KR100252524B1 - 크로스헤드형 피스톤 엔진 - Google Patents

크로스헤드형 피스톤 엔진 Download PDF

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KR100252524B1
KR100252524B1 KR1019950702336A KR19950702336A KR100252524B1 KR 100252524 B1 KR100252524 B1 KR 100252524B1 KR 1019950702336 A KR1019950702336 A KR 1019950702336A KR 19950702336 A KR19950702336 A KR 19950702336A KR 100252524 B1 KR100252524 B1 KR 100252524B1
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토마스 시네스트베드 누드센
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한센 존 스텐달
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Abstract

2행정 크로스헤드 기관은 실린더들이 평행하게 2열로 배치된 V-기관으로서 설계된다. 상기 열에 각각 배치된 2개의 인접 실린더들의 커넥팅 로드(9)들은 공통핀(10)상에 나란히 저어널된다. 크로스헤드(8)들은 크로스헤드(13)상에 저어널되고 안태평면(18)들을 따라 활주하는 안내 슈우(15)들에 의해 기관의 종방향으로 안내된다. 안내 평면들은 받침대(2)와 실린더 섹션(4) 사이에서 높이의 주요부를 통하여 연장하며 프레임박스의 횡벽(19)들에 의해 지지된다. 2개의 인접 실린더들의 크로스헤드 베어링(12)들은 기관의 종방향으로 서로에 관하여 변위되며, 그 변위는 크로스헤드 핀에, 안내평면들에 또는 횡벽들에 흡수된다.

Description

크로스헤드형 피스톤 엔진
제1도는 본 발명에 따른 엔진의 부분 종단면도.
제2도 및 제3도는 제1의 바람직한 실시예의 2가지의 상이한 구성을 보여주는 평면도.
제4도는 제2의 바람직한 실시예를 보여주는 평면도.
제1도는 2행정, 장-행정(long-stroke) 크로스헤드 엔진(1)을 제시하며, 이 엔진은, 받침대(2)에 장착되며 실린더 섹션(4)의 상부측에 2열의 인접한 실린더(5,6)를 지니는 프레임 박스(3)를 지니며, 상기 실린더들은 엔진 프레임 박스상에 V자 형상으로 쌍을 이루어 장착되어 있다. 관련된 크로스헤드(8)를 구비한 피스톤로드(7) 및 커넥팅 로드(9)들을 통하여, 각각의 쌍의 인접한 실린더의 피스톤은 크랭크샤프트(11)상의 공통의 크랭크 핀 저어널(10)에 연결된다. 2개의 커넥팅 로드(9)는 도시된 바와같이 공통의 저어널상에 나란히 저어널된다.
크로스헤드(8)는, 커넥팅 로드에 견고하게 연결된 크로스헤드 베어링(12)과, 베어링에 저어널된 크로스헤드 핀(13)을 지니며, 피스톤 로드는 핀의 상부측에 형성된 나사구멍(14)에 나사결합된 볼트에 의해 크로스헤드 핀(13)에 고정되어 있다.
그 자체로서 이미 공지된 방법으로, 크로스헤드 핀은 2개의 안내슈우(15)내에 저어널되고, 각각의 안내슈우는, 엔진을 통한 횡방향의 평면에 대하여 직각으로 연장하며, 관련된 안내평면(18; 제2도 참조)상의 베어링면(17)에 의해 엔진의 횡방향으로 안내되는 2개의 평행한 베어링면(16)을 지닌다.
안내평면은 받침대(2)와 실린더 섹션(4) 사이의 거리의 대부분에 걸쳐 연장한다. 관련된 베어링면(16 및 17)이 불균일하게 마모되도록 안내평면의 변형을 발생시키지 않고 비교적 큰 횡방향의 힘을 엔진 프레임 박스에 전달할 수 있도록 하기 위해, 안내평면은 그 전체 길이에 걸쳐 관련된 횡벽(19)에 용착(溶着)되며, 또한 그 배면에 있어서, 안내평면은 안내평면에 양호한 안정성을 제공하는 판 섹션(20)에 의해 소정의 간격으로 보강된다. 제2도에 도시된 실시예에 있어서, 횡벽(19), 안내평면(18), 판 섹션(20) 및 관련된 안내슈우(15)를 구비한 크로스헤드 핀은 2개의 횡벽 사이의 중심선에 관하여 대칭으로 되어 있다. 엔진 프레임 박스의 횡방향 보강재를 구성하는 횡벽(19)은 동일한 평면내에서 프레임 박스의 전체 폭에 걸쳐 연속적으로 연장한다. 크로스헤드 핀(12)은, 커넥팅 로드의 베어링이 공통의 저어널상에서 나란히 배치될 수 있도록, 대응하는 핀(13)상에서 비대칭적으로 저어널된다.
제3도에 도시된 상이한 구성에 있어서는, 제1도에서와 동일한 기능을 지니는 부재에는 동일한 참조번호를 붙이고, 그 뒤에 대시(')를 부가한다. 엔진의 종방향에 있어서, 크로스헤드 베어링(12')으로부터 가장 멀리 이격된 안내슈우 및 안내평면의 베어링면(16',17')은 핀의 타단부에서의 대응하는 베어링면보다 더 작은 폭을 지니고 있으며, 2개의 안내슈우(15')상의 하중의 차이를 보정하여, 베어링면(16',17')상의 하중을 더 균일하게 한다.
제4도에 도시된 제2도의 바람직한 실시예에 있어서, 제1도에서와 동일한 기능을 지니는 부재에는 제1도의 참조번호보다 100만큼 더 큰 참조번호를 부가하였다. 각각의 쌍의 인접한 실린더에 관련된 횡벽(119)은, 2개의 종래의 방식으로 구성된 크로스헤드(108)사이의 오프셋 량이 횡방향 보강재에 의해 흡수되도록, 엔진의 종방향에 있어서 상호 오프셋되어 있다. 엔진의 대략 중앙에서, 연결부분(121)은 횡벽의 2개의 절반부분을 상호 연결하며, 엔진 프레임 박스의 횡방향 강성을 증대시킨다. 필요한 경우, 반대측의 횡벽(119)의 방향으로 적절한 거리만 돌출하도록 한 높이를 지니는 연속적인 판 섹션으로서 연결부분(121)으로 연장하는 판 섹션(120a,120b)을 형성함으로써, 횡방향 강성을 더 증대시킬 수 있다.
도면에는 도시되지 않았지만, 제2실시예의 변형예에 있어서는, 제2도 및 제3도에 도시된 형식의 횡벽을 지닌다. 각각의 크로스헤드 핀에 대한 세트의 안내평면은 다른 세트의 안내평면보다도 횡벽으로부터 더 이격된 위치에 위치한다. 관련된 보강재 판 섹션을 구비하고 있는 오프셋된 세트의 안내평면은 엔진의 종방향에 있어서 더 큰 폭을 지니며, 종래의 방식으로 횡벽에 용착될 수 있다.
도면을 명료하게 하기 위해, 제2-4도에서는 한쌍의 크로스헤드만 제시하지만, 관련된 구조를 지니는 크로스헤드가 엔진 프레임 박스내에서 내측의 횡벽의 양측에 위치하여 있다는 것이 명백하다.
본 발명은, 크로스헤드형 피스톤 엔진, 특히, 대형 2행정 엔진에 관한 것이다. 이러한 엔진은, 피스톤로드, 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통하여 크랭크샤프트상의 관련된 크랭크 핀 저어널에 연결된 복수의 피스톤을 구비하며, 크로스헤드는 크로스헤드 핀을 지니며, 상기 크로스헤드 핀은 그것의 양측에 위치하여 엔진의 프레임 박스내의 직립의 횡방향 보강재에 의해 지지된 안내평면을 따라 이동가능한 안내슈우를 구비한다.
이러한 엔진은 직렬형 엔진(in-line engine)으로 당해 기술분야에 공지되어 있으며, 일반적으로 선박의 추진용 엔진 또는 고정식 발전 엔진으로서 사용된다. 엔진의 횡방향에 있어서, 크로스헤드는 엔진의 프레임 박스의 횡방향 보강재에 고정되고 엔진의 프레임 박스의 높이의 대부분에 걸쳐 연장하는 안내평면에 의해 안내됨으로써, 엔진의 전체 행정에 걸쳐 효력을 발휘한다. 크로스헤드에 영향을 미치는 비교적 큰 횡방향의 힘을 흡수하기 위하여, 안내평면을 보강재에 견고하게 고정하여야 한다. 횡방향 보강재를 다층 판 구조 또는 단일층의 판벽으로 구성하는 것이 공지되어 있다. 종래기술의 엔진은, 엔진의 길이가 매우 길어지는 단점을 지닌다.
복수의 실린더를 지니는 트렁크 기관(trunk engine; 피스톤이 직접 커넥팅로드의 소단부에 결합되어 한쪽방향으로만 가스의 압력을 단동기관, 크로스헤드형 기관과 구별하기 위하여 이를 트렁크 기관이라고 한다.)에 있어서는, 대응하는 크랭크샤프트에 관련되도록 또는 구동 동력을 공통의 크랭크샤프트에 공급할 수 있도록, 실린더를 2개의 평행한 열로서 배치함으로써 엔진의 길이를 감소시킬 수 있다는 것이 공지되어 있다. 후자의 경우(구동 동력을 공통의 크랭크샤프트에 공급할 수 있도록, 실린더를 2개의 평행한 열로서 배치한 경우)의 예는, 공통의 크랭크 핀 저어널상에 커넥팅 로드를 나란히 정렬시킨 트렁크 형식의 4행정 엔진이 있다.
각각의 작동 실린더의 하방에 배치된 공기 펌프 피스톤을 지니며, 펌프 피스톤이 실린더의 피스톤 로드와 커넥팅 로드 사이의 연결부를 구성하는 방식의 소형의 V형 엔진도 공지되어 있다. 상기 공기 펌프 피스톤은 크로스헤드와 마찬가지로 작용하지만, 펌프 실린더가 엔진 블록의 수평방향으로 배치된 보강재에 고정되어 있으므로, 비교적 제한된 횡방향 힘만 흡수할 수 있다. 이러한 펌프 실린더에 큰 횡방향 힘이 작용한 경우 또는 엔진의 행정이 증가한 경우, 엔진의 운전중, 펌프 실린더는 횡방향 보강재에 관하여 비틀림을 일으키며, 그로인해, 2개의 실린더들은 요구되는 동축관계를 더 이상 유지할 수 없다.
본 발명의 목적은, 큰 출력을 발생시키는 경우에도 크로스헤드를 확실히 제어하고, 실린더의 수에 비하여 짧은 길이로 되는, 전술된 형태의 피스톤 엔진을 제공하는 것이다.
상기 목적에 비추에, 본 발명에 따른 엔진은, 실린더가 2개의 평행한 열로서 배열되고, 각각의 열의 인접한 2개의 실린더의 커넥팅 로드가 나란히 정렬된 상태로 공통의 크랭크 핀 저어널에 저어널되며, 관련된 쌍의 인접한 실린더의 크로스헤드 베어링이 엔진의 종방향으로 상호간에 변위되어 동일의 실린더에 관련된 피스톤로드와 커넥팅 로드의 중심축을 실질적으로 공통 평면에 위치시키도록, 크로스헤드핀 및 안내평면을 구성한 것을 특징으로 한다.
실린더를 2열로 배치하면, 엔진은 그 출력에 비하여 길이가 짧아지는 효과를 갖는다. 커넥팅 로드의 구성은 간단하게 되며, 공통의 저어널상에 나란히 정렬된 상태로 저어널된다. 동일한 저어널상에 배치된 커넥팅 로드에 관련된 크로스헤드의 상대변위는, 커넥팅 로드의 나란한 배치에도 불구하고, 크랭크샤프트의 회전축에 수직한 평면내에서 피스톤으로부터 크랭크샤프트까지 힘을 전달하게 할 수 있다는 효과를 지니며, 이것은 엔진의 종방향에 작용하는 모멘트의 발생을 저지하기 때문에 매우 중요하다.
제1의 바람직한 실시예에 있어서, 크로스헤드 베어링은 크로스헤드 핀상에서 엔진의 종방향으로 비대칭 배치된다. 크로스헤드 베어링의 이러한 비대칭적 배치에 따라, 베어링의 상대변위를 보정하여, 직립의 횡방향 보강재에 안내평면을 고정할 때 특별히 주의할 필요가 없다.
핀상에서의 베어링의 비대칭적 배치는 엔진 프레임 박스의 설게에 사용되어, 바람직하게는 단일층의 판벽으로서 구성된 횡방향 보강재를 지지하는 안내평면을 엔진의 전체 폭을 따라 동일한 횡방향의 평면에 위치시키는 것이 바람직하다. 따라서, 보강재는 엔진 프레임 박스에 횡방향으로 큰 강성을 부여하며, 프레임 박스의 진동을 억제하는 동시에, 각각의 프레임 박스 요소의 변형을 감소시킨다. 횡방향 보강재의 강성이 크기 때문에, 활주표면이 상호 평행하게 되는 위치에 안내평면을 확실하게 배치시킬 수 있으며, 이에 따라, 안내평면과 크로스헤드 슈우의 마모를 감소시킨다.
핀상에서의 크로스헤드 베어링의 비대칭적인 배치에 따라, 2개의 관련된 크로스헤드 슈우는 동일한 크기의 부하를 흡수할 필요가 없으며, 이에 따라, 한쪽의 안내슈우의 크기를 작게 할 수 있으며, 따라서, 크로스헤드 베어링으로부터 가장 멀리 있는 안내슈우의 베어링 면의 폭 및 바람직하게는 관련된 안내평면의 베어링 면의 폭이, 핀의 다른단부에서의 안내슈우의 베어링 면의 폭 및 바람직하게는 안내평면의 베어링 면의 폭보다 작게 된다.
크로스헤드 핀의 양단에 위치한 베어링 면의 폭들 사이의 비가 크로스헤드 베어링의 중심으로부터 거리에 반비례하도록 안내슈우를 상대적으로 배치함으로써, 베어링 면에 균일한 하중을 작용시킬 수 있으며, 이들 베어링 면을 균일하게 마모시킨다. 관련된 지지부를 구비한 크로스헤드에 있어서, 이러한 최적의 재료를 사용함으로써, 엔진을 유효하게 경량화시킬 수 있다.
다른 바람직한 실시예는 크로스헤드 베어링의 상대변위를 보정하는 것으로, 관련된 핀 및 안내슈우를 구비한 크로스헤드 베어링은, 크로스헤드 베어링을 통한 횡방향 중앙면의 주위에 실질적으로 대칭적으로 배치되며, 관련된 쌍의 인접한 실린더를 위한 안내평면은 엔진의 종방향 상호 변위되어 있다. 이러한 구성으로 인하여, 상호 오프셋된 크로스헤드를 구비하 엔진에 종래의 구성의 크로스헤드를 사용할 수 있다. 그와 동시에, 안내평면에 실질적으로 균일한 하중을 작용시킬 수 있다. 이러한 종래의 구성의 크로스헤드를 사용함으로써, 엔진 프레임 박스의 직립 보강재에 안내평면을 장착하는 때에 2가지 다른 방법이 존재한다. 제1의 방법에서는, 엔진 프레임 박스의 횡방향 보강재(바람직하게는 단일층의 판벽으로 구성된다)를 지지하는 안내평면이 엔진의 전체 폭에 걸쳐 동일한 횡방향의 평면내에 위치하므로, 프레임 박스에 큰 강성을 부여한다. 이 경우, 크로스헤드의 상대변위는, 관련된 횡방향 보강재로부터(다른 세트보다도) 더 이격되어 배치된 크로스헤드 핀에 대한 한 세트의 안내평면에 의해 흡수된다.
변형적으로, 관련된 쌍에 있어서 2개의 인접한 실린더중 하나의 실린더에 관련된 횡방향 보강재를 지지하는 안내평면이 다른 실린더에 관련된 횡방향 보강재에 관하여 엔진의 종방향으로 변위하여 있으며, 바람직하게는 크로스헤드 핀에 대한 2세트의 안내평면이 크로스헤드 베어링을 통한 횡방향 중앙면의 주위에서 상호 대칭적으로 위치하도록, 엔진을 구성할 수도 있다. 이 경우, 횡방향 보강재가 크로스헤드 사이의 변위를 흡수하기 때문에 관련된 안내평면을 구비한 크로스헤드는 완전히 종래의 방법으로 구성할 수 있다.
관련된 세트의 인접한 실린더에 잇어서 크로스헤드 사이의 변위량은 크로스헤드 핀의 길이의 5-20퍼센트, 바람직하게는 15퍼센트이다. 이러한 변위량을 하한으로 설정하면, 엔진의 길이를 감소시킬 수 있지만, 크랭크 핀 저어널의 직경을 크게 하거나, 커넥팅 로드의 구동력을 크랭크샤프트에 전달할 수 있는 특수한 베어링 재료로 크랭크 핀 저어널을 형성하거나, 또는 크랭크 핀 저어널의 직경을 크게 하고 커넥팅 로드의 구동력을 크로스헤드에 전달할 수 있는 특수한 베어링 재료로 크랭크 핀 저어널을 형성하여야 한다. 변위량을 상한(20%)으로 설정하면, 커넥팅 로드의 베어링을 큰 폭으로 구성할 수 있고, 큰 베어링 면적이 얻어지며, 따라서, 베어링의 하중을 작게 할 수 있지만, 엔진의 길이가 다소 길게 되는 동시에, 크로스헤드 핀 및/또는 횡방향 보강재 및 안내평면이 비교적 큰 변위를 흡수하여야 한다. 15퍼센트의 변위량에서는, 커넥팅 로드의 베어링에 대한 하중과 크로스헤드 주위의 엔진 구조와의 사이에서 최적의 관계가 얻어진다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

Claims (9)

  1. 피스톤로드(7), 크로스헤드(8;8'; 108) 및 커넥팅 로드(9)를 통하여 크랭크샤프트(1)상의 상관련된 크랭크핀 저어널(10)에 연결된 피스톤을 구비하며, 상기 크로스헤드는 크로스헤드 핀(13;13'; 113)을 지니며, 상기 크로스헤드 핀은 엔진 프레임 박스(3)내의 직립한 횡방향 보강재(19; 19'; 119)에 의해 지지된 안내평면(18; 18'; 118)을 따라 이동가능한 2개의 안내슈우(15; 15';115)를 지니는 크로스헤드형 피스톤 엔진에 있어서,
    상기 엔진의 실린더는 평행한 2개의 열로서 배열되고, 각각의 열중 하나의 열에서 인접한 2개의 상기 실린더(5,6)의 상기 커넥팅 로드는 공통의 크랭크 핀 저어널(10)에 나란히 저어널되며, 관련된 쌍의 인접한 상기 실린더에서의 크로스헤드 베어링이 엔진의 종방향으로 상호 변위하여 동일의 실린더에 관련된 상기 피스톤 로드(7) 및 커넥팅 로드(9)의 중심축을 공통의 평면에 위치하도록, 상기 크로스헤드 핀(13; 13'; 113) 및 상기 안내평면(18; 18'; 118)을 구성한 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 크로스헤드 베어링(12; 12')은 상기 크로스헤드 핀(13; 13')상에서 엔진의 종방향으로 비대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 엔진 프레임 박스의 상기 횡방향 보강재를 지지하는 상기 안내평면은 엔진의 전체 폭에 걸쳐 동일한 횡방향 평면내에 위치하는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  4. 제2항에 있어서, 상기 크로스헤드 베어링(12')으로 부터 가장 멀리 이격된 상기 안내슈우(15')상의 베어링 면(16')의 폭은 상기 핀의 타단부에서의 안내슈우의 베어링면의 폭보다 더 작게 되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  5. 제4항에 있어서, 상기 크로스헤드핀(13')의 양단에 위치한 베어링면(16',17')의 폭 사이의 비는 상기 크로스헤드 베어링의 중심으로부터의 거리에 반비례하는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  6. 제1항에 있어서, 관련된 상기 핀(113) 및 상기 안내슈우(115)를 구비한 상기 크로스헤드 베어링(112)은 상기 크로스헤드 베어링을 통한 횡방향 중앙면에 관하여 대칭으로 배치되며, 관련된 쌍의 인접한 상기 실린더에 대한 안내평면(118)은 엔진의 종방향으로 상호 변위하여 있는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  7. 제6항에 있어서, 상기 엔진 프레임 박스의 상기 횡방향 보강재를 지지하는 상기 안내평면은 엔진(1)의 전체 폭에 걸쳐 동일한 횡방향 평면내에 위치하며, 크로스헤드 핀에 대한 한세트의 상기 안내평면이, 다른 세트의 안내평면보다, 관련된 상기 횡방향 보강재로부터 더 이격된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  8. 제6항에 있어서, 관련된 쌍의 2개의 인접한 실린더(5,6)중 하나의 실린더에 관련된 상기 횡방향 보강재(119)를 지지하는 상기 안내평면이 다른 실린더에 관련된 상기 횡방향 보강재(119)에 관하여 엔진의 종방향으로 변위하여 있는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
  9. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 관련된 쌍의 인접한 상기 실린더(5,6)의 상기 크로스헤드 사이의 변위량은 상기 크로스헤드 관의 길이의 5 내지 20%로 되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드형 피스톤 엔진.
KR1019950702336A 1992-12-09 1993-11-29 크로스헤드형 피스톤 엔진 KR100252524B1 (ko)

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