KR100475993B1 - 2열의 실린더를 갖는 크로스헤드 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2 열의 실린더들을 갖는 크로스헤드 엔진에 관한 것이다. 크로스헤드 엔진(1)은 피스톤 로드들을 통해 크로스헤드(16)와 연결된 피스톤(14)과 서로 평행한 종방향 축(3)을 갖는 실린더(2)들로 된 2 열의 실린더들을 갖는다. 엔진의 횡방향으로의 가이드를 위하여, 크로스헤드들은 외측과 내측으로 향한 가이드면(30,31)들을 지지한다. 2개 열(A, B)의 인접한 실린더(2)들의 실린더 쌍의 내측으로 향한 가이드면(30)들은 서로 접촉되어 있다. 이 결과 출력에 비하여 엔진의 폭을 매우 작게 할 수 있다.

Description

2열의 실린더를 갖는 크로스헤드 엔진{A CROSSHEAD ENGINE WITH TWO ROWS OF CYLINDERS}

본 발명은 실린더들이 엔진의 횡방향으로의 안내를 위하여 외측과 내측으로 향한 가이드면을 구비한 크로스헤드와 피스톤 로드들을 통해 연결된 피스톤들과 서로 평행한 종방향 축을 갖는, 2열의 실린더를 갖는 크로스헤드 엔진(crosshead engine)에 관한 것이다.

그러한 엔진은 예를들어 덴마크 특허 제 169826호에 개시되어 있으며, 상기 특허는 실린더 쌍의 크로스헤드들에서 외측과 내측으로 향한 가이드면들이 각각의 크로스헤드 내측과 외측의 가이드 평면들에 의해 가이드되도록 엔진 프레임 박스에 정지된 상태로 고정된 평행한 가이드 평면 쌍들의 여러가지 배치들을 개시하고 있다. 덴마크 특허 공보 제 1476/92 L은 위의 것과 유사한 2열의 수직 실린더들을 갖는 크로스헤드 엔진을 개시하고 있으며, 그 엔진의 크로스헤드는 그 내측과 외측의 가이드 평면들을 따라 슬라이드하는 외측과 내측으로 향한 가이드면들을 갖는다.

이러한 유형의 크로스헤드 엔진들은 통상적으로 디젤형의 대형 2행정 엔진으로 엔진 높이가 4 - 15 m에 달하고 길이가 수m에 이르며, 그 폭이 2 - 7 m로서 흔히 볼 수 있는 것이 아니다.

그러한 엔진은 대단히 넓은 공간을 필요로 하므로 엔진의 외형 칫수를 감소시키는 것이 요구된다.

본 발명의 목적은 2개 열의 인접한 실린더들의 실린더 쌍을 위한 내측으로 향한 가이드면들이 서로 접촉된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진을 제공하는 것이다.

상기한 목적은 크로스헤드들을 서로 지지하도록 하여 내측 가이드 평면들이 완전히 생략될 수 있고 실린더들의 횡방향 거리가 감소될 수 있도록 함으로써 달성된다. 이것은 엔진 폭을 동일한 출력을 내는 종래 기술의 엔진들 보다 상당히 작게 할 수 있도록 한다. 더욱이, 가이드 평면들의 보강구조의 절반이 생략되기 때문에 엔진 프레임 박스의 제작이 상당히 간편하게 된다.

내측으로 향한 가이드면들이 엔진의 종방향 중심 평면에 배치될 수 있어서 엔진의 비대칭 구조를 제공한다. 그러나, 내측으로 향한 가이드면들의 횡방향 위치가 엔진의 종방향의 수직 중심 평면의 이쪽 저쪽으로 교대로 편향되어 있어서 내측으로 향한 가이드면들이 크로스헤드 핀들의 단부들 부근에 위치되도록 하고, 상기 내측으로 향한 가이드면들이 크로스헤드 핀들의 일단부에서 엔진의 횡방향으로 한 크로스헤드 핀에 가장 근접되는 한편, 크로스헤드 핀들의 타단부가 다른 크로스헤드 핀에 가장 근접하게 배치된다.

실린더 쌍의 하나의 크로스헤드가 강철로 만들어지고 내측으로 향한 가이드면들을 가지는 한편, 다른 크로스헤드가 금속 매트릭스에 알루미늄, 알루미늄 브론즈 또는 PTFE와 같은 적당한 베어링금속이나 화이트 메탈로 만들어진 내측으로 향한 가이드면들을 가짐으로써 엔진의 제조가 더욱 단순화된다. 하나의 크로스헤드에 구비된 강철 가이드면들은 다른 크로스헤드에 구비된 화이트 메탈 면들을 따라 슬라이드하면서 지지된다.

내측으로 향한 가이드면들의 엔진의 높이 방향으로의 크기는, 가이드면들이 각각의 크로스헤드 위치에서 서로 접촉된 상태로 되도록 짧게 되지만, 내측으로 향한 가이드면들의 길이는 하나의 크랭크샤프트 회전중에 실린더 쌍의 크로스헤드들의 중심선들 사이에서 엔진의 높이 방향으로의 수준의 가장 큰 차이의 적어도 2배만큼 크게 되는 것이 바람직하다. 이와같이 가이드면들의 비교적 큰 길이는 크로스헤드들의 중심선들이, 실린더 쌍의 다른 크로스헤드와 가이드면이 항상 연관되게 하는 수준에 있도록 하고, 이로써 다른 크로스헤드의 가이드면과 경사진 크로스헤드의 가이드면의 상부 또는 하부 모서리부분 사이에서 강하게 선형 접촉되게 크로스헤드가 기울어지는 경향을 방지한다.

엔진의 종방향으로 실린더들을 편심되게 함으로써 실린더 쌍의 2개의 커넥팅 로드들이 각각의 크랭크 핀들에서 저널(journal)되게 할 수 있지만, 그러나 실린더 쌍의 커넥팅 로드들이 공동의 크랭크 핀에서 저널되게 하는 것이 보다 적합하며, 이로써 엔진 길이가 감소된다.

한 실시예에서, 실린더 쌍의 크로스헤드들은 크랭크 핀이 상부위치에 있을 때와 같은 수준에 위치된다. 실린더들의 종방향 축이 엔진의 종방향 중심 평면에 대하여 횡방향으로 편심됨으로써, 크랭크 핀이 상부 위치에 있을 때 실린더 쌍의 피스톤들이 상사점에 있지 않고, 반대로 한 실린더의 피스톤은 상사점을 지나 하강운동을 시작하게 되는 한편, 다른 피스톤은 상사점을 향하여 상승하는 도중에 있게 된다. 따라서, 실린더 쌍의 두개의 실린더들이 그 점화시기가 엇갈리게 되고 시간에 대하여 최대 점화력의 분포를 가짐으로써, 그 결과 크랭크 핀과 메인 베어링이 단일의 실린더로 부터의 힘을 흡수하기 위한 크랭크 핀과 메인 베어링의 면적의 2배의 면적을 가질 필요가 없게 되는 효과가 있다. 이것은 또한 크랭크 아암들의 칫수에도 적용된다. 엔진의 전체 출력과 관련하여 판단하면, 본 발명의 실시예는 보다 작은 베어링 면적을 갖는 크랭크샤프트와, 보다 작은 아암 칫수를 갖도록 하여 결국 보다 작은 엔진 길이를 가능하게 한다.

횡방향으로 작용하여 내측으로 향한 가이드면들에 의해 크로스헤드들 사이에 전달되는 힘은 엔진 프레임 박스의 고정된 가이드 평면으로 전달된다. 상기의 고정된 가이드 평면들은 크로스헤드들 모두로부터의 결과적인 힘을 흡수 및 지지하며, 따라서 실린더 쌍의 내측으로 향한 가이드면들이 엔진 프레임 박스에서 고정되도록 장착된 가이드 평면을 따라 슬라이드하는 외측으로 향한 가이드면들 보다 작은 면적을 갖도록 엔진을 형성하는 것이 바람직하다.

이하에서는 개략적으로 도시한 도면들을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 실린더(2)들이 서로 평행한 길이방향의 축(3)을 따라 A, B의 2개 열로 배열된 (도 3 참조) 크로스헤드 엔진(1)을 도시하고 있다. 각각의 실린더는 커버 스터드(5)에 의해 실린더 프레임(7)의 상부 플레이트(6)에 고정되는 실린더 라이너(4)와, 예를들어 전기적으로 시동되고 유압으로 구동되는 캠축에 의해 기계적으로 작동되는 액튜에이터장치(10)에 의해 제어되는 배기밸브(9)를 구비한 실린더 커버(8)를 포함한다. 각각의 배기밸브로 부터의 배기가스 통로(11)는 배기가스를 공동의 배기가스 리시버(12)로 보내고, 배기가스 리시버로부터 가장 먼쪽에 위치한 실린더들의 열로부터의 배기가스 통로는 가장 가까운 열의 실린더로부터의 배기가스 통로들 사이를 지난다. 배기가스는 터보과급기를 구동시켜서 가압된 소기 및 과급 공기를 소기 공기 리시버(13)로 공급하도록 한다. 배기가스 리시버를 엔진의 어느 한 쪽에 설치하는 것과 같은 배기시스템의 다른 배치를 이용할 수 있음은 당연하다.

각각의 실린더는 피스톤 로드(15)를 통해 크로스헤드(16)와 연결된 피스톤(14)을 가지며, 상기 크로스 헤드와 커넥팅 로드(17)가 연결된다. 실린더 열(A,B)들은, 커넥팅 로드의 하단부의 폭에 해당하는 엔진의 길이방향의 작은 상호간의 격벽(L)으로 서로 인접하여 배치됨으로써 각 열의 실린더로 이루어진 실린더 쌍들이 공동의 크랭크 핀(18)을 갖도록 하고, 그 크랭크 핀에 커넥팅 로드들이 나란하게 장착된다. 대신에 실린더들은 길이방향의 격벽없이 배열될 수도 있으며, 그때 하나의 커넥팅 로드는 다른 커넥팅 로드의 하단부를 파지하는 포크형태로 된 하단부를 갖도록 된다. 그러나, 이결과 엔진이 2개의 다른 형태의 커넥팅 로드를 갖게 되는 단점을 초래한다. 크랭크샤프트의 저널(19)들은 베드 플레이트(20)의 주 베어링들에서 저널된다.

실린더 프레임(7)은 실린더 쌍에 공통이며 소기 공기 리시버로부터의 공기가 공급되게 유지된다. 그 공기는 피스톤이 실린더 라이너들의 하단부에 있는 소기공(21)의 열을 노출시켰을 때 실린더(2)들 속으로 유입될 수 있다. 크로스헤드 엔진은 예를들어 60-400 rpm 범위의 비교적 저속의 2행정 단일 유동-소기 엔진이다. 실린더 보어는 예를들어 25-100 cm의 범위로 될 수 있다.

실린더 프레임은 엔진 프레임 박스(21')의 상부에 배치되고, 고정 볼트(22)에 의해 베드 플레이트(20)에 함께 장착된다. 도 2에 상세히 도시되어 있듯이, 프레임 박스(21')는 각 쌍의 실린더들 사이의 횡방향 벽(23)들에 의해 분할된다. 수직의 가이드 평면(24)들이 상기 벽들에 장착되고 수직의 지주(25)에 의해 후방 외측을 향하여 보강된다. 상기 지주들과 연관된 가이드 평면들은 엔진 프레임 박스의 전체 높이를 따라 연장된다.

도 2는 피스톤 로드(15)의 저부 플랜지용 크로스 헤드 장착면(26)을 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, 장착면(26)은 크로스 헤드 핀(27)에 배치되고, 상기 크로스헤드 핀(27)은 커넥팅 로드의 상단부(28)의 크로스헤드 베어링에 배치된다. 변형예로서, 피스톤 로드의 베어링부와 커넥팅 로드의 핀으로 크로스헤드를 형성하는 것도 가능하다.

크로스 헤드 핀(27)은 일단부에 크로스 헤드 슈(shoe:29)를 가지며, 상기 크로스 헤드 슈는 엔진에서 횡방향으로 각각 내측과 외측으로 향한 가이드면(30)(31)들을 갖는다. 상기 외측으로 향한 가이드면(31)들은 가이드 평면(24)들에 배치되고 크로스 엔진에 대하여 거의 종래와 같은 방식으로 가이드 평면들을 따라 슬라이드될 수 있다. 상기 가이드면(31)들은 고정 볼트들과 가이드 평면들 사이의 공간(32)속으로 연장되어 있다.

내측으로 향한 가이드면(30)들은 서로 맞대어져 있으며, 크로스헤드들이 엔진 작동중에 엔진의 높이 방향으로 서로 이동될 때 서로를 따라 슬라이드될 수 있다. 크로스헤드들 사이의 높이의 차이가 도 1에 도시된 크랭크샤프트의 각도 위치에서 매우 크다. 상기 가이드면(30,31)들은 수직의 종방향 평면들에 배치되고, 상기 종방향 평면들은 내측으로 향한 가이드면들의 경우에 라인(33)으로 표시된 바와같이 엔진의 종방향 중심면인 것이 바람직하다.

도 3은 엔진의 윤곽선과 함께 도시된 2개의 실린더 열(A,B)들을 도시하고 있다. 실린더(2)는 예를들어 직경 50cm의 보어를 가지며, 16개의 실린더가 배열되며, 엔진은 26,000 kw의 출력을 그리드(grid)용 전력을 발전하는 발전기(34)로 공급한다. 칫수 대비를 위하여, 점선은 70cm의 실린더 보어를 갖고 비슷한 출력을 내는 8기통 크로스헤드 엔진의 윤곽을 표시한다.

단순화를 위하여, 도 4에 도시된 다른 실시예에 대한 이하의 설명에서 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다. 크로스헤드 슈(29)들은, 가이드면(30)들이 엔진의 종방향 중심 평면으로부터 횡방향의 거리(s)을 갖고 크로스헤드 핀들의 양단부에서 중심 평면의 대향측로 편향되도록 비대칭으로 설계되어 있다. 커넥팅 로드의 상단(28)의 크로스헤드 베어링의 중심과 크로스헤드 핀들의 양단의 가이드면(30)들의 중심들 사이의 거리(c1, c2)들은 필요에 따라 조정될 수 있다. 가이드면(30)들은, 예를들어 크로스헤드 베어링이 크로스헤드 핀에 비대칭적으로 배치될지라도 상기 거리(c1, c2)들이 동일하도록 배치될 수 있다. 이것은 결과적으로 크로스헤드 핀의 양단의 가이드면들에 대한 횡방향 내측으로의 힘이 균일하게 분배되도록 한다.

도 5에 도시된 선도는 엔진 작동 싸이클중에 횡방향의 가이드력(guide force)들의 상대적 크기를 도시하고 있다. -180°CA는 크랭크샤프트가, 크랭크핀(18)이 최저 위치에 있는 각도 위치와, 그리고 피스톤(14)가 압축행정을 수행하게 되는, 크랭크핀이 상부 위치로 반전하는 0°주위의 각도에 있는 것을 표시한다. 실선으로 도시된 그래프 a는 A-열 실린더와 관련된 크로스헤드에 작용하는 횡방향의 힘을 나타내며 여기서 양(+)의 값은 외측으로 향한 힘을 나타내는 한편, 점선으로 된 그래프(b)는 B-열 실린더와 관련된 크로스헤드에 작용하는 대응하는 힘을 나타내고 여기서 음(-)의 값은 외측으로 향하는 힘으로 나타낸다. 일점 쇄선의 그래프(c)는 엔진 프레임 박스에 작용하는 결과적인 힘, 즉 가이드 평면(24)에 의해 흡수되어야 하는 힘을 나타낸다. 압축행정 동안에, A-열의 크로스헤드 핀에 작용하는 힘은 비교적 작은 것으로 나타나지만 B-열의 크로스헤드 핀에 작용하는 힘은 비교적 크게 나타나는 반면, 팽창행정중에는 이와 반대로 나타난다. 결과적인 힘은, 크로스헤드가 크랭크샤프트로부터 멀리 있게 되는 상사점 부근(-60°-60°)의 영역에서 비교적 작게 됨으로써 결과적으로 힘이 큰 토크 아암으로 작용하게 되며, 크로스헤드가 크랭크샤프트에 보다 근접하여 있기 때문에 엔진 프레임 박스에 대한 힘이 비교적 큰 영역에서 작은 토크 아암으로 작용하게 된다.

도 5의 선도로부터 그래프 a는 작은 음의 값을 갖고 그래프 b는 작은 양의 값을 가지며, 이것은 한 크로스헤드로부터 내측으로 향한 가이드면(30)을 통해 다른쪽 크로스헤드로 전달되어야 하는 힘이 비교적 작음을 의미한다. 따라서, 내측으로 향한 가이드면(30)은 외측으로 향한 가이드면(31) 보다 상당히 작은 면적을 가질 수 있다.

내측으로 향한 가이드면들은 전술한 것과 달리 설계될 수도 있다. 예를들어 한 가이드면은 전술한 바와같이 평면으로 되는 한편 다른 크로크헤드의 가이드면들은 평면의 표면에서 작용하는 롤러들로 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 가이드면들은 크로스헤드 핀의 양단에서 다른 면적을 가질 수 있으며, 이로써 크로스헤드 핀의 크로스헤드 베어링의 편심위치로 인한 힘의 차이를 보상하도록 한다. 더욱이, 무게중심이 크로스헤드 베어링의 중심과 일치하도록 가이드 슈와 관련된 크로스헤드 핀의 질량을 조절할 수도 있다. 고정 볼트들은 별도의 튜브에 위치하거나 가이드 평면의 외측에 배치되는 것과 같이 다른 위치들을 가질 수도 있다.

상기와 같이 엔진의 극히 콤팩트한 설계로, 외측으로 향한 각각의 가이드면들은 그 내측에 위치한 고정 볼트와 관련된 가이드 평면 사이에 부분적으로 위치된다. 상기한 바와같이, 외측으로 향한 가이드면들은 비교적 넓고 높이 방향으로의 공간이 한정되기 때문에 고정 볼트들과 가이드 평면들 사이로 가이드면들이 연장됨으로써 보다 넓은 면적의 가이드면들을 위한 공간이 얻어지는 잇점이 있다. 다른 잇점은 고정 볼트들이 가이드 슈들의 내측에서 독립되게 제공되므로 각각의 실린더 쌍에 대하여 4개의 고정 볼트들만으로 실린더부와 엔진 프레임 박스 및 베드 플레이트들을 함께 고정할 수 있는 것이다.

본 발명에 따라 한쌍의 실린더들 사이에 횡방향으로의 작은 간격을 둠으로써 실린더 쌍이 공동의 실린더 프레임과 가압된 소기 및 과급 공기의 공급을 위한 공동의 챔버를 가지도록 하여 엔진의 설계를 더욱 단순화할 수 있는 잇점이 있다.

본 발명에 따른 엔진은 정해진 전체 출력과 최대 외형 크기에 대하여 종래의 유형의 단일 열의 크로스헤드 엔진보다 작은 보어를 갖는 더 많은 실린더들을 가질 수 있어서 정지된 발전소의 발전기를 구동하는데 특히 적합하고, 종래 엔진과 동일 출력에 대하여 보다 높은 속도(rpm)를 얻을 수 있어서 발전기의 설계 및 작동에 많은 잇점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 크로스헤드 엔진의 단면도.

도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ에 의한 수평 단면도.

도 3은 도 1의 엔진의 실린더들의 개략적인 평면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예의 도 2에 따른 단면도.

도 5는 엔진 동작 싸이클중에 계산된 가이드력을 보여주는 선도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 엔진 2 : 실린더

16 : 크로스헤드 30, 31 : 가이드면

Claims (11)

1. 피스톤 로드들을 통하여 엔진의 횡방향으로 안내를 위하여 내측과 외측으로 향한 가이드면들을 구비한 크로스헤드(16)와 연결된 피스톤(14)들 및 서로 평행한 종방향 축(3)을 각각의 실린더(2)들이 갖는 2 열의 실린더들을 포함하는 크로스헤드 엔진(1)에 있어서, 2개 열(A,B)들의 인접한 실린더(2)들의 실린더 쌍을 위한 내측으로 향한 가이드면(30)들이 서로 접촉된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
2. 제 1항에 있어서, 상기 내측으로 향한 가이드면(30)은 엔진의 종방향 중심 평면(33)에 위치한 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
3. 제 1항에 있어서, 상기 내측으로 향한 가이드면(30)들은 크로스헤드 핀(27)들의 단부들 부근에 위치하고, 엔진의 횡방향으로 상기 내측으로 향한 가이드면(30)들은 크로스헤드 핀들의 일단부에서 하나의 크로스헤드 핀과 가장 근접하는 한편, 크로스헤드 핀들의 타단부는 다른 크로스헤드 핀에 가장 근접하도록 된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
4. 제 1항에 있어서, 실린더 쌍의 하나의 크로스헤드는 강철로 만들어진 내측으로 향한 가이드면(30)을 갖는 한편, 다른 크로스헤드는 화이트 메탈과 같은 베어링 재료로 만들어진 상기 내측으로 향한 가이드면(30)들을 갖는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
5. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측으로 향한 가이드면(30)들의 길이는, 하나의 크랭크샤프트 회전중에 실린더 쌍의 크로스헤드(16)들의 중심선들 사이에서 엔진의 높이 방향의 수준에서 가장 큰 차이의 적어도 2배만큼 넓게 된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
6. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 쌍의 커넥팅 로드(17)들은 공동의 크랭크 핀(18)에 저널된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
7. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 쌍의 크로스헤드(16)들은 크랭크 핀(18)이 그 상부 위치에 있을 때와 같은 수준에 위치하도록 된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
8. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 실린더 쌍의 내측으로 향한 가이드면(30)들은 엔진 프레임 박스(21')에 고정되게 장착된 가이드 평면(24)들을 따라 슬라이드하는 외측으로 향한 가이드면(31)들 보다 작은 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
9. 제 8항에 있어서, 상기 외측으로 향한 가이드면(31)들 각각은 그 내측에 위치한 고정볼트(22)와 관련 가이드 평면(24) 사이에 부분적으로 배치된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
10. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 쌍은 공동의 실린더 프레임(7)을 갖는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.
11. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진(1)은 발전기(34)를 구동하도록 연결된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 엔진.