KR101929241B1 - 가스 엔진용 밸브 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 밸브 시스템은 엔진(20)의 매니 포울드(16)로 가스의 공급 및 양을 조절하기 위해 배치되는 다수의 밸브로 이루어지는 가스 엔진에 관한 것이다.
이 시스템은 중앙에 배치되고 직선상으로 이동하는 급기 밸브(36)와 그 주위를 둘러싸는 제어 밸브(44)로 장착된 밸브 하우징(30)으로 이루어지며, 상기 제어 밸브(44)는 밸브 하우징(30)으로 통과되는 가스의 양을 조절하기 위하여 회전하도록 배치된다.

Description

가스 엔진용 밸브 시스템{valve system for a gas engine}
본 발명은 엔진에 있어 입구 매니포울드로의 가스 양 및 공급을 조절하기 위해 배치되는 다수의 밸브로 이루어지는 가스 엔진용 밸브시스템에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 원칙적으로 다른 가스 엔진에도 사용될 수 있지만, 주로 희박(稀薄) 연소 가스 엔진의 밸브 제어에 관한 것이다.
희박 연소 가스 엔진(오토 엔진: Otto engine)에 있어서, 실린더는 공기와 연료 가스의 균질한 희박 혼합물로 충전된다. 충전의 확실하고 안정한 점화를 달성하기 위하여 점화 재시행기(re-enforcer)가, 개별 사전-연소 챔버 가스밸브를 통하여 연료 가스가 공급되어 충전이 보다 풍부하게 되고, 또 예컨대 스파크플러그 (sparkplug) 또는 파일럿 주입 밸브의 형태로 점화 장치가 위치되는 사전-연소 챔버(pre-combustion chamber)의 형태로 간혹 사용된다.
이에 관련하여 사전-연소 챔버에서 방출되는 에너지의 상대량을 가능한 적게 얻는 것은 중요하다. 이 이유는 사전-연소 챔버가 연소 동안에 NOx의 형성에 상당한 기여자이기 때문이다. 부가적으로, 사전-연소 챔버는 높은 열적 부하를 받으며 냉각을 요한다. 또한 감소된 크기 및 사전-연소 챔버에서 방출된 에너지의 결과적으로 감소된 양은 사전-연소 챔버 밸브와 점화 장치에 대한 감소된 마모와 낮은 열적 부하의 형태에서의 이득을 초래한다.
물론, 그러한 가스 엔진의 사전-연소 챔버는 공지되어 있으나, 이는 풍부한 충전 혼합물이 상당히 다량 사용되어야 하므로 연소 동안에 많은 NOx의 형성에 기여하게 되는 단점이 있다. 풍부한 충전물을 상당히 많은 양 사용하는 것은 사전 연소 챔버에 있어서 많은 열의 발생을 초래한다. 이는 또한 열 발생을 조정할 수 있도록 사전 연소 챔버에 대한 재료의 두께, 품질 등의 상향의 원인이 되며, 이러한 연유로 가스 엔진의 사전 연소 챔버는 복잡해지고 제조 단가가 증가하게 된다.
본 출원인은 소위 희박 연소 중속 가스 엔진(lean burn medium speed gas engine)을 수년 동안 제조하여 공급해오고 있다. 흡입 행정 동안에 입구 매니포울드로 가스를 유도하고 연료의 양을 조절하기 위하여 모두 주로 동일한 타입의 밸브를 장착한 다수의 엔진이 공급되고 있다:
1. 엔진당 하나씩, 엔진에 근접하게 위치된 파일럿 제어 압력 조절 밸브. 압력 조절 밸브는 실제 엔진 부하로부터 그 파일럿 압력(pilot pressure)을 얻는다.
2. 제어 밸브, 실린더 유닛당 하나의 밸브. 엔진의 모든 밸브들은 공통 엑츄에이터(actuator)로부터 가동되며, 또 이는 주요 변수로서 엔진의 회전 속도를 가진 조절 루프(regulating loop)의 일부분으로서 일반적으로 제어된다.
3. 급기 밸브(admission valve), 실린더 유닛 당 하나의 밸브. 각 밸브는 흡입 밸브에 대하여 각각의 상승 배치에 기계적으로 연결되어서 제어 밸브는 공기 밸브가 열린 후 개방되고 공기 밸브가 닫히기 전에 폐쇄된다.
이 세 종류의 밸브들은 일반적으로 그들 사이에 파이프 편을 수반하여 상기한 바와 동일한 순서로 일렬로 배치된다. 압력 조절 밸브와 제어 밸브사이의 파이프는 가스 매니포울드라 칭하며 이 부피에서의 압력은 주요 가스압력이라 한다.
급기 밸브가 열릴 때 급기 밸브와 제어 밸브사이의 부피를 차지하는 가스는 주요 가스 압력으로부터 급기 밸브를 통한 입구 매니포울드의 압력으로 팽창하게 될 것이다. 이 가스의 양은 제어 밸브에 의해 제어될 수 없으며, 이러한 미제어된 가스의 양을 줄이기 위하여 주요 가스 압력은 감소될 수 있거나 급기 밸브와 제어 밸브 사이의 부피는 줄어들 수 있다. 적은 부피와 결합된 고압은, 높은 부하에서 낮은 부하로의 전이 및 그 반대의 전이가 제어 밸브 단독만으로 보다 큰 정도로 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 엔진으로의 가스 양의 신속하고 정밀한 제어를 초래한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 밸브 사이의 부피가 상당히 줄어들어서 엔진으로의 가스량의 보다 정밀한 제어가 달성될 수 있는 가스 엔진용 밸브 제어를 제공하는 것이다.
일반적으로 가스 엔진은, 엔진을 따라 연료 가스용의 비교적 큰 파이프를 갖추고 있다. 이 파이프로부터 통상적으로 보다 작고 아마도 유연한 파이프가 각 실린더 유닛으로 이행한다. 이에 더하여 사전-연소 챔버용 엔진을 따라 파이프가 있다. 이 파이프로부터도 보다 작은 파이프들이 각 실린더 유닛으로 이행한다. 육지에서 동력 발생용으로 공급된 엔진에 대하여 이들 파이프들은 용접 및 납땜으로 제조된다.
최근, 가스 엔진 산업의 새로운 시장은 연료로서 가스를 사용하는 배 즉 선박이다. 이것은 배기가스 배출용 법규, 세금 변화 및 가스 연료 공급용 인프라구조의 구축으로 인하여 새로운 시장이 되고 있다. 선박에 가스 엔진을 배치할 때 당국으로부터 등급에 따른 규정을 받을 것이다. 이들 규정 중 하나는, 모든 가스 파이프들이 내부 파이프가 엔진에 가스를 공급하기 위해 사용되고 외부 파이프가 내부 파이프로부터의 어떠한 누설을 탐지하기 위해 사용되는, 이중 벽으로 구성되어야 한다는 것이다. 아마도 이는 가압 불활성 가스 시스템 또는 시스템에서의 가스 센서를 구비한 공기의 관통 흐름에 의해 실행될 것이다. 내부 및 외부 파이프들 사이의 공간은 주된 파이프를 따른 모든 통로를 통하여 실린더로의 모든 측면 라인으로 이어져야 한다. 이것은 사전-연소 가스 및 주요 가스에 대한 경우이다.
가스를 안내하는 이중 파이프가 요구되는 가스 엔진을 위하여 제어 밸브의 전통적 배치는 두 개 동체(shell)와 두개 밀폐부를 갖춘 하우징으로서 형성되어야 하고, 관통 통로 및 모든 접합부를 감시하도록 유도하므로, 이러한 구조체는 복잡하고 제작비가 많이 든다.
그래서, 본 발명의 또 다른 목적은 이중 파이프 가이드가 필요치 않도록 밸브가 엔진 내부에 설치되는 해결책을 제공하는 것이다.
관련 특허 문헌 DE 427 191 C에는 엔진에서 입구 채널로의 가스의 공급과 양을 조절하는 다수의 밸브를 구비한 가스 엔진에 대한 밸브 시스템을 나타내고 있으며, FR 2354447A에서는 선상으로 이동가능한 급기(給氣) 밸브와 그 주위를 에워싸는 제어 밸브를 나타내고 있으나 여기에서 제어 밸브는 회전할 수 없다. 또 GB 392863A는 끼운 톱니기어(cogged wheel)의 도움으로 회전 밸브가 어떻게 주위로 구동되는 지에 관한 기술적 해결법이 개시되어 있다.
상기한 본 발명의 목적들은 청구항 제1항에 기재된 바의 시스템에 의해 달성되며, 이 시스템은 중앙에 배치되고 직선상으로 이동하는 급기 밸브와 그 주위를 둘러싸는 제어 밸브로 구비된 밸브 하우징으로 이루어지며, 상기 제어 밸브는 밸브 하우징으로 방출되는 가스 양을 조절하기 위해 회전되도록 배치된다.
또 다른 구체례들은 종속항들에 기재된다.
급기 밸브는 입구 매니포울드로의 가스 공급의 제어를 위해 밸브 시트(seat)에 대하여 폐쇄되도록 배치된 저부 밸브 디스크를 구비한 직선상으로 이동하는 밸브 스템(valve stem)으로 형성될 수 있으며, 이 경우 밸브 스템의 상부는 밸브 하우징에서의 상부 구멍(boring)을 통하여 밖으로 연장한다.
제어 밸브는 하방으로 연장하며 개방된 밸브 컵으로서 형성될 수 있으며, 상기 밸브 컵의 기부의 구멍을 통하여 급기 밸브의 상부는 연장한다. 제어 밸브의 밸브 컵은, 컵의 회전 동안에 밸브 하우징으로 통과되는 가스 양의 조절을 위하여 밸브 하우징에서의 개구와 정렬하도록 배치되는 적어도 하나의 측면 개구로 이루어질 수 있다.
게다가, 제어 밸브는 상기 밸브 컵의 회전을 제공하기 위하여 구동 수단 (drive means)으로 구비될 수 있다. 상기 구동 수단은 밸브 컵의 외부에 다수의 코그(cog) 등에 연결되는 워엄 기어(worm gear) 또는 톱니 로드(cogged rod)일 수 있으며, 구동 수단은 엔진의 회전 속도에 따라 제어 밸브를 제어하기 위하여 엑츄에이터에 연결될 수 있다.
밸브 하우징은 입구 매니포울드에 인접하여 엔진의 내부에 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 가스 엔진용 밸브 시스템에 의하면, 다수의 밸브로 이루어지는 특히 희박 연소 가스 엔진의 밸브 제어에 있어서 밸브 사이의 부피가 상당히 줄어들어서 엔진으로의 가스량의 보다 정밀한 제어가 달성될 수 있으며, 이중 파이프가 필요 없도록 엔진 내에 밸브들이 설치되므로 구조가 간단하고 제작비가 적게 드는 이점이 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 기술하면 다음과 같다.
도 1은 종래 공지 방식의 가스 엔진을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 엔진용 밸브 시스템에 대한 일 구체례에서의 주요 개요를 나타내는 단면도이다.
가스 엔진은 본 기술 분야에 숙지된 자에게는 공지된 것으로, 그에 대해서는 본 명세서에서 상세히 기재되지는 않는다. 그러나 도 1은 앞서 기술된 바에 따른 밸브의 공지 설비를 설명하기 위하여 도시된 것이다. 여기서 제어 밸브(10)는 엔진(20)에 위치되고, 엔진의 실린더(18)로 가스가 더 통과하도록 입구 밸브(12)로 연장하는 입구 매니포울드(inlet manifold: 16)에 인접한다. 게다가, 급기 밸브 (14)는 제어 밸브와 급기 밸브 사이에 부피(V1)를 차지하는 가스를 들이기 위하여 가스 인입구에 위치된다. 이 가스는 주 가스압에서 제어 밸브를 통한 입구 매니포울드(16)의 압력으로까지 팽창하고 상기한 바와 같이 제어 밸브에 의해 제어될 수는 없다. 부피(V1)는 종종 공지의 가스엔진에서는 대략 120㎤ 정도될 것이다.
가스 엔진의 본 발명에 따른 중요 개념과 기술적 특징은 도 2와 연관하여 다음에 보다 상세히 설명된다.
본 명세서에서의 가스 엔진이라는 표현은 반드시 프리 스탠딩(free standing) 가스 엔진만을 의미하는 것이 아니라, 주로 가스 공급 시스템이 유사하기 때문에 소위 복합 엔진(combination engine)이라 불리는 가스 작동 및 기타 다른 연료를 사용한 작동을 위하여 배치된 엔진에도 사용될 수 있다는 점을 지적하고자 한다.
본 발명에서의 기술적 과제의 해결책으로서의 한 제시는 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 밸브용 스템 주위에 동심적으로 급기 밸브를 위한 밸브 스템을 배치하는 것이다. 이런 식에서는 주어진 엔진 종류에 대한 두 밸브들 사이의 부피는 공지의 시스템 방식과 비교해볼 경우 약 90％까지 감소될 수 있다. 공지 방식에서의 부호(V1: 도 1)로 주어진 부피는, 도 2에 부호(V2)로 도시된 바와 같이 예컨대 15㎤로 줄어들 수 있다.
희박 연소 중속 가스 엔진을 위한 본 발명에 따른 결합 밸브의 구조에 대하여 지금부터 보다 상세히 기술한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 밸브 하우징(30)은 제어 밸브(44)와 급기 밸브(36)로 이루어지며, 제어 밸브(44)의 상부 스트림은 회전 이동을 위하여 제어 밸브(44)가 회전됨에 따라서 드러나는 유동 영역으로 구성되어서 가스는 외부로부터 중심을 향하여 흐르게 된다. 직선상 이동을 위해, 급기 밸브(36)의 하부 스트림은 밸브 시트(도시 안됨)에 대하여 폐쇄되는 밸브 디스크(38)로 구성된다.
도시된 구체례에서 제어 밸브(44)는 측벽(54)과 기부(48)를 수반하며 하방으로 연장하는 개방된 밸브 컵으로서 형성되며, 상기 밸브 컵은 밸브 하우징(30)의 구멍(58)에 위치된다. 도시된 구체례에서 컵의 기부(48)는 상부로 유도되는 반면, 마우스 개구(mouth opening)는 하방으로 유도된다. 게다가, 밸브 컵은 가스를 흡입하기 위해 밸브 하우징(30)의 측면에 가스 개구(34)와 회전 동안에 정렬하는 적어도 하나의 개구(50), 또는 수개의 개구로 구비된다. 제어 밸브(44)의 작동과 회전을 위하여 그것은 구동 수단(52)으로 구비될 수 있거나 또는 그에 연결될 수 있으며, 예컨대 구동 수단(52)은 제어 밸브(44)의 밸브 컵상의 코그(cog)와 결합하는 공지 방식과 유사하게 또는 톱니 로드 또는 워엄 기어의 형태일 수 있다.
급기 밸브(36)의 상부(40: 밸브 스템)는 제어 밸브(44)의 밸브 컵의 기부 즉 도면에 도시된 바의 상부의 구멍(46)을 통하여 이동하도록 배치되며, 직선상 이동은 밸브 스템을 일 방향으로 밀어 움직이므로써 개방될 수 있으며 또 스프링 복귀로 폐쇄 위치로 제어될 수 있다. 급기 밸브(36)는 기계적으로 입구 밸브(12)를 위한 각각의 상승 배치로 연결될 수 있고, 도시된 구체례에서 급기 밸브(36)는 언급된 바와 같이, 입구 매니포울드(16)로의 가스 공급의 제어를 위한 밸브 시트에 대하여 폐쇄하도록 배치된 하부 밸브 디스크(38)와 밸브 하우징(30)에서의 상부 구멍(32)을 통하여 밖으로 연장하는 밸브 스템의 상부(40)를 수반하는 직선상으로 이동하는 밸브 스템으로서 형성된다.
제어 밸브(44) 및 급기 밸브(36)의 제어는 통상의 공지 방식으로도 수행될 수 있다.
10, 44 : 제어 밸브 12 : 입구 밸브
14, 36 : 급기 밸브 16 : 입구 매니포울드
18 : 실린더 20 : 엔진
30 : 밸브 하우징 38 : 밸브 디스크(valve disc)
46, 58 : 구멍(boring) 48 : 기부(bottom)
52 : 구동수단 54 : 측벽(side wall)

Claims (7)

  1. 엔진(20)에서의 입구 매니 포울드(16)로 가스의 공급 및 양을 조절하기 위해 배치되는 다수의 밸브(36, 44)로 이루어지는 가스 엔진(20)용 밸브 시스템에 있어서,
    상기 밸브 시스템은, 중앙에 배치되고 직선상으로 이동하는 급기 밸브(36)와 급기 밸브(36) 주위를 둘러싸는 제어 밸브(44)로 구비된 밸브 하우징(30)으로 이루어지며,
    상기 제어 밸브(44)는 밸브 하우징(30)으로 통과되는 가스의 양을 조절하도록 회전가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 밸브 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 급기 밸브(36)는 입구 매니포울드(16)로의 가스 공급의 제어를 위한 밸브 시트에 대하여 폐쇄하도록 배치된 하부 밸브 디스크(38)를 갖춘 직선상으로 이동하는 밸브 스템으로서 형성되며, 상기 밸브 스템의 상부(40)는 밸브 하우징(30)에서의 상부 구멍(32)을 통하여 밖으로 연장하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 밸브 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 밸브(44)는 하방으로 연장하며 개방된 밸브 컵으로서 형성되며, 상기 급기 밸브(36)의 상부(40)는 상기 밸브 컵의 기부에서의 구멍(46)을 통하여 연장하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 밸브 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어 밸브(44)의 밸브 컵은, 밸브 컵의 회전 동안에 밸브 하우징으로 통과되는 가스의 양 조절을 위하여 밸브 하우징(30)에서의 개구 (34)와 정렬하도록 배치되는 하나 이상의 측면 개구(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 밸브 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어 밸브(44)는 밸브 컵의 상기 회전을 제공하기 위하여 구동 수단(52)을 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 밸브 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구동 수단(52)이 밸브 컵의 외부에 다수의 코그에 연결되는 톱니 로드 또는 워엄 기어이며, 상기 구동 수단(52)은 엔진의 회전 속도에 따라 제어 밸브(44)를 제어하기 위해 엑츄에이터에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 밸브 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 밸브 하우징(30)은 엔진 내부에 위치되며 입구 매니 포울드(16)에 있는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 밸브 시스템.

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