KR20230044921A - 연료 유입 노즐 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 유입 노즐을 포함하는 내연 엔진(100), 연료 유입 노즐 및 내연 엔진의 연소실로 연료 가스를 공급하는 방법 및 연료 유입 노즐의 제조 방법에 관한 것이다. 내연 엔진(100)은 적어도 하나의 실린더(1), 즉 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 실린더(1)를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진을 갖는다. 내연 엔진(100)은 실린더 벽(2)을 통해 실린더(1) 내로 직접 저압 연료 유체를 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 유입 노즐(10)을 갖는다. 연료 유입 노즐(10)은 연료 공급 도관(21)에 유체 연결되거나 연결 가능한 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인(11) 및 불활성 가스 공급 도관(22)에 유체 연결되거나 연결 가능한 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인(12)을 포함한다.
Description
본 발명은 연료 유입 노즐을 포함하는 내연 엔진, 연료 유입 노즐 및 내연 엔진의 연소실로 연료 가스를 공급하는 방법 및 연료 유입 노즐의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 실린더가 적어도 200mm의 내경을 갖는 대형 선박 또는 선박 엔진 또는 고정식 엔진과 같은 내연 엔진에 관한 것이다. 엔진은 바람직하게는 2-행정 엔진 또는 2-행정 크로스 헤드 엔진이다. 엔진은 가스 엔진, 이중 연료 또는 다중 연료 엔진일 수 있다. 이러한 엔진에서 액체 및/또는 기체 연료의 연소는 자체 점화 또는 강제 점화도 가능하다.
내연 엔진이라는 용어는 특히 이중-연료 엔진, 제 1 연료의 자가 점화 및 연소가 제 2 연료의 포지티브 점화(positive ignition)에 사용되는 대형 엔진을 포함한다.
내연 엔진이라는 용어는 점화 플러그로 점화되는 순수 가스 엔진을 포함한다.
엔진은 내부에 피스톤을 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는다. 피스톤은 크랭크 샤프트에 연결된다. 피스톤은 엔진이 작동하는 동안 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이를 왕복한다. 실린더는 전형적으로 흡기를 위한 적어도 하나의 공기 통로 개구, 특히 실린더의 라이너에 배치된 공기 유입구, 및 배기를 위한 적어도 하나의 공기 통로 개구를 가지며, 배기 유출구는 특히 실린더의 커버에 배치된다.
공기 유입구는 신선한 공기와 배기 가스의 혼합물을 소기 가스로 흡입하는 데 사용될 수 있다.
내연 엔진은 길이 방향으로 플러싱되는 2-행정 엔진일 수 있다.
엔진 속도는 바람직하게는 800 RPM(4-행정) 미만, 보다 바람직하게는 200 RPM(2-행정) 미만이며 이는 저속 엔진의 지정을 나타낸다.
연료 가스는 액화 천연 가스(LNG), 액화 페트롤 가스(LPG), 메탄올 또는 에탄올 등과 같은 가스일 수 있다. 요청 시 추가할 수 있는 추가 가능한 연료는 LBG(Liquified Biogas)(액화 바이오가스), 생물학적 연료(예: 조류 연료 또는 해초 오일), 수소 또는 암모니아, 및 합성 연료(예: Power-To-Gas 또는 Power-To-Liquid에 의해 제조됨)이다.
내연 엔진은 대안적으로 디젤 또는 선박 디젤유 또는 중유 또는 에멀젼(emulsions) 또는 슬러리(slurries)에 의해 구동될 수 있다.
대형 선박, 특히 상품 운송용 선박은 일반적으로 내연 엔진, 특히 가스 엔진 및/또는 이중 연료 엔진, 주로 2-행정 크로스 헤드 엔진에 의해 구동된다. 중유, 선박 디젤유, 디젤 또는 기타 액체와 같은 액체 연료의 경우뿐만 아니라 LNG, LPG 또는 기타와 같은 가스가, 엔진에 의해 연소되는 경우, 이 연소 과정에서 배출되는 배기 가스는 IMO Tier III 규칙과 같은 기존 오염 물질 규정을 준수하도록 청소되어야 한다.
배기 가스 재순환(EGR)은 디젤 엔진에서 NOx를 줄이고 Tier III 제한을 달성할 뿐만 아니라 가스 또는 이중 연료 엔진에서 조기 점화(pre-ignition) 및 노킹(knocking)을 제어하기 위한 기술이다.
연소의 안정성을 위해 재순환되는 배기 가스를 냉각하는 것이 바람직하다. 예를 들어 유럽 출원 21184689.4에 개시된 바와 같이 내연 엔진은 배기 가스 쿨러를 포함할 수 있다. 쿨러는 튜브(tube) 및 핀(fin) 유형일 수 있다. 배기 가스는 핀과 접촉될 수 있고 배기 가스로부터의 열은 튜브에서 안내될 수 있는 냉각 매체로 전달될 수 있다. 재순환된 배기 가스의 충분한 냉각을 위한 적절한 쿨러는 선박에 제공하기 어려울 수 있는 체적을 포함한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 회피하고 특히 종래 기술 해결책보다 더 경제적으로 내연 엔진 및 내연 엔진의 연소실에 연료 유체를 공급하는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 독립항에 따른 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법에 의해 달성된다.
내연 엔진은 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 포함한다. 내연 엔진은 대형 선박 엔진 또는 고정식 엔진이다.
내연 엔진은 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진일 수 있다. 따라서 엔진은 가스 작동 모드 및 액체 연료 작동 모드를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 실린더는 적어도 하나의 배기 출구를 가질 수 있다. 배출 밸브는 배기 출구에 배치될 수 있다. 내연 엔진은 실린더로부터 배기 가스를 배출하기 위해 배기 출구를 통해 실린더에 연결된 배기 가스 리시버(receiver)를 포함할 수 있다. 배기 가스 리시버는 하나 이상의 실린더의 배기 가스를 수집할 수 있다.
내연 엔진은 소기 가스 리시버를 더 포함할 수 있다. 소기 가스는 실린더 벽의 소기 공기 포트들을 통해 실린더에 들어갈 수 있다. 소기 공기 포트들은 실린더의 하부에 배치될 수 있고 길이 방향으로 플러싱(flushing)을 제공할 수 있다. 소기 공기 포트들은 실린더 라이너에 통합되어 피스톤의 이동에 의해 제어될 수 있고, 반면 적어도 하나의 배기 밸브는 실린더 헤드에 배치될 수 있다.
적어도 하나의 실린더는 실린더 벽을 통해 실린더 내로 저압 연료 유체를 직접 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 유입 노즐을 갖는다. 바람직하게는, 실린더는 2개의 연료 유입 노즐을 포함한다. 예를 들어, 적어도 하나의 연료 유입 노즐은 실린더 라이너에 배치된다.
연료 유입 노즐은 연료 공급 도관에 유체 연결되거나 연결 가능한 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인 및 불활성 가스 공급 도관에 유체 연결되거나 연결 가능한 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인을 포함한다.
연료 유체는 극저온 액체, 비극저온 액체 또는 비극저온 가스일 수 있다. LNG와 같은 유체 연료는 일반적으로 가압 용기에 액체로 저장된다.
유체 연료는 극저온 액체, 비극저온 액체 및/또는 비극저온 가스의 형태로 연료 유입 노즐로 및/또는 연료 유입 노즐 내에서 안내될 수 있다. 연료 액체는 연료 유입 노즐로 가는 도중 및/또는 연료 유입 노즐 내에서 및/또는 실린더 내에서 기화될 수 있다.
연료 공급 도관은 특히 액체 천연 가스 공급 도관이다. 연료 공급 도관은 또한 예를 들어 주위 온도에서 비-극저온 액체 및/또는 비-극저온 가스를 안내하기 위한 도관일 수 있다.
일반적으로, 연료 유체의 온도는 주변 온도보다 훨씬 낮다. 불활성 가스의 온도는 주변 온도와 같거나 주변 온도보다 더 높다. 연료 유입 노즐은 연료 유입 노즐 내부 및/또는 전방에서 연료 유체와 불활성 가스 사이의 열 교환을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료 유입 노즐은 공기 입구 위 및 배기 밸브 아래에서 실린더 벽에 배치된다.
공기 입구는 하프 스트로크(half stroke) 또는 그 이하의 높이에 배치될 수 있다. 공기 입구는 하프 스트로크 높이보다 피스톤 스트로크의 하사점에 더 가까운 레벨에 배치될 수 있다.
길이 방향으로 플러싱되는 2행정 엔진의 경우, 배기 가스와 함께 천연 가스를 유입시키기 위해 실린더 벽, 바람직하게는 실린더 라이너 내의 연료 유입 노즐의 배치는 더 높은 연료 질량 분율이 있는 실린더 내의 위치로 배기 가스의 더 높은 질량 분율을 가져오는 것을 가능하게 한다. 이것은 배기 가스가 반응 과정을 늦추는 데 가장 필요한 실린더에 배치되도록 한다.
적어도 하나의 불활성 가스 공급 도관 중 적어도 하나는 배기 가스를 제공하는 공급 도관일 수 있다. 이 경우, 불활성 가스 공급 도관은 배기 가스 소스, 일반적으로 EGR 경로에 유체 연결된다.
추가적으로 또는 대안적으로 적어도 하나의 불활성 가스 공급 도관 중 적어도 하나는 N2, CO2 또는 아르곤을 제공하는 공급 도관일 수 있다. 이 경우, 불활성 가스 공급 도관은 N2, CO2 또는 아르곤 소스에 유체 연결된다.
연료 공급 도관 및/또는 불활성 가스 공급 도관은 조절 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 내연 엔진은 각각의 밸브를 설정함으로써 각각의 유량을 설정함으로써 연료 및/또는 불활성 가스의 양을 제어하도록 구성될 수 있는 제어 유닛을 포함할 수 있다. 연료 및/또는 불활성 가스는 연소 사이클의 미리 결정된 크랭크-각도 동안에만 제공될 수 있다. 불활성 가스의 양에 대한 연료의 양의 비율은 엔진 부하뿐만 아니라 기타 엔진 파라미터 및 주변 조건에 따라 달라질 수 있다.
내연 엔진은 EGR 경로를 갖는 배기 가스 재순환을 위한 시스템을 포함할 수 있다. 일반적으로, 배기 가스 재순환 시스템의 EGR 경로는 실린더의 배기 출구로부터 실린더의 공기 입구, 예를 들어 소기 공기 리시버를 통한 소기 공기 입구로 이어진다.
적어도 하나의 불활성 가스 공급 도관은, 재순환된 배기 가스의 일부가 연료 유입 노즐을 통해 실린더 내로 안내될 수 있도록 EGR 경로에 유체 연결될 수 있다.
내연 엔진은 바람직하게는 터빈 및 압축기를 갖는 적어도 하나의 터보차저를 더 포함한다.
배기 가스 재순환을 위한 시스템은 저압 시스템일 수 있으며, 상기 재순환된 배기 가스는 터보차저의 터빈을 통해 안내될 수 있다. 재순환된 배기 가스는 터보차저의 압축기를 통해 실린더의 공기 입구로 안내될 수 있다. 저압 EGR 시스템에서 터보차저는 EGR 경로에 배치되어, 재순환된 배기 가스가 터보차저를 구동하는데 기여한다.
실린더의 배기 출구로부터 실린더의 공기 입구로 이어지는 EGR 경로는 터보차저의 터빈을 포함하고 터보차저의 압축기도 포함할 수 있다. 일반적으로, 배기 가스는 신선한 공기와 혼합된 터보차저에 의해 실린더의 공기 입구로 안내될 수 있다. 따라서, 터보차저의 압축기는 재순환될 배기 가스와 신선한 공기를 흡입한다.
일반적으로, EGR 경로는 바람직하게는 터보차저의 터빈 하류에 있는 접합부(junction)를 포함하며, 이로부터 배기 가스는 실린더의 공기 입구쪽으로, 바람직하게는 터보차저의 압축기로, 또는 배기 가스 펀넬(funnel)쪽으로 안내될 수 있다.
대안적으로, 배기 가스 재순환을 위한 시스템은 고압 시스템일 수 있으며, 상기 배기 가스는 압축기를 통과하지 않고 바람직하게는 터보차저의 터빈을 통과하지 않고 실린더의 공기 입구로 안내된다. EGR 경로에는 배기 가스 블로워(blower)가 배치될 수 있다.
EGR 경로는 불활성 가스 공급 도관이 메인 EGR 경로에서 분기되어 재순환된 배기 가스의 일부를 유체 연료 유입 노즐의 불활성 가스 공급 라인으로 안내하도록 분기될 수 있다. 재순환된 배기 가스의 다른 일부는 공기 입구로 안내될 수 있다.
EGR 경로는 배기 가스 쿨러를 포함할 수 있고 디미스터(demister)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 불활성 가스 공급 도관은 배기 가스 쿨러의 EGR 경로 상류에서 분기된다.
따라서, 재순환될 완전한 배기 가스가 배기 가스 쿨러를 통해 안내될 필요가 없다. 배기 가스 쿨러는 전체 재순환되는 양보다 적은 양의 배기 가스를 위해 구성될 수 있다.
불활성 가스 공급 도관은 불활성 가스를 연료 유체와 유사한 압력, 예를 들어 최대 10-15 bar로 가압하는 압축기를 포함할 수 있다.
불활성 가스 공급은 연료 유체의 압력보다 낮은 압력으로 유체 연료 유입 노즐에 공급될 수 있다. 이 경우 공급량은 더 커야 하며, 이는 더 긴 공급 시간 또는 더 큰 공급 단면을 통해 달성될 수 있다.
제어 유닛은 공기 입구로 재순환되는 배기 가스의 양 및 유체 연료 유입 노즐로 안내되는 배기 가스의 양을 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 양은 불활성 가스 공급 도관에 배치된 밸브를 설정함으로써 및/또는 불활성 가스 공급 도관에 배치된 압축기의 전력을 설정함으로써 제어될 수 있다.
불활성 가스 공급 라인은 불활성 가스가 연료 유체 공급 라인 주위로 흐를 수 있는 방식으로 연료 유입 노즐에 배치될 수 있다.
대안적으로, 연료 유체 공급 라인은 연료 유체가 불활성 가스 공급 라인 주위로 흐를 수 있는 방식으로 유체 연료 유입 노즐에 배치될 수 있다.
중앙 공급 라인은 복수의 동심으로 배치된 공급 라인 또는 하나의 환형으로 및 동심으로 배치된 공급 라인으로 둘러싸일 수 있다.
연료 유체 공급 라인과 불활성 가스 공급 라인의 배치는 노즐 내에서 연료와 불활성 가스 사이의 열 교환뿐만 아니라 노즐 바로 외부의 실린더 내에서 발생할 수 있는 연료와 불활성 가스의 혼합을 촉진한다.
적어도 하나의 연료 유체 공급 라인 및 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인은 연료 유체 및 불활성 가스가 노즐과 혼합되도록 연료 유입 노즐 내에서 병합될 수 있다. 연료 유입 노즐은 바람직하게는 하나의 출구만을 포함한다.
적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인의 단면적은 적어도 연료 유체 공급 라인의 단면적과 동일할 수 있거나 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인의 단면적보다 최대 7배 더 클 수 있다.
이러한 맥락에서 단면적은 바람직하게는 연료 유입 노즐의 입구에서 공급 라인 내의 흐름 방향에 수직인 단면적을 의미한다.
도입된 연료 유체와 불활성 가스의 유사한 압력을 가정하면 단면적의 비율은 혼합물의 목표 온도를 달성하기 위해, 특히 연소의 안정성을 제공하는 실린더 내의 배기 가스의 온도를 달성하기 위해 연료 유체와 불활성 가스의 양의 적절한 비율을 보장한다.
일반적으로, 연료 유체는 가열되고 불활성 가스는 약 40℃의 온도로 냉각된다.
연료 유입 노즐은 추가 냉각 수단, 바람직하게는 냉각 유체를 안내하기 위한 적어도 하나의 채널을 포함할 수 있다.
유체 연료 유입 노즐은 멀티홀-벤츄리-노즐, 예를 들어 6홀-벤츄리-믹서일 수 있으며, 상기 연료 유체는 메인 입구를 통해 믹서로 유입되고 배기 가스는 벤츄리-믹서를 통한 연료 유체 흐름에 대해 90도 각도로 쓰로트(throat)에 위치한 유입 홀을 통해 유입된다. 유입 홀은 쓰로트의 가장 좁은 부분 주위에 균일하게 이격될 수 있다.
내연 엔진은 바람직하게는 불활성 가스 공급 도관의 상류에 배치된, 불활성 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치를 포함할 수 있다. 상기 냉각 장치에서, 불활성 가스, 예를 들어 배기 가스는 연료 유입 노즐에 도달하기 전에 그리고 유체 연료와 접촉하기 전에 사전 냉각될 수 있다.
따라서, 연료와 불활성 가스 사이의 온도 차이가 감소될 수 있어, 많은 불활성 가스가 목표 온도에 도달하기 위해 연료 유입 노즐을 통해 안내될 수 있다. 공기 입구로 안내되는 배기 가스의 양이 감소될 것이다. 따라서 공기 입구로 안내되는 배기 가스를 냉각하기 위한 배기 가스 쿨러의 크기도 더 작게 선택될 수 있다.
냉각 장치는 EGR 경로에 배치된 배기 가스 쿨러에 의해 또는 배기 가스 쿨러의 일부에 의해 형성될 수 있으므로, 불활성 가스 공급 도관은 EGR 경로에서 배기 가스 쿨러 하류 또는 배기 가스 쿨러의 일부 하류에서 EGR 경로로부터 분기된다.
본 발명의 목적은 또한 전술한 내연 엔진의 실린더용 연료 유입 노즐에 의해 달성된다.
연료 유입 노즐은 연료 유체 공급 도관에 연결 가능한 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인 및 불활성 가스 공급 도관에 연결 가능한 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인을 포함한다.
연료 유체 공급 라인은 액체 가스의 기화를 가능하게 하거나 돕도록 구성될 수 있다. 연료 유체 공급 라인은 플레어링될 수 있다.
연료 유체 공급 라인 및 불활성 가스 공급 라인은 원형 단면을 갖는 보어(bore)로서 형성될 수 있다. 연료 유체 공급 라인의 단면은 적어도 연료 유입 노즐의 입구 측에서 10-40mm, 특히 20mm 또는 38mm의 직경을 가질 수 있다.
연료 유체 공급 라인의 단면과 실린더당 행정 체적의 비율은 0.3mm2/dm3과 1.2mm2/dm3 사이, 바람직하게는 0.4mm2/dm3과 0.8mm2/dm3 사이일 수 있다.
연료 유체 공급 라인과 동일한 단면을 갖는 1 내지 7개의 불활성 가스 공급 라인이 있을 수 있다.
연료 유체 공급 라인의 단면과 동일한 단면을 가지거나 연료 유체 공급 라인의 단면보다 최대 7배 더 큰 단면을 갖는 하나의 추가 불활성 가스 공급 라인이 있을 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 전술한 바와 같은 연료 유입 노즐을 사용하여 전술한 바와 같은 내연 엔진의 연소실로 연료 유체를 공급하는 방법에 의해 달성된다. 연료 유체가 유입되는 동안 배기 가스, N2, CO2 또는 아르곤과 같은 불활성 가스가 실린더로 유입되고 연료 유체는 불활성 가스를 냉각시킨다. 바람직하게는 연료 액체는, 보다 바람직하게는 연료 유입 노즐 내에서 기화된다.
연소실 내용물 또는 연료와 불활성 가스의 공급된 혼합물의 점화 가능성이 감소된다.
연료 유체와 불활성 가스는 동일한 연료 유입 노즐에 의해 실린더에 유입된다.
바람직하게는, 냉각될 불활성 가스는 연료 유체와 조합하여만 흐른다. 따라서, 연료 유입 노즐의 폐쇄 기간 동안의 체류 시간은 냉각 효과를 증가시킬 수 있다.
불활성 가스는 EGR 경로로부터 가져올 수 있다.
재순환된 배기 가스의 제 1 부분은 불활성 가스로서 연료 유입 노즐의 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인으로 안내될 수 있고 재순환된 배기 가스의 제 2 부분은 내연 엔진의 공기 입구로 안내될 수 있다.
위에서 설명한 내연 엔진을 작동하기 위해 실린더로 재순환되는 배기 총량의 제 1 부분은, 위에서 설명한 바와 같은 연료 유입 노즐에 의해 분사될 때 연료 유체에 의해 냉각될 수 있고, 재순환된 배기 가스의 제 2 부분은 배기 가스 쿨러에서 냉각될 수 있다.
불활성 가스는 유입 중에 적어도 150℃ 내지 350℃까지 냉각될 수 있다.
배기 가스는 일반적으로 실린더를 떠날 때, 약 240℃ 내지 460℃, 특히 370℃의 온도를 갖는다. 터빈을 통과한 후에도, 배기가스는 부하 및 터보차저의 효율에 따라 여전히 약 200℃ 내지 280℃의 온도를 갖는다.
연료 유체는 유입 동안 120℃ 내지 230℃, 바람직하게는 140℃ 내지 190℃까지 가열될 수 있다.
극저온 연료 액체는 약 -162℃의 온도를 가질 수 있거나 더 차갑고, 비극저온 연료 가스는 -100℃의 온도를 가질 수 있다. 혼합물의 목표 온도는 일반적으로 20℃와 70℃ 사이이며, 예를 들어 40℃이다.
비극저온 연료 가스에 의해 터빈 상류로부터 분기된 재순환 배기 가스를 냉각할 때, 예를 들어 약 40℃의 혼합 온도를 달성하기 위해 연료 가스와 배기 가스의 거의 동일한 부분이 실린더로 안내되어야 한다.
극저온 연료 액체에 의해 터빈 하류에서 분기된 재순환 배기 가스를 냉각할 때, 실린더로 안내되는 배기 가스의 양은 예를 들어 약 40℃의 혼합 온도를 달성하기 위해 극저온 연료 액체의 양의 거의 7배가 되어야 한다.
배기 가스 쿨러의 파워가 연료 유입 노즐로 얼마나 많은 배기 가스가 분지되는지에 따라 5%에서 최대 35%까지 감소될 수 있다. 따라서 더 작은 배기 가스 쿨러가 사용될 수 있어 선박의 엔진 룸 공간을 절약할 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 전술한 바와 같은 연료 유입 노즐을 제조하는 방법에 의해 달성되며, 상기 연료 유입 노즐은 3D-프린트 공정과 같은 적층 공정에 의해 제조된다.
적층 공정은 연료 유체와 불활성 가스의 열 전달 및 혼합을 돕는 복잡한 기하학적 형상을 허용한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 연료 유체 공급 라인 및 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인은 침식(eroding) 기술, 레이저 기술, 드릴링 또는 밀링에 의해 노즐 본체에 형성된다.
다음에서, 본 발명은 도면에 의한 실시 형태에서 추가로 설명된다. 동일한 참조 번호는 기능적으로 대응하는 특징을 나타낸다.
도 1은 연소 엔진의 제 1 형태의 개략도를 도시한다.
도 2는 연료 유입 노즐의 제 1 형태의 개략도를 단면도로 도시한다.
도 3은 연료 유입 노즐의 제 2 형태의 개략도를 단면도로 도시한다.
도 4는 연료 유입 노즐의 제 3 형태의 개략도를 단면도로 도시한다.
도 5는 연소 엔진의 제 2 형태의 개략도를 도시한다.
도 6은 연소 엔진의 제 3 형태의 개략도를 도시한다.
도 2는 연료 유입 노즐의 제 1 형태의 개략도를 단면도로 도시한다.
도 3은 연료 유입 노즐의 제 2 형태의 개략도를 단면도로 도시한다.
도 4는 연료 유입 노즐의 제 3 형태의 개략도를 단면도로 도시한다.
도 5는 연소 엔진의 제 2 형태의 개략도를 도시한다.
도 6은 연소 엔진의 제 3 형태의 개략도를 도시한다.
도 1은 피스톤(3) 및 배기 밸브(4)를 갖는 실린더(1)를 갖는 대형 내연 엔진(100)의 제 1 형태의 개략도를 도시한다. 내연 엔진(100)은 저압 연료 유체를 실린더 벽(2), 여기에서는 실린더 라이너를 통해 실린더(1) 내로 직접 분사하기 위한 연료 유입 노즐(10)을 포함한다.
연료 유입 노즐(10)은 연료 공급 도관(21)에 유체 연결되는 연료 유체 공급 라인(11)을 포함한다. 연료 공급 도관은 연료 액체 용기(37)에 유체 연결될 수 있다(도 4, 도 5 참조).
연료 유입 노즐(10)은 불활성 가스 공급 도관(22)에 유체 연결되는 불활성 가스 공급 라인(12)을 포함한다.
도 2는 연료 유입 노즐(10)의 제 1 형태의 개략도를 단면도로 도시한다. 연료 유체 공급 라인(11)은 액체 유체의 기화를 촉진하기 위해 출구(13)를 향해 나빨꽃 모양으로 벌어진다.
연료 유입 노즐(10)은 냉각 유체를 안내하고 불활성 가스를 추가로 냉각하기 위해 노즐 본체(15)에 배치된 채널(14)을 포함한다.
도 3은 연료 유입 노즐(10)의 제 2 형태의 개략도를 단면도로 도시한다.
연료 유체 공급 라인(11)과 불활성 가스 공급 라인(12)은 노즐 본체(15) 내에서 합쳐진다. 불활성 가스와 연료 유체는 연료 유입 노즐(10) 내에서 혼합된다.
연료 유입 노즐(10)은 하나의 출구(13)만을 포함한다.
도 4는 연료 유입 노즐(10)의 제 3 형태의 개략도를 단면도로 도시한다. 연료 유입 노즐(10)은 6홀 벤츄리 믹서이다.
연료 유체는 중앙 파이프(17)의 메인 입구(16)를 통해 믹서로 들어갈 수 있다. 배기 가스는 벤츄리 믹서를 통한 연료 유체 흐름(18)에 대해 90도 각도로 중앙 파이프(17)의 쓰로트(throat)(19)에 위치한 6개의 유입 홀(15)을 통해 들어갈 수 있다. 유입 홀(15)은 쓰로트(19)의 가장 좁은 부분 주위에 균일하게 이격되어 있다.
도 5는 실린더(1)를 포함하는 대형 내연 엔진(100)의 제 2 형태의 개략도를 도시한다.
내연 엔진(100)은 실린더(1)의 배기 출구(24)와 공기 입구(25) 사이에 배치된 EGR 경로(23)를 갖는 배기 가스 재순환을 위한 시스템을 포함한다.
내연 엔진(100)은 터빈(27) 및 압축기(28)를 구비한 터보차저(26)를 포함한다.
배기 가스 재순환을 위한 시스템은 저압 시스템이며, 상기 재순환된 배기 가스는 배기 가스가 신선한 공기(29)와 혼합되는 터보차저(26)의 압축기(28)를 통해 실린더(1)의 공기 입구(25)로 안내될 수 있고, 상기 재순환된 배기 가스의 적어도 일부는 터보차저(26)의 터빈(27)을 통해 안내될 수 있다.
배기 가스의 다른 일부는 배기 웨이스트 게이트 밸브(exhaust waste gate valve)(31)가 개방될 때 터보차저(26)를 바이패스하고 터빈 바이패스(30)를 통해 안내될 수 있다.
재순환되는 배기 가스의 양은 EGR 경로(23)와 배기 가스 펀넬(exhaust gas funnel)(33) 사이에 배치된 배압 밸브(32)를 설정함으로써 제어될 수 있다.
배기 가스는 배기 가스 리시버(34)에 수집된다. EGR 경로(23)는 배기 가스 쿨러(35)를 포함한다. 재순환된 배기 가스와 신선한 공기는 소기 공기 리시버(36)로 안내된다.
배기 가스를 연료 유입 노즐(10)로 안내하기 위한 불활성 가스 공급 도관(22)은 터빈(27) 하류 및 배기 가스 쿨러(35) 상류의 EGR 경로(23)에서 분기된다. 밸브(39)를 설정함으로써 EGR 경로(23)에서 분기되는 배기 가스의 양이 제어될 수 있다.
불활성 가스 공급 도관(22)은 연료 유입 노즐(10)로 안내되는 배기 가스를 가압하기 위한 압축기(38)를 포함한다.
연료 유체 도관(21)은 컨테이너(37)로부터 연료 유입 노즐(10)로 연료 액체를 안내한다.
제어 유닛(41)은 불활성 가스 공급 도관(22)에 밸브(39)를 설정하고 연료 유체 도관(21)에 밸브(40)를 설정함으로써 연료 유입 노즐(10)로 안내되는 연료 및/또는 불활성 가스의 양과 유입의 타이밍을 제어한다.
도 6은 저압 배기 가스 재순환을 갖는 제 2 형태와 유사한 대형 내연 엔진(100)의 제 3 형태의 개략도를 도시한다.
이 형태에서 배기 가스를 연료 유입 노즐(10)로 안내하기 위한 불활성 가스 공급 도관(22)은 터빈(27) 상류의 EGR 경로(23)에서 분기된다.
이 경우 불활성 가스 공급 도관(22)은 여전히 압축기(38)를 필요로 할 수 있는데, 이는 터보차저(26) 상류의 배기 가스의 압력이 3.5bar이고 이 압력이 연료 유입 노즐(10) 내의 연료 유체와 동일한 압력에 도달하기 위해 10-13bar로 상승될 수 있기 때문이다.
Claims (14)
- 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 내연 엔진(100), 즉 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 실린더(1)를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진으로서,
상기 내연 엔진(100)은 실린더 벽(2)을 통해 상기 실린더(1) 내로 저압 연료 유체를 직접 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 유체 유입 노즐(10)을 갖고,
상기 연료 유입 노즐(10)은,
- 연료 공급 도관(21)에 유체 연결되거나 연결 가능한 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인(11), 및
- 불활성 가스 공급 도관(22)에 유체 연결되거나 연결 가능한 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진(100). - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 불활성 가스 공급 도관(22) 중 적어도 하나는 배기 가스를 제공하는 공급 도관이고, 및/또는 적어도 하나의 불활성 가스 공급 도관(22) 중 적어도 하나는 N2, CO2 또는 아르곤을 제공하는 공급 도관인, 내연 엔진(100). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 내연 엔진(100)은 배기 출구(24)와 공기 입구(25) 사이에 배치된 EGR 경로(23)를 갖는 배기 가스 재순환 시스템(1)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 불활성 가스 공급 도관(22)은 상기 EGR 경로(23)에 유체 연결되어 있어 재순환된 배기 가스의 일부가 상기 유체 연료 유입 노즐(10)을 통해 상기 실린더(1) 내로 안내될 수 있는, 내연 엔진(100). - 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 불활성 가스 공급 라인(11)은 불활성 가스가 상기 연료 유체 공급 라인 주위로 흐를 수 있는 방식으로 상기 유체 연료 유입 노즐(10)에 배치되거나, 상기 연료 유체 공급 라인(12)은 연료 유체가 상기 불활성 가스 공급 라인(11) 주위로 흐를 수 있는 방식으로 상기 유체 연료 유입 노즐(10)에 배치되는, 내연 엔진(100). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인(12)의 단면적은 상기 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인(11)의 단면적과 동일하거나 상기 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인(11)의 단면적보다 최대 7배 더 큰, 내연 엔진(100). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인(11)과 상기 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인(12)은 상기 연료 유체 유입 노즐(10) 내에서 합쳐지고, 상기 연료 유체 유입 노즐(10)은 바람직하게는 하나의 출구(13)만을 포함하는, 내연 엔진(100). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 유체 유입 노즐(10)은 추가 냉각 수단, 바람직하게는 냉각 유체를 안내하기 위한 적어도 하나의 채널(14)을 포함하는, 내연 엔진(100). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내연 엔진(100)은 바람직하게는 불활성 가스 공급 도관(22)의 상류에 배치된, 불활성 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치를 포함하는, 내연 엔진(100). - 연료 공급 도관(21)에 연결 가능한 적어도 하나의 연료 유체 공급 라인(11) 및 불활성 가스 공급 도관(22)에 연결 가능한 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인(12)을 포함하는, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진(100)의 실린더(1)용 연료 유체 유입 노즐(10).
- 제 9 항에 있어서,
상기 연료 유체 공급 라인(11)은 액체 유체의 기화를 가능하게 하도록 구성되는, 연료 유체 유입 노즐(10). - 제 9 항 또는 제 10 항에 따른 연료 유체 유입 노즐(10)을 사용하여 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진(100)의 연소실에 연료 유체를 공급하는 방법으로서,
연료 유체의 유입 동안 불활성 가스가 상기 실린더(1)에 도입되고 연료 유체는 불활성 가스를 냉각시키며, 상기 연료 유체는 바람직하게는 기화되고, 더욱 바람직하게는 상기 연료 유체 유입 노즐(10) 내에서 기화되는, 방법 - 제 11 항에 있어서,
재순환 배기 가스의 제 1 부분은 불활성 가스로서 상기 연료 유입 노즐(10)의 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인(12)으로 안내되고 재순환 배기 가스의 제 2 부분은 상기 내연 기관(100)의 공기 입구(25)로 안내되는, 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 유입 동안 적어도 150℃ 내지 350℃까지 냉각되고 및/또는 상기 연료 유체는 140℃ 내지 190℃까지 가열되는, 방법. - 제 9 항 또는 제 10 항에 따른 연료 유체 유입 노즐(4)의 제조 방법으로서,
상기 연료 유체 유입 노즐(4)은 3D-프린트 공정에 의해 제조되거나,
상기 연료 유체 공급 라인(11) 및 상기 적어도 하나의 불활성 가스 공급 라인(12)은 침식(eroding) 기술, 레이저 기술, 드릴링 또는 밀링에 의해 노즐 본체(15)에 형성되는, 방법.
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