KR102272824B1 - 내연기관 - Google Patents

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옌스 쿠노이
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만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드
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Abstract

복수의 실린더를 가지는 2-행정 내연기관이 개시되며, 여기서 상기 2-행정 내연기관은 연료 가스 공급 시스템을 통해 연료 가스를 적어도 하나의 실린더 내로 분사하도록 구성되어 있다. 상기 연료 가스 공급 시스템은 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 하나 이상의 연료 가스 밸브를 적어도 하나의 상기 실린더에 포함한다. 하나 이상의 연료 가스 밸브는 상기 실린더의 내부로 연료 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 노즐 출구를 갖는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 연료 가스 노즐은 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성된다.

Description

내연기관 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 2-행정 내연기관 및 2-행정 내연기관용 연료 가스 밸브에 관한 것이다.
2-행정 내연기관은 컨테이너선, 벌크선, 및 유조선 등과 같은 선박의 추진 기관으로서 사용된다. 내연기관으로부터의 원치 않는 배기가스의 감소가 점차 중요해지고 있다.
원치 않는 배기가스의 양을 감소시키는 효과적인 방법은 연료유, 예컨대 중유(HFO)로부터 연료 가스로의 전환이다. 연료 가스는, 압축될 때 실린더 내의 가스가 도달하는 높은 온도에 의해 또는 파일럿 연료의 점화에 의해 즉각적으로 점화될 수 있는 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 분사될 수 있다. 그러나, 압축 행정의 끝에서 실린더에 연료 가스를 분사하는 것은, 실린더 내의 큰 압력을 극복하기 위해 분사 전에 연료 가스를 압축하기 위한 대형 가스 압축기를 필요로 한다.
그러나 대형 가스 압축기는 비싸고 제조 및 유지보수가 복잡하다. 대형 압축기의 필요를 회피하기 위해서는 실린더 내의 압력이 현저히 낮은 압축 행정의 시작 부분에서 연료 가스를 분사하도록 구성되는 연료 가스 밸브를 가져야 한다.
EP 3015679 호에는 이러한 연료 가스 밸브가 개시된다.
DE 102011003909 호에는 상부에 배기가스용 배기밸브 및 디젤 모드용 연료를 공급하기 위한 메인 인젝터가 구비되는 몇몇 실린더를 갖는 엔진이 개시되어 있다. 가스 입구 포트는 가스연료 운전을 위하여 각각의 실린더에 할당되어 실린더에 삽입된다. 가스 운전을 위한 연료는, 각각의 실린더의 피스톤이 하사점 및/또는 피스토의 사점과 동일한 인접 영역의 위치 구역에 있는 경우, 각각의 실린더의 연소챔버 내의 비교적 낮은 압력의 충전 공기 내로 도입된다.
그러나 실린더의 소기 공기와 연료 가스 사이의 빠르고 효율적인 혼합을 확보하는 것이 어려울 수 있다.
연료 가스와 소기 공기의 비-균질 혼합물이 있으면 연료 가스의 연소가 불량하거나 조기 점화로 인해 노킹이 발생할 수 있다.
하나의 해결책은 압축 행정에서 연료 가스를 매우 일찍 분사하여 가스가 더 오랜 시간 동안 혼합되도록 하는 것이다. 그러나 배기 밸브가 닫히기 전에 연료 가스가 실린더 내로 분사되면 연료 가스의 원치 않는 누출이 발생할 수 있다.
따라서, 실린더 내에서 연료 가스와 소기 공기의 혼합을 개선하는 것이 문제로서 남아 있다.
제1 측면에 따르면, 본 발명은 복수의 실린더를 가지는 2-행정 단류소기식 크로스헤드 내연기관에 관한 것이며, 상기 2-행정 내연기관은 연료 가스 공급 시스템을 통해 연료 가스를 적어도 하나의 실린더 내로 분사하도록 구성되어 있으며, 상기 연료 가스 공급 시스템은 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 하나 이상의 연료 가스 밸브를 적어도 하나의 상기 실린더에 포함하며, 상기 하나 이상의 연료 가스 밸브는 상기 실린더의 내부로 연료 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 노즐 출구를 갖는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 연료 가스 노즐은 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성된다.
연료 가스에 회전 운동, 즉 스월(swirl)을 도입함으로써, 연료 가스 노즐의 개구로부터 생성되는 연료 가스의 제트는, 임의의 실질적인 회전 운동 없는 연료 가스의 상응하는 제트보다, 붕괴되기 전(before disintegrating)에 실린더 내부에서 더 짧은 거리를 이동할 것이다. 이는 실린더 내의 원하는 위치에서의 연료 가스의 축적을 가능하게 하여 보다 양호한 혼합이 달성될 수 있게 한다. 이것은 또한, 비교적 큰 연료 가스 출구로부터 생성되는 연료 가스 제트가 연료 가스 출구 반대쪽의 실린더 벽 대신에 실린더의 중앙 부분에 축적될 수 있게 하며, 이는 연료 가스의 신속한 분사 및 양호한 축적 양쪽 모두를 가능하게 한다.
이 내연기관은 바람직하게는 실린더 당 적어도 400 kW의 동력을 갖는 해양 선박을 추진하기 위한 단류소기식의 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연기관이다. 내연기관 시스템은 내연기관에 의해 생성되는 배기가스에 의해 구동되고 소기 공기를 압축하도록 구성되는 터보차져를 포함할 수 있다. 내연기관은 연료 가스로 동작할 때의 오토 사이클(Otto Cycle) 모드 및 대체 연료(alternative fuel), 예컨대, 중유(HFO) 또는 해양 디젤유(MDO)로 동작할 때의 디젤 사이클(Diesel Cycle) 모드를 갖는 이중-연료 엔진일 수 있다. 이러한 이중-연료 엔진은 대체 연료를 분사하기 위한 전용의 연료 공급 시스템을 가지고 있으며, 이 연료 공급 시스템은 또한 오토 사이클 모드로 운전할 때 연료 가스와 소기 공기의 혼합물을 점화시키기 위하여 파일럿 연료의 분사에 사용될 수 있다.
내연기관은, 필요한 양의 파일럿 연료만이 사용되도록 정확하게 측정되어 연료 가스와 소기 공기의 혼합물을 점화시킬 수 있는, 소량의 파일럿 연료, 예컨대, 중유 또는 해양 디젤유를 분사할 수 있는 파일럿 연료 시스템과 같은 전용의 점화 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 파일럿 연료 시스템은, 크기가 큰 부품으로 인해 이 목적에 적합하지 않은, 대체 연료를 위한 전용의 연료 공급 시스템에 비해, 크기가 훨씬 작고 파일럿 연료의 정확한 양을 분사하기에 더 적합할 것이다.
파일럿 연료는 내연기관의 연소 챔버에 유체 연통하는 프리-챔버 내에 분사될 수 있다. 대안적으로, 연료 가스 및 소기 공기의 혼합물은 점화 플러그 또는 레이저 점화기를 포함하는 수단에 의해 점화될 수 있다. 각각의 실린더는 실린더의 바닥에 하나 이상의 소기 공기 입구 및 실린더의 상단에 배기 출구를 구비할 수 있다. 연료 가스 공급 시스템은 바람직하게는 음속 조건(sonic conditions), 즉 음속과 동일한 속도, 즉 일정한 속도로 하나 이상의 연료 가스 밸브를 통해 연료 가스를 분사하도록 구성된다. 음속 조건은 노즐 스로트(nozzle throat)(최소 단면적)에 걸친 압력 강하 비율이 대략 2보다 클 때 달성될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 연료 가스 노즐은 하나 이상의 노즐 출구를 빠져 나가는 연료 가스가 하나 이상의 노즐 출구 각각에서 적어도 0.025, 적어도 0.05 또는 적어도 0.1의 선회수(swirl number)를 갖도록 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성된다.
선회수는 유체에서의 스월의 양호하게 정의된 척도(measure)이다. 이것은 축선방향 운동량의 축선방향 플럭스(flux)에 대한 각 운동량의 축선방향 플럭스의 비로 정의된다. 이는 기하학적인 노즐 출구 축선과 정렬되는 노즐 출구 표면에 원통좌표계를 우선 설정함으로써 추정될 수 있다. 다음에, 전체 노즐 출구 표면은 각각 특정 영역(
Figure 112019127987817-pat00001
)을 갖는 N개의 섹션으로 분할되고, 여기서 각각의 섹션은 노즐 출구 축선에 대해 소정의 반경방향 거리(
Figure 112019127987817-pat00002
)를 갖는다. 큰 수의 N을 사용하면 추정의 정확도가 향상된다. 각각의 i 번째 섹션에서 연료 가스 속도 3D 벡터(
Figure 112019127987817-pat00003
)가 측정되거나 계산된다. 연료 가스 속도 3D 벡터(
Figure 112019127987817-pat00004
)는 3D 열선 풍속계(3D hot-wire anemometry) 또는 입자 이미지 속도계(particle image velocimetry)와 같은 표준 기술을 이용하여 측정될 수 있다. 연료 가스 속도 3D 벡터(
Figure 112019127987817-pat00005
)는 계산 유체 역학(computational fluid dynamics)을 이용하여 계산될 수 있다. 이들 3D 벡터는 각각 노즐 출구 축선을 따르는 축방향 성분(
Figure 112019127987817-pat00006
) 및 노즐 출구 표면을 따르는 그리고 그 섹션의 반경방향 벡터에 수직인 접선 성분(
Figure 112019127987817-pat00007
)으로 분해된다. 그 다음 아래의 수학식을 이용하여 선회수(S)를 찾을 수 있다.
Figure 112019127987817-pat00008
여기서
Figure 112019127987817-pat00009
는 노즐 출구 표면의 둘레(perimeter)로 나눈 노즐 출구 표면의 면적에 의해 주어지는 수력학적 직경(hydraulic diameter)이다. 위의 수학식은 원통좌표계에서 사용되는 부호 규칙에 관계없이 항상 선회수 => 0이 된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 가스 밸브는 하사점으로부터 0도 내지 160도 내, 하사점으로부터 0도 내지 130도 내, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도 내의 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성된다.
연료 가스의 예로서는 천연가스, 메탄, 에탄, 및 액화석유가스 등을 들 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 연료 가스 노즐은 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성된 유동 변경 요소를 포함한다.
유동 변경 요소는 연료 가스 노즐의 인서트 또는 일체화된 부분일 수 있고, 다시 말해서 유동 변경 요소 및 연료 가스 노즐은 하나의 부분으로 형성될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제1 방향으로, 예컨대 상기 유동 변경 요소로부터 하류에서의 상기 연료 가스 노즐의 제1 내부표면 구역을 향하여 가스의 제1 부분을 안내하도록 구성된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제2 방향으로, 예컨대 상기 유동 변경 요소의 하류에서의 상기 연료 가스 노즐의 제2 내부표면 구역을 향하여 연료 가스의 제2 부분을 안내하도록 더 구성된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제3 방향으로, 예컨대 상기 유동 변경 요소의 하류에서의 상기 연료 가스 노즐의 제3 내부표면 구역을 향하여 연료 가스의 제3 부분을 안내하도록 더 구성된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제4 방향으로, 상기 유동 변경 요소의 하류에서의 상기 연료 가스 노즐의 제4 내부표면 구역을 향하여 연료 가스의 제4 부분을 안내하도록 더 구성된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제1 방향으로 가스의 제1 부분을 안내하도록 구성된 제1 채널을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제2 방향으로 가스의 제2 부분을 안내하도록 구성된 제2 채널을 포함한다.
상기 제1 채널은 제1 중심축선을 따라서 연장되는 실질적으로 직선인 채널일 수 있으며, 상기 제2 채널은 제2 중심축선을 따라서 연장되는 실질적으로 직선인 채널일 수 있으며, 여기서 상기 제1 중심축선과 상기 제2 중심축선은 평행하지 않다. 상기 제1 중심축선의 방향 벡터와 상기 제2 중심축선의 방향 벡터와의 사이의 각도는 적어도 10도, 적어도 20도, 또는 적어도 30도일 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제3 방향으로 가스의 제3 부분을 안내하도록 구성된 제3 채널을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 제4 방향으로 가스의 제4 부분을 안내하도록 구성된 제4 채널을 포함한다.
상기 제3 채널은 제3 중심축선을 따라서 연장되는 실질적으로 직선인 채널일 수 있으며, 상기 제4 채널은 제4 중심축선을 따라서 연장되는 실질적으로 직선인 채널일 수 있으며, 여기서 상기 제3 중심축선과 상기 제4 중심축선은 평행하지 않다. 상기 제3 중심축선의 방향 벡터와 상기 제4 중심축선의 방향 벡터와의 사이의 각도는 적어도 10도, 적어도 20도, 또는 적어도 30도일 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 상기 유동 변경 요소의 상류에서 적어도 5도, 적어도 10도, 또는 적어도 20도의 연료 가스의 유동방향에 대한 입사각(angle of incidence)을 갖는 제1 표면을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 상기 유동 변경 요소의 상류에서 적어도 5도, 적어도 10도, 또는 적어도 20도의 연료 가스의 유동방향에 대한 입사각을 갖는 제2 표면을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 상기 유동 변경 요소의 상류에서 적어도 5도, 적어도 10도, 또는 적어도 20도의 연료 가스의 유동방향에 대한 입사각을 갖는 제3 표면을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 유동 변경 요소는 상기 유동 변경 요소의 상류에서 적어도 5도, 적어도 10도, 또는 적어도 20도의 연료 가스의 유동방향에 대한 입사각을 갖는 제4 표면을 포함한다.
제1, 제2, 제3, 및/또는 제4 표면은 실질적으로 편평한 표면일 수 있다. 제1, 제2, 제3, 및/또는 제4 표면은 상이하게 배향될 수 있어서, 제1 표면은 연료 가스 노즐의 제1 내부표면 구역을 향하여 가스의 제1 부분을 안내하도록 구성되고, 제2 표면은 연료 가스 노즐의 제2 내부표면 구역을 향하여 가스의 제2 부분을 안내하도록 구성되고, 제3 표면은 연료 가스 노즐의 제3 내부표면 구역을 향하여 가스의 제3 부분을 안내하도록 구성되고, 그리고/또는 제4 표면은 연료 가스 노즐의 제4 내부표면 구역을 향하여 가스의 제4 부분을 안내하도록 구성된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 연료 가스 공급 시스템은 적어도 하나의 실린더에 대하여 제1 노즐 출구 및 제2 노즐 출구를 포함하며, 상기 연료 가스 공급 시스템은 상기 제1 노즐 출구 및 상기 제2 노즐 출구를 빠져 나가는 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성되며, 상기 제1 노즐 출구를 빠져 나가는 연료 가스의 회전 운동은 상기 제2 노즐 출구를 빠져 나가는 연료 가스의 회전 운동보다 강하다. 결과적으로, 제1 노즐 출구로부터 생성되는 연료 가스의 제트는 제2 노즐 출구로부터 생성되는 연료 가스의 제트보다 붕괴되기 전에 실린더 내부에서 더 짧은 거리를 이동할 수 있다. 따라서, 2 개의 제트로부터의 연료 가스는 실린더 내의 상이한 위치에 축적될 수 있고, 그에 따라 연료 가스와 소기 공기의 더욱 효과적인 혼합이 야기된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 연료 가스 공급 시스템은 적어도 하나의 실린더에 대하여 제1 연료 가스 밸브 및 제2 연료 가스 밸브를 포함하며, 상기 제1 연료 가스 밸브 및 상기 제2 연료 가스 밸브는 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되어 있으며, 상기 제1 연료 가스 밸브 및 상기 제2 연료 가스 밸브는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 제1 노즐 출구는 상기 제1 연료 가스 밸브의 연료 가스 노즐의 노즐 출구이고 상기 제2 노즐 출구는 상기 제2 연료 가스 밸브의 연료 가스 노즐의 노즐 출구이다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 제1 연료 가스 밸브는 제1 유동 변경 요소를 포함하고 상기 제2 연료 가스 밸브는 제2 유동 변경 요소를 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 연료 가스 공급 시스템은 적어도 하나의 실린더에 대하여 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 제1 연료 가스 밸브를 포함하며, 상기 제1 연료 가스 밸브는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 제1 노즐 출구 및 상기 제2 노즐 출구 양자 모두는 상기 제1 연료 가스 밸브의 연료 가스 노즐의 노즐 출구이다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 제1 연료 가스 밸브의 연료 가스 노즐은, 입구 및 출구를 갖는 메인 채널과, 입구 및 출구를 갖는 제1 보조 채널과, 입구 및 출구를 갖는 제2 보조 채널과, 입구, 제1 출구 및 제2 출구를 갖는 매니폴드를 포함하며, 상기 메인 채널의 출구는 상기 매니폴드의 입구에 연결되고, 상기 매니폴드의 제1 출구는 상기 제1 보조 채널의 입구에 연결되고, 상기 매니폴드의 제2 출구는 상기 제2 보조 채널의 입구에 연결되고, 상기 제1 보조 채널의 출구는 상기 제1 노즐 출구이고, 상기 제2 보조 채널의 출구는 상기 제2 노즐 출구이다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 제1 보조 채널은 제1 유동 변경 요소를 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 제2 보조 채널은 제2 유동 변경 요소를 포함하며, 상기 제1 유동 변경 요소는, 상기 제2 유동 변경 요소에 의해 도입되는 가스에 있어서의 회전 운동보다 강한 회전 운동을 가스에 도입하도록 구성된다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은 상기 제1 측면과 관련하여 개시된 바와 같은 2-행정 내연기관용 연료 가스 밸브에 관한 것이며, 상기 연료 가스 밸브는 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되며, 상기 연료 가스 밸브는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 연료 가스 노즐은 실린더의 내부에 연료 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 노즐 출구를 가지며, 상기 연료 가스 노즐은 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성된다.
본 발명의 상이한 측면들은 상기 및 하기에 기재된 바와 같은 2-행정 내연기관 및 연료 가스 밸브를 포함하여 상이한 방식으로 구현될 수 있으며, 각각은 전술한 측면들 중 적어도 하나와 관련하여 설명된 이점 및 장점들 중 하나 이상을 제공하며, 각각은 상기에 기재된 및/또는 종속 청구항에 기재된 측면들 중 적어도 하나와 관련하여 설명된 바람직한 실시형태에 대응하는 하나 이상의 바람직한 실시형태를 갖는다. 또한, 여기에 설명된 측면들 중 하나와 관련하여 설명된 실시형태들이 또 다른 측면들에 동일하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 실린더 내에서의 연료 가스와 소기 공기의 혼합을 개선할 수 있게 된다.
본 발명의 상기된 및/또는 추가적인 목적, 특징 및 장점은, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대한 이어지는 예시적이고 비-제한적인 상세한 설명에 의해 더욱 자세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 2-행정 내연기관의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연기관용 연료 가스 밸브(200)의 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유동 변경 요소(300)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유동 변경 요소(400)를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유동 변경 요소(500)를 나타내는 도면이다.
이어지는 설명에서, 첨부 도면들에 대한 참조가 이루어지며, 이들 도면은 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 예를 들어 보여준다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 해양 선박을 추진하기 위한 단류소기식의 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연기관(100)의 개략적인 단면도를 도시한다. 2-행정 내연기관(100)은 소기 시스템(111), 배기가스 리시버(108) 및 터보차저(109)를 포함한다. 2-행정 내연기관은 복수의 실린더(101)를 갖는다(단면도에는 단지 하나의 실린더만이 도시되어 있다). 각각의 실린더(101)는 소기 공기를 제공하기 위한 소기 공기 입구(102), 피스톤(103), 배기밸브(104), 및 하나 이상의 연료 가스 밸브(105)(개략적으로만 도시됨)를 포함한다. 소기 공기 입구(102)는 소기 공기 시스템에 유체 연통되어 있다. 피스톤(103)은 가장 낮은 위치(하사점)에 있는 상태로 도시되어 있다. 피스톤(103)은 크랭크샤프트(도시생략)에 연결되는 피스톤 로드를 갖는다. 연료 가스 밸브(105)는 개략적으로만 도시되어 있다. 연료 가스 밸브(105)는 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되어 있으며, 연료 가스 밸브(105)는 연료 가스 노즐을 가지며, 연료 가스 노즐은 실린더의 내부로 연료 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 노즐 출구를 갖는다. 연료 가스 노즐은 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성되어 있다. 연료 가스 밸브(105)는, 하사점으로부터 0도 내지 130도의 압축 행정의 시작시, 즉 크랭크샤프트가 하사점에서의 배향으로부터 0도 내지 130도로 회전하였을 때, 실린더(101) 내로 연료 가스를 분사하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 피스톤이 소기 공기 입구(102)를 지나 이동하여 배기 밸브(104) 및 소기 공기 입구(102)를 통해 연료 가스가 빠져 나가는 것을 방지할 수 있도록, 연료 가스 밸브(105)는 크랭크샤프트 축선이 하사점으로부터 몇 도 정도 회전한 후에 연료 가스를 분사하기 시작하도록 구성된다. 소기 공기 시스템(111)은 소기 공기 리시버(110) 및 에어 쿨러(106)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연기관용 연료 가스 밸브(200)의 개략적인 단면도를 도시한다. 연료 가스 밸브는 밸브 샤프트(201), 밸브 헤드(202), 밸브 시트(203), 및 노즐 출구(206)를 갖는 연료 가스 노즐(204)을 포함한다. 연료 가스 노즐은 유동 변경 요소(205)(단지 도식적으로만 도시됨)를 구비할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유동 변경 요소(300)를 도시하며, 여기서 도 3a는 정면도를 도시하고, 도 3b는 평면도를 도시하고, 도 3c는 유동 변경 요소(300)의 중심부(301)의 사시도를 도시한다. 유동 변경 요소는, 제1 방향으로, 예를 들어, 유동 변경 요소(300)로부터 하류에서의 연료 가스 노즐의 제1 내부표면 구역을 향하여 가스의 제1 부분을 안내하도록 구성되는 제1 채널(302)과, 제2 방향으로, 예를 들어, 유동 변경 요소(301)의 하류에서의 연료 가스 노즐의 제2 내부표면 구역을 향하여 가스의 제2 부분을 안내하도록 구성되는 제2 채널(303)과, 제3 방향으로, 예를 들어, 유동 변경 요소(301)의 하류에서의 연료 가스 노즐의 제3 내부표면 구역을 향하여 가스의 제3 부분을 안내하도록 구성되는 제3 채널(304)과, 제4 방향으로, 예를 들어, 유동 변경 요소(301)의 하류에서의 연료 가스 노즐의 제4 내부표면 구역을 향하여 가스의 제4 부분을 안내하도록 구성되는 제4 채널(305)을 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유동 변경 요소(400)를 도시한다. 유동 변경 요소(400)는, 유동 변경 요소(400)의 상류에서 연료 가스의 유동 방향에 대해 제1 입사각을 갖는 제1 표면(401)과, 유동 변경 요소(400)의 상류에서 연료 가스의 유동 방향에 대해 제2 입사각을 갖는 제2 표면(402)과, 유동 변경 요소(400)의 상류에서 연료 가스의 유동 방향에 대해 제3 입사각을 갖는 제3 표면(403)과, 유동 변경 요소(400)의 상류에서 연료 가스의 유동 방향에 대해 제4 입사각을 갖는 제4 표면(404)을 포함한다. 제1, 제2, 제3 및 제4 입사각은 적어도 5도, 적어도 10도, 또는 적어도 20도이다. 제1, 제2, 제3 및 제4 입사각은 상이하거나 동일할 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 표면(401, 402, 403, 404)은 상이하게 배향되어서, 제1 표면(401)은 연료 가스 노즐의 제1 내부표면 구역을 향하여 가스의 제1 부분을 안내하도록 구성되고, 제2 표면(402)은 연료 가스 노즐의 제2 내부표면 구역을 향하여 가스의 제2 부분을 안내하도록 구성되고, 제3 표면(403)은 연료 가스 노즐의 제3 내부표면 구역을 향하여 가스의 제3 부분을 안내하도록 구성되고, 제4 표면(401)은 연료 가스 노즐의 제4 내부표면 구역을 향하여 가스의 제4 부분을 안내하도록 구성된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유동 변경 요소(500)를 도시하며, 여기서 도 5a는 평면도를 도시하고 도 5b는 사시도를 도시한다. 유동 변경 요소(500)는 중심선(507)을 따라 연장되는 제1 채널(501) 및 중심선(506)을 따라 연장되는 제2 채널(502)을 포함하며, 제1 채널(501)은 입구(503) 및 출구를 가지며, 제2 채널(502)은 입구 및 출구(505)를 가지며, 제1 채널(501)의 출구는 제2 채널(502)의 입구에 연결되며, 제1 채널(507)의 중심선의 방향 벡터와 제2 채널(506)의 중심선의 방향 벡터와의 사이의 각도는 적어도 30도, 60도 또는 80도일 수 있으며, 본 실시예에서는 90도이다. 제1 채널(501)은 제2 채널보다 중심에서 벗어나게 배열되는데, 다시 말해서, 제1 채널(501)의 중심선이 제2 채널(502)의 중심선과 교차하지 않도록 배열되어, 예컨대, 2개의 중심선(501, 502) 사이의 거리가 제2 채널의 출구(505)의 평균 직경의 적어도 5%일 수 있다.
몇몇 실시형태들이 상세하게 설명되고 도시되어 있지만, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니고, 이어지는 청구항에서 규정되는 주제의 범주 내에서 다른 방식으로 구체화될 수도 있다. 특히, 또 다른 실시형태가 활용될 수 있으며 구조적인 그리고 기능적인 수정이 본 발명의 범주로부터 일탈함 없이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
여러 수단을 열거하는 장치 청구항에 있어서, 이들 수단 중 일부는 하나의 동일한 하드웨어 항목에 의해 구현될 수 있다. 특정 방안이 서로 다른 종속항에 인용되거나 다른 실시형태들에서 설명된다는 사실은 이러한 방안들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
본 명세서에서 사용될 때 "포함한다(comprises)/포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하기 위해 사용되지만 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 그들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것이 강조되어야 한다.
100: 내연기관, 101: 실린더, 103: 피스톤, 105, 200: 연료 가스 밸브, 111: 소기 공기 시스템, 204: 연료 가스 노즐, 205, 300, 400, 500: 유동 변경 요소, 206: 노즐 출구, 302: 제1 채널, 303: 제2 채널, 304: 제3 채널, 305: 제4 채널, 401: 제1 표면, 402: 제2 표면, 403: 제3 표면, 404: 제4 표면, 501: 제1 채널, 502: 제2 채널.

Claims (10)

  1. 복수의 실린더를 가지는 단류소기식 크로스헤드 2-행정 내연기관(100)으로서,
    복수의 실린더 각각은 실린더 벽 및 상기 실린더의 중심축을 따라 이동하도록 구성되는 피스톤을 가지며,
    상기 2-행정 내연기관(100)은 연료 가스 공급 시스템을 통해 연료 가스를 적어도 하나의 실린더(101) 내로 분사하도록 구성되어 있으며,
    상기 연료 가스 공급 시스템은 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더(101) 내로 분사하도록 구성되는 하나 이상의 연료 가스 밸브(105)를 적어도 하나의 상기 실린더에 포함하며,
    상기 하나 이상의 연료 가스 밸브(105)는 노즐 출구 축선을 따라 상기 실린더의 내부로 연료 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 노즐 출구(206)를 갖는 연료 가스 노즐(204)을 가지며,
    상기 하나 이상의 연료 가스 밸브(105)는 상기 실린더 벽에 배열되어 있으며 상기 연료 가스 노즐(204)은 연료 가스에 노즐 출구 축선의 주위에서의 회전 운동을 도입하도록 구성되며, 상기 노즐 출구 축선은 상기 실린더의 중심축에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는 2-행정 내연기관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 가스 노즐은 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성된 유동 변경 요소를 포함하는, 2-행정 내연기관.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유동 변경 요소는 제1 방향으로 연료 가스의 제1 부분을 안내하도록 구성되는, 2-행정 내연기관.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유동 변경 요소는 제2 방향으로 연료 가스의 제2 부분을 안내하도록 더 구성되는, 2-행정 내연기관.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 유동 변경 요소는 제1 방향으로 연료 가스의 제1 부분을 안내하도록 구성된 제1 채널을 포함하는, 2-행정 내연기관.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 유동 변경 요소는 상기 유동 변경 요소의 상류에서 적어도 5도, 적어도 10도, 또는 적어도 20도의 연료 가스의 유동방향에 대한 입사각을 갖는 제1 표면을 포함하는, 2-행정 내연기관.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 가스 공급 시스템은 적어도 하나의 실린더에 대하여 제1 노즐 출구 및 제2 노즐 출구를 포함하며, 상기 연료 가스 공급 시스템은, 상기 제1 노즐 출구를 빠져 나가는 연료 가스의 회전 운동이 상기 제2 노즐 출구를 빠져 나가는 연료 가스의 회전 운동보다 강하도록, 상기 제1 노즐 출구 및 상기 제2 노즐 출구를 빠져 나가는 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성되는, 2-행정 내연기관.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료 가스 공급 시스템은 적어도 하나의 실린더에 대하여 제1 연료 가스 밸브 및 제2 연료 가스 밸브를 포함하며, 상기 제1 연료 가스 밸브 및 상기 제2 연료 가스 밸브는 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되어 있으며, 상기 제1 연료 가스 밸브 및 상기 제2 연료 가스 밸브는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 제1 노즐 출구는 상기 제1 연료 가스 밸브의 연료 가스 노즐의 노즐 출구이고 상기 제2 노즐 출구는 상기 제2 연료 가스 밸브의 연료 가스 노즐의 노즐 출구인, 2-행정 내연기관.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료 가스 공급 시스템은 적어도 하나의 실린더에 대하여 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 제1 연료 가스 밸브를 포함하며, 상기 제1 연료 가스 밸브는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 제1 노즐 출구 및 상기 제2 노즐 출구 양자 모두는 상기 제1 연료 가스 밸브의 연료 가스 노즐의 노즐 출구인, 2-행정 내연기관.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 2-행정 내연기관용 연료 가스 밸브로서,
    상기 연료 가스 밸브는 연료 가스를 소기 공기와 혼합하여 소기 공기와 연료 가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하도록 압축 행정 동안에 연료 가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되며, 상기 연료 가스 밸브는 연료 가스 노즐을 가지며, 상기 연료 가스 노즐은 실린더의 내부에 연료 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 노즐 출구를 가지며, 상기 연료 가스 노즐은 연료 가스에 회전 운동을 도입하도록 구성되는, 2-행정 내연기관용 연료 가스 밸브.
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