KR101818687B1 - 이중 연료 엔진을 제어하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제1 가스 연료의 형태로 및 자기 점화, 특히 액체의 제2 연료의 형태로 하는 파워가 엔진의 적어도 하나의 연소실(4)로 공급되고, 상기 적어도 하나의 연소실(4)을 대표하는 노킹 신호가 검출되는 이중 연료 엔진(1)을 제어하는 방법에 있어서, 적어도 제1 세기의 노킹을 나타내는 노킹 신호의 발생시에, 상기 엔진(1)의 적어도 하나의 연소실(4)로 공급되는 제1 연료의 양이 증가되고, 상기 제1 연료의 양의 증가에 의해 유발되는, 상기 연소실(4) 내로의 파워의 증가된 도입은 상기 제2 연료의 파워 기여에서의 대응하는 감소에 의해 보상되며, 상기 제1 세기보다 큰 적어도 제2 세기의 노킹을 나타내는 노킹 신호의 발생시에, 상기 적어도 하나의 연소실(4)로 공급되는 상기 제1 연료의 양이 감소되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법 및 이중 연료 엔진에 관한 것이다.

Description

이중 연료 엔진을 제어하는 방법{Method of controlling a dual fuel engine}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부의 특징을 가지는 이중 연료 엔진을 제어하는 방법 및 청구항 제10항의 전제부의 특징을 가지는 이중 연료 엔진에 관한 것이다.
제시된 일반적인 종류의 엔진은, 순수 디젤 또는 중유 모드 또는 주 연료가 가스이고 디젤 또는 중유가 단지 점화를 용이하게 하기 위해서만 사용되는 소위 이중 연료 모드로 작동될 수 있다. 이러한 종류의 내연기관은 US 8 671 911 B2에 개시되어 있다.
이 공보는 노킹의 발생을 검출할 수 있는 노킹 센서(knock sensor)의 배열을 제공한다. 검출 신호에 의존하여, 제어 유닛은 내연기관의 연소실에 공급되는 가스 및 액체 연료의 양을 제어할 수 있다.
종래 기술에서의 결점은, 노킹의 검출에 대한 반응으로서 지연 점화가 반드시 제공된다는 것이다. 제어 전략은 노킹이 다양한 이유 때문에 일어날 수 있다는 사실을 고려하지 않으며, 그러므로 항상 방책이 될 수는 없다. 그러므로, 많은 경우에, 또한, US 8 671 911 B2에서 설명된 바와 같이(도입된 가스 양의 감소), 추가의 조치를 취하는 것이 필요할 수 있다.
본 발명의 목적은 제시된 일반적인 종류의 이중 연료 엔진을 제어하는 방법을 제공하고, 보다 차별화된 방식으로 노킹의 발생에 반응하는 이중 연료 엔진을 제공하는데 있다.
이러한 목적은 청구항 제1항의 특징을 가지는 방법 및 청구항 제10항의 특징을 가지는 이중 연료 엔진에 의해 달성된다.
종래 기술에서의 상황과 다르게, 엔진의 연소실로 공급되는 가스 연료의 양은 노킹이 발생할 때 즉시 감소되지 않는다. 이와는 정반대로, 본 발명은 제1 가스 연료의 양이 먼저 증가되는(가능하게 보다 높은 임계치가 초과되거나 또는 노킹이 서서히 사라질 때까지) 것(이중 연료 엔진의 작동 사이클에 관계하여)을 제공한다. 본 발명에 대하여, 제1 연료(1st fuel)의 가스 응집 상태가 연소시에 먼저 일어나야만 한다는 것을 유념하여야 한다.
이 작동 사이클(working cycle) 동안 연소실의 전체 출력 파워를 일정하게 유지하도록, 제2 연료(2nd fuel)에 의해 제공되는 파워 기여는 예를 들어 도입된 제2 연료의 양을 감소 및/또는 제2 연료를 도입하는 순간에서의 지연 및/또는 제2 연료의 분사 특징의 변화를 실행하는 것에 의해 대응하여 감소된다. 도입된 제2 연료의 양은 파일럿 양(pilot amount)이며, 즉, 도입된 에너지 양에 대하여, 연료의 형태로 도입된 전체 에너지 양의 5% 아래이다.
즉, 적어도 하나의 연소실에서의 연소는 허용한계로 노킹의 양을 유지하기 위하여 조정된다. 이는 작동 시점에서 제1 연료의 가능한 최대 비율을 가진 엔진의 작동을 가능하게 하고, 이는 한편으로 경제적 고려의 관점에서 바람직하고, 다른 한편으로 배출 기술에 있어서 유익하다.
유익한 실시예는 첨부된 청구항들에서 한정된다.
노킹 신호의 세기는 노킹 이벤트의 빈도 및 노킹 이벤트의 강도로부터 결정된다. 높은 세기의 노킹은 예를 들어 빈번한 약한 노킹 및 드문 강한 노킹으로 인하여 동등하게 일어날 수 있다.
용어 분사 특징은 시간에 의존하는, 분사된 연료의 질량 유량(mass flow)의 프로파일의 형상을 나타내기 위해 사용된다. 분사된 연료의 전체 양에 일치하는 프로파일 아래의 영역은 프로파일의 형상의 변화로 인하여 반드시 변화하여야만 할 필요는 없다. 분사 특징의 변화는 제2 연료의 분사된 양의 큰 부분이 추후에 일어나도록 발생할 수 있다. 용어 "추후에"는 분사 이벤트 내 보다 늦은 순간을 의미하도록 사용된다. 분사 특징의 변화는 당업자에게 친숙하다.
분사 특징은 분사의 개시가 추후에 일어나는(가능하게는 질량 유량의 프로파일의 형상 변화없이) 방식으로 또한 변경될 수 있다. 즉, 여기에서, 전체 분사 이벤트는 추후에 일어난다.
제1 연료가 적어도 하나의 연소실 내로 도입 전에 공기와 혼합되는 것이 바람직하게 제공된다. 대안적으로, 제1 연료와 공기의 혼합은 실제 연소 전에 적어도 하나의 연소실에서 일어날 수 있다.
적어도 하나의 연소실로의 도입 이전에 공기와 제1 연료의 예혼합의 경우에, 적어도 하나의 연소실에 공급된 제1 연료의 양은 예를 들어 압력의 변화(충진 압력(charge pressure))없이도, 공기와 제1 연료의 혼합 온도가 감소되는 방식으로 증가될 수 있다. 물론, 제1 연료의 공급된 양에서의 증가는 또한 압력(충진 압력)의 증가에 의해 실행될 수 있다.
제1 연료가 공기와 혼합되고(적어도 하나의 연소실로의 도입 이전에) 제1 연료와 공기의 비가 제1 연료의 양을 증가시키도록 증가되는 것이 또한 제공된다. 이러한 조치는 포트 분사 엔진(포트 분사 밸브의 사용에 의한)의 경우 및 혼합 충진 엔진(가스 측정 장치의 수단에 의한)의 경우 모두 가능하다.
제1 가스 연료는 예를 들어 메탄 지배적 연료(methane-dominated fuel; 예를 들어, 천연가스), 바이오가스, 프로판 가스(LPG), 가스화 액화 천연가스(LNG), 가스화 액화 가스 또는 가스화 가솔린일 수 있다. 제2 연료는 예를 들어, 디젤, 식물성 유지 또는 중유일 수 있다.
본 발명에서 다수의 분사를 수반하는, 선행기술에서는 디젤 또는 중유의 도입을 위하여 그 자체가 공지된, 본 발명의 개념은 분사 특징을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우에, 제2 연료는 다수의 간격을 두고 분사된다. 바람직하게는, 이 개념은 제1 및 제2 세기 사이의 세기의 노킹을 나타내는 노킹 신호가 발생할 때 이용된다.
본 발명에 따라서 상기된 바와 같이, 연소실의 전체적인 파워는 이중 연료 엔진의 작동 사이클 동안 일정하게 유지되어야 한다. 그러므로, 제2 연료에 의해 제공되는 파워 기여는 이중 연료 엔진의 작동 사이클에 걸쳐서 적절하게 감소되어 통합된다. 그러나, 예를 들어 나머지 분사량의 적절히 늦은 도입에 의해, 전체적인 파워 기여가 이에 대응하여 효율이 떨어지는 연소로 충분히 낮은 한, 보다 많은 제2 연료가 이전의 크랭크 각도에서 분사되는 것이 확실히 보장될 수 있다.
본 발명의 추가의 상세는 도면을 참조하여 예의 방식으로 설명된다:
도 1은 제1 실시예에서의 방법을 개략적인 흐름도로서 도시하며,
도 2는 추가의 실시예에서의 방법을 개략적인 흐름도로서 도시하며,
도 3은 대체 속도에 대한 람다의 그래프이며, 및
도 4는 이중 연료 엔진의 개략도이다.
도 1은 개략적인 흐름도의 형태를 갖는 제1 실시예에서의 방법을 도시한다. 노킹이 발생하였을 때, 2개의 거동(branches) 사이의 차이가 도시된다. 좌측 줄기에서, 노킹 세기는 명백히 제1 임계값 위이지만(즉, 제1 세기 위의 노킹을 나타내는 노킹 신호가 검출되며), 제2 임계값 아래이다(즉, 제2 세기 아래의 노킹을 나타내는 노킹 신호가 검출된다). 그 결과, 연소실로 공급되는 제1 연료의 양은 증가된다. 제1 연료의 양의 증가 범위는 노킹 신호의 세기 크기에 의존하고, 바람직하게는 노킹 신호의 세기에 비례한 증가가 실행될 수 있다. 이어서, 제1 연료의 양을 증가시키는 것에 의해 유발되는 파워의 증가된 공급은 제2 연료의 파워 기여에서의 감소에 의해 보상된다.
제2 연료의 파워 기여를 감소시키기 위한 가능한 중재는 예를 들어 (개별적으로 또는 임의의 조합으로) 제2 연료의 양의 감소, 제2 연료의 분사 시간의 지연, 제2 연료의 분사 속도의 변화, 및 제2 연료의 다중 분사이다. 실린더 충전의 온도의 감소 또는 충전 압력의 증가처럼, 제2 연료의 파워 기여에 간접적으로 영향을 미치는 가능한 방식들이 또한 있다.
노킹 세기가 제2 임계값을 초과하면, 적어도 하나의 연소실로 공급되는 제1 연소의 양에서의 감소로 대응한다. 이는 도 1의 우측 줄기에 도시된다. 이어서, 양 가지는 다시 노킹 검출 유닛으로 복귀한다. 노킹이 검출되지 않으면, 엔진 관리는 선행기술에 대응하는 통상의 파워 컨트롤러에 의해 지배되며, 그러므로, 본 명세서에서 상세히 기술되지 않는다. 그러므로, 이 실시예에 따라서, 파워 컨트롤러는 노킹 제어 회로에 병렬로 배열된다. 노킹 제어 회로는 단지 노킹이 검출될 때에만 작동한다.
대안적인 실시예가 도 2에 도시된다. 이 실시예에서, 파워 제어 회로는 노킹 제어 회로와 직렬로 연결된다. 이는 도 1을 참조하여 설명된 제어 중재의 실행 후에, 노킹의 경우, 루프는 파워 컨트롤러에 직접적으로 이어지는 것을 의미한다. 그러므로, 여기서 노킹 검출은 파워 컨트롤러의 부분으로서 보여져야 한다. 이는 노킹이 검출될 때에만 활성화된다. 노킹 신호가 발생하지 않으면, 동일한 제어는 도 1에서와 같이 "시작" 지점에서 일어난다.
도 1 및 도 2에서, 파워 제어 회로는 본 발명의 상태에 따라서 설계된다. 고정식 이중 연료 엔진의 경우에(예를 들어, 겐셋(genset)에서), 파워 예비 설정은 예를 들어 토크 또는 회전 속도의 형태로 실행될 수 있다. 모터 차량의 이중 연료 엔진의 경우에, 이는 예를 들어 속도 수요의 형태로 실행될 수 있다.
도 3은 파워 기여의 백분율로서 표현된, 제2 연료의 비율에 의존하는 연소-공기비 람다를 도시하는 그래프이다. 그래프의 원점에서, 제2 연료의 비율은 "0"이다. 2 세트의 곡선은 상이한 충진 압력을 위해 도시된다. 실선과 점선으로 구성된 하부 곡선 세트는 낮은 충진 압력의 경우를 나타내고, 상부 곡선 세트는 높은 충진 압력의 경우를 나타낸다.
실선은 전반적인 람다(global lambda), 즉 두 연료에 대한 공기비를 나타낸다. 제1 연료에 대한 람다는 점선으로서 도시되었다. 보다 큰 람다는 희박 혼합물을 나타낸다. 제2 연료의 파워 기여에서의 변화시에도, 전반적인 람다, 즉 전반적인 혼합물 조성(global mixture composition)은 연소 공기에 대한 그 이론 공연비에 대하여 일정하게 유지된다. 이는 제2 연료의 증가하는 비율에 의해, 제1 연료의 람다(점선으로 도시됨)가 증가되는 것으로 달성된다. 사실 람다에서의 증가는 보다 높은 정도의 희석, 즉 혼합물의 약화를 의미한다. 그래프는 제2 연료의 비율에서의 변화에도 전반적인 연소 공기비를 일정하게 유지하는 것이 어떻게 가능한지를 예시한다.
도 4는 본 발명에 따른 이중 연료 엔진(1)의 연소실을 개략적으로 도시한다. 연소실은 입구 및 배기측을 가진다. 흡기 매니폴드(2)에 의해, 연료의 양(Q1stfuel)이 단위 시간, 즉 제1 연료의 "Q-지점"
Figure 112015104231067-pat00001
내에 연소실(4)로 공급된다. 화학 에너지로서 파워가 단위 시간 내에서 도입되는 것이 단위로 설명된다. 도면에서
Figure 112015104231067-pat00002
로서 표시된 공기의 질량 유량(시간당 질량)이 또한 연소실 내로 도입된다. 연료들의 각각의 파워 기여가 본 출원과 관련하여 중요함으로써, 이 점에서, 연료의 파워 기여에 대하여, (전형적으로 용적 측정으로 또는 중량 측정에 의해 측정된) 공급 연료의 양이 결정적인 것이 아니라는 점이 강조되어야 한다. 자체가 공지된 조치에 의해, 연소실에서 연료의 공급량의 파워 전개(power development)는 변경될 수 있다. 예는 점화 타이밍에서의 변화이다. 분사 특징에서의 변화와 같은 대안적인 조치는 상세한 설명에서 설명되었다. 그러므로, 공급된 양은 대응하는 파워 기여와 동등하게 간주되지 말아야 하고, 오히려 파워 기여를 변화시키기 위한 가능하게 실행된 조치가 동일한 것을 위해 또한 참작되어야 한다.
흡기 매니폴드(2) 내로 제1 연료와 공기의 공급은 검은 화살표로 명확히 도시된다. 도면은 또한 분사 유닛(5)을 도시하며, 분사 유닛에 의해, 제2 연료는 연소실로 도입될 수 있다. 단위 시간당 제2 연료의 양은
Figure 112015104231067-pat00003
으로서 도면에 표시된다. 제2 연료의 공급은 또한 검은 화살표로 표시된다. 도면은 또한 노킹 센서(6)를 도시하며, 노킹 센서에 의해, 적어도 하나의 연소실(4)을 대표하는 노킹 신호는 이중 연료 엔진(1)의 개루프 또는 폐루프 제어 장치(7)로 전송될 수 있다.
1 이중 연료 엔진
2 흡기 매니폴드
3 배기 매니폴드
4 연소실
5 분사 유닛
6 노킹 센서
7 개루프 또는 폐루프 제어 장치
λ 연소 공기비 람다

Claims (13)

  1. 제1 가스 연료의 형태로 및 자기 점화의 제2 연료의 형태인 파워가 엔진의 적어도 하나의 연소실(4)로 공급되고, 상기 적어도 하나의 연소실(4)을 대표하는 노킹 신호가 검출되는 이중 연료 엔진(1)을 제어하는 방법에 있어서,
    - 적어도 제1 세기의 노킹을 나타내는 노킹 신호의 발생시에, 상기 엔진(1)의 적어도 하나의 연소실(4)로 공급되는 제1 연료의 양이 증가되고, 상기 제1 연료의 양의 증가에 의해 유발되는, 상기 연소실(4) 내로의 파워의 증가된 도입은 상기 제2 연료의 파워 기여에서의 대응하는 감소에 의해 보상되며,
    - 상기 제1 세기보다 큰 적어도 제2 세기의 노킹을 나타내는 노킹 신호의 발생시에, 상기 적어도 하나의 연소실(4)로 공급되는 상기 제1 연료의 양이 감소되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 연료의 파워 기여에서의 감소는, 도입된 상기 제2 연료의 양의 감소, 상기 제2 연료의 도입 순간에서의 지연, 또는 상기 제2 연료의 분사 특징의 변화 중 적어도 어느 하나의 경우에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 연료는 공기와 혼합되고, 공기와 제1 연료의 혼합물의 온도는 상기 제1 연료의 양을 증가시키도록 감소되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 연료의 충진 압력은 상기 제1 연료의 양을 증가시키도록 증가되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 연료는 공기와 혼합되고, 제1 연료와 공기의 비율은 상기 제1 연료의 양을 증가시키도록 증가되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 연료의 양의 증가 범위는 노킹 신호의 세기 크기에 의존하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제2 연료의 분사 특징은 상기 제2 연료의 분사된 양의 큰 부분이 추후에 발생하도록 변경되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제2 연료의 분사 특징은 프로파일의 형상의 변화없이 분사의 시작이 추후에 일어나도록 변경되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 연료는 다수의 간격을 두고 분사되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  10. 파워가 제1 가스 연료의 형태로 및 자기 점화의 제2 연료의 형태로 공급되는 적어도 하나의 연소실(4)을 가지며, 상기 적어도 하나의 연소실(4)을 대표하는 노킹 신호를 엔진의 개루프 또는 폐루프 제어 장치(7)로 전송할 수 있는 노킹 센서(6)가 제공되는 이중 연료 엔진(1)에 있어서,
    상기 개루프 또는 폐루프 제어 장치(7)는,
    - 상기 제2 연료의 파워 기여에 대응하는 감소에 의해, 적어도 제1 세기의 노킹을 나타내는 노킹 신호의 발생시에 상기 엔진(1)의 적어도 하나의 연소실(4)로 전송되는 제1 연료의 양을 증가시키고, 상기 제1 연료의 양의 증가에 의해 유발되는 상기 연소실(4) 내로의 파워의 증가된 도입을 보상하도록 적용되며, 및
    - 상기 제1 세기보다 큰 적어도 제2 세기의 노킹을 나타내는 노킹 신호의 발생시에, 상기 적어도 하나의 연소실(4)로 전송되는 상기 제1 연료의 양을 감소시키도록 적용되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료는 액체 연료인 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 제1 연료의 양은 노킹 신호의 세기에 비례한 증가가 실행되는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제2 연료는 액체 연료인 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진.
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