KR101393320B1

KR101393320B1 - 연료 가스 분사 압력을 제어하는 내연 기관 엔진

Info

Publication number: KR101393320B1
Application number: KR1020130069543A
Authority: KR
Inventors: 옌스 라네 바응아르드
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-05-09
Also published as: CN103511104A; JP2016186308A; JP2014051968A; KR20140002498A; DK177566B1; JP6334596B2; CN103511104B; JP2015057548A

Abstract

2행정 크로스헤드 디젤 엔진인 내연기관 엔진으로서, 상기 내연기관 엔진은, 연료 가스 공급 시스템, 실린더의 연소실로 연료 가스를 직분사하기 위한 연료 가스 분사기를 구비하는 실린더, 및 주어진 엔진 부하에서 원하는 엔진 속력을 달성하도록 적용되는 연료 인덱스에 따라 연소실에 분사된 연료 가스의 양을 제어하는 적어도 하나의 엔진 제어 유닛을 포함하되, 상기 연료 인덱스는 매 분사시에 실린더로 분사되게 되는 연료 가스의 양을 정의하고, 분사된 연료 가스의 양은 연료 가스 분사 시간을 조절함으로써 제어되며, 주어진 엔진 부하에서 원하는 엔진 속력을 달성하기 위하여 적어도 하나의 엔진 제어 유닛에 의해 결정되는 적용된 연료 인덱스와 비교되는 측정된 엔진 부하로부터 결정되는 기준 연료 인덱스에 기초하여 작동시에 엔진 부하를 측정하도록 센서 조립체가 구비되며, 적어도 하나의 상기 엔진 제어 유닛은 연료 가스의 에너지 밀도의 변화에 응답하여 연소실에 분사되는 연료 가스의 분사 압력을 제어하여, 적용되는 연료 인덱스는 기준 연료 인덱스에 대응하게 되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 가스 분사 압력을 제어하는 내연 기관 엔진{An internal combustion engine with control of fuel gas injection pressure}

본 발명은 실린더에서 연소실로 바로 연료 가스를 분사하는 연료 가스 인젝터를 구비한 실린더와, 주어진 엔진 부하에서 원하는 엔진 속력을 얻기 위하여 적용된 연료 인덱스에 따라 연소실로 분사된 연료 가스의 양을 제어하는 적어도 하나의 엔진 제어 유닛을 포함하는 2행정 크로스헤드 디젤 엔진인 내연 기관 엔진에 대한 것으로서, 여기서, 상기 연료 인덱스는 분사시마다 실린더로 분사되는 연료 가스의 양을 정의하며, 연료 가스의 양은 연료 가스 분사 기간 시간을 조절함으로써 제어된다.

내연 기관 엔진의 작동시에 방출되는 이산화탄소, 산화질소, 황화물을 감축하고자 하는 것에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이에 따라 종래의 연료 오일에 대한 대체제로서 대체 연료가 연구되고 있다. 엠에이엔 디이젤 12K80MC-GI-S 와 같은 대형 2행정 디젤 엔진의 작동은 주 연료로서 연료 가스를 사용하여 작동하는 것이 종래의 연료 오일에 비하여 배출면에 있어서 환경적으로 바람직하며 안전하고 신뢰할 수 있다는 것을 보여주었다. 선박 시장에서 특히 액체 천연가스 연료 운반기(LNG 운반선)에서 대형 2행정 디젤 엔진에 대하여, 연료 가스를 사용하는 엔진은 점진적으로 관심을 받게 되었는데, 여기서, 가스 탱크로부터 기화되어 방출되는 가스는 운송시에 반드시 처리되어야 한다.

따라서, 이러한 엔진의 작동시에 LNG 운반선의 가스 탱크로부터 가화 가스 및/또는 천연 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, LNG 운반선의 가스 탱크로부터의 연료 가스의 칼로리값은 시간에 따라 변화하는데, 예를 들어 그 이유는 가화 가스는 실린더에 제공되는 연료 가스의 에너지 밀도를 감소시키게 되는 예를 들어 질소를 포함하기 때문이다. 유사하게, 실린더에 제공되는 연료 가스의 온도가 변화하게 되면 실린더의 연소실로 분사되는 연료 가스의 에너지 밀도도 변화하게 된다.

실린더로 분사되는 연료 가스의 에너지 밀도가 엔진의 기준 연료 인덱스를 결정하고 엔진의 제조 기준 조정을 위한 기준이 되는, 즉 원하는 엔진 속력을 얻기 위하여 주어진 부하에 대하여 실린더로 분사되는 연료의 양인 기준 연료 가스의 에너지 밀도와 다를 경우, 엔진 속력을 유지하기 위하여 적용된 연료 인덱스를 조절할 필요가 있다. 연료 가스의 에너지 밀도의 변화는 실제 엔진 부하에서 기준 연료 인덱스로부터 적용된 연료 인덱스의 변화로서 일반적으로 경험되었다.

예를 들어, 연료 가스의 에너지 밀도가 기준 연료가스보다 낮다면, 단위 시간마다 분사되는 에너지 양은 엔진 속력을 유지하기에 불충분하게 되며 엔진 속력은 감소하게 된다. 그러나, 이러한 것은 연료 인덱스가 증가하고 실린더로 분사되는 에너지의 양이 증가하게 되어 엔진 속력이 원하는 수준으로 되어, 즉 연료 가스 분사 시간이 증가하게 되므로 전자 제어 유닛에 의해 보상되게 된다.

그러나, 이러한 연료 가스의 에너지 밀도의 변화에 대한 보상 및 원하는 에진 속력을 달성하도록 하는 방법은 그 효율이 낮은데, 그 이유는 연소실의 최대 연소 압력은 최적 작동 포인트에서보다 낮기 때문이다. 유사하게, 만약 연료 가스의 에너지 밀도가 기준 가스보다 높으면, 최대 연소 압력은 엔진에 잠재적으로 손상을 줄 수 있으며 마모를 증가시키게 될 엔진의 설계에 비하여 높게 된다.

따라서 연료 가스의 에너지값 및 연료 가스의 온도의 변화는 단위 시간당 실린더로 분사되는 에너지량 및 에너지 밀도에 영향을 주게 된다.

EP 1 546 532 는 연료 오일 및 연료 가스의 혼합물로 운전되는 다중 연료 엔진을 작동시키는 시스템을 설명한다. 언지 제어 유닛은 엔진 시스템에 연결되며, 연료 가스 온도 및 연료 가스 압력과 같은 엔진 시스템의 작동 특성에 기초하여 엔진에 전달되는 다중 연료의 각각의 양을 제어한다.

본 발명에 따르면, 에너지 밀도를 가변시킴으로써 연료 가스에서 작동될 때 내연 기관 엔진의 효율을 최소화하고자 한다.

본 발명에 따른 내연 기관 엔진의 관점에서, 작동하는 동안에 엔진의 부하를 측정하기 위하여 센서 조립체가 제공되는데, 이러한 센서 조립체는 주어진 엔진 부하에서 원하는 엔진 속력을 달성하기 위하여 적어도 하나의 엔진 제어 유닛에 의해 결정되는 적용된 연료 인덱스에 비교하여 측정된 엔진 부하로부터 결정되는 기준 연료 인덱스에 기초하여 엔진의 부하를 측정하되, 적어도 하나의 엔진 제어 유닛은 연료 가스의 에너지 밀도의 변화에 응답하여 연소실로 분사되는 연료 가스의 분사 압력을 제어하여, 적용되는 연료 인덱스는 기준 연료 인덱스에 대응하게 된다.

전자 제어 유닛은 센서 조립체로부터의 판독에 기초하여 측정된 엔진 부하 및 대응하는 기준 연료 인덱스를 결정하고 그것을 상기 엔진 제어 유닛에 의해 계산된 적용 연료 인덱스와 비교한다. 기준 연료 인덱스와 적용된 연료 인덱스 사이에 차이가 있을 경우, 연료 가스 분사 압력은 조절되어 단위 시간단 분사된 에너지 양은 연료 가스의 온도 및/또는 연료 가스의 칼로리값이 변화에서도 일정하게 된다.

본 발명에 따른 선박 엔진을 구비한 선박에 작용하는 파도 또는 원하는 속력으로부터 속력의 변화를 일으키는 연료 가스의 빠른 에너지 밀도의 변화와 같은 동력 변화에 기인하여 빠른 엔진 부하의 장애는 연료 분사 시간을 조절함으로서 매 분사이에 실린더로 분사되는 에너지 량을 신속하게 조절함으로서 보상된다. 연료 분사 압력을 조절함으로써, 연료 가스의 칼로리값의 시간에 따른 느린 변화 및/또는 연료 가스의 온도의 변화를 보상하는 것이 가능하게 되는데, 분사된 연료 가스의 특징이 기준 연료 가스에 대응되면 동일한 열 방출 및 효율을 유지하게 된다. 또한, 이로 인하여, 분사 시간에 대하여 시간 임계 연소 과정의 보다 효율적인 타이밍 설정이 가능하게 되고, 연료 분사 시간을 조절하는 것에 비하여 배기 밸브의 개방 및 폐쇄의 시간을 효과적으로 설정하는 것이 가능하게 된다.

연료 소비와 배출 연료 가스의 감소로부터 현출되는 효과와 함께, 조절되고 균형이 맞추어진 엔진은 유지비의 현저한 절감을 가져오게 되고 엔진의 위험을 감소시키게 된다.

바람직한 실시예에서, 엔진의 보다 효율적인 작동이 가능하게 되어, 적어도 하나의 엔진 제어 유닛은 연료 가스의 온도 및/또는 칼로리 값의 변화에 응답하여 연소실로 분사되는 연료 가스의 압력을 제어하게 된다.

실질적으로 간단한 실시예에서, 측정된 엔진 부하는 샤프트 토오크 및 새프트 회전 속력의 센서 조립체 측정으로부터 결정된다.

선택적인 실시예에서, 측정된 엔진 부하는 샤프트의 회전 속력 및 연소 싸이클 동안에 연소 압력의 센서 조립체 측정으로부터 결정된다.

이로 인하여, 본 발명에 따른 특히 바람직할 실시예가 가능하게 되는데, 여기서 상기 연료 가스 분사 압력은 최적의 연료 소비와 연료 가스 배출을 얻기 위하여 크랭크샤프트 위치에 따라 배기 밸브의 개방 및 폐쇄 타이밍 및 분사 타이밍의 조절과 결합되어 조절된다.

본 발명의 신뢰할만한 실시예에 따르면, 실린더에는 실린더의 연소실로 직접 연료 오일을 분사하는 연료 오일 분사기 및 연료 오일 공급 시스템가 구비된다.

본 발명의 신뢰할 만한 실시예에서, 상기 연료 가스 공급 시스템은 커먼 레일 연료 가스 공급 시스템이다.

바람직한 실시예에서, 실린더에 공급된 연료 가스의 온도는 섭씨 10도 내지 70도의 범위에 있다. 이러한 것은 가스 공급 파이프에서 응축이 일어나는 것을 방지한다.

바람직한 실시예에서, 100% 엔진 부하에서, 엔진 속력은 45 내지 250 rpm 의 범위내에 있다. 저속 엔진은 연소 압력과 관련하여 엔진을 효율적으로 작동시키는 것과 관련되는 매우 큰 동력을 가지는 엔진이다.

바람직한 실시예에서, 연료 가스를 실린더에 공급하는 가스 공급 시스템은 액화 천연 가스 운반기의 액화 천연 가스 탱크에 연결된다.

본 발명의 실시예는 개략적으로 도시된 도면들을 참고하여 하기에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 엔진의 일반적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 다른 결합된 연료 오일 및 연료 가스 작동 모드의 예를 도시하는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연 기관 엔진(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 2행정 크로스헤드 디젤 엔진이다. 이러한 엔진(1)은 예를 들어 엠에이엔 디젤(MAN Diesel)사의 MC 타입이거나 ME 타입이거나, 아니면 베르츠실뢰사의 술처 RT-flex 타입이거나 술처 RTA 타입이거나, 또는 미츠비시 중공업의 제품일 수 있다. 이러한 타입의 엔진은 파워 플랜트의 고정식 엔진으로서 또는 선박의 메인 엔진으로서 사용되는 대형 엔진이다. 상기 실린더는 예를 들어 25 내지 120 cm 의 범위의 구경을 가지며, 상기 엔진은 예를 들어 3000 나지 120,000 KW 의 범위의 동력을 가진다. 엔진 속력은 40 내지 250 RPM 의 범위내에 있다. 본 발명에 따른 압력 착화 내연기관 엔진은 주연료로서 무거운 연료 오일을 사용할 수 있다.

도 1의 엔진(1)은 엔진 프레임(4)의 실린더 섹션(3)에 장착되는 실린더 라이너(2)를 구비한 다수의 실린더를 가진다. 배기 밸브 하우징(5)은 실린더 커버(6)에 장착되며, 배기 가스 덕트(7)는 개별 실린더로부터 다수의 실린더 또는 모든 실린더에 공통되는 대기 가스 리시버(8)로 연장된다. 배기 가스 리시버에서, 배기 가스 덕트로부터 배출되는 배기 가스 펄스에 의해 야기되는 압력 변화는 보다 균일한 압력으로 동등하게 되며 하나 이상의 터보 챠져(9)는 배기가스 리시버(8)로부터 배기 가스를 수용하며 압력 공기를 배기 가스 리시버와 유사하게 길다란 압력 용기가 되는 소기 공기 리시버(10)에서 포함하는 소기 공기 시스템으로 운반한다.

개별 실린더에서, 피스톤은 크로스헤드 및 커넥팅 로드(미도시)를 경유하여 크랭크샤프트 상의 크랭크 핀에 연결되는 피스톤 로드상에 장착된다. 연료 분사기는 연료를 연소실에 분사한다. 분사된 연료가 연료 오일일 경우, 자동 점화되는데 그 이유는 피스톤에서의 공기의 고온 때문이다. 고온이 존재하는데, 그 이유는 피스톤은 상승 압축 행정시에 유입 공기를 압축하기 때문이다.

바람직한 실시예에서, 본 발명은 이중 연료 공급 시스템을 가진 선박용 디젤 엔진에서 구현되며, 하기에서 상세하게 설명되는데, 본 발명은 단일 연료 시스템으로 구현될 수도 있다. 일실시예의 엔진은 전자적으로 제어되는 엔진인데, 이러한 엔진은 오일과 가스 모두의 분사를 제어하여 연료 분사와 연소를 최적화하게 된다. 추가적으로, 연료 가스 연소를 점화하기 위한 파일럿 연료 오일 분사에 대한 고압 가스 분사 이론에 기초한다. 이러한 이론에서, 디젤 연소 과정은 전체적으로 사용되며 연료 오일 연소와 동일한 고온 열 효율성이 얻어지게 된다. 도 2에서, 실린더 섹션(3)은 단일 실린더(11)로서 도시되지만, 상기 엔진은 4 내지 16개의 실린더를 가지는 복수 실린더를 구비할 수 있다. 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 내연 기관 엔진(1)은 실린더(11)의 연소실로 제공되게 되는 연료 오일과 연료 가스를 가지는 연료 오일 분사시스템(20)과 연료 가스 분사 시스템(30)을 제공하는 연료 오일 공급 시스템(23)및 연료 가스 공급 시스템(19)을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 연료 오일 분사 시스템(20) 및 연료 가스 분사 시스템(30)은 연료 오일 및 연료 가스를 실린더(11) 각각의 연소실로 분사하는 것을 제어하게 된다. 연료 분사 시스템(20, 30)의 일반적인 원리는 각각의 실린더(11)가 실린더 커버(6)의 연겨 분사기(13, 14)에 연결되는 연료 펌프 또는 밸브와 같은 하나 이상의 연료 량 계측(dosing) 장치(15, 16)를 제어하는 실린더 제어 유닛(12)에 연계된다. 단위 실린더당 분사기(13, 14)의 개수는 실린더(11)의 동력에 영향을 받게 된다. 바람직한 실시예에서 각각의 실린더는 적어도 하나의 연료 오일 분사기(13) 및 연료 가스 분사기(14)를 포함한다. 보다 작은 엔진에서, 연료 타입 마다 하나의 분사기가 하나의 연소 과정에 대하여 필요한 연료량을 분사하는데 충분하지만, 대형의 보다 동력이 큰 엔진에서는, 각 연료 타입마다 2개 내지 3개의 분사기가 필요하다. 다수의 분사기가 각 실린더(11)마다 제공될 때, 분사기(13, 14)마다 하나의 연료 계측 장치(15, 16)가 존재한다. 연료 분사 시스템(20, 30)의 실린더 제어 유닛(12)은 선박의 브릿지와 통신되는 엔진 제어 유닛(17)에 의해 제어된다.

바람직한 실시예에서, 상기 연료 가스 공급 시스템(19)은 바다에서 작동되는 LNG 운반선의 액화 천연 가스 탱크에 연결된다. LNG 운반선의 LNG 탱크는 저온으로 유지되지만, 해수 및 대기로부터의 외부의 열이 탱크의 절연부를 통과하여 전달되므로 필연적으로 가열되게 된다. 외부의 열이 침입함으로서, LNG 의 일부는 기화되어, 즉 끓게 되어, 탱크 압력인 점차 증가하게 된다. 허용가능한 수준으로 탱크 압력을 유지하기 위하여, 재액화 시스템(미도시)이 기화된 가스를 재액화하는데 사용된다. 선택적으로, 또는 재액화 시스템와 결합하여, 기와 가스 압축기는 이러한 것이 연료 가스 분사 시스템(30)에 의해 수행될 때 고압 기화 가스를 제공하게 된다. 실린더에서, 실린더 제어 유닛(12)에 의해 제어되는 연료 가스 계측 장치(16)는 연료 가스 분사기(14)의 타이밍과 개방에 영향을 주게된다. 상기 연료 가스는 커먼 레일 설계의 이중 벽 가스 공급 파이프(26)에 의해 연료 가스 분사 시스템에 제공되는 것이 바람직한데, 여기서, 연료 가스 분사기(14)의 밸브는 부가적인 제어 오일 시스템에 의해 제어된다. 원칙적으로, 이러한 것은 유압 제어 오일 시스템 및 고압 제어 오일을 가스 분사기(14)로 공급하는 전자 가스 분사 밸브를 포함하여서, 가스 분사기(14)의 가스 밸브의 타이밍과 개방을 제어하게 된다. 효과적인 가스 분사는 가스 운송 압력이 엔진 부하에 따라 150 내지 400 바아 사이에 있고 연료 가스가 섭씨 30도 내지 60도, 바람직하게는 섭씨 45도에 있을 때 얻어지게 된다. 버퍼 탱크(22)는 연료 가스 공급 시스템(19)에 의해 연료 가스 분사 시스템(30)에 제공되기 전에 기화 가스를 저장하는데 사용된다. LNG 운반선의 LNG 캥크의 필연적인 기화 가스의 양은 LNG 운반선의 내연 기관 엔진의 작동을 위한 연료만으로는 충분하지 않지만, 기화 가스의 양은 본 발명에 따른 내연 기관 엔진에서의 연료 오일과 결합하여 사용되는 것이 바람직하다. 연료 가스 분사 시스템(30)의 작동은 가스 성분의 변화와 함께 가스 성분에 덜 민감하다. 따라서, 프로판 및 부탁과 같은 높은 탄화 수소로 일반적으로 구성되는 액화 석유 가스(LPG)는 연료 오일과 동일한 등급을 유지하면서도 속력, 열 효율 및 출력과 관련한 엔진의 성능을 변화시키지 않고서도 연료 가스로서 LNG 와 유사하게 적용될 수 있다.

연료 오일 분사 시스템(20)에서, 연료 오일 계측 장치(15)는 연료 펌프일 수 있으며, 이 경우 연료 오일 공급 시스템(23)은 연료 오일 탱크(21)로부터 2 내지 15 바아의 범위에 있는 압력과 같은 연료 공급 파이프(24) 내의 비교적 낮은 공급 압력에서 연료 계측 장치에 연료 오일을 운반할 필요가 있다. 선택적으로, 상기 연료 오일 계측 장치(15)는 밸브 이거나 측정 장치와 연결된 밸브일 수 있으며, 연료 공급 파이프는 500 내지 1500 바아의 범위에 있는 공급 압력와 같은, 분사 압력보다 높은 압력에 연료가 있게 되는 고압 파이프이다. 이러한 연료 오일 공급 시스템(23)은 커먼 레일 시스템으로 호칭된다. 어느 경우에라도, 연료 오일 계측 장치(15)는 일반적인 엔진 작동시에 개방 위치로 유지되는 밸브를 구비한 가지부(branch) 도관에 의해 연료 공급 파이프(24)에 연결된다. 연료 오일 계측 장치(15)는 고압 연료 오일 도관을 통하여 연료 오일 분사기(13)에 연결된다. 복귀 도관은 연료 오일 분사기로부터 연료 오일 복귀 라인(미도시)로 연장된다. 실린더에 제공된 연료 오일은 일반적으로 무거운 연료 오일 또는 선박용 디젤 오일이다.

본 발명에 따른 내연기관 엔진(1)은 전술한 바와 같이 연료 오일 공급 시스템을 구비한 기존의 엔진에 연료 가스 분사 시스템(30) 및 연료 가스 공급 시스템(19)을 설치함으로써 제공된다. 분사 제어는 하나의 실린더 제어 유닛에서 제어되거나, 각각의 실린더의 연소실로 제공된 연료 오일 및 연료 가스의 양을 제어하는 독립적인 실린더 제어 유닛(12a, 12b)로써 행해진다. 유사하게, 연료 오일 분사 시스템(20) 및 연료 가스 분사 시스템(30)은 엔진 제어 유닛(17)으로부터 제어되거나 별도의 독립된 엔진 제어 유닛(17a, 17b)에 의해 제어된다. 본 발명에 따른 내연 기관 엔진을 작동시에, 연료 분사기의 엔진 제어는 연료 오일 분사 시스템(20)에 의해 이루어지거나 연료 가스 분사 시스템(30)에 의해 이루어진다. 일반적으로, 엔진 제어 유닛(17)은 센서 조립체(40)로부터 엔진 속력 신호 및 다른 엔진 작동 파라미터를 수신하여, 엔진이 지배적 제어부로서 알려진 실린더(11)의 연소실로 제공되게 되는 연료의 양과 비율을 제어하게 된다. 본 발명에 따른 내연 기관 엔진은 연료 오일 작동 모드, 연료 가스 작동 모드 및 결합된 연료 오일 및 연료 가스 작동 모드에서 작동된다. 상기 작동 모드들은 예를 들어 가스 누출과 같은 안전상 이유를 제외하고 선박의 브릿지로부터 명령 수행되어, 상기 엔진은 연료 오일 작동 모드로 즉시 자동적으로 스위칭된다.

결합된 연료 오일 및 연료 가스 작동 모드는 연료 오일 작동 모드 및 연료 가스 작동 모드 사이에서 자동적으로 변화되어서 수행된다. 연료 오일 작동 모드와 연료 가스 작동 모드 간의 변환은 연료 오일 분사 시스템(20) 및 연료 가스 분사 시스템(30)에 연결된 엔진 모드 선택 함수(25)에 의해 명령이 수행되는데, 바람직하게는 엔진 스위치 함수는 연료 가스 공급 시스템(19)의 일부이어서, 이러한 변환은 연료 가스 분사 시스템(30)에 기여하게 되는 엔진 제어 유닛(17b)에 의해 제어된다. 결합된 연료 오일 및 연료 가스 작동 모드에서, 엔진 모드 선택 함수(25)는 내연기관 엔진의 연소가 연료 오일 분사 시스템(20) 또는 연료 가스 분사 시스템(30)으로써 점화되는지 결정하게 되는데, 즉, 엔진 모드 선택 함수(25)는 사용하는 연료 오일 분사 시스템(20) 또는 연료 가스 분사 시스템(30) 사이의 엔진 제어 유닛(17)의 지배 제어 함수를 변환하게 된다.

연료 가스 작동 모드에서, 연료 가스 분사 및 연소 과정 타이밍은 연료 가스 분사 시스템(30)에 의해 제어된다. 이것은 소정의 기준 연료 인덱스에 따라 행해지는, 즉 연료 가스 인덱스는 주어진 엔진 부하에서 엔진을 최적 작동시키는데 필요한 연료 가스 분사 길이 및 연료 가스 분사 압력을 특정한다. 작동을 시작하기 전에, 엔진은 서로 다른 부하에서 연료 가스 분사 압력과 최적 기준 연료 가스 분사 길이를 결정하는 프로펠러 커브를 따라 서로 다른 부하에서 테스트된다. 따라서, 상기 엔진 제어 유닛(17, 17b)이 예를 들어 연료 가스 분사의 정확한 타이밍, 배기 밸브의 개방 및 폐쇄의 타이밍 및 유압 압력을 찾는 엔진 맵에서의 순람(look-up)을 만들때, 그것은 원하는 엔진 부하에서 엔진을 작동시키는데 필요한 명령된 연료 가스 분사 압력 및 명령된 연료 가스 분사 길이 양자를 찾게 된다.

엔진이 연료 가스 모드에서 작동하게 될 때, 엔진 제어 유닛(17, 17b)의 지배적 제어부는 주어진 엔진 부하에서 원하는 엔진 속력을 얻도록 연료 인덱스를 계산함으로써 분사되어지게 되는 연료 가스의 양을 제어하게 된다. 엔진 로드에서의 변화로 인하여 엔진 속력이 원하는 엔진 속력과 다르게 되어서, 적용된 연료 인덱스는 조절되어 원하는 엔진 속력이 달성된다. 예를 들어, 연료 가스의 칼로리 값이 기준 가스의 칼로리 값보다 낮다면, 연료 가스 분사시에 실린더로는 에너지가 덜 분사된다. 이로 인하여, 엔진 제어 유닛(17, 17b)과 통신하는 센서 조립체(40)에 의해 측정되는 엔진 속력은 감소하게 된다. 원하는 엔진 속력을 얻기 위하여, 엔진 제어 유닛(17, 17b)은 적용된 연료 인덱스를 증가시켜서, 연료 가스 분사 시간은 증가하게 되고 따라서 분사되는 연료 가스의 양은 증가하게 된다. 원하는 엔진 속력을 유지하기 위한 동일한 원리가 연료 오일 분사 시스템의 엔진 제어 유닛(17a)에서도 사용되며, 엔진 부하에서의 갑작스런 변화를 효과적이며 신속하게 제어할 수 있게 된다. 그러나, 연료 가스 작동 모드에서, 원하는 엔진 속력은 연소실에서의 낮은 최대 압력으로써 달성되며, 따라서 기준 가스를 사용할 때 엔진이 설계된 낮은 효율로 된다. 연료 가스의 칼로리값이 기준 가스의 칼로리값보다 높을 때, 연소실의 최대 연소 압력은 엔진이 설계한 것 보다는 높게 되며 엔진 부품의 마모가 증가하며 엔진이 손상을 받게 된다.

실린더에 제공되는 연료 가스의 일정한 압력을 가정한다면, 기준 연료 가스의 온도에 비교되는 낮은 연료 가스 온도로 인하여 엔진이 설계한 것보다 높은 최대 연소 압력이 나타나게 되는데, 그 이유는 연료 가스의 에너지 밀도가 기준 연료 가스의 에너지 밀도보다 높기 때문이다. 따라서 실린더에 제공되는 연료 가스의 칼로리값과 온도는 연소 과정에 동일한 영향을 주게 되며, 이러한 변화는 엔진 부하에서의 변화로서 엔진 제어 유닛에 의해 감지되며, 연료 인덱스는 따라서 엔진 제어 유닛(17, 17b)에 의해 조절되게 된다.

따라서, 연료 인덱스가 연료 가스의 에너지 밀도의 변화에 응답하여 연료 분사 시간을 조정함으로써 신속하게 조절될 때, 엔진 제어 유닛(17, 17b)에 의해 사용되는 적용되는 연료 인덱스는 실제 엔진 부하에 대응하는 기준 연료 인덱스와 시간에 따라 달라지게 될 것이다. 실제 엔진 부하 및 기준 연료 인덱스는 예를 들어 센서 조립체(40)로부터 수신되는 크랭크 샤프트의 토오크 또는 평균 실린더 연소 압력의 측정치 및 엔진 속력에 기초하여 엔진 제어 유닛(17, 17b)에 의해 결정된다.

엔진 제어 유닛(17, 17b)은 적용된 연료 인덱스를 기준 연료 인덱스와 비교하게 되며, 연료 가스 분사 압력을 조절하여, 적용된 연료 인덱스는 기준 연료 인덱스에 대응하게 된다. 따라서, 엔진 제어 유닛(17, 17b)은 연료 가스 공급 시스템(19)로부터의 조절된 연료 가스 압력을 명령함으로써 연료 가스의 분사 압력을 제어하게 되어, 단위 시간당 실린더로 분사되는 에너지 양은 예를 들어 엔진의 제조 기준 조절하에서 엔진 제어 유닛(17, 17b)의 맵에 저장된 동일한 수준에서 일정하게 유지된다. 조절되어진 연료 가스 분사 압력 및 단위 시간당 분사되는 에너지의 양을 대응하여 조절함으로써 엔진 동력에서의 변화가 나타나게 되기 때문에, 엔진 제어 유닛(17, 17b)의 지배적 제어는 적용된 연료 인덱스를 엔진 동력을 유지하도록 조절하여, 엔진 속력의 일정성은 기준 연료 인덱스에 대응하는 적용된 연료 인덱스를 나타내게 된다.

따라서, 연료 가스의 칼로리값이 감소는 증가된 연료 가스 분사 압력을 나타내게 되는데, 반면에 연료 가스의 칼로리값의 증가는 연료 가스 분사 압력의 감소를 나타내게 된다. 유사하게, 기준 가스에 대하여 연료 가스의 온도 하강은 연료 가스의 에너지 밀도의 증가를 가져오게 되며, 연료 가스 공급 시스템(19)으로부터 명령된 연료 가스 분사 압력은 엔진 제어 유닛(17b)에 의해 감소하게 되는 반면에, 기준 가스에 대한 연료 가스의 온도의 상승은 연료 가스의 에너지 밀도를 감소시키게 되며, 엔진 제어 유닛(17b)에 의해 연료 가스 공급 시스템(19)로부터 명령된 연료 가스 분사 압력은 증가하게 된다.

1: 엔진 2: 실린더 라이너
3: 실린더 섹션 4: 엔진 프레임
5: 하우징 6: 커버
7: 덕트 8: 리시버
9: 터보 챠져 10: 리시버

Claims

2행정 크로스헤드 디젤 엔진인 내연기관 엔진으로서, 상기 내연기관 엔진은, 연료 가스 공급 시스템, 실린더의 연소실로 연료 가스를 직분사하기 위한 연료 가스 분사기를 구비하는 실린더, 및 주어진 엔진 부하에서 원하는 엔진 속력을 달성하도록 적용되는 연료 인덱스에 따라 연소실에 분사된 연료 가스의 양을 제어하는 적어도 하나의 엔진 제어 유닛을 포함하되,
상기 연료 인덱스는 매 분사시에 실린더로 분사되게 되는 연료 가스의 양을 정의하고, 분사된 연료 가스의 양은 연료 가스 분사 시간을 조절함으로써 제어되며,
주어진 엔진 부하에서 원하는 엔진 속력을 달성하기 위하여 적어도 하나의 엔진 제어 유닛에 의해 결정되는 적용된 연료 인덱스와 비교되는 측정된 엔진 부하로부터 결정되는 기준 연료 인덱스에 기초하여 작동시에 엔진 부하를 측정하도록 센서 조립체가 구비되며,
적어도 하나의 상기 엔진 제어 유닛은 연료 가스의 에너지 밀도의 변화에 응답하여 연소실에 분사되는 연료 가스의 분사 압력을 제어하여, 적용되는 연료 인덱스는 기준 연료 인덱스에 대응하게 되며,
적어도 하나의 엔진 제어 유닛은 연료 가스의 온도와 칼로리값 중 적어도 하나에서의 변화에 응답하여 연소실로 분사되는 연료 가스의 분사 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
삭제
제 1 항에 있어서,
측정된 상기 엔진 부하는 샤프트의 회전 속력 및 연소 싸이클 동안의 연소 압력에 대한 센서 조립체의 측정치로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
제 1 항에 있어서,
측정된 엔진 부하는 샤프트 회전 속력 및 샤프트 토오크에 대하여 센서 조립체의 측정치로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 가스의 분사 압력은 최적의 연료 소비 및 연료 가스 배출을 달성하기 위하여 크랭크 샤프트의 위치에 따라 배기 밸브를 개폐하는 타이밍과 분사 타이밍을 조합하여 조절함으로써 조절되어 지는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
제 1 항에 있어서,
상기 실린더에는 연료 오일 공급 시스템 및 실린더의 연소실로 연료 오일을 직분사하기 위한 연료 오일 분사기가 제공되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 가스 공급 시스템은 커먼 레일 연료 가스 공급 시스템인 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
제 1 항에 있어서,
상기 실린더에 제공된 연료 가스의 온도는 10 ℃ 내지 70℃인 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
제 1 항에 있어서,
100%의 엔진 부하에서, 상기 엔진 속력은 45 rpm 내지 250 rpm 인 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.
제 1 항에 있어서,
상기 실린더에 상기 연료 가스를 공급하는 가스 공급 시스템은 액화 천연 가스 운반기의 액화 천연가스 탱크에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 엔진.