KR100593223B1 - 왕복 피스톤 내연기관, 왕복 피스톤 내연기관의 작동방법, 왕복 피스톤 내연기관의 구조개선방법, 및 개선된 구조를 갖춘 엔진 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 왕복 피스톤 내연기관의 작동 방법에 관한 것으로, 이 내연기관의 실린더에는 연료와 새로운 윤활유가 공급되고 폐윤활유가 배출되며, (경질 도금된) 엔진 부품의 3-파트 마모율을 나타내는 폐윤활유 또는 연료의 파라미터가 측정된다. 3-파트 연삭과 관련된 물질은 상기 측정된 파라미터의 직접 또는 간접 함수로서 변하게 된다. 엔진의 작동 상태는 상기 측정된 파라미터의 직접 또는 간접 함수로서 변할 수 있다. 더욱이, 상기 측정된 파라미터가 소정의 한계치 이상으로 상승하게 되면 작동자에게 경보를 보낼 수 있다.
본 발명은 왕복 피스톤 내연기관의 구조를 개선하는 방법에 관한 것으로, 이 내연기관의 실린더에는 연료 전달 장치에 의해 연료가 공급되고 새로운 윤활유가 공급되며 폐윤활유가 배출된다. 이 엔진은 시험 작동을 받게 되고, 이 시험 작동 후 경질 도금된 엔진 부품의 3-파트 연삭마모의 레벨이 결정된다. 연삭마모가 소정의 허용 마모 정도보다 높게 되면, 엔진 구조는 연료 또는 연료 잔류물이 실린더 벽과 덜 접촉하도록 변경된다. 3-파트 연삭을 유발하는 물질을 연료로부터 제거할 수 있는 연료 전달 장치 (3) 의 용량도 증가될 수 있고, 그리고/또는 경질 도금부의 내마모성이 개선될 수 있다.
왕복 피스톤 내연기관
Description
도 1 은 경질 도금된 엔진 부품의 마모를 제어하기 위한 본 발명에 따른 장치를 갖춘 왕복 피스톤 내연기관의 개략도, 및
도 2 는 폐윤활유의 Cr 함량 및 Al, Si, HP 의 결합 함량간의 관계를 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 *
1 : 실린더 2 : 분사 노즐
3 : 연료 공급 장치 4, 4a, 4b : 탱크
5 : 연료 라인 6 : 선택 장치 (또는 밸브 수단)
7 : 윤활제 공급 장치 11 : 측정 장치
12 : 컴퓨터 16 : 메모리
17 : 원심 분리기 22, 31, 33 : 센서
25 : 경보 장치 27, 29 : 여과기
본 발명은 왕복 피스톤 내연기관, 보다 자세하게는 대형 2-행정 디젤 엔진을 작동하는 방법에 관한 것으로, 이 내연기관의 실린더에는 연료와 새로운 윤활유가 공급되고 폐윤활유 (used lubrication oil) 가 배출된다.
더욱이, 본 발명은 왕복 피스톤 내연기관, 보다 자세하게는 대형 2-행정 디젤 엔진의 구조를 개선하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 내연기관의 실린더에는 연료 전달 장치에 의해 연료가 공급되고 새로운 윤활유가 공급되며 폐윤활유가 배출된다.
폐윤활유내의 촉매제 및 경질상 (hardphase : HP) 의 양과, 엔진 부품, 통상적으로 경질 도금된 엔진 부품의 3-파트 연삭마모 (3-part abrasive wear) 로 인하여, 그 윤활유내에 들어가는 성분의 양 사이에는, 일정한 관계가 있음이 발견되었다.
종래에는, 엔진 부품의 마모로 인해 폐윤활유내에 들어가는 성분의 분석에 있어서의 주안점은, 주로 Fe-함량이었다.
제 DE-101 12 691 호에서는, 폐윤활유의 Fe-함량을 측정하여 허용 마모 레벨과 비교하는 대형 2-행정 디젤 엔진에 대하여 개시하였다. 이를 바탕으로, 실린더에 공급되는 윤활유의 양을 변화시키는 방법이 결정되었다.
엔진 부품의 Fe 마모는, 주로 연료에 함유된 황의 생성물, 즉 황산에 의한 반응에 의해 유발된 부식성 마모 때문이다. 상기 반응은, 염기성 윤활유의 공급을 증가시킴으로써, 또는 윤활유의 산중화 능력을 증가시킴으로써, 즉 산중화제의 양을 증가시킴으로써 제어된다.
상기 배경 기술을 바탕으로, 본 발명의 목적은, 실린더에는 연료와 새로운 윤활유가 공급되고 폐윤활유가 배출되는 왕복 피스톤 내연기관에 있어서, 경질 도금된 엔진 부품의 마모를 더욱 양호하게 제어할 수 있는 왕복 피스톤 내연기관의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1 항에 따라서,
- 엔진 부품의 3-파트 마모율의 지표가 되는 연료 또는 폐윤활유의 파라미터를 측정하는 단계를 포함하는 상기 종류의 방법을 제공함으로써 달성된다.
따라서, 해당 엔진 부품의 실제 마모율이 결정될 수 있고, 과도한 마모를 방지하기 위해서 시기 적절하고 적당한 조치를 취할 수 있다.
측정된 파라미터는, 주로 바람직하게는 경질 도금된 엔진 부품의 3-파트 연삭마모로 인하여 윤활유내에 들어간 폐윤활유내 성분의 함량일 수 있다.
또는, 측정된 파라미터는 3-파트 연삭과 관련하여 폐윤활유내에 존재하는 물질의 함량일 수 있다.
또한, 측정된 파라미터는 3-파트 연삭과 관련된 연료내의 물질의 함량일 수 있다.
측정된 파라미터의 함수로서 3-파트 연삭과 관련된 물질의 함량이 변할 수 있다.
게다가, 측정된 파라미터의 함수로서 엔진의 작동 상태가 변할 수 있다.
측정된 파라미터가 소정의 한계치 이상으로 상승할 때 작동자에게 경보를 보내서 경고하기 때문에, 작동자는 적절한 조치를 취할 수 있다.
바람직하게는, 측정된 파라미터의 함량이 소정의 한계치 이상으로 상승할 때 3-파트 연삭과 관련된 상기 물질의 함량이 감소된다.
3-파트 연삭과 관련된 상기 물질의 함량은, 측정된 파라미터가 한계치를 넘어 소정의 시간이내에 소정의 한계치 이하로 떨어지면, 정상 레벨로 되돌아간다.
상기 파라미터는 연속적으로 또는 주기적으로 측정될 수 있다.
폐윤활유내의 파라미터는 엔진의 각 실린더마다 개별적으로 측정될 수 있다.
상기 측정된 파라미터의 함량이 경보가 발생된 시간으로부터 소정의 시간 이내에 소정의 한계치 이하로 떨어질 때, 작동자에게 보내는 경보가 중지될 수 있다.
측정된 파라미터의 함량이, 3-파트 연삭과 관련된 물질의 함량이 감소되기 시작한 후 소정의 시간 이내에 한계치 이하로 떨어지지 않는다면, 2 단계 경보가 발생될 수 있다.
폐윤활유내에서 측정된 상기 성분은, 경질 도금된 엔진 부품에 어떤 성분이 사용되는가에 따라서, Cr, Ni, Mo, Ti, W, Mn, 및/또는 Co 중 어느 것이라도 될 수 있다.
3-파트 연삭에 관련된 상기 물질은 공급된 연료의 일성분으로서 실린더내에 들어간 촉매제를 포함할 수 있다. 촉매제는 일반적으로 규산 알루미늄을 포함한다. 흡기내의 경질상 및/또는 경질 입자 등의 다른 물질도 3-파트 연삭에 관련될 수 있다.
실린더에 공급되는 연료내의 촉매제의 양은, 연료 처리 장치, 바람직하게 는 원심력을 이용한 촉매제 제거부 및/또는 미세 여과부를 포함하는 연료 처리 시스템에 의해 감소될 수 있다.
종종, Cr 은 링 그루브 및/또는 피스톤 링과 같은 엔진 부품을 경질 도금하는데 사용된다.
본 발명의 다른 목적은, 경질 도금부의 마모를 보다 잘 제어하는 전술한 유형의 왕복 내연기관을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구항 제 18 항에 따라서,
- 윤활유내의 촉매제로 인한 엔진 부품의 3-파트 마모율의 지표가 되는 연료 또는 폐윤활유의 파라미터를 측정하는 수단과,
- 상기 측정된 파라미터의 함수로서 상기 연료내의 촉매제의 양을 변화시키는 수단 (12, 17, 6) 을 갖춘 엔진 등을 제공함으로써 달성된다.
따라서, 경질 도금된 엔진 부품의 3-파트 연삭마모가 허용 한계를 초과할 때, 윤활유내에 들어간 촉매제의 양이 감소될 수 있다.
엔진은, 파라미터를 측정하기 위해서, 각 실린더에 대한 추출 라인 또는 모든 실린더에 대한 공동의 추출 라인에 설치되는 센서를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 센서의 출력 신호는 제어 유닛에 전달되고, 이 제어 유닛은 연료 공급 및 처리 장치의 작동을 제어하여 작동자에게 경보를 보낼 수 있는 것이 유리하다.
엔진의 연료 공급 및 처리 장치는 연료로부터 촉매제를 제거하기 위한 수단을 포함하고, 이 수단은 바람직하게는 원심 분리기를 포함하는 원심력을 이용한 촉매제 제거부 및/또는 미세 여과부 형태인 것이 바람직하다.
상기 연료 공급 및 처리 장치는, 상이한 촉매제 함량을 가진 연료를 담기 위한 1 이상의 연료 탱크와, 소망하는 연료 품질을 선택하기 위한 밸브 수단을 포함할 수도 있다.
엔진은, 센서로부터 신호를 받는 입력부와, 원심 분리기, 밸브 수단, 미세 여과기, 및/또는 경보 장치를 위한 출력부를 갖춘 컴퓨터 등의 프로그램가능한 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은, 실린더에는 연료 전달 장치에 의해 연료가 공급되고 새로운 윤활유가 공급되며 폐윤활유가 배출되는 왕복 피스톤 내연기관, 보다 자세하게는 대형 2-행정 디젤 엔진의 구조를 개선하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 목적은, 청구항 제 31 항에 따라서,
- 엔진을 시험 가동하는 단계,
- 엔진 부품의 3-파트 연삭 마모의 레벨을 결정하는 단계,
- 상기 연삭 마모가 소정의 허용 마모정도보다 클 때, 연료 또는 연료 잔류물이 실린더 벽과 덜 접촉하도록 엔진 구조를 변경하는 단계, 및/또는
- 3-파트 연삭을 유발하는 연료내 물질을 제거하는 연료 전달 장치의 능력을 증대시키는 단계, 및/또는
- 엔진 부품의 내마모성을 향상시키는 단계를 포함하는 상기 종류의 방법을 제공함으로써 달성된다.
3-파트 연삭 마모의 레벨은, 바람직하게는 경질 도금된 엔진 부품의 주로 3-파트 연삭 마모로 인하여 배출 윤활유에 들어간 윤활유내 1 종 이상의 성분의 함량에 대하여 그 배출 윤활유를 분석함으로써 결정될 수 있다.
다른 방법으로, 3-파트 연삭 마모의 레벨은, 바람직하게는 기계 부품을 측정함으로써, 바람직하게는 기계 부품상의 경질 도금부의 두께를 측정함으로써 결정될 수 있다.
엔진 구조는 연료 분사기의 유형, 개수, 및 위치를 변경함으로써 변경될 수 있다. 이러한 연료 분사기의 유형, 개수, 및 위치 각각은 연소전에 연료 입자의 살포에 영향을 미치고 또한 연소 과정 그 자체에 영향을 미칠 수 있다.
또한, 엔진 구조는, 소기시 및 연소시 실린더내의 가스 유동 패턴, 특히 유도 와류의 강도를 변경함으로써 변경될 수 있다.
분사기의 최적 배열과 가스 유동 패턴은, 가능한 반복된 시험 및/또는 컴퓨터 분석을 통하여, 상기 요인을 주의 깊게 변경시킴으로써 과도한 부담감 없이 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 방법으로 획득된 구조에 따라서 구성된 왕복 피스톤 내연기관을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 방법과 엔진의 다른 목적, 특징, 장점 및 특성은 이후의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 이후의 상세부에서는 도면에 도시된 대표적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 보다 자세히 설명할 것이다.
본 발명의 주요 적용 분야는 대형 엔진, 보다 자세하게는 선박 추진이나 고정된 발전소 등에 사용되는 대형 2-행정 디젤 엔진 분야이다. 이러한 유형의 엔진 작동 방법과 구조는 공지되어 있기 때문에 본 명세서에서는 더 이상 설명할 필요가 없다.
도 1 에 도시된 전술한 유형의 엔진은, 관련된 분사 노즐 (2) 로 나타낸 분사 장치를 각각 포함하는 다수의 실린더 (1) 를 포함한다. 실린더 (1) 에 연결된 분사 장치에는 연료 공급 장치 (3) 에 의해 연료가 공급된다. 연료 공급 장치는, 탱크 배열체 (4) 에서 연장하여 엔진 쪽으로 개별 실린더 (1) 에 연결된 탭 라인 (5a) 으로 분기되는 연료 라인 (5) 을 포함한다. 탱크 배열체 (4) 는, 중유와 경유 등의 상이한 품질의 연료와 연결되어 있는 다수의 탱크, 상기 경우에서는 2 개의 탱크 (4a, 4b) 를 포함하고, 선택 장치 (selector device) (6) 에 의해서 연료 라인 (5) 에 교대로 연결될 수 있다. 연료 라인 (5) 내에는 연료로부터 잔류 촉매제를 제거하기 위한 원심 분리기 (17) 가 배치된다.
실린더 (1) 의 실린더 부시 (자세히 도시되지 않음) 에는, 공지된 방식으로, 윤활제 공급 장치 (7) 에 의해서 일반적으로 윤활유 형태의 적절한 윤활제가 공급되는 윤활제 보어가 제공된다. 윤활제 공급 장치 (7) 는, 윤활제 공급 용기 (8) 로부터 연장하여 엔진 방향으로 개별 실린더 (1) 에 연결된 탭 라인 (9a) 으로 분기되는 공급 라인 (9) 을 포함한다. 또한, 윤활제 공급 장치 (7) 는, 엔진 방향으로 개별 실린더 (1) 에 연결된 입구 라인 (10a) 으로 분기되고 사용된 윤활제를 추출하는데 사용되는 추출 라인 (10) 을 포함한다. 실린더 (1) 로부 터 배출되고 추출 라인 (10) 을 통하여 추출되는 윤활제는, 이 윤활제가 저장되는 추출 용기 (비도시) 로 유입될 수 있고, 또는 재생되어 윤활제 공급 용기 (8) 로 공급될 수 있도록 세정되는 세정 장치 (비도시) 로 공급될 수 있다.
실린더 (1) 에 공급되는 윤활제는 엔진에 가해진 제동 부하 (braking load) 의 함수로서 측정된다. 이 제동 부하가 더 커지면, 윤활제도 더 공급된다. 이 부하에 따른 윤활제의 측정치는, 허용가능한 마모율을 바탕으로, 실린더 (1) 에 공급된 연료의 S-함량 (황-함량) 의 직접 또는 간접 함수로서 변하게 될 수 있다.
본 발명자는, 폐윤활유내에서 Fe 이외의 성분, 즉 구리, 납, 주석, 알루미늄, 은, 몰리브덴, 크롬, 칼슘, 아연, 인, 및 황 성분에 주목하였고, 촉매제 + 경질상 재료의 양과, 엔진 부품의 경질 도금에 사용되는 재료의 종류에 따른 Cr, Ni, Mo, Ti, W, Mn, 및/또는 Co 의 양 사이의 일정한 상호관계를 발견하였다. 엔진 부품이 여러 성분으로 구성되는 합금으로 경질 도금된다면, 이 여러 성분 각각을 측정할 수 있지만, 바람직하게는 합금에서 가장 높은 농도를 가진 성분만을 측정한다. 한 엔진 부품이 하나의 성분으로 경질 도금되고, 다른 엔진 부품이 다른 성분으로 경질 도금된다면, 경질 도금된 이 2 개의 엔진 부품의 마모를 제어하기 위해서는, 폐윤활유내에서의 상기 두 성분의 양을 측정할 필요가 있다.
촉매제는 정제기에서의 촉매 분해 과정에서 생성된 부산물내에 남아있는 소모된 촉매의 소형 미립자이다. 정제 처리시 촉매 분해기의 목적은 처리된 원유 로부터 가솔린의 양을 증가시키기 위해서이다.
유동층 촉매 분해 (FCC) 는 1940 년대 초기에 시작하여 오늘날에는 다양한 등급의 촉매와 다양한 촉매 제조사가 있다. 상기 모든 등급의 촉매의 공통점은, 규산 알루미늄을 포함하고 있지만, 상호연결된 보이드 (voids) 의 구조내에서 결합된 복잡한 결정질의 미립자라는 것이다.
촉매제는 크기가 변할 수 있는데, 마이크론 이하에서부터 대략 80 마이크론까지, 또한 종종 그 이상의 크기까지 될 수 있다. 촉매제는 종종 구형 입자이지만, 반드시 그러한 경우만은 아니다. 폐윤활유내에 들어간 경질상 재료 (HP) 는 탄화철과 인산철과 같은 실린더 습동면 재료로부터 떨어져 나온 미립자로 주로 구성된다. 엔진 가동시, 주철 실린더의 실린더 벽으로부터 소량의 경질 재료가 떨어져 나와 윤활유내에 들어가게 된다.
도 2 에서는 대형 2-행정 선박용 디젤 엔진의 장기간 시험 결과를 나타내었다. 이 엔진의 피스톤은 크롬 도금된 피스톤 링 그루브를 구비한다.
추출 라인내의 폐윤활유로부터 250 시간마다 샘플을 추출하였다. 그래프에서는, 일수에 대하여, 이 그래프의 좌측에는 Al + Si + HP 의 함량을 ppm 으로 나타내었고, 그래프의 우측에는 크롬의 함량을 ppm 으로 나타내었다.
그래프는 Al + Si + HP 의 함량과 Cr 의 함량간에 엄밀한 상관관계가 있음을 보여주고 있는데, Cr 은 Al + Si + HP 와의 3-파트 연삭마모로 박리되는 것을 나타내고 있다. 이러한 상호관계는 시험의 마지막 부분에서 덜 명확해지게 된다. 하지만, 이는, 시험의 마지막 부분에서 Cr 의 함량이 매우 낮기 때문에 측정 공차로 인한 것이다. 링 그루브상의 Cr 도금부의 측정 결과, 폐윤활유내의 Cr 은 피스톤 링 그루브상의 Cr 도금부로부터 기인한 것임을 알 수 있었다.
이러한 인식은, 연료로부터 제거하는 촉매제의 양을 폐윤활유내에서 측정된 Cr 함량의 함수로서 변화시키는 바탕이 된다.
상기 촉매제의 양을 변화시키기 위해서, 측정 장치 (11) 가 제공된다. 이 측정 장치는, 제어 장치 또는 조절기로서의 기능을 하고 프로그램될 수 있는 컴퓨터 (12) 를 포함하는 자동 폐쇄 루프 제어 장치로서 구성된다. 컴퓨터 (12) 는 필요한 실제값의 입력부와 발생된 제어 신호의 출력부를 포함한다.
이를 위해, 추출 라인 (10) 내에는 1 이상의 센서 (22) 가 제공되고, 이 센서는 신호 라인 (23) 을 통하여 컴퓨터의 관련 입력부 (24) 에 연결된다. 가장 단순한 경우에 있어서는, 연결 라인 (10a) 의 입구부의 하류에 위치된 Cr-센서를 추출 라인 (10) 에 연결시키는 것으로도 충분하다.
하지만, 도 1 에 추가적으로 도시된 바와 같이, 실린더 (1) 에서부터 연장하는 각각의 연결 라인 (10a) 에 있어서, 컴퓨터 (12) 의 관련 입력부에 연결된 대응 센서 (22) 를 편의상 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 실린더 (1) 의 마모는 개별적으로 결정될 수 있다.
폐윤활유내의 Cr 함량은, 예컨대 24 시간 ~ 168 시간마다 주기적으로 측정된다. 다른 방법으로, Cr 함량을 연속적으로 측정할 수도 있다.
측정된 Cr-값으로부터, 컴퓨터 (12) 는 실제 마모 정도를 계산하여 이 값을 소망하는, 즉 허용된 마모 정도와 비교한다. 마모의 정도가 높다는 것은 윤활유내에 매우 많은 촉매제가 존재한다는 것을 의미하고, 이러한 상황에서는 과도한 3-파트 마모를 유발하게 된다. 즉각적인 교정 작용을 위해서, 이 경우에는 경보를 발생시킨다. 이를 위해, 신호 라인 (26) 을 통하여 컴퓨터 (12) 의 관련 출력부에 연결되는 경보 장치 (25) 가 제공된다.
실린더 (1) 까지 연장하는 연료 공급 장치 (3) 의 탭 연료 라인 (5) 에는 원심분리기 (17) 가 배치된다. 원심 분리기 (17) 는 촉매제의 일부분, 특히 7 ~ 10 마이크로미터의 입자 크기를 가지는 촉매제를 제거할 수 있다. 연료 라인 (5) 에는 원심분리기 (17) 의 상류에서 제 1 미세 여과기 (27) 가 연결될 수 있다. 또한, 연료 라인 (5) 에는 원심분리기 (17) 의 하류에서 제 2 미세 여과기 (29) 가 연결될 수 있다. 제 1 미세 여과기 (27) 는 신호 라인 (28) 을 통하여 컴퓨터 (12) 에 의해 제어된다. 제 2 미세 여과기 (29) 는 신호 라인 (30) 을 통하여 컴퓨터 (12) 에 의해 제어된다. 제거되는 미립자의 양은, 컴퓨터 (12) 에 의해 신호 라인 (14) 을 통하여 원심분리기 (17) 의 작동을 변화시킴으로써, 및/또는 제 1 미세 여과기 (27) 및/또는 제 2 미세 여과기 (29) 를 연료 라인 (5) 에 연결시킴으로써 제어할 수 있다.
탱크 (4a, 4b) 내에 저장된 연료의 촉매제 함량은 저장 시간에 따라 이미 결정될 수 있고, 또한 컴퓨터 (12) 내에 저장될 수 있다. 이를 위해, 컴퓨터 (12) 에는 적절한 메모리 (16) 및 수동작동 입력 장치와 연결된 입력부 (15) 가 제공될 수 있다. 따라서, 어느 탱크 (4a 또는 4b) 가 전기 작동 밸브 (6) 를 통하여 연료 라인 (5) 에 연결되느냐에 따라서, 원심분리기 (17) 와 결합하여, 실 린더에 공급되는 연료내의 촉매제 함량을 제어하는데 하나 또는 다른 함량값을 사용할 수 있다. 컴퓨터는, 측정된 Cr 레벨을 바탕으로 어느 연료 탱크가 사용될 지를 결정하여, 신호 라인 (18) 을 통하여 밸브 (6) 에 대응 신호를 보낸다.
Cr 레벨이 허용 레벨 이상으로 상승하면, 컴퓨터 (12) 는, 적절한 연료 탱크 (4a, 4b) 를 선택함으로써, 또한 원심분리기 (17) 를 작동시킴으로써 또는 원심분리기 (17) 의 작동을 증가시킴으로써, 실린더 (1) 에 공급되는 연료내의 촉매제의 양을 감소시킨다.
컴퓨터 (12) 는, Cr 함량의 직접 또는 간접 함수로서 엔진의 작동 상태를 변화시키도록 프로그램된다. 측정된 Cr 함량이 경보가 발생된 시점에서부터 소정의 시간이내에, 예컨대 24 시간이내에 허용 레벨 이하로 회복되지 않을 때, 엔진의 부하, 최대 압력 및/또는 작동 속도가 감소된다. 이에 대하여, 컴퓨터 (12) 는 전자적인 엔진 관리 시스템 (비도시) 에 직접 신호를 보내거나, 확성기 (25) 와 신호 라인 (26) 을 통하여 엔진 작동자에게 경보를 보낸다.
폐윤활유내의 Cr 함량이 경보가 발생된 시점에서부터 소정의 시간이내에, 예컨대 24 시간이내에 허용 레벨 이하로 떨어지면, 연료내의 촉매제 레벨을 정상 레벨로 회복시키고, 컴퓨터 (12) 에 의해 경보를 중지한다.
폐윤활유내의 Cr 함량이 경보가 발생된 시점에서부터 소정의 시간이내에, 예컨대 24 시간이내에 허용 레벨 이하로 떨어지지 않으면, 2 단계 경보가 발생하게 된다. 이로 인하여, 부하, 최대 압력, 윤활유 공급량, 및 분사 시간의 주기 등과 같은 엔진의 작동 상태를 작동자가 수동으로 조정 및 변경하게 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시형태에 따라서, 센서 (22) 는 폐윤활유내의 Cr 함량 대신에 촉매제의 함량을 측정한다. 이 실시형태는, Cr 함량을 측정할 때 전술한 바와 같이 동일한 방식으로 3-파트 연삭마모를 제어하도록 한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라서, 실린더 (1) 에 이송되는 연료내의 촉매제의 양은 연료 라인 (5) 에 배열된 원심분리기 (17) 의 상류측의 센서 (31) 에 의해 측정된다. 신호 라인 (32) 은 센서 (31) 로부터의 신호를 컴퓨터 (12) 에 전달한다. 연료 라인 (5) 에서 원심분리기 (17) 의 하류측에는 제 2 센서 (33) 가 배열된다. 센서 (33) 의 신호는 신호 라인 (34) 에 의해 컴퓨터 (12) 로 전달된다. 이 실시형태에 있어서, 실린더 (1) 에 이송되는 연료내의 촉매제의 농도에 따라서 폐윤활유내의 촉매제의 양 변화를 조절할 수 있고, 따라서 상기 제 1 바람직한 실시형태에서와 같이 동일한 방식으로 엔진 부품의 3-파트 연삭마모를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라서, 폐윤활유의 Cr 함량과 Al + Si + HP 의 함량과의 상호관계는 왕복 피스톤 내연 기관의 구조를 개선시키는데 사용된다. 도 1 에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 대형 2 행정 디젤 엔진은 개발시 1 이상의 시험 작동을 받게 된다. 폐윤활유내의 Cr 함량을 측정하여 피스톤내의 링 그루브상의 Cr 도금부의 마모를 결정한다.
다른 방법으로, 크롬 도금부의 3-파트 연삭마모의 레벨은 기계 부품상의 경질 도금부의 두께를 측정함으로써 결정된다.
Cr 함량이 허용 레벨보다 높은 마모 레벨을 나타내면, 엔진의 설계는 변하 게 된다. 엔진의 설계는, 연료 또는 연료 여분이 실린더 벽과 덜 접촉하게 하여 촉매제가 윤활유에 덜 도달하도록 변하게 된다.
또한, 연료 분사기 (2) 의 유형과 개수는 변할 수 있다. 또한, 위치, 예컨대 실린더 (1) 의 축 및 접선에 대한 연료 분사기 (2) 의 기울기도 변할 수 있다. 게다가, 소기 및 연소시 실린더내의 가스 유동 패턴의 변화는, 특히 유도 와류의 강도를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 와류의 강도는 소기 포트 (비도시) 의 경사 및 구성을 변화시킴으로써 변할 수 있다. 와류의 회전 방향에 반대 방향으로 연료의 적어도 일부를 분사시킴으로써 연료 보조 와류가 감소될 수 있다.
다른 방법으로, 또는 상기 방법을 결합하여, 실린더 (1) 에 이송되는 연료내의 촉매제의 양을 감소시킨다. 이와 관련하여, 예컨대 더 큰 용량을 가진 원심분리기 (17) 를 설치함으로써 및/또는 1 이상의 미세 여과기 (27, 29) 를 제공함으로써, 연료 이송 및 처리 장치의 용량이 증가하게 된다.
구조를 변경시킨 후, 이 변경된 구조는, 될 수 있으면 구조 변경으로 인한 효과를 연구하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션 후에 다른 시험 작동을 받게 된다. 구조를 변경하는 과정은, 마모 레벨이 허용 레벨 이하로 될 때까지 반복된다.
전술한 바람직한 실시형태에서는 측정된 성분으로서의 Cr 을 기준으로 설명되었지만, 엔진 부품의 표면 경도와 내마모성을 향상시키기 위하여 Ni, Mo, Ti, W, Mn, 또는 Co 와 같은 어떠한 다른 성분이 사용될 수 있음은 명확하다. 또한, 동일한 실린더 하나에 2 이상의 다른 성분이 사용될 수 있고, 따라서 폐윤활유에 이용된 2 이상의 상기 성분의 함량은 실린더에 공급되는 촉매제 연료를 제어하는데 측정 및 사용된다. 게다가, 피스톤 링과 같은 다른 엔진 부품이 비한정적으로 열거한 상기 성분으로 도금될 수 있기 때문에, 링 그루브상의 도금부에서만 상기 성분이 발생되는 것은 아니다.
따라서, 장치와 방법의 바람직한 실시형태는 이 실시형태가 개발된 환경에 따라서 설명되었지만, 상기 실시형태에서는 본 발명의 원리만을 설명하였다. 첨부된 청구범위를 벗어나지 않는 한, 다른 실시형태와 구성이 안출될 수 있다.
본 발명에 따라서, 작동자는 경보 장치를 통하여 엔진 부품의 마모를 제어하여 과도한 마모를 방지하도록 시기 적절하고 적당한 행동을 취할 수 있고, 경질 도금된 엔진 부품의 3-파트 연삭마모가 허용 한계를 초과할 때, 윤활유내에 들어가게 되는 촉매제의 양을 감소시켜서, 엔진 부품의 마모를 감소시킬 수 있다.
Claims (36)
- 실린더 (1) 에는 연료와 새로운 윤활유가 공급되고 폐윤활유가 배출되는 왕복 피스톤 내연기관, 보다 자세하게는 대형 2-행정 디젤 엔진을 작동하는 방법으로서,- 엔진 부품의 3-파트 마모율의 지표가 되는 연료 또는 폐윤활유의 파라미터를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 파라미터는 주로 엔진 부품의 3-파트 연삭마모로 인하여 상기 윤활유내에 들어간 폐윤활유내 성분의 함량인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 파라미터는 3-파트 연삭과 관련된 폐윤활유내 물질의 함량인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 파라미터는 3-파트 연삭과 관련된 연료내 물질의 함량인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4 항에 있어서,- 폐윤활유내의 1 종 이상의 성분의 함량의 함수로서 3-파트 연삭과 관련된 상기 물질의 함량을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,- 측정된 파라미터의 함수로서 엔진의 작동 상태를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,- 측정된 파라미터가 소정의 한계치 이상으로 상승할 때, 작동자에게 경보를 보내는 단계 및/또는 3-파트 연삭과 관련된 상기 물질의 함량을 감소시키는 조치를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 3-파트 연삭과 관련된 상기 물질의 함량을 측정된 파라미터의 변화와는 반대되는 방향으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 3-파트 연삭과 관련된 상기 물질의 함량을, 측정된 파라미터의 함량이 한계치를 넘어 소정의 시간이내에 소정의 한계치 이하로 떨어질 때, 정상 레벨로 되돌리는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 파라미터는, 바람직하게는 엔진의 각 실린더 (1) 마다 개별적으로, 연속적 또는 주기적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정된 파라미터의 함량이 경보를 보낸 시각으로부터 소정의 시간 이내에 소정의 한계치 이하로 떨어지면, 작동자에게 보내는 경보를 중지하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 측정된 파라미터의 함량이 3-파트 연삭과 관련된 물질의 함량을 감소시키기 시작한 때로부터 소정의 시간 이내에 한계치 이하로 떨어지지 않는다면, 2 단계 경보를 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 폐윤활유내에서 측정된 상기 성분은 Cr, Ni, Mo, Ti, W, Mn, 및/또는 Co 중 어떠한 성분일 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 3-파트 연삭에 관련된 상기 물질은 공급된 연료의 함량으로서 실린더 (1) 내에 들어간 촉매제, 바람직하게는 규산 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 촉매제의 함량을, 실린더 (1) 에 공급되는 연료내의 촉매제의 양을 감소시킴으로써 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 실린더에 공급되는 연료내의 촉매제의 양을, 연료 처리 장치, 바람직하게는 원심력을 이용한 촉매제 제거부 및/또는 1 이상의 미세 여과부를 포함하는 연료 처리 시스템에 의해 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 성분은 바람직하게는 Cr 이고, 엔진 부품은 바람직하게는 경질 도금된 링 그루브 및/또는 피스톤 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 1 이상의 실린더 (1) 를 갖춘 왕복 피스톤 내연기관, 보다 자세하게는 대형 2-행정 디젤 엔진으로서, 상기 실린더는 연료 공급 및 처리 장치 (3) 와 윤활유 공급 장치 (7) 에 연결되어 있고, 상기 윤활유 공급 장치는 새로운 윤활유를 공급하기 위한 공급 라인 (9, 9a) 과 폐윤활유를 배출하기 위한 추출 라인 (10, 10a) 을 포함하는 왕복 피스톤 내연기관에 있어서,- 윤활유내의 촉매제로 인한 엔진 부품의 3-파트 마모율의 지표가 되는 연료 또는 폐윤활유의 파라미터를 측정하는 수단과,- 상기 측정된 파라미터의 함수로서 상기 연료내의 촉매제의 양을 변화시키는 수단 (12, 17, 6) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항에 있어서, 상기 파라미터는 폐윤활유내 촉매제의 함량인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항에 있어서, 상기 파라미터는 3-파트 연삭마모로 인해 윤활유내에 들어가는 성분의 함량인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항에 있어서, 상기 파라미터는 연료내 촉매제의 함량인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 측정된 파라미터의 함수로서 엔진의 작동 상태를 변화시키기 위한 수단 (12) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 측정된 파라미터가 소정의 한계치 이상으로 상승하면 작동자에게 경보를 보내기 위한 수단 (12, 25, 26) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 폐윤활유내의 파라미터를 측정하기 위해서, 각 실린더 (1) 에 대한 추출 라인 (10a) 또는 모든 실린더 (1) 에 대한 공동의 추출 라인 (10) 에 설치되는 센서 (22) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 24 항에 있어서, 상기 센서 (22) 의 출력 신호는 제어 유닛 (12) 에 전달되고, 이 제어 유닛은 연료 공급 및 처리 장치 (3) 의 작동을 조절하여 작동자에게 경보를 보낼 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 20 항에 있어서, 폐윤활유내의 1 종 이상의 상기 성분은 Cr, Ni, Mo, Ti, W, Mn, 및/또는 Co 중 어떠한 성분일 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 20 항에 있어서, 상기 성분은 바람직하게는 Cr 이고, 상기 엔진 부품은 바람직하게는 경질 도금된 링 그루브 및/또는 피스톤 링인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 공급 및 처리 장치 (3) 는 연료로부터 촉매제를 제거하기 위한 수단을 포함하고, 이 수단은 바람직하게는 원심 분리기 (17) 를 포함하는 원심력을 이용한 촉매제 제거부 및/또는 1 이상의 미세 여과부 형태인 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 공급 및 처리 장치는, 상이한 촉매제 함량을 가진 연료를 담기 위한 2 이상의 연료 탱크 (4a, 4b) 와, 소망하는 연료 품질을 선택하기 위한 밸브 수단 (6) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료내의 촉매제의 양을 변화시키는 수단은, 센서 (22) 로부터의 신호를 받는 입력부와, 원심 분리기 (17), 미세 여과기, 밸브 수단 (6), 및/또는 경보 장치 (25) 를 위한 출력부를 갖춘 컴퓨터 (12) 등의 프로그램가능한 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 피스톤 내연기관.
- 실린더 (1) 에는 연료 전달 장치 (3) 에 의해 연료가 공급되고 윤활유 공급 장치 (7) 에 의해 새로운 윤활유가 공급되며 폐윤활유가 배출되는 왕복 피스톤 내연기관, 보다 자세하게는 대형 2-행정 디젤 엔진의 구조를 개선하는 방법으로서,- 엔진을 시험 가동하는 단계,- 엔진 부품의 3-파트 연삭마모의 레벨을 결정하는 단계,- 상기 연삭마모가 소정의 허용 마모정도보다 클 때, 연료 또는 연료 잔류물이 실린더 벽과 덜 접촉하도록 엔진 구조를 변경하는 단계, 및/또는- 3-파트 연삭을 유발하는 연료내 물질을 제거하는 연료 전달 장치 (3) 의 능력을 증대시키는 단계, 및/또는- 엔진 부품의 내마모성을 향상시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 31 항에 있어서, 3-파트 연삭마모의 레벨은, 바람직하게는 경질 도금된 엔진 부품의 주로 3-파트 연삭마모로 인하여 배출 윤활유에 들어간 윤활유내 1 종 이상의 성분의 함량에 대하여 그 배출 윤활유를 분석함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 31 항에 있어서, 3-파트 연삭마모의 레벨은, 바람직하게는 엔진 부품을 측정함으로써 또는 엔진 부품상의 경질 도금부의 두께를 측정함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 구조는 연료 분사기 (2) 의 유형, 개수, 및 위치를 변경함으로써 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 엔진 구조는 소기시 및 연소시 실린더 (1) 내의 가스 유동 패턴, 특히 유도 와류의 강도를 변경함으로써 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 획득되는 개선된 구조를 갖춘 엔진.
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