KR101799956B1 - 엔진 - Google Patents

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KR101799956B1
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다케시 야마다
요시유키 우메모토
마치코 고바야시
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

엔진은 제1 부재(피스톤 로드(112a)) 및 제2 부재(크로스 헤드 핀(114a))과, 제1 부재 및 제2 부재의 양 대향부 사이에 형성되는 제1 유압실(168a)과, 유압 조정 기구(196)를 구비하고, 유압 조정 기구는 펌프 실린더(182a)와 플런저(182b)를 가지며, 플런저가 펌프 실린더 내부로 압입됨으로써, 펌프 실린더 내의 작동유를 제1 유압실로 공급하는 플런저 펌프(182)를 구비하고, 플런저 펌프는 피스톤 및 동력 전달부와 함께 스트로크 방향으로 이동하고, 피스톤 및 동력 전달부의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 플런저가 펌프 실린더 내부로 압입된다.

Description

엔진{Engine}
본 발명은 유압에 의해 상사점의 위치를 조정하여 압축비를 가변으로 하는 엔진에 관한 것이다.
본원은 2014년 1월 20일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 2014-008103호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
선박용 엔진에 많이 채용되고 있는 엔진에서는 피스톤의 피스톤 로드 단부에 크로스 헤드가 마련되어 있다. 연결봉(커넥팅 로드)은 크로스 헤드와 크랭크 샤프트를 연결하고 있고, 크로스 헤드의 왕복 운동이 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환된다.
특허문헌 1의 엔진은, 이러한 크로스 헤드형 엔진으로서, 피스톤 헤드 내에 2개의 유압실이 마련된다. 일측의 유압실에 유압이 작용하면, 피스톤 헤드와 피스톤 로드의 연결 부분이 연신된다. 타측의 유압실에 유압이 작용하면 연결 부분이 단축된다. 그리고, 유압 펌프에 의해 승압된 작동유를 2개의 유압실 중 어디에 작용시키는지에 의해, 피스톤의 길이를 가변으로 하고 있다.
[특허문헌 1] 일본공고특허 소63-52221호 공보
피스톤 헤드와 피스톤 로드에는, 연소실에서의 연소압 등에 의해 압축 하중이 작용한다. 그 때문에, 엔진의 압축비를 유압에 의해 가변으로 하는 경우, 상술한 특허 문헌 1에 기재된 엔진에서는, 압축 하중에 저항하여 작동유를 압입할 수 있도록 되어 있고, 요구되는 유압 펌프의 출력이 과대가 되어 버린다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 고출력의 유압 펌프 없이도 작동유를 승압하여 압축비를 변경할 수 있는 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 엔진은, 실린더와, 실린더 내부를 왕복 이동하는 피스톤과, 피스톤의 왕복 이동에 연동하여 회전하는 크랭크 샤프트와, 피스톤의 왕복 동력을 크랭크 샤프트에 전달하는 동력 전달부와, 피스톤 또는 동력 전달부를 구성하고, 피스톤의 스트로크 방향으로 서로의 대향부를 대향시킴과 아울러, 이들 대향부간의 스트로크 방향의 거리에 따라 피스톤 또는 동력 전달부의 스트로크 방향의 전체 길이를 가변으로 하는 제1 부재 및 제2 부재와, 제1 부재 및 제2 부재의 양 대향부 사이에 형성되는 유압실과, 유압실로 작동유를 공급하거나, 또는 유압실로부터 작동유를 배출함으로써, 제1 부재 및 제2 부재의 양 대향부간의 거리를 변경하는 유압 조정 기구를 구비하고, 유압 조정 기구가, 내부로 작동유가 인도되는 펌프 실린더와, 펌프 실린더 내부를 스트로크 방향으로 이동시킴과 아울러 일단이 펌프 실린더로부터 돌출되는 플런저를 가지며, 플런저가 펌프 실린더 내부로 압입됨으로써, 펌프 실린더 내의 작동유를 유압실로 공급하는 플런저 펌프를 구비하며, 플런저 펌프가 피스톤 및 동력 전달부와 함께 스트로크 방향으로 이동하고, 피스톤 및 동력 전달부의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 플런저가 펌프 실린더 내부로 압입된다.
유압 조정 기구가, 플런저 펌프의 스트로크 방향의 이동에 수반하여 플런저에 접촉하는 제1 캠 플레이트와, 제1 캠 플레이트를 이동시키고, 제 1 캠 플레이트의 자세 또는 플런저에 대한 상대 위치를 변화시키는 제1 액튜에이터를 더 구비하고, 플런저는 제1 캠 플레이트의 자세 또는 상대 위치에 따라 제1 캠 플레이트와의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화됨과 아울러, 접촉 위치에 의해 펌프 실린더에 대한 최대 압입량이 설정될 수도 있다.
제1 캠 플레이트가 플런저의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며, 제1 액튜에이터가 제1 캠 플레이트를 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시킬 수도 있다.
유압 조정 기구가, 유압실로부터 배출된 작동유가 유통되는 내부 유로가 형성된 본체와, 내부 유로를 스트로크 방향으로 이동하여 내부 유로를 폐색하는 폐색 위치와 내부 유로에서의 작동유의 유통을 가능하게 하는 개방 위치로 변위하는 밸브체와, 일단이 밸브체와 스트로크 방향으로 대향됨과 아울러 타단이 본체로부터 돌출되는 로드를 가지며, 로드가 본체 내부로 압입됨으로써, 밸브체가 로드에 압압되어 개방 위치로 변위되는 스필 밸브를 더 구비하고, 스필 밸브는 피스톤 및 동력 전달부와 함께 스트로크 방향으로 이동하고, 피스톤 및 동력 전달부의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 로드가 본체 내부로 압입될 수도 있다.
유압 조정 기구가, 스필 밸브의 스트로크 방향의 이동에 수반하여 로드에 접촉하는 제2 캠 플레이트와, 제2 캠 플레이트를 이동시키고, 제 2 캠 플레이트의 자세 또는 로드에 대한 상대 위치를 변화시키는 제2 액튜에이터를 더 구비하며, 로드는 제2 캠 플레이트의 자세 또는 상대 위치에 따라 제2 캠 플레이트와의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화됨과 아울러, 접촉 위치에 의해 스필 밸브에 대한 최대 압입량이 설정될 수도 있다.
제2 캠 플레이트가 로드의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며, 제2 액튜에이터가 제2 캠 플레이트를 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시킬 수도 있다.
본 발명의 엔진에 의하면, 고출력의 유압 펌프 없이도, 작동유를 승압하여 압축비를 변경할 수 있게 된다.
도 1은 유니플로 소기식 2사이클 엔진의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2a는 피스톤 로드와 크로스 헤드 핀과의 연결 부분을 설명하기 위한 도 1의 일점쇄선으로 둘러싸인 부분의 확대도이다.
도 2b는 도 2a의 II-II선을 따른 단면도이다.
도 3a는 피스톤 로드와 크로스 헤드 핀의 상대적인 위치의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 피스톤 로드와 크로스 헤드 핀의 상대적인 위치의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 플런저 펌프 및 스필 밸브의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 유압 조정 기구의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 플런저 펌프의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 플런저 펌프의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 스필 밸브의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 스필 밸브의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8c는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8d는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 크랭크각과 플런저 펌프 및 스필 밸브의 동작 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 이러한 실시 형태에 나타내는 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하며, 특별하게 언급하는 경우를 제외하고, 본 발명을 한정하지 않는다. 또한 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 갖는 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략하고, 또한 본 발명에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.
이하의 실시 형태에서는 기체 연료인 연료 가스를 주로 연소시키는 가스 운전 모드와, 액체 연료인 연료유를 연소시키는 디젤 운전 모드 중 어느 하나의 운전 모드를 선택적으로 실행할 수 있는 이른바 듀얼 퓨얼형(dual-fuel) 엔진에 대해 설명한다. 또한, 1주기가 2사이클(2스트로크)이며, 실린더 내부를 가스가 일방향으로 흐르는 유니플로 소기식인 경우에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명이 적용되는 엔진의 종류는, 듀얼 퓨얼형, 2사이클형, 유니플로 소기식, 크로스 헤드형에 한정되지 않고, 왕복 기관이기만 하면 된다.
도 1은, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)(크로스 헤드형 엔진)의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은, 예컨대 선박 등에 이용된다. 구체적으로, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 실린더(110), 피스톤(112), 크로스 헤드(114), 연결봉(116), 크랭크 샤프트(118), 배기 포트(120), 배기 밸브(122), 소기 포트(124), 소기 탱크(126), 냉각기(128), 소기실(130), 및 연소실(132)을 포함하여 구성된다.
유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에서는 피스톤(112)의 상승 행정 및 하강 행정의 2행정 동안에, 배기, 흡기, 압축, 연소, 팽창이 행해지고, 피스톤(112)이 실린더(110) 내부를 왕복 이동한다. 피스톤(112)에는 피스톤 로드(112a)의 일단이 고정되어 있다. 또한, 피스톤 로드(112a)의 타단에는 크로스 헤드(114)에 있어서의 크로스 헤드 핀(114a)이 연결되어 있고, 크로스 헤드(114)는 피스톤(112)과 함께 왕복 이동한다. 크로스 헤드(114)는 크로스 헤드 슈(114b)에 의해 피스톤(112)의 스트로크 방향에 수직인 방향(도 1에서 좌우 방향)의 이동이 규제되어 있다.
크로스 헤드 핀(114a)은 연결봉(116)의 일단에 마련된 구멍에 삽입 통과되어 있고, 연결봉(116)의 일단을 지지하고 있다. 또한, 연결봉(116)의 타단은 크랭크 샤프트(118)에 연결되고, 연결봉(116)에 대해 크랭크 샤프트(118)가 회전하는 구조로 되어 있다. 그 결과, 피스톤(112)의 왕복 이동에 수반하여 크로스 헤드(114)가 왕복 이동하면, 그 왕복 이동에 연동하여 크랭크 샤프트(118)가 회전한다.
여기서, 피스톤 로드(112a), 크로스 헤드(114)(크로스 헤드 핀(114a)), 연결봉(116)은 피스톤(112)의 왕복 동력을 크랭크 샤프트(118)에 전달하는 동력 전달부로서 기능한다.
배기 포트(120)는 피스톤(112)의 상사점보다 상방의 실린더 헤드(110a)에 마련된 개구부이고, 실린더(110) 내에서 발생한 연소 후의 배기 가스를 배기하기 위해 개폐된다. 배기 밸브(122)는 배기 밸브 구동 장치(미도시)에 의해 소정의 타이밍으로 상하 슬라이딩되어, 배기 포트(120)를 개폐한다. 이와 같이 하여 배기 포트(120)를 통해 배기된 배기 가스는 배기관(120a)을 통해 과급기(C)의 터빈측에 공급된 후, 외부로 배기된다.
소기 포트(124)는 실린더(110) 하단측의 내주면(실린더 라이너(110b)의 내주면)으로부터 외주면까지 관통하는 구멍이고, 실린더(110)의 전체 둘레에 걸쳐 복수개 마련되어 있다. 그리고, 소기 포트(124)로부터 피스톤(112)의 슬라이딩 동작에 따라 실린더(110) 내로 활성 가스가 흡입된다. 이러한 활성 가스는 산소, 오존 등의 산화제, 또는 그 혼합기(예컨대 공기)를 포함한다.
소기 탱크(126)에는 과급기(C)의 컴프레서에 의해 가압된 활성 가스(예컨대 공기)가 봉입되어 있고, 냉각기(128)에 의해 활성 가스가 냉각되어 있다. 냉각된 활성 가스는 실린더 쟈켓(110c) 내에 형성된 소기실(130)로 압입된다. 그리고, 소기실(130)과 실린더(110) 내부의 차압(差壓)에 의해 소기 포트(124)로부터 실린더(110) 내부로 활성 가스가 흡입된다.
또한, 실린더 헤드(110a)에는 파일럿 분사 밸브(미도시)가 마련된다. 가스 운전 모드에서는, 엔진 사이클에서의 원하는 시점에서 적당량의 연료유가 파일럿 분사 밸브로부터 분사된다. 이러한 연료유는 실린더 헤드(110a)와, 실린더 라이너(110b)와, 피스톤(112)에 둘러싸인 연소실(132)의 열에 의해 기화하여 연료 가스가 됨과 아울러 자연 착화되고, 단시간에 연소하여 연소실(132)의 온도를 매우 높인다. 그 결과, 실린더(110)로 유입된 연료 가스를 원하는 타이밍에 확실하게 연소할 수 있다. 피스톤(112)은 주로 연료 가스의 연소에 의한 팽창압에 의해 왕복 이동한다.
여기서, 연료 가스는, 예컨대, LNG(액화 천연 가스)를 가스화하여 생성된다. 또한, 연료 가스는 LNG에 한정하지 않고, 예컨대, LPG(액화 석유 가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.
한편, 디젤 운전 모드에서는, 가스 운전 모드에서의 연료유의 분사량보다 다량의 연료유가 파일럿 분사 밸브로부터 분사된다. 피스톤(112)은 연료 가스가 아닌, 연료유의 연소에 의한 팽창압에 의해 왕복 이동한다.
이와 같이, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 가스 운전 모드와 디젤 운전 모드 중 어느 하나의 운전 모드를 선택적으로 실행한다. 그리고, 각각의 선택 모드에 따라 피스톤(112)의 압축비를 가변으로 하기 위해, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)에는 가변 기구가 마련되어 있다. 이하, 가변 기구에 대해 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)와의 연결 부분을 설명하기 위한 도면이고, 도 2a에는 도 1의 일점쇄선 부분을 추출한 확대도를 나타내고, 도 2b에는 도 2a의 II(b)?II(b)선을 따른 단면을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 크로스 헤드 핀(114a)에는 피스톤 로드(112a)의 타단이 삽입된다. 구체적으로, 크로스 헤드 핀(114a)에는 크로스 헤드 핀(114a)의 축방향(도 2b에서 좌우 방향)으로 수직으로 연장되는 연결공(160)이 형성되어 있다. 이 연결공(160)은 유압실로 되어 있고, 이 유압실에 피스톤 로드(112a)의 타단(단부)이 삽입(진입)되어 있다. 이와 같이, 연결공(160)에 피스톤 로드(112a)의 타단이 삽입됨으로써, 크로스 헤드 핀(114a)과, 피스톤 로드(112a)가 연결된다.
보다 상세하게는, 피스톤 로드(112a)에는 피스톤 로드(112a)의 외경이 일단측보다 큰 대직경부(162a)와, 대직경부(162a)보다 타단측에 위치하고, 대직경부(162a)보다 외경이 작은 소직경부(162b)가 형성되어 있다.
그리고, 연결공(160)은 피스톤(112)측에 위치하는 대직경 구멍부(164a)와, 대직경 구멍부(164a)에 대해 연결봉(116)측에 대직경 구멍부(164a)와 연속하여 형성되고, 대직경 구멍부(164a)보다 내경이 작은 소직경 구멍부(164b)를 가지고 있다.
피스톤 로드(112a)의 소직경부(162b)는 연결공(160)의 소직경 구멍부(164b)에 삽입 가능하고, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)는 연결공(160)의 대직경 구멍부(164a)에 삽입 가능한 치수로 되어 있다. 소직경 구멍부(164b)의 내주면에는 O링으로 구성되는 제1 실링 부재(O1)가 배치된다.
피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)보다 피스톤 로드(112a)의 일단측에는 연결공(160)보다 외경이 큰 고정 덮개(166)가 고정되어 있다. 고정 덮개(166)는 환상 부재로서, 피스톤 로드(112a)가 피스톤 로드(112a)의 일단측으로부터 삽입 통과되어 있다. 피스톤 로드(112a)가 삽입 통과되는 고정 덮개(166)의 내주면에는 O링으로 구성되는 제2 실링 부재(O2)가 배치된다.
크로스 헤드 핀(114a)의 피스톤(112)측을 향하는 외주면에는 크로스 헤드 핀(114a)의 직경 방향으로 오목한 오목부(114c)가 형성되어 있고, 이 오목부(114c)에 고정 덮개(166)가 접촉한다.
또한, 크로스 헤드 핀(114a)의 내부 중 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 연결부에는 제1 유압실(168a)(유압실) 및 제2 유압실(168b)이 형성되어 있다.
제1 유압실(168a)은 대직경부(162a)와 소직경부(162b)의 외경차에 의한 단차면과, 대직경 구멍부(164a)의 내주면과, 대직경 구멍부(164a)와 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면에 의해 둘러싸인 공간이다.
여기서, 피스톤 로드(112a) 및 크로스 헤드 핀(114a)은 동력 전달부를 구성하고, 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 서로의 대향부를 대향시키는 제1 부재와 제2 부재이다. 구체적으로, 피스톤 로드(112a)의 대향부는 대직경부(162a)와 소직경부(162b)의 외경차에 의한 단차면이다. 또한, 크로스 헤드 핀(114a)의 대향부는 대직경 구멍부(164a)와 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면이다.
제2 유압실(168b)은 대직경부(162a) 중 피스톤 로드(112a)의 일단측 단면과, 대직경 구멍부(164a)의 내주면과, 고정 덮개(166)에 의해 둘러싸인 공간이다. 즉, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)에 의해 대직경 구멍부(164a)가 피스톤 로드(112a)의 일단측과 타단측으로 구획된다. 그리고, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)보다 타단측에 구획된 대직경 구멍부(164a)에 의해 제1 유압실(168a)이 형성되고, 피스톤 로드(112a)의 대직경부(162a)보다 일단측에 구획된 대직경 구멍부(164a)에 의해 제2 유압실(168b)이 형성되어 있다.
제1 유압실(168a)에는 공급 유로(170a) 및 배유로(oil-drain passage)(170b)가 연통되어 있다. 공급 유로(170a)는 일단이 대직경 구멍부(164a)의 내주면(대직경 구멍부(164a)와 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면)에 개구되고, 타단이 후술하는 플런저 펌프에 연통되어 있다. 배유로(170b)는 일단이 대직경 구멍부(164a)와 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면에 개구되고, 타단이 후술하는 스필 밸브에 연통되어 있다.
제2 유압실(168b)에는 고정 덮개(166)의 내벽면으로 개구되는 보조 유로(170c)가 연통되어 있다. 보조 유로(170c)는 고정 덮개(166)와 크로스 헤드 핀(114a)과의 접촉 부분을 통해 크로스 헤드 핀(114a)의 내부를 지나 유압 펌프에 연통되어 있다.
도 3a 및 도 3b는, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치 변화를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3a에서는 피스톤 로드(112a)가 연결공(160)에 얕게 진입한 상태를 나타내고, 도 3b에서는 피스톤 로드(112a)가 연결공(160)에 깊게 진입한 상태를 나타낸다.
제1 유압실(168a)은 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 가변으로 되어 있고, 제1 유압실(168a)에 비압축성 작동유를 공급한 상태로 제1 유압실(168a)을 밀폐하면, 작동유가 비압축성이기 때문에, 도 3a의 상태를 유지할 수 있게 되어 있다.
그리고, 스필 밸브가 개구되면, 피스톤(112)의 왕복 이동에 의한 피스톤 로드(112a) 및 크로스 헤드 핀(114a)으로부터의 압축 하중에 의해 작동유가 제1 유압실(168a)로부터 배유로(170b)를 지나 스필 밸브측으로 배출된다. 그 결과, 도 3b에 도시한 바와 같이, 제1 유압실(168a)의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 짧아진다. 한편, 제2 유압실(168b)은 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 길어진다.
이와 같이, 피스톤 로드(112a) 및 크로스 헤드 핀(114a)은 상기 대향부(대직경부(162a)와 소직경부(162b)의 외경차에 의한 단차면과, 대직경 구멍부(164a)와, 소직경 구멍부(164b)의 내경차에 의한 단차면)의 스트로크 방향의 거리에 따라 피스톤 로드(112a) 및 크로스 헤드 핀(114a)을 포함한 피스톤(112) 또는 동력 전달부의 스트로크 방향의 전체 길이를 가변으로 한다.
제1 유압실(168a) 및 제2 유압실(168b)의 피스톤(112)의 스트로크 방향의 길이가 변경된 만큼, 피스톤 로드(112a)가 크로스 헤드 핀(114a)의 연결공(160)(유압실)으로 진입하는 진입 위치(진입 깊이)가 변화된다. 이와 같이, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치를 변화시킴으로써, 피스톤(112)의 상사점 및 하사점의 위치를 가변으로 하고 있다.
그런데, 도 3b에 도시한 상태로 피스톤(112)이 상사점에 도달하였을 때, 크로스 헤드 핀(114a)의, 피스톤(112)의 스트로크 방향의 위치는 연결봉(116)에 의해 고정되어 있다. 한편, 피스톤 로드(112a)는 크로스 헤드 핀(114a)에 연결되어 있지만, 제2 유압실(168b)만큼 그 스트로크 방향으로 유격이 발생되어 있다.
그 때문에, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 회전수에 따라서는 피스톤 로드(112a)의 관성력이 커져 피스톤 로드(112a)가 피스톤(112)측으로 과도하게 이동될 가능성이 있다. 이와 같이 상사점 위치의 어긋남이 발생하지 않도록, 제2 유압실(168b)에는 보조 유로(170c)를 통해 유압 펌프로부터의 유압을 작용시켜, 스트로크 방향에 따른 피스톤 로드(112a)의 이동을 억제하고 있다.
또한, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 비교적 저속의 회전수로 이용되기 때문에, 피스톤 로드(112a)의 관성력이 작다. 따라서, 제2 유압실(168b)로 공급하는 유압이 낮더라도, 상사점 위치의 어긋남을 억제할 수 있다.
또한, 피스톤 로드(112a)에는 피스톤 로드(112a)(대직경부(162a))의 외주면으로부터 직경 방향 내측을 향하는 유로공(172)이 마련되어 있다. 또한, 크로스 헤드 핀(114a)에는 크로스 헤드 핀(114a)의 외주면측으로부터 연결공(160)(대직경 구멍부(164a))까지 관통하는 관통공(174)이 마련되어 있다. 관통공(174)은 유압 펌프와 연통되어 있다.
또한, 유로공(172)과 관통공(174)은 피스톤 로드(112a)의 직경 방향에서 대향하고 있고, 유로공(172)과 관통공(174)이 연통되어 있다. 유로공(172)의 외주면측 단부는 유로공(172)의 다른 부위보다 피스톤(112)의 스트로크 방향(도 3a 및 도 3b에서 상하 방향)의 유로폭이 넓게 형성되어 있고, 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 바뀌어도, 유로공(172)과 관통공(174)의 연통 상태가 유지된다.
피스톤 로드(112a)(대직경부(162a))의 외주면에는 유로공(172)의 외주면측 단부를 피스톤 로드(112a)의 축방향으로 사이에 두도록, O링으로 구성되는 제3 실링 부재(O3), 제4 실링 부재(O4)가 배치된다.
대직경부(162a)는 유로공(172)만큼 대직경 구멍부(164a)의 내주면에 대향하는 면적이 작아지고, 대직경 구멍부(164a)에 대해 경사지기 쉬워진다. 이에 대해, 소직경부(162b)가 소직경 구멍부(164b)에 가이드됨으로써, 피스톤 로드(112a)의 스트로크 방향에 대한 기울기가 억제되어 있다.
그리고, 피스톤 로드(112a)의 내부에는 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 연장되고, 피스톤(112) 및 피스톤 로드(112a)를 냉각하는 냉각유가 유통되는 냉각 유로(176)가 형성되어 있다. 냉각 유로(176)는 그 내부에 배치된, 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 연장되는 냉각관(178)에 의해 피스톤 로드(112a)의 직경 방향 외측의 왕로(往路; 176a)와 내측의 복로(復路; 176b)로 나뉘어져 있다. 유로공(172)은 냉각 유로(176) 중 왕로(176a)에 개구되어 있다.
유압 펌프로부터 공급된 냉각유는 관통공(174), 유로공(172)을 통해 냉각 유로(176)의 왕로(176a)로 유입된다. 왕로(176a)와 복로(176b)는 피스톤(112)의 내부에서 연통되어 있고, 왕로(176a)를 흐른 냉각유는 피스톤(112)의 내벽에 도달하면 복로(176b)를 지나 소직경부(162b)측으로 돌아온다. 냉각 유로(176)의 내벽 및 피스톤(112)의 내벽에 냉각유가 접촉함으로써, 피스톤(112)이 냉각된다.
또한, 크로스 헤드 핀(114a)에는 크로스 헤드 핀(114a)의 축방향으로 연장되는 출구공(180)이 형성되어 있고, 소직경 구멍부(164b)는 출구공(180)에 연통되어 있다. 피스톤(112)을 냉각한 후에 냉각 유로(176)로부터 소직경 구멍부(164b)로 유입된 냉각유는 출구공(180)을 지나 크로스 헤드 핀(114a)의 외부로 배출되고, 탱크로 환류된다.
제1 유압실(168a) 및 제2 유압실(168b)로 공급되는 작동유와, 냉각 유로(176)로 공급되는 냉각유는 모두 같은 탱크로 환류되어 같은 유압 펌프로 승압된다. 그 때문에, 유압을 작용시키는 작동유의 공급과, 냉각용 냉각유의 공급을 하나의 유압 펌프로 수행할 수 있어 비용을 저감할 수 있다.
피스톤(112)의 압축비를 가변으로 하는 가변 기구에는 상기 제1 유압실(168a)에 더하여, 제1 유압실(168a)의 유압을 조정하는 유압 조정 기구를 포함하여 구성된다. 이어서, 유압 조정 기구에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)의 배치를 설명하기 위한 도면이고, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100) 중 크로스 헤드(114) 근방의 외관 및 부분 단면을 나타낸다. 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)는 각각 도 4에 크로스 해칭으로 나타내는 크로스 헤드 핀(114a)에 고정되어 있다.
플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184) 각각의 하방에는 크로스 헤드(114)의 왕복 이동을 가이드하는 2개의 가이드판(186a)에 양단이 고정되고, 양 가이드판(186a)을 지지하는 기관 가교(186b)가 배치되어 있다. 기관 가교(186b)에는 제1 캠 플레이트(188) 및 제2 캠 플레이트(190)가 놓여 있고, 제1 캠 플레이트(188) 및 제2 캠 플레이트(190)는 각각 제1 액튜에이터(192) 및 제2 액튜에이터(194)에 의해, 기관 가교(186b) 상을 도 4에서 좌우 방향으로 이동 가능하게 되어 있다.
플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)는 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 크로스 헤드 핀(114a)과 일체로 왕복 이동한다. 한편, 제1 캠 플레이트(188) 및 제2 캠 플레이트(190)는 기관 가교(186b) 상에서 기관 가교(186b)에 대해 피스톤(112)의 스트로크 방향으로는 이동하지 않는다.
도 5는 유압 조정 기구(196)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 유압 조정 기구(196)는 플런저 펌프(182), 스필 밸브(184), 제1 캠 플레이트(188), 제2 캠 플레이트(190), 제1 액튜에이터(192), 제2 액튜에이터(194), 제1 전환 밸브(198), 제2 전환 밸브(200), 위치 센서(202), 및 유압 제어부(204)를 포함하여 구성된다.
플런저 펌프(182)는 펌프 실린더(182a), 및 플런저(182b)를 포함하여 구성된다. 펌프 실린더(182a)의 내부로는 유압 펌프(P)에 연통되는 유로를 통해 작동유가 인도된다. 플런저(182b)는 펌프 실린더(182a) 내부를 스트로크 방향으로 이동함과 아울러, 그 일단이 펌프 실린더(182a)로부터 돌출된다.
제1 캠 플레이트(188)는 피스톤(112)의 스트로크 방향에 대해 경사지는 경사면(188a)을 가지며, 플런저 펌프(182)의 스트로크 방향의 하방에 배치되어 있다. 그리고, 플런저 펌프(182)가 크로스 헤드 핀(114a)과 함께 스트로크 방향으로 이동하면, 하사점에 가까운 크랭크각에서 펌프 실린더(182a)로부터 돌출된 플런저(182b)의 일단이 제1 캠 플레이트(188)의 경사면(188a)에 접촉된다.
그리고, 플런저(182b)는 제1 캠 플레이트(188)의 경사면(188a)으로부터, 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아, 펌프 실린더(182a) 내로 압입된다. 플런저 펌프(182)는 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a) 내로 압입됨으로써, 펌프 실린더(182a) 내의 작동유를 제1 유압실(168a)로 공급(압입)한다.
제1 액튜에이터(192)는, 예컨대 제1 전환 밸브(198)를 통해 공급되는 작동유의 유압에 의해 작동하고, 제1 캠 플레이트(188)를 스트로크 방향과 교차하는 방향(여기서는, 스트로크 방향에 수직인 방향)으로 이동시킨다. 즉, 제1 액튜에이터(192)는 제1 캠 플레이트(188)의 이동에 의해, 제1 캠 플레이트(188)의 플런저(182b)에 대한 상대 위치를 변화시킨다.
이와 같이, 제1 캠 플레이트(188)가 스트로크 방향에 수직인 방향으로 이동하면, 플런저(182b)와 제1 캠 플레이트(188)의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 상대 변화한다. 예컨대, 도 5에서 좌측으로 제1 캠 플레이트(188)가 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 상방으로 변위하고, 도 5에서 우측으로 제1 캠 플레이트(188)가 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 하방으로 변위된다. 그리고, 이 접촉 위치에 의해 펌프 실린더(182a)에 대한 최대 압입량이 설정된다.
스필 밸브(184)는 본체(184a), 밸브체(184b), 및 로드(184c)를 포함하여 구성된다. 스필 밸브(184)의 본체(184a) 내부에는 제1 유압실(168a)로부터 배출된 작동유가 유통되는 내부 유로가 형성되어 있다. 밸브체(184b)는 본체(184a) 내의 내부 유로에 배치된다. 로드(184c)의 일단이 본체(184a) 내의 밸브체(184b)에 대향됨과 아울러 타단이 본체(184a)로부터 돌출되어 있다.
제2 캠 플레이트(190)는 스트로크 방향에 대해 경사지는 경사면(190a)을 가지며, 로드(184c)의 스트로크 방향의 하방에 배치되어 있다. 그리고, 스필 밸브(184)가 크로스 헤드 핀(114a)과 함께 스트로크 방향으로 이동하면, 하사점에 가까운 크랭크각에서 스필 밸브(184)의 본체(184a)로부터 돌출된 로드(184c)의 일단이 제2 캠 플레이트(190)의 경사면(190a)에 접촉된다.
그리고, 로드(184c)는 제2 캠 플레이트(190)의 경사면(190a)으로부터, 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아, 본체(184a) 내로 압입된다. 스필 밸브(184)는 로드(184c)가 본체(184a) 내로 소정량 이상 압입됨으로써 밸브체(184b)가 이동하고, 스필 밸브(184)의 내부 유로를 작동유가 유통 가능하게 되어 제1 유압실(168a)로부터 탱크(T)를 향해 작동유가 배출된다.
제2 액튜에이터(194)는, 예컨대 제2 전환 밸브(200)를 통해 공급되는 작동유의 유압에 의해 작동하고, 제2 캠 플레이트(190)를 스트로크 방향과 교차하는 방향(여기서는, 스트로크 방향에 수직인 방향)으로 이동시킨다. 즉, 제2 액튜에이터(194)는 제2 캠 플레이트(190)의 이동에 의해, 제2 캠 플레이트(190)의 로드(184c)에 대한 상대 위치를 변화시킨다.
제2 캠 플레이트(190)의 상대 위치에 따라, 로드(184c)와 제2 캠 플레이트(190)와의 스트로크 방향에서의 접촉 위치가 변화된다. 예컨대, 도 5에서 좌측으로 제2 캠 플레이트(190)가 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 상방으로 변위되고, 도 5에서 우측으로 제2 캠 플레이트(190)가 이동하면, 접촉 위치는 스트로크 방향의 하방으로 변위된다. 그리고, 이 접촉 위치에 의해 스필 밸브(184)에 대한 최대 압입량이 설정된다.
위치 센서(202)는 피스톤 로드(112a)의 스트로크 방향의 위치를 검지하고, 스트로크 방향의 위치를 나타내는 신호를 출력한다.
유압 제어부(204)는 위치 센서(202)로부터의 신호를 취득하고, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치를 특정한다. 그리고, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 설정 위치가 되도록, 제1 액튜에이터(192) 및 제2 액튜에이터(194)를 구동시켜 제1 유압실(168a) 내의 유압(작동유의 유량)을 조정한다.
이와 같이, 유압 조정 기구(196)는 제1 유압실(168a)에 작동유를 공급하거나, 또는 제1 유압실(168a)로부터 작동유를 배출한다. 이어서, 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)의 구체적인 구성에 대해 상세히 설명한다.
도 6a 및 도 6b는 플런저 펌프(182)의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 플런저(182b)의 중심축을 포함하는 면에 의한 단면을 나타낸다. 도 6a에 도시한 바와 같이, 펌프 실린더(182a)에는 유압 펌프(P)로부터 공급된 작동유가 유입되는 유입구(182c)와, 펌프 실린더(182a)로부터 제1 유압실(168a)을 향해 작동유가 배출되는 배출구(182d)가 마련되어 있다.
유입구(182c)로부터 유입된 작동유는 펌프 실린더(182a) 내의 저유실(182e)에 저류된다. 그리고, 도 6b에 도시한 바와 같이, 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)로 압입되면, 저유실(182e)의 작동유는 플런저(182b)로 압압되어 배출구(182d)로부터 제1 유압실(168a)로 공급된다.
가압부(182f)는, 예컨대 코일 스프링으로 구성되고, 일단이 펌프 실린더(182a)에 고정됨과 아울러 타단이 플런저(182b)에 고정되어 있다. 그리고, 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)로 압입되면, 플런저(182b)를 되미는 가압력을 플런저(182b)에 작용시킨다.
그 때문에, 도 6b에 도시한 상태로, 크로스 헤드 핀(114a)의 이동에 수반하여 플런저(182b)가 제1 캠 플레이트(188)로부터 멀어지는 방향으로 이동하면, 플런저(182b)는 가압부(182f)의 가압력에 의해, 도 6a에 도시한 위치로 돌아온다. 빠짐방지 부재(182g)는 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)로부터 빠지지 않도록, 플런저(182b)의 펌프 실린더(182a)로부터 돌출되는 방향으로의 이동을 규제한다. 이러한 플런저(182b)의 이동 과정에서 유입구(182c)로부터 저유실(182e)로 작동유가 유입된다. 저유실(182e)로 유입된 작동유는 다음에 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a)로 압입될 때, 배출구(182d)로부터 제1 유압실(168a)을 향해 공급된다.
유입구(182c)와 저유실(182e)을 연통하는 유로에는 체크 밸브(182h)가 마련되어 있어, 저유실(182e)로부터 유입구(182c)를 향해 작동유가 역류하지 않는 구조로 되어 있다.
또한, 저유실(182e)과 배출구(182d)를 연통하는 유로에는 체크 밸브(182i)가 마련되어 있어, 배출구(182d)로부터 저유실(182e)을 향해 작동유가 역류하지 않는 구조로 되어 있다.
2개의 체크 밸브(182h, 182i)에 의해 작동유는 유입구(182c)로부터 배출구(182d)를 향해 일방향으로 흐른다.
도 7a 및 도 7b는 스필 밸브(184)의 구성을 나타내는 도면이고, 로드(184c)의 중심축을 포함하는 면에 의한 단면을 나타낸다. 도 7a에 도시한 바와 같이, 스필 밸브(184)의 본체(184a)에는 제1 유압실(168a)로부터 배출된 작동유가 유입되는 유입구(184d)와, 스필 밸브(184)의 본체(184a) 내부로부터 탱크(T)를 향해 작동유가 배출되는 배출구(184e)가 마련되어 있다.
유입구(184d)로부터 유입된 작동유는 본체(184a) 내의 내부 유로(184f)를 유통한다. 밸브체(184b)는 내부 유로(184f)에 배치되어 있고, 내부 유로(184f)를 스트로크 방향으로 이동 가능하게 되어 있다.
그리고, 밸브체(184b)는 스트로크 방향으로 이동함으로써, 도 7a에 도시한 바와 같이, 내부 유로(184f)를 폐색하는 폐색 위치와, 도 7b에 도시한 바와 같이, 내부 유로(184f)에서의 작동유의 유통을 가능하게 하는 개방 위치로 변위된다.
로드(184c)의 일단은 밸브체(184b)와 스트로크 방향으로 대향되어 있고, 로드(184c)가 본체(184a) 내로 압입됨으로써, 밸브체(184b)가 로드(184c)로 압압되어 도 7b에 도시한 개방 위치로 변위된다.
가압부(184g)는, 예컨대 코일 스프링으로 구성되고, 일단이 스필 밸브(184)의 본체(184a)에 고정됨과 아울러 타단이 밸브체(184b)에 고정되어 있다. 가압부(184g)는 항상 밸브체(184b)가 내부 유로(184f)를 폐색하는 방향으로 가압력을 작용시키고 있다. 그리고, 로드(184c)는 스필 밸브(184)의 본체(184a)로 압입되면, 가압부(184g)의 가압력에 저항하여 밸브체(184b)를 압압한다. 이 때, 가압부(184g)는 밸브체(184b)를 되미는 가압력을 밸브체(184b)에 작용시킨다.
그 때문에, 도 7b에 도시한 바와 같이, 밸브체(184b)가 개방 위치에 있을 때, 크로스 헤드 핀(114a)의 이동에 수반하여 로드(184c)가 제2 캠 플레이트(190)로부터 멀어지면, 밸브체(184b)는 가압부(184g)의 가압력에 의해, 도 7a에 도시한 폐색 위치로 돌아온다. 이 때, 빠짐방지 부재(184h)는 로드(184c)가 스필 밸브(184)의 본체(184a)로부터 빠지지 않도록, 본체(184a)로부터 돌출되는 방향으로 로드(184c)의 이동을 규제한다.
도 8a~도 8d는 가변 기구의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 8a에서는 로드(184c)와 제2 캠 플레이트(190)의 접촉 위치가 비교적 높은 위치가 되도록, 제2 캠 플레이트(190)의 상대 위치가 조정되어 있다. 그 때문에, 하사점에 가까운 크랭크각에 있어서, 스필 밸브(184)의 본체(184a)에 로드(184c)가 깊게 압입되고, 스필 밸브(184)가 개방되어 제1 유압실(168a)로부터 작동유가 배출된다. 이 때, 제2 유압실(168b)에는 유압 펌프(P)의 유압이 작용하고 있으므로, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 안정적으로 유지되어 있다.
이 상태에서, 피스톤(112)의 상사점은 낮게 되어 있다(크로스 헤드 핀(114a)측에 가깝게 되어 있다). 즉, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 압축비는 작게 되어 있다.
그리고, 유압 제어부(204)는 ECU(Engine Control Unit) 등의 상위의 제어부로부터 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 압축비를 크게 하는 지시를 받으면, 도 8b에 도시한 바와 같이, 제2 캠 플레이트(190)를 도 8b에서 우측으로 이동시킨다. 그 결과, 로드(184c)와 제2 캠 플레이트(190)의 접촉 위치가 낮아지고, 하사점에 가까운 크랭크각에서도 로드(184c)가 본체(184a) 내로 압입되지 않게 되어, 피스톤(112)의 스트로크 위치에 관계없이 스필 밸브(184)가 폐쇄된 상태로 유지된다. 즉, 제1 유압실(168a) 내의 작동유가 배출되지 않게 된다.
그리고, 유압 제어부(204)는, 도 8c에 도시한 바와 같이, 제1 캠 플레이트(188)를 도 8c에서 좌측으로 이동시킨다. 그 결과, 플런저(182b)와 제1 캠 플레이트(188)의 접촉 위치가 높아진다. 그리고, 하사점에 가까운 크랭크각에서 플런저(182b)가 제1 캠 플레이트(188)로부터의 반력에 의해 펌프 실린더(182a) 내로 압입되면, 펌프 실린더(182a) 내의 작동유가 제1 유압실(168a)로 압입된다.
그 결과, 유압에 의해 피스톤 로드(112a)가 밀려 올라가 도 8c에 도시한 바와 같이, 피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 변위되고, 피스톤(112)의 상사점이 높아진다(크로스 헤드 핀(114a)측으로부터 멀어진다). 즉, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)의 압축비는 커진다.
플런저 펌프(182)는 피스톤(112)의 1 스트로크마다 플런저 펌프(182)의 저유실(182e)에 축적된 작동유를 제1 유압실(168a)로 압입한다. 이 실시 형태에서는, 저유실(182e)의 최대 용적에 대해 제1 유압실(168a)의 최대 용적이 복수배이다. 그 때문에, 플런저 펌프(182)가 피스톤(112)의 스트로크 몇회분, 동작을 하는지에 의해, 제1 유압실(168a)로 압입되는 작동유의 양을 조정하고, 피스톤 로드(112a)의 밀어올림량(押上量)을 조정하는 것이 가능하게 되어 있다.
피스톤 로드(112a)와 크로스 헤드 핀(114a)의 상대적인 위치가 원하는 위치가 되면, 유압 제어부(204)는 제1 캠 플레이트(188)를 도 8d에서 우측으로 이동시키고, 플런저(182b)와 제1 캠 플레이트(188)의 접촉 위치를 낮춘다. 이와 같이 하여, 하사점에 가까운 크랭크각에서도, 플런저(182b)가 펌프 실린더(182a) 내로 압입되지 않으며, 플런저 펌프(182)가 작동하지 않게 된다. 즉, 제1 유압실(168a)로의 작동유의 압입이 정지된다.
이와 같이 하여, 유압 조정 기구(196)는 제1 유압실(168a)에 대한 스트로크 방향의 피스톤 로드(112a)의 진입 위치를 조정한다. 가변 기구는 유압 조정 기구(196)에 의해 제1 유압실(168a)의 유압을 조정하고, 피스톤 로드(112a) 및 크로스 헤드(114)의 스트로크 방향의 상대적인 위치를 변경함으로써, 피스톤(112)의 상사점 및 하사점의 위치를 가변으로 한다.
도 9는 크랭크각과 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)의 동작 타이밍을 설명하기 위한 도면이다. 도 9에서는 설명의 편의상, 제1 캠 플레이트(188)의 경사면(188a)과의 접촉 위치가 다른 2개의 플런저 펌프(182)를 나란히 표시하였지만, 실제로 플런저 펌프(182)는 하나로써, 제1 캠 플레이트(188)가 이동함으로써, 플런저 펌프(182)와의 접촉 위치가 변위된다. 또한, 스필 밸브(184) 및 제2 캠 플레이트(190)는 도시를 생략한다.
도 9에 도시한 바와 같이, 하사점 전에서부터 하사점까지의 크랭크각의 범위를 각(角)(a)이라고 하고, 하사점에서부터 각(a)과 동일한 크기의 위상각 만큼의 크랭크각의 범위를 각(b)이라고 한다. 또한, 상사점 전에서부터 상사점까지의 크랭크각의 범위를 각(c)이라고 하고, 상사점에서부터 각(c)과 동일한 크기의 위상각 만큼의 크랭크각의 범위를 각(d)이라고 한다.
플런저 펌프(182)와 제1 캠 플레이트(188)의 상대 위치가, 도 9에서 우측에 나타내는 플런저 펌프(182)로 도시되는 상태일 때, 플런저 펌프(182)의 플런저(182b)는 제1 캠 플레이트(188)의 경사면(188a)과, 크랭크각이 각(a)의 개시 위치에서 접촉을 개시하고, 하사점을 넘어 각(b)의 종료 위치에서 접촉이 해제된다. 도 9에서 플런저 펌프(182)의 스트로크폭을 폭(s)으로 도시한다.
또한, 플런저 펌프(182)와 제1 캠 플레이트(188)의 상대 위치가, 도 9에서 좌측에 나타내는 플런저 펌프(182)로 도시된 상태일 때, 플런저 펌프(182)의 플런저(182b)는 크랭크각이 하사점이 되는 위치에서 경사면(188a)과 접촉하지만, 플런저(182b)는 펌프 실린더(182a)에 압입되지 않고 바로 접촉이 해제된다.
이와 같이, 플런저 펌프(182)는 크랭크각이 각(a)의 범위에 있을 때 동작한다. 구체적으로는, 크랭크각이 각(a)의 범위에 있을 때, 플런저 펌프(182)는 작동유를 제1 유압실(168a)로 압입한다.
또한, 스필 밸브(184)는 크랭크각이 각(b)의 범위에 있을 때 동작한다. 구체적으로 크랭크각이 각(b)의 범위에 있을 때, 스필 밸브(184)는 작동유를 제1 유압실(168a)로부터 배출한다.
여기서 플런저 펌프(182)는 크랭크각이 각(a)의 범위에 있을 때 동작하고, 스필 밸브(184)는 크랭크각이 각(b)의 범위에 있을 때 동작하는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 플런저 펌프(182)는 크랭크각이 각(c)의 범위에 있을 때 동작하고, 스필 밸브(184)는 크랭크각이 각(d)의 범위에 있을 때 동작해도 된다. 이 경우, 크랭크각이 각(c)의 범위에 있을 때, 플런저 펌프(182)는 작동유를 제1 유압실(168a)로 압입한다. 또한, 크랭크각이 각(d)의 범위에 있을 때, 스필 밸브(184)는 작동유를 제1 유압실(168a)로부터 배출한다.
상사점이나 하사점 이외의 스트로크 범위에서 플런저 펌프(182)나 스필 밸브(184)를 동작시키는 경우, 제1 캠 플레이트(188), 제2 캠 플레이트(190), 제1 액튜에이터(192), 제2 액튜에이터(194) 등을 플런저 펌프(182)나 스필 밸브(184)의 왕복 이동에 동기하여 이동시켜야 한다. 그러나, 본 실시 형태와 같이, 상사점이나 하사점 부근에서 플런저 펌프(182)나 스필 밸브(184)를 동작시킴으로써, 이러한 동기 기구를 마련하지 않아도 되므로, 비용을 저감할 수 있게 된다.
단, 크랭크각이 하사점을 사이에 둔 각도 범위(각(a), 각(b))에서 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)가 동작하는 경우가, 실린더(110) 내의 압력이 낮기 때문에, 플런저 펌프(182)로부터 제1 유압실(168a)로 작동유를 용이하게 압입할 수 있게 된다. 또한, 스필 밸브(184)로부터 배출되는 작동유의 유압도 낮고, 캐비테이션의 발생을 억제하며, 스필 밸브(184)를 작동시키는 하중을 낮게 억제할 수 있게 된다. 또한 작동유의 압력이 높기 때문에, 피스톤(112)의 위치가 불안정해지는 사태를 회피할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 유니플로 소기식 2사이클 엔진(100)은 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘을 이용하여 플런저 펌프(182)가 작동유를 제1 유압실(168a)로 압입함으로써, 압축비를 변경하는 구성이기 때문에, 고압을 발생시키는 유압 펌프가 불필요해져 비용을 저감할 수 있게 된다.
또한, 제1 캠 플레이트(188)와 제1 액튜에이터(192)에 의해 펌프 실린더(182a)에 대한 플런저(182b)의 최대 압입량이 조정 가능하므로, 작동유의 압입량을 조정하여 압축비의 미세 조정을 용이하게 할 수 있다. 예컨대, 1 스트로크로 저유실(182e)의 최대 용적 만큼의 작동유를 제1 유압실(168a)로 압입할 수도 있고, 제1 캠 플레이트(188)의 상대 위치를 조정하여 1 스트로크로 저유실(182e)의 최대 용적의 절반의 양의 작동유를 제1 유압실(168a)로 압입할 수도 있다. 이와 같이, 1 스트로크로 제1 유압실(168a)로 압입하는 작동유의 양을 저유실(182e)의 최대 용적의 범위 내에서 임의로 설정할 수 있게 된다.
예컨대, 제1 유압실(168a)로부터 작동유가 새는 경우, 그 누출량 만큼 보충할 수 있도록, 항상 플런저 펌프(182)로부터 작동유를 제1 유압실(168a)로 압입하도록, 1 스트로크로 제1 유압실(168a)로 압입하는 작동유의 양을 설정할 수도 있다.
또한, 제1 캠 플레이트(188)에 경사면(188a)을 마련하였기 때문에, 제1 액튜에이터(192)는 제1 캠 플레이트(188)를 수평 방향으로 이동시키는 것만으로, 1 스트로크로 제1 유압실(168a)로 압입하는 작동유의 양을 용이하게 설정할 수 있다.
또한, 크로스 헤드(114)의 왕복 이동의 힘을 이용하여 스필 밸브(184)를 개폐하는 구성이므로, 스필 밸브(184)를 개방하기 위해 고압을 발생시키는 유압 펌프가 불필요해져 비용을 저감할 수 있게 된다.
또한, 제2 캠 플레이트(190)와 제2 액튜에이터(194)에 의해 스필 밸브(184)의 본체(184a)에 대한 로드(184c)의 최대 압입량이 조정 가능하기 때문에, 1 스트로크당 작동유의 배출량을 조정하여 압축비의 미세 조정을 용이하게 할 수 있다.
또한, 제2 캠 플레이트(190)에 경사면(190a)를 마련하였기 때문에, 제2 액튜에이터(194)는 제2 캠 플레이트(190)를 수평 방향으로 이동시키는 것만으로, 1 스트로크로 제1 유압실(168a)로부터 배출하는 작동유의 양을 용이하게 설정할 수 있다.
상술한 실시 형태에 있어서, 제1 액튜에이터(192) 및 제2 액튜에이터(194)는 제1 캠 플레이트(188) 및 제2 캠 플레이트(190)의 플런저(182b) 및 로드(184c)에 대한 상대 위치를 변화시키는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 제1 액튜에이터(192) 및 제2 액튜에이터(194)는 제1 캠 플레이트(188) 및 제2 캠 플레이트(190)의 자세를 바꿈으로써, 제1 캠 플레이트(188) 및 제2 캠 플레이트(190)와의 접촉 위치를 바꿀 수도 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 유압 조정 기구(196)로서 플런저 펌프(182) 및 스필 밸브(184)를 모두 구비하는 경우에 대해 설명하였지만, 적어도 플런저 펌프(182)만 구비하고 있어도 무방하다.
상술한 실시 형태에서는, 제1 부재를 피스톤 로드(112a), 제2 부재를 크로스 헤드 핀(114a)으로 하는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 제1 부재와 제2 부재는 피스톤(112) 및 동력 전달부를 구성하는 어떠한 부재라도 무방하다. 예컨대, 피스톤(112)을 2분할하여 제1 부재와 제2 부재로 할 수도 있다. 이 경우, 피스톤(112)의 내부에 유압실이 형성된다. 마찬가지로 피스톤 로드(112a)를 2분할하여 제1 부재와 제2 부재로 할 수도 있다. 이 경우, 피스톤 로드(112a)의 내부에 유압실이 형성된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명이 이러한 실시 형태에 한정되지 않음은 물론이다. 당업자라면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예를 도출 가능함이 명백하고, 그것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
본 발명은 유압에 의해 상사점의 위치를 조정하여 압축비를 가변으로 하는 엔진에 이용할 수 있다.
100 　 유니플로 소기식 2사이클 엔진(엔진)
110　 실린더
112 　 피스톤
112a 　피스톤 로드(동력 전달부, 제1 부재)
114　 크로스 헤드(동력 전달부)
114a　 크로스 헤드 핀(동력 전달부, 제2 부재)
116　 연결봉(동력 전달부)
118　 크랭크 샤프트
160　 연결공(유압실)
168a　 제1 유압실(유압실)
176　 냉각 유로
182　 플런저 펌프
182a　 펌프 실린더
182b　 플런저
184　 스필 밸브
184a　 본체
184b　 밸브체
184c 로드
184f　 내부 유로
188　 제1 캠 플레이트
188a　 경사면
190　 제2 캠 플레이트
190a　 경사면
192　 제1 액튜에이터
194　 제2 액튜에이터
196　 유압 조정 기구

Claims (6)

  1. 실린더와,
    상기 실린더 내부를 왕복 이동하는 피스톤과,
    상기 피스톤의 왕복 이동에 연동하여 회전하는 크랭크 샤프트와,
    상기 피스톤의 왕복 동력을 상기 크랭크 샤프트에 전달하는 동력 전달부와,
    상기 피스톤 또는 상기 동력 전달부를 구성하고, 상기 피스톤의 스트로크 방향으로 서로의 대향부를 대향시킴과 아울러, 이들 대향부간의 상기 스트로크 방향의 거리에 따라, 상기 피스톤 또는 상기 동력 전달부의 상기 스트로크 방향의 전체 길이를 가변으로 하는 제1 부재 및 제2 부재와,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재의 양 대향부 사이에 형성되는 유압실과,
    상기 유압실로 작동유를 공급하거나, 또는 상기 유압실로부터 작동유를 배출함으로써, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재의 양 대향부간의 거리를 변경하는 유압 조정 기구를 구비하고,
    상기 유압 조정 기구가, 내부로 작동유가 인도되는 펌프 실린더와, 상기 펌프 실린더 내부를 상기 스트로크 방향으로 이동시킴과 아울러 일단이 상기 펌프 실린더로부터 돌출되는 플런저를 가지며, 상기 플런저가 상기 펌프 실린더 내부로 압입됨으로써, 상기 펌프 실린더 내의 작동유를 상기 유압실로 공급하는 플런저 펌프를 구비하고,
    상기 플런저 펌프가 상기 피스톤 및 상기 동력 전달부와 함께 상기 스트로크 방향으로 이동하고, 상기 피스톤 및 상기 동력 전달부의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 상기 플런저가 상기 펌프 실린더 내부로 압입되는 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압 조정 기구가, 상기 플런저 펌프의 상기 스트로크 방향의 이동에 수반하여 상기 플런저에 접촉하는 제1 캠 플레이트와, 상기 제1 캠 플레이트를 이동시키고, 상기 제1 캠 플레이트의 자세 또는 상기 플런저에 대한 상대 위치를 변화시키는 제1 액튜에이터를 더 구비하고,
    상기 플런저는 상기 제1 캠 플레이트의 자세 또는 상대 위치에 따라 상기 제1 캠 플레이트와의 상기 스트로크 방향에 있어서의 접촉 위치가 변화됨과 아울러, 상기 접촉 위치에 의해 상기 펌프 실린더에 대한 최대 압입량이 설정되는 엔진.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 캠 플레이트가 상기 플런저의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며,
    상기 제1 액튜에이터가 상기 제1 캠 플레이트를 상기 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 엔진.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 조정 기구가, 상기 유압실로부터 배출된 작동유가 유통되는 내부 유로가 형성된 본체와, 상기 내부 유로를 상기 스트로크 방향으로 이동시켜 상기 내부 유로를 폐색하는 폐색 위치와 상기 내부 유로에 있어서의 상기 작동유의 유통을 가능하게 하는 개방 위치로 변위하는 밸브체와, 일단이 상기 밸브체와 상기 스트로크 방향으로 대향됨과 아울러 타단이 상기 본체로부터 돌출되는 로드를 가지며, 상기 로드가 상기 본체 내부로 압입됨으로써, 상기 밸브체가 상기 로드로 압압되어 상기 개방 위치로 변위하는 스필 밸브를 더 구비하고,
    상기 스필 밸브가 상기 피스톤 및 상기 동력 전달부와 함께 상기 스트로크 방향으로 이동하고, 상기 피스톤 및 상기 동력 전달부의 왕복 이동의 힘에 대향하는 반력을 받아 상기 로드가 상기 본체 내부로 압입되는 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유압 조정 기구가, 상기 스필 밸브의 상기 스트로크 방향의 이동에 수반하여 상기 로드에 접촉하는 제2 캠 플레이트와, 상기 제2 캠 플레이트를 이동시키고, 제 2 캠 플레이트의 자세 또는 상기 로드에 대한 상대 위치를 변화시키는 제2 액튜에이터를 더 구비하고,
    상기 로드는 상기 제2 캠 플레이트의 자세 또는 상대 위치에 따라, 제2 캠 플레이트와의 상기 스트로크 방향에 있어서의 접촉 위치가 변화됨과 아울러, 접촉 위치에 의해 상기 스필 밸브에 대한 최대 압입량이 설정되는 엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 캠 플레이트가 상기 로드의 일단에 접촉하는 경사면을 가지며,
    상기 제2 액튜에이터가 상기 제2 캠 플레이트를 상기 스트로크 방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 엔진.
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