KR102279454B1 - 대형 2행정 단류 소기식 기체연료 엔진 및 조기점화/디젤노크 저감 방법 - Google Patents

대형 2행정 단류 소기식 기체연료 엔진 및 조기점화/디젤노크 저감 방법 Download PDF

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Abstract

대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관은 실린더 라이너(1), 피스톤(10) 및 실린더 커버(22)로 구분된 연소실; 실린더 라이너(1)에 배치된 소기 포트(18); 실린더 커버(22)에 배치되고 배기 밸브(4)에 의해 제어되는 배기가스 출구; 실린더 라이너(1)에 배치되어 기체연료 밸브(30)를 경유하여 연소실 내로 가압된 기체연료(40)의 공급으로부터 받은 기체연료의 유입을 허용하는 복수의 기체연료 유입 개구(34); 상기 연소실에 연결되고 연소가스 밸브(26)에 의해 제어되는 연소가스 출구; 연소가스 밸브(26)의 출구로부터 기체연료 밸브(30)의 입구 또는 전용 연소가스 분사 밸브의 입구로 연장되는 연소가스 유로를 포함하며, 상기 엔진은 상기 연료 분사 이벤트에서 연소실 내로 분사되는 물질의 운동량을 증가시키기 위해, 연료 분사 이벤트에서 연소가스 기체연료 유입 개구(34)로 기체연료를 분사하고 가스 기체연료 유입 개구(34) 또는 전용 연소가스 분사 밸브(36)로 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 연소실 내로 연소가스를 분사하도록 구성된다.

Description

대형 2행정 단류 소기식 기체연료 엔진 및 조기점화/디젤노크 저감 방법{A LARGE TWO-STROKE UNIFLOW SCAVENGED GASEOUS FUELED ENGINE AND METHOD FOR REDUCING PRE-IGNITION/DIESEL-KNOCK}
본 발명은 대형 2행정 기체연료 내연기관, 특히 실린더 라이너에 배치된 연료 밸브에서 분사된 기체연료로 작동하는 크로스헤드를 갖는 대형 2행정 단류 소기식 내연기관에 관한 것이다.
크로스헤드가 장착된 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관은 예컨대 대형 해양 선박의 추진 또는 발전소의 원동기로 사용된다. 이 2행정 디젤 엔진은 크기가 엄청나기 때문에 다른 내연기관과는 다르게 구성된다. 이 디젤 엔진 배기 밸브의 무게는 최대 400kg이고, 피스톤의 지름은 최대 100cm이며, 연소실의 최대 작동 압력은 일반적으로 수백 bar이다. 이 고압 레벨 및 피스톤 크기와 관련된 힘은 엄청나다.
실린더 라이너의 길이를 따라 중간에 배치된 연료 밸브에서 분사하는 기체연료로 작동되는 대형 2행정 터보 차징 내연기관, 즉 배기 밸브가 폐쇄될 때 피스톤의 상향 행정 동안 기체연료를 분사하는 엔진은 연소실에서 기체연료와 소기의 혼합물을 압축하고, 예컨대 파일럿 오일 분사와 같이 정시 점화 수단에 의해 상사점 (TDC)에 또는 그 근처에 압축된 혼합물을 점화한다.
실린더 라이너에 배치된 연료 밸브를 사용하는 이러한 유형의 가스 분사는 훨씬 더 낮은 연료 분사 압력을 사용할 수 있다는 이점이 있다. 왜냐하면, 피스톤이 상사점(TDC)에 근접했을 때, 즉 연소실 내 압축 압력이 최대이거나 최대에 근접했을 때 기체연료를 분사하는 대형 2행정 터보차징 내연기관과 비교하여 기체연료가 압축 압력이 상대적으로 낮을 때 분사되기 때문이다. 후자의 엔진 유형은 이미 높은 최대 연소 압력보다 훨씬 높은 연료 분사 압력이 필요하다. 이러한 초고압에서 기체 압력을 처리할 수 있는 연료 시스템은 기체연료의 휘발 특성 및 연료 시스템의 강철 구성 요소 내로 및 이를 통한 확산을 포함하는 이러한 고압에서의 연료 거동으로 인해 비싸고 복잡하다.
따라서, 압축 행정 동안 기체연료를 분사하는 엔진에 대한 연료 공급 및 시스템은 TDC에 또는 근처에 기체연료를 분사하는 엔진에 비해 상당히 저렴하다.
그러나 압축 행정 동안 기체연료를 분사할 때, 피스톤은 기체연료와 소기의 혼합물을 압축하므로, 조기점화 및/또는 디젤노크의 위험이 있다.
연소실 내 과급은 가능한 한 균일하게 유지함으로써 조기점화/디젤노크 문제를 줄일 수 있다. 그러나 균일한 소기와 기체연료 과급을 얻기는 쉽지 않다. 왜냐하면, 예컨대 기체연료와 과급 공기가 흡기 시스템에서 또는 적어도 입구 밸브의 대부분 개방 단계 중에, 일반적으로 40~160°크랭크샤프트 각도 동안 실제로 혼합될 수 있는 4행정 엔진에서 사용할 수 있는 엔진 사이클의 부분과 비교하여, 배기 밸브가 상사점에 대해 닫히는 시점, 일반적으로 70~90°크랭크샤프트 앵글 동안 엔진 사이클에서 기회가 상대적으로 작기 때문에 엔진 사이클 중 짧은 기회만 균일한 과급을 얻는 데 사용할 수 있기 때문이다.
균일한 과급을 얻기 위해 이용될 수 있는 엔진 사이클의 윈도우가 비교적 짧기 때문에 대형 2행정 디젤 엔진에서 조기점화/디젤노크를 피하는 어려움이 증가한다.
연소실 내부에서 균일하지 않은 기체연료 및 소기가 발생하면 조기점화/디젤노크의 위험이 증가하고 결과적으로 엔진에 심각한 손상을 줄 수 있다.
종래 기술은 엔진에서 조기점화/디젤노크 문제를 다음과 같은 방식으로 해결하려고 시도했다.
실린더 라이너 내에서 이동하는 피스톤, 배기 밸브를 포함하는 실린더 헤드 및 실린더 라이너 내에서 원주형으로 배치된 소기 포트를 갖는 대형 단류 소기식 2행정 엔진이 공지되어 있다. 몇몇 연료 분사 밸브는 소기 포트 위의 실린더 라이너 주위에 원주형으로 분포되어 있다. 연료는 TDC 전에 적어도 90°의 크랭크 각도로 분사된다.
소기 포트에서 연소실 내로 유입되는 공기 내로 기체연료가 분사되는 대형 단류 소기식 2행정 엔진이 공지되어 있다. 또한, 실린더 헤드에는 물 분사 노즐이 제공된다. 연료/공기 혼합물의 온도를 낮추고 그에 따라 조기점화/디젤노크를 방지하기 위해 압축하는 동안 물이 연소실 내로 분사된다.
그러나 위의 해결책은 대형 2행정 압축 점화 내연기관에서 조기점화/디젤노크를 효과적으로 방지하는 데 만족스럽게 작용하지 않은 것으로 드러났다.
JP2012154188호는 실린더, 실린더 내에서 슬라이딩하는 피스톤, 실린더의 행정 방향으로 일단에 형성되고 실린더에서 발생한 배기를 배출하기 위해 개폐되는 배출 포트; 피스톤의 슬라이딩 작동에 대응하여 실린더 내로 활성 가스를 흡입하기 위해 실린더의 행정 방향으로 타단 측의 내주면에 형성된 소기 포트; 실린더의 내주면 내로 연료 가스를 분사하기 위한 연료 분사 밸브; 및 분사된 연료 가스와 충돌하도록 불활성 물질을 분사하는 불활성 물질 분사 밸브를 포함한다. 따라서, 엔진 작동 시 소량의 불활성 물질을 저압으로 분사함으로써 질소 산화물 배출이 감소된다. 연소실 내에서 연료 가스의 농도가 국부적으로 높은 영역에 더 많은 불활성 물질이 공급되고, 연료 가스의 농도가 낮은 영역에서 불활성 물질의 불필요한 공급이 억제된다. 이는 실린더 라이너 내부가 뜨거워질 때 연료 가스 점화 시기의 편차로 인해 소량의 불활성 물질과 조기점화/디젤노크 감소로 질소 산화물을 감소시킨다. 그러나, 연료 가스와 충돌하는 소량의 불활성 물질을 분사함으로써 조기점화/디젤노크 문제는 만족스럽지 못하며, JP2012154188호에 제안된 엔진은 불활성 가스 공급원에 대한 실행 가능한 솔루션을 제공하지 않고 가압된 불활성 가스의 공급을 요구한다.
조기점화/디젤노크와 관련된 문제를 극복하거나 적어도 줄이기 위해 이러한 대형 2 행정 터보차징 내연기관에서 연료 분사의 개선이 필요하다.
압축 행정 동안 기체연료를 분사하는 실린더 라이너 내의 연료 밸브로부터 분사되는 기체연료로 작동하는 대형 단류 소기식 2행정 터보차징 엔진을 제공하는 것이 목적이며, 조기점화/디젤노크를 방지하거나 적어도 감소하게 할 수 있다.
전술한 목적과 다른 목적은 독립 청구항의 특징으로 달성된다. 추가 구현 형태는 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면으로부터 명백하다.
제1 양태에 따르면, 다음을 포함하는 대형 2행정 터보 차징 단류 소기식 내연기관이 제공된다.
실린더 라이너, 피스톤 및 실린더 커버로 구분된 연소실, 실린더 라이너에 배치된 소기 포트, 실린더 커버에 배치되고 배기 밸브에 의해 제어되는 배기가스 출구, 실린더 라이너에 배치되어 기체연료 밸브를 경유하여 연소실 내로 가압된 기체연료의 공급으로부터 받은 기체연료 유입을 허용하기 위한 하나 이상의 기체연료 유입 개구, 연소실에 연결되고 연소가스 밸브에 의해 제어되는 연소가스 출구, 및 연소가스 밸브의 출구로부터 기체연료 밸브의 입구 또는 전용 연소가스 분사 밸브의 입구로 연장되는 연소가스 유로.
상기 내연기관은, 연료 분사 이벤트에서 연소실 내로 분사되는 물질의 운동량을 증가시키기 위해, 연료 분사 이벤트에서 기체연료의 유입을 허용하고 연소가스를 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 연소실 내로 분사한다.
연소가스를 분사하는 목적은 연소실 내로 분사되는 물질의 발열량을 변화시키지 않는 반응성 물질을 분사함으로써 연소실에 분사되는 물질의 운동량을 증가시키는 것이다. 운동량을 늘리면 기체연료와 소기의 혼합이 개선되어 결과적으로 균일한 과급이 발생하고 조기점화/디젤노크 위험이 감소한다.
연소가스는 반응성 물질이지만, 연소실 내로 분사되는 물질의 발열량을 변화시키지는 않는다. 그러나 연소가스를 분사함으로써 생성된 추가 운동량은 분사되는 물질의 전체 운동량을 증가시켜 노크 또는 조기 연소의 위험을 감소시킨다.
운동량(p)은 물체의 질량 m(kg)과 속도 v(m/s)의 곱이다.
즉, p = mv(kgm/s)
따라서, 연료 분사 이벤트에서 연소실 내로 분사되는 물질의 전체 운동량은 분사되는 연료 질량과 분사된 연료의 속도를 곱한 값과 분사된 연소가스 질량의 곱에 분사된 연소가스의 속도를 곱한 값을 더한 값이다.
분사된 기체연료의 속도는 소리의 속도에 의해 제한된다. 따라서, 분사된 기체연료의 속도는 무한히 증가할 수 없다. 분사 이벤트/엔진 사이클 중에 분사되는 기체연료의 질량은 엔진 부하에 의해 결정된다. 따라서, 분사되는 기체연료의 질량은 엔진 부하의 변경 없이는 변경될 수 없으며, 대부분의 작동 조건에서 엔진 부하가 분사되는 연료의 양을 정하고 그 반대는 성립하지 않는다. 결과적으로, 기체연료가 음속에 도달한 후에 더는 분사된 기체연료의 운동량을 증가시키는 것은 일반적으로 불가능하다.
그러나 본 발명자는 분사된 기체연료에 더하여 연소가스를 분사함으로써 운동량이 증가할 수 있다는 통찰력에 도달하여, 분사되는 질량을 증가시키고, 그에 따라 분사 이벤트 동안 분사되는 물질의 운동량을 증가시킨다. 따라서, 추가 가스, 특히 연소가스의 고속 분사에 의해 운동량이 증가된다.
본 발명자는 또한 추가 연소가스가 압축 동안 연소실 내 과급의 온도를 낮추어 조기점화/디젤노크 위험을 추가로 감소시킨다는 통찰에 도달했다.
분사된 물질의 운동량을 증가시키기 위해 기체연료로 분사되는 연소가스는 연소실로부터 얻은 연소가스이다. 연소실로부터 고압으로 얻은 연소가스는 연소실 내로 연소가스를 다시 분사하는데 필요한 펌핑 노력을 감소시킨다.
또한, 연료 분사 이벤트에서 연소가스를 연소실 내로 분사하는 것은 연소실 내 혼합물의 산소 농도를 감소시켜 연소 온도를 낮추고 결과적으로 NOx의 형성을 낮추는 배기가스/ 연소가스 재순환의 형태이다.
또한, 결과적으로 감소한 산소 농도의 연소실 자체 또한 조기점화/디젤노크를 감소시킨다.
따라서, 조기점화/디젤노크를 감소시키는 세 가지 효과가 있다. 즉, 산소 농도의 감소, 온도 감소 및 연료 분사 이벤트 동안 분사되는 물질의 운동량 증가이다. 이 세 가지로 소기와 기체연료 사이의 혼합이 개선되어 연소실 내에서 더 균일한 혼합물이 발생하고 불균일한 혼합물은 조기점화/디젤노크 경향이 높기 때문에 그 자체가 조기점화/디젤노크를 감소시킨다.
조기점화/디젤노크 경향 또는 위험을 감소시킴으로써 압축 압력을 증가시킬 수 있으며, 이는 출력 및 연료 효율에 도움이 된다.
또한, 기체연료의 분사 압력을 감소시킴으로써 조기점화/디젤노크 위험을 감소시킬 수 있으며, 이에 의해 조립과 작동 모두에서 기체연료 공급 시스템에 대한 비용을 감소시킨다.
제1 양태의 가능한 제1 구현에 따르면, 연소가스 유로는 연소가스 리시버 및 연소가스 밸브를 연소가스 리시버의 입구와 연결하는 연소가스 피드 도관을 포함한다.
제1 양태의 가능한 제2 구현에 따르면, 연소가스 유로는 배압을 생성함으로써 연소가스 유동의 안정적인 제어를 보장하는 연소가스 제어 밸브를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제3 구현에 따르면, 연소가스 유로는 연소가스를 세정하기 위한 습식 스크러버를 포함하며, 이 습식 스크러버는 바람직하게는 연소가스 리시버의 하류에 배치된다.
제1 양태의 가능한 제4 구현에 따르면, 연소가스 유로는 연소가스를 냉각하기 위한 연소가스 냉각기를 포함하며, 이 연소가스 냉각기는 바람직하게는 습식 스크러버의 하류에 배치된다.
제1 양태의 가능한 제5 구현에 따르면, 연소가스 유로는 셧다운 밸브를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제6 구현에 따르면, 연소가스 유로는 연소가스 유로를 연료 밸브 또는 연소가스 밸브에 연결하는 연소가스 공급 도관을 포함한다.
제1 양태의 가능한 제7 구현에 따르면, 연소가스 출구는 실린더 커버 또는 실린더 라이너의 상부 영역에 배치된다.
제1 양태의 가능한 제8 구현에 따르면, 엔진은 배기 밸브 전에 또는 동시에 연소가스 밸브를 개방하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 제9 구현에 따르면, 기체연료와 연소가스는 혼합물로서 하나 이상의 연료 밸브로부터 연소실 내로 동시에 분사된다.
제1 양태의 가능한 제10 구현에 따르면, 기체연료와 연소가스는 적어도 하나의 연료 밸브 내부에서 혼합된다.
제1 양태의 가능한 제11 구현에 따르면, 기체연료와 연소가스는 적어도 하나의 연료 밸브의 상류에서 혼합된다.
제1 양태의 가능한 제12 구현에 따르면, 기체연료와 연소가스는 적어도 하나의 연료 밸브 노즐의 노즐 구멍으로부터 동시에 분사된다.
제1 양태의 가능한 제13 구현에 따르면, 엔진은 연소가스를 연료 밸브 또는 연소가스 분사 밸브에 공급하는 연소가스 공급 도관을 포함하고, 가압된 기체연료 공급원으로부터 연료 밸브로 기체연료를 공급하는 별도의 공급 도관을 포함한다.
제1 양태의 가능한 제14 구현에 따르면, 엔진은 연료 분사 이벤트에서 상기 연소실 내로 분사되는 연소가스의 양을 제어하도록 구성된 제어부를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제15 구현에 따르면, 연료 밸브는 실린더 라이너의 원주에 걸쳐 균일하게 분포한다.
제1 양태의 가능한 제16 구현에 따르면, 연료 밸브는 실린더 라이너의 길이를 따라 중간 위치에 배치된다.
제1 양태의 가능한 제17 구현에 따르면, 기체연료와 연소가스의 동시, 순차적 또는 중첩 분사는 피스톤이 실린더 커버를 향하는 행정 동안, 바람직하게는 피스톤이 소기 포트를 통과한 후, 훨씬 더 바람직하게는 배기 밸브에서 또는 바로 직전에 시작된다.
제1 양태의 가능한 제18 구현에 따르면, 엔진은 바람직하게는 TDC에서 또는 그 근처에서 점화를 개시하는 점화 시스템을 포함한다.
제1 양태의 가능한 제19 구현에 따르면, 노크 센서가 제공되고, 엔진은 노크 센서를 포함하고 엔진은 노크 센서로부터의 신호에 응답하여 추가되는 연소가스의 양을 제어하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 제20 구현에 따르면, 엔진은 노크 센서에서 조기점화/디젤노크가 검출되면 연료 분사 이벤트에서 분사되는 연소가스의 질량을 증가하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 제21 구현에 따르면, 엔진은 소정의 시간 동안 또는 소정의 엔진 회전 수 동안 노크 센서에 의해 노크가 검출되지 않을 때 연료 분사 이벤트 동안 분사되는 연소가스의 질량을 감소시키도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 제22 구현에 따르면, 각각의 전용 연소가스 밸브는 기체연료 밸브 중 하나에 근접하여 실린더 라이너 내에 배치된다.
제1 양태의 가능한 제23 구현에 따르면, 각각의 전용 연소가스 분사 밸브에는 노즐 구멍이 하나 이상인 노즐이 제공된다.
제1 양태의 가능한 제24 구현에 따르면, 소기가 연소가스에 추가되고, 소기와 연소가스의 혼합물이 연료 분사 이벤트에서 분사된다.
제1 양태의 가능한 제25 구현에 따르면, 연소가스 분사 밸브는 실린더 라이너의 길이를 따라 중간 위치에 배치된다.
제1 양태의 가능한 제26 구현에 따르면, 엔진은 상기 연료 유입 개구로 상기 기체연료의 유입을 허용하고, 상기 연료 유입 개구 또는 상기 전용 연소가스 분사 밸브로 상기 연소가스를 분사하도록 구성되며, 연료 분사 이벤트에서 기체연료 유입의 허용과 연소가스의 분사는 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 상기 연소실 내로 발생하여 상기 연료 분사 이벤트에서 연소실 내로 분사되는 물질의 운동량을 증가시킨다.
제1 양태의 가능한 제27 구현에 따르면, 실린더 라이너에는 연소가스 분사 밸브에 연결된 하나 이상의 연소가스 분사 개구가 제공된다.
제2 양태에 따르면 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 소기와 기체연료의 혼합을 개선함으로써 조기점화/디젤노크를 피하거나 저감하는 방법이 제공되며, 이 내연기관은 다음을 포함한다.
실린더 라이너, 피스톤 및 실린더 커버로 구분된 연소실, 실린더 라이너에 배치된 소기 포트, 실린더 커버에 배치되고 배기 밸브에 의해 제어되는 배기가스 출구, 가압된 기체연료의 공급으로부터 연소실 내로 연료 밸브를 경유하여 받은 기체연료의 유입을 허용하는 실린더 라이너(1)에 배치된 적어도 하나의 기체연료 유입 개구, 연소실에 연결되고 연소가스 밸브에 의해 제어되는 연소가스 출구, 및 연소가스 밸브의 출구로부터 기체연료 밸브의 입구 또는 하나 이상의 전용 연소가스 분사 밸브의 입구로 연장되는 연소가스 유로.
상기 방법은 유입 개구로 기체연료의 유입을 허용함으로써 연료 분사 이벤트 동안 연소실 내로 분사되는 물질의 운동량을 증가시키는 단계 및 유입 개구 또는 하나 이상의 전용 연소가스 분사 밸브로 연소가스를 연소실 내로 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 분사하는 단계를 포함한다.
제2 양태의 가능한 제1 구현에 따르면, 연소가스는 엔진 부하가 높은 경우에만, 바람직하게는 상기 엔진 부하가 상기 엔진의 최대 연속 정격의 60%를 초과하는 경우에만, 훨씬 더 바람직하게는 상기 엔진의 최대 연속 정격의 70%를 초과하는 경우에만 분사된다.
제2 양태의 가능한 제2 구현에 따르면, 각각의 전용 연소가스 밸브는 기체연료 밸브 중 하나에 근접하여 실린더 라이너 내에 배치된다.
이들 양태와 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예(들)로부터 명백해질 것이다.
본 개시의 다음과 같은 상세한 부분에서, 양태, 실시예들 및 구현은 도면에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 대형 2행정 디젤 엔진의 정면도이다.
도 2는 도 1의 대형 2행정 엔진의 측면도이다.
도 3은 도 1에 따른 대형 2행정 엔진의 개략도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 실린더 프레임과 실린더 라이너의 단면도로서, 실린더 커버와 배기 밸브가 장착되고 피스톤이 TDC와 BDC에서 도시된 도면이다.
도 5는 도 4 실린더 라이너의 부분 단면도이다.
도 6은 기체연료 및 분사된 연소가스가 하나의 동일한 연료 밸브를 경유하여 연소실로 전달되는 실시예에 따라 연료 밸브 장치를 갖는 VI~VI' 선을 따른 도 5의 실린더 라이너의 단면도이다.
도 7은 기체연료와 분사된 연소가스가 연료 밸브로 전달되기 전에 혼합되는 실시예에 따른 연료 공급과 연료 밸브 장치의 측면도이다.
도 8은 기체연료와 분사된 연소가스가 연료 밸브 내부에서 혼합되는 실시예에 따른 연료 공급과 연료 밸브 장치의 측면도이다.
도 9는 기체연료와 연소가스가 연료 밸브의 노즐로 전달되기 전에 혼합되는 실시예에 따른 연료 공급과 연료 밸브 장치의 측면도이다.
도 10은 연소가스 분사 밸브의 측면도이다.
도 11은 기체연료 및 연소가스가 별도의 밸브를 경유하여 연소실로 전달되는 또 다른 실시예에 따라 연료 밸브 장치를 갖는 VI~VI' 선을 따른 도 5 실린더 라이너의 단면도이다.
도 12는 가스 교환 및 연료 분사 사이클을 나타내는 그래프이다.
이하의 상세한 설명에서, 예시적인 실시예에서 대형 2행정 저속 터보차징 내연 크로스헤드 엔진을 참조하여 내연기관을 설명한다. 도 1, 도 2 및 도 3은 크랭크샤프트(8) 및 크로스헤드(9)를 갖는 대형 저속 터보차징 2행정 디젤 엔진의 실시예를 도시한다. 도 1 및 도 2는 각각 정면도와 측면도이다. 도 3은 흡기 시스템과 배기 시스템을 갖춘 도 1 및 도 2의 대형 저속 터보차징 2행정 디젤 엔진의 개략도이다. 이 예시적인 실시예에서, 엔진은 열을 지은 4개의 실린더를 갖는다. 대형 저속 터보차징 2행정 디젤 엔진은 일반적으로 엔진 프레임(11)에 의해 운반되는 4개 내지 14개의 실린더 라인을 갖는다. 엔진은 예컨대 선박에서 주 엔진으로 사용되거나 발전소에서 발전기를 작동하는 고정식 엔진으로 사용된다. 엔진의 총 출력은 예컨대 1,000kW 내지 110,000kW 범위일 수 있다.
이 예시적인 실시예에서, 2행정 단류 소기식 유형의 엔진은 실린더 라이너(1)의 하부 영역에 소기 포트(18) 및 실린더 라이너(1)의 상단에 중앙 배기 밸브(4)를 갖는다. 피스톤이 소기 포트(18) 아래에 있을 때 소기는 소기 리시버(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트(18)를 통해 통과한다. 기체연료와 연소가스는 피스톤이 상향으로 움직일 때와 피스톤이 기체연료 밸브(30)/연소가스 분사 밸브(36)를 통과하기 전에 기체연료 밸브(30)로부터 분사된다(일 실시예에서(도 11), 연소가스는 전용 연소가스 분사 밸브(36)에 의해 분사되며, 각각의 전용 연소가스 분사 밸브(36)는 바람직하게는 실린더 라이너(1) 내의 기체연료 밸브(30)에 근접하여 있다). 기체연료 밸브(30)와 연소가스 분사 밸브(36)는 바람직하게는 실린더 라이너의 원주 둘레에 균일하게 분포하고 실린더 라이너(1) 길이의 중앙 영역 어딘가에 배치된다. 따라서, 기체연료의 분사(및 연소가스의 분사)는 압축 압력이 비교적 낮을 때, 즉 피스톤이 TDC에 도달할 때 압축 압력보다 훨씬 낮을 때 발생한다.
실린더 라이너(1)의 피스톤(10)은 기체연료, 분사된 연소가스 및 소기의 과급을 압축하며, 압축은 TDC 점화에서 또는 그 근처에서 발생하며, 예컨대, 바람직하게는 실린더 커버(22)에 배치된 파일럿 오일 연료 밸브(50)의 파일럿 오일(또는 임의의 다른 적합한 점화 액체)의 분사로 트리거되고, 연소가 이어지고 배기가스가 발생한다. 파일럿 오일 연료 밸브(50) 대신 또는 파일럿 연료 밸브(50)에 더하여 대안적인 형태의 점화 시스템으로 예컨대 프리 챔버(미도시), 레이저 점화(미도시) 또는 글로 플러그(미도시)를 사용하여 점화를 시작할 수도 있다.
배기 밸브(4)가 개방되면, 배기가스는 실린더(1)와 관련된 배기 덕트를 통해 배기가스 리시버(3) 내로 통과하여 유동하고, 이어서 터보차저(5)의 터빈(6)으로 제1 배기 도관(19)을 통해 유동하며, 제2 배기 도관을 통해 이코노마이저(20)를 경유하여 출구(21) 및 대기로 유동하여 배출된다. 터빈(6)은 샤프트를 통해 공기 입구(12)를 경유하여 신선한 공기가 공급된 압축기(7)를 구동한다. 압축기(7)는 가압된 소기를 소기 도관(13)으로 전달하여 소기 리시버(2)로 이어진다. 도관(13)의 소기는 소기를 냉각하는 냉각기(14)를 통과한다.
냉각된 소기는 터보차저(5)의 압축기(7)가 소기 리시버(2)에 대해 충분한 압력을 전달하지 못할 때, 즉 엔진의 낮은 부하 또는 부분 부하 조건에서 소기의 유동을 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 통과한다. 더 높은 엔진 부하에서 터보차저 압축기(7)는 충분한 압축 소기를 전달하고 보조 송풍기(16)는 역류 방지 밸브(15)를 경유하여 바이패스된다.
연소가스는 연소가스 밸브(26)에 의해 제어되는 출구를 통해 연소실로부터 추출된다. 출구 및 연소가스 밸브(26)는 바람직하게는 실린더 커버(20) 내에 배치된다. 연소가스 밸브(26)는 전자제어장치(미도시)에 의해 제어되고, 연소가스 밸브(26)의 개방 타이밍과 길이는 작동 조건, 즉 연소실 내로 다시 분사되도록 요구되는 연소가스의 양에 따라 결정된다. 바람직하게는, 연소가스 밸브(26)는 연소가스 분사 시 실린더 압력보다 높은 압력에서 연소가스를 추출하기 위해 배기가스 밸브와 동시에 또는 배기가스 밸브 전에 개방된다.
엔진에는 연소가스 밸브(26)의 출구로부터 기체연료 밸브(30)의 입구 또는 전용 연소가스 분사 밸브(36)의 입구로 연장되는 연소가스 유로가 제공된다.
연소가스 유로는 추출된 연소가스를 기체연료 밸브(30)와 전용 연소가스 분사 밸브(36)에 공급하여 연소가스를 연소실 내로 기체연료의 분사와 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 분사하는 역할을 한다.
연소가스 유로는 연소가스를 수집하고 추출 공정으로부터 압력 맥동을 최소화하는 연소가스 리시버(27), 필요한 배압을 생성하여 재순환된 연소가스량의 안정적인 제어를 보장하는 제어 밸브(28), SO2 및 매연 입자가 필요한 정도로 제거되도록 재순환된 연소가스를 세정하는 습식 스크러버(29), 재순환된 연소가스를 소기와 동일한 온도로 냉각하는 연소가스 냉각기(39), 연소가스 재순환 시스템(44)의 정지 동안 시스템을 폐쇄하고 습식 스크러버(29)에 대해 조이는 셧다운 밸브(38) 및 스크러버 수의 세정 및 매연 입자와 세정수의 분리를 위한 수처리 시스템(45)을 포함한다. 연소가스 유로는 또한 연소가스 피드 도관(48)과 연소가스 공급 도관(37)을 포함한다. 연소가스 피드 도관(48)은 실시예에서 연소가스 밸브(26)의 출구를 연소가스 리시버(27)의 입구에 연결하고 연소가스 리시버(27)의 출구를 습식 스크러버(29)의 입구에 연결하며, 제어 밸브(28)는 피드 도관(48)에, 바람직하게는 연소가스 리시버(27)와 습식 스크러버(29) 사이에 배치된다. 연소가스 유로는 또한 연소가스 공급 도관(37)을 포함하고, 일 실시예에서 연소가스 공급 도관(37)은 습식 스크러버(29)의 출구를 연소가스 냉각기(39)의 입구에 연결하고, 연소가스 냉각기(39)의 출구를 기체연료 밸브(30)의 입구 또는 전용 연소가스 분사 밸브(36)의 입구에 연결한다. 일 실시예에서, 셧다운 밸브(38)는 연소가스 냉각기(39)와 기체연료 밸브(30)의 입구 또는 전용 연소가스 분사 밸브(36)의 입구 사이의 연소가스 공급 도관(37)에 배치된다.
엔진의 각 실린더마다 하나 또는 복수의 연소가스 밸브(26)가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 연소가스 리시버(27)는 엔진의 모든 실린더의 연소가스 밸브(26)에 연결되어, 연소가스 유로는 연소가스 리시버(27)로부터 셧다운 밸브(38)까지 단일 스트링만을 가지게 된다. 즉, 연소가스 유로는 단일 연소가스 리시버(27), 단일 제어 밸브(28), 단일 습식 스크러버(29), 단일 배기가스 냉각기(39) 및 단일 셧다운 밸브(38)만을 포함할 것이다.
약 700℃의 고온 연소가스는 연소가스 밸브(들)에 의해 연소실에서 추출되어 연소가스 리시버(27)로 공급되며, 연소가스 밸브들(26)의 개폐에 따른 압력 맥동이 감소하여 가스가 스크러빙 시스템에 들어가기 전에 안정된 압력에 도달한다. 효율적인 스크러빙 공정의 원인으로, 스크러버를 통해 안정된 압력 조건을 갖는 것이 바람직하다.
습식 스크러버(29)에서, 재순환된 연소가스는 재순환 된 담수, 바람직하게는 물과 SO2 및 SO3 사이의 반응 중에 생성된 황산의 중화를 위해 NaOH를 첨가하여 세정된다. 스크러버 물을 증발시킴으로써, 온도는 습식 스크러버(29)에서 약 90℃의 평형 온도를 찾는다. 스크러버 물의 10~20%만이 증발하고, 더러운 여분의 스크러버 물이 스크러버에서 배출되어 수처리 시스템(45)의 일부인 완충 탱크에 수집된다. 수처리 시스템(45)은 더러운 스크러버 물을 세정하여 스크러버에 깨끗한 재순환 스크러버 물을 공급한다. 수처리 시스템(45)에는 슬러지 배출구(46)와 깨끗한 물 배출구(47)가 제공되며, 후자는 스크러버에 깨끗한 물을 제공할 수 있다.
세정된 재순환 연소가스는 이어서 연소가스 냉각기(39)에서 냉각된다. 냉각 중에 연소가스 냉각기(39)에서 상당한 양의 물이 응축될 것이다.
일 실시예에서, 재순환 연소가스는 대략 35 내지 40℃의 공기 온도를 소기하기 위해 냉각된다.
일 실시예에서, 재순환된 연소가스는 압축기(7)에서 냉각된 소기와 혼합되고, 혼합된 연소가스와 소기는 연료 분사에서 기체연료를 동시에, 순차적으로 또는 중첩된 분사를 위해 기체연료 밸브(30) 또는 전용 연소가스 분사 밸브(36)에 공급된다. 소기는 소기 공급 덕트(52)를 통해 공급되며 소기의 양은 소기 밸브(53)에 의해 제어된다. 소기(53)는 연소가스 공급 도관(37)으로 소기 공급을 차단하거나 소기 덕트(52)에 별도의 셧오프 밸브(미도시)가 제공된다.
재순환된 연소가스 양의 제어는 연소가스 밸브(26)의 개폐 시간 타이밍에 의해 달성되므로, 다른 모드, 즉 국제해사기구(IMO) Tier II 및 Tier III 모드로 연소가스 재순환과 함께 작동할 수 있다. 재순환된 연소가스 양의 변화 외에도 부하 범위에 걸쳐 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 연소가스 밸브(26)는 배기 밸브(4)가 개방을 시작하기 전에 35~50도의 개방을 시작한다. 유동 소기 크로스헤드 내연기관의 전형적인 대형 2행정에서 이 압력은 대략 15~30bar의 범위에 있을 것이다.
엔진이 기체연료로 작동하는 실시예에서, 예연소/디젤노크를 피하기 위해 소량의 연소가스가 필요하다. 즉, 연소가스 분사 밸브는 나중에 더 낮은 실린더 압력에서 개방될 것이다.
연소가스 밸브(26) 개구의 길이는 연소가스 밸브(26)의 치수와 연소가스 밸브(26)의 수에 의존할 것이다. 개봉 시간과 기간은 필요한 재순환 연소가스의 양에 따라 다르다.
도 12는 소기 포트(18)(입구 포트), 배기 밸브(4) 및 가스 밸브(기체연료 밸브(30) 및 연소가스 분사 밸브(36))의 개폐 기간을 각각 크랭크 각도의 함수로 도시한 그래프이다. 이 그래프는 기체연료와 연소가스를 분사하기 위한 기회가 매우 짧아 기체연료가 연소실에서 소기와 혼합되는 데 매우 짧은 시간을 허용함을 보여준다. 기체연료와 분사된 연소가스는 매우 짧은 이 기회에 분사되어야 한다.
분사된 연소가스의 상당한 운동량을 얻기 위해, 비교적 고속으로 분사되는 비교적 큰 질량을 얻기 위해, 분사되는 연소가스 양은 상당하고 압력은 높다.
분사된 연소가스의 운동량은 분사된 기체연료의 운동량과 결합하여 기체연료 단독의 운동량보다 운동량이 훨씬 더 큰 총 운동량을 생성한다.
분사된 연소가스는 반응성 물질이지만, 어떠한 발열량도 갖지 않으므로, 연소실 내로 분사되는 총 물질의 발열량은 연소실 내로만 분사된 기체연료의 발열량과 실질적으로 다르지 않다.
엔진 사이클당 분사되는 기체연료의 양은 엔진 부하에 의해 결정된다. 엔진 사이클당 분사될 연소가스의 양은 분사된 기체연료의 속도(기체연료가 분사되는 압력과 관련이 있으며 연료 밸브의 노즐과 노즐 구멍의 기하학적 구조와 관련됨) 및 특정 유형의 기체연료로 작동하는 특정 엔진의 조기점화/디젤노크를 방지해야 하며 간단한 시행 착오에 의해 결정될 수 있다.
바람직하게는, 연소가스는 각 엔진 사이클마다 분사된다. 낮은 엔진 부하의 경우 일반적으로 조기점화/디젤노크 위험이 훨씬 적다. 따라서, 일 실시예에서, 연소가스는 엔진 부하가 높을 때, 예컨대 엔진의 최대 연속 정격의 60~70% 이상일 때 연소실 내로만 분사된다.
일 실시예에서, 엔진에는 노크 센서(미도시)가 제공되고, 추가되는 연소가스의 양은 노크 센서의 신호에 응답하여 제어된다. 즉, 분사되는 연소가스의 양(질량)은 조기점화/디젤노크가 검출되면 증가한다(조기점화/ 디젤노크가 검출되지 않으면 잠시 후 낮아짐.
연소가스는 일 실시예에서 기체연료와의 혼합물로 기체연료와 동시에 분사되거나, 단일 노즐 내의 개별 노즐 구멍을 통해 또는 단일 연료 밸브의 개별 노즐을 통해 기체연료 밸브(30)로부터 개별적으로 분사된다.
연소가스는 일 실시예에서 전용 연소가스 분사 밸브(36)와 별도로 기체연료와 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 분사된다.
도 4, 도 5 및 도 6은 일반적으로 대형 2행정 크로스헤드 엔진용으로 지정된 실린더 라이너(1)를 도시한다. 엔진 크기에 따라, 실린더 라이너(1)는 일반적으로 250mm 내지 1000mm 범위의 실린더 보어 및 1000mm 내지 4500mm 범위의 상응하는 일반적인 길이의 서로 다른 크기로 제조할 수 있다.
도 4에서, 실린더 라이너(1)는 실린더 프레임(23)에 실린더 커버(22)가 기밀 계면을 사이에 두고 실린더 라이너(1)의 상단에 배치된 상태로 장착된 것으로 도시되어있다. 도 4에서, 피스톤(10)은 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 모두가 파선으로 개략적으로 도시되어 있지만, 이 두 위치가 동시에 발생하지 않고 크랭크샤프트(8)의 180도 회전에 의해 분리되어 있음은 당연히 명백하다. 실린더 라이너(1)에는 피스톤(10)이 윤활 라인(24)을 통과할 때 실린더 윤활유의 공급을 제공하는 실린더 윤활 구멍(25)과 실린더 윤활 라인(24)이 제공되며, 다음 피스톤 링(미도시)은 실린더 라이너의 작동 표면 위로 실린더 윤활유를 분배한다.
도시된 실시예에서, 벽(49)의 가장 얇은 부분은 실린더 라이너(1)의 바닥, 즉 소기 포트(18)의 아래 부분에 있다. 실린더 라이너(1) 벽(49)의 가장 두꺼운 부분은 실린더 라이너(1)의 축 방향 범위의 상부에 있다. 실린더 라이너(1)의 축 방향 범위의 중앙 주위에서 실린더 라이너(1) 두께의 급격한 변화는 실린더가 실린더 프레임(23) 상에 놓일 수 있게 하는 숄더로 작용한다. 실린더 커버(22)는 실린더 라이너(1)의 상부 표면에 텐셔닝 볼트에 의해 인가된 큰 힘이 가압된다.
파일럿 오일 밸브(50)(일반적으로 실린더당 하나 이상) 또는 파일럿 오일 밸브(50)가 구비된 프리 챔버는 실린더 커버(22)에 장착되고 파일럿 오일 공급원(미도시)에 연결된다. 파일럿 오일 분사 타이밍은 일 실시예에서 전자제어장치(미도시)에 의해 제어된다.
기체연료 밸브(30)는 그 노즐이 실린더 라이너(1)의 내면과 실질적으로 높이가 같고 기체연료 밸브(30)의 후방 단부가 실린더 라이너(1) 외벽으로부터 돌출된 상태로 실린더 라이너(1)에 설치된다. 일반적으로, 실린더 라이너(1) 주위에 원주 방향으로 분포한 각각의 실린더 라이너(1)에는 1개 또는 2개, 가능하면 3개 또는 4개의 기체연료 밸브(30)가 제공된다. 기체연료 밸브(30)는 일 실시예에서 실린더 라이너(1)의 길이를 따라 실질적으로 중간에 배치된다.
도 5 및 도 6은 실린더 라이너(1)와 기체연료 밸브(30)를 더 상세히 도시한다. 이 실시예에서, 실린더 라이너(1)에는 4개의 기체연료 밸브(30)가 제공된다. 기체연료 밸브(30)는 도 6에 방사상으로 지향되어 도시되어 있지만, 기체연료 밸브(30)는 실린더 라이너(1)에 대해 다른 각도로 배치될 수 있음을 알 수 있다. 이 실시예에서, 엔진에는 전용 연소가스 분사 밸브(36)가 제공되지 않으며, 연소가스는 기체연료 밸브(30)에 의해 분사된다.
도 6은 기체연료 밸브(30) 레벨에서 실린더 라이너(1)의 단면도이다. 도 6은 기체연료 공급 도관(41)을 통해 각각의 기체연료 밸브(30)의 입구에 연결된 가압 기체연료 공급원(40)을 포함하는 기체연료 공급 시스템을 개략적으로 도시한다. 기체연료 밸브(30)의 입구는 또한 연소가스 공급 도관(37)에 연결된다.
기체연료 밸브(30)는 일 실시예에서 기체연료와 연소가스의 공통(혼합) 공급원에 연결된다.
도 7은 연소가스 공급 도관(37)과 기체연료 공급 도관(41)이 혼합 지점에 연결된 단일 공급 라인(42)을 경유하여 기체연료 공급원(40)과 연소가스 추출 및 재순환 시스템(44) 모두에 연결된 기체연료 밸브(30)를 도시한다. 일 실시예에서, 기체연료 밸브(30)로 전달되는 기체연료와 연소가스 사이의 원하는 비율을 보장하기 위해 밸브 (미도시)가 제공된다. 공통 도관(32)은 혼합물을 기체연료 밸브(30)의 기체연료 유입 개구(34)로 운송한다. 혼합물은 기체연료 유입 개구(34)로부터 연소실 내로 유입이 허용된다. 기체연료 밸브(30)에는, 예컨대 연소실로 혼합물의 정시 분사를 위한 수단이 제공된다. 예를 들면, 전자제어장치에서 제어한다.
도 7 변형 실시예에서, 기체연료와 연소가스는 혼합되지 않고, 대신에 기체연료 밸브(30) 순차적으로 공급되고, 기체연료가 먼저 또는 분사된 연소가스가 먼저 분사되지만, 그들 사이에 실질적인 정지는 없다.
도 8에 도시된 다른 실시예에서, 기체연료 공급원(40)은 전용 공급 라인(41)에 의해 기체연료 밸브(30)의 전용 포트에 연결된다. 전용 도관(31)은 기체연료를 기체연료 밸브(30) 내부의 혼합 지점(33)으로 안내한다. 연소가스 추출 및 재순환 시스템(44)은 연소가스 공급 도관(37)에 의해 기체연료 밸브(30)의 전용 포트에 연결된다. 전용 도관(35)은 연소가스를 기체연료 밸브(30) 내부의 혼합 지점(33)으로 안내한다. 혼합 지점(33)에서 기체연료와 연소가스가 혼합되고 혼합 지점(33)에서 혼합물은 공통 도관(32)에 의해 기체연료 유입 개구(34)로 운송된다. 기체연료 유입 개구(34)로부터 연소실로 기체연료의 유입이 허용된다. 기체연료 밸브(30)에는, 예컨대 연소실로 혼합물의 정시 분사를 위한 수단이 제공된다. 예를 들면, 전자제어장치에서 제어한다.
도 9에 도시된 다른 실시예에서, 기체연료 공급원(40)은 전용 공급 라인(41)에 의해 기체연료 밸브(30)의 전용 포트에 연결된다. 전용 도관(31)은 기체연료를 제1 노즐(39)로 안내한다. 연소가스 추출 및 재순환 시스템(44)은 연소가스 공급 도관(37)에 의해 기체연료 밸브(30)의 전용 포트에 연결된다. 전용 도관(35)은 연소가스를 연소가스 유입 개구(51)로 안내한다. 기체연료 유입 개구(34)는 기체연료를 연소실로 유입을 허용하고, 연소가스 유입 개구(51)는 연소실 내로 연소가스를 분사한다. 기체연료 밸브(30)에는, 예컨대 기체연료와 연소가스를 연소실 내로 정시 분사를 위한 수단이 제공된다. 예를 들면, 전자제어장치에서 제어한다.
도 11에 도시된 다른 실시예에서, 실린더 라이너(1)에는 기체연료 분사를 위한 전용 기체연료 밸브(30)와 연소실 내로 연소가스 분사를 위한 전용 연소가스 분사 밸브(36)가 제공된다.
전용 연소가스 분사 밸브(36)는 실린더 라이너(1)에 설치되며, 이 밸브의 연소가스 분사 개구(51)는 실린더 라이너(1)의 내면과 실질적으로 높이가 같고 전용 연소가스 분사 밸브(36)의 후방 단부는 실린더 라이너의 외벽으로부터 돌출한다. 일반적으로, 각각의 실린더 라이너(1)에는 1개 또는 2개, 가능하면 3개 또는 4개의 기체연료 밸브(30)가 제공되어 실린더 라이너(1) 주위에 원주 방향으로 균등하게 분포한다. 전용 연소가스 분사 밸브(36)는 실시예에서 실린더 라이너(1)의 길이를 따라, 바람직하게는 전용 기체연료 밸브(30)에 근접하여 실질적으로 중간에 배치된다.
가압 기체연료 공급원(40)은 (이 실시예에서는 4개) 기체연료 밸브(30)에 연결되고, 연소가스 추출 및 재순환 시스템(44)은 (이 실시예에서는 4개) 전용 연소가스 분사 밸브(36)에 연결된다. 기체연료 밸브(30)와 연소가스 분사 밸브(36)에는 연소실 내로 기체연료와 연소가스의 정시 분사를 위한 수단이 제공된다. 예를 들면, 전자제어장치에서 제어한다. 연료 밸브(31)와 연소가스 분사 밸브(36)는 도 11에서 밀접하게 이격된 쌍으로 도시되어 있지만, 이러한 배치는 단지 예이며 연료 밸브(31)와 연소가스 분사 밸브(36)는 쌍으로 배치될 필요가 없고 더 넓게 이격되어 배치될 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 연소가스를 연소실 내로 분사하기 위한 적어도 하나의 연소가스 분사 개구(51)를 갖는 연소가스 분사 밸브(36)의 측면도이다. 연소가스 분사 밸브(36)는 연소가스 공급 도관(37)의 근위 단부에 연결된 것으로 도시되어 있다.
일 실시예에서, 연소가스의 압력은 압축기(미도시)에 의해 적절한 분사 압력으로 승압된다. 연소가스가 이미 가압되어 있기 때문에, 대기압에서 출발할 때 공기 또는 가스를 분사 압력으로 만드는 데 필요한 에너지는 분사 압력으로 압력을 높이는 것과 비교하여 적다.
일 실시예에서, 기체연료는 혼합을 위해 더 많은 시간을 제공하기 위해 배기 밸브가 닫히기 전에 유입이 허용된다. 연소가스의 분사 시기는 그에 따라 조정된다.
실시예(미도시)에서, 실린더에는 점화를 위한 프리 챔버가 제공되며, 이는 별도의 파일럿 액체(파일럿 오일) 분사 시스템으로부터 파일럿 분사에 의해 연료가 공급된다.
일 실시예에서 (미도시) 하나의 기체연료 밸브는 기체연료를 연소실로 유입을 허용하는 복수의 기체연료 유입 개구에 기체연료를 공급한다.
일 실시예에서, 엔진은 복수의 실린더를 갖고, 하나 이상의 실린더는 청구항에 정의된 바와 같이 작동하는 반면, 나머지 실린더는 연소실 내로의 분사 연소가스 없이 작동하거나 액체 연료로 작동한다.
다양한 양태와 구현이 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명했다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 개시 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 주제를 실시할 때 당업자가 이해하고 수행할 수 있다. 청구범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "하나"는 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구범위에서 인용된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단이 서로 다른 종속항에 인용되어 있다는 사실이 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 의미하지는 않는다.
청구범위에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석하지 않아야 한다.

Claims (29)

  1. 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관에 있어서,
    실린더 라이너(1), 피스톤(10) 및 실린더 커버(22)로 구분된 연소실;
    상기 실린더 라이너(1)에 배치된 소기 포트(18);
    상기 실린더 커버(22)에 배치되고 배기 밸브(4)에 의해 제어되는 배기가스 출구;
    상기 실린더 라이너(1)에 배치되어 기체연료 밸브(30)를 경유하여 상기 연소실 내로 가압된 기체연료 공급원(40)의 공급으로부터 받은 기체연료의 유입을 허용하기 위한 하나 이상의 기체연료 유입 개구(34);
    상기 연소실에 개방되고 연소가스 밸브(26)에 의해 제어되는 연소가스 출구; 및
    상기 연소가스 밸브(26)의 출구로부터 상기 기체연료 밸브(30)의 입구 또는 전용 연소가스 분사 밸브(36)의 입구로 연장되는 연소가스 유로;를 포함하며,
    상기 내연기관은 연료 분사 이벤트에서 상기 연소실 내로 분사되는 물질의 운동량을 증가시키기 위해, 상기 연료 분사 이벤트에서 상기 기체연료의 유입을 허용하고 상기 연소가스를 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 상기 연소실 내로 분사하도록 구성되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스 유로는 연소가스 리시버(27) 및 상기 연소가스 밸브(26)를 상기 연소가스 리시버(27)의 입구와 연결하는 연소가스 피드 도관(48)을 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연소가스 유로는 배압을 생성함으로써 연소가스 유동의 안정적인 제어를 보장하는 연소가스 제어 밸브(28)를 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스 유로는 연소가스를 세정하기 위한 습식 스크러버(29)를 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스 유로는 연소가스를 냉각하는 연소가스 냉각기(39)를 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스 유로는 셧다운 밸브(38)를 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스 유로는 상기 연소가스 유로를 상기 기체연료 밸브(30)의 입구 또는 상기 연소가스 분사 밸브(36)의 입구에 연결하는 연소가스 공급 도관(37)을 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스의 출구는 상기 실린더 커버(22) 또는 상기 실린더 라이너(1)의 상부 영역에 배치되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배기 밸브(4) 전에, 동시에 또는 후에 상기 연소가스 밸브(26)를 개방하도록 구성되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기체연료 및 상기 연소가스는 혼합물로서 적어도 하나의 상기 기체연료 밸브(30)로부터 상기 연소실 내로 동시에 분사되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기체연료 및 상기 연소가스는 적어도 하나의 상기 기체연료 밸브(30) 내부에서 혼합되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기체연료와 연소가스는 적어도 하나의 상기 기체연료 밸브(30)의 상류에서 혼합되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기체연료와 상기 연소가스는 적어도 하나 이상의 상기 기체연료 밸브(30) 노즐의 노즐 구멍으로부터 동시에 분사되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 연소가스를 상기 기체연료 밸브(30) 또는 상기 연소가스 분사 밸브(36)에 공급하는 연소가스 공급 도관(37) 및 가압된 상기 기체연료 공급원(40)으로부터 상기 기체연료 밸브(30)로 상기 기체연료를 공급하는 별도의 공급 도관을 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  15. 제1항에 있어서,
    연료 분사 이벤트에서 상기 연소실 내로 분사되는 연소가스의 양을 제어하도록 구성된 제어부를 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 기체연료 밸브(30)는 상기 실린더 라이너(1)의 원주에 걸쳐 균일하게 분포하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 기체연료 밸브(30)는 상기 실린더 라이너(1)의 길이를 따라 중간 위치에 배치되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기체연료의 분사와 상기 연소가스의 분사는 상기 실린더 커버(22)를 향한 상기 피스톤(10)의 행정 동안, 상기 피스톤(10)이 소기 포트를 통과한 후에, 배기 밸브가 폐쇄될 때 또는 폐쇄되기 직전에 개시되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  19. 제1항에 있어서,
    상사점(TDC)에서 또는 그 근처에서 점화를 개시하는 점화 시스템이 제공되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  20. 제1항에 있어서,
    엔진에는 노크 센서가 제공되고,
    상기 내연기관은 상기 노크 센서로부터 신호에 응답하여 추가된 연소가스의 양을 제어하도록 구성되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 노크 센서에 의해 조기점화/디젤노크가 검출되면 연료 분사 이벤트에서 분사되는 연소가스의 질량이 증가하도록 구성되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  22. 제20항에 있어서,
    소정의 엔진 회전 시간 동안 또는 소정의 엔진 회전 횟수 동안 상기 노크 센서에 의해 조기점화/디젤노크가 검출되지 않은 경우 연료 분사 이벤트 중에 분사되는 연소가스의 질량이 감소하도록 구성되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  23. 제1항에 있어서,
    각각의 전용 연소가스 분사 밸브(36)는 상기 기체연료 밸브(30) 중 하나에 근접하여 상기 실린더 라이너 내에 배치되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  24. 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 소기와 기체연료의 혼합을 개선함으로써 조기점화/디젤노크를 피하거나 저감하는 방법에서, 상기 내연기관은,
    실린더 라이너(1), 피스톤(10) 및 실린더 커버(22)로 구분된 연소실;
    상기 실린더 라이너(1)에 배치된 소기 포트(18);
    상기 실린더 커버(22)에 배치되고 배기 밸브(4)에 의해 제어되는 배기가스 출구;
    가압된 기체연료 공급원(40)의 공급으로부터 연료 밸브를 경유하여 상기 연소실 내로 받은 기체연료의 유입을 허용하는 상기 실린더 라이너(1)에 배치된 적어도 하나의 기체연료 유입 개구(34);
    상기 연소실에 개방되고 연소가스 밸브(26)에 의해 제어되는 연소가스 출구; 및
    상기 연소가스 밸브(26)의 출구로부터 기체연료 밸브(30)의 입구 또는 하나 이상의 전용 연소가스 분사 밸브(36)의 입구로 연장되는 연소가스 유로;를 포함하며,
    상기 연소 가스 출구를 통해 상기 연소실로부터 연소 가스를 추출하는 단계;
    상기 연소 가스 밸브(26)로 상기 연소실로부터 연소 가스의 추출을 제어하는 단계;
    상기 기체연료 유입 개구(34)로 상기 기체연료의 유입을 허용함으로써 연료 분사 이벤트 중에 상기 연소실 내로 분사되는 물질의 운동량을 증가시키는 단계; 및
    상기 기체연료 유입 개구(34) 또는 하나 이상의 상기 전용 연소가스 분사 밸브(36)로 상기 연소가스를 동시에, 순차적으로 또는 중첩하여 상기 연소실 내로 분사하는 단계;를 포함하는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 소기와 기체연료의 혼합을 개선함으로써 조기점화/디젤노크를 피하거나 저감하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 연소가스는 상기 내연기관의 부하가 상기 내연기관의 최대 연속 정격의 60%를 초과하는 경우 또는 상기 내연기관의 최대 연속 정격의 70%를 초과하는 경우에만 분사되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 소기와 기체연료의 혼합을 개선함으로써 조기점화/디젤노크를 피하거나 저감하는 방법.
  26. 제4항에 있어서,
    상기 연소가스 유로는 연소 가스를 냉각하는 연소 가스 리시버(27)를 포함하고, 상기 습식 스크러버(29)는 상기 연소 가스 리시버(27)의 하류에 배치되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  27. 제4항에 있어서,
    상기 연소 가스 냉각기(39)는 상기 습식 스크러버(29)의 하류에 배치되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  28. 제18항에 있어서,
    상기 기체 연료의 분사와 상기 연소 가스의 분사는 모두 상기 피스톤이 상기 소기 포트를 통과한 후에 상기 실린더 커버(22)를 향한 상기 피스톤(10)의 행정 중에 개시되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  29. 제18항에 있어서,
    상기 기체 연료의 분사와 상기 연소 가스의 분사는 모두 상기 배기 밸브(4)가 닫힐 때 또는 닫히기 직전에 상기 실린더 커버(22)를 향한 상기 피스톤(10)의 행정 중에 개시되는, 대형 2행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.



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