KR100257921B1 - 디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치 - Google Patents

디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치는, 실린더블록(1)내에 배치되고, 냉각제가 통과하는 환형챔버에 의해 포위되고, 실린더헤드(3)에 연장되는 실린더인서트(2)를 구비한다. 실린더헤드에는 환형챔버로부터 유입되는 냉각제가 통과한다. 실린더헤드(3)를 통과한 냉각제는 냉각기(7)를 경유하여 환형챔버로 귀환하도록 이루어진다. 냉각기(7)로부터 환형챔버로 연장되는 라인(9)으로부터 실린더헤드(3)로 유도되는 라인(16)을 분기한다. 엔진의 부하에 따라 환형챔버로 유도되는 라인(16)을 분기한다. 엔진의 부하에 따라 환형챔버로 유도되는 라인(9)과 실린더헤드로 유도되는 라인(16)에 냉각기로부터 유입되는 냉각제의 양을 분배하기 위하여 제어장치(18)를 설치한다. 실린더헤드(3)와 냉각기(7)사이의 냉각제라인(6)으로부터 분기된 바이패스라인(15)은 실린더헤드로 유도되는 라인(16)의 분기부의 하류의 환형챔버로 유도되는 라인(9)에 연결된다.

Description

디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치
제1도는 개략적으로 도시한 실린더에서의 냉각제의 흐름도.
제2도는 실린더부분의 축단면도.
제2(a)도는 제2도의 A 부분의 확대도.
제3도는 100% 부하시의 실린더인서트의 높이에 따른 온도를 나타낸 온도다이어그램.
제4도는 50% 부하시의 실린더인서트의 높이에 따른 온도를 나타낸 온도다이어그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실린더블록 2 : 실린더인서트
3 : 실린더헤드 5 : 주회로
7 : 냉각기 8 : 냉각제펌프
11 : 바이패스라인 13 : 부회로
30 : 슬리브
본 발명은 디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치에 관한 것이며, 이 장치는 실린더블록내에 배치되고, 냉각제가 통과하는 환형챔버에 의해 포위되고, 환형챔버로부터 유입되는 냉각제가 통과하는 실린더헤드에 연장되는 최소한 하나의 실린더인서트(cylinder insert)를 구비하고, 실린더헤드를 통과한 냉각제는 냉각기를 경유하여 환형챔버로 귀환된다.
이러한 형태의 공지된 장치에 있어서, 냉각기로부터 유입되는 냉각제는 먼저 환형챔버를 통과한 다음 실린더인서트의 대경의 상단부에서 냉각제 덕트를 통과하고, 끝으로 실린더헤드를 통과한다. 냉각제의 양은 엔진이 100% 부하인 경우 피스톤의 주행면을 형성하는 실린더인서트의 내면온도가 항상 물의 노점(露点)보다 다소 높게 되도록 조정된다. 이것은 아황산(H2SO3)과 황산(H2SO4)에 의한 연소실 벽의 부식(현재 디젤기관에서 사용되는 연료의 높은 황함유량-4% 이상-에 기인함)을 방지한다. 전술한 2가지 산 중에서 아황산은 아황산을 형성하는데 필요한 연소생성물, 즉 SO2가 황산을 형성하는데 필요한 SO3보다 저온에서 또한 대량으로 생성하기 때문에, 그다지 바람직하지는 않다. 또, 소량으로 생성되는 황산의 응축물은 윤활첨가제에 의해 중화될 수 있다. 그러므로, 온도가 물의 노점이하로 강하하면 아황산이 상당량 응축되기 쉽고, 따라서 윤활유막의 파괴로 인해 실린더인서트의 주행면에 부착마모를 초래하게 되고, 또한 피스톤링과 실린더인서트의 주행면 양측에 부식을 초래한다. 피스톤엔진이 부분부하로 동작할 때 공지의 장치에서는 온도가 노점이하로 강하하기 쉽다.
본 발명의 목적은 엔진이 부분부하로 동작하는 경우에도 아황산의 형성을 확실하게 방지하는 방법으로 냉각장치를 개선하는 것이다.
본 발명에 따르면 상기한 목적은, 냉각기로부터 환형챔버로 연장되는 라인으로부터 실린더헤드로 유도되는 라인을 분기하고, 엔진의 부하에 따라 환형챔버로 유도되는 라인과 실린더헤드로 유도되는 라인에 냉각기로부터 유입되는 냉각제의 양을 분배하기 위하여 제어장치를 설치하고, 실린더헤드와 냉각기사이의 냉각제라인으로부터 분기된 바이패스라인은 실린더헤드로 유도되는 라인의 분기부의 하류의 환형챔버로 유도되는 라인은 엔진의 작동중에 항상 냉각제의 일부를 실린더헤드로 직접 공급한다. 환형챔버로 흐르는 냉각제의 잔여분은 바이패스라인에 따라 공급되는 양만큼 보충되고, 공지의 장치보다 높은 온도에서 또한 적은 양으로 존재하고, 환형챔버에서 비교적 낮은 강도로 냉각을 행하여 주행면온도를 상승시키도록 한다. 따라서, 엔진의 전체부하에서, 온도는 노점이하로 강하하지 않고, 이에 따라 아황산이 형성되지 않는다. 따라서, 실린더인서트 및 피스톤링의 주행면은 부식되지 않는다.
다음에, 본 발명의 일실시예에 대해 도면을 참조하여 예로서 보다 상세히 설명한다.
제1도에는 디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 실린더블록(1)과, 실린더블록(1)의 상단으로부터 돌출된 상태로 실린더블록(1)내에 배치된 실린더인서트(2)와, 실린더인서트(2) 상부의 실린더헤드(3)가 도시되어 있다. 이들 3개의 실린더부품은 냉각액 예를들면 물로 냉각되고, 이를 위하여 주회로(5)와 부회로(13)가 설치되어 있다. 주회로(5)는 실린더헤드(3)로부터 유도되는 라인(6)과, 이 라인(6)에 연결된 냉각기(7)와, 냉각제펌프(8)와, 냉각기(7)로부터 실린더블록(1)에 연결되고, 냉각제펌프(8)를 포함하는 라인(9)으로 구성된다. 실린더 내측에는 실린더블록(1)상에서의 라인(9)의 연결부와 실린더헤드(3)상에서의 라인(6)의 연결부와의 사이에 유로(10)(점선으로 도시함)가 형성되어 있으며, 이에 대하여는 제2도를 참조하여 다음에 상세히 설명한다. 주회로(5)는 냉각기(7)를 우회하는 바이패스라인(11)도 포함한다. 바이패스라인(11)이 라인(6)에서 분기되는 곳에는 실린더헤드(3)로부터 유입되어 주회로(5)에 흐르는 냉각제를 그 온도에 따라 냉각기(7)로 흐르는 양과 바이패스라인(11)을 통해 흐르는 양으로 분배하는 분배밸브(12)가 있다. 라인(9)에도 냉각제펌프(8)와 실린더블록(1)사이에 분배밸브(17)가 있다. 실린더헤드(3)와 분배밸브(12)사이의 라인(6)과 분배밸브(17)와 실린더블록(1)사이의 라인(9)에는 각각 분기부(6′),(9′)가 있으며, 여기에 엔진의 나머지 실린더(도시되지 않음)가 접속된다.
부회로(13)는 라인(15)으로 이루어지며, 이 라인(15)은 냉각제펌프(14)를 포함하고, 분기부(6′)로부터 분기되고, 분기부(9′)로 유도된다. 분배밸브(17)로부터 라인(16)이 연장되고, 이 라인(16)은 실린더헤드(3)에 직접 연결되고, 분기부(6′,9′)에 대응하는 분기부(16′)가 배설되어 있다. 분배밸브(17)는 신호선(19)으로부터 엔진의 부하에 따른 설정치신호를 수신하는 제어장치(18)에 의해 제어된다. 제어장치는 설정치신호외에, 실린더인서트(2)의 주행면의 온도에 직접 또는 간접으로 의존하여 신호선(20)을 경유하여 공급되는 최소한 하나의 실제치신호를 수신한다.
제2도에 도시한 바와 같이, 실린더인서트(2)의 하반부는 실린더블록(1)내에 삽입되어 있고, 실린더블록(1)에는 냉각제가 통과하는 상부챔버(22)와 배기공기가 통과하는 하부챔버(23)가 있으며, 이들은 벽(1′)에 의해 분리되어 있다. 실린더인서트(2)의 하부에는 그 둘레에 복수의 배기구(24)가 형성되어 있으며, 이 배기구(24)는 수직이동 가능한 피스톤(50)(상부데드센터(dead center)위치에 일부만 표시함)에 의해 그 하부데드센터위치근처의 배기구(24)가 개방될 때 챔버(23)로부터 인서트(2)내로 공기를 배기할 수 있도록 한다. 주행면이 (2′)로 표시된 인서트(2)에는 그 상단부에 실린더헤드(3)가 설치되어 있으며, 여기에는 원반형 배기밸브(25)가 대략 인서트(2)의 중심부에 장착된다. 실린더헤드(3)에는 배기밸브(25)와 상호작동하는 시트(seat)로부터 배출구(26)가 형성되어 있으며, 밸브(25)가 개방되면 피스톤(50)의 상승에 의해 배출구(26)를 통하여 배기가스가 배출된다. 따라서, 전술한 엔진은 수직방향으로 배기하는 2스트로크내연기관으로서, 이것은 선박을 운행하거나 전기발전기를 구동하는데 사용될 수 있다. 실린더헤드(3)는 배출구(26)외에도 냉각제가 통과하는 챔버(27,28)를 포함한다.
실린더인서트(2)와 실린더블록(1)내에서 실린더인서트를 수용하는 개공(51)사이에는 대략 실린더인서트(2)의 중간부에서 대략 그 길이의 절반정도의 길이로 연장되는 슬리브(30)가 위치한다. 슬리브(30)는 그 외측면에 개공(51)의 상부에서 지지되는 약간 돌출된 환형돌출부를 갖추고 있다. 슬리브(30)는 그 하단부에서의 링(31)에 의해 실린더인서트와 간극을 이루고 장착된다. 슬리브(30)의 상단부근방에서 실린더인서트(2)는 슬리브(30)의 상단부와 실린더인서트(2)의 인접외부사이에 좁은 환형갭(32)을 두고 다소 두껍게 형성되어 있다(제2(a)도). 이러한 구성에 의해 슬리브(30)와 이에 면하는 실린더인서트(2)부분 사이에는 정체된 냉각제로 충전되는 환형중간공간(33)이 형성된다. 환형갭(32)의 크기를 조정함으로써 상기 중간공간(33)의 냉각제온도를 일정한 범위내로 미리 설정하는 것이 가능하다. 중간공간(33)은 소량의 유량을 수용할 수 있으며, 이를 위하여 중간공간에 접속되는 배출라인에 밸브(33′)를 설치한다(제1도). 밸브(33′)는 중간공간(33)의 냉각제를 배출하는 작용도 한다.
실린더블록(1)에는 챔버(22)위의 벽내에 냉각제 공급덕트(34)가 있으며, 이 공급덕트(34)에는 분기부(9′)로부터 유도되는 라인(9)의 단부가 접속된다(도시되어 있지 않다). 실린더인서트(2)의 상단부 주위에는 등간격으로 통상의 경사냉각공(35)이 형성되어 두꺼운 콜러(collar)형 상단부를 형성한다. 실린더인서트(2)의 두꺼운 콜러형 부분의 하측과 실린더블록(1)사이에는 지지링(36)이 배치되며, 이 지지링(36)과 실린더인서트(2)사이에 환형챔버(37)가 형성되고, 지지링(36)과 슬리브(30)의 상반부사이에 환형챔버(38)가 형성된다. 따라서, 라인(9)으로부터의 냉각제는 냉각제공급덕트(34)에 따라서 일단 환형챔버(38)내로 흐른 다음 환형챔버(37)내로 흐르고, 이어서 두꺼운 콜러형 부분내의 냉각공(35)내로 흐른다.
냉각공(35)의 상단부에서 냉각공(35)은 반경방향 외측으로 향하고, 실린더헤드(3)내의 챔버(27)로 유도되는 라인(39)에 연결된다. 또, 상기 라인(39)은 라인(9)이 분기되는 분배밸브(17)에서 분기되는 라인(16)에 연결된다.
왕복피스톤엔진의 작동중에 실린더에서 가열된 냉각제는 라인(6)과 분배밸브(12)를 경유하여 냉각기(7)로 흐르고, 여기서 흡수된 열은 예를 들면 부회로에서 흐르는 해수(海水)로 방출된다. 이와 같이 냉각된 냉각제는 펌프(8)에 의해 라인(9)에 따라 실린더블록(1)으로 이송되고, 또한 라인(16)에 따라 실린더헤드(3)로 이송된다. 실린더블록(1)과 실린더헤드(3)로 흐르는 냉각제의 양은 부하에 따라 제어장치(18)에 의해 제어되는 분배밸브(17)에 의해 설정된다. 부회로(13)의 라인(15)을 경유하여 실린더블록(1)으로 흐르는 냉각제는 냉각기(7)내에서 냉각되지 않았으므로 항상 고온에서 소량의 냉각제를 수취한다.
실린더블록(1)으로 흐르는 냉각제는 냉각제공급덕트(34)에 따라 흘러서 일단 환형챔버(38)로 유입된다. 중간공간(33)내의 정체된 냉각제에 의해 여기에서는 실린더인서트(2)로부터 냉각제로의 열전달이 약하게 이루어진다. 슬리브(30)위의 환형챔버(37)에서는 흐르는 냉각제가 실린더인서트(2)에 접촉되기 때문에 열전달이 보다 강하게 이루어진다. 또한, 이것은 냉각제가 냉각공(35)을 통과하는 경우에도 마찬가지로 적용된다. 냉각제가 냉각공(35)을 통과한 후 실린더헤드(3)내의 챔버(27)로 유입되기 전에 재가열된 냉각제는 라인(39)에서 라인(16)으로부터의 냉각기냉각제의 혼합물을 수취한다.
따라서, 제1도에 도시한 회로구성에 따르면, 실린더블록(1)은 라인(15)으로부터의 냉각제의 혼합물로 인해 비교적 따뜻한 냉각제를 감소된 양으로 수용하고, 이에 따라 인서트(2)에서의 냉각작용이 이에 대응하여 감소된다. 한편, 실린더헤드(3)내의 챔버(27)에는 항상 비교적 저온으로 충분한 양의 냉각제가 공급된다. 라인(15)으로부터의 냉각제의 첨가에 의한 냉각작용의 감소외에도, 분배밸브(17)에 의해 냉각제의 양을 부하에 따라 조정함으로써 냉각작용을 약화시킨다. 이 방법에 있어서, 인서트(2)의 주행면(2′)의 온도는 종래의 냉각에서 보다 높다. 이것은 100% 엔진부하에 대하여 도시한 제3도로부터 잘 알 수 있다. 제3도에 있어서, 실선(B)은 종래의 냉각의 경우에 있어서의 주행면온도를 나타내고, 쇄선(C)은 본 발명을 실시하는 장치에 있어서의 주행면온도를 나타내고, 파선(D)은 물의 노점을 나타낸다. 따라서, 선(C)의 경로로부터 주행면온도와 노점이 명백히 다른 것을 알 수 있다. 선(B)은 노점선(D)과 근접되어 있기 때문에, 엔진이 부분부하에서 작동할 때 주행면온도는 공지의 장치에서 제3도의 우측으로 이동하여, 제4도의 50% 부하에 대해 도시한 바와 같이 노점(D)이하로 저하된다. 반면에, 본 발명의 신규의 냉각장치에 따르면 주행면온도(선C)는 부분부하에서도 노점(D)이상으로 유지된다.
제3도 및 제4도에 도시된 실린더블록, 실린더인서트 및 지지링의 설계는 종래 기술에서와 같다.
제1도에 도시된 실시예와 달리, 주회로의 펌프(8)는 분배밸브(12) 상류의 라인(6)에 배치될 수 있고, 부회로(13)의 라인(15)은 펌프(8)와 밸브(12)사이에서 분기될 수 있다. 이 경우, 부회로에 있어서 펌프(14)를 생략하거나, 라인(15)에 스로틀로 대체할 수도 있다.
엔진에 터보충전기가 장착되면, 그 충전기는 마찬가지로 주회로(5)로부터의 냉각제의 일부에 의해 냉각될 수 있다. 이를 위해, 터보충전기를 포함하는 냉각제라인을 냉각제펌프(8)와 분배밸브(17)사이의 라인(9)으로부터 분기하여 분기부(6′)로 유도한다.

Claims (2)

  1. 실린더블록내에 배치되고, 냉각제가 통과하는 환형챔버에 의해 포위되고, 환형챔버로부터 유입되는 냉각제가 통과하는 실린더헤드에 연장되는 최소한 하나의 실린더인서트를 구비하고, 실린더헤드를 통과한 냉각제는 냉각기를 경유하여 환형챔버로 귀환하도록 이루어진 디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치에 있어서, 냉각기로부터 환형챔버로 연장되는 라인으로부터 실린더헤드로 유도되는 라인을 분기하고, 엔진의 부하에 따라 환형챔버로 유도되는 라인과 실린더헤드로 유도되는 라인에 냉각기로부터 유입되는 냉각제의 양을 분배하기 위하여 제어장치를 설치하고, 실린더헤드와 냉각기 사이의 냉각제라인으로부터 분기된 바이패스라인은 실린더헤드로 유도되는 라인의 분기부의 하류의 환형챔버로 유도되는 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실린더인서트는 그 중간부에서 슬리브에 의해 포위되고, 슬리브의 길이는 인서트의 길이의 대략 절반이고, 슬리브와 인서트사이에 환형중간공간이 형성되고, 환형중간공간은 슬리브의 상단부 근방에서 스로틀을 통하여 환형챔버와 연통하고, 엔진의 작동중에 정체된 냉각제로 충전되는 것을 특징으로 하는 디젤형 왕복피스톤식 내연기관의 냉각장치.
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