KR100817383B1

KR100817383B1 - 왕복 내연 엔진

Info

Publication number: KR100817383B1
Application number: KR1020030013897A
Authority: KR
Inventors: 페터아일츠; 귄터하이더
Original assignee: 만 디젤 에스이
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2008-03-27
Also published as: CH696366A5; DE10210202C1; FI123028B; FI20030203A0; KR20030074249A; FI20030203A

Abstract

본 발명은 과급 공기를 과급 공기 라인 시스템을 경유하여 배기 가스 수집 라인에서의 중간 압력을 넘는 압력으로 실린더에 공급하는 터보 차저(turbo charger)를 구비한 왕복 내연 엔진에 관한 것으로, 각각의 실린더의 배기 가스 출구와 배기 가스 수집 라인 사이에 배기 가스 수집 라인 쪽으로 횡단면이 좁아지는 노즐로 종결되는 배기 채널이 마련되고, 과급 공기 라인 시스템으로의 우회 라인이 노즐과 배기 가스 출구 사이에서 배기 채널로부터 분기되며, 우회 라인이 노즐 전방에서의 배기 가스 압력의 과도 상승 시에 과급 공기 압력에 의해 개방되는 체크 밸브를 포함하도록 함으로써, 배기 가스 환류가 구현되어 유해 물질의 방출을 감소시킬 수 있게 된다.

Description

왕복 내연 엔진{RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

도 1은 제1 실시예를 나타낸 도면,

도 2는 제2 실시예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 20 ~ 23 : 실린더

2 : 배기 가스 채널

3, 26 : 배기 채널

4, 30 : 노즐

5, 27 : 배기 가스 수집 라인

8, 32 : 우회 라인

11 : 흡기 채널

12, 34 : 냉각기

13, 33 : 체크 밸브

16 : 기관

17 : 실린더 헤드

본 발명은 과급 공기를 과급 공기 라인 시스템을 경유하여 배기 가스 수집 라인에서의 중간 압력을 넘는 압력으로 실린더에 공급하는 터보 차저를 구비한 왕복 내연 엔진에 관한 것이다.

그러한 유형의 왕복 내연 엔진은 흔히 명확한 가스 교환 루프(gas exchange loop) 및 평균적으로 명확한 소기 압력 구배(scavenging pressure gradient)를 나타낸다. 그러한 명확한 소기 압력 구배는 연소실의 양호한 소기 및 그에 따른 연소실 내의 부품 온도의 저하를 달성하기 위해 요구된다. 그와 동시에, 흡기 행정 중에 배기 가스의 역류(backwashing)가 회피되고, 그에 따라 연소 잔류물로 인한 오염이 방지되게 된다. 이로써, 연료로서 중유를 사용할 경우에 터빈 전방에서 최대 허용 배기 가스 온도를 유지시켜 고온 부식이 회피되기까지 한다. 끝으로, 명확한 가스 교환 루프는 연료 소비를 최대한 낮춘다는 측면에서도 얻으려고 하는 것이다.

본 발명의 목적은 서두에 전제된 유형의 왕복 내연 엔진에서 간단한 수단에 의해 배기 가스를 부분적으로 환류하여 질소 산화물 및 탄화수소의 방출을 감소시키는 것이다.

그러한 목적은 본 발명에 따라 각각의 실린더의 배기 가스 출구와 배기 가스 수집 라인 사이에 배기 가스 수집 라인 쪽으로 통과 횡단면이 좁아지는 노즐로 종결되는 배기 채널이 마련되고, 과급 공기 라인 시스템과 연통된 우회 라인이 노즐과 배기 가스 출구 사이에서 배기 채널로부터 분기되며, 우회 라인이 노즐 전방에서의 배기 가스 압력의 과도 상승 시에 과급 공기 압력에 의해 개방되는 체크 밸브를 포함하도록 함으로써 달성된다. 배기 가스 출구의 개방 후에는 노즐 전방에서 압력이 상승되기 때문에, 그러한 상승된 압력이 단시간 내에 체크 밸브를 개방시킬 수 있다. 그럴 경우, 배기 가스의 일부가 우회 라인을 경유하여 과급 공기에 첨가될 수 있게 된다.

체크 밸브는 우회 라인의 분기 지점 부근에서 배기 채널의 가까이에 배치되는 것이 바람직하다. 이로써, 배기 가스의 일부가 최대로 환류될 수 있게 된다.

본 발명의 구성에 따르면, 각각의 우회 라인이 각 과급 공기 라인 시스템과 연통된다. 그 경우, 각각의 우회 라인이 배기 채널로부터 그에 배속된 실린더의 흡기 채널로 통하는 것이 바람직하다.

본 발명의 선택적 구성에 따르면, 배기 채널은 모든 실린더에 공통된 우회 라인과 연통된다.

각각의 노즐은 노즐을 통해 나오는 배기 가스가 대략 흐름 방향에 대한 접선 방향으로 배기 가스 수집 라인으로 배출되어 인젝터(injector) 작용이 얻어지도록 배기 가스 수집 라인에 대해 경사져 배치되는 것이 바람직하다. 그러한 구성에 의해, 배기 가스에 포함된 에너지가 운동 에너지로서 배기 가스 라인의 내용물에 전달되어 그 에너지가 터보 차저로의 공급 흐름을 이송하게 된다는 추가의 장점이 주어진다. 또한, 인젝터 작용은 흐름 상류 쪽에 놓인 배기 가스 라인 부분에서의 압력이 저하되도록 하는 결과를 초래한다. 이로써, 흐름 상류 쪽에 놓인 실린더가 용이하게 배기 가스를 빼내게 된다.

우회 라인은 냉각기를 통과하게 안내되는 것이 바람직하다. 환류되는 배기 가스를 그와 같이 냉각시킴으로써, 실린더 과급부의 가열이 회피되고, 그에 따라 NO_x가 감소될 가능성이 높아지게 된다.

본 발명의 또 다른 특징 및 장점은 본 발명의 나머지 종속 청구항들 및 첨부 도면에 의거하여 이뤄지는 2개의 실시예에 관한 설명으로부터 명확해질 것이다. 개략적인 첨부 도면에는 본 발명의 핵심 부분이 각각 도시되어 있다.

도 1에 따른 실시예에는 단 하나의 실린더(1)만이 도시되어 있다. 왕복 내연 엔진이 다수의 실린더를 구비할 경우에, 이들 실린더도 역시 실린더(1)와 동일하게 형성될 수 있다. 실린더(1)는 본 실시예에서는 밸브에 의해 형성된 배기 가스 출구(2)를 구비하고, 그 배기 가스 출구(2)는 배기 채널(3)로 안내된다. 그 경우, 배기 가스 출구(2)는 2개의 밸브에 의해 형성될 수도 있다. 배기 채널(3)에는 배기 가스 수집 라인(5)과 연통되는 쪽으로 좁아지는 노즐(4)이 접속된다. 배기 가스 수집 라인(5)은 압축기 블레이드(7)를 구비한 터보 차저의 터빈(6)으로 안내된다.

과급 공기 라인(9)에 접속된 흡기 채널(11)로 안내되는 우회 라인(8)이 배기 채널(3)로부터 분기된다. 흡기 채널(11)은 하나 이상의 밸브에 의해 형성된 입구(10)로 안내된다. 우회 라인(8)은 그것이 배기 채널(3)과 연통된 지점과 가능한 한 가까운 곳에 체크 밸브(13)를 구비하는데, 그 체크 밸브(13)는 여기에서는 밸브 볼(14) 및 폐쇄 스프링(15)으로 도시되어 있다. 그러나, 체크 밸브(13)는 플러터 밸브(flutter valve) 또는 막 밸브로서 형성될 수도 있다. 체크 밸브(13)는 배기 채널(3)에서의 압력이 과급 공기 라인(9)에서의 압력을 초과하는 즉시 개방된다. 이어서, 우회 라인(8)은 냉각기(12)를 통과하게 안내된다. 냉각기(12)는 내연 엔진의 냉각수 회로 또는 자체의 냉각수 순환 회로에 통합될 수 있다.

또한, 과급 공기 라인(9) 및 흡기 채널(10)은 과급 공기 라인 시스템을 형성한다. 그러한 시스템은 경우에 따라서는 도시를 생략한 추가의 실린더(1)에까지 과급 공기를 공급한다.

또한, 도시된 실시예에서는 통과 횡단면이 변경되는 기관(16)이 우회 라인(8)에 마련되는데, 그 기관(16)에 의해 환류되는 배기 가스의 양이 세팅될 수 있다. 그러한 기관(16)은 예컨대 과급 공기 압력 또는 회전 속도와 같은 왕복 내연 엔진의 하나 이상의 운전 파라미터에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 즉, 예를 들어 프로펠러 특성 곡선(propeller curve)에 따라 운항되는 선박 엔진의 경우에는 기관(16)이 40 %의 부하에서 최초로 개방되고 난 후에 연속적으로 계속 개방될 수 있다. 그 반면에, 발전기 구동용 왕복 내연 엔진의 경우에는 보다 더 낮은 출력에서 상대적으로 많은 배기 가스가 환류되어 기관(16)이 단시간 내에 완전 개방될 수 있다. 대부분의 경우에는 기관(16) 대신에 통과 횡단면이 일정한 셔터를 배치하는 것으로도 충분하다.

우회 라인(8)은 냉각기(12), 체크 밸브(17), 및 기관(16) 또는 셔터와 함께 실린더 헤드에 통합되는 것이 바람직하다.

배기 가스 출구(2)가 개방되면, 배기 가스가 배기 채널(3) 및 노즐(4)을 통해 흐른다. 노즐(4) 전방에서는 배기 가스가 정체됨으로써 단시간 내에 그 압력이 상승된다. 그러한 압력 상승에 의해, 노즐(4) 전방에서의 압력이 과급 공기 라인(9)에서의 압력보다 더 큰 시간 동안 체크 밸브(13)가 개방된다. 그러면, 배기 가스는 우회 라인(8)을 경유하여 흡기 채널(11)로 유입된다. 노즐(4) 전방에서의 압력이 떨어지는 즉시, 체크 밸브(13)는 폐쇄된다. 흡기 밸브가 개방되면, 환류되는 배기 가스가, 그리고 이어서 과급 공기가 실린더(1) 내로 각각 유입된다.

도 2에 따른 실시예는 피스톤을 각각 수납하는 4개의 실린더(20 ~ 23)를 구비한 왕복 내연 엔진으로부터 출발된 것이다. 각각의 실린더(예컨대, 20)는 흡기 채널(예컨대, 24)을 경유하여 과급 공기 라인(25)에 접속되어 과급 공기 라인 시스템을 형성한다. 각각의 실린더(예컨대, 20)는 배기 가스 수집 라인(27)으로 안내되는 배기 채널(26)을 구비한다. 그 직경이 실린더 직경의 약 60 %에 해당되는 것이 바람직한 그러한 배기 가스 수집 라인(27)은 터보 차저(28)로 안내되고, 그 터보 차저(28)로부터 압축된 공기가 냉각기(29)를 경유하여 과급 공기 라인(25)으로 안내된다.

배기 채널(26)은 횡단면이 좁아지는 노즐(30)로 종결된다. 여기에서, 각각의 노즐(30)의 가장 좁은 통과 횡단면은 피스톤 표면의 약 10 %이다.

우회 라인(32)으로의 유출 곡관(31)이 배기 채널(26)로부터 분기된다. 유출 곡관(31) 내에는 가능한 한 배기 채널(26)에 가까운 곳에 플러터 밸브 또는 막 밸 브로서 형성될 수 있는 체크 밸브(33)가 배치된다. 우회 라인(32)은 실린더(20 ~ 23)를 따라 연장되어 냉각기(34)를 통해 과급 공기 라인(25)으로 안내된다. 냉각기(34)는 왕복 내연 기관의 부품의 열 하중을 회피시킨다. 냉각기(34)가 생략되면, 약간 더 많은 몫의 배기 가스가 환류될 수 있다.

각각의 노즐(20)은 통과되는 배기 가스가 대략 흐름 방향에 대한 접선 방향으로 배기 가스 수집 라인(27)으로 유입되도록 배기 가스 수집 라인(27)에 대해 경사져 그와 연통된다. 이로써, 배기 가스에 포함된 에너지가 운동 에너지로서 배기 가스 수집 라인(27)의 내용물에 전달되어 그와 같은 형식으로 배기 가스 터보 차저(28)의 터빈에 공급될 수 있게 하는 인젝터 작용이 얻어진다. 또한, 그러한 인젝터 작용은 흐름 상류 쪽에 놓인 배기 가스 수집 라인(27)의 부분에서의 압력이 저하되도록 하는 결과를 초래한다. 이로써, 흐름 상류 쪽에 놓인 실린더가 용이하게 배기 가스를 빼내게 된다.

실린더(20)의 출구가 개방되면, 노즐(30) 배후에 피크 압력이 수립되고, 그에 의해 체크 밸브(33)가 단시간 내에 개방된다. 체크 밸브(33)를 통해 유출되는 배기 가스량은 우회 라인(32)에 도달되고, 그 곳으로부터 냉각기(34)를 경유하여 과급 공기 라인(25)에 도달된다. 그 경우, 배기 가스량은 과급 공기와 함께 실린더(20 ~ 23)에 공급된다.

전술된 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 도시된 실시예에 국한되는 것이 아니다. 즉, 예컨대 도 2에 따른 노즐(30)이 도 1에 따른 실시예에 사용될 수도 있다. 본 발명은 액상 연료 또는 가스상 연료로 운전되는 자기 점화 형 또는 외래 점화형 왕복 내연 엔진에 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 왕복 내연 엔진에서는 각각의 실린더의 배기 가스 출구와 배기 가스 수집 라인 사이에 배기 가스 수집 라인 쪽으로 통과 횡단면이 좁아지는 노즐로 종결되는 배기 채널이 마련되고, 과급 공기 라인 시스템과 연통된 우회 라인이 배기 채널로부터 분기되며, 우회 라인이 노즐 전방에서의 배기 가스 압력의 과도 상승 시에 과급 공기 압력에 의해 개방되는 체크 밸브를 수납함으로써, 배기 가스 출구의 개방 후에 노즐 전방에서 압력이 상승되어 단시간 내에 체크 밸브가 개방될 수 있다. 그와 같이 하여, 배기 가스의 일부가 우회 라인을 경유하여 과급 공기에 첨가될 수 있고, 그에 따라 본 발명에 따른 왕복 내연 엔진에서는 간단한 수단에 의해 배기 가스가 부분적으로 환류되어 질소 산화물 및 탄화수소의 방출을 감소시키게 된다.

Claims

과급 공기를 과급 공기 라인 시스템을 경유하여 배기 가스 수집 라인에서의 중간 압력을 넘는 압력으로 실린더에 공급하는 터보 차저를 구비한 왕복 내연 엔진에 있어서,

각각의 실린더(1, 20 ~ 23)의 배기 가스 출구(2)와 배기 가스 수집 라인(5, 27) 사이에 배기 가스 수집 라인(5, 27) 쪽으로 횡단면이 좁아지는 노즐(4, 30)로 종결되는 배기 채널(3, 26)이 마련되고, 과급 공기 라인 시스템과 연통된 우회 라인(8, 32)이 노즐(4, 30)과 배기 가스 출구 사이에서 배기 채널(3, 26)로부터 분기되며, 우회 라인(8, 32)은 노즐(4, 30) 전방에서의 배기 가스 압력의 과도 상승 시에 과급 공기 압력에 의해 개방되는 체크 밸브(13, 33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항에 있어서, 체크 밸브(13, 33)는 우회 라인(8, 32)의 분기 지점 부근에서 배기 채널(3, 26)의 가까이에 배치되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 우회 라인(8)은 각 과급 공기 라인 시스템과 연통되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제3항에 있어서, 각각의 우회 라인(8)은 배기 채널(3)로부터 그에 배속된 실 린더(1)의 흡기 채널(11)로 통하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 배기 채널(26)은 모든 실린더(20 ~ 23)에 공통된 우회 라인(32)과 연통되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 노즐(30)은, 노즐(30)을 통해 나오는 배기 가스가 흐름 방향에 대한 접선 방향으로 배기 가스 수집 라인(27)으로 배출되어 인젝터 작용이 얻어지도록, 배기 가스 수집 라인(27)에 대해 경사져 배치되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 배기 가스 수집 라인(27)의 직경은 실린더(20)의 직경의 60 %인 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 노즐(30)의 가장 좁은 통과 횡단면은 피스톤 표면의 10 %인 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 우회 라인(8, 32)은 냉각기(12, 34)를 통과하게 안내되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 우회 라인(8)은 셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 우회 라인(8)은 통과 횡단면이 변경되는 기관(organ)(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제11항에 있어서, 기관(16)은 과급 공기 압력, 회전 속도와 같은 왕복 내연 엔진의 하나 이상의 운전 파라미터에 의존하여 제어되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 체크 밸브(13, 33)의 폐쇄력은 과급 공기 압력, 회전 속도와 같은 왕복 내연 엔진의 하나 이상의 운전 파라미터에 의존하여 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서, 우회 라인(8, 32)은 내연 엔진의 실린더 헤드(17)에 배치되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.
제9항에 있어서, 냉각기(12)는 내연 엔진의 냉각 회로에 접속되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 엔진.