KR100511608B1 - 두가지연료를사용하는디젤형과급내연기관엔진의운전방법과그에적합한엔진 - Google Patents

Abstract

두가지 연료를 사용하는 디젤형 과급 내연기관에서, 연료량을 초과하거나 같은 량의 물을 압축행정 동안에 전체 실린더속에 물을 직접 강하게 분사한다. 이것은 고압으로 분사된 연료는 점화목적으로서만 사용되게 하고 메인 연료는 저압으로 분사하여 대형 2행정 디젤 엔진들을 운전하게 할 수 있게 한다. 또한, 고속으로 운전되는 소형의 가스/디젤 엔진들에서 보다 양호한 연소상태를 얻을 수 있다.

Description

두가지 연료를 사용하는 디젤형 과급 내연기관의 운전방법과 그에 적합한 엔진

본 발명은 공기와 가스를 소정의 혼합비로 공급하고 그 공기와 가스를 압축행정중에 압축하고 외부의 점화장치에 의해 점화되는, 두가지 연료를 사용하는 디젤형의 과급 내연기관의 운전방법과 그에 적합한 엔진에 관한 것이다.

미국 특허 제 4 527 516호에는 각각의 실린더들이 분배관으로 부터 실린더의 밸브 포트열의 소기 포트들중 하나로 연장된 파이프로서 단일의 가스 포트가 형성되고, 실린더 커버의 적어도 하나의 배기밸브와 실린더 하부에 위치한 소기 포트열을 구비함과 함께 밸브로 제어되는 가스 공급장치를 구비하는 복수개의 실린더들을 포함하는, 두가지 연료를 사용하는 디젤형 과급 내연기관에 관하여 사용되는 운전방법이 기재되어 있다. 상기 미국 특허의 엔진은 약 1800rpm의 속도를 갖는 고속 2행정 자동차 엔진이며, 이러한 고속 운전 엔진과 관련해서는 선단 플레임이 디젤유의 연소시 확산속도에 비하여 1/3 정도의 속도로 확산되기 때문에 가스가 연소될 시간이 거의 없다는 단점이 있다.

미국 특허 제 5 035 206호에는, 가스가 공급되고 파일럿 오일로 점화되는 상기한 것과 유사한 2행정 디젤 엔진이 기재되어 있다. 이 엔진도 역시 소기포트 주변 영역에 가스가 공급되며, 상기 가스는 소기 포트열 위로 비교적 짧은 거리의 실린더 벽에서 개구된 단일의 파이프를 통하여 실린더로 공급된다. 상기 미국 특허공보에는 피스톤이 소기 포트들을 차단한 뒤에도 가스 분사가 계속되는 것으로 기재되어 있다. 가스 분사량은 분사 종결 시기에 의하지 않고 분사 개시 시기를 변경시킴으로써 제어된다.

액화천연가스 탱크로 부터의 가스를 디젤 엔진에 공급하며, 그 증발된 가스의 일부분이 상대적으로 저압으로 압축되고 엔진의 흡입공기와 예비혼합되는 한편, 나머지의 증발된 가스는 거의 250 bar의 고압으로 압축되고 고압 노즐을 통해 분사되는 것이 미국 특허 제 4 924 822호에 공지되어 있다. 엔진의 흡입공기속에 가스의 일부분이 분사됨으로써 압축일의 일부분을 수행하지 않아도 되지만, 상기 특허는 증발가스의 보다 적은 부분만이 흡입 공기에 공급될 수 있으며, 그렇지않으면 단열 압축행정중에 온도 상승으로 인하여 연소가 비정상적으로 될 수 있음을 지적하였다.

WO 96/08641호에는 예비 혼합된 공기와 연료가 공급되고 스파크 플러그에 의해 점화되는 오토 타입(Otto type)의 엔진이 기재되어 있다. 엔진 효율을 증가시키고 질소산화물의 배출을 저감시키기 위하여 압축행정중에 실린더속으로 물이 분사된다. 특히 산소가 풍부한 흡입공기의 흐름으로 바람직하게 공급된다.

압축이 개시되기 전에 실린더들에 저압으로 가스가 공급되는 상기한 디젤 엔진들은 모두, 가스와 공기 혼합물이 압축행정중에 자동점화 또는 폭발되지 않아야 한다는 문제를 겪는다. 자동점화가 발생하면, 실린더에서의 압력이 정상 운전시의 최대 연소압력을 상당히 크게 초과하게 되며, 잦은 자동점화 발생시에는 엔진 요소들이 과부하를 받게 된다. 통상적으로 자동점화는 연료 고유의 발열량을 충분히 이용하지 못하는 요인이 된다.

그러므로, 실린더로 공급되는 가스와 공기 혼합물을 자동점화 임계치에 얼마나 근접시켜 제어하는지가 저압으로 공급되는 가스를 연료로서 디젤엔진에 사용할 수 있는지에 대한 해결책이 된다.

어떤 주어진 연료에 있어서 엔진속도가 낮을 때, 압축비가 높을 때, 충진 공기 압력이 높을 때 그리고 과잉 공기 계수가 1에 근접할 때 자동점화 임계치는 낮게 된다. 즉, 자동점화가 보다 쉽게 발생된다. 더욱이, 넓은 범위의 자동점화 임계치는 현재 사용되는 연료 가스의 메탄 넘버에 의존하며, 낮은 메탄 넘버의 연료는 자동점화 발생이 보다 쉽게 일어나는 연료임을 나타낸다.

이러한 요인들은, 비교적 적은 수의 실린더 보어를 구비한 고속운전 디젤 엔진, 또는 상당 부분의 가스는 고압으로 압축되고 자동점화 발생가능성이 없도록 압축하는 동안에 실린더의 내용물을 희박하게 유지하여 압축한 다음에 분사하는 엔진으로서 상기 디젤엔진들을 설계하기 위한 결정적인 것들이었다.

본 발명의 목적은 연료로서의 요건을 충족하도록 저압으로 공급되는 가스를 사용하는 선행 기술의 디젤 엔진들에서 보다 더 좋은 가능성으로 두가지 연료를 사용하는 디젤엔진을 운전하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 방법은 공기와 가스 혼합비를 과잉 공기 계수 λ가 적어도 1.3 이 되게 하고, 하사점 뒤 20°내지 150°의 압축행정의 크랭크 각도 범위의 적어도 일부분 동안에 실린더당 다수의 분사노즐들을 통하여 실린더 커버와 상방으로 승강되는 피스톤 사이의 실린더 공간에 공기와 가스 혼합물에 하방으로 직접 물을 분사하며, 상기 물을 적어도 50 bar의 압력으로 분사노즐로 공급하는 것을 특징으로 한다.

과잉 공기 계수 λ가 적어도 1.3 인 것은 그 방법이 엔진을 희박- 연소 원칙에 따라 운전하는 것임을 의미하며, 여기서 정확한 연소를 위하여 공기와 가스 혼합물이 매우 균일할 것이 중요하다. 상기 혼합물이 너무 불균일하면, 연소실은 한편으로는 연료가 연소될 수 없을 정도의 큰 과잉 공기 계수를 갖게 될 수 있으며, 그 결과 연료 고유의 발열량을 이용할 수 없게 되며, 미연소 탄화수소의 방출에 따른 불행한 환경오염 충격을 포함하여 미연소 가스의 방출로 배기시스템이 막히게 되어 폭발될 위험이 야기된다. 다른 한편으로 연소실은 혼합물에서 가스 함량이 너무 커서 자동점화가 발생할 수 있다. 가스와 공기의 충분히 균일한 혼합물을 얻는 문제는, 흡입 공기가 실린더로 부터 비교적 짧은 거리로 떨어져서 공급되거나 실린더 내부로 바로 공급될 때 해결된다.

희박 연소 원칙은 그 자체로만 가지고는 디젤 엔진이 저압으로 공급되는 가스 사용 가능성에 필요한 개선에 충분하지 않으며, 전술한 바와같이 희박 연소 원칙은 실제 혼합물에서 발생되는 연속적인 변화로서 디젤 엔진에서 실현하기 어렵다.

압축행정중에 가스와 공기의 혼합물에 물을 직접 분사하는 것은 가스와 공기 혼합물의 자동점화 문제를 제거함과 동시에, 상기의 희박 연소 원칙에 의해 야기되는 문제를 감소시키거나 해결하는 많은 효과들을 가진다. 한가지 중요한 효과는 물이 가스와 공기 혼합에 기계적으로 영향을 주며, 분사된 물이 실린더에 가스를 혼입시키고 실린더의 충진시 가스와 공기의 유입에 의해 발생되는 흐름과 다른 흐름을 발생시킴으로써 가스와 공기 혼합물이 실린더속에서 보다 균일화되고 후박한 혼합물에서의 국소적인 자동점화가 방지된다. 적어도 50 bar의 압력으로 공급된 고압의 무화된 물을 하방으로 분사함으로써 피스톤이 실린더 커버로부터 멀리 떨어져 위치하더라도 분사개시부터 실린더 전체에의 혼합물의 분산이 촉진된다.

더욱이, 하사점 뒤 20°- 150°의 크랭크 각도 범위에서 수행되는 물분사는 희박한 가스와 공기 혼합물이 얼마나 빨리 자동점화될지를 결정하는 화학반응을 방해한다. 압축행정 동안에 분사된 물의 증발은 가스와 공기 혼합물을 냉각시키고, 압축되는 동안에 온도의 저하와 압축행정 말기에 결과적으로 저하된 온도는 화학반응이 일어나지 않게 하는 효과를 낳는다. 냉각에 의한 압력 강하는 물증발에 의한 압력 증가보다 5배 더 커서 물분사가 압력수준을 저하시킴에 따라 화학반응을 지연시킨다. 이들 요인들의 결합된 효과는 자동점화의 위험을 상당히 감소시킨다. 상기한 크랭크 각도 범위에서의 물분사는 공기와 가스의 혼합물이 외부 점화장치에 의해 점화되기전에 수행된다.

이것은 기본적인 구조의 변경없이 엔진에서 저 메탄 넘버의 가스를 연료로 사용하거나 또는 낮은 과잉 공기 계수, 즉 후박한 가스와 공기 혼합물을 사용하는 것과 같이 되어, 엔진 연료에 대한 요건이 엔진의 충진 공기에 공급되는 낮은 압력의 가스에 의해 주로 충족되고 비용이 소요되는 고압으로의 가스 압축을 할 필요가 없게 되는등 많은 가능성을 제공한다.

본 발명에 따른 방법의 중요한 잇점은 400mm 보다 큰 대형 보어를 갖는 디젤 엔진에 저압으로 분사되는 가스의 사용과, 예를들어 전부하에서 200 rpm 이하의 저속과, 1 : 14 이상의 고압축비로 사용할 수 있게 하는 것이다.

물은 150 - 500 bar 범위의 압력으로 분사노즐에 공급되는 것이 바람직하다. 실린더내에서의 충분한 "혼합" 효과를 얻기 위하여 2개 이상의 물 분사 노즐이 제공되어야 하며 분사압력은 높아야 하고, 그러한 고압은 가스와 공기의 균일한 혼합물을 얻는데도 매우 유효하다. 물분사 압력이 500 bar 보다 크면 좋지만, 그러나 이러한 압력은 상당한 압축일을 하는 것을 내포한다. 매우 효율적인 형태로는, 가스가 실린더 벽 부근에서 하향으로 유동하고 실린더의 중심축부근에서 상향류로 유동하도록 실린더내에서 적어도 와류를 일으킬 수 있도록 물분사가 이루어지는 것이다. 이러한 와류는 유입되는 공기에 의해 설정되고 실린더의 중심축과 동심원적으로 빙빙 돌면서 순환하는 와류로 작용하여 실린더냉서의 매우 효과적이고 균일한 가스 혼합물을 제공한다.

자동점화 임계치에 대한 물분사 효과가 명백하기 때문에 압축행정중에 많은 량의 물이 분사될 수 있는 것이 유익하다. 물의 분사량은 예를들어 공급된 연료의 발열량의 42.7 MJ당 적어도 0.75 kg, 특히 0.85 - 4 kg인 것이 바람직하다. 1 kg의 오일에 대한 발열량은 약 42.7 MJ이며, 이에 따라 공급되는 물의 량은 해당 엔진 부하에서 연료오일로 엔진이 운전되는 경우 공급되는 오일량과 거의 같거나 초과할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 가스의 발열량은 가스 종류와 그 조성비에 따라 다소 변화될 수 있다. 물 분사량이 0.75 kg보다 작으면, 대형의 저속 엔진에서 자동점화를 피하기 어려울 것이다. 42.7 MJ의 발열량당 1.0 - 2.0 kg의 물의 량은 높은 압축비를 가능하게 하고 가스의 메탄 넘버가 현저히 변동되게 한다. 증가된 열용량을 갖는 다습화된 연소 공기와, 매우 균일하고 희박한 가스와 공기 혼합물이 얻어진다. 또한, 고압축비의 가스와 관련한 에너지 소비를 피할 수 있는 것과 함께 환경문제에 있어서도 유익하며, 본 발명은 환경문제를 최소화하여 가스로 구동되는 디젤 엔진의 생산을 가능하게 한다.

하사점 뒤 20°- 90°의 범위의 크랭크 각도, 즉 압축행정의 초기동안에 그리고 소기 포트들이 폐쇄되는 때로부터의 압축행정의 적어도 일부에 물이 분사되는 것이 바람직하다. 압축행정의 개시에 물의 증발로 인한 온도 강하는 그에 대응하여 압축행정 말기의 최종 온도의 감소를 낳게 되지만, 이와 같은 순수한 냉각효과에 더하여 최종 온도의 감소는 압축중에 온도의 낮은 상승 덕분에 얻어진다. 따라서 압축행정의 개시점에서의 물분사는 이중의 효과를 낳는다.

압축행정 개시점에서의 물분사에 대한 변형으로서, 하사점 뒤 90°- 150°범위에서 적당히, 바람직하게는 120°- 150°의 크랭크 각도를 포함한 압축행정의 적어도 일부분에 물이 분사될 수 있다. 이러한 각도 범위에서, 물이 실린더 요소들의 표면에 크게 응결되지 않도록 압축은 온도 수준의 증가를 야기하여 분사된 물의 급속한 증발을 초래하게 되며, 그와 동시에 물분사 효과가 구현되지 않을 정도로 시간적으로 너무 늦지 않게 물이 압축행정중에 분사되게 한다. 물분사는 보다 일찍 시작하여 보다 늦게 종결되고, 간헐적으로 이루어질 수 있음이 명백하다.

본 발명의 방법은, 두가지 연료 엔진이 실린더 커버에 위치한 배기밸브를 구비한 2행정의 단일 유동방식 소기 엔진이며, 가스포트들이 소기포트들의 영역에 위치하여 가스포트들이 소기포트들 보다 상당히 늦게 개방되도록 실린더의 하측에 위치한 소기포트들 주변에 가스가 공급되는 경우에 특히 유익하다. 그와같은 단일 유동방식 소기 엔진에 있어서, 소기포트들의 영역에 가스포튿르을 배치시킴으로써 가스를 실린더속으로 직접 공급하며, 공급된 가스가 실린더의 소기중에 배기시스템으로 고의로 배출되지 않게 하는 것이 공지되어 있다. 소기포트들의 영역에 가스포트들의 바람직한 위치는 유입공기속에 유입가스가 직접 전달되게 하여 즉시 혼합이 이루어지게 함으로써 가스와 공기의 혼합이 양호하게 되는 큰 잇점이 있다.

엔진의 전체 요소들이 결정되면, 자동점화를 초래하는 화학반응 과정의 많은 요인들도 역시 결정된다. 그럼에도 불구하고, 엔진의 운전은 연료의 품질 또는 외부조건들의 변화와 같이 화학반응 과정의 다른 요인들의 변화에 계속하여 적응될 수 있다. 예를들어, 점화가 외부점화장치에 의해 시행되기 전후에 가스와 공기의 혼합물이 자동점화 임계치에 너무 근접하게 될 때 배기밸브의 폐쇄시기를 조정함으로써 유효압축비는 운전중에 조정될 수 있다. 이러한 유효압축비에 대한 계속적이고 즉각적인 조정은 엔진 효율에 큰 영향을 주지 않고 운전조건들을 변화로 가스와 공기 혼합물을 자동점화 임계치에 근접하여 유지시킬 수 있으며, 그것은 동력발생행정중의 팽창비가 압축행정중의 배기밸브의 폐쇄시기에 의해 영향을 받지 않기 때문이다.

엔진 시스템의 안정을 감안하여 엔진 실린더로의 가스 공급은 해당 실린더로의 가스 공급 파이프가 유량계를 구비하여, 소기 포트들과 피스톤 위의 실린더 공간 사이의 가스흐름 통로를 피스톤이 차단할 때 싸이클 기간동안의 절대적인 가스흐름인지를 측정하도록 되는 것이 바람직하다. 절대적인 가스 흐름이 아닌 시간동안의 일반적인 가스 흐름의 모니터링은, 가스 공급 파이프의 정상적인 제어밸브의 작용에도 불구하고 시트에서의 작은 가스누출 조차도 탐지할 수 있으며, 또한 제어밸브의 정상적인 차단 작용의 갑작스런 고장이 즉각 탐지될 수 있다.

가스 흐름의 모니터링에 대한 다른 변형예로서, 각각의 엔진 실린더의 소기박스로부터 엔진 운전중에 공기 샘플을 채취하여 탄화수소 측정을 실시하거나, 또는 배기온도나 실린더 압력과 같은 실린더 출력을 나타내는 적어도 하나의 변수를 측정하여, 적어도 하나의 실린더 변수에 대하여 미리 설정된 부하에 따른 임계값과 비교하여 확인할 수도 있다. 탄화수소 측정은 실린더 밖의 충진공기로, 즉 실린더의 하측부 주변의 소기박스로의 가스 누출이 발생하는지를 보여준다. 누출로 인하여 미리 설정된, 의도된 가스 공급량 보다 공기중의 가스 함량이 더 크게 됨에 따라, 즉 가스와 공기의 혼합물이 보다 후박해져서, 가스누출의 결과 예를들어 갑작스럽고 매우 급격한 실린더 압력의 증가로서 탐지될 수 있는 자동점화의 형태로의 연소 장애 또는 배기가스의 온도가 증가된다. 따라서 가스누출은 압력과 온도를 측정하는 센서들에 의해 탐지될 수 있으며, 이들 센서들은 통상적으로 운전되는 디젤 엔진들에서 잘 알려져 있으며 널리 시험받은 것이다. 가스누출을 탐지하기 위하여 공지된 센서들의 사용은 가스누출을 신뢰성있게 하도록 하고, 예를들어 전체 엔진으로 또는 잘못된 실린더로의 가스공급 중지와 같은 방식으로 신속한 교정작용을 수행할 수 있도록 한다.

엔진 부하에 따른 가스 투입량은 가스 공급 압력에 의해 적당히 조절될 수 있다. 분사기간의 적합화에 의해 가스분배가 일어나는 공지의 분배방법과 달리, 압력에 의해 제어되는 분배방법은 예를들어 소기포트들이 개방되는 각도범위의 약 2/3에 해당하는 개략적으로 일정한 크랭크 각도범위중에 분배할 수 있도록 한다. 비교적 작은 량의 가스가 분사될 때만이 상당히 긴 기간의 가스 분사가 가능하며, 실린더에 가스와 공기의 보다 균일한 혼합물이 제공된다. 이러한 효과는 실린더 공간의 중심부에서의 연소 실패 위험을 내포하는 매우 희박한 혼합물과 관련하여 특히 중요하다.

본 발명은 또한 실린더 커버의 적어도 하나의 배기밸브와 실린더 하부에 위치한 소기 포트열을 구비함과 함께 복수의 가스포트들을 가진 밸브제어 가스 공급장치를 구비하는 복수개의 실린더들을 포함하며, 두가지 연료를 사용하는 디젤형 과급 내연기관에 관한 것이다. 자동차 엔진 보다 낮은 속도를 가지며 보다 큰 규격의 엔진에 대하여 저압으로 공급되는 가스로 연료 요건을 보다 폭 넓게 충족시킬 수 있도록 본 발명의 엔진은, 가스 포트들을 구비한 각각의 실린더들이 실린더 커버와 피스톤 사이의 실린더 공간속으로 고압 물 분사를 위한 적어도 하나의 분사장치를 가지며, 상기 엔진은 현재 사용되는 실린더 압력 보다 고압, 바람직하게는 상당히 더 고압으로 물을 물 분사장치에 공급하도록 물 송급시스템을 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 물 분사는 전술한 바와같은 잇점을 제공한다.

한 실시예에서, 물 분사장치의 노즐 홀들은, 물이 실린더의 내측면으로부터 적당히 떨어져서 피스톤을 향해 하방으로 분사되도록 향하여 있다. 전술한 바와같이, 무화된 물의 하방으로의 분사 결과 전체 실린더 내용물의 하방 및 상방으로의 강한 순환을 초래하여 혼합성을 증진시키게 된다. 노즐 홀들이 실린더 벽에서 적당한 반경방향의 거리를 두고 배치될 때, 분사방향은 실린더의 종방향 축에 대하여 사실상 평행하게 된다. 노즐 홀들이 실린더의 내측에 근접하여 배치되는 경우에, 분사는 실린더의 내측면으로부터 멀어지게 하는 방향으로, 즉 내측면으로부터 하방으로 더 먼 거리로 향하게 될 수 있다. 이것은 분사된 물이 피스톤 링들이 실린더의 작동 표면에 직접 부딪힐 수 없어서, 그렇지 않으면 윤활유막을 파괴하여 예기치 못한 실린더 마모를 초래되는 것을 방지하는 잇점이 있다.

물 분사는, 엔진이 적어도 230 mm의 실린더 보어를 갖고 그리고 250 rpm 미만의 속도를 갖는 2행정 크로스헤드 엔진으로 될 수 있는 정도까지 자동점화의 위험을 방지할 수 있다. 파일럿 연료의 발열량과 별도로 엔진의 연료 요건은 적어도 전부하에서 저압으로 분사되는 가스에 의해 충족될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 가스 포트들은 소기 포트들에서 개구되고, 상기 가스 포트들은 차단밸브를 구비한 가스 공급 파이프와 연통되고 실린더 둘레로 연장된 환형의 챔버로부터 가스가 공급된다. 이것은 소기 포트들 보다 더 높은 수준에 가스 포트들의 배치와 관련하여 실린더 속으로 유동하는 공기 속에 직접 가스가 전달되어 매우 균일한 혼합을 이루게 하는 잇점을 제공한다. 실린더 각각의 복수의 가스 포트들로 가스가 분배되게 환형의 챔버를 사용하는 것은 또한 공기속으로의 가스 분산을 촉진시킨다.

전술한 탄화수소 계량기는 경제적인 면을 감안하여 차례로 계량기로 가스량의 샘플들을 분배하는 복수개의 실린더들에 공동으로 사용될 수 있다.

이하에서는 개략적인 첨부 도면들을 참고하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 고정된 발전설비에서 전력 생산을 위하여 또는 선박 추진용의 디젤형의 2행정 크로스헤드 엔진(1)을 도시하고 있다. 엔진이 발전기를 구동시키거나 또는 조정가능한 피치를 가진 프로펠러와 연결되어 있을 때, 엔진 부하와 무관하게 엔진은 통상 미리 설정된 고정된 속도로 운전된다. 이것은 자동점화 임계치에 대하여 변하지 않음에 따라 본 발명에서 장점으로 된다. 엔진은 또한 선박의 도시되지 않은 프로펠라와 직접 연결될 수 있으며 이 경우에 속도는 엔진 부하에 따라 변화된다.

엔진(1)은 엔진 프레임 박스(3)로 부터 돌출한 복수개의 실린더(2)를 포함한다. 오일과 같은 파일럿 연료용 공동의 송급 파이프(4)는, 예를들어 피스톤 펌프로 될 수 있는 연료펌프(5)로 파일럿 연료를 공급하여 요구되는, 조정가능한 엔진 싸이클 타임에 잘 알려진 두가지 연료방식에 따라 연소개시를 위하여 펌프가 적어도 하나의 연료 분사장치(5')를 통하여 실린더(2)로 파일럿 연료를 분사할 수 있다. 파일럿 연료에 의한 외부 점화대신에, 본 발명에 따른 엔진은 전기로 작동되는 점화수단과 같은 다른 가열원에 의한 외부 점화장치를 구비하도록 되어 있으며, 상기 가열원은 실린더의 연소실(6) 보다 더 후박한 가스와 공기 혼합물이 공급되는 예비연소실에 위치할 수 있다.

파일럿 연료의 점화전의 압축행정 동안에, 바람직하게 낮은 압력으로 분배되는 가스 형태의 메인 연료가 실린더의 공기속에 공급되며, 이때 상기 메인 연료는 분사시의 실린더 압력보다는 커야 한다. 예를들어 상기 가스 압력은 예를들어 15 bar 미만이며, 종종 10 bar 미만으로 될 수도 있으며, 그러한 압력은 극히 작은 압축일만을 필요로 할 뿐이며, 따라서 압축장치가 복잡하지 않아도 된다. 이후에 보다 상세히 설명하겠지만 가스 압력은 가변적이다.

엔진(1)은, 담수 또는 다른 적당한 형태의, 도면에 도시되지 않은 물 공급원으로 부터 물이 파이프(7)를 통해 고압발생기(8)로 공급되며 상기 고압발생기는 예를들어 피스톤 펌프이거나, 또는 물이 주기적으로 채워지며 물 분사장치(9)로의 요구되는 물 송급압력에 해당하는 압력으로 가압된 공기에 의해 가압되는 적어도 하나의 탱크를 포함하는 물 공급시스템을 구비한다. 탱크에서 물과 공기를 멤브레인외의 다른 수단으로 서로 분리된 상태로 유지해야 하면, 물위에 뜨게 공기가 충진된 볼과 같은 것으로서 공기압력이 전달되도록 한 플로터가 탱크에 제공될 수 있다. 이와같은 방법으로 매우 높은 수압을 발생할 수 있고, 피스톤이 물에 부분적으로 잠겨 작동하게되는 펌프 실린더에서 윤활조건들을 고려해야 할 필요없이 실린더로 많은 량의 물을 공급할 수 있다. 상기의 물은 엔진 싸이클에 따라 타이밍이 제어되는 제어밸브를 개폐시킴으로써 실린더의 물 분사장치(9)로 공급될 수 있다. 상기 제어밸브는 크랭크 샤프트의 현재의 각도 위치에 대한 신호를 받는 제어유니트에 의해 전기적으로 제어될 수 있다. 압축 압력의 증가를 고려하여 상기 수압은 압축행정 동안에 가변적으로 증가될 수도 있다.

각각의 물 분사장치(9)는 잘 알려진 바와같이, 내부에 밸브 시트를 구비한 밸브 하우징과, 물 공급수단과 무화기 노즐 사이의 연결을 차단하도록 스프링에 의해 시트에대하여 가압된 상태로 이동가능한 슬라이더를 포함하여 구성된다. 상기 밸브가 물 분사를 개시하도록 작동될 때 슬라이더는 밸브시트로 부터 멀어지게 이동하며, 그러한 작동은 제어밸브가 개방되어 하향의 슬라이더 표면에 수압이 작용하도록 함으로써 수압에 의해 슬라이더로 하여금 밸브시트로 부터 멀어지게 이동하게 하여 수행된다. 다른 실시가능성은 슬라이더를 밸브시트로 부터 멀어지게 이동시키기 위하여 유압을 이용하는 것이며, 이 경우에 밸브의 개폐작용은 수압과 무관하게 이루어질 수 있다. 분사기의 하단부 근처에 제공된 무화기 노즐은, 분사된 물이 실린더 벽에 직접 닿지 않도록 하방으로 향하게 된다. 무화기 노즐에 의해 방출된 물의 제트분사(스프레이)는 예를들어 0°내지 20°범위의 각도로 실린더의 종방향 축에 대하여 경사지게 하방으로 향하게 될 수 있다. 한편으로는 실린더 내부공간에 비교적 균일하게 물을 분배시키기 위하여, 그리고 다른 한편으로는 실린더의 중심축 근처에서는 상향류가 되고 실린더 벽 근처에서는 하향류가 되게 적어도 하나의 와류를 발생시키도록 여러 가지의 무화기 노즐들이 여러 각도로 배치될 수 있다. 바람직한 것은, 소기포트들이 완전히 차단되는 위치에 피스톤이 배치될 때 피스톤의 주변측으로 물분사 방향이 확대되도록 무화기 노즐들을 배향시키는 것이다. 또한, 요구되는 물분사량과 분배량에 따라 하나 이상의 물분사장치(9)가 제공될 수 있다.

엔진에는 엔진 부하에 따라 가변적인 압력으로 소기와 급기가 제공된다. 상기 소기와 급기는, 엔진이 부분적인 부하 또는 저부하로 운전될 때 하나 이상의 과급기에 의해전달되어 보조 블로어의 구동으로 바람직하게 보충된다.

엔진은 중속 또는 고속 엔진이 될 수도 있지만, 그러나 실린더 상부의 실린더 커버(11)에 배치된 배기밸브(10)와 소기박스(13)에 의해 둘러싸인 실린더 하측부에 배치된 소기 포트열(12)을 포함하는 저속 엔진이 바람직하며, 상기 소기박스(13)는 복수개의 실린더들에 공동인 길다란 압력용기로 된 소기 저장용기(30)와 같은 가압공급하는 소기부와 개구부(14)를 통해 연통되어 있다. 상기 소기박스(30)는 각각의 실린더별로 분리될 수 있다. 즉, 소기박스는 실린더들 사이의 횡방향 벽에 의해 서로 분래될 수 있으며, 공기 공급부분과 크랭크 하우징을 효율적으로 분리하도록 엔진 프레임박스의 중간 바닥(14)에 의해 하방으로 경계지어져 있다. 실린더의 피스톤(15)은 피스톤 로드 수용박스(17)의 중간 바닥을 관통하는 피스톤 로드(16)에 장착되어 있다. 다른 실시예로 상기 소기박스는 여러개의 또는 모든 실린더들에 공동으로 구성될 수 있다.

가스 공급원(18)은 가스를 엔진의 가스공급 시스템에 분배한다. 압력조절장치(19)는 분배파이프(20)로 송급하는 가스 압력을 제어하며, 상기 분배파이프는 차단밸브를 구비하고 분기 파이프(21)를 통하여 각각의 실린더(2)와 연통되어 있다. 가스가 탱크로 부터 증발된 가스이거나, 외부 공급 파이프로부터 저압으로 공급된 가스인 경우에, 압력조절장치(19)는 가스의 압축을 조절한다. 또한, 가스는 다소 높은 압력의 가스 공급원으로 부터 공급될 수 있으며, 이 경우에는 압력조절장치(19)는 조정가능한 스로틀밸브로 될 수 있다.

도 2에 도시된 바와같이 엔진이 단일 유동 소기방식의 2행정 디젤 엔진인 경우에 엔진의 흡입공기에 가스를 예비 혼합하는 것이 허용되지 않으며, 그것은 소기과정의 초기 기간동안에 공급되는 소기는 배기밸브(10)가 폐쇄되기전에 배기시스템속으로 직접 배출되고 실린더에는 다음 연소를 위한 공기가 충진되기 때문이다. 그러므로 가스는 실린더로 직접 공급된다. 실린더로의 가스 공급의 바람직한 실시예가 도 3과 도 4에 도시되어 있다.

실린더 바로 옆에서 분기 파이프(21)는 중앙의 차단 또는 제어밸브(22)를 포함하며, 상기 제어밸브는 커버 링(24)으로 외측이 덮여진 홈으로서 실린더 벽에 형성된 환형의 챔버(23)로 엔진 싸이클의 적당한 시기에 가스 공급을 개폐할 수 있다. 복수개의 파이프(25)들은 상기 환형의 챔버(23)으로 부터 소기 포트들에 배치된 가스 포트들로 연결되어 있다. 노즐 파이프르의 수는 4개 내지 6개로 될 수 있으며 원주방향으로 균일한 간격으로 배치되어 있다. 최상의 균일한 가스와 공기 혼합물을 얻기 위하여 각각의 소기 포트는 가스 포트를 구비하고 있다. 간단한 실시예에서 가스 포트는 노즐 파이프의 출구측에 있지만, 폭발행정 말기에 환형의 챔버(23)로 뜨거운 가스에 의한 역류를 방지하도록 노즐 파이프에 비귀환밸브를 구비할 수도 있다. 보어에의 노즐 파이프 배치에 대한 변형예로서 상기 보어는, 환형의 챔버(23)로 부터 소기 포트가 실린더의 내측면과 만나는 코너부에서 또는 소기 포트의 상부벽에 형성된 구멍으로 하향으로 경사지게 내측방향으로 된 단순한 형태로 형성될 수 있다. 이 경우에 상기 구멍은 가스 포트를 이룬다.

또 다른 실시예에서, 도시되지 않은 소기 포트들을 위에서 폐쇄하는 복수개의 가스 분사밸브들은 실린더 주변으로 연장된 공동의 파이프로 부터 가스가 공급되며 전술한 바와 같은 갯수와 분배방식으로 형성될 수 있도록 배치된다. 파이프로의 가스 공급은 실린더에 근접하여 배치된 전자 제어 밸브에 의해 제어된다. 가스 분사밸브는 실린더 벽에서 그 내측면에 대하여 카운터싱크되어 형성된 보어들에 위치하며, 하나 또는 2개의 홀들과 비귀환밸브를 구비한 단순한 노즐들로 이루어질 수 있으며 비귀환밸브는 배기행정이 시작할 때 반발적인 역류를 방지한다.

제어밸브(22)로의 가스 분배는 엔진 싸이클의 특정의 그리고 사실상 고정된 기간동안 발생될 수 있다. 크랭크 각회전으로 통상 표현되는 소기 포트들의 개방 기간을 부분적인 기간들로 100등분 할 때, 가스 분배는 30 내지 95의 부분적인 기간동안에 수행되는 것이 바람직하다. 소기 포튿르이 상방으로 이동하는 피스톤에 의해 폐쇄되기 직전에 가스 분배의 종결의 결과, 분사 효과에 의해 환형의 챔버로 부터의 잔류가스를 배기시켜서 피스톤 밑의 공간으로의 가스 누출의 위험이 최소화된다.

가스 공급량의 조절은 현재의 엔진 부하에서의 소기 압력보다 다소 크게 압력조절장치(19)에 의해 가스의 분배압력을 조절함으로써 적당하게 수행될 수 있다. 과잉 공기 계수를 통상적으로 λ＝2 정도로 거의 일정하게 유지하려고 할 때, 실린더에서의 연료량은 공기량에 따라 의존하게 되고, 그 공기량은 다시 소기 압력에 의존하게 된다. 배기가스에 의해 구동되는 과급기를 구비한 엔진들의 소기 압력은 엔진 부하에 따라 변하게 되기 때문에, 어떤 엔진부하에서 또는 급속한 부하 변동시에는 출력의 급속히 변화시키는 것을 포함하여 엔진 출력을 제어하기 위하여 압축기 뒤에서 소기를 블로우잉시키는 것이 필요하다.

도 5는 과잉 공기 계수 λ의 함수로서 여러 엔진들에 대한 자동점화 임계치를 예시적으로 보여주고 있다. 실선의 곡선은 600 rpm의 속도를 갖는 중속엔진용의 과잉 공기비들을 나타낸다. 피스톤이 상사점에 이를 때 과잉 공기 계수 λ＝2에서 자동점화가 발생됨을 보여주고 있으며, 또한 가스와 공기 혼합물이 보다 희박하게 되면(더 큰 λ) 자동점화 임계치가 결론적으로 증가됨을 보여준다. 그러나, 매우 희박한 혼합물은 실제로는 사용될 수 없으며, 그것은 연소의 불안정성이 증가되고 희박도의 증가에 따라 연소가 불완전하게 된다. 외부 점화는 통상적으로 상사점 전후 5°의 범위내에 발생됨에 따라 자동점화 임계치는 상사점전 5°보다 낮아서는 안된다.

도시된 곡선은 특정한 가스에 대한 것이다. 350 mm의 보어를 가지며 209 rpm의 저속으로 운전되는 대형 엔진에 동일한 메탄 넘버를 갖는 가스를 사용하면, 도면에서 곡선 b로 도시된 바와같이 자동점화 임계치는 증대된다. λ 증대의 효과는 저속에서는 상당히 낮으며, 자동점화 임계치가 적당한 엔진 운전용으로는 너무 낮음을 명백히 보여준다. 마찬가지로, 곡선 c는 123 rpm의 엔진속도와 600 mm의 보어를 갖는 엔진에 대한 선도이고, 곡선 d는 94 prm의 엔진속도와 900 mm의 보어를 갖는 엔진에 대한 선도로서 엔진이 클수록 더욱 조건들이 저하되는 것을 보여준다.

350 mm의 보어를 갖고 209 rpm의 엔진속도를 갖는 엔진에 근거한 도 6은 엔진의 운전조건들의 변화 결과를 보여준다. 곡선 b는 여기서는 실선으로 표시되고 있다. 곡선 e는 예를들어 엔진 싸이클에서 보다 늦게 까지 압축이 개시되지 않도록 배기밸브의 개방을 약간 길게 유지하여 엔진의 효율적인 압축비를 감소시킴으로써 수행될 수 있는, 10 bar까지 실린더 압력을 감소시킨 효과를 보여주고 있다. 자동점화 임계치가 개선됨을 보여주고 있지만 충분하지는 않다. 그러므로 유효 압축비의 변화는, 예를들어 연료의 메탄 넘버의 미소한 변화에 대하여 보정하도록 자동점화의 연속적인 미세 조정을 수행하기 위하여 적합할 뿐이다.

본 발명에 따라 물을 분사하는 효과는 이미 진술되었으며, 그것은 공급된 연료의 42.7 MJ당 1.0 kg와 1.25kg의 연료 오일 각각에 대하여 100%와 125%에 해당하는 물의 량을 분사하는 곡선 f와 g로 입증된다. 물 분사는 보다 많은 량의 물에서 실질적으로 효과가 증가하는 것으로 나타난다.

도 7은 실린더 압력 P_cyl와 실린더 온도 T_cyl가 350 mm의 보어와 209 rpm의 엔진속도를 갖는 엔진의 압축행정동안에 어떻게 진행되는지를 보여주고 있으며, 압력곡선 j와 온도 곡선 k에 의해 연료 오일의 100%에 해당하는 량의 물 분사를 한 경우와 물분사를 하지 않은 경우에 대하여 도시되어 있다. 물 분사의 실질적 효과는 상사점전 마지막 90°동안에 발생된다. 물 분사율(시간당 량)은 물의 분사압력을 변화시키거나 또는 간헐적인 분사를 수행함으로써 압축행정중에 변화된다면, 가장 큰 분사 비율은 하사점 뒤 90°- 150°의 각도 범위중에 발생되는 것이 가장 바람직하다.

연료량 보다 많거나 같은 량으로 압축행정 동안에 전체 실린더 내부에 물을 강하게 직접 분사함으로써, 본 발명은 고압으로 분사된 연료는 점화목적으로만 사용되도록 하고 메인 연료로서 저압 분사된 가스로 대형의 2행정 디젤 엔진들을 운전할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 보다 고속으로 작동하는 소형의 가스/디젤 엔진들에 보다 낮은 메탄 넘버의 가스를 사용하기 위하여 적용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 연료로서의 요건을 충족하도록 저압으로 공급되는 가스를 사용하는 선행 기술의 디젤 엔진들에서 보다 더 좋은 가능성으로 두가지 연료를 사용하는 디젤엔진을 운전하는 방법을 제공하는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 측면도.

도 2는 도 1의 엔진 실린더의 종방향 단면도.

도 3은 실린더 하측부의 부분 단면도.

도 4는 가스 포트의 바람직한 실시예의 부분 확대단면도.

도 5와 도 6은 여러 운전 변수들에 대하여 도시된, 과잉 공기 계수의 함수로서 엔진들의 가스에 대한 자동점화 임계치를 선도로서 도시하고 있다.

도 7은 물 분사하는 경우와 물 분사를 하지 않는 경우 각각에 대하여 실린더에서의 압력과 온도 추세의 선도이다.

Claims (15)

1. 실린더들(2)에 희박-연소(lean-burn) 혼합비로 공기와 가스가 공급되어 압축행정에서 공기와 가스가 압축되고 외부 점화장치에 의해 점화되며, 상기 압축행정에서 단위 실린더당 복수개의 분사 노즐(9)을 통하여 상향 피스톤(15)과 실린더 커버(11) 사이의 실린더 공간의 공기/가스 혼합물에 물이 분사되는, 두가지 연료를 사용하는 과급 내연 기관 엔진(1)을 운전하는 방법에 있어서,

   가스는 하부 실린더 섹션에 위치된 소기 포트(12) 주위의 공간에 공급되며,

   상기 엔진(1)은 실린더 커버(11)에 위치된 배기 밸브(10)를 구비한 단일 유동-소기된 디젤 엔진이며,

   상기 물은 압축행정에서 공기와 가스를 혼합하기 위해 적어도 50 바(bar)의 압력에서 아래 방향으로 스프레이 분사되며,

   분사된 물의 양은 공급되는 연료의 42.7 MJ의 발열량당 적어도 0.75kg 이며,

   상기 물은 하사점 후에 적어도 부분적으로는 20°내지 150°의 압축행정 크랭크각 간격동안 분사되는 것을 특징으로 하는, 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진(1)을 운전하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 물을 150 바에서 500 바까지 범위의 압력으로 분사노즐에 공급하는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 분사되는 물의 양은 공급되는 연료의 42.7 MJ의 발열량당 0.85kg 내지 4.0kg인 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 물은 하사점 뒤 20°에서 90°까지의 크랭크 각도 범위를 포함하는 압축행정의 적어도 일부분에서 분사되도록 하는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 물은 하사점 뒤 120°에서 150°까지, 바람직하게는 90°에서 150°까지의 크랭크 각도 범위를 포함하는 압축행정의 적어도 일부분에서 분사되도록 하는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스는 소기 공기 포트에 위치된 가스 포트를 통하여 공급되는 것을 특징으로 하는, 두가지 연료를 사용하는 과급 내연 기관 엔진을 운전하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 외부 점화장치에 의해 점화를 실행하기전에 가스와 공기 혼합물이 자동점화 임계치에 너무 근접하게 될 때 배기밸브의 폐쇄 시기 조정에 의

   해 운전중에 유효 압축비가 감소되도록 하고, 그 반대로 가스와 공기 혼합물이 자동점화 임계치에 너무 떨어진 경우에는 유효 압축비를 증대시키도록 하는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 해당 실린더로의 가스 공급 파이프는 유량계를 포함하여, 피스톤 위의 실린더 공간과 소기 포트(12)들 사이에서의 흐름을 피스톤(15)이 차단할 때 싸이클 기간중에 절대 가스유동이 있는 지를 측정하는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 엔진 실린더의 소기 박스(13)로 부터 엔진의 운전중에 공기 샘플을 채취하여 탄화수소를 측정함과 함께, 또는 단독으로 배기온도나 실린더 압력과 같이 실린더 출력을 나타내는 적어도 하나의 실린더 변수를 측정하고, 적어도 하나의 실린더 변수에 대하여 미리 설정된 임계치에 따른 부하와 비교하도록 된 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
10. 제 1항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진 부하에 따른 가스 분배량은 가스 공급 압력에 의해 조정되도록 하는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 과급 내연기관 엔진을 운전하는 방법.
11. 실린더 커버(11)의 적어도 하나의 배기밸브(10)와 실린더의 하측부에 위치한 소기 포트(12)들의 열과 함께 복수개의 가스 포트들을 구비한 밸브로 제어되는 가스공급수단을 각각 포함하는, 복수의 실린더(2)들을 가지며 두가지 연료를 사용하는 디젤형의 과급 내연기관 엔진에 있어서,

    가스 포트들을 구비한 각각의 실린더들은 피스톤과 실린더 커버 사이의 실린더 공간 내부로 물을 고압 분사하는 적어도 하나의 물 분사장치(9)를 포함하며, 현재의 실린더 압력 보다 고압의 물을 물 분사장치(9)들로 공급하는 물 송급시스템이 엔진에 제공되며, 상기 엔진 실린더에는 가스 누출 탐지기가 장착된 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 디젤형의 과급 내연기관 엔진.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 물 분사장치(9)들의 노즐 홀들은 실린더의 내측면으로 부터 적당히 떨어지게 그리고 피스톤(15)을 향하여 하방으로 물이 분사되도록 하는 방향으로 배향된 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 디젤형의 과급 내연기관 엔진.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 엔진은 적어도 230 mm의 실린더 보어와 250 rpm의 속도를 갖는 2행정 크로스헤드 엔진인 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 디젤형의 과급 내연기관 엔진.
14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 포트들은 소기 포트들에서 개구되어 있으며, 차단밸브를 구비한 가스 공급 파이프와 연통되고 실린더 주변으로 연장된 환형의 챔버로 부터 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 디젤형의 과급 내연기관 엔진.
15. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 각각의 소기 포트들은 각기 실린더의 소기박스에 의해 둘러싸이고 소기 수용기로 부터 소기되고 충진된 공기가 공급되며, 각각의 소기박스는 복수개의 실린더들에 공통인 탄화수소 계량기로 공기 샘플들을 전달하는 공기 샘플채취기를 구비하는 것을 특징으로 하는 두가지 연료를 사용하는 디젤형의 과급 내연기관 엔진.