KR102165765B1 - A large turbocharged two-stroke uniflow scavenged compression-ignited internal combustion engine and method of operation thereof - Google Patents

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Abstract

내부에 피스톤(21)을 구비한 복수의 실린더(1)를 포함하며, 피스톤(21)은 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관에 있어서, 피스톤(21)은 피스톤 로드, 크로스헤드(23) 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축(22)에 작동 가능하게 연결된다. 크랭크축(22)은 엔진 작동 중에 특정 회전 속도로 회전한다. 엔진에는 또한 연소를 위해 실린더(1)로 연료를 분사하기 위해 각각의 실린더(1)와 연관된 하나 이상의 연료 밸브(30)를 포함하는 연료 분사 시스템이 제공된다. 전자제어장치(50)는 관련된 연료 밸브의 개폐를 제어함으로써 관련된 실린더(1)의 크랭크 각도에 대한 연료 분사 타이밍을 제어하도록 구성된다. 전자제어장치(50)는 TDC에서 또는 그 후에 적어도 한 번의 전분사에 이어 주분사가 뒤따르도록 수행함으로써 전자제어장치(50)에 의해 지연된 연료 분사를 통해 특정 회전 속도 범위에서 엔진이 작동하도록 구성된다.Including a plurality of cylinders (1) having a piston (21) therein, the piston (21) is a large turbocharged two-stroke single-flow type scavenging compression ignition internal combustion engine that reciprocates between BDC and TDC during engine operation. , The piston 21 is operably connected to the crankshaft 22 through a piston rod, a crosshead 23 and a connecting rod. The crankshaft 22 rotates at a specific rotational speed during engine operation. The engine is also provided with a fuel injection system comprising at least one fuel valve 30 associated with each cylinder 1 for injecting fuel into the cylinder 1 for combustion. The electronic control device 50 is configured to control the fuel injection timing with respect to the crank angle of the associated cylinder 1 by controlling the opening and closing of the associated fuel valve. The electronic control device 50 is configured to operate the engine in a specific rotational speed range through the delayed fuel injection by the electronic control device 50 by performing at least one pre-injection followed by the main injection at or after the TDC. do.

Description

대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관과 그 작동 방법{A LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE UNIFLOW SCAVENGED COMPRESSION-IGNITED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATION THEREOF}A LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE UNIFLOW SCAVENGED COMPRESSION-IGNITED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATION THEREOF}

본 발명은 크로스헤드를 포함하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관과 그러한 기관을 작동하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine comprising a crosshead and a method of operating such an engine.

크로스헤드를 포함하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관은 일반적으로 컨테이너선과 같은 해양 선박이나 발전소에서 원동기로 사용한다.Large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engines with crossheads are generally used as prime movers in marine vessels or power plants such as container ships.

특히, 선박에서 작동할 때 비틀림 진동은 제어하기가 어려울 수 있다. 이러한 비틀림 진동이 발생하는 이유는 엔진을 프로펠러에 연결하는 프로펠러 샤프트가 비틀림에 대해 상대적으로 유연하고 이 비틀림에 대해 상대적으로 유연한 시스템이 엔진의 변화하는 접선 압력(토크)에 노출되기 때문이다. 엔진의 변화하는 접선 압력은 각 실린더의 순환 과정 때문에 발생하며 각 크랭크축 회전에 대해 반복된다. 각 실린더에서 이러한 순환 과정은 크랭크축 토크의 큰 변화를 초래한다. 압축 중에는 토크가 부(negative)이고 팽창 중에는 정(positive)이다. 이것은 도 5에 도시되어 있다. 1개 실린더의 실린더 압력(P)과 토크(Q)는 실선으로, 6개 실린더를 결합한 토크는 점선으로 도시되어 있다. 1회전을 복수의 실린더에 분배하므로 크랭크축 토크의 변화는 감소하기는 하지만 여전히 상당하다. 진동 응력 레벨은 직접 또는 간접적으로 측정하거나 엔진 및 관련 구조의 수학적 모델을 사용하여 추정하거나 계산할 수 있다. 하나 이상의 부품 레벨에서 엔진 진동 응력에 의해 구동 또는 여기되는 하나 이상의 장치를 포함하는 개별 엔진은 예컨대 엔진 속도와 위에서 언급한 엔진의 작동 모드를 함께 정의하는 여러 작동 매개 변수의 조합에 따라 계산할 수 있다. 진동 응력 레벨을 계산하여 사전에 정한 한계와 비교할 수 있으며, 이 한계를 넘으면 적절한 조치를 할 수 있다.In particular, when operating on a ship, torsional vibrations can be difficult to control. The reason this torsional vibration occurs is that the propeller shaft connecting the engine to the propeller is relatively flexible to torsion, and the system relatively flexible to this torsion is exposed to the changing tangential pressure (torque) of the engine. The changing tangential pressure of the engine occurs due to the circulation process of each cylinder and is repeated for each crankshaft rotation. In each cylinder, this circulating process results in a large change in crankshaft torque. The torque is negative during compression and positive during expansion. This is shown in Figure 5. The cylinder pressure (P) and torque (Q) of one cylinder are shown by a solid line, and the torque by combining the six cylinders is shown by a dotted line. Since one rotation is distributed to multiple cylinders, the change in crankshaft torque is reduced, but still significant. Vibration stress levels can be measured directly or indirectly, or estimated or calculated using mathematical models of engines and associated structures. Individual engines comprising one or more devices driven or excited by engine vibrational stresses at one or more component levels can be calculated for example according to a combination of several operating parameters that together define the engine speed and the mode of operation of the engine mentioned above. The vibrational stress level can be calculated and compared to a predetermined limit, and if this limit is exceeded, appropriate action can be taken.

진동 응력 레벨에는 종 방향 및 횡 방향(또는 전단) 진동과 비틀림 진동에 의해 유발되는 응력 레벨이 포함된다. 부품의 진동 응력 레벨이 과도하면 부품이 손상되고 결국은 부품이 파손되어 엔진 및/또는 전체 장치에 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 이러한 이유로 진동 응력 레벨을 안전 한계 아래로 유지하는 것은 중요하다.The vibrational stress level includes the stress level caused by longitudinal and transverse (or shear) vibrations and torsional vibrations. Excessive levels of vibrational stress in a component can damage the component and eventually break the component, with catastrophic consequences for the engine and/or the entire unit. For this reason, it is important to keep the vibration stress level below the safe limit.

선박에서 엔진의 진동은 엔진 자체와 프로펠러 샤프트에 국한되지 않으며, 진동은 선체의 다른 부분으로 전달되어 진동이 그대로 감지되거나, 진동으로 소음이 들려 선원 및/또는 승객에게 불편함을 줄 수 있다. 이러한 이유로 진동 응력 레벨을 불편함을 유발하는 한계 아래로 유지하는 것이 바람직하다.In a ship, the vibration of the engine is not limited to the engine itself and the propeller shaft, and the vibration is transmitted to other parts of the hull so that the vibration is sensed as it is, or noise is heard due to vibration, which may cause inconvenience to the crew and/or passengers. For this reason, it is desirable to keep the vibration stress level below the limit causing discomfort.

프로펠러 샤프트를 포함한 엔진 메인 샤프트의 비틀림 진동은 엔진 속도의 고조파(harmonic)를 비롯한 여러 주파수로 구성된다. 엔진 메인 샤프트의 비틀림 진동은 엔진의 회전 속도와 관련된 주파수를 갖는다. 일반적으로, k 실린더를 갖는 엔진에서, 주파수 스펙트럼 내에는 엔진 속도의 k 번째 고조파와 그 배수 고조파와 가능하게는 그 약수 고조파가 존재하며, 각각의 주파수는 엔진의 메인 샤프트에 대응하는 비틀림 진동을 유발한다. 일부 주파수의 비틀림 진동은 다른 주파수보다 비중이 더 크므로 총 진동 레벨을 사전에 정한 한계 아래로 유지하는 동시에, 주파수마다 다를 수 있는 선택된(또는 모든) 주파수의 진동 레벨 또한 사전에 정한 한도 아래로 유지해야 한다.The torsional vibration of the main shaft of the engine, including the propeller shaft, consists of several frequencies, including the harmonic of the engine speed. The torsional vibration of the engine main shaft has a frequency related to the rotational speed of the engine. In general, for engines with k cylinders, in the frequency spectrum there is the kth harmonic of the engine speed and its multiple harmonic and possibly its divisor harmonic, each frequency causing a torsional vibration corresponding to the main shaft of the engine. do. Because torsional vibrations at some frequencies have a greater weight than others, the total vibration level is kept below a pre-determined limit, while the vibration level at selected (or all) frequencies, which may vary from frequency to frequency, also remains below the pre-determined limit. Should be.

실린더가 6개인 엔진에 대한 도 5의 예에서, 실제로 각 회전에 대해 크랭크축 토크가 부인 6개의 주기가 존재한다. 하지만, 이것은 단지 예시가 아니라는 점과, 모든 엔진이 토크가 부인 주기를 갖는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 이것은 엔진의 결합에 의존한다. 실린더 수가 많은 엔진에는 결코 크랭크 토크가 부인 주기가 없다. 이와 마찬가지로, 실린더가 5개인 엔진은 각 회전에 대해 주기가 5개이고, 실린더가 6개인 엔진은 각 회전에 대해 주기가 7개이다. 부하-구동축-엔진 시스템의 비틀림 진동 문제는 4, 5, 6 및 7 실린더 엔진에서 발생한다. 이러한 진동은 엔진과 부하 사이 구동축의 유연성을 고려할 때 중요하다. 예컨대 프로펠러는 엔진과 프로펠러의 관성을 연결하는 플랙시블 샤프트와 결합하여 공진을 유발한다. 공진 가까이서 작동할 경우, 토크 변화의 여기는 중요해진다.In the example of Fig. 5 for an engine with six cylinders, there are actually six cycles for each rotation where the crankshaft torque is negative. However, it should be noted that this is not just an example, and that not all engines have a negative period of torque. It depends on the engine combination. Engines with a large number of cylinders never have a crank torque denial cycle. Similarly, an engine with five cylinders has five cycles for each revolution, and an engine with six cylinders has seven cycles for each revolution. The torsional vibration problem of the load-drive shaft-engine system occurs in 4, 5, 6 and 7 cylinder engines. This vibration is important when considering the flexibility of the drive shaft between the engine and the load. For example, the propeller causes resonance by combining with a flexible shaft that connects the inertia of the engine and the propeller. When operating near resonance, the excitation of torque changes becomes important.

비틀림 진동 문제를 줄이기 위해 스프링 및/또는 점성 유형의 비틀림 댐퍼가 배치된다. 그러나 비틀림 댐퍼를 사용하면 비용이 상당히 증가한다. 또한, 비틀림 댐퍼가 있더라도 이러한 엔진은 샤프트 내 높은 응력으로 수명이 단축되기 때문에 종종 연속운동금지구역, 즉, 계속 작동이 허용되지 않는 속도 범위가 존재한다. Spring and/or viscous type torsion dampers are arranged to reduce torsional vibration problems. However, using a torsion damper increases the cost considerably. In addition, even with torsion dampers, these engines often have a continuous motion prohibition zone, i.e., a speed range in which continuous operation is not permitted, since the life of these engines is shortened by high stress in the shaft.

WO2005/124132는 연료 분사량을 점진적으로 증가시켜 비틀림 진동을 감소시킴으로써 대형 2 행정 디젤 엔진의 연료 분사 시스템을 제어하는 방법을 개시한다. 연료 분사를 점진적으로 증가시키면 비틀림 진동은 감소하지만, 예컨대 5 실린더 엔진과 같이 특정 속도 범위에서 비틀림 진동에 가장 큰 문제가 있는 엔진에는 그 효과가 충분하지 않다.WO2005/124132 discloses a method of controlling a fuel injection system of a large two-stroke diesel engine by gradually increasing the fuel injection amount to reduce torsional vibration. Increasing fuel injection gradually reduces torsional vibration, but the effect is not sufficient for engines that have the greatest problem with torsional vibration in a specific speed range, such as a five-cylinder engine.

본 발명자에 의한 시뮬레이션과 측정에 따르면 점화/연소의 지연은 특정 토크 변화의 중요도를 많이 감소시키는 방식으로 실린더 압력에 영향을 미친다는 것을 보여 주었다. 따라서, 연료 분사를 지연시킴으로써 비틀림 가진(torsional excitation)을 줄일 수 있다. 그러나 디젤 노킹의 발생으로 상사점(TDC: Top Dead Center) 후 연료 분사를 10° 크랭크 각도를 넘어 지연시키는 것은 일반적으로 불가능하다. Simulations and measurements by the inventors have shown that the ignition/combustion delay affects the cylinder pressure in a way that greatly reduces the importance of a particular torque change. Thus, by delaying fuel injection, torsional excitation can be reduced. However, it is generally impossible to delay fuel injection beyond 10° crank angle after Top Dead Center (TDC) due to the occurrence of diesel knocking.

위와 같은 관점에서, 본 발명의 목적은 위에서 언급한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키기 위해 적어도 주어진 RPM 대역폭에서 매우 늦은 시간의 연료 분사 지연으로 작동하는 대형 2 행정 압축 점화 엔진을 제공하는 것이다. In view of the above, it is an object of the present invention to provide a large two-stroke compression ignition engine that operates with a very late fuel injection delay at least at a given RPM bandwidth in order to overcome or at least reduce the above-mentioned problems.

전술한 목적과 다른 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 추가적인 구현 형태는 종속항, 설명 및 도면으로부터 명백하다. Objects other than those described above are achieved by the features of the independent claim. Further implementation forms are apparent from the dependent claims, description and drawings.

제1 양태에 따르면, 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관은 내부에 피스톤을 갖는 복수의 실린더, 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 피스톤, 피스톤 로드, 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 작동 가능하게 연결되는 피스톤, 엔진 작동 중에 특정 회전 속도로 회전하는 크랭크축, 연소를 위해 실린더 내로 연료를 분사하기 위해 각 실린더와 연관된 하나 이상의 밸브를 포함하는 연료 분사 시스템, 관련된 연료 밸브의 개폐를 제어하여 해당 실린더의 크랭크 각도에 대한 연료 분사 타이밍을 제어하도록 구성된 전자제어장치를 포함하며, 상기 전자제어 장치는 TDC에서 또는 그 후에 적어도 한 번의 전분사(pre-injection) 다음에 제로(0) 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 주분사(main injection)가 뒤따르도록 수행하는 전자제어장치에 의해 지연된 연료 분사로 적어도 특정 회전 속도 범위에서 엔진의 실린더(1) 중 적어도 하나를 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.According to a first aspect, a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine includes a plurality of cylinders having pistons therein, a piston reciprocating between BDC and TDC during engine operation, piston rod, crosshead and connecting rod. A piston operably connected to the crankshaft via the engine, a crankshaft that rotates at a specific rotational speed during engine operation, a fuel injection system comprising one or more valves associated with each cylinder for injecting fuel into the cylinder for combustion, associated fuel And an electronic control device configured to control the opening and closing of the valve to control the fuel injection timing for the crank angle of the corresponding cylinder, wherein the electronic control device is zero after at least one pre-injection at or after the TDC. (0) Configured to operate at least one of the engine's cylinders 1 in at least a specific rotational speed range with delayed fuel injection by an electronic control device that performs a fuel injection period followed by a main injection followed by a main injection. It is characterized by being.

연소실의 압력과 온도는 노킹 발생에 영향을 미친다. 연소를 지연시키면, 연소실 내 공기의 팽창으로 온도와 압력이 모두 떨어진다. TDC 후, 즉 TDC=0 후에 적어도 한 번의 전분사를 수행함으로써, 연소실 내 온도가 더 높은 수준으로 유지되고, 이에 따라 디젤 노킹 위험 없이 주분사의 최대 허용 지연을 증가시킨다.The pressure and temperature in the combustion chamber influence the occurrence of knocking. If combustion is delayed, both temperature and pressure drop due to the expansion of the air in the combustion chamber. By performing at least one preinjection after TDC, ie after TDC=0, the temperature in the combustion chamber is maintained at a higher level, thus increasing the maximum allowable delay of the main injection without risk of diesel knocking.

이런 맥락에서 지연된 연료 분사는 연료 주분사 이벤트이며, 즉, 원하는 엔진 부하에서 엔진을 작동하는 데 필요한 동력을 제공하는 상당한 양의 연료 분사로서, 원하는 부하에서 엔진 작동을 지속할 수 없는 소량의 연료가 분사되는 파일럿 분사가 아니며, 비틀림 진동을 포함하는 특정 회전 속도 범위 밖의 연료 분사보다 늦게 발생한다. 전분사 이벤트 다음에 제로(0) 분사 기간이 뒤따른 다음 주분사 이벤트가 뒤따른다.Delayed fuel injection in this context is a fuel main injection event, i.e. a significant amount of fuel injection that provides the necessary power to run the engine at the desired engine load, where a small amount of fuel that cannot sustain engine operation at the desired load is required. It is not an injected pilot injection and occurs later than fuel injection outside a specific rotational speed range including torsional vibration. The pre-injection event is followed by a zero (0) injection period followed by the main injection event.

따라서 문제가 되는 (특정) 속도 범위(RPM 범위)에서 엔진은 낮은 비틀림 진동(TV: torsional vibration) 모드라고 할 수 있는 특수 모드로 작동한다. 문제가 되는 속도 범위 미만의 속도 범위와 문제가 되는 속도 범위를 초과하는 속도 범위에서 엔진은 예컨대 IMO Tier II 또는 IMO 배출 레벨과 일치하는 작동 모드일 수 있는 여러 "정상" 작동 모드 중 하나로 작동한다.Thus, in the (specific) speed range (RPM range) in question, the engine operates in a special mode, which can be referred to as a low torsional vibration (TV) mode. In the speed range below the speed range in question and in the speed range above the speed range in question, the engine operates in one of several "normal" operating modes, which can be, for example, IMO Tier II or an operating mode consistent with the IMO emission level.

상당히 지연된 연료 주분사 이벤트는 비틀림 진동의 양을 현저히 감소시킨다.The significantly delayed fuel injection event significantly reduces the amount of torsional vibration.

제1 양태의 가능한 제1 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 가장 바람직하게는 TDC 후 15°보다 늦은 주분사를 수행하도록 구성된다. 이것은 연료 분사 이벤트를 시작하기 위한 각도이다.According to a first possible embodiment of the first aspect, the electronic control device is less than 12° after TDC, more preferably 13° after TDC, even more preferably 14° after TDC, and most preferably 15° after TDC. It is configured to perform the late main injection. This is the angle to start the fuel injection event.

일반적으로, 종래 기술에서, 연료의 주분사 이벤트는 TDC 전에는 소수 도(예: 1~2도)와 TDC 후에는 수 도(예: 1~6도) 사이에 배치된다. 이것은 연료 분사 이벤트를 시작하기 위한 각도이다. 연료 분사 이벤트의 "정상" 시작 각도는 에너지 효율과 질소산화물(NOx) 배출과 관련하여 최적인 각도이다. In general, in the prior art, the main injection event of the fuel is placed between a few degrees before TDC (eg, 1 to 2 degrees) and water degrees after TDC (eg, 1 to 6 degrees). This is the angle to start the fuel injection event. The "normal" starting angle of the fuel injection event is the optimum angle with respect to energy efficiency and nitrogen oxide (NOx) emissions.

제1 양태의 가능한 제2 구현예에 따르면, 적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전부하(full load)에서 주분사로 분사되는 연료량보다 현저히 적은 연료 분사량을 포함한다.According to a second possible embodiment of the first aspect, the at least one pre-injection comprises a fuel injection amount that is significantly less than the amount of fuel injected by the main injection at full load of the engine.

제1 양태의 가능한 제3 구현예에 따르면, 적어도 한 번의 상기 전분사는 모든 엔진 부하에 대해 실질적으로 동일한 연료량이 포함된다.According to a third possible embodiment of the first aspect, at least one said starch injection comprises substantially the same amount of fuel for all engine loads.

제1 양태의 가능한 제4 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 지연된 주분사에서 관련된 실린더 내의 온도가 TDC에서 관련된 실린더의 온도와 실질적으로 동일함을 보장하기에 충분한 양의 연료를 전분사하도록 구성된다.According to a fourth possible embodiment of the first aspect, the electronic control device is configured to pre-inject a sufficient amount of fuel to ensure that the temperature in the cylinder concerned in the delayed main injection is substantially the same as the temperature in the cylinder concerned in the TDC. do.

제1 양태의 가능한 제5 구현예에 따르면, 상기 주분사 연료는 가스 연료이며 전분사 연료는 점화 액체이고, 점화 액체는 또한 주분사와 동시에 분사된다.According to a fifth possible embodiment of the first aspect, the main injection fuel is a gaseous fuel and the pre-injection fuel is an ignition liquid, and the ignition liquid is also injected simultaneously with the main injection.

제1 양태의 가능한 제6 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 크랭크축 및/또는 크랭크축을 부하에 연결하는 프로펠러 샤프트 또는 중간 샤프트 내에서 비틀림 진동을 감소하도록 구성된다.According to a sixth possible embodiment of the first aspect, the electronic control device is configured to reduce torsional vibrations in the crankshaft and/or the propeller shaft or intermediate shaft connecting the crankshaft to the load.

제1 양태의 가능한 제7 구현예에 따르면, 상기 부하는 선박을 추진하는 프로펠러이다.According to a seventh possible embodiment of the first aspect, the load is a propeller that propels the vessel.

제1 양태의 가능한 제8 구현예에 따르면, 상기 크랭크축은 메인 샤프트로 선박을 추진하는 프로펠러에 연결된다.According to an eighth possible embodiment of the first aspect, the crankshaft is connected to a propeller that propels the vessel with the main shaft.

제1 양태의 가능한 제9 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 전자제어장치에 의해 지연된 연료 분사로 엔진을 작동하도록 구성되며, 실린더 중 적어도 하나에 대해 TDC 후 적어도 한 번의 전분사를 수행하고 이어서 특정 회전 속도 범위를 통한 부하로 엔진을 작동하는 동안 주분사가 뒤따른다.According to a ninth possible embodiment of the first aspect, the electronic control device is configured to operate the engine with delayed fuel injection by the electronic control device, performing at least one pre-injection after TDC for at least one of the cylinders, followed by The main injection follows while running the engine with a load through a specific rotational speed range.

제2 양태에 따르면, 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관을 작동하는 방법에는 피스톤이 포함된 복수의 실린더, 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 피스톤, 피스톤 로드, 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 작동 가능하게 연결되는 피스톤, 엔진 작동 중에 특정 회전 속도로 회전하는 크랭크축, 연소를 위해 실린더 내로 연료를 분사하기 위해 각 실린더와 연관된 하나 이상의 밸브를 포함하는 연료 분사 시스템을 포함하며, 상기 방법은 지연된 연료 분사로 적어도 특정 회전 속도 범위에서, TDC 후에 적어도 한 번의 전분사 다음에 제로(0) 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 연료 주분사가 뒤따르도록 수행하는 단계가 제공된다. According to a second aspect, a method of operating a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine includes a plurality of cylinders including a piston, a piston reciprocating between BDC and TDC during engine operation, a piston rod, a crosshead. And a piston operably connected to the crankshaft through a connecting rod, a crankshaft rotating at a specific rotational speed during engine operation, and at least one valve associated with each cylinder for injecting fuel into the cylinder for combustion. The method is provided with a step of performing a delayed fuel injection at least in a specific rotational speed range, followed by a zero (0) fuel injection period followed by at least one pre-injection after TDC followed by a main fuel injection. do.

제2 양태의 제1 구현예에 따르면, 상기 주분사는 바람직하게는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 그리고 가장 바람직하게는 TDC 후 15°보다 늦게 수행된다.According to a first embodiment of the second aspect, the main injection is preferably 12° after TDC, more preferably 13° after TDC, even more preferably 14° after TDC, and most preferably 15° after TDC. Performed later.

제2 양태의 제2 구현예에 따르면, 적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전부하에서 주분사로 분사되는 연료량보다 현저히 적은 양의 연료 분사를 포함한다.According to a second embodiment of the second aspect, the at least one pre-injection includes fuel injection in an amount significantly less than the amount of fuel injected by the main injection under the full engine.

제2 양태의 제3 구현예에 따르면, 상기 방법은 지연된 주분사에서 관련된 실린더 내의 온도는 TDC에서 관련된 실린더 내의 온도와 실질적으로 동일함을 보장하기에 충분한 양의 연료를 전분사 하는 단계를 포함한다.According to a third embodiment of the second aspect, the method comprises preinjecting a sufficient amount of fuel to ensure that in the delayed main injection the temperature in the cylinder concerned is substantially equal to the temperature in the cylinder concerned in the TDC. .

제2 양태의 제4 구현예에 따르면, 상기 방법은 점화 액체를 전분사한 다음 주분사가 뒤따르는 단계를 포함하며, 상기 주분사는 가스 연료와 소량의 점화 액체를 분사하는 단계를 포함한다.According to a fourth embodiment of the second aspect, the method includes preinjecting the ignition liquid followed by the main injection, the main injection comprising injecting a gaseous fuel and a small amount of the ignition liquid.

제2 양태의 제5 구현예에 따르면, 상기 전자제어장치는 적어도 하나의 실린더에 대해 TDC 후 파일럿 분사를 수행하고, 엔진이 상기 특정 회전 속도 범위에서 작동 중일 때 엔진이 특정 속도 범위를 벗어나는 경우와 비교하여 관련 실린더에 대해 나중에 연료 주분사 이벤트를 개시하도록 구성된다.According to the fifth embodiment of the second aspect, the electronic control device performs pilot injection after TDC on at least one cylinder, and the engine is out of the specific speed range when the engine is operating in the specific rotation speed range, and In comparison, it is configured to initiate a fuel injection event later for the relevant cylinder.

제2 양태의 가능한 제6 구현예에 따르면, 상기 주 연료 이벤트의 추후 개시는 바람직하게는 TDC 후 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 14°, 그리고 가장 바람직하게는 TDC 후15°보다 늦게 수행된다.According to a sixth possible embodiment of the second aspect, the subsequent onset of the main fuel event is preferably 12° after TDC, more preferably 13° after TDC, even more preferably 14° after TDC, and most preferably It is performed later than 15° after TDC.

제2 양태의 제7 구현예에 따르면, 상기 연료 분사 또는 연료 주분사는 엔진이 상기 특정 회전 속도 범위에서 작동하고 있을 때 지연된 연료 주분사와 비교할 때 더 일찍 발생한다.According to a seventh embodiment of the second aspect, the fuel injection or fuel injection occurs earlier when compared to a delayed fuel injection when the engine is operating in the specific rotational speed range.

본 발명의 이들 양태와 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예로부터 명백해질 것이다.These and other aspects of the present invention will become apparent from the examples described below.

본 개시에 관한 다음의 상세한 설명 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 일례의 실시예를 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 일례의 실시예에 따른 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 엔진의 전단부와 일 측면을 도시한 입면도이다.
도 2는 도 1 엔진의 후방 단부 및 다른 측면을 도시한 입면도이다.
도 3은 흡기 및 배기 시스템을 구비한 도 1에 따른 엔진의 도식적인 표현이다.
도 4는 도 1 내지 3에 엔진이 제공된 해양 선박의 일부가 절개된 개방 측면도이다.
도 5는 도 1 내지 3에 엔진에 의해 생성된 토크 변화를 도시한 다이어그램이다.
도 6은 도 1 내지 3에 엔진에 의해 생성된 토크 변화의 영향을 도시한 다이어그램이다.
도 7은 종래 기술 엔진과 도 1 내지 3에 따른 엔진에 대한 연소실 온도와 압력을 도시한 다이어그램이다.
도 8은 엔진과 작동 방법의 예시적인 실시예에 대한 연료 분사 이벤트의 일례를 도시한 그래프이다.In the following detailed description of the present disclosure, the present invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawings.
1 is an elevational view showing a front end and one side of a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition engine according to an exemplary embodiment.
2 is an elevational view showing a rear end and another side of the engine of FIG. 1.
3 is a schematic representation of the engine according to FIG. 1 with an intake and exhaust system.
4 is an open side view in which a part of a marine vessel provided with an engine in FIGS. 1 to 3 is cut away.
5 is a diagram showing a change in torque generated by the engine in FIGS. 1 to 3.
6 is a diagram showing the effect of a change in torque generated by the engine in FIGS. 1 to 3.
7 is a diagram showing the combustion chamber temperature and pressure for the prior art engine and the engine according to FIGS. 1 to 3.
8 is a graph illustrating an example of a fuel injection event for an exemplary embodiment of an engine and method of operation.

다음의 상세한 설명에서, 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관 및 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 엔진을 작동하는 방법을 예시적인 실시예로 설명한다. 도 1 내지 3은 크랭크축(22), 커넥팅 로드, 크로스헤드(23) 및 피스톤 로드를 구비한 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진을 도시한다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 갖춘 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진의 도식적인 표현을 도시한다. 이 일례의 실시예에서, 엔진에는 열을 지은 6개의 실린더(1)가 있다. 대형 터보차징 2 행정 디젤 엔진은 통상적으로 엔진 프레임(24)에 의해 지지되며, 열을 지은 5개 내지 16개의 실린더를 갖는다. 비틀림 진동 문제는 특히 5 실린더 엔진, 6 실린더 엔진 및 7 실린더 엔진과 관련된다. 예컨대 이 엔진은 해상 운송 선박의 주 엔진 또는 발전소의 발전기 작동을 위한 고정식 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예를 들면, 5,000 내지 110,000kW 범위일 수 있다.In the following detailed description, a method of operating a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine and a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition engine will be described in exemplary embodiments. 1 to 3 show a large low speed turbocharged two-stroke diesel engine with a crankshaft 22, a connecting rod, a crosshead 23 and a piston rod. 3 shows a schematic representation of a large low speed turbocharged two-stroke diesel engine with intake and exhaust systems. In this exemplary embodiment, the engine has six cylinders 1 built in rows. Large turbocharged two-stroke diesel engines are typically supported by an engine frame 24 and have 5 to 16 cylinders in a row. The torsional vibration problem is particularly relevant for five cylinder engines, six cylinder engines and seven cylinder engines. For example, this engine can be used as a main engine for a marine transport vessel or as a stationary engine for power plant operation. The total power of the engine may range from 5,000 to 110,000 kW, for example.

상기 엔진은 실린더(1) 하부 영역에 피스톤 제어 포트 링 형태의 소기 포트(19)와 실린더(1) 상단에 배기밸브(4)가 구비된 2 행정 단류형(uniflow) 디젤(압축 점화) 엔진이다. 따라서 연소실 내 유동은 항상 하단으로부터 상단 방향이므로, 엔진은 소위 단류형(uniflow)이다. 소기는 소기 리시버(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트(19)를 통과한다. 실린더(1) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(21)은 연소실(14) 내의 소기를 압축한다. 연료는 실린더 커버(26) 내에 배치된 2개 또는 3개의 연료 밸브(30)를 통해 연소실(14) 내로 분사된다. 연료 분사 타이밍은 신호 라인(도 3에 점선으로 도시)을 통해 연료 밸브(30)에 연결된 전자제어장치(50)에 의해 제어된다. 연소가 뒤따르고 배기가스가 발생한다. 배기밸브(4)가 개방되면 배기가스는 관련 실린더(1)와 결합된 배기 덕트(20)를 통해 배기가스 리시버(3)로 유동하고, 계속해서 제1 배기 도관(18)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동한 후, 배기가스는 제2 배기 도관(7)을 통해 배출된다. 샤프트(8)를 통해 터빈(6)은 공기 입구(10)를 통해 공급되는 압축기(9)를 구동한다. The engine is a two-stroke uniflow diesel (compressed ignition) engine with a scavenging port 19 in the form of a piston control port ring in the lower region of the cylinder 1 and an exhaust valve 4 at the top of the cylinder 1. . Therefore, since the flow in the combustion chamber is always from the bottom to the top, the engine is a so-called uniflow. The scavenging air passes from the scavenging receiver 2 through the scavenging port 19 of the individual cylinder 1. The piston 21 reciprocating in the cylinder 1 compresses the scavenging air in the combustion chamber 14. Fuel is injected into the combustion chamber 14 through two or three fuel valves 30 disposed in the cylinder cover 26. The fuel injection timing is controlled by the electronic control device 50 connected to the fuel valve 30 via a signal line (shown by a dotted line in FIG. 3). Combustion follows and exhaust gas is produced. When the exhaust valve 4 is opened, the exhaust gas flows to the exhaust gas receiver 3 through the exhaust duct 20 coupled with the associated cylinder 1, and continues through the first exhaust conduit 18 to the turbocharger ( After flowing to the turbine 6 of 5), the exhaust gas is discharged through the second exhaust conduit 7. The turbine 6 drives the compressor 9 via the shaft 8 which is supplied via the air inlet 10.

압축기(9)는 가압된 과급 공기를 과급 공기 리시버(2)에 이르는 과급 공기 도관(11)으로 전달한다. 도관(13) 내 소기는 과급 공기를 냉각하기 위해 인터쿨러(12)를 통과한다. 냉각된 과급 공기는 낮은 부하 또는 부분 부하 상태에서 과급 공기 유동을 가압하는 전기 모터(17)로 구동되는 보조 송풍기(16)를 통과하여 과급 공기 리시버(2)로 이동한다. 더 높은 부하에서, 터보차저 압축기(9)는 충분히 압축된 소기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류방지 밸브(15)를 경유하여 바이패스 된다. The compressor 9 delivers the pressurized charge air to the charge air conduit 11 leading to the charge air receiver 2. The scavenging air in the conduit 13 passes through the intercooler 12 to cool the charge air. The cooled charge air passes through an auxiliary blower 16 driven by an electric motor 17 that pressurizes the charge air flow in a low or partial load condition and moves to the charge air receiver 2. At higher loads, the turbocharger compressor 9 delivers a sufficiently compressed scavenging air, and then the auxiliary blower 16 is bypassed via a non-return valve 15.

실린더(1)는 실린더 라이너(13) 내에 형성된다. 실린더 라이너(13)는 엔진 프레임(24)에 의해 지지되는 실린더 프레임(25)에 의해 지지된다. The cylinder 1 is formed in the cylinder liner 13. The cylinder liner 13 is supported by a cylinder frame 25 supported by an engine frame 24.

왕복 운동 엔진에서, 사점은 피스톤이 크랭크축에서 가장 멀거나 가장 가까운 위치이다. 전자는 상사점(TDC: top dead center)으로 알려져 있으며, 후자는 하사점(BDC: bottom dead center)으로 알려져 있다.In a reciprocating engine, the dead point is the position where the piston is furthest or closest to the crankshaft. The former is known as the top dead center (TDC), and the latter is known as the bottom dead center (BDC).

도 4는 대형 해양 선박에 설치된 도 1 내지 3의 엔진을 도시한다. 이 엔진(1)은 해양 선박(40)의 선미에 상대적으로 가까운 기관실에 설치된다. 프로펠러 샤프트(42)는 엔진을 선미에 장착한 프로펠러(44)에 연결한다. 프로펠러 샤프트(42)와 엔진 사이에는 토셔널 댐퍼(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 4 shows the engine of FIGS. 1 to 3 installed on a large marine vessel. This engine 1 is installed in an engine room relatively close to the stern of the marine vessel 40. The propeller shaft 42 connects the engine to the propeller 44 mounted on the stern. A torsion damper (not shown) may be installed between the propeller shaft 42 and the engine.

도 5는 엔진 사이클 동안 각 실린더의 순환 프로세스를 원인으로 엔진에 의해 생성된 토크 변화를 도시한 그래프이다. 엔진 사이클은 수평축에 도 단위로 도시된다. 압축 중에는 토크가 부(negative)이고 팽창 중에는 정(positive)이다. 그림 5는 한 실린더에서 수직축의 실린더 압력 P(bar)와 토크 Q는 실선으로, 6개의 실린더에서 결합된 토크는 점선으로 도시한다. 점선은 토크 변동이 상당하다는 것을 분명히 보여 주며 실제로 토크는 6 실린더 엔진의 각 회전에 대해 여섯 번 0 아래로 약간 내려간다. 5 is a graph showing the change in torque generated by the engine due to the circulation process of each cylinder during an engine cycle. The engine cycle is shown in degrees on the horizontal axis. The torque is negative during compression and positive during expansion. Fig. 5 shows the cylinder pressure P(bar) and torque Q on the vertical axis in one cylinder as a solid line, and the combined torque in six cylinders as a dotted line. The dotted line clearly shows that the torque fluctuations are significant, and in fact the torque goes down slightly below zero six times for each revolution of a six-cylinder engine.

도 6은 종래 기술 엔진에 대한 RPM의 엔진 속도에 대해 설정된 구동축의 응력에 따른 비틀림 진동/예상 영향의 크기를 도시하는 그래프이다. 6 is a graph showing the magnitude of the torsional vibration/expected influence according to the stress of the drive shaft set with respect to the engine speed of RPM for the prior art engine.

그래프는 약 46 RPM 부근에서 피크가 있음을 도시한다. 46 RPM 부근의 큰 피크는 약 42와 49 RPM 사이의 연속운동금지구역, 즉 수직으로 연장한 2개의 점선 사이에서 발생한다. 비틀림 진동으로 인한 구동축 응력의 크기, 특히 피크 부근의 응력은 늦은 연료 주분사(소량의 전분사가 가능하고 앞선 경우)로 줄일 수 있다.The graph shows that there is a peak around 46 RPM. A large peak around 46 RPM occurs between the two dotted lines extending vertically, in the no-motion zone between about 42 and 49 RPM. The magnitude of the drive shaft stress due to torsional vibration, especially the stress near the peak, can be reduced by a late fuel injection (if a small amount of pre-injection is possible and advanced).

그래프는 두 개의 체인 유형 점선 형태의 두 RPM 의존 응력 한계를 도시한다. 아래 체인 라인 아래의 응력 레벨은 연속 작동에 대해 허용할 수 있다. 위 체인 레벨 아래의 응력 레벨은 결코 허용할 수 없다. 아래 체인과 위 체인 사이의 응력 레벨은 제한된 시간동안 허용된다.The graph shows the two RPM dependent stress limits in the form of a dotted line with two chain types. The level of stress below the chain line below is acceptable for continuous operation. Stress levels below the upper chain level are never acceptable. The stress level between the lower and upper chains is allowed for a limited time.

도 6 예에서 약 42와 49 RPM의 수직 점선 두 개 사이의 회전 속도 범위는 비틀림 진동 레벨이 문제가 되는 것으로 고려되는 특정 회전 속도 범위이다. 특정 회전 속도 범위는 엔진에 따라 다양하며, 엔진 설계, 실린더 수, 메인 샤프트의 특성 및 메인 샤프트(42)의 하중에 따라 달라진다. 따라서 문제가 되는 회전 속도 범위는 전체 엔진 속도 범위 내에서 확장과 배치가 다를 수 있다. 엔진의 전자제어장치(50)는 관련된 엔진과 연관된 특정(문제가 되는) 속도 범위에서 다른 모드로 엔진을 작동하도록 구성된다. 이 다른 모드는 낮은 비틀림 진동 모드라고 할 수 있다. 이 특정 속도의 범위 밖에서는 엔진이 IMT tier II 또는 III에 의해 정의된 배출 레벨과 같은 특정 배출 레벨을 고려하면서 최적의 연료 효율을 보장하는 종래의 작동 모드로 작동한다. 이와는 대조적으로, 낮은 비틀림 진동 모드에서는 연료 효율에 덜 집중하면서 배출 레벨 임계 값을 고려한다.In the example of FIG. 6, the rotation speed range between the two vertical dotted lines of about 42 and 49 RPM is a specific rotation speed range in which the torsional vibration level is considered to be a problem. The specific rotational speed range varies depending on the engine and depends on the engine design, the number of cylinders, the characteristics of the main shaft and the load on the main shaft 42. Therefore, the rotational speed range in question may be extended and displaced within the entire engine speed range. The engine's electronic control device 50 is configured to operate the engine in different modes in a specific (problem) speed range associated with the engine involved. This other mode can be called a low torsional vibration mode. Outside of this specific speed range, the engine operates in a conventional mode of operation that ensures optimum fuel efficiency while taking into account specific emission levels, such as those defined by IMT tier II or III. In contrast, the low torsional vibration mode considers the emission level threshold while focusing less on fuel efficiency.

도 7과 도 8은 단일 실린더의 연료 분사 이벤트 타이밍을 도시한다. 점선은 종래 기술 엔진(및 특정 회전 속도 범위 밖의 "정상" 엔진 작동)의 연료 분사 이벤트를 도시하고, 실선은 본 개시에 따른 엔진과 방법의 이벤트를 도시한다. 도 7에서, P로 표시된 선은 연소실(14) 내 압력을 도시하고, T로 표시된 선은 연소실 내 온도를 도시한다. 수평축 상에는 TDC에 대한 크랭크 각도가 도(degree)로 도시되고, 수직축 상에는 연소실 내 압력이 바(bar)로 도시된다. 도 8에서, 실선은 전분사 이벤트에 이어 제로(0) 연료 분사 기간이 뒤따르고, 이어서 증가하면서 시작하는 연료 주분사 이벤트가 뒤따르는 것을 도시한다. 점선은 종래 기술 엔진의 연료 주분사 이벤트를 나타내며, 이것 또한 증가하면서 시작하며 본 개시에 따른 연료 주분사 이벤트에 비해 상당히 더 일찍 발생한다.7 and 8 show the timing of a fuel injection event of a single cylinder. The dashed line shows the fuel injection event of the prior art engine (and “normal” engine operation outside a certain rotational speed range), and the solid line shows the event of the engine and method according to the present disclosure. In Fig. 7, a line denoted by P represents the pressure in the combustion chamber 14, and a line denoted by T represents the temperature in the combustion chamber. On the horizontal axis, the crank angle with respect to the TDC is shown in degrees, and on the vertical axis the pressure in the combustion chamber is shown in bars. In Fig. 8, the solid line shows that the pre-injection event is followed by a zero (0) fuel injection period, followed by a fuel main injection event that starts with increasing. The dotted line represents the fuel injection event of the prior art engine, which also starts increasing and occurs significantly earlier than the fuel injection event according to the present disclosure.

종래 기술 엔진과 방법 예에서는 연료 분사가 TDC 후 5°로 지연된다. TDC 0과 5°의 연료 분사 사이에, 연소실(14) 내 온도와 압력은 모두 떨어진다. TDC 후 5°에서 연료가 분사되고 이 순간부터 연소실 내 온도는 각각의 최고에 도달할 때까지 상승한다. In the prior art engine and method example, the fuel injection is delayed by 5° after TDC. Between the fuel injection of TDC 0 and 5°, both the temperature and pressure in the combustion chamber 14 drop. Fuel is injected at 5° after TDC and from this moment the temperature in the combustion chamber rises until each maximum is reached.

본 개시에 따른 엔진의 예에서는 소량의 전분사가 전자제어장치(50)가 연료 밸브(30)를 작동하여 수행된다. 전분사는 TDC 0에서 또는 TDC 0 후에 수행된다. 바람직하게는 전분사가 TDC 후 6~10°, 더 바람직하게는 TDC 후 약 7~8° 및 가장 바람직하게는 TDC 후 약 8°에서 수행된다. 전분사는 뒤따르는 주분사에 비해 연료가 상대적으로 적은 연료 분사이다. 전분사는 연소실(14) 내의 온도가 TDC에 도달한 후 대략 10°가 될 때까지 TDC 0에서의 온도 아래로 크게 떨어지지 않도록 하기에 충분한 양의 연료를 분사한다. 주분사는 제로(0) 분사 시간 후에 전자제어장치(50)의 제어에 의해 뒤따른다. 전분사는 한 번의 분사 또는 일련의 다수의 소량 분사로 수행될 수 있고, 전자제어장치(50)는 실시예에서 그에 따라 구성된다. 주분사(의 시작)는 실시예에서 TDC 후 25°까지 지연된다. 바람직하게는 주분사가 TDC 후 적어도 12°, 더 바람직하게는 TDC 후 적어도 13°, 훨씬 더 바람직하게는 TDC 후 적어도 14°, 가장 바람직하게는 TDC 후 적어도 15°에서 수행된다. 테스트와 시뮬레이션을 통해 주분사가 TDC에서 또는 직후에 전분사가 수행될 때 디젤 노킹이나 다른 연소 문제없이 20~25°의 늦은 시간에 주분사 시기를 정할(시작할) 수 있음을 보여주고 있다.In the example of the engine according to the present disclosure, a small amount of starch injection is performed by the electronic control device 50 operating the fuel valve 30. Pre-injection is performed either at TDC 0 or after TDC 0. Preferably, the starch injection is performed at 6 to 10° after TDC, more preferably at about 7 to 8° after TDC and most preferably at about 8° after TDC. Starch injection is a fuel injection with relatively little fuel compared to the main injection that follows. The starch injection injects a sufficient amount of fuel so that the temperature in the combustion chamber 14 does not drop significantly below the temperature at TDC 0 until approximately 10° after reaching the TDC. The main injection is followed by the control of the electronic control device 50 after the zero injection time. Pre-injection can be performed in one injection or in a series of multiple small injections, and the electronic control device 50 is configured accordingly in the embodiment. The main injection (start of) is delayed up to 25° after TDC in the embodiment. Preferably the main injection is carried out at least 12° after TDC, more preferably at least 13° after TDC, even more preferably at least 14° after TDC and most preferably at least 15° after TDC. Tests and simulations show that when the main injection is performed at or immediately after the TDC, the main injection timing can be set (started) at a late time of 20-25° without diesel knocking or other combustion problems.

지연된 분사는 일반적으로 연료 효율에 해로우며, 따라서 지연된 분사는 일반적으로 비틀림 진동과 공진 문제가 있는 엔진 속도 범위에서만 적용된다. 따라서, 전자제어장치(50)는 실시예에서 비틀림 작동 문제와 관련된 엔진에 대해 미리 결정된 속도 범위에서만 전분사와 늦은 주분사를 적용하도록 구성된다. 물론, 이중 분사(전분사에 뒤이은 늦은 시간 주분사)는 또한 질소산화물(NOx) 배출 감소 등과 같은 다른 목적을 위해 사용할 수 있다.Delayed injection is generally detrimental to fuel efficiency, so delayed injection is generally applied only in the engine speed range where there are torsional vibration and resonance problems. Accordingly, the electronic control device 50 is configured to apply the full injection and the late main injection only in a predetermined speed range for the engine related to the torsion operation problem in the embodiment. Of course, the double injection (late injection followed by the starch injection) can also be used for other purposes, such as reducing nitrogen oxide (NOx) emissions.

본 개시에 따른 엔진과 방법에서 주분사 이벤트(의 개시)는 TDC 후 10°를 훨씬 넘어 지연될 수 있고, 이에 따라 비틀림 예상치를 감소시키고, 따라서 엔진-샤프트-부하 시스템의 비틀림 진동과 관련된 문제점을 감소시킨다. 무겁고 값 비싼 비틀림 진동 댐퍼를 절약할 수 있으며 금지된 엔진의 속도 간격을 좁히거나 피할 수도 있어 엔진이 모든 회전 속도에서 자유롭게 작동할 수 있다.In the engine and method according to the present disclosure, the main injection event (initiation of) may be delayed well beyond 10° after the TDC, thereby reducing the torsion estimate and thus solving the problems associated with torsional vibration of the engine-shaft-load system. Decrease. Heavy and expensive torsional vibration dampers can be saved, and the banned engine speed gap can be narrowed or avoided, allowing the engine to run freely at any rev.

본 개시에 따른 방법과 엔진은 선박용 디젤유 또는 중유와 같은 종래의 연료뿐만 아니라 가스 연료와 같은 대체 연료에도 사용할 수 있다.The method and engine according to the present disclosure can be used not only for conventional fuels such as marine diesel oil or heavy oil, but also for alternative fuels such as gaseous fuels.

가스 연료의 경우, 전분사는 일반적으로 선박용 디젤유와 같은 점화 액체로 수행된다. 주분사는 소량의 액체 연료와 함께 충분한 양의 가스 연료가 분사된다.In the case of gaseous fuel, starch injection is generally carried out with an ignition liquid such as marine diesel oil. In the main injection, a sufficient amount of gaseous fuel is injected together with a small amount of liquid fuel.

일 실시예에 따르면, 엔진에서 각각의 실린더는 서로 다른 사이클 프로세스로 작동할 수 있다. 따라서, 늦은 시간의 주분사가 뒤따르는 전분사는 선택된 하나 이상의 실린더에 적용할 수 있고, 다른 실린더들은 사이클당 단일 연료 분사와 함께 종래의 사이클로 작동할 수 있다. According to one embodiment, each cylinder in the engine can operate in a different cycle process. Thus, the pre-injection followed by the late main injection can be applied to one or more selected cylinders, and the other cylinders can operate in a conventional cycle with a single fuel injection per cycle.

일 실시예에서, 연료의 유형은 실린더마다 다르다.In one embodiment, the type of fuel varies from cylinder to cylinder.

본 발명을 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명했다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형들은 도면, 개시된 내용 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해 및 실시될 수 있다. 청구범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "하나의"는 복수를 배제하지 않는다. 특정 방안들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 방안으로 사용된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내는 것은 아니다. The present invention has been described in connection with various embodiments of the present specification. However, other modifications to the disclosed embodiments can be understood and practiced by those skilled in the art who practice the claimed invention from the study of the drawings, the disclosed content and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" does not exclude a plurality. The mere fact that certain options are cited in different dependent claims does not indicate that combinations of those used as options cannot be used to advantage.

청구항에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. Reference signs used in the claims should not be construed as limiting the scope.

Claims (17)

대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관에 있어서,
소기포트(19) 및 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 피스톤(21)을 그 내부에 포함하는 복수의 실린더(1);
피스톤 로드, 크로스헤드(23) 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축(22)에 작동 가능하게 연결되는 상기 피스톤(21);
엔진 작동 중에 특정한 회전 속도로 회전하는 상기 크랭크축(22);
연소를 위해 상기 실린더(1) 내로 연료를 분사하는 각각의 실린더(1)와 연관된 하나 이상의 연료 밸브(30)를 포함하는 연료 분사 시스템;
관련된 연료 밸브(30)의 개폐를 제어함으로써 실린더(1)의 크랭크 각도에 대해 연료 분사 타이밍을 제어하도록 구성되는 전자제어장치(50)를 포함하며,
상기 전자제어장치(50)는, TDC 후 6°~10°사이에 적어도 한 번의 전분사에 이어 제로 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 주분사는 TDC 후 적어도 12°보다 늦게 수행하는 상기 전자제어장치(50)에 의해 지연된 연료 분사로 엔진의 크랭크 축(22)의 비틀림 진동을 감소시키도록 적어도 특정 회전 속도 범위에서 상기 엔진의 실린더들(1) 중 적어도 하나를 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관.In a large turbocharged two-stroke single-flow type scavenging compression ignition internal combustion engine,
A plurality of cylinders 1 including a scavenging port 19 and a piston 21 reciprocating between the BDC and the TDC during engine operation;
The piston 21 operably connected to the crankshaft 22 through a piston rod, a crosshead 23 and a connecting rod;
The crankshaft 22 rotating at a specific rotational speed during engine operation;
A fuel injection system comprising at least one fuel valve (30) associated with each cylinder (1) for injecting fuel into the cylinder (1) for combustion;
And an electronic control device 50 configured to control the fuel injection timing with respect to the crank angle of the cylinder 1 by controlling the opening and closing of the associated fuel valve 30,
The electronic control device 50 includes at least one pre-injection between 6° to 10° after TDC, followed by a zero fuel injection period, and then the main injection is performed later than at least 12° after TDC. Large turbocharging, characterized in that it is configured to operate at least one of the cylinders 1 of the engine in at least a specific rotational speed range to reduce torsional vibration of the crankshaft 22 of the engine with fuel injection delayed by ). Two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine. 제1항에 있어서,
상기 전자제어장치(50)는 상기 크랭크축(22), 상기 크랭크축(22)에 연결된 프로펠러 샤프트(42) 또는 상기 크랭크축(22)을 부하에 연결하는 중간축 내 중 어느 하나의 비틀림 진동을 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관.The method of claim 1,
The electronic control device 50 generates any one of the torsional vibration of the crankshaft 22, a propeller shaft 42 connected to the crankshaft 22, or an intermediate shaft connecting the crankshaft 22 to a load. Large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that it is configured to reduce. 제2항에 있어서,
상기 부하는 선박(40)을 추진하는 프로펠러(44)인 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관.The method of claim 2,
The load is a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging type compression ignition internal combustion engine, characterized in that the load is a propeller (44) that propels the vessel (40). 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 크랭크축(22)은 메인 샤프트(42)로 선박(40)을 추진하는 프로펠러(44)에 연결되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관.The method according to claim 2 or 3,
The crankshaft (22) is a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that it is connected to a propeller (44) that propels the vessel (40) by the main shaft (42). 제1항에 있어서,
상기 전자제어장치(50)는 상기 실린더(1)들 중 적어도 하나에 대해 TDC에서 또는 그 후에 적어도 한 번의 전분사 다음에 제로 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 주분사가 뒤따르도록 수행하는 상기 전자제어장치(50)에 의한 지연된 연료 분사로, 상기 특정 회전 속도 범위에서 부하를 증가시키면서 상기 엔진을 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관.The method of claim 1,
The electronic control device 50 performs the electronic control such that a zero fuel injection period follows at least one pre-injection at or after at least one of the cylinders 1, followed by the main injection. Large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that it is configured to operate the engine while increasing the load in the specific rotational speed range with delayed fuel injection by the device (50). 삭제delete 제1항에 있어서,
적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전 부하에서 주분사로 분사된 연료량보다 상당히 적은 양의 연료 분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관.The method of claim 1,
A large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that the at least one full injection includes fuel injection in an amount significantly less than the amount of fuel injected by the main injection at full engine load. 제1항에 있어서,
상기 전자제어장치(50)는 지연된 상기 주분사에서 관련된 실린더(1) 내 온도가 TDC에서 관련된 실린더 내 온도와 동일하도록 보장하기에 충분한 양의 연료를 전분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관. The method of claim 1,
The electronic control device 50 is configured to pre-inject a sufficient amount of fuel to ensure that the temperature in the cylinder 1 related to the delayed main injection is the same as the temperature in the cylinder 1 related to the TDC. Two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine. 제1항에 있어서,
상기 주분사에 사용되는 연료는 가스 연료이고 상기 전분사에 사용되는 연료는 액체 연료이며, 액체 연료는 또한 상기 주분사에서 가스 연료와 동시에 분사되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관.The method of claim 1,
The fuel used for the main injection is gas fuel, the fuel used for the preinjection is liquid fuel, and the liquid fuel is also injected at the same time as the gas fuel in the main injection. Compression ignition internal combustion engine. 삭제delete 삭제delete 엔진의 크랭크 축(22)의 비틀림 진동을 감소시키기 위한 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관을 작동하는 방법에 있어서,
내부에 소기포트(19)와 피스톤(21)이 포함된 복수의 실린더(1)에서 상기 피스톤은 엔진 작동 중에 BDC와 TDC 사이에서 왕복 운동하는 단계;
상기 피스톤(21)은 실린더 로드, 크로스헤드(23) 및 커넥팅 로드를 통해 크랭크축(22)에 작동 가능하게 연결되는 단계;
상기 크랭크축(22)은 엔진 작동 중에 특정한 회전 속도로 회전하는 단계;
각각의 실린더(1)와 연관된 하나 이상의 연료 밸브(30)를 포함하는 연료 분사 시스템은 연소를 위해 상기 실린더(1) 내로 연료를 분사하는 단계;를 포함하며,
상기 방법은 적어도 특정 회전 속도 범위에서 지연된 연료 분사를 포함하고,
TDC 후 6°~10°사이에 적어도 한 번의 전분사에 이어 제로 연료 분사 기간이 뒤따르고 이어서 주분사는 TDC 후 적어도 12°보다 늦게 수행하는 것에 의해 상기 크랭크 축(22)의 비틀림 진동을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관 작동 방법.In the method of operating a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine for reducing torsional vibration of an engine's crankshaft 22,
In a plurality of cylinders (1) including a scavenging port (19) and a piston (21) therein, the piston reciprocating between BDC and TDC during engine operation;
The piston 21 is operably connected to the crankshaft 22 through a cylinder rod, a crosshead 23 and a connecting rod;
The crankshaft 22 rotating at a specific rotational speed during engine operation;
A fuel injection system comprising one or more fuel valves 30 associated with each cylinder 1 comprises the steps of injecting fuel into the cylinder 1 for combustion,
The method comprises delayed fuel injection at least in a specific rotational speed range,
A step of reducing the torsional vibration of the crankshaft 22 by performing at least one pre-injection between 6° to 10° after TDC followed by a zero fuel injection period, and then the main injection is performed later than at least 12° after TDC. Large turbocharged two-stroke single-flow scavenging type compression ignition internal combustion engine operating method comprising a. 삭제delete 제12항에 있어서,
상기 연료 분사는 상기 엔진이 상기 특정 회전 속도 범위 밖에서 작동할 때 지연된 연료 주분사와 비교하여 더 일찍 발생하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관 작동 방법.The method of claim 12,
The fuel injection method of operating a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that the fuel injection occurs earlier compared to the delayed main fuel injection when the engine is operated outside the specified rotational speed range. 제12항에 있어서,
적어도 한 번의 상기 전분사는 엔진 전부하에서 주분사로 분사된 연료량보다 상당히 적은 양의 연료 분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관 작동 방법.The method of claim 12,
A method of operating a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that at least one of said starch injection includes fuel injection in an amount considerably less than the amount of fuel injected by the main injection under full engine load. 제12항에 있어서,
지연된 상기 주분사에서 관련된 실린더 내의 온도는 TDC에서 관련된 실린더 내 온도와 실질적으로 동일하도록 보장하기에 충분한 양의 연료 전분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관 작동 방법.The method of claim 12,
A large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that it contains a sufficient amount of fuel starch injection to ensure that the temperature in the cylinder involved in the delayed main injection is substantially the same as the temperature in the cylinder concerned in the TDC. How it works. 제12항에 있어서,
점화 액체의 전분사에 이어 주분사가 뒤따르는 것을 포함하며, 상기 주분사는 가스 연료와 소량의 점화 액체 분사를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 단류형 소기식 압축 점화 내연 기관 작동 방법.
The method of claim 12,
A method of operating a large turbocharged two-stroke single-flow scavenging compression ignition internal combustion engine, characterized in that the pre-injection of the ignition liquid is followed by the main injection, wherein the main injection comprises gaseous fuel and a small amount of ignition liquid injection.
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