KR101761123B1 - 배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관 - Google Patents

Abstract

배기밸브의 개폐타이밍을 가변으로 한 캠유압 구동방식을 채용한 데다 내연기관의 운전에 지장을 초래하지 않고 신뢰성이 높은 배기밸브 구동장치를 제공한다. 플런저(11)에는 플런저(11)가 작동유를 가압하는 가압실(29)부터 플런저(11)의 외주면에 위치하는 외주면 개구부(11d)까지 연통하는 연통구멍(12)이 형성되고, 제2 실린더(27)의 내주면에는 플런저(11)가 왕복운동하는 행정의 일부의 기간에 걸쳐 외주면 개구부(11d)에 대하여 연통하는 홈부(30)가 형성되고, 홈부(30)에는 작동유를 배출하기 위한 작동유 배출경로(31)가 접속되며, 작동유 배출경로(31)에는 배출량 조정밸브(33)가 설치되어 있다.

Description

배기밸브 구동장치 및 이것을 구비한 내연기관{EXHAUST VALVE DRIVE DEVICE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE 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 전자밸브를 이용하는 전자제어방식의 엔진에서는 운전부하에 따라 배기밸브의 개폐타이밍이 최적이 되도록 제어되어 있다. 한편 기계식의 엔진은 캠구동의 플런저에 의해 발생된 유압의 압력변화에 따라 배기밸브 액추에이터를 동작시키는 캠유압 구동방식이므로, 배기밸브의 개폐타이밍은 캠프로파일에 의존하게 되기 때문에 운전 중에 변경하는 것이 어렵다.

이것을 해결하기 위하여 특허문헌 1에서는 배기밸브를 구동하는 배기밸브 액추에이터에 작동유를 공급하는 작동유관에 대하여, 별도로 설치한 가압작동유원에서 고압의 작동유를 공급하는 구성이 채용되어 있다. 구체적으로는 전자제어 유압밸브를 교환함으로써, 가압작동유원으로부터의 작동유를 작동유관에 추가공급하고, 캠프로파일에 의해 정해진 타이밍보다도 배기밸브를 빠르게 열도록 되어 있다. 또한 캠의 작동기간 중에 작동유를 추가공급함으로써, 캠프로파일에 의해 정하는 타이밍보다도 배기밸브를 늦게 폐쇄하도록 되어 있다.

일본특허공개 제2010-106843호 공보

그러나 특허문헌 1에 기재된 배기밸브 구동장치에서는, 가압작동유원인 펌프의 고장 등에 의해 유압이 저하한 경우에는 작동유관에 작동유를 추가공급함으로써 배기밸브의 닫는 타이밍을 늦출 수가 없고, 배기밸브의 닫는 타이밍은 캠프로파일에 의해 정해진 것으로 된다. 그리고 엔진이 고부하가 된 경우에는 본래의 배기밸브의 닫는 타이밍까지 늦출 수 없기 때문에 실린더 내의 압축압력 및 연소압력이 통상보다도 커지게 되고, 설계허용압력을 초과하여 엔진이 손상되고 말 우려가 있다. 또한 전자제어 유압밸브가 닫힌 상태로 고착하게 되어 작동유관에 작동유를 추가 공급할 수 없는 경우에도 상기와 동일한 문제가 발생할 수 있다.

그리고 전자제어 유압밸브가 열린 상태로 고착하게 되어 가압작동유원에서 작동유관으로 작동유가 계속 상시 공급되는 경우에는 배기밸브를 닫을 수 없게 되어 엔진의 운전 계속이 불가하게 될 우려가 있다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 배기밸브의 개폐타이밍을 가변으로 한 캠유압 구동방식을 채용한 데다 내연기관의 운전에 지장을 초래하지 않고 신뢰성이 높은 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 액추에이터를 동작시키는 작동유를 공급하는 유압경로와, 해당 유압경로에 접속된 플런저와, 해당 플런저를 수용하는 실린더와, 상기 플런저를 왕복운동시키는 캠을 구비하고, 상기 플런저에 의해 가압된 상기 작동유에 의해 상기 액추에이터가 동작하여 상기 배기밸브를 열고, 가압된 상기 작동유를 상기 플런저에 의해 감압함으로써 상기 액추에이터가 동작하여 상기 배기밸브를 닫는 배기밸브 구동장치에서, 상기 플런저에는 해당 플런저가 상기 작동유를 가압하는 가압공간부터 해당 플런저의 외주면에 위치하는 외주면 개구부까지 연통하는 연통구멍이 형성되고, 상기 실린더의 내주면에는 상기 플런저가 왕복운동하는 행정의 일부의 기간에 걸쳐 상기 외주면 개구부에 대하여 연통하는 홈부가 형성되고, 해당 홈부에는 상기 작동유를 배출하기 위한 작동유 배출경로가 접속되고, 해당 작동유 배출경로에는 배출량 조정밸브가 설치되어 있는 배기밸브 구동장치이다.

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

상기 본 발명의 제1 형태에서는 플런저가 작동유를 가압하는 가압공간에서 플런저 외주면의 개구부로 작동유가 흐르는 연통구멍을 플런저에 설치했다. 그리고 이 연통구멍의 외주면 개구부에 대하여, 플런저가 왕복운동하는 행정의 일부의 구간에 걸쳐 연통하는 홈부를 실린더 내주면에 형성했다. 홈부에서는 작동유 배출경로를 개재하여 홈부 내의 작동유가 배출되도록 했다. 이것에 의해 플런저의 연통구멍과 실린더의 홈부가 연통하고 있는 동안은 플런저에 의해 작동유를 가압하는 가압공간에서 작동유를 배출할 수 있다. 따라서 플런저가 작동유를 가압하는 행정에서는 가압 도중의 작동유가 플런저의 연통구멍을 개재하여 배출되므로 작동유의 압력 상승이 늦어지고 배기밸브의 열림 타이밍을 늦출 수 있다. 한편 플런저가 가압 후의 작동유를 감압하는 행정에서는 가압 도중에 작동유가 추출되어 있고 작동유압이 저하하고 있으므로, 배기밸브의 닫힘 타이밍을 앞당길 수 있다.

그리고 상기 본 발명의 제1 형태에서는 작동유 배출경로에 배출량 조정밸브를 설치하고, 가압공간에서 작동유가 배출되는 유량을 조정하게 했으므로, 플런저에 의해 작동유를 가압할 시의 압력상승의 정도와 플런저에 의해 가압된 작동유의 도달압력의 저하의 정도를 조정 가능하고, 배기밸브의 열림 타이밍 및 닫힘 타이밍을 임의로 변경할 수 있다.

또한 상기 본 발명의 제1 형태에서는 별도로 설치한 가압원에 의해 가압된 작동유를 유압경로에 공급하는 구성을 채용하지 않고 연통구멍을 개재하여 작동유를 배출함으로써 작동유의 압력변화를 조정하는 것으로 하고 있으므로, 작동유의 가압원을 별도로 설치할 필요가 없다. 따라서 상기 본 발명의 제1 형태에서는 별도로 설치한 가압원이 고장남으로써 내연기관의 운전에 지장을 초래하는 등 리스크를 부담하는 일 없이 높은 신뢰성을 실현할 수 있다.

배출량 조정밸브로서는 전자제어에 의한 비교제어밸브나 기계적 기구를 구비한 가변오리피스 등이 설치된다.

상기 본 발명의 제1 형태에 관한 배기밸브 구동장치에서, 상기 배출량 조정밸브는 상기 내연기관의 부하가 낮아짐에 따라 개도가 커지는 방향으로 제어되는 구성이어도 된다.

배출량 조정밸브를 개도가 커지는 방향 즉, 열림방향으로 제어하면 작동유압의 저하의 정도가 커지므로, 배기밸브가 닫히는 타이밍이 빨라진다. 배기밸브가 닫히는 타이밍이 빨라질수록 배기밸브가 폐쇄됐을 때에 연소실 내에 밀폐되는 공기량이 많아지므로, 압축되는 공기(새로운 공기)가 많아지고 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 따라서 내연기관의 부하가 낮아짐에 따라 배기량 조정밸브를 열림방향으로 제어함으로써, 저부하여도 내연기관의 연소개선이 행해지고 연료소비율이 개선된다.

또한 배출량 조정밸브를 내연기관의 부하가 낮아짐에 따라 열림방향으로 제어하고 배기밸브가 열리는 타이밍을 늦추면, 연소가스와 새로운 공기의 가스 교환을 실린더 내에서 행하는 시간이 ?F아질 우려가 있으나, 부하가 낮아진 부분부하상태에서는 내연기관의 회전수가 낮으므로 가스교환을 위한 시간을 충분히 얻을 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 가스에서 축회전력을 보다 많이 빼낼 수 있고, 연료소비율이 한층 더 개선된다.

상기 본 발명의 제1 형태에 관한 배기밸브 구동장치에서, 상기 배출량 조정밸브가 최대개도(開度)로 된 경우에 상기 배기밸브가 닫히는 타이밍에서, 상기 내연기관이 고부하여도 해당 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 상기 외주면 개구부에 대하여 상기 홈부가 연통하는 기간이 설정되어 있어도 된다.

배기밸브가 닫히는 타이밍이 빨라질수록 배기밸브가 폐쇄됐을 때에 연소실 내에 밀폐되는 공기량이 많아지므로, 압축되는 새로운 공기가 많아지고 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 그리고 배기밸브가 닫히는 타이밍이 가장 빠르게 되는 것은 배출량 조정밸브가 최대개도로 된 경우이다. 이와 같이 배출량 조정밸브가 최대개도로 된 경우에 내연기관이 고부하여도 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 외주면 개구부에 대하여 홈부가 연통하는 기간이 결정되어 있다. 즉, 외주면 개구부에 대하여 홈부가 연통하는 기간에 의해 작동유가 배출되는 유량이 결정되므로, 배출량 조정밸브가 최대개도가 되고 작동유의 배출량이 최대가 되어도 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 외주면 개구부에 대하여 홈부가 연통하는 기간을 제한하도록 했다. 따라서 어떠한 원인으로 배기량 조정밸브가 최대개도인 채 고착하게 된 경우에서도 작동유가 배출되는 유량이 안전범위로 제한되어 있으므로, 설계허용압력을 초과하여 압축압력 및 연소압력이 높아지지 않고, 내연기관의 손상을 회피할 수 있다.

상기 본 발명의 제1 형태에 관한 배기밸브 구동장치에서, 상기 배출량 조정밸브는 전폐(全閉) 가능하게 되어 있어도 된다.

배출량 조정밸브를 전부 닫음으로써, 플런저의 압력공간에서 작동유가 배출되지 않은 상태로 할 수 있다. 이것에 의해 캠의 프로파일에 따른 배기밸브의 동작이 가능해진다.

또한 상기 배기밸브 구동장치와 같이 배출량 조정밸브의 최대개도에서 내연기관이 고부하여도 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 외주면 개구부에 대하여 홈부가 연통하는 기간이 결정되어 있는 경우에는 어떠한 원인으로 배출량 조정밸브가 전부 닫힌 채 고착하고 만 경우에도 배기밸브는 캠프로파일에 따라 동작하는 것만으로 배기밸브의 닫힘 타이밍은 배출량 조정밸브의 최대 개도가 되는 경우보다도 늦으므로, 설계허용압력을 초과하여 압축압력 및 연소압력이 높아지는 일은 없고, 내연기관의 손상을 회피할 수 있다.

본 발명의 제2 형태는 상기 중 어느 하나에 기재된 배기밸브 구동장치와, 해당 배기밸브 구동장치에 의해 구동되는 상기 배기밸브와, 해당 배기밸브를 수용하는 연소실을 구비한 내연기관이다.

상기 어느 하나의 배기밸브 구동장치를 구비하고 있으므로, 신뢰성이 높은 내연기관을 제공할 수 있다.

별도로 설치한 가압작동원에 의해 가압된 작동유를 유압경로에 추가공급하는 구성을 채용하지 않고, 본 발명에서는 연통구멍을 개재하여 작동유를 배출함으로써 작동유의 압력변화를 조정하게 했으므로, 가압작동유원을 설치할 필요가 없다. 따라서 가압작동유원이 고장남으로써 내연기관의 운전에 지장을 초래하는 등 리스크를 부담하는 일 없이 높은 신뢰성을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 배기밸브 구동장치를 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 배기밸브 구동장치를 이용했을 경우의 작동유의 압력 변화 및 배기밸브 리프트의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에는 본 실시형태에 관한 배기밸브 구동장치(1)가 나타나 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 급기하여 상방으로 배기하도록 1방향으로 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 실린더커버(3)에 형성된 배기유로를 개폐하는 배기밸브(5)와, 배기밸브(5)를 구동하는 피스톤(액추에이터)(7)과, 피스톤(7)으로 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. 또한 배기밸브(5)는 도시하지 않은 공기스프링 등의 가압수단에 의해 상방 즉, 제1 실린더(15) 방향으로 가압되어 있다.

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

유압경로(9) 내의 압력이 소정값 이상이 된 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 시에 비해 상방(배기밸브 폐지방향)으로 보지된다. 그리고 플런저(11)를 밀어내려 작동유를 빨아들일 시에는 가압 시와 같은 양의 유량을 빨아들이게 되므로, 피스톤(7)은 플런저(11)에 의한 감압이 완료하기 보다 전에 확실하게 상방으로 빨아올려져 배기밸브(5)가 안정적으로 닫히게 되도록 되어 있다.

유압경로(9)에는 제2 분기점(9c)에서 분기한 저압작동유 공급경로(23)가 접속되어 있다. 저압작동유 공급경로(23)에는 배기밸브(5)를 개폐할 시에 사용하는, 베이스가 되는 유압이 도시하지 않은 저압작동유원에서 공급되도록 되어 있다. 저압작동유 공급경로(23)에는 체크밸브(25)가 설치되어 있고, 유압경로(9) 내의 유압이 소정값 이하가 된 경우에 저압작동유 공급경로(23)에서 부족 분량의 작동유가 공급되도록 되어 있다. 이것에 의해 베이스가 되는 유압, 구체적으로는 도 2(c)에 나타낸 최저작동유압인 베이스압력이 유지된다. 한편, 체크밸브(25)는 유압경로(9) 내의 압력이 소정값 이상인 경우에는 닫혀진 상태가 된다. 즉, 플런저(11)에 의한 가압행정 시에는, 체크밸브(25)는 닫혀진다.

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)에는 가압실(29)에 면하는 단면(11a)에 설치한 단면개구부(11b)와 플런저(11)의 측면이 되는 외주면(11c)에 설치한 외주면개구부(11d)를 접속하는 연통구멍(12)이 형성되어 있다. 연통구멍(12)은 플런저(11)의 중심축을 따라 형성된 중심축구멍부(12a)와 중심축구멍부(12a)의 하단에 접속됨과 동시에 외주면(11c)을 향하여 반경방향으로 형성된 반경구멍부(12b)에 의해 구성되어 있다. 이 연통구멍(12)에 의해 가압실(29) 내의 작동유가 외주면개구부(11d)에서 외부로 배출된다. 또한 연통구멍(12)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 가압실(29)에서 외부로 작동유를 배출 가능한 형상이면 된다.

제2 실린더(27)의 측면이 되는 내주면에는 외주면개구부(11d)와 대향하는 위치에 홈부(30)가 형성되어 있다. 홈부(30)의 높이 즉, 플런저(11)의 왕복운동방향에 따른 치수는 플런저(11)가 왕복운동하는 행정의 일부의 기간에 걸쳐 외주면개구부(11d)에 대하여 연통하는 치수로 되어 있다. 구체적으로는, 홈부(30)의 하단은 플런저(11)가 하사점에 위치하고 있을 때에 외주면개구부(11d)와 홈부(30)가 연통하는 위치에 설정되고, 홈부(30)의 상단은 플런저(11)가 상사점에 위치하기 전에 홈부(30)가 플런저(11)의 외주면(11c)에 의해 폐색되는 위치에 설정된다. 또한 구체적으로는 배출량 조정밸브(33)가 최대개도가 된 경우에 디젤엔진이 고부하여도 실린더 내의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 외주면 개구부(11d)에 대하여 홈부(30)가 연통하는 기간이 설정되고, 그 기간에 따라 홈부(30)의 높이가 결정된다.

홈부(30)와 저압작동유 공급경로(23) 사이에는 작동유 배출경로(31)가 접속되어 있다. 작동유 배출경로(31)에는 배출량 조정밸브(33)가 설치되어 있다. 배출량 조정밸브(33)로서는 전자제어에 의한 비례제어밸브나 기계적 기구를 구비한 가변오리피스 등이 설치되고, 도시하지 않은 제어부에 의해 그 개도가 제어되도록 되어 있다. 배출량 조정밸브(33)의 개도는 단계 없이 조정할 수 있도록 되어 있고 전폐도 가능하게 되어 있다. 배출량 조정밸브(33)의 개도조정은 디젤엔진의 부하에 따라 행해지고, 디젤엔진이 고부하의 경우에는 전폐가 되며, 디젤엔진의 부하가 낮아짐에 따라 열림방향으로 조정된다.

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 전동하도록 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 설명한다.

먼저 배출량 조정밸브(33)가 전폐인 경우에 대하여 설명하고, 이어서 배출량 조정밸브(33)가 열린 경우에 대하여 설명한다.

<배출량 조정밸브33; 전폐>

배출량 조정밸브(33)가 전폐가 된 경우는 가압실(29)에서 작동유가 배출되는 일이 없으므로, 캠(13)의 프로파일에 따라 배기밸브(5)의 개폐가 행해진다. 주로 배출량 조정밸브(33)가 전폐가 되는 경우는 디젤엔진의 부하가 고부하 측인 경우이다.

도 2에는 (a)에 캠(13)의 리프트양, (b)에 배출량 조정밸브(33)의 밸브 개도, (c)에 유압경로(9)에 따른 작동유압, (d)에 배기밸브(5)의 리프트양이 나타나 있다. 도 2에서 배출량 조정밸브(33)가 전폐인 경우는 실선으로 표시되어 있다.

도 2(b)에 나타낸 바와 같이 배출량 조정밸브(33)의 개도는 캠리프트양이 상승하여 저하하는 1사이클에 걸쳐 항상 전폐로 되어 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. 그리고 시각 t1에서 캠리프트양이 최대치에 도달하여, 플런저(11)가 상사점까지 밀려올라가 작동유압이 최대치에 도달하면, 시각 t2에서 피스톤(7) 측의 유압실(17)에 따른 유압이 작용하고, 도시하지 않은 공기스프링의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여 피스톤(7)을 밀어내린다. 이것에 의해 배기밸브의 리프트가 증대하여 배기밸브(5)가 전개(全開)된다. 이때 피스톤(7)이 밀려내려감에 따라 작동유가 유압실(17)에 흡입되므로, 작동유압은 급격하게 감소한다.

따라서 캠(13)의 프로파일에 따라 플런저(11)가 상사점으로 유지되어 있는 시각(t3)까지의 기간은 배기밸브 리프트양도 최대로 유지되어 있고, 배기밸브(5)는 열린 상태가 된다.

시각 t3에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠리프트양이 감소하여 플런저(11)가 하강하기 시작하면, 작동유압이 저하하기 시작한다. 작동유압이 소정치를 밑돌면 도시하지 않은 공기스프링의 가압력 및 실린더 내 압력을 상회하여, 시각 t4에서 피스톤(7)이 상방으로 밀려올라감으로써 배기밸브 리프트양이 감소하기 시작한다. 캠리프트양이 최소치에 달하여 플런저(11)가 하사점까지 떨어지면, 배기밸브(5)가 시각 t5에서 전폐된다.

<배출량 조정밸브33; 열림>

이어서 디젤엔진의 부하가 감소하고 저부하 측이 된 경우에는 도시하지 않은 제어부로부터의 지시에 따라, 배출량 조정밸브(33)를 소정량만 여는 경우에 대하여 설명한다. 도 2(b)에 파선으로 나타낸 바와 같이 배출량 조정밸브(33)의 개도는 캠리프트양이 상승하여 저하하는 1사이클에 걸쳐 소정 개도에서 일정하게 되어 있다.

도 2(c)에 나타낸 바와 같이 시각 t0에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠리프트양이 증대하여 플런저(11)가 밀려올라가기 시작해도, 시각 t0'까지의 소정 기간은, 작동유압은 상승하지 않는다. 왜냐하면 이 기간은 플런저(11)의 연통구멍(12)과 제2 실린더(27)의 홈부(30)가 연통하고 있고, 플런저(11)가 상승해도 가압실(29) 내의 작동유가 플런저(11)의 외부로 배출되므로 가압실(29), 즉 유압경로(9)의 압력은 상승하지 않기 때문이다.

그리고 시각 t0'을 지나면 연통구멍(12)과 홈부(30)가 연통하지 않게 되므로 작동유압이 상승하기 시작한다. 이와 같이 배출량 조정밸브(33)의 전폐 시(실선)에 비해 파선으로 표시한 바와 같이 작동유의 압력상승의 타이밍이 시각 t0부터 시각 t0'까지 늦어지므로, 배기밸브(5)가 열리는 타이밍도 늦어지게 된다. 즉, 배기밸브 리프트양은 시각 t2에서 소정 시간 늦어진 시각 t2'부터 상승하기 시작한다.

시각 t3에서 캠(13)의 프로파일에 따라 캠리프트양이 감소하여 플런저(11)가 하강하기 시작하면, 작동유압이 저하하기 시작한다. 이때 작동유압은 연통구멍(12)이 홈부(30)와 연통하고 있던 시간, 즉 시각 t0부터 t0' 사이에 작동유가 소정량 배출되어 있으므로, 도 2(c)에 작동유압을 파선으로 나타낸 바와 같이 배출량 조정밸브(33)의 전폐 시(실선)에 비해 작동유압이 낮아져 있다. 이것에 의해 작동유압에 대하여 도시하지 않은 공기스프링의 가압력 및 실린더 내 압력이 빠르게 상회하므로, 배기밸브 리프트양은 시각 t4'에서 시각 t4보다도 빠르게 감소하기 시작하고, 그 결과로서 시각 t5'에서 시각 t5보다도 빠르게 배기밸브(5)는 전폐가 된다.

이와 같이 도 2(d)의 배기밸브 리프트양의 변화를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 배기량 조정밸브(33)를 여는 것에 의해 배기밸브(5)의 열림 타이밍을 늦추고, 또한 배기밸브(5)의 닫힘 타이밍을 앞당길 수 있다. 또한 도시하지 않은 제어부로부터의 지령에 의해 배출량 조정밸브(33)의 개도를 적절하게 조정함으로써, 배기밸브(5)의 개폐 타이밍을 조정할 수 있다.

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

플런저(11)의 단면(11a)의 개구부(11b)에서 플런저(11)의 외주면 개구부(11d)로 작동유가 흐르는 연통구멍(12)을 플런저(11)에 설치했다. 그리고 이 연통구멍(12)의 외주면 개구부(11d)에 대하여, 플런저(11)가 왕복운동하는 행정의 일부의 구간에 걸쳐 연통하는 홈부(30)를 제2 실린더(27)의 내주면에 형성했다. 또한 홈부(30)에서는 작동유 배출경로(31)를 개재하여 홈부(30) 내의 작동유가 배출되도록 했다. 이것에 의해 플런저(11)의 연통구멍(12)과 제2 실린더(27)의 홈부(30)가 연통하고 있는 동안은 플런저(11)에 의해 작동유를 가압하는 가압실(29)에서 작동유를 배출할 수 있다. 따라서 플런저(11)가 작동유를 가압하는 행정에서는 가압 도중의 작동유가 플런저(11)의 연통구멍(12)을 개재하여 배출되므로 작동유의 압력 상승이 늦어지고 배기밸브(5)의 열림 타이밍을 늦출 수 있다. 한편 플런저(11)가 가압 후의 작동유를 감압하는 행정에서는 가압 도중에 작동유가 추출되어 있고 작동유압이 저하하고 있으므로, 배기밸브(5)의 닫힘 타이밍을 앞당길 수 있다.

그리고 작동유 배출경로(31)에 배출량 조정밸브(33)를 설치하고, 가압실(29)에서 작동유가 배출되는 유량을 조정하게 했으므로, 플런저(11)에 의해 작동유를 가압할 시의 압력상승의 정도와 플런저(11)에 의해 가압된 작동유의 도달압력의 저하의 정도를 조정 가능하고, 배기밸브(5)의 열림 타이밍 및 닫힘 타이밍을 임의로 변경할 수 있다.

또한 별도로 설치한 가압원(예를 들어, 특허문헌 1의 가압작동유원)에 의해 가압된 작동유를 유압경로(9)에 공급하는 구성을 채용하지 않고, 연통구멍(12)을 개재하여 작동유를 배출함으로써 작동유의 압력변화를 조정하는 것으로 하고 있으므로, 작동유의 가압원을 별도로 설치할 필요가 없다. 따라서 별도로 설치한 가압원이 고장남으로써 디젤엔진의 운전에 지장을 초래하는 등 리스크를 부담하는 일 없이 높은 신뢰성을 실현할 수 있다.

또한 배출량 조정밸브(33)를 열림방향으로 제어하면 작동유압의 저하의 정도가 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 실린더 내의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 따라서 디젤엔진의 부하가 낮아짐에 따라 배출량 조정밸브(33)를 열림방향으로 제어함으로써, 저부하여도 디젤엔진의 연소개선이 행해져 연료소비율을 개선할 수 있다.

또한 배출량 조정밸브(33)를 디젤엔진의 부하가 낮아짐에 따라 닫힘방향으로 제어하고 배기밸브(5)가 열리는 타이밍을 늦추면, 연소가스와 새로운 공기의 가스 교환을 실린더 내에서 행하는 시간이 ?F아질 우려가 있으나, 부하가 낮아진 부분부하상태에서는 디젤엔진의 회전수가 낮으므로 가스교환을 위한 시간을 충분히 얻을 수 있다. 또한 배기밸브(5)의 닫힘 타이밍을 늦춤으로써, 닫힘 타이밍을 늦춘 시간만큼 연소 후의 실린더 내 압력을 저하시키지 않고 유지할 수 있으므로, 이 연소 후의 실린더 내 압력으로 유지된 실린더 내 가스에서 축회전력을 보다 많이 빼낼 수 있고, 연료소비율을 한층 더 개선할 수 있다.

상술한 바와 같이, 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 빨라질수록 배기밸브가 폐쇄됐을 때에 연소실 내에 밀폐되는 공기량이 많아지므로, 압축되는 새로운 공기가 많아지고 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 높아진다. 그리고 배기밸브(5)가 닫히는 타이밍이 가장 빨라지는 것은 배출량 조정밸브(33)가 최대개도가 된 경우이다. 이와 같이 배출량 조정밸브(33)가 최대개도가 된 경우에 디젤엔진이 고부하여도 실린더 내의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 외주면 개구부(11d)에 대하여 홈부(30)가 연통하는 기간이 결정되어 있다. 즉, 외주면 개구부(11d)에 대하여 홈부(30)가 연통하는 기간에 의해 작동유가 배출되는 유량이 결정되므로, 배출량 조정밸브(33)가 최대개도가 되고 작동유의 배출량이 최대가 되어도 디젤엔진의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 외주면 개구부(11d)에 대하여 홈부(30)가 연통하는 기간을 제한하도록 했다. 따라서 어떠한 원인으로 배기량 조정밸브(33)가 최대개도인 채 고착하게 된 경우에서도 작동유가 배출되는 유량이 제한되어 있으므로, 설계허용압력을 초과하여 압축압력 및 연소압력이 높아지지 않고, 디젤엔진의 손상을 회피할 수 있다.

배출량 조정밸브(33)를 전부 닫음으로써, 플런저(11)의 가압실(29)에서 작동유가 배출되지 않은 상태로 할 수 있다. 이것에 의해 캠(13)의 프로파일에 따른 배기밸브(5)의 동작이 가능해진다.

또한 상술한 바와 같이, 배출량 조정밸브(33)의 최대개도에서 디젤엔진이 고부하여도 실린더 내의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 외주면 개구부(11d)에 대하여 홈부(30)가 연통하는 기간이 결정되어 있으므로, 어떠한 원인으로 배출량 조정밸브(33)가 전부 닫힌 채 고착하고 만 경우에도 배기밸브(5)는 캠프로파일에 따라 동작하는 것만으로 배기밸브(5)의 닫힘 타이밍은 배출량 조정밸브(33)의 최대 개도가 되는 경우보다도 늦으므로, 설계허용압력을 초과하여 압축압력 및 연소압력이 높아지는 일은 없고, 디젤엔진의 손상을 회피할 수 있다.

또한 상술한 배기밸브 구동장치(1)는 디젤엔진의 가스실린더마다 설치해도 되고, 혹은 피스톤(7), 제1 실린더(15), 캠(13) 및 플런저(11)를 각 가스실린더에 설치한 후 작동유 배출경로(31) 및 배출량 조정밸브(33)를 여러 개의 가스실린더에 대하여 공통화해도 된다.

1 배기밸브 구동장치
3 실린더 커버
5 배기밸브
7 피스톤
9 유압경로
11 플런저
11d 외주면 개구부
12 연통구멍
13 캠
15 제1 실린더
17 유압실
19 오리피스용 경로
21 오리피스
23 저압작동유 공급경로
25 체크밸브
27 제2 실린더
29 가압실
30 홈부
31 작동유 배출경로
33 배출량 조정밸브
35 접속축
37 캠롤러

Claims (5)

1. 내연기관의 배기밸브를 동작시키는 액추에이터와,
   해당 액추에이터에 작동유를 공급하는 유압경로와,
   해당 유압경로에 접속된 플런저와,
   해당 플런저를 수용하는 실린더와,
   상기 플런저를 왕복운동시키는 캠을 구비하고,
   상기 플런저에 의해 가압된 상기 작동유에 의해 상기 액추에이터가 동작하여 상기 배기밸브를 여는 배기밸브 구동장치에서,
   상기 플런저에는 해당 플런저가 상기 작동유를 가압하는 가압공간부터 해당 플런저의 외주면에 위치하는 외주면 개구부까지 연통하는 연통구멍이 형성되고,
   상기 실린더의 내주면에는 상기 플런저가 왕복운동하는 행정의 일부의 기간에 걸쳐 상기 외주면 개구부와 연통하는 홈부가 형성되고,
   해당 홈부에는 상기 작동유를 배출하기 위한 작동유 배출경로가 접속되고,
   해당 작동유 배출경로에는 개도가 제어되는 배출량 조정밸브가 설치되고,
   상기 배출량 조정밸브가 최대개도가 된 경우에 상기 배기밸브가 닫히는 타이밍에서, 상기 내연기관이 고부하여도 해당 내연기관의 압축압력 및 연소압력이 설계허용압력 이하가 되도록 상기 외주면 개구부에 대하여 상기 홈부가 연통하는 기간이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 배출량 조정밸브는 상기 내연기관의 부하가 내려감에 따라 개도가 커지도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 배출량 조정밸브는 전폐 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 구동장치.
4. 제1항 또는 제2항에 기재된 배기밸브 구동장치와,
   해당 배기밸브 구동장치에 의해 구동되는 상기 배기밸브와,
   해당 배기밸브를 수용하는 연소실을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
5. 삭제

Images