KR20150084687A - 기체 연료 공급 시스템 - Google Patents

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KR20150084687A
KR20150084687A KR1020150006778A KR20150006778A KR20150084687A KR 20150084687 A KR20150084687 A KR 20150084687A KR 1020150006778 A KR1020150006778 A KR 1020150006778A KR 20150006778 A KR20150006778 A KR 20150006778A KR 20150084687 A KR20150084687 A KR 20150084687A
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gaseous fuel
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orifice
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KR1020150006778A
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헨드릭 헤롤드
이오아니스 블라스코스
안드레아 마르키
Original Assignee
캐터필라 모토렌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

내연 엔진(10)의 제 1 실린더 뱅크(12)와 제 2 실린더 뱅크(14)에 기체 연료를 공급하기 위한 기체 연료 공급 시스템(100)이 개시된다. 제 1 실린더 뱅크(12)에 기체 연료를 공급하기 위해, 제 1 덕트 라인(120)은, 기체 연료를 받기 위한 제 1 입구 단부(110)에서부터 제 1 덕트 라인(120)의 제 1 반대쪽 단부(124)까지 연장되어 있는 제 1 내부 공간(126)을 포함하며, 또한 제 2 실린더 뱅크(14)에 기체 연료를 공급하기 위해, 제 2 덕트 라인(140)은, 기체 연료를 받기 위한 제 2 입구 단부(110)에서부터 제 2 덕트 라인(140)의 제 2 반대쪽 단부(144)까지 연장되어 있는 제 2 내부 공간(146)을 포함한다. 예컨대 기체 연료 공급 시스템(100) 내의 최고 압력 및 압력 변동을 감쇠시키기 위해, 덕트 감쇠 요소(150)는, 제 1 덕트 라인(120)의 제 1 내부 공간(126)과 상기 제 2 덕트 라인(140)의 제 2 내부 공간(146)을 유체 연결하는 적어도 하나의 덕트 감쇠 오리피스(152)를 갖는다.

Description

기체 연료 공급 시스템{GASEOUS FUEL FEEDING SYSTEM}
본 개시는 기체 연료로 내연 엔진을 작동시키는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 내연 엔진의 각 실린더 유닛에 기체 연료를 공급하는 것에 관한 것이다.
기체 연료로 작동되는 다양한 구성의 내연 엔진이 알려져 있다. 예컨대, 기체 연료로만 운전되도록 특별히 최적화되어 있는 내연 엔진이 있다. 점화 개념은 예연소실에 기반한 불꽃 점화식 연소일 수 있다. 더욱이, 액체 연료형 뿐만 아니라 기체 연료형으로 엔진을 작동시키는 것을 가능케 해주는 이중 또는 다중 연료 엔진 구성이 있다. 그러한 구성에서, 액체 연료 작동을 위한 점화는, 액체 연료 작동을 위해 사용되는 액체 연료 분사 시스템 또는 기체 연료 작동을 위한 특별한 액체 연료 분사 시스템을 사용하여 수행될 수 있다.
기체 연료로 작동되는 내연 엔진은 보통 기체 연료 공급 시스템을 포함하는데, 이 시스템은 보통 엔진 블럭에 장착되고 각 실린더 유닛에 기체 연료를 공급한다. 작동 중에, 기체 연료 공급 시스템 내부에서 압력 변동이 발생하여 엔진의 작동에 영향을 줄 수 있다.
보통, 기체 연료의 부피 당 에너지량은 액체 연료에 비해 낮기 때문에, 연소를 위해 동일한 양의 에너지를 전달하기 위해 기체 연료 공급 시스템 내부의 직경은 더 크게 된다. 커먼 레일(common rail) 시스템과 같은 액체 연료 시스템과 비교하여, 기체 연료 공급 시스템에서 기체 연료의 연료 압력은, 보통 예컨대 2 bar 내지 6 bar(1-단 과급의 경우)에서 12 bar 이상(2-단 과급의 경우)까지의 범위로 낮다. 추가적으로, 기체 연료는 압축가능하다. 상기한 점들 중의 하나 또는 모두는 작동 중에 기체 연료 공급 시스템 내부에서의 압력 변동에 영향을 줄 수 있다.
본 개시는 종래 시스템의 상기한 하나 이상의 점을 적어도 부분적으로 개선하거나 극복하기 위한 것이다.
제 1 양태에서, 내연 엔진의 제 1 실린더 뱅크와 제 2 실린더 뱅크에 기체 연료를 공급하기 위한 기체 연료 공급 시스템은, 상기 제 1 실린더 뱅크에 기체 연료를 공급하기 위해, 기체 연료를 받기 위한 제 1 입구 단부에서부터 제 1 덕트 라인의 제 1 반대쪽 단부까지 연장되어 있는 제 1 내부 공간을 포함하는 제 1 덕트 라인; 상기 제 2 실린더 뱅크에 기체 연료를 공급하기 위해, 기체 연료를 받기 위한 제 2 입구 단부에서부터 제 2 덕트 라인의 제 2 반대쪽 단부까지 연장되어 있는 제 2 내부 공간을 포함하는 제 2 덕트 라인; 및 상기 제 1 덕트 라인의 제 1 내부 공간과 상기 제 2 덕트 라인의 제 2 내부 공간을 유체 연결하는 적어도 하나의 덕트 감쇠 오리피스를 갖는 감쇠 요소를 포함한다.
제 2 양태에서, 내연 엔진의 적어도 하나의 실린더 뱅크에 기체 연료를 공급하기 위한 기체 연료 공급 시스템은, 상기 실린더 뱅크에 기체 연료를 공급하기 위한 덕트 라인(이들 덕트 라인은, 기체 연료를 받기 위한 제 1 입구 단부에서부터 상기 덕트 라인의 반대쪽 단부까지 연장되어 있는 내부 공간을 포함함); 각기 상기 내부 공간과 실린더 뱅크의 각각의 가스 도입 밸브를 유체 연결하도록 구성되어 있는 복수의 분지 라인; 및 분지 입구 오리피스를 갖는 적어도 하나의 분지 감쇠 요소를 포함할 수 있으며, 상기 분지 입구 오리피스는 각각의 내부 공간을 적어도 하나의 분지 라인의 분지 내부 공간에 유체 연결한다.
어떤 실시 형태에서, 예컨대 종속 청구항에 기재되어 있는 바와 같은 제 1 양태의 특징들에 대한 추가 개량이 위에 기재된 제 2 양태에도 결합적으로 또는 단독으로 적용될 수 있다.
본 개시의 다른 특징 및 양태는 이하의 설명 및 첨부 도면으로 명확히 알 수 있을 것이다.
도 1 은 기체 연료로 작동가능한 일 예시적인 내연 엔진의 일 부분에 대한 사시도로, 그 내연 엔진의 몇몇 외부 요소들은 설명의 목적으로 도시되어 있지 않다.
도 2 는 불꽃 점화식 내연 엔진의 일 예시적인 실린더 유닛의 절개도이다.
도 3 은 실린더 유닛에 대한 기체 연료의 공급을 도시하기 위한, 도 1 의 내연 엔진의 일 부분에 대한 사시도이다.
도 4 는 기체 연료 공급 시스템의 일 예시적인 루프 레일 설계의 상면도이다.
도 5 는 덕트 감쇠 오리피스를 갖는 덕트 감쇠 요소를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6 은 분지 입구 오리피스를 갖는 분지 감쇠 요소를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시 형태를 상세히 설명하도록 한다. 여기서 설명하고 도면에 도시되어 있는 예시적인 실시 형태는, 본 개시의 원리를 가르쳐 주어 당업자가 본 개시를 많은 다른 환경에서 또한 많은 다른 용도로 실시하고 사용할 수 있게 해주기 위한 것이다. 그러므로, 본 예시적인 실시 형태는 특허 보호 범위의 제한적인 설명이 아니며 또한 그러한 설명인 것으로 생각되어서도 아니 된다. 오히려, 본 특허 보호 범위는 첨부된 청구 범위로 규정되어야 한다.
본 개시는, 실린더의 수가 증가 되면 개별 실린더 유닛에 제공되는 기체 연료의 양이 시간이 지남에 따라 또한 실린더 마다 변함에 따라 압력 변동이 엔진의 작동에 나쁜 영향을 줄 수 있다는 인식에 부분적으로 기초할 수 있다. 또한, 추가적인 공간(감쇠 공간이라고 생각함)을 기체 연료 공급 시스템에 제공하면 압력 변동을 줄일 수 있다는 것을 알았다. 특히, 본원에서는, 그러한 감쇠 공간이, 다수의 실린더 뱅크가 존재할 때, 기체 연료 공급 라인(본원에서는 주 덕트 라인 또는 간단히 덕트 라인이라고도 함)들을 연결함으로써 제공되는 것이 제안된다. 일 예로서, 예컨대 V-형태의 기체 연료 공급 라인들이 기체 연료 공급 포트의 반대쪽에 있는 단부에서 유체 연결될 수 있다.
기체 연료의 특성 및 기체 연료 공급 라인의 직경을 고려할 때, 각각의 기체 연료 공급 라인들을 덕트 감쇠 요소를 통해 연결하면 압력 변동이 줄어들 수 있다는 것을 또한 알았다. 덕트 감쇠 요소는 예컨대 덕트 감쇠 오리피스를 제공하여 직경 감소를 가능케 해준다. 덕트 감쇠 요소는 덕트의 일 부분으로서 일체적으로 형성될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 덕트 감쇠 요소는 덕트 라인에 유체 연결되는 별도의 개체이다.
그러한 구성은, 특히 사이클별 최고 압력 변화를 본질적으로 억제하거나 또는 적어도 감소시키는 기계적인 해결 방안인 것으로 생각된다. 더욱이, 예컨대, 불꽃 점화는 본질적으로 영향을 받지 않을 수 있고 공연비는 적절히 설정될 수 있다.
더욱이, 본 개시는, 주 덕트 라인(기체 연료 공급 라인)에서 분지 입구 라인으로 갈 때의 천이부에 분지 입구 오리피스를 대안적으로 또는 추가적으로 제공되고 상기 분지 입구 라인이 주 덕트 라인으로부터 기체 연료를 가스 도입 밸브에 전달한다는 인식에 부분적으로 기초할 수 있다.
여기서 개시된 구성으로, 여러 실린더 유닛에서 나타나는 압력이 더욱 일정할 수 있고 각각의 실린더 유닛에 도입되는 기체 연료의 양이 실린더 유닛 간에도 더욱 균일할 뿐 아니라 시간적으로도 더욱 균일할 수 있도록, 기체 연료 공급 시스템 내에서의 최고 압력 변동이 감소될 수 있다.
기체 연료의 압축성 때문에, 오리피스(예컨대 크기 및/또는 갯수에 있어서 각각의 공간에 특히 적합한 오리피스)와 같은 단순한 기계적 구조물을 배치하여 압력 변동에 대처할 수 있, 다. 여기서 설명하는 바와 같이, 오리피스는 기체 연료 라인의 유동 직경을 감소시킨다. 이는 예컨대 원형 단면 덕트 내의 원형 개구와 같은 단일의 개구에 의해 이루어질 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 요구되는 유동 직경은 일 평면 내에 있는 한 세트의 오리피스들에 의해 제공될 수 있으며, 이들 오리피스는 그들의 개구 면적의 합으로 희망하는 감쇠 효과를 제공할 수 있다. 유동에 대한 영향이 작을 수 있도록, 개구들 사이에 있는 랙(rack)의 크기는 예컨대 개구의 면적에 비해 작을 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 오리피스는 희망하는 감쇠 효과를 얻을 수 있도록 기체 연료 라인을 따라 제공될 수 있다.
기체 연료 공급 시스템의 기체 역학에 있어서의 폐쇄 단부와는 반대로(이러한 폐쇄 단부는 공진과 파동 증폭을 일으키는 파동 반사를 발생시킬 수 있음), 개시된 기체 연료 공급 시스템은 단부들을 연결하여 그러한 효과를 피하거나 적어도 감소시킨다. 전달 파동이 다음 뱅크에서 복귀 파동 증폭을 발생시키는 것을 더 방지하기 위해, 새로운 덕트 연결부의 중간에 오리피스를 두는 것을 제안한다. 이 오리피스의 크기는 전달 파와 반사 파 모두에 대한 희망하는 감쇠 효과가 얻어지도록 설정될 수 있다.
시뮬레이션 시험에 의하면, 오리피스 크기가 덕트 직경의 예컨대 20% 인 경우에, 사이클간 변화가 약 4.2%에서 약 1.5%로 감소되었고 또한 압력 변동이 감소되었으며 또한 입구 공급 압력도 감소된 것으로 나타났다. 따라서, 최적의 오리피스 크기는 고압파동 감쇠와 낮은 입구 압력 공급 간의 절충에 근거할 수 있다. 고압파동 안정성으로 인해, 시뮬레이션된 질량 유량이 또한 가스 도입 밸브의 개방 기간 중에 더욱 균일하게 되었다.
도면을 참조하면, 도 1 은 실린더 유닛의 2개의 실린더 뱅크를 갖는 엔진(10)의 일 예시적인 실시 형태를 사시도로 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2 는 일 예시적인 실린더 유닛의 절개도를 나타낸다. 그리고 도 3 은 실린더 유닛에 대한 기체 연료의 공급을 도시하기 위해 도 1 의 일 부분을 다른 사시도로 나타낸 것이다.
또한, 내연 엔진(10)의 기체 연료 공급 시스템(100)의 예시적인 구조적 구성이 도 4 내지 6 과 관련하여 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4 는 기체 연료 공급 시스템의 일 예시적인 루프 레일 설계의 평면도를 나타낸다. 도 5 는 덕트 감쇠 오리피스를 갖는 덕트 감쇠 요소(150)를 도시하며, 그리고 도 6 은 분지 입구 오리피스를 갖는 분지 감쇠 요소(170)를 도시하며, 이 분지 감쇠 요소는 예를 들어 주 덕트 라인에서 분지 입구 라인으로 갈 때의 천이부에 위치된다.
도 1 을 참조하면, 엔진(10)에는, V-형태로 엔진 블럭(16)에 장착되는 2개의 실린더 뱅크(12, 14)가 형성되어 있다. 이들 실린더 뱅크(12, 14)는 각각의 실린더 뱅크에 대해 각각 직렬로 정렬되어 있는 실린더 유닛(18)들을 포함한다.
엔진(10)은, 기체 연료 공급 시스템(100)을 통해 각각의 실린더 유닛(18)에 제공되는 기체 연료로 작동하도록 구성되어 있다. 또한, 엔진(10)은 냉각관(20)을 포함하는 냉각 시스템 뿐만 아니라 공기 시스템 및 배기 가스 시스템(명확히 나타나 있지는 않음)을 포함한다.
엔진(10)의 일 예는, 천연가스를 사용하고 불꽃 점화식이며 V-형 터보 과급식이고 또한 예컨대 후냉각되는 엔진일 수 있다. 그러한 엔진의 경우, 실린더 유닛(18)의 일 예시적인 단면이 도 2 에 나타나 있다.
도 2 에 나타나 있는 바와 같은 예의 경우, 실린더 유닛(18)은 엔진 블럭(16)에 통합되어 있는 실린더(22)를 포함한다. 이 실린더(22) 안에는 피스톤(24)이 슬라이딩가능하게 배치되어 있다. 실린더 헤드(26)가 실린더(22)와 관련되어 있고 엔진 블럭(16)에 장착되어 있다. 실린더 헤드(26)와 피스톤(24)은 주 연소실(28)을 형성하게 된다.
도 2 에는, 주 연소실(28)에 들어가는 과급 공기/기체 연료 혼합물의 유입을 제어하는 입구 밸브(30)가 또한 도시되어 있다. 과급 공기는 과급 공기 입구(32)를 통해 제공되고 기체 연료는 가스 도입 밸브(34)를 통해 과급 공기에 혼합된다. 가스 도입 밸브에는 기체 연료 공급 시스템(100)(도 2 에는 미도시)을 통해 기체 연료가 공급된다.
도 2 의 구성에는, 불꽃 점화를 위한 예연소실(36)의 존재가 또한 도시되어 있다. 그 예연소실(36) 안에서 소량의 기체 연료가 불꽃 점화되며, 그리고 이에 의해 예연소실(36) 내의 개구들을 통해 주 연소실(28) 내부에서 연소가 점화된다. 예연소실(36) 자체에는, 기체 연료 점화 시스템(38)을 거쳐 오는 기체 연료가 공급된다.
배기 가스는 배기 밸브(미도시)로 제어되는 배기 개구를 통해 주 연소실(28) 밖으로 안내된다. 실린더 유닛(18)은, 실린더 헤드(26) 또한 엔진 블럭(16) 내부에 제공되는 특별한 구성의 냉각 시스템 뿐 아니라 다수의 흡기 및 배기 개구/흡기 및 배기 밸브를 포함할 수 있다.
일반적으로, 엔진(10)은 각각의 밸브를 개폐하기 위한 일련의 밸브 작동 어셈블리(도 2 에는 미도시)를 포함할 수 있다. 이 밸브 작동 어셈블리는 예컨대 로커(rocker) 아암 기술에 기반한 것일 수 있다.
주 연소실(28) 내부에서 연소가 일어나면, 피스톤(24), 커넥팅 로드 및 편심 크랭크 핀(둘다 미도시)을 통해 엔진(10)의 크랭크 축(미도시)이 구동된다.
엔진(10)은 어떤 다른 종류의 내연 엔진이라도 될 수 있는데, 예컨대 이중 연료 작동식 엔진 또는 액체 연료 점화식 기체 연료 엔진일 수 있다. 그러나, 여기서 개시하는 바와 같은 덕트 감쇠 오리피스를 갖는 기체 연료 공급 시스템에 대해, 엔진 종류는 다수의 뱅크(또는 분지부)를 포함하는 엔진 종류를 말하는 것이며, 감쇠 목적으로 덕트 라인들의 각각의 내부 공간을 서로 연결할 수 있도록 각각의 덕트 라인을 통해 기체 연료가 각 뱅크에 제공된다. 주 구성은 도 1 에 나타나 있는 바와 같은 V-형 구성을 포함할 수 있지만, 예컨대 각각의 덕트부를 갖는 일렬형 구성과 같은 다른 구성도 이용될 수 있으며, 그 덕트부에는 둘 이상의 기체 연료 공급 포트에서 기체 연료가 공급된다. 그러나, 여기서 개시하는 바와 같은 분지 감쇠 오리피스를 갖는 기체 연료 공급 시스템에 대해서는, 엔진 종류는 다수의 뱅크(또는 분지부)를 필요로 하지 않을 수도 있다.
도 3 내지 6 과 관련하여, 기체 연료 공급 시스템(100)을 더 상세히 설명하도록 한다.
도 3 을 참조하면, 부분 사시도는 각각의 실린더 유닛(18)에 대한 기체 연료의 공급을 도시한다. 도 3 의 앞 부분에는 실린더 뱅크(12)의 두 실린더 유닛(18)이 나타나 있다. 일련의 실린더 유닛(18)을 따라 제 1 덕트 라인(120)이 도 1 에도 나타나 있는 바와 같이 연장되어 있다. 제 1 덕트 라인(120)은 기체 연료 탱크 시스템(미도시)에 유체 연결되어 있다. 그 덕트 라인은 보통 예컨대 150 mm, 200 mm 또는 250 mm 와 같은 예컨대 100 mm 내지 300 mm 범위의 직경을 갖는 원형 단면을 갖는다.
각 실린더 유닛(18)에 대해, 분지 라인(122)이 덕트 라인(120)과 가스 도입 밸브(34)를 유체 연결한다. 각 양의 기체 연료가 가스 도입 밸브(34)를 통과하여, 과급 공기 시스템(미도시)에서 온 과급 공기와 혼합될 수 있다. 어떤 실시 형태에서는, 분지 라인(122)은, 각각의 단부에서 덕트 라인(120) 및 가스 도입 밸브(34)에 플랜지 연결되어 있는 가요성 관으로 형성되어 있다. 분지 라인(122)은 보통 예컨대 50 mm, 60 mm 또는 70 mm 와 같은 10 mm 내지 150 mm 범위, 예컨대 30 mm 내지 100 mm 범위의 직경을 갖는 원형 단면을 갖는다.
더욱이, 점화 기체 연료 시스템(200)이 도 1 에 나타나 있다. 이 점화 기체 연료 시스템(200)은, 제 1 덕트 라인(120)과 제 2 덕트 라인(140)을 따라 연장되어 있는 2개의 작은 관, 및 각각의 예연소실(36)에 기체 연료를 제공하기 위한 각각의 분배 라인(210)을 포함한다. 도 3 에서, 점화 기체 연료 시스템(200)의 작은 관은 제 1 덕트 라인(120)에 가려 있다.
도 4 의 상면도를 참조하면, 기체 연료 공급 시스템(100)은 기체 연료 입구 포트(110), 이 입구 포트에 유체 연결되어 제 1 실린더 뱅크(12)에 기체 연료를 공급하기 위한 제 1 덕트 라인(120), 및 상기 입구 포트에 유체 연결되어 제 2 실린더 뱅크(14)에 기체 연료를 공급하기 위한 제 2 덕트 라인(140)을 포함한다. 기체 연료 입구 포트(110)는, 1-단 과급식 엔진에 대해 예컨대 3 bar 내지 6 bar 범위의 압력에서 예컨대 천연 가스를 제공하는 기체 연료 공급 시스템에 연결될 수 있다.
또한, 도 4 에는, 예컨대 제 1 덕트 라인(120) 및 제 2 덕트 라인(140) 각각에 대한 각각의 일련의 분지 라인(122, 142)이 나타나 있는데, 이들 분지 라인은 가스 도입 밸브에 기체 연료를 제공하기 위한 것이다.
더욱이, 도 4 에는 점화 기체 연료 시스템(200)이 나타나 있는데, 이 시스템은 제 1 덕트 라인(120) 및 제 2 덕트 라인(140)에 각각 평행하게 연장되어 있는 소경 라인을 포함한다. 또한, 분배 라인(210)들이 개략적으로 도시되어 있다. 이들 분배 라인(210)은 각각의 예연소실(36)에 기체 연료를 제공한다. 도 3 에서, 점화 기체 연료 시스템(200)의 소경 라인은 제 1 덕트 라인(120)에 가려 있다.
제 1 덕트 라인(120)은, 제 1 입구(여기서는 기체 연료 입구 포트(110))에서부터 제 1 반대쪽 단부(124)까지 연장되어 있는 제 1 내부 공간(126)을 갖고 있으며, 도 4 에서 제 1 반대쪽 단부(124)는 덕트 감쇠 요소(150)에 제공되어 있다. 유사하게, 제 2 덕트 라인(140)은, 제 2 입구 단부(여기서는 또한 기체 연료 입구 포트(110))에서부터 제 2 반대쪽 단부(144)(유사하게 상기 덕트 감쇠 요소(150)의 다른 측에 위치되어 있음)까지 연장되어 있는 제 2 내부 공간(146)을 포함한다. 제 1 덕트 라인(120) 및 제 2 덕트 라인(140)은 덕트 감쇠 요소(150)를 통해 그들 각각의 반대쪽 단부(124, 144)에서 유체 연결되어 있다. 다시 말해, 도 4 는 덕트 단부들이 오리피스에 의해 연결되어 있는 루프 레일 설계를 나타낸다.
도 4 에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 기체 연료 공급 시스템(100)의 루프 레일 설계는, 4개의 관부(즉, 기체 연료 입구 포트(110)를 포함하는 포크 형태의 관부(160), 분지 라인(122, 142)의 장착을 위한 플랜지 구성을 각각 포함하며 서로 평행하게 연장되어 있는 2 개의 덕트 레일부(162, 164), 및 덕트 감쇠 요소(150)를 포함하는 연결부(166))에 기초한 구조를 포함할 수 있다. 네 부분으로 나누어져 있는 이러한 모듈형 루프 레일 설계로 인해, 기체 연료 공급 시스템(100)을 간단하게 장착할 수 있다.
도 5 는 연결부(166) 내부에 덕트 감쇠 요소(150)가 배치되어 있는 것을 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 그 덕트 감쇠 요소(150)는 덕트 감쇠 오리피스(152)를 포함한다. 이 오리피스(152)는 예컨대 직경(Ddf)을 갖는 원형으로 되어 있다. 덕트 감쇠 오리피스(152)는, 압력차가 있는 경우 기체 연료를 교환하기 위해 제 1 덕트 라인(120)의 제 1 내부 공간(126)과 제 2 덕트 라인(140)의 제 2 내부 공간(146)을 유체 연결하며, 상기 압력차는 예컨대 한 덕트 라인 내의 압력파에 의해 발생된다. 따라서, 덕트 감쇠 오리피스(152)를 통과하는 기체 연료의 관류에 의해, 반대쪽 단부(124, 144)에서 압력 변동의 잠재적인 반영이 줄어들게 되며, 그리하여 제 1 덕트 라인(120)과 제 2 덕트 라인(140) 내부에서의 압력 변동이 감쇠된다.
일반적으로, 덕트 감쇠 오리피스(152)의 면적은 예컨대 각각의 제 1 및 2 내부 공간(126, 146)의 크기에 적합하게 되어 있다. 어떤 실시 형태에서, 그 면적은 단면의 크기에 적합하게 되어 있다. 예컨대, 제 1 덕트 라인(120) 및/또는 제 2 덕트 라인(140)은 덕트 라인 직경(Df)을 갖는 원형 단면을 가질 수 있고 덕트 감쇠 오리피스(152) 또한, 덕트 라인 직경(Df)의 19%, 20%, 21% 또는 22% 와 같은 5% 내지 50% 범위, 예컨대 15% 내지 25% 범위에서 설정되는 감쇠 오리피스 직경(Ddf)을 갖는 원형일 수 있다. 비원형 또한 원형 오리피스의 경우, 덕트 감쇠 오리피스(152)의 면적은, 제 1 및/또는 2 덕트 라인(120, 140)의 단면적의 3.5%, 4%, 4.5% 또는 5% 와 같은 0.2% 내지 25% 범위, 예컨대 2% 내지 6% 범위에 있을 수 있다.
도 6 은 제 1 덕트 라인(120)에서 일 예시적인 분지 라인(122)으로 갈 때의 천이부 영역을 도시한다. 이 천이부에서, 분지 입구 오리피스(172)를 갖는 분지 감쇠 요소(170)가 제공되어 있다. 분지 감쇠 요소(170), 특히 분지 입구 오리피스(172)는 각각의 제 1 또는 2 내부 공간(126, 146)을 각각의 분지 라인(122, 142)의 분지 내부 공간(174)에 유체 연결한다.
어떤 실시 형태에서, 제 1 덕트 라인(120) 및/또는 제 2 덕트 라인(140)은 덕트 라인 직경(Df)을 갖는 원형 단면을 가지며, 복수의 분지 라인(122, 142) 중 적어도 하나의 분지 라인은, 덕트 라인 직경(Df)의 54%, 55%, 56% 또는 57% 와 같은 45% 내지 75% 범위, 예컨대 50% 내지 65% 범위의 분지 라인 직경(Db)을 갖는 원형 단면을 갖는다.
어떤 실시 형태에서, 분지 입구 오리피스(172)의 크기는 분지 라인의 단면의 크기에 적합하게 되어 있다. 예컨대, 복수의 분지 라인(122, 142) 중의 적어도 하나의 분지 라인은 분지 라인 직경(Db)을 갖는 원형 단면을 가질 수 있고, 분지 입구 오리피스(172)는, 분지 라인 직경(Db)의 34%, 35%, 36% 또는 37% 와 같은 15% 내지 65% 범위, 예컨대 25% 내지 50% 범위의 분지 입구 오리피스 직경(Ddb)을 갖는 원형으로 되어 있다.
원형 또는 비원형 오리피스의 경우, 분지 입구 오리피스(172)의 면적은, 각각의 분지 라인(122, 142)의 단면적의 11%, 12%, 13% 또는 14% 와 같은 2% 내지 45% 범위, 예컨대 6% 내지 25% 범위에 있을 수 있다.
도 6 은 덕트 라인 가까이에 위치되어 있는 분지 입구 오리피스(172)를 도시하고 있지만, 어떤 실시 형태에서는, 가스 도입 밸브(34)의 상류에 분지 입구 오리피스가 추가적으로 또는 대안적으로 위치될 수 있다.
특정 크기의 오리피스를 갖는 감쇠 요소의 특정 위치에서의 존재는 제 1 덕트 라인(120)과 제 2 덕트 라인(140) 내부의 압력 특성에 영향을 주게 됨을 인식한 바와 같이, 덕트 감쇠 오리피스(152)의 직경 및/또는 분지 입구 오리피스(172)의 직경을 변화시켜서 압력 변동에 대해 최적화된 구성을 확인할 수 있다. 특히, 이는, 바람직하게도 공급 압력을 더 높게 할 필요 없이 실린더 내부의 질량 유량 변화 및 압력 변동을 줄이기 위해 설계를 최적화하는데 이용될 수 있다.
산업상 이용가능성
여기서 개시된 내연 엔진은, 도면에는 명시적으로 나타나 있지 않은, 공기 시스템, 냉각 시스템, 주변 기기, 구동렬(drivetrain) 요소, 터보 과급기 등과 같은 추가적인 요소들을 포함할 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 내연 엔진은 4-행정 기체 연료 공급식 엔진일 수 있다. 내연 엔진을 위한 기체 연료는 천연 가스, 천연 가스 및 다른 기체 연료의 혼합 가스, 쓰레기 매립지 가스, 소화조 가스, 발효 탱크 가스, 열분해 가스 등을 포함할 수 있다.
그러나, 당업자라면, 내연 엔진은 여기서 설명한 바와 같은 기체 연료 공급 시스템을 사용하는, 예컨대 도 2 에 도시되어 있는 것과 같은 예연소실을 이용하는 불꽃 점화 엔진과 같은 어떤 종류의 엔진(내연 엔진, 터빈 엔진, 가스 엔진, 디젤 엔진, 기체 연료 엔진, 천연 가스 엔진, 프로판 엔진 등)이라도 될 수 있음을 알 것이다. 또한, 내연 엔진은 임의의 크기로 될 수 있고, 실린더 뱅크 내부에 배치되는 임의의 수의 실린더 유닛을 가질 수 있으며, 또한 V-형 구성과 같은 다수의 실린더 뱅크를 사용하는 임의의 구성으로 될 수 있다. 내연 엔진은, 기관차 분야, 도로용 트럭 또는 차량, 비도로용 트럭 또는 기계, 흙 운반 장비, 발전기, 항공우주 분야, 선박 분야, 펌프, 정치식 장비 또는 엔진 동력을 받는 다른 분야를 포함하여 임의의 기계 또는 다른 장치에 동력을 공급하는데 사용될 수 있다.
여기서 개시된 기체 연료 공급 시스템의 실시를 위한 내연 엔진의 예는, 예컨대 독일의 킬(Kiel)에 소재하는 Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG 에서 제작된 GCM34 시리즈의 V-형 엔진을 포함할 수 있는데, 이 엔진은 450 내지 750 rpm 범위에서 작동되며 실린더 당 예컨대 최대 600 kW 를 제공하게 된다.
이하, 각각의 특징에 결합적으로 또는 그에 대한 대안으로 적용될 수 있는 변형예를 설명하도록 한다.
어떤 실시 형태에서, 각각의 덕트 감쇠 오리피스는 제 1 반대쪽 단부(124)와 제 2 반대쪽 단부(144)에서 제 1 내부 공간(126) 및 제 2 내부 공간(146)을 각각 한정한다. 따라서, 그들 실시 형태에서 감쇠 요소는 하나 이상의 덕트 감쇠 오리피스를 갖는다. 그리고, 그들 덕트 감쇠 오리피스는, 함께 희망하는 감쇠 효과가 얻어지도록 또한 제 1 내부 공간(126)과 제 2 내부 공간(146) 사이의 기체 연료 교환이 일어나도록 구성되어 있다.
어떤 실시 형태에서, 적어도 하나의 덕트 감쇠 오리피스(152)는 기체 연료의 관류가 가능하도록 제 1 내부 공간(126)과 제 2 내부 공간(146)을 유체 연결한다.
일반적으로, 덕트 감쇠 오리피스(152)의 면적은, 덕트 감쇠 오리피스(152)의 다른 측에서 각각의 내부 공간(126, 146)과의 기체 연료 교환을 통해 최고 압력 감쇠가 일어나도록 되어 있을 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 덕트 감쇠 요소(150)는, 제 1 덕트 라인과 제 2 덕트 라인 사이에서 대칭적으로 루프 라인 구성의 중간에, 예컨대 도 4 에 나타나 있는 바와 같이 기체 연료 입구 포트(110)의 반대쪽에 위치된다.
어떤 실시 형태에서, 적어도 하나의 덕트 감쇠 오리피스(152)는, 기체 연료를 교환하기 위해 또한 일반적으로 기체 연료의 관류를 가능하게 하기 위해 제 1 내부 공간(126)과 제 2 내부 공간(146)을 유체 연결한다.
덕트 감쇠 요소 처럼, 분지 감쇠 요소 또한 분지 라인의 일 부분으로서 일체적으로 형성될 수 있다. 어떤 실시 형태에서는, 분지 감쇠 요소는 각각의 분지 라인에 유체 연결되는 별도의 개체일 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 분지 감쇠 요소는 분지 라인의 입구 또는 예컨대 분지 라인과 가스 도입 밸브 사이에 있는 분지 라인의 단부에 위치될 수 있다.
덕트 감쇠 요소 처럼, 분지 감쇠 요소는 일 평면 내에 있는 하나 이상의 오리피스를 포함할 수 있다. 후자의 경우, 합 개구 면적은 희망하는 감쇠를 얻을 수 있도록 되어 있다. 유사하게, 하나 이상의 오리피스가 감쇠를 얻을 수 있도록 유동을 따라 위치될 수 있다.
마지막으로, 압력 변동에 대한 영향은 내연 엔진의 실린더 수가 증가함에 따라 증가하는 것으로 생각된다. 특히, 개시된 기체 연료 공급 시스템은 실린더 뱅크 당 8, 9 또는 심지어 10개의 실린더를 갖는 대형 내연 엔진에서 이용될 수 있다.
여기서 덕트 감쇠 요소 및 분지 감쇠 요소는 공통의 실시 형태로 개시되었지만, 덕트 감쇠 요소와 분지 감쇠 요소 각각은 자체적으로 희망하는 감쇠를 제공할 수 있다. 그래서, 구성들은 개별적으로 적용가능한 것으로 생각해야 한다. 그러나, 구성들을 결합하여 사용하면, 특정 조건의 경우에 희망하는 감쇠 효과를 제공할 수 있는 상승(synergy) 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태를 여기서 설명하였지만, 이하의 청구 범위에서 벗어남이 없이 개량과 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 내연 엔진(10)의 제 1 실린더 뱅크(12)와 제 2 실린더 뱅크(14)에 기체 연료를 공급하기 위한 기체 연료 공급 시스템(100)으로서, 이 기체 연료 공급 시스템(100)은,
    상기 제 1 실린더 뱅크(12)에 기체 연료를 공급하기 위해, 기체 연료를 받기 위한 제 1 입구 단부(110)에서부터 제 1 덕트 라인(120)의 제 1 반대쪽 단부(124)까지 연장되어 있는 제 1 내부 공간(126)을 포함하는 제 1 덕트 라인(120);
    상기 제 2 실린더 뱅크(14)에 기체 연료를 공급하기 위해, 기체 연료를 받기 위한 제 2 입구 단부(110)에서부터 제 2 덕트 라인(140)의 제 2 반대쪽 단부(144)까지 연장되어 있는 제 2 내부 공간(146)을 포함하는 제 2 덕트 라인(140); 및
    상기 제 1 덕트 라인(120)의 제 1 내부 공간(126)과 상기 제 2 덕트 라인(140)의 제 2 내부 공간(146)을 유체 연결하는 적어도 하나의 덕트 감쇠 오리피스(152)를 갖는 감쇠 요소(150)를 포함하는 기체 연료 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    동일한 덕트 감쇠 요소(150), 예컨대 동일한 최고 압력 감쇠 오리피스(152)가 상기 제 1 반대쪽 단부(124) 및 제 2 반대쪽 단부(144)에서 상기 제 1 내부 공간(126)과 제 2 내부 공간(146)을 각각 한정하거나, 또는 각각의 덕트 감쇠 요소가 상기 제 1 반대쪽 단부(124) 및 제 2 반대쪽 단부(144)에서 상기 제 1 내부 공간(126)과 제 2 내부 공간(146)을 각각 한정하는 기체 연료 공급 시스템(100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 덕트 감쇠 오리피스(152)는 기체 연료의 관류가 가능하도록 상기 제 1 내부 공간(126)과 제 2 내부 공간(146)을 유체 연결하며, 그리고/또는
    상기 덕트 감쇠 오리피스(152)의 면적은, 그 덕트 감쇠 오리피스(152)의 다른 측에서 각각의 내부 공간(126, 146)과의 기체 연료 교환을 통해 최고 압력 감쇠 및 압력 변동 감쇠가 일어나도록 되어 있으며, 그리고/또는
    상기 덕트 감쇠 오리피스(152)의 면적은 각각의 제 1 및 2 내부 공간(126, 146)의 크기에 적합하게 되어 있는 기체 연료 공급 시스템(100).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 덕트 라인(120) 및/또는 제 2 덕트 라인(140)은 덕트 라인 직경(Df)을 갖는 원형 단면을 가지며, 덕트 감쇠 오리피스(152)는 상기 덕트 라인 직경(Df)의 19%, 20%, 21% 또는 22% 와 같은 5% 내지 50% 범위, 예컨대 15% 내지 25% 범위의 감쇠 오리피스 직경(Ddf)을 갖는 원형으로 되어 있는 기체 연료 공급 시스템(100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 덕트 라인(120) 및 제 2 덕트 라인(140)은 기체 연료 입구 포트(110)를 갖는 루프 라인 구성으로 되어 있고, 상기 덕트 감쇠 요소(150)는 상기 기체 연료 입구 포트(110)의 반대쪽에서 상기 제 1 덕트 라인과 제 2 덕트 라인 사이에서 대칭적으로 상기 루프 라인 구성의 중간에 위치되어 있는 기체 연료 공급 시스템(100).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 덕트 감쇠 오리피스(152)의 면적은, 제 1 및/또는 2 덕트 라인(120, 140)의 단면적의 3.5%, 4%, 4.5% 또는 5% 와 같은 0.2% 내지 25% 범위, 예컨대 2% 내지 6% 범위에 있는 기체 연료 공급 시스템(100).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 덕트 라인(120) 및 제 2 덕트 라인(140) 각각은 복수의 분지 라인(122, 142)을 포함하고, 이들 분지 라인 각각은 각각의 내부 공간(126, 146)과 각각의 실린더 뱅크(12, 14)의 각각의 가스 도입 밸브(34)를 유체 연결하도록 구성되어 있는 기체 연료 공급 시스템(100).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 분지 라인(122, 142)의 적어도 하나의 분지 입구 라인을 위해 분지 입구 오리피스(172)를 갖는 분지 감쇠 요소(170)를 더 포함하고, 상기 분지 입구 오리피스(172)는 각각의 제 1 또는 2 내부 공간(126, 146)을 각각의 분지 라인(122, 142)의 분지 내부 공간(174)에 유체 연결하는 기체 연료 공급 시스템(100).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 덕트 라인(120) 및/또는 제 2 덕트 라인(140)은 덕트 라인 직경(Df)을 갖는 원형 단면을 가지며, 복수의 분지 라인(122, 142) 중 적어도 하나의 분지 라인은, 상기 덕트 라인 직경(Df)의 54%, 55%, 56% 또는 57% 와 같은 45% 내지 75% 범위, 예컨대 50% 내지 65% 범위의 분지 라인 직경(Db)을 갖는 원형 단면을 갖는 기체 연료 공급 시스템(100).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분지 입구 오리피스(172)의 면적은, 각각의 분지 라인(122, 142)의 단면적의 11%, 12%, 13% 또는 14% 와 같은 2% 내지 45% 범위, 예컨대 6% 내지 25% 범위에 있으며, 그리고/또는
    상기 복수의 분지 라인(122, 142) 중의 적어도 하나의 분지 라인은 분지 라인 직경(Db)을 갖는 원형 단면을 가지며, 분지 입구 오리피스는, 상기 분지 라인 직경(Db)의 34%, 35%, 36% 또는 37% 와 같은 15% 내지 65% 범위, 예컨대 25% 내지 50% 범위의 분지 입구 오리피스 직경(Ddb)을 갖는 원형으로 되어 있는 기체 연료 공급 시스템(100).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 덕트 라인(120) 및 제 2 덕트 라인(140)은 제 1 입구 단부(110) 및 제 2 입구 단부(110)에서 공통의 기체 연료 공급 장치로부터 기체 연료를 각각 받도록 구성되어 있으며, 그리고/또는
    상기 기체 연료 공급 시스템(100)은, 상기 제 1 실린더 뱅크(12)와 제 2 실린더 뱅크(14)의 각각의 예연소실(36)에 기체 연료를 공급하기 위한 점화 기체 연료 시스템(200)을 더 포함하고, 예컨대 점화 기체 연료 시스템(200)은 상기 공통의 기체 연료 공급 장치로부터 기체 연료를 받도록 구성되어 있는 기체 연료 공급 시스템(100).
  12. 기체 연료로 작동하는 내연 엔진(10)으로서,
    제 1 실린더 뱅크(12) 및 제 2 실린더 뱅크(14);
    기체 연료 공급 장치; 및
    상기 기체 연료 공급 장치로부터 기체 연료를 상기 제 1 실린더 뱅크(12) 및 제 2 실린더 뱅크(14)에 공급하기 위한 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 기체 연료 공급 시스템(100)을 포함하는 내연 엔진,
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 내연 엔진은,
    실린더의 각 예연소실(36)에 기체 연료를 공급하는 점화 기체 연료 시스템(200)을 포함하는 불꽃 점화식 엔진;
    기체 및 액체 연료로 작동되며 기체 연료 작동은 액체 연료 분사를 통해 점화되는 이중 연료 엔진; 또는
    점화 연료 점화식 엔진으로서 작동되도록 구성되어 있는 내연 엔진(10).
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 실린더 뱅크(12) 및 제 2 실린더 뱅크(14)는 V-형태로 배치되어 있는 내연 엔진(10).
  15. 내연 엔진(10)의 적어도 하나의 실린더 뱅크(12, 14)에 기체 연료를 공급하기 위한 기체 연료 공급 시스템(100)으로서, 이 기체 연료 공급 시스템(100)은,
    상기 실린더 뱅크(12, 14)에 기체 연료를 공급하기 위한 덕트 라인(120, 140) - 이들 덕트 라인은, 기체 연료를 받기 위한 제 1 입구 단부(110)에서부터 상기 덕트 라인(120, 140)의 반대쪽 단부(124, 144)까지 연장되어 있는 내부 공간(126, 146)을 포함함 -;
    각기 상기 내부 공간(126, 146)과 실린더 뱅크(12, 14)의 각각의 가스 도입 밸브(34)를 유체 연결하도록 구성되어 있는 복수의 분지 라인(122, 142); 및
    분지 입구 오리피스(172)를 갖는 적어도 하나의 분지 감쇠 요소(170)를 포함하며,
    상기 분지 입구 오리피스(172)는 각각의 내부 공간(126, 146)을 적어도 하나의 분지 라인(122, 142)의 분지 내부 공간(174)에 유체 연결하는 기체 연료 공급 시스템.
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