KR100643823B1 - 연소실들이 있는 실린더들을 가진 크로스헤드 디젤 엔진과그러한 엔진의 연료분사방법 - Google Patents

Abstract

크로스헤드 디젤 엔진에서 연료분사시스템은 엔진 부하에 따라서 이중 분사(double injection)를 수행한다. 75% 엔진 부하에서 연료의 제1 부분은 연료의 제2 부분의 분사와 관련하여 10도에서 35도사이의 앵귤러 리드를 가지고 분사된다. 75% 보다 높은 엔진 부하에서 상기 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드는 더 작고, 엔진로드가 100% 일 때 상기 앵귤러 리드는 0도에서 27도 사이에 있다.

Description

연소실들이 있는 실린더들을 가진 크로스헤드 디젤 엔진과 그러한 엔진의 연료분사방법 {A crosshead Diesel engine having cylinders with combustion chambers, and a method of injecting fuel in such engine}

도1은 본 발명에 따른, 대형 2행정 크로스헤드 디젤엔진의 단면도(端面圖)이다.

도2는 도1에 도시된 엔진의 실린더를 통한 확대된 수직 단면도이다.

도3은 실린더 마다 2개의 분사기들을 가진 엔진의 일 구현예에 대한 연료 분사장치를 예시한다.

도4는 실린더 마다 3개의 분사기들을 가진 엔진의 일 구현예를 예시한다.

도5는 하위 도면들인 5a 내지 5g를 구비하며, 도1에 도시된 엔진의 실린더 안에서 연료가 분사되고 연소되는 것을 예시한다.

도6은 엔진 부하의 함수로서 질소산화물의 생성곡선에 관한 그래프이다.

본 발명은 연소실들이 있는 실린더들을 가지는 크로스헤드 디젤엔진에 관한 것이며, 각 실린더는 실린더의 하단부에 소기구(scavenge air port)들을 가지고 그 실린더의 상단부에 적어도 두 개의 연료 분사기들과 배기밸브를 가지고, 상기 실린더내의 피스톤이 그 실린더의 하단부에 있으며 상기 소기구들이 상기 피스톤위의 연소실과 연결되어 있을 때, 상기 소기구들은 급기공기를 상기 실린더내로 와류운동으로 향하도록 하고, 상기 엔진은 실린더 내에 360도 마다 한 번의 분사 시퀀스를 가지는 2행정 엔진이고, 상기 엔진은 상기 적어도 두 개의 연료 분사기들을 통하여 연료의 분사를 제어하기 위한 연료분사시스템(fuel injection system)을 더 구비한다.

그러한 엔진은 연료분사기의 디자인을 설명하는 유럽특허 제713,003호로부터 알려져 있다. 상기 디자인에서, 분사기는 연료를 와류방향과 그 와류를 거스르는 방향으로 실린더내로 분사하여, 그 와류를 거스르는 방향으로 분사된 연료로부터의 연소생성물들은 같은 분사기로부터 그 와류방향으로 분사된 연료의 연소상태에 영향을 미치게 된다.

연소되는 동안 질소산화물(NOx)의 생성은 크로스헤드 디젤엔진들의 공통된 문제이며, 환경적인 이유들 때문에 이러한 생성은 줄어들어야만 한다. 수년 동안, 연소가스의 재순환이 연소과정에서 질소산화물의 생성을 줄이는 수단으로서 알려졌다. 재순환은, 재순환된 연소가스가 연소에 악영향을 미치고 따라서 연소영역에서 온도를 낮춘다는 가정과, 질소산화물의 생성은 주로 과도한 온도에서의 연소에 기인한다는 가정에 근거를 두고 있다

본 발명의 목적은, 한편으로는 질소산화물의 생성을 억제하고, 다른 한편으 로는 엔진의 연료유의 소모량을 최소화함으로써 환경상황을 개선하기 위한 것이다.

이러한 목적을 가지고, 본 발명에 따른 엔진은, 연료분사시스템이 엔진 부하(engine load)에 따라서 이중 분사를 수행하여, 75%의 엔진 부하에서 연료의 제1 부분은 연료의 제2 부분의 분사에 대하여 10도 내지 35도의 앵귤러 리드(angular lead)로 분사되고, 반면에 더 높은 엔진 부하들에서 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드는 더 작으며, 상기 앵귤러 리드는 엔진 부하가 100%일 때 0도 내지 27사이에 있는 것을 특징으로 한다.

상기 연료의 제2 부분이 분사되기 전에 적어도 10도의 앵귤러 리드에서 연료의 제1 부분을 분사함으로써, 상기 연료의 제1 부분은 연소되고 상기 제2부분이 분사될 때 연소실에 연소생성물의 존재를 야기한다. 연소된 연료의 제1 부분으로부터의 가스는 연료의 제2 부분이 연소되는 동안에 질소산화물의 생성을 감소시킨다. 질소산화물의 생성을 줄이는 효과는 엔진이 부분 부하(part load)에서 작동할 때 가장 높은데, 왜냐하면 부분 부하에서 연소실의 부피가 엔진이 100% 부하에서 작동할 때의 경우보다 분사된 연료의 양과 관련하여 더 크기 때문이다. 연료의 양과 관련하여 더 큰 부피는 연소과정에서 더 많은 산소를 이용할 수 있게 하고, 연료가 더 높은 비율로 연소되며 특히 연소의 마지막 단계에서 그러하다. 엔진이 부분 부하에서 작동할 때, 더 높은 연소 비율은 더 높은 연소 온도들을 초래하고 따라서 상대적으로 높은 정도의 질소산화물이 생성된다.

100% 엔진 부하에서는, 질소산화물의 생성을 줄이려는 똑같은 요구가 있지 않다. 왜냐하면 연소실에서 연소된 연료의 양이 용이하게 이용가능한 산소를 소모할 정도로 많아서 그 결과로써 연료의 마지막 부분이 느린 열 배출(heat release)과 함께 오히려 느리게 연소하기 때문이다. 본 발명에 따르면, 상기 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드는 더 높은 엔진리드들에서 줄어들며 연료의 두 부분들이 동시에 분사되는 정도까지 줄어들 수 있다. 이것으로, 100% 엔진 부하에서 연료분사와 연소가 높은 효율과 함께, 유리하게는 낮은 수준의 특정한 연료유 소비에서 발생되는 실질적 장점이 있다. 따라서, 100% 부하에서의 연료분사는 부분 부하 상황에서 소망되는 질소산화물(NOx)의 낮은 수준과 타협하지 않고 최적의 상황에서 발생될 수 있다. 100% 엔진 부하에서의 낮은 연료소비는 환경적인 관점에서 중요하다. 본 발명은 더 적은 연료소비로 인하여 질소산화물 이외의 배출물들이 대체적으로 감소되는 것과 질소산화물의 배출량이 적어지는 것을 결합한 장점들을 엔진에 제공한다.

바람직한 구현예에서, 개별 실린더는 세 개의 연료분사기들을 가지고, 상기 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드는 75% 엔진 부하에서 10도 내지 30도 범위에, 100% 엔진 부하에서는 0도 내지 20도의 범위에 있다. 세 개의 분사기들을 사용함으로써, 상기 연료의 제1 부분과 제2부분은 분사되는 때에 개별적으로 연소실로 분사되는 세 개의 하위 부분들로 나뉘어 지고, 따라서 연료는 연소되기 바로 직전에, 단지 두 개의 분사기들을 사용할 때보다 더 균일하게 분배된다. 연료의 균등한 분배는 연소과정에 대한 제어를 향상시키고, 따라서 75% 엔진 부하에서 최대 앵귤러 리드는 기껏해야 30도로 유지될 수 있다. 만약 앵귤러 리드가 75% 엔진 부하에서 10도 보다 더 작다면, 상기 연료의 제1 부분은 상기 연료의 제2 부분이 분사되기 전에 충분하게 연소될 수 없다. 상기 연료의 제2 부분이 분사되기 시작할 때, 상기 100% 엔진 부하에서 연료의 제1 부분은 연소될 필요가 없거나 단지 부분적으로 연소될 수 있다.

다른 구현예에서, 개별 실린더는 두 개의 연료분사기들을 가지고 있고, 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드는 75% 엔진 부하에서 15도 내지 35도 범위에 있고 100% 엔진 부하에서 0도 내지 30도 범위에 있다. 단지 두 개의 분사기들이 사용되는 때 75% 엔진 부하에서 앵귤러 리드는 더 커져야만 하는데, 이는 상기 연료의 제1 부분들과 연료의 제2 부분들은 분사되는 때에 단지 두 개의 하위 부분들로 나뉘어 져서 더 많은 연료가 각 분사기를 통해 분사되기 때문이다.

75% 엔진 부하에서, 상기 연료의 제2 부분이 분사되기 전에 연소실에 있는 연소생성물들의 유효한 양을 생성하기 위해서, 분사 시퀀스에서 연료량은 상기 연료의 제1 부분에 적어도 10%가, 상기 연료의 제2 부분에 그 나머지 부분이 분배되는 것이 바람직하다. 상기 연료의 제1 부분을 10%보다 더 적게 만드는 것은 물론 가능하고, 이러한 것은 예를 들어 만약 실린더내의 최대압력에 문제가 있다면 필요할 수 있으나, 만약 상기 제1부분이 10%보다 두드러지게 적다면, 질소산화물이 감소되지 않을 것이다.

일 구현예에서, 상기 앵귤러 리드는 100% 엔진 부하에서 0도여서, 상기 연료의 제2 부분이 연료의 제1 부분과 함께 분사된다. 실린더에 있는 분사기들의 수에 따라 하위 부분들로 물론 나뉘는 연료의 두 부분들을 공통부분으로 분사함으로써, 연소과정들은 연속적이고 중단되지 않을 것이고, 이것은 연소의 효율을 높이고 따라서 엔진 축에서 1Kw 전력을 얻기 위해서 연소되는 특정한 연료의 소모량, 즉 g연료의 소모량을 낮출 것이다.

순수하게 기계적인 제어 시스템에 의해 연료 부분들의 주입시기와 연료주입을 제어하는 것이 가능하다. 그러한 시스템은 연료 시스템이 커먼 레일 시스템(common rail system)인 경우에, 연료펌프들 또는 연료제어밸브들을 위한 제어 캠들을 가진 공지의 캠축을 구비한다. 그러나, 바람직하게는 연료분사시스템은 전자적으로 제어되는 연료분사장치들, 예를 들면 높은 압력의 연료원(fuel source)에 대하여 개폐되는 유압으로 작동하는 연료제어밸브들 또는 연료펌프들을 구비한다. 전자적으로 제어되는 연료분사장치들은 엔진의 기계적인 구조를 단순화시키고, 본 발명과 관련해서 전자적으로 제어되는 연료분사장치들은 상기 연료의 제1 부분의 리드각의 크기와 현재 엔진의 작동조건에 따른 상기 연료의 제2 부분의 주입시기를 조절하는데 커다란 융통성을 제공한다. 작동상황이 변화하면, 그때 리드각은 즉시 전자제어시스템에 의해 새로운 조건으로 조절된다. 이것은 엔진 부하가 변하지 않으나 다른 작동조건들, 예를 들어 연료의 연소 특성들과 연료의 질이 변하는 경우에 또한 적용된다. 그러한 융통성은 순수한 기계제어시스템에는 가능하지 않다.

다른 개선에 있어서, 75% 보다 더 낮은 엔진 부하에서 상기 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드가 75% 엔진 부하에서의 앵귤러 리드 보다 더 작다는 특징에 의해서 낮은 엔진 부하들에서 연료가 더 절약된다. 본 구현예에서, 앵귤러 리드는 75% 엔진 부하에서 또는 이와 근접한 부근에서 가장 클 수 있다. 물론, 또한, 앵귤러 리드가 80% 엔진 부하와 같은 또 다른 부분 부하에서 가장 클 수도 있다.

또 다른 특징에 있어서 본 발명은 연소실들이 있는 실린더들을 가지는 크로스헤드 디젤엔진의 연료 분사 방법에 관한 것인데, 상기 엔진은 상기 연소실에 공기 또는 가스가 와류운동으로 유입되고, 상기 실린더의 상단부에 위치하는 적어도 두개의 연료분사기들에 연료를 공급하는 것을 제어함으로써 개별 실린더에 360도 마다 한번의 분사 시퀀스를 제공하는 연료분사시스템을 가지는 2행정 엔진이다.

한편으로는 적절한 엔진 부하에서 질소산화물의 생성을 억제하고 다른 한편으로는 엔진의 연료유소모량을 줄임으로써 환경 상황을 개선하기 위해서, 상기 방법은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

75% 엔진 부하에서, 상기 연료분사시스템은 적어도 두개의 분사기들을 통해서 연료의 제1 부분을 분사하고, 상기 분사된 연료가 각 분사기의 정면에 있는 연소지역에서 연소되고 상기 연소지역들이 와류 가스에 의해서 하나의 분사기로부터 와류방향의 하류에 있는 분사기쪽으로 운반되는 동안 상기 연료분사시스템은 분사를 중단하고, 상기 연료분사시스템은 상기 연소지역들이 하류에 있는 분사기들에 도달할 때 연료의 제2 부분을 분사하고,

반면에 100% 엔진 부하에서, 상기 연료의 제1 부분으로부터의 연소지역들이 와류 가스에 의해서 와류방향의 상류에 있는 분사기들로부터 상기 연료의 제2 부분을 분사하는 분사기들까지 운반되기 전에, 상기 연료분사장치는 상기 연료의 제1 부분 및 적어도 상기 연료의 제2 부분의 상당 부분을 상기 적어도 두개의 분사기들을 통해서 분사한다.

본 방법은 75% 엔진 부하에서 질소산화물의 효과적인 감소를 제공하는데, 이는 상기 연료의 제2 부분이 분사될 때 상기 연료의 제1 부분으로부터의 연소지역들이 연료의 제2 부분이 연소되는 범위에 위치하기 때문이다. 상기 연료의 제2 부분이 불충분한 산소의 공급 조건 하에서 연소되어, 연소과정들이 더 길게 연장된다. 상기 방법은 100% 엔진 부하에서 모든 연료의 효과적인 연소를 또한 제공하여, 특정한 낮은 연료 소비를 초래한다.

상기 연료의 제1 부분으로부터의 연소지역들이 와류 가스에 의해서 와류방향의 상류에 있는 상기 분사기들로부터 상기 연료의 제2 부분을 분사하는 분사기들까지 운반되기 전에, 상기 100% 엔진 부하에서 상기 연료분사시스템은 상기 연료의 제2 부분의 분사를 완성하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 각 분사기로부터 배출된 연료는, 다른 분사기들에 의해 분사된 연료가 연소됨으로써 발생되는 연소생성물로부터 최소한의 영향을 받으면서 연소된다. 연료는 결과적으로 100% 엔진 부하에서 매우 효율적으로 연소된다.

질소산화물의 생성을 줄여야할 때에, 연료분사시스템이 상기 연료의 제1 부분과 연료의 제2 부분에 의해서 분사되는 연료의 총량 중에서 상기 연료의 제1 부분에 분사되는 연료의 양을 증가시킴으로써, 질소산화물의 생성이 75% 엔진 부하에서 억제되는 정도를 조절하는 것이 가능하다.

크로스헤드 형식으로 내부에서 연소되는 엔진의 일반적인 외형은 도1에 도시되어 있다. 크랭크축(2)을 가진 받침대(1)는 1열로 설치된 복수개의 실린더들(4)을 가진 엔진프레임(3)을 지지한다. 엔진은, 예를 들어 MAN B&W Diesel 제작사의 MC 형식 또는 ME 형식의 것일 수도 있고 또는 Wartsila 제작사의 Sulzer RT-flex 또는 Sulzer RTA 형식일 수 있다. 실린더들은, 예를 들어 30㎝내지 120㎝ 또는 예를 들어 50㎝ 내지 110㎝ 범위의 내경을 가진 구멍을 가지고 있다. 엔진은, 예를 들어 실린더 마다 650㎾ 내지 9000㎾ 범위의 동력과, 50rpm 내지 250rpm 범위의 속도를 가질 수 있다. 상기 엔진은 디젤 엔진이며, 이것은 압축 행정의 마지막순간에 연료가 분사되었을 때 연료가 스스로 발화되는 디젤 사이클에 따라 작동하는 것을 의미한다. 디젤엔진은 디젤유 이외의 연료들로 작동할 수 있고 전형적으로 중유에 의해 작동하나, 예를 들어 가스에 의해서 또는 부분적으로는 석유에 의해서 부분적으로는 가스에 의해서도 또한 작동할 수 있다.

엔진은 크랭크축이 완전히 회전하는 매회 마다, 즉 크랭크축이 360도 회전할 때마다 한번씩 각 실린더에 한번의 연료 분사 시퀀스를 가지는 2행정 엔진이다. 크랭크 위치 또는 크랭크 각도는 피스톤이 상사점(TDC, top dead centre position) 위치에 있을 때 0도이고, 피스톤이 하사점(BDC, bottom dead centre position) 위치에 있을 때 180도라고 전통적으로 이야기된다. 크랭크축이 완전히 회전하는 매회 마다, 피스톤은 상사점으로부터 하사점까지는 동력행정을 수행하고 하사점으로부터 상사점까지는 압축행정을 수행한다.

실린더 안으로의 연료분사는 전통적으로, 피스톤이 상사점위치 근처에 있을 때 시작된다. 크랭크 위치와 관련하여 연료분사의 실제적인 시기는 잘 알려진 대로 엔진의 현재의 작동상황에 따라서 약간 변화할 수 있으나, 일반적으로 연료분사는 피스톤이 상사점 위치에 있기 전에 어느 정도 시작된다. 이것은 도1에서 A점으로 표시되어 있다.

본 발명에 따르면 엔진이 75% 부하와 같은 부분부하에서 작동하고 있을 때 연료의 제1 부분이 연료의 제2 부분에 앞서 분사된다. 상기 연료의 제1 부분이 75% 엔진 부하에서 더 일찍 분사되기 때문에, 상기 연료의 제1 부분은 A점으로 표시된 각도 위치와 관련하여 앵귤러 리드(5)를 가지며 분사된다. 이러한 앵귤러 리드는 각도로 표현되고 크랭크축의 각도 회전과 관련된다. 이것은 실례에 의해서 예시될 수 있다. 만약 분사가 357도의 크랭크 각도에 해당하는 상사점 전의 3도에서 시작되도록 설정된다면, 그리고 만약 상기 앵귤러 리드가 10도로 설정된다면, 그때 상기 연료의 제1 부분의 분사는 347도의 크랭크 각도에서 시작된다. 도1에 도시된 B점은 상기 연료의 제1 부분이 분사되기 시작하는 것을 예시한다.

피스톤(6)은 실린더(4)내에서 왕복운동을 하고, 매 동력행정이 끝날 때 상기 피스톤은 도2에 도시된 하사점위치에 있게 되는데, 상기 하사점의 위치에서 실린더의 하단부에 있는 소기구들(7)이 피스톤의 상면 위에 위치된 연소실(8)과 유동될 수 있도록 연결되어 있다. 배기밸브(9)는 실린더의 상단부에 장착되어 있다. 배기밸브가 열리면, 소기 공기(scavenge air)라 불리는 가압된 공기가 소기구(7)를 통해 연소실로 화살표 C로 예시된 와류운동을 하면서 유입된다. 소기구들은 상기 공기가 실린더에 접선방향들로 유입될 수 있도록 실린더의 반경방향과 관련하여 기울어져 있다.

배기밸브(9)는 피스톤이 소기구들(7)을 지나서 움직이는 것과 관련하여 미리 정해져 있는 바람직하게 조절 가능한 위치에서 닫힌다. 상기 공기는 피스톤이 소기구들을 막을 때까지 실린더 안으로 계속해서 유입된다. 이러한 공기는 실린더를 다음 연소과정에 필요한 공기들로 채우기 때문에 급기공기(charging air)라 불린다. 피스톤이 상방향으로 움직이는 동안 피스톤은 소기구들을 막게 되고 압축이 시작될 때, 실린더안에 있는 공기는 다음의 연소과정 내내 유지되는 강렬한 와류운동속에서 회전한다. 분사기들에서 상기 공기와류의 속도는, 예를 들어 12㎧ 내지 20㎧ 범위 내에 있을 수 있고 전형적으로는 14㎧ 내지 18㎧ 범위 내에 있을 수 있다.

배기밸브가 열리면, 배기가스가 배기통로(10)를 통해 배기실(11, exhaust receiver)안으로 유동하고, 상기 배기실로부터 배기가스는 배기터빈과급장치(12,turbocharger)를 통해서 전방으로 흘러들어가서 도시되지 않은 배기관을 통해서 밖으로 흘러나간다. 상기 배기터빈과급장치는 흡입공기를 압축하고 그 흡입공기를 공기냉각기(13, air cooler)로 전달하며, 상기 공기냉각기로부터 흡입공기는 분무분리기(14, mist separator)를 통해서 소기구들(7)에 소기공기와 급기공기를 공급하는 소기실(15, scavenge air receiver)로 흘러들어간다.

연료는 각 실린더의 상단부에 장착된 연료분사기들(16)에 의해 분사된다. 분사기들은 전형적으로 실린더커버(17)에 설치되나, 그 분사기들은 실린더 라이너(18, cylinder liner)의 상단에 또한 설치될 수 있다. 후자의 경우에, 분사기들은 상기 라이너의 벽을 통해서 안쪽으로 주로 수평으로 연장된다. 만약 분사기들이 실린더 커버(17)안에 장착된다면, 상기 분사기들은 각 분사기의 끝에 있는 분사기의 노즐이 연소실에 위치되도록 하기 위해서 커버를 통해서 아래로 연장될 수 있다. 상기 분사기의 노즐은 도시되지 않은 몇 개의 구멍들을 가지고 있으며, 분사기가 열린 상태에 있을 때 연료가 그 구멍들을 통하여 분사된다. 노즐 구멍들의 설계와 연료분사기들의 치수는 당업자에게 잘 알려져 있다.

도3과 도4는 실린더마다 두개의 분사기들을 가지는 실린더용 연료분사시스템들(도3)과 실린더마다 3개의 연료분사기들을 가지는 실린더용 연료분사시스템들(도4)을 도시한다. 실린더마다 더 많은 분사기들, 예를 들어 4개 또는 5개의 분사기들을 사용하는 것도 물론 또한 가능하나, 바람직하게는 그 수가 3 또는 2이다. 분사기들의 노즐들이 실린더의 세로중심선(19)으로부터 동일한 반경 거리에 위치하는 것이 또한 바람직하다. 그러나 분사기들은 실린더내에서 또한 다른 반경 위치들에 위치될 수도 있다.

실린더의 원주방향에 있는 분사기들의 위치와 관련하여, 분사기들은 원주방향에 균등하게 배분되는 것이 바람직하다. 두개의 분사기들은 바람직하게는 원주방향에서 180도 떨어져 있으며 세 개의 분사기들은 바람직하게는 원주방향에 120도 떨어져 있다. 분사기들이 원주방향에서 비대칭적으로 위치하는 것도 또한 가능하나, 분사기들이 비대칭적으로 위치되는 것은 모든 분사기에 개별적인 분사 제어가 필요하기 때문에 바람직하지는 않다. 분사기들이 균등하게 분배되는 경우, 실린더상의 모든 분사기들은 일제히 열리거나 닫힐 수 있고 연료는 분사기들에 균등하게 분배될 수 있다. 이것은 분사 시퀀스의 제어를 단순화시킨다.

각 실린더는 연관된 연료주입장치(20)와 상기 연료주입장치를 활성화시키기 위한 제어장치(21)를 가진다. 상기 제어장치는 기계적인 캠축 또는 전자장치, 예를 들면 전자실린더 제어장치 또는 전자엔진 제어장치일 수 있다. 상기 연료주입장치는 높은 압력에서 커먼 레일 연료공급으로부터 연료가 유입되기 위해 열리고 닫히는 타이머로서 작동하는 단순한 제어밸브일 수 있거나, 또는 상기 연료주입장치는 분사되기 시작할 때 실린더에 필요한 연료에 압력을 가하는 연료펌프일 수도 있다. 어떤 경우라도 연료는 연료공급라인(22)으로부터 상기 연료주입장치로 전달되고, 있을 수 있는 과다의 연료는 체크밸브(24)를 거쳐 연료복귀라인(23)으로 전달된다.

연료분사시스템은 현재의 엔진 부하에 따라서 조절된 이중 분사를 수행한다. 연료분사는 도5와 관련해서 다음에서 설명되어 있다. 하위 그림들 5a 내지 5d는 75%의 엔진 부하에서 이루어지는 분사 시퀀스를 도시하고, 하위 그림들 5e 내지 5g는 100%의 엔진 부하에서 이루어지는 분사 시퀀스를 도시한다. 100% 엔진 부하는 최대연속비율(MCR, maximum continuous rating)에서 엔진이 작동하는 것에 대응되고, 75% 엔진 부하는 엔진의 동력이 최대연속비율에서 얻어진 동력의 75%인 조건에서 엔진이 작동하는 것에 대응된다.

75%의 엔진 부하에서 분사 시퀀스는 연료의 제1 부분의 분사와 함께 시작된다. 이러한 연료부분은 연료주입장치(20)로부터 분사기들까지 전달되어 상기 분사기들이 전달된 연료량을 공유하게 된다. 상기 연료의 제1 부분이 분사되면, 연료의 분사가 중단된다. 분사된 연료는 각 분사기(16)의 정면에 있는 연소지역(25)에서 연소되고, 상기 연소지역들(25)은 도5b에 도시된 바와 같이 하나의 분사기로부터 와류 가스에 의해서 와류방향의 하류에 있는 분사기 쪽으로 운반된다.

도5c는 상류에 있는 분사기들로부터의 연소지역들이 하류로 흘러 바로 옆 분사기들로 흘러간 상황을 도시하고 있다. 상기 연료의 제2 부분의 분사는, 상기 연료의 제1 부분이 연소되는 것과, 연소지역들(25)이 와류 가스에 의해 원주방향으로 도5c에 도시된 위치들로 운반되는 것을 기다린다.

상기 연료의 제2 부분은, 보통의 방식으로 전체 연료의 양을 분사하기 위해 일반적으로 사용되는 시기에 분사될 수 있으나, 도5d에 묘사된 바와 같이 연소는 하류에 있는 분사기들로부터의 연소지역들(25)에서 일어나는데, 이는 이러한 분사기들이 앵귤러 리드를 가지고 상기 연료의 제1 부분을 분사해 왔기 때문이다. 상기 연료의 제2 부분의 분사 시기는 상기 연료의 제1 부분의 분사를 보상하기 위해서 전통적으로 사용된 시기와 관련하여 또한 다소 조절될 수 있다. 상기 연료의 제2 부분은, 예를 들어 엔진 사이클에서 1도 또는 2도 후에 시작될 수 있다.

상기 엔진 부하가 100%일 때 제1부분의 앵귤러 리드는 75% 부하에서 보다 더 작고, 100%에서 앵귤러 리드는 두개의 연료부분들이 함께 분사되도록 하기 위해 0인 것이 바람직하다. 도5e는 더 많은 연료가 100% 엔진 부하에서 분사된 것을 도시하며, 연료의 제2 부분의 마지막 부분이 분사되는 도 5f의 상황까지 연료 분사가 끊임없이 분사되는 것을 보여준다. 도5g에서 연료는 연소지역들(26)에서 연소된다.

도6에서 위쪽 곡선(27)은, 100% 엔진 부하에서 낮은 수준의 질소산화물 생성을 위해 최적화된 선행기술의 분사기를 사용한 엔진에 의해 생산된 kWh 마다의 질소산화물의 생성과 엔진 부하 사이의 관계를 도시한다. 75% 엔진 부하에서 생산된 kWh와 관련하여 질소산화물의 생성이 다소 증가한다는 점은 상당히 놀라운 일이다. 곡선(28)은 본 발명에 따른 엔진과 관련된 수치들의 예이다. 비록 질소산화물의 생성이 100% 엔진 부하에서 다소 높다고 하더라도, 75% 엔진 부하에서 kWh 마다 3그램 이상의 질소산화물이 덜 발생하는 상당한 절약이 있게 된다. 게다가 본 발명에 따른 엔진의 특정한 연료유 소모량은, 100% 엔진 부하에서 낮은 수준의 질소산화물을 위해 최적화된 선행기술의 분사기보다 100% 엔진 부하에서 더 낮다. 도6에 도시된 특정한 수치들은 단지 예시적인 것으로서 받아들여져야 한다. 다른 특정한 수치들도 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 상기 수치들은 예를 들어 본 엔진의 크기, 본 실린더 마다 사용되는 분사기들의 수, 본 엔진의 속도 또는 본 엔진의 최대 허용 가능한 실린더압력에 의존한다.

엔진이 75% 와 100% 사이의 엔진 부하에서 작동하는 때, 앵귤러 리드는 75% 엔진 부하에서보다 더 작을 수 있으나 100% 엔진 부하에서 보다는 더 클 수 있어서, 엔진 부하가 변화할 때 앵귤러 리드가 점진적으로 변화한다. 앵귤러 리드는, 상기 연료의 제2 부분이 분사되기 전에 도5c의 상황이 얻어질 정도로 너무 크지 않아야 한다. 비록 앵귤러 리드가 다소 작아서 분사가 시작되었을 때 연소지역들이 아직 하류에 있는 분사기들에 도달하지 않았다고 하더라도, 와류가 계속해서 작용하고 연소지역들(25)이 상기 연료의 제2 부분에 속하는 연소지역들 속으로 혼합될 것이기 때문에, 질소산화물의 생성이 줄어드는 효과가 얻어질 것이다.

본 발명은 더 적은 연료소비로 인하여 질소산화물 이외의 배출물들이 대체적 으로 감소되는 것과 질소산화물의 배출량이 적어지는 것을 결합한 장점들을 엔진에 제공한다.

Claims (10)

1. 연소실들이 있는 실린더들을 가지고, 각 실린더는 그 실린더의 하단부에 소기구(scavenge air port)들을 가지고 그 실린더의 상단부에 적어도 두개의 연료 분사기(injector)들과 배기밸브를 가지고, 상기 실린더내의 피스톤이 그 실린더의 하단부에 있고 상기 소기구들이 상기 피스톤 위의 연소실과 연결되어 있을 때, 상기 소기구들은 급기공기를 상기 실린더내로 와류운동으로 향하도록 하고, 상기 실린더 내에 360도 마다 한 번의 분사 시퀀스를 가지는 2행정 엔진이며, 상기 적어도 두 개의 연료 분사기들을 통하여 연료의 분사를 제어하기 위한 연료분사시스템을 더 구비하는, 크로스헤드 디젤엔진에 있어서,

   상기 연료분사시스템은 엔진 부하에 따라서 이중 분사(double injection)를 수행하여 75%의 엔진 부하에서 연료의 제1 부분은 연료의 제2 부분의 분사에 대하여 10도 내지 35도의 앵귤러 리드(angular lead)로 분사되고,

   75% 보다 높은 엔진 부하에서 상기 연료의 제1 부분은 더 작은 앵귤러 리드로 분사되고, 상기 앵귤러 리드는 엔진 부하가 100%일 때 0도 내지 27도 사이에 있는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 디젤엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각 실린더는 3개의 연료분사기들을 가지고, 상기 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드가 75% 엔진 부하에서 10도 내지 30도 범위에 있고 100% 엔진 부하에서 0도 내지 20도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 디젤엔진.
3. 제1항에 있어서,

   각 실린더는 두개의 연료분사기들을 가지고 있고, 상기 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드가 75% 엔진 부하에서 15도 내지 35도 범위에 있고 100% 엔진 부하에서 0도 내지 30도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 디젤엔진.
4. 제1항에 있어서,

   75% 엔진 부하에서 분사 시퀀스에서의 연료 양의 적어도 10%가 연료의 제1 부분에 분배되고 상기 적어도 10%를 제외한 나머지 양이 연료의 제2 부분에 분배되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 디젤엔진.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   100% 엔진 부하에서 연료의 제2 부분이 연료의 제1 부분과 함께 분사되도록 하기 위하여 상기 앵귤러 리드가 0도인 것을 특징으로 하는 크로스헤드 디젤엔진.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연료분사시스템은 전자 실린더 제어 유닛 또는 전자 엔진 제어 유닛과 같은 전자 제어 유닛(electronic control unit)에 의해 작동되는 연료분사장치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 디젤엔진.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   75% 보다 낮은 엔진 부하에서의 연료의 제1 부분의 앵귤러 리드가 75% 엔진 부하에서의 앵귤러 리드보다 더 작은 것을 특징으로 하는 크로스헤드 디젤엔진.
8. 연소실들이 있는 실린더들을 가지고, 상기 연소실에 공기 또는 가스가 와류운동으로 유입되고, 상기 실린더의 상단부에 위치하는 적어도 두개의 연료분사기들에 연료를 공급하는 것을 제어함으로써 각 실린더에 360도 마다 한번의 분사 시퀀스를 제공하는 연료분사시스템을 가지는 2행정 엔진인, 크로스헤드 디젤엔진의 연료 분사 방법에 있어서,

   75% 엔진 부하에서는,

   상기 연료분사시스템이 적어도 두개의 분사기들을 통해서 연료의 제1 부분을 분사하는 단계;

   상기 분사된 연료가 각 분사기의 정면에 있는 연소지역에서 연소되고, 상기 연소지역들이 와류 가스에 의해서 하나의 분사기로부터 와류방향의 하류에 있는 다른 분사기쪽으로 운반되는 동안, 상기 연료분사시스템은 분사를 중단하는 단계; 및

   상기 연료분사시스템이 상기 연소지역들이 하류에 있는 다른 분사기들에 도달할 때 연료의 제2 부분을 분사하는 단계를 포함하며,

   100% 엔진 부하에서는,

   연료의 제1 부분으로부터의 연소지역들이 와류 가스에 의해서 와류방향의 상류에 있는 분사기들로부터 연료의 제2 부분을 분사하는 분사기들까지 운반되기 전에, 상기 연료분사시스템이 연료의 제1 부분 및 적어도 연료의 제2 부분의 상당 부분을 적어도 두개의 분사기들을 통해서 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 100% 엔진 부하에서의 상기 분사 단계는,

   상기 연료의 제1 부분에 연소지역들이 와류하는 가스에 의해서 와류방향의 상류에 있는 상기 분사기들로부터 상기 연료의 제2 부분을 분사하는 분사기들까지 운반되기 전에, 상기 연료분사시스템이 상기 연료의 제2 부분의 분사를 완성하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    상기 75% 엔진 부하에서의 상기 분사 단계는,

    질소산화물의 생성을 줄여야할 때에 엔진분사시스템에 의하여 연료의 제1 부분과 연료의 제2 부분에 의해 분사되는 연료의 총량 중에서 상기 연료의 제1 부분에 분사되는 연료의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 분사 방법.

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