KR20140108475A

KR20140108475A - 가변 압축비 장치 및 이를 포함하는 내연기관

Info

Publication number: KR20140108475A
Application number: KR1020130022420A
Authority: KR
Inventors: 우윤식; 이은호; 김한상; 김윤석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11
Also published as: CN104018938A; US20140238355A1; CN104018938B; KR101461889B1; US9188067B2

Abstract

가변 압축비 장치 및 이를 포함하는 내연기관이 개시된다. 체적이 가변될 수 있는 2중 피스톤 구조를 가진 피스톤, 상기 2중 피스톤 중에 어느 하나의 피스톤을 다른 하나의 피스톤에 대해 상대 이동시키는 리프터, 상기 어느 하나의 피스톤의 이동을 가이드 하는 가이드수단, 상기 어느 하나의 피스톤이 다른 하나의 피스톤에 대해 상대 이동된 상태를 유지하는 록킹수단을 포함하여, 피스톤이 상사점에 위치할 때에 피스톤의 체적을 가변시켜 압축비를 조절하게 된다.

Description

가변 압축비 장치 및 이를 포함하는 내연기관{Variable compression ratio device and Internal combustion engine using the same}

본 발명은 가변 압축기 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외측 피스톤에 축방향으로 이동가능하게 결합된 내측 피스톤의 돌출 높이를 가변시켜 압축비를 가변시키는 가변 압축비 장치 및 이를 포함하는 내연기관에 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.

미국 특허 제7,284,512호에는 외측 피스톤과 내측 피스톤을 구비한 2중 피스톤 구조가 개시되어 있고, 상기 외측 피스톤은 유압 액추에이터에 의해 상하로 이동하면서 압축비를 가변시키도록 되어 있다.

상기와 같은 2중 피스톤 구조를 가지는 가변 압축비 장치에서 응답성 및 내구성을 향상시킬 구조적인 개선 방안이 필요하다.

본 발명의 실시 예는, 구조가 간단하여 중량 및 원가 절감을 도모할 수 있고, 응답성과 작동 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 가변 압축비 장치 및 이를 포함하는 내연기관을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 가변 압축비 장치는, 체적이 가변될 수 있는 2중 피스톤 구조를 가진 피스톤, 상기 2중 피스톤 중에 어느 하나의 피스톤을 다른 하나의 피스톤에 대해 상대 이동시키는 리프터, 상기 어느 하나의 피스톤의 이동을 가이드 하는 가이드수단, 및 상기 어느 하나의 피스톤이 다른 하나의 피스톤에 대해 상대 이동된 상태를 유지하는 록킹수단을 포함할 수 있다.

상기 피스톤은 외측 피스톤 및 상기 외측 피스톤으로부터 외측으로 돌출할 수 있도록 상기 외측 피스톤에 결합된 내측 피스톤을 포함할 수 있다.

상기 외측 피스톤은 상부에 형성된 개구부, 및 상기 개구부와 연통하도록 내부에 형성되고, 상기 내측 피스톤이 상기 개구부를 통해 삽입되어 수용되는 수용홈을 포함할 수 있다.

상기 가이드수단은 상기 내측 피스톤의 외주면에 장착된 피니언기어, 및 상기 피니언기어가 치합하도록 상기 외측 피스톤에 장착된 랙기어를 포함할 수 있다.

상기 리프터는 전기 신호를 인가받으면 상기 내측 피스톤을 상기 개구부를 통해 돌출하도록 밀어 올리는 왁스 혹은 바이메탈을 포함할 수 있다.

상기 왁스 혹은 바이메탈은 판 형상으로 형성되고; 상기 내측 피스톤은 상기 왁스 혹은 바이메탈에 지지될 수 있다.

상기 록킹수단은 전기 신호를 인가받으면 상기 수용홈을 향해 돌출하도록 상기 외측 피스톤에 설치된 솔레노이드, 및 상기 솔레노이드가 착탈 가능하게 결합되도록 상기 내측 피스톤에 형성된 록킹홈을 포함할 수 있다.

엔진의 운전 상태를 감지하여 상기 운전 상태에 따라 상기 피스톤의 체적이 가변되도록 상기 리프터 및 상기 록킹수단에 전기 신호를 인가하는 엔진제어유니트를 더 포함할 수 있다.

상기 엔진제어유니트는 상기 엔진의 운전 상태에 따라 상기 리프터에 인가하는 전기 신호의 크기를 조절하여 압축비를 가변시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 내연기관은 상기 피스톤이 왕복 운동할 수 있도록 수용되는 실린더 블록 및 상기 실린더 블록의 상부에 결합되어 상기 실린더 블록과 함께 연소실을 형성하는 실린더 헤드를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 가변 압축비 장치 및 이를 포함하는 내연기관에 따르면, 엔진제어유니트의 제어신호에 따라 신축부재가 커넥팅 로드의 축방향으로 신장하면서 내측 피스톤을 상승시켜 압축비를 증대시키고, 상기 신축부재가 커넥팅 로드의 축방향으로 수축하면 상기 내측 피스톤이 하강하면서 압축비를 감소시키게 된다.

이에 따라 구조가 간단하여 차량의 중량 및 원가 절감을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 내구성과 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

그리고 전기적 신호에 따라 작동되어 응답성이 향상되며, 엔진의 운전 상황에 따라 압축비를 조절해서 엔진의 출력 향상 및 연비 향상을 도모할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가변 압축비 장치가 적용된 피스톤과 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트의 결합의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 압축비 장치로 저압축비 상태와 고압축비 상태를 각각 구현한 피스톤의 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 엔진을 구성하는 실린더 블록(10)의 상부에 실린더 헤드(20)가 장착되어, 연소실이 형성된다.

상기 실린더 블록(10)에 피스톤(30)이 삽입되어 실린더 블록(10)을 따라 상하로 왕복 운동을 하도록 설치되고, 상기 피스톤(30)에 커넥팅 로드(40)의 일단이 피스톤 핀 등을 매개로 일체로 연동되게 연결되고, 상기 커넥팅 로드(40)의 타단은 크랭크샤프트(40)에 결합된다.

상기 피스톤(30)이 상기 실린더 블록(10)을 왕복 운동을 하면, 상기 커넥팅 로드(40)가 상기 피스톤(30)의 왕복 운동을 회전운동으로 전환시켜 상기 크랭크샤프트(40)를 회전시키고, 상기 크랭크샤프트(40)는 일방향으로 회전운동을 하면서 회전 동력을 발생시키게 된다.

상기 피스톤(30)이 상기 실린더 블록(10)을 따라 상승 혹은 하강 운동을 하면, 상기 연소실의 체적이 상기 피스톤(30)에 의해 가변된다.

상기 피스톤(30)이 상기 연소실의 상부를 향해 이동하여 상사점에 위치한 때에 상기 실린더(10)와 실린더 헤드(20) 및 피스톤(30)에 의해 형성되는 연소실의 체적을 가변시키면, 엔진의 압축비가 가변되게 된다.

본 발명의 실시 예는 상기 피스톤(30)이 상사점에 위치했을 때에 상기 피스톤(30)의 체적을 가변시켜 엔진의 압축비를 조절하게 된다.

즉, 상기 피스톤(30)은 체적 가변형 피스톤이다.

상기 체적 가변형 피스톤(30)은 그 체적을 가변시키기 위해 2중 피스톤 구조를 갖는다.

즉, 상기 피스톤(30)은 외측 피스톤(32)과 내측 피스톤(34)을 구비한다.

상기 외측 피스톤(32)의 상부에는 개구부가 형성되고, 내부에는 상기 개구부와 연통하는 수용홈(32a)이 형성된다. 상기 수용홈(32a)은 상기 내측 피스톤(34)의 직경보다 큰 직경을 가지도록 반경방향으로 확장됨과 더불어 축방향으로 연장되게 형성된다.

상기 내측 피스톤(34)은 상기 외측 피스톤(32)의 상부 개구부를 통해 삽입되어 상기 수용홈(32a)에 수용된다.

상기 내측 피스톤(34)은 상기 수용홈(32a)에 수용된 상태에서 상기 외측 피스톤(32)에 대해 축방향으로 상대 이동가능하게 설치된다.

상기 내측 피스톤(34)을 이동을 가이드하기 위해 내측 피스톤(34)과 외측 피스톤(32) 사이에 가이드수단이 구비된다.

상기 가이드수단은 상기 수용홈(32a) 속에 위치한 내측 피스톤(34)의 외주면에 장착된 피니언기어(60)와, 상기 내측 피스톤(34)의 외주면과 대향하는 상기 수용홈(32a)의 외주면에 장착되어 상기 피니언기어(60)가 치합되는 랙기어(62)를 포함한다.

상기 내측 피스톤(34)이 외측 피스톤(32)에 대해 상대 이동할 때에 상기 피니언기어(60)가 랙기어(62)에 치합된 상태로 랙기어(62)를 따라 이동하게 되어, 상기 내측 피스톤(34)의 이동을 가이드하게 된다.

상기 내측 피스톤(34)을 상기 외측 피스톤(32)에 대해 상대 이동시키기 위해 리프터(70)가 구비된다.

상기 리프터(70)는 상기 내측 피스톤(34)의 하단부에 설치되고, 판 형상을 가질 수 있다.

상기 리프터(70)는 전기 신호를 인가받으면 축방향 상부로 돌출하도록 변형되어 상기 내측 피스톤(34)을 상기 연소실 쪽으로 축방향 상부로 밀어 올리는 바이메탈 판이나 혹은 왁스 판으로 구성될 수 있다.

상기 내측 피스톤(34)이 상기 리프터(70)에 의해 밀어 올려진 상태에서 상기 내측 피스톤(34)의 위치를 유지하기 위해 록킹수단이 구비된다.

상기 록킹수단은 상기 수용홈(32a)을 향해 돌출할 수 있도록 상기 외측 피스톤(32)에 설치된 솔레노이드(80)와, 상기 솔레노이드(80)가 착탈 가능하게 결합될 수 있도록 상기 내측 피스톤(34)의 외주면에 내측으로 파여진 형태로 형성된 록킹홈(34a)을 포함할 수 있다.

도 2에서 저압축비 상태는, 상기 외측 피스톤(32)이 상사점에 위치한 상태에서 상기 내측 피스톤(34)이 외측 피스톤(32)의 수용홈(32a) 내에 삽입된 상태를 유지하여, 연소실은 실린더 헤드(20)와 실린더 블록(10), 상기 외측 피스톤(32) 및 내측 피스톤(34)의 상단면에 의해 형성된 체적(V1)을 갖는다.

상기 외측 피스톤(32)이 상사점에 위치할 때에, 상기 엔진제어유니트(ECU)가 상기 리프터(70)에 전기 신호를 인가하면, 상기 리프터(70)는 상기 연소실을 향해 축방향 상부로 탄성 변형을 하게 되고, 상기 리프터(70)의 탄성 변형으로 상기 리프터(70)에 지지된 상기 내측 피스톤(34)이 상기 연소실을 향해 축방향 상부로 외측 피스톤(32)의 수용홈(32a)으로부터 돌출하게 된다.

따라서 연소실의 체적(V2)은 상기 내측 피스톤(34)의 돌출 높이(H)에 상당하는 체적(V1??V2)만큼 감소하여 고압축비 상태를 구현하게 된다.

상기 내측 피스톤(34)이 상기 리프터(70)에 의해 돌출된 상태에서 상기 엔진제어유니트(ECU)는 상기 솔레노이드(80)에 전기 신호를 인가하고, 상기 솔레노이드(80)는 상기 수용홈(32a)을 향해서 내측 피스톤(34)의 록킹홈(34a)에 삽입되어 걸리게 됨으로써, 고압축비 상태가 유지된다.

상기 엔진제어유니트(ECU)에 의해 인가된 전기 신호가 차단되면, 상기 리프터(70)와 솔레노이드(80)는 각각 원래의 형상으로 복원되고, 상기 내측 피스톤(34)은 그 자중과 연소실의 압력에 의해 상기 수용홈(32a0의 내부에 수용되어져, 저압축비 상태를 구현하게 된다.

상기 엔진제어유니트(ECU)로부터 상기 리프터(70)에 가해지는 전기 신호의 크기에 따라 상기 리프터(70)의 변형량이 가변되어 상기 내측 피스톤(34)의 돌출 높이(H)가 무단으로 조절될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10: 실린더 블록 20: 실린더 헤드
30: 피스톤 32: 외측 피스톤
34: 내측 피스톤 40: 커넥팅 로드
50: 크랭크샤프트 60: 피니언기어
62: 랙기어 70: 리프터
80: 솔레노이드

Claims

체적이 가변될 수 있는 2중 피스톤 구조를 가진 피스톤;
상기 2중 피스톤 중에 어느 하나의 피스톤을 다른 하나의 피스톤에 대해 상대 이동시키는 리프터;
상기 어느 하나의 피스톤의 이동을 가이드 하는 가이드수단;
상기 어느 하나의 피스톤이 다른 하나의 피스톤에 대해 상대 이동된 상태를 유지하는 록킹수단;
을 포함하는 가변 압축기 장치.
제1항에 있어서,
상기 피스톤은
외측 피스톤; 및
상기 외측 피스톤으로부터 외측으로 돌출할 수 있도록 상기 외측 피스톤에 결합된 내측 피스톤;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축 장치.
제2항에 있어서,
상기 외측 피스톤은
상부에 형성된 개구부; 및
상기 개구부와 연통하도록 내부에 형성되고, 상기 내측 피스톤이 상기 개구부를 통해 삽입되어 수용되는 수용홈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
상기 가이드수단은
상기 내측 피스톤의 외주면에 장착된 피니언기어; 및
상기 피니언기어가 치합하도록 상기 외측 피스톤에 장착된 랙기어;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제3항에 있어서,
상기 리프터는 전기 신호를 인가받으면 상기 내측 피스톤을 상기 개구부를 통해 돌출하도록 밀어 올리는 왁스 혹은 바이메탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제5항에 있어서,
상기 왁스 혹은 바이메탈은 판 형상으로 형성되고;
상기 내측 피스톤은 상기 왁스 혹은 바이메탈에 지지된 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제3항에 있어서,
상기 록킹수단은
전기 신호를 인가받으면 상기 수용홈을 향해 돌출하도록 상기 외측 피스톤에 설치된 솔레노이드; 및
상기 솔레노이드가 착탈 가능하게 결합되도록 상기 내측 피스톤에 형성된 록킹홈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
엔진의 운전 상태를 감지하여 상기 운전 상태에 따라 상기 피스톤의 체적이 가변되도록 상기 리프터 및 상기 록킹수단에 전기 신호를 인가하는 엔진제어유니트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제8항에 있어서,
상기 엔진제어유니트는 상기 엔진의 운전 상태에 따라 상기 리프터에 인가하는 전기 신호의 크기를 조절하여 압축비를 가변시키는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 피스톤이 왕복 운동할 수 있도록 수용되는 실린더 블록; 및
상기 실린더 블록의 상부에 결합되어 상기 실린더 블록과 함께 연소실을 형성하는 실린더 헤드;
를 포함하는 내연기관.