KR101733730B1 - 내부 연소 엔진의 작동 방법 및, 내부 연소 엔진 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 실린더(2) 및 상기 실린더(2) 안의 왕복 피스톤(15)을 가진 내부 연소 엔진(1)의 작동 방법에서, 왕복 피스톤은 크랭크 샤프트와 연결되고 엔진의 전체 부하에서 1200 rpm 또는 그 미만으로 회전하여, 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 왕복한다. 실린더(2)는 흡기 공기 및 배기 기체에 대한 공기 통로 개구(10,12)들을 가지며, 상기 개구들은 상사점(TDC)을 향한 피스톤(15)의 압축 행정의 적어도 주요 부분 동안 폐쇄된다. 피스톤이 상사점(TDC) 이후의 50°로부터 상사점(TDC) 이전의 50°까지 크랭크 각도의 간격에 있을 때 피스톤(15)에 의해 덮이는 위치에서 실린더 라이너(2')에 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)가 위치된다. 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)는 압축 행정 동안에 실린더(2) 안으로 액체 비자동 연료를 주입하고, 그에 의하여 실린더 안의 압력을 낮추고 따라서 피스톤에 의해 수행되는 압축 일을 감소시켜서 엔진의 효율을 증가시킨다.

Description

내부 연소 엔진의 작동 방법 및, 내부 연소 엔진{A Method of Operating An Internal Combustion Engine, And An Internal Combustion Engine}
본 발명은 내부 연소 엔진의 작동 방법에 관한 것으로서, 상기 엔진은 실린더 안에 피스톤을 가진 적어도 하나의 실린더를 구비하고, 상기 피스톤은 크랭크 샤프트와 연결되고 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 엔진의 작동중에 왕복하고, 상기 실린더는 흡기 공기 및 배기 기체를 위한 공기 통과 개구들을 가지고, 상기 공기 통과 개구들이 폐쇄되고 피스톤이 주입 위치 아래에 위치되는 동안, 액체 비자동 점화 연료는 압축 행정중에 실린더의 실린더 라이너에 있는 주입 위치로부터 실린더 안으로 주입되고, 점화 장치는 액체 비자동 점화 연료를 점화시키도록 활성화된다.
영국 출원 GB 651,526 A 은 1800 rpm 에서 작동하는 엔진에서 이러한 종류의 방법을 개시하는데, 여기에서는 연료의 주입을 스파크 플러그 다음의 실린더의 상부에 위치된 연료 인젝터로부터, 상사점(TDC) 이전의 75 내지 30 도 범위에서, 그리고 전체적으로 상사점(TD) 이전의 70°내지 30°의 범위에서 개시함으로써 녹킹(knocking)이 억제된다. 압축 행정의 나중 부분에 스파크 플러그에 인접한 위치로부터 연료를 주입하는 것은 주입된 연료의 제 1 부분의 신속한 점화 및 증기-공기 혼합을 일으켜서 화염 전방부가 실린더 안의 와류의 방향에 대향하여 이동하는 형상을 확립함으로써 녹킹이 회피되는 것으로 일컬어진다.
본 발명은 특히 100 % 엔진 부하에서 900 rpm 미만의 회전 속도로 작동하는 엔진에 관한 것이다.
덴마크 특허 DK-B-176118 및 대응하는 일본 특허 JP-B-3908855 는 저압으로 공급되는 기체에서 디젤 유형의 터보 과급 2 중 연료 내부 연소 엔진을 가동시킬 가능성의 향상에 관한 것으로서, 이것은 연료량에 필적하거나 또는 연료량을 초과하는 중량의 양으로 압축 행정 동안 전체 실린더 크기 안으로 강력한 물의 주입이 직접적으로 이루어지는 디젤 유형의 터보 과급 2 중 연료 내부 연소 엔진을 개시한다. 이것은 고압 주입의 연료가 오직 점화 보조 연료로서 사용되도록, 주 연료로서주입되는 저압의 기체 연료에서 대형 2 행정 디젤 엔진들도 작동될 수 있게 하는데, 왜냐하면 물의 주입은 실린더 안에서 공기 및 기체 연료의 더 우수한 혼합을 제공함으로써 국부적인 자동 점화의 위험성을 낮추기 때문이며, 주입된 물이 증발하여, 자동 점화의 위험성을 낮추는데 기여하고 화학적 반응을 지연시키는 인자(factor)인 실린더 안의 압력 및 온도를 낮춘다. 또한, 고속에서 작동하는 소형 기체/디젤 엔진들의 우수한 연소 조건들을 달성할 수 있게 한다.
미국 특허 US-B-7 284 506 은 디젤 연료를 포함하는 제 1 연료 및 메탄올 또는 에탄올과 같이 낮은 세탄가의 연료를 포함하는 제 2 연료의 실질적으로 동종(homogeneous)의 혼합물로써 내부 연소 엔진의 작동시 자동 점화의 타이밍을 설정하는 방법을 개시하며, 제 1 연료 및 제 2 연료의 양들은 자동 점화의 타이밍을 조절하도록 변화된다. 설명된 실시예들에서 낮은 세탄가의 연료는 흡기 매니폴드에 적용되며, 그에 의하여 낮은 세탄가의 연료는 흡기 행정 동안 연소 실린더 안으로 도입되지만, 아마도 낮은 세탄가의 연료를 주입하기 위한 연료 인젝터는 연소 실린더 안으로 연료를 직접 주입하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 목적은 내부 연소 엔진의 엔진 경제성 및/또는 효율을 증가시키는 것이다.
상기 목적은 상기 언급된 방법의 도입에 의해 달성되는데, 여기에서는 상사점(TDC) 이전에 적어도 90°의 크랭크 각도에서 엔진의 작동중에 피스톤에 의해 교번하여 덮이는 주입 위치로부터 액체 비자동 점화 연료가 주입되고, 크랭크 샤프트는 100 % 엔진 부하에서 40 내지 1200 rpm 범위의 회전 속도로 회전한다. 압축 행정 동안 액체 비자동 점화 연료를 주입함으로써 실린더 안의 온도 및 그에 의한 공기의 압력이 액체 비자동 점화 연료의 증발에 의한 열 소비에 기인하여 감소된다. 피스톤이 상사점(TDC) 이전의 90°위치로부터 실질적으로 위로 움직이는 동안, 주입된 액체 비자동 점화 연료는 증발되고 압축된 공기로부터의 열을 소비한다. 따라서, 압축 행정 동안 피스톤에 의해 수행된 일은 감소되는데, 왜냐하면 증발된 액체 비자동 점화 연료의 냉각에 의해 야기된 낮은 압축 압력에 의해 피스톤상의 하향 압력이 감소되기 때문이다. 액체 비자동 점화 연료의 주입이 발생될 때, 실린더 안의 압력은 압축 행정 끝에서의 실린더 압력 보다 상당히 낮으며, 주입된 액체 비자동 점화 연료가 연료를 대체하는데, 그렇지 않다면 그것은 압축 행정의 끝에서 우세한 고압에 반하여 압축 행정의 끝에 주입되었을 것이다.
압축 행정 동안 액체 비자동 점화 연료의 주입 없이 엔진 안의 피스톤에 의해 수행된 일(work)과 비교하여, 피스톤에 의해 수행된 일의 감소는 엔진의 효율을 향상시킨다. 대안으로서, 본 발명의 이러한 효과는 소형이어서 저렴한 흡기 공기 냉각기를 제공함으로써 흡기 공기 냉각기를 가진 엔진을 설계할 때 이용될 수 있으므로 보다 경제적인 엔진의 전체 디자인을 달성한다.
압축 행정 동안 액체 비자동 점화 연료가 빠르게 주입될수록, 압축 일이 더 감소되며, 따라서 액체 비자동 점화 연료는 압축 행정 동안 상사점(TDC) 이전의 적어도 90°의 크랭크 각도에서 실린더 안으로 주입된다.
흡기 공기 및 배기 기체를 위한 공기 통과 개구들이 압축 행정의 개시시에 모두 폐쇄된 직후에 액체 비자동 점화 연료의 주입이 수행되면, 적어도 이론적으로는 피스톤에 의해 수행된 압축 일의 가장 큰 감소가 얻어진다. 그러나, 실제로 사용된 액체 비자동 점화 연료 및, 흡기 공기의 온도와 같은 다른 엔진 파라미터들에 의존하여, 주입의 지연은 액체 비자동 점화 연료의 주입 이전의 압축에 기인하여 실린더 내부의 특정한 공기 온도 상승을 얻는데 유리할 수 있어서 그것의 증발을 용이하게 한다.
액체 비자동 점화 연료는 실린더의 실린더 라이너에서 주입 위치로부터 주입되는데, 상기 주입 위치는 피스톤에 의해 교번하여 덮이고, 주입은 피스톤이 주입 위치 아래에 위치될 때 발생된다. 실린더의 실린더 라이너는 실린더의 실린더형 측부 표면을 형성하는데, 이것은 피스톤 링들이 실린더의 실린더형 측부 표면상에서 작동하거나 또는 가동되므로 작동 표면으로 불리우기도 한다. 액체 비자동 점화 연료는 증발될 준비가 되어 있는 미세한 안개로서 주입될 수 있으며, 왜냐하면 실린더의 상부로부터 멀리 위치된 실린더 라이너상의 하나 또는 그 이상의 주입 위치들로부터 주입이 발생됨으로써, 주입이 끝나고 상사점(TDC)의 방향에서 위로의 피스톤 운동중에 피스톤 상부가 주입 위치들을 통과한 후에, 주입 위치들이 피스톤에 의해 덮이기 때문이다. 실린더의 하부 절반에 위치된 주입 위치들로부터 주입됨으로써, 액체 비자동 점화 연료는 실린더 안으로 먼 거리로 주입될 필요가 없으며 따라서 주입은 증발 준비가 되고 실린더의 하부 부분에 있는 충전 공기 안에서 이미 발생된 미세한 안개 형태일 수 있다. 따라서 실린더 라이너 안의 주입 위치들은, 피스톤이 상사점(TDC)에 가까이 움직여서 증발에 의한 냉각 효과가 압축 행정중에 얻어지기 전에, 주입된 액체 연료가 증발할 수 있게 한다.
일 실시예에서 내부 연소 엔진은 저속, 2 행정, 크로스헤드, 디젤 유형의 내부 연소 엔진이며, 상기 적어도 하나의 실린더는 실린더 라이너를 포함하고, 흡기 공기를 위한 상기 공기 통과 개구들을 제공하는 소기 공기 포트들을 가지며, 소기 공기 포트들이 폐쇄되는 동안 액체 비자동 점화 연료가 주입된다. 그에 의하여 실린더 안의 온도 및 압력을 낮추도록 액체 비자동 점화 연료가 주입될 때 실린더의 폐쇄가 얻어진다. "저속 엔진"은 100 % 엔진 부하에서 40 내지 300 rpm 범위의 회전 속도를 가지는 것으로 이해되어야 하고, 특히 40 내지 250 rpm 간격의 회전 속도를 가지는 것으로 이해되어야 한다. "디젤 유형"이라는 표현은 디젤 사이클에 따라서 작동하는 엔진을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 엔진들은 예를 들어 디젤 연료, 중유 연료 오일, 메탄올 또는 천연 개스와 같은 기체 연료, 또는 2 중 연료, 즉, 자동 점화 연료 및 비자동 점화 주 연료로 가동될 수 있다.
일 실시예에서 내부 연소 엔진은 중속(medium speed), 4 행정, 내부 연소 엔진으로서, 상기 적어도 하나의 실린더는 흡기 기체 및 배기 기체를 위한 상기 공기 통로 개구들을 각각 제공하는 적어도 하나의 흡기 밸브 및 적어도 하나의 배기 밸브를 포함하고, 상기 밸브들이 폐쇄되는 동안 액체 비자동 점화 연료가 주입된다. 실린더 안의 온도 및 압력을 낮추도록 액체 비자동 점화 연료가 주입될 때 실린더의 폐쇄가 얻어진다. 중속 엔진(medium speed engine)은 100 % 엔진 부하에서 300 내지 1200 rpm 간격의 회전 속도로 가동되는 엔진으로 이해되어야 하며, 특히 400 내지 1000 rpm 간격의 회전 속도로 가동되는 엔진으로 이해되어야 한다.
액체 비자동 점화 연료는 관련된 작동 파라미터들에서의 작동중에 자동으로 점화되지 않을 낮은 세탄가(cetane number)를 가진 연료일 수 있다. 일 실시예에서 메탄올은 액체 비자동 점화 연료로서 이용된다. 고려되는 다른 비자동 점화 연료는 에탄올 및 i-프로파놀(i-propanol)이다. 액체 비자동 점화 연료의 증발에 기인한 온도 감소에 의해 야기되는 실린더 안의 압력 감소가, 액체 비자동 점화 연료를 실린더 안의 충전물에 더하기 때문에 일어나는 압력 상승 보다 큰 것을 보장하도록, 액체 비자동 점화 연료가 바람직스럽게는 상대적으로 높은 증발열을 가져야 한다.
일 실시예에서 점화 장치는 전기 스파크 요소, 열적 점화 요소(thermal ignition element), 자동 점화 연료를 위한 연료 인젝터를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 따라서 액체 비자동 점화 연료의 점화를 제공하는 몇가지 가능성들을 당업자가 이용할 수 있다.
본 발명은 일 실시예에서 2 중 연료 해법으로 디젤 엔진에 적용될 수 있는데, 그에 의하여 액체 비자동 점화 연료는 작동 사이클 동안 실린더에 공급된 전체 연료량의 일부로서 추가될 수 있다. 액체 비자동 점화 연료는 작동중에 실린더에 공급된 전체 연료량의 큰 부분 또는 작은 부분을 구성할 수 있으며, 따라서 액체 비자동 점화 연료는 연료의 작은 부분을 구성할 수 있거나 또는 액체 비자동 점화 연료는 주 연료를 구성할 수 있으며, 디젤 연료와 같은 자동 점화 연료는 압축 행정의 끝에서 비자동 점화 연료를 점화시키기 위한 연료로서만 이용될 수 있다.
다른 실시예에서 기체 상태의 기체 연료는 흡기 공기를 위한 공기 통과 개구의 폐쇄 이전에 실린더를 흡기 공기로 채우는 동안, 작동중에 실린더로 공급된 연료의 전체량의 일부로서 실린더 안으로 들어간다. 이러한 실시예는 예를 들어 액화 천연 개스(LNG)를 수송하기 위한 선박과 같이, 천연 개스로 작동하는 엔진에 적용될 수 있다. 그에 의하여 선박의 수송 탱크로부터 증발된 천연 개스는 흡기 공기와 함께 추가적인 연료로서 실린더 안으로 도입될 수 있고, 액화 천연 개스는 본 발명에 따라서 액체 비자동 점화 연료로서 주입될 수 있다.
본 발명은 또한 실린더 안에 피스톤을 가진 적어도 하나의 실린더를 구비한 내부 연소 엔진에 관한 것으로서, 상기 피스톤은 크랭크 샤프트와 연결되고, 상기 피스톤은 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 왕복 운동하고, 상기 실린더는 흡기 공기 및 배기 기체를 위한 공기 통과 개구들을 가지며, 상기 개구들은 상사점(TDC)을 향한 피스톤의 압축 행정의 적어도 주요 부분 동안 폐쇄되고, 내부 연소 엔진은 실린더 안으로 액체 비자동 점화 연료를 주입하기 위한 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터 및, 상기 공기 통과 개구들이 폐쇄되는 동안 압축 행정중에 실린더 안으로 상기 액체 비자동 점화 연료를 주입하도록 상기 인젝터를 제어하기 위한 수단을 가진다. 본 발명에 따르면, 피스톤이 상사점(TDC) 이후의 50°로부터 하사점(BDC)을 통하여 상사점(TDC) 이전의 50°까지 크랭크 각도의 간격에 있을 때 피스톤에 의해 덮이는 위치에서 실린더 라이너에 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터가 위치되며, 엔진은 100 % 엔진 부하에서 40 내지 1200 rpm 범위의 회전 속도를 가진다. 그에 의하여 상기 언급된 장점들 및 효과를 가진 본 발명의 방법에 따른 작동에 적절한 내부 연소 엔진이 얻어진다. 피스톤이 TDC 이후의 50°로부터 BDC 를 통하여 TDC 이전의 50°까지의 크랭크 각도의 간격에 있을 때 피스톤에 의해 교번하여 덮이는 위치에서 실린더 라이너에 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터가 위치되므로, 액체 비자동 점화 연료를 위한 인젝터가 실린더의 하부 부분에 배치됨으로써 액체 비자동 점화 연료는 실린더 크기의 하부 절반에 존재하기 위하여 짧은 거리로 주입되기만 하면 되며, 주입은 용이하게 증발되고 따라서 증발열을 소비하는 미세한 안개로서 발생될 수 있다.
액체 비자동 점화 연료는 상사점(TDC) 이전의 적어도 90°의 크랭크 각도에서 주입되며, 그러한 주입은 피스톤이 상사점(TDC) 이전의 대략 50°의 위치에 있을 때 피스톤 상부의 레벨상에 위치된 주입 위치로부터 발생될 수 있거나, 또는 피스톤이 상사점(TDC) 이전의 대략 90°의 위치에 있을 때 피스톤 상부의 레벨상에 위치된 주입 지점과 같이, 실린더의 상부로부터 먼 거리에 위치된 주입 위치로부터 발생될 수 있거나, 또는 피스톤이 상사점(TDC) 이전의 90°보다 큰 위치에 있을 때 피스톤 상부의 레벨상에 실린더의 하부 절반에 위치된 주입 지점으로부터 발생될 수 있다. 후자의 경우에, 피스톤이 TDC 이후의 90°로부터 BDC 를 통하여 TDC 이전의 90°까지의 간격에 있을 때 피스톤에 의해 교번하여 덮이는 위치에서 실린더 라이너에 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터가 위치될 수 있다.
실린더 라이너가 실린더 라이너의 축방향 단부들 중간에 있는 중간 위치에서 엔진 프레임에 의해 지지되고, 실린더 라이너가 실린더 라이너의 하단부와 상기 중간 위치 사이에 위치된 소기 공기 포트들을 포함하는 실시예에서, 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터는 소기 공기 포트들과 상기 중간 위치 사이에 위치된다. 그에 의하여 액체 비자동 점화 연료를 위한 인젝터는 실린더의 일 지점에 위치될 수 있는데, 상기 지점은 소기 포트들을 포함하는 단부에 대향하는 실린더의 단부에서 실린더를 폐쇄시키는 실린더 덮개와 중간 위치 사이에 연장되는 실린더 라이너의 부분들과 비교하여 스트레스를 덜 받는다. 실린더 볼트들은 실린더 라이너의 상부에서 제 위치에 실린더 덮개를 유지하며, 실린더 덮개와 중간 위치 사이에 연장된 실린더 라이너의 위치는 실린더 볼트들로부터 실린더 덮개를 통해 실린더 라이너로 그리고 중간 위치로 전달되는 클램핑 힘에 의해 영향을 받으며, 중간 위치에서 클램핑의 힘이 엔진 프레임에 의해 취해진다. 따라서 액체 비자동 점화 연료 인젝터들을 중간 위치보다 실린더 라이너 안의 낮은 높이에 위치시키는 것이 유리하다.
본 실시예의 내부 연소 엔진은 통상적으로 가압 충전되며, 예를 들어 전기적으로 구동되는 송풍기 및/또는 터보 과급기에 의해 가압 유입되는 공기에 의해 가압 충전된다. 본 발명에 따르면, 당해 기술 분야에 공지된 배기 기체 바이패스(exhaust gas bypass;EGB) 또는 배기 기체 순환(exhaust gas recirculation;EGR)을 이용하는 것이 가능한 선택이다.
아래에서 개략적으로 도시된 도면을 참조하여 본 발명은 예를 들어 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 측면도를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 엔진에서 실린더를 통한 수직 단면도를 도시한다.
도 3 은 실린더의 하부 영역의 단면도를 도시한다.
도 1 은 디젤 유형의 2 행정 크로스헤드 엔진(1)의 윤곽을 도시하며, 이러한 엔진은 콘테이너 선박 또는 벌크 운반선(bulk carrier)과 같은 선박의 추진을 위하여, 또는 정지 상태인 전력 플랜트에서 전력 생산을 위하여 사용된다. 엔진(1)은 몇개의 실린더(2)들을 가지며, 예를 들어 엔진 프레임(3) 상에 줄을 지어 배치된 4 개 내지 15 개의 실린더들을 가진다. 디젤 오일 또는 중유 오일과 같은 자동 점화 연료를 위한 공통 공급 파이프(4) 및 고압 공급 펌프(4')는 실린더의 상부에 장착된 연료 인젝터(fuel injector) 형태인 점화 장치(9)들에게 제어 장치(5)를 통하여 자동 점화 연료를 공급하며, 제어 장치는 피스톤 펌프 또는 전자 제어 밸브일 수 있다. 제어 장치(5)는 점화 장치들을 활성화시키고 전통적인 연료 주입의 타이밍에 대응하는 엔진 사이클의 소망되는 타이밍에 연소 챔버(6) 안의 연소를 개시한다. 예를 들어 활성화는 상사점(top dead center, TDC) 이전의 10°내지 상사점 이후의 10°범위에서 발생될 수 있다. 점화 장치들은 통상적으로, 공지된 연소 원리에 따라서 연소 개시를 위한 공지된 방식으로 현재의 엔진 부하에 의존하여 엔진 사이클에서의 조절 가능 타이밍을 가지고 활성화된다. 다른 유형의 점화 장치들이 사용될 수 있으며, 예를 들어 오토 사이클 엔진에서 공지된 점화 플러그와 같이, 전기 스파크 요소 또는 열 점화 요소가 사용될 수 있다.
실린더에 기체 연료를 공급할 필요가 있을 경우에, 압축 행정 동안 액체의 비자동(non-auto) 점화 연료를 주입하기 이전에, 기체를 10 bar 미만의 압력과 같은 저압에서 실린더 안의 유입 공기로 공급할 수 있다. 그러한 기체는 비자동 점화이어서 점화의 타이밍이 점화 장치의 활성화에 의해 제어된다.
내부 연소 엔진(1)은 예를 들어 메탄올과 같은 액체 비자동 점화 연료(liquid non-auto ignition fuel)를 위한 공급 시스템을 가지며, 이것은 도시되지 않은 저장 탱크와 같은 액체 비자동 점화 연료의 소스(source)를 포함하는 것으로서, 액체 비자동 점화 연료는 예를 들어 전기 모터에 의해 구동되는 피스톤 펌프와 같은 전통적인 압력 펌프 또는 유압 구동 펌프 또는 캠 샤프트 구동 펌프 또는 적어도 하나의 탱크일 수 있는 압력 장치(8)에 공급 라인(7)을 통하여 공급되고, 상기 탱크에는 액체 비자동 점화 연료가 주기적으로 공급되고 상기 탱크는 소망되는 액체 비자동 점화 연료 공급 압력에 대응하는 압력에서 액체 비자동 점화 연료 인젝터(injector, 26)로 압축 불활성 공기에 의해 가압된다. 만약 비자동 점화 연료가 매우 불량한 윤활 성능을 가진다면 불활성 기체에 의해 가압된 탱크 시스템이 바람직스러울 수 있다. 탱크 안의 불활성 공기 및 액체 비자동 점화 연료는 멤브레인 또는 다른 방식에 의해 서로로부터 분리될 수 있는데, 예를 들어 탱크에 부유체(floater)들이 제공되며, 상기 부유체는 공기가 채워진 볼(ball)이며 액체 비자동 점화 연료상에 떠 있으면서 불활성 공기 압력을 그것에 이전시킨다. 이러한 방식으로, 피스톤이 액체 비자동 점화 연료 안에서 부분적으로 가동되는 펌프 실린더 안의 윤활 조건들을 고려할 필요 없이, 액체 비자동 점화 연료의 매우 높은 압력을 발생시킬 수 있고 다량의 액체 비자동 점화 연료를 실린더로 전달할 수 있다.
액체 비자동 점화 연료는 엔진 사이클에 따라서 시간 제어되는 제어 밸브를 개폐시킴으로써 실린더상의 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)들로 공급될 수 있다. 제어 밸브는 크랭크샤프트의 현재 각도 위치에 대한 신호를 수신하는 제어 유닛에 의해 전자적으로 제어될 수 있다. 액체 비자동 점화 연료의 주입은 신속하게 발생될 수 있고 주입이 발생되는 동안 실린더 안의 압력과 비교하여 과도 압력(overpressure)에서 발생될 수 있다. 오랜 기간에 걸쳐 주입되는 것이 소망될 경우에, 액체 비자동 점화 연료 압력을 가변적으로 만듦으로써 주입중에 증가하는 압축 압력을 고려할 수 있어서, 상기 압력도 압축 행정 동안에 증가되도록 한다.
공지된 방식으로, 각각의 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)는 내부 시트(internal seat) 및 가동의 슬라이더(movable slider)를 가진 밸브 하우징을 포함할 수 있으며, 가동의 슬라이더는 액체 비자동 점화 연료 공급과 분무기 노즐(atomizer nozzle) 사이의 연결을 차단하기 위하여 스프링에 의해 시트에 대하여 가압된다. 밸브가 액체 비자동 점화 연료 주입의 개시를 위하여 작동될 때, 슬라이더는 시트로부터 이탈되게 변위되는데, 이것은 예를 들어 아래를 향하는 슬라이더 표면상의 액체 비자동 점화 연료 압력의 효과를 위하여 개방된 제어 밸브에 의해 이루어질 수 있으며, 그에 의하여 액체 비자동 점화 연료 압력은 슬라이더를 시트로부터 이탈되게 변위시킨다. 대안의 가능성은 슬라이더를 시트로부터 이탈되게 변위시키도록 제어 오일을 이용하는 것이며, 이러한 경우에 밸브의 개방 폐쇄 기능은 액체의 비자동 점화 연료 압력에 독립적일 수 있다. 인젝터의 단부에 인접한 분무기 노즐들은 주입된 액체 비자동 점화 연료가 실린더 벽 또는 피스톤을 타격하지 않도록 지향된다. 몇개의 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)들이 실린더(2)에 장착될 수 있는데, 예를 들어 도 2 에 도시된 바와 같이 3 개가 장착될 수 있고, 각각의 인젝터는 분무기 노즐을 가진다. 다양한 분무기 노즐들이 실린더 크기내에서 상대적으로 균일하게 액체 비자동 점화 연료를 분포시키기 위하여 상이한 방위를 가질 수 있다. 분무기 노즐들 안의 노즐 구멍들은 통상적으로 실린더 라이너의 내측 표면에 가까운 요부에, 그러나 방사상으로 외측으로 위치될 수 있다. 주입은 실린더의 내측 표면으로부터 멀리 이어지는 방향들로 적절하게 지향될 수 있다.
엔진에는 엔진 부하와 함께 변화될 수 있는 압력으로 소기 공기(scavenge air) 및 충전 공기(charging air)가 제공될 수 있다. 소기 공기 및 충전 공기는 하나 이상의 터보 과급기에 의해 전달될 수 있고, 엔진이 부분적인 부하 또는 낮은 부하에서 가동될 때 구동되는 보조 송풍기(auxiliary blowers)에 의해 보충될 수 있다.
엔진은 중간 속도(medium speed) 엔진일 수 있지만, 도시된 실시예에서는 저속 엔진으로서 실린더 덮개(11)에 있는 실린더의 상부에 위치된 배기 밸브(10) 및 소기 박스(13)에 의해 둘러싸인 낮은 실린더 섹션내의 실린더 라이너(cylinder liner, 2')에 위치된 소기 공기 포트(12)들의 열을 가지며, 소기 박스(13)는 개구(21)를 통하여 소기 공기 수용부(30)와 같은 가압 소기 공기의 공급과 소통되고, 소기 공기 수용부는 몇개의 실린더들에 공통된 신장된 압력 용기이다. 소기 박스(13)들은 각각의 실린더에 대하여 분리될 수 있으며, 즉, 실린더들 사이의 횡단 벽들에 의해 상호 분리될 수 있으며, 엔진 프레임에 있는 중간 저부(14)에 의해 아래에서 한정될 수 있어서 크랭크 하우징 및 공기 공급부의 효과적인 분리를 제공한다. 실린더 안의 피스톤(15)은 피스톤 로드 스터핑 박스(piston rod stuffing box, 17) 안의 중간 저부를 관통하는 피스톤 로드(16) 상에 장착된다. 다른 실시예에서, 소기 박스는 몇개의 실린더 또는 모든 실린더들에 공통적일 수 있다.
도 3 에 도시된 다른 실시예에서, 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)는 도 2 에 도시된 실린더 라이너(2')상의 엔진 프레임(3)의 지지부의 지점 아래의 위치에서 실린더 라이너(2')에 있는 보어(bore) 안에 장착된다. 실린더 라이너(2')의 이러한 부분은 엔진 프레임(3)의 지지 위치 위의 실린더 라이너(2')의 부분만큼 무겁게 부하를 받고 있지 않으며, 도 2 에 도시된 바와 같이 실린더 라이너(2')의 벽 두께는 엔진 프레임(3)의 지지 위치 아래에서 더 작다. 소기 공기 포트(12)들에 더 가까운 위치 및 작은 부하 때문에, 이러한 영역에 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)를 배치하고 실린더 안에서 상방향의 주입으로 주입이 발생하도록 분무기 보어들을 지향시키는 것이 유리하다. 실린더 상부까지의 긴 거리를 가지고, 피스톤(15)으로부터 벗어나는 방향으로 전체 주입을 지향시키면서, 다량의 비자동 점화 연료를 주입시킬 수 있다.
개별적인 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)가 바람직스럽게는 연료 인젝터(26)에 대향하는 실린더 라이너(2')의 내측 벽에 도달하기 전에 증발할 미세 액적의 스프레이를 제공하도록 배치된다.
2 행정 엔진은 원칙적으로 상사점(top dead center, TDC)에서 0°의 크랭크 각도로 시작되는 엔진 사이클을 가진다. 연소의 대부분은 0°의 크랭크 각도로부터 하사점(bottom dead centre, BDC)에서의 180°를 향하는 연소 행정 동안 발생된다. 압축 행정은 원칙적으로 180°로부터 360°까지의 크랭크 각도에서 발생되지만, 압축이 실제로 시작되기 전에 배기 밸브는 폐쇄되어야 하고 피스톤은 소기 공기 포트(12)들을 덮어야 한다. 압축 행정 동안에 상사점(TDC) 이전의 적어도 30°의 크랭크 각도는 따라서 180°내지 330°간격내의 크랭크 각도이고, 압축 행정 동안의 상사점(TDC) 이전의 적어도 50°의 크랭크 각도는 180°내지 310°간격내의 크랭크 각도이며, 압축 행정 동안의 상사점(TDC) 이전의 적어도 90°의 크랭크 각도는 따라서 180°내지 270°간격내의 크랭크 각도이다.
엔진이 4 행정 엔진으로서 구현되면, 관련 압축 행정은 540°의 크랭크 각도로부터 720°의 크랭크 각도인 엔진 사이클에 위치된다. 4 행정 엔진에서 압축 행정 동안 상사점(TDC) 이전의 적어도 30°의 크랭크 각도는 따라서 540°내지 690° 간격내의 크랭크 각도이고, 압축 행정 동안 상사점(TDC) 이전의 적어도 50°의 크랭크 각도는 540°내지 670°간격내의 크랭크 각도이고, 압축 행정 동안 상사점(TDC) 이전의 적어도 90°의 크랭크 각도는 따라서 540°내지 630°간격내의 크랭크 각도이다.
비자동 점화 연료의 예는 메탄올이며, 이것은 2 내지 5 의 세탄가(cetane number), 19.9 MJ/kg 의 낮은 가열 값 및, 1.104 MJ/kg 의 증발열의 특성들을 가진다. 다른 선호되지 않는 예는 대략 12 의 세탄가, 28.9 MJ/kg 의 낮은 가열값 및 0.93 MJ/kg 의 증발열을 가진 에탄올이다.
비록 위에서 기체를 연료의 일부로서 실린더 안에 들여보내는 설비를 포함하는 실시예가 설명되었을지라도, 본 발명이 그러한 설비가 없는 엔진들에도 적용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 따라서 본 발명은 엔진의 실린더(들) 안으로 주입된 액체 비자동 점화 연료 및, 점화를 제공하는, 오일과 같은 자동 점화 연료에 의해서만 연료 공급이 이루어지는 엔진들에도 제공될 수 있는데, 자동 점화 연료는 전체적인 연료량의 실질적인 부분을 구성할 수 있거나 또는 점화를 제공하기에 충분한 오직 작은 부분만을 구성할 수 있다. 본 발명은 또한 엔진의 실린더 안으로 주입되는 액체 비자동 점화 연료에 의해서만 연료 공급이 이루어지는 엔진들에도 적용될 수 있는데, 상기 연료는 전기적으로 작동되는 점화 장치와 같이 자동 점화 연료가 아닌 다른 열원에 의해 점화된다.
또한 공기의 흡기를 위한 개구들 및 연소 생성물과 같은 배기 기체의 유출부가 폐쇄되는 동안 그리고 압축 행정의 특정 간격 동안 액체 비자동 점화 연료를 실린더 안으로 주입하는 본 발명의 원리는, 도면을 참조하여 위에서 설명된 2 행정 엔진들 뿐만 아니라, 흡기 밸브 및 배기 밸브를 가진 디젤 및 오토 사이클 유형의 4 행정 엔진들 모두에 적용될 수 있다.
적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터는, 피스톤이 상사점(TDC) 이후의 50°내지 상사점(TDC) 이전의 50°까지의 크랭크 각도의 간격내에 있을 때 피스톤에 의해 덮이는 위치에서 실린더 라이너에 위치된다. 액체 비자동 점화 연료 인젝터는 압축 행정 동안에 실린더 안으로 액체 비자동 점화 연료를 주입하며, 그에 의하여 실린더 안의 압력을 낮추고 따라서 피스톤에 의해 수행되는 압축 일(compression work)은 엔진의 효율을 증가시킨다.
1. 내부 연소 엔진 2. 실린더
2'. 실린더 라이너 15. 왕복 피스톤
26. 액체 비자동 점화 연료 인젝터

Claims (7)

  1. 실린더 안에 피스톤(15)을 가진 적어도 하나의 실린더(2)를 구비한 내부 연소 엔진(1)의 작동 방법으로서, 상기 피스톤(15)은 크랭크 샤프트와 연결되고 엔진의 작동중에 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 왕복하고, 상기 실린더(2)는 흡기 공기 및 배기 기체를 위한 공기 통과 개구(10,12)들 및, 실린더(2)의 실린더 라이너(2')에 있는 주입 지점(injection position)을 가지며, 상기 주입 지점은 엔진의 작동중에 피스톤(15)에 의해 교번(交番)하여 덮이고, 상기 크랭크 샤프트는 100 % 의 엔진 부하에서 40 내지 1200 rpm 범위의 회전 속도로 회전하고, 점화 장치는 연료를 점화시키도록 활성화되고,
    상기 공기 통과 개구(10,12)들이 폐쇄되고 피스톤이 상기 주입 지점 아래에 위치하는 때에 상기 주입 지점으로부터의 압축 행정 동안에 액체 비자동 점화 연료(liquid non-auto-igniting fuel)는 상사점(TDC) 이전의 적어도 90°의 크랭크 각도에서 실린더(2)로 주입되고,
    액체 비자동 점화 연료는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol) 또는 i-프로파놀(i-propanol)로부터 선택됨으로써, 액체 비자동 점화 연료의 증발에 기인한 실린더 안의 압력 감소가, 실린더 안의 충전물에 대한 액체 비자동 점화 연료의 추가에 기인한 압력 상승보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    내부 연소 엔진(1)은 저속 2 행정 크로스헤드 디젤 유형 내부 연소 엔진이고, 상기 적어도 하나의 실린더(2)는 흡기 공기를 위한 상기 공기 통과 개구들을 제공하는 소기 공기 포트(scavenge air ports, 12)들을 가진 실린더 라이너(cylinder liner, 2')를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    내부 연소 엔진(1)은 중속(medium speed) 4 행정 내부 연소 엔진이고, 상기 적어도 하나의 실린더는 흡기 공기 및 배기 기체를 위한 상기 공기 통과 개구들을 각각 제공하는 적어도 하나의 흡기 밸브 및 적어도 하나의 배기 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    점화 장치(9)는 전기 스파크 요소, 열 점화 요소(thermal igniting element) 및 자동 점화 연료를 위한 연료 인젝터의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    액체 비자동 점화 연료는 작동 사이클 동안 실린더로 공급되는 연료의 전체 양의 일부를 구성하고, 상기 액체 비자동 점화 연료는 압축 행정의 끝에서 실린더 안에 자동 점화 연료를 주입함으로써 점화되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  6. 실린더(2) 안에 있는 피스톤(15)을 가진 적어도 하나의 실린더(2)를 구비하는 내부 연소 엔진(1)으로서, 상기 피스톤(15)은 크랭크 샤프트와 연결되고, 상기 피스톤(15)은 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 왕복하고, 상기 실린더(2)는 흡기 공기 및 배기 기체를 위한 공기 통과 개구(10,12)들을 가지고, 상기 개구들은 상사점(TDC)을 향하는 피스톤의 압축 행정의 적어도 주요 부분 동안 폐쇄되고,
    상기 내부 연소 엔진은, 피스톤이 상사점(TDC) 이후의 50°로부터 하사점(BDC)을 통하여 상사점(TDC) 이전의 50°까지의 크랭크 각도의 범위내에 있을 때, 피스톤(15)에 의해 덮이는 지점에서 실린더 라이너(2')에 위치하는 주입 지점(injection position)을 가지고,
    상기 내부 연소 엔진은 100 % 의 엔진 부하에서 40 내지 1200 rpm 범위의 회전 속도를 가지고,
    메탄올, 에탄올 또는 i-프로파놀로부터 선택된 액체 비자동 점화 연료의 소스(source),
    액체 비자동 점화 연료를 실린더(2) 안으로 주입하기 위하여 주입 지점에 위치하는 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26) 및,
    상기 공기 통과 개구들이 폐쇄된 때의 압축 행정 동안에 상기 액체 비자동 점화 연료를 실린더(2) 안으로 주입하도록 상기 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)를 제어하는 수단을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서,
    실린더 라이너(2')는 실린더 라이너(2')의 축방향 단부들 중간의 중간 위치에서 엔진 프레임(3)에 의해 지지되고, 상기 실린더 라이너(2')는 실린더 라이너(2')의 하단부와 상기 중간 위치 사이에 위치된 소기 공기 포트(12)들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 액체 비자동 점화 연료 인젝터(26)는 소기 공기 포트(12)들과 상기 중간 위치 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
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