KR20170124466A - 2 행정 크로스헤드 타입의 내연기관 및 연소실 내로 연료 및 워터를 직접 분사하는 방법 - Google Patents

2 행정 크로스헤드 타입의 내연기관 및 연소실 내로 연료 및 워터를 직접 분사하는 방법 Download PDF

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Abstract

2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관(1)은 오일 공급 시스템(16), 액상 가스공급 공급 시스템(16) 및 워터 공급 시스템(18)을 포함한다. 개별 실린더(7)들은 실린더의 상단부에 배기 밸브(6) 및 하단부에 소기 포트(8)들을 구비한다. 개별 실린더(7)는 직접 분사를 위해 적어도 한 세트의 액상 가스 연료 인젝터(14)와 오일 연료 인젝터(15)를 추가로 구비한다. 워터 공급 시스템(18)은 워터를 액상 가스 공급 시스템에 공급하거나 및/또는 액상 가스 연료 인젝터로 직접 공급한다.

Description

2 행정 크로스헤드 타입의 내연기관 및 연소실 내로 연료 및 워터를 직접 분사하는 방법 {AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF TWO-STROKE CROSSHEAD TYPE, AND A METHOD OF DIRECT INJECTION OF FUEL AND WATER INTO A COMBUSTION CHAMBER}
본 발명은 연료 공급 시스템과, 워터-공급 시스템과 실린더들을 포함하되, 개별 실린더는 적어도 하나의 연소실, 피스톤, 실린더의 상단부에 배기 밸브, 실린더의 하단부 영역에 소기 포트들(scavenge air ports) 그리고 연소실 내로 연료와 워터를 직접 분사하기 위한 밸브들을 구비하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연기관에 관한 것이다. 본 발명은 2 행정 크로스헤드 타입의 내연기관 내의 실린더의 연소실 내로 연료와 워터를 직접 분사하는 방법에도 관한 것이다.
실린더의 상단부에 배기 밸브를 구비하고, 실린더의 하단부 영역에 소기 포트들을 구비하는 2 행정 크로스헤드 타입의 기관은 단류 소기된다(uniflow scavenged). 연소 후 실린더를 청소하는 중에, 배기 밸브가 열리고 압축된 소기가 소기 포트를 통해 실린더 내로 유입된 후 소용돌이치며 배기 밸브를 향해 위로 이동하며, 반면 연소 가스는 배기 밸브를 통해 배출된다. 이러한 방식으로, 흡기 포트와 배기 포트 모두가 실린더의 상부에 위치하는 기관에서, 실린더는 공기가 아래에서 위쪽으로 일 방향 유동(단류, uniflow)하며 채워진다.
2 행정 크로스헤드 타입의 기관에 있어서 스트로크 S와 보어 B 간의 비율 S/B가 3.2 내지 4.9로, 이는 4 행정 기관의 스트로크와 보어 간의 비율 0.8 내지 1.3 전형적으로는 약 1.0과는 상당히 다르다. 이러한 차이로 인해, 청소, 압축, 분사 및 연소 과정과 관련된 연소실의 기본적인 설계 조건이 2 행정 크로스헤드 타입의 기관에 대해 특별하다. 또한, 2 행정 크로스헤드 타입의 기관은 100% 엔진 부하가 걸린 상태에서 작동 속도가 55 rpm 내지 200 rpm 범위로 서서히 작동하는 엔진이다. 이에 따라 2 행정 크로스헤드 타입의 기관의 연소실에서의 개별 연소 과정은 다른 타입의 내연 기관에 비해, 긴 시간이 소요되고 인젝터로부터 멀리 떨어진 영역까지 확장된다.
초기에 언급된 타입의 엔진이 EP 0 967 371 A1호(JP 2000-54843 A호에 대응)에 기재되어 있다. 실린더 내의 온도 레벨을 낮추기 위해, 실린더에는 압축 행정 중에 실린더 내로 워터를 분사하기 위한 별개의 워터 인젝터가 제공되어 있다. 이 워터 분사는 배기 밸브가 닫힌 직후와 같이 압축 행정 초기에 발생하도록 제어된다. 2 행정 사이클의 이 시점에서, 실린더 내의 압력은 낮기 때문에, 워터 분사가 25 바(bar)와 같이 저압에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 목적은 단순한 디자인의 2 행정 사이클의 연소 엔진에서 또는 압축 엔진의 말기에서 워터를 분사할 수 있으며, 한편 워터 분사가 이루어지지 않을 때 연료 분사가 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
이러한 측면에서, 본 발명에 따른 서두에 언급한 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관은, 실린더 상에서 연료와 워터를 직접 분사하기 위한 밸브들이 적어도 한 세트의 액상 가스 연료 인젝터 및 오일 연료 인젝터를 포함하고, 연료 공급 시스템은 오일 연료 인젝터에 연결되어 있는 오일 공급 시스템과 액상 가스 연료 인젝터에 연결되어 있는 액상 가스 공급 시스템을 포함하며, 워터 공급 시스템은 액상 가스 공급 시스템에 연결되어 있거나 또는 액상 가스 연료 인젝터에 직접 연결되어 있는 워터 공급 장치를 포함한다.
액상 가스 연료 인젝터는 액체를 고압에서 분사하기에 적합하고, 액상 가스 연료를 연소실 내로 분사할 수 있는 크기의 분무기(atomizer)를 구비한다. 워터 공급 장치로부터 워터를 액상 가스 연료 인젝터로 공급하여, 워터가 연소실 내로 분사되게 되며 개별의 워터 인젝터를 장착할 필요가 없게 된다. 2 행정 사이클에서 연소 행정 중에, 피스톤은, 피스톤이 액상 가스 연료 인젝터로부터 그 피스톤 직경보다 적어도 3배 멀리 떨어져 위치하는 하사점을 향해 이동한다. 연소 과정이 진행되면서, 연소실이 점점 더 신장되고 화염 전방부가 인젝터로부터 멀어지게 될 수 있다. 액상 가스 연료 인젝터를 통해 액상 가스 연료 없이 워터를 분사할 수 있고, 여전히 적절한 연소가 이루어지는 것을 보장할 수 있는데, 이는 액상 가스 연료 인젝터를 통해 워터가 분사되는 동안에, 오일 연료 인젝터에 의한 오일의 분사가 연소 과정을 유지할 수 있기 때문이다. 워터가 액상 가스 연료 인젝터로 직접 공급될 수도 있지만, 액상 가스 연료 인젝터 상에 별개의 공급 포트와 내부 유동 통로가 형성되지 않도록 하기 위해, 액상 가스 공급 시스템을 통해 워터를 액상 가스 연료 인젝터로 공급하는 것이 바람직하다. 워터가 액상 가스 공급 시스템으로 공급될 때, 워터는 액상 가스 연료가 액상 가스 연료 인젝터로 향하는 유동 경로와 동일한 경로를 따라 유동하며, 액상 가스 연료가 연소실 내로 분사되는 방식과 동일한 방식으로 워터가 분사된다.
일 실시형태에서, 상기 개별 실린더 상에서 연료와 워터를 직접 분사하기 위한 밸브들이 두 세트의 액상 가스 연료 인젝터 및 오일 연료 인젝터를 포함한다. 2 세트를 구비함으로써, 2개의 액상 가스 연료 인젝터가 워터를 분사하는 데에 사용될 수 있고, 이는 워터가 2개의 액상 가스 연료 인젝터에 동시에 공급될 때 특정 양의 워터를 빠르게 분사할 수 있고, 또는 한번은 액상 가스 연료 인젝터 중 하나의 인젝터에만 워터를 공급하고 이어서 다른 액상 가스 연료 인젝터에 워터를 공급하는 것과 같이 연소실 내로 워터를 공급하는 인젝터의 위치를 교대로 함으로써 예를 들어 연소 과정을 개선할 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 개별 실린더가 세 세트의 액상 가스 연료 인젝터 및 오일 연료 인젝터를 포함하며, 다른 실시형태에서는 개별 실린더가 단지 한 세트의 액상 가스 연료 인젝터 및 오일 연료 인젝터를 포함한다.
바람직한 실시형태에서, 배기 밸브가 실린더의 상부에서 두 세트의 액상 가스 연료 인젝터 및 오일 연료 인젝터들 사이의 중앙에 위치한다. 이와는 다르게, 배기 밸브가 실린더 상부에서 한쪽 측면에 위치할 수도 있지만, 중앙에 위치하는 것이 바람직한데, 이는 이렇게 함으로써 각 세트의 액상 가스 연료 인젝터 및 오일 연료 인젝터를 측면에 위치하게 하여, 분사 노즐로부터 나오는 분무기 스프레이가 실린더의 양쪽 내벽이 멀리 떨어져 있는 실린더의 중앙을 향해 지향될 수 있게 된다.
일 실시형태에서, 액상 가스 연료 인젝터가 밸브 가이드를 구비하는 인젝터 하우징 및 상기 밸브 가이드 내의 보어에서 변위 가능한 밸브 부재를 포함하고, 내연 기관이 액상 가스 연료 인젝터로 밀봉 오일을 공급하기 위한 밀봉 오일 시스템을 포함하고, 액상 가스 연료 인젝터가 밀봉 오일을 위해 유입구로부터 밸브 가이드 내의 보어까지 연장하는 밀봉 오일 통로를 구비한다. 밀봉 오일은 액상 가스 연료가 분사될 때 누출되는 것을 방지하는 기능을 하는데, 액상 가스 연료 인젝터를 통해 워터가 분사될 때에는 밀봉 오일은 밸브 부재와 밸브 가이드 내의 보어 사이에서 윤활제로도 작용하여 워터가 인젝터 파트에 손상을 주는 것을 방지한다. 윤활제로서 밀봉 오일을 사용하는 것에 대한 대안으로, 밸브 파트가 PTFE가 코팅된 강재 본체 또는 세라막이 코팅된 강재 본체 같이 워터의 영향 하에서도 기능할 수 있는 소재로 제작될 수도 있다.
다른 실시형태에서, 밀봉 오일 시스템은 밀봉 오일을 소정의 밀봉 오일 압력으로 전달하기에 적합하고, 워터 공급 시스템은 워터를 상기 소정의 밀봉 오일 압력보다 낮은 압력으로 전달하기에 적합하다. 밀봉 오일 압력이 워터 압력보다 높기 때문에, 밀봉 오일이 밸브 부재와 밸브 가이드 내의 보어 사이에 오일로 채워진 틈 내로 침투할 수 있는 워터를 밀어내는 경향이 있게 된다.
일 실시형태에서, 액상 가스 연료 인젝터의 분사 압력이 연소가 시작되기 바로 직전에 연소실 내를 지배하는 최대 압축 압력보다 상당히 높은 적어도 350 바의 분사 개구 압력으로 설정된다. 바람직하기로는, 액상 가스 연료 인젝터의 분사 압력이 2 행정 사이클 중에 연소실 내의 최대 압력보다 상당히 높은 적어도 500 바의 분사 개구 압력으로 설정되어, 워터의 분무화가 상당히 미세하게 이루어지게 된다. 이와는 다르게, 분사 개구 압력이 350 바 미만으로 하여 사용할 수도 있다.
액상 가스 공급 시스템 내의 워터 및/또는 액상 가스 연료를 분사 개구 압력보다 높은 압력으로 가압한 후 액상 가스 연료 인젝터에 공급하기 위해 단순한 제어 밸브를 사용하여 개폐할 수도 있다. 그러나 액상 가스 연료 인젝터는 액상 가스 연료 및/또는 워터를 유입 챔버로 공급되는 사전에 설정된 공급 압력으로 공급받기에 적합하고, 액상 가스 연료 인젝터는 액체 유입 챔버 내의 액상 가스 연료 및/또는 워터를 분사 개구 압력으로 가압하기에 적합한 유압식으로 작동되는 플런저를 포함하는 것이 바람직하다. 이 방식으로, 액상 가스 공급 시스템 내의 압력이 압력 범위 5 내지 30 바와 같이 사전에 설정된 공급 압력이 알맞게 낮춰질 수 있고, 플런저에는 200 내지 400 범위의 압력 같이 고압의 제어 오일이 공급되어, 유입 챔버 내의 압력이 적어도 액상 가스 연료 인젝터의 개방 압력까지 상승될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관 내 실린더의 연소실 내로 연료와 워터를 직접 분사하는 방법으로, 상기 내연 기관은 연료 공급 시스템과 워터 공급 시스템 및 실린더들을 포함하여 구성되되, 각 실린더들은 적어도 하나의 연소실, 피스톤, 상기 실린더의 상단부에 배기 밸브, 상기 실린더의 하단부 영역에 소기 포트들 및 연료와 워터를 연소실 내로 직접 분사하기 위한 밸브들을 구비하는, 연료 및 워터 직접 분사 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이 방법은, 상기 연소실 내로 직접 분사하기 위해 상기 연료 공급 시스템은 적어도 한 세트의 액상 가스 연료 인젝터 및 오일 연료 인젝터에 액상 가스 연료와 오일 연료를 공급하되, 액상 가스 공급 시스템으로부터 액상 가스 연료 인젝터에 액상 가스 연료를 공급하고, 오일 공급 시스템으로부터 오일 연료를 오일 연료 인젝터로 공급하고, 워터 공급 시스템은 워터 공급 장치를 통해 워터를 액상 가스 공급 시스템에 공급하거나 및/또는 액상 가스 연료 인젝터로 직접 공급하는 것을 특징으로 한다. 이 방법은 내연 기관과 관련하여 위에 기재한 작용효과와 이점들을 제공한다.
2 행정 사이클의 연소 행정에서, 액상 가스 연료 인젝터로부터의 워터 분사는 연료 분사가 종료되기 전에 종료되는 것이 바람직하다. 이에 따라 연소실 내로의 최종 분사는 연료 분사가 되며, 이는 연소 과정을 안정화시키고 잔류 연소 생성물의 양을 감소시킬 수 있는 것으로 생각된다. 연료 분사가 종료된 후에 워터를 분사할 수도 있지만, 이는 바람직하지는 않다.
2 행정 사이클에서, 액상 가스 연료 인젝터로부터의 워터 분사가 연료 분사가 시작되기 전에 시작될 수 있다. 이 경우, 뜨거운 압축 공기의 온도를 낮추기 위해 압축 행정의 최종 부분에서 워터가 분사될 수 있다.
2 행정 사이클의 연소 행정에서, 액상 가스 연료 인젝터로부터의 워터 분사가 연료 분사와 동시에 이루어질 수 있으며, 이에 따라 워터가 화염 온도를 낮출 수 있게 된다. 또한, 액상 가스 연료에 워터를 첨가하여 액상 가스 연료 인젝터에 액상 가스 연료와 워터의 혼합물을 공급하여 연소실 내로 액상 가스 연료와 워터를 동시에 분사할 수도 있다.
일 실시형태에서, 내연 기관이 적어도 하나의 제1 작동 모드와 제2 작동 모드를 구비하되, 제1 작동 모드에서 액상 가스 공급 시스템이 액상 가스 연료를 공급하고 오일 공급 시스템이 연료 오일을 공급하며, 제2 작동 모드에서 액상 가스 공급 시스템이 워터를 그리고 오일 공급 시스템이 저유황 연료 오일을 공급한다. 제2 작동 모드는 워터 분사에 의해 화염 온도가 낮추어진 상태에서 저유황 연료 오일이 연소될 수 있게 하고, 제1 작동 모드는 고가인 저유황 연료 오일을 소모하지 않으면서 엔진이 작동할 수 있도록 하는데, 이는 연료 오일이 중유와 같이 황 성분이 더 많을 수 있기 때문이다. 이 맥락에서, 저유황 연료 오일은 황 성분이 0.1 중량% 미만인 연료 오일인 것으로 이해된다. 이에 추가하여 또는 이와는 다르게 내연 기관은, 액상 가스 공급 시스템이 액상 가스 연료와 워터의 혼합물을 공급하고, 오일 공급 시스템이 연료 오일을 공급하는 다른 작동 모드를 구비할 수 있다.
연료 및 워터 공급 시스템의 디자인을 용이하게 하기 위해, 액상 가스 공급 시스템이 최대 25 바의 사전에 설정된 공급 압력으로 액상 가스 연료를 공급하고, 워터 공급 시스템은 워터를 최대 25 바의 사전에 설정된 공급 압력으로 공급하는 것이 바람직하다. 사전에 설정된 공급 압력은 예컨대 6 바 내지 10 바 사이의 압력일 수 있다.
워터 공급 시스템이 워터를 액상 가스 공급 시스템로 공급하고, 액상 가스 공급 시스템이 메탄올과 워터를 액상 가스 연료 인젝터로 공급하는 것이 바람직하다. 메탄올이 액상 가스 연료로 제공될 수 있으며, 특별한 주의를 기울이지 않거나 또는 특수 장치를 사용하지 않고서도 워터와 메탄올은 잘 혼합된다. 단지 워터를 메탄올에 첨가하기만 하면, 이 둘이 자동적으로 혼합된다.
바람직하기로는, 액상 가스 연료 인젝터가 분사 개구 압력이 적어도 550 바인 것과 같이 적어도 500 바의 분사 개구 압력으로 작동한다. 높은 개구 압력은 연소실 내로 미세한 미스트를 분무(atomization)할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관의 상부를 도시하는 도면으로, 실린더를 통한 공기 및 가스 유동을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 기관의 아우트라인을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 기관의 실린더에 대한 연료 공급을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2의 기관의 실린더의 액상 가스 인젝터의 상세 단면도이다.
이하에서, 매우 개략적으로 도시되어 있는 도면들을 참고하여 본 발명의 예시적 실시형태들을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1에서 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관이 전반적으로 도면부호 1로 지시되어 있다. 내연 기관은 단류 기관으로, 이에 대해서는 아래에서 간략하게 설명한다. 전반적으로 도면부호 2로 지시되어 있는 터보차저는 압축된 유입 및 소기를 도면에서 백색 화살표로 표기한 바와 같이 소기 쿨러(4)와 분무수 포획기(5)를 거쳐 소기 리시버(3)로 공급하는 압축기 파트를 구비한다. 배기 밸브(6)가 실린더(7)의 상단부에 장착되어 있다. 실린더 벽을 관통하는 일련의 개구들이 실린더의 둘레에 분산되어 있듯이, 소기 포트(8)가 실린더(7)의 하단부 영역 내에서 위치하고 있다. 피스톤(9)이 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 실린더의 길이 방향으로 이동할 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 하사점에서, 피스톤은 소기 포트(8)들 바로 아래에 위치하고 있으며, 소기 포트(8)들이 개방되어 흡기 및 소기가 실린더 내로 유입될 수 있게 된다. 피스톤이 소기 포트들을 지나 위로 이동하면 이들 소기 포트들이 닫힌다. 이에 따라, 피스톤이 소기 포트들을 열리고 닫히게 하는 기능을 한다. 배기 밸브(6)가 개방될 때, 배기가스들과 소기가 배기 통로를 거쳐 실린더에서 배출되어 배기가스 리시버(10)로 유입된다. 실린더를 통한 상향 일-방향(단류) 모션에서, 흡기 및 소기 유동은 소용돌이치며 실린더의 상부를 향해 상승하는 동시에 연소 가스들을 개방되어 있는 배기 밸브를 통해 가압 배출한다. 배기가스는 도 1에서 검정색 화살표로 표기하고 있듯이, 배기가스 리시버(10)로부터 터보차저의 터빈 파트를 향한다. 하나의 배기 밸브(6)만이 실린더의 길이 방향 중심축선과 동축으로 실린더의 상부에 장착되어 있다. 실린더의 상부 위에 장착되어 있는 배기 밸브 하우징 내의 유압식 액추에이터에 의해 배기 밸브가 여닫힌다.
피스톤은, 그 피스톤에서부터 엔진 프레임(12)의 중간 하단부에 고정되어 있는 피스톤 로드 패킹 박스를 거쳐 크로스헤드(도시되어 있지 않음)까지 실린더의 길이 방향 축선을 따라 연장하는 피스톤 로드(11) 상에 장착되어 있다. 크로스헤드도 커넥팅 로드를 통해 크랭크샤프트에 연결되어 있다. 크로스헤드 구조는 피스톤이 실린더(7)의 길이 방향 중심축선과 일치하여 상하로 이동하게 하고, 실린더가 그 실린더 직경과 관련하여 긴 전장(length)을 구비할 수 있게 한다. 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관(1)의 스트로크와 보어의 비율은 3.2 내지 4.9 사이의 범위에 있다. 그 결과 피스톤이 상사점에서 하사점까지의 거리를 따라 그 직경보다 3배 긴 거리를 이동하는 동시에 피스톤 위의 실린더 내의 연소실(13)이 점점 더 세장형으로 변화한다. 연소실의 상단부에서 연료 분사가 이루어지고, 단류 소기되는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관의 경우 연소 조건이 4 행정 기관의 연소 조건과는 상당히 다르며, 분사 및 연소가 다소 동일한 지점에서 이루어지고 연료 분사의 중단은 연료 분사를 재도입함으로써 치유될 수 있다.
본 발명에 따른 내연 기관은 피스톤 엔진이며, 바람직하기로는 직렬로 4개 내지 14개의 실린더가 배치되어 있는 엔진이다. 이 엔진은 예컨대 MAN Diesel & Turbo에서 제작된 엔진이거나 또는 Waertsilae 또는 Mitsubishi 또는 WinGD에서 제작된 엔진일 수 있다. 실린더들의 보어는 예를 들어 30 내지 110㎝ 범위일 수 있고, 바람직하기로는 35 내지 95㎝ 범위일 수 있다. 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관은 선박에서 메인 추진 엔진으로 사용되거나 또는 엔진이 그리드에 동력을 제공하는 발전기를 구동하는 발전소에서 원동기로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 내연 기관은 일반적으로 rpm으로 지시되는 속도가 55 내지 200rpm 범위이다.
엔진은 연소실 내로 연료를 직접 분사하기 위한 밸브들을 갖춘 분사 시스템을 구비하고 있다. 이들 밸브들은 매 실린더(7)마다 제1 세트의 액상 가스 연료 인젝터(14)와 오일 연료 인젝터(15) 및 제2 세트의 액상 가스 연료 인젝터(14)와 오일 연료 인젝터(15)를 포함한다. 위에서 바라 본 엔진 실린더들 중 하나가 도 3에 도시되어 있고, 인젝터들과 그들의 공급 라인들만이 도시되어 있고 배기 밸브는 도시되어 있지 않지만, 배기 밸브는 실린더의 중심에서 두 세트의 인젝터들 사이에 위치하고 있다.
엔진은 전체적으로 도면부호 16으로 지시되어 있는 오일 공급 시스템과, 전체적으로 도면부호 17로 지시되어 있는 액상 가스 공급 시스템을 포함하는 연료 공급 시스템을 구비하고 있다. 엔진은 전체적으로 도면부호 18로 지시되어 있는 워터 공급 시스템도 또한 구비하고 있다. 이들 3개의 시스템들이 도 2에 도시되어 있으며, 도 2는 좌측에 회전륜(19), 우측에 크랭크샤프트(20)의 일 단부 그리고 엔진 프레임(12) 상에서 싱글 라인으로 배치되어 있는 6개의 실린더(7)를 구비하는 엔진의 측면을 도시하고 있다.
오일 공급 시스템(16)은 적어도 하나의 연료 오일 소스(21)를 포함하며, 연료 오일 소스는 펌프를 통해 하나 또는 복수의 오일 저장 탱크로부터 오일을 받아들인다. 연료 오일 소스는 공급 펌프 및 엔진 상에서 각 실린더(7)까지 연장하는 오일 공급 라인(22)을 포함한다. 오일 공급 시스템이 한 종류 이상의 오일을 오일 연료 인젝터로 공급해야 하는 경우, 엔진은 탱크들과 연관되어 있는 하나 이상의 연료 오일 소스, 펌프들 및 병렬로 배열되어 있는 공급 라인들을 구비할 수 있다. 연료 오일 중 한 종류는 전형적인 밀도가 840 ㎏/㎥인 디젤 오일일 수 있고, 다른 종류의 오일은 전형적인 밀도가 982 ㎏/㎥인 중유일 수 있다.
액상 가스 공급 시스템(17)은 하나 또는 복수의 액상 가스 저장 탱크로부터 펌프에 의해 액상 가스를 공급받는 하나 이상의 액상 가스 소스(23)를 포함한다. 일 예로, 액상 가스 연료는 20℃ 온도에서 증기압이 0.13 바인 메탄올, CH3OH 또는 액화 석유 가스, LPG 일반적으로 프로판 및/또는 부탄 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 액상 가스 소스는 엔진 상에서 각 실린더(7)들까지 연장하는 액상 가스 공급 라인(24)과 공급 펌프 유닛(25)을 포함한다. 액상 가스 소스 및 공급 펌프 유닛은, 엔진이 선박에서 프로펠러를 구동하기 위한 메인 엔진으로 설치되어 있는 경우에는 선박 위 노천 갑판(26) 위에 위치하거나 또는 발전소에서 발전기를 구동하기 위한 원동기로 설치되어 있는 경우에는 빌딩 벽 바깥쪽과 같이 엔진실 외부에 위치하고 있다. 이에 따라 액상 가스 공급부에서 누출된 가스가 엔진 룸으로 들어갈 수 없게 된다. 엔진 룸으로의 유입의 측면에서, 액상 가스 공급 라인(24)은 액상 가스 공급 라인을 둘러싸는 외각 파이프 시스템(27) 내에 둘러싸여 있고, 2개의 파이프들 사이에 있는 고리모양의 공간이 그 고리모양 공간을 통해 환기시키고 액상 가스 공급 라인일 수 있는 안쪽 파이프에서의 가스 누출을 감시하는 데에 사용된다. 액상 공급 시스템은, 위와 마찬가지로 노천 갑판(26)을 통과할 때까지 외각 파이프 내에 둘러싸여 있는 리턴 라인(29)을 구비하는 퍼지 리터 시스템(28)도 포함한다. 리턴 라인(29)은 액상 가스 소스(23)까지 연장하여, 액상 가스 소스로 액상 가스를 복귀시킬 수 있다. 가스 누출이 검출되거나 엔진을 정지시킬 필요가 있는 것과 같은 특정 상황에서는, 액상 가스 공급 라인이 비워져야 하며, 퍼지 리턴 시스템(28)에 의해 공급되는 질소에 의해 퍼지된다. 액상 가스가 액상 가스 소스(23)로 복귀한 후, 이중-벽 배관 시스템을 통해 질소를 환기시킴으로써 질소에 의한 완전한 퍼징이 수행된다.
연료로서 액상 가스를 사용함으로 인해, 엔진은 밀봉 오일 탱크와 밀봉 오일 펌프를 포함하는 밀봉 오일 소스(31)와 각 실린더(7) 상의 개별 액상 가스 연료 인젝터까지 연장하는 밀봉 오일 공급 라인(32)을 포함하는 밀봉 오일 시스템(30)을 추가로 포함한다. 엔진은 제어 오일 탱크와 제어 오일 펌프를 포함하는 제어 오일 소스(34) 및 각 실린더(7) 상의 개별 액상 가스 연료 인젝터까지 연장하는 제어 오일 공급 라인(35)을 포함하는 제어 오일 시스템(33)을 또한 포함한다.
워터 공급 시스템(18)은 워터 펌프 또는 일반적으로 가압된 민물 공급 장치를 구비하는 탱크와 같은 워터 소스(36)와 워터 제어 밸브(38)를 구비하는 워터 공급 라인(37) 형태의 워터 공급 장치를 포함한다. 워터 공급 라인(37)은 액상 가스 공급 시스템(17)의 공급 펌프 유닛(25)까지 연장한다. 워터 공급 라인(37) 내의 워터 제어 밸브(38)는 워터를 공급 펌프 유닛까지 운송하기 위해 여닫힐 수 있고, 액상 가스 제어 밸브(39)는 액상 가스 공급 라인(24)에서 워터 공급 라인과 액상 가스 공급 라인의 접속부의 상류에 위치하는데, 여기서 상류는 이 접속부와 액상 가스 소스(23) 사이를 의미한다. 워터 제어 밸브(38) 및 액상 가스 제어 밸브(39)는 전자적으로 제어되는 밸브들이고, 이러한 제어는 2개의 전자 제어 유닛들(40, 41) 중 하나 또는 이들 2개의 전자 제어 유닛들(40, 41) 모두에 의해 이루어진다. 워터 제어 밸브(38)가 닫히고, 액상 가스 제어 밸브(39)가 열려 있을 때, 액상 가스가 액상 가스 공급 라인(24)을 통해 엔진으로 공급된다. 워터 제어 밸브(38)가 열려 있고, 액상 가스 제어 밸브(39)가 닫혀 있을 때, 워터가 액상 가스 공급 라인(24)을 통해 엔진으로 공급된다. 워터 제어 밸브(38)가 완전히 또는 밸브의 최대 유동 능력의 30% 또는 50% 또는 80%가 개방되는 것과 같이 부분적으로 개방되어 있고, 액상 가스 제어 밸브(39)가 개방되어 있는 경우, 워터와 액상 가스의 혼합물이 액상 가스 공급 라인(24)을 통해 엔진으로 공급된다. 100% 미만의 액상 가스와 0% 초과의 워터로부터 0% 초과의 액상 가스와 100% 미만의 워터의 임의의 혼합물을 전달하도록, 밸브들이 제어될 수 있다.
도 3은 액상 연료 또는 워터를 실린더(7) 상의 액상 가스 연료 인젝터(14)들과 오일 연료 인젝터(15)들로 공급하는 것을 자세하게 도시하고 있다. 엔진룸에서, 액상 가스 공급 라인(24)은 외각 배관 시스템(27)에 의해 둘러싸여 있으며, 외각 배관 시스템에는 공기 흡입 시스템과 질소 같은 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 시스템이 제공되어 있다. 공기 흡입 시스템은 외각 배관 시스템(27) 내부를 환기시킨다. 시스템이 정상 작동할 때 지점 42에서 공기가 흡입되고, 지점 43에서 공기가 배출된다. 공기 배출구(43)로 안내되는 도관 내에서 엔진의 하류에 한 쌍의 탄화수소 검출기(44)가 위치한다. 가압된 퍼지 가스의 소스가 외각 배관 시스템과 액상 가스 공급 라인(24)에 연결될 수 있으며, 엔진이 셧다운될 때 불활성 가스가 액상 가스 공급 라인으로 공급되어 액상 가스 공급 라인을 퍼징한다.
연료 오일 소스(21)는 오일 연료를 내연 기관의 각 실린더(7) 상의 오일 연료 인젝터(15)들로 공급한다. 오일 연료가 오일 연료 펌프(45)로 공급된다. 오일 연료 펌프는 전자적으로 제어되며 오일 연료를 오일 연료 인젝터(15)로 운송하는 유압식 구동 펌프이다. 분사 순서가 될 때 오일 연료 펌프로부터 전달되는 압력은 오일 연료 인제터들의 개방 압력을 초과하며 그 범위는 400 바 내지 800 바 사이일 수 있다.
각 실린더 상의 액상 가스 연료 인젝터(14)에는 밀봉 오일 공급 라인(32)을 통해 가압된 밀봉 오일이 공급된다. 밀봉 오일은 액상 가스 연료 인젝터를 윤활하여 액상 가스가 밸브로부터 누설되는 것을 방지한다. 밀봉 오일 소스는 소정의 압력 예컨대 15 바 내지 500 바 사이의 압력으로, 바람직하기로는 20 내지 40 바 사이의 압력으로 밀봉 오일을 제공한다.
각 실린더 상의 액상 가스 연료 인젝터(14)에는, 약 300 바의 압력과 같이 250 내지 500 바 사이의 압력으로 제어 오일을 운송하는 제어 오일 펌프를 구비하는 제어 오일 소스(34)로부터 제어 오일이 공급된다. 액상 가스 공급 라인(24)에서부터 어큐뮬레이터(46)로 액상 가스가 유동하고, 액상 가스 분사가 이루어질 때 액상 가스를 액상 가스 연료 인젝터(14)로 운송하기 위해 액상 가스 제어 밸브(47)가 개방된다.
액상 가스 연료 인젝터(14)와 오일 연료 인젝터(15)는 하나의 세트로 실린더 상에 배치되어 있으며, 이들은 예를 들면 실린더 라이너 상부에 장착되어 있는 실린더 커버에 장착될 수 있다. 도시되어 있는 실시형태에서, 실린더는 하나의 액상 가스 연료 인젝터(14)와 하나의 오일 연료 인젝터(15)된 세트 두 개를 구비하며, 이들 두 세트는 배기 밸브(도 3에는 도시되어 있지 않음)의 약 측면 위에 배치되어 있다. 각 세트의 2개의 인젝터들은 한 세트의 인젝터들과 다른 세트의 인젝터들 사이의 간격보다 더 가까이 위치하고 있다.
액상 가스 연료 인젝터(14)는 액상 가스와 워터를 개별적으로 혹은 이들의 혼합물을 분사할 수 있다. 액상 가스 연료 인젝터(14)의 메인 부분에 대한 설명이 도 4에 제시되어 있다. 액상 가스 연료 인젝터(14)는 실린더 커버와 같이 실린더(7) 내 보어에 장착되어 있고, 인젝터의 내부 단부는 연소실(13)의 안쪽에 위치하고 있으며, 복수의 분무 보어(49)를 구비하는 분사 노즐(48)을 포함하고 있다. 분무 보어를 통해 액상 가스 연료 또는 워터, 또는 이들의 혼합물이 연소실 내로 분무된 안개(atomized mist) 형태로 분사된다.
액상 가스 연료 인젝터(14)는 고리모양의 밀봉 링들(50)에 의해 서로가 독립적으로 밀봉되어 있는 여러 영역들(zones)을 구비한다. 각 밀봉 링(50)은 액상 가스 연료 인젝터(14)의 외면과 실린더(7) 내의 내면 사이를 밀봉한다. 최상부 영역에, 일반 드레인(51)이 실린더 내에 위치하여 누출되는 액상 가스가 이 영역 내로 유입될 수 있게 한다. 밀봉 오일을 위한 유입구(52)가 제2 및 제3 밀봉 링(5) 사이에 존재한다. 밀봉 오일을 위한 유출구(53)가 제3 및 제4 밀봉 링(5) 사이에 존재한다. 액상 가스 또는 워터 또는 이들의 혼합물을 위한 액체 유입구(54)가 제4 및 제5 밀봉 링(5) 사이에 존재한다. 유동 통로가 액체 유입구(54)와 액체 유입 챔버(56)을 연결한다. 제5 밀봉 링과 제6 밀봉 링 사이의 하부 영역(55)이 지점 42에서 공기 흡입에 연결되어 환기되며, 공기 출구 43으로 공기가 유동하여 탄화수소의 존재를 체크하게 된다.
액상 가스 연료 인젝터(14)에 액상 가스 또는 워터 또는 이들의 혼합물이 상대적으로 낮은 공급 압력, 예컨대 4 내지 40 바 사이의 압력으로 바람직하기로는 약 8 바와 같이 6 내지 15 바 사이의 압력으로 공급된다. 액상 가스 또는 워터가 액체 유입 챔버(56)로 유입되고 분사가 수행될 때, 가압된 제어 오일이 제어 오일 유입구(57)로 유입되고 액추에이터 챔버(50)로 유입되어 액추에이터 피스톤(59)의 단부면에 작용한다. 액추에이터 피스톤이 유압식으로 작동하는 플런저(62)에 작동하여 액체 유입 챔버(56) 내의 액상 가스 연료 및/또는 워터를 가압한다. 유압식으로 작동하는 플런저(62)는 액추에이터 피스톤(59)과 인접하는 별개의 부재이거나 또는 유압식으로 작동하는 플런저(62)는 액추에이터 피스톤(59)과 일체일 수 있다. 액체 유입 챔버(56) 내의 압력이 액상 가스 연료 인젝터의 개방 압력 위로 증가할 때, 밸브 가이드(61) 내의 보어 내에서 축 방향으로 변위될 수 있는 밸브 부재(60)가 밸브 시트로부터 멀어지는 방향으로 변위되어, 액상 가스 또는 워터가 연소실 내로 분사되게 된다.
밀봉 오일은 워터가 밸브 부재(60, 61)들을 손상시키는 것을 방지할 수 있다. 필요한 경우에, 액상 가스 연료 인젝터(14)들로 워터가 공급된다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 워터가 공급 펌프 유닛(25)으로 전달되어 액상 가스 공급 라인(24)을 통해 커먼 유동으로 모든 실린더들로 전달되는 곳으로 워터가 전달되는 것이 바람직하다. 그러나, 워터 공급 라인(37)을 실린더들로 연장시킴으로써 워터를 개별적으로 인젝터들로 공급하고, 워터 분기 라인을 각 실린더 상의 액상 가스 연료 인젝터들로 제공하거나, 또는 워터 공급 라인을 각 액상 가스 연료 인젝터로 제공할 수도 있다. 이들 실시형태들에서, 워터 공급 장치는 워터 분기 라인과 워터 제어 밸브를 구비하는 워터 공급 라인을 포함한다. 각 워터 분기 라인이 워터 제어 밸브를 포함하고, 액상 가스 공급 라인(24)의 분기 라인에 연결되어, 워터가 액상 가스 공급 라인(24)을 통해 인젝터로 공급될 수 있으며, 또는 워터 분기 라인이 각 액상 가스 연료 인젝터까지 직접 연장할 수 있으며, 워터 분기 라인에 워터 제어 밸브가 제공될 수 있다. 워터 분기 라인이 각 액상 가스 연료 인젝터까지 직접 연장하는 경우, 액상 가스 연료 인젝터에는 워터가 통과하기 위한 개별의 액상 유입구가 제공될 수 있으며, 이를 통해 유동 통로가 액체 유입 챔버(56)에 연결되게 된다.
전술한 다양한 실시형태들에 대한 상세한 사항들이 조합되어 청구항의 범위에서 다른 실시형태를 구성할 수 있다.

Claims (16)

  1. 연료 공급 시스템과 워터 공급 시스템(18) 및 실린더들을 포함하여 구성되는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관으로, 각 실린더(7)들은 적어도 하나의 연소실(13), 피스톤(9), 상기 실린더의 상단부에 배기 밸브(6), 상기 실린더의 하단부 영역에 소기 포트(8)들 및 연료와 워터를 연소실 내로 직접 분사하기 위한 밸브들을 구비하는, 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관에 있어서, 상기 개별 실린더(7) 상에서 연료와 워터를 직접 분사하기 위한 밸브들이 한 세트의 액상 가스 연료 인젝터(14) 및 오일 연료 인젝터(15)를 포함하고, 연료 공급 시스템은 오일 연료 인젝터에 연결되어 있는 오일 공급 시스템(16)과 액상 가스 연료 인젝터에 연결되어 있는 액상 가스 공급 시스템(17)을 포함하며, 워터 공급 시스템(18)은 액상 가스 공급 시스템(17)에 연결되어 있거나 또는 액상 가스 연료 인젝터(14)에 직접 연결되어 있는 워터 공급 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개별 실린더(7) 상에서 연료와 워터를 직접 분사하기 위한 밸브들이 액상 가스 연료 인젝터(14) 및 오일 연료 인젝터(15)로 구성된 세트를 두 세트 포함하는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  3. 제2항에 있어서,
    배기 밸브(6)가 상기 실린더의 상부에서 상기 두 세트의 액상 가스 연료 인젝터(14) 및 오일 연료 인젝터(15)들 사이의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  4. 제1항에 있어서,
    액상 가스 연료 인젝터(14)가 밸브 가이드(61)를 구비하는 인젝터 하우징 및 상기 밸브 가이드 내의 보어에서 변위 가능한 밸브 부재(60)를 포함하고, 내연 기관이 액상 가스 연료 인젝터로 밀봉 오일을 공급하기 위한 밀봉 오일 시스템(30)을 포함하고, 액상 가스 연료 인젝터(14)가 밀봉 오일을 위해 유입구(52)로부터 밸브 가이드 내의 보어까지 연장하는 밀봉 오일 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  5. 제4항에 있어서,
    밀봉 오일 시스템(30)이 밀봉 오일을 소정의 밀봉 오일 압력으로 전달하기에 적합하고, 워터 공급 시스템(18)이 워터를 상기 소정의 밀봉 오일 압력보다 낮은 압력으로 전달하기에 적합한 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    액상 가스 연료 인젝터(14)의 분사 압력이 적어도 350 바, 바람직하기로는 적어도 500 바의 분사 개구 압력으로 설정되는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  7. 제6항에 있어서,
    액상 가스 연료 인젝터(14)가 액상 가스 연료 및/또는 워터를 액체 유입 챔버(56)로 공급되는 사전에 설정된 공급 압력으로 공급받기에 적합하고, 액상 가스 연료 인젝터(14)가 액체 유입 챔버 내의 액상 가스 연료 및/또는 워터를 분사 개구 압력으로 가압하기에 적합한 유압식으로 작동되는 플런저(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    액상 가스 연료 인젝터(14)가 액상 가스 연료 및/또는 워터를 액체 유입 챔버(56)로 공급되는 사전에 설정된 공급 압력으로 공급받기에 적합하고, 액상 가스 연료 인젝터(14)가 액체 유입 챔버 내의 액상 가스 연료 및/또는 워터를 분사 개구 압력으로 가압하기에 적합한 유압식으로 작동되는 플런저(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관.
  9. 2 행정 크로스헤드 타입의 내연 기관 내 실린더의 연소실 내로 연료와 워터를 직접 분사하는 방법으로, 상기 내연 기관은 연료 공급 시스템과 워터 공급 시스템(18) 및 실린더들을 포함하여 구성되되, 각 실린더(7)들은 적어도 하나의 연소실(13), 피스톤(9), 상기 실린더의 상단부에 배기 밸브(6), 상기 실린더의 하단부 영역에 소기 포트(8)들 및 연료와 워터를 연소실 내로 직접 분사하기 위한 밸브들을 구비하는, 연료 및 워터 직접 분사 방법에 있어서,
    상기 연소실 내로 직접 분사하기 위해 상기 연료 공급 시스템은 적어도 한 세트의 액상 가스 연료 인젝터(14) 및 오일 연료 인젝터(15)에 액상 가스 연료와 오일 연료를 공급하되, 액상 가스 공급 시스템(17)으로부터 액상 가스 연료 인젝터에 액상 가스 연료를 공급하고, 오일 공급 시스템(16)으로부터 오일 연료를 오일 연료 인젝터로 공급하고, 워터 공급 시스템(18)은 워터 공급 장치를 통해 워터를 액상 가스 공급 시스템(17)에 공급하거나 및/또는 액상 가스 연료 인젝터(14)로 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    2 행정 사이클의 연소 행정에서, 액상 가스 연료 인젝터(14)로부터의 워터 분사가 연료 분사가 종료되기 전에 종료되는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    2 행정 사이클에서, 액상 가스 연료 인젝터(14)로부터의 워터 분사가 연료 분사가 시작되기 전에 시작되는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    2 행정 사이클의 연소 행정에서, 액상 가스 연료 인젝터(14)로부터의 워터 분사가 연료 분사와 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    내연 기관이 적어도 하나의 제1 작동 모드와 제2 작동 모드를 구비하되, 제1 작동 모드에서 액상 가스 공급 시스템(17)이 액상 가스 연료를 공급하고 오일 공급 시스템(16)이 연료 오일을 공급하며, 제2 작동 모드에서 액상 가스 공급 시스템(17)이 워터를 그리고 오일 공급 시스템(16)이 저유황 연료 오일을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    액상 가스 공급 시스템(17)이 최대 25 바로 사전에 설정된 공급 압력으로 액상 가스 연료를 공급하고, 워터 공급 시스템(18)이 워터를 최대 25 바의 사전에 설정된 공급 압력으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
  15. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    워터 공급 시스템(18)이 워터를 액상 가스 공급 시스템(17)로 공급하고, 액상 가스 공급 시스템이 메탄올과 워터를 액상 가스 연료 인젝터(14)로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    액상 가스 연료 인젝터(14)가 적어도 500 바의 분사 개구 압력으로 작동하는 것을 특징으로 하는 연료 및 워터 직접 분사 방법.
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