KR20190000827A - 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 내연 기관과 그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

내부에 피스톤(21)을 구비한 복수의 실린더(1)를 포함하며, 피스톤(21)은 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관에 있어서, 피스톤(21)은 피스톤 로드, 크로스헤드(23) 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축(22)에 작동 가능하게 연결된다. 크랭크축(22)은 엔진 작동 중에 특정 회전 속도로 회전한다. 엔진에는 또한 연소를 위해 실린더(1)로 연료를 분사하기 위해 각각의 실린더(1)와 연관된 하나 이상의 연료 밸브(30)를 포함하는 연료 분사 시스템이 제공된다. 전자제어장치(50)는 관련된 연료 밸브의 개폐를 제어함으로써 관련된 실린더(1)의 크랭크 각도에 대한 연료 분사 타이밍을 제어하도록 구성된다. 전자제어장치(50)는 TDC에서 또는 그 후에 적어도 한 번의 전분사에 이어 주분사가 뒤따르도록 수행함으로써 전자제어장치(50)에 의해 지연된 연료 분사를 통해 특정 회전 속도 범위에서 엔진이 작동하도록 구성된다.

Description

대형 터보차징 2 행정 압축 점화 내연 기관과 그 작동 방법{A LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE COMPRESSION-IGNITED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATION THEREOF}

본 발명은 크로스헤드를 포함하는 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 내연 기관과 그러한 기관을 작동하는 방법에 관한 것이다.

크로스헤드를 포함하는 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 내연 기관은 일반적으로 컨테이너선과 같은 해양 선박이나 발전소에서 원동기로 사용한다.

특히, 선박에서 작동할 때 비틀림 진동은 제어하기가 어려울 수 있다. 이러한 비틀림 진동이 발생하는 이유는 엔진을 프로펠러에 연결하는 프로펠러 샤프트가 비틀림에 대해 상대적으로 유연하고 이 비틀림에 대해 상대적으로 유연한 시스템이 엔진의 변화하는 접선 압력(토크)에 노출되기 때문이다. 엔진의 변화하는 접선 압력은 각 실린더의 순환 과정 때문에 발생하며 각 크랭크축 회전에 대해 반복된다. 각 실린더에서 이러한 순환 과정은 크랭크축 토크의 큰 변화를 초래한다. 압축 중에는 토크가 부(negative)이고 팽창 중에는 정(positive)이다. 이것은 도 5에 도시되어 있다. 1개 실린더의 실린더 압력(P)과 토크(Q)는 실선으로, 6개 실린더를 결합한 토크는 점선으로 도시되어 있다. 1회전을 복수의 실린더에 분배하므로 크랭크축 토크의 변화는 감소하기는 하지만 여전히 상당하다. 진동 응력 레벨은 직접 또는 간접적으로 측정하거나 엔진 및 관련 구조의 수학적 모델을 사용하여 추정하거나 계산할 수 있다. 하나 이상의 부품 레벨에서 엔진 진동 응력에 의해 구동 또는 여기되는 하나 이상의 장치를 포함하는 개별 엔진은 예컨대 엔진 속도와 위에서 언급한 엔진의 작동 모드를 함께 정의하는 여러 작동 매개 변수의 조합에 따라 계산할 수 있다. 진동 응력 레벨을 계산하여 사전에 정한 한계와 비교할 수 있으며, 이 한계를 넘으면 적절한 조치를 할 수 있다.

진동 응력 레벨에는 종 방향 및 횡 방향(또는 전단) 진동과 비틀림 진동에 의해 유발되는 응력 레벨이 포함된다. 부품의 진동 응력 레벨이 과도하면 부품이 손상되고 결국은 부품이 파손되어 엔진 및/또는 전체 장치에 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 이러한 이유로 진동 응력 레벨을 안전 한계 아래로 유지하는 것은 중요하다.

선박에서 엔진의 진동은 엔진 자체와 프로펠러 샤프트에 국한되지 않으며, 진동은 선체의 다른 부분으로 전달되어 진동이 그대로 감지되거나, 진동으로 소음이 들려 선원 및/또는 승객에게 불편함을 줄 수 있다. 이러한 이유로 진동 응력 레벨을 불편함을 유발하는 한계 아래로 유지하는 것이 바람직하다.

프로펠러 샤프트를 포함한 엔진 메인 샤프트의 비틀림 진동은 엔진 속도의 고조파(harmonic)를 비롯한 여러 주파수로 구성된다. 엔진 메인 샤프트의 비틀림 진동은 엔진의 회전 속도와 관련된 주파수를 갖는다. 일반적으로, k 실린더를 갖는 엔진에서, 주파수 스펙트럼 내에는 엔진 속도의 k 번째 고조파와 그 배수 고조파와 가능하게는 그 약수 고조파가 존재하며, 각각의 주파수는 엔진의 메인 샤프트에 대응하는 비틀림 진동을 유발한다. 일부 주파수의 비틀림 진동은 다른 주파수보다 비중이 더 크므로 총 진동 레벨을 사전에 정한 한계 아래로 유지하는 동시에, 주파수마다 다를 수 있는 선택된(또는 모든) 주파수의 진동 레벨 또한 사전에 정한 한도 아래로 유지해야 한다.

실린더가 6개인 엔진에 대한 도 5의 예에서, 실제로 각 회전에 대해 크랭크축 토크가 부인 6개의 주기가 존재한다. 하지만, 이것은 단지 예시가 아니라는 점과, 모든 엔진이 토크가 부인 주기를 갖는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 이것은 엔진의 결합에 의존한다. 실린더 수가 많은 엔진에는 결코 크랭크 토크가 부인 주기가 없다. 이와 마찬가지로, 실린더가 5개인 엔진은 각 회전에 대해 주기가 5개이고, 실린더가 6개인 엔진은 각 회전에 대해 주기가 7개이다. 부하-구동축-엔진 시스템의 비틀림 진동 문제는 4, 5, 6 및 7 실린더 엔진에서 발생한다. 이러한 진동은 엔진과 부하 사이 구동축의 유연성을 고려할 때 중요하다. 예컨대 프로펠러는 엔진과 프로펠러의 관성을 연결하는 플랙시블 샤프트와 결합하여 공진을 유발한다. 공진 가까이서 작동할 경우, 토크 변화의 여기는 중요해진다.

비틀림 진동 문제를 줄이기 위해 스프링 및/또는 점성 유형의 비틀림 댐퍼가 배치된다. 그러나 비틀림 댐퍼를 사용하면 비용이 상당히 증가한다. 또한, 비틀림 댐퍼가 있더라도 이러한 엔진은 샤프트 내 높은 응력으로 수명이 단축되기 때문에 종종 연속운동금지구역, 즉, 계속 작동이 허용되지 않는 속도 범위가 존재한다.

WO2005/124132는 연료 분사량을 점진적으로 증가시켜 비틀림 진동을 감소시킴으로써 대형 2 행정 디젤 엔진의 연료 분사 시스템을 제어하는 방법을 개시한다. 연료 분사를 점진적으로 증가시키면 비틀림 진동은 감소하지만, 예컨대 5 실린더 엔진과 같이 특정 속도 범위에서 비틀림 진동에 가장 큰 문제가 있는 엔진에는 그 효과가 충분하지 않다.

본 발명자에 의한 시뮬레이션과 측정에 따르면 점화/연소의 지연은 특정 토크 변화의 중요도를 많이 감소시키는 방식으로 실린더 압력에 영향을 미친다는 것을 보여 주었다. 따라서, 연료 분사를 지연시킴으로써 비틀림 가진(torsional excitation)을 줄일 수 있다. 그러나 디젤 노킹의 발생으로 상사점(TDC: Top Dead Center) 후 연료 분사를 10° 크랭크 각도를 넘어 지연시키는 것은 일반적으로 불가능하다.

위와 같은 관점에서, 본 발명의 목적은 위에서 언급한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키기 위해 적어도 주어진 RPM 대역폭에서 매우 늦은 시간의 연료 분사 지연으로 작동하는 대형 2 행정 압축 점화 엔진을 제공하는 것이다.

전술한 목적과 다른 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 추가적인 구현 형태는 종속항, 설명 및 도면으로부터 명백하다.

제1 양태에 따르면, 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관은 내부에 피스톤을 갖는 복수의 실린더, 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 피스톤, 피스톤 로드, 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 작동 가능하게 연결되는 피스톤, 엔진 작동 중에 특정 회전 속도로 회전하는 크랭크축, 연소를 위해 실린더 내로 연료를 분사하기 위해 각 실린더와 연관된 하나 이상의 밸브를 포함하는 연료 분사 시스템, 관련된 연료 밸브의 개폐를 제어하여 해당 실린더의 크랭크 각도에 대한 연료 분사 타이밍을 제어하도록 구성된 전자제어장치를 포함하며, 상기 전자제어 장치는 TDC에서 또는 그 후에 적어도 한 번의 전분사(pre-injection) 다음에 제로(0) 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 주분사(main injection)가 뒤따르도록 수행하는 전자제어장치에 의해 지연된 연료 분사로 적어도 특정 회전 속도 범위에서 엔진의 실린더(1) 중 적어도 하나를 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

연소실의 압력과 온도는 노킹 발생에 영향을 미친다. 연소를 지연시키면, 연소실 내 공기의 팽창으로 온도와 압력이 모두 떨어진다. TDC 후, 즉 TDC=0 후에 적어도 한 번의 전분사를 수행함으로써, 연소실 내 온도가 더 높은 수준으로 유지되고, 이에 따라 디젤 노킹 위험 없이 주분사의 최대 허용 지연을 증가시킨다.

이런 맥락에서 지연된 연료 분사는 연료 주분사 이벤트이며, 즉, 원하는 엔진 부하에서 엔진을 작동하는 데 필요한 동력을 제공하는 상당한 양의 연료 분사로서, 원하는 부하에서 엔진 작동을 지속할 수 없는 소량의 연료가 분사되는 파일럿 분사가 아니며, 비틀림 진동을 포함하는 특정 회전 속도 범위 밖의 연료 분사보다 늦게 발생한다. 전분사 이벤트 다음에 제로(0) 분사 기간이 뒤따른 다음 주분사 이벤트가 뒤따른다.

따라서 문제가 되는 (특정) 속도 범위(RPM 범위)에서 엔진은 낮은 비틀림 진동(TV: torsional vibration) 모드라고 할 수 있는 특수 모드로 작동한다. 문제가 되는 속도 범위 미만의 속도 범위와 문제가 되는 속도 범위를 초과하는 속도 범위에서 엔진은 예컨대 IMO Tier II 또는 IMO 배출 레벨과 일치하는 작동 모드일 수 있는 여러 "정상" 작동 모드 중 하나로 작동한다.

상당히 지연된 연료 주분사 이벤트는 비틀림 진동의 양을 현저히 감소시킨다.

제1 양태의 가능한 제1 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 가장 바람직하게는 TDC 후 15°보다 늦은 주분사를 수행하도록 구성된다. 이것은 연료 분사 이벤트를 시작하기 위한 각도이다.

일반적으로, 종래 기술에서, 연료의 주분사 이벤트는 TDC 전에는 소수 도(예: 1~2도)와 TDC 후에는 수 도(예: 1~6도) 사이에 배치된다. 이것은 연료 분사 이벤트를 시작하기 위한 각도이다. 연료 분사 이벤트의 "정상" 시작 각도는 에너지 효율과 질소산화물(NOx) 배출과 관련하여 최적인 각도이다.

제1 양태의 가능한 제2 구현예에 따르면, 적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전부하(full load)에서 주분사로 분사되는 연료량보다 현저히 적은 연료 분사량을 포함한다.

제1 양태의 가능한 제3 구현예에 따르면, 적어도 한 번의 상기 전분사는 모든 엔진 부하에 대해 실질적으로 동일한 연료량이 포함된다.

제1 양태의 가능한 제4 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 지연된 주분사에서 관련된 실린더 내의 온도가 TDC에서 관련된 실린더의 온도와 실질적으로 동일함을 보장하기에 충분한 양의 연료를 전분사하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 제5 구현예에 따르면, 상기 주분사 연료는 가스 연료이며 전분사 연료는 점화 액체이고, 점화 액체는 또한 주분사와 동시에 분사된다.

제1 양태의 가능한 제6 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 크랭크축 및/또는 크랭크축을 부하에 연결하는 프로펠러 샤프트 또는 중간 샤프트 내에서 비틀림 진동을 감소하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 제7 구현예에 따르면, 상기 부하는 선박을 추진하는 프로펠러이다.

제1 양태의 가능한 제8 구현예에 따르면, 상기 크랭크축은 메인 샤프트로 선박을 추진하는 프로펠러에 연결된다.

제1 양태의 가능한 제9 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 전자제어장치에 의해 지연된 연료 분사로 엔진을 작동하도록 구성되며, 실린더 중 적어도 하나에 대해 TDC 후 적어도 한 번의 전분사를 수행하고 이어서 특정 회전 속도 범위를 통한 부하로 엔진을 작동하는 동안 주분사가 뒤따른다.

제2 양태에 따르면, 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관을 작동하는 방법에는 피스톤이 포함된 복수의 실린더, 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 피스톤, 피스톤 로드, 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 작동 가능하게 연결되는 피스톤, 엔진 작동 중에 특정 회전 속도로 회전하는 크랭크축, 연소를 위해 실린더 내로 연료를 분사하기 위해 각 실린더와 연관된 하나 이상의 밸브를 포함하는 연료 분사 시스템을 포함하며, 상기 방법은 지연된 연료 분사로 적어도 특정 회전 속도 범위에서, TDC 후에 적어도 한 번의 전분사 다음에 제로(0) 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 연료 주분사가 뒤따르도록 수행하는 단계가 제공된다.

제2 양태의 제1 구현예에 따르면, 상기 주분사는 바람직하게는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 그리고 가장 바람직하게는 TDC 후 15°보다 늦게 수행된다.

제2 양태의 제2 구현예에 따르면, 적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전부하에서 주분사로 분사되는 연료량보다 현저히 적은 양의 연료 분사를 포함한다.

제2 양태의 제3 구현예에 따르면, 상기 방법은 지연된 주분사에서 관련된 실린더 내의 온도는 TDC에서 관련된 실린더 내의 온도와 실질적으로 동일함을 보장하기에 충분한 양의 연료를 전분사 하는 단계를 포함한다.

제2 양태의 제4 구현예에 따르면, 상기 방법은 점화 액체를 전분사한 다음 주분사가 뒤따르는 단계를 포함하며, 상기 주분사는 가스 연료와 소량의 점화 액체를 분사하는 단계를 포함한다.

제2 양태의 제5 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 적어도 하나의 실린더에 대해 TDC 후 파일럿 분사를 수행하고, 엔진이 상기 특정 회전 속도 범위에서 작동 중일 때 엔진이 특정 속도 범위를 벗어나는 경우와 비교하여 관련 실린더에 대해 나중에 연료 주분사 이벤트를 개시하도록 구성된다.

제2 양태의 가능한 제6 구현예에 따르면, 상기 주 연료 이벤트의 추후 개시는 바람직하게는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 그리고 가장 바람직하게는 TDC 후15°보다 늦게 수행된다.

제2 양태의 제7 구현예에 따르면, 상기 연료 분사 또는 연료 주분사는 엔진이 상기 특정 회전 속도 범위에서 작동하고 있을 때 지연된 연료 주분사와 비교할 때 더 일찍 발생한다.

본 발명의 이들 양태와 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예로부터 명백해질 것이다.

본 개시에 관한 다음의 상세한 설명 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 일례의 실시예를 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 일례의 실시예에 따른 대형 2 행정 압축 점화 터보차징 엔진의 전단부와 일 측면을 도시한 입면도이다.
도 2는 도 1 엔진의 후방 단부 및 다른 측면을 도시한 입면도이다.
도 3은 흡기 및 배기 시스템을 구비한 도 1에 따른 엔진의 도식적인 표현이다.
도 4는 도 1 내지 3에 엔진이 제공된 해양 선박의 일부가 절개된 개방 측면도이다.
도 5는 도 1 내지 3에 엔진에 의해 생성된 토크 변화를 도시한 다이어그램이다.
도 6은 도 1 내지 3에 엔진에 의해 생성된 토크 변화의 영향을 도시한 다이어그램이다.
도 7은 종래 기술 엔진과 도 1 내지 3에 따른 엔진에 대한 연소실 온도와 압력을 도시한 다이어그램이다.
도 8은 엔진과 작동 방법의 예시적인 실시예에 대한 연료 분사 이벤트의 일례를 도시한 그래프이다.

다음의 상세한 설명에서, 대형 2 행정 압축 점화 엔진 및 대형 2 행정 엔진 압축 점화 엔진을 작동하는 방법을 예시적인 실시예로 설명한다. 도 1 내지 3은 크랭크축(22), 커넥팅 로드, 크로스헤드(23) 및 피스톤 로드를 구비한 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 6개의 실린더(1)가 있다. 대형 터보차징 2 행정 디젤 엔진은 통상적으로 엔진 프레임(24)에 의해 지지되며, 열을 지은 5개 내지 16개의 실린더를 갖는다. 비틀림 진동 문제는 특히 5 실린더 엔진, 6 실린더 엔진 및 7 실린더 엔진과 관련된다. 예컨대 이 엔진은 해상 운송 선박의 주 엔진 또는 발전소의 발전기 작동을 위한 고정식 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예를 들면, 5,000 내지 110,000kW 범위일 수 있다.

상기 엔진은 실린더(1) 하부 영역에 피스톤 제어 포트 링 형태의 소기 포트(19)와 실린더(1) 상단에 배기밸브(4)가 구비된 2 행정 단류형(uniflow) 디젤(압축 점화) 엔진이다. 따라서 연소실 내 유동은 항상 하단으로부터 상단 방향이므로, 엔진은 소위 단류형(uniflow)이다. 소기는 소기 리시버(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트(19)를 통과한다. 실린더(1) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(21)은 연소실(14) 내의 소기를 압축한다. 연료는 실린더 커버(26) 내에 배치된 2개 또는 3개의 연료 밸브(30)를 통해 연소실(14) 내로 분사된다. 연료 분사 타이밍은 신호 라인(도 3에 점선으로 도시)을 통해 연료 밸브(30)에 연결된 전자제어장치(50)에 의해 제어된다. 연소가 뒤따르고 배기가스가 발생한다. 배기밸브(4)가 개방되면 배기가스는 관련 실린더(1)와 결합된 배기 덕트(20)를 통해 배기가스 리시버(3)로 유동하고, 계속해서 제1 배기 도관(18)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동한 후, 배기가스는 제2 배기 도관(7)을 통해 배출된다. 샤프트(8)를 통해 터빈(6)은 공기 입구(10)를 통해 공급되는 압축기(9)를 구동한다.

압축기(9)는 가압된 과급 공기를 과급 공기 리시버(2)에 이르는 과급 공기 도관(11)으로 전달한다. 도관(13) 내 소기는 과급 공기를 냉각하기 위해 인터쿨러(12)를 통과한다. 냉각된 과급 공기는 낮은 부하 또는 부분 부하 상태에서 과급 공기 유동을 가압하는 전기 모터(17)로 구동되는 보조 송풍기(16)를 통과하여 과급 공기 리시버(2)로 이동한다. 더 높은 부하에서, 터보차저 압축기(9)는 충분히 압축된 소기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류방지 밸브(15)를 경유하여 바이패스 된다.

실린더(1)는 실린더 라이너(13) 내에 형성된다. 실린더 라이너(13)는 엔진 프레임(24)에 의해 지지되는 실린더 프레임(25)에 의해 지지된다.

왕복 운동 엔진에서, 사점은 피스톤이 크랭크축에서 가장 멀거나 가장 가까운 위치이다. 전자는 상사점(TDC: top dead center)으로 알려져 있으며, 후자는 하사점(BDC: bottom dead center)으로 알려져 있다.

도 4는 대형 해양 선박에 설치된 도 1 내지 3의 엔진을 도시한다. 이 엔진(1)은 해양 선박(40)의 선미에 상대적으로 가까운 기관실에 설치된다. 프로펠러 샤프트(42)는 엔진을 선미에 장착한 프로펠러(44)에 연결한다. 프로펠러 샤프트(42)와 엔진 사이에는 토셔널 댐퍼(도시되지 않음)가 설치될 수 있다.

도 5는 엔진 사이클 동안 각 실린더의 순환 프로세스를 원인으로 엔진에 의해 생성된 토크 변화를 도시한 그래프이다. 엔진 사이클은 수평축에 도 단위로 도시된다. 압축 중에는 토크가 부(negative)이고 팽창 중에는 정(positive)이다. 그림 5는 한 실린더에서 수직축의 실린더 압력 P(bar)와 토크 Q는 실선으로, 6개의 실린더에서 결합된 토크는 점선으로 도시한다. 점선은 토크 변동이 상당하다는 것을 분명히 보여 주며 실제로 토크는 6 실린더 엔진의 각 회전에 대해 여섯 번 0 아래로 약간 내려간다.

도 6은 종래 기술 엔진에 대한 RPM의 엔진 속도에 대해 설정된 구동축의 응력에 따른 비틀림 진동/예상 영향의 크기를 도시하는 그래프이다.

그래프는 약 46 RPM 부근에서 피크가 있음을 도시한다. 46 RPM 부근의 큰 피크는 약 42와 49 RPM 사이의 연속운동금지구역, 즉 수직으로 연장한 2개의 점선 사이에서 발생한다. 비틀림 진동으로 인한 구동축 응력의 크기, 특히 피크 부근의 응력은 늦은 연료 주분사(소량의 전분사가 가능하고 앞선 경우)로 줄일 수 있다.

그래프는 두 개의 체인 유형 점선 형태의 두 RPM 의존 응력 한계를 도시한다. 아래 체인 라인 아래의 응력 레벨은 연속 작동에 대해 허용할 수 있다. 위 체인 레벨 아래의 응력 레벨은 결코 허용할 수 없다. 아래 체인과 위 체인 사이의 응력 레벨은 제한된 시간동안 허용된다.

도 6 예에서 약 42와 49 RPM의 수직 점선 두 개 사이의 회전 속도 범위는 비틀림 진동 레벨이 문제가 되는 것으로 고려되는 특정 회전 속도 범위이다. 특정 회전 속도 범위는 엔진에 따라 다양하며, 엔진 설계, 실린더 수, 메인 샤프트의 특성 및 메인 샤프트(42)의 하중에 따라 달라진다. 따라서 문제가 되는 회전 속도 범위는 전체 엔진 속도 범위 내에서 확장과 배치가 다를 수 있다. 엔진의 전자제어장치(50)는 관련된 엔진과 연관된 특정(문제가 되는) 속도 범위에서 다른 모드로 엔진을 작동하도록 구성된다. 이 다른 모드는 낮은 비틀림 진동 모드라고 할 수 있다. 이 특정 속도의 범위 밖에서는 엔진이 IMT tier II 또는 III에 의해 정의된 배출 레벨과 같은 특정 배출 레벨을 고려하면서 최적의 연료 효율을 보장하는 종래의 작동 모드로 작동한다. 이와는 대조적으로, 낮은 비틀림 진동 모드에서는 연료 효율에 덜 집중하면서 배출 레벨 임계 값을 고려한다.

도 7과 도 8은 단일 실린더의 연료 분사 이벤트 타이밍을 도시한다. 점선은 종래 기술 엔진(및 특정 회전 속도 범위 밖의 "정상" 엔진 작동)의 연료 분사 이벤트를 도시하고, 실선은 본 개시에 따른 엔진과 방법의 이벤트를 도시한다. 도 7에서, P로 표시된 선은 연소실(14) 내 압력을 도시하고, T로 표시된 선은 연소실 내 온도를 도시한다. 수평축 상에는 TDC에 대한 크랭크 각도가 도(degree)로 도시되고, 수직축 상에는 연소실 내 압력이 바(bar)로 도시된다. 도 8에서, 실선은 전분사 이벤트에 이어 제로(0) 연료 분사 기간이 뒤따르고, 이어서 증가하면서 시작하는 연료 주분사 이벤트가 뒤따르는 것을 도시한다. 점선은 종래 기술 엔진의 연료 주분사 이벤트를 나타내며, 이것 또한 증가하면서 시작하며 본 개시에 따른 연료 주분사 이벤트에 비해 상당히 더 일찍 발생한다.

종래 기술 엔진과 방법 예에서는 연료 분사가 TDC 후 5°로 지연된다. TDC 0과 5°의 연료 분사 사이에, 연소실(14) 내 온도와 압력은 모두 떨어진다. TDC 후 5°에서 연료가 분사되고 이 순간부터 연소실 내 온도는 각각의 최고에 도달할 때까지 상승한다.

본 개시에 따른 엔진의 예에서는 소량의 전분사가 전자제어장치(50)가 연료 밸브(30)를 작동하여 수행된다. 전분사는 TDC 0에서 또는 TDC 0 후에 수행된다. 바람직하게는 전분사가 TDC 후 6~10°, 더 바람직하게는 TDC 후 약 7~8° 및 가장 바람직하게는 TDC 후 약 8°에서 수행된다. 전분사는 뒤따르는 주분사에 비해 연료가 상대적으로 적은 연료 분사이다. 전분사는 연소실(14) 내의 온도가 TDC에 도달한 후 대략 10°가 될 때까지 TDC 0에서의 온도 아래로 크게 떨어지지 않도록 하기에 충분한 양의 연료를 분사한다. 주분사는 제로(0) 분사 시간 후에 전자제어장치(50)의 제어에 의해 뒤따른다. 전분사는 한 번의 분사 또는 일련의 다수의 소량 분사로 수행될 수 있고, 전자제어장치(50)는 실시예에서 그에 따라 구성된다. 주분사(의 시작)는 실시예에서 TDC 후 25°까지 지연된다. 바람직하게는 주분사가 TDC 후 적어도 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 적어도 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 적어도 14°, 가장 바람직하게는 TDC 후 적어도 15°에서 수행된다. 테스트와 시뮬레이션을 통해 주분사가 TDC에서 또는 직후에 전분사가 수행될 때 디젤 노킹이나 다른 연소 문제없이 20~25°의 늦은 시간에 주분사 시기를 정할(시작할) 수 있음을 보여주고 있다.

지연된 분사는 일반적으로 연료 효율에 해로우며, 따라서 지연된 분사는 일반적으로 비틀림 진동과 공진 문제가 있는 엔진 속도 범위에서만 적용된다. 따라서, 전자제어장치(50)는 실시예에서 비틀림 작동 문제와 관련된 엔진에 대해 미리 결정된 속도 범위에서만 전분사와 늦은 주분사를 적용하도록 구성된다. 물론, 이중 분사(전분사에 뒤이은 늦은 시간 주분사)는 또한 질소산화물(NOx) 배출 감소 등과 같은 다른 목적을 위해 사용할 수 있다.

본 개시에 따른 엔진과 방법에서 주분사 이벤트(의 개시)는 TDC 후 10°를 훨씬 넘어 지연될 수 있고, 이에 따라 비틀림 예상치를 감소시키고, 따라서 엔진-샤프트-부하 시스템의 비틀림 진동과 관련된 문제점을 감소시킨다. 무겁고 값 비싼 비틀림 진동 댐퍼를 절약할 수 있으며 금지된 엔진의 속도 간격을 좁히거나 피할 수도 있어 엔진이 모든 회전 속도에서 자유롭게 작동할 수 있다.

본 개시에 따른 방법과 엔진은 선박용 디젤유 또는 중유와 같은 종래의 연료뿐만 아니라 가스 연료와 같은 대체 연료에도 사용할 수 있다.

가스 연료의 경우, 전분사는 일반적으로 선박용 디젤유와 같은 점화 액체로 수행된다. 주분사는 소량의 액체 연료와 함께 충분한 양의 가스 연료가 분사된다.

일 실시예에 따르면, 엔진에서 각각의 실린더는 서로 다른 사이클 프로세스로 작동할 수 있다. 따라서, 늦은 시간의 주분사가 뒤따르는 전분사는 선택된 하나 이상의 실린더에 적용할 수 있고, 다른 실린더들은 사이클당 단일 연료 분사와 함께 종래의 사이클로 작동할 수 있다.

일 실시예에서, 연료의 유형은 실린더마다 다르다.

본 발명을 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명했다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형들은 도면, 개시된 내용 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해 및 실시될 수 있다. 청구범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "하나의"는 복수를 배제하지 않는다. 특정 방안들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 방안으로 사용된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내는 것은 아니다.

청구항에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (17)

1. 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관에 있어서,
   엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 피스톤(21)을 그 내부에 포함하는 복수의 실린더(1);
   피스톤 로드, 크로스헤드(23) 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축(22)에 작동 가능하게 연결되는 상기 피스톤(21);
   엔진 작동 중에 특정한 회전 속도로 회전하는 상기 크랭크축(22);
   연소를 위해 상기 실린더(1) 내로 연료를 분사하는 각각의 실린더(1)와 연관된 하나 이상의 연료 밸브(30)를 포함하는 연료 분사 시스템;
   관련된 연료 밸브(30)의 개폐를 제어함으로써 실린더(1)의 크랭크 각도에 대해 연료 분사 타이밍을 제어하도록 구성되는 전자제어장치(50)를 포함하며,
   상기 전자제어장치(50)는, TDC에서 또는 그 후에 적어도 한 번의 전분사에 이어 제로 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 주분사가 뒤따르도록 수행하는 상기 전자제어장치(50)에 의해 지연된 연료 분사로, 적어도 특정 회전 속도 범위에서 상기 엔진의 실린더들(1) 중 적어도 하나를 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전자제어장치(50)는 상기 크랭크축(22) 및/또는 상기 크랭크축(22)에 연결된 프로펠러 샤프트(42) 및/또는 상기 크랭크축(22)을 부하에 연결하는 중간축 내의 비틀림 진동을 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
3. 제2항에 있어서,
   상기 부하는 선박(40)을 추진하는 프로펠러(44)인 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 크랭크축(22)은 메인 샤프트(42)로 선박(40)을 추진하는 프로펠러(44)에 연결되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자제어장치(50)는 상기 실린더(1)들 중 적어도 하나에 대해 TDC에서 또는 그 후에 적어도 한 번의 전분사 다음에 제로 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 주분사가 뒤따르도록 수행하는 상기 전자제어장치(50)에 의한 지연된 연료 분사로, 상기 특정 회전 속도 범위에서 부하를 증가시키면서 상기 엔진을 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자제어장치(50)는 바람직하게는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 가장 바람직하게는 TDC 후 15°보다 늦게 적어도 상기 특정 회전 속도 범위에서 엔진을 작동하는 동안 상기 주분사를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전 부하에서 주분사로 분사된 연료량보다 상당히 적은 양의 연료 분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자제어장치(50)는 지연된 상기 주분사에서 관련된 실린더(1) 내 온도가 TDC에서 관련된 실린더 내 온도와 실질적으로 동일하도록 보장하기에 충분한 양의 연료를 전분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주분사용 연료는 가스 연료이고 상기 전분사용 연료는 액체 연료이며, 액체 연료는 또한 상기 주분사에서 가스 연료와 동시에 분사되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자제어장치(50)는 엔진이 상기 특정 속도 범위 밖에서 작동 중일 때와 비교하여 엔진이 상기 특정 회전 속도 범위 내에서 작동 중일 때 실린더(1) 중 적어도 하나에 대한 TDC 후에 파일럿 분사를 수행하고, 관련된 실린더(1)에 대해 상기 연료의 주분사를 늦게 개시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
11. 제10항에 있어서,
    상기 연료 주분사 이벤트의 늦은 개시는 바람직하게는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 가장 바람직하게는 15°보다 후인 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관.
12. 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관을 작동하는 방법에 있어서,
    내부에 피스톤(21)이 포함된 복수의 실린더(1)에서 상기 피스톤은 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 단계;
    상기 피스톤(21)은 실린더 로드, 크로스헤드(23) 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축(22)에 작동 가능하게 연결되는 단계;
    상기 크랭크축(22)은 엔진 작동 중에 특정한 회전 속도로 회전하는 단계;
    각각의 실린더(1)와 연관된 하나 이상의 연료 밸브(30)를 포함하는 연료 분사 시스템은 연소를 위해 상기 실린더(1) 내로 연료를 분사하는 단계;를 포함하며,
    상기 방법은 적어도 특정 회전 속도 범위에서 지연된 연료 분사를 포함하고,
    TDC 후에 적어도 한 번의 전분사에 이어, 제로 연료 분사 기간이 뒤따르고, 이어서 지연된 연료 주분사가 뒤따르도록 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관 작동 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 주분사는 바람직하게는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 그리고 가장 바람직하게는 TDC 후 15°보다 늦게 수행되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관 작동 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 연료 분사는 상기 엔진이 상기 특정 회전 속도 범위 밖에서 작동할 때 지연된 상기 연료 주분사와 비교하여 더 일찍 발생하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관 작동 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전부하에서 주분사로 분사된 연료량보다 상당히 적은 양의 연료 분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관 작동 방법.
16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    지연된 상기 주분사에서 관련된 실린더 내의 온도는 TDC에서 관련된 실린더 내 온도와 실질적으로 동일하도록 보장하기에 충분한 양의 연료 전분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관 작동 방법.
17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    점화 액체의 전분사에 이어 주분사가 뒤따르는 것을 포함하며, 상기 주분사는 가스 연료와 소량의 점화 액체 분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 압축 점화 내연 기관 작동 방법.
    

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