KR20210123205A

KR20210123205A - 가변 압축비 엔진

Info

Publication number: KR20210123205A
Application number: KR1020210017152A
Authority: KR
Inventors: 장순길
Original assignee: 장순길
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2021-02-06
Publication date: 2021-10-13

Abstract

본 발명은 자동차 등에서 사용되는 가변 압축비 엔진에 관한 것이다. 자동차의 엔진은 시시각각으로 변하는 환경에서 사용되므로 상황에 따라 압축비를 신속하게 변경할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 가변 압축비 엔진은 기어 편심 슬리브 또는 웜 휠 편심 슬리브를 사용하여 커넥팅 로드의 유효한 길이를 변경하되, 기어 편심 슬리브는 기어에 래크를 맞물리고, 래크가 왕복하며 움직이는 경로에 블록을 설치하여 블록으로 래크를 밀어서 래크의 위치를 변경하여 기어 편심 슬리브의 자세를 변경하고, 웜 휠 편심 슬리브는 웜 휠에 웜이 맞물리고 웜이 회전하여 웜 휠 편심 슬리브의 자세를 변경하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 가변 탄성비 엔진은 구조가 간단하고, 탄성비의 조정이 쉽기 때문에 자동차 등에 쉽게 이용될 수 있을 것이다.

Description

가변 압축비 엔진 {Variable compression ratio engine}

자동차 등에 사용되는 내연기관에서 압축비를 필요에 따라 조정하고 변경할 수 있는 방법에 관한 기술 분야.

종래에는 내연기관의 압축비는 처음 설계 및 제조하는 시점에 결정되었다. 그러나 내연기관은 시시각각 변화하는 여러 환경에서 자주 사용되므로 운용 상황에 맞는 압축비로 조정될 수 있는 것이 좋다는 경험을 가지게 되었다.

내연기관의 압축비를 필요에 따라 바꿀 수 있는 기본적인 방법은 여러 가지가 개시되어 왔다. 모두 피스톤이 상사점에 있을 때 연소실 내의 들이를 변경하는 방법으로, 실린더 헤드의 공간을 변경하는 방법, 피스톤의 상사점을 변경하는 방법이 있었다. 피스톤의 상사점을 변경하는 방법에는 크랭크 축과 헤드 사이의 거리를 변경하는 방법, 크랭크 암의 길이를 변경하는 방법, 및 커넥팅 로더의 길이를 변경하는 방법이 있었다. 커넥팅 로더의 길이를 변경하는 방법에는 피스톤 핀과 크랭크 핀 사이에 하나의 커넥팅 로더를 사용하지 않고 커넥팅 로드를 5절 링크로 구성하는 방법, 톱니 바퀴의 중심에 크랭크 핀에 연결된 커넥팅 로드를 연결하고 피스톤에 연결된 커넥팅 로드를 톱니의 한쪽에 연결하고 톱니의 다른 쪽에 래크를 물리면서 래크의 높이를 조정하는 방법 등이 있었고, 하나의 커넥팅 로더를 사용하는 방법으로 커넥팅 로더의 길이를 변경하는 방법과 외주원의 중심과 내주원의 중심이 일치하지 않는 편심 슬리브를 사용하여 커넥팅 로드의 유효한 길이를 변경하는 방법이 있었다. 편심 슬리브를 사용하는 방법에는 유압 장치를 사용하여 편심 슬리브를 회전시키는 방법과 편심 슬리브에 연결한 막대와 기계 장치를 통해 편심 슬리브를 회전시키는 방법이 있었다. 유압 장치는 배관과 편심 슬리브의 각도 변경과 제어에 어려움이 있었고, 편심 슬리브에 연결한 막대와 기계 장치는 빠른 왕복 운동, 폭발 시 발생하는 강한 충격, 진동, 소음, 부하 증가, 및 공간 증가 등과 관련된 문제를 가지고 있었다.

대한민국 10-2015-0058004 길이 가변형 연결부를 가지는 가변 압축비 엔진. 크랭크 암의 길이를 변경하는 방법을 사용한다. 대한민국 10-1518881 내연 기관 엔진의 가변 압축비 장치 및 압축비를 변경하는 방법. 피스톤 핀에 팔각형 모듈을 끼워서 돌리는 방법을 사용한다. 대한민국 10-2015-0177014 가변 압축비 장치. 크랭크 핀에 편심 슬리브를 설치하고 유압 장치를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-2008-0121485 자동차 엔진용 가변 압축비 장치. 크랭크 핀에 편심 슬리브를 설치하고 유압 장치를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-1806157 가변 압축비 장치. 크랭크 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-2009-0056816 가변 압축비 엔진. 크랭크 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-2015-0179512 가변 압축비 장치. 크랭크 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 편심 캠 본체를 크랭크 핀에 설치하는 것이 간단하지 않고, 편심 링크와 가변 링크가 원을 그리며 회전하는 크랭크 핀을 따라가면서 구부려졌다 펴졌다 하기를 반복하는 구조로 가변 링크가 엔진에 많은 진동을 유발할 수 있다. 대한민국 10-2016-0156755 가변 압축비 장치. 피스톤 핀에 편심 슬리브를 설치하고 유압 장치를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-1180955 가변 압축비 장치. 피스톤 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-2012-0122088 압축비 가변 기구를 구비한 엔진. 피스톤 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-2010-0115240 가변 압축비 장치. 피스톤 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-2012-0122088 압축비 가변기구를 구비한 엔진. 피스톤 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 대한민국 10-2012-0079989 가변 압축비 장치. 피스톤 핀에 편심 슬리브를 설치하고 링크를 사용하여 회전시킨다. 피스톤 핀과 커넥팅 로드의 상단부 결합이 약화될 수 있고, 편심 베어링의 왕복 회전이 증가하는 구조이며, 피스톤의 빠른 왕복 운동에 따라 편심 링크와 가변 링크도 왕복 운동을 하면서 진동을 유발할 수 있다. US 10,167,776 B2 Variable compression connecting rod. 피스톤 핀에 톱니가 있는 편심 슬리브를 설치하고 멈춤쇠가 톱니를 회전시키거나 풀리지 않게 잡고 있는 방법을 사용하는데 피스톤이 받는 폭발력과 빠른 왕복 운동을 톱니와 멈춤쇠가 소화하기엔 역부족이다. US 9,611,894 B2 Clip-fastened raceway for a variable compression ratio engine. 크랭크 암의 길이가 종래에 비해 반절이 되어 크랭크 축을 구부리는 힘이 커지는 문제와 부품이 많고 장치가 복잡하게 되었다. US 7,007,638 B2 Variable compression ratio engine. 크랭크 암의 길이가 너무 짧아 크랭크 축이 큰 토크를 받기 위해서는 축을 꺾는 큰 힘을 감당해야 하게 됨. 피스톤의 커넥팅 로드와 비슷한 커넥팅 로드가 한 벌씩 더 필요하고 그것을 지지하는 축이 필요하게 됨. US 6,644,171 B2 Variable compression connecting rod. 크넥팅 로드에서 크랭크 핀의 위치를 변경하기 위해 상하로 움직이는 슬리브를 사용하는데 작고 복잡한 구조의 부품을 많이 사용하는데 그런 부품들이 피스톤의 폭발력을 감당하기 힘들게 됨.

필요에 따라 쉽게 압축비를 변경할 수 있는 장치를 제공하는 것이 본 발명이 해결하고자 하는 큰 과제이다. 그것은 종래의 내연기관에 비해 필요한 공간을 많이 늘이지 않으며, 진동과 소음을 유발하지 않고, 크랭크 핀과 크랭크 축에 부담이 증가하지 않도록 하고 비용이 적게 드는 특징을 가지는 것이다. 개시된 많은 자료들을 통해 편심 슬리브를 사용하는 것이 이러한 문제를 해결하는데 가장 가까이 접근하고 있다고 판단하고, 편심 슬리브의 자세를 조정하는 간단한 방법을 제공하는 것이 해결하고자 하는 과제이다.

편심 슬리브를 크랭크 핀이나 피스톤 핀에 설치하면 같은 커넥팅 로드를 사용해도 편심 슬리브의 자세에 따라 피스톤 핀과 크랭크 핀 사이의 거리가 달라지게 된다. 피스톤 핀과 크랭크 핀 사이의 거리를 결정짓게 만드는 커넥팅 로드의 길이를 '커넥팅 로드 유효 길이'라고 부르기로 한다. 커넥팅 로드 유효 길이가 변하면 행정은 같지만 피스톤의 상사점과 하사점이 달라지고, 피스톤이 상사점에 있을 때 연소실의 용적이 변경되어 압축비가 달라진다.

편심 슬리브의 자세를 제어하기 위해 래크와 피니언의 맞물림을 이용한다. 편심 슬리브에 피니언 기어를 형성하는 방법은 편심 슬리브의 외주면에 피니언 기어를 형성하거나 편심 슬리브의 가장자리에 동심 슬리브를 형성하고 그 동심 슬리브의 외주면에 피니언 기어를 형성하는 것이다. 피니언 기어가 형성된 편심 슬리브를 '기어 편심 슬리브'라고 부르기로 한다. 편심 슬리브의 외주원(이끝원)의 중심과 편심 슬리브의 내주원의 중심이 떨어져 있는 거리를 '편심 거리'라고 부르기로 한다.

기어 편심 슬리브를 필요한 자세로 회전시키기 위해서 래크가 사용된다. 피니언에 맞물린 래크의 위치에 따라 기어 편심 슬리브의 자세가 결정된다. 래크는 커넥팅 로드, 크랭크 암, 또는 피스톤 중 하나에 설치된다. 래크를 움직이는 것은 외부의 블록이다. 크랭크 축의 회전에 따라 래크가 움직이는 경로가 형성된다. 래크가 움직이는 경로 위에 블록이 설치된다. 블록의 위치에 따라 해당 래크가 옆으로 밀리거나 밀어 올려진다. 밀어진 래크는 기어 편심 슬리브를 일정 부분 회전시키고 기어 편심 슬리브의 자세를 변경시킨다. 그 결과 커넥팅 로드 유효 길이가 변경되어 피스톤의 상사점이 변경되고 압축비가 변경된다. 블록의 위치가 변경되지 않으면 래크의 위치도 변경되지 않고 기어 편심 슬리브의 자세도 변경되지 않는다. 블록의 위치가 다시 변경될 때까지 엔진은 변경된 압축비로 외부의 간섭 없이 계속 움직일 것이다.

편심 슬리브의 자세를 제어하기 위해 웜 기어를 이용할 수도 있다. 편심 슬리브에 웜 휠을 형성하는 방법은 편심 슬리브의 외주면에 웜 휠을 형성하거나 편심 슬리브의 가장자리에 동심 슬리브를 형성하고 그 동심 슬리브의 외주면에 웜 휠을 형성하는 것이다. 웜 휠이 형성된 편심 슬리브를 '웜 휠 편심 슬리브'라고 부르기로 한다.

상기 웜 휠을 회전시키기 위해 웜이 사용된다. 웜과 웜 휠의 회전에 따라 웜 휠 편심 슬리브의 자세가 결정된다. 웜은 피스톤에 설치된다. 웜을 회전시키는 것은 웜 축과 웜 축 회전 막대이다. 웜 축은 웜 축 회전 막대로부터 회전을 전달받을 수 있는 동시에 축 방향으로 이동할 수 있다. 웜이 회전하면 웜 휠이 회전하여 웜 휠 편심 슬리브를 일정 부분 회전시키고 웜 휠 편심 슬리브의 자세를 변경시킨다. 그 결과 커넥팅 로드 유효 길이가 변경되어 피스톤의 상사점이 변경되고 압축비가 변경된다. 웜이 회전하지 않으면 웜 휠도 회전되지 않고 웜 휠 편심 슬리브의 자세도 변경되지 않는다. 웜 축 회전 막대가 다시 회전될 때까지 엔진은 변경된 압축비로 계속 움직일 것이다.

본 발명에 의한 기어 편심 슬리브, 래크, 및 블록을 사용하여 기어 편심 슬리브의 자세를 조정하는 방법을 사용하면 쉽고 간단하게 압축비를 변경할 수 있게 된다. 이러한 방법은 가변 압축비 엔진을 값싸게 간단히 만들 수 있게 하여 가변 압축비 엔진이 늘리 사용될 수 있게 해줄 것이다. 가변 압축비 엔진은 효율과 성능은 개선되고 연료 소모와 공해 물질의 배출은 줄일 것이다.

도 1에는 본 발명에 의한 기어 편심 슬리브(1)와 래크(2, 3)가 설치된 커넥팅 로드(11, 19, 20)들을 보이고 있다. 도 1에 보인 기어 편심 슬리브(1)는 편심 슬리브의 외주면에 피니언 기어를 형성한 경우에 해당한다. 커넥팅 로드의 대단부는 수평 분할형, 경사 분할형 등을 사용할 수 있고, 특별한 제한은 없다. 커넥팅 로드의 대단부 구멍에 기어 편심 슬리브(1)가 설치되고, 기어 편심 슬리브(1)의 내부에는 베어링(10)이 설치되고, 기어 편심 슬리브(1)의 양쪽에는 래크(2, 3)가 각각 설치되고, 두 래크(2, 3)의 뒤에는 두 브레이크 패드(6, 7)가 각각 설치되고, 두 브레이크 패드(6, 7)의 뒤에는 두 스프링(8, 9)이 각각 설치되어 있다. 각 브레이크 패드(6, 7)는 각 래크(2, 3)가 쉽게 움직이지 못 하도록 하여, 기어 편심 슬리브(1)가 쉽게 회전되지 않도록 한다. 두 래크(2, 3)는 기어 편심 슬리브(1)의 양쪽에서 수직, 수평 또는 경사진 방향으로 설치될 수 있다. 두 래크(2, 3)의 하단에는 각각 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 길게 나와 있다.
도 2는 커넥팅 로드(11)의 대단부가 수평 분할형이고, 도 1에 보인 기어 편심 슬리브(1)가 커넥팅 로드(11)의 대단부에 설치되고, 두 래크(2, 3)가 수직 방향으로 설치되고, 크랭크 축(33)이 좌회전 되는 경우에 대하여 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37)를 점선으로 표시하여 보인 것이다. 또한 그 아래에 우회전 블록(4)과 좌회전 블록(5)을 설치한 예를 보이고 있다. 우회전 블록(4)과 좌회전 블록(5)은 각각 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로에서 각각 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)를 위로 밀어 올리는 기능을 한다. 두 블록(4, 5)을 움직이기 위해서는 도 2와 같이 두 블록(4, 5)이 각각 회전축(44, 45)에 연결되어 있을 수도 있고, 캠 장치에 연결되어 쓰일 수도 있고, 유압 장치나 전동 스크류에 의해 구동하는 등 다양한 방법으로 그 기능을 수행할 수 있고, 블록(4, 5)의 모양에도 제한이 없다.
도 3은 커넥팅 로드(11)의 대단부가 수평 분할형이고, 도 1에 보인 기어 편심 슬리브(1)가 커넥팅 로드(11)의 대단부에 설치되고, 두 래크(2, 3)가 수평 방향으로 설치되고, 크랭크 축(33)이 좌회전 되는 경우에 대하여 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37)를 점선으로 표시하여 보인 것이다. 또한 그 오른쪽에 우회전 블록(4)과 좌회전 블록(5)을 설치한 예를 보이고 있다. 우회전 블록(4)과 좌회전 블록(5)은 각각 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로에서 각각 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)를 왼쪽으로 미는 기능을 한다. 두 블록(4, 5)을 움직이기 위해서는 도 3과 같이 두 블록(4, 5)이 각각 회전축(44, 45)에 연결되어 있을 수도 있고, 캠 장치에 연결되어 쓰일 수도 있고, 유압 장치나 전동 스크류에 의해 구동하는 등 다양한 방법으로 그 기능을 수행할 수 있고, 블록(4, 5)의 모양에도 제한이 없다.
도 4는 커넥팅 로드(11)의 대단부가 경사 분할형이고, 도 1에 보인 기어 편심 슬리브(1)가 커넥팅 로드(11)의 대단부에 설치되고, 두 래크(2, 3)가 경사진 방향으로 설치되고, 크랭크 축(33)이 좌회전 되는 경우에 대하여 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37)를 점선으로 표시하여 보인 것이다. 또한 그 오른쪽 아래에 우회전 블록(4)과 좌회전 블록(5)을 설치한 예를 보이고 있다. 우회전 블록(4)과 좌회전 블록(5)은 각각 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로에서 각각 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)를 왼쪽 위로 미는 기능을 한다. 두 블록(4, 5)을 움직이기 위해서는 도 4와 같이 두 블록(4, 5)이 각각 회전축(44, 45)에 연결되어 있을 수도 있고, 캠 장치에 연결되어 쓰일 수도 있고, 유압 장치나 전동 스크류에 의해 구동하는 등 다양한 방법으로 그 기능을 수행할 수 있고, 블록(4, 5)의 모양에도 제한이 없다.
도 5에는 본 발명에 의한 기어 편심 슬리브(51), 래크(52), 및 블록(54)을 보이고 있다. 핀(55, 56)은 크랭크 핀(56) 또는 피스톤 핀(55)이 될 수 있다. 도 5에 보인 기어 편심 슬리브(51)는 편심 슬리브의 가장자리에 동심 슬리브를 형성하고 그 동심 슬리브의 외주면에 피니언 기어를 형성한 경우를 보인 것이다. 도 1에 보인 기어 편심 슬리브(1)는 커넥팅 로드의 대단부에 사용되기 편리한 반면, 도 5에 보인 기어 편심 슬리브(51)는 커넥팅 로드의 소단부와 대단부에 사용되기 편리하다. 중앙에 보인 것은 피스톤 핀(55)에 설치되었을 경우의 가로 단면도이고, 오른쪽에 보인 것은 크랭크 핀(56)에 설치되었을 경우의 단면도이다.
도 6에는 본 발명에 의한 기어 편심 슬리브(61), 래크(62), 및 블록(64)과 피스톤 핀(65)을 보이고 있다. 도 6에 보인 기어 편심 슬리브(61)는 편심 슬리브의 가장자리에 동심 슬리브를 형성하고 그 동심 슬리브의 외주면에 피니언 기어를 형성한 경우를 보인 것이다. 도 6에 보인 기어 편심 슬리브(61)는 래크(62)와 함께 커넥팅 로드의 소단부에 사용되기 편리하다. 중앙에 보인 것은 피스톤 핀(65)에 설치되었을 경우의 세로 단면도이고, 오른쪽에 보인 것은 다른 모양의 래크(66)와 블록(67)을 보인 것이다.
도 7에는 본 발명에 의한 웜 휠 편심 슬리브(71), 웜 휠(72), 웜(73), 웜 축(74, 77), 피스톤 핀(75), 및 웜 축 회전 막대(76, 78)를 보이고 있다. 도 7에 보인 웜 휠 편심 슬리브(71)는 편심 슬리브의 가장자리에 동심 슬리브를 형성하고 그 동심 슬리브의 외주면에 웜 휠을 형성한 경우를 보인 것이다. 도 7에 보인 웜 휠 편심 슬리브(71)는 웜(73)과 함께 각각 피스톤 핀과 피스톤에 설치되어 사용될 수 있다.

첨부한 도면에 나타난 본 발명의 실시 예를 통해 본 발명의 구체적인 내용을 상세히 설명하도록 한다. 그러나 도면에 나타난 내용으로 본 발명의 내용이 한정되지는 않는다.

도 1에는 기어 편심 슬리브(1), 래크(2, 3), 브레이크 패드(6, 7), 스프링(8, 9), 및 베어링(10)의 자세한 모양을 보이고 있고, 이들이 커넥팅 로드의 대단부에 설치된 단면도와 정면과 측면에서 본 모양을 보이고 있고, 또 수평 분할형 대단부 커넥팅 로드와 경사 분할형 대단부 커넥팅 로드를 통해 래크(2, 3)가 기어 편심 슬리브(1)의 양쪽에서 수직, 수평, 또는 경사진 방향으로 설치될 수 있음을 보이고 있다. 도 1의 기어 편심 슬리브(1)는 편심 슬리브의 외주면에 피니언 기어를 형성한 것이다. 스프링(8, 9)의 힘을 받는 브레이크 패드(6, 7)는 래크(2, 3)가 쉽게 움직이지 못 하도록 하여 기어 편심 슬리브(1)가 쉽게 회전하지 않고 안정된 자세를 유지하도록 한다. 기어 편심 슬리브(1)가 쉽게 회전하면 크랭크 핀의 회전 마찰이나 폭발 행정 시의 충격에 대해 조금씩 회전하여 자세를 안정적으로 유지하기 어렵다. 기어 편심 슬리브(1)가 쉽게 회전하지 않고 안정된 자세를 유지하는 방법은 도 1에 보인 것과 같은 방법으로 한정되지 않는다. 예를 들면 커넥팅 로드의 대단부에 있는 구멍을 기어 편심 슬리브(1)의 크기에 꼭 맞도록 만들거나 커넥팅 로드의 대단부에 있는 구멍 내부에 브레이크 패드를 설치할 수도 있다. 기어 편심 슬리브(1)는 베어링(10)처럼 두 조각으로 나누어 제작하여 하나로 조립하여 사용될 수도 있다.

두 래크(2, 3)는 하나의 기어 편심 슬리브(1)에 맞물려 있기 때문에 두 래크(2, 3)는 서로 반대 방향으로 움직인다. 이것은 우회전 래크(2)를 위로 밀어 올리면 좌회전 래크(3)가 아래로 밀려 내리게 되고, 좌회전 래크(3)를 위로 밀어 올리면 우회전 래크(2)가 아래로 밀려 내리게 됨을 의미한다. 따라서 기어 편심 슬리브(1)를 필요한 각도만큼 회전시켜서 자세를 잡게 하기 위해서는 두 래크(2, 3) 중 하나를 위로 밀어 올리기만 하면 되는 것을 알 수 있다.

도 2에는 본 발명에 의한 기어 편심 슬리브(1), 래크(2, 3), 및 블록(4, 5)이 엔진에 사용된 한 예를 보이고 있다. 크랭크 축(33)이 좌회전되면 크랭크 핀(34)은 크랭크 핀 회전 경로(35)를 따라 회전되고, 커넥팅 로드(11)의 대단부도 크랭크 핀 회전 경로(35)를 따라 회전되고, 커넥팅 로드(11)의 대단부에 설치된 기어 편심 슬리브(1)와 기어 편심 슬리브(1)의 기어와 맞물린 래크(2, 3)도 같은 경로를 따라 움직인다.

세 개의 점선으로 표시된 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36)는 각각 우회전 래크(2)가 위로 올려진 상태, 중앙에 있는 상태, 및 아래로 내려진 상태에 대하여 우회전 래크 연장 단부(12)가 지나는 경로를 보인 것이고, 세 개의 점선으로 표시된 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37)는 각각 좌회전 래크(3)가 위로 올려진 상태, 중앙에 있는 상태, 및 아래로 내려진 상태에 대하여 좌회전 래크 연장 단부(13)가 지나는 경로를 보인 것이다.

기어 편심 슬리브(1)를 필요한 각도만큼 회전시켜서 자세를 잡고 있게 하기 위해서는 두 래크(2, 3) 중 하나를 위로 밀어 올리기만 하면 되기 때문에 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36) 위에 설치된 우회전 블록(4)의 위치와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37) 위에 설치된 좌회전 블록(5)의 위치를 조정하여 두 래크(2, 3) 중 하나를 위로 밀어 올리고 다른 하나를 내려서 기어 편심 슬리브(1)를 필요한 각도만큼 회전시켜서 자세를 잡고 있게 할 수 있게 된다.

도 3에는 본 발명에 의한 기어 편심 슬리브(1), 래크(2, 3), 및 블록(4, 5)이 엔진에 사용된 다른 예를 보이고 있다. 크랭크 축(33)이 좌회전되면 크랭크 핀(34)은 크랭크 핀 회전 경로(35)를 따라 회전되고, 커넥팅 로드(11)의 대단부도 크랭크 핀 회전 경로(35)를 따라 회전되고, 커넥팅 로드(11)의 대단부에 설치된 기어 편심 슬리브(1)와 기어 편심 슬리브(1)의 기어와 맞물린 래크(2, 3)도 같은 경로를 따라 움직인다.

두 개의 점선으로 표시된 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36)는 각각 우회전 래크(2)가 왼쪽으로 밀려진 상태와 오른쪽으로 당겨진 상태에 대하여 우회전 래크 연장 단부(12)가 지나는 경로를 보인 것이고, 두 개의 점선으로 표시된 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37)는 각각 좌회전 래크(3)가 왼쪽으로 밀려진 상태와 오른쪽으로 당겨진 상태에 대하여 좌회전 래크 연장 단부(13)가 지나는 경로를 보인 것이다.

기어 편심 슬리브(1)를 필요한 각도만큼 회전시켜서 자세를 잡고 있게 하기 위해서는 두 래크(2, 3) 중 하나를 왼쪽으로 밀기만 하면 되기 때문에 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36) 위에 설치된 우회전 블록(4)의 위치와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37) 위에 설치된 좌회전 블록(5)의 위치를 조정하여 두 래크(2, 3) 중 하나를 왼쪽으로 밀고 다른 하나를 오른쪽으로 당겨서 기어 편심 슬리브(1)를 필요한 각도만큼 회전시켜서 자세를 잡고 있게 할 수 있게 된다.

도 4에는 본 발명에 의한 기어 편심 슬리브(1), 래크(2, 3), 및 블록(4, 5)이 엔진에 사용된 다른 예를 보이고 있다. 크랭크 축(33)이 좌회전되면 크랭크 핀(34)은 크랭크 핀 회전 경로(35)를 따라 회전되고, 커넥팅 로드(11)의 대단부도 크랭크 핀 회전 경로(35)를 따라 회전되고, 커넥팅 로드(11)의 대단부에 설치된 기어 편심 슬리브(1)와 기어 편심 슬리브(1)의 기어와 맞물린 래크(2, 3)도 같은 경로를 따라 움직인다.

두 개의 점선으로 표시된 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36)는 각각 우회전 래크(2)가 왼쪽 위로 올려진 상태와 오른쪽 아래로 내려진 상태에 대하여 우회전 래크 연장 단부(12)가 지나는 경로를 보인 것이고, 두 개의 점선으로 표시된 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37)는 각각 좌회전 래크(3)가 왼쪽 위로 올려진 상태와 오른쪽 아래로 내려진 상태에 대하여 좌회전 래크 연장 단부(13)가 지나는 경로를 보인 것이다.

기어 편심 슬리브(1)를 필요한 각도만큼 회전시켜서 자세를 잡고 있게 하기 위해서는 두 래크(2, 3) 중 하나를 왼쪽 위로 밀기만 하면 되기 때문에 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36) 위에 설치된 우회전 블록(4)의 위치와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37) 위에 설치된 좌회전 블록(5)의 위치를 조정하여 두 래크(2, 3) 중 하나를 왼쪽 위로 올리고 다른 하나를 오른쪽 아래로 내려서 기어 편심 슬리브(1)를 필요한 각도만큼 회전시켜서 자세를 잡고 있게 할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 4에는 도 1에 보인 편심 슬리브의 외주면에 피니언 기어를 형성한 기어 편심 슬리브(1)가 래크(2, 3), 블록(4, 5), 브레이크 패드(6, 7), 및 스프링(8, 9)과 함께 커넥팅 로드의 대단부 구멍에 설치된 예를 자세하게 보이고 있지만, 이러한 것의 설치가 커넥팅 로드의 대단부 구멍으로 제한되는 것은 아니고 커넥팅 로드의 소단부에도 얼마든지 설치될 수 있다. 거기에서는 기어 편심 슬리브(1)의 크기가 작고 베어링(10)처럼 둘로 나누어 제작하지 않아도 되는 장점이 있다. 그렇게 하였을 때의 예를 들면 블록(4, 5)을 설치하는 위치도 피스톤 핀의 위쪽이 아니라 실린더의 아래쪽이 된다. 블록(4, 5)은 크랭크 암, 평형추, 및 크랭크 핀을 피해서 설치되어야 하기 때문에 커넥팅 로드의 양쪽 옆으로 가깝게 하나씩 배치 될 수 있다. 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)도 피스톤 핀의 위쪽이 아니라 아래쪽으로 설치되고 그 끝 부분이 좌우의 블록(4, 5)에 각각 닿을 수 있도록 좌우로 돌출해 있으면 된다. 이렇게 설치되었을 경우 우회전 래크 연장 단부(12)와 좌회전 래크 연장 단부(13)는 도 2에 보인 우회전 래크 연장 단부(12)가 통과하는 경로(36)와 좌회전 래크 연장 단부(13)가 통과하는 경로(37)보다 각각 더 짧은 경로 위를 움직이고, 블록(4, 5)의 위치도 실린더와 크랭크 축의 사이가 되어 공간의 사용이 줄어들 것이다.

도 5에 보인 기어 편심 슬리브(51), 래크(52), 및 블록(54)은 커넥팅 로드의 대단부 또는 커넥팅 로드의 소단부에 사용될 수 있다. 오른쪽에 보인 단면도를 참고하여 먼저 커넥팅 로드의 대단부에 사용될 경우를 살펴보면 기어 편심 슬리브(51)는 크랭크 핀(56)의 위에 설치되고 그 위에 커넥팅 로드(60)의 대단부가 설치된다. 기어 편심 슬리브(51)는 베어링(10)처럼 두 부분으로 제작되어 조립될 수도 있다. 커넥팅 로드(60)의 대단부는 기어 편심 슬리브(51)의 중앙에 있는 편심 슬리브 부분에 접하고 양쪽의 동심 슬리브 부분에는 접하지 않는다. 래크(52)와 블록(54)은 각각 대각선 방향의 2개만 설치하는 것이 편리하다. 두 래크(52)의 설치 장소는 크랭크 암(57)의 측면이다. 크랭크 핀(56)의 양쪽에 있는 크랭크 암(57)의 측면에 하나씩 설치하면 된다. 크랭크 축이 회전할 때 두 래크(52)는 크랭크 암(57)과 함께 크랭크 축 주위를 회전할 것이다. 도 2에 보인 래크(2, 3)는 커넥팅 로드에 설치되어 회전할 때 뒤집어지는 경우는 없지만, 도 5에 보인 래크(52)는 크랭크 암에 설치되어 회전할 때에는 뒤집어진다. 그렇지만 피스톤이 하사점 부근에 있을 때에는 두 래크(52)의 단부는 각각 도 2에 보인 우회전 래크 연장 단부 통과하는 경로(36)와 좌회전 래크 연장 단부 통과하는 경로(37)와 유사한 경로를 따라 움직일 것이다. 따라서 블록(54)은 도 2의 블록(4, 5)과 비슷한 형태를 띠면서 해당 래크(52)를 밀어 올리도록 만드는 것이 가능할 것이다.

도 5에 보인 기어 편심 슬리브(51), 래크(52), 및 블록(54)이 커넥팅 로드의 소단부에 사용될 경우를 살펴보면 기어 편심 슬리브(51)는 피스톤 핀(55)의 위에 설치되고 그 위에 커넥팅 로드(60)의 소단부가 설치된다. 중앙에 보인 단면도를 참고할 수 있다. 커넥팅 로드(60)의 소단부는 기어 편심 슬리브(51)의 중앙에 있는 편심 슬리브 부분에 접하고 양쪽의 동심 슬리브 부분에는 접하지 않는다. 래크(52)의 설치 장소는 커넥팅 로드보다 피스톤(50)의 내부가 좋다. 래크(52)는 피스톤 핀(55)의 양쪽에 필요에 따라 2개 또는 4개 설치하는 것이 좋다. 크랭크 축이 회전할 때 래크(52)들은 피스톤(50)과 함께 위아래로 왕복 운동을 할 것이다. 블록들(54)은 래크들(52)의 아래에 설치되고 위아래로 위치를 조정함을 통하여 피스톤(50)이 하사점 부근에 있을 때에 래크들(52)의 단부와 접촉하여 래크들(52)을 필요한 만큼 밀어 올릴 수가 있다.

도 6에 보인 기어 편심 슬리브(61), 래크(62), 및 블록(64)이 커넥팅 로드의 소단부에 사용될 경우를 살펴보면 기어 편심 슬리브(61)는 피스톤 핀(65)의 위에 설치되고 그 위에 커넥팅 로드(60)의 소단부가 설치된다. 중앙의 단면도를 참고로 살펴보면 커넥팅 로드(60)의 소단부는 기어 편심 슬리브(61)의 중앙에 있는 편심 슬리브 부분에 접하고 양쪽의 동심 슬리브 부분에는 접하지 않는다. 래크(62)의 설치 장소는 커넥팅 로드보다 피스톤(50)의 내부가 좋다. 래크(62)는 피스톤(50) 내부의 양쪽으로 필요한 대로 1개 또는 2개 설치하는 것이 좋다. 크랭크 축이 회전할 때 래크들(62)은 피스톤(50)과 함께 위아래로 왕복 운동을 할 것이다. 블록들(64)은 래크들(62)의 아래에 설치되고 좌우로 위치를 조정함을 통하여 래크들(62)을 필요한 만큼 좌우로 움직일 수가 있다. 오른쪽에 보인 래크(66)와 블록(67)은 피스톤의 무게를 줄일 수 있게 하고, 래크(66)가 실린더 밖으로 적게 나오도록 한다. 실제에 있어서는 더욱 다양한 모양의 래크와 블록이 나올 수 있다.

도 5에 보인 기어 편심 슬리브(51)와 래크(52) 또는 도 6에 보인 기어 편심 슬리브(61)와 래크(62)가 커넥팅 로드의 소단부에 사용될 경우에는 기어 편심 슬리브(51, 61)를 고정하는 방법에 따라 차이가 발생한다. 기어 편심 슬리브(51, 61)를 커넥팅 로드의 소단부에서 쉽게 움직이지 않도록 고정하는 방법을 쓴다면 커넥팅 로드가 상하 운동을 하며 좌우로 흔들릴 때에 기어 편심 슬리브(51, 61)는 커넥팅 로드와 함께 일체가 되어 좌우로 회전하며 기어 편심 슬리브(51, 61)가 좌우로 흔들리는 중심은 피스톤 핀이 된다. 따라서 피스톤은 항상 피스톤 핀의 중심으로부터 힘을 받게 된다. 그러나 기어 편심 슬리브(51, 61)를 피스톤에서 쉽게 움직이지 않도록 고정하는 방법을 쓴다면 커넥팅 로드가 상하 운동을 하며 좌우로 흔들릴 때에 기어 편심 슬리브(51, 61)는 피스톤과 함께 일체가 되어 좌우로 회전하지 않으며 커넥팅 로드의 소단부는 고정된 기어 편심 슬리브(51, 61)의 중앙에 있는 편심 슬리브 부분에서 회전하게 된다. 기어 편심 슬리브(51, 61)의 중앙에 있는 편심 슬리브의 중심은 피스톤 핀의 중심과 일치하지 않는다. 따라서 피스톤은 피스톤 핀의 중심으로부터 힘을 받을 수 없게 된다. 기어 편심 슬리브(51, 61)를 피스톤에서 쉽게 움직이지 않도록 고정하는 방법을 쓸려고 하면 피스톤 핀의 위치를 피스톤의 중앙에서 밖으로 조금 옮겨야 할 수도 있다.

기어 편심 슬리브(51, 61)를 커넥팅 로드의 소단부에서 쉽게 움직이지 않도록 만드는 방법으로는 커넥팅 로드의 소단부의 구멍을 편심 슬리브에 꼭 맞게 만들거나 커넥팅 로드의 소단부의 구멍 내벽에 브레이크 패드를 설치할 수도 있다. 기어 편심 슬리브(51, 61)를 피스톤에서 쉽게 움직이지 않도록 만드는 방법으로는 맞물려 있는 래크(52, 62)에 브레이크 패드를 설치하는 등으로 래크(52, 62)를 고정하는 방법을 쓸 수도 있다.

도 7에 보인 웜 휠 편심 슬리브(71)는 피스톤 핀(75)에 설치되고, 웜(73)은 피스톤의 내부에 설치된다. 커넥팅 로드의 소단부는 웜 휠 편심 슬리브(71)의 중앙에 있는 편심 슬리브 부분에 접하고 양쪽의 동심 슬리브 부분에는 접하지 않는다.

웜 휠(72)은 웜 휠 편심 슬리브(71)의 한쪽에 설치될 수도 있고 양쪽에 설치될 수도 있다. 각 웜 휠(72)에는 웜(73)이 맞물린다. 웜(73)은 각 웜 휠(72)의 한쪽에 설치될 수도 있고 양쪽에 설치될 수도 있다. 따라서 웜(73)은 한 개 내지 네 개 설치될 수 있다. 각 웜(73)에는 웜 축(74, 77)이 있고, 웜 축(74, 77)은 피스톤에 설치될 수 있도록 하는 부분과 그 아래쪽에 웜 축 회전 막대(76, 78)로부터 회전을 전달받기 위한 부분으로 되어 있다.

웜 축(74, 77)은 도 7에서 양쪽으로 보인 두 예와 같이 피스톤과 함께 왕복 운동을 하기 때문에 웜 축 회전 막대(76, 78)의 속이나 겉으로 미끄러지면서 움직일 수 있는 것이 좋으나 그렇게 제한되는 것은 아니다. 예를 들면 펜타 그래프 구조가 사용될 수도 있다. 웜 축(74, 77)의 하부와 웜 축 회전 막대(76, 78)가 서로에 대해 미끄러지면서 움직이기 위해 웜 축(74)의 하부는 다각형 기둥을 이루고 있거나 외주면에 스플라인 기어가 형성되어 있을 수도 있다. 그 반대로 웜 축 회전 막대(78)가 다각형 기둥을 이루거나 스플라인 기어 형태로 되어 웜 축(77) 속을 관통하여 움직일 수도 있다. 다만 빠른 왕복 운동을 고려하여 다각형 구조를 사용하면서 롤러나 베어링이 함께 사용되는 것이 좋고 웜 축(74, 77)이 가벼운 것이 좋다.

웜 축 회전 막대(76, 78)를 회전시키면 웜(73)이 회전하고, 웜(73)이 회전하면 웜 휠(73)이 회전하고, 웜 휠(73)이 회전하면 웜 휠 편심 슬리브(71)가 회전한다. 웜 축 회전 막대(76, 78)를 조종하여 웜 휠 편심 슬리브(71)를 조종할 수 있고, 웜 휠 편심 슬리브(71)의 조종을 통해 웜 휠 편심 슬리브(71)의 자세를 조종하면 '커넥팅 로드 유효 길이'가 조종되어 압축비가 조종된다.

자동차의 중요한 품질의 하나로서 연비와 성능과 배출 가스 공해 저감 실현 등을 꼽을 수가 있는데, 가변 압축비 엔진은 이것을 달성하는데 꼭 필요한 요소의 하나이다. 본 발명에 의한 가변 압축비 엔진은 종래의 엔진에서 작은 변경을 통해 구현 가능하므로 본 발명에 의한 가변 압축비 엔진이 다양한 자동차에 이용 가능할 것이다.

1: 기어 편심 슬리브. 2: 우회전 래크. 3: 좌회전 래크. 4: 우회전 블록. 5: 좌회전 블록. 6, 7: 브레이크 패드. 8, 9: 스프링. 10: 베어링. 11: 커넥팅 로드. 12: 우회전 래크 연장 단부. 13: 좌회전 래크 연장 단부. 14: 커넥팅 로드 캡. 15: 커넥팅 로드 캡 볼트. 31: 피스톤. 32: 피스톤 핀. 33: 크랭크 축. 34: 크랭크 핀. 35: 크랭크 핀 회전 경로. 36: 우회전 래크 연장 단부 통과하는 경로. 37: 좌회전 래크 연장 단부 통과하는 경로. 44: 우회전 블록 회전축. 45: 좌회전 블록 회전축. 50: 피스톤. 51: 기어 편심 슬리브. 52: 래크. 54: 블록. 55: 피스톤 핀. 56: 크랭크 핀. 57: 크랭크 암. 60: 커넥팅 로드. 61: 기어 편심 슬리브. 62: 래크. 64: 블록. 65: 피스톤 핀. 66: 래크. 67: 블록. 71: 웜 휠 편심 슬리브. 72: 웜 휠. 73: 웜. 74, 77: 웜 축. 75: 피스톤 핀. 76, 78: 웜 축 회전 막대.

Claims

가변 압축비 엔진에 있어서,
피스톤 핀 또는 크랭크 핀 중의 하나에 설치되는 기어 편심 슬리브;
상기 기어 편심 슬리브의 기어에 맞물리는 적어도 하나 이상의 래크;
상기 래크가 움직이는 경로 위에 배치되어 래크의 위치를 조정하는 적어도 하나 이상의 블록;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.
가변 압축비 엔진에 있어서,
피스톤 핀에 설치되는 웜 휠 편심 슬리브;
상기 웜 휠 편심 슬리브의 웜 휠에 맞물리는 적어도 하나 이상의 웜; 및
상기 웜의 축이 축 방향으로 움직일 수 있고, 상기 축에 회전을 전달하는 적어도 하나 이상의 웜 축 회전 막대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 엔진.