가변 압축비를 갖는 내연 기관 document_id A220623025943

내연 기관의 압축비는 실린더 용량을 피스톤이 상사점에 위치할 때 연소실의 체적으로 나눔으로써 정해진다. 즉, 압축비는 공기와 연료의 혼합기가 점화되기 전에 이 압축비로 압축되는 압력의 정도를 나타낸다. 압축비는 엔진의 출력을 대부분 결정한다. 일반적으로 출력은 연소실 내의 압력의 증가에 비례하여 증가하나, 무제한으로 그러한 것은 아니다. 너무 높은 압축비에서는 소위, 노킹이 발생이 발생하는데, 특히 고속 회전 및 전부하에서 그러하다. 이는 혼합기의 조기의 자발적인 폭발을 뜻하는 것으로 이로 인해 피스톤에 손상을 입힐 수 있다. 그러므로, 노킹이 발생하는 순간은 이를 기초로 하여 압축비가 결정되는 최대 한계선이다. 따라서, 압축비는 회전수 또는 부하와 무관하게 동일하다. 그러나 특히 회전수나 힘이 더 적을수록, 더 좋은 출력을 위해서는 더 높은 압축비가 바람직하다. 그러나, 대체로 차량에 사용되는 내연 기관의 압축비의 정도는 시골 도로에서와 고속도로상에서 고속으로 주행할 때를 절충한 것의 결과치인데, 이는 이 압축비로 도심지 내에서 최선으로 도달가능한 성능의 조합을 제공하기 때문이다. 이러한 방식으로 모든 환경하에서 양호한 성능 및 최적의 출력을 얻기 위해 내연 기관의 압축비를 변경하는 것에 대한 가능성에 대하여 일부 연구가 수행되어 왔다. 그러나, 종래의 가솔린 엔진에 대해서는 이것은 구조적으로 매우 복잡하다. 흔히, 이러한 엔진에는 직렬, V형 또는 현재에는 심지어 서로 이웃하는 W형 내에 배치되거나 서로 마주보는 박서 배열(boxer arrangement) 내에 배치되는 복수의 실린더가 마련된다. 이러한 실린더 각각은 피스톤이 상하로 이동할 때, 실린더 헤드가 상측 상에서 고정된 채 상측에서 밀폐되고, 이곳에는 스파크 플러그와 흡기 및 배기 밸브가 배치되어 있다. 피스톤은 실린더의 다른 측을 밀폐하고 커넥팅 로드를 통하여 엔진의 모든 피스톤에 대해 공통인 크랭크 샤프트의 크랭크에 연결되어 있다. 이 크랭크 샤프트는 피스톤의 상하 운동을 예를 들어 차량의 구동을 위해 이용되는 회전 운동으로 전환한다. 여기서 설명되는 구조의 결과로, 종래의 내연 기관은 압축비를 변경하는 데에 덜 적합하다. 이러한 종래의 내연 기관에서 압축비를 여전히 변경시키려는 시도에 대한 최근의 예는 소위 SVC-엔진으로, 최근 스웨덴 제조업자 사브(Saab)에 의해 프로토타입으로 제시되었다. 이 SVC-엔진은 서로에 대해 왕복으로 운동하는 2개의 부분을 포함한다. 이 2개의 부분은 일측은 그 상에 고정된 실린더 배럴을 갖는 실린더 헤드로, 따라서 실제로 실린더 블럭이고, 다른 일측은 그 내에 크랭크 샤프트와 피스톤을 갖는 카터이다. 카터에 대해 실린더 블럭을 워블(wobble)시킴으로써, 피스톤이 상사점에 있을 때 연소실의 체적은 변하므로, 압축비 역시 변한다. 이것은 복잡한 구조이고, 이것의 운동은 제어하기 어려우며 또한 아마도 그 자체로 이미 상당한 체적을 요구한다. 이러한 설계를 고려하는 유일한 이유는 최대한 현존하는 엔진 구성과 결합시키려는 관점에서인 것으로 보여진다. 더 쉽게 압축비를 변경시키기 위해서, 내연 기관에 대한 근본적으로 다른 개념 설계가 필요하다. 이러한 설계는 상술한 미국 특허 제4.622.927호에서 제안되었다. 이 특허에서는 4 실린더인 가솔린 엔진이 설명되었는데, 이 엔진의 실린더는 종래의 엔진의 크랭크 샤프트에 기능적으로 동등한 중앙의 메인 샤프트 주위에 평행하게 배치되었다. 각각의 실린더 내에는 마주보는 방향으로 이동가능한 2개의 실린더가 있다. 피스톤이 서로 가장 근접하게 접근한 단부 위치, 상사점에서, 2개의 피스톤은 함께 연소실을 형성한다. 그러므로 이러한 구조에서는 실린더를 밀폐시키기 위한 별도의 헤드가 필요 없다. 스파크 플러그는 실린더 벽에서 연소실 내로 돌출하고, 흡기 및 배기 통로 또한 실린더 벽 내에 형성되어 있다. 이것은 활주가능한 실린더 배럴로 밀폐되고, 여기서 피스톤은 운동한다. 각각의 피스톤은 가이드부 내에서 베어링 지지되는 피스톤 로드에 의해 암과 연결되는데, 엔진 각 측면에서 4개의 피스톤의 암은 중앙 개구를 포함하는 디스크 상에 고정되고, 이 중앙 개구 내에서 메인 샤프트는 회전가능하게 베어링 지지된다. 그러므로 디스크는 메인 샤프트에 대해 소정의 각을 이루어 놓여있으므로, 이 디스크는 메인 샤프트의 회전 도중에 워블 운동을 수행할 수 있게 된다. 그러므로, 이러한 방식에서 피스톤 및 피스톤 로드의 왕복 운동은 결과적으로, 복수의 실린더 내의 가솔린/공기 혼합기의 연속적인 연소로 인해, 디스크는 워블 운동을 하고 이로 인해 메인 샤프트는 회전하게 된다. 이 회전은 예컨대, 차량의 구동을 위해 이용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 유형의 내연 기관은 상대적으로 간단한 방식으로 압축비를 변경하는 데에 적합하다. 그러므로 워블 디스크 중 어느 하나는 메인 샤프트를 따라 이동가능하다. 다른 워블 디스크에 대해 워블 디스크를 이동시킬 때, 상사점에서 피스톤 사이의 공간은 줄어들거나 확장되고, 이로 인해 압축비도 따라서 각각 증가하거나, 감소하게 된다.