KR100940528B1 - 대형 디젤 엔진의 진동 감소 - Google Patents

대형 디젤 엔진의 진동 감소 Download PDF

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Abstract

엔진 작동 방법은, 연료 분사 시스템 및/또는 배기 시스템을 제어하는 단계를 포함하여 실린더 압력을 소정의 주파수에서 제어하게 된다. 특히, 이러한 방법은 연료 분사율을 점진적으로 증가시킴으로써 연료 분사를 개시하도록 연료 분사 시스템을 제어하는 단계를 포함하다. 압력은 계산되거나 측정되어서, FFT분석과 같은 주파수 분석인 각각의 주파수에서의 압력 구성요소를 결정하도록 행해진다. 수학적 모델은 각각이 주파수에서의 결과적 진동을 결정하는데 사용된다. 연료분사, 특히 그 초기 상태를 적절하게 제어함으로써, 고주파수 내용이 낮고 최대 압력이 감소된 부드러운 압력 곡선이 얻어진다. 따라서 실린더 압력의 주파수 내용을 제어하는 것이 가능하게 되고, 소정의 주파수가 억제되게 된다.
엔진, 작동, 디이젤, 진동

Description

대형 디젤 엔진의 진동 감소{Vibration reduction in large diesel engines}
본 발명은 크로스 헤드 타입의 대형 피스톤 엔진, 특히 2 행정 엔진의 작동에 관한 것이다.
크로스 헤드 타입의 대형 피스톤 엔진은 대양 항해 선박을 추진하는데 사용된다. 이러한 엔진에서, 최적의 전체 작동 조건과 엔진의 성능 데이터를 얻을 수 있도록 엔진에서 다양한 각각의 과정을 최적화하는 것은 중요한 사항이다. 엔진에 대한 최적의 작동 조건은 지역적 또는 국가적 조건에 따라 다양하며, 선박의 소유자나 작동자에 의해 형성된 조건에 의존하게 된다. 국가적 조건은 지역적 환경을 보호하는데 목적을 두고 있으며, 엔진으로부터 해로운 질소 물질, 특히 NOx 및 입자의 방출을 제한할 수 있다. 이러한 작동 모드는 연료 소비에 있어서 가장 경제적인 모드는 아니다. 배출에 관하여 규제가 없거나 덜 엄격한 규제가 있는 외국의 영역에서, 선박의 소유자 또는 작동자는 낮은 연료 소비 및/또는 기계적 부하 또는 엔진 및 엔진에 의해 여기되는 장착물의 구성요소 상에서의 진동 응력 수준에서 엔진을 작동시키기를 희망한다.
진동 응력 수준은 직접적으로 또는 간접적으로 측정될 수 있거나, 엔진 및 그와 관련된 구조체의 수학적 모델을 사용하여 예상 또는 계산된다. 엔진에 의해 구동되거나 여기되는 하나 이상의 장착물을 포함하는 각각이 개별 엔진에 대하여, 하나 이상의 구성요소에서의 진동 응력 수준은 엔진 속도 및 전술한 바와 같은 엔진의 작동 모드를 함께 한정하는 서로 다른 작동 파라미터 세트에 의존하여 계산될 수 있다. 계산된 진동 응력 수준은, 한계가 초과되면, 소정의 한계에 비교되어 적절한 근사치가 취해진다.
진동 응력 수준은 종방향 그리고 횡방향(또는 전단 방향) 진동 및 비틀림 진동에 의해 야기되는 응력 수준을 포함한다. 구성요소에서의 과다한 진동 응력 수준은 구성요소에 손상을 입히며 결국 구성요소를 파손시켜서 엔진에 치명적인 결과를 일으키거나 전체 장착물에 치명적인 결과를 일으킬 수 있다. 이러한 이유로, 진동 응력 수준을 안전한 한계치 이하로 유지하는 것이 중요하다.
2 행정 저속 디이젤 엔진의 전자 제어로 인하여 에어 밸브의 시동을 완전히 일체로 제어하고, 순서를 개시하고 그 방대로 뒤집는 것, 관리 기능, 부가적인 송풍기, 전자적 형태의 분사(EPIC: electronically profiled injection), 연료분사, 배기 밸브의 작동이 가능하게 된다. 이러한 엔진에서, 엔진 캠 샤프트는 엔진 제어 시스템에 의해 작동되는 유압 구동 펌프와 대체될 수 있다. 크랭크 샤프트의 각운동은 엔진 제어 시스템의 픽업 시스템에 의해 감시된다.
이러한 엔진은 배출 모드와 경제 모드로 지칭되는 두가지 작동 모드를 구비한다. 경제 모드는 모든 엔진 부하에 대한 엔진 연료 소비를 경제적으로 하게 하는 연료-최적화 모드이다. 배출 모드는 IMO 또는 지역적 규칙에 따라 NOx의 배출을 감소시키도록 최적화된다. 두가지 동일한 엔진 부하에서 서로 다른 성능적 특 징을 가진다면, 샤프트 시스템에서의 진동의 서로 다른 영향이 관찰된다.
선박에서, 엔진으로부터의 진동은 엔진 자체 및 프로펠러 샤프트에 한정되지 않지만, 선체의 다른 부분에 진동이 전달되며, 여기서 이러한 진동은 인식될 수 있으며, 진동은 가청 노이즈를 발생시키게 되어, 승무원 및/또는 승객에 불편함을 주게 된다. 이러한 이유로, 진동 응력 수준을 편안한 한계치 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
프로펠러 샤프트를 포함하는, 엔진의 메인 샤프트에서의 비틀림 진동은 엔진 속도의 조화를 포함하는 몇가지 주파수로 구성된다. 엔진의 메인 샤프트에서의 비틀림 진동은 엔진의 회전 속도에 관련된 주파수를 가지게 된다. 일반적으로, k개의 실린더를 가진 엔진에서, 엔진 속도와 그 배수의 k번째 조화와 가능한 하위 배수와의 조화는 주파수 스펙트럼에 나타나게 되며, 각각의 주파수는 엔진의 메인 샤프트에 대응하는 비틀림 진동을 야기한다. 몇몇 주파수에서의 비틀림 진동은 다른 주파수에서 보다 더 중요하며, 전체 진동 수준을 소정의 한계치 이하로 유지하는 것도 바람직하고, 각각의 주파수에 개별적일 수 있는 소정의 한계치 이하로 선택된(또는 모든) 주파수에서 진동을 유지하는 것도 바람직하다.
WO 94/29585 는 대형 디이젤 엔진의 메인 샤프트에서의 비틀림 응력을 제어하는 방법을 개시한다. 하나 이상의 실린더의 배기 밸브는 압축 행정에서 개방된 채로 유지되며, 나머지 실린더는 동력을 감소를 보상하기 위하여 그 동력을 증가시키도록 제어된다.
EP 447 697 은 연료 분사기간 동안에 비틀림 진동을 억제하도록 변화될 수 있는 방법이 개시되고 있다. EP 1 1 28 050 은 디이젤 엔진에서의 노킹 현상이 파일럿 연료 분사를 통하여 감소되는 방법을 개시하고 있다. EP 1 128 050 은 파일럿 연료 분사의 효과가 노이즈 대비 높은 신호 비율로써 측정될 수 있는 주파수 분석에 기초한 방법을 추가적으로 개시하고 있다.
본 발명의 방법은 연료 분사 및 그 결과로 나타나는 순간 실린더 압력 간의 관계를 이루는, 엔진의 수학적 모델을 사용한다. 이러한 수학적 모델에 따라서, 연료 분사 밸브 또는 밸브들의 개방을 제어함으로써 연료 분사의 초기 상태를 특히 제어하는 것이 가능하게 되어, 소정의 주파수에서 진동을 감소시키고 소정의 한도내에서 실린더 압력의 주파수 스펙트럼을 제어하는 것이 가능하게 된다. 이러한 특정 방법은 연료 분사율을 점점 증가시킴으로써 연료 분사를 개시하도록 연료 분사 시스템을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명은 엔진의 작동이 최적화되어 전체 진동뿐 아니라 진동 스펙트럼의 개별 주파수에서의 진동 수준을 제어하게 된다. 본 방법은 소정의 주파수에서 실린더 압력을 제어하는 배기 시스템 및/또는 연료 분사 시스템을 제어하는 단계를 포함하게 된다. 이러한 압력은 계산되거나 측정돼서, FFT 분석과 같은 주파수 분석이 각각이 주파수에서의 압력 요소를 결정하기 위하여 행해진다. 상기 수학적 모델은 각각의 주파수에서의 결과물인 진동을 결정하는데 사용된다.
진동이 최적화된 작동방법, VIB 방법에서, 특징적인 사항은 낮은 압축 압력 및 낮은 최대 압력과 보다 완만한 압력 곡선이다. 상기 VIB 방법은 전통적인 경제적 모두 그리고 배출 모드와 비교하여 진동면에서 현저한 장점을 구비한다. 고차수(higher order)의 여기는 상사점 전에 연료 분사를 개시하거나, 분사 프로파일을 형성함으로써 감소된다. 특정 여기 차수, 예를 들어 5-10의 차수의 경우, 여기 수준은 평균적으로 표시된 엔진 압력에 무관한 경제 모드로 현저하게 감소된다. 또한, 열 방출이 가능한 한 길게 강제됨으로써 이러한 장점이 얻어질 수 있게 된다. 이러한 것은 분사 펌프 유압의 감소 또는 일련의 분리된 파일럿 분사에 의해 향해진다. 그 결과, 거의 완전 부하 구간에서 1-20의 낮은 수준의 여기 차수로된 실린더 압력 다이아그램이 나타나게 된다.
무거우며 고가의 진동 댐퍼가 절감될 수 있으며, 엔진의 금지된 속도 간격은 좁혀지거나 심지어 회피되어, 엔진은 모든 속도에서 자유롭게 작동할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따라 작동될 수 있는 일반적인 엔진을 구비한 선박의 개략도이다.
도 2는 엔진 속도에 대한 함수로서, 도 1의 엔진의 2가지 작동 모드에서의 일반적인 진동 응력 수준을 도시하는 도면이다.
도 3은 크로스 헤드 타입의 대형 2 행정 디이젤 엔진의 개략도이다.
도 4는 하나의 작동 싸이클 동안의 도 3의 엔진의 실린더의 압력에 대한 개략도이다.
본 발명은 발명의 일실시예에 따라 설명되는데, 일실시예에서, 크로스헤드 타입의 대형 피스톤 엔진, 특히 2행정 엔진은 엔진에 의해 추진되는 선박에 장착된다. 본 발명이 다른 용도에도 사용될 수 있다.
도 1에서, 크로스헤드 타입의 대형 피스톤 엔진(10), 특히 2행정 엔진은 개략적으로 도시된 선박(11)에 장착된다. 상기 엔진(10)은 프로펠러 샤프트(13) 및/또는 필요에 따라 전기적 동력 발생기(14)를 경유하여 구동되는 프로펠러(14)와 같은 부하를 구동하는 엔진 출력 샤프트(12)를 구비한다. 상기 출력 샤프트(12) 및 프로펠러 샤프트(13)는 샤프트 베어링(15)에 의해 지지된다. 상기 엔진(10)은 몇 가지 작동 파라미터들이 전기적으로 제어되는 전기적 제어된 엔진인 것이 바람직하다.
도 3에서, 메인 샤프트 또는 출력 샤프트(12), 그리고 상기 메인 샤프트(12)를 구동하는 피스톤(17)을 구비한 실린더(16)를 구비한 엔진(10)이 도시된다. 연료 시스템은 연료 펌프, 하나 이상의 제어가능한 연료 밸브 및 하나 이상의 연료 분사 노즐을 구비한 연료 공급 시스템을 포함하며, 그중 어느 것도 자세히 도시되어 있지는 않다. 배기 시스템은 특히 제어가능한 배기 밸브를 포함하는데, 배기밸브 또한 상세히 도시되어 있지는 않다. 제어기는 연료 시스템, 및 배기 시스템과 엔진의 다른 과정을 제어한다.
도 2에서, 특정 엔진 요소 또는 엔진에 의해 진동으로 여기된 장착물의 요소에서의 진동 응력 수준(τ)가 분당 회전수로 측정된 엔진 속도의 함수로서 도시되어 있다. 상기 엔진은 A 및 B의 2개(또는 그 이상)의 작동 모드를 구비하는데, 각각은 엔진 속도 (n)의 범위에서 특정 성능을 나타내도록 최적화되는데, 예를 들어 최고의 연료 경제성을 나타내거나 소정의 범위 이하의 배출량을 유지하도록 최적화된다. 도 2에 도시된 바와 같이, A 및 B의 두 개의 작동 모드로 인하여 서로 다른 진동 응력 수준이 나타나게 된다. A 및 B의 두 개의 모드의 진동 응력 수준은 엔진 속도와 함께 증가하는데, 양자는 최대치를 가지며 보다 높은 엔진 속도에서 감소하게 된다. 낮은 엔진 속도와 중간 수준의 엔진 속도에서, 모드(A)의 진동 응력 수준은 모드(B)의 진동 응력 수준보다 높아서, 고속에서, 모드(B)는 모드(B)보다 높은 진동 응력 수준을 나타내게 된다.
도 2는, 동일한 구성요소에 대하여 2개의 진동 응력 수준 한계 곡선(τ1, τ2)를 도시한다. 상기 곡선(τ1, τ2)은 양자 모두 엔진 속도(n)를 증가시킨다. τ1 이하인 진동 응력 수준(τ)이 엔진의 연속적인 작동을 위하여 허용된다. 간격(τ1 < τ ≤τ2)에서의 진동 응력 수준(τ)은 연장된 작동 시간동안 구성요소에 해로울 가능성이 있으며, 이러한 간격에서의 진동 응력 수준은 엔진의 짧은 작동 시간동안에만, 예를 들어 엔진의 속도를 바꿀 때, 허용된다. τ2를 초과하는 진동 응력 수준은 허용되지 않으며, 심지어 엔진의 짧은 기간 동안의 작동시에도 허용되지 않는데, 그 이유는 이러한 응력 수준은 구성요소에 해로운 것으로 판단되기 때문이다.
도 2는 엔진이 모드(B)에서 작동할 때 엔진 속도의 간격이 n2 < n < n5 으로 되는데, 여기서, 진동 응력 수준(τ)은 τ1 < τ ≤τ2 의 간격에 있게 된다. 상기 엔진은 따라서 짧은 기간 동안에만 n2 < n < n5 의 엔진 속도 간격의 모드 (B)에서 작동되어야 한다. 엔진 속도가 n < n2 그리고 n > n5 인 곳에서, 상기 엔진은 모드(B)에서 연속적으로 작동될 수 있다. 상기 엔진은 모드(B)에서 연속적으로 작동되게 되어, 엔진은 n < n2 그리고 n > n5 인 안전한 간격 사이에서 엔진 속도를 변화시키기 위하여 짧은 기간 동안에 대해서 엔진 속도 간격은 n2 < n < n5 이 사용된다.
도 2는 모드(A)에서 엔진이 작동될 때 엔진 속도의 간격이 n3 < n < n4 으로 되는데, 여기서, 진동 응력 수준(τ)은 해칭된 구간에 도시된 바와 같이 한계(τ2)를 넘게 되며, 따라서 모드(A)에서의 엔진의 작동은 n3 < n < n4 의 엔진 속도 간격에서 방지되게 된다. 엔진 속도 간격이 n1 < n ≤ n3 이면서 n4 ≤ n < n6인 경우에, 상기 진동 응력 수준(τ)은 연장된 작동 기간 동안에 해로울 수 있는 것으로 고려되는 τ1 < τ ≤ τ2 의 간격에 오게 되며, 엔진은 보다 짧은 기간 동안에만 n1 < n ≤ n3 그리고 n4 ≤ n < n6 의 두개의 엔진 속도 간격에서 모드(A)에서 작동되어야 한다. n < n1 그리고 n > n6 의 엔진 속도에서, 엔진은 모드(A)에서 연속적으로 작동할 수 있게 된다. n3 < n ≤ n4 의 엔진 속도 간격의 "금지된" 모드(A)로 인하여, 엔진이 n < n1 그리고 n > n6인 "안전한" 엔진 속도 간격 중 어느 하나에서 작동하게 될 때, 상기 엔진의 속도는 모드(A)에서 작동하는 엔진들의 이러한 간격 들 사이에서 변화될 수 없다.
도 2는 엔진의 바람직한 작동 상태를 도시한다. 엔진은 n < n1 인 엔진 속도 간격에서 모드(A)에서 작동하며, n > n6 의 간격으로 엔진 속도를 증가시킬 필요가 있다. 엔진 속도(n1)에서, 응력 수준 한계(τ1)가 도달하고, 엔진이 모드(B)에서 작동되도록 시프트되어 응력 수준이 대응하여 떨어지게 되는 것이 결정된다(예를 들어 측정 또는 예상에 의해 결정된다). 모드(A)에서, 즉 n1 < n < n6 의 전체 엔진 속도 간격에서 엔진을 작동시키도록 되돌려 변화되는 것이 안전하다는 것이 결정될 때까지(예를 들어 측정 또는 예상에 의해 결정될 때까지), 상기 엔진은 모드(B)에서 작동하게 된다. 만약 엔진이 제 1 작동 모드(A)에서 작동한다면, 이러한 것은 구성요소에서의 실제로 결정된 응력 수준을 엔진 구성요소에 존재하는 또는 엔진에 의해 여기된 장착물의 구성요소에 존재하는 계산된 이론적 진동 응력 수준(τ)과 비교함으로써 행해진다. 응력 수준 한계(τ1)는 곡선이 파선으로 표시된 부분에 의해 도시된 바와 같이 n2 < n < n5의 속도 간격에서 초과하게 되지만 상한의 응력 수준 한계(τ2)는 초과하지 않게 된다.
일반적으로, 각각이 엔진 속도(n)에서, 하나 이상의 엔진 구성요소 또는 엔진에 의해 여기된 장착물의 하나 이상의 구성요소에서의 진동 응력 수준(τ)은 결정돼서, 소정의 진동 응력 수준 한계(τ1, τ2) 중 하나 또는 양자에 비교되어진다. 만약 상한의 응력 수준 한계(τ2)가 초과되면, 하나 이상의 작동 파라미터를 변화시 키거나, 모드(B)로 변경시키거나, 진동 응력 수준(τ)을 즉시 감소시키도록 결정된다. 단지 하한의 응력 수준 한계(τ2) 만이 초과된다면, 하나 이상의 작동 파라미터를 변화하거나, 모드(B)로 변경되는 것이 결정되거나, 모드(A)에서 엔진이 계속 작동하게 하도록 결정되어, 진동 응력 수준(τ)은 단지 제한적인 기간동안 잠재적으로 위험한 응력 수둔 간격인 τ1 < τ ≤ τ2 에 오게된다.
엔진 속도(n)를 n < n1 의 속도 간격으로부터 증가시킬 때, 모드(A)로부터 모드(B)로의 변화는 모드(A)에 대한 진동 응력 수준 곡선이 진동 응력 수준 한계(τ1)을 가로지르는 엔진 속도(n1)에서 또는 엔진속도(n1)에 대하여 행해지거나, n3을 초과하지 않는 엔진 속도에서 행해지는 것이 바람직하다. 대응하여, 모드(B)로부터 모드(A)로 되돌려 변화하는 것은 엔진 속도(n6)에서 또는 엔진 속도(n6)에 대하여 행해지거나, n4 보다 높은 엔진 속도에서 행해지는 것이 바람직하다. 엔진 속도가 n > n6 의 속도 간격으로부터 n < n1의 속도 간격으로 감소할 때 대응되는 고려 사항이 적용된다.
모드(A 및 B) 사이에서의 변화 결과, 엔진 구성요소, 특히 크랭크샤프트 사이에서 동력과 힘의 바람직하지 않은 분포를 야기시키는 진동 응력 수준(τ)의 갑작스런 변화가 나타난다. 또한, 진동에서의 대응하는 갑작스런 변화는 승무원 및 승객에 의해 불안한 것으로 여겨지게 되며, 엔진이 모드 (A)에서 다시 작동할 때까지 엔진은 바람직한 상태에서 작동하지 못하게 된다. 이러한 사항은 아래와 같이 해결될 수 있다.
고정된 모드(A 및 B) 사이에서의 변화 대신에, 진동 응력 수준을 감소시키는 관점에서의 선택된 작동 모드의 하나 이상의 작동 파라미터를 수정하는 것이 바람직하다. 이러한 것은 고정된 모드(A 및 B)간의 변화와 관련된 진동 응력 수준에서의 갑작스런 변화를 회피할 수 있는 장점이 있으며, 추가적으로, 엔진은 선택된 예가 모드(A)가 되는 바람직한 모드에 가까운 조건하에서 작동할 수 있게 된다.
도 2는 수정된 모드(A)의 두가지 예, 즉 A1 및 A2를 도시한다. 두가지 경우에서, 모드(A)는 약 n1 로부터 약 n6의 엔진 속도 간격으로 수정된다. 수정된 두가지 모드(A1 및 A2)는 연속적인 진동 응력 수준을 구비하며, 양자는 상한의 진동 응력 수준(τ2) 보다 작으며, A2는 수정되지 않은 모드(A)에 가깝게 된다. 선택적으로, τ1 곡선은 n1 < n < n6 의 전체 간격에서 따라가게 되어, 연속적인 작동이 가능하게 된다.
바람직하게는, 모드(B)는 약 n2 로부터 약 n5의 엔진 속도 간격에서 파선으로 표시된 곡선(B1)에 의해 도시된 바와 같이 수정된다. 모드(B)에서의 진동 응력 수준은 보다 낮은 진동 응력 수준 한계(τ1)에 가깝게 유지된다. 선택적으로, τ1 곡선은 n2 < n < n5 의 간격에서 따라가게 되어 연속적인 작동이 가능하게 된다.
작동 모드(A1, A2, B1)로의 수정은 모드(A 및 B)에 추가하여 선택가능한 추가적인 작동 모드로서 절감된다.
도 4에서, 실선으로 표시된 곡선은 하나의 작동 싸이클 동안에, 즉 360도 회전하는 동안에, 대형 2행정 디이젤 엔진의 실린더에서의 압력을 개략적으로 도시한다. 이러한 압력은 엔진의 수학적 모델에 기초하여 계산될 수 있거나, 적절한 압력 트랜스듀서를 사용하여 측정될 수 있으며, 양자의 경우에, FFT분석과 같은 주파수 분석이 각 주파수에서의 압력 구성요소를 결정하기 위하여 행해질 수 있다. 수학적 모델은 각각의 주파수에서의 결과적 진동을 감소시키는데 사용될 수 있다.
상사점(TDC)은 압축 압력이 최대로 Pcomp , 0 에 도달하고 상사점 후에 즉시 감소하게 되는 180도에 있게 된다. 상사점 바로 직후에, 연료는 실린더로 분사된다. 실린더의 압력과 온도로 인하여, 분사된 연료는 점화하게 되어, 압력은 상사점 후에 최대 압력치(Pmax, 0)로 상승하게 된다.
실린더에서의 압력은 압력에 비례하여 피스톤 상에 힘을 가한다. 따라서, 압력의 임의의 변화는 피스톤상이 힘의 대응하는 변화를 일으킨다. 실린더 압력에서의 주파수로 인하여, 동일한 주파수의 비틀림 진동이 일어난다. 환언하면, 압력에서의 주파수 스펙트럼은 상기 시스템의 기계적 구성요소에 의해 적절하게 수정된 메인 샤프트에서의 비틀림 진동의 주파수 스펙트럼에 반영되게 된다.
일반적으로, 연료는 압력의 상대적으로 급속한 증가를 야기하는, 파선으로 표시된 바와 같은, 온/오프 밸브를 사용하여 분사된다. 도 4의 실선으로된 압력 곡선은 상기 연료 분사 밸브의 일반적인 제어를 사용하는 실린더 압력의 변형례이다. 두개의 피크치(Pcomp.0 및 Pmax.0)와 이러한 피크치 사이의 최저부는 날카로운 곡 률을 가지게 되어, 그 결과 비틀림 샤프트 진동에서의 대응하는 높은 주파수 내용을 번갈아 나타내게 되는 압력에서의 높은 주파수 내용을 나타내게 된다.
도 4의 파선은 압축 압력 (Pcomp ,1) 및 최대 압력(Pmax, 1)와 그들 사이의 최저치가 본 발명의 방법을 사용하여 부드럽게 된 압력 곡선을 도시한다. 부드럽게 연장된(파선으로 표시된) 압력 곡선은 각각 진동을 감소시키는 두 가지 특징을 구비한다. 첫 번째 특징으로서, 최대 압력은 감소되어, 그 자체는 피스톤 상의 힘을 감소시키고, 따라서 진동을 감소시킨다. 두 번째 특징으로서, 압력 곡선은 부드럽게 연장되어서, 압력에서의 높은 주파수 내용은 실선 압력 곡선에 비하여 현저하게 감소된다. 필요하다면, 부드럽게 연장되는 압력 곡선은 최대 압력을 유지하는 동안에 얻어진다. 본 발명의 아래와 같은 방법을 사용하여 이러한 모든 것이 달성된다.
도 1의 엔진은 연속적으로 또는 단계에서 분사 압력을 변화시키지만 온/오프하지는 않도록 제어될 수 있는 연료 분사 밸브를 구비한다. 연속적인(또는 준연속적인) 가변 밸브는 연료 분사 압력을 형성하고 따라서 연료 분사 속도를 형성하도록 점진적으로 개방되고 폐쇄되도록 제어될 수 있다. 상기 엔진의 수학적 모델은 예를 들어 분사된 연료의 함수로서 순간 실린더 압력을 결정하는데 사용된다. 적절하게 연료 분사를 제어함으로써, 특히 그 초기 단계에서, 최대 압력이 감소되고 고주파 내용이 낮아진 보다 부드러운 압력 곡선을 얻을 수 있다. 특히, 실린더 압력의 주파수 내용을 제어할 수 있게 되며, 소정의 주파수가 억제되게 된다.
일반적으로, 연료 분사는 상사점 후에 0-5도에서 개시되어, 과도한 최대 압력이 회피된다. 본 발명의 방법에서, 연료 분사는 보다 일찍 개시되며 심지어 분사 밸브가 점진적으로 개방되는 상사점 이전에 개시되며, 압력 강하와 상사점 직후의 최저점이 부드럽게 될 수 있다. 날카로운 피크를 나타내는 최대 압력이 부드럽게 될 수 있다. 전형적인 결과는 도 4의 파선 곡선으로 도시된다.
도 5-7에서, 일반적인 연료 분사는 파선으로 도시되어 있다. 연료 분사는 상사점 후에 개시되며 분사율은 전체 분사기간 동안에 일정하다.
도 5에서, 실선으로 표시된 연료 분사 곡선은, 연료 분사가 상사점 약간 이전에 개시되어 일반적인 수준보다 낮은, 니(knee)까지 점진적으로 증가한다.
도 6에서, 연료 분사는 상사점 약간 후에 개시되며, 니(knee)까지 점진적으로 증가하게 된다. 니(knee)후에, 연료분사율은 도 6에 도시된 바와 같이 일정하게 유지되거나 도 5의 경우처럼 변화하게 된다. 연료 분사의 중단은 엔진 부하에 따라 결정된다.
분사 압력의 계단식 변화가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 것은 구별되는 분사 압력의 대응하는 갯수와 대응하는 분사율을 나타내는 구별되는 한정적인 갯수의 위치로써 연료 분사 밸브를 사용하여 달성된다. 또는, 다수의 온/오프 분사 밸브는 동일한 실린더로 연료를 분사하도록 배치되는데, 여기서 분사 밸브는 개별적으로 제어되며, 상기 밸브는 분사 압력의 계단식 변화를 달성하도록 순차적으로 작동하게 된다. 이러한 것은 초대형 실린더 직경을 가진 엔진에서 유용한데, 여기서, 두개 이상의 개별 제어가능한 분사 노즐은 실린더 상부를 가로질러 분포될 수 있다. 이러한 밸브는 온/오프 타입이거나 단계식이거나 심지어 연속적으로 제어될 수 있다.
분사 초기 상태의 점진적 증가는 도 8에서 달성되는데, 여기서 고속 응답 연료 분사 밸브는 일련의 작고 구별되는 분사 펄스를 분사하도록 제어된다. 분사율의 점진적 증가는 펄스들간의 간격을 나머지 분사상태에서 밸브가 개방된 상태로 유지되는 시간까지 감소시킴으로써 (즉, 그 주파수를 증가시킴으로써) 달성된다. 하나 이상의 구별되는 분사 펄스에 의한 분사 개시 효과는 도 8에서 파선으로 도시된, 도 5-6과 같은 분사 밸브의 점진적 개방의 그것과 근사하게 된다.
필요에 따라, 연료 분사율의 변화는 분사 상태의 나머지와 초기 상태에서 모두 선형이거나 비선형일 수 있으며, 전술한 실시예들은 가변적이며 결합될 수 있다.
압축 압력(Pcomp)의 변화는 배기 밸브를 폐쇄하는 시간을 변화함으로써 달성된다. 배기 밸브를 초기에 폐쇄함으로써 높은 압축 압력이 나타나게 되며, 배리 밸브를 늦게 폐쇄함으로써, 보다 낮은 압축 압력이 나타나게 된다. 이러한 방법으로 인하여 실린더 압력의 전체적 감소가 나타나며, 따라서, 대응하는 변화들도 나타나게 되고, 이러한 방법은 연료 분사율을 점진적으로 증가시키는 것과 결합되어 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 실린더(16), 제어된 연료 분사 시스템 및 제어된 배기 시스템을 구비하는 크로스헤드 타입의 대형 피스톤 엔진(10)을 작동시키는 방법으로서,
    상기 방법은, 실린더 압력의 소정의 주파수를 제어하기 위하여, 연료 분사의 초기 상태의 연료 분사율을 점진적으로 증가시키도록 연료 분사 밸브 또는 밸브들의 개방을 제어하거나 또는 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어함으로써 연료 분사 형태의 초기 상태를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 분사율은 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 분사율은 계단식으로 증가하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 분사율은 하나를 초과하는 구별되는 분사를 분사함으로써 증가하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 실린더 압력은 배기 밸브의 폐쇄를 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    엔진 샤프트 회전 주파수와 그 배수로 구성되는 주파수 그룹에서 소정의 주파수가 선택되는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진은 엔진 속도(n)의 범위에서 특정 성능을 달성하도록 최적화된 작동 조건과 작동 파라미터를 각각 포함하는 적어도 두 가지의 선택가능한 작동 모드(A, B)를 구비하며, 각각의 작동 모드(A, B)는 엔진 구성요소(12)에서 또는 엔진에 의해 여기되는 장착물(11)의 구성요소(13, 14, 15)에서 엔진 속도에 영향을 받는 진동 응력 수준(τ)을 나타내며,
    상기 방법은,
    - 작동 모드 중 선택된 첫번째의 모드(A)에서 엔진을 작동하는 단계;
    - 각각의 엔진 속도(n)에서, 엔진 구성요소 또는 상기 엔진에 의해 여기된 장착물의 구성요소에서의 진동 응력 수준(τ)을 결정하는 단계;
    - 결정된 진동 응력 수준이 소정의 진동 응력 수준 한계를 초과하는 경우, 결정된 진동 응력 수준(τ)을 소정의 진동 응력 수준 한계(τ1, τ2)에 비교하는 단계; 및
    - 진동 응력 수준(τ)을 감소시키기 위하여, 선택된 작동 모드의 하나 이상의 파라미터를 수정하거나, 두번째의 작동 모드(A1, A2, B, B1)로 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    수정된 작동 파라미터로써, 또는 상기 두번째의 작동 모드(A1, A2, B, B1)에서 엔진을 작동시킬 때,
    - 각각의 엔진 속도(n)에서, 엔진이 첫번째 작동 모드(A)에서 작동된다면, 엔진 구성요소 또는 엔진에 의해 여기된 장착물의 구성요소에 존재하는 계산된 이론적 진동 응력 수준(τ)을 결정하는 단계; 및
    - 가정된 진동 응력 수준이 소정의 진동 응력 수준 한계를 초과하지 않는다면, 가정된 진동 응력 수준(τ)을 소정의 진동 응력 수준 한계(τ1, τ2)에 비교하는 단계를 추가로 포함하는 엔진 작동 방법.
  10. 적어도 하나의 실린더(16), 제어된 연료 분사 시스템 및 제어된 배기 시스템을 구비하는 크로스 헤드 타입의 대형 피스톤 엔진(10)으로서, 상기 엔진은 제1 항 또는 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 엔진.
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