KR100787542B1 - 크로스헤드 타입의 2행정 내연기관 엔진의 샤프트 시스템의과도한 비틀림 진동 감소 방법 - Google Patents

크로스헤드 타입의 2행정 내연기관 엔진의 샤프트 시스템의과도한 비틀림 진동 감소 방법 Download PDF

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엠에이엔 비앤드떠블유 디젤 에이/에스
미쯔이 죠센 가부시키가이샤
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Abstract

크로스 헤드 타입의 2행정 내연기관 엔진에서 엔진실린더 중 하나는 어떠한 연료 분사도 없는 연속적인 오점화(misfire)가 발생된 오류 상태하에서 일시적으로 놓이게 된다. 이로부터 야기되는 과도한 비틀림 진동은 아래의 하나 이상의 단계에 의해 감소되거나 제거될 수 있다.
a) 전체 엔진 싸이클동안 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태하에서 적어도 하나의 실린더의 배기 밸브가 폐쇄 상태에 있는 단계, 및/또는,
b) 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 있지 않은 적어도 하나의 실린더가 의도적인 오점화 상태에 놓여 있는 단계.
비틀림 진동

Description

크로스헤드 타입의 2행정 내연기관 엔진의 샤프트 시스템의 과도한 비틀림 진동 감소 방법{A method of reducing excess torsional vibrations in a shafting system in a two-stroke internal combustion engine of the crosshead type}
도 1은 중간 샤프트와 프로펠러 샤프트를 가진 메인 추진 엔진의 측면도이다.
도 2는 도 1의 엔진의 실린더 부분을 관통한 부분 단면도이다.
도 3은 상기 엔진의 샤프트 시스템 꼬리부에 위치된 하나의 노드를 가진 비틀림 진동 모드의 도면이다.
도 4는 1회의 엔진 사이클 동안 크랭크 각의 함수인 배기 밸브 운동을 도시하는 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 엔진의 일반적인 작동상태 동안, 비틀림 진동을 감소시키는 단계없이 연속적인 오점화가 발생된 오류에 있는 하나의 실린더가 작동되는 동안에, 그리고 배기 밸브가 연속적인 오점화가 발생된 오류에 있는 실린더에서 폐쇄된 상태로 있을 때의 비틀림 진동 계산 결과를 각각 도시하는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
6 : 포트 7: 피스톤
9: 배기밸브 10: 실린더 커버
15: 리시버 16: 덕트
18: 터보 챠져
본 발명은 개별 배기 밸브에 제공된 적어도 4개의 실린더를 가지는 크로헤드 타입의 2행정 내연기관 엔진의 샤프트 시스템의 과도한 비틀림 진동을 감소시키는 방법에 관한 것으로서, 상기 샤프트 시스템은 적어도 크랭크 샤프트와, 상기 크랭크 샤프트에 연결된 적어도 하나의 피동 샤프트, 상기 피동 샤프트에 의해 구동되는, 프로펠러 및/또는 제너레이터(generator)와 같은 적어도 하나의 피동 유닛을 포함하며, 이러한 과도한 비틀림 진동은 적어도 하나의 피동 샤프트에 위치된 진동 노드를 가지는 비틀림 진동을 위한 1- 노드 고유 진동수에 동조된 내연 기관 엔진의 조화력(harmonic force)에 의해 발생하게 된다.
6개의 실린더를 가진 엔진을 위한 진동 감소 방법은 일본 특허출원 제71954/90호를 우선권 주장한 EP 0 447 697 A2에 설명되어 있다. 이러한 엔진에서, 6차 조화력(sis-order harmonic force)은 프로펠러 샤프트의 하나의 노드 비틀림 진동의 고유 진동수에 공진하게 된다. 공진 진동을 일으키는 속도에서 엔진을 가동시킬 때 비틀림 진동을 최소화하기 위하여, 연료 분사 타이밍은 엔진의 실린더의 전반에서 지연되며, 지연된 이러한 연료 분사로 인하여 비틀림 진동의 진폭이 감소하게 되도록 6차 조화 요소의 상 변위가 발생하게 된다. 비틀림 진동의 수준을 최 소화하는 방법은 엔진의 일반적인 가동시에 적용되는 측정치인데, 이러한 측정치는 임의의 속도에서 엔진이 가동될 때 항상 적용된다.
WO 97/23716은 압축 공기를 필요로 하는 차량용 트럭 엔진을 설명한다. 차량이 압축 공기를 필요로 할 때 압축 공기를 공급하기 위하여, 상기 엔진의 하나 이상의 실린더는 실린더에 연료를 공급하는 것을 차단함으로써 압축기로서 사용될 수 있으며, 동시에 배기 시스템 대신에 압축 공기의 저장원에 실린더의 출구를 스위칭한다. 상기 실린더 중 일부가 압축기 장치로서 사용되면, 엔진에서의 진동 패턴은 변화되며, 이러한 것을 보상하고 진동 수준을 감소시키기 위하여, 다른 실린더에 분사되는 연료의 양이 변경된다. 그러나, 이러한 진동 보상 방법의 단점은 열적 부하(thermal load)가 추가적인 연료가 공급된 실린더상에서 증가하게 된다는 것이다.
본 발명의 목적은 흠결이 실린더에 발생된 후에도 높은 엔진 부하 상태에서 장시간 작동될 수 있는 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 관점에서, 적어도 하나의 엔진 실린더는 어떠한 연료 분사도 없는 연속적인 오점화(misfire)가 발생된 오류 상태하에서 일시적으로 놓이게 되어, 그 결과, 상기 조화력으로 인하여 과도한 비틀림 진동이 발생하게 되고, 이러한 과도한 비틀림 진동은 아래의 하나 이상의 단계에 의해 감소되거나 제거될 수 있다.
a) 전체 엔진 싸이클동안 연속적인 오점화가 오류 상태하에서 적어도 하나 의 실린더의 배기 밸브가 폐쇄 상태에 있는 단계, 및/또는,
b) 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 있지 않은 적어도 하나의 실린더가 의도적인 오점화의 상황에 놓여 있는 단계.
종래의 엔진에서, 실린더가 일반적인 방식으로 작동하지 않는다면, 장기간의 엔진 부하가 상당히 낮은 수준으로 감소될 필요가 있다. 부하를 감소시킬 필요는 비정상적인 실린더로부터의 희박 효과(lacking effect)에 의해 발생되는 부하 감소를 초과하게 되는데, 그 이유는 비정상적인 실린더로부터의 희박력 기여(lacking force contribution)에 의해 작동하는 엔진에 발생되는 불균형으로부터 기인한 진동 문제 때문에 추가적인 부하 감소가 필요하게 된다. 상기 불균형은 엔진의 부하의 상한에서 임의의 속도로 연속적으로 엔진이 작동하지 않는 수준의 진동을 일으키게 되며, 결과적으로, 엔진은 상당히 낮은 부하에서 작동할 필요가 있게 된다. 이러한 결과로, 엔진에 의해 구동되는 상기 유닛은 원하는 대로 작동하지 않게 된다. 엔진이 선박의 메인 추진 엔진일 경우, 선박의 속도는 엔진의 낮은 부하에 기인하여 감소하게 된다.
본 발명에 따른 방법에서, 비정상적인 실린더는 어떠한 연료 분사도 없는 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태하에 일시적으로 놓이게 된다. 비정상적인 실린더 조건은 아래와 같은 하나 이상의 신호로서 탐지될 수 있다. (배기 온도의 수준의 상승; 연료 분사 밸브의 오작동에 의해 발생될 수 있는 다량의 연소 잔류물; 실린더 라이너상의 온도 상승; 등의 신호). 크로스헤드 타입의 최근의 2행정 내연 기관 엔진에서, 상기 실린더 요소는 가능한 한 최대 수준까지 재료의 강도와 열적 성질을 사용하는 조건하에서 작동하도록 설계되는데, 그 결과, 실린더 요소에 과도한 부하를 걸지 않게 하는 것이 중요하며, 특히 장시간 동안 열적으로 과도한 부하가 걸리는 것은 피하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 방법은 비정상 실린더 조건이 전개될 경우 어떠한 연료 분사도 없는 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 실린더가 놓일 수 있는 장점을 제공하는 것이다. 이러한 것은 안정한 상태에서 엔진의 연속적인 작동을 보호하게 된다.
연속적인 오점화가 발생된 오류 상태하에 실린더를 둠으로써 발생하게 되는 과도한 추가적인 비틀림 진동은 상기 단계 중 하나 또는 둘을 적용함으로써 감소되거나 균형 잡히게 된다. 단계 a) 및/또는 단계 b)를 적용한 결과로서, 비틀림 진동 패턴은 허용가능한 한계치 내에서 유지되며, 과도한 진동에 기인한 추가적인 부하 감소는 방지될 수 있다. 나머지 실린더는 과도한 열적 부하의 조건에 놓이지 않게 필요한 시간 동안 전부하 상태에서 작동될 수 있게 된다. 대응진동(counteracting vibration)에 대한 단계는 나머지 실린더상에 추가적인 열 부하를 놓지 않게 한다는 점에서 중요하다.
연속적인 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더만이 전체 엔진 사이클동안 실린더의 배기 밸브가 폐쇄된 상태로 유지될 때 영향을 받게 되기 때문에 단계 a)는 대응 진동에 대한 양호한 측정치에 중요하다. 배기 밸브가 전체 엔진 사이클 동안 폐쇄되어 있을 때, 상기 압축 행정동안에 발생된 압축압력은 팽창 행정시에 완화되며, 실린더 내부나 외부로의 공기 유동은 최소화된다. 이로 인하여, 전체 엔진 사이클동안 전통적인 방식으로 배기 밸브가 개방되고 폐쇄되는 상태에 비교하여 진동 패턴이 완충되는 완전한 엔진 사이클동안 피스톤상에 작용하는 힘이 변경되게 된다.
단계 b)로 인하여 이러한 비틀림 진동의 완충이 일어나며, 그러나 본질적으로, 오점화가 의도적으로 일어난 상태에 놓인 실린더는 엔진 부하에 기여할 수 없게 된다. 단계 b)는 상기 엔진이 완전 엔진 부하(최대 연속 비율 : MCR - maximum continuous rating)의 75% 또는 그 이하의 부분적인 부하에서 작동하게 될 때 가장 적절하다.
예를 들어, 단계 a)는 배기 밸브 시트 연소가 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태하에 실린더가 있게 하는 이유가 될 때, 부분적으로, 또는 전체가 아닌 상태에서 적용될 수 있다. 단계 b)를 적용하는 것도 바람직하다.
오점화가 발생된 오류 상태하에 있는 적어도 하나의 실린더의 배기 밸브를 폐쇄된 상태로 유지하는 단계 a)는 100% 부하(MCR) 미만의 부하 상한을 가지는 소정의 부하 인터벌(load interval)에서 내연 기관 엔진이 작동할 때만 적용될 수 있으며, 상기 배기 밸브는 엔진 부하가 상기 부하 상한 이상일 때 엔진 사이클동안 개방 및 폐쇄되게 작동된다. 임의의 엔진 장치에서, 1-노드의 비틀림 진동의 고유 진동수는 비틀림 진동의 감소가 요구되는 부하 인터벌을 결정하게 된다. 부하 인터벌은 예를 들어 엔진 부하의 75% 내지 85% 일 수 있다. 상기 엔진이 부하 인터벌의 상한 이상의 높은 부하에서 작동될 때, 엔진 사이클동안 일반적인 방식으로 배기 밸브를 개방하거나 폐쇄하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이로 인하여 냉기 입구를 가진 실린더를 통하여 실린더 요소는 배기 밸브가 개방시에 실린더를 통하여 공기를 유동하여 온도를 냉각시킬 수 있기 때문이다.
바람직하게는, 상기 배기 밸브는 전제 제어 유닛에 의해 제어되는 밸브 개구를 초기화하도록 유압 작동된다. 배기 밸브 동작의 전기 제어와 유압식 작동은 2행정 엔진에 대한 기술분야에서 공지된 사항이지만, 엔진 사이클동안 특정 실린더상의 배기 밸브가 일반적인 개방 및 폐쇄 운동을 하는 상태에서부터, 배기 밸브가 전체 엔진 사이클동안 폐쇄된 상태로 유지되는 단계에까지 배기 밸브 제어의 자동 변경을 수행하는데 있어서, 본 발명의 내용에 도입될 수 있다. 이러한 실시예는 특히 배기밸브 운동을 제어하는 어떠한 캠 샤프트도 가지지 않은 엔진에 적합하다. 이 경우, 상기 엔진에는 배기 밸브 운동을 제어하는 전통적인 캠 샤프트가 제동되며, 배기 밸브 운동의 수동 비활성화는 전체 엔진 사이클동안에 폐쇄된 상태에서 특정 실린더상에 배기 밸브를 놓게 하기 위하여 요구된다. 이러한 비활성화는 예를 들면 캠 종동자(cam follower)가 배기 밸브에 있는 캠을 들어올리게 되는 체결 위치로 캠 리프터 손잡이를 움직임으로써 영향을 받게 된다.
상기 엔진이 높은 엔진 부하로 가속되면, 실린더 내부에 연료의 양을 점진적으로 증가시켜서 분사하는 것이 바람직하며, 엔진 속도가 하나의 노드 비틀림 진동의 고유 진동수에 공진되는 속도의 범위를 통과함과 동시에 이러한 것을 달성하기 위하여, 단계 a)는 최우선적으로 주어지는 것이 바람직하며, 먼저 적용되며, 단계 b)는 차선책으로 주어지며, 단계 a)가 상기 과도한 비틀림 진동을 감소시키는데 불충분한 경우 단계 b)가 적용된다.
오점화가 발생된 오류 상태에 있는 적어도 하나의 실린더의 배기 밸브가 단계 a)에서 폐쇄된 상태로 유지될 때, 엔진 부하는 엔진의 나머지 실린더 상에 균일하게 배분된다. 이로 인하여, 나머지 실린더에 대한 열적 부하는 실린더상에 균일하게 배분되며, 실린더에 공급된 연료의 양은 최근의 작동 상태하에서 엔진의 최대 가능한 동력을 얻기 위하여 모든 나머지 실린더상에서 최대화된다. 연속적인 오점화가 오류 상태의 실린더를 가질 경우의 부정적인 효과는 나머지 실린더에 어떠한 위험을 발생시키지 않고도 최소화될 수 있다.
단계 a) 및/또는 단계 b)에 추가하여, 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 있지 않은 적어도 하나의 실린더에 분사된 연료의 양이 나머지 실린더에 분사된 연료의 양과 다르게 변화되는 단계 c)를 추가로 수행할 수 있다. 이러한 추가적인 과도한 비틀림 진동 감소 측정치는 엔진이 감속하거나 부분 하중에서 연속적으로 작동시에 적용될 수 있다. 감속시에, 하나 이상의 실린더는 다른 나머지 실린더보다 작은 양의 연료량이 공급될 수 있는데, 따라서 과도한 비틀림 진동이 감소하거나 균형되게 된다. 엔진 부하를 감소하는데 소요되는 전체 연료량은, 환언하면, 특정 실린더에 어떠한 연료도 공급하지 않거나 공급량을 줄여서 이루어질 수 있으며, 나머지 다른 실린더에 보다 많은 연료를 공급함으로써 이루어질 수도 있다. 부분 부하에서, 나머지 실린더에 대한 연료는 비슷한 방식으로 어떠한 실린더에도 최대 연료량을 초과하지 않으면서 나머지 실린더에 균일하게 분포될 수 있다.
바람직하게는, 분사된 연료를 변화시키는 단계 c)는 ((360°x n + 180°)/i) + - 60°/i 의 범위의 각도로써, 오점화가 오류 상태의 실린더의 점화각과는 다른 점화각을 가지는 적어도 하나의 실린더에 분사된 연료의 양을 감소시킴으로써 적용되는 것이 바람직한데, 상기 식에서, i 는 진동 순번(order)이며, n 은 0 내지 (i - 1)의 범위에 있는 정수이다. 제 2 순번(i = 2)의 진동에 대하여, 단계 c)의 최대 효과는 감소된 연료량이 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각으로부터 90°에서 점화되는 실린더에 적용될 때 얻어질 수 있으며, 현저한 효과는 제 1 점화각이 60도 내지 120의 범위에 있을 때 얻어진다.
의도적인 오점화의 상태에 적어도 하나의 실린더를 두는 단계 b)는 ((360° x n + 180°)/i) +- 60°/i의 범위의 각으로써, 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각과 다른 점화각을 가지는 적어도 하나의 실린더에 적용되는 것이 바람직한데, 여기서, i 는 진동 순번이며, n 은 0 내지 (i - 1)의 범위의 정수이다. 단계 b)의 최대 효과는 의도적인 오점화 상태가 오점화가 발생된 오류에 있는 실린더의 점화각으로부터 90°에서 점화하는 실린더에 적용될 때 얻어지는데, 현저한 효과는 60도 내지 120도이 범위에 점화각이 있을 때 얻어진다.
본 발명에 따른 방법은 도면을 참조하여 하기에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1에 도시된 엔진은 예를 들어오일 및/또는 가스가 충진된 디이젤 타입의 6-실린더 크로스헤드 엔진(1)을 도시한다. 이러한 엔진은 출원인측 제조사인 베르트질라(Wartsila)상에 의해 제조된 ME 또는 MC 타입이거나, 미쯔비시사의 RTA 또는 RT-flex 타입일 수 있다. 상기 실린더 보어는 35 내지 120 cm이며, 실린더당 출력은 400 내지 7000 kw 또는 그 이상이다. 엔진은 일렬형 엔진이며 4 내지 14개 또는 그 이상의 실린더를 가진다.
엔진의 샤프트 시스템은 크랭크 샤프트(2) 및 상기 크랭크 샤프트에 연결된 적어도 하나의 피동 샤프트(3), 그리고 적어도 하나의 피동 유닛(4)을 가진다. 상기 엔진이 선박의 메인 추진 엔진으로서 사용되면, 적어도 하나의 피동 샤프트(3)는 프로펠러 샤프트(3a)를 구비하며 가능하면 하나 이상의 중간 샤프트(3b)를 포함하며, 상기 피동 유닛(4)은 상기 프로펠러 샤프트에 직접 연결된 프로펠러이다. 엔진이 파워 플랜트의 고정식 엔진이라면, 상기 적어도 하나의 피동 샤프트는 제너레이터의 회전 샤프트를 포함하며, 상기 엔진의 크랭크 샤프트를 구비한 제너레이터의 샤프트에 연결되는 하나 이상의 중간 샤프트를 포함할 수도 있으며, 상기 피동 유닛은 제너레이터가 된다.
상기 엔진 플랜트는 다양한 레이아웃을 가진다. 몇가지 경우에서, 상기 크랭크 샤프트와 프로펠러 샤프트 사이에 삽입된 커플링을 사용하는 것이 바람직하다. 만약 상기 프로펠러가 가변식 피치를 가진 CP 타입이라면, 오일 분배 샤프트는 유압 유체를 그 피치 조절을 위한 프로펠러에 공급하기 위하여 상기 크랭크 샤프트와 상기 프로펠러 샤프트 사이에 배치되게 된다. 선택적으로, 상기 프로펠러는 고정식 피치를 가진 FP 타입 일 수 있다. 상기 프로펠러가 크랭크 샤프트에 바람직하게 직접 연결되더라도, 샤프트 시스템에 기어를 두는 것이 가능하며, 또는 전기 제너레이터를 구동하기 위하여 샤프트 시스템에 기어 및 제너레이터 샤프트를 연결하는 것도 가능하다. 또한, 상기 샤프트 시스템에는 진동 댐퍼가 제공될 수 있다.
샤프트 시스템에 있어서, 비틀림 진동은 샤프트 시스템에서 전체 스트레스 수준으로 균일하게 분포된다. 비틀림 진동은 실린더 압력과 진동 질량에 의해 야 기된 엔진 작동시의 개별 실린더로부터의 부하 변화에 기인하여 상기 크랭크 샤프트에서 시작되며, 베드 플레이트에서의 변형 및 오정렬의 가능성 및 크랭크 스로우의 변형으로부터의 힘의 변화에 기인한다. 상기 크랭크 샤프트 상의 변화하는 부하로 인하여, 축방향 및 비틀림 방향(샤프트 시스템의 비틀림 방향)으로 진동이 발생한다. 상기 크랭크 샤프트에서 시작된 비틀림 하중은 샤프트 시스템의 다른 모든 부분으로 통과하게 된다. 샤프트 시스템의 모든 부분에서, 비틀림 스트레스는 허용가능한 한도내에서 유지되어야 하며, 그것은 스틸 샤프트용 피로한도가 되거나 커플링 및 댐퍼의 열적 부하 한도가 된다. 상기 한도내에서 비틀림 스트레스를 유지하는 목적은 시스템을 파손시킬 수 있는 샤프트 요소 파손을 회피하는 것이다.
도 2는 대형 2행정 터보 챠져 내연 기관 엔진의 상부에서의 실린더 단면을 도시한다. 엔진의 각각의 실린더는 실린더 라이너(5)를 구비하며, 상기 실린더 라이너는 그 하단부에 소기 포트(6)를 구비한다. 피스톤(7)은 상기 라이너에 장착되며, 피스톤 로드(8), 크로스헤드 및 커넥팅 로드(미도시)를 경유하여 크랭크 샤프트(2)의 크랭크 스로우에 관련되어 연결된 크로스 헤드 엔진에 대한 전통적인 방식으로 된다.
도 2에서, 피스톤(7)은 소기 포트가 노출되는 하사점에 도시된다. 특정 실린더에서, 이러한 위치는 전체 엔진 사이클이 크랭크 각(엔진은 2행정 엔진)의 360도 회전을 포함하므로 엔진 사이클의 크랭크각의 180도에 해당한다.
상기 실린더의 상부의 배기 밸브(9)는 실린더 커버(10)의 배기 통로를 통과하여 연장되며, 압축된 유압 유체가 파이프(12)를 통하여 공급될 때 하측 개방 방 향으로 배기 밸브를 이동시키는 액추에이터 밸브에 장착된다. 공기 스프링과 같은 복귀 스프링은 파이프(12)의 높은 유압이 완화될 때 배기 밸브가 상향 폐쇄 방향으로 이동하게 한다. 파이프(12)의 압력은 배기밸브 드라이브(13)의 플런저에 의해 상승하거나 하강한다.
만약 엔진이 MC 또는 RTA 타입이라면, 상기 엔진은 상기 크랭크샤프트와 동기되어 회전하며, 엔진 사이클의 임의의 부분에서 플런저를 상승 또는 하강시키는 캠을 구비한 기계적 캠 샤프트를 구비한다. 만약 상기 엔진이 ME 또는 RT-flex 타입이라면, 상기 플런저는 밸브 드라이브(13)의 제어 밸브이 세팅에 따라서 유압 구동되며, 상기 제어 밸브는 전기 제어 유닛(14)에 의해 전기적으로 제어된다. 배기 밸브 운동의 전기 제어의 장점은 전체 엔진 사이클동안에 배기밸브의 개방 및 폐쇄 패턴이 개방 및 폐쇄 신호를 사이클의 원하는 타이밍에 밸브 드라이브에 전달하여 원하는 대로 변경되어, 패턴의 변화가 밸브 드라이브(13)에서 수동 조절을 필요로 하지 않는다는 점이다.
배기 밸브가 개방되면, 소기 리시버(15)로부터의 소기된 공기는 소기 포트(6)을 통하여 실린더 라이너로 유동하게 되며, 상향하여 소용돌이치게 된다. 상기 소기된 공기는 배기 밸브(9) 및 배기 가스 덕트(16)를 통하여 배기 가스 리시버(17)로 유동하게 된다. 상기 배기 리시버로부터 터보 챠져(18)의 터빈을 통한 유동으로부터 압축기는 소기된 공기를 소기 공기 리시버(15)에 공급한다.
일반적인 실린더 작동시에 배기밸브의 개방 및 폐쇄 운동이 도 4에 도시되는데, 도 4에서, 곡선 (A)는 크랭크 각의 mm 함수로 도시된다. mm 단위의 거리는 배기 밸브 스핀들이 폐쇄 위치로부터 얼마나 멀리 하향 이동하였는지를 나타내며, 도시된 예에서, 상기 밸브는 와전 개방 위치에서 70 mm 개방된다. 상기 예는 110도의 크랭크 각에서 시작하는 개방 운동을 도시하며, 상기 배기밸브는 250도의 크랭크 각에서의 폐쇄 위치로 복귀하게 된다. 일반적인 엔진 사이클동안에 예로서 언급된 것과 다른 각에서 밸브 개방 및 폐쇄를 시작하는 것도 가능하다.
개별 실린더에는 단위 실린더당 2개 또는 3개의 연료 분사기와 같은 다수의 연료 분사기(19)(도 2)가 제공된다. 일정량의 연료는 엔진 사이클의 약 0도의 크랭크 각에서 1이상의 분사 기간동안 실린더 내부에 분사된다. 분사가 시작되고 끝나는 실제 크랭크 각은 엔진 부하에 영향을 받는다. 100%의 엔진 부하에서, 분사는 350도의 크랭크 각에서 시작하고 약 15도의 크랭크 각에서 종료한다.
도 3은 12개의 실린더(C1 내지 C12)를 가진 엔진에 대한 1-노드 비틀림 진동 모드의 예를 도시한다. 상기 그래프는 실린더의 마킹을 포함하며, 상기 크랭크 샤프트는 C1 내지 C12 사이로 연장된다. P 는 프로펠러(4)의 위치를 나타내며, 상기 피동 샤프트(3)는 P와 상기 크랭크 샤프트(2) 사이로 연장된다. 상기 그래프 (d)는 하나의 노드(N)를 가진 진동 모드에서의 샤프트 시스템의 상대적 비틀림 변형을 도시하는데, 상기 노드는 축방향 위치에서 실제 만곡의 총합이며, 이러한 수치는 샤프트 시스템의 단부에서의 최대 비틀림 만곡을 나눔으로써 표준화된다. 그래프(d)는 하나의 특정 예를 도시하며 그러한 특정예에 적용되는데, 하지만, 전체적인 원리는 4개 내지 16개의 실린더를 가진 엔진과 같은 다른 실시예에도 적용된다.
상기 샤프트 시스템의 스트레스 수준은 엔진의 rpm 및 비틀림 진동을 위한 샤프트 시스템의 고유 진동수의 여기 힘의 총합의 함수이며, 이는 실린더의 출력에 영향을 받는다. 비틀림 스트레스 수준은, 그 수준이 여기 힘의 총합과 엔진 사이클에서의 실린더로부터의 여기 힘이 언제 작동하느냐에 영향을 받아서, 실린더의 점화각에 의해 특별히 결정되므로, 각각의 실린더로부터의 여기 기여부(excitation contribution)의 소위 벡터 합에 의해 결정된다.
벡터 합에 관하여, 1-노드 비틀림 진동 모드에 대한 진동 기여는 개별 실린더로부터 시간마다 변화하는 토크 기여로 구성된다. 공지의 방법에서, 이러한 진동 기여는 하모니 요소로 해결될 수 있는데, 그 각각의 i 순번(order)에서, 회전 공진수( ωi = n / i)가 존재하며, 이때 진동 순번은 샤프트 시스템의 고유 진동수(n)와 동조된다.
전술한 12개 실린더 엔진의 샤프트 시스템은 2 x 79 cpm = 158 의 고유 진동수를 가지며, 조화 진동(i = 2)의 제 2 순번에 대한 79 rpm의 공진 속도를 가지며, 100% 엔진 로드(MCR)에서 94 rpm의 속도를 가진다. MCR에서 프로펠러로 전달된 엔진 동력은 실린더당 5.720 kw에 해당하는 68.640kw이다. 상기 엔진 타입은 12 실린더를 나타내는 12ME98이며, 이러한 ME 타입은 배기 밸브 작동의 전기적 제어를 가지며, 98cm의 실린더 보어를 가진다. 이러한 엔진은 C1-C8-C12-C4-C2-C9-C10-C5-C3-C7-C11-C6의 점화 순서를 가지며, 이러한 점화 순서는 각각의 점화간에 360/12도 = 30도의 크랭크샤프트의 균일한 회전각으로 균일하다. 이러한 엔진에 서, 제 2 순번 조화력은 1-노드 고유진동수와 공진하게 된다.
이러한 엔진을 위하여, 도 5는 엔진의 일반적인 작동에 대한 비틀림 진동 계산 효율을 도시한다. 상기 다이아그램은 rpm의 엔진 속도의 함수로서 크랭크샤프트의 비틀림 스트레스에 대한 곡선을 도시한다. 상기 프로펠러는 엔진 속도가 엔진 부하에 배분되어 곡선이 엔진 부하의 함수로서 그리고 97 rpm의 엔진 속도에서 100%의 엔진 부하가 일어나는 것을 실질적으로 도시되는 고정 피치 타입이다. 79 rpm이 공진 속도에서, 비틀림 스트레스에 대한 곡선은 약 σt = 19 MPa에서 최대값을 가지는 것으로 보인다.
실린더중 하나가 상승된 배기 온도와 같은 비정상적인 작동을 나타내기 때문에, 만약 일반적인 작동이 불가능하면, 이러한 실린더는 어떠한 연료 분사도 없는 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 놓일 수 있게 되며, 필요하다면, 또는 엔진이 고정식 엔진 구동이라면, 상기 엔진의 작동은 실린더가 점검되고 철저히 검사될 수 있는 항구에 선박이 도착할 때까지 계속되어, 엔진의 작동은 동력에 대한 요구가 덜하고 엔진에 대한 서비스 수리가 일정이 잡히는 시간까지 계속된다. 비록 이러한 연속적인 작업이 비영구적인 측면에서 일시적이라면, 연속적인 작동시의 하루 또는 며칠과 같은 상당한 시간을 넘어서 연장될 수 있다.
단일 실린더가 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 있는 경우, 비틀림 진동의 패턴은 현저하게 변화하게 된다. 도 6은 오점화가 발생된 오류 상태에 있는 하나의 실린더를 가지거나 진동을 최소화하도록 보상하는 단계 없이 엔진의 작동에 대한 비틀림 진동 계산치를 나타낸다. 79 rpm의 공진 속도에서, 비틀림 스트레스에 대한 곡선은 약 σt = 38 MPa에서 최대값을 가지는 것으로 보이며, 상기 엔진은 엔진 속도가 역 51% 내지 64% (MCR속도의 80% 내지 86%)의 엔진 부하 인터벌에 대응하는, 약 75 rpm 내지 81 rpm 사이의 외측에 있는 한 대응 측정치 없이 연속적으로 작동될 수 있다.
도 6에서 공진점에서 도시된 과도한 비틀림 진동은 전체 엔진 사이클 동안 폐쇄된 상태에서 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 적어도 하나의 실린더의 배기 밸브가 유지되게 함으로써 감소된다. 이러한 것은 크로스로 0 mm 밸브 개구에서 Am으로 표시된 선으로써 도 4에 도시된다. 전체 엔진 사이클 동안 배기밸브를 폐쇄된 상태로 유지한 결과, 실린더의 압력은 일반적인 작동에서의 실린더의 압력에 보다 더 유사하다. 도 7은 오점화가 발생된 오류 상태에 있는 하나의 실린더를 가지며, 도 4의 Am 선에 의해 도시된 바와 같이 실린더가 폐쇄된 상태로 있는 배기밸브를 가진 엔진의 작동에 대한 비틀림 진동 계산을 도시한다. 79 rpm의 공진 속도에서, 도 7에 도시된 비틀림 스트레스에 대한 곡선은 약 σt = 28 MPa에서 최대값을 가지는 것으로 보인다. 공진시의 과도한 비틀림 진동의 감소는 엔진이 임의의 속도, 예를 들면 약 75 rpm 내지 81 rpm의 속도에서 작동되도록 하기에 충분하다.
도 7의 곡선은 과도한 비틀림 진동의 감소가 공진시에 가장 현저하다는 것을 도시한다. 배기 밸브를 전체 엔진 속도에서 폐쇄상태로 유지하는 것이 가능하지만, 이에 대한 효과는 공진점 주변에서 전술한 부하 인터벌에서 가장 잘 나타난 다. 결과적으로, 배기 밸브를 폐쇄 상태로 유지하는 특정치는 내연 기관 엔진이 소정의 부하 인터벌로 작동시에 적용될 수 있다는 것이 바람직하다. 엔진 부하가 약 64%의 전술한 부하 상한치를 초과하는 경우, 배기 밸브는 도 4의 곡선(A)에 대응하는 엔진 사이클동안 개방 및 폐쇄되도록 다시 작동하게 된다.
전술한 12-실린더 엔진의 실린더는 C1-C12의 순서로 지정된 아래의 점화각을 가진다: 0°, 120°, 240°, 90°, 210°, 330°, 270°, 30°, 150°, 180°, 300°, 60°. 추가하여, 또는 선택적으로, 의도적으로 오점화가 발생된 상태에 실린더의 배기밸브를 폐쇄 상태로 유지하는 것은, 이러한 실린더에서 어떠한 연료 분사도 없이 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 다른 실린더를 놓이게 하여 과다한 비틀림 진동을 최소화하는 것이 가능하게 된다. 의도적인 오점화 상태에 있는 실린더가 오점화가 발생된 오류 상태에서 실린더로부터 적어도 45° 이탈하게 되는 점화각을 가지지만 점화각의 이탈이 60도 내지 120도, 특히 바람직하게는 과도한 비틀림 진동을 완전히 균형 맞추는 90도의 범위에 있는 한, 이러한 측정치에 의한 비틀림 진동은 감소하게 된다. 오점화이 오류 상태의 실린더가 240도의 점화각을 가지는 C3인 경우, 오점화 상태에서 이상적인 실린더의 선택은 150도의 점화각을 가진 C9이거나 330도의 점화각을 가진 C6이다.
전술한 측정치에 추가하여, 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 있지 않은 적어도 하나의 실린더에서 분사된 연료의 양을 변경함으로써 과도한 비틀림 진동을 감소시키는 것이 가능하게 된다. 일반적으로 상기 연료는 일반적인 작동상태에서 실린더 사이에서 균일하게 공급되지만, 하나의 실린더로 분사되는 연료의 양이 일반적인 작동시에 나머지 실린더에 분사된 연료의 양과 다르게 변경될 때, 진동 패턴은 변화된다. 실시예를 주기 위하여, 오점화가 발생된 오류 상태가 전술한 바와 같이 C3이라면, 실린더(C9, C6)에 분사된 연료의 양의 절반은 과다한 진동을 감소시키게 되는데, 그 이유는 2개의 실린더의 실린더 압력이 연료가 덜 분사될 때 낮춰지기 때문이다. 연료량을 변화시키는 가능성은 배기 밸브를 오류 실린더에 폐쇄시킨 상태로 유지하는 것에 추가하여 추가적인 측정치로서 사용될 때 분사되는 연료의 양의 변화는 과도한 진동을 감소시키는 현재의 요구에 정확하게 조절될 수 있게 되는 장점이 있다. 미미한 감소가 필요하다면, 하나의 실린더의 30%의 연료량을 감소시킴으로써 이러한 요구 조건이 충족되지만, 연료량에 대한 큰 효과는 하나의 실린더에서 60%만큼 감소될 수 있게 된다.
상기 엔진이 부분적으로 부하 작동상태에 있다면, 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각으로부터 180도 이탈한 점화각을 가지는 실린더와 같은 이러한 적어도 하나의 실린더에 연료를 추가하는 것이 가능하게 된다. 증가된 연료량은 (360°x n/i) +- 60°/i의 범위의 각으로써, 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각과 다른 점화각을 가지는 적어도 하나의 실린더에 분사될 수 있는데, 여기서, i 는 진동 순번이며, n은 0 내지 (i-1)의 정수이다. 예를 들어, 고려된 진동은 제 2 순번(i=2), n은 n=0 및 n=1의 수치를 가지며, 증가된 연료량은 0도 +- 30도, 즉 330도 내지 30도의 각과 다른 점화각을 가지는 적어도 하나의 실린더 및/또는 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각으로부터 360도/2 +-30도, 즉 180도 +-30도, 즉 150도 내지 210도의 범위의 각과 다른 점화각을 가지는 실린더에 분사된다.
특정 엔진 장치에 대하여 상기 엔진은 과도한 비틀림 진동을 감소하거나 제거하는데 단계 a) 도는 b) 중 하나를 수행할 수 있거나, 선택적으로 단계 a) 및 b)를 수행할 수 있거나, 단계 c)와 관련하여 각각 단계 a) 및 b) 중 하나 또는 양자를 수행할 수 있다.
본 발명의 엔진은 엔진 실린더에서 오류가 발생한 후에 장시간 작동을 계속하게 된다. 이러한 것은 오류가 있는 실린더가 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 일시적으로 놓이게 되고, 동시에 오류상태에 있는 실린더의 배기 밸브가 폐쇄 상태로 유지되거나 다른 실린더가 의도된 오점화의 상태에 놓이게 되는 방법에 의해 가능하게 된다.

Claims (9)

  1. 개별 배기 밸브를 가진 적어도 4개의 실린더를 구비한 크로스헤드 타입의 2행정 내연 기관 엔진의 샤프트 시스템의 과도한 비틀림 진동 감소 방법으로서, 상기 샤프트 시스템은 적어도 하나의 크랭크샤프트, 상기 크랭크 샤프트에 연결된 적어도 하나의 피동 샤프트, 상기 피동 샤프트에 의해 구동되는, 프로펠러 및/또는 제너레이터와 같은 적어도 하나의 피동 유닛을 포함하여, 과도한 비틀림 진동이 적어도 하나의 피동 샤프트에 위치된 진동 노드를 가지는 비틀림 진동에 대한 1-노드 고유 진동수와 공진되는 내연 기관 엔진의 조화력에 의해 야기되는 비틀림 진동 감소 방법에 있어서,
    적어도 하나의 엔진 실린더가 연료 분사 없이 연속적인 오점화(misfire)가 발생된 오류 상태에 일시적으로 놓이게 되어, 상기 조화력이 과도한 비틀림 진동을 야기하고, 상기 과도한 비틀림 진동은 아래의 단계 중 하나 또는 그 이상에 의해 감소되거나 제거되는데, 그 단계는,
    a) 연속적인 오점화가 발생된 오류상태의 적어도 하나의 실린더의 배기 밸브가 전체 엔진 사이클 동안에 폐쇄된 상태로 유지되는 단계; 및/또는
    b) 연속적인 오점화가 발생된 오류 상태에 있지 않은 적어도 하나의 실린더가 연료 분사 없이 오점화의 상태에 있게 되는 단계이며,
    오점화가 발생된 오류 상태의 적어도 하나의 실린더에 배기 밸브를 폐쇄 상태로 유지하는 단계 a)는 100% 부하(MCR) 이하의 부하 상한치를 가지는 소정의 부하 인터벌에서 내연기관 엔진이 작동할 때만 적용되며, 상기 배기밸브는 엔진 부하가 상기 부하 상한치를 초과할 때 엔진 사이클 동안 개방 및 폐쇄되도록 작동되는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소 방법
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 밸브는 전기 제어 유닛에 의해 제어되어 밸브를 개방시키도록 유압 작동되는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    높은 엔진 부하로 엔진이 가속되는 동안에, 단계 a)는 최우선적으로 주어져서 첫 번째 단계로 적용되며, 단계 b)는 과도한 비틀림 진동을 감소하기에 단계 a)가 불충분 경우에 차선책으로 적용되는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소 방법.
  5. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오점화가 발생된 오류상태의 적어도 하나의 실린더에서 배기 밸브를 폐쇄 상태로 유지하는 단계 a)를 적용함과 동시에, 상기 엔진 부하는 엔진상의 나머지 실린더상에서 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소 방법.
  6. 제1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a) 및/또는 단계 b)에 추가하여 추가적으로 단계 c)가 적용되며, 상기 단계 c)는 오점화가 발생된 오류 상태에 있지 않은 적어도 하나의 실린더에 분사된 연료량이 나머지 실린더에 분사된 연료량과 다르게 변경되는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    분사되는 연료량을 변경하는 단계 c)는 ((360° x n + 180°)/i) +- 60°/i의 범위의 각으로써, 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각과 다른 점화각을 가지는 적어도 하나의 실린더에 분사되는 연료량을 감소함으로써 적용되는 데, 여기서, i 는 진동 순번(order)이며, n 은 0 내지 (i - 1)의 범위의 정수인 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    분사되는 연료량을 변경하는 단계 c)는 (360° x n/i) +- 60°/i의 범위의 각으로써, 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각과 다른 점화각을 가지는 적어도 하나의 실린더에 분사되는 연료량을 증가시킴으로써 적용되는 데, 여기서, i 는 진동 순번이며, n 은 0 내지 (i - 1)의 범위의 정수인 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소 방법.
  9. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오점화 상태에 적어도 하나의 실린더를 두는 단계 b)는 ((360° x n + 180°)/i) +- 60°/i의 범위의 각으로써, 오점화가 발생된 오류 상태의 실린더의 점화각과 다른 점화각을 가지는 적어도 하나의 실린더에 적용되는 데, 여기서, i 는 진동 순번이며, n 은 0 내지 (i - 1)의 범위의 정수인 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 감소방법.
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