KR20200020950A

KR20200020950A - 가변 압축 장치, 엔진 시스템 및 피스톤 로드 위치 조정 방법

Info

Publication number: KR20200020950A
Application number: KR1020207003747A
Authority: KR
Inventors: 유타카 마스다; 다카유키 야마다; 다카유키 히로세; 하야토 나카지마; 다케시 야마다
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-26
Also published as: JPWO2019039594A1; KR102240874B1; EP3674529A1; EP3674529A4; DK3674529T3; JP6813094B2; EP3674529B1; CN110945225A; CN110945225B; WO2019039594A1

Abstract

가변 압축 장치는, 피스톤 로드(6)와, 승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤 로드가 압축비를 높이는 방향으로 이동시키는 유체실(R3)과, 작동 유체를 승압하여 유체실에 공급하는 승압 기구(8)와, 피스톤 로드에 대해 적어도 일부가 배치되고, 피스톤 로드의 위치의 변위를 검출하여, 피스톤 로드의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하는 검출부(400)와, 위치 정보에 기초하여 승압 기구를 제어하는 제어부(300)를 구비한다.

Description

가변 압축 장치, 엔진 시스템 및 피스톤 로드 위치 조정 방법

본 개시는, 가변 압축 장치, 엔진 시스템 및 피스톤 로드 위치 조정 방법에 관한 것이다.

본원은, 2017년 8월 25일에 출원된 일본 특허출원 2017-162594호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 크로스 헤드를 갖는 대형 왕복 피스톤 연소 엔진이 개시되어 있다. 특허문헌 1의 대형 왕복 피스톤 연소 엔진은, 중유 등의 액체 연료와 천연가스 등의 기체 연료 모두에서의 가동이 가능하게 되는 듀얼 퓨얼 엔진이다. 특허문헌 1의 대형 왕복 피스톤 연소 엔진은, 액체 연료에 의한 가동에 적합한 압축비와 기체 연료에 의한 가동에 적합한 압축비 둘 다에 대응하기 위해, 유압에 의해 피스톤 로드를 이동시킴으로써 압축비를 변경시키는 조정 기구를 크로스 헤드 부분에 마련하고 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2014-20375호 공보

상술한 바와 같은 압축비를 변경하는 압축 조정 장치를 갖는 엔진 시스템은, 피스톤 로드의 이동 방향에서의 위치를 변경함으로써, 피스톤의 하사점 및 상사점 위치를 변경하여, 압축비를 조정하고 있다. 이러한 압축비의 조정은, 조종자의 조작 등에 기초하여 엔진 시스템의 제어 장치가 행하고 있다. 그러나, 제어 장치는, 피스톤 로드의 위치를 파악하지 못하여, 정확하게 압축비를 조정하는 것이 어렵다.

본 개시는, 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 엔진의 피스톤 로드의 위치를 제어하는 제어 장치에 있어서, 정확하게 압축비를 조정하는 것을 목적으로 한다.

본 개시의 일 태양의 가변 압축 장치는, 엔진의 연소실에서의 압축비를 변경하는 가변 압축 장치로서, 피스톤 로드와, 승압된 작동 유체가 공급됨으로써 상기 피스톤 로드가 압축비를 높이는 방향으로 이동시키는 유체실과, 상기 작동 유체를 승압하여 상기 유체실에 공급하는 승압 기구와, 상기 피스톤 로드에 대해 적어도 일부가 배치되고, 상기 피스톤 로드의 위치의 변위를 검출하여, 상기 피스톤 로드의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하는 검출부와, 상기 위치 정보에 기초하여 상기 승압 기구를 제어하는 제어부를 구비한다.

상기 일 태양의 가변 압축 장치에 있어서, 상기 검출부는, 로드와, 상기 로드와 상기 피스톤 로드의 하단부에 마련되는 굵은 직경부의 사이에 마련되는 바이어스부와, 상기 로드의 이동을 비접촉으로 검출하는 센서부를 가지며, 상기 로드는, 상기 바이어스부에 의해 상기 굵은 직경부에 눌려붙여져 있어도 된다.

상기 일 태양의 가변 압축 장치에 있어서, 상기 로드는, 상기 피스톤 로드의 이동 방향을 따라 배치되어 있어도 된다.

상기 일 태양의 가변 압축 장치에 있어서, 상기 검출부는, 상기 로드에 마련되는 자성 부재를 가지며, 상기 센서부는, 자계의 변화를 검출하는 자기 센서이어도 된다.

상기 일 태양의 가변 압축 장치에 있어서, 상기 검출부로부터 취득한 상기 위치 정보를 상기 제어부에 송신하도록 구성되는 정보 송신부를 구비하고 있어도 된다.

본 개시의 일 태양의 엔진 시스템은, 상기 일 태양의 가변 압축 장치를 구비한다.

본 개시의 일 태양의 피스톤 로드 위치 조정 방법은, 작동 유체를 유체실에 공급함으로써 엔진의 연소실에서의 압축비를 높이는 방향으로 피스톤 로드를 이동시키는 피스톤 로드 위치 조정 방법으로서, 상기 피스톤 로드의 위치 정보를 취득하는 위치 취득 공정과, 상기 위치 정보에 기초하여 상기 작동 유체의 공급 압력을 조정하는 압력 조정 공정을 가진다.

상기 일 태양의 피스톤 로드 위치 조정 방법에 있어서, 상기 위치 취득 공정은, 상기 연소실의 상사점에서의 통내압(筒內壓)과 상기 연소실의 하사점에서의 통내압에 기초하여 상기 피스톤 로드의 위치를 산출해도 된다.

상기 일 태양의 피스톤 로드 위치 조정 방법에 있어서, 상기 위치 취득 공정은, 상기 피스톤 로드에 마련된 검출부로부터 취득한 상기 위치 정보를 포함하는 신호에 기초하여, 상기 피스톤 로드의 위치 정보를 취득해도 된다.

본 개시에 의하면, 검출부가 피스톤 로드의 이동 방향에서의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하고, 제어부가 피스톤 로드의 위치 정보를 취득하고, 이 위치 정보에 기초하여, 피스톤 로드의 위치를 조정한다. 이에 의해, 제어부는, 피스톤 로드의 이동 방향에서의 위치가, 목표로 하는 피스톤 로드의 위치와 맞는지를 감시하여, 피스톤 로드의 이동 방향에서의 위치를 정확하게 조정할 수 있다. 또한, 피스톤 로드의 위치를 정확하게 파악함으로써, 승압 기구를 구동시키는 횟수를 감소시킬 수 있다.

도 1은, 본 개시의 일 실시형태에서의 엔진 시스템의 단면도이다.
도 2는, 본 개시의 일 실시형태에서의 엔진 시스템의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 3은, 본 개시의 일 실시형태에서의 엔진 시스템의 일부를 나타내는 모식 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 개시에서의 엔진 시스템(100)의 일 실시형태에 대해 설명한다.

[제1 실시형태]

본 실시형태의 엔진 시스템(100)은, 예를 들어 대형 탱커 등 선박에 탑재되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1)과, 과급기(200)와, 제어부(300)와, 위치 검출부(400)(도 2 참조, 검출부)를 가지고 있다. 또, 본 실시형태에서는, 과급기(200)를 보기(補機)로 하여, 엔진(1)(주기(主機))과 별도의 몸체로서 설명한다. 단, 과급기(200)를 엔진(1)의 일부로서 구성하는 것도 가능하다.

엔진(1)은, 다기통의 유니플로 소기 디젤 엔진이다. 엔진(1)은, 천연가스 등의 기체 연료를 중유 등의 액체 연료와 함께 연소시키는 가스 운전 모드와, 중유 등의 액체 연료를 연소시키는 디젤 운전 모드를 가지고 있다. 또, 가스 운전 모드에서는, 기체 연료만을 연소시켜도 된다. 엔진(1)은, 가구(架構)(2)와, 실린더부(3)와, 피스톤(4)과, 배기 밸브 유닛(5)과, 피스톤 로드(6)와, 크로스 헤드(7)와, 유압부(8)(승압 기구)와, 연접봉(9)과, 크랭크각 센서(10)와, 크랭크축(11)과, 소기 탱크부(12)와, 배기 탱크부(13)와, 공기 냉각기(14)를 가지고 있다. 또한, 실린더부(3), 피스톤(4), 배기 밸브 유닛(5) 및 피스톤 로드(6)에 의해, 기통이 구성되어 있다.

가구(2)는, 엔진(1)의 전체를 지지하는 강도 부재로서, 크로스 헤드(7), 유압부(8) 및 연접봉(9)이 수용되어 있다. 또한, 가구(2)의 내부에 있어서, 크로스 헤드(7)의 후술하는 크로스 헤드 핀(7a)이 왕복운동 가능하게 되어 있다.

실린더부(3)는, 원통형의 실린더 라이너(3a)와, 실린더 헤드(3b)와, 실린더 자켓(3c)을 가지고 있다. 실린더 라이너(3a)는, 원통형의 부재이다. 실린더 라이너(3a)의 내측(내주면)에는, 피스톤(4)과의 슬라이딩면이 형성되어 있다. 실린더 라이너(3a)의 내주면과 피스톤(4)에 의해 둘러싸인 공간이 연소실(R1)로 되어 있다. 또한, 실린더 라이너(3a)의 하부에는, 복수의 소기 포트(S)가 형성되어 있다. 소기 포트(S)는, 실린더 라이너(3a)의 둘레면을 따라 배열된 개구로서, 실린더 자켓(3c) 내부의 소기실(R2)과 실린더 라이너(3a)의 내측을 연통시키고 있다. 실린더 헤드(3b)는, 실린더 라이너(3a)의 상단부에 마련된 덮개 부재이다. 실린더 헤드(3b)의 평면에서 볼 때의 중앙부에는, 배기 포트(H)가 형성되고, 배기 탱크부(13)와 접속되어 있다. 또한, 실린더 헤드(3b)에는, 도시하지 않은 연료 분사 밸브가 마련되어 있다. 또한, 실린더 헤드(3b)의 연료 분사 밸브의 근방에는, 도시하지 않은 통내압 센서가 마련되어 있다. 통내압 센서는, 연소실(R1) 내의 압력을 검출하여, 제어부(300)로 송신하고 있다. 실린더 자켓(3c)은, 가구(2)와 실린더 라이너(3a)의 사이에 마련되고, 실린더 라이너(3a)의 하단부가 삽입된 원통형의 부재이다. 실린더 자켓(3c)의 내부에 소기실(R2)이 형성되어 있다. 또한, 실린더 자켓(3c)의 소기실(R2)은, 소기 탱크부(12)와 접속되어 있다.

피스톤(4)은, 대략 원기둥형상이 되고, 후술하는 피스톤 로드(6)와 접속되어 실린더 라이너(3a)의 내측에 배치되어 있다. 또한, 피스톤(4)의 외주면에는 도시하지 않은 피스톤 링이 마련되고, 피스톤 링에 의해, 피스톤(4)과 실린더 라이너(3a)의 간극을 봉지하고 있다. 피스톤(4)은, 연소실(R1)에서의 압력의 변동에 의해, 피스톤 로드(6)를 따라 실린더 라이너(3a) 내를 슬라이딩한다.

배기 밸브 유닛(5)은, 배기 밸브(5a)와, 배기 밸브 케이싱(5b)과, 배기 밸브 구동부(5c)를 가지고 있다. 배기 밸브(5a)는, 실린더 헤드(3b)의 내측에 마련되고, 배기 밸브 구동부(5c)에 의해, 실린더부(3) 내의 배기 포트(H)를 폐색한다. 배기 밸브 케이싱(5b)은, 배기 밸브(5a)의 단부를 수용하는 원통형의 케이싱이다. 배기 밸브 구동부(5c)는, 배기 밸브(5a)를 피스톤(4)의 스트로크 방향에 따른 방향으로 이동시키는 액추에이터이다.

피스톤 로드(6)는, 일단이 피스톤(4)과 접속되고, 타단이 크로스 헤드 핀(7a)과 연결된 장척 형상의 부재이다. 피스톤 로드(6)의 단부는, 크로스 헤드 핀(7a)에 삽입되고, 연접봉(9)이 회전 가능해지도록 연결되어 있다. 또한, 피스톤 로드(6)의 크로스 헤드 핀(7a) 측의 단부(하단부)의 일부에는, 직경이 굵게 형성된 굵은 직경부를 가지고 있다.

크로스 헤드(7)는, 크로스 헤드 핀(7a)과, 가이드 슈(7b)와, 덮개 부재(7c)를 가지고 있다. 크로스 헤드 핀(7a)은, 피스톤 로드(6)와 연접봉(9)을 이동 가능하게 연결하는 원기둥형상 부재이다. 크로스 헤드 핀(7a)의 피스톤 로드(6)의 단부가 삽입되는 삽입 공간에는, 작동유(작동 유체)의 공급 및 배출이 행해지는 유압실(R3)(유체실)이 형성된다. 크로스 헤드 핀(7a)의 중심보다 하측에는, 크로스 헤드 핀(7a)의 축방향을 따라 관통하는 출구 구멍(O)이 형성되어 있다. 출구 구멍(O)은, 피스톤 로드(6)의 도시하지 않은 냉각 유로를 통과한 냉각유가 배출되는 개구이다. 또한, 크로스 헤드 핀(7a)에는, 유압실(R3)과 후술하는 플런저 펌프(8c)를 접속하는 공급 유로(R4)와, 유압실(R3)과 후술하는 릴리프 밸브(8f)를 접속하는 릴리프 유로(R5)가 마련되어 있다. 또한, 크로스 헤드(7)에는, 크로스 헤드 핀(7a)과, 덮개 부재(7c)를 연통시키고, 덮개 부재(7c)의 둘레면 및 크로스 헤드 핀(7a)의 둘레면에 개구되는 보조 유로(R6)가 형성되어 있다.

가이드 슈(7b)는, 크로스 헤드 핀(7a)을 회동 가능하게 지지한다. 가이드 슈(7b)는, 크로스 헤드 핀(7a)에 따라 피스톤(4)의 스트로크 방향을 따라 도시하지 않은 가이드 레일 상을 이동한다. 가이드 슈(7b)가 가이드 레일을 따라 이동함으로써, 크로스 헤드 핀(7a)은, 회전 운동과, 피스톤(4)의 스트로크 방향에 따른 직선 방향으로의 이동 이외의 이동이 규제된다. 덮개 부재(7c)는, 크로스 헤드 핀(7a)의 상부에 고정되고, 피스톤 로드(6)의 단부가 삽입되는 환상 부재이다. 크로스 헤드(7)는, 피스톤(4)의 직선 운동을 연접봉(9)으로 전달하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 유압부(8)는, 공급 펌프(8a)와, 요동관(8b)과, 플런저 펌프(8c)와, 플런저 펌프(8c)가 갖는 제1 체크 밸브(8d) 및 제2 체크 밸브(8e)와, 릴리프 밸브(8f)를 가지고 있다. 또한, 피스톤 로드(6), 크로스 헤드(7), 유압부(8), 제어부(300) 및 위치 검출부(400)는, 본 개시에서의 가변 압축 장치로서 기능한다.

공급 펌프(8a)는, 제어부(300)로부터의 지시에 기초하여, 도시하지 않은 작동유 탱크로부터 공급되는 작동유를 승압하여 플런저 펌프(8c)로 공급한다. 공급 펌프(8a)는, 선박의 배터리의 전력에 의해 구동되고, 연소실(R1)에 액체 연료가 공급되는 것보다 이전에 가동하는 것이 가능하다. 요동관(8b)은, 공급 펌프(8a)와 각 기통의 플런저 펌프(8c)를 접속한다. 요동관(8b)은, 크로스 헤드 핀(7a)에 따라 이동하는 플런저 펌프(8c)와, 고정된 공급 펌프(8a)의 사이에서 요동 가능하게 되어 있다.

플런저 펌프(8c)는, 크로스 헤드 핀(7a)에 고정되어 있다. 플런저 펌프(8c)는, 봉상(棒狀)의 플런저(8c1)와, 플런저(8c1)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 통형의 실린더(8c2)와, 플런저 구동부(8c3)를 가지고 있다. 플런저 펌프(8c)는, 플런저(8c1)가 도시하지 않은 구동부와 접속됨으로써, 실린더(8c2) 내를 슬라이딩하고, 작동유를 승압하여 유압실(R3)로 공급한다. 또한, 실린더(8c2)의 단부에 마련된 작동유의 토출측의 개구에는 제1 체크 밸브(8d)가 마련되고, 실린더(8c2)의 측둘레면에 마련된 작동유의 흡입측의 개구에는 제2 체크 밸브(8e)가 마련되어 있다. 플런저 구동부(8c3)는, 플런저(8c1)에 접속되고, 제어부(300)로부터의 지시에 기초하여 플런저(8c1)를 왕복운동시킨다.

제1 체크 밸브(8d)는, 실린더(8c2)의 내측을 향하여 밸브체가 바이어스됨으로써 폐쇄되는 구조로 되고, 유압실(R3)에 공급된 작동유가 실린더(8c2)로 역류하는 것을 방지하고 있다. 또한, 제1 체크 밸브(8d)는, 실린더(8c2) 내의 작동유의 압력이 제1 체크 밸브(8d)의 바이어스 부재의 바이어스력(개방 압력) 이상이 되면, 밸브체가 작동유에 눌림으로써 개방된다. 제2 체크 밸브(8e)는, 실린더(8c2)의 외측을 향하여 바이어스되어 있고, 실린더(8c2)에 공급된 작동유가 공급 펌프(8a)로 역류하는 것을 방지하고 있다. 또한, 제2 체크 밸브(8e)는, 공급 펌프(8a)로부터 공급되는 작동유의 압력이 제2 체크 밸브(8e)의 바이어스 부재의 바이어스력(개방 압력) 이상이 되면, 밸브체가 작동유에 눌림으로써 개방된다. 또, 제1 체크 밸브(8d)의 개방 압력은 제2 체크 밸브(8e)의 개방 압력보다 높고, 미리 설정된 압축비로 운전되는 정상 운전시에서는, 제1 체크 밸브(8d)는, 공급 펌프(8a)로부터 공급되는 작동유의 압력에 의해 개방되는 일은 없다.

릴리프 밸브(8f)는, 크로스 헤드 핀(7a)에 마련된다. 릴리프 밸브(8f)는, 본체부(8f1)와, 릴리프 밸브 구동부(8f2)를 가지고 있다. 본체부(8f1)는, 유압실(R3) 및 도시하지 않은 작동유 탱크에 접속되는 밸브이다. 릴리프 밸브 구동부(8f2)는, 본체부(8f1)의 밸브체에 접속되고, 제어부(300)로부터의 지시에 기초하여 본체부(8f1)를 개폐한다. 릴리프 밸브(8f)가 릴리프 밸브 구동부(8f2)에 의해 개방됨으로써, 유압실(R3)에 저류된 작동유가 작동유 탱크로 되돌려진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연접봉(9)은, 크로스 헤드 핀(7a)과 연결됨과 아울러 크랭크축(11)과 연결되어 있는 장척 형상 부재이다. 연접봉(9)은, 크로스 헤드 핀(7a)에 전달된 피스톤(4)의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하고 있다. 크랭크각 센서(10)는, 크랭크축(11)의 크랭크각을 계측하기 위한 센서로서, 제어부(300)로 크랭크각을 산출하기 위한 크랭크 펄스 신호를 송신하고 있다.

크랭크축(11)은, 기통에 마련되는 연접봉(9)에 접속된 장척 형상의 부재로서, 각각의 연접봉(9)에 의해 전달되는 회전 운동에 의해 회전됨으로써, 예를 들어 스크류 등에 동력을 전달한다. 소기 탱크부(12)는, 실린더 자켓(3c)과 과급기(200)의 사이에 마련되고, 과급기(200)에 의해 가압된 공기가 유입된다. 또한, 소기 탱크부(12)의 내부에는, 공기 냉각기(14)가 마련되어 있다. 배기 탱크부(13)는, 각 기통의 배기 포트(H)와 접속됨과 아울러 과급기(200)와 접속되는 관형상 부재이다. 배기 포트(H)로부터 배출되는 가스는, 배기 탱크부(13)에 일시적으로 저류됨으로써, 맥동을 억제한 상태로 과급기(200)로 공급된다. 공기 냉각기(14)는, 소기 탱크부(12) 내부의 공기를 냉각한다.

과급기(200)는, 배기 포트(H)로부터 배출된 가스에 의해 회전되는 터빈에 의해, 도시하지 않은 흡기 포트로부터 흡입한 공기를 가압하여 연소실(R1)에 공급한다.

제어부(300)는, 선박의 조종자에 의한 조작 등에 기초하여, 연료의 공급량 등을 제어하는 컴퓨터이다. 제어부(300)는, 위치 검출부(400)의 후술하는 통신부(430)의 무선 통신을 수신하는 수신부를 구비하고 있다. 또한, 제어부(300)는, 유압부(8)를 제어함으로써, 연소실(R1)에서의 압축비를 변경한다. 구체적으로는, 제어부(300)는, 위치 검출부(400)로부터의 신호에 기초하여 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 취득하고, 플런저 펌프(8c), 공급 펌프(8a) 및 릴리프 밸브(8f)를 제어하여, 유압실(R3)에서의 작동유의 양을 조정함으로써, 피스톤 로드(6)의 위치를 변경시켜 압축비를 변경한다.

위치 검출부(400)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 자기 센서(410)(센서부)와, 로드부(420)와, 통신부(430)(정보 송신부)를 가지고 있다. 자기 센서(410)는, 덮개 부재(7c)에 고정되어 있다. 자기 센서(410)는, 후술하는 로드(421)의 이동에 따른 자계의 변화에 의해 전기 신호(피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호)를 발생시킨다.

로드부(420)는, 로드(421)와, 보유지지부(422)와, 바이어스 스프링(423)(바이어스부)과, 자성 부재(424)를 가지고 있다. 로드(421)는, 그 단부의 근방에 마련되고, 바이어스 스프링(423)을 보유지지하는 플랜지를 가진 봉상 부재이다. 로드(421)는, 보유지지부(422) 및 덮개 부재(7c)에 형성된 관통공에 삽입되고, 피스톤 로드(6)의 연장 방향을 따라 배치되며, 바이어스 스프링(423)에 의해 피스톤 로드(6)의 하단부의 굵은 직경부에 눌려붙여져 있다. 즉, 로드(421)는, 피스톤 로드(6)가 유압으로 밀어 올려졌을 때에, 피스톤 로드(6)의 굵은 직경부의 상면에 접촉된다. 보유지지부(422)는, 덮개 부재(7c)에 고정되고, 로드(421)가 삽입된 통형 부재이다. 로드(421)는, 보유지지부(422) 내를 왕복운동 가능하게 되어 있다. 바이어스 스프링(423)은, 로드(421)의 플랜지와, 피스톤 로드(6)의 굵은 직경부의 사이에 마련되고, 로드(421)를 피스톤 로드(6)의 굵은 직경부를 향하여 바이어스시키고 있다. 자성 부재(424)는, 등간격으로 배열된 복수의 자석을 가지며, 로드(421)의 둘레면에 있어서 로드(421)의 연장 방향을 따라 마련되어 있다.

통신부(430)는, 자기 센서(410)의 검출한 전기 신호를 제어부(300)에 무선 통신에 의해 송신하는 텔레미터이다.

엔진 시스템(100)은, 도시하지 않은 연료 분사 밸브로부터 연소실(R1)에 분사된 연료를 착화, 폭발시킴으로써 피스톤(4)을 실린더 라이너(3a) 내에서 슬라이딩시켜, 크랭크축(11)을 회전시킨다. 상세히 설명하면, 연소실(R1)에 공급된 연료는, 소기 포트(S)로부터 유입된 공기와 혼합된 후, 피스톤(4)이 상사점 방향을 향하여 이동함으로써 압축되어 온도가 상승하여 자연 착화한다. 또한, 액체 연료의 경우에는, 연소실(R1)에서 온도 상승함으로써 기화하여 자연 착화한다.

그리고, 연소실(R1) 내의 연료가 자연 착화함으로써 급격하게 팽창하여, 피스톤(4)에는 하사점 방향을 향한 압력이 걸린다. 이에 의해, 피스톤(4)이 하사점 방향으로 이동하고, 피스톤(4)에 따라 피스톤 로드(6)가 이동되어, 연접봉(9)을 개재하여 크랭크축(11)이 회전된다. 또한, 피스톤(4)이 하사점으로 이동됨으로써, 소기 포트(S)로부터 연소실(R1)로 가압 공기가 유입된다. 배기 밸브 유닛(5)이 구동함으로써 배기 포트(H)가 열리고, 연소실(R1) 내의 배기가스가, 가압 공기에 의해 배기 탱크부(13)로 밀려나온다.

압축비를 크게 하는 경우에는, 제어부(300)에 의해 공급 펌프(8a)가 구동되어, 플런저 펌프(8c)에 작동유가 공급된다. 그리고, 제어부(300)는, 플런저 펌프(8c)를 구동하여 작동유를, 피스톤 로드(6)를 들어올리는 것이 가능한 압력이 될 때까지 가압하여, 유압실(R3)로 작동유를 공급한다. 유압실(R3)의 작동유의 압력에 의해, 피스톤 로드(6)의 단부가 올라가고, 이에 따라 피스톤(4)의 상사점 위치가 상방(배기 포트(H) 측)으로 이동된다.

압축비를 작게 하는 경우에는, 제어부(300)에 의해 릴리프 밸브(8f)가 구동되어, 유압실(R3)과 도시하지 않은 작동유 탱크가 연통 상태가 된다. 그리고, 피스톤 로드(6)의 하중이 유압실(R3)의 작동유에 걸려, 유압실(R3) 내의 작동유가 릴리프 밸브(8f)를 개재하여 작동유 탱크로 밀려나온다. 이에 의해, 유압실(R3)의 작동유가 감소하여, 피스톤 로드(6)가 하방(크랭크축(11) 측)으로 이동되고, 이에 따라 피스톤(4)의 상사점 위치가 하방으로 이동된다.

이어서, 본 실시형태에서의 피스톤 로드(6)의 위치 조정 방법에 대해 설명한다.

피스톤 로드(6)의 이동에 따라 로드(421)가 이동되면, 자성 부재(424)가 이동됨으로써, 자기 센서(410)가 검출하는 자계가 변화한다. 자기 센서(410)는, 이러한 자계의 변화를 전기 신호로서 출력한다. 통신부(430)는, 자기 센서(410)의 전기 신호를 제어부(300)로 송신한다.

제어부(300)는, 자기 센서(410)의 전기 신호를 수신하고, 전기 신호에 기초하여 산출되는 로드(421)의 위치로부터 피스톤 로드(6)의 위치를 취득한다(위치 취득 공정). 그리고, 제어부(300)는, 피스톤 로드(6)의 위치에 기초하여, 목표로 하는 압축비와, 실제의 압축비를 비교하여, 실제의 압축비가 목표로 하는 압축비와 다른 경우에는, 목표로 하는 압축비가 될 때까지 유압부(8)를 제어하여 작동유의 승압량(공급 압력)의 제어 또는 유압실(R3) 내의 작동유의 배출을 행한다(압력 조정 공정).

본 실시형태에서의 엔진 시스템(100) 및 피스톤 로드(6)의 위치 조정 방법에 의하면, 위치 검출부(400)에 의해, 피스톤 로드(6)의 이동 방향에서의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력한다. 제어부(300)에 의해, 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 취득하고, 이 위치 정보에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 위치를 조정한다. 이에 의해, 제어부(300)는, 피스톤 로드(6)의 이동 방향에서의 위치가, 목표로 하는 피스톤 로드(6)의 위치와 맞는지를 감시하여, 피스톤 로드(6)의 이동 방향에서의 위치를 정확하게 조정할 수 있다. 또한, 피스톤 로드(6)의 위치를 정확하게 파악함으로써, 유압부(8)의 플런저 펌프(8c) 및 릴리프 밸브(8f)를 구동시키는 횟수를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에서의 엔진 시스템(100)에 의하면, 위치 검출부(400)가 피스톤 로드(6)와 함께 이동하는 로드(421)와, 로드(421)의 이동을 검출하는 자기 센서(410)를 가지고 있다. 이에 의해, 피스톤 로드(6)에 대해 직접 가공을 행하지 않고, 자기 센서(410)가 비접촉으로 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 취득할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서의 엔진 시스템(100)에 의하면, 로드(421)가 피스톤 로드(6)의 이동 방향을 따라 배치되어 있다. 이에 의해, 로드(421)의 길이 방향을 따라 자기 센서(410)의 검출 대상인 자성 부재(424)를 마련할 수 있고, 로드(421)의 크기를 최소한으로 하면서 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 취득할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 위치 검출부(400)는, 자기 센서(410)에 의해 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호를 발생시키고 있다. 자기 센서(410)는, 왕복운동을 반복하는 피스톤 로드(6)에 대해 비접촉의 상태로, 피스톤 로드(6)의 위치의 계측이 가능하다. 또한, 자기 센서(410)는, 구조가 단순하고, 엔진(1)과 같이 고온이 되기 쉬운 부위에서도 계측을 행하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시형태에서는, 통신부(430)를 마련하고 있기 때문에, 위치 검출부(400)에 의해 출력된 전기 신호를, 떨어진 위치에 있는 제어부(300)로 송신할 수 있다. 이에 의해, 제어부(300)를 위치 검출부(400)와 별도의 몸체로서 엔진(1)에 대해 배치할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 바이어스 스프링(423)에 의해 로드(421)를 피스톤 로드(6)에 눌러붙이고 있다. 이에 의해, 피스톤 로드(6)를 가공하지 않고 로드(421)를 장착하며, 기존의 피스톤 로드(6)에 대해 로드(421)를 장착하는 것이 용이하다.

[제2 실시형태]

상기 제1 실시형태의 변형예를 제2 실시형태로서 설명한다. 또, 상기 제1 실시형태와 동일한 구성의 부재에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략한다.

본 실시형태에서의 엔진 시스템(100)은, 위치 검출부(400)를 가지지 않는다. 이러한 구성에 있어서, 제어부(300)는, 통내압 센서로부터의 신호로부터 산출되는 연소실(R1) 내의 압력에 기초하여, 실제의 압축비를 산출하고, 피스톤 로드(6)의 위치를 조정한다.

피스톤(4)이 하사점에 위치할 때의 통내압을 P₀, 피스톤(4)이 상사점에 위치할 때의 통내압을 P₁로 하였을 때, 압축비(ε)는, 하기 식 1로 나타난다. 또, κ는, 폴리트로프 지수를 나타낸다.

제어부(300)는, 통내압 센서가 출력하는 신호로부터 상기 식 1에 기초하여 실린더부(3)에서의 압축비를 산출한다. 또한, 제어부(300)는, 산출된 압축비로부터 피스톤 로드(6)의 위치를 산출한다(위치 취득 공정). 그리고, 제어부(300)는, 피스톤 로드(6)의 위치에 기초하여, 목표로 하는 압축비와, 실제의 압축비를 비교하여, 실제의 압축비가 목표로 하는 압축비와 다른 경우에는, 목표로 하는 압축비가 될 때까지 유압부(8)를 제어하여 작동유의 승압량의 제어 또는 유압실(R3) 내의 작동유의 배출을 행한다(압력 조정 공정).

이러한 본 실시형태에서의 피스톤 로드(6)의 위치 조정 방법에 의하면, 통내압 센서에 의해, 통내압(피스톤 로드(6)의 이동 방향에서의 위치 정보를 포함하는 신호)을 제어부(300)에 출력한다. 제어부(300)에 의해, 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 취득하고, 이 위치 정보에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 위치를 조정한다. 이에 의해, 제어부(300)는, 피스톤 로드(6)의 이동 방향에서의 위치가, 목표로 하는 피스톤 로드(6)의 위치와 맞는지를 감시하여, 피스톤 로드(6)의 이동 방향에서의 위치를 정확하게 조정할 수 있다. 또한, 피스톤 로드(6)의 위치를 정확하게 파악함으로써, 유압부(8)의 플런저 펌프(8c) 및 릴리프 밸브(8f)를 구동시키는 횟수를 감소시킬 수 있다.

또한, 제어부(300)가 통내압 센서로부터의 신호에 기초하여 압축비를 산출함으로써, 정확한 압축비를 취득할 수 있고, 실제의 압축비에 기초하여, 보다 정확하게 피스톤 로드(6)의 위치를 조정할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 위치 검출부(400)를 마련하지 않아, 엔진 시스템(100)에 대한 가변 압축 장치의 설치가 용이해진다.

이상, 도면을 참조하면서 본 개시의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 개시의 취지로부터 벗어나지 않는 범위에 있어서 설계 요구 등에 기초하여 여러 가지 변경 가능하다.

상기 실시형태에서는, 위치 검출부(400)는, 자기 센서(410) 및 자성 부재(424)를 마련하고 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 위치 검출부(400)는, 정전 용량 센서에 의해 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력해도 된다. 또한, 위치 검출부(400)는, 다른 비접촉형 변위 센서를 구비하고 있어도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는, 통신부(430)는, 무선 통신에 의해 송신하는 것으로 하였지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 통신부(430)는, 유선에 의해 제어부(300)와 접속되어도 된다.

상기 실시형태에서는, 유압을 이용하여 피스톤 로드(6)를 이동시켜, 압축비를 변경시키는 구성을 채용하였다. 그러나, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 작동유 이외의 유체의 압력에 의해 피스톤 로드(6)를 이동시키는 구성을 포함한다.

또한, 위치 검출부(400)는, 펄스 위치 센서로서, 로드(421) 및 자성 부재(424) 대신에, 광학식 또는 초음파식의 펄스형 변위 센서의 펄스 발신부를 갖는 로드가 마련되고, 자기 센서(410) 대신에 상기 펄스의 수신부가 덮개 부재(7c)에 마련되어 있어도 된다. 또한, 위치 검출부(400)는, 로드(421)에 마련되는 레이저 발생기 및 레이저 수신부에 의해, 레이저를 이용하여 위치를 검출해도 된다.

본 개시에 의하면, 엔진의 피스톤 로드의 위치를 제어하는 제어 장치에 있어서, 정확하게 압축비를 조정할 수 있다.

1 엔진
2 가구
3 실린더부
3a 실린더 라이너
3b 실린더 헤드
3c 실린더 자켓
4 피스톤
5 배기 밸브 유닛
5a 배기 밸브
5b 배기 밸브 케이싱
5c 배기 밸브 구동부
6 피스톤 로드
7 크로스 헤드
7a 크로스 헤드 핀
7b 가이드 슈
7c 덮개 부재
8 유압부(승압 기구)
8a 공급 펌프
8b 요동관
8c 플런저 펌프
8c1 플런저
8c2 실린더
8c3 플런저 구동부
8d 제1 체크 밸브
8e 제2 체크 밸브
8f 릴리프 밸브
8f1 본체부
8f2 릴리프 밸브 구동부
8g 승압 펌프
9 연접봉
10 크랭크각 센서
11 크랭크축
12 소기 탱크부
13 배기 탱크부
14 공기 냉각기
100 엔진 시스템
200 과급기
300 제어부
400 위치 검출부(검출부)
410 자기 센서(센서부)
420 로드부
421 로드
422 보유지지부
423 바이어스 스프링
424 자성 부재
430 통신부(정보 송신부)
H 배기 포트
O 출구 구멍
R1 연소실
R2 소기실
R3 유압실(유체실)
R4 공급 유로
R5 릴리프 유로
R6 보조 유로
S 소기 포트
ε 압축비

Claims

엔진의 연소실에서의 압축비를 변경하는 가변 압축 장치로서,
피스톤 로드와,
승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 상기 피스톤 로드가 압축비를 높이는 방향으로 이동시키는 유체실과,
상기 작동 유체를 승압하여 상기 유체실에 공급하는 승압 기구와,
상기 피스톤 로드에 대해 적어도 일부가 배치되고, 상기 피스톤 로드의 위치의 변위를 검출하여, 상기 피스톤 로드의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하는 검출부와,
상기 위치 정보에 기초하여 상기 승압 기구를 제어하는 제어부를 구비하는 가변 압축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 검출부는, 로드와, 상기 로드와 상기 피스톤 로드의 하단부에 마련되는 굵은 직경부의 사이에 마련되는 바이어스부와, 상기 로드의 이동을 비접촉으로 검출하는 센서부를 가지며,
상기 로드는, 상기 바이어스부에 의해 상기 굵은 직경부에 눌려붙여져 있는 가변 압축 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 로드는, 상기 피스톤 로드의 이동 방향을 따라 배치되는 가변 압축 장치.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 검출부는, 상기 로드에 마련되는 자성 부재를 가지며,
상기 센서부는, 자계의 변화를 검출하는 자기 센서인 가변 압축 장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출부로부터 취득한 상기 위치 정보를 상기 제어부에 송신하도록 구성되는 정보 송신부를 더 구비하는 가변 압축 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 가변 압축 장치를 갖는 엔진 시스템.
작동 유체를 유체실에 공급함으로써 엔진의 연소실에서의 압축비를 높이는 방향으로 피스톤 로드를 이동시키는 피스톤 로드 위치 조정 방법으로서,
상기 피스톤 로드의 위치 정보를 취득하는 위치 취득 공정과,
상기 위치 정보에 기초하여 상기 작동 유체의 공급 압력을 조정하는 압력 조정 공정을 갖는 피스톤 로드 위치 조정 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 위치 취득 공정은, 상기 연소실의 상사점에서의 통내압(筒內壓)과 상기 연소실의 하사점에서의 통내압에 기초하여 상기 피스톤 로드의 위치를 산출하는 피스톤 로드 위치 조정 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 위치 취득 공정은, 상기 피스톤 로드에 마련된 검출부로부터 취득한 상기 위치 정보를 포함하는 신호에 기초하여, 상기 피스톤 로드의 위치 정보를 취득하는 피스톤 로드 위치 조정 방법.