KR20160131920A

KR20160131920A - 배기 밸브 작동 시스템을 구비한 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관

Info

Publication number: KR20160131920A
Application number: KR1020160054716A
Authority: KR
Inventors: 젠센 킴
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2016-11-16
Also published as: JP2016211548A; CN106121762B; DK201500271A1; DK178787B1; JP6301998B2; KR101780206B1; CN106121762A

Abstract

소기 포트(22)들과 배기 밸브(4)를 구비하는 복수의 실린더(1)를 구비하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관이 개시된다. 배기 밸브(4)는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 서로 반대 방향으로 이동 가능하다. 에어 스프링 실린더(69) 내에 수용된 스프링 피스톤(67)을 구비한 에어 스프링(66)은 배기 밸브(4)에 동작 가능하게 연결되고, 상기 배기 밸브(4)를 그 폐쇄 위치로 가압하도록 구성된다. 유압 액추에이터(60)는, 유압 액추에이터(60)이 가압될 때 배기 밸브(4)를 그 개방 위치로 가압하도록 구성된다. 가압 유압 액체(80, 82)의 제어 가능한 소스는 유압 액추에이터(60)에 연결된다. 배기 밸브(4)의 속도를 측정하기 위한 수단(82)이 제공되고, 제어기(50)는 가압 유압 액체(80, 82)의 소스에 동작 가능하게 연결된다. 제어기(50)는 측정된 배기 밸브(4)의 속도를 나타내는 신호를 수신하고, 측정된 배기 밸브(4)의 속도에 대응하여 가압 유압 액체(80, 82)의 제어 가능한 소스를 제어함으로써, 배기 밸브(4)의 속도를 제어하도록 구성된다.

Description

배기 밸브 작동 시스템을 구비한 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관{A LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE SELF-IGNITING INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AN EXHAUST VALVE ACTUATION SYSTEM}

본 명세서는 배기 밸브 작동 시스템을 구비한 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관에 관한 것으로서, 특히, 전자적으로 제어되는 배기 밸브 작동 시스템을 구비한 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관에 관한 것이다.

일반적으로, 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관들은 컨테이너 선박과 같은 대형 원양 선박 또는 발전소의 원동기로서 이용된다.

이러한 엔진의 실린더들에는 실린더 커버 내, 즉, 실린더의 상단에 단일의 배기 밸브와, 실린더 라이너의 하부 영역에 피스톤 링 제어 소기 포트들이 제공된다.

최근에는, 대부분의 엔진들은 전자적으로 제어되는 유압 배기 밸브 작동 시스템을 구비한다. 캠 샤프트 제어 배기 밸브 작동 시스템과 비교하여, 전자 제어 시스템은 엔진의 전반적인 범위의 동작 조건에 걸쳐 배기가스 및 연료 소비에 대한 최적화를 가능하게 하는 유연성 및 조절가능성을 크게 개선하는 것을 고려한다.

전자 제어 배기 밸브 작동 시스템을 구비한 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관은, 유압 시스템이 상당한 유효 압력 영역을 갖는 밸브 디스크에 대해 작용하는 연소실 내의 압력에 대항하여, 그리고 배기 밸브를 그 안착부를 향해 가압하는 에어 스프링의 힘에 대항하여 배기 밸브를 개방하여야 한다는 점에서 불리하다.

이와 같이, 초기에는 배기 밸브를 개방하는데 매우 큰 힘이 필요하다. 배기 밸브가 적은 인상(lift)량을 갖는 경우, 에어 스프링의 힘만이 배기 밸브를 폐쇄 방향으로 가압하기 때문에, 배기 밸브를 개방하는데 필요한 힘은 급격하게 감소한다. 결과적으로, 연소실 내의 압력에 대항하여 배기 밸브를 개방하기 위하여, 매우 높은 압력이 배기 밸브의 상단 상의 유압 액추에이터에 인가되나, 얼마 안가 이러한 높은 압력은 과도하여 배기 밸브가 불필요한 범위까지 가속되도록 하고, 종종 유압 배기 밸브 작동 시스템에 공동 현상(cavitation)을 유발한다. 이러한 문제는 저부하 조건 하에서 특히 심각하다. 그 이유는 고속 캡처링 전부하(fast capturing full load)를, 즉 밸브 디스크가 최고 연소 압력에 노출된 채로, 개방하도록 배기 밸브 작동이 보정되기 때문이다. 저부하 하에서는, 연소 압력은 상당히 낮고, 따라서 배기가 더욱 빨리 가속되고 그 개방 위치로의 운동의 후반부에 더 큰 양의 감속을 필요로 하는 것보다 더 많은 속력을 내어, 부압(negative pressure), 즉 유압 밸브 작동 시스템 내에서 공동 현상을 야기한다.

유압 공급 압력(hydraulic feed pressure)을 낮추는 것은 공동 현상을 감소시키거나 극복하는 실행 가능한 방안 아니다. 이는 연소실 내의 압력을 극복하기 위하여 배기 밸브의 개방 운동의 초반부에 상당한 힘을 생성해야 한다는 점과 상충하기 때문이다.

더욱이, 에어 스프링의 특성은 다양한 동작 조건에 의존적이고 시간에 따라 변화하기 때문에 비교적 예측이 불가능하다. 따라서, 저부하에서 배기 밸브의 속도가 지나치게 올라가는 것을 피하기 위하여 다양한 엔진 부하에 대해 엔진구축 시, 밸브 작동 시스템을 간단히 보정하는 것은 불가능한 것은 아니나 매우 어려운 일이다.

이러한 문제는, 최근 선박 회사들이 설계 속도 아래의 속도로 선박을 운항(소위, 슬로우 스티밍(slow steaming))하여, 이에 의해 최대 부하 레벨보다 훨씬 아래의 부하 레벨로 시간을 연장하여 메인 엔진을 가동하는 경향에 의해 악화되어 왔다.

상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 위에 언급된 문제점들을 해결하거나 적어도 감소시키는 것이다.

앞서 말한 목적 및 그 밖의 다른 목적들은 독립 청구항들의 특징에 의해 달성된다. 그 밖의 구현 형태들은 종속 청구항들, 상세한 설명 및 도면들을 통해 명백해 질 것이다.

제 1측면에 따라서, 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관이 제공되며, 상기 엔진은: 하부 영역에 소기 포트들과 상단에 배기 밸브를 구비하는 복수의 실린더; 밸브 스템 및 밸브 디스크를 구비하고, 상기 밸브 디스크가 밸브 안착부 상에 안착되는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 서로 반대 방향으로 이동 가능하게 구비되는 배기 밸브; 에어 스프링 실린더 내에 수용된 에어 스프링 피스톤을 구비하고, 상기 밸브 스템에 동작 가능하게 연결되고, 상기 배기 밸브를 그 폐쇄 위치로 탄성적으로 가압하도록 구성된 에어 스프링; 구멍 및 상기 구멍에 슬라이딩 가능하게 밀봉하여 수납되고 상기 배기 밸브의 스템에 연결된 플런저와 상기 플런저의 일측 상에 상기 구멍 내에 형성된 압력 챔버를 구비하고, 상기 압력 챔버가 가압되는 경우 상기 배기 밸브를 개방 위치를 향해 가압하도록 구성된 유압 액추에이터; 상기 유압 액추에이터에 연결된 가압 유압 액체의 제어 가능한 소스; 상기 배기 밸브의 속도를 측정하기 위한 수단; 및 상기 가압 유압 액체의 소스에 동작 가능하게 연결되고, 상기 측정된 배기 밸브의 속도를 나타내는 신호를 수신하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 측정된 배기 밸브의 속도에 대응하여 상기 가압 유압 액체의 제어 가능한 소스를 제어함으로써, 상기 배기 밸브의 속도를 제어하도록 구성된다.

배기 밸브의 속도를 측정하고, 측정된 배기 밸브의 속도에 대응하여 유압 배기 밸브 작동 시스템에 전달되는 유압력을 조절함으로써, 배기 밸브에 의해 달성된 속도가 제어될 수 있으며, 이에 의해 공동 현상을 일으킬 수 있는 과도한 속도를 피할 수 있다.

제 1측면의 제 1구현예에 따라서, 상기 제어기는 배기 밸브가 안착부로부터 개방 위치로 이동하는 중 상기 배기 밸브의 원하는 최대 속도 또는 평균 속도를 얻기 위하여 상기 배기 밸브의 속도를 조절하도록 구성된다.

제 1측면의 제 2구현예에 따라서, 상기 원하는 최대 속도 또는 평균 속도는 엔진의 부하에 따라 달라진다.

제 1측면의 제 3구현예에 따라서, 상기 제어기는 실제의 엔진 부하에 따라서 상기 원하는 최대 속도 또는 평균 속도를 조절하도록 구성된다. 이와 같이, 유압 밸브 작동 시스템에 공급되는 유압력의 양은 동작 조건에 따라서 조절된다.

제 1측면의 제 4구현예에 따라서, 상기 제어기는 방정식 또는 룩업 테이블로부터 상기 실제의 엔진 부하에 따라서 상기 원하는 최대 속도를 결정한다.

제 1측면의 제 5구현예에 따라서, 상기 유압 유체의 제어 가능한 소스는 비례 제어 밸브를 포함한다.

제 1측면의 제 6구현예에 따라서, 상기 비례 제어 밸브는 고압 유압 액체의 소스에 연결되고, 상기 제어기는 비례 제어 밸브의 개방을 조절함으로써 상기 배기 밸브의 속도를 조절한다.

제 1측면의 제 7구현예에 따라서, 상기 원하는 최대 속도 또는 평균 속도는 상기 배기 밸브가 충분히 빠르게 개방되기에 충분히 높은 수준, 및 유압 액체의 제어 가능한 소스에서 공동 현상을 피하기에 충분히 낮은 수준으로 설정된다.

제 1측면의 제 8구현예에 따라서, 상기 배기 밸브의 속도는 각각의 주어진 횟수의 엔진 사이클에 대하여 측정된다. 배기 밸브의 속도는 매 엔진 사이클마다 또는, 예컨대, 매 두 번째, 세 번째 또는 그 밖의 적당한 횟수의 엔진 사이클마다 측정될 수 있다. 대형 터보차지 2행정 내연기관의 부하 조건은 일반적으로 비교적 느리게 변하기 때문에, 매 엔진 사이클마다 배기 밸브에 의해 얻어지는 실제의 속도를 측정하는 것이 필요하지 않다.

제 1측면의 제 9구현예에 따라서, 상기 제어기는 마지막 측정된 배기 밸브의 속도에 대응하여 상기 유압 액체의 제어 가능한 소스를 제어하도록 구성된다.

상기 목적은 유압 작동 배기 밸브를 구비한 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관의 배기 밸브의 최대 속도 또는 평균 속도를 제어하기 위한 방법을 제공함으로써 달성될 수도 있으며, 상기 방법은: 상기 배기 밸브의 폐쇄 위치로부터 개방 위치로의 운동 중 배기 밸브의 속도를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 배기 밸브의 속도에 대응하여 배기 밸브에 전달된 유압력의 양을 조절하는 단계를 포함한다.

제 2측면의 제 1구현예에 따라서, 상기 방법은 상기 배기 밸브가 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동하는 동안 미리 정해진 평균 또는 최대 속도를 얻기 위하여 상기 배기 밸브의 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.

제 2측면의 제 2구현예에 따라서, 상기 배기 밸브의 속도는 각각의 주어진 횟수의 엔진 사이클에 대하여 측정된다.

소기 포트들과 배기 밸브를 구비하는 복수의 실린더를 구비하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관이 개시된다. 배기 밸브는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 서로 반대 방향으로 이동 가능하다. 에어 스프링 실린더 내에 수용된 스프링 피스톤을 구비한 에어 스프링은 배기 밸브에 동작 가능하게 연결되고, 상기 배기 밸브를 그 폐쇄 위치로 가압하도록 구성된다. 유압 액추에이터는, 유압 액추에이터가 가압될 때 배기 밸브를 그 개방 위치로 가압하도록 구성된다. 가압 유압 액체의 제어 가능한 소스는 유압 액추에이터에 연결된다. 배기 밸브의 속도를 측정하기 위한 수단이 제공되고, 제어기는 가압 유압 액체의 소스에 동작 가능하게 연결된다. 제어기는 측정된 배기 밸브의 속도를 나타내는 신호를 수신하고, 측정된 배기 밸브의 속도에 대응하여 가압 유압 액체의 제어 가능한 소스를 제어함으로써, 배기 밸브의 속도를 제어하도록 구성된다.

본 발명의 이러한 측면들 및 그 밖의 다른 측면들은 이하에서 기술되는 실시예(들)로부터 명백해 질 것이다.

본원발명에 의하는 경우, 배기 밸브의 속도를 측정하고, 측정된 배기 밸브의 속도에 대응하여 유압 배기 밸브 작동 시스템에 전달되는 유압력을 조절함으로써, 배기 밸브에 의해 달성된 속도가 제어될 수 있으며, 이에 의해 공동 현상을 일으킬 수 있는 과도한 속도를 피할 수 있다.

본 명세서의 이하의 상세 부분에서, 본 발명이 도면에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 참조될 것이며, 도면에서:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 대형 2행정 자체점화 터보차지 엔진의 선단 및 일측을 도시하는 사시도이고;
도 2는 도 1의 엔진의 후단 및 다른 측을 도시하는 사시도이고;
도 3은 흡입 및 배기 시스템을 갖는 도 1에 따른 엔진의 개략도이고;
도 4는 도 1에 따른 엔진의 배기 밸브의 단면도이고;
도 5는 도 1의 엔진의 전자 유압식 배기 밸브 작동 시스템을 도시하고;
도 6은 도 1의 엔진을 위한 배기 밸브의 개방 운동 및 이와 관련된 유압을 도시하는 그래프이고;
도 7은 종래(선행 기술)의 엔진을 위한 배기 밸브의 개방 운동 및 이와 관련된 유압을 도시하는 그래프이다.

이하의 상세한 설명에서, 대형 2행정 엔진이 예시적인 실시예들에 의해 기술될 것이다. 도 1 내지 3은 크랭크축(42) 및 크로스헤드(43)들을 갖는 대형 저속 터보차지 2행정 디젤 엔진을 도시한다. 도 3은 흡입 및 배기 시스템들을 갖는 대형 저속 터보차지 2행정 디젤 엔진의 개략적인 모습을 도시한다. 본 실시예에서, 엔진은 직렬 6기통(1)을 포함한다. 대형 터보차지 2행정 디젤 엔진들은 일반적으로 엔진 프레임(45)에 수반되는 직렬 5 내지 16 기통을 포함한다. 엔진은, 예컨대, 원양선 내의 주엔진 또는 발전소 내의 발전기를 동작시키기 위한 정치식 엔진으로서 이용될 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예컨대, 5,000 내지 110,000 kW일 수 있다.

엔진은 기통(1)의 하부에 피스톤 링 제어 포트의 형태의 소기 포트(22)들과, 기통(1)의 상단에 배기 밸브(4)를 갖는 2행정 단류식 디젤(자체점화) 엔진이다. 따라서, 연소실에서의 흐름은 항상 바닥에서 상단으로 향하여, 엔진은 소위 단류식이다. 소기(scavenging air)는 개별 기통(1)의 소기 리시버(2)로부터 소기 포트들(22)로 통과한다. 기통(1) 내의 왕복 피스톤(41)은 소기를 압축하고, 연료가 분사되고, 연소가 이루어지고 배기 가스가 생성된다. 배기 밸브(4)가 개방되는 경우, 배기 가스는 기통(1)과 연결된 배기 덕트(35)를 통해 배기 가스 리시버(3)로 흐르고, 계속해서 제 1 배기 도관(18)을 통해 터보차져(5)의 터빈(6)으로 흐른다. 배기가스는 제 2 배기 도관(7)을 통해 터보차져(5)의 터빈(6)으로부터 흘러나오게 된다. 샤프트(8)을 통해, 터빈(6)은 공기 인입구(10)를 통해 공급된 공기를 압축하는 압축기(9)를 구동한다.

압축기(9)는 가압된 급기를 급기 리시버(2)로 연결되는 급기 도관(11)으로 전달한다. 도관(11) 내의 소기는 급기를 냉각하기 위한 인터쿨러(12)를 통과한다. 냉각된 급기는 저부하 또는 부분 부하 상태의 급기 흐름을 가압하는 전동 모터(17)에 의해 구동되는 보조 블로워(16)를 경유하여 급기 리시버(2)로 들어간다. 더 높은 부하로, 터보차져 압축기(9)가 충분한 압축 소기를 전달하고 난 후, 보조 블로워(16)는 역류 방지 밸브(15)를 경유하여 우회한다.

기통들은 실린더 라이너(52) 내에 형성된다. 실린더 라이너(52)들은 엔진 프레임(45)에 의해 지지되는 실린더 프레임(46)에 수용된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(4)는 일단에 밸브 디스크(25)가 구비된 밸브 스핀들(23)을 포함한다. 밸브 스핀들(23)은 밸브 하우징 내의 구멍에 슬라이딩 가능하게 밀봉하여 수용된다. 또한, 밸브 하우징은 덕트(35)의 일부를 정의한다. 그 하단에서, 밸브 하우징은, 배기 밸브(4)가 도 4에 도시된 바와 같이 폐쇄 위치에 있는 경우 밸브 디스크(25)가 안착되는 환상의 밸브 안착부(6)를 정의한다.

에어 스프링 피스톤(67)을 포함하는 에어 스프링(66)은 폐쇄 위치 방향으로 배기 밸브(4)를 탄성적으로 가압하도록 구성된다. 에어 스프링 피스톤(67)은 밸브 스템(23)에 고정되고, 에어 스프링 피스톤(67)은 하우징 내 구멍에 슬라이딩 가능하게 밀봉하여 수용된다. 스프링 챔버(69)는 에어 스프링 피스톤(67) 아래 위치하고, 가압될 때 에어 스프링 플런저(67)를 상방향으로 가압하다. 스프링 챔버(69)는 스프링 챔버(69)의 적절한 가압을 보장하기 위하여 역지 밸브를 통해 공기압의 소스에 연결된다.

밸브 스핀들(23)의 상단에는 밸브 하우징 내의 구멍(53)에 슬라이딩 가능하게 밀봉하여 수용되는 플런저(61)가 제공된다. 압력 챔버(62)는 플런저(61) 위의 구멍(63)에 형성되고, 포트(64)와 유체를 교환한다. 플런저(61)의 상단에는 안착부(26)를 향한 배기 밸브(4)의 폐쇄 운동의 마지막에 이를 감쇠시키기 위한 감쇠 장치가 제공되나, 본 명세서에서 그 상세한 사항은 기술되지 않을 것이다.

압력 챔버(62)가 가압되는 경우, 플런저(61)는 배기 밸브를 그 개방 위치, 즉 하방(도 4의 방향에서 보듯 하방으로)을 향해 가압한다.

도 5을 참조하면, 배기 밸브(4)는, 에어 스프링(66)의 힘 및 밸브 디스크(25)에 작용하는 연소실 내의 연소 압력의 힘에 대항하여, 전자 제어 비례 밸브(80)로부터의 제어 오일에 의하여 활성화되는 2단계 배기 밸브 액추에이터(70)를 이용하여, 유압식으로 개방된다. 도 5의 개방 위치에 있는 배기 밸브(4)는, 제어 오일 압력이 제거되면, 에어 스프링(66)에 의해 다시 폐쇄된다.

전자 유압식 배기 밸브 작동 시스템은 유압 파이프(65)를 통해 배기 밸브의 상단에서 유압 액추에이터(60)에 연결되는 2단계 배기 밸브 액추에이터(70)을 포함한다. 유압 파이프(65)의 일단은 포트(64)에 연결된다. 유압 파이프(65)의 타단은 2단계 배기 밸브 액추에이터(70) 내의 펌프 챔버(75)에 연결된다.

펌프 피스톤(74)은 2단계 밸브 액추에이터(70) 내의 구멍에 수용된다. 펌프 챔버(75)는 펌프 피스톤(74) 상부의 구멍 내에서 정의된다. 2단계 배기 밸브 액추에이터(70)는 동심원의 제 1 및 2 플런저(71, 72)들이 구비된다. 제 1플런저(71)는 펌프 피스톤(74)에 직접 연결되고, 한편 제 2플런저(72)는 제 1플런저(71)를 슬라이딩 가능하게 둘러싼다. 제 1플런저(71)는 펌프 피스톤(74)의 전체 행정 중 활성되고, 한편 제 2 플런저(72)의 운동은 펌프 행정의 시작으로 제한된다. 공지의 구성에서, 펌프 행정의 최초 부분 중 가용한 더 높은 압력이 존재하나, 펌프 행정의 마지막 부분은 제 1플런저(71)에 의해서만 생성되는 더 낮은 압력으로 수행된다.

압력 챔버(77)는 제 1 및 2플런저(71, 72)들의 자유단에 대해 작용한다. 압력 챔버(77)는 비례 제어 밸브(80)을 통해 제어 오일과 같은 고압 유압 유체의 소스(82)에 연결된다. 비례 제어 밸브(80)는 그것의 어느 하나의 위치에서 압력 챔버(77)를 고압 유압 유체(82)의 소스에 연결시키고, 그것의 다른 위치에서 압력 챔버(77)를 탱크에 연결시킨다. 제어 밸브(80)는 비례 제어 밸브이다. 즉, 제어 밸브(80)는 위에서 언급한 위치들 사이의 임의의 중간 위치일 수 있으며, 제어 밸브(80)는 점차적으로 유압 유체가 통과하는 개방 크기를 변화시킬 수 있다. 이와 같이, 2단계 배기 밸브 액추에이터(70)로 전달되는 유압력(hydraulic power)은 특정한 필요에 따라 비례적으로 제어 또는 조절될 수 있다. 제어 밸브(80)는 전자적으로 제어되는 밸브이다. 즉, 제어 밸브(80)의 위치는 전자 신호에 대응하여 변화할 수 있다.

제어 밸브(80)는 전자 제어 장치 (제어기; 50)에 의해 제어된다. 전자 제어 장치(50)는 신호 케이블을 통해 신호를 제어 밸브(80)로 발행하여, 제어 밸브(80)의 위치를 결정한다.

배기 밸브(4)는 배기 밸브(4)의 속도를 측정하기 위한 센서(82)를 구비한다. 센서(82)는 배기 밸브(4)의 속도를 나타내는 신호를 생성한다. 센서(82)는 전자 제어 장치가 배기 밸브(4)의 속도를 통지 받도록 신호 케이블을 통해 전자 제어 장치(50)에 연결된다. 배기 밸브(4)의 속도는 간접적으로 측정될 수도 있다. 예를 들어, 배기 밸브의 속도는 압력 파이프(65)를 통한 유속을 측정하거나, 펌프 피스톤(74)의 속도를 측정함으로써 측정될 수도 있다.

전자 제어 장치(50)는 배기 밸브(4)의 개방 운동시 배기 밸브(4)의 속도를 모니터링 한다. 일 실시예에서, 전자 제어 장치(50)는 배기 밸브(4)의 개방 운동시 달성하는 최대 속도를 결정하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 전자 제어 장치(50)는 배기 밸브(4)의 개방 운동시 달성하는 평균 속도를 결정하도록 구성된다.

일 실시예에서, 전자 제어 장치(50)는 매 엔진 사이클마다 배기 밸브(4)의 속도를 측정하도록 구성된다. 그러나, 각각의 두 번째, 세 번째 또는 그 이상의 엔진 사이클에 대해 배기 속도를 측정하는 것으로 충분할 수 있다는 점을 이해할 것이다.

배기 밸브(4)에 의해 달성된 최종 측정된 평균 또는 최대 속도에 기초하여, 전자 제어 장치(50)는 다음에 배기 밸브가 인상되는 경우에 대하여 제어 밸브(80)의 개방각을 결정한다.

전자 제어 장치(50)는 엔진의 크랭크각을 통지 받고, 엔진 사이클 중 적당한 위치에서 배기 밸브(4)의 개방을 개시한다. 전자 제어 장치(50)는 제어 신호를 제어 밸브(80)로 발행하여, 제어 밸브(80)는 결정된 개방각으로 개방된다. 이에, 제어기(80)는 결정된 각도까지 개방하고, 고압 제어 오일은 압력 챔버(77)를 가압하며, 제 1플런저(71) 및 제 2플런저(72)의 운동의 초반부에서 펌프 피스톤을 펌프 챔버(75) 내로 가압한다. 이와 같이, 펌프 챔버(75)는 가압되고, 압력 파이프(65)를 통해 배기 밸브(4)의 상단에 배치된 배기 밸브 액추에이터(60)의 압력 챔버(62) 또한 가압된다.

상기한 바와 같이, 압력 챔버(62) 내의 유압 액체의 압력은 배기 밸브(4)가 연소실 내의 압력 및 에어 스프링(66)의 힘에 대항하여 개방되도록 한다. 제어 밸브(80)의 개방 각도는 실제 동작 조건들에 따라 조절되므로, 배기 밸브(4)는 유압 시스템에 공동 현상(cavitation)을 유발하지 않는 제어 밸브(80)의 개방 운동 중 평균 속도에 대해 원하는 최대값에 도달한다.

원하는 최대 속도는 엔진 동작 조건들에 따라 달라질 수 있다. 특히, 배기 밸브(4)를 위한 원하는 최대 속도는 통상 낮은 엔진 부하보다 높은 엔진 부하에 있어서 더 높다. 예를 들어, 원하는 최대 속도는 최대 엔진 부하에 대하여, 예컨대, 2.3 m/s이고 4% 엔진 부하에 대하여 1.8 m/s일 수 있다.

배기 밸브(4)의 개방 운동 중 배기 밸브(4)를 위한 적절하고 원하는 속도를 결정하기 위하여, 전자 제어 장치(50)에는 엔지 운전 시험으로 보정된 데이터에 기초한 룩업 테이블 또는 엔진 운전 시험으로부터 보정된 데이터를 이용하는 방정식이 제공될 수 있다.

배기 밸브(4)의 원하는 속도는, 배기 밸브(4)가 배기 가스를 적절히 배기시키기에 충분히 빠르게, 그리고 유압 배기 밸브 작동 시스템에서 공동 현상을 회피하기에 충분히 느리게 개방되도록 선택된다.

전자 제어 장치(50)는 엔진 사이클에서 적절한 시간에 배기 밸브를 폐쇄하도록 구성된다. 상기 시간이 도래하면, 전자 제어 장치(50)은 제어 밸브(80)가 압력 챔버(77)를 탱크에 연결시키도록 명령하고, 배기 밸브(4)는 에어 스프링(66)의 동작에 의해 그 폐쇄 위치로 회귀한다.

상기의 실시예는 배기 밸브의 상단에서 압력 파이프에 의해 유압 액추에이터에 연결된 2단계 밸브 액추에이터를 채택한다. 그러나, 당업자는 2단계 또는 단일 단계 배기 밸브 액추에이터 및 유압 액추에이터를 포함하는 완전한 유압 장치가 배기 밸브의 상단에 모두 배열될 수 있음을 알 수 있다. 이렇게 하여, 이들 요소들을 연결하는 임의의 압력 파이프가 필요가 없으며, 실시예에서 이들 요소들 모두 배기 밸브의 상단에서 일체의 장치를 형성할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 엔진의 배기 밸브(4)의 개방 운동(X) 및 배기 밸브 액추에이터(60)에 인가된 유압(P)를 도시하는 그래프이다. 도 7은 종래(선행 기술)의 엔진의 배기 밸브의 운동(X) 및 배기 밸브 액추에이터에 인가된 유압(P)를 도시하는 그래프이다.

본 발명에 따른 엔진에서, 목표(원하는) 속도는 1.8 m/s로 기술되었다. 부하는 본 발명 및 종래의 엔진 모두 4%로 설정되었다. 종래의 엔진에서, 배기 밸브의 속도 제어는 없다. 두 그래프 간의 차이는 명확하다. 본 발명에 따른 엔진에서, 배기 밸브의 초기 개방 이후의 압력의 강하는 훨씬 덜하며, 0 또는 마이너스로 되지 않는 반면, 배기 밸브의 초기 개방 이후의 종래의 엔진에서의 압력 강하는 더욱 심하며, 0 또는 마이너스로 되고 공동 현상을 일으킨다.

이와 같이, 본 발명은 공동 현상으로 인한 손상을 피하기 위한 효과적인 방법을 제공한다.

본 발명이 본 원의 다양한 실시예들과 함께 기술되었다. 그러나, 도면, 명세서 및 첨부된 청구항들로부터 청구된 발명을 실시함에 있어, 개시된 실시예들의 그 밖의 다른 변형예들이 당해 기술이 속한 분야에서 숙련된 자들에 의해 이해되고 구현될 수 있다. 청구항에서, "포함하는"이란 용어는 그 밖의 다른 요소들 또는 단계들을 배제하는 것은 아니며, 단수 형태의 표현은 복수 형태를 배제하는 것은 아니다. 소정의 수단들이 상호 다른 종속항들에서 인용된다는 단순한 사실은 이들 수단들의 조합이 개선을 위해 사용될 수 없음을 나타내는 것은 아니다. 컴퓨터 프로그램이, 다른 하드웨어와 함께 또는 그 일부로서 공급되는 광학 저장 매체 또는 고체 매체와 같은 적절한 매체 상에 저장/배포될 수 있으나, 또한 인터넷 또는 그 밖의 다른 유선 또는 무선 통신 시스템을 통해서와 같이 그 밖의 다른 형태로 배포될 수도 있다.

청구항들에 사용된 참조 부호들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

Claims

대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관에 있어서, 상기 엔진은:

하부 영역에 소기 포트(22)들과 상단에 배기 밸브(4)를 구비하는 복수의 실린더(1);

밸브 스템(23) 및 밸브 디스크(25)를 구비하고, 상기 밸브 디스크(25)가 밸브 안착부(26) 상에 안착되는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 서로 반대 방향으로 이동 가능하게 구비되는 배기 밸브(4);

에어 스프링 실린더(69) 내에 수용된 에어 스프링 피스톤(67)을 구비하고, 상기 밸브 스템(23)에 동작 가능하게 연결되고, 상기 배기 밸브(4)를 그 폐쇄 위치로 탄성적으로 가압하도록 구성된 에어 스프링(66);

구멍(63) 및 상기 구멍에 슬라이딩 가능하게 밀봉하여 수납되고 상기 배기 밸브(4)의 스템(23)에 연결된 플런저(61)와 상기 플런저(61)의 일측 상에 상기 구멍(63) 내에 형성된 압력 챔버(62)를 구비하고, 상기 압력 챔버(62)가 가압되는 경우 상기 배기 밸브(4)를 개방 위치를 향해 가압하도록 구성된 유압 액추에이터(60);

상기 유압 액추에이터(60)에 연결된 가압 유압 액체(80, 82)의 제어 가능한 소스;

상기 배기 밸브(4)의 속도를 측정하기 위한 수단(82); 및

상기 가압 유압 액체(80, 82)의 소스에 동작 가능하게 연결되고, 상기 측정된 배기 밸브(4)의 속도를 나타내는 신호를 수신하는 제어기(50)를 포함하고,

상기 제어기(50)는 측정된 배기 밸브(4)의 속도에 대응하여 상기 가압 유압 액체(80, 82)의 제어 가능한 소스를 제어함으로써, 상기 배기 밸브(4)의 속도를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 1항에 있어서,
상기 제어기(50)는 배기 밸브(4)가 안착부로부터 개방 위치로 이동하는 중 상기 배기 밸브의 원하는 최대 속도 또는 평균 속도를 얻기 위하여 상기 배기 밸브(4)의 속도를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 2항에 있어서,
상기 원하는 최대 속도 또는 평균 속도는 엔진의 부하에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 3항에 있어서,
상기 제어기(50)는 실제의 엔진 부하에 따라서 상기 원하는 최대 속도 또는 평균 속도를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 4항에 있어서,
상기 제어기(50)는 방정식 또는 룩업 테이블로부터 상기 실제의 엔진 부하에 따라서 상기 원하는 최대 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 1 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유압 유체의 제어 가능한 소스는 비례 제어 밸브(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 1 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비례 제어 밸브(80)는 고압 유압 액체(82)의 소스에 연결되고, 상기 제어기(50)는 비례 제어 밸브(80)의 개방을 조절함으로써 상기 배기 밸브(4)의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 1 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원하는 최대 속도 또는 평균 속도는 상기 배기 밸브(4)가 충분히 빠르게 개방되기에 충분히 높은 수준, 및 유압 액체(80, 82)의 제어 가능한 소스에서 공동 현상(cavitation)을 피하기에 충분히 낮은 수준으로 설정되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 1 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배기 밸브(4)의 속도는 각각의 주어진 횟수의 엔진 사이클에 대하여 측정되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
청구항 1 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기(50)는 마지막 측정된 배기 밸브(4)의 속도에 대응하여 상기 유압 액체(80, 82)의 제어 가능한 소스를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관.
유압 작동 배기 밸브(4)를 구비한 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관의 배기 밸브의 최대 속도 또는 평균 속도를 제어하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:

상기 배기 밸브(4)의 폐쇄 위치로부터 개방 위치로의 운동 중 배기 밸브(4)의 속도를 측정하는 단계; 및

상기 측정된 배기 밸브의 속도에 대응하여 배기 밸브(4)에 전달된 유압력(hydraulic power)의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관의 배기 밸브의 최대 속도 또는 평균 속도를 제어하기 위한 방법.
청구항 11항에 있어서,
상기 배기 밸브(4)가 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동하는 동안 미리 정해진 평균 또는 최대 속도를 얻기 위하여 상기 배기 밸브(4)의 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관의 배기 밸브의 최대 속도 또는 평균 속도를 제어하기 위한 방법.
청구항 11 또는 12항에 있어서,
상기 배기 밸브(4)의 속도는 각각의 주어진 횟수의 엔진 사이클에 대하여 측정되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차지 2행정 자체점화 내연기관의 배기 밸브의 최대 속도 또는 평균 속도를 제어하기 위한 방법.