KR101864864B1 - 크로스 헤드형 엔진 - Google Patents

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KR101864864B1
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

크로스 헤드형 엔진은 실린더와, 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과, 피스톤에 일단이 고정된 피스톤 로드(112a)와, 피스톤 로드의 타단 측에 연결되어 피스톤과 일체로 왕복 이동하는 크로스 헤드(크로스 헤드 핀(114a))와, 일단이 크로스 헤드에 지지되는 연결봉과, 연결봉에 연결되어 피스톤 및 크로스 헤드의 왕복 이동에 연동하여 회전하는 크랭크 샤프트와, 피스톤 로드와 크로스 헤드의 피스톤의 스트로크 방향의 상대적인 위치를 변경함으로써 피스톤의 상사점 및 하사점의 위치를 가변으로 하는 가변 기구를 구비한다. 가변 기구는, 크로스 헤드에 마련되어 피스톤 로드의 단부가 진입된 유압실(168a)과, 유압실에 작동유를 공급 혹은 유압실로부터 작동유를 배출하여 피스톤 로드의 단부의 유압실에 대한 스트로크 방향의 진입 위치를 조정하는 유압 조정 기구를 구비한다.

Description

크로스 헤드형 엔진{Crosshead engine}
본 발명은 피스톤 로드에 크로스 헤드가 고정된 크로스 헤드형 엔진에 관한 것이다.
본원은 2014년 1월 20일에 일본 출원된 일본특허출원 2014-008102호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
선박용 엔진에 많이 채용되고 있는 크로스 헤드형 엔진에서는, 피스톤의 피스톤 로드의 단부에 크로스 헤드가 마련되어 있다. 연결봉(커넥팅 로드)은 크로스 헤드와 크랭크 샤프트를 연결하고 있고, 크로스 헤드의 왕복 운동이 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환된다.
특허문헌 1의 엔진은 이러한 크로스 헤드형 엔진으로서, 피스톤 로드와 크랭크 샤프트를 복수의 링크로 연결하는 구성이다. 그리고, 링크의 자세를 변경함으로써 피스톤의 상사점 위치를 변화시켜 압축비를 가변으로 한다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2007-247415호 공보
엔진의 압축비를 가변으로 하는 경우, 상술한 특허문헌 1에 기재된 엔진에서는 복수의 링크에 의한 연결 구조 등 구조가 복잡해진다. 또한, 단순히 피스톤 로드와, 크로스 헤드 본체를 피스톤 로드에 고정하는 크로스 헤드 핀의 사이에 심(shim) 판을 개재시키는 구성을 생각할 수 있다. 이러한 구성에서는 엔진의 압축비를 바꾸는 경우 두께가 다른 심 판으로 교체하는 것이 상정되지만, 이 경우 엔진의 압축비를 바꿀 때마다 엔진을 정지해야 한다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여, 간이한 구조로 엔진을 가동시킨 채로 압축비를 변경하는 것이 가능한 크로스 헤드형 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 크로스 헤드형 엔진은 실린더와, 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과, 피스톤에 일단이 고정된 피스톤 로드와, 피스톤 로드의 타단 측에 연결되어 피스톤과 일체로 왕복 이동하는 크로스 헤드와, 일단이 크로스 헤드에 지지되는 연결봉과, 연결봉에 연결되어 피스톤 및 크로스 헤드의 왕복 이동에 연동하여 회전하는 크랭크 샤프트와, 피스톤 로드와 크로스 헤드의 피스톤의 스트로크 방향의 상대적인 위치를 변경함으로써 피스톤의 상사점 및 하사점의 위치를 가변으로 하는 가변 기구를 구비한다.
또한, 가변 기구는, 크로스 헤드에 마련되어 피스톤 로드의 단부가 진입된 유압실과, 유압실에 작동유를 공급 혹은 유압실로부터 작동유를 배출하여 피스톤 로드의 단부의, 유압실에 대한 스트로크 방향의 진입 위치를 조정하는 유압 조정 기구를 구비한다.
유압 조정 기구가, 내부에 작동유가 도입되는 펌프 실린더와, 펌프 실린더 안을 스트로크 방향으로 이동함과 아울러 일단이 펌프 실린더로부터 돌출되는 플런저를 가지며, 플런저가 펌프 실린더 내에 압입됨으로써 펌프 실린더 내의 작동유를 유압실에 공급하는 플런저 펌프를 더 구비하고, 플런저 펌프가 크로스 헤드와 함께 스트로크 방향으로 이동하여 크로스 헤드의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 플런저가 펌프 실린더 내에 압입되어도 된다.
유압 조정 기구가, 플런저 펌프의 스트로크 방향의 이동에 따라 플런저에 접촉하는 제1 캠 판과, 제1 캠 판을 이동시켜 제1 캠 판의 자세 혹은 플런저에 대한 상대 위치를 변화시키는 제1 액추에이터를 더 구비하고, 플런저는 제1 캠 판의 자세 혹은 상대 위치에 따라 제1 캠 판과의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화함과 아울러 접촉 위치에 의해 펌프 실린더에 대한 최대 압입량이 설정되어도 된다.
제1 캠 판이 플런저의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며, 제1 액추에이터는 제1 캠 판을 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시켜도 된다.
유압 조정 기구가, 유압실로부터 배출된 작동유가 유통하는 내부 유로가 형성된 본체와, 내부 유로를 스트로크 방향으로 이동하여 내부 유로를 폐색하는 폐쇄 위치와 내부 유로에서의 작동유의 유통을 가능하게 하는 개방 위치로 변위하는 밸브체와, 일단이 밸브체와 스트로크 방향으로 대향됨과 아울러 타단이 본체로부터 돌출되는 로드를 가지며, 로드가 본체 내에 압입됨으로써 밸브체가 로드에 압압되어 개방 위치로 변위하는 스필 밸브를 더 구비하고, 스필 밸브가 크로스 헤드와 함께 스트로크 방향으로 이동하여 크로스 헤드의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 로드가 본체 내에 압입되어도 된다.
유압 조정 기구가, 스필 밸브의 스트로크 방향의 이동에 따라 로드에 접촉하는 제2 캠 판과, 제2 캠 판을 이동시켜 제2 캠 판의 자세 혹은 로드에 대한 상대 위치를 변화시키는 제2 액추에이터를 더 구비하고, 로드는 제2 캠 판의 자세 혹은 상대 위치에 따라 제2 캠 판과의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화함과 아울러 접촉 위치에 의해 스필 밸브에 대한 최대 압입량이 설정되어도 된다.
제2 캠 판이 로드의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며, 제2 액추에이터가 제2 캠 판을 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시켜도 된다.
본 발명의 크로스 헤드형 엔진에 의하면, 간이한 구조로 엔진을 가동시킨 채로 압축비를 변경하는 것이 가능해진다.
도 1은 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2a는 피스톤 로드와 크로스 헤드 핀의 연결 부분을 설명하기 위한 도 1의 일점쇄선으로 둘러싸인 부분의 확대도이다.
도 2b는 도 2a의 II(b)-II(b) 선에 따른 단면도이다.
도 3a는 피스톤 로드와 크로스 헤드 핀의 상대적인 위치의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 피스톤 로드와 크로스 헤드 핀의 상대적인 위치의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 플런저 펌프 및 스필 밸브의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 유압 조정 기구의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 플런저 펌프의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 플런저 펌프의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 스필 밸브의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 스필 밸브의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8c는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8d는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 크랭크각과 플런저 펌프 및 스필 밸브의 동작 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 이러한 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하며, 특별히 언급하는 경우를 제외하고 본 발명을 한정하지 않는다. 또, 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능, 구성을 가지는 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략하고, 또한 본 발명에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.
이하의 실시형태에서는, 기체 연료인 연료 가스를 주로 연소시키는 가스 운전 모드와, 액체 연료인 연료유를 연소시키는 디젤 운전 모드 중 어느 하나의 운전 모드를 선택적으로 실행할 수 있는 이른바 듀얼 퓨얼형 엔진에 대해 설명한다. 또한, 1주기가 2사이클(2스트로크)이고, 실린더 내부를 가스가 일방향으로 흐르는 유니플로 소기식인 경우에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명이 적용되는 엔진의 종류는 듀얼 퓨얼형, 2사이클형, 유니플로 소기식에 한정되지 않고, 크로스 헤드형 엔진이면 좋다.
도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)(크로스 헤드형 엔진)의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 예를 들어 선박 등에 이용된다. 구체적으로 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 실린더(110), 피스톤(112), 크로스 헤드(114), 연결봉(116), 크랭크 샤프트(118), 배기 포트(120), 배기 밸브(122), 소기 포트(124), 소기 탱크부(126), 냉각기(128), 소기실(130), 연소실(132)을 포함하여 구성된다.
유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에서는, 피스톤(112)의 상승 행정 및 하강 행정의 2행정 동안에 배기, 흡기, 압축, 연소, 팽창이 이루어져 피스톤(112)이 실린더(110) 안을 왕복 이동한다. 피스톤(112)에는, 피스톤 로드(112a)의 일단이 고정되어 있다. 또한, 피스톤 로드(112a)의 타단에는 크로스 헤드(114)에서의 크로스 헤드 핀(114a)이 연결되어 있고, 크로스 헤드(114)는 피스톤(112)과 함께 왕복 이동한다. 크로스 헤드(114)는 크로스 헤드 슈(114b)에 의해 피스톤(112)의 스트로크 방향에 수직인 방향(도 1 중 좌우 방향)의 이동이 규제되어 있다.
크로스 헤드 핀(114a)은 연결봉(116)의 일단에 마련된 구멍에 삽입 통과되어 있고, 연결봉(116)의 일단을 지지하고 있다. 또한, 연결봉(116)의 타단은 크랭크 샤프트(118)에 연결되고, 연결봉(116)에 대해 크랭크 샤프트(118)가 회전하는 구조로 되어 있다. 그 결과, 피스톤(112)의 왕복 이동에 따라 크로스 헤드(114)가 왕복 이동하면, 그 왕복 이동에 연동하여 크랭크 샤프트(118)가 회전한다.
배기 포트(120)는, 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)에 마련된 개구부로서, 실린더(110) 내에서 발생한 연소 후의 배기 가스를 배기하기 위해 개폐된다. 배기 밸브(122)는, 도시하지 않은 배기 밸브 구동 장치에 의해 소정의 타이밍에 상하로 슬라이딩되어 배기 포트(120)를 개폐한다. 이와 같이 하여 배기 포트(120)를 통해 배기된 배기 가스는 배기관(120a)을 통해 과급기(C)의 터빈 측에 공급된 후 외부로 배기된다.
소기 포트(124)는, 실린더(110)의 하단측의 내주면(실린더 라이너(110b)의 내주면)부터 외주면까지 관통하는 구멍으로, 실린더(110)의 전체 둘레에 걸쳐 복수 마련되어 있다. 그리고, 소기 포트(124)로부터 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따라 실린더(110) 내에 활성 가스가 흡입된다. 이러한 활성 가스는 산소, 오존 등의 산화제 또는 그 혼합기(예를 들어 공기)를 포함한다.
소기 탱크부(126)에는, 과급기(C)의 컴프레서에 의해 가압된 활성 가스(예를 들어 공기)가 봉입되어 있고, 냉각기(128)에 의해 활성 가스가 냉각되어 있다. 냉각된 활성 가스는 실린더 자켓(110c) 내에 형성된 소기실(130)에 압입된다. 그리고, 소기실(130)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)에 의해 소기 포트(124)로부터 실린더(110) 내에 활성 가스가 흡입된다.
또한, 실린더 헤드(110a)에는 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브가 마련된다. 가스 운전 모드에서는, 엔진 사이클에서의 원하는 시점에서 적당량의 연료유가 파일럿 분사 밸브로부터 분사된다. 이러한 연료유는, 실린더 헤드(110a)와, 실린더 라이너(110b)와, 피스톤(112)에 둘러싸인 연소실(132)의 열로 기화하여 연료 가스가 됨과 아울러 자연 착화하고 단시간에 연소되어 연소실(132)의 온도를 매우 높인다. 그 결과, 실린더(110)에 유입된 연료 가스를 원하는 타이밍에 확실히 연소할 수 있다. 피스톤(112)은 주로 연료 가스의 연소에 의한 팽창압에 의해 왕복 이동한다.
여기서, 연료 가스는 예를 들어 LNG(액화 천연가스)를 가스화하여 생성된다. 또한, 연료 가스는 LNG에 한정하지 않고, 예를 들어 LPG(액화 석유가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.
한편, 디젤 운전 모드에서는, 가스 운전 모드에서 연료유의 분사량보다 다량의 연료유가 파일럿 분사 밸브로부터 분사된다. 피스톤(112)은 연료 가스가 아니라 연료유의 연소에 의한 팽창압에 의해 왕복 이동한다.
이와 같이, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 가스 운전 모드와 디젤 운전 모드 중 어느 하나의 운전 모드를 선택적으로 실행한다. 그리고, 각각의 선택 모드에 따라 피스톤(112)의 압축비를 가변으로 하기 위해, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에는 가변 기구가 마련되어 있다. 이하, 가변 기구에 대해 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 연결 부분을 설명하기 위한 도면으로, 도 2a에는 도 1의 일점쇄선으로 둘러싸인 부분의 확대도를 나타내고, 도 2b에는 도 2a의 II(b)-II(b) 선에 따른 단면을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 크로스 헤드 핀(114a)에는 피스톤 로드(112a)의 타단이 삽입된다. 구체적으로 크로스 헤드 핀(114a)에는, 크로스 헤드 핀(114a)의 축방향(도 2b 중 좌우 방향)에 수직으로 연장되는 연결공(160)이 형성되어 있다. 이 연결공(160)은 유압실이 되어 있고, 이 유압실에 피스톤 로드(112a)의 타단(단부)이 삽입(진입)되어 있다. 이와 같이 연결공(160)에 피스톤 로드(112a)의 타단이 삽입됨으로써, 크로스 헤드 핀(114a)과 피스톤 로드(112a)가 연결된다.
보다 상세하게는 피스톤 로드(112a)에는, 피스톤 로드(112a)의 외경이 일단 측보다 큰 대직경부(162a)와, 대직경부(162a)보다 타단 측에 위치하고 대직경부(162a)보다 외경이 작은 소직경부(162b)가 형성되어 있다.
그리고, 연결공(160)은, 피스톤(112) 측에 위치하는 대직경 구멍부(164a)와, 대직경 구멍부(164a)에 대해 연결봉(116) 측에 대직경 구멍부(164a)와 연속하여 형성되고 대직경 구멍부(164a)보다 내경이 작은 소직경 구멍부(164b)를 가지고 있다.
피스톤 로드(112a)의 소직경부(162b)는 연결공(160)의 소직경 구멍부(164b)에 삽입 가능하고, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)는 연결공(160)의 대직경 구멍부(164a)에 삽입 가능한 치수로 되어 있다. 소직경 구멍부(164b)의 내주면에는 O링으로 구성되는 제1 시일 부재(O1)가 배치된다.
피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)보다 피스톤 로드(112a)의 일단 측에는, 연결공(160)보다 외경이 큰 고정 덮개(166)가 고정되어 있다. 고정 덮개(166)는 환상 부재로서, 피스톤 로드(112a)가 피스톤 로드(112a)의 일단측으로부터 삽입 통과되어 있다. 피스톤 로드(112a)가 삽입 통과되는 고정 덮개(166)의 내주면에는 O링으로 구성되는 제2 시일 부재(O2)가 배치된다.
크로스 헤드 핀(114a)의, 피스톤(112) 측을 향하는 외주면에는, 크로스 헤드 핀(114a)의 지름 방향으로 움푹 패인 홈(114c)이 형성되어 있고, 이 홈(114c)에 고정 덮개(166)가 접촉한다.
또한, 크로스 헤드 핀(114a)의 내부 중에서 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 연결 부분에는, 제1 유압실(168a)(유압실) 및 제2 유압실(168b)이 형성되어 있다.
제1 유압실(168a)은, 대직경부(162a)와 소직경부(162b)의 외경차에 의한 단차면과, 대직경 구멍부(164a)의 내주면과, 대직경 구멍부(164a)와 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면에 의해 둘러싸인 공간이다.
제2 유압실(168b)은, 대직경부(162a) 중에서 피스톤 로드(112a)의 일단측 단면과, 대직경 구멍부(164a)의 내주면과, 고정 덮개(166)에 의해 둘러싸인 공간이다. 즉, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)에 의해 대직경 구멍부(164a)가 피스톤 로드(112a)의 일단측과 타단측으로 구획된다. 그리고, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)보다 타단측으로 구획된 대직경 구멍부(164a)에 의해 제1 유압실(168a)이 형성되고, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)보다 일단측으로 구획된 대직경 구멍부(164a)에 의해 제2 유압실(168b)이 형성되어 있다.
제1 유압실(168a)에는, 공급 유로(170a) 및 배유로(排油路; 170b)가 연통하고 있다. 공급 유로(170a)는, 일단이 대직경 구멍부(164a)의 내주면(대직경 구멍부(164a)와 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면)에 개구되고, 타단이 후술하는 플런저 펌프에 연통하고 있다. 배유로(170b)는, 일단이 대직경 구멍부(164a)와 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면에 개구되고, 타단이 후술하는 스필 밸브에 연통하고 있다.
제2 유압실(168b)에는, 고정 덮개(166)의 내벽면에 개구하는 보조 유로(170c)가 연통하고 있다. 보조 유로(170c)는, 고정 덮개(166)와 크로스 헤드 핀(114a)의 접촉 부분을 통해 크로스 헤드 핀(114a)의 내부를 통과하며 유압 펌프에 연통하고 있다.
도 3a 및 도 3b는, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치의 변화를 설명하기 위한 도면으로, 도 3a에서는 피스톤 로드(112a)가 연결공(160)에 얕게 진입한 상태를 나타내고, 도 3b에서는 피스톤 로드(112a)가 연결공(160)에 깊게 진입한 상태를 나타낸다.
제1 유압실(168a)은, 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 가변으로 되어 있어, 제1 유압실(168a)에 비압축성 작동유를 공급한 상태로 제1 유압실(168a)을 밀폐하면, 작동유가 비압축성이기 때문에 도 3a의 상태를 유지 가능하게 되어 있다.
그리고, 스필 밸브가 개구되면, 피스톤(112)의 왕복 이동에 의한 피스톤 로드(112a) 및 크로스 헤드 핀(114a)으로부터의 압축 하중에 의해 작동유가 제1 유압실(168a)로부터 배유로(170b)를 통과하여 스필 밸브 측에 배출된다. 그 결과, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 유압실(168a)의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 짧아진다. 한편, 제2 유압실(168b)은 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 길어진다.
제1 유압실(168a) 및 제2 유압실(168b)의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 변경된 만큼 피스톤 로드(112a)가 크로스 헤드 핀(114a)의 연결공(160)(유압실)에 진입하는 진입 위치(진입 깊이)가 변화한다. 이와 같이, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치를 변화시킴으로써, 피스톤(112)의 상사점 및 하사점의 위치를 가변으로 하고 있다.
그런데, 도 3b에 도시된 상태로 피스톤(112)이 상사점에 도달하였을 때, 크로스 헤드 핀(114a)의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 위치는 연결봉(116)에 의해 고정되어 있다. 한편, 피스톤 로드(112a)는 크로스 헤드 핀(114a)에 연결되어 있지만, 제2 유압실(168b)만큼 그 스트로크 방향으로 여유가 발생한다.
그 때문에, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 회전수에 따라서는 피스톤 로드(112a)의 관성력이 커지고, 피스톤 로드(112a)가 피스톤(112) 측으로 너무 이동할 가능성이 있다. 이와 같이 상사점 위치의 어긋남이 발생하지 않도록, 제2 유압실(168b)에는 보조 유로(170c)를 통해 유압 펌프로부터의 유압을 작용시켜 스트로크 방향에 따른 피스톤 로드(112a)의 이동을 억제하고 있다.
또한, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 비교적 저속의 회전수로 이용되기 때문에, 피스톤 로드(112a)의 관성력이 작다. 따라서, 제2 유압실(168b)에 공급하는 유압이 낮아도 상사점 위치의 어긋남을 억제할 수 있다.
또한, 피스톤 로드(112a)에는, 피스톤 로드(112a)(대직경부(162a))의 외주면으로부터 지름 방향 내측으로 향하는 유로공(172)이 마련되어 있다. 또한, 크로스 헤드 핀(114a)에는, 크로스 헤드 핀(114a)의 외주면 측으로부터 연결공(160)(대직경 구멍부(164a))까지 관통하는 관통공(174)이 마련되어 있다. 관통공(174)은 유압 펌프와 연통하고 있다.
또한, 유로공(172)과 관통공(174)은 피스톤 로드(112a)의 지름 방향으로 대향되어 있고, 유로공(172)과 관통공(174)이 연통하고 있다. 유로공(172)의 외주면 측의 단부는, 유로공(172)의 다른 부위보다 피스톤(112)의 스트로크 방향(도 3a 및 도 3b 중 상하 방향)의 유로폭이 넓게 형성되어 있고, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 바뀌어도 유로공(172)과 관통공(174)의 연통 상태가 유지된다.
피스톤 로드(112a)(대직경부(162a))의 외주면에는, 유로공(172)의 외주면 측의 단부를 피스톤 로드(112a)의 축방향으로 사이에 두도록 O링으로 구성되는 제3 시일 부재(O3), 제4 시일 부재(O4)가 배치된다.
대직경부(162a)는, 유로공(172)만큼 대직경 구멍부(164a)의 내주면에 대향하는 면적이 작아져 대직경 구멍부(164a)에 대해 기울어지기 쉬워진다. 이에 반해, 소직경부(162b)가 소직경 구멍부(164b)로 가이드됨으로써, 피스톤 로드(112a)의 스트로크 방향에 대한 기울어짐이 억제되어 있다.
그리고, 피스톤 로드(112a)의 내부에는, 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 연장되며 피스톤(112) 및 피스톤 로드(112a)를 냉각하는 냉각유가 유통하는 냉각 유로(176)가 형성되어 있다. 냉각 유로(176)는, 그 내부에 배치된, 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 연장되는 냉각관(178)에 의해 피스톤 로드(112a)의 지름 방향 외측의 왕로(往路; 176a)와 내측의 복로(復路; 176b)로 나누어진다. 유로공(172)은 냉각 유로(176) 중 왕로(176a)에 개구되어 있다.
유압 펌프로부터 공급된 냉각유는 관통공(174), 유로공(172)을 통해 냉각 유로(176)의 왕로(176a)에 유입된다. 왕로(176a)와 복로(176b)는 피스톤(112)의 내부에서 연통하고 있고, 왕로(176a)를 흐른 냉각유는 피스톤(112)의 내벽에 도달하면 복로(176b)를 통과하여 소직경부(162b) 측으로 되돌아간다. 냉각 유로(176)의 내벽 및 피스톤(112)의 내벽에 냉각유가 접촉함으로써 피스톤(112)이 냉각된다.
또한, 크로스 헤드 핀(114a)에는, 크로스 헤드 핀(114a)의 축방향으로 연장되는 출구공(180)이 형성되어 있고, 소직경 구멍부(164b)는 출구공(180)에 연통하고 있다. 피스톤(112)을 냉각한 후에 냉각 유로(176)로부터 소직경 구멍부(164b)에 유입된 냉각유는 출구공(180)을 통과하여 크로스 헤드 핀(114a) 밖으로 배출되어 탱크로 환류한다.
제1 유압실(168a) 및 제2 유압실(168b)에 공급되는 작동유와, 냉각 유로(176)에 공급되는 냉각유는, 모두 동일한 탱크로 환류하여 동일한 유압 펌프로 승압된다. 그 때문에, 유압을 작용시키는 작동유의 공급과, 냉각용 냉각유의 공급을 하나의 유압 펌프로 수행할 수 있고 비용을 저감하는 것이 가능해진다.
피스톤(112)의 압축비를 가변으로 하는 가변 기구에는, 상기 제1 유압실(168a)에 더하여 제1 유압실(168a)의 유압을 조정하는 유압 조정 기구를 포함하여 구성된다. 이어서, 유압 조정 기구에 대해 상세히 설명한다.
도 4는, 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)의 배치를 설명하기 위한 도면으로, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100) 중에서 크로스 헤드(114) 근방의 외관 및 부분 단면을 나타낸다. 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)는, 각각 도 4에 크로스 해칭으로 나타내는 크로스 헤드 핀(114a)에 고정되어 있다.
플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184) 각각의 하방에는, 크로스 헤드(114)의 왕복 이동을 가이드하는 2개의 가이드판(186a)에 양단이 고정되어 두 가이드판(186a)을 지지하는 기관 가교(186b)가 배치되어 있다. 기관 가교(186b)에는 제1 캠 판(188) 및 제2 캠 판(190)이 놓여 있고, 제1 캠 판(188) 및 제2 캠 판(190)은 각각 제1 액추에이터(192) 및 제2 액추에이터(194)에 의해 기관 가교(186b) 상을 도 4 중 좌우 방향으로 이동 가능하게 되어 있다.
플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)는, 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 크로스 헤드 핀(114a)과 일체로 왕복 이동한다. 한편, 제1 캠 판(188) 및 제2 캠 판(190)은 기관 가교(186b) 상에 있고, 기관 가교(186b)에 대해 피스톤(112)의 스트로크 방향으로는 이동하지 않는다.
도 5는, 유압 조정 기구(196)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 유압 조정 기구(196)는 플런저 펌프(182), 스필 밸브(184), 제1 캠 판(188), 제2 캠 판(190), 제1 액추에이터(192), 제2 액추에이터(194), 제1 전환 밸브(198), 제2 전환 밸브(200), 위치 센서(202), 유압 제어부(204)를 포함하여 구성된다.
플런저 펌프(182)는, 펌프 실린더(182a)와 플런저(182b)를 포함하여 구성된다. 펌프 실린더(182a)의 내부에는, 유압 펌프(P)에 연통하는 유로를 통해 작동유가 도입된다. 플런저(182b)는, 펌프 실린더(182a) 안을 스트로크 방향으로 이동함과 아울러 그 일단이 펌프 실린더(182a)로부터 돌출된다.
제1 캠 판(188)은, 피스톤(112)의 스트로크 방향에 대해 경사지는 경사면(188a)을 가지며, 플런저 펌프(182)의 스트로크 방향의 하방에 배치되어 있다. 그리고, 플런저 펌프(182)가 크로스 헤드 핀(114a)과 함께 스트로크 방향으로 이동하면, 하사점에 가까운 크랭크각에서 펌프 실린더(182a)로부터 돌출된 플런저(182b)의 일단이 제1 캠 판(188)의 경사면(188a)에 접촉한다.
그리고, 플런저(182b)는 제1 캠 판(188)의 경사면(188a)으로부터 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 펌프 실린더(182a) 내에 압입된다. 플런저 펌프(182)는, 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a) 내에 압입됨으로써, 펌프 실린더(182a) 내의 작동유를 제1 유압실(168a)에 공급(압입)한다.
제1 액추에이터(192)는, 예를 들어 제1 전환 밸브(198)를 통해 공급되는 작동유의 유압에 의해 작동하여 제1 캠 판(188)을 스트로크 방향과 교차하는 방향(여기서는 스트로크 방향에 수직인 방향)으로 이동시킨다. 즉, 제1 액추에이터(192)는 제1 캠 판(188)의 이동에 의해 제1 캠 판(188)의 플런저(182b)에 대한 상대 위치를 변화시킨다.
이와 같이, 제1 캠 판(188)이 스트로크 방향에 수직인 방향으로 이동하면, 플런저(182b)와 제1 캠 판(188)의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 상대 변화한다. 예를 들어, 도 5 중에서 좌측으로 제1 캠 판(188)이 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 상방으로 변위하고, 도 5 중에서 우측으로 제1 캠 판(188)이 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 하방으로 변위한다. 그리고, 이 접촉 위치에 따라 펌프 실린더(182a)에 대한 최대 압입량이 설정된다.
스필 밸브(184)는, 본체(184a)와 밸브체(184b)와 로드(184c)를 포함하여 구성된다. 스필 밸브(184)의 본체(184a)의 내부에는, 제1 유압실(168a)로부터 배출된 작동유가 유통하는 내부 유로가 형성되어 있다. 밸브체(184b)는, 본체(184a) 내의 내부 유로에 배치된다. 로드(184c)의 일단이 본체(184a) 내의 밸브체(184b)에 대향함과 아울러 타단이 본체(184a)로부터 돌출되어 있다.
제2 캠 판(190)은, 스트로크 방향에 대해 경사지는 경사면(190a)을 가지며, 로드(184c)의 스트로크 방향의 하방에 배치되어 있다. 그리고, 스필 밸브(184)가 크로스 헤드 핀(114a)과 함께 스트로크 방향으로 이동하면, 하사점에 가까운 크랭크각에서 스필 밸브(184)의 본체(184a)로부터 돌출된 로드(184c)의 일단이 제2 캠 판(190)의 경사면(190a)에 접촉한다.
그리고, 로드(184c)는 제2 캠 판(190)의 경사면(190a)으로부터 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 본체(184a) 내에 압입된다. 스필 밸브(184)는, 로드(184c)가 본체(184a) 내에 소정량 이상 압입됨으로써 밸브체(184b)가 이동하여 스필 밸브(184)의 내부 유로를 작동유가 유통 가능해지고 제1 유압실(168a)로부터 탱크(T)로 향하여 작동유가 배출된다.
제2 액추에이터(194)는, 예를 들어 제2 전환 밸브(200)를 통해 공급되는 작동유의 유압에 의해 작동하여 제2 캠 판(190)을 스트로크 방향과 교차하는 방향(여기서는 스트로크 방향에 수직인 방향)으로 이동시킨다. 즉, 제2 액추에이터(194)는 제2 캠 판(190)의 이동에 의해 제2 캠 판(190)의 로드(184c)에 대한 상대 위치를 변화시킨다.
제2 캠 판(190)의 상대 위치에 따라, 로드(184c)와 제2 캠 판(190)의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화한다. 예를 들어, 도 5 중에서 좌측으로 제2 캠 판(190)이 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 상방으로 변위하고, 도 5 중에서 우측으로 제2 캠 판(190)이 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 하방으로 변위한다. 그리고, 이 접촉 위치에 따라 스필 밸브(184)에 대한 최대 압입량이 설정된다.
위치 센서(202)는, 피스톤 로드(112a)의 스트로크 방향의 위치를 검지하여 스트로크 방향의 위치를 나타내는 신호를 출력한다.
유압 제어부(204)는, 위치 센서(202)로부터의 신호를 취득하여 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치를 특정한다. 그리고, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 설정 위치가 되도록 제1 액추에이터(192) 및 제2 액추에이터(194)를 구동시켜 제1 유압실(168a) 내의 유압(작동유의 유량)을 조정한다.
이와 같이, 유압 조정 기구(196)는 제1 유압실(168a)에 작동유를 공급 혹은 제1 유압실(168a)로부터 작동유를 배출한다. 이어서, 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)의 구체적인 구성에 대해 상세히 설명한다.
도 6a 및 도 6b는 플런저 펌프(182)의 구성을 설명하기 위한 도면으로, 플런저(182b)의 중심축을 포함하는 면에 의한 단면을 나타낸다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 펌프 실린더(182a)에는 유압 펌프(P)로부터 공급된 작동유가 유입되는 유입구(182c)와, 펌프 실린더(182a)로부터 제1 유압실(168a)로 향하여 작동유가 배출되는 배출구(182d)가 마련되어 있다.
유입구(182c)로부터 유입된 작동유는, 펌프 실린더(182a) 내의 저유실(貯油室; 182e)에 저류(貯留)된다. 그리고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)에 압입되면, 저유실(182e)의 작동유는 플런저(182b)에 압압되어 배출구(182d)로부터 제1 유압실(168a)에 공급된다.
바이어스부(182f)는 예를 들어 코일 스프링으로 구성되고, 일단이 펌프 실린더(182a)에 고정됨과 아울러 타단이 플런저(182b)에 고정되어 있다. 그리고, 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)에 압입되면, 플런저(182b)를 밀어 되돌리는 바이어스력을 플런저(182b)에 작용시킨다.
그 때문에, 도 6b에 도시된 상태로 크로스 헤드 핀(114a)의 이동에 따라 플런저(182b)가 제1 캠 판(188)으로부터 떨어지는 방향으로 이동하면, 플런저(182b)는 바이어스부(182f)의 바이어스력에 따라 도 6a에 도시된 위치로 되돌아간다. 빠짐 방지 부재(182g)는, 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)로부터 빠지지 않도록 플런저(182b)의 펌프 실린더(182a)로부터 돌출되는 방향으로의 이동을 규제한다. 이러한 플런저(182b)의 이동 과정에서, 유입구(182c)로부터 저유실(182e)에 작동유가 유입된다. 저유실(182e)에 유입된 작동유는, 다음으로 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)에 압입될 때에 배출구(182d)로부터 제1 유압실(168a)로 향하여 공급된다.
유입구(182c)와 저유실(182e)을 연통하는 유로에는 체크 밸브(182h)가 마련되어 있고, 저유실(182e)로부터 유입구(182c)로 향하여 작동유가 역류하지 않는 구조로 되어 있다.
또한, 저유실(182e)과 배출구(182d)를 연통하는 유로에는 체크 밸브(182i)가 마련되어 있고, 배출구(182d)로부터 저유실(182e)로 향하여 작동유가 역류하지 않는 구조로 되어 있다.
2개의 체크 밸브(182h, 182i)에 의해, 작동유는 유입구(182c)로부터 배출구(182d)로 향하여 일방향으로 흐른다.
도 7a 및 도 7b는 스필 밸브(184)의 구성을 나타내는 도면으로, 로드(184c)의 중심축을 포함하는 면에 의한 단면을 나타낸다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 스필 밸브(184)의 본체(184a)에는 제1 유압실(168a)로부터 배출된 작동유가 유입되는 유입구(184d)와, 스필 밸브(184)의 본체(184a) 내로부터 탱크(T)로 향하여 작동유가 배출되는 배출구(184e)가 마련되어 있다.
유입구(184d)로부터 유입된 작동유는, 본체(184a) 내의 내부 유로(184f)를 유통한다. 밸브체(184b)는 내부 유로(184f)에 배치되어 있고, 내부 유로(184f)를 스트로크 방향으로 이동 가능하게 되어 있다.
그리고, 밸브체(184b)는 스트로크 방향으로 이동함으로써, 도 7a에 도시된 바와 같이 내부 유로(184f)를 폐색하는 폐쇄 위치와, 도 7b에 도시된 바와 같이 내부 유로(184f)에서의 작동유의 유통을 가능하게 하는 개방 위치로 변위한다.
로드(184c)의 일단은 밸브체(184b)와 스트로크 방향으로 대향되어 있고, 로드(184c)가 본체(184a) 내에 압입됨으로써 밸브체(184b)가 로드(184c)에 압압되어 도 7b에 도시된 개방 위치로 변위한다.
바이어스부(184g)는 예를 들어 코일 스프링으로 구성되고, 일단이 스필 밸브(184)의 본체(184a)에 고정됨과 아울러 타단이 밸브체(184b)에 고정되어 있다. 바이어스부(184g)는 상시(常時), 밸브체(184b)가 내부 유로(184f)를 폐색하는 방향으로 바이어스력을 작용시키고 있다. 그리고, 로드(184c)는 스필 밸브(184)의 본체(184a)에 압입되면, 바이어스부(184g)의 바이어스력에 저항하여 밸브체(184b)를 압압한다. 이 때, 바이어스부(184g)는 밸브체(184b)를 밀어 되돌리는 바이어스력을 밸브체(184b)에 작용시킨다.
그 때문에, 도 7b에 도시된 바와 같이 밸브체(184b)가 개방 위치에 있을 때, 크로스 헤드 핀(114a)의 이동에 따라 로드(184c)가 제2 캠 판(190)으로부터 떨어지면, 밸브체(184b)는 바이어스부(184g)의 바이어스력에 따라 도 7a에 도시된 폐쇄 위치로 되돌아간다. 이 때, 빠짐 방지 부재(184h)는 로드(184c)가 스필 밸브(184)의 본체(184a)로부터 빠지지 않도록 본체(184a)로부터 돌출되는 방향으로의 로드(184c)의 이동을 규제한다.
도 8a~도 8d는, 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 8a에서는, 로드(184c)와 제2 캠 판(190)의 접촉 위치가 비교적 높은 위치가 되도록 제2 캠 판(190)의 상대 위치가 조정되어 있다. 그 때문에, 하사점에 가까운 크랭크각에서 스필 밸브(184)의 본체(184a)에 로드(184c)가 깊게까지 압입되어 스필 밸브(184)가 열리고 제1 유압실(168a)로부터 작동유가 배출된다. 이 때, 제2 유압실(168b)에는 유압 펌프(P)의 유압이 작용하고 있기 때문에, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 안정적으로 유지되고 있다.
이 상태에서, 피스톤(112)의 상사점은 낮게 되어 있다(크로스 헤드 핀(114a) 측에 가깝게 되어 있다). 즉, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 압축비는 작게 되어 있다.
그리고, 유압 제어부(204)는 ECU(Engine Control Unit) 등의 상위 제어부로부터 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 압축비를 크게 하는 지시를 받으면, 도 8b에 도시된 바와 같이 제2 캠 판(190)을 도 8b 중에서 우측으로 이동시킨다. 그 결과, 로드(184c)와 제2 캠 판(190)의 접촉 위치가 낮아져 하사점에 가까운 크랭크각에서도 로드(184c)가 본체(184a) 내에 압입되지 않게 되고, 피스톤(112)의 스트로크 위치에 관계없이 스필 밸브(184)가 닫힌 상태로 유지된다. 즉, 제1 유압실(168a) 내의 작동유가 배출되지 않게 된다.
그리고, 유압 제어부(204)는 도 8c에 도시된 바와 같이 제1 캠 판(188)을 도 8c 중에서 좌측으로 이동시킨다. 그 결과, 플런저(182b)와 제1 캠 판(188)의 접촉 위치가 높아진다. 그리고, 하사점에 가까운 크랭크각에서 플런저(182b)가 제1 캠 판(188)으로부터의 반력에 의해 펌프 실린더(182a) 내에 압입되면, 펌프 실린더(182a) 내의 작동유가 제1 유압실(168a)에 압입된다.
그 결과, 유압에 의해 피스톤 로드(112a)가 밀어 올려지고, 도 8c에 도시된 바와 같이 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 변위하여 피스톤(112)의 상사점이 높아진다(크로스 헤드 핀(114a) 측으로부터 멀어진다). 즉, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 압축비는 커진다.
플런저 펌프(182)는, 피스톤(112)의 1스트로크마다 플런저 펌프(182)의 저유실(182e)에 축적된 작동유를 제1 유압실(168a)에 압입한다. 이 실시형태에서는, 저유실(182e)의 최대 용적에 대해 제1 유압실(168a)의 최대 용적이 복수배이다. 그 때문에, 플런저 펌프(182)가 피스톤(112)의 스트로크 몇 회 동작을 하는지에 따라 제1 유압실(168a)에 압입되는 작동유의 양을 조정하여 피스톤 로드(112a)가 밀어 올려지는 양을 조정하는 것이 가능하게 되어 있다.
피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 원하는 위치가 되면, 유압 제어부(204)는 제1 캠 판(188)을 도 8d 중에서 우측으로 이동시켜 플런저(182b)와 제1 캠 판(188)의 접촉 위치를 낮게 한다. 이렇게 하여 하사점에 가까운 크랭크각에서도 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a) 내에 압입되는 일이 없어 플런저 펌프(182)가 작동하지 않게 된다. 즉, 제1 유압실(168a)에 작동유의 압입이 정지한다.
이렇게 하여 유압 조정 기구(196)는, 제1 유압실(168a)에 대한 스트로크 방향의 피스톤 로드(112a)의 진입 위치를 조정한다. 가변 기구는, 유압 조정 기구(196)에 의해 제1 유압실(168a)의 유압을 조정하여 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드(114)의 스트로크 방향의 상대적인 위치를 변경함으로써, 피스톤(112)의 상사점 및 하사점의 위치를 가변으로 한다.
도 9는, 크랭크각과 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)의 동작 타이밍을 설명하기 위한 도면이다. 도 9에서는, 설명의 편의상 제1 캠 판(188)의 경사면(188a)과의 접촉 위치가 다른 2개의 플런저 펌프(182)를 나열하여 나타내지만, 실제로 플런저 펌프(182)는 하나이고, 제1 캠 판(188)이 이동함으로써 플런저 펌프(182)와의 접촉 위치가 변위한다. 또한, 스필 밸브(184) 및 제2 캠 판(190)은 도시를 생략한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 하사점 바로 앞부터 하사점까지의 크랭크각 범위를 각 a로 하고, 하사점부터 각 a와 동일한 크기의 위상각의 크랭크각 범위를 각 b로 한다. 또한, 상사점 바로 앞부터 상사점까지의 크랭크각 범위를 각 c로 하고, 상사점부터 각 c와 동일한 크기의 위상각의 크랭크각 범위를 각 d로 한다.
플런저 펌프(182)와 제1 캠 판(188)의 상대 위치가 도 9 중에서 우측에 나타내는 플런저 펌프(182)로 나타나는 상태일 때, 플런저 펌프(182)의 플런저(182b)는 제1 캠 판(188)의 경사면(188a)과 크랭크각이 각 a의 개시 위치에서 접촉을 개시하고, 하사점을 넘어 각 b의 종료 위치에서 접촉이 해제된다. 도 9 중에서 플런저 펌프(182)의 스트로크 폭을 폭(s)으로 나타낸다.
또한, 플런저 펌프(182)와 제1 캠 판(188)의 상대 위치가 도 9 중에서 좌측에 나타내는 플런저 펌프(182)로 나타나는 상태일 때, 플런저 펌프(182)의 플런저(182b)는 크랭크각이 하사점이 되는 위치에서 경사면(188a)과 접촉하지만, 플런저(182b)는 펌프 실린더(182a)에 압입되지 않고 바로 접촉이 해제된다.
이와 같이, 플런저 펌프(182)는 크랭크각이 각 a의 범위에 있을 때 동작한다. 구체적으로 크랭크각이 각 a의 범위에 있을 때, 플런저 펌프(182)는 작동유를 제1 유압실(168a)에 압입한다.
또한, 스필 밸브(184)는 크랭크각이 각 b의 범위에 있을 때 동작한다. 구체적으로 크랭크각이 각 b의 범위에 있을 때, 스필 밸브(184)는 작동유를 제1 유압실(168a)로부터 배출한다.
여기서, 플런저 펌프(182)는 크랭크각이 각 a의 범위에 있을 때 동작하고, 스필 밸브(184)는 크랭크각이 각 b의 범위에 있을 때 동작하는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 플런저 펌프(182)는 크랭크각이 각 c의 범위에 있을 때 동작하고, 스필 밸브(184)는 크랭크각이 각 d의 범위에 있을 때 동작해도 된다. 이 경우, 크랭크각이 각 c의 범위에 있을 때, 플런저 펌프(182)는 작동유를 제1 유압실(168a)에 압입한다. 또한, 크랭크각이 각 d의 범위에 있을 때, 스필 밸브(184)는 작동유를 제1 유압실(168a)로부터 배출한다.
상사점이나 하사점 이외의 스트로크 범위에서 플런저 펌프(182)나 스필 밸브(184)를 동작시키는 경우, 제1 캠 판(188), 제2 캠 판(190), 제1 액추에이터(192), 제2 액추에이터(194) 등을 플런저 펌프(182)나 스필 밸브(184)의 왕복 이동에 동기시켜 이동시켜야 한다. 그러나, 본 실시형태와 같이 상사점이나 하사점 부근에서 플런저 펌프(182)나 스필 밸브(184)를 동작시킴으로써, 이러한 동기 기구를 마련하지 않아도 되고 비용을 저감하는 것이 가능해진다.
단, 크랭크각이 하사점을 사이에 둔 각도 범위(각 a, 각 b)에서 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)가 동작하는 경우가, 실린더(110) 내의 압력은 낮기 때문에, 플런저 펌프(182)로부터 제1 유압실(168a)에 작동유를 용이하게 압입하는 것이 가능해진다. 또한, 스필 밸브(184)로부터 배출되는 작동유의 유압도 낮아 캐비테이션의 발생을 억제하고, 스필 밸브(184)를 작동시키는 하중을 낮게 억제하는 것이 가능해진다. 나아가 작동유의 압력이 높기 때문에 피스톤(112)의 위치가 불안정해지는 등의 사태를 회피하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같이, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 피스톤 로드(112a) 및 크로스 헤드(114)의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 상대적인 위치를 변경하는 가변 기구를 구비하고, 간이한 구조로 가동시킨 채로 압축비를 변경하는 것이 가능해진다.
또한, 연결공(160)에 대한 피스톤 로드(112a)의 진입 위치를 유압에 의해 조정하는 구성을 채용하고 있기 때문에, 고온에 대한 내구성이 우수하고 압축비의 미세조정도 수행 가능해진다.
또한, 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘을 이용하여 플런저 펌프(182)가 작동유를 제1 유압실(168a)에 압입하는 구성이기 때문에, 고압을 발생시키는 유압 펌프가 필요 없어지고 비용을 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 제1 캠 판(188)과 제1 액추에이터(192)에 의해 펌프 실린더(182a)에 대한 플런저(182b)의 최대 압입량이 조정 가능하기 때문에, 작동유의 압입량을 조정하여 압축비의 미세조정이 용이하게 가능해진다. 예를 들어, 1스트로크로 저유실(182e)의 최대 용적분의 작동유를 제1 유압실(168a)에 압입해도 되고, 제1 캠 판(188)의 상대 위치를 조정하여 1스트로크로 저유실(182e)의 최대 용적 절반의 양의 작동유를 제1 유압실(168a)에 압입해도 된다. 이와 같이, 1스트로크로 제1 유압실(168a)에 압입하는 작동유의 양을 저유실(182e)의 최대 용적 범위 내에서 임의로 설정하는 것이 가능해진다.
예를 들어 제1 유압실(168a)로부터 작동유가 누출되는 경우, 그 누출량을 보충할 수 있도록 항상 플런저 펌프(182)로부터 작동유를 제1 유압실(168a)에 압입하도록 1스트로크로 제1 유압실(168a)에 압입하는 작동유의 양을 설정해도 된다.
또한, 제1 캠 판(188)에 경사면(188a)을 마련하고 있기 때문에, 제1 액추에이터(192)는 제1 캠 판(188)을 수평 방향으로 이동시키는 것만으로 1스트로크로 제1 유압실(168a)에 압입하는 작동유의 양을 용이하게 설정할 수 있다.
또한, 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘을 이용하여 스필 밸브(184)를 개폐하는 구성이기 때문에, 스필 밸브(184)를 열기 위해 고압을 발생시키는 유압 펌프가 필요 없어지고 비용을 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 제2 캠 판(190)과 제2 액추에이터(194)에 의해, 스필 밸브(184)의 본체(184a)에 대한 로드(184c)의 최대 압입량이 조정 가능하기 때문에, 1스트로크당 작동유의 배출량을 조정하여 압축비의 미세조정이 용이하게 가능해진다.
또한, 제2 캠 판(190)에 경사면(190a)을 마련하고 있기 때문에, 제2 액추에이터(194)는 제2 캠 판(190)을 수평 방향으로 이동시키는 것만으로 1스트로크로 제1 유압실(168a)로부터 배출하는 작동유의 양을 용이하게 설정할 수 있다.
상술한 실시형태에서는, 제1 액추에이터(192) 및 제2 액추에이터(194)는, 제1 캠 판(188) 및 제2 캠 판(190)의, 플런저(182b) 및 로드(184c)에 대한 상대 위치를 변화시키는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 제1 액추에이터(192) 및 제2 액추에이터(194)는, 제1 캠 판(188) 및 제2 캠 판(190)의 자세를 바꿈으로써 제1 캠 판(188) 및 제2 캠 판(190)과의 접촉 위치를 바꾸어도 된다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 유압 조정 기구(196)로서 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)를 둘 다 구비하는 경우에 대해 설명하였지만, 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184) 중 어느 한쪽만을 구비해도 되고, 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)를 모두 구비하지 않아도 된다. 어쨌든 유압 조정 기구(196)는, 제1 유압실(168a)에 작동유를 공급 혹은 제1 유압실(168a)로부터 작동유를 배출하여, 피스톤 로드(112a)의 단부의, 제1 유압실(168a)에 대한 스트로크 방향의 진입 위치를 조정할 수 있으면 이를 위한 구체적인 구성에 한정은 없다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면 청구범위에 기재된 범주에서 각종 변경예 또는 수정예를 생각해 낼 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
본 발명은, 피스톤 로드에 크로스 헤드가 고정된 크로스 헤드형 엔진에 이용할 수 있다.
100 유니플로 소기식 2사이클 엔진(크로스 헤드형 엔진)
110 실린더
112 피스톤
112a 피스톤 로드
114 크로스 헤드
114a 크로스 헤드 핀
116 연결봉
118 크랭크 샤프트
160 연결공(유압실)
168a 제1 유압실(유압실)
176 냉각 유로
182 플런저 펌프
182a 펌프 실린더
182b 플런저
184 스필 밸브
184a 본체
184b 밸브체
184c 로드
184f 내부 유로
188 제1 캠 판
188a 경사면
190 제2 캠 판
190a 경사면
192 제1 액추에이터
194 제2 액추에이터
196 유압 조정 기구

Claims (7)

  1. 실린더와,
    상기 실린더 안을 슬라이딩하는 피스톤과,
    상기 피스톤에 일단이 고정된 피스톤 로드와,
    상기 피스톤 로드의 타단 측에 연결되어 상기 피스톤과 일체로 왕복 이동하는 크로스 헤드와,
    일단이 상기 크로스 헤드에 지지되는 연결봉과,
    상기 연결봉에 연결되어 상기 피스톤 및 상기 크로스 헤드의 왕복 이동에 연동하여 회전하는 크랭크 샤프트와,
    상기 피스톤 로드와 상기 크로스 헤드의 상기 피스톤의 스트로크 방향의 상대적인 위치를 변경함으로써, 상기 피스톤의 상사점 및 하사점의 위치를 가변으로 하는 가변 기구를 구비하고,
    상기 가변 기구가, 상기 크로스 헤드에 마련되어 상기 피스톤 로드의 단부가 진입된 유압실과, 상기 유압실에 작동유를 공급 혹은 상기 유압실로부터 작동유를 배출하여 상기 피스톤 로드의 단부의, 상기 유압실에 대한 상기 스트로크 방향의 진입 위치를 조정하는 유압 조정 기구를 구비하는 크로스 헤드형 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압 조정 기구가, 내부에 작동유가 도입되는 펌프 실린더와, 상기 펌프 실린더 안을 상기 스트로크 방향으로 이동함과 아울러 일단이 상기 펌프 실린더로부터 돌출되는 플런저를 가지며, 상기 플런저가 상기 펌프 실린더 내에 압입됨으로써 상기 펌프 실린더 내의 작동유를 상기 유압실에 공급하는 플런저 펌프를 더 구비하고,
    상기 플런저 펌프가 상기 크로스 헤드와 함께 상기 스트로크 방향으로 이동하고, 상기 크로스 헤드의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 상기 플런저가 상기 펌프 실린더 내에 압입되는 크로스 헤드형 엔진.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유압 조정 기구가, 상기 플런저 펌프의 상기 스트로크 방향의 이동에 따라 상기 플런저에 접촉하는 제1 캠 판과, 상기 제1 캠 판을 이동시켜 상기 제1 캠 판의 자세 혹은 상기 플런저에 대한 상대 위치를 변화시키는 제1 액추에이터를 더 구비하고,
    상기 플런저는, 상기 제1 캠 판의 자세 혹은 상대 위치에 따라 상기 제1 캠 판과의 상기 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화함과 아울러 상기 접촉 위치에 의해 상기 펌프 실린더에 대한 최대 압입량이 설정되는 크로스 헤드형 엔진.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 캠 판이 상기 플런저의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며, 상기 제1 액추에이터가 상기 제1 캠 판을 상기 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 크로스 헤드형 엔진.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 조정 기구가, 상기 유압실로부터 배출된 작동유가 유통하는 내부 유로가 형성된 본체와, 상기 내부 유로를 상기 스트로크 방향으로 이동하여 상기 내부 유로를 폐색하는 폐쇄 위치와 상기 내부 유로에서의 작동유의 유통을 가능하게 하는 개방 위치로 변위하는 밸브체와, 일단이 상기 밸브체와 상기 스트로크 방향으로 대향됨과 아울러 타단이 상기 본체로부터 돌출되는 로드를 가지며, 상기 로드가 상기 본체 내에 압입됨으로써 상기 밸브체가 상기 로드에 압압되어 개방 위치로 변위하는 스필 밸브를 더 구비하고,
    상기 스필 밸브가 상기 크로스 헤드와 함께 상기 스트로크 방향으로 이동하고, 상기 크로스 헤드의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 상기 로드가 상기 본체 내에 압입되는 크로스 헤드형 엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유압 조정 기구가, 상기 스필 밸브의 상기 스트로크 방향의 이동에 따라 상기 로드에 접촉하는 제2 캠 판과, 상기 제2 캠 판을 이동시켜 상기 제2 캠 판의 자세 혹은 상기 로드에 대한 상대 위치를 변화시키는 제2 액추에이터를 더 구비하고,
    상기 로드는, 상기 제2 캠 판의 자세 혹은 상대 위치에 따라 상기 제2 캠 판과의 상기 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화함과 아울러 상기 접촉 위치에 의해 상기 스필 밸브에 대한 최대 압입량이 설정되는 크로스 헤드형 엔진.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 캠 판이 상기 로드의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며,
    상기 제2 액추에이터가 상기 제2 캠 판을 상기 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 크로스 헤드형 엔진.
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