KR101814317B1 - 배기 정압관 지지 구조 및 이를 구비한 내연 기관 - Google Patents

배기 정압관 지지 구조 및 이를 구비한 내연 기관 Download PDF

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Abstract

고유 진동수를 높일 수 있고 또한 장착부에 전달되는 굽힘 모멘트의 증대를 가급적 억제할 수 있는 배기 정압관 지지 구조를 제공하는 것이다. 배기 정압관(14)과 소기 트렁크(20)의 사이에 마련되어, 배기 정압관(14)을 하방으로부터 지지하는 플레이트(32a, 32b)를 갖고, 플레이트(32a, 32b)가 배기 정압관(14)의 길이 방향에 직교하도록 배치된 변형판(32)과, 배기 정압관(14)에 대하여 고정되어, 변형판(32)의 상단부에 접속되는 상측 장착판(40)과, 소기 트렁크(20)에 대하여 고정되어, 변형판(32)의 하단부에 접속되는 하측 장착판(43)을 구비하며, 변형판(32)은, 상측 장착판(40) 및 하측 장착판(43)을 사이에 두고 접속된 한 쌍의 대향 플레이트(32a)와, 일방의 대향 플레이트(32a)에 인접하여 마련된 인접 플레이트(32b)로 구성된다.

Description

배기 정압관 지지 구조 및 이를 구비한 내연 기관{EXHAUST STATIC TUBE SUPPORT STRUCTURE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE EQUIPPED WITH SAME}
본 발명은, 예를 들면 정압식으로 된 과급기에 배기 가스를 유도하는 배기 정압관을 지지하는 배기 정압관 지지 구조 및 이를 구비한 내연 기관에 관한 것이다.
선박용 주기로서 이용되는 대형 2스트로크 디젤 엔진(내연 기관)에는, 정압식의 과급기가 이용된다. 이 정압식의 과급기에는, 과급기에 도입하기 전의 배기 가스를 일시적으로 저류하는 배기 정압관이 접속되어 있다. 배기 정압관은, 디젤 엔진의 각 실린더로부터 배출된 배기 가스의 맥동을 억제하기 위하여 소정 용량의 공간을 가진 용기로 되어 있다. 또한, 배기 정압관은, 배기 가스 리시버나 배기 가스 매니폴드라고도 칭해진다.
이와 같은 배기 정압관은, 그 자체의 중량과 각 실린더측으로부터 발생하는 가스압에 의한 하중을 받기 때문에, 디젤 엔진 본체에 대하여 지지판 및 변형판에 의하여 지지되어 있다(하기 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본 특허공보 제4995990호
지지판은, 배기 정압관을 하방으로부터 지지함으로써 배기 정압관의 중량을 주로 지지하는 것이다. 또한, 지지판은, 배기 정압관의 길이 방향을 따라 배치되어 있으며 길이 방향의 강성(剛性)을 갖고 있으므로, 배기 정압관의 길이 방향의 진동을 억제할 수 있도록 되어 있다.
변형판은, 지지판의 양측방에, 배기 정압관의 길이 방향으로 소정의 간격을 갖고 복수 마련되어 있다. 예를 들면 참고예로서 모식적으로 도 8에 나타내는 바와 같이, 변형판(50)은, 배기 정압관(14)과 소기 트렁크(20)의 사이에 마련되어, 배기 정압관(14)을 하방으로부터 지지함으로써 배기 정압관(14)의 중량 및 가스압에 의한 하중을 지지하고 있다. 또한, 변형판(50)은, 배기 정압관(14)의 길이 방향에 직교하는 가로 방향(도 8의 지면(紙面) 수직 방향)으로 배치된 한 쌍의 플레이트(50a)에 의하여 구성되어 있으므로, 배기 정압관(14)의 가로 방향의 진동을 억제할 수 있도록 되어 있다. 또, 변형판(50)은 배기 정압관(14)의 가로 방향으로 배치되어 있기 때문에, 도 8에 그 변형 상태가 나타나 있는 바와 같이, 배기 정압관(14)의 길이 방향으로 휘어 변형될 수 있도록 되어 있다. 이로써, 변형판(50)은, 배기 정압관(14)의 열에 의한 길이 방향의 신축을 허용할 수 있도록 되어 있다.
최근의 디젤 엔진의 롱 스트로크화에 수반하여, 디젤 엔진의 실린더 부분의 치수가 길어짐에 따라, 배기 정압관과, 배기 정압관을 하방으로부터 지지하는 디젤 엔진 본체(예를 들면 소기 트렁크)의 고정 위치와의 거리가 길어지는 경향이 있다. 이로 인하여, 배기 정압관을 하측으로부터 지지하는 지지판 및 변형판의 상하 방향의 길이가 길어진다. 이로써, 배기 정압관을 지지하는 지지판 및 변형판의 강성이 저하되어, 배기 정압관의 진동이 커지고, 이 진동에 의하여, 지지판을 장착하기 위하여 배기 정압관에 고정된 장착판이나, 변형판을 장착하기 위하여 배기 정압관에 고정된 장착판(도 8의 부호 40 참조), 및, 지지판을 장착하기 위하여 디젤 엔진 본체에 고정된 장착판이나, 변형판을 장착하기 위하여 디젤 엔진 본체에 고정된 장착판(도 8의 부호 43 참조), 그리고 이들에 부속되는 배관에 손상을 끼칠 우려가 있다.
이와 같은 배기 정압관에 발생하는 진동을 작게 하기 위하여, 지지판 및 변형판의 판두께를 증대시켜 강성을 높이고, 고유 진동수를 높이는 것을 일반적인 대책으로서 들 수 있다.
그러나, 변형판의 경우, 고유 진동수를 높이기 위하여 판두께를 증대시키면, 고온이 된 배기 정압관의 길이 방향의 열팽창 변위에 의하여, 큰 굽힘 모멘트가 발생하게 된다. 이 굽힘 모멘트는, 변형판에 접속된 장착판에도 전달되어, 비교적 강도가 낮은 배기 정압관이나 디젤 엔진 본체에 대한 장착판의 고정부에 큰 응력이 발생하여, 손상을 끼칠 우려가 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 고유 진동수를 높일 수 있고 또한 장착부에 전달되는 굽힘 모멘트의 증대를 가급적 억제할 수 있는 변형판을 구비한 배기 정압관 지지 구조 및 이를 구비한 내연 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 양태는, 내연 기관 본체로부터 배출되는 배기 가스를 일시적으로 저류함과 함께, 종축선이 수평 방향으로 뻗어 있는 배기 정압관을, 상기 내연 기관 본체에 대하여 지지하는 배기 정압관 지지 구조로서, 상기 배기 정압관과 상기 내연 기관 본체의 사이에 마련되어, 상기 배기 정압관을 하방으로부터 지지하는 제1 판상체를 갖고, 상기 제1 판상체가 상기 수평 방향에 직교하도록 배치된 제1 지지부와, 상기 배기 정압관에 대하여 고정되어, 상기 제1 판상체의 상단부에 장착되는 상측 장착부와, 상기 내연 기관 본체에 대하여 고정되어, 상기 제1 판상체의 하단부에 장착되는 하측 장착부를 구비하며, 상기 제1 판상체는, 상기 상측 장착부 및 상기 하측 장착부를 사이에 두고 접속된 한 쌍의 대향 판상체와, 적어도 일방의 상기 대향 판상체에 인접하여 마련된 인접 판상체로 구성되는 배기 정압관 지지 구조이다.
본 양태에 의하면, 제1 지지부는, 배기 정압관을 하방으로부터 지지함으로써 배기 정압관의 중량을 지지한다. 또한, 제1 지지부는, 수평 방향에 직교하도록 배치된 제1 판상체에 의하여, 수평 방향에 직교하는 방향 즉 가로 방향의 진동을 억제한다. 또, 제1 판상체는 수평 방향에 직교하도록 배치되어 있기 때문에, 배기 정압관의 길이 방향으로 휘어 변형될 수 있도록 되어 있다. 이로써, 제1 지지부는, 배기 정압관의 열에 의한 길이 방향의 신축을 허용하도록 변형된다.
본 양태에 의하면, 제1 판상체를 한 쌍의 대향 판상체에 더하여, 대향 판상체에 인접하는 인접 판상체를 마련하는 것으로 했다. 이와 같이 판상체를 합계 3매 이상으로 함으로써 배기 정압관의 가로 방향의 고유 진동수를 높일 수 있다. 또, 한 쌍의 대향 판상체의 일방 혹은 양방의 판두께를 증대시키는 것이 아니라, 1매당 판두께를 줄여 판상체의 매수를 증가시킴으로써 전체의 합계 판두께를 증대시켜 제1 지지부의 강성을 높이는 것으로 했다. 이로써, 제1 판상체의 단부로부터 상측 장착부 및 하측 장착부에 전달되는 굽힘 모멘트의 증가를 억제할 수 있으므로, 상측 장착부 및 하측 장착부에 발생하는 응력의 증대를 억제함으로써, 상측 장착부 및 하측 장착부를 배기 정압관이나 내연 기관 본체에 고정하는 고정부의 손상을 회피할 수 있다.
제1 지지부의 하단이 장착되는 내연 기관 본체로서는, 전형적으로는, 소기 트렁크를 들 수 있다.
배기 정압관의 종축선은, 수평 방향으로 엄밀하게 일치하여 뻗어 있을 필요는 없고, 조립 정밀도 등의 관계에서 소정의 범위에서 수평 방향으로부터 기울어져 있어도 된다.
상기 배기 정압관 지지 구조에서는, 상기 대향 판상체와 상기 인접 판상체는, 동일한 판두께로 이루어져 있어도 된다.
대향 판상체와 인접 판상체를 동일한 판두께로 함으로써, 각별한 코스트 증대를 초래하는 일 없이 제조할 수 있다. 또, 대향 판상체 및 인접 판상체의 각각의 판두께는, 대향 판상체에 끼워진 상측 장착부나 하측 장착부의 판두께보다 작은 것이 바람직하다.
상기 배기 정압관 지지 구조에서는, 상기 배기 정압관과 상기 내연 기관 본체의 사이에 마련되어, 상기 배기 정압관을 하방으로부터 지지하는 제2 판상체를 갖고, 상기 제2 판상체가 상기 수평 방향을 따라 배치된 제2 지지부를 구비하고 있어도 된다.
제2 지지부는, 배기 정압관을 하방으로부터 지지함으로써 배기 정압관의 중량을 지지한다. 또한, 제2 지지부는, 수평 방향을 따라 배치된 제2 판상체에 의하여, 수평 방향 즉 배기 정압관의 종축선 방향의 진동을 억제한다.
본 발명의 제2 양태는, 상기의 배기 정압관 지지 구조를 구비하고 있는 내연 기관이다.
본 양태에 의하면, 상기 발명에 기재된 배기 정압관 지지 구조를 구비하고 있으므로, 내연 기관을 롱 스트로크화하여 제2 지지부가 길어져도, 배기 정압관의 가로 방향의 진동을 억제하면서 장착부의 손상을 회피하여 배기 정압관을 지지할 수 있다.
배기 정압관의 길이 방향에 직교하는 가로 방향의 고유 진동수를 높일 수 있음과 함께, 장착부에 전달되는 굽힘 모멘트의 증대를 가급적 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 디젤 엔진을 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 디젤 엔진을 배기 정압관측에서 본 측면도이다.
도 3은 도 2의 배기 정압관 둘레를 확대하여 나타낸 측면도이다.
도 4는 도 3의 변형판을 확대하여 나타낸 정면도이다.
도 5는 도 3의 좌단의 변형판을 확대하여 나타낸 측면도이다.
도 6은 도 5의 변형판을 더 확대하여 나타낸 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 관한 변형판의 변형 상태를 나타낸 측면도이다.
도 8은 참고예로서의 변형판의 변형 상태를 나타낸 측면도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에는, 본 발명의 실시형태에 관한 크로스 헤드형 디젤 엔진(내연 기관)(1)의 개략이 나타나 있다. 동 도면에 나타난 디젤 엔진(1)은, 예를 들면 LNG 선박이나 컨테이너 선박 등의 선박용 주기로서 이용되고, 저속 2스트로크 1사이클의 유니플로 소기 방식으로 되어 있다.
디젤 엔진(1)은, 하방에 위치하는 받침판(3)과, 받침판(3) 상에 마련된 프레임(5)과, 프레임(5) 상에 마련된 재킷(7)을 구비하고 있다. 이들 받침판(3), 프레임(5) 및 재킷(7)은, 상하 방향으로 뻗어 있는 복수의 텐션 볼트(도시하지 않음)에 의하여 일체적으로 체결되어 고정되어 있다.
재킷(7)에는 실린더 라이너(9)가 마련되어 있고, 실린더 라이너(9)의 하단측에는 복수의 소기 포트(10)가 형성되어 있다. 실린더 라이너(9)의 상단에는, 실린더 커버(11)가 마련되어 있다. 실린더 커버(11)에는, 배기 밸브(12)가 마련되어 있다. 이와 같이, 실린더 라이너(9)의 하단측에 마련한 소기 포트(10)로부터 공기가 소기로서 하방으로부터 실린더 내에 도입되고, 실린더 내의 상방에 위치하는 배기 밸브(12)로부터 배기 가스가 배기되는 유니플로 소기 방식이 채용되어 있다.
각 기통의 배기 밸브(12)로부터 배출된 배기 가스는, 배기 정압관(14)에 모인 후에, 과급기(16)로 보내진다. 과급기(16)에서는, 유도된 배기 가스에 의하여 도시하지 않은 배기 터빈이 회전되고, 이로써 동일 축에 접속된 도시하지 않은 컴프레서가 회전된다. 컴프레서는, 외부로부터 받아들인 공기를 압축하고, 압축된 공기는 에어 쿨러(18)에서 냉각된 후에 소기 트렁크(20)로 유도된다. 소기 트렁크(20)로 유도된 압축 공기는, 상술한 소기 포트(10)로 유도된다.
실린더 라이너(9) 및 실린더 커버(11)에 의하여 형성된 공간 내에는, 피스톤(13)이 왕복 운동 가능하게 마련되어 있다. 피스톤(13)의 하단에는, 피스톤봉(15)의 상단이 회동(回動) 가능하게 장착되어 있다.
받침판(3)은 크랭크케이스로 되어 있고, 크랭크축(17)이 마련되어 있다. 크랭크축으로부터 취출된 회전 출력이 선박의 추진용 프로펠러로 전달되도록 되어 있다. 크랭크축(17)의 상단에는, 연접봉(19)의 하단이 회동 가능하게 접속되어 있다.
프레임(5)에는, 피스톤봉(15)과 연접봉(19)을 회동 가능하게 접속하는 크로스 헤드(21)가 마련되어 있다. 즉, 피스톤봉(15)의 하단 및 연접봉(19)의 상단이 크로스 헤드(21)에 접속되어 있다. 크로스 헤드(21)는, 상하 방향으로 뻗어 있는 한 쌍의 슬라이딩판(23)을 따라 상하 방향으로 왕복 운동하도록 되어 있다.
배기 정압관(14)은, 도 1 및 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 종축선을 수평 방향으로 뻗도록 한 원통 형상으로 되어 있다. 또한, 배기 정압관(14)의 종축선은, 수평 방향으로 엄밀하게 일치하여 뻗어 있을 필요는 없고, 조립 정밀도 등의 관계로 소정의 범위에서 수평 방향으로부터 기울어져 있어도 된다.
배기 정압관(14)의 길이 방향(도 3 참조)은, 디젤 엔진(1)의 길이 방향(기관 길이 방향)에 일치하고 있다. 또한, 배기 정압관(14)의 길이 방향은, 디젤 엔진(1)의 길이 방향에 엄밀하게 일치하고 있을 필요는 없고, 조립 정밀도 등의 관계로 소정의 범위에서 디젤 엔진(1)의 길이 방향으로부터 기울어져 있어도 된다.
배기 정압관(14)의 크기는, 사용되는 디젤 엔진(1)의 기종에 따라 다르지만, 길이 방향의 치수는 3~20m가 되고, 직경은 1~2m가 된다. 또, 디젤 엔진(1)의 실린더수가 많고 실린더가 직렬로 배열되는 경우는, 배기 정압관(14)을 길이 방향으로 복수 나열하여 배기 정압관의 사이를, 가요성을 갖는 접속관으로 접속하는 경우도 있다.
배기 정압관(14)은, 디젤 엔진(1) 본체측의 소기 트렁크(20)에 대하여 하방으로부터 지지되어 있다. 구체적으로는, 배기 정압관(14)과 소기 트렁크(20)의 사이에는, 지지판(제2 지지부)(30)과, 변형판(제1 지지부)(32)을 갖는 배기 정압관 지지 구조가 마련되어 있다.
도 3에 나타나 있는 바와 같이, 지지판(30)은, 소기 트렁크(20)로부터 상측 방향으로 세워 설치되어, 배기 정압관(14)을 하방으로부터 지지함으로써 배기 정압관(14)의 중량을 지지하는 것이다. 지지판(30)은, 배기 정압관(14)의 무게 중심 위치인 길이 방향에 있어서의 중앙 위치에 마련되어 있으므로, 배기 정압관(14)의 중량을 주로 지지한다. 여기에서, 배기 정압관(14)의 길이 방향에 있어서의 중앙 위치란, 엄밀한 의미에서의 중앙 위치를 의미하는 것은 아니고, 소정의 범위에서 중앙 위치로부터 벗어난 위치여도 된다. 또, 본 실시형태에서는 배기 정압관(14)의 무게 중심 위치에 지지판(30)이 위치하고 있지만, 배기 정압관(14)의 무게 중심으로부터 떨어진 위치에 지지판(30)을 마련해도 된다.
지지판(30)은, 배기 정압관(14)의 길이 방향을 따라 배치되고, 상변을 단변으로 한 사다리꼴 형상으로 되어 있다. 지지판(30)은, 예를 들면 철계의 금속제로 이루어지고, 대향하는 한 쌍의 플레이트(제2 판상체)로 구성되어 있으며, 각 플레이트는 사이에 소정의 간극을 갖고 겹쳐진 상태로 배치되어 있다.
지지판(30)의 상단은, 배기 정압관(14)의 하단에 용접 등에 의하여 고정된 장착부(34)에 대하여, 복수의 볼트(35) 및 너트 등에 의하여 단단히 고정되어 있다. 지지판(30)의 하단은, 소기 트렁크(20)의 상부에 볼트(37) 등에 의하여 고정된 장착부(36)에 대하여, 복수의 볼트 및 너트 등에 의하여 단단히 고정되어 있다. 지지판(30)은, 배기 정압관(14)의 길이 방향을 따라 배치된 판상체로 되어 있기 때문에 길이 방향으로 높은 굽힘 강성을 갖고 있으므로, 배기 정압관(14)의 길이 방향의 진동을 억제할 수 있도록 되어 있다.
이와 같이, 지지판(30)은, 배기 정압관(14)의 중량을 주로 지지함과 함께, 배기 정압관(14)의 길이 방향의 진동을 억제하는 역할을 갖고 있다.
변형판(32)은, 소기 트렁크(20)로부터 상측 방향으로 세워 설치되어, 지지판(30)의 측방에 복수(도 3에서는 4개) 마련되어 있고, 배기 정압관(14)을 하방으로부터 지지함으로써 배기 정압관(14)의 중량을 지지한다. 변형판(32)의 수는, 배기 정압관(14)의 길이 방향의 치수에 따라 적절히 결정되는데, 적어도 배기 정압관(14)의 양단에 마련하는 것이 바람직하다. 이는, 배기 정압관(14)의 길이 방향의 중앙 위치에 있어서의 연직 축선 둘레의 진동(이른바 요(yaw) 방향의 진동)을 효율적으로 억제하기 위해서이다.
변형판(32)은, 배기 정압관(14)의 길이 방향에 직교하도록 배치되며, 이 길이 방향에 직교하는 방향(이하 "배기관 가로 방향" 이라고 함. 도 4 참조)으로 뻗은 판상체로 되어 있기 때문에 배기관 가로 방향으로 높은 굽힘 강성을 갖고 있다. 이로 인하여, 변형판(32)은, 배기 정압관(14)의 배기관 가로 방향의 진동을 억제할 수 있도록 되어 있다. 또, 변형판(32)은, 배기관 가로 방향으로 뻗도록 배치되어 있기 때문에, 배기 정압관(14)의 길이 방향으로 휘어 변형될 수 있도록 되어 있다(예를 들면 도 7 참조). 이로써, 변형판(32)은, 배기 정압관(14)의 열에 의한 길이 방향의 신축을 허용하도록 변형될 수 있다.
이와 같이, 변형판(32)은, 배기 정압관(14)의 길이 방향의 열변형을 허용하면서, 배기 정압관(14)의 중량을 각 위치에서 지지함과 함께, 배기관 가로 방향의 진동을 억제하는 역할을 갖고 있다.
도 4에는, 변형판(32)을 정면에서 본 도가 나타나 있다. 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 변형판(32)의 상단은, 배기 정압관(14)에 장착되어 하방으로 돌출하는 상측 장착판(상측 장착부)(40)에 대하여, 복수의 볼트(41a) 및 너트(4lb)(도 5 참조) 등에 의하여 단단히 고정되어 있다. 구체적으로는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 변형판(32)을 구성하는 복수의 플레이트(제1 판상체)(32a, 32b)를 상측 장착판(40)의 양측으로부터 사이에 둔 상태로 변형판(32)의 상단이 고정되어 있다.
변형판(32)의 하단은, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 소기 트렁크(20)의 상부에 볼트(45)(도 6 참조) 등에 의하여 고정된 하측 장착판(하측 장착부)(43)에 대하여, 복수의 볼트(44a)(도 5 참조) 및 너트(44b) 등에 의하여 고정되어 있다. 구체적으로는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 변형판(32)을 구성하는 복수의 플레이트(32a, 32b)를 하측 장착판(43)의 양측으로부터 사이에 둔 상태로 변형판(32)의 하단이 고정되어 있다.
도 6에 나타나 있는 바와 같이, 변형판(32)은, 철계의 금속제로 이루어진 복수의 플레이트(32a, 32b)에 의하여 구성되어 있다. 구체적으로는, 변형판(32)은, 상하의 장착부(40, 43)를 사이에 두도록 대향 배치된 한 쌍의 대향 플레이트(32a, 32a)와, 일방(도 6에서는 좌측)의 대향 플레이트(32a)의 외측에 겹쳐진 상태로 배치된 인접 플레이트(32b)로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 변형판(32)을 구성하는 플레이트는 합계 3매로 되어 있다. 단, 플레이트의 수는 4매 이상이어도 되며, 타방(도 6에서는 우측)의 대향 플레이트(32a)에 겹쳐지도록 인접 플레이트(32b)를 마련해도 된다.
3매의 각 플레이트(32a, 32b)의 형상은, 모두 대략 동일한 형상으로 이루어져, 동일한 판두께(t), 동일한 상하의 고정부간 거리(L1), 동일한 폭(b)(도 4 참조)을 갖고 있다. 플레이트(32a, 32b)의 판두께(t)는, 5mm 이상이 되고, 기종에 따라서는 10mm 이상 또는 14mm 이상, 나아가서는 20mm 이상이 된다. 고정부간 거리(L1)는, 600mm 이상이 되고, 기종에 따라서는 1000mm 이상, 나아가서는 2000mm 이상이 된다.
또, 플레이트(32a, 32b)의 폭(b)에 대한 고정부간 거리(L1)(L1/b)는, 1보다 크고, 기종에 따라서는, 1.5 이상, 나아가서는 2.0 이상인 세로로 긴 형상으로 되어 있다.
또한, 각 플레이트의 형상은 엄밀하게 동일 형상일 필요는 없고, 각 플레이트로 구성되는 변형판으로서의 기능을 갖는 한 각각의 플레이트의 형상을 적절히 변경시켜도 된다. 또, 판두께(t)를 각 플레이트에서 상이한 것으로 해도 된다. 단, 각 플레이트의 판두께(t)는, 상하의 장착판(40, 43)의 판두께(T)보다 얇은 것이 바람직하고, 또, 각 플레이트의 판두께(t)를 적산한 합계 판두께는, 변형판(32)에 요구되는 설계 강도로부터 결정된다.
본 실시형태의 변형판(32)은, 한 쌍의 2매의 플레이트로 하는 것이 아니고, 3매의 플레이트(32a, 32b)로 구성되어 있는데, 이 유리점에 대하여 이하에 설명한다.
배기 정압관(14)의 열팽창에 의한 변형판(32)의 굽힘 모멘트 M은, 하기 식으로 나타난다.
M=6·E·n·I1·δmax/L1^2[Kgf-mm]…(1)
여기에서, 상기 식에 있어서의 각 제원은 이하와 같다.
E: 종탄성 계수(21000kgf/mm2)
n: 변형판을 구성하는 플레이트의 매수
I1: 플레이트의 가로 방향 중심선의 단면 2차 모멘트
b: 플레이트의 폭(mm)
t: 플레이트의 두께(mm)
L1: 플레이트의 고정부간 길이(mm)
δmax: 열팽창량(mm)
단면 2차 모멘트 I1은, 하기 식과 같이 나타난다.
I1=b·t^3/12[mm4]
이 관계를 이용하여 식 (1)을 변형하면, 하기 식이 된다.
M=E·n·b·t^3·δmax/(2·L1^2)[Kgf-mm]…(2)
열팽창량 δmax와 플레이트 고정부간 길이(L1) 및 플레이트 폭(b)은, 디젤 엔진(1) 본체측의 설계로 결정되기 때문에, 여기에서는 상수로 생각한다.
따라서, E, b, δmax, L1을 상수로 하면, 식 (2)는 하기 식과 같이 변형할 수 있다.
M∝n·t^3…(3)
상기 식으로부터, 배기 정압관(14)의 열팽창에 의하여 발생한 변형판(32)의 고정부에 있어서의 굽힘 모멘트 M은, 플레이트의 매수 n에 비례하고, 플레이트의 판두께(t)의 3승에 비례하는 것을 알 수 있다.
상기 식 (3)에 나타낸 굽힘 모멘트 M은, 변형판(32)의 각 플레이트의 고정부를 통하여 상측 장착판(40) 및 하측 장착판(43)의 각각에 전달된다. 상측 장착판(40) 및 하측 장착판(43)에는, 이 굽힘 모멘트 M에 의하여, 하기 식에 나타내는 응력 σ가 발생한다.
σ=M/Z[kgf/mm2]…(4)
여기에서, 상기 식에 있어서의 각 제원은 이하와 같다.
Z: 각각의 장착판(40, 43)의 단면 계수(Z=b1·T^2/12)
T: 각 장착판(40, 43)의 두께(mm)
b1: 각 장착판(40, 43)의 폭(mm)
장착판(40, 43)의 두께(T) 및 폭(b1)은, 배기 정압관(14) 및 디젤 엔진(1) 본체측의 설계로 결정되기 때문에, 여기에서는 상수로 생각한다. 따라서, T, b1, Z를 상수로 하면, 상기 식 (4)는 하기 식과 같이 변형할 수 있다.
σ∝M…(5)
따라서, 식 (3) 및 식 (5)로부터, 하기 식 (6)이 도출된다.
σ∝M∝n·t^3…(6)
상기 식으로부터, 장착판(40, 43)에 발생하는 응력은, 변형판(32)으로부터 장착판(40, 43)에 전달되는 굽힘 모멘트 M에 비례함과 함께, 플레이트의 매수 n에 비례하고, 플레이트의 판두께(t)의 3승에 비례하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 배기 정압관(14)과 배기 정압관(14)을 지지하는 변형판(32)의 배기관 가로 방향의 고유 진동수 fEC에 대하여 검토한다. 고유 진동수 fEC는, 하기 식으로 나타난다.
fEC=(k1/m)^0.5/(2·π)[Hz]…(7)
여기에서, 상기 식에 있어서의 각 제원은 이하와 같다.
k1: 배기관 가로 방향의 스프링 상수
I2: 플레이트의 길이 방향 중심선의 단면 2차 모멘트
m: 배기 정압관(14)의 질량
또한, 스프링 상수 k1 및 단면 2차 모멘트 I2는 하기 식으로 나타난다.
k1=3·E·n·I2/L1^3
I2=t·b^3/12[mm4]
이들을 상기 식 (7)에 대입하면, 하기 식이 된다.
fEC=(3·E·n·t·b^3/(12·m·L1^3))^0.5/(2·π)
=11.5·(n·t·b^3)/(m·L1^3))^0.5[Hz]…(8)
배기 정압관(14)의 질량 m은, 배기 정압관의 용적 및 강도로부터 결정되기 때문에, 여기에서는 상수로 생각한다. 따라서, E, b, m, L1을 상수로 하면, 하기 식과 같이 변형할 수 있다.
fEC∝(n·t)^0.5…(9)
상기 식으로부터, 변형판의 배기관 가로 방향의 고유 진동수 fEC는, 플레이트의 매수의 0.5승에 비례하고, 플레이트의 판두께의 0.5승에 비례한다.
플레이트의 매수 n이나 판두께(t)의 변경에 의하여 변형판(32)으로부터 장착판(40, 43)에 전달되는 굽힘 모멘트 M이 변화하고, 이에 따라 장착판(40, 43)에 발생하는 응력 σ가 변화한 경우에, 응력 σ가 증대하여 상하의 장착판(40, 43)이 손상을 받지 않도록 하기 위해서는, 플레이트의 매수 n이나 판두께(t)의 변경 전후로 응력 σ(굽힘 모멘트 M)가 적어도 일정하게 될 필요가 있다. 그러기 위해서는, 상기 식 (6)으로부터 하기 식이 도출된다.
t∝(1/n)^(1/3)…(10)
상기 식 (10)으로부터, 1매의 플레이트에서 받는 응력 σ와 동일한 응력 σ가 되도록 2매의 플레이트로 변경하는 경우, (1/2)^(1/3)=약 0.8배의 판두께로 이루어진 플레이트를 2매 겹치면 되는 것을 알 수 있다. 즉, 약 0.8배 미만의 판두께의 플레이트이면, 1매의 플레이트의 경우보다 플레이트에 발생하는 응력이 작아진다.
플레이트의 매수 n이나 판두께(t)의 변경의 전후로 일정한 굽힘 모멘트 M이 되도록 상기 식 (10)에 따라 판두께(t)를 결정한 경우, 변형판(32)의 배기관 가로 방향의 고유 진동수 fEC는 식 (9)로부터 하기 식과 같이 된다.
fEC∝n^(1/3)…(11)
상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 플레이트의 매수 n이나 판두께(t)의 변경 전후로 굽힘 모멘트 M이 변화하지 않도록 각 플레이트의 판두께(t)를 결정한 경우, 플레이트의 매수 n을 증가시킬수록 변형판(32)의 가로 방향의 고유 진동수 fEC는 플레이트 매수의 1/3승에 비례하여 커진다.
또, 식 (6) 및 식 (9)로부터, 다음과 같이 생각할 수도 있다. 즉, 변형판의 고유 진동수를 변경하는 일 없이, 판두께(t)로 이루어진 1매의 플레이트를 이용하는 경우보다, 동일한 판두께(t)여도 절반의 판두께인 0.5t로 이루어진 2매의 플레이트를 이용한 편이, 장착판(40, 43)에 발생하는 응력 σ를 작게 할 수 있다.
따라서, 본 실시형태와 같이, 한 쌍의 2매의 플레이트로 한 경우에, 일방 또는 양방의 플레이트의 판두께를 증대시켜 고유 진동수의 증대를 도모하는 것이 아니라, 한 쌍의 플레이트(32a)에 동일한 판두께의 인접 플레이트(32b)를 더한 3매의 플레이트(32a, 32b)로 함으로써, 고유 진동수의 증대를 도모함과 함께, 장착판(40, 43)에 전달되는 모멘트 M의 증대를 회피할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 이하의 작용 효과를 나타낸다.
디젤 엔진(1)의 운전 중에는, 복수의 실린더로부터 다양한 타이밍에 배기 가스가 배기 정압관(14)으로 유도된다. 배기 정압관(14) 내에서는, 배기 가스의 맥동이 억제되어, 배기 가스의 에너지가 정압으로 변환된다. 이 때, 배기 정압관(14)에는, 디젤 엔진(1) 본체로부터 전달되는 진동, 배기 가스 압력의 영향이나 배기 정압관(14)의 자체 중량 등이 더해지기 때문에, 배기 정압관(14)을 지지판(30) 및 변형판(32)에 의하여 하방으로부터 지지한다.
배기 정압관(14)의 주된 중량은, 길이 방향의 대략 중앙 위치에 마련된 지지판(30)에 의하여 지지된다. 배기 정압관(14)의 길이 방향의 진동은, 길이 방향으로 뻗어 있는 지지판(30)에 의하여 억제된다.
한편, 배기 정압관(14)의 각 길이 방향 위치에 있어서의 부분적인 하중은, 변형판(32)에 의하여 지지된다. 배기 정압관(14)의 가로 방향의 진동은, 배기 정압관(14)의 가로 방향으로 뻗어 있는 변형판(32)에 의하여 억제된다. 또, 배기 정압관(14)의 길이 방향에 있어서의 열팽창은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 변형판(32)이 배기 정압관(14)의 길이 방향으로 휘어 변형됨으로써 허용한다.
본 실시형태에서는, 변형판(32)을 한 쌍의 대향 플레이트(32a)에 더하여, 이들 대향 플레이트(32a)와 동일한 판두께로 이루어진 인접 플레이트(32b)를 대향 플레이트(32a)에 인접하여 마련하는 것으로 했다. 이와 같이 플레이트를 합계 3매로 함으로써 가로 방향의 고유 진동수를 높일 수 있다.
또, 플레이트의 판두께를 증대시키는 것이 아니라, 플레이트의 매수를 증가시킴으로써 전체의 합계 판두께를 증대시켜 변형판(32)의 강성을 높이는 것으로 했다. 이와 같이 변형판(32)의 강성을 높여도, 두꺼운 1매의 플레이트로 하는 것이 아니라 이를 분할한 얇은 플레이트를 조합하는 것으로 했으므로, 변형판(32)의 고정부로부터 상측 장착부(40) 및 하측 장착부(43)에 전달되는 굽힘 모멘트의 증가를 억제할 수 있고, 상측 장착부(40) 및 하측 장착부(43)에 발생하는 응력의 증대를 억제함으로써, 배기 정압관(14)이나 소기 트렁크(20)에 고정하는 고정부의 손상을 회피할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 선박용 주기로서 이용되는 대형 디젤 엔진으로 했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 배기 정압관을 구비하는 것이라면 다른 내연 기관에도 적용할 수 있다.
또, 상술한 실시형태에서는, 변형판의 하단의 접속처를 소기 트렁크로서 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 변형판의 하단을 접속하기 위하여 적절한 내연 기관 본체측의 구조이면 된다.
또, 상술한 실시형태에서는, 지지판(30)을 구비한 구성으로서 설명했지만, 지지판(30)을 사용하지 않고 변형판(32)만으로 배기 정압관(14)을 지지하는 구성으로 해도 된다.
1 디젤 엔진(내연 기관)
9 실린더 라이너
14 배기 정압관
16 과급기
20 소기 트렁크
30 지지판(제2 지지부)
32 변형판(제1 지지부)
32a 대향 플레이트(대향 판상체)
32b 인접 플레이트(인접 판상체)
40 상측 장착판(상측 장착부)
43 하측 장착판(하측 장착부)

Claims (5)

  1. 내연 기관 본체로부터 배출되는 배기 가스를 일시적으로 저류함과 함께, 종축선이 수평 방향으로 뻗어 있는 배기 정압관을, 상기 내연 기관 본체에 대하여 지지하는 배기 정압관 지지 구조로서,
    상기 배기 정압관과 상기 내연 기관 본체의 사이에 마련되어, 상기 배기 정압관을 하방으로부터 지지하는 제1 판상체를 갖고, 상기 제1 판상체가 상기 수평 방향에 직교하도록 배치된 제1 지지부와,
    상기 배기 정압관에 대하여 고정되어, 상기 제1 판상체의 상단부에 장착되는 상측 장착부와,
    상기 내연 기관 본체에 대하여 고정되어, 상기 제1 판상체의 하단부에 장착되는 하측 장착부
    를 구비하며,
    상기 제1 판상체는, 상기 상측 장착부 및 상기 하측 장착부를 사이에 두고 접속된 한 쌍의 대향 판상체와, 적어도 일방의 상기 대향 판상체에 인접하여 마련된 인접 판상체로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기 정압관 지지 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 대향 판상체와 상기 인접 판상체는, 동일한 판두께로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 배기 정압관 지지 구조.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 배기 정압관과 상기 내연 기관 본체의 사이에 마련되어, 상기 배기 정압관을 하방으로부터 지지하는 제2 판상체를 갖고, 상기 제2 판상체가 상기 수평 방향을 따라 배치된 제2 지지부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 배기 정압관 지지 구조.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2 에 기재된 배기 정압관 지지 구조를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  5. 청구항 3 에 기재된 배기 정압관 지지 구조를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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