KR20040005589A - 왕복 내연기관의 작동 방법 - Google Patents

왕복 내연기관의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라, 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1), 특히 대형 디젤 기관의 작동을 위한 방법이 제안된다. 상기 왕복 내연기관(1)은 배기 밸브(3) 및 소기 슬롯(4)의 형태로 구성되는 소기 공기 개구를 갖는 실린더(2), 및 상기 실린더(2)의 연소실(22)로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈(9)을 구비한 공기(11) 압축용 과급기 그룹(supercharger group)(7)을 포함하고, 상기 실린더(2) 내에서 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 가동면(6)을 따라 왕복 운동할 수 있고, 압축된 상기 공기는 소기 공기(12)로서 상기 소기 슬롯(4)을 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22)로 공급되고, 상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1)의 적어도 하나의 실린더(2)는 4행정 방법에 따라 동작된다.

Description

왕복 내연기관의 작동 방법 {A METHOD FOR THE OPERATION OF A RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 왕복 내연기관의 작동 방법 및 각 카테고리의 독립항의 전반부에 따른 방법에 따라 작동되는 왕복 내연기관에 관한 것이다.
전기 에너지의 발생을 위하여 선박 또는 고정식 설비용 대형 디젤 기관과 같은, 왕복 내연기관의 출력을 증가시키기 위하여, 연소 사이클 (combustion cycle) 후에 신선한 공기가 일반적으로 배기 가스 터보차저로 구성되는 과급기 그룹에 의하여 증가된 압력하에서 실린더의 연소실 내부로 유입되고, 배기 가스의 열 에너지 일부는 연소 사이클 후에 상기 실린더의 연소실을 떠나는 것을 이용한다. 이 목적을 위하여, 고온의 배기 가스가 배기 밸브를 오픈함으로써 상기 실린더의 연소실로부터 과급기 그룹으로 공급된다. 상기 과급기 그룹은 압력을 받으면서 과급기 내부로 들어가는 고온의 배기 가스에 의하여 구동되는 터빈(turbine)으로 실질적으로 이루어진다. 상기 터빈은 로터(rotor)를 구동하며, 그 때문에 신선한 공기가 흡입되고 압축된다. 디퓨저(diffuser), 기수분리기(water separator) 및 흡기 리시버(inlet receiver)를 갖는 급기 냉각기(charge cooler)가 흔히 또한 터보차저로 불리는 장치인, 압축기로서 로터를 갖는 터빈의 하부에 배치된다. 여기서부터, 급기(charge) 또는 소기 공기로서 또한 알려진, 압축된 신선한 공기가 대형 디젤 기관의 각 실린더 내부로 최종적으로 공급된다. 따라서 신선한 공기 공급이 증가될 수 있고 상기 연소실 내의 연소 과정의 효율이 상기한 과급기 그룹에 의하여 증가될 수 있다. 대형 디젤 기관의 종류에 따라, 공기의 인피드(infeed)는 실린더에서 다른 위치를 차지한다. 예를 들면, 길이 방향으로 소기되는 2행정 기관으로, 공기가 상기 실린더의 하부 영역에서 가동면에 배치되는 소기 슬롯을 통하여 상기 실린더의 연소실 내부로 유입된다. 4행정 기관으로, 급기가 일반적으로 실린더 헤드에 배치된 하나 이상의 흡기 밸브를 통하여 상기 실린더의 연소실 내부로 유입되고, 또한 2행정 기관은 일반적으로 상기 실린더의 하부 영역에서 소기 슬롯 대신에 실린더 헤드의 흡기 밸브에 꼭 맞는 것으로 알려져 있다.
상기 과급기 그룹의 터빈은 상기 실린더의 연소실로부터 배출되는 고온의 배기 가스에 의하여만 구동되기 때문에, 대형 디젤 기관용 공지된 과급기 그룹만은 특히 스타터 직후 또는 회전 한계의 임의 속도 이하에서 효율적으로 작동하지 못한다. 이것은 예를 들면, 이전 연소 과정에서 발생한 배기 가스가 상기 실린더의 여소실로부터, 다른 것들 중에서, 상기 실린더의 연소실이 소기 사이클 동안 신선한 공기가 충분히 공급되지 않고 따라서 신선한 공기가 충분한 양으로 다음 연소 사이클에 이용될 수 없는 결과를 갖는, 불충분한 정도로만 소기된다는 것을 의미한다. 따라서 상기 과급기 그룹은 왕복 내연기관이 더욱 효율적으로 작동될 수 있도록 회전 한계 속도 이하에서 대응하는 토크 증대를 달성하기 위하여 하나 이상의 추가적인 기계식 또는 전기식 보조 과급기(auxiliary supercharger)에 의하여 일반적으로 보완된다. 일반적으로 보조 과급기는 급기 냉각기의 하부에 배치된 제1 챔버(chamber)로부터 공기를 흡입하고 상기 공기가 또한 소기 슬롯을 통하여 실린더의 연소실 내부로 흐를 수 있는 제2 챔버로 공기를 전달하고, 일반적으로 제1 챔버 내부로의 공기의 역류는 플랩으로 구성되는 차단부재(protections)에 의하여 방지된다. 상기한 보조 과급기는 각각 200 kW 까지의 전력을 갖는, 전기 팬으로서 흔히 구성되고, 일반적으로 대형 디젤 기관의 전체 부하 성능의 대략 10% 내지 50%, 특히 30%와 35%의 사이에서 얻어지는 회전 한계의 속도 이하에서 배기 가스 터보차저를 지원하거나 또는 대체한다. 회전 한계의 속도를 초과하면, 일반적으로보조 과급기가 불필요할 수 있는, 즉 보조 과급기는 스위치로 오프되고 기관은 배기 가스 터보차저에 의하여만 급기된다. 이 상태에서, 즉 상기 보조 과급기의 스위치 오프(switching off) 후, 상기한 플랩은 열리며 따라서 급기 냉각기의 하부에 배치된 제1 챔버로부터 제2 챔버로 급기의 직접 배출을 가능하게 하고, 상기 공기는 소기 슬롯으로 공급된다.
실린더 소기의 개선이 저 부하 영역에서 배기 가스 터보차저의 지원을 위한 보조 과급기의 사용에 의하여 달성될수 있더라도, 그럼에도 불구하고 저 부하 작동에서 공지된 2행정 방법으로 실린더의 연소실은 불충분하게만 소기되어, 신선한 공기가 다음 연소 사이클에서 충분한 양으로 이용될 수 없거나, 또는 신선한 공기의 매우 많은 양이 저속 회전으로 연소실에 공급된다. 이것은 공급되는 공기의 양이 왕복 내연기관의 작동을 위하여 공지된 방법으로 제어 또는 조절될 수 없다는 것을 의미한다.
또한 저 부하 작동에서 상기 배기 가스 터보차저의 지원을 위한 추가적인 보조 과급기의 사용은 실질적인 문제점을 가지고 있다. 보조 과급기를 위한 구입 비용에 부가하여, 추가적인 장치가 그 제어 및/또는 조절을 위하여 설치되어야 한다. 흡기 리시버의 구성은 보조 과급기의 작동 동안 역류 차단부재로 필요 불가결한 상기한 플랩 때문에 비교적 복잡하다. 본래 추가적인 장치는 작동 수단, 예비 부품 및 인원을 위한 관련 부가 비용과 함께 추가적인 서비스 및 수리 노력을 필요로 한다. 또한, 보조 과급기 및 상기 플랩에 의하여 분리되는 제1 공간 및 제2 공간 내부의 흡기 리시버의 분할은 일반적으로 짧고 비교적 많은 공간을 차지하고, 무게를증가시킨다. 또한 보조 과급기의 작동은 예를 들면, 전기 보조 과급기의 작동을 위하여 요구되는 전기 에너지가 이용되어야만 하기 때문에 에너지 관점에서 더욱 바람직하지 못하다. 이것은 보조 과급기의 작동은 결국 무게 추가 때문에 더, 연료 소비를 증가시킨다는 것을 의미한다.
따라서 본 발명의 목적은 특히 미리 설정된 회전 한계 속도 이하의 부하 영역에서 왕복 내연기관의 더욱 효율적인 작동을 가능케하고, 이를 위하여 필요한 추가적인 기계식, 전기식 또는 다른 보조 로더(loaders) 없는, 왕복 내연기관, 특히 대형 디젤 기관의 작동을 위한 방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따라 작동되는 왕복 내연기관을 제공하는데 있다.
기계적 방법 및 장치 관계에서 이들 목적을 만족시키는 본 발명의 내용은 각 카테고리의 독립항의 특징들에 의하여 부여된다.
각 종속항은 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 한 예로서 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관, 특히 대형 디젤 기관의 작동 방법이 제안된다. 상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관은 배기 밸브 및 소기 슬롯의 형태로 구성되는 소기 공기 개구를 갖는 실린더, 및 상기 실린더의 연소실로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈을 구비한 공기 압축용 과급기 그룹을 포함하고, 상기 실린더 내에서 피스톤이 하사점 위치와 상사점 위치 사이에서 가동면을 따라 왕복 운동할 수 있고, 압축된 상기 공기는 소기 공기로서 상기 소기 슬롯을 통하여 상기 실린더의 연소실로 공급되고, 상기 길이방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 적어도 하나의 실린더는 4행정 방법에 따른 적어도 하나의 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도에서 작동된다.
바람직하게 본 발명에 따른 방법은 배기 밸브의 작용 및 연료 분사의 시기가 예를 들면, 대형 디젤 기관의 스타트 후 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도 이하로 배치되는 최저 부하 범위에서 조정되는 방식으로 제어 및/또는 조절될 수 잇는, 대형 디젤 기관, 특히 크로스헤드(crosshead) 대형 디젤 기관의 작동에 사용된다. 최저 부하 범위는 예를 들면, 최대로 도달될 수 있는 왕복 내연 기관의 전체 부하 출력의 대략 10%까지의 부하 범위를 포함할 수 있지만, 최대로 도달될 수 있는 전체 부하 출력의 10%까지로 제한되지 않아야 한다. 기관의 실린더의 연소실로부터 배출되는 고온의 배기 가스를 공급받는 터보차저는 적어도 제1 회전 한계 속도 이하에서 요구되는 출력을 아직 발생시키지 못하고 따라서 일반적으로 전기적으로 작동되고 보조 과급기로서 구성되는 추가적인 팬(fan)에 의하여 일반적으로 지원된다. 회전 한계 속도 이하의 저 부하(low load) 작동에서 배기 가스 터보차저의 지원을 위한 보조 과급기의 사용 때문에, 실린더 소기의 개선이 명백하게 달성될 수 있지만, 공지된 2행정 방법에서 실린더의 연소실은 저 부하 작동에서 불충분하게만 소기되어, 신선한 공기가 충분한 양을 다음 연소 사이클에서 이용될 수 없거나, 또는 신선한 공기의 매우 많은 양이 저 회전 속도에서 연소실로 공급된다. 이것은 공급되는 공기의 양이 왕복 내연 기관의 작동을 위하여 공지된 방법으로 제어 및/또는 조절될 수 없다는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 방법의 사용으로, 한편으로는, 보조 과급기로 구성되는 추가적인 팬이 불필요할 수 있고, 다른 한편으로는,실린더의 연소실 내부로 신선한 공기의 공급이 제어 및/또는 조절될 수 있어, 왕복 내연 기관이 매우 효율적으로 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 다른 변형예에 있어서, 상기 왕복 내연기관은 4행정 방법에 따른 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도 이하의 저 부하 작동으로 작동된다. 소기 공기는 실린더 벽에서 소기 슬롯으로 형성되는 소기 공기 개구를 통하여 실린더의 연소실로 공급되는, 즉 왕복 내연기관은 예를 들면, 길이 방향의 소기 작용을 하는 대형 디젤 기관으로 구성된다.
본 발명에 따른 방법의 변형예에서, 연소실은 적어도 제1 회전 한계 속도 이하에서, 예비 소기 상태를 포함하여 다음에 설명되는 바와 같이, 배기 밸브는 연료 분사가 다음 연소로 발생된 후 및 연소실 내부로 소기 공기의 다음 유입 이전에 예비 소기 상태에서 먼저 열리고 그 다음 닫힌다.
다음 연소와 함께 압축 사이클 후, 고온의 연소 가스는 왕복 내연기관의 실린더의 연소실 내의 작동 압력에서 이용될 수 있어, 피스톤은 180°의 크랭크각에 대응하는 하사점 위치의 방향으로 공지된 방식으로 팽창 사이클로 이동된다. 일반적으로, 실린더에 의하여 둘러싸이는 연소실, 실린더 헤드 및 피스톤이 최대 볼륨을 갖는, 피스톤의 하사점은 크랭크각이 180°이고, 연소실이 최소 볼륨을 갖는 상사점 위치는 크랭크각이 0° 또는 360°이다. 일반적으로 공지된 방식의, 4행정 방법에서, 하사점 위치는 180° 또는 540°의 크랭크각과 관련되고 상사점 위치는 0°, 360° 또는 720°의 크랭크각과 관련된다. 상기 배기 밸브는 연소 진행 직후 처음으로 또한 닫힌다. 연소 다음의 예비 소기 상태에서, 상기 피스톤이 연소 후처음으로 소기 슬롯을 개방하기 전에, 상기 배기 밸브는 예비 소기 상태의 스타트를 나타내는 미리 설정가능한 제1 크랭크각에서 열리고, 제1 크랭크각, 즉 상기 예비 소기 상태의 스타트는 배기 밸브가 실린더의 연소실과 배기 가스 스택 사이에서 열릴 때 연소 가스를 실린더의 연소실로부터 과급기 그룹으로 공급하기에 적당한 압력 차이가 존재하도록 선택되고, 고온의 배기 가스가 압력 차이 때문에 배기 가스 스택을 통하여 터보차저로 들어가고 그곳에서 터빈 그리고 따라서 로터를 구동하도록 선택되어, 압축된 공기는 이때 그 소기 슬롯이 대응하는 피스톤에 의하여 개방되는 실린더의 연소실 내부로의 유입을 위한 소기 공기로서 이용될 수 있다. 이것은 배기 가스의 열 에너지의 일부가 소기 슬롯의 개방 전, 즉 실린더의 연소실 내부로의 소기 공기의 유입 이전에 상기 배기 밸브를 오픈함으로써 공지된 방식으로 터보차저의 터빈을 구동하기 위하여 이미 사용되고 있다는 것을 의미한다.
상기 연소실과 배기 가스 스택 사이의 압력 차이가 실질적으로 보정된다면, 상기 배기 밸브는 예비 소기 상태 동안 제2 크랭크각에서 다시 닫힌다. 연소실에 둘러싸인 볼륨은 하사점 위치의 방향으로 실린더 내에서 피스톤의 더 먼 이동에 의하여 확대된다. 상기 배기 밸브가 닫히기 때문에, 연소실 내의 압력은 흡기 리시버 내의 압력치 이하로 떨어지고, 소기 공기는 소기 슬롯이 피스톤에 의하여 개방될 때 상기 흡기 리시버를 통하여 실린더의 연소실에 도달한다. 예비 소기 상태의 종료를 형성하는 제3 크랭크각에서, 상기 피스톤은 최종적으로 소기 슬롯을 적어도 부분적으로 개방시켜 소기 공기는 흡기 리시버로부터 연소실 내부로 흐를 수 있고, 배기 밸브는 여전히 닫힌 상태로 있다. 상기 소기 공기는 연소실의 예비 소기 상태 동안 흡기 리시버에 대하여 발생되는 저압에 의하여 연소실 내부로 흡입된다. 이것은 소기 공기를 흡기 리시버를 통하여 미리 설정가능한 압력에서 상기 실린더의 연소실 내부로 유입시키는 터보차저가 예비 소기 상태에서 상기 피스톤의 팽창 운동 동안 연소실 내에 발생된 저압에 의하여 그 작용으로 지원된다는 것을 의미한다. 상기 연소실과 흡기 리시버 사이의 최대 압력 차이는 배기 밸브가 예비 소기 상태에서 다시 닫히는 크랭크각에 의존하기 때문에, 소기 슬롯의 개방 후 예비 소기 상태 동안 연소실 내부로 유입되는 신선한 공기의 양은 배기 밸브가 예비 소기 상태에서 닫히는 크랭크각을 미리 설정함으로써 제어 및/또는 조절될 수 있다.
배기 밸브가 명백하게 예비 소기 상태의 스타트 후에 열리지만, 소기 슬롯의 개방 전에 더 이상 닫히지 않도록 실린더의 연소실 내에서 다음 연소 과정까지 전체로 이용될 수 있는 신선한 공기의 특정한 양을 설정하는 것은 물론 가능하다.
예비 소기 상태의 발생 여부, 또는 예비 소기 상태에서 상기 배기 밸브의 다시 닫힘 여부에 따라, 180°의 크랭크각에 대응하는, 하사점 위치 근처에서, 상기 배기 밸브는 다시 열리거나 또는 열린 상태로 있어, 180°와 360° 사이의 크랭크각 범위를 포함하고 주 소기 상태가 시작되는 다음 압축 행정에서, 배기 가스의 일부는 배기 밸브를 통하여 배기 가스 스택을 경유하여 과급기 그룹에 공급된다. 바람직하게 상기 배기 밸브는 피스톤이 압축 행정 동안에 소기 슬롯을 다시 닫을 때까지 적어도 오랫동안 배기 가스의 일부의 배출을 위하여 열린 상태로 있고, 그 다음 미리 설정가능한 제4 크랭크각에서 주 소기 상태의 시작에서 닫힌다. 바람직하게 상기 배기 밸브의 작용은 왕복 내연기관의 회전 속도 및/또는 크랭크각 및/또는상기 실린더의 연소실 내부의 가스 압력 및/또는 상기 실린더의 연소실 내의 온도 및/또는 상기 과급기 그룹의 회전 속도 및/또는 상기 과급기 그룹 내의 가스 압력 및/또는 상기 과급기 그룹 내의 온도 및/또는 상기 왕복 내연기관의 다른 작동 파라미터(parameters)에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛(control unit)에 의하여 제어 및/또는 조절된다.
이와 관련하여, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형예에서, 주 소기 상태가 시작되는 크랭크각은 대략 270°이다. 또한 상기 배기 밸브가 크랭크각의 다른 값에서 닫히고, 따라서 주 소기 상태가 크랭크각의 다른 값에서 시작하는 것도 물론 가능하다. 따라서 주 소기 상태는 단지 360°이상의 크랭크각에서도 특히 시작될 수 있다.
또한 배기 밸브가 피스톤에 의하여 소기 슬롯의 반복되는 개방까지 더 이상 닫히지 않도록 실린더의 연소실 내부에서 다음 연소 과정까지 전체로 이용될 수 있는 신선한 공기의 특정한 양을 설정하는 것도 가능하고, 즉 주 소기 상태가 생략될 수도 있다.
이와 관련하여, 적어도 180°와 540°사이의 크랭크각 범위에서, 즉 주 소기 상태 범위 내에서 연료 분사가 전혀 발생되지 않는다. 주 소기 상태가 발생되면, 소기 공기와 연소실 내에 있는 아직 배출되지 않은 가스의 혼합물은 피스톤이 360°의 크랭크각에 대응하는 상사점 위치에 도달할 때까지 상사점 위치의 방향으로 상기 피스톤의 더 먼 압축 운동에 의하여 매우 오랫동안 압축된다. 상기 실린더의 연소실 내의 압력은 540°의 크랭크각에서 하사점 위치의 방향으로 상기 피스톤의다음 팽창 운동에 의하여 여전히 닫혀 있는 상기 배기 밸브로 다시 떨어진다. 180°와 360°사이의 압축 행정에서 소기 슬롯의 닫힘 후에 닫히는 배기 밸브로 상기 피스톤의 경로(path)가 360°의 크랭크각에서 상사점 위치와 소기 슬롯의 반복된 개방 사이의 다음 팽창 행정에서 상기 피스톤의 경로 보다 짧기 때문에, 주 소기 상태가 시작되는 크랭크각의 값에 따라 흡기 리시버와 연소실 사이의 압력 차이의 최대 크기를 갖고, 상기 실린더의 연소실에 상기 흡기 리시버에 대하여 저압이 발생된다. 상기 예비 소기 상태와 유사하게, 상기 피스톤은 최종적으로 부분적으로 상기 소기 슬롯을 다시 개방시켜 소기 공기는 흡기 리시버로부터 연소실 내부로 흐를 수 있고, 상기 배기 밸브는 여전히 닫힌 상태이다. 상기 소기 공기는 주 소기 상태 동안 상기 흡기 리시버에 대하여 연소실 내에 발생되는 저압에 의하여 연소실 내부로 흡입된다. 이것은 미리 설정가능한 압력에서 상기 소기 공기를 흡기 리시버를 통하여 상기 실린더의 연소실 내부로 유입시키는 터보차저가 주 소기 상태에서 상기 피스톤의 팽창 운동 동안 상기 연소실 내에서 발생되는 저압에 의하여 그 기능을 지원받는다는 것을 의미한다. 상기 연소실과 흡기 리시버 사이의 최대 압력 차이가 주 소기 상태의 시작점에 의존하기 때문에, 상기 소기 슬롯의 개방 후 상기 주 소기 상태 동안 연소실 내부로 유입되는 소기 공기의 양은 주 소기 상태의 시작의 설정에 의하여 제어 및/또는 조절될 수 있다. 이와는 대조되게, 주 소기 상태가 상기 실린더의 연소실 내부로 도입되는 소기 공기 양의 설정에 의하여 발생되면, 즉 배기 밸브가 180°와 360°이상의 크랭크 각에서 소기 슬롯의 개방 사이의 크랭크각 범위에서 적어도 닫히지 않는다면, 왕복 내연기관의 실린더의 연소실에서 소기 슬롯의 개방까지의 360°의 크랭크각 사이에서 피스톤의 대응하는 팽창 운동 동안 본래 실질적으로 어떠한 저압도 발생되지 않는다.
하사점 위치 근처에서, 540°의 크랭크각에서, 상기 배기 밸브는 만약 여전히 닫혀 있다면, 다시 열려, 다음 압축 행정에서 남아있는 배기 가스가 배기 밸브를 통하여 배기 가스 스택을 경유하여 과급기 그룹에 공급되고 압축 사이클이 연료 분사 및 다음 연소와 함께 공지된 방식으로 시작된다.
따라서 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관은 적어도 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도 이하에서 저최저 부하 범위에서 4행정 방법에 따라 작동되고, 4행정 방법은 공급되는 신선한 공기의 양을 제어 및/또는 조절할 수 있다. 이 목적을 위하여, 적어도 한 실린더의 배기 밸브는 연료 분사가 다음 연소로 발생된 후 및 상기 실린더의 연소실 내부로 소기 공기의 다음 유입 이전에 적어도 제1 회전 한계 속도 이하에서 예비 소기 상태에서 먼저 열리고 그 다음 닫힐 수 있고, 주 소기 상태에서, 적어도 한 실린더의 배기 밸브는 적어도 제1 회전 한계 속도 이하에서 먼저 열리고 그 다음 닫힐 수 있다.
제1 회전 한계 속도 이상에서 그리고 미리 설정가능한 제2 회전 한계 속도 이하에서, 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관은 저 부하 범위에서 작동된다. 상기 저 부하 범위는 예를 들면, 최대로 얻을 수 있는 왕복 내연기관의 전체 부하 성능의 10%와 35% 사이의 부하 범위를 포함할 수 있다. 그러나, 저 부하 범위는 최대로 얻을 수 있는 전체 부하 성능의 10%와 35% 사이의 부하 범위로 제한되지 않아야 한다.
바람직하게 상기 왕복 내연기관은 저 부하 범위에서 2행정 방법에 따라 작동되고, 상기 2행정 방법은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형예에서, 4행정 방법의 설명의 구성 범위 내에서 상기에서 이미 상세하게 설명된 예비 소기 상태를 갖는 연소 상태를 포함하는 저 부하 범위에서 사용된다. 상기 왕복 내연기관은 상기 실린더의 연소실에서 다음 연소 과정까지 전체로 이용될 수 있는, 신선한 공기의 특정한 양의 설정을 위하여, 상기 배기 밸브가 예비 소기 상태의 스타트에서 확실하게 열리지만, 소기 슬롯의 개방 이전에는 닫히지 않는, 2행정 방법에 따라 저 부하 범위에서 당연히 작동될 수 있다.
미리 설정가능한 제2 회전 한계 속도 이상에서, 상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관은 마침내 고 부하 범위에서 작동된다. 상기 고 부하 범위는 예를 들면, 최대로 얻을 수 있는 전체 부하 성능의 35% 이상의 부하 범위를 포함할 수 있다. 그러나, 고 부하 범위는 최대로 얻을 수 있는 전체 부하 성능의 35% 이상으로 제한되지 않아야 한다.
바람직하게 상기 왕복 내연기관은 고 부하 범위에서 2행정 방법에 따라 작동되고, 상기 2행정 방법은 본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 변형예에서, 상기 실린더의 연소실에서 다음 연소 과정까지 전체 이용될 수 있는 신선한 공기의 특정한 양의 설정을 위하여, 상기 배기 밸브는 예비 소기 상태의 스타트에서 확실하게 열리지만, 소기 슬롯의 개방 이전에는 전혀 닫히지 않는, 연소 상태를 포함하는 고 부하 범위에서 사용된다. 다른 변형예에서, 예비 소기 상태가 없는 2행정 방법이 고 부하 작동에서 사용된다.
요구에 따라, 상기 왕복 내연기관은 최저 부하 범위 및 4행정 방법 중 하나의 방법 각각에 따른 저 부하 범위 및 상기 설명된 2행정 방법 중 하나의 방법에 따른 고 부하 범위에서도 물론 작동될 수 있다.
임의의 상태하에서 상기 설명된 4행정 방법 중 하나의 방법에 따른 모든 회전 한계 속도로 상기 왕복 내연기관을 작동시키는 것도 가능하다. 예를 들면, 얻을 수 있는 상기 왕복 내연기관의 최대 성능이 요구되지 않는다면, 연료는 예를 들면, 그 때문에 절감될 수 있다.
특정 작동 상태의 실현을 위하여, 상기 왕복 내연기관은 3가지 상기한 회전 한계 속도 각각에서, 즉 상기 설명된 2행정 방법 중 하나의 방법에 따라 또는 상기 설명된 4행정 방법 중 하나의 방법에 따라 제1 회전 한계 속도 이하에서, 제1 회전 한계 속도와 제2 회전 한계 속도 사이에서 또한 제2 회전 한계 속도 이상에서 물론 작동될 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 방법의 이전에 설명된 모든 실시예 및 변형에서 상기 설명된 실시예 또는 변형 중 하나에 따른 왕복 내연기관의 모든 실린더나 또는 상기 왕복 내연기관의 실린더 중 일부의 실린더만이 작동될 수 있다는 사실이 언급된다. 다른 하나의 실린더 및 동일한 왕복 내연기관이 예를 들면, 왕복 내연기관의 최대로 얻을 수 있는 성능이 필요하지 않거나 또는 예를 들면, 연료가 절감되어야 할 때, 본 발명에 따른 방법의 다른 변형에 따라 동시에 작동되는 것이 특히 가능하다.
본 발명에 따라 작동되는 본 발명에 따른 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관, 특히 대형 디젤 기관은, 배기 밸브 및 소기 슬롯의 형태로 구성되는 소기 공기 개구를 갖는 실린더, 및 상기 실린더의 연소실로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈을 구비한 공기 압축용 과급기 그룹을 포함하고, 상기 실린더 내에서 피스톤이 하사점 위치와 상사점 위치 사이에서 가동면을 따라 왕복 운동할 수 있고, 압축된 상기 공기는 소기 공기로서 상기 소기 슬롯을 통하여 상기 실린더의 연소실로 공급된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 다음에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 과급기 그룹을 갖는 대형 디젤 기관의 주요부의 개략적인 도면이다.
도 2a는 예비 소기 상태 및 주 소기 상태를 갖는 4행정 방법을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2b는 도 2a와 같은 도면으로서, 흡기 밸브가 예비 소기 상태에서 닫히지 않는 상태를 도시한다.
도 3a는 예비 소기 상태 및 주 소기 상태를 갖는 다른 4행정 방법을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3b는 도 3a와 같은 도면으로서, 흡기 밸브가 예비 소기 상태에서 닫히지 않는 상태를 도시한다.
도 4는 예비 소기 상태를 갖는 2행정 방법을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 1은 길이 방향의 소기 작용을 하는 대형 디젤 기관으로 이루어지고 참조부호 1로서 전체로 지시되는 다음에 있는 과급기 그룹(supercharger group)(7)을 갖는 대형 디젤 기관의 주요부의 개략적인 도면을 도시한다.
일반적으로 대형 디젤 기관(1)은 거기에 배치된 실린더 헤드(cylinder head)(21) 및 배기 밸브(outlet valve)(3)를 갖는 복수의 실린더(2)를 포함하고, 상기 실린더(2) 내에서 피스톤(5)은 가동면(running surface)(6)을 따라서 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 왕복 운동 가능하고, 상기 피스톤(5)의 상사점 위치(OT)는 상기 기관이 2행정 방법에 따라 작동되는가 또는 4행정 방법에 따라 작동되는 가에 따라 통상 크랭크각(KW)이 0°, 360° 또는 720°이고 상기 피스톤(5)의 하사점 위치(UT)는 크랭크각(KW)이 180°또는 540°이다. 실린더 헤드(21)를 갖는 실린더(2) 및 피스턴(5)은 공지된 방식으로 연소실(22)을 형성한다. 상기 실린더(2)의 하부에, 소기 슬롯(scavenging slots)(4)으로 이루어진 복수의 소기 공기 개구(openings)가 구비된다. 상기 피스톤(5)의 위치에 따라, 상기 소기 슬롯(4)은 상기 피스톤에 의하여 덮히거나 또는 상기 피스톤에 의하여 개방된다. 소기 공기(12)로 불리는 신선한 공기는 상기 소기 슬롯(4)을 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 흐를 수 있다. 연소로 발생되는 배기 가스(8)는 상기 실린더 헤드(21)에 배치된 배기 밸브(3)를 통하여 배기 밸브(3)를 과급기 그룹(7)과 연결시키는 배기 가스 스택(exhaust gas stack)(13)을 통하여 흐른다. 상기 과급기 그룹(7)은 공지된 방식의 주요 구성요소로서, 공기(11)의 압축을 위한 로터(rotor)(10) 및 상기 로터(10)의 구동을 위한 터빈(turbine)(9)을 포함하고 상기 로터(10)는 축(91)에 의하여 상기 터빈(9)에 실제로 고정된 방식으로 연결된다. 상기 터빈(9) 및 로터(10)는 하우징(housing) 내에 배치되고 터보차저(turbocharger)(14)를 형성한다. 상기 터빈(9)은 상기 실린더(2)의 연소실(22)로부터의 고온의 배기 가스(8)를 유입함으로써 구동된다. 소기 공기(12)를 갖는 실린더(2)의 연소실(22)의 부하(loading)를 위하여, 공기(11)가 로터(10)에 의하여 흡입 스택(suction stack)(15)을 통하여 흡입되고 상기 터보차저(14)에서 압축된다. 압축된 상기 공기는 상기 터보차저로부터 하류 디퓨저(downstream diffuser)(16) 및 급기 냉각기(charge air cooler)(17)를 통하여 압력 라인(pressure line)(18)을 경유하여 흡기 리시버(inlet receiver)(19) 내부로 이동하고, 상기 압축된 공기는 소기 슬롯(41)으로서 형성된 높은 압력하에서 소기 공기(12)로서 소기 슬롯(4)을 통하여 실린더(2)의 연소실 내부로 최종적으로 들어간다.
도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 왕복 내연기관의 특정 회전 한계 속도에서 4행정 방법의 일 실시예를 개략적으로 도시하고, 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b에 도시된 방법은 제1 회전 한계 속도 이하에서 및/또는 제1 회전 한계 속도와 제2 회전 한계 속도의 사이 및/또는 제2 회전 한계 속도 이상에서, 요구에 따라, 사용될 수 있다. 이에 대하여, 도 3a 및 도 3b에 도시된 변형예는 배기 밸브(3)가 주 소기 상태(H)의 스타트에서, 360°이상인 크랭크각(K6)의 값에서 닫히는 점에서 도 2a 및 도 2b에 도시된 변형예와 다르고, 도 2a 및 도 2b에 따른 크랭크각은 360°미만인 값을 갖는다. 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 도 3a 및 도 3b에 따른 주 소기 상태(H)는 도 3a 및 도 3b에 따라 특히 360°이상의 크랭크각(K6)에서도 이와 같이 스타트될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 4행정 방법의 변형예는 주 소기 상태(V)가 도 2a 및 도 2b에서 360°미만의 크랭크각에서 스타트하고, 도 3a에서 360°이상인 크랭크각에서 스타트한다는 점에서만 실질적으로 다르기 때문에, 이들 변형예는 다음에 같이 논할 것이다. 이들의 다른점이 상세하게 지적될 것이다.
도 2a 및 도 3a에 도시된 본 발명의 방법에 따른 4행정 방법의 변형예에서, 이하에서 설명되는 바와 같이, 상기 배기 밸브(3)는 적어도 연료 분사가 다음 연소로 발생된 후 및 상기 실린더(2)의 연소실 내부로 소기 공기(12)의 다음 유입 이전에 예비 소기 상태(V)에서 먼저 열리고 그 다음에 닫힌다. 다음 연소와 함께 압축사이클 후, 고온의 연소 가스는 작용 압력하에서 왕복 내연기관(1)의 실린더(2)의 연소실(22)에서 이용될 수 있어, 상기 피스톤(5)은 180°의 크랭크각에 대응하는, 하사점 위치(UT)의 방향으로 공지된 방식으로 팽창 사이클로 이동된다. 일반적으로, 이 적용의 구조에서, 2행정 방법에 있어서는, 실린더(2), 실린더 헤드(21) 및 피스톤(5)에 의하여 형성되는 연소실(22)이 최대 볼륨(volume)을 가지는 피스톤(5)의 하사점 위치(UT)는 크랭크각이 180 °인 반면, 연소실(22)이 최소 볼륨을 가지는 상사점 위치(OT)는 크랭크각이 0° 또는 360°이다. 4행정 방법에서, 일반적으로 공지된 방식으로, 하사점 위치(UT)는 180° 또는 540°의 크랭크각과 관련되고 상사점 위치(OT)는 0°, 360° 또는 720°의 크랭크각과 관련된다. 상기 배기 밸브(3)는 크랭크각(K1)에서 연소 과정 직후 처음으로 또한 닫힌다. 연소 다음의 예비 소기 상태(V)에서, 상기 피스톤(5)이 연소 후 처음으로 소기 슬롯(4)을 개방하기 전에, 상기 배기 밸브(3)가 미리 설정가능한 크랭크각(K2)에서 열린다. 크랭크각(K2)은 예비 소기 상태(V)의 스타트를 나타내고, 크랭크각(K1)은 연소실(22)과 배기 가스 스택(13) 사이의 배기 밸브(2)의 열림에 따라, 배기 가스(8)를 실린더(2)의 연소실(22)로부터 과급기 그룹(7)으로 공급하기에 적당하도록 선택되고, 압력 차이 때문에 고온의 배기 가스(8)의 일부가 배기 가스 스택(13)을 통하여 터보차저(14)로 들어가고 거기에서 터빈(9) 따라서 로터(10)를 구동하도록 압력 차이가 존재하여, 압축된 공기는 소기 슬롯(4)이 이 시점에서 대응하는 피스톤(5)에 의하여 개방되는 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 유입을 위하여 소기 공기(12)로서이용될 수 있다.
상기 연소실(22)과 배기 가스 스택(13) 사이의 압력 차이가 실질적으로 균형을 이루면, 상기 배기 밸브(3)는 미리 설정가능한 크랭크각(K3)에서 예비 소기 상태(V) 동안에도 다시 닫힌다. 상기 연소실(22)로 둘러싸인 볼륨은 180°의 크랭크각(KW)에서 하사점 위치(UT)의 방향으로 실린더(2)에서 피스톤(5)의 더 먼 이동에 의하여 확대된다. 상기 배기 밸브(3)가 닫히기 때문에, 연소실(22) 내의 압력은 흡기 리시버(19) 내의 압력치 이하로 떨어지고, 소기 슬롯(4)이 상기 피스톤(5)에 의하여 개방될 때, 소기 공기(12)는 흡기 리시버(19)를 경유하여 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내로 들어간다. 크랭크각(K4)에서, 상기 피스톤(5)은 배기 밸브(3)가 닫힌 상태로, 소기 공기(12)가 흡기 리시버(19)로부터 연소실(22) 내부로 흐를 수 있도록 소기 슬롯(4)을 적어도 일부분 개방시킨다. 상기 소기 공기(12)는 연소실(22)의 예비 소기 상태(V) 동안 흡기 리시버(19)에 대하여 발생되는 저압에 의하여 연소실(22) 내부로 흡입된다. 이것은 소기 공기(12)를 미리 설정가능한 압력하에서 흡기 리시버(19)를 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 유입시키는 터보차저(14)가 예비 소기 상태(V)에서 상기 피스톤(5)의 팽창 운동 동안 상기 연소실(22)에서 발생되는 저압에 의하여 그 기능을 지원받는다는 것을 의미한다. 상기 연소실(22)과 흡기 리시버(19) 사이의 최대 압력 차이는 배기 밸브(3)가 예비 소기 상태(V)에서 다시 닫히는 크랭크각(K3)에 의존하기 때문에, 소기 슬롯(4)의 개방 후 예비 소기 상태(V) 동안 연소실(22) 내부로 유입되는 신선한 공기의 양은 배기 밸브(3)가 예비 소기 상태(V)에서 닫히는 크랭크각(K3)을 미리 설정함으로써 제어 및/또는 조절될 수 있다.
180°의 크랭크각(KW)에 대응하는, 하사점 위치(UT) 근처에서, 상기 배기 밸브(3)는 크랭크각(K5)에서 다시 열려, 180°와 360°사이의 크랭크각 범위를 포함하는, 다음 압축 행정에서, 상기 배기 가스(8)의 일부가 배기 밸브(3)를 통하여 배기 가스 스택(13)을 경유하여 과급기 그룹(7)으로 공급된다. 바람직하게 상기 배기 밸브(3)는 피스톤(5)이 압축 행정 동안에 소기 슬롯(4)을 다시 닫을 때까지 적어도 오랬동안 열린 상태로 있고 그리고 나서 주 소기 상태(H)의 스타트를 나타내는 크랭크각(K6)에서 배기 밸브(3)의 닫힘과 함께, 미리 설정가능한 크랭크각(K6)에서 닫힌다. 바람직하게 상기 배기 밸브(3)는 왕복 내연기관(1)의 회전 속도 및/또는 크랭크각(KW) 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 가스 압력 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실 내의 온도 및/또는 과급기 그룹(7)의 회전 속도 및/또는 과급기 그룹의 가스 압력 및/또는 과급기 그룹(7)의 온도 및/또는 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터(parameters)에 따라 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛(control unit)(도시 않음)에 의하여 제어 및/또는 조절된다.
이와 관련하여, 본 발명에 다른 방법의 바람직한 변형예에서, 크랭크각(K6)은 대체로 270°이다. 상기 배기 밸브(3)가 크랭크각(K6)의 다른 값에서 닫히고, 따라서 주 소기 상태(H)가 크랭크각(K6)의 다른 값에서 시작하는 것도 본래 가능하다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 주 소기 상태(H)는 360°이상의 크랭크각(K6)에서도 특히 시작할 수 있다.
연료 분사는 적어도 주 소기 상태(H) 범위 내에서 전혀 발생하지 않는다. 소기 공기(12) 및 연소실(22) 내에 있는 아직 배출되지 않은 배기 가스(8)의 혼합은, 상기 피스톤(5)이 360°의 크랭크각(KW)에 대응하는 상사점 위치(OT)에 도달할 때까지, 360°의 크랭크각(KW)에 대응하는 상사점 위치(OT)의 방향으로 상기 피스톤(5)의 더 먼 이동에 의하여 매우 오랫동안 압축된다. 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 압력은 540°의 크랭크각에서 하사점 위치(UT)의 방향으로 상기 피스톤(5)의 다음 팽창 때문에 여전히 닫혀있는 상기 배기 밸브(3)로 다시 떨어진다. 상기 배기 밸브(3)는 그 값이 360°보다 큰 크랭크각(K7)에서 소기 슬롯(4)의 거듭되는 개방 이전에도 여전히 닫혀있다. 180°와 360°사이의 압축 행정에서 소기 슬롯(4)의 닫힘 후에 닫히는 배기 밸브(3)로 상기 피스톤(5)의 경로가 360°의 크랭크각(KW)에서 상사점 위치(OT)와 소기 슬롯(4)의 반복된 개방 사이의 다음 팽창 행정에서 상기 피스톤(5)의 경로 보다 짧기 때문에, 주 소기 상태(H)가 시작되는 크랭크각(K6)의 값에 따라 흡기 리시버(19)와 연소실(22) 사이의 압력 차이의 최대 크기를 갖고, 상기 실린더(2)의 연소실(22)에 상기 흡기 리시버(19)에 대하여 저압이 발생된다. 상기 예비 소기 상태(V)와 유사하게, 상기 피스톤(5)은 크랭크각(K8)에서 적어도 부분적으로 상기 소기 슬롯(4)을 다시 개방시켜 소기 공기(12)는 흡기리시버(19)로부터 연소실(22) 내부로 흐를 수 있고, 상기 배기 밸브(3)는 여전히 닫힌 상태이다. 상기 소기 공기(12)는 예비 소기 상태(V) 동안 상기 흡기 리시버(19)에 대하여 연소실(22) 내에 발생되는 저압에 의하여 연소실(22) 내부로 흡입된다. 이것은 미리 설정가능한 압력에서 상기 소기 공기(12)를 흡기 리시버(19)를 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 유입시키는 터보차저(14)가 예비 소기 상태(V)에서 상기 피스톤(5)의 팽창 운동 동안 상기 연소실(22) 내에서 발생되는 저압에 의하여 그 기능을 지원받는다는 것을 의미한다. 상기 연소실(22)과 흡기 리시버(19) 사이의 최대 압력 차이가 주 소기 상태(H)의 시작점인 크랭크각(K6)에 의존하기 때문에, 상기 소기 슬롯(4)의 개방 후 상기 주 소기 상태(H) 동안 연소실(22) 내부로 유입되는 소기 공기(12)의 양은 크랭크각(K6)을 미리 설정함에 의하여 제어 및/또는 조절될 수 있다.
540°의 크랭크각(KW)에 대응하는, 하사점 위치(UT) 근처에서, 상기 배기 밸브(3)가 미리 설정가능한 크랭크각(K9)에서 다시 열려 다음 압축 행정에서 남아있는 배기 가스(8)가 배기 밸브(3)를 통하여 배기 가스 스택(13)을 경유하여 과급기 그룹(7)에 공급되고 연료 분사와 함께 압축 사이클 및 다음 연소가 주 소기 상태의 끝을 나타내는 미리 설정가능한 크랭크각(K10)에서 공지된 방식으로 시작된다.
도 2b 및 도 3b는 본 발명의 방법의 구성 내에서 바람직하게 사용되는 4행정 방법의 두개의 다른 변형예를 도시하고, 도 2b 및 도 3b에 도시된 4행정 방법의 변형예는 도 2b에서 주 소기 상태가 360°미만의 크랭크각에서 시작되고 도 3a에서 360°보다 큰 크랭크각에서 시작된다는 점에서만 다르다. 이들 두 변형예는 이에 의하여 다음에 함께 논의된다. 그들의 다른 점이 상세하게 지적될 것이다.
도 2b 및 도 3b에 도시된 4행정 방법의 실시예는 배기 밸브(3)가 예비 소기 상태(V)에서 닫히지 않는다는 점에서만 도 2a 및 도 3a에 이전에 설명된 변형예와 다르다. 연료 분사가 다음 연소와 함께 발생된 후 및 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 소기 공기(12)의 다음 유입 이전에, 상기 배기 밸브(3)는 크랭크각(K2)에서 예비 소기 상태에 열린다. 또한 상기 크랭크각(K2)은 본래 여기서 상기 예비 소기 상태(V)의 시작을 나타낸다. 상기 배기 밸브(3)는 크랭크각(K1)에서 연소 과정 직후 처음으로 또한 닫힌다. 연소 다음에 예비 소기 상태(V)에서, 상기 피스톤이 연소 후 처음으로 소기 슬롯(4)을 개방하기 전에, 상기 배기 밸브(3)는 미리 설정가능한 크랭크각(K2)에서 열리고, 상기 크랭크각(K2)은 상기 연소실(22)과 배기 가스 스택 사이에서 상기 배기 밸브(3)의 열림으로, 배기 가스를 실린더(2)의 연소실(22)로부터 과급기 그룹(7)으로 공급하기에 적당하도록 선택되고, 고온의 배기 가스(8)의 일부가 압력 차이 때문에 상기 배기 가스 스택(13)을 통하여 터보차저(14) 내부로 들어가고, 거기에서 상기 터빈(9) 따라서 상기 로터(10)를 구동하도록 선택되어, 압축된 공기는 그 소기 슬롯(4)이 이때 대응하는 피스톤(5)에 의하여 개방되는 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 유입을 위한 소기 공기(12)로서 이용될 수 있다.
상기 연소실(22)과 배기 가스 스택(13) 사이의 압력 차이는 실질적으로 균형을 이룬다. 도 2b 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상기 배기 밸브(3)는 압력 균형이 예비 소기 상태(V) 동안 상기 연소실(22)과 배기 가스 스택(13) 사이에서 발생된 후 다시 닫히지 않아 상기 연소실(22) 내의 압력은 180°의 크랭크각(Kw)에서 하사점 위치(UT)의 방향으로 실린더(2) 내에서 상기 피스톤(5)의 더 먼 이동에 의하여도 실질적으로 더 떨어지지 않는다. 크랭크각(K4)에서 소기 슬롯의 개방 후 상기 흡기 리시버(19)로부터 연소실(22) 내부로 흐를 수 있는 신선한 공기의 양은 그 때문에 도 2a 및 도 3a를 참조하여 논의된 변형예와 비교하여 감소될 수 있다. 크랭크각(K4)에서 상기 소기 슬롯(4)의 개방 후, 상기 피스톤(5)은 하사점 위치(UT)의 방향으로 더 이동하고, 도 2a 및 도 2b에서 이미 상세하게 논의된 바와 같이, 주 소기 상태(H)는 다음 연료 분사 및 연소 다음에 발생한다. 이 점에 대하여, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형예에서, 크랭크각(K6)은 대략 270°이다. 상기 배기 밸브(3)가 크랭크각(K6)의 다른 값에서 닫히고, 따라서 주 소기 상태(H)가 상기 크랭크각(K6)의 다른 값에서 시작하는 것도 본래 가능하다. 따라서 상기 주 소기 상태(H)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 특히 360°이상의 크랭크각(K6)에서 시작할 수도 있다. 이것은 도 2b에 도시된 4행정 방법이 도 2b에서 상기 주 소기 상태(H)가 360°미만인 크랭크각(Kw)에서 시작하는 반면, 도 3b에 따른 방법에서크랭크각(Kw)은 360°이상인 점에서만 도 3b에 도시된 4행정 방법과 실질적으로 다르다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에서, 왕복 내연기관(1)은 예비 소기 상태(V)를 포함하는 연소 상태를 갖는 2행정 방법에 따른 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도 이상에서 특히 작동된다.
도 4에서, 대응하는 2행정 방법이 대형 디젤 기관용으로 개략적으로 도시된다. 완전한 2행정 사이클이 주요 단계의 설명을 위하여 도 4에 도시된다. 상기 실린더(2)의 위치는 피스톤(5)의 상사점 위치(OT)에 대응하는 0°의 크랭크각(Kw) 및 하사점 위치에 대응하는 180°의 크랭크각과 함께, 완전한 2행정 사이클 내에 8개의 선택된 크랭크각(Kw)에 대하여 도시된다. 상기 방법이 2행정 방법이기 때문에, 0°의 크랭크각(Kw)은 360°의 크랭크각(Kw)과 동일하다.
크랭크각(K1)에서, 연소는 바로 앞의 압축 사이클 후 상기 실린더(2)의 연소실(22)에서 본래 마무리되어 고온의 연소 가스가 작용 압력에서 연소실(22) 내에 이용될 수 있고 상기 실린더(2) 내의 피스톤(5)은 그 때문에 크랭크각(K1)에서 시작하여, 180°의 크랭크각(Kw)에 대응하는, 하사점 위치(UT)의 방향으로 팽창 사이클로 이동된다. 상기 배기 밸브(3)는 크랭크각(K1)에서 닫힌다. 다음 연소와 함께 연료 분사의 발생 후 및 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 소기 공기(12)의 다음 유입 이전, 즉 피스톤(5)이 연소 사이클 후 처음으로 소기 슬롯(4)을 개방하기전에 미리 설정가능한 크랭크각(K2)에서 시작하는 예비 소기 상태(V)에서, 상기 배기 밸브(3)는 예비 소기 상태(V)의 시작과 함께, 미리 설정가능한 크랭크각(K2)에서 열리고, 즉 크랭크각(K2)은 크랭크각(K2)에서 배기 밸브(3)의 열림과 동시에, 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 압력이 배기 가스 스택(13) 내의 압력 이상으로 여전히 분명히 있도록 선택된다. 상기 연소실(22)과 배기 가스 스택(13) 사이의 압력 차이 때문에, 상기 고온의 배기 가스(8)는 배기 가스 스택(13)을 통하여 터보차저(14)로 흐르고 거기에서 상기 터빈(9) 따라서 상기 로터(10)를 구동하여, 상기에서 설명된 바와 같이, 압축된 공기는 그 소기 슬롯(4)이 이때 대응하는 피스톤(5)에 의하여 개방되는 실린더(2)의 상기 연소실(22) 내부로 유입을 위하여 소기 공기(12)로서 이용될 수 있다. 이것은 상기 배기 밸브(3)의 열림을 통하여, 공지된 방식으로, 상기 배기 가스(8)의 열 에너지의 일부가 상기 소기 슬롯(4)의 개방 이전에, 즉 상기 터보차저(14)의 터빈(9)의 구동을 위하여, 상기 실린더의 연소실(22) 내부로 소기 공기(12)의 유입 이전에, 이미 이용되고 있다는 것을 의미한다.
크랭크각(K2)보다 다소 큰 크랭크각(K3)에서, 상기 연소실(22)과 배기 가스 스택(12) 사이의 압력 차이는 실질적으로 균형을 이루고 상기 배기 밸브(3)는 크랭크각(K3)에서 예비 소기 상태(V) 동안에도 다시 닫힌다. 상기 연소실(22)과 흡기 리시버(19) 사이의 최대 압력 차이는 배기 밸브(3)가 예비 소기 상태(V)에서 다시닫히는 크랭크각(Kw)에 달려있기 때문에, 소기 슬롯(4)의 개방 후 예비 소기 상태(V) 동안 연소실(22) 내부로 유입되는 신선한 공기의 양은 왕복 내연기관(1)의 회전 속도에 따라, 크랭크각(Kw) 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부의 가스 압력 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 온도 및/또는 상기 과급기 그룹(7)의 회전 속도 및/또는 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력 및/또는 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 및/또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터(parameters)에 따라, 상기 배기 밸브(3)가 예비 소기 상태(V)에서 닫히는 크랭크각(K3)을 미리 설정함으로서 제어 및/또는 조절될 수 있다. 상기 연소실(22)에 둘러싸인 볼륨은 하사점 위치(UT)의 방향으로 상기 실린더(2) 내에서 상기 피스톤(5)의 더 먼 이동에 의하여 확대되어, 상기 연소실(22) 내의 압력은 배기 밸브(3)가 닫히기 때문에 흡기 리시버(19) 내의 압력으로 떨어진다. 예비 소기 상태(V)의 끝을 나타내는 크랭크각(K4)에서, 상기 피스톤(5)은 소기 슬롯(4)을 적어도 일부 개방시켜 상기 소기 공기(12)가 상기 흡기 리시버(19)로부터 연소실(22) 내부로 흐를 수 있고, 상기 배기 밸브(3)는 닫힌 상태이다. 상기 소기 공기(12)는 예비 소기 상태(V)에서 연소실(22) 내에 형성되는 저압에 의하여 연소실(22) 내부로 흡입된다. 이것은 소기 공기(12)를 미리 설정가능한 압력에서 흡기 리시버(19)를 경유하여 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로 유입시키는 터보차저(14)가 예비 소기 상태(V)에서 상기 피스톤(5)의 팽창 운동 동안 상기 연소실(22) 내에 형성되는 저압에 의하여 그 기능을 지원받는다는 것을 의미한다.
크랭크각(K5)의 하사점 위치(UT) 근처에서 그리고 상기 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)에 도달하기 전에, 상기 배기 밸브(3)가 열려 다음 압축 사이클에서 상기 배기 가스(8)가 배기 밸브(3)를 통하여 배기 가스 스택(13)을 경유하여 과급기 그룹(7)으로 공급될 수 있다. 180°의 크랭크각에서, 상기 배기 밸브(3)는 여전히 열려있고 압축 사이클이 공지된 방식으로 시작되고, 소기 슬롯(4)은 크랭크각(K61)의 도달과 동시에 닫힌다. 이에 대하여, 상기 배기 밸브(3)는 압축 사이클 동안 크랭크각(K61)에 도달하기 전이나 또는 후에, 즉 상기 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)를 통과한 후 미리 설정가능한 시간에, 요구에 따라 닫힌다.
본 발명에 따른 방법의 다른 변형예에서, 상기 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)에 도달되기 전에, 상기 배기 밸브(3)는 특히 소기 공기 개구(4)의 개방 후 다시 닫힐 수도 있다. 상사점 위치(OT)의 방향으로 상기 피스톤(5)의 더 먼 이동 때문에, 연소실에 둘러싸인 공기는 압축되고, 연료가 분사 노즐(도시 않음)에 의하여 미리 설정가능항 시간에서 본래 알려진 방식으로 연소실(22) 내부로 유입되고 연소실(22) 내에서 연료/공기 혼합의 연소가 뒤따른다.
이에 대하여 상기 배기 밸브(3)의 작용은 왕복 내연기관(1)의 회전 속도에 따라, 크랭크각(Kw) 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부의 가스 압력 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 온도 및/또는 상기 과급기 그룹(7)의 회전 속도 및/또는 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력 및/또는 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 및/또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터에 따라, 자유로이프로그램가능한 제어 유닛(도시 않음)에 의하여 제어 및/또는 조절될 수 있다.
길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관, 특히 대형 디젤 기관의 작동에 대한 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써, 실린더 소기의 개선이 넓은 부하 범위, 즉 장치의 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도 이하에서 바람직하게 달성되고 공급되는 소기 공기의 양은 관련 작동 파라미터, 특히 왕복 내연기관의 회전 속도에 따라 또는 상기 배기 밸브의 작용에 의하여 과급기 그룹의 회전 속도에 따라 제어 및/또는 조절될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써, 저 부하 작동시 배기 가스 터보차저의 지원을 위한 추가적인 보조 과급기가 지니고 있는 문제점이 방지된다. 또한 보조 과급기및 그 제어를 위하여 필요한 장비의 구입 및 제조 비용이 따라서 절감된다. 흡기 리시버의 구성은 특히 플랩 형상의 역류 방지부재가 또한 불필요할 수 있기 때문에 매우 복잡하지 않게 된다.
또한 작동 수단, 예비 부품 및 인원을 위한 관련 부가 비용과 함께 요구되는 서비스 및 수리 노력이 생략된다. 특히, 상당한 공간 및 무게가 본 발명에 따른 방법의 사용으로 절감된다. 또한, 보조 과급기가 없는 왕복 내연기관의 작동은 그 작동을 위한 전기 에너지가 더 이상 필요 없어 결국 비용을 추가적으로 더 절감할 수 있기 때문에 에너지 관점에서도 더욱 바람직하다. 본 발명에 따른 방법의 사용은 적어도 왕복 내연기관의 연료 소모를 줄인다.
본 발명에 따른 왕복 내연기관, 특히 대형 디젤 기관의 작동을 위한 방법은특히 미리 설정된 회전 한계 속도 이하의 부하 영역에서 왕복 내연기관의 더욱 효율적인 작동을 가능케하는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 배기 밸브(3) 및 소기 슬롯(4)의 형태로 구성되는 소기 공기 개구를 갖는 실린더(2), 및
    상기 실린더(2)의 연소실(22)로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈(9)을 구비한 공기(11) 압축용 과급기 그룹(supercharger group)(7)
    을 포함하고,
    상기 실린더(2) 내에서 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 가동면(6)을 따라 왕복 운동할 수 있고,
    압축된 상기 공기는 소기 공기(12)로서 상기 소기 슬롯(4)을 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22)로 공급되는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1), 특히 대형 디젤 기관의 작동 방법에 있어서,
    상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1)의 적어도 하나의 실린더(2)는 4행정 방법에 따른 적어도 하나의 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도에서 작동되는
    것을 특징으로 하는 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1)의 적어도 하나의 실린더(2)는 2행정 방법에 따른 적어도 제2 회전 한계 속도에서 작동되는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1)의 적어도 하나의 실린더(2)는 4행정 방법에 따른 미리 설정가능한 제1 회전 한계 속도 이하의 최저 부하 범위에서 작동되는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1)의 적어도 하나의 실린더(2)는 4행정 방법에 따른 제1 회전 한계 속도 이상 및 미리 설정가능한 제2 회전 한계 속도 이하에 있는 저 부하 범위에서 작동되는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1)의 적어도 하나의 실린더(2)는 4행정 방법에 따른 제2 회전 한계 속도 이상의 고 부하 범위에서 작동되는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 4행정 방법은 예비 소기 상태(pre-scavenging phase)(V)를 갖는 연소 상태를 포함하는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 4행정 방법은 주 소기 상태(H)를 포함하는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2행정 방법은 예비 소기 상태(V)를 갖는 연소 상태를 포함하는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 실린더(2)의 상기 배기 밸브(3)는 적어도 하나의 미리 설정가능한 회전 한계 속도에서 예비 소기 상태(V) 동안 먼저 열리고 그 다음 닫히는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 실린더(2)의 상기 배기 밸브(3)는 적어도 하나의 미리 설정가능한 회전 한계 속도에서 주 소기 상태(H)에서 먼저 열리고 그 다음 닫히는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 밸브(3)의 작용 및 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부로의 연료 분사의 시기는, 왕복 내연기관(1)의 회전 속도 및/또는 크랭크각(Kw) 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내부의 가스 압력 및/또는 상기 실린더(2)의 연소실(22) 내의 온도 및/또는 상기 과급기 그룹(7)의 회전 속도 및/또는 상기 과급기 그룹(7) 내의 가스 압력 및/또는 상기 과급기 그룹(7) 내의 온도 및/또는 상기 왕복 내연기관(1)의 다른 작동 파라미터(parameters)에 따라, 자유로이 프로그램가능한 제어 유닛(control unit)에 의하여 조정되는 방식으로 제어 및/또는 조절되는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 밸브(3)는 하사점 위치(UT) 근처에서 열리고 또한 압축 사이클 동안 크랭크각(K6)에 도달되기 이전이나 또는 도달된 후 미리 설정가능한 시점에서 다시 닫히는
    길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관의 작동 방법.
  13. 배기 밸브(3) 및 소기 슬롯(4)의 형태로 구성되는 소기 공기 개구를 갖는 실린더(2), 및
    상기 실린더(2)의 연소실(22)로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈(9)을 구비한 공기(11) 압축용 과급기 그룹(supercharger group)(7)
    을 포함하고,
    상기 실린더(2) 내에서 피스톤(5)이 하사점 위치(UT)와 상사점 위치(OT) 사이에서 가동면(6)을 따라 왕복 운동할 수 있고,
    압축된 상기 공기는 소기 공기(12)로서 상기 소기 슬롯(4)을 통하여 상기 실린더(2)의 연소실(22)로 공급되는
    왕복 내연기관(1), 특히 대형 디젤 기관에 있어서,
    상기 길이 방향으로 소기되는 왕복 내연기관(1)은 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 작동되는
    왕복 내연기관.
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