KR101698301B1

KR101698301B1 - 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관

Info

Publication number: KR101698301B1
Application number: KR1020167010948A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 이시다; 사토루 무라타
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2017-01-19
Also published as: JP2015132193A; CN105705738A; KR20160060751A; JP6038055B2; CN105705738B; WO2015104907A1

Abstract

유압관 내의 작동유를 직접제어하지 않고 배기밸브의 개폐 타이밍을 조정할 수 있는 배기밸브 구동장치를 제공한다. 플런저(11)에 의해 가압된 작동유에 의해 피스톤(7)이 동작하여 배기밸브(5)를 열고, 가압된 작동유를 플런저(11)에 의해 감압함으로써 피스톤(7)이 동작하여 배기밸브(5)를 닫는 배기밸브 구동장치(1)이다. 배기밸브 구동장치(1)는 공급된 에어의 압축반력에 의해 배기밸브(5)를 닫는 방향으로 가압하는 에어스프링부(6)를 구비하고, 에어스프링부(6)에 공급하는 에어의 공급압력을 변경하는 에어컴프레셔(18)를 구비하고 있다.

Description

배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관{EXHAUST-VALVE DRIVE DEVICE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE PROVIDED WITH SAME}

본 발명은 캠에 의해 구동되는 기계식으로 된 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관에 관한 것이다.

예를 들어 저속 2스트로크 사이클 디젤기관으로 된 선박용 디젤기관(내연기관)은 유압기구를 이용하여 배기밸브를 구동하고 있다. 이 유압기구의 유압제어에 전자기밸브를 이용하는 전자제어방식의 엔진에서는 운전부하에 따라 배기밸브의 개폐 타이밍이 최적이 되도록 제어되어 있다. 한편 기계식의 엔진은 캠구동의 플런저에 의해 발생된 유압의 압력변화에 따라 배기밸브 액추에이터를 동작시키는 캠유압 구동방식이므로, 배기밸브의 개폐 타이밍은 캠프로파일에 의존하게 되기 때문에 운전 중에 변경하는 것이 어렵다.

이것을 해결하기 위하여, 특허문헌1에서는 배기밸브를 구동하는 배기밸브 액추에이터에 작동유를 공급하는 유압관에서 버퍼탱크에 작동유를 빼냄으로써, 배기밸브 액추에이터로 인도되는 작동유의 유량을 감소시키는 구성이 채용되어 있다. 이것에 의해 캠프로파일에 의해 정해진 배기밸브의 열림 타이밍을 늦추고, 또한 닫힘 타이밍를 앞당기도록 되어 있다.

또한 특허문헌 2에서는 배기밸브를 구동하는 배기밸브 액추에이터에 작동유를 공급하는 작동유관에 대하여, 따로 설치된 가압작동유원에서 고압의 작동유를 공급하는 구성이 채용되어 있다. 구체적으로는 전자제어 유압밸브를 전환함으로써, 가압작동유원으로부터의 작동유를 작동유관으로 추가공급하고, 캠프로파일에 의해 정해진 타이밍보다도 배기밸브를 빠르게 열도록 되어 있다. 또한 캠의 작동기간 중에 작동유를 추가공급함으로써, 캠프로파일에 의해 정해지는 타이밍보다도 배기밸브를 늦게 폐쇄하도록 되어 있다.

특허문헌 1: 일본특허공개 제 H6-288210호 공보 특허문헌 2: 일본특허공개 제2010-106843호 공보

상기 특허문헌 1 및 2와 같이, 배기밸브 액추에이터에 작동유를 공급하는 유압관에 대하여, 작동유를 빼거나 추가공급하여 유압관 내의 작동유를 직접제어하는 것은 여러 가지로 검토되고 있다. 그러나 본 발명자들은 유압관 내의 작동유를 직접제어하지 않고 배기밸브의 개폐 타이밍을 변경할 수 있는 대체수단에 대한 검토에 착안했다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 유압관 내의 작동유를 직접 제어하지 않고 배기밸브의 개폐 타이밍을 조정할 수 있는 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관을 제공한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관은 이하의 수단을 채용한다.

본 발명의 제1 형태는 내연기관의 배기밸브를 동작시키는 액추에이터와, 해당 액추에이터에 작동유를 공급하는 유압경로와, 해당 유압경로에 접속된 플런저와, 해당 플런저를 수용하는 실린더와, 상기 플런저를 왕복운동시키는 캠과, 공급된 유체에 의해 상기 배기밸브를 닫는 방향으로 누르는 가압수단을 구비하고, 상기 플런저에 의해 가압된 상기 작동유에 의해 상기 액추에이터가 동작하여 상기 배기밸브를 여는 배기밸브 구동장치로서, 상기 가압수단에 공급하는 상기 압축성 유체의 공급압력을 변경하는 압력변경수단을 구비한 배기밸브 구동장치이다.

캠에 의해 플런저를 동작시키는 기계식의 배기밸브 구동장치로 되어 있다. 즉, 캠의 동작에 의해 구동된 플런저의 왕복운동에 따라 배기밸브가 개폐된다.

이 구성에 의하면 유체의 공급압력을 변경하는 압력변경수단에 의해 가압력을 조정함으로써, 배기밸브의 개폐 타이밍을 변경할 수 있다.

예를 들어, 유체의 공급압력을 올려 가압력을 증대하면, 플런저가 작동유를 가압하여 배기밸브를 여는 행정에서는 가압력이 반력으로서 작용하고, 배기밸브의 열리는 타이밍을 늦출 수 있다. 한편 가압 후의 작동유를 플런저가 감압하여 배기밸브를 닫는 행정에서는 가압력에 의해 힘에 가해지므로, 배기밸브의 닫히는 타이밍을 앞당길 수 있다.

또한 유체로서는 공기나 질소 등의 압축성 유체를 이용하고, 압축성 유체의 압축반력을 이용하는 것이 바람직하다.

또한 가압수단은 전형적으로 배기밸브의 밸브축을 누르는 구성이 채용되는데, 배기밸브의 밸브축에 접속된 액추에이터를 누르는 구성으로 되어 있어도 된다.

상기 본 발명의 배기밸브 구동장치에 있어서, 상기 압력변경수단은 상기 내연기관의 부하가 저하함에 따라 상기 유체의 공급압력을 상승시키는 구성이어도 된다.

유체의 공급압력을 높아지도록 제어하면 가압력이 커지므로, 배기밸브가 닫히는 타이밍이 빨라진다. 배기밸브가 닫히는 타이밍이 빨라질수록 배기밸브가 폐쇄되었을 때에 연소실 내에 밀폐되는 공기량이 많아지므로, 압축되는 새로운 공기가 많아지고 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 따라서 내연기관의 부하가 낮아짐에 따라 공급압력이 높아지도록 제어함으로써, 저부하여도 내연기관의 연소개선이 행해져 연료소모율이 개선된다.

또한 유체의 공급압력을 상승시키도록 제어하고 배기밸브가 열리는 타이밍을 늦추면, 연소가스와 새로운 공기와의 가스 교환을 실린더 내에서 행하는 시간이 짧아질 우려가 있으나, 부하가 낮아진 부분부하상태에서는 내연기관의 회전수가 낮으므로 가스교환을 위한 시간을 충분히 가질 수 있다. 또한 배기밸브의 열림 타이밍을 늦춤으로써, 열림 타이밍을 늦춘 시간만큼 연소 후의 실린더 내 압력을 저하시키지 않고 유지할 수 있으므로, 이 연소 후의 실린더 내 압력으로 유지된 실린더 내 가스로부터 축회전력을 보다 많이 추출할 수 있어 연료소모율이 한층 더 개선된다.

본 발명의 제2 형태는 내연기관의 배기밸브를 동작시키는 액추에이터와, 해당 액추에이터에 작동유를 공급하는 유압경로와, 해당 유압경로에 접속된 플런저와, 해당 플런저를 수용하는 실린더와, 상기 플런저를 왕복운동시키는 캠과, 공급된 유체에 의해 상기 배기밸브를 닫는 방향으로 누르는 가압수단을 구비하고, 상기 플런저에 의해 가압된 상기 작동유에 의해 상기 액추에이터가 동작하여 상기 배기밸브를 여는 배기밸브 구동장치로서, 상기 가압수단은 상기 유체에서 압력을 받아 상기 배기밸브로 가압력을 전하는 수압(受壓)부재와, 해당 수압부재의 수압면적을 변경 가능하게 하는 수압면적 변경수단을 구비한 배기밸브 구동장치이다.

이 구성에 의하면 가압수단의 수압부재의 수압면적이 변경 가능하도록 가압력을 조정함으로써, 배기밸브의 개폐 타이밍을 변경할 수 있다.

예를 들어, 수압면적을 크게 하여 압축반력을 증대하면, 플런저가 작동유를 가압하여 배기밸브를 여는 행정에서는 유체에 의한 가압력이 반력으로서 작용하고, 배기밸브의 열리는 타이밍을 늦출 수 있다. 한편 가압 후의 작동유를 플런저가 감압하여 배기밸브를 닫는 행정에서는 유체에 의한 가압력에 의해 힘에 가해지므로, 배기밸브의 닫히는 타이밍을 앞당길 수 있다.

상기 본 발명의 배기밸브 구동장치에 있어서, 상기 수압면적 변경수단은 상기 내연기관의 부하가 저하함에 따라 상기 수압면적을 상승시키는 구성이어도 된다.

수압면적이 커지도록 제어하면 유체에 의한 가압력이 커지므로, 배기밸브가 닫히는 타이밍이 빨라진다. 배기밸브가 닫히는 타이밍이 빨라질수록 배기밸브가 폐쇄되었을 때에 연소실 내에 밀폐되는 공기량이 많아지므로, 압축되는 새로운 공기가 많아지고 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 따라서 내연기관의 부하가 낮아짐에 따라 공급압력이 높아지도록 제어함으로써, 저부하여도 내연기관의 연소개선이 행해져 연료소모율이 개선된다.

또한 수압면적이 커지도록 제어하고 배기밸브가 열리는 타이밍을 늦추면, 연소가스와 새로운 공기와의 가스 교환을 실린더 내에서 행하는 시간이 짧아질 우려가 있으나, 부하가 낮아진 부분부하상태에서는 내연기관의 회전수가 낮으므로 가스교환을 위한 시간을 충분히 가질 수 있다. 또한 배기밸브의 열림 타이밍을 늦춤으로써, 열림 타이밍을 늦춘 시간만큼 연소 후의 실린더 내 압력을 저하시키지 않고 유지할 수 있으므로, 이 연소 후의 실린더 내 압력으로 유지된 실린더 내 가스로부터 축회전력을 보다 많이 추출할 수 있어 연료소모율이 한층 더 개선된다.

상기 본 발명의 배기밸브 구동장치에 있어서, 상기 가압수단은 상기 수압부재를 여러 개 갖고, 상기 수압면적 변경수단은 상기 배기밸브에 가압력을 전하는 수압부재의 개수를 변경하는 구성이어도 된다.

배기밸브에 압축반력을 부여하는 수압부재의 개수를 변경함으로써 수압면적을 변경할 수 있다. 이것에 의해 배기밸브의 개폐 타이밍을 임의로 변경할 수 있다.

또한 본 발명의 제3의 형태는 상기 중 어느 하나에 기재된 배기밸브 구동장치와, 해당 배기밸브 구동장치에 의해 구동되는 상기 배기밸브와, 해당 배기밸브를 수용하는 연소실을 구비한 내연기관이다.

상기 중 어느 하나의 배기밸브 구동장치를 구비하고 있으므로, 간편한 구성으로 배기밸브 동작을 조정 가능한 내연기관을 제공할 수 있다.

압축성 유체의 압축반력에 의해 배기밸브를 닫는 방향으로 누르는 가압수단의 가압력을 변경함으로써, 유압관 내의 작동유를 직접제어하지 않고 배기밸브의 개폐 타이밍을 변경할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치를 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 배기밸브 구동장치를 이용했을 경우의 작동유의 압력 변화 및 배기밸브 리프트의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치를 나타낸 개략 구성도이다.
도 4는 도 3의 배기밸브 구동장치의 전자제어 유압밸브를 전환한 상태를 나타낸 개략 구성도이다.
도 5는 도 3의 배기밸브 구동장치를 이용했을 경우의 작동유의 압력 변화 및 배기밸브 리프트의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

(제1 실시형태)

도 1에는 제1 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치(1)를 나타내고 있다. 배기밸브 구동장치(1)는 선박 주기용 디젤엔진(내연기관)에 설치되어 있다. 선박 주기용 디젤엔진(이하, '디젤엔진'이라고 함)은 예를 들어, 저속 2스트로크 사이클 기관으로 되어 있고, 하방에서 공기를 공급하여 상방으로 배기하도록 일방향으로 소기(掃氣)되는 유니플로형이 채용되어 있다. 디젤엔진으로부터의 출력은 도시하지 않은 프로펠러축을 개재하여 스크루 프로펠러에 직접적 또는 간접적으로 접속되어 있다.

배기밸브 구동장치(1)는 도 1에 나타내고 있는 바와 같이, 실린더커버(3)에 형성된 배기유로를 개폐하는 배기밸브(5)와, 배기밸브(5)를 구동하는 피스톤(액추에이터)(7)과, 에어스프링부(가압수단)(6)와, 피스톤(7)에 작동유를 공급하는 유압경로(9)와, 유압경로(9)에 접속된 플런저(11)와, 플런저(11)를 왕복운동시키는 캠(13)을 구비하고 있다.

피스톤(7)은 상하방향으로 연재하는 배기밸브(5)의 축부(5a)에 접속되어 있고, 제1 실린더(15) 내를 상하방향으로 왕복운동하도록 되어 있다. 제1 실린더(15)와 피스톤(7)에 의해 형성된 유압실(17)에는 유압경로(9)의 일단(9a)이 접속되어 있다.

에어스프링부(6)는 공기(압축성 유체)가 저류되는 에어실린더(8)와 에어피스톤(10)을 구비하고 있다. 에어실린더(8)에는 에어공급유로(12)가 접속되어 있다. 공기공급경로(12)에는 체크밸브(14)가 설치되어 있고, 그 상류 측에는 버퍼탱크(16) 및 에어컴프레셔(압력변경수단)(18)가 설치되어 있다. 에어컴프레셔(18)에 의해 가압된 공기가 버퍼탱크(16) 내의 축적되도록 되어 있고, 버퍼탱크(16) 내의 공기가 체크밸브(14)를 개재하여 에어실린더(8) 내에 공급된다. 에어실린더(8) 내의 공기압력은 버퍼탱크(16) 내의 압력에 의해 결정되고, 버퍼탱크(16) 내의 압력은 도시하지 않은 제어부에 의해 제어되는 에어컴프레셔(18)에 의해 결정된다. 에어실린더(8) 내에 저류된 공기는 체크밸브(14)에 의해 버퍼탱크(16) 측으로 역류하지 않도록 되어 있다. 이 체크밸브(14)에 의해 에어실린더(8)가 닫은 공간이 되고, 공기의 압축성을 이용한 에어스프링(공기용수철)이 구성된다.

에어피스톤(10)은 직접적 또는 간접적으로 배기밸브(5)의 축부(5a)에 고정되어 있고, 에어피스톤(10)에 가하는 공기압력이 배기밸브(5)에 작용하도록 되어 있다. 이것에 의해 배기밸브(5)는 도 1에 따른 상방 즉, 제1 실린더(15)방향으로 눌러진다.

유압경로(9)에는 제1 분기점(9b)에서 분기된 오리피스용 경로(19)가 접속되어 있다. 오리피스용 경로(19)에는 고정 스로틀이 된 오리피스(21)가 설치되어 있다.

유압경로(9) 내의 압력이 소정값 이상이 되었을 경우에, 오리피스(21)에서 소정량의 작동유가 유압경로(9)의 외부로 배출되도록 되어 있다. 이것에 의해 플런저(11)에 의한 가압 시에 소정량의 작동유를 유압경로(9) 밖으로 배출하고, 플런저(11)에 의한 감압 시에 유압경로(9)에 잔존하는 유량을 적게 해둠으로써, 피스톤(7)과 배기밸브(5)는 가압 시와 비교하여 상방(배기밸브 폐지(閉止)방향)으로 보지된다. 그리고 플런저(11)를 눌러서 작동유를 흡입할 시에는 가압 때와 같은 양의 유량을 흡입하게 되므로, 피스톤(7)은 플런저(11)에 의한 감압의 완료보다 전에 확실하게 상방으로 흡입하여 배기밸브(5)가 안정적으로 닫히도록 되어 있다.

유압경로(9)에는 제2 분기점(9c)에서 분기된 저압작동유 공급경로(23)가 접속되어 있다. 저압작동유 공급경로(23)에는 배기밸브(5)를 개폐할 시에 이용하는 베이스가 되는 유압이 도시하지 않은 저압작동유원에서 공급되도록 되어 있다. 저압작동유 공급경로(23)에는 체크밸브(25)가 설치되어 있고, 유압경로(9) 내의 유압이 소정치 이하가 된 경우에 저압 작동유 공급경로(23)에서 부족 분량의 작동유가 공급되도록 되어 있다. 이것에 의해 베이스가 되는 유압, 구체적으로는 도 2(b)에 나타낸 최저 작동유압인 베이스압력이 유지된다. 한편, 체크밸브(25)는 유압경로(9) 내의 압력이 소정값 이상인 경우에는 닫힌 상태 그대로가 된다. 즉, 플런저(11)에 의한 가압행정 시에는 체크밸브(25)는 닫힌다.

플런저(11)는 제2 실린더(27) 내를 상하방향으로 왕복운동하도록 되어 있다. 제2 실린더(27)와 플런저(11)에 의해 형성된 가압실(가압공간)(29)에는 유압경로(9)의 타단(9d)이 접속되어 있다.

플런저(11)의 하부에는 접속축(35)이 설치되어 있고, 이 접속축(35)의 하단에는 캠롤러(37)가 설치되어 있다. 캠롤러(37)는 하방의 캠(13)의 외주면 즉, 프로파일 위를 롤링하도록 되어 있다.

캠(13)은 캠축(39)에 고정되어 있고, 캠축(39)과 함께 회전한다. 캠축(39)은 디젤엔진의 크랭크 축과 동기하여 회전하도록 되어 있다.

이어서 상기 구성의 배기밸브 구동장치(1)의 동작에 대하여 도 2를 이용하여 설명한다.

우선 에어실린더(8)에 저류되는 공기압력이 상대적으로 낮은 경우에 대하여 설명하고, 이어서 공기압력이 상대적으로 높은 경우에 대하여 설명한다.

<공기압력; 저>

에어실린더(8) 내의 공기압력이 상대적으로 낮은 경우는 주로 디젤엔진의 부하가 고부하인 경우에 이용된다. 에어실린더(8) 내의 압력은 도시하지 않은 제어부에 의해 제어되는 에어컴프레셔(18)에 의해 결정된다.

도 2에는 (a)에 캠(13)의 리프트양, (b)에 유압경로(9)에 따른 작동유압, (c)에 에어실린더(8) 내의 압력인 에어스프링압, (d)에 배기밸브(5)의 리프트양이 나타나 있다. 도 2에서 공기압력이 상대적으로 낮은 경우는 실선으로 나타나 있다.

시각 t0에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 증대하여 플런저(11)가 밀려올라가기 시작하면, 가압실(29) 즉, 유압경로(9)의 작동유압이 상승하기 시작한다. 시각 t1에서 캠 리프트양이 최대값에 도달하고, 플런저(11)가 상사점까지 밀려올라가 작동유압이 최대값에 도달하면, 시각 t2에서 피스톤(7) 측의 유압실(17)에 따른 유압이 작용하고, 에어스프링부(6)의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여 피스톤(7)을 밀어내린다. 이것에 의해 배기밸브 리프트양이 증대하여 배기밸브(5)가 열린다. 이때 피스톤(7)이 밀려내려감에 따라, 작동유가 유압실(17)로 흡입되어가기 때문에 작동유압은 급격히 감소한다. 또한 배기밸브 리프트양이 증대하면, 에어피스톤(10)이 하방으로 이동하여 에어실린더(8) 내의 용적을 감소시킴에 따라, 에어스프링압이 상승한다. 배기밸브 리프트양은 시각 t3에서 최대값에 도달한 후, 소정 기간 그대로의 리프트양을 유지한다.

그리고 캠(13)의 프로파일에 따라 플런저(11)가 상사점으로 유지되어 있는 시각 t5까지의 기간은 배기밸브 리프트양도 최대로 유지되어 있고, 배기밸브(5)는 열린 그대로가 된다.

시각 t5에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 감소하여 플런저(11)가 하강하기 시작하면, 작동유압이 저하하기 시작한다. 작동유압이 소정값을 밑돌면 에어스프링부(6)의 가압력 및 실린더 내 압력이 상회하여, 시각 t6에서 피스톤(7)이 상방으로 밀려올라감으로써, 배기밸브 리프트양이 감소하기 시작한다. 배기밸브 리프트양이 감소하기 시작하면, 에어피스톤(10)이 상방으로 이동하여 에어실린더(8) 내의 용적을 증대시킴에 따라, 에어스프링압이 저하한다.

캠 리프트양이 최소값에 도달하여 플런저(11)가 하사점까지 내려지면, 배기밸브(5)가 시각 t7에서 모두 닫힌다.

<공기압력; 고>

이어서 디젤엔진의 부하가 감소하고, 저부하 측이 된 경우에는 도시하지 않은 제어부로부터의 지시에 따라 에어컴프레셔(18)의 토출압력을 증대시켜, 에어실린더(8) 내의 공기압력을 상승시킨다. 도 2(c)에 파선으로 나타낸 바와 같이, 에어스프링 압력이 상승하고 있다는 것을 알 수 있다.

시각 t0에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 증대하여 플런저(11)가 밀려올라가기 시작하면, 유압실(29) 즉, 유압경로(9)의 작동유압이 상승하기 시작한다. 시각 t1에서 캠 리프트 양이 최대값에 도달하고 플런저(11)가 상사점까지 밀려올라가 작동유압이 최대값에 도달한다. 그리고 시각 t2보다도 늦은 시각 t2'에서 피스톤(7) 측의 유압실(17)에 따른 유압이 작동하고, 에어스프링부(6)의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여 피스톤(7)을 밀어내린다. 이것에 의해 배기밸브 리프트양이 증대하여 배기밸브(5)가 열린다. 이와 같이 에어실린더(8) 내의 공기압력이 상대적으로 높은 경우는 상대적으로 낮은 경우에 비해 배기밸브(5)가 열리는 시각이 늦어진다. 이것은 에어실린더(8) 내의 공기압력을 올려 에어스프링에 의한 압축반력을 증대시키고, 플런저(11)가 작동유를 가압하여 배기밸브(5)를 여는 행정에서는 증대된 압축반력에 의한 가압력이 보다 큰 반력으로서 작용하기 때문이다. 이것은 도 2(c)에 나타내고 있는 바와 같이, 에어스프링압이 실선(공기압저)에 비해 파선(공기압대) 쪽이 큰 것으로부터도 이해 가능하다. 배기밸브 리프트양은 시각 t3'에서 최대값에 도달한 후, 소정 기간 그대로의 리프트양을 유지한다.

그리고 시각 t5에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 감소하여 플런저(11)가 하강하기 시작하면, 작동유압이 저하하기 시작한다. 이때 에어실린더(8) 내의 공기압력이 상대적으로 높아져 있으므로(도 2(c)의 파선 참조), 증대된 에어스프링압의 압축반력에 의한 가압력이 배기밸브(5)를 닫는 방향으로 힘이 가해진다. 이것에 의해 배기밸브 리프트양은 시각 t6'에서 시각 t6보다도 빠르게 감소하기 시작하고, 그 결과로서 시각 t7'에서 시각 t7보다도 빠르게 배기밸브(5)는 모두 닫힌다.

이와 같이 도 2(d)의 배기밸브 리프트의 변화를 참조하면 알 수 있는 바, 에어실린더(8) 내의 공기압력을 증대함으로써 배기밸브(5)의 열리는 타이밍을 늦추고, 또한 배기밸브(5)의 닫히는 타이밍을 앞당길 수 있다. 또한 도시하지 않은 제어부로부터의 지령에 의해, 공기압력의 증대량을 적절하게 조정함으로써, 배기밸브(5)의 개폐 타이밍을 조정할 수 있다.

본 실시형태의 배기밸브 구동장치(1)에 의하면 이하의 작용효과를 볼 수 있다.

에어실린더(8) 내에 공급되는 공기의 압력을 변경함으로써, 에어스프링의 압축반력을 변경하여 가압력을 조정함으로써, 배기밸브(5)의 개폐 타이밍을 변경할 수 있다. 구체적으로는, 에어스프링 압력을 올려 압축반력을 증대시키고, 플런저(11)가 작동유를 가압하여 배기밸브를 여는 행정에서는 증대된 압축반력에 의한 가압력을 반력으로서 작용시켜, 배기밸브(5)의 열리는 타이밍을 늦출 수 있다. 한편 가압 후의 작동유를 플런저(11)가 감압하여 배기밸브(5)를 닫는 행정에서는 증대된 압축반력에 의한 가압력에 의해 힘을 가함으로써, 배기밸브(5)의 닫히는 타이밍을 앞당길 수 있다.

에어스프링압이 커지도록 제어하면 압축반력에 의한 가압력이 커지므로, 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 빨라진다. 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 빨라질수록 배기밸브가 폐쇄됐을 때에 연소실 내에 밀폐되는 공기량이 많아지므로, 압축되는 새로운 공기가 많아지고 디젤엔진의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 따라서 디젤엔진의 부하가 낮아짐에 따라 에어스프링압이 높아지도록 제어함으로써, 저부하여도 디젤엔진의 연소개선이 행해져 연료소모율을 개선할 수 있다.

또한 에어스프링압을 높아지도록 제어하고 배기밸브(5)가 열리는 타이밍을 늦추면, 연소가스와 새로운 공기와의 가스 교환을 실린더 내에서 행하는 시간이 짧아질 우려가 있으나, 부하가 낮아진 부분부하상태에서는 디젤엔진의 회전수가 낮으므로 가스교환을 위한 시간을 충분히 가질 수 있다. 또한 배기밸브(5)의 열림 타이밍을 늦춤으로써, 열림 타이밍을 늦춘 시간만큼 연소 후의 실린더 내 압력을 저하시키지 않고 유지할 수 있으므로, 이 연소 후의 실린더 내 압력으로 유지된 실린더 내 가스로부터 축회전력을 보다 많이 추출할 수 있어 연료소모율을 한층 더 개선할 수 있다.

(제2 실시형태)

이어서 본 발명의 제2 실시형태에 대하여 도 3 내지 도 5를 이용하여 설명한다.

본 실시형태는 제1 실시형태가 에어스프링압을 변경하는 것임에 반하여, 에어스프링압이 작용하는 에어피스톤의 수압면적을 변경하는 점에서 상이하다. 그 이외의 구성으로서 공통되는 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

도 3에 나타내고 있는 바와 같이, 에어스프링부(6')는 주 에어실린더(8a)와 부에어실린더(8b)를 구비하고 있다. 주에어실린더(8a)에는 주에어피스톤(수압부재)(10a)이 삽입되고, 부에어실린더(8b)에는 부에어피스톤(수압부재)(10b)이 삽입되어 있다. 주에어피스톤(10a)과 부에어피스톤(10b)이란 접속부재(40)에 의해 서로 고정되어 있고, 주에어피스톤(10a)에 가하는 힘만이 아니라 부에어피스톤(10b)에 가해지는 힘도 배기밸브(5)의 축부(5a)에 전달되도록 되어 있다. 즉, 주에어실린더(8a) 및 주에어피스톤(10a)으로 구성되는 주에어스프링과, 부에어실린더(8b) 및 부에어피스톤(10b)으로 구성되는 부에어스프링의 두 개의 에어스프링이 구성되어 있으며, 어느 에어스프링도 배기밸브(5)에 대하여 작용하도록 되어 있다.

주에어실린더(8a)에는 제1 실시형태와 동일하게 체크밸브(14)를 개재하여 에어공급유로(12)가 접속되어 있다. 또한 주에어실린더(8a)에는 전자기밸브(수압면적 변경수단)(42)에 접속되는 제1 연통경로(44)가 접속되어 있다. 전자기밸브(42)와 부에어실린더(8b) 사이에는 제2 연통통로(46)가 접속되어 있다. 또한 전자기밸브(42)에는 체크밸브(14)보다도 상류 측(버퍼탱크(16) 측)의 에어공급경로(12)에 접속된 제3 연통경로(48)가 접속되어 있다.

전자기밸브(42)는 유로를 전환하기 위한 전환밸브로서, 도시하지 않은 제어부에 의해 제어된다. 구체적으로 전자기밸브(42)는, 도 3에 나타낸 상태에서는 제1 연통경로(44)와 제2 연통경로(46)를 접속함으로써 주에어실린더(8a)와 부에어실린더(8b)를 접속하고, 또한 제2 연통경로(46)와 제3 연통경로(48)를 차단하며, 부에어실린더(8b)와 에어공급경로(12)를 비접속으로 한다. 이것에 의해 주에어실린더(8a) 및 부에어실린더(8b)가 체크밸브(14)에 의해 닫혀진 공간이 되고, 주피스톤(10a) 및 부피스톤(10b)의 수압면이 수압면적이 되는 에어스프링이 구성되어, 대수압면적 상태가 형성된다.

한편 전자기밸브(42)는, 도 4에 나타낸 상태에서는 제1 연통경로(44)와 제2 연통경로(46)를 차단함으로써 주에어실린더(8a)와 부에어실린더(8b)를 비접속으로 하고, 또한 제2 연통경로(46)와 제3 연통경로(48)를 접속함으로써, 부에어실린더(8b)와 에어공급경로(12)를 접속한다. 이것에 의해 체크밸브(14)에 의해 닫혀진 공간은 주에어실린더(8a)만이 되고, 주피스톤(10a)의 수압면만이 수압면적이 되는 에어스프링이 구성되어, 소수압면적 상태가 형성된다. 부에어실린더(8b)에 대해서는 체크밸브(14)의 상류 측의 에어공급경로(12)에 연통되어 있고, 에어스프링으로서 기능하는 닫힘 공간을 형성하지 않으므로, 에어스프링으로서 작용하는 일은 없다.

이와 같이 도시하지 않은 제어부에 의해 전자기밸브(42)를 전환함으로써, 도 3에 나타낸 대수압면적상태로서 큰 압축반력이 얻어지는 에어스프링을 구성하고, 또한 도 4에 나타낸 소수압면적 상태로서 작은 압축반력이 얻어지는 에어스프링을 구성한다.

이어서 상기 구성의 배기밸브 구동장치(1')의 동작에 대하여 도 5를 이용하여 설명한다.

먼저 에어스프링부(6')의 수압면적이 상대적으로 작은 경우 즉, 전자기밸브(42)가 도 4의 상태로 되어 있는 경우에 대해서 설명하고, 이어서 수압면적이 상대적으로 큰 경우 즉, 전자기밸브(42)가 도 3의 상태로 되어 있는 경우에 대해서 설명한다.

<수압면적; 소>

에어스프링부(6')의 수압면적이 상대적으로 작은 경우는 주로 디젤엔진의 부하가 고부하인 경우에 이용된다. 이 경우 전자기밸브(42)는 도 4의 상태가 되고, 주에어실린더(8a)와 부에어실린더(8b)가 비접속이 되고, 주에어피스톤(10a)의 수압면만이 에어스프링의 수압면적이 되어 있다. 이것에 의해 배기밸브(5)에 작용하는 힘은 상대적으로 작아져 있다.

도 5에는 도 2와 동일하게, (a)에 캠(13)의 리프트양, (b)에 유압경로(9)에 따른 작동유압, (c)에 에어실린더(8) 내의 압력인 에어스프링압, (d)에 배기밸브(5)의 리프트양이 나타나 있다. 도 5에서 수압면적이 상대적으로 작은 경우는 실선으로 나타나 있다.

시각 t0에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 증대하여 플런저(11)가 밀려올라가기 시작하면, 가압실(29) 즉, 유압경로(9)의 작동유압이 상승하기 시작한다. 시각 t1에서 캠 리프트양이 최대값에 도달하고, 플런저(11)가 상사점까지 밀려올라가 작동유압이 최대값에 도달하면, 시각 t2에서 피스톤(7) 측의 유압실(17)에 따른 유압이 작용하고, 에어스프링부(6')의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여 피스톤(7)을 밀어내린다. 이것에 의해 배기밸브 리프트양이 증대하여 배기밸브(5)가 열린다. 이때 피스톤(7)이 밀려내려감에 따라, 작동유가 유압실(17)로 흡입되기 때문에 작동유압은 급격히 감소한다. 또한 배기밸브 리프트양이 증대하면, 주에어피스톤(10a)이 하방으로 이동하여 에어실린더(8a) 내의 용적을 감소시킴에 따라, 에어스프링압이 상승한다. 한편 부에어실린더(8b)에 대해서는 도 5(c)에 일점쇄선으로 나타내고 있는 바와 같이, 부에어실린더(8b)가 에어공급경로(12)에 연통되어 있으므로, 부에어피스톤(10b)이 하방으로 이동하여 부에어실린더(8b) 내의 용적을 감소시켜도 에어스프링압은 상승하지 않는다. 배기밸브 리프트양은 시각 t3에서 최대값에 도달한 후, 소정 기간 그대로의 리프트양을 유지한다.

시각 t5에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 감소하여 플런저(11)가 하강하기 시작하면, 작동유압이 저하하기 시작한다. 작동유압이 소정값을 밑돌면 에어스프링부(6')의 가압력 및 실린더 내 압력이 상회하여, 시각 t6에서 피스톤(7)이 상방으로 밀려올라감으로써, 배기밸브 리프트양이 감소하기 시작한다. 배기밸브 리프트양이 감소하기 시작하면, 주에어피스톤(10a)이 상방으로 이동하여 주에어실린더(8) 내의 용적을 증대시킴에 따라, 에어스프링압이 저하한다. 이 경우 부에어실린더(8b)에 대해서는 부에어피스톤(10b)이 상방으로 이동하여 부에어실린더(8b) 내의 용적이 증대해도, 부에어피스톤(10b)은 에어공급경로(12)에 접속되어 있으므로, 에어스프링압은 일정한 그대로이다.

캠 리프트양이 최소값에 도달하여 플런저(11)가 하사점까지 떨어지면, 배기밸브(5)가 시각 t7에서 모두 닫히게 된다.

<수압면적; 대>

이어서 디젤엔진의 부하가 감소하고, 저부하 측이 된 경우에는 도시하지 않은 제어부로부터의 지시에 따라 전자기밸브(42)의 위치가 도 3에 나타낸 상태로 변경되고, 에어스프링부(6')의 수압면적을 증대시킨다. 구체적으로는 전자기밸브(42)에 의해, 주에어실린더(8a)와 부에어실린더(8b)가 접속되어, 주에어피스톤(10a) 및 부에어피스톤(10b)의 합계수압면이 에어스프링의 수압면적이 되어 있다. 이것에 의해 배기밸브(5)에 작용하는 힘은 상대적으로 커져 있다. 또한 에어스프링압은 에어컴프레셔(18)에 의해 정해지는 압력이므로, 상술한 <수압면적; 소>의 경우와 다르지 않으나, 수압면적이 커져 있기 때문에 배기밸브(5)에 작용하는 힘이 상대적으로 커진다.

시각 t0에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 증대하여 플런저(11)가 밀려올라가기 시작하면, 가압실(29) 즉, 유압경로(9)의 작동유압이 상승하기 시작한다. 시각 t1에서 캠 리프트양이 최대값에 도달하고 플런저(11)가 상사점까지 밀려올라가 작동유압이 최대값에 도달한다. 그리고 시각 t2보다도 늦은 시각 t2'에서 피스톤(7) 측의 유압실(17)에 따른 유압이 작동하고, 에어스프링부(6')의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여 피스톤(7)을 밀어내린다. 이것에 의해 배기밸브 리프트양이 증대하여 배기밸브(5)가 열린다. 이와 같이 에어스프링부(6')의 수압면적이 상대적으로 큰 경우는 수압면적이 상대적으로 작은 경우에 비해 배기밸브(5)가 열리는 시각이 늦어진다. 이것은 에어스프링부(6')의 수압면적을 크게 하여 에어스프링에 의한 압축반력을 증대시키고, 플런저(11)가 작동유를 가압하여 배기밸브(5)를 여는 행정에서는 증대된 압축반력에 의한 가압력이 보다 큰 반력으로서 작용하기 때문이다. 배기밸브 리프트양은 시각 t3'에서 최대값에 도달한 후, 소정 기간 그대로의 리프트양을 유지한다.

그리고 시각 t5에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠 리프트양이 감소하여 플런저(11)가 하강하기 시작하면, 작동유압이 저하하기 시작한다. 이때 에어스프링부(6')의 수압면적이 상대적으로 높아져 있으므로, 증대된 압축반력에 의한 가압력이 배기밸브(5)를 닫는 방향으로 힘을 가하게 된다. 이것에 의해 배기밸브 리프트양은 시각 t6'에서 시각 t6보다도 빠르게 감소하기 시작하고, 그 결과로서 시각 t7'에서 시각 t7보다도 빠르게 배기밸브(5)는 모두 닫히게 된다.

이와 같이 도 5(d)의 배기밸브 리프트의 변화를 참조하면 알 수 있는 바, 에어스프링부(6')의 수압면적을 크게함으로써 배기밸브(5)의 열리는 타이밍을 늦추고, 또한 배기밸브(5)의 닫히는 타이밍을 앞당길 수 있다.

본 실시형태의 배기밸브 구동장치(1')에 의하면 이하의 작용효과를 볼 수 있다.

에어스프링부(6')의 수압면적을 크게 하여 압축반력을 증대하면, 플런저(11)가 작동유를 가압하여 배기밸브(5)를 여는 행정에서는 압축반력에 의한 가압력이 반력으로서 작용하고, 배기밸브(5)의 열리는 타이밍을 늦출 수 있다. 한편 가압 후의 작동유를 플런저(11)가 감압하여 배기밸브(5)를 닫는 행정에서는 압축반력에 의한 가압력에 의해 힘이 가해지므로, 배기밸브(5)의 닫히는 타이밍을 앞당길 수 있다.

이와 같이 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 빨라질수록 디젤엔진의 연소공간에 새로운 공기를 주입하는 기간이 길어지므로, 압축되는 새로운 공기가 많아지고 디젤엔진의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 따라서 디젤엔진의 부하가 낮아짐에 따라 수압면적이 커지도록 제어함으로써, 저부하여도 디젤엔진의 연소개선이 행해져 연료소모율이 개선된다.

또한 수압면적이 커지도록 제어하고 배기밸브(5)가 열리는 타이밍을 늦추면, 연소가스와 새로운 공기와의 가스 교환을 실린더 내에서 행하는 시간이 짧아질 우려가 있으나, 부하가 낮아진 부분부하상태에서는 디젤엔진의 회전수가 적으므로 가스교환을 위한 시간을 충분히 가질 수 있다. 또한 배기밸브(5)의 열림 타이밍을 늦춤으로써, 열림 타이밍을 늦춘 시간만큼 연소 후의 실린더 내 압력을 저하시키지 않고 유지할 수 있으므로, 이 연소 후의 실린더 내 압력으로 유지된 실린더 내 가스로부터 축회전력을 보다 많이 추출할 수 있어 연료소모율이 한층 더 개선된다.

또한 배기밸브(5)에 압축반력을 부여하는 에어실린더 및 에어피스톤의 개수를 변경함으로써, 수압면적을 변경하는 것으로 하였으므로, 배기밸브(5)의 개폐 타이밍을 간편하게 변경할 수 있다. 또한 본 실시형태에서는 주에어실린더(8a) 및 주에어피스톤(10a)과, 부에어실린더(8b) 및 부에어피스톤(10b)과의 2조의 조합으로 하였으나, 이 조합의 개수를 3이상으로 하고 또한 임의로 배기밸브(5)의 개폐 타이밍을 변경하도록 해도 된다.

또한 상술한 각 실시형태의 배기밸브 구동장치(1), (1')는 디젤엔진의 실린더마다 설치되어도 되고, 혹은 피스톤(7), 제1 실린더(15), 캠(13) 및 플런저(11), 체크밸브(14)를 각 실린더에 설치한 후에 버퍼탱크(16)를 여러 개의 실린더에 대하여 공통화해도 된다.

또한 제1 실시형태와 제2 실시형태를 조합하여, 도 3에 나타낸 수압면적이 큰 상태로 제1 실시형태처럼 에어공급압력을 변화시켜도 되고, 도 4에 나타낸 수압면적이 작은 상태로 제1 실시형태처럼 에어공급압을 변화시켜도 된다.

또한 상기 각 실시형태에서는 압축성 유체의 일례로서 에어(공기)를 이용하여 설명하였는데 예를 들어, 질소 등의 다른 압축성 유체여도 된다.

1, 1' 배기밸브 구동장치
3 실린더커버
5 배기밸브
6, 6' 에어스프링부(가압수단)
7 피스톤
8 에어실린더
8a 주에어실린더
8b 부에어실린더
9 유압경로
10 에어피스톤
10a 주에어피스톤
10b 부에어피스톤
11 플런저
12 에어공급경로
13 캠
14 체크밸브
15 제1 실린더
16 버퍼탱크
17 유압실
18 에어컴프레셔(압력변경수단)
19 오리피스용 경로
21 오리피스
23 저압작동유 공급경로
25 체크밸브
27 제2 실린더
29 가압실
35 접속축
37 캠롤러
40 접속부재
42 전자기밸브(수압면적 변경수단)
44 제1 연통경로
46 제2 연통경로
48 제3 연통경로

Claims

내연기관의 배기밸브를 동작시키는 액추에이터와,
해당 액추에이터에 작동유를 공급하는 유압경로와,
해당 유압경로에 접속된 플런저와,
해당 플런저를 수용하는 실린더와,
상기 플런저를 왕복운동시키는 캠과,
공급된 유체에 의해 상기 배기밸브를 닫는 방향으로 누르는 가압수단을 구비하고,
상기 플런저에 의해 가압된 상기 작동유에 의해 상기 액추에이터가 동작하여 상기 배기밸브를 여는 배기밸브 구동장치로서,
상기 가압수단은 상기 유체에서 압력을 받아 상기 배기밸브에 가압력을 전하는 수압부재와,
해당 수압부재의 수압면적을 변경 가능하게 하는 수압면적 변경수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 수압면적 변경수단은 상기 내연기관의 부하가 저하함에 따라 상기 수압면적을 상승시키는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
제2항에 있어서,
상기 가압수단은 상기 수압부재를 여러 개 갖고,
상기 수압면적 변경수단은 상기 배기밸브에 가압력을 전하는 상기 수압부재의 개수를 변경하는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 배기밸브 구동장치와,
해당 배기밸브 구동장치에 의해 구동되는 상기 배기밸브와,
해당 배기밸브를 수용하는 연소실을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
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