KR19980035320A - 압축비 가변형 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 압축비를 가변하기 위해 크랭크 샤프트의 높이를 가변하도록 구성된 압축비 가변형 엔진에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압축비 가변형 엔진은 크랭크 샤프트(10)의 양단을 회전이 자유롭게 지지하는 메인베어링(11,12)과 크랭크 케이스(13) 사이에 편심기어(21,22)를 설치하고, 편심기어(21,22)의 하방에 설치되며 크랭크 케이스(13)에 지지된 콘트롤 샤프트(31,32)에는 각기 편심기어(21,22)와 맞물린 한 쌍의 콘트롤 기어(35,36)를 설치하여 구성된다. 구동 콘트롤 샤프트(31)는 크랭크 케이스(13)에 한 쌍의 베어링(33,34)으로 회전이 자유롭게 고정지지되어 콘트롤 모터(60)에 의해 선택적으로 구동되며, 구동 콘트롤 기어(35)는 크랭크 샤프트(10)를 지지하는 외측 편심기어(22)와 맞물려 있다. 한편, 외측 편심기어(22)가 일정한 쾌적을 따라 회전함에 반해, 내측 편심기어(21)는 회전에 따라 중심이 이동하게 되므로, 내측 편심기어(21)와 맞물린 피동 콘트롤 기(36)가 고정되는 피동 콘트롤 샤프트(32)는 편심기어(21)의 회전에 따라 중심이 가변될 수 있도록 부채꼴의 간극조절 브라켓(40)을 이용하여, 구동 콘트롤 샤프트(31)와 이격되어 크랭크 케이스(13)에 대해 원호형으로 이동할 수 있도록 설치된다.

이에 따라, 주행조건 등에 따라 항시 적절한 압축비를 유지하여 엔진의 성능을 극대화함은 물론 연비향상에도 기여할 수 있게 된다.

Description

압축비 가변형 엔진

본 발명은 압축비 가변형 엔진에 관한 것이며, 특히 압축비를 가변하기 위해 크랭크 샤프트의 회전축을 편심시키기 위한 크랭크 샤프트 높이조절장치에 관한 것이다.

자동차의 엔진은 동력을 발생하는 부분으로, 실린더헤드, 실린더, 피스턴, 커낵팅로드, 크랭크 샤프트, 플라이휠, 캠 샤프트, 밸브 등으로 구성되어 있으며, 실린더내의 폭발에 의해 피스톤에 설치된 커넥팅로드에 연결된 크랭크 샤프트를 회전시켜 피스톤의 직선 동력을 회전동력으로 변환시킨다.

도 1에 종래의 일반적인 4기통 엔진의 구성이 도시되어 있다. 도시의 편의상 실린더블록과 크랭크케이스의 구성만 개략적으로 도시하였다.

도시된 바와 같이, 크랭크 샤프트(1)는 크랭크 케이스(2) 안에 설치된 메인베어링(3,4)으로 양단이 지지되어 있고, 크랭크 샤프트의 크랭크 핀에는 커넥팅로드(5)가 설치되고, 커넥팅로드(5)의 상단은 피스톤(6)에 연결되어, 실린더(7)내의 폭발에 의해 피스톤(6)이 하향하며 크랭크 샤프트(1)를 회전시키고 크랭크 샤프트(1)에 의해 상이한 각도로 장착된 다른 피스톤(6)은 실린더(7)내의 혼합기를 압축하게 된다.

한편, 엔진의 출력은 피스톤의 하사점과 상사점에 있어서의 용적비인 엔진의 압축행정에서 연소실의 압축 전 최대용적과 압축 후 최소용적의 비를 나타내는 압축비(compression ratio)에 의해 결정되며, 압축비가 높을수록 출력이 증대되게 된다. 한편, 압축비가 과도하게 커지면 노킹현상이 발생되므로 압축비는 가솔린엔진에서는 통상 7~11 : 1로 설정되어 있다.

따라서, 엔진의 효율과 연비를 향상시키기 위해서는 주행상태에 따라 압축비를 변환시켜, 부분 부하시나 저속시에는 압축비를 높게 하고, 녹킹이 발생할 때는 압축비를 감소시키는 등 압축비를 가변시킬 수 있다면 엔진의 성능을 극대화할 수 있을 것이다.

이러한, 압축비는 피스톤(6)의 상승 및 하강 거리에 의해 좌우되므로 피스톤(6)이 설치된 크랭크 샤프트(1)의 높이를 가변시킬 수 있도록 구성한다면 압축비를 가변할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 차량의 주행상태 및 부하상태 등에 따라 크랭크 샤프트의 높이를 조정하여 압축비를 가변할 수 있는 압축비 가변형 엔진을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 크랭크 샤프트의 구성을 도시하는 엔진의 개략적인 횡단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 압축비 가변형 엔진의 구성을 도시하는 도 1에 유사한 엔진의 횡단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 콘트롤 샤프트의 구성을 도시하는 콘트롤 샤프트의 저면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 편심기어와 콘트롤 기어의 관계를 도시하는 작동상태도이다.

도 5는 간격지지 브라켓을 이용한 본 발명에 따른 피동 콘트롤 샤프트의 지지방식을 예시하는 구성도이다.

도 6은 피동 콘트롤 샤프트를 회전시키기 위한 신크로나이징 기어의 구성을 도시하는 부분 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 크랭크 샤프트11,12 : 메인베어링

13 : 크랭크 케이스21 : 내측 편심기어

22 : 외측 편심기어31 : 구동 콘트롤 샤프트

32 : 피동 콘트롤 샤프트35 : 구동 콘트롤 기어

36 : 피동 콘트롤 기어40 : 간격지지 브라켓

45 : 고정축41,49 : 지지단

46 : 토셔날 스프링51,52 : 신크로나이징 기어

60 : 콘트롤 모터61 : 제어부

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 자동차용 엔진에 있어서, 크랭크 샤프트의 메인베어링상에 설치되며 편심슬리브를 가지는 내측 편심기어와 내측 편심기어의 편심슬리브의 외측에 삽입지지되어 크랭크 샤프트를 지지하는 슬리브를 가지는 외측 편심기어, 크랭크 케이스에 회전이 자유롭게 설치되어 크랭크 샤프트의 하방에 설치되며 외측 편심기어와 맞물리는 구동 콘트롤 기어를 구비한 구동 콘트롤 샤프트, 구동 콘트롤 샤프트를 회전시키는 콘트롤 모터, 상단이 구동 콘트롤 샤프트에 회전이 자유롭게 설치되는 간격지지 브라켓, 간격지지 브라켓의 하단에 설치되며 내측 편심기어와 맞물리는 피동 콘트롤 기어를 구비한 피동 콘트롤 샤프트 및 크랭크 케이스에 고정되어 간격지지 브라켓의 하단을 탄성적으로 지지하는 탄성수단으로 구성되는 압축비 가변형 엔진을 제공한다.

또한, 본 발명은 콘트롤 모터가 제어부에 의해 자동차의 주행조건과 부하조건에 따라 구동 콘트롤 샤프트를 회전시켜, 구동 콘트롤 기어와 맞물린 외측 편심기어를 회전시키고, 외측 편심기어와 연동하는 내부 편심기어의 회전위치를 설정하므로써 크랭크 샤프트의 설치 높이를 가변하도록 구성된 압축비 가변형 엔진을 제공한다.

또한, 본 발명은 간격지지 브라켓의 하단에 지지단을 형성하고, 간격지지 브라켓의 하단에 인접하여 크랭크 케이스에 지지단을 설치하여 크랭크 케이스에 설치된 고정단에 고정된 토셔널 스프링의 양단을 각기 간격지지 브라켓의 지지단과 크랭크 케이스의 지지단에 설치하여 피동 콘트롤 샤프트가 내측 편심기어의 편심회전에 따라 원호운동하여 피동 콘트롤 기어가 항시 내측 편심기어와 맞물리도록 구성한 압축비 가변형 엔진을 제공한다.

또한, 본 발명은 구동 콘트롤 샤프트와 피동 콘트롤 샤프트에 각기 서로 맞물리는 신크로나이징 기어를 설치하여 구성되는 압축비 가변형 엔진을 제공한다.

이에 따라, 크랭크 샤프트의 설치높이를 가변하여 주행조건 등에 따라 항시 적절한 압축비를 유지하므로써 엔진의 성능을 극대화함은 물론 연비향상에도 기여할 수 있게 된다.

이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명에 따른 압축비 가변형 엔진에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2와 도 3에 본 발명에 따른 압축비 가변형 엔진의 횡단면도 및 저면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압축비 가변형 엔진은 크랭크 샤프트(10)의 양단을 회전이 자유롭게 지지하는 메인베어링(11,12)과 크랭크 케이스(13) 사이에 편심기어(21,22)를 설치하고, 편심기어(21,22)의 하방에 크랭크 케이스(13)에 지지된 구동 콘트롤 샤프트(31)와 구동 콘트롤 샤프트(31)와 이격되어 회전 및 원호운동이 가능하게 장착된 피동 콘트롤 샤프트(32)를 설치한다. 콘트롤 샤프트(31,32)에는 크랭크 샤프트(10)의 메인베어링(11,12)에 설치된 편심기어(21,22)와 맞물리도록 콘트롤 기어(35,36)가 설치되어 있다.

그러나, 크랭크 샤프트(10)는 양단에 메인베어링(11,12)을 사용하는 2베어링 지지방식 외에도 3베어링 지지방식, 5베어링 지지방식 등으로 지지되므로, 지지방식에 따라 각 메인베어링상에 본 발명에 따른 편심기어(21,22)를 설치하고, 콘트롤 샤프트(31,32)의 대응하는 위치에는 콘트롤 기어(35,36)를 설치하여야 한다. 따라서, 도 2와 도 3은 가장 보편적인 5베어링 지지방식의 엔진이지만 도시의 편의상 양단의 메인베어링(11,12)에만 본 발명에 따른 편심기어를 설치한 것으로 도시하였다.

편심기어(21,22)는 다양하게 구성할 수 있을 것이나, 편심원판(eccentric disc)의 구성을 이용하여 한 쌍의 서로 겹쳐진 내측 편심기어(21)와 외측 편심기어(22)로 구성되어, 각 편심기어(21,22)에 크랭크 케이스(13)와 메인베어링(11,12) 사이에 지지될 슬리브(23,24)를 설치하고, 내측 편심기어(21)의 슬리브(23)를 메인베어링(11,12)상에 편심적으로 설치하고, 외측 편심기어(22)의 슬리브(24)는 내측 편심기어(21)의 슬리브(23)에 삽입되어 크랭크 샤프트(10)를 지지하며 한편, 외측 편심기어(22)의 기어부는 일정한 쾌적을 그리게 된다. 따라서, 외측 편심기어(22)의 균일한 회전에 따라 내측 편심기어(21)의 슬리브(23)에 지지된 크랭크 샤프트(10)는 상방으로 편심회전하도록 구성된다.

한편, 콘트롤 샤프트(31,32)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 구동 콘트롤 샤프트(31)와 피동 콘트롤 샤프트(32)로 구분되어, 구동 콘트롤 샤프트(31)는 크랭크 케이스(13)에 한 쌍의 베어링(33,34)으로 회전이 자유롭게 지지되어 콘트롤 모터(60)에 의해 구동되며, 크랭크 샤프트(10)를 지지하는 편심기어(21,22)와 맞물려 크랭크 샤프트(10)의 높이를 조절하기 위해 편심기어(21,22)를 회전시키게 된다.

즉, 도 4에 점선과 일점쇄선으로 도시한 바와 같이, 외측 편심기어(22)가 실선으로 도시된 일정한 쾌적을 그림에 반해, 내측 편심기어(21)는 크랭크 샤프트(10)에 편심되어 설치되어 있으므로, 콘트롤 기어(36)의 회전에 따라 점선과 일점쇄선으로 도시한 바와 같이 회전중심이 외측 편심기어(22)의 회전중심이자 최저위치인 a에서 다소 높은 b로 이어 최고점인 c로 차례로 상향되었다가, b의 위치에 대응하는 d로 이동하였다가 외측 편심기어(22)가 일회전하게 되면 a의 위치로 복귀하게 된다. 도시의 목적상 내측 편심기어(21)의 회전을 90도 씩 분할하여 내측 편심기어(21)의 중심점(a,b,c,d)을 표시하였으나, 내측 편심기어(21)의 중심은 구동 콘트롤 기어(35)의 회전에 따라 a와 d 사이에서 연속적으로 변하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 크랭크 샤프트(10)의 위치는 내측 편심기어(21)의 편심도에 따라 최저점 a에서 최고점 d까지 다양한 압축비를 구성하도록 크랭크 샤프트(10)의 지지위치가 연속적으로 가변될 수 있게 구성되어 있다.

한편, 크랭크 샤프트(10)의 위치를 가변하기 위한 콘트롤 샤프트(31,32)의 작동방식을 도 2 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

콘트롤 샤프트(31,32)의 콘트롤 기어(35,36)는, 상술한 바와 같이, 크랭크 샤프트(10)의 양단에 설치된 한 쌍의 편심기어(21,22)와 각기 맞물려 있으며, 구동 콘트롤 샤프트(31)에 설치된 구동 콘트롤 기어(35)는 외측 편심기어(22)를 지지하여 회전중심이 일정한 외측 편심기어(22)를 회전시켜, 외측 편심기어(22)와 일체로 설치된 내측 편심기어(21)가 회전하여 크랭크 샤프트(10)의 지지점을 상승시키게 된다.

한편, 도 3과 도 6에 도시된 바와 같이, 양 콘트롤 샤프트(31,32)에는 신크로나이징 기어(51,52)가 설치되어 구동 콘트롤 샤프트(31)의 회전에 따라 피동 콘트롤 샤프트(32)도 연동하여 회전하게 된다.

한편, 피동 콘트롤 샤프트(32)는 내측 편심기어(21)와 맞물려 내측 편심기어(21)를 지지하게 되며, 내측 편심기어(21)의 편심에 따라 내측 편심기어(21)의 회전반경이 상이하게 되므로 구동 콘트롤 샤프트(31)의 회전에 따라 피동 콘트롤 샤프트(32)는 원호방향으로 위치가 가변되도록 구성해야 한다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 외측 편심기어(22)가 일정한 쾌적을 그림에 반해, 내측 편심기어(21)는 회전에 따라 점선과 일점쇄선으로 도시한 바와 같이 중심이 이동하게 되므로, 내측 편심기어(21)와 맞물린 피동 콘트롤 샤프트(32)는 편심기어(21)의 회전에 따라 중심이 가변되어야 한다.

따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 부채꼴의 간극조절 브라켓(40)을 이용하여, 피동 콘트롤 샤프트(32)는 구동 콘트롤 샤프트(31)와 이격되어 브라켓(40)의 원주방향에 설치되며 크랭크 케이스(13)에 대해 축이 이동할 수 있도록 설치된다.

이를 위해, 간극조절 브라켓(40)의 피동 콘트롤 샤프트(32)의 설치위치에 인접하여 지지단(41)을 형성하고, 간극조절 브라켓(40)에 인접하여 크랭크 케이스(13)에 지지축(45)과 지지축(45)에 인접하여 지지단(49)을 형성하고, 토셔날 스프링(46)의 한 쌍의 지지종단(47,48)을 각기 간극조절 브라켓(40)의 지지단(41)과 크랭크 케이스(13)의 지지단(49)에 설치한다.

또한, 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 피동 콘트롤 샤프트(32)의 타단은 고정브라켓(55)을 이용하여 지지하거나 혹은 간극조절 브라켓(40)을 고정브라켓(55)의 위치나 크랭크 케이스(13)에 대칭적으로 설치하여 구성하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 내측 편심기어(21)와 맞물린 피동 콘트롤 기어(36)는 내측 편심기어(21)의 중심이동에 맞추어 항시 내측 편심기어(21)와 맞물려 지지하게 된다.

한편, 편심기어(21,22)를 회전시켜 크랭크 샤프트(10)의 높이를 조절하기 위한 구동 콘트롤 샤프트(31)는 콘트롤 모터(60)에 의해 회전하게 되며, 콘트롤 모터(60)는 제어부(61)에 의해, 차속센서, 노킹검지센서, 엔진부하센서 등의 정보를 받아 주행조건이나 노킹조건, 엔진부하조건 등에 따른 적절한 압축비에 대한 데이타에 따라 내측 편심기어(21)의 회전각으로 제어하여, 크랭크 샤프트(10)의 높이를 조정하게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 엔진의 압축비 가변장치를 사용하므로써, 주행조건 등에 따라 항시 적절한 압축비를 유지하여 엔진의 성능을 극대화함은 물론 연비향상에도 기여할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 구체적인 일 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

예컨데, 본 발명은 4기통 엔진을 예로 들어 설명하였으나 엔진의 기통수와는 무관하게 적용될 수 있다.

Claims (4)

1. 자동차용 엔진에 있어서, 크랭크 샤프트의 메인베어링상에 설치되며 편심슬리브를 가지는 내측 편심기어와 내측 편심기어의 편심슬리브의 외측에 삽입지지되어 크랭크 샤프트를 지지하는 슬리브를 가지는 외측 편심기어, 크랭크 케이스에 회전이 자유롭게 설치되어 크랭크 샤프트의 하방에 설치되며 외측 편심기어와 맞물리는 구동 콘트롤 기어를 구비한 구동 콘트롤 샤프트, 구동 콘트롤 샤프트를 회전시키는 콘트롤 모터, 상단이 구동 콘트롤 샤프트에 회전이 자유롭게 설치되는 간격지지 브라켓, 간격지지 브라켓의 하단에 설치되며 내측 편심기어와 맞물리는 피동 콘트롤 기어를 구비한 피동 콘트롤 샤프트 및 크랭크 케이스에 고정되어 간격지지 브라켓의 하단을 탄성적으로 지지하는 탄성수단으로 구성되는 압축비 가변형 엔진.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 콘트롤 모터가 제어부에 의해 자동차의 주행조건과 부하조건에 따라 구동 콘트롤 샤프트를 회전시켜, 구동 콘트롤 기어와 맞물린 외측 편심기어를 회전시키고, 외측 편심기어와 연동하는 내부 편심기어의 회전위치를 설정하므로써 크랭크 샤프트의 설치 높이를 가변하도록 구성된 것을 특징으로 하는 압축비 가변형 엔진.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 간격지지 브라켓의 하단에 지지단을 형성하고, 간격지지 브라켓의 하단에 인접하여 크랭크 케이스에 지지단을 설치하여 크랭크 케이스에 설치된 고정단에 고정된 토셔널 스프링의 양단을 각기 간격지지 브라켓의 지지단과 크랭크 케이스의 지지단에 설치한 것을 특징으로 하는 압축비 가변형 엔진.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 콘트롤 샤프트와 피동 콘트롤 샤프트에 각기 서로 맞물리도록 설치된 신크로나이징 기어를 구비한 것을 특징으로 하는 압축비 가변형 엔진.