KR20000006403A - 2행정디젤연소엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 종방향 소기방식(longitudinal scavenging)을 구비하는 2행정 디젤연소엔진, 특히 대형 디젤엔진은 왕복운동이 가능하도록 피스톤이 배열된 적어도 하나의 실린더(2)를 가지고, 상기 실린더(2)는 연소가스를 배출시키는 출구 밸브(5) 및 소기용 공기가 통과하여 실린더(2) 속으로 도입될 수 있는 복수의 소기용 개구부(21)를 가진다. 실린더(2)에는 각 경우에 연소 공정에서 발생하는 연소가스의 일부가 실린더(2) 내에 남아있도록 소기를 감소시키는 수단이 배설된다.

Description

2행정 디젤연소엔진 {TWO-STROKE DIESEL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 종방향 소기방식(longitudinal scavenging)을 구비한 2행정 디젤연소엔진에 관한 것으로, 특히 대형 디젤연소엔진에 관한 것이다.

디젤연소엔진의 작동에서, 환경을 오염시키는 질소산화물(NOx)이 일반적으로 다량 발생된다. 따라서 환경보호를 위해 NOx 방출이 현저히 저감된 디젤연소엔진의 개발에 많은 노력이 경주되어 왔다. NOx 방출의 감소는 예를 들면 질소산화물의 선택적인 촉매 환원반응(catalytic reduction)에 의해 실현될 수 있다. 그러나, 특히 선박 구동을 위해 일반적으로 사용되는 대형 디젤연소엔진에 있어서, 공간상의 이유로 해서 대응하는 외형치수를 가지는 촉매전환기(catalytic converter)를 구비하는 것이―가능하다고 해도―매우 어려운 것이 보통이다. 따라서 무엇보다 이른바 1차적인 대책의 개발은 실린더의 연소실에서의 질소산화물 발생이 감소되는 방법에 집중되었다.

또한 종방향 소기방식의 2행정 디젤연소엔진에 있어서 예를 들면 소기용 공기(scavenging air)의 산소 함량을 감소시키도록 연소가스가 실린더 외부에서 소기용 공기 즉 신선한 공기와 혼합되는 것(외부 배기가스의 재순환)이 공지되어 있다. 이것은 연소 공정에서 발생하는 NOx의 양을 줄이는 효과를 갖는다. 그러나 이 방법에서의 결점은 연소가스의 적어도 일부가 터보과급기(turbocharger)의 압축기를 통해 이송되어야 하므로 압축기 및 압축기 중간냉각기(intercooler)를 상당히 오염시키게 되거나, 또는 연소가스가 먼저 압축기의 고압측에서만 신선한 공기에 공급되는 경우에 연소가스의 압축을 위해 추가로 펌프가 제공되어야 한다는 점이다. 그러나 여기에서 후자의 경우에도 마찬가지로 압축기 중간냉각기가 오염되는 결점이 있을 수 있다.

따라서, 유럽특허출원 제EP-A-653558호에서, 터빈 및 압축기를 구비한 터보과급기를 포함하는 2행정 디젤연소엔진의 배기 가스에서의 질소산화물의 양을 줄이는 방법으로서 내부 배기 가스 재순환이라고 지칭할 수 있는 방법이 제안되어 있다. 이 방법에 따르면, 각 경우에 연소 공정에서 발생하는 연소가스의 일부분이 실린더 내에 잔류된다. 이어지는 압축 스트로크에서 상기 잔류된 배기 가스는 유입된 신선한 공기와 혼합물을 형성하여 신선한 공기에 비하여 산소 농도가 저하됨으로써 후속하는 연소 공정에서 질소산화물이 적게 발생하게 된다. 이렇게 해서 실린더에서 나오는 연소가스로부터의 소기가 불완전하고 배기 가스의 많은 부분이 각 경우에 실린더 내에 잔류한다는 점에서 저하된 즉 감소된 소기가 의도적으로 실현된다.

유럽특허출원 제EP-A-653558호에 따라 실린더 외부에 제공된 수단을 통해 실린더 내의 연소가스의 일부를 잔류시킬 수 있다. 따라서 압축기의 출구와 실린더의 입구 사이의 신선한 공기의 일부를 제거함으로써 통상 사용되는 양보다 적은 양의 신선한 공기가 실린더 내부로 들어가서 압축 스트로크 내의 통상적인 양보다 적은 양의 배기 가스가 들어오는 방법이 제안된다. 대안으로서, 터보과급기의 터빈을 통과하여 실린더를 빠져나가는 연소가스의 일부를 유도하여 그에 따라 적은 양의 신선한 공기가 압축기에서 실린더로 공급되도록 하는 방법이 또한 제안된다. 따라서 이 변형된 방법에서는 압축기를 구동하는 터빈의 동력이 감소됨으로써 신선한 공기의 공급량이 감소된다.

특히 실린더 내에 잔류하는 연소가스의 양이 많은 경우에는 실린더 내의 온도가 더욱 높게 상승할 수 있다. 이러한 현상은 유럽특허출원 제EP-A-653558호에 개시된 바와 같이 적어도 압축 스트로크 공정의 일부분 기간동안 물을 실린더 내에 존재하는 신선한 공기/배기 가스 속으로 분사함으로써 억제될 수 있다.

이러한 종래 기술에서 출발하여 본 발명의 목적은 연소 공정에서 발생하는 배기 가스의 일부가 실린더 내에 잔류하는 점에서 실린더의 소기(掃氣)를 의도적으로 저해시킴으로써 질소산화물의 방출이 감소될 수 있는 종방향 소기방식을 구비하는 새로운 2행정 디젤연소엔진을 제공하는 것이다. 본 발명은 특히 고효율의 이러한 종류의 대형 디젤연소엔진을 가능하게 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 2행정 디젤연소엔진의 일 실시예의 요부를 부분적으로 도해한 예시도이다.

상기 목적을 충족하는 2행정 디젤연소엔진은 청구범위의 독립 청구항의 특징을 가진다.

따라서 본 발명에 따르면, 왕복운동을 할 수 있도록 피스톤이 배열된 적어도 하나의 실린더―여기서 상기 실린더는 연소가스를 배출하기 위한 하나의 출구 밸브 및 소기 공기가 실린더 내로 통과하여 도입될 수 있는 복수의 소기용 개구부를 가짐―를 가지며 종방향 소기방식을 구비한 2행정 디젤연소엔진, 특히 대형 디젤연소엔진이 제공된다. 상기 실린더에는 각 경우에 연소가스의 일부분이 실린더에 잔류하도록 소기를 감소시키기 위한 수단이 제공된다.

실린더 내의 배기 가스의 일부를 잔류시키고 또한 실린더 외부에 배열되는 수단을 제안하는 유럽특허출원 제EP-A-653558호와 대조적으로, 본 발명에 따른 디젤연소엔진에서는 그러한 수단이 실린더에 바로 제공되거나 실린더 내에 일체화된다. 본 발명에 따라 실린더에 형성된 수단에 의해 NOx를 감소시키기 위한 불완전한 소기라는 소정의 효과를 달성하는 해법은 원칙적으로 실린더 외부에 예를 들면 압축기와 실린더 사이에 신선한 공기를 배출하기 위한 추가의 구조적 수단이 필요치 않으므로 매우 단순하며 장치가 복잡하거나 비싸지 않다.

소기용 개구부의 축방향 높이는 소기를 줄이기 위한 수단으로 작용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 소기용 개구부의 축방향 높이, 즉 실린더의 종축방향에서의 상기 개구부가 연장되는 범위는 피스톤 스트로크의 5% 이하, 바람직하게는 4% 이하이다. 실제 경험의 결과, 상기 실시예는 소기용 개구부가 피스톤 스트로크의 약 2% 내지 3%의 축방향 높이를 가지는 경우에 특히 바람직하다. 종방향 소기방식을 구비한 공지의 대형 디젤연소엔진에 비하여 크게 감퇴된(depressed) 소기용 개구부의 형상 또는 실린더의 종축의 방향을 통하여 유입되는 신선한 공기 또는 소기용 공기 각각에 대한 흐름의 단면이 감소됨으로써 소기용 개구부 상의 압손실이 크고 그 결과 전술한 의미에서 실린더의 저하된 소기가 달성된다. 따라서 앞선 연소 공정에서 발생한 연소가스의 일부가 실린더에 잔류하고, 이로부터 다음의 연소 공정에서의 질소산화물의 현저한 감소가 이루어진다.

출구 밸브의 흐름 단면이 또한 소기를 감소하는 수단으로 기능할 수 있다. 마찬가지로, 종래의 디젤연소엔진에 비하여 상기 흐름 단면의 감소를 통해 매번 연소 공정에서 발생하는 연소가스의 일부가 실린더 내에 잔류하는 것이 실현될 수 있다. 실제로 실린더 보어(bore)에 대한 출구 밸브의 흐름 단면의 비가 최대 0.4이고 특히 약 0.3 내지 0.4의 범위가 되도록 출구 밸브를 설계하는 것이 효과적인 것으로 입증되었다.

저하된 소기 즉 감소된 소기의 효과는 각각 소기용 개구부만의 대응 설계 및 출구 밸브만의 대응 설계를 통해 달성될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예는 상기 두가지 대책이 결합되어 있는 것, 즉 소기용 개구부의 축방향 높이가 낮고 출구 밸브의 흐름 단면이 비교적 작은 것이 바람직하다. 특히 상기 두가지 대책의 이상적인 결합을 통해 특히 경제적인 동시에 오염원이 적은 대형 디젤연소엔진을 실현할 수 있다.

실린더에서의 공기의 흐름이 종래의 대형 디젤연소엔진에 비하여 예를 들면약 30% 만큼 현저히 적기때문에 상대적으로 크기가 작거나 갯수가 적은 과급유닛(charging unit)(터보과급기) 및 압축기 중간냉각기가 본 발명에 따른 디젤연소엔진용으로 사용될 수 있다. 이것은 한편으로 점유 공간이 감소되고 다른 한편으로는 이들 구성요소에 대한 비용이 절감되므로 유리하다.

소기용 개구부의 감퇴된 설계, 즉 피스톤의 스트로크에 대한 감소된 축방향 높이는 추가적으로 피스톤의 팽창 스트로크가 실질적으로 더 길다는 큰 이점을 가진다. 이것은 효율의 향상 및 연료 소모의 감소를 가져옴으로써 디젤연소엔진이 더욱 효율적으로 동작하기 때문에 특히 열역학적 관점에서 바람직하다.

더욱 효과적인 대책은 실린더 내에 물을 도입하기 위해 본 발명에 따른 2행정 디젤연소엔진 내에 적어도 한 개의 물 분사노즐(water injection nozzle)을 제공하는 것이다. 이렇게 함으로써 소기의 감소에 의해 야기될 수 있는 실린더 내의 온도 수준이 크게 상승하는 것을 효과적으로 상쇄할 수 있다. 여기서 물의 도입이 피스톤의 압축행정 중에 일어나도록 상기 물 분사노즐을 제어하는 것이 바람직하다. 상기 물 분사노즐은 물이 대부분 고온의 연소가스 속으로 주입되어 급격히 증발되도록 배설(配設)되는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 물 분사노즐은 예를 들면 연료 분사노즐 부위의 실린더 커버 내에 배설된다.

열역학적으로 바람직하고 경제적인 디젤엔진의 작동은 특히 크게 감퇴된 소기용 개구부 및/또는 출구 밸브의 비교적 작은 흐름 단면을 결합하여 달성될 수 있다. 특히 소기용 개구부의 감퇴된 설계 및 그 결과로 이루어지는 소기용 개구부가 피스톤에 의해 막히지 않는 동안 상대적 단축에 의해, 처음에 피스톤의 압축 행정에서 상대적으로 저온의 신선한 공기 즉 소기용 공기가 소기용 개구부에 근접한 실린더 하부에 주로 농축된 상태로 가스의 층을 형성하고, 선행 연소 공정에서 발생된 고온의 연소가스가 출구 밸브에 근접한 실린더 상부에 농축된다. 따라서 이러한 초기의 가스 층 형성에 의해 고온의 연소가스가 신선한 공기와 실질적으로 혼합되기 전에 물을 대부분 상기 고온의 연소가스 속으로 주입할 수 있다. 이에 따라 주입된 물이 매우 양호하게 증발되어 이어지는 연소 공정에 유리한 작용을 한다.

물 분사노즐의 제어는 물 분사노즐이 출구 밸브를 닫은 직후 실린더 내부로 물을 분사하도록 이루어지는 것이 바람직하며, 그 이유는 실린더에서의 가스의 층 형성이 이때 가장 뚜렷하게 형성되기 때문이다. 상기한 물의 도입은 실린더 내부로 연료분사가 시작되기 전에 종료되는 것이 바람직하다.

또한, 대형 디젤엔진에서 특히 출구 밸브에 대면하고 있는 실린더 상부에 가능한 한 균일하게 물을 분배하기 위해서 각 실린더에 복수개의 물 분사노즐이 장착되는 것이 유리하다. 하나의 실린더당 물 분사노즐의 수는 예를 들면 실린더당 연료 분사노즐의 수와 동일할 수 있다. 특히 감퇴된 소기용 슬릿 및/또는 물 분사를 가진 출구 밸브의 작은 흐름 단면을 결합함으로써 NOx 방출에 관하여 매우 엄격한 규제에도 부합하고 환경보호를 위해 정해진 규제치 이하에 있는 동시에, 비교 대상으로서 물 분사 없이 작동하는 대형 디젤엔진의 연료소모량을 초과하지 않는 저연료 소모 성능을 가지는 2행정 디젤엔진이 가능하게 된다. 또한 매우 경제적이고 오염물이 배제된 디젤엔진을 종래의 엔진에 비하여 합리적 가격으로 제조할 수 있다는 이점이 있다. 촉매전환기를 사용하는 방법에 비하여 본 발명에 따른 디젤엔진이 일반적으로 더 경제적으로 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 추가의 유리한 방법 및 바람직한 실시예가 종속항에 의해 달성된다.

본 발명은 도면 및 실시예를 참고하여 이하에서 더욱 구체적으로 설명된다. 단 하나의 도면이 개략도로서 제시되며 이것은 축척도가 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 2행정 디젤연소엔진―여기서 도면부호 1로 그 전체를 표기함―의 실시예로서 통상 복수의 실린더(2) 중 하나를 개략적으로 도시한다. 종방향 소기의 원리에 따라 작동하는 2행정 디젤연소엔진(1)은 예를 들면 선박의 추진에 적합한 대형 디젤엔진으로 사용된다. 실린더(2)에는 실린더(2)의 종방향 축(A)을 따라 왕복운동을 할 수 있도록 피스톤(3)이 배열된다. 실린더(2)의 보어(B)는 대형 디젤엔진의 경우 일반적으로 약 1000mm에 달한다.

상기 피스톤(3)은 본질적으로 공지의 방식으로 피스톤 봉(4)에 의해 도시되지 않은 크로스헤드(cross head)에 연결되는데, 상기 피스톤 봉(4)은 타단부에서 크랭크샤프트(도시되지 않음)에 접속되는 스러스트 로드(thrust rod)(도시되지 않음)에 피봇방식으로 연결된다.

실린더(2)는 도면에서 도면부호 V로 표시된 화살표로 도시되어 있는 바와 같이 종방향 축(A)에 대하여 중앙에 배열되는 출구 밸브(5)가 연소가스를 외부로 인도하도록 형성되어 있는 실린더 커버(7)에 의해 밀폐된다. 출구 밸브(5)는 연소가스가 실린더의 연소실에서 통과해 나와 배출가스 시스템(화살표 V) 내로 들어갈 수 있는 출구 덕트(52) 및 자신의 위치에 따라 연소실과 출구 덕트(52) 사이의 통로를개폐하는 구동가능한(actuatable) 밸브 플레이트(51)를 포함한다.

대형 대젤엔진에서 통상 그러하듯이, 연료가 통과하여 실린더(2)로 도입될 수 있는 하나 이상의 연료 분사노즐(6)이 마찬가지로 실린더 커버(7)에 배열된다. 또한 본 명세서에서 기술되는 실시예에서는, 실린더(2) 내부로 물을 분사하기 위해 적어도 하나의 물 분사노즐(8)이 제공되어 역시 실린더 커버(7)에 배설된다. 균일한 물 분사를 실현하기 위해 예를 들면 연료 분사노즐(6)의 갯수만큼 복수개의 물 분사노즐(8)이 제공되는 것이 바람직하다. 물 분사노즐(8)은 도시되지 않은 물 분사장치(water injection apparatus)―상기 물 분사장치는 물 분사노즐(8)에 물을 공급하고 모터의 작업 사이클에 상대적인 소정의 시간 간격에 소정의 압력으로 물 분사가 일어나도록 물 분사노즐(8)을 제어함―와 연결되어 있다. 상기 물 분사장치는 공통 궤도 원리(common rail principle)에 따라 작동되는 것이 바람직하다.

도시된 바와 같이 실린더(2)의 하부 영역에는 소기용 공기로 칭하기도 하는 신선한 공기가 통과하여 도면부호 S로 표시된 화살표로 나타낸 바와 같이 실린더(2) 내부로 도입될 수 있는 복수개의 소기용 개구부(21)가 형성되어 있다. 피스톤(3)이 도시된 바와 같이 하향하여 진행되는 팽창 행정에서 소기용 개구부(21)를 통과하자마자 신선한 공기가 상기 소기용 개구부(21)를 통해 실린더(2)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 이어지는 압축 행정에서 피스톤(3)은 상기 소기용 개구부(21)를 폐쇄함으로써 소기용 공기가 더이상 실린더(2)의 내부 공간으로 들어올 수 없게 된다.

상기 출구 밸브(5) 및 소기용 개구부(21)는 매번 연소 공정에서 발생하는 연소가스의 일부분이 실린더 내에 잔류함으로써 실린더 내에 있는 가스(신선한 공기 및 연소가스)의 산소 농도를 낮추게 되는 방식으로 설계된다. 이러한 방법을 통해 후속하는 연소 공정에서 현저히 적은 질소산화물이 생성되고, 그 결과 디젤연소엔진(1)이 작동중에 환경 오염물을 적게 생성하게 된다.

본 명세서에서 기술되는 바람직한 실시예에서, 상기 출구 밸브(5)는 출구 덕트(52)의 직경에 실질적으로 대응하는 흐름 단면(D)이 실린더(2)의 보어(B)의 0.4배 이하가 되도록 설계된다. 실린더(2)의 보어(B)에 대한 출구 밸브(5)의 흐름 단면(D)의 비는 약 0.3 내지 0.4 범위인 것이 바람직하다. 출구 밸브(5)의 흐름 단면(D)이 비교적 작기 때문에 결과적으로 실린더(2)의 연소실에서 유출되는 가스의 체적이 감소되고 그 결과 소망하는 바와 같이 실린더(2)의 소기 저하가 이루어진다.

소기용 개부구(21)로서 실린더(2)의 외주에 분배되어 있고 매번 축방향―여기서 축방향은 실린더(2)의 종방향 축(A)의 방향을 의미함―으로 연장되는 복수의 소기용 슬릿(scavenging air slit)(21)이 배설된다. 상기 소기용 개구부(21)는 축방향 높이(H)―이것은 실린더(2)의 종방향 축(A)의 방향으로 개구부가 연장됨을 의미함―를 가지며, 상기 높이는 피스톤(3)의 스트로크의 5% 이하, 특히 4% 이하, 가장 바람직하게는 2 내지 3%의 범위에 있다. 여기서 "피스톤의 스트로크"라 함은 피스톤의 두개의 데드 센터(dead center) 사이의 경로를 의미하는 기하학적 스트로크임을 이해해야 한다.

이하에서 "감퇴된(depressed)"것으로 지칭되는 소기용 개구부(21)의 이와 같은 설계는 실린더(2) 내부로 유입되는 소기용 공기를 위한 흐름 단면이 공지의 디젤엔진에 비하여 크게 감소되어 소기용 개구부(21)를 전후하여 압력강하를 크게하는 결과를 가져온다. 또한 감퇴된 설계에 의해 소기용 공기가 소기용 개구부(21)를 통하여 실린더의 내부 공간으로 들어오는 소요 시간이 단축되며, 그 결과 소기용 공기의 체적이 종래의 소기용 슬릿에 비하여 예를 들면 30% 만큼 현저히 적기 때문에 총체적으로 실린더(2)의 저감된 소기(worse scavenging)를 초래한다. 본 실시예에서 감퇴되는 방식으로 설계된 소기용 개구부(21)와 출구 밸브(5)의 축소된 흐름 단면(D)의 결합을 통해 달성되는 상기 저감된 소기는 연소에 의해 발생하는 연소가스가 소기 위상(scavenging phase) 중 출구 밸브(5)를 통해 전량 배출되는 것이 아니고, 이들 연소가스의 일부분이 실린더(2) 내에 잔류하는 것을 의미한다.

소기용 개구부(21)의 감퇴된 설계는 압축비가 증가되는 것을 통해 또한 피스톤의 팽창 스트로크가 현저히 길어지는 이점을 가진다. 이점은 특히 열역학적 관점에서 바람직하다. 즉, 디젤연소엔진의 효율은 증대되고 연료 소모는 감소된다.

실린더(2)에 소기용 공기를 공급하는 것은 예를 들면 터빈 및 압축기를 포함하는 터보과급기를 사용하여 행해질 수 있다. 이러한 종류의 터보과급기는 본질적으로 충분히 알려져 있으므로 여기서는 간략하게만 설명한다. 출구 밸브(5)의 출구 덕트(52)를 통해 흐르는 연소가스(화살표 V 방향)는 먼저 배출가스 수용부(exhaust gas receiver)에 도달하고 여기에서 통상 복수개의 실린더의 연소가스가 합쳐진다. 이곳으로부터 가스는 터보과급기의 터빈으로 흘러 터빈을 구동한다. 터빈은 신선한 공기를 흡입하여 압축하는 압축기를 구동시킨다. 신선한 공기는 압축기로부터 충전 공냉기(charging air cooler)를 통해 통상 복수의 실린더(2)에 연결되어 있는 입구 수용부(inlet receiver)에 도달한다. 신선한 공기가 가압상태에 있는 입구 수용부와 실린더(2) 사이에는 분배 링(distributor ring)이 위치하며, 이 분배 링을 통하여 신선한 공기가 통과하여 실린더의 소기용 개구부(21)에 도달한다.

특히 실린더(2)가 여러개인 대형 디젤엔진에서, 소기에 필요한 체적의 압축공기가 제공될 수 있도록 통상 복수의 터보과급기가 모터 전체에 배설된다. 본 발명에 따른 디젤연소엔진이 소기에서 현저히 감소된 체적의 공기로 동작하기 때문에, 터빈, 압축기 또는 투입 공기 냉각기와 같은 각각의 터보과급기의 구성요소가 각각의 경우에 더 작은 치수를 가질 수 있고; 또는 더 적은 수의 터보과급기가 배설될 수 있다. 이점은 특히 공간적 이유 및 경제적 관점에서 유리하다.

다음에 본 발명에 따른 2행정 디젤연소엔진의 바람직한 실시예의 동작을 작업 사이클을 참고하여 설명한다.

피스톤(3)이 상부 데드 센터 영역에 위치할 때 연료-가스 혼합물이 점화한다. 피스톤(3)은 자신의 팽창 스트로크를 실행한다. 즉 도시된 바와 같이 피스톤이 하향운동을 한다. 이 팽창 스트로크 과정에서 출구 밸브(5)가 열리고 연소가스는 실린더(2)로부터 유출될 수 있다. 피스톤(3)의 상부 에지가 소기용 개구부(21)를 통과하자마자 터보과급기에 의해 준비된 신선한 공기가 실린더 내부로 유입되기 시작한다. 피스톤(3)이 하부 데드 센터를 지나간 후에 피스톤(3)의 압축 스트로크가 시작되는데, 이것은 도시된 바와 같이 피스톤이 상향운동하는 것을 의미한다. 피스톤(3)의 상부 에지가 소기용 개구부(21)를 통과하자마자 피스톤이 상기 개구부를 폐쇄함으로써 실린더(2)의 내부 공간으로 더이상 소기용 공기가 들어올 수 없다. 계속되는 압축 스트로크 과정에서 출구 밸브(5)가 닫힘으로써 더이상 가스가 출구 밸브(5)를 빠져나가지 못한다. 실제적인 압축이 시작된다. 소기용 개구부(21)의 감퇴된 설계, 즉 비교적 작은 축방향 높이 H를 통해, 한편으로는 소기용 흐름 단면이 더 작고, 다른 한편으로 소기용 공기가 실린더(2) 속으로 들어올 수 있는 시간이 단축된다. 이점은 출구 밸브(5)의 감소된 흐름 단면(D)과 함께 결과적으로 앞에서 언급한 소기의 저하를 가져오고, 이것은 출구 밸브(5)가 닫힌 후 연소가스의 일부가 여전히 실린더 내에 잔류한다는 것을 의미한다. 또한, 상기 감퇴된 설계가 소기용 공기와 실린더(2) 내의 연소가스의 혼합이 보다 느리게 일어나게 한다. 따라서 출구 밸브가 닫힌 후에 신선한 공기와 연소가스가 여전히 층을 이룬 형태로 실질적으로 존재한다. 그와 같이 잔류하는 고온의 연소가스는 도면에서 주로 실린더(2)의 상부에 위치하는 반면에, 신선한 공기는 실린더(2)의 하부 영역에 집중된다. 물 분사노즐(8)에 의한 실린더(2) 내부로의 물 분사는 이러한 층형성 단계에서 일어나는 것이 바람직하다. 따라서 물 분사장치는 출구 밸브(5)가 닫힌 직후에 특히 물 분사가 시작되도록 물 분사노즐(8)을 제어한다. 연소가스와 소기용 공기의 층형성 결과로 아직 고온인 연소가스에 물이 주로 분사됨으로써 매우 양호한 물의 증발이 보장된다. 실린더 내의 온도를 효율적으로 낮추어 주는 물 분사는 예를 들면 크랭크 샤프트 각도가 약 10°내지 30°일 때 일어날 수 있다. 상기 물 분사장치는 연료분사가 시작되기 전에 물 분사가 끝나도록 물 분사노즐(8)을 제어하는 것이 바람직하다. 계속되는 압축 스트로크 과정에서, 이제는 물에 의해 냉각된 연소가스는 소기용 공기와 더 많은 양이 혼합함으로써 소기용 공기에 비하여 산소 함량이 현저히 감소된 가스 혼합물이 형성된다. 피스톤(3)이 상부 데드 센터 영역에 위치할 때, 연료 분사 노즐(8)에 의해 상기 산소결핍 가스 혼합물 속으로 연료가 분사된다. 그러면 이어지는 연소과정에서 질소산화물이 적게 발생된다. 연소가 끝난 후 전술한 작업 사이클이 다시 시작된다.

이상과 같이 설명한 바람직한 실시예와는 달리 물 분사가 일어나지 않도록 디젤연소엔진을 설계하는 것도 원리상 가능하다.

특히 감퇴 방식으로 설계된 소기용 개구부(21), 출구 밸브(5)의 작은 흐름 단면(D) 및 물 분사와 함께 전술한 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 종방향 소기방식을 구비한 이상적인 2행정 대형 디젤엔진이 가능하고, 이 디젤엔진은 한편으로 오염물질 방출을 감소시킴으로써 엄격히 규정된 한계치 이하를 유지하고, 다른 한편으로 현저히 향상된 효율 및 특히 공지의 물 분사형 대형 디젤엔진에 비하여 저감된 연료 소모를 나타낸다.

특히 축방향 높이(H)가 피스톤(3) 스트로크의 약 2% 내지 3%인 소기용 개구부를 구비함으로써 악화된(저감된) 소기 및 열역학적으로 유리한 팽창 스트로크의 연장이라는 두 가지 효과의 조합이 특히 유리한 결과를 가져오는 것이 실제로 입증되었다.

또한 본 발명에 따른 2행정 디젤연소엔진에서 상기 두 가지 방법, 즉 한편으로 소기용 개구부(21)의 감퇴된 설계 및 다른 한편으로 출구 밸브(5)의 작은 흐름단면(D) 중 어느 하나만을 구현하여도 자연히 저감된 소기가 실현될 수 있다. 그러나 예를 들면 소기용 개구부에서 소기용 공기의 유속이 원치않는 큰 값을 가지는 것을 피할 수 있으므로 두 가지 방법이 서로 결합되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 디젤엔진에서 출구 밸브(5)를 통해 흐르는 연소가스 전체를 터보과급기의 터빈으로 인도하지 않고, 예를 들면 이미 인용한 EP-A-653 558에서 기술한 바와 같이 유출되는 연소가스의 일부가 터빈을 통과하도록 인도하는 것도 명백히 가능하다.

본 발명에 의해 종방향 소기방식을 구비한 이상적인 2행정 대형 디젤엔진이 가능하고, 이 디젤엔진은 한편으로 오염물질 방출을 감소시킴으로써 엄격히 규정된 한계치 이하를 유지하고, 다른 한편으로 효율이 현저히 향상되며 특히 공지의 물 분사형 대형 디젤엔진에 비하여 연료 소모가 적다.

Claims (10)

1. 종방향의 소기방식(longitudinal scavenging)을 구비하는 특히 대형인 2행정 디젤연소엔진에 있어서,

   피스톤이 왕복운동을 할 수 있도록 배설되어 있는 적어도 하나의 실린더(2)―여기서 실린더(2)는 연소가스를 이송하여 배출하기 위한 출구 밸브, 및 실린더(2) 내부로 소기용 공기(scavenging air)가 통과하여 도입될 수 있는 복수의 소기용 개구부(21)를 가짐―를 포함하고,

   매번 연소 공정에서 발생하는 연소가스의 일부분이 상기 실린더(2) 내에 잔류하도록 소기를 감소시키기 위한 수단이 상기 실린더(2)에 제공되는

   2행정 디젤연소엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 소기용 개구부(21)의 축방향 높이(H)가 소기를 감소시키기 위한 수단으로서의 역할을 하는 2행정 디젤연소엔진.
3. 제2항에 있어서,

   상기 소기용 개구부(21)의 축방향 높이(H)가 피스톤(3)의 스트로크의 5% 이하, 바람직하게는 4% 이하, 특히 바람직하게는 약 2% 내지 3%인 2행정 디젤연소엔진.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 출구 밸브(5)의 흐름 단면(flow cross-section)(D)이 상기 소기를 감소시키기 위한 수단으로서의 역할을 하는 2행정 디젤연소엔진.
5. 제4항에 있어서,

   상기 실린더(2)의 보어(bore)(B)에 대한 상기 출구 밸브(5)의 흐름 단면의 비율이 최대 0.4이고 바람직하게는 약 0.3 내지 0.4인 2행정 디젤연소엔진.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 실린더(2) 내부로 물을 도입하기 위해 물 분사노즐(water injection nozzle)(8)이 추가로 배설되는 2행정 디젤연소엔진.
7. 제6항에 있어서,

   물이 대부분 연소가스 속으로 분사되도록 상기 물 분사노즐(8)이 배설되는 2행정 디젤연소엔진.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 출구 밸브(5)가 닫힌 후에 상기 물 분사노즐(8)이 상기 실린더(2) 내부로 물을 분사하도록 제어되는 2행정 디젤연소엔진.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   연료의 분사가 시작되기 전에 물의 도입이 종료되도록 상기 물 분사노즐(8)이 제어되는 2행정 디젤연소엔진.
10. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    각각의 실린더(2)에 복수의 물 분사노즐(8)이 배설되는 2행정 디젤연소엔진.