KR100436542B1 - 캠샤프트 장치를 지니는 디젤형 직렬 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 디젤형 직렬 엔진(1)은 적어도 2개의 섹션(4a, 4b)으로 분할된 크랭크샤프트(4)와 캠샤프트 장치를 지니며, 상기 섹션들은 플랜지 연결부(5)와 상호 접하도록 고정된다. 그 엔진은, 엔진의 종방향으로 연속적으로 배치되어, 상호 다른 실린더(2)와 관련되는 적어도 2개의 캠샤프트(9, 10)를 지닌다. 각각의 캠샤프트는 크랭크샤프트에 의해 각각 구동되는 캠샤프트 구동기(12)를 지닌다.

Description

캠샤프트 장치를 지니는 디젤형 직렬 엔진{IN-LINE ENGINE OF THE DIESEL TYPE WITH A CAMSHAFT SYSTEM}

본 발명은 적어도 2개의 섹션에 캠샤프트 장치와 크랭크샤프트를 구비하는 디젤형 직렬 엔진에 관한 것으로, 상기 섹션들은 볼트식 플랜지 연결부로 상호 접하도록 고정되며, 상기 직렬 엔진은 실린더 보어가 적어도 60 cm 으로 되는 적어도 8개의 실린더를 지닌다.

그러한 직렬형 엔진은 높은 출력을 지니며, 전체 샤프트가 일체의 메인 베어링의 위치로 들어올려질 수 없는 크기로 되는 크랭크샤프트를 지니는 대형 엔진이다. 단일의 샤프트 섹션은, 예를들면 100 t 이상의 무게로 될 수 있다. 따라서, 크랭크샤프트는 단독으로 적소에 들어올려지는 적어도 2개의 별개의 섹션으로 제조되어, 플랜지 연결부에 의한 고정 연결부에서 끝과 끝을 접하여 조립된다.

자동차에 일반적으로 사용되는 매우 소형의 엔진에서는, 크랭크샤프트를 엔진의 작동중 함께 연결되거나 또는 분리될 수 있는 2개의 부분으로 분할하여, 엔진의 현재의 부하에 사용중인 엔진의 수를 적합하게 하는 것이 공지되어 있다. 자동차의 엔진은 여러가지 다른 부하에서 작동하며, 크랭크샤프트의 분할은 엔진이 낮은 부하에서 장기간 작동할 때 적절하게 될 수 있다. 크랭크샤프트가 분리되어, 작동중 연결될 때, 또한 캠샤프트를 분할하는 것이 필요하다. 독일 특허출원 공개 제28 28 298호 명세서는, 크랭크샤프트가 분할 클러치를 지니며, 캠샤프트 부분은 그 샤프트 부분이 함께 연결되기 위한 정확한 각 위치에 있는 시기를 지시하는 신호장치를 구비하는 엔진을 개시한다. 미국특허 제4,368,701호는 크랭크샤프트 부분들 사이의 다른 형태의 연결을 개시한다.

엔진의 조립 후, 상기 처음에 언급된 직렬 엔진의 크랭크샤프트는 단일의 완전한 샤프트이며, 작동시 크랭크샤프트의 분리 또는 연결이 이루어질 수 없다. 상기 처음에 언급된 직렬 엔진은 선박의 추진용 또는 고정식 동력 발생용 대형 엔진 장치의 주요 구성요소이다. 자동차 엔진에서의 부하 변화와는 달리, 상기 처음에 언급된 직렬 엔진은 대부분의 작동 시간 중 전부하(全負荷) 또는 거의 전부하에서 작동한다.

종종, 엔진 장치는 단일의 직렬 엔진만을 지니는데, 그 이유는 그것은 높은 작동 신뢰성을 지녀야 하는 중요한 구성요소이기 때문이다. 선박 추진 장치에 있어서, 직렬 엔진의 지속되는 고장은 작동상의 손실에 부가하여 선박 난파의 위험을 초래할 수 있으며, 고정식 동력 발생용으로 사용될 경우, 플랜트는 일반적으로 섬에 전력을 공급하며, 지속되는 정전은 매우 바람직하지 않다.

본 발명의 목적은 높은 작동 신뢰성으로 매우 높은 출력을 발생시킬 수 있는 직렬 엔진을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 직렬 엔진의 측면도이다.

도2 및 도3은 본 발명에 따른 직렬 엔진의 캠샤프트 장치의 2가지 실시예의 개략도이다.

이러한 목적에 비추어, 본 발명에 따른 직렬 엔진은, 실린더 보어가 140 cm 이하로 되고, 직렬 엔진이 30개 이하의 실린더를 지니며, 캠 샤프트상의 부하를 감소시키기 위하여 직렬 엔진은, 그 직렬 엔진의 종방향으로 연속적으로 배치되고 서로 다른 실린더들과 관련되며 크랭크샤프트에 의해 구동되는 각각의 캠샤프트 구동기를 지니는 적어도 2개의 캠샤프트를 지니는 것을 특징으로 한다.

실린더의 구성요소가 더 커지면, 캠샤프트 장치에 대한 부하가 커지며, 따라서, 고장의 위험도 증가한다. 배기 밸브를 개방하기 위한 힘은 밸브 직경의 제곱과 실린더 압력에 비례하여 증가하며, 연료 펌프가 캠샤프트 구동되는 피스톤 펌프일 때, 펌프의 구동은 또한 더 큰 힘을 필요로 하며, 소정의 기간중 연료의 량은 더 많아지게 된다. 또한, 캠샤프트 장치에 대한 부하는 캠샤프트의 길이와 함께 증가한다. 2행정 엔진에 대하여 일반적으로 적어도 배기 밸브 및/또는 각각의 실린더에 대한 연료 공급을 위한 밸브 또는 펌프로 되며, 4행정 엔진에 대하여 또한 흡입 밸브로 되는 소기의 실린더 구성요소를 작동시키기 위하여 개별적으로 구동되는 2개 또는 그 이상의 캠샤프트를 사용하면, 각각의 캠샤프트의 현저히 더 짧은 길이와 그 샤프트상의 상당히 더 적은 수의 캠으로 된다. 이러한 요소들 양자는 캠샤프트구동기와 캠샤프트에 대하여 보다 낮은 부하를 초래함으로써, 각각의 캠샤프트와 엔진 전체의 보다 큰 작동 신뢰성을 가져온다.

관련된 샤프트의 실린더들이 사용되지 않을 경우, 손상된 캠샤프트 또는 캠샤프트 구동기를 갖는 엔진이 일시적으로 수리될 수 있으므로, 캠샤프트 장치의 고장으로 인한 작동의 지속되는 정지는 회피될 수 있다. 이것은, 예를들면, 크랭크샤프트로부터 실린더 커넥팅 로드를 손으로 분해하거나, 또는 크로스헤드로부터 피스톤 로드를 분해하고 실린더에 피스톤을 고정함으로써 이루어지 수 있으며, 그 결과, 직렬 엔진은 관련된 캠샤프트 구동기(들)와 함께 다른 캠샤프트(들)에 의해 구동되는 나머지 실린더들에 대하여 비상 운전으로 시동될 수 있다. 직렬 엔진은, 예비 부품과 수리요원이 제공되어 고장난 캠샤프트를 수리할 때까지 나머지 실린더들에 대하여 비상 운전을 계속할 수 있다.

크랭크샤프트 섹션의 수에 상응하는 캠샤프트를 지니는 엔진과 관련한 유리한 한가지 실시예에 있어서, 직렬 엔진은 적어도, 2개의 크랭크샤프트 섹션 사이에서 플랜지 연결부와 캠샤프트 단부에 장착된 캠샤프트 구동기를 지니는 제1의 캠샤프트 및 캠샤프트 단부와 크랭크샤프트 단부에 장착된 캠샤프트 구동기를 지니는 제2의 캠샤프트를 지닌다. 캠샤프트의 단부에 구동기를 장착하면, 캠샤프트의 단부로부터 제2의 캠샤프트를 구동하는 것이 가능하며, 따라서, 크랭크샤프트 섹션 사이의 플랜지 연결부로부터 상기 샤프트를 구동함으로써 수반되는 전체 엔진 길이의 증가를 회피할 수 있는데, 상기 플랜지 연결부는 인접하는 실린더들 사이의 실린더 간격의 증가를 필요로 한다.

한가지 변형 실시예에 있어서, 직렬 엔진은 적어도, 크랭크샤프트 섹션 사이에서 제1의 플랜지 연결부와 캠샤프트 단부로부터의 일정한 거리에 장착된 캠샤프트 구동기를 지니는 제1의 캠샤프트 및 크랭크샤프트 섹션 사이에서 제2의 플랜지 연결부와 캠샤프트 단부로부터의 일정한 거리에 장착된 캠샤프트 구동기를 지니는 제2의 캠샤프트를 지닌다. 캠샤프트 단부로부터 일정한 거리에 캠샤프트 구동기를 배치하면, 구동기로부터 샤프트상의 가장 이격된 캠까지의 거리가 유리하게 짧게 되는 이점이 있으며, 그것은 샤프트의 비틀림으로 인하여 발생하는 구동기와 캠 사이의 각 회전의 크기를 감소시킨다. 본 실시예는, 크랭크샤프트가 적어도 캠샤프트와 동일한 수의 플랜지 연결부를 지니는 엔진에서 엔진의 전체 길이를 증가시키지 않고 실시될 수 있다.

상기 실시예들은 실린더당 적어도 7000 kW의 출력을 지니는 캠샤프트-구동되는 직렬 엔진의 설계를 가능하게 하며, 그것은 큰 추진력을 필요로 하는 초대형의 컨테이너 선박(7,000 내지 14,000 TEU)에 특히 유리하다. 본 발명에 의해 이루어진 작동 신뢰성은 상기 선박의 고가 화물(valuable cargo)로 인하여 그러한 선박에서 특히 유리하다. 한가지 실시예에 있어서, 직렬 엔진은 적어도 90 MW 의 전체 출력을 지닌다. 다른 실시예에 있어서, 직렬 엔진은 적어도 28 m 의 길이를 지니며, 캠샤프트 중 적어도 하나는 직렬 엔진의 전체 길이의 48 % 이하의 길이를 지니며, 그것은 매우 큰 출력을 갖지만, 캠샤프트 장치가 매우 고도의 작동 신뢰성을 지니는 직렬 엔진의 제작을 가능하게 한다.

이하, 본 발명은 개략적인 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 후술될 것이다.

도1에 도시된 직렬 엔진(1)은 15개의 실린더(2)가 엔진의 종방향으로 연속적으로 배치된 단일 열의 실린더를 지닌다. 각각의 실린더는, 일반적으로 크랭크샤프트(4)에 대한 메인 베어링을 갖는 받침대, 엔진 A-프레임 및 실린더 부분과 같은 수개의 구성요소로 형성되는 엔진 하우징(3)에 장착되며, 상기 실린더는 커버 스터드(cover stud)로 실린더 부분에 체결되며, 상기 실린더 부분, 엔진 A-프레임 및 받침대는 스테이 볼트에 의해 조립된다. 각각의 실린더는 60 내지 140 cm, 바람직하게는 90 내지 120 cm의 간격의 보어를 지닐 수 있으며, 상기 엔진은 8 내지 30개의 실린더, 바람직하게는 10 내지 20 개의 실린더를 지닐 수 있다. 15개의 실린더로 도1에 도시된 실시예에 있어서, 실린더는 108 cm으로 되며, 엔진은 110,400 kW의 전체 출력을 지닌다.

그 엔진은 일반적으로 2행정 크로스헤드 엔진인데, 상기 피스톤은 통상적으로 크랭크샤프트의 크랭크(도시되지 않았음)의 크랭크핀상에 장착되는 하단부를 지니는 커넥팅 로드와 함께 크로스헤드를 통하여 연결된 피스톤 로드상에 장착된다. 그 엔진은 또한 피스톤이 커넥팅 로드에 직접 연결되는 형태의 4행정 엔진으로 될 수도 있다. 도1에서 수직방향의 점선은 각각의 실린더가 크랭크샤프트에 연결 부재와 관련된 피스톤을 지시한다.

크랭크샤프트는, 각각 수개의 크랭크, 예를들면 3개의 크랭크를 포함하는 수개의 섹션으로 제작된다. 엔진이 제작되면, 그 섹션들은 각각 받침대상으로 들어올려져, 메인 베어링의 하부 베어링상에 배치될 수 있으며, 그 결과, 그 섹션들은,볼트와 같은 플랜지 연결부(5)로 그 섹션상의 인접 플랜지 부분들을 함께 체결함으로써 완전한 샤프트로 조립된다. 간단한 설계에 있어서, 플랜지 부분들은, 하나의 플랜지가 통상적으로 나사가공된 플랜지를 지니며 다른 플랜지가 접합 볼트 구멍을 지니거나, 또는 상기 플랜지들 모두가 접합 볼트 구멍을 지니고 이 경우 너트와 함께 관통 볼트가 사용되는 각각의 섹션상의 돌출 플랜지로 이루어질 수 있다. 주변 방향으로 플랜지의 정확한 안내를 위하여, 플랜지는 가이드 핀과 가이드 구멍을 각각 구비할 수 있다. 변형적으로, 하나의 플랜지 부분은 크랭크의 측면에 형성될 수 있으며, 상기 크랭크상에는 다른 크랭크 섹션상의 통상의 반경방향 돌출 플랜지가 체결될 수 있다. 또한, 하나의 부분이 다른 부분을 반경방향으로 부분적으로 덮게 상호 맞물리는 2개의 부분으로 플랜지 연결부를 설계하는 것도 가능하다.

도1의 좌측에 도시된 크랭크샤프트 섹션(4a)은 플랜지 연결부(5)의 좌측에 배치된 8개의 실린더(2)와 관련되며, 도1의 우측에 도시된 크랭크샤프트 섹션(4b)은 플랜지 연결부의 우측에 배치된 나머지 7개의 실린더(2)와 관련된다. 그 우측 단부에, 크랭크샤프트(4)는 드러스트 베어링(6)을 구비하며, 중간 샤프트(7)를 통하여 프로펠러 샤프트(도시되지 않았음)와 연결된다. 그 좌측 단부에 크랭크샤프트는 플라이휠(8)을 구비한다.

엔진은 상호 분리되지만, 연속적으로 배치된 제1의 캠샤프트(9)와 제2의 캠샤프트(10)를 지닌다. 각각의 캠샤프트는, 예를들면, 실린더당 2개의 캠 디스크와 같이 캠샤프트상에 고정된 캠 디스크의 수에 의하여 상호 다른 실린더에 작용하는데, 상기 캠 디스크 중 하나는 통상의 공지된 방식으로 연료 펌프를 작동시키며,다른 하나는 배기 밸브(11)를 작동시킨다.

캠샤프트(9, 10)는 각각의 캠샤프트에 대한 캠샤프트 구동기(12)를 통하여 크랭크샤프트에 의해 구동된다. 그 캠샤프트 구동기는 체인 구동기로서 형성될 수 있는데, 하나 이상의 체인이 스프로킷 휠에 의해 구동되며, 상기 스프로킷 휠은 제1의 캠샤프트(9)에 대한 플랜지 연결부(5)와 제2의 캠샤프트(10)에 대한 크랭크샤프트 단부에서 드러스트 베어링(6)의 드러스트 칼라의 주위 표면상에 장착된 톱니가공된 링으로 구성될 수 있다. 그 체인들은 도1의 관련된 캠샤프트의 우측 단부에 장착된 구동 휠(13)을 끌어당긴다. 캠샤프트 구동기는 또한 예를들면 스프로킷 휠 연결부와 같은 다른 설계로 될 수도 있으며, 상기 캠샤프트상의 스프로킷 휠은 하나 이상의 중간 휠을 구동하며, 중간 휠은 또한 캠샤프트상의 구동 휠(13)을 구동한다. 캠샤프트 구동기의 형태에 관계없이, 크랭크샤프트상의 스프로킷 휠과 캠샤프트상의 구동 휠 사이의 연결부는 참조번호 13으로 지시되어 있다.

다른 실시예에 관한 후술 명세서에 있어서, 설명을 간단하게 하기 위하여, 동일한 형태의 부품에 대하여는 상기 명세서에서와 동일한 참조번호가 사용되었다.

도2는, 크랭크샤프트가 3개의 섹션(4a, 4b 및 4c)으로 조립되며, 제1 및 제2의 연결부(5) 각각이 2개의 캠샤프트(9, 10)를 구동하기 위해 사용된 스프로킷 휠을 지지하는 실시예를 제시한다. 캠샤프트상에서, 캠샤프트 구동기는 샤프트 단부로부터 일정한 거리에 장착된다.

도3의 실시예에 있어서, 마찬가지로 크랭크샤프트(4)는 3개의 섹션으로 형성되며, 제1 및 제2의 플랜지 연결부가 관련된 캠샤프트 구동기에 대하여 사용되며,그 우측 단부에 크랭크샤프트는 또한 드러스트 베어링(6)을 구비하며, 또한 캠샤프트 구동기에 대한 스프로킷 휠을 구비한다. 도3의 엔진은 상호 분리되지만 연속적으로 배치된 3개의 캠샤프트(9, 10, 14)를 지닌다.

엔진은 상기 언급된 것과 다른 수의 실린더들을 지닐 수 있다. 그것은 예를들면 91,617 kW의 전체출력과 98 cm의 실린더 보어를 지니는 16 실린더의 직렬 엔진으로 될 수 있으며, 크랭크샤프트는 관련된 6개, 6개 및 4개의 실린더에 대하여 12.1 m, 11.7 m 및 9.8 m 의 길이로 되는 3개의 섹션으로 형성될 수 있으며, 캠샤프트의 길이는 너무 길게 되지 않는 것이 바람직하지만, 한개 이상의 샤프트가 엔진의 전체 길이의 절반 이상으로 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 높은 작동 신뢰성으로 매우 높은 출력을 발생시킬 수 있는 직렬 엔진이 제공되는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 캠샤프트 장치와 크랭크샤프트(4)를 적어도 2 개의 섹션으로 구비하며, 상기 섹션들은 볼트식 플랜지 연결부(5)로 상호 접하도록 고정되며, 실린더 보어가 적어도 60 cm 으로 되는 적어도 8개의 실린더(2)를 지니는, 캠샤프트 장치를 지니는 디젤형 직렬 엔진(1)에 있어서,

   상기 실린더 보어가 140 cm 이하로 되고, 직렬 엔진(1)이 30개 이하의 실린더(2)를 지니며, 캠 샤프트상의 부하를 감소시키기 위하여 상기 직렬 엔진은, 그 직렬 엔진의 종방향으로 연속적으로 배치되고 서로 다른 실린더들과 관련되며 크랭크샤프트(4)에 의해 구동되는 각각의 캠샤프트 구동기(12)를 지니는 적어도 2개의 캠샤프트(9, 10)를 지니는 것을 특징으로 하는, 캠샤프트 장치를 지니는 디젤형 직렬 엔진.
2. 제1항에 있어서, 상기 직렬 엔진은 적어도, 2개의 크랭크샤프트 섹션 사이에서 플랜지 연결부(5)와 캠샤프트 단부에 장착된 캠샤프트 구동기(12)를 지니는 제1의 캠샤프트(9) 및 캠샤프트 단부와 크랭크샤프트 단부에 장착된 캠샤프트 구동기(12)를 지니는 제2의 캠샤프트(10)를 지니는 것을 특징으로 하는 직렬 엔진.
3. 제1항에 있어서, 상기 직렬 엔진은 적어도, 크랭크샤프트 섹션 사이에서 제1의 플랜지 연결부(5)와 캠샤프트 단부로부터의 일정한 거리에 장착된 캠샤프트 구동기(12)를 지니는 제1의 캠샤프트(9) 및 크랭크샤프트 섹션 사이에서 제2의 다른 플랜지 연결부(5)와 캠샤프트 단부로부터의 일정한 거리에 장착된 캠샤프트 구동기(12)를 지니는 제2의 캠샤프트(10)를 지니는 것을 특징으로 하는 직렬 엔진.
4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 실린더(2)는 적어도 7,000 kW의 출력을 지니는 것을 특징으로 하는 직렬 엔진.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직렬 엔진(1)의 전체 출력은 적어도 90 MW 로 되는 것을 특징으로 하는 직렬 엔진.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직렬 엔진(1)은 적어도 28 m 의 길이를 지니며, 상기 캠샤프트(9, 10) 중 적어도 하나는 직렬 엔진의 전체 길이의 48 % 이하의 길이를 지니는 것을 특징으로 하는 직렬 엔진.