KR100743210B1 - 연료의 분사방법 - Google Patents

Abstract

적어도 두 개의 분사노즐(12a, 12b, 12c)이 각 연소실과 결합되고, 부분 부하 작동시 디젤 구조형의 왕복동 피스톤 연소 엔진(1)의 실린더(11)의 연소실 내부로 연료(14a, 14b)를 분사하는 방법에 있어서,

적어도 2회 연속 듀티 사이클 동안 분사노즐(12a, 12b, 12c) 중 적어도 하나로 연료가 분사되지 않으며 그리고 그 이후에 적어도 2회 연속 듀티 사이클 동안 다른 분사노즐(12a, 12b, 12c)에 의하여 연료(14a, 14b)가 분사되지 않는 방식으로 상기 연료(14a, 14b)가 교대로 분사된다.

디젤, 연소, 분사, 노즐, 엔진, 기관, 연소실, 왕복동, 피스톤, 행정

Description

연료의 분사방법 {METHOD FOR THE INJECTION OF FUEL}

도 1은 2행정 디젤 엔진의 개략적인 예시도이다;

도 2a는 하나의 실제 분사노즐을 갖는 연소실의 평면도이다;

도 2b는 두개의 실제 분사노즐을 갖는 연소실의 평면도이다.

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 부분 부하 작동시 디젤 구조형의 왕복동 피스톤 연소 기관의 실린더의 연소실 내부로 연료를 분사하는 방법에 관한 것이다.

디젤 구조형의 저속 2행정 왕복 피스톤 연소 기관의 실린더의 연소실 내부로 연료를 분사하는 방법은 EP 0 775 821의 명세서에 공지되어 있다. 연료는 2개 내지 4개의 연료 분사노즐을 사용하여 연소실 내부로 분사되는데, 상기 분사노즐은 전체 부하 범위에 관하여 연속적으로 작동된다. 특히 부분 부하 작동 중에 하나의 동력 행정을 위하여 결정된 연료량은 단지 하나의 분사노즐에 의하여 분사되며 그리고 다음에 계속되는 동력 행정에서 연료량은 두번째 분사노즐을 통하여 분사되어 각 동력 행정 중에 연료의 필요량이 각 분사노즐을 통하여 교대로 분사된다.

이 분사방법의 단점은 특히 부분 부하 작동 중에 연소실에서 불완전 연소가 발생되어, 연소의 배기가스가 고농도의 심한 매연을 가지고 있다는 사실이다.

본 발명의 목적은 더욱 바람직한 가동 특성을 가지는 방식의 디젤 구조형의 왕복동 피스톤 연소 기관을 작동하기 위한 것이다.

이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 방법에 의하여 충족된다.

또한, 종속항 2항 내지 9항은 더욱 바람직한 방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 적어도 2 연속 듀티 사이클 중에 적어도 하나의 분사노즐에서 연료가 분사되지 않고 그 다음에 적어도 2 연속 듀티 사이클 중에 연료가 뒤따른 분사노즐에 의하여 분사되지 않는 방식으로 연료가 교대로 분사되는 점에서, 각 연소실과 결합된 적어도 두개의 연소노즐과 함께, 부분 부하 작동시 디젤 구조형의 왕복동 피스톤 연소 기관의 실린더의 연소실로의 연료를 분사하는 방법을 특히 충족하는데 있다.

이러한 방법은 연소실에서 고온 구역을 발생시킬 수 있다. 바람직한 방법에서 연료는 장시간 가동에서 고온을 발생시키기 위하여, 적어도 30분, 바람직하게 10 내지 30분 사이의 시간 동안 동일한 분사노즐 또는 분사노즐들에 의하여 비대칭적으로 분사된다. 이 방법의 장점은 열 부하 변화의 수가 재료 피로의 유리한 효과를 가지고 있으며, EP 0 775 821의 명세서에 기재된 것과 비교하여 감소되는 점에 있다. 연소 구역 및 그 주위에서의 국부적인 고온은 심한 매연을 감소시킨다. 하나의 노즐만을 사용한 연료의 분사는 연료가 안정된, 재생 가능한 분사가 발생되는, 이 노즐을 통하여 일시적으로 분사되는 장점을 가지고 있다. 분사 중에 개별 노즐 사이의 연속적인 변화는 더 많은 횟수의 열 부하 변화의 단점을 가지고 있다.

연소실에서 불균일한 온도 분포는, 예를 들면 고온 부식이 열 구역에서 발생될 수 있기 때문에, 불리하다는 것이 예를 들면 EP 0 775 821의 명세서에서 당업자에게 공지되어 있다. 또한 불균일한 온도 분포는 실린더에서 그리고 피스톤에서 큰 응력을 발생시키며, 또한 재료의 피로를 증가시킨다는 것이 당업자에게 공지되어 있다. 따라서 당업자는 가능한 연소실 내의 어디든지 불균일한 온도를 피하기 위하여 그의 전문 지식의 결과로서 시도될 것이다.

그러나 다음과 같은 장점이 부분 부하 작동 중에 특히 단지 하나의 노즐의 개구로부터 발생된다는 것이 놀랍게도 판명되었다:

- 연소는 동일한 장소에서 발생되며, 따라서 더 높은 온도를 갖는 국부적인 열 구역이 연소 구역에서 나타난다. 이것은 연료의 보다 완전 연소 및 연소 배기 가스의 심한 매연을 감소시킨다.

- 온도 레벨이 부분 부하에서 대체로 낮기 때문에, 불균일한 온도 분포에도 불구하고 임계의 고온 부식이 피스톤에서 발생되지 않는다.

- 본 발명에 따른 분사방법을 통하여 열부하 변화의 횟수가 감소되며, 그것이 재료의 피로를 감소시키기 때문에, 피스톤, 실린더 캡 및 배기 밸브와 같은 연소실 구성요소의 수명은 각 듀티 사이클에서 노즐의 변화와 비교하여 증가된다.

연료는 각 경우에 하나의 노즐을 통하여 분사되는 것이 바람직하다.

부분 부하 작동은 연소실 내에서 및 연소실 구성요소에서 더 낮은 전체 온도 레벨에 이르게 한다.

그러므로 불균일한 온도 분포에 의하여 발생되는 연소실 구성요소의 더 높은 응력이 제한되어, 과다한 또는 임계 응력이 연소실 구성요소에서 발생되지 않는다. 또한 국부적으로 더 높은 연소실 온도에 의한 고온 부식의 발생은 더 낮은 전체 온도 레벨의 결과로써 방지된다.

본 발명에 따른 방법은 전체 부하의 15% 미만, 특히 전체 부하의 1%와 3%의 사이의 부분 부하의 매우 낮은 부분 부하 작동에 특히 적합하다.

본 발명에 따른 방법은 부분 부하 작동시 주위 환경에 도움이 되는 연소를 가능하게 하며 시각적으로 불온한, 회색 또는 흑색의 배기 가스 연기가 방지되는 중요한 장점을 가지고 있다. 이것은 선박용 디젤 엔진에 대하여 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 방법은 고정식 및 이동식 2행정 및 4행정 디젤 엔진, 특히 150 mm 이상의 실린더 내경을 갖는 4행정 디젤 엔진 또는, 각각, 300 mm 이상의 실린더 내경을 갖는 2행정 디젤 엔진에 적합하다.

예를 들면 3개 또는 4개의 분사노즐이 하나의 연소실과 결합된다. 디젤 엔진은 부하의 역활을 하여 다음 작동 모드로 작동될 수 있다:

전체 부하 작동에서 연료는 전체 3개 또는 4개의 분사노즐을 통하여 연소실 내부로 공급된다.

제1 부분 부하 범위에서는, 전체 부하의 25%와 15% 사이에서, 연료가 2 분사노즐을 통하여 연소실 내부로 분사된다.

전체 부하의 15% 미만의 제2 부분 부하 범위에서, 연료는 3개 또는 4개의 분 사노즐 중의 단 하나의 분사노즐만을 통하여 연소실 내부로 분사된다.

3개의 지정된 작동 모드 중의 하나로 전환 중에 분사노즐의 내부 또는 외부로 전환(switching)은 히스테리시스(hysteresis)를 가지고 있는 전환 기능과 함께 유리하게 발생한다. 따라서 제1 부분 부하 범위에서 시작하여, 제2 부분 부하 범위에 따른 작동 모드로의 전환은 전체 부하의 12.5%의 부분 부하에서 이루어지는 반면, 제2 부분 부하 범위에서 시작하여, 제1 부분 부하 범위에 따른 작동 모드로의 전환은 전체 부하의 17.5%의 부분 부하에서 이루어지는 방식으로, 예를 들면 전환은 제1 부분 부하 범위와 제2 부분 부하 범위 사이에서 이루어질 수 있다.

또한 일 작동 모드에서 다른 작동 모드로의 전환은 예를 들면 시간 제어가 사용되는 방식으로 발생할 수 있으며, 따라서 임의의 시간 후, 예를 들면 설정된 임계값을 초과하거나 아래로 떨어진지 20초 후, 전환이 다른 작동 모드로 이루어진다. 또한 일 작동 모드로부터 다른 작동 모드로의 전환은 갑자기 발생할 수 있으며, 따라서 다른 작동 모드로 전환이 예를 들면 5%의 부하의 큰 변화에서 즉시 이루어진다.

본 발명은 일 실시예를 참조하여 다음에서 설명될 것이다.

듀티 사이클(duty cycle)은 왕복동 피스톤 연소 기관의 작동 중에 발생하며 그리고 다른 것들 중에서 밸브의 작용, 연료 분사, 연소 및 연소 가스의 배출을 포함하는 방법을 의미하며 이하에서 이해될 것이다. 일반적으로 2행정 기관에서 듀티 사이클은 일 회전 후 완료되지만, 4행정 기관에서 듀티 사이클은 2회전 후 완료된 다.

도 1은 크랭크 샤프트(2) 사이에서 협동 작용, 연료 공급 및 배출 밸브(13)의 운동이 전자적으로 제어되는, 복수의 실린더(11)와 피스톤(10)을 구비한 2행정 디젤 엔진(1)을 도시한다. 연료는 고압 펌프(4)로 튜브 라인(tube line)(6) 및 어큐물레이터(accumulator)(5)를 경유하여 분사노즐(12)에 공급된다. 압력 펌프(7), 튜브 라인(9) 및 어큐물레이터(8)를 포함하는 유압 시스템은 배기 밸브(13)의 위치를 결정하도록 작용할 수 있도록 한다. 종방향으로 소기되는 2행정 디젤 엔진(1)은 증심에 배치된 배기 밸브(13) 및 실린더 커버의 주위에 배치되는 복수의 분사노즐(12)을 갖는다. 일반적으로 이런 종류의 2행정 디젤 엔진(1)은 2개 내지 4개의 연료용 분사노즐(12)을 가지고 있다.

도 2a는 일정한 간격으로 주위에 배치되는 3개의 분사노즐(12a, 12b, 12c)을 갖는 실린더(11)의 연소실을 개략적으로 도시한다. 이 방법은 각 경우에서 하나의 활성 분사노즐을 갖는 부분 부하 작동을 도시한다. 따라서 연료(14a)는 분사노즐(12a)을 통하여 분사되지만, 도시된 시점에서는 연료(14a)가 분사노즐(12b, 12c)을 통하여 분사되지 않는다. 적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 연료(14a)는 분사노즐(12a)을 통하여만 분사되며, 그리고 그 다음에 적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 연료(14a)는 분사노즐(12b)을 통하여만 분사되며, 그리고 그 다음에 적어도 2개의 다른 연속 듀티 사이클 중에 연료는 분사노즐(12c)을 통하여만 분사된다. 특히 바람직한 방법에서 연료는 실질적으로 또 다른 두개의 연속 듀티 사이클 동안, 예를 들면 10 내지 30분 동안 하나의 분사노즐(12a)로부터 공급된다. 그때 동일한 시간 동안 연료는 분사노즐(12b)을 통하여만 그리고 분사노즐(12c)을 통하여만 공급된다. 이 방법은 연소실에서 불균일한 온도 및, 결과적으로 적은 매연으로 연소하는, 고온의 연소 구역을 발생시킨다. 연료는 분사노즐(12a)을 통하여, 그 다음에 분사노즐(12b)을 통하여 그리고 그 다음에 분사노즐(12c)을 통하여 먼저 분사될 수 있다. 또한 분사노즐의 순서는 분사노즐(12c), 분사노즐(12b), 분사노즐(12a)의 순서로 작동될 수 있도록, 변경될 수 있다.

도 2b는 각 경우에서 동시에 작동되는 두 개의 분사노즐(12a, 12b)과 함께 부분 부하 작동의 방법 예를 도시한다. 도 2a에 따른 실시예와 유사하게 연료(14a, 14b)는 적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 분사노즐(12a, 12b)을 통하여만, 그 다음에 적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 분사노즐(12b, 12c)을 통하여만, 그 다음에 분사노즐(12c, 12a)을 통하여 마찬가지로 공급된다. 이 방법은 연속하여 반복된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 다른 한 쌍의 분사노즐(12b, 12c)이 변경되기 전에 동일한 분사노즐(12a, 12b)을 통하여 5 내지 60분 동안, 특히 10 내지 30분 동안 연료를 분사하는 것이 특히 바람직하다.

도 2a 및 도 2b에 예시된 두 방법 예는 더욱 장시간과 더욱 안정된 분사기간, 연소실, 또는, 각각, 부분 부하 작동 중에 고온을 갖는 연소 구역에서 일시적으로 불균일한 온도 분포를 얻기 위하여, 연료(14a, 14b)가 현행 노즐의 일부만의 개구를 통하여 실린더(11) 마다 각 경우에서 2개 내지 4개의 연료 분사노즐(12)을 갖는 2행정 또는 4행정 디젤 엔진에서 비대칭적으로 분사될 수 있는 다수의 방법 중에서 두 실시예만을 도시한다. 최대 부하의 1% 내지 15%의 매우 낮은 부분 부하에서, 각 경우에서 하나의 활성 분사노즐(12a, 12b, 12c)과 함께, 도 2에 예시된 방법이 특히 바람직하다. 분사노즐(12a, 12b, 12c)은 공칭 부하에서 작동하기 위한 크기를 가지고 있다. 바람직한 분사 형태를 얻기 위하여 상대적으로 적은 연료량을 하나의 분사노즐(12a, 12b, 12c)을 통하여 연소실로 공급하는 것이 부분 저부하에서 바람직하다.

본 발명은 다음과 같은 장점이 있다.

(1) 연료의 보다 완전 연소 및 연소 배기 가스의 심한 매연을 감소시킨다.

(2) 온도 레벨이 부분 부하에서 대체로 낮기 때문에, 불균일한 온도 분포에도 불구하고 임계의 고온 부식이 피스톤에서 발생되지 않는다.

(3) 본 발명에 따른 분사방법을 통하여 열부하 변화의 횟수가 감소되며, 그것이 재료의 피로를 감소시키기 때문에, 피스톤, 실린더 캡 및 배기 밸브와 같은 연소실 구성요소의 수명이 각 듀티 사이클에서 노즐의 변경과 비교하여 증가된다.

Claims (10)

1. 각 연소실과 결합되는 적어도 두개의 분사노즐(12a, 12b, 12c)을 가지고 있으며, 부분 부하 작동시 디젤 구조형의 왕복동 피스톤 연소 엔진(1)의 연소실 내부로 연료를 분사하는 방법에 있어서,

   적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 분사노즐(12a, 12b, 12c) 중의 적어도 하나의 분사노즐로 연료가 분사되지 않는 방식으로 연료(14a, 14b)가 교대로 분사되며; 그리고 그 다음에 적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 다른 분사노즐(12a, 12b, 12c)에 의하여 연료(14a, 14b)가 분사되지 않는

   것을 특징으로 하는 연료의 분사방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각 연소실에 2 내지 4개의 분사노즐이 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 연료가 적어도 2회 연속으로 동일한 분사노즐에 의하여 분사되고; 그 다음에 연료가 적어도 2회 연속으로 다른 분사노즐에 의하여 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서,

   매회마다 분사노즐 중의 하나의 분사노즐에 의하여 연료가 교대로 분사되고; 적어도 2회 연속 듀티 사이클 중에 동일한 분사노즐에 의하여 연료가 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 연료가 적어도 3분 동안 동일한 분사노즐에 의하여 연속적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 연료가 5 내지 60분 사이 동안 동일한 분사노즐에 의하여 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 왕복동 피스톤 연소 엔진은 전체 부하의 10% 미만의 부분 부하로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 왕복동 피스톤 연소 엔진은 4행정 또는 2행정 디젤 엔진으로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 연료가 하나 또는 2개 또는 3개의 분사노즐에 의하여 부분 부하 작동시 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 각 연소실과 결합되는 적어도 두개의 분사노즐(12a, 12b, 12c)을 갖는 적어도 하나의 실린더(11)를 포함하는 왕복동 피스톤 디젤 연소 엔진에 있어서,

    부분 부하시에 적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 분사노즐(12a, 12b, 12c) 중의 적어도 하나의 분사노즐로 연료가 분사되지 않는 방식으로 연료(14a, 14b)가 교대로 분사되며; 그리고 그 다음에 적어도 2개의 연속 듀티 사이클 중에 다른 분사노즐(12a, 12b, 12c)에 의하여 연료(14a, 14b)가 분사되지 않도록 하는 수단을 포함하는 왕복동 피스톤 디젤 연소 엔진.

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