KR100560550B1 - 내연기관의실린더자켓의냉각시스템 - Google Patents

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Abstract

실린더의 냉각시스템, 특히 대형 디젤엔진의 실린더의 냉각시스템에 있어서, 냉매는 먼저 실린더커버(5,7)를 통하여 이송되고, 그곳에서 예열된다. 다음에, 예열된 냉매는 소정의 온도로 실린더슬리브(1)의 냉각채널(11) 및 갭체임버(12)내로 공급된다. 소정의 온도범위내로의 예열은 실린더슬리브(1)의 영역에서 최소한 부분적으로 발생되는 열을 통하여 행해진다. 가온된 냉매의 공급을 통하여, 실린더슬리브(1)의 내벽영역이 아황산과 같은 고부식성 연소생성물이 실린더슬리브(1)의 내벽상에 응축될 정도로 냉각되는 것을 방지하는 것이 가능하다.

Description

내연기관의 실린더자켓의 냉각시스템
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 내연기관의 냉각시스템에 관한 것이다.
예를 들면, 대형 디젤엔진에는 일반적으로 직립실린더가 설치된다. 특히 대형 디젤엔진의 공지의 냉각시스템은 냉매가 하측으로부터 상향으로 흐르도록 설계되어 있다. 비교적 저온의 유입냉매는 먼저 실린더벽을 냉각시키고, 실린더슬리브 또는 라이닝의 상단에 향하는 방향으로 상향으로 그리고 그곳으로부터 실린더커버로 흐른다. 그리고, 냉매는 잠시 하향으로 흐를 수 있으나, 반드시 하측으로부터 상측으로 흐른다.
이 원인은 무엇보다도 냉매가 냉각시스템에서 가열되고, 가열된 냉매가 자연히 상향으로 흐르게 되는 결과이다. 온도차 및 또한 밀도차에 따라서 설정된 자연대류가 냉매의 순환을 돕는다.
그러나, 특히 실린더슬리브(1)의 벽의 냉각은 완전히 제어되지 않은 방식으로 행해져서는 안 된다. 예를 들면, 상당한 양의 유황을 함유하는 연료의 연소에 있어서, 다른 연소생성물외에 아황산(H2SO3)이 형성된다. 그 노점(露点)은 130℃～140℃ 범위에 있고, 따라서 아황산은 액화된다. 실린더슬리브를 너무 강하게 냉각하면, 아황산은 실린더슬리브의 하측영역에서 응축된다. 이제 비교적 저온의 냉매가 실린더자켓의 하부내로 도입되면, 실린더슬리브의 너무 낮은 벽온도에 대하여 상승하는 경향이 있다.
상향으로 흐르는 냉매는 가열되면서 통과하고, 더 가열되면 실린더슬리브의 상측영역, 더 상향으로 실린더커버에 이른다. 실린더슬리브의 벽온도는 그곳에서 상당히 높고, 그곳에서 부식성 연소생성물이 액화될 위험은 실제로 없다. 따라서, 실린더슬리브의 상측영역에는 특히 강한 냉각, 즉 높은 냉각파워가 필요한 것이 분명하다. 이와 반대로 실린더슬리브의 중간 및 하측영역에는 단지 제한적 냉각이 바람직하고, 예를 들면 냉각을 강하게 하여, 예를 들면 부식성 연소생성물이 실린더표면상에 응축되는 온도범위내에 이르는 상황은 회피하여야 한다.
본 발명의 목적은, 예를 들면 대형 디젤엔진의 실린더슬리브의 개량된 냉각시스템을 제공하는 것이다. 본 발명에 의하면, 실린더슬리브의 상측영역에는 부분적으로 소정의 온도범위내로 가온하면서, 실린더슬리브용 냉매를 소정의 온도범위내의 온도로 이 종류의 냉각시스템에 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 실린더슬리브의 중간 및/또는 하부영역을 소정의 온돈범위내로 냉각하는 냉매의 예열을 위한 열은 실린더커버의 영역 및/또는 실린더슬리브의 상측영역의 냉매채널에서 발생한다. 냉매는 실린더커버를 통하여 및/또는 실린더슬리브내의 피스톤의 상사점(上死点)영역을 통하여 이송되고, 그곳에서 예열된다. 실린더슬리브내의 냉매는 일반적으로 피스톤의 상사점영역으로부터 피스톤의 하사점을 향하여 이송된다. 냉매의 소정의 온도는 실린더슬리브의 내벽의 온도가 실린더의 연소체임버내의 부식성 연소물/배출가스의 노점(露点) 이상으로 되도록 한다. 냉매의 온도는 연소체임버내의 실린더슬리브의 적어도 중간영역에서는 그 내벽의 온도가 130℃이상, 특히 135℃이상으로 하는 것이 바람직하다. 냉매는 실린더슬리브의 적어도 일부 영역에서는 난류로 흐른다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 특히 대형 디젤 엔진에 있어서, 실린더슬리브가 본 발명의 냉각시스템에 의하여 냉각되고, 실린더들에 냉매가 개별적으로 또는 그룹으로 또는 집합적으로 전체에 공급된다. 모든 실린더에 공통으로 또는 각각의 실린더에 또는 각각의 그룹의 실린더에의 냉매의 공급은 자체적으로 조절된다. 실린더는 직립으로 설치될 수 있다.
이러한 신규의 냉각시스템에 있어서, 저온의 냉매는 먼저 실린더커버 및／또는 실린더슬리브의 상측영역을 통과하고, 이로부터 열을 빼앗고, 이로써 자체가 데워진다. 이로써, 특히 강하게 냉각될 부분인 실린더커버 및 실린더슬리브의 상측영역은 저온의 냉매와 냉각될 영역사이의 큰 온도의 결과로서 더욱 강하게 냉각된다. 다음에, 예열된 냉매는 냉각보다는 가열이 바람직한 실린더슬리브의 중간 및 하측영역으로 공급되고, 예를 들면 고부식성 연소생성물의 응축을 방지한다. 열교환은 예열된 냉매만으로 뿐만 아니고, 또한 흐르는 상태 즉 유속 및 유량을 각각 변화시킴으로써 영향받을 수 있다.
다음에, 본 발명 및 특히 냉각시스템의 기능에 대하여 본 발명에 따른 실린더슬리브의 냉각의 예시적인 실시예를 나타내는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
다음에, 2­스트로크 대형 디젤엔진의 실린더슬리브(1)의 냉매회로에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다. 순환펌프(2)는 냉매를, 예를 들면 일정한 양 즉 유속으로 입구라인(3) 및 분배링(4)을 통하여 실린더커버 즉 헤드(5)로, 그리고 여기에 도시되지 않은 실린더커버(5)내의 냉매채널을 통하여 이송한다. 냉매의 입구는 실린더커버(5)의 하측에지의 분배링(4)에 위치한다. 냉매출구(6)에서의 유출은 실린더커버(5)에 결합된 밸브바스켓 즉 하우징(7)의 최상측지점에서 일어난다.
실린더커버(5) 및 밸브바스켓(7)에서 가열된 냉매는 라인(8,9) 및 분배링(10)을 통하여 실린더슬리브(1)의 상측영역의 냉매채널(11)내로 유입되어 더 가열된다. 냉매는 슬리브(1)의 냉각보어 즉 냉매채널(11)을 통과하여 더 하측에 위치한 갭체임버(12)내로 유입된다.
슬리브와 이를 둘러싸고 있는 지지링(17)사이의 링형상의 갭체임버(12)는, 예를 들면 냉매의 유속이 최소 유량에서 일정의 값 이하로 떨어지지 않는 크기로 되어 있다. 공지의 2­스트로크 대형 디젤엔진에서 지금까지의 특정의 유량을 설정하면, 슬리브(1)와 지지링(17) 사이의 갭사이즈는, 예를 들면 3mm 범위 내로 하는 것이 신규의 냉각시스템에 필요하다.
냉매는 도 1에 나타낸 예의 지지링(17)의 하단에서 반경방향의 출구보어를 통하여 갭체임버(12)로부터 유출되고, 수집링(18)을 통하여 귀환라인(19)에 공급된다.
조절되는 스로틀밸브(13)를 입구라인(9)과 출구라인(19) 사이에 실린더슬리브(1)의 냉매용으로 배설할 수 있다. 스로틀밸브(13)는 실린더슬리브(1)의 기준 벽온도(25)를 통하여 제어 즉 조절된다. 스로틀밸브가 닫힐 때, 냉매 전체가 실린더슬리브(1)의 냉각보어(11) 및 갭체임버(12)를 통하여 흐른다. 따라서, 실린더슬리브(1)의 상부와 더 하측의 갭체임버(11)사이의 열교환이 가장 강하다.
스로틀밸브(13)가 열릴 때, 냉매의 일부는 실린더슬리브(1)의 냉각보어(11) 및 하측에 위치한 갭체임버(12)를 통하여 여전히 흐른다. 따라서, 슬리브(1)내의 열교환이 다소 적게 일어난다. 실린더슬리브(1)를 통과하는 최소량의 냉매는, 스로틀밸브가 완전히 열릴 때, 스로틀밸브(13) 다음의 개구(14)의 크기에 의하여 결정된다. 냉매의 일부가, 제어된 스로틀밸브(13), 개구(14) 및 온도조절밸브(15)를 통하여 쿨러(16)내로 흐르고, 바이패스량의 냉매와 혼합되어, 순환펌프(2)로 되돌아온다.
밸브바스켓(7)의 출구(6)에서의 냉매온도가 일정하게 유지되도록 냉매량을 조절하는 것이 바람직하다. 입구라인(3)과 출구라인(8) 사이의 온도차는 실린더커버(5), 밸브바스켓(7) 및 실린더슬리브(1)로부터 방출되어야 할 총열량에 달려 있다. 실린더커버(5)에서의 냉매의 입구온도는 엔진의 정격파워에서 가장 낮고, 엔진파워가 감소하면서 상승한다.
분배링(4) 및 라인(9)의 실린더슬리브(1)내로의 입구에서의 냉매온도는 밸브바스켓(7)의 출구(6)(라인(8))에서의 냉매온도와 동일하고, 따라서 이 영역에서는 대체로 일정하다.
실린더슬리브(1) 내에서의 열교환은 상측콜러내의 보어형상 및 갭체임버(12)내의 냉매의 유속에 의하여 결정된다. 실린더슬리브(1)의 벽온도, 즉 스로틀밸브(13) 또는 냉매량의 제어를 위한 기준 온도는 각각 디자인, 즉 냉각보어(11)의 크기와 배열, 및 냉매용 갭체임버(12)에 달려 있다.
실린더슬리브의 벽온도용 제어시스템〔피드백제어시스템〕은 엔진의 실린더 모두에 대하여 하나, 실린더의 그룹에 대하여 또는 각 개별의 실린더에 대하여 하나 설치될 수 있다. 엔진 전체의 모든 실린더의 벽온도(25)의 조절에는 단지 하나의 스로틀밸브(13)(도 1 및 도 2)의 설치가 필요하다. 개개의 실린더의 개개의 벽온도의 조절에는 일반적으로 각 실린더에 대하여 스로틀밸브(13)가 필요하다. 개개의 그룹의 실린더의 벽온도의 조절에는 각 실린더그룹에 대하여 스로틀밸브(13)를 배설하는 것이 바람직하다.
그러나, 실린더슬리브(1)를 통과하는 냉매의 양을 조절하기 위한 스로틀밸브(13)를 완전히 없애고, 실린더슬리브(1)를 통하는 냉매의 흐름을 개구(14)의 크기만으로 결정하는 것을 생각할 수 있다. 이것은 실제로 사용가능한 범위 전체에 걸쳐 실린더슬리브(1)의 벽온도에서의 차가 작아서 조절에 여분이 있는 경우에는 가능하다. 마찬가지로 냉매의 양, 즉 냉각파워를 냉매펌프(2)의 배출을 조절함으로써 각각의 요구에 적응하는 것을 생각할 수도 있다.
실린더커버(5)의 구조적 디자인에 있어서, 공지의 대형 디젤엔진에 대하여 신규의 냉각시스템을 통하여 실제로 변화는 없다. 단지 커버(5)의 입구에서의 분배링(4)만이 이에 적응하는 것이 필요하다. 이것은 또한 분배링(10)을 실린더슬리브(1)의 상단에 지지한다.
구조적 디자인, 즉 갭체임버(12)의 크기의 결정은 지지링(17)의 내경과 실린더슬리브(1)의 벽두께와의 정합에 따른다. 지지링(17)의 외경은 기존의 크기에 대하여 변경할 필요가 없다.
스트로크가 매우 긴 엔진에 있어서, 냉매는 지지링(17) 아래로부터 소기슬릿(20) 위에 배설된 도 2에 나타낸 바와 같이 하류에 위치되는 갭체임버(12a)내로 이송될 수 있다.
일반적으로 대형 디젤엔진은, 실린더의 피스톤스트로크 대 보어의 비율이 2이상(스트로크／보어≥2)이면, 긴 스트로크를 가졌다고 한다.
냉매의 최저유속이 냉매가 통과하는 공간 모두에 유지되는 것이 보장된다면, 봉입 즉 트랩된 가스, 공기 및 특히 증기포말에 대한 냉각시스템의 감도는 낮다. 또한, 냉각보어 및 갭체임버의 크기를, 형성가능한 공기, 증기 및 가스포말이 흐르는 냉매에 따라서 이송되도록 할 수 있다.
효과적인 환풍 및 냉매의 가스제거를 위하여 사이클론세퍼레이터를 배설할 수 있다. 그러나, 가스는 또한 냉각시스템으로부터 자동으로 동작하는 환풍기(21)를 통하여 배출될 수 있다. 냉각시스템에서 소실된 냉매는 이송펌프(23)를 가진 냉매탱크(22)로부터 보충될 수 있다. 전술한 냉각시스템은 고가(高架)탱크 또는 밀폐된 압축용기(24)와의 운전에 있어서 모두 적합하다. 대기에 개방된 고가탱크에 있어서, 냉매온도는, 압력하의 냉매의 비등온도가 보다 높은 밀폐된 압축용기에 비하여, 냉매의 비등온도에 의하여 제한된다.
공지의 냉각시스템에 있어서, 밸브바스켓(7)의 출구(6)에서의 냉매온도는 80℃～90℃이다. 예를 들면 공지의 대형 디젤엔진에서, 출구온도와 입구온도 사이의 실린더냉매의 온도차 10℃～30℃는 정상이다. 냉매는 따라서 이 예에서는 실린더자켓내로 유입시 온도가 약 70℃로 되어야 하고, 이로써 실린더슬리브(1)의 중간부내로 비교적 저온으로 통과한다. 이것은 실린더슬리브(1)의 벽온도가 낮아져서 연소생성물이 실린더슬리브(1)의 벽에 응축되고, 전술한 부식상태에 이르게 되어 엔진의 손상을 초래할 수 있다.
본 냉각시스템에 있어서, 실린더슬리브(1)로의 입구에서의 냉매온도가 보다 높은데, 냉매가 실린더커버(5) 및 밸브바스켓(7)을 통하여 먼저 이송되고, 그곳에서 어느 정도 예열 즉 가온되기 때문이다. 따라서, 냉매온도는 냉매가 밸브바스켓(7)에서 유출될 때 예를 들면 85℃로 될 수 있다. 실린더슬리브(1)의 상측콜러내의 냉각보어(11)를 통하여 흐를 때, 냉매는 예를 들면 약 3℃～7℃만큼 더 데워진다. 따라서, 실린더슬리브(1)의 중간부는 온도가 예를 들면 88℃～92℃인 냉매에 의하여 냉각된다. 이 온도는 공지의 냉각시스템에 비하여 약 20℃ 더 높은 것이다. 보다 고온의 냉매로 냉각함으로써, 손상을 가할 정도의 부식성 연소생성물의 노점온도 이상으로 실린더슬리브(1)의 내벽온도를 높게 유지하는 것이 가능하다.
특히 전술한 실시예에서의 냉매는 물이고, 여기에 부식방지용 첨가제가 혼합될 수 있다. 그러나, 오일은 예를 들면 엔진윤활유 자체 또는 윤활유로부터 분리된 회로의 냉각오일을 냉매로서 사용하는 것도 또한 생각할 수 있다. 각종 냉매의 비열(比熱)을 달리 함으로써 냉매통로의 크기 및／또는 냉매의 유속의 응용이 필요하다. 실린더슬리브(1)내의 피스톤(1')의 윤활을 촉진하기 위하여, 실린더슬리브의 내벽의 온도를 비교적 높게 유지하는 것이 또한 바람직하다. 그 온도는 약 200℃ 이상을 생각할 수 있다.
그러나, 특정의 영역 즉 실린더커버(5)는 제1의 냉매 예를 들면 물로 냉각되고, 다른 영역 즉 실린더슬리브(1,11,12)는 제2의 냉매 예를 들면 오일로 냉각되는 냉각시스템도 또한 생각할 수 있다. 열을 전달하여 필요한 냉각온도를 달성하기 위하여 열교환기를 2개의 서브시스템사이에 배설할 수 있다.
본 실시예에 따른 냉각 또는 냉각시스템은 각각 엔진의 일부분, 특히 실린더슬리브(1)가 엔진 전체의 관점에서 당연히 냉매로 가열되고, 냉매로 열을 빼앗기게 되는 영역을 충분히 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 실린더스페이스와 관련된 “상부／상측”이란 상사점, 즉 크랭크샤프트의 반대쪽의 영역을 의미한다. 마찬가지로, 실린더스페이스와 관련된 “하부／하측”이란 하사점, 즉 크랭크샤프트에 가까운 영역을 의미한다. 따라서, “상부” 또는 “상측” 및 “하부” 또는 “하측”의 표현은 실린더의 위치에 관계 없이 알 수 있을 것이다. 본 실시예에서 실린더슬리브라는 표현을 사용할 때, 일반적으로 실린더자켓은 실린더가 실제로 실린더슬리브를 가지는가 또는 상이한 실린더구조가 사용되는가와는 관계가 없는 것을 의미한다.
실린더슬리브(1)의 냉각, 특히 대형 디젤엔진의 실린더슬리브(1)의 냉각에 있어서, 냉매는 먼저 실린더커버(5)를 통하여 이송되고, 그곳에서 예열된다. 다음에, 예열된 냉매는 소정의 온도로 실린더슬리브(1)의 냉각채널(11) 및 갭체임버(12)내로 공급된다. 소정의 온도범위내로의 예열은 실린더슬리브(1)(냉각채널(11))의 영역에서 최소한 부분적으로 발생되는 열을 통하여 행해진다. 가온된 냉매의 공급을 통하여, 실린더슬리브(1)의 내벽영역이 아황산과 같은 고부식성 연소생성물이 실린더슬리브(1)의 내벽상에 응축될 정도로 냉각되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
도 1은 실린더슬리브의 길이방향의 상부에 냉매가 흐르는 것만 나타낸 실린더슬리브의 냉각시스템.
도 2는 실린더슬리브의 길이방향의 대부분에 걸쳐 실린더소기용 소기슬릿까지 냉매가 흐르는 실린더슬리브의 제1도와 유사한 냉각시스템.

Claims (8)

  1. 실린더커버(5)에서 냉매가 가열되는 대형 디젤엔진의 실린더슬리브(1)용 액체 냉각시스템을 포함하는, 내연기관의 실린더의 냉각시스템으로서,
    상기 냉매가 상기 실린더커버(5)에 공급되고 밸브바스켓(7)의 영역에서 예열된 상기 실린더커버(5)로부터 외부로 안내되고,
    예열된 냉매가 미리 설정된 온도 범위 내의 온도로 상기 밸브바스켓(7) 외부의 출구(6)로부터 실린더슬리브(1)에 공급되거나, 또는 냉매가 미리 설정된 온도 범위 내의 온도로 밸브바스켓(7) 외부의 출구(6)로부터 열교환기를 통하여 예열된 냉매에 의해 예열된 냉매채널(11) 및 갭체임버(12)로부터 실린더슬리브(1)에 공급되는
    것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더의 냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더슬리브(1)의 냉각을 위한 냉매가 상기 실린더슬리브(1)의 피스톤(1 ')의 상사점 영역으로 공급되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더의 냉각시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실린더슬리브의 냉매는 상기 피스톤(1 ')의 상사점 영역으로부터 상기 피스톤(1' )의 하사점의 방향으로 안내되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더의 냉각시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실린더슬리브(1)의 냉각을 위한 냉매의 미리 선택된 온도는 88℃～92℃의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 실린더의 냉각시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 체임버내의 상기 내벽의 온도가 실린더슬리브(1)의 적어도 중간 영역에서 적어도 130℃가 되도록 상기 냉매의 온도가 선택되는 것을 내연기관의 실린더의 냉각시스템.
  6. 상기 실린더슬리브(1)가 제1항 또는 제2항에 따른 냉각시스템에 의하여 냉각되고, 상기 실린더에 냉매가 개별로 또는 그룹으로 또는 집합으로 전체에 공급되는 것을 특징으로 하는 대형 디젤엔진.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각각의 실린더에 공통으로 또는 각 개개의 실린더에 또는 각 개개의 그룹의 실린더에의 냉매의 각각의 공급이 조절되는 것을 특징으로 하는 대형 디젤엔진.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 실린더가 직립 위치로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 디젤엔진.
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