KR20220104054A - 내연 엔진 - Google Patents

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KR20220104054A
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cylinder
injection event
gas injection
supply system
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KR1020227022679A
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쉥후이 콩
카 문 팡
에릭 바우도인
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만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드
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Publication date
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Abstract

적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진이 개시된다. 2-행정 내연 엔진은 연료가스 공급 시스템을 통해 연료가스를 하나 이상의 실린더 내로 분사하도록 구성되며, 연료가스 공급 시스템은 적어도 하나의 실린더에 대하여 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열된 하나 이상의 연료가스 밸브를 포함한다. 연료가스 공급 시스템은 적어도 제1 연료가스 분사 이벤트 및 이 제1 연료가스 분사 이벤트에 뒤이은 제2 연료가스 분사 이벤트 동안 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다.

Description

내연 엔진
본 발명은 2-행정 내연 엔진 및 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 관한 것이다.
2-행정 내연 엔진은 컨테이너선, 벌크선 및 유조선과 같은 선박에서 추진 엔진으로서 사용되고 있다. 내연 엔진으로부터의 원치 않는 배기가스의 감소는 점점 중요해지고 있다.
원치 않는 배기가스의 양을 감소시키는 효과적인 방법은 예컨대 중유(HFO)와 같은 연료유로부터 연료가스로의 전환이다. 연료가스는 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 분사될 수 있으며, 여기서 압축시 실린더 내의 가스가 도달하는 고온에 의해 또는 파일럿 연료의 점화에 의해 즉시 점화될 수 있다. 그러나, 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 연료가스를 분사하는 것은, 실린더 내의 큰 압력을 극복하기 위해 분사 전에 연료가스를 압축하기 위한 대형 가스 압축기를 필요로 한다.
그러나 대형 가스 압축기는 가격이 비싸고 제조 및 유지보수가 복잡하다. 이러한 대형 압축기의 필요를 회피하는 하나의 방법은, 실린더 내의 압력이 상당히 낮은 압축 행정의 초기에 연료가스를 분사하도록 구성되는 연료가스 밸브를 갖추는 것이다.
특허문헌 EP 3015679호에는 그러한 연료가스 밸브가 개시되어 있다.
그러나 실린더 내의 소기 ????공기와 연료가스 사이의 빠르고 효율적인 혼합을 확보하는 것은 어려울 수 있다.
연료가스와 소기공기가 불균일하게 혼합되면 연료가스의 불량한 연소나 조기 점화 또는 노킹을 초래할 수 있다.
한 가지 해결책은 압축 행정의 매우 초기에 연료가스를 분사하여 가스가 더 오랜 기간 동안 혼합되도록 하는 것이다. 그러나, 배기 밸브가 폐쇄되기 전에 연료가스가 실린더 내로 분사되면, 원치 않는 연료가스 누출을 초래할 수 있다.
따라서, 실린더 내에서의 연료가스와 소기공기의 혼합을 개선하는 것이 문제로 남아 있다.
제1 태양에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진에 관한 것으로서, 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 실린더 내에 이동 가능하게 배열되며, 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 입구를 가지며, 여기서 2-행정 내연 엔진은 연료가스 공급 시스템을 통해 연료가스를 적어도 하나의 실린더 내로 분사하도록 구성되고, 연료가스 공급 시스템은, 적어도 하나의 실린더에 대하여, 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합되도록 할 수 있고 점화 전에 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 압축되도록 허용하는 하나 이상의 연료가스 밸브를 포함하며, 여기서 연료가스 공급 시스템은, 최대 엔진 부하의 적어도 50%의 엔진 부하 하에서, 적어도 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제1 연료가스 분사 이벤트 이후의 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되며, 여기서 하나 이상의 연료가스 밸브의 제1 연료가스 밸브는 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트 양쪽 모두 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되며, 여기서 제1 연료가스 밸브를 통한 연료가스의 피크 흐름은 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 사이에서보다 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 양쪽 모두 동안에 더 높다.
다중 분사 이벤트 동안에 연료가스를 분사함으로써, 연료가스 밸브에 대향되는 내부 실린더 벽 부분에 대한 분사된 연료가스의 충돌은 저감될 수 있다. 이것은 소기공기와 연료가스의 더 나은 혼합을 초래할 수 있다. 추가적으로, 낮은 정도의 충돌은 실린더의 길이방향 축선을 따른 분사된 연료가스의 속도 성분을 감소시켜 배기 밸브를 통한 연료가스의 원치 않는 누출 위험을 감소시킬 수 있다.
내연 엔진은 바람직하게는, 예컨대 컨테이너선이 순항 속도에 있을 때, 정상 작동 동안에 다중 분사를 이용하도록 구성된다. 따라서, 엔진은 최대 엔진 부하의 적어도 50%, 70%, 90% 또는 100%의 엔진 부하 하에서 다중 분사를 이용하도록 구성될 수 있다.
내연 엔진은 바람직하게는 실린더 당 적어도 400kW의 동력을 갖는 선박을 추진하기 위한 유니플로 소기식의 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진이다. 내연 엔진은 내연 엔진에 의해 생성된 배기가스에 의해 구동되고 소기공기를 압축하도록 구성되는 터보차저를 포함할 수 있다. 내연 엔진은 연료가스로 운전할 때의 오토 사이클 모드 및 대체 연료 예컨대 중유 또는 마린 디젤 오일로 운전할 때의 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진일 수 있다. 그러한 이중-연료 엔진은 대체 연료를 분사하기 위한 전용의 연료 공급 시스템을 갖는다.
내연 엔진은 바람직하게는 복수의 실린더, 예컨대 4 내지 14개의 실린더들을 포함한다. 내연 엔진은 복수의 실린더의 각각의 실린더에 대하여 실린더 커버, 배기 밸브, 피스톤, 연료가스 밸브, 및 소기공기 입구를 더 포함한다.
연료가스 공급 시스템은 바람직하게는 음속 조건, 즉 음속과 동일한 속도, 즉 일정한 속도 하에서 하나 이상의 연료가스 밸브를 통해 연료가스를 분사하도록 구성된다. 음속 조건은 노즐 목(최소 단면적)을 가로지르는 압력 강하 비율이 대략 2보다 클 때 달성될 수 있다.
가스 분사는 연소실 내의 압력이 허용하는 한 시작될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 연료가스 밸브는, 예컨대 하사점에서 ??5도에서, 팽창 행정의 마지막 부분 동안에 연료가스의 분사를 시작하도록 구성될 수 있다. 따라서 연료가스의 분사는 팽창 행정과 압축 행정 양쪽 모두 동안에 발생할 수 있다. 바람직하게는, 피스톤이 소기공기 입구를 지나 이동해서 연료가스가 배기 밸브 및 소기공기 입구를 통하여 상당한 양이 빠져나가는 것을 효과적으로 방지하도록, 연료가스 밸브는 크랭크샤프트 축선이 하사점에서 몇 도 회전한 후에 연료가스 분사를 시작하도록 구성된다.
일부 실시형태들에서, 하나 이상의 연료가스 밸브는 하사점으로부터 0도 내지 160도 이내, 하사점으로부터 0도 내지 130도 이내, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도 이내에서 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다.
하나 이상의 연료가스 밸브는 상사점과 하사점 사이, 바람직하게는 소기공기 입구 위의 위치에서의 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열된다. 하나 이상의 연료가스 밸브는 실린더 내로 연료가스를 분사하기 위하여 실린더 벽에 배열된 노즐을 포함할 수 있다. 연료가스 밸브의 (노즐 이외의) 다른 부분은 실린더 벽의 외부에 배열될 수 있다.
연료가스의 예로는 액화천연가스(LNG), 메탄, 에탄, 바이오 가스 및 액화석유가스(LPG)가 있다.
내연 엔진은 소량의 파일럿 연료, 예컨대 중유 또는 마린 디젤 오일을 분사 가능한 파일럿 연료 시스템과 같은 전용의 점화 시스템을 포함할 수 있으며, 정확하게 측정된 바로 그 양으로 연료가스와 소기공기의 혼합물을 점화시킬 수 있어 필요한 양의 파일럿 연료만이 사용되도록 한다. 그러한 파일럿 연료 시스템은 대체 연료를 위한 전용의 연료 공급 시스템에 비해 크기가 훨씬 작고 정확한 양의 파일럿 연료를 분사하기에 더 적합하며, 대체 연료를 위한 전용의 연료 공급 시스템은 큰 크기의 구성부품으로 인해 이러한 목적에 적합하지 않다.
파일럿 연료는 내연 엔진의 연소실 내로 또는 연소실에 유체 연결된 프리-챔버 내에 직접 분사될 수 있다. 대안적으로, 연료가스 및 소기공기의 혼합물은 점화 플러그 또는 레이저 점화기를 포함하는 수단에 의해 점화될 수 있다.
제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트는 동일한 지속시간을 가질 수 있다. 대안적으로, 제1 연료가스 분사 이벤트는 제2 연료가스 분사 이벤트와 상이한 지속기간을 가질 수 있다. 연료가스 공급 시스템은 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 사이에 실린더로의 연료가스의 공급을 완전히 차단하도록 구성될 수 있다. 연료가스는 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 동일한 하나 이상의 연료가스 밸브를 사용하여 분사될 수 있다. 대안적으로, 연료가스는 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 상이한 연료가스 밸브를 사용하여 분사될 수 있으며, 예컨대 연료가스는, 제1 연료가스 분사 이벤트 동안에 제1 연료가스 밸브를 포함하는 하나 이상의 연료가스 밸브의 제1 그룹을 사용하여, 그리고 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 제2 연료가스 밸브를 포함하는 하나 이상의 연료가스 밸브의 제2 그룹을 사용하여 분사될 수 있다.
제1 연료가스 밸브는 음속 조건 하에서 제1 연료가스 분사 이벤트의 일부 및 제2 연료가스 분사 이벤트의 일부 동안에 연료가스를 분사하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 연료가스 공급 시스템은 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 사이에서 제1 연료가스 밸브를 완전히 폐쇄하도록 구성된다.
일부 실시형태들에서, 연료가스 공급 시스템은 유휴 기간 동안에 제1 연료 분사 이벤트와 제2 연료 분사 이벤트 사이에서 폐쇄된 제1 연료가스 밸브를 유지하도록 구성된다.
결과적으로, 제1 연료가스 분사 이벤트 동안에 분사된 연료가스는 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 분사된 연료가스에 의해 영향을 받기 전에 실린더 내부로 더 잘 분산되도록 허용될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 연료가스 공급 시스템은 제1 연료가스 분사 밸브에 작동 가능하게 연결된 제어 유닛을 포함하며, 제어 유닛은 엔진 부하에 따라 제1 연료가스 분사 이벤트 및/또는 제2 연료가스 분사 이벤트를 수정하도록 구성된다.
일부 실시형태들에서, 제어 유닛은 엔진 부하에 따라 제1 연료가스 분사 이벤트 및/또는 제2 연료가스 분사 이벤트의 길이를 수정하도록 구성된다.
결과적으로, 압축 행정 동안에 분사되는 연료가스의 양을 제어하는 ????효과적인 방법이 제공된다. 이것은 또한 연료가스의 분사 압력을 변경하지 않고 분사되는 연료가스의 양의 제어를 가능하게 한다.
연료가스의 분사 압력은 상이한 엔진 부하에 대하여 대략 일정할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 제어 유닛은 엔진 부하에 따라 압축 행정 동안에 연료가스가 분사되는 분사 이벤트의 수를 변경하여, 개별적인 분사 이벤트의 길이가 상대적으로 긴 높은 엔진 부하에 대해서보다 개별적인 분사 이벤트의 길이가 상대적으로 짧은 낮은 엔진 부하에 대해 분사 이벤트의 수가 더 많도록 구성된다.
결과적으로, 낮은 엔진 부하 동안에 연료 분사에 사용가능한 추가 시간을 효과적으로 활용하여 소기공기와 연료가스의 더 나은 혼합을 확보할 수 있다.
결과적으로, 배기 밸브를 향한 연료가스의 감소된 전파를 초래하는 분사된 연료가스의 낮은 충돌 정도는, 압축 행정 동안에 연료가스가 더 일찍 분사되도록 허용하여, 연료가스가 소기공기와 혼합되기 위한 더 많은 시간을 제공할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 분사 방향 및/또는 분사 지속시간은 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 사이에서 상이하다.
일부 실시형태들에서, 연료가스 공급 시스템은 제2 연료가스 분사 이벤트에 뒤이은 제3 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 추가로 분사하도록 구성된다.
일부 실시형태들에서, 하나 이상의 연료가스 밸브는 제2 연료가스 밸브를 더 포함하며, 여기서 제2 연료가스 밸브는 적어도 2개의 연료가스 분사 이벤트 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다.
적어도 2개의 연료가스 분사 이벤트는 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 이벤트일 수 있다. 대안적으로, 적어도 2개의 연료가스 분사 이벤트는 또한 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트와 상이할 수 있으며, 예컨대 적어도 2개의 연료가스 분사 이벤트는 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트와 중첩되지 않거나 부분적으로만 중첩될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 제1 연료가스 밸브 및 제2 연료가스 밸브는 대략 동일한 높이에서 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열된다.
일부 실시형태들에서, 제1 연료가스 밸브와 제2 연료가스 밸브의 타이밍은, 소기공기와 연료가스의 더 균질한 혼합물이 초래되도록, 비동기식(asynchronous)이다.
일부 실시형태들에서, 제1 양의 연료가스가 하나 이상의 연료가스 밸브를 통해 실린더 내로 유입되며, 여기서 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트는, 제1 양의 연료가스가 단일의 연료가스 분사 이벤트 동안에 실린더 내로 유입되는 상황에 비해, 연료가스와 소기공기 사이의 더 균질한 혼합물이 초래되도록 설계된다.
일부 실시형태들에서, 연료가스 공급 시스템은 압축 행정의 분사 기간 내에 하나 이상의 연료가스 밸브를 통해 실린더 내로 연료가스를 분사할 수 있으며, 여기서 연료가스 공급 시스템은 엔진이 최대 엔진 부하로 작동 중일 때 필요한 연료가스의 적어도 120%를 분사 기간 내에 유입시킬 수 있도록 연료가스 공급 시스템은 과대-치수화(over-dimensioned)되며, 그에 따라 엔진이 최대 엔진 부하로 작동 중일 때에도 다중 연료가스 분사 이벤트가 이용될 수 있다.
제2 태양에 따르면, 본 발명은 컴퓨터 판독가능 코드를 저장하는 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 관한 것으로서, 컴퓨터 판독가능 코드는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진의 제어 유닛에 의해 실행 가능하며, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진은 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하며, 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 실린더 내에 이동 가능하게 배열되며, 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 입구를 가지며, 여기서 2-행정 내연 엔진은 연료가스 공급 시스템을 통해 연료가스를 적어도 하나의 실린더 내로 분사하도록 구성되고, 연료가스 공급 시스템은, 적어도 하나의 실린더에 대하여, 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합되도록 할 수 있고 점화 전에 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 압축되도록 허용하는 하나 이상의 연료가스 밸브를 포함하며, 제어 유닛은 하나 이상의 연료 가스 분사 밸브 중 제1 연료가스 분사 밸브에 작동 가능하게 연결되며, 여기서 컴퓨터 판독가능 코드는 적어도 제1 연료가스 분사 이벤트 및 이 제1 연료가스 분사 이벤트에 뒤이은 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 제1 연료가스 밸브를 제어하기 위해 제어 유닛을 제어하도록 구성된다.
본 발명의 상이한 태양은 전술한 및 후술하는 바와 같이 2-행정 내연 엔진 및 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하여 상이한 방식으로 구현될 수 있으며, 전술한 적어도 하나의 태양과 관련하여 설명된 하나 이상의 이점 및 장점을 각각 제공하며, 전술한 및/또는 종속 청구항에 기재된 태양들 중 적어도 하나와 관련하여 설명된 바람직한 실시형태에 상응하는 하나 이상의 바람직한 실시형태를 각각 갖는다. 나아가서, 여기에 설명된 태양들 중 하나와 관련하여 설명된 실시형태는 또 다른 태양에 동일하게 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 상기된 및/또는 부가적인 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대한 다음의 예시적이고 비-제한적인 상세한 설명에 의해 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진용 연료가스 밸브(200)의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시형태들에 따른 다양한 유형의 분사 이벤트를 도시한다.
이하의 설명에서, 본 발명이 구체화되는 방식을 예시에 의해 나타내는 첨부된 도면을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 해양 선박 추진용 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진(100)의 단면을 개략적으로 도시한다. 엔진(100)은 소기공기 시스템(111), 배기가스 리시버(108), 연료가스 공급 시스템, 및 터보차저(109)를 포함한다. 엔진은 복수의 실린더(101)들을 갖는다(단면도에는 단일의 실린더만 도시되어 있음). 각각의 실린더(101)는 실린더 벽(115)을 갖고 실린더(101)의 하부에 배열된 소기공기 입구(102)를 포함한다. 엔진은 각 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 내에서 이동가능하게 배열된다. 연료가스 공급 시스템은 압축 행정 동안에 실린더(101) 내로 연료가스를 분사하도록 구성된 하나 이상의 연료가스 밸브(105)(개략적으로만 도시됨)를 포함하여 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 점화 전에 소기공기와 연료가스의 혼합을 허용한다. 연료가스 밸브(105)는 실린더 커버(112)와 소기공기 유입구(102) 사이의 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열된다. 엔진은 실린더 벽(115)에 적어도 부분적으로 배열되는 프리-챔버(114)를 더 포함하며, 프리-챔버(114)는 실린더 벽에 형성되는 제1 개구부를 통하여 실린더 내로 개방되며, 프리-챔버는 피스톤이 상사점에 가까워지거나 상사점에 있을 때 실린더(101) 내의 소기공기 및 연료가스의 혼합물을 점화시키도록 구성된다. 프리-챔버는 대안적으로 실린더 커버(112)에 배치될 수 있다. 대안적으로, 엔진은 파일럿 연료를 실린더 내로 직접 분사하도록 구성되는 하나 이상의 파일럿 연료 분사기를 구비할 수 있다. 하나 이상의 파일럿 연료 분사기는 실린더 벽(115) 또는 실린더 커버(112)에 배열될 수 있다. 소기공기 입구(102)는 소기공기 시스템에 유체 연결(fluidly connected)되어 있다. 피스톤(103)은 가장 낮은 위치(하사점)에 있는 것으로 도시되어 있다. 피스톤(103)은 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크샤프트(도시생략)에 연결된 피스톤 로드를 갖는다. 연료가스 밸브(105)는 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합되도록 하고 소기공기와 연료가스의 혼합물이 점화 전에 압축되도록 허용한다. 소기공기 시스템(111)은 소기공기 리시버(110) 및 공기 냉각기(106)를 포함한다. 연료가스 공급 시스템은 적어도 제1 연료가스 분사 이벤트 및 이 제1 연료가스 분사 이벤트에 뒤이은 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다.
다중 분사 이벤트 동안에 연료가스를 분사함으로써, 연료가스 밸브에 대향되는 내부 실린더 벽 부분에 대한 분사된 연료가스의 충돌은 저감될 수 있다. 이것은 소기공기와 연료가스의 더 나은 혼합을 초래할 수 있다. 추가적으로, 더 낮은 충돌 정도는 실린더의 중심축선(113)을 따른 분사된 연료가스의 속도 성분을 감소시켜 배기 밸브를 통한 연료가스의 원치 않는 누출 위험을 감소시킬 수 있다.
연료가스 밸브(105)는 하사점으로부터 0도 내지 130도 내의 압축 행정의 초기에, 즉, 크랭크샤프트가 하사점에서의 배향으로부터 0도 내지 130도 회전하였을 때, 실린더(101) 내로 연료가스를 분사하도록 구성될 수 있다. 따라서 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트는 양쪽 모두 하사점에서 0도 내지 130도 내의 압축 행정의 초기에, 즉 크랭크샤프트가 하사점에서의 배향으로부터 0도 내지 130도 회전하였을 때, 발생할 수 있다. 바람직하게는, 배기 밸브(104) 및 소기공기 입구(102)를 통해 연료가스가 배출되는 것을 방지하기 위해 피스톤이 소기공기 입구(102)를 지나갈 수 있도록, 크랭크샤프트 축이 하사점으로부터 몇 도 회전된 이후에 연료가스 밸브(105)는 연료가스 분사를 시작하도록 구성된다. 연료가스 분사 기간의 끝은 연료가스 밸브(105)의 위치에 의해 제한되는데, 즉 피스톤(103)이 연료가스 분사 밸브를 지나 이동하면, 연료가스의 분사는 더 이상 불가능하다.
엔진(100)은 바람직하게는 연료가스로 운전할 때의 오토 사이클 모드 및 대체 연료 예컨대 중유 또는 마린 디젤 오일로 운전할 때의 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진이다. 그러한 이중-연료 엔진은 대체 연료를 분사하기 위한 전용의 대체 연료 공급 시스템을 갖는다. 따라서 선택적으로 엔진(100)은 대체 연료 공급 시스템의 일부를 형성하는 실린더 커버(112)에 배열되는 하나 이상의 연료 분사기(116)를 더 포함한다. 엔진(100)이 대체 연료로 작동할 때 연료 분사기(116)는 고압 하에서의 압축 행정의 끝에서 대체 연료, 예컨대 중유를 분사하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진용 연료가스 밸브(200)의 단면을 개략적으로 도시한다. 연료가스 밸브는 밸브 샤프트(201), 밸브 헤드(202), 밸브 시트(203), 및 노즐 출구(206)를 갖는 연료가스 노즐(204)을 포함한다. 연료가스 밸브는 연료가스 밸브를 개방하기 위한 액추에이터(207)를 더 구비한다. 연료가스 밸브에는 액추에이터로부터의 힘의 부재시 폐쇄된 밸브를 유지하도록 구성되는 스프링(도시하지 않음)을 더 구비할 수 있다. 액추에이터(207)는 제어 유닛(208)에 작동 가능하게 연결될 수 있고, 제어 유닛(208)은 밸브를 개방 및/또는 밸브를 폐쇄하도록 액추에이터를 제어하기 위해 액추에이터에 제어 신호를 전송하도록 구성된다. 제어 유닛(208)은
적어도 제1 연료가스 분사 이벤트 및 이 제1 연료가스 분사 이벤트에 뒤이은 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 연료가스 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시형태들에 따른 단일의 연료가스 밸브에 의해 수행되는 다양한 유형의 연료가스 분사 이벤트를 도시한다. 각 도면의 가로축은 크랭크 각도를 나타내고 각 도면의 세로축은 질량유량을 나타낸다.
도 3a에는 제1 연료가스 분사 이벤트(301) 및 제2 연료가스 분사 이벤트(302)가 도시되어 있으며, 여기서 지속시간 및 질량유량 양쪽 모두는 제1 연료가스 분사 이벤트(301) 및 제2 연료가스 분사 이벤트에 있어서 동일하다. 질량 유량은 0이고 2개의 연료가스 분사 이벤트(301, 302) 사이에 유휴 기간이 있다.
도 3b에는 제1 연료가스 분사 이벤트(301) 및 제2 연료가스 분사 이벤트(302)가 도시되어 있으며, 여기서 제1 연료가스 분사 이벤트(301) 및 제2 연료가스 분사 이벤트(302)의 지속시간은 동일하지만 제1 연료가스 분사 이벤트(301)의 질량 유량은 제2 연료가스 분사 이벤트(302)의 질량 유량보다 높다. 질량 유량은 2개의 연료가스 분사 이벤트(301, 302) 사이에서 0이지만 유휴 기간은 없다.
도 3c에는 제1 연료가스 분사 이벤트(301) 및 제2 연료가스 분사 이벤트(302)가 도시되어 있으며, 여기서 2개의 연료가스 분사 이벤트(301, 302)에서의 질량 유량은 동일하다. 질량 유량은 2개의 연료가스 분사 이벤트(301, 302) 사이에서 0이 아니다. 따라서, 연료가스 밸브는 2개의 연료가스 분사 이벤트 사이에서 완전히 폐쇄되지 않는다.
도 3d에는 제1 연료가스 분사 이벤트(301) 및 제2 연료가스 분사 이벤트(302)가 도시되어 있으며, 여기서 질량 유량은 제1 연료가스 분사 이벤트(301) 및 제2 연료가스 분사 이벤트(302)에서 동일하지만 제1 연료가스 분사 이벤트(301)의 지속시간은 제2 연료가스 분사 이벤트(302)의 지속시간보다 더 길다. 질량 유량은 0이고 2개의 연료가스 분사 이벤트(301, 302) 사이에 유휴 기간이 있다.
도 3e에는 제1 연료가스 분사 이벤트(301), 제2 연료가스 분사 이벤트(302) 및 제3 연료가스 분사 이벤트(303)가 도시되어 있으며, 여기서 지속시간 및 질량 유량은 3개의 연료가스 분사 이벤트(301, 302, 303) 모두에서 동일하다.
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 종속 청구항들에서 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.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진으로서,
    상기 실린더는 실린더 벽을 가지며, 상기 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 상기 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 실린더 내에 이동 가능하게 배열되며, 상기 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 입구를 가지며,
    2-행정 내연 엔진은 상기 연료가스 공급 시스템을 통해 연료가스를 적어도 하나의 실린더 내로 분사하도록 구성되고, 상기 연료가스 공급 시스템은, 적어도 하나의 실린더에 대하여, 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합되도록 할 수 있고 점화 전에 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 압축되도록 허용하는 하나 이상의 연료가스 밸브를 포함하며,
    상기 연료가스 공급 시스템은, 최대 엔진 부하의 적어도 50%의 엔진 부하 하에서, 적어도 제1 연료가스 분사 이벤트 및 상기 제1 연료가스 분사 이벤트 이후의 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되며,
    하나 이상의 연료가스 밸브의 제1 연료가스 밸브는 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트 양쪽 모두 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되며,
    제1 연료가스 밸브를 통한 연료가스의 피크 흐름은 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 사이에서보다 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트 양쪽 모두 동안에 더 높은, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료가스 공급 시스템은 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 사이에서 제1 연료가스 밸브를 완전히 폐쇄하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료가스 공급 시스템은 유휴 기간 동안에 제1 연료가스 분사 이벤트와 제2 연료가스 분사 이벤트 사이에서 폐쇄된 제1 연료가스 밸브를 유지하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료가스 공급 시스템은 제1 연료가스 분사 밸브에 작동 가능하게 연결된 제어 유닛을 포함하며, 상기 제어 유닛은 엔진 부하에 따라 제1 연료가스 분사 이벤트 및/또는 제2 연료가스 분사 이벤트를 수정하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 유닛은 엔진 부하에 따라 제1 연료가스 분사 이벤트 및/또는 제2 연료가스 분사 이벤트의 길이를 수정하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 유닛은 엔진 부하에 따라 압축 행정 동안에 연료가스가 분사되는 분사 이벤트의 수를 변경하여, 개별적인 분사 이벤트의 길이가 상대적으로 긴 높은 엔진 부하에 대해서보다 개별적인 분사 이벤트의 길이가 상대적으로 짧은 낮은 엔진 부하에 대해 분사 이벤트의 수가 더 많도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 연료가스 밸브는 제2 연료가스 밸브를 더 포함하며, 상기 제2 연료가스 밸브는 적어도 2개의 연료가스 분사 이벤트 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 연료가스 밸브 및 상기 제2 연료가스 밸브는 동일한 높이에서 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 연료가스 밸브와 상기 제2 연료가스 밸브의 타이밍은 소기공기와 연료가스의 보다 균질한 혼합물이 초래되도록 비동기식인, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료가스 공급 시스템은 제2 연료가스 분사 이벤트 이후의 제3 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 추가로 분사하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 양의 연료가스가 하나 이상의 연료가스 밸브를 통해 실린더 내로 유입되며, 제1 연료가스 분사 이벤트 및 제2 연료가스 분사 이벤트는, 상기 제1 양의 연료가스가 단일의 연료가스 분사 이벤트 동안에 실린더 내로 유입되는 상황에 비해, 연료가스와 소기공기 사이의 더 균질한 혼합물이 초래되도록 설계되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료가스 공급 시스템은 압축 행정의 분사 기간 내에 하나 이상의 연료가스 밸브를 통해 실린더 내로 연료가스를 분사할 수 있으며, 상기 연료가스 공급 시스템은 엔진이 최대 엔진 부하로 작동 중일 때 필요한 연료가스의 적어도 120%를 분사 기간 내에 유입시킬 수 있도록 상기 연료가스 공급 시스템은 과대-치수화되며, 그에 따라 엔진이 최대 엔진 부하로 작동 중일 때에도 다중 연료가스 분사 이벤트가 이용될 수 있는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진.
  13. 컴퓨터 판독가능 코드를 저장하는 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체로서,
    상기 컴퓨터 판독가능 코드는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진의 제어 유닛에 의해 실행 가능하며,
    상기 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진은 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료가스 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하며, 상기 실린더는 실린더 벽을 가지며, 상기 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 상기 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 실린더 내에 이동 가능하게 배열되며, 상기 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 입구를 가지며,
    2-행정 내연 엔진은 연료가스 공급 시스템을 통해 연료가스를 적어도 하나의 실린더 내로 분사하도록 구성되고, 상기 연료가스 공급 시스템은, 적어도 하나의 실린더에 대하여, 실린더 벽에 적어도 부분적으로 배열되고, 최대 엔진 부하의 적어도 50%의 엔진 부하 하에서, 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합되도록 할 수 있고 점화 전에 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 압축되도록 허용하는 하나 이상의 연료가스 밸브를 포함하며,
    상기 제어 유닛은 하나 이상의 연료가스 분사 밸브 중 제1 연료가스 분사 밸브에 작동 가능하게 연결되며,
    상기 컴퓨터 판독가능 코드는 적어도 제1 연료가스 분사 이벤트 및 상기 제1 연료가스 분사 이벤트 이후의 제2 연료가스 분사 이벤트 동안에 압축 행정 동안에 적어도 하나의 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 제1 연료가스 밸브를 제어하기 위해 제어 유닛을 제어하도록 구성되는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
KR1020227022679A 2019-12-06 2020-12-07 내연 엔진 KR20220104054A (ko)

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