KR101012110B1 - 배기 밸브들을 외측으로 이동시키는 대형 2행정 디젤 엔진 - Google Patents

배기 밸브들을 외측으로 이동시키는 대형 2행정 디젤 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기 가스가 연소 챔버로부터 배출되도록 하기 위하여 외측 방향으로 배기 밸브를 이동시키는 배기 밸브 작동 시스템을 구비한 대형 2행정 디젤 엔진에 관한 것이다. 배기 밸브에는 과도한 실린더 압력이 발생하는 경우에 배기 밸브가 자동적으로 개방되게 하는 완화 시스템이 제공된다.
배기 밸브

Description

배기 밸브들을 외측으로 이동시키는 대형 2행정 디젤 엔진 {LARGE TWO-STROKE DIESEL ENGINE WITH OUTWARDLY MOVING EXHAUST VALVES}
본 발명은 대형 2행정 디젤 엔진에 관한 것으로, 상세하게는 대형 2행정 디젤 엔진의 배기 밸브 시스템에 관한 것이다.
크로스-헤드 타입(cross-head type)의 대형 2행정 디젤 엔진은 예를 들어 대형 원양 선박의 추진을 위해서 또는 파워 플랜트에서 주 작동기(primary mover)로써 사용된다. 쉬어 사이즈(sheer size)에 기인한 것뿐만 아니라, 이러한 2행정 디젤 엔진들은 다른 연소 엔진들과는 다르게 구성된다. 그들의 배기 밸브들은 400kg까지 무게가 나갈 수 있고, 피스톤들은 1 미터 이상의 직경을 가지며, 연소 챔버 내에서의 최대 작동 압력은 일반적으로 수백 바(bar)에 이른다. 이러한 높은 압력 레벨과 피스톤 크기에서 작용하는 힘은 막대하다.
막대한 연료 분사 타이밍 또는 양 때문에, 과도한 압력이 상기 실린더들 중 하나에서 때때로 발생할 수 있다. 이러한 과도한 압력을 조절하기 위해서, 상기 실린더 커버가 실린더 라이너(liner)의 상부 상에서 가압되는 힘은, 실린더 커버와 베드플레이트(bed plate)를 연결하고 엔진 구성을 함께 유지하는 스테이 볼트들(stay bolts)에 가해지는 텐션(tension)에 의해서 주의 깊게 제어된다. 따라서, 과도한 압력이 발생할 때 상기 실린더 라이너의 상부와 상기 실린더 커버의 하부 사이에서 상기 실린더 커버는 들어 올려지고 상기 과도한 압력은 중지된다.
종래 일반적으로 사용되던 이러한 시스템은 문제가 없는 것은 아니다. 첫째, 측면 배출(blow-off)과 같은 것이 발생하면, 어떠한 구경꾼(bystander)들도 심각하게 피해 입을 수 있다. 둘째, 매우 뜨겁고 높은 압력의 가스는 상기 실린더 라이너와 상기 실린더 커버의 정밀하게 기계가공되어 일치된 표면들을 심각하게 부식시키고, 따라서 배출 이벤트는 요구되는 유체 강도(tightness)를 얻기 위해서 상기 표면들이 기계가공되는 것을 필요로 한다. 따라서, 배출 후에 수리(reparation) 비용이 막대하다. 셋째, 상기 스테이 볼트에서 상기 텐션은 상기 엔진의 온도 변화와 환경에 따라 다양하고, 따라서 매우 정확하게 조절될 수 없다. 만약, 배출이 상기 스테이 볼트들 내의 상기 텐션이 상대적으로 높을 때 발생한다면, 상기 피스톤과 크랭크축 상의 상기 힘들은 큰 단부들(big ends)과 다른 비싼 엔진 부품들에 피해를 발생시킨다. 이와 같은 사건은 더 잘 제어되는 배출보다 훨씬 비용이 많이 든다.
대부분의 엔진들은 엔진 내에 과도한 압력이 발생하였을 때, 연소 챔버로부터 가스를 비우기 위해 열리도록 되어있는 안전밸브들을 또한 구비한다. 그러나, 그 최대 개구부는 상기 압력을 충분히 빠르게 경감시키기에는 불충분하기 때문에, 이러한 사건들의 폭발적인 성질은 이러한 밸브들이 상대적으로 비효율적이게 한다. 따라서, 이러한 안전 밸브들은 요구되는 개구 영역을 충분히 짧은 시간 내에 효율적으로 제공할 수 없다.
따라서, 대형 2행정 디젤 엔진을 위한 향상된 배출(blow-off) 제어 시스템이 요구되고 있다.
이러한 배경 하에서, 본 발명의 목적은 과도한 실린더 압력 발생을 제어하기 위한 향상된 시스템을 구비하는 대형 2행정 디젤 엔진을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 적어도 하나의 배기 밸브가 각각 제공되며, 연소 챔버로써 작동하는 다수의 실린더, 및 엔진 사이클에 동조하여(synchronously) 배기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 배기 밸브 작동 시스템을 포함하며, 상기 배기 밸브 작동 시스템은 연소 후에 배기 가스의 제어된 배출을 위하여 상기 연소 챔버에 대하여 외측 방향으로 각각의 배기 밸브를 개방하며, 상기 배기 밸브 작동 시스템은 연소 전에 상기 연소 챔버에 대하여 내측 방향으로 각각의 배기 밸브를 폐쇄하며, 상기 배기 밸브 작동 시스템은 상기 엔진 싸이클의 현재 상태와 상관없이 관련된 실린더에서 과다한 압력이 발생할 때, 상기 연소 챔버에 대하여 외측 방향으로 각각의 배기 밸브가 개방되게 하는, 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진을 제공함으로써 구현된다.
상기 실린더 내에 과도한 압력이 발생할 때 개구부를 위해 상기 배기 밸브를 자동으로 개방하도록 하여 상기 연소 챔버로부터 상기 배기 밸브들이 이격되도록 배치함으로써, 다수의 장점들을 얻는다:
상기 장점들 중 하나는 상기 배기 밸브 스핀들의 관성이 상기 실린더 커버의 관성에 비하여 작아지는 것이다. 이것은 과도한 실린더 압력 사건이 발생할 때 빠른 응답성과 신뢰성을 제공한다.
다른 장점은 안정된 상태하에서 상기 배기 밸브들이 개방하는 유동 영역이 상기 실린더 커버와 실린더 라이너 사이의 좁은 틈(gap)에 비하여 커지는 것이다. 따라서, 가스들이 더 빨리 배출될 수 있고, 상기 압력 증가가 낮아져서 상기 큰 단부(big end) 또는 크랭크축과 같은 엔진 부품들에 대한 손상의 위험이 감소한다.
또 다른 장점은 상기 배기 밸브의 상기 안정 압력 세팅이 상대적으로 정확하게 규칙적으로 될 수 있고, 따라서 정상 작동 동안의 상기 피크 압력에 상대적으로 근접하게 놓일 수 있게 된다. 상기 엔진의 다수의 부품이 안정화가 일어났을 때 상기 압력에 기초하여 수치화될 수 있다. 따라서, 동일한 정도의 신뢰성을 가진 더 가벼운 엔진 구성을 가능하게 하는 더 작은 안전 마진(safety margin)을 가지는 이러한 부품들을 디자인하는 것이 가능해진다.
더 다른 장점은 배출(blow out) 시 상기 뜨거운 가스들이 뜨거운 가스들을 수송하기 위해 설계된 부품들을 통과하고, 배출(blow out)이 발생할 때 이 부품들에 피해가 없게 되는 것이다. 따라서, 일단 상기 과도한 실린더 압력을 야기하는 상기 오류는 바로잡아지고 연속적인 정상 엔진 작동이 가능해진다. 종래기술에서 이것은 불가능하였다. 왜냐하면 상기 실린더 커버와 상기 실린더 라이너의 상기 마주보는 표면들은 먼저 기계가공되어야 하기 때문이다. 예를 들어 정상 작동은 오직 상대적으로 복잡한 수리 작업 이후에만 다시 발생할 수 있다.
더 다른 장점은 안정 상태에서 상기 가스들이 상기 기계실(machine room) 내 로가 아니라, 상기 배기 시스템 내로 배출된다는 것이다.
더 다른 장점은, 종래기술에서는 상기 배기 밸브가 상기 연소 챔버 내에서 상기 압력에 대항하여 개방되어야 하는 반면, 이와 대조적으로 상기 배기 밸브는 그 개방 동작을 만들기 위하여 상기 연소 챔버 내에서 상기 압력에 의해서 도움을 받는다는 것이다. 이것은 상기 배기 밸브를 개방하는데 필요한 힘이 더 작아지고, 결과적으로 상기 밸브 구동 시스템에 가해지는 하중이 더 낮아진다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 배기 밸브 구동 시스템을 작동하는데 필요한 에너지는, 안쪽으로 개방하는 배기 밸브들의 종래기술 시스템에 비해서 감소한다.
상기 배기 밸브는 상기 배기 밸브의 스템(stem) 상에서 작동하는 가스 스프링에 의해 배기 밸브를 개방하도록 외측 방향으로 강제될 수 있다.
배기 밸브 액추에이터는 상기 배기 밸브를 폐쇄하도록 내측 방향으로 상기 배기 밸브를 강제할 수 있다.
상기 배기 밸브는 상기 배기 밸브가 그 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 연소 챔버를 밀봉하도록 각각의 실린더의 상부에서 실린더 커버와 상호 작용하는 밸브 헤드를 포함할 수 있다.
상기 밸브 헤드는 상기 실린더 커버의 환형 개구 내에서 밀봉 연결되어 체결될 수 있다. 따라서, 근접한 위치 범위를 얻을 수 있다. 또한, 상기 배기 밸브는 개방 이전 속도를 향상시킬 수 있고, 따라서 좁은 개방 틈이 존재하는 시간을 최소화할 수 있고, 상기 밸브 시트의 결과적인 열 하중을 갖는 높은 속도의 가스 흐름을 발생시키고, 손실을 조절한다.
상기 환형 개구의 내측 표면에는 하나 이상의 밀봉 링이 제공될 수 있다.
상기 밸브 헤드의 원주방향 표면에는 하나 이상의 밀봉 링이 제공될 수 있다.
상기 실린더 커버 및 밸브 시트상의 밀봉 표면의 법선은 실린더 커버 및 밸브 시트의 반경 방향을 향하여 동축방향으로(coaxially) 연장된다.
상기 배기 밸브는 특정 고정 위치에 안착되지 않지만 밸브가 폐쇄되는 범위내에 안착된다.
상기 밸브 헤드는 실린더 커버에서 밸브 시트와 접할 수 있다.
상기 밸브 시트의 표면의 법선은 밸브 시트의 축방향과 실질적으로 동축방향으로(coaxially) 연장된다.
상기 축방향은 상기 연소 챔버로부터 멀어지는 방향을 향한다.
상기 밸브 시트는 원뿔형일 수 있다.
상기 밸브 작동 시스템은 캠 샤프트, 및 상기 배기 밸브 액추에이터에 연결되어 작동되는 캠 구동 펌프를 포함할 수 있다.
상기 캠 구동 펌프는 가압 도관을 통하여 상기 배기 밸브 액추에이터에 연결되며, 컷오프 밸브는 상기 가압 도관에 배치될 수 있다.
과도한 압력이 관련된 연소 챔버에서 발생하는 때를 제외하고, 관련된 컷오프 밸브가 폐쇄될 때, 관련된 상기 배기 밸브는 이동이 차단될 수 있다.
상기 컷오프 밸브는, 연소시에 상기 배기 밸브 액추에이터가 노출되는 고압으로부터 상기 캠 구동 펌프와 캠 샤프트를 보호하도록 상기 배기 밸브 상승이 발생하는 기간 동안에만 개방될 수 있다.
상기 밸브 작동 시스템은 캠 샤프트, 및 상기 배기 밸브 액추에이터에 작동가능하게 연결된 캠 구동 펌프를 포함할 수 있다.
상기 캠 구동 펌프는 압력 도관을 통하여 상기 배기 밸브 액추에이터에 연결되며, 전환 밸브는 상기 압력 도관에 배치될 수 있다.
제 1 위치에서, 상기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 동안, 상기 전환 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터의 압력 챔버를 상기 캠 구동 펌프에 직접 연결하며, 제 2 위치에서, 상기 배기 밸브가 폐쇄되는 기간 동안, 상기 전환 밸브는 압력 증폭기를 통하여 상기 압력 챔버를 상기 캠 구동 펌프에 연결할 수 있다.
상기 캠 구동 펌프상에서 작동하는 캠 샤프트상의 캠은 상기 배기 밸브가 폐쇄되는 엔진 싸이클의 기간 동안에 상기 캠 구동 펌프가 유압 유체를 연속적으로 운반하게 하는 점진적인 형상(progressive profile)을 가질 수 있다.
상기 전환 밸브에는 제 2 위치에서 비-복귀 밸브 요소가 제공될 수 있다.
제 1 위치에서, 상기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 동안에, 상기 전환 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터의 압력 챔버를 상기 캠 구동 펌프에 연결하며, 제 2 위치에서, 상기 전환 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터의 가압실에 고압 유압 유체의 다른 압력원을 연결할 수 있다.
고압 유압 유체의 다른 압력원은 유압 펌프일 수 있다.
상기 밸브 작동 시스템은 압력 도관을 통하여 상기 배기 밸브 액추에이터에 작동가능하게 연결된 고압 유압 펌프와 제어 밸브를 포함할 수 있다.
상기 배기 밸브 액추에이터에는 작동가능하게 릴리프 밸브가 연결되며, 상기 릴리프 밸브는 연소 챔버에서 과도한 고압이 발생할 때 개방되도록 될 수 있다.
상기 릴리프 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터에서의 압력이 소정의 문턱값을 초과할 때 개방되도록 될 수 있다.
상기 릴리프 밸브는 일단 소정의 문턱값이 초과되면 완전히 개방되고 그 다음에는 개방된 상태로 유지되는 유형일 수 있다.
본 발명에 관한 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 다른 목적들, 형상들, 장점들 및 특징들이 상세한 설명에서 명확하게 기술될 것이다.
본 명세서의 하기되는 상세한 부분에서, 본 발명은 도면들에 도시되는 바람직한 실시예에 관하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 엔진의 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상기 엔진의 일 실린더 부분의 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 상기 배기 밸브 구동 시스템의 제1 실시예의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 상기 실시예의 변형예이다.
도 5는 본 발명에 관한 상기 배기 밸브 구동 시스템의 제2 실시예의 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명에 관한 상기 배기 밸브 구동 시스템의 제3 실시예의 개략적인 도면이다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 엔진(1)의 횡단면도와 종단면도(하나의 실린더)를 나타낸다. 상기 엔진(1)은 선박 또는 파워 플랜트 내의 주 작동기의 추진 시스템일 수 있는, 크로스 헤드(crosshead) 타입의 단류(uniflow)(單流) 저속 2행정 크로스 헤드 디젤 엔진이다. 이러한 엔진들은 일반적으로 라인에 4개에서 14개까지의 실린더를 가진다. 상기 엔진(1)은 상기 크랭크축(3)을 위한 상기 주 베어링들을 구비하는 베드플레이트(bedplate)(2)로부터 이루어져 있다.
크랭크축(3)은 반제작형(semi-built type)이다. 반제작형은 단조강(forged steel)이나 주조강(cast steel) 녹로(throws)로부터 제조되어 수축 끼워맞춤 연결(shrink fit connections)에 의해 메인 저널(main journal)에 연결된다.
베드 플레이트(2)는 하나로 제작될 수 있고, 또는 생산 설비에 따라 적절한 크기의 부분들로 나누어질 수 있다. 베드 플레이트는 측벽과 베어링 지지부를 갖는 용접된 크로스 거더들(cross girders)로 이루어진다. 종래 기술에서 크로스 거더들은 횡단 거더들(transverse girders)로도 불린다. 오일팬(58)은 베드 플레이트(2)의 바닥에 용접되어, 강제 오일 윤활 시스템과 오일 냉각 시스템으로부터의 복귀 오일을 회수한다.
커넥팅 로드들(8; connecting rods)은 크로스 헤드 베어링들(22; crosshead bearings)에 크랭크축(3)을 연결한다. 크로스 헤드 베어링들(22)은 수직 안내면들(23)의 사이에서 안내된다.
용접된 디자인의 A 형상의 프레임 박스(4)는 베드 플레이트(2)의 위에 장착된다. 프레임 박스(4)는 용접된 디자인이다. 배기 측의 프레임 박스(4)에는 각 실린더를 위한 릴리프 밸브(relief valve)가 마련되고, 크랭크축 측의 프레임 박스(4)에는 각 실린더를 위한 대형 힌지 도어가 마련된다. 크로스 헤드 안내면들(23)은 프레임 박스(4) 내에서 일체가 된다.
실린더 프레임(5)은 프레임 박스(4)의 상부에 장착된다. 스테이 볼트들(27; staybolts)은 베드 플레이트(2)와 프레임 박스(4)와 실린더 프레임(5)을 연결하여, 구조를 서로 지지한다. 스테이 볼트(27)는 유압잭(hydraulic jacks)으로 조여진다.
실린더 프레임(5; cylinder frame)은, 최종적으로 통합된 크랭크축 하우징(25)과 하나 이상의 부분들로 주조되거나, 용접된 디자인이다. 다른 실시예(미도시)에 따르는 크랭크축(28)은 실린더 프레임에 부착된 별도의 크랭크축 하우징 안에 수용된다.
실린더 프레임(5)에는 배기 공간(scavenge air space)의 청소와 크랭크축 측으로부터의 배기 포트들 및 피스톤 링들의 검사를 위한 접근 덮개들이 마련된다. 접근 덮개는 실린더 라이너(6)와 함께 배기 공간을 형성한다. 배기 수용부(9; scavenge air receiver)는 개방측에서 실린더 프레임(5)에 볼트 체결된다. 실린더 프레임의 저부에는 배기를 위한 밀봉 링들과 배기 물질이 프레임 박스(4)와 베드 플레이드(2)의 공간으로 침투하는 것을 방지하여, 이에 의해 이러한 공간 내에 존재하는 모든 베어링들을 보호하는 스크레이퍼 링들(scraper rings)이 마련되는 피 스톤 로드(piston rod) 스터핑 박스(stuffing box)가 존재한다.
피스톤(13)은 피스톤 크라운(piston crown)과 피스톤 스커트(piston skirt)를 구비한다. 피스톤 크라운은 내열강(heat-resistant steel)으로 제조되며, 그루브들의 상부면과 하부면들의 모두에 경질 크롬 도금(hard-chrome plated)되는 4 개의 링 그루브들(ring grooves)을 구비한다.
피스톤 로드(14)는 4 개의 나사들로 크로스 헤드 베어링(22)에 연결된다. 피스톤 로드(14)는 냉각 오일 파이프에 연결되어 피스톤(13)을 위한 냉각 오일을 위한 입구 및 출구를 형성하는 두 개의 동축 구멍들(도면에 보이지 않음)을 갖는다.
실린더 라이너들(6; cylinder liners)은 실린더 프레임(5)에 형성된다. 실린더 라이너들(6)은 합금 주철(alloyed cast iron)로 제조되어, 하부에 위치하는 플랜지에 의해 실린더 프레임(5) 내에 배치된다. 실린더 라이너의 최상측 부분은 주철 냉각 재킷(cooling jacket)에 의해 포위된다. 실린더 라이너들(6)은 실린더 윤활을 위한 천공된 구멍들(미도시됨)을 구비한다.
실린더들은 유니플로우형(uniflow type)이며, 배기 수용부(9; 도 1)가 터보차져(10; 도 1)에 의해 가압된 배기 공기를 공급 받는, 에어 박스(air box) 내에 위치하는 배기 포트들(scavenge air ports; 7)을 구비한다.
엔진에는, 4-9 실린더 엔진을 위해서는 엔진의 후미 위에 배치되고, 10 또는 그 이상의 실린더 엔진을 위해서는 배기측에 배치되는, 하나 이상의 터보챠져들(10)이 설치된다.
터보차져(10)를 향하는 공기 흡입(air intake)은 터보차져의 흡기 사일런 서(intake silencer; 미도시)를 통해 엔진룸으로부터 직접 발생된다. 터보차져(10)로부터의 공기는 공급 에어 파이프(미도시)와, 공기 냉각기(미도시)와, 배기 수용부(9)를 통해 실린더 라이너들(6)의 배기 포트들(7)로 안내된다.
엔진에는 전기적으로 구동되는 배기 송풍기들(미도시)이 마련된다. 송풍기들의 흡입측은 공기 냉각기 이후에 배기 공간으로 연결된다. 공기 냉각기와 배기 수용부의 사이에는 보조 송풍기들이 공기를 공급할 때에 자동적으로 폐쇄되는 비복귀 배브들(미도시)이 설치된다. 보조 송풍기들은 낮은 부하 상태와 중간 부하의 상태 하에서 터보차져 압축기를 보조한다.
연료 밸브들(40)은 실린더 커버(12)의 내에 동심원적으로 장착된다. 연료 밸브들(40)은 압축 행정의 끝에서 분사 노즐들을 통해 미세한 분무로서 고압으로 연소 챔버(15)로 연료를 분사한다. 연료는 경유나, 고중질 연료유(heavy fuel oil)나 가스(gas)일 수 있다. 엔진이 가스 구동될 때에는, 엔진이 모든 유형의 연료로 작동할 수 있도록 엔진에는 연료 분사 시스템과 가스 분사 시스템(미도시)이 마련된다. 배기 밸브(11)는 실린더 커버(12) 내에서 실린더의 상측 내에 중심에 장착된다. 배기 밸브(11)는 밸브 헤드(11a; valve head)와 벨브 스템(11b; valve stem)을 구비한다. 팽창 행정의 끝에서 엔진 피스톤(13)이 배기 포트들(7)을 아래로 지나치기 전에 배기 밸브(11)가 상측으로 개방됨으로써 연소 챔버(15) 내의 피스톤(13) 위의 압축 가스가 배기 수용부(17)로 개방되는 배기 도관(16)를 통해 흘러, 연소 챔버(15) 내의 압력이 경감된다. 배기 밸브(11)는 피스톤(13)의 상측을 향하는 운동 중에 실린더와 연소 챔버(15)로 향하는 하측 방향의 운동으로 다시 폐쇄된다. 배기 밸브(11)는 유압식으로 구동된다.
도 3은 본 발명에 따른 배기 밸브 구동 시스템의 제1 실시예를 도시한다. 배기 밸브 구동 시스템은 단일 실린더를 고려하여 설명되는 모든 실시예들을 위한 것이다. 멀티 실린더 엔진(multi-cylinder engine)에서는 각 실린더를 위한 동일한 설비들이 존재할 것이다. 배기 밸브 구동 시스템은 캠들(29; cams)을 갖는 캠축(28)을 구비한다(하나만 도시됨). 롤러(30; roller)는 캠(29)의 표면을 따르며, 캠 구동되는 용적형 펌프(positive displacement pump인 캠 구동 펌프(32)에 연결된다. 캠 구동 펌프(32)는 도관(36)을 통해 배기 밸브 액추에이터(34)에 연결된다. 배기 밸브 액추에이터(34)는 원통 압력 챔버와, 원통 압력 챔버 내에 슬라이딩 되게 수용되어 배기 밸브(11)의 스템(11b)에 작용하는 피스톤을 구비한다. 가스 스프링(38)도 배기 밸브의 스템(11b)에 연결되며, 가스 스프링(38)의 가스 챔버 내의 가스 압력이 배기 밸브(11)를 연소 챔버(15)로부터 멀어지는 개방 방향을 향해 가압한다. 배기 밸브 액추에이터(34)가 가압되면, 배기 밸브 액추에이터는 연소 챔버(15)를 향해 폐쇄하는 방향으로 배기 밸브(11)를 가압한다. 이러한 실시예에서 밸브 헤드(11a)는 실린더 커버(12) 내에서 환상의 개구부 상의 내측에 밀봉하는 방식으로 설치된다. 밸브 헤드(11a)의 원주면의 법선은 반경방향을 향한다. 환상의 개구부의 내부 표면에도 동일하게 적용되어, 법선은 반경 방향을 향한다..
배기 밸브의 위치는 미도시된 실시예에서 엔진의 전기 제어 시스템에 연결되는 센서에 의해 측정된다.
컷오프 밸브(41; cutoff valve)는 캠 구동 펌프(32)와 유압 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버의 사이의 연결부에 배치된다. 본 실시예에서 전자 제어 컷오프 밸브(41)는 두 개의 위치를 갖는다. 컷오프 밸브는 제1 위치에서 배기 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버를 압력 도관(36)을 통해 캠 구동 펌프(32)에 연결한다. 컷오프 밸브(41)는 제2 위치(도시된 위치)에서 배기 밸브 액추에이터(34)와 캠 구동 펌프(32)의 사이의 연결을 폐쇄한다.
배기 밸브 액추에이터(34) 내의 대형 구멍은 압력 챔버를 압력 릴리프 밸브(43)로 연결한다. 압력 릴리프 밸브(43)는 압력 챔버 내의 압력이 미리 정해진 문턱값을 초과할 때에 탱크(미도시)로 개방되도록 형성된다. 이러한 문턱값은 정상적인 엔진 작동 중에 배기 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버 내에서 발생하는 최대(정점) 압력의 약간 위에서 설정된다. 전형적으로 이러한 정점 압력은 연소가 발생하는 엔진 주기 내의 상태(phase)에 일치할 것이다. 압력 릴리프 밸브(43)는 설정 압력이 일단 도달되면 개방되어 그 이후에는 개방을 유지하는 유형이다. 프라이머 펌프(primer pump)는 누설에 의해 손실된 오일을 보충한다.
크랭크축(28)은 작동 중에 엔진의 크랭크축과 일체로 회전한다. 캠(29)의 형상은 캠 구동 펌프(32)의 운동을 결정한다. 캠 구동 펌프(32)가 상측으로 운동하면, 유압유동(hydraulic fluid)은 도관(36)을 통해 배기 밸브 액추에이터(34) 내부로 가압된다. 배기 밸브 액추에이터(34)는 배기 밸브(11)가 가스 스프링(38) 내의 압력에 저항하여 폐쇄되도록 배기 밸브(11)를 가압한다. 이러한 주기 동안 컷오프 밸브(41)는 제1 위치에 있으며, 캠 구동 펌프(32)로부터의 유체가 배기 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버로 흐르게 한다. 배기 밸브(11)가 도 3에서 실선으로 도시된 폐쇄 위치에 도달하면, 컷오프 밸브(41)는 제2 위치(도시됨)로 이동하여 배기 밸브 액추에이터(34) 내의 압력 챔버와 캠 구동 펌프(32)의 사이의 모든 유체 연결을 불가능하게 한다. 그러므로 배기 밸브(11)는, 밸브 헤드(11a)의 원주면 가장자리가 실린더 덮개(12)의 돌출부(47)와 협력하여 완전 유체 밀봉을 형성하는 폐쇄된 위치에 잠긴다. 도시된 실시예 내의 돌출부(47)에는 밀봉 링(49)이 마련된다. 다른 실시예들(미도시)에서는, 밀봉 링이나 밀봉 링들(49)은 밸브 헤드(11a)의 원주 표면에 마련된다.
(연소가 이루어진 이후에) 배기 밸브를 개방할 시간이면, 컷오프 밸브(41)는 배기 밸브 액추에이터(34) 내의 압력 챔버를 캠 구동 펌프(32)로 연결하는 제1 위치로 복귀한다. 캠 구동 펌프(32)는 하측을 향해 운동하고, 가스 스프링(38)은 연소 챔버 내의 압력과 조화하여 배기 밸브(11)와 배기 밸브 액추에이터(34)가 상측을 향하여 이동하도록 가압함으로써 배기 밸브 액추에이터(34) 내의 유체가 캠 구동 펌프(32)로 다시 흐른다. 배기 밸브(11)의 개방 운동 동안에 배기 밸브 액추에이터(34)로 전달되는 에너지의 일부는, 배기 밸브 액추에이터(34)의 복귀 행정 동안에 캠 구동 펌프(32) 내에 형성된 압력에 의해 캠축(28)으로 복귀한다. 그러므로 배기 밸브(11)를 개방하기 위해 필요한 유압 에너지의 아주 작은 부분만이 손실된다.
초과 압력이 연소 챔버(15) 내에 발생하는 경우, 이러한 초과 압력은 배기 밸브(11)를 상측을 향하여 가압함으로써 배기 밸브 액추에이터(34) 내에 고압, 즉 정상적인 엔진 작동 중에 발생할 압력보다 큰 압력을 일으킬 것이다. 그리고는 압력 릴리프 밸브(43)는 완전히 개방되어 배기 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버 내의 유체가 신속히 배출되게 한다. 연소 챔버 내의 심한 고압은 가스 스프링(38)의 힘과 조화하여 배기 밸브(11)가 연소 챔버(15)로부터 멀어지는 방향으로 신속하게 개방되게 한다. 배기 밸브(11)가 개방되면 연소 챔버(15) 내의 가스는 배기 가스를 연소 챔버(15)로부터 외기로 유도하도록 설계된 정상적인 도관들을 통해 배출될 수 있다. 이러한 과정은 압력 릴리프 밸브(43)가 개방되는 문턱값 압력이 정확하게 설정될 수 있으므로 일반적으로 엔진(1)에 어떤 손상도 가하지 않는다. 그러므로 배기 밸브(11)는 연소 챔버 내에서 형성된 의도하지 않은 압력이 엔진 구성 요소들을 손상시키기 이전에 개방될 것이다. 배기 밸브가 일단 개방되면, 이러한 가스들을 처리하도록 설계되어 어떤 손상도 초래하지 않고도 이러한 가스의 흐름들을 처리하는 도관들을 통해 가스가 이기로 전달된다.
제1 실시예의 미도시된 변동예에 있어서, 컷오프 밸브는 전자적으로 제어되지 않으며, 그 대신 캠축에 의해 제어된다. 이러한 캠축은 컷오프 밸브의 제어를 위한 부가적인 로브들(additional lobes)을 구비하는 캠축일 수 있으며, 또는 다양한 실린더들과 연관된 컷오프 밸브들을 제어하기 위한 유일한 목적을 갖는 별도의 캠축일 수 있다.
도 3의 확대된 부분은 제1 실시예의 변동예의 상세를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 밀봉 링(49)이 밸브 헤드(11a)와 결합하는 압력이 변동된다. 하나의 도관(50)이 밀봉 링(49)의 외측 원주면을 연소 챔버(15)로 연결한다. 연소 챔버(15) 내의 증가하는 압력에 의해, 밀봉 링은 밸브 헤드(11a)를 향해 증가하는 압력으로 가압된다. 그러므로 밸브 헤드(11a)가 밀봉 링(49)에 접촉하도록 이동하거나 분리되게 이동할 때에는 연소 챔버(15) 내의 저압으로 인해 이들 두 개의 요소들의 사이에는 적은 압력이 존재하거나 압력이 없으며, 이로 인해 마모나 파손을 감소시킨다. 예를 들어, 연소 중에 연소 챔버(15) 내의 압력이 높을 때 밀봉 링(49)은 고압으로 밸브 헤드(11a)를 향해 가압됨으로써 연소 챔버(15) 내의 고압 기체가 밀봉 링(49)을 통과해 누설되지 않는다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 변동예를 도시한다. 도 4에 도시된 실시예는 실린더 커버(12)가 포트들(60)과, 포트들을 둘러싸는 링 채널(62)이 마련되는 원통 부분을 구비하는 점을 제외하고는 도 3을 참조하여 설명된 실시예들과 실질적으로 동일하다. 배기 밸브가 상부 위치에 있을 때(점선으로 표시됨), 배기 가스는 포트들(60)과 링 채널(62)을 통해 연소 챔버(15)로부터 빠져나올 수 있다. 링 채널(62)은 배기 가스 수용부에 연결된다. 포트들(60)을 갖는 원통 부분의 마련은 밸브 헤드(11a)의 위에 밀봉 링들이 벽면과 연속적으로 접촉하게 함으로써 벽면과 접촉하고 벽면에서 분리되는 밀봉링에 의해 발생하는 가능한 마모를 피하게 한다.
도 5는 하기의 차이점을 제외하고는 도 3에 설명된 실시예와 필수적으로 동일한 발명에 따른 배기 밸브 작동 시스템의 제 3 실시예를 도시한다. 컷오프 밸브(41)는 전환 밸브(changeover valve: 42)로 치환되었다. 전기적으로 제어되는 전환 밸브(42)는 현재 실시예에서는 2개의 위치를 가진다. 제 1 위치에서, 전환 밸브(42)는 도관(36)을 배기 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버에 연결한다. 제 1 위치에서, 압력 증폭기(44)는 탱크에 연결된다. 도시된 제 2 위치에서, 상기 전환 밸브(42)는 도관(36)을 향하여 상기 압력 증폭기(44)에 연결한다. 이러한 배치로 인하여 캠 구동 펌프(32)는 연소 상태 동안에 배기 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버에서 고압에 노출되지 않는다.
이러한 실시예에서, 상기 배기 밸브(11)에는 돌출부(47)의 원뿔형 배기 밸브 시트(48)가 제공된다. 상기 원뿔형 밸브 시트는 실린더 커버(12)의 돌출부(47)의 상부측에 제공되며, 시트 표면에 수직(normal)한 법선은 연소 챔버(15)로부터 멀어지는 방향으로 밸브 스템(11b)의 축방향으로 실질적인 구성요소를 구비한다. 상기 밸브 헤드(11a)는 밸브 시트(48)와 접하는 밀봉부로 움직이게 되는 대응하는 원뿔형 모서리를 구비한다. 이러한 실시예에서, 상기 캠(29)의 형상(profile)은 (캠(29)상에서 파선으로 도시된 바와 같이) 점진적(progressive)이어서, 상기 캠 구동 펌프(32)는 배기 밸브가 폐쇄 위치에 있는 상태 동안에 적은 양의 유체를 운반하는 것을 유지하게 된다. 따라서, 유압 유체의 누설에도 불구하고, 압력 증폭기(44)를 통하여 배기 밸브 액추에이터(34)상에 실질적인 압력이 작용되는 것이 보장된다.
압력 제한 밸브(45)로 인하여 상기 캠 구동 펌프(32)에 의해 운반되는 여분의 유압 유체는 탱크로 유동하게 된다.
작동시에, 상기 배기 밸브(11)가 폐쇄 위치에 있고 시트(48)상에 안착될 때, 상기 전환 밸브(42)는 도시된 제 2 위치에 있게 된다. 개방 및 폐쇄 운동 동안에, 그리고 배기 밸브(11)가 개방되는 기간 동안에, 상기 전환 밸브는 (미도시된) 제 1 위치에 있게 된다.
제 2 실시예에 따른 배기 밸브 작동 시스템의 작동은 일반의 엔진 작동시와, 상기 제 1 실시예를 참조하여 설명된 바와 같이 상기 작동에 동일한 연소 챔버(15)에서의 과도한 압력 유입시에 행해진다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 유압 밸브 작동 시스템은 도관(36)에 의해 배기 밸브 액추에이터(34)에 연결된 캠 구동 펌프(32)를 포함하는 유압 푸시 로드 시스템을 사용하게 된다. 그러나, 이러한 실시예에서, 상기 전환 밸브(42)는 상기 배기 밸브 액추에이터(34)에서의 압력 챔버를 도관(36)을 통하여 캠 구동 펌프(32)에 그리고 유압 펌프(54)에 번갈아 연결한다. (미도시된) 제 1 위치에서, 전기적으로 제어되는 전환 밸브(42)는 배기 밸브 액추에이터(34)에서의 압력 챔버를 상기 캠 구동 펌프(32)에 연결한다. 제 2 위치에서, 상기 전환 밸브(42)는 배기 밸브 액추에이터(34)에서의 압력 챔버를 상기 유압 펌프(54)에 연결한다. 상기 유압 펌프(54)는 전기적 또는 기계적으로 구동되는 용적형 펌프일 수 있다. 상기 유압 펌프(54)의 임의의 사용되지 않은 성능은 압력 조절 밸브(55)를 통하여 탱크로 보내진다.
보통의 엔진 작동시에, 상기 전환 밸브(42)는 배기 밸브(11)의 개방 및 폐쇄 운동 동안에 제 1 위치(미도시)에 있게 된다. 상기 배기 밸브(11)가 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 전환 밸브(42)는 상기 배기 밸브 액추에이터(34)의 압력 챔버가 펌프(54)에 의해 가압되는 제 2 위치에 있게 된다. 이러한 압력으로 인하여, 상기 배기 밸브(11)는 엔진 사이클의 연소시에 그 시트(48)에 대하여 견고하게 가압된다. 이러한 실시예에는 제 1 및 제 2 실시예를 참조하여 전술한 것과 동일한 방식으로 작동하는 압력 릴리프 밸브(43)가 제공된다.
다른 실시예에 따르면, (미도시된) 상기 배기 밸브 작동 시스템은 캠 샤프트 없이 대신에 배기 밸브를 개방하는 폐쇄하는 원하는 시간에(예를 들어, 커먼 레일 시스템(common rail system)의 경우) 각각의 배기 밸브 액추에이터로 유압 유체를 유도하는 제어 밸브에 의해 제어되는 연속적으로 고압원으로부터 유압 압력으로써 작동하는 유형의 것이 될 수 있다.
청구항에서 "포함하다"는 용어는 다른 구성요소를 배제하지 않는 것으로 사용된다. 청구항에서 단수로 표시되어도 복수의 경우를 배제하지는 않는다.
비록 본 발명이 도면으로 표현하기 위하여 상세히 설명되어 있지만, 이러한 상세함은 도면상의 표면을 위한 것일 뿐, 통상의 기술자에게는 본 발명의 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변형이 가능하다.
본 발명의 대형 디젤 엔진에 관한 기술 분야에 사용될 수 있다.

Claims (28)

  1. 적어도 하나의 배기 밸브가 각각 제공되며, 연소 챔버로써 작동하는 다수의 실린더; 및
    엔진 사이클에 동조하여(synchronously) 배기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 배기 밸브 액추에이터를 구비한 배기 밸브 작동 시스템을 포함하며,
    상기 배기 밸브 작동 시스템은 연소 후에 배기 가스의 제어된 배출을 위하여 상기 연소 챔버에 대하여 외측 방향으로 각각의 배기 밸브를 개방하며,
    상기 배기 밸브 작동 시스템은 연소 전에 상기 연소 챔버에 대하여 내측 방향으로 각각의 배기 밸브를 폐쇄하며,
    상기 배기 밸브 작동 시스템은 상기 엔진 싸이클의 현재 상태와 상관없이 관련된 실린더에서 과다한 압력이 발생할 때, 상기 연소 챔버에 대하여 외측 방향으로 각각의 배기 밸브가 개방되게 하는, 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 밸브는 상기 배기 밸브의 스템(stem) 상에서 작동하는 가스 스프링에 의해 배기 밸브를 개방하도록 외측 방향으로 강제되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배기 밸브 액추에이터는 상기 배기 밸브를 폐쇄하도록 내측 방향으로 상기 배기 밸브를 강제하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기 밸브는 상기 배기 밸브가 그 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 연소 챔버를 밀봉하도록 각각의 실린더의 상부에서 실린더 커버와 상호 작용하는 밸브 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브 헤드는 상기 실린더 커버의 환형 개구 내에서 밀봉 연결되어 체결되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 환형 개구의 내측 표면에는 하나 이상의 밀봉 링이 제공되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 밸브 헤드의 원주방향 표면에는 하나 이상의 밀봉 링이 제공되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 실린더 커버 및 밸브 시트 상의 밀봉 표면의 법선은 실린더 커버 및 밸브 시트의 반경 방향을 향하여 동축방향으로(coaxially) 연장되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배기 밸브는 특정 고정 위치에 안착되지 않지만 밸브가 폐쇄되는 범위 내에 안착되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브 헤드는 실린더 커버에서 밸브 시트와 접하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브 시트의 표면의 법선은 밸브 시트의 축방향과 실질적으로 동축방향으로(coaxially) 연장되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 축방향은 상기 연소 챔버로부터 멀어지는 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 배기 밸브 작동 시스템은 캠 샤프트, 및 상기 배기 밸브 액추에이터에 연결되어 작동되는 캠 구동 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 캠 구동 펌프는 가압 도관을 통하여 상기 배기 밸브 액추에이터에 연결되며, 컷오프 밸브는 상기 가압 도관에 배치되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  16. 제 15 항에 있어서,
    과도한 압력이 관련된 연소 챔버에서 발생하는 때를 제외하고, 관련된 컷오프 밸브가 폐쇄될 때, 관련된 상기 배기 밸브는 이동이 차단되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 컷오프 밸브는, 연소시에 상기 배기 밸브 액추에이터가 노출되는 고압으로부터 상기 캠 구동 펌프와 캠 샤프트를 보호하도록 상기 배기 밸브 상승이 발생하는 기간 동안에만 개방되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브 작동 시스템은 캠 샤프트, 및 상기 배기 밸브 액추에이터에 작동가능하게 연결된 캠 구동 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 캠 구동 펌프는 압력 도관을 통하여 상기 배기 밸브 액추에이터에 연결되며, 전환 밸브는 상기 압력 도관에 배치되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  20. 제 19 항에 있어서,
    제 1 위치에서, 상기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 동안, 상기 전환 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터의 압력 챔버를 상기 캠 구동 펌프에 직접 연결하며, 제 2 위치에서, 상기 배기 밸브가 폐쇄되는 기간 동안, 상기 전환 밸브는 압력 증폭기를 통하여 상기 압력 챔버를 상기 캠 구동 펌프에 연결하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 캠 구동 펌프상에서 작동하는 캠 샤프트상의 캠은 상기 배기 밸브가 폐쇄되는 엔진 싸이클의 기간 동안에 상기 캠 구동 펌프가 유압 유체를 연속적으로 운반하게 하는 점진적인 형상(progressive profile)을 가지는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전환 밸브에는 제 2 위치에서 비-복귀 밸브 요소가 제공되는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  23. 제 19 항에 있어서,
    제 1 위치에서, 상기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 동안에, 상기 전환 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터의 압력 챔버를 상기 캠 구동 펌프에 연결하며, 제 2 위치에서, 상기 전환 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터의 가압실에 고압 유압 유체의 다른 압력원에서 연결하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  24. 제 23 항에 있어서,
    고압 유압 유체의 다른 압력원은 유압 펌프인 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 밸브 작동 시스템은 상기 배기 밸브 액추에이터에 압력 도관을 통하여 작동가능하게 연결된 고압 유압 펌프와 제어 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  26. 제 14 항에 있어서,
    상기 배기 밸브 액추에이터에는 작동가능하게 릴리프 밸브가 연결되며, 상기 릴리프 밸브는 연소 챔버에서 과도한 고압이 발생할 때 개방되도록 된 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는 상기 배기 밸브 액추에이터에서의 압력이 소정의 문턱값을 초과할 때 개방되도록 된 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는 일단 소정의 문턱값이 초과되면 완전히 개방되고 그 다음에는 개방된 상태로 유지되는 유형인 것을 특징으로 하는 크로스 헤드 타입의 대형 2행정 디젤 엔진.
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