KR20000023307A - Reciprocating piston combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 복수의 실린더를 갖는 왕복동 피스톤 연소기관, 구체적으로는 2행정 디젤 엔진에 관한 것이다.The present invention relates to a reciprocating piston combustion engine having a plurality of cylinders, in particular a two-stroke diesel engine.
내연기관, 특히 2행정 디젤 엔진은 선박 추진용 메인 엔진으로서 뿐만 아니라 발전용 고정식 장치로서도 사용된다. 상기 연소기관은 자신에 장착된 캠(cam)을 통해 연료 펌프를 작동시키는 콘트롤 샤프트(캠샤프트)를 구비하며, 또한 가스 교환 밸브(gas exchange valve)는 캠 및 트러스트 로드(thrust rod)를 통해 상기 콘트롤 샤프트에 의해 작동되거나, 캠, 즉 유압 트러스트 로드 및 피스톤 구동장치에 의해 작동되는 펌프에 의해 작동된다. 상기 콘트롤 샤프트는 이미 높은 제조 비용 및 복잡성을 보여주며, 상기 엔진의 전체 길이에 걸치는 크기이고, 중량이 크며, 양방향으로 작동하는 기관의 가역 메커니즘(reversal mechanism)의 베어링은 오일에 의해 윤활되어야 하며, 특히 크랭크샤프트(crankshaft)로 상기 콘트롤 샤프트를 구동하기 위해 적어도 두 개(네 개까지)의 기어(및/또는 체인)가 필요하다. 또한, 비틀림 진동(torsion oscillation)에 대한 감쇠 장치(damping apparatus)가 필요하다.Internal combustion engines, in particular two-stroke diesel engines, are used not only as main engines for ship propulsion but also as stationary devices for power generation. The combustion engine has a control shaft (camshaft) for operating the fuel pump through a cam mounted thereon, and the gas exchange valve is connected via a cam and a thrust rod. It is actuated by a control shaft or by a pump actuated by a cam, ie a hydraulic thrust rod and a piston drive. The control shaft already shows high manufacturing cost and complexity, the bearing of the reversal mechanism of the engine which is large, heavy and bidirectional over the entire length of the engine must be lubricated by oil, In particular at least two (up to four) gears (and / or chains) are needed to drive the control shaft with a crankshaft. There is also a need for a damping apparatus for torsion oscillation.
상기 종류와 같은 연소기관의 제조 상 단점은, 한편으로, 분사의 개시 시점 및 가스 교환 밸브의 개폐 시점이 각각의 캠에 의해 일정하게 설정되어 있는 것이며, 다른 한편으로, 상기 가스 교환 밸브의 가변적 동작 및/또는 상기 분사의 가변적 개시를 위해서는 제조에 있어서 보다 많은 노력이 필요하다는 것이다.The disadvantages in the manufacture of combustion engines of the above kind are, on the one hand, that the start time of injection and the opening and closing time of the gas exchange valve are set constant by each cam, and on the other hand, the variable operation of the gas exchange valve And / or more effort is required in manufacturing for variable initiation of the injection.
본 발명의 목적은 상기 단점을 회피함으로써 복수의 실린더를 갖는 왕복동 피스톤 연소기관을 개량하는 것이다.It is an object of the present invention to improve a reciprocating piston combustion engine having a plurality of cylinders by avoiding the above disadvantages.
본 발명의 장점은 전자 제어 시스템을 이용함으로써 보다 경제적인 연소기관의 설계, 보다 적은 연료 소모, 보다 적은 공해 배출, 보다 낮은 부품의 온도 상승, 보다 간단한 유지보수 및 보다 신뢰적인 작동이 실현될 수 있다. 또한, 정상 회전 속도보다 25% 낮은 회전 속도에서의 상기 연소기관의 작동을 개량함으로써, 특히 좁은 길을 저속으로 운행하는 동안 개량된 원활한 가동을 통해 상기 연소기관이 연속적으로 작동되도록 한다.The advantage of the present invention is that by using an electronic control system, more economical combustion engine design, less fuel consumption, less pollution emissions, lower part temperature rise, simpler maintenance and more reliable operation can be realized. . In addition, by improving the operation of the combustion engine at a rotational speed of 25% lower than the normal rotational speed, the combustion engine can be operated continuously through improved smooth running, especially while traveling at narrow speeds at low speeds.
도 1은 본 발명에 따른 2행정 디젤 엔진의 실시예를 도시하는 개략도.1 is a schematic diagram showing an embodiment of a two-stroke diesel engine according to the present invention;
도 2는 도 1에 따른 연소기관을 도시하는 개략도.2 shows a schematic view of the combustion engine according to FIG. 1;
도 3은 분사 장치의 실시예를 도시하는 개략도.3 is a schematic view showing an embodiment of the injection apparatus.
도 4는 가스 교환 시스템을 도시하는 개략도.4 is a schematic diagram illustrating a gas exchange system.
도 5는 연소기관용 제어 시스템의 블록도.5 is a block diagram of a control system for a combustion engine.
도 6은 분사 장치의 또 다른 실시예를 도시하는 개략도.6 is a schematic view showing another embodiment of an injection device.
도 7은 도 4에서 A의 상세도.FIG. 7 is a detail view of A in FIG. 4; FIG.
본 발명은 상기 소개된 첨부 도면을 참조하여 다음과 같이 기술된다.The invention is described as follows with reference to the accompanying drawings introduced above.
도 1 내지 도 3을 참조한다. 도 1은 예를 들어 예시되지 않은 네 개의 실린더를 가지며 내부에서 상기 가스 교환 밸브의 동작, 연료 공급과 피스톤 위치 사이의 협동이 전자 제어되는 2행정 디젤 엔진을 도시한다. 상기 연소기관은 상기 크랭크샤프트에 장착되는 제1 기어(1) 및 상기 제1 기어와 맞물리는 제2 기어(2)를 갖는다. 제2 기어(2)는 보조 에너지를 위해 기계적 구동장치 내에 존재하며, 2차 관성력의 보상을 구동하기 위해 특정의 실린더 개수인 경우에 사용될 수 있다. 상기 연소기관은 고압 펌프(3)―바람직하게는 연료를 가변적으로 압축하는 흡입 제한기(suction restrictor) 펌프―, 압력 레귤레이터 액츄에이터(pressure regulator actuator; 4), 배관 라인(tubular line; 6)을 통해 상기 고압 펌프에 연결되는 연료용 어큐뮬레이터(accumulator; 5), 콘트롤 오일용 압축 펌프(pressure pump; 7, 107) 및 배관 라인(109)을 통해 압축 펌프(7, 107)와 연결되는 콘트롤 오일용 어큐뮬레이터(8, 108)를 포함하며, 각각의 경우에 단지 하나의 펌프, 하나의 어큐뮬레이터 및 하나의 배관 라인만이 예시되었다. 상기 연료용 고압 펌프(3)는 제2 기어(2)에 의해 구동되며, 콘트롤 오일용 펌프(107)는 보조 모터에 의해 구동된다.See FIGS. 1 to 3. 1 shows a two-stroke diesel engine having, for example, four cylinders which are not illustrated and in which the operation of the gas exchange valve, cooperation between fuel supply and piston position, is electronically controlled. The combustion engine has a first gear 1 mounted to the crankshaft and a second gear 2 meshing with the first gear. The second gear 2 is present in the mechanical drive for auxiliary energy and can be used in the case of a certain number of cylinders to drive the compensation of secondary inertia forces. The combustion engine is connected via a high pressure pump 3, preferably a suction restrictor pump that variably compresses the fuel, a pressure regulator actuator 4, a tubular line 6. Accumulator for fuel (5) connected to the high pressure pump, pressure pump (7, 107) for control oil and accumulator for control oil (8) connected to compression pumps (7, 107) via piping line (109) 108, in each case only one pump, one accumulator and one piping line are illustrated. The fuel high pressure pump 3 is driven by the second gear 2, and the control oil pump 107 is driven by an auxiliary motor.
도 2에 도시되는 바와 같이, 실린더에는 어큐뮬레이터(5)는 물론 제2 어큐뮬레이터(108)와도 연결되는 분사 시스템(11) 및 제3 어큐뮬레이터(8)와 연결되는 가스 교환 시스템(12)이 제공된다,As shown in FIG. 2, the cylinder is provided with a gas exchange system 12 connected with an injection system 11 and a third accumulator 8 which are connected to the accumulator 5 as well as to the second accumulator 108.
상기 어큐뮬레이터(5, 108)는 피팅류(fittings)를 구비하거나 또는 구비하지 않은 튜브형 구성 요소이다. 피팅류를 갖지 않은 어큐뮬레이터에서 저장 용량은 오직 저장될 매개물(media)의 신축성에만 의존하는 것이 바람직하다. 어큐큘레이터(5)에는 상기 어큐뮬레이터 내의 최대 압력을 설정 값으로 제한하는 안전 밸브(16) 및 상기 어큐뮬레이터 내의 압력을 측정하는 압력 센서(17)가 제공된다.The accumulators 5, 108 are tubular components with or without fittings. In accumulators without fittings, the storage capacity preferably depends only on the elasticity of the media to be stored. The accumulator 5 is provided with a safety valve 16 for limiting the maximum pressure in the accumulator to a set value and a pressure sensor 17 for measuring the pressure in the accumulator.
작동유용 또는 콘트롤 오일용 각각의 어큐뮬레이터(8, 108)의 압축 펌프(7, 107) 및 예비 제어 밸브(pre-control valve; 14)는 각각의 경우에 상기 분사 시스템 및 가스 교환 시스템을 제어하기 위한 유압 시스템을 형성하며, 압력 센서(18, 19)가 제공되는 각 펌프 및 각 어큐뮬레이터(8, 108)의 전방에는 필터(13)가 설치된다. 상기 유압 제어 시스템의 입구와 출구 및 어큐뮬레이터(5)와 분사 시스템(11) 사이의 연료 라인에는 각 개별 실린더의 분사 시스템이 상기 엔진으로부터의 단절(cut off)을 허용하는 밸브(40, 41, 42)가 설치되어 상기 엔진이 가동 중에도 상기 분사 시스템은 수리될 수 있다.The compression pumps 7 and 107 and the pre-control valve 14 of the respective accumulators 8 and 108 for hydraulic oil or control oil are in each case a hydraulic pressure for controlling the injection system and the gas exchange system. A filter 13 is provided in front of each pump and each accumulator 8, 108 provided with pressure sensors 18, 19. At the inlet and outlet of the hydraulic control system and at the fuel line between the accumulator 5 and the injection system 11 valves 40, 41, 42 which allow the injection system of each individual cylinder to cut off from the engine. Is installed so that the injection system can be repaired while the engine is running.
상기 연소기관은 전자 제어 장치를 갖는다. 상기 크랭크샤프트의 회전 속도 및 상기 크랭크샤프트 각도를 측정하기 위해, 각도 센서(angle sensor; 25)는 기계적 수단을 통해 미끄럼 및 공차없이 상기 크랭크샤프트에 결합되며, 상기 크랭크샤프트는 제2 기어(2)와 각도 센서(25) 사이에 동력을 전달할 수 있으므로 상기 각도 센서는 상기 엔진의 회전 속도로 회전한다. 상기 크랭크샤프트와 각도 센서 사이의 동기(synchronism)를 모니터(monitor)하기 위해 두 개의 기준 센서(reference sensor; 26)가 제공된다.The combustion engine has an electronic control device. In order to measure the rotational speed of the crankshaft and the crankshaft angle, an angle sensor 25 is coupled to the crankshaft without slipping and tolerance via mechanical means, the crankshaft being connected to the second gear 2. The angle sensor rotates at the rotational speed of the engine since power can be transmitted between and the angle sensor 25. Two reference sensors 26 are provided to monitor the synchronization between the crankshaft and the angle sensor.
상기 제어 장치는 적어도 하나의 중앙 유닛(central unit; 21), 각 실린더용 제어 모듈(control module; 22), 원격 제어기(remote control; 23) 및 회전 속도 레귤레이터(regulator; 24)를 포함한다. 중앙 유닛(21) 및 제어 모듈(22)은 데이터 버스(data bus)를 통해 연결되지만, 상기 제어 모듈은 고정된 범위의 작업이 할당된 독립적인 제어 유닛을 형성한다. 원격 제어기(23)는 신호 전달(signal transmitting) 방식으로 상기 중앙 유닛에 연결된다. 압력 센서(pressure sensor; 17, 18, 19) 또한 중앙 유닛에 연결된다. 또한 중앙 유닛(21)은 하나 또는 그 이상의 연료용 고압 펌프 압력 레귤레이터 액츄에이터(pressure regulator actuator; 4)에 연결되며, 하나 또는 그 이상의 작동유용 고압 펌프(7)의 하나 이상의 압력 설정 부재(pressure setting member)에 연결된다. 제어 모듈(22)은 분사 시스템(11)의 예비 제어 밸브(14) 및 가스 교환 시스템(12)의 예비 제어 밸브(14)는 물론 상기 가스 교환 시스템의 측정 시스템(measurement system; 71) 및 용적식(volumetric) 분사(도 7 참조)용 측정 시스템(36)에도 연결된다.The control device comprises at least one central unit 21, a control module 22 for each cylinder, a remote control 23 and a rotational speed regulator 24. The central unit 21 and the control module 22 are connected via a data bus, but the control module forms an independent control unit assigned a fixed range of tasks. The remote controller 23 is connected to the central unit in a signal transmitting manner. Pressure sensors 17, 18 and 19 are also connected to the central unit. The central unit 21 is also connected to one or more high pressure pump pressure regulator actuator 4 for fuel and one or more pressure setting members of the one or more high pressure pump 7 for hydraulic oil. ) The control module 22 comprises a preliminary control valve 14 of the injection system 11 and a preliminary control valve 14 of the gas exchange system 12 as well as a measurement system 71 and a volumetric system of the gas exchange system. It is also connected to a measurement system 36 for (volumetric) injection (see FIG. 7).
중앙 유닛(21)은 상기 엔진에 관한 모든 기능이 저장되는 기억장치를 포함한다. 마찬가지로 상기 제어 모듈도 상기 실린더에 관한 기능이 저장되는 기억장치를 포함한다.The central unit 21 includes a storage device in which all the functions related to the engine are stored. The control module likewise comprises a storage device in which the functions relating to the cylinder are stored.
중앙 유닛(21)은 상기 실린더의 제어 유닛에 대한 상기 엔진과 관련한 센서, 회전 속도 레귤레이터 및 원격 제어기(운전자 인터페이스)의 인터페이스(interface)를 형성한다. 또한 여러 매체(media)의 압력은 조절되어야 한다.The central unit 21 forms the interface of a sensor, a rotational speed regulator and a remote controller (driver interface) associated with the engine to the control unit of the cylinder. In addition, the pressure of the various media must be controlled.
공급된 데이터에 따라, 상기 엔진의 일시적 작동 상태 및 원하는 작동 상태 각각은 상기 중앙 유닛에서 결정되며 상기 버스를 통해 제어 모듈(22)로 전달된다.According to the data supplied, each of the engine's temporary and desired operating states is determined at the central unit and communicated to the control module 22 via the bus.
제어 모듈(22)은 상기 개별 실린더의 오프셋 시간(offset time) 및 지연 시간(delay time)을 고려한 분사 시점, 분사량 및 가스 교환 제어 시간에 따른 상기 데이터를 결정한다. 본 실시예에서는 안전을 위해 중앙 유닛(21)이 여유 있는(redundant) 형태로 제공된다. 하나의 실린더에 문제가 발생하여도 계속적인 가동이 보장되기 때문에 제어 모듈(22)에 문제가 발생할 경우에는 신규 제어 모듈로 교체해주면 된다.The control module 22 determines the data according to the injection time, the injection amount and the gas exchange control time in consideration of the offset time and the delay time of the individual cylinder. In the present embodiment, the central unit 21 is provided in a redundant form for safety. Even if a problem occurs in one cylinder, continuous operation is ensured, so if a problem occurs in the control module 22, the new control module may be replaced.
변형 실시예는 단지 하나의 중앙 유닛(21)을 갖기 때문에 상기 중앙 유닛은 압력 레귤레이터의 기능 및 운전자에 대한 인터페이스만을 포함할 수 있다. 상기 두 가지 기능은 상기 중앙 유닛으로부터 독립되는 간단한 백업(backup) 시스템에 의해 백업된다. 다른 모든 데이터 및 기능은 각 개별 제어 모듈(22)에 집합되며, 이를 통해 중앙 유닛(21) 및 제어 모듈(22)에 문제가 발생하는 경우에도 상기 엔진은 여전히 가동될 수 있다.Since the variant embodiment has only one central unit 21, the central unit may comprise only the function of the pressure regulator and the interface to the driver. Both functions are backed up by a simple backup system independent of the central unit. All other data and functions are collected in each individual control module 22, whereby the engine can still be operated even if a problem occurs in the central unit 21 and the control module 22.
다음에서는, 예를 들어 네 개의 실린더 각각을 위한 세 개의 연료 노즐(31)과 분사 장치(32) 및 상기 실린더와 연관되는 하나 이상의 예비 제어 밸브(14)로 구성되는 분사 시스템(11)이 기술될 것이다.In the following, an injection system 11 consisting of for example three fuel nozzles 31 for each of four cylinders and an injection device 32 and one or more preliminary control valves 14 associated with the cylinders will be described. will be.
도 3은 기본 상태(basic position)에 있는 분사 장치(32)의 실시예를 도시한다. 상기 분사 장치는 용적식 분사를 실행하기 위해 정량 피스톤(metering piston; 34), 밸브 슬라이더(35) 및 상기 정량 피스톤의 위치를 감시하는 경로 기록 시스템(path recorder system; 36)을 포함한다. 정량 피스톤(34)은 차동 피스톤(differential piston)으로서 설계된다. 정량 피스톤(34)은 정량 체임버(metering chamber; 37) 내에 설치되며, 상기 정량 체임버에는, 한편으로 어큐뮬레이터(5)로 연결되는 통로가 개방되며, 다른 한편으로 통로(140)가 연결된다. 상기 통로는 체임버(141) 및 체임버(142)와 연결되며, 상기 통로의 길이는 동압차(動壓差; dynamic pressure difference)를 작게 유지하고 상기 밸브 슬라이더의 자동 개방을 방지하기 위해 짧게 설계되는 것이 유리하다. 블라인드 보어(blind bore; 143)는 체임버(141)로 개방된다. 체임버(141) 내에는, 한편으로 밸브 슬라이더(35)에 지지되고 다른 한편으로 체임버(141) 내에서 지지되는 스프링(154)이 설치되며, 이는 상기 밸브 슬라이더를 기본 상태로 유지하기 위함이다. 밸브 슬라이더(35)에는 밸브 시트(valve seat; 38Ⅰ) 및 두 개의 콘트롤 에지(control edge) (38Ⅱ)와 (38Ⅳ)가 형성된다. 밸브 슬라이더(35)는 하우징 내에 설치되며 상기 하우징과 함께 갭 밀봉(gab seal; 38Ⅲ, 38Ⅴ, 39)을 형성한다. 밸브 슬라이더(35)는 상기 블라인드 보어 내로 돌출되는 피스톤(144)을 갖는다. 상기 노즐 니들이 고착되면(stuck), 마스크(mask; 30)를 가진 연료용 복귀 통로는 분사 통로로 분기되어 상기 연료가 마스크(30)를 통해 압력을 받지 않는 공간(pressureless space)으로 배출되기 때문에 연료는 분사되지 않게 된다.3 shows an embodiment of the injection device 32 in a basic position. The injection device comprises a metering piston 34, a valve slider 35 and a path recorder system 36 for monitoring the position of the metering piston to effect volumetric injection. The metering piston 34 is designed as a differential piston. The metering piston 34 is installed in a metering chamber 37, on which the passage to the accumulator 5 is opened, on the other hand, the passage 140 is connected. The passage is connected to the chamber 141 and the chamber 142, the length of the passage is short designed to keep the dynamic pressure difference small and prevent the automatic opening of the valve slider. It is advantageous. The blind bore 143 is opened to the chamber 141. In the chamber 141, a spring 154 is supported, which is supported on the valve slider 35 on the one hand and supported on the other hand in the chamber 141, to maintain the valve slider in a basic state. The valve slider 35 is formed with a valve seat 38 I and two control edges 38 II and 38 IV . The valve slider 35 is installed in the housing and together with the housing forms a gab seal 38 III , 38 V , 39. The valve slider 35 has a piston 144 protruding into the blind bore. When the nozzle needle is stuck, the return passage for fuel with a mask 30 branches to the injection passage so that the fuel is discharged into a pressureless space through the mask 30 so that the fuel Will not be injected.
상기 예비 제어 밸브는 전환(switchover) 밸브로서 설계되며 밸브 피스톤이 고착되었을 때 제2 어큐뮬레이터(108)가 비워지는 것을 방지하기 위해 양쪽 전환 위치 사이에서 실질적으로 역할을 해주어야 한다.The preliminary control valve is designed as a switchover valve and should play a substantial role between both switching positions to prevent the second accumulator 108 from emptying when the valve piston is stuck.
또한, 부하 및/또는 크랭크샤프트 각도에 종속되는 윤활 수단을 갖는 각 실린더를 공급하기 위해 예시되지 않는 유닛이 제공된다.In addition, a unit is provided which is not illustrated for supplying each cylinder with lubrication means dependent on the load and / or crankshaft angle.
상기 분사 시스템의 기능은 다음과 같이 기술된다. 밸브 슬라이더(35)의 기본 위치에서, 연료는 어큐뮬레이터(5)로부터 밸브 슬라이더(35)의 콘트롤 에지(38Ⅳ)를 거쳐 정량 체임버(37)로 유입된다. 양쪽 면에 어큐뮬레이터 압력이 작용되는 정량 피스톤(34)은 면적 차이에 의해 정해진 단부 위치로 이동한다. 정량 피스톤 및 밸브 슬라이더(35)는 어큐뮬레이터(5)로부터 연료 노즐(31)로 가는 상기 연료의 통로를 봉쇄하며, 예를 들어 상기 연료 노즐의 노즐 니들이 고착될 경우 어큐뮬레이터(5)가 비워지는 것을 방지한다. 또한, 연료는 통로(140)를 거쳐 체임버(141) 및 (142)로 유동되어 상기 체임버 내에는 동일한 압력이 존재하게 된다. 이렇게 함으로써 상기 밸브 슬라이더는 오직 제어 명령에 의해서만 동작하는 장점을 갖는다.The function of the injection system is described as follows. In the basic position of the valve slider 35, fuel enters the metering chamber 37 from the accumulator 5 via the control edge 38 IV of the valve slider 35. The metering piston 34, on which the accumulator pressure is applied on both sides, moves to the end position determined by the area difference. The metering piston and valve slider 35 block the passage of the fuel from the accumulator 5 to the fuel nozzle 31, preventing the accumulator 5 from emptying, for example, when the nozzle needle of the fuel nozzle is stuck. do. In addition, the fuel flows through the passage 140 to the chambers 141 and 142 so that the same pressure exists in the chamber. This has the advantage that the valve slider operates only by control commands.
예비 제어 밸브(14)는 제어 모듈(22)에 의해 개폐되어 콘트롤 오일이 어큐뮬레이터(108)로부터 나와 밸브 슬라이더(35)의 콘트롤 피스톤(39) 상에 도달하여 상기 피스톤을 변위(displacement)시키게 된다. 상기 콘트롤 오일이 밸브 시트(38Ⅰ)와 콘트롤 에지(control edge; 38Ⅱ) 사이를 완전히 채움으로써, (38Ⅳ)는 (38Ⅱ)가 개방되기 전에 폐쇄된다. 콘트롤 에지(38Ⅱ)가 개방되면 정량 체임버(37)는 연료 노즐(31)과 연결된다. 밸브 슬라이더(35)의 변위를 통해 피스톤(144)은 블라인드 보어(143) 내부로 변위되며, 상기 밸브 슬라이더의 이동은 특히 유리한 방식으로 콘트롤 에지(147)에 의해 제동 작용(braking)과 함께 시작되고 감쇠 작용(damping)과 함께 도달한다.The preliminary control valve 14 is opened and closed by the control module 22 such that control oil exits the accumulator 108 and reaches the control piston 39 of the valve slider 35 to displace the piston. As the control oil completely fills between the valve seat 38 I and the control edge 38 II , (38 IV ) is closed before (38 II ) is opened. When the control edge 38 II is opened, the metering chamber 37 is connected with the fuel nozzle 31. The displacement of the valve slider 35 causes the piston 144 to be displaced into the blind bore 143, the movement of the valve slider being initiated with braking by the control edge 147 in a particularly advantageous manner. Reach with damping.
상기 정량 피스톤의 후면은 어큐뮬레이터(5)에 연결되고, 상기 어큐뮬레이터 내의 압력은 상기 회전 속도 레귤레이터에 의해 설정된 회전 속도를 얻기 위해 연료의 체적이 상기 정량 피스톤의 면적과 상기 정량 피스톤의 행정거리를 곱한 값에 해당할 때까지 연료를 연료 노즐로 이송시키는, 즉 용적식 연료 계량(volumetric fuel metering)을 실행한다. 정량 피스톤(34)의 변위는 측정 시스템(36)에 의해 측정되며, 제어 모듈(22)은 예비 제어 밸브(14)를 전환하여 밸브 슬라이더(35) 내에서 제1 콘트롤 에지(38Ⅱ)를 폐쇄하고 그 다음에 콘트롤 에지(38Ⅳ)를 개방하도록 한다. 이렇게 함으로써 연료 노즐(31)로 공급되는 연료가 단속된다(interrupted).The rear face of the metering piston is connected to the accumulator 5, the pressure in the accumulator being the volume of the fuel multiplied by the area of the metering piston and the stroke distance of the metering piston to obtain a rotational speed set by the rotational speed regulator. The fuel is transferred to the fuel nozzle, i.e., volumetric fuel metering is performed until The displacement of the metering piston 34 is measured by the measuring system 36, and the control module 22 switches the preliminary control valve 14 to close the first control edge 38 II in the valve slider 35. And then open the control edge 38 IV . In this way, the fuel supplied to the fuel nozzle 31 is interrupted.
밸브 슬라이더(35)는 각 연료 노즐(31)과 연관되어 각 실린더용 연료 노즐이 서로 독립적으로 제어될 수 있으며, 예를 들어 단순 분사, 단식(singly) 단속 분사(interrupted injection) 또는 복식(multiply) 단속 분사, 개별 연료 노즐에서 다양한 길이의 분사 시간과 같은 모든 분사 가능성 또한 각각 주기적(cyclic) 또는 무작위적(stochastic permutation)으로 실행될 수 있다(도 2 참조). 상기 연료 노즐은 상기 노즐 니들이 감쇠되도록 제공되는 것이 바람직하다. 이를 위해서 체임버(148) 및 상기 체임버를 누출 라인(leakage line)에 연결하는 통로(149)가 상기 하우징 내에 형성된다. 상기 노즐 니들의 단부는 상기 밸브 시트의 반대쪽으로 대면하여 상기 체임버 내부로 돌출되는 피스톤(150)과 함께 제공된다. 싱글 밸브 슬라이더(35)는 엔진 실린더의 모든 연료 노즐을 적은 비용으로 작동시킬 수 있다. 상기 기술된 시스템에서는 통상의 중질유(heavy oil) 및 잔사유(sediment oil)가 이러한 엔진에 사용될 수 있다.The valve slider 35 is associated with each fuel nozzle 31 so that the fuel nozzles for each cylinder can be controlled independently of one another, for example simple injection, singlely interrupted injection or multiply. All injection possibilities, such as intermittent injection, injection times of varying lengths in individual fuel nozzles, can also be carried out cyclically or stochastic permutation, respectively (see FIG. 2). The fuel nozzle is preferably provided such that the nozzle needle is attenuated. To this end, a chamber 148 and a passage 149 for connecting the chamber to a leakage line are formed in the housing. An end of the nozzle needle is provided with a piston 150 which faces away from the valve seat and protrudes into the chamber. The single valve slider 35 can operate all fuel nozzles of the engine cylinder at low cost. In the system described above, conventional heavy oil and sediment oil can be used in such engines.
도 4에 도시되는 바와 같이, 가스 교환 시스템(12)은 가스 교환 밸브(53)와 각각 연관되는 세퍼레이션 피스톤(separation piston; 56) 및 콘트롤 피스톤(52)을 구비하는 장치(51)를 포함한다. 세퍼레이션 피스톤(56)은 상기 콘트롤 오일 회로에서 상기 유압 시스템(작동유)을 분리시키며, 단부 위치의 영역에 있는 배기 밸브(53)의 이동을 감쇠시킨다. 예비 제어 밸브(14)는 개폐 위치에서 어큐뮬레이터(8)로부터 작동유를 제거하고, 콘트롤 피스톤(52)이 이동 가능한 두 위치 중 하나로 이동되도록 하며, 여기에서 가스 교환 밸브(53)는 밸브 에어 스프링(valve air spring; 61)에 의해 "폐쇄" 위치로 이동된다. 상기에서 드라이브 피스톤(drive piston; 54)은 상기 밸브 샤프트를 누르고, 오일을 배관 라인(55)으로 유동시키며, 상기 배관 라인은 차례로 피스톤(56)을 변위시키고 대략 정해진 초기 위치로 이동시킨다. 피스톤(56)은 차례로 작동유를 콘트롤 피스톤(52)을 통해 회수 탱크(collection tank)로 가는 라인(57)에 보낸다. 상기 가스 교환 밸브(53)가 다음 번 작동을 할 때까지 누출 손실(leakage losses) 및 연속적인 환기(ventilation)(도시되지 않음)로 인해 손실되는 오일은 라인(58) 및 역지 밸브(non-return valve; 59)를 통해 다시 채워지고, 이렇게 함으로써 피스톤(56)은 완전하게 정해진 초기 위치로 이동된다.As shown in FIG. 4, the gas exchange system 12 includes a device 51 having a separation piston 56 and a control piston 52 associated with the gas exchange valve 53, respectively. . The separation piston 56 separates the hydraulic system (working oil) from the control oil circuit and dampens the movement of the exhaust valve 53 in the region of the end position. The preliminary control valve 14 removes the hydraulic fluid from the accumulator 8 in the open and close position and causes the control piston 52 to move to one of two movable positions, where the gas exchange valve 53 is a valve air spring. air spring; 61) to the "closed" position. Drive piston 54 presses the valve shaft and flows oil into piping line 55, which in turn displaces piston 56 and moves it to an approximately predetermined initial position. The piston 56 in turn sends hydraulic fluid through the control piston 52 to a line 57 which leads to a collection tank. The oil lost due to leakage losses and continuous ventilation (not shown) until the gas exchange valve 53 is operated the next time is the line 58 and the non-return valve. It is refilled through valve 59, thereby moving piston 56 to a fully defined initial position.
예비 제어 밸브(14)가 다른 위치에 있을 경우, 압축 스프링(60)이 콘트롤 피스톤(52)을 다른 위치로 이동시킴으로써 상기 작동유는 예비 제어 밸브(14)를 통해 배출될 수 있으며, 피스톤(56)의 측부를 콘트롤 피스톤(52)를 통해 어큐뮬레이터(8)에 연결시킨다―여기서 상기 피스톤의 측부는 배관 라인(58)의 반대쪽으로 대면함―. 피스톤(56), 상기 배관 라인 및 드라이브 피스톤(54)으로 유입되는 상기 작동유는 상기 가스 교환 밸브를 상기 엔진의 실린더 내에 여전히 존재하는 가스 압력 및 밸브 에어 스프링(61)에 대항하여 개방시킨다.When the preliminary control valve 14 is in another position, the hydraulic fluid can be discharged through the preliminary control valve 14 by the compression spring 60 moving the control piston 52 to another position, and the piston 56 The side of the piston to the accumulator 8 via the control piston 52, where the side of the piston faces away from the piping line 58. The hydraulic fluid entering the piston 56, the piping line and the drive piston 54 opens the gas exchange valve against the gas pressure and valve air spring 61 still present in the cylinder of the engine.
상기 가스 교환 밸브가 배기 밸브로서 사용되는 경우, 상기 실린더 내에 여전히 남아있는 압력에 대항하여 개방될 수 있도록 하기 위해서 이러한 움직임의 초기에는 큰 힘이 존재해야 하기 때문에, 드라이브 피스톤(54)은 스텝형 피스톤(step piston; 65, 66)으로서 형성된다. 상기 밸브 움직임의 이동 경로 초기에는 대형 피스톤(65)이 자신의 보다 넓은 단면적으로 동작하여 가스 교환 밸브(53)를 개방하는데 필요한 힘을 생성한다. 상기 밸브 동작의 추가 과정에서는 보다 작은 힘으로도 가스 교환 밸브(53)가 완전한 행정을 실행하도록 하는데 충분하다. 대형 피스톤(65)은 받침부(abutment; 67)를 향해 이동하며, 이때 상기 이동은 상기 받침부에 도달하기 전에 도시되지 않은 짧은 감쇠 작용에 의해 감쇠된다. 상기와 같이 피스톤(65) 및 (65)를 배열함으로써 제2 어큐뮬레이터(8)로부터 빠져 나오는 작동유의 양은 최소화된다.When the gas exchange valve is used as an exhaust valve, the drive piston 54 is a stepped piston because a large force must be present at the beginning of this movement in order to be able to open against the pressure still remaining in the cylinder. (step piston; 65, 66). At the beginning of the movement path of the valve movement, the large piston 65 operates in its wider cross-section to generate the force necessary to open the gas exchange valve 53. Further processing of the valve operation is sufficient to allow the gas exchange valve 53 to perform a full stroke even with a smaller force. The large piston 65 moves towards an abutment 67, where the movement is attenuated by a short damping action, not shown, before reaching the abutment. By arranging the pistons 65 and 65 as described above, the amount of hydraulic oil coming out of the second accumulator 8 is minimized.
측정 시스템(71)은 스텝형 콘(step cone; 72) 및 가스 교환 밸브의 이동을 감지하여 제어 모듈(22)로 전송되는 측정 신호를 발생하기 위한 리던던트 센서(redundant sensor; 78)를 포함한다. 상기 제어 시스템은 상기 가스 교환 밸브의 이동이 기대치에 부합하는지를 인지하여 잘못된 개폐 및 부적절한 압력일 경우, 예를 들면 관련되는 실린더에서의 다음 번 연료 분사를 저지한다. 이렇게 함으로써 예를 들어 n개의 실린더를 갖는 엔진은 n-1개의 실린더로 작동될 수 있다는 것이 보장된다. 도 7에 도시되는 바와 같이, 스텝형 콘(72)은 제1 원추형 섹션(79), 상기 제1 원추형 섹션에 인접하는 원통형 섹션(76) 및 연속되는 제2 원추형 섹션(77)을 가지며, 상기 센서의 측정 영역을 최대 범위로 확보하기 위해 제1 및 제2 원뿔각(cone angle)은 가급적 크게 한다. 제1 섹션(79)은 상기 밸브의 개방 동작을 측정하며, 상기 밸브가 개방되는 동안에 결정되는 감쇠 작용이 가능하게 한다. 제2 섹션은 상기 밸브의 폐쇄 동작을 측정하며, 상기 밸브가 폐쇄되는 동안에 결정되는 감쇠 작용이 가능하게 한다. 배기 밸브의 행정거리가 보다 짧고 공차(tolerance)가 작은 보다 소형의 엔진에서는 전체 밸브 행정거리가 단지 하나의 원추형 섹션으로 형성되는 단순한 콘(simple cone)으로 설계되는 것 또한 가능하다.The measuring system 71 comprises a stepped cone 72 and a redundant sensor 78 for sensing the movement of the gas exchange valve and generating a measuring signal sent to the control module 22. The control system recognizes that the movement of the gas exchange valve meets expectations and prevents the next fuel injection in the case of an incorrect opening and closing and an inappropriate pressure, for example in the cylinder concerned. This ensures that for example an engine with n cylinders can be operated with n-1 cylinders. As shown in FIG. 7, the stepped cone 72 has a first conical section 79, a cylindrical section 76 adjacent to the first conical section, and a continuous second conical section 77, wherein The first and second cone angles are made as large as possible to ensure the maximum measurement range of the sensor. The first section 79 measures the opening action of the valve and enables a damping action which is determined while the valve is opening. The second section measures the closing action of the valve and enables a damping action which is determined while the valve is closed. It is also possible for smaller engines with shorter stroke strokes and smaller tolerances to be designed as simple cones in which the entire valve stroke is formed by only one conical section.
어떠한 이유로 인해 가스 교환 밸브(53)가 완전히 폐쇄되지 않는 경우, 스텝형 피스톤(65, 66)은 자신의 초기 위치에 있지 않게 되는, 즉 라인(55) 내에는 너무 많은 오일이 있게 되는 상태가 된다. 이때 피스톤(56)이 전량의 오일을 밀어내면, 에어 스프링(61)을 갖는 가스 교환 밸브(53)는 밸브 가이드 슬리브(valve guide sleeve)를 향해 매우 강하게 눌려지고, 상기 엔진이 파손되기에 이른다.If for some reason the gas exchange valve 53 is not completely closed, the stepped pistons 65 and 66 will not be in their initial position, ie there will be too much oil in the line 55. . When the piston 56 pushes out the entire amount of oil at this time, the gas exchange valve 53 with the air spring 61 is pressed very strongly toward the valve guide sleeve, leading to damage to the engine.
이를 방지하기 위해, 압축을 통해 상기 가스 교환 밸브의 운동 에너지를 흡수하는 판 스프링(plate spring)이 제공되며 이에 의해 엔진의 파손이 방지된다. 배관 라인(55)과 드라이브 피스톤(54) 사이 시스템의 도시되지 않은 연속적인 환기 및 불가피한 누출 손실은, 가스 교환 밸브의 "개방" 상태 동안에 유압 제어에 문제가 발생하는 경우 일정 시간(분)이 지나면 상기 밸브가 자동으로 폐쇄되는 것을 보장한다.To prevent this, a plate spring is provided which absorbs the kinetic energy of the gas exchange valve through compression, thereby preventing breakage of the engine. Unillustrated continuous ventilation and unavoidable leakage loss of the system between the piping line 55 and the drive piston 54 may occur after a certain number of minutes if there is a problem with hydraulic control during the "open" state of the gas exchange valve. Ensure that the valve closes automatically.
피스톤(56)이 상기 유압 시스템을 윤활유 회로에서 분리함으로써 상기 작동유 회로가 오염되는 위험은 대부분 제거되는데, 이는 상기 실린더를 채우지 않을 때에는 정밀하게 여과된 오일로 채워진 작동유 회로는 개방될 필요가 없기 때문이다. 각 개별 실린더의 가스 교환 시스템을 엔진으로부터 격리를 허용해주는 밸브(73, 74, 75)는 제2 어큐뮬레이터(8)와 콘트롤 피스톤(52) 사이의 라인에, 역지 밸브(59) 전방의 재충전(replenishing) 라인에, 그리고 배출(flow-off) 라인(57)에 설치되어 상기 엔진이 가동 중에도 상기 배기 밸브의 제어 장치는 수리될 수 있다.The risk of contamination of the hydraulic circuit is largely eliminated by the piston 56 separating the hydraulic system from the lubricating oil circuit since the hydraulic oil circuit filled with finely filtered oil does not need to be opened when the cylinder is not filled. . Valves 73, 74, 75, which allow the gas exchange system of each individual cylinder to be isolated from the engine, are replilenishing in front of the check valve 59 in the line between the second accumulator 8 and the control piston 52. ) And the flow-off line 57 so that the control device of the exhaust valve can be repaired while the engine is running.
도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 제어 장치는 두 개의 중앙 유닛(21)을 가질 수 있는데, 하나는 메인 유닛으로서 작동되며 다른 하나는 예비 유닛이다. 중앙 유닛(21)은 버스 시스템에 의해 각 제어 모듈(22) 및 센서(25,26)에 연결된다. 센서(25, 26)는 상기 크랭크샤프트의 특정한 각도 위치에 설치되고 모든 센서의 신호들은 논리(logic)에 의해 그 유효성이 검증된다. 에러가 검지되는 경우, 결함이 있는 센서 역시 검지될 수 있다. 각 제어 모듈(22)은 중앙 유닛(21)의 데이터의 도움으로 상기 분사 시스템, 가스 교환 시스템 및 시동 공기 밸브(starting air valve; 28)를 제어한다. 흡기 제어(inlet control; 27), 물 분사(water injection) 또는 후속의 피스톤 윤활이 제공되는 경우, 마찬가지로 제어 모듈(22)에 의해 제어된다. 정상 작동에서, 도 5에 도시되는 두 개의 버스는 하나는 단지 모듈간의 통신용으로만 사용되고, 다른 하나는 단지 크랭크샤프트의 현재 위치 및 회전 속도의 전달용으로만 사용되는 의미로 역할을 분담한다. 비상 작동에서, 즉 둘 중 하나의 버스에 결함이 생겼을 경우, 상기 엔진은 남은 하나의 정상적인 버스를 이용하여 낮은 정밀도로 또한 작동될 수 있다.As shown in FIG. 5, the control device can have two central units 21, one acting as a main unit and the other as a spare unit. The central unit 21 is connected to each control module 22 and sensors 25, 26 by a bus system. Sensors 25 and 26 are installed at specific angular positions of the crankshaft and the signals of all sensors are validated by logic. If an error is detected, a defective sensor can also be detected. Each control module 22 controls the injection system, gas exchange system and starting air valve 28 with the aid of data from the central unit 21. When inlet control 27, water injection or subsequent piston lubrication is provided, it is likewise controlled by the control module 22. In normal operation, the two buses shown in FIG. 5 share a role in the sense that one is used only for communication between modules and the other is used only for transmission of the current position and rotational speed of the crankshaft. In emergency operation, ie if one of the two buses fails, the engine can also be operated with low precision using the remaining one normal bus.
상기 전자 제어 시스템 내에서 교란(disturbance) 또는 고장이 발생하는 경우, 예를 들어 두 개의 각도 센서(angle sensor; 25)가 손상되어 중앙 유닛(21)이 더 이상 필요한 전기적 신호를 정확하게 또는 전혀 발생시키지 못하게 되면, 상기 대형 디젤 엔진의 가동 출력(operating capability)을 유지하기 위해 비상 시스템이 요구된다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 내연기관에서는 상기 엔진의 작동 사이클에 동조되는(attuned) 방식으로 예비 제어 밸브(14)용 전기 제어 신호를 발생시키기 위한 펄스(pulse) 제어 샤프트(91)가 제공될 수 있다. 펄스 제어 샤프트(91)는 상기 연소기관의 크랭크샤프트에 기계적으로 결합되는 별도의 유닛이다.In the event of disturbance or failure within the electronic control system, for example, two angle sensors 25 may be damaged such that the central unit 21 no longer accurately or completely generates the required electrical signals. If not, an emergency system is required to maintain the operating capability of the large diesel engine. As shown in FIG. 5, in the internal combustion engine according to the invention, a pulse control shaft 91 for generating an electrical control signal for the preliminary control valve 14 in an attuned manner to the operating cycle of the engine. ) May be provided. The pulse control shaft 91 is a separate unit mechanically coupled to the crankshaft of the combustion engine.
도 6은 상기 분사 장치의 다른 실시예를 도시한다. 압축 펌프(7), 어큐뮬레이터(8) 및 예비 제어 밸브(14)는 상기 분사의 제어 및 상기 가스 교환의 작용을 위한 유압 시스템을 형성한다.6 shows another embodiment of the injection device. The compression pump 7, the accumulator 8 and the preliminary control valve 14 form a hydraulic system for the control of the injection and the action of the gas exchange.
상기 분사 장치는 용적식 분사를 실시하기 위해 정량 피스톤(81), 밸브 슬라이더(82), 콘트롤 밸브(83) 및 상기 정량 피스톤의 위치 측정용 경로 기록 시스템(84)을 포함한다. 상기 정량 피스톤은 압력 증대기(pressure amplifier)로서 설계된다. 압축 펌프(86)는 상기 연료를 정량 피스톤(81)으로 보내며 콘트롤 밸브(83)는 상기 분사 노즐로 가는 통로를 봉쇄(block)한다.The injection device comprises a metering piston 81, a valve slider 82, a control valve 83 and a path recording system 84 for measuring the position of the metering piston to effect volumetric injection. The metering piston is designed as a pressure amplifier. Compression pump 86 sends the fuel to metering piston 81 and control valve 83 blocks the passage to the injection nozzle.
기본 위치에서 상기 밸브 슬라이더는 폐쇄되어 있고, 상기 압력 증대기는 초기 위치에 있으며, 상기 콘트롤 밸브는 폐쇄되어 있다. 상기 압축 펌프에 의해 상기 압력 증대기로 이송되는 연료는 상기 압력 증대기를 초기 위치에 유지시킨다. 상기 콘트롤 슬라이더가 상기 예비 제어 밸브(14a)를 갖는 유압 시스템에 의해 작동되는 경우, 가압된 오일은 상기 압력 증대기로 유입되어 상기 압력 증대기를 변위시킨다. 상기 압력 증대기는 연료 내의 압력을 분사 압력으로 증가시킨다. 각 실린더에는 하나 이상의 예비 제어 밸브(14) 또는 콘트롤 밸브(83)가 제공될 수 있다는 것을 알 수 있다.In the default position the valve slider is closed, the pressure intensifier is in the initial position and the control valve is closed. Fuel delivered to the pressure increaser by the compression pump maintains the pressure increaser in its initial position. When the control slider is operated by the hydraulic system with the preliminary control valve 14a, pressurized oil flows into the pressure increaser to displace the pressure increaser. The pressure increaser increases the pressure in the fuel to the injection pressure. It will be appreciated that each cylinder may be provided with one or more preliminary control valves 14 or control valves 83.
상기 왕복동 피스톤 연소기관은 각 실린더용 용적식 분사를 위한 분사 시스템, 하나 이상의 연료 공급용 압축 펌프, 적어도 하나의 제어 매체 공급용 압축 펌프, 상기 펌프 및 가스 교환 시스템과 연결되는 각각 하나의 연료용, 콘트롤 오일용, 작동유용 어큐뮬레이터, 하나 이상의 각도 센서와 중앙 유닛을 갖는 제어 장치, 및 상기 시동 공기 공급, 분사, 가스 교환과 중앙 윤활을 제어하기 위한 복수의 전자 제어 모듈을 포함한다.The reciprocating piston combustor comprises an injection system for volumetric injection for each cylinder, one or more fuel supply compression pumps, at least one compression pump for supplying control media, one fuel each connected to the pump and gas exchange system, An accumulator for control oil, a hydraulic fluid, a control device having one or more angle sensors and a central unit, and a plurality of electronic control modules for controlling the starting air supply, injection, gas exchange and central lubrication.
상기 연소기관은 정상 가동 상태에서 완전히 전자 방식으로 제어된다.The combustion engine is fully electronically controlled in normal operation.
본 발명에 따른 2행정 디젤 엔진에서, 종래의 엔진보다 경제적인 연소기관의 설계, 적은 연료 소모, 적은 공해 배출, 낮은 부품의 온도 상승, 간단한 유지보수 및 전자 제어 시스템을 이용한 보다 신뢰적인 작동이 실현될 수 있다.In the two-stroke diesel engine according to the present invention, the design of combustion engines more economical than conventional engines, less fuel consumption, less pollution, low temperature rise of parts, simple maintenance and more reliable operation using electronic control system are realized. Can be.
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