KR20160043314A - 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메인 베어링과 근접하는 윤활유 유로에서 급격한 압력 강하 시, 윤활유의 캐비테이션 발생과 그로 인한 메인 베어링의 파손을 방지할 수 있도록 하고, 아울러 관성력 차이로 인해 발생하는 윤활유의 공급량 차이를 최소화하여 윤활유가 각 피스톤 어셈블리에 안정적이면서 균형적인 공급 이송이 이루어질 수 있도록 한 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 메인 베어링 저널의 유로공과 메인 베어링 저널의 윤활유 유로 간 소통 또는 닫힘에 의해 윤활유의 공급과 차단이 이루어질 때, 메인 베어링 저널의 윤활유 유로에서 압력 강하로 윤활유 캐비테이션을 방지하고, 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로로 윤활유의 공급 유량을 균등하게 하기 위해 상기 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경을 기준으로 12% ~ 21% 줄인 직경이 제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경으로 설계되는 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법이 제시된다.

Description

엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법{Oil Flow Channel Designing Method for Prevention Main Bearing in Anengine from Damaging}

본 발명은 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메인 베어링과 근접하는 윤활유 유로에서 급격한 압력 강하 시, 윤활유의 캐비테이션 발생과 그로 인한 메인 베어링의 파손을 방지할 수 있도록 하고, 아울러 관성력 차이로 인해 발생하는 윤활유의 공급량 차이를 최소화하여 윤활유가 각 피스톤 어셈블리에 안정적이면서 균형적인 공급 이송이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

선박용 디젤 엔진에서 윤활유를 이용한 냉각이 필요한 구성 부품에는 구성 부품의 주변이나 그 내부로 윤활유가 공급될 수 있도록 윤활유 유로를 설계하고 있다.

특히, 디젤 엔진의 구성 부품 중 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트에는 크랭크 샤프트의 하중을 지지하면서 동시에 크랭크 샤프트의 원활한 회전을 도모할 목적으로 메인 베어링이 결합 되어 있다.

이러한 상기 메인 베어링과 콘로드, 피스톤 핀, 피스톤 헤드를 포함하여 구성되는 복수의 피스톤 어셈블리에는 메인 베어링 및 피스톤 어셈블리가 지닌 기능을 충분히 발휘하도록 하면서 사용 수명의 연장을 위해 윤활유가 공급되도록 설계된다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 1 내지 도 3b에 도시된 바와 같이 크랭크 샤프트(10)에서 서로 편심 형태로 연결되는 메인 베어링 저널(12)과 콘로드 베어링 저널(14)의 내부에는 메인 크랭크 윤활유 유로(16)가 크랭크 샤프트(10)의 중심 즉, 메인 베어링 저널(12)의 중심으로부터 콘로드 베어링 저널(14)을 향해 연장 형성된다.

이때, 상기 메인 크랭크 윤활유 유로(16)는 앞서 언급한 바와 같이 메인 베어링 저널(12)과 콘로드 베어링 저널(14)이 편심 형태로 연결되어 있으므로 상향 경사진 형성되어 있다 (도 2참조).

또한, 상기 콘로드 베어링 저널(14) 내부에 형성된 메인 크랭크 윤활유 유로(16)의 상류 지점(P1)에는 분기 되는 형태로 제1 피스톤 어셈블리(18)의 제1 피스톤 핀(20)에 형성되어 있는 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(22)로 윤활유가 공급될 수 있도록 제1 피스톤 윤활유 유로(24)가 형성되어 있다.

또한, 상기 메인 크랭크 윤활유 유로(16)의 하류 지점(P2)에는 분기 되는 형태로 제2 피스톤 어셈블리(26)의 제2 피스톤 핀(28)에 형성되어 있는 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(30)로 윤활유가 공급될 수 있도록 제1 피스톤 윤활유 유로(32)가 형성되어 있다.

따라서, 윤활유가 공급 이송되게 되면, 메인 크랭크 윤활유 유로(16)가 상향 경사진 구조로 형성되어 있으므로 상기 제1 피스톤 윤활유 유로(24)로 흐르는 윤활유의 관성력이 제2 피스톤 윤활유 유로(32)로 흐르는 윤활유의 관성력보다 크게 작용하는 상태로 공급 이송되게 된다.

한편, 상기 메인 베어링(34)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 메인 베어링 저널(12)을 감싸는 형태로 결합 되어 있으며, 크랭크 샤프트(10)의 회전으로 메인 베어링 저널(12)이 회전을 하게 될 때, 메인 베어링(34)의 일부 영역에 형성된 유로공(36)과 메인 베어링 저널(12)의 윤활유 유로(38) 간 소통 또는 닫힘에 의해 윤활유의 공급과 차단이 이루어지도록 설계되어 있다. 따라서, 이러한 동작을 통해 제1 및 제2 피스톤 어셈블리(18, 26)의 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(22, 30)로 윤활유의 공급과 차단이 주기적으로 이루어지게 된다.

그런데, 크랭크 샤프트(10)의 빠른 회전으로 인해 메인 베어링 저널(12)의 윤활유 유로(38)의 막힘 즉, 닫힘 시간이 급격히 짧아지게 됨으로써, 메인 베어링 저널(12)의 윤활유 유로(38) 내에서 급격한 압력 강하가 형성되게 되고, 그로 인해 발생하는 윤활유 캐비테이션으로 메인 베어링(12)의 타격 지점(S)에 큰 충격이 가해지게 된다.

위와 같이 메인 베어링(34)의 타격 지점(S)에 충격이 가해지게 되면, 메인 베어링(34)의 타격 지점(S)에서 변형 또는 균열이 발생하게 되고, 그로 인해 앞서 설명한 바와 같이 메인 베어링(34)의 기능이 저감 또는 상실되어 엔진의 수명 단축은 물론, 파손의 원인이 되고 있다.

한편, 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 제1 피스톤 윤활유 유로(24)는 상향 경사진 메인 크랭크 윤활유 유로(16)의 상류지점(P1)에 연결 배치되어 있고, 제2 피스톤 윤활유 유로(32)는 메인 크랭크 윤활유 유로(16)의 하류지점(P2)에 연결 배치됨으로써, 결과적으로 앞서 설명된 바와 같이 제1 피스톤 윤활유 유로(24)로 공급되는 윤활유의 원심력이 제2 피스톤 윤활유 유로(32)로 공급되는 윤활유의 원심력에 비해 더 크게 작용하게 된다.

예컨대, 상기 제1 및 제2 피스톤 윤활유 유로(24, 32)와 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(22, 30)가 서로 동일한 직경으로 설계되는 조건 하에서는 윤활유에 가해지는 원심력 차이로 인하여 제2 피스톤 어셈블리(26)로 공급되는 윤활유 유량보다 제1 피스톤 어셈블리(18)로 공급되는 윤활유 유량이 상대적으로 과다하게 된다.

이와 같이 제1 피스톤 어셈블리(18)와 제2 피스톤 어셈블리(26)로 공급되는 윤활유의 공급 유량의 차이가 발생하게 되면, 윤활유의 유속은 물론, 윤활유의 압력 변동이 심하여 윤활유의 공급과 이동이 비정상적으로 이루어지게 되는 문제가 있었다.

도면 중 미설명 부호 14a는 콘로드 베어링이다.

대한민국공개특허공보 10-1997-0045804 대한민국공개특허공보 10-2012-0002262

본 발명은 배경기술에서 설명된 문제점을 해결하기 위한 것으로, 메인 베어링과 근접하는 윤활유 유로에서 급격한 압력 강하 시, 윤활유의 캐비테이션 발생과 그로 인한 메인 베어링의 파손을 방지할 수 있도록 하고, 아울러 관성력 차이로 인해 발생하는 윤활유의 공급량 차이를 최소화하여 윤활유가 각 피스톤 어셈블리에 안정적이면서 균형적인 공급 이송이 이루어질 수 있도록 한 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서는 편심 형태로 연결되는 메인 베어링 저널과 콘로드 베어링 저널의 내부에 메인 크랭크 윤활유 유로가 메인 베어링 저널의 중심으로부터 콘로드 베어링 저널을 향해 상향 경사진 구조로 형성되고, 상기 콘로드 베어링 저널에 형성된 메인 크랭크 윤활유 유로의 상류 지점과 하류 지점에서 각각 분기 되는 형태로 제1 피스톤 어셈블리의 제1 피스톤 핀 윤활유 유로와 연결되는 제1 피스톤 윤활유 유로와 제2 피스톤 어셈블리의 제2 피스톤 핀 윤활유 유로와 연결되는 제2 피스톤 윤활유 유로가 형성되는 윤활유 유로 설계 방법으로서, 상기 메인 베어링 저널의 유로공과 메인 베어링 저널의 윤활유 유로 간 소통 또는 닫힘에 의해 윤활유의 공급과 차단이 이루어질 때, 메인 베어링 저널의 윤활유 유로에서 압력 강하로 윤활유 캐비테이션을 방지하고, 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로로 윤활유의 공급 유량을 균등하게 하기 위해 상기 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경을 기준으로 12% ~ 21% 줄인 직경이 제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경으로 설계되는 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법이 제시된다.

또한, 본 발명에서는 상기 제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경은 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경에서 16% ~17%로 줄여 설계되는 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법.

또한, 본 발명에서는 상기 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경은 6mm이고, 제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경은 5.04mm ~ 4.98mm로 설계되는 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법이 제시된다.

이와 같이 본 발명에 따른 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법을 적용하게 되면, 메인 베어링과 근접하는 윤활유 유로에서 급격한 압력 강하와, 윤활유의 캐비테이션 발생 및 그로 인한 메인 베어링의 파손을 방지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 그와 더불어 관성력 차이로 인해 발생하는 윤활유의 공급량 차이가 최소화되어 각 피스톤 어셈블리의 윤활유 유로에 안정적이면서 균형적인 공급 이송이 이루어질 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 바꾸는 크랭크 샤프를 나타낸 도면이다.
도 2는 제1 피스톤 어셈블리 및 제2 피스톤 어셈블리로 윤활유가 공급될 수 있도록 크랭크 샤프트의 윤활유 유로를 보여주는 도 1의 요부도 이다.
도 3a 및 도 3b는 제1 및 제2 피스톤 어셈블리를 각각 보여주는 단면도로서, 도 3a는 제1 피스톤 어셈블리의 윤활유 유로를 보여주는 것이고, 도 3b는 제2 피스톤 어셈블리의 윤활유 유로를 보여주는 것이다.
도 4는 도 1의 크랭크 샤프트에서 메인 베어링 저널과 메인 베어링 파트를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4이 메인 베어링을 보여주는 사시도 이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법으로서, 도 6a는 제1 피스톤 핀의 제1 피스톤 핀 윤활유 유로를 보여주는 것이고, 도 6b는 제2 피스톤 핀의 제2 피스톤 핀 윤활유 유로를 보여주는 단면도이다.

이하. 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법으로서, 도 6a에서는 제1 피스톤 핀의 제1 피스톤 핀 윤활유 유로를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 6b에서는 제2 피스톤 핀의 제2 피스톤 핀 윤활유 유로를 보여주는 단면도가 도시되어 있다. 설명에 앞서 도 1 내지 도 5와 동일한 구성은 동일한 참조 부호를 사용하고 중복된 설명을 피하고자 생략한다.

본 발명에 따른 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법을 설명하기에 앞서 배경기술에서 설명한 바와 같이 메인 베어링(34)의 타격 지점(S)에서 변형이나 균열이 발생하게 되는 가장 큰 원인은 메인 베어링 저널(12)의 윤활유 유로(38) 막힘 시간 즉, 메인 베어링 저널(14)의 빠른 회전으로 인한 윤활유 유로(38)의 닫힘 시간이 급격히 짧아져 메인 베어링 저널(14)의 윤활유 유로(38) 내에서 급격한 압력 강하가 형성되고, 그로 인해 발생하는 윤활유 캐비테이션이 원인으로 작용하고 있다.

따라서, 위와 같이 급격한 강하 및 그로 인한 윤활유 캐비테이션의 발생을 방지하기 위한 본 발명의 방법으로는 제1 피스톤 어셈블리(18) 제1 피스톤 핀 윤활유(40)와 제2 피스톤 어셈블리(26) 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42) 간에 서로 다른 직경(D1, D2)으로 설계되는 방법이 제시된다. 즉, 상기 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)을 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)보다 줄이는 방향이 제시된다.

구체적으로, 윤활유가 적정 유속 및 적정 유량으로 공급되도록 설계되는 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)에서 12% ~ 21% 줄어든 직경이 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)으로 설계된다. 더 구체적으로 예를 들면, 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(40, 42)로 공급되는 윤활유의 적정 공급 유량을 378g/s ~ 700g/s로 가정하고, 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(40, 42)의 직경(D1, D2)을 5mm, 6mm, 8mm로 설계한다고 가정할 때, 아래의 표에서 보는 바와 같이 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)은 6mm로 하고, 이러한 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)에서 16% ~17% 정도로 줄어든 직경이 상기 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)으로 설계되는 것이 가장 최적임을 알 수 있다.

제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경/ 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경 (mm)	제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경/ 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 공급량 (g/s)	제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경/ 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 감소량 (g/s)	제1 피스톤 핀 윤활유 유로의 직경/ 제2 피스톤 핀 윤활유 유로의 감소율 (%)
8 / 8	637 / 473
6 / 6	537 / 400	100 /73	15.7 / 15.4
6 / 5	423 / 434	214 /39	33.6 /8.2

예컨대, 상기 표에서 보는 바와 같이 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(40, 42)의 직경(D1, D2)이 동일할 경우, 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)로 공급되는 윤활유의 공급 유량은 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)로 공급되는 유량에 비해 여전히 과다함을 알 수 있다.

참고로, 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)이 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)에서 12%미만으로 줄어들게 되면, 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)로 공급되는 윤활유의 유량은 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)로 공급되는 윤활의 유량보다 여전히 과다하여 안정적인 허용 범위를 벗어나게 된다. 반대로, 상기 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)이 21%이상으로 줄어들게 되면, 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)로 공급되는 윤활유의 유량은 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)로 공급되는 윤활유의 유량보다 현저히 줄어들게 되어 안정적인 허용 범위를 벗어나게 된다.

따라서, 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)이 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)을 기준으로 하여 12% ~ 21% 줄인 범위 내에서 설계되면, 앞서 언급한 바와 같이 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)로 흐르는 윤활유의 유속은 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)로 흐르는 윤활유의 유속보다 상대적으로 더 빠르지만 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)로 흐르는 윤활유 공급 유량과 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)로 흐르는 윤활유의 공급 유량이 비슷해지게 된다.

위와 같이 상기 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)로 흐르는 윤활유의 유속과 제2피스톤 핀 윤활유 유로(42)로 흐르는 윤활유의 유속은 다르지만 윤활유의 공급 유량이 서로 비슷하게 되면, 배경기술에서 제시된 문제점과 같이 관성력 차이로 인한 윤활유의 공급 유량 차이가 줄어들게 됨으로써, 결과적으로는 안정적이면서 균형적인 윤활유의 공급과 이송이 이루어질 수 있게 된다.

한편, 상기 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)이 상기 직경(D2) 보다 줄어들게 되어 윤활유의 유속이 더 빠르게 형성되면, 메인 크랭크 윤활유 유로(16)로 흐르는 윤활유의 유속도 전체적으로 약간 상승하게 되고, 상대적으로 메인 베어링 저널(12)의 윤활유 유로(38)로 흐르는 윤활유의 이송 압력은 낮아지게 된다.

그에 따라 배경기술과 같이 윤활유 유로(38)의 닫힘 시간이 급격히 짧아지게 되더라도 윤활유 유로(38) 내에서 급격한 압력 강하가 형성되지 않게 되고, 그로 인해 윤활유 유로(38) 내에서 압력 강하로 인한 윤활유 캐비테이션이 방지되게 됨으로써, 배경기술의 문제점인 메인 베어링(34)의 타격 지점(S)에서의 변형과 균열 발생을 방지할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실기 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않는다, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 구성 및 변형 가능함은 물론이다.

10 : 크랭크 샤프트 12 : 메인 베어링 저널
14 : 콘로드 베어링 저널 16 : 메인 크랭크 윤활유 유로
18 : 제1 피스톤 어셈블리 20 : 제1 피스톤 핀
22, 40 : 제1 피스톤 핀 윤활유 유로 24 : 제1 피스톤 윤활유 유로
26 : 제2 피스톤 어셈블리 28 : 제2 피스톤 핀
30, 42 : 제2 피스톤 핀 윤활유 유로 32 : 제2 피스톤 윤활유 유로
34 : 메인 베어링 36 : 유로공
38 : 윤활유 유로

Claims (3)

1. 편심 형태로 연결되는 메인 베어링 저널(12)과 콘로드 베어링 저널(14)의 내부에 메인 크랭크 윤활유 유로(16)가 메인 베어링 저널(12)의 중심으로부터 콘로드 베어링 저널(14)을 향해 상향 경사진 구조로 형성되고, 상기 콘로드 베어링 저널(14)에 형성된 메인 크랭크 윤활유 유로(16)의 상류 지점(P1)과 하류 지점(P2)에서 각각 분기 되는 형태로 제1 및 제2 피스톤 어셈블리(18, 26)의 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(40, 42)와 연결되는 제1 피스톤 윤활유 유로(24, 32)가 형성되는 윤활유 유로 설계 방법으로서,
   상기 메인 베어링 저널(12)의 유로공(36)과 메인 베어링 저널(12)의 윤활유 유로(38) 간 소통 또는 닫힘에 의해 윤활유의 공급과 차단이 이루어질 때, 메인 베어링 저널(12)의 윤활유 유로(38)에서 압력 강하로 윤활유 캐비테이션을 방지하고, 제1 및 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(40, 42)로 윤활유의 공급 유량을 균등하게 하고자 상기 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)을 기준으로 12% ~ 21% 줄인 직경이 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)으로 설계되는 것을 특징으로 하는 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)은 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)에서 16% ~17%로 줄여 설계되는 것을 특징으로 하는 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 피스톤 핀 윤활유 유로(42)의 직경(D2)은 6mm이고, 제1 피스톤 핀 윤활유 유로(40)의 직경(D1)은 5.04mm ~ 4.98mm로 설계되는 것을 특징으로 하는 엔진의 메인 베어링 손상 방지를 위한 윤활유 유로 설계 방법.

Images