KR101503537B1 - 전환 가능한 다연료 엔진 및 그러한 다연료 엔진에서 연료를 전환하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다연료 엔진에서 제1 연료 비를 기점으로 하여 제1 연료로부터 제2 연료로 연료를 전환하는 방법에 관한 것으로, 본 방법은

- 중간 연료 비에 이르기까지 제2 연료의 비율을 증가시키고 제1 연료의 비율을 감소시키는 단계,

- 그 중간 연료 비에서 정해진 시간 동안 엔진을 구동하는 단계, 및

- 제2 연료 비가 설정될 때까지 제2 연료의 비율을 계속 증가시키고 제1 연료의 비율을 계속 감소시키는 단계를 포함한다.

Description

전환 가능한 다연료 엔진 및 그러한 다연료 엔진에서 연료를 전환하는 방법{MULTI-FUEL ENGINE AND METHOD FOR FUEL CONVERSION IN SUCH A MULTI-FUEL ENGINE}

본 발명은 제1 연료로부터 제2 연료로 전환될 수 있는 다연료 엔진(multi-fuel engine) 및 다연료 엔진에서 제1 연료 비를 기점으로 하여 제1 연료로부터 제2 연료로 연료를 전환하는 방법에 관한 것이다.

다연료 엔진은 선택적으로 상이한 연료에 의해 구동될 수 있다는 것을 그 특징으로 한다. DE 40 33 843 C2는 가스를 주 연료로 하고 발화성 액상 연료에 의해 자기 점화되는 이중 연료 내연 엔진을 개시하고 있다. 배기 가스 방출을 줄이기 위해, 실린더 헤드로부터 분리된 별개의 부품으로서 구성되는 버너 셀(burner cell)이 마련된다.

DE 197 54 354 C1로부터, 공기-가스 혼합기가 파일럿 분사(pilot injection)에 의해 점화되는 디젤-가스 엔진이 공지되어 있다. NO_x 방출을 줄이기 위해, 가스의 연소 시에 작동할 수 있는 제어 장치가 마련되는데, 그 제어 장치는 연소실 온 도 및 엔진 출력이 제공될 수 있는 제어기를 구비한다. 그러한 변량에 의존하여, 제어기는 압축기에 의한 공기 투입량에 영향을 미칠 수 있는 액추에이터를 제어한다.

정해진 연료, 예컨대 중유의 연소 시에, 연소실에 침전물이 생길 수 있는데, 그 침전물은 다른 연료, 예컨대 가스에 의한 구동 시에 불리하게도 부가의 점화원으로서 작용하여 연소 과정을 방해할 수 있다. 특히, 다른 연료로 전환한 후에, 그러한 침전물이 부가의 점화원으로서 작용하고, 그에 의해 부품을 손상시키고 그에 따라 바람직하지 않은 노킹이 배가되어 발생하게 된다.

그러한 현상에 대처하기 위해서는, 연료 전환 전에 연소실을 침전물이 없어지도록 연소시켜야 한다. 그러한 청정화 연소는 실제로 지금까지 내부적으로는 한편으로 엔진을 침전물을 적게 형성하는 것을 그 특징으로 하는 제3 연료에 의해 엔진을 과도적으로 구동함으로써 구현되었다. 연료의 전환과 관련하여 노킹을 피하기 위한 또 다른 방안은 모터 부하가 감소하였을 때에, 예컨대 정격 출력의 75%에서 전환을 수행하는 것이다. 그러한 두 가지 방안들은 제3 연료로의 전환이 시스템 기술적으로는 물론 제어 기술적으로 복잡하거나 전환 중의 출력 감소로 인해 빈번한 전환이 비효율적이기 때문에 불리하다.

본 발명의 과제는 다연료 엔진에서 제1 연료로부터 제2 연료로의 전환을 개선하는 것이다.

그러한 과제는 청구항 1에 따른 방법에 의해 해결되게 된다. 청구항 9는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 제어 장치를 그 보호 범위로 하고 있고, 청구항 10은 그러한 제어 장치를 구비한 다연료 엔진을 그 보호 범위로 하고 있다. 종속 청구항들은 바람직한 개선책들에 관한 것이다.

특히, 다연료 엔진에서 제1 연료로부터 제2 연료로 연료를 전환하는 본 발명에 따른 방법은 다음의 방법 단계들을 포함한다:

- 제1 연료 비를 기점으로 하여 중간 연료 비에 이르기까지 제2 연료의 비율을 증가시키고 제1 연료의 비율을 감소시키는 단계.

- 그러한 중간 연료 비에서 정해진 시간 동안 엔진을 구동하는 단계.

- 이어서, 제2 연료 비가 설정될 때까지 제2 연료의 비율을 계속 증가시키고 제1 연료의 비율을 계속 감소시키는 단계.

중간 연료 비에서 정해진 시간 동안 엔진을 구동함으로써, 침전물을 제어 연소시켜 제거하게 된다. 이어서, 엔진을 제2 연료 비로 구동할 수 있다. 중간 연료 비로 혼합 구동하면, 침전물이 새로 형성되는 것이 감소하는 동시에, 침전물이 없어지도록 연소실이 연소하게 된다. 또한, 혼합 구동 중에는 노킹이 단지 감소한 채로만 발생하게 된다. 본 발명에 따른 방법의 이점은 연료 전환 동안 엔진을 큰 출력 저하 없이, 바람직하게는 전부하 상태에서 계속 구동할 수 있다는데 있다. 본 방법에서는, 제3 연료를 사용할 필요 없이 제1 연료 비로부터 제2 연료 비로 직접 전환이 이뤄지게 된다.

여기서, 정해진 시간은 표 형태로 저장된 값들로부터 주어질 수 있는데, 그 값들은 다시 연료 품질 및 엔진의 순간 구동 상태와 같은 또 다른 파라미터들에 의존하여 달라질 수 있다. 대안적으로, 정해진 시간은 노킹 센서에 의해 결정될 수도 있다. 그 경우, 정해진 시간은 노킹의 현격한 감소, 특히 더 이상 전혀 노킹이 존재하지 않는 것이 노킹 센서에 의해 탐지되었을 때에 종료되는 것이 바람직하다.

본 방법에서는, 제1 연료의 비율이 우세한, 제1 연료와 제2 연료의 혼합비를 제1 연료 비라 지칭한다. 여기서는, 특히 제1 연료 편에서 말하자면 90%로부터 당해 퍼센트를 포함한 100%까지의 비율을 의미한다. 그와 관련하여, 연료 비율의 퍼센트 표시란 연소실에 도입되는 전체의 에너지에서의 해당 연료의 비율인 것으로 항상 이해하여야 한다. 그와 상응하게, 제2 연료 비란 제2 연료의 비율이 우세한, 제1 연료와 제2 연료의 혼합비를 의미한다. 여기서는 특히 제2 연료 편에서 말하자면 90%로부터 당해 퍼센트를 포함한 100%까지의 비율을 의미한다.

특히 제2 연료 비에서는, 전적으로 소위 파일럿 분사(pilot injection)의 연료 수요를 위해서만 필요로 하는 일정 비율의 제1 연료가 존재하는 것이 통상적이다. 제1 연료의 비율과 제2 연료의 비율이 제1 연료 비와 제2 연료 비 사이에 각각 있는 연료 비를 중간 연료 비라 지칭한다.

연료들 중의 하나 이상의 점화는 파일럿 분사에 의해 이뤄지는 것이 바람직한데, 연료 전환 중에는 적어도 일시적으로 파일럿 분사의 분사량을 제1 연료 비 또는 제2 연료 비로 구동할 때의 파일럿 분사의 분사량에 비해 증가시키는 것이, 바람직하게는 급격히 증가시키는 것이 좋다. 파일럿 분사의 분사량을 증가시킴으로써, 연소실에 존재하는 혼합기의 신속한 완전 연소가 이뤄지고, 그것은 노킹 연소를 저지한다. 그에 있어서, 제1 연료 비로 구동한다는 것은 전환 과정이 아직 시작되지 않은 구동 상태를 의미한다. 그에 있어서, 제2 연료 비로 구동한다는 것은 전환 과정이 이미 완전히 종료된 구동 상태를 의미한다.

전술된 방법은 제1 연료가 기름 연료, 특히 디젤, 바이오디젤, 또는 중유인 경우에 특히 적합한데, 그 연소 시에 매연 입자와 같은 침전물 및 잔재의 형성이 있을 수 있는 다른 모든 연료들도 역시 기름 연료의 개념에 포함된다. 또한, 전술된 방법은 제2 연료가 가스인 경우에 특히 적합한데, 천연 가스, 수소, 액상 가스, 및 기타의 가스와 같은 모든 가연성 가스와 더불어, 가솔린 연료 또는 메탄올과 같은 다른 기화 가능하거나 분사 가능한 액상 연료도 역시 가스에 포함된다.

바람직한 구성에서는, 연료 전환 중에 파일럿 분사의 침투 깊이를 적어도 일시적으로 증가시킨다. 특히, 그것은 파일럿 분사의 분사 압력을 증가시킴으로써 이뤄지게 된다. 파일럿 분사의 침투 깊이를 증가시킴으로써, 혼합기의 신속한 완전 연소가 이뤄지고, 그것은 노킹 연소를 저지한다. 연료 전환 중에 파일럿 분사에 의해 점유되는 공기-가스 혼합기의 체적을 적어도 일시적으로 증가시킬 경우에도 역시 혼합기의 바람직한 신속한 완전 연소가 얻어지게 된다.

본 발명의 바람직한 구성에서는, 허용 오차 한계를 넘는 노킹 연소가 탐지되었을 때, 즉 노킹 지표가 소정의 한계치를 넘어선 경우, 제1 연료의 비율을 적어도 일시적으로 증가시키고/증가시키거나, 파일럿 분사의 분사량을 적어도 일시적으로 증가시키며/증가시키거나, 파일럿 분사의 침투 깊이를 적어도 일시적으로 증가시키고/증가시키거나, 파일럿 분사에 의해 점유되는 공기-가스 혼합기의 체적을 적어도 일시적으로 증가시키며/증가시키거나, 중간 연료 비를 새로이 설정하는 조치들을 취한다. 각각 개별적으로 행해지지만 서로 임의로 조합되어 행해질 수도 있는 그러한 조치들에 의해, 노킹 연소를 제어하여 저지할 수 있다. 여기서, 노킹 연소는 통상의 노킹 센서에 의해 탐지될 수 있다. 연소실이 최종적으로 또는 충분히 침전물이 없이 연소하여 제2 연료 비에 의한 정상적 구동으로 전이될 수 있을 때까지 전술된 그러한 조치들을 개별적으로 또는 임의로 조합하여 여러 번 반복할 수 있다.

제2 연료 비로 연료 비를 변경하는 것은 연속적으로, 특히 부분적으로는 선형적으로 이뤄지는 것이 바람직하다. 그러한 연속적인 변경에 의해, 노킹 연소가 증가하는 임계 연료 비에 접근하는 것이 가능하다. 노킹의 증가가 탐지되면, 전술된 조치들 중의 하나 이상을 행함으로써 노킹을 즉시 저지할 수 있다. 그러한 연속적인 변경에 의해, 연료 비의 급작스런 변경 시에 있을 수 있는 격심한 노킹의 돌발 발생의 위험이 줄어들게 된다. 하지만, 그와는 무관하게, 허용 오차 한계를 넘는 노킹 연소의 탐지 시에 제1 연료 비가 더 큰 연료 비로 급작스럽게 변경할 수 있도록 조치할 수도 있다.

다연료 엔진에서 연료를 전환하는 그러한 방법은 그 방법을 수행하도록 세팅된 제어 장치에 의해 제어되는 것이 바람직한데, 그것은 그 제어 장치가 연료 비를 제어하고, 데이터, 예컨대 노킹 지표를 평가할 수 있도록 함으로써 이뤄지게 된다. 그를 위해, 제어 장치가 프로그램 기술에 의해 다연료 엔진의 엔진 제어 시스템에 구축되거나 연료 전환을 위한 독립적 제어 장치로서 구성될 수 있다. 특히, 그러한 제어 장치는 엔진의 제어 장치에 통합될 수 있다.

본 발명에 따른 다연료 엔진 및 다연료 엔진에서의 연료 전환 방법에서는, 제1 연료 비를 기점으로 하여 중간 연료 비에 이르기까지 제2 연료의 비율을 증가시키면서 제1 연료의 비율을 감소시키고, 그러한 중간 연료 비에서 정해진 시간 동안 엔진을 구동하며, 이어서 제2 연료 비가 설정될 때까지 제2 연료의 비율을 계속 증가시키면서 제1 연료의 비율을 계속 감소시킴으로써, 침전물을 제어 연소시켜 제거하고, 이어서 엔진을 제2 연료 비로 구동할 수 있다. 중간 연료 비로 혼합 구동함으로써, 침전물이 새로 형성되는 것이 감소하는 동시에, 침전물이 없어지도록 연소실이 연소하게 된다. 또한, 혼합 구동 중에는 노킹이 단지 감소한 채로만 발생하게 되고, 연료 전환 동안 엔진을 큰 출력 저하 없이, 바람직하게는 전부하 상태에서 계속 구동할 수 있게 된다. 아울러, 본 방법에서는 제3 연료를 사용할 필요 없이 제1 연료 비로부터 제2 연료 비로 직접 전환하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그로부 터는 물론 종속 청구항들로부터 본 발명의 또 다른 이점들 및 특징들이 분명해질 것이다.

중유-천연 가스 다연료 엔진은 교대로 중유와 천연 가스에 의해 구동될 수 있다. 천연 가스 구동 시에도 역시, 점화는 천연 가스 구동 시에 도입되는 에너지의 약 2%에 달하는 소량의 중유에 의해 이뤄진다.

중유는 연소 중에 매연 입자들을 생성하고, 그 매연 입자들은 연소실에 축적된다. 그러한 매연 입자들은 천연 가스로의 연료 전환 후에도 여전히 연소실 중에 존재하는데, 그러면 그 매연 입자들이 천연 가스에 대한 부가의 점화원으로서 작용하여 천연 가스의 노킹 연소를 조장한다. 중유로부터 천연 가스로 연료를 전환하는 이후에 설명될 연료 전환 방법에서는, 매연 입자들이 연소 제거되고, 그에 따라 천연 가스로의 전환이 완전히 이뤄지고 나면 연소실 중에 축적된 매연 입자들이 거의 없거나 더 이상 전혀 존재하지 않게 된다.

그러한 연료 전환 방법을 제어하기 위해, 중유-천연 가스 엔진은 엔진 제어 장치에 통합된 제어 장치를 구비한다.

우선, 파일럿 분사용 연료로서의 역할을 하는 중유의 양을 약 50%만큼 증가시킨다. 즉, 파일럿 분사의 분사량을 증가시킨다. 이어서, 천연 가스의 비율을 약 0%로부터 약 50%로 연속적으로 증가시킨다. 그와 동시에, 중유의 비율을 약 100%로부터 약 50%로 연속적으로 감소시킨다. 따라서, 중유의 비율과 천연 가스의 비율이 각각 약 50%인 중간 연료 비가 설정되게 된다. 부가적으로, 파일럿 분사의 침투 깊이 및 파일럿 분사에 의해 점유되는 공기-가스 혼합기의 체적을 적어도 일 시적으로 증가시킨다.

매연 입자들이 완전히 없어지도록 연소실이 연소할 때까지 정해진 시간 동안 엔진을 그러한 중간 연료 비로 구동한다. 그러한 시간은 실험적으로 산출되어 표의 형태로 저장된 값들로부터 주어진다. 이어서, 천연 가스의 비율을 약 50%로부터 약 98%로 연속적으로 증가시킨다. 그와 동시에, 중유의 비율을 50%로부터 약 2%로 연속적으로 감소시킨다. 그와 관련하여, 파일럿 분사용 연료로서의 역할을 하는 중유의 양을 초기치로 다시 감소시킬 수도 있다. 천연 가스 구동 시에도 계속 연소실에 도입되는 2%의 중유 비율은 단지 천연 가스 구동 중에도 파일럿 분사를 위해 계속 필요로 하는 중유의 양으로부터 나온 것에 불과하다.

여기서, 연료 비의 변경은 항상 연속적인 경과를 갖는데, 연료 비의 변경이 선형적으로 진행되는 시간 구간이 제공된다.

전체의 전환 방법 중에, 엔진은 노킹 센서에 의해 모니터링된다. 노킹 센서가 증대된 노킹을 탐지하면, 구동 상태 여하에 따라 제1 연료의 비율을 적어도 일시적으로 증가시킨다. 또한, 구동 상태 여하에 따라서는 파일럿 분사의 분사량을 적어도 일시적으로 증가시킨다. 또한, 구동 상태 여하에 따라서는 파일럿 분사의 침투 깊이를 적어도 일시적으로 증가시키거나, 파일럿 분사에 의해 점유되는 공기-가스 혼합기의 체적을 적어도 일시적으로 증가시킨다. 2개의 연료가 각각 50%인 중간 연료 비에 의한 청정화 연소가 이미 행해졌고, 천연 가스의 비율이 이미 50%를 넘어섰다면, 전술된 다른 조치들에 대해 대안적으로 또는 부가적으로 중간 연료 비를 새로 재설정하여 중간 연료 비에서 연소실의 청정화 연소를 계속 할 수도 있 다.

엔진으로부터 출력되는 구동 에너지는 전체의 전환 과정 중에 거의 변함이 없이 유지된다.

Claims (10)

1. 다연료 엔진에서 제1 연료 비를 기점으로 하여 제1 연료로부터 제2 연료로 연료를 전환하는 방법으로서,

   - 중간 연료 비에 이르기까지 제2 연료의 비율을 증가시키고 제1 연료의 비율을 감소시키는 단계,

   - 그 중간 연료 비에서 정해진 시간 동안 엔진을 구동하는 단계, 및

   - 제2 연료 비가 설정될 때까지 제2 연료의 비율을 계속 증가시키고 제1 연료의 비율을 계속 감소시키는 단계

   를 포함하고,

   상기 연료들 중의 하나 이상을 파일럿 분사에 의해 점화시키고, 연료 전환 중에 파일럿 분사의 분사량을 제1 연료 비 또는 제2 연료 비로 구동할 때의 파일럿 분사의 분사량에 비해 적어도 일시적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전환 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 제1 연료는 기름 연료인 것을 특징으로 하는 연료 전환 방법.
4. 제1항에 있어서, 제2 연료는 가스인 것을 특징으로 하는 연료 전환 방법.
5. 제1항에 있어서, 연료 전환 중에 파일럿 분사의 침투 깊이를 적어도 일시적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전환 방법.
6. 제1항에 있어서, 연료 전환 중에 파일럿 분사에 의해 점유되는 공기-가스 혼합기의 체적을 적어도 일시적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전환 방법.
7. 제1항에 있어서, 허용 오차 한계를 넘는 노킹 연소의 탐지 시에,

   - 제1 연료의 비율을 적어도 일시적으로 증가시키는 것,

   - 파일럿 분사의 분사량을 적어도 일시적으로 증가시키는 것,

   - 파일럿 분사의 침투 깊이를 적어도 일시적으로 증가시키는 것,

   - 파일럿 분사에 의해 점유되는 공기-가스 혼합기의 체적을 적어도 일시적으로 증가시키는 것, 및

   - 중간 연료 비를 새로이 설정하는 것 중 하나 이상을 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전환 방법.
8. 제1항에 있어서, 연료 비의 변경을 연속적으로 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전환 방법.
9. 제1항에 따른 방법을 수행하도록 세팅된 제어 장치.
10. 제9항에 따른 제어 장치를 포함하는 다연료 엔진.