KR20040081712A

KR20040081712A - 2행정 디젤엔진

Info

Publication number: KR20040081712A
Application number: KR1020040011456A
Authority: KR
Inventors: 한센에릭로젠룬트
Original assignee: 맨 비 앤드 더블유 디젤 에이/에스
Priority date: 2003-03-15
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2004-09-22
Also published as: KR100717146B1; DE10311493B4; DE10311493A1; JP2004278524A; JP4149938B2

Abstract

유압장치(13)에 의해 작동되는 배기 밸브(12)에 의해 차단 가능한 배기가스 배기부(10)와, 유압 작동 가능한 분사 펌프(14)에 연결되는 적어도 하나의 분사 밸브(8)를 통해 연료가 공급되는 연소실(7)과, 피스톤(2)에 의해 제어되는 흡기구(9)가 형성된 적어도 하나의 실린더(1)를 포함하는 2행정 디젤엔진에서, 엔진 신호를 입력받는 적어도 하나의 입력부(32)를 갖는 신호 변환기로 서보 장치(28)를 제어하고, 서보 장치에 의해 밸브슬라이드(26)를 엔진신호에 대응하여 왕복 운동시키고, 밸브 슬라이드의 왕복 운동시 최종 위치에서는 입구(22)와 선택적으로 연결되며 밸브 슬라이드(26)의 중앙 위치에서는 차단되고, 분사 펌프(14) 또는 배기 밸브(12)의 유압 장치(13)에 결합되는 두 개의 출구(23,24) 및 가압 매체원(18)과 결합되는 입구(22)를 갖는 하나의 공동 비례 밸브를 상기 분사 펌프 및 배기 밸브(12)의 유압 장치(13)에 장착함으로써, 간단한 구조 및 기계를 보호하는 운전 방식이 달성된다.

Description

2행정 디젤엔진{TWO-STROKE DIESEL ENGINE}

본 발명은, 유압 장치에 의해 작동되는 배기 밸브에 의해 차단 가능한 배기가스 배기부와, 유압 작동 가능한 분사 펌프에 연결되는 적어도 하나의 분사 밸브를 통해 연료가 공급되는 연소실과, 피스톤에 의해 제어되는 흡기구가 형성된 적어도 하나의 실린더를 포함하며, 가압 매체원으로부터 배기 밸브의 유압 장치 및 분사 펌프로 공급되는 압력유체가 적어도 하나의 해당 엔진의 신호에 따라서 작동하는 제어 밸브 장치에 의해 제어되는 2행정 디젤엔진, 특히 2행정 대형 디젤엔진에 관한 것이다.

일반적으로 제어 밸브 장치는 분사 펌프에 연결되는 비례 밸브 및 배기 밸브의 유압 장치에 연결되는 개폐 밸브를 갖는다. 그러나 이러한 구조는 두 개의 밸브를 사용함으로 인해 가격이 상승한다. 또한 개폐 밸브는 단지 개방 및 차단만을 제어하므로 개폐 밸브에 의한 개방 및 차단 동작의 안정된 제어가 불가능하다. 따라서 배기 밸브에 연결되는 유압 장치의 피스톤은 물론 배기 밸브 자체의 급격한 동작을유발하고, 이로 인해 유압 시스템 내에서 급격한 압력 피크 및 부품의 심각한 기계적 부하를 증가시킬 수 있다. 이를 억제하기 위해 배기 밸브의 유압 장치에는 복수의 최종 위치 댐핑 장치(end position damping device)를 필요로 하는데, 이는 제조비용의 상승을 초래하는 문제점을 갖고 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 제어 밸브 장치를 간소화하고 동시에 장치를 보호할 수 있는 2행정 디젤 엔진을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 대형 2행정 디젤엔진의 개략적인 도면이다.

도2는 도1에 따른 비례 밸브의 단면도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 실린더 2 : 피스톤

3 : 로드 4 : 크로스 헤드

5 : 커넥팅 로드 6 : 크랭크 샤프트

7 : 연소실 8 : 분사밸브

9 : 흡기공 10 : 배기구

11 : 배기관 12 : 배기밸브

13 : 유압장치 14 : 분사펌프

15 : 펌프실 16 : 화살표

17 : 플런지 18 : 가압 매체원

19 : 펌프 20 : 파이프

21 : 비례밸브 22 : 입구

23, 24 : 출구 25 : 밸브 하우징

26 : 밸브 슬라이드 27 : 리니어 모터

28 : 서보장치 29 : 컴퓨터

30, 32: 입력부 31 : 출력부

33 : 서보 슬라이드 34, 35 : 압력실

36, 37 : 피스톤 38 : 유로

39 : 부호

이 목적은, 엔진 신호를 위한 적어도 하나의 입력부를 갖는 신호 변환기로 서보 장치를 제어하고, 서보 장치에 의해 밸브슬라이드를 왕복 운동시키고, 밸브 슬라이드의 왕복 운동시 최종 위치에서는 입구와 선택적으로 연결되며 밸브 슬라이드의 중앙 위치에서는 차단되고, 분사 펌프 또는 배기 밸브의 유압 장치에 결합되는 두 개의 출구 및 가압 매체원과 결합되는 입구를 갖는 하나의 공동 비례 밸브를 분사 펌프 및 배기 밸브의 유압 장치에 장착함으로써 달성된다.

이에 따라 비용을 줄이면서도 장치의 설계를 매우 단순화할 수 있다. 즉, 제2 밸브가 필요치 않으므로 제어 밸브 장치 및 필요한 배선의 간소화 및 경제성 증대가 가능하다. 또한 공동 비례 밸브에 의해 분사 펌프의 행정 진행뿐 아니라 배기 밸브의 유압 장치로 제어할 수 있다. 따라서 배기 밸브의 유압 장치에 최종 위치 댐핑 장치를 장착하지 않고도 압력 서지(pressure surge) 및 기계적 충격의 바람직한 억제가 가능하다. 분사 펌프 또는 배기 밸브의 유압 장치를 작동시키기 위해서 비례 밸브의 밸브 슬라이드를 중앙 O-위치에서부터 서로 반대 방향으로 동작하도록 비례 밸브를 설치함으로써 분사 펌프 또는 배기 밸브의 유압 장치의 작동이 상호 독립적으로 이루어질 수 있다. 또한 비례 밸브 및 이에 연동하는 서보 장치의 구조가 매우 간단하게 되고, 공정의 중복이 억제된다.

US-A 5 237 968에는, 분사 장치와 흡기 밸브 및 배기 밸브를 구비한 4행정 엔진에서 이 세 가지 기관에 연결되는 유압 작동 장치를 공동의 슬라이드 밸브를 통해 제어하는 것이 공지되어 있다. 이 특허에서 슬라이드의 최종 위치는 O-위치에 해당하며, 이 위치에서부터 슬라이드가 단지 하나의 방향으로만 동작할 수 있고, 각 장치의 작동은 사전에 지정된 순서에 따라 이루어진다. 따라서 서로 독립적인 작동은 불가능할 뿐만 아니라 밸브 장치의 구조도 매우 복잡하다. 따라서 이런 공개된 장치는 2행정 디젤엔진에 적합하지 않은 것으로 입증되었다.

본 발명에 따른 조치의 바람직한 실시예 및 변형은 종속항에 명시된다.

바람직하게는 밸브 슬라이드에 포함된 서보 장치는, 밸브 하우징에서 반대방향으로 지지되는 피스톤에 접속되며 밸브 슬라이드 내에 축과 평행한 두 개의 압력실을 갖고, 이 압력실은 슬라이드에 장착된 유로를 통해 밸브 입구에 연결되는 가압 매체로 충전 가능하고, 적어도 하나의 상기 유로는 슬라이드 내에 배치되어 신호 변환기를 형성하는 리니어 모터에 의해 작동되는 축과 평행한 서보 슬라이드에 의해 제어된다. 이러한 본 발명은 밸브 슬라이드가 밸브 입구로 공급되는 가압 매체를 통해 동작하게 되므로 다른 구동 수단을 필요로 하지 않는다. 해당 엔진 신호의 크기에 비례하는 리니어 모터의 작동량은 서보 슬라이드를 이동시킴으로써 노출된 유동단면적의 크기 및 밸브 슬라이드의 동작 속도를 결정한다. 즉, 밸브 슬라이드의 동작은 리니어 모터의 동작 및 해당 엔진의 신호 크기에 비례한다.

바람직하게는 리니어 모터는 압전 부재로서 구성될 수 있다. 이 압전 부재는, 전기적 값을 이동 거리로 전환하는 전자기적 변환기에 해당한다. 따라서 제어는 전기적 방법을 통해 이루어질 수 있고, 이는 간단한 신호 전달을 가능케 한다.

본 발명의 다른 바람직한 형태 및 변형은 이하 종속항에 명시되며 도면을 근거로 한 실시예에 대한 다음 설명을 통해 상세히 기술된다.

- 실시예 -

본 발명의 주적용분야는 예를 들어 선박 구동장치 등으로서 사용되는 대형 2행정 디젤엔진이다. 이 엔진은 큰 스트로크를 가지며 비교적 저속으로 동작한다.

일반적으로 이런 유형의 대형 2행정 디젤엔진은 병렬로 배치되는 복수의 실린더를 포함한다. 도1에는 이러한 하나의 실린더(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 커넥팅 로드(connecting rod)(5)를 통해 크랭크샤프트(crankshaft)(6)와 크로스헤드(cross head)(4)가 연결되고, 크로스헤드(4)는 피스톤 로드(piston rod)(3)에 의해 실린더(1)내에 배치되는 피스톤(2)과 연결된다. 피스톤(2)은 연소실(7)을 한정하며, 이 연소실에는 실린더 헤드부에 배치된 적어도 하나의 분사 밸브(8)를 통해 연료가 공급될 수 있다. 실린더(1)의 하부에는 공기 공급 장치와 연결된 흡기공(air intake slit)(9)이 형성되어 있으며, 이 흡기공은 이동하는 피스톤(2)에 의해 개폐제어되고, 이 흡기공을 통해 공기가 연소실(7)로 공급될 수 있다.

연소시 발생하는 배기가스는 실린더 헤드에 장착된 배기구(10)를 거쳐 배기관(11)을 통해 배출된다. 이 배기구(10)에는 배기 밸브(12)가 배치되며, 이 배기 밸브는 해당 유압 장치(13)에 의해 상승 및 하강하는 것에 의해 배기구(10)가 개방 및 차단된다. 분사 밸브(8)는 분사 펌프(14)에 연결되며, 분사 펌프의 펌프실(pump room)(15)은 화살표(16)로 표시된 바와 같이 공급 장치를 통해 연료의 공급이 가능하다. 연료공급은 유압 작동식 플런저(17)를 통해 이루어진다.

배기 밸브(12)의 유압 장치(13) 및 분사 펌프(14)는 가압 매체원(pressurizing medium source)(18)으로부터 공급되는 가압 매체(pressurizing medium)에 의해 작동된다. 이 작동은 회전수, 부하, 압력 등과 같은 엔진 신호에 따라 적절하게 이루어진다. 여기에서 가압 매체원(18)은 압력챔버로서 구성되며, 이 압력챔버는 크랭크 샤프트(6)에 의해 유압 오일로 직접 충전되거나 또는 구동 가능한 펌프(19)에 의해 충전되며 원하는 압력으로 유지된다. 도시된 실시예에서는 가압 매체원(18)을 형성하는 압력챔버가 커먼 레일(common rail)로서 형성되며, 커먼레일로부터 복수의 파이프(20)가 분기되어 해당 기기로 연결되고, 각각의 해당 밸브에 의해 개방 및 차단되어진다. 복수의 실린더가 배치된 경우에는 모든 실린더 그룹 또는 적어도 하나의 실린더 그룹을 관통하는 커먼 레일이 장착될 수 있다.

유압 장치(13) 또는 분사 펌프(14)의 압력 제어를 위해 유압 장치(13) 및 분사 펌프(14)에 공동으로 접속하는 비례 밸브(21)가 장착되고, 이 비례 밸브는 가압 매체원(18)의 출구와 연결된 입구(22) 및 두 개의 출구(23, 24)를 가지며, 이 출구들 중에서 하나, 즉 여기에서는 출구(23)가 분사 펌프(14)의 유압 장치와 결합하며, 다른 하나, 즉 여기에서는 출구(24)가 배기 밸브(12)의 유압 장치(13)와 결합한다.비례 밸브(21)는 축방향으로 이동 가능한 밸브 슬라이드(valve slide)(26)가 배치된 밸브 하우징(25)을 가지며, 이 밸브 하우징은 입구(22) 및 출구(23, 24) 형태의 필요한 연결부를 갖는다. 도시된 비례 밸브(21)는 두 개의 다른 연결부를 가지므로 전체적으로 5개의 연결부를 갖는다. 도면에 상세히 도시하지 않은 다른 두 개의 연결부는 비작동 상태에서 유압 장치(13) 또는 분사 펌프(14)의 감압을 위한 회수구(return port)로서 작용한다.

밸브 슬라이드(26)의 중앙 O-위치에서 입구(22) 및 출구(23, 24)는 서로 차단된다. 밸브 슬라이드(26)의 최종 위치 입구(22)가 각 출구(23, 24)에 결합된 배기 밸브(12)의 유압 장치(13) 또는 분사 펌프(14)의 유압 장치와 연결된다.

한편, 본 발명은 밸브 슬라이드(26)와 연동하는 서보 장치(servo device)(28) 및 리니어 모터(27)를 포함한다. 서보장치는 엔진 신호에 비례하는 속도로 밸브 슬라이드(26)를 이동시킬 수 있고, 리니어 모터(linear motor)에 의해 제어 된다. 리니어 모터(27)는 신호변환기로 기능하는 것으로서, 배기 밸브(12)의 작동 및 분사 제어와 관련된 엔진 신호를 그 크기에 비례하는 선형 동작으로 변환한다. 이런 변환은 직접 또는 간접적으로 이루어질 수 있다.

도시된 실시예에서는 컴퓨터로서 형성된, 전자 신호 발생 장치가 리니어 모터(27)의 전단에 배치되며, 이 신호 발생 장치는 신호선을 통해 리니어 모터(27)의 입력부(32)와 연결되는 적어도 하나의 출력부(31) 및 적어도 하나의 입력부(30)를 갖는다. 컴퓨터(29)에서 전송되는 엔진 신호는 이에 상응하는 전기 신호 또는 상응하는 디지털 신호로 변환되며, 이런 신호들은 신호선을 통해 리니어 모터(27)의입력부(32)로 전달된다. 리니어 모터는, 입력된 전기 신호 또는 디지털 신호를 이에 비례하는 선형 동작으로 변환되도록 구성되는 것으로, 이를 위해 리니어 모터(27)에 적합한 압전 부재(piezo element)가 장착될 수 있다.

도2에 도시한 바와 같이, 리니어 모터(27)를 통해 제어 가능한 서보 장치는, 축방향에 대해 평행하며, 비례 밸브(21)의 밸브 슬라이드(26)와 동축상에 배치되고, 리니어 모터(27)의 출구와 구동 가능하도록 결합된 서보 슬라이드(servo-slide)(33) 및 이와 마찬가지로 밸브 슬라이드(26) 내에 배치되며 축방향으로 평행한 두 개의 압력실(34, 35)을 포함하고, 이 압력실 내에는 밸브 하우징(25)에서, 상세하게는, 밸브 하우징(25)의 대향 단부에서 서로 반대 방향으로 지지되는 피스톤(36, 37)이 수용되고, 하나 또는 양측 피스톤에 리턴 스프링 장치(return spring device)가 장착될 수 있다.

이 압력실(34, 35)은 밸브 슬라이드(26) 내에 형성된 유로(38)를 통해 비례 밸브(21)의 입구로 공급되는 가압 매체로 충전될 수 있으며, 이를 통해 압력실(34, 35)의 확장 및 축소가 이루어지고, 따라서 밸브 슬라이드(26)의 축 방향 이동이 이루어진다. 압력실(34, 35)에 배치된 전술한 유로(38)는 서보 슬라이드(33)에 의해 제어 가능하다. 즉 이 유로는 서보 슬라이드(33)의 이동에 의해 개방 또는 차단될 수 있다.

리니어 모터(27)에 의해 발생된 선형 동작 및 이에 상응하는 서보 슬라이드(33)의 이동 거리는, 이미 전술한 바와 같이, 입력된 엔진 신호의 크기에 따라 결정된다. 서보 슬라이드(33)의 이동거리가 클수록 유로(38)의 개방 단면적도 상응하게 증가한다. 유로(38)의 개방 단면적이 클수록 해당 압력실(34, 35)의 충전에 의한 밸브 슬라이드의 동작도 더욱 빨라진다. 이는 요구되는 분사 형태 및 배기 밸브(12) 유압 장치(13)의 작동을 제한할 수 있다. 따라서 유압 장치(13)는 별도의 댐핑 장치를 필요치 않는 실린더-피스톤-유닛으로서 형성될 수 있다.

간단한 경우에는, 압력실(34)로 연결되는 유로(38)를 서보 슬라이드(33)로 제어하는 것으로 충분하다. 이 경우, 제어되는 유로에 연결되는 압력실 및 이 내부에 배치된 피스톤은 다른 압력실 및 이 압력실에 배치된 피스톤보다 더 크고 효과적인 가압면을 갖는다. 도2에서 부호(39)로 표시된 리턴 스프링 장치를 이 피스톤에 장착하는 것이 바람직하며, 이 리턴 스프링은 해당 피스톤에 작용하는 유압력에 의해 압축되고 스프링 힘을 극복하는 유압력이 제거되면 밸브 슬라이드(26)를 동작시킨다.

멀티 실린더 엔진의 경우에는 각 실린더(1)에 비례 밸브(21)가 배치된다. 하지만 모든 실린더 또는 실린더 그룹을 위해 하나의 공동 신호 발생 장치(29)를 장착할 수 있다. 이 신호 발생 장치에는 후속 배치되는 비례 밸브(21)에 접속하는 복수의 출력부(31)가 형성된다.

본 발명은 제어 밸브 장치를 간소화하고 동시에 장치를 보호할 수 있다.

Claims

유압 장치(13)에 의해 작동되는 배기 밸브(12)에 의해 차단 가능한 배기가스 배기부(10)와, 유압 작동 가능한 분사 펌프(14)에 연결되는 적어도 하나의 분사 밸브(8)를 통해 연료가 공급되는 연소실(7)과, 피스톤(2)에 의해 제어되는 흡기구(9)가 형성된 적어도 하나의 실린더(1)를 포함하며, 상기 가압 매체원으로부터 배기 밸브(12)의 유압 장치(13) 및 상기 분사 펌프로 공급되는 압력유체가 적어도 하나의 해당 엔진의 신호에 따라서 작동하는 제어 밸브 장치에 의해 제어되는 2행정 디젤엔진, 특히 2행정 대형 디젤엔진에 있어서,

엔진 신호를 입력받는 적어도 하나의 입력부(32)를 갖는 신호 변환기로 서보 장치(28)를 제어하고, 서보 장치에 의해 밸브슬라이드(26)를 왕복 운동시키고, 밸브 슬라이드의 왕복 운동시 최종 위치에서는 입구(22)와 선택적으로 연결되며 밸브 슬라이드(26)의 중앙 위치에서는 차단되고, 분사 펌프(14) 또는 배기 밸브(12)의 유압 장치(13)에 결합되는 두 개의 출구(23,24) 및 가압 매체원(18)과 결합되는 입구(22)를 갖는 하나의 공동 비례 밸브를 상기 분사 펌프 및 배기 밸브(12)의 유압 장치(13)에 장착하는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제1항에 있어서, 상기 신호 변환기가 리니어 모터(27)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제2항에 있어서, 상기 리니어 모터(27)가, 엔진 신호를 위한 적어도 하나의 입력부(30)가 장착된 전기적 신호 발생 장치(29)를 포함하는 압전 부재로서 형성되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서보 장치(21)는, 상기 밸브 하우징(25)에서 반대방향으로 지지되는 피스톤(34, 37)에 접속되며 밸브 슬라이드(26)내에 축방과 평행한 두 개의 압력실(34, 35)을 갖고, 이 압력실은 슬라이드(26)에 장착된 유로(38)를 통해 비례 밸브(21)의 입구(22)에 연결되는 가압 매체로 충전 가능하고, 적어도 하나의 상기 유로(38)는 밸브 슬라이드 내에 배치되어 신호 변환기를 형성하는 리니어 모터에 의해 작동되는 축과 평행한 서보 슬라이드(33)에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제4항에 있어서, 리턴 스프링 장치(39)가 적어도 하나의 피스톤(36, 37)에 포함되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 피스톤(36, 37)의 유효 가압 면적이 서로 상이하게 구성된 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제6항에 있어서, 더 작은 피스톤(36)이 하나의 리턴 스프링 장치(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 멀티 실린더 엔진에서는 비례 밸브(21)가 각 실린더(1)에 포함되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 멀티 실린더 엔진에서는 하나의 공동 신호 발생 장치(29)가 모든 실린더(1)에 포함되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제9항에 있어서, 상기 신호 발생 장치(29)가 컴퓨터로서 구성되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 밸브(12)의 상기 유압 장치(13)가 별도의 댐핑 장치를 필요치 않는 피스톤 유닛으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가압 매체원(18)이 모터 구동되는 펌프(19)에 의해 가압 매체가 충전되는 압력챔버로서, 바람직하게는 복수의 상기 실린더(1)와 연결된 커먼 레일 형태로서 형성되는 것을 특징으로 하는 2행정 디젤엔진.