KR20180062943A

KR20180062943A - 대형 압축 점화 터보차징 2 행정 내연기관의 연소실에 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브 및 방법

Info

Publication number: KR20180062943A
Application number: KR1020170157009A
Authority: KR
Inventors: 헐트 요한; 크쥴르 모르텐; 쇼홀름 요한
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2018-06-11
Also published as: CN108131229A; EP3330526A1; CN108131229B; JP6472503B2; DK201670955A9; DK179213B1; KR101921490B1; DK201670955A1; RU2674868C1; DK179213B9; EP3330526B1; JP2018091334A

Abstract

대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관의 연소실 내로 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브(50)는, 후단부 및 전단부를 갖는 세장형 밸브 하우징(52), 베이스(46)로부터 폐쇄된 팁(59)까지 연장되는 세장형 노즐 몸체를 포함하는 노즐(54), 베이스(46)로부터 폐쇄된 팁(59)까지 연장되는 메인 보어(55)와 메인 보어(55)에 연결된 복수의 노즐 구멍(56), 세장형 밸브 하우징(52)의 전단부에 배치되고 베이스(51)는 상기 전단부에 연결되는 노즐(54), 가압한 액체 연료의 공급원에 연결하기 위한 세장형 밸브 하우징(52) 내의 연료 입구 포트(53), 밸브 니들(61)과 니들 보어(64) 사이의 틈새로 세장형 밸브 하우징(52) 내의 종방향 보어(77)에 슬라이딩 가능하게 수용되고 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들(61), 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖는 밸브 니들(61), 폐쇄 위치에서 시트(69) 상에 놓이고 개방 위치에서 시트(69)로부터 상승하는 밸브 니들(61) 및 폐쇄 위치 쪽으로 편향되는 밸브 니들(61), 밸브 하우징(52) 내의 연료 챔버(58)와 세장형 밸브 하우징(52) 전단부의 출구 포트(68) 사이의 세장형 밸브 하우징(52) 내에 배치되는 시트(69), 노즐(54) 내의 메인 보어(55)에 직접 연결되는 출구 포트(68), 연료 입구 포트(53)에 연결되는 연료 챔버(58), 니들 보어(64)의 일 단부에서 연료 챔버(58)로 개방되는 틈새, 가압한 윤활유의 공급원(57)에 연결하기 위한 윤활유 입구 포트(78), 윤활유 입구 포트(70)를 니들 보어(64)의 길이를 따라 제1 위치(P1)에서 틈새에 연결하는 윤활유 공급 도관(76), 가압한 점화액의 공급원(65)에 연결하기 위한 점화액 입구 포트(67) 및 점화액 입구 포트(67)로부터 연료 챔버(58) 또는 제1 위치(P1)보다 연료 챔버(58)에 더 가까운 니들 보어(64)의 길이를 따라 제2 위치(P2)의 틈새까지 연장되는 점화액 도관(66)을 포함한다.

Description

대형 압축 점화 터보차징 2 행정 내연기관의 연소실에 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브 및 방법{A FUEL VALVE AND METHOD FOR INJECTING A LIQUID FUEL INTO A COMBUSTION CHAMBER OF LARGE COMPRESSION-IGNITING TURBOCHARGED TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 개시는 액체 연료로 작동하는 연료 공급 시스템, 특히 액체 연료를 점화하기 어렵거나 신뢰할 수 없는 대형 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관의 연소실 내로 연료를 분사하는 연료 밸브 및 액체 연료, 특히 대형 2 행정 압축 점화 내연기관의 연소실 내로 점화하기 어렵거나 신뢰할 수 없는 액체 연료를 분사하는 방법에 관한 것이다.

크로스헤드 유형의 대형 저속 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진은 일반적으로 대형 선박의 추진 시스템이나 발전소의 원동기로 사용된다. 이 엔진들은 중유로 작동하는 경우가 매우 흔하다.

최근에 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진에 가스, 메탄올, 석탄 슬러리, 물-오일 혼합물, 석유 코크스 및 기타 연료 등 대체 유형의 연료를 사용하라는 요구가 있다.

물-오일 혼합물과 같은 몇 가지 대체 연료는 비용과 배출량(배기가스)을 줄일 가능성이 있다.

그러나 대형 저속 단류(uniflow) 터보차징 2 행정 내연기관에서 물 혼합물 사용과 관련하여 몇 가지 문제가 있다.

이러한 문제들 중 하나는 연소실로 분사 시 압축 점화를 위한 이들 연료의 준비 상태와 예측 가능성이며, 압축 점화 엔진에서 제어를 위해서는 준비 상태와 예측 가능성 모두 필수적이다. 따라서, 기존의 대형 저속 단류 터보차징 2 행정 내연기관은 연료의 확실하고 시기가 적절한 점화를 위해 연료 점화가 어렵거나 확실하지 않은 분사와 동시에 오일이나 기타 점화액의 파일럿 분사를 사용한다. 점화에 제기되는 이 문제는 예컨대 연료 오일-물 혼합물 등 몇 가지 유형의 연료에도 존재한다.

대형 저속 단류 터보차징 2 행정 내연기관은 일반적으로 해양에서 운항하는 대형 화물선의 추진을 위해 사용되며, 그에 따라 신뢰성이 무엇보다 중요하다. 이들 엔진을 대체 연료로 작동하는 것은 비교적 최근에야 개발되어 기체 연료 작동의 신뢰성이 아직은 기존 연료 수준에 도달하지 못한 상태이다. 따라서, 기존의 대형 저속 2 행정 디젤 엔진은 기체 연료 등과 같은 대체 연료로 작동하는 연료 시스템과 연료유로 작동하는 연료 시스템을 모두 갖추고 연료유로만 최대 출력으로 작동할 수 있는 이중 연료 엔진이다.

이들 엔진 연소실은 직경이 크기 때문에 일반적으로 실린더마다 세 개의 연료 분사 밸브가 제공되며, 중앙 배기 밸브 주위 약 120°의 각도로 분리되어 있다. 따라서, 이중 연료 시스템은 실린더마다 대체 연료 밸브 3개 및 종래의 연료유 밸브 3개가 있어 실린더의 탑 커버는 비교적 혼잡한 장소이다.

기존 이중 연료 엔진에서, 연료유 밸브는 기체 연료로 작동하는 동안 파일럿 오일 분사를 제공하기 위해 사용되고 있다. 이 연료유 밸브는 연료유로 최대 부하에서 엔진을 작동하는 데 필요한 양의 연료유를 전달할 수 있도록 치수가 정해진다. 그러나 파일럿 분사로 분사되는 오일의 양은 원하는 배출 가스 감축을 얻기 위해 가능한 한 작아야 한다. 최대 부하 시 작동에 필요한 많은 양을 전달할 수 있는 풀 사이즈 연료 분사 시스템을 이용한 소량의 분사량은 상당한 기술적 문제를 야기하며 실제로 달성하기가 매우 어렵기 때문에 파일럿 오일 용량은 기존의 엔진에서, 특히 중간 부하와 낮은 부하에서, 연료 분사 이벤트당 바람직한 양보다 더 많은 양이 분사되고 있다. 적은 파일럿 양을 처리할 수 있는 추가 소형 분사 시스템의 대안을 찾는 것은 상당히 복잡하고 비용이 상승한다. 또한, 추가 소형 파일럿 오일 분사 밸브는 실린더의 탑 커버를 훨씬 더 혼잡하게 한다.

EP3070321은 대형 2 행정 터보차징 자기 점화 내연기관의 연소실 내로 저인화점 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브를 개시한다. 연료 밸브는 노즐 구멍이 있는 노즐을 구비한 세장형 연료 밸브 하우징, 가압한 액체 연료의 공급원에 연결하기 위한 세장형(elongated) 연료 밸브 하우징 내의 연료 입구 포트, 세장형 연료 밸브 하우징 내의 작동액 포트, 세장형 밸브 하우징의 종방향 보어 내에 슬라이딩 가능하게 수용된 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들, 밸브 니들이 밸브 시트 상에 놓인 폐쇄 위치 및 밸브 니들이 밸브 시트로부터 상승한 개방 위치를 갖는 밸브 니들, 폐쇄 위치 쪽으로 편향된 밸브 니들, 밸브 니들을 둘러싸고 밸브 시트로 개방되는 연료 챔버, 펌브 피스톤의 일 측면 상의 제1 보어에 펌프 챔버를 구비한 제1 보어에 수용된 펌프 피스톤, 작동 피스톤의 일 측면 상의 제2 보어에 작동 챔버를 구비한 제2 보어에 수용된 작동 피스톤, 작동 피스톤에 연결되어 함께 일제히 움직이는 펌프 피스톤, 작동액 포트에 연결되는 작동 챔버(85), 연료 챔버에 연결되는 출구와 연료 입구 포트에 연결되는 입구를 갖는 펌프 챔버, 밀봉액 입구 포트, 제1 보어 내의 펌프 피스톤을 밀봉하기 위해 밀봉액 입구 포트를 제1 보어에 연결하는 도관을 포함한다.

일반적으로 몇 가지 이유로 별도의 점화액 파일럿 분사로 작동하는 것은 바람직하지 않다. MCR 부하의 3% 미만에서 안정적인 인젝터 작동을 얻는 것은 어렵다는 것이 입증되고 있다. 두 번째로 실린더 밖의 외부 점화에는 적어도 최소한의 연료량이 필요하고, 파일럿 분사의 장기간 기능은 더는 검증되지 않고 있다. 연료 펌프가 마모되면 파일럿 분사 기능이 저하될 수 있다. 또한, 빠른 파일럿 분사 특성은 연료 시스템의 마모를 증가시킬 수 있는 것으로 예상된다.

이들 연료 중 일부는 인화점이 낮아서 안전 문제가 발생한다. 알려진 연료 밸브의 구성에는 니들의 설계로 인해 밸브 니들의 샤프트와 샤프트가 안내되는 보어 사이에 항상 누출이 존재한다. 따라서 샤프트와 보어 사이의 틈새에는 밀봉과 윤활이라는 두 가지 목적을 위해 가압된 밀봉액인 '밀봉유'가 공급된다. 누출을 최소한으로 유지하려면 허용 오차가 매우 작은 상태에서 틈새를 가능한 한 작게 유지하고 샤프트와 보어 사이에는 윤활이 필요하다.

밀봉유와 연료가 섞여 있을 경우 분리하는 것은 어렵고, 그에 따라 시스템에 오류를 초래한다. 윤활유 시스템에서 연료가 감지되면 엔진을 정지시키는 결과를 초래할 수 있으며, 근본 원인을 해결하는 것이 곤란한 경우가 종종 있다.

다른 안전 관련 문제에는 엔진이 저인화점 연료로 작동하지 않는 경우, 예컨대 엔진이 작동하지 않거나 다른 유형의 연료로 작동하는 이중 연료 엔진에 대해 저인화점 연료가 연료 밸브와 연료 밸브에 이어지는 튜빙에 잔류하는 것을 허용하지 말라는 선급 협회의 요구가 있다. 따라서, 연료 밸브 및 연료 밸브로 이어지는 튜빙 또는 배관을 정화하기 위한 준비가 이루어져야 한다.

이러한 저인화점 연료의 또 다른 문제점은 상대적으로 윤활 특성이 낮아서 윤활액을 사용하지 않고 이동하는 부품 사이에 아주 작은 틈새를 사용하는 것을 막는다는 것이다.

위와 같은 배경에서, 본 출원의 목적은 위에서 지적한 문제들을 극복하거나 적어도 감소시키는 대형 터보차징 압축 점화 2 행정 내연기관용 연료 밸브를 제공하는 것이다.

본 목적은 제1 양태에 따라 대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관의 연소실로 액체 연료를 분사하는 연료 밸브를 제공하여 달성되며, 상기 연료 밸브는 후단부 및 전단부를 구비한 세장형 밸브 하우징, 베이스로부터 폐쇄된 팁까지 연장되는 세장형 노즐 바디를 포함하는 노즐, 베이스로부터 폐쇄된 팁까지 연장되는 메인 보어와 메인 보어에 연결된 복수의 노즐 구멍, 세장형 밸브 하우징의 전단부에 배치되고 베이스는 전단부에 연결되는 노즐, 가압한 액체 연료의 공급원에 연결하기 위한 세장형 밸브 하우징 내의 연료 입구 포트, 밸브 니들과 니들 보어 사이의 틈새를 가진 세장형 밸브 하우징 내의 종방향 니들 보어에 슬라이딩 가능하게 수용된 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들, 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖는 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들, 폐쇄 위치에서 밸브 시트 상에 놓이고 개방 위치에서 밸브 시트로부터 상승하며 폐쇄 위치 쪽으로 편향되는 밸브 니들, 밸브 하우징 내 연료 챔버와 세장형 밸브 하우징의 전단부의 출구 포트 사이의 세장형 밸브 하우징 내에 배치되는 시트, 노즐의 메인 보어에 직접 연결하는 출구 포트, 연료 입구 포트에 연결되는 연료 챔버, 니들 보어의 일 단부에서 연료 챔버로 개방되는 틈새, 가압한 밀봉유의 공급원에 연결하기 위한 윤활유 입구 포트, 윤활유 입구 포트를 니들 보어의 길이를 따라 제1 위치에서 틈새에 연결하는 윤활유 공급 도관, 가압한 점화액의 공급원에 연결하기 위한 점화액 입구 포트 및 점화액 입구 포트로부터 챔버 또는 제1 위치보다 연료 챔버에 더 가까운 니들 보어의 길이를 따라 제2 위치의 틈새까지 연장되는 점화액 도관을 포함한다.

점화하기에 어려운 액체 연료를 분사하는 연료 분사 밸브의 노즐로 점화액을 공급하는 이점은 별도의 파일럿 밸브를 경유하는 외부 파일럿 분사 없이 엔진을 작동할 수 있다는 점이다. 대신에 점화는 점화하기에 어려운 연료를 분사하는 연료 밸브의 노즐 내부에서 발생한다. 점화액은 연소실로부터 초기 화염이 보호되는 노즐의 챔버 내부에서 점화되어 분사 이벤트 중에 뒤따라 또는 동시에 액체 연료를 점화할 확률이 더 높아진다. 이는 점화액 소비를 현저히 감소시킨다. 테스트 결과 MCR 부하의 1%보다 훨씬 낮은 수준이 가능한 것으로 나타났다.

예컨대 윤활유 시스템과는 분리된 독립적인 점화액을 공급함으로써, 점화액의 분사량이 더 정확하고 확실하게 제어될 수 있고 점화액의 유형을 쉽게 변경할 수 있다. 점화액 양의 완전한 제어는 밀봉유 시스템의 작용을 손상하지 않으면서 상류 틈새와 공급 압력을 변화시킴으로써 얻어진다. 점화액은 더는 시스템 오일로 제한되지 않는다. 예컨대 디젤유 또는 DME(디메틸 에테르)와 같이 더 쉽게 점화되는 액체를 사용할 수 있다.

제1 양태의 가능한 제1 구현예에 따르면, 점화액 도관은 점화 입구 포트로부터 시트에 인접한 위치의 연료 챔버로 연장된다.

제1양태의 가능한 제2 구현예에 따르면, 점화액 도관은 점화 입구 포트로부터 시트로 연장된다.

제1 양태의 가능한 제3 구현예에 따르면, 시트에 대한 점화액 도관은 밸브 니들이 시트 상에 놓이면 밸브 니들에 의해 폐쇄된다.

제1 양태의 가능한 제4 구현예에 따르면, 메인 보어는 베이스로 개방된다.

제1 양태의 가능한 제5 구현예에 따르면, 점화액 공급원의 압력은 액체 연료 공급원의 압력보다 더 높다.

제1 양태의 가능한 제6 구현예에 따르면, 연료 밸브는 가압한 작동유의 공급원에 연결하기 위한 세장형 연료 밸브 하우징 내의 작동액 포트, 펌프 피스톤의 일 측면 상의 제1 보어 내 펌프 챔버와 함께 밸브 하우징 내의 제1 보어에 수용되는 펌프 피스톤, 작동 피스톤의 일 측면 상의 제2 보어 내 작동 챔버와 함께 밸브 하우징 내의 제2 보어에 수용되는 작동 피스톤을 포함하며, 펌프 피스톤은 작동 피스톤과 연결되어 일제히 함께 움직이며, 작동 챔버는 작동액 포트에 유체로 연결되며, 펌프 챔버는 연료 챔버로 연결되는 출구와 펌프 챔버로부터 연료 입구 포트로 유동을 방지하는 세장형 연료 밸브 하우징 내 역류방지 밸브를 경유한 연료 입구 포트에 연결되는 입구를 갖는 것을 특징으로 한다.

제1 양태의 가능한 제7 구현예에 따르면, 연료 챔버는 밸브 니들과 밸브 시트에 대한 개구를 둘러싸고, 밸브 시트는 연료 챔버와 출구 포트 사이에 배치된다.

제1 양태의 가능한 제8 구현예에 따르면, 밸브 니들은 연료 챔버 내의 압력이 소정의 임계 값을 초과할 때 편향에 대해 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 제9 구현예에 따르면, 연료 밸브는 연료 분사 밸브, 특히 연료 밸브의 전단부에 가장 가까운 부분을 냉각하기 위한 냉각액 입구 포트, 냉각액 출구 포트 및 냉각액 유로를 더 포함한다.

제1 양태의 가능한 제10 구현예에 따르면, 세장형 밸브 하우징은 후면부에 연결된 전면부를 포함하고, 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들은 전면부에 배치되고, 제1 보어, 제2 보어 및 매칭 종방향 보어는 후면부에 형성된다.

제1 양태의 가능한 제11 구현예에 따르면, 연료 밸브는 제1 보어 내에 펌프 피스톤을 밀봉하기 위해 밀봉액 입구 포트를 제1 보어에 연결하는 도관을 더 포함한다.

제2 양태에 따르면, 그 가능한 구현예의 제1 양태에 따른 연료 밸브를 포함하는 대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관이 제공된다.

제2 양태의 가능한 제1 구현예에 따르면, 엔진은 제어된 압력(Pf)을 갖는 가압한 연료 공급원, 제어된 압력(Ps)을 갖는 가압한 윤활유 공급원 및 제어된 압력 (Pif)을 갖는 가압한 점화액 공급원을 더 포함한다.

제2 양태의 가능한 제2 구현예에 따르면, Ps는 Pf보다 높고 Pif는 Pf보다 높다.

제2 양태의 가능한 제3 구현예에 따르면, 엔진은 노즐 내부의 메인 보어에 연료 유입 시에 연료를 점화하도록 구성된다.

제3 양태에 따르면, 대형 2 행정 저속 터보차징 압축 점화 내연기관을 작동하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 엔진의 연료 밸브에 제1 고압에서 가압한 액체 연료를 공급하는 단계, 후단부와 전단부를 갖는 세장형 밸브 하우징을 구비한 연료 밸브, 노즐의 내부를 엔진 실린더 내의 연소실에 연결하는 복수의 노즐 구멍을 갖는 중공 노즐을 구비한 연료 밸브, 베이스와 세장형 노즐 바디를 포함하는 노즐, 베이스를 세장형 밸브 하우징의 전단부에 연결하는 노즐, 팁 가까이에 배열된 노즐 구멍과 함께 폐쇄된 팁을 갖는 노즐, 제2 고압에서 연료 밸브에 점화액을 공급하는 단계, 제1 고압보다 더 높은 제2 고압, 중공 노즐 위의 시트와 협동하고 변위 가능한 밸브 니들로 액체 연료의 분사를 제어하는 단계, 연료 챔버가 시트 위에 배치되는 단계, 연료 챔버를 액체 연료로 가압하는 단계, 점화액의 연속적인 유동을 연료 챔버로 전달하는 단계와 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들이 시트 상에 놓이는 기간 동안 점화액이 시트 위에 축적되도록 하는 단계 및 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들을 시트로부터 상승시켜 액체 연료 분사 이벤트를 시작하는 단계, 그에 따라 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들이 상승할 때 축적된 점화액이 액체 연료 바로 앞의 중공 분사 노즐로 들어가게 하거나 정밀하게 점화액의 정밀한 분사량을 시트에 전달하는 단계 및 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들을 시트로부터 상승시켜 액체 연료 분사 이벤트를 시작하는 단계, 그에 따라 축적된 점화액이 액체 연료와 동시에 중공 분사 노즐로 들어가게 하는 단계를 포함한다.

제3 양태의 가능한 제1 구현예에 따르면, 액체 연료는 점화액의 도움으로 노즐 내부에서 점화한다.

제3 양태의 가능한 제2 구현예에 따르면, 노즐은 엔진 사이클 전체에서 300°C 이상으로 유지된다.

본 개시에 따른 가스 연료 밸브와 엔진의 추가 목적, 기능, 이점 및 특성은 상세한 설명으로 명백해질 것이다.

본 설명에 관한 다음의 상세한 부분에서, 본 발명은 다음 도면에 도시된 실시예를 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 일례의 실시예에 따른 대형 2 행정 디젤 엔진의 정면도이고,
도 2는 도 1 대형 2 행정 엔진의 측면도이고,
도 3은 도 1에 따른 대형 2 행정 엔진의 도식적인 표현이고,
도 4는 도 1 엔진 연료 시스템의 일례의 실시예의 도식적인 표현이고,
도 5는 도 1 엔진의 실린더 상부 연료 시스템의 일례의 실시예의 도식적인 표현의 단면도이고,
도 6은 도 1 내지 도 3의 일례의 실시예에 따른 엔진을 사용하기 위한 연료 밸브의 입면도이고.
도 7은 도 6에 도시된 연료 분사 밸브의 단면도이고,
도 7a는 도 7 확대상세도의 제1 실시예를 도시하며,
도 7b는 도 7 확대상세도의 제2 실시예를 도시하며,
도 7c는 도 7 확대상세도의 제3 실시예를 도시하며,
도 7d는 도 7 확대상세도의 제4 실시예를 도시하며,
도 8은 도 6에 도시된 저인화점 연료 분사 밸브의 다른 단면도이고,
도 9는 도 6에 도시된 저인화점 연료 분사 밸브의 또 다른 단면도이며,
도 9a는 도 9의 확대상세도를 도시하고,
도 10은 도 6에 도시된 저인화점 연료 분사 밸브의 또 다른 단면도이고,
도 11은 도 6에 도시된 저인화점 연료 분사 밸브의 또 다른 단면도이다.

이하의 상세한 설명에서, 압축 점화 내연기관은 일례의 실시예들의 대형 2 행정 저속 터보차징 내연(디젤) 기관을 참조하여 설명될 것이다. 도 1, 도 2 및 도 3은 크랭크샤프트(42)와 크로스헤드(43)가 구비된 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진을 도시한다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 갖춘 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진의 도식적인 표현을 도시한다. 이 일례의 실시예에서, 엔진에는 열을 지은 4개의 실린더(1)가 있다. 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진은 통상적으로 엔진 프레임(13)에 의해 지지되며, 열을 지은 4개 내지 14개의 실린더를 갖는다. 이 엔진은 예컨대 해양을 운항하는 선박의 주 엔진 또는 발전소의 발전기 작동을 위한 고정식 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예를 들면, 1,000 내지 110,000kW 범위일 수 있다.

엔진은, 이 일례의 실시예에서, 실린더(1) 하부 영역에 소기 포트(19) 및 실린더(1) 상단에 중앙 배기밸브(4)가 구비된 2 행정 단류식 디젤(압축 점화) 엔진이다. 소기는 소기 수용부(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트로 통과한다. 실린더(1) 내의 피스톤(41)은 소기를 압축하고, 실린더 커버(아래에서 추가로 자세히 설명) 내의 연료 분사 밸브(아래에서 추가로 자세히 설명)로부터 연료가 분사되어, 연소가 진행되고 배기가스가 생성된다. 배기밸브(4)가 개방되면 배기가스는 실린더(1)와 결합된 배기덕트를 통해 배기가스 수용부(3)로 유동하고, 계속해서 제1 배기도관(18)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동한 후, 배기가스는 제2 배기도관(7)을 통해 이코노마이저(28)를 경유하여 출구(29)와 대기 중으로 배출된다. 샤프트를 통해, 터빈(6)은 공기 입구(10)를 경유하여 신선한 공기가 공급되는 압축기(9)를 구동한다. 압축기(9)는 소기 수용부(2)에 이르는 소기 도관(11)에 가압한 소기를 전달한다.

도관(11) 내 소기는 소기의 냉각을 위해 인터쿨러(12)를 통과한다. 일례의 실시예에서, 소기는 압축기를 약 200℃에서 나가고 인터쿨러에 의해 36 내지 80℃ 온도로 냉각된다.

터보차저(5)의 압축기(9)가 소기 수용부(2)에 충분한 압력을 전달하지 않으면, 즉 엔진의 낮은 또는 부분 부하 조건에서, 냉각된 소기는 소기 유동을 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 경유하여 통과한다. 더 높은 엔진 부하에서, 터보차저 압축기(9)는 충분히 압축된 소기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류방지 밸브(15)를 경유하여 바이패스 된다.

도 4는 액체 연료의 공급원(60)(예컨대, 오일-물 등의 연료 또는 메탄올 등의 저인화점 연료), 냉각액의 공급원(57), 점화액의 공급원(65), 제어 밸브(96)를 경유하는 작동액(오일)의 공급원(97), 퍼지 제어 밸브(98) 및 작동액 제어 밸브(98)와 연결된 액체 연료 밸브(50)의 도식적인 표현이다.

도관(62)은 가압한 액체 연료(62)의 공급원으로부터 액체 연료 밸브(50)의 하우징 내 유입 포트에 이른다. 도관(62)은 실린더 커버(48)와 같은 고체 블록 재료 내부의 동심 튜브 또는 튜브에 의해 형성되는 이중 벽 도관일 수 있다. 저인화점 연료로부터 연료 밸브(50)를 퍼지할 수 있도록 하기 위해 연료 밸브(50)를 액체 연료(60) 공급원으로부터 분리할 수 있도록 윈도우 밸브(61)가 도관(62)에 제공될 수 있다. 윈도우 밸브(61)는 바람직하게는 전자적으로 작동되고 전자제어장치에 의해 제어된다. 전자 제어 밸브(96)는 분사 이벤트를 제어하고, 퍼지 제어 밸브(98)는 역류방지 밸브가 폐쇄되는 것을 방지하여 퍼지를 제어한다.

도 5는 일례의 실시예에 따른 복수의 실린더(1) 중 하나의 상단을 도시한다. 실린더(1)의 탑 커버(48)는 연료 밸브(50)의 노즐로부터 실린더(1) 내 피스톤(41) 위의 연소실로 액체 연료를 분사하는 복수(일반적으로 2개나 3개)의 연료 밸브(50)를 구비한다. 이 일례의 실시예에서 엔진에는 실린더마다 3개의 액체 연료 밸브(50)가 있지만, 연소실의 크기에 따라 실린더마다 1개 또는 2개의 연료 밸브(50)로 충분할 수 있다. 배기 밸브(4)는 탑 커버의 중앙에 배치되고, 액체 연료 밸브(50)는 실린더 벽에 더 가깝게 배치된다.

실시예(도시되지 않음)에서, 2개 또는 3개의 추가적인 연료 오일 밸브가 연료유로 엔진을 작동하기 위해 탑 커버(48)에 제공될 수 있다. 연료 오일 밸브는 잘 알려진 방식으로 고압 연료 오일의 공급원에 연결된다.

노즐에 가장 가깝고 연소실에 가장 가까운 연료 밸브(50)의 전면부는 시스템 오일(윤활유)이 사용될 수 있는 냉각 오일과 같은 냉각액을 사용하여 냉각된다. 여기서, 연료 밸브(50)의 본체에는 냉각액 입구 포트와 냉각액 출구 포트가 제공되고, 연료 밸브(50) 본체의 전면부를 통해 입구 포트와 출구 포트 사이에 유로(도시되지 않음)가 제공된다. 냉각액 입구 포트는 도관을 경유하여 시스템 오일과 같은 가압한 냉각액 공급원(63)에 연결되고, 냉각액 출구 포트는 도관을 경유하여 냉각액 저장소에 연결된다.

또한, 연료 밸브(50)의 본체에는 연료 밸브(50) 개폐를 제어하는 작동액 포트가 제공된다. 제어 포트는 도관을 경유하여 가압한 작동액의 공급원(97)에 연결된다. 전자 제어 밸브(96), 바람직하게는 비례 밸브는 연료 밸브(50)의 개폐를 제어하기 위해, 즉 분사 이벤트를 제어하기 위해 가압한 작동액 공급원(97)과 작동액 포트 사이의 도관에 배치된다.

연료 밸브(50)의 본체에는 가압한 점화액 공급원(65)로부터 점화액을 압력(Pif)으로 수용하기 위한 점화액 입구 포트도 제공된다.

엔진에는 엔진의 작동을 제어하는 전자제어장치(도시되지 않음)가 제공된다. 신호 라인은 전자제어장치를 제어 밸브(96, 98)와 윈도우 밸브(61)에 연결한다.

전자제어장치는 액체 연료 밸브(50)의 분사 이벤트 시기를 정확하게 설정하고 연료 밸브(50)로 액체 연료의 분사량(분사 이벤트당 분사된 체적)을 제어하도록 구성된다. 실시예에서 전자제어장치는 연료 밸브(50)가 이러한 곡선에 적응할 수 있기 때문에 분사 곡선의 형태(속도 형태)를 제어하도록 구성된다.

저인화점 연료를 사용하는 구성에서, 전자제어장치는 연료 분사 이벤트의 시작 전에 공급 도관(62)이 가압한 저인화점 액체 연료로 채워지도록 하기 위해 윈도우 밸브(61)를 개폐한다. 윈도우 밸브(61)는 연료 밸브(50)가 저인화점 연료로부터 퍼지될 필요가 있을 때 전자제어장치에 의해 폐쇄된다.

도 6은 세장형 밸브 하우징(52), 세장형 밸브 하우징(52)의 전단부에 부착된 노즐(54), 윤활액 입구 포트(70) 및 퍼지를 제어하기 위한 제어 포트(36)가 구비된 연료 밸브의 사시도이다. 노즐(54)에는 노즐(54) 위에 방사상으로 그리고 축방향으로 분포된 복수의 노즐 구멍(56)이 제공된다.

도 7, 8, 9, 10 및 11은 액체 연료를 압축 점화 내연기관의 연소실(41) 내로 분사하기 위한 연료 밸브(50)의 단면도를 도시한다. 연료 밸브(50)는 최후단부가 있는 세장형 밸브 하우징(52) 및 그 전단부에 부착된 노즐(54)을 구비한다. 노즐(54)은 밸브 하우징(52)의 전단부에 베이스(46)와 함께 부착된 별개의 몸체이다. 밸브 하우징(52)의 최후단부에는 (퍼지) 제어 포트(36), 작동액 포트(78), 점화액 포트(67) 및 가스 누출 검출 포트(도시되지 않음)를 포함하는 복수의 포트가 제공되며, 가스 검출 도관(34)에 연결된다. 최후단부는 연료 밸브(50)가 실린더 커버(48)에 장착될 때 실린더 커버(48)로부터 돌출하는 헤드를 형성하도록 확대된다. 본 실시예에서, 연료 밸브(50)는 중앙 배기 밸브(4)의 주위, 즉 실린더 라이너의 벽에 상대적으로 가깝게 배치된다. 노즐뿐만 아니라 세장형 밸브 하우징(52)과 연료 분사 밸브(50)의 다른 구성 요소는 실시예에서 예컨대 공구강과 스테인리스강 등과 같은 강철로 제조된다.

중공 노즐(54)에는 중공 노즐(54)의 메인 보어(55)에 연결된 노즐 구멍(56)이 제공되고, 노즐 구멍(56)은 방사형으로, 바람직하게는 실질적으로 노즐(54) 위에 분포한다. 노즐 구멍(56)은 폐쇄된 팁(59)에 축방향으로 가깝고, 노즐 구멍(56)의 방사상 분포는 본 실시예에서 약 50°의 비교적 좁은 범위에 걸쳐 있다. 노즐 구멍(56)의 방사상 방향은 노즐 구멍(56)이 실린더 라이너의 벽으로부터 멀어지는 방향으로 향하게 된다. 또한, 노즐 구멍(56)은 소기 포트의 경사진 구성에 의해 연소실 내의 소기의 소용돌이 방향과 대략 동일한 방향으로 향하게 된다(이 소용돌이는 단류형 대형 2 행정 터보차징 내연기관의 특징이다).

노즐(54)의 팁(59)은 닫혀 있다. 즉, 팁(59)에는 아래로 향한 노즐 구멍(46)이 없다. 노즐(54)은 베이스(46)가 밸브 하우징(52)의 전단부에 연결되고 노즐(54)의 메인 보어가 밸브 하우징(52)의 전단부의 출구 개구(68)를 향해 개방된다. 밸브 시트(69)는 출구 개구(68)를 형성하는 축방향 보어와 연료 챔버(58) 사이의 전이부에 배치된다.

축방향으로 변위 가능한 밸브 니들(61)은 세장형 밸브 하우징(52) 내의 종방향 보어(64)의 좁은 틈새로 슬라이딩 가능하게 수용되고, 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들(61)과 종방향 보어 사이의 윤활이 중요하다. 여기에서, 가압한 윤활액은 도관(채널)(47)을 경유하여 밸브 니들(61)의 종방향 보어(64) 사이의 틈새로 전달된다. 채널(47)은 밸브 니들(61)과 축방향 보어 사이의 틈새를 윤활유 입구 포트(70)에 연결하고, 차례로 가압되어 압력 Ps인 윤활유(57)의 공급원에 연결될 수 있다. 윤활유는 저인화점 연료로 작동할 때 밸브 니들(61)과 축방향 보어 사이의 틈새로 연료의 누출을 방지한다. 또한, 윤활유는 밸브 니들(61)과 축방향 보어(64) 사이에 윤활을 제공한다. 실시예에서, 윤활유 공급원(57)의 압력은 펌프 피스톤(80)과 제1 보어(81) 사이 틈새의 총 유동이 펌프 챔버(82)를 향한 방향인 한, 적어도 액체 연료의 공급 압력보다 높지만, 분사 이벤트 동안 펌프 챔버(82)의 최대 압력보다 훨씬 낮을 수 있다.

밸브 니들(61)은 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖는다. 밸브 니들(61)에는 밸브 시트(69)와 정합하는 형상인 원추부가 제공된다. 폐쇄 위치에서, 밸브 니들(61)의 원추부는 밸브 시트(69) 상에 놓인다. 원추부는 개방 위치에서 밸브 시트(69)로부터 상승하고, 밸브 니들(61)은 선인장(pretensioned) 헬리컬 스프링(38)에 의해 폐쇄 위치를 향해 탄성적으로 편향된다. 선인장 헬리컬 스프링(38)은 밸브 니들(61)에 작용하여 밸브 니들(61)을 원추부가 시트(69) 상에 놓이는 폐쇄 위치 쪽으로 편향시킨다.

헬리컬 스프링(68)은 세장형 연료 밸브 하우징(52) 내의 스프링 챔버(96)에 수용되는 헬리컬 와이어 스프링이다. 냉각 오일은 스프링 챔버(88)를 통해 유동한다. 헬리컬 스프링(38)의 일 단부는 스프링 챔버(88)의 단부와 결합하고 헬리컬 스프링(38)의 타 단부는 밸브 니들(61) 상의 확장부 또는 플랜지와 결합함으로써 밸브 니들을 밸브 시트(69)를 향해 탄성적으로 가압한다.

세장형 밸브 하우징(52)은 연료 공급 도관(62)을 경유하여 가압한 액체 연료(60)의 공급원에 연결하기 위한 연료 입구 포트(53)를 구비한다. 연료 입구 포트(53)는 도관(51)과 역류방지 밸브(89)를 경유하여 밸브 하우징(52) 내의 펌프 챔버(82)에 연결된다. 역류방지 밸브(74)(흡입 밸브)는 밸브 하우징(52) 내부에 제공된다. 역류방지 밸브(74)는 액체 연료가 도관(51)을 통해 펌프 챔버(82)로 유동할 수 있지만 반대 방향으로는 유동하지 않도록 한다.

펌프 피스톤(80)은 펌프 피스톤(80)의 일 측면 상의 제1 보어(81) 내에 펌프 챔버(82)를 구비한 세장형 연료 밸브 하우징(52)의 제1 보어(81)에 슬라이딩 가능하게 밀봉식으로 배치된다. 작동 피스톤(83)은 작동 피스톤(83)의 일 측면 상의 제2 보어(84) 내의 작동 챔버(85)를 구비한 밸브 하우징(52)의 제2 보어(84)에 슬라이딩 가능하게 밀봉식으로 배치된다. 펌프 피스톤(80)은 작동 피스톤(83)에 연결되어 함께 일제히 움직인다. 즉, 펌프 피스톤(80)과 작동 피스톤(83)은 각각의 보어(81, 84)와 일제히 슬라이딩할 수 있다. 본 실시예에서 펌프 피스톤(80)과 작동 피스톤(83)은 단일 몸체로 형성된다. 그러나 펌프 피스톤(80)과 작동 피스톤(83)은 상호 연결된 별도의 몸체일 수 있음을 알아야 한다.

작동 챔버(85)는 작동액 포트(78)에 유체로 연결된다. 전자 제어 밸브(96)는 작동액 포트(78)로 그리고 그로부터 유동하여 작동 챔버(85)로 그리고 그로부터 가압한 작동액의 유동을 제어한다.

분사 이벤트 시작 시, 전자제어장치는 전자 제어 밸브(96)에 명령하여 작동액이 작동 챔버(85)로 들어가도록 한다. 작동 챔버(85) 내에서 가압된 작동액은 작동 피스톤(83)에 작용함으로써, 펌프 피스톤(80)을 펌프 챔버(82) 내로 가압하는 힘을 생성한다. 이에 따라, 펌프 챔버(82) 내 액체 연료의 압력이 상승한다. 실시예에서, 작동 피스톤(83)의 직경은 펌프 피스톤(80)의 직경보다 크며, 따라서 펌프 챔버(82) 내의 압력은 그에 상응하여 작동 챔버(85) 내의 압력보다 높고, 작동 피스톤(83)과 펌프 피스톤(80)의 결합은 압력 부스터로 작용한다.

하나 이상의 채널(도관)(57)은 펌프 챔버(82)를 연료 챔버(58)에 유체로 연결하고, 그렇게 함으로써 연료 챔버(58)의 바닥에 위치한 밸브 시트(69)에 유체로 연결된다. 밸브 시트(69)는 밸브 니들(61)을 둘러싸는 연료 챔버(58)에 면한다. 밸브 니들(61)은 양력을 얻기 위해 노즐(54)로부터 멀리 이동하고 양력을 감소시키기 위해 노즐 (54) 쪽으로 이동하도록 구성된다. 밸브 니들(61)은 개방 위치에서 시트(69)로부터 상승함으로써 펌프 챔버(82)로부터 연료 챔버(58)로 유동을 허용하고, 밸브 시트(69)를 지나서 출구 포트(68)를 거쳐 노즐 내의 메인 보어(55)에 이른다. 저인화점 액체는 노즐 구멍(56)을 통해 메인 보어(55)를 떠난다.

밸브 니들(61)은 펌프 챔버(82) 내 액체 연료의 압력이 헬리컬 스프링(38)의 힘을 초과할 때 상승한다. 따라서, 밸브 니들(61)은 펌프 챔버(82)(및 연료 챔버(55)) 내의 연료의 압력이 소정의 임계 값을 초과할 때 헬리컬 스프링(38)의 바이어스에 대항하여 개방되도록 구성된다. 연료 내의 압력은 펌프 챔버(82) 내의 저인화점 액체 연료에 작용하는 펌프 피스톤(80)에 의해 야기된다.

밸브 니들(61)은 노즐(54)을 향해 이동하기 위해 편향되고 원추부는 밸브 시트(69)로 이동하도록 구성된다. 이는 펌프 피스톤(80)이 더는 펌프 챔버(82) 내의 연료에 작용하지 않고 밸브 니들(61) 상의 헬리컬 스프링(38)의 폐쇄력이 밸브 니들 상의 저인화점 연료의 개방력보다 커지면 액체 연료 내의 압력이 감소하는 경우에 발생한다.

전자제어장치가 분사 이벤트를 종료하면, 전자제어장치는 전자 제어 밸브(96)가 작동 챔버(85)를 탱크에 연결하도록 명령한다. 펌프 챔버(82)는 가압한 액체 연료(60)의 공급원에 연결되고, 역류방지 밸브(89)를 경유하여 유동하는 저인화점 액체 연료의 공급 압력은, 펌프 챔버(82)가 액체 연료로 완전히 채워져 연료 밸브(50)가 다음 분사 이벤트를 위해 준비된 상태의 도 7에 도시된 위치에 도달할 때까지, 작동 피스톤(83)이 작동 챔버(85) 내로 작동 피스톤(83)을 가압한다. 도 8은 펌프 챔버(80)의 주요 부분에서 액체 연료가 고갈된 분사 이벤트 종료 무렵의 펌프 피스톤(80)과 작동 피스톤(83)의 위치를 도시한다.

액체 연료의 분사 이벤트는 작동 타이밍의 길이와 펌프 피스톤(82)의 행정 길이(유속 형성)를 통해 전자제어장치(ECU)에 의해 제어된다. 하나의 분사 이벤트에서 분사되는 연료의 양은 펌프 피스톤(80)의 행정 길이에 의해 결정된다. 따라서, 전자제어장치의 신호에 따라 작동액 압력은 작동 챔버(85)에서 상승한다.

분사 이벤트가 끝날 때, 전자제어장치(96)는 작동 챔버(85)로부터 압력을 제거하고 펌프 챔버(82) 내의 가압한 액체 연료의 힘은 작동 피스톤(83)이 제2 보어(85)의 끝에 닿을 때까지 제2 보어(85) 내로 밀어 돌아가도록 한다.

실시예(도시되지 않음)에서, 연료 밸브(50)는 직경이 다른 플런저 2개의 압력 부스터 형태를 포함하며, 플런저의 대직경부 밸브(96)는 제어 밸브에 연결된 포트를 구비한 챔버를 대향하고 플런저의 더 큰 직경부는 도관(채널)(51과 47)에 연결된 포트를 구비한 챔버를 대향하여, 연료 분사 이벤트 중에 윤활유 압력을 상승시켜 높은 윤활 압력을 제공하는 것이 가장 필요할 때 윤활 압력이 정확히 높게 유지되도록 한다.

연료 밸브(50)는 가압한 윤활유 공급원에 연결하기 위한 윤활유 입구 포트(70)를 구비하고, 제1 보어(81) 내 펌프 피스톤(80)을 밀봉하고 윤활하기 위해 윤활유 입구 포트(70)로부터 제1 보어(81)까지 연장되는 도관(30)을 구비한다. 실시예에서, 윤활유 공급원(57)의 압력은 분사 이벤트 동안 최소한 펌프 챔버(82) 내 최대 압력에 근접할 만큼 높다.

실시예에서, 연료 밸브(50)는 연료 밸브(50)를 퍼지하기 위해 펌프 챔버(82)로부터 연료 입구 포트(53) 쪽으로의 유동을 선택적으로 허용하는 수단을 구비한다. 펌프 챔버(82)로부터 연료 입구 포트(53) 쪽으로 유동을 선택적으로 허용하는 수단은 역류방지 밸브(74)(흡입 밸브)의 비복귀 기능을 선택적으로 비활성화시키는 수단을 포함한다.

밸브 니들(61)은 연료 챔버(58) 내의 압력이 소정의 임계 값을 초과할 때 헬리컬 스프링(38)의 바이어스에 대항하여 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동하도록 구성된다.

실시예에서 세장형 밸브 하우징(52)은 냉각액 입구 포트(45), 냉각액 출구 포트(32) 및 연료 분사 밸브(50), 특히 전단부, 예컨대 노즐과 연소실의 열에 가장 가까운 연료 밸브(50) 부분을 냉각하기 위한 냉각액 유로(44)를 구비한다. 실시예에서 냉각액은 엔진의 시스템 윤활유이다. 실시예에서, 냉각액 유로는 헬리컬 스프링(38)이 수용되는 스프링 챔버(88)를 포함한다.

실시예에서 세장형 밸브 하우징(52)은 후면부(35)에 연결된 전면부(33)를 포함한다. 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들(61)은 전면부(33)에 배치되고, 제1 보어(81), 제2 보어(84) 및 매칭 종방향 보어는 후면부(35)에 형성된다.

연료 밸브(50)는 종방향 니들 보어(64) 내 밸브 니들(61)을 밀봉하기 위해 밀봉 및 윤활액 입구 포트(70)로부터 종방향 니들 보어(64)의 길이를 따라 위치 P1의 종방향 니들 보어(64)까지 연장되는 도관(47)을 구비한다. 밀봉유는 위치 P1으로부터 틈새를 통해 위쪽의 헬리컬 스프링을 둘러싼 챔버와 아래쪽의 연료 챔버(58) 모두로 유동한다. 작동 챔버(74)로 유동하는 점화액 부분은 냉각 오일과 혼합된다. 이것은 냉각 오일에 실질적인 영향을 미치지 않는다.

본 실시예에서, 연료 챔버(58)로 유동하는 점화액 부분은 점화액 입구 포트(67)로부터 P1 위치보다 밸브 하우징(52)을 통해 연료 챔버(58)에 더 가까운 P2 위치의 틈새로 연장되는 점화액 도관(45)에 의해 틈새로 공급되는 점화액의 압력을 충족한다. 점화액 입구 포트(67)는 가압한 점화액 공급원(65)에 연결된다. 밀봉유의 압력이 점화액의 압력보다 높기 때문에, 밀봉유는 점화액이 밀봉유 시스템으로 역류하여 누출되는 것을 방지한다.

점화액 도관(66)을 경유하여 틈새에 전달된 점화액은 틈새의 축방향 연장부를 따라 연료 챔버(58)로 이동하여 연료 챔버(58)의 바닥, 즉 시트(69) 바로 위에 축적되는 반면, 축방향으로 이동 가능한 밸브 니들(61)은 도 7a에 도시된 바와 같이 시트(69) 상에 놓인다.

틈새의 치수는 축방향으로 이동 가능한 밸브 부재(61)가 시트(69) 상에 놓이는 엔진 사이클 동안 연료 챔버(58)의 바닥에 적당한 양의 점화액이 수집되도록 정밀하게 제어되고 선택된다. 적당한 양의 점화액은 확실하고 안정적인 점화를 생성하기에 충분한 양으로서, 예컨대 엔진 크기와 부하에 따라, 예컨대 0.1mg 내지 200mg의 범위일 수 있다. 틈새의 치수는 점도와 같은 점화액의 특성과 관련하여 선택되어, 점화액 공급원의 압력이 액체 연료 공급원의 압력보다 큰 여유 압력일 때 적절한 규모의 점화액의 일정한 흐름이 달성된다.

전자제어장치(ECU)의 신호에 따라 액체 연료 압력은 연료 챔버(58)에서 상승하고 밸브 니들(61)은 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동 시에 시트(69)로부터 상승한다. 연료 챔버(58)(도 7a) 바닥에 축적된 점화액이 먼저 노즐(54) 내의 메인 보어(55)로 들어가고, 이어서 액체 연료가 들어간다. 즉, 액체 연료가 점화액을 전방에서 메인 보어(55) 내로 밀어낸다. 따라서, 연소실(58)에 축적된 점화액은 액체 연료 바로 앞 노즐(54)의 메인 보어(55)로 들어간다. 연료 밸브(50)가 개방되기 직전에, 메인 보어(55)는 연소실 내의 소기 압축으로 인하여 압축된 열풍과 잔류 미연소 연료의 혼합물로 채워진다(노즐 구멍(56)은 연소실로부터 메인 보어(55)로의 공기 유동을 허용한다). 따라서, 연료 밸브(50)의 개방 직후 메인 보어(55) 내부에는 고온의 압축 공기, 점화액 및 액체 연료가 존재한다. 이에 따라 중공 노즐(54) 내부에서 이미 액체 연료 점화로 이어진다.

분사 이벤트가 끝날 때, 전자제어장치는 작동 챔버(74)로부터 압력을 제거하여 헬리컬 스프링(66)의 힘으로 밸브 니들(61)을 시트(69)로 복귀하게 한다.

전술한 제1 실시예와 본질적으로 동일한 제2 실시예에 따르면, 점화액은 틈새가 아닌 시트(69)로 대신 전달된다. 이 실시예는 도 7b를 참조하여 설명된다. 점화액 도관(66)은 시트(69)로 개방된다. 밸브 니들(61)의 원추형 팁의 개방 각은 원추형 시트(69)의 개방 각보다 약간 더 뾰족하고, 따라서 밸브 니들(61)의 팁과 밸브 시트(69) 사이에는 좁은 갭이 있다. 이러한 좁은 갭은 밸브 니들(61)이 시트(69) 상에 놓이는 동안 점화액(49)이 밸브 시트(69)와 바로 위의 연료 챔버(58)에 축적되도록 한다.

전술한 실시예들과 본질적으로 동일한 제3 실시예에 따르면, 점화액은 연료 챔버(58)에 전달된다. 이 실시예는 도 7c를 참조하여 설명된다. 점화액 도관(66)은 연료 챔버(58)로, 바람직하게는 시트(69) 바로 위 또는 인접하여 개방된다. 점화액(49)은 밸브 시트(69) 위의 연료 챔버(58)에 축적되는 반면 밸브 니들(61)은 시트(69) 상에 놓인다.

전술한 실시예들과 본질적으로 동일한 제4 실시예에 따르면, 점화액은 시트(69)에 전달된다. 이 실시예는 도 7d를 참조하여 설명된다. 점화액 도관(66)은 시트(69)로 개방된다. 밸브 니들(61)의 원추형 팁의 개방 각은 원추형 시트(69)의 개방 각과 실질적으로 동일하고, 따라서 밸브 니들(61)이 밸브 시트(69) 상에 놓이면 밸브 니들(61)은 밸브 시트에 대한 점화액 도관(66)의 개구를 폐쇄한다. 점화액은 밸브 니들(61)이 상승하면 밸브 시트(69)로 개방되는 점화액 도관(66)을 통해 밸브 시트(69)에 전달된다. 이 실시예에서 적당한 양의 점화액 전달이 단시간에 이루어져야 하므로 점화액의 공급 압력 및/또는 점화액 공급 도관(66)의 단면적은 전술한 실시예들에 비해 증가한다.

액체 연료의 분사는 중공 노즐(54) 위의 시트(69)와 협동하고 변위 가능한 밸브 니들(61)로 제어된다. 연료 챔버(58)는 액체 연료로 가압한다. 밸브 니들(61)이 도 7a, 7b 및 7c에 따른 실시예에서 시트(69) 상에 놓이는 시기 동안, 점화액의 소량의 연속 유동이 제1, 제2 및 제3 실시예에 따라 연료 챔버(58)로 전달되고 점화액이 시트(69) 위에 축적된다. 연료 분사 이벤트는 축방향으로 이동 가능한 밸브 니들(61)을 시트(69)로부터 들어올리는 것으로 시작되어, 축적된 점화액이 액체 연료 바로 앞의 중공 분사 노즐(54)의 메인 보어(55)로 들어가게 한다. 그런 다음 액체 연료는 점화액의 도움으로 노즐(54) 내부를 점화한다.

도 7d의 실시예에서, 밸브 니들(61)이 상승하면 점화액이 밸브 시트(69)에 전달되어 액체 연료와 점화액이 동시에 분사 노즐(45)의 메인 보어로 전달된다.

엔진은 점화액의 도움으로 다른 점화 장치를 사용하지 않고 분사된 액체 연료를 압축 점화하도록 구성된다.

엔진은 노즐(54) 내부의 메인 보어 진입 시 액체 연료를 점화하도록 구성된다.

실시예에서 노즐(54)은 엔진 사이클 전체에 걸쳐 300℃ 위로 유지된다. 실시예에서 중공 노즐(54) 내부의 온도는 압축 행정 마지막에 약 600℃이다.

실시예에서, 연료 밸브(50)에는 펌프 챔버(82)와 연료 입구 포트(53) 사이의 유체 연결부에 전용 제어 밸브가 제공되어 연료 밸브(50)의 퍼지를 위해 펌프 챔버(82)로부터 연료 입구 포트(53)로 유동을 선택적으로 허용한다. 이 제어 밸브는 제어 신호에 따라 개폐되는 것이 바람직하다. 이 실시예에서, 역류방지 밸브(74)의 비복귀 기능을 선택적으로 비활성화하는 수단을 제공하는 것은 필요하지 않다.

실시예에서, 윤활유 공급원의 압력은 제어된 압력 Ps이며, 액체 연료의 공급원의 압력은 제어된 압력 Pf이며, Ps는 Pf보다 높다. 이 실시예에서, 제어된 압력 Ps는 펌프 행정 동안 펌프 챔버(82)의 최대 압력보다 낮을 수 있다. 이 경우, 펌프 행정 동안 틈새의 크기 및 펌프 챔버(82) 내의 최대 압력은 상호 의존적으로 선택되어, 저인화점 액체 연료가 틈새에 들어가 펌프 피스톤(80) 길이의 전부가 아닌 일부분을 따라 윤활액을 대체하고, 밀봉유가 다른 펌프 행정이 발생하기 전에 틈새 내의 모든 저인화점 연료를 실질적으로 대체할 경우, 그에 따라 나머지 저인화점 연료는 윤활유 시스템 자체에 저인화점 연료의 침투가 없도록 한다.

청구항에서 사용된 용어 "포함하는"은 다른 요소나 단계를 배제하지 않는다. 청구항에서 사용된 용어 "하나의" 또는 "한 개"는 복수를 배제하지 않는다. 전자제어장치는 청구항에 기재된 여러 수단의 기능을 실행할 수 있다.

청구항에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명은 설명의 목적을 위해 상세히 설명되었지만, 이러한 세부 사항은 단지 그 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 변형될 수 있음을 알 수 있다.

Claims

대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관의 연소실 내로 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브(50)에 있어서,
후단부와 전단부를 구비하는 세장형 밸브 하우징(52);
베이스(46)로부터 폐쇄된 팁(59)까지 연장되는 세장형 노즐 바디, 상기 베이스(46)로부터 상기 폐쇄된 팁(59)까지 연장되는 메인 보어(55) 및 상기 메인 보어(55)에 연결되는 복수의 노즐 구멍(56)을 포함하는 노즐(54);
상기 베이스(46)가 상기 전단부에 연결된 상태에서 상기 세장형 밸브 하우징(52)의 상기 전단부에 배치되는 상기 노즐(54);
가압한 액체 연료의 공급원(60)에 연결하기 위한 상기 세장형 밸브 하우징(52) 내의 연료 입구 포트(53);
밸브 니들(61)과 니들 보어(64) 사이의 틈새로 상기 세장형 밸브 하우징(52) 내의 상기 종방향 니들 보어(64)에 슬라이딩 가능하게 수용되고 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들(61)로서, 상기 밸브 니들(61)은 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖고, 상기 폐쇄 위치의 시트(69) 상에 놓이고, 상기 개방 위치의 상기 시트(69)로부터 상승하고, 상기 폐쇄 위치 쪽으로 편향되는 상기 밸브 니들(61);
상기 밸브 하우징(52) 내 연료 챔버(58)와 상기 세장형 밸브 하우징(52)의 상기 전단부 내 출구 포트(68) 사이의 상기 세장형 밸브 하우징(52) 내에 배치되는 상기 시트(69);
상기 노즐(54) 내의 상기 메인 보어(55)에 직접 연결되는 상기 출구 포트(68);
상기 연료 입구 포트(53)에 연결되는 상기 연료 챔버(58);
상기 연료 챔버(58)에 대한 상기 니들 보어(64)의 일 단부로 개방되는 상기 틈새;
가압한 윤활유 공급원(57)에 연결하기 위한 윤활유 입구 포트(70);
상기 윤활유 입구 포트(70)를 니들 보어(64)의 길이를 따라 제1 위치(P1)의 상기 틈새에 연결하는 윤활유 공급 도관(47);
가압한 점화액의 공급원(65)에 연결하기 위한 점화액 입구 포트(67); 및
상기 점화액 입구 포트(67)로부터 상기 제1 위치(P1)보다 상기 연료 챔버(58)에 더 가까운 상기 니들 보어(64)의 길이를 따르는 제2 위치(P2)의 상기 챔버 또는 상기 틈새로 연장되는 점화액 도관(66);을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
제1 항에 있어서,
상기 점화액 도관(66)은, 상기 점화액 입구 포트(67)로부터 상기 시트(69)에 인접한 위치의 상기 연료 챔버(58)로 연장되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 점화액 도관(66)은, 상기 점화액 입구 포트(67)로부터 상기 시트(69)까지 연장되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 시트(69)에 대한 상기 점화액 도관(45)의 개구는, 상기 밸브 니들(61)이 상기 시트(69) 상에 놓일 때 상기 밸브 니들(61)에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인 보어(55)는, 상기 베이스(46)로 개방되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 점화액의 공급원(65)은, 상기 액체 연료의 공급원(60)의 압력보다 더 높은 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 밸브.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
가압한 작동유의 공급원(60)에 연결하기 위한 상기 세장형 연료 밸브 하우징(52)의 작동액 포트(78);
상기 펌프 피스톤(80)의 일 측면 상의 상기 제1 보어(81) 내 펌프 챔버(82)와 함께 상기 밸브 하우징(52) 내 제1 보어(81)에 수용되는 펌프 피스톤(80);
상기 작동 피스톤 (83)의 일 측면 상의 상기 제2 보어(84) 내 작동 챔버(85)와 함께 상기 밸브 하우징 (52) 내 제2 보어(84)에 수용되는 작동 피스톤(83);
상기 작동 피스톤(83)에 연결되어 함께 일제히 움직이는 상기 펌프 피스톤(80);
상기 작동액 포트(78)에 유체로 연결되는 상기 작동 챔버(85); 및
상기 펌프 챔버(82)로부터 상기 연료 입구 포트(53)로 유동을 방지하는 상기 세장형 밸브 하우징(52) 내 역류방지 밸브(74)를 통해 상기 연료 챔버(58)에 연결되는 출구 및 상기 연료 입구 포트(53)에 연결되는 입구를 구비하는 상기 펌프 챔버(82);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 챔버(58)는, 상기 밸브 니들(61)과 상기 시트(69)에 대한 개구를 둘러싸고, 상기 시트(69)는 상기 연료 챔버(58)와 상기 출구 포트(68) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브 니들(61)은, 상기 연료 챔버(58) 내의 압력이 소정의 임계 값을 초과하면 상기 바이어스에 대항하여 상기 폐쇄 위치로부터 상기 개방 위치로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
연료 분사 밸브(50), 특히 상기 전단부에 가장 가까운 연료 밸브 부분을 냉각하기 위한 냉각액 입구 포트, 냉각액 출구 포트 및 냉각액 유로(44)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세장형 밸브 하우징(52)은, 후면부(35)에 연결된 전면부(33), 상기 전면부(33)에 배치되고 축방향으로 변위 가능한 상기 밸브 니들(61), 상기 제1 보어(81), 상기 제2 보어(84) 및 상기 후면부에 형성된 상기 매칭 종방향 보어를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
제7 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 보어(81) 내 상기 펌프 피스톤(80)을 밀봉하기 위해 밀봉액 입구 포트(70)를 상기 제1 보어(81)에 연결하는 도관(30)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른, 연료 밸브(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관.
제13 항에 있어서,
제어된 압력(Pf)을 갖는 가압한 연료 공급원(60), 제어된 압력(Ps)을 갖는 가압한 윤활유 공급원(57) 및 제어된 압력(Pif)을 갖는 가압한 점화액 공급원(65)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관.
제14 항에 있어서,
상기 Ps는 Pf보다 높고, Pif는 Pf보다 높은 것을 특징으로 하는 대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관.
제13 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노즐(54) 내부 메인 보어(55) 내 연료 유입 시에 상기 연료를 점화하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 대형 저속 2 행정 터보차징 압축 점화 내연기관.
대형 2 행정 저속 터보차징 압축 점화 내연기관의 작동 방법에 있어서,
상기 엔진의 연료 밸브(50)에 제1 고압의 가압한 액체 연료를 공급하는 단계;
후단부와 전단부를 갖는 세장형 밸브 하우징(52)을 구비하는 상기 연료 밸브(50); 및
노즐(54)의 내부(55)를 상기 엔진 실린더(1) 내의 연소실에 연결하는 복수의 노즐 구멍(56)이 있는 상기 중공 노즐(54)을 구비하는 상기 연료 밸브(50), 베이스(46)와 세장형 노즐 바디를 포함하는 상기 노즐(54), 상기 베이스(46)와 함께 상기 세장형 밸브 하우징(52)에 연결되는 상기 노즐(54), 상기 노즐 구멍(56)이 팁(59)에 가깝게 배치되는 폐쇄된 상기 팁(59)을 구비하는 상기 노즐(54);을 포함하고,
상기 연료 밸브(50)에 제2 고압의 점화액을 공급하는 단계로서, 상기 제2 고압은 상기 제1 고압보다 높은 단계;
상기 중공 노즐(54) 위의 시트(69)와 협동하고 변위 가능한 밸브 니들(61)로 액체 연료의 분사를 제어하는 단계;
상기 시트(69) 위에 배치되는 연료 챔버(58);를 포함하고
상기 액체 연료로 상기 연료 챔버(58)를 가압하는 단계; 및
점화액의 연속적인 유동을 상기 연료 챔버(58)로 전달하는 단계와 축방향으로 변위 가능한 상기 밸브 니들(61)이 상기 시트(69) 상에 놓이는 기간 동안 점화액이 상기 시트(69) 위에 축적되도록 하는 단계 및 축방향으로 변위 가능한 상기 밸브 니들(61)을 상기 시트(69)로부터 상승시켜 액체 연료 분사 이벤트를 시작하는 단계, 액체 연료 바로 앞의 상기 중공 노즐(54)로 축적된 상기 점화액이 들어가게 하는 단계;
또는 축방향으로 변위 가능한 상기 밸브 니들(61)이 상승하면 상기 시트(69)로 점화액의 주입량을 정밀하게 전달하는 단계 및 상기 시트(69)로부터 축방향으로 변위 가능한 상기 밸브 니들(61)을 상승시켜 점화액 분사 이벤트를 시작하고, 이에 따라 축적된 상기 점화액이 액체 연료와 동시에 상기 중공 노즐(54)로 들어가게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 저속 터보차징 압축 점화 내연기관의 작동 방법.
제17 항에 있어서,
상기 액체 연료는 상기 점화액의 도움으로 상기 노즐(54) 내부를 점화하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 저속 터보차징 압축 점화 내연기관의 작동 방법.