KR102330617B1 - 엔진 - Google Patents

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KR102330617B1
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요시유키 우메모토
료이치 가네히라
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

엔진(100)은, 실린더 라이너가 형성된 실린더와, 실린더 라이너 내에 설치된 피스톤과, 피스톤에 설치된 피스톤 링과, 실린더 라이너의 내주면에 형성된 단차와, 피스톤 링과의 접촉을 검출하는 접촉 검출부(184)와, 접촉이 검출되면, 상사점 위치에서의 피스톤 링이 단차보다 연소실 측에 위치하도록, 피스톤의 상사점 위치를 제어하는 압축비 제어부(182)를 구비한다.

Description

엔진
본 개시는, 엔진에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 3월 16일에 제출된 일본국 특허 출원 제2018―050005호에 기초한 우선권의 이익을 주장하는 것이며, 그 내용은 본 출원에 포함된다.
선박용의 엔진에서는, 크로스헤드형(crosshead type)이 사용되는 경우가 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에 기재된 엔진에서는, 크로스헤드 내에 유압(油壓) 피스톤이 배치되고, 유압 피스톤이 유압에 의해 작동함으로써, 피스톤의 상사점 위치가 이동한다. 이로써, 엔진의 기하학적 압축비(geometrical compression ratio)가 가변(可變)된다.
일본 공개특허 제2014―020375호 공보
그런데, 엔진에서는, 피스톤 링이 실린더 내주면(內周面)을 슬라이딩한다. 그러므로, 실린더 내주면은, 피스톤 링에 의해, 피스톤이 상사점 위치에 도달되었을 때의 피스톤 링의 위치까지 마모된다. 그 결과, 장기간의 사용에 의해, 실린더 내주면에 단차(段差)가 생기는 경우가 있다. 그 후, 피스톤의 상사점 위치가 고압축비 측으로 이동하면, 피스톤 링이 단차에 접촉한다. 단차가 너무 크면, 접촉에 의한 충격이 커져 버린다. 이것은, 선박용이나 크로스헤드형에 한정되지 않고, 예를 들면, 자동차용 등 다른 엔진에도 생기는 현상이다.
본 개시는, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 실린더 내주면의 마모에 의한 단차를 억제할 수 있는 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양(態樣)에 관한 엔진은, 실린더 라이너(liner)가 형성된 실린더와, 실린더 라이너 내에 설치되는 피스톤과, 피스톤에 설치된 피스톤 링과, 실린더 라이너의 내주면에 형성된 단차와 피스톤 링과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력하는 검출부와, 검출 신호에 따라, 피스톤 링이 단차를 넘는 위치로, 피스톤의 상사점 위치 또는 하사점 위치를 제어하는 압축비 제어부를 구비한다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양에 관한 다른 엔진은, 실린더 라이너가 형성된 실린더와, 실린더 라이너 내에 설치되는 피스톤과, 피스톤에 설치된 피스톤 링과, 실린더 라이너의 내주면에 형성된 단차와 피스톤 링과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력하는 검출부와, 검출 신호에 따라, 피스톤 링이 단차를 넘지 않는 위치로, 피스톤의 상사점 위치 또는 하사점 위치를 제어하는 압축비 제어부를 구비한다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양에 관한 다른 엔진은, 실린더 라이너가 형성된 실린더와, 실린더 라이너 내에 설치되는 피스톤과, 피스톤에 설치된 피스톤 링과, 피스톤의 상사점 위치 또는 하사점 위치를 제어하는 압축비 제어부와, 실린더 라이너의 내주면에 형성된 단차와 피스톤 링과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력하는 검출부와, 검출 신호에 따라, 통지를 행하는 통지부를 구비한다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양에 관한 다른 엔진은, 실린더 라이너가 형성된 실린더와, 실린더 라이너 내에 설치되는 피스톤과, 피스톤에 설치된 피스톤 링과, 피스톤의 상사점 위치 또는 하사점 위치를 제어하는 압축비 제어부와, 실린더 라이너의 내주면에 형성된 단차와 피스톤 링과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력하는 검출부와, 검출 신호에 따라, 엔진 출력을 내리는 출력 제어부를 구비한다.
엔진은, 피스톤, 피스톤 핀, 및 크로스헤드 중 어느 하나에 설치된 유압실을 구비하고, 검출부는, 유압실의 유압 변화를 검출해도 된다.
검출부는, 실린더 라이너의 진동의 진폭을 검출해도 된다.
압축비 제어부는, 소정의 계기로, 피스톤의 상사점 위치를 하사점 위치와는 반대측으로 이동시키거나, 또는 피스톤의 하사점 위치를 상사점 위치와는 반대측으로 이동시키는 단차 검출 처리를 수행해도 된다.
본 발명의 엔진에 의하면, 실린더 내주면의 마모에 의한 단차를 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은, 엔진의 전체 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2는, 피스톤 로드와 크로스헤드 핀과의 연결 부분을 추출한 추출도이다.
도 3는, 엔진의 기능 블록도이다.
도 4의 (a), 도 4의 (b)는, 실린더와 피스톤 근방의 추출도이다.
도 5의 (a), 도 5의 (b), 도 5의 (c), 도 5의 (d)는, 피스톤의 상사점 위치 및 하사점 위치를 예시한 도면이다.
도 6은, 유압실의 유압과, 크랭크각의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은, 단차 억제 처리의 흐름을 나타낸 플로우차트이다.
도 8은, 제1 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 실린더의 진동의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10의 (a)는, 제2 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (b)는, 제3 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (c)는, 제4 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 그 외에 구체적인 수치 등은, 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 지나지 않고, 특별히 한정하지 않는 경우를 제외하고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 그리고, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 가지는 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다. 또한, 본 개시에 직접 관계가 없는 요소(要素; component)는 도시를 생략한다.
도 1은, 엔진(100)의 전체 구성을 나타낸 설명도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진(100)은, 실린더(110)와, 피스톤(112)과, 피스톤 로드(114)와, 크로스헤드(116)와, 연접봉(連接棒; connecting rod)(118)과, 크랭크샤프트(crankshaft)(120)와, 플라이휠(122)과, 실린더 커버(124)와, 배기 밸브 케이스(126)와, 연소실(128)과, 배기 밸브(130)와, 배기 밸브 구동 장치(132)와, 배기관(134)과, 소기류(掃氣溜; scavenge reservoir)(136)와, 냉각기(138)와, 실린더 쟈켓(140)과, 연료 분사 밸브(142)를 포함하여 구성된다.
실린더(110) 내에 피스톤(112)이 설치된다. 피스톤(112)는, 실린더(110) 내를 왕복 이동한다. 피스톤(112)에는, 피스톤 로드(114)의 일단(一端)이 장착되어 있다. 피스톤 로드(114)의 타단에는, 크로스헤드(116)의 크로스헤드 핀(150)이 연결된다. 크로스헤드(116)는, 피스톤(112)과 함께 왕복 이동한다. 가이드 슈(guide shoe)(116a)에 의해, 크로스헤드(116)의 도 1 중, 좌우 방향[피스톤(112)의 스트로크 방향에 수직인 방향]의 이동이 규제된다.
크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단에 설치된 크로스헤드 베어링(118a)에 축지지된다. 크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단을 지지하고 있다. 피스톤 로드(114)의 타단과 연접봉(118)의 일단은, 크로스헤드(116)를 통해 접속된다.
연접봉(118)의 타단은, 크랭크샤프트(120)에 연결된다. 연접봉(118)에 대하여 크랭크샤프트(120)가 회전 가능하다. 피스톤(112)의 왕복 이동에 따라 크로스헤드(116)가 왕복 이동하면, 크랭크샤프트(120)가 회전한다.
크랭크샤프트(120)에는, 플라이휠(122)이 장착된다. 플라이휠(122)의 관성에 의해 크랭크샤프트(120) 등의 회전이 안정화된다. 실린더 커버(124)는, 실린더(110)의 상단(上端)에 설치된다. 실린더 커버(124)에는, 배기 밸브 케이스(126)가 삽통(揷通)된다.
배기 밸브 케이스(126)의 일단은, 피스톤(112)에 면하고 있다. 배기 밸브 케이스(126)의 일단에는, 배기 포트(126a)가 개구된다. 배기 포트(126a)는, 연소실(128)에 개구된다. 연소실(128)은, 실린더 커버(124)와 실린더(110)와 피스톤(112)에 위요(圍繞; surrounded)되어 실린더(110)의 내부에 형성된다.
연소실(128)에는, 배기 밸브(130)의 밸브체가 위치한다. 배기 밸브(130)의 로드부에는, 배기 밸브 구동 장치(132)가 장착된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브 케이스(126)에 배치된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브(130)를 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 이동시킨다.
배기 밸브(130)가 피스톤(112) 측으로 이동하여 밸브를 개방하면, 실린더(110) 내에서 생긴 연소 후의 배기 가스가, 배기 포트(126a)로부터 배기된다. 배기 후, 배기 밸브(130)가 배기 밸브 케이스(126) 측으로 이동하여, 배기 포트(126a)가 밸브폐쇄된다.
배기관(134)은, 배기 밸브 케이스(126) 및 과급기(過給機; supercharger)(C)에 장착된다. 배기관(134)의 내부는, 배기 포트(126a) 및 과급기(C)의 터빈와 연통된다. 배기 포트(126a)로부터 배기된 배기 가스는, 배기관(134)을 통해 과급기(C)의 터빈(도시하지 않음)에 공급된 후, 외부로 배기된다.
또한, 과급기(C)의 압축기(도시하지 않음)에 의해, 활성 가스가 가압된다. 여기서, 활성 가스는, 예를 들면, 공기이다. 가압된 활성 가스는, 소기류(136)에 있어서, 냉각기(138)에 의해 냉각된다. 실린더(110)의 하단(下端)은, 실린더 쟈켓(140)에 의해 위요된다. 실린더 쟈켓(140)의 내부에는, 소기실(140a)이 형성된다. 냉각 후의 활성 가스는, 소기실(140a)에 압입(壓入)된다.
실린더(110)의 하단 측에는, 소기 포트(110a)가 설치된다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 내주면으로부터 외주면(外周面)까지 관통하는 구멍이다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 주위 방향으로 이격되어 복수 설치되어 있다.
피스톤(112)이 소기 포트(110a)보다 하사점 위치 측으로 이동하면, 소기실(140a)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)에 의해, 소기 포트(110a)로부터 실린더(110) 내에 활성 가스가 흡입된다.
또한, 실린더 커버(124)에는, 연료 분사 밸브(142)가 설치된다. 연료 분사 밸브(142)의 선단은 연소실(128) 측을 향해진다. 연료 분사 밸브(142)는, 연소실(128)에 액체 연료(연료 오일)를 분출한다. 액체 연료가 연소하여, 그 팽창압에 의해 피스톤(112)이 왕복 이동한다.
도 2는, 피스톤 로드(114)와 크로스헤드 핀(150)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 크로스헤드 핀(150) 중, 피스톤(112) 측의 외주면에는, 평면부(152)가 형성된다. 평면부(152)는, 피스톤(112)의 스트로크 방향에 대하여, 대강 수직인 방향으로 연장된다.
크로스헤드 핀(150)에는, 핀공(154)이 형성된다. 핀공(154)은, 평면부(152)에 개구된다. 핀공(154)은, 평면부(152)로부터 스트로크 방향을 따라 크랭크샤프트(120) 측(도 2 중, 하측)으로 연장된다.
크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에는, 커버 부재(160)가 설치된다. 커버 부재(160)는, 체결 부재(162)에 의해 크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에 장착된다. 커버 부재(160)는, 핀공(154)을 덮는다. 커버 부재(160)에는, 스트로크 방향으로 관통하는 커버 구멍(160a)이 형성된다.
피스톤 로드(114)는, 대경부(大徑部)(114a) 및 소경부(小徑部)(114b)를 구비한다. 대경부(114a)의 외경(外徑)은, 소경부(114b)의 외경보다 크다. 대경부(114a)는, 피스톤 로드(114)의 타단에 형성된다. 대경부(114a)는, 크로스헤드 핀(150)의 핀공(154)에 삽통된다. 소경부(114b)는, 대경부(114a)보다 피스톤 로드(114)의 일단측에 형성된다. 소경부(114b)는, 커버 부재(160)의 커버 구멍(160a)에 삽통된다.
유압실(154a)은, 핀공(154)의 내부에 형성된다. 핀공(154)은, 대경부(114a)에 의해 스트로크 방향으로 구획된다. 유압실(154a)은, 대경부(114a)에 의해 칸막이된 핀공(154)의 바닥면(154b) 측의 공간이다.
바닥면(154b)에는, 오일 통로(156)의 일단이 개구된다. 오일 통로(156)의 타단은, 크로스헤드 핀(150)의 외부에 개구된다. 오일 통로(156)의 타단에는, 유압 배관(170)이 접속된다. 유압 배관(170)에는, 유압 센서(Sa)(검출부)가 설치된다. 유압 센서(Sa)에 의해 유압 배관(170)과 연통되는 유압실(154a)의 유압이 검출된다.
유압 배관(170)에는, 유압 펌프(172)가 연통된다. 유압 펌프(172)와 오일 통로(156)와의 사이에 체크 밸브(174)가 설치된다. 체크 밸브(174)에 의해 오일 통로(156) 측으로부터 유압 펌프(172) 측으로의 작동유의 흐름이 억제된다. 유압 펌프(172)로부터 오일 통로(156)를 통해 유압실(154a)에 작동유가 압입된다.
또한, 유압 배관(170) 중, 오일 통로(156)와 체크 밸브(174)의 사이에는 분기 배관(branch pipe)(176)이 접속된다. 분기 배관(176)에는, 전환 밸브(178)가 설치된다. 전환 밸브(178)는, 예를 들면, 전자(電磁) 밸브이다. 유압 펌프(172)의 작동 중, 전환 밸브(178)는 폐쇄된다. 유압 펌프(172)의 정지(停止) 중, 전환 밸브(178)가 밸브를 개방하면, 유압실(154a)로부터 분기 배관(176) 측에 작동유가 배출된다. 전환 밸브(178) 중, 오일 통로(156)와 반대측은, 도시하지 않은 오일 탱크와 연통된다. 배출된 작동유는, 오일 탱크에 저류로 된다. 오일 탱크는, 유압 펌프(172)에 작동유를 공급한다.
유압실(154a)의 작동유의 오일량에 따라, 대경부(114a)가 스트로크 방향으로 핀공(154)의 내주면을 슬라이딩한다. 그 결과, 피스톤 로드(114)가 스트로크 방향으로 이동한다. 피스톤(112)는, 피스톤 로드(114)와 일체로 이동한다. 이와 같이 하여, 피스톤(112)의 상사점 위치가 가변으로 된다.
즉, 엔진(100)은, 압축비 가변 기구(機構)(V)를 구비한다. 압축비 가변 기구(V)는, 상기한 유압실(154a), 및 피스톤 로드(114)의 대경부(114a)를 포함하여 구성된다. 압축비 가변 기구(V)는, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킴으로써, 압축비를 가변으로 한다.
여기서는, 1개의 유압실(154a)이 설치되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 대경부(114a)에 의해 칸막이 된 핀공(154) 중, 커버 부재(160) 측의 공간(154c)도 유압실로 해도 된다. 이 유압실은, 유압실(154a)과 병용되어도 단독으로 이용되어도 된다.
도 3는, 엔진(100)의 기능 블록도이다. 도 3에서는, 주로 압축비 가변 기구(V)의 제어에 관한 구성을 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 엔진(100)은, 제어 장치(180)를 구비한다. 제어 장치(180)는, 예를 들면, ECU(Engine Control Unit)로 구성된다. 제어 장치(180)는, 중앙 처리 장치(CPU), 프로그램 등이 저장된 ROM, 공작물(workpiece) 영역으로서의 RAM 등으로 구성되고, 엔진(100) 전체를 제어한다. 또한, 제어 장치(180)는, 압축비 제어부(182), 접촉 검출부(184)로서 기능한다.
압축비 제어부(182)는, 유압 펌프(172) 및 전환 밸브(178)를 제어하여, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킨다. 이와 같이 하여, 압축비 제어부(182)는, 엔진(100)의 기하학적 압축비를 제어한다.
접촉 검출부(184)는, 유압 센서(Sa)로부터 유압실(154a)의 유압을 나타내는 검출 신호를 취득한다. 유압실(154a)의 유압에 대해서는, 후술한다.
도 4의 (a), 도 4의 (b)는, 실린더(110)와 피스톤(112) 근방의 추출도이다. 여기서는, 실린더(110)의 내주면이 실린더 라이너(L)를 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다. 단, 실린더 라이너(L)가 별개의 부재로 구성되어, 실린더(110)에 장착되어도 된다. 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 피스톤(112)는, 실린더 라이너(L) 내에 설치된다.
피스톤(112)의 외주면(112a)에는, 외주홈(112b)이 형성된다. 외주홈(112b)에는, 피스톤 링(190)이 장착된다. 여기서는, 피스톤 링(190), 외주홈(112b)이 1조(組) 설치되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 피스톤 링(190), 외주홈(112b)보다 하사점 위치 측에, 1 또는 복수의 피스톤 링, 외주홈이 추가로 향성되어도 된다.
피스톤 링(190)은, 실린더 라이너(L)를 슬라이딩한다. 그러므로, 실린더 라이너(L)는, 피스톤 링(190)에 의해, 피스톤(112)이 상사점 위치에 도달되었을 때의 피스톤 링(190)의 위치까지 마모된다. 그 결과, 장기간의 사용에 의해, 실린더 라이너(L)의 내주면에 단차 La가 생기는 경우가 있다. 그 후, 도 4의 (b)에 파선(破線)에 나타낸 바와 같이, 피스톤(112)의 상사점 위치가 고압축비 측으로 이동하면, 피스톤(112)이 상사점 위치를 향하는 압축 행정(行程)의 도중에, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉한다. 단차 La가 너무 크면, 접촉에 의한 충격이 커져 버려, 피스톤 링(190)이나 실린더 라이너(L)가 손상될 가능성이 있다.
도 5의 (a), 도 5의 (b), 도 5의 (c), 도 5의 (d)는, 피스톤(112)의 상사점 위치 및 하사점 위치를 예시한 도면이다. 도 5의 (a)에서는, 피스톤(112)의 상사점 위치가, 가장 저압축비 측(도면 중, 하측)의 최소 압축비 위치로 되어 있다. 도 5의 (d)에서는, 피스톤(112)의 상사점 위치가, 가장 고압축비 측(도면 중, 상측)의 최대 압축비 위치로 되어 있다.
도 5의 (b)에서는, 피스톤(112)의 상사점 위치가, 최대 압축비 위치와 최소 압축비 위치의 사이의 제1 위치로 되어 있다. 도 5의 (c)에서는, 피스톤(112)의 상사점 위치가, 최대 압축비 위치와 제1 위치의 사이의 제2 위치로 되어 있다.
예를 들면, 피스톤(112)의 상사점 위치가 제1 위치로 된 상태에서, 장기간 항행(航行)했다고 한다. 그 결과, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 실린더 라이너(L)에 단차 La가 형성된다. 압축비 제어부(182)는, 소정의 계기(예를 들면, 소정 항행 기간의 경과)와 단차 검출 처리를 수행한다. 단차 검출 처리는, 피스톤(112)의 상사점 위치를 고압축비 측(하사점 위치와는 반대측)으로 이동시키는 처리이다. 즉, 압축비 제어부(182)는, 예를 들면, 도 5의 (d)에 나타낸 바와 같이, 피스톤(112)의 상사점 위치가, 최대 압축비 위치로 되도록, 압축비 가변 기구(V)를 제어한다.
여기서는, 압축비 제어부(182)는, 단차 검출 처리에 있어서, 최대 압축비 위치로 되도록 압축비 가변 기구(V)를 제어하는 경우에 대하여 설명하였다. 단, 압축비 제어부(182)는, 단차 검출 처리에 있어서, 예를 들면, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 장기간 항행했을 때의 제1 위치보다 피스톤(112)의 상사점 위치 측의 제2 위치로 되도록, 압축비 가변 기구(V)를 제어해도 된다. 제2 위치는, 예를 들면, 제1 위치보다 피스톤 링(190)의 스트로크 방향의 두께분 이상, 피스톤(112)의 상사점 위치 측에 위치하면 된다.
도 6은, 유압실(154a)의 유압과, 크랭크각의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6에서는, 피스톤(112)의 상사점 위치가 제1 위치일 때의 유압실(154a)의 유압을 파선으로 나타낸다. 상기한 바와 같이, 단차 La가 형성된 후, 단차 검출 처리를 행했을 때의 유압실(154a)의 유압을 실선으로 나타낸다.
단차 검출 처리에서는, 압축 행정에 있어서, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉한다. 이 접촉의 충격에 의해, 유압실(154a)의 유압은, 순간적으로 급증한다(유압 차분 D). 유압 센서(Sa)는, 접촉 검출부(184)에, 실린더 라이너(L)의 내주면에 형성된 단차 La와 피스톤 링(190)과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력한다. 접촉 검출부(184)는, 유압 센서(Sa)로부터의 검출 신호에 의해, 유압실(154a)의 유압 변화를 감시한다. 그리고, 유압실(154a)의 유압이, 미리 설정된 임계값 이상, 소정 기간에 상승하면, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉된 것으로 판정된다. 단, 접촉 검출부(184)는, 유압실(154a)의 유압의 미분값(微分値)이, 미리 설정된 미분(微分) 임계값으로 되면, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉된 것으로 판정해도 된다.
그리고, 압축비 제어부(182)는, 접촉이 검출되면, 피스톤(112)의 상사점 위치에서의 피스톤 링(190)이 단차 La보다 연소실(128) 측에 위치하도록, 피스톤(112)의 상사점 위치를 제어한다(단차 축소 연마 처리). 즉, 압축비 제어부(182)는, 피스톤 링(190)이 단차 La보다 피스톤(112)의 상사점 위치 측까지 슬라이딩하도록, 압축비 가변 기구(V)를 제어한다. 바꾸어 말하면, 압축비 제어부(182)는, 피스톤 링(190)이 단차 La를 초과하여 피스톤(112)의 상사점 위치 측으로 슬라이딩 이동하도록(위치로), 피스톤(112)의 상사점 위치를 제어한다.
이 때, 접촉 검출부(184)는, 예를 들면, 단차 검출 처리에 있어서 접촉이 검출되었을 때의 크랭크각으로부터, 피스톤 링(190)의 위치를 특정한다. 그리고, 압축비 제어부(182)는, 특정된 위치보다 피스톤(112)의 상사점 위치 측에 피스톤 링(190)이 슬라이딩하도록, 압축비 가변 기구(V)를 제어해도 된다.
이와 같이 하여, 엔진(100)의 가동(稼動) 중, 피스톤 링(190)에 의해 단차 La가 연마된다. 그러므로, 단차 La가 매끈한 테이퍼형으로 변형된다. 그 결과, 엔진(100)에서는, 마모에 의한 실린더 라이너(L)의 단차 La가 억제된다. 예를 들면, 단차 검출 처리를 적절한 빈도로 수행함으로써, 단차 La가 과잉으로 커지게 되기 전에, 피스톤 링(190)을 의도적으로 단차 La에 접촉시키면, 단차 La의 억제가 도모된다.
도 7은, 단차 억제 처리의 흐름을 나타낸 플로우차트이다. 도 7에 나타낸 처리는, 소정 간격으로 반복하여 실행된다.
(S200)
압축비 제어부(182)는, 소정의 계기로 되었는지의 여부를 판정한다. 소정의 계기로 되어 있지 않으면, 상기 단차 억제 처리를 종료한다. 소정의 계기로 되어 있으면, (S202)로 처리를 이행한다. 그리고, 소정의 계기의 일례로서는, 엔진(100)의 시동(始動) 시, 정지 시, 엔진(100)의 구동 시간이 소정 시간에 도달한 것 등을 들 수 있다.
(S202)
압축비 제어부(182)는, 단차 검출 처리를 수행한다.
(S204)
접촉 검출부(184)는, 유압실(154a)의 유압에 대하여, 소정 기간의 상승폭이 임계값보다 큰지의 여부를 판정한다. 유압의 상승폭이 임계값 이하이면, 상기 단차 억제 처리를 종료한다. 유압의 상승폭이 임계값보다 크면, (S206)로 처리를 이행한다.
(S206)
압축비 제어부(182)는, 단차 축소 연마 처리를 수행한다.
도 8은, 제1 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 변형예의 엔진(300)에서는, 유압 센서(Sa) 대신에 진동 센서(Sb)(검출부)가 설치된다. 진동 센서(Sb)는, 예를 들면, 진동 가속도 센서, AE(acoustic emission) 센서 등으로 구성되고, 실린더(110)의 진동을 검출한다. 그러므로, 진동 센서(Sb)는, 예를 들면, 실린더(110)의 외주면에 장착된다. 단, 진동 센서(Sb)는, 실린더(110)의 진동을 검출할 수 있으면, 다른 개소에 장착되어도 된다.
접촉 검출부(384)는, 진동 센서(Sb)로부터 실린더(110)의 진동을 나타내는 신호를 취득한다. 접촉 검출부(384)는, 진동 센서(Sb)로부터의 신호에 의해, 진폭을 특정한다. 특정된 진폭에 의해, 피스톤 링(190)과 단차 La의 접촉을 검출한다. 즉, 진동 센서(Sb)는, 유압 센서(Sa)와 마찬가지로, 접촉 검출부(384)에, 실린더 라이너(L)의 내주면에 형성된 단차 La와 피스톤 링(190)과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력한다.
도 9는, 실린더(110)의 진동의 일례를 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉하면, 실린더(110)의 진동의 진폭은 순간적으로 커지게 된다. 접촉 검출부(384)는, 실린더(110)의 진동의 진폭이, 미리 설정된 진폭 임계값보다 커지게 되면, 피스톤 링(190)이 단차 La와 접촉한 것으로 판정한다. 접촉 검출부(384)는, 상기한 유압실(154a)의 유압 대신에, 또는 부가하여, 실린더(110)의 진동의 진폭에 의한 접촉의 검출을 행해도 된다.
도 10의 (a)는, 제2 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (b)는, 제3 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (c)는, 제4 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제2 변형예의 엔진(400)은, 통지 제어부(486) 및 통지부(488)를 구비한다. 통지부(488)는, 예를 들면, 디스플레이 등의 표시 장치이다. 통지 제어부(486)는, 피스톤 링(190)이 단차 La와 접촉한 것으로 판정되면, 그 취지를, 통지부(488)에 통지시킨다. 여기서는, 통지부(488)가 디스플레이인 경우에 대하여 설명하였으나, 통지부(488)은, 예를 들면, 스피커라도 되고, 경고 램프라도 된다. 통지부(488)에 의해, 단차 La가 있는 것이 통지되므로, 단차 La에 대한 대처가 가능해진다.
도 10의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제3 변형예의 엔진(500)은, 출력 제어부(586)를 구비한다. 출력 제어부(586)는, 피스톤 링(190)이 단차 La와 접촉한 것으로 판정되면, 기체(氣體) 연료 분사 밸브(588)로부터 분출하는 연료의 양을 감소시킨다. 이와 같이 하여, 출력 제어부(586)는, 적어도 접촉이 검출되기 직전보다, 엔진(500)의 출력을 내린다. 그러므로, 피스톤 링(190)과 단차 La의 접촉에 의한 충격이 억제된다.
도 10의 (c)에 나타낸 바와 같이, 제4 변형예의 엔진(600)은, 압축비 제어부(682)를 구비한다. 압축비 제어부(682)는, 피스톤 링(190)이 단차 La와 접촉한 것으로 판정되면, 피스톤(112)이 상사점 위치에 있을 때의 피스톤 링(190)이 단차 La보다 피스톤(112)의 하사점 위치 측에 위치하도록, 피스톤(112)의 상사점 위치를 제어한다. 즉, 압축비 제어부(682)는, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉되지 않도록, 압축비 가변 기구(V)를 제어한다. 바꾸어 말하면, 압축비 제어부(682)는, 피스톤 링(190)이 단차 La를 초과하지 않도록(위치로), 피스톤(112)의 상사점 위치를 제어한다. 그러므로, 피스톤 링(190)과 단차 La의 접촉에 의한 충격이 회피된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 일 실시 형태에 대하여 설명하였으나, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연하게 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
예를 들면, 전술한 실시형태 및 변형예에서는, 2사이클형, 유니플로우 소기식, 크로스헤드형의 엔진(100)을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 엔진의 종류는, 2사이클형, 유니플로우 소기식, 크로스헤드형에 한정되지 않는다. 적어도 엔진이면 된다. 또한, 엔진(100)은, 선박용에 한정되지 않고, 예를 들면, 자동차용이라도 된다.
또한, 전술한 실시형태 및 변형예에서는, 액체 연료가 사용되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 예를 들면, 기체 연료가 이용되어도 된다. 이 경우, 연료 분사 밸브(142)에 더하여, 기체 연료 분사 밸브가, 소기 포트(110a) 근방, 또는 실린더(110) 중, 소기 포트(110a)로부터 실린더 커버(124)까지의 부위에 설치된다. 연료 가스는, 기체 연료 분사 밸브로부터 분사(噴射)된 후, 실린더(110) 내로 유입된다. 연료 분사 밸브(142)로부터 소량의 액체 연료가 분사되면, 그 연소열에 의해, 연료 가스 및 활성 가스의 혼합기(混合氣)가 착화되어 연소한다. 연료 가스는, LNG, LPG(액화 석유 가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것이다.
또한, 전술한 실시형태 및 변형예는, 임의의 조합으로 조합시켜도 된다. 예를 들면, 제4 변형예의 압축비 제어부(682)를, 실시형태의 압축비 제어부(182)에 조합시켜도 된다. 이 경우, 예를 들면, 유압의 상승폭의 임계값으로서, 제1 임계값과, 제1 임계값보다 큰 제2 임계값이 설치된다. 소정 기간의 유압의 상승이 제2 임계값을 넘고 있는 경우, 압축비 제어부는, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉되지 않도록, 압축비 가변 기구(V)를 제어한다. 소정 기간의 유압의 상승이 제2 임계값 이하로서 제1 임계값을 넘고 있는 경우, 압축비 제어부는, 단차 축소 연마 처리를 수행한다.
또한, 전술한 실시형태 및 변형예에서는, 접촉 검출부(184), (384)는, 압축 행정에서의 피스톤 링(190)과 단차 La의 접촉을 검출하는 경우에 대하여 설명하였다. 단, 접촉 검출부(184), (384)는, 팽창 행정에서의 피스톤 링(190)과 단차 La의 접촉을 검출해도 된다. 또한, 핀공(154)의 공간(154c)을 유압실로서 사용하는 경우, 공간(154c)의 유압실의 유압에 의해 피스톤 링(190)과 단차 La의 접촉을 검출해도 된다.
또한, 전술한 실시형태 및 변형예에서는, 유압실(154a)이 크로스헤드(116)의 크로스헤드 핀(150)에 설치되는 경우에 대하여 설명하였다. 단, 유압실은, 피스톤(112), 피스톤 핀, 및 크로스헤드(116)의 어딘가에 설치되어도 된다.
또한, 전술한 실시형태 및 변형예에서는, 유압 센서(Sa), 진동 센서(Sb)를 검출부의 일례로서 들었다. 그러나, 검출부는, 유압 센서(Sa), 진동 센서(Sb)에 한정되지 않는다. 검출부는, 적어도, 피스톤 링(190)과 단차 La의 접촉에 따른 검출 신호를 출력하면 된다. 어느 것으로 해도, 접촉 검출부(184), (384)는, 검출 신호로부터 특정되는 지표값(유압 차분 D, 진폭에 대응)이 미리 설정된 지표(指標) 임계값을 넘고 있으므로, 피스톤 링(190)이 단차 La에 접촉한 것으로 판정한다. 압축비 제어부(182), (682), 통지 제어부(486), 출력 제어부(586)는, 상기한 바와 같이, 단차 La에 대처하는 처리를 수행한다.
또한, 전술한 실시형태 및 변형예에서는, 피스톤(112)의 상사점 위치 측에 단차 La가 형성되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 피스톤 링(190)이 하사점 위치까지 슬라이딩하는 과정에서, 단차 La가 하사점 위치 측에 형성되는 경우에도, 상기 구성이 적용된다. 이 경우, 전술한 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 검출 신호로부터 특정되는 소정 기간에서의 유압 차분 D이 임계값 이상의 경우, 피스톤 링(190)이 단차 La를 초과하여 하사점 위치 측으로 슬라이딩 이동하도록(위치로), 하사점 위치를 제어한다. 또한, 전술한 제1 변형예에서는, 접촉 검출부(384)는, 검출 신호로부터 특정되는 진동의 진폭에 의해, 피스톤 링(190)과 하사점 측의 단차의 접촉을 검출한다. 전술한 제2 변형예에서는, 통지 제어부(486)은, 검출 신호로부터 특정되는 소정 기간에서의 유압 차분 D이 임계값 이상의 경우, 그 취지, 통지부(488)에 통지시킨다. 전술한 제3 변형예에서는, 출력 제어부(586)는, 검출 신호로부터 특정되는 소정 기간에서의 유압 차분 D이 임계값 이상의 경우, 엔진(500)의 출력을 내린다. 전술한 제4 변형예에서는, 압축비 제어부(682)는, 검출 신호로부터 특정되는 소정 기간에서의 유압 차분 D이 임계값 이상의 경우, 피스톤 링(190)이 단차 La를 초과하지 않도록(위치로), 하사점 위치를 제어한다. 또한, 단차 검출 처리에서는, 피스톤(112)의 하사점 위치를 상사점 위치와는 반대측으로 이동시키게 된다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 개시는, 엔진에 이용할 수 있다.
100, 300, 400, 500, 600: 엔진, 110: 실린더, 112: 피스톤, 116: 크로스헤드, 128: 연소실, 154a: 유압실, 182, 682: 압축비 제어부, 190: 피스톤 링, 488: 통지부, 586: 출력 제어부, L: 실린더 라이너, La: 단차, Sa: 유압 센서(검출부), Sb: 진동 센서(검출부)

Claims (7)

  1. 실린더 라이너(cylinder liner)가 형성된 실린더;
    상기 실린더 라이너 내에 설치된 피스톤;
    상기 피스톤에 설치된 피스톤 링;
    상기 실린더 라이너의 내주면(內周面)에 형성된 단차(段差)와 상기 피스톤 링과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력하는 검출부; 및
    상기 검출 신호에 따라, 상기 피스톤 링이 단차를 넘는 위치로, 상기 피스톤의 상사점 위치 또는 하사점 위치를 제어하는 압축비 제어부;
    를 포함하는, 엔진.
  2. 실린더 라이너가 형성된 실린더;
    상기 실린더 라이너 내에 설치된 피스톤;
    상기 피스톤에 설치된 피스톤 링;
    상기 실린더 라이너의 내주면에 형성된 단차와 상기 피스톤 링과의 접촉에 따른 검출 신호를 출력하는 검출부; 및
    상기 검출 신호에 따라, 상기 피스톤 링이 단차를 넘지 않는 위치로, 상기 피스톤의 상사점 위치 또는 하사점 위치를 제어하는 압축비 제어부;
    을 포함하는, 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피스톤, 피스톤 핀, 및 크로스헤드(crosshead) 중 어느 하나에 설치된 유압실(油壓室)을 더 포함하고,
    상기 검출부는, 상기 유압실의 유압 변화를 검출하는, 엔진.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 실린더 라이너의 진동의 진폭을 검출하는, 엔진.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압축비 제어부는, 소정의 계기로, 상기 피스톤의 상사점 위치를 하사점 위치와는 반대측으로 이동시키거나, 또는 상기 피스톤의 하사점 위치를 상사점 위치와는 반대측으로 이동시키는 단차 검출 처리를 수행하는, 엔진.
  6. 삭제
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