KR20220091372A - 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진 - Google Patents

대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진 Download PDF

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KR20220091372A
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마르셀 오뜨
중샤오 왕
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빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Abstract

대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법이 제안되며, 대형 디젤 엔진은 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되고, 연소를 위해 실린더(10)에 액체 연료가 도입되는 액체 모드에서 작동될 수 있고 그리고 가스가 연료로서 실린더(10)에 도입되는 가스 모드에서 추가로 작동될 수 있으며; 대형 디젤 엔진은 피스톤(2)이 하부 반전 지점(UT)과 상부 반전 지점(OT) 사이에서 축 방향으로 실린더 벽(11)을 따라 전후로 움직일 수 있도록 배열된 적어도 하나의 실린더(10)를 포함하고; 피스톤(2)은 실린더(10)의 연소 챔버(13)를 한정하기 위한 상부 측면(21)을 가지며; 적어도 하나의 가스 유입 개구(4)가 실린더 벽(11)에 제공되고, 이 개구를 통해 가스가 가스 모드에서 연료로서 실린더(10) 내로 도입되고; 가스 모드에서, 가스의 도입은 유입 거리(E)에서 종료되고, 유입 거리(E)는 축 방향(A)으로 가스 유입 개구(4)로부터 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 거리를 나타내고, 유입 거리(E)는 스트로크(S)의 적어도 14%이며, 스트로크는 상부 반전 지점(OT)과 하부 반전 지점(UT)에서 상기 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 위치 차이에 의해 정의된다. 더욱이, 대형 디젤 엔진이 제안된다.

Description

대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진{A METHOD FOR OPERATING A LARGE DIESEL ENGINE AND A LARGE DIESEL ENGINE}
본 발명은, 개개의 카테고리의 독립 청구항의 전제부에 따른, 이중 연료 대형 디젤 엔진(dual-fuel large diesel engine)으로서 설계된 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진에 관한 것이다.
대형 디젤 엔진은 고전적으로 중유(heavy fuel oil)로 작동된다. 2행정(two-stroke) 엔진 또는 4행정(four-stroke) 엔진, 예컨대 종 방향으로 소기되는(longitudinally scavenged) 2행정 대형 디젤 엔진으로서 설계될 수 있는 대형 디젤 엔진은, 선박을 위한 구동 유닛으로서 또는 심지어 고정식(stationary) 작동에서, 예컨대 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동하기 위해 종종 사용된다. 엔진은 일반적으로, 연속적인 작동시 상당한 기간 동안 구동되며, 이는 작동 안전성 및 가용성에 대한 높은 요구를 제기한다. 결과적으로, 특히 긴 유지 보수 간격, 작동 재료의 적은 마모, 및 경제적인 취급이 조작자에 대한 중심 기준이다. 대형 디젤 엔진은 통상적으로, 내경(보어)이 적어도 200 mm인 실린더를 갖는다. 오늘날, 최대 960 mm 또는 그 초과의 보어를 갖는 대형 엔진이 사용된다.
경제적이고 효율적인 작동, 배기 가스 제한치에 대한 컴플라이언스 및 자원의 이용 가능성의 양상 하에서, 이제, 중유에 대한 대안이 대형 디젤 엔진에 대해서도 모색되고 있다. 이와 관련하여, 액체 연료, 즉, 액체 상태로 연소 챔버 내로 도입되는 연료 및 가스상 연료, 즉, 가스상 상태로 연소 챔버 내로 도입되는 연료 둘 모두가 사용된다.
중유에 대한 알려진 대안으로서의 액체 연료의 예는, 특히 정유, 알코올, 특히 메탄올 또는 에탄올, 휘발유, 디젤, 또는 또한 에멀션 또는 현탁액으로부터의 잔류물로서 남겨진 다른 중질 탄화수소(heavy hydrocarbons)이다. 예를 들어, MSAR(Multiphase Superfine Atomized Residue)로 알려진 에멀션을 연료로서 사용하는 것이 알려져 있다. 잘 알려진 현탁액은, 대형 엔진을 위한 연료로서 또한 사용되는, 분탄 및 물의 현탁액이다. 가스상 연료로서, LNG(liquefied natural gas)와 같은 천연 가스, LPG(liquefied petroleum gas) 또는 에탄과 같은 액화 가스가 알려져 있다.
특히, 적어도 2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진이 또한 알려져 있으며, 이로써 엔진은 작동 상황 또는 환경에 따라 하나의 연료로 또는 다른 연료로 작동된다.
2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진의 일 예는, 이중 연료 대형 디젤 엔진으로서 설계된 대형 디젤 엔진이다. 이는, 액체 연료가 연소를 위해 실린더 내로 도입되는 액체 모드 및 가스가 연료로서 실린더 내로 도입되는 가스 모드에서 작동될 수 있다.
적어도 2개 또는 훨씬 더 많은 상이한 액체 또는 가스상 연료로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진은 종종, 현재 사용 중인 연료에 따라 상이한 작동 모드로 작동된다. 종종 디젤 작동으로 지칭되는 작동 모드에서, 연료의 연소는 일반적으로 연료의 압축 점화 또는 자기-점화의 원리에 따라 이루어진다. 오토 작동(Otto operation)으로 종종 지칭되는 모드에서, 점화 가능한 예혼합 공기-연료 혼합물의 불꽃 점화(spark ignition)에 의해 연소가 발생한다. 이러한 불꽃 점화는, 예컨대 전기 스파크에 의해, 예컨대 스파크 플러그에 의해, 또는 그리고 소량의 분사된 연료의 자기-점화에 의해 발생할 수 있으며, 이는 이어서 다른 연료의 불꽃 점화를 야기한다. 자기-점화를 위해 의도된 소량의 연료는 종종, 연소 챔버에 연결된 예비-챔버 내로 분사된다.
더욱이, 오토 작동 및 디젤 작동으로 알려진 혼합된 형태가 또한 알려져 있다.
본 출원의 프레임워크 내에서, "대형 디젤 엔진(large diesel engine)"이라는 용어는 적어도 디젤 작동으로 작동될 수 있는 그러한 엔진을 지칭한다. 특히, "대형 디젤 엔진(large diesel engine)"이라는 용어는 또한, 디젤 작동에 부가하여, 다른 모드, 예컨대 오토 작동에서 작동될 수 있는 그러한 이중 연료 대형 엔진을 포함한다.
본 출원의 프레임워크 내에서, "가스 모드(gas mode)" 또는 "가스 모드에서의 작동(operation in gas mode)"이라는 용어는 연료로서 토크-생성 연소를 위해 가스 또는 가스상 연료만을 사용하는 것을 지칭한다. 이미 언급된 바와 같이 그리고 또한 매우 일반적으로, 소량의 자기-점화 액체 연료, 예컨대 중유가 불꽃 점화를 수행하기 위해서 예혼합된 공기-연료 혼합물의 불꽃 점화를 위해 가스 모드로 분사되는 것이 가능하지만, 그럼에도 불구하고, 토크를 발생시키는 연소 프로세스는 가스 또는 가스상 연료로 완전히 작동된다.
소량의 액체 연료의 자기-점화에 의한 이러한 불꽃 점화 프로세스는 때때로 파일럿 분사(pilot injection)로서 또한 지정된다. 이러한 파일럿 분사는 대형 엔진이 액체 모드에서 작동될 때 연소 챔버 내로의 액체 연료의 분사와는 관계가 없다. 액체 모드에서의 액체 연료의 분사를 위한 것과는 다른 분사 디바이스가 일반적으로 파일럿 분사를 위해 사용된다. 부가하여, 파일럿 분사에서, 소량의 액체 연료는 종종 연소 챔버 내로 직접 분사되는 것이 아니라, 채널을 통해 연소 챔버에 연결된 적어도 하나의 예비-챔버 내로 분사된다.
저압 프로세스를 사용하여 가스 모드에서 그러한 대형 디젤 엔진을 작동시키는 것이 또한 알려져 있는데, 즉, 가스는 가스상 상태로 실린더 내로 도입되며, 여기서 가스의 분사 압력은 최대 50bar, 바람직하게는 최대 20bar이다. 이러한 목적을 위해, 적어도 하나의 가스 유입 개구가 실린더 벽에 제공되며, 이 개구를 통해 가스가 가스 모드에서 실린더 내로 도입된다. 실제로, 실린더 축에 대해 정반대인 2개의 가스 유입 개구가 종종 제공된다. 가스 유입 개구(들)는, 압축이 없는 한 또는 적어도 상당한 압축이 실린더에서 발생하지 않는 한, 가스가 피스톤의 상향 이동 동안 실린더 내로 도입될 수 있는 피스톤 이동의 하부 반전 지점(lower reversal point)과 상부 반전 지점(upper reversal point) 사이의 높이에 배열된다.
가스의 도입은 늦어도 피스톤의 상향 이동 동안 피스톤이 가스 유입 개구(들)를 통과하기 직전에 완료되어야 한다.
가스 모드에서의 작동에 대한 하나의 문제점은, 유출 밸브가 폐쇄되고 가스의 도입이 종료된 후에 압축이 증가함에 따라, 피스톤이 그의 스트로크 이동 동안 이동하는 실린더 벽과 피스톤 사이의 영역 내로 가스가 또한 가압된다는 것이다. 피스톤의 상부 영역과 실린더 벽 사이의 이러한 갭은 피스톤 링에 의해 최하부에서 한정된다. 수개의 피스톤 링이 제공되는 경우에, 이는 제1 피스톤 링, 즉 연소 챔버에 가장 가깝게 배열된 피스톤 링이며, 이는 피스톤의 상부 영역과 최하부의 실린더 벽 사이의 갭-형상 영역을 한정한다. 이러한 갭-형상 영역은 또한 가스 또는 가스상 연료로 충전되기 때문에, 피스톤 링 또는 제1 피스톤 링은 연소 프로세스 동안 매우 높은 열 부하를 겪으며, 이는 피스톤 링의 증가된 마모 또는 다른 열적으로 유도된 열화를 초래한다. 유사한 열적으로 유도된 문제는 또한, 피스톤 링, 그리고 특히 제1 피스톤 링이 배열되는 피스톤 홈에서 또는 피스톤 홈 내에서 발생할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제에 전념한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 가스 모드에서 또한 작동될 수 있는 이중 연료 대형 디젤 엔진으로서 설계된 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법을 제안하는 것이며, 이 방법에서 특히 열 부하는 피스톤 링 또는 제1 피스톤 링은 가스 모드에서 상당히 감소된다. 더욱이, 본 발명의 목적은 그러한 방법에 의해 작동되는 대형 디젤 엔진을 제안하는 것이다.
이러한 목적을 충족시키는 본 발명의 청구 대상은 개개의 카테고리의 독립 특허 청구항의 특징에 의해 특성화된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법이 제안되며, 대형 디젤 엔진은 연소를 위해 실린더에 액체 연료가 도입되는 액체 모드에서 작동될 수 있고 그리고 가스가 연료로서 실린더에 도입되는 가스 모드에서 추가로 작동될 수 있는 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되고, 대형 디젤 엔진은 피스톤이 하부 반전 지점과 상부 반전 지점 사이에서 축 방향으로 실린더 벽을 따라 전후로 움직일 수 있도록 배열된 적어도 하나의 실린더를 포함하고; 피스톤은 실린더의 연소 챔버를 한정하기 위한 상부 측면을 가지며; 적어도 하나의 가스 유입 개구가 실린더 벽에 제공되고 이 개구를 통해 가스가 가스 모드에서 연료로서 실린더 내로 도입되고; 가스 모드에서, 가스의 도입은 유입 거리에서 종료되고 유입 거리는 축 방향으로 가스 유입 개구로부터 피스톤의 상부 측면의 거리를 나타내고 유입 거리는 스트로크의 적어도 14%이며, 스트로크는 상부 반전 지점과 하부 반전 지점에서 피스톤의 상부 측면의 위치 차이에 의해 정의된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 실린더 내로의 가스의 도입은, 하부 반전 지점으로부터 상부 반전 지점으로의 피스톤 이동과 관련하여, 가스 모드에서 매우 조기에 종결된다. 따라서, 가스를 도입하는 전체 프로세스는 피스톤 위치와 관련하여 훨씬 더 일찍, 즉, 피스톤의 상부 측면이 축 방향에 대해 가스 유입 개구로부터 여전히 멀리 있을 때 발생한다. 이러한 조치로 인해, 가스 유입이 종결될 때, 피스톤의 상부 측면과 분사된 가스 사이에 배열되는 에어 쿠션이 여전히 존재한다. 피스톤의 추가적인 압축 이동 동안, 이 에어 쿠션은 또한 압축되며, 특히, 가스가 피스톤과 실린더 벽 사이의 갭-형상 영역 내로 가압되는 것을 방지한다. 피스톤의 상부 영역, 즉, 특히 피스톤의 상부 측면 및 피스톤 홈(들)뿐만 아니라 제1 피스톤 링은 연소 프로세스 동안 생성되는 열에 대해 이러한 에어 쿠션에 의해 훨씬 더 양호하게 보호된다. 따라서, 제1 피스톤 링은 특히 훨씬 더 차갑게 유지되고, 그에 의해, 열적으로 유도된 마모 또는 열적으로 유도된 열화가 상당히 감소된다.
유출 밸브의 폐쇄는 바람직하게는, 가스 유입 개구로부터 유출 밸브를 통해 배기 시스템 내로의 도입된 가스의 직접적인 슬립이 ― 적어도 가능한 한 ― 그리고 바람직하게는 완전히 회피되는 방식으로 적응된다.
바람직하게는, 늦어도 가스의 도입이 종결되는 최적의 유입 거리는 구체적인 설계에 따라 좌우되며, 특히 실린더의 기하학적 구조, 예컨대 피스톤의 스트로크 또는 하부 반전 지점으로부터 축 방향으로 가스 유입 개구의 거리에 따라 좌우된다. 그러나 또한, 대형 엔진의 작동 파라미터, 예컨대 엔진이 작동되는 부하는 최적의 유입 거리에 영향을 미칠 수 있다. 다음에서, 유입 거리에 대한 일부 바람직한 제한이 표시되며, 이는 다양한 적용에 대해 자체적으로 입증되었다.
본 발명에 따른 방법의 일부 적용에서, 유입 거리가 스트로크의 적어도 18%인 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 일부 적용에서, 유입 거리가 스트로크의 적어도 20%인 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 일부 적용에서, 유입 거리가 스트로크의 적어도 23%인 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 일부 적용에서, 유입 거리가 스트로크의 적어도 26%인 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 일부 적용에서, 유입 거리가 스트로크의 적어도 29%인 것이 유리하다.
다른 한편으로, 유입 거리가 너무 크게 선택되지 않는 것이 유리한 것으로 판명되었는데, 왜냐하면 가스가 아주 일찍 도입된다면, 유출 밸브가 닫히기 전에, 과도한 양의 도입된 가스가 유출 밸브를 통해 배기 가스와 함께 소기 프로세스에 의해 배출될 것이기 때문이다. 그 다음, 이는 메탄 슬립(methane slip)으로 알려진 문제로 이어질 수 있다. 메탄은 전형적으로, 가스 모드에서 연료로서 공통적으로 사용되는 그러한 가스상 연료에 높은 백분율로 존재한다. 메탄이 미연소 상태로 배기 시스템에 진입할 때, 배기 가스 내의 메탄 농도는 상당히 증가한다. 메탄이 환경적으로 매우 유해한 물질인 것으로 알려져 있기 때문에, 가능한 한 메탄 슬립을 회피하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 메탄은 이산화탄소보다 적어도 25배 더 강력한 것으로 알려진 매우 강력한 온실 가스이며, 이는 소위 "에너지 효율 설계 지수(Energy Efficiency Design Index; EEDI)"의 계산에 상당한 부정적 영향을 미칠 수 있고, 따라서 효율적이고 저-배출 엔진 작동의 관점에서 부정적인 효과를 갖는다.
따라서, 유입 거리는 스트로크의 최대 35%인 것이 바람직하다.
일부 적용에서, 유입 거리는 스트로크의 최대 33%인 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 따르면, 가스의 도입은 일정 유입 각도로 시작되며, 여기서, 유입 각도는 가스 유입 개구의 개방이 시작되는 크랭크 각도를 나타내고, 유입 각도는 피스톤이 유입 거리에 위치되는 크랭크 각도보다 10° 내지 25° 더 작다.
일부 적용에서, 유입 각도는 피스톤이 유입 거리에 위치되는 크랭크 각도보다 15° 내지 20° 더 작은 것이 바람직하다.
다른 바람직한 조치는, 전체 부하의 낮은 또는 작은 부하, 예컨대 50% 미만의 부분 부하 작동에서, 실린더 내로의 가스 도입을 시작하기 전에 실린더로부터 연소 가스를 배출하기 위한 유출 밸브를 폐쇄하는 것이 특히 유리하다. 이러한 방식으로, 연소 프로세스가 연소 챔버에서 발생하기 전에, 도입된 가스 또는 그의 일부가 배기 시스템 내로 직접적으로 다시 배출될 수 있는 것이 방지될 수 있다.
특히 바람직하게는, 축 방향에 대해 동일한 높이로 배열되는 2개의 가스 유입 개구가 제공된다. 여기서, 2개의 가스 유입 개구가 실린더 벽에서 정반대로 배열되는 것이 특히 바람직하다.
더욱이, 각각의 가스 유입 개구는 스트로크의 40% 내지 55%인 높이로 축 방향에 대해 배열되는 것이 바람직하며, 높이는 피스톤이 더 낮은 반전 지점에 있을 때 피스톤의 상부 측면의 위치로부터 측정된다.
더욱이, 본 발명에 따른 방법에 의해 작동되는 대형 디젤 엔진이 본 발명에 의해 제안된다.
바람직하게는, 대형 디젤 엔진은 종 방향으로 소기된 2행정 대형 디젤 엔진으로서 설계된다.
본 발명의 추가의 유리한 조치 및 실시예는 종속 항으로부터 유래한다.
이하에서, 본 발명은 실시예에 기초하여 그리고 도면에 기초하여 보다 상세히 설명된다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 대형 디젤 엔진의 실시예의 실린더의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 도 1과 같지만, 유입 거리에 피스톤이 있는 것을 도시한다.
용어 "대형 디젤 엔진(large diesel engine)"은 일반적으로, 선박을 위한 주 구동 유닛으로서 사용되거나 또는 그리고, 정지 작동에서, 예컨대 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동시키기 위해 사용되는 그러한 엔진을 지칭한다. 전형적으로, 대형 디젤 엔진의 실린더 각각은 적어도 약 200 mm인 내경(보어)을 갖는다. 용어 "종 방향으로 소기된(longitudinally scavenged)"은, 소기 또는 충전 공기가 하부 단부의 구역에서 실린더 내로 도입되는 것을 의미한다.
본 발명의 다음의 설명에서, 이는 2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 이중 연료 대형 디젤 엔진, 즉 엔진으로서 설계된 대형 디젤 엔진을 지칭한다. 특히, 이중 연료 대형 디젤 엔진은 액체 모드에서 작동될 수 있으며, 여기서는 액체 연료 만이 실린더의 연소 챔버 내로 분사된다. 일반적으로, 액체 연료, 예컨대 중유 또는 디젤유는 적절한 시간에 연소 챔버 내로 직접 분사되고, 디젤 자기-점화 원리에 따라 연소 챔버에서 점화된다. 대형 디젤 엔진은 또한, 연료로서 기능하는 가스, 예컨대 천연 가스, 이를 테면 LNG(liquefied natural gas), 또는 LPG(liquefied petroleum gas) 또는 에탄이, 예혼합 공기-연료 혼합물의 형태로 연소 챔버에서 점화되는 가스 모드에서 작동될 수 있다.
위에서 이미 설명된 바와 같이, 용어 "가스 모드(gas mode)" 또는 "가스 모드에서의 작동(operation in gas mode)"은, 대형 디젤 엔진이 단지 가스로 또는 가스상 연료로 이러한 가스 모드로 작동되고, 선택적으로, 소량의 자기-점화 연료, 예컨대, 중유 또는 디젤유가 공기-가스 혼합물의 불꽃 점화를 위해서만 연소 챔버 또는 예비-챔버 또는 많은 예비-챔버 내로 도입(파일럿 분사)되는 것으로, 본 출원의 프레임워크에서 이해되어야 한다.
특히, 대형 디젤 엔진은 저압 프로세스에 따라 가스 모드에서 작동하는데, 즉, 가스가 가스상 상태로 실린더 내로 도입됨으로써, 가스가 실린더 내로 도입되는 분사 압력은 최대 50bar 그리고 바람직하게는 최대 20bar이다. 공기-가스 혼합물은 오토 원리에 따라 연소 챔버에서 불꽃 점화된다. 이러한 불꽃 점화는 일반적으로, 소량의 자기-점화 액체 연료(예컨대, 디젤유 또는 중유)를 적절한 순간에 연소 챔버 내로 또는 예비-챔버 또는 더 많은 예비-챔버 내로 도입함으로써 야기되며, 그런 다음, 연료 자체가 점화되며 연소 챔버에서 공기-연료 혼합물의 불꽃 점화를 야기한다.
본원에서 설명되는 실시예에서, 이는 크로스헤드 구동부를 갖는 종 방향으로 소기된 이중-연료 2행정 대형 디젤 엔진으로서 설계된 대형 디젤 엔진으로 지칭된다.
고도로 도식화된 표현에서, 도 1은 대형 디젤 엔진의 이러한 실시예의 수개의 실린더 중 하나의 실린더를 도시하며, 여기서 실린더는 전체가 참조 부호(10)에 의해 지정된다. 실린더(10) 내부측에, 피스톤(2)은 그 자체로 알려진 방식으로 배열되며, 이는 하부 반전 지점(UT)과 상부 반전 지점(OT) 사이에서 축 방향(A)으로 실린더 벽(11)을 따라 전후로 이동 가능하게 배열된다. 축 방향(A)은 실린더(10)의 실린더 축에 의해 규정된다.
피스톤(2)은, 실린더 커버(12)와 함께, 연소 프로세스가 발생하는 연소 챔버(13)를 한정하는 상부 측면(21)을 갖는다. 피스톤(2)은 적어도 하나의 제1 피스톤 링(22)(도 2)을 갖지만, 통상적으로 여러 개의 피스톤 링을 가지며, 피스톤 링 각각은 피스톤(2)의 원주를 따라 연장되는 피스톤 홈(23)에 배열된다.
크로스헤드 구동부로부터 알려진 바와 같이, 피스톤(2)은 피스톤 로드(6)를 통해 크로스헤드(도시되지 않음)에 연결되며, 이 크로스헤드는 푸시 로드(도시되지 않음)를 통해 크랭크 샤프트(도시되지 않음)에 연결되며, 그에 따라 피스톤(2)은 피스톤 로드(6), 크로스헤드 및 푸시 로드를 통해 크랭크 샤프트에 전달되어 피스톤(2)을 회전시킨다.
대형 디젤 엔진의 구조 및 개별 구성요소, 이를 테면, 액체 모드를 위한 분사 시스템(도시되지 않음), 가스 모드, 가스 교환을 위한 가스 공급 시스템, 배기 시스템(도시되지 않음) 또는 소기 공기 또는 차징 공기를 제공하기 위한 터보차저 시스템(도시되지 않음) 및 그러한 대형 디젤 엔진을 위한 검사 시스템 및 제어 시스템(도시되지 않음)은 2행정 엔진으로서의 설계 뿐만 아니라 4행정 엔진으로서의 설계 둘 모두에서 당업자에게 잘 알려져 있으며, 따라서, 여기서는 추가 설명이 필요하지 않다.
본 발명의 이해를 위해 충분하기 때문에, 이 구성요소 중 단지 하나의 유출 밸브(3)만이 도 1에 도시될뿐만 아니라, 연료로서 역할을 하는 가스가 가스 모드에서 실린더(10) 내로 도입되는 2개의 가스 유입 개구(4)가 도시된다. 2개의 가스 유입 개구(4)는 바람직하게는, 이들이 정반대가 되는 방식으로, 실린더 벽(11)에 배열된다. 다른 실시예에서, 물론, 단지 하나의 가스 유입 개구(4) 또는 심지어 2개 초과의 가스 유입 개구(4)가 제공될 수 있다. 축 방향(A)에 대해 상이한 높이로 가스 유입 개구를 제공하는 것이 또한 가능하다.
현대의 대형 디젤 엔진에서, 검사 및 제어 시스템은 전자 시스템이며, 이 전자 시스템으로 일반적으로 모든 엔진 또는 실린더, 특히 가스 모드 및 액체 모드 둘 모두에서의 분사(분사의 시작 및 종료)가 기능하며, 유출 밸브의 작동은 조정, 제어 또는 조절될 수 있다.
본원에서 설명되는 종 방향으로 소기된 2행정 대형 디젤 엔진의 실시예에서, 소기 공기 슬롯(5)은 일반적으로, 각각의 실린더(10) 또는 실린더 라이너의 하부 구역에 제공되며, 그 소기 공기 슬롯(5)은 실린더(10)에서 피스톤(2)의 이동에 의해 주기적으로 폐쇄 및 개방되며, 그에 따라 실린더(10)가 개방되는 한, 유입 리시버(도시되지 않음) 내의 충전 압력 하에서 터보차저에 의해 제공되는 소기 공기는 소기 공기 슬롯(5)을 통해 실린더(10) 내로 유동할 수 있도록 한다. 이는 도 1에서 참조 부호(L)로 표시된 2개의 화살표에 의해 표시된다. 실린더 헤드 또는 실린더 커버(12)에는 주로 중앙에 배열된 유출 밸브(3)가 제공되며, 이를 통해 연소 가스가 연소 프로세스 후에 실린더(10)로부터 배기 시스템(도시되지 않음)으로 배출될 수 있다. 배기 시스템은 연소 가스의 적어도 일부를 터보차저의 터빈(도시되지 않음)으로 지향시키고, 터빈의 압축기는 충전 공기 압력 하에서 유입 리시버에 충전 공기를 제공한다.
액체 모드에서 실린더(10)의 연소 챔버(13) 내로 액체 연료를 도입하기 위한 하나 이상의 연료 분사 노즐이 제공되며(도시되지 않음), 이는 예컨대, 유출 밸브(3) 근처의 실린더 커버(12)에 배열된다. 예컨대, 중유 또는 디젤유는 액체 모드에서 액체 연료로서 연소될 수 있다.
가스 모드에서의 가스 공급 또는 가스의 도입을 위해, 그 자체로 알려진 가스 공급 시스템이 제공되며, 그 중 2개의 가스 유입 개구(4)만을 도 1 및 도 2에 나타낸다. 가스 유입 개구(4)는 바람직하게 각각 가스 유입 노즐을 갖는 가스 유입 밸브로서 설계된다.
도 1은 피스톤(2)이 상부 반전 지점(OT)에 있을 때의 피스톤(2)의 위치를 실선으로 도시하고, 그리고 피스톤(2)이 하부 반전 지점(UT)에 있을 때의 피스톤(2)의 위치를 점선으로 도시한다. 피스톤(2)이 상부 반전 지점(OT)에 있을 때 피스톤(2)의 상부 측면(21)이 위치되는 축 방향(A)에 대한 위치와 피스톤(2)이 하부 반전 지점(UT)에 있을 때 피스톤(2)의 상부 측면(21)이 위치되는 위치 사이의 거리는 스트로크(S)로서 지정된다. 스트로크(S)를 규정하는 상부 반전 지점(OT)과 하부 반전 지점(UT) 사이의 이러한 거리는 대형 디젤 엔진에서 수 미터, 예컨대 최대 3미터 이상일 수 있다.
도 1에서, 다양한 크랭크 각도가 부가적으로 좌측에 표시된다. 크랭크 각도는 크랭크샤프트의 위치를 나타내고, 그 자체로 알려진 방식으로 대형 디젤 엔진의 작동 사이클을 특징으로 한다. 180°의 크랭크 각도에서, 피스톤(2)은 하사점으로 또한 지칭되는 하부 반전 지점(UT)에 있고; 360°의 크랭크 각도에서, 피스톤(2)은 상사점으로 또한 지칭되는 상부 반전 지점(OT)에 있다. 2행정 엔진으로서 설계되면, 완전한 작동 사이클은 360°를 포함한다. 피스톤(2)이 360°의 크랭크 각도에서, 즉 상부 반전 지점(OT)에서와 동일한 위치에 있는 0°의 크랭크 각도에서 시작하여, 피스톤(2)은 180°에서 하부 반전 지점(UT)에 도달할 때까지 팽창 스트로크 동안 하방으로 이동한다. 후속 압축 스트로크 동안, 피스톤(2)은 다시 360°에서 상부 반전 지점(OT)에 도달할 때까지 상방으로 이동한다. 연료의 불꽃 점화 또는 자기-점화는 통상적으로, 압축 스트로크 동안 피스톤(2)이 상부 반전 지점(OT)에 도달하기 직전에 발생한다.
본 발명은 특히, 가스 모드에서의 대형 디젤 엔진의 작동에 관한 것이다.
가스 유입 개구(4)는, 축 방향(A)에 대해, 피스톤(2)의 상부 반전 지점(OT)과 하부 반전 지점(UT) 사이의 대략 중간에 있는 높이(H)로 실린더 벽(11)에 배열된다. 높이(H)는, 피스톤(2)이 하부 반전 지점(UT)에 있을 때 가스 유입 개구(4)와 피스톤(2)의 상부 측면(21) 사이의 축 방향(A)의 거리를 나타낸다. 이 거리의 절대 값은 당연히 대형 디젤 엔진의 특정 설계에 의존하기 때문에, 특히 스트로크(S)에 의존하기 때문에, 높이(H)는 스트로크(S)의 백분율로서 표시된다.
예컨대, 높이(H)가 50%이면, 가스 유입 개구(4)는 상부 반전 지점(OT)에서 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 위치와 하부 반전 지점(UT)에서 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 위치 사이에서 축 방향(A)에 대해 정확히 중간에 배열된다. 높이(H)가 50%보다 작으면, 가스 유입 개구(4)는 축 방향(A)에 대해 하부 반전 지점(UT)에 더 가깝게 배열된다. 높이(H)가 50%보다 크면, 가스 유입 개구(4)는 축 방향(A)에 대해 상부 반전 지점(OT)에 더 가깝게 배열된다.
가스 유입 개구(4)가 구체적인 적용에 배열되는 높이(H)는 또한, 특히, 실린더(10) 상의 또는 그 근처에서 가스 공급 시스템을 위한 이용 가능한 공간에 의존한다. 가스 유입 개구(들)(4)가 스트로크(S)의 적어도 40% 및 최대 55%인 높이(H)에서 축 방향(A)에 대해 배열된다는 것이 많은 적용에 유용한 것으로 입증되었다.
본 발명에 따르면, 가스 모드에서 대형 디젤 엔진을 작동시킬 때, 가스의 도입은 유입 거리(E)에서 종료되며, 유입 거리(E)는 축 방향(A)으로 가스 유입 개구(4)로부터 피스톤(2)의 상부 측면의 거리를 나타내며, 유입 거리(E)는 스트로크(S)의 적어도 14%이다.
이하에서, 이는 이제 도 1 및 도 2에 표현된 실시예에 기초하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 2는, 유입 거리(E)에서의 피스톤(2), 즉, 실린더(10) 내로의 가스의 도입이 개개의 작업 사이클에서 종료된 직후의 피스톤(2)의 위치를 실선으로 도시한다. 이는, 가스가 실린더(10) 내로 더 이상 유동하지 않도록, 가스 유입 개구(4)의 폐쇄 프로세스 후에 가스 유입 개구(4)가 완전히 폐쇄된 직후의 시점을 지칭한다. 더욱이, 도 2는 피스톤(2)이 하부 반전 지점(UT)에 있을 때의 피스톤(2)의 위치를 점선으로 도시한다.
가스 유입 개구(4)가, 예컨대, 개방을 위한 스트로크 이동에 의해 밸브 시트 밖으로 리프팅되고, 그리고 폐쇄를 위한 스트로크 이동에 의해 밸브 시트 내로 가압되는 밸브 본체를 포함하는 가스 유입 밸브로서 설계되어, 밸브가 밀봉 방식으로 밸브 시트와 상호 작용한다면, 유입 거리(E)는, 밸브 본체가 밸브 시트에 완전히 재삽입되고 밀봉 방식으로 그 본체와 상호 작용하여서, 더 이상 가스가 가스 유입 개구(4)를 통해 실린더(10) 내로 유동할 수 없는 시점에서 가스 입구(4)와 피스톤(2)의 상부 측면(21) 사이의 축 방향(A)의 거리이다.
가스 분사의 시작에 의해, 피스톤(2)의 시점 또는 위치는 유사한 방식으로, 실린더(10) 내로의 가스 분사가 막 시작될 때, 예컨대, 밸브 본체의 스트로크 이동에 의해 밸브 시트 밸브로부터의 본체의 리프팅이 막 시작될 때를 의미한다.
예컨대, 밸브 본체가 100%의 최대 스트로크를 갖는다면 ― 여기서 100% 스트로크는 가스 유입 포트(4)가 완전히 개방된 밸브 본체의 위치에 대응하고, 0% 스트로크는 밸브 본체가 밀봉 방식으로 밸브 시트와 상호 작용하는 밸브 본체의 위치에 대응함 ―, 가스 분사의 시작은 밸브 본체의 스트로크가 0%로부터 막 증가하기 시작하는 시점이다. 가스 분사의 종료는, 밸브 본체의 스트로크가 다시 0%의 값을 막 취하는 시점이다.
가스 유입 개구(들)(4)의 다른 설계에도 동일하게 적용된다. 가스 분사의 시작은, 가스 유입 개구(들)(4)를 통한 가스의 유동이 막 시작될 때의 시점(또는 크랭크 각도에 의해 측정된 피스톤(2)의 위치)으로서 지정된다. 가스 분사의 종료는, 가스 유입 개구(들)(4)를 통한 가스의 유동이 막 종결될 때의 시점(또는 크랭크 각도에 의해 측정된 피스톤(2)의 위치)으로서 지정된다.
따라서, 유입 거리(E)는 가스 분사의 종료시에 가스 유입 개구(4)로부터 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 거리이다.
본 발명에 따르면, 유입 거리(E)는 스트로크(S)의 적어도 14%이다. 이는, 가스 분사의 종료시에, 피스톤(2)의 상부 측면(21)이 여전히 가스 유입 개구(4)로부터 스트로크(S)의 적어도 14% 떨어져 있다는 것을 의미한다. 작동 사이클에서 매우 조기에 실린더(10) 내로의 이러한 가스 분사가 종료된 결과로서, 가스 분사가 종료될 때 피스톤(2)의 상부 측면(21) 상에 에어 쿠션이 존재하며, 이는 피스톤(2)의 상부 측면(21)과 도입된 가스 사이에 배열된다. 이러한 에어 쿠션은, 바닥이 제1 피스톤 링(22)에 의해 한정된, 피스톤(2)과 실린더 벽(11) 사이의 환형 갭 영역 내로 가스가 침투하는 것을 ― 적어도 크게 ― 방지한다. 따라서, 에어 쿠션은 피스톤(2)의 상부 측면(21) 및 제1 피스톤 링(22)뿐만 아니라 피스톤 홈(23) 둘 모두에 대한 열 부하를 감소시킨다.
유입 거리(E)에 대한 최적의 값은 본 발명에 따른 방법의 특정 적용에 의존하며, 특히, 본 발명에 따른 방법에 의해 작동되는 대형 디젤 엔진의 설계에 의존한다.
실제로, 본 발명에 따른 방법의 일부 적용에서, 유입 거리(E)가 스트로크(S)의 적어도 18%인 것이 유리한 것으로 나타났다.
일부 적용에서, 유입 거리(E)가 스트로크(S)의 적어도 20%인 것이 유리하다.
일부 적용에서, 유입 거리(E)가 스트로크(S)의 적어도 23%인 것이 유리하다.
일부 적용에서, 유입 거리(E)가 스트로크(S)의 적어도 26%인 것이 유리하다.
일부 적용에서, 유입 거리(E)가 스트로크(S)의 적어도 29%인 것이 유리하다.
실제로, 유입 거리(E)가 너무 크게 선택되지 않으면 유리한 것으로 판명되는데, 왜냐하면, 그렇지 않으면 상당한 메탄 슬립의 위험이 있기 때문이다.
따라서, 유입 거리(E)는 스트로크(S)의 최대 35%인 것이 바람직하다.
일부 적용에서, 유입 거리(E)가 스트로크(S)의 최대 33%인 것이 유리하다.
연소에 필요한 양의 가스를 실린더(10) 내로 도입하는 데 시간이 요구되기 때문에, 가스의 도입은 바람직하게는, 피스톤(2)이 유입 거리(E)에 위치되는 크랭크 각도보다 바람직하게는 10° 내지 25° 더 작은 유입 각도로 시작된다. 따라서, 유입 각도는 가스 유입 개구(4)의 개방이 시작되는 크랭크 각도, 또는 실린더(10) 내로의 가스의 도입이 시작되는 크랭크 각도를 나타낸다. 결과적으로, 실린더 내로의 가스의 도입은 바람직하게는 적어도 10° 내지 최대 25°의 크랭크 각도 범위에 걸쳐 발생한다.
일부 적용의 경우, 유입 각도는 피스톤(2)이 유입 거리(E)에 위치되는 크랭크 각도보다 적어도 15° 및 최대 20° 더 작은 것이 바람직하다.

Claims (15)

  1. 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 대형 디젤 엔진은, 연소를 위해 실린더(10)에 액체 연료가 도입되는 액체 모드에서 작동될 수 있고 그리고 가스가 연료로서 실린더(10)에 도입되는 가스 모드에서 추가로 작동될 수 있는 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되고; 상기 대형 디젤 엔진은, 피스톤(2)이 하부 반전 지점(UT)과 상부 반전 지점(OT) 사이에서 축 방향으로 실린더 벽(11)을 따라 전후로 움직일 수 있도록 배열된 적어도 하나의 실린더(10)를 포함하고; 상기 피스톤(2)은 실린더(10)의 연소 챔버(13)를 한정하기 위한 상부 측면(21)을 가지며; 적어도 하나의 가스 유입 개구(4)가 실린더 벽(11)에 제공되고, 상기 개구를 통해 가스가 가스 모드에서 연료로서 실린더(10) 내로 도입되고,
    가스 모드에서, 상기 가스의 도입은 유입 거리(E)에서 종료되고,
    상기 유입 거리(E)는 축 방향(A)으로 상기 가스 유입 개구(4)로부터 상기 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 거리를 나타내고, 그리고
    상기 유입 거리(E)는 스트로크(S)의 적어도 14%이며, 상기 스트로크는 상기 상부 반전 지점(OT)과 상기 하부 반전 지점(UT)에서 상기 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 위치 차이에 의해 정의되는, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입 거리(E)는 상기 스트로크(S)의 적어도 18%인, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유입 거리(E)는 상기 스트로크(S)의 적어도 20%인, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 거리(E)는 상기 스트로크(S)의 적어도 23%인, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 거리(E)는 상기 스트로크(S)의 적어도 26%인, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 거리(E)는 상기 스트로크(S)의 적어도 29%인, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 거리(E)는 상기 스트로크(S)의 최대 35%인, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 거리(E)는 상기 스트로크(S)의 최대 33%인, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스의 도입은 일정 유입 각도로 시작되며,
    상기 유입 각도는 상기 가스 유입 개구(4)의 개방이 시작되는 크랭크 각도를 나타내고,
    상기 유입 각도는 상기 피스톤(2)이 상기 유입 거리(E)에 위치되는 크랭크 각도보다 10° 내지 25° 더 작은, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유입 각도는 상기 피스톤(2)이 상기 유입 거리(E)에 위치되는 크랭크 각도보다 15° 내지 20° 더 작은, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더(10) 내로 가스를 도입하기 시작하기 전에, 상기 실린더(10)로부터 연소 가스를 배출하기 위한 유출 밸브(3)가 폐쇄되는, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 가스 유입 개구(4)가 제공되며, 상기 가스 유입 개구(4)는 상기 축 방향(A)에 대해 동일한 높이(H)로 배열되는, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 가스 유입 개구(4)는 상기 스트로크(S)의 40% 내지 55%인 높이(H)로 축 방향(A)에 대해 배열되고, 상기 높이(H)는 상기 피스톤(2)이 하부 반전 지점(UT)에 있을 때 상기 피스톤(2)의 상부 측면(21)의 위치로부터 측정되는, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  14. 대형 디젤 엔진으로서,
    상기 대형 디젤 엔진은 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 작동되는, 대형 디젤 엔진.
  15. 제14항에 있어서,
    종 방향으로 소기되는 2행정 대형 디젤 엔진(longitudinally scavenged two-stroke large diesel engine)으로서 설계된, 대형 디젤 엔진.
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