KR20190042296A

KR20190042296A - 가변 압축비 엔진

Info

Publication number: KR20190042296A
Application number: KR1020170134052A
Authority: KR
Inventors: 최명식
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2019-04-24
Also published as: US10450949B2; KR102406127B1; CN109667676A; US20190112975A1; DE102017222110A1

Abstract

본 발명은 가변 압축비 엔진에 관한 것으로, 피스톤, 상기 피스톤에 연결된 피스톤 바, 상기 피스톤 바와 제1 조인트를 통해 연결되는 제1 연결 링크, 상기 제1 연결 링크와 제2 조인트를 통해 연결되며, 제3 조인트 및 제4 조인트를 포함하는 메인 바디, 제5 조인트를 포함하는 크랭크 샤프트, 상기 제4 조인트를 통해 상기 메인 바디와 연결되며, 상기 제5 조인트를 통해 상기 크랭크 샤프트와 연결되어 상기 크랭크 샤프트를 회전시키는 제2 연결 링크, 상기 메인 바디와 상기 제3 조인트를 통해 연결되며, 선택적으로 상기 제3 조인트의 위치를 변경하는 제어 링크를 포함한다.

Description

가변 압축비 엔진{VARIABLE COMPRESSION RATIO ENGINE}

본 발명은 가변 압축비 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축비가 가변되며, 기통 휴지가 가능한 가변 압축비 엔진에 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 있다.

그러나, 내연기관의 부하에 따라 압축비를 적절히 가변 시키면 내연기관의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있으므로, 내연기관의 압축비를 가변 시키는 여러 가지 방안들이 제안되고 있다.

본 발명의 목적은 운전조건에 따라 압축비가 가변되는 가변 압축비 엔진을 제공하는 것이다.

또한, 기통 휴지가 가능하여 연비 개선이 가능한 가변 압축비 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진은 피스톤, 상기 피스톤에 연결된 피스톤 바, 상기 피스톤 바와 제1 조인트를 통해 연결되는 제1 연결 링크, 상기 제1 연결 링크와 제2 조인트를 통해 연결되며, 제3 조인트 및 제4 조인트를 포함하는 메인 바디, 제5 조인트를 포함하는 크랭크 샤프트, 상기 제4 조인트를 통해 상기 메인 바디와 연결되며, 상기 제5 조인트를 통해 상기 크랭크 샤프트와 연결되어 상기 크랭크 샤프트를 회전시키는 제2 연결 링크, 상기 메인 바디와 상기 제3 조인트를 통해 연결되며, 선택적으로 상기 제3 조인트의 위치를 변경하는 제어 링크를 포함할 수 있다.

상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트 사이의 거리는 상기 제2 조인트와 상기 제3 조인트 사이의 거리와 동일할 수 있다.

상기 제어 링크는 상기 제3 조인트가 미리 설정된 제어 라인을 따라 이동하도록 제어하되, 상기 제어 라인은 상기 엔진의 설정된 최대 스트로크시의 상기 제3 조인트의 위치와 상기 엔진의 설정된 최대 스트로크시의 상사점일 때의 상기 제1 조인트의 위치보다 상기 피스톤에 인접한 위치에 설정된 제어 포인트를 연결하는 선일 수 있다.

미리 설정된 기통 휴지 모드인 경우, 상기 제어 링크는 상기 제3 조인트의 위치가 상기 제어 포인트와 일치하도록 상기 제3 조인트의 위치를 이동시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진에 의하면, 피스톤의 스트로크로 공기량 제어가 가능하여 고부하시 성능향상이 가능하고 저부하시에는 펌핑손실을 저감할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진에 의하면, 엔진 부하를 쓰로틀 또는 스트로크로 제어할 수 있어, 매니 폴드 내의 압력을 높일 수 있고, 이를 통해 펌핑 손실을 저감할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진에 의하면, 기통 휴지가 가능하여 피스톤 마찰을 줄일 수 있고, 연비 개선이 가능하다.

도1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 정면도이다.
도2 내지 도4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 작동을 설명하는 도면 및 그래프이다.
도5는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 스트로크 및 압축비를 나타낸 그래프이다.

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.

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 정면도이다.

도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 엔진(10)은 피스톤(14), 상기 피스톤(14)에 연결된 피스톤 바(16), 상기 피스톤 바(16)와 제1 조인트(41)를 통해 연결되는 제1 연결 링크(30), 상기 제1 연결 링크(30)와 제2 조인트(43)를 통해 연결되며, 제3 조인트(45) 및 제4 조인트(47)를 포함하는 메인 바디(20), 제5 조인트(49)를 포함하는 크랭크 샤프트(34), 상기 제4 조인트(47)를 통해 상기 메인 바디(20)와 연결되며, 상기 제5 조인트(49)를 통해 상기 크랭크 샤프트(34)와 연결되어 상기 크랭크 샤프트(34)를 회전시키는 제2 연결 링크(32), 상기 메인 바디(20)와 상기 제3 조인트(45)를 통해 연결되며, 선택적으로 상기 제3 조인트(45)의 위치를 변경하는 제어 링크(36)를 포함한다.

도면의 H1은 헤드면 높이로 정의되며, 실린더 벽(12)의 최상단 높이이고, H2는 상사점(TDC)이며, 상기 제3 조인트(45)의 위치에 따라 변경된다.

상기 각 조인트(41, 43, 45, 47, 49)는 연결 핀 등을 이용한 구성일 수 있으며, 회전 운동, 피벗 운동 등이 가능한 구성으로, 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략한다.

상기 제1 조인트(41)와 상기 제2 조인트(43) 사이의 거리는 상기 제2 조인트(43)와 상기 제3 조인트(45) 사이의 거리와 동일할 수 있다.

예를 들어, 상기 메인 바디(20)는 상기 제2, 3 조인트(43, 45)를 연결하는 제1 바디 링크(22), 상기 제2, 4 조인트(43, 47)를 연결하는 제2 바디 링크(24) 및 상기 제3, 4 조인트(45, 47)를 연결하는 제3 바디 링크(26)를 포함하고, 상기 제1 연결 링크(30)와 상기 제1 바디 링크(22)가 동일한 길이로 형성될 수 있다.

그러나, 상기 메인 바디(20)의 구성은 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 제2 조인트(43), 제3 조인트(45) 및 제4 조인트(47)를 연결하는 다양한 형상의 구성, 예를 들어 도2 내지 도4에 도시된 바와 같이, 하나의 플레이트(21)로 구성될 수도 있다.

상기 제어 링크(36)는 상기 제3 조인트(45)가 미리 설정된 제어 라인(50)을 따라 이동하도록 제어한다.

상기 제어 라인(50)은 상기 제어 링크(36)의 이동에 의해 상기 제3 조인트(45)가 이동하는 가상의 루트(route)일 수도 있고, 상기 제3 조인트(45)가 이동하도록 안내하는 상기 엔진(10)에 형성된 레일 또는 그루부(groove) 등일 수도 있다.

상기 제어 라인(50)은 상기 엔진(10)의 설정된 최대 스트로크시의 상기 제3 조인트(45)의 위치(A1)와 상기 엔진의 설정된 최대 스트로크시의 상사점일 때의 상기 제1 조인트(41)의 위치(B1)보다 상기 피스톤(14)에 인접한 위치에 설정된 제어 포인트(B2)를 연결하는 선일 수 있다.

미리 설정된 기통 휴지 모드인 경우, 상기 제어 링크(36)는 상기 제3 조인트(45)의 위치가 상기 제어 포인트(B2)와 일치하도록 상기 제3 조인트(45)의 위치를 이동시킬 수 있다.

상기 제어 링크(36)는 엑추에이터, 모터/기어 등의 작동에 의해 상기 제3 조인트(45)가 상기 제어 라인(50)을 따라 이동하도록 제어하며, 상기 제어 링크(36)를 이동시키는 엑추에이터, 모터/기어 등의 구성은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로, 구체적인 설명은 생략한다.

또한, 상기 엑추에이터, 모터/기어 등의 작동은 제어기, 예를 들어 ECU(Engine Control Unit)가 제어를 하며, 상기 ECU는 엑셀 개도 센서, 차속 센서, 공기 온도, 공기량 센서 등으로부터 출력되는 차량 작동 상태 정보를 전달 받아 차량의 작동 상태를 판단하고 미리 설정된 맵에 따라 상기 제어 링크(36)의 위치를 결정한다.

차량 작동 상태의 판단 등은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로, 구체적인 설명은 생략한다.

도2 내지 도4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 작동을 설명하는 도면 및 그래프이다.

이하, 도1 내지 도4를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 작동을 설명한다.

도2를 참조하면, 엔진의 최대 부하시 상기 제어 링크(36)는 상기 제3 조인트(45)가 미리 설정된 상기 최대 부하 위치(A1)에 위치하도록 작동한다. 이 때, 상기 제1 조인트(41)는 상사점에서 B1에 위치하게 된다.

상기 피스톤(14)은 상하 왕복 운동하며, 상기 피스톤(14)의 스트로크(S1)는 대략 140mm ~ 224mm, 즉 대략 84mm가 된다.

상기 피스톤(14)과 연결된 상기 피스톤 바(16)가 상기 메인 바디(20)를 상기 제3 조인트(45)를 중심으로 피벗(pivot) 운동하게 하고, 상기 제2 연결 링크(32)를 통해 상기 메인 바디(20)와 연결된 상기 크랭크 샤프트(34)가 회전하게 된다.

도3을 참조하면, 엔진의 중 부하시 상기 제어 링크(36)는 상기 제3 조인트(45)가 미리 설정된 위치(A2)에 위치하도록 작동한다.

상기 제3 조인트(45)가 A2에 위치하면, 상기 피스톤(14)의 스트로크(S2)는 대략 190mm ~ 225mm, 즉 대략 35mm 로 줄어들게 된다.

도4를 참조하면, 엔진의 저 부하시, 예를 들어 기통 휴지(cylinder deactivated)시에, 상기 제어 링크(36)는 상기 제3 조인트(45)가 상기 제어 포인트(B2)에 위치하도록 작동한다.

상기 제3 조인트(45)가 상기 제어 포인트(B2)에 위치하면, 상기 제1 조인트(41)와 상기 제3 조인트(45)의 위치가 일치하게 되고, 상기 제1 조인트(41)와 상기 제2 조인트(43) 사이의 거리는 상기 제2 조인트(43)와 상기 제3 조인트(45) 사이의 거리와 동일하기 때문에, 상기 피스톤(14)의 스트로크는 "0"이 될 수 있다.

즉, 상기 상기 피스톤(14)의 스트로크는 대략 228mm 에서 정체될 수 있다.

앞서, 상기 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 작동을 엔진의 최대 부하시, 엔진의 중 부하시 및 기통 휴지시에 대하여 설명 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 도2 내지 도4에 나타난 스트로크 그래프와 같이 상기 제3 조인트(45)의 위치에 따라 다양한 스트로크를 구현할 수 있다.

도5는 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진의 스트로크 및 압축비를 나타낸 그래프이다.

이하, 도1 내지 5를 참조하여 스트로크에 따른 압축비 설정 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진은 상기 제3 조인트(45)가 설정된 최대 스트로크시의 상기 제3 조인트(45)의 위치(A1)와 엔진의 설정된 최대 스트로크시의 상사점일 때의 상기 제1 조인트(41)의 위치(B1)보다 상기 피스톤(14)에 인접한 위치에 설정된 제어 포인트(B2) 사이를 이동하기 때문에, 상기 제3 조인트(45)가 상기 제어 포인트(B2)에 인접할수록 상기 피스톤(14)의 상사점(H2)이 높아지고, 연소실 체적과 스트로크가 작아진다.

도5에서 최대 스트로크가 85mm이며, 부하 100% 일 때, 압축비는 7.5 이고, 부하 5%일 때, 압축비는 17인 엔진의 스트로크와 압축비를 나타내었다.

여기서, 스트로크에 따른 압축비 설정은 다음 조건에 따라 구해진다.

압축비 = 압축 전 체적 / 압축 후 체적

= (배기량+연소실 체적) / 연소실 체적

여기서, 배기량은 스트로크 * 실린더 단면적으로 계산된다.

연소실 체적은 실린더의 연소실 체적과 실린더 헤드의 연소실 체적의 합이며, 실린더 헤드의 연소실 체적은 고정된 물리량이다. 그리고, 실린더의 연소실 체적은 실린더 단면적*{헤드면 높이(H1)??TDC높이(H2)} 로 계산될 수 있다.

도5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진은 고부하시 저압축비로 설정하여 노킹 발생을 억제할 수 있고, 저부하시에는 연소효율이 높은 고압축비로 설정이 가능하다.

또한, 엔진 부하를 쓰로틀 또는 스트로크로 제어할 수 있어 매니폴드압을 높이고, 펌핑 손실을 저감할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 가변 압축비 엔진은 도4에 도시된 바와 같이, 기통 휴지가 가능하여 마찰 손실을 저감하고 연비를 향상 시킬 수 있다.

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 12: 실린더 벽
14: 피스톤 16: 피스톤 바
20: 메인 바디 30: 제1 연결 링크
32: 제2 연결 링크 34: 크랭크 샤프트
36: 제어 링크 41: 제1 조인트
43: 제2 조인트 45: 제3 조인트
47: 제4 조인트 49: 제5 조인트

Claims

피스톤;
상기 피스톤에 연결된 피스톤 바;
상기 피스톤 바와 제1 조인트를 통해 연결되는 제1 연결 링크;
상기 제1 연결 링크와 제2 조인트를 통해 연결되며, 제3 조인트 및 제4 조인트를 포함하는 메인 바디;
제5 조인트를 포함하는 크랭크 샤프트;
상기 제4 조인트를 통해 상기 메인 바디와 연결되며, 상기 제5 조인트를 통해 상기 크랭크 샤프트와 연결되어 상기 크랭크 샤프트를 회전시키는 제2 연결 링크;
상기 메인 바디와 상기 제3 조인트를 통해 연결되며, 선택적으로 상기 제3 조인트의 위치를 변경하는 제어 링크;
를 포함하는 가변 압축비 엔진.
제1항에서,
상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트 사이의 거리는 상기 제2 조인트와 상기 제3 조인트 사이의 거리와 동일한 가변 압축비 엔진.
제2항에서,
상기 제어 링크는 상기 제3 조인트가 미리 설정된 제어 라인을 따라 이동하도록 제어하되,
상기 제어 라인은
상기 엔진의 설정된 최대 스트로크시의 상기 제3 조인트의 위치와
상기 엔진의 설정된 최대 스트로크시의 상사점일 때의 상기 제1 조인트의 위치보다 상기 피스톤에 인접한 위치에 설정된 제어 포인트를 연결하는 선인 가변 압축비 엔진.
제3항에서,
미리 설정된 기통 휴지 모드인 경우,
상기 제어 링크는 상기 제3 조인트의 위치가 상기 제어 포인트와 일치하도록 상기 제3 조인트의 위치를 이동시키는 가변 압축비 엔진.