KR20190032244A - 대형 2 행정 단류 소기식 기체 연료 엔진 - Google Patents

대형 2 행정 단류 소기식 기체 연료 엔진 Download PDF

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Abstract

대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관은 다음을 포함한다. 실린더 라이너(1), 피스톤(10) 및 실린더 커버(22)로 구분되는 연소실, 실린더 라이너(1)에 배치된 소기 포트(18), 실린더 커버(22)에 배치된 적어도 하나의 배기 밸브(4), 기체 연료를 연소실 내로 분사하기 위한, 실린더 라이너(1)에 배치된 적어도 하나의 연료 밸브(30, 31), 가압 기체 연료 공급원(40)과 발열량이 없는 가압 가스를 연료 밸브(30)에 공급하는 공급원(44)을 포함하며, 엔진은 기체 연료와 발열량이 없는 가스를 연료 밸브(30, 31)를 통해 연소실 내로 모두 분사하도록 구성된다.

Description

대형 2 행정 단류 소기식 기체 연료 엔진{A LARGE TWO-STROKE UNIFLOW SCAVENGED GASEOUS FUELED ENGINE}
본 발명은 대형 터보차징 2 행정 내연 기관, 특히 기체 연료로 작동하는 크로스헤드를 포함한 대형 2 행정 단류 소기식 내연기관에 관한 것이다.
크로스헤드가 포함된 대형 2 행정 터보차징 단류 내연기관은 예컨대 대형 해양 선박의 추진 또는 발전소의 주 원동력으로 사용된다. 이들 2 행정 디젤 엔진은 엄청난 크기라는 이유 외에도 여러 측면에서 다른 어떤 내연기관과도 다르게 구성된다. 이들 디젤 엔진의 배기 밸브 무게는 최대 400kg, 피스톤 지름은 최대 100cm이며 연소실의 최대 작동 압력은 일반적으로 수백 bar다. 이런 고압 수준 및 피스톤 크기와 관련된 힘은 엄청나다.
실린더 라이너 길이의 중간에 배치된 연료 밸브에 의해 분사되는 기체 연료로 작동하는 대형 2 행정 터보차징 내연기관, 즉 배기 밸브가 닫힐 때쯤 시작하는 피스톤의 상향 행정 동안 기체 연료를 분사하는 엔진은 내연기관의 기체 연료와 소기의 혼합물을 압축하고 파일럿 오일 분사 등과 같은 점화 시기 수단에 의해 점화된다. 따라서, 피스톤은 기체 연료와 소기의 혼합물을 압축하고, 그 결과로 노킹 위험이 존재한다. 당해 기술 분야에서, 이러한 유형의 노킹은 "디젤" 노킹으로 불린다.
디젤 노킹의 문제점은 연소실 과급(charge)이 최대한 균질하도록 보장하여 줄일 수 있다. 그러나 균질한 소기와 기체 연료 과급을 얻기는 쉽지 않다. 왜냐하면, 배기 밸브가 닫히는 시점부터 상사점(TDC)까지 엔진 사이클 중 기회가 비교적 짧아서 엔진 사이클 중 매우 짧은 시기(일반적으로 크랭크샤프트 앵글이 20~40도일 때)만 균질한 과급을 얻는 데 사용할 수 있기 때문이다. 이와 비교하여 4 행정 엔진은 기체 연료와 과급 공기가 흡기 시스템에서 확실하게 혼합되거나 적어도 입구 밸브가 열리는 단계의 대부분 동안 혼합될 수 있으며, 일반적으로 0~160도의 크랭크샤프트 앵글 동안 혼합될 수 있다.
균질한 과급을 얻기 위해 사용할 수 있는 엔진 사이클의 비교적 짧은 기회는 대형 2 행정 디젤 엔진에서 디젤 노킹을 피하는 문제를 증가시킨다.
연소실 내부의 기체 연료와 과급 공기의 균질하지 않은 과급은 디젤 노킹의 위험을 증가시키며, 그 결과로 엔진에 심각한 손상을 줄 수 있다.
선행 기술은 다음과 같은 방식으로 엔진 노킹 문제를 해결하려고 시도했다.
DK1779361은 실린더 라이너 내부에서 이동하는 피스톤, 배기 밸브를 포함하는 실린더 헤드 및 실린더 라이너 내에 원주 방향으로 배치된 소기 포트를 갖는 대형 단류 소기식 2 행정 엔진을 개시한다. 몇 개의 연료 분사 밸브가 소기 포트 위의 실린더 라이너 주변에 원주 방향으로 분포한다. 연료는 TDC 전에 적어도 90°의 크랭크 각으로 분사된다.
DK1766118 B1은 기체 연료가 소기 포트에서 분사되어 연소실 내로 유동하는 또 다른 대형 단류 소기식 2 행정 엔진을 개시한다. 또한, 실린더 헤드에는 물 분사 노즐이 제공된다. 연료/공기 혼합물의 온도를 낮추어 노킹을 방지하기 위해 압축 중에 연소실 내로 물이 분사된다.
그러나 위 해결책은 대형 2 행정 압축 점화 내연기관에서 노킹을 효과적으로 방지하는 데 만족스럽게 작용하지 않는 것으로 나타났다.
따라서, 노킹으로 인한 손상으로부터 엔진을 효과적으로 보호하기 위해 대형 엔진에서 연료 분사의 개선이 필요하다.
따라서, 노킹을 방지하거나 또는 적어도 저감할 수 있는, 기체 연료로 작동하는 대형 단류 소기식 2 행정 엔진을 제공하는 것이 목적이다.
전술한 목적과 다른 목적은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속 청구항, 설명 및 도면으로부터 명백하다.
제1 양태에 따르면, 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관에는 실린더 라이너, 피스톤 및 실린더 커버로 구분되는 연소실, 실린더 라이너에 배치된 소기 포트, 실린더 커버에 배치된 적어도 하나의 배기 밸브, 기체 연료를 연소실 내로 분사하는, 실린더 라이너에 배치된 적어도 하나의 연료 밸브 및 연료 밸브에 대한 가압 가스 연료 공급원과 가압 공기 및/또는 배기가스 공급원 모두 포함하며, 상기 내연기관은 적어도 하나의 상기 연료 밸브에 의해 연소실 내로 분사된 물질의 운동량을 증가시키기 위해 상기 기체 연료와 상기 공기 및/또는 배기가스를 모두 적어도 하나의 상기 연료 밸브를 통해 연소실 내로 동시에 분사하도록 구성된다.
분사된 공기 및/또는 배기가스의 목적은 연소실 내로 분사된 물질의 발열량을 변화시키지 않는 반응성 물질을 분사하여 연소실 내로 분사된 물질의 운동량을 증가시키는 것이다. 운동량을 증가시키면 기체 연료와 소기의 혼합이 개선되고, 그에 따라 더 과급이 균질해지고 노킹 위험이 저감 된다.
따라서 분사된 공기 및/또는 배기가스는 반응성 물질이지만, 연소실 내로 분사된 물질(기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스)의 발열량을 변화시키지 않는다. 그러나 공기 및/또는 배기가스 분사로 생성된 추가 운동량은 분사된 물질의 전체 운동량을 증가시키고, 그 때문에 노킹 또는 조기 연소 위험을 줄인다.
운동량은 질량 m(kg)과 속도 v(m/s)의 곱이다.
따라서 연소실 내로 분사된 물질의 전체 운동량은 분사된 연료의 질량과 분사된 연료의 속도를 곱한 것과 분사된 공기 및/또는 배기가스의 질량을 분사된 공기 및/또는 배기가스의 속도를 곱한 것을 합한 것이다.
분사되는 기체 연료의 속도는 음속으로 제한된다. 분사 이벤트 중에/엔진 사이클마다 분사되는 연료의 질량은 엔진 부하에 의해 결정된다. 기체 연료가 음속에 도달한 후 운동량을 조금이라도 더 증가시키는 것은 일반적으로 불가능하다.
그러나 본 발명자는 분사된 기체 연료에 더하여 공기 및/또는 배기가스를 분사하여 분사된 질량이 증가하고, 그에 따라 운동량을 증가시킴으로써 운동량을 증가시킬 수 있다는 통찰에 도달했다. 따라서, 운동량은 추가 가스의 고속 분사에 의해 증가한다.
본 발명자는 추가 공기 및/또는 배기가스가 압축 중에 연소실 내 과급 온도를 낮추어 노킹의 위험을 더욱 줄인다는 통찰에 도달했다.
제1 양태의 가능한 제1 실시예에 따르면, 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스는 혼합물로 적어도 하나의 연료 밸브로부터 연소실 내로 동시에 분사된다.
제1 양태의 가능한 제2 실시예에 따르면, 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스는 적어도 하나의 연료 밸브 내부에서 혼합된다.
제1 양태의 가능한 제3 실시예에 따르면, 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스는 적어도 하나의 연료 밸브의 상류에서 혼합된다.
제1 양태의 가능한 제4 실시예에 따르면, 엔진은 공기 및/또는 배기가스와 기체 연료를 적어도 하나의 연료 밸브로 공급하는 공통의 공급 라인을 포함한다.
제1 양태의 가능한 제5 실시예에 따르면, 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스는 적어도 하나의 연료 밸브 노즐의 구멍으로부터 동시에 분사된다.
제1 양태의 가능한 제6 실시예에 따르면, 엔진은 가압 공기 및/또는 배기가스 공급원으로부터 적어도 하나의 연료 밸브로 공기 및/또는 배기가스를 공급하기 위한 별도의 공급 라인과 가압 기체 연료의 공급원으로부터 적어도 하나의 연료 밸브로 기체 연료를 공급하기 위한 공급 라인들을 포함한다.
제1 양태의 가능한 제7 실시예에 따르면, 엔진은 기체 연료와 동시에 분사되는 공기 및/또는 배기가스의 양을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.
제1 양태의 가능한 제8 실시예에 따르면, 엔진은 실린더 라이너의 둘레에 원주 방향으로 분포된 적어도 하나 이상인 복수의 연료 밸브를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제9 실시예에 따르면, 적어도 하나의 연료 밸브에는 하나 이상의 분사 노즐이 제공된다.
제1 양태의 가능한 제10 실시예에 따르면, 적어도 하나의 연료 밸브에는 압력 기체 연료의 공급원에 연결된 제1 입구 포트와 공기 및/또는 배기가스 공급원에 연결된 제2 입구 포트가 제공된다.
제1 양태의 가능한 제11 실시예에 따르면, 적어도 하나의 연료 밸브는 연료 밸브 내부의 공기 및/또는 배기가스와 기체 연료를 혼합하는 장치를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제12 실시예에 따르면, 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스 모두의 동시 분사는 바람직하게는 피스톤이 소기 포트를 통과한 후에 실린더 커버를 향한 피스톤의 행정 동안 개시되고, 훨씬 더 바람직하게는 배기 밸브가 닫힌 시간에 또는 그 직전에 수행된다.
제1 양태의 가능한 제13 실시예에 따르면, 바람직하게는 TDC에서 또는 TDC 근처에서 점화를 개시하기 위한 점화 시스템이 제공된다.
제1 양태의 가능한 제14 실시예에 따르면, 엔진은 피스톤의 실린더 커버를 향한 행정 동안 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스 모두를 동시에 분사하도록 구성된다.
제2 양태에 따르면, 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 기체 연료와 소기의 혼합을 개선하여 노킹을 줄이는 방법을 제공하며, 상기 내연기관은 실린더 라이너, 피스톤 및 실린더 커버로 구분되는 연소실, 실린더 라이너에 배치된 소기 포트, 실린더 커버에 배치된 배기 밸브 및 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스를 연소실로 분사하기 위해 실린더 라이너에 배치된 적어도 하나의 연료 밸브를 포함하며, 상기 방법은 가압 기체 연료와 가압 공기 및/또는 배기가스를 연료 밸브에 공급하는 단계 및 가압 기체 연료와 가압 공기 및/또는 배기가스를 피스톤의 실린더 커버를 향한 행정 동안 연소실로 분사된 물질의 운동량을 증가시키기 위해 연료 밸브를 통해 연소실 내로 동시에 분사하는 단계를 포함한다.
제2 양태의 제1 실시예에 따르면, 공기 및/또는 배기가스는 엔진 부하가 높을 때만, 바람직하게는 엔진 부하가 엔진의 최대 연속 정격의 60%를 넘을 때만 분사되고, 훨씬 더 바람직하게는 엔진 부하가 최대 연속 정격의 70%를 넘을 때만 분사된다.
이들 양태와 다른 양태는 아래에 설명하는 실시예(들)로 명백해질 것이다.
본 발명의 다음과 같은 상세한 부분에서, 양태, 실시예 및 구현예는 도면들에 도면에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일례의 실시예에 따른 대형 2 행정 디젤 엔진의 정면도이고,
도 2는 도 1의 대형 2 행정 엔진의 측면도이고,
도 3은 도 1에 따른 대형 2 행정 엔진의 개략도이고,
도 4는 실린더 커버, 실린더 커버에 장착된 배기 밸브 및 TDC와 BDC 모두에 도시된 피스톤을 포함한 예시적인 실시예에 따른 실린더 프레임과 실린더 라이너의 단면도이고,
도 5는 도 4 실린더 라이너의 부분 단면도이고,
도 6은 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스가 하나의 동일한 연료 밸브를 통해 연소실에 전달되는 일 실시예에 따라 연료 밸브 장치를 포함하고 라인 Ⅵ-Ⅵ'을 따르는 도 5 실린더 라이너의 횡단면도이고,
도 7은 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스가 연료 밸브에 전달되기 전에 혼합되는 실시예에 따른 연료 공급 및 연료 밸브 장치에 대한 설정이고,
도 8은 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스가 연료 밸브 내부에서 혼합되는 실시예에 따른 연료 공급 및 연료 밸브 장치에 대한 설정이고,
도 9는 가스 교환과 연료 분사 주기를 도시한 도식이다.
이하의 상세한 설명에서, 예시적인 실시예에서 대형 2 행정 저속 터보차징 크로스헤드 내연기관을 참조하여 내연기관을 설명한다. 도 1, 도 2 및 도 3은 크랭크샤프트(8)와 크로스헤드(9)가 구비된 대형 저속 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진을 도시한다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 갖춘 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진의 도식적인 표현을 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 엔진에는 4개의 실린더를 일렬로 포함한다. 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진은 일반적으로 엔진 프레임(11)에 의해 지지 되는 4개 내지 14개의 실린더를 일렬로 포함한다. 상기 엔진은 예컨대 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.
상기 엔진은 이 예시적인 실시예에서 실린더 라이너(1)의 하부 영역에 소기 포트(18) 및 실린더 라이너(1)의 상단에 중앙 배기 밸브(4)를 갖는 2-행정 단류형 엔진이다. 소기는 소기 리시버(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트(18)를 통과한다. 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스는 실린더(1)의 연료 분사 밸브(30)로부터 분사되고, 실린더의 피스톤(10)은 기체 연료, 분사된 공기 및/또는 배기가스 및 소기의 충전을 압축하고, 압축은 TDC에서 또는 TDC 근처에서 발생하며, 점화는 예컨대 파일럿 오일 연료 밸브(33)로부터 파일럿 오일(또는 다른 적당한 점화액) 분사에 의해 촉발되어 연소가 뒤따르고 배기가스가 생성된다. 다른 형태의 점화 시스템, 예컨대, 레이저 점화 또는 글로 플러그 등을 사용하여 점화를 시작할 수도 있다.
배기 밸브(4)가 열리면 배기가스가 실린더(1)와 연결된 배기 덕트를 통해 배기가스 리시버(3) 내로 유동하고, 계속해서 제1 배기 도관(19)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동하여 터빈에서 배기가스는 제2 배기 도관을 통과하고 이코노마이저(20)를 경유하여 출구(21)를 통해 대기로 흘러간다. 상기 터빈(6)은 샤프트를 통해 흡기구(12)를 경유하여 신선한 공기가 공급되는 압축기(7)를 구동한다. 상기 압축기(7)는 소기 리시버(2)에 이르는 소기 도관(13)에 가압 소기를 전달한다. 도관(13) 내 상기 소기는 소기의 냉각을 위해 인터쿨러(14)를 통과한다.
상기 터보차저(5)의 압축기(7)가 소기 리시버(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, 상기 터보차저 압축기(7)는 충분히 압축된 소기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류방지밸브(15)를 경유하여 바이패스 된다.
도 9는 크랭크 각도의 함수로서 각각 소기 포트(18), 배기 밸브(4) 및 연료 밸브(30)의 개폐 기간을 도시하는 그래프이다. 이 그래프는 기체 연료를 분사하기 위한 기회가 매우 짧아서 기체 연료가 연소실 내의 소기와 섞이는 데 매우 짧은 시간을 허용함을 도시한다. 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스는 이처럼 매우 짧은 기회에서 분사된다.
비교적 빠른 속도로 분사되는 비교적 많은 질량을 얻어서 분사되는 공기 및/또는 배기가스의 큰 운동량을 얻기 위해 분사되는 공기 및/또는 배기가스의 양은 상당하며, 분사되는 공기 및/또는 배기가스의 압력은 높다.
분사되는 공기 및/또는 배기가스의 운동량은 분사되는 기체 연료의 운동량과 합해져서 기체 연료 단독의 운동량보다 훨씬 많은 총 운동량을 생성한다.
분사되는 공기 및/또는 배기가스는 반응성 물질이지만 발열량을 추가하지 않기 때문에 연소실 내로 분사되는 물질의 발열량은 연소실 내로 분사되는 연료의 발열량과 다르지 않다.
엔진 사이클마다 분사되는 기체 연료의 양은 엔진 부하에 의해 결정된다. 엔진 사이클마다 분사되는 공기 및/또는 배기가스의 양은 분사 속도 및 특정 유형의 가스 연료로 작동하는 특정 엔진의 노킹을 방지할 필요성에 의존하며, 단순한 시행착오에 의해 결정된다.
바람직하게는, 공기 및/또는 배기가스는 각 엔진 사이클마다 분사된다. 엔진 부하가 낮으면 일반적으로 노킹 위험이 훨씬 적다. 따라서, 일 실시예에서, 공기 및/또는 배기가스는 엔진 부하가 높은 경우, 예컨대, 엔진의 최대 연속 정격이 60~70% 이상일 때만, 연소실 내로 분사된다.
일 실시예에서, 엔진에는 노크 센서(도시하지 않음)가 제공되고, 추가된 공기 및/또는 배기가스의 양은 노크 센서의 신호에 대응하여 제어된다. 즉, 노킹이 탐지될 때(그리고 노킹이 탐지되지 않으면 잠시 후) 분사되는 공기 및/또는 배기가스의 양(질량)이 증가한다.
분사되는 공기 및/또는 배기가스는 일 실시예에서 기체 연료와의 혼합물로 기체 연료와 동시에 분사되거나 기체 연료와 별도로 분사된다.
도 4, 5 및 6은 대형 2 행정 크로스헤드 엔진에 대해 일반적으로 1로 지정된 실린더 라이너를 도시한다. 엔진 크기에 따라, 실린더 라이너(1)는 일반적으로 250mm 내지 1000mm 범위의 실린더 보어와 이에 상응하는 1000mm 내지 4500mm 범위의 일반적인 길이의 서로 다른 크기로 제조될 수 있다.
도 4에서 실린더 프레임(23)에 장착된 실린더 라이너(1)와 실린더 라이너(1)의 상단에 배치된 실린더 커버(22)와의 기밀 인터페이스를 도시한다. 도 4에서, 피스톤(10)은 비록 하사점과 상사점의 두 위치가 동시에 발생하지 않고 크랭크축의 180도 회전에 의해 분리되어 있음이 분명하지만, 하사점(BDC)과 상사점(TDC)에서 모두 점선에 의해 개략적으로 도시한다. 실린더 라이너(1)에는 피스톤(10)이 윤활 라인(24)을 통과할 때 실린더 윤활유를 공급하는 실린더 윤활 구멍(25)과 실린더 윤활 라인(24)이 제공되고, 다음 피스톤 링(도시하지 않음)은 실린더 윤활유를 실린더 라이너(1)의 작동면 위에 배분한다.
도시된 실시예에서, 벽(29)의 가장 얇은 부분은 실린더 라이너(1)의 하단에 있다. 즉, 소기 포트(18)의 아래 부분에 있다. 실린더 라이너(1)의 벽(29)에서 가장 두꺼운 부분은 실린더 라이너(1)의 축 방향 범위의 상부에 있다. 실린더 라이너(1)의 축 방향 범위의 중앙 부근에서 실린더 라이너(1) 두께의 예리한 전이는 실린더가 실린더 프레임(23) 상에 놓이도록 하는 견부 역할을 한다. 실린더 커버(22)는 실린더 라이너(1)의 상부면 상에 텐셔닝 볼트에 의해 적용된 큰 힘으로 가압이다.
파일럿 오일 밸브(33) (일반적으로 실린더마다 2개 이상)는 실린더 커버(22)에 장착되고 파일럿 오일 공급원(도시하지 않음)에 연결된다. 실시예에서 파일럿 오일의 분사 타이밍은 전자제어장치(도시하지 않음)에 의해 제어된다.
연료 밸브(30)는 실린더 라이너(1)에 장착되고, 실린더 라이너(1)의 내면과 실질적으로 동일 평면에 있고 실린더 라이너(1)의 외벽으로부터 비례하는 연료 밸브(30)의 후단과 실질적으로 동일 평면에 있다. 일반적으로, 3개 또는 4개의 연료 밸브(30)가 각각의 실린더마다 제공되며 실린더 둘레에 동등하게 분포한다. 연료 밸브(30)는 실시예에서 실린더 라이너(1) 길이의 중간에 배치된다.
도 5와 도 6은 실린더 라이너(1)와 연료 밸브(30)를 더 상세히 도시한다. 이 실시예에서, 실린더 라이너(1)에는 4개의 연료 밸브(30)가 제공된다. 연료 밸브(30)는 도 6에서 방사상으로 도시되어 있지만, 연료 밸브(30)가 실린더 라이너(1)에 대해 다른 각도로 배치될 수 있음을 알 수 있다.
연료 밸브(30)는 일 실시예에서 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스의 공통 (혼합된) 공급원에 연결된다. 도 7은 단일 공급 라인(42)을 통해 가압 기체 연료 공급원(40)과 가압 분사 공기 및/또는 배기가스 공급원(44) 모두에 연결된 연료 밸브(30)를 도시한다. 연료 밸브(30)에 전달되는 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스 간의 원하는 비율을 보장하기 위해 밸브(도시하지 않음)가 제공된다. 공통 도관(32)은 혼합물을 노즐(39)로 이송한다. 혼합물은 노즐(39)의 구멍으로부터 연소실 내로 분사된다. 연료 밸브(30)에는 혼합물을 연소실에 시간에 따라 분사하기 위한 수단이 제공된다(예: 전자제어장치의 제어에 따라).
도 7의 변형 실시예에서, 기체 연료와 분사된 공기 및/또는 배기가스는 혼합되지 않고, 그 대신에 연료 밸브(30)에 순차적으로 공급되어, 기체 연료가 먼저, 또는 분사된 공기 및/또는 배기가스가 먼저 순차적으로 분사된다.
도 8의 또 다른 실시예에서, 가압 기체 연료 공급원(40)은 전용 공급 라인(41)에 의해 연료 밸브(30)의 전용 포트에 연결된다. 전용 도관(31)은 기체 연료를 연료 밸브(30) 내부의 혼합 지점(33)으로 유도한다. 가압 공기 및/또는 배기가스 공급원(44)는 전용 공급 라인(45)에 의해 연료 밸브(30)의 전용 포트에 연결된다. 전용 도관(35)은 공기 및/또는 배기가스를 연료 밸브(30) 내부의 혼합 지점(33)으로 유도한다. 혼합 지점(33)에서, 기체 연료와 공기 및/또는 배기가스가 혼합되고, 혼합 지점(33)으로부터 혼합물은 공통 도관(32)에 의해 노즐(39)로 이송된다. 노즐(39)에는 혼합물이 연소실 내로 분사되는 노즐 구멍이 제공된다. 연료 밸브(30)에는 혼합물을 연소실에 시간에 따라 분사하기 위한 수단이 제공된다(예: 전자제어장치의 제어에 따라).
일 실시예에서, 가압 공기 및/또는 배기가스는 소기 리시버로부터 가져온다(엔진이 배기가스 재순환으로 작동하는 경우, 소기 리시버는 공기와 재순환된 배기가스의 혼합물을 포함한다). 소기 리시버(2)로부터 가져온 공기 또는 가스의 압력은 압축기(도시하지 않음)에 의해 적절한 분사 압력으로 부스팅 된다. 소기 리시버 내의 공기 또는 가스는 이미 가압 되어 있기 때문에 공기 또는 가스를 분사 압력으로 가져오는 데 필요한 에너지는 대기압으로부터 시작할 때 분사 압력까지 공기를 가져오는 것과 비교하면 적다.
다양한 양태와 실시예를 본 명세서의 다양한 실시예들과 함께 설명했다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 개시 내용 및 첨부한 청구 범위의 연구로부터 청구된 주제를 실시함에 있어 통상의 기술자에 의해 이해되고 실행할 수 있다. 청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "하나의"는 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구 범위에 언급된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 방안들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 방안으로 사용된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.
청구항에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
4 : 배기 밸브
18 : 소기 포트
30, 31 : 연료 밸브
40 : 가압 기체 연료 공급원
44 : 가압 공기 및/또는 배기가스 공급원

Claims (19)

  1. 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관에 있어서,
    실린더 라이너(1), 피스톤(10) 및 실린더 커버(22)로 구분되는 연소실;
    상기 실린더 라이너(1)에 배치되는 소기 포트(18);
    상기 실린더 커버(22)에 배치되는 적어도 하나의 배기 밸브(4);
    기체 연료를 상기 연소실 내로 분사하기 위해 상기 실린더 라이너(1)에 배치되는 적어도 하나의 연료 밸브(30, 31); 및
    상기 연료 밸브(30, 31)에 대한 가압 기체 연료 공급원(40);과 가압 공기 및/또는 배기가스 공급원(44); 모두를 포함하며,
    상기 내연기관은 상기 연소실 내로 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30, 31)에 의해 분사되는 물질의 운동량을 증가시키기 위해 상기 기체 연료와 상기 공기 및/또는 배기가스를 모두 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30, 31)를 통해 상기 연소실 내로 동시에 분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기체 연료와 상기 공기 및/또는 배기가스는 혼합물로 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30)로부터 상기 연소실 내로 동시에 분사되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기체 연료와 상기 공기 및/또는 배기가스는 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30)의 내부에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기체 연료와 상기 공기 및/또는 배기가스는 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30)의 상류에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 공기 및/또는 배기가스와 상기 기체 연료를 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30)에 공급하는 공통의 공급 라인(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기체 연료와 상기 공기 및/또는 배기가스는 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30)의 노즐에 있는 노즐 구멍으로부터 동시에 분사되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  7. 제1항 내지 제3항, 또는 제6항에 있어서,
    상기 공기 및/또는 배기가스를 상기 가압 공기 및/또는 배기가스 공급원(44)으로부터 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30, 31)로 공급하는 별도의 공급 라인(41, 45) 및 상기 기체 연료를 가압 기체 연료 공급원(40)으로부터 적어도 하나의 상기 연료 밸브(30, 31)로 공급하는 공급 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 연료와 동시에 분사되는 상기 공기 및/또는 배기가스의 양을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더 라이너(1)의 둘레에 원주 방향으로 분포한, 적어도 하나 이상인 복수의 상기 연료 밸브(30, 31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 연료 밸브(30, 31)에는 하나 이상의 분사 노즐(39)이 제공되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  11. 제10항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 연료 밸브(30)에 상기 가압 기체 연료 공급원(40)에 연결된 제1 입구 포트 및 상기 가압 공기 및/또는 배기가스 공급원(44)에 연결된 제2 입구 포트가 제공되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  12. 제11항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 연료 밸브(30)는 상기 기체 연료를 상기 연료 밸브(30) 내부의 상기 공기 및/또는 배기가스와 혼합하는 장치(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 연료와 상기 공기 및/또는 배기가스의 동시 분사는 상기 피스톤(10)의 실린더 커버(22)를 향한 행정 동안, 바람직하게는 상기 피스톤(20)이 상기 소기 포트(18)를 통과한 후에, 훨씬 더 바람직하게는 상기 배기 밸브(4)가 닫히는 시간에 또는 그 직전에 개시되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 TDC에서 또는 TDC 근처에서 점화를 개시하는 점화 시스템이 제공되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연기관은 노크 센서가 제공되고 추가된 상기 공기 및/또는 배기가스의 양은 노크 센서로부터 수신한 신호에 대응하여 제어되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  16. 제15항에 있어서,
    노킹이 상기 노크 센서에 의해 감지되면 상기 공기 및/또는 배기가스의 질량을 증가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  17. 제16항에 있어서,
    소정의 시간에 또는 소정의 엔진 회전 수 동안 상기 노크 센서에 의해 노킹이 감지되지 않으면, 분사되는 상기 공기 및/또는 배기가스의 질량을 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관.
  18. 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 기체 연료와 소기의 혼합을 개선하여 노킹을 줄이는 방법에 있어서, 상기 내연기관은,
    실린더 라이너(1), 피스톤(10) 및 실린더 커버(22)로 구분되는 연소실;
    상기 실린더 라이너(1)에 배치된 소기 포트(18);
    상기 실린더 커버(22)에 배치된 배기 밸브; 및
    기체 연료와 공기 및/또는 배기가스를 상기 연소실 내로 분사하기 위해 상기 실린더 라이너(1)에 배치된 적어도 하나의 연료 밸브(30, 31);를 포함하며,
    상기 방법은 가압 기체 연료와 가압 공기 및/또는 배기가스를 상기 연료 밸브(30, 31)에 공급하는 단계 및 상기 연소실 내로 분사된 물질의 운동량을 증가시키기 위해 상기 피스톤(10)이 상기 실린더 커버(22)로 향하는 동안 상기 가압 기체 연료와 상기 가압 공기 및/또는 배기가스를 상기 연료 밸브(30, 31)를 통해 상기 연소실 내로 동시에 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 기체 연료와 소기의 혼합을 개선하여 노킹을 줄이는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 공기 및/또는 배기가스는 엔진 부하가 높을 때만, 바람직하게는 엔진 부하가 엔진의 최대 연속 정격의 60%를 넘을 때만, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 엔진 부하가 엔진의 최대 연속 정격의 70%를 넘을 때만 분사되는 것을 특징으로 하는 대형 2 행정 터보차징 단류 소기식 내연기관의 연소실에서 기체 연료와 소기의 혼합을 개선하여 노킹을 줄이는 방법.
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