KR20060070887A - 단일 열에 10 개의 실린더를 가진 2 행정 터보 과급 내연기관 - Google Patents

Abstract

2 행정 크로스헤드 내연 기관은 단일 열에 10 개의 실린더를 가진다. 기관은 기관 실린더(C1-C10))의 연소 시퀀스(n1-n10)가 다음과 같은 것들중 하나이다.

1-7-8-2-5-10-4-3-9-6

1-6-9-3-4-10-5-2-8-7

1-8-7-2-5-10-3-4-9-6

1-6-9-4-3-10-5-2-7-8

1-6-8-4-2-10-5-3-7-9 또는

1-9-7-3-5-10-2-4-8-6.

Description

단일 열에 10 개의 실린더를 가진 2 행정 터보 과급 내연 기관{Two-stroke turbocharged internal combustion engine having 10 cylinders in a single row}

도 1 은 본 발명에 따른 10 개의 실린더를 가진 2 행정 기관의 단면도이다.

도 2 는 도 1 의 기관의 평면도이다.

도 3 은 도 1 의 기관에서 X-유형 가이드 힘 모멘트

도 4 내지 도 9 는 실린더(C1-C10)에 대한 연소 시퀀스를 나타낸다.

도 10 은 콘테이너 선의 선체에서 진동 모드를 도시한다.

도 11 은 계산된 진동 데이터를 나타내는 다이아그램이다.

< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >

5. 피스톤 6. 피스톤 로드

9. 크랭크 핀 10. 크랭크샤프트

12. 대판 17. 고정용 로드

19. 개스 수용부 20. 터보 과급기

본 발명은 단일 열(row)에 10 개의 실린더를 가진 2 행정, 크로스 헤드 내연 기관에 관한 것이다.

기관은 기관의 실린더(C1-C10)의 연소 시퀀스를 가진다. 출원인이 제조한 10MC60 엔진의 공지된 연소 시퀀스는 1-8-7-3-5-9-4-2-10-6 이다. 다른 선행 기술의 연소 시퀀스는 1-8-5-6-3-10-2-7-4-9 이며 이것은 영국 특허 제 917,748 호에 설명되어 있다.

연소 시퀀스는 기관 내의 진동 조건에 영향을 미치며 또한 외력과 외부 모멘트로를 가지고 지지용 구조체와 샤프트 시스템에 영향을 미치는 방식에도 영향을 미친다.

본 발명의 목적은 높고 슬림화된 상부 구조물을 가지는 배에서 주요한 추진 기관으로서 설치되기에 적절한 엔진을 제조하는 연소 시퀀스를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 2 행정 내연 기관은 기관 실린더 (C1-C10)의 연소 시퀀스(n1-n10)가 다음의 것들 중 하나인 것을 특징으로 한다.

1-7-8-2-5-10-4-3-9-6

1-6-9-3-4-10-5-2-8-7

1-8-7-2-5-10-3-4-9-6

1-6-9-4-3-10-5-2-7-8

1-6-8-4-2-10-5-3-7-9 또는

1-9-7-3-5-10-2-4-8-6

이러한 연소 시퀀스들은 소위 제 4 차수(the fourth order)의 자유 모멘트와 제 4 차수의 외부 X 유형 가이드 힘 모멘트(external X-type guide force moment of the fourth order)의 작은 값을 초래한다는 점이 판명되었다. 이것은 특히 높이에 비하여 짧은 길이의 상부 구조와 길고 얇은 선체를 가진 선박에서 유리하다. 진동 모멘트가 분당 300 내지 450 사이클의 범위인 주파수를 가질 때, 그러한 상부 구조는 진동을 감쇠시키는 조치를 필요로 할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 기관은 그 어떤 현저한 크기의 제 4 차수의 진동을 발생시킬 수 없으므로, 기관 속도(rpm)가 300/4 rpm 내지 450/4 rpm 의 범위에 있을 때 그러한 감쇠 조치를 필요로 하지 않는다. 이러한 속도 범위는 선박에서 대형의 주요 추진 기관으로서 통상적으로 사용된 대형 디이젤 크로스헤드 기관의 공칭 속도와 매우 잘 맞는다. 그러한 기관들은 예를 들면 94 rpm 또는 106 rpm 의 공칭 속도를 가질 수 있다.

바람직한 구현예에서, 실린더(C1)와 실린더(C10)의 연소 각도(α1,α10)는 180°로 이격되고, 실린더(C2)와 실린더(C9)의 연소 각도(α2,α9)는 180°로 이격되고, 실린더(C3)와 실린더(C8)의 연소 각도(α3,α8)는 180°로 이격되고, 실린더(C4)와 실린더(C7)의 연소 각도(α4,α7)는 180°로 이격되고, 실린더(C5)와 실린더(C6)의 연소 각도(α5,α6)는 180°로 이격된다. 이러한 연소 각도는 짝수 차수의 자유 모멘트에 대하여, 즉, 제 2 차수, 제 4 차수, 제 6 차수 등에 대하여, 쌍을 이룬 실린더들중 하나의 실린더가 쌍을 이룬 다른 실린더의 무게 보다 더 나가도록 하여서, 제 4 차수의 자유 모멘트가 커지지 않을 뿐만 아니라, 짝수 차수의 다른 자유 모멘트도 크지 않은 사이즈가 되는 결과를 초래한다.

바람직한 구현예에서 연소 시퀀스는 그 어떤 2 개의 연속적으로 연소되는 실린더들 사이의 크랭크샤프트의 회전 각도가 36 °라는 점에서 규칙적이다. 단일 열내에 10 개의 실린더를 가지는 기관에는 362,880 개의 상이한, 규칙적인 연소 시퀀스들이 있다. 이들 중에서 본 발명은 상기에 언급한 6 개의 연소 시퀀스들에 관한 것이며, 이러한 시퀀스들에서 그 어떤 2 개의 연속적으로 연소되는 실린더들 사이의 크랭크샤프트의 회전 각도가 36 °이도록 되었을 때, 제 4 차수의 외부 X 유형 가이드 힘 모멘트와 제 4 차수의 자유 모멘트는 모두 제로이다. 더욱이, 제 1 차수보다 큰 차수들의 모든 자유 모멘트들은 모두 제로이다.

특정의 기관 설비에 특별한 문제점이 있다면 연소 시퀀스를 이용하여 진동의 패턴을 미세 조정하는 것도 가능한데, 이것은 연속적으로 연소되는 실린더의 적어도 일부의 연소 사이에서 크랭크샤프트의 회전 각도가 360°/10 과 다르다는 점에서 규칙적이지 않은 것이다.

기관은 콘테이너 선박의 주요 추진 기관인 것이 바람직스럽지만, 예를 들면 제품 운반선 또는 벌크 운반선(bulk carrier)과 같은 다른 유형의 선박에서 주요 추진 기관으로서 사용될 수도 있으며, 발전소에서 있는 고정형의 기관으로서 사용될 수도 있다.

2 행정 크로스헤드 내연 기관이 바람직스럽게는 실린더당 적어도 5200 kW 의 최대 파워를 가진다. 실린더마다 그러한 큰 동력을 산출하는 크로스헤드 기관은 상당한 높이를 가지며, 안내 평면의 상단부와 크랭크샤프트의 중심선 사이에는 커다란 수직의 거리가 있다. 이와 관련하여, 짝수 차수의 외부 X 유형 가이드 힘 모멘 트가 제로일 때 유리하다.

본 발명의 구현예들의 예들은 매우 개략적인 도면들을 참조하여 다음에 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1 은 10 개의 실린더를 가지면서 MC 유형인 대형의 2 행정 크로스헤드 내연 기관을 통한 단면도이다. 본 발명에 따른 기관은 예를 들면 MAN B & W 디이젤 이 제조한 MC 또는 ME 유형의 것일 수 있거나, 또는 Warsila 사가 제조한 Sulzer RT-frex 또는 Sulzer RTA 유형의 것일 수 있다. 실린더들은 예를 들면 50 내지 120 cm 의 범위이고, 바람직스럽게는 80 내지 120 cm 범위이고, 보다 바람직스럽게는 95 내지 120 cm 의 범위인, 108 cm 와 같은 보어(bore)를 가질 수 있다. 기관은 예를 들면 실린더당 3000 내지 8500 kW 의 범위, 바람직스럽게는 4000 내지 8000 kW 의 범위, 적어도 실린더당 5,200 kW 와 같은 동력을 가질 수 있다. 각각의 실린더 (C1-C10)는 그것의 하단부에 배기 공기 포트(2)의 열을 가진 실린더 라이너(liner)(1)와, 실린더의 상부에 위치된 배출 밸브(4)를 가진 실린더 커버(3)를 가진다.

피스톤(5)은 피스톤 로드(6)상에 장착되는데, 이것은 크로스헤드(7)와 커넥팅 로드(8)를 통해서 크랭크샤프트(10)상의 크랭크 핀(9)과 연결된다. 크랭크샤프트 저널(11)은 대판(bedplate,12) 안에 장착된 주 베어링 안에 위치된다.

크로스헤드는 안내 슈우(13)에 의해서 횡방향으로 지지되어 저부로부터 A-프레임(14)의 상부로 수직 방향에서 연장된 안내 평면(22)상에서 미끄러진다. 안내 평면은 기관의 정지 A 프레임(14)에 고정되며, A 프레임은 대판(12)의 상부에 고정 된다. 기반용 볼트(23)는 대판(12)을 기관의 기반부(미도시)에 고정시킨다. 기관의 기반부는 기관이 선박의 주요 추진 기관인 경우에 선박의 선체 일부이거나 또는 기관이 발전소의 고정형 기관인 경우에는 빌딩 구조물의 일부이다. 기관에서 진동에 의해 야기된 외력과 모멘트는 기관의 기반부와, 상부 버팀대가 기관의 고정을 강화하기 위하여 사용된 경우에 벽 또는 선체의 측면과 같은 다른 구조물에도 전달될 수 있다. 실린더 부분(15)은 A-프레임의 상부에 장착된다.

실린더 덮개(3)는 덮개 스터드(cover stud, 16)에 의해서 실린더 부분에 고정된다. 고정용 로드(17)는 실린더 부분으로부터 대판으로 연장되며 이들은 실린더 부분(15)을 대판(12)에 고정시킨다. 각각의 실린더 부분상에 작용하는 4 개의 고정용 로드(17)가 통상적으로 존재하며, 고정용 로드로부터 하방향의 힘들의 합은 실린더 안의 연소실에서 연소에 의해 전개된 최대 압력에 의해 야기되는 실린더 덮개에 대한 상방향의 힘을 초과한다.

배출 개스 도관(18)은 배출 밸브의 부위에서 개별 실린더로부터 연장되어 배출 개스 수용부(19) 안으로 개방된다. 기관은 모든 실린더들에 공통적인 단지 하나의 배출 개스 수용부를 가질 수 있거나, 또는 복수개의 배출 개스 수용부를 가질 수 있다.

터보과급기(20)는 배출 개스 수용부(19)와 연결되어 압축된 공기를 공기 유동 통로(24)와 가능하게는 유입 공기 냉각부(25)를 통하여 배기 공기 시스템(26)으로 전달하는데, 상기 배기 공기 시스템은 배기 공기 수용부(27)와 배기 공기 포트(2)에 있는 유입 공기 챔버(29)로의 유동 통로(28)를 구비한다.

실린더들 사이의 거리(1)는 실린더(C5,C6)들 사이의 거리를 제외하고는 도 2 에 도시된 기관들에서 전체적으로 일정한데, 실린더(C5,C6)들 사이의 거리는 l2=1+l1 이며, 이것은 2 개의 크랭크샤프트 부분이 볼트 결합에 의해 결합되는 경우의 플랜지 연결과 같이, 중간 크랭크샤프트 조인트와 2 개의 주요 베어링들의 존재에 의해 야기된 부가적인 길이(l1)를 실린더(1)들 사이의 통상적인 거리에 더한 것과 같다.

기관은 예를 들면 ME 또는 flex 유형의 기관과 같이, 연료 펌프와 배기 밸브작동을 위한 캠 샤프트 없이 전자적으로 제어되는 기관일 수 있다. 기관이 캠샤프트를 가지는 전통적인 유형인 경우에, 캠 샤프트는 체인 구동 또는 기어를 통해서 크랭크샤프트로부터 구동될 수 있는데, 이것은 보다 큰 거리(12)로 분리된 실린더들 사이에 적절하게 위치될 수 있거나, 또는 모든 실린더들이 기관 내에서 등간격으로 위치된 경우라면 기관의 단부에 위치될 수 있다.

크랭크샤프트는 개별 부분의 중량을 감소시키기 위하여 2 개의 부분들로 나뉘어진다. 이것은 기관의 조립 동안에 대판상으로 크랭크샤프트가 들어올려지는 것을 용이하게 하며 또한 크랭크샤프트의 제조를 용이하게 한다. 조인트에 위치된 실린더들 사이의 거리(12)는 다른 실린더들 사이의 거리(1)보다 크다. 이것은 물론 실린더(C5,C6)가 아닌 다른 실린더들 사이에 크랭크샤프트 조인트를 위치시킬 수 있으며, 들어올리는 용량이 충분히 강력하다면 크랭크샤프트는 크랭크샤프트 전체를 통하여 등간격의 실린더를 가진 단일체로 제작될 수 있다.

수직 방향에서 모든 안내 평면(22)은 대판에서 같은 레벨로부터 실린더 부분 (15)의 바로 아래의 같은 레벨로 연장된다. 기관이 주행할 때 안내 슈우(guide shoe)는 기관 프레임의 횡방향으로 배향된 힘을 가지고 안내 평면에 대하여 가압된다. 개별의 안내 슈우에 의하여 관련된 안내 평면상에 야기된 힘의 크기와 방향은 관련된 피스톤이 기관의 사이클 내에 있는 곳에 자연스럽게 의존한다.

사이클 내에서 특정 실린더의 위상은 실린더의 연소 각도에 의존한다. 연소 각도의 전체적인 크기는 기관의 연소 시퀀스에 의존한다. 예를 들면, 10 개의 실린더 기관에서 그 어떤 하나의 실린더도 연소 순서를 변화시키지 않으면서 72°이상의 각도로 연소 각도를 변화시킬 수 없는데, 이는 그러한 크기의 각도 변화가 연소 시퀀스의 강제적인 변화를 야기하기 때문이다. 대부분의 실제 경우에 있어서, 특정의 연소 시퀀스에서 그 어떤 주어진 실린더의 연소 각도는, 각각의 연속적인 연소 사이에서 36 °의 규칙적인 연소 시퀀스와 관련된 연소 각도로부터, 최대 20°이상으로 변화되지 않으며, 종종 최대 5°이상으로 변화되지 않거나 또는 0°내지 3°이상으로 이탈되게 변화되지 않는다.

도 3 은 관련된 안내 평면상에서 안내 슈우로부터 변화하는 수평 방향의 힘에 의하여 안내 평면으로부터 A-프레임(14)으로 야기되는 X 유형의 가이드 힘 모멘트를 도시한다. 선 a 는 크랭크샤프트의 길이 방향 중심축을 나타내고, 선 b 는 안내 평면의 상단부를 통한 수평선을 나타내고, 선 c 는 위의 2 개의 선 사이에서 수직의 거리를 나타낸다. 모멘트는 힘과, 힘을 분리하는 거리를 곱한 것의 결과로서 발생한다. X 유형 안내 힘 모멘트가 외부의 모멘트를 초래하는 정도로, 이들은 기관의 기반부로 전달되어, 선박의 선체와 같은 기반부와 관련된 구조물에 진동을 야 기하고, 따라서 선체의 상부에 건조된 상부 구조물에서도 진동을 야기할 수 있다.

도 4 내지 도 9 는 본 발명에 따른 연소 시퀀스를 도시한다. 대각선상으로 교차하는 선들의 다음에 이루어진 각도상의 표시는 그 어떤 연속적인 연소 각도들 사이의 각도 (연소 간격)가 36°인 규칙적인 연소 시퀀스의 상황에 해당한다. 그러한 규칙적인 연소 시퀀스는 연소가 0°, 36°, 72°, 108°, 144°, 180°, 216°, 252°, 288° 및, 360°에서 발생하게 한다.

도면에 도시된 실제의 연소 시퀀스는 다음과 같다.

도 4:1-7-8-2-5-10-4-3-9-6

도 5:1-6-9-3-4-10-5-2-8-7

도 6:1-8-7-2-5-10-3-4-9-6

도 7:1-6-9-4-3-10-5-2-7-8

도 8:1-6-8-4-2-10-5-3-7-9

도 9:1-9-7-3-5-10-2-4-8-6

이러한 연소 시퀀스는 위에서 언급된 바와 같이, 규칙적인 연소 시퀀스 및 규칙적이 아닌 연소 시퀀스와 모두 연결되어 이용될 수 있다.

이러한 연소 시퀀스는 상부 구조체가 상부 갑판의 위로 높고 가느다란 구성으로 연장된 콘테이너 선박의 주요 추진 기관으로서 사용된 주요 기관에 특히 관련된다. 가느다란 구성은 예를 들면 상부 갑판 위의 상부 구조물의 높이가 선박의 길이 방향에서 상부 구조물 길이의 2 배 또는 3 배를 초과하는 유형일 수 있다. 예를 들면, 상부 구조물은 23 m 내지 30 m 와 같은, 20 m 내지 35 m 의 범위의 높이와, 6 내지 14 m 범위의 길이, 통상적으로 7 내지 10 m 의 길이를 가질 수 있다.

도 10 은 그러한 배를 도시하는데, 여기에서 선체는 30 으로 표시되고 상부 구조물은 31 로 표시되어 있다. 상부 구조물은 기관 케이싱으로부터 분리되는데, 이것은 굴뚝(32)으로 상방향 연장된다. 상부 구조물(31)은 진동에 민감할 수 있는데, 특히 상부 구조물이 높거나 또는 짧은 길이일 때 그러하다. 선체(30)의 위에서, 도 10 은 3 개의 교점(node, 41)를 가지는 진동 모드(40)와, 4 개의 교점(51)을 가지는 진동 모드(50)를 도시한다.

도 11 은 출원인이 제조한 10K98MC 기관에 관한 다이아그램이다. 기관은 94 rpm 의 속도에서 57,200 kW 의 동력을 산출하는데, 이것은 실린더당 5,720 kW 에 해당한다. 최대 연속 속도는 94 rpm 에서이다. 공인된 구성을 위해서 계산에 사용된 값은 IACS 에 따라서 다음과 같다. sigb=550Mpa, sigax=10.29 Mpa, K=0.930, betab = betaq = betat=0.0, alfab= 1.744, alfat=1.744, SIGA=30MPa, l1=466 mm, B=1600mm, W=492,00 mm, rh=65,0mm, rg=18,0mm, rulb=1,2, rult=1,0mm, D=1062mm, DBH=531mm, DG=1062mm, 그리고 DBG=150 mm 이다. 이러한 값들과 도 4 에 도시된 연소 시퀀스 1-7-8-2-5-10-4-3-9-6 를 가지고, 또는 만약 실린더(1)가 기관의 다른 단부로부터 계산된다면 도 5 에 도시된 시퀀스를 가지고 진동 응답이 도 11 에 도시되어 있다. 곡선은 최대 허용 가능 진동에 대한 요건의 아래에 있는 것으로 나타나는데, 이것은 Y 축상에서 부하 1.0을 통한 수평선에 의해서 표시된다. 연소 시퀀스 1-7-8-2-5-10-4-3-9-6 은 결국 수용 가능하다.

불규칙적인 연소 시퀀스, 즉, 몇 개의 연속적으로 연소하는 실린더들의 연소 사이의 각도 간격이 36°로부터 이탈된다는 점에서 규칙적이지 아니한 연소 시퀀스를 사용하는 것도 가능하다. 단지 몇 도의 이탈도 기관에서 상이한 진동 패턴을 초래할 수 있다. 그러한 불규칙적인 연소 시퀀스들은 기관의 결과적인 진동 특성의 미세 조정에 유용할 수 있다.

특정한 연소 시퀀스의 진동 레벨의 계산은 통상적으로 컴퓨터 프로그램에 의해 전자적으로 수행되는데, 그러한 프로그램은 MAN B&W 디이젤 사가 개발한 PROFIR 프로그램이나, 또는 뉴욕, 위엔의 스프링거-벨라그(Spirnger-Verlag) 사에 의해서 출판된, H. Maass/H. Klier 와 K. E. Hafner/H. Maass 의 "디 베르브렝스크라프트마신"("Die Verbrennungskraftmaschine") 에 개시된 교본 프로그램과 같은 것이다.

본 발명에 따른 6 개의 연소 시퀀스에 대하여, 이들은 3 개의 2 중 시퀀스로 그룹을 이룰 수 있는데, 여기에서 각각의 2 중 시퀀스는 실린더들의 번호 매김(numbering)이 기관의 일 단부나 또는 다른 단부에서 시작되는 2 개의 상황을 반영한다. 이러한 2 가지 시퀀스는 사실상 등가의 연소 시퀀스를 가진 기관을 설명한다.

본 발명에 따른 3 개의 실제로 상이한 연소 시퀀스에 대하여, 다음의 진동 값들은 도 11 의 다이아그램에 관련된 기관에 대하여 나타낸 것이다.

표 1

연소시퀀스	제1차수의 모멘트	X 유형 가이드 힘 모멘트 kNm
		제1차수	제3차수	제5차수	제7차수	제9차수
1-7-8-2-5-10-4-3-9-6	2912	1607	3335	603	3005	64
1-6-9-3-4-10-5-2-8-7
1-8-7-2-5-10-3-4-9-6	3077	1697	3285	2013	1960	67
1-6-9-4-3-10-5-2-7-8
1-6-8-4-2-10-5-3-7-9	3824	2111	3175	3424	2861	84
1-9-7-3-5-10-2-4-8-6

짝수의 진동 차수들에 대하여 kNm 으로 표시된 외부의 X 유형 가이드 힘 모멘트는 제로이다.

제 1 차수 보다 높은 차수의 외부 (자유) 모멘트는 제로이다.

위에 설명된 구현예들에 대하여 수정예를 만드는 것은 첨부된 특허 청구 범위 내에서 가능하다. 실린더들은 기관의 전방 단부를 C1 으로 하고 후방 단부를 C10 으로 하여 번호를 붙일 필요는 없다. 이들은 후방 단부를 C1 으로 하고 전방 단부를 C10 로 하여 똑같이 번호를 붙일 수 있다.

본 발명은 2 행정 크로스헤드 내연 기관의 진동 특성을 개선한다.

Claims (5)

1. 단일 열로 10 개의 실린더를 가지는 2 행정 크로스헤드 내연 기관으로서, 기관은 기관 실린더(C1-C10)들의 연소 시퀀스(n1-n10)를 가지고, 기관 실린더(C1-C10)의 연소 순서(n1-n10)는 다음의,

   1-7-8-2-5-10-4-3-9-6

   1-6-9-3-4-10-5-2-8-7

   1-8-7-2-5-10-3-4-9-6

   1-6-9-4-3-10-5-2-7-8

   1-6-8-4-2-10-5-3-7-9 또는

   1-9-7-3-5-10-2-4-8-6 들중 하나인 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 내연 기관.
2. 제 1 항에 있어서,

   실린더(C1)와 실린더(C10)의 연소 각도(α1,α10)는 180°로 이격되고, 실린더(C2)와 실린더(C9)의 연소 각도(α2,α9)는 180°로 이격되고, 실린더(C3)와 실린더(C8)의 연소 각도(α3,α8)는 180°로 이격되고, 실린더(C4)와 실린더(C7)의 연소 각도(α4,α7)는 180°로 이격되고, 실린더(C5)와 실린더(C6)의 연소 각도(α5,α6)는 180°로 이격되는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 내연 기관.
3. 제 2 항에 있어서,

   연소 시퀀스는 그 어떤 2 개의 연속적으로 연소하는 실린더들 사이의 크랭크샤프트의 회전 각도가 36°라는 의미에서 규칙적인 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 내연 기관.
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,

   기관은 콘테이너 선박에서 주요 추진 기관인 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 내연 기관.
5. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,

   기관은 적어도 5200 kW 의 실린더당 최대 동력을 가지는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 내연 기관.

Images