KR20090028747A

KR20090028747A - 대형 내연기관

Info

Publication number: KR20090028747A
Application number: KR1020090013820A
Authority: KR
Inventors: 닐스 키엠트룹
Original assignee: 맨 디젤 필리얼 아프 맨 디젤 에스이, 티스크랜드
Priority date: 2006-01-28
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2009-03-19
Also published as: CN101008364A; CN101008364B; KR20070078707A; DE102006004092B3; JP2007198383A; JP4521002B2

Abstract

유압 엑츄에이터(hydraulic actuator)에 의해 작동 가능한 기관 및, 펌프(pump)로서 기능하는 적어도 하나의 유압 장치(hydraulic unit; 7, 8, 9)에 의해 가압 매체(pressure medium)를 공급할 수 있는 커먼 레일(common rail; 2)을 포함하고, 상기 커먼 레일에 유압 엑츄에이터가 연결되는 대형 기관(large motor)의 경우, 간단한 구조 및 양호한 에너지 균형(energy balance)은 적어도 고출력 범위(capacity range)에서 커먼 레일(2)과 연결되고 펌프를 형성하는 적어도 하나의 유압 장치(8)가 배기 가스(exhaust gas)로 작동될 수 있는 구동 장치(drive device)에 의해 구동됨으로써 달성될 수 있다.

유압, 엑츄에이터, 모터, 펌프, 커먼 레일, 가압 매체, 배기 가스

Description

대형 내연기관{LARGE-SIZED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 배기 밸브, 분사 장치(injection device) 등과 같은 유압 엑츄에이터(hydraulic actuator)에 의해 작동 가능한 기관 및, 펌프(pump)로 기능하는 적어도 하나의 유압 장치(hydraulic unit)에 의해 가압 매체(pressure medium)를 공급할 수 있는 커먼 레일(common rail)을 포함하고, 상기 유압 엑츄에이터가 커먼 레일에 연결되는 대형 기관(large motor), 특히 2행정 대형 디젤 기관(two-stroke large diesel motor)에 관한 것이다.

지금까지 통용되는 이런 종류의 장치들에서는, 커먼 레일에 압력을 공급하기 위해 구비된 펌프가 모든 구동 단계에서 해당 전동기(electric motor)에 의해 구동된다. 그러나 배기 가스 에너지(exhaust gas energy)는 지금까지 이렇게 이용되지 않았다.

앞에서 언급된 종류의 대형 기관들의 경우 대체로 터보 과급기(turbocharger)를 구비하는데, 이 터보 과급기는 기관으로부터 발생하는 배기 가스(exhaust gas)에 의해 작동되고, 기관에 의해 필요한 급기(charge air)가 마련된다. 이 경우 고출력 범위에서 작동할 때 배기가스는 급기의 마련에 필요할 것보다 더 많은 에너지를 포함한다. 또한 이러한 여분의 에너지(excess energy)를 이용하려는 시도도 이미 있었다.

독일 특허 DE-PS 9 62 764를 통해 개시된 장치에서는 이를 위해 터보 과급기의 터빈(turbine)과 나란히 배열되는 파워 터빈(power turbine)이 구비되는데, 파워 터빈은 모터 샤프트(motor shaft)와 연결될 수 있다.

독일 특허 DE 35 32 938 C1에는 터보 과급기의 샤프트(shaft)와 구동 가능하게 연결되는 유압 펌프(hydraulic pump)가 개시되는데, 유압 펌프는 유압 모터(hydraulic motor)를 가동시키고, 유압 모터는 전기 발전기(electric generator) 및/또는 모터의 샤프트 등과 같은 에너지 사용장치와 결합될 수 있다. 이와 같이 구동되는 발전기로부터 발생하는 전기 에너지(electric energy)가 또한 전동기에도 공급될 수 있고, 전동기를 이용하여 커먼 레일의 압력 공급을 위해 필요한 펌프를 구동할 수 있다. 그러나 커먼 레일은 위에 언급된 독일 특허 DE 35 32 938 C1에 언급되어 있지 않다. 이런 점을 제외하더라도 이 특허에서 제안하고 있는 전기 에너지를 통한 구동에는 펌프 및 모터를 포함하는 유압 전동 장치(hydraulic gear)가 필요한 것은 물론이고, 여러 번에 걸친 에너지 변환(energy conversion)도 필요하므로 손실과 연관된다.

국제 특허 WO 2005/068804 A1에는 자동차 모터로서 구비되는 디젤 기관(diesel motor)이 개시되어 있는데, 이 디젤 기관에 터보 과급기가 연결된다. 이 터보 과급기는 여러 단계(step)를 가지도록 형성되어 있는데, 이때 단계 중 하나는 작동을 멈출 수 있다. 그러나 터보 과급기의 두 단계는 급기를 압축하는 데 만 이용된다. 터보 과급기에 의해 구동 가능한 해당 압력 공급 장치를 갖는 커먼 레일은 제공되지 않는다.

본 발명의 목적은 이런 문제들에서 출발하여, 서두에 언급된 종류의 대형 기관에서 커먼 레일로의 압력 공급을 간단하고도 저렴하게 실행하는데 있다.

본 발명의 목적은 적어도 고출력 범위에서 커먼 레일과 연결되고 펌프를 형성하는 적어도 하나의 유압 장치(hydraulic unit)가 배기 가스에 의해 작동될 수 있는 구동 장치에 의해 구동됨으로써 달성된다.

이러한 방안을 통해 여분의 배기 가스 에너지를 커먼 레일로의 압력 공급에 직접 이용함으로써 변환 손실(conversion loss)을 방지할 뿐만 아니라, 조정을 비교적 쉽게 할 수 있다는 장점도 생긴다. 이 경우 커먼 레일은 유압 모터와 같은 비교적 체적 작동 용량(volume operating capacity)이 큰, 에너지 사용장치에 연결될 수 있도록 형성되어도 좋다. 따라서 출력 범위, 예컨대 고출력 범위에 적합한 펌프로서 제공되는 유압 장치는 다른 출력 범위에서, 예컨대 터보 과급기를 지원하기 위한 모터로서 가동될 수 있다.

상기 방안들의 바람직한 실시예 및 개선 실시예들이 종속항들에 제시되어 있다.

터보 과급기를 갖는 모터들의 경우, 커먼 레일과 연결되는 적어도 하나의 유압 장치가 터보 과급기의 샤프트와 구동 가능하게 연결되는 것이 바람직하다. 이로써 구조가 특히 간단해지고, 앞에서 언급된 것처럼 저출력 범위에서 터보 과급기 의 지원이 간단히 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 커먼 레일과 연결되는 적어도 하나의 유압 장치는 배기 가스에 의해 가동될 수 있는 해당 배기 가스 터빈에 의해 구동 가능하고, 바람직하게는 배기 가스 터빈은 배기 가스의 공급 방향에 대해 터보 과급기의 터빈에 평행하게 마련되는 것이 바람직하다. 이러한 방안들을 통해 터보 과급기를 확대하지 않고도 배기 가스 에너지의 수율(yield)을 특히 양호하게 만들 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 방안에서는 배기 가스 에너지로 구동 가능한 유압 장치에 더하여, 커먼 레일과 연결되는 유압 장치를 적어도 또 하나 구비할 수 있고, 또 하나의 유압 장치는 배기 가스와 무관하게 구동 가능하다. 이러한 방안은 또한 모터의 구동 방식에서 볼 때 저출력 범위에서 커먼 레일로의 신뢰성 있는 압력 공급 및 이와 함께 안정적인 구동을 보장한다.

적어도 고출력 범위에서는 유압 엑츄에이터에 더하여, 적어도 또 하나의 에너지 사용장치가 커먼 레일에 연결될 수 있는 것이 바람직하다. 이로써 유압 엑츄에이터의 에너지 수요를 넘어서는 여분의 에너지를, 예컨대 전류를 생성하는 데 간단히 이용할 수 있다. 이를 위해 적어도 하나의 유압 장치가 커먼 레일로부터 가압 매체를 공급받는 유압 모터로서 간단히 작동할 수 있고, 유압 모터는 전기 유닛(electric unit)과 연결되고, 전기 유닛은 전동기 또는 발전기로서 기능할 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 방안에서는, 적어도 시동(start) 및/또는 저출 력 범위용으로 배기 가스와 무관하게 구동 가능한 구동 장치에 의해 구동될 수 있고 펌프로서 기능하는 적어도 하나의 유압 장치가 커먼 레일과 연결될 수 있다. 이로써 모든 동력 단계(power stage)에서 안정적인 구동이 보장된다. 시동을 위해서는 유압 장치와 연결되는 적어도 하나의 전기 유닛이 전류(current)에 의해 가동될 수 있어서, 전기 구동(electric drive) 및 이와 함께 해당 유압 장치의 펌프 작용(pumping action)이 생긴다. 시동 후에는 커먼 레일과 연결되는 적어도 하나의 유압 장치가 모터에 구동 가능하게 연결될 수 있다. 이때 전동기는 작동을 정지하거나 발전기로서 구동될 수 있다.

배기 가스에 의해 가동될 수 있는 구동 장치 다음에, 다수의 출력부를 구비하는 감속 기어 장치(reduction gear)가 배열되는 것이 바람직하다. 이 경우, 각각 하나의 유압 장치가 각각의 출력부와 연결될 수 있다. 이로써 안정성이 높아지고, 또한 최소한의 필요 이상으로 제공되는 유압 장치들의 작동을 정지할 수 있다는 장점도 생긴다.

안정성의 이유 때문에, 급기 어큐뮬레이터(charge air accumulator)와 연결되고 전동기에 의해 구동 가능한 적어도 하나의 보조 팬(auxiliary fan)이 제공되는데, 상기 보조 팬은 터보 과급기의 작동이 불충분할 때 급기를 제공한다. 이러한 보조 팬이 구비되어 있는 한, 보조 팬은 바람직하게는 전기 유닛과 연결될 수 있고, 전기 유닛은 다른 한편으로 유압 장치와 연결될 수 있으며, 유압 장치는 시동 및/또는 저출력 범위에서 커먼 레일에 가압 매체를 공급하는 펌프로서 기능한다. 이런 방법을 통해, 보조 팬과 연결되는 별도의 전기 유닛들을 절약할 수 있 다.

상기 방안들의 기타 바람직한 실시예 및 개선 실시예들은 나머지 종속항들에 제시되고, 하기에서 도면에 의거한 실시예의 설명을 통해 보다 상세히 알 수 있다.

본 발명에 따른 대형 기관은 대형 기관에서 커먼 레일의 압력 공급을 간단하고도 저렴하게 실행할 수 있다.

본 발명의 주요 활용 영역은 전자제어식 대형 기관, 특히 예컨대 선박 구동에 활용될 수 있는 것과 같은 2행정 대형 디젤 기관들이다. 이러한 기관들은 캠 축(camshaft)을 더 이상 포함하지 않는다. 가령 배기 밸브, 분사 장치(injection device)처럼 예전에 캠 축에 의해 가동될 수 있었던 기관들은 이러한 기관들에 대응하여 마련된 유압 엑츄에이터들에 의해 작동될 수 있고, 유압 엑츄에이터들은 유압식 가압 매체(hydraulic pressure medium), 주로 유압 오일(hydraulic oil)에 의해 가동될 수 있다. 이 경우 엑츄에이터와 연결되는 가압 매체원(pressure medium source)으로서 커먼 레일이 제공되고, 커먼 레일은 활용되는 가압 매체를 갖는 적어도 하나의 펌프에 의해 가동된다.

도 1은 커먼 레일(2)을 포함하는 대형 기관(1)을 도시하는데, 커먼 레일(2) 및 커먼 레일과 연결되는 공급 장치는 도시의 필요성 때문에 대형 기관(1) 옆에 확대된 형태로 도시된다. 커먼 레일(2)로부터 분기 케이블(branch cable; 3)이 나와 배기 밸브 및 분사 장치의 엑츄에이터(상세히 도시되지 않음)로 연결된다. 분기 케이블(3)에는 제어 밸브(control valve; 상세히 도시되지 않음)가 구비되고, 제어 밸브는 전기적 내지 전자적으로 제어될 수 있다.

커먼 레일(2)은 파이프 라인(pipeline)으로 형성될 수 있고, 이 파이프 라인에는 가압 매체 용기(pressure medium vessel)와 연결된 적어도 하나의 펌프에 의해 가압 매체가 공급되는데, 이때 원하는 압력이 계속 유지된다. 기관(1)은 모든 실린더의 배기 가스 출력부가 통하는 배기 가스 수집 파이프(exhaust gas collecting pipe; 4) 및, 모든 실린더의 흡입 포트에 접속된 급기 분배 파이프(charge air distributing pipe; 5)를 포함한다. 배기 가스 수집 파이프(4) 및 급기 분배 파이프(5) 사이에 터보 과급기(6)가 위치되고, 터보 과급기는 배기 가스에 의해 구동 가능한 터빈 및 터빈에 의해 구동될 수 있고 필요한 급기를 마련하는 압축기(compressor)를 포함한다. 터빈 및 압축기는 대체로 공통의 샤프트 상에 배열된다.

경험상, 터보 과급기의 열역학적 특성들(thermodynamic characters)은 대단히 양호하다. 모터가 고출력 범위(적어도 40%의 부분 부하 내지 총 부하)에서 구동될 때, 기관(1)에 의해 방출되는 배기 가스는 터보 과급기(6)의 구동에 필요한 것보다 많은 에너지를 포함한다. 따라서 경험상 모터 용량의 3% 내지 5%에 달하는 잉여 출력이 발생된다.

본 발명에 따르면 배기 밸브 및 분사 장치 등의 엑츄에이터를 작동시키기 위해서는 경험상 모터 출력의 1.5% 내지 2%가 필요하게 된다. 따라서 이러한 동력의 수요는 모터의 광범위한 구동 영역 내에서 터보 과급기(6)에 발생하는 잉여 출력에 의해 충족될 수 있다. 이 경우 고출력 범위에는 잔여 동력이 그대로 남아 다른 데 이용될 수 있다.

오로지 시동 때 및 저출력 범위에서만 터보 과급기(6)에서 엑츄에이터의 동력 수요를 충족시기에 충분한 부하 초과가 발생되지 않는다. 따라서 이러한 구동 단계 내에서 커먼 레일(2)은 다른 데서 동력을 공급받아야 한다. 즉, 이러한 경우 커먼 레일(2)과 연결되는 펌프 내지 펌프들의 구동에 필요한 동력은 배기 가스로부터 얻을 수 없고, 다른 공급원으로부터 얻어야 한다. 여기에서 제시되는 종류의 대형 기관들이 대체로 고출력 범위에서 구동되기 때문에, 이러한 구동 영역은 물론 비교적 짧은 구동 시간 내에만 존재한다.

커먼 레일(2)과 연결되는 펌프 내지 펌프들을 형성하기 위해, 회전 피스톤(rotary piston)을 구비하는 유압 장치가 각각 제공되고, 이 유압 장치는 피스톤이 구동하는 경우에는 펌프로서, 피스톤의 가압(pressurization)이 있는 경우에는 모터로서 기능할 수 있다. 도 1의 토대가 되는 실시예에서는 세 개의 이러한 유압 장치(7, 8, 9)가 제공되는데, 유압 장치들 중에서 각각 적어도 하나는 커먼 레일(2)에 가압 매체를 공급하는 펌프로서 기능해야 한다. 나머지 두 개의 유압 장치는 에너지 사용장치로서 커먼 레일(2)에 연결되고, 따라서 모터로서 기능할 수 있다.

유압 장치와 연결될 수 있는 구동 장치가 각각 하나씩 유압 장치(7, 8, 9)와 연결된다. 유압 장치(7)용 구동 장치로서 기관(1)의 샤프트, 바람직하게는 크랭크샤프트(crankshaft; 10)가 제공된다. 크랭크샤프트는 커플링(coupling; 11)을 통 해 증속 기어 장치(speed increaser: 12)의 입력부(entrance)와 연결될 수 있다. 유압 장치(7)는 커플링(13)을 통해 증속 기어 장치(12)의 출력부(exit)와 연결될 수 있다.

배기 가스에 의해 작동될 수 있는 구동 장치는 유압 장치(8)와 연결된다. 여기에서는 구동 장치가 도 6에 도시된 바와 같이 터보 과급기(6), 또는 도 7에 도시된 바와 같이 터보 과급기(6)와는 별개의 배기 가스 터빈(14)을 가리킬 수 있다. 도 6 및 도 7은 이하에서 더욱 상세히 기술된다. 유압 장치(8)는 커플링(15)에 의해 감속 기어(16)의 출력부와 연결될 수 있고, 감속 기어의 입력부는 커플링(17)에 의해 해당 구동 장치와 연결될 수 있다. 구동 장치로서 전기 유닛(18)은 다른 유압 장치(9)와 연결되고, 전기 유닛은 전류가 공급되면 전동기로서, 구동 시에는 발전기로서 기능한다. 전기 유닛(18)은 커플링(19)에 의해 해당 유압 장치(9)와 연결될 수 있다.

가압 매체 용기(20)는 각각 유압 장치(7, 8, 9)와 연결된다. 여기에서는 개별 용기 또는 공동 용기를 가리킬 수 있다. 유압 장치(7, 8, 9)가 각각 펌프로서 구동되면, 가압 매체는 가압 매체 용기(20)로부터 흡입되어, 각각 해당 압력 파이프(pressure pipe; 21, 22, 23)를 통해 커먼 레일(2)에 공급된다. 압력 파이프(21, 22, 23)에는, 커먼 레일(2) 쪽으로 개방되는 체크 밸브(check valve; 24)가 각각 구비된다. 해당 유압 장치가 펌프 구동(pump drive)으로부터 모터 구동(motor drive)으로 전환될 수 없는 한, 여기에서는 간단한 체크 밸브를 말한다. 펌프 구동으로부터 모터 구동으로 전환될 수 있는 유압 장치들의 압력 파이프들에 는 해제가 가능한 체크 밸브(24a)가 제공된다. 이 경우, 체크 밸브의 형태의 밸브로서, 커먼 레일(2) 쪽으로 개방되고, 또한 커먼 레일(2)로부터 각각 연결되는 유압 장치 쪽으로도 유동(flow)이 가능하게 개방 상태가 유지되도록 제어될 수 있는 밸브를 말한다. 이를 위해 해제가 가능한 체크 밸브(24a)에는 제어 밸브(26)가 배열되는 각각의 해당 제어 라인(control line; 25)을 통해 제어 가압 매체(control pressure medium)가 유입될 수 있다.

도시된 실시예에서는 배기 가스에 의해 작동 가능한 구동 장치와 연결되는 유압 장치(8)와, 전기 유닛(18)이 구동 장치로서 연결되는 유압 장치(9)에서 각각 분기한 압력 파이프(22, 23)에 해제가 가능한 체크 밸브(24a)가 배열된다. 따라서 유압 장치(8 및 9)는 펌프로서 활용될 수 있고, 펌프 구동이 정지되고 밸브(24a)가 열릴 때에는 유압 모터로 활용 가능하다. 모터 샤프트에 의해 구동될 수 있는 유압 장치(7)에서 분기한 압력 파이프(21)에는 간단한 체크 밸브(24)가 제공될 수 있다. 이러한 경우, 펌프 구동으로부터 모터 구동으로의 전환은 가능하지 않다. 그러나 이 경우에도 도 1에서 점선으로 도시된 바와 같이 해제가 가능한 체크 밸브를 구비하는 방안을 생각해볼 수 있다. 이로써 유압 장치(7)가 펌프 구동으로부터 모터 구동으로 전환되는 것 역시 가능해진다.

기관(1)의 시동 때 커먼 레일(2)은 전동기에 의해 구동되는 적어도 하나의 펌프에 의해 가압 매체를 공급받는다. 이를 위해 유압 장치(9)와 연결된 전기 유닛(18)에 전류 공급이 이루어질 수 있으므로, 전기 유닛은 커플링(19)이 체결될 때 유압 장치(9)를 구동하는 전동기를 형성하고, 따라서 유압 장치(9)는 펌프로서 작 용한다. 이것에 더하여, 또는 이에 대한 대안으로 또한 도 1에서 유압 장치(8)에 대해 점선으로 도시된 바와 같이, 두 개의 유압 장치(7, 8) 중 하나 또는 두 개의 유압 장치에, 커플링(27)에 의해 유압 장치와 연결될 수 있는 전기 유닛(28)이 각각 하나씩 배열될 수 있다. 이러한 경우 유압 장치(9)는 해당 전기 유닛(18)과 함께 완전히 생략될 수도 있다. 이러한 실시예는 도 2의 기초가 된다.

기관(1)이 작동하자마자, 모터 샤프트에 의해 구동될 수 있는 유압 장치(7)는 커먼 레일(2)에 가압 매체를 공급하는 일을 떠맡거나, 전동기에 의해 구동될 수 있는 유압 장치(9 및/또는 8)를 지원할 수 있다. 이 경우, 펌프로 사용되고 있지 않은 각 유압 장치는 커먼 레일(2)로부터 가압 매체를 공급받을 수 있는 유압 모터로서 작동될 수 있다. 이를 위해 각각 해당되는 해제가 가능한 체크 밸브(24a)는 해제 위치로 이동할 수 있다.

유압 장치(9)가 이런 방식으로 유압 모터로서 작동되는 한, 전류를 야기하는 발전기로서 기능하는 전기 유닛(18)이 구동될 수 있다. 유압 장치(8)가 유압 모터로서 작동되는 한, 경우에 따라 연결되는 전기 유닛(28)이 전류 생성을 위해 마찬가지로 구동될 수 있다. 그러나 이것에 더하여, 또는 이에 대한 대안으로 유압 모터로서 작동하는 유압 장치(8)에 의해, 이 경우에는 증속 기어 장치로서 기능하는 기어 장치(gear; 16)를 통해 터보 과급기(6)에 추가 토크(torque)를 공급하거나, 급기를 마련할 때 터보 과급기(6)를 지원하기 위해 추가 배기 가스 터빈(14)을 구동하는 것도 가능하다. 이때 커플링(15 및 17)은 체결되어 있어야 한다. 이러한 경우에 커플링(17)은 오버러닝 클러치(overrunning clutch)로 형성되어야 한다.

고출력 범위(약 40%의 부분 부하 이상)에 도달할 때부터 배기 가스 에너지가 충분히 발생되어, 배기 가스에 의해 작동될 수 있는 구동 장치에 의해 구동 가능한 유압 장치(8)를 이용하여 커먼 레일(2)에 가압 매체를 공급할 수 있게 된다. 이를 위해 해당 압력 파이프(22)에 구비되는 해제 가능한 체크 밸브(24a)는 커먼 레일(2) 쪽으로 개방되는 체크 밸브로만 기능하도록 해당 제어 밸브(26)에 의해 제어된다. 커플링(15 및 17)은 물론 체결되어 있다. 유압 장치(8)와 연결되는 전기 유닛(28)이 구비되어 있는 경우, 전기 유닛은 필요한 동력을 갖추자마자 커플링(27)의 체결에 의해 여기에서 모터로서 기능하는 유압 장치(8)에 직접 연결될 수 있다. 유압 장치(9)가 구비되어 있는 경우, 또한 커먼 레일(2)로부터 가압 매체를 공급받는 유압 모터로서 작동되고, 유압 모터는 이때 발전기를 형성하는 전기 유닛(18)을 구동한다.

이러한 것은 유압 장치(7)에 마찬가지로 전기 유닛이 연결되어 있는 한, 유압 장치(7)에도 마찬가지로 적용된다. 이러한 경우 감속 기어 장치로서 기능하는 전동 장치(12)를 통해 체결된 커플링(13) 및 체결된 커플링(11)에서는, 모터로서 작동하는 유압 장치(7)를 이용하여 토크를 해당 모터 샤프트에, 여기에서는 크랭크축(10)에 방출하는 것도 생각해볼 수 있다. 커플링(11)은 이 경우 오버러닝 클러치로 형성될 수 있다.

시동 때만이 아니라 저출력 범위에서도 전동기에 의해 구동 가능한 적어도 하나의 펌프를 통해 커먼 레일에 가압 매체를 공급하는 것도 물론 생각해볼 수 있다. 이러한 실시형태는 도 3의 토대가 된다. 이 실시예에서는 배기 가스에 의해 작동될 수 있는 구동 장치에 의해 구동 가능한 유압 장치(8) 옆에, 전기 유닛(18)과 연결될 수 있는 유압 장치(9)가 구비된다. 기관(1)의 샤프트와 구동 가능하게 연결될 수 있는 유압 장치(7)는 여기에서 필요하지 않게 된다.

도 3에 도시된 실시에에서 유압 장치(9)는 커먼 레일(2)에 가압 매체를 공급하기 위해, 기관(1)의 시동 때 및 저출력 범위에서 전동기로서 작용하는 해당 전기 유닛(18)에 의해 구동될 수 있다. 유압 장치(8)는 이 경우 기능이 정지하거나, 또는 커먼 레일(2)에 의존하는 에너지 사용장치로서 작동할 수 있다. 에너지 사용장치는 유압 모터로서 기능하고, 유압 모터는 배기 가스에 의해 작동될 수 있는 구동 장치 쪽으로 향하는 구동 트레인(drive train) 내에 위치하는 감속 기어 장치(16) 및/또는 경우에 따라 연결되는 또 하나의 유닛, 예컨대 해당 전기 유닛(28)과 연결될 수 있다.

고출력 범위에서 커먼 레일의 가압 매체 공급은 배기 가스에 의해 작동될 수 있는 구동 장치에 의해 구동 가능한 유압 장치(8)에 의해 이루어진다. 전기 유닛(28)이 있는 경우, 이 전기 유닛(28)은 펌프로서 기능하는 유압 장치(8)와 직접 연결될 수 있다. 유압 장치(9)는 이 경우 작동을 정지하거나, 주로 커먼 레일(2)로부터 가압 매체를 공급받는 유압 모터로서 작동될 수 있고, 유압 모터는 전기 유닛(18)을 구동할 수 있으며, 이때 전기 유닛은 발전기로서 기능한다.

여기에서는 전동기로서 작동될 수 있는 전기 유닛과 공동 작용하는 유압 장치를 하나만 구비하는 것도 물론 생각해볼 수 있는데, 이때 유압 장치는 전동기에 의해 구동 가능한 펌프를 형성할 수 있다. 따라서 전기 유닛(28)은 생략될 수 있 다. 그러나 또한 유압 장치(8)와 연결되는 이러한 전기 유닛(28)을 고수하고, 유압 장치(9)를 해당 전기 유닛(18)과 함께 생략하는 방안도 생각해볼 수 있다. 이로써 오직 배기 가스에 의해 작동될 수 있는 구동 장치 및 해당 전기 유닛과 연결될 수 있는 유압 장치를 포함하는 가장 간단한 구조가 생겨나게 된다.

도 4의 토대가 되는 실시예는 도 1에 따른 실시예와 구분되는데, 각각 다른 구동원(drive source)과 연결되는 유압 장치(7, 8, 9)가 각각 복수로 구비되기 때문이다. 도 4에서는 증속 기어 장치(12)의 각각의 출력부에 유압 장치(7)가 하나씩 연결된다. 여기에서는 바람직하게 유성 기어 장치(epicyclic gear)로 형성되는 증속 기어 장치(12)가 네 개의 출력부를 갖는다. 따라서 네 개의 유압 장치(7)가 구비되고, 이 유압 장치는 체크 밸브(24) 내지 해제 가능한 체크 밸브(24a)를 포함하는 각각의 해당 압력 파이프(21)를 통해 커먼 레일(21)과 결합된다. 따라서 이 경우에는 기관(1)을 이용하여 네 개의 유압 장치(7)가 구동될 수 있다. 커플링(11)이 풀리면 네 개의 유압 장치(7)가 증속 기어 장치(12)를 통해 구동 가능하게 서로 연결되므로, 하나의 유압 장치 또는 한 그룹의 유압 장치(8)는 나머지 유압 장치를 구동할 수 있고 그 반대도 가능하다.

마찬가지로 감속 기어 장치(16)는 다수의 출력부를 포함할 수 있는데, 여기에서는 각각의 출력부에 유압 장치(8)가 연결될 수 있다. 도시된 실시에에서 감속 기어 장치(16)는 두 개의 출력부를 갖는다. 따라서 두 개의 유압 장치가 구비되고, 이 유압 장치는 해제가 가능한 체크 밸브(24a)를 포함하는 해당 압력 파이프(22)를 통해 각각 커먼 레일(2)과 결합된다. 따라서 여기에서는 배기 가스에 의 해 작동될 수 있는 구동 장치를 이용하여 두 개의 유압 장치(8)가 구동될 수 있고 그 반대도 가능하다.

각각의 유압 장치(8)에는 유압 장치와 직접 연결될 수 있는 전기 유닛(28)이 연결될 수 있다. 전기 유닛(28)에 더하여, 또는 이에 대한 대안으로 두 개의 다른 전기 유닛(18)이 구비되고, 이 전기 유닛은 두 개의 유압 장치(9)와 연결되고, 유압 장치는 각각 해제가 가능한 체크 밸브(24a)를 구비하는 압력 파이프(23)를 통해 커먼 레일(2)과 연결된다.

네 개의 유압 장치(7)는 공동으로 또는 각각 또는 비교적 작은 그룹으로 활성화(activation)된다. 이와 마찬가지로 두 개의 유압 장치(8, 9)는 각각 또는 한 쌍씩 활성화될 수 있다. 구동 방법 내지 구동 가능성들과 관련하여 볼 때 도 1과 똑같이 적용된다. 단지 각각 단 하나의 유압 장치(7) 또는 다수의 유압 장치(7), 단 하나의 유압 장치(8) 또는 다수의 유압 장치(8) 및 하나의 유압 장치(9) 또는 다수의 유압 장치(9)가 활성화될 수 있다는 기준만 있을 뿐이다. 여기에서와 같이 유압 장치를 여러 번에 걸쳐 배열함으로써, 바람직하게는 똑같이 작용하는 유압 장치 각각의 점차적인 작동 정지 역시 가능해진다.

전기 유닛(18 및 28)은 도시된 실시예에서 두 개의 연결(connection)을 갖고 두 개의 연결 중 하나는 커플링(19, 27)을 통해 각각 연결되는 유압 장치(9, 8)와 연결될 수 있다. 두 번째 연결은 각각 연결되는 커플링(29, 30)을 통해 선택적으로 구동될 수 있는 또 하나의 유닛과 연결 가능하다. 여기에서는, 예를 들면 안정성의 이유 때문에 여러 번의 급기를 위해 요구되는 보조 팬을 의미할 수 있다.

도 5에 도시되는 이러한 두 개의 보조 팬(31)은 각각 커플링에 의해 도 4의 전기 유닛(18, 28)과 연결될 수 있다. 이런 종류의 보조 팬이 도 1 내지 도 3에 따른 실시예에서도 구비될 수 있는 것은 물론이다. 도 5의 근거가 되는 실시예에서 보조 팬(31)은 각각 하나의 커플링(29)에 의해 도 4의 전기 유닛과 연결될 수 있다. 보조 팬(31)은 터보 과급기(6)가 생략되어야 할 때에도 급기 분배 파이프(5)에 급기를 충분히 공급하는데 사용된다. 도 5에서 급기 분배 파이프(5)는 일목요연한 조망을 위해 이중으로 도시되는데, 말하자면 한 번은 기관(1)에, 또 한 번은 모터 옆에 개략적으로 확대된 형태로 도시된다.

보통의 경우 터보 과급기(6)의 압축기는 필터(filter)를 통해 공기를 흡입하고, 공기는 압축기에서 압축되고 후속 냉각기(cooler)에서 냉각되며 급기 라인(charge air line; 32)을 통해 급기 분배 파이프(5)에 공급된다. 급기 분배 파이프(5) 쪽으로 개방되는 체크 밸브(33)가 급기 라인(32)에 구비된다. 급기 라인(32)에 배열되는 체크 밸브(33)에, 두 개의 바이패스-루프(bypass-loop; 32a)가 연결된다. 이 두 개의 바이패스-루프는 체크 밸브(33) 상류측으로는 급기 라인(32)으로부터 분기되고, 체크 밸브(33) 하류측으로는 급기 라인(32) 내로 이어진다. 각각의 바이패스-루프(32a)마다 보조 팬(32)이 하나씩 배열된다. 급기 분배 파이프(5) 쪽으로 개방되는 체크 밸브(33a)는 각각 보조 팬 다음에 배열된다. 이것에 더하여, 또는 이에 대한 대안으로 마찬가지로 급기 분배 파이프(5) 쪽으로 개방되는 체크 밸브(33b)는 또한 보조 팬(31) 앞에 배열될 수 있다.

터보 과급기(6)가 작동되는 한, 이와 동시에 흐름 방향에 평행하게 마련되어 있는 보조 팬(31)의 작동을 정지한 상태로 둘 수 있다. 이를 위해 보조 팬(31)에 연결되는 커플링, 도시된 실시예에서는 커플링(29)이 개방된다. 터보 과급기(6)의 압축기로부터 공급되는 급기의 작은 부분 흐름은 이러한 구동 방법에서 또한 보조 팬(31)을 통과한다. 이로써 보조 팬이 가동되고, 보조 팬(31)의 베어링이 보호된다. 터보 과급기의 작동이 중지되자마자 보조 팬(31)의 활동은 자동으로 촉진된다. 이를 위해 각각 연결되는 커플링, 여기에서는 커플링(29)이 체결된다. 이런 방법을 통해 전기 또는 유압으로 구동 가능한 보조 팬(31)은 이러한 경우, 필요한 공기를 체크 밸브(33) 상류측에 위치하는 급기 파이프(32)의 분기(branch)를 통해 흡입할 수 있다. 이때 공기는 터보 과급기(6)의 압축기 앞에 배열되는 필터(filter)를 통해 흡입되므로, 보조 팬들(31)에 별도의 필터가 연결될 필요가 없다. 이런 방법을 통해 흡입되는 공기는 터보 과급기(6)의 압축기 및 터보 과급기 다음에 배열되는 급기 냉각기(charge air cooler)를 통과하여 흡입된다. 그러나 보조 팬(31)에 해당 필터를 갖는 별도의 흡기(air intake)를 연결하는 것도 물론 생각해볼 수 있다.

두 개의 보조 팬(31)이 동시에 구동될 수 있다. 그럼에도 불구하고 보조 팬(31)의 크기는 각각의 보조 팬(31)이 또한 필요한 급기량을 독자적으로 마련할 수 있을 정도로 결정되는 것이 바람직하다. 이로써 안정성이 더욱 높아진다. 이런 방법을 통해, 각각 하나의 보조 팬(31)을 비상용으로 준비해두는 것이 가능하다.

도 6 및 도 7은 위에서 이미 언급된 것처럼, 적어도 하나의 유압 장치(8)의 구동을 위해 잉여 배기 가스 에너지를 얻기 위한 두 가지 가능성을 보여준다. 도 6에 따른 실시예의 경우, 잉여 동력은 터보 과급기(6)로부터 직접 전달받는다. 터보 과급기는 잘 알려진 방식으로 샤프트(35)를 갖는다. 배기 가스 수집 파이프(4)로부터 나오는 배기 가스에 의해 가동될 수 있는 터빈(36) 및, 공기 여과기(air filter: 37)를 통해 공기를 흡입하고 압축하여 급기 분배 파이프(5)에 공급하는 압축기가 샤프트 상에 수용된다. 이러한 경우 샤프트(35)는 감속 기어 장치(16)와 구동 가능하게 연결되는데, 이러한 구동 연결에 커플링(17)이 구비될 수 있다. 도 6의 토대가 되는 것처럼 잉여 동력을 유도하기 위한 터보 과급기(6)의 직접적인 태핑(tapping)의 결과 특히 간단한 구조가 생겨난다.

도 7에 따른 실시예의 경우 상기에서 마찬가지로 이미 언급되었듯이 초과 배기 가스 에너지의 활용을 위해, 터보 과급기(6)에 대해 추가로 존재하는 배기 가스 터빈(14)이 구비되고, 이 배기 가스 터빈은 감속 기어 장치(16)와 구동 가능하게 연결되거나 커플링(17)을 통해 연결될 수 있다. 터보 과급기(6)의 터빈(36) 및 배기 가스 터빈(14)은 배기 가스의 공급 방향에 대해 평행하게 마련되어 있다. 이를 위해 두 개의 터빈에, 배기 가스 수집 파이프(4)로부터 분기되는 해당 배기 가스 라인(exhaust gas line; 39, 39a)이 연결될 수 있다. 도시된 예에서는 배기 가스 수집 파이프(4)로부터 분기되는 배기 가스 라인(39)이 하나만 구비된다. 배기 가스 라인(39)은 터보 과급기(6)의 터빈(36)으로 이어지고, 배기 가스 터빈(14)에 연결되는 배기 가스 라인(39a)이 배기 가스 라인(39)으로부터 분기된다. 배기 가스 라인(39a)에 배열되는 밸브(40)는 전기로 조정 가능한 마그넷 슬라이딩 밸 브(magnetic sliding valve)로 형성될 수 있고, 배기 가스 터빈(14)에 연결되는 배기 가스 라인(39a)이 마그넷 슬라이딩 밸브에 의해 개방 내지 폐쇄될 수 있다. 초과 배기 가스 에너지가 발생되마자 밸브(40)는 열린다. 그 이전에는 배기 가스 터빈(14)이 정지해 있는데, 이것은 커플링(15 또는 17)의 상응하는 변환에 의해 야기될 수 있다.

그러나, 구동 단계 동안 배기 가스 터빈(14)을 부족한 초과 배기 가스 에너지로 각각 연결되는 유압 장치(8)를 통해 구동하고, 압축기로서 급기 분배 파이프(5) 내로 공급될 수 있는 추가 급기의 압축을 위해 작동시키는 것도 생각해볼 수 있다. 이러한 경우 배기 가스 터빈(14)은, 두 가지 작용 방법(터빈 및 압축기)이 가능하도록 형성되어야 한다. 배기 가스 터빈(14)은 이런 경우에 반경류 터빈(radial-flow turbine)으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 적합한 밸브들을 갖는 흡입 파이프(suction pipe) 및 압력 파이프를 구비해야 함은 물론이다.

도 1은 연결되는 공급 장치(supply device)를 구비하고 대형 기관의 엑츄에이터(actuator)와 연결되는 커먼 레일(common rail)의 개략도를 도시한다.

도 2는 도 1에 대한 변형예를 도시한다.

도 3은 도 1에 대한 또 다른 변형예를 도시한다.

도 4는 도 1에 대한 또 다른 변형예를 도시한다.

도 5는 도 4에 따른 장치와 연결되는 보조 팬(auxiliary fan) 장치를 개략적으로 도시한다.

도 6은 터보 과급기(trubocharger)를 펌프 구동원(pump driving source)으로 활용하는 실시예를 도시한다.

도 7은 별도의 배기 가스 터빈을 펌프 구동원으로 갖는 도 6에 따른 변형예를 도시한다.

Claims

배기 밸브와 연료 분사 장치를 포함하며 유압 엑츄에이터에 의해 작동 가능한 장치;

상기 유압 엑츄에이터에 연결된 커먼 레일(2); 및

상기 커먼 레일(2)에 가압 매체를 공급하는 펌프로서 기능하는 적어도 하나의 유압 장치(hydraulic unit; 7, 8, 9)를 포함하며,

고출력 범위에서, 상기 커먼 레일(2)에 대해 가압 매체를 공급하는 펌프로서 기능하는 적어도 하나의 상기 유압 장치(8)는 배기 가스에 의해 작동 가능한 구동 장치에 의해 구동될 수 있는

것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

급기(charge air)의 압축(compression)을 위한 터보 과급기(turbocharger; 6)를 더 포함하며,

상기 커먼 레일(2)과 연결되는 적어도 하나의 유압 장치(8)는 상기 터보 과급기(6)의 샤프트(shaft; 35)에 연결되어 구동될 수 있는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

터보 과급기(6); 및

배기 가스에 의해 구동 가능한 배기 가스 터빈(exhaust gas turbine; 14)을 더 포함하며,

상기 커먼 레일(2)과 연결되는 적어도 하나의 유압 장치(8)는 상기 배기 가스 터빈(14)에 연결되어 구동될 수 있는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제3항에 있어서,

상기 배기 가스 터빈(14) 및 상기 터보 과급기(6)의 터빈(36)은 배기 가스의 공급 방향에 대해 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

기관(1)의 고출력 범위에서, 상기 유압 엑츄에이터 외에도, 적어도 하나의 유압 장치(9, 7)가 에너지 사용장치로서 상기 커먼 레일(2)에 연결된 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

상기 커먼 레일(2)과 연결된 유압 장치(7, 8, 9)의 적어도 한 부분이 회전 피스톤 기구(rotary piston machine)로 형성되고, 상기 회전 피스톤 기구는 상기 커먼 레일(2)에 의한 가압(pressurization)이 있는 경우, 유압 모터(hydraulic motor)로 기능하고, 이에 대응하여 마련된 장치들을 위한 구동 장치를 형성하는 것 을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제6항에 있어서,

상기 커먼 레일(2)에 의해 가동 가능한 유압 모터로서 작동될 수 있는 유압 장치(7, 8, 9)와 상기 커먼 레일(2) 사이의 연결부에, 각각 해제가 가능한 체크 밸브(check valve; 24a)가 배열되는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

시동(start) 또는 저출력 범위를 위해, 배기 가스와 무관하게 작동 가능한 구동 장치에 의해 구동될 수 있는 적어도 하나의 유압 장치(9, 8)가 커먼 레일(2)에 연결된 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제8항에 있어서,

적어도 하나의 유압 장치(9, 8)를 구동하는 전기 유닛(electric unit; 18, 28)을 더 포함하며, 상기 전기 유닛은 전동기(electric motor)로서 작동 가능한 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제9항에 있어서,

상기 유압 장치(9, 8) 중 적어도 하나는 커먼 레일(2)에 연결되어 유압 모터로서 기능하며, 발전기로서 기능하는 전기 유닛(18, 28)을 구동하는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

상기 커먼 레일(2)과 연결된 적어도 하나의 유압 장치(7)는 기관(1)의 샤프트(10)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

배기 가스에 의해 작동 가능한 구동 장치 다음에 감속 기어 장치(reduction gear; 16)가 배열되고, 상기 감속 기어 장치는 상기 유압 장치(8)와 연결될 수 있는 적어도 하나의 출력부(exit)를 구비한 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제12항에 있어서,

상기 감속 기어 장치(16)는 유압 장치(8)에 각각 연결된 복수의 출력부를 구비하는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제11항에 있어서,

상기 샤프트(10) 다음에 증속 기어 장치(speed increaser: 12)가 배열되고, 상기 증속 기어 장치는 상기 유압 장치(7)와 연결 가능한 적어도 하나의 출력부를 구비한 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제14항에 있어서,

상기 증속 기어 장치(12)는 유압 장치(7)에 각각 연결된 복수의 출력부를 구비한 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제12항에 있어서,

상기 감속 기어 장치(16)의 입력부(entrance) 앞에 커플링(coupling; 17, 11)이 배열된 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

배기 가스에 의해 작동 가능한 구동 장치에 의해 구동될 수 있는 하나 이상의 유압 장치(8)에, 전동기 또는 발전기로서 선택적으로 작동될 수 있는 전기 유닛(28)이 연결된 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

상기 유압 장치(7, 8, 9)는 커플링(13, 15, 19, 27)에 의해 각각 대응하여 마련된 하나 또는 복수의 구동 장치와 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항에 있어서,

급기 어큐뮬레이터(charge air accumulator; 5)에 급기를 공급하기 위한 적 어도 하나의 보조 팬(auxiliary fan; 31)과, 상기 보조 팬을 구동하는 전기 유닛(18, 28)을 더 포함하며,

상기 전기 유닛은 저부하 영역에서 상기 커먼 레일(2)에 가압 매체를 공급하는 유압 장치(9, 8)를 구동하는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제14항에 있어서,

상기 증속 기어 장치(12)의 입력부(entrance) 앞에 하나의 커플링(coupling; 17, 11)이 배열되는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 대형 내연기관은 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 대형 내연기관은 2행정 대형 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 대형 내연기관.