KR101780693B1 - 내부 연소 엔진의 작동 방법 및 그에 의해 작동되는 내부 연소 엔진 - Google Patents

내부 연소 엔진의 작동 방법 및 그에 의해 작동되는 내부 연소 엔진 Download PDF

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Abstract

내부 연소 엔진은 배기 기체 재순환을 이용한다. 엔진이 한 때는 제 1 배출 기준의 환경에서 작동되고 다른 때는 보다 엄격한 제 2 배출 기준의 다른 환경에서 작동된다. 상기 제 2 배출 기준을 가진 상기 다른 환경에서 작동될 때 엔진은 제 1 연료 또는 제 2 의 저발열량을 가진 제 2 연료로 작동되며, 제 2 의 저발열량은 제 1 연료의 제 1 저발열량보다 낮다. 엔진은 상기 제 1 연료로 작동될 때 배기 기체 재순환의 제 1 정도로 작동되고, 상기 제 2 연료로 작동될 때 배기 기체 재순환의 더 높은 제 2 정도로 작동된다.

Description

내부 연소 엔진의 작동 방법 및 그에 의해 작동되는 내부 연소 엔진{A Method of operating an internal combustion engine, and an internal combustion engine operated by the method}
본 발명은 개별적인 실린더 안의 왕복 피스톤 및 상기 피스톤 위의 연소 챔버를 가지는 실린더들과, 작동중에 상기 피스톤 위의 연소 챔버 안으로 연료를 직접적으로 주입하는 적어도 하나의 연료 인젝터를 포함하는 내부 연소 엔진의 작동 방법에 관한 것으로서, 상기 엔진은 배기 기체 재순환과 함께 작동되고, 상기 엔진이 어떤 때는 배기 기체와 함께 오염 성분들의 배출을 제한하는 제 1 배출 기준을 가지는 환경에서 작동되고, 상기 엔진이 다른 때는 배기 기체와 함께 그러한 오염 성분들의 배출을 제한하는 보다 엄격한 제 2 배출 기준을 가지는 환경에서 작동된다.
국제 출원 공개 WO-A-2009/046713 은 2 중 연료 압축 점화 엔진을 제어하는 방법 및 장치를 개시하는데, 여기에서 엔진을 위한 연료는 상이한 성분들로 혼합되어 점화 시간을 조절하기 위하여 연료의 품질을 조절한다. 그렇게 연료 혼합 유닛이 개시된다.
유럽 특허 EP-B-0 459 983 및 EP-B-0 553 364 는 모두 디젤 엔진에서 연료와 물의 혼합을 주입하기 위한 장치를 개시하는데, 여기에서는 검은 연기 및 NOx 를 동시에 감소시키기 위하여 연료 및 물이 밀접하게 이격된 간격으로 번갈아가며 주입된다.
미국 출원 US 2011/0288744 는 몇가지 연료로 작동될 수 있는 연료 주입 시스템과 배기 기체 재순환 밸브 및 배기 기체 재순환 도관을 가진 엔진에 관한 것이다. 특정의 연료 소비가 감소되도록, 그리고 동시에 엔진에서의 배기 배출물 및 성분들이 쓰레숄드 한계내에서 작동하도록 콘트롤러가 작동을 제어한다.
전체적으로 본 발명은 내부 연소 엔진의 배기 기체에서 NOx 의 감소를 목표로 한다. 내부 연소 엔진의 배기 기체는 NOx 와 같은 다양한 오염 성분들의 함량과 관련하여 제한을 겪으며, 전체적으로 미립자 물질(particulate matter;PM) 또는 매연(moot)을 배출하는 것이 소망스럽지 않다.
유엔의 에이전시(agency)인 국제 해사 기구(IMO)는 2016 년 발효되는 단계 I, 단계 II, 단계 III 으로서 알려진 한계들의 설정 배출 기준들을 가지는데, 여기에서 단계 I 및 단계 II 배출 기준들은 전세계적으로 유효한 반면에, 단계 III 배출 기준은 NOx 배출 조절 영역(Emission Control Area;ECA)에만 적용된다. 단계 II 및 단계 III 배출 기준들은 새로운 엔진들에 대하여 효력을 가지는 반면에, 단계 I NOx 요건들은 2000 년 이전에 건조된 현존의 엔진들에 대한 것이다.
따라서, 세계를 항해하는 선박과 같은 자체 추진 선박들이 한 때는 단계 II 영역들에 있을 것이고, 즉, 단계 II 가 적용되는 환경에 있을 것이고, 다른 때에는 연안 영역들에 대하여 ECA 가 대부분 정해진, 단계 III 가 적용되는 다른 환경(ECA)에 있을 것이다.
배기 기체 재순환(exhaust gas re-circulation)은, 개별 실린더 안에 왕복 피스톤과 상기 피스톤 위의 연소 챔버와 작동중에 연료를 상기 피스톤 위의 연소 챔버 안으로 직접 주입하는 적어도 하나의 연료 인젝터를 가지는 내부 연소 엔진으로부터, NOx 배출을 감소시키는 효과적인 방법으로 알려져 있다.
내부 연소 엔진의 작동중에, 유입 공기 및 재순환 배기 기체의 혼합물을 포함하는 실린더 충전물은 연소 챔버로 취해지고 연료의 스프레이는 엔진 작동 사이클에 대하여 적절한 타이밍에 연소 챔버 안으로 주입되며, 주입된 연료는 점화되고 연소 챔버 안의 연소 영역에 전개된다. 유입 공기는 산소를 포함하는 반면에, 재순환된 배기 기체는 산소가 결핍되거나 또는 낮은 산소 함량을 가진다. 다른 한편으로, 재순환된 배기 기체는 유입 공기에 비교하여 상대적으로 농후한 수증기 및 이산화탄소를 가진다. 따라서 실린더 충전물은 배기 기체 재순환 없는 통상적인 유입 공기에 비교하여 상대적으로 낮은 함량의 산소 및 높은 함량의 수증기 및 이산화탄소를 가지고, 낮은 함량의 산소 및 높은 함량의 수증기 및 이산화탄소는 연소 온도를 감소시키는 인자들인데, 왜냐하면 대부분의 NOx 가 열적 경로(thermal pathway)를 통해 형성되고, 따라서 순수한 유입 공기가 실린더 충전물에 대하여 이용되는 상황과 비교하여 연소 영역에서 NOx 의 형성을 감소시킨다. 배기 기체 재순환은 최대 80 % 까지 NOx 의 배출을 낮추는 잠재성을 나타내었다.
그러나, 배기 기체 재순환이 증가되면 미립자 물질(PM) 또는 매연의 형성 및 일산화탄소의 형성도 증가되고, 이것은 소망스럽지 않으며 배기 기체 재순환의 정도에 대한 한계를 설정한다.
본 발명의 목적은 배기 기체 재순환의 높은 정도를 이용함으로써 내부 연소 엔진으로부터 NOx 배출을 더욱 감소시키는 것이고, 동시에, 추가적인 NOx 배출의 감소가 필요한 환경에서 이용되도록 매연 미립자의 과도한 양의 배출을 억제하는 것이다.
본 발명에 따라서 서두에 언급된 바와 같은 방법을 달성하기 위하여, 본 발명은,
(a) 상기 제 1 배출 기준을 가진 환경에서 작동될 때, 엔진은 제 1 저발열량을 가진 연료로써 배기 기체 재순환의 제 1 정도로 작동되고,
(b) 보다 엄격한 상기 제 2 배출 기준을 가진 다른 환경에서 작동될 때, 엔진은 제 2 저발열량을 가진 제 2 연료로써 배기 기체 재순환의 제 2 정도로 작동되고, 상기 제 2 저발열량은 상기 제 1 저발열량보다 적고, 배기 기체 재순환의 제 2 정도는 배기 기체 재순환의 상기 제 1 정도보다 높으며,
주어진 엔진 부하에 대하여, 내부 연소 엔진이 제 1 연료로 작동되는 때보다 내부 연소 엔진이 제 2 연료로 작동되는 때에 더 빠른 엔진 사이클의 타이밍으로써 연료 주입이 개시되는 것을 특징으로 한다.
엔진이 제 2 배출 기준을 가진 상기 다른 환경에서 작동될 때, 제 2 연료는 실린더 안으로 주입되고, 제 2 의 더 높은 정도의 배기 기체 재순환이 적용된다. 더 높은 정도의 배기 기체 재순환은 연소 과정 동안 NOx 의 형성을 더욱 감소시키고 따라서 제 2 배출 기준에 의해 설정된 NOx 배출에 대한 하한(lower limit)과 맞춰지는 반면에, 주어진 엔진 부하에 대하여 다량의 연료를 주입하는 효과 때문에 매연 미립자가 과도한 양으로 배출되는 것이 억제된다.
심한 배기 기체 재순환에 의해 야기되는 매연의 형성은 산소 부족을 겪는 연소 영역 때문이며, 이것은 이미 형성된 매연 미립자의 재산화 가능성을 제한하고, 또한 일산화탄소가 이산화탄소로 더 산화하는 것을 제한한다. 상대적으로 낮은 저발열량을 가진 연료를 이용함으로써, 주어진 에너지 출력을 달성하도록 다량의 연료가 주입될 수 있다. 다량의 연료는 연소 챔버 안에 존재하는 실린더 충전물 안으로 주입되고, 연료 주입은 고압으로 발생되므로, 다량의 연료 주입은 연소 챔버 안에서 내용물의 보다 강력한 교반을 일으킬 것이고, 다량의 실린더 충전물이 연소 영역 안으로 끌고 갈 것이다. 주입된 연료의 발열량과 관련된 주입된 연료의 큰 체적은 실제 연소 영역 안으로의 실린더 충전물의 혼합을 증가시키고, 이것은 배기 기체 재순환의 증가된 정도에 의해 야기된 실린더 충전물의 낮은 산소 함량을 보상한다.
따라서, 연소에 실제로 필요한 산소의 양이 연소 영역에 존재할 것이고 매연의 형성은 억제되거나 또는 심지어 회피될 것이다. 더욱이, NOx 의 형성에 필요한 한계는 배기 기체 재순환의 증가된 정도 때문에 얻어지며, 그에 의하여 NOx 배출 조절 영역(Emisssion Control Area)에 대한 한계가 충족될 수 있다. 내부 연소 엔진이 NOx 배출 조절 영역 외부에서 작동될 때 상대적으로 높은 저발열량의 제 1 연료의 사용은 (엔진의 생산 효과에 대한 연료의 중량과 관련하여) 특정 연료 소비를 최소화시킬 수 있게 하고, 이것은 중요한 환경의 소망이기도 한다.
주어진 엔진 부하에 대하여, 내부 연소 엔진이 제 1 연료로 작동될 때보다 내부 연소 엔진이 제 2 연료로 작동될 때 더 빠른 엔진 사이클의 타이밍으로 연료 주입이 개시된다. 제 1 연료보다 적은 발열량을 가진 제 2 연료는 제 1 연료보다 많은 양으로 주입될 수 있으며, 따라서 연소 챔버 안에서 동일한 에너지의 방출 및 연소 효과를 일으키고, 제 2 연료를 이용할 때 연료 주입의 빠른 개시는 제 2 연료가 제 1 연료의 주입과 동일한 연료 노즐 기하 형상을 통해 주입될 수 있게 하고, 엔진 사이클중에 동일한 최대 압력을 얻는다. 이것은 엔진 실린더 설계를 단순화시킨다. 실린더들에는 인젝터들이 제공될 수도 있고, 제 2 연료가 이용될 때 하나 이상의 인젝터들이 작동될 수 있거나, 또는 인젝션 노즐에서의 조절 가능한 주입 면적을 가지는 개별 인젝터가 구현될 수 있다.
바람직스럽게는, 제 2 연료의 상기 제 2 저발열량은 제 1 연료의 상기 제 1 저발열량의 90 % 보다 작고, 결국 제 2 연료의 대응하는 큰 체적이 주어진 엔진 부하에 대하여 주입된다.
일 실시예에서 제 2 연료는, 제 1 성분으로서의 제 1 연료 및, 상기 제 1 연료의 저발열량보다 적은 저발열량을 가진 적어도 하나의 다른 성분을 포함하는 혼합물이다. 그에 의하여 제 1 연료로부터 제 2 연료로의 변화는 제 1 연료의 유동으로 적어도 하나의 다른 성분을 혼합함으로써 수행될 수 있다. 또한 유리하게는, 연료 유형들의 저장이 제 2 연료의 일부로서 제 1 연료를 이용함으로써 단순화된다.
일 실시예에서 제 1 연료로부터 제 2 연료로의 변화는 점진적으로 수행된다. 이것은 제 2 연료의 혼합물을 제공하기 위하여 하나 이상의 다른 성분들을 제 1 연료에 점진적으로 더함으로써 제 2 연료로 간단하게 전환됨을 허용한다.
일 실시예에서 제 1 연료는 액체 연료를 포함하고 제 2 연료는 알코올, 암모니아, 디-메틸-에테르(di-methyl-ether) 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 이러한 실시예는 액체 연료 인젝터를 가진 엔진에 유리하다.
다른 실시예에서, 제 1 연료는 연료 기체를 포함하고, 제 2 연료는 저발열량을 가진 비등 기체(boil-off gas), 합성 기체(syngas), 불활성 기체와 혼합된 기체 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 기체성 연료를 포함한다. 이러한 실시예는 기체의 주입에 기초한 연료 인젝터들 또는 점화를 일으키는 파일롯 연료를 주입하고 다음에 주 연료로서의 기체를 주입하는 2 중 연료 인젝터들을 가진 엔진들에 유리하다.
일 실시예에서 내부 연소 엔진은 저속, 2 행정 크로스헤드 디젤 유형 내부 연소 엔진이다. 저속 엔진은 100 % 엔진 부하에서 40 내지 300 rpm 범위의 회전 속도로, 특히 40 내지 250 rpm 간격의 회전 속도로 가동하는 엔진들이다. "디젤 유형"이라는 표현은 디젤 사이클에 따라서 작동하는 엔진들을 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 엔진들은 예를 들어 디젤 연료, 중유 오일, 메탄 또는 천연 기체와 같은 기체 연료, 또는 2 중 연료, 즉, 자동 점화되는 파일롯 연료 및 자동적으로 점화되지 않는 주 연료로 가동될 수 있다.
다른 실시예에서 내부 연소 엔진은 중속(medium speed)의, 4 행정 내부 연소 엔진이다. 중속 엔진은 100 % 엔진 부하에서 300 내지 1200 rpm 범위의 회전 속도로, 특히 400 내지 1000 rpm 범위의 회전 속도로 가동되는 엔진이다.
일 실시예에서, 주어진 엔진 부하에 대하여, 내부 연소 엔진이 제 1 연료로 작동될 때보다, 내부 연소 엔진이 제 2 연료로 작동될 때 엔진 사이클의 더 많은 부분 동안 연료 주입이 수행된다. 제 2 연료의 저발열량 및, 동일한 엔진 부하를 달성하기 위하여 엔진 사이클마다 주입될 필요가 있는 결과적으로 큰 연료량은, 엔진 사이클의 큰 부분 동안, 따라서 엔진이 일정한 회전수(rpm)에서 작동될 때의 연장된 기간 동안, 연료를 주입함으로써 이루어질 수 있다. 대안으로서, 인젝터들에는 큰 주입 영역이 제공될 수 있어서, 큰 체적의 제 2 연료는, 크랭크 각도와 관련하여, 제 1 연료에 대한 주입 프로파일(injection profile)과 동일한 주입 파일로써 주입될 수 있다.
더욱이, 지구상의 지역들은 실제 기상 조건에 따라서 NOx 등의 배출에 대하여 변화하는 표준을 겪을 수 있다. 따라서 그러한 지구상의 지역들에 위치된 내부 연소 엔진이 한 때는 배기 기체내의 오염 성분들의 허용 가능 배출에 대한 제 1 배출 기준의 환경에서 작동될 것이고, 다른 때는 제 2 의 보다 엄격한 표준의 다른 환경에서 작동될 것인데, 이는 상기 환경의 표준이 실제 기상 조건들과 함께 변화되기 때문이다. 특정의 지리학적 위치의 환경 변화에 기인한 배출 기준의 전환은 선박의 보조 엔진으로서 또는 추진 엔진으로서 작동하는 내부 연소 엔진들과 관련될 수 있지만, 내부 연소 엔진에 의해 구동된 발전기를 통해 전력을 전력망(grid)으로 보내는 정지 상태 발전 설비에서 주 발동기(prime mover)로서 작동하는 내부 연소 엔진과 더욱 관련된다.
본 발명의 예 및 그것의 실시예들은 개략적인 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된 다음의 설명에 서술되어 있다.
도 1 은 내부 연소 엔진에 있는 실린더를 수직 단면도로 도시한다.
도 2 는 도 1 의 내부 연소 엔진의 배기 기체 재순환의 예이다.
도 3 은 실린더 안의 연소 챔버 및, 연료 공급 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4 는 배기 기체 재순환의 함수로서의 매연 농도 다이아그램을 도시한다.
도 5 는 수반된 공기가 주입된 연료의 저발열량에 어떻게 의존하는지를 도시한다.
본 발명에 따른 방법은 2 행정 크로스헤드 디젤 엔진 유형의 내부 연소 엔진들에 관한 것으로서, 예를 들어 MAN Diesel & Turbo 에서 제조된 MC 또는 ME 의 예시적인 유형이거나, 또는 Wartsila 에서 제조된 X, RT-flex 또는 RTA 의 예시적인 유형이거나, 또는 미스비시 중공업에서 제조된 것과 같은 것이다. 이러한 유형의 엔진은 통상적으로 선박의 주 엔진으로서 이용되거나 또는 발전소에서 정지 상태 엔진으로서 이용되는 대형 엔진이다. 실린더는 예를 들어 25 cm 내지 120 cm 범위의 보어(bore)를 가질 수 있으며, 엔진은 예를 들어 3000 kW 내지 120,000 kW 범위의 파워를 가질 수 있다. 그러한 엔진들은 40 rpm 내지 250 rpm 범위의 엔진 속도를 가지거나, 또는 최대 300 rpm 을 가진 저속 엔진이다. 본 발명에 따른 엔진은 또한 4 행정 디젤 엔진들에 관한 것으로서, MAN Diesel and Turb 에서 제조된 32/44CR, 48/60DF, 51/60DF, V28-33D 의 예시적인 유형이거나 또는 Wartsila 에서 제조된 20 내지 64 및 DF 의 예시적인 유형과 같은 것이며, 이들은 예를 들어 300 rpm 내지 1200 rpm 의 엔진 속도를 가진다.
도 1 에서, 엔진 실린더(6)의 상부에서 실린더 덮개내에 장착된 배기 밸브(1)는 하사점(BDC)에 있는 피스톤과 함께 개방 위치에서 도시되어 있으며, 여기에서 실린더의 하부 섹션에 있는 소기 공기 포트는 소기 공기 수용부(3)로부터의 유입 공기-또는 유입 공기/기체 혼합물이 와류 운동으로 실린더 안으로 유동할 수 있고 연소 기체 생성물(검은 화살표)을 배기 밸브를 통해 밖으로 배출하여 배기 기체 수용부(7) 안으로 보내서, 그로부터 배기 기체는 터보 과급기(2)의 터빈 부분을 통해 유동한다. 터보 과급기(2)의 콤프레서 부분은 유입 공기(백색 화살표)를 흡입하고 압축된 공기를 기체 냉각기(4) 및 물 안개 포착부(water mist catcher, 5)를 통해 소기 공기 수용부(3)로 전달한다.
다음에서 동일한 유형의 설명에 대해서는 동일한 참조 번호가 사용되지만, 설명의 편의를 위하여 일부 참조 번호들은 그것이 병렬적으로 작동하거나 배치될 때 참조 번호 a 및 b 로 식별될 수 있다.
엔진은 배기 기체 재순환(exhust gas recirculation, EGR)으로 작동된다. 그에 대한 배치의 예는 도 2 에 도시되어 있다. 2 개의 터보 과급기(2a,2b)가 도시되어 있지만, 엔진은 오직 하나의 터보 과급기만을 가질 수 있거나, 또는 3 개 이상을 가질 수 있으며, 예를 들어 3 개, 4 개 또는 5 개의 터보 과급기를 가질 수 있다. 터보 과급기(2a)는 2 개의 제어 밸브(13)들을 폐쇄시키는 것에 의해서만 작동에서 벗어날 수 있는 2 차 터보 과급기로서, 제어 밸브들중 하나는 터빈 부분의 배기 기체 도관 상류측에 위치되고, 다른 하나는 콤프레서 부분의 유입 공기 도관 하류측에 위치된다. 터보 과급기(2b)는 기본 터보 과급기이다. 엔진 부하가 높을 때 2 차 터보 과급기는 작동될 수 있고, 엔진 부하가 낮을 때 2 차 터보 과급기는 작동에서 벗어날 수 있다.
도시된 예에서 엔진은 6 개의 실린더들을 가지며, 각각의 실린더는 배기 기체를 배기 기체 수용부(7)로 전달한다. 터보 과급기(2a,2b)에는 배기 기체 수용부로부터 배기 기체가 공급될 수 있다. 배기 기체 수용부(7)로부터의 배기 기체 재순환 도관(10)은, 제어 밸브(13) 하류측의 유입 공기 도관으로 전달되기 전에 배기 기체로부터 소망스럽지 않은 성분들을 제거하기 위한 선택적인 제 1 스크러버(scrubber, 9) 및 차단 밸브(8)를 가진다. 재순환된 배기 기체로부터의 소망스럽지 않은 성분들을 더 제거하기 위하여 기체 냉각기(4)와 물 안개 포착부(5a) 사이에 제 2 스크러버(11)가 위치될 수 있다. 송풍기(17)는 재순환된 배기 기체를 소기 공기 수용부(3)로 전달할 수 있으며, 예를 들어 낮은 엔진 부하에서 전달할 수 있다. 송풍기(17) 보다 큰 용량의 EGR 송풍기(14)는, 물 안개 포착부(5a)로부터의 재순환 배기 기체를 제어 밸브(18)를 통하여 터보 과급기(2b)로부터의 유입 공기 도관으로 기체 냉각기(4b)의 하류측 위치에서 전달할 수 있다. 재순환 배기 기체는 다음에 소기 공기 수용부(3)로 진입하기 전에 물 안개 포착부(5a) 및 물 안개 포착부(5b) 양쪽을 통과할 것이다.
보조 송풍기(16)는 터보 과급기(2b)로부터의 유입 공기 도관으로 연결되고, 보조 송풍기(16)는 예를 들어 매우 낮은 엔진 부하에서 엔진 시동중에 이용될 수 있는데, 매우 낮은 엔진 부하에서는 배기 기체 유량이 터보 과급기(2)로 효율적으로 공급되기에는 너무 작다. 소기 공기 수용부를 공급하는 개별적인 도관들에는 역지 밸브(non-return valve, 15)가 제공된다. 소기 공기 수용부로부터의 유입 공기/기체를 가진 6 개의 실린더 공급이 화살표로 표시되어 있다.
배기 기체 재순환은 다른 방식으로 이루어질 수도 있으며, 예를 들어 2 차 터보 과급기(2a)가 제어 밸브(13) 및 송풍기(17)와 함께 배제된 배치로서 이루어질 수 있고, EGR 송풍기(14)는 물 안내 포착부(5b)의 하류측 위치에서 터보 과급기(2b)로부터 유입 공기 도관에 연결된다.
피스톤(19)은 엔진 작동중에 개별 실린더(6) 안에서 왕복한다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 피스톤 위의 실린더 안에 존재하는 연소 챔버(20) 안으로 직접 연료를 주입하기 위하여, 하나 이상의 연료 인젝터(fuel injector, 22)가 실린더상에 위치되고, 예를 들어 실린더 덮개에 장착된다. 제어 장치(24)가 연료를 인젝터에 전달할 때 연료는 연료 공급 도관(23)을 통해 개별적인 연료 인젝터로 전달된다. 제어 장치(24)는 신호 라인(25)을 통해 제어 유닛(26)과 전자적으로 통신한다. 엔진은 단일의 제어 유닛 또는 몇개의 제어 유닛들을 가질 수 있으며, 예를 들어 개별적인 실린더를 위한 실린더 제어 유닛을 가질 수 있고, 가능하게는 하나 또는 그 이상의 중앙 제어 유닛들을 가질 수 있다. 연료 인젝터(22)로의 연료는 연료 공급 시스템으로부터 전달된다. 이러한 전달은 몇가지 상이한 방식으로 발생될 수 있다. 한가지 가능성은 2 내지 25 bar 범위의 공급 압력과 같은 상대적으로 낮은 압력에서 연료를 공급하고, 다음에 엔진 사이클에서 소망되는 타이밍으로 연료를 800 bar 와 같은 높은 압력에서 인젝터로 전달하기 위하여 개별적인 인젝터와 결합된 고압 연료 펌프를 이용하는 것이다. 고압 연료 펌프는 Bosh 유형일 수 있으며, 이것은 유압으로 작동될 수 있거나 또는 캠 샤프트로 작동될 수 있다. 다른 가능성은 코몬 레일(31)로 주입하는데 필요한 고압으로 연료를 제공하는 것으로서, 코몬 레일로부터 개별적인 인젝터는 제어 밸브를 개폐함으로써 공급될 수 있다.
연료 인젝터(22)로 공급되는 연료는 내부 연소 엔진이 현재 작동하고 있는 환경에 따르는 조성을 가진다. 제 1 연료 소스(27)는 제 1 발열량(calorific value)을 가진 제 1 연료를 유지한다. 제 2 연료 소스(28)는 제 1 연료의 제 1 발열량 보다 낮은 제 2 발열량을 가진 연료 성분 또는 제 2 연료를 유지한다. 혼합 유닛(29)은, 제어 유닛(26)으로부터나, 또는 연료의 조성을 제어하는 중앙 제어 유닛 및 개별적인 실린더상의 연료 인젝터들의 작동을 제어하는 다른 국부 제어 유닛(local control unit)과 같은 등가의 유닛으로부터, 신호 라인(30)을 통하여 수신된 제어 신호들에 따라서 혼합 유닛은 제 1 연료와 제 2 연료를 혼합한다.
제 1 연료는 제 1 발열량을 가진 연료이다. 제 2 연료는 제 2 발열량을 가진 연료이다. 제 2 연료는 제 1 연료와 완전하게 독립적인 제 2 연료로서 공급될 수 있다. 그러나, 제 2 연료는 혼합물일 수도 있으며, 여기에서 제 1 연료는 제 2 연료를 위한 성분들의 혼합물에 있는 제 1 성분으로서 이용되고, 상기 제 1 성분은 제 1 성분 보다 낮은 발열량을 가진 적어도 하나의 다른 성분과 혼합된다.
제 1 연료는 40.9 MJ/kg 의 낮은 발열량을 가진 중유 오일이거나, 또는 42.9 MJ/kg 의 낮은 발열량을 가진 중간 등급 오일일 수 있다. 기체로 작동되는 엔진의 경우에, 제 1 연료는 33 MJ/kg 의 낮은 발열량을 가진 부탄올일 수 있고, 제 2 연료는 19.5 MJ/kg 의 낮은 발열량을 가진 메탄올일 수 있거나, 18.6 MJ/kg 의 낮은 발열량을 가진 암모니아일 수 있다.
내부 연소 엔진이 제 1 배출 기준(emission standard)을 가진 환경에서 작동될 때, 예를 들어 NOx 배출의 최대 한계가 14.4 g/kWh 인 환경에서 작동될 때, 엔진은 제 1 연료로 작동되고, 제 1 등급의 배기 기체 재순환, 예를 들어, 25 % 의 재순환으로 작동된다. 엔진이 추후에 제 2 배출 기준을 가진 환경에서 작동될 때, 예를 들어 NOx 배출의 최대 한계가 3.4 g/kWh 인 환경에서 작동될 때, 엔진은 제 2 연료에서 작동되고, 제 2 등급의 배기 기체 재순환, 예를 들어 50 % 의 재순환으로 작동된다. 높은 정도의 배기 기체 재순환은, 배기 기체가 엔진을 떠나기 전에, 연소 챔버 안에서 연소중에 형성된 매연(soot)이 다시 제거되지 않는 부정적인 효과를 가진다. 만약 연소 생성물이 산소를 포함하는 기체와 혼합된다면, 일산화탄소가 산소와 반응할 것이며 이산화탄소가 형성되고 매연이 제거될 것이다.
낮은 발열량을 낮은 수준으로 가지는 제 2 연료의 주입은, 주어진 엔진 부하에서 연료에 대한 엔진 요건을 충족시키도록 큰 체적의 연료를 주입하는 것과 함께 발생된다. 연료 주입은 엔진 작동 사이클에서 조기에 시작되도록 설정됨으로써 대량의 연료가 주입되는 시간을 가지며, 실린더 마다 3 개의 인젝터들을 통해 주입하는 대신에 4 개의 인젝터들을 통해 주입하는 것과 같이, 대형의 주입 노즐 영역이 이용될 수도 있다. 예를 들어, 만약 제 1 연료가 주입될 때 연료 주입이 상사점(TDC) 이전의 2°크랭크 각도에서 시작되도록 설정된다면, 이는 예를 들어 제 2 연료가 주입될 때 상사점(TDC) 이전의 5°크랭크 각도에서 시작되도록 설정된다. 따라서, 내부 연소 엔진이 제 1 연료를 가지고 작동될 때보다, 내부 연소 엔진이 제 2 연료를 가지고 작동될 때 연료 주입의 개시 타이밍이 엔진 사이클에서 더 빠르다. 제 2 연료가 주입 개시되는 빠른 타이밍은 주어진 예에서 3°이지만(상사점 이전의 2° 내지 5°= 3°), 더 빠른 타이밍이 다른 값들을 취할 수 있으며, 예를 들어 제 1 연료의 주입 개시보다 0.1°내지 15°범위의 빠른 값을 취할 수 있고, 바람직스럽게는 제 1 연료의 주입 개시보다 1°내지 8°범위의 값을 취할 수 있다. 제어 유닛(26)은 제어 장치(24)에 주입의 개시를 위한 신호를 제공할 수 있다. 제어 유닛(26)은 크랭크 샤프트와 관련된 회전 검출기로부터 엔진의 크랭크 샤프트의 현재 위치에 대한 정보를 수신하고, 엔진 사이클에서 주입의 개시 타이밍은 TDC 위치와 관련하여 결정되는데, 예를 들어 TDC 이전의 4°또는 TDC 이전의 7°로 결정된다.
연료 주입의 지속 기간은 엔진이 제 2 연료로 작동되고 있을 때 엔진 사이클의 큰 부분 동안 수행될 수도 있다. 지속 기간은 사이클에서 연료 주입을 빨리 개시함으로써 뿐만 아니라, 엔진 사이클에서 연료 주입을 늦게 끝냄으로써도 길어질 수 있으며, 예를 들어 내부 연소 엔진이 제 1 연료로 작동될 때보다, 내부 연소 엔진이 제 2 연료로 작동될 때의 사이클에서 3°의 크랭크 각도로써 늦게 끝냄으로써 그렇게 된다.
배기 기체 재순환 정도의 함수로서의 매연의 형성은 도 4 에 도시되어 있다. 실선으로 도시된 곡선(A)은 배기 기체 재순환이 40 % 를 초과할 때 매연의 농도가 어떻게 증가할 수 있는지를 나타낸다. 점선으로 도시된 곡선(B)은 제 1 연료 보다 큰 체적으로 주입된 제 2 연료를 이용함으로써 결과적인 매연 농도에 미치는 영향을 나타낸다. 제 2 연료의 큰 체적 및 큰 질량은 연료 주입에 의해 연소 챔버 안에서 내용물의 높은 정도의 교반(stirring)을 일으킨다. 주입된 연료는 연소 영역 외부로부터 공기를 수반하여 상기 공기가 연소 영역으로 들어오고, 따라서 공기 안에 포함된 산소가 연소 영역 안으로 유인되어 산소가 매연을 제거하도록 작용한다. 주입된 연료는 kJ 로 표시될 수 있는 특정의 에너지 함량을 가진다. 엔진을 특정의 엔진 부하에서 작동시키기 위하여, 특정의 에너지 함량을 가진 연료가 연소 챔버 안으로 주입되어야 한다. 제 2 연료의 MJ/kg 의 낮은 발열량의 함수로서 연료 에너지 함량의 주입된 kJ 마다 연소 영역 안으로 수반된(유인된) 공기의 질량은 도 5 에서 곡선 C 로 도시되어 있다. 낮은 발열량의 제 2 연료가 감소될 때, 공기의 질량은 증가되는 것으로 보인다.
제 2 연료의 낮은 발열량(LCV)은, 연료 저장 탱크와 같은 연료 소스 안에 연료가 저장될 때 하나의 파라미터 또는 하나 이상의 파라미터들을 측정함에 기초하여 계산될 수 있다. 이러한 방식으로 낮은 발열량에 대한 측정치를 얻음으로써, 낮은 발열량은 제어 유닛에 저장될 수 있고 내부 연소 엔진의 제어에 자동적으로 이용될 수 있다. 다수의 상이한 파라미터들이 자체적으로 공지된 방식으로 측정되어 연료의 낮은 발열량 계산을 위해 제공된다. 엔진의 하나 이상의 작동 파라미터를 측정할 수도 있으며, 그러한 정보를 이용하여 제 2 연료로 혼합되는 연료 성분들의 설정을 결정한다. 그러한 작동 파라미터는 예를 들어 적어도 하나의 실린더 안의 사이클을 통한 압력 변화의 측정을 포함할 수 있다. 대안으로서, 낮은 발열량은 내부 연소 엔진의 제어 시스템을 수동적으로 설정하는데 이용될 수 있다.
증가된 배기 기체 재순환 동안의 연소 조건들은 주입된 연료의 발열량과 관련된 주입 연료의 큰 체적과 함께 향상되는데, 왜냐하면 실제 연소 영역 안으로의 실린더 충전물의 증가된 혼합이 달성되고, 이것은 배기 기체 재순환의 증가된 정도에 의해 야기되는 실린더 충전물의 낮은 산소 함량을 보상하기 때문이다.
위에서 설명된 다양한 실시예들에 대한 상세 내용은 특허 청구 범위의 다른 실시예들과 조합될 수 있다.
2. 터보 과급기 3. 소기 공기 수용부
4. 기체 냉각기 5. 물 안개 포착부
6. 엔진 실린더 7. 배기 기체 수용부

Claims (12)

  1. 개별적인 실린더 내부의 왕복 피스톤 및 상기 왕복 피스톤 위의 연소 챔버를 가진 실린더들과, 작동중에 상기 왕복 피스톤 위의 연소 챔버 안으로 직접 연료를 주입하는 적어도 하나의 연료 인젝터를 구비하는 내부 연소 엔진의 작동 방법으로서,
    상기 엔진은 배기 기체 재순환으로 작동되고, 상기 엔진이 한 때는 배기 기체와 함께 오염 성분들의 배출을 제한하는 제 1 배출 기준의 환경에서 작동되고, 상기 엔진이 다른 때는 배기 기체와 함께 상기 오염 성분들의 배출을 제한하는 보다 엄격한 제 2 배출 기준의 다른 환경에서 작동되고,
    (a) 상기 제 1 배출 기준을 가진 환경에서 작동될 때, 엔진은 제 1 저발열량을 가진 제 1 연료로써 배기 기체 재순환의 제 1 정도로 작동되고,
    (b) 보다 엄격한 상기 제 2 배출 기준을 가진 다른 환경에서 작동될 때, 연소 챔버내 실제 연소 영역으로의 실린더 충전물의 혼합을 증가시키기 위하여, 엔진은 제 2 저발열량을 가진 제 2 연료로써 배기 기체 재순환의 제 2 정도로 작동되고, 상기 제 2 저발열량은 상기 제 1 저발열량보다 낮고, 배기 기체 재순환의 상기 제 2 정도는 배기 기체 재순환의 상기 제 1 정도보다 높으며,
    제 2 연료는, 제 1 성분으로서의 제 1 연료 및, 상기 제 1 연료의 저발열량보다 적은 저발열량을 가진 적어도 하나의 다른 연료 성분을 포함하는 혼합물이고,
    주어진 엔진 부하에 대하여, 내부 연소 엔진이 제 1 연료로 작동되는 때보다 내부 연소 엔진이 제 2 연료로 작동될 때 더 빠른 엔진 사이클의 타이밍으로써 연료 주입이 개시되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 2 연료의 상기 제 2 저발열량은 상기 제 1 연료의 상기 제 1 저발열량의 90 % 보다 적은 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 연료로부터 제 2 연료로의 변화는 엔진의 작동중에 점진적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  6. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 연료는 액체 연료를 포함하고, 제 2 연료는 알코올, 암모니아, 디-메틸-에테르(di-methyl-ether) 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  7. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 연료는 연료 기체를 포함하고, 제 2 연료는 저발열량을 가진 비등 기체(boil-off gas), 합성 기체(syngas), 불활성 기체와 혼합된 기체 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 기체성 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  8. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    내부 연소 엔진은 저속, 2 행정 크로스헤드 디젤 유형 내부 연소 엔진인 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  9. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    내부 연소 엔진은 중속, 4 행정 내부 연소 엔진인 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  10. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    주어진 엔진 부하에 대하여, 내부 연소 엔진이 제 1 연료로 작동될 때보다 내부 연소 엔진이 제 2 연료로 작동될 때 엔진 사이클의 더 오랜 부분 동안 연료 주입이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  11. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    내부 연소 엔진은 특정의 지구상 위치에 위치된 정지 상태 엔진이고, 상기 엔진이 한 때는 제 1 배출 기준의 환경에서 작동되고, 다른 때는 현재의 기상 조건에 기인하여 더 엄격한 제 2 배출 기준의 상기 다른 환경에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진의 작동 방법.
  12. 개별적인 실린더 내부의 왕복 피스톤 및 상기 왕복 피스톤 위의 연소 챔버를 가진 실린더들과, 작동중에 상기 피스톤 위의 연소 챔버 안으로 직접 연료를 주입하는 적어도 하나의 연료 인젝터, 적어도 하나의 터보 과급기, 배기 기체 재순환 도관, 제어 밸브 및, 재순환된 배기 기체를 내부 연소 엔진의 유입 공기 도관으로 전달하기 위한 배기 기체 재순환 송풍기를 가진 내부 연소 엔진으로서,
    내부 연소 엔진의 제어 유닛은 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 따른 내부 연소 엔진의 작동 방법에 따라서 내부 연소 엔진을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
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