KR100963666B1 - 캠 샤프트를 가진 대형 2행정 디젤엔진용 가변 밸브 타이밍 - Google Patents

Abstract

유압 푸쉬로드(pushrod)를 이용하는 타입의 캠 샤프트 구동 배기밸브 액츄에이팅 시스템을 가진 대형 2행정 디젤엔진. 유압 푸쉬로드는, 전자 제어 유닛으로부터의 명령 하에서 유압 푸쉬로드로부터 일 체적의 유압 유체를 흡수할 수 있는 체적 제어 장치에 연결된다. 체적 제어 장치는 체적 제어 챔버를 형성하는 복귀성으로 바이어싱된 제어 피스톤을 구비한다. 제어 피스톤의 특성은, 제어 피스톤에 의해 형성된 제어 챔버들과 유압 축적기들을 선택적으로 연결하는 유압 밸브를 통해 전자 제어 유닛에 의해 영향을 받을 수 있다.

Description

캠 샤프트를 가진 대형 2행정 디젤엔진용 가변 밸브 타이밍{Variable valve timing for a large two-stroke diesel engine with a camshaft}

본 발명은 캠 샤프트 액츄에이팅 배기밸브들을 갖는 대형 2행정 디젤엔진에 관한 것으로, 상세하게는 가변 타이밍으로 캠 샤프트로 액츄에이팅하는 배기밸브들을 갖는 대형 2행정 디젤엔진에 관한 것이다.

높은 연료 효율과 낮은 배기는 대형 2행정 디젤엔진들의 매우 중요한 디자인 요소이다. 과거에는 전자적으로 제어되는 가변 밸브 타이밍을 갖는 배기밸브 액츄에이팅 시스템을 적용함으로써 이들 엔진의 연료 효율을 높이려는 시도가 이루어졌다. 통상적으로, 이들 공지의 가변 타이밍 밸브 액츄에이팅 시스템들은, 펌핑 스테이션과 같은 고압 유압 유체(high-pressure hydraulic fluid) 소스와, 유압의 흐름이 장차 유압 배기밸브 액츄에이터가 되도록 제어하는 유압 밸브 시스템으로 작동한다. 고압 유압 유체는, 연소 챔버에서의 압력에 대해 그리고 유압이 제거되었을 때 배기가 다시 닫히도록 하는 에어 스프링에서의 압력에 대해서, 배기밸브를 여는 배기밸브 액츄에이터에 동력을 공급한다.

비록 공지의 전자적으로 제어되는 가변 밸브 타이밍 시스템이 연소 효율을 높이기는 하지만 이는 전체적인 연료 효율을 상당히 높이지는 않는데, 이는 배기밸브들을 여는데 사용된 유압 에너지가 배기밸브들이 다시 닫힐 때 소실되기 때문이다. 캠 샤프트에 의해 작동하는 배기밸브 시스템을 갖는 통상적인 대형 2행정 디젤엔진에 있어서, 배기밸브들을 열기 위해 요구되는 에너지의 대부분은 배기밸브가 닫힐 때 캠 샤프트로 되돌아간다. 따라서, 살짝 낮은 최적 연소 효율에도 불구하고, 이들 통상적인 2행정 디젤엔진은 전자적으로 제어되는 가변 밸브 타이밍 엔진들의 연료 효율만큼 거의 우수한 전체적인 연료 효율을 갖는다.

상술한 바와 같은 배경기술을 바탕으로 하여, 본 발명은 그 자체로는 에너지를 거의 소비하지 않는 전자적으로 제어되는 가변 타이밍 배기밸브 액츄에이팅 시스템의 연소 효율을 갖는 배기밸브 액츄에이팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 각각 적어도 한 개의 배기밸브를 가진 복수개의 실린더들과, 각 실린더와 관련된 적어도 한 개의 배기밸브의 액츄에이팅을 위한 캠들을 구비한 적어도 한 개의 캠 샤프트와, 캠 샤프트 상의 각 캠들에 의해 구동되는 유압 피스톤 펌프들과, 배기밸브당 배치되며 배기밸브를 열림 방향으로 움직이기 위한 유압 액츄에이터와, 배기밸브당 배치되며 유압 피스톤 펌프들과 유압 액츄에이터들을 연결하기 위한 유압도관과, 배기밸브당 배치되며 배기밸브를 닫힘 방향으로 움직이게 하기 위한 탄성부재를 구비하며, 유압도관은, 유압도관으로부터 유압 유체를 선택적으로 흡수하거나 유압도관으로 유압 유체를 선택적으로 되돌리는 가변 볼륨의 유압 유체를 포함하는 체적제어장치에 연결되는, 크로스헤드 타입의 대형 2행정 디젤엔진을 제공한다.

체적제어장치를 유압도관에 연결함으로써, 배기밸브의 열림이 지연될 수 있으며 배기밸브의 닫힘은 캠 샤프트 상의 캠에 의해 형성된 프로파일에 비해 상대적으로 앞당겨질 수 있다. 따라서, 통상적인 캠 샤프트 액츄에이팅 시스템의 유익한 에너지 회복 효과가 유지되기 때문에 그 자체에서는 에너지를 거의 사용하지 않는 가변 밸브 타이밍 시스템을 제공할 수 있다.

바람직하게는, 유압 유체의 흡수 및 되돌림은 엔진의 전자 제어유닛으로부터의 명령 하에 수행된다.

체적제어장치는 유압도관에 연결된 체적제어챔버를 형성하는 제어피스톤을 구비할 수 있다.

제어피스톤은 복귀성으로 바이어싱될 수 있다.

제어피스톤은 체적제어챔버에 대비되는 제1제어챔버를 형성할 수 있다.

제어피스톤은 체적제어챔버에 대비되는 제2제어챔버를 형성할 수 있다.

제1제어챔버는 유압 밸브를 통해 제2제어챔버에 연결될 수 있다.

제2제어챔버는 제1유압 축적기(hydraulic accumulator)에 연결될 수 있다.

제1유압제어챔버는 유압 밸브를 통해 제2유압 축적기(hydraulic accumulator)에 연결될 수 있다.

체적제어장치는 유압 도관 내의 압력이 배기밸브를 열기 위해 필요한 압력보다 낮은 사전설정값을 초과할 때 유압 도관으로부터 사전설정된 체적의 유압 유체를 흡수하도록 구성될 수 있으며, 제어장치 내의 완충(full)은 배기 밸브의 열림을 지연시키는 상태이다.

상기 체적제어장치는, 상기 유압 도관 내의 압력이 배기밸브를 열린 위치에 유지하기 위해 필요한 압력에 대응하고 또한 유압밸브가 상기 다른 위치에 있는 때에 상기 유압 도관으로부터 사전설정된 체적의 유압 유체를 흡수함에 의하여 배기밸브의 닫힘을 앞당기도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 대형 2행정 디젤엔진의 다른 목적들, 특징들, 장점들 및 특성들을 설명하면 다음과 같다.

체적제어장치를 유압도관에 연결함으로써, 배기밸브의 열림이 지연될 수 있으며 배기밸브의 닫힘은 캠 샤프트 상의 캠에 의해 형성된 프로파일에 비해 상대적으로 앞당겨질 수 있다. 따라서, 통상적인 캠 샤프트 액츄에이팅 시스템의 유익한 에너지 회복 효과가 유지되기 때문에 그 자체에서는 에너지를 거의 사용하지 않는 가변 밸브 타이밍 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 엔진의 실린더(1)들 중 하나의 단면도로서, 엔진의 정면으로부터 바라본 것이다. 엔진은 터보차징되는 단류식(uniflow) 저속 2행정 크로스헤드 디젤 엔진인데, 이는 배에서의 추진 엔진일 수도 있고 또는 발전소의 원동기(prime mover)일 수도 있다. 이들 엔진은 통상적으로 정렬된 3개에서 14개의 실린더들을 갖는다.

피스톤(2)은 실린더(1) 내에 수용되며 이들은 연소 챔버(3)를 형성한다. 피스톤 로드(4)는 피스톤(2)을 크로스헤드(미도시)에 연결한다. 실린더(1)는 단류식 타입이며 하단에 배기포트(5)들을 구비하고 상부에 배기밸브(6)를 구비한다. 실린더(1)는 배기에어 리시버(미도시)로부터 에어를 받는데, 이는 터보차져(미도시)에 의해 압입된 배기에어를 공급받는다.

캠 샤프트(7)는 엔진의 길이방향을 따라 연장된다. 캠 샤프트(7)는 배기 캠 들, 표시기 캠(indicator cam)들, 쓰러스트 디스크(thrust disc) 및 샤프트 상에 끼워진 체인 휠과 일체(一體)로 만들어진다.

배기밸브(6)는 실린더의 상부에서 실린더 커버 내에 중앙에 배치된다. 팽창 스트로크의 마지막에 엔진 피스톤(2)이 배기에어 포트(5)들을 지나 하강하기 전에 배기밸브(6)가 열려, 연소 챔버(3) 내의 피스톤(2) 상부의 연소 가스들이 배기 통로 열림을 통해 배기 리시버(8)로 흘러나오고 연소 챔버(3) 내의 압력은 경감된다. 피스톤(2)의 상방향 움직임 동안 배기밸브(6)는 다시 닫힌다. 배기밸브(6)는 공압스프링(9, pneumatic spring)에 의해 상방향으로 구동된다.

배기밸브(6)는 엔진의 길이방향을 따라 연장된 캠 샤프트 하우징 내에 배치된 캠 샤프트(7)에 의해 열린다.

각 배기밸브(6)에서의 유압 배기밸브 액츄에이터(10)는 압력 파이프(11)를 통해 피스톤펌프(12)에 연결되다. 본 실시예에서는 실린더당 한 개의 피스톤펌프(12)와 한 개의 배기밸브(6)가 존재하지만, 실린더당 한 개 이상의 피스톤펌프들과 한 개 이상의 배기밸브가 존재할 수도 있다(미도시).

피스톤펌프(12)는 롤러 가이드 하우징 상에 배치된다. 롤러는 캠 샤프트(7) 상의 각 캠을 따른다. 피스톤펌프(12)는 따라서 캠 샤프트(7)에 의해 작동된다.

피스톤펌프(12), 압력 파이프(11) 및 유압 액츄에이터(10)는 함께, 배기밸브(6)가 캠 샤프트 상의 캠을 따르도록 하는 유압 푸쉬로드(pushrod)를 형성한다.

분기 도관(13, branch conduit)은 압력 파이프(11)를 체적 적합장치(14)에 연결한다. 체적 적합장치(14)는 압력 파이프(11)로부터 일 체적의 유압 유체를 흡 수할 수 있고/또는 압력 파이프(11)로 일 체적의 유압 유체를 부가/되돌림할 수 있다. 체적 적합장치는 엔진의 전자제어 유닛에 연결된다.

도 2 내지 도 4는 체적 제어장치(14)를 더욱 상세하게 도시한다.

도 2에서 체적 제어장치(14)는 압력 파이프(11)로부터 일 체적의 유압 유체를 흡수하지도 않고 압력 파이프(11)로 일 체적의 유압 유체를 부가하지도 않는 제1작동 상태이다.

체적 제어장치(14)는 제어장치(14)의 계단모양 구멍 내에 수용된 계단모양의 제어 피스톤(15)을 구비한다. 피스톤(15)의 가장 큰 직경부(17)는 분기 도관(13)을 통해 압력 파이프(11)에 연결된 체적제어챔버(16)를 형성한다. 제어 피스톤(15)의 중간 직경부(18)는 제1제어챔버(19)를 형성하며, 제일 작은 직경부(20)는 제2제어챔버(21)를 형성한다.

제1제어챔버(19)는 유동 제한부(23, restriction)를 통해 시스템 압력(고압 유압 유체 소스)에 연결된다.

제2제어챔버(21)는 유동 제한부(24)를 통해 시스템 압력(고압 유압 유체 소스)에 연결되며 제1유압 축적기(22)에 연결된다.

도관(25)은 엔진 제어 유닛에 의해 작동할 수 있는 솔레노이드를 구비한 유압 4/3방 밸브(26, hydraulic 4/3-way valve)에 제1제어챔버(19)를 연결한다. 다른 도관(27)은 제2제어챔버(21)를 4/3방 밸브(26)에 연결한다. 도관(28)은 4/3방 밸브(26)를 제2유압 축적기(29, hydraulic accumulator)에 연결한다. 이 실시예에서 4/3방 밸브(26)는 비례 밸브(proportional valve)이지만, 실시예에서 밸브(26)는 온/오프 타입일 수도 있다.

4/3방 밸브(26)가 도 2에 도시된 것과 같은 위치에 있을 경우, 피스톤은 중간 위치에서 락킹(locking)된다. 일 실시예에서 제어체적(19)과 제어체적(21)의 합은 체적제어챔버(16)의 체적과 실질적으로 같다. 도관들(25, 27)을 통한 제1제어체적(19)으로부터의 배출 유동과 제2제어체적(21)으로부터의 배출 유동은 4/3방 밸브(26)에 의해 블락킹되며 따라서 피스톤(15)은 움직일 수 없다(유동 제한부(23)를 통한 유동은 매우 작고 오직 유압 오일 누출을 보상하기 위해 제공되는 것이기 때문에 무시될 수 있으며, 따라서 제1제어챔버(19)에서의 유압 오일의 체적은 트래핑(trapping)된다).

따라서, 4/3방 밸브(26)가 이 위치에 있고 캠 샤프트가 피스톤 펌프(12)를 작동할 시, 이어지는 압력 파이프(11)에서의 압력의 상당한 증가는 제어 피스톤(15)을 움직이도록 하지 않을 것이다.

엔진 제어 유닛이 도 3에 도시된 것과 같이 4/3방 밸브(26)가 피스톤으로 움직이도록 명령할 시, 도관(25)은 도관(27)에 연결되며 제1제어챔버(19) 내의 유압 유체는 제2제어챔버(21)로 흐를 수 있으며 그 역도 가능하다. 제2제어챔버(21) 내의 유압 유체는 만일 오일 내의 압력이 충분히 높다면 제1유압 축적기(22)로 흐를 수 있다.

압력 파이프(11) 내의 압력이 사전설정된 압력, 예컨대 100바를 초과할 시, 체적제어챔버(16) 내의 압력은 제어 피스톤(15)이 움직여 제1제어챔버(19) 및 제2제어챔버(21) 내의 유압 유체를 제1유압 축적기(22)로 프레싱할 것이다. 제어 피스 톤(15)이 움직이고 체적제어챔버(16)가 일 체적의 유압 유체를 흡수할 압력 파이프(11) 내에서의 압력은 배기밸브(6)가 열리는 압력보다 낮도록 선택된다. 따라서, 배기밸브(6)의 열림은 제어 피스톤(15)이 그것의 극단 위치에 도달할 때까지 지연되며, 어떤 부가적인 유압 오일도 체적제어챔버(16)로 흡수되지 않도록 더 이상 움직이지 않을 것이다. 이 순간, 압력 파이프(11) 내에서의 압력은 다시 증가하기 시작하여 배기밸브가 열리기 시작할 때의 압력에 다시 도달할 것이다.

배기밸브가 열린 위치가 되도록 유지하는 압력 파이프(11) 내에서의 압력은 상술한 사전설정된 압력(예컨대 100바)보다 낮으며, 제어 피스톤(15)은 배기밸브(6)의 열림 스트로크의 마지막 단계에서 중간 위치로 되돌아 움직일 것이다. 따라서, 체적제어챔버(16) 내의 유압 유체는 압력 파이프(11)로 되돌아와 배기밸브(6)의 완전한 열림을 확실하게 할 것이다.

엔진 제어 유닛이 도 4에 도시된 것과 같이 4/3방 밸브(26)가 피스톤으로 움직이도록 명령할 시, 도관(25)은 도관(28)에 연결되며 제1제어챔버(19) 내의 유압 유체는 제2유압 축적기(29)로 흐를 수 있다. 제2제어챔버(21) 내의 유압 유체는 제1유압 축적기(22)로 흐를 수 있으며 그 역도 가능하다.

4/3방 밸브(26)가 이 위치에 있을 시, 배기밸브가 열린 위치가 되도록 유지하는 압력 파이프(11) 내에서의 압력은 충분히 높아 피스톤(15)을 우측으로 움직이고 제1제어챔버(19) 내의 유압 유체가 제2유압 축적기(29)로 흐르게 하며 제2제어챔버(21) 내의 유압 유체가 제1유압 축적기(22)로 흐르게 한다. 이러한 특징들은 제어 피스톤(15)의 각 부분(17, 18, 20)의 유효 표면들의 사이즈를 선택하는 것과, 제1유압 축적기(22)와 제2유압 축적기(29)의 특징들에 의해 얻어진다.

도 5에 도시된 것과 같이, 체적 적합장치(14)는 배기밸브의 열림이 지연되는 것을 가능하게 하며 배기밸브의 닫힘이 전제 제어 유닛의 제어 하에서 앞당겨 지는 것을 가능하게 한다. 도 5의 그래프에서 라인(30)은 압력 파이프(11)에서의 압력을 나타내며 라인(31)은 배기밸브의 실제 위치를 나타낸다. 압력 파이프(11)에서의 압력이 파선(32, 이는 상술한 사전설정된 압력을 나타낸다)을 초과할 때 제어 피스톤(15)은 우측으로 움직일 것이고, 압력 파이프(11)에서의 압력이 파선(32)보다 작을 때 제어 피스톤(15)은 4/3방 밸브가 도 3에 도시된 위치에 있을 시 좌측으로 움직인다.

도 5의 그래프의 아래 부분은 실선으로 배기밸브(6)의 표준 열림 프로파일을 나타내며 점선으로 가능한 지연 열림과 앞당겨진 닫힘을 나타낸다.

본 발명은 수 많은 장점들을 갖는다. 상이한 실시예들 또는 구현예들은 후술하는 장점들 중 하나 또는 그 이상의 결과를 가져올 것이다. 이것은 총 망라한 리스트가 아니며 설명되지 않은 다른 장점들이 존재할 수도 있다. 본 발명의 일 장점은 그 자체로는 거의 에너지를 사용하지 않는 가변 밸브 타이밍 시스템을 갖는 대형 2행정 디젤 엔진을 제공한다는 것이다. 본 발명의 다른 장점은 통상적인 캠 샤프트 작동을 기초로 하는 가변 밸브 타이밍 시스템을 제공한다는 것이다.

비록 설명을 목적으로 하여 본 발명을 상세히 설명했지만, 그러한 상세한 설명은 오직 설명을 목적으로 한 것이며 본 발명의 범위로부터 이탈함 없이 당업자라면 다양한 변형예를 만들 수 있다는 것은 물론이다.

특허청구범위에 사용된 "구비"라는 용어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하는 것이 아니다. 특허청구범위에서의 단수 형태로 사용된 용어는 복수 형태의 의미를 배제하는 것이 아니다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛이 특허청구범위에 기재된 복수개의 수단들의 기능을 수행할 수도 있다.

상술한 발명의 상세한 설명은, 다음과 같은 도면들에 도시된 예시적인 실시예들로 상세히 설명한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 실린더를 통한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1상태에서의 체적제어장치를 도시한 다이어그램이다.

도 3은 제2상태에서의 도 2의 체적제어장치를 도시한 다이어그램이다.

도 4는 제3상태에서의 도 3의 체적제어장치를 도시한 다이어그램이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 및 체적제어장치의 작동을 도시하는 그래프이다.

Claims (10)

1. 각각 적어도 한 개의 배기밸브를 가진 복수개의 실린더들;

   각 실린더와 관련된 적어도 한 개의 배기밸브의 작동을 위한 캠들을 구비한 적어도 한 개의 캠 샤프트;

   상기 캠 샤프트 상의 각 캠에 의해 구동되는 유압 피스톤 펌프들;

   배기밸브당 배치되며 상기 배기밸브를 열림 방향으로 움직이기 위한 유압 액츄에이터;

   배기밸브당 배치되며 유압 피스톤 펌프들과 유압 액츄에이터들을 연결하기 위한 유압도관; 및

   배기밸브당 배치되며 배기밸브를 닫힘 방향으로 움직이게 하기 위한 탄성부재;를 구비하는 크로스헤드 타입의 대형 2행정 디젤엔진으로서,

   상기 유압도관은, 유압도관으로부터 유압 유체를 선택적으로 흡수하거나 유압도관으로 유압 유체를 선택적으로 되돌리는 가변 볼륨의 유압 유체를 포함하는 체적제어장치에 연결되고,

   상기 체적제어장치는 유압도관에 연결된 체적제어챔버를 형성하는 제어 피스톤을 구비하며,

   상기 제어 피스톤은 복귀성으로 바이어싱되고(resiliently biased),

   상기 제어피스톤은 체적제어챔버의 반대측에 있는 제1제어챔버, 및 체적제어챔버의 반대측에 있고 제1유압 축적기에 연결된 제2제어챔버를 형성하며,

   상기 제1제어챔버는 유압 밸브의 일 위치에서 유압 밸브를 통해 상기 제2제어챔버에 연결되고,

   상기 제1제어챔버는 유압 밸브의 다른 위치에서 상기 유압 밸브를 통해 제2유압 축적기에 연결된 것을 특징으로 하는 디젤엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 체적제어장치는 상기 유압 도관 내의 압력이 배기밸브를 열기 위해 필요한 압력보다 낮은 사전설정값을 초과할 때 상기 유압 도관으로부터 사전설정된 체적의 유압 유체를 흡수하도록 구성되며, 제어장치 내의 완충(full)은 유압밸브가 상기 일 위치에 있는 때에 배기 밸브의 열림을 지연시키는 상태인 것을 특징으로 하는 디젤엔진.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 체적제어장치는, 상기 유압 도관 내의 압력이 배기밸브를 열린 위치에 유지하기 위해 필요한 압력에 대응하고 또한 유압밸브가 상기 다른 위치에 있는 때에 상기 유압 도관으로부터 사전설정된 체적의 유압 유체를 흡수함에 의하여 배기밸브의 닫힘을 앞당기도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤엔진.
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