KR101363942B1 - 이중 연료 압축 점화 엔진을 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

이중 연료 압축 점화 엔진을 제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

압축 점화 내연 기관은 실린더내의 연료 연소를 검출하기 위한 연소 센서들 및, 연소 센서들로부터 신호들을 수신하는 적어도 하나의 전자 제어 유닛을 가진다. 연료 혼합 유닛은 적어도 제 1 연료의 제 1 소스 및 연료 개질제의 제 2 소스와 연결된다. 상기 실린더내 연료 분사의 시작과 비교된, 개별 실린더내 연료 점화의 검출된 시작에 기초하여, 적어도 하나의 전자 제어 유닛은 혼합 유닛에 의해 연료 분사기로 전달된 연료 혼합물내 제 1 연료 및 연료 개질제의 혼합 비율을 제어함으로써, 점화 지연이 점화 지연에 대하여 미리 결정된 값에 있을 때 연료 혼합물의 가연성이 감소된다.

Description

이중 연료 압축 점화 엔진을 제어하기 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling a dual fuel compression ignition engine}
본 발명은 2 행정 크로스헤드(crosshead) 디젤 엔진 또는 4 행정 디젤 엔진과 같은 압축 점화 내연 기관에 관한 것으로서, 이것은 실린더 안의 연소 챔버들로 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사기들이 제공된 실린더들, 실린더들 안의 연료 연소를 검출하기 위한 연소 센서들 및, 연소 센서들로부터 신호들을 수신하는 적어도 하나의 전자 제어 유닛을 구비한다.
이러한 종류의 엔진은 MAN Diesel 의 ME 엔진으로서 시장에 알려져 있는데, 이러한 엔진에서 연소 센서들은 예를 들면 배기 개스 온도 센서들이다. 엔진은 통상적으로 중유 연료와 같은 단일의 연료로 작동되거나, 또는 주 연료 및 파일롯 연료(pilot fuel)로 작동되는데, 예를 들면 개스가 주 연료료 이용되고 오일이 파일롯 연료로 이용되어 연소 챔버에서 압축 점화가 시작된다. 주 연료 및 파일롯 연료의 경우에서와 같이 2 가지 종류의 연료가 동시에 이용될 때, 2 가지 연료 유형들의 상대적인 소비량은 다소 정적이거나, 또는 다수의 연소 사이클에 걸쳐서 매우 느리게 변화된다.
오랜 세월 동안 낮은 연료 소비율을 얻는 방향으로, 즉, 생산된 동력의 kWh 당 소비된 연료가 적게 되는 방향으로 개발이 이루어져 왔다. 또한 최근의 수십년 동안 이러한 방향에서 많은 성취가 있었는데, 이는 대형의 디젤 엔진들이 이론적으로 획득 가능한 효율에 상당히 근접하게 작동되기 때문이다.
본 발명에 따르면 엔진을 작동시키는 비용을 낮추도록 연료 소비를 경제적인 관점에서 최적화시키는 것이 필요하다.
이러한 목적을 가지고, 본 발명에 따른 엔진은, 연료 혼합 유닛이 제 1 연료의 적어도 제 1 소스(source) 및 연료 개질제(fuel conditioner)의 제 2 소스에 연결되고, 상기 실린더내의 연료 분사의 시작과 비교된 개별 실린더내 연료 점화의 검출된 시작에 기초하여, 적어도 하나의 전자 제어 유닛은 혼합 유닛에 의해 연료 분사기들로 전달된 연료 혼합물내의 제 1 연료 및 연료 개질제의 혼합 비율을 제어함으로써, 점화 지연이 미리 정해진 점화 지연의 값에 있을 때 연료 혼합물의 가연성이 감소되는 것을 특징으로 한다.
전자 제어 유닛은 검출된 점화 시작 및 연료 분사의 시작에 기초하여 실린더내 연소에서 발생하는 실제 점화 지연을 나타내는 시간 차이를 판단할 수 있다. 전자 제어 유닛은 이러한 시간 차이를 점화 지연에 대하여 미리 결정된 값과 비교하며, 만약 시간 차이가 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값과 같이 거의 짧다면, 연료 혼합물의 가연성이 감소되도록 전자 에어 유닛은 혼합 비율을 제어한다. 따라서 전자 제어 유닛은 낮은 품질의 연료 이용을 증가시키는 방식으로 연료 혼합물을 제어한다.
개별 실린더에서 연료 점화의 시작을 검출하는 것은 혼합 비율의 신속한 조절을 보장하는데, 이는 연소가 진행중일 때 실린더내의 개별 연소 과정으로부터의 정보를 전자 제어 유닛이 수신하기 때문이다. 전자 제어 유닛은 결국 다음의 연료 분사가 같은 실린더에서 수행되기 전에 혼합 비율을 조절할 수 있다. 이것은 배기 개스의 온도 측정에 기초한 검출보다 훨씬 빠르게, 혼합 비율을 조절할 필요성의 검출이 이루어지게 하는데, 배기 개스의 온도 측정은 실질적으로 많은 연소 사이클들에 걸쳐 평균화되어야 한다.
점화 지연의 변화를 신속하게 검출하는 것은, 연료의 조성에 관련되지는 않았지만 대신에 다른 인자들에 의해 야기되는 점화 지연의 변화들을 제어 유닛이 효과적으로 보상할 수 있게 하는데, 상기 다른 인자는 엔진 부하, 유입 공기의 습도, 실린더 부품의 온도 (실린더 라이너(liner), 실린더 덮개 및 피스톤은 엔진이 방금 작동 상태로 되었을 때 차갑다), 유입 공기내 산소 함량등과 같은 것이다. 그러한 변화들은 회피될 수 없으며, 이제까지는 불리한 엔진 작동 조건들에서 적절한 연소를 보장하는 충분히 높은 품질의 연료를 이용하는 것이 필요 조건인 것으로 간주되었다. 실제 점화 지연의 변화를 즉각 검출하는 것은 엔진 작동 조건들이 유리할 때 매우 낮은 품질의 연료 혼합물을 이용하는 것을 안전하게 하는데, 이는 작동 조건들의 변화 때문에 필요하다면 전자 제어 유닛이 연료 혼합물을 높은 품질로 조절하기 때문이다.
전자 제어 유닛은, 검출된 점화 지연이 점화 지연에 대하여 미리 정해진 것과 같이 짧을 때, 낮은 품질의 연료를 연료 혼합물에 추가한다. 연료 혼합물에서 낮은 품질의 연료가 증가하는 것은 점화 지연의 증가를 초래하고, 소비된 연료 혼합물의 비용 절감을 초래한다.
바람직한 구현예에서, 제 1 연료는 연료 개질제보다 저렴한 비용의 연료이며, 연료 개질제는 상기 제 1 연료보다 우수한 품질의 연료이다. 이용 가능한 연료 성분들이 이러한 품질을 가질 때, 전자 제어 유닛은 연료 혼합물이 보다 비싸고 우수한 품질의 연료 개질제를 덜 포함되고, 제 1 연료를 더 많이 포함하도록 제어하며, 이것은 소비된 연료의 비용 절감을 초래한다. 가장 나쁜 품질의 연료만이 이요되도록 전자 제어 유닛이 연료 혼합물을 조절하였다면, 즉, 연료 혼합물이 오직 제 1 연료만으로 이루어졌다면, 점화 지연에 대한 값이 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값보다 작아야 할지라도 엔진은 그러한 연료로부터 초래되는 점화 지연과 함께 작동되어야 한다. 이는 엔진에 그 어떤 문제라도 나타나게 할 것이며, 왜냐하면 가장 나쁜 품질의 연료보다 쉽게 점화될수 있는 연료로 가동될 수 있지만, 비용 절감에 대한 완전한 가능성은 이루어질 수 없기 때문이다. 그러한 상황에 대한 정보는 다음의 연료 구매에서 이용될 수 있으며, 이전에 구입한 제 1 연료보다 낮은 품질의 값싼 연료를 얻을 수 있다.
바람직한 구현예에서 제 1 연료는 연료 개질제의 CCAI 값보다 높은 CCAI 값을 가진다. 연료의 산정된 탄소 방향족성 지수(Calculated Carbon Aromaticity Index; CCAI) 값은 연료의 점도 및 밀도에 따른 값이며, 낮은 CCAI 값이 높은 CCAI 값을 가진 연료 오일보다 쉽게 점화되는 연료 오일을 나타낸다는 점에서, 연료 오일의 점화 특성에 대한 지표(indicaition)로서 취해질 수 있다.
특히 선박에서 주 엔진으로서 작동되는 내연 기관에 대하여, 제 1 연료 및 연료 개질제는 모두 중유 연료(heavy fuel oil)일 수 있다. 이러한 제품들은 선박에 연료를 싣는데 쉽게 이용될 수 있고, 상이한 품질의 중유 연료들을 가지고 가동되는 엔진의 성능은 선반 운전자로 하여금, 보다 우수한 품질의 중유 연료와 관련하여, 중유 연료를 값싸게 또는 가능한 것중에서 가장 저렴하게 구입하여 실을 수 있게 한다.
일 구현예에서 연료 개질제의 소비는 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값을 점화 지연에 대하여 미리 정해진 최대 한계에 근접하게 설정함으로써 최소화된다. 제 1 연료가 낮은 품질이어서 점화 지연이 수용 할 수 없을 정도로 길기 때문에 엔진이 그 연료만으로는 만족스럽게 가동할 수 없는 경우에, 전자 제어 유닛에 점화 지연에 대하여 미리 정해진 최대 한계를 제공하는 것이 적절할 수 있다. 또한 그러한 값이 제공될 때 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값을 상기 최대 한계에 근접하게 설정하는 것도 가능해진다. 그러한 설정의 장점은, 엔진을 작동 상태로 유지할 수 있는 가장 낮은 품질에 근접하게 전자 제어 유닛이 연료 혼합물을 유지할 것이며, 결과적으로 연료 비용은 엔진에서 이용될 수 있는 연료 유형들에 대하여 가능한 가장 저렴한 것이 될 것이라는 점이다.
일 구현예에서, 엔진이 100 % 엔진 부하에서 작동될 때 제 1 연료만이 연료 분사기들로 공급된다. 100 % 엔진 부하에서 엔진은 낮은 품질의 연료에 대하여 보다 내성이 있으며(torelant), 엔진에 가장 낮은 품질의 연료, 따라서 가장 값싼 연료를 공급하여 이용된다.
바람직한 구현예에서, 100 % 엔진 부하에서의 엔진 속도는 45 rpm 내지 175 rpm 범위이다. 낮은 품질의 연료를 이용하는 성능은 저속에서 가동되는 엔진들에서 보다 현저한데, 이는 첫째로 엔진 속도가 느릴 때 엔진 사이클이 길게 지속되기 때문에 개별 연소 과정에 대하여 이용될 수 있는 보다 긴 기간(period)이 있기 때문이고, 둘째로 저속 엔진은 통상적으로 매우 큰 동력의 엔진으로서 연료 소모가 크기 때문에 낮은 품질의 연료를 이용하는 것이 실제로 중요하기 때문이다. 매우 저속으로 가동되는 엔진들중 일부는 콘테이너 선박을 위한 엔진들이며, 그러한 엔진은 예를 들면 75,000 kW 또는 그 이상의 동력을 가질 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이 연료 개질제는 제 1 연료보다 쉽사리 점화될 수 있는 연료일 수 있다. 그러나, 제 1 연료가 중유 연료이고 연료 개질제가 물(water)인 것이 본 발명의 범위내에서 가능하다. 물과 연료의 혼합은 점화 지연을 증가시킨다 (가연성을 감소시킨다).
본 발명은 또한 2 행정 크로스헤드 디젤 엔진 또는 4 행정 디젤 엔진과 같은 압축 점화 내연 기관의 실린더에 있는 연소 챔버들로 연료 분사기들에 의해 직접 분사되는 연료 혼합물을 혼합시키는 방법에 관한 것이다. 상기 실린더내 연료 분사의 시작과 비교된 개별 실린더내 연료 점화의 검출된 시작에 기초하여, 연료 분사기들로 전달된 연료 혼합물내의 적어도 제 1 연료 및 연료 개질제의 혼합 비율이 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값보다 오랫동안 연료 혼합물의 점화 지연을 유지하도록 조절된다. 연료 비용의 절감에 비춘 이러한 것의 장점은 위의 설명에서 언급되었으며, 위의 내용을 참조하기로 한다.
바람직스럽게는, 연료 혼합물의 비용이 최소화되도록, 혼합 비율이 변화되는 엔진 작동 조건들에 대하여 조절된다. 본 발명의 방법은 결과적으로 연료 분사기들로 전달되는 연료 혼합물이 엔진의 현재 실제 작동 조건들에 동시 적합화되는 것을 포함한다.
본 발명의 예 및 그 구현예들은 개략적으로 도시된 도면들을 참조하여 다음의 설명에 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 엔진의 전체적인 정면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 엔진에 대한 연료 공급 시스템의 예이다.
도 3 은 광학 유형의 연소 센서들을 나타낸 것이다.
도 4 는 광학 유형의 연소 센서에 대한 보다 상세한 도면이다.
도 5 는 도 4 의 연소 센서의 광섬유에 대한 단부를 도시한 것이다.
도 6 은 상이한 각도들로써 광섬유의 단부를 형상화시킨 효과를 나타내는 것이다.
본 발명에 따른 압축 점화 내연 기관은 도 1 에 도시된 바와 같은 2 행정 크로스헤드 디젤 엔진일 수 있다. 그러한 엔진은 예를 들면 MNA Diesel에서 제조된 MC 유형 또는 ME 유형일 수 있거나, Wartsila에서 제조된 Sulzer RT-flex 또는 Sulzer RTA 유형일 수 있거나, 또는 미쓰비시 중공업에서 제조된 것일 수 있다. 이러한 유형의 엔진은 통상적으로 선박의 주 엔진으로서 또는 발전 플랜트의 정지 상 태 엔진으로서 이용되는 대형 엔진이다. 실린더들은 예를 들면 25 cm 내지 120 cm 범위의 보어(bore)를 가질 수 있고, 엔진은 예를 들면 3000 kW 내지 120,000 kW 범위의 파워를 가질 수 있다. 엔진 스피드는 통상적으로 40 rpm 내지 250 rpm 범위이다. 본 발명에 따른 엔진은 대안으로서 예를 들면 300 rpm 내지 1400 rpm 범위의 엔진 속도 및, 예를 들면 1300 kW 내지 30,000 kW 범위의 엔진 속도를 가진 엔진 파워를 가진 4 행정 디젤 엔진일 수 있다. 본 발명에 따른 압축 점화 내연 기관은 통상적으로 중유 오일을 연료로서 이용할 수 있다.
도 1 의 엔진은 엔진 프레임(3)의 실린더 부분(2)에 장착된 실린더 라이너(1)를 가진 실린더를 구비한다. 배기 밸브 하우징(4)은 실린더 덮개(5) 안에 장착되고, 배기 개스 도관(6)은 개별 실린더로부터, 몇 개의 실린더 또는 모든 실린더들에 공통적인 배기 개스 수용부(7)로 연장된다. 배기 개스 도관들로부터 방출된 배기 개스 펄스들에 의해 야기되는 배기 개스 수용부 압력의 변화는 보다 균일한 압력으로 균등화되며, 하나 또는 그 이상의 터보과급기(8)는 배기 개스 수용부(7)로부터 배기 개스를 수용하여 압축된 공기를 배출 공기 시스템(scavenge air system)으로 전달하는데, 배출 공기 시스템은 배기 개스 수용부와 같이 신장된 압력 용기인 배출 공기 수용부(9)를 구비한다.
도 2에서 실린더 부분(2)은 오직 단일의 실린더만을 가지고 도시되었지만, 엔진은 2 행정 엔진일 때 4 개 내지 15 개의 실린더들 및, 4 행정 엔진일 때 4 내지 20 개의 실린더들과 같은 복수개의 실린더들을 가진다. 각각의 실린더는 하나 또는 그 이상의 연료 투여 장치(fuel dosing devices, 10)들과 결합된다. 연료 투 여 장치는 연료 펌프일 수 있으며, 그러한 경우에 연료 시스템은 연료 공급 파이프(11)에서 상대적으로 낮은 공급 압력으로써만 연료 투여 장치에 연료를 전달할 필요가 있으며, 예를 들면 2 bar 내지 15 bar 범위의 압력으로 전달할 필요가 있다. 대안으로서, 연료 투여 장치는 밸브이거나 또는 계측 장치와 연결된 밸브일 수 있으며, 연료 공급 파이프는 고압 파이프로서, 고압 파이프 안에서 연료는 분사 압력보다 높은 압력이고, 예를 들면 500 바아 내지 1500 바아 범위의 공급 압력이다. 그러한 연료 시스템은 코몬-레일(common rail system)이라고 칭해진다. 어떠한 경우에서건, 연료 투여 장치(10)는 정상 엔진 작동 동안에 개방 위치에서 유지되는 밸브(13)를 가진 분기 도관(12)에 의해 연료 공급 파이프(11)에 연결된다. 연료 투여 장치(10)는 연료 분사기(12)에 고압 연료 도관(15)들을 통해 연결된다. 복귀 도관(16)은 분사기들로부터 연료 복귀 라인(17)으로 이어진다. 실린더마다 분사기들의 개수는 실린더의 파워에 달려있다. 소형의 엔진에서 하나의 연소 과정을 위하여 필요로 하는 연료의 양을 분사하는데 단일 분사기로 충분할 수 있는 반면에, 대형의 보다 강력한 엔진에서는 2 개 또는 3 개의 분사기들이 필요할 수 있다. 몇 개의 분사기들이 실린더 마다 제공될 때, 분사기마다 하나의 연료 투여 장치(10)가 있을 수 있거나, 또는 도 2 에 도시된 바와 같이 몇 개의 분사기들이 하나의 연료 투여 장치를 공유할 수 있다.
개별의 실린더에서 피스톤(18)은 피스톤 로드(19)에 장착되는데, 피스톤 로드는 커넥팅 로드(미도시) 및 크로스헤드(crosshead)를 통해서 크랭크샤프트에 있는 크랭크 핀과 연결된다. 엔진이 4 행정 엔진이라면 피스톤은 커넥팅 로드에 직접 적으로 연결된다. 연료 분사기는 연료를 연소 챔버(20)로 분사하는데, 연소 챔버에서는 피스톤 위의 공기가 고온이기 때문에 연료가 자동 점화된다. 상방향의 압축 행정 동안 피스톤이 유입 공기를 압축하기 때문에 높은 온도가 존재한다. 따라서 점화 유형은 압축 점화이며, 이것은 오토 사이클에 따라서 작동하는 엔진에서 이용되는 스파크 점화와는 다르다.
분사기가 연료를 연소 챔버 안에 있는 압축된 공기로 분무하거나 또는 분사하여 연료가 고온의 공기에 의해서 가열될 때, 그리고 약간의 시간 이후에, 즉 점화 지연 이후에, 연료가 점화되어 연소되기 시작한다. 점화 지연은 연료의 분사와 함께 시작된다. 이러한 시간에서의 시작 지점은 실제의 측정에 의해서 얻어질 수 있거나, 또는 연료 투여 장치(10)를 활성화시키는 신호의 타이밍에 기초하여 얻어질 수 있다.
연료 분사기(14)에 장착된 센서는 실제 측정을 수행할 수 있고 와이어(22)를 통해서 전자 제어 유닛(21)으로 신호를 보낼 수 있다. 분사의 시작을 측정하는 센서는 분사기에서 바늘의 변위에 의해 활성화되는 자기 센서일 수 있거나, 또는 동일한 변위에 의해 활성화되거나 또는 분무기의 연료 채널 안의 고압에 의해 활성화되는 압력 센서일 수 있거나, 또는 분무기의 후방 단부 표면에 연결된 진동 센서일 수 있다. 연료 분사기에 있는 밸브 시트(valve seat)가 개방되고 연료가 앞으로 유동하여 분무기의 보어(bore) 단부를 칠 때, 진동 센서에 의해 검출될 수 있는 압력 임펄스(pressure impulse)가 발생된다.
대안으로서, 시작 지점(starting point)은 연료 투여 장치가 활성화되는 순 간의 시초에 평가될 수 있다. 특정한 엔진에 대하여, 연료 투여 장치의 활성화와 연소 챔버 안으로 연료 분사가 실제 시작되는 것 사이에 발생되는 지연을 판단할 수 있다. 다음에 전자 제어 유닛(21)은, 연료 투여 장치가 활성화된 시간 지점과 미리 정해진 지연 기간을 더한 것을 시작 지점으로서 계산할 수 있다. 시간상의 이러한 시작 지점의 판단을 수행하는 것은 매우 간단하며, 특히 전자 제어 유닛이 활성화 신호를 연료 투여 장치로 보낼 때 그러하다. 만약 연료 특성이 지연 기간의 판단에서 이용된 연료의 특성으로부터 현저하게 변화된다면, 이러한 판단에는 당연히 사소한 부정확성이 있게 될 것이다. 지연 기간을 수작업으로 수정하는 것을 허용함으로써 그러한 것을 보상할 수 있으며, 예를 들면 미리 정해진 지연 기간에 보정 인자(correction factor)의 음의 값 또는 양의 값이 더해지도록 입력함으로써 보상할 수 있다.
점화의 지연은 연소 챔버에서 연료가 실제로 점화되는 순간에 종료된다. 이러한 시간상의 종료는 실린더들 안에서 연료의 연소를 검출하는 연소 센서를 이용함으로써 다양한 방식들에 의해 판단될 수 있다. 일 구현예에서 연소 센서는 연소에 의해 야기된 실린더 압력의 상승을 검출하는 압력 센서이다. 그러한 압력 센서는 피스톤이 상사점에 있을 때, 상부 피스톤 링의 위에 있는 위치에서 실린더 라이너(cylinder liner)의 측벽에 장착될 수 있거나, 또는 실린더 덮개에 장착될 수 있다. 대안으로서, 압력 센서는 실린더 덮개(5)를 실린더 부분(2)에 클램프시키는 덮개 스터드(cover stud)의 장력(tension)을 측정하는 스트레인 게이지 장치일 수 있으며, 스터드에서의 장력은 연소 챔버내 압력이 증가될 때 증가되기 때문에 그 장 력이 압력 값으로 변환될 수 있다. 시간상의 종료 지점(ending point)을 판단할 목적으로, 스트레인을 압력으로 변환시킬 필요는 없으며, 이는 관련 이벤트(relevant event)가 압력 상승의 개시 순간이기 때문이며, 이를 위해서는 스트레인이 증가되는 순간을 기록하는 것으로 충분하다.
대안으로서 연소 센서는 실린더 덮개에 장착되거나 또는 실린더 라이닝(lining) 또는 벽에 장착된 온도 센서일 수 있다. 점화는 연소 챔버 안에 포함된 개스들의 온도 상승을 야기하며, 이것은 온도 센서로 검출될 수 있다.
압력 상승 및 온도 상승 모두는 상당히 느리게 작용하는 특성의 것이다. 결과적으로, 시간상의 종료 지점을 얻기 위하여 온도 또는 압력 상승의 검출 순간으로부터 보정 값을 추론할 수 있다. 보정 값은 실험에 기초하여 전자 제어 유닛(21)에 미리 정해진 보정 값으로서 저장될 수 있거나, 또는 엔진이 어떻게 작동하는지를 관찰하는 것에 기초하여 시스템 안으로 수작업에 의해 입력될 수 있다.
대안으로서 연소 센서는 연소 챔버 안의 연료 분사로부터 방출된 광(바람직스럽게는 UV 광 및/또는 사람의 눈에 보이는 광)을 검출할 수 있는 광 센서일 수 있다. 그러한 연소 센서(23)는 매우 빠르게 작용하고, 점화가 시작하는 순간을 즉각적으로 검출하며, 따라서 점화 지연에 대하여 상기 언급된 시간상의 종료 지점을 높은 정밀도로 검출한다. 광을 감지하기 위한 연소 센서(23)는 일 구현예에서 도 4 에 도시된 바와 같이 장착되는데, 여기에서는 보어(24)가 실린더 덮개에 존재하고, 외부 나사를 가진 홀더(holder, 25)가 연소 챔버로 이어지는 보어 안에 있는 짝을 이룬 내부 나사에 나사 결합된다. 홀더(25)는 중앙의 관통 보어를 가지며, 그 보어 안에 2 개의 광섬유들이 장착됨으로써 광섬유 내측 단부들이 연소 챔버 안에 위치되거나, 또는 보어(24) 안에서 연소 챔버에 근접하게 위치됨으로써 연소 챔버 안의 내용을 자유롭게 관찰할 수 있다.
광섬유들중에서, 하나의 광섬유(26)는 광 검출 섬유(photo detector fibre)로서, 이것은 실제로 연소 센서를 구성한다. 광섬유(26)는 그것의 외측 단부에서 광 센서 장치(29)에 연결되는데, 이것은 수신된 광의 강도가 쓰레숄드 값(threshold value) 이상일 때 와이어(30)를 통해서 신호를 전자 제어 유닛(21)으로 송신한다. 광 센서 장치(29)는 광-감지 다이오드(photo-sensitive diode)일 수 있다. 다른 광섬유(27)가 테스트 목적을 위해서 설치되며, 그것의 외측 단부에서 LED (발광 다이오드)와 같은 광원(28)에 연결된다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 실린더에는 2 개의 연소 센서(23)들이 제공되는데, 그 각각은 상기 2 개의 광섬유(26,27)들을 관련 구성 요소들과 함께 구비한다. 2 중 센서(23)는 다른 센서가 고장나는 경우에 지원 센서(back-up sensor)의 역할을 하며, 추가적으로 2 중 센서들은 검출 시스템이 자체-테스트 시스템이 되는 것을 허용하는데, 자체 테스트 시스템은 시스템의 정확한 기능 작용을 검증한다. 정상의 작동에서 시스템은 측정 모드에 있게 되며, 측정 모드에서는 각각의 센서가 개별적으로 작동하고 검출된 점화 신호들을 전자 제어 유닛(21)으로 전달한다. 전자 제어 유닛(21)은 거의 동일한 2 개의 신호들을 비교할 수 있으며, 신호들이 미리 정해진 쓰레숄드 값보다도 서로 더욱 편향(deviation)되어 있다면, 전자 제어 유닛(21)은 자체 제어 과정을 개시할 수 있다.
자체 제어 과정의 활성화시에, 연소 센서들의 기능은 연소가 이루어지고 있지 않은 연소 사이클의 일부 동안에 점검된다. 그 점검은 예를 들면 피스톤의 압축 행정 동안에 수행될 수 있다. 바람직한 점검 과정은 다음과 같다: A) 센서들중 하나에서 광원(28)이 활성화되어 광을 방출하여, 광이 광섬유(27)를 통해 이동하여 연소 챔버로 진입하며, 연소 챔버에서 센서들중 다른 것이 광을 검출함으로써, 광원 및 다른 센서가 정확하게 작동한다는 것을 나타낸다. B) 센서들중 다른 것에서 광원(28)이 활성화되어 광을 방출하여, 광이 광섬유(27)를 통해 이동하여 연소 챔버로 진입하며, 연소 챔버에서 센서들중 하나가 광을 검출함으로써, 광원 및 하나의 센서가 정확하게 작동한다는 것을 나타낸다. C) 상기의 A) 및 B) 로부터 검출된 신호들이 전자 제어 유닛(21)에서 비교되고, 신호들 사이의 편향이 쓰레숄드 값 보다 낮다면 양쪽 센서들의 정확한 기능이 인정되고 정상 작동이 계속된다. 편향이 쓰레숄드 값보다 높다면, 검출된 값들은 표준 값들과 비교되어, 센서들중 하나는 정상 기능에 있는 것으로 인정되고 다른 것은 비활성화되어 기능 불량 신호를 작동자에게 보낸다.
바람직한 구현예에서 광섬유(26)의 단부는 광섬유의 길이 방향 축과 각도(α)를 형성하는 적어도 하나의 평탄한 단부 표면(31)을 가지도록, 광섬유(26)가 연소 챔버를 향하는 단부에서 형상화된다 (도 5). 각도(α)는 방향(β)에 영향을 미치는데, 그 방향으로부터 광섬유가 광을 검출할 수 있다. 도 5에서 선(32)은 유입되는 광을 도시하고, 이것은 어떻게 광이 광섬유로 수용되고, 어떻게 섬유에 있는 코팅(33)과 섬유 재료 사이의 천이부에서 반사되는지를 나타낸다. 각도(α)의 영향은 도 6 에 더 상세하게 나타나 있다. 도 6 의 좌측에서 단부 표면은 각도 α=60°이고, 광섬유는 어두운 띠(band)로 표시된 각도 부분(34)으로 광을 검출할 수 있다. 도 6 의 중간에서, 각도 α=45°를 가진 단부 표면들로 형상화된 광섬유는 180°이상을 포괄하는 부분(35,35',35")들의 광을 검출할 수 있다는 것을 도시하는 반면에, 도 6 의 우측에서는 단부 표면이 각도 α=35°일 때 광섬유는 오직 보다 작은 각도 부분(36)의 광을 검출할 수 있다는 것을 도시한다. 각도 α=45°가 바람직하다.
점화 지연은 분사 시작과 점화 시작 사이의 기간으로서 정해진다. 본 발명에 따르면 점화 지연은 저렴한 비용으로 소망의 엔진 샤프트 파워를 발생시키기 위하여 낮은 품질의 연료를 분사기(14)에 공급하는데 이용된다. 연료 품질의 개질(conditioning)은 적어도 2 개의 상이한 연료들을, 한편으로는 엔진의 요건을 충족시키지만 다른 한편으로는 유리하게 저렴한 비용을 가지는 연료 혼합물로 혼합시킴으로써 수행된다.
중유 연료들을 이용하기 위해 설계된 연료 시스템의 일 예는 도 2 에 도시되어 있다. 중유 연료들의 이용은 연료 오일 시스템을 특정한 요건하에 두게 되는데, 이는 중유 연료가 통상적으로 실내 온도에서 유체가 아니기 때문이다. 중유 연료를 펌프시킬 수 있도록 하기 위하여, 이것은 약 70 내지 80℃ 와 같은, 실내 온도 이상으로 상승된 온도로 가열될 필요가 있다. 더욱이, 중유 연료가 연료 오일 시스템을 통하여 소비되는 것을 초과하는 양으로 순환될 수 있게 함으로써, 유동성의 결여에 기인하는 차단을 회피하도록 가열된 오일의 순환이 시스템의 모든 부품들을 충분히 상승된 온도에서 유지시키는 것이 필요하다. 또한 시스템은 중유 연료의 모든 정교한 부품들을 깨끗이 하는(purge) 가능성을 가지고 설계되어야 하는데, 이는 통상적으로 엔진이 정지하기 전에 중유 연료로부터 해양용 디젤 오일(ISO 8217)로 작동을 전환시킴으로써 수행된다. 연료 오일 시스템은 디젤 오일 탱크(37)를 가지며, 이것은 연료 오일 시스템으로부터 탱크(37)를 차단하는 위치에 밸브(38)를 설정함으로써 연속적인 엔진 작동 동안에 대기 상태로 유지된다. 탱크는 파이프(39)를 통해서 오일로 채워질 수 있고 벤트(40)를 통해서 공기가 유통된다.
제 1 연료의 제 1 소스(source)는 탱크(41)의 형태로 제공되는데, 탱크는 파이프(42)를 통해 탱크 안으로 채워진 제 1 의 중유 연료를 유지할 수 있다. 연료 개질제(fuel conditioner)의 제 2 소스는 탱크(43)의 형태로 제공되며, 이것은 파이프(44)를 통해 탱크 안으로 채워지는 제 2 의 중유 연료를 유지할 수 있다. 벤트(40)들은 탱크들에 공기를 유통시킨다. 엔진의 정상 작동 동안에, 탱크(41)로부터의 유출 파이프(49)가 화살표(B)로 표시된 바와 같이 연료 펌프(48)의 제 1 세트와 유동 연결되고, 탱크(37)에 대한 접근이 차단되는 위치에, 밸브(47)가 유지된다. 엔진의 정상 작동 동안에, 탱크(43)로부터의 유출 파이프(45)가 화살표(A)로 표시된 바와 같이 연료 펌프(46)의 제 2 세트와 유동 연결되고, 탱크(37)에 대한 접근은 차단되는 위치에 밸브(38)가 유지된다.
제 1 연료는 연료 펌프(48)들의 제 1 세트에 의해서 가압되며, 혼합 유닛(52)의 방향에서만 유동하는 것을 허용하는 체크 밸브(check valve)가 제공된 도관(53)을 통하여 연료 혼합 유닛(52)으로 필터(51)를 거쳐 유동할 수 있다. 연료 개질제는 연료 펌프(46)의 제 2 세트에 의해서 가압되며, 도관(55)을 통하여 연료 혼합 유닛(52)으로 필터(54)를 거쳐 유동할 수 있다.
연료 혼합 유닛(52)은 탱크(41) 및 탱크(43)로부터 제공된 연료들을 연료 혼합물로 혼합하고, 연료 혼합물은 도관(56)을 통하여 연료 펌프(57)의 제 3 세트로 전달하며, 연료 펌프는 연료 혼합물을 연료 투여 장치(10)들에서의 수용에 필요한 압력으로 가압한다. 연료 시스템이 바람직스럽게는 연료 펌프의 제 3 세트 하류측에 추가적인 연료 필터(59) 및 연료 가열 유닛(58)을 가진다.
연료 복귀 라인(17)은 연료 공급 파이프(11)에 있는 압력 조절 밸브(60)와 연결되고 공기 제거 장치(de-aerating device, 61)와 연결되며, 공기 제거 장치는 연료 공급 파이프(11) 및 연료 복귀 라인(17)에서 연료 혼합물에 재순환을 제공하기 위하여 도관(62)을 통하여 도관(56)에 연결된다. 도관(12)들에 연료 혼합물이 공급되는 연료 오일 소비점(fuel oil consuming point)으로 연료 혼합물의 조성 변화가 신속하게 순환되는 것은 재순환에 의해서 보장된다.
연료 혼합 유닛(52)은 전자 제어 유닛(21)으로부터 제어되는데, 전자 제어 유닛은 탱크(41,43)로부터 제공된 연료들의 혼합 비율을 조절한다. 전자 제어 유닛은 점화의 시작과 분사의 시작 사이의 지속 기간에 관하여 상기에 설명된 판단을 통해서 현재 점화 지연에 대해 연속적으로 업데이트(update)된다. 이러한 점화 지연은 엔진에 있는 단일의 실린더에만 장착된 센서들로부터 얻어질 수 있거나, 또는 엔진에 있는 몇 개의 실린더 또는 모든 실린더들에 장착된 센서들로부터 얻어질 수 있다.
작동 조건들이나 또는 연료 조성이 변화됨으로써 점화 지연이 짧아질 때, 전자 제어 유닛은 연료 혼합물의 혼합 비율을 변화시킴으로써 이러한 변화를 보상하고, 따라서 인화력이 약한 (따라서 질이 나쁘고 저렴한) 연료의 비율이 증가된다. 그러한 증가의 효과는 연료 혼합물의 가연성(ignitability)이 감소되는 것이며, 따라서 점화 지연이 증가되는 것이다. 특정한 엔진에 대해서는 미리 정해진 최소 점화 지연이 전자 제어 유닛에 설정될 수 있다. 미리 정해진 점화 지연은 엔진 속도에 달려 있다. 전체적으로, 엔진 속도가 낮으면, 긴 점화 지연이 허용 가능하다. 100 % 의 엔진 부하에서 약 80 rpm 의 엔진 속도를 가지는 2 행정 엔진에 대하여 (본원의 내용에서 엔진 속도는 100 % 엔진 부하에서의 속도를 지칭한다), 점화 지연에 대하여 미리 결정된 값이 바람직스럽게는 약 3.5 내지 3.9 ms 에서 설정된다.
전자 제어 유닛에는, 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값에 추가적으로, 점화 지연에 대한 최대 한계가 제공될 수도 있다. 이러한 한계는, 가능하다면 실제 유형의 엔진을 가지고 운전하였던 경험에 기초하여 안전성 마진(safety margin)과 함께 적절한 점화가 보장되도록 설정될 수 있다. 약 70 rpm 의 엔진 속도를 가진 2 행정 엔진에 대하여, 점화 지연에 대한 최대 한계가 바람직스럽게는 약 4.0 ms에서 설정된다.
정상적인 엔진 작동이 종료되고 엔진이 정지되었을 때, 탱크(37)로부터 연료 펌프(46,48)로의 접근을 개방하고 유출 파이프(45,49)에서의 밸브들을 폐쇄하는 위치에 밸브(38,47)들을 설정함으로써, 연료 시스템이 탱크(37)로부터의 디젤 오일에 대한 작동으로 전환될 수 있다.
중유 연료가 아닌 다른 연료들이 당연히 이용 가능하다. 연료 개질제는 예를 들면 에탄올과 같은, 바이오 발생 연료(bio-generated oil)일 수 있다; 제 1 연료는 타르 또는 아스팔트를 포함하는 연료와 같이 매우 낮은 품질의 연료일 수 있다. 광범위한 다른 연료들이 이용될 수 있는데, 이는 특히 엔진이 가동중일 때 너무 높은 품질의 연료를 이용하지 않으면서 연료 혼합물을 소망의 점화 특성을 제공할 수 있는 혼합물로 조절될 수 있기 때문이다.
물론 2 종류 이상의 연료, 예를 들면 3 종류, 4 종류, 5 종류 또는 그 보다 많은 종류의 연료들을 이용할 수 있으며, 이러한 연료들은 개별 연료 탱크 안에 유지되고 분리된 펌프 및 도관들을 통하여 연료 혼합 유닛으로 공급된다.
개별 연료의 가연성(ignitabliity)은 산정된 탄소 방향족성 지수(Calculated Carbon Aromaticity Index; CCAI) 값에 의해서 나타낼 수 있다. 이러한 값은 연료 오일의 점도 및 밀도에 달려 있다. CCAI 값은 다음의 공식을 이용하여 계산된다.
CCAI = D-81-141 Log 10 Log 10 (Vk + 0.85)-483 Log 10 ((T+273)/323)
여기에서,
Vk = 온도(T℃)에서의 운동학적 점도 (mm2/s)
D = 15℃ 에서의 밀도 (Kg/m3)
제 1 연료가 연료 개질제 보다 높은 CCIA 값을 가짐으로써, 높은 CCIA 를 가진 연료가 최대로 소비되는 방식으로 연료가 혼합되는 것이 바람직스럽다.
일 구현예에서, 점화 지연의 측정은 오직 단일의 개별 실린더에서만 수행된다. 이러한 구현예는, 연소 센서 및, 가능하게는 연료 분사의 시작을 검출하는 센서가 오직 단일 실린더에만 제공될 필요가 있기 때문에, 용이하게 실시된다. 다른 바람직한 구현예에서, 엔진에 있는 몇 개의 실린더들, 예를 들면 모든 실린더들에서 점화 지연의 측정을 수행하도록 장비가 구비된다. 이것은 엔진의 신뢰성을 향상시키는데, 왜냐하면 많은 실린더들에서 점화 지연의 측정이 수행될 때 하나의 실린더에서의 고장 상태가 검출될 수 있기 때문이다.
청구항의 범위내에서 변형이 이루어질 수 있으며, 특히 개시된 구현예들의 미세한 내용을 새로운 구현예로 결합시키는 것이 가능하다.
본 발명은 선박용이나 발전용의 디젤 엔진등에서 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 실린더들에 있는 연소 챔버들 안으로 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사기들이 제공된 실린더들, 실린더들 안에서 연료 연소를 검출하기 위한 연소 센서들 및, 연소 센서들로부터 신호들을 수신하는 적어도 하나의 전자 제어 유닛을 구비하는, 압축 점화 내연 기관으로서,
    연료 혼합 유닛이 제 1 연료의 적어도 제 1 소스(source) 및 연료 개질제(fuel conditioner)의 제 2 소스와 연결되고, 상기 실린더내 연료 분사의 시작에 비교된, 개별 실린더에서 검출된 연료 점화의 시작에 기초하여, 적어도 하나의 전자 제어 유닛이 연료 혼합 유닛에 의해 연료 분사기로 전달된 연료 혼합물내의 제 1 연료 및 연료 개질제(fuel conditioner)의 혼합 비율을 제어함으로써, 점화 지연이 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값에 있을 때 연료 혼합물의 가연성이 감소되는 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 연료는 연료 개질제보다 저렴한 가격의 연료이며, 연료 개질제는 상기 제 1 연료보다 우수한 품질의 연료인 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 연료는 연료 개질제의 CCAI 값(Calculated Carbon Aromaticity Index-value) 보다 높은 CCAI 값을 가지는 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 연료 및 연료 개질제는 중유 연료 제품인 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  5. 제 2 항에 있어서,
    연료 개질제의 소비는, 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값을 점화 지연에 대하여 미리 정해진 최대 한계에 근접하게 설정함으로써 최소화되는 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    100 % 의 엔진 부하에서 오직 제 1 연료만이 연료 분사기들로 공급되도록 혼합 비율이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    100 % 의 엔진 부하에서 엔진 속도는 45 rpm 내지 175 rpm 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 1 연료는 중유 연료이고, 연료 개질제는 물인 것을 특징으로 하는, 압축 점화 내연 기관.
  9. 압축 점화 내연 기관의 실린더들내의 연소 챔버들 안으로 연료 분사기들에 의해 직접 분사되는 연료 혼합물의 혼합 방법으로서,
    상기 실린더의 연료 분사의 시작에 비교된, 개별 실린더에서 검출된 연료 점화의 시작에 기초하여, 연료 분사기들로 전달된 연료 혼합물내의 적어도 제 1 연료 및 연료 개질제의 혼합 비율은, 점화 지연에 대하여 미리 정해진 값보다 길게 연료 혼합물의 점화 지연을 유지하도록 조절되는 것을 특징으로 하는, 연료 혼합물의 혼합 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    연료 혼합물의 비용이 최소화되도록, 변화하는 엔진 작동 조건들에 대하여 혼합 비율이 조절되는 것을 특징으로 하는, 연료 혼합물의 혼합 방법.
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