KR101564704B1 - 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공정에서 공정 파라미터를 관측하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공정에서 공정 파라미터를 관측하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 소기 공정에서 공정 파라미터를 최적화하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템(1)에 관한 것이다. 전술한 대형 디젤 엔진(2)은 하사점(UT)과 상사점(OT) 사이에서 실린더(4)의 가동면(5)을 따라 왕복운동 가능하게 배치되는 피스톤(3)을 포함하고, 주입 노즐에 의해 전술한 대형 디젤 엔진(2)의 실린더(4)에 연료가 공급된다. 소정량의 소기용 공기(7)를 공급하기 위해 전술한 실린더(4)의 입구 영역에 소기용 슬롯(6)이 설치되며, 연소 가스(10)를 배출하기 위해 전술한 실린더(4)의 실린더 커버(9)에 배기 밸브(8)가 설치된다. 작동 상태에서, 신선한 공기(11)가 배기가스 과급기(12)에 의해 흡입되고, 소기용 공기(7)로서 전술한 신선한 공기(11)는 소정의 급기 압력으로 전술한 소기용 슬롯(7)을 통해 전술한 실린더(4)에 공급되어서, 소기용 공기(7)와 연료로부터의 점화가스 혼합물이 실린더(4) 내에 생성된다. 본 발명에 따르면, 실린더(4)의 가동면(5)에 하나 이상의 제1 산소 센서(130, 131) 및 제2 산소 센서(130, 132)가 설치되어, 대형 디젤 엔진(1)의 실린더(4) 내의 소기 성능을 평가한다. 또한, 본 발명은 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 소기 공정에서 소기 성능 모니터링 시스템(1)에 의해 공정 파라미터를 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공정에서 공정 파라미터를 관측하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템 및 방법{A SCAVENGE PERFORMANCE MONITORING SYSTEM AND A METHOD FOR MONITORING A PROCESS PARAMETER IN THE SCAVENGING PROCESS OF A LONGITUDINALLY SCAVENGED TWO-STROKE LARGE DIESEL ENGINE}
본 발명은, 독립청구항 청구항 1 및 청구항 8의 전제부에 따른, 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공정에서 공정 파라미터를 관측하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
예를 들어 선박용 대형 디젤 엔진 또는 발전용 고정 장치 등의 왕복 피스톤 연소 엔진의 출력을 증대시키기 위해, 연소 행정 후에 압력이 상승된 실린더의 연소 엔진에, 일반적으로 배기가스 과급기로서 설계된 급기 그룹을 통하여 신선한 공기가 유입된다. 이와 관련하여, 연소 행정 후에 실린더의 연소실을 빠져나가는 배기가스의 열 에너지의 일부분이 활용될 수 있다. 이를 위하여, 배기 밸브의 개방에 의해 고온의 기체가 실린더의 연소실로부터 급기 그룹으로 전달된다. 급기 그룹은 실질적으로, 가압된 상태로 급기 그룹으로 들어오는 고온의 배기가스에 의해 구동되는 터빈을 포함한다. 이 경우, 터빈은 신선한 공기를 유입하여 압축하는 압축기를 구동시킨다. 특히, 반드시 그렇지는 않지만 대형 2행정 디젤 엔진의 경우에, 일반적으로 과급기라고 하며, 압축기로서 방사형 압축기를 사용하는, 터빈을 구비한 디퓨저 뒤에는, 소위 디퓨저(diffuser), 공기 냉각기(air cooler), 워터 세퍼레이터(water separator), 및 급기 또는 소기용 공기로 알려진 신선한 압축 공기가 대형 디젤 엔진의 실린더의 개별 연소실로 공급되는 입구 리시버(inlet receiver)가 장치된다. 이러한 유형의 급기 그룹을 이용함으로써, 신선한 공기의 공급이 증대되고 실린더의 연소실 내의 연소 프로세스의 효율이 향상될 수 있다.
대형 디젤 엔진의 경우에, 공기의 공급은 유형에 따라 실린더의 여러 위치에서 일어난다. 따라서, 예를 들면 길이방향으로 소기되는 2행정 엔진에서는, 실린더의 하부 영역의 가동면에 배치되는 소기용 슬롯을 통해 공기가 연소실로 유입된다. 4행정 엔진에서는 일반적으로 급기가 실린더 커버에 배치되는 하나 이상의 흡기 밸브를 통해 유입된다. 이와 관련하여, 실린더의 하부 영역의 소기용 슬롯 대신에 실린더 커버에 흡기 밸브가 장치되는 2행정 엔진도 공지되어 있다.
이와 관련하여, 디젤 연소 엔진의 작동 시에 상당한 양의 질소산화물(NOx)이 발생하여 환경에 악영향을 주게 된다. 이러한 이유로, 질소산화물(NOx)의 배출이 상당히 감소하도록 디젤 엔진을 개발하여 환경을 보호하기 위한 막대한 노력이 이루어졌다.
한편, 영구 가동시 대형 디젤 엔진은 대체로 상당한 시간 동안 작동되며, 이는 높은 작동 신뢰도와 가용도를 필요로 한다. 이러한 이유로, 특히 긴 가동 수 명, 즉 높은 TBO(Time Between Overhaul), 낮은 마모율, 및 연료 및 작동 부재의 경제적 사용은 조작자들이 기계를 선택함에 있어 중요한 판단기준이 된다.
이와 관련하여, 실린더의 최대 압력이 일정하게 유지되는 경우, 일정한 보어 크기와 일정한 행정을 갖는 엔진으로부터 동력출력을 증가시키는 것이 특정 연료유 소비를 증가시킬 것이라는 것을 충분히 이해할 수 있다. 대부분의 경우에, 동력출력의 증가는 특정 연료유 소비(sfoc)를 일정하게 유지시키거나 값을 낮추기 위한 피크압력의 증가에 의해 이루어진다. 그러나, 기존의 설계에 있어서, 연소 압력의 증가는 구조적 한계성 및 베어링 부하 등의 여러 요인들로 인하여 제약을 받는다.
특정 연료유 소비를 낮추기 위한 이러한 최적화 프로세스는 기존의 배출관련 법규를 충족시키기도록 질소산화물(NOx)을 줄이면서 이루어져야 한다. 전술한 최적화 프로세스의 중요한 인자 중 하나는 개별 실린더의 소기 성능이다. 이러한 성능은 루프소기형 엔진에 대해, 예를 들면 포트 막힘을 확인하기 위해 종래에 주로 사용되던 라이트 스프링 지압 선도(압력-체적 추적법)에 의하여 어느 정도 설명될 수 있다. 그러나, 전술한 방법으로는 소기 효율과 실린더 라이너를 통과하는 유동영역을 정량화하지 못한다. 현대의 저속 디젤 엔진에 대하여 이해하고, 특정 연료유 소비(sfoc)와 질소산화물(NOx) 배출 간의 절충이 더 잘 이루어지도록 하기 위한 수단을 전술한 프로세스에 제공하는 것은 중요하다.
지난 20년 간의 연산 능력의 개선으로 인하여, 큰 RAM 용량과 빠른 처리속도를 갖는 컴퓨터 상에 공정 파라미터 사이에 필요한 모든 수학적 처리와 물리적 관계가 시뮬레이팅될 수 있음에 따라, 디젤 엔진 제조업자들이 제품 개발을 함에 있 어 요구되는 고가의 프로토타입의 개발에 대한 필요성이 감소되었다. 유체 흐름 및 동역학을 예측하기 위한 컴퓨터상의 유체 동역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)은 디젤 엔진 개발에서 뿐만 아니라 모든 공학 분야에서 사용되는 범용 공학적 툴이다. 엔진 개발에 있어 전술한 툴을 사용함으로써, 이러한 툴을 사용하지 않았으면 필요했을 시간과 노력을 들인 과도한 실험을 수행할 필요성이 감소되었다. 또한, 시뮬레이션 툴을 통해 실린더 내에 발생하는 물리적 프로세스를 더 잘 이해할 수 있기 때문에, 고정 실린더 용적으로부터의 동력출력을 증가시키면서 동시에 비용 절감에 직접 관련되는 안전율을 감소시키는 등의 목표를 달성하는 것이 가능하다. CFD 툴에 의한 모델을 통해, 예를 들면 점화특성이 알려져 있는 표준연료를 사용함으로써 연소 공간 내의 프레임(flame)의 크기와 모양을 예측할 수 있어서, 전술한 목표 달성은 가능하다.
특정 엔진 형태에 대해 이루어진 일련의 실험으로부터 나온 데이터를 가지고 CFD 모델을 확인하고, 다른 엔진의 레이아웃 다이어그램을 맵핑하고 그 성능을 관측하기 위한 외삽 툴(extrapolation tool)로서 전술한 CFD 모델을 사용하는 것이 일반적인 절차이다. 그러나, 단순한 선형 외삽법은 정확한 결과를 도출하지 않는다는 것도 잘 알려진 사실이다. 시뮬레이션 툴이 예측하지 못하는 여러 인자 중 하나는 가동시 연료량에 따른 연소를 통한 고온의 부분들에 대한 열부하이다. 파라미터가 CFD 모델에 의해 설정된 범위 내에 있는 한, 엔진의 최적 설계는 만족스럽게 이루어진다. 물론, 전술한 범위가 시간의 초과나 잘못된 관리에 의한 부품의 손상으로부터의 영향을 폭넓게 고려하면서 설정되지 않았다면, 전술한 만족스런 최 적 설계는 실제로 드물게 발생된다.
전술한 분석용 툴의 사용을 통한 열역학적 개발로 디젤 엔진 기술이 진보하고 있기 때문에, 엔진의 성능을 예측하고 그 결점을 확인할 수 있을 모니터링 기술을 개발하는 것이 필요하다. 엔진의 열역학적 성능을 관측하는데 사용되는 가장 일반적인 파라미터는 엔진 사이클의 여러 지점에서의 압력과 온도이다. 디젤 엔진의 성능을 관측하기 위해 가장 널리 사용되는 기법은 앞서 언급한 압력-체적 추적법이며, 이 기법은 디젤 엔진보다 더 오래된 기술이고, 보통 지압 선도 카드라고도 한다. 이 기법은 실린더에 의해 발생된 지시 동력을 계산하고, 라이트 스프링 버전으로 사용되는 경우, 가스 교환 프로세스를 보여주는데 사용된다. "드로 카드(draw card)"라고도 하는 전술한 지압 선도 카드는 주입 및 연소 기간 동안의 결점을 검출할 수 있도록 하는 역위상 다이어그램을 얻는데 사용된다. 이 기법은 엔진의 열역학적 프로세스의 결점을 분명하게 나타낼 수는 없다. 그 이유로서, 전술한 기법은 온도의 함수관계에 있는 측정 압력에 의존하고, 낮은 공기-압력 비율로 작동하는 현대의 디젤 엔진을 모니터링하게 될 때에 그 한계를 가지기 때문이다.
이것은 간단하게 설명될 수 있는데, 공기와 체적의 덩어리가 일정하게 유지된다면, 최대 사이클 온도의 100℃변화는, 작아서 지압 선도 상에 분명하게 검출될 수 없는 1.04의 인자 만큼의 압력을 변화시킬 것이다. 화학량적 상태에 가깝게 작용되면, 엔진 사이클의 온도를 낮추는 해리(생성물질을 다시 반응물질로 분리하는 흡열반응)가 일어난다. 따라서, 상당한 온도 변화와 이에 따른 압력을 관찰할 수 없다. 그러나, 실린더 전반에 걸쳐 일정치 않은 공기-연료의 비율을 갖는 디젤 엔 진에 있어서, 공기-연료 혼합물이 밀한 영역에서 연소의 속도가 느려진다. 이는, 연소실 부품으로의 열전달 속도를 증가시키는 화염의 크기 및 연소 기간에 영향을 미친다.
지금까지, 지압 선도 카드로부터 얻어지는 다이어그램을 통하여 전술한 결점을 확인하는 것은 불가능하다.
새로운 기법을 개발하기 위해서는, 디젤 엔진과 엔진 부하 간의 상호작용 및 화염 크기와 공기-연료의 비율 간의 상관관계를 이해하는 것이 필수적이다. 열적 과부하 상태에 가깝운 엔진의 작동은 연소실 부품의 작동 수명을 줄일 것이고, 어떤 경우에는 갑작스런 고장을 초래할 수 있다. 약간 상승될 수 있는 배기가스 평균 온도로는 비정상적인 실린더 상태를 확실하게 예측하지 못하는 것은 물론이다. 지난 몇 년간, 동일한 크기의 실린더에 비해 동력 출력을 증가시키면서 실린더 라이너의 마모의 높은 발생율로 인한 피스톤 가동 문제의 증가를 보였다. 여러 인자들은 마모의 원인이 되고, 부적절한 연소는 전술한 인자 중 하나이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 실린더 라이너의 손실 및 이에 따른 인접 장치의 파손을 미리 방지하기 위하여, 실린더 상태를 충분히 예측할 수 있는 모니터링 시스템 및 방법을 제안하는데 있다. 또한, 본 발명의 또다른 목적은, 디젤 엔진의 신뢰도와 가용도를 동시에 향상시킴으로써, 디젤 엔진 설계의 모든 측면에서 안전 마진(safety margins)을 줄이는데 있다.
즉, 가동 수명이 길고 마모가 적으며 연료와 작동 부재가 더욱 경제적으로 사용되고, 질소산화물(NOx)의 배출이 상당히 감소되는 개량된 대형 2행정 디젤 엔진을 이용하는 것이 목적이다.
전술한 목적은 독립청구항인 청구항 1 및 8의 특징부에 의해 달성된다.
종속청구항들은 특히 본 발명의 바람직한 실시형태와 관련된다.
따라서, 본 발명은 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공정에서 공정 파라미터를 최적화하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템에 관한 것이다. 전술한 대형 디젤 엔진은 하사점과 상사점 사이에서 실린더의 가동면을 따라 왕복운동 가능하게 배치되는 피스톤을 포함하며, 주입 노즐에 의해 전술한 대형 디젤 엔진의 실린더에 연료가 공급된다. 소정량의 소기용 공기를 공급하기 위해 전술한 실린더의 입구 영역에 소기용 슬롯이 설치되고, 연소가스를 배출시키기 위해 전술한 실린더의 실린더 커버에 배기 밸브가 설치된다. 작동 상태에서, 신선한 공 기가 배기가스 과급기에 의해 흡입되고, 소기용 공기로서 전술한 신선한 공기는 소기용 슬롯을 통해 소정의 급기 압력으로 전술한 실린더에 공급되어서, 소기용 공기와 연료로부터의 점화가스 혼합물이 전술한 실린더 내에 생성된다. 본 발명에 따르면, 대형 디젤 엔진의 실린더 내의 소기 성능을 평가하기 위하여, 실린더의 가동면에 하나 이상의 제1 산소 센서 및 제2 산소 산소가 설치된다.
본 발명에 있어서, 하나 이상의 제1 산소 센서 및 제2 산소 센서, 사용상 바람직하게 복수의 산소 센서가 실린더의 가동면에 설치되어, 대형 디젤 엔진의 실린더 내의 소기 성능을 평가하게 된다.
본 발명에 따른 방법을 사용하면, 먼저 실린더 상태를 더욱 정확하게 나타내는 표준 지압 선도 카드 기법을 추가함으로써 열적 상태 시스템을 관측할 수 있게 하여, 개별 실린더 내부의 포획공기-연료의 비율 및 최대 사이클 온도가 국부적으로 예측될 수 있다. 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 지압 선도 카드 기법 없이도 효과를 낼 수 있으며, 필요하면 전술한 시스템에 전술한 기법을 추가하여 구현될 수도 있다.
그 결과, 엔진의 실린더 내의 소기가 개선되므로, 실린더 내의 순도가 높아지고, 포획 공기-연료의 비율, 즉 실린더 내의 연료 공기 혼합물의 최적의 λ값이 높아진다. 이에 따라, 배기가스 온도, 및 부품 파손의 위험성을 줄이고 동시에 TBO(Time between overhaul)을 높이는 연소실 부품 온도가 낮아짐에 따라 관찰될 수 있는 연소 지속 시간이 최적화된다.
이와 관련하여, 공지된 산소 센서, 예를 들면 공지된 λ값이 시간 및 위치에 따라 나타나는 실린더 내의 연료-공기 혼합물의 비율의 변화를 관측하는데 사용될 수 있도록, 길이방향으로 소기되는 저속 대형 디젤 엔진의 실린더 내에서 일어나는 소기 공정은 매우 천천히 이루어진다.
즉, 실린더의 가동면에 설치되는 소정의 산소 센서에 대하여, 그 산소 센서는 산소 센서의 위치에서 시간에 따라 소기용 공기 중 산소의 농도 변화를 관측할 수 있다.
한편, 만일 제1 산소 센서가 실린더의 가동면의 소정의 제1 위치에 설치되고, 제2 산소 센서가 실린더의 가동면의 소정의 제2 위치에 설치된다면, 본 발명에 따른 소기 성능 모니터링 시스템은 전술한 제1 산소 센서의 제1 위치와 전술한 제2 산소 센서의 제2 위치 사이의 소기용 공기 중 산소의 농도차를 관측할 수 있다.
2개 이상의 산소 센서를 사용하고, 이 산소 센서를, 예를 들면 실린더의 입구, 특히 실린더의 입구 리시버, 실린더의 출구, 특히 배기가스 덕트에 위치시키며, 복수의 산소 센서를 실린더의 가동면의 둘레에, 그리고 길이방향 축을 따라 추가로 위치시키면, 시간 및 위치에 따라 나타나는 소기용 공기의 흐름의 프로파일이 얻어질 수 있다. 예를 들면, 실린더 내의 산소 농도의 시간 및 위치에 따라 나타나는 패턴은 설정될 수 있으며, 대형 디젤 엔진의 다양한 공정 파라미터, 즉 연료 소비, 질소산화물(NOx)의 배출, 온도 및 기계적 부하 등을 최적화하는데 사용될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 사용함에 있어 매우 중요한 특정 실시형태에 있어서, 실린더의 가동면의 둘레에, 및/또는 실린더의 가동면의 길이방향 축을 따라 복 수의 산소 센서가 설치된다.
또한, 입구 리시버로부터 배기가스 덕트로의 소기용 공기의 흐름을 관측하기 위하여, 소기용 슬롯 부근의 입구, 특히 입구 리시버에 바람직하게 산소 센서가 설치되고, 실린더의 출구, 특히 배기가스 덕트 및/또는 대형 디젤 엔진의 배기가스 매니폴드에 추가의 산소 센서가 설치된다.
전술한 산소 센서들로부터 나온 데이터를 기록하고 평가하기 위해 데이터 수집 장치가 설치된다. 이 데이터 수집 장치는 전술한 산소 센서로부터 나온 신호, 특히 실시간 신호를 수집하여, 실린더에 대한 소기 성능을, 특히 대형 디젤 엔진의 크랭크 각에 대하여 정량화한다.
작동 상태에서 최적화되어야 하는 공정 파라미터, 즉 연소 프로세스, 특정 연료유 소비, 부품 마모율, 엔진의 열역학적 프로세스 파라미터, 2개의 실린더 간의 동력 밸런스, 질소산화물(NOx)-특정 연료유 소비 간의 절충, 연기 발생, 에너지 소비 및/또는 또다른 공정 파라미터는 그 자체가 대형 디젤 엔진의 소기 공정에서 소기 성능이 될 수 있으며, 전술한 공정 파라미터는 바람직하게 전술한 소기 성능에 따라 최적화된다.
또한, 본 발명은 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공정에서 소기 성능 모니터링 시스템에 의해 공정 파라미터를 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다. 대형 2행정 디젤 엔진은 하사점과 상사점 사이에서 실린더의 가동면을 따라 왕복운동 가능하게 배치되는 피스톤을 포함한다. 작동 상태에서, 주입 노즐에 의해 대형 디젤 엔진의 실린더에 연료가 공급되고, 소정량의 소기용 공기를 공급하기 위해 실린더의 입구 영역에 소기용 슬롯이 설치되며, 연소 가스를 배출하기 위해 실린더의 실린더 커버에 배기 밸브가 설치되고, 신선한 공기가 배기가스 과급기에 의해 흡입되며, 소기용 공기로서 전술한 신선한 공기가 소정의 급기 압력으로 소기용 슬롯을 통해 전술한 실린더에 공급되어서, 소기용 공기와 연료로부터의 점화가스 혼합물이 전술한 실린더 내에 생성된다. 본 발명에 따르면, 실린더의 가동면에 설치되는 제1 산소 센서 및 제2 산소 센서에 의해 산소 농도가 검출되고, 검출된 산소 농도로부터 대형 디젤 엔진의 실린더 내의 소기 성능이 평가된다.
제1 실시형태에 있어서, 실린더의 가동면의 둘레에, 및/또는 실린더의 가동면의 길이방향 축을 따라 설치된 복수의 산소 센서에 의해, 실린더 내의 여러 위치에서의 산소 농도, 소기용 공기 흐름의 파동, 및/또는 산소 표시의 프로파일이 얻어진다.
사용함에 있어 매우 중요한 특정 실시형태와 관련하여, 소기용 슬롯의 입구, 특히 입구 리시버에, 및/또는 실린더의 출구, 특히 배기가스 덕트 및/또는 배기가스 매니폴드에 설치된 산소 센서에 의해, 산소 농도, 소기용 공기 흐름의 파동, 및/또는 산소 표시의 프로파일이 얻어진다.
바람직하게, 산소 센서로부터 나오는 신호, 특히 실시간 신호는 데이터 수집 장치에 의해 수집되고, 실린더에 대한 소기 성능은, 특히 대형 디젤 엔진의 크랭크 각에 대하여 정량화된다.
본 발명에 따른 방법에 의해 최적화되어야 하는 공정 파라미터, 즉 연소 프로세스, 특정 연료유 소비, 부품 마모율, 엔진의 열역학적 프로세스 파라미터, 2개 의 실린더 간의 동력 밸런스, 질소산화물(NOx)-특정 연료유 소비 간의 절충, 연기 발생, 에너지 소비 및/또는 또다른 공정 파라미터는 그 자체가 대형 디젤 엔진의 소기 공정에서 소기 성능이 될 수 있으며, 전술한 공정 파라미터는 바람직하게 전술한 소기 성능에 따라 최적화된다.
다른 특정 실시형태와 관련하여, 소기용 슬롯 주변의 플로우 백의 지속시간, 실린더 내에 포획된 잔류가스량, 유동 영역의 형태, 소기 성능에서의 연소 변동, 및/또는 연소되지 않은 연료의 표시가 소기 성능 모니터링 시스템에 의해 확인된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른, 길이방향으로 소기하면서 소기 성능 모니터링 시스템을 구비한 대형 2행정 디젤 엔진으로서, 배기가스 과급기 시스템이 구비된 대형 디젤 엔진의 여러 부품의 상호 작용 및 원리 구조를 설명하기 위한 개략도이다. 이하에서, 전술한 소기 성능 모니터링 시스템은 참조부호 1로 표시한다.
대체로 종래 기술로부터 충분히 공지된 대형 디젤 엔진(2)은 일반적으로 공지되어 있으며, 실린더 커버(9)에 배기 밸브(8)가 배치되는 복수의 실린더(4)를 포함하고, 피스톤은 하사점(UT)과 상사점(OT) 사이에서 전술한 실린더(4)의 가동면(5)을 따라 왕복운동 가능하게 배치된다. 실린더 커버(9)를 가지는 실린더(4)의 실린더 벽과 피스톤(3)은 공지된 방식으로 실린더(4)의 연소 공간(41)을 이룬다. 복수의 소기용 공기 구멍(6)이 실린더(4)의 입구 영역에 제공되며 이들은 소기용 슬롯(6)으로서 설계된다. 피스톤(3)의 위치에 따라, 소기용 슬롯(6)은 피스톤에 의해 덮이거나 노출된다. 급기(7)라고도 하는 소기용 공기(7)는 소기용 슬롯(6)을 통해 실린더(4)의 연소 공간(41)으로 유입될 수 있다. 연소 중에 발생한 연소 가스(10)는, 실린더 커버(9)에 배치된 배기 밸브(8)를 통해, 이 배기 밸브(8)와 연결된, 주로 배기가스 매니폴드(14)로서 설계되는 배기가스 덕트(14)를 통과하여, 배기가스 과급기(12)로 유입된다.
공지된 방식에서, 배기가스 과급기(12)는, 필수적인 부품으로서, 신선한 공기(11)의 압축을 위해 압축기 로터(121)를 가지는 압축기, 및 샤프트에 의해 터빈 로터(122)에 고정되게 연결되는 압축기 로터(121)를 구동시키기 위해 터빈 로터(122)를 가지는 터빈을 포함한다. 전술한 터빈과 압축기는 하우징 내에 배치되며 본 실시예에서는 압축기 측에서 방사형 압축기로 형성되는 배기가스 과급기(12)를 형성한다. 터빈은 실린더(4)의 연소 공간으로부터 유입되는 고온의 연소 가스(10)에 의해 구동된다.
실린더(4)의 연소실(41)에 소기용 공기(7)를 충전하기 위해, 신선한 공기(11)가 흡입 공기 스터브(intake air stub)를 지나 압축기 로터(121)를 통해 흡입되고, 배기가스 과급기(12)에서 실린더(4) 내에 최종적으로 존재하는 급기 압력보다 다소 높은 압력으로 압축된다. 그 압축된 신선한 공기(11)는 소기용 공기(7)로서 배기가스 과급기(12)로부터 후속하는 디퓨저(1200) 및 급기용 냉각기(1201)로 이동하며, 워터 세퍼레이터(1202)를 거쳐 바람직하게는 리시버 공간(1203)으로서 형성되는 입구 리시버(1203)로 가고, 이로부터 이 압축된 신선한 공기(11)는 소기 용 공기(7)로서 상승된 급기 압력으로 소기용 슬롯(6)을 통과하여 실린더(4)의 연소 공간(41)으로 들어간다.
본 발명에 따르면, 제1 산소 센서(131) 및 제2 산소 센서(132)가 구비된 소기 성능 모니터링 시스템(1)이 실린더(4)의 가동면(5)에 설치되어, 대형 디젤 엔진(2)의 실린더(4)의 소기 성능을 관측한다.
도 2 및 도 3은 사용함에 있어 매우 중요한 대형 2행정 디젤 엔진의 바람직한 실시형태를 나타낸다. 도 3은 도 2의 선 I-I를 따라 잘린 단면 영역을 나타낸다.
단순화하기 위하여, 대형 디젤 엔진(2)의 실린더(4) 1개만을 나타내고 있다. 실린더(4)는 실린더 커버(9), 및 종래 기술로부터 충분히 공지된 바와 같이 실린더(4)의 가동면(5)을 따라 왕복운동 가능하게 배치되는 피스톤(3)을 포함한다. 공지된 방식에서 실린더 커버(9)를 가지는 실린더 벽과 피스톤(3)은 실린더(4)의 연소 공간(41)을 이룬다. 복수의 소기용 공기 구멍(6)이 실린더(4)의 입구 영역에 제공되며 이들은 소기용 슬롯(6)으로서 설계된다. 작동 상태에서 소기용 공기(7)는, 배기가스 과급기(12)로부터 소기용 공기(7)를 수용하는 리시버 공간(1203)으로부터 소기용 슬롯(6)을 통과하여 실린더(4)의 연소 공간(41)으로 들어간다. 연소 중에 발생한 연소 가스(10)는, 실린더 커버(9)에 베치된 배기 밸브(8)를 통해, 이 배기 밸브(8)와 연결된 배기가스 덕트(14)를 통과하여, 배기가스 과급기(12)로 유입된다.
도 2 및 도 3의 바람직한 실시형태에 대하여, 도 3에 도시되는 실린더(4)의 가동면(5) 둘레에, 그리고 도 2에서 볼 수 있는 실린더(4)의 가동면(5)의 길이방향 축(A)을 따라 설치되는 복수의 산소 센서(130, 131, 132)에 의해서, 실린더의 여러 위치에서 산소 농도, 소기용 공기(7) 흐름의 파동 및/또는 산소 표시의 프로파일이 얻어진다. 또한, 리시버 공간(1203) 내부의 소기용 슬롯(7) 및 배기가스 덕트(14)에도 산소 센서(130)가 설치된다.
도 2 및 도 3에 따른 소기 성능 모니터링 시스템을 사용하여, 입구 리시버(1203)로부터 실린더(4)를 통과하여 배기가스 덕트(14)로의 소기용 공기(7)의 흐름이 각각의 산소 센서(130, 131, 132)에 의해 실시간으로 관측되어, 실린더 내의 산소 농도 및/또는 시간 및 위치에 따라 나타내는 흐름의 패턴은 설정되며, 대형 디젤 엔진의 다양한 공정 파라미터, 즉 연료 소비, 질소산화물(NOx) 배출, 온도 및 기계적 부하 등을 최적화하는데 사용될 수 있다.
정리하자면, 본 발명에 따른 소기 성능 모니터링 시스템의 기술적 배경과 개념은 다음과 같이 요약될 수 있다.
모든 저속 대형 2행정 디젤 엔진은, 실린더에서 연소 생성물을 제거하고 다음 사이클로 연소하는 동안 신선한 공기를 충전시키기 위한, 소기용 슬롯과 배기 매니폴드 사이의 압력차에 따른다. 저속 대형 2행정 디젤 엔진은, 프로토타입 동안 및 가동 테스트 시에 특정 연료유 소비와 질소산화물(NOx) 사이에 절충이 더 잘 이루어지도록 하는데 결정적인 전술한 가스 교환 프로세스를 최적화한 것이다. 현대의 최적화된 저속 디젤 엔진에 있어서, 가스 교환 프로세스의 부분적 손상은 TBO를 낮출 수 있고 어떤 경우에는 부품 파손을 초래할 수 있다. 여러 공정 파라미터 와 함께 가스 교환 프로세스의 평가는 엔진의 열역학적 성능을 나타낼 것이다. 엔진의 열역학적 성능을 관측하는데 사용되는 통상적인 파라미터의 대부분은 엔진 사이클 상의 여러 지점에서의 압력 및 온도이다.
디젤 엔진의 성능을 관측하기 위해 종래 기술에서 가장 널리 사용된 기법은 압력-체적 추적법이며, 이것은 디젤 엔진보다 더 오래된 기술이고, 보통 지압 선도 카드(indicator card)라고도 한다. 현대의 저속 디젤 엔진에 있어서, 전술한 압력-체적 추적법은 테스트 동안 및 가동 중에 엔진 성능에 결정적인, 열역학적 프로세스에서의 어떠한 결점을 나타내지 못한다. 엔진의 소기 성능을 평가하기 위해, 소기 성능 모니터링 시스템은 일련의 산소 센서를 사용한다. 이 센서는, 엔진의 하나 또는 모든 실린더 상의 다음 위치의 하나 이상의 지점에 장착될 것이다.
1. 소기 포트의 입구
2. 실린더 라이너의 둘레
3. 실린더 라이너의 행정을 따라
4. 실린더의 출구
전술한 센서에 의해, 본 발명의 소기 성능 모니터링 시스템은 소기 공정에서 다음의 공정 파라미터를 관측하기 위하여 사용될 것이다.
1. 소기 공정의 시작 중 포트 주변에서의 블로우 백(blow back)의 지속 시간
2. 배기 밸브가 닫히는 순간에 실린더 내에 포획된 잔류 가스량, 즉 압축 시작시 실린더의 순도
3. 실린더를 통한 플러그류, 완전 혼합 및/또는 단락 등의 유동 영역의 형 태, 및 크랭크 각 또는 포트의 작용과 배기밸브 극소 개방에 따른 유동 영역 형태의 지속시간
4. 단일의 실린더 및 복수의 실린더에 대한 소기 성능에서의 연소 변동
5. 실린더 내의 연소 확장 및 배기가스 중 연소되지 않은 연료의 표시
6. 여러 위치로부터 얻어진 산소 표시의 프로파일은 실린더를 통한 유동에서의 임의 파동을 나타낼 것이다.
엔진의 크랭크 각에 대하여 데이터 수집 장치에 의해 센서로부터 실시간으로 신호가 얻어져, 소기 성능을 정량화하기 위해 평가될 것이다. 데이터 수집 장치는 특히 다음의 용도로 사용될 수 있다.
1. 테스트 동안 및 가동시 연소 프로세스의 모니터링 및 최적화
2. 특정 연료유 소비의 최적화
3. 설계 동안 부품 마모율의 최적화 및 가동시 실시간 부품 마모 측정에 대한 재최적화
4. 가동시 다른 등급의 연료의 사용에 따른 엔진의 열역학적 프로세스 파라미터의 최적화
5. 테스트 동안 및 가동시 엔진의 성능 모니터링
6. 복수의 실린더 간의 동력 밸런스
7. 질소산화물(NOx)와 특정 연료유 소비 간의 절충의 최적화
8. 무연 작동의 달성
9. 대형 동력 장치의 부분으로써의 엔진에 의한 에너지 절감
본 명세서에서 설명한 본 발명에 따른 모든 실시예는 단지 예시적인 것이며 특히 본 발명의 범위 내에서 설명되거나 묘사된 모든 실시예는 본 발명에 따른 실시형태의 특정 실시예에서 단독 또는 적절한 조합으로 제공될 수 있어서, 본 명세서에서 설명한 실시형태의 모든 적절한 조합은 본 발명에 포함되고 커버된다는 것을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른, 소기 성능 모니터링 시스템을 구비한 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진을 나타내는 개략도이다.
도 2는 대형 2행정 디젤 엔진의 바람직한 실시형태를 나타낸다.
도 3은 도 2의 선 I-I를 따라 잘린 단면 영역을 나타낸다.

Claims (15)

  1. 하사점(UT)과 상사점(OT) 사이에서 실린더(4)의 가동면(5)을 따라 왕복운동 가능하게 배치되는 피스톤(3)을 포함하며 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 소기 공정에서 공정 파라미터를 최적화하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템에 있어서,
    연료가 주입 노즐에 의해 상기 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 상기 실린더(4)에 공급되고, 소정량의 소기용 공기(7)를 공급하기 위해 상기 실린더(4)의 입구 영역에 소기용 슬롯(6)이 설치되며, 연소 가스(6)를 배출하기 위해 상기 실린더(4)의 실린더 커버(9)에 배기 밸브(8)가 설치되고, 작동 상태에서, 신선한 공기(11)가 배기가스 과급기(12)에 의해 흡입되며, 상기 소기용 공기(7)로서 상기 신선한 공기(11)가 소정의 급기 압력으로 상기 소기용 슬롯(6)을 통해 상기 실린더(4)에 공급되어서, 상기 실린더(4) 내에 상기 소기용 공기(7)와 상기 연료로부터 점화 가스 혼합물이 생성되고,
    상기 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 상기 실린더(4) 내의 소기 성능을 평가하기 위해서, 상기 실린더(4)의 상기 가동면(5)에 적어도 제1 산소 센서(130, 131) 및 제2 산소 센서(130, 132)가 설치되는,
    소기 성능 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 산소 센서(130, 131, 132)가 상기 실린더(4)의 상기 가동면(5) 둘레에 설치되는, 소기 성능 모니터링 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 산소 센서(130, 131, 132)가 상기 실린더(4)의 상기 가동면(5)에 상기 실린더(4)의 길이방향 축(A)을 따라 설치되는, 소기 성능 모니터링 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산소 센서(130)가 상기 소기용 슬롯(6)의 입구에 설치되는, 소기 성능 모니터링 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산소 센서(130)가 상기 실린더(4)의 출구에 설치되는, 소기 성능 모니터링 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산소 센서(130, 131, 132)로부터 신호를 얻기 위해 데이터 수집 장치(1000)가 설치되어, 상기 소기 성능을 상기 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 크랭크 각에 대하여 정량화하는, 소기 성능 모니터링 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공정 파라미터는, 소기 성능 그 자체, 연소 프로세스, 특정 연료유 소비, 부품 마모율, 엔진의 열역학적 프로세스 파라미터, 2개의 실린더(4) 간의 동력 밸런스, 질소산화물(NOx)과 특정 연료유 소비 간의 절충, 연기 발생, 및 에너지 소비 중 적어도 하나이고, 상기 공정 파라미터는 상기 소기 성능에 따라 최적화되는, 소기 성능 모니터링 시스템.
  8. 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 소기 공정에서 소기 성능 모니터링 시스템(1)에 의해 공정 파라미터를 최적화하기 위한 방법에 있어서,
    상기 대형 2행정 디젤 엔진(2)은 하사점(UT)과 상사점(OT) 사이에서 실린더(4)의 가동면(5)을 따라 왕복운동 가능하게 배치되는 피스톤(3)을 포함하며, 연료가 주입 노즐에 의해 상기 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 상기 실린더(4)에 공급되고, 소정량의 소기용 공기(7)를 공급하기 위해 상기 실린더(4)의 입구 영역에 소기용 슬롯(6)이 설치되며, 연소 가스(10)를 배출하기 위해 상기 실린더(4)의 실린더 커버에 배기 밸브(8)가 설치되고, 작동 상태에서 신선한 공기(11)가 배기가스 과급기(12)에 의해 흡입되며, 상기 소기용 공기(7)로서 상기 신선한 공기(7)가 소정의 급기 압력으로 상기 소기용 슬롯(6)을 통해 상기 실린더(4)에 공급되어서, 상기 실린더(4) 내에 상기 소기용 공기(7)와 상기 연료로부터 점화 가스 혼합물이 생성되고,
    산소 농도가, 상기 실린더(4)의 상기 가동면(5)에 설치되는 제1 산소 센서(130, 131) 및 제2 산소 센서(130, 132)에 의해 검출되며, 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 상기 실린더(4) 내의 소기 성능은 상기 산소 농도로부터 평가되는,
    공정 파라미터의 최적화 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실린더(4)의 상기 가동면(5) 둘레에 설치된 복수의 산소 센서(130, 131, 132)에 의해 상기 실린더(4) 내의 여러 위치에서 산소 농도, 상기 소기용 공기 흐름의 파동, 및 산소 표시의 프로파일 중 적어도 하나가 얻어지는, 공정 파라미터의 최적화 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 실린더(4)의 상기 가동면(5)에 상기 실린더(4)의 길이방향 축(A)을 따라 설치된 복수의 산소 센서(130, 131, 132)에 의해 상기 실린더(4) 내의 여러 위치에서 산소 농도, 상기 소기용 공기 흐름의 파동, 및 산소 표시의 프로파일 중 적어도 하나가 얻어지는, 공정 파라미터의 최적화 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 소기용 슬롯(6)의 입구에 설치된 산소 센서(130)에 의해, 산소 농도, 상기 소기용 공기 흐름의 파동, 및 산소 표시의 프로파일 중 적어도 하나가 얻어지는, 공정 파라미터의 최적화 방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 실린더(4)의 출구에 설치된 산소 센서(130)에 의해 산소 농도, 상기 소기용 공기 흐름의 파동, 및 산소 표시의 프로파일 중 적어도 하나가 얻어지는, 공정 파라미터의 최적화 방법.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 산소 센서(130, 131, 132)로부터 나오는 신호가 데이터 수집 장치(1000)에 의해 얻어지고, 실린더(4)에 대한 상기 소기 성능이 상기 대형 2행정 디젤 엔진(2)의 크랭크 각에 대하여 정량화되는, 공정 파라미터의 최적화 방법.
  14. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 공정 파라미터는, 소기 성능 그 자체, 연소 프로세스, 특정 연료유 소비, 부품 마모율, 엔진의 열역학적 프로세스 파라미터, 2개의 실린더 간의 동력 밸런스, 질소산화물(NOx)과 특정 연료유 소비 간의 절충, 연기 발생, 및 에너지 소비 중 적어도 하나이고, 상기 공정 파라미터는 상기 소기 성능에 따라 최적화되는, 공정 파라미터의 최적화 방법.
  15. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 소기용 슬롯(6) 주변에서의 플로우 백(flow back)의 지속 시간, 상기 실린더(4) 내에 포획된 잔류 가스량, 유동 영역의 형태, 상기 소기 성능에서 연소 변동, 및 연소되지 않은 연료의 표시 중 적어도 하나가 상기 소기 성능 모니터링 시스템(1)에 의해 확인되는, 공정 파라미터의 최적화 방법.
KR1020090018032A 2008-04-21 2009-03-03 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공정에서 공정 파라미터를 관측하기 위한 소기 성능 모니터링 시스템 및 방법 KR101564704B1 (ko)

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