KR101302254B1 - 개선된 2행정 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 한개의 실린더(2)와, 실린더의 내를 왕복운동하고 동력을 전달하기 위한 피스톤 로드(5)가 마련된 피스톤(4)을 가지며, 상기 실린더(2)에는 소기(燒氣)를 실린더(2)내로 공급하기 위한 흡기수단과, 연소행정시에 점화 및 연소를 위한 수단(18) 및, 배기밸브 수단(9)이 구비되는 2행정 크로스헤드 엔진에 관한 것이다. 흡기수단은 소기를 피스톤을 통하여 실린더(2)내로 도입하기 위한 채널수단(10)과, 그 채널수단(10)을 통하여 실린더(2)내로 공급되는 소기의 양을 제어하기 위하여 피스톤 상에 배치된 흡기 밸브수단(11,12)을 포함한다.

Description

개선된 2행정 엔진{IMPROVED TWO-STROKE ENGINE}
본 발명은 특허청구의 범위 제 1 항의 서문에 나타낸 바와 같이, 적어도 한개의 실린더와, 그의 내부에서 왕복운동하고 동력전달용의 한개의 피스톤 로드 (piston rod)가 마련된 하나의 피스톤을 가지며, 상기 실린더에는 실린더내로 소기 (燒氣: scavenge air)를 공급하기 위한 입구수단이 마련되며, 연소행정시에 점화 및 연소용으로 마련된 수단을 가지는 2행정 크로스헤드(crosshead) 엔진에 관한 것이다.
크로스헤드 엔진에 있어서, 실린더내에서 왕복운동하는 피스톤은 연결 로드에 직접적으로 연결되어 있지 않고, 엔진에 미끄럼가능하게 지지된 피스톤 로드를 통하여 연결된다. 따라서, 피스톤과 함께 피스톤 로드는 실린더내에서 왕복운동만을 할 수 있을 뿐이다. 이러한 종류의 2행정 엔진에 있어서, 소기의 공급은 통상 실린더 라이터의 하부에 배치된 소기 포트를 통하여 이루어져 왔으며, 그에 의하여 연소주기에서의 특정한 시기에 3개의 포트를 개폐하는 것은 피스톤 자체이다. 결과적으로, 피스톤링으로 실린더와 피스톤을 함께 윤활하는 기름막이, 피스톤이 포트의 입구를 지나쳐서 움직일 때마다 파괴된다. 이는, 피스톤링으로 실린더 라이터 및 피스톤을 마모시키는 것을 악화시킨다.
과부하된 크로스헤드 엔진에 있어서는, 피스톤이 높은 열부하를 가지게 된다. 냉각은 통상 피스톤로드내의 구멍들을 통하여 공급 및 배출되는 냉각오일에 의하여 행해지며, 이러한 접속로드는 시스템을 다소 복잡하게 만든다.
부가적으로, 2행정 크로스헤드 엔진에 있어서는, 소기의 도입시점이 소기 포트의 형상 및 위치에 한정되며, 따라서 각 경우에 엔진의 부하와는 독립적이다.
본 발명의 목적은 종래기술의 상술한 문제점을 해결할 수 있는 개선된 2행정 크로스헤드 엔진을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 청구항 1 및 기타 청구항에서 개시된 바에 따라 실질적으로 달성될 수 있다.
본 발명의 기본 개념은, 소기(燒氣)를 실린더내로 공급하는 경로를 실질적으로 변경하는 것이다. 본 발명에 따르면, 입구수단은 소기를 피스톤을 통하여 실린더로 공급하기 위한 채널수단과, 그 채널수단을 통하여 실린더내의 소기 공급을 제어하기 위하여 피스톤상에 배치된 흡기밸브수단을 포함한다.
이러한 신규한 해법은 많은 장점을 가진다. 윤활유막상에 부정적으로 영향을 미쳤던, 실린더 라이너내의 고정된 장소에 위치한 입구 포트가 더 이상 존재하지 않기 때문에, 피스톤링과 실린더 라이너로 긁어대는 것과 피스톤의 마모가 감소될 수 있으며, 이는 상기 부품들의 수명을 연장시키게 된다. 피스톤과 흡기밸브수단은 소기에 의하여 냉각될 수 있다. 이는 특히 장점을 가지는데, 연소를 위하여 더 많은 공기가 필요하면 할수록, 피스톤을 통한 냉각류는 커지기 때문에, 가용한 냉각 공기의 전체 양은 엔진의 출력을 따르기 때문이다. 결과적으로, 종래의 오일냉각이 감소될 수 있거나 또는 특정한 구성품에 의하여 아예 안 쓰게 될 수도 있다. 또한, 이러한 새로운 해법은 흡기밸브수단의 타이밍에도 영향을 주게 된다. 흡기밸브수단의 정확한 개폐시간을 변화시킴으로써, 최적의 성능을 부여하기 위하여 부하상황에 따른 소기시간도 따라서 변화시킬 수 있기 때문이다.
흡기밸브수단은 채널수단 및 흡기밸브등과 관련된 피스톤상의 밸브면을 포함하며, 이 밸브는 그 밸브면과 관련하여 피스톤 로드상에 이동가능하게 지지되는 디스크 밸브의 형상이 바람직하다.
흡기밸브수단의 타이밍은 그의 제어를 위하여 흡기밸브수단과 기능적으로 연결된 제어밸브를 피스톤 로드에 제공함으로써 유용하게 구성될 수 있다. 제어 밸브수단은 유압 또는 공압으로 작동되는 것이다.
실제의 실시예에 있어서, 피스톤 로드에는 챔버가 구비되며, 챔버는 그의 내부에 이동가능하게 배치되고 디스크 밸브에 고정된 보조 피스톤요소를 가진다. 이러한 챔버는 보조 피스톤 요소의 동작 및 흡기밸브수단의 운전을 제어하기 위한 유압원과 피스톤 로드를 통하여 통할 수 있도록 배치될 수 있다.
적절한 기능을 보장하기 위하여, 제어밸브 수단은 흡기밸브수단의 폐쇄위치로 향하여 스프링수단에 의해 힘이 가해지게 된다.
채널수단은 소기 공급원과 연속적으로 접속되도록 배치된 다수개의 별도의 채널을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명은 2행정 엔진의 실제적인 운전방식과는 독립적으로 적용될수 있다는 장점을 가진다. 따라서, 디젤원리에 의해서 작동하는 엔진일 수도 있으며, 그에 따라 점화 및 연소를 위하여 제공되는 수단은 실린더에 연료를 공급하기 위한 분사밸브 수단을 포함한다. 이 경우에, 실제적으로, 그 엔진에는 실린더로 공급될 소기를 압축하기 위한 터보차저가 마련된다. 선택적으로, 가솔린 엔진일 수도 있는데, 이 경우에는 점화 및 연소를 위한 수단은 스파크 플러그 수단을 포함한다. 이 경우, 동종업계에서 공지된 바와 같이, 실린더로 소기를 공급하기 전에 연료와 소기가 혼합되도록 구성될 수도 있다.
이하에서, 본 발명은 예시만을 위한 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 2행정 크로스헤드 엔진의 실린더의 단면을 나타내는 도면으로서, 흡입 및 소기행정에서 흡기 및 배기밸브의 양자가 개방된 상태를 나타낸다.
도 2는 도 1의 실린더를 나타내는 도면으로서, 압축행정의 마지막 단계에서 점화되는 순간을 나타낸다.
도 3은 파워행정후의 도 1 의 실린더를 나타내는 도면으로서, 배기행정에서 배기밸브가 개방된 상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 VA-VA 단면을 나타내는 도면이다.
도면에 있어서, 참조부호 1은 실린더 라이너(3)에 의하여 주로 규정되는 실린더(2)를 포함하는 엔진 블록의 일부를 나타낸다. 실린더(2)에는 그의 내부를 왕 복운동식으로 움직이도록 구성된 피스톤(4)이 구비된다. 이 엔진은 크로스헤드 엔진이기 때문에, 피스톤(4)은 피스톤 로드(5)에 고정되어 있으며, 피스톤 로드(5)는 실린더 블록(1) 또는 그에 고정된 다른 부품에 미끄럼 가능하도록 지지되어 있어서, 피스톤 로드(5) 역시 왕복이동한다. 피스톤(4)과 피스톤 로드(5)의 상호 고정관계는 공지의 방법, 예를 들면 도 4 및 5에 나타낸 바와 같이 나사(20)의 수단에 의하여 구성될 수 있다. 피스톤(4) 및 피스톤 로드(5)로부터의 동력의 전달은 동종업계에 공지된 바에 따라 접속 로드(도시 않됨)를 통하여 행할 수 있다.
엔진블록(1)에는 소기(燒氣)를 실린더(2)내로 공급하기 위한 챔버(6)가 구비된다. 챔버(6)는 입구 파이프 또는 덕트(도시 않됨)와 연결된다. 소기를 실린더내로 공급하기 위하여, 피스톤(4)과 피스톤 로드(5)의 상부에는, 이들의 설계 및 상호 고정상태에 따라서, 실린더(2)를 향하여 피스톤(4)의 헤드부분에 개구하고 있으며 밸브면(11)을 형성하도록 구성된 공통의 입구개구를 형성하는 다수개의 채널 (10)들이 구비된다. 이 밸브면(11)과 관련하여 구성된 것은 스템(12a)을 가지는 흡기밸브(12)이다. 흡기밸브(12)는 그의 스템(12a)의 수단에 의하여 피스톤로드 (5)내에서 미끄럼 가능하게 탑재되고 안내된다.
실린더(2)의 상부끝단은, 엔진의 실린더 헤드(7)내에 구성되고 배기덕트(8)를 제어하는 배기 밸브(9)를 포함한다. 실린더 헤드(7)에는 또한 점화 및 연소를 제공하기 위한 수단(18)이 구비된다. 엔진의 운전방식에 따라서, 이 수단(18)은 압축행정의 종단시에 소기의 점화용으로 연료를 분사하도록 배치되는 분사수단일 수도 있다. 이 경우에 문제는 디젤엔진에 관한 것이다. 선택적으로 그 수단(18) 은 챔버(6)를 통하여 실린더(2)내로 공급된 연료와 소기의 혼합물을 점화하는 스파크 플러그 수단일 수 있다.
도 1에 있어서, 흡입 및 소기행정을 설명하면, 피스톤(4)은 상승하고 흡기밸브(12)는 개방되어 소기가 실린더(2) 내로 들어오도록 한다. 동시에 배기가스는 배기밸브(9)를 통하여 제거된다. 그 후에 특정 단계에서 배기밸브(9) 및 흡기밸브 (12)가 폐쇄되고 압축행정이 이어진다. 도 2에 있어서는, 소기가 압축되고 압축행정의 종단에서 실린더(2)내의 기체가 점화되며, 점화방식은 엔진의 작동방식에 따른다. 후속하여 파워행정이 있게 된다. 파워행정의 끝단에서 피스톤(4)은 하강하는 중이며 배기밸브(9)가 개방된다. 흡기밸브(12)는 폐쇄된 상태에 있으며, 압력이 해제되고 배기가스가 도 3에서 나타낸 바와 같이 실린더로부터 배기덕트(8)로 밀려나가게 된다. 하사점(下死點)직후에 사이클이 다시 시작되어 도 1에서 기술한 바와 같은 흡기 및 소기행정의 제 1 단계에서, 배기밸브(9)는 아직 개방된 상태여서, 이 배기밸브(9)가 다시 폐쇄될 때까지, 흡입된 공기가 잔여 배기가스를 배기 덕트(8)로 밀어내게 된다.
도 4 및 5는 볼트(20)의 수단에 의하여 피스톤 로드가 피스톤에 고정된 일 실시예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 채널(10)들은 피스톤 로드(5)와 피스톤(4)의 양자를 통하여 구성되어 있고 피스톤(4)내의 밸브면(11)과 연결되어 일정한 챔버를 형성하게 된다. 도시된 것과 다른 선택적인 해법으로서는, 피스톤 로드를 피스톤에 일체로 결합하여 하나의 부품으로 하는 것이다. 그러나, 이것은 피스톤과 피스톤 로드용으로 상이한 재료를 사용하는 것이 불가능하게 한다.
흡기 밸브(12)의 타이밍을 제어함으로써 각 경우에 있어서의 엔진의 부하상황에 더욱 잘 대처할 수 있도록 하기 위하여, 피스톤 로드(5)내에 배치된 챔버(14)를 포함하여 구성되고 흡기 밸브(12)와 기능적으로 접속된 제어밸브(13)가 마련된다. 상기 챔버(14)내에는 스템(12a)에서 흡기밸브(12)에 고정된 보조 피스톤 요소 (15)가 이동가능하게 마련되어 있다. 이 챔버(14)는 보조 피스톤 요소(15)의 움직임, 즉 전체 흡기밸브(12)의 동작을 제어하기 위하여 유압원(19)(도 1에서는 모식적으로만 도시함)과 피스톤 로드(5)내의 덕트(16)를 통하여 연이어 통하게 된다. 제어밸브(13)는 스프링(17)에 의하여 흡기밸브(12)의 폐쇄위치를 향하여 힘이 가해진다. 흡기밸브를 개방하는 힘은 밸브의 개방단계에서 소기의 압력에 의하여 도움을 받고, 폐쇄는 관성에 의하여 각각 도움을 받게 됨을 주목한다. 필요하다면, 한개의 스프링(17) 대신에, 밸브(13)의 적절한 폐쇄를 보장하도록 다수개의 스프링이 사용될 수도 있다.
유압제어는 유체역학 분야에서 공지된 방식으로 구성될 수 있다. 그 목적을 위하여는 유압을 사용하는 대신에 공압을 사용하는 것도 가능하다. 다양한 경우에 엔진의 부하상황에 따라서 실린더내로의 소기의 공급을 제어하기 위하여, 제어밸브 (13)의 작동 타이밍 및 적절한 운전을 하려면 제어논리가 필요하다.
본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니고 첨부된 특허청구의 범위에서 규정된 발명개념의 범위내에서 많은 다양한 실시예를 구성하는 것이 가능함은 명백하다. 따라서 본 발명의 적용은 엔진에 있어서의 실린더의 정확한 갯수와는 무관하며, 각 실린더에는 한개 이상의 배기밸브가 마련될 수 있고, 피스톤을 피스톤 로드에 고정하는 정확한 방법은 각 경우에 따라서 편리한 대로 선택될 수 있다. 또한 제어밸브의 동작은 기계적인 동작에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

Claims (9)

  1. 적어도 한개의 실린더(2)와, 실린더의 내를 왕복운동하고 동력을 전달하기 위한 피스톤 로드(5)가 마련된 피스톤(4)을 가지며, 상기 실린더(2)에는 소기(燒氣)를 실린더(2)내로 공급하기 위한 흡기수단과, 연소행정시에 점화 및 연소를 위한 수단(18) 및, 배기밸브 수단(9)이 구비되고, 상기 흡기수단은 소기를 피스톤을 통하여 실린더(2)내로 도입하기 위한 채널수단 (10)과, 그 채널수단(10)을 통하여 실린더(2)내로 공급되는 소기의 양을 제어하기 위하여 피스톤 상에 배치된 흡기 밸브수단(11,12)을 포함하며, 상기 흡기 밸브수단(11,12)은 상기 채널수단(10) 및 흡기밸브(12) 등과 공동으로, 밸브면(11)과 협동하고 피스톤 로드(5)상에 이동가능하게 지지되는 피스톤 상의 밸브면(11)을 포함하고, 상기 피스톤 로드(5)에는 그의 제어를 위하여 흡기 밸브수단(11,12)과 기능적으로 연결된 제어밸브 수단(13)이 마련되고, 상기 제어밸브 수단(13)은 유압 또는 공압식으로 작동되며, 상기 피스톤 로드(5)에는 그의 내부에 이동가능하게 구비되고 흡기밸브(12)에 고정된 보조 피스톤 요소(15)를 가진 챔버(14)가 마련되는 2행정 크로스헤드 엔진에 있어서, 상기 챔버(14)는 보조피스톤 요소(15)의 동작 및, 흡기밸브 수단(11,12)의 동작을 제어하기 위하여 유압원(19)과 피스톤 로드(5)를 통하여 연이어 통하도록 구성되며, 피스톤(4)이 상승할 때 흡기밸브(12)가 개방되도록 제어밸브(13)의 작동 타이밍을 위한 유압제어와 제어논리가 구성되는 것을 특징으로 하는 2행정 크로스헤드 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 제어밸브 수단(13)들은 흡기밸브 수단(11,12)의 폐쇄위치를 향하여 스프링수단(17)에 의해 힘을 받는 것을 특징으로 하는 2행정 크로스헤드 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 채널수단(10)은 소기 공급원(6)과 연속적으로 연결되도록 배치된 다수개의 개별 채널(10)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 2행정 크로스헤드 엔진.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 점화 및 연소를 위한 수단(18)은 연료를 실린더내로 공급하기 위한 분사밸브 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 크로스헤드 엔진.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 점화 및 연소를 위한 수단 (18)은 스파크 플러그 수단을 포함하며, 연료가 실린더내로 공급되기 전에 소기와 혼합되는 것을 특징으로 하는 2행정 크로스헤드 엔진.
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