KR100411466B1 - 자체점화왕복피스톤내연기관의운전방법및장치 - Google Patents

자체점화왕복피스톤내연기관의운전방법및장치 Download PDF

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Abstract

부분부하 영역에서 자체점화 왕복피스톤 내연기관을 운전하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 왕복피스톤 내연기관의 최소한 하나의 상태변수를 센서(10)로 측정하고, 연료분사장치(3)의 분사의 개시 및 흡입밸브 또는 토출밸브(5,4)의 개방 및/또는 폐쇄의 개시를 최소한 하나의 상태변수에 따라서 조절하여 상위부분부하 영역의 부하함수로서 연소체임버내의 압축압력을 일정하게 또는 거의 일정하게 한다.

Description

자체점화 왕복피스톤 내연기관의 운전방법 및 장치
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 자체점화 왕복피스톤 내연기관의 운전방법에 관한 것이며, 또한 청구항 8의 전제부에 따른 자체점화 왕복피스톤 내연기관의 운전장치에 관한 것이다.
디젤엔진과 같은 대형 자체점화 왕복피스톤 내연기관은 부분부하에서 운전할 때 효율이 저감된다. EP 0 316 271 B1에는, 실린더스페이스내로의 연료의 분사개시 시간을 어떤 범위내의 크랭크샤프트각에 대하여 변화시킴으로써 디젤엔진의 효율을 향상시키는 것이 공지되어 있다. 이로써, 효율의 향상은 좁게 한정된 부분부하 영역내에서 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은 왕복피스톤 내연기관을 보다 경제적으로 운전하기 위하여 자체점화 왕복피스톤 내연기관의 효율을 더욱 향상시키는 것이다. 특히, 왕복피스톤 내연기관은 보다 큰 상위부분부하 영역에서 고효율을 가져야 한다.
도 1a는 4­스트로크 왕복피스톤 내연기관의 개략도.
도 1b는 2­스트로크 왕복피스톤 내연기관의 개략도.
도 2a는 센서 및 제어장치가 부가된 도 1a에 따른 개략도.
도 2b는 센서 및 제어장치가 부가된 도 1b에 따른 개략도.
도 3a는 부하/엔진파워와 연소체임버내의 압력과의 관계를 나타낸 그래프.
도 3b는 부하/엔진파워와 NOx가스발생과의 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 부하/엔진파워의 함수로서 에멀젼의 조성의 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 에멀젼제조장치를 나타낸 도면.
이 목적은 청구항 1의 특징부에 따른 방법에 의하여 달성된다. 종속항 2∼7은 본 방법의 더욱 바람직한 실시예에 관한 것이다. 이 목적은 또한 청구항 8의 특징부에 따른 장치에 의하여 달성되고, 종속항 9는 본 장치의 더욱 바람직한 실시예에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자체점화 왕복피스톤 내연기관의 운전방법은, 왕복피스톤 내연기관의 최소한 하나의 상태변수를 센서로 측정하고, 연료분사장치의 분사의 개시 및 흡입밸브 또는 토출밸브의 개방 및/또는 폐쇄의 개시를 최소한 하나의 상태변수에 따라서 조절하여 상위부분부하 영역의 부하함수로서 연소체임버내의 상사점(上死点)의 압축압력 즉 연소중 연소체임버내에 발생하는 최대압력이 일정한 또는 거의 일정한 값을 가지도록 한다.
이러한 방법은 부분부하에서 운전될 때 왕복피스톤 내연기관의 상태가 향상되기 때문에 부분부하 에이드라고 칭한다. 본 발명에 따른 방법에 의하여, 상사점의 압축압력 즉 실린더의 내측 공간내에 발생하는 최대압력은 공칭부하의 약 50％∼100％ 범위에 있는 상위부분부하 영역내에 일정하게 또는 거의 일정하게 유지된다. 특히 공칭부하에서와 같은 대략 동일한 압력이 상위부분부하 영역에서 얻어진다. 이로써, 이 상위부분부하 영역에서 효율의 향상이 달성될 수 있다.
센서는 왕복피스톤 내연기관의 최소한 하나의 다음의 상태변수, 즉 부스트압력, 실린더내의 최대압력, 소정의 크랭크샤프트각에서의 실린더내의 압력, 엔진파워, 엔진의 회전속도, 터보차저의 회전속도, 콤프레서 후의 온도, 부스트에어쿨러 후의 온도, 연소공기량, 터빈 전의 배기가스온도, 터빈 후의 배기가스온도 또는 연료량을 측정한다.
2­스트로크 왕복피스톤 내연기관에서는, 연료분사장치 외에 토출밸브가 제어된다. 4­스트로크 왕복피스톤 내연기관에서는, 연료분사장치 외에 흡입밸브 및/또는 토출밸브가 제어된다. 연료분사장치 및 흡입 및/또는 토출밸브가 일정한 압력으로 함께 제어되므로, 고급기술수준에 필적하는 이러한 효율의 향상은 아주 광범위한 부분부하 영역, 즉 전술한 상위부분부하 영역에 걸쳐서 달성될 수 있다.
연소중 발생된 NOx가스량은 가해진 파워에 대한 최대압력의 비율에 특히 달려 있다. 이제, 압력이 상위부분부하 영역에 일정하게 유지되고, 파워가 저감되면, 이것은 부분부하에서 많은 양의 NOx가스가 발생하게 된다. 연료 및 물로 이루어지는 에멀젼을 연소를 위하여 연료분사장치를 통하여 실린더스페이스에 공급함으로써 추가의 NOx의 발생을 피할 수 있다. 에멀젼을 조성하는 연료 대 물의 혼합비는 믹서장치에 의하여 광범위하게 변할 수 있고, 특히 측정된 상태변수에 따라서 제어될 수 있다. 따라서, 부분부하에서 효율을 향상시키기 위한 전술한 방법과 결합하여 에멀젼을 사용하는 것이 유리하므로, 왕복피스톤 내연기관은 상위부분부하 영역에서 효율의 향상뿐 아니라 NOx가스의 발생이 저감된다.
다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 도면에 따라서 설명한다.
도 1a는 저속러닝 대형 디젤엔진으로서 실행되는 자체점화 4­스트로크 왕복피스톤 내연기관(2)의 개략 측면도이다. 이 내연기관(2)은 전후로 배열된 복수의 실린더를 가지고, 크랭크샤프트 하우징(7)의 내부에 배설된 크랭크샤프트(9a)상에서 함께 동작하는 실린더하우징(6)을 가진다. 연료는 공급라인(3a)을 통하여 분사펌프(3)에 공급되고, 또한 라인(3b) 및 분사노즐 (3c)을 통하여 실린더하우징(6)의 연소체임버내로 들어간다. 또한, 4­스트로크 디젤엔진(2)은 흡입밸브(5) 및 토출밸브(4)를 가진다.
도 1b는 저속러닝 대형 디젤엔진으로서 사용되는 자체점화 2­스트로크 왕복피스톤 내연기관(1)의 개략 측면도이다. 이 내연기관(1)은 전후로 배열된 복수의 실린더를 가지고, 크랭크샤프트 하우징(7)의 내부에 배설된 크랭크샤프트(9a)상에서 함께 동작하는 실린더하우징(6)을 가진다. 연료는 공급라인(3a)을 통하여 분사펌프(3)에 공급되고, 또한 라인(3b) 및 분사노즐(3c)을 통하여 실린더하우징(6)의 연소체임버내로 들어간다. 또한, 2­스트로크 디젤엔진(1)은 연소된 가스용 토출밸브(4)를 가진다. 연소용 공기는 슬릿을 통하여 흡입된다.
도 2a는 제어 및 조절장치(8)를 가진 도 1a에 따른 4­스트로크 디젤엔진(2)을 나타내고, 이 장치(8)는 전기연결라인(8a,8b,8d)을 통하여 흡입밸브(5), 토출밸브(4) 및 분사펌프(3)를 제어한다. 또한, 크랭크샤프트(9a)의 순시각도는 회전각센서(9)에 의하여 측정되어, 전기연결라인(8e)을 통하여 제어장치(8)에 공급된다. 센서(10)는 최소한 하나의 상태변수, 예를 들면 실린더(6)내의 최대압력 즉 소정의 크랭크샤프트각에서의 실린더(6)내의 압력, 특히 실린더의 상사점의 압축압력을 측정한다. 센서(10)에 의하여 측정된 값은 전기연결라인(8c)을 통하여 제어장치(8)에 공급된다.
도 2b는 제어 및 조절장치(8)를 가진 도 1b에 따른 2­스트로크 디젤엔진(1)을 나타내고, 이 장치(8)는 전기연결라인(8a,8d)을 통하여 토출밸브(4) 및 분사펌프(3)를 제어한다. 또한, 크랭크샤프트(9a)의 순시각도는 회전각센서(9)에 의하여 측정되어, 제어장치(8)에 공급된다. 센서(10)는 최소한 하나의 상태변수를 측정하여, 이것을 전기연결라인(8c)을 통하여 제어장치(8)에 공급한다. 복수의 센서가 또한 디젤엔진(1,2)의 어느 하나의 실시예에 배설될 수 있고, 각종의 상태변수를 측정하여 이것을 제어장치(8)에 공급한다.
도 3a는 디젤엔진(1,2)의 연소체임버내의 압력과 부하 즉 엔진파워와의 관계에 대한 본 발명에 따른 방법의 효과를 나타낸다. 직선 11a는 상사점에서의 압축압력을 부분부하 에이드없는 엔진파워 즉 부하의 함수로서 나타낸다. 11b는 디젤엔진이 본 발명에 따른 방법으로 동작할 때 상사점에서의 동일한 압축압력의 상태를 엔진파워의 함수로서 나타낸다. 4­스트로크 디젤엔진(2)에 있어서, 분사펌프(3), 흡입밸브(5) 및 토출밸브(4)는 제어장치(8)에 의하여, 압축압력이 상위부분부하 영역 Ⅱ에서 일정한 값을 취하고, 하위부분부하 영역에서 직선으로 감소되도록 제어된다. 2­스트로크 디젤엔진(1)은 분사펌프(3) 및 토출밸브(4)의 작동에 의하여, 압축압력(11b)이 마찬가지로 상위부분부하 영역 Ⅱ에서 일정한 값을 취하고, 하위부분부하 영역에서 직선으로 감소되도록 동작한다. 직선 11c는 연소체임버내에 발생하는 최대압력의 상태를 부분부하 에이드없는 엔진파워 즉 부하의 함수로서 나타낸다. 11d는 디젤엔진이 본 발명에 따른 방법으로 동작할 때 연소체임버내에 발생하는 동일한 최대압력을 엔진파워의 함수로서 나타낸다. 토출밸브(4) 및/또는 흡입밸브(5) 및 분사펌프(3)는 11b,11d가 상위부분부하 영역 Ⅱ에서 일정한 또는 거의 일정한 상태를 가지도록 크랭크샤프트각(9b)에 대하여, 즉 순간적으로 제어된다.
도 3b는 디젤엔진(1,2)의 부하 즉 엔진파워와 연소에 의하여 발생된 NOx가스량과의 관계를 나타낸다. 부분부하 에이드없이 발생된 NOx가스의 비율은 상위부분부하 영역 Ⅱ에서 대략 일정하게 유지된다. 부분부하 에이드를 이용하고, 도 3a에 따라서 동작하고, 상위부분부하 영역 Ⅱ에 일정한 또는 거의 일정한 압력을 발생하면, 곡선 12a로 나타낸 바와 같이, 부분부하가 저감될 때 NOx가스의 비율이 증가한다. 부분부하에서 NOx가스비율의 증가는 생태학상 이유로 바람직하지 않다. 그러므로, 본 발명에 따른 방법중 특히 바람직한 실시예에 있어서, 연료와 물로 이루어지는 에멀젼이 사용되고, 이것이 분사펌프(3)에 공급되어, 분사노즐(3c)을 통하여 실린더스페이스내로 분사된다. 곡선 12c는 11b,11d에 따른 효과를 가진 부분부하 에이드 및 연료와 물로 이루어지는 에멀젼이 사용될 때 상위부분부하 영역 Ⅱ내의 NOx가스비율을 부하함수로서 나타낸다. 따라서, 생태학상 이유로, 본 발명에 따른 방법과 도 3a에 따른 연료와 물로 이루어지는 에멀젼을 조합하여 동작하는 것이 유리하다.
도 4는 분사펌프(3)에 의하여 반송된 양을 엔진파워의 함수로서 나타낸다. 직선 a은 종래 운전되는 분사펌프를 나타내고, 여기에는 반송된 유체의 전량이 연료만으로 구성되고, 반송된 양은 엔진파워에 따라서 변한다. 직선 b은 물과 연료로 이루어지는 에멀젼을 혼합 및 반송하는 바람직한 방법을 엔진파워의 함수로서 나타낸다. 센서가 디젤내연기관의 엔진파워를 측정한다. 하위엔진파워영역 I, 즉 전부하의 약 0％∼50％에서는, 반송된 연료량 a에 비례한 물의 양을 추가로 혼합하여 분사펌프(3)로 반송된 물­연료 에멀젼의 총량이 직선 b의 상태에 따른 양과 대응한다. 상위부분부하 영역 Ⅱ, 즉 포인트 S로부터 최대엔진파워 Mmax까지 연장되는 영역에 있어서, b에 대응하는 분사펌프(3)로 반송된 에멀젼의 전량은 일정하게 유지된다. 여기서, 연료량은 a에 따라서 엔진파워의 함수로서 변하고, 추가로 가해지는 물의 양은 물­연료 에멀젼의 네트량이 일정하게 또는 거의 일정하게 유지되도록 조절된다. 도 4에 나타낸 엔진파워의 함수로서 상위부분부하 영역 Ⅱ에서의 연료 대 물의 혼합비는 단지 예시로서 고려된다. 그 혼합비는 NOx가스를 바람직하게 저감하기 위하여 a와는 상이한 방법으로 또한 변할 수 있다.
도 5는 연료와 물로 이루어지는 에멀젼을 혼합 및 반송하는 장치(30)의 단순화한 도면이다. 디젤내연기관의 상태를 측정하는 센서(10)는 신호라인(8a)을 통하여 제어장치(8)에 연결된다. 2개의 이송펌프(21,22) 각각의 회전속도는 신호라인(20a,20b)을 통하여 제어장치(8)에 의하여 미리 설정된다. 연료는 연료탱크(25)로부터 라인(3d) 및 다음의 이송펌프(21)를 통하여 에멀젼화장치(23)로 공급된다. 물은 물탱크(24)로부터 라인(3e) 및 다음의 이송펌프(22)를 통하여 에멀젼화장치(23)로 공급되고, 이 장치는 예시되지 않은 방법으로 물과 연료를 혼합하여 물­연료 에멀젼을 제조한다. 이 에멀젼은 라인(3a)을 통하여 분사펌프(3)에 공급되고, 라인(3b) 및 분사노즐을 통하여 실린더하우징(6)의 실린더스페이스내로 분사된다. 제어장치(8)는 센서(10)를 모니터하고, 도 2a 또는 도 2b에 나타낸 또 다른 구성품을 모니터하여 제어한다.

Claims (11)

  1. 부분부하 영역에서 자체점화 왕복피스톤 내연기관을 운전하는 방법에 있어서, 왕복피스톤 내연기관의 최소한 하나의 상태변수를 센서(10)로 측정하고, 연료분사장치(3)의 분사의 개시 및 흡입밸브 또는 토출밸브(5, 4)의 개방 및/또는 폐쇄의 개시를 최소한 하나의 상태변수에 따라서 조절하여 상위부분부하 영역의 부하함수로서 연소체임버내의 압축압력을 일정하게 또는 거의 일정하게 하는 것을 특징으로 하는 자체점화 왕복피스톤 내연기관의 운전방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 자체점화 왕복피스톤 내연기관은 2­스트로크 사이클로 실행되고, 연료분사장치(3)의 분사의 개시 및 토출밸브(4)의 폐쇄의 개시가 제어되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 운전방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 자체점화 왕복피스톤 내연기관은 4­스트로크 사이클로 실행되고, 연료분사장치(3)의 분사의 개시 및 흡입밸브(5)의 개방 및/또는 폐쇄의 개시가 제어되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 운전방법.
  4. 청구항 1∼3중 어느 한 항에 있어서, 측정된 상태변수는 최소한 하나의 다음의 파라미터
    부스트압력
    실린더내의 최대압력
    소정의 크랭크샤프트각에서의 실린더내의 압력
    엔진파워
    엔진의 회전속도
    터보차저의 회전속도
    콤프레서 후의 온도
    부스트에어쿨러 후의 온도
    연소공기량
    터빈 전의 배기가스온도
    터빈 후의 배기가스온도
    연료량
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 운전방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 왕복피스톤 내연기관은 물과 연료로 이루어지는 에멀젼으로 동작하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 운전방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 에멀젼량 및/또는 에멀젼의 물과 연료의 비율은 상태변수에 따라서 변하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 운전방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상위부분부하 영역은 전부하의 50％∼100％의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 운전방법.
  8. 부분부하에서 효율이 증대되도록 자체점화 왕복피스톤 내연기관(1,2)을 운전하는 장치에 있어서, 상태변수를 측정하는 센서(10), 연료분사장치(3) 및 흡입밸브(5) 및/또는 토출밸브(4)로 이루어지고, 제어 및 조절장치(8)는 전기라인(8c)을 통하여 센서(10)에 연결되고, 제어라인(8a,8b,8d)을 통하여 연료분사장치(3), 흡입밸브(5) 및/또는 토출밸브(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는 자체점화 왕복피스톤 내연기관의 운전장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 물과 연료로 이루어지는 에멀젼을 제조하는 장치(30)는 연료분사장치(3)에 연결되고, 이 장치(30)는 제어 및 조절장치(8)에 의하여 제어가능한 이송펌프(21,22)를 가지고, 에멀젼량 및/또는 에멀젼의 물과 연료의 비율이 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 운전장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 의한 방법으로 운전되는 자체점화 왕복피스톤 내연기관, 특히 디젤엔진.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 의한 장치를 가지는 자체점화 왕복피스톤 내연기관, 특히 디젤엔진.
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