KR20110043978A - 가변 압축비 장치 - Google Patents

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KR20110043978A
KR20110043978A KR1020090100754A KR20090100754A KR20110043978A KR 20110043978 A KR20110043978 A KR 20110043978A KR 1020090100754 A KR1020090100754 A KR 1020090100754A KR 20090100754 A KR20090100754 A KR 20090100754A KR 20110043978 A KR20110043978 A KR 20110043978A
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Abstract

본 발명은 가변 압축비 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내의 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 가변시키는 가변 압축비 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 피스톤, 크랭크 샤프트, 그리고 상기 피스톤에 피스톤 핀을 통하여 회전 가능하게 연결되고 크랭크 샤프트를 회전시키는 커넥팅 로드를 포함하는 엔진에 장착되어 있으며, 혼합기의 압축비를 변경하는 가변 압축비 장치에 있어서,
상기 피스톤 핀에 끼워지는 가변 블록;
상기 가변 블록의 양측에 상호 반대방향으로 연장되어 고리모양으로 구부러지는 형상으로 오목한 걸림홈을 가지는 한 쌍의 후크; 및
상기 커넥팅 로드의 상부를 관통하는 삽입홀에 삽입되어 상기 피스톤의 양측중 어느 한측으로 선택적으로 돌출되어 상기 가변 블록의 한 쌍의 후크 중 어느 하나의 걸림홈이 걸림 고정되도록 되어 있는 래칭 핀;
을 포함하며,
상기 래칭 핀에 걸리는 후크에 따라 피스톤의 장착 높이가 변화하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치를 제공한다.
Figure P1020090100754
가변 블록, 래칭 핀, 삽입홀, 커넥팅 로드, 피스톤 핀, 피스톤

Description

가변 압축비 장치{VARIABLE COMPRESSION RATIO DEVICE}
본 발명은 가변 압축비 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내의 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 가변시키는 가변 압축비 장치에 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. 가변 압축비 장치에 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 가변 압축비 장치는 엔진의 운전 상태에 따라 설정된 혼합기의 압축 비가 구현될 뿐 흡입/압축/폭발/배기 행정에서 각 스트로크(stroke)를 다르게 설정하지 못하였다. 특히, 압축 행정보다 팽창 행정을 길게 하면 열효율이 더욱 상승되나 종래의 가변 압축비 장치로는 압축 행정보다 팽창 행정보다 길게 구현하기가 어려웠다.
또한, 저연비, 고마력 엔진을 구현하기 위해, 저부하시에는 고압축비/저배기량 고부하시에는 저압축비/고배기량을 실현하는 것이 유리하다.
게다가, 가변압축비는 압축비를 가변하기 위하여 오일압, 전기 모터 등의 액추에이터를 사용하므로 그에 따라 오일 펌프 용량이 증가하고 대용량 전기 모터로 인하여 전기부하도 증가하는 문제점이 야기된다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 실린더 내의 압축비를 가변시키기 위해서 개선된 구조를 갖는 가변 압축비 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 피스톤, 크랭크 샤프트, 그리고 상기 피스톤에 피스톤 핀을 통하여 회전 가능하게 연결되고 크랭크 샤프트를 회전시키는 커넥팅 로드를 포함하는 엔진에 장착되어 있으며, 혼합기의 압축비를 변경하는 가변 압축비 장치에 있어서,
상기 피스톤 핀에 끼워지는 가변 블록;
상기 가변 블록의 양측에 상호 반대방향으로 연장되어 고리모양으로 구부러지는 형상으로 오목한 걸림홈을 가지는 한 쌍의 후크; 및
상기 커넥팅 로드의 상부를 관통하는 삽입홀에 삽입되어 상기 피스톤의 양측중 어느 한측으로 선택적으로 돌출되어 상기 가변 블록의 한 쌍의 후크 중 어느 하나의 걸림홈이 걸림 고정되도록 되어 있는 래칭 핀;
을 포함하며,
상기 래칭 핀에 걸리는 후크에 따라 피스톤의 장착 높이가 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변 블록의 상측에는 편심 면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 편심 면은
평평한 제1지지면; 그리고
상기 피스톤 핀으로부터 거리가 상기 피스톤 핀으로부터 상기 제1지지면까지의 거리보다 큰 제2지지면;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 후크는 상기 래칭 핀이 상기 커넥팅 로드의 양측면에 대하여 각각 하측으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 래칭 핀의 양단에는 상기 삽입홀의 내부를 외부와 차단하기 위한 실링 부가 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 래칭 핀의 외주면에는 지지환턱이 형성되고 이러한 지지환턱과 상기 양단의 실링부 중 일측의 실링부와의 사이에 탄성 부재가 개재되며, 타측의 실링부와의 사이에는 압력실이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압력실과 연통되어 오일이 유입되도록 상기 커넥팅 로드의 내부에 오일 공급 라인이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오일 공급 라인을 통하여 오일이 상기 압력실로 공급되면 상기 탄성 부재가 압축됨과 동시에 상기 래칭 핀이 상기 커넥팅 로드로부터 일측으로 돌출되고, 오일의 공급이 해제되면 상기 래칭 핀이 타측으로 돌출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 피스톤의 내부에는 피스톤 핀과 가변 블록과의 접촉을 유지하도록 탄성력을 상기 피스톤에 제공하는 리턴 스프링이 더 포함되는 것을 특징으로 한 다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 압축비 장치에 의하면, 편심 베어링을 회전시키기 위하여 오일압이나 전기모터를 사용하지 않으므로 부품개수가 감소되고, 구성이 단순하다.
또한, 크랭크 및 피스톤의 설계변경없이 커넥팅 로드만 설계변경하게 되므로설계가 용이하고, 크랭크 웹 관성 질량 증가 요인이 최소화된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 가변 블록에 의해 가변되는 피스톤의 높이를 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 요부를 나타낸 작동도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 유로구성을 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 오일이 공급 및 해제 시의 상태를 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치는 피스톤(500), 크랭크 샤프트(110), 커넥팅 로드(200), 피스톤 핀(210), 가변 블록(400) 및 래칭 핀(300)을 포함한다.
여기서, 실린더 블록(미도시)에 장착되는 피스톤(500)은 실린더(미도시) 내벽을 따라 왕복운동을 하여서 하측에 배치되는 크랭크 샤프트(110)가 회전되도록 배치되고, 상기 피스톤(500)과 커넥팅 로드(200)가 커넥팅 로드(200)의 상단에 위치하는 피스톤 핀(210)을 통하여 연결되도록 형성된다.
상기 가변 블록(400)은 상기 피스톤 핀(210)과 동일축 상에 삽입되도록 형성된다.
상기 가변 블록(400)의 양측에는 후크(410, 420)가 각각 형성된다.
이러한 후크(410, 420)는 상호 반대 방향으로 연장되어 고리모양으로 구부러지는 형상으로 형성된다.
이때, 상기 양측의 후크(410, 420)는 구부러지는 방향의 내측에는 걸림홈(411, 421)이 각각 형성된다.
또한, 상기 가변 블록(400)이 상기 피스톤 핀(210)을 중심으로 회동할 시, 상기 양측의 후크(410, 420) 걸림홈(411, 421)이 교번적으로 걸림고정되도록 위치하는 래칭 핀(300)이 상기 커넥팅 로드(200)의 상부에 형성된다.
이때, 상기 커넥팅 로드(200)의 상부를 관통하는 삽입홀(220)이 형성되고, 이러한 삽입홀(220)에 상기 래칭 핀(300)이 삽입된다.
즉, 상기 가변 블록(400)이 상기 피스톤 핀(210)을 중심으로 회동할 시, 상 기 래칭 핀(300)이 선택적으로 좌측 또는 우측으로 돌출이 되며, 이와 같이 돌출되는 래칭 핀(300)의 일측 단부에 의해 상기 가변 블록(400)의 걸림홈(411, 421)이 규제되므로 상기 가변 블록(400)의 일측 방향으로의 회전이 규제되도록 한다.
또한, 상기 가변 블록(400)의 상측에는 편심 면(401)이 형성된다.
상기 편심 면(401)은 상기 피스톤 핀(210)중심으로부터 소정의 거리 d1을 갖는 제1지지면(402)이 구비되고, 상기 d1보다 큰 거리인 d2를 갖는 제2지지면(403)을 포함한다.
즉, 상기 가변 블록(400)이 선택적으로 일측으로 회동할 시, 상기 제1지지면(402) 또는 제2지지면(403)이 최상단에 위치하게 된다.
아울러, 상기 제1지지면(402)이 최상단에 위치하게 되면, 상기 피스톤(500)의 내부를 하측으로부터 지지하는 제1지지면(402)은 d1의 크기만큼 상기 피스톤(500)을 지지하게 된다.
한편, 상기 제2지지면(403)이 최상단에 위치하게 되면, 이러한 제2지지면(403)이 상기 피스톤(500)의 내부를 하측으로부터 지지하게 되고, d1보다 d2가 크므로 상기 피스톤(500)의 높이는 높아지게 된다.
이때, 상기 피스톤(500)의 내부에는 도시하지 않았지만, 별도의 고정홈이 형성되고, 이러한 고정홈에는 상기 피스톤 핀(210)의 외주면 하단을 상측으로 탄성지지하기 위하여 적어도 2개의 리턴 스프링(600)이 배치될 수 있다.
즉, 상기 피스톤(500)은 그 내부에서 상기 리턴 스프링(600)에 의해 상기 가변 블록(400)의 편심 면(401)과 탄성지지되어 상호 맞닿아 있는 상태로 유지된다.
또한, 상기 래칭 핀(300)의 양단에는 상기 삽입홀(220)의 내부를 외부와 차단하기 위하여 실링부(311)가 각각 일체로 형성된다.
여기서, 상기 래칭 핀(300)의 외주면에는 지지환턱(310)이 형성되고 이러한 지지환턱(310)과 상기 양단의 실링부 중 일측의 실링부(311)와의 사이에 탄성 부재(320)가 개재되며, 타측의 실링부(311)와의 사이에는 압력실(330)이 형성된다.
상기 압력실(330)과 연통되어 오일이 유입되도록 상기 커넥팅 로드(200)의 내부에 오일 공급 라인(700)이 형성된다.
즉, 상기 오일 공급 라인(700)을 통하여 오일이 상기 압력실(330)로 공급되면 상기 탄성 부재(320)가 압축됨과 동시에 상기 래칭 핀(300)이 상기 커넥팅 로드(200)로부터 일측으로 돌출되고, 오일의 공급이 해제되면 상기 래칭 핀(300)이 타측으로 돌출된다.
상기와 같이 오일 공급 라인(700)을 통하여 오일의 공급 및 해제를 제어함으로써 상기 래칭 핀(300)의 돌출되는 방향을 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 작동을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 피스톤(500)의 왕복운동에 따라 가변 블록(400)이 피스톤 핀(210)을 중심으로 회동하게 된다.
상기와 같이 가변 블록(400)이 회동하는 과정에서, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 오일 공급 라인(700)을 통하여 압력실(330)로 오일이 공급되면 래칭 핀(300)이 탄성 부재(320)의 탄성력을 극복하고 이러한 탄성 부재(320)를 도면 상에서 좌측으로 압축함과 동시에 래칭 핀(300)의 단부가 일측으로 돌출된다.
이 때, 상기 래칭 핀(300)의 단부에 의해 동일 방향에 위치하는 후크(410)의 걸림홈(411)의 이동이 규제된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 가변 블록(400)의 제1지지면(402)은 d1의 거리를 갖고, 제2지지면(403)은 d2의 거리를 갖게 되고 각각의 거리의 크기는 d1<d2이므로 이러한 거리의 차이로 인하여 상기 피스톤(500)의 상사점에서의 높이가 가변된다.
즉, 오일을 선택적으로 공급 및 해제함으로써 상기 피스톤(500)을 지지하는상기 제1지지면(402)은 d1의 높이로써 상기 피스톤(500)을 지지하고, 제2지지면(403)은 d2의 높이로써 상기 피스톤(500)을 지지하고, 이러한 피스톤(500)의 높이는 도 3에 도시한 바와 같이 거리 d만큼의 차이를 나타내므로 피스톤(500)의 압축행정 시 압축비가 가변된다.
다른 한편으로, 상기 압력실(330) 내부의 오일이 해제되면 상기 탄성 부재(320)가 탄성 복원력에 의해 도면 상에서 우측으로 이동함과 동시에 상기 래칭 핀(300)의 반대측에 위치하는 단부가 돌출된다.
이때, 상기 래칭 핀(300)의 단부에 의해 동일 방향에 위치하는 후크(420)의 걸림 홈(421)의 이동이 규제된다.
전술한 바와 마찬가지로, 상기 가변 블록(400)의 제1지지면(402) 또는 제2지지면(403)에 의해 피스톤(500)의 상사점에서의 높이가 결정된다.
여기서, 상기 압력실(330)에 오일이 공급 및 해제 시, 상기 제1지지면(402) 또는 제2지지면(403) 중 택일하여 교번적으로 상측으로 이동하도록 설계할 수 있음은 자명할 것이다.
또한, 상기 가변 블록(400)의 편심 면(401)이 상기 피스톤(500)을 상측으로 밀착한 상태로 탄성지지하기 위해서 별도의 리턴 스프링(600)이 상기 피스톤(500) 내부에 장착되는 것이 바람직하다.
또한, 별도로 구비되는 오일 컨트롤 밸브(800)를 이용하여 상기 오일 공급 라인(700)으로 오일의 공급 및 해제를 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 압축비 장치에 의하면, 편심 베어링을 회전시키기 위하여 오일압이나 전기모터를 사용하지 않으므로 부품개수가 감소되고, 구성이 단순하다.
또한, 크랭크 및 피스톤의 설계변경없이 커넥팅 로드만 설계변경하게 되므로설계가 용이하고, 크랭크 웹 관성 질량 증가 요인이 최소화된다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치에 적용되는 가변 블록의 회전에 따라 변화하는 피스톤의 높이를 비교한 것이다.
도 4는 도 3의 요부를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 압축비 장치의 오일의 흐름을 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 요부를 나타낸 단면도이다.
* 도면에 사용된 주요부분 부호설명 *
100: 대단부 110: 크랭크 샤프트
200: 커넥팅 로드 210: 피스톤 핀
220: 삽입홀 300: 래칭 핀
310: 지지환턱 311: 실링부
320: 탄성 부재 330: 압력실
400: 가변 블록 401: 편심면
402: 제2지지면 403: 제1지지면
410, 420: 후크 411, 421: 걸림 홈
500: 피스톤 600: 리턴 스프링
700: 오일 공급 라인 800: 오일 컨트롤 밸브

Claims (9)

  1. 피스톤, 크랭크 샤프트, 그리고 상기 피스톤에 피스톤 핀을 통하여 회전 가능하게 연결되고 크랭크 샤프트를 회전시키는 커넥팅 로드를 포함하는 엔진에 장착되어 있으며, 혼합기의 압축비를 변경하는 가변 압축비 장치에 있어서,
    상기 피스톤 핀에 끼워지는 가변 블록;
    상기 가변 블록의 양측에 상호 반대방향으로 연장되어 고리모양으로 구부러지는 형상으로 오목한 걸림홈을 가지는 한 쌍의 후크; 및
    상기 커넥팅 로드의 상부를 관통하는 삽입홀에 삽입되어 상기 피스톤의 양측중 어느 한측으로 선택적으로 돌출되어 상기 가변 블록의 한 쌍의 후크 중 어느 하나의 걸림홈이 걸림 고정되도록 되어 있는 래칭 핀;
    을 포함하며,
    상기 래칭 핀에 걸리는 후크에 따라 피스톤의 장착 높이가 변화하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 블록의 상측에는 편심 면이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편심 면은
    평평한 제1지지면; 그리고
    상기 피스톤 핀으로부터 거리가 상기 피스톤 핀으로부터 상기 제1지지면까지의 거리보다 큰 제2지지면;
    을 포함하는 가변 압축비 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후크는 상기 커넥팅 로드의 양측면에 대하여 각각 하측으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 래칭 핀의 양단에는 상기 삽입홀의 내부를 외부와 차단하기 위한 실링 부가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 래칭 핀의 외주면에는 지지환턱이 형성되고 이러한 지지환턱과 상기 양단의 실링부 중 일측의 실링부와의 사이에 탄성 부재가 개재되며, 타측의 실링부와의 사이에는 압력실이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압력실과 연통되어 오일이 유입되도록 상기 커넥팅 로드의 내부에 오일 공급 라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 오일 공급 라인을 통하여 오일이 상기 압력실로 공급되면 상기 탄성 부재가 압축됨과 동시에 상기 래칭 핀이 상기 커넥팅 로드로부터 일측으로 돌출되고, 오일의 공급이 해제되면 상기 래칭 핀이 타측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤의 내부에는 피스톤 핀과 가변 블록과의 접촉을 유지하도록 탄성력을 상기 피스톤에 제공하는 리턴 스프링이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
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