KR100409136B1

KR100409136B1 - 내연디젤엔진용에멀젼의혼합및반송방법및장치

Info

Publication number: KR100409136B1
Application number: KR1019960013622A
Authority: KR
Inventors: 가이스트 마르쿠스
Original assignee: 베르트질레 슈바이츠 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 2004-03-26
Also published as: CN1065588C; FI961978A; KR960041685A; DK0742363T3; FI113392B; EP0742363A1; CN1136638A; JP3923561B2; JPH08303305A; DE59508565D1; FI961978A0; EP0742363B1

Abstract

본 발명은 내연디젤엔진의 물과 연료로 구성되는 에멀젼의 혼합 및 반송방법 및 장치에 관한 것으로, 내연디젤엔진의 상태파라미터, 예를 들면 회전속도는 센서로 측정되고, 필요한 에멀젼의 총량이 영역 II에 나타낸 바와 같이 일정하게 또는 대략 일정하게 유지되도록 에멀젼의 물과 연료(a)의 비율을 상태파라미터에 따라서 변경한다.

Description

내연디젤엔진용 에멀젼의 혼합 및 반송방법 및 장치

본 발명은 내연디젤엔진에서 물과 연료로 구성되는 에멀젼의 혼합 및 반송방법에 관한 것이며, 또한 내연디젤엔진의 운전을 위한 에멀젼의 혼합 및 반송장치에 관한 것이다.

내연디젤엔진의 운전시, 연소실내에 물을 분사하여 실린더내의 연소온도를 저하시킴으로써 질소산화물(NO_x)의 배출을 저감시키는 것은 공지되어 있다. 이러한 종류의 처리는 연료분사를 위한 장치외에 물의 분사를 위하여 제2의 장치가 필요하다는 단점이 있다.

또한, 내연디젤엔진의 운전시, 물과 연료를 혼합하여 물 - 연료에멀젼을 형성하고, 이 에멀젼을 종래의 연료펌프에 의하여 실린더내로 반송함으로써 질소산화물의 배출을 저감하는 것도 공지되어 있다. 이러한 구성에는, 혼합된 물의 용적에 따라서 연료펌프에 의하여 반송될 양이 증가한다. 이러한 종류의 장치는 토탈분사시스템을 반송될 최대용적에 맞추어야 하므로, 코스트가 매우 높거나 넓은 공간이 필요하거나, 또는 분사시스템의 반송용량을 변경하지 않고, 반송할 수 있는 연료의 최대량은 혼합된 물의 용적만큼 저감된 연료량이므로, 결국 모터가 저하된 파워로 운전될 수 밖에 없는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 물과 연료로 구성되는 에멀젼의 혼합 및 반송방법 및 장치, 또한 전술한 단점을 개선한 내연디젤엔진의 운전방법을 제안하는 것이다.

이러한 목적은 특허청구의 범위 제1항의 양태에 따른 방법에 의하여 달성된다. 종속항 제2항∼제6항은 본 발명의 더욱 유리한 구성에 관한 것이다. 또한, 이러한 목적은 특허청구의 범위 제7항의 양태에 따른 장치에 의하여 달성된다.

본 발명의 방법은 물과 연료로 구성되는 에멀젼을 혼합하여 에멀젼을 내연디젤엔진, 특히 대형디젤엔진에 도입하고, 내연디젤엔진의 상태는 센서로 측정되고, 에멀젼의 조성, 즉 물과 연료의 비율은 반송된 에멀젼의 총량이 일정하게 또는 대략 일정하게 유지되도록 이러한 센서신호에 따라서 변경한다.

내연디젤엔진에는 연료를 고압으로 연소실내에 분사하기 위하여 분사펌프가 사용된다. 본 발명의 방법에서 사용되는 것과 같은 디젤엔진에 사용되는 종래의 분사펌프는 디젤엔진을 부분부하로 운전할 때는 반송될 양에 대하여 과용량으로 된다. 본 발명의 방법은 이러한 과용량을 이용하여 연료에 물을 추가로 혼합하여, 얻어진 물-연료에멀젼을 반송하는 것이다. 이로써, 물과 연료의 총량은 디젤엔진의부하영역에 걸쳐서 일정하게 유지되고, 분사펌프는 최대배출영역에서 연속적으로 동작한다. 따라서, 엔진에 공급될 연료량을 연료펌프의 배출을 통하여 제어할 필요가 없고, 또한 연료에 혼합할 물의 양을 제어하면 된다.

본 발명의 방법은 부분부하의 증대시에는 보다 많은 양의 물을 디젤엔진에 공급하여 질소산화물의 형성을 저감하는 이점을 가진다. 이러한 방법으로 운전되는 디젤엔진은 특히 질소산화물의 배출이 바람직하지 않은 항구내와 해안지역에서 부분부하로 운전될 수 있으므로, 생태학적 관점에서 특히 바람직한 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 방법의 다른 이점은 분사시스템의 반송용량을 변경하지 않을 수 있으므로, 기존의 디젤엔진을 간단히 전환할 수 있고, 신규의 디젤엔진에 대하여 반송용량을 증가시킬 필요가 없다는 점에 있다. 또한, 분사될 물 - 연료에멀젼의 양이 넓은 부하영역에 걸쳐서 일정하게 유지되고 있기 때문에, 분사될 에멀젼의 분무화를 위하여 물-연료에멀젼이 연소실내로 분사되는 연료분사노즐은 넓은 부하영역에 걸쳐서 치수를 이상적으로 할 수 있다는 이점이 있다. 연료노즐의 치수는 디젤엔진의 매연 및 입자의 배출에 결정적이다. 넓은 부하영역에 걸쳐서 일정하게 유지되는 분사될 유체의 에멀젼은 연료분사노즐의 치수를 이상적으로 할 수 있고, 이상적으로 오염이 낮은 운전을 할 수 있게 된다.

낮은 부분부하영역, 대체로 최대부하의 50% 이하의 부분부하에서는, 물의 비율이 너무 많기 때문에 분사될 유체의 양이 일정하게 유지될 수 없다. 물/연료의 소정의 최대레이쇼가 엔진의 문제없는 운전을 보장할 수 없는 것이다. 이 레이쇼를 초과할 때는 소정의 최대비율을 초과하지 않도록 연료의 양과 또한 혼합된 물의 양을 모두 동시에 저감해야 한다. 이러한 방법으로, 내연디젤엔진은 최저부하로부터 최대부하까지의 전부하영역에 걸쳐 운전될 수 있다.

다음에, 본 발명에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 엔진파워의 함수로서 분사펌프에 의한 반송량을 나타낸다. 직선 a은 반송된 유체의 총량이 연료만으로 구성되고, 엔진파워에 따라서 반송량이 변하는 종래의 분사펌프의 운전을 나타낸다. 직선 b의 경로는 물과 연료로 구성되는 에멀젼을 혼합 및 반송하는 본 발명의 방법을 엔진파워의 함수로서 나타낸다. 내연디젤엔진의 엔진파워는 센서에 의하여 검출된다. 낮은 엔진파워 영역 I에서는, 전부하의 대략 0%∼50% 사이에서 반송될 연료량 a에 비례하여 물을 추가로 혼합하여 분사펌프로 반송될 물 - 연료에멀젼의 총량이 직선 b의 경로에 따른 양과 대응한다.

앤진파워영역 I에서는, 물의 비율이 너무 크면 문제가 없는 엔진운전을 보장할 수 없다. 따라서, 혼합될 연료의 양과 또한 물의 양을 동시에 변경해야 된다. 엔진파워 S에서, 반송되는 에멀젼의 양은 분사펌프의 정격출력에 대응한다. S로부터 최대 엔진파워 Mmax에 이르는 높은 엔진파워영역 II에서는, 분사펌프에 반송되는 에멀젼의 총량은 커브 b의 경로에 따라서 일정하게 유지된다. 이 동안 연료량은 엔진파워의 함수로서 커브 a의 경로에 따라서 변하고, 추가로 가해지는 물의 양은 물 - 연료에멀젼의 총량이 일정하게 또는 대략 일정하도록 조정된다.

제1도에 있어서, 물 - 연료에멀젼의 양 및 조성은 엔진파워의 함수로서 변화된다. 엔진파워의 대신에, 내연디젤엔진의 운전과 관련한 다른 파라미터도 또한 사용할 수 있고, 특히 센서로 검출할 수 있는 다음의 파라미터, 즉 엔진의 회전속도,소기(掃氣)공기압, 실린더내의 연소압, 배기가스온도, 배기가스중의 특정 성분의 농도 또는 토크 등을 사용할 수 있다.

그리고, 또한 내연디젤엔진의 상태파라미터는 조정장치로 측정된 파라미터로부터 산출할 수 있고, 조정장치는 마찬가지로 엔진 및 물 - 연료에멀젼의 조성을 조정한다.

제2도는 연료와 물로 구성되는 에멀젼의 혼합 및 반송장치를 단순화한 형태를 나타낸다. 내연디젤엔진의 상태를 검지하는 센서(31)는 신호라인(40)을 통하여 조정장치(30)에 연결된다. 2개의 반송펌프(1,9)의 회전속도는 각 신호라인(41,42)을 통하여 조정장치(30)에 의하여 결정된다. 연료는 연료로 채워진 탱크(13)로부터 라인(11) 및 후속의 반송펌프(9)를 통하여 에멀젼화시스템(8)에 공급된다. 물은 물로 채워진 탱크(5)로부터 라인(3) 및 후속의 반송펌프(1)를 통하여 에멀젼화시스템(8)에 공급된다. 에멀젼화시스템(8)은 상세하게 나타내지 않은 방법으로 물과 연료를 혼합하여 물-연료에멀젼을 형성한다. 이 에멀젼은 라인(19)을 통하여 분사펌프(16)에 공급되고, 분사펌프는 상세하게 나타내지 않은 방법으로 라인(19a)을 통하여 내연디젤엔진(20)의 연소실내에 에멀젼을 반송한다. 조정장치(30)는 센서(31) 및 경우에 따라서 설치될 수도 있는 다른 센서들을 모니터하고, 반송펌프(1,9)를 제어하여, 제1도에 나타낸 바와 같이, 반송된 물-연료에멀젼의 양에 있어서, 영역 II에서는 물과 연료의 비율이 변하고 양을 일정하게, 영역 I에서는 물과 연료의 비율이 일정하고 양을 가변으로 한다.

제3도는 더욱 상세하게 배치된 다른 장치를 나타낸다. 물은 반송펌프(1)에의하여 라인(3)을 통하여 버퍼탱크(4)에 반송되고, 이 반송펌프 앞에는 필터(2)가 삽입되고, 탱크(5)가 물의 공급장치로서 기능한다. 물은 버퍼탱크(4)로부터 미터링펌프(6)에 의하여, 상세하게 나타내지 않은 방법으로 물이 연료와 혼합되는 에멀젼화플랜트(8)에 반송되고, 미터링펌프 앞에 필터(7)가 삽입된다. 미터링펌프(6)는 조정장치(30)에 의하여 조정된다. 연료는 반송펌프(9)에 의하여 라인(11)을 통하여 연료버퍼탱크(12)에 도입되고, 이 반송펌프 앞에는 필터(10)가 삽입되고, 탱크(13)가 연료의 공급장치로서 기능한다. 연료는 연료버퍼탱크(12)로부터 라인(14)에 의하여 에멀젼화플랜트(8)에 반송된다. 필요한 엔진파워에 따라서 제어되는 미터링펌프(6)의 배출량은 에멀젼화시스템(8)에서 일어나는 물 - 연료에멀젼의 물의 비율을 결정한다. 에멀젼화시스템(8)의 다음에, 물 - 연료에멀젼은 고압펌프(15)에 의하여 분사펌프(16)에 공급되고, 물 - 연료에멀젼은 선택적으로 히터(17) 및/또는 필터(18)를 통하여 도입될 수도 있다. 물 - 연료에멀젼은 상세하게 나타내지 않은 방법으로 분사펌프(16)로부터 라인(19a)을 통하여 내연디젤엔진(20)의 연소실에 반송된다. 고압펌프(15)에 의하여 분사펌프(16)에 반송된 과잉의 물 - 연료에멀젼은 리턴플로라인(21)에 의하여 분리시스템(22)에 반송되고, 여기서 물 - 연료에멀젼이 물과 연료성분으로 다시 분리된다. 물은 라인(23)을 통하여 버퍼탱크(4)에 도입되고, 연료는 라인(24)을 통하여 연료버퍼탱크(12)에 도입된다. 반송펌프(1,9,6,15,16)는 전기신호라인을 통하여 도시하지 않은 조정장치(30)에 연결되어 이 제어장치에 의하여 제어된다. 또한, 프로세스파라미터가 센서(31)로 조정장치(30)에 의하여 검출되고, 이에 대응하여 반송펌프를 제어한다.

사용되는 연료의 질에 따라서, 물-연료에멀젼의 안정성을 확보하기 위하여 물-연료에멀젼에 에멀젼화제를 첨가하는 것이 필요할 수도 있다. 점착성이 높은 연료를 사용할 때는, 연료시스템을 클로즈드시스템으로 설계하는 것이 더욱 필요하며, 그 이유는 이 경우에 분사펌프에 의하여 반송할 수 있도록 연료 또는 물-연료에멀젼을 100℃ 이상으로 가열해야 하기 때문이다.

제1도는 엔진파워의 함수로서 반송량을 나타낸 도면.

제2도는 에멀젼의 혼합 및 반송장치를 단순화한 도면.

제3도는 다른 에멀젼의 혼합 및 반송장치를 나타낸 도면.

Claims

내연디젤엔진에서 물과 연료로 구성되는 에멀젼의 혼합 및 반송방법에 있어서, 내연디젤엔진의 상태파라미터는 센서로 측정되고, 필요한 에멀젼의 총량이 일정하게 또는 대략 일정하게 유지되도록 에멀젼의 물과 연료의 비율을 상태파라미터에 따라서 변경하는 것을 특징으로 하는 에멀젼의 혼합 및 반송방법.
제1항에 있어서, 상태파라미터, 특히 엔진파워가 소정의 스레시홀드치(S) 미만이면, 에멀젼의 소요량을 측정된 신호에 따라서 변화시키고, 소정의 스레시홀드치(S) 이상이면, 필요한 에멀젼의 총량을 일정하게 또는 대략 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 에멀젼의 혼합 및 반송방법.
제2항에 있어서, 소정의 스레시홀드치(S) 미만이면, 물의 비율 또한 연료의 비율을 상태파리미터에 비례하여 변화시키는 것을 특징으로 하는 에멀젼의 혼합 및 반송방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 센서로 측정된 신호는 다음의 파라미터

- 엔진의 회전속도

- 소기(掃氣)공기압

- 실린더내의 연소압

- 배기온도

- 배기가스중의 특정 성분의 농도

- 토크

중 최소한 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에멀젼의 혼합 및 반송방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 내연디젤엔진이 물의 비율과 연료의 비율 사이의 레이쇼의 변화에 의하여 에멀젼의 소요량이 일정하게 조정되는 것을 특징으로 하는 에멀젼의 혼합 및 반송방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 내연디젤엔진의 배기가스가 질소산화물의 비율이 최저로 되도록 에멀젼의 물의 비율과 연료의 비율사이의 레이쇼를 조정하는 것을 특징으로 하는 에멀젼의 혼합 및 반송방법.
내연디젤엔진의 운전을 위한 에멀젼의 혼합 및 반송장치로서, 물을 반송하는 반송펌프(1)와, 연료를 에멀젼화시스템(8)에 반송하는 반송펌프(9)와, 에멀젼화시스템 내에서 생성된 에멀젼을 내연디젤엔진의 연소실에 공급하는 고압펌프(15)와, 신호라인(40)을 통하여 센서(31)에 연결되어 내연디젤엔진의 상태를 검출하고, 신호라인(41,42)을 통하여 반송펌프(1,9)에 연결되어 생성될 에멀젼의 물의 비율과 연료의 비율 사이의 레이쇼를 조정하는 제어 및 조정장치(30)로 이루어지는 것을특징으로 하는 에멀젼의 혼합 및 반송장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 방법으로 운전되고, 또는 제7항에 의한 장치를 가지는 내연디젤엔진, 특히 대형디젤엔진.