KR20230083217A - 대형 엔진 - Google Patents

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KR20230083217A
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cylinder
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KR1020220145066A
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Inventor
발터 벨루치
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빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Publication date
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Abstract

피스톤(3)이 상사점 위치와 하사점 위치 사이에서 실린더 축(A)을 따라 왕복 운동하도록 배치되는, 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 엔진이 제안되고, 실린더(1)는 실린더 커버(2)를 포함하고, 피스톤(3)은 상부면(31)을 포함하고, 피스톤(3)의 실린더 커버(2)와 상부면(31)은 연료의 연소를 위해 연소실의 경계를 정하고, 연소실(4) 내로 개방된 캐비티(cavity)(6; 7)가 실린더 커버(2)에 제공된다. 캐비티(6; 7)는 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 공진 흡수기로 구성된다.

Description

대형 엔진{A large engine}
본 발명은 특허 독립항의 전제부에 따른 대형 엔진에 관한 것이다.
대형 엔진은 일반적으로 연료의 자체 점화(self-ignition)로 작동되는 대형 디젤 엔진으로 구성되거나, 일반적으로 유도 점화, 예를 들어 스파크 점화(spark ignition) 또는 파일럿 점화(pilot ignition)로 작동되는 대형 오토(Otto) 엔진으로 구성될 수 있다. 또한, 혼합 모드, 즉 연료의 자체 점화 및 연료의 유도 점화 모두로 작동되는 대형 엔진이 알려져 있다.
2-행정 또는 4-행정 엔진으로 구성될 수 있는 대형 엔진, 예를 들어 종방향으로 소기되는 2-행정 대형 디젤 엔진은, 선박용 구동 장치로서 또는 예를 들어 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동하기 위한 정치식 작동에서 자주 사용된다. 엔진은 일반적으로 연속 작동으로 상당한 기간 동안 작동하므로 작동 안전성과 가용성에 대한 요구가 높다. 결과적으로, 특히 긴 유지보수 간격, 낮은 마모 및 작동 재료의 경제적인 취급이 운영자의 핵심 기준이다. 대형 엔진은 일반적으로 내경(보어)이 적어도 200mm인 실린더를 갖는다. 오늘날에는, 최대 960mm 또는 그 이상의 보어를 가진 대형 엔진이 사용된다. 본 출원의 범위 내에서 "대형 엔진"이라는 용어는 실린더(들)의 보어가 적어도 200mm, 바람직하게는 적어도 300mm인 내연 엔진을 가리킨다.
대형 디젤 엔진은 고전적으로 중유로 작동된다. 경제적이고 효율적인 작동, 배기 가스 제한 값 준수 및 자원 가용성의 측면에서, 오늘날 대형 디젤 엔진에 대해서도 연료 중유에 대한 대안이 모색되고 있다. 이와 관련하여, 액체 연료, 즉 액체 상태로 연소실 내로 유입되는 연료와, 기체 연료, 즉 기체 상태로 연소실 내로 유입되는 연료가 모두 사용된다.
중유에 대한 공지된 대안으로서 액체 연료의 예는 정유에서의 잔사유로서 남는 다른 중탄화수소, 알코올, 특히 메탄올 또는 에탄올, 가솔린, 디젤, 또는 또한 에멀션(emulsions) 또는 서스펜션(suspensions)이다. 예를 들어, 연료로서 MSAR(Multiphase Superfine Atomized Residue)로 알려진 에멀션을 사용하는 것이 알려져 있다. 잘 알려진 서스펜션은 석탄 분진과 물의 서스펜션으로, 대형 엔진의 연료로도 사용된다. 기체 연료로서, LNG(액화 천연 가스)와 같은 천연 가스, LPG(액화 석유 가스)와 같은 액화 가스 또는 에탄이 알려져 있다.
특히, 적어도 2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진이 또한 알려져 있으며, 이에 의해 엔진은 작동 상황 또는 환경에 따라 하나의 연료 또는 다른 연료로 작동된다.
2개의 다른 연료로 작동할 수 있는 대형 디젤 엔진의 한 형태는 이중-연료 대형 디젤 엔진으로 구성되는 대형 디젤 엔진이다. 이 엔진은 액체 연료가 연소를 위해 실린더 내로 유입되는 액체 모드와 가스가 연료로서 실린더 내로 유입되는 가스 모드에서 작동될 수 있다.
적어도 2개 이상의 상이한 액체 또는 기체 연료로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진은, 자주 현재 사용 중인 연료에 따라 상이한 작동 모드에서 작동된다. 종종 디젤 작동이라고 하는 작동 모드에서, 연료의 연소는 일반적으로 연료의 압축 점화 또는 자체 점화 원리에 따라 발생한다. 종종 오토(Otto) 작동이라고 하는 모드에서, 연소는 점화 가능한 미리 혼합된 공기-연료 혼합물의 유도 점화에 의해 발생한다. 예를 들어, 이러한 유도 점화는 예를 들어, 점화 플러그를 사용하여 전기 스파크에 의해, 또는 소량의 분사된 연료의 자체 점화에 의해 발생하는데, 이는 그 다음 다른 연료의 유도 점화를 유발한다. 자체 점화를 위한 소량의 연료가 연소실에 연결된 프리챔버(prechamber) 내에 종종 분사된다.
또한, 오토(Otto) 및 디젤 작동 모두를 사용하는 혼합된 형태도 알려져 있다.
본 출원의 범위 내에서, "대형 디젤 엔진"이라는 용어는 적어도 디젤 작동에서 작동될 수 있는 그러한 엔진을 가리킨다. 특히, "대형 디젤 엔진"이라는 용어는 따라서 디젤 작동 외에, 다른 모드, 예를 들어 오토(Otto) 작동에서 작동될 수 있는 이러한 이중-연료 대형 엔진을 또한 포함한다.
따라서, "대형 엔진"이라는 용어는 대형 디젤 엔진(앞에서 설명됨), 대형 오토(Otto) 엔진, 즉 오토(Otto) 작동으로만 작동될 수 있는 대형 엔진, 예를 들어 기체 연료로 작동되는 대형 가스 엔진, 및 혼합 모드로 작동될 수 있는 대형 엔진을 포함한다. 혼합 모드는 엔진이 디젤 및 오토 작동으로 동시에 작동되는 모드이다.
본 출원의 범위 내에서, "가스 모드" 또는 "가스 모드에서의 작동"이라는 용어는 연료로서 토크-발생 연소를 위해 가스 또는 가스 연료만을 사용하는 것을 가리킨다. 이미 언급한 바와 같이, 미리-혼합된 공기-연료 혼합물의 유도 점화를 위한 가스 모드에서 소량의 자체 점화 액체 연료, 예를 들어 중유가 유도 점화를 위해 분사되지만, 토크를 발생시키는 연소 과정은 가스 또는 가스연료로 완전하게 작동된다.
소량의 액체 연료의 자체 점화에 의한 이러한 유도 점화 과정은 때때로 파일럿 분사(pilot injection)라고 한다. 이 파일럿 분사는 대형 엔진이 액체 모드로 작동될 때 연소실 내로 액체 연료를 분사하는 것과 아무 관련이 없다. 다른 분사 장치는 일반적으로, 액체 모드에서 액체 연료의 분사보다 파일럿 분사에 사용되지만, 반드시 그런 것은 아니다. 또한, 파일럿 분사에서, 소량의 액체 연료는 또한 종종 연소실 내로 직접 분사되지 않고, 채널을 통해 연소실에 연결된 적어도 하나의 프리챔버 내로 분사된다.
특히 가스 모드에서, 경제적이고, 효율적이며 저공해 운전과 관련하여, 특히 소기 공기 대 가스의 비율, 즉 공연비가 특정 범위 내에 있지 않을 때 발생하는, 비정상적인 연소 과정을 피하는 것이 매우 중요하다.
가스 함량이 너무 높으면, 공기-연료 혼합물이 너무 농후해진다. 혼합물의 연소는, 예를 들어 자체 점화에 의해 너무 빠르거나 너무 일찍 일어나며, 이는 엔진의 노킹으로 이어질 수 있다. 공기 함량이 너무 높으면, 공기-연료 혼합물이 너무 희박하고 점화 실패(misfiring)가 발생할 수 있으며, 이는 물론 엔진의 효율적이고 저공해 작동에도 부정적인 영향을 미친다. 특히, 너무 높은 가스 함량과 너무 높은 공기 함량의 이 두 상태들은 비정상 연소 과정으로 지정된다. 따라서, 가스 모드에서는 공기-가스 혼합물의 자체 점화 없이 연소 과정을 위해 노력한다. 연소 과정은 공기-가스 혼합물이 너무 농후하지도 너무 희박하지도 않은 한계들 사이에서 발생해야 한다.
특히 가스 모드에서의 연소 과정은 공연비에 매우 민감하기 때문에, 너무 농후한 공기-가스 혼합물에 의해 일반적으로 발생하는 노킹의 영향을 완전히 피하는 것이 매우 어렵거나 심지어 불가능하다. 너무 농후한 혼합물은, 즉 연소가 너무 빨리(빠른 연소) 발생하거나, 실린더 내의 혼합물 또는 혼합물의 적어도 일부가 자체 점화에 의해 너무 일찍(작업 주기와 관련됨) 연소되기 시작하기(사전-점화) 때문에 엔진이 노킹하기 시작하는 등 다양한 문제를 유발할 수 있다. 원하지 않는 자체 점화에 의한 압축 공기-가스 혼합물의 일부의 조기 연소는 평균 실린더 압력 주위에서 강한 압력 진동들을 일으킨다. 이러한 압력 진동들은 엔진에 유해하며, 엔진의 다른 구성 요소에 대한 기계적 부하를 증가시키고, 예를 들면 엔진의 경제적이고 효율적이며 저공해 작동의 관점에서 엔진 작동을 상당히 제한할 수 있다.
따라서 이러한 기술의 상태로부터 출발하여, 본 발명의 목적은 노킹(knocking)에 덜 민감한 대형 엔진을 제안하는 것이다. 따라서, 노킹이 발생하면, 노킹의 유해한 영향이 상당히 감소될 것이다.
이 목적을 만족하는 발명의 주제는 특허 독립항의 특징들에 의해 특징지어진다.
따라서, 본 발명에 따르면, 피스톤이 상사점 위치와 하사점 위치 사이에서 실린더 축을 따라 왕복 운동하도록 배치된 적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 엔진이 제안되고, 실린더는 실린더 커버를 포함하고, 피스톤은 상부면을 포함하고, 피스톤의 실린더 커버와 상부면은 연료의 연소를 위한 연소실의 경계를 정하고, 연소실 내로 개방된 캐비티가 실린더 커버에 제공된다. 캐비티는 연소실의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 공진 흡수기로 구성된다.
예를 들어 압축 공기-가스 혼합물의 적어도 일부의 조기 자체 점화에 의해 실린더에서 발생하는 노킹 이벤트(knocking event)는, 상당히 좁은 주파수 범위에서 현저한 최대값을 갖는 압력 진동을 일으키는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어 1000-1500Hz 영역에 있는 주파수의 최대값이 연소실의 고유 주파수와 일치하거나 이 고유 주파수에 근접하면, 공진 효과로 인해 압력 진동의 진폭이 상당히 증가된다. 연소실의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 공진 흡수기로 구성된 캐비티를 제공함으로써, 노킹 이벤트에 의해 발생되는 압력 맥동과 관련된 에너지가 강력하게 소산되어, 노킹 이벤트의 해로운 영향이 상당히 감소된다.
연소실의 기하학적 구조가 알려져 있거나 측정될 수 있기 때문에, 연소실의 공진 주파수는 예를 들어 계산 및/또는 압력 측정과 같은 실험적 측정에 의해 아주 적은 노력으로 결정될 수 있다.
따라서, 공진 흡수기로 구성된 캐비티는 연소실의 노킹 이벤트의 주파수 스펙트럼에서 최대값에 있거나 이 최대값에 근접한 연소실의 공진 주파수와 일치되어, 이 공진 주파수에서 압력 진동이 현저하게 감쇠되거나 심지어 완전히 억제된다. 연소실의 공진 주파수 또는 공진 주파수들은 측정 및/또는 계산 및/또는 시뮬레이션에 의해 수행될 수 있는 시스템의 음향 분석에 의해 결정될 수 있다. 일단 연소실의 공진 주파수가 알려지면, 공진 흡수기는 이 공진 주파수에서 압력 맥동을 감쇠하는 방식으로 설계 및 구성될 수 있다. 공진 흡수기는 실린더에서 발생하는 노킹 이벤트에 의해 여기되는 공진 주파수를 감쇠시키도록 구성된다.
물론, 복수의 캐비티들이 제공되는 것도 가능하며, 복수의 캐비티들 각각은 연소실의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 공진 흡수기로 구성된다.
공진 흡수기는 피스톤이 상사점 위치에 또는 이 상사점 위치 근처에 있는 상태에서 연소실의 공진 주파수를 감쇠시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 연소실의 공진 주파수는, 피스톤이 상사점 위치에 있거나 이 상사점 위치에 가까운 피스톤 위치에 대해 결정된다. 연소실의 기하학적 구조는 피스톤의 운동에 따라 변하기 때문에, 일반 연소가 시작되어야 하는 피스톤의 위치에 대해 연소실의 공진 주파수를 결정하는 것이 유리하다. 일반적으로, 이것은 피스톤의 압축 행정 동안 피스톤이 상사점 위치에 가까운 위치이다.
실제로, 공진 흡수기는 연소실의 접선 모드를 감쇠시키도록 구성되는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 특히, 공진 흡수기는 제 1 접선 모드를 감쇠시키도록 구성된다.
바람직하게는, 공진 흡수기는 공진기 볼륨 및 이 공진기 볼륨과 연결된 공진기 넥을 갖는 헬름홀츠 공진기로 구성되고, 상기 공진기 넥은 연소실과 유체 연통된다. 헬름홀츠 공진기는 질량-스프링 시스템에 따라 작동하고, 상기 질량은 공진기 넥 내의 가스로 표시되고 스프링은 공진기 볼륨 내의 가스로 표시된다. 따라서, 헬름홀츠 공진기의 고유 주파수는 공진기 넥의 기하학적 구조와 공진기 볼륨의 부피에 따라 달라진다. 따라서, 헬름홀츠 공진기의 고유 주파수를 연소실의 공진 주파수와 일치시키는 것은 매우 쉽다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 캐비티는 연소실에 가압된 시동 공기를 공급하기 위한 시동 공기 밸브를 수용하도록 구성된다. 따라서, 실린더 커버에 어쨌든 제공되는 캐비티들 중 적어도 하나를 공진 흡수기로 구성하는 것이 바람직하다. 이 실시 형태에서, 대형 엔진을 시동하기 위한 시동 공기 밸브가 배치되는 것은 캐비티이다. 시동 공기 밸브와 연소실 사이의 캐비티의 부피는 기본적으로 강력한 기능적 제한을 받지 않는다. 따라서, 시동 공기 밸브를 수용하는 캐비티를 공진 흡수기로 구성하는 것은 매우 간단하다.
또한, 캐비티는 연소실에서 연소를 개시하는 파일럿 연소를 위한 프리챔버로서 구성되는 것이 바람직한 실시 형태이다. 많은 대형 엔진, 특히 가스 모드에서 작동 가능한 대형 엔진에서, 실린더 커버에 적어도 하나의 프리챔버가 제공되기 때문에, 연소실의 공진 주파수를 감쇠시키기 위해 상기 프리챔버를 공진 흡수기로 구성하는 것이 유리하다. 예를 들어 파일럿 분사에 의해 생성된 핫 제트의 부피 및 지속 시간과 같은 연소 요건에 따라 프리챔버가 구성되더라도, 프리챔버를 공진 흡수기로 구성하기 위해 프리챔버의 기하학적 구조와 관련하여 충분한 자유 파라미터들이 여전히 존재한다.
바람직하게는, 파일럿 연소는 연소실 내의 공기-가스 혼합물의 연소를 개시한다. 따라서, 대형 엔진이 가스 모드로 작동될 때 파일럿 연소가 바람직하게 사용된다.
또한, 프리챔버는 파일럿 연소의 자체 점화를 위한 액체 연료를 수용하도록 구성되는 것이 바람직하다. 대안으로, 파일럿 연소는 스파크에 의해 점화될 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 프리챔버는 파일럿 연소를 위한 메인 볼륨(main volume) 및 이 메인 볼륨을 연소실과 연결하기 위한 관형 볼륨(tubular volume)을 포함한다. 메인 볼륨은 헬름홀츠 공진기의 공진기 볼륨으로 구성될 수 있고 관형 볼륨은 헬름홀츠 공진기의 공진기 넥으로 구성될 수 있다.
다른 바람직한 실시 형태에 따르면 프리챔버는 제 1 공진기 볼륨, 제 2 공진기 볼륨, 제 1 공진기 넥 및 제 2 공진기 넥을 갖는 2-볼륨 헬름홀츠 공진기로 구성되고, 상기 제 1 공진기 넥은 제 1 공진기 볼륨을 제 2 공진기 볼륨과 연결하고, 상기 제 2 공진기 넥은 제 2 공진기 볼륨과 연결된다. 이 구성에서 파일럿 연소를 위한 메인 볼륨은 제 1 공진기 볼륨을 구성할 수 있다. 메인 볼륨은 예를 들어 대략 구형이고 제 2 공진기 볼륨을 구성하는 더 작은 볼륨에 채널에 의해 연결된다. 메인 볼륨을 더 작은 볼륨과 연결하는 채널이 제 1 공진기 넥을 구성한다. 더 작은 볼륨은 제 2 공진기 넥을 구성하는 출구에 의해 연소실에 연결된다.
따라서, 이 실시 형태와 관련하여 메인 볼륨은 제 1 공진기 볼륨이고, 상기 관형 볼륨은 제 2 공진기 넥을 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 대형 엔진은 대형 디젤 엔진으로 구성된다.
특히 바람직하게는, 대형 엔진은 종방향으로 소기되는 2-행정 대형 디젤 엔진으로 구성된다.
바람직하게는, 상기 대형 엔진은 이중-연료 대형 디젤 엔진으로 구성되고, 액체 연료가 연소를 위해 연소실에 유입되는 액체 모드에서 작동되고, 가스가 실린더 내로 연료로서 유입되는 가스 모드에서 추가로 작동될 수 있다.
본 발명의 추가의 유리한 조치들 및 실시 형태들은 종속항으로부터 발생한다.
이하에서, 본 발명은 실시 형태에 기초하고 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다. 도면에서 다음을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 엔진의 실시 형태의 실린더의 개략도를 도시한다.
도 2는 실린더에서 노킹 이벤트의 주파수 스펙트럼을 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 실린더의 프리챔버의 단면도를 도시한다.
도 4는 헬름홀츠 공진기로 구성된 프리챔버의 실시 형태의 개략도를 도시한다.
도 5는 2-볼륨 헬름홀츠 공진기로 구성된 프리챔버의 실시 형태의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 엔진의 실시 형태의 실린더의 개략도를 도시한다. 실린더는 그 전체로 참조 번호 1로 지시된다. 실린더(1)는 복수의 실린더들(1)을 갖는 대형 엔진의 일부이다. 대형 엔진은 최대 12개의 실린더 또는 최대 14개의 실린더를 가질 수 있다. 대형 엔진은 예를 들어 종방향으로 소기되는 2-행정 대형 디젤 엔진으로 구성된다.
실린더(1)는 실린더 커버(2)를 포함하고, 실린더 커버(2)에는 실린더(1)로부터 배기 가스를 배출하기 위해 배기 밸브(5)가 제공된다. 실린더(1)에서 피스톤(3)은 상사점 위치와 하사점 위치 사이에서 실린더 축(A)을 따라 왕복 운동하도록 배치된다. 피스톤(3)은, 실린더 커버(2) 및 실린더(1)의 실린더 벽 또는 실린더 라이너와 함께 연료의 연소가 일어나는 연소실(4)의 경계를 정하는 상부면(31)을 갖는다.
"대형 엔진"이라는 용어는 일반적으로 선박용 구동 장치로 사용되거나 또는 예를 들어, 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동하기 위한 정치식 작동에서 사용되는 내연 엔진을 가리킨다. 일반적으로, 대형 엔진의 실린더(1)는 각각 적어도 200mm의 내경(보어)을 가지고 있다. "종방향 소기"라는 용어는 소기 또는 충전 공기가 하단부의 영역에서 실린더(1) 내로 유입되고 배기 밸브(5)가 실린더(1)의 상단부에 위치된 실린더 커버(2)에 또는 그 내부에 배치되는 것을 의미한다.
본 발명의 다음 설명에서, 대형 엔진의 형태로서 대형 디젤 엔진이 참조된다. 본 발명은 대형 디젤 엔진에 제한되지 않고 다른 유형의 대형 내연 기계, 예를 들어 LNG로 작동되는, 예를 들어 대형 가스 엔진과 같은 오토(Otto) 작동으로만 작동될 수 있는 오토(Otto) 엔진도 포함한다는 점에 유의해야 한다.
대형 디젤 엔진은 이중-연료 대형 디젤 엔진, 즉 2개의 상이한 연료로 작동할 수 있는 엔진으로 구성된다. 특히, 이중-연료 대형 디젤 엔진은 액체 연료만이 실린더(1)의 연소실(4) 내로 분사되는 액체 모드에서 작동될 수 있다. 일반적으로 액체 연료, 예를 들어 중유 또는 디젤유는 적절한 시간에 연소실(4) 내로 직접 분사되고 자체 점화의 디젤 원리에 따라 연소실(4)에서 점화된다.
대형 디젤 엔진은 또한 연료로서 역할을 하는 가스, 예를 들어 LNG(액화 천연 가스) 또는 LPG(액화 석유 가스) 또는 에탄과 같은 천연 가스가 미리 혼합된 공기-연료 혼합물의 형태로 연소실 내에서 점화되는, 가스 모드에서 작동될 수 있다. 바람직하게는, 대형 디젤 엔진은 저압 프로세스에 따라 가스 모드에서 작동되는데, 즉, 가스는 가스 상태에서 실린더(1) 내에 유입되며, 이에 의해 가스의 분사 압력은 최대 50bar, 바람직하게는 최대 20bar, 더욱 바람직하게는 최대 16 bar, 특히 바람직하게는 최대 약 10 bar이다. 공기-가스 혼합물은 오토 원리에 따라 연소실(4)에서 유도 점화된다. 이 유도 점화는 일반적으로 적절한 순간에 소량의 자체 점화 액체 연료(예: 디젤유 또는 중유)를 프리챔버(6)에 유입하여 발생되며, 이 연료는 자체 점화되어 연소실(4) 내의 공기-연료 혼합물의 유도 점화를 유발한다. 다른 실시 형태들에서 유도 점화는 스파크 점화에 의해 이루어진다.
본 출원의 범위 내에서, 이미 위에서 설명한 바와 같이, "가스 모드" 또는 "가스 모드에서의 작동"이라는 용어는 대형 디젤 엔진이 이 가스 모드에서 가스 또는 가스 연료로만 작동되는 것으로 이해되어야 하고, 선택적으로 소량의 자체 점화 연료, 예를 들어 중유 또는 디젤유는 단지 공기-가스 혼합물의 유도 점화(파일럿 분사)를 위해 프리챔버(6) 또는 복수의 프리챔버들(6) 내에 유입된다. 프리챔버(6)에서의 자체 점화 연소는 파일럿 연소(pilot combustion)라고도 한다.
또한, 이중-연료 대형 디젤 엔진은 액체 연료와 기체 연료 모두가 실린더(1) 내에 분사되는 혼합 모드에서 작동될 수 있다. 혼합 모드에서 자체 점화 액체 연료의 연소와 유도 점화 가스 연료의 연소 모두 토크의 생성에 기여한다. 예를 들어, 이중-연료 대형 디젤 엔진이 가스 모드로 작동되고 가스 연료의 고품질 연소만으로 필요한 토크가 생성될 수 없는 경우, 추가 량의 액체 연료가 실린더(1) 내에 분사되고 연소되어 필요한 토크에 도달하도록 토크를 추가로 생성한다.
대형 디젤 엔진과 같은 대형 엔진은 당업계에 잘 알려져 있으므로, 상세한 설명은 필요 없다. 또한, 대형 디젤 엔진이 선박 또는 대형 선박의 주요 추진 장치라는 애플리케이션을 예로 들어 참조한다.
당업계에 알려진 바와 같이, 피스톤(3)은 피스톤 로드(미도시)를 통해 크로스헤드(미도시)에 연결되고, 이 크로스헤드는 푸시 로드 또는 커넥팅 로드(미도시)를 통해 크랭크샤프트(미도시)에 연결되어 피스톤의 운동이 피스톤 로드, 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크샤프트에 전달되어 크랭크샤프트를 회전시킨다.
가스 모드에서, 연소용 연료는 가스이다. 저압 공정에서, 예를 들어, 가스는 원통형 벽을 통해 실린더(1) 내로, 즉 각각의 실린더(1)의 측면 영역 또는 실린더 라이너를 통해, 바람직하게는 대략 피스톤(3) 운동의 상사점 위치와 하사점 위치 사이의 중간에 유입된다. 실린더(1)에서, 가스는 피스톤(3)의 압축 운동 동안 소기 공기와 혼합되며 따라서 점화 가능한 공기-연료 혼합물을 형성하는데, 이는 피스톤(3)이 대략 상사점 위치에 있을 때 유도 점화된다. 유도 점화는 바람직하게는 자체 점화 연료, 예를 들어 중유 또는 디젤유를 실린더의 프리챔버(6) 내로 분사함으로써 달성된다. 파일럿 분사, 즉 연소실(4)에서 공기-가스 혼합물의 유도 점화에만 작용하는 가스 모드의 액체 연료 분사는, 바람직하게는 하나 이상의 파일럿 분사 노즐(61)에 의해 수행되고 이 파일럿 분사 노즐(61)은 액체 모드에서 연소실(4) 내로 액체 연료가 분사되는 메인 분사 노즐 또는 메인 분사 노즐들과 다르다.
다른 실시 형태에서 유도 점화는 스파크 점화, 예를 들어 공기-연료 혼합물의 점화를 위한 스파크를 전기적으로 발생시킴으로써 야기될 수 있다.
파일럿 연소를 위한 프리챔버(6)는 실린더 커버(2)의 캐비티(cavity)로 구성되며 캐비티는 연소실(4) 내로 개방된다. 프리챔버(6)는 파일럿 연소가 일어나는 메인 볼륨(main volume)(62)과 메인 볼륨(61)을 연소실(4)과 연결하는 관형 볼륨(tubular volume)(63)을 포함한다.
가스 모드에서 작동하는 동안 연소실(4) 내의 공기-가스 혼합물이 유도 점화된다. 공기-가스 혼합물의 유도 점화를 위해 소량의 자체 점화 연료가 파일럿 분사 노즐(61)을 사용하여 프리챔버(6)의 메인 볼륨(62) 내로 분사되고, 여기서 연료가 파일럿 연소를 위해 자체 점화된다. 생성된 핫 제트(hot jet)는 관형 볼륨(63)에 의해 연소실(4)로 안내되고 연소실(4)에서 공기-가스 혼합물을 점화한다. 바람직하게는, 프리챔버(6)의 메인 볼륨(62)에서 파일럿 연소를 위한 연료는 액체 모드 동안 연소실(4)에서 연소를 위해 사용되는 동일한 자체 점화 연료, 예를 들어 중유 또는 디젤유이다.
액체 모드에서는, 액체 연료만 실린더의 연소실(4) 내에 분사된다. 일반적으로, 액체 연료는 적절한 시간에 연소실 내로 직접 분사되어 자체 점화의 디젤 원리에 따라 연소실에서 점화된다.
액체 모드에서, 액체 연료는 메인 분사 노즐에 의해 연소실(4)에 공급된다. 선택적으로, 액체 모드에서 파일럿 분사 노즐(61)을 통해 액체 연료를 추가로 유입하는 것이 가능하다. 그러나, 이 선택적 조치는, 파일럿 분사 노즐(61)을 통한 최대 연료 유량이 대형 디젤 엔진을 액체 모드로만 작동시키기에는 너무 낮기 때문에, 파일럿 분사 노즐(61)이 막히거나 막히게 되는 것을 방지하는 역할을 한다.
액체 모드용 분사 시스템, 가스 모드용 가스 공급 시스템, 가스 교환 시스템, 배기 시스템 또는, 소기 또는 차징 공기의 공급을 위한 터보 차저 시스템과 같은 대형 디젤 엔진의 구조 및 개별 컴포넌트들, 및 대형 디젤 엔진을 위한 모니터링 및 제어 시스템은, 2-행정 엔진으로서의 구조 및 4-행정 엔진으로서의 구조 모두에 대해 당업자에게 충분히 알려져 있으므로, 여기서 더 이상의 추가 설명이 필요하지 않다.
본 명세서에 설명된 종방향으로 소기되는 2-행정 대형 디젤 엔진의 실시 형태에서, 소기 공기 슬롯이 일반적으로 실린더 내 피스톤(3)의 운동에 의해 주기적으로 닫히고 열리는 각 실린더(1) 또는 실린더 라이너의 하부 영역에 제공되어, 충전 압력 하에서 터보차저에 의해 제공되는 소기 공기는 소기 공기 슬릿들이 개방되어 있는 한 소기 공기 슬롯들을 통해 실린더(1) 내로 흐를 수 있다. 실린더 커버(2)에는 일반적으로 중앙에 배치된 배기 밸브(5)가 제공되며, 이를 통해 배기 가스가 연소 프로세스 후에 실린더(1)로부터 배기 시스템으로 배출될 수 있다. 배기 시스템은 배기 가스의 적어도 일부를 터보차저의 터빈으로 안내하며, 이 터보차저의 압축기는 소기 공기 압력 하에서 흡기 리시버(intake receiver)에 소기 공기(충전 공기라고도 함)를 제공한다. 흡기 리시버는 실린더의 소기 공기 슬롯과 유체 연통한다.
액체 모드 동안 연소실(4) 내로 액체 연료의 유입을 위해, 예를 들어 배기 밸브(5) 근처의 실린더 커버(2)에 배치된 하나 이상의 메인 분사 노즐(미도시)이 제공된다. 가스 모드 동안 가스 공급을 위해, 가스 유입 노즐을 갖는 적어도 하나의 가스 유입 밸브를 포함하는 가스 공급 시스템(미도시)이 제공된다. 일반적으로, 가스 유입 노즐은 실린더의 벽에, 예를 들어 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 대략 중간 높이에 제공된다.
현대식 대형 디젤 엔진의 모니터링 및 제어 시스템은 일반적으로 모든 엔진 또는 실린더 기능, 특히 분사(분사 시작 및 종료) 및 출구 밸브의 활성화를 설정하거나 제어하거나 조절할 수 있는 전자 시스템이다.
또한, 실린더(1)는 실린더 커버(2)에 제공되고 연소실(4) 내로 개방된 캐비티(7)를 포함한다. 캐비티(7)에는 연소실(4)에 가압된 시동 공기(starting air)를 공급하기 위한 시동 공기 밸브(8)가 배치된다. 대형 디젤 엔진과 같은 대형 엔진의 시동은 일반적으로 피스톤(3)을 아래쪽으로 이동시키기 위해 실린더(1) 내에 압축 공기를 분사하여 크랭크샤프트를 회전하도록 시동함으로써 수행된다. 소위 시동 공기는 엔진의 점화 순서에 따라 실린더(1)에 연속적으로 제공되는 반면, 피스톤(3)이 상사점 위치에 있거나 이 위치를 막 통과했을 때, 각 실린더(1)의 연소실(4) 내로 압축 시동 공기의 분사가 매번 개시된다.
본 발명에 따르면, 연소실(4) 내로 개방된 캐비티들(7, 6) 중 적어도 하나, 예를 들어 시동 공기 밸브(8)를 위한 캐비티(7) 또는 프리챔버(6)를 형성하는 캐비티는 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 공진 흡수기(resonance absorber)로 구성된다.
바람직하게는, 공진 흡수기는 실린더(1)에서 발생하는 노킹 이벤트(knocking event)의 주파수 스펙트럼에서 최대값에 있거나 이 이 최대값 근처에 있는 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠하도록 구성된다. 이러한 노킹 이벤트는 예를 들어 가스 모드에서 작동하는 동안 공기-가스 혼합물 또는 그 일부의 바람직하지 않은 조기 자체 점화에 의해 발생된다. 피스톤(3)의 압축 행정 동안 실린더(1) 내의 압축 공기-가스 혼합물이 자체 점화에 의해 적어도 부분적으로 점화되는 일이 발생할 수 있다. 이러한 노킹 이벤트는 실린더(1)의 연소실(4)에 만연하는 평균 실린더 압력에 대한 강한 압력 진동을 일으킨다.
도 2는 실린더(1)에서 노킹 이벤트의 일반적인 주파수 스펙트럼을 도시한다. 수평 축에는 주파수(F)가 표시되고 수직 축에는 강도(I)가 표시된다. 주파수(F0)에서 현저한 최대값이 존재함을 알 수 있다. 상기 주파수(F0)가 연소실(4)의 공진 주파수와 일치하거나 그에 근접하면, 특히 피스톤(3)이 상사점 위치 근처에 있을 때, 연소실 내의 압력 진동은 공진 효과로 인해 상당히 증가된다. 주파수(F0)의 일반적인 값은 1kHz 영역에 있다. F0은 예를 들어 900Hz와 1500Hz 사이이다.
캐비티(7) 및/또는 프리챔버(6)는 노킹 이벤트의 주파수 스펙트럼의 최대값이 위치되는 주파수(F0)에 있거나 이 주파수에 근접한 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키도록 구성된다. 노킹 이벤트에 의해 발생되는 소리를 녹음하고 분석하여 주파수(F0)를 결정할 수 있다.
바람직하게는, 캐비티(7) 및/또는 프리챔버(6)는 공진기 볼륨 및 이 공진기 볼륨과 연결된 공진기 넥(resonator neck)을 갖는 헬름홀츠 공진기(Helmholtz resonator)로 구성된다.
프리챔버(6)가 헬름홀츠 공진기로 구성될 때, 프리챔버(6)의 메인 볼륨(62)은 공진기 볼륨을 구성하고 프리챔버(6)의 관형 볼륨(63)은 헬름홀츠 공진기의 공진기 넥을 구성한다.
시동 공기 밸브(8)를 수용하는 캐비티(7)가 헬름홀츠 공진기로 구성될 때, 시동 공기 밸브(8)에 인접한 캐비티(7)의 테이퍼링 볼륨(72)은 공진기 볼륨을 구성하고, 테이퍼링 볼륨(72)을 연소실(4)과 연결하는 캐비티(7)의 관형 채널(73)은 헬름홀츠 공진기의 공진기 넥을 구성한다.
다음 설명에서는 헬름홀츠 공진기로 구성된 프리챔버(6)를 참조한다. 이러한 설명은 헬름홀츠 공진기로 구성된 캐비티(7)에 대해서도 동일한 방식으로 또는 유사한 방식으로 유효하다는 것을 이해해야 한다. 대형 엔진의 일부 실시 형태에서 실린더(1)의 프리챔버(6)만이 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 헬름홀츠 공진기로 구성된다. 대형 엔진의 다른 실시 형태에서 캐비티(7)만이 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 헬름홀츠 공진기로 구성된다. 대형 엔진의 또 다른 실시 형태에서 프리챔버(6)와 캐비티(7) 모두는 각각 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 헬름홀츠 공진기로 구성된다.
이와 같은 헬름홀츠 공진기(6, 7)의 기본 원리는 당업계에 잘 알려져 있다. 헬름홀츠 공진기는 예를 들어 소음 보호 또는 소음 감소를 위한 소음기로 사용된다. 헬름홀츠 공진기(6, 7)는 질량-스프링 시스템(mass-spring system)의 원리에 따라 진동 흡수기로 작동한다. 이 시스템의 질량은 공진기 넥, 예를 들어 관형 볼륨(63) 또는 관형 채널(73) 내의 각각의, 가스로 표시된다. 스프링은 공진기 볼륨, 예를 들어 메인 볼륨(62) 또는 테이퍼링 볼륨(72) 내의 각각의, 가스로 표시된다. 따라서, 공진기 볼륨의 부피 및/또는 공진기 넥의 기하학적 구조를 조정함으로써, 헬름홀츠 공진기(6, 7)의 고유 주파수는 피스톤(3)이 상사점 위치에 또는 이 상사점 근처에 있는 연소실(4)의 공진 주파수와 같은, 미리 설정된 또는 원하는 값으로 동조될 수 있다.
헬름홀츠 공진기(6, 7)의 고유 주파수는 노킹 이벤트에 의해 발생되는 압력 맥동의 최대값이 발생하는 주파수(F0)에 있거나 이 주파수에 근접한 연소실(4)의 공진 주파수에 대응하도록 조정된다. 헬름홀츠 공진기(6, 7)의 이 고유 주파수에서 압력 맥동(pressure pulsation)은 상당히 감쇠된다.
도 3은 도 1에 도시된 실린더(1)의 프리챔버(6)의 실시 형태의 단면도를 더 상세히 도시한다. 프리챔버(6)는 파일럿 분사 노즐(61)이 파일럿 연소를 위한 액체 연료를 분사하는 메인 볼륨(62)과, 메인 볼륨(62)을 연소실(4)에 연결하는 관형 볼륨(63)을 포함한다. 관형 볼륨(63)은 구형 볼륨(631), 채널(632) 및 출구(633)를 포함하고, 상기 채널(632)은 메인 볼륨(62)을 구형 볼륨(631)과 연결하고 출구(633)는 구형 볼륨(631)을 연소실(4)과 연결한다.
파일럿 연소를 위한 메인 볼륨(62), 채널(632), 구형 볼륨(631) 및 출구(633)를 포함하는 프리챔버(6)의 구성은 연소 요건에 대해 프리챔버(6)를 최적화하는 것을 가능하게 하여, 프리챔버(6)의 메인 볼륨(62)에서 파일럿 연소에 의해 생성되는 핫 제트가 가스 모드에서 작동하는 동안 연소실(4) 내의 공기-가스 혼합물을 효율적이고 확실하게 점화한다.
그럼에도 불구하고, 헬름홀츠 공진기로 구성된 프리챔버(6)의 고유 주파수를 원하는 공진 주파수로 조정하는 데 사용할 수 있는 충분한 자유 파라미터들이 여전히 존재한다.
도 4의 개략도에 도시된 제 1 변형 형태에 따르면, 프리챔버(6)는 단순한 헬름홀츠 공진기로 간주되며, 상기 메인 챔버(62)는 공진기 볼륨을 구성하고 관형 볼륨(63)은 헬름홀츠 공진기의 공진기 넥을 구성한다. 연소실(4) 내의 공기-가스 혼합물의 확실한 유도 점화를 위태롭게 하지 않으면서, 프리챔버(6)의 고유 주파수가 감쇠되어야 하는 원하는 공진 주파수에 대응하는 한 프리챔버(6)의 기하학적 치수가 변화된다. 이러한 계산은 숙련자가 수행하기 쉽다.
도 5의 개략도에 도시된 제 2 변형 형태에 따르면, 프리챔버(6)는 제 1 공진기 볼륨, 제 2 공진기 볼륨, 제 1 공진기 넥 및 제 2 공진기 넥을 갖는 2-볼륨 헬름홀츠 공진기로 간주되고, 상기 제 1 공진기 넥은 제 1 공진기 볼륨을 제 2 공진기 볼륨과 연결하고, 상기 제 2 공진기 넥은 제 2 공진기 볼륨과 연결된다. 프리챔버(6)의 메인 볼륨(62)은 제 1 공진기 볼륨을 구성하고, 구형 볼륨(631)은 제 2 공진기 볼륨을 구성하고, 채널(632)은 메인 볼륨(62)을 구형 볼륨(631)과 연결하는 제 1 공진기 넥을 구성하고, 출구(633)는 구형 볼륨(631)을 연소실(4)에 연결하는 제 2 공진기 넥을 구성한다. 또한, 이러한 2-볼륨 헬름홀츠 공진기의 경우 고유 주파수는 주어진 기하학에 대해 계산하기 매우 간단하다.

Claims (14)

  1. 피스톤(3)이 상사점 위치와 하사점 위치 사이에서 실린더 축(A)을 따라 왕복 운동하도록 배치되는, 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 엔진으로서, 상기 실린더(1)는 실린더 커버(2)를 포함하고, 상기 피스톤(3)은 상부면(31)을 포함하고, 상기 피스톤(3)의 실린더 커버(2)와 상부면(31)은 연료의 연소를 위해 연소실의 경계를 정하고, 상기 연소실(4) 내로 개방된 캐비티(cavity)(6; 7)가 상기 실린더 커버(2)에 제공되고, 상기 캐비티(6; 7)는 상기 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키기 위한 공진 흡수기로 구성되는 것을 특징으로 하는, 대형 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 흡수기는 상기 피스톤(3)이 상사점 위치에 또는 이 상사점 위치 근처에 있는 상태에서 상기 연소실(4)의 공진 주파수를 감쇠시키도록 구성되는, 대형 엔진.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공진 흡수기는 상기 연소실(4)의 접선 모드(tangential mode)를 감쇠시키도록 구성되는, 대형 엔진.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 흡수기는 공진기 볼륨(resonator volume)(62, 72) 및 상기 공진기 볼륨(62)과 연결된 공진기 넥(resonator neck)(63, 73)을 갖는 헬름홀츠 공진기(Helmholtz resonator)로 구성되고, 상기 공진기 넥(63, 73)은 상기 연소실(4)과 유체 연통하는, 대형 엔진.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비티(7)는 가압된 시동 공기를 상기 연소실(4)에 공급하기 위한 시동 공기 밸브(start air valve)(8)를 수용하도록 구성되는, 대형 엔진.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 연소실(4)에서 연소를 개시하는 파일럿 연소(pilot combustion)를 위한 프리챔버(prechamber)(6)로 구성되는, 대형 엔진.
  7. 제 6 항 에 있어서,
    상기 파일럿 연소는 상기 연소실(4) 내의 공기-가스 혼합물의 연소를 개시하는, 대형 엔진.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 프리챔버(6)는 상기 파일럿 연소의 자체 점화를 위한 액체 연료를 수용하도록 구성되는, 대형 엔진.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리챔버(6)는 상기 파일럿 연소를 위한 메인 볼륨(main volume)(62) 및 상기 메인 볼륨(62)을 상기 연소실(4)과 연결하기 위한 관형 볼륨(tubular volume)(63)을 포함하는, 대형 엔진.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리챔버(6)는 제 1 공진기 볼륨, 제 2 공진기 볼륨, 제 1 공진기 넥 및 제 2 공진기 넥을 갖는 2- 볼륨 헬름홀츠 공진기로 구성되고, 상기 제 1 공진기 넥은 상기 제 1 공진기 볼륨을 상기 제 2 공진기 볼륨과 연결하고, 상기 제 2 공진기 넥은 상기 제 2 공진기 볼륨과 연결되는, 대형 엔진.
  11. 제 9 항 및 제 10 항에 있어서,
    상기 메인 볼륨(62)은 상기 제 1 공진기 볼륨이고, 상기 관형 볼륨(63)은 상기 제 2 공진기 넥을 포함하는, 대형 엔진.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 대형 엔진은 대형 디젤 엔진으로 구성된, 대형 엔진.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 대형 엔진은 종방향으로 소기되는 2-행정 대형 디젤 엔진으로 구성된, 대형 엔진.
  14. 이중-연료 대형 디젤 엔진으로 구성된 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 대형 엔진으로서, 상기 대형 엔진은, 액체 연료가 연소를 위해 상기 연소실(4) 내로 유입되는 액체 모드에서 작동될 수 있고, 가스가 상기 실린더(1) 내로 연료로서 유입되는 가스 모드에서 추가로 작동될 수 있는, 대형 엔진.
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