KR20210008317A - 내연 엔진 - Google Patents

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KR20210008317A
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만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드
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Abstract

2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진이 개시된다. 엔진은 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 소기공기 시스템을 포함하며, 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 갖는다. 연료가스 공급 시스템은 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하여 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 구성되는 연료가스 밸브를 포함한다. 엔진은 프리-챔버 및 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함한다. 파일럿 연료 공급 시스템은 압축 행정 동안에 파일럿 연료 가스를 프리-챔버 내로 분사하여 점화 전에 파일럿 연료 가스가 압축될 수 있도록 구성되는 파일럿 연료 밸브를 포함하며, 점화 요소는 프리-챔버 내의 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성된다.

Description

내연 엔진 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진 및 프리-챔버에 관한 것이다.
2-행정 내연 엔진은 컨테이너선, 벌크선, 및 유조선과 같은 선박에서 추진 엔진으로서 사용된다. 내연 엔진으로부터 원치 않는 배기가스를 감소시키는 것이 점차 중요해지고 있다.
원치 않는 배기가스의 양을 감소시키기 위한 하나의 유효한 방법은 연료유 예컨대 중유(HFO)에서 연료가스로의 전환이다. 연료가스는 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 분사될 수 있고, 여기서 압축시 실린더 내의 가스가 도달하는 고온에 의해 또는 파일럿 연료의 점화에 의해 즉각적으로 점화될 수 있다. 그렇지만, 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 연료가스를 분사하는 것은, 실린더 내의 고압을 극복할 수 있도록 분사 이전에 연료가스를 압축시키기 위한 고압 가스 압축기를 필요로 한다.
그러나 고압 가스 압축기는 제작 및 유지하기에 비용이 많이 들고 복잡하다. 고압 압축기의 사용을 회피하기 위한 하나의 방법은, 실린더 내의 압력이 상당히 낮은 압축 행정의 시작점에서 연료가스를 분사하도록 엔진을 구성하는 것이다.
특허문헌 WO 2013/007863호에는 그러한 엔진이 개시되어 있다. 연료가스의 적절한 점화를 보장하기 위해 파일럿 점화 프리-챔버가 실린더 커버 내에 제공된다. 소정량의 파일럿 연료유가 파일럿 점화 프리-챔버 내로 분사되고, 그 후 파일럿 점화 프리-챔버 내의 온도 및 압력으로 인해 자가-점화된다. 이는 실린더의 메인 챔버 내의 연료가스를 점화시키는 불꽃을 야기시킨다.
그렇지만 소정량의 파일럿 연료유를 점화시키는 것은 원치 않는 배기가스의 양을 증가시키게 하고 엔진을 더욱 복잡하게 만드는 전용의 연료유 공급 시스템을 필요하게 한다. 나아가서, 연료가스 공급 시스템 및 연료유 공급 시스템 모두를 갖는 이중 연료 엔진의 경우, 엔진이 연료유 공급 시스템 없이는 기능할 수 없다면, 2개의 연료 시스템을 가지는 추가적인 신뢰성이 부분적으로 손실된다.
따라서 개선된 2-행정 내연 엔진을 제공하는 것에 여전히 문제가 남아 있다.
제1 측면에 따르면, 본 발명은, 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진에 관한 것으로서, 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 실린더 내에 이동 가능하게 배열되며, 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 유입구를 가지며, 연료가스 공급 시스템은 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 점화 전에 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 압축되도록 허용하는 연료가스 밸브를 포함하며, 여기서 엔진은 프리-챔버 및 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며, 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 실린더 내로 개방되고 점화 요소를 포함하며, 파일럿 연료 공급 시스템은 압축 행정 동안에 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성되어 프리-챔버 내측에서 연소가능한 혼합물을 형성하기 위해 파일럿 연료가스가 점화 전에 공기와 혼합되고 압축될 수 있도록 하며, 점화 요소는 프리-챔버 내에서 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성된다.
따라서, 파일럿 연료로서 연료가스를 사용함으로써, 연료유의 연소로 초래되는 임의의 원치 않는 배기가스가 회피될 수 있다. 나아가서, 엔진은 보다 적은 연료 공급 시스템으로 설계될 수 있거나, 엔진이 이중연료 엔진이라면 연료가스만에 의해 작동할 수 있는 보다 신뢰성 있는 엔진이 제공된다.
바람직하게 내연 엔진은, 실린더 당 적어도 400kW의 동력을 가지는, 해양 선박을 추진하기 위한 유니플로 소기 방식의 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진이다. 내연 엔진은, 이 내연 엔진에 의해 발생된 배기가스에 의해 구동되고 소기공기를 압축시키도록 구성되는 터보차저를 포함한다. 내연 엔진은 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와, 대체연료 예컨대 중유나 마린 디젤 오일로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진일 수 있다. 그러한 이중-연료 엔진은 대체연료를 분사하기 위하여 전용의 연료 공급 시스템을 갖는다. 압축 동안에, 실린더로부터의 공기나 실린더 내에서 형성된 공기 및 연료가스의 혼합물은 프리-챔버 내로 유동할 것이며 파일럿 연료가스와 혼합될 것이다.
점화 요소는 스파크 플러그, 코로나/플라즈마 점화기, 마이크로파 점화기, 예열 플러그, 레이저 점화기, 또는 제트 토치일 수 있다.
바람직하게 내연 엔진은 예컨대 4 내지 14개 사이의 복수의 실린더를 포함한다. 내연 엔진은 복수의 실린더 각각에 대하여 실린더 커버, 배기 밸브, 피스톤, 연료가스 밸브, 및 소기공기 유입구를 더 포함한다.
바람직하게 연료가스 공급 시스템은 음속 조건, 즉 음속과 동일한 속도, 즉 일정한 속도 하에서 하나 이상의 연료가스 밸브를 경유하여 연료가스를 분사하도록 구성된다. 음속 조건은 노즐 스로트(최소 단면적)의 압력 강하 비율이 대략 2보다 클 때 달성될 수 있다.
따라서, 파일럿 연료 공급 시스템은 음속 조건 하에서 프리-챔버 내로 파일럿 연료 밸브를 경유하여 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성될 수도 있다.
하나 이상의 연료가스 밸브는 상사점과 하사점 사이에서, 바람직하게는 소기공기 유입구 위쪽의 위치에서, 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열된다. 하나 이상의 연료가스 밸브는 실린더 내로 연료가스를 분사하기 위하여 실린더 벽 내에 배열되는 노즐을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서 점화 요소는 작동시 거의 순간적인 최대 에너지 방출을 생성하도록 구성된다.
이것은 점화 타이밍을 더욱 잘 제어할 수 있도록 한다. 작동시 거의 순간적인 에너지 방출을 생성할 수 있는 점화 요소의 예로서는 스파크 플러그, 코로나/플라즈마 점화기, 마이크로파 점화기, 레이저 점화기, 또는 제트 토치가 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 하나 이상의 연료가스 밸브는 하사점으로부터 0도 내지 160도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 130도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도에서 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다.
연료가스의 예로서는 액화천연가스(LNG), 메탄, 에탄, 및 액화석유가스(LPG)가 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 연료가스 공급 시스템 및 파일럿 연료 공급 시스템은 동일한 연료가스를 제공한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 엔진은 제2 프리-챔버를 더 포함하며, 제2 프리-챔버는 제2 개구부를 통하여 실린더 내로 개방되고 점화 요소를 포함하며, 파일럿 연료 공급 시스템은 압축 행정 동안에 제2 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성되어 파일럿 연료가스가 점화 전에 압축될 수 있도록 하며, 점화 요소는 프리-챔버 내에서 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성된다.
2개의 프리-챔버는 동일할 수 있다. 2개의 프리-챔버는 서로 반대로 배열될 수 있다.
엔진은 더 많은 프리-챔버, 예컨대 실린더 당 적어도 3개 또는 4개의 프리-챔버를 구비할 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 파일럿 연료 밸브는 하사점으로부터 0도 내지 160도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 130도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도에서 압축 행정 동안에 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 파일럿 연료 밸브는 파일럿 연료 분사기간 동안 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성되며, 여기서 점화 요소는 파일럿 연료 분사기간의 종료 이후에 프리-챔버 내의 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성된다.
따라서, 파일럿 연료가스가 점화 전에 프리-챔버 내에 머물러 있는 것을 허용함으로써 충전 공기와의 적절한 혼합이 성취될 수 있다. 실린더의 메인 챔버로부터의 충전 공기 및 연료가스는 점화 요소가 점화되기 전에 프리-챔버에 들어갈 수 있다. 이것은, 연소가능한 혼합물에 여전히 도달할 수 있게 하면서, 분사될 파일럿 연료가스의 양을 감소시킬 수 있게 한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 프리-챔버는 프리-챔버 내의 소기공기 및 파일럿 연료가스의 혼합물의 공기-연료 당량비(λ)가 점화시에 λ=1.6, λ=1.5, λ=1.4, 또는 λ=1.3 이하이다.
이것은 분사되는 파일럿 연료가스의 양을 제어함으로써 그리고 원하는 양의 연료가스가 프리-챔버 내에 머물도록 프리-챔버 및 제1 개구부의 형상을 설계함으로써 수행될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, m2으로 측정된 실린더로의 프리-챔버의 개구부의 단면적과 m3으로 측정된 프리-챔버의 체적과의 사이의 비는 0.5 내지 1.2 m-1 사이에 있다.
따라서, 점화되기 전에 너무 많은 파일럿 연료가스가 프리-챔버를 빠져 나가지 않도록 보장할 수 있다.
일례로서, 프리-챔버가 제1 개구부만을 포함하고 제1 개구부의 면적이 60㎟이고, 프리-챔버의 체적이 0.1 리터라면, 비는 0.6m-1 이 된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 엔진은 실린더 내의 소기공기 및 연료가스의 혼합물의 λ가 λ=2.0 이상인 것을 보장하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 프리-챔버는 제2 점화 요소를 더 포함한다.
제2 점화 요소를 갖춘 프리-챔버를 제공함으로써, 점화 요소 중 하나가 고장나는 경우에도 엔진이 작동할 수 있으므로 보다 신뢰성 있는 엔진이 제공된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 프리-챔버는 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열되고 제1 개구부는 실린더 벽 내에 형성된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 엔진은 프리-챔버를 냉각시키기 위한 프리-챔버 냉각 시스템을 더 포함하며, 프리-챔버 냉각 시스템은 프리-챔버로부터 열을 추출하기 위하여 프리-챔버에 근접해 있는 냉각 채널을 포함하며, 프리-챔버 냉각 시스템은 냉각 채널을 통하여 냉각 유체를 순환시키도록 구성된다.
실린더 벽 내에 프리-챔버를 배열하는 것은 프리-챔버 냉각 시스템을 위한 더 많은 공간을 제공한다. 이것은, 배기 밸브 폐쇄 타이밍, 엔진 속도, 엔진 부하 등과 같은 다른 엔진 파라미터의 영향을 덜 받으면서 프리-챔버의 온도를 보다 정확하게 제어할 수 있게 한다. 프리-챔버의 온도를 보다 정밀하게 제어하면 실화 위험을 감소시킬 수 있으므로, 예컨대 액화천연가스(LNG), 메탄, 에탄 및 액화석유가스(LPG)와 같은 연료가스처럼 보다 점화하기 어려운 파일럿 연료를 사용하는 것을 더욱 적합하게 한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 프리-챔버 냉각 시스템은 냉각 유체의 유동 및/또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제어 유닛은 엔진 부하, 엔진 속도 및/또는 소기공기와 연료가스의 혼합물의 공기-연료 당량비(λ)에 따라, 냉각 유체의 유동 및/또는 냉각 유체의 입구 온도를 제어하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 실린더는 베이스 부재와 프리-챔버 부재를 가지며, 프리-챔버 부재는 베이스 부재의 상부에 배열되고 실린더 커버는 프리-챔버 부재의 상부에 배열되며, 여기서 프리-챔버는 프리-챔버 부재의 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열되며, 프리-챔버는 프리-챔버 부재의 실린더 벽 내에 형성되는 개구부를 통하여 실린더 내로 개방된다.
이것은 예컨대 적절한 재료를 선택함으로써 프리-챔버 부재가 프리-챔버 내의 고온 및 고압을 취급하도록 특별히 설계되는 것을 허용한다. 이것은 또한 프리-챔버에 대한 유지보수를 더욱 쉽게 수행할 수 있도록 한다.
프리-챔버 부재는 실린더의 베이스 부재와 함께 볼트 결합될 수 있다. 대안적으로, 프리-챔버 부재는 실린더의 베이스 부재와 함께 용접될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 실린더의 프리-챔버 부재는 실린더의 베이스 부재와는 상이한 재료로 만들어진다.
몇몇 실시형태에 있어서, 프리-챔버는 실린더 커버 내에 적어도 부분적으로 배열되고 제1 개구부는 실린더 커버 내에 형성된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 엔진은 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와 대체연료로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진이며, 엔진은 대체연료를 분사하기 위한 전용의 대체연료 공급 시스템을 더 포함하며, 대체연료 공급 시스템은 실린더 커버에 배열되는 하나 이상의 연료 분사기를 포함하며, 여기서 엔진은, 디젤 사이클 모드에 있을 때, 하나 이상의 연료 분사기를 사용하여 고압 하에서 압축 행정의 끝에서 대체연료를 분사하도록 구성되며, 여기서 엔진은, 디젤 사이클 모드에 있을 때, 프리-챔버를 청소하기 위한 청소 동작을 반복적으로 수행하도록 구성된다.
따라서, 프리-챔버는 대체연료의 연소로부터 초래되는 연소 부산물로부터 보호될 수 있다. 이것은 엔진이 디젤 사이클 모드에서 오랜 기간이 지난 후에도 오토 사이클 모드로 되돌아가는 것을 신뢰성 있게 전환할 수 있도록 한다.
대체연료는 중유 또는 마린 디젤 오일일 수 있다. 엔진은 각각의 엔진 사이클에서 청소 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 청소 동작은 더 낮은 빈도(frequency)로, 예컨대 두 번째 엔진 사이클마다, 다섯 번째 엔진 사이클마다, 또는 매일 한 번 수행될 수 있다. 청소 동작 빈도는 엔진 부하 및/또는 하나 이상의 센서에 의해 기록되는 센서 데이터와 같은 엔진 파라미터 설정에 기초하여 결정될 수 있다. 청소 동작은 엔진 사이클 중 언제라도 일어날 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 청소 동작은, 프리-챔버 내에 퇴적된 연소 부산물을 제거하고/하거나 연소 부산물이 프리-챔버 내에 퇴적되는 것을 방지하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 청소 동작은 파일럿 연료 밸브를 이용하여 제1 유체를 분사하는 것을 포함한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제1 유체는 연료가스, 대기 공기 및/또는 불활성 가스이다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제1 유체는 대기 공기 또는 불활성 가스이고 여기서 제1 유체는 프리-챔버를 플러싱하기 위하여 사용된다.
따라서, 프리-챔버를 플러싱함으로써 프리-챔버를 청소하는 간단한 방법이 제공된다.
플러싱은 실린더 내부의 압력이 낮을 때, 예컨대 압축 행정의 시작에서 수행될 수 있다. 분사는 배기 밸브가 폐쇄되기 전이나 배기 밸브가 폐쇄된 후에 일어날 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제1 유체는 연료가스이고 여기서 점화 요소는 청소 동작의 일부로서 연료가스를 점화시키도록 구성된다.
따라서, 프리-챔버 내에서의 대체연료의 연소로부터 초래되는 원치 않는 부산물은 소각되어 버릴 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 엔진은, 디젤 사이클 모드에 있을 때, 프리-챔버를 청소하기 위하여 제1 빈도를 갖는 제1 유형의 청소 동작 및 제2 빈도를 갖는 제2 유형의 청소 동작을 반복적으로 수행하도록 구성되며, 여기서 제2 빈도는 제1 빈도보다 낮다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제1 유형의 청소 동작은 파일럿 연료 밸브를 이용하여 제1 유체를 분사하는 것을 포함하고, 제1 유체는 대기 공기 또는 불활성 가스이며 여기서 제1 유체는 프리-챔버를 플러싱하기 위하여 사용되고 있으며, 여기서 제2 유형의 청소 동작은 파일럿 연료 밸브를 이용하여 연료가스를 분사하는 것을 포함하며 여기서 점화 요소는 제2 유형의 청소 동작의 일부로서 연료가스를 점화시키도록 구성된다.
따라서, 프리-챔버는 프리 챔버는 효과적으로 깨끗하게 유지될 수 있다. 낮은 빈도의 청소 동작의 일부로서 연료가스를 분사하는 것만으로, 엔진이 디젤 사이클 모드에 있을 때 대부분의 시간 동안 파일럿 연료 공급 시스템은 연료가스를 퍼징할 수 있어 안전성이 향상된다. 제2 빈도는 1시간에 한 번, 6시간에 한 번, 12시간에 한 번, 하루에 한 번, 이틀에 한 번, 또는 매주 한 번보다 적을 수 있다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은, 제1 측면과 관련하여 설명된 바와 같은 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진과 함께 사용되기 위한 프리-챔버에 관한 것으로서, 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 실린더 내로 개방되도록 구성되고, 프리-챔버는 점화 요소와 파일럿 연료 밸브를 포함하며, 파일럿 연료 밸브는 압축 행정 동안에 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성되어 파일럿 연료가스가 점화 전에 압축될 수 있도록 한다.
본 발명의 상이한 측면은 위에서 그리고 아래에서 설명된 바와 같이 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진 및 프리-챔버를 포함하는 상이한 방식으로 구현될 수 있으며, 각각은 위에서 설명된 측면들 중 적어도 하나와 관련하여 설명 된 하나 이상의 이점 및 장점을 산출하고, 각각은 위에서 설명된 및/또는 종속청구항에 개시된 측면들 중 적어도 하나와 관련하여 설명된 바람직한 실시형태에 대응하는 하나 이상의 바람직한 실시형태를 갖는다. 나아가서, 여기에 설명되는 측면들 중 하나와 관련하여 설명된 실시형태는 또 다른 측면에도 동일하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명에 따르면, 파일럿 연료로서 연료가스를 사용함으로써, 연료유의 연소로 초래되는 임의의 원치 않는 배기가스가 회피될 수 있다. 나아가서, 엔진은 보다 적은 연료 공급 시스템으로 설계될 수 있거나, 엔진이 이중연료 엔진이라면 연료가스만에 의해 작동할 수 있는 보다 신뢰성 있는 엔진이 제공된다.
본 발명에 따르면, 파일럿 연료가스가 점화 전에 프리-챔버 내에 머물러 있는 것을 허용함으로써 충전 공기와의 적절한 혼합이 성취될 수 있다. 실린더의 메인 챔버로부터의 충전 공기 및 연료가스는 점화 요소가 점화되기 전에 프리-챔버에 들어갈 수 있다. 이것은, 연소가능한 혼합물에 여전히 도달할 수 있게 하면서, 분사될 파일럿 연료가스의 양을 감소시킬 수 있게 한다.
본 발명에 따르면, 점화되기 전에 너무 많은 파일럿 연료가스가 프리-챔버를 빠져 나가지 않도록 보장할 수 있다.
본 발명에 따르면, 프리-챔버는 대체연료의 연소로부터 초래되는 연소 부산물로부터 보호될 수 있다. 이것은 엔진이 디젤 사이클 모드에서 오랜 기간이 지난 후에도 오토 사이클 모드로 되돌아가는 것을 신뢰성 있게 전환할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 프리-챔버를 플러싱함으로써 프리-챔버를 청소하는 간단한 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 프리-챔버 내에서의 대체연료의 연소로부터 초래되는 원치 않는 부산물은 소각되어 버릴 수 있다.
본 발명에 따르면, 프리-챔버는 프리 챔버는 효과적으로 깨끗하게 유지될 수 있다. 낮은 빈도의 청소 동작의 일부로서 연료가스를 분사하는 것만으로, 엔진이 디젤 사이클 모드에 있을 때 대부분의 시간 동안 파일럿 연료 공급 시스템은 연료가스를 퍼징할 수 있어 안전성이 향상된다. 제2 빈도는 1시간에 한 번, 6시간에 한 번, 12시간에 한 번, 하루에 한 번, 이틀에 한 번, 또는 매주 한 번보다 적을 수 있다.
본 발명의 상기된 및/또는 추가적인 목적, 특징 및 이점은, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대한 다음의 예시적이고 비-제한적인 상세한 설명에 의해 더 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 프리-챔버를 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 프리-챔버를 도시하는 개략도이다.
다음의 설명에서는, 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 예시적으로 보여주는 첨부된 도면을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 해양 선박을 추진하기 위한 유니플로 소기 방식의 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진(100)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 엔진(100)은 소기공기 시스템(111), 배기가스 리시버(108), 연료가스 공급 시스템, 및 터보차저(109)를 포함한다. 엔진은 복수의 실린더(101)를 갖는다(단면도에는 단일의 실린더만이 도시되어 있음). 각각의 실린더(101)는 실린더 벽(115)을 가지며 실린더(101)의 하부에 배열되는 소기공기 유입구(102)를 포함한다. 엔진은 각각의 실린더에 대하여 실린더 커버(112) 및 피스톤(103)을 더 포함한다. 실린더 커버(112)는 실린더(101)의 상부에 배열되고 배기 밸브(104)를 갖는다. 피스톤(103)은 하사점과 상사점 사이에서 중심축선(113)을 따라 실린더 내에 이동 가능하게 배열되어 있다. 연료가스 공급 시스템은, 압축 행정 동안에 실린더(101) 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하는 하나 이상의 연료가스 밸브(105)를 포함한다. 엔진은 프리-챔버(114) 및 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며, 프리-챔버(114)는 제1 개구부를 통하여 실린더(101) 내로 개방되고 점화 요소(도시생략)를 포함한다. 파일럿 연료 공급 시스템은 파일럿 연료가스를 압축 행정 동안에 프리-챔버 내로 분사하여 파일럿 연료가스가 점화 전에 압축될 수 있도록 구성되는 파일럿 연료 밸브(도시생략)를 포함하며, 점화 요소는 파일럿 연료가스를 프리-챔버 내에서 점화시키도록 구성된다. 그런데, 본 실시형태에 있어서는 프리-챔버(114)가 실린더 벽(115) 내에 배열되어 있으며, 또 다른 실시형태에 있어서는 프리-챔버(114)가 실린더 커버(112) 내에 배열될 수도 있다. 소기공기 유입구(102)는 소기공기 시스템에 유체 연결되어 있다. 피스톤(103)은 가장 낮은 위치(하사점)에 있는 것으로 도시되어 있다. 피스톤(103)은 크랭크샤프트(도시되지 않음)에 연결된 피스톤 로드를 갖는다. 연료가스 밸브(105)는 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되어, 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 점화 전에 소기공기와 연료가스의 혼합물이 압축되는 것을 허용한다. 연료가스 밸브(105)는 실린더 커버(112)와 소기공기 유입구(102) 사이에서 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되어, 예컨대 연료가스 밸브(105)의 연료가스 노즐이 실린더 벽에 배열될 수 있고 연료가스 밸브의 나머지 부분은 실린더의 외측에 배열될 수 있다. 연료가스 밸브는, 하사점으로부터 0도 내지 130도의 압축 행정의 시작에서, 즉 크랭크샤프트가 하사점에서의 배향으로부터 0도 내지 130도로 회전하였을 때, 실린더(101) 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다. 바람직하게는, 연료가스 밸브(105)는, 연료가스가 소기공기 유입구(102)를 통해 배출되는 것을 방지하기 위해, 피스톤이 소기공기 유입구(102)를 지나서 이동하도록 크랭크샤프트 축이 하사점으로부터 몇 도 회전한 후 연료가스의 분사를 개시하도록 구성된다. 소기공기 시스템(111)은 소기공기 리시버(110) 및 공기 냉각기(106)를 포함한다.
엔진(100)은 바람직하게는, 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와, 대체연료 예컨대 중유나 마린 디젤 오일로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진이다. 이러한 이중-연료 엔진은 대체연료를 분사하기 위한 전용의 대체연료 공급 시스템을 갖는다. 따라서 선택적으로 엔진(100)은 대체연료 공급 시스템의 일부를 형성하는 실린더 커버(112) 내에 배열되는 하나 이상의 연료 분사기(116)를 더 포함한다. 엔진(100)이 대체연료로 구동될 때, 연료 분사기(116)는 고압인 압축 행정의 끝에서 예컨대 중유와 같은 대체연료를 분사하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도를 도시한다. 실린더(101), 실린더 커버(112), 피스톤(103), 및 배기 밸브(104)가 도시되어 있다. 피스톤(103)은 상사점에 위치되어 있다. 실린더(101)는 제1 프리-챔버(114) 및 제2 프리-챔버(116)를 구비하는 실린더 벽(115)을 갖는다. 제1 및 제2 프리-챔버(114, 116)는 실린더 벽(115)에 형성된 개구부를 통해 실린더(101) 내로 개방되고, 프리-챔버(114, 116)는 실린더 내에서 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다. 엔진은 제1 프리-챔버(114) 내에 배열되는 제1 파일럿 연료 밸브 및 제2 프리-챔버(116) 내에 배열되는 제2 파일럿 연료 밸브를 포함하는 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며, 제1 및 제2 파일럿 연료 밸브는 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성된다. 제1 및 제2 프리-챔버(114, 116)는 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성되는 점화 요소를 더 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도를 도시한다. 이 일부는 도 2에 도시된 부분에 대응되나, 실린더(101)가 베이스 부재(117)와 프리-챔버 부재(118)를 가지며, 프리-챔버 부재(118)는 베이스 부재(117)의 상부에 배열되고 실린더 커버(112)는 프리-챔버 부재(118)의 상부에 배열된다는 점에서 상이하다. 제1 및 제2 프리-챔버(114, 116)는 프리-챔버 부재(118)의 실린더 벽 내에 배열된다. 이는 프리-챔버 부재가 예컨대 적절한 재료를 선택함으로써 높은 온도 및 압력을 취급하도록 특별하게 설계될 수 있게 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 프리-챔버(114)의 개략도를 도시한다. 프리-챔버(114)는 제1 개구부(123) 및 제2 개구부(124)를 통해 실린더 내로 개방되도록 구성된다. 프리-챔버는 점화 요소(119)와 파일럿 연료 밸브(120)를 포함하며, 파일럿 연료 밸브는 파일럿 연료가스(121)가 점화되기 전에 압축될 수 있도록 압축 행정 동안에 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성된다. 점화 요소(119)는 프리-챔버 내에서 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성되어 실린더 내에서 연료가스를 점화시키기 위한 불꽃(122)을 생성한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도를 도시한다. 실린더(101), 실린더 커버(112), 및 배기 밸브(104)가 도시되어 있다. 실린더 커버(112)는 제1 프리-챔버(114) 및 제2 프리-챔버(116)를 구비하고 있다. 제1 및 제2 프리-챔버(114, 116)는 실린더 커버(112)에 형성된 개구부를 통해 실린더(101) 내로 개방되고, 프리-챔버(114, 116)는 실린더 내에서 소기공기와 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다. 엔진은 제1 프리-챔버(114) 내에 배열되는 제1 파일럿 연료 밸브 및 제2 프리-챔버(116) 내에 배열되는 제2 파일럿 연료 밸브를 포함하는 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며, 제1 및 제2 파일럿 연료 밸브는 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성된다. 제1 및 제2 프리-챔버(114, 116)는 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성되는 점화 요소를 더 포함한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 프리-챔버(114)의 개략도를 도시한다. 프리-챔버(114)는 제1 개구부(123) 및 제2 개구부(124)를 통해 실린더 내로 개방되도록 구성된다. 프리-챔버는 점화 요소(119)와 파일럿 연료 밸브(120)를 포함하며, 파일럿 연료 밸브는 파일럿 연료가스(121)가 점화되기 전에 압축될 수 있도록 압축 행정 동안에 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성된다. 점화 요소(119)는 프리-챔버 내에서 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성되어 실린더 내에서 연료가스를 점화시키기 위한 불꽃(122)을 생성한다. 본 실시형태에 있어서 엔진은, 디젤 사이클 모드에 있을 때(그에 따라 프리-챔버(114)를 사용하지 않을 때), 프리-챔버(114)를 청소하기 위한 청소 동작을 반복적으로 수행하도록 구성된다. 본 실시형태에 있어서 파일럿 연료 밸브(120)는 가스 탱크(140) 및 N2 탱크(130)에 모두 유체 연결되어 있다. 파일럿 연료 밸브(120)는 가스를 압축시키도록 구성되는 압축기(141) 및 차단 밸브(142)를 경유하여 가스 탱크(140)에 유체 연결되어 있다. 상응하여, 파일럿 연료 밸브(120)는 N2를 압축시키도록 구성되는 압축기(131) 및 차단 밸브(132)를 경유하여 N2 탱크(130)에 유체 연결되어 있다. 또한 N2 공급 시스템(130, 131, 132)은 예를 들어 엔진이 디젤 사이클 모드에 있을 때와 같이 가스 공급 시스템이 사용되지 않는 경우, 예컨대 하나 이상의 블로아웃 튜브(도시생략)를 이용하여 가스 공급 시스템(140, 141, 142)을 퍼징하기 위하여 사용될 수도 있다. 청소 동작은 프리-챔버 내에 퇴적된 연소 부산물을 제거하도록 및/또는 연소 부산물이 프리-챔버 내에 퇴적되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 청소 동작은 파일럿 연료 밸브(120)를 이용한 제1 유체의 분사를 포함한다. 제1 유체는 N2 탱크(130)로부터 공급되는 N2일 수 있으며 여기서 제1 유체는 프리-챔버(114)를 플러싱하기 위하여 사용된다. 대안적으로/부가적으로, 제1 유체는 가스 탱크(140)로부터 공급되는 연료가스일 수 있으며 여기서 점화 요소(119)는 청소 동작의 일부로서 연료가스를 점화시키도록 구성되고, 그에 따라 원치 않는 연소 부산물이 연소될 수 있다.
일부 실시형태들이 상세하게 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 이것들로 제한되지 않으며, 이하의 청구범위에서 규정된 주제의 범위 내에서 다른 방식으로도 구현될 수 있다. 특히, 또 다른 실시형태가 이용될 수 있고 구조적 및 기능적 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
여러 수단을 열거하는 장치 청구항에 있어서, 이들 수단 중 일부는 하나의 동일한 하드웨어 아이템에 의해 구현될 수 있다. 특정 방안(measures)들이 서로 다른 종속항들에서 인용되거나 상이한 실시형태들에서 설명된다는 사실은 이러한 방안들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)/포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하기 위해 사용되지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것이 강조되어야 한다.
100: (2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연) 엔진, 101: 실린더, 102: 소기공기 유입구, 103: 피스톤, 104: 배기 밸브, 105: 연료가스 밸브, 111: 소기공기 시스템, 112: 실린더 커버, 113: 중심 축선, 114: 프리-챔버, 115: 실린더 벽, 119: 점화 요소, 120: 파일럿 연료 밸브, 121: 파일럿 연료가스, 123: 제1 개구부.

Claims (19)

  1. 적어도 하나의 실린더(101), 실린더 커버(112), 피스톤(103), 연료가스 공급 시스템, 및 소기공기 시스템(111)을 포함하는 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진(100)으로서,
    상기 실린더는 실린더 벽(115)을 가지며,
    상기 실린더 커버는 상기 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브(104)를 가지며,
    상기 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선(113)을 따라 상기 실린더 내에 이동 가능하게 배열되며,
    상기 소기공기 시스템(111)은 상기 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 유입구(102)를 가지며,
    상기 연료가스 공급 시스템은 상기 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 상기 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 점화 전에 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 압축되도록 허용하는 연료가스 밸브(105)를 포함하며,
    상기 엔진은 프리-챔버(114) 및 파일럿 연료 공급 시스템을 더 포함하며,
    상기 프리-챔버(114)는 개구부(123)를 통하여 상기 실린더 내로 개방되고 점화 요소(119)를 포함하며,
    상기 파일럿 연료 공급 시스템은 압축 행정 동안에 상기 프리-챔버 내로 파일럿 연료가스(121)를 분사하도록 구성되어 파일럿 연료가스가 점화 전에 압축될 수 있도록 하며,
    상기 점화 요소(119)는 상기 프리-챔버(114) 내에서 상기 파일럿 연료가스를 점화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료가스 공급 시스템 및 상기 파일럿 연료 공급 시스템은 동일한 연료가스를 제공하는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 파일럿 연료 밸브(120)는 하사점으로부터 0도 내지 160도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 130도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도에서 압축 행정 동안에 상기 프리-챔버(114) 내로 파일럿 연료가스(121)를 분사하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 파일럿 연료 밸브(120)는 파일럿 연료 분사기간 동안 파일럿 연료가스(121)를 분사하도록 구성되며, 상기 점화 요소(119)는 상기 파일럿 연료 분사기간의 종료 이후에 상기 프리-챔버(114) 내의 파일럿 연료가스(121)를 점화시키도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 프리-챔버(114)는 상기 프리-챔버(114) 내의 소기공기 및 파일럿 연료가스(121)의 혼합물의 공기-연료 당량비(λ)가 점화시에 λ=1.6 이하인 것을 보장하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    m2으로 측정된 상기 실린더(101)로의 상기 프리-챔버(114)의 개구부(123, 124)의 단면적과 m3으로 측정된 상기 프리-챔버의 체적과의 사이의 비는 0.5 내지 1.2 m-1 사이에 있는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진은 상기 실린더 내의 소기공기 및 연료가스의 혼합물의 λ가 λ=2.0 이상인 것을 보장하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리-챔버(114)는 상기 실린더 벽(115) 내에 적어도 부분적으로 배열되고 상기 개구부(123)는 상기 실린더 벽 내에 형성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리-챔버(114)는 상기 실린더 커버(112) 내에 적어도 부분적으로 배열되고 상기 개구부(123)는 상기 실린더 커버(112) 내에 형성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 점화 요소(119)는 작동시 순간적인 최대 에너지 방출을 생성하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  11. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와 대체연료로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진이고, 상기 엔진은 대체연료를 분사하기 위한 전용의 대체연료 공급 시스템을 더 포함하고, 상기 대체연료 공급 시스템은 상기 실린더 커버에 배열되는 하나 이상의 연료 분사기를 포함하며,
    상기 엔진은, 디젤 사이클 모드에 있을 때, 하나 이상의 연료 분사기를 사용하여 고압 하에서 압축 행정의 끝에서 대체연료를 분사하도록 구성되며,
    상기 엔진은, 디젤 사이클 모드에 있을 때, 상기 프리-챔버를 청소하기 위한 청소 동작을 반복적으로 수행하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 청소 동작은, 상기 프리-챔버 내에 퇴적된 연소 부산물을 제거하고/하거나 연소 부산물이 상기 프리-챔버 내에 퇴적되는 것을 방지하도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  13. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    상기 청소 동작은 상기 파일럿 연료 밸브를 이용하여 제1 유체를 분사하는 것을 포함하는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 유체는 연료가스, 대기 공기 및/또는 불활성 가스인, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 유체는 대기 공기 또는 불활성 가스이고 상기 제1 유체는 상기 프리-챔버를 플러싱하기 위하여 사용되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 유체는 연료가스이고 상기 점화 요소는 청소 동작의 일부로서 연료가스를 점화시키도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  17. 청구항 11 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은, 디젤 사이클 모드에 있을 때, 상기 프리-챔버를 청소하기 위하여 제1 빈도(frequency)를 갖는 제1 유형의 청소 동작 및 제2 빈도를 갖는 제2 유형의 청소 동작을 반복적으로 수행하도록 구성되며, 상기 제2 빈도는 상기 제1 빈도보다 낮은, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 유형의 청소 동작은 상기 파일럿 연료 밸브를 이용하여 제1 유체를 분사하는 것을 포함하고, 상기 제1 유체는 대기 공기 또는 불활성 가스이며 상기 제1 유체는 상기 프리-챔버를 플러싱하기 위하여 사용되고 있으며, 상기 제2 유형의 청소 동작은 상기 파일럿 연료 밸브를 이용하여 연료가스를 분사하는 것을 포함하며 상기 점화 요소는 상기 제2 유형의 청소 동작의 일부로서 연료가스를 점화시키도록 구성되는, 2-행정 크로스헤드 내연 엔진.
  19. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 2-행정 크로스헤드 내연 엔진과 함께 사용되기 위한 프리-챔버로서,
    상기 프리-챔버(114)는 개구부(123)를 통하여 실린더(101) 내로 개방되도록 구성되고 점화 요소(119)를 포함하며,
    상기 프리-챔버는 압축 행정 동안에 상기 프리-챔버(114) 내로 파일럿 연료가스(121)를 분사하도록 구성되어 파일럿 연료가스(121)가 점화 전에 압축될 수 있도록 하는 파일럿 연료 밸브(120)를 더 포함하며,
    상기 점화 요소(119)는 상기 프리-챔버(114) 내의 파일럿 연료가스(121)를 점화시키도록 구성되는, 프리-챔버.
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