KR20230003221A - 2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템, 2 행정 내연 피스톤 엔진 및 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법 - Google Patents

2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템, 2 행정 내연 피스톤 엔진 및 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법 Download PDF

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야오 샤오
미꼬 멘뻬에
마르띤 뢴베리
데이비드 씨 제이
안띠 부오히요끼
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바르실라 핀랜드 오이
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Abstract

본 발명은 내연 피스톤 엔진 (1) 용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10) 에 관한 것으로서, 상기 연료 공급 시스템 (10) 은 극저온 상태에서 액화된 가스를 저장하도록 구성된 액화된 가스 저장 탱크 (14), 상기 탱크로부터 상기 엔진 (1) 의 연료 분사기까지 연장되는 연료 공급 라인 (16) 으로서, 연료 공급 라인 (16) 은 적어도: 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18), 상기 액화된 가스를 증발시키고 기체 가스를 가열하는 열교환기 유닛 (22), 및 상기 열교환기 유닛 (22) 과 상기 연료 분사기 사이의 기체 가스 축압기 (24) 를 포함하는, 상기 연료 공급 라인 (14), 및 상기 기체 가스 축압기 (24) 와 유체 연통하는 적어도 하나의 기체 가스 연료 분사기들을 포함한다. 상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 은 펌핑 부분 (32) 및 구동 부분 (34) 을 갖는 왕복 피스톤, 및 상기 왕복 피스톤을 왕복 방식으로 구동하기 위해 유압 동력 유체의 공급원 (102) 으로부터 상기 왕복 피스톤의 상기 구동 부분 (34) 까지 유압 동력 유체를 일정한 압력하에 있게 하도록 배열된 유압 구동 조립체 (36) 를 포함한다.

Description

2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템, 2 행정 내연 피스톤 엔진 및 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 직접 분사 기체 연료 공급 시스템이 제공된 2 행정 내연 피스톤 엔진 및 2 행정 내연 엔진의 작동 방법에 관한 것이다.
내연 피스톤 엔진은 전력 및/또는 추진력을 생산하기 위해 육상 발전소 및 해양 선박에 기계적 동력을 제공하는데 널리 사용된다.
이중 연료 엔진은, 엔진 실린더로 유입되는 흡입 공기와 비교적 낮은 압력에서 혼합되는 천연 가스와 같은 저압 가스 연료를 사용한다. 특정 작동 조건에서 실린더에 제공되는 공기/기체 연료 혼합물은 압축된 다음, 스파크를 사용하거나 실린더에 존재하는 공기/기체 연료 혼합물에 분사되는 디젤과 같은 압축 점화 파일럿 연료를 사용하여 점화된다.
이와 같이 직접 분사 가스 엔진이 또한 공지되어 있는데, 액화된 천연 가스 (LNG) 와 같은 기체 연료는 디젤 파일럿으로부터 실린더에서의 연소가 이미 진행 중인 상태에서 고압에서 실린더 내로 분사된다. 직접 분사 가스 엔진은 기체 연료로 작동하며 디젤 파일럿은 기체 연료의 점화를 제공한다.
DK 179056 B1 은 대형 2 행정 압축 점화식 내연 엔진에 고압 가스를 공급하기 위한 연료 공급 시스템을 개시하고 있다. 엔진에는 공급된 고압 가스를 엔진의 연소실에 분사하기 위한 연료 분사 시스템이 제공된다. 연료 공급 시스템은, 액화된 가스 저장 탱크로부터 고압 펌프로 액화된 가스를 운반하기 위해 액화된 가스 저장 탱크의 출구를 고압 펌프의 입구에 연결하는 공급 도관, 고압 펌프로부터 고압 기화기로 고압 액화된 가스를 운반하기 위해 고압 펌프의 출구를 고압 기화기의 입구에 연결하는 이송 도관, 엔진의 연료 분사 시스템에 고압 기화된 가스를 운반하기 위해 고압 기화기의 출구를 엔진의 연료 분사 시스템의 입구에 연결하는 보급 도관을 포함한다. 고압 펌프는 2 개 이상의 펌프 유닛들을 포함한다. 각각의 펌프 유닛은 펌프 실린더에 활주가능하게 배치된 펌프 피스톤 및 펌프 피스톤을 구동하기 위해 펌프 피스톤에 결합된 구동 피스톤과 함께 구동 실린더에 활주가능하게 배치된 유압 동력식 구동 피스톤을 포함한다.
US 9188069 B2 는 각각 연료를 엔진 실린더에 직접 분사하는 액체 및 기체 연료 시스템들을 가진 엔진 연료 시스템을 개시하고 있다. 기체 연료 시스템은 액화된 가스 저장고, 액화된 가스 펌프, 액화된 가스 증발기 및 연료 분사기에 연결된 기체 가스 연료 레일을 포함하는 직접 분사 가스 시스템이다.
전술한 선행 기술 문헌 둘 다 고압 피스톤 펌프를 작동시키는 제어 유체에 의해 기체 연료 펌프의 작동을 제어하는 것을 제안하고 있다. 고압 펌프의 가변 제어에는 제어 유체 시스템의 가변 고압 펌프가 필요하다. 선행 기술의 방안은 액화된 가스 펌프의 구조의 복잡성 및 그의 제어에 대한 일반적인 문제가 있다.
본 발명의 목적은 선행 기술에 비해 상당히 개선된 2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 직접 분사 기체 연료 공급 시스템을 가진 2 행정 내연 피스톤 엔진 및 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법을 제공하는 것으로, 이는 대형 2 행정 내연 피스톤 엔진에 대한 선행 기술의 방안에 비해 상당히 개선된다.
본 발명의 목적들은 독립항들에서 그리고 본 발명의 상이한 실시형태들의 보다 상세들을 설명하는 다른 청구항들에 개시된 바와 같이 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템으로서, 상기 연료 공급 시스템은
- 액화된 가스의 공급원으로부터 엔진의 연료 분사기까지 연장되는 연료 공급 라인으로서, 연료 공급 라인은 적어도
- 액화된 가스 고압 펌프 유닛
- 액화된 가스를 증발시키고 기체 가스를 가열하는 열교환기 유닛, 및
- 상기 열교환기 유닛과 상기 연료 분사기 사이의 기체 가스 축압기
를 포함하는, 상기 연료 공급 라인, 및
- 상기 기체 가스 축압기와 유체 연통하는 적어도 하나의 기체 가스 연료 분사기
를 포함하고,
상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛은 펌핑 부분 및 구동 부분을 갖는 왕복 피스톤, 및 상기 왕복 피스톤을 왕복 방식으로 구동하기 위해 유압 동력 유체의 공급원으로부터 상기 왕복 피스톤의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 일정한 압력에 있게 하도록 배열된 유압 구동 조립체를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 왕복 피스톤은 복동 (double acting) 피스톤이고 유압 구동 조립체는 유압 동력 유체의 공급원으로부터 복동 피스톤의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 일정한 압력하에 제어가능하게 있게 하도록 배열된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엔진은 대형 2 행정 해양 크로스헤드 엔진이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기체 연료 공급 시스템은 대형 2 행정 크로스헤드 엔진의 하나의 실린더에 연료를 공급하도록 구성되고, 기체 연료 공급은 엔진의 실린더들용 공통의 액화된 가스 저장소에 연결된다.
엔진의 각 실린더에는 전용 기체 연료 공급 시스템이 제공되기 때문에, 예를 들어 유지 보수를 위해 연료 시스템에서 개별 실린더를 분리하고 엔진의 다른 실린더를 사용하도록 하고 기체 연료 공급이 차단된 실린더에서 액체 연료를 연소하도록 하여 엔진 작동을 계속 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유압 구동 조립체는 유압 구동 조립체의 방향 밸브가 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 앞뒤로 제어가능하게 구동됨으로써, 왕복 피스톤의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 제어가능하게 있게 하도록 배열된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 액화된 가스 고압 펌프 유닛의 유압 구동 조립체는, 가압 동력 유체를 복동 피스톤의 구동 부분의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 교대로 공급하도록 또는 피스톤의 위치를 잠그고 피스톤의 위치를 원하는 위치로 정지 및/또는 잠그도록 구성된 4/3-웨이 방향 밸브를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 액화된 가스 고압 펌프 유닛의 유압 구동 조립체는, 가압된 동력 유체를 복동 피스톤의 구동 부분의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 교대로 공급하도록 구성된 4/2-웨이 방향 밸브를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유압 구동 조립체는
- 분사 압력이 전체 단일 행정을 설정값 이상으로 압력을 증가시키는 레벨에 도달할 때까지 각각의 행정이 미리 정해진 양만큼 압력을 증가시키는, 전체 행정으로 피스톤을 왕복 운동시키도록,
- 부분 행정으로 피스톤을 하사점으로부터 그의 극단 위치들 사이의 위치로 이동시키고 피스톤의 이동을 중지하도록
구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유압 구동 조립체는
- 분사 압력이 전체 단일 행정을 설정값 이상으로 압력을 증가시키는 레벨에 도달할 때까지 각각의 행정이 미리 정해진 양만큼 압력을 증가시키는, 전체 행정으로 피스톤을 왕복 운동시키도록,
- 부분 흡기 행정으로 피스톤을 그의 극단 위치들 사이의 위치로 이동하고 피스톤을 피스톤의 상사점 위치로 이동하도록
구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 액화된 가스 고압 펌프 유닛의 펌핑 부분 및 구동 부분은, 유압 동력 유체의 미리 정해진 압력으로 펌핑 부분으로부터 획득가능한 액화된 가스의 최대 압력이 설정 분사 압력에 대응하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유압 구동 조립체는 피스톤을 초당 0.5 ~ 6 회, 바람직하게는 3 ~ 6 회의 빈도로 왕복 운동시키도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유압 구동 조립체는 피스톤을 간헐적 방식으로 왕복 운동시키도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 액화된 가스 고압 펌프 유닛은 유압 동력 유체의 압력의 약 0.5 배인 압력까지 액화된 가스의 압력을 상승시키도록 구성되며, 여기서 유체의 압력은 12 ~ 15 MPa 범위이다.
본 발명에 따른 내연 피스톤 엔진의 2 행정은 각각의 실린더에 첨부된 청구항 중 어느 하나에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템이 제공되는 하나 초과의 실린더들을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엔진의 각 실린더는 2 개의 기체 가스 분사기들 및 3 개의 액체 연료 분사기들을 포함한다.
복수의 실린더들, 커먼 레일 액체 연료 분사 시스템 및 직접 분사 기체 연료 공급 시스템을 포함하는 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법으로서, 상기 방법은 상기 실린더들 중 적어도 하나가 실린더에 액체 연료만을 분사하여 작동하고 나머지 실린더들은 나머지 실린더들 각각에 기체 연료와 액체 연료 둘 다를 분사하여 작동하도록 상기 엔진을 작동하는 단계들을 포함한다.
본 특허 출원에 개시된 본원의 예시적인 실시형태들은 첨부된 청구범위의 적용가능성을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 동사 "포함하도록" 은 본 특허 출원에서 또한 개시하지 않은 특징들의 존재를 배제하지 않는 개방형 제한으로서 사용된다. 종속 청구항들에 개시된 특징들은 달리 명시하지 않는 한 상호 자유롭게 조합가능하다. 본원의 특징으로 고려되는 새로운 특징들은 특히 첨부된 청구범위에 개시되어 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 예시적이고 개략적인 도면들을 참고하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템을 도시한다.
도 2 내지 도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고압 펌프 유닛 및 유압 구동 조립체의 작동 단계들을 도시한다.
도 5 는 본원의 또 다른 실시형태에 따른 2 행정 내연 엔진을 도시한다.
도 6 내지 도 7 은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고압 펌프 유닛 및 유압 구동 조립체의 작동 단계들을 도시한다.
도 1 은 대형 2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10) 을 개략적으로 도시하며, 엔진의 하나의 실린더 (12) 용 섹션의 연료 공급 시스템 (10) 을 도시한다. 엔진은 왕복 피스톤, 보어 및 실린더 헤드 등 사이에서 가변 체적을 형성하는 적어도 하나의 실린더를 갖는다. 엔진의 실린더 (12) 는, 일반적으로 대형 2 행정 크로스 헤드 내연 피스톤 엔진의 구조 및 작동이 당업자에게 잘 알려져 있기 때문에, 매우 개략적으로만 도 1 에 도시되어 있다. 액체 연료 시스템은 액체 연료를 점화 공급원으로서 가변 체적에 직접 분사하도록 조정된 하나 또는 여러 개의 액체 연료 분사기들을 가진 커먼 레일을 포함한다. 기체 연료 시스템은 액화된 가스의 저장소 또는 공급원인 탱크, 고압 펌핑 유닛, 펌프 유닛의 구동 조립체 및 기체 연료 분사기와 유동 연결되어 있다. 엔진에서, 압축된 기체 연료는 별도의 액체 연료 분사 시스템에 의해 점화된다.
연료 공급 시스템 (10) 은 극저온 조건에서 액화된 가스를 저장하도록 구성된 액화된 가스 저장 탱크 (14) 인 액화된 가스의 공급원을 포함한다. 실제로, 가스는 통상적으로 -160 내지 -150℃ 의 온도와 200 내지 300 kPa 의 압력에서 탱크에 저장된다. 시스템에는 저장 탱크 (14) 에서부터 엔진 (1) 의 연료 분사기 (19) 까지 연장되는 연료 공급 라인 (16) 이 제공된다.
연료 공급 라인 (16) 은 연료 공급 라인 (16) 에 결합된 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 을 포함한다. 고압 펌프 유닛 (18) 과 저장 탱크 (14) 사이에 연료 공급 라인 (16) 에 배열되는 액화된 가스 저압 펌프 유닛 (20) 도 있다. 저압 펌프 (20) 는 액화된 가스의 압력을 약 900 kPa 까지 상승시키도록 구성된다. 저압 펌프 유닛은 이송 펌프로서 작용하고 흡기 행정 동안 고압 펌프 유닛 (18) 에서의 과도한 압력 강하의 위험이 적어도 최소화될 수 있도록, 바람직하게는 완전히 방지될 수 있도록 시스템의 작동을 개선한다. 고압 펌프 유닛 (18) 에서, 액체 압력이 증기 압력 이하로 떨어지면, 액체 비등이 발생하고, 캐비테이션 및 펌프의 프라임 손실이 발생할 수 있다. 증기 기포는 액체 유동을 감소시키거나 중단시키고, 펌프 효율을 감소시키며, 압축된 액체의 질량을 낮추고, 가능하다면 시스템을 손상시킬 수 있다. 이들 모두는 본 발명의 양태에 따른 고압 펌프 유닛 (18) 과 적절하게 치수결정된 저압 펌프 (20) 의 조합에 의해 방지될 수 있거나 적어도 최소화될 수 있다. 고압 펌프 유닛 (18) 은 액화된 가스의 압력을 약 900 kPa 에서부터 15 MPa 까지 상승시키도록 구성된다.
연료 공급 시스템 (10) 은 가스 유동 방향으로 고압 펌프 (18) 하류에 열교환기 유닛 (22) 을 더 포함한다. 열교환기 유닛 (22) 은 고압 펌프 유닛 (18) 하류의 연료 공급 라인 (16) 에 배열된다. 열교환기 유닛 (22) 은, 유리하게는 기체 가스 분사 압력에 대한 설정값이기도 한 적어도 15 MPa 의 압력을 견디도록 구성된다. 고압 펌프 유닛 (18) 이 극저온 조건에서 액화된 가스로 작동하도록 구성되는 동안, 열교환기 유닛 (22) 은 가압된 액체 가스를 기체 형태로 증발시키고 기체 가스를 저장 탱크 (14) 에서 우세한 온도에 비해 상승된 온도로 가열한다. 액화된 가스를 기체 가스로 증발시키는데 필요한 열은 엔진 (1) 으로부터 전부 또는 부분적으로 얻어질 수 있다. 전기 히터 또는 보일러와 같은 보조 열원이 제공될 수도 있다. 이와 관련하여, 가스는 가스의 현재 상을 구별하기 위해 액화된 가스 및 기체 가스라고 한다. 따라서, 가스는 액상 또는 초임계상이더라도 가스라고 한다.
연료 공급 시스템 (10) 은 기체 가스 축압기 (24) 를 더 포함한다. 축압기는 약 -50 내지 -20℃ 의 온도와 약 12 내지 15 MPa 의 압력에서 기체 가스를 저장하도록 구성된다. 축압기는 열교환기 유닛 (22) 과 연료 분사기 (19) 사이에 배열된다. 도 1 에서 알 수 있는 바와 같이, 엔진의 각 실린더는 공통의 가스 축압기 (24) 와 둘 다 유동 연통하는 2 개의 기체 연료 분사기들 (19) 을 포함한다. 기체 가스 축압기 (24) 에는 온도 센서 (28) 및 압력 센서 (26) 가 제공되며, 이들의 측정 신호는 연료 공급 시스템 (10) 의 작동을 제어하는데 유리하게 이용된다. 기체 가스 축압기는 연료 공급 라인 (16) 이 연결되는 기체 가스용 입구 (25) 및 적어도 2 개의 연료 분사기들 (19) 각각을 축압기 (24) 에 연결하는 연료 공급 라인 (16) 을 연결하기 위한 출구 (27) 를 포함한다. 기체 가스 축압기 (24) 에는 또한 추가 출구 (23) 가 제공된다. 기체 가스 축압기 (24) 의 추가 출구 (23) 로부터 저장 탱크 (14) 까지 연장되는 시스템에 배열된 기체 가스 복귀 도관 (60) 이 있다. 기체 가스 복귀 도관 (60) 에는 3/2-웨이 방향 밸브 (64) 에 의해 제어되는 시동 및 안전 밸브 (62) 가 제공된다. 또한 복귀 도관 (60) 과 연결된 3 방향 밸브 (66) 가 있으며, 이에 의해 시동 및 안전 밸브 (64) 와 저장 탱크 (14) 가 선택적으로 서로 그리고/또는 연료 추가 처리와 연결될 수 있다. 시동 및 안전 밸브 (62) 는 제어 오일 공급 도관 (106) 과 3/2-웨이 방향 밸브를 통해 제어 오일 복귀 도관 (108) 에 직접 유동 연결된다.
액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 은 펌핑 부분 (32) 및 구동 부분 (34) 을 갖는 왕복 피스톤 (30), 및 왕복 피스톤 (30) 의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 제어가능하게 있게 하도록 배열된 유압 구동 조립체 (36) 를 포함한다. 펌핑 부분 (32) 은 피스톤 (30) 이 왕복 운동하도록 배열된 실린더 (38) 를 포함한다. 실린더 (38) 및 피스톤 (30) 은, 피스톤의 일 측면에서 펌핑 챔버 (40) 와 경계짓고, 이 펌핑 챔버의 체적은, 피스톤 (30) 의 상사점에서 가장 작고 피스톤 (30) 의 하사점에서 가장 큰 피스톤 (30) 의 위치에 따라서 증가하고 감소한다. 저장 탱크 (14) 와 펌프 유닛 (18) 을 연결하는 연료 공급 라인 (16) 은 펌핑 챔버 (40) 와 유동 연통한다. 펌핑 챔버 (40) 내로만 액화된 가스의 유동을 허용하는 펌핑 챔버와 연결된 제 1 일-웨이 밸브 (42) 가 있다. 그리고, 열교환기 (22) 와 펌프 유닛 (18) 을 연결하는 연료 공급 라인 (16) 은 펌핑 챔버 (40) 와 또한 유동 연통한다. 그리고, 펌핑 챔버 (40) 로부터 외부로만 액화된 가스의 유동을 유동시키도록 하는 펌핑 챔버와 연결된 제 2 일-웨이 밸브 (44) 가 또한 있다. 일-웨이 밸브들은 고압 펌프 유닛 (18) 에 통합될 수 있다.
연료 공급 시스템에는 또한 펌프 유닛으로부터 누출 가능성이 있는 연료를 다시 저장 탱크 (14) 로 복귀시키기 위한 연료 복귀 라인 (16') 이 제공된다. 연료 복귀 라인 (16') 과 연료 공급 라인 (16) 둘 다에는 기체 연료 공급 시스템을 사용하는 다른 실린더들을 정상적으로 유지하면서 단일 실린더의 연료 공급 시스템을 분리하는 것을 가능하게 하는 밸브 (13) 가 제공된다. 실린더들 중 일부가 작동될 수 있는 이러한 방식은 압축 점화로 액체 연료를 연소시키는 디젤 모드이고, 실린더들 중 일부는 액체 연료에 의한 점화로 기체 연료로 작동될 수 있고, 여기서 액체 연료는 압축 점화에 의해 점화되고 기체 연료는 액체 연료의 연소에 의해 점화된다. 저압 펌프 (20) 가 액화된 가스의 압력을 상승시키는 레벨에서 실질적으로 복귀 라인의 압력을 유지하도록 탱크 (14) 바로 상류 또는 그 전에 복귀 라인 (16') 에 배열된 제한 밸브 (15) 가 있다.
도 1 에서, 액화된 가스 고압 펌프 유닛의 유압 구동 조립체 (36) 는 복동 피스톤의 구동 부분의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 교대로 가압된 동력 유체를 공급하도록 또는 원하는 위치에서 피스톤의 위치를 잠그도록 구성된 4/3-웨이 방향 밸브 (46) 를 포함한다. 이와 관련하여, 4/3-웨이라는 표현은 밸브에 4 개의 포트들이 있고 위치 수가 3 개임을 의미한다.
기체 연료 공급 시스템 (10) 은 유압 구동 조립체를 작동하기 위한 제어 유체 시스템 (100) 을 포함하고, 이는 바람직하게는 작동 매체로서 오일을 사용하고 따라서 제어 오일 유압 시스템 (100) 으로도 지칭될 수 있다. 제어 오일 시스템은 유압 동력 유체, 즉 제어 오일의 저장소 또는 공급원인 탱크 (102) 를 포함한다. 제어 유체 시스템 (100) 은 유압 구동 조립체 (36) 를 작동시키기에 적합하게, 바람직하게는 최대 30 MPa 까지 제어 오일을 가압하는 고압 펌프 (104) 를 더 포함한다. 제어 오일 시스템은 또한 제어 오일 공급 도관 (106) 을 포함하며, 이는 연료 공급 시스템 (10) 의 임의의 원하는 장치, 특히 유압 구동 조립체 (18) 에 가압된 제어 유체를 실질적으로 일정한 압력으로 전달하도록 구성된다. 또한 제어 오일을 탱크 (102) 로 되돌리기 위해 시스템내에 제어 오일 복귀 도관 (108) 이 있다. 제어 오일 공급 도관 (106) 및 제어 오일 복귀 도관 (108) 은 엔진의 각 실린더의 방향 밸브 (46) 의 각각의 포트와 유동 연결되어 있다. 이러한 방식으로 펌프 유닛 (18) 의 피스톤 (30) 은 제어 오일 시스템 (100) 내의 제어 오일의 압력으로 선택적인 방향 둘 다로 능동적으로 구동된다.
분사기는 유리하게는 실질적으로 특히 설명된 제 1 연료 공급 섹션과 관련하여 국제 공개 번호 WO 2017/162902 A1 에 개시된 바와 같은 것이다. 또한, 분사기는 밀봉 시스템에 대응하는 밀봉 유체 챔버라는 용어를 사용하여 공개에 설명된 바와 같은 밀봉 시스템을 포함하며, 그 설명은 본원에 참조로 포함된다. 제어 유체 시스템 (100) 은, 가압된 제어 오일이 제어 오일 공급 도관 (106) 을 통해 분사기들의 밀봉 시스템 (17) 으로 공급되고 오일 복귀 도관 (108) 을 통해 탱크로 복귀되도록 분사기들 각각과 유동 연결되어 있다.
도 2, 도 3 및 도 4 에서, 도 1 의 고압 펌프 유닛 (18) 및 유압 구동 조립체 (36) 의 작동이 보다 상세하게 설명된다. 먼저 도 2 를 참조하면, 고압 펌프 유닛 (18) 의 피스톤 (30) 은 흡기 행정의 단부, 즉 하사점에 도시되어 있다. 즉, 펌핑 부분 (32) 의 피스톤 (30) 이 극단 위치 (도 2 에서 좌측) 에 있고 펌핑 챔버 (40) 가 최대 체적을 가질 때이다. 제각각, 구동 부분 (36) 의 피스톤 (30) 은 흡기 행정의 극단 위치로 이동된다. 고압 제어 오일은 방향 밸브 (46) 를 통해 압력 포트 (46.1) 로부터 흡기 행정의 이동을 야기하는 구동 부분 (36) 내의 챔버와 유동 연결되는 포트 (46.2) 로 유동한다. 피스톤 (30) 이 흡기 행정 위치의 단부를 향해 이동하는 동안, 챔버 (40) 에서 화살표로 도시된 바와 같이, 일-웨이 밸브 (42) 에 의해 허용되는 연료 공급 라인 (16) 으로부터 액화된 가스가 챔버 (40) 내로 유입된다. 전술한 바와 같이, 저압 펌프 (20) 는 연료 공급 라인의 압력을 증가시키므로, 피스톤의 흡입 이동으로 인한 캐비테이션과 같은 이상 위험을 최소화할 수 있고 피스톤의 속도를 최대화할 수 있다.
유압 구동 조립체 (36) 의 방향 밸브 (46) 는 포트 (46.1) 가 압력 포트이고 포트 (46.3) 가 탱크 포트인 4 개의 포트들 (46.1, 46.2, 46.3, 46.4) 을 가진다. 탱크 포트 (46.3) 에는 제 1 제어가능한 제한부 (48) 가 제공된다. 또한, 피스톤 뒤에 있는 측면, 즉 펌핑 행정 작용, 즉 압축 행정 동안 체적을 증가시키는 측면에 있는 피스톤 (30) 의 구동 부분 (34) 과 제 4 포트 (46.4) 사이의 도관에는 제 2 제어가능한 제한부 (50) 가 제공된다. 도 2 에서, 방향 밸브 (46) 는, 펌핑 챔버 (40) 가 최대 체적을 갖는 방향으로 피스톤 (30) 을 가압하는 구동측 피스톤의 측면과 압력 포트 (46.1) 가 연결되는 제 1 위치에 설정된다. 제어 오일의 복귀 유동은 제 1 수축부 (48) 를 통하여 유동하고, 피스톤 (30) 의 속도에 의해 제 2 구성부 (50) 는 펌핑 챔버 (40) 에서 어떠한 캐비테이션을 피하기에 충분히 낮게 유지된다.
도 3 에서, 유압 구동 조립체 (36) 의 방향 밸브 (46) 의 제 2 위치가 도시되어 있다. 이는, 도 2 에 도시된 제 1 위치와 도 3 에 도시된 제 3 위치 사이의 정지 위치에 있으며, 여기서 모든 포트들은 차단되고 피스톤 (30) 의 위치는 펌프 유닛 (18) 에서 잠긴다.
도 4 에서, 방향 밸브 (46) 는 제 3 위치에 설정된다. 제 3 위치에서, 압력 포트 (46.1) 는 피스톤 (30) 의 구동측 (34) 의 양측면과 연결되어 있다. 이제, 구동측의 피스톤의 양측면에서, 압력으로 인해 피스톤에 합력을 유발하는 유효 영역은, 이 영역의 비가 약 1:3 ~ 1:5, 바람직하게는 약 1:4 가 되도록 된다. 이러한 방식으로, 압축 행정 동안 피스톤에 허용되는 힘은 흡기 행정 동안 피스톤에 허용되는 힘의 약 4 배이며, 이는 피스톤 (30) 을 펌핑 챔버 (40) 가 최소 체적을 갖는 방향, 즉 피스톤 (30) 의 상사점 위치를 향해 가압한다. 펌프 유닛 (18) 이 작동되도록 제어될 때, 유압 구동 조립체 (36) 의 방향 밸브는 제 1 위치 (도 2) 와 제 3 위치 (도 4) 사이에서 앞뒤로 제어되며, 여기서 제어 유체 시스템 내의 동일한 동력 유체 및 그에 따라서 동일하고 일정한 압력은 펌핑 시퀀스 동안 피스톤 (30) 의 왕복 이동을 얻는데 사용된다. 가압된 제어 오일 공급은 선택적으로 압력 포트 (46.1) 로부터 구동 부분 (34) 에 있는 피스톤 (30) 의 양측면과 유동 연결된다. 이러한 방식으로, 유압 구동 조립체 (36) 는 펌핑 시퀀스를 수행하도록 펌프 유닛 (18) 을 제어하도록 구성되며, 그 동안 피스톤 (30) 은 펌프 유닛 (18) 에서 왕복 운동하도록 배열된다. 이는 방향 밸브 (46) 를 작동시켜 제 1 위치와 제 3 위치 사이를 이동함으로써 달성된다.
보다 유리하게는, 유압 구동 조립체 (36) 는 먼저 피스톤 (30) 을 상사점과 하사점 사이에서 전체 행정으로 왕복 운동시키도록 구성되며, 각각의 행정은 미리 정해진 양으로 액화된 가스의 압력을 단계적으로 또는 행정마다 증가시킨다. 이를 전체 행정 펌핑 시퀀스라고 한다. 이는, 바람직하게는 분사 압력에 대응하는 액화된 가스 압력이 피스톤 (30) 의 전체 단일 행정이 압력을 설정값 이상으로 증가시키는 수준에 도달할 때까지 실행된다. 고압 펌프 유닛 (18) 이후의 액화된 가스의 전형적인 상태는 압력이 12 MPa ~ 15 MPa 이고 온도가 -145 ~ -135℃ 이도록 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 펌핑 시퀀스의 이 단계에서, 즉 피스톤 (30) 의 마지막 전체 행정 후에, 유압 구동 조립체 (36) 는 피스톤 (30) 을 상사점에서 하사점으로 복귀시키고 액화된 가스의 압력을 설정 목표 압력까지 상승시키는 다음 부분 펌핑 행정을 초래하는 거리 동안만 피스톤을 이동시키도록 구성되고, 즉 극단 위치들 사이의 위치로의 피스톤 (30) 의 부분 행정이 수행된다. 그런 다음, 다음 펌핑 시퀀스가 시작될 때까지, 피스톤의 이동이 중지된다. 4/3-웨이 방향 밸브는 피스톤의 정지 위치를 결정하는데 사용될 수 있는 위치 피드백이 있는 비례 제어 밸브일 수 있다.
부분 행정의 길이는, 시스템에서 이용할 수 있는 측정 변수 (액화된 가스 압력, 온도, 피스톤 및 챔버 치수, 피스톤 위치) 를 기반으로 한 계산을 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 설정된 목표 압력이 얻어지고 압력 측정에 의해 검증될 때까지 피스톤이 이동될 수 있거나, 위치 센서에 의해 검증된 목표 압력으로 압력이 계산되는 위치로 피스톤이 이동될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 펌핑 시퀀스의 이 단계에서, 즉 피스톤 (30) 의 마지막 전체 행정 후에, 유압 구동 조립체 (36) 는 액화된 가스의 압력을 설정 목표 압력까지 상승시키도록 다음 부분 펌핑 행정을 상사점으로 복귀시키는 거리 동안만 피스톤 (30) 을 상사점에서 하사점으로 복귀시키고, 즉 극단 위치들 사이의 위치로부터 상사점 위치로 복귀하는 피스톤 (30) 의 부분 행정이 수행된다. 그런 다음, 다음 펌핑 시퀀스가 시작될 때까지, 피스톤의 이동이 중지된다.
부분 행정의 길이는, 시스템에서 이용할 수 있는 측정 변수 (액화된 가스 압력, 온도, 피스톤 및 챔버 치수, 피스톤 위치) 를 기반으로 한 계산을 통해 결정될 수 있다.
연료 공급 시스템의 전자 제어 유닛 (ECU), 즉 제어 컴퓨터는, 실행될 때 연료 공급 시스템, 특히 전술한 바와 같이 고압 펌프 유닛 (18) 의 작동을 제어하는 컴퓨터 프로그램을 포함한다. ECU 및 컴퓨터 프로그램은 여기에 설명된 방식으로 작동하도록 시스템 및/또는 시스템의 다양한 부품을 구성하도록 제공된다.
전체 행정 펌핑 시퀀스 동안, 방향 밸브의 위치가 변경되고 피스톤 (30) 은 상사점과 하사점 사이에서 초당 3 ~ 6 회의 빈도로 왕복 운동하도록 유리하게 배열된다. 유압 구동 조립체는 그 작동이 축압기 (24) 의 압력 측정 (28) 에 기초하고 분사 밸브 (19) 의 작동과는 독립적으로 피스톤을 간헐적으로 왕복 운동시키도록 구성된다. 유리하게는 하나의 펌핑 시퀀스 동안 펌프 유닛 (18) 의 출력은 실질적으로 실린더 내의 분사기들 (19) 을 통한 하나의 엔진 사이클 동안 연료의 분사량에 대응한다.
이제 다시 도 1 을 참조하면, 엔진의 하나의 실린더에 있는 기체 연료 분사기들 (19) 을 위한 축압기 (24) 의 기체 가스 압력은 원하는 압력, 즉 바람직하게는 12 MPa ~ 15 MPa 로 유지되며, 이는 분사 압력으로도 표시될 수 있다. 축압기 (24) 의 압력은 센서 (28) 에 의해 측정되며, 이 값은 전술한 바와 같이 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 의 작동을 제어하기 위한 제어 절차에 사용된다. 원하는 최소 및 최대 분사 압력이 설정된다. 축압기 (24) 에서 측정된 압력은 최소 및 최대 분사 압력과 비교된다. 측정 압력이 최소 목표 압력보다 낮으면, 펌프 유닛 (18) 은 시동되며 축압기의 측정 압력이 적어도 최대 분사 압력이 될 때까지 작동된다. 이러한 방식으로 분사 압력은 고압 펌프 유닛 (18) 및 축압기 (24) 의 압력 측정부 (28) 에 의해 제어된다.
더욱이, 축압기의 기체 가스는 -50 내지 -20℃ 의 원하는 온도로 유지된다. 축압기의 온도는 센서 (26) 에 의해 측정되며, 이 값은 열교환기 유닛 (22) 의 작동을 제어하기 위한 제어 절차에 사용된다. 원하는 최소 및 최대 온도가 설정된다. 축압기 (24) 에서 측정된 온도는 최소 및 최대 설정 온도와 비교된다. 측정된 온도가 최소 목표 온도보다 낮으면, 열교환기 유닛 화력은 그대로 유지되거나 축압기 내의 측정 온도가 적어도 최대 설정 온도가 될 때까지 증가된다. 이러한 방식으로 기체 연료 온도는 열교환기 유닛 (22) 및 축압기 (24) 내의 온도 측정부 (26) 에 의해 제어된다.
축압기 (24) 의 체적은 고압 펌프 유닛 (18) 과 가스 분사기들 (19) 사이의 연료 공급 시스템의 전체 체적과 필요한 분사량에 의존한다. 축압기의 체적은 전부하 작동 동안 하나의 실린더의 2 개의 분사기들에 의해 분사된 연료의 체적의 3 ~ 10 배가 유리하다. 이 체적은 일반적으로 2.5 ~ 10 리터이다.
도 5 는 실린더 (204) 내부에서 본 대형 2 행정 크로스헤드 피스톤 엔진 (1) 의 실린더 커버 (200) 를 개략적으로 도시한다. 본 발명에 따른 기체 연료 공급 시스템이 구체적으로 의도된 대형 2 행정 엔진은, 저속 크로스헤드 엔진이고, 약 50 cm 초과 최대 1 m 인 실린더 보어 직경 및 약 2.5 미터의 행정 길이를 가진다. 각 실린더의 중심에는 배기 밸브 (202) 가 도시되어 있고 실린더들에는 엔진 (1) 의 분사기들 (19, 201') 이 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 2 행정 내연 피스톤 엔진은 적어도 2 개의 실린더들을 포함하고, 각 실린더에는 실린더 내의 2 개의 분사기들 (19) 및 추가적으로 3 개의 액체 연료 분사기들 (201) 이 커먼 레일 연료 분사 시스템 (206) 에 결합된 직접 분사 기체 연료 공급 시스템이 제공된다. 이는 액체 연료 분사기들의 개수가 변할 수 있는 대형 2 행정 엔진 분야의 당업자에게 알려져 있다. 액체 연료 분사기들 (201) 및 커먼 레일 액체 연료 분사 시스템 (206) 은, 예를 들어 중유, 경유 및/또는 해상 연료유를 분사하도록 구성된다. 이러한 방식으로 2 행정 엔진의 실린더들 중 하나는 액체 연료로 점화되는 메인 연료로서 기체 연료로 이중 연료 모드에서 작동될 수 있지만, 원하는 경우 디젤 엔진으로서만 액체 연료로 디젤 모드에서도 작동될 수 있다. 이중 연료 모드에서, 실린더는 기체 가스 및 액체 연료의 조합으로 급유된다. 유리하게는, 본 발명에 따르면, 엔진은 실린더들 중 적어도 하나가 실린더에 액체 연료만을 분사함으로써 작동되고 나머지 실린더들은 기체 연료와 액체 연료 둘 다를 나머지 실린더들 각각에 분사함으로써 작동되도록 적어도 특별한 상황에서 작동된다. 유리하게는 액체 연료만을 실린더에 분사함으로써 작동하는 실린더들 중 적어도 하나에서, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템은 엔진이 작동하는 동안 서비스된다.
도 6 및 도 7 에서, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고압 펌프 유닛 (18) 및 유압 구동 조립체 (36) 의 작동이 보다 상세하게 설명된다. 도 6 및 도 7 에서 고압 펌프 유닛 (18) 및 유압 구동 조립체 (36) 는 본원에 도시된 고압 펌프 유닛 (18) 및 유압 구동 조립체 (36) 를 대체하는 도 1 의 기체 연료 공급 시스템과 관련하여 사용하도록 의도된다. 먼저 도 6 을 참조하면, 고압 펌프 유닛 (18) 의 피스톤 (30) 은 흡기 행정의 단부, 즉 하사점 위치에 도시되어 있다. 즉, 펌핑 부분 (32) 의 피스톤 (30) 이 극단 위치 (도 6 에서 좌측) 에 있고 펌핑 챔버 (40) 가 최대 체적을 가질 때이다. 제각각, 구동 부분 (36) 의 피스톤 (30) 은 흡기 행정의 극단 위치로 이동된다. 고압 제어 오일은 방향 밸브 (46) 를 통해 압력 포트 (46.1) 로부터 흡기 행정의 이동을 야기하는 구동 부분 (36) 내의 챔버와 유동 연결되는 포트 (46.2) 로 유동된다. 피스톤 (30) 이 흡기 행정 위치의 단부를 향해 이동하는 동안, 화살표로 도시된 바와 같이, 일-웨이 밸브 (42) 에 의해 허용되는 연료 공급 라인 (16) 으로부터 액화된 가스가 챔버 (40) 내로 유입된다. 전술한 바와 같이, 저압 펌프 (20) 는 연료 공급 라인의 압력을 증가시키므로, 피스톤의 흡입 이동으로 인한 이상 위험을 최소화할 수 있고 피스톤의 속도를 최대화할 수 있다.
유압 구동 조립체 (36) 의 방향 밸브 (46) 는 4/2-웨이 방향 밸브이고 포트 (46.1) 가 압력 포트이고 포트 (46.3) 가 탱크 포트인 4 개의 포트들 (46.1, 46.2, 46.3, 46.4) 을 가진다. 탱크 포트 (46.3) 에는 제 1 제어가능한 제한부 (48) 가 제공된다. 또한, 피스톤 뒤에 있는 측면, 즉 펌핑 행정 작용 동안 체적을 증가시키는 측면에 있는 피스톤 (30) 의 구동 부분 (34) 과 제 4 포트 (46.4) 사이의 도관에는 제 2 제어가능한 제한부 (50) 가 제공된다. 도 6 에서, 방향 밸브 (46) 는, 펌핑 챔버 (40) 가 최대 체적을 갖는 방향으로 피스톤 (30) 을 가압하는 구동측 피스톤의 측면과 압력 포트 (46.1) 가 연결되는 제 1 위치에 설정된다. 제어 오일의 복귀 유동은, 제 4 포트 (46.4) 및 탱크 포트 (46.3) 및 그리하여 도면에 도시된 바와 같이 제 1 수축부 (48) 및 제 2 구조부 (50) 를 통하여 유동하고, 이 수축부들에 의해 피스톤 (30) 의 속도는 펌핑 챔버 (40) 의 어떠한 캐비테이션을 피하기에 충분히 낮게 유지된다.
도 7 에서, 4/2 웨이 방향 밸브 (46) 는 제 2 위치에 설정된다. 제 2 위치에서, 압력 포트 (46.1) 는 포트들 (46.2 및 46.4) 과 연결되어 있으며 이러한 방식으로 구동측 피스톤의 양측면과도 연결되어 있다. 피스톤의 구동측에서 피스톤측들 사이의 유효 피스톤 영역의 차이로 인해, 제어 유체의 압력은 펌핑 챔버 (40) 가 최소 체적을 갖는 방향으로 피스톤 (30) 을 가압한다. 피스톤에 합력을 유발하는 유효 영역은 영역의 비가 약 1:3 ~ 1:5, 바람직하게는 약 1:4 이도록 된다.
도 6 및 도 7 에 따른 펌프 유닛 (18) 이 작동되도록 제어될 때, 유압 구동 조립체 (36) 의 방향 밸브는 제 1 위치 (도 6) 와 제 3 위치 (도 67) 사이에서 앞뒤로 제어되며, 여기서 제어 유체 시스템 내의 동일한 동력 유체 및 유체 압력은 양방향으로 피스톤 (30) 의 왕복 이동을 얻는데 사용된다. 이제, 유압 구동 조립체 (36) 는 펌핑 시퀀스를 수행하도록 펌프 유닛 (18) 을 제어하도록 구성되며, 그 동안 피스톤 (30) 은 펌프 유닛 (18) 에서 왕복 운동하도록 배열된다. 이는 방향 밸브 (46) 를 작동시켜 제 1 위치와 제 3 위치 사이를 이동함으로써 달성된다. 고압 펌프 유닛 (18) 이후의 액화된 가스의 전형적인 상태는 압력이 12 MPa ~ 15 MPa 이고 온도가 -145 ~ -135℃ 이도록 된다.
도 6 및 도 7 에 도시된 실시형태에 따르면, 유압 구동 조립체 (36) 는 전체 행정으로 피스톤 (30) 을 왕복 운동시키도록 유리하게 구성되며, 각각의 행정은 미리 정해진 양으로 액화된 가스의 압력을 단계별로 또는 행정마다 증가시킨다. 이는 액화된 가스 압력, 바람직하게는 분사 압력이 너무 높아서 펌프가 이동하지 않을 때까지 실행된다. 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 의 펌핑 부분 (32) 및 구동 부분 (34) 은, 유압 동력 유체의 미리 정해진 압력 (바람직하게는 또는 예를 들어 900 kPa) 으로 펌핑 부분으로부터 획득가능한 액화된 가스의 최대 압력 (바람직하게는 또는 예를 들어 15 MPa) 이 설정 분사 압력 (바람직하게는 또는 예를 들어 15 MPa) 에 해당한다. 즉, 펌프 유닛 (18) 은 제어 오일의 압력의 약 0.5 배인 압력까지 액화된 가스의 압력을 상승시키도록 구성된다. 피스톤의 왕복 이동이 중지된 것으로 검출하면, 펌핑 시퀀스가 중지된다. 그 후에, 따라야 할 적어도 2 개의 선택적인 절차가 있다. 첫째, 액화된 가스를 가압하기 위해 피스톤 (30) 을 누르기 위해, 제어 유체 압력을 온 상태로 두는 것이 가능하며, 이 경우에 피스톤 (30) 은 축압기 (24) 내의 압력이 감소함에 따라 상사점 위치로 이동할 수 있다. 둘째, 피스톤 (30) 의 흡기 행정을 즉시 시작할 수 있다.
연료 공급 시스템의 전자 제어 유닛 (ECU), 즉 제어 컴퓨터는, 실행될 때 연료 공급 시스템, 특히 전술한 바와 같이 고압 펌프 유닛 (18) 의 작동을 제어하는 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
펌핑 시퀀스 동안, 방향 밸브의 위치가 변경되고, 피스톤 (30) 은 유리하게는 초당 3 ~ 6 회의 빈도로 왕복 운동하도록 배열된다. 유압 구동 조립체는 그 작동이 축압기 (24) 의 압력 측정 (28) 에 기초하고 분사 밸브 (19) 의 작동과는 독립적으로 피스톤을 간헐적으로 왕복 운동시키도록 구성된다. 유리하게는, 하나의 펌핑 시퀀스 동안 펌프 유닛 (18) 의 출력은 실질적으로 2 개의 분사기들 (19) 을 통한 하나의 엔진 사이클 동안 연료의 분사량에 대응한다.
도 2 ~ 도 4 및 도 6 ~ 도 7 의 세트 및 도면과 관련된 작동 모두에 적용될 수 있는 본 발명의 실시형태에 따르면, 피스톤 (30) 의 마지막 전체 행정 후에, 유압 구동 조립체 (36) 는, 상사점까지의 다음 부분 펌핑 행정이 액화된 가스의 압력을 설정 목표 압력까지 상승시키게 하는 거리 (부분 흡기 행정) 동안만 상사점으로부터 피스톤 (30) 을 복귀시키도록 구성된다. 그런 다음, 다음 펌핑 시퀀스가 시작될 때까지, 피스톤의 이동이 중지된다. 다음 펌핑 시퀀스 전에, 및 각각의 펌핑 시퀀스 후에, 피스톤 (30) 은 유리하게는 상사점 위치까지 복귀된다.
본 발명은 본원에서 현재 가장 바람직한 실시형태들로 고려되는 것과 관련하여 실시예의 방식으로 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이, 본원의 특징들의 다양한 조합들 또는 변경들, 그리고 본 발명의 범위 내에 포함된 여러 개의 다른 적용들을 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 상세한 설명들은 이런 조합들이 기술적으로 실현가능하다면 또 다른 실시형태와 관련하여 사용될 수도 있다.
실시형태의 넘버링된 리스트
다음의 실시형태들은 본 발명의 대안적인 유리한 구현들을 설명한다.
1. 2 행정 내연 피스톤 엔진용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템으로서, 상기 연료 공급 시스템은
- 액화된 가스 공급원으로부터 상기 엔진의 연료 분사기까지 연장되는 연료 공급 라인으로서, 연료 공급 라인은 적어도
- 액화된 가스 고압 펌프 유닛
- 액화된 가스를 증발시키고 기체 가스를 가열하는 열교환기 유닛, 및
- 상기 열교환기 유닛과 상기 연료 분사기 사이의 기체 가스 축압기
를 포함하는, 상기 연료 공급 라인, 및
- 상기 기체 가스 축압기와 유체 연통하는 적어도 하나의 기체 가스 연료 분사기
를 포함하고,
상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛은 펌핑 부분 및 구동 부분을 갖는 왕복 피스톤, 및 상기 왕복 피스톤을 왕복 방식으로 구동하기 위해 유압 동력 유체의 공급원으로부터 상기 왕복 피스톤의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 일정한 압력하에 있게 하도록 배열된 유압 구동 조립체를 포함한다.
2. 실시형태 1 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 유압 동력 유체의 공급원로부터 왕복 피스톤의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 일정한 압력하에 제어가능하게 있게 하도록 배열된다.
3. 실시형태 1 또는 실시형태 2 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 왕복 피스톤은 복동 피스톤이다.
4. 실시형태 1 또는 실시형태 2 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 상기 유압 구동 조립체의 방향 밸브가 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 앞뒤로 제어가능하게 구동됨으로써, 상기 왕복 피스톤의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 제어가능하게 있게 하도록 배열된다.
5. 실시형태 1 또는 실시형태 2 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 액화된 가스 고압 펌프 유닛의 유압 구동 조립체는, 가압 동력 유체를 복동 피스톤의 구동 부분의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 교대로 공급하도록 그리고 피스톤의 위치를 원하는 위치로 정지 및/또는 잠그도록 구성된 4/3-웨이 방향 밸브를 포함한다.
6. 실시형태 1 또는 실시형태 2 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 액화된 가스 고압 펌프 유닛의 유압 구동 조립체는, 가압 동력 유체를 왕복 피스톤의 구동 부분의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 교대로 공급하도록 구성된 4/2-웨이 방향 밸브를 포함한다.
7. 실시형태 1 또는 실시형태 2 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 기체 가스 축압기는 기체 가스용 입구 및 적어도 하나의 연료 분사기 각각을 위한 출구들을 포함한다.
8. 실시형태 1 또는 실시형태 2 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 연료 공급 시스템은 적어도 2 개의 연료 분사기들을 포함한다.
9. 실시형태 5 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는
- 분사 압력이 전체 단일 행정을 설정값 이상으로 압력을 증가시키는 레벨에 도달할 때까지 각각의 행정이 미리 정해진 양만큼 압력을 증가시키는, 전체 행정들로 피스톤을 왕복 운동시키도록,
- 부분 행정으로 피스톤을 하사점으로부터 그의 극단 위치들 사이의 위치까지 이동시키고 피스톤의 이동을 중지하도록
구성된다.
10. 실시형태 5 또는 실시형태 6 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는
- 분사 압력이 전체 단일 행정을 설정값 이상으로 압력을 증가시키는 레벨에 도달할 때까지 각각의 행정이 미리 정해진 양만큼 압력을 증가시키는, 전체 행정들로 피스톤을 왕복 운동시키도록,
- 부분 흡기 행정으로 피스톤을 그의 극단 위치들 사이의 위치로 이동하고 피스톤을 그의 상사점 위치로 이동하도록
구성된다.
11. 실시형태 6 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 액화된 가스 고압 펌프 유닛의 펌핑 부분 및 구동 부분은, 유압 동력 유체의 미리 정해진 압력으로 펌핑 부분으로부터 획득가능한 액화된 가스의 최대 압력이 설정 분사 압력에 대응하도록 구성된다.
12. 실시형태 5 또는 실시형태 6 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 초당 0.5 ~ 6 회의 빈도로 피스톤을 왕복 운동시키도록 구성된다.
13. 실시형태 11 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 초당 3 ~ 6 회의 빈도로 피스톤을 왕복 운동시키도록 구성된다.
14. 실시형태 12 또는 실시형태 13 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 피스톤을 간헐적인 방식으로 왕복 운동시키도록 구성된다.
15. 실시형태 11 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 기체 가스 축압기에서 미리 정해진 분사 압력에 도달할 때까지 먼저 전체 행정으로 그리고 전체 행정 후에 하나의 부분 행정으로 피스톤을 왕복 운동시키도록 구성된다.
16. 실시형태 5 또는 실시형태 6 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 전체 행정 펌핑으로 그리고 이어서 피스톤의 극단 위치들 사이의 위치로 피스톤의 하나의 부분 행정으로 펌프를 작동하도록 구성된다.
17. 실시형태 5 또는 실시형태 6 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 전체 행정 펌핑 시퀀스로 펌프 유닛을 작동시키도록 구성되고 피스톤 (30) 의 마지막 전체 행정 후에 유압 구동 조립체 (36) 는 상사점까지의 다음 부분 펌핑 행정이 액화된 가스의 압력을 설정 목표 압력까지 상승시키도록 하는 거리만큼만 상사점으로부터 피스톤 (30) 을 복귀시키도록 구성된다.
18. 실시형태 110 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 액화된 가스 고압 펌프 유닛은 액화된 가스의 압력을 유압 동력 유체의 압력의 약 0.5 배인 압력까지 상승시키도록 구성되며, 여기서 유체의 압력은 12 ~ 15 MPa 범위이다.
19. 실시형태 1 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 액화된 가스 고압 펌프 유닛은 액화된 가스의 압력을 유압 동력 유체의 압력의 약 0.5 배인 압력까지 상승시키도록 구성되며, 여기서 유체의 압력은 12 ~ 15 MPa 범위이다.
20. 실시형태 2 또는 실시형태 19 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 연료 공급 시스템은 실질적으로 일정한 압력에서 가압된 제어 유체를 전달하도록 구성된 유압 동력 유체 압력용 고압 펌프를 포함한다.
21. 전술한 실시형태들 중 어느 하나에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 연료 공급 시스템은 2 행정 내연 피스톤 엔진의 각각의 실린더에 대해 적어도 2 개의 연료 분사기들을 포함한다.
22. 선행하는 실시형태 1 내지 실시형태 19 중 어느 하나에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 연료 공급 라인은 연료 공급 라인에 결합된 액화된 가스 고압 펌프 유닛 및 고압 펌프 유닛과 저장 탱크 사이에 배열된 액화된 가스 저압 펌프 유닛을 포함한다.
23. 선행하는 실시형태들 중 어느 하나에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 연료 공급 시스템에는 폐쇄 밸브가 제공되는 연료 공급 라인 및 연료 복귀 라인이 제공된다.
24. 실시형태 22 및 실시형태 18 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 연료 공급 라인의 밸브는 저압 펌프와 고압 펌프 유닛 사이에 배열된다.
25. 실시형태 9 또는 실시형태 14 에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템에 있어서, 상기 유압 구동 조립체는 부분 행정이 피스톤의 상사점 위치에서 이전 전체 행정 후에 시작하도록 부분 행정으로 피스톤을 이동시키도록 구성되고, 상기 피스톤은 부분 흡기 행정 및 펌핑 행정에 의해 상사점 위치로 다시 복귀된다.
26. 하나 초과의 실린더들을 포함하는 2 행정 내연 피스톤 엔진으로서, 상기 엔진의 각 실린더에는 공통 액화된 가스 저장 탱크를 갖는 선행하는 실시형태들 중 어느 하나에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템이 제공된다.
27. 실시형태 24 에 따른 2 행정 내연 피스톤 엔진에 있어서, 상기 엔진의 각 실린더는 2 개의 기체 가스 분사기들 및 3 개의 액체 연료 분사기들을 포함한다.
28. 실시형태 26 또는 실시형태 27 에 따른 2 행정 크로스헤드 내연 피스톤 엔진이다.
29. 실시형태 26 또는 실시형태 27 에 따른 2 행정 크로스헤드 내연 피스톤 엔진에 있어서, 컴퓨터 프로그램을 포함하는 제어 컴퓨터를 포함하고, 이는 실행될 때 청구항 30 ~ 청구항 31 에 인용된 방식으로 연료 공급 시스템의 작동을 제어한다.
30. 복수의 실린더들, 커먼 레일 액체 연료 분사 시스템 및 선행하는 실시형태 1 내지 실시형태 25 에 중 어느 하나에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템을 포함하는 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법으로서, 상기 방법은 상기 실린더들 중 적어도 하나가 실린더에 액체 연료만을 분사하여 작동하고 나머지 실린더들은 나머지 실린더들 각각에 기체 연료와 액체 연료 둘 다를 분사하여 작동하도록 상기 엔진을 작동하는 단계들을 포함한다.
31. 실시형태 30 에 따른 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법에 있어서, 유압 동력 유체의 공급원으로부터 상기 왕복 피스톤의 구동 부분까지 유압 동력 유체를 일정 압력하에 있게 하는 단계, 상기 피스톤을 왕복 방식으로 구동하는 단계, 전체 행정 펌핑 시퀀스로 펌프 유닛을 작동시키는 단계, 및 상기 피스톤의 마지막 전체 행정 후에, 상사점까지의 다음 부분 펌핑 행정이 액화된 가스의 압력을 설정 목표 압력까지 상승시키도록 하는 거리만큼만 상기 피스톤을 상사점으로부터 복귀시키는 단계를 포함한다.
32. 실시형태 30 에 따른 2 행정 내연 피스톤 엔진의 작동 방법에 있어서, 실린더에 액체 연료만을 분사하여 작동하는 실린더들 중 적어도 하나에서, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템이 서비스된다.

Claims (15)

  1. 2 행정 내연 피스톤 엔진 (1) 용 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10) 으로서, 상기 연료 공급 시스템 (10) 은
    - 액화된 가스의 공급원 (14) 으로부터 상기 엔진 (1) 의 연료 분사기 (19) 까지 연장되는 연료 공급 라인 (16) 으로서, 연료 공급 라인 (16) 은 적어도
    - 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18),
    - 상기 액화된 가스를 증발시키고 기체 가스를 가열하는 열교환기 유닛 (22), 및
    - 상기 열교환기 유닛 (22) 과 상기 연료 분사기 (19) 사이의 기체 가스 축압기 (24)
    를 포함하는, 상기 연료 공급 라인 (16), 및
    - 상기 기체 가스 축압기 (24) 와 유체 연통하는 적어도 하나의 기체 가스 연료 분사기 (19)
    를 포함하고,
    상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 은 펌핑 부분 (32) 및 구동 부분 (34) 을 갖는 왕복 피스톤 (30), 및 상기 왕복 피스톤을 왕복 방식으로 구동하기 위해 유압 동력 유체의 공급원 (102) 으로부터 상기 왕복 피스톤 (30) 의 상기 구동 부분 (34) 까지 유압 동력 유체를 일정한 압력하에 있게 하도록 배열된 유압 구동 조립체 (36) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  2. 제 2 항에 있어서,
    상기 유압 구동 조립체 (36) 는 상기 유압 동력 유체의 공급원 (102) 로부터 복동 왕복 피스톤의 상기 구동 부분 (34) 까지 유압 동력 유체를 일정한 압력하에 제어가능하게 있게 하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유압 구동 조립체 (36) 는 상기 유압 구동 조립체 (36) 의 방향 밸브 (46) 가 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 앞뒤로 제어가능하게 구동됨으로써, 상기 왕복 피스톤 (30) 의 상기 구동 부분 (34) 까지 유압 동력 유체를 제어가능하게 있게 하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 의 상기 유압 구동 조립체 (36) 는, 가압 동력 유체를 복동 피스톤의 구동 부분 (34) 의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 교대로 공급하도록, 그리고 상기 피스톤 (30) 의 위치를 원하는 위치로 정지 및/또는 잠그도록 구성된 4/3-웨이 방향 밸브 (46) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 의 상기 유압 구동 조립체 (36) 는, 가압 동력 유체를 상기 왕복 피스톤 (30) 의 구동 부분 (34) 의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 교대로 공급하도록 구성된 4/2-웨이 방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  6. 제 4 항 또는 제 5 에 있어서,
    상기 유압 구동 조립체 (36) 는
    - 분사 압력이 전체 단일 행정을 설정값 이상으로 압력을 증가시키는 레벨에 도달할 때까지 각각의 행정이 미리 정해진 양만큼 압력을 증가시키는, 전체 행정들로 상기 피스톤 (3) 을 왕복 운동시키도록,
    - 부분 흡기 행정으로 상기 피스톤 (30) 을 이의 극단 위치들 사이의 위치로 이동하고 상기 피스톤 (30) 을 이의 상사점 위치로 이동하도록
    구성되는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 의 상기 펌핑 부분 (32) 및 구동 부분 (34) 은, 상기 유압 동력 유체의 미리 정해진 압력으로 상기 펌핑 부분 (32) 으로부터 획득가능한 상기 액화된 가스의 최대 압력이 설정 분사 압력에 대응하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  8. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 구동 조립체 (36) 는 초당 3 ~ 5 회의 빈도로 상기 피스톤을 왕복 운동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유압 구동 조립체 (36) 는 상기 피스톤을 간헐적인 방식으로 왕복 운동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 은 상기 액화된 가스의 압력을 상기 유압 동력 유체의 압력의 약 0.5 배의 압력까지 상승시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급 시스템 (10) 은 상기 2 행정 내연 피스톤 엔진 (1) 의 각 실린더에 대해 적어도 2 개의 기체 가스 연료 분사기들 (19) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급 라인 (16) 은 상기 연료 공급 라인에 결합된 액화된 가스 고압 펌프 유닛 (18) 및 상기 고압 펌프 유닛 (18) 과 저장 탱크 (14) 사이에 배열된 액화된 가스 저압 펌프 유닛 (20) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10).
  13. 2 행정 내연 피스톤 엔진 (1) 으로서,
    각각의 실린더에 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10) 이 제공되는 하나 초과의 실린더들을 포함하는, 2 행정 내연 피스톤 엔진 (1).
  14. 제 13 에 있어서,
    상기 엔진 (1) 의 각 실린더는 2 개의 기체 가스 분사기들 및 2 개의 액체 연료 분사기들 (19) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 2 행정 내연 피스톤 엔진 (1).
  15. 복수의 실린더들 (204), 커먼 레일 액체 연료 분사 시스템 (206) 및 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 직접 분사 기체 연료 공급 시스템 (10) 을 포함하는 2 행정 내연 피스톤 엔진 (1) 의 작동 방법으로서,
    상기 방법은 상기 실린더들 (204) 중 적어도 하나으 실린더가 상기 실린더에 액체 연료만을 분사하여 작동하고 나머지 실린더들 (204) 은 상기 나머지 실린더들 각각에 기체 연료와 액체 연료 둘 다를 분사하여 작동하도록 상기 엔진을 작동하는 단계들을 포함하는, 2 행정 내연 피스톤 엔진 (1) 의 작동 방법.
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