KR20230119021A - 2-행정 피스톤 엔진의 작동 방법, 연료 분사 시스템,피스톤 엔진 및 2-행정 피스톤 엔진을 개조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
2-행정 피스톤 엔진(1)을 작동시키는 방법은, 액화 가스 연료를 엔진(1)의 각각의 실린더(2)에 공급하는 단계 및 실린더(2)의 벽에 배치된 적어도 하나의 연료 분사 노즐(23)을 통해 각각의 실린더(2) 안으로 연료를 액상으로 분사하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 청구항 1에 따른 2-행정 피스톤 엔진의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구항 13에 정의된 바와 같은 2-행정 피스톤 엔진용 연료 분사 시스템, 청구항 15에 정의된 바와 같은 2-행정 피스톤 엔진, 및 청구항 16에 정의된 바와 같은 2-행정 피스톤 엔진을 개조하는 방법에 관한 것이다.
선박용 엔진과 같은 많은 대형 2-행정 엔진은 가스 연료, 전형적으로 천연 가스를 사용하여 작동될 수 있다. 종종 가스 연료로 작동할 수 있는 엔진은 이중 연료 엔진(dual-fuel engine)이라고 불리며, 이는 가스 연료 또는 액체 연료를 사용하여 작동될 수 있다. 천연 가스는 압축 가스(CNG; compressed gas) 또는 액화 가스(LNG; liquefied gas) 등으로 저장할 수 있다. 압축 천연 가스는 저장, 가스 분사기로의 공급 및 연료 분사 동안에 기상이다. 액화 천연 가스는 대략 -162℃의 온도에서 액상으로 저장되나, 기상으로 실린더 안으로 주입된다. 가스 연료는 엔진의 흡기 덕트 안으로 도입되거나 엔진의 실린더 안으로 직접 분사될 수 있다.
온실 가스 배출은 사실상 모든 기술 분야에서 관심이 커지고 있다. 엔진의 온실 가스 배출은 주로 3가지 요인: 엔진의 효율, 사용되는 연료의 종류 및 배기 가스 중의 미연소 연료의 양에 의존한다.
엔진의 효율은 여러 요인에 의존하지만, 하나의 중요한 요인은 압축비, 즉 피스톤이 그 하사점 위치에 있을 때의 실린더와 연소 챔버의 체적과 피스톤이 그 상사점 위치에 있을 때의 연소 챔버의 체적 사이의 비이다. 압축비가 높을수록 일반적으로 보다 나은 엔진 효율을 초래하지만, 최대 압축비는 종종 연료의 자기 점화에 의해 제한된다.
엔진으로부터의 미연소 연료의 누출은, 배기 밸브의 폐쇄 전에 배기 밸브를 통한 연료의 누출, 프리챔버(prechamber)에서의 불완전 연소, 연소 챔버 표면 상의 화염의 켄칭(quenching), 연소 챔버 내의 작은 틈새 안으로의 화염의 침투의 불능, 및 높은 난류로 인한 국부적인 화염 소멸과 같은 여러 요인의 결과이다.
배기 가스 중의 미연소 연료의 양은 엔진의 총 연료 소비량에 비해 적지만, 예를 들어 메탄의 지구 온난화 지수(GWP; global warming potential)가 이산화탄소의 지구 온난화 지수에 비해 훨씬 더 크기 때문에 미연소 연료는 여전히 상당한 온실 가스 배출의 공급원이 될 수 있다.
본 발명의 목적은 2-행정 피스톤 엔진의 개선된 작동 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 방법의 특징적인 특징은 청구항 1에 주어진다. 본 발명의 다른 목적은 2-행정 피스톤 엔진을 위한 개선된 연료 분사 시스템을 제공하는 것이다. 연료 분사 시스템의 특징적인 특징은 청구항 13에 주어진다. 본 발명의 다른 목적은 개선된 2-행정 피스톤 엔진 및 2-행정 피스톤 엔진을 개조하는 방법을 제공하는 것이다. 엔진의 특징적인 특징 및 엔진의 개조 방법은 각각 청구항 15 및 16에 주어진다.
본 발명에 따른 방법은, 엔진의 각 실린더로 액화 가스 연료를 공급하는 단계와, 상기 실린더 벽면에 배치된 적어도 하나의 연료 분사 노즐을 통하여 액상으로 각각의 실린더 안으로 연료를 분사하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 분사 시스템은 상기 정의된 방법을 구현하도록 구성된다.
본 발명에 따른 방법 및 연료 분사 시스템에 의해, 엔진의 온실 가스 배출은 여러 메커니즘을 통해 감소된다: 액상 연료의 분사는 연소 챔버의 벽에 근접하여 연료 농도를 감소시키는 것을 돕는다. 이로써 연소 챔버 표면 상의 화염의 켄칭이 감소되며, 이는 배기 가스와 함께 미연소 연료의 누출을 감소시킨다. 연료를 액상으로 분사함으로써, 기상의 연료를 분사하는 것에 비해 분사의 질량 유량을 증가시킬 수 있다. 이것은 연료 주입의 시작을 지연시킬 수 있으며, 이는 개방 배기 밸브를 통해 미연소 연료가 누출될 위험을 감소시킨다. 액상 분사의 추가 이점은 연료의 증발이 연소 챔버 내의 온도를 감소시킨다는 것이다. 이로써, 연료의 자발화 위험을 감소시켜 압축비를 높일 수 있고, 이에 따라 엔진 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료는 10 내지 50 bar의 압력으로 분사된다. 압력은, 예를 들어, 20 내지 40 bar 범위일 수 있다. 상기 범위 내의 분사 압력은 충분히 짧은 분사 지속기간을 허용하면서, 연료 제트가 연소 챔버 안으로 너무 깊이 침투하는 것 및 연료 제트가 연료 분사기의 반대편의 연소 챔버 벽에 과도하게 접촉하는 것을 회피한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 분사의 지속기간은 5 내지 20도의 크랭크 각도(crank angle)이다. 연료 분사의 지속기간은, 예를 들어, 7 내지 13도의 크랭크 각도일 수 있다. 이로써, 지속기간은 대응하는 양의 연료를 기상으로 주입하는 지속기간보다 상당히 더 짧을 수 있고, 결과적으로 연료 주입이 지연될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 분사는 상사점(top dead center) 이전 140 내지 40도의 크랭크 각도에서 시작된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 분사는 상사점 이전 120 내지 95도의 크랭크 각도에서 시작된다. 이 범위에서 분사가 시작되면, 배기 밸브가 거의 폐쇄되고, 이는 연소 시작 전 미연소 연료의 누출을 최소화한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료는 분사 압력에서 연료의 비점보다 적어도 5℃ 낮은 온도에서 연료 분사 노즐에 공급된다. 충분히 낮은 온도에 의해, 연료 분사 시스템에서 증기 기포의 형성의 위험이 감소된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료는 분사 압력에서 연료의 비점보다 최대 50℃ 낮은 온도에서 연료 분사 노즐에 공급된다. 너무 낮은 분사 온도를 피하는 것은 연료가 연소 챔버에서 효과적으로 증발되는 것을 보장한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료는 실린더의 상단부를 향해 수평 방향으로부터 경사진 각도로 실린더 안으로 분사된다. 이는 연료 분사 노즐의 반대편의 연소 챔버 벽과 연료 제트의 접촉을 회피하는 것을 돕는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료는 적어도 두 개의 연료 분사 노즐을 통해 각 실린더 안으로 분사된다. 이는 분사 지속기간을 짧게 유지할 수 있고 분사 압력을 상대적으로 낮게 유지할 수 있어, 연소 챔버 내의 연료 제트의 침투를 감소시키고 연료 분사의 지연을 허용한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료는 액화 천연 가스 또는 바이오가스이다.
본 발명에 따른 2-행정 피스톤 엔진은 상기 정의된 연료 분사 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 연료 분사 노즐은 상사점 이전 100 내지 30도의 크랭크 각도의 피스톤의 위치에 대응하는 위치에 배치된다.
엔진 내의 각각의 실린더의 벽에 기상(gas phase)의 연료를 실린더 안으로 도입하기 위한 적어도 하나의 구멍이 제공되는, 2-행정 피스톤 엔진을 개조하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 액상의 연료를 위한 연료 분사 노즐로서 기능하도록 구성된 플러그를 각각의 구멍에 배치하는 단계를 포함한다. 이는 기존 엔진을 가스 연료의 액상 분사를 이용하는 엔진으로 용이하게 전환할 수 있게 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 2-행정 피스톤 엔진 및 엔진의 연료 분사 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 실린더 라이너 및 연료 분사 노즐의 일부를 도시한 것이다.
도 3은 연료 분사 노즐을 형성하기 위한 플러그를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 엔진의 하나의 실린더를 상이한 크랭크 각도에서 개략적으로 도시한다.
도 1은 2-행정 피스톤 엔진 및 엔진의 연료 분사 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 실린더 라이너 및 연료 분사 노즐의 일부를 도시한 것이다.
도 3은 연료 분사 노즐을 형성하기 위한 플러그를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 엔진의 하나의 실린더를 상이한 크랭크 각도에서 개략적으로 도시한다.
도 1은 피스톤 엔진(1), 즉 왕복 내연 엔진을 개략적으로 도시한다. 엔진(1)은 선박용 엔진과 같은 대형 저속 2-행정 엔진이다. 엔진의 실린더 보어, 즉 실린더의 내경은 적어도 260 mm이다. 엔진은 선박의 프로펠러를 구동하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 엔진(1)은 전기를 생산하기 위한 파워플랜트에서 사용될 수 있다. 엔진의 최대 회전 속도는 50 내지 220 rpm 범위일 수 있다. 도면의 실시예에서, 엔진(1)은 크로스헤드 엔진이다. 엔진의 실린더 보어는 26 내지 110 cm 범위일 수 있다. 엔진의 정격 출력은 1 내지 100 MW 범위일 수 있다. 엔진(1)은 가스 연료를 사용하여 작동될 수 있는 가스 엔진, 또는 하나 이상의 상이한 종류의 가스 연료 또는 액체 연료를 사용하여 작동될 수 있는 이중 연료 또는 다중 연료 엔진일 수 있다. 이로써, 이중 연료 또는 다중 연료 엔진은 가스 연료를 사용하는 가스 모드 또는 액체 연료를 사용하는 액체 연료 모드로 작동될 수 있다. 가스 모드에서, 엔진(1)은 오토(Otto) 사이클을 이용하여 작동될 수 있다. 액체 연료 모드에서, 엔진(1)은 디젤 사이클을 이용하여 작동될 수 있다. 가스 연료는 실린더(2) 안으로 또는 프리챔버 안으로 액체 파일럿 연료를 분사함으로써 점화될 수 있다. 파일럿 연료의 양은 가스 연료의 양에 비해 적다. 파일럿 연료의 양은 예를 들어 연료의 총 열 방출의 3% 미만에 해당할 수 있다. 가스 연료는 또한 스파크 플러그에 의해 점화될 수 있다. 여기서 "가스 연료"라는 용어는 온도 20℃ 및 압력 1 atm(101.325 kPa)에서 기상인 연료를 지칭한다.
엔진(1)은 복수의 실린더(2)를 포함한다. 도 1의 실시예에서, 엔진(1)은 5개의 실린더(2)를 포함하지만, 엔진(1)은 임의의 합당한 수의 실린더(2), 예를 들어 4 내지 16개의 실린더를 포함할 수 있다. 엔진(1)은 가스 연료를 위한 연료 분사 시스템을 포함한다. 가스 연료용 연료 분사 시스템은 연료 탱크(4)에 연결되며, 연료 탱크에서 가스 연료는 액상으로 저장된다. 이로써, 연료 탱크(4)는, 연료의 대부분이 액상인, 소정의 온도 및 압력에서 가스 연료를 저장하도록 구성된다. 가스 연료는 액화 천연 가스(LNG)일 수 있다. 천연 가스의 주성분은 메탄이다. 천연 가스는 또한 에탄, 프로판 및 부탄뿐만 아니라 물 및 이산화 탄소를 포함할 수 있다. 액화 천연 가스를 생성하기 위해, 물, 이산화 탄소, 중질 탄화수소 및 또한 일부 다른 성분이 가스로부터 제거되지만, 바람직하지 않은 성분의 제거 후에도 소량의 불순물이 남아 있을 수 있다.
액화 천연 가스의 비점은 그 조성에 의존하지만, 전형적으로 천연 가스는 액화를 위해 대략 -162 ℃로 냉각되고 대기압에 가까운 압력, 예를 들어 절대 압력의 250 kPa 아래에서 저장된다.
연료는 또한 액화된 바이오가스일 수 있다. 여기서 "바이오가스"라는 용어는 액화 천연 가스와 유사한 조성을 갖지만 화석 공급원으로부터의 것이 아닌 가스를 지칭한다. 이로써, 바이오가스는 주 성분이 메탄이고 재생가능한 공급원으로부터 유래하는 가스이다. 바이오가스는, 예를 들어, 유기 폐기물로부터 생성될 수 있다.
대안적으로, 가스 연료는, 예를 들어, 암모니아(NH3)일 수 있다. 암모니아의 대기압에서의 비점은 대략 -33.3℃이다. 이로써 암모니아는 대기압에 가까운 압력에서 액상으로 유지되기 위해 대략 -34℃ 이하의 온도에서 저장될 수 있다.
가스 연료용 연료 분사 시스템은 연료 공급 라인(3)과 연료 공급 펌프(5)를 포함한다. 연료 공급 펌프(5)는 연료 탱크(4)로부터의 연료를 연료 공급 라인(3)을 통해 엔진(1)의 각 실린더(2)에 공급한다. 엔진(1)의 각 실린더(2)에는, 실린더(2) 안으로의 연료 분사를 제어하는 연료 공급 밸브(6)가 제공된다. 연료 공급 밸브(6)는 연료 공급 밸브(6)의 작동을 제어하는 제어 유닛(24)에 연결된다. 연료 분사 시스템은 도 1에 나타내지 않은 많은 추가 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 분사 시스템은 여러 개의 연료 공급 펌프를 포함할 수 있다. 직렬로 배치되는 연료 공급 펌프에 의해 2개 이상의 단계로 연료가 가압될 수 있고, 리던던시를 위해 병렬로 배치된 여러 개의 연료 공급 펌프가 연료 분사 시스템에 제공될 수 있고/있거나 별도의 연료 공급 펌프가 연료를 특정 그룹의 실린더에 공급할 수 있다.
도 1의 엔진(1)은 파일럿 연료 분사 시스템을 더 포함한다. 파일럿 연료 분사 시스템은 파일럿 연료 탱크(12)에 연결되며, 여기서 액체 파일럿 연료가 저장된다. 여기서, "액체 연료"라는 표현은 온도 20℃, 압력 1 atm(101.325 kPa)에서 액상인 연료를 의미한다. 파일럿 연료는 예를 들어 경연료유 또는 선박용 디젤유일 수 있다. 파일럿 연료 분사 시스템은 엔진(1)의 각 실린더(2)에 대해 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기(7)를 포함한다. 도 1의 실시예에서, 파일럿 연료 분사 시스템은 공통 레일 연료 분사 시스템이다. 이로써, 파일럿 연료 분사기(7)는 연료 레일(8)에 연결되고, 연료 레일로부터 가압 파일럿 연료가 파일럿 연료 분사기(7)로 공급된다. 파일럿 연료 분사 시스템은 연료 레일(8)에 연료를 공급하는 고압 펌프(10)와, 고압 펌프(10)에 연료를 공급하는 파일럿 연료 공급 펌프(9)를 포함한다. 파일럿 연료 공급 라인(11)은 연료 레일(8)을 파일럿 연료 탱크(12)에 연결한다. 파일럿 연료 분사 시스템은 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 단일 연료 레일 대신에, 시스템은 여러 연료 레일을 포함할 수 있거나, 또는 각각의 파일럿 연료 분사기(7)에 자체 연료 어큐뮬레이터가 제공될 수 있다. 파일럿 연료 분사 시스템은 또한 2개 이상의 고압 펌프(10) 및/또는 파일럿 연료 공급 펌프(9)를 포함할 수 있다. 공통 레일 시스템 대신에, 각각의 실린더(2)에는 자체 파일럿 연료 분사 펌프가 제공될 수 있다. 파일럿 연료 분사기(7)는 연료 공급 밸브(6)와 동일하거나 상이한 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다.
엔진(1)은 또한 중유, 경유 또는 선박용 디젤유와 같은 액체 주 연료를 엔진(1)의 실린더(2) 안으로 분사하기 위한 연료 분사 시스템을 포함할 수 있다. 파일럿 연료 분사 시스템 및 액체 주 연료를 위한 연료 분사 시스템은 단일 연료 분사 시스템으로 통합될 수 있거나 또는 공통 부품을 공유할 수 있다. 예를 들어, 동일한 액체 연료가 파일럿 연료 및 액체 주 연료 모두로서 사용되는 경우, 공통 연료 공급 펌프가 파일럿 연료 분사 시스템 및 액체 주 연료 분사 시스템 모두의 고압 펌프에 연료를 공급할 수 있다. 연료 분사 시스템은 또한 고압 펌프, 연료 레일 및/또는 연료 분사기를 공유할 수 있다. 예를 들어, 공통 연료 분사기 바디에는 파일럿 연료 및 액체 주 연료를 위한 별도의 연료 분사 노즐 및 연료 분사기 니들이 제공될 수 있다. 엔진(1)은 액체 주 연료를 엔진의 실린더로 분사하기 위한 둘 이상의 연료 분사 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔진(1)에는 중연료유 및 경연료유를 위한 별도의 연료 분사 시스템이 제공될 수 있다. 연료 분사 시스템은 컴포넌트 중 일부를 서로 공유할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 엔진(1)의 실린더(2) 중 하나의 단순화된 도면을 도시한다. 각각의 실린더(2)에는 피스톤(13)이 제공되는데, 이 피스톤은 실린더(2) 내에서 왕복 방식으로 이동하게 배치된다. 도 4a에서, 피스톤(13)은 상사점(TDC; top dead center) 위치에 있다. 도 4b에서, 피스톤은 하사점(BDC; bottom dead center) 위치에 있다. 피스톤(13)의 TDC 위치는 크랭크 각도 0도에 대응하고, BDC 위치는 크랭크 각도 180도에 대응한다. 도 4c에서, 피스톤(13)은 TDC 위치를 향해 이동하는 하사점과 상사점 사이의 위치에 있다. 도 4c에서, 크랭크 각도는 대략 270도이며, 이는 또한 TDC 이전 90도 또는 BDC 이후 90도로서 표현될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c의 엔진(1)은 크로스헤드 엔진이다. 이로써, 피스톤(13)은 피스톤 로드(14)를 통해 크로스헤드(15)에 연결된다. 크로스헤드(15)는 피스톤(13)과 동기화되어 이동한다. 크로스헤드(15)는 크로스헤드 가이드(16)에 의해 안내된다. 크로스헤드(15)는 연결 로드(17)를 통해 크랭크샤프트(18)에 연결된다. 크로스헤드 구성은 긴 행정을 허용한다. 엔진(1)의 행정/보어 비는 예를 들어 적어도 3.0, 또는 적어도 3.5일 수 있다.
실린더(2)의 벽은 엔진 블록 내부에 배치되는 실린더 라이너에 의해 형성된다. 실린더 헤드는 실린더(2)의 상단부를 폐쇄한다. 실린더 라이너, 피스톤(13) 및 실린더 헤드는 연소 챔버(24)를 한정한다. 실린더(2)에는 적어도 하나의 배기 밸브(20)가 제공된다. 도 4a 내지 도 4c의 실시예에서, 실린더(2)에는 하나의 배기 밸브(20)가 제공되지만, 각각의 실린더(2)에 대해 여러 개의 배기 밸브(20)가 또한 있을 수도 있다. 배기 밸브(20)는 실린더 헤드에 배치된다. 배기 밸브(20)는 배기구(25)를 개폐한다. 배기구(25)를 통해 배기 가스는 연소 챔버(24)에서 배기 덕트(21) 안으로 배출된다. 도 4a 및 도 4c에서, 배기 밸브(20)는 폐쇄되고, 도 4b에서, 배기 밸브(20)는 개방된다.
배기 밸브(20)는 예를 들어 전기-유압 액추에이터에 의해 또는 캠에 의해 작동될 수 있다. 엔진에는 가변 배기 밸브 타이밍을 위한 수단이 제공될 수 있다. 이로써, 배기 밸브(20)의 개방 및/또는 폐쇄 타이밍은 가변적일 수 있다.
실린더(1)에는 실린더 라이너의 둘레를 따라 분포되는 복수의 유입구(19)가 제공된다. 유입구(19)는 피스톤(13)의 BDC 위치 위의 실린더(2)의 하부에 배치된다. 유입구(19)는 피스톤(13)이 유입구(19)의 상단부 아래에 있을 때 연소 챔버(24) 안으로의 새로운 충전물(fresh charge)의 흐름을 허용한다. 실린더(2) 안으로의 새로운 충전물의 실질적인 흐름은, 피스톤 상부가 유입구(19) 아래에 있고 배기 밸브(20)가 개방될 때 시작된다. 연소 챔버(24) 안으로의 새로운 충전물의 제한된 흐름은 피스톤(13)의 최상부 피스톤 링이 유입구(19)의 상부 에지 아래에 있을 때 이미 시작될 수 있다. 그러나, 일반적으로 이러한 흐름은 피스톤(13)과 실린더(2)의 벽 사이의 작은 간극으로 인해, 그리고 또한 피스톤(13)이 유입구(19)에 근접할 때 새로운 충전물의 압력과 실린더 압력 사이의 작은 차이로 인해 미미하다. "새로운 충전물"이라는 표현은 유입구(19)가 개방될 때 실린더(2) 안으로 흐르는 가스를 지칭한다. 새로운 충전물은 가압 흡입 공기로 이루어질 수 있지만, 새로운 충전물은 또한 예를 들어 재순환된 배기 가스 및/또는 흡입 공기와 혼합된 가스 연료를 포함할 수 있다.
실린더(2)는 실린더(2)의 벽에 배치되는 적어도 하나의 연료 분사 노즐(23)을 더 포함한다. 도 4a 내지 도 4c는 2개의 연료 분사 노즐(23)을 도시한다. 도면의 실시예에서, 연료 분사 노즐(23)은 서로 대향하여 배치된다. 연료 분사 노즐(23)은 서로 동일한 높이에 있다. 연료 분사 노즐(23)은 TDC 이후 대략 275도의 크랭크 각도, 또는 TDC 이전 85도의 크랭크 각도에서 피스톤(13)의 위치에 대응하는 위치에 배치된다. 여기서 "피스톤의 위치"라는 표현은 소정의 크랭크 각도에서 피스톤(13)의 상부 가장자리의 위치를 지칭한다. 여기서 연료 분사 노즐(23)의 위치는 연료 분사 노즐(23)의 중심축이 위치하는 높이를 지칭한다. 연료 분사 노즐(23)의 위치는, 예를 들어, TDC 이전 100-30도 범위의 피스톤(13)의 위치에 대응하는 높이에 있을 수 있다. 또한, 연료 분사 노즐(23)이 상이한 높이에 배치되는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 방법에서, 가스 연료는 액상으로 실린더(2) 안으로 주입된다. 이로써, 가스 연료를 위한 연료 분사 시스템은 연료를 액상으로 연료 분사 노즐(23)에 공급하도록 구성된다. 액상의 연료의 분사는 다음과 같은 여러 이점을 제공한다: 이는 연료를 연소 챔버 표면으로부터 멀리 유지하는 것을 돕고, 이는 화염의 켄칭을 방지하여 연소 후 미연소 연료의 누출을 감소시킨다. 이는 또한 연소 챔버(24)의 작은 틈새로의 연료 흐름을 감소시키고, 연소 챔버 안으로 화염이 쉽게 침투하지 않는다. 또한, 분사된 연료의 질량 유량이 많을수록 추후 분사가 가능하며, 이는 연소 전 미연소 연료의 누출을 감소시키는 데 도움이 된다. 나아가, 연소 챔버에서 증발되는 연료는 온도를 낮추며 연료의 자발화 위험을 감소시킨다. 이를 통해 압축비를 높일 수 있고, 이는 엔진 효율을 개선한다.
연료는 가스 연료의 온도를 충분히 낮게 유지하고 압력을 충분히 높게 유지함으로써 액상으로 유지될 수 있다. 연료 공급 라인(3)에는 연료를 충분히 낮은 온도로 유지하기 위해 적합한 단열재가 제공될 수 있다. 연료 공급 펌프(5)는 연료의 비점을 상승시키기 위해 연료의 압력을 연료 탱크(4) 내의 압력보다 높게 상승시키도록 구성될 수 있다.
연료는 10 내지 50 bar의 압력으로 분사될 수 있다. 연료 분사 압력은 예를 들어 20 내지 40 bar일 수 있다. 대기압에서의 LNG의 비점은 대략 -162℃이며, 가스의 조성에 따라 달라진다. 압력을 40 bar로 상승시켜 비점을 대략 -87℃까지 상승시킨다. 이로써, 상기 범위의 압력은 분사될 때까지 연료를 액상으로 유지하는 것을 돕는다. 또한, 연료 분사 지속기간을 짧게 유지할 수 있다. 다른 한편으로, 액체 연료의 전형적인 분사 압력에 비해 상대적으로 낮은 압력을 유지함으로써, 연소 챔버(24) 안으로의 연료 제트의 너무 깊은 침투를 회피한다. 이는 연료 분사 노즐(23)의 반대편의 연소 챔버 벽과 연료의 접촉을 감소시킨다.
연료는 분사 압력에서 연료의 비점보다 적어도 5℃ 낮은 온도에서 연료 분사 노즐(23)에 공급되는 것이 바람직하다. 이는 비등으로 인한 증기 버블 형성의 위험을 감소시킨다. 다만, 분사 전에 연료의 온도를 어느 정도 상승시키는 것을 허용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 연료는 분사 압력에서 연료의 비점보다 최대 50℃ 낮은 온도에서 연료 분사 노즐(23)에 공급될 수 있다. 비점으로부터 너무 멀지 않은 온도는 주입 후에 연료가 빠르게 증발되는 것을 보장한다.
연료 분사의 지속기간은, 예를 들어, 5 내지 20도의 크랭크 각도일 수 있다. 연료 분사 지속기간은 예를 들어 7 내지 13도일 수 있다. 액상에서의 분사는 기상에서의 분사보다 연료의 더 큰 질량 유동을 허용한다. 이로써, 연료 분사 지속기간은 동일한 양의 기상 연료의 연료 분사 지속기간보다 짧을 수 있다. 이는 연료 분사의 지연을 가능하게 한다. 대응하는 양의 기상 연료에 대한 필요한 분사 지속기간은 크랭크 각도의 대략 20도일 수 있다.
연료 분사는 상사점 이전 140 내지 40도 범위의 크랭크 각도에서 시작될 수 있다. 유리하게는, 연료 분사는 상사점 이전 120 내지 95도에서 시작된다. 연료 분사의 늦은 시작은 배기 밸브(20)가 적어도 거의 폐쇄되기 전에 연료가 분사되지 않는 것을 보장한다. 이는 연소 전에 미연소 연료가 배기 덕트(21)로 흐르는 것을 감소시킨다.
연료 분사는 피스톤(13)이 연료 분사 노즐(23) 수준으로 이동하기 전에 종결되어야 한다. 도면의 엔진(1)에서는, TDC 이전 85도에서 연료분사가 종결되어야 한다. 그러나, 연료 분사 노즐(23)이 피스톤(13)의 TDC 위치에 더 가깝게 위치되면, 연료 분사는 더 오래 계속될 수 있다.
연료는 실린더(2)의 상단부를 향하여 수평 방향으로부터 경사진 각도로 실린더(2) 안에 분사될 수 있다. 이로써, 연료 분사 방향은 수평이 아니라 실린더의 상단부를 약간 향한다. 이는 연소 챔버 벽과 연료 제트의 접촉을 회피하는 것을 돕는다.
본 발명에 따른 엔진의 작동 방법은 기상의 연료를 실린더 안으로 분사하도록 구성되는 연료 분사 노즐을 구비한 기존의 엔진에도 엔진의 개조에 의해서 적용될 수 있다. 2-행정 피스톤 엔진을 개조하는 방법에서, 그 엔진(1) 내의 각각의 실린더(2)의 벽에 기상의 연료를 실린더(2) 안으로 도입하기 위한 적어도 하나의 구멍(28)이 제공되고, 각각의 구멍(28)은 액상의 연료를 위한 분사 노즐(23)로서 기능하도록 구성된 플러그(29)를 구비한다.
도 2는 엔진의 실린더 라이너(27) 일부의 단면도를 도시한다. 실린더 라이너(27)는 구멍(28)을 포함하며, 이를 통해 기상 연료가 엔진(1)의 실린더(2) 안으로 도입될 수 있다. 구멍(28)에는 플러그(29)가 삽입된다. 플러그(29)는 액상인 가스 연료를 위한 분사 노즐(23)로서 기능하도록 구성된다. 따라서, 플러그(29)는 연료가 실린더(2) 안으로 주입될 수 있는 적어도 하나의 구멍(30)을 포함한다. 연료의 밀도가 기상보다 액상에서 훨씬 더 크기 때문에, 플러그(29)의 구멍(30)은 실린더 라이너(27)의 구멍(28)보다 훨씬 더 작은 직경을 가질 수 있다. 도 3은 플러그(29)의 개략적인 정면도를 도시한다. 도면의 실시예에서, 플러그(29)는 액상의 연료를 분사하기 위한 3개의 구멍(30)을 포함한다. 그러나, 플러그(29)에는 또한 단일 구멍, 2개의 구멍, 또는 3개 초과의 구멍이 제공될 수 있다. 플러그(29) 내의 구멍(30)은 연료 제트를 피스톤(13)의 BDC 위치보다 TDC 위치를 향해 더 지향시키는 각도로 배치될 수 있다. 2개의 구멍(30)인 경우, 구멍(30)은 서로 상이한 각도로 배치될 수 있다. 2개 초과의 구멍(30)의 경우에, 구멍(30)은 적어도 2개의 상이한 각도로 배치될 수 있다. 이는 실린더(2) 내부에서 연료의 바람직한 분배를 달성할 수 있게 한다.
당업자는 본 발명이 위에서 설명된 실시예에 제한되지 않고 첨부된 청구항의 범위 내에서 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 또한 크로스헤드 엔진 이외의 다른 종류의 엔진에도 적용될 수 있다.
Claims (16)
- 2-행정 피스톤 엔진(1)을 작동시키는 방법으로서,
액화 가스 연료를 상기 엔진(1)의 각각의 실린더(2)에 공급하는 단계 및 상기 실린더(2)의 벽에 배치된 적어도 하나의 연료 분사 노즐(23)을 통해 상기 연료를 액상으로 각각의 실린더(2) 안으로 분사하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연료는 10 내지 50 bar의 압력에서 분사되는, 방법. - 제2항에 있어서,
상기 압력은 20 내지 40 bar인, 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
연료 분사의 지속기간은 5 내지 20도의 크랭크 각도(crank angle)인, 방법. - 제4항에 있어서,
상기 지속기간은 7 내지 13도의 크랭크 각도인, 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
연료 분사는 상사점(top dead center) 이전 140 내지 40도의 크랭크 각도에서 시작되는, 방법. - 제6항에 있어서,
연료 분사는 상사점 이전 120 내지 95도의 크랭크 각도에서 시작되는, 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료는 분사 압력에서 상기 연료의 비점보다 적어도 5℃ 낮은 온도에서 연료 분사 노즐들(23)에 공급되는, 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료는 분사 압력에서 상기 연료의 비점보다 최대 50℃ 낮은 온도에서 연료 분사 노즐들(23)에 공급되는, 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료는 상기 실린더(2)의 상단부를 향해 수평 방향으로부터 경사진 각도로 상기 실린더(2) 안으로 분사되는, 방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료는 적어도 2개의 연료 분사 노즐들(23)을 통해 각각의 실린더(2) 안으로 분사되는, 방법. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료는 액화 천연 가스 또는 바이오가스인, 방법. - 2-행정 피스톤 엔진(1)을 위한 연료 분사 시스템으로서,
상기 연료 분사 시스템은 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하도록 구성되는, 연료 분사 시스템. - 제13항에 있어서,
적어도 하나의 연료 분사 노즐(23)은 상사점 이전 100 내지 30도의 크랭크 각도의 피스톤(13)의 위치에 대응하는 위치에 배치되는, 연료 분사 시스템. - 제13항 또는 제14항에 따른 연료 분사 시스템을 포함하는, 2-행정 피스톤 엔진(1).
- 2-행정 피스톤 엔진(1)을 개조(retrofitting)하는 방법으로서,
엔진(1)의 각각의 실린더(2)의 벽에는 상기 실린더(2) 안으로 기상 연료를 도입하기 위한 적어도 하나의 구멍(28)이 제공되고, 상기 방법은 액상 연료를 위한 연료 분사 노즐(23)로서 기능하도록 구성되는 플러그(29)를 각각의 구멍(28)에 배치하는 단계를 포함하는, 2-행정 피스톤 엔진(1)을 개조하는 방법.
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