KR102323480B1 - 내연 엔진 - Google Patents

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

적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기 공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기 크로스헤드 내연 엔진이 개시된다. 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 연료가스 공급 시스템은 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 연료가스 밸브를 포함한다. 엔진은 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는 프리-챔버를 더 포함하며, 프리-챔버는 실린더 벽에 형성되는 제1 개구부를 통해 실린더 내로 개구되며, 프리-챔버는 실린더 내에서 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다.

Description

내연 엔진 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진 및 실린더의 프리-챔버 부재에 관한 것이다.
2-행정 내연 엔진은 컨테이너선, 벌크선 및 유조선과 같은 선박에서 추진 엔진으로서 사용되고 있다. 내연 엔진으로부터의 원치 않는 배기가스의 감소는 점점 중요해지고 있다.
원치 않는 배기가스의 양을 감소시키는 효과적인 방법은 예컨대 중유(HFO)와 같은 연료유로부터 연료가스로의 전환이다. 연료가스는 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 분사될 수 있으며, 여기서 압축시 실린더 내의 가스가 도달하는 고온에 의해 또는 파일럿 연료의 점화에 의해 즉시 점화될 수 있다. 그러나, 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 연료가스를 분사하는 것은, 실린더 내의 큰 압력을 극복하기 위해 분사 전에 연료가스를 압축하기 위한 대형 가스 압축기를 필요로 한다.
그러나 대형 가스 압축기는 비싸고 제조 및 유지가 복잡하다. 대형 압축기의 사용을 회피하는 방법은, 실린더 내의 압력이 상당히 낮은 압축 행정의 초기에 연료가스를 분사하도록 엔진을 구성하는 것이다.
국제공개공보 WO 2013/007863호에는 이러한 엔진이 개시된다. 연료가스의 적절한 점화를 보장하기 위해 파일럿 점화 프리-챔버가 실린더 커버에 제공된다. 소정량의 파일럿 연료유가 파일럿 점화 프리-챔버에 분사된 다음, 파일럿 점화 프리-챔버의 온도 및 압력으로 인해 자체-점화된다. 이는 실린더의 메인 챔버 내에서 연료가스를 점화시키는 불꽃을 초래한다.
그러나 프리-챔버를 갖춘 실린더 커버는 문제가 되는데, 이는 배기 밸브, 이중-연료 엔진용 액체 연료 밸브, 및 잠재적으로 부가될 수 있는 삼중 연료 엔진용 연료 밸브와 같은 또 다른 엔진 구성요소의 존재로 인해 실린더 커버 내의 공간 자원이 부족하기 때문이다. 실린더 커버 내의 제한된 공간은 또한 실린더 커버 내에 배열될 수 있는 별도의 프리-챔버의 수에 대한 제한이다.
더욱이, 냉각 시스템을 설계할 때 모든 구성요소들이 적절하게 냉각되는 것을 보장하도록, 복잡한 형상의 커버 내의 다른 모든 구성요소들도 고려되어야 하기 때문에, 실린더 커버 내에 배열된 프리-챔버의 온도를 제어하고 최적화하는 것은 매우 어려울 것이다.
따라서 연료가스를 점화시키는 대안적인 방법을 제공하는 것이 여전히 문제로 남아있다.
제1 측면에 따르면, 본 발명은, 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기 공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진(간단히, '엔진'이라고도 함)에 관한 것으로서, 상기 실린더는 실린더 벽을 가지며, 상기 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 상기 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 실린더 내에서 이동 가능하게 배열되며, 상기 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열된 소기공기 유입구를 가지며, 상기 연료가스 공급 시스템은 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 연료가스 밸브를 포함하여 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기와 연료가스의 혼합물이 점화되기 전에 압축되는 것을 허용하며, 여기서 상기 엔진은 상기 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는 프리-챔버를 더 포함하며, 상기 프리-챔버는 상기 실린더 벽에 형성된 제1 개구부를 통해 상기 실린더 내로 개구되며, 상기 프리-챔버는 상기 실린더 내에서 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다.
결과적으로, 실린더 벽에 프리-챔버를 제공함으로써, 실린더 커버의 공간을 차지함 없이, 실린더 내의 소기공기와 연료가스의 혼합물은 효과적으로 점화될 것이다.
실린더 벽에 프리-챔버를 제공함으로써, 실린더 커버 내에 필수적인 구성요소들을 배열하는 것에 대해 더 큰 유연성이 얻어지고, 또한 예컨대 배기 밸브와 같은 구성요소는 확장될 수 있다. 나아가서, 실린더 벽의 둘레에 몇 개의 프리-챔버를 배열하는 것이 가능하게 될 것이다.
실제 연소 공정과 관련하여, 실린더 벽에 배열된 프리-챔버는 내부 벽에 가까운 연료가스의 점화를 용이하게 한다는 이점을 제공한다. 실린더 벽에 프리-챔버가 배치되어 있으면, 불꽃이 보다 수평방향을 향하게 되므로, 불꽃이 소기공기와 연료가스 혼합물의 많은 부분과 접촉할 수 있다.
나아가서 실린더 벽에 프리-챔버를 배열하면, 프리-챔버의 온도가 실린더 커버의 온도에 의해 영향을 받지 않도록 하여, 예컨대 엔진의 부하 범위에 걸쳐 프리 챔버의 온도를 차별화함으로써 프리-챔버를 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
내연 엔진은 바람직하게는 실린더 당 적어도 400kW의 동력을 갖는 해양 선박을 추진하기 위한 유니플로 소기를 갖는 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진이다. 내연 엔진은, 내연 엔진에 의해 생성된 배기가스에 의해 구동되어 소기공기를 압축하도록 구성되는 터보차저를 포함할 수 있다. 내연 엔진은, 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와, 대체 연료 예컨대 중유나 마린 디젤 오일로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진일 수 있다. 이러한 이중-연료 엔진은 대체 연료를 분사하기 위한 전용의 연료 공급 시스템을 갖는다.
내연 엔진은 바람직하게는 복수의 실린더, 예컨대 4 내지 14개의 실린더를 포함한다. 내연 엔진은 복수의 실린더 중 각각의 실린더에 대하여 실린더 커버, 배기 밸브, 피스톤, 연료가스 밸브, 및 소기공기 유입구를 더 포함한다.
연료가스 공급 시스템은 바람직하게는, 음 조건(sonic condition) 즉 음속과 동일한 속도 즉 일정한 속도 하에서, 하나 이상의 연료가스 밸브를 통해 연료가스를 분사하도록 구성된다. 음 조건은 노즐 쓰로트(throat)(최소 면적의 단면적)를 가로지르는 압력 강하 비율이 대략 2보다 클 때 달성될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 하나 이상의 연료가스 밸브는 압축 행정 동안에, 하사점으로부터 0도 내지 160도에서, 하사점으로부터 0도 내지 130도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도에서, 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다.
하나 이상의 연료가스 밸브는 상사점과 하사점 사이의 실린더 벽에, 바람직하게는 소기공기 유입구보다 위쪽의 위치에 적어도 부분적으로 배열된다. 하나 이상의 연료가스 밸브는 실린더 내로 연료가스를 분사하기 위하여 실린더 벽에 배열되는 노즐을 포함할 수 있다. 연료가스 밸브의 (노즐 이외의) 다른 부분은 실린더 벽 외부에 배열될 수 있다.
연료가스의 예는 액화천연가스(LNG), 메탄, 에탄, 암모니아 및 액화석유가스(LPG)이다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 엔진은 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며, 상기 파일럿 연료 공급 시스템은 프리-챔버에 배열되는 파일럿 연료 밸브를 포함하고, 상기 파일럿 연료 밸브는 파일럿 연료를 프리-챔버 내로 분사하도록 구성된다.
프리-챔버는 프리-챔버 내의 온도 및 압력으로 인해 파일럿 연료가 자체-점화되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 프리-챔버 내의 파일럿 연료는 점화 플러그 또는 레이저 점화기를 포함하는 수단에 의해 점화될 수 있다. 파일럿 연료는 중유 또는 마린 디젤 오일, 또는 적절한 점화성을 갖는 임의의 다른 연료일 수 있으며, 파일럿 연료의 양은 실린더 내의 연료가스와 소기공기의 혼합물을 점화시킬 수 있는 정도로 정확하게 측정된다. 이러한 파일럿 연료 시스템은 대체 연료를 위한 전용의 연료 공급 시스템에 비해 크기가 훨씬 작아서 파일럿 연료의 정확한 양을 분사하기에 더욱 적합할 수 있으며, 대체 연료를 위한 전용의 연료 공급 시스템은 큰 크기의 부품으로 인해 이러한 목적에 적합하지 않을 수 있다. 파일럿 연료 공급 시스템은, 상사점에 근접한, 메인 차지의 최적 점화를 위한 적절한 크랭크 각도에서 소정량의 파일럿 오일을 분사하도록 구성될 수 있다. 파일럿 연료 점화는 파일럿 오일 분사 직후에 이어지고, 메인 차지 점화는 파일럿 오일 점화 직후에 이어진다.
일부 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 상기 실린더는 베이스 부재 및 프리-챔버 부재를 가지며, 상기 프리-챔버 부재는 상기 베이스 부재의 상부에 배열되고 상기 실린더 커버는 상기 프리-챔버 부재의 상부에 배열되며, 상기 프리-챔버 부재는 상기 프리-챔버 부재의 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고, 상기 프리-챔버는 상기 프리-챔버 부재의 실린더 벽에 형성되는 개구부를 통해 상기 실린더 내로 개구된다.
이것은 프리-챔버 부재가, 예컨대 적절한 재료를 선택함으로써, 프리-챔버 내의 고온 및 압력을 취급하도록 구체적으로 설계되는 것을 허용한다. 이렇게 하면 프리-챔버에 대한 유지보수를 보다 쉽게 수행할 수 있다. 프리-챔버 부재는, 개스킷 장치를 가지면서 혹은 갖지 않으면서, 베이스 부재와 실린더 커버 사이에 삽입될 수 있다. 프리-챔버 부재는 실린더 커버가 설치되기 전에 베이스 부재와 함께 사전-조립될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 실린더의 프리-챔버 부재는 상기 실린더의 베이스 부재와는 상이한 재료로 만들어진다.
실린더의 베이스 부재는 주철로 만들어질 수 있고 프리-챔버 부재는 강철로 만들어질 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 엔진은 프리-챔버를 냉각시키기 위한 프리-챔버 냉각 시스템을 더 포함하며, 상기 프리-챔버 냉각 시스템은 프리-챔버로부터 열을 추출해내기 위하여 프리-챔버에 근접하는 냉각 채널을 포함하며, 상기 프리-챔버 냉각 시스템은 상기 냉각 채널을 통해 냉각 유체를 순환시키도록 구성된다.
실린더 벽에 프리-챔버를 배열하면, 프리-챔버 냉각 시스템을 위한 더 많은 공간이 제공된다. 이것은, 배기밸브 폐쇄 타이밍, 엔진 속도, 엔진 부하 등과 같은 다른 엔진 파라미터의 영향을 덜 받아, 보다 정확하게 프리-챔버의 온도를 제어할 수 있게 한다. 프리-챔버 온도의 보다 정확한 제어는, 파일럿 연료의 양을 감소시키고/시키거나 연료가스와 같은 대안적인 파일럿 연료를 사용하는 것을 더욱 적합하게 하며, 그로 인해 원치 않는 배기가스의 방출을 감소시킨다.
일부 실시형태에 있어서, 파일럿 연료는 연료가스이다.
일부 실시형태에 있어서, 파일럿 연료 및 주 연료는 동일한 유형의 연료가스이다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 프리-챔버 냉각 시스템은 냉각 유체의 흐름 및/또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 제어 유닛은, 엔진 부하, 엔진 속도, 및/또는 소기공기와 연료가스의 혼합물의 공기-연료 당량비(λ)에 따라, 냉각 유체의 흐름 및/또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 프리-챔버는 제1 축선을 따라 연장되는 채널을 통해 상기 제1 개구부에 연결되며, 상기 중심 축선에 대해 수직으로 배열되는 기준평면과 상기 제1 축선과의 사이의 각도는 0도와 85도 사이, 0도와 80도 사이, 0도와 60도 사이, 0도와 45도 사이, 또는 0도와 30도 사이에 있다.
결과적으로, 프리-챔버로부터 실린더 내로 연장되는 불꽃은 소기공기와 연료가스의 혼합물의 많은 부분과 직접 접촉할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 엔진은 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는 제2 프리-챔버를 더 포함하며, 상기 제2 프리-챔버는 실린더 벽에 형성된 제2 개구부를 통해 실린더 내로 개구된다.
제2 프리-챔버는 전술한 프리-챔버와 동일할 수 있어, 예컨대 제2 프리-챔버는 파일럿 연료 밸브를 구비할 수 있고, 프리-챔버 냉각 시스템 등을 구비할 수 있다.
제2 프리-챔버는 제1 프리-챔버와 대향하여 배열될 수 있다.
엔진은 더 많은 프리-챔버를 구비할 수 있어, 예컨대 실린더 당 적어도 3개 또는 4개의 프리-챔버를 구비할 수 있다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은, 제1 측면과 관련하여 개시된 바와 같은 크로스헤드 내연 엔진용 실린더를 위한 프리-챔버 부재에 관한 것으로서, 상기 프리-챔버 부재는 실린더 벽을 가지며, 상기 프리-챔버 부재는 상기 실런더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는 프리-챔버를 더 포함하며, 상기 프리-챔버는 상기 실린더 벽에 형성되는 제1 개구부를 통해 상기 프리-챔버 부재 내로 개구되며, 상기 프리-챔버는 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다.
본 발명의 상이한 측면은, 전술한 바와 같은 그리고 이하에서와 같은, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진 및 프리-챔버 부재를 포함하여 상이한 방식으로 구현될 수 있으며, 각각은 전술한 측면들 중 적어도 하나와 관련하여 설명된 하나 이상의 이점 및 장점을 산출하며, 각각은 전술한 및/또는 종속 청구항들에 개시된 측면들 중 적어도 하나와 관련되어 설명된 바람직한 실시형태들에 상응하는 하나 이상의 바람직한 실시형태들을 갖는다. 나아가서, 여기에 설명되는 측면들 중 하나와 관련하여 설명된 실시형태들이 또 다른 측면에 동일하게 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2개의 축선 사이, 2개의 평면 사이, 또는 하나의 축선과 하나의 평면 사이에는 항상 2개의 각도 즉 작은 각도(V1)와 큰 각도(V2)(여기서 V2 = 180도 - V1)가 존재한다. 본 명세서에서 특정되는 각도는 항상 작은 각도(V1)이다.
본 발명에 따르면, 실린더 벽에 프리-챔버를 제공함으로써, 실린더 커버의 공간을 차지함 없이, 실린더 내의 소기공기와 연료가스의 혼합물은 효과적으로 점화될 수 있다.
실린더 벽에 프리-챔버를 제공함으로써, 실린더 커버 내에 필수적인 구성요소들을 배열하는 것에 대해 더 큰 유연성이 얻어지고, 또한 예컨대 배기 밸브와 같은 구성요소는 확장될 수 있다. 나아가서, 실린더 벽의 둘레에 몇 개의 프리-챔버를 배열하는 것이 가능하게 될 것이다.
실제 연소 공정과 관련하여, 실린더 벽에 배열된 프리-챔버는 내부 벽에 가까운 연료가스의 점화를 용이하게 한다는 이점을 제공한다. 실린더 벽에 프리-챔버가 배치되어 있으면, 불꽃이 보다 수평방향을 향하게 되므로, 불꽃이 소기공기와 연료가스 혼합물의 많은 부분과 접촉할 수 있다.
나아가서 실린더 벽에 프리-챔버를 배열하면, 프리-챔버의 온도가 실린더 커버의 온도에 의해 영향을 받지 않도록 하여, 예컨대 엔진의 부하 범위에 걸쳐 프리 챔버의 온도를 차별화함으로써 프리-챔버를 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 상기 및/또는 추가의 목적, 특징 및 장점은, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대한 이어지는 예시적이고 비-제한적인 상세한 설명에 의해 추가로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기를 갖춘 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기를 갖는 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 프리-챔버의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진의 단면도를 개략적으로 도시한다.
이어지는 설명에서는, 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 예로서 도시한 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 해양 선박을 추진하기 위한 유니플로 소기(uniflow scavenging)를 갖춘 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진(간단히 '엔진'이라고도 함)(100)의 단면을 개략적으로 도시한다. 엔진(100)은 소기공기 시스템(111), 배기가스 리시버(108), 연료가스 공급 시스템, 및 터보차저(109)를 포함한다. 엔진은 복수의 실린더(101)를 갖는다(단지 하나의 실린더만이 단면도에 도시됨). 각각의 실린더(101)는 실린더 벽(115)을 가지며 실린더(101)의 하부에 배열되는 소기공기 유입구(102)를 포함한다. 엔진은 각각의 실린더에 대하여 실린더 커버(112) 및 피스톤(103)을 더 포함한다. 실린더 커버(112)는 실린더(101)의 상부에 배열되고 배기 밸브(104)를 갖는다. 피스톤(103)은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선(113)을 따라 실린더 내에서 이동 가능하게 배열된다. 연료가스 공급 시스템은 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더(101) 내로 분사하도록 구성되는 하나 이상의 연료 가스 밸브(105)(단지 개략적으로만 도시됨)를 포함하여, 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 점화되기 전에 압축되는 것을 허용한다. 연료가스 밸브(105)는 실린더 커버(112)와 소기공기 유입구(102) 사이의 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열된다. 엔진은 실린더 벽(115) 내에 적어도 부분적으로 배열되는 프리-챔버(114)를 더 포함하며, 프리-챔버(114)는 실린더 벽 내에 형성된 제1 개구부를 통해 실린더 내로 개방되며, 프리-챔버는 실린더(101) 내에서 소기공기 및 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다. 소기공기 유입구(102)는 소기공기 시스템에 유체 연결된다. 피스톤(103)은 가장 낮은 위치(하사점)에 있는 것으로 도시되어 있다. 피스톤(103)은 크랭크샤프트(도시되지 않음)에 연결된 피스톤 로드를 갖는다. 연료가스 밸브(105)는 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되어, 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 점화 전에 소기공기와 연료가스의 혼합물이 압축되는 것을 허용한다. 연료가스 밸브(105)는, 하사점으로부터 0도 내지 130도의 압축 행정의 시작에서, 즉 크랭크샤프트가 하사점에서의 배향으로부터 0도 내지 130도로 회전할 때, 실린더(101) 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다. 바람직하게는, 연료가스 밸브(105)는, 연료가스가 배기 밸브(104)를 통해 배출되는 것을 방지하기 위해, 피스톤이 소기공기 유입구(102)를 지나서 이동하도록 크랭크샤프트 축이 하사점으로부터 몇 도 회전한 후 연료가스의 분사를 개시하도록 구성된다. 소기 공기 시스템(111)은 소기 공기 리시버(110) 및 공기 냉각기(106)를 포함한다.
엔진(100)은 바람직하게는, 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와, 대체 연료 예컨대 중유나 마린 디젤 오일로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진이다. 이러한 이중-연료 엔진은 대체 연료를 분사하기 위한 전용의 대체 연료 공급 시스템을 갖는다. 따라서 선택적으로 엔진(100)은 대체 연료 공급 시스템의 일부를 형성하는 실린더 커버(112) 내에 배열되는 하나 이상의 연료 분사기(116)를 더 포함한다. 엔진(100)이 대체 연료로 구동될 때, 연료 분사기(116)는 고압인 압축 행정의 끝에서 예컨대 중유와 같은 대체 연료를 분사하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기를 갖는 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다. 실린더(101), 실린더 커버(112), 피스톤(103), 및 배기 밸브(104)가 도시되어 있다. 피스톤(103)은 상사점에 위치되어 있다. 실린더(101)는 제1 프리-챔버(114) 및 제2 프리-챔버(116)가 제공된 실린더 벽(115)을 갖는다. 제1 및 제2 프리-챔버(114, 116)는 실린더 벽(115)에 형성된 개구부를 통해 실린더(101) 내로 개방되고, 프리-챔버(114, 116)는 실린더 내에서 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다. 엔진은 바람직하게는 제1 프리-챔버(114) 내에 배열되는 제1 파일럿 연료 밸브 및 제2 프리-챔버(116) 내에 배열되는 제2 파일럿 연료 밸브를 포함하는 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며, 제1 및 제2 파일럿 연료 밸브는 프리-챔버 내로 파일럿 연료를 분사하도록 구성된다. 파일럿 연료 공급 시스템은 제1 및 제2 파일럿 연료 밸브를 통해 압축 행정의 끝에서 소정량의 파일럿 연료를 분사하도록 구성될 수 있다. 파일럿 연료는 프리-챔버 내의 온도 및 압력에 의해 분사된 직후 점화될 수 있다. 이는 실린더(101) 내에서의 소기공기 및 연료가스의 혼합물의 점화 시기를 정확하게 제어할 수 있게 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기를 갖는 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 3의 부분은 도 2에 도시된 부분에 대응되나, 실린더(101)가 베이스 부재(117)와 프리-챔버 부재(118)를 가지며, 프리-챔버 부재(118)는 베이스 부재(117)의 상부에 배열되며, 실린더 커버(112)는 프리-챔버 부재(118)의 상부에 배열된다는 점에서 상이하다. 제1 및 제2 프리-챔버(114, 116)는 프리-챔버 부재(118)의 실린더 벽 내에 배열된다. 이는 프리-챔버 부재가 예컨대 적절한 재료를 선택함으로써 특히 높은 온도 및 압력을 취급하도록 설계될 수 있게 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 프리-챔버(114)의 개략도를 도시한다. 프리-챔버(114)는 제1 개구부(123) 및 제2 개구부(124)를 통해 실린더 내로 개방되도록 구성된다. 프리-챔버는 점화 요소(119)와 파일럿 연료 밸브(120)를 포함하며, 파일럿 연료 밸브는 파일럿 연료가스(121)가 점화되기 전에 압축될 수 있도록 압축 행정 동안에 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 주입하도록 구성된다. 점화 요소(119)는 프리-챔버 내에서 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성되어 실린더 내에서 연료가스를 점화시키기 위한 불꽃(122)을 생성한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 해양 선박을 추진하기 위한 유니플로 소기를 갖는 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 단면도를 도시한다. 엔진은, 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와, 대체 연료 예컨대 중유나 마린 디젤 오일로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진이다. 각각의 실린더는 실린더 벽을 가지며 실린더(도시되지 않음)의 하부에 배열되는 소기공기 유입구를 포함한다. 엔진은 각각의 실린더에 대하여 실린더 커버(112) 및 피스톤(103)을 더 포함한다. 실린더 커버(112)는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브(104)를 갖는다. 피스톤(103)은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 실린더 내에서 이동 가능하게 배열된다. 연료가스 공급 시스템은 (엔진이 가스 모드 즉 오토 사이클 모드일 때) 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 하나 이상의 연료 가스 밸브(도시되지 않음)를 포함하여, 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 점화되기 전에 압축되는 것을 허용한다. 연료가스 밸브는 실린더 커버(112)와 소기공기 유입구 사이의 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열된다. 엔진은 2개의 파일럿 프리-챔버 유닛(131)을 더 포함하며, 각각의 파일럿 프리-챔버 유닛(131)은 프리-챔버(114), 파일럿 연료 밸브 하우징(130), 및 이 파일럿 연료 밸브 하우징(130) 내에 배열되는 파일럿 연료 밸브(132)를 포함한다. 실린더는 베이스 부재(117) 및 프리-챔버 부재(118)를 가지며, 프리-챔버 부재(118)는 베이스 부재(117)의 상부에 배열되고 실린더 커버(112)는 프리-챔버 부재(118)의 상부에 배열된다. 프리-챔버(114)는 프리-챔버 부재(118)의 실린더 벽 내에 배열된다. 프리-챔버(114)는 프리-챔버 부재(118)의 실린더 벽 내에 형성된 개구부를 통해 실린더 내로 개방된다. 소기공기 유입구는 소기공기 시스템에 유체 연결된다. 피스톤(103)은 피스톤 로드, 크로스헤드, 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크샤프트(도시되지 않음)에 연결된다. 파일럿 연료 밸브(132)는 (엔진이 가스 모드에 있을 때) 소량의 파일럿 연료를 프리-챔버(114) 내로 분사하도록 구성된다. 프리-챔버(114)는, 프리-챔버(114) 내의 온도 및 압력으로 인해 파일럿 연료가 자체-점화되도록 구성된다. 파일럿 연료유는 중유, 마린 디젤 오일, 또는 적절한 자체-점화성을 갖는 임의의 다른 연료일 수 있다.
엔진은 대체 연료 공급 시스템의 일부를 형성하는 실린더 커버(112)에 배열 되는 하나 이상의 연료 분사기(116)를 더 포함한다. 엔진(100)이 대체 연료로 구동될 때, 연료 분사기(116)는 고압인 압축 행정의 끝에서 예컨대 중유와 같은 대체 연료를 분사하도록 구성된다.
프리-챔버(114)는 실린더 벽 내에 배열됨으로써, 실린더 커버(112) 내에서 더 적은 공간을 차지한다. 이는 배기 밸브(104)의 크기 및 대체 연료 분사기(116)의 개수/크기가 보다 적게 제한되게 한다. 나아가서, 프리-챔버 부재(118)를 갖춘 실린더를 제공함으로써, 프리-챔버 부재(118)는 실린더(117)의 베이스 부재에 비해 더 강한 재료로 만들어질 수 있으며, 그에 따라 실린더는 점화에 의해 생성되는 힘을 다루기 위한, 뒷댐(strong back)과 같은 외부 지지부를 보다 덜 필요로 하거나 심지어는 전혀 필요로 하지 않을 수 있다. 더욱이, 프리-챔버 부재(118)는 이중-연료 및 심지어는 삼중-연료 엔진을 위한 연료 분사기(116)뿐만 아니라 여러 개의 별도의 프리-챔버(114)(예를 들어, 3개 또는 4개)가 프리-챔버 부재(118)의 실린더 벽 주위에 배열되는 것을 허용한다.
또한, 프리-챔버를 실린더 벽 내에 배열함으로써, 파일럿 연료 밸브 하우징(130) 및 파일럿 연료 밸브(132)의 적어도 일부는 다른 엔진 부품의 외부에 배열될 수 있으며, 그에 따라 냉각 요구가 낮아질 수 있다. 마지막으로, 프리-챔버(114)를 실린더 벽 내에 배열함으로써, 도면에 도시된 냉각 채널(135)과 같은 냉각 요소를 위한 공간이 더욱 많이 제공된다.
일부 실시형태들이 상세하게 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 이것들로 제한되는 것은 아니며, 이어지는 청구범위에 규정된 주제의 범위 내에서 다른 방식으로도 구현될 수 있다. 특히, 다른 실시형태가 이용될 수 있고 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 구조적 및 기능적 변형이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
여러 수단을 열거하는 장치 청구항에 있어서, 이들 수단 중 일부는 하나의 그리고 동일한 하드웨어 항목에 의해 구현될 수 있다. 특정 조치(measures)들이 서로 상이한 종속항들에서 인용되거나 상이한 실시형태들에서 설명된다는 사실은 이러한 조치들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.
"포함한다(comprises)/포함하는(comprising)"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용될 때, 언급된 특징, 정수(integers), 단계, 또는 구성요소의 존재를 특정하기 위해 취해지지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것이 강조되어야 한다.
실시형태
1. 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기 공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진으로서, 상기 실린더는 실린더 벽을 가지며, 상기 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 상기 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 실린더 내에서 이동 가능하게 배열되며, 상기 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열된 소기공기 유입구를 가지며, 상기 연료가스 공급 시스템은 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되는 연료가스 밸브를 포함하여 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기와 연료가스의 혼합물이 점화되기 전에 압축되는 것을 허용하며, 여기서 상기 엔진은 상기 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는 프리-챔버를 더 포함하며, 상기 프리-챔버는 상기 실린더 벽에 형성된 제1 개구부를 통해 상기 실린더 내로 개구되며, 상기 프리-챔버는 상기 실린더 내에서 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
2. 실시형태 1에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며, 상기 파일럿 연료 공급 시스템은 상기 프리-챔버에 배열되는 파일럿 연료 밸브를 포함하고, 상기 파일럿 연료 밸브는 상기 프리-챔버 내로 파일럿 연료를 분사하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
3. 실시형태 1 또는 2에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 적어도 하나의 상기 실린더는 베이스 부재 및 프리-챔버 부재를 가지며, 상기 프리-챔버 부재는 상기 베이스 부재의 상부에 배열되고 상기 실린더 커버는 상기 프리-챔버 부재의 상부에 배열되며, 상기 프리-챔버 부재는 상기 프리-챔버 부재의 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고, 상기 프리-챔버는 상기 프리-챔버 부재의 실린더 벽에 형성되는 개구부를 통해 상기 실린더 내로 개구되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
4. 실시형태 3에 따른 2-행정 크로스헤드 내연엔진으로서, 상기 실린더의 상기 프리-챔버 부재는 상기 실린더의 상기 베이스 부재와는 상이한 재료로 만들어지는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
5. 실시형태 1 내지 4 중 어느 하나에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 상기 프리-챔버를 냉각시키기 위한 프리-챔버 냉각 시스템을 더 포함하며, 상기 프리-챔버 냉각 시스템은 상기 프리-챔버로부터 열을 추출해내기 위하여 상기 프리-챔버에 근접하는 냉각 채널을 포함하며, 상기 프리-챔버 냉각 시스템은 상기 냉각 채널을 통해 냉각 유체를 순환시키도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
6. 실시형태 5에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 상기 프리-챔버 냉각 시스템은 냉각 유체의 흐름 및/또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
7. 실시형태 6에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 상기 제어 유닛은, 엔진 부하, 엔진 속도, 및/또는 소기공기와 연료가스의 혼합물의 공기-연료 당량비(λ)에 따라, 냉각 유체의 흐름 및/또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
8. 실시형태 1 내지 7 중 어느 하나에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 상기 프리-챔버는 제1 축선을 따라 연장되는 채널을 통해 상기 제1 개구부에 연결되며, 상기 중심 축선에 대해 수직으로 배열되는 기준평면과 상기 제1 축선과의 사이의 각도는 0도와 80도 사이, 0도와 60도 사이, 0도와 45도 사이, 또는 0도와 30도 사이에 있는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
9. 실시형태 1 내지 8 중 어느 하나에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 상기 엔진은 상기 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는 제2 프리-챔버를 더 포함하며, 상기 제2 프리-챔버는 상기 실린더 벽에 형성된 제2 개구부를 통해 실린더 내로 개구되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
10. 실시형태 1 내지 9 중 어느 하나에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진으로서, 상기 프리-챔버 부재는 실린더 벽을 가지며, 상기 프리-챔버 부재는 상기 실런더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는 프리-챔버를 더 포함하며, 상기 프리-챔버는 상기 실린더 벽에 형성되는 제1 개구부를 통해 상기 프리-챔버 부재 내로 개구되며, 상기 프리-챔버는 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
100: 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진(간단히 '엔진'이라고도 함), 101: 실린더, 102: 소기공기 유입구, 103: 피스톤, 104: 배기 밸브, 105: 연료가스 밸브, 111: 소기 공기 시스템, 112: 실린더 커버, 113: 중심 축선, 114: 프리-챔버, 115: 실린더 벽, 116: 제2 프리-챔버, 117: 베이스 부재, 118: 프리-챔버 부재, 120: 파일럿 연료 밸브.

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 실린더(101), 실린더 커버(112), 피스톤(103), 연료가스 공급 시스템, 및 소기 공기 시스템(111)을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진(100)으로서,
    상기 실린더(101)는 실린더 벽(115)을 가지며, 상기 실린더 커버(112)는 실린더(101)의 상부에 배열되고 배기 밸브(104)를 가지며, 상기 피스톤(103)은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선(113)을 따라 실린더(101) 내에서 이동 가능하게 배열되며, 상기 소기공기 시스템은 실린더(101)의 하부에 배열된 소기공기 유입구(102)를 가지며, 상기 연료가스 공급 시스템은 실린더 벽(115)에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더(101) 내로 분사하도록 구성되는 연료가스 밸브(105)를 포함하여 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기와 연료가스의 혼합물이 점화되기 전에 압축되는 것을 허용하는,
    2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진에 있어서,
    상기 엔진은 상기 실린더(101) 내에서 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된 프리-챔버(114)를 포함하며, 상기 프리-챔버(114)는 프리-챔버의 벽을 가지며, 적어도 하나의 상기 실린더(101)는 베이스 부재(117) 및 프리-챔버 부재(118)를 가지며, 상기 프리-챔버 부재(118)는 상기 베이스 부재(117)의 상부에 배열되고 상기 실린더 커버(112)는 상기 프리-챔버 부재(118)의 상부에 배열되며,
    상기 프리-챔버의 벽을 포함하는 상기 프리-챔버(114)는 상기 프리-챔버 부재(118)의 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되며, 상기 프리-챔버는 상기 프리-챔버 부재의 실린더 벽에 형성된 개구부를 통해 상기 실린더(101) 내로 개구되며,
    상기 프리-챔버 부재(118)는 환형상을 가지며 상기 중심 축선(113) 주위에서 중심이 맞춰지며, 상기 실린더의 상기 프리-챔버 부재(118)는 상기 실린더의 상기 베이스 부재(117)와 상이한 재료로 만들어지며,
    상기 배기 밸브(104)는 배기 밸브 하우징 및 배기 밸브 스핀들을 포함하며, 상기 배기 밸브 스핀들은 상기 배기 밸브 하우징에 대해 이동 가능하고 상기 배기 밸브 하우징은 상기 실린더 커버(112)에 배열되는 것을 특징으로 하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며,
    상기 파일럿 연료 공급 시스템은 상기 프리-챔버에 배열되는 파일럿 연료 밸브(120)를 포함하고, 상기 파일럿 연료 밸브는 상기 프리-챔버(114) 내로 파일럿 연료를 분사하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리-챔버 부재(118)는 상기 프리-챔버(114)와 상기 실린더 커버(112) 사이에 배열되는 하나 이상의 냉각 채널을 구비하는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 프리-챔버를 냉각시키기 위한 프리-챔버 냉각 시스템을 더 포함하며,
    상기 프리-챔버 냉각 시스템은 상기 프리-챔버로부터 열을 추출해내기 위하여 상기 프리-챔버에 근접하는 냉각 채널을 포함하며, 상기 프리-챔버 냉각 시스템은 상기 냉각 채널을 통해 냉각 유체를 순환시키도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 프리-챔버 냉각 시스템은 냉각 유체의 흐름 또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 엔진 부하, 엔진 속도, 또는 소기공기와 연료가스의 혼합물의 공기-연료 당량비(λ)에 따라, 냉각 유체의 흐름 또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리-챔버(114)는 제1 축선을 따라 연장되는 채널을 통해 상기 개구부에 연결되며, 상기 중심 축선(113)에 대해 수직으로 배열되는 기준평면과 상기 제1 축선과의 사이의 각도는 0도와 80도 사이, 0도와 60도 사이, 0도와 45도 사이, 또는 0도와 30도 사이에 있는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은 상기 실린더 벽(115)에 적어도 부분적으로 배열되는 제2 프리-챔버(116)를 더 포함하며,
    상기 제2 프리-챔버(116)는 프리-챔버의 벽을 가지며, 상기 프리-챔버의 벽을 포함하는 상기 제2 프리-챔버(116)는 상기 프리-챔버 부재(118)의 상기 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열되며 상기 제2 프리-챔버(116)는 상기 프리-챔버 부재(118)의 상기 실린더 벽에 형성된 제2 개구부를 통해 실린더 내로 개구되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
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