KR101061862B1 - 2행정 왕복 내연기관의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라, 2행정 왕복 내연기관(1), 특히 대형 디젤 기관의 작동을 위한 방법이 제안된다. 상기 2행정 왕복 내연기관(1)은 배기 밸브(3) 및 소기 공기 개구(4)를 갖는 실린더(2), 및 상기 실린더(2)의 연소실(22)로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈(9)과 공기(11) 압축용 로터(10)를 구비한 과급기 그룹(supercharger group)(7)을 포함하고, 상기 실린더(2) 내에 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 가동면(6)을 따라 왕복 운동하고, 압축된 상기 공기는 소기 공기(12)로서 상기 소기 공기 개구(4)를 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22)로 공급되고, 상기 배기 밸브(3)는 연료 분사가, 다음 연소시에 발생된 후 및 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로의 상기 소기 공기(12)의 다음 유입 이전에, 적어도 미리 설정가능한 속도 이하의 예비 소기 단계(pre-scavenging phase)(V)에서 먼저 열리고 그 다음 닫힌다. 또한 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 따라 작동되는 왕복 내연기관(1)에 관한 것이다.
2 행정, 내연기관, 디젤 기관, 소기, 예비 소기, 연소실, 실린더, 터빈, 로터, 과급기

Description

2행정 왕복 내연기관의 작동 방법 {A METHOD FOR THE OPERATION OF A TWO STROKE RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
도 1은 과급기 그룹을 갖는 2행정 대형 디젤 기관의 주요부의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예의 개략적인 도면이다.
도 3은 흡기 밸브를 갖는 2행정 대형 디젤 기관의 실린더의 개략적인 도면이다.
본 발명은 2행정 왕복 내연기관의 작동 방법 및 각 카테고리의 독립항의 전반부에 따른 방법에 따라 작동되는 왕복 내연기관에 관한 것이다.
전기 에너지의 발생을 위하여 선박 또는 고정식 설비용 2행정 대형 디젤 기관과 같은, 왕복 내연기관의 출력을 증가시키기 위하여, 연소 사이클 (combustion cycle) 후에 신선한 공기가 일반적으로 배기 터보차저로 구성되는 과급기 그룹에 의하여 증가된 압력하에서 실린더의 연소실 내부로 유입되고, 배기 가스의 열 에너지 일부는 연소 사이클 후에 상기 실린더의 연소실을 떠나는 것을 이용한다. 이 목적을 위하여, 고온의 배기 가스가 배기 밸브를 오픈함으로써 상기 실린더의 연소실로부터 과급기 그룹으로 공급된다. 상기 과급기 그룹은 압력을 받으면서 과급기 내부로 들어가는 고온의 배기 가스에 의하여 구동되는 터빈(turbine)으로 실질적으로 이루어진다. 상기 터빈은 로터(rotor)를 구동하며, 그 때문에 신선한 공기가 흡입되고 압축된다. 디퓨저(diffuser), 기수분리기(water separator) 및 흡기 리시버(inlet receiver)를 갖는 급기 냉각기(charge cooler)가 흔히 또한 터보차저로 불리는 장치인, 압축기로서 로터를 갖는 터빈의 하부에 배치된다. 여기서부터, 급기(charge) 또는 소기 공기로서 또한 알려진, 압축된 신선한 공기가 대형 디젤 기관의 각 실린더 내부로 최종적으로 공급된다. 대형 디젤 기관의 종류에 따라, 공기의 인피드(infeed)는 실린더에서 다른 위치를 차지한다. 예를 들면, 길이 방향으로 소기되는 2행정 기관으로, 공기가 상기 실린더의 하부 영역에서 가동면에 배치되는 소기 슬롯을 통하여 상기 실린더의 연소실 내부로 유입된다. 4행정 기관으로, 급기가 일반적으로 실린더 헤드에 배치된 하나 이상의 흡기 밸브를 통하여 상기 실린더의 연소실 내부로 유입되고, 또한 2행정 기관은 일반적으로 상기 실린더의 하부 영역에서 소기 슬롯 대신에 실린더 헤드의 흡기 밸브에 꼭 맞는 것으로 알려져 있다.
상기 과급기 그룹의 터빈은 상기 실린더의 연소실로부터 배출되는 고온의 배기 가스에 의하여만 구동되기 때문에, 공지된 과급기 그룹만은 특히 스타터 직후 또는 기관의 회전 한계의 임의 속도 이하에서 효율적으로 작동하지 못한다. 따라서 상기 과급기 그룹은 회전 한계 속도 이하에서 대응하는 토크 증대에 도달하기 위하여 하나 이상의 추가적인 기계식 또는 전기식 보조 과급기(auxiliary supercharger)에 의하여 자주 보완된다. 일반적으로 보조 과급기는 급기 냉각기의 하부에 배치된 제1 챔버(chamber)로부터 공기를 흡입하고 상기 공기가 또한 소기 슬롯을 통하여 실린더 내부로 흐를 수 있는 제2 챔버로 공기를 전달하고, 일반적으로 제1 챔버 내부로의 공기의 역류는 플랩으로 형성되는 블록(blocks)에 의하여 방지된다. 상기한 보조 과급기는 각각 200 kW 까지의 전력을 갖는, 전기 송풍기로서 흔히 구성되고, 일반적으로 대형 디젤 기관의 전체 부하 출력의 대략 10% 내지 50%, 특히 30%와 35%의 사이에서 얻어지는 회전 한계의 속도 이하에서 배기 가스 터보차저를 지원하거나 또는 대체한다. 회전 한계의 속도를 초과하면, 추가적인 전기 보조 과급기가 불필요할 수 있는, 즉 보조 과급기는 스위치로 오프되고 기관은 배기 가스 터보차저에 의하여만 급기된다. 이 상태에서, 즉 상기 보조 과급기의 스위치 오프(switching off) 후, 상기한 플랩은 열리며 따라서 급기 냉각기의 하부에 배치된 제1 챔버로부터 제2 챔버로 급기의 직접 배출을 가능하게 하고, 상기 공기는 소기 슬롯으로 공급된다.
배기 가스 터보차저의 지원을 위한 추가적인 보조 과급기의 사용에 동반되는 문제점이 자명하다.
실린더 소기의 개선이 저 부하 영역에서 배기 가스 터보차저의 지원을 위한 보조 과급기의 사용에 의하여 달성될수 있더라도, 그럼에도 불구하고 실린더의 연소실은 불충분하게만 소기되어, 신선한 공기가 다음 연소 사이클에서 충분한 양으로 이용될 수 없거나, 또는 신선한 공기의 매우 많은 양이 공지된 2 사이클 방법으 로 저 부하 영역의 회전 한계의 임의 속도 이하에서 저속으로 연소실에 공급된다. 이것은 공급되는 공기의 양이 왕복 내연기관의 작동을 위하여 공지된 방법으로 제어 또는 조절될 수 없다는 것을 의미한다.
보조 과급기를 위한 구입 비용에 부가하여, 추가적인 장치가 그 제어 또는 조절을 위하여 설치되어야 한다. 흡기 리시버의 구성은 보조 과급기의 작동 동안 역류 블록으로 필요 불가결한 상기한 플랩 때문에 비교적 복잡하다. 본래 추가적인 어셈블리는 작동 수단, 예비 부품 및 인원을 위한 관련 부가 비용과 함께 추가적인 서비스 및 수리 노력을 필요로 한다. 또한, 보조 과급기 및 상기 플랩에 의하여 분리되는 제1 공간 및 제2 공간 내부의 흡기 리시버의 분할은 일반적으로 프리미엄이 붙는 비교적 많은 공간을 차지하고, 무게를 증가시킨다. 또한, 보조 과급기의 작동은 예를 들면, 전기 보조 과급기의 작동을 위하여 요구되는 전기 에너지가 이용되어야만 하기 때문에 에너지 관점에서 더욱 바람직하지 못하다. 이것은 보조 과급기의 작동은 결국 무게 추가 때문에 더, 연료 소비를 증가시킨다는 것을 의미한다.
따라서 본 발명의 목적은 특히 미리 설정된 회전 한계의 속도 이하의 부하 영역에서 왕복 내연기관의 더욱 효율적인 작동을 가능케하고, 이를 위하여 필요한 추가적인 기계식, 전기식 또는 다른 보조 과급기가 없는, 2행정 왕복 내연기관, 특히 2행정 대형 디젤 기관의 작동을 위한 방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따라 작동되는 왕복 내연기관을 제공하는데 있다.
기계적 방법 및 장치 관계에서 이들 목적을 만족시키는 본 발명의 내용은 각 카테고리의 독립항의 특징들에 의하여 부여된다.
각 종속항은 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 한 예로서 2행정 왕복 내연기관, 특히 대형 디젤 기관의 작동을 위한 방법이 따라서 제안된다. 2행정 왕복 내연기관은 배기 밸브 및 소기 공기 개구를 포함하는 실린더, 및 상기 실린더의 연소실로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈과 공기 압축용 위한 로터를 포함하는 과급기 그룹(supercharger group)을 포함하고, 상기 실린더 내에 피스톤이 하사점 위치와 상사점 위치 사이에서 가동면을 따라 왕복 운동하고, 압축된 상기 공기는 상기 소기 공기 개구를 통하여 상기 실린더의 연소실로 공급되고, 연료 분사와 후속하는 연소가 이루어진 후 예비 소기 단계(pre-scavenging phase)에서 배기 밸브가 일단 열렸다가 상기 실린더의 연소실 내부로 상기 소기 공기가 유입되기 이전의 적어도 미리 설정가능한 회전 한계 속도 이하에서 배기 밸브가 닫힌다.
본 발명에 따른 방법은 바람직하게 예를 들면, 대형 디젤 기관을 스타트한 후 미리 설정가능한 회전 한계 속도 이하에서 길이 방향으로 소기 작용을 하는, 2행정 대형 디젤 기관, 특히 크로스헤드(crosshead) 대형 디젤 기관의 작동에 사용된다. 고온의 배기 가스로부터 공급되는, 터보차저는 미리 설정가능한 회전 한계 속도 이하에서 요구되는 출력을 아직 제공하지 못하고 따라서 일반적으로 전기적으로 작동되고 보조 과급기로서 구성되는 추가적인 송풍기에 의하여 일반적으로 지원된다. 상기한 추가 송풍기는 본 발명의 방법을 사용함으로써 불필요하게 될 수 있 다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형에서, 소기 공기는 실린더 벽에 소기 슬롯으로 형성된 소기 공기 개구를 통하여 실린더의 연소실로 공급되는, 즉 대형 디젤 기관은 길이 방향으로 소기 작용을 하는 2행정 기관으로 이루어진다. 상기 방법의 사용은 이점에서 길이 방향으로 소기 작용을 하는 2행정 기관에 한정되지 않는다. 본 발명에 다른 방법에서, 연료 분사와 연소가 발생된 후 배기 밸브가 먼저 열렸다가 상기 실린더의 연소실 내부로 소기 공기가 유입되기 이전의 미리 설정가능한 속도 이하의 예비 소기 단계에서 닫힌다. 압축 사이클과 후속하는 연소가 이루어진 후에 고온의 연소 가스가 왕복 내연기관의 실린더의 연소실 내의 작동 압력에서 이용될 수 있어, 피스톤은 180°의 크랭크각에 대응하는 하사점 위치의 방향으로 공지된 방식으로 팽창 사이클로 이동된다. 일반적으로, 실린더에 의하여 둘러싸이는 연소실, 실린더 헤드 및 피스톤이 최대 볼륨을 갖는, 피스톤의 하사점은 크랭크각이 180°이고, 연소실이 최소 볼륨을 갖는 상사점 위치는 크랭크각이 0° 또는 360°이다. 상기 배기 밸브는 연소 진행 직후 처음에는 여전히 닫혀 있는 상태이다. 연소 다음의 예비 소기 단계에서, 상기 피스톤이 연소 후 처음으로 소기 슬롯을 개방하기 전에, 상기 배기 밸브는 미리 설정가능한 제1 크랭크각에서 열리고, 상기 제1 크랭크각은 배기 밸브가 실린더의 연소실과 배기 가스 스택 사이에서 열릴 때 연소 가스를 실린더의 연소실로부터 과급기 그룹으로 공급하기에 적당한 압력 차이가 존재하도록 선택되고, 고온의 배기 가스가 압력 차이 때문에 배기 가스 스택을 통하여 터보차저로 들어가고 그곳에서 터빈 그리고 따라서 로터를 구동하도록 선택되어, 압축된 공기는 이때 그 소기 슬롯이 대응하는 피스톤에 의하여 개방되는 실린더의 연소실 내부로의 유입을 위한 소기 공기로서 이용될 수 있다. 이것은 배기 가스의 열 에너지의 일부가 소기 슬롯의 개방 전, 즉 실린더의 연소실 내부로의 소기 공기의 유입 이전에 상기 배기 밸브를 오픈함으로써 공지된 방식으로 터보차저의 터빈을 구동하기 위하여 이미 사용되고 있다는 것을 의미한다.
상기 연소실과 배기 가스 스택 사이의 압력 차이가 실질적으로 소멸하면, 상기 배기 밸브는 예비 소기 단계 동안 제2 크랭크각에서 다시 닫힌다. 상기 연소실과 흡기 리시버 사이의 최대 압력 차이는 배기 밸브가 예비 소기 단계에서 다시 닫히는 크랭크각에 의존하기 때문에, 소기 슬롯의 개방 후 예비 소기 단계 동안 연소실 내부로 유입되는 신선한 공기의 양은 왕복 내연기관의 하나 이상의 작동 파라미터(parameters)에 따라 제어 또는 조절된다. 연소실에 둘러싸인 볼륨은 하사점 위치의 방향으로 실린더 내에서 피스톤의 더 먼 이동에 의하여 확대된다. 상기 배기 밸브가 닫히기 때문에, 연소실 내의 압력은 흡기 리시버 내의 압력치 이하로 떨어지고, 소기 공기는 소기 슬롯이 피스톤에 의하여 개방될 때 상기 흡기 리시버를 통하여 실린더의 연소실에 도달한다. 예비 소기 단계의 종료를 형성하는 제3 크랭크각에서, 상기 피스톤은 최종적으로 소기 슬롯을 적어도 부분적으로 개방시켜 소기 공기는 흡기 리시버로부터 연소실 내부로 흐를 수 있고, 배기 밸브는 여전히 닫힌 상태로 있다. 상기 소기 공기는 연소실의 예비 소기 단계 동안 흡기 리시버에 대하여 발생되는 저압에 의하여 연소실 내부로 흡입된다. 이것은 소기 공기를 흡기 리시버를 통하여 미리 설정가능한 압력에서 상기 실린더의 연소실 내부로 가져오는 터보차저가 예비 소기 단계에서 상기 피스톤의 팽창 운동 동안 연소실 내에 발생된 저압에 의하여 그 작용으로 지원된다는 것을 의미한다.
하사점 위치 근처에서, 상기 배기 밸브는 다시 열려, 다음 압축 사이클(다음의 연소와 함께)에서, 예비 소기 단계 후에 상기 실린더의 연소실 내에 남아 있는 배기 가스의 일부는 배기 밸브를 통하여 배기 가스 스택을 경유하여 과급기 그룹으로 공지된 방식으로 공급될 수 있다.
왕복 내연기관이 회전 한계 속도에 도달되면, 예를 들면, 기관의 재스타트 후이면, 터보차저는 충분한 출력을 발생하고 왕복 내연기관은 원래 공지된 2 사이클 진행 후 예비 소기 단계 없이 동작된다. 상기 왕복 내연기관은 본 발명에 따른 특별한 적용으로 회전 한계 속도 이상에서도 작동될 수 있다.
상기 배기 밸브가 작용되는 시기, 즉 배기 밸브가 열리거나 또는 닫힐 시기는 크랭크각에 관계 없이 자유로이 선택될 수 있다. 이것은 예를 들면, 캠샤프트 대신에 전자 제어 유닛을 갖는 대형 디젤 기관으로 가능하다.
상기 배기 밸브의 작용은 상기 왕복 내연기관의 속도, 크랭크각, 상기 실린더의 연소실 내의 가스 압력, 상기 실린더의 연소실 내의 온도, 상기 과급기 그룹의 속도, 상기 과급기 그룹 내의 가스 압력, 및 상기 과급기 그룹 내의 온도 중 하나 이상의 작동 파라미터, 또는 상기 왕복 내연기관의 다른 작동 파라미터에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛에 의하여 제어 또는 조절된다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서, 실린더의 연소실 내부로의 소기 공기의 유입은 대형 디젤 기관의 실린더 헤드에 바람직하게 설치되는 흡기 밸브를 통하여 발생된다. 본 발명에 따른 방법이 이 변형은 흡기 밸브가 작용되는 시기, 즉 흡기 밸브가 닫히거나 또는 열리는 시기는 크랭크각에 관계 없이 자유로이 선택될 수 있다. 또한 연소실과 흡기 리시버 사이의 최대 압력 차이는 흡기 밸브가 예비 소기 단계의 끝에서 열릴 때에, 크랭크각에 의존하기 때문에, 예비 소기 단계 다음에 실린더의 연소실 내부로 흐르는 신선한 공기의 양은 흡기 밸브가 예비 소기 단계의 끝에서 열릴 때에 크랭크각의 적당한 선택에 의하여 제어 또는 조절될 수 있다. 상기 흡기 밸브의 작용은 상기 배기 밸브의 작용과 마찬가지로, 상기 왕복 내연기관의 속도, 크랭크각, 상기 실린더의 연소실 내의 가스 압력, 상기 실린더의 연소실 내의 온도, 상기 과급기 그룹의 속도, 상기 과급기 그룹 내의 가스 압력, 및 상기 과급기 그룹 내의 온도 중 하나 이상의 작동 파라미터, 또는 상기 왕복 내연기관의 다른 작동 파라미터에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛에 의하여 제어 또는 조절될 수 있다. 상기 흡기 밸브의 작용은 본래 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛에 의하여 제어 또는 조절되지 않지만, 다른 장치, 예를 들면 기계 장치에 의하여 예를 들면, 역시 일어날 수 있다.
본 발명에 따라 작동되는 본 발명에 따른 2행정 왕복 내연기관, 특히 대형 디젤 기관은 배기 밸브 및 적어도 하나의 소기 공기 개구를 구비한 실린더 뿐만 아니라 공기의 압축을 위하여 상기 실린더의 연소실로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈을 구비한 과급기 그룹을 포함하고, 상기 실린더 내에 피스톤이 하사점 위치와 상사점 위치 사이에서 가동면을 따라 왕복 운동 가능하게 배치되고, 압축된 상기 공기는 소기 공기로서 상기 소기 공기 개구를 통하여 상기 실린더의 연소실로 공급된다.
본 발명은 도면을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 길이 방향의 소기 작용을 하는 2행정 기관으로 형성되고 이하에서 참조부호 1로서 전체로 지시되는 과급기 그룹(supercharger group)(7)을 갖는 대형 디젤 기관의 주요부를 개략적으로 도시한다.
일반적으로 대형 디젤 기관(1)은 거기에 배치된 실린더 헤드(cylinder head)(21) 및 배기 밸브(oulet valve)(3)를 갖는 복수의 실린더(2)를 포함하고, 상기 실린더(2) 내에 피스톤(5)은 가동면(running surface)(6)을 따라 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 왕복 운동 가능하게 배치되며, 상기 피스톤(5)의 상사점 위치(OT)는 통상 0° 또는 360°의 크랭크각(KW)이고 상기 피스톤(5)의 하사점 위치(UT)는 180°의 크랭크각(KW)이다. 실린더 헤드(21)를 갖는 실린더(2), 및 피스턴(5)은 공지된 방식으로 연소실(22)을 형성한다. 상기 실린더(2)의 하부에, 소기 슬롯(scavenging slots)(41)으로 이루어진 복수의 소기 공기 개구(openings)(4)가 구비된다. 상기 피스톤(5)의 위치에 따라, 상기 소기 슬롯(41)은 상기 피스톤에 의하여 덮히거나 또는 상기 피스톤에 의하여 개방된다. 소기 공기(12)로 불리는 신선한 공기는 상기 소기 슬롯(41)을 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 흐를 수 있다. 연소로 발생되는 배기 가스(8)는 상기 실린더 헤드(21)에 배치된 배기 밸브(3)를 통하여 배기 밸브(3)를 과급기 그룹(7)과 연결시키는 배기 가스 스택(exhaust gas stack)(13)을 통하여 흐른다. 상기 과급기 그룹(7)은 공지된 방식의 주요 구성요소로서, 공기(11)의 압축을 위한 로터(rotor)(10) 및 로터(10)의 구동을 위한 터빈(turbine)(9)을 포함하고, 상기 로터(10)는 축(91)에 의하여 상기 터빈(9)에 실제로 고정된 방식으로 연결된다. 상기 터빈(9) 및 로터(10)는 하우징(housing) 내에 배치되고 터보차저(turbocharger)(14)를 형성한다. 상기 터빈(9)은 상기 실린더(2)의 연소실(22)로부터의 고온의 배기 가스(8)를 유입함으로써 구동된다. 소기 공기(12)를 갖는 실린더(2)의 연소실(22)에 급기하도록, 공기(11)가 로터(10)에 의하여 흡입 스택(suction stack)(15)을 통하여 흡입되고 상기 터보차저(14)에서 압축된다. 압축된 상기 공기는 상기 터보차저로부터 하류 디퓨저(downstream diffuser)(16) 및 급기 냉각기(charge cooler)(17)를 통하여 압력 라인(pressure line)(18)을 경유하여 흡기 리시버(inlet receiver)(19) 내부로 이동하고, 압축된 상기 공기는 높은 압력하에서 소기 공기로서 소기 슬롯(41)으로서 형성된 상기 소기 공기 개구(4)를 통하여 실린더(2)의 연소실 내부로 최종적으로 들어간다.
본 발명에 따른 방법은 2행정 대형 디젤 기관(1)용으로 도 2에 개략적으로 도시된 미리 설정가능한 회전 한계 속도 이하의 저속에서 2행정 왕복 내연기관(1)의 작동을 위한 것이다. 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 중요 단계를 설명하기 위하여, 완전한 2행정 사이클이 도 2에 도시된다. 상기 실린더(2)의 위치는 완전한 2행정 사이클 내의 8개의 선택된 크랭크각(KW)으로 도시되고, 0°의 크랭크각(KW)은 상기 피스톤(5)의 상사점 위치(OT)에 대응하고 180°의 크랭크각(KW)은 상기 피스톤(5)의 하사점 위치(UT)에 대응한다. 본 발명에 따른 방법은 2행정 방법이기 때문에, 0°의 크랭크각(KW)은 360°의 크랭크각과 동일하다.
크랭크각(K1)에서, 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 연소는 바로 앞의 압축 사이클 후에 실질적으로 완료되어 고온의 연소 가스가 연소실(22) 내의 작용 압력 하에서 이용될 수 있고 상기 실린더(2) 내의 피스톤(5)은 그 때문에 크랭크각(K1)으로부터 시작하여, 180°의 크랭크각(KW)에 대응하는, 하사점 위치(UT)의 방향의 팽창 사이클로 이동된다. 상기 배기 밸브(3)는 크랭크각(K1)에서 닫힌다. 예비 소기 단계(V)에서, 연료 분사가 다음 연소시에 발생된 후 및 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로의 소기 공기(12)의 다음 유입 이전에 시작하는 것은 상기 피스톤(5)이 연소 사이클 후 처음으로 상기 소기 슬롯(41)을 개방하기 이전이고, 크랭크각(K2)에서, 배기 밸브(3)가 열리고, 크랭크각(K2)인 예비 소기 단계(V)의 시작은 배기 밸브가 크랭크각(K2)에서 열릴 때, 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 압력이 배기 가스 스택(13)의 압력보다 상당히 높은 상태에 있도록 선택된다. 연소실(22)와 배기 가스 스택(13) 사이의 압력 차이 때문에, 고온의 배기 가스(8)는 배기 가스 스택(13)을 통하여 터보차저(14)로 흐르고 거기에서 터빈(9) 및 따라서 로터(10)를 구동하여, 상기에서 설명된 바와 같이 압축된 공기가 소기 슬롯(41)이 이때에 대응하는 피스톤(5)에 의하여 개방되는 실린더(2)의 연소실(22) 내부로의 유입을 위한 소기 공기(12)로서 이용될 수 있다. 이것은 상기 배기 가스(8)의 열 에너지의 일부가 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로의 소기 공기(12)의 유입 이전인, 상기 소기 슬롯(41)의 개방 이전에 상기 배기 밸브(3)를 오픈함으로써 공지된 방식으로 터보차저(14)의 터빈(9)을 구동하기 위하여 이미 이용되고 있다는 것을 의미한다.
상기 크랭크각(K2)보다 다소 큰, 크랭크각(K3)에서, 상기 연소실(22)과 배기 가스 스택(13) 사이의 압력 차이는 실질적으로 균형 잡히고 상기 배기 밸브(3)는 예비 소기 단계(V)인 동안에도 크랭크각(K3)에서 다시 닫힌다. 상기 연소실(22)과 흡기 리시버(19) 사이의 최대 압력 차이는 상기 배기 밸브(3)가 예비 소기 단계(V)에서 다시 닫히는, 크랭크각(KW)에 달려있기 때문에, 소기 공기 개구(4)의 개방 후 예비 소기 단계(V) 동안 상기 연소실(22) 내부로 유입되는 신선한 공기의 양은 상기 왕복 내연기관(1)의 속도에 따라, 크랭크각(KW), 상기 실린더(2)의 연소실(22)내의 가스 압력, 상기 실린더(2)의 연소실 내의 온도, 상기 과급기 그룹(7)의 속도, 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력, 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 중 하나 이상의 작동 파라미터, 또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터에 따라, 상기 배기 밸브(3)가 예비 소기 단계(V)에서 닫히는 크랭크각(KW)의 사전 설정에 의하여 제어 또는 조절된다. 상기 연소실(22)로 둘러싸인 볼륨(volume)은 하사점 위치(UT)의 방향으로 실린더(2)에서 피스톤(5)의 더 먼 이동에 의하여 확대되어, 연소실(22) 내의 압력은 상기 배기 밸브(3)가 닫히기 때문에 흡기 리시버(19) 내의 압력 이하로 떨어진다. 예비 소기 단계(V)의 끝을 표시하는 크랭크각(K4)에서, 상기 피스톤(5)은 적어도 일부 소기 슬롯(41)을 개방하여 배기 밸브(3)가 닫혀 있는 상태에서, 소기 공기(12)가 흡기 리시버(19)로부터 연소실(22) 내부로 흐를 수 있다. 상기 소기 공기(12)는 예비 소기 단계(V)에서 연소실(22) 내에 발생되는 저압(underpressure)에 의하여 연소실(22) 내부로 흡입된다. 이것은 흡기 리시버(19)를 통하여 미리 설정된 압력에서 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 소기 공기(12)를 유입하는, 상기 터보차저(14)가 예비 소기 단계에서 상기 피스톤(5)의 팽창 운동 동안 연소실(22) 내에 발생되는 저압에 의하여 그 작용으로 지원된다는 것을 의미한다.
크랭크각(K5)에서, 하사점 위치(UT) 가까이, 그리고 상기 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)에 도달하기 이전 또는 이후, 상기 배기 밸브(3)가 열려 다음 압축 사이클에서 배기 가스(8)가 배기 밸브(3)를 통하여 배기 가스 스택(13)을 경유하여 과급기 그룹(7)으로 공급될 수 있다. 180°의 크랭크각에서, 상기 배기 밸브(3)는 여전히 열려있고 압축 사이클이 공지된 방식으로 시작되고, 소기 슬롯(41)은 크랭크각(K6)에 도달시에 닫히게 되고, 압축 사이클 동안, 즉 상기 피스톤이 하사점 위치(UT)를 통과한 후 크랭크각(K6)에 도달하기 이전 또는 이후 미리 설정된 시점에서, 요구에 따라, 상기 배기 밸브(3)가 닫힌다. 본 발명에 따른 방법의 다른 변형 에서, 특히 상기 배기 밸브(3)도 상기 피스톤이 하사점 위치(UT)에 도달되기 이전에 소기 개구(4)의 개방 후 다시 닫힐 수 있다. 상기 피스톤이 상사점 위치(OT)의 방향으로 더 이동함으로써, 연소실(22) 내의 공기가 압축되고, 연료가 분사 노즐(도시 않음)에 의하여 본래 알려진 방식으로 미리 설정된 시점에서 연소실(22) 내부로 유입되고 상기 연소실(22)에서 연료/공기 혼합의 연소가 뒤따른다.
이와 관련하여 상기 배기 밸브(3)의 작용은 상기 왕복 내연기관(1)의 속도에 따라, 크랭크각(KW), 상기 실린더(2)의 연소실(22)내의 가스 압력, 상기 실린더(2)의 연소실 내의 온도, 상기 과급기 그룹(7)의 속도, 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력, 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 중 하나 이상의 작동 파라미터, 또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛(control unit)(도시 않음)에 의하여 제어 또는 조절될 수 있다.
또한 당연히 2행정 왕복 내연기관(1)의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 소기 공기 개구(4)로서 상기 실린더(2)의 가동면(6)의 소기 슬롯(41) 대신에 흡기 밸브(inlet valve)(42)를 구비한 대형 디젤 기관(1)에 성공적으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 유사한 방식으로 흡기 밸브(42)를 갖는 왕복 내연기관(1)에 실시된다. 그러나, 소기 공기 개구(4), 즉 소기 슬롯(41)의 개방은 길이 방향의 소기 작용을 하면서 대형 디젤 기관(1)의 실린더(2) 내의 피스톤(5)의 위치에 의하여 미리 결정되는 반면, 흡기 밸브(42)는 상기 흡기 밸브(42)를 갖는 대형 디젤 기관(1)의 제어 장치에 의하여 작용된다. 바람직하게 상기 흡기 밸브(42)의 작용은 상기 왕복 내연기관(1)의 속도에 따라, 크랭크각(KW), 상기 실린더(2)의 연소실(22)내의 가스 압력, 상기 실린더(2)의 연소실 내의 온도, 상기 과급기 그룹(7)의 속도, 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력, 및 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 중 하나 이상의 작동 파라미터, 또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛(control unit)(도시 않음)에 의하여 제어 또는 조절된다.
상기에서 언급된 바와 같이, 바람직하게 본 발명에 따른 상기에서 설명된 방법은 미리 설정된 회전 한계 속도 이하의 저 부하(lower load) 영역에서 사용된다. 상기 왕복 내연기관(1)이 회전 한계 속도를 초과하면, 상기 터보차저(14)는 미리 설정된 출력에 도달되고 상기 왕복 내연기관(1)은 종래 기술로부터 알려진 2행정 방법에 따라 작동된다.
본 발명에 따른 방법을 사용함으로써, 저 부하 작동에서 배기 가스 터보차저의 지원을 위한 추가적인 보조 과급기의 사용과 관련된 결점이 방지된다. 이 방법으로, 보조 과급기 뿐만 아니라 그 제어를 위하여 필요한 장치의 구입 및 설비의 노력이 회피된다. 특히, 흡기 리시버에 플랩(flaps)의 형태로 구성된 역류 차단 블록이 불필요할 수 있기 때문에, 또한 흡기 리시버의 구성은 복잡하지 않다. 또한 작동 수단, 예비 부품 및 인원을 위한 관련 부가 비용과 함께 서비스 및 수리 노력이 생략된다. 특히, 상당한 공간 및 무게가 본 발명에 따른 방법의 사용으로 절감된다. 또한, 보조 과급기가 없는 왕복 내연기관의 작동은 그 작동을 위한 전 기 에너지가 더 이상 필요 없어 결국 무게가 절감될 수 있기 때문에 에너지 관점에서도 더욱 바람직하다. 본 발명에 따른 방법의 사용은 적어도 왕복 내연기관의 연료 소모를 줄인다.
본 발명에 따른 2행정 왕복 내연기관, 특히 2행정 대형 디젤 기관의 작동을 위한 방법은 특히 미리 설정된 회전 한계의 속도 이하의 부하 영역에서 왕복 내연기관의 더욱 효율적인 작동을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 배기 밸브(3) 및 소기 공기 개구(4)를 갖는 실린더(2), 및
    상기 실린더(2)의 연소실(22)로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈(9)과 공기(11) 압축용 로터(10)를 구비한 과급기 그룹(supercharger group)(7)
    을 포함하고,
    상기 실린더(2) 내에서 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 가동면(6)을 따라 왕복 운동하고,
    압축된 공기가 소기 공기(12)로서 상기 소기 공기 개구(4)를 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22)로 공급되는
    2행정 왕복 내연기관(1), 특히 대형 디젤 기관의 작동 방법에 있어서,
    연료 분사와 연소가 이루어진 후, 상기 배기 밸브(3)가 열렸다가 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 상기 소기 공기(12)가 유입 이전에 미리 설정가능한 회전 한계 속도 이하의 예비 소기 단계(pre-scavenging phase)(V)에서 상기 배기 밸브(3)가 다시 닫히는
    것을 특징으로 하는 2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 밸브(3)는 처음에 열렸다가 상기 예비 소기 단계(V) 동안 상기 왕복 내연기관(1)의 미리 설정가능한 회전 한계 속도 이하에서 닫혀지는
    2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배기 밸브(3)의 작용은 상기 왕복 내연기관의 속도, 크랭크각(KW), 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 가스 압력, 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 온도, 상기 과급기 그룹(7)의 속도, 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력, 및 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 중 하나의 작동 파라미터, 또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛(control unit)에 의하여 제어 또는 조절되는
    2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소기 공기(12)는 상기 실린더(2)의 가동면(6) 내에서 소기 슬롯(41)으로서 형성되는 소기 공기 개구(4)를 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22)로 공급되는
    2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로의 상기 소기 공기(12)의 유입은 상기 소기 공기 개구(4)에서 흡기 밸브(42)에 의하여 제어 또는 조절되는
    2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡기 밸브(42)의 작용은 상기 왕복 내연기관의 속도, 크랭크각(KW), 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 가스 압력, 상기 과급기 그룹(7)의 속도, 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 온도, 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력, 및 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 중 하나 이상의 작동 파라미터, 또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛에 의하여 제어 또는 조절되는
    2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 흡기 밸브(42)의 작용은 기계적인 제어 장치, 특히 제어 샤프트에 의하여 제어 또는 조절되는
    2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배기 밸브(3)는 하사점 위치(UT) 근처에서 열리고, 그 후 압축 사이클 동안 소기 슬롯(41)이 닫히게 되는 크랭크각(K6)에 도달하기 이전 또는 이후의 시점에서 다시 닫히는
    2행정 왕복 내연기관의 작동 방법.
  9. 배기 밸브(3) 및 소기 공기 개구(4)를 갖는 실린더(2), 및
    상기 실린더(2)로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈(9)을 구비한 공기(11) 압축용 과급기 그룹(supercharger group)(7)
    을 포함하고,
    상기 실린더(2) 내에 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 가동면(6)을 따라 왕복 운동 가능하게 배치되고,
    압축된 공기가 소기 공기(12)로서 상기 소기 공기 개구(4)를 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22)로 공급되는
    2행정 왕복 내연기관(1), 특히 대형 디젤 기관에 있어서,
    상기 왕복 내연기관(1)은 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 작동되는
    것을 특징으로 하는 2행정 왕복 내연기관.
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