KR100420588B1 - 대형 선박용 윤활유 분사노즐 및 윤활유 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 선박용 엔진에서 실린더 라이너와 피스톤 링 사이에 균일하게 유막을 형성할 수 있도록 고안한 윤활유 분사노즐 및 윤활유 공급시스템에 관한 것이다.

본 발명은 고속으로 윤활유의 액주를 실린더벽면으로 분사하여 균일한 윤활유의 막을 형성할 수 있는 분사노즐 및 그 분사 노즐을 배치하는 시스템을 제공함으로서 실린더 라이너의 마모량을 줄이고 윤활유의 공급량을 최소화하는 데 그 목적이 있는 것이다.

Description

대형 선박용 윤활유 분사노즐 및 윤활유 공급 시스템 {Cylinder Oil Injection Nozzle and Cylinder lubrication system for marine diesel Engine}

본 발명은 대형 선박용 엔진에서 실린더 라이너와 피스톤 링 사이에 균일하게 유막을 형성할 수 있도록 고안한 윤활유 분사노즐 및 윤활유 공급시스템에 관한 것이다.

대형 선박용 엔진에서는 실린더와 피스톤 사이의 고체 마찰에 의한 마모를 줄이기 위하여 실린더와 피스톤 링 사이에 일정한 유막을 형성시키기 위한 윤활유의 공급이 필요하다. 현재 대형 선박용 엔진에서 사용되고 있는 윤활유 공급방식은 , 피스톤 링과 실린더 라이너 사이에 윤활 펌프에 의해 직접 윤활유를 강제 주입하는 시스템이거나 실린더내의 압력과 윤활유 공급 시스템의 압력 차이에 의해 분사되는 차압 시스템이다.

도1은 종래의 윤활유 공급시스템을 나타낸 것이다.

종래의 기술은 도 1에서 도시한 바와 같이, 실린더 블럭내 라이너(2)의 벽면에 윤활유 공급홈(3)을 파되, 나성형 등 일정한 형태로 실린더 라이너(2) 원주 면을 따라 형성하고, 윤활유 공급은 상기 공급홈(3)의 꼭지점(4) 상에서 노즐을 통하여 공급되며, 상기 투입된 윤활유는 피스톤(1)의 상하왕복운동으로 윤활유가 공급되는 방법을 사용하였다.

그러나, 상기 시스템은 대형 내연기관에서 사용되는 반고체형 윤활유인 그리스와 같은 점도가 높은 윤활유의 경우, 확산속도가 느려 마찰 면에 전반적으로 공급되기 어렵다.그리고, 상기 윤활유 분사를 위한 펌프를 엔진의 부하 및 회전수의 변화에 따라 제어되도록 하고, 부하에 따라서는 부하 상승 과정에서 사전 세팅된 값 이상이 될 경우 세팅된 일정 시간동안 유량을 5단계로 증가시켜 공급하고 있으나, 단순 역지 밸브에 의해 저압에서 윤활유를 공급하므로 분사 시간이 길어져서 원활한 윤활이 이루어지도록 하기 위해서는 엔진의 운전상태와 관계없이 피스톤의 상/하단 부위에서 항상 일정량의 실린더유가 계속 주유되어야 한다.더욱이 실린더의 마모 량을 줄이기 위해서는 윤활유의 분사시간을 길게 투입해야 하기 때문에, 필요 이상으로 과다한 윤활유가 소비되고 있는 실정이다. 이러한 윤활유의 과다소비에 의한 비용이 총 실린더 안전 유지비용에 달한다는 보고가 나오고 있으며, 선박 엔진이 대형화 될수록 윤활유가 과다 소비되는 현상이 더욱 심각하여, 적정 윤활유 공급시스템의 개발이 시급한 실정이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고속으로 윤활유의 액주를 실린더 벽면으로 분사하여 균일한 윤활유의 막을 형성할 수 있는 분사노즐 및 그 분사 노즐을 배치하는 시스템을 제공함으로서 실린더 라이너의 마모 량을 줄이고 윤활유의 공급량을 최소화하는 데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 종래의 대형 선박용 윤활유 공급시스템을 나타낸 모식도

도 2의 (가)(나)(다)는 본 발명에 따른 윤활유 분사노즐을 나타낸 상세단면도

도 3의 (가)는 본 발명에 따른 윤활유 공급시스템의 단면도이고, (나) 본 발명에 따른 윤활유 공급시스템의 확대 단면도

(도면의 상세한 설명)

1: 피스톤

2: 실린더라이너

3: 윤활유 공급홈

4: 꼭지점

100: 윤활유 분사노즐

110: 배럴

120: 니들

130: 팁

131: 오리피스 정관

140: 윤활유 공급 관

150: 스프링

210: 라이너

211: 라이너 접합면

212: 절입부

220: 실린더 블럭

230: 윤활유

이하, 본 발명을 도면을 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2의 각각의 도면은 본 발명에 따른 윤활유 분사 노즐을 나타낸 것이다.

도 2의 (가)는 본 발명에 의한 분사 노즐의 구성을 나타낸 개략도이며, 분사 노즐의 간단한 구성 및 윤활유 공급 시스템에서 분사 노즐의 기능을 설명한다.

상기 윤활유 분사 노즐(100)은 배럴(110)의 내부에 스프링과 상기 스프링에 의하여 전/후진하는 니들(120)을 설치하고, 배럴(110)의 선단에는 노즐팁(130)을 배치하며, 배럴(110)에는 니들(120)의 전/후진을 위한 유압형성용 윤활유 주입관(140)을 형성하고, 상기 노즐팁(130) 일측부분에 윤활유를 분사하는 오리피스 정관(131)을 2개 형성한 것이다.한편, 상기 각각의 오리피스 정관은 배럴 축의 수직선에 대하여 서로 다른 예각을 갖도록 함과 아울러 배럴의 축방향으로 이격되도록 형성한다.

상기 윤활유 분사 노즐은 압축 스프링(150)의 탄성력에 의해 평상시 니들이 닫혀 있는 상태에서 주유 펌프에 의하여 배관 내 유압이 니들 개변압(opening pressure)보다 높게 되면 윤활유가 실린더 내로 주입되는 방식으로 윤활유를 공급한다.

이러한 방식을 선택한 이유는 일반적으로 솔레노이드를 사용하여 개폐를 제어하는 전자 유압식보다 구조가 간단하고, 전체 윤활 시스템의 고장 발생 율을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 유지, 보수가 비교적 쉽기 때문이다.

노즐에 의하여 공급되는 유량은 적용할 각 엔진의 출력에 따라 변하며, 일반적으로 평균 분사 량은 노즐의 형상 변화 및 주유 펌프 특성과의 관계에서 변화된다. 또한 유량 특성은 주유 펌프의 캠축 회전각도 당 주입된 윤활유의 량으로 표시되며 이는 윤활 효율을 극대화하는 요소 중 하나이다.

상기 압축 스프링(150)의 상수는 노즐 응답성 및 유량 특성에 큰 영향을 미치게된다. 만약 스프링(150) 힘이 유압에 비하여 너무 큰 값을 가지면 분사 시점 및 상승 시간이 늦춰질 뿐만 아니라 같은 주입 량에 대해 주입 시간이 상대적으로 적어 원활한 윤활을 기대할 수 없고 반대로 스프링 힘이 너무 적으면 분사 기간이 상대적으로 길어져 원활한 윤활을 기대할 수 없다.

일반적으로 압축 스프링(150)의 힘은 정지된 상태에서 니들(120) 위에 작용하는 힘의 평형 관계에 정지 상태 조건을 대입하면 수학식 1과 같이 스프링의 초기 장력을 구할 수 있다.

상기 수학식 1에서 여기서Po, Pс는 각각 분사개시 압력 및 연소실 압력을 나타내고, D는 니들의 최대직경, d는 니들의 시트 접촉 직경을 나타낸다.

한편 ,도 2의 (나)(다)는 본 발명에 의한 팁의 정면도 및 측면도를 각각 나타낸다.

분사노즐은 윤활유 분출구멍을 개폐시키는 니들 밸브를 설치하여 필요시에만 분공이 열리도록 되어 있으며, 니들 밸브의 끝 부분인 팁(TIP)의 형태에 따라서 구멍형 노즐, 핀틀형 노즐, 스토를형으로 구분된다.

본 발명은 상기 구분 중 구멍형 노즐에 해당된다고 할 수 있으며, 노즐의 팁(130)부분은 짧은 시간 내에 실린더 벽면에 유막을 형성 할 수 있도록 두개의 오리피스(orifice)가 축간격(b) 및 반경간격(c)으로 각각 형성되어 있다 .이때 축 간격과 반경간격은 각각 5mm이내로 가까울수록 좋다.

노즐의 팁(130)은 볼록하게 되어 있고 , 2개의 오리피스 정관(131)이 형성되어 있다. 상기 팁의 볼록한 부분에 윤활유의 분사 각이 상향으로 유지 될 수 있도록 분사각 a° , a'°를 가지도록 하며, 이때 분사각 a°, a'°는 2°~ 6°정도가 바람직하다.

또한 상기 노즐의 오리피스 정관(131)의 직경은 수학식 2와 같이 펌프의 오일 이송 압력, 연소실 압력, 니들 형상 및 양정 등을 포함하는 식으로 표시할 수 있다. 여기서, 양정이란 상기노즐의 니들 리프트이다. 그리고, 수학식 2에서 X는 니들 리프트이고,k _s X는 스프링상수, D는 니들의 최대직경, d는 시트 접촉 직경, Q는 체적유량, μ는 유량계수, A는 오리피스 단면적, Po 는 개변압, θ는 니들 원추 각, Pc는 연소 실 압력이다.

상기 윤활유 주입관(140)을 통하여 공급된 윤활유는 팁의 오리피스정관(131)을 통하여 라이너(210) 표면에 분사되어 유막을 형성한다.

실린더 내에 유막을 형성시키면 오일 소비량이 기존 방식에 비하여 크게 절감될 수 있기 때문에, 효과적으로 실린더 내에 적정량의 유막을 형성할 수 있어야 한다. 유막 두께는 평균 주입 량 및 간격 길이 및 각도의 상관 함수이다. 일반적으로 원활한 윤활을 위하여 필요한 최소 유막의 두께는 1.25㎛이지만 엔진속도가 저속일수록 마찰력이 증가하기 때문에 엔진속도에 따라 형성되는 유막 두께가 두꺼워져야 한다.

본 발명에 의한 윤활유 공급시스템은 도 3을 들어 설명하면 다음과 같다.

도 3의 (가)는 본 발명에 따른 윤활유공급시스템에 있어 분사노즐의 배치와 윤활유 분사를 나타낸 것이다.

윤활유를 공급하는 분사 노즐은 실린더 내부의 라이너(210)에 원주를 따라 일정 간격으로 배치한다. 이때 배치되는 분사노즐의 수 및 간격은 엔진의 크기 즉 실린더 직경에 의하여 결정된다.

분사된 윤활유의 입자가 윤활 막을 형성할 때까지 진행할 수 있는 힘을 관통도 또는 윤활유 입자의 도달거리라 하며, 상기 관통도를 구성하는 인자로는 윤활유의 점도, 입자의 크기, 노즐의 직경, 분사 각, 분사 압력, 스프링 상수가 있다.

각 노즐의 2개의 오리피스 정관(131)에서 분출되는 윤활유의 도달거리는 다음과 같다. 즉, 노즐팁 일측 부분에 위치한 오리피스 정관(131)중 하나의 오리피스정관에서 분출되는 윤활유는 해당노즐의 우측으로 첫 번째 노즐까지 분사되고, 또 다른 하나의 오리피스 정관에서 분출되는 윤활유는 해당노즐의 우측으로 첫 번째와두 번째 노즐사이에 분사된다.

이로서, 실린더 라이너에 장착된 한 개의 분사노즐에 고장이 발생되어 윤활유를 분사할 수 없는 상태이더라도 윤활 막을 형성할 수 있다.

도 3의 (나)는 분사노즐의 배치에 있어 팁과 실린더 라이너 부분의 접합면을 나타낸 부분 확대 도이다.

상기 분사노즐의 팁(130)은 라이너(210)와 라이너 접합면(211)에서 윤활유(230) 분사 방향으로 절입을 하여 장착하게 된다. 이를 위해 라이너 접합면(211)에는 분사노즐의 팁에서 윤활유가 분사 각 방향으로 분사될 수 있도록 적정 각의 절입부(212)를 구비한다. 상기 절입부는 경사각(d)을 지도록 형성되어 있다.

이에 따라, 상기 오리피스 정관(131)에서 분사된 윤활유는 라이너 표면에 분사가 되며, 오리피스 정관(131)에서 분사된 윤활유(230)가 실린더 라이닝(210)의 벽면과 충돌 없이 유막을 형성하게 된다.

본 발명은 최적 량의 윤활유를 실린더의 벽면에 고속으로 부딪쳐 벽면을 따라 균일한 유막을 형성시킴으로서, 윤활유의 소모량을 크게 줄이고 실린더의 마모특성을 개선하였다.

현재 상용화되고 있는 윤활 장치의 경우 소비유량은 1.2g/HP.h이지만 , 본 발명에 의한 윤활유 공급시스템에서는 그 소모량을 약 30%- 50%까지 절감할 수 있어,1일 14드럼의 윤활유를 소모하고 있는 대형 콘테이너 선박의 경우 척 당 연간 약 2억원의 경비를 절감할 수 있다.

Claims (2)

1. 대형 선박용 윤활유 분사노즐에 있어서;

   배럴의 내부에 스프링과 상기 스프링에 의하여 전/후진하는 니들을 설치하고, 배럴의 선단에는 노즐팁을 배치하며, 배럴에는 니들의 전/후진을 위한 유압형성용 윤활유 주입관을 형성하고, 상기 노즐팁 일측부분에 윤활유를 분사하는 오리피스 정관을 2개 형성하되, 상기 각각의 오리피스 정관은 배럴 축의 수직선에 대하여 서로 다른 예각을 갖도록 함과 아울러 배럴의 축방향으로 이격되도록 상향으로 두는 것을 특징으로 하여 각 오리피스 정관으로부터 분사되는 윤활유가 다른 위치에 분사되도록 하는 윤활유 분사노즐.
2. 제 1항의 분사노즐을 배치하여 윤활유 공급시스템을 구성하는데 있어서, 실린더 라이너의 원주를 따라 일정간격으로 상기 노즐을 장착하되, 실린더 라이너와 노즐팁 접합면에 윤활유 분사각 방향으로 절입각을 두는 것을 특징으로 하는 윤활유 공급시스템.