KR20170092472A

KR20170092472A - 블로우오프 제어 기능을 구비한 대형 터보 차징 2 행정 압축 점화 내연기관

Info

Publication number: KR20170092472A
Application number: KR1020170015208A
Authority: KR
Inventors: 센커 폴; 로질드 매즈
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2017-08-11
Also published as: DK179120B1; CN107061007B; CN107061007A; JP2017137866A; KR101780212B1; JP6188975B2; DK201670059A1

Abstract

크로스헤드를 포함하는 대형 터보 차징 압축 점화 내연기관(43)의 연소실 역할을 하는 복수의 실린더(1)에 있어서, 이 실린더들(1)은 실린더커버(22), 실린더커버(22) 내의 중앙에 배치된 배기밸브(4) 및 배기밸브(4)를 배기가스 수용부(3)에 연결하는 배기덕트(35)를 구비한다. 실린더커버(22)는 블로우오프 밸브(50)를 구비하고 블로우오프 밸브(50)의 유입구(57)는 연소실(27)에 유체로 연결되고 블로우 오프 밸브의 유출구(58)는 배출 도관에 유체로 연결된다. 블로우오프 밸브(50)는 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 중간 위치 범위를 갖으면서 그 사이에서 이동 가능한 가동밸브부재(52)를 구비한다. 블로우오프 밸브(50)는 가동밸브부재(52)가 임의의 중간 위치 또는 완전 개방 위치에 있을 때 가스가 유입구(57)로부터 유출구(58)로 유동하도록 허용하고, 가동밸브부재(52)가 폐쇄 위치에 있을 때 가스가 유입구(57)에서 유출구(58)로 유동하는 것을 방지한다. 가동밸브부재(52)는 연소실(27) 내의 압력에 노출되는 제1 유효 압력면(59)이 구비되어 연소실(27) 내의 압력이 가동밸브부재(52)를 완전 개방 위치를 향하도록 압박하고, 가동밸브부재(52)는 폐쇄 위치를 향하도록 가동밸브부재(52)를 압박하기 위한 유압에 노출되는 제2 유효 압력면을 갖는다.

Description

블로우오프 제어 기능을 구비한 대형 터보 차징 2 행정 압축 점화 내연기관{A LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE COMPRESSION-IGNITED INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH BLOW-OFF CONTROL}

본 발명은 크로스헤드를 포함하는 대형 터보 차징 2 행정 압축 점화 내연기관의 블로우오프(blow-off) 이벤트 제어에 관한 것이다.

크로스헤드형의 대형 2 행정 터보 차징 압축 점화 내연기관은 예컨대 대형 해양 선박의 추진용이나 발전소의 원동기로 사용되고 있다. 이러한 2 행정 디젤 엔진은 다른 내연기관과 비교하여 크기뿐만 아니라 구성도 완전히 다르다. 이 디젤 엔진 배기밸브들의 무게는 최대 400kg, 피스톤의 직경은 최대 100cm이며, 연소실의 최대 작동 압력은 통상적으로 수백 bar이다. 이러한 높은 압력 수준 및 피스톤 크기에 따른 힘은 엄청나다.

예컨대 잘못된 연료 분사 타이밍이나 양으로 인해 드문 경우지만 실린더들 중 하나에서 과도한 압력이 발생할 수 있다. 이러한 과도한 압력을 수용하기 위해 실린더커버가 실린더라이너 상부로 가압되는 힘은 실린더커버를 베드플레이트에 연결하는 스테이 볼트에 가해지는 장력에 의해 신중하게 제어됨으로써 엔진 구조가 함께 유지된다. 따라서 과도한 압력이 발생하면 실린더커버가 들어 올려지고(lifted), 실린더라이너 상부와 실린더커버 하부 사이에 압력이 과도하게 증가한다. 일반적으로 이 분야에서 사용되는 이 시스템에 문제가 없는 것은 아니다. 실린더커버가 들어 올려지면 제어되지 않은 가스가 최대 170db의 쾅하는 큰 소리와 함께 방출되는 폭발성 가스 누출이 발생한다. 그러한 측방 분출(blow-off)이 고온 가스의 분사에 의해 종종 불꽃 형태로 발생하면 주변 사람들이 중상을 입을 수 있다. 또한, 상기 고온 및 고압가스는 실린더라이너와 실린더커버의 정밀하게 가공된 결합 면들을 침식하고, 실린더라이너의 상부와 실린더커버의 하부 사이에 배치되는 밀봉 링을 손상시킨다. 이런 이유로 블로우오프 이벤트 발생 시 필요한 유체 기밀성을 얻기 위해 일반적으로 이들 표면의 기계가공과 밀봉 링 교체가 필요하다. 그 결과 블로우오프 후에 수리하는 데 상당한 비용이 들게 된다. 또한, 스테이 볼트의 장력은 엔진의 온도 변화와 환경에 따라 달라지며, 그에 따라 매우 정밀하게 제어될 수 없다. 스테이 볼트의 장력이 상대적으로 높을 때 블로우오프가 발생하면 이전에 가진 피스톤과 크랭크샤프트의 힘으로 인해 큰 단부들과 기타 고가의 엔진 부품 손상이 초래된다. 이런 현상이 발생하면 더 잘 제어된 블로우오프보다 훨씬 더 많은 비용이 든다.

대형 선박 보험회사(선급 협회)는 안전 조치를 통해 대형 선박 엔진을 연소실의 과도한 압력으로 인한 손상으로부터 보호하라고 요구한다.

이에 대해, 일부 종래의 엔진 기술은 연소실 내의 과도한 압력으로 인한 가능한 손상으로부터 엔진을 보호하기 위해 파열되도록 설계된 파열 디스크가 연소실의 벽에 구비된다. 이러한 파열 디스크의 단점은 연소실 내의 압력 변동에 노출됨으로써 시간이 지나면서 파열 디스크가 약해지고, 결국에는 작은 실화(misfire)와 같은 비교적 작은 과잉 압력에도 파열된다. 이와 같이 파열 디스크는 너무 이르게 파열되는 경향이 있다. 이는 특히 파열된 파열 디스크를 새로운 디스크로 교체하기 위해 엔진을 정지해야 하므로 문제가 된다. 그 결과, 현재 가장 일반적으로 사용되는 파열 디스크 방법은 최적이 아니다.

연소실에 과도한 압력이 발생할 때 연소실로부터 가스를 배출하기 위해 개방해야 하는 요건들을 준수하기 위해 다른 엔진들에는 보안 밸브가 구비되고 있다. 여기서 보안 밸브는 스프링이 장착된 포핏(poppet) 밸브를 말한다. 그러나 블로우오프 발생의 폭발적 성질로 인해, 그 압력을 충분히 빨리 완화하기에는 최대 개방이 불충분하므로, 이 포핏 밸브가 상대적으로 비효율적이게 된다. 따라서 이들 보안 밸브로는 충분히 짧은 시간 내에 필요한 개방 면적을 효율적으로 제공할 수 없고 실린더커버의 리프트의 이전에 표시 또는 경고 효과만 있어, 이러한 알려진 밸브로는 실린더커버의 리프트를 방지할 수 없다.

영국 특허 제817,018호에는 실린더라이너와 실린더커버 사이에 별도의 링을 구비한 대형 2 행정 디젤 엔진이 개시되어 있으며, 이 별도의 링에는 안전 밸브를 수용하기 위한 보어가 구비된다. 그러나 알려진 이 안전밸브는 신뢰할 수 없어 사용이 중단되었다.

이에 따라 크로스헤드형 대형 2 행정 압축 점화 내연기관용의 개선된 블로우오프 제어 시스템의 필요성이 있다.

위와 같은 배경을 고려하여, 본 발명의 목적은 전술한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 크로스헤드형의 대형 2 행정 압축 점화 내연기관을 제공하는 것이다.

전술한 목적 및 다른 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속항과 상세한 설명과 도면을 보면 명확해질 것이다.

제1 양태에 따르면, 크로스헤드를 포함하는 대형 터보 차징 2 행정 압축 점화 내연기관이 제공되며, 다음을 포함한다.

연소실 역할을 하는 복수의 실린더로서, 상기 실린더는 실린더커버, 실린더커버의 중앙에 배치된 배기밸브 및 배기밸브를 배기가스 수용부에 연결하는 배기덕트를 구비하고,

실린더커버는 블로우오프 밸브를 구비하고, 상기 블로우오프 밸브의 유입구는 연소실에 유체로 연결되고 상기 블로우오프 밸브의 유출구는 배출도관에 유체로 연결되며,

상기 블로우오프 밸브는 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 중간 위치 범위를 가지면서 이동 가능한 가동밸브부재를 구비하고,

상기 블로우오프 밸브는 상기 가동밸브부재가 임의의 중간 위치 또는 완전 개방 위치에 있을 때 가스가 유입구로부터 유출구로 유동하도록 허용하고, 상기 블로우오프 밸브는 가동밸브부재가 폐쇄 위치에 있을 때 가스가 유입구에서 유출구로 유동하는 것을 방지하며,

상기 가동밸브부재는 연소실 내 압력에 노출되는 제1 유효 압력면이 구비되어 연소실 내 압력이 상기 가동밸브부재를 완전 개방 위치에 위치하도록 압박(urge)하고,

상기 가동밸브부재는 폐쇄 위치를 향해 상기 가동밸브부재를 압박하기 위한 유압에 노출되는 제2 유효 압력면을 가지며,

상기 제2 유효 압력면은 상기 가동밸브부재가 폐쇄 위치에 있을 때에 제1 크기를 가지고, 상기 가동밸브부재가 완전 개방 위치로부터 소정의 중간 위치까지 연장되는 제1 위치 범위에 있을 때에 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기를 가진다.

연소실 내 압력에 의해 개방 위치로 압박되고 유압에 의해 폐쇄 위치로 압박되는 가동밸브부재를 구비한 블로우오프 밸브를 제공함으로써, 연소실 내의 과도한 압력 이벤트에서 엔진 손상을 방지하는 데 필요한 완화(relief)를 수용하기 위해 충분히 빠르고 충분히 큰 개구를 모두 개방할 수 있는 장치가 달성될 수 있다. 상기 블로우오프 밸브의 상기 가동밸브부재와의 균형을 맞추기 위해 유압을 사용함으로써, 상기 블로우오프 밸브가 개방되는 압력이 신뢰성 있게 제어될 수 있고, 연소실의 가스가 빠르고 넓게 빠져 나가기 위한 큰 흐름 통과 영역을 구비하는 구조가 제공될 수 있다. 상기 블로우오프 밸브가 개방될 때 감소되는 제2 유효 압력면은 상기 블로우오프 밸브의 개방 시에 떨어지는 연소실 내의 압력으로 인한 바람직하지 않은 반복적인 개폐를 방지한다.

제1 양태의 제1 구현예에서, 상기 소정의 중간 위치는 상기 완전 개방 위치보다 상기 폐쇄 위치에 더 가깝다.

제1 양태의 제2 구현예에서, 제2 유효 압력면은 상기 가동밸브부재의 제1 면과, 제1 면보다 작고 제1 면의 반대쪽을 향하는 상기 가동밸브부재의 제2 면에 의해 형성된다.

제1 양태의 제3 구현예에서, 제1 면은 상기 가동밸브부재의 모든 위치에서 유압에 의해 가압되고, 제2 면은 제1 위치 범위에서 유압에 의해 가압된다.

제1 양태의 제4 구현예에서, 상기 가동밸브부재는 제1 위치 범위의 유압에 의해 제2 면이 가압되는 것을 허용하는 포트를 개방한다.

제1 양태의 제5 구현예에서, 상기 가동밸브부재는 밸브시트와 협력하는 밸브디스크를 구비하고, 상기 밸브시트는 실린더커버를 통해 연장되는 블로우오프 보어 내에 배치된다.

제1 양태의 제6 구현예에서, 상기 밸브시트의 주 평면은 블로우오프 보어의 주 방향에 대해 비스듬하게 배치된다.

제1 양태의 제7 구현예에서, 상기 가동밸브부재는 밸브 스템에 연결된 밸브디스크와 밸브 스템에 작동 가능하게 연결된 작동 피스톤을 포함한다.

제1 양태의 제8 구현예에서, 제1 면은 상기 작동 피스톤의 일 측면에 배치되고, 제2 면은 작동 피스톤의 반대 측면에 배치된다.

제1 양태의 제9 구현예에서, 상기 블로우오프 보어는 배기밸브를 바이패스하기 위해 블로우오프 파이프를 경유하는 배기덕트 또는 배기가스 수용부에 연결된다.

제1 양태의 제10 구현예에서, 상기 블로우오프 밸브는 냉각 수단을 구비하고, 이 냉각 수단은 바람직하게는 블로우오프 밸브를 통한 냉각 매체의 경로를 포함한다.

제1 양태의 제11 구현예에서, 상기 엔진은 엔진 부하가 증가함에 따라 증가하고 엔진 부하가 감소함에 따라 감소하는 압력을 갖는 유압 시스템을 포함하고, 제2 유효 압력면은 상기 유압 시스템의 유압으로 가압된다.

제1 양태의 제12 구현예에서, 상기 유압 시스템은 연료분사밸브에 동력을 공급한다.

제1 양태의 제13 구현예에서, 상기 유압 시스템은 배기밸브 작동 시스템에 동력을 공급한다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 크로스헤드형의 대형 2 행정 압축 점화 내연기관을 제공하는 효과가 있다.

이하 본 발명의 상세한 설명 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 2 행정 디젤 엔진의 정면도이다.
도 2는 상기 도 1 대형 2 행정 엔진의 측면도이다.
도 3은 상기 도 1에 따른 대형 2 행정 엔진의 도식적인 표현이다.
도 4는 일 실시예에 따른 블로우오프 밸브를 구비한 실린더커버 및 배기밸브의 측면도이다.
도 5는 도 4의 선 A-A를 따른 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 블로우오프의 상승된 도면이다.
도 7 내지 도 9는 상기 블로우오프 밸브의 가동밸브부재가 상이한 위치에 있는 상기 도 6 블로우오프 밸브의 단면도이다.
도 10은 상기 도 6 블로우오프 밸브의 다른 단면도이다.
도 11은 도 1 내지 도 3 엔진 유압 시스템의 도식적인 표현이다.

이하의 상세한 설명에서, 크로스헤드를 포함하는 대형 2 행정 터보차지 압축 점화 (디젤) 내연기관을 실시예들을 들어 기술한다. 도 1 내지 도 3은 크랭크샤프트(42)와 크로스헤드(43)를 포함하는 대형의 저속 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진을 도시한다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 갖춘 엔진의 도식적인 표현을 도시한다. 이 실시예에서 엔진에는 열(line)을 지어 6개의 실린더(1)가 있다. 대형 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관에는 통상적으로 엔진 프레임(45)에 의해 지지되어, 열을 지어 5개 내지 16개의 실린더가 있다. 상기 엔진은 예컨대 선박의 주 엔진이나 발전소의 발전기를 작동시키는 고정식 엔진으로 사용할 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예를 들어, 5,000 내지 110,000kW 범위일 수 있다.

상기 엔진은 실린더들(1) 하부 영역에 소기 포트(19) 및 실린더(1) 상부의 실린더커버(22) 중앙에 배기밸브(4)가 배치된 2 행정 단류(uniflow)식 압축 점화 엔진이다. 상기 실린더를 통한 가스 유동의 주된 방향은 실린더(1) 하부의 소기 포트(19)에서 실린더(1) 상부의 배기밸브(4)에 이르기 때문에 "단류"라고 한다. 충전 공기는 일반적으로 대형의 중공 원통체 형태의 충전공기 수용부(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트(19)를 통과한다. 상기 실린더(1) 내의 피스톤(41)은 충전 공기를 압축하고, 연료가 실린더커버(22)의 연료분사밸브(미도시)로부터 분사되어, 연소가 진행되면서 배기가스가 생성된다.

배기밸브(4)가 개방될 때, 상기 배기가스는 관련된 실린더(1)와 결합된 배기덕트(35)를 통해 대형 중공 원통체 형태의 배기가스 수용부(3)로 유동하고, 계속해서 제1 배기도관(18)을 통해 상기 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동한 후, 상기 배기가스가 제2 배기도관(7)을 통해 대기 중으로 배출된다. 샤프트(8)를 통해, 상기 터빈(6)은 공기 유입부(10)를 경유하여 공기가 공급되는 압축기(9)를 구동시킨다. 상기 압축기(9)는 가압된 충전 공기를 상기 충전공기 수용부(2)에 이르는 충전 공기 도관(11)에 전달한다.

상기 도관(11) 내에 흡입된 공기는 인터쿨러(12)를 통과하여 약 200℃로 압축기를 떠나는 충전공기를 36℃ 내지 80℃의 온도로 냉각시킨다.

냉각된 충전공기는 엔진의 낮은 부하 또는 부분 부하 조건에서 충전 공기의 유동을 충전공기 수용부(2)로 가압하는 전기 구동 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 경유하여 통과한다. 더 높은 엔진 부하에서, 상기 터보차저 압축기(9)는 충분히 압축된 소기 공기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류 방지 밸브(15)를 경유하여 바이패스된다.

도 4 및 도 5는 각각 배기밸브(4)와 실린더커버(22)를 측면도 및 단면도로 더 자세히 도시한다. 실린더커버(22)의 중앙 개구에 배치된 일체형 밸브디스크를 구비한 배기밸브 스핀들(44)이 장착된 상기 배기밸브(4)는 실린더커버(22)에 견고하게 볼트로 결합된다. 상기 배기밸브 스핀들(44)은 상기 배기밸브 스핀들(44)의 밸브디스크가 밸브시트 상에 놓인 폐쇄 위치로 도시되어 있다. 배기밸브(4)가 개방되면 연소실(27)은 배기덕트(35)에 연결된다. 배기덕트(35)는 일 실시예에서 배기가스 수용부(3)에 바로 연결되어 있다.

상기 실린더커버(22)는 연소실(27)의 상부를 형성한다. 실린더커버(22)는 도면에서 보이지 않는 복수의 냉각 채널을 구비한다. 또한, 연료분사밸브(통상적으로 각 실린더에 대한 단일 연료 엔진용 연료밸브 3개 및 각 실린더에 대한 이중 연료 엔진용 연료밸브 6개)(연료밸브는 미도시)는 연소실(27) 내로 돌출한 연료밸브의 노즐과 함께 실린더커버(22) 내 보어에 수용된다.

상기 배기밸브(4)는 밸브 스핀들(44)의 상부에 유압 챔버(38)를 포함하는 유압 배기밸브 액추에이터(47)를 구비한다. 에어 스프링(37)은 상기 밸브 스핀들(44)을 상방향(도 5에서 상방향)으로, 즉 폐쇄 방향으로 압박하고 유압 액츄에이터(47)가 가압될 때 밸브 스핀들(44)을 개방 방향으로 압박한다. 따라서 배기밸브 스핀들(44)의 리프트는 유압 액추에이터(47)에 유압을 가함으로써 달성되고, 에어 스프링(37)은 밸브 스핀들(44)이 폐쇄 위치로 복귀하는 것을 보장한다.

상기 엔진은 연소실(27)로부터 배기덕트(35)로 연장되는(도시된 바와 같이) 블로우오프 도관을 구비한다. 또는, 상기 블로우오프 도관은 연소실(27)로부터 배기가스 수용부(3)로 연장된다. 상기 블로우오프 도관의 단면적은, 연소실(27)에 과도한 압력을 야기하는 실화나 다른 이벤트의 경우에 충분히 빨리 연소실(27) 내의 압력을 완화시킬 정도로 충분히 넓다. 블로우오프 밸브(50)는 블로우오프 도관의 개폐를 제어하고 과도한 압력 이벤트가 발생할 경우 엔진 손상을 방지하기 위해 연소실(27) 내의 압력을 완화시키기에 충분히 큰 개구를 충분히 빨리 개방할 수 있다.

상기 블로우오프 도관의 일부는 실린더커버(22) 내의 블로우오프 보어(29)에 의해 형성된다. 블로우오프 파이프(36)는 블로우오프 보어(29)를 배기덕트(35) 또는 배기가스 수용부(3)에 연결한다.

도 6 내지 도 10은 상기 블로우오프 밸브(50)를 더 상세하게 도시한다. 상기 블로우오프 밸브(50)는 (도시한 바와 같이) 실린더커버(22) 내의 적합한 보어(28)(도 5 참조)에 삽입되는 카트리지로 사용될 수 있도록 자체 하우징(51)을 구비하거나, (도시하지 않음) 상기 블로우오프 밸브(50)는 실린더커버(22)와 일체형일 수 있다.

상기 블로우오프 밸브(50)는 실린더커버(22) 내의 보어(28)에 삽입되고, 브라켓(68)은 실린더커버(22)로부터 돌출한다. 상기 브라켓(68)은 하우징(51)에 볼트로 결합되거나 하우징(51)과 일체형일 수 있다. 상기 브라켓(68)에는 블로우오프 밸브(50)를 실린더커버(22)에 고정하는 볼트(도 5)를 수용하기 위한 보어가 제공된다. 상기 하우징(51)에는 블로우오프 밸브(50)가 개방될 때에 배기가스의 배출을 허용하는 큰 유출구(58)가 제공된다.

상기 블로우오프 밸브(50)는 도 7에 도시된 폐쇄 위치와 도 9에 도시된 완전 개방 위치 사이에서 이동할 수 있는 가동밸브부재(52)를 구비한다. 즉, 상기 가동밸브부재(52)는 도 7의 폐쇄 위치와 도 9의 완전 개방 위치 사이의 위치 범위를 왕복하여 움직일 수 있다. 도 8에서, 상기 가동밸브부재(52)는 중간 위치로 도시되어 있다. 상기 블로우오프 밸브(50)는 가동밸브부재(52)가 폐쇄 위치에 있지 않을 때 유입구(57)로부터 유출구(58)로의 가스 유동을 허용한다. 가동밸브부재(52) 내 중공(63)은 유입구(57)를 유출구(58)에 연결한다. 밸브시트(55)는 유입구(57) 주위에 구비한다.

상기 가동밸브부재(52)는 그 길이방향 끝들 중 한 곳에 밸브디스크(54)를 구비한 스핀들(53)을 포함한다. 상기 스핀들(53)의 다른 반대편 길이방향 끝에는 완충부재(69)를 구비한다. 상기 스핀들(53)은 하우징(51) 내의 길이방향 보어에 슬라이딩이 가능하도록 수용된다.

상기 밸브디스크(54)가 구비된 스핀들(53)의 끝은 길이방향 보어로부터 밸브 하우징(51) 내의 중공(63)으로 연장된다. 상기 밸브디스크(54)는 가동밸브부재(52)가 도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이 폐쇄 위치에 있을 때에 밸브시트(52)에 안착되며, 유입구(57)에 노출되는 밸브디스크(54)의 표면은 제1 유효 압력면(59)을 형성한다.

상기 가동밸브부재(52)가 올라가면, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 밸브디스크(54)는 중공(63)에 위치하고 가스가 유입구(57)로부터 유출구(58)로 유동하는 실질적인 유동 영역을 제공한다. 일 실시예에서, 상기 밸브시트(55)의 주 평면 Z는 블로우오프 보어(29)를 통한 유동의 제한을 최소화하기 위해 블로우오프 보어(29)의 주 방향에 대해 비스듬하게 배치된다. 상기 블로우오프 보어(29)가 직선형일 때 주 방향은 보어(29)의 유동의 길이 방향이다. 상기 블로우오프 보어(29)가 곡선형일 때, 주 방향은 밸브시트(55)가 블로우오프 보어(29)와 교차하는 위치에서 곡선의 로컬 방향이다.

상기 중공(63)은 밸브 스핀들(53)을 안내하는 길이방향 보어의 일 측에 제공된다. 이 길이방향 보어의 다른 측에는 작동 피스톤(56)을 수용하는 원통형 챔버가 구비된다. 상기 작동 피스톤(56)은 원통형 챔버를 제1 챔버(60)와 제2 챔버(66)로 분리한다. 상기 작동 피스톤(56)은 가동밸브부재(52)에 작동 가능하게 연결되도록 스핀들(53)에 고정된다. 일 실시예에서, 상기 피스톤(56)은 또한 가동밸브부재(52)와 일체형일 수 있다. 상기 가동밸브부재(52)에는 제1 면(61) 및 그 반대 방향의 제2 면(62)이 있다. 상기 제1 면(61)은 제1 챔버(64)의 압력에 노출되어 제1 챔버 (60)가 가압될 때 가동밸브부재(52)를 폐쇄 위치로 압박한다. 상기 제2 면(62)은 제2 챔버(66)의 압력에 노출되어 제2 챔버(66)가 가압될 때 가동밸브부재(52)를 완전 개방 위치로 압박한다. 상기 제1 면(61)의 면적은 제2 면(62)의 면적보다 넓다. 따라서 상기 제1 챔버(60) 내의 압력이 제2 챔버(66) 내의 압력과 동일할 때, 가동밸브부재(52)는 폐쇄 위치를 향해 압박된다. 상기 제1 면(61)과 제2 면(62)은 함께 제2 유효 압력면을 형성한다. 제1 유효 압력면(59)에 작용하는 연소실(27) 내의 압력은 제1 유효 압력면(59)의 면적에 연소실(27) 내의 압력을 곱한 힘으로 가동밸브부재(52)가 폐쇄 위치가 되게 압박한다.

상기 제1 챔버(60)는 공급 보어(82) 및 완충 챔버(65)를 통해 블로우오프 밸브(50)의 유입구 포트(80)에 연결된다. 상기 유입구 포트(80), 공급 보어(82) 및 완충 챔버(65)는 이 실시예에서 브라켓(68) 내에 배치되지만, 하우징(51) 내에 위치해도 괜찮다.

상기 유입구 포트(80)는 적어도 연속적으로 최소 수준의 유압을 제공하는 엔진의 유압 시스템(88)에 연결된다. 상기 유압 시스템(88)은 일정한 압력을 제공하거나, 엔진 부하가 증가함에 따라 압력을 증가하고 엔진 부하가 감소함에 따라 압력을 감소하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 유입구 포트(80)의 압력은 완충 챔버(65) 및 공급 보어(82)를 경유하여 제1 챔버(60)에 가해지며, 이 압력은 가동밸브부재(52)를 제1 면(61)의 면적에 제1 챔버(61) 내의 압력을 곱한 힘으로 폐쇄 위치가 되게 압박한다.

제2 도관(64)은 상기 작동 피스톤(56)이 보상 포트(71) 위의 위치(도 7 내지 도 10에 도시한 바와 같이 블로우오프 밸브(50)의 방위에서 위)에 있을 때 제2 챔버(66)를 보상 포트(71)를 경유하여 유입구 포트(80)에 연결한다. 상기 가동밸브부재(52)는 도 7 및 도 10에 도시된 폐쇄 위치에 있을 때, 보상 포트(71)는 작동 피스톤(56)에 의해 차단된다.

도 7 및 도 10과 같이 도시된 상황에서, 상기 제2 챔버(66)는 낮은 압력, 즉 냉각 유입구 포트(75)를 경유한 유입구 포트(80)에서의 압력보다 상당히 낮은 압력으로 가압된다. 상기 냉각 유입구 포트(75)는 냉각 오일(유압 액체)이 제2 챔버(66)로 유동하게 하여 블로우오프 밸브(50)를 냉각시킨다. 냉각 유출구 포트(74)는 냉각 오일(유압 액체)의 유출을 허용한다. 냉각 유입구 포트(75)의 상류 및 냉각 유출구 포트(74)의 하류에는 유동이 제한되어(미도시) 제2 챔버(66) 내의 압력이 상대적으로 냉각된 액체 압력보다 순간적으로 높아지게 한다.

상기 연소실(27) 내에 과도한 압력이 발생할 때, 제1 유효 압력면(59)에 작용하는 연소실(27) 내 압력의 힘은 가동밸브부재(52)의 제1 압력 챔버(60)에 의해 생성된 압력의 대항력(opposing force)을 초과할 것이며, 가동밸브부재(52)는 도 8에 도시된 바와 같이 완전 개방 위치로 이동하기 시작할 것이다.

상기 가동밸브부재(52)의 특정한 양의 올라감(lift)에서 보상 포트(71)는 개방되고 제2 압력 챔버(66)는 포트(80)의 더 높은 압력에 연결될 것이다. 상기 냉각 유입구 포트(75) 및 냉각 유출구 포트(74)와 관련된 제한은 제2 압력 챔버(66) 내의 압력이 이들 각각의 포트(74, 75)를 통해 손실되지 않도록 보장한다. 따라서 제2 면(62)은 유입구 포트(80)로부터의 압력으로 가압되어 가동밸브부재(52)를 완전히 개방된 위치로 압박하는 추가적인 힘을 생성한다. 이에 따라 상기 가동밸브부재(52)에 작용하는 폐쇄력은 상당히 감소한다. 상기 가동밸브부재(52)가 어느 정도 개방될 때 위와 같은 폐쇄력의 감소는 블로우오프 이벤트 중에 블로우오프 밸브(50)의 안정된 개방을 보장하는 역할을 한다. 다시 말해, 연소실 (27) 내 가스 압력의 개방력은 밸브디스크(54)가 중공(63)의 가압으로 인해 밸브시트(55)로부터 올라가는 순간에 상당히 감소한다. 대책이 없다면, 이러한 개방력 손실의 감소는 단일의 과도한 압력 이벤트 중에 블로우오프 밸브(50)의 바람직하지 않은 반복적인 개폐를 초래할 수 있다. 상기 보상 포트(71)가 작동 피스톤(56)에 의해 막히지 않을 때 폐쇄력이 감소하고, 블로우오프 밸브(50)에 대한 안정된 개방 절차가 제공된다.

따라서 유압 시스템(88)으로부터의 압력으로 가압되는 가동밸브부재(52)에 대해 폐쇄 방향으로 작용하는 제2 유효 압력면은 가동밸브부재(52)의 폐쇄 위치에서 제1 크기를 가지며, 가동밸브부재(52)의 완전 개방 위치로부터 소정의 중간 위치까지 연장되는 제1 위치 범위에서 제2 크기는 제1 크기보다 작다. 상기 소정의 중간 위치는 작동 피스톤(56)에 대한 보상 포트(71)의 위치에 의존하고 바람직하게는 상기 완전 개방 위치보다 상기 폐쇄 위치에 더 가깝지만, 이는 상황에 의존하며 숙련된 사람은 폐쇄력이 감소하는 최적 위치를 결정할 수 있을 것이다. 상기 가동밸브부재(52)가 약간 올라가면 폐쇄력이 감소하는 것을 보장하기 위한 다른 수단 또한 사용될 수 있다.

상기 가동밸브부재(52)가 완전 개방 위치를 향해 줄곧 이동할 때, 그 이동은 스핀들(53)의 자유 단부에 있는 완충부재(69)와 완충 챔버(65)의 협력에 의해 완충된다. 상기 완충부재(69)는 원통형 완충 챔버(65) 내에 슬라이딩이 가능하게 수용되는 데에 적합한 직경을 갖는 원통형 부재이고, 상기 가동밸브부재(52)가 도 9에 도시된 완전 개방 위치에 부드럽게 놓이는 것을 보장한다.

상기 유압 시스템(88)은 도 11을 참조하여 더 상세하게 설명되고, 공급도관(45)에 가압된 유압 액체를 공급하는 펌프 또는 펌프 스테이션(41)을 포함한다. 상기 공급 도관(45) 내의 압력은 50 내지 500bar 사이의 어디든 될 수 있다. 상기 공급 도관(45)은 연료 분사(42), 배기밸브 작동 시스템(48) 및 블로우오프 밸브(50)와 같은 다양한 소모장치(consumers)에 유압 액체를 가압하여 공급하는 커먼레일 또는 의사(pseudo) 커먼레일 일 수 있다. 공통 회귀선(49)은 유압 액체의 다양한 소모장치를 탱크에 연결한다.

MAN B&W ® (브랜드)의 ME 라인 엔진에서 유압 시스템은 갑작스런 로컬 소비 피크를 수용하기 위해 로컬 어큐뮬레이터(accumulator)가 사용되는 의사(pseudo) 커먼레일이다. ME 엔진의 유압 시스템은 연료밸브와 배기밸브에 전원을 공급한다. 통상적인 ME 엔진에서 엔진 부하와 관련된 유압 시스템의 압력은 표 1과 같다.

엔진 부하(%)	시스템 압력(bar)
20	222
20	222
40	225
50	227.5
60	240
70	255
80	270
90	282.5
100	295

따라서 유압은 엔진 부하가 증가함에 따라 증가하고 엔진 부하가 감소함에 따라 감소한다. 위의 표 1에 있는 수치는 단지 예일 뿐이며 실제 압력 값은 주어진 유형의 엔진마다, 그리고 엔진 유형에 따라 다를 수 있다. 또한, 등급이 매겨지지 않은 엔진, 즉 관련된 엔진 유형의 부하 및 속도가 L1 부하와 다른 엔진 또한 시스템 압력이 다르며, 통상적으로 시스템 압력이 약간 낮다.

상기 연소실(27)의 정상 최대 압력 또한 엔진 부하가 증가함에 따라 증가하고 엔진 부하가 감소함에 따라 감소하며, 상기 표에 나타낸 바와 같이 유압 시스템의 압력과 매우 유사한 프로파일을 갖는다. 따라서 제1 유효 면(59) 면적의 크기에 대한 제1 면(61) 면적의 크기를 치수화함으로써, 상기 블로우오프 밸브(50)는 실제 엔진 부하에 대한 연소실(27) 내의 정상 압력보다 마진이 더 큰 압력에서 개방되기 위한 치수가 지정될 수 있다. 상기 마진은 일정한 압력 차 또는 엔진 부하가 증가할 때의 증가량이나 감소할 때 감소량일 수 있다.

상기 블로우오프 밸브(50)는 유입구 포트(80)에 공급되는 일정한 압력으로도 작동될 수 있다. 이 경우에 정상적인 엔진 작동 중에 연소실(27) 내의 최고 압력이 마진을 초과할 때 상기 압력은 블로우오프 밸브(50)가 개방되는 압력이어야 한다. 예컨대 상기 블로우오프 밸브(50)는 최대 예상 압력(즉, 엔진 부하의 100 %에서)이 200bar일 때 230bar의 압력에서 개방되도록 설정된다. 상기 블로우오프 밸브(50)는 유입구 포트(80)에 가해지는 압력의 관점에서 제1 유효 압력면(59)과 제1 면(61) 사이의 비율을 조정함으로써 필요한 압력에서 개방되도록 설정될 수 있다.

일 실시예에서(미도시), 상기 블로우오프 밸브(50)는 엔진 제어기에 연결되고 블로우오프 이벤트시 경보를 발한다. 이에 대하여, 상기 블로우오프 밸브(50)는 일 실시예에서 제2 챔버(66) 내의 압력을 감지하는 압력 센서를 구비한다. 상기 제2 챔버(66) 내의 압력이 냉각 오일 압력을 초과하면, 블로우오프 밸브(50)가 개방되고 경보가 발생된다. 또는, 상기 가동밸브부재(52)는 동작 센서로 모니터될 수 있고, 가동밸브부재(52)가 폐쇄 위치로부터 멀어지면 경보가 발생된다.

상기 엔진이 정지될 때 블로우오프 밸브(50)를 작동시키기 위해 가동밸브부재(52)를 폐쇄 위치로부터 멀어지게 압박하는 디스크 스프링과 같은 탄성 수단이 일 실시예(미도시)로 제공될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 가동밸브부재(52)가 폐쇄 위치 또는 완전 개방 위치로 압박되는지 여부를 결정하는 힘의 균형은, 가동밸브부재(52)에 작용하는 연소실(27) 내 가스 압력의 힘과 가동밸브부재(52)에 작용하는 블로우오프 밸브(50)에 대한 유압 액체 공급 압력의 힘의 균형에 의해서만 결정된다. 따라서 엔진이 정지했을 때 블로우오프 밸브(50)를 작동시키기 위한 탄성 수단이 있더라도 이러한 탄성 수단은 엔진 작동 중에 가동밸브부재(52)의 움직임에 중요한 영향을 미치지 않는 작은 강도를 가질 것이다.

본 발명은 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명되었다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형들은 도면들, 개시된 내용 및 첨부된 특허 청구범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해 및 실시될 수 있다. 본 청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며, 단수 "일" 또는 "하나"는 복수를 배제하지 않는다. 특정 측정치들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 측정치로 사용된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.

청구 범위에 사용된 참조 부호는 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

50 블로우오프 밸브 51 하우징 52 가동밸브부재 53 밸브스템 54 밸브디스크 55 밸브시트 56 작동 피스톤 57 유입구 58 유출구 59 제1 유효 압력면 60 제1 챔버 66 제2 챔버

Claims

크로스헤드(43)를 포함하는 대형 터보 차징 2 행정 압축 점화 내연기관은:
연소실(27) 역할을 하는 실린더로서, 실린더커버(22), 상기 실린더커버(22)의 중앙에 배치된 배기밸브(4) 및 상기 배기밸브(4)를 배기가스 수용부(3)에 연결하는 배기덕트(35)가 구비되는 복수의 상기 실린더,
블로우오프 밸브(50)의 유입구(57)는 상기 연소실(27)에 유체로 연결되고 상기 블로우오프 밸브(50)의 유출구(58)는 배출 도관에 유체로 연결되는 상기 블로우오프 밸브(50)가 구비되는 상기 실린더커버(22)를 포함하고,
상기 블로우오프 밸브(50)는 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 이동 가능한 가동밸브부재(52)를 구비하고, 상기 폐쇄 위치와 상기 완전 개방 위치 사이의 중간 위치 범위를 가지며,
상기 블로우오프 밸브(50)는 상기 가동밸브부재(52)가 임의의 상기 중간 위치 또는 상기 완전 개방 위치에 있을 때 가스가 상기 유입구(57)로부터 상기 유출구(58)로 유동하도록 허용하고, 상기 블로우오프 밸브(50)는 상기 가동밸브부재(52)가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 가스가 유입구(57)로부터 유출구(58)로 유동하는 것을 방지하며,
상기 가동밸브부재(52)는 상기 연소실(27) 내의 압력에 노출되는 제1 유효 압력면(59)을 구비하여 연소실(27) 내의 압력이 가동밸브부재(52)를 상기 완전 개방 위치를 향하도록 압박하며,
상기 가동밸브부재(52)는 상기 가동밸브부재(52)를 상기 폐쇄 위치를 향하도록 압박하기 위한 유압에 노출되는 제2 유효 압력면을 구비하며, 및
상기 제2 유효 압력면은 상기 가동밸브부재(52)가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 제1 크기를 갖고, 상기 가동밸브부재(52)가 상기 완전 개방 위치로부터 소정의 중간 위치까지 연장되는 제1 위치 범위에서 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 소정의 중간 위치는 상기 완전 개방 위치보다 상기 폐쇄 위치에 더 가까운 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제2 유효 압력면은 상기 가동밸브부재(52)의 제1 면(61) 및 상기 제1 면(61)보다 작으면서 상기 제1 면(61)의 반대쪽을 향하는 상기 가동밸브부재(52)의 제2 면(62)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 면(61)은 상기 가동밸브부재(52)의 모든 위치에서 상기 유압에 의해 가압되고 상기 제2 면(62)은 상기 제1 위치 범위에서 상기 유압에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 4에 있어서,
상기 가동밸브부재(52)는 상기 제1 위치 범위에서 상기 유압에 의해 상기 제2 면(62)이 가압되도록 허용하는 보상 포트(71)를 개방하는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가동밸브부재(52)는 밸브시트(55)에 안착되는 밸브디스크(54)를 구비하고, 상기 밸브시트(55)는 상기 실린더커버(22)를 통해 연장되는 블로우오프 보어(29) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브시트(55)의 주 평면(Z)은 상기 블로우오프 보어(29)의 주 방향에 대해 비스듬하게 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가동밸브부재(52)는 밸브스템(53)에 연결된 밸브디스크(54) 및 상기 밸브스템(53)에 작동 가능하게 연결된 작동 피스톤(56)을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 면(61)은 상기 작동 피스톤(56)의 일 측에 배치되고, 상기 제2 면(62)은 상기 작동 피스톤(56)의 반대 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블로우오프 보어(29)는 상기 배기밸브(4)를 바이패스하기 위해 블로우오프 파이프(36)를 경유하여 상기 배기덕트(35) 또는 상기 배기가스 수용부(3)에 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블로우오프 밸브(50)는 냉각 수단을 구비하고, 상기 냉각 수단은 바람직하게는 블로우오프 밸브(50)를 통한 냉각 매체 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 엔진은 엔진 부하가 증가함에 따라 압력이 증가하고 엔진 부하가 감소함에 따라 압력이 감소하는 유압 시스템(88)을 포함하고, 상기 제2 유효 압력면은 상기 유압 시스템(88)의 유압으로 가압되는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 12에 있어서, 상기 유압 시스템(88)은 연료분사밸브(42)에 동력을 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진.
청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 유압 시스템(88)은 상기 배기밸브 작동 시스템(48)에 동력을 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진.