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KR20210108883A - 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진 - Google Patents

대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진 Download PDF

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KR20210108883A
KR20210108883A KR1020210017504A KR20210017504A KR20210108883A KR 20210108883 A KR20210108883 A KR 20210108883A KR 1020210017504 A KR1020210017504 A KR 1020210017504A KR 20210017504 A KR20210017504 A KR 20210017504A KR 20210108883 A KR20210108883 A KR 20210108883A
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KR
South Korea
Prior art keywords
gas
fuel
diesel engine
mode
liquid
Prior art date
Application number
KR1020210017504A
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English (en)
Inventor
바르토츠 로즈마이슬로위츠
티모 한츠
Original Assignee
빈터투르 가스 앤 디젤 아게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 빈터투르 가스 앤 디젤 아게 filed Critical 빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Abstract

대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법이 제안되며, 그 대형 디젤 엔진은, 액체 연료가 연소를 위해 실린더 안으로 도입되는 액체 모드 및 연료로서 가스가 실린더 안으로 도입되는 가스 모드로 작동될 수 있는 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되며, 본 방법에서 액체 모드에서 혼합 모드로의 변경이 있고, 혼합 모드에서 가스의 가스 함량이 연료로서 공급되고 또한 액체 연료의 액체 함량이 실린더에 공급되며, 실린더 내의 연소의 질의 특징이 되는 제어 파라미터가 혼합 모드에서 결정되고, 그 제어 파라미터에 대한 한계 값이 미리 결정되며, 가스 함량은 제어 파라미터가 한계 값에 도달할 때까지 연속적으로 증가된다. 또한, 대형 디젤 엔진이 제안된다.

Description

대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진{A METHOD FOR OPERATING A LARGE DIESEL ENGINE AND A LARGE DIESEL ENGINE}
본 발명은, 각각의 카테고리의 독립 특허 청구항의 전제부에 따른, 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계된 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 대형 디젤 엔진에 관한 것이다.
대형 디젤 엔진은 전통적으로 중유(heavy fuel oil)로 작동된다. 2-행정 또는 4-행정 엔진, 예컨대 종방향 소기식(scavenged) 2-행정 대형 디젤 엔진으로 설계될 수 있는 대형 디젤 엔진은, 종종, 선박을 위한 구동 유닛으로서 사용되거나, 또는 심지어 예컨대 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동시키기 위해 정치식 작동에서 구동 유닛으로서 사용된다. 엔진은 통상적으로 상당한 기간 동안 연속적인 작동으로 가동되며, 이에 따라 작동 안전성 및 가용성에 대해 높은 요구 사항이 부과된다. 따라서, 작동 재료의 특히 긴 유지보수 간격, 낮은 마모 및 경제적인 취급이 작동자에게는 핵심적인 기준이 된다. 대형 디젤 엔진은 전형적으로 실린더를 가지며, 이 실린더의 내경(보어(bore))은 적어도 200 mm 이다. 오늘날, 최대 960 mm 또는 심지어 그 이상의 보어를 갖는 대형 엔진이 사용된다.
경제적이고 효율적인 작동, 배기 가스 한계 값의 준수 및 자원의 이용 가능성이라는 점 하에서, 연료인 중유에 대한 대체 연료가 또한 현재 대형 디젤 엔진을 위해 추구되고 있다. 이와 관련하여, 액체 연료, 즉 액체 상태에서 연소실 안으로 도입되는 연료, 및 기체 연료, 즉 기체 상태에서 연소실 안으로 도입되는 연료 둘 모두가 사용된다.
중유에 대한 알려져 있는 대체 연료로서 액체 연료의 예는, 특히 석유 정제에서 잔류물로 남게 되는 다른 중탄화수소, 알코올, 특히, 메탄올 또는 에탄올, 가솔린, 디젤 또는 또한 에멀젼 또는 현탁물(suspension)이다. 예를 들면, MSAR(Multiphase Superfine Atomized Residue)로 알려져 있는 에멀젼을 연료로 사용하는 것이 알려져 있다. 잘 알려져 있는 현탁물은 석탄 가루와 물의 현탁물이며, 이 현탁물은 대형 엔진용 연료로서도 사용된다. 기체 연료로서, LNG(액화 천연 가스)와 같은 천연 가스, LPG(액화 석유 가스)와 같은 액화 가스 또는 에탄이 알려져 있다.
특히, 적어도 2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진이 또한 알려져 있으며, 그래서, 엔진은 작동 상황 또는 환경에 따라 한 연료로 작동되거나 또는 다른 연료로 작동된다.
2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 대형 엔진의 한 예는, 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계된 대형 디젤 엔진이다. 이 엔진은, 액체 연료가 연소를 위해 실린더 안으로 도입되는 액체 모드 및 연료로서 가스가 실린더 안으로 도입되는 가스 모드로 작동될 수 있다.
적어도 2개의 또는 심지어 그 보다 많은 상이한 액체 또는 기체 연료로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진은, 현재 사용되고 있는 연료에 따라 종종 상이한 작동 모드로 작동된다. 종종 디젤 작동이라고 하는 작동 모드에서, 연료의 연소는 일반적으로 연료의 압축 점화 또는 자기(self) 점화의 원리에 따라 일어난다. 종종 오토(Otto) 작동이라고 하는 모드에서, 연소는 점화 가능한 예혼합된 공기-연료 혼합물의 스파크 점화로 일어난다. 이 스파크 점화는, 예컨대 전기 스파크에 의해, 예컨대, 스파크 플러그로, 또는 분사된 소량 연료의 자기 점화(이는 다른 연료의 스파크 점화를 야기할 수 있음)에 의해 일어날 수 있다. 자기 점화를 위한 소량의 연료가 종종 연소실에 연결되어 있는 예연소실 안으로 분사된다.
더욱이, 오토 작동과 디젤 작동의 혼합된 형태가 또한 알려져 있다.
본 출원의 구조 내에서, "대형 디젤 엔진" 이라는 용어는, 적어도 디젤 작동으로 작동될 수 있는 엔진을 말한다. 그래서, 특히, "대형 디젤 엔진" 이라는 용어는, 디젤 작동에 추가로 다른 모드, 예컨대 오토 작동으로 작동될 수 있는 이중 연료 대형 엔진도 포함한다.
본 출원의 구조 내에서, "가스 모드" 또는 "가스 모드로의 작동" 이라는 용어는, 토크 발생 연소를 위한 가스 또는 기체 연료만을 연료로 사용하는 것을 말한다. 이미 언급한 바와 같이, 예혼합된 공기-연료 혼합물의 스파크 점화를 위한 가스 모드에서는 소량의 자기 점화 액체 연료(예컨대, 중유)가 스파크 점화를 수행하기 위해 분사되는 것이 가능하고 또한 상당히 일반적인데, 하지만, 그럼에도 불구하고, 토크를 발생시키는 연소 과정은 완전히 가스 또는 기체 연료로 작동된다.
소량의 액체 연료의 자기 점화에 의한 스파크 점화의 이 과정을 가끔 파일럿 분사라고 한다. 이 파일럿 분사는, 대형 엔진이 액체 모드로 작동될 때 액체 연료를 연소실 안으로 분사하는 것과는 관계가 없다. 상이한 분사 장치가 액체 모드에서 액체 연료의 분사가 아닌 파일럿 분사를 위해 일반적으로 사용되지만 반드시 그럴 필요는 없다. 추가로, 파일럿 분사에서, 소량의 액체가 또한 자주 연소실 안으로 직접 분사되지 않고, 채널을 통해 연소실에 연결되어 있는 적어도 하나의 예연소실 안으로 분사된다.
특히, 가스 모드에서, 경제적이고 효율적인 저오염 작동에 대해, 비정상적인 연소 과정을 피하는 것이 매우 중요하며, 이 비정상적인 연소 과정은 특히 가스에 대한 소기 공기의 비(즉, 공연비)가 특정한 범위 내에 있지 않을 때 일어난다.
가스 함량이 너무 높으면, 공기-연료 혼합물은 너무 농후하게 된다. 혼합물의 연소는, 예컨대 자기 점화로 너무 뻘리 너무 조기에 일어나게 되는데, 이는 엔진의 노킹을 일으킬 수 있다. 공기 함량이 너무 높으면, 공기-연료 혼합물은 너무 희박하고 실화(misfiring)가 일어날 수 있으며, 이 실화는 물론 엔진의 효율적인 저오염 작동에도 부정적인 영향을 준다. 특히, 너무 높은 가스 함량과 너무 높은 공기 함량의 이들 두 상태를 비정상적인 연소 과정이라고 한다.
대형 디젤 엔진의 주어진 부하에 대해, 발생되는 토크를 공연비에 대해 그래프로 나타내면, 고질 연소와 비정상적인 연소 사이의 한계가 예컨대 2개의 한계 곡선, 즉, 노킹(knocking) 한계와 실화 한계에 의해 주어지며, 고질 연소는 이들 두 한계 곡선 사이에 있다. 노킹 한계를 넘는 작동 상태에서, 공기-가스 혼합물은 너무 농후한데, 즉 혼합물 내의 공기가 너무 적다. 너무 농후한 혼합물은 다양한 문제를 일으킬 수 있는데, 즉, 연소가 너무 빨리 일어나거나(빠른 연소) 또는 엔진에 노킹이 일어나기 시작하거나 또는 실린더 내의 혼합물이 일반적으로 과도한 가스 함량으로 인해 자기 점화로 너무 조기에(작동 사이클에 관련됨) 연소(예점화)하기 시작한다. 실화 한계를 넘는 작동 상태에서는, 공기-가스 혼합물이 너무 희박한데, 즉 연소실에는 최적 연소를 위한 충분한 가스가 없다.
이중 연료 대형 디젤 엔진에서 연료로서 어떤 가스가 사용되는 지에 따라, 대형 디젤 엔진을 고질 연소로 작동시키는 것은, 불가능하지는 않지만, 매우 문제가 될 수 있다. 따라서, 특히, 50 미만의 메탄가(methane number)를 갖는 가스는, 낮은 내노킹성을 가지며 그래서 자발적으로 점화되는 경향이 있기 때문에 위험하다.
그러므로, 이러한 최신 기술에서 출발한 본 발명의 목적은, 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되고 낮은 내노킹성을 갖는 가스로 고질 연소로 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법을 제안하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 목적은, 이러한 방법으로 작동되는 대형 디젤 엔진을 제안하는 것이다.
위의 목적을 달성하는 본 발명의 대상은 각각의 카테고리의 독립 특허 청구항의 특징적인 점을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법이 제안되며, 이 대형 디젤 엔진은, 액체 연료가 연소를 위해 실린더 안으로 도입되는 액체 모드 및 연료로서 가스가 실린더 안으로 도입되는 가스 모드로 작동될 수 있는 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되고, 본 방법에서 액체 모드에서 혼합 모드로의 변경이 있고, 혼합 모드에서 가스의 가스 함량이 연료로서 공급되고 또한 액체 연료의 액체 함량이 실린더에 공급되며, 실린더 내의 연소의 질의 특징이 되는 제어 파라미터가 혼합 모드에서 결정되고, 그 제어 파라미터에 대한 한계 값이 미리 결정되며, 가스 함량은 제어 파라미터가 한계 값에 도달할 때까지 연속적으로 증가된다.
본 발명에 따른 방법에서, 액체 모드는 그렇게 가정된다. 혼합 모드에서, 가스 연료와 액체 연료 둘 모두가 연료로서 실린더에 공급된다. 그런 다음 제어 파라미터에 근거하여, 실린더 내의 연소 과정의 질이 모니터링되며, 제어 파라미터가 미리 결정 가능한 한계 값에 도달할 때까지 가스 함량이 증가된다. 이 한계 값은 특히 연소 과정에 대한 노킹 한계가 초과되었음을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 혼합 모드로 인해, 특히, 연소 과정을 위해 낮은 내노킹성을 갖는 가스를 사용할 수 있다. 따라서, 예컨대, 가스의 내노킹성이 너무 낮기 때문에 이중 연료 대형 디젤 엔진이 고질 연소 과정의 영역을 벗어나지 않고서는 퍼지(purge) 가스 모드에서 전혀 작동될 수 없는 가스도 사용될 수 있다.
바람직하게는, 액체 함량은 연속적으로 감소된다. 이는, 가스 함량이 더 많이 증가될 수록 액체 함량이 더 많이 감소됨을 의미한다.
특히 바람직하게는, 액체 함량은 혼합 모드에서 최소화된다. 이는, 액체 함량은, 제어 파라미터가 한계 값에 가능한 한 가깝게 되지만 그 값을 초과하지 않는 정도로 감소됨을 의미한다.
또한, 한계 값은 대형 디젤 엔진이 작동되는 부하에 따라 미리 결정되는 것이 바람직하다. 예컨대, 대형 디젤 엔진이 전부하, 즉 100% 부하로 작동도면, 대형 디젤 엔진의 부분 부하 작동에 대해 결정되는 한계 값과는 다른 한계 값이 제어 파라미터를 위해 결정될 수 있다.
한 가능한 실시 형태에 따르면, 가스 함량은 대형 디젤 엔진이 가스 모드로 작동될 때까지 증가된다. 이 실시 형태에서, 따라서 혼합 모드는 액체 모드에서 가스 모드로 변경되는 천이를 나타낸다.
다른 실시 형태에서, 가스 함량은 혼합 모드에서 최대 60% 또는 최대 50% 이다. 이 실시 형태는, 낮은 내노킹성, 즉 낮은 메탄가를 갖는 가스를 사용하는 작동에 특히 바람직하다.
이렇게 해서, 본 발명에 따른 방법은 특히 가스의 메탄가가 최대 50인 가스로도 수행될 수 있다.
제어 파라미터는 연소실 내의 연소의 질의 특징이 된다. 제어 파라미터에 근거하여, 특히, 연소 과정이 비정상적으로 되어 가고 있는지 또는 연소 과정이 비정상적인 연소에 접근하고 있는지의 여부를 확인할 수 있다. 또한, 하나 보다 많은 제어 파라미터를 검출할 수 있다.
특히 바람직하게는, 다음과 같은 값들 중의 적어도 하나가 제어 파라미터로서 결정된다: 착화비 또는 연소실에서의 압력 구배 또는 점화 압력 또는 배출값.
배출값으로서, 질소 산화물 값이 제어 파라미터로서 특히 적합하다. 이렇게 해서, 배기 가스의 NOX 값이 제어 파라미터로서 결정될 수 있다.
특히, 혼합 모드는 대형 디젤 엔진이 어느 배출 기준에 따라 작동되고 있는 지에 따라, 특히 제어 파라미터로서 한계값 또는 제어 파라미터로서 한계값들에 의해 선택될 수 있다는 이점을 또한 갖는다. 따라서, 예컨대, 혼합 모드에서, 이는 대형 디젤 엔진이 Tier 2 기준에 따라 작동되든 또는 Tier 3 배출 기준에 따라 작동되든 가스 함량을 통해 선택할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 작동되는 대형 디젤 엔진이 본 발명에 의해 제안된다.
바람직하게는, 대형 디젤 엔진은 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 엔진으로 설계된다.
본 발명의 추가의 유리한 조치와 실시 형태는 종속 청구항에서 알 수 있다.
이하, 실시 형태 및 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 크랭크 각도에 따른 실린더 내의 압력을 도시한다.
"대형 디젤 엔진" 이라는 용어는, 일반적으로, 선박을 위한 구동 유닛으로서 사용되거나, 또는 심지어 예컨대 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동시키기 위해 정치식 작동에서 구동 유닛으로서 사용되는 엔진을 말한다. 일반적으로, 대형 디젤 엔진의 실린더 각각은 적어도 약 200 mm의 내경(보어)을 갖는다. "종방향 소기식" 이라는 용어는, 소기 공기 또는 과급 공기가 하단부의 영역에서 실린더 안으로 도입되는 것을 의미한다.
본 발명에 대한 이하의 설명에서, 이중 연료 대형 디젤 엔진, 즉 2개의 상이한 연로로 작동될 수 있는 엔진으로 설계되어 있는 대형 디젤 엔진을 참조한다. 특히, 이중 연료 대형 디젤 엔진은, 액체만이 실린더의 연소실 안으로 분사되는 액체 모드로 작동될 수 있다. 통상적으로, 액체 연료, 예컨대, 중유 또는 디젤유가 적절한 시간에 연소실 안으로 직접 분사되고 거기서 자기 점화의 디젤 원리에 따라 점화된다. 대형 디젤 엔진은 또한 가스 모드로도 작동될 수 있는데, 이 가스 모드에서는, 연료로서 역할하는 가스, 예컨대 LNG(액화 천연 가스) 또는 LPG(액화 석유 가스) 또는 에탄과 같은 천연 가스가 예혼합된 공기-연료 혼합물의 형태로 연소실 안에서 점화된다. 특히, 대형 디젤 엔진은 가스 모드에서 저압 과정에 따라 작동하는데, 즉 가스는 기체 상태에서 실린더 안으로 도입되며, 가스의 분사 압력은 최대 50 bar, 바람직하게는 최대 20 bar 이다. 공기-가스 혼합물은 오토 원리에 따라 연소실 안에서 스파크 점화된다. 이 스파크 점화는, 일반적으로, 소량의 자기 점화 액체 연료(예컨대, 디젤유 또는 중유)를 적절한 순간에 연소실 안으로 또는 예연소실 안으로 도입시켜 일어나고, 그런 다음에 연료가 연소실 안에서 스스로 점화되어 공기-연료 혼합물의 스파크 점화를 일으키게 된다.
위에서 이미 설명한 바와 같이, 본 출원의 구조 내에서, "가스 모드" 또는 "가스 모드로의 작동" 이라는 용어는, 대형 디젤 엔진이 이 가스 모드에서 가스 또는 기체 연료로만 작동되는 것으로 이해하면 되고, 선택적으로, 소량의 자기 점화 연료, 예컨대, 중유 또는 디젤유가 연소실 안으로 또는 공기-가스 혼합물의 스파크 점화(파일럿 점화)를 위한 하나 이상의 예연소실 안으로 도입된다.
여기서 설명되는 실시 형태에서, 종방향 소기식 이중 연료 2-행정 대형 디젤 엔진으로 설계된 대형 디젤 엔진을 참조한다.
대형 디젤 엔진은 적어도 하나의, 하지만 통상적으로는 복수의 실린더를 갖는다. 각 실린더의 내부에는, 피스톤이 상사점과 하사점 사이에서 실린더 축선을 따라 그 자체 알려져 있는 방식으로 앞뒤로 움직일 수 있게 배치된다. 피스톤은 그 자체 알려져 있는 방식으로 피스톤 로드를 통해 크로스헤드에 연결되며, 이 크로스헤드는 푸시 로드에 의해 크랭크축에 연결되며, 그래서 피스톤의 운동이 피스톤 로드, 크로스헤드 및 푸시 로드를 통해 크랭크축에 전달되어 이 크랭크축을 회전시키게 된다. 피스톤의 상측부는, 실린더 커버와 함께, 연소를 위한 연료가 도입되는 연소실의 경계를 형성한다.
가스 모드에서, 이 연료는 가스이다. 예컨대 저압 과정에서, 가스는 바람직하게는 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 대략 중간에서 각각의 실린더의 원통형 벽면을 통해 또는 실린더 라이너를 통해 실린더 안으로 도입된다. 실린더 안에서, 가스는 피스톤의 압축 운동 동안에 소기 공기와 혼합되어 점화 가능한 공기-연료 혼합물을 형성하게 되며, 피스톤이 대략 상사점에 있을 때 그 공기-연료 혼합물이 스파크 점화된다. 스파크 점화는, 바람직하게는, 자기 점화 연료, 예컨대, 중유 또는 디젤 연료를 각각의 실린더의 예연소실 안으로 분사하여 일어난다.
액체 모드에서는, 액체 연료만이 실린더의 연소실 안으로 분사된다. 일반적으로, 액체 연료, 예컨대, 중유 또는 디젤유가 적절한 시간에 연소실 안으로 직접 분사되어 거기서 자기 점화의 디젤 원리에 따라 점화된다.
연소실에서 공기-가스 혼합물의 스파크 점화만을 위한 파일럿 분사(즉, 가스 모드에서 액체 연료의 분사)는 바람직하게는 하나 이상의 파일럿 분사 노즐에 의해 수행되며, 그 파일럿 분사 노즐은, 액체 모드에서 액체 연료를 연소실 안으로 분사하는 주 분사 노즐(들)과는 다르다.
액체 모드를 위한 분사 시스템, 가스 모드를 위한 가스 공급 시스템, 가스 교환 시스템, 배기 시스템 또는 소기 또는 과급 공기의 공급을 위한 터보과급기 시스템, 및 대형 디젤 엔진을 위한 모니터링 및 제어 시스템과 같은, 대형 디젤 엔진의 구조 및 개별적인 구성 요소는 2-행정 엔진으로서의 설계 및 4-행정 엔진으로서의 설계 둘 모두를 위해 당업자에게 충분히 알려져 있고 그래서 여기서 추가의 설명을 필요로 하지 않는다.
여기서 설명되는 종방향 소기식 2-행정 대형 디젤 엔진의 실시 형태에서, 소기 공기 슬롯이 일반적으로 각 실린더 또는 실린더 라이너의 하측 영역에 제공되며, 이 슬롯은 실린더 내에서의 피스톤의 운동에 의해 주기적으로 폐쇄되고 개방되며, 그래서, 소기 공기 슬롯이 개방되어 있는 한, 과급 압력 하에서 터보과급기에 의해 제공되는 소기 공기가 그 소기 공기 슬롯을 통해 실린더 안으로 유입할 수 있다. 실린더 헤드 또는 실린더 커버에는, 일반적으로 중앙에 배치되는 출구 밸브가 제공되며, 연소 과정 후에 이 출구 밸브를 통해 연소 가스가 실린더로부터 배기 시스템 안으로 배출될 수 있다. 액체 연료의 도입을 위해, 하나 이상의 주 분사 노즐이 제공되는데, 이 주 분사 노즐은 예컨대 실린더 헤드에서 출구 밸브 근처에 배치된다. 가스 공급을 위해, 가스 입구 노즐을 갖는 적어도 하나의 가스 입구 밸브를 포함하는 가스 공급 시스템이 제공된다. 전형적으로, 가스 입구 노즐은, 예컨대, 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 대략 중간 높이에서 실린더의 벽에 제공된다.
현대의 대형 디젤 엔진에 있는 모니터링 및 제어 시스템은, 일반적으로 모든 엔진 또는 실린더 기능, 특히, 분사(분사의 시작과 끝) 및 출구 밸브의 활성화를 설정하거나 제어하거나 조절할 수 있는 전자 시스템이다.
본 발명에 따르면, 액체 모드를 가스와 액체 연료 둘 모두가 연료로서 실린더에 공급되는 혼합 모드로 변경할 수 있고, 그래서 실린더의 작동 사이클 동안에 가스와 액체 연료 둘 모두가 실린더의 연소실에서 연소된다.
액체 모드에서는, 액체 연료만이 주 분사 노즐에 의해 연소실에 공급된다. 파일럿 분사 노즐이 제공되면, 액체 모드에서 액체 연료를 파일럿 분사 노즐을 통해 추가로 도입할 수 있다. 그러나, 파일럿 분사 노즐을 통과하는 최대 연료 유량이 대형 디젤 엔진을 액체 모드에서 그 유량으로 작동시키기에 너무 낮기 때문에, 이 선택적인 조치는 주로 파일럿 분사 노즐이 막히거나 차단되는 것을 방지하는 역할을 한다.
가스 모드에서, 기체 연료가 가스 공급 시스템의 가스 입구 노즐(들)을 통해 실린더의 연소실 안으로 도입되고, 대형 디젤 엔진은 가스 또는 기체 연료로만 작동된다. 공기-가스 혼합물의 스파크 점화를 위해서만, 소량의 액체 자기 점화 연료가 연소실 안으로 도입된다. 파일럿 분사 노즐(들)이 제공되는 바람직한 실시 형태에서, 액체 연료를 위한 주 분사 노즐은 가스 모드에서 비활성화되는데, 즉 주 분사 노즐을 통해서는 분사가 일어나지 않는다. 별도의 파일럿 분사 노즐이 제공되지 않는 다면, 공기-가스 혼합물의 스파크 점화를 위한 파일럿 분사는 주 분사 노즐(들)에 의해서도 일어날 수 있다. 어떤 경우든, 파일럿 분사를 위해 도입되는 액체 연료의 양은 너무 작아, 사실상 토크 발생 연소에 기여하지 않는다. 전형적으로, 파일럿 분사는, 액체 연료의 연소가 연소 과정에서 나타나는 에너지 또는 에너지량에 최대 5%로 기여하도록 정해진다.
혼합 모드에서, 기체 연료와 액체 연료 물 모두가 연소실 안으로 도입되며, 액체 연료의 양은, 공기-가스 혼합물의 스파크 점화에 필요한 연료의 양 보다 상당히 더 크도록 정해진다. 액체 연료와 기체 연료 둘 모두는 토크 발생 연소에 상당히 기여한다. 액체 연료의 연소는 연소 과정에서 방출되는 에너지의 양에 5% 이상 기여한다. 가스 도입 시간은 액체 연료의 분사 시간 전이다. 공기-가스 혼합물은 예연소실(들) 안으로의 파일럿 분사에 의해 또는 작동 사이클의 적절한 시간에서 주 분사 노즐을 통해 연소실 안으로 도입되는 자기 점화 액체 연료에 의해 더 스파크 점화된다.
바람직한 실시 형태에서, 액체 모드로부터 혼합 모드를 거쳐 가스 모드로 전환될 수 있다. 다른 실시 형태의 경우에, 액체 모드에서 혼합 모드로 전환되고 그래서 대형 디젤 엔진은 더 긴 시간 동안 혼합 모드로 작동된다. 이어서, 대형 디젤 엔진은 다시 액체 모드로 작동될 수 있다.
혼합 모드(기체 연료와 액체 연료 둘 모두가 실린더 안으로 도입됨)에서, 가스의 기체 함량과 액체 연료의 액체 함량이 연료로서 실린더 안으로 공급된다.
혼합 모드에서, 실린더 내의 연소의 질의 특징이 되는 제어 파라미터가 결정된다. 특히, 연소 과정이 노킹 한계와 실화 한계 사이의 작동 범위에 있는지의 여부를 제어 파라미터로 확인할 수 있다. 이 작동 범위에서, 대형 디젤 엔진의 효율적이고 경제적인 저배출 작동이 가능하다. 이를 고질 연소 과정이라고 한다. 제어 파라미터의 구체적인 예가 도 1로 더 설명한다.
제어 파라미터에 대한 한계 값이 미리 결정되며, 이 한계 값은 초과되지 않아야 되며 또는 제어 파라미터에 따라서는 아래로 떨어지지 않아야 된다. 예컨대, 제어 파라미터의 한계 값은 노킹 한계에 있거나 또는 그에 바로 인접해 있도록 미리 결정된다. 이는, 제어 파라미터가 이 미리 결정된 한계 값 아래에 있는 한, 연소실 내의 공기-연료 혼합물이 너무 농후하게 되지 않는 것이 보장됨을 의미한다.
혼합 모드에서, 가스 함량은 제어 파라미터가 한계 값에 도달할 때까지 연속적으로 증가된다. 한계 값은, 예컨대 여전히 특정한 안전 여유가 있도록, 예컨대, 한계 값이 노킹 한계 상에 있지 않고 그 노킹 한계로부터 다소 떨어져 있도록 미리 결정될 수 있다.
혼합 모드는 액체 모드로부터 개시되는데, 즉, 대형 디젤 엔진이 액체 모드로 작동되면, 혼합 모드가 개시될 수 있다.
먼저, 제어 파라미터가 미리 결정된 한계 값을 초과하지 않는 값을 갖는 것을 보장하기 위해 제어 파라미터가 결정된다.
그런 다음에, 액체 연료에 추가로, 가스의 작은 가스 함량이 연료로서 실린더 안으로 도입되며, 동시에, 실린더 안으로 도입되는 액체 연료의 엑체 함량이 감소된다. 예컨대, 혼합 모드의 시작시의 가스 함량은 최대 10%이다.
원리적으로, 가스 함량이 어떤 변수에 관련되어 있는지를 선택할 수 있다. 이 변수는 예컨대 질량 분율일 수 있으며, 그래서 가스 함량은 질량 백분율로 주어진다. 그 변수는 또한 부피 분율일 수 있는데, 그래서 가스 함량은 부피 백분율로 주어진다. 또한, 변수는 가스의 에너지 부분일 수 있다.
이어서, 제어 파라미터의 현재 값이 결정되고 한계 값과 비교된다. 제어 파라미터가 아직 한계 값에 도달하지 않았으면, 가스 함량이 증가되고, 액체 함량은 감소된다. 이 과정은 제어 파라미터가 한계 값에 도달할 때까지 반복된다. 그런 다음에, 가스 함량은 일정하게 유지된다.
추가 작동에서, 제어 파라미터는 연속적으로 검출된다. 제어 파라미터가 한계 값을 초과하면, 제어 파라미터가 다시 한계 값에 또는 그 아래에 있을 때까지 가스 함량이 감소된다. 제어 파라미터가 한계 값 아래에서 미리 결정가능한 공차 범위 보다 크면, 제어 파라미터가 다시 한계 값에 도달할 때까지 가스 함량이 증가된다.
가스 함량의 이 연속적인 조절로, 가스 조성의 변화, 또는 공기 습도 또는 공기 온도의 변화와 같은 주변 조건의 변화가 있더라도, 연소 과정이 고질 범위 내에 유지될 수 있다.
전술한 가스 함량의 증가로, 액체 함량은 가스 함량의 증가에 따라 연속적으로 감소된다. 혼합 모드에서 액체 함량을 최소화하는 것이 특히 바람직하다. 이는, 혼합 모드에서 제어 파라미터가 한계 값에 도달할 때까지 가스 함량이 증가함을 의미한다. 이상적으로, 혼합 작동에서, 그러므로 가스 함량은, 제어 파라미터의 현재 값이 제어 파라미터에 대한 한계 값과 같거나 가능한 한 그에 가깝게 되도록 설정된다.
일 유리한 변형예에 따르면, 한계 값은 대형 디젤 엔진이 작동되는 현재 부하에 따라 미리 결정된다. 이러한 목적으로, 룩업 테이블이 대형 디젤 엔진의 모니터링 시스템에 제공될 수 있는데, 이 룩업 테이블은 대형 디젤 엔진의 부하에 따른 제어 파라미터(들)에 대한 한계 값을 포함한다.
대형 디젤 엔진용 연료로서 어떤 가스가 사용되는지에 따라, 가스 함량은 혼합 모드에서 최대 100%까지 연속적으로 증가될 수 있고, 그래서 대형 디젤 엔진은 가스 모드로 작동되고, 또는 가스 함량은 최대 값까지만 증가되며, 제어 파라미터는 그 최대 값 보다 높게 한계 값을 초과할 것이다. 마지막에 언급된 변형예로, 혼합 모드에서 가스 함량은 100%까지 증가되지 않는데, 하지만, 예컨대 최대 60% 또는 최대 50%로 제한될 수 있다.
혼합 모드를 사용하는 본 발명에 따른 방법에 의해, 대형 디젤 엔진은 또한 내노킹성이 너무 낮아 최신 기술의 이중 연료 대형 디젤 엔진용으로는 적합하지 않는 가스로도 유리하게 작동될 수 있다. 이는 특히 50 미만의 메탄가를 갖는 가스, 예컨대, 에탄 또는 LPG(액화 석유 가스)와 같은 액체 가스이다.
이하, 본 발명에 따른 방법에 적합한 제어 파라미터의 몇몇 예를 도 1에 기반하여 설명한다.
도 1은 실린더의 연소실 내의 압력(p)을 크랭크 각도(KW)에 따라 나타낸 것이다. 2-행정 대형 디젤 엔진의 경우에, 실린더의 한 작동 사이클은 360°의 크랭크 각도 범위를 포함한다. 0°또는 360°의 크랭크 각도에서, 피스톤은 상사점에 있고, 이 상사점에서 연소실은 최소 부피를 가지며 연소실 내 연료의 점화가 그 상사점에 근처에서 일어난다. 180°의 크랭크 각도에서, 피스톤은 하사점에 있고, 이 하사점에서 연소실은 그의 최대 부피를 갖는다. 도 1에서, 피스톤의 압축 행정 동안에 출구 밸브가 닫히는, 즉 압축이 실린더에서 시작되는 크랭크 각도는 참조 번호 "1"로 나타나 있고, 연소 과정 후에 출구 밸브가 피스톤의 팽창 행정 동안에 열리는 크랭크 각도는 참조 번호 "2"로 나타나 있다.
참조 번호 "3"으로 나타나 있는 곡선은, 실린더 내에서 연료의 분사 또는 연소가 없는 경우에 실린에서의 압력 곡선을 나타낸다. 따라서, 곡선(3)은 작동 사이클 동안에 실린더 내 압력의 순수하게 기하학적으로 결정되는 코스를 나타낸다. 참조 번호 "4"로 나타나 있는 곡선은, 실린더 내에서 연소 과정이 일어날 때 실린더 내의 압력의 코스를 나타낸다.
피스톤이 작동 사이클 동안에 하사점에서 상사점으로 이동할 때, 출구 밸브는 크랭크 각도(1)에서 닫히고, 압축 과정이 시작된다. 크랭크 각도(5)에서, 연소 과정이 액체 연료의 자기 점화 또는 가스를 함유하는 공기-연료 혼합물의 스파크 점화로 시작된다. 곡선(4)의 코스는, 곡선(4)이 곡선(3)과 상이한 영역에서의 연소 과정의 질에 달려 있다. 연소 과정으로 인해, 실린더 내의 압력이 증가된다. 상사점을 지난 후에, 압력은 피스톤의 팽창 운동 동안에 떨어진다. 이 압력 강하는 출구 밸브가 크랭크 각도(2)에서 열릴 때 증가된다.
도 1의 선도는, 특히, 실린더 내의 연소 과정의 질의 특징이 되고 그래서 본 발명에 따른 방법을 위한 제어 파라미터로서 적합한 다음과 같은 파라미터를 도시한다: 착화비(Z)(연소 과정 동안에 실린더 내의 최대 압력, 즉 점화 압력(PM)과 연소 과정이 없는 실린더 내의 최대 압력(PG) 사이의 비, 즉 곡선(4)과 곡선(3)의 최대값 사이의 비를 나타냄); 압력 구배(G)(연소 과정 동안에 실린더 내의 압력이 크랭크 각도(KW)에 따라 얼마나 많이 변하는 지를 나타냄); 및 연소 과정 동안에 실린더의 연소실 내의 최대 압력을 나타내는 점화 압력(PM). 모든 이들 파라미터는 실린더 내에서의 연소 과정의 질을 평가하기 위한 제어 파라미터로서 특히 적합하다.
대안적으로 또는 추가적으로, 배출 값, 즉, 예컨대, 대형 디젤 엔진의 배기 가스 내의 오염물질 값을 제어 파라미터로서 사용하는 것도 가능하다. 특히, 질소 산화물 값이 적합한데, 이 값은 대형 디젤 엔진의 배기 가스에 질소 산화물(NOX)가 얼마나 많이 들어 있는지를 나타낸다.
또한 혼합 모드를 사용하여, 특히, 대형 디젤 엔진의 배출율을 선택할 수 있고 그래서 대형 디젤 엔진의 효율성을 최적화할 수 있다. 따라서, 예컨대, 제어 파라미터에 대한 한계 값은, 대형 디젤 엔진이 Tier 2 배출 기준을 만족하도록 미리 결정될 수 있고, 또는 한계 값은, 대형 디젤 엔진이 Tier 3 배출 기준을 만족하도록 미리 결정될 수 있다.
추가로, 혼합 모드에서, 현재의 가스 함량을 사용하여, 출구 밸브의 개폐 시기 또는 분사의 시작 또는 지속 시간과 같은 다른 작동 파라미터를 각각의 가스 함량 또는 각각의 액체 함량에 적합하게 할 수 있다.

Claims (15)

  1. 액체 연료가 연소를 위해 실린더 안으로 도입되는 액체 모드 및 연료로서 가스가 실린더 안으로 도입되는 가스 모드로 작동될 수 있는 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계된 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법으로서, 이 방법에서 액체 모드에서 혼합 모드로의 변경이 있고, 혼합 모드에서 가스의 가스 함량이 연료로서 공급되고 또한 액체 연료의 액체 함량이 실린더에 공급되며, 실린더 내의 연소의 질의 특징이 되는 제어 파라미터가 상기 혼합 모드에서 결정되고, 그 제어 파라미터에 대한 한계 값이 미리 결정되며, 상기 가스 함량은 상기 제어 파라미터가 상기 한계 값에 도달할 때까지 연속적으로 증가되는, 대형 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 함량은 연속적으로 감소되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액체 함량은 상기 혼합 모드에서 최소화되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한계 값은 대형 디젤 엔진이 작동되는 부하에 따라 미리 결정되는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 함량은 대형 디젤 엔진이 가스 모드로 작동될 때까지 증가되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 함량은 상기 혼합 모드에서 최대 60%인, 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 함량은 상기 혼합 모드에서 최대 50%인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스의 메탄가(methane number)는 최대 50인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    착화비(Z)가 제어 파라미터로서 결정되는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소실에서의 압력 구배(G)가 제어 파라미터로서 결정되는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    점화 압력(PM)이 제어 파라미터로서 결정되는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    배출값이 제어 파라미터로서 결정되는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    질소 산화물 값이 제어 파라미터로서 결정되는, 방법.
  14. 대형 디젤 엔진으로서, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 작동되는 대형 디젤 엔진.
  15. 제14항에 있어서,
    종방향 소기식(scavenged) 2-행정 대형 디젤 엔진으로 설계되어 있는 대형 디젤 엔진.
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