에 대하여 회전적으로 고정된 위치에 제공되고, 레버의 선회는 래칫 기어가 멈춤쇠에 의하여 채어지는 것을 야기하며, 결과적으로 캠이 미리 선택된 각도만틈 회전하는 것을 야기하도록 된 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   피스톤 위치 조정 장치는 상기 캠이 상기 피스톤에 정의된 캠 면에 접촉하도록 된 복수개의 각도적으로 오프셋 된 면들을 포함하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 각도적으로 오프셋 된 면들은 평면 형상인 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 캠은 회전적으로 대칭되며, 상기 캠의 일방향으로의 회전이 각각의 피스톤의 헤드와 커넥팅 로드의 작은 단 사이에 상대적인 간극에 기초하여 결정된 미리 정해진 압축비들 사이에서 변화를 허용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   피스톤의 캠 면에 대한 상기 캠의 회전 정도에 의하여, 상기 캠은 각각의 피스톤과 커넥팅 로드 사이의 두 개의 간극 중 하나를 유지하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
8. 제 1항에 있어서,

   각각의 캠은 하나 또는 다수의 간극 블록들과 상기 간극 블록들을 연결하는 피스톤 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는 피스톤과 보어에 대하여 직선으로 슬라이드 되도록 된 하나 또는 다수의 가이드들을 포함하며, 캠과 피스톤은 하나 또는 다수의 가이드들에 의하여 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 하나 또는 다수의 가이드들 각각은 하나 또는 다수의 스프링들에 의하여 피스톤에 탄력적으로 연결되도록 되어 있으며, 상기 피스톤과 축방향으로 접촉하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 하나 또는 다수의 가이드들은, 상기 피스톤과 결합되어 있으며 하나 또는 다수의 가이드들과 결합된 피스톤 핀에 힘을 가하는 스프링에 의하여 탄성적으로 피스톤에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
12. 제 1항에 있어서,

    엔진 블록은 주 블록과 대판을 포함하는 쪼개진 블록인 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 시동기는 상기 대판에 연결되어 구비되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 시동기는 상기 대판에 형성된 공동에 안착되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
15. 제 1항에 있어서,

    상기 시동기는 상기 레버가 커넥팅 로드에 대하여 선회하도록 하는 레버의 길에 상기 시동기의 일부가 진입하는 위치로 순간적으로 이동하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
16. 제 15항에 있어서,

    시동기는 레버의 길로 연장된 스트라이커를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
17. 제 16항에 있어서,

    상기 시동기는 상기 레버의 길로부터 탄성적으로 벗어나도록 되어 있으며, 상기 레버의 길로 유압에 의하여 진입되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
18. 제 17항에 있어서,

    제어기는 탄성력을 이기고 상기 시동기가 레버의 길에 진입하도록 강요하기에 충분한 높은 압력을 시동기에 제공하도록 되어 있는 유압 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 시동기는 시동기 보어 내에 위치하며, 작동될 때 레버가 시동기를 때리는 방향의 반대 방향인 시동기의 일면의 시동기 보어에 유체가 채워져 레버와 시동기 사이의 충격을 완화시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
20. 제 1항에 있어서,

    상기 제어기는 내연 기관 엔진과 연관되어 구비된 엔진 관리 장치와 연결되어 구비되고, 상기 엔진 관리 장치는 각 피스톤의 압축비를 조정하기 위하여 시동기가 언제 작동되어야 하는 지를 각각 결정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치.
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