KR102599343B1 - 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료내연 엔진 - Google Patents

대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료내연 엔진 Download PDF

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만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드
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Abstract

대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진이 개시되며, 상기 엔진은 암모니아, 메탄, 메탄올, 에탄, LPG 또는 DME와 같은 제1 연료와 상기 제1 연료의 점화를 위한 연료 오일로 엔진이 작동되는 오토 사이클 모드 및 연료 오일만으로 엔진이 작동되는 디젤 사이클 모드를 가지며, 상기 엔진은, 실린더 라이너(1), 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 사이에서 왕복운동하는 피스톤(10), 및 연소 챔버(53)를 규정하는 실린더 커버(22)를 갖는 적어도 하나의 실린더와, 상기 실린더의 하부 섹션에 배열되어 적어도 상기 피스톤이 하사점 위치에 있는 동안 상기 연소 챔버(53) 내로 산소 함유 소기 가스를 유입시키기 위한 소기 가스 유입구(18)와, 상기 실린더와 연관되어 상기 소기 가스 유입구(18)와 상기 실린더 커버(22) 사이의 상기 실린더 라이너(1) 내에 또는 상기 실린더 커버(22) 내에 배열되어서 BDC로부터 TDC로의 피스톤의 행정 동안 상기 제1 연료를 유입시키기 위한 적어도 하나의 연료 유입 밸브(50)와, 상기 실린더 커버(22)에 또는 상기 실린더 라이너(1)에 배열되어 상기 피스톤이 TDC에 또는 그 근처에 있을 때 연료 오일을 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)와, 상기 연소 챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 프리-챔버 포트(54)를 갖고 상기 실린더 커버(22)에 또는 상기 실린더 라이너(1)에 배열되는 적어도 하나의 파일럿 점화 프리-챔버(51)로서, 상기 파일럿 점화 프리-챔버(51) 내로 도입된 연료 오일로 상기 연소 챔버(53) 내의 상기 제1 연료와 소기 가스의 혼합물을 점화시키는 것을 포함한다. 상기 엔진은, 상기 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)가 상기 엔진의 오토 사이클 모드 작동 동안 상기 파일럿 점화 프리-챔버(51) 내로 연료 오일을 도입하도록, 그리고 상기 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 적어도 상기 연소 챔버(53) 내로 연료 오일을 분사하도록 배열되는 것이 특징이다.
따라서, 하나의 그리고 동일한 연료 분사 밸브가 본 발명에 따른 이중 연료 엔진의 양쪽 작동 모드에서 사용될 수 있기 때문에, 전체 엔진 비용이 감소될 수 있으며, 여기서 파일럿 점화 프리-챔버는 오토 사이클 모드 작동 동안 연료를 점화시키기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 별도의 파일럿 연료 오일 분사 밸브 및 공급 시스템이 회피되는 한편, 프리-챔버를 갖는 엔진의 양호한 성능 양태들을 여전히 제공한다. 또한, 연료 분사 밸브 및 모니터링 장비와 같은 또 다른 장비를 장착하기 위해 실린더 커버 상에 훨씬 더 많은 공간이 이용 가능하게 된다.

Description

대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진 {A LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE UNIFLOW CROSSHEAD DUAL FUEL INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진에 관한 것이며, 이 엔진은 암모니아, 메탄, 메탄올, 에탄, LPG 또는 DME와 같은 제1 연료와 제1 연료의 점화를 위한 연료 오일로 엔진이 작동되는 오토 사이클 모드 및 연료 오일만으로 엔진이 작동되는 디젤 사이클 모드를 갖고, 상기 엔진은, 실린더 라이너, 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 사이에서 왕복운동하는 피스톤, 및 연소 챔버를 규정하는 실린더 커버를 갖는 적어도 하나의 실린더와, 실린더의 하부 섹션에 배열되어 적어도 피스톤이 하사점 위치에 있는 동안 연소 챔버 내로 산소 함유 소기 가스를 유입시키기 위한 소기 가스 유입구와, 실린더와 연관되고 소기 가스 유입구와 실린더 커버 사이의 실린더 라이너 내에 또는 실린더 커버 내에 배치되어 BDC로부터 TDC로의 피스톤의 행정 동안 제1 연료를 유입시키기 위한 적어도 하나의 연료 유입 밸브와, 실린더 커버 내에 또는 실린더 라이너 내에 배열되어 피스톤이 TDC에 또는 그 근처에 있을 때 연료 오일을 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 분사 밸브와, 연소 챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 프리-챔버 포트를 갖고 실린더 커버 내에 또는 실린더 라이너 내에 배열되는 적어도 하나의 파일럿 점화 프리-챔버로서, 이 파일럿 점화 프리-챔버 내로 도입된 연료 오일로 연소 챔버 내의 제1 연료와 소기 가스의 혼합물을 점화시키기 위한 것을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 연료 분사 밸브는 엔진의 오토 사이클 모드 작동 동안 파일럿 점화 프리-챔버 내로 연료 오일을 도입하도록 배열된다.
그러한 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진의 예는 JP 2020-037923으로부터 알려져 있다. 이 선행기술 문헌에서, 상이한 연료 분사 밸브들이 오토 사이클 모드 및 디젤 사이클 모드에서 연료 오일을 분사하기 위해 각각 사용된다.
크로스헤드를 갖는 대형 터보차지식 2행정 유니플로 내연 엔진은 예를 들어 대형 해양 선박의 추진에 또는 발전소의 원동기로서 사용된다. 순수한 크기 때문에 뿐만 아니라, 이들 2행정 디젤 엔진은 다른 내연 엔진과 다르게 구성된다. 이것들의 배기 밸브는 400kg까지의 중량을 가질 수 있고, 피스톤은 100cm까지의 직경을 가지며, 연소 챔버 내의 최대 작동 압력은 전형적으로 수백 바이다. 이러한 고압 수준과 피스톤 크기에 관여하는 힘은 엄청나다.
최근, 대형 2행정 디젤 엔진이 암모니아, 에탄, LPG, DME 및/또는 다른 유사한 연료와 같은 대체 유형의 연료를 취급할 수 있도록 하는 것에 대한 요구가 있다. 연료 오일로만 작동하는 연료 오일 모드와, 대체 연료 및 파일럿 연료 오일로 작동하는 대체 연료 모드의 양쪽 모두에서 작동 가능한 엔진은 종종 이중 연료 엔진으로 지칭된다.
그러한 대체 연료를 위한 이중 연료 엔진은 모두 이들 고휘발성 연료를 위한 별도의 연료 시스템을 구비한다. 모든 경우에 있어서, 엔진을 셧다운(shutdown), 연료 오일로의 연료 시프트(fuel shift), 또는 유지보수에 대해 안전하게 하기 위해서, 연료 시스템, 즉 연료 파이프, 밸브, 펌프 등으로부터 연료를 완전히 배출하기 위한 장비가 존재할 필요가 있다.
오토 사이클 모드에서, 실린더 라이너의 길이를 따라 중앙에 또는 실린더 커버에 전형적으로 배열되는 연료 밸브에 의해 유입되는 기체 연료로 작동되는 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진, 즉 하사점(BDC)으로부터 TDC로의 피스톤의 상향 행정 동안 기체 연료를 유입시키는 엔진은, 연소 챔버 내에서 기체 연료와 산소 함유 소기 가스의 혼합물을 압축하고(따라서 프리-믹스 프로세스에 따른 작동), 예컨대 파일럿 연료 오일 또는 파일럿 가스 주입과 같은 시한 점화(timed ignition) 수단에 의해 상사점(TDC)에서 또는 그 근처에서 압축된 혼합물을 점화한다.
실린더 라이너에 또는 실린더 커버에 배열된 연료 밸브(가스 유입 밸브)를 사용하는 이러한 유형의 가스 유입은, 피스톤이 그의 상사점(TDC)에 근접하거나 또는 상사점에 있을 때, 즉 연소 챔버 내의 압축 압력이 최대치에 있거나 그에 근접할 때 기체 연료를 분사하는 대형 2행정 터보차지식 내연 엔진과 비교할 때 압축 압력이 비교적 낮을 때 기체 연료가 분사되기 때문에, 훨씬 더 낮은 연료 유입 압력(전형적으로 대략 5 내지 대략 25bar)이 사용될 수 있다는 이점을 갖는다. 후자의 타입의 엔진은 이미 높은 최대 압축 압력보다 상당히 높은(전형적으로 300bar 초과) 연료 분사 압력을 필요로 한다. 이러한 극고압에서 기체 연료를 취급할 수 있는 연료 시스템은 기체 연료의 휘발 특성 및 그러한 고압에서의 거동으로 인해 고가이고 복잡하다.
따라서, 압축 행정 동안 기체 연료를 분사하는 엔진의 연료 공급 시스템은, 피스톤이 TDC에 있거나 그 근처에 있을 때에 기체 연료를 고압으로 분사하는 엔진에 비해 상당히 저렴하다.
그러나, 본 발명에 따른 대형 2행정 디젤 엔진을 위한 연료 분사 밸브는 매우 크고, 2 또는 3개의 메인 디젤 연료 분사 밸브들 및 1 내지 2개의 프리-챔버를 각각 관련된 파일럿 연료 분사 밸브와 함께 엔진 커버 상에 장착하기 위한 공간을 찾기는 어렵다. 또한, 연료 분사 밸브는 고가이고, 프리-챔버로의 연료 공급 시스템을 갖는 별도의 디젤 연료 분사 밸브를 갖는 것은 비용을 상당히 상승(더 높은 CAPEX)시킨다.
본 발명의 목적은 도입부에서 언급된 종류의 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진을 제공하는 것이며, 여기서 연료 분사 밸브의 필요 공간 및 비용과 관련하여 상기 언급된 과제는 적어도 상당히 감소된다.
전술한 목적들 및 또 다른 목적들은 독립항들의 특징들에 의해 달성된다. 추가적인 구현 형태들은 종속항들, 설명, 및 도면들로부터 명백하다.
제1 양태에 따르면, 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진이 제공되며, 이 엔진은 암모니아, 메탄, 메탄올, 에탄, LPG 또는 DME와 같은 제1 연료와 제1 연료의 점화를 위한 연료 오일로 엔진이 작동되는 오토 사이클 모드 및 연료 오일만으로 엔진이 작동되는 디젤 사이클 모드를 갖고, 상기 엔진은, 실린더 라이너, 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 사이에서 왕복운동하는 피스톤, 및 연소 챔버를 규정하는 실린더 커버를 갖는 적어도 하나의 실린더와, 실린더의 하부 섹션에 배열되어 적어도 피스톤이 하사점 위치에 있는 동안 연소 챔버 내로 산소 함유 소기 가스를 유입시키기 위한 소기 가스 유입구와, 실린더와 연관되어 소기 가스 유입구와 실린더 커버 사이의 실린더 라이너 내에 또는 실린더 커버 내에 배열되어서 BDC로부터 TDC로의 피스톤의 행정 동안 제1 연료를 유입시키기 위한 적어도 하나의 연료 유입 밸브와, 실린더 커버 내에 또는 실린더 라이너 내에 배열되어 피스톤이 TDC에 또는 그 근처에 있을 때 연료 오일을 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 분사 밸브와, 연소 챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 프리-챔버 포트를 갖고 실린더 커버 내에 또는 실린더 라이너 내에 배열되는 적어도 하나의 파일럿 점화 프리-챔버로서, 이 파일럿 점화 프리-챔버 내로 도입된 연료 오일로 연소 챔버 내의 제1 연료와 소기 가스의 혼합물을 점화시키기 위한 것을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 연료 분사 밸브는 엔진의 오토 사이클 모드 작동 동안 파일럿 점화 프리-챔버 내로 연료 오일을 도입하도록 배열되며, 적어도 하나의 연료 분사 밸브는 적어도 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 연소 챔버 내로 연료 오일을 분사하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 하나의 그리고 동일한 연료 분사 밸브가 본 발명에 따른 이중 연료 엔진의 양쪽 작동 모드에서 사용될 수 있기 때문에, 전체 엔진 비용이 감소될 수 있으며, 여기서 파일럿 점화 프리-챔버는 오토 사이클 모드 작동 동안 연료를 점화시키기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 별도의 파일럿 연료 오일 분사 밸브 및 공급 시스템이 회피되는 한편, 프리-챔버를 갖는 엔진의 양호한 성능 양태들을 여전히 제공한다. 또한, 연료 분사 밸브 및 모니터링 장비와 같은 또 다른 장비를 장착하기 위해 실린더 커버 상에 훨씬 더 많은 공간이 이용 가능하게 된다.
적어도 하나의 연료 분사 밸브는 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 파일럿 점화 프리-챔버 및 연소 챔버의 양쪽 모두에 연료 오일을 도입하도록 배열될 수 있다. 그러한 실시형태는 연료 분사 밸브를 단순화시키고 비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 프리-챔버로의 연료 오일 채널을 청결하게 유지할 수 있다.
적어도 하나의 연료 분사 밸브는 원칙적으로 임의의 적합한 방식으로 설계될 수 있지만, 채널을 통해 가능한, 프리-챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 제1 노즐 구멍, 연소 챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 제2 노즐 구멍, 및 적어도 하나의 제1 노즐 구멍과 적어도 하나의 제2 노즐 구멍에 대한 액세스를 각각 개방 및 폐쇄하기 위한 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
적어도 하나의 연료 분사 밸브는 유리하게는, 후방 단부 및 전방 단부를 갖는 세장형(elongated) 연료 밸브 하우징과, 상기 제1 및 제2 노즐 구멍 내로 개방되는 적어도 하나의 보어를 갖는 노즐로서, 상기 노즐은 상기 하우징의 전방 단부에 배열되는 것과, 후방 단부로부터 전방 단부를 향해 연장되고 가압된 연료의 공급원에 연결되는 연료 채널과, 축선방향 변위가능 밸브 니들을 포함하는 그러한 종류일 수 있으며, 상기 축선방향 변위가능 밸브 니들은 상기 축선방향 변위가능 밸브 니들이 밸브 시트 상에 놓여 연료가 노즐로 유동하는 것을 방지하는 폐쇄 위치와 상기 축선방향 변위가능 밸브 니들이 상기 밸브 시트로부터 들어올려져서 연료가 상기 제1 및 제2 노즐 구멍으로의 방향으로 노즐 내의 적어도 하나의 보어를 통해 유동하는 것을 허용하는 적어도 제1 및 제2 개방 위치를 가지며, 여기서 상기 제1 노즐 구멍(들)로의 액세스는 상기 제1 개방 위치에서 개방되고, 적어도 상기 제2 노즐 구멍(들)로의 액세스는 상기 제2 개방 위치에서 개방된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 노즐 구멍(들)에 대한 액세스는 또한 상기 제2 개방 위치에서 개방될 수 있어 연료가 프리-챔버 및 연소 챔버의 양쪽 모두로 진입하는 것을 허용한다.
적어도 하나의 연료 분사 밸브는 유리하게는 슬라이드 밸브일 수 있으며, 여기서 밸브 니들은 노즐 내의 하나의 단일 보어 내로 돌출되고 중실형 제1 부분 및 밸브 시트로부터 가장 멀리 떨어진 중공형 제2 부분을 포함하는 세장형 부재를 포함하고, 중공형 부분은 연료가 상기 중공형 부분에 진입하게 하는 적어도 하나의 오리피스를 포함하고, 중공형 부분은 자유 단부에서 개방되며, 세장형 부재의 자유 단부는 밸브 니들이 밸브 시트로부터 멀리 제1 개방 위치로 상승될 때 자유롭게 상승되어 상기 제1 노즐 구멍(들)에 대한 액세스를 개방하고, 세장형 부재의 자유 단부는 밸브 니들이 밸브 시트로부터 멀리 제2 개방 위치로 상승될 때 자유롭게 상승되어 상기 제2 노즐 구멍(들)에 대한 액세스를 개방한다.
슬라이드 밸브의 세장형 부재는, 밸브 니들이 밸브 시트로부터 멀리 제2 개방 위치로 상승될 때, 상기 제1 노즐 구멍(들)에 대한 액세스를 폐쇄하는 요소를 포함할 수 있다.
실린더 커버에 배열된 적어도 하나의 파일럿 점화 프리-챔버는 연소 챔버 내로 개방되는 하나 이상의, 바람직하게는 2개 또는 3개의 프리-챔버 포트를 구비할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 예시적인 실시형태에 따른 대형 2행정 이중 연료 엔진의 정면 사시도이다.
도 2는 도 1의 대형 2행정 엔진의 측면 사시도이다.
도 3은 도 1에 따른 대형 2행정 엔진의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 대형 2행정 이중 연료 엔진에 사용될 수 있는 연료 분사 밸브의 예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 대형 2행정 이중 연료 엔진에 사용될 수 있는 연료 분사 밸브 및 프리-챔버를 갖는 인서트를 도시한다.
다음의 상세한 설명에서, 본 발명은 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진에 대해 설명될 것이지만, 내연 엔진은 다른 유형일 수 있는 것으로 이해된다. 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진은, 암모니아, 메탄, 메탄올, 에탄, LPG 또는 DME와 같은 제1 연료와 제1 연료의 점화를 위한 연료 오일로 작동되는 오토 사이클 모드, 및 엔진이 연료 오일만으로 작동되는 디젤 사이클 모드의 양쪽 모두를 가지고 있다.
도 1, 2 및 3은 크랭크샤프트(8) 및 크로스헤드(9)를 갖는 대형 저속 터보차지식 2행정 이중 연료 엔진을 도시한다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 갖는 대형 저속 터보차지식 2행정 이중 연료 엔진의 개략도를 도시한다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 엔진은 일렬로 6개의 실린더들을 갖는다. 대형 저속 터보차지식 2행정 이중 연료 엔진은 전형적으로 엔진 프레임(11)에 의해 운반되는 실린더 프레임(23)에 의해 운반되는, 일렬로 4 내지 14개의 실린더들을 갖는다. 엔진은 예컨대 해양 선박에서 주 엔진으로서 또는 발전소에서 발전기를 작동시키기 위한 고정 엔진으로서 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은 예를 들어, 1,000 내지 110,000 kW의 범위일 수 있다.
엔진은 본 예시적인 실시형태에서 실린더 라이너(1)의 하부 영역에 소기 포트(18)를 갖고 각각의 실린더 라이너(1)의 상부에 중앙 배기 밸브(4)를 갖는 2행정 유니플로 타입의 이중 연료 압축-점화 엔진이다. 이 도시된 예에서, 엔진은 암모니아, 메탄, 메탄올, 에탄, LPG 또는 DME와 같은 제1 연료 및 제1 연료의 점화를 위한 연료 오일로 엔진이 작동되는 적어도 하나의 작동 모드, 및 통상적인 연료, 예를 들어 연료 오일(선박 디젤) 또는 중유만으로 엔진이 작동되는 제2 디젤 사이클 모드를 갖는다.
소기 공기는 소기 공기 리시버(2)로부터 개별 실린더(1)들의 소기 포트(18)들로 통과된다. 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 사이에서 실린더 라이너(1) 내부를 왕복 운동하는 피스톤(10)은 소기 공기를 압축한다. 오토 사이클 모드에서 예컨대 암모니아 형태의 연료는, 도시된 실시형태에서, 실린더 커버(22) 내에 배열되는 저압 연료 밸브(50)를 통해 TDC에서 또는 그 근처에서 실린더 라이너(1) 내의 연소 챔버(53) 내로 분사된다. 대안적인 실시형태에서, 오토 사이클 모드에서의 연료는 소기 포트(18)와 실린더 커버(22) 사이의 중간 어딘가에서 실린더 라이너(1)에 배열된 저압 연료 밸브(50')를 통해 유입될 수 있다. TDC에서의 또는 그 근처에서의 시한 점화(timed ignition)는 본 발명에 따른 이중 연료 엔진에서 실린더 커버(22)에 배열된 프리-챔버(51) 내로의 점화 유체 분사에 의해 촉발되고, 프리-챔버(51)는 이후에 더 상세히 설명되는 바와 같이 연소 챔버(53) 내로 개방된다. 연소가 이어지며 배기가스가 생성된다. 각각의 실린더 커버(22)는 도시된 실시형태에서 단지 하나의 연료 밸브(50)를 구비하지만, 2개 이상의 연료 밸브(50)들을 구비할 수도 있다. 연료 밸브(50)는 도시된 실시형태에서 단지 하나의 특정 타입의 연료, 예컨대 암모니아를 분사하도록 구성되고, 그에 따라 연소 챔버(53) 내로 종래의 연료를 분사하기 위한 하나 이상의 연료 분사 밸브(52)가 또한 존재할 것이다. 따라서, 엔진은 2개 이상의 연료 밸브들을 가질 것이다. 연료 밸브(50, 52)들 모두는 도시된 실시형태에서 중앙 배기 밸브(4) 주위의 실린더 커버(22)에 배열된다. 본 발명에 따른 엔진에서 점화 연료는 연료 분사 밸브(52)에 의해서 프리-챔버(51) 내로 분사된다.
배기 밸브(4)가 개방될 때, 배기 가스는 실린더들과 연관된 배기 덕트를 통해 배기 가스 리시버(3) 내로 유동하고, 제1 배기 도관(19)을 통해 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction, SCR) 반응기(28)를 거쳐 터보차저(5)의 터빈(6)으로 계속해서 유동하며, 그로부터 배기 가스는 제2 배기 도관을 통해 이코노마이저(20)를 거쳐 출구(21)로 그리고 대기 중으로 유동한다. SCR 반응기는 NOx 방출을 감소시킨다. 도시되지 않은 실시형태에서, 엔진은 SCR 반응기(28)를 포함하지 않을 수 있다. 엔진은 배기 가스의 일부를 배기 가스 도관(19)으로부터 소기 공기 도관(13)으로 재순환시키는 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 시스템을 포함할 수 있다.
샤프트를 통해, 터빈(6)은, 공기 입구(12)를 통해 신선한 공기를 공급받는 압축기(7)를 구동한다. 압축기(7)는 가압된 소기 공기를 소기 공기 리시버(2)로 이어지는 소기 공기 도관(13)으로 전달한다. 소기 공기 도관(13) 내의 소기 공기는 소기 공기를 냉각하기 위한 인터쿨러(14)를 통과한다.
냉각된 소기 공기는, 터보차지식(5)의 압축기(7)가 소기 공기 리시버(2)에 대한 충분한 압력을 전달하지 않을 때, 즉 엔진의 낮은 또는 부분적인 부하 조건에서, 소기 공기 유동을 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 블로어(16)를 통과한다. 더 높은 엔진 부하에서 터보차저 압축기(7)는 충분히 압축된 소기 공기를 전달하고, 그 다음에 보조 블로어(16)는 체크 밸브(15)를 통해 바이패스되고, 전기 모터(17)는 정지된다.
엔진은 오토 사이클 모드에서 실질적으로 안정적인 압력 및 온도로 상기 제1 연료 밸브(50)에 공급되는 주 연료로서의 암모니아, 메탄, 메탄올, 에탄, LPG 또는 DME와 같은 대체 제1 연료로 작동된다.
종래의 연료 시스템은 잘 알려져 있고, 더 상세히 도시 및 설명되지 않는다. 제1 연료 시스템(30)은 상기 연료 밸브들(50)에 제1 연료를 공급한다.
본 발명에 따르면 연료 분사 밸브(52)는 엔진의 오토 사이클 모드 작동 동안 파일럿 점화 프리-챔버(51) 내로 연료 오일을 도입하도록 그리고 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 적어도 연소 챔버(53) 내로 연료 오일을 분사하도록 배열된다.
도 4에는 엔진의 오토 사이클 모드 작동 동안 파일럿 점화 프리-챔버(51) 내로 연료 오일을 도입할 수 있고 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 적어도 연소 챔버(53) 내로 연료 오일을 분사할 수 있는 연료 분사 밸브(52)의 일 예가 도시되어 있다. 연료 분사 밸브는, 도 5에 도시된 바와 같이, 채널(56)을 통해 가능한, 프리-챔버(51) 내로 개방되는 제1 노즐 구멍(31), 및 연소 챔버(53) 내로 개방되는 제2 노즐 구멍(33)을 포함하며, 제1 노즐 구멍(31) 및 제2 노즐 구멍(33)에 대한 액세스를 각각 개방 및 폐쇄하기 위한 세장형 부재(34)의 형태의 수단을 포함한다.
연료 분사 밸브(52)는 후방 단부(36) 및 전방 단부(37)를 갖는 세장형 연료 밸브 하우징(35), 상기 제1 및 제2 노즐 구멍(31, 33)으로 개방되는 하나의 보어(39)를 갖는 노즐(38)을 포함하며, 여기서 상기 노즐(38)은 상기 하우징(35)의 전방 단부(37)에 배열된다. 연료 채널(40)은 후방 단부(36)로부터 전방 단부(37)를 향해 연장되고, 도시되지 않은 가압 연료의 공급원에 연결된다. 연료 분사 밸브(52)는 폐쇄 위치를 갖는 축선방향으로 변위 가능한 밸브 니들(41)을 포함하며, 폐쇄 위치에서 밸브 니들은 노즐(38)로 연료가 유동하는 것을 방지하는 밸브 시트(42) 상에 놓이며, 적어도 제1 및 제2 개방 위치에서 상기 축선방향으로 변위 가능한 밸브 니들(41)은 상기 밸브 시트(42)로부터 상승되고, 그에 따라 연료가 상기 제1 및 제2 노즐 구멍(31, 33)으로의 방향으로 노즐(38) 내의 보어(39)를 통해 유동하게 하며, 여기서 상기 제1 노즐 구멍(31)에 대한 액세스는 상기 제1 개방 위치에서 개방되고 상기 제1 노즐 구멍(31) 및 상기 제2 노즐 구멍(33) 양쪽 모두에 대한 액세스는 상기 제2 개방 위치에서 개방된다.
도 4에 도시된 연료 분사 밸브(52)는 밸브 니들(41)의 특별한 설계에 의해 특징지어지는 슬라이드 밸브이다. 도시된 슬라이드 밸브의 밸브 니들(41)은 세장형 부재(34)를 포함하며, 세장형 부재는 하나의 단일 보어(39) 내로 돌출하고 중실형 제1 부분(43) 및 밸브 시트(42)로부터 가장 멀리 있는 중공형 제2 부분(44)을 포함하며, 중공형 부분은 적어도 하나의 오리피스(45)를 포함하고 자유 단부(46)에서 개방된다. 작동 동안, 밸브 니들(41)이 밸브 시트(42)로부터 멀어지게 개방 위치로 상승될 때, 세장형 부재(34)의 자유 단부(46)는 또한 노즐 구멍(31)으로부터 자유롭게 상승되어, 연료가 세장형 부재(34)와 보어(39)의 벽 사이의 보어(39) 내에서 오리피스(들)(45)까지, 그리고 중공부(44) 내로 유동하도록 허용하며, 거기에서 연료는 밸브 니들(41)의 제1 개방 위치에서 개방 자유 단부(46)로부터 제1 노즐 구멍(31) 내로 그리고 제2 개방 위치에서 제1 노즐 구멍(31) 및 제2 노즐 구멍(33) 양쪽 모두로 유동한다. 축선방향으로 변위 가능한 밸브 니들(41)은 세장형 밸브 하우징(35) 내의 길이방향 보어(47) 내에 좁은 간극을 갖고 슬라이딩 가능하게 수용된다. 노즐 구멍(31, 33)들은 노즐(38)의 팁(48) 부근에 축선방향으로 위치되며, 도시된 실시형태에서 팁(48)은 폐쇄되어 있다. 또한, 노즐(38)은 위치결정 핀(49)에 의해 하우징(35)에 대해 위치결정되는 것으로 도시되어 있다.
도 5에는 도 4에 도시된 것과 같은 연료 분사 밸브(52) 및 프리-챔버(51)를 갖는 인서트(55)가 도시되어 있으며, 이 인서트는 새로운 제작 또는 개장을 위해 본 발명에 따른 대형 2행정 이중 연료 엔진에 사용될 수 있다. 인서트(55)는 실린더 커버(22)에 장착되며, 연료 분사 밸브(52)의 제1 노즐 구멍(31)을 프리-챔버(51)와 연결하는 제1 채널(56)과, 제2 노즐 구멍(33)과 연소 챔버(53)와 연결하는 제2 채널(57)을 포함한다. 도 5에서, 밸브 니들(41) 및 그에 따라 세장형 부재(34)는 연료가 임의의 노즐 구멍으로 유동하는 것을 방지하는 폐쇄 위치에 있다. 밸브 니들(41)의 제1 개방 위치로의 상승은 연료가 제1 채널(56)을 통해 프리-챔버(51)로 진입하게 허용할 것이고, 또한 밸브 니들(41)의 제2 개방 위치로의 추가 상승은 연료가 제2 채널(57)을 통해 연소 챔버로 진입하게 허용할 것이다.

Claims (8)

  1. 대형 터보차지식 2행정 유니플로 크로스헤드 이중 연료 내연 엔진으로서,
    상기 엔진은 암모니아, 메탄, 메탄올, 에탄, LPG 또는 DME와 같은 제1 연료와 상기 제1 연료의 점화를 위한 연료 오일로 엔진이 작동되는 오토 사이클 모드 및 연료 오일만으로 엔진이 작동되는 디젤 사이클 모드를 가지며,
    상기 엔진은,
    실린더 라이너(1), 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 사이에서 왕복운동하는 피스톤(10), 및 연소 챔버(53)를 규정하는 실린더 커버(22)를 갖는 적어도 하나의 실린더와,
    상기 실린더의 하부 섹션에 배열되어 적어도 상기 피스톤이 하사점 위치에 있는 동안 상기 연소 챔버(53) 내로 산소 함유 소기 가스를 유입시키기 위한 소기 가스 유입구(18)와,
    상기 실린더와 연관되어 상기 소기 가스 유입구(18)와 상기 실린더 커버(22) 사이의 상기 실린더 라이너(1) 내에 또는 상기 실린더 커버(22) 내에 배열되어서 BDC로부터 TDC로의 피스톤의 행정 동안 상기 제1 연료를 유입시키기 위한 적어도 하나의 연료 유입 밸브(50)와,
    상기 실린더 커버(22)에 또는 상기 실린더 라이너(1)에 배열되어 상기 피스톤이 TDC에 또는 그 근처에 있을 때 연료 오일을 분사하기 위한 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)와,
    상기 연소 챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 프리-챔버 포트(54)를 갖고 상기 실린더 커버(22)에 또는 상기 실린더 라이너(1)에 배열되는 적어도 하나의 파일럿 점화 프리-챔버(51)로서, 상기 파일럿 점화 프리-챔버(51) 내로 도입된 연료 오일로 상기 연소 챔버(53) 내의 상기 제1 연료와 소기 가스의 혼합물을 점화시키는 것
    을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)는 상기 엔진의 오토 사이클 모드 작동 동안 상기 파일럿 점화 프리-챔버(51) 내로 연료 오일을 도입하도록 배열되며,
    상기 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)는 상기 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 적어도 상기 연소 챔버(53) 내로 연료 오일을 분사하도록 배열되며,
    상기 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)는, 채널(56)을 통해 상기 프리-챔버(51) 내로 개방되는 적어도 하나의 제1 노즐 구멍(31)과, 상기 연소 챔버(53) 내로 개방되는 적어도 하나의 제2 노즐 구멍(33)과, 상기 적어도 하나의 제1 노즐 구멍(31) 및 상기 적어도 하나의 제2 노즐 구멍(33)에 대한 액세스를 각각 개방 및 폐쇄하기 위한 수단(34)을 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)는 상기 엔진의 디젤 사이클 모드 작동 동안 상기 파일럿 점화 프리-챔버(51) 및 상기 연소 챔버(53)의 양쪽 모두에 연료 오일을 도입하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)는,
    후방 단부(36) 및 전방 단부(37)를 갖는 세장형 연료 밸브 하우징(35)과,
    상기 제1 및 제2 노즐 구멍(31, 33) 내로 개방되는 적어도 하나의 보어(39)를 갖는 노즐(38)로서, 상기 하우징(35)의 전방 단부(37)에 배열되는 상기 노즐(38)과,
    축선방향 변위가능 밸브 니들(41)
    을 포함하며,
    상기 축선방향 변위가능 밸브 니들은, 상기 축선방향 변위가능 밸브 니들(41)이 밸브 시트(42) 상에 놓여 연료가 상기 노즐(38)로 유동하는 것을 방지하는 폐쇄 위치와, 상기 축선방향 변위가능 밸브 니들(41)이 상기 밸브 시트(42)로부터 상승되어 연료가 상기 제1 및 제2 노즐 구멍(31, 33)으로의 방향으로 상기 노즐(38) 내의 상기 적어도 하나의 보어(39)를 통해 유동하는 것을 허용하는 적어도 제1 및 제2 개방 위치를 가지며,
    상기 제1 노즐 구멍(들)(31)로의 액세스는 상기 제1 개방 위치에서 개방되고, 적어도 상기 제2 노즐 구멍(들)(33)로의 액세스는 상기 제2 개방 위치에서 개방되는 엔진.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 노즐 구멍(들)(31)에 대한 액세스는 상기 제2 개방 위치에서도 개방되어, 연료가 상기 프리-챔버(51) 및 상기 연소 챔버(53)의 양쪽 모두로 진입하는 것을 허용하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 분사 밸브(52)는 슬라이드 밸브(52)이고, 상기 밸브 니들(41)은 상기 노즐(38) 내의 하나의 단일 보어(39) 내로 돌출하는 세장형 부재(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 슬라이드 밸브(52)의 상기 세장형 부재(34)는 중실 제1 부분(43) 및 상기 밸브 시트(42)로부터 가장 멀리 있는 중공 제2 부분(44)을 포함하고, 상기 중공 제2 부분(44)은 연료가 상기 중공 제2 부분(44)으로 들어가도록 허용하는 적어도 하나의 오리피스(45)를 포함하고, 상기 오리피스는 상기 세장형 부재의 자유 단부(46)에서 개방되며,
    상기 밸브 니들(41)이 상기 밸브 시트(42)로부터 멀리 제1 개방 위치로 상승될 때 상기 세장형 부재(34)의 상기 자유 단부(46)는 자유롭게 상승되어 상기 제1 노즐 구멍(들)(31)로의 액세스를 개방시키고, 상기 밸브 니들(41)이 상기 밸브 시트(42)로부터 멀리 제2 개방 위치로 상승될 때 상기 세장형 부재(34)의 상기 자유 단부(46)는 자유롭게 상승되어 상기 제2 노즐 구멍(들)(33)로의 액세스를 개방시키는 것을 특징으로 하는 엔진.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 밸브 니들(41)이 상기 밸브 시트(42)로부터 멀리 제2 개방 위치로 상승될 때, 상기 슬라이드 밸브(52)의 상기 세장형 부재(34)는 상기 제1 노즐 구멍(들) (31)로의 액세스를 폐쇄하는 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
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