KR20170035780A - 왕복동 피스톤 내연 기관을 위한 가스 공급 시스템과 실린더 라이너, 왕복동 피스톤 내연 기관, 및 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법 - Google Patents

왕복동 피스톤 내연 기관을 위한 가스 공급 시스템과 실린더 라이너, 왕복동 피스톤 내연 기관, 및 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법 Download PDF

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마르셀 오뜨
세바스티안 헨젤
잉에마르 니룬드
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빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Abstract

본 발명은 왕복동 피스톤 내연 기관, 특히 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관을 위한 가스 공급 시스템(1)에 관한 것으로, 가스 공급 시스템은 가스 입구 노즐(3)을 갖는 가스 입구 밸브(2) 및 실린더 라이너(41)를 포함하고, 또한 가스 공급 시스템은, 연료로서 이용가능한 연소 가스(5)가 가스 공급 시스템의 설치 상태에서 가스 입구 노즐(3)에 의해 실린더(4)의 연소 공간(42)에 공급될 수 있도록 왕복동 피스톤 내연 기관의 실린더(4)에 배치될 수 있도록 되어 있다. 본 발명에 따르면, 가스 입구 노즐(3)은 실린더 라이너(41)의 일체적인 요소이고 또한 실린더 라이너(41) 내의 보어(bore)로 되어 있으며, 가스 입구 노즐(3)의 노즐 축선(D)은 가스 입구 밸브(2)의 밸브 축선(V)에 대해 미리 정해진 각도(α)로 배치되며, 그래서, 가스 공급 시스템의 작동 및 설치 상태에서 연소 가스(5)는 실린더(4)의 반경 방향(R) 및/또는 축방향(A)에 대해 영이 아닌 각도(β)로 실린더(4)의 연소 공간(42) 안으로 분사될 수 있다. 본 발명은 또한, 실린더 라이너, 가스 공급 시스템을 갖는 왕복동 피스톤 내연 기관, 및 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법에 관한 것이다.

Description

왕복동 피스톤 내연 기관을 위한 가스 공급 시스템과 실린더 라이너, 왕복동 피스톤 내연 기관, 및 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법{GAS SUPPLY SYSTEM AND CYLINDER LINER FOR A RECIPROCATING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE, RECIPROCATING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AS WELL AS METHOD OF OPERATING A RECIPROCATING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 각 카테고리의 독립 청구항의 전제부에 따른, 왕복동 피스톤 내연 기관을 위한 가스 공급부, 왕복동 피스톤 내연 기관, 및 보다 구체적으로, 종방향 소기식(scavenged) 2-행정 대형 디젤 기관을 위한 가스 공급부를 갖는 실린더, 및 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법에 관한 것이다.
대형 디젤 기관은 선박을 위한 또는 예컨대 전기 에너지의 발생을 위한 대형 발전기의 구동을 위해 정치 작업 모드에서 구동기 집단체로서 자주 사용된다. 이와 관련하여, 상기 디젤 기관은 일반적으로 작업 안전 및 가용성 면에서 높은 요건을 부과하는 연속적인 작업 모드에서 상당한 시간 동안 가동된다. 이러한 이유로, 특히 긴 유지 보수간 기간, 저마모 및 연료와 작업 재료의 경제적인 취급이 작업자에게는 기계의 작동에 대한 주요 기준이 된다. 무엇 보다도, 느리게 가동되는 그러한 대형 디젤 기관의 피스톤 운동 거동은 유지 보수간 기간, 가용성, 및 윤활유 소비를 통해 또한 작업비 및 이렇게 해서 경제적인 효과에 있어 결정적인 인자이다.
수년간 점점 더 중요해지고 있는 다른 중요한 점은, 배기 가스의 질, 특히 배기 가스 중의 질소 산화물 농도이다. 이와 관련하여, 대응하는 배기 가스 값에 대한 법적인 규제 및 한계는 점점더 엄격해지고 있고 가까운 미래에는 더욱더 엄격해질 것이다. 이 결과, 특히 2-행정 대형 디젤 기관에 대해서는, 오염물질이 많이 실리는 전통적인 중유의 연소, 및 디젤유 또는 다른 연료 물질의 연소는 점점더 큰 문제가 될 것인데, 왜냐하면, 배기 가스 한계 값의 유지는 더욱더 어렵게 되고 기술적으로 더욱더 까다롭고 또한 그래서 더욱 비용이 많이 들거나 결국에는 그의 유지가 합리적인 방식으로 더 이상 가능하지 않게 될 것이기 때문이며, 그래서 대응하는 엔진은 조치를 취해야 하거나 또는 적어도 수고와 비용 면에서 까다로운 방식으로 개장되어야 한다.
이러한 이유로, 소위 "이중 연료 엔진"에 대한 요건이 실제로 오랫 동안 존재해 오고 있는 있는데, 이 엔진은 서로 다른 종류의 연료로 작동될 수 엔진을 의미한다. 이와 관련하여 종종, 한편으로, 예컨대 천연 가스, 예컨대, 소위 "액화 천연 가스"(LNG) 형태의 가스 또는 자동차 가스 형태의 가스 또는 내연 기관의 작동에 적합한 다른 가스가 연소되어야 하며, 다른 한편으로는, 가솔린, 디젤, 중유 또는 다른 적절한 액체 연소 물질과 같은 다른 종류의 연소 물질이 하나의 동일한 엔진에서 연소될 수 있어야 한다. 이와 관련하여 엔진은 2-행정 기관 또는 4-행정 기관일 수 있고, 이와 관련하여 이것들은 소형 엔진, 중형 엔진 및 대형 엔진일 수 있고, 특히 예컨대 선박에서 또는 발전소에서의 전기 에너지 생산을 위해 구동기 집단체로서 사용되는 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관일 수 있다.
본 출원에서, "대형 디젤 기관" 이라는 용어 또는 유사한 용어, 예컨대 디젤 작동 모드 외에도 연료의 자기 점화를 특징으로 하는 대형 엔진은, 연료의 외부 점화를 특징으로 하는 오토(Otto) 모드에서도 작동될 수 있고 또는 이들 두 작동 모드의 혼합 형태로 작동될 수 있다.
그러나, 또한, 특히 대기 가스에 대한 높은 기준(가스의 연소를 통해서만 경제적으로 합리적인 방식으로 허용가능한 기술적 요구로 유지될 수 있음)이 요구될 때, 순수 가스 엔진(즉, 가스로만 작동될 수 있고 대안적으로 디젤, 중유 또는 다른 연소 물질로는 연소되지 못하는 엔진)이 점점더 요청되고 있다. 이러한 순수 가스 엔진은 예컨대 WO 2010 147071 A1에 언급되어 있다. 다른 최신 기술은 예컨대 DE 10 2010 005814 A1에 소개되어 있다.
이중 연료 엔진이든 연료 가스 엔진이든 상관 없이, 대응하는 왕복동 피스톤 내연 기관의 실린더의 연소 공간 내로의 연료 가스 도입 과정은, 그러한 엔진의 신뢰적이고 안전한 작동에 결정적으로 중요하다.
이와 관련하여, 왕복동 피스톤 내연 기관의 연소 공간 안으로 연소 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템은, 더욱이 서로에 어느 정도 영향을 주는 복수의 상이한 기능을 가지며, 그래서 상이한 부분 기능들은 서로에 대해 정확히 조정되어야 한다. 더욱이, 특히 가스 공급 시스템의 정확한 설계는 미리 정해진 또는 바람직한 작동 상태에 달려 있는데, 예컨대 엔진이 일반적으로 전부하(full load) 작동 모드로 작동되는지 또는 부분 부하 작동 모드로 작동되는지 또는 이들 두 작동 모드 사이의 변경이 빈번히 수행되어야 할지에 달려 있는 것이다. 또는 엔진이 예컨대 이중 연료 엔진인지 순수 가스 엔진인지에도 달려 있다. 또는 가스 공급 시스템의 특정 설계는 엔진의 구성 크기, 엔진의 파워, 엔진 크기, 바람직한 회전 속도 범위 또는 당업자에게 알려져 있는 다른 구성예 또는 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 상태에 달려 있을 수 있다.
특히, 2-행정 대형 디젤 기관에 대하여, 가스 공급 시스템은, 4-행정 엔진에 대해 충분한 요건인 것처럼, 연소 공간 안으로 도입되는 가스의 양을 계량하는 기능만 갖고 있는 것은 아니다. 특히, 2-행정 디젤 기관의 경우에, 추가 요건은 가스 공급 시스템을 통해 도입되는 가스와 소기 공기의 정확하고 신뢰적인 혼합인데, 이것이 결정적인 점이다.
다른 중요한 점은 엔진의 작동 안전에 관련된 것이다. 가스 공급 시스템이 완전히 또는 부분적으로 고장난 경우에는, 다량의 가스 도입을 방지하는 적절한 안전 조치를 취하지 않으면, 예컨대 너무 많은 양의 가스가 엔진의 연소 공간 안으로 도입될 수 있다. 엔진의 연소 공간에 이렇게 과도하게 많은 양의 가스가 있으면, 대형 디젤 기관의 배기 시스템 또는 소기 공기 시스템에서 통제불능의 폭발이 일어날 수 있는데, 이렇게 되면, 대응하는 부품들이 과열되거나 손상되며, 그래서 최악의 경우에는 전체 기계가 파손될 수 있는데, 이는 특히 바다에 있는 선박에 대해서는 치명적인 결과를 줄 수 있고 심지어 전체 선박의 손실의 결과를 줄 수 있다.
그러나, 또한 그러한 오기능의 결과가 그렇게 극적이지 않으면, 이러한 종류의 덜 심각한 고장은 그와 관련하여 바람직하지 않은 단점을 가질 수 있다.
예컨대, 가스 공급 시스템의 결함 때문에 너무 많은 또는 너무 적은 양의 가스가 엔진의 연소 공간 안으로 도입되면, 예컨대 질소 산화물 함량 또는 다른 배기 가스 값과 같은 배기 가스 값이 크게 부정적인 영향을 받을 수 있다.
그러나, 대안적으로, 가스, 예컨대 위에서 언급한 LNG로 작동하는 경우에 가스 공급 시스템의 오기능이 생기면, 예컨대 불완전 연소가 일어날 수 있고, 이 때문에, 당업자에게는 CH4 슬립(CH4의 값이 너무 높게 됨)으로 알려져 있는 현상이 일어나게 된다. 대응하는 엔진이 가스로만, 즉 가스 작동 모드로만 작동하는 경우, 연소시 가스 공급 시스템의 오기능 중에 발생하는 배기 가스는 특히 무시할 수 없는 양의 메탄 배출물 및/또는 포름알데히드 배출물을 포함할 수 있는데, 이 배출물은 예컨대 실린더 벽에서 연소 과정 중에 연소 화염의 자발적인 냉각("소염(flame quenching)")으로 인해 생길 수 있거나 비개방형 출구 밸브를 가짐과 동시에 실린더가 신기(fresh air)로 소기(scavenging)되는 단계에서 생길 수 있으며 또는 다른 방식으로 생길 수 있다.
부적절한 방식으로, 예컨대 부적합한 압력에서 또는 분사 제트의 부적합한 기하학적 형상에서, 규정되지 않은 부적합한 각도에서, 연소 공간 내의 부적합한 위치에서 가스가 도입되는 경우에 또는 다른 부절적한 방식으로 엔진의 연소 공간 안으로 도입되는 경우에, 유사한 효과가 일어날 수 있다.
예컨대 배기 가스 중의 메탄 농도가 그러한 작동 상태로 인해 대응적으로 높으면, 그에 의해 엔진의 안전 작동 모드가 마찬가지로 영향을 받을 수 있다. 예컨대, 배기 가스 시스템 내의 메탄이 예컨대 배기 가스 집결 관 및/또는 터보과급기 앞의 영역 또는 심지어 터보과급기 안에서 점화되는 위험이 존재한다. 최악의 경우에는, 배기 가스 시스템 내의 메탄의 점화로 인해, 메탄 가스 점화의 손상적인 영향을 받는 대응하는 부품들이 손상될 수 있다. 더욱이, 메탄은 잘 알려져 있는 바와 같이 이산화탄소 보다 적어도 25배 더 효과적인 아주 활성적인 온실 가스인데, 이는 소위 EEDI(Energy Efficiency Design Index)의 계산에 상당히 부정적인 영향을 줄 수 있다.
또한, 자주 사용되고 매우 민감한 산화 촉매는 배기 가스 시스템의 오기능 및 그로 인한 결과에 큰 영향을 받을 수 있고 최악의 경우에는 짧은 기간 후에 회복불가능한 손상을 이미 입을 수 있으며, 그리하여, 엔진의 추가적인 안전하고 신뢰적인 작동이 적어도 문제가 되며 최악의 경우에는 심지어 불가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 가스 공급 시스템, 이 가스 공급 시스템을 갖는 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관을 위한 실린더 라이너, 다른 종류의 엔진 및/또는 다른 작동 상태와 요건에 유연하게 적합하게 될 수 있는 가스 공급 시스템을 갖는 왕복동 피스톤 내연 기관, 특히 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관을 이용가능하게 하는 것이며, 그래서, 이것들은 어떤 경우에 낡은 엔진에도 개장될 수 있고 그리고/또는 기존의 엔진이 다른 종류의 작동 상태에 유연하고 간단하게 개장되고/개장되거나 전환될 수 있다. 이와 관련하여, 가스는 왕복동 피스톤 내연 기관의 연소 공간 안으로 안전하게 또한 신뢰적으로 도입되어야 하며, 특히, 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관의 경우에는, 연소 공간 안에서 소기 공기와의 이상적인 혼합이 보장되어야 한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 주 내용은 독립 청구항 1, 12, 14 및 15의 기재 사항을 특징으로 한다.
각각의 종속 청구항은 본 발명의 특히 유리한 실시 형태에 관한 것이다.
본 발명은 왕복동 피스톤 내연 기관, 특히 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관을 위한 가스 공급 시스템에 관한 것으로, 상기 가스 공급 시스템은 가스 입구 노즐을 갖는 가스 입구 밸브 및 실린더 라이너를 포함하고, 또한 상기 가스 공급 시스템은, 연료로서 이용가능한 연소 가스가 가스 공급 시스템의 설치 상태에서 가스 입구 노즐에 의해 실린더의 연소 공간에 공급될 수 있도록 왕복동 피스톤 내연 기관의 실린더에 배치될 수 있도록 되어 있다. 이와 관련하여, 상기 가스 입구 밸브는 밸브 하우징 안에 있는 압력 공간을 포함하고, 압력 공간에서 연소 가스는 작동 상태에서 가스 공급부를 통해 저장 및 가스 입구 노즐 안으로의 공급을 위해 이용가능하다. 밸브 축에 배치되는 밸브 판 및 밸브 자리를 갖는 밸브 몸체가 압력 공간에 제공되며, 밸브 몸체의 폐쇄 상태에서 상기 밸브 자리는 밸브 판과 시일링 방식으로 협력하여, 연소 가스가 압력 공간으로부터 가스 입구 노즐 안으로 공급되는 것이 방지되며, 밸브 몸체의 개방 상태에서 연소 가스가 압력 공간으로부터 밸브 판을 지나 가스 입구 노즐에 공급될 수 있도록, 밸브 판은 밸브 축에 작동적으로 연결되어 있는 밸브 구동기에 의해 밸브 자리로부터 들릴 수 있다. 상기 가스 입구 노즐은 실린더 라이너의 일체적인 요소이고 또한 실린더 라이너 내의 보어(bore)로 되어 있으며, 가스 공급 시스템의 작동 및 설치 상태에서 연소 가스가 실린더의 반경 방향 및/또는 축방향에 대해 영이 아닌 각도로 실린더의 연소 공간 안으로 분사될 수 있도록 가스 입구 노즐의 노즐 축선이 가스 입구 밸브의 밸브 축선에 대해 미리 정해진 각도로 배치되어 있다.
따라서, 상기 각도는 가스 입구 노즐의 노즐 축선과 가스 입구 밸브의 밸브 축선 사이의 각도에 대해 보각(supplementary angle)인 분사 각도를 말하는데, 다시 말해, 분사 각도와 노즐 축선과 밸브 축선 사이의 각도는 180°가 되도록 서로 보각 관계에 있다. 바람직하게는, 분사 각도는 10도 내지 80도, 특히 바람직하게는 10도 내지 35도이며, 분사 각도는 더 특히는 약 22.5도이다.
따라서, 본 발명에 따른 가스 공급 시스템은, 밸브 판을 갖는 밸브 축을 본질적인 요소로서 갖는 밸브를 포함하며, 원하는 양의 가스는 일반적으로 유압식으로 제어되는 밸브에 의해, 폐쇄 상태에서 밸브 자리와 시일링 가능하게 협력하는 밸브 판을 지나 연소 공간 안으로 들어가며, 가스는 노즐 및 적절한 노즐 통로를 지나 연소 공간 안으로 들어갈 수 있다.
이렇게 해서, 왕복동 피스톤 내연 기관의 연소 공간 안으로 연소 물질을 공급하기 위한 가스 공급 시스템으로서, 2-부품 설계(즉, 가스 입구 밸브와 가스 입구 노즐은 실린더 라이너에 있는 보어로 되어 있음)로 인해 지금까지 알려져 있지 않은 유연성을 갖는 가스 공급 시스템이 본 발명에 의해 실현 가능하다. 가스 입구 노즐은 실린더 라이너의 일체적인 요소이므로(즉 실린더 라이너에 있는 보어로 되어 있으므로), 자주 가스 입구 밸브에 연결되어야 하는 별도의 가스 입구 노즐을 만들지 않아도 됨에 따라 특히 간단한 구성이 얻어진다. 가스 입구 노즐은 실린더 라이너에 대응하는 보어로 간단하게 만들어질 수 있는데, 예컨대 왕복동 피스톤 내연 기관의 연소 공간 내의 특정 연소 조건에 대한 요건에 따라 만들어질 수 있으며, 그래서, 연소 가스를 연소 공간 안으로 분사하기 위한 상이한 분사 조건들이 간단한 방식으로 실현될 수 있고 또한 각각의 요건에 이상적으로 조정될 수 있다.
더욱이, 가스 공급 시스템의 작동 및 설치 상태에서 연소 가스가 영이 아닌 미리 정해질 있는 분사 각도로 실린더의 연소 공간 안으로 분사될 수 있도록, 본 발명의 가스 입구 노즐의 노즐 축선은 가스 입구 밸브의 밸브 축선에 대해 미리 정해진 각도로 배치된다. 그러므로, 이는 결정적으로 중요한데, 동시에 가스 입구 노즐의 2가지의 주 기능이 설명되는데, 한편으로, 연소 공간 내의 조건에 적합한 가스 입구 노즐의 사용을 통해, 가변적인 종류의 작동 조건에 대해 정확한 계량이 가능하다. 그리고, 다른 한편으로는, 소기 공기와 연소 가스의 이상적인 혼합이 이루어질 수 있고, 그래서 이상적인 연소가 보장되며, 따라서, 특히 요구되는 배기 가스 기준이 유지될 수 있으며, 한편, 분사 각도의 정확한 선택과 분사 비임 및/또는 복수의 분사 비임의 기하학적 구조의 정확한 선택에 의해 연료 소비가 최소화될 수 있다.
이는, 어떤 방식으로 서로에 영향을 줄 수 있는 복수의 상이한 기능들이 본 발명에 의해 서로에 대해 정확히 조정될 수 있음을 의미한다. 따라서, 예컨대, 가스 공급 시스템의 특정한 설계를 통해, 보다 구체적으로는, 가스 입구 노즐을 형성하는 보어의 적절한 설계를 통해, 예컨대, 엔진이 일반적으로 전부하 작동 모드 또는 부분 부하 작동 모드로 작동하는지 또는 이들 두 작동 상태 사이의 변경이 자주 이루어져야 하는지의 소정의 또는 바람직한 작동 상태에 촛점이 이상적으로 설정될 수 있다. 또는, 가스 입구 노즐은 예컨대 이중 연료 엔진인지 순수 가스 엔진인지에 따라 이상적으로 선택될 수 있다. 또는, 가스 공급 시스템의 특정한 설계는, 엔진의 구성 크기, 엔진의 파워, 구성 크기, 바람직한 회전 속도 범위 또는 당업자에게 알려져 있는 다른 구성예 또는 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 상태에 대해 예컨대 유연하게 설정될 수 있다. 본 발명에 따른 가스 공급 시스템의 사용을 통해, 예컨대 가스 입구 노즐만 적절히 선택되고 대응적으로 구성되면 되고, 가스 입구 밸브는 그대로 유지될 수 있다.
특히 2-행정 대형 디젤 기관에 대해, 가스 공급 시스템은, 4-행정 엔진에 대해 충분한 요건인 것처럼, 엔진의 연소 공간 안으로 도입되는 가스의 양을 계량하는 기능만 갖고 있는 것은 아니다. 특히, 2-행정 디젤 기관의 경우에, 이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 공급 시스템이 완전히 고려하는 추가 요건 외에도, 가스 공급 시스템에 의해 도입되는 가스와 소기 공기의 정확하고 신뢰적인 혼합이 결정적인 점이다.
연소 가스와 소기의 공기의 혼합을 개선하고/개선하거나 실린더 안으로의 연소 가스의 도입을 더 최적화하기 위해, 추가 조치로서, 가스 입구 노즐은 본 발명에 따라 복수의 노즐 개구를 포함할 수 있다. 이들 보어는 실린더 라이너에 있는 개별적인 보어로서 제공되며, 바람직하게는, 개별적인 보어들은 실린더 라이너의 벽 내부에서 결합하여 공통 보어로 되며, 이 공통 보어의 개구는 실린더 라이너의 외측에 있는 가스 입구 밸브와 협력하게 된다.
또한, 연소 가스가 서로 다른 2개의 분사 각도로 연소 공간 안으로 들어갈 수 있도록 2개의 노즐 개구가 서로에 대해 서로 다르게 정렬될 수 있으며, 그리하여, 예컨대 연소 공간에서 개선된 분포가 이루어질 수 있다.
또는, 그러나, 대안적으로 또는 동시에, 연소 가스가 2개의 노즐 개구를 통해 2개의 서로 다른 분사량 및/또는 2개의 서로 다른 유동 속도 및/또는 2개의 서로 다른 비임 기하학적 구조를 가지고 연소 공간 안으로 들어갈 수 있도록 2개의 노즐 개구가 서로 다르게 형성될 수 있다. 이는 특히 연소 공간 안으로 들어가는 개구에서 예컨대 상이한 직경을 갖는 개별적인 보어의 각각의 특정한 설계로 실현될 수 있다.
바람직한 구성에 따르면, 연소 공간 측에서 상기 가스 입구 노즐은 실질적으로 원통형인 보어로 되어 있고, 그 원통형 보어의 축선은 상기 밸브 축선(V)에 대해 미리 정해진 각도를 이룬다.
상기 가스 입구 노즐은 연소 공간으로부터 먼쪽에서 테이퍼형 영역을 가지며, 테이퍼형 영역은 반경 방향으로 실린더 라이너의 외면 내로 열려 있는 것이 더 바람직하다. 반경 방향 개구를 통해, 특히 가스 입구 노즐이 가스 입구 밸브와 협력하는 영역(즉, 밸브 자리의 바로 하류에 있는 영역)에서 연소 가스의 특히 유리한 유동 정도가 실현가능하다. 연소 가스의 유동 방향에서 볼 때 가스 입구 노즐의 테이퍼형 영역을 통해, 연소 가스가 연소 공간으로 가능한 한 효율적으로 도입될 수 있다.
상기 테이퍼형 영역은 일측에서 내부 반경을 가지며, 내부 반경은 가스 입구 노즐의 원통형 보어에 이어져 있는 것이 특히 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 테이퍼형 영역으로부터 원통형 보어로 가는 천이부가 특히 일측에서 둥글게 형성될 수 있고, 유동 기술적 관점에서 볼 때, 연소 가스가 반경 방향에서 원하는 분사 방향으로 특히 유리하게 방향 전환될 수 있다.
다른 중요한 점은 엔진의 작동 안전에 관련된 것이다. 가스 공급 시스템이 완전히 또는 부분적으로 고장난 경우에, 다량의 가스 도입을 방지하는 적절한 안전 조치를 취하지 않으면, 예컨대 너무 많은 양의 가스가 엔진의 연소 공간 안으로 도입될 수 있다. 엔진의 연소 공간에 이렇게 과도하게 많은 양의 가스가 있으면, 대형 디젤 기관의 배기 시스템 또는 소기 시스템에서 통제불능의 폭발이 일어날 수 있는데, 이렇게 되면, 대응하는 부품들이 과열되거나 손상되며, 그래서 최악의 경우에는 전체 기계가 파손될 수 있는데, 이는 특히 바다에 있는 선박에 대해서는 치명적인 결과를 줄 수 있고 심지어 전체 선박의 손실의 결과를 줄 수 있다.
그러나, 또한 그러한 오기능의 결과가 그렇게 극적이지 않으면, 이러한 종류의 덜 심각한 고장은 그와 관련하여 바람직하지 않은 단점을 줄 수 있다.
예컨대, 가스 공급 시스템의 결함 때문에 너무 많은 또는 너무 적은 양의 가스가 엔진의 연소 공간 안으로 도입되면, 예컨대 질소 산화물 함량 또는 다른 배기 가스 값과 같은 배기 가스 값이 크게 부정적인 영향을 받을 수 있다.
또는, 그러나, 가스, 예컨대 위에서 언급한 LNG로 작동하는 경우에 가스 공급 시스템의 오기능이 생기면, 예컨대 불완전 연소기 일어날 수 있고, 이 때문에, 당업자에게는 CH4 슬립(너무 높은 값을 가짐)으로 알려져 있는 현상이 일어나게 된다. 대응하는 엔진이 가스로만, 즉 가스 작동 모드로만 작동하는 경우, 연소시 가스 공급 시스템의 오기능 중에 발생하는 배기 가스는 특히 무시할 수 없는 양의 메탄 배출물 및/또는 포름알데히드 배출물을 포함할 수 있는데, 이 배출물은 예컨대 실린더 벽에서 연소 과정 중에 연소 화염의 자발적인 냉각("소염(flame quenching)")으로 인해 생길 수 있거나 비개방형 출구 밸브를 가짐과 동시에 실린더가 신기로 소기되는 단계에서 생길 수 있으며 또는 다른 방식으로 생길 수 있다.
부적절한 방식으로, 예컨대 부적합한 압력에서 또는 분사 제트의 부적합한 기하학적 형상에서, 바람직하기 않은 각도에서, 연소 공간 내의 바람직하기 않은 위치에서 또는 다른 부적합한 방식으로 가스가 엔진의 연소 공간에 도입되는 경우에, 유사한 효과가 일어날 수 있다.
예컨대 배기 가스 중의 메탄 농도가 그러한 작동 상태로 인해 대응적으로 높으면, 그에 의해 엔진의 안전 작동이 마찬가지로 영향을 받을 수 있다. 예컨대, 메탄이 배기 가스 시스템 내에서, 예컨대 배기 가스 집결 관 및/또는 터보과급기 앞의 영역 또는 심지어 터보과급기 안에서 점화되는 위험이 존재한다. 최악의 경우에는, 배기 가스 시스템 내의 메탄의 점화로 인해, 메탄 가스 점화의 손상적인 영향을 받는 대응하는 부품들이 손상될 수 있다. 더욱이, 메탄은, 알려져 있는 바와 같이 이산화탄소의 적어도 25배 효과적인 아주 활성적인 온실 가스인데, 이는 소위 EEDI(Energy Efficiency Design Index)의 계산에 상당히 부정적인 영향을 줄 수 있다.
또한, 자주 사용되고 매우 민감한 산화 촉매는 배기 가스 공급 시스템의 오기능 및 그로 인한 결과에 큰 영향을 받을 수 있고 최악의 경우에는 짧은 기간 후에 회복불가능한 손상을 이미 입을 수 있으며, 그리하여, 엔진의 추가적인 안전 및 신뢰적인 작동이 적어도 문제가 되며 최악의 경우에는 심지어 불가능하게 된다.
또는 이들 부분적으로 매우 심각한 문제는 본 발명에 의해 신뢰적으로 회피될 수 있다.
이러한 목적으로, 본 발명에 따른 가스 공급 시스템은, 연소 공간 안으로 들어가는 연소 가스 유동을 모니터링하기 위해 밸브 몸체의 위치를 결정하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있고, 이 제어 시스템은 경로 센서, 특히 전기적 또는 전자기적 경로 센서, 더 구체적으로는 유도형, 용량형 또는 광학식 경로 센서이며, 특히 밸브 몸체의 개방 또는 폐쇄 여부가 언제든지 신뢰적으로 검출될 수 있다.
특히 바람직하게는, 이와 관련하여, 상기 제어 시스템은 신호 전달 방식으로 모니터링 유닛에 연결되어 있고 밸브 몸체의 위치가 작동 상태에서 상기 모니터링 유닛에 의해 검출될 수 있으며, 그래서, 왕복동 피스톤 내연 기관의 크랭크 각도 및/또는 왕복동 피스톤 내연 기관의 가스 교환 밸브의 위치에 따라 가스 입구 노즐(3)에 대한 연소 가스 공급이 차단될 수 있다. 이렇게 하여, 본 발명에 의하면, 가스 공급 시스템의 오기능을 검출할 수 있고, 또한 오기능에 따라 안전 프로토콜을 시작할 수 있으며, 그래서, 가스 공급 시스템에 대한 가스 공급이 자동적으로 차단되며, 상기 왕복동 피스톤 내연 기관은 바람직하게는 자동적으로 스위치 오프되고, 특히 바람직하게는, 대체 연소 물질, 예컨대 디젤유 또는 중유와 같은 액체 연료가 사용되는 작동 모드로 자동적으로 전환된다.
이와 관련하여, 가스 입구 시스템은, 밸브 축의 구동을 위한 상기 밸브 구동기는 기계식, 전기식 또는 공압식 밸브 구동기, 특히 유압 밸브 구동기이고 특히 바람직하게는 밸브 몸체를 폐쇄하기 위해, 상기 밸브 구동기에 작용하는, 특히 복귀 스프링 형태의 복원 유닛이 제공되도록 구성된다.
실용상 특히 중요한 특정 실시 형태에서는, 상기 밸브 축은 축 하우징의 안내 보어 안에서 안내된다. 이와 관련하여, 연소 공간 내 연소 가스의 가스 압력에 대한 시일링을 위한 시일링 압력으로 가압되는 유압 오일이 상기 안내 보어에 들어갈 수 있으며, 상기 시일링 압력은 바람직하게는 압력 공간 내 연소 가스의 연소 압력 보다 크며, 그래서 안내 보어 안으로의 연소 가스 침투 및/또는 안내 보어를 통과하는 연소 가스의 관류가 실질적으로 방지될 수 있다.
연소 가스는 통제불가능한 방식으로 밸브 축을 따라 가스 공급 시스템의 다른 요소 안으로 들어가는 것이 허용되지 않으므로, 특히 밸브 축의 유압 구동기 안으로 들어가는 것이 허용되지 않으므로(이는 밸브 축에서 그리고/또는 그 밸브 축을 따라 가스 누출이 일어날 수 없으며 그리고/또는 매우 잘 통제된 양의 기술적으로 비본질적인 가스 누출만 밸브 축에서 그리고/또는 그 밸브 축을 따라 일어남을 의미함), 시일링 압력은 연소 공간 내 연소 가스의 연소 압력 보다 높아야 한다. 이러한 이유로, 현재 시스템에 대해서는 예컨대 대응하는 시일링 링으로 시도된 대응하는 방식으로 밸브 축이 신뢰적으로 시일링되어야 하며, 그 시일링 링은 결국에는 모든 점에서 다소 더 불리한 것으로 나타났는데, 왜냐하면, 그 시일링 링은 가압된 연소 가스에 대해 또는 작동 상태 동안에 존재하는 마찰 현상으로 인해 예컨대 너무 빨리 마모되면 충분한 시일링 효과를 보이지 않으며 그래서 결국 비용이 너무 많이 들고 또한 너무 비신뢰적으로 되기 때문이다.
이들 문제도 본 발명의 변형예로 신뢰적으로 회피된다.
본 발명은 또한, 앞에서 상세히 설명한 가스 공급 시스템을 위한 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관의 실린더 라이너에 관한 것이다. 본 발명에 따른 실린더 라이너는 특히 실린더 라이너의 벽에 있는 보어로 되어 있는 가스 입구 노즐을 일체적인 요소로서 가지고 있다는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 입구 노즐은 특히 바람직하게는 왕복동 피스톤 내연 기관의 피스톤의 상사점 위치와 하사점 위치 사이의 영역에서 실린더 라이너에 제공되며, 더 구체적으로는, 상사점 위치와 하사점 위치 사이의 거리의 20% 내지 80%, 바람직하게는 45% 내지 65%, 특히 바람직하게는 50% 내지 60%로 상사점 위치로부터 떨어져 있는 실린더 라이너의 일 영역에 제공된다. 즉, 이렇게 해서 연소 가스와 소기 공기의 더욱더 이상적인 혼합이 이루어질 수 있는 것으로 나타나 있다. 또한, 종래 기술의 경우 처럼 가스 공급 시스템이 실린더 라이너에서 상사점 위치의 근처에 존재하는 경우 처럼, 실린더 라이너에 여전히 존재하는 고온의 배기 가스 내로 연소 가스가 분사되어 연소 가스가 조기에 점화되는 것이 회피될 수 있다.
본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 가스 공급 시스템 또는 전술한 바와 같은 실린더 라이너를 갖는 왕복동 피스톤 내연 기관에 관한 것으로, 왕복동 피스톤 내연 기관은 특히 바람직하게는 연소 가스의 연소 및 대안적으로는 추가 연료의 연소, 특히 디젤 또는 중유의 연소를 위한 이중 연료 엔진이다.
다른 실시 형태에서, 본 발명에 따른 왕복동 피스톤 내연 기관은 물론 연소 가스만(즉, 다른 연료는 없는) 연소될 수 있는 순수 가스 엔진일 수도 있다.
특히 본 발명은 본 발명에 따른 가스 공급 시스템을 갖는 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법에 관한 것으로, 이미 전술한 바와 같이, 작동 상태에서 가스 공급 시스템의 오기능이 검출되고, 가스 공급 시스템에 대한 가스 공급이 차단되며, 상기 왕복동 피스톤 내연 기관은 스위치 오프되고, 바람직하게는 자동적으로 스위치 오프되고, 특히 바람직하게는, 예컨대 디젤유 또는 중유와 같은 대체 연료가 사용되는 작동 모드로 자동적으로 전환된다.
이하, 개략적인 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 가스 입구 밸브와 가스 입구 노즐을 갖는 본 발명에 따른 가스 공급 시스템의 특히 바람직한 실시 형태를 단면도로 나타낸 것이다.
도 1은, 당업자라면 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 엔진의 특징적인 어셈블리를 충분히 알고 있는 바와 같이, 왕복동 피스톤 내연 기관의 실린더 라이너(41)를 참조하여 서로 다른 구성품의 상호 작용을 설명하기 위해 본 발명에 따른 가스 공급 시스템의 일 실시 형태의 특징적인 어셈블리를 개략적인 단면으로 나타내며, 이와 관련하여 상기 왕복동 피스톤 내연 기관은 종방향 소기가 이루어지는 2-행정 대형 디젤 엔진으로 예시되어 있고 명료성을 위해 더 상세히 도시되어 있지은 않다. 이하, 이와 관련하여 본 발명에 따른 가스 공급 시스템의 실시 형태를 전체적으로 참조 번호 "1"로 나타낸다.
도 1에 따른 본 발명에 따른 가스 공급 시스템(1)의 특정 실시 형태는 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 엔진에 설치되며, 가스 입구 노즐(3)을 갖는 가스 입구 밸브(2) 및 실린더 라이너(41)를 포함하고, 연료로서 이용가능한 연소 가스(5)가 가스 입구 노즐(3)에 의해 설치 상태의 가스 공급 시스템(1)의 실린더(4)의 연소 공간(42)(상세하게는 도시되어 있지 않음)에 공급될 수 있도록 왕복동 피스톤 내연 기관의 실린더(4)에 배치될 수 있도록 되어 있다. 이와 관련하여, 가스 입구 밸브(2)는 밸브 하우징(21) 안에 있는 압력 공간(22)을 포함하는데, 이 압력 공간에서 연소 가스(5)는 작동 상태에서 저장 및 가스 노즐(3) 안으로의 공급을 위해 가스 공급부(23)를 통해 이용가능하다.
밸브 축(61)에 배치되는 밸브 판(62) 및 밸브 자리(63)를 갖는 밸브 몸체(6)가 압력 공간(22) 자체 또는 압력 공간(22)의 영역에 제공되어 있고, 밸브 몸체(6)의 폐쇄 상태에서 상기 밸브 자리(63)는 밸브 판(62)과 시일링 방식으로 협력하여, 연소 가스(5)가 압력 공간(22)으로부터 가스 입구 노즐(3) 안으로 공급되는 것이 방지된다.
이러한 목적으로, 밸브 몸체(6)의 개방 상태에서 연소 가스(5)가 압력 공간(22)으로부터 밸브 판(62)을 지나 가스 입구 노즐(3)에 공급될 수 있도록, 밸브 판(62)은 밸브 축(61)에 작동적으로 연결되어 있는 밸브 구동기(7)에 의해 밸브 자리(63)로부터 들릴 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 입구 노즐(3)은 실린더 라이너(41)의 일체적인 요소이고 또한 실린더 라이너(41) 내의 보어(bore)로 되어 있다. 연소 공간 측에서 가스 입구 노즐(3)은 실질적으로 원통형인 보어(32)로 되어 있고, 원통형 보어(32)의 축선은 가스 입구 노즐(3)의 노즐 축선(D)이다. 이 노즐 축선(D)은 가스 입구 밸브(2)의 밸브 축선(V)에 대해 미리 정해진 각도(α)를 이루며, 그래서, 가스 공급 시스템(1)의 작동 및 설치 상태에서 연소 가스(5)는 반경 방향(A) 및/또는 실린더(4)의 축방향(A)에 대해 미리 정해질 있는 각도(β)(영은 아님)로 실린더(4)의 연소 공간(42) 안으로 분사될 수 있다. 축방향(A)은 실린더(4)의 종축선으로 결정된다.
이와 관련하여, 반경 방향에 대하여, 분사 각도(β)는 가스 입구 노즐(3)의 노즐 축선(D)과 가스 입구 밸브(2)의 밸브 축선(V) 사이의 각도(α)의 보각인 각도인데, 다시 말해, 분사 각도(β)와 각도(α)는 노즐 축선(D)과 밸브 축선(V) 사이에서 180°가 되도록 서로 보각 관계에 있으며, 그래서, β = 180°- α 이다. 바람직하게는, 분사 각도(β)는 10도 내지 80도, 특히 바람직하게는 10도 내지 35도이며, 분사 각도는 더 특히는 약 22.5도이다.
축방향에 대하여, 각도(β)는 바람직하게는 90°인데, 이는 연소 가스(5)는 바람직하게는 축방향(A)에 수직하게, 즉 도 1 의 도면 내에서 또는 피스톤의 표면에 평행하게 분사됨을 의미한다.
가스 입구 노즐(3)은 연소 공간(42)으로부터 먼쪽에서 테이퍼형 영역(33)을 갖고 있는데, 이 영역(33)은 연소 가스(5)의 유동 방향으로 테이퍼져 있다. 테이퍼형 영역(33)은 반경 방향(R)으로 실린더 라이너(41)의 외면(411) 내로 열려 있다. 이는 실린더 라이너(41)의 외면(411)에 있는 테이퍼형 영역(33)의 개구의 표면이 밸브 축선(V)에 수직함을 의미한다. 연소 가스(5)가 가능한 한 이상적으로 가스 입구 노즐(3)를 관류할 수 있도록, 테이퍼형 영역(33)은 일측에서 일체적인 반경(34)을 갖는데, 이 반경은 가스 입구 노즐의 원통형 보어(32)에 이어져 있다. 이 내부 반경은 연소 가스(5)를 반경 방향(R)으로부터 노즐 축선(D)의 방향으로 가능한 한 이상적으로 방향 전환시키는 역할을 한다.
이와 관련하여, 비교적 간단한 가스 입구 노즐(3)은 단지 하나의 노즐 개구(31)를 갖는다. 그러나, 다른 특정 실시 형태에서, 가스 입구 노즐(3)은 복수의 노즐 개구(31)를 가질 수 있는데, 이 경우 각각의 노즐 개구는 각각 개별적인 보어로 형성된다. 바람직하게는, 이들 개별적인 보어는 실린더 라이너(41)의 벽 내부에서 결합하여 공통 보어로 되며, 이 공통 보어는 가스 입구 밸브(2)와 협력하게 된다.
예컨대, 연소 가스(5)가 서로 다른 2개의 분사 각도로 연소 공간(42) 안으로 들어갈 수 있도록 2개의 노즐 개구(31)가 서로에 대해 서로 다르게 정렬될 수 있으며, 그리고/또는 연소 가스(5)가 2개의 노즐 개구(31)를 통해 2개의 서로 다른 분사량 및/또는 2개의 서로 다른 유동 속도 및/또는 2개의 서로 다른 비임 기하학적 구조를 가지고 연소 공간(42) 안으로 들어갈 수 있도록 2개의 노즐 개구(31)가 서로 다르게 형성될 수 있다.
가스 입구 밸브(2)는 실린더 라이너(41)의 외면(411)에 장착되며, 그래서 밸브 자리(63)는 외면(411) 안으로 들어가는 가스 입구 노즐(3)의 개구를 덮는다. 따라서, 밸브 몸체(6)의 개방 상태에서 연소 가스(5)는 압력 공간(22)으로부터 가스 입구 노즐(3)를 통해 연소 공간(42) 안으로 유입할 수 있다. 가스 입구 밸브(2)를 외면(411)에 결합하는 것은, 예컨대 스크류를 이용하여 이루어질 수 있다. 이 스크류는 도 1 에 도시되어 있지 않다.
또한, 실제로는, 연소 공간(42) 안으로 유입하는 연소 가스를 모니터링하고 또한 밸브 몸체(6)의 위치를 결정하기 위한 제어 시스템(도 1에 명확히 도시되어 있지 않음)이 제공될 수 있는데, 이 제어 시스템은 특히 바람직하게는 경로 센서, 특히 전기적 또는 전자기적 경로 센서, 더 구체적으로는, 유도형, 용량형 또는 광학식 경로 센서이다. 제어 시스템은 신호 전달 방식으로 모니터링 유닛에 연결되어, 밸브 몸체(6)의 위치가 작동 상태에서 상기 모니터링 유닛에 의해 검출될 수 있고 또한 왕복동 피스톤 내연 기관의 크랭크 각도 및/또는 왕복동 피스톤 내연 기관의 가스 교환 밸브의 위치에 따라 가스 노즐(3)에 대한 연소 가스 공급이 자동적으로 방지될 수 있다.
밸브 축(61)을 구동시키기 위한 상기 밸브 구동기(7)는 도 1에 따른 실시 형태에서는 유압 밸브 구동기(7)인데, 이의 기능 및 작동 원리는 일반적으로 당업자에게 알려져 있다. 밸브 몸체(6)를 폐쇄하기 위해, 밸브 구동기(7)에 작용하는 복귀 스프링(81)의 형태로 되어 있는 복원 유닛(8)이 제공되어 있다.
밸브 축(61)은 축 하우징(9)의 안내 보어(91) 안에서 안내되며, 시일링 압력(PA)으로 가압되는 유압 오일(10)이 상기 안내 보어(91)에 들어갈 수 있으며, 이 실시예에서 상기 시일링 압력(PA)은 연소 공간(22) 내 연소 가스(5)의 연소 압력(BG) 보다 크며, 그래서 연소 가스(5)가 안내 보어(91) 안으로 침투하는 것이 실질적으로 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 가스 공급 시스템은 바람직하게는 저압 가스 시스템으로 되어 있다. 이는 연소 가스(5)가 실린더(4)의 연소 공간(42) 안으로 분사될 때의 분사 압력이 최대 100 bar(10MPa) 임을 의미한다. 바람직하게는, 그 분사 압력은 최대 50 bar(5MPa)이고 특히 바람직하게는 최대 20 bar(2MPa)이다. 내연 기관의 작동 중에, 가스 압력(즉, 연소 가스(5)가 실린더(4) 안으로 분사될 때의 압력)은 일반적으로 일정하지 않고, 예컨대 내연 기관의 부하 또는 회전 속도에 따라 변할 수 있음을 의미한다.
본 발명에 따른 가스 공급 시스템(1) 또는 본 발명에 따른 실린더 라이너(41)에 대해서는, 일 바람직한 실시 형태에서, 연소 공간(42) 안으로의 연소 가스(5)의 분사를 위해 가능한 한 작은 가스 압력이 요망된다. 따라서, 연소 가스(5)에 대한 최대 분사 압력은 예컨대 단지 15 bar 이거나 그 보다 훨씬 작을 수 있다.
가능한 한 작은 연소 가스(5)의 분사 압력은 물론 안전 면에서 큰 이점을 갖는다. 더욱이, 전체적인 가스 공급 시스템은 그러한 비교적 작은 작동 압력에 맞게 설계되어야 하는데, 이는 특히 시스템의 시일링, 예컨대 밸브 자리(63)에서 나타나는 힘, 밸브 구동기(7)의 설계 및 가스 안내 라인 및/또는 이의 언결부의 압력 부하와 관련하여 특히 유리하다. 또한, 고압 시스템에서의 경우처럼, 연소 가스(5)를 예컨대 350 bar 또는 그 보다 훨씬 높은 작동 압력으로 압축시켜야 할 때 사용하는 특별한 고압 압축기가 필요하지 않은데, 이 또한 경제적인 면과 비용면에서 유리하다.
구체적으로, 연소 가스(5)의 가능한 한 낮은 분사 압력과 관련하여, 가스 입구 밸브(2) 및/또는 가스 입구 노즐(3)은 실린더 벽(41) 및/또는 실린더 라이너에 배치되고 또한 피스톤 운동의 상사점 위치로부터 가능한 한 멀리 떨어져 있는 것이 특히 바람직하다. 이리하여, 실린더 내의 압축 압력(연소 가스(5)가 이 압력에 저항하여 분사되어야 함)은 여전히 비교적 작을 수 있다. 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 엔진의 경우, 피스톤이 하향 운동시 소기 공기 슬릿을 열면, 그 소기 공기는 실린더 안으로 유입하기 시작한다. 이는 피스톤이 그의 후속 상향 운동시 소기 공기 슬릿을 다시 완전히 폐쇄할 때까지 오랫동안 일어나게 된다. 그리고 나서(일반적으로, 소기 공기 슬릿의 폐쇄 후에), 가스 교환 밸브(이 실시예에서는 출구 밸브)가 완전히 폐쇄되고, 실린더 내의 압축 압력은 예컨대 최대값에 이르고 그리고 피스톤이 상사점 위치에 도달할 때까지, 상기 압축 압력은 피스톤의 상향 운동 때문에 증가하기 시작한다.
이러한 이유로, 연소 가스 분사는 바람직하게는 특히 높은 압축 압력이 실린더 내에 존재하지 않을 때 일어나며, 특히 바람직하게는, 출구 밸브가 폐쇄되기 전에 연소 가스(5)의 분사가 시작된다.
이러한 이유로, 실린더 벽(41)에 제공되는 가스 입구 노즐(3)은 상사점 위치로부터 축방향(A)으로 가능한 한 멀리 떨어져 있는 것이 바람직하다. 한편, 가스 입구 노즐(3)이 배치될 수 있는 곳과 관련하여 구조적인 제약도 존재한다. 가스 공급 시스템(1)의 가스 입구 노즐(3)과 상사점 위치 사이의 거리가 상사점 위치와 하사점 위치 사이의 거리의 특히 바람직하게는 50% 내지 60%가 되도록 하는 높이(축방향(A)에 대해)에 상기 가스 입구 노즐이 배치될 때 매우 양호한 절충이 이루어지는 것으로 나타났다.
소기 공기 슬릿의 위치와 관련하여, 가스 입구 노즐(3)과 소기 공기 슬릿의 상면(연소 엔진의 통상적인 작동 사용 위치에 대한 "상면") 사이의 거리가 소기 공기 슬릿의 상측 가장자리와 상사점 위치 사이의 거리의 바람직하게는 50% 미만, 특히 바람직하게는 30% 내지 40%가 되게 하는 높이(축방향(A)에 대해)에 상기 가스 입구 노즐이 배치되는 것이 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.
가스 입구 노즐(3)의 상기 바람직한 배치는, 연소 가스(5)에 대한 분사 압력이 낮게 될 수 있다는 점 외에도, 가스 입구 노즐(3)과 가스 교환 밸브 및/또는 출구 밸브 사이의 큰 거리(축방향(A)에 대한)가 존재한다는 추가 이점을 가지고 있다. 그리하여, 한편, 분사된 연소 각스(5)의 중요한 성분이 비연소 상태에서 출구 밸브를 통해 빠져 나가는 것을 피할 수 있으며, 다른 한편으로, 출구 밸브의 폐쇄를 위한 더 많은 시간을 갖게 된다.
또한, 가스 입구 노즐(3)의 상기 바람직한 배치는 가능한 한 균질한 공기-연소 가스 혼합물 면에서 유리하다. 피스톤의 압축 행정에 대한 연소 가스(5)의 조기 분사를 통해, 소기 공기 슬릿과 연소 가스는 상기 혼합물의 연소가 시작되기 전에 친밀하게 혼합되기 위해 충분한 시간을 갖게 된다. 이리하여, 연소 공간(42) 안에서 가능한 한 이상적인 연소 과정이 일어나고 또한 특히 연소 공간 안에서 오염물질이 적은 연소 과정이 일어나게 된다.
소기 공기와 연소 가스(5)의 이상적인 완전한 혼합과 관련하여, 이미 언급한 바와 같이, 연소 가스(5)는 반경 방향에 대해 분사 각도(β)(영은 아님)로 실린더(4)의 연소 공간(42) 안으로 분사되는 것이 또한 유리하다. 이렇게 해서, 소기 공기(일반적으로 실린더(4) 및/또는 연소 공간(42) 안에서 팽창됨)와의 특히 강한 완전한 관로 혼합이 피스톤의 압축 행정시 일어나게 된다.
물론, 2개 이상의 이러한 가스 공급 시스템(1) 및/또는 2개 이상의 가스 입구 노즐(3)에는 실린더에서 가스 입구 밸브(2)가 제공될 수 있다.
본 출원에서 설명한 본 발명의 실시 형태는 응용에 따라 어떤 적절한 방식으로도 서로 결합될 수 있고, 특히, 도면에 도시되어 있는 특정 실시 형태는 단지 예시적인 것으로 이해해야 한다. 당업자라면 본 발명의 전술한 실시 형태에 대한 유리한 추가 개량을 쉽게 생각할 수 있을 것이며, 또한 그러한 간단한 추가 개량도 당연히 본 발명 자체에 포함되는 것임을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 왕복동 피스톤 내연 기관, 특히 종방향 소기식(scavenged) 2-행정 대형 디젤 기관을 위한 가스 공급 시스템으로서,
    상기 가스 공급 시스템은 가스 입구 노즐(3)을 갖는 가스 입구 밸브(2) 및 실린더 라이너(41)를 포함하고, 또한 상기 가스 공급 시스템은, 연료로서 이용가능한 연소 가스(5)가 가스 공급 시스템의 설치 상태에서 가스 입구 노즐(3)에 의해 실린더(4)의 연소 공간(42)에 공급될 수 있도록 왕복동 피스톤 내연 기관의 실린더(4)에 배치될 수 있도록 되어 있으며,
    상기 가스 입구 밸브(2)는 밸브 하우징(21) 안에 있는 압력 공간(22)을 포함하고, 압력 공간에서 연소 가스(5)는 작동 상태에서 가스 공급부(23)를 통해 저장 및 가스 입구 노즐(3) 안으로의 공급을 위해 이용가능하며,
    밸브 축(61)에 배치되는 밸브 판(62)을 갖는 밸브 몸체(6)가 제공되며, 밸브 자리(63)도 제공되어 있고, 밸브 몸체(6)의 폐쇄 상태에서 상기 밸브 자리(63)는 밸브 판(62)과 시일링 방식으로 협력하여, 연소 가스(5)가 압력 공간(22)으로부터 가스 입구 노즐(3) 안으로 공급되는 것이 방지되며,
    밸브 몸체(62)의 개방 상태에서 연소 가스(5)가 압력 공간(22)으로부터 밸브 판(62)을 지나 가스 입구 노즐(3)에 공급될 수 있도록, 밸브 판(62)은 밸브 축(61)에 작동적으로 연결되어 있는 밸브 구동기(7)에 의해 밸브 자리(63)로부터 들릴 수 있고,
    상기 가스 입구 노즐(3)은 실린더 라이너(41)의 일체적인 요소이고 또한 실린더 라이너(41) 내의 보어(bore)로 되어 있으며, 가스 공급 시스템의 작동 및 설치 상태에서 연소 가스(5)가 실린더(4)의 반경 방향(R) 및/또는 축방향(A)에 대해 영이 아닌 각도로 실린더(4)의 연소 공간(42) 안으로 분사될 수 있도록 가스 입구 노즐(3)의 노즐 축선(D)이 가스 입구 밸브(2)의 밸브 축선(V)에 대해 미리 정해진 각도(α)로 배치되어 있는, 가스 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연소 공간 측에서 상기 가스 입구 노즐(3)은 실질적으로 원통형인 보어(32)로 되어 있고, 원통형 보어의 축선은 상기 밸브 축선(V)에 대해 미리 정해진 각도(α)를 이루는, 가스 공급 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 입구 노즐(3)은 연소 공간(42)으로부터 먼쪽에서 테이퍼형 영역(33)을 가지며, 테이퍼형 영역은 반경 방향(R)으로 실린더 라이너(41)의 외면(411) 내로 열려 있는, 가스 공급 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 테이퍼형 영역(33)은 일측에서 내부 반경(34)을 가지며, 내부 반경은 가스 입구 노즐(3)의 원통형 보어에 이어져 있는, 가스 공급 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소 공간(42) 안으로 들어가는 연소 가스 유동을 모니터링하기 위해, 밸브 몸체(6)의 위치를 결정하기 위한 제어 시스템이 제공되어 있는, 가스 공급 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 경로 센서, 특히 전기적 또는 전자기적 경로 센서, 더 구체적으로는 유도형, 용량형 또는 광학식 경로 센서인, 가스 공급 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 신호 전달 방식으로 모니터링 유닛에 연결되어 있고 밸브 몸체(6)의 위치가 작동 상태에서 상기 모니터링 유닛에 의해 검출될 수 있어, 왕복동 피스톤 내연 기관의 크랭크 각도 및/또는 왕복동 피스톤 내연 기관의 가스 교환 밸브의 위치에 따라 가스 입구 노즐(3)에 대한 연소 가스 공급이 차단될 수 있는, 가스 공급 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 축(61)의 구동을 위한 상기 밸브 구동기(7)는 기계식, 전기식 또는 공압식 밸브 구동기(7), 특히 유압 밸브 구동기(7)인, 가스 공급 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 몸체(6)를 폐쇄하기 위해, 상기 밸브 구동기(7)에 작용하는, 특히 복귀 스프링(81) 형태의 복원 유닛(8)이 제공되어 있는, 가스 공급 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 축(61)은 축 하우징(9)의 안내 보어(91) 안에서 안내되는, 가스 공급 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    시일링 압력(PA)으로 가압되는 유압 오일(10)이 상기 안내 보어(91)에 들어갈 수 있으며, 상기 시일링 압력은 압력 공간(22) 내 연소 가스(5)의 연소 압력(BG) 보다 커서, 연소 가스(5)가 안내 보어(91) 안으로 들어가는 것이 본질적으로 방지될 수 있는, 가스 공급 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 가스 공급 시스템(1)을 위한 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 기관의 실린더 라이너.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가스 입구 노즐(3)은 왕복동 피스톤 내연 기관의 피스톤의 상사점 위치와 하사점 위치 사이의 영역에서 실린더 라이너(41)에 제공되며, 더 구체적으로는, 상사점 위치와 하사점 위치 사이의 거리의 20% 내지 80%, 바람직하게는 45% 내지 65%, 특히 바람직하게는 50% 내지 60%로 상사점 위치로부터 떨어져 있는 실린더 라이너(41)의 영역에 제공되어 있는, 실린더 라이너.
  14. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 가스 공급 시스템 또는 제 12 항 또는 제 13 항에 따른 실린더 라이너를 갖는 왕복동 피스톤 내연 기관으로서, 왕복동 피스톤 내연 기관은 연소 가스(5)의 연소 및 대안적으로는 추가 연료의 연소, 특히 디젤 또는 중유의 연소를 위한 이중 연료 엔진인, 왕복동 피스톤 내연 기관.
  15. 제 14 항에 따른 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법으로서, 가스 공급 시스템(1)의 오기능이 검출되고, 가스 공급 시스템(1)에 대한 가스 공급이 차단되며, 상기 왕복동 피스톤 내연 기관은 바람직하게는 자동적으로 스위치 오프되고, 특히 바람직하게는, 예컨대 디젤유 또는 중유와 같은 대체 연료가 사용되는 작동 모드로 자동적으로 전환되는, 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법.
KR1020160112996A 2015-09-23 2016-09-02 왕복동 피스톤 내연 기관을 위한 가스 공급 시스템과 실린더 라이너, 왕복동 피스톤 내연 기관, 및 왕복동 피스톤 내연 기관의 작동 방법 KR20170035780A (ko)

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