KR20230076793A - 내연 엔진 - Google Patents

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KR20230076793A
KR20230076793A KR1020220159296A KR20220159296A KR20230076793A KR 20230076793 A KR20230076793 A KR 20230076793A KR 1020220159296 A KR1020220159296 A KR 1020220159296A KR 20220159296 A KR20220159296 A KR 20220159296A KR 20230076793 A KR20230076793 A KR 20230076793A
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combustion engine
cylinder
fuel
scavenging
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KR1020220159296A
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Inventor
프리돌린 언퍼그
Original Assignee
빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Abstract

본 발명은 내연 엔진 및 내연 엔진 작동 밥법에 관한 것이다. 내연 엔진(100), 바람직하게는 대형 2-행정 내연 엔진은 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는다. 내연 엔진(100)은 연료 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 유입 밸브(29)를 포함하는 저압 연료 유체 엔진 또는 이중 연료 엔진(1)이다. 실린더(1)는 복수의 소기(scavenging) 포트(10)를 가지며, 이 소기 포트는 실린더(1)의 제 1 단부 측(6a)을 둘러싸는 소기 챔버(4)와 유체 연통한다. 내연 엔진(100)은, 소기 챔버(4)에 배치되는, 혼합 공간(12)을 제공하는 적어도 하나의 혼합 챔버(11)를 포함한다. 혼합 챔버(11)는 소기 공기를 도입하기 위한 적어도 하나의 입구 포트(13), 연료 유체를 혼합 챔버 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 공급 노즐(14), 바람직하게는 각 입구 포트(13)에 배치되는 적어도 하나의 공급 노즐(14), 및 적어도 하나의 출구(15)를 포함하고, 각 출구(15)는 적어도 하나의 소기 포트(10), 바람직하게는 최대 4개의 인접하는 소기 포트(10)와 대향한다.

Description

내연 엔진{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 바람직하게는 실린더의 내경이 적어도 200mm인 대형 해양용 또는 선박 엔진 또는 정치식(stationary) 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 또한 자기 점화 또는 강제 점화로 가능하다.
내연 엔진은 종방향으로 플러싱되는 2-행정 엔진일 수 있다.
내연 엔진이라는 용어는 또한 연료의 자기 점화를 특징으로 하는 디젤 모드뿐만 아니라. 연료의 포지티브 점화를 특징으로 하는 오토(Otto) 모드 또는 이들 두 모드의 혼합으로도 작동될 수 있는 대형 엔진을 말한다. 더욱이, 내연 엔진이라는 용어는 특히 이중 연료 엔진 및 연료의 자기 점화가 다른 연료의 포지티브 점화에 사용되는 대형 엔진을 포함한다.
엔진 속도는 바람직하게는 4-행정 엔진의 경우 800 RPM 미만이고, 더 바람직하게는 특히 2-행정 엔진의 경우에는, 저속 엔진의 지정을 나타내는 200 RPM 미만이다.
연료는 디젤 또는 선박용 디젤유 또는 중유 또는 에멀젼 또는 슬러리 또는 메탄올 또는 에탄올뿐만 아니라 액화 천연 가스(LNG), 액화 석유 가스(LPG) 등과 같은 가스일 수 있다.
요청시 추가될 수 있는 다른 가능한 연료는 LBG(액화 바이오가스), 생물학적 연료(예컨대, 조류(algae) 또는 해초로 만들어진 오일), 수소, CO2 합성 연료(예컨대, Power-To-Gas 또는 Power-To-Liquid로 만들어짐)이다.
대형 선박, 특히 상품 운송용 선박은 일반적으로 내연 엔진, 특히 디젤 및/또는 가스 엔진, 대부분 2-행정 크로스 헤드 엔진에 의해 동력 공급을 받는다.
고압 또는 저압 연료를 가압 실린더 안으로 직접 분사하는 것이 알려져 있다. 시점은, 공기 연료 혼합물의 블로잉 쓰르우(blowing through) 줄이거나 피할 수 있도록 선택될 수 있다. 연료 유체와 활성 유체의 혼합물은 불충분할 수 있고, 연료 유체의 농도가 국부적으로 증가될 수 있어, 조기 점화 및 미연소 유체의 배출과 같은 문제가 발생할 수 있다.
실린더 라이너에 배치된 유입 구멍은 피스톤의 링 패키지 내의 압력을 교란할 수 있다.
WO2018135191 A1에는, 연료가 노즐을 통해 소기(scavenging) 포트 앞의 공간 안으로 들어가는 2-행정 엔진이 개시되어 있다. 연료 분사는 소기 포트가 피스톤으로부터 해제된 후 시작되고 소기 포트가 다시 폐쇄되기 전에 끝나게 된다.
EP 3296557 B1에는, 연료가 실린더를 둘러싸는 소기 공기 챔버 안으로 보내지는 2-행정 엔진이 나타나 있다. 연료는 주 공급부로부터 밸브를 통해 링 라인 안으로 보내진다. 링 라인에서 연료 라인이 분기되어 있고, 이 연료 라인은 연료가 소기 챔버에 들어갈 때 통과하는 구멍을 가지며, 소기 챔버에서 연료는 소기 공기와 혼합된다. 실린더 내에서의 혼합과 유사하게, 혼합은 불충분할 수 있고 연료 가스의 농도가 균일하게 분포되지 않을 수 있는데, 이 결과 또한 사전 점화 또는 노킹과 같은 실화(misfiring)가 초래될 수 있다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 단점을 피하고, 특히 증가된 엔진 효율을 제공하는 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법을 제공하는 것이다.
위의 목적은 독립 청구항에 따른 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법에 의해 달성된다.
내연 엔진은 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 포함한다.
내연 엔진은 저압 연료 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진이며, 바람직하게는 대형 2-행정 내연 엔진이다.
내연 엔진은 연료 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 유입 밸브를 포함한다. 본 출원 내에서, 연료 유체는 연료 가스 또는 연료 액체일 수 있다.
실린더는 복수의 소기(scavenging) 포트를 포함하고, 이 소기 포트는 소기 챔버와 유체 연통한다. 소기 챔버는 피스톤의 행정 방향으로 실린더의 제 1 단부 측의 적어도 일부분을 둘러싸고, 소기 공기는 거기에 도입될 수 있다.
소기 공기는 산소, 오존 등과 같은 산화제 또는 그의 혼합물을 포함하는 압축된, 냉각된 그리고 탈수된 작용 가스일 수 있다. 소기 공기는 재순환되는 배기 가스 또는 상이한 종류의 불활성 가스일 수 있다.
소기 포트는, 실린더의 제 1 단부 측에 있는 실린더 라이너의 내주면인 내주면으로부터 그의 외주면까지 관통하는 구멍일 수 있으며, 복수의 소기 포트가 모두 실린더 주위에 제공될 수 있다.
소기 포트는 실린더 내에서의 피스톤의 운동에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있다.
내연 엔진은, 소기 챔버에 배치되는, 혼합 공간을 제공하는 적어도 하나의 혼합 챔버를 포함한다.
혼합 챔버는 소기 공기를 도입하기 위한 적어도 하나의 입구 포트, 연료 유체를 혼합 챔버 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 공급 노즐 및 적어도 하나의 출구를 포함한다.
적어도 하나의 혼합 챔버는, 소기 공기가 혼합 챔버를 통해서만 실린더 내로 들어갈 수 있도록 소기 챔버에 배치될 수 있다. 따라서, 소기 공기는 입구 포트를 통해 혼합 챔버에 들어가야 하고, 혼합 공간을 통과해야 하고 출구를 통해 혼합 챔버를 떠나 소기 포트로 가야 한다. 혼합 챔버 외에 소기 챔버와 소기 포트 사이에 직접적인 유체 연결이 없을 수 있다. 소기 공기는 실린더 안으로 흡입되기 위해 혼합 챔버를 우회하지 않을 수 있다. 이렇게 해서, 연료 유체는 공급되는 연료 유체의 양에 관계없이 소기 공기와 최적으로 혼합될 수 있다.
혼합 공간에서 적어도 1의 람다 값(공연비)이 도달될 수 있다. 배기 가스 재순환이 없는 엔진의 경우, 적어도 2의 람다 값을 얻어질 수 있다.
바람직하게는 적어도 하나의 공급 노즐이 입구 포트에, 더 바람직하게는 각각의 입구 포트에 배치된다. 연료 유체는 소기 공기와 함께 혼합 공간에 들어갈 수 있다. 연료 유체는 고르게 분포된 혼합물이 형성되도록 소기 공기에 공급될 수 있다.
각 출구는 적어도 하나의 소기 포트와 대향한다.
혼합 챔버는 소기 포트당 하나의 출구 또는 최대 8개, 바람직하게는 최대 4개의 인접한 소기 포트에 대해 하나의 출구를 포함할 수 있다.
유체 유입 밸브는 가압 연료 가스 또는 가압 연료 액체를 공급할 수 있다. 혼합 챔버에서 연료 가스 또는 연료 액체는 팽창하고 소기 공기와 혼합되어 연료/공기 혼합물이 제공된다.
연료와 공기의 사전 혼합으로 인해, 연료는 실린더에 들어가 소기 공기와 혼합되며 그래서 실린더 내에 균일하게 분포될 수 있다. 연소실에 있는 매우 희박하고 연료가 매우 풍부한 혼합물 영역이 감소된다. 추가로, 최적화된 가스 유입 시작과 가스 유입 종료로 천연 가스를 혼합 챔버 안으로 유입시킴으로써, 연료가 연소실 틈새(예컨대, 피스톤과 라이너 사이에 있음)에 들어가는 것이 방지되고, 소기 과정동안에 실린더 밖으로의 직접적인 연료 손실이 감소된다.
미연소 연료, 특히 메탄의 비율이 감소되고, 원하는 점화 시기 전에 점화되는 경향 및 노킹 연소의 경향이 감소하여, 엔진 효율이 증가하고 이중 연료 가스 모드에서의 엔진 작동 사이클이 개선된다.
연료 유체가 실린더 외부의 소기 공기와 미리 혼합되고 잘 준비된 연료/공기 혼합물이 실린더에 들어가기 때문에, 실린더의 더 낮은 연료 압력이 필요할 수 있다.
혼합 챔버는 연료 가스뿐만 아니라 연료 액체에도 적합하다.
내연 엔진은 선박의 엔진으로 사용될 수 있는 단류(uniflow) 소기 2-행정 엔진일 수 있다. 소기 챔버는 실린더의 제 1 단부 측에 배치되는 반면, 배기 포트는 실린더 내 피스톤의 행정 방향으로 제 2 단부 측에 제공될 수 있다.
배기 포트는 제 2 단부 측에, 예컨대 피스톤의 상사점 위쪽에 위치되는 실린더 헤드에 제공될 수 있고, 연소 후에 실린더에서 발생된 배기 가스를 배출하기 위해 개방된다. 배기 포트가 개방되면, 배기 가스는 배기 포트를 통해 실린더에서 배출된다.
적어도 하나의 혼합 챔버는 특히 실린더 벽에 동축으로 배치된 소기 포트에 대응하여 실린더의 적어도 일부분 주위에 동축으로 배치될 수 있다. 혼합 챔버는 소기 포트와 동일한 축방향 레벨에, 즉 상사점과 하사점 사이의 동일한 레벨에 배치될 수 있다. 따라서 연료/공기 혼합물은 실린더 공간으로 가는 길이 짧다.
적어도 하나의 혼합 챔버 중의 하나는 연료와 소기 공기의 혼합물을 하나의 소기 포트, 다수의 인접한 소거 포트 또는 심지어 모든 소기 포트에 공급할 수 있다.
내연 엔진은, 전체 실린더 주위에 환형으로 연장될 수 있고 환형 혼합 공간을 제공할 수 있는 정확히 하나의 혼합 챔버를 포함할 수 있다.
환형 혼합 챔버는 환형 입구 포트 및/또는 환형 출구를 포함할 수 있다. 환형 출구는 모든 소기 포트를 맡을 수 있다. 대안적으로, 환형 혼합 챔버는 복수의 입구 포트 및/또는 복수의 출구를 포함할 수 있다.
하나의 환형 혼합 챔버 대신에, 적어도 2개의 혼합 챔버가 실린더 주위의 동축 링에 배치될 수 있다. 복수의 혼합 챔버가 실린더 주위에 환형으로 배치될 수 있다. 각 혼합 챔버는 최대 8개, 바람직하게는 4개의 인접한 소거 포트를 제공할 수 있다.
복수의 혼합 챔버 각각은 하나의 입구 포트 및 하나의 공급 노즐을 포함할 수 있다. 대안적으로, 복수의 혼합 챔버 각각은 복수의 입구 포트 및/또는 복수의 출구를 포함할 수 있다.
혼합 챔버는 바람직하게는 실린더의 외벽과 접촉하는, 출구에 인접하고 그리고/또는 그 출구를 둘러싸는 목부를 포함할 수 있다. 이 목부는, 출구가 하나의 또는 복수의 부속하는 소기 포트를 덮고 연료/공기 혼합물의 안내된 흐름을 제공하도록 배치될 수 있으며, 그래서 연료/공기 혼합물이 실린더에만 들어가고 소기 챔버로 되돌아가지 않게 된다.
목부는 소기 공기가 혼합 챔버를 통과하지 않고 소기 포트에 들어가는 것을 방지한다.
각 입구 포트는 입구 파이프를 포함할 수 있다. 입구 파이프의 적어도 일부분은 바람직하게는 실린더의 축선에 평행하거나 수직인 축선을 포함할 수 있다. 따라서 소기 공기는 축방향 또는 반경 방향으로 혼합 챔버에 공급될 수 있다.
입구 파이프에는 적어도 하나의 공급 노즐이 배치될 수 있으며, 바람직하게는, 연료 액체가 주로 파이프 축선의 방향으로 공급되도록 배치될 수 있다. 연료 유체와 소기 공기의 혼합이 입구 파이프에서 시작될 수 있다.
입구 파이프는, 파이프의 중간 부분의 벽에 파이프의 축선에 대해 동축으로 배치되는 공급 노즐을 갖는 벤튜리 혼합기로서 형성될 수 있다. 파이프의 중간 부분은 그 파이프의 상류 부분 및 하류 부분보다 작은 직경을 갖는다.
중간 부분에서 연료 유체의 속도가 증가되며, 반면에 압력은 감소된다. 유체가 중간 부분을 떠남에 따라 압력은 다시 파이프 레벨까지 증가한다. 중간 부분에서의 압력 변화는 필요한 비율로 주 공기 유동과 결합하고 혼합하기 위해 공급 연료의 유동에 변화를 준다. 연료 유체는 펌프 없이 또는 적어도 감소된 펌프 파워로 공급될 수 있다.
입구 파이프는 대안적으로 입구 파이프의 상류 부분 및 하류 부분에 비해 확대된 직경을 갖는 중간 부분을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 공급 노즐이 중간 부분 내에 배치될 수 있다. 연료 유체와 소기 공기는 난류 유동 조건하에서 결합된다.
정적 혼합기가 입구 파이프에서 공급 노즐의 하류에 배치될 수 있다. 정적 혼합기는 결합된 연료 유체와 소기 공기의 혼합을 개선할 수 있다. 따라서, 혼합을 위한 혼합 챔버 내의 유동 경로가 감소될 수 있다.
스로틀 밸브가 입구 파이프에서 공급 노즐의 하류에 배치될 수 있다.
스로틀 밸브를 설정하여 혼합 챔버로의 소기 공기 유입이 제어될 수 있다. 따라서 소기 공기의 유입은 다른 혼합 챔버, 특히 복수의 실린더를 갖는 연소 엔진에 대해 균등해질 수 있다. 또한, 더 낮은 부하의 경우, 소기 공기 공급이 감소될 수 있다. 스로틀은 연료 가스와 소기 가스의 혼합을 개선하는 데에도 사용될 수 있다.
내연 엔진은 스로틀 밸브를 설정하기 위한 제어 장치를 포함할 수 있다.
내연 엔진은, 소기 포트가 개방되기 시작한 후에 연료를 혼합 챔버 내로 분사하기 위해 공급 노즐을 개방시키고 또한 소기 포트가 폐쇄되기 전에 분사를 중단시키기 위한 제어 장치를 포함할 수 있다.
따라서, 배기 출구를 통해 미연소 연료가 분출될 위험이 감소된다.
다른 양태에 따르면, 내연 엔진은 연료 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 가스 유입 밸브를 포함하고, 적어도 하나의 가스 유입 밸브의 하류에서 실린더 공간의 상류에 배치되는 적어도 하나의 연료 공급 챔버를 포함한다. 바람직하게는, 연료 공급 챔버는 복수의 공급 노즐의 상류에 배치되고 그에 유체 연결된다. 바람직하게는 내연 엔진은 1 내지 3개의 연료 공급 챔버를 포함하며, 이는 상이한 축방향 레벨에 배치될 수 있다. 각 연료 공급 챔버는 1 내지 5개의 유체 유입 밸브의 하류에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 연료 공급 챔버는 소기 공기를 도입하기 위한 입구 포트를 갖지 않고 소기 공기는 연료 공급 챔버에 들어가는 것이 허용되지 않는다. 연료 공급 챔버는 실린더 주위에 연료 유체를 분배하는 것을 제공할 수 있다.
연소 엔진은 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진, 바람직하게는 종방향으로 플러싱되는 대형 2-행정 내연 엔진이다. 연소 엔진은 특히 전술한 바와 같은 연소 엔진이다.
하나 이상의 유체 유입 밸브가 연료 공급 챔버에 장착될 수 있다. 유체 유입 밸브는 가압된 연료가 연료 공급 챔버로 들어갈 수 있도록 작동될 수 있다. 바람직하게는 4 내지 16개의 유체 유입 밸브가 실린더 주위에 장착된다.
공급 노즐은 연료 유체를 혼합 챔버에 공급하거나 실린더에 직접 공급하도록 배치될 수 있습니다. 실린더는 공급 노즐을 규정하는 실린더 벽에서 노즐 개구, 예를 들어 40-50개의 노즐 개구를 포함할 수 있다. 노즐 개구는, 반경 방향으로 향할 수 있거나 반경 방향과의 각도를 포함할 수 있는 축선을 가질 수 있다. 노즐 개구의 축선은 실린더 축선에 수직일 수 있거나 실린더 축선에 수직인 수평면과의 각도를 포함할 수 있다.
하나 이상의 그러한 연료 공급 챔버는 연료와 새로운 장입물의 혼합을 최적화하기 위해 축방향 거리를 두고 하나의 실린더에 설치될 수 있다.
연료 공급 챔버는 실린더의 적어도 일부분 주위에 동축으로 배치될 수 있다. 바람직하게는 하나의 공급 챔버가 실린더 주위에 환형으로 연장될 수 있고 모든 공급 노즐에 유체 연결될 수 있다.
이러한 연료 공급 챔버의 위치는 피스톤 행정의 하반부에 있는 것이 바람직하다. 소기 포트를 통해 실린더 내로 새롭게 충전되는 흐름으로 인해 난류 레벨이 높은 영역 안으로 연료를 유입할 수 있는 위치가 유리하다.
연료 공급 챔버는 혼합 챔버와 동일한 축방향 레벨에 또는 혼합 챔버의 축방향 레벨 위에 또는 혼합 챔버의 축방향 레벨 아래에 배치될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 내연 엔진은 연료 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 유입 밸브를 포함한다. 역지 밸브가 적어도 하나의 유체 유입 밸브와 실린더 공간 사이의 유체 경로에, 바람직하게는 공급 노즐 내부에 배치된다.
연소 엔진은 바람직하게는 적어도 200mm의 내부 직경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진, 바람직하게는 종방향으로 플러싱되는 대형 2-행정 내연 엔진이다. 연소 엔진은 특히 전술한 바와 같은 연소 엔진이다.
역지 밸브는 사공간(dead volume)을 감소시킨다. 이 사공간은 유체 유입 밸브가 폐쇄된 후 연료가 실린더에 들어갈 수 있는 공간이다. 역지 밸브는 또한 시스템 내의 연료 역학을 향상시킬 수 있다. 역지 밸브가 더 작은 사공간을 제공함에 따라, 요구 사항 변경에 대한 반응이 더 빨리 일어날 수 있다. 사공간이 작을수록 시스템의 관성은 더 낮아진다.
바람직하게는, 역지 밸브는, 역지 밸브가 없는 배치와 비교하여 사공간이 적어도 70% 내지 80% 감소되도록 배치된다.
다른 양태에 따르면, 소기 포트를 갖는 실린더, 혼합 챔버 및 공급 노즐을 포함하는 전술한 바와 같은 내연 엔진을 작동시키기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 소기 포트가 개방된 후 연료를 혼합 챔버 내로 분사하기 위해 공급 노즐을 개방하는 단계 및 소기 포트가 폐쇄되기 전에 분사를 중단하는 단계를 포함한다.
이와 관련하여, 소기 포트는, 소기 가스 또는 소기 가스와 연료 유체의 혼합물이 실린더에 들어갈 수 있는 즉시 개방된다. 유사하게, 가스가 실린더에 들어갈 수 없을 때, 즉 피스톤이 소기 포트 위쪽에 있을 때 소기 포트가 폐쇄된다.
실린더를 소기하기 위해, 순수한 제 1 소기 공기가 실린더 내로 안내될 수 있다. 그 후, 공급 노즐이 개방되어 소기 가스와 연료 유체의 혼합물이 실린더에 들어갈 수 있다.
바람직하게는, 내연 엔진은 밸브를 설정하기 위한, 특히 공급 노즐의 개방을 가능하게 하고 분사를 중단하기 위한 제어 장치를 포함한다.
이하, 본 발명은 도면으로 실시 형태에서 더 설명된다. 동일한 참조 번호는 기능적으로 대응하는 특징을 나타낸다.
도 1은 내연 엔진의 개략도를 나타낸다
도 2는 실린더의 제 1 단부 측의 제 1 예의 개략도를 측면도로 나타낸다.
도 3은 제1 예의 개략도를 위에서 본 단면도로 나타낸다.
도 4는 실린더의 제1 단부 측의 제 2 예의 개략도를 측면도로 나타낸다.
도 5는 실린더의 제1 단부 측의 제 2 예와 함께 실린더의 개략도를 측면도로 나타낸다.
도 6은 입구 파이프의 제 1 예의 개략도를 나타낸다.
도 7은 입구 파이프의 제 2 예의 개략도를 나타낸다.
도 8은 입구 파이프의 제 3 예의 개략도를 나타낸다.
도 9는 입구 파이프의 제 4 예의 개략도를 나타낸다.
도 10은 크랭크 위치/시간에 따른 밸브 설정의 개략도를 나타낸다.
도 11a는 내연 엔진의 추가 예의 개략도를 측면에서 본 단면도로 나타낸다.
도 11b는 내연 엔진의 추가 예의 개략도를 위에서 본 단면도로 나타낸다.
도 12는 내연 엔진에 대한 추가 예의 실린더 라이너의 개략도를 측면에서 본 단면도로 나타낸다.
도 1은 내연 엔진(100)의 개략도를 나타낸다. 내연 엔진은 적어도 200mm의 내경(7)을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 2-행정 내연 엔진이다. 왕복 피스톤(2)이 크로스헤드(도면에 나타나 있지 않음)에 연결된다.
실린더(1)는 복수의 소기 포트(10), 예를 들어 32개의 소기 포트를 가지며, 이 소기 포트는 소기 챔버(4)와 유체 연통한다. 소기 챔버(4)는 실린더(1)의 제1 단부 측(6a)을 둘러싼다. 배기 포트(3)가 실린더(2)의 제 2 단부 측(6b)에 배치된다.
내연 엔진(100)은 소기 챔버(4)에 배치되는 적어도 하나의 혼합 챔버(11)를 포함한다. 이 혼합 챔버(11)에서 연료 유체와 소기 공기가 소기 포트(10)를 통해 실린더에 들어가기 전에 혼합된다.
도 2는 실린더(1)의 제1 단부 측(6a)의 제1 예의 개략도를 측면도로 나타낸다. 제 1 단부 측면(6a)에서 복수의 혼합 챔버(11)가 실린더(1) 주위에 배치된다.
각 혼합 챔버(11)는 혼합 챔버(11) 내로 소기 공기를 도입하기 위한 입구 포트(13)를 포함한다. 혼합 챔버 내로 연료 유체를 도입하기 위한 공급 노즐(14)이 각 입구 포트(13)에 배치된다.
각 혼합 챔버(11)는 적어도 하나의 소기 포트(10)와 대향하는 출구(15)를 포함한다.
각 혼합 챔버(11)는 혼합 공간(12)을 제공하며, 이 혼합 공간에서 소기 공기와 연료 유체가 실린더(1)에 들어가기 전에 가능한 한 균질한 혼합물을 형성하게 된다.
도 3은 제 1 예의 개략도를 위에서 본 단면도로 나타낸다. 혼합 챔버(11)는 실린더(1) 주위에 원형으로 배치된다. 연료 유체는 연료 공급 챔버(28)를 통해 공급 노즐(14)에 공급된다. 각 연료 공급 챔버는 유체 유입 밸브(29)에 유체 연결된다. 따라서 각 유체 유입 밸브(29)는 각 연료 공급 챔버(28)에 연결된 모든 공급 노즐(14)에 연료 유체를 공급할 수 있다.
공급 노즐(14) 보다 적은 수의 연료 유입 밸브(29)와 함께 연료 공급 챔버(28)를 사용하는 대신에, 연료 유입 밸브(29)는 공급 노즐(14)에 통합되어, 동일한 수의 연료 유입 밸브(29)와 공급 노즐(14)이 얻어진다.
도 4는 실린더의 제 1 단부 측(6a)의 제 2 예의 개략도를 측면도로 나타내고 도 5는 제 2 예의 개략도를 측면도로 나타낸다.
이 예에서 하나의 혼합 챔버(11)는 실린더(1) 주위에 환형으로 배치된다. 혼합 챔버(11)는 복수의 입구 포트(13)(도 5 참조)를 포함할 수 있거나 사인 환형 입구 포트를 포함할 수 있다. 혼합 챔버(11)는 복수의 공급 노즐(14)을 포함한다. 공급 노즐(14)은 4개의 유체 유입 밸브(29)에 의해 공급되는 단일의 공통 연료 공급 챔버(28)를 통해 공급된다.
또한 하나의 환형 혼합 챔버(11)의 경우에, 연료 유입 밸브(29)는 공급 노즐(14)에 통합될 수 있으며, 그래서 동일한 수의 연료 유입 밸브(29) 및 공급 노즐(14)이 설치된다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 입구 포트(13)는 실린더(1)의 축선(9)에 평행한 축선(18)을 갖는 개별 입구 파이프(17)로 형성될 수 있거나 입구 포트(13)는 단일 환형 개구를 갖는 환형 칼라로 형성될 수 있다.
혼합 챔버(11)는 실린더(1)의 외벽(8)과 접촉하는 출구(15)에 인접한 목부(16)를 포함한다. 따라서, 연료 유체와 소기 공기의 혼합물은 실린더 내로 신뢰적으로 안내된다.
도 6은 입구 파이프(17)의 제 1 예의 개략도를 나타낸다. 그 입구 파이프(17)는 입구 파이프(17)의 상류 부분(22') 및 하류 부분(23')에 비해 확대된 직경(25)을 갖는 중간 부분(21')을 포함한다. 중간 부분(21`)에는 공급 노즐(14)이 배치된다.
상류 부분(22')에서 입구 파이프(17)에 들어가는 소기 공기는 중간 부분(21')에서 난류를 형성하여, 들어가는 연료 유체와의 균질한 혼합을 촉진한다.
도 7은 축선(18)을 따르는(위) 그리고 축선(18)에 수직인(아래) 입구 파이프(17)의 제 2 예의 개략도를 나타낸다.
이 예에서 입구 파이프(17)는, 입구 파이프(17)의 중간 부분(21)의 벽(20)에 동축으로 배치되는 공급 노즐(14)을 갖는 벤튜리 혼합기(19)로서 형성된다. 이 경우, 중간 부분(21)은 입구 파이프(17)의 상류 부분(22) 및 하류 부분(23) 보다 작은 직경(24)을 갖는다.
중간 부분(21)에서 소기 공기의 가속된 유동으로 인해, 연료 유체는 입구 파이프(17) 안으로 흡입된다.
도 8은 입구 파이프(17)의 제 3 예의 개략도를 나타낸다. 공급 노즐(14)이 입구 파이프(17)에 배치되고, 공급 노즐(14)의 하류에는 정적 혼합기(27)가 있다. 정적 혼합기(27)에 의해 결정되는 유동 경로로 인해, 소기 공기와 연료 유체의 혼합물을 제공하는 난류 유동이 생성된다.
도 9는 입구 파이프(17)의 제 4 예의 개략도를 나타낸다. 스로틀 밸브(26)가 공급 노즐(14)의 하류에서 입구 파이프(17)에 배치된다.
스로틀 밸브를 설정함으로써, 연료 유체와 혼합된 소기 공기의 유입이 균등해질 수 있는데, 이는 모든 입구 파이프(17)에 소기 공기 및/또는 연료 유체의 동일한 압력이 제공되지는 않는 경우에, 예컨대, 소기 저장부(5)(도 1 참조)와 입구 파이프(17) 사이의 거리 및/또는 유체 유입 밸브(29)(도 3 및 4 참조)와 공급 노즐(14) 사이의 거리가 각 입구 파이프(17)에 대해 상이한 경우에 필요할 수 있다.
도 10은 크랭크 각도에 따른 밸브 설정의 개략도를 나타낸다. 점선은 배기 포트(3)의 설정을 개략적으로 나타내고(도 1 참조), 점선은 유체 유입 밸브(29)(도 3 및 4 참조)의 설정을 나타내고, 실선은 소기 포트(10)의 상태를 나타낸다(도 1 참조).
한편으로는 연료의 일부가 소기 과정에서 실린더에서 나가는 것을 방지하고 다른 한편으로는 최선의 혼합 결과에 도달하기 위해 연료는 특정 크랭크 각도 간격 내에서 유입될 필요가 있다.
작동 행정 동안 피스톤(2)(도 1 참조)이 아래쪽으로 이동할 때, 배기 포트 3(도 1 참조)가 개방되고 그 후에 피스톤이 청소 포트(10)를 개방한다.
실린더가 새로운 장입물에 의해 소기되지만 가능한 한 적은 연료가 소기 과정 동안에 배기 포트(3)를 통해 실린더(1)에서 나가거나 전혀 나가지 않도록, 혼합 챔버(11) 내로의 연료 유입의 시작은 한 번에 시작되어야 한다. 직접적인 메탄 슬립이 방지될 것이다. 연료와 새로운 장입물의 혼합을 최적화하기 위해, 연료 유체가 새로운 소기 공기에 들어가는 유입 지속 시간과 시기는 최적화될 필요가 있다. 압축 행정 동안 피스톤(2)이 소기 포트(10)를 폐쇄하기 전에 연료 유체 유입을 중단할 필요가 있다.
전형적으로, 소기 포트(10)는 피스톤이 하사점에 도달하기 전 약 40 °CA(크랭크 각도)에서 또는 피스톤이 상사점을 통과한 후 140 °CA에서 개방된다.
전형적으로, 소기 포트(10)는 피스톤이 하사점을 통과한 후 약 40 °CA에서 또는 피스톤이 상사점을 통과한 후 약 220 °CA에서 폐쇄된다.
배기 포트는 240 °CA 내지 280 °CA에서 폐쇄되며. 실제 배기 밸브의 폐쇄는 엔진 부하에 달려 있다.
가스 유입은 일반적으로 소기 포트 개방 후 20 °CA에서 시작하거나 피스톤이 상사점을 통과한 후 160 °CA에서 시작한다. 가스 유입은 일반적으로 소기 포트(10)가 폐쇄되기 전 약 5 °CA에서 끝나거나 또는 피스톤이 상사점을 통과한 후 215 °CA에서 폐쇄된다.
도 11a는 내연 엔진(100)의 다른 예의 개략도를 측면에서 본 단면도로 나타낸다. 도 11b는 동일한 예의 개략도를 위에서 본 단면도로 나타낸 것이다.
축방향으로 이격된 2개의 연료 공급 챔버(28)가 실린더(1) 주위에 배치된다. 각 연료 공급 챔버(28)는 4개의 유체 유입 밸브(29)의 하류에서 실린더(1)의 공간(31)의 상류에 배치된다. 대안적으로, 각 연료 공급 챔버에 대해 1 내지 10개의 유체 유입 밸브(29)가 설치될 수 있다.
이 경우에, 연료 유체 노즐(14')은 실린더(1)의 벽(20)에 배치되고 지향성 유체 스트림(32)을 제공하며, 이 스트림은 실린더 축선(9)에 수직인 수평면(33)에 대한 -45°내지 45°, 바람직하게는 -25° 내지 25°의 제 1 각도(γ) 및 수평평면(33) 내의 반경 방향(34)에 대한 -70°내지 70°, 바람직하게는 -45°내지 45° 의 제 2 각도(β)를 포함한다.
유체 노즐(14')은 동일한 축방향 레벨에 배치되고 등간격으로 이격되어 있다.
각 연료 공급 챔버(29)에는 일반적으로 하나 이상의 유체 유입 밸브(29)가 장착될 수 있다. 유체 유입 밸브(29)는 가압 연료가 연료 공급 챔버(29)에 들어갈 수 있도록 작동될 수 있다. 일반적으로, 하나 이상의 이러한 연료 공급 챔버(29)는 연료와 새로운 장입물의 혼합을 최적화하기 위해 하나의 실린더에 설치될 수 있다.
도 12는 내연 기관에 대한 추가 예의 실린더 벽(20)의 개략도를 측면에서 본 단면도로 나타낸다.
이 예에서, 유체 유입 밸브(29)(도면에 나타나 있지 않음)는 실린더(1)의 벽(20)의 외측면에 장착된다. 유체 유입 밸브(29)의 노즐 공간(35)은 공급 노즐(14')에 직접 연결되며, 이 공급 노즐은 유체 유입 밸브(29)와 실린더 공간(31) 사이의 유체 경로를 형성한다.
역지 밸브(30)가 각 공급 노즐(14') 내에 배치된다. 유체 유입 밸브(29)로부터의 압력이 없으면 역지 밸브(30)는 폐쇄된 상태로 유지된다. 유체 유입 밸브(29) 하류의 사공간(유체 유입 밸브(29)의 폐쇄 후에 연료 유체가 그 사공간으로부터 실린더 공간 안으로 들어갈 수 있음)이 감소된다.
일반적으로, 역지 밸브(30)는 가스 유입 밸브(29)와 실린더 공간(31) 사이의 유체 경로의 임의의 위치에, 바람직하게는 실린더 공간(31)에 가깝게 배치될 수 있다.

Claims (15)

  1. 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 내연 엔진(100), 바람직하게는 대형 2-행정 내연 엔진, 즉 연료 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 유입 밸브(29)를 포함하는 저압 연료 유체 엔진 또는 이중 연료 엔진(1)으로서, 상기 실린더(1)는 복수의 소기(scavenging) 포트(10)를 가지며, 이 소기 포트는 실린더(1)의 제 1 단부 측(6a)을 둘러싸는 소기 챔버(4)와 유체 연통하며, 상기 내연 엔진(100)은 상기 소기 챔버(4)에 배치되는, 혼합 공간(12)을 제공하는 적어도 하나의 혼합 챔버(11)를 포함하고,
    상기 혼합 챔버(11)는,
    소기 공기를 도입하기 위한 적어도 하나의 입구 포트(13),
    연료 유체를 상기 혼합 챔버 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 공급 노즐(14), 바람직하게는 각 입구 포트(13)에 배치되는 적어도 하나의 공급 노즐(14), 및
    적어도 하나의 출구(15)를 포함하고,
    각 출구(15)는 적어도 하나의 소기 포트(10), 바람직하게는 최대 4개의 인접하는 소기 포트(10)와 대향하는, 내연 엔진(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 챔버(11)는 실린더(1)의 적어도 일부분 주위에 동축으로 배치되는, 내연 엔진(100).
  3. 제 2 항에 있어서,
    하나의 혼합 챔버(11)가 전체 실린더(1) 주위에 환형으로 연장되어 있고 환형 혼합 공간(12)을 제공하는, 내연 엔진(100).
  4. 제 2 항에 있어서,
    복수의 혼합 챔버(11)가 상기 실린더(1) 주위에 환형으로 배치되어 있는, 내연 엔진(100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 챔버(11)는 상기 출구(15)에 인접한 목부(16)를 포함하고, 이 목부는 바람직하게는 상기 실린더(1)의 외벽(8)과 접촉하는, 내연 엔진(100).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 입구 포트(13)는 특히 실린더(1)의 축선(9)에 평행하거나 수직인 축선(18)을 갖는 입구 파이프(17)를 포함하는, 내연 엔진(100).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 입구 파이프(17)는 벤튜리 혼합기(19)로서 형성되고, 이 벤튜리 혼합기는 상기 입구 파이프(17)의 중간 부분(21)의 벽(20)에 동축으로 배치되는 공급 노즐(14)을 가지며, 상기 중간 부분(21)은 입구 파이프(17)의 상류 부분(22) 및 하류 부분(23)보다 작은 직경(24)을 갖는, 내연 엔진(100).
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 입구 파이프(17)는 이 입구 파이프(17)의 상류 부분(22') 및 하류 부분(23')에 비해 확대된 직경(25)을 갖는 중간 부분(21')을 포함하고, 적어도 하나의 공급 노즐(14)이 상기 중간 부분(21`)에 배치되는, 내연 엔진(100).
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스로틀 밸브(26)가 공급 노즐(14)의 하류에서 상기 입구 파이프(17)에 배치되어 있는, 내연 엔진(100).
  10. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    정적 혼합기(27)가 공급 노즐(14)의 하류에서 상기 입구 파이프(17)에 배치되어 있는, 내연 엔진(100).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 엔진(100)은, 소기 포트(10)가 개방되기 시작한 후에 연료를 혼합 챔버(11) 안으로 분사하기 위해 상기 공급 노즐(14)을 개방시키고 또한 소기 포트(10)가 폐쇄되기 전에 분사를 중단시키기 위한 제어 장치를 포함하는, 내연 엔진(100).
  12. 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는, 특히 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진(100), 바람직하게는, 종방향으로 플러싱되는 대형 2-행정 내연 엔진, 즉 연료 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 유입 밸브(29)를 포함하는 저압 연료 유체 엔진 또는 이중 연료 엔진(1)으로서, 상기 내연 엔진(100)은 적어도 하나의 연료 공급 챔버(28)를 포함하고, 이 연료 공급 챔버는 적어도 하나의 유체 유입 밸브(29)의 하류에서 실린더 공간(31)의 상류에 배치되고, 바람직하게는 복수의 공급 노즐(14; 14')의 상류에 배치되고 그에 유체 연결되어 있는, 내연 엔진.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 공급 챔버(28)는 상기 실린더(1)의 적어도 일부분 주위에 동축으로 배치되고, 바람직하게는 하나의 공급 챔버(28)가 실린더(1) 주위에 환형으로 연장되고, 모든 공급 노즐(14; 14')에 유체 연결되어 있는, 내연 엔진(100).
  14. 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는, 특히 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진(100), 바람직하게는, 종방향으로 플러싱되는 대형 2-행정 내연 엔진, 즉 연료 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 유입 밸브(29)를 포함하는 저압 연료 유체 엔진 또는 이중 연료 엔진(1)으로서, 역지 밸브(30)가 적어도 하나의 유체 유입 밸브(29)와 실린더 공간(31) 사이의 유체 경로에서, 바람직하게는 공급 노즐(14') 내부에 배치되는, 내연 엔진.
  15. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진을 작동시키는 방법으로서, 소기 포트가 개방된 후에 연료를 혼합 챔버 내로 분사하기 위해 공급 노즐을 개방하고 또한 소기 포트가 폐쇄되기 전에 분사를 중단하는 단계를 포함하는, 내연 엔진의 작동 방법.
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