KR102122224B1

KR102122224B1 - 배기 밸브 작동 시스템 및 대형 2행정 내연 기관

Info

Publication number: KR102122224B1
Application number: KR1020190028002A
Authority: KR
Inventors: 센커 폴; 노르비 한센 젠스
Original assignee: 만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-06-15
Also published as: CN110295965B; JP2019167952A; DK179875B1; JP6644926B2; DK201870183A1; KR20190111771A; CN110295965A

Abstract

본 발명은 대형 2행정 내연 기관용 배기 밸브 작동 시스템, 특히 전자식으로 제어될 수 있는 유압 구동 배기 밸브 작동 시스템에 관한 것이다. 배기 밸브 작동 시스템은 제1 샤프트(43), 제1 포트 및 제2 포트를 구비하고 두 유동 방향을 제공할 수 있는 용량 펌프(40)를 포함한다. 이 시스템은 또한 제1 포트에 유체로 연결된 유압 어큐뮬레이터(28)를 포함한다. 제2 포트는 배기 밸브(4)의 스핀들(23) 상에 작용하는 선형 유압 액추에이터(70)에 유체로 연결되도록 구성된다. 이 시스템은 또한, 제2 샤프트(33), 제3 포트 및 제4 포트를 갖고, 한 샤프트 회전 방향에 대해 두 유동 방향이 가능한 가변 용량 모터(30)와 같은 모터-발전기를 포함한다. 제1 샤프트(43)는 제2 샤프트(33)에 작동 가능하게 결합된다.

Description

배기 밸브 작동 시스템 및 대형 2행정 내연 기관{EXHAUST VALVE ACTUATION SYSTEM AND LARGE TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 대형 내연 기관용 배기 밸브 작동 시스템에 관한 것으로, 특히 전자식으로 제어할 수 있는 유압 구동식 배기 밸브 작동 시스템에 관한 것이다. 유압 구동식 배기가스 작동 시스템은 일반적으로 대형 터보차징 2행정 압축 점화 내연 기관에 사용된다. 본 발명은 또한 배기 밸브 작동 시스템을 구비한 대형 2행정 압축 점화 내연 기관에 관한 것이다.

대형 터보차징 2행정 압축 점화식 내연 기관은 일반적으로 컨테이너선과 같은 대형 해양 선박이나 발전소에서 원동력으로 사용된다.

이들 엔진의 실린더에는 실린더 커버, 즉 실린더 상단에 단일 배기 밸브가 제공되고, 실린더 라이너의 하부 영역에 피스톤 제어 소기 포트 링이 제공된다.

대부분의 현대식 엔진에는 전자식으로 제어되고 유압으로 작동되는 배기 밸브 작동 시스템이 제공된다. 구식 캠축 작동 배기 밸브 작동 시스템과 비교하여, 전자식으로 제어되고 유압으로 작동하는 시스템은 크게 향상된 유연성과 조정 기능을 제공하여 엔진의 전체 작동 조건에서 배기가스와 연료 소비를 최적화할 수 있다. 이로써 연소 과정을 더 효율적으로 제어하여, 보다 효율적으로 연소하고 배출 값을 낮출 수 있어, 모든 구동 속도에서 무연 작동, 부분 부하 연료 소비 감소 및 최소 구동 속도 감소가 가능하다.

유압 작동 시스템은 배기 밸브의 밸브 디스크에 작용하는 연소실의 압력과 배기 밸브를 시트 쪽으로 밀어주는 공기 스프링의 힘에 대항하여 배기 밸브를 열어야 한다.

따라서, 초기에는 배기 밸브를 열기 위해 매우 큰 힘이 필요하고 상당한 양의 유압 에너지가 배기 밸브의 개방 행정에 사용된다.

배기 밸브의 개방 행정에서 유압 액추에이터에 의해 전달되는 에너지의 대부분은 위치 에너지로 가스 스프링에 저장된다. 대신에, 폐쇄 행정에서 배기 밸브에 작용하는 배기가스의 에너지와 저장된 에너지의 주요 부분은 유압 액추에이터로부터 유압 에너지의 형태로 되돌아 오는 에너지를 포획할 수단이 없기 때문에 낭비된다. 이 유압 에너지는 유압 시스템의 탱크로 리턴 오일(유압 액체)로 낭비된다.

대형 2행정 디젤 에너지에서 배기 밸브를 작동하는 데 사용되는 유압 에너지의 양은 상당히 중요하며, 전자 제어식 엔진의 연소 제어를 증가시킴으로써 얻은 연료 절감의 상당 부분은 유압식으로 구동되는 배기 밸브 작동 시스템에서 잃게 된다.

WO01/20138호에는 내연 기관의 밸브를 제어하기 위한 장치가 개시되어 있다. 이 장치에는 펌프가 구비된 유압 회로, 회로 내 매체 유동을 제어하도록 설계된 제어 밸브 및 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 엔진 밸브를 움직이도록 설계된 동력 장치가 포함된다. 펌프는 내연 기관이 작동하는 동안 적어도 회로의 일부에서 연속적으로 매체의 유동이 순환하도록 설계되고, 제어 밸브는 필요에 따라 펌프에 의해 순환되는 매체의 유동을 동력 장치에 유도하여 동력 장치가 모터 밸브를 원하는 방향으로 움직이도록 설계된다. 이 장치에서, 이 유압 에너지는 위에서 자세히 설명한 것처럼 유압 시스템의 탱크로의 리턴 오일(유압 액체)로 낭비된다.

본 발명은 위와 같은 상황을 고려하여 위에 언급된 문제점을 극복하거나 적어도 감소시키는 것이 목적이다.

전술한 목적과 다른 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속항, 상세한 설명 및 도면으로부터 명백하다.

제1 양태에 따르면, 대형 2행정 내연 기관, 특히 전자식으로 제어할 수 있는 유압 구동 배기 밸브 작동 시스템용 배기 밸브 작동 시스템이 제공되며, 상기 배기 밸브 작동 시스템은 다음을 포함한다.

제1 샤프트, 제1 포트 및 제2 포트를 구비하고 두 유동 방향을 제공할 수 있는 용적 펌프(positive displacement pump), 제1 포트에 유체로 연결된 유압 어큐뮬레이터, 배기 밸브의 스핀들에 작용하는 선형 유압 액추에이터에 유체로 연결되도록 구성되는 제2 포트 및 제2 샤프트를 구비한 모터-발전기를 포함하며, 제1 샤프트는 제2 샤프트에 작동 가능하게 결합한다.

어큐뮬레이터를 가변 용량 펌프의 제1 포트에 연결하고, 유압 배기 밸브 액추에이터를 가변 용량 펌프의 제2 포트에 연결함으로써, 유압 유체는 유압 어큐뮬레이터와 유압 액추에이터 사이에 갇히고, 리턴 수단(예: 가스 스프링)과 배기 밸브에 작용하는 배기가스에 의한 배기 밸브의 폐쇄 행정 동안 유압 액추에이터에 공급된 기계적 에너지는 유압 어큐뮬레이터에 전달된다. 또한, 귀환(return) 행정 동안 유압 액추에이터로부터 오는 유압 에너지의 다른 부분은 순간적으로 브레이크로 작용할 수 있는 모터 발전기 또는 가변 용량 모터에 전달된다. 즉, 유압 펌프로 작용하여 고압 유압 액체를 다시 유압 모터에 정상적으로 동력을 공급한다. 따라서, 폐쇄 행정 동안 배기 밸브에 공급되는 에너지의 매우 큰 부분은 배기 밸브를 크게 작동시키기 위한 순 에너지의 양을 감소시킴으로써 거기에서 회수된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 유압 어큐뮬레이터는 제1 폐쇄 유압 시스템을 형성하도록 제1 포트에 연결된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 선형 유압 액추에이터는 제2 폐쇄 유압 시스템을 형성하도록 제2 포트에 연결된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 용적 펌프는 제1 샤프트의 한 회전 방향에 대해 두 유동 방향을 제공할 수 있는 가변 용량 펌프이다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 모터-발전기는 제2 샤프트의 두 회전 방향으로 작동하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 모터-발전기는 제3 포트와 제4 포트를 구비하고 한 유동 방향에 대해 제2 샤프트의 두 회전 방향이 가능한 가변 용량 모터이다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 모터-발전기는 전기 모터-발전기이다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 모터-발전기는 제3 포트와 제4 포트를 구비하고 상기 제2 샤프트의 한 회전 방향에 대해 유동 방향이 둘인 가변 용량 모터이다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 제3 포트는 제1 고압 유압 유체의 제1 공급원에 연결되고, 제4 포트는 제2 고압의 제2 공급원에 연결되고, 제1 고압은 제2 고압보다 더 높다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 배기 밸브 작동 시스템은 가변 용량 모터의 회전 속도와 용량을 제어하도록 구성되고 가변 용량 펌프의 용량을 제어하도록 구성된 전자제어장치를 포함한다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 배기 밸브 작동 시스템은 배기가스 스핀들의 위치를 나타내는 제1 센서를 포함한다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 배기 밸브 작동 시스템은 가변 용량 모터의 회전 속도를 나타내는 제2 센서를 포함한다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 가변 용량 펌프는 레이디얼 피스톤 펌프 및/또는 가변 용량 유압 모터는 레이디얼 피스톤 모터이다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 배기 밸브 작동 시스템은 가변 용량 펌프의 하나 이상의 제어 포트에 유체로 연결되는 제1 제어 밸브를 포함하여, 제1 가변 용량 펌프의 용량과 방향 유동을 제어하고, 제1 제어 밸브는 전자제어장치에 의해 전자식으로 제어된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면 배기 밸브 작동 시스템은 가변 용량 유압 모터의 용량과 방향 유동을 제어하기 위해 가변 용량 유압 모터의 하나 이상의 제어 포트에 유체로 연결되는 제2 제어 밸브를 포함하고, 제2 제어 밸브는 전자제어장치에 의해 전자식으로 제어된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 전자제어장치는 가변 용량 유압 모터의 용량을 제어함으로써 제2 샤프트의 회전 속도를 소정의 회전 속도로 유지하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 전자제어장치는 배기 밸브의 원하는 위치를 나타내는 신호에 따라 제2 포트로 및 제2 포트로부터의 유동을 제어하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 배기 밸브 작동 시스템은 상기 제1 샤프트 또는 상기 제2 샤프트에 연결된 플라이휠을 포함한다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 제1 샤프트는 제2 샤프트에 결합하여 그와 함께 일제히회전한다.

제1 양태의 가능한 실시 예에 따르면, 가변 용량 펌프와 가변 용량 모터는 단일 공통 샤프트를 갖는 단일 유닛으로 구성된다.

제1 양태의 가능한 실시예에 따르면, 가변 용량 유압 모터는 일시적으로 펌프로 작용하도록 구성되고 및/또는 가변 용량 펌프는 일시적으로 모터로 작동하도록 구성된다.

제2 양태에 따르면, 대형 터보차징 2행정 자기 점화식 내연 기관이 제공되며, 상기 내연 기관에는 다음이 포함된다.

하부 영역에 소기 포트 및 상단에 배기 밸브를 구비한 복수의 실린더, 밸브 디스크가 밸브 시트 상에 놓이는 폐쇄 위치와 실린더 내의 가스 배출을 허용하는 개방 위치 사이에서 반대 방향으로 이동 가능하고 밸브 스템과 밸브 디스크를 갖는 배기 밸브, 밸브 스템에 작동 가능하게 연결되어 배기 밸브를 폐쇄 위치 쪽으로 가압하는 단동 유체 작동식 수단, 밸브 스템에 작동 가능하게 연결된 선형 유압 액추에이터 및 선형 유압 액추에이터가 가압 될 때 배기 밸브를 개방 위치 쪽으로 가압하도록 구성된 유압 액추에이터, 및 제1 양태 및 그 가능한 한 실시예에 따른 배기 밸브 작동 시스템.

제2 양태의 가능한 실시예에 따르면, 전자제어장치(50)는 제1 센서(62)의 신호를 배기 밸브(4)에 대해 원하는 위치와 비교함으로써 폐 루프 방식으로 배기 밸브의 위치 및/또는 속도를 제어하도록 구성된다.

제2 양태의 가능한 실시예에 따르면, 제1 포트를 어큐뮬레이터에 연결하는 도관은 오리피스를 경우하여 제1 공급원에 연결된다.

본 발명의 상기 양태와 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예(들)로부터 명백해질 것이다.

본 개시에 관한 다음의 상세한 설명 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대형 2행정 자기 점화 터보차징 엔진의 전방 단부와 한 측면을 도시한 입면도이다.
도 2는 도 1 엔진의 후방 단부와 다른 측면을 도시한 입면도이다.
도 3은 흡기 및 배기 시스템을 구비한 도 1에 따른 엔진의 도식적인 표현이다.
도 4는 도 1 엔진의 전기 유압식 배기 밸브 작동 시스템의 제1 실시예를 설명하는 다이어그램이다.
도 4a는 도 1 엔진의 전기 유압식 배기 밸브 작동 시스템의 또 다른 실시예를 설명하는 다이어그램이다.
도 5는 배기 밸브의 개방 운동을 도시하는 그래프이다.
도 6은 모터의 토크와 모터의 속도를 도시하는 그래프이다.

다음의 상세한 설명에서, 대형 2행정 엔진을 예시적인 실시예로 기술한다. 도 1 내지 도 3은 크랭크샤프트(42)와 크로스헤드(44)를 포함한 대형 저속 터보차징 2행정 디젤 엔진을 도시한다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 포함한 대형 저속 터보차징 2행정 디젤 엔진의 도식적인 표현을 도시한다. 이 일례의 실시예에서, 엔진에는 열을 지은 6개의 실린더(1)가 있다. 대형 터보차징 2행정 디젤 엔진은 일반적으로 엔진 프레임(45)에 의해 지지가 되는 라인 내에 5개 내지 16개의 실린더를 갖는다. 이 엔진은 예컨대, 해상 운송 선박의 주 엔진 또는 발전소의 발전기 작동을 위한 고정식 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예를 들면, 5,000 내지 110,000kW 범위일 수 있다.

엔진은 실린더(1)의 하부 영역에 피스톤 제어 포트 링 형태의 소기 포트(22) 및 실린더(1)의 상단에 배기 밸브(4)를 갖는 2-행정 단류(uniflow) 유형의 디젤(자기-점화) 엔진이다. 따라서, 연소실 내 유동은 항상 하단에서 상단이므로, 엔진은 소위 단류형(uniflow)이다. 소기는 소기 리시버(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 리시버(22)로 통과한다. 실린더(1) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(7)은 소기를 압축하고, 연료가 분사되고, 연소가 진행되고, 배기가스가 발생한다. 배기 밸브(4)가 개방되면, 배기가스는 관련 실린더(1)와 연관된 배기 덕트(35)를 통과하여 배기가스 리시버(3) 내로 유동하고, 계속해서 제1 배기 도관(18)을 통과하여 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동하여, 여기서 배기가스는 제2 배기 도관(7)을 통해 유출된다. 샤프트(8)를 통해 터빈(6)은 공기 입구(10)를 통해 공급되는 압축기(9)를 구동한다.

압축기(9)는 가압된 과급 공기를 과급 공기 리시버(2)에 이르는 과급 공기 도관(11)으로 전달한다. 도관(13) 내 소기는 과급 공기를 냉각하기 위해 인터쿨러(12)를 통과한다. 냉각된 과급 공기는 낮은 부하 또는 부분 부하 조건에서 과급 공기 유동을 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 통과하여 과급 공기 리시버(2)로 이동한다. 더 높은 부하에서, 터보차저 압축기(9)는 충분히 압축된 소기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류방지 밸브(15)를 경유하여 바이패스 된다.

실린더는 실린더 라이너(52) 내에 형성된다. 실린더 라이너(52)는 엔진 프레임(45)에 의해 지지되는 실린더 프레임에 의해 지지된다.

도 4의 제1 실시예에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(4)는 일 단부에 밸브 디스크(25)를 구비한 밸브 스핀들(23)을 포함한다. 밸브 스핀들(23)은 밸브 하우징의 보어 내에 슬라이딩 가능하게 그리고 밀봉 식으로 수용된다. 밸브 하우징은 그 하단부에 배기 밸브(4)가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 디스크(25)가 놓이는 원주형 밸브 시트(26)를 한정한다.

플런저(61)를 포함하는 공기 스프링(67)은 배기 밸브(4)를 폐쇄 위치로 탄성 가압하도록 구성된다. 플런저(61)는 밸브 스템(23)에 고정되고 하우징의 보어 내에 슬라이딩 가능하게 그리고 밀봉 식으로 수용된다. 스프링 챔버(66)는 플런저(61) 아래에 위치하고, 가압 되면 플런저(61)를 상향으로 가압한다. 스프링 챔버(66)는 스프링 챔버(66)의 정확한 가압을 보장하기 위해 역류 방지 밸브를 통해 공압 공급원(63)에 연결된다.

또는, 공기 스프링은, 스프링 챔버(66)로부터 빠져나가도록 허용되지만 압력원의 연결에 의해 주어진 압력, 바람직하게는 일정한 압력이 유지되는 가압 액체로 채워지는 액체 기반의 복귀 바이어스(return-biased) 시스템으로 대체될 수 있다.

밸브 스핀들(23)의 상단은 밸브 하우징의 보어 내에 슬라이딩 가능하게 그리고 밀봉 식으로 수용되는 플런저(61)에 연결된다. 압력 챔버(60)는 플런저(61) 위의 보어 내에 형성되고 챔버(60)는 제2 유압 도관(35)에 연결된 포트와 유체로 연통한다.

압력 챔버(60)와 플런저(61)는 하우징 내에 수용되고, 선형 배기 밸브 액추에이터(70)의 일부이다. 압력 챔버(60)가 가압 되면, 플런저(61)는 배기 밸브(4)를 개방 위치, 즉 아래쪽 방향(도 4의 방향에서와 같이 아래쪽)으로 가압한다. 그 후, 배기 밸브(4)는 공기 스프링(67)의 힘과 밸브 디스크(25)에 작용하는 연소실 내 연소 압력의 힘에 대항하여 유압식으로 개방된다. 공기 스프링(67)은 역류 방지 밸브를 통해 고압 공기 공급원(63)에 연결된 스프링 챔버(66)를 포함한다.

밸브 작동 시스템에는 제1 샤프트(43)의 회전 방향을 뒤바꾸지 않고 두 유동 방향을 전달할 수 있는 유형의 제1 샤프트(43)를 갖는 가변 용량 펌프(40)가 제공된다. 가변 용량 펌프(40)는 제1 유압 도관(34)을 경유하여 유압 어큐뮬레이터(28)에 연결된 제1 포트 및 제2 유압 도관(35)을 경유하여 배기 밸브(4)의 선형 액추에이터의 압력 챔버(60)에 연결된 제2 포트를 갖는다. 제1 유압 도관(34)은 가변 용량 펌프(40) 및 선형 유압 배기 밸브 액추에이터(70)에서의 누출 손실을 보상하기 위해 오리피스(36)를 통해 제1 고압의 제1 공급원에 연결되고, 어큐뮬레이터(28)가 제1 고압에서 계속 가압 되어 상당한 양의 유압 에너지를 저장하도록 한다. 그러나 더 오랫동안에 대해 누출 손실을 보상하기 위해, 오리피스(36)를 통해 소량의 유압 액체의 유동만이 가능하다. 따라서, 오리피스(36)를 통해 유동하는 유압 액체는 배기 밸브(4)의 개방 행정과 폐쇄 행정 중에 발생하는 제1 유압 도관(34) 내의 동적 압력 변화에 영향을 미치기에 불충분하다. 즉, 유압 어큐뮬레이터(28)가 제1 폐쇄 유압 시스템을 형성하기 위해 제1 포트에 연결된다.

가변 용량 펌프(40)는 실시예에서 레이디얼 피스톤 펌프이다. 실시예에서, 레이디얼 피스톤 펌프는 스트로크 링에 대항하여 작동하는 실린더 블록 내에 레이디얼 피스톤을 가지며, 실린더 블록에 대한 스트로크 링의 위치는 가변 용량 펌프의 용량을 조정하기 위해 조정이 가능하다. 스트로크 링의 편심 위치는 맞은편에 대향하는 2개의 제어 피스톤과 보상기로 제어된다(스트로크 링의 위치가 중심에 있을 때 용량은 제로(0)임).

가변 용량 펌프(40)의 용량은 본 실시예에서 솔레노이드 비례 제어 밸브인 제1 제어 밸브(41)로 제어된다. 제1 제어 밸브(41)는 가변 용량 펌프(40)의 용량을 유압식으로 조정하기 위해 가변 용량 펌프(40)에 작동 가능하게 연결된다. 예컨대, 제1 제어 밸브(41)에 의해 지름 방향으로 대향된 제어 피스톤으로 전달되는 유압을 제어함으로써 제어된다. 제1 제어 밸브(41)는 전자제어장치(50)에 의해 전자식으로 제어된다.

가변 용량 펌프(40)의 제1 샤프트(43)는 본 실시예에서 제1 샤프트(43)와 제2 샤프트(33)를 일제히 회전시키는 커플링(53)을 통해 모터-발전기(30)의 제2 샤프트와 결합한다. 그러나 실시예에서, 제1 샤프트(43)와 제2 샤프트(33)는 1 대 1의 비율 또는 1 대 1과 다른 비율을 갖는 기어에 의해 결합된다.

압력 릴리프 밸브(39)는 과도한 압력으로부터 시스템을 보호하기 위해 제2 유압 도관(35)을 탱크(T)에 연결한다. 따라서, 선형 유압 액추에이터(70)는 제2 폐쇄 유압 시스템을 형성하도록 제2 포트에 연결된다.

모터-발전기는 실시예에서 전기-모터 발전기이고, 도시된 실시예에서는 제2 샤프트(33)의 회전 방향을 변경하지 않으면서 두 유동 방향으로 유압 유체의 유동을 공급할 수 있는 가변 용량 유압 모터(30)이다. 가변 용량 유압 모터(30)는 제3 포트와 제4 포트를 갖는다. 제3 포트는 제1 고압의 제1 공급원(29)에 연결되고, 제4 포트는 제2 고압의 제2 공급원(19)에 연결된다. 제2 고압은 제1 고압보다 낮고, 바람직하게는 상당히 낮지만, 제로 또는 정상 기술 압력보다 훨씬 높다.

가변 용량 모터(30)는 실시예에서 레이디얼 피스톤 모터이다. 실시예에서, 레이디얼 피스톤 모터는 스트로크 링에 대항하여 작동하는 실린더 블록 내의 레이디얼 피스톤이며, 실린더 블록에 대한 스트로크 링의 위치는 가변 용량 펌프의 용량을 조정하기 위해 조정이 가능하다. 스트로크 링의 편심 위치는 맞은편에 대향하는 2개의 제어 피스톤과 보상기로 제어된다(스트로크 링의 위치가 편심하지 않으면 용량은 제로(0)임).

가변 용량 모터(30)의 용량은 본 실시예에서 솔레노이드 비례 제어 밸브인 제2 제어 밸브(31)로 제어된다. 제2 제어 밸브(31)는 가변 용량 모터(30)의 용량을 유압식으로 조정하기 위해 가변 용량 모터(30)에 작동 가능하게 연결된다. 예컨대, 제1 제어 밸브(41)에 의해 지름 방향으로 대향된 제어 피스톤에 전달되는 유압을 제어함으로써 제어된다. 제2 제어 밸브(31)는 전자제어장치(50)에 의해 전자식으로 제어된다.

모터(30)의 회전 속도, 즉 제2 샤프트(33)의 회전 속도는 제2 센서(32)에 의해 포착된다. 제2 센서(32)의 신호는 예컨대, 신호 케이블에 의해 전자제어장치(50)에 전달된다.

전자제어장치(50)는 신호 케이블을 통해 제2 제어 밸브(31)에 신호를 보내어 제1 샤프트/유압 모터(30)의 회전 속도를 제어한다. 제1 제어 밸브는 가변 용량 펌프(40)의 용량과 유동 방향을 제어한다.

배기 밸브(4)에는 배기 밸브(4)의 위치와 속도를 측정하기 위한 제1 센서(62)가 제공된다. 제1 센서(62)는 배기 밸브(4)의 위치 및/또는 속도를 나타내는 신호를 발생시킨다. 센서(62)는 예컨대, 신호 케이블을 통해 전자제어장치(50)에 연결되어 전자제어장치(50)가 배기 밸브(4)의 위치와 속도를 통지 받는다.

전자제어장치(50)는 신호 케이블을 통해 제1 제어 밸브에 신호를 보내 가변 용량 펌프(40)의 용량을 제어함으로써 배기 밸브(4)의 속도를 제어한다.

전자제어장치(50)는 배기 밸브(4)의 속도를 모니터링한다. 전자제어장치(50)는 실시예에서 배기 밸브(4)가 따를 적절한 속도/프로파일을 결정하도록 구성된다. 이 프로파일은 실시예에서 엔진 작동 조건에 따라 연속적으로 적용된다.

전자제어장치(50)에는 엔진의 크랭크 각도에 대해 통보되고, 배기 밸브 작동의 프로파일이 엔진 사이클과 동기화되도록 밸브(4)의 작동을 제어한다.

전자제어장치(50)에는 엔진 작동 테스트로부터 보정된 데이터 또는 배기 밸브(4)에 대해 원하는 적절한 프로파일을 결정하기 위해 엔진 작동 테스트로부터 보정된 데이터를 사용하는 방정식을 기반으로 한 룩업 테이블이 제공될 수 있다. 배기 밸브(4)에 대해 원하는 프로파일은 배기가스, 동력 및/또는 연료 효율에 대해 시스템이 최적화되도록 선택되며, 이들 요소는 상황에 따라 고려된다.

전술한 바와 같이, 압력 챔버(60) 내 유압 액체의 충분한 압력은 배기 밸브(4)가 연소실 내 압력 및 공기 스프링(67)의 힘에 대항하여 개방되도록 한다. 전자제어장치(50)는 배기 밸브(4)가 열릴 필요가 있다고 결정할 때, 이에 따라 전자제어장치(50)는 가변 용량 펌프(40)의 용량과 유동 방향을 조정하도록 제1 제어 밸브(41)에 명령을 내린다. 그러면 유압 액체가 유압 액추에이터(28)로부터 배기 밸브 액추에이터(70)의 압력 챔버(60)로 펌핑되어 배기 밸브가 공기 스프링(67)의 압력 및 연소실 내의 압력에 대해 개방되도록 한다. 펌핑 동작은 실질적으로 유압 어큐뮬레이터(28)에 저장된 유압 액체의 높은 압력에 의해 보조 되며, 따라서 가변 용량 펌프(40)는 이러한 유동을 지지하기 위한 전력을 공급할 필요가 없다. 실시예에서 유압 액추에이터(28)의 압력은 가변 용량 펌프(40)가 유압 모터로 작동되도록 하고, 동시에 가변 용량 모터(30)가 펌프로 작동되도록 강제하기에 충분히 높다. 여기서, 전자제어장치(50)는 이에 따라 제2 샤프트(33)의 원하는 회전 속도를 유지하기 위해 가변 용량 유압 모터(30)의 용량과 유동 방향을 제어한다. 배기 밸브(4)가 개방 행정에 도달하면, 전자제어장치(50)는 제1 제어 밸브(41)에 가변 용량 펌프(40)의 용량을 0으로 조정하여 배기 밸브(4)의 이동을 정지하라고 지시한다.

전자제어장치(50)는 배기 밸브를 폐쇄할 필요가 있다고 결정하면, 프로세스는 반대이고, 전자제어장치(50)는 가변 용량 펌프(40)의 용량 유동 방향을 조정하도록 제1 제어 밸브(41)에 지시하고, 그에 따라 제2 도관(35)으로부터 제1 유압 도관(34)으로 그리고 유압 어큐뮬레이터(28)로 유동한다. 이 유동은 배기 밸브에 작용하는 배기가스에 의해 그리고 공기 스프링(67)에 의해 보조 되고, 유압 어큐뮬레이터(28) 내의 압력에 대항한다. 따라서, 가변 용량 펌프(40)는 어큐뮬레이터(28)의 압력 및 압력 챔버(60) 내의 보조에 따라 가변 용량 모터(30)에 의해 구동될 필요가 있다. 여기서, 전자제어장치(50)는 제2 샤프트(33)의 일정 속도를 유지하기 위해 가변 용량 모터(30)의 용량과 유동 방향을 조정한다. 가변 용량 펌프(40)의 용량에 대한 전자제어장치(50)의 정확한 제어는 그 시트(26) 상의 배기 밸브 디스크(25)의 "부드러운-폐쇄"를 허용하고, 따라서 배기 밸브 액추에이터는 폐쇄 행정을 위해 댐퍼 없이 구성될 수 있다.

도 5는 시간에 따른 배기 밸브(4)의 개방 운동을 도시한 그래프이다. 도시된 프로파일은 단지 예일 뿐이고, 프로파일의 형상과 개방 행정의 크기는 전자제어장치(50)에 의해 자유롭게 제어될 수 있다. 전자제어장치(50)는 배기 밸브(4)를 개방하기 위한 프로파일을 결정하고, 이에 따라 가변 용량 펌프(40)의 용량을 제어한다. 전자제어장치(50)는 위치 센서(62)의 신호에 의해 배기 밸브(4)의 위치를 통지받는다. 그 결과, 전자제어장치(50)는 임의의 원하는 프로파일에 따라 배기 밸브의 위치를 결정할 수 있다.

도 6은 모터(30)의 제1 샤프트의 토크와 회전 속도를 도시한 그래프이다. 그래프는 모터 토크가 음으로 됨을 도시한다. 즉, 모터(30)는 배기 밸브(4)의 개방 행정의 초기 단계 동안 브레이크/펌프로 작용한다. 동시에, 유압 모터(30)의 제2 샤프트(33)의 속도는 약간 증가하고 설정된 속도로 복귀한다. 유압 어큐뮬레이터(28)의 압력이 배기 밸브의 선형 유압 액추에이터(70)의 압력보다 높기 때문에 음의 토크가 생성되며, 따라서 유압 액추에이터(28)로부터 선형 유압 액추에이터(70)로의 유동은 가변 용량 펌프(40)를 구동한다. 즉, 가변 용량 펌프(40)는 모터와 같이 이 단계에서 작동한다. 배기 밸브(4)가 그 시트(26)로 복귀하면 상황이 역전된다. 복귀 행정의 초기 단계 동안, 전자제어장치는 선형 유압 액추에이터(70)로부터 유압 액추에이터(28)로 유압 액체를 펌핑하기 위해 가변 용량 펌프(40)의 용량을 변경한다. 이러한 펌핑 작용은 가변 용량 모터(30)로부터 가변 용량 펌프(40)로 토크를 분리할 것을 요구하며, 가변 용량 모터(30)에 대한 양의 토크 및 모터의 제2 샤프트(33)의 회전 속도에서의 약간의 감소함을 그래프에서 보여준다. 전자제어장치(50)는 제2 샤프트(33)의 회전 속도를 원하는 일정한 레벨로 유지하도록 구성되며, 그에 따라 가변 용량 모터(30)의 용량을 조정한다.

가변 용량 펌프(40)가 제로 용량을 가지므로 배기 밸브가 움직이지 않으면 배기 밸브 작동을 위한 에너지 소비는 낮다. 개방 행정 중에 유압 액추에이터(28)의 유압 에너지는 선형 배기 밸브 액추에이터(70)를 구동하고 실제로 가변 용량 펌프(40)를 "구동"한다. 가변 용량 펌프(40)로 들어가는 에너지는 펌프로 작용하고 엔진의 유압 시스템으로 다시 유압 에너지를 전달하는 가변 용량 모터(30)에 의해 이 단계 동안 부분적으로 회수된다. 폐쇄 행정 동안, 선형 배기 밸브 액추에이터(70), 가스 스프링 및 플런저(61)로 전달되는 배기 밸브 디스크(25)와 샤프트(23)에 작용하는 연소실 내 가스로부터 작용하는 힘은 압력 챔버(60)에서 유압 유체를 가압한다. 이 압력은 다음 행정을 위해 유압 액추에이터(28)를 재충전할 때 가변 용량 펌프(40)를 보조한다. 따라서, 배기가스와 공기 스프링의 에너지는 복귀 행정 중에 이 에너지를 유압 어큐뮬레이터(28)에 전달하여 저장함으로써 회수된다.

도 4a는 유압 펌프(40)가 가변 용량 펌프 대신 고정 용량 펌프라는 점 외에는 도 4에 도시된 제1 실시예와 본질적으로 동일한 배기 밸브 작동 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 고정 용량 펌프(40)는 두 방향으로 유동을 제공하기 위해 두 회전 방향으로 작동하도록 구성된다.

이에 따라, 본 실시예에서 가변 용량 유압 모터(30)의 형태인 모터 발전기는 유동 펌프(40)를 반대 방향으로 제어하기 위해 상이한 방향으로 구동 샤프트(33)(제2 샤프트)를 작동시킬 필요가 있다. 따라서, 본 실시예에서, 용량 펌프(40)와 가변 용량 모터(30)는 유압 어큐뮬레이터(28)를 배출하고 배기 밸브(4)를 개방하기 위해 선형 유압 액추에이터(70)를 가압하기 위해 각각의 샤프트(33, 43)의 한 회전 방향으로 작동되고, 가변 용량 펌프(40)와 가변 용량 모터(30)는 유압 어큐뮬레이터(28)를 보충하기 위해 선형 유압 액추에이터(70)를 비울 때(특히 압력 챔버(60)를 비운다) 배기 밸브(4)를 폐쇄하기 위해 각 샤프트(33, 43)의 반대 회전 방향으로 작동된다.

전자제어장치(50)에 의한 배기 밸브 작동 시스템의 제어는 제1 제어 밸브(31)를 통해 이루어져 가변 용량 모터(30)의 작동을 제어한다. 고정 용량 펌프(40) 자체가 임의의 유압 제어 입력을 갖지 않기 때문에, 도 4a의 실시예에 따른 유압 및 제어 시스템은 도 4의 실시예에 비해 덜 복잡하다.

실시예에서, 가변 용량 모터(30)와 가변 용량 펌프(40)는 공통 샤프트를 포함하는 단일 유닛으로 구성된다. 이 단일 유닛은 실시예에서 배기 밸브 하우징에 직접 부착된다.

본 발명을 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명했다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형들은 도면, 개시된 내용 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "하나"는 복수를 배제하지 않는다. 특정 방안들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 방안으로 사용된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다. 컴퓨터 프로그램은 다른 하드웨어와 함께 또는 다른 하드웨어의 일부로 제공되는 광학 저장 매체 또는 고체 상태 매체와 같은 적절한 매체상에 저장/분배될 수 있지만, 인터넷 또는 다른 유선 또는 무선 통신 시스템과 같은 다른 형태로 배포될 수 있다. 전자제어장치는 단일 유닛으로 표현되었지만 연결된 복수의 전자제어장치의 결합으로 실현될 수 있다.

청구항에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

28 : 유압 어큐뮬레이터
30 : 용량 모터
31 : 제2 제어 밸브
33: 제2 샤프트
40 : 용량 펌프
41 : 제1 제어 밸브
43 : 제1 샤프트
50 : 전자제어장치
70 : 유압 액추에이터

Claims

배기 밸브(4)가 구비된 대형 2행정 내연 기관용 배기 밸브 작동 시스템, 특히 전자식으로 제어할 수 있는 유압 구동 배기 밸브 작동 시스템에 있어서,
제1 샤프트(43), 제1 포트 및 제2 포트를 구비하고, 두 유동 방향을 제공할 수 있는 용량 펌프(40),
상기 제1 포트에 유체로 연결된 유압 어큐뮬레이터(28),
상기 배기 밸브(4)의 스핀들(23) 상에 작용하는 선형 유압 액추에이터(70)에 유체로 연결되도록 구성되는 상기 제2 포트 및
제2 샤프트(33)를 갖는 모터-발전기를 포함하며,
상기 제1 샤프트(43)는 상기 제2 샤프트(33)에 작동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 작동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유압 어큐뮬레이터(28)는 제1 폐쇄 유압 시스템을 형성하도록 상기 제1 포트에 연결되는 배기 밸브 작동 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 선형 유압 액추에이터(70)는 제2 폐쇄 유압 시스템을 형성하도록 상기 제2 포트에 연결되는 배기 밸브 작동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 용량 펌프는 상기 제1 샤프트의 한 회전 방향에 대해 두 유동 방향을 제공할 수 있는 가변 용량 펌프(40)인 배기 밸브 작동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터-발전기는 상기 제2 샤프트(33)의 두 회전 방향으로 작동하도록 구성되는 배기 밸브 작동 시스템.
제5항에 있어서,
상기 모터-발전기는 제3 포트와 제4 포트를 구비하고 한 유동 방향에 대해 상기 제2 샤프트(33)의 두 회전 방향이 가능한 가변 용량 모터(30)인 배기 밸브 작동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터-발전기는 전기 모터-발전기인 배기 밸브 작동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터-발전기는 제3 포트와 제4 포트를 구비하고 상기 제2 샤프트(33)의 한 회전 방향에 대해 두 유동 방향이 가능한 가변 용량 모터(30)인 배기 밸브 작동 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제3 포트는 제1 고압의 제1 공급원에 연결되고, 상기 제4 포트는 제2 고압의 제2 공급원에 연결되고, 상기 제1 고압은 상기 제2 고압보다 더 높은 배기 밸브 작동 시스템.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 가변 용량 모터(30)의 회전 속도와 용량을 제어하고 상기 가변 용량 펌프(40)의 용량을 제어하도록 구성된 전자제어장치(50)를 더 포함하는 배기 밸브 작동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스핀들(23)의 위치를 나타내는 제1 센서(62)를 포함하는 배기 밸브 작동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터-발전기의 회전 속도를 나타내는 제2 센서(32)를 포함하는 배기 밸브 작동 시스템.
제8항에 있어서,
상기 가변 용량 펌프(40)는 레이디얼 피스톤 펌프 및/또는 상기 가변 용량 모터(30)는 레이디얼 피스톤 모터인 배기 밸브 작동 시스템.
제10항에 있어서,
상기 가변 용량 펌프(40)의 용량과 방향 유동을 제어하는 상기 가변 용량 펌프(40)의 하나 이상의 제어 포트에 유체로 연결되는 제1 제어 밸브(41)를 포함하고, 상기 제1 제어 밸브(41)는 상기 전자제어장치(50)에 의해 전자식으로 제어되는 배기 밸브 작동 시스템.
제10항에 있어서,
상기 가변 용량 유압 모터(30)의 용량과 방향 유동을 제어하는 상기 가변 용량 유압 모터(30)의 하나 이상의 제어 포트에 유체로 연결되는 제2 제어 밸브(31)를 포함하고, 상기 제2 제어 밸브(31)는 상기 전자제어장치(50)에 의해 전자식으로 제어되는 배기 밸브 작동 시스템.
제10항에 있어서,
상기 전자제어장치(50)는 상기 가변 용량 유압 모터(30)의 용량을 제어함으로써 상기 제2 샤프트(33)의 회전 속도를 소정의 회전 속도로 유지하도록 구성되는 배기 밸브 작동 시스템.
제10항에 있어서,
상기 전자제어장치(50)는 상기 배기 밸브(4)의 원하는 위치를 나타내는 신호에 따라 상기 제2 포트로 및 상기 제2 포트로부터 유동을 제어하도록 구성되는 배기 밸브 작동 시스템.
대형 터보차징 2행정 자기 점화 내연 기관에 있어서,
실린더의 하부 영역에 소기 포트(22) 및 실린더의 상단에 배기 밸브(4)를 갖는 복수의 실린더(1),
밸브 스템(23)과 밸브 디스크(25)를 갖고, 밸브 시트(26) 상에 밸브 디스크(25)가 놓이는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 반대 방향으로 이동 가능한 상기 배기 밸브(4),
상기 배기 밸브(4)를 폐쇄 위치를 향하여 가압하도록 상기 밸브 스템(23)에 작동 가능하게 연결된 단동형 유체 작동식 수단,
상기 밸브 스템(23)에 작동 가능하게 연결되고, 상기 선형 유압 액추에이터(70)가 가압 될 때 상기 배기 밸브를 가압하여 개방 위치로 향하도록 구성되는 선형 유압 액추에이터(70) 및
제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항, 제11항, 제12항, 제13항, 제14항, 제15항, 제16항, 제17항 중 어느 한 항에 따른 배기 밸브 작동 시스템을 포함하는 대형 터보차징 2행정 자기 점화 내연 기관.
제18항에 있어서,
상기 제1 센서(62)의 신호를 상기 배기 밸브(4)에 대해 원하는 위치와 비교함으로써 폐 루프 방식으로 상기 배기 밸브의 위치 및/또는 속도를 제어하도록 구성된 전자제어장치(50)를 포함하는 대형 터보차징 2행정 자기 점화 내연 기관.
제18항에 있어서,
상기 제1 포트를 상기 어큐뮬레이터(28)에 연결하는 제1 도관은 오리피스(36)를 경유하여 상기 제1 공급원에 연결되는 대형 터보차징 2행정 자기 점화 내연 기관.