KR101727872B1 - 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관 - Google Patents

Abstract

선박용 내연기관에 적합한 간소한 구성에 의해 배기밸브가 닫히는 타이밍을 변경할 수 있도록 하고, 내연기관의 특성을 운전상황에 적합시킨다. 배기밸브 구동장치(1)는 내연기관의 배기밸브(5)에 설치된 피스톤(7)과, 상기 피스톤(7)이 수용되는 실린더(9)와, 캠(35)으로 구동되어 실린더(9)에 소정의 밸브오픈 타이밍으로 간헐적으로 유압을 공급하고, 피스톤(7)을 압압하여 배기밸브(5)를 오픈시키는 유압공급장치(13)와, 배기밸브(5)를 닫는 방향으로 가압하는 공기스프링장치(15)와, 피스톤(7)의 상부면에 형성되어 피스톤(7)의 횡단면적보다도 작은 상부면적을 갖는 볼록부(7a)와, 실린더(9)의 천정면에 형성되어 피스톤(7)의 상승 시에 볼록부(7a)가 틈새를 개재하여 삽입되는 오목부(9a)와, 오목부(9a)의 깊이를 변경하는 액츄에이터(17)와, 액츄에이터(17)를 제어하는 제어장치(19)를 구비하고 있다.

Description

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

본 발명은 캠으로 구동되는 플런저에서 토출된 작동유의 유압에 의해, 배기밸브의 축단부에 설치된 피스톤을 압압하여 배기밸브를 열도록 한 유압 작동식의 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관에 관한 것이다.

이 종류의 배기밸브 구동장치는 유압을 조작함으로써, 내연기관의 운전부하에 따라 배기밸브의 개폐 타이밍이 최적이 되도록 제어 가능하다.

예를 들어, 선박용의 대형 저속 2스트로크 사이클 디젤기관에 있어서는, 고부하 운전 시에 배기밸브가 닫히는 타이밍을 늦춤으로써, 실린더 내 가스의 압축 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하여 내연기관의 내구성을 높이는 것이 가능하다. 또한 배기밸브가 닫히는 속도를 저하시켜 배기밸브가 밸브시트에 내던져지지 않도록 하고, 배기밸브나 밸브시트의 손상이나 마모 등을 억제하는 것이 가능하다.

이에 반해서 캠으로 직접 배기밸브를 구동하는 일반적인 기계식 배기밸브 구동장치에서는 배기밸브의 움직임이 캠의 프로파일에 의존하는 것이 되므로, 배기밸브의 개폐 타이밍을 변경하려면 프로파일이 상이한 여러 개의 캠을 설치하거나 레버비를 변경 가능한 로커 암을 개재시키는 등, 복잡한 구성을 필요로 한다. 따라서 해상에서의 고장을 피하고자 하는 선박용 내연기관의 배기밸브 구동장치로서는 바람직하지 않다.

특허문헌 1에는 상기한 바와 같이 배기밸브가 닫혀지는 타이밍을 늦추도록 한 유압 작동식의 배기밸브 구동장치가 개재되어 있다. 동문헌의 도 1에 나타낸 바와 같이 배기밸브(5)의 축단부에 설치되어 배기밸브(5)를 개폐방향으로 압압하는 피스톤(10)이 대경부와 소경부를 구비한 2단 피스톤이며, 이 피스톤(10)이 슬라이드하는 실린더(4)도 대경보어와 소경보어를 구비한 2단 통형상이다.

캠으로 구동되는 유압펌프에서 압송되는 작동유는 유로(11)를 거쳐 실린더(4)의 소경보어에 공급되어, 그 유압에 의해 피스톤(10)이 밀려 내려가 배기밸브(5)가 열린다. 또한 배기밸브(5)가 닫혀질 때는, 피스톤(10)의 소경부가 실린더(4)의 소경보어에 돌입할 때까지는 빠른 속도로 배기밸브(5)가 닫혀가고, 피스톤(10)의 소경부가 실린더(4)의 소경보어 내에 돌입하기 시작하면, 피스톤(10)의 소경부와 실린더(4)의 대경부 사이에 봉입된 동유가 실린더(4)와 피스톤(10) 사이의 틈새를 통하여 실린더(4)의 소경부에 흘러들려 하고, 이때의 유동저항에 의해 피스톤(10)의 움직임에 완충작용이 일어나 배기밸브(5)의 닫는 속도가 저하한다. 따라서 배기밸브(5)는 비교적 느린 속도로 착좌하고, 밸브시트와의 충돌에 의한 충격으로부터 보호한다.

특허문헌 1: 일본특허공개 H1-244111호 공보

그러나 특허문헌 1에 기재된 배기밸브 구동장치에서는 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 지연하는 정도가 일정하고, 예를 들어 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍을 늦춰지지 않도록 하거나 보다 늦추는 것이 불가능했다. 따라서 내연기관의 특성을 변화시켜 각 종류의 운전상황에 적합시키기 어려웠다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 선박용 내연기관에 적합한 간소한 구성에 의해 배기밸브가 닫히는 타이밍을 변경할 수 있도록 하고, 내연기관의 특성을 운전상황에 적합시킬 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 배기밸브에 설치된 피스톤과, 상기 피스톤이 수용되는 실린더와, 캠으로 구동되어 상기 실린더에 소정의 밸브오픈타이밍으로 간헐적으로 유압을 공급하고, 상기 피스톤을 압압하여 상기 배기밸브를 오픈시키는 유압공급수단과, 상기 배기밸브를 닫는 방향으로 가압하는 클로즈밸브 가압수단과, 상기 피스톤의 상부면(top surface)에 형성되어 해당 피스톤의 횡단면적보다도 작은 상부면적을 갖는 볼록부와, 상기 실린더의 천정면에 형성되어 상기 피스톤의 상승 시에 상기 볼록부가 틈새를 개재하여 삽입되는 오목부와, 상기 오목부의 깊이를 변경하는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터를 제어하는 제어수단을 구비하여 이루어지는 배기밸브 구동장치이다.

상기 구성에 의하면 유압공급수단이 캠으로 구동되면, 소정의 밸브 오픈 타이밍으로 실린더에 유압이 공급되고, 이것에 의해 실린더 내부의 피스톤이 압압되어 배기밸브가 열린다. 또한 실린더에의 유압이 저하하면, 클로즈밸브 가압수단의 가압력에 의해 배기밸브가 닫힌다.

배기밸브가 닫힐 때에는, 배기밸브와 일체로 움직이는 피스톤이 실린더의 속으로 이동하고, 피스톤의 상부면에 형성된 볼록부가 실린더의 천정면에 형성된 오목부에 삽입될 때까지는 빠른 속도로 배기밸브가 닫혀간다. 그리고 피스톤의 볼록부가 실린더의 오목부에 돌입하기 시작하면, 볼록부와 실린더 사이에 봉입된 작동유가 볼록부와 오목부 사이의 좁은 틈새를 통하여 실린더 밖으로 유출하려고 하고, 이때의 커다란 유동저항에 의해 피스톤의 움직임에 완충작용이 일어나 배기밸브의 닫는 속도가 저하한다. 따라서 배기밸브는 비교적 느린 속도로 착좌하고, 밸브시트와의 충돌에 의한 충격으로부터 보호된다.

실린더의 오목부는 액츄에이터 및 제어수단에 의해 깊이를 변경할 수 있다. 오목부의 깊이가 작으면 볼록부와 실린더 사이에 봉입되는 작동유의 양이 적어지므로, 피스톤의 완충작용이 적어지게 되고, 배기밸브는 캠의 프로파일에 의해 정해진 밸브클로즈 타이밍에 가까운 비교적 빠른 타이밍으로 닫는다.

또한 오목부의 깊이가 크면 볼록부와 실린더 사이에 봉입되는 작동유의 양이 많아지므로, 이 배출에 시간이 걸리게 되고 피스톤의 완충작용이 커진다. 따라서 배기밸브는 캠의 프로파일에 의해 정해진 밸브클로즈 타이밍보다도 늦은 타이밍으로 닫는다.

이와 같이 실린더 측에 설치된 오목부의 깊이를 변경함으로써, 배기밸브가 닫히는 타이밍을 빠르게 하거나 늦출 수 있으므로, 내연기관의 특성을 운전상황에 적합시킬 수 있다.

또한 배기밸브가 닫히는 타이밍의 변경은 실린더에 설치된 오목부의 깊이를 변경한다고 하는 간단한 구조로 달성 가능하므로, 간소한 구성인 것이 바람직한 선박용 내연기관에 적합하다.

상기 구성에 있어서, 상기 제어수단은 상기 내연기관의 부하가 올라감에 따라 상기 오목부의 깊이가 커지도록 상기 액츄에이터를 제어하는 구성인 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면 내연기관의 부하가 높아짐에 따라 배기밸브가 닫히는 타이밍이 늦어진다. 이것에 의해 고부하 운전 시에 실린더 내 가스의 압축 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하여 내연기관의 내구성을 높이는 것이 가능하다.

본 발명의 제2 형태는 내연기관의 배기밸브에 설치된 피스톤과, 상기 피스톤이 수용되는 실린더와, 캠으로 구동되어 상기 실린더에 소정의 밸브오픈 타이밍으로 간헐적으로 유압을 공급하고, 상기 피스톤을 압압하여 상기 배기밸브를 오픈시키는 유압공급수단과, 상기 배기밸브를 닫는 방향으로 가압하는 클로즈밸브 가압수단과, 상기 유압공급수단에 의해 생성된 유압을 놓치는 리크통로와, 상기 리크통로의 통로면적을 변화시키는 유량조정수단과, 상기 유량조정수단을 제어하는 제어수단을 구비하여 이루어지는 배기밸브 구동장치이다.

상기 구성에 의하면 상기 제1 형태와 동일하게, 유압공급수단이 캠으로 구동되면 소정의 밸브오픈 타이밍으로 실린더에 유압이 제공되고, 이것에 의해 실린더 내부의 피스톤이 압압되어 배기밸브가 열린다. 또한 실린더에의 유압 공급이 두절되면, 클로즈밸브 가압수단의 가압력에 의해 배기밸브가 닫힌다.

리크통로에 설치된 유량조정수단으로부터는 유압공급수단에서 공급되는 작동유(유압)의 일부가 유압경로의 외부에 리크된다. 이것에 의해 유압공급수단에 의한 가압 시에 실린더에 압송되는 유량보다도 배기밸브를 닫을 때에 실린더에서 유압공급수단으로 돌아가는 유량이 적어지므로, 배기밸브를 닫을 때에는 피스톤이 확실하게 실린더 내로 돌아가는 것이 가능하고, 따라서 배기밸브를 확실하게 닫을 수 있다.

유량조정수단을 제어함으로써, 유압제공수단에서 공급되는 작동유를 외부로 리크시키는 양을 조정할 수 있다. 이 리크양을 적게 하면 배기밸브가 닫는 속도가 늦어지고, 리크양을 많게 하면 배기밸브가 닫는 속도가 빨라진다.

이와 같이 유압공급수단에 의해 생성된 유압을 외부로 놓치는 리크통로에 유량조정수단을 설치함으로써, 배기밸브가 닫히는 타이밍을 빠르게 하거나 늦출 수 있으므로, 내연기관의 특성을 운전상황에 적합시킬 수 있다.

게다가 배기밸브가 닫히는 타이밍의 변경은 유압경로나 실린더 등에 리크통로와 유량조정수단을 설치한다고 하는 간단한 구조로 달성 가능하므로, 간소한 구성인 것이 바람직한 선박용 내연기관에 적합하다.

상기 구성에 있어서, 상기 제어수단은 상기 내연기관의 부하가 올라감에 따라 상기 리크통로의 통로면적이 작아지도록 상기 유량조정수단을 제어하는 구성인 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면 내연기관의 부하가 올라감에 따라 배기밸브가 닫히는 타이밍을 늦추고, 고부하 운전 시에 실린더 내 가스의 압축 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하여 내연기관의 내구성을 높이는 것이 가능하다.

본 발명의 제3의 형태는 상기 중 어느 하나에 기재된 배기밸브 구동장치를 구비한 내연기관이다.

이것에 의해 선박용 내연기관에 적합한 간소한 구성이면서 배기밸브가 닫히는 타이밍을 변경할 수 있도록 하고, 내연기관의 특성을 운전상황에 적합시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 관한 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관에 의하면, 선박용 내연기관으로서 호적한 간소한 구성에 의해 배기밸브가 닫히는 타이밍을 변경 가능하고, 이것에 의해 내연기관의 특성을 운전상황에 적합시켜, 내연기관의 신뢰성 및 내구성을 높임과 동시에 연비 절약화 등에 공헌할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 II부 확대도로서, (a)는 피스톤의 볼록부가 실린더의 오목부에 삽입되기 전의 상태를 나타내고, (b)는 피스톤의 볼록부가 실린더의 오목부에 삽입되기 시작한 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 3은 피스톤의 볼록부와 실린더의 오목부의 다른 형상예를 나타내는 도로서, (a)는 피스톤의 볼록부가 실린더의 오목부에 삽입되기 전의 상태를 나타내고, (b)는 피스톤의 볼록부가 실린더의 오목부에 삽입되기 시작한 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 4는 (a)는 제1 실시형태에 따른 캠 리프트양, (b)는 제1 실시형태에 따른 작동유압, (c)는 제1 실시형태에 따른 배기밸브 리프트양을 각각 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 6은 (a)는 제2 실시형태에 따른 캠 리프트양, (b)는 제2 실시형태에 따른 작동유압, (c)는 제2 실시형태에 따른 배기밸브 리프트양을 각각 나타내는 그래프이다.

아래에 본 발명에 관한 배기밸브 구동장치의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

[제1 실시형태]

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치를 나타낸 개략 구성도이다. 이 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 급기하여 상방으로 배기하도록 일방향으로 소기되는 유니플로형이 채용되어 있다. 디젤엔진으로부터의 출력은 도시하지 않은 프로펠러축을 개재하여 스크루 프로펠러에 직접적 또는 간접적으로 접속되어 있다.

배기밸브 구동장치(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 디젤엔진의 실린더헤드(3)에 형성된 배기유로를 개폐하는 배기밸브(5)와, 배기밸브(5)에 설치된 피스톤(7)과, 피스톤(7)이 수용되는 실린더(9)와, 실린더(9)에 유압을 공급하는 유압경로(11) 및 유압공급장치(유압공급수단)(13)와, 배기밸브(5)를 개폐방향(도 1에서는 상방)으로 가압하는 공기스프링장치(개폐가압수단)(15)와, 액츄에이터(17) 및 제어장치(제어수단)(19)을 구비하고 있다.

피스톤(7)은 상하방향으로 연재하는 배기밸브(5)의 축부(5a) 상단에 접속되어 있고, 배기밸브(5)의 개폐에 따라 실린더(9) 내를 상하방향으로 왕복운동하도록 되어 있다. 피스톤(7)과 실린더(9)에 의해 형성된 유압실(21)에는 유압경로(11)의 일단(11a)이 접속되어 있다. 또한 이 유압실(21)에서는 오리피스용 경로(25)가 연장하고 있고, 이 오리피스용 경로(25)에는 고정 스로틀이 되는 오리피스(27)가 설치되어 있다. 또한 배기밸브(5)는 공기스프링장치(15)에 의해 상시 클로즈 밸브방향(상방)으로 가압되어 있다.

유압공급장치(13)는 플런저(31)와, 실린더(33)와, 캠(35)을 구비하여 구성되어 있다. 플런저(31)는 실린더(33) 내에 미끄럼 이동 자재로 삽입되어, 도시하지 않은 가압수단에 의해 항상 실린더(33)에서 빠지는 방향(하방)으로 가압되어 있는 플런저(31)와 실린더(33)에 의해 형성된 가압실(37)에는 유압경로(11)의 타단(11b)이 접속되어 있다.

플런저(31)의 하부에는 접속축(39)을 개재하여 캠롤러(41)가 축 지지되어 있다. 캠롤러(41)는 하방에 배치된 캠(35)의 외주면, 즉 캠 프로파일 위를 전동한다. 캠(35)은 디젤엔진의 크랭크 축과 동기하여 회전하는 캠축(43)에 일체적으로 설치되어 있다.

유압경로(11)에는 분기점(11c)에서 저압작동유 공급경로(45)가 분기하고 있다. 이 저압작동유 공급경로(45)에는 체크밸브(47)를 개재하여 도시하지 않은 저압작동유원이 접속되어 있고, 배기밸브(5)를 개폐할 시에 이용하는 베이스가 되는 유압이 제공된다. 유압경로(11) 내의 유압이 소정치 이하가 된 경우에는 체크밸브(47)가 열려 저압작동유 공급경로(45)에서 작동유(유압)이 보충된다. 또한 체크밸브(47)는 유압경로(11) 내의 압력이 소정치 이상인 경우, 다시 말해 플런저(31)에 의한 가압행정 시에는 닫힌다.

도 2 (a), (b)에도 나타낸 바와 같이, 피스톤(7)의 상부면에는 그 중앙부에 원주형의 볼록부(7a)가 형성되어 있다. 이 볼록부(7a)의 상부면적은 피스톤(7)의 횡단면적보다도 작다. 예를 들어, 피스톤(7)의 직경이 80밀리라고 하면 볼록부(7a)의 직경은 50밀리 정도, 볼록부(7a)의 상부면부터의 높이는 60밀리 정도를 예시할 수 있는데, 이 치수 혹은 이 직경의 비율에 한정되는 것은 아니다.

한편, 실린더(9)의 천정면에는 그 중앙부에 원주홈상의 오목부(9a)가 형성되어 있다. 이 오목부(9a)의 내경은 피스톤(7)이 상승했을 때에, 피스톤(7)의 볼록부(7a)가 수 밀리 정도의 틈새를 개재하여 삽입되는 치수로 설정되어 있다.

오목부(9a)의 깊이(h)는 0부터 볼록부(7a)의 높이와 같은 높이까지의 범위에서 변경할 수 있다. 예를 들어, 실린더(9)의 상부의 구조는 중심부에 위치하는 원주상의 고정부재(9b)의 주위에 원통상의 가동부재(9c)가 조밀하게 그리고 상하로 상대이동 가능하게 설치된 구조로 되어 있고, 고정부재(9b)의 하방 그리고 가동부재(9c)의 내주 측의 공간이 오목부(9a)가 된다. 또한 유압경로(11)는 고정부재(9b)의 하면으로 개구하고 있다.

그리고 도 1에 나타낸 액츄에이터(17)로 가동부재(9c)를 상하로 이동시킴으로써, 오목부(9a)의 깊이(h)를 변경할 수 있다. 예를 들어, 고정부재(9b)의 외주면과 가동부재(9c)의 내주면 사이를 나사대우로 하고, 액츄에이터(17)의 동력으로 가동부재(9c)를 고정부재(9b)에 대하여 상대회전시킴으로써, 가동부재(9c)를 상하로 이동시켜 오목부(9a)의 깊이를 변경하는 것이 고려된다. 또한 실린더(9)의 내주면과 가동부재(9c)의 외주면 사이를 나사대우로 해도 된다.

또한, 도 1에 나타내는 제어장치(19)는 액츄에이터(17)를 제어하여 가동부재(9c)의 상하위치를 설정한다. 예를 들어, 제어장치(19)는 디젤엔진의 부하가 올라감에 따라 오목부(9a)의 깊이가 커지도록 액츄에이터(17)를 제어한다.

이어서 상기와 같이 구성된 배기밸브 구동장치(1)의 동작에 대하여 설명한다.

유압공급장치(13)의 캠(35)(캠축(43))이 회전하면, 캠롤러(41)가 캠(35)의 캠 프로파일을 덧그리며 회전하면서 상하로 이동하고, 그 상하이동이 접속축(39)을 개재하여 플런저(31)를 실린더(33) 내에서 상하로 접동시킨다.

플런저(31)가 실린더(33) 내에서 상방으로 미끄럼 이동하면, 가압실(37)에 충전되어 있는 작동유가 가압되고, 이 작동유가 유압경로(11)를 거쳐 실린더(9)와 피스톤(7) 사이의 유압실(21)에 압송된다. 이 작동유의 유압에 의해 유압실(21)의 용적이 확장하고, 피스톤(7)이 공기스프링장치(15)의 가압력에 저항하여 밀려내려가 배기밸브(5)가 열린다. 배기밸브(5)의 오픈되는 양은 캠(35)의 베이스원(35a)으로부터의 높이에 의해 결정된다.

또한 캠(35)이 하방으로 회동하면, 플런저(31)가 도시하지 않은 가압수단에 의해 하방으로 밀려 돌아가고, 가압실(37) 및 유압실(21)에 더해져 있던 유압이 저압작동유 공급경로(45)로부터 공급되는 약한 베이스 유압까지 강하한다. 따라서 배기밸브(5)가 공기스프링장치(15)의 가압력에 의해 밀려올라가 닫히고, 이것에 의해 피스톤(7)이 상승하여 유압실(21)의 용적이 최소가 되고, 유압실(21)의 작동유가 유압경로(11)를 거쳐 실린더(33)의 가압실(37)로 돌아간다.

이와 같이 유압공급장치(13)는 캠(35)에 구동되어 실린더(9)에 소정의 오픈밸브 타이밍으로 간헐적으로 유압을 공급하고, 피스톤(7)을 압압하여 배기밸브(5)를 오픈시킨다.

또한 플런저(31)에 의한 가압 시에는 유압실(21) 내의 작동유의 소량이 오리피스용 경로(25)의 오리피스(27)로부터 유압경로(11)의 외부로 배출되도록 되어 있다. 이것에 의해 플런저(31)에 의한 가압 시에 가압실(37)에서 유압실(21)로 보내지는 유량보다도, 배기밸브(5)를 닫을 때에 유압실(21)에서 가압실(37)로 돌아가는 유량을 적게 하고, 피스톤(7)을 실린더(9)의 최상부까지 정확하게 상승시켜 배기밸브(5)를 확실하게 닫을 수 있다. 오리피스(27)에서 배출된 분량의 작동유는 플런저(31)가 캠(35)에 압압되어 있지 않을 시에 저압작동유 공급경로(45)에서 유압경로(11)로 보충된다.

도 4는 캠(35)의 리프트 양(a)과, 유압실(21) 내의 작동유압(b)과, 배기밸브(5)의 리프트 양(b)과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4 (b), (c)에 있어서, 실선으로 나타내는 선은 도 2 (a)에 나타내는 오목부(9a)의 깊이(h)가 0일 시의 작동유압과 배기밸브 리프트 양이다.

시각(t0)에서 캠(35)의 프로파일에 따라 캠 리프트 양이 증대하여 플런저(31)가 밀려올라가기 시작하면, 유압실(21)의 작동유압이 베이스 압력에서 상승하기 시작한다. 시각(t1)에서 캠 리프트 양이 최대치에 도달하고, 플런저(31)가 상사점까지 밀려올라가 작동유압이 최대치에 도달하면, 시각(t2)에서 유압실(21)의 유압이 공기스프링장치(15)의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여 피스톤(7)을 밀어내린다.

이것에 의해 배기밸브(5)의 리프트 양이 증대하여 시각(t3)에서 배기밸브(5)가 전개(全開)된다. 이때 피스톤(7)이 밀려 내려감에 따라 유압실(21)의 용적이 확장하므로, 유압실(21) 내의 유압은 급격하게 감소하거나 배기밸브(5)를 오픈시켜두는 데 필요한 유압은 유지된다. 따라서 캠(35)의 프로파일에 따라 플런저(31)가 상사점으로 유지되어 있는 기간은 배기밸브(5)의 리프트 양도 최대로 유지되어 있고, 배기밸브(5)는 오픈 상태가 보지된다.

시각(t5)에서 캠(35)의 프로파일에 따라 캠 리프트 양이 감소하여 플런저(31)가 하강하기 시작하면, 유압실(21)의 작동유압도 저하하기 시작한다. 작동유압이 소정치를 밑돌면 공기스프링장치(15)의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여, 시각(t6)에서 피스톤(7)이 상방으로 밀려올라감으로써 배기밸브(5)의 리프트 양이 감소하기 시작한다. 캠(35)의 리프트 양이 0이 되어 플런저(31)가 하사점까지 떨어지면, 배기밸브(5)가 시각(t7)에서 전폐(全閉)가 된다. 또한 유압경로(11)의 작동유압이 베이스압력으로 돌아간다.

도 2 (a)에 나타낸 바와 같이, 실린더(9)의 고정부재(9b)에 대하여 가동부재(9c)가 내려져 깊이(h)의 오목부(9a)가 형성되어 있을 시에는 배기밸브(5)가 닫히면 배기밸브(5)와 일체로 움직이는 피스톤(7)이 실린더(9)의 안쪽으로 들어감으로써 유압실(21)의 용적이 감소하고, 유압실(21) 내에 충전되어 있는 작동유가 유압경로(11)에서 방출되어 가압실(37)로 돌아간다.

이때 피스톤(7)의 볼록부(7a)가 실린더(9)의 오목부(9a)에 삽입될 때까지는 유압실(21) 내의 작동유가 원활하게 유압경로(11)로 흘러들기 때문에, 피스톤(7)은 비교적 빠른 속도로 실린더(9)의 안쪽으로 들어가고, 배기밸브(5)는 빠른 속도로 닫혀간다. 그리고 도 2 (b)에 나타낸 바와 같이, 볼록부(7a)가 오목부(9a)에 삽입되기 시작하면, 유압실(21)이 볼록부(7a)의 주위에 형성되는 방(21a)과 오목부(9a)의 내부에 형성되는 방(21b)으로 분단된다.

방(21b)에 있는 작동유는 그대로 유압경로(11)에서 원활하게 배출되지만, 방(21a)에 흘러든 작동유는 방(21a)과 방(21b) 사이의 좁은 틈을 통하여 방(21b)으로 흘러든 후에 유압경로(11)로부터 배출된다. 따라서 작동유가 틈을 지나갈 시에 동반하는 크나큰 유동저항에 의해 피스톤(7)의 움직임에 완충작용(쿠션작용)이 생기고, 배기밸브(5)의 닫는 속도가 저하하여 배기밸브(5)가 완전히 닫힐 때까지의 타이밍이 지연된다.

오목부(9a)의 깊이(h)가 작으면 방(21a)에서 방(21b)으로 흘러들지 않으면 안 되는 유량이 적어지므로, 피스톤(7)의 상승운동에 완충작용이 가해지는 시간이 짧아진다. 따라서 배기밸브(5)는 캠(35)의 프로파일에 의해 정해진 밸브클로즈 타이밍에 가까운, 비교적 빠른 타이밍으로 닫는다.

또한 오목부(9a)의 깊이(h)가 커짐에 따라, 방(21a)에서 방(21b)으로 흘러들지 않으면 안 되는 유량이 많아지므로, 그 배출에 시간이 걸리게 되고 피스톤(7)의 상승운동에 완충작용이 가해지는 시간도 길어진다. 따라서 배기밸브(5)는 캠(35)의 프로파일에 의해 정해진 밸브클로즈 타이밍보다도 크게 늦어진 타이밍으로 닫는다.

이와 같이 피스톤(7)의 상승행정의 종료 임박에 피스톤(7)의 볼록부(7a)가 실린더(9)의 오목부(9a)에 삽입되면, 방(21b)에 흘러드는 작동유의 유동저항이 생기므로, 유압실(21)(방(21a)) 내의 압력이 도 4 (b) 중에 파선(P1), (P2)으로 나타낸 바와 같이 급격하게 상승한다. 파선(P1)은 오목부(9a)의 깊이(h)가 작을 때의 압력상승율을 나타내고, 파선(P2)은 오목부(9a)의 깊이(h)가 클 때의 압력상승율을 나타내고 있다.

이렇게 유압실(21) 내의 압력(P1), (P2)이 급격히 높아지므로, 도 4 (c) 중에 파선(L1), (L2)으로 나타낸 바와 같이 배기밸브(5)가 닫히기 직전에는 그 리프트 양의 감소율이 완만한 경사가 된다. 배기밸브(5)의 리프트 양의 감소율은 유압실(21) 내의 압력이 P1 때에 파선(L1)으로 나타내는 것으로 되고, 유압실(21) 내의 압력이 P2 때에 파선(L2)으로 나타내는 것으로 된다. 다시 말해, 오목부(9a)의 깊이(h)가 커질수록 배기밸브(5)가 완전히 닫힐 때까지의 시간이 길어진다(밸브클로즈 타이밍이 늦어진다). 따라서 배기밸브(5)는 비교적 느린 속도로 밸브시트(Valve Seat)에 착좌하고, 밸브시트와의 충돌에 의한 충격으로부터 보호한다.

이와 같이 실린더(9) 측에 설치된 오목부(9a)의 깊이를 변경함으로써, 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍을 캠(35)의 캠 프로필에 의해 규정되는 밸브클로즈 타이밍에 가깝게 하거나 규정의 밸브클로즈 타이밍보다도 늦게 할 수 있으므로, 디젤엔진의 특성을 운전상황에 적합시킬 수 있다.

또한 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍의 변경은 실린더(9)에 설치된 오목부(9a)의 깊이를 변경하는, 다시 말해 실린더(9)의 고정부재(9b)에 대하여 가동부재(9c)를 액츄에이터(17)로 축방향으로 상대이동시킨다는 간단한 구조로 달성 가능하므로, 간소한 구성인 것이 바람직한 선박용 디젤엔진에 적합한 구조로 할 수 있다.

또한, 제어장치(19)는 디젤엔진의 부하가 증대함에 따라 오목부(9a)의 깊이(h)가 커지도록 액츄에이터(17)를 제어한다. 따라서 디젤엔진의 부하가 높아짐에 따라 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 늦어진다. 이것에 의해 고부하 운전 시에 실린더 내 가스의 압축 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하여 디젤엔진의 내구성을 높이는 것이 가능하다.

도 3 (a), (b)은 피스톤(7)의 볼록부(7a)와 실린더(9)의 오목부(9a)의 다른 형상예를 나타내는 종단면도이다.

여기서는 피스톤(7)의 상부면에 설치되어 있는 볼록부(7a)가 피스톤(7)의 상부면의 주위에서 원통상으로 돌출하도록 형성되어 있다. 한편, 실린더(9)의 천정면에 설치되어 있는 오목부(9a)는 천정면의 주위에 실린더상의 오목함으로서 형성된다. 다시 말해, 도 2 (a), (b)에 나타내는 볼록부(7a)와 오목부(9a)의 지름방향의 내외위치관계를 역전시키는 것으로 되어 있다.

오목부(9a)의 깊이(h)는 0부터 볼록부(7a)의 높이와 같은 높이까지의 범위에서 변경할 수 있다. 예를 들어, 실린더(9)의 상부의 중심에 설치된 원주상의 가동부재(9d)가 상하로 이동 가능하도록 되어 있고, 이 가동부재(9d)가 실린더(9)의 천정면에서 돌출 시에 실린더(9)의 내주면과 가동부재(9d)의 외주면 사이에 오목부(9a)가 형성된다.

가동부재(9d)의 외경은 피스톤(7)이 상승했을 때에, 피스톤(7)의 볼록부(7a)가 수 밀리 정도의 틈새를 개재하여 가동부재(9d)의 주위를 둘러싸는 치수로 설정되어 있다. 가동부재(9d)는 도 1에 나타내는 액츄에이터(17)에 의해 상하로 구동되고, 이것에 의해 오목부(9a)의 깊이(h)가 변경된다. 또한 유압경로(11)는 가동부재(9d)의 하면으로 개구하고 있다.

도 3 (a)에 나타낸 바와 같이, 실린더(9)의 가동부재(9d)가 내려져 깊이(h)의 오목부(9a)가 형성되어 있을 때, 배기밸브(5)가 닫히면 배기밸브(5)와 일체로 움직이는 피스톤(7)이 실린더(9)의 안쪽으로 들어감으로써 유압실(21)의 용적이 감소하고, 유압실(21) 내에 충전되어 있는 작동유가 유압경로(11)에서 방출되어 가압실(37)로 돌아간다.

이때 피스톤(7)의 볼록부(7a)가 실린더(9)의 오목부(9a)에 삽입될 때까지는 유압실(21) 내의 작동유가 원활하게 유압경로(11)로 흘러들기 때문에, 피스톤(7)은 비교적 빠른 속도로 실린더(9)의 안쪽으로 들어가고, 배기밸브(5)는 빠른 속도로 닫혀간다. 그리고 도 3 (b)에 나타낸 바와 같이, 볼록부(7a)가 오목부(9a)에 삽입되기 시작하면, 유압실(21)이 볼록부(7a)의 내주 측에 형성되는 방(21a)과 오목부(9a)의 내부에 형성되는 방(21b)으로 분단된다.

방(21a)에 있는 작동유는 그대로 유압경로(11)에서 원활하게 배출되지만, 방(21b)에 흘러든 작동유는 방(21a)과 방(21b) 사이의 좁은 틈을 통하여 방(21a)으로 흘러든 후에 유압경로(11)로부터 배출된다. 따라서 작동유가 틈을 지나갈 시에 동반하는 크나큰 유동저항에 의해 피스톤(7)의 움직임에 완충작용(쿠션작용)이 생기고, 배기밸브(5)의 클로즈밸브 속도가 저하하여 배기밸브(5)가 완전히 닫힐 때까지의 타이밍이 지연된다. 이것에 의해 배기밸브(5)를 밸브시트와의 충돌에 의한 충격으로부터 보호함과 동시에, 디젤엔진의 특성을 운전상황에 적합시킬 수 있다.

이 작동유의 유동저항에 의한 완충작용(쿠션작용)이 작용하는 시간의 길이는 도 2 (a), (b)의 구조의 경우와 동일하게 오목부(9a)의 깊이(h)가 커질수록 길어진다. 즉, 오목부(9a)의 깊이(h)를 크게 할수록 배기밸브(5)의 밸브클로즈 타이밍을 늦출 수 있다.

이 도 3 (a), (b)의 구성에 의하면 오목부(9a)의 높이를 변경하는 구조를 도 2 (a), (b)에 나타낸 구조보다도 간소하게 할 수 있다.

[제2 실시형태]

도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치를 나타낸 개략 구성도이다. 이 배기밸브 구동장치(51)에 있어서, 제1 시설형태의 배기밸브 구동장치(1)와 상이한 점은 피스톤(7)의 상부면의 볼록부 및 실린더(9)의 천정면의 오목부가 없는 것과, 유압경로(11)의 분기점(11d)에서 리크통로(53)가 분기하고, 그 도중에 리크통로(53)의 통로면적을 변화시키는 가변 오리피스(유량조정수단)(55)이 접속되어 있는 것이다. 그 외 부분의 구성 및 작용은 제1 실시형태의 배기밸브 구동장치(1)와 동일하므로 각 부분에 동일부호를 붙이고 설명을 생략한다.

가변 오리피스(55)의 스로틀 양은 제어장치(제어수단)(57)에 의해 제어된다. 제어장치(57)는 디젤엔진의 부하가 올라감에 따라 리크통로(53)의 통로면적이 작아지도록 가변 오리피스(55)의 스로틀 양을 제어한다. 또한 가변 오리피스(55) 대신에 유량조정밸브 등을 설치해도 된다.

이 배기밸브 구동장치(51)에 의하면 제1 실시형태의 배기밸브 구동장치(1)와 동일하게 유압공급장치(13)가 캠(35)으로 구동되면, 소정의 밸브오픈 타이밍으로 실린더(9)에 유압이 공급되고, 이것에 의해 실린더(9) 내부의 피스톤(7)이 압압되어 배기밸브(5)가 열린다. 또한 실린더(9)에의 유압 공급이 두절되면, 공기스프링장치(15)의 가압력에 의해 배기밸브(5)가 닫힌다.

리크통로(53)에 설치된 가변 오리피스(55)로부터는 유압공급장치(13)에서 공급되는 작동유(유압)의 일부가 유압경로(11)의 외부에 리크한다. 이것에 의해 유압공급장치(13)에 의한 가압 시에 실린더(9)에 압송되는 유량보다도 배기밸브(5)를 닫을 때에 실린더(9)에서 유압공급장치(13)로 돌아가는 유량이 적어진다. 따라서 배기밸브(5)를 닫을 때에는 피스톤(7)을 실린더(9) 내의 최상부까지 정확하게 상승시켜 배기밸브(5)를 확실하게 닫을 수 있다.

가변 오리피스(55)를 제어함으로써, 유압제공장치(13)에서 공급되는 작동유를 외부로 리크시키는 양을 조정할 수 있다. 이 리크 양을 작게 하면 배기밸브(5)가 닫는 속도가 늦어지고, 리크 양을 크게 하면 배기밸브(5)가 닫히는 속도가 빨라진다.

이와 같이 유압공급장치(13)와 실린더(9) 사이의 유압경로(11)로부터 분기하는 리크통로(53)에 가변 오리피스(55)를 설치함으로써, 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍을 빠르게 하거나 늦출 수 있으므로, 디젤엔진의 특성을 운전상황에 적합시킬 수 있다.

게다가 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍의 변경은 유압경로(11)에 리크통로(53)와 가변 오리피스(55)를 설치한다고 하는 간단한 구조로 달성 가능하므로, 간소한 구성인 것이 바람직한 선박용 디젤엔진에는 적합하다. 또한 리크통로(53)는 반드시 유압경로(11)에서 분기시키지 않아도 되고, 예를 들어 실린더(9)에서 분기시켜도 된다.

도 6은 배기밸브 구동장치(51)에 따른 캠(35)의 리프트 양(a)과, 유압실(21) 내의 작동유압(b)과, 배기밸브(5)의 리프트 양(c)과의 관계를 나타내는 그래프이다. 기본적인 동작은 도 4에서 설명한 제1 실시형태의 배기밸브 구동장치(1)의 경우와 동일하므로, 중복하는 설명은 생략한다.

리크통로(53)의 가변 오리피스(55)의 스로틀 양이 최소이면, 배기밸브(5)를 닫을 때에 유압실(21) 내의 작동유가 그다지 많이 리크하지 않고 유압공급장치(13)로 돌아가므로, 실린더(9) 내에서 피스톤(7)이 상승하는데 시간이 걸린다. 따라서 유압실(21) 내에 따른 작동유압의 저하상황은 도 6 (b) 중에 실선으로 나타낸 바와 같이, 캠(35)의 리프트 양의 감소량에 알맞은 것으로 된다. 또한 배기밸브(5)의 리프트 양의 감소상황은 도 6 (c) 중에 실선으로 나타내게 되고, 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 늦어진다.

그리고 가변 오리피스(55)의 스로틀 양이 확대되면, 유압실(21) 내의 작동유가 리크하는 양이 많아지므로, 유압실(21) 내에서 유압공급장치(13)로 돌아가는 작동유의 양이 줄고, 실린더(9) 내에서 피스톤(7)이 상승하는 시간이 단축된다. 따라서 유압실(21) 내에 따른 작동유압의 저하상황은 도 6 (b) 중에 파선으로 나타낸 바와 같이, 캠(35)의 리프트 양의 감소량보다도 빠르게 저하하게 된다. 또한 배기밸브(5)의 리프트 양의 감소상황은 도 6 (c) 중에 파선으로 나타내게 되고, 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 빨라진다.

상술한 바와 같이, 제어장치(57)는 디젤엔진의 부하가 올라감에 따라 리크통로(53)의 통로면적이 작아지도록 가변 오리피스(55)의 스로틀 양을 제어한다. 따라서 디젤엔진의 부하가 올라감에 따라 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍을 늦추고, 고부하 운전 시에 실린더 내 가스의 압축 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하여 디젤엔진의 내구성을 높이는 것이 가능하다.

또한 변형예로서, 도 5 중에 파선으로 나타낸 바와 같이, 유압실(21)과 유압경로(11) 사이를 접속하는 리크통로(53a)를 설치하고, 이 리크통로(53a)에 가변 오리피스(55a)를 설치하여, 배기밸브(5)를 닫을 때에 피스톤(7)이 상승하는 시간을 조정 가능하도록 해도 된다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치(1), (51) 및 이것을 구비한 디젤엔진에 의하면, 선박용 디젤엔진으로 호적한 간소한 구성에 의해 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍을 변경 가능하게 하고, 디젤엔진의 특성을 운전상황에 적합시켜, 내연기관의 신뢰성 및 내구성을 높임과 동시에 연비 절약화 등에도 공헌할 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기 실시형태의 구성에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 적당히 변경하거나 개량할 수 있으며, 이와 같이 변경이나 개량을 가한 실시형태도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 한다.

1, 51 배기밸브 구동장치
5 배기밸브
7 피스톤
7a 볼록부
9 실린더
9a 오목부
11 유압경로
13 유압공급장치(유압공급수단)
15 공기스프링장치(클로즈밸브 가압수단)
17 액츄에이터
19, 57 제어장치(제어수단)와,
21 유압실
31 플런저
35 캠
37 가압실
53 리크통로
55 가변 오리피스(유량조정수단)

Claims (5)

1. 내연기관의 배기밸브에 설치된 피스톤과,
   상기 피스톤이 수용되는 실린더와,
   상기 실린더에 유압경로를 개재하여 접속됨과 동시에, 캠에 의해 구동되어 상기 실린더에 소정의 밸브오픈 타이밍으로 간헐적으로 유압을 공급하고, 상기 피스톤을 압압하여 상기 배기밸브를 오픈시키는 유압공급수단과,
   상기 배기밸브를 닫는 방향으로 가압하는 클로즈밸브 가압수단과,
   상기 피스톤의 상부면(top surface)에 형성되어 해당 피스톤의 횡단면적보다도 작은 상부면적을 갖는 볼록부와,
   상기 실린더의 천정면에 형성되어 상기 피스톤의 상승 시에 상기 볼록부가 틈새를 개재하여 삽입되는 오목부와,
   상기 오목부의 깊이를 변경하는 액츄에이터와,
   상기 액츄에이터를 제어하는 제어수단을 구비하여 이루어지고,
   상기 실린더는, 중심부에 위치하는 원주상의 제 1 부재와, 상기 제 1 부재의 주위에 형성되어 상기 제 1 부재에 대하여 상대이동 가능한 원통상의 제 2 부재를 갖고,
   상기 제 1 부재의 하면이 상기 제 2 부재의 하면보다도 상방에 위치하고, 상기 오목부는, 상기 제 1 부재의 하방 또한 상기 제 2 부재의 내주측의 공간이며,
   상기 액츄에이터는, 상기 제 2 부재를 이동시킴으로써, 상기 오목부의 깊이를 변경하는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
2. 내연기관의 배기밸브에 설치된 피스톤과,
   상기 피스톤이 수용되는 실린더와,
   상기 실린더에 유압경로를 개재하여 접속됨과 동시에, 캠에 의해 구동되어 상기 실린더에 소정의 밸브오픈 타이밍으로 간헐적으로 유압을 공급하고, 상기 피스톤을 압압하여 상기 배기밸브를 오픈시키는 유압공급수단과,
   상기 배기밸브를 닫는 방향으로 가압하는 클로즈밸브 가압수단과,
   상기 피스톤의 상부면에 형성되어 해당 피스톤의 횡단면적보다도 작은 상부면적을 갖는 볼록부와,
   상기 실린더의 천정면에 형성되어 상기 피스톤의 상승시에 상기 볼록부가 틈새를 개재하여 삽입되는 오목부와,
   상기 오목부의 깊이를 변경하는 액츄에이터와,
   상기 액츄에이터를 제어하는 제어수단을 구비하여 이루어지고,
   상기 실린더는, 중심부에 위치하는 원주상의 제 3 부재를 갖고,
   상기 제 3 부재의 하면이 상기 실린더의 천정면보다도 하방에 위치하고, 상기 오목부는, 상기 실린더의 내주면과 상기 제 3 부재의 외주면 사이의 공간이며,
   상기 액츄에이터는, 상기 제 3 부재를 이동시킴으로써, 상기 오목부의 깊이를 변경하는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제어수단은 상기 내연기관의 부하가 올라감에 따라 상기 오목부의 깊이가 커지도록 상기 액츄에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
4. 내연기관의 배기밸브에 설치된 피스톤과,
   상기 피스톤이 수용되는 실린더와,
   상기 실린더에 유압경로를 개재하여 접속됨과 동시에, 캠에 의해 구동되어 상기 실린더에 소정의 밸브오픈 타이밍으로 간헐적으로 유압을 공급하고, 상기 피스톤을 압압하여 상기 배기밸브를 오픈시키는 유압공급수단과,
   상기 배기밸브를 닫는 방향으로 가압하는 클로즈밸브 가압수단과,
   상기 피스톤의 상부면에 형성되어 해당 피스톤의 횡단면적보다도 작은 상부면적을 갖는 볼록부와,
   상기 실린더의 천정면에 형성되어 상기 피스톤의 상승시에 상기 볼록부가 틈새를 개재하여 삽입되는 오목부와,
   상기 오목부의 깊이를 변경하는 액츄에이터와,
   상기 내연기관의 부하가 올라감에 따라 상기 오목부의 깊이가 커지도록 상기 액츄에이터를 제어하는 제어 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 기재된 배기밸브 구동장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관.

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