KR102678546B1 - 내연 엔진 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진이 개시된다. 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 실린더 내에서 이동 가능하게 배열되며, 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 유입구를 가지며, 연료 공급 시스템은 피스톤과 실린더 커버와의 사이에서 규정되는 메인 연소 챔버 내로 연료를 분사하도록 구성된다. 엔진은 프리-챔버 세트를 더 포함하며, 프리-챔버 세트는 내부 프리-챔버 및 외부 프리-챔버를 포함한다. 내부 프리-챔버는 내부 프리-챔버 내의 연료/공기 혼합물을 점화시키도록 구성되는 점화 시스템을 구비한다.
Description
본 발명은 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진 및 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트에 관한 것이다.
2-행정 내연 엔진은 컨테이너선, 벌크선, 및 유조선과 같은 선박에서 추진 엔진으로서 사용된다. 내연 엔진으로부터의 원치 않는 배기가스를 감소시키는 것이 점차 중요해지고 있다.
원치 않는 배기가스의 양을 감소시키기 위한 하나의 유효한 방법은 연료유, 예컨대 중유(HFO)에서 연료가스로의 전환이다. 연료가스는 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 분사될 수 있고, 여기서 압축시 실린더 내의 가스가 도달하는 고온에 의해 또는 파일럿 연료의 점화에 의해 즉각적으로 점화될 수 있다. 그렇지만, 압축 행정의 끝에서 실린더 내로 연료가스를 분사하는 것은, 실린더 내의 고압을 극복할 수 있도록 분사 이전에 연료가스를 압축시키기 위한 고압 압축기를 필요로 한다.
그러나 고압 압축기는 제작 및 유지하기에 비용이 많이 들고 복잡하다. 고압 압축기의 사용을 회피하기 위한 하나의 방법은, 실린더 내의 압력이 상당히 낮은 압축 행정의 시작점에서 연료가스를 분사하도록 엔진을 구성하는 것이다.
특허문헌 DK 176118 B에는 그러한 엔진이 개시되어 있다. 연료가스의 적절한 점화를 보장하기 위해 파일럿 점화 프리-챔버가 실린더 커버 내에 제공된다. 소정량의 파일럿 연료가 파일럿 점화 프리-챔버 내로 분사되고, 그 후 점화된다. 이는 실린더의 메인 연소 챔버 내의 연료가스를 점화시키는 불꽃을 야기시킨다.
특허문헌 WO 2013/007863에는 실린더 커버 내에 프리-챔버를 구비한 엔진의 또 다른 예가 개시되어 있으며, 여기서 점화를 개시하기 위하여 프리-챔버 내로의 소정량의 액체 파일럿 연료의 분사가 이용된다.
그렇지만, 메인 연소 챔버 내의 연료 공기 혼합물의 적절한 점화를 보장하기 위해서는 상당량의 액체 파일럿 연료가 프리-챔버 내로 분사되어야만 한다. 액체 파일럿 연료의 연소는 상당히 높은 수준의 원치 않는 배기가스를 초래하기 때문에 연료가스를 사용하는 장점 일부를 잃게 된다. 특히, 이는 대형의 연소 챔버들을 갖는 대형 엔진에 있어서 문제가 된다.
나아가서, 메인 연소 챔버 내의 연료의 적절한 점화를 보장하기 위하여 충분한 크기의 불꽃이 생성될 수 있도록, 프리-챔버는 또한 커질 필요가 있다. 그렇지만 이는 파일럿 연료의 깨끗하지 않은(unclean) 연소 및 실화를 방지하기 위해 중요한 프리-챔버의 온도를 제어하기 어렵게 한다.
따라서 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진의 메인 연소 챔버 내에서 연료를 점화시키는 개선된 방식을 제공하기에는 문제가 남는다.
제1 측면에 따르면, 본 발명은, 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진에 관한 것으로서, 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 실린더 내에서 이동 가능하게 배열되며, 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 유입구를 가지며, 연료 공급 시스템은 피스톤과 실린더 커버와의 사이에서 규정되는 메인 연소 챔버 내로 연료를 분사하도록 구성되며, 여기서 엔진은 프리-챔버 세트를 더 포함하며, 프리-챔버 세트는 내부 프리-챔버 및 외부 프리-챔버를 포함하며, 외부 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 메인 연소 챔버 내로 개방되고 내부 프리-챔버에 유체 연결되어 있으며, 여기서 내부 프리-챔버는 프리-챔버 세트 내의 연료/공기 혼합물을 점화시켜 메인 연소 챔버 내로 전파되는 불꽃을 야기시키도록 구성되는 점화 시스템을 구비하여 메인 연소 챔버 내의 연료를 점화시킨다.
따라서, 엔진이 프리-챔버 세트를 구비함으로써, 더 이상 메인 연소 챔버 내의 연료 및 공기의 혼합물을 점화시킬 필요 없이 프리-챔버 세트의 또 다른 프리-챔버, 예컨대 외부 프리-챔버 내의 연료 및 공기의 혼합물만 점화시키면 되기 때문에, 내부 프리-챔버는 더욱 작아질 수 있다. 이는 원치 않는 배기가스의 발생량을 감소시킬 수 있다. 이는 또한 내부 프리-챔버의 온도를 제어하기 쉽게 할 수 있어, 파일럿 연료의 깨끗하지 않은(unclean) 연소 및 실화의 우려를 저감시킨다.
바람직하게 내연 엔진은, 실린더 당 적어도 400kW의 동력을 가지는, 해양 선박 또는 고정식 발전 플랜트를 구동하기 위한 유니플로 소기 방식의 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진이다. 내연 엔진은, 이 내연 엔진에 의해 발생된 배기가스에 의해 구동되고 소기공기를 압축시키도록 구성되는 터보차저를 포함할 수 있다.
바람직하게 내연 엔진은 예컨대 4 내지 14개의 복수의 실린더를 포함한다. 내연 엔진은 복수의 실린더 각각에 대하여 실린더 커버, 배기 밸브, 피스톤, 연료 밸브, 프리-챔버 세트, 및 소기공기 유입구를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 연료 공급 시스템은, 예를 들어 하사점으로부터 0도 내지 160도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 130도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도에서 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되는 연료 밸브를 포함하는 연료 공급 시스템이다. 그에 따라 연료는 소기공기와 혼합될 수 있고 소기공기 및 연료의 혼합물은 점화 전에 압축되도록 허용된다. 연료 밸브는 저압으로 예를 들어 5바 내지 50바의 압력으로 연료를 분사하도록 구성될 수 있다.
적절한 연료의 예로서는 액화천연가스(LNG), 메탄, 암모니아, 에탄, 및 액화석유가스(LPG)가 있다.
대안적으로, 연료 공급 시스템은 고압 하에서 예를 들어 250바 내지 500바의 압력으로 압축 행정의 끝에서 연료를 분사하도록 구성된, 실린더 커버 내에 배열되는 하나 이상의 연료 분사기를 포함한다.
적절한 연료의 예로서는 액화천연가스(LNG), 메탄, 암모니아, 에탄, 및 액화석유가스(LPG), 중유 또는 마린 디젤 오일이 있다. 그렇지만, 연료는 액화천연가스(LNG), 메탄, 암모니아, 에탄, 및 액화석유가스(LPG)와 같이 빈약한 자가-점화성을 갖는 연료인 것이 바람직하다.
프리-챔버 세트는 2개 이상의 프리-챔버를 포함할 수 있고, 따라서 내부 프리-챔버는 외부 프리-챔버에 연결되는 중간 프리-챔버에 연결될 수 있다. 따라서, 내부 프리-챔버로부터 전파되는 제1 불꽃은 중간 프리-챔버 내의 연료 및 공기의 혼합물의 점화를 직접적으로 초래한 다음에 외부 프리-챔버 내로 전파되어 외부 프리-챔버 내의 연료 및 공기의 혼합물을 점화시키는 제3 불꽃을 초래함으로써 외부 프리-챔버 내의 연료 공기 혼합물의 점화를 간접적으로 초래할 수 있다. 프리-챔버 세트는 적어도 하나, 또는 적어도 2개, 또는 적어도 3개 등의 임의의 개수의 중간 프리-챔버를 포함할 수 있다.
그렇지만, 내부 프리-챔버는 외부 프리-챔버에 직접적으로 유체 연결될 수 있으며, 다시 말해서 프리-챔버 세트는 중간 프리-챔버를 전혀 포함하지 않을 수 있다. 상이한 프리-챔버들은 협소부(narrowing), 하나 이상의 개구부, 또는 하나 이상의 채널을 통하여 유체 연결될 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 개구부를 갖는 노즐을 각각 구비할 수 있다.
프리-챔버 세트는 실린더 커버 내에 적어도 부분적으로 배열될 수 있으며, 예를 들어 적어도 프리-챔버 세트의 외부 프리-챔버는 실린더 커버 내에 배열될 수 있다. 대안적으로, 프리-챔버 세트는 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열될 수 있으며, 예를 들어 적어도 외부 프리-챔버는 실린더 벽 내에 배열될 수 있다. 적어도 하나의 실린더는 베이스 부재 및 프리-챔버 세트 부재를 가지며, 프리-챔버 세트 부재는 베이스 부재의 상부에 배열되고 실린더 커버는 프리-챔버 세트 부재의 상부에 배열되며, 여기서 프리-챔버 세트는 프리-챔버 세트 부재의 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열된다. 이것은, 예를 들어, 적절한 재료를 선택함으로써, 프리-챔버 세트 부재가 프리-챔버 세트 내의 고온 및 고압을 취급하도록 특별히 설계되는 것을 허용한다. 이것은 프리-챔버 세트에 대한 유지보수를 더욱 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
점화 시스템은, 스파크 플러그 점화 시스템, 코로나/플라즈마 점화 시스템, 마이크로파 점화 시스템, 글로우 플러그 점화 시스템, 레이저 점화 시스템, 제트 불꽃 점화 시스템, 또는 파일럿 연료 점화 시스템과 같은 임의의 종류의 점화 시스템일 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 내부 프리-챔버는 외부 프리-챔버보다 작다.
몇몇 실시형태에 있어서 내부 프리-챔버의 내부 체적은 외부 프리-챔버의 내부 체적보다 작다.
내부 프리-챔버의 내부 체적은 프리-챔버 세트의 전체 내부 체적의 15% 내지 45%를 구성할 수 있다. 내부 프리-챔버의 내부 체적은 프리-챔버 세트의 전체 내부 체적의 20% 내지 40%를 구성할 수 있다.
따라서, 내부 프리-챔버의 크기를 작게 유지함으로써, 내부 프리-챔버의 온도는 더욱 정밀하게 제어될 수 있다.
외부 프리-챔버의 내부 체적은 프리-챔버 세트의 전체 내부 체적의 55% 내지 85%를 구성할 수 있다. 외부 프리-챔버의 내부 체적은 프리-챔버 세트의 전체 내부 체적의 60% 내지 80%를 구성할 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 연료 공급 시스템은, 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하는 연료가스 밸브를 포함하는 연료가스 공급 시스템이다.
내연 엔진은 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와, 대체연료 예컨대 중유나 마린 디젤 오일로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진일 수 있다. 그러한 이중-연료 엔진은 대체연료를 분사하기 위하여 전용의 연료 공급 시스템을 갖는다.
바람직하게 연료가스 공급 시스템은 음속 조건, 즉 음속과 동일한 속도, 즉 일정한 속도 하에서 하나 이상의 연료가스 밸브를 경유하여 연료가스를 분사하도록 구성된다. 음속 조건은 노즐 스로트(최소 단면적)의 압력 강하 비율이 대략 2보다 클 때 달성될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 하나 이상의 연료가스 밸브는 하사점으로부터 0도 내지 160도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 130도에서, 또는 하사점으로부터 0도 내지 90도에서 압축 행정 동안에 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성된다.
연료가스 밸브는 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열될 수 있다. 하나 이상의 연료가스 밸브는 상사점과 하사점 사이에서, 바람직하게는 소기공기 유입구보다 위쪽의 위치에, 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열될 수 있다. 하나 이상의 연료가스 밸브는 실린더 내로 연료가스를 분사하기 위하여 실린더 벽 내에 배열되는 노즐을 포함할 수 있다. 연료가스 밸브의 다른 부분(노즐 이외의 부분)은 실린더 벽의 외부에 배열될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 엔진은 프리-챔버 세트와 관련하여 제공되는 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브를 더 포함하며, 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 파일럿 연료가스를 프리-챔버 세트에 제공하도록 구성된다.
따라서, 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브를 가짐으로써, 프리-챔버 세트 내의 공기-연료 당량비(λ)는 보다 정밀하게 제어될 수 있다. 또한 이것은 프리-챔버 세트 내의 λ가 메인 연소 챔버 내의 λ보다 낮아지게 할 수 있으며, 다시 말해서 프리-챔버 세트 내의 가스/공기 혼합물이 메인 연소 챔버 내에서보다 농후해질 수 있다.
파일럿 연료가스의 예로서는 액화천연가스(LNG), 메탄, 암모니아, 에탄, 및 액화석유가스(LPG)가 있다. 엔진이 가스로 구동되는 경우, 메인 연료로서 사용되는 가스 및 파일럿 연료가스로서 사용되는 가스는 동일한 유형의 가스일 수 있다.
그렇지만, 메인 연료로서 사용되는 가스 및 파일럿 연료가스로서 사용되는 가스는 상이할 수 있다. 결과적으로 메인 연료로서 사용되는 가스가 암모니아와 같이 점화시키기 어려운 가스라면, 메탄이나 에탄과 같이 보다 점화시키기 용이한 가스가 파일럿 연료가스로서 사용될 수 있으며, 다시 말해서 파일럿 연료가스는 메인 연료로서 사용되는 가스보다 낮은 옥탄가를 가질 수 있다. 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 양을 저감시킬 수 있기 때문에, 이러한 설계는 점화 시스템이 파일럿 연료 점화 시스템인 경우 특히 이점을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열되고 메인 연소 챔버 내로 파일럿 연료가스를 분사시키도록 구성되거나, 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 프리-챔버 세트 내로 파일럿 연료가스를 직접적으로 분사시키도록 구성된다.
몇몇 실시형태에 있어서 연료가스 밸브는 제1 높이에서 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열되고, 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 제1 높이 위의 제2 높이에서 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열된다.
따라서, 실린더 벽 내에 배열되는 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브를 가짐으로써, 프리-챔버의 상대적으로 작은 크기로 인하여 복잡할 수 있는, 프리-챔버 세트의 프리-챔버에 대한 직접 가스 공급의 필요성을 없게 한다. 나아가서, 메인 가스 밸브 위에 배열되는 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브를 가짐으로써, 프리-챔버 세트 내로의 가스의 유동을 더욱 용이하게 제어할 수 있게 된다.
프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 외부 프리-챔버의 제1 개구부 주위, 예컨대 제1 개구부 약간 아래의 영역에서 파일럿 연료가스의 제1 양을 축적(deposit)하고, 그 다음에 압축 행정 동안 피스톤에 의해 발생되는 압력에 의존하여 프리-챔버 세트 내로 파일럿 연료가스의 제1 양 중 일부를 밀도록(push) 구성될 수 있다. 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 외부 프리-챔버의 제1 개구부에 가깝게 배열될 수 있고 메인 연소 챔버 내에서 긴 거리를 이동하지 않는 파일럿 연료가스의 저속 제트를 제공하도록 구성될 수 있다. 그렇지만, 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 외부 프리-챔버의 제1 개구부의 반대쪽에 배열될 수도 있고 외부 프리-챔버의 제1 개구부 주위, 예컨대 제1 개구부 아래에서 실린더 벽에 영향을 미치는 파일럿 연료가스의 고속 제트를 제공하도록 구성될 수도 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 연료가스 밸브는 제1 시점에 압축 행정 동안 연료가스의 분사를 시작하도록 구성되고 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 제2 시점에 압축 행정 동안 파일럿 연료가스의 분사를 시작하도록 구성되며, 여기서 제2 시점은 제1 시점 이후이다.
이는 연료가스 밸브가 배기밸브의 폐쇄 전에 분사를 시작하도록 할 수 있어, 연료가스가 소기공기와 더욱 양호하게 혼합되도록 한다.
몇몇 실시형태에 있어서 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 프리-챔버 세트의 일부이고 파일럿 연료가스를 프리-챔버 세트 내로 직접적으로 분사하도록 구성된다.
따라서, 파일럿 연료가스를 프리-챔버 세트 내로 직접적으로 분사함으로써, 프리-챔버 세트에 제공되는 연료가스 양의 더욱 양호한 제어가 성취될 수 있다.
프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 프리-챔버 세트의 임의의 프리-챔버, 예컨대 외부 프리-챔비 또는 내부 프리-챔버 내로 연료가스를 분사하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는, 외부 프리-챔버 내의 평균 공기-연료 당량비(λ)가 점화 시스템의 작동 전에 메인 연소 챔버 내의 평균 λ보다 낮은 것을 보장하도록 구성되며, 다시 말해서 프리-챔버 세트 내의 가스/공기 혼합물은 메인 연소 챔버 내에서보다 농후하다.
따라서, 메인 연소 챔버 내의 연료의 효율적이고 안전한 점화를 보장하는 제2 불꽃에 의해 더욱 큰 에너지가 메인 연소 챔버에 전달될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 외부 프리-챔버는, 메인 연소 챔버로부터 연료가스를 받도록 구성되는, 수동적으로 연료를 공급받는 프리-챔버이다.
따라서, 프리-챔버 세트에 대한 전용의 연료가스 공급부가 존재하지 않기 때문에 엔진은 더욱 간단해진다.
프리-챔버 세트는 보다 농후한 가스 공기 혼합물을 보장하기 위하여 프리-챔버 세트 내에 배열되는 배기 밸브를 구비할 수 있다. 바람직하게 프리-챔버 세트는 내부 프리-챔버 내에 배열되는 파일럿 연료 밸브를 구비할 수 있으며, 파일럿 연료 밸브는 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하여 수동적으로 연료를 공급받는 외부 프리-챔버 내의 연료/공기 혼합물의 점화를 초래하는 제1 불꽃을 생성하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에 있어서 점화 시스템은 내부 프리-챔버 내에 배열되는 파일럿 연료 밸브를 포함하며, 파일럿 연료 밸브는 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되고 그에 따라 프리-챔버 세트 내의 연료/공기 혼합물이 점화된다. 따라서, 내부 프리-챔버 내의 연료 공기 혼합물을 점화시키는 간단한 방식이 제공된다. 나아가서, 전통적인 단일의 프리-챔버 대신에 프리-챔버 세트의 내부 프리-챔버 내로 파일럿 연료를 분사함으로써, 초래되는 불꽃은 전체 연소 챔버가 아니라 단지 또 다른 프리-챔버 내의 연료 공기 혼합물을 점화시키기 위해서만 필요하기 때문에, 파일럿 연료의 양은 저감될 수 있다. 이것은 NOx 및 또 다른 원치 않는 배기가스의 발생을 저감시킬 수 있다. 추가적으로, 내부 프리-챔버는 보다 작아질 수 있기 때문에, 내부 프리-챔버의 온도를 제어하는 것이 더욱 간단해질 수 있어 파일럿 연료의 깨끗하지 않은 연소 및 실화의 우려를 저감시킨다. 마지막으로, 증가된 온도 제어는 파일럿 연료의 자가-점화 한계점을 향하여 온도가 더 낮아지도록 할 수 있고, 이는 NOx의 발생을 더 감소시킬 수 있다.
내부 프리-챔버는 파일럿 연료가 프리-챔버 내의 온도 및 압력으로 인하여 자가-점화되도록 구성될 수 있다. 파일럿 연료는 중유나 마린 디젤 오일과 같은 액체 파일럿 연료, 또는 적절한 점화성을 갖춘 또 다른 연료일 수 있다. 그러한 파일럿 연료 시스템은 대체 연료를 위한 전용의 연료 공급 시스템에 비해 파일럿 연료의 정확한 양을 분사하기에 더욱 적합하고 더욱 소형일 수 있으며, 대체 연료를 위한 전용의 연료 공급 시스템은 구성요소들의 큰 크기로 인해 이러한 목적에 적합하지 않을 수 있다. 파일럿 연료 밸브는 상사점에 가까운, 메인 차지의 최적 점화를 위하여 적절한 크랭크 각도에서 소정량의 파일럿 오일을 분사하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 파일럿 연료 밸브는 노즐을 가지며, 여기서 노즐은 제1 노즐 개구부 및 제2 노즐 개구부를 포함한다.
따라서, 자가-점화 가능한 파일럿 연료는 프리-챔버 세트 내에서 더욱 균등하게 분포될 수 있어, 프리-챔버 세트 내에서의 보다 강력한 점화 및 보다 급격한 압력 증가가 초래될 수 있다. 이는 메인 연소 챔버 내의 연료/공기 혼합물의 더욱 효과적인 점화를 초래할 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 파일럿 연료 밸브의 노즐은 중심 노즐 축선을 따라 연장되며, 여기서 제1 노즐 개구부는 제1 노즐 축선을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있고, 제2 노즐 개구부는 제2 노즐 축선을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있으며, 여기서 제1 노즐 축선 및 제2 노즐 축선은 중심 노즐 축선에 대해 5도 내지 70도, 또는 10도 내지 50도, 또는 15도 내지 30도의 각도를 갖고 배열된다.
상기 각도로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사함으로써, 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 균등한 분포가 초래될 수 있어, 프리-챔버 세트 내에서의 보다 강력한 점화 및 보다 급격한 압력 증가를 생성한다.
몇몇 실시형태에 있어서 제1 노즐 축선은 중심 노즐 축선에 대해 제1 각도를 갖고 배열되며, 제2 노즐 축선은 중심 노즐 축선에 대해 제2 각도를 갖고 배열되며, 여기서 제1 각도는 제2 각도와는 상이하다.
따라서, 제1 노즐 개구부는 프리-챔버 세트의 제1 부분을 향하여 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 향하게 할 수 있고 제2 노즐 개구부는 프리-챔버 세트의 제2 부분을 향하여 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 향하게 할 수 있다.
제1 각도는 제2 각도보다 적어도 5도 클 수 있거나 제2 각도보다 적어도 10도 클 수 있다.
노즐은 2개 이상의 노즐 개구부를 포함할 수 있으며, 예를 들어 노즐은 중심 노즐 축선에 대해 제1 각도로 배열되는 노즐 축선을 갖는 2개 이상의 노즐 개구부, 및 중심 노즐 축선에 대해 제2 각도로 배열되는 노즐 축선을 갖는 2개 이상의 노즐 개구부를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 파일럿 연료 밸브는 분사기간 동안에 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되고, 자가-점화 가능한 파일럿 연료는 점화 지연 후에 자가-점화되며, 여기서 파일럿 연료 밸브는, 자가-점화 가능한 파일럿 연료가 자가-점화되기 전에, 연소 사이클 동안에 분사된 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 적어도 70%, 80%, 또는 90%가 분사되는 것을 보장하도록 구성된다.
따라서, 연소 사이클 동안에 분사된 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 적어도 70%, 80%, 또는 90%가 프리-챔버 세트 내에 존재하는 것을 보장함으로써, 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 점화가 일어날 때, 프리-챔버 세트 내에서의 보다 강력한 점화 및 보다 급격한 압력 증가가 초래될 수 있다.
파일럿 연료 밸브는 자가-점화 가능한 파일럿 연료가 자가-점화되기 전에 모든 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성될 수 있으며, 다시 말해서 분사 기간은 자가-점화 가능한 파일럿 연료가 자가-점화되기 전에 종결된다.
몇몇 실시형태에 있어서 프리-챔버 세트는, 완전 엔진 부하(full engine load)시, 분사된 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 점화 지연(ignition delay)이 적어도 0.8ms, 1ms, 1.5ms, 또는 2ms인 것을 보장하도록 구성된다.
따라서, 긴 점화 지연을 가짐으로써, 더욱 많은 시간을 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하기 위해 사용할 수 있다. 이것은, 점화가 일어날 때, 더욱 많은 자가-점화 가능한 파일럿 연료가 프리-챔버 세트 내에 존재할 수 있도록 하여, 파일럿 연료 밸브의 크기를 더 감소시킬 수 있도록 한다.
점화 지연은 자가-점화가능한 파일럿 연료의 유형, 온도, 및 압력에 의존한다. 예를 들어, 점화 지연은 프리-챔버 세트의 온도를 감소시키기 위한 프리-챔버 세트 냉각 시스템을 이용함으로써 연장될 수 있다.
프리-챔버 세트는 분사된 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 점화 지연이 8ms, 6ms, 또는 5ms보다 작은 것을 보장하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 파일럿 연료 밸브는 연소되지 않은 파일럿 연료 물질이 제1 불꽃과 함께 내부 프리-챔버 밖으로 방출되는 것을 보장하기에 충분한 양의 파일럿 연료를 내부 프리-챔버 내로 분사하도록 구성된다.
따라서, 연소되지 않은 물질은 그 다음 프리-챔버, 예를 들어 외부 프리-챔버 내에서 효과적이고 신뢰성 높은 연소를 보장하도록 사용될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서 프리-챔버 세트는 제1 채널을 포함하며, 제1 채널은 내부 프리-챔버 내로 개방되는 제1 개구부 및 외부 프리-챔버 내로 개방되는 제2 개구부를 포함한다.
몇몇 실시형태에 있어서 프리-챔버 세트는 제거 가능한 프리-챔버 세트 하우징을 포함하며, 내부 프리-챔버 및 외부 프리-챔버는 제거 가능한 프리-챔버 세트 하우징 내에 배열된다.
몇몇 실시형태에 있어서 프리-챔버 세트는 단일 공정으로, 예를 들어 적층(additive) 제조 기법을 이용하여, 제조된다.
이것은 프리-챔버 세트들이 보다 복잡한 형상을 가지면서 제조될 수 있도록 한다.
또 다른 측면에 따르면 본 발명은, 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트에 관한 것으로서, 실린더는 실린더 벽을 가지며, 실린더 커버는 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며, 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 실린더 내에서 이동 가능하게 배열되며, 소기공기 시스템은 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 유입구를 가지며, 연료 공급 시스템은 피스톤과 실린더 커버와의 사이에서 규정되는 메인 연소 챔버 내로 연료를 분사하도록 구성되며, 프리-챔버 세트는 내부 프리-챔버 및 외부 프리-챔버를 포함하며, 외부 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 메인 연소 챔버 내로 개방되도록 구성되고 내부 프리-챔버에 유체 연결되어 있으며, 여기서 내부 프리-챔버는 프리-챔버 세트 내의 연료/공기 혼합물을 점화시켜 메인 연소 챔버 내로 전파되는 불꽃을 야기시키도록 구성되는 점화 시스템을 구비하여 메인 연소 챔버 내의 연료를 점화시킨다.
본 발명의 상이한 측면은, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진 및 이중-연료 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트로서 포함되는 상이한 방식으로 구현될 수 있으며, 각각은 위에서 설명된 측면들 중 적어도 하나와 관련하여 설명된 하나 이상의 이점 및 장점을 산출하고, 각각은 위에서 설명된 및/또는 종속청구항에 개시된 측면들 중 적어도 하나와 관련하여 설명된 바람직한 실시형태에 대응하는 하나 이상의 바람직한 실시형태를 갖는다. 나아가서, 여기에 설명되는 측면들 중 하나와 관련하여 설명된 실시형태는 또 다른 측면에도 동일하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명에 따르면, 엔진이 프리-챔버 세트를 구비함으로써, 더 이상 메인 연소 챔버 내의 연료 및 공기의 혼합물을 점화시킬 필요 없이 프리-챔버 세트의 또 다른 프리-챔버, 예컨대 외부 프리-챔버 내의 연료 및 공기의 혼합물만 점화시키면 되기 때문에, 내부 프리-챔버는 더욱 작아질 수 있다. 이는 원치 않는 배기가스의 발생량을 감소시킬 수 있다. 이는 또한 내부 프리-챔버의 온도를 제어하기 쉽게 할 수 있어, 파일럿 연료의 깨끗하지 않은 연소 및 실화의 우려를 저감시킨다.
본 발명의 상기된 및/또는 추가적인 목적, 특징 및 이점은, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대한 다음의 예시적이고 비-제한적인 상세한 설명에 의해 더 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파일럿 연료 밸브의 노즐의 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파일럿 연료 밸브의 노즐의 개략 단면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-행정 내연 엔진의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파일럿 연료 밸브의 노즐의 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파일럿 연료 밸브의 노즐의 개략 단면도이다.
다음의 설명에서는, 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 예시적으로 보여주는 첨부된 도면을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 해양 선박을 추진하기 위한 유니플로 소기 방식의 대형 저속 터보차지식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진(100)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 엔진(100)은 소기공기 시스템(111), 배기가스 리시버(108), 연료가스 공급 시스템, 및 터보차저(109)를 포함한다. 엔진은 복수의 실린더(101)를 갖는다(단면도에는 단일의 실린더만이 도시되어 있음). 각각의 실린더(101)는 실린더 벽(115)을 가지며 실린더(101)의 하부에 배열되는 소기공기 유입구(102)를 포함한다. 엔진은 각각의 실린더에 대하여 실린더 커버(112) 및 피스톤(103)을 더 포함한다. 실린더 커버(112)는 실린더(101)의 상부에 배열되고 배기 밸브(104)를 갖는다. 피스톤(103)은 하사점과 상사점 사이에서 중심축선(113)을 따라 실린더 내에 이동 가능하게 배열되어 있다. 연료가스 공급 시스템은, 압축 행정 동안에 실린더(101) 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하는 하나 이상의 연료가스 밸브(105) (개략적으로만 도시됨)를 포함한다. 연료가스 밸브(105)는 실린더 커버(112)와 소기공기 유입구(102) 사이에서 실린더 벽 내에 적어도 부분적으로 배열될 수 있다. 엔진은 실린더 커버(112) 내에 배열되는 프리-챔버 세트(114) (개략적으로만 도시됨)를 더 포함한다. 프리-챔버 세트(114)는 내부 프리-챔버 및 외부 프리-챔버를 포함하며, 외부 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 메인 연소 챔버(150) 내로 개방되고 내부 프리-챔버에 유체 연결되어 있으며, 여기서 내부 프리-챔버는 내부 프리-챔버 내의 연료/공기 혼합물을 점화시켜 제1 불꽃을 생성하도록 구성되는 점화 시스템을 구비하며, 제1 불꽃은 외부 프리-챔버 내의 연료 공기 혼합물의 점화를 직접적으로 또는 간접적으로 초래하여, 메인 연소 챔버 내로 전파되는 제2 불꽃을 야기시켜 메인 연소 챔버(150) 내의 연료를 점화시킨다. 소기공기 유입구(102)는 소기공기 시스템에 유체 연결되어 있다. 피스톤(103)은 가장 낮은 위치(하사점)에 있는 것으로 도시되어 있다. 피스톤(103)은 크랭크샤프트(도시되지 않음)에 연결된 피스톤 로드를 갖는다. 연료가스 밸브(105)는 압축 행정 동안에 연료가스를 실린더 내로 분사하도록 구성되어, 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고, 점화 전에 소기공기와 연료가스의 혼합물이 압축되는 것을 허용한다. 연료가스 밸브(105)는, 하사점으로부터 0도 내지 130도의 압축 행정의 시작에서, 즉 크랭크샤프트가 하사점에서의 배향으로부터 0도 내지 130도로 회전하였을 때, 실린더(101) 내로 연료가스를 분사하도록 구성되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 연료가스 밸브(105)는, 연료가스가 배기 밸브(104) 및 소기공기 유입구(102)를 통해 배출되는 것을 방지하기 위해, 피스톤이 소기공기 유입구(102)를 지나서 이동하도록 크랭크샤프트 축이 하사점으로부터 몇 도 회전한 후 연료가스의 분사를 개시하도록 구성된다. 소기공기 시스템(111)은 소기공기 리시버(110) 및 공기 냉각기(106)를 포함한다. 실린더 벽 내에 배열되는 연료가스 밸브(105)를 갖춘 연료가스 공급 시스템 대신에, 엔진은 실린더 커버(112) 내에 배열되어 압축 행정의 끝에서 예컨대 고압의 가스 또는 암모니아 등의 연료를 분사하도록 구성되는 하나 이상의 연료 분사기(116)를 포함할 수 있다. 그렇지만, 엔진(100)은 바람직하게는, 연료가스로 구동되는 오토 사이클 모드와, 대체연료 예컨대 중유나 마린 디젤 오일로 구동되는 디젤 사이클 모드를 갖는 이중-연료 엔진이다. 따라서, 실린더 커버(112) 내에 배열되는 하나 이상의 연료 분사기(116)는 대체연료 공급 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 엔진(100)이 대체연료로 구동될 때, 연료 분사기(116)는 고압인 압축 행정의 끝에서 예컨대 중유와 같은 대체연료를 분사하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도를 도시한다. 실린더(101), 실린더 커버(112), 피스톤(103), 및 배기 밸브(104)가 도시되어 있다. 피스톤(103)은 상사점에 위치되어 있다. 실린더(101)는 제1 프리-챔버 세트(114) 및 제2 프리-챔버 세트(116)를 구비하는 실린더 벽(115)을 가지며, 제1 및 제2 프리-챔버 세트(114, 116)는 내부 프리-챔버 및 외부 프리-챔버를 각각 포함하며, 외부 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 메인 연소 챔버 내로 개방되고 내부 프리-챔버에 유체 연결되어 있으며, 여기서 내부 프리-챔버는 내부 프리-챔버 내의 연료/공기 혼합물을 점화시켜 제1 불꽃을 생성하도록 구성되는 점화 시스템을 구비하며, 제1 불꽃은 외부 프리-챔버 내의 연료 공기 혼합물의 점화를 직접적으로 또는 간접적으로 초래하여, 메인 연소 챔버 내로 전파되는 제2 불꽃을 야기시켜 메인 연소 챔버 내의 연료를 점화시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진의 일부 개략 단면도를 도시한다. 이 일부는 도 2에 도시된 부분에 대응되나, 실린더(101)가 베이스 부재(117)와 프리-챔버 세트 부재(118)를 가지며, 프리-챔버 세트 부재(118)는 베이스 부재(117)의 상부에 배열되고 실린더 커버(112)는 프리-챔버 세트 부재(118)의 상부에 배열된다는 점에서 상이하다. 제1 및 제2 프리-챔버 세트(114, 116)는 프리-챔버 세트 부재(118)의 실린더 벽 내에 배열된다. 이는 프리-챔버 세트 부재가, 예컨대 적절한 재료를 선택함으로써 프리-챔버 세트 내의 높은 온도 및 압력을 취급하도록, 특별하게 설계될 수 있게 한다.
도 4a 내지 4d에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트(160)의 개략 단면도가 도시되어 있다. 프리-챔버 세트(160)는 내부 프리-챔버(121) 및 외부 프리-챔버(120)를 포함하며, 외부 프리-챔버(120)는 제1 개구부(170)를 통하여 엔진의 메인 연소 챔버 내로 개방되도록 구성되고 내부 프리-챔버(121)에 유체 연결되어 있다. 내부 프리-챔버(121)는 내부 프리-챔버(121) 내의 연료/공기 혼합물(130)을 점화시켜 제1 불꽃(131) (도 4b 참조)을 생성하도록 구성되는 점화 시스템(도시생략)을 구비하며, 제1 불꽃은 외부 프리-챔버(120) 내로 전파되고 그에 따라 외부 프리-챔버(120) 내의 연료 공기 혼합물(133) (도 4c 참조)의 점화를 직접적으로 초래하여, 메인 연소 챔버 내로 전파되는 제2 불꽃(134) (도 4d 참조)을 야기시켜 메인 연소 챔버 내의 연료를 점화시킨다.
그 결과, 더 이상 메인 연소 챔버 내의 연료 및 공기의 혼합물을 점화시킬 필요 없이 외부 프리-챔버(120) 내의 연료 및 공기의 혼합물만 점화시키면 되기 때문에, 프리-챔버 세트를 갖춘 엔진을 제공함으로써 내부 프리-챔버(121)는 더욱 작아질 수 있다. 이것은 원치 않는 배기가스의 발생량을 감소실 수 있다. 이는 또한 내부 프리-챔버의 온도를 제어하기 쉽게 할 수 있어, 파일럿 연료의 깨끗하지 않은(unclean) 연소 및 실화의 우려를 저감시킨다.
도 5에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도가 도시되어 있다. 프리-챔버 세트(160)는 내부 프리-챔버(121) 및 외부 프리-챔버(120)를 포함하며, 외부 프리-챔버(120)는 제1 개구부(170)를 통하여 엔진의 메인 연소 챔버 내로 개방되도록 구성되고 내부 프리-챔버(121)에 유체 연결되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 파일럿 연료 밸브(181)는 자가-점화 가능한 파일럿 연료, 즉 내부 프리-챔버(121) 내의 압력 및 온도로 인하여 점화되는 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 제1 불꽃을 생성한다. 파일럿 연료는 중유나 마린 디젤 오일과 같은 액체 파일럿 연료일 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 프리-챔버 세트(160)는 외부 프리-챔버(120) 내로 파일럿 연료 가스(190)를 분사하도록 구성되는 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브(180)를 더 포함한다. 바람직하게는 파일럿 연료 가스는 파일럿 연료 밸브(181)가 파일럿 연료를 분사하여 점화를 개시하기 전에는 프리-챔버 세트 내의 압력 및 온도 하에서 자가-점화되지 않는다. 파일럿 연료가스는 액화천연가스(LNG), 메탄, 암모니아, 에탄, 및 액화석유가스(LPG)일 수 있다. 그 결과, 공기-연료 당량비(λ)는 정확하게 제어될 수 있다. 바람직하게는 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브(180)는, 외부 프리-챔버 내의 평균 λ가 파일럿 연료 밸브(181)의 작동 전에 메인 연소 챔버 내의 평균 λ보다 높은 것을 보장하도록 구성된다. 그 결과, 2개의 상이한 파일럿 연료를 이용함으로써, 제1 불꽃은 단지 외부 프리-챔버(120) 내의 파일럿 연료가스를 점화시키기 위해서만 필요하며 제2 불꽃에 의해 메인 연소 챔버에 이전되는 에너지의 대부분은 파일럿 연료가스에 의해 제공될 수 있으므로, 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 양은 저감될 수 있다. 전형적으로 파일럿 연료가스는 중유나 마린 디젤 오일과 같은 자가-점화 가능한 파일럿 연료보다 깨끗하게 연소되기 때문에, 발생되는 NOx의 양은 감소될 수 있다. 추가적으로, 내부 프리-챔버는 보다 작아질 수 있기 때문에, 내부 프리-챔버의 온도를 제어하는 것이 더욱 간단해질 수 있어 파일럿 연료의 깨끗하지 않은 연소 및 실화의 우려를 저감시킨다. 마지막으로, 온도 제어가 증가되는 것은 파일럿 연료의 자가-점화 한계점을 향하여 온도가 더 낮아지도록 할 수 있고, 이는 NOx의 발생을 더 감소시킬 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트의 개략 단면도가 도시되어 있다. 프리-챔버 세트(160)는 도 5에 도시된 프리-챔버 세트와 유사하나, 외부 프리-챔버가 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브를 구비하지 않으며 메인 연소 챔버로부터 제1 개구부(170)를 경유하여 연료가스를 받음으로써 수동적으로 연료를 공급받도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다. 대안적으로 프리-챔버 세트는 보다 풍부한 가스 공기 혼합물을 보장하기 위하여 프리-챔버 세트 내에 배열되는 배기 밸브(도시생략)를 구비할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유니플로 소기식 2-행정 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트(160)의 개략 단면도가 도시되어 있다. 프리-챔버 세트(160)는 내부 프리-챔버(121) 및 외부 프리-챔버(120)를 포함하며, 외부 프리-챔버(120)는 제1 개구부(170)를 통하여 엔진의 메인 연소 챔버 내로 개방되도록 구성되고 내부 프리-챔버(121)에 유체 연결되어 있다. 내부 프리-챔버(121)는 노즐(182)을 갖는 파일럿 연료 밸브(181)의 형태로 점화 시스템을 구비하며, 파일럿 연료 밸브(181)는 내부 프리-챔버(121) 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되고 그에 따라 프리-챔버 세트(160) 내의 연료/공기 혼합물이 점화된다. 본 실시형태에 있어서, 내부 프리-챔버(121)는 협소부(narrowing)(125)를 통하여 외부 프리-챔버(120)에 직접적으로 유체 연결되어 있다. 외부 프리-챔버(120)는 굽힘부(124)를 구비한 통로(123)를 통하여 엔진의 메인 연소 챔버 내로 개방되도록 구성되어 있고, 그에 따라 메인 연소 챔버 내로 전파되는 불꽃은 실린더의 중심축선(113)에 대해 경사진 방향으로 전파될 수 있다. 이것은 프리-챔버가 실린더 커버 내에 배열될 때 장점을 가질 수 있다. 대안적으로 프리-챔버 세트(160)는 외부 프리-챔버(120) 내로 파일럿 연료가스를 분사하도록 구성되는 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브(180)를 더 포함할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파일럿 연료 밸브의 노즐(182)의 개략 단면도가 도시되어 있다. 파일럿 연료 밸브는 도 7과 관련하여 개시된 바와 같은 파일럿 연료 밸브(181)일 수 있다. 노즐은 제1 노즐 개구부(184) 및 제2 노즐 개구부(183)를 포함한다. 파일럿 연료 밸브의 노즐은 중심 노즐 축선(185)을 따라 연장되어 있고, 제1 노즐 개구부(184)는 제1 노즐 축선(186)을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있고, 제2 노즐 개구부(183)는 제2 노즐 축선(187)을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있으며, 여기서 제1 노즐 축선(186) 및 제2 노즐 축선(187)은 중심 노즐 축선(185)에 대해 각도(188)를 갖고 배열된다. 본 실시형태에 있어서, 제1 노즐 축선(186)과 중심 노즐 축선(185) 사이의 각도 및 제2 노즐 축선(187)과 중심 노즐 축선(185) 사이의 각도는 동일하다. 이 각도(188)는 5도 내지 70도, 또는 10도 내지 50도, 또는 15도 내지 30도일 수 있다.
도 9에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파일럿 연료 밸브의 노즐(182)의 개략 단면도가 도시되어 있다. 파일럿 연료 밸브는 도 7과 관련하여 개시된 바와 같은 파일럿 연료 밸브(181)일 수 있다. 노즐은 제1 노즐 개구부(184), 제2 노즐 개구부(183), 제3 노즐 개구부(190), 및 제4 노즐 개구부(191)를 포함한다. 파일럿 연료 밸브의 노즐은 중심 노즐 축선(185)을 따라 연장되어 있으며, 제1 노즐 개구부(184)는 제1 노즐 축선(186)을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있고, 제2 노즐 개구부(183)는 제2 노즐 축선(187)을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있고, 제3 노즐 개구부(190)는 제3 노즐 축선(192)을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있고, 제4 노즐 개구부(191)는 제4 노즐 축선(193)을 따라 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있다. 제1 노즐 축선(186)은 중심 노즐 축선(185)에 대해 제1 각도를 갖고 배열되어 있고, 제2 노즐 축선(187)은 중심 노즐 축선(185)에 대해 제2 각도를 갖고 배열되어 있으며, 여기서 제1 각도는 제2 각도와는 상이하다. 제1 각도는 제2 각도보다 적어도 5도 또는 제2 각도보다 적어도 10도 클 수 있다. 그 결과, 제1 노즐 개구부(184)는 프리-챔버 세트의 제1 부분을 향하여 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 향하게 할 수 있고 제2 노즐 개구부(183)는 프리-챔버 세트의 제2 부분을 향하여 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 향하게 할 수 있다. 이것은 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 균등한 분포를 초래할 수 있어, 프리-챔버 세트 내에서의 보다 강력한 점화 및 보다 급격한 압력 증가를 야기시킨다. 본 실시형태에 있어서, 제3 노즐 축선(192)은 또한 중심 노즐 축선(185)에 대해 제1 각도를 갖고 배열되어 있고, 제4 노즐 축선(193)은 또한 중심 노즐 축선에 대해 제2 각도를 갖고 배열되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 모든 노즐 개구부들은 동일한 평면 내에 배열된다. 그렇지만, 상이한 노즐 개구부들이 상이한 평면들 내에 배열될 수 있으며, 예를 들어 제1 노즐 개구부(184) 및 제3 노즐 개구부(190)는 제1 평면 내에 배열될 수 있고 제2 노즐 개구부(183) 및 제4 노즐 개구부(191)는 제2 평면 내에 배열될 수 있다.
일부 실시형태들이 상세하게 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 이것들로 제한되지 않으며, 이하의 청구범위에서 규정된 주제의 범위 내에서 다른 방식으로도 구현될 수 있다. 특히, 또 다른 실시형태가 이용될 수 있고 구조적 및 기능적 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
여러 수단을 열거하는 장치 청구항에 있어서, 이들 수단 중 일부는 하나의 동일한 하드웨어 아이템에 의해 구현될 수 있다. 특정 방안(measures)들이 서로 다른 종속항들에서 인용되거나 상이한 실시형태들에서 설명된다는 사실은 이러한 방안들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)/포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하기 위해 사용되지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것이 강조되어야 한다.
Claims (15)
- 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진으로서,
상기 실린더는 실린더 벽을 가지며,
상기 실린더 커버는 상기 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며,
상기 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 상기 실린더 내에서 이동 가능하게 배열되며,
상기 소기공기 시스템은 상기 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 유입구를 가지며,
상기 연료 공급 시스템은 상기 피스톤과 상기 실린더 커버와의 사이에서 규정되는 메인 연소 챔버 내로 연료를 분사하도록 구성되며,
상기 엔진은 프리-챔버 세트를 더 포함하며,
상기 프리-챔버 세트는 내부 프리-챔버, 외부 프리-챔버 및 상기 내부 프리-챔버에 배열되는 파일럿 연료 밸브를 포함하며,
상기 파일럿 연료 밸브는 상기 내부 프리-챔버 내로 파일럿 연료를 분사하도록 구성되며,
상기 외부 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 상기 메인 연소 챔버 내로 개방되고 상기 내부 프리-챔버에 유체 연결되어 있으며,
상기 내부 프리-챔버는 상기 프리-챔버 세트 내의 연료/공기 혼합물을 점화시켜 상기 메인 연소 챔버 내로 전파되는 불꽃을 야기시키도록 구성되는 점화 시스템을 구비하여 상기 메인 연소 챔버 내의 연료를 점화시키며,
상기 프리-챔버 세트는 파일럿 연료가 자가-점화되도록 온도 및 압력을 제공하도록 구성되고, 상기 파일럿 연료 밸브는 상기 점화 시스템의 일부를 형성하고 파일럿 연료는 상기 프리-챔버 세트에서 연료/공기 혼합물을 점화시키기 위한 자가-점화 가능한 파일럿 연료인, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 1에 있어서,
상기 연료 공급 시스템은, 압축 행정 동안에 상기 실린더 내로 연료가스를 분사하도록 구성되어 연료가스가 소기공기와 혼합될 수 있도록 하고 소기공기 및 연료가스의 혼합물이 점화 전에 압축되는 것을 허용하는 연료가스 밸브를 포함하는 연료가스 공급 시스템인, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 엔진은 상기 프리-챔버 세트와 관련하여 제공되는 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브를 더 포함하며, 상기 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 파일럿 연료가스를 상기 프리-챔버 세트에 제공하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 3에 있어서,
상기 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는 상기 프리-챔버 세트의 일부이고 상기 프리-챔버 세트 내로 파일럿 연료가스를 직접적으로 분사하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 3에 있어서,
상기 프리-챔버 세트 파일럿 가스 밸브는, 상기 외부 프리-챔버 내의 평균 공기-연료 당량비(λ)가 상기 점화 시스템의 작동 전에 상기 메인 연소 챔버 내의 평균 λ보다 낮은 것을 보장하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 파일럿 연료 밸브는 노즐을 가지며, 상기 노즐은 제1 노즐 개구부 및 제2 노즐 개구부를 포함하는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 7에 있어서,
상기 파일럿 연료 밸브의 노즐은 중심 노즐 축선을 따라 연장되며, 상기 제1 노즐 개구부는 제1 노즐 축선을 따라 상기 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있고, 상기 제2 노즐 개구부는 제2 노즐 축선을 따라 상기 내부 프리-챔버 내로 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되어 있으며, 상기 제1 노즐 축선 및 상기 제2 노즐 축선은 상기 중심 노즐 축선에 대해 5도 내지 70도, 또는 10도 내지 50도, 또는 15도 내지 30도의 각도를 갖고 배열되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 8에 있어서,
상기 제1 노즐 축선은 상기 중심 노즐 축선에 대해 제1 각도를 갖고 배열되며, 상기 제2 노즐 축선은 상기 중심 노즐 축선에 대해 제2 각도를 갖고 배열되며, 상기 제1 각도는 상기 제2 각도와는 상이한, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 1에 있어서,
상기 파일럿 연료 밸브는 분사기간 동안에 자가-점화 가능한 파일럿 연료를 분사하도록 구성되고, 상기 자가-점화 가능한 파일럿 연료는 점화 지연 후에 자가-점화되며,
상기 파일럿 연료 밸브는, 자가-점화 가능한 파일럿 연료가 자가-점화되기 전에, 연소 사이클 동안에 분사된 자가-점화 가능한 파일럿 연료의 적어도 70%, 80%, 또는 90%가 분사되는 것을 보장하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 1에 있어서,
상기 파일럿 연료 밸브는 연소되지 않은 파일럿 연료 물질이 상기 내부 프리-챔버 밖으로 배출되는 것을 보장하기에 충분한 양의 파일럿 연료를 상기 내부 프리-챔버 내로 분사하도록 구성되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 1에 있어서,
상기 내부 프리-챔버의 내부 체적은 상기 외부 프리-챔버의 내부 체적보다 작은, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리-챔버 세트는 제1 채널을 포함하며, 상기 제1 채널은 상기 내부 프리-챔버 내로 개방되는 제1 개구부 및 상기 외부 프리-챔버 내로 개방되는 제2 개구부를 가지는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리-챔버 세트는 제거 가능한 프리-챔버 세트 하우징을 포함하며, 상기 내부 프리-챔버 및 상기 외부 프리-챔버는 상기 제거 가능한 프리-챔버 세트 하우징 내에 배열되는, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진. - 적어도 하나의 실린더, 실린더 커버, 피스톤, 연료 공급 시스템, 및 소기공기 시스템을 포함하는 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트로서,
상기 실린더는 실린더 벽을 가지며,
상기 실린더 커버는 상기 실린더의 상부에 배열되고 배기 밸브를 가지며,
상기 피스톤은 하사점과 상사점 사이에서 중심 축선을 따라 상기 실린더 내에서 이동 가능하게 배열되며,
상기 소기공기 시스템은 상기 실린더의 하부에 배열되는 소기공기 유입구를 가지며,
상기 연료 공급 시스템은 상기 피스톤과 상기 실린더 커버와의 사이에서 규정되는 메인 연소 챔버 내로 연료를 분사하도록 구성되며,
상기 프리-챔버 세트는 내부 프리-챔버, 외부 프리-챔버 및 상기 내부 프리-챔버에 배열되는 파일럿 연료 밸브를 포함하며,
상기 파일럿 연료 밸브는 상기 내부 프리-챔버 내로 파일럿 연료를 분사하도록 구성되며,
상기 외부 프리-챔버는 제1 개구부를 통하여 상기 메인 연소 챔버 내로 개방되도록 구성되고 상기 내부 프리-챔버에 유체 연결되어 있으며,
상기 내부 프리-챔버는 상기 프리-챔버 세트 내의 연료/공기 혼합물을 점화시켜 상기 메인 연소 챔버 내로 전파되는 불꽃을 야기시키도록 구성되는 점화 시스템을 구비하여 상기 메인 연소 챔버 내의 연료를 점화시키며,
상기 프리-챔버 세트는 파일럿 연료가 자가-점화되도록 온도 및 압력을 제공하도록 구성되고, 상기 파일럿 연료 밸브는 상기 점화 시스템의 일부를 형성하고 파일럿 연료는 상기 프리-챔버 세트에서 연료/공기 혼합물을 점화시키기 위한 자가-점화 가능한 파일럿 연료인, 2-행정 유니플로 소기식 크로스헤드 내연 엔진용 프리-챔버 세트.
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Legal Events
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20230714 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20240326 |
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