KR101174543B1 - 가스 엔진용 점화 장치, 가스 엔진용 점화 장치를 구비하는 가스 엔진 및 가스 엔진의 작동 방법 - Google Patents

가스 엔진용 점화 장치, 가스 엔진용 점화 장치를 구비하는 가스 엔진 및 가스 엔진의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 엔진용 점화 장치, 가스 엔진용 점화 장치를 구비하는 가스 엔진 및 가스 엔진의 작동 방법에 관한 것이다. 상기 점화 장치는 연소 가스 혼합물을 기초로 하는 점화 가스 제트를 상기 가스 엔진의 실린더의 예비 챔버 내로 분사하기 위한 분사 장치, 및 상기 예비 챔버 내에 배치되며 상기 점화 가스 제트를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위한 열 기초 점화 장치를 구비한 점화 트리거 장치를 포함한다. 본 발명은 상기 점화 트리거 장치가 추가로 점화 스파크 발생 장치를 포함하고, 상기 점화 스파크 발생 장치는 상기 예비 챔버 내에 배치되며 상기 점화 가스 제트를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020090106569
분사 장치, 예비 챔버, 열 기초 점화 장치, 점화 트리거 장치, 점화 스파크 발생 장치.

Description

가스 엔진용 점화 장치, 가스 엔진용 점화 장치를 구비하는 가스 엔진 및 가스 엔진의 작동 방법{IGNITION DEVICE FOR A GAS ENGINE, GAS ENGINE EQUIPPED WITH IT AND METHOD FOR OPERATING THE GAS ENGINE}
본 발명은 가스 엔진용 점화 장치, 이 가스 엔진용 점화 장치를 구비하는 가스 엔진 및 가스 엔진의 작동 방법에 관한 것이다.
가스 엔진은, 액상 연료 대신 예컨대 천연 가스, 액화 가스, 나무 가스, 바이오 가스, 매립 쓰레기 가스, 메탄 가스 또는 수소가 연료로서 사용될 수 있는 내연기관이다. 가스 엔진은 예컨대 고정 작동식 열병합 발전소에 사용되거나 또는 예컨대 선박 구동 장치로서 사용된다.
최근에 고효율, 고출력 및 적은 방출량으로 가스 엔진을 작동시킬 수 있는 점화 방법이 가스 엔진에 적용된다. 이 점화 방법은 PGI(Performance Gas Injection) 점화 방법으로서 공지되어 있으며, 연소 가스 혼합물 또는 점화 가스가 고압으로 가스 엔진의 실린더의 예비 챔버 내로 분사되는 것을 기초로 한다. 점화 가스는 예비 챔버 내의 뜨거운 표면에서, 예컨대 글로우 플러그에서 불꽃을 형성하면서 점화된다. 점화 가스의 연소시, 점화 가스가 팽창되고, 실린더의 메인 연소 실에 대한 연결 개구를 통해, 상기 메인 연소실로 유입된 연소 가스 혼합물을 태운다.
DE 102 17 996 A1에는 가스 엔진용 점화 장치가 공지되어 있으며, 점화 장치는, 가스 엔진의 예비 챔버 내에 배치되며 예비 챔버 내로 분사되는 점화 가스 제트를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위한 열 기초 점화 장치를 구비한 점화 트리거 장치를 포함한다.
상기 방식의 다른 점화 장치는 예컨대 DE 10 2007 019 882 A1에 개시되어 있다.
PGI 가스 엔진은 선행 기술에 따라 뜨거운 표면, 예컨대 글로우 플러그에서의 점화만을 기초로 한다. 글로우 플러그는 낮은 부하 범위에서는 점화를 위해 필요한 온도에 도달하기 위해 액티브하게 가열된다. 높은 엔진 부하 범위에서야 액티브 가열이 차단될 수 있는데, 그 이유는 연소에 의한 에너지 도입이 점화에 필요한 온도 레벨을 유지하기에 충분하기 때문이다.
그러나, 글로우 플러그의 온도 조절은 매우 어려운 것으로 나타났는데, 그 이유는 하나의 측면에서 글로우 플러그의 과열이 방지되어야 하고(글로우 플러그의 안정성 또는 수명이 심하게 영향을 받지 않도록 하기 위해), 다른 측면에서는 일정한 최소 온도가 (점화 안정성을 위해) 항상 유지되어야 하기 때문이다. 부분 부하 범위에서는 조정이 매우 어렵고 글로우 플러그(과열점; hotspot)에서 필요한 보호 조치에 의해 더 어려워진다. 과열점에서의 최소 제조 공차는 표준 온도 조절이 더 이상 정확히 작용할 수 없도록 글로우 플러그의 가열 특성을 변화시킬 수 있다.
또한, 글로우 플러그의 고장은 전체 가스 엔진의 고장을 일으킬 수 있다. 액티브하게 가열되는 글로우 플러그 점화의 다른 단점은 특히 가스 엔진의 시동을 위해, 글로우 플러그의 안정성을 심하게 떨어뜨리는 매우 높은 온도가 필요하다는 것이다. 점화를 위해 필요한 온도 레벨은 가스 엔진의 급기압 상승에 따라 떨어진다.
본 발명의 과제는 가스 엔진의 작동 안정성 및 고장 안전성을 높일 수 있는 가스 엔진용 점화 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 과제는 가스 엔진용 점화 장치를 구비하는 가스 엔진 및 가스 엔진의 작동 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항에 따른 점화 장치, 청구항 제9항에 따른 가스 엔진 및 청구항 제10항에 따른 방법에 의해 해결된다. 본 발명의 실시예들은 각각의 종속 청구항들에 제시된다.
본 발명의 제1 관점에 따라, 가스 엔진, 특히 PGI 가스 엔진용 점화 장치는 연소 가스 혼합물을 기초로 하는 점화 가스 제트를 가스 엔진의 실린더의 예비 챔버 내로 분사하기 위한 분사 장치, 및 예비 챔버 내에 배치되며 점화 가스 제트를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위한 열 기초 점화 장치를 구비하는 점화 트리거 장치를 포함한다. 본 발명에 따른 점화 장치는, 점화 트리거 장치가 점화 스파크 발생 장치를 추가로 포함하고, 상기 점화 스파크 발생 장치는 예비 챔버 내에 배치되며 점화 가스 제트를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 열 기초 점화 장치는 점화 스파크 발생 장치와 조합된다. 이는 특히, 가스 엔진의 시동시, 및 점화 가스 제트의 열 기초 점화를 위해 적은 연소열만이 존재하는 낮은 부하 범위에서, 점화 가스 제트의 안정한 점화가 점화 스파크 발생 장치에 의해 보장될 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서, 간단하고 확실한 방식으로, 가스 엔진의 작동 안정성 또는 고장 안전성이 특히 시동시 및 낮은 엔진 부하 범위 내지 중간 엔진 부하 범위에서 높아진다.
점화 스파크 발생 장치에 의한 지원에 의해, 선행 기술에서 열 기초 점화 장치에 필요했던 높은 가열 온도가 필요 없으며, 이는 열 기초 점화 장치의 안정성 또는 수명을 높이고, 그에 따라 가스 엔진의 작동 안정성 또는 고장 안전성을 추가로 개선한다.
본 발명에 따른 해결책에 의해, 선행 기술에서 발생했던, 열 기초 점화 장치의 과열 방지와 열 기초 점화 장치의 최소 온도 유지 사이의 상충이 해결됨으로써, 점화 장치의 제어, 특히 조절이 용이해진다. 또한, 시스템이 제조 공차와 관련해서 장애를 일으킬 확률이 낮기 때문에, 제조가 간단해지고 비용이 절감될 수 있다.
또한, 열 기초 점화 장치가 예컨대 기능 장애로 인해 작동될 수 없으면, 점화 스파크 발생 장치는 그 중복 작용(redundancy action)에 의해 백업 점화 시스템 또는 예비 점화 시스템으로서 사용될 수 있다. 이는 가스 엔진의 고장 안전성을 추가로 높인다.
본 발명에 따른 점화 장치의 실시예에 따라, 열 기초 점화 장치는 글로우 바디를 포함한다.
별도의 부재로서 글로우 바디를 가진 실시예에 의해, 열 기초 점화 장치를 그 수명의 경과 후에 또는 손상시 교체하는 것이 간단하고 저렴한 방식으로 이루어진다. 이는 한편으로는 유지 관리 비용을 낮추고 다른 한편으로는 가스 엔진의 작 동 안정성 또는 고장 안전성을 추가로 높인다. 본 발명의 실시예에 따라, 점화 장치는 예비 챔버와 함께, 가스 엔진의 실린더 헤드 내로 장착 가능한, 예컨대 나사 결합 가능한 인서트 내에 실시될 수 있다.
본 발명에 따른 점화 장치의 다른 실시예에 따라, 글로우 바디는 연소 가스 혼합물 연소에 의해서만 가열되도록 설계된다.
본 발명의 상기 실시예에 따라, 패시브하게(예비 챔버 내의 연소에 의해서만) 가열되는 열 기초 점화 장치는 점화 스파크 발생 장치와 조합된다. 이 경우 장점은 패시브하게만 가열되는 열 기초 점화 장치가 높은 엔진 부하 범위에 대해 매우 확실하게, 바람직하게, 간단하게 그리고 안정하게 설계될 수 있다는 것이다. 시동부터 중간 엔진 부하 범위까지, 점화 스파크 발생 장치가 사용될 수 있다.
물론, 글로우 바디가 액티브 가열 수단과 조합됨으로써, 온도가 액티브하게 조절되고, 그에 따라 글로우 점화가 더 양호하게 제어될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 열 기초 점화 장치는 플레임 트랩과 조합될 수 있고, 상기 플레임 트랩은 하나 이상의 개구를 가진 반응 챔버를 제공하고, 공기/가스/배기 가스-혼합물의 희박 연장 한계치(lean-stretch-limit) 및 화학적 라디칼 형성(인화를 위해 필요)의 심한 온도 의존도가 정확한 점화를 실시하기 위해 이용된다.
반응 챔버의 내부 공간 내의 하나 이상의 개구를 통해 적합한 (예비 챔버 내의) 유동 운동에 의해 압축 행정 동안 많은 양의 고온 배기 가스가 선행 연소 사이클로부터 모여진다. 이로 인해, 전체 압축 행정 동안 반응 챔버의 내부 공간 내에 높은 온도가 구현된다. 고온 배기 가스 성분에 의해, 전체 압축 행정 동안 고유의 연소 없이도 높은 농도의 화학적 라디칼이 반응 챔버의 내부 공간 내에 형성될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 개구를 통해 반응 챔버 내로 유입되는 가스 성분이 고유의 불꽃면 없이도 산화될 수 있고, 이는 내부 공간 내의 온도 및 라디칼 농도를 추가로 높인다.
반응 챔버의 내부 공간 내로 유입되는 가스 혼합물이 점화 가스 제트에 의해 적합한 점화 윈도우 내로 이동되면, 불꽃면은 반응 챔버로부터 배출될 수 있다. 플레임 트랩의 결정적인 파라미터들은 내부 가스 온도(적어도 약 1150 K), 체적 및 하나 이상의 개구의 구조이다.
본 발명에 따른 점화 장치의 다른 실시예에 따라, 점화 스파크 발생 장치는 전기 에너지를 기초로 점화 스파크를 발생시키도록 설계된다.
본 발명의 상기 실시예에 의해, 점화 스파크 발생 장치가 한편으로는 낮은 비용으로, 다른 한편으로는 매우 양호하게 제어 가능하게, 특히 조절 가능하게 실시된다. 또한, 본 발명의 상기 실시예에 의해, 전기 에너지에 의한 점화 스파크의 발생이 적은 마모로 이루어짐으로써 수명이 연장되고, 단 2개의 스파크 전극만이 필요하므로 유지 관리가 매우 용이해진다.
본 발명에 따른 점화 장치의 실시예에 따라, 점화 장치는 또한 점화 전압 제어 장치를 포함하고, 상기 점화 전압 제어 장치는, 점화 스파크의 발생을 위해 점화 스파크 발생 장치에 점화 전압을 제공하도록, 점화 스파크 발생 장치와 전기 접속된다. 점화 전압 제어 장치는 점화 전압의 값을 가스 엔진의 엔진 부하 범위에 따라 제어하도록 설계된다.
점화 전압 값의 제어, 특히 조절에 의해, 점화 스파크 발생 장치가 가스 엔진의 작동 상태에 따라 필요한 점화 전압으로 작동될 수 있고, 이는 점화 전극에서의 마모 감소에 의해 수명을 연장시키고, 점화 특성의 최적화에 의해 작동 안정성을 높인다.
본 발명에 따른 점화 장치의 실시예에 따라, 점화 전압 제어 장치는, 가스 엔진의 시동을 위해, 및 열 기초 점화 장치가 분사 장치에 의해 분사되는 분사 가스 제트의 안정한 점화를 위해 적합한 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되는 시점까지, 점화 가스 제트를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 점화 전압을 점화 스파크 발생 장치에 공급하고, 열 기초 점화 장치가 분사 장치에 의해 분사된 점화 가스 제트의 안정한 점화를 위해 적합한 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되면, 가스 엔진의 정상 작동 동안 점화 스파크 발생 장치에 점화 전압의 공급을 중단하도록 설계된다.
본 발명의 상기 실시예에 따라, 점화 스파크 발생 장치는 점화 가스 제트의 열 기초 점화를 위해 연소 열이 충분히 존재하지 않는 경우에만 사용된다. 따라서, 점화 스파크 발생 장치는 마모가 적거나 보호 방식으로 작동됨으로써, 그 수명이 연장되고 그에 따라 가스 엔진의 작동 안정성 또는 고장 안전성이 높아지며 유지 관리 비용이 감소한다.
열 기초 점화 장치의 온도, 특히 글로우 바디의 온도를 측정하기 위해, 열 기초 점화 장치에 온도 센서가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 점화 장치의 실시예에 따라, 점화 전압 제어 장치는 낮은 엔진 부하 범위에서, 중간 엔진 부하 범위에서보다 낮은 전기 점화 에너지를 점화 스파크 발생 장치에 제공하도록 설계된다.
본 발명에 따라, 낮은 엔진 부하 범위에서는 점화 스파크 발생 장치가 안정한 점화를 보장하기 위해 낮은 전력으로 작동되어도 충분한 것으로 나타났다. 낮은 엔진 부하 범위에서 점화 스파크 발생 장치의 특히 마모가 적은 작동에 의해, 점화 스파크 발생 장치의 수명이 많이 연장된다.
본 발명에 따른 점화 장치의 다른 실시예에 따라, 점화 스파크 발생 장치가 전기 점화 플러그로 형성된다.
이는 특히 점화 플러그가 대량 생산품으로 저렴하게 그리고 신속하게 제공될 수 있고 간단한 방식으로 교체 가능하다는 장점을 갖는다.
본 발명의 제2 관점에 따라, 본 발명의 하나 또는 모든 전술한 실시예에 따른 점화 장치를 구비하는 가스 엔진이 제공된다.
본 발명에 따른 가스 엔진은 본 발명의 전술한 실시예들 중 하나 또는 모든 실시예에 따른 점화 장치를 구비하기 때문에 각각 전술한 장점을 갖는다.
본 발명의 제3 관점에 따라, 하나 또는 모든 전술한 본 발명의 실시예에 따른 점화 장치를 구비하는 가스 엔진의 작동 방법이 제공되며, 분사 장치는 가스 엔진의 실린더의 예정된 점화 시점에 상응하게 점화 가스 제트를 실린더의 예비 챔버 내로 분사하고, 가스 엔진의 시동을 위해 그리고 열 기초 점화 장치가 분사 장치에 의해 분사되는 분사 가스 제트의 안정한 점화를 위해 적합한 온도로 연소 가스 혼 합물 연소에 의해 가열되는 시점까지, 점화 스파크 발생 장치가 점화 가스 제트를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되고, 열 기초 점화 장치가 분사 장치에 의해 분사된 점화 가스 제트의 안정한 점화를 위해 적합한 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되면, 가스 엔진의 정상 작동(즉, 작동 장애 없는 작동) 동안 열 기초 점화 장치만이 점화 가스 제트를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용된다.
본 발명에 따른 방법에 따라, 열 기초 점화 장치가 점화 스파크 발생 장치와 조합된다. 이는 특히 점화 가스 제트의 열 기초 점화를 위해 연소 열이 충분히 존재하지 않는 경우에도 점화 스파크 발생 장치에 의해 점화 가스 제트의 안정한 점화가 보장될 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서, 간단하고 확실한 방식으로 가스 엔진의 작동 안정성 또는 고장 안전성이 높아진다.
점화 스파크 발생 장치에 의한 지원에 의해, 선행 기술에서 필요했던, 열기초 점화 장치에 대한 높은 가열 온도(액티브 가열 수단에 의한)가 필요 없고, 이는 열 기초 점화 장치의 안정성 또는 수명을 높이고, 가스 엔진의 작동 안정성 또는 고장 안전성을 추가로 개선한다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 선행 기술에서 나타났던, 열 기초 점화 장치의 과열 방지와 열 기초 점화 장치의 최소 온도 유지 사이의 상충이 해결됨으로써, 점화 장치의 제어, 특히 조절이 용이해진다.
또한, 열 기초 점화 장치가 예컨대 기능 장애에 의해 고장나고, 그에 따라 가스 엔진의 정상 작동이 불가능하면, 점화 스파크 발생 장치는 그 중복 작용에 의 해 백업 점화 시스템 또는 예비 점화 시스템으로 사용될 수 있다. 이는 가스 엔진의 고장 안전성을 추가로 높인다.
본 발명에 따른 방법의 실시예에 따라, 점화 스파크 발생 장치는 가스 엔진의 시동시 및 가스 엔진의 낮은 엔진 부하 범위로부터 중간 엔진 부하 범위까지, 점화 가스 제트를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용된다.
이러한 방식으로, 가스 엔진의 시동시, 및 점화 가스 제트의 열 기초 점화를 위해 낮은 연소 열만이 존재하는, 낮은 엔진 부하 범위 내지 중간 엔진 부하 범위에서, 점화 스파크 발생 장치에 의해 점화 가스 제트의 안정한 점화가 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 실시예에 따라, 가스 엔진의 높은 엔진 부하 범위에서는 열 기초 점화 장치만이 점화 가스 제트를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용된다. 즉, 점화 가스 제트의 열 기초 점화를 위해 연소 열이 충분히 존재하는, 높은 엔진 부하 범위에서는 점화 스파크 발생 장치가 차단될 수 있고 적은 마모로 그리고 저렴하게(전류 절감 방식으로) 열 기초 점화 장치에 의해서만 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라, 점화 스파크의 발생을 위해 점화 전압이 점화 스파크 발생 장치에 제공되고, 상기 전기 점화 에너지의 값은 가스 엔진의 엔진 부하 범위에 따라 제어된다.
점화 전압 값의 제어 또는 조절에 의해, 점화 스파크 발생 장치가 가스 엔진의 작동 상태에 따라 필요한 점화 전압으로, 즉 전기 점화 에너지로 작동될 수 있 고, 이는 점화 전극에서의 마모 감소에 의해 수명을 연장시키고 점화 특성의 최적화에 의해 작동 안정성을 높인다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라, 낮은 엔진 부하 범위에서는 중간 엔진 부하 범위에서보다 낮은 점화 전압 또는 전기 점화 에너지가 점화 스파크 발생 장치에 제공된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 낮은 엔진 부하 범위에서는 안정한 점화를 보장하기 위해 낮은 점화 전압 또는 전기 점화 에너지가 점화 스파크 발생 장치에 제공되는 것으로 충분한 것으로 나타났다. 낮은 엔진 부하 범위에서 점화 스파크 발생 장치의 특히 마모가 적은 작동에 의해, 점화 스파크 발생 장치의 수명이 많이 연장된다.
본 발명에 의해, 가스 엔진의 작동 안정성 및 고장 안전성을 높일 수 있는 가스 엔진용 점화 장가 제공된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, PGI 방법으로 동작하는 가스 엔진(1)의 개략적인 부분도이다. 가스 엔진(1)은 다수의 연소 실린더(10)를 포함하며, 도 1에는 상기 실린더들 중 하나만이 도시된다.
각각의 연소 실린더(이하, 간단히 실린더라 함)(10)는 실린더(10)의 메인 연 소실(11)을 향한 과류 개구들(21, 22)을 가진 예비 챔버(20)를 포함한다.
각각의 실린더(10)의 예비 챔버(20)에는 점화 장치(30)가 제공되며, 상기 점화 장치에 의해 실린더(10)의 메인 연소실(11) 내로 분사된 연소 가스 혼합물이 실린더(10)의 피스톤(도시되지 않음)의 폭발 행정을 트리거 하기 위해 점화될 수 있다.
점화 장치(30)는 각각 연소 가스 혼합물을 기초로 하는 점화 가스 제트(41)를 실린더(10)의 예비 챔버(20) 내로 고압 분사하기 위한 분사 장치(40) 및 점화 트리거 장치(50)를 포함한다.
점화 트리거 장치(50)는, 예비 챔버(20) 내에 배치되어 점화 가스 제트(41)를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위한 열 기초 점화 장치(60), 및 예비 챔버(20) 내에 배치되어 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위한 점화 스파크 발생 장치(70)를 포함한다.
열 기초 점화 장치(60)는 전술한 바와 같이 중공체로서 형성된 플레임 트랩(flame trap) 또는 반응 챔버(61), 및 글로우 플러그로서 형성된 글로우 바디(62)를 포함한다.
플레임 트랩(61)은 예컨대 강 또는 세라믹과 같은 내열성 재료로 제조되고, 내부 공간(61a)을 갖는다. 상기 내부 공간(61a)은 특정 크기의(특히 특정 직경의) 하나 이상의 개구(61b)를 통해 접근 가능하다.
글로우 바디(62)는 예비 챔버(20) 내에서 또는 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내에서 연소 가스 혼합물 연소에 의해 패시브하게 또는 배타적으로 가열되 도록 설계된다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, 글로우 바디(62)는 액티브하게 가열 가능한 부재(즉, 고유 가열 수단을 구비한 부재)로서도 형성될 수 있다.
점화 스파크 발생 장치(70)는 전기 에너지를 기초로 점화 스파크를 발생시키도록 설계된다. 이러한 목적을 위해, 점화 전압 제어 장치(80)가 제공되며, 상기 점화 전압 제어 장치(80)는 전기 라인(81)을 통해 점화 스파크 발생 장치(70)와 전기 접속되어, 점화 스파크의 발생을 위해 점화 전압을 점화 스파크 발생 장치(70)에 제공한다.
점화 전압 제어 장치(80)는 점화 전압 또는 전기 점화 에너지의 값을 가스 엔진(1)의 엔진 부하 범위에 따라 제어, 특히 조절하도록 설계됨으로써, 낮은 엔진 부하 범위에서는 중간 엔진 부하 범위에서보다 더 낮은 점화 전압이 점화 스파크 발생 장치(70)에 제공된다.
상기 실시예에 따라, 낮은 엔진 부하 범위는 엔진 최대 파워의 약 1 퍼센트 내지 약 40 퍼센트로 규정되고, 중간 엔진 부하 범위는 엔진 최대 파워의 약 41 퍼센트 내지 약 70 퍼센트로 규정되며, 높은 엔진 부하 범위는 엔진 최대 파워의 약 71 퍼센트 내지 약 100 퍼센트로 규정된다. 엔진 부하와 관련한 다른 범위 분할도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 상기 실시예에 따라, 점화 스파크 발생 장치(70)는 전기 점화 플러그로 형성되고, 상기 점화 플러그는 예비 챔버(20) 내로 나사 결합되므로, 점화 플러그의 2개의 스파크 전극(71, 72)이 예비 챔버(20) 내로 돌출한다.
이하에서, 점화 장치(50)를 구비한 가스 엔진(1)의, 본 발명에 따른 작동 방 법의 실시예가 설명된다.
모든 경우, 가스 엔진(1)의 실린더(10)의 피스톤의 폭발 행정을 트리거 하기 위해 분사 장치(40)가 실린더(10)의 예정된 점화 시점에 상응하게 점화 가스 제트(41)를 실린더(10)의 예비 챔버(20) 내로 분사한다.
가스 엔진(1)의 시동을 위해, 그리고 열 기초 점화 장치(60)의 글로우 바디(62)가 분사 장치(40)에 의해 분사된 점화 가스 제트(41)의 안정한 점화를 위해 적합한 온도로 예비 챔버(20) 또는 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내의 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되는 시점까지, 점화 스파크 발생 장치(70)는 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용된다.
즉, 점화 전압 제어 장치(80)는, 가스 엔진(1)의 시동을 위해, 그리고 열 기초 점화 장치(60) 또는 그 글로우 바디(62)가 분사 장치(40)에 의해 분사된 점화 가스 제트(41)의 안정한 점화를 위해 적합한 약 1150 K 또는 877℃의 최소 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되는 시점까지, 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 점화 전압이 점화 스파크 발생 장치(70)에 공급되고, 열 기초 점화 장치(60)가 분사 장치(40)에 의해 분사된 점화 가스 제트(41)의 안정한 점화를 위해 적합한 최소 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되면, 가스 엔진(1)의 정상 작동 동안 점화 스파크 발생 장치(70)에 점화 전압의 공급이 조정되거나 또는 점화 스파크 발생 장치(70)가 작동되지 않도록 설계된다.
열 기초 점화 장치(60)의 온도, 특히 글로우 바디(62)의 온도를 측정하기 위 해, 열 기초 점화 장치(60)는 도시되지 않은 온도 센서를 포함하고, 상기 온도 센서는 점화 전압 제어 장치(80)와 전기 접속된다.
본 발명의 상기 실시예에 따라, 가스 엔진(1)의 시동시 그리고 가스 엔진(1)의 낮은 엔진 부하 범위로부터 중간 엔진 부하 범위까지, 점화 스파크 발생 장치(70)가 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용된다.
점화 전압 제어 장치(80)에 의해 점화 스파크의 발생을 위해 점화 전압이 점화 스파크 발생 장치(70)에 제공되고, 상기 점화 전압 또는 전기 점화 에너지의 값이 가스 엔진(1)의 각각의 엔진 부하 범위에 따라 제어됨으로써, 점화 스파크 발생 장치(70)는 낮은 엔진 부하 범위에서는 중간 엔진 부하 범위에서보다 낮은 점화 전압으로 작동된다.
점화 스파크 발생 장치(70)를 구비한 가스 엔진(1)의 작동시, 분사 장치(40)에 의해 예비 챔버(20) 내로 분사된 점화 가스 제트(41)는 스파크 전극들(71, 72)에서의 전기 점화 스파크에 의해 불꽃을 형성하면서 점화된다. 예비 챔버(20) 내에 있는 가스 혼합물의 연소는 팽창에 의해 예비 챔버(20)로부터 과류 개구들(20, 21)을 통해, 상기 예비 챔버(20)와 연결된, 가스 엔진(1)의 실린더(10)의 메인 연소실(11) 내로 이송됨으로써, 실린더(10)의 메인 연소실(11) 내에 있는 공기-연료 혼합물(공기-연소 가스 혼합물)이 점화되고, 연소시 실린더(10) 내에 있는 피스톤의 폭발 행정을 야기한다.
또한, 점화 스파크 발생 장치(70)를 구비한 가스 엔진(1)의 작동시, 열 기초 점화 장치(60)의 글로우 바디(62)가 약 1150 K 또는 877℃의 예정된 최소 온도로 서서히 가열된다.
또한, 가스 엔진(1)의 압축 행정 동안 각각 선행 연소 사이클로부터 나온 뜨거운 불연성 가스 혼합물이 실린더(10)의 예비 챔버(20) 내로 안내되고 플레임 트랩(61)의 개구(61b)를 통해 그 내부 공간(61a) 내에 모여진다.
배기 가스로 형성된 뜨거운 가스 혼합물에 의해, 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내에는 고유의 연소 없이도 높은 농도의 화학적 라디칼(및 이산화탄소)이 형성될 수 있다. 따라서, 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61) 내로 유입되는 가스 성분은 고유의 불꽃면(flame front) 없이도 산화될 수 있고, 이는 내부 공간(61a) 내의 온도 및 라디칼 농도를 추가로 높인다.
열 기초 점화 장치(60)의 글로우 바디(62)가 분사 장치(40)에 의해 분사된 점화 가스 제트(41)의 안정한 점화에 적합한 최소 온도로 예비 챔버(20) 또는 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내의 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되면, 가스 엔진(1)의 정상 작동 동안 점화 스파크 발생 장치(70)가 차단되고, 열 기초 점화 장치(60)만이 점화 가스 제트(41)를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용된다.
즉, 본 발명의 상기 실시예에 따라, 가스 엔진(1)의 높은 엔진 부하 범위에서는 열 기초 점화 장치(60)만이 점화 가스 제트(41)를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용된다.
열 기초 점화 장치(60)로만 가스 엔진(1)의 작동시, 가스 엔진(1)의 압축 행 정 동안 선행 연소 사이클로부터 나온 뜨거운 불연성 가스 혼합물이 실린더(10)의 예비 챔버(20) 내로 안내되고 플레임 트랩(61)의 개구(61b)를 통해 내부 공간(61a) 내에 모여진다.
내부 공간(61a) 내에 모여진, 불연성 가스 혼합물은 글로우 바디(61)에 의해 1150 K 또는 877℃의 최소 온도로 유지된다.
배기 가스로 형성된 뜨거운 가스 혼합물에 의해, 전체 압축 행정 동안 고유의 연소 없이도 높은 농도의 화학적 라디칼(및 이산화탄소)이 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내에 형성된다. 따라서, 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내로 유입되는 가스 성분은 고유의 불꽃면 없이도 산화될 수 있고, 이는 내부 공간(61a) 내의 온도 및 라디칼 농도를 추가로 높인다.
상기 불연성 가스 혼합물은, 내부 공간(61a) 외부에서 또는 개구(61b) 내에서 희박-연장-한계치(lean-stretch-limit)로 인해 꺼짐이 나타남으로써, 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a)으로부터 불꽃면 형태의 화학적 반응이 생기지 않는, 배기 가스 농도(이산화탄소), 람다, 난류 및 유입 속도와 관련한 값을 갖는다. 따라서, 반응("불꽃")이 먼저 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내에 걸림으로써, 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내에서 흡사 "고정 불꽃면"이 형성된다.
가스 엔진(1)의 실린더(10)의 예정된 점화 시점에 상응하는 시점에, 분사 장치(40)는 고압 점화 가스 제트(41)를 예비 챔버(20) 내로 분사함으로써, 플레임 트랩(61)의 개구(61b)를 통해 유입되는 점화 가스 제트(41)의 연소 가스 혼합물이 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a) 내의 그때까지 불연성인 가스 혼합물을 농후화시 키거나 또는 그 연료 성분을 높임으로써, 지금 형성된 가스 혼합물이 충분히 뜨거운 글로우 바디(62)에서 점화되고 불꽃을 형성하면서 연소된다.
가스 혼합물의 이러한 불꽃 형성 연소시, 불꽃면이 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a)으로부터 플레임 트랩(61)의 개구(61b)를 통해 나온다. 플레임 트랩(61)의 내부 공간(61a)으로부터 나온 불꽃면은 불꽃을 형성하면서, 예비 챔버 내에 있는 가스 혼합물을 점화시킨다. 예비 챔버(20) 내에 있는 가스 혼합물의 연소는 팽창에 의해 예비 챔버(20)로부터 과류 개구들(20, 21)을 통해, 예비 챔버(20)와 연결된, 가스 엔진(1)의 실린더(10)의 메인 연소실(11) 내로 이송되고, 그로 인해 실린더(10)의 메인 연소실(11) 내에 있는 공기-연료 혼합물이 점화되고, 연소시 실린더(10) 내에 있는 피스톤의 폭발 행정을 야기한다.
본 발명에 따른 가스 엔진(1)에서는 PGI 방법에 따라 예비 챔버(20) 내로 분사된 점화 가스 제트(41)와, 실린더(10)의 메인 연소실(11) 내로 분사된 공기-연료 혼합물(공기-연소 가스 혼합물)이 동일한 기상 연료 또는 연소 가스를 기초로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 엔진의 개략적인 부분도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 가스 엔진
10 : 연소 실린더
11 : 메인 연소실
20 : 예비 챔버
21, 22 : 과류 개구
30 : 점화 장치
40 : 분사 장치
41 : 점화 가스 제트
50 : 점화 트리거 장치
60 : 열 기초 점화 장치
61 : 플레임 트랩
61a : 내부 공간
61b : 개구
62 : 글로우 바디
70 : 점화 스파크 발생 장치
71, 72 : 스파크 전극
80 : 점화 전압 제어 장치 81 : 전기 라인

Claims (15)

  1. 가스 엔진(1)용 점화 장치로서,
    연소 가스 혼합물을 기초로 하는 점화 가스 제트(41)를 상기 가스 엔진(1)의 실린더(10)의 예비 챔버(20) 내로 분사하기 위한 분사 장치(40), 및
    상기 예비 챔버(20) 내에 배치되며 점화 가스 제트(41)를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위한 열 기초 점화 장치(60)를 구비하는 점화 트리거 장치(50)를 포함하는 가스 엔진용 점화 장치에 있어서,
    상기 점화 트리거 장치(50)는 추가로 점화 스파크 발생 장치(70)를 포함하고, 상기 점화 스파크 발생 장치는 예비 챔버(20) 내에 배치되며 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 엔진용 점화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 기초 점화 장치(60)는 글로우 바디(62)를 포함하는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 글로우 바디(62)는 연소 가스 혼합물에 의해서만 가열되도록 설계되는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 글로우 바디(62)는 온도를 액티브하게 조절하기 위해 액티브 가열 수단과 조합될 수 있는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점화 스파크 발생 장치(70)는 점화 스파크를 전기 에너지를 기초로 발생시키도록 설계되는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  6. 제5항에 있어서, 점화 전압 제어 장치(80)가 제공되고, 상기 점화 전압 제어 장치는, 점화 스파크의 발생을 위해 점화 전압을 점화 스파크 발생 장치(70)에 제공하도록 점화 스파크 발생 장치(70)와 전기 접속되고, 상기 점화 전압 제어 장치(80)는 점화 전압 또는 전기 점화 에너지의 값을 가스 엔진(1)의 엔진 부하 범위에 따라 제어하도록 설계되는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 점화 전압 제어 장치(80)는, 상기 가스 엔진(1)의 시동을 위해, 그리고 상기 열 기초 점화 장치(60)가 분사 장치(40)에 의해 분사되는 분사 가스 제트(41)의 안정한 점화를 위해 1150K 또는 877℃ 이상의 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되는 시점까지, 상기 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 점화 전압을 점화 스파크 발생 장치(70)에 공급하고, 상기 열 기초 점화 장치(60)가 분사 장치(40)에 의해 분사된 점화 가스 제트(41)의 안정한 점화를 위해 1150K 또는 877℃ 이상의 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되면, 상기 가스 엔진(1)의 정상 작동 동안 점화 스파크 발생 장치(70)에 점화 전압의 공급을 중단하도록 설계되는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 점화 전압 제어 장치(80)는 엔진 최대 파워의 1 퍼센트 내지 40 퍼센트 범위에서, 엔진 최대 파워의 41 퍼센트 내지 70 퍼센트 범위에서보다 낮은 점화 전압 또는 전기 에너지를 상기 점화 스파크 발생 장치(70)에 제공하도록 설계되는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 점화 스파크 발생 장치(70)는 전기 점화 플러그로 형성되는 것인 가스 엔진용 점화 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 점화 장치(30)를 구비하는 가스 엔진.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 점화 장치(30)를 구비하는 가스 엔진(1)의 작동 방법으로서,
    분사 장치(40)는 상기 가스 엔진(1)의 실린더(10)의 예정된 점화 시점에 상응하게 점화 가스 제트(41)를 실린더(10)의 예비 챔버(20) 내로 분사하고,
    상기 가스 엔진(1)의 시동을 위해, 그리고 열 기초 점화 장치(60)가 분사 장치(40)에 의해 분사되는 분사 가스 제트(41)의 안정한 점화를 위해 1150K 또는 877℃ 이상의 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되는 시점까지, 점화 스파크 발생 장치(70)가 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되고,
    상기 열 기초 점화 장치(60)가 분사 장치(40)에 의해 분사된 점화 가스 제트의 안정한 점화를 위해 1150K 또는 877℃ 이상의 온도로 연소 가스 혼합물 연소에 의해 가열되면, 상기 가스 엔진의 정상 작동 동안 열 기초 점화 장치(60)만이 점화 가스 제트(41)를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되는 것인 가스 엔진의 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 점화 스파크 발생 장치(70)는 가스 엔진(1)의 시동시, 및 상기 가스 엔진(1)의 엔진 최대 파워의 1 퍼센트 내지 40 퍼센트 범위부터 엔진 최대 파워의 41 퍼센트 내지 70 퍼센트 범위까지 점화 가스 제트(41)를 점화 스파크에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되는 것인 가스 엔진의 작동 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 가스 엔진(1)의 엔진 최대 파워의 71 퍼센트 내지 100 퍼센트 범위에서 열 기초 점화 장치(60)는 점화 가스 제트(41)를 열에 의해 불꽃 형성하면서 점화하기 위해 사용되는 것인 가스 엔진의 작동 방법.
  14. 제11항에 있어서, 점화 스파크의 발생을 위해 점화 전압 또는 점화 에너지가 상기 점화 스파크 발생 장치(70)에 제공되고, 상기 점화 전압의 값은 가스 엔진(1)의 엔진 부하 범위에 따라 제어되는 것인 가스 엔진의 작동 방법.
  15. 제14항에 있어서, 엔진 최대 파워의 1 퍼센트 내지 40 퍼센트 범위에서는 엔진 최대 파워의 41 퍼센트 내지 70 퍼센트 범위에서보다 낮은 점화 전압 또는 점화 에너지가 상기 점화 스파크 발생 장치(70)에 제공되는 것인 가스 엔진의 작동 방법.
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