KR101500386B1

KR101500386B1 - 가변 압축비 장치

Info

Publication number: KR101500386B1
Application number: KR20130160457A
Authority: KR
Inventors: 김한상; 장필성
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-03-18

Abstract

본 발명은 압축비의 변경 및 배기가스의 재순환을 동시에 구현하는 가변 압축기 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는, 엔진의 운전상태에 따라 상기 엔진에 구비된 피스톤의 상사점을 변경시키는 가변 압축비 장치로서, 엔진의 실린더 내에서 왕복운동 가능하도록 구비되고, 왕복운동에 의해 크랭크 샤프트를 회전시키도록 커넥팅 로드와 연결되는 하부 피스톤; 상기 하부 피스톤에서 상기 커넥팅 로드와 연결된 부분보다 상대적으로 상측에 형성된 공간인 작동실; 상기 하부 피스톤보다 상대적으로 상측에 배치되고, 일부분이 상기 작동실에 삽입되는 상부 피스톤; 상기 작동실을 상하로 구획하도록 상기 상부 피스톤의 일부분에 형성되는 푸쉬 플레이트; 상기 구획된 작동실의 하측 공간인 유압 챔버; 상기 푸쉬 플레이트를 하측으로 밀도록 상기 구획된 작동실의 상측 공간에 구비되는 탄성부재; 상기 푸쉬 플레이트가 유압에 의해 선택적으로 상측으로 밀리도록 상기 유압 챔버에 유압을 공급하는 유압 공급부; 및 상기 유압 공급부로부터 상기 유압 챔버에 유압이 공급되도록 상기 유압 공급부와 상기 유압 챔버를 연결하는 유압 공급 회로; 를 포함할 수 있다.
상기 유압 챔버에 공급되어 유압을 형성하는 유체는 가스일 수 있다.

Description

가변 압축비 장치{VARIABLE COMPRESSION RATIO DEVICE}

본 발명은 가변 압축기 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축비의 변경 및 배기가스의 재순환을 동시에 구현하는 가변 압축기 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열기관의 열효율은 압축비가 높으면 증가된다. 여기서, 압축비는 실린더 안으로 들어간 기체가 피스톤에 의해 압축되는 용적의 비율이며, '실린더 용적/피스톤의 상사점에서 연소실 용적'으로 나타낸다. 즉, 피스톤의 상사점이 높아질수록 압축비가 증가된다.

스파크 점화기관의 경우, 점화시기의 진각에 의해 열효율이 증가될 수 있으나, 이상 연소 등을 고려하면 점화시기 진각에 한계가 있을 수 있다. 따라서, 열기관의 열효율을 향상시키기 위한 가변 압축비(variable compression ratio; VCR) 장치가 요구된다.

상기 가변 압축비 장치는 혼합기의 압축비를 엔진의 운전 상태에 따라 변화시키는 장치이다. 이러한 가변 압축비 장치는 엔진의 저부하 운전 상태(low load condition)에서는 혼합기의 압축비를 높여 연비를 향상시키고, 엔진의 고부하 운전 상태(high load condition)에서는 최대한의 혼합기가 공급됨과 동시에 혼합기의 압축비를 낮추어 녹킹의 발생을 방지하고 엔진 출력을 향상시키도록 기능한다.

하지만, 종래의 가변 압축비 장치를 구현하기 위해서는 많은 기계적인 구성요소가 요구되어 구성이 복잡해질 수 있다. 또한, 기계적인 구성요소를 구동시키기 위하여 전기를 동력원으로 하는 모터 등이 사용될 경우, 연비가 악화될 수 있는 문제가 있다. 나아가, 모터의 동력전달은 다른 기어결합에 비해 상대적으로 큰 구동토크가 요구됨에 따라 상기 모터의 용량이 작아지는 것에 한계가 있다. 따라서, 자동차의 전체적인 중량이 증가하고 연비가 악화될 수 있다. 더 나아가, 기계적인 구성요소들의 연결관계가 복잡해지면, 가변 압축비 장치의 빠른 응답성을 확보하기에 용이하지 못하다.

한편, 배기가스에 포함된 질소산화물(nitrous oxide; NOx)은 주요한 대기오염물질로 규제되고 있으며, NOx의 배출을 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 시스템은 이러한 NOx 등을 포함한 유해 배기가스의 저감을 위해 차량에 장착되는 시스템이다. 일반적으로, NOx는 혼합기 중에 공기의 비율이 높아서 연소가 잘될 때 증가한다. 따라서, 배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부(예를 들어 5~20%)를 다시 혼합기에 섞어 혼합기 속의 산소량을 줄이고 연소를 방해하여 NOx의 발생을 억제하는 시스템이다.

하지만, 상기 배기가스 재순환 시스템을 구현하기 위해서는 엔진 및 엔진의 주변 기기에 복잡한 구성이 요구되고, 자동차의 생산 원가가 증가되며 생산성이 저감될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 압축비의 변경 및 배기가스의 재순환을 동시에 구현하는 가변 압축기 장치를 제공하는 것이다.

또한, 구성이 간단하고 응답성이 확보될 수 있는 가변 압축비 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

나아가, 배기가스의 재순환을 위한 시스템이 단순해지도록 하는 가변 압축비 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는, 엔진의 운전상태에 따라 상기 엔진에 구비된 피스톤의 상사점을 변경시키는 가변 압축비 장치로서, 엔진의 실린더 내에서 왕복운동 가능하도록 구비되고, 왕복운동에 의해 크랭크 샤프트를 회전시키도록 커넥팅 로드와 연결되는 하부 피스톤; 상기 하부 피스톤에서 상기 커넥팅 로드와 연결된 부분보다 상대적으로 상측에 형성된 공간인 작동실; 상기 하부 피스톤보다 상대적으로 상측에 배치되고, 일부분이 상기 작동실에 삽입되는 상부 피스톤; 상기 작동실을 상하로 구획하도록 상기 상부 피스톤의 일부분에 형성되는 푸쉬 플레이트; 상기 구획된 작동실의 하측 공간인 유압 챔버; 상기 푸쉬 플레이트를 하측으로 밀도록 상기 구획된 작동실의 상측 공간에 구비되는 탄성부재; 상기 푸쉬 플레이트가 유압에 의해 선택적으로 상측으로 밀리도록 상기 유압 챔버에 유압을 공급하는 유압 공급부; 및 상기 유압 공급부로부터 상기 유압 챔버에 유압이 공급되도록 상기 유압 공급부와 상기 유압 챔버를 연결하는 유압 공급 회로; 를 포함할 수 있다.

상기 유압 챔버에 공급되어 유압을 형성하는 유체는 가스일 수 있다.

상기 유압 챔버에 공급되어 유압을 형성하는 가스는 배기가스일 수 있다.

상기 유압 공급부는, 터보차저의 콤프레서 측에서 압축된 배기가스가 위치하는 부분인 콤프레서 부; 및 상기 콤프레서 부로부터 배기가스를 전달받고, 전달받은 배기가스를 펌핑하여 고압의 배기가스를 유압 공급 회로에 전달하는 고압펌프; 를 포함할 수 있다.

상기 유압 공급 회로에 전달된 고압의 배기가스는 상기 유압 챔버에 공급될 수 있다.

상기 가변 압축비 장치는, 상기 유압 챔버와 연소실을 연통시키도록 상기 상부 피스톤에 형성되는 배기가스 재순환 통로; 및 상기 배기가스 재순환 통로를 선택적으로 개폐하도록 상기 배기가스 재순환 통로 상에 배치되는 체크 밸브; 를 더 포함할 수 있다.

상기 체크 밸브가 개방되면, 상기 유압 챔버로부터 상기 연소실로 배기가스가 재순환될 수 있다.

상기 체크 밸브는 상기 유압 챔버와 상기 연소실의 유압차가 설정치 이상인 경우에 자연적으로 개방되고, 상기 유압 챔버와 상기 연소실의 유압차가 설정치 미만인 경우에 자연적으로 폐쇄될 수 있다.

상기 유압 공급부는, 상기 터보차저의 배기 터빈 전단 측에서 배기가스가 위치하는 부분인 터빈 부; 상기 터빈 부로부터 배기가스를 전달받고, 배기가스를 냉각시키는 배기가스 재순환 쿨러; 및 상기 배기가스 재순환 쿨러로부터 배기가스를 전달받고, 전달받은 배기가스를 펌핑하여 고압의 배기가스를 유압 공급 회로에 전달하는 고압펌프; 를 포함할 수 있다.

상기 유압 챔버에 설정치 이상의 유압이 공급되면, 상기 상부 피스톤이 상기 하부 피스톤을 기준으로 상승하며, 상기 유압 챔버에 설정치 이상의 유압이 공급되지 않으면, 상기 푸쉬 플레이트가 상기 탄성부재에 의해 밀림에 따라 상기 상부 피스톤은 상기 하부 피스톤에 접촉되도록 원위치 될 수 있다.

상기 유압 공급 회로는, 실린더 블록에 형성되고, 그 일단이 상기 유압 공급부와 연결된 제1 유압 라인; 상기 크랭크 샤프트에 형성되고, 그 일단이 상기 제1 유압 라인의 타단과 연통된 제2 유압 라인; 상기 커넥팅 로드에 형성되고, 그 일단이 상기 제2 유압 라인의 타단과 연통된 제3 유압 라인; 및 상기 하부 피스톤에 형성되고, 그 일단이 상기 제3 유압 라인의 타단과 연통되며, 그 타단이 상기 유압 챔버와 연통되는 제4 유압 라인; 을 포함할 수 있다.

상기 유압 공급부로부터 공급된 유체는 상기 제1 유압 라인, 상기 제2 유압 라인, 상기 제3 유압 라인, 및 상기 제4 유압 라인을 순차적으로 경유하여 상기 유압 챔버에 공급될 수 있다.

상기 유압 공급회로들이 각각 연결되는 부분에는 씰링부재가 구비되고, 상기 유압 공급회로가 연결되도록 대면하는 두 구성요소에 각각 구비된 상기 씰링부재가 기밀하게 접촉되도록 상기 대면하는 두 구성요소에 각각 구비된 씰링부재 중 적어도 하나는 두 구성요소가 대면하는 면으로부터 돌출될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 피스톤의 상사점을 변경시키는 작동에 유압을 사용함으로써, 구성이 간단해지고 압축비 변경의 응답성이 향상됨과 동시에 전체적인 중량을 최소화할 수 있다. 따라서, 엔진의 연비가 개선될 수 있다.

또한, 압축비 변경을 수행하는 유압을 형성하는 데에 배기가스를 사용하고, 압축비 변경에 사용된 배기가스를 연소실에 공급함으로써 압축비 변경과 배기가스의 재순환을 동시에 구현할 수 있다 따라서, 배기가스의 재순환을 위한 구성이 간단해 질 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 작동도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유압 공급 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 유압 공급부의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환 통로를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치는 하부 피스톤(10), 상부 피스톤(20), 탄성부재(26), 유압 공급 회로(40), 및 유압 공급부(70)을 포함한다. 또한, 하부 피스톤(10), 상부 피스톤(20), 탄성부재(26)는 엔진의 실린더(C) 내에서 왕복운동 가능하도록 구비되는 피스톤(P)을 구성한다.

상기 하부 피스톤(10)은 상기 실린더(C) 내에서의 왕복운동에 의해 크랭크 샤프트(50)를 회전시키도록 커넥팅 로드(30)와 연결된다(도 3 참조). 또한, 상기 하부 피스톤(10)은 핀 홀(12), 작동실(14), 유압 챔버(16), 로드 삽입홀(18)을 포함한다.

상기 커넥팅 로드(30)는 상기 하부 피스톤(10)으로부터 연소력을 전달받아 상기 크랭크 샤프트(50)에 전달한다(도 3 참조). 상기 연소력의 전달을 위하여, 상기 커넥팅 로드(30)의 일단은 피스톤 핀(35)에 의해 상기 하부 피스톤(10)에 회전 가능하게 연결되고, 상기 커넥팅 로드(30)의 타단은 상기 크랭크 샤프트(50)에 회전 가능하게 연결된다. 통상적으로, 상기 피스톤(P)과 연결되는 상기 커넥팅 로드(30)의 일단은 소단부(32)로 지칭되고, 상기 크랭크 샤프트(50)와 연결되는 커넥팅 로드(30)의 타단은 대단부(34)로 지칭된다.

상기 핀 홀(12)은 상기 피스톤 핀(35)이 삽입되는 홀(hole)이다. 즉, 상기 피스톤 핀(35)이 상기 커넥팅 로드(30)의 소단부(32) 및 상기 핀 홀(12)을 관통하도록 배치됨으로써 상기 커넥팅 로드(30)와 상기 하부 피스톤(10)이 연결된다.

이러한 피스톤 핀(35)에 의한 커넥팅 로드(30)와 피스톤(P)의 연결은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, 당업자)에게 자명하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 작동실(14)은 상기 하부 피스톤(10)에서 상기 커넥팅 로드(30)와 상기 하부 피스톤(10)이 연결된 부분보다 상대적으로 상측에 형성된 공간이다.

상기 유압 챔버(16)는 상기 작동실(14)의 일부분으로 유압이 공급될 수 있도록 형성된다.

상기 로드 삽입홀(18)은 상기 하부 피스톤(10)의 상단으로부터 상기 작동실(14)까지 관통하도록 형성된 홀이다.

상기 상부 피스톤(20)은 일부분이 상기 로드 삽입홀(18)에 삽입되어 상기 하부 피스톤(10)과 연결되며, 상기 하부 피스톤(10)보다 상대적으로 상측에 배치된다. 또한, 상기 하부 피스톤(10) 및 상기 상부 피스톤(20)은 실린더(C)의 내벽과 거의 이격없이 상기 실린더(C)에 삽입된다. 한편, 상기 하부 피스톤(10) 및 상기 상부 피스톤(20)과 상기 실린더(C)의 내벽 사이의 기밀이 유지되도록 당업자의 설계에 따라 상기 하부 피스톤(10) 및 상기 상부 피스톤(20)에 피스톤 링(도시하지 않음)이 구비될 수 있음은 물론이다. 나아가, 상기 상부 피스톤(20)은 상기 하부 피스톤(10)을 기준으로 하여 선택적으로 상하운동 가능하도록 구비된다. 여기서, 상기 상부 피스톤(20)의 상하 운동에 따라 연소실(1)의 체적이 변함으로써, 혼합기의 압축비가 변경된다.

상기 연소실(1)은 상기 피스톤(P)과 상기 실린더(C)의 사이에 형성되는 공간으로서, 흡기밸브(3) 및 배기밸브(5)의 개폐에 따라 혼합기가 흡입되거나 연소가스가 배출된다. 여기서, 상기 연소실(1)로부터 배출된 연소가스를 배기가스라 한다. 이러한 연소실(1) 및 흡/배기 밸브(3, 5)의 개폐는 당업자에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 본 발명의 실시예에서는 상기 연소실(1)이 상기 상부 피스톤(20)과 상기 실린더(C)의 사이에 형성된다.

상기 상부 피스톤(20)은 연결 로드(22) 및 푸쉬 플레이트(24)를 포함한다.

상기 연결 로드(22)는 상기 로드 삽입홀(18)에 삽입되는 상기 상부 피스톤(20)의 일부분이다. 즉, 상기 연결 로드(22)는 상기 상부 피스톤(20)의 하부에 형성되어 그 일단이 상기 로드 삽입홀(18)을 통하여 상기 작동실(14)까지 삽입된다.

상기 푸쉬 플레이트(24)는 상기 로드 삽입홀(18)에 삽입된 상기 연결 로드(22)의 일단에 형성된다. 또한, 상기 푸쉬 플레이트(24)는 널찍한 판 형상으로 형성된다. 나아가, 상기 푸쉬 플레이트(24)는 상기 작동실(14)의 내벽에 거의 이격없이 구비되고, 상기 작동실(14)은 상기 푸쉬 플레이트(24)에 의해 상하로 구획된다. 여기서, 상기 유압 챔버(16)는 상기 푸쉬 플레이트(24)에 의해 구획된 상기 작동실(14)의 상측 공간과 하측 공간 중 하측 공간이다.

상기 탄성부재(26)는 상기 작동실(14)의 상측 공간에 배치된다. 또한, 상기 탄성부재(26)는 상기 푸쉬 플레이트(24)를 하측으로 밀도록 구비된다. 한편, 상기 탄성부재(26)는 코일 스프링일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 유압 공급 회로(40)는 상기 유압 챔버(16)에 유압을 공급하도록 형성되고 배치된다. 도 1에는 상기 유압 공급 회로(40)가 상기 커넥팅 로드(30) 및 상기 하부 피스톤(10)에 각각 형성된 것이 도시되었다. 여기서, 상기 커넥팅 로드(30)에 형성된 유압 공급 회로(40)는 상기 하부 피스톤(10)에 형성된 유압 공급 회로(40)와 연통되며, 상기 하부 피스톤(10)에 형성된 유압 공급 회로(40)는 상기 유압 챔버(16)와 연통된다.

상기 유압 공급부(70)는 상기 유압 공급 회로(40)에 유압을 공급하는 장치이다. 또한, 상기 유압 공급부(70)로부터 공급되는 유압은 상기 커넥팅 로드(30)에 형성된 유압 공급 회로(40) 및 상기 하부 피스톤(10)에 형성된 유압 공급 회로(40)를 순차적으로 경유하여 상기 유압 챔버(16)에 공급된다. 한편, 상기 유압 공급부(70)는 통상적인 오일 펌프(71)일 수 있으나(도 4 참조), 이에 한정되지 않는다. 나아가, 상기 유압 공급 회로(40)를 통하여 상기 유압 챔버(16)에 공급되는 유압을 형성하는 유체(F)는 오일 또는 가스일 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 압축비 장치의 작동도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 유압 챔버(16)에 채워지는 유체(F)의 양에 따라 상기 상부 피스톤(20)이 상기 하부 피스톤(10)을 기준으로 상승하거나 하강한다. 여기서, 상기 유체(F)의 양은 유압의 세기를 의미한다.

도 2(a)는 상기 유압 챔버(16)에 유압의 공급이 차단되거나 공급된 유체(F)의 양이 적어서 상기 상부 피스톤(20)이 하강된 상태이고, 도 2(b)는 상기 유압 챔버(16)에 유압이 설정치 이상 공급되어 상기 상부 피스톤(20)이 상승된 상태이다.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 상기 유압 공급부(70)로부터 상기 유압 챔버(16)에 공급되는 유압이 차단되거나 공급된 유체(F)의 양이 적으면, 상기 탄성부재(26)가 상기 푸쉬 플레이트(24)를 미는 힘에 의해 상기 상부 피스톤(20)이 하강된다. 또한, 상기 연결 로드(22)가 돌출된 상기 상부 피스톤(20)의 하면이 상기 하부 피스톤(10)의 상면에 접촉된다. 따라서, 상기 연소실(1)의 체적이 증가된다.

도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상기 유압 공급부(70)로부터 상기 유압 챔버(16)에 설정치 이상의 유압이 공급되면, 상기 유체(F)가 상기 푸쉬 플레이트(24)를 미는 힘에 의해 상기 상부 피스톤(20)이 상승된다. 즉, 상기 연결 로드(22)가 돌출된 상기 상부 피스톤(20)의 하면이 상기 하부 피스톤(10)의 상면으로부터 이격된다. 따라서, 상기 연소실(1)의 체적이 감소된다. 여기서, 상기 유압의 설정치는 상기 탄성부재(26)의 탄성력을 고려하여 당업자에 의해 설정될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유압 공급 회로 및 윤활 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 유압 공급 회로(40)는 제1, 2, 3, 4 유압 라인(41, 43, 45, 47)을 포함하고, 상기 윤활 회로(42, 44, 46)는 오일 공급부(90) 및 제1, 2, 3 윤활 라인(42, 44, 46)를 포함한다.

상기 제1 유압 라인(41)은 실린더 블록(60)에 형성된다. 또한, 상기 제1 유압 라인(41)의 일단은 상기 유압 공급부(70)와 연결된다.

상기 제2 유압 라인(43)은 크랭크 샤프트(50)에 형성된다. 또한, 상기 제2 유압 라인(43)의 일단은 상기 제1 유압 라인(41)의 타단과 연통된다.

상기 제3 유압 라인(45)은 상기 커넥팅 로드(30)에 형성된 유압 공급 회로(40)이다(도 1 참조). 또한, 상기 제3 유압 라인(43)의 일단은 상기 제2 유압 라인(43)의 타단과 연통된다. 나아가, 상기 제3 유압 라인(43)의 일단은 상기 커넥팅 로드(30)의 대단부(34)에 형성되고, 상기 제3 유압 라인(45)의 타단은 상기 커넥팅 로드(30)를 따라 소단부(32) 측으로 연장된다.

상기 제4 유압 라인(47)은 상기 하부 피스톤(50)에 형성된 유압 공급 회로(40)이다(도 1 참조). 또한, 상기 제4 유압 라인(47)의 일단은 상기 커넥팅 로드(30)의 소단부까지 연장된 상기 제3 유압 라인(45)의 타단과 연통된다(도 1 참조). 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 제4 유압 라인(47)의 타단은 상기 유압 챔버(16)와 연통된다.

상기 유압 공급부(70)로부터 공급된 유체(F)는 상기 제1 유압 라인(41), 상기 제2 유압 라인(43), 상기 제3 유압 라인(45), 및 상기 제4 유압 라인(47)을 순차적으로 경유하여 상기 유압 챔버(16)에 공급된다.

상기 윤활 회로(42, 44, 46)는 상기 커넥팅 로드(30)와 상기 크랭크 샤프트(50)의 연결부에 개재된 베어링(38) 및 상기 실린더 블록(60)과 상기 크랭크 샤프트(50)의 연결부에 개재된 베어링(58)을 윤활하는 오일을 공급하도록 형성된다. 즉, 상기 제1, 2, 3 윤활 라인(42, 44, 46)을 통하여 공급되는 오일은 상기 크랭크 샤프트(50)의 회전을 원활하게 한다.

상기 오일 공급부(90)는 엔진 오일 리저버(도시하지 않음) 또는 오일 팬(도시하지 않음)으로부터 엔진 오일을 상기 윤활 회로(42, 44, 46)에 공급한다. 한편, 상기 오일 공급부(90)는 오일 펌프(71) 및 오일 컨트롤 밸브(72)로 구성된다(도 4 참조). 여기서, 상기 오일 펌프(71)는 엔진 오일을 공급하고자 부분에 공급하도록 펌핑하는 장치이고, 상기 오일 컨트롤 밸브(72)는 상기 오일 펌프(71)와 엔진 오일을 공급하고자 부분의 사이에서 공급되는 엔진 오일의 양을 조절하는 장치이다.

상기 제1 윤활 라인(42)은 상기 실린더 블록(60)에 형성된다. 또한, 상기 제1 윤활 라인(42)의 일단은 상기 오일 공급부(90)와 연결된다.

상기 제2 윤활 라인(44)은 상기 크랭크 샤프트(50)에 형성된다. 또한, 상기 제2 윤활 라인(44)은 상기 크랭크 샤프트(50)가 상기 실린더 블록(60)과 연결되는 부분에 형성된다. 나아가, 상기 제2 윤활 라인(44)은 상기 크랭크 샤프트(50)와 상기 실린더 블록(60)의 연결부까지 연장된 상기 제1 윤활 라인(42)의 타단과 연결된다. 한편, 상기 제2 윤활 라인(44)은 상기 베어링(58)의 직경방향으로 상기 크랭크 샤프트(50)를 관통하도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1 윤활 라인(42) 및 상기 제2 윤활 라인(44)을 통과한 오일은 상기 실린더 블록(60)과 상기 크랭크 샤프트(50)의 연결부에 개재된 베어링(58)을 윤활한다.

상기 제3 윤활 라인(46)은 상기 크랭크 샤프트(50)에 형성되며, 상기 제2 윤활 라인(44)으로부터 분기된다. 즉, 상기 제3 윤활 라인(46)의 일단은 상기 제2 윤활 라인(44)과 연결된다. 또한, 상기 제3 윤활 라인(46)의 타단은 상기 크랭크 샤프트(50)와 상기 커넥팅 로드(30)의 연결부까지 연장된다. 따라서, 상기 제3 윤활 라인(46)을 통과한 오일은 상기 커넥팅 로드(30)와 상기 크랭크 샤프트(50)의 연결부에 개재된 베어링(38)을 윤활한다.

상기 제1 윤활 라인(42)에 공급된 오일은 상기 제1 윤활 라인(42), 상기 제2 윤활 라인(44), 및 상기 제3 윤활 라인(46)을 순차적으로 경유하며, 이 과정에서 상기 베어링(38, 58)을 윤활한 오일은 낙하되어 상기 오일 팬에 회수될 수 있다.

한편, 상기 하부 피스톤(10)과 상기 커넥팅 로드(30)의 유압 공급 회로(40) 연결부, 상기 커넥팅 로드(30)와 상기 크랭크 샤프트(50)의 유압 공급 회로(40) 연결부, 및 상기 크랭크 샤프트(50)와 상기 실린더 블록(60)의 유압 공급 회로(40) 연결부에는 유체(F)의 손실을 방지하도록 씰링부재(80)가 구비된다. 즉, 상기 씰링부재(80)는 상기 제1 유압 라인(41)과 상기 제2 유압 라인(43)의 사이, 상기 제2 유압 라인(43)과 상기 제3 유압 라인(45)의 사이, 및 상기 제3 유압 라인(45)과 상기 제4 유압 라인(47)의 사이에 개재된다. 여기서, 상기 크랭크 샤프트(50)의 회전에 따른 유체(F)의 손실을 방지하기 위하여 상기 제1 유압 라인(41)과 상기 제2 유압 라인(43)의 연결부 및 상기 제2 유압 라인(43)과 상기 제3 유압 라인(45)의 연결부는 각각 원형의 홈 형상으로 형성된다. 또한, 상기 제1 유압 라인(41)과 상기 제2 유압 라인(43)의 연결부 및 상기 제2 유압 라인(43)과 상기 제3 유압 라인(45)의 연결부에 각각 배치되는 상기 씰링부재(80)는 상기 제1 유압 라인(41)과 상기 제2 유압 라인(43)의 연결부 및 상기 제2 유압 라인(43)과 상기 제3 유압 라인(45)의 연결부의 형상에 대응되도록 원형으로 형성된다.

상기 씰링부재(80)는 상기 하부 피스톤(10)에 구비되는 씰링부재(80)와 상기 하부 피스톤(10)에 구비되는 씰링부재(80)가 기밀하게 접촉되도록 상기 하부 피스톤(10)과 상기 커넥팅 로드(30)의 유압 공급 회로(40) 연결부가 형성되는 면으로부터 돌출된다. 이 때, 상기 하부 피스톤(10)에 구비되는 씰링부재(80)와 상기 하부 피스톤(10)에 구비되는 씰링부재(80) 중 적어도 하나는 돌출된다. 또한, 상기 씰링부재(80)는 상기 커넥팅 로드(30)에 구비되는 씰링부재(80)와 상기 크랭크 샤프트(50)에 구비되는 씰링부재(80)가 기밀하게 접촉되도록 상기 커넥팅 로드(30)와 상기 크랭크 샤프트(50)의 유압 공급 회로(40) 연결부가 형성되는 면으로부터 돌출된다. 이 때, 상기 커넥팅 로드(30)에 구비되는 씰링부재(80)와 상기 크랭크 샤프트(50)에 구비되는 씰링부재(80) 중 적어도 하나는 돌출된다. 나아가, 상기 씰링부재(80)는 상기 크랭크 샤프트(50)에 구비되는 씰링부재(80)와 상기 실린더 블록(60)에 구비되는 씰링부재(80)가 기밀하게 접촉되도록 상기 크랭크 샤프트(50)와 상기 실린더 블록(60)의 유압 공급 회로(40) 연결부가 형성되는 면으로부터 돌출된다. 이 때, 상기 크랭크 샤프트(50)에 구비되는 씰링부재(80)와 상기 실린더 블록(60)에 구비되는 씰링부재(80) 중 적어도 하나는 돌출된다.

도 4는 본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 유압 공급부의 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 유압 공급부(70)는 오일 펌프(71) 및 오일 컨트롤 밸브(72)를 포함한다. 또한, 본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 유압 공급부(70)는 엔진 오일을 유압 공급 회로(40)에 공급하도록 구비된다.

앞에서 설명한 바와 같이, 상기 오일 펌프(71)는 엔진 오일을 공급하고자 부분에 공급하도록 펌핑하는 장치이고, 상기 오일 컨트롤 밸브(72)는 상기 오일 펌프(71)와 엔진 오일을 공급하고자 부분의 사이에서 공급되는 엔진 오일의 양을 조절하는 장치이다.

상기 오일 컨트롤 밸브(72)는 상기 제1 유압 라인(41)과 연결되고, 상기 오일 펌프(71)로부터 전달받은 엔진 오일을 상기 제1 유압 라인(41)에 공급한다. 또한, 상기 오일 컨트롤 밸브(72)는 상기 제1 윤활 라인(42)에 공급되는 엔진 오일의 양을 조절한다. 즉, 본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 유압 공급부(70)는 상기 오일 공급부(90)의 역할을 겸한다. 다시 말해, 상기 유체(F)가 엔진 오일일 경우에는 상기 오일 공급부(90)가 상기 유압 공급부(70)로서 기능하며, 별도의 유압 공급부(70)가 요구되지 않을 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부의 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부(70)는 콤프레서 부(73) 및 고압 펌프(74)를 포함한다. 또한, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부(70)는 배기가스를 유압 공급 회로(40)에 공급하도록 구비된다.

상기 콤프레서 부(73)는 터보차저(T)의 콤프레서(Compressor) 측에서 압축된 배기가스가 위치하는 부분이다. 여기서, 상기 터보차저(T)는 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌리면 여기에 직결된 콤프레서가 엔진의 실린더에 공기를 밀어 넣어 엔진 출력을 향상시키는 장치이며, 터보차저(T)의 콤프레서는 당업자에게 자명하므로 상기 콤프레서 부(73)에 대한 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 고압 펌프(74)는 상기 콤프레서 부(73)와 연결되고, 상기 콤프레서 부(73)로부터 배기가스를 전달받는다. 또한, 상기 고압 펌프(74)는 상기 제1 유압 라인(41)과 연결되고, 상기 콤프레서 부(73)로부터 전달받은 배기가스를 펌핑하여 고압의 배기가스를 상기 제1 유압 라인(41)에 공급한다. 나아가, 상기 제1 유압 라인(41)에 공급된 배기가스는 상기 유압 공급 회로(40)를 통하여 상기 유압 챔버(16)에 공급된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부의 블록도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부(70)는 터빈 부(75), 배기가스 재순환 쿨러(EGR cooler, 76), 및 고압 펌프(77)를 포함한다. 또한, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유압 공급부(70)는 배기가스를 유압 공급 회로(40)에 공급하도록 구비된다.

상기 터빈 부(75)는 상기 터보차저(T)의 배기 터빈(exhaust turbine) 측에서 배기가스가 위치하는 부분이다. 또한, 상기 터빈 부(75)는 상기 배기 터빈의 전단 측에 위치한다. 즉, 상기 터빈 부(75)는 상기 배기 터빈을 통과하지 않은 배기가스가 위치하는 부분이다.

상기 배기가스 재순환 쿨러(76)는 상기 터빈 부(75)와 연결되고, 상기 터빈 부(75)로부터 배기가스를 전달받는다. 또한, 상기 배기가스 재순환 쿨러(76)는 상기 터빈 부(75)로부터 전달받은 배기가스를 냉각시키는 장치이다. 나아가, 상기 배기가스 재순환 쿨러(76)는 재순환되는 고온의 배기가스에 의한 기기들의 열해를 방지하도록 구비된다.

상기 고압 펌프(77)는 상기 배기가스 재순환 쿨러(76)와 연결되고, 상기 배기가스 재순환 쿨러(76)로부터 배기가스를 전달받는다. 또한, 상기 고압 펌프(77)는 상기 제1 유압 라인(41)과 연결되고, 상기 배기가스 재순환 쿨러(76)로부터 전달받은 배기가스를 펌핑하여 고압의 배기가스를 상기 제1 유압 라인(41)에 공급한다. 나아가, 상기 제1 유압 라인(41)에 공급된 배기가스는 상기 유압 공급 회로(40)를 통하여 상기 유압 챔버(16)에 공급된다.

도 5 및 도 6의 설명에서와 같이, 상기 유체(F)가 배기가스일 경우에는 각각 독립적으로 구성된 상기 유압 공급부(70)와 상기 오일 공급부(90)가 요구된다. 또한, 상기 고압펌프(74, 77)의 작동 시기 및 작동 시간은 자동차에 통상적으로 장착되는 전자제어유닛(ECU: electronic control unit)에 의해 제어될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환 통로를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환 통로(78)는 상기 유체(F)가 배기가스일 경우에 배기가스를 상기 연소실(1)에 공급하도록 형성되는 통로이다.

상기 배기가스 재순환 통로(78)는 상기 상부 피스톤(20)에 형성된다. 또한, 상기 배기가스 재순환 통로(78)의 일단은 상기 유압 챔버(16)와 연통되고, 타단은 상기 연소실(1)과 연통된다. 즉, 상기 배기가스 재순환 통로(78)는 상기 유압 챔버(16)와 상기 연소실(1)을 연통시키도록 형성된다. 나아가, 상기 배기가스 재순환 통로(78) 상에는 체크 밸브(79)가 배치된다. 여기서, 상기 체크 밸브(79)는 상기 연소실(1)에 연통된 상기 배기가스 재순환 통로(78)의 타단에 구비될 수 있다.

상기 체크 밸브(79)는 상기 배기가스 재순환 통로(78)를 선택적으로 개폐한다. 즉, 상기 체크 밸브(79)의 개폐에 따라 상기 유압 챔버(16)와 상기 연소실(1)는 선택적으로 연통된다. 또한, 상기 체크 밸브(79)는 엔진의 흡기 행정 시에 상기 피스톤(P)이 하강하면서 개방된다. 나아가, 상기 체크 밸브(79)의 개방은 상기 연소실(1)과 상기 유압 챔버(16)의 압력차에 의해 자연적으로 수행된다. 즉, 일방향 밸브인 상기 체크 밸브(79)는 상기 유압 챔버(16)의 압력이 상기 연소실(1)의 압력보다 높을 때에 개방되며, 상기 체크 밸브(79)가 개방되는 상기 연소실(1)과 상기 유압 챔버(16)의 압력차는 당업자에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, 엔진의 압축 행정 시에 상기 연소실(1)과 상기 유압 챔버(16)의 압력차를 기준으로 설정될 수 있으며, 그 압력차는 15bar일 수 있다.

한편, 상기 상부 피스톤(20)의 상면 중심부는 혼합기의 폭발 압력을 직접적으로 받기 때문에, 상기 배기가스 재순환 통로(78)의 타단 및 상기 체크 밸브(79)는 상기 상부 피스톤(20)의 상면 가장자리에 근접하여 배치될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 피스톤(P)의 상사점을 변경시키는 작동에 유압을 사용함으로써, 구성이 간단해지고 압축비 변경의 응답성이 향상됨과 동시에 전체적인 중량을 최소화할 수 있다. 따라서, 엔진의 연비가 개선될 수 있다. 또한, 압축비 변경을 수행하는 유압을 형성하는 데에 배기가스를 사용하고, 압축비 변경에 사용된 배기가스를 연소실(1)에 공급함으로써 압축비 변경과 배기가스의 재순환을 동시에 구현할 수 있다 따라서, 배기가스의 재순환을 위한 구성이 간단해 질 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.

1: 연소실 3: 흡기밸브
5: 배기밸브 10: 하부 피스톤
12: 핀 홀 14: 작동실
16: 유압 챔버 18: 로드 삽입홀
20: 상부 피스톤 22: 연결 로드
24: 푸쉬 플레이트 26: 탄성부재
30: 커넥팅 로드 32: 소단부
34: 대단부 35: 피스톤 핀
38, 58: 베어링
40: 유압 공급 회로 41: 제1 유압 라인
42: 제1 윤활 라인 43: 제2 유압 라인
44: 제2 윤활 라인 45: 제3 유압 라인
46: 제3 윤활 라인 47: 제4 유압 라인
50: 크랭크 샤프트
60: 실린더 블록
70: 유압 공급부 71: 오일 펌프
72: 오일 컨트롤 밸브 73: 콤프레서 부
74, 77: 고압 펌프 75: 터빈 부
76: 배기가스 재순환 쿨러 78: 배기가스 재순환 통로
79: 체크 밸브
80: 씰링부재
P: 피스톤 C: 실린더
F: 유체 T: 터보차저

Claims

엔진의 운전상태에 따라 상기 엔진에 구비된 피스톤의 상사점을 변경시키는 가변 압축비 장치에 있어서,
엔진의 실린더 내에서 왕복운동 가능하도록 구비되고, 왕복운동에 의해 크랭크 샤프트를 회전시키도록 커넥팅 로드와 연결되는 하부 피스톤;
상기 하부 피스톤에서 상기 커넥팅 로드와 연결된 부분보다 상대적으로 상측에 형성된 공간인 작동실;
상기 하부 피스톤보다 상대적으로 상측에 배치되고, 일부분이 상기 작동실에 삽입되는 상부 피스톤;
상기 작동실을 상하로 구획하도록 상기 상부 피스톤의 일부분에 형성되는 푸쉬 플레이트;
상기 구획된 작동실의 하측 공간인 유압 챔버;
상기 푸쉬 플레이트를 하측으로 밀도록 상기 구획된 작동실의 상측 공간에 구비되는 탄성부재;
상기 푸쉬 플레이트가 유압에 의해 선택적으로 상측으로 밀리도록 상기 유압 챔버에 유압을 공급하는 유압 공급부; 및
상기 유압 공급부로부터 상기 유압 챔버에 유압이 공급되도록 상기 유압 공급부와 상기 유압 챔버를 연결하는 유압 공급 회로;
를 포함하되,
상기 유압 챔버에 공급되어 유압을 형성하는 유체는 가스인 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
상기 유압 챔버에 공급되어 유압을 형성하는 가스는 배기가스인 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제2항에 있어서,
상기 유압 공급부는,
터보차저의 콤프레서 측에서 압축된 배기가스가 위치하는 부분인 콤프레서 부; 및
상기 콤프레서 부로부터 배기가스를 전달받고, 전달받은 배기가스를 펌핑하여 고압의 배기가스를 유압 공급 회로에 전달하는 고압펌프;
를 포함하고,
상기 유압 공급 회로에 전달된 고압의 배기가스는 상기 유압 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제3항에 있어서,
상기 유압 챔버와 연소실을 연통시키도록 상기 상부 피스톤에 형성되는 배기가스 재순환 통로; 및
상기 배기가스 재순환 통로를 선택적으로 개폐하도록 상기 배기가스 재순환 통로 상에 배치되는 체크 밸브;
를 더 포함하되,
상기 체크 밸브가 개방되면, 상기 유압 챔버로부터 상기 연소실로 배기가스가 재순환되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제4항에 있어서,
상기 체크 밸브는 상기 유압 챔버와 상기 연소실의 유압차가 설정치 이상인 경우에 자연적으로 개방되고, 상기 유압 챔버와 상기 연소실의 유압차가 설정치 미만인 경우에 자연적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제2항에 있어서,
상기 유압 공급부는,
터보차저의 배기 터빈 전단 측에서 배기가스가 위치하는 부분인 터빈 부;
상기 터빈 부로부터 배기가스를 전달받고, 배기가스를 냉각시키는 배기가스 재순환 쿨러; 및
상기 배기가스 재순환 쿨러로부터 배기가스를 전달받고, 전달받은 배기가스를 펌핑하여 고압의 배기가스를 유압 공급 회로에 전달하는 고압펌프;
를 포함하고,
상기 유압 공급 회로에 전달된 고압의 배기가스는 상기 유압 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제6항에 있어서,
상기 유압 챔버와 연소실을 연통시키도록 상기 상부 피스톤에 형성되는 배기가스 재순환 통로; 및
상기 배기가스 재순환 통로를 선택적으로 개폐하도록 상기 배기가스 재순환 통로 상에 배치되는 체크 밸브;
를 더 포함하되,
상기 체크 밸브가 개방되면, 상기 유압 챔버로부터 상기 연소실로 배기가스가 재순환되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제7항에 있어서,
상기 체크 밸브는 상기 유압 챔버와 상기 연소실의 유압차가 설정치 이상인 경우에 자연적으로 개방되고, 상기 유압 챔버와 상기 연소실의 유압차가 설정치 미만인 경우에 자연적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
상기 유압 챔버에 설정치 이상의 유압이 공급되면, 상기 상부 피스톤이 상기 하부 피스톤을 기준으로 상승하며,
상기 유압 챔버에 설정치 이상의 유압이 공급되지 않으면, 상기 푸쉬 플레이트가 상기 탄성부재에 의해 밀림에 따라 상기 상부 피스톤은 상기 하부 피스톤에 접촉되도록 원위치 되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제1항에 있어서,
상기 유압 공급 회로는,
실린더 블록에 형성되고, 그 일단이 상기 유압 공급부와 연결된 제1 유압 라인;
상기 크랭크 샤프트에 형성되고, 그 일단이 상기 제1 유압 라인의 타단과 연통된 제2 유압 라인;
상기 커넥팅 로드에 형성되고, 그 일단이 상기 제2 유압 라인의 타단과 연통된 제3 유압 라인; 및
상기 하부 피스톤에 형성되고, 그 일단이 상기 제3 유압 라인의 타단과 연통되며, 그 타단이 상기 유압 챔버와 연통되는 제4 유압 라인;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제10항에 있어서,
상기 유압 공급부로부터 공급된 유체는 상기 제1 유압 라인, 상기 제2 유압 라인, 상기 제3 유압 라인, 및 상기 제4 유압 라인을 순차적으로 경유하여 상기 유압 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.
제10항에 있어서,
상기 유압 공급회로들이 각각 연결되는 부분에는 씰링부재가 구비되고,
상기 유압 공급회로가 연결되도록 대면하는 두 구성요소에 각각 구비된 상기 씰링부재가 기밀하게 접촉되도록 상기 대면하는 두 구성요소에 각각 구비된 씰링부재 중 적어도 하나는 두 구성요소가 대면하는 면으로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 가변 압축비 장치.