KR101986275B1 - 연료 가스의 특성 측정 시스템을 갖춘 내연기관 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 실린더(1), 연소 셀(40), 주어진 압력과 온도로 연료 가스의 유동을 실린더(1)로 공급하도록 구성되고 동일하게 주어진 압력과 온도로 연료 가스의 유동을 연소 셀(40)로 공급하도록 구성되는 연료 가스 공급 시스템(30)을 포함하는 내연 기관. 하나 이상의 실린더(1) 각각에 적어도 하나의 가스 유입 밸브 (31)가 제공되고, 연소 셀(40)에 연료 가스 공급 시스템(1)으로부터 연소 셀(40)로 연료 가스의 유동을 주입하기 위한 노즐(30)이 제공된다. 상기 내연기관은 연소 셀(40)로 산화제 가스의 유동을 공급하기 위한 공급 라인(42), 연소 셀(40)로부터 연소 가스의 유동을 전달하기 위한 배기 도관(47) 및 연소 가스 유동 내 산소 비율을 측정하기 위한 센서를 더 포함한다.

Description

연료 가스의 특성 측정 시스템을 갖춘 내연기관{AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH FUEL GAS PROPERTY MEASUREMENT SYSTEM}
본 개시는 연료 가스로 작동되는 내연기관에 관한 것이다.
오토(Otto) 원리나 디젤 원리를 사용하는 2 행정 엔진과 4 행정 엔진 등의 내연기관은 액체 연료나 가스 연료로 작동될 수 있다. 현대식 엔진의 적절한 작동을 위해서는 엔진의 부하를 정확하게 알아야 한다. 엔진 부하 정보는 분사 시기( 및 배기 밸브 개방 시기)와 길이, 가변 터보차저 설정, SCR 설정, EGR 설정, 분사 가스 압력, 유압 시스템 압력, 배기가스 바이패스 개방도, 냉각 팬 속도, 냉각 액체 펌프 설정 등의 각종 파라미터를 제어하는 데 필요하다. 앞의 예는 전부가 아니며, 엔진 유형에 따라 다르다. 어쨌든 모든 내연기관은 적절한 작동을 위해 엔진 부하를 정확하게 측정해야 한다는 공통점이 있다.
종래 기술에서는 크랭크샤프트의 토크와 회전 속도를 측정하여 이 정보로부터 엔진 부하를 도출한다고 알려져 있다. 또한, 부하를 결정하기 위해 소비되는 연료의 양을 측정하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이는 연료의 특성, 특히 발열 특성과 밀도가 알려져 있거나 정확히 결정될 수 있어야 한다. 가스 연료의 경우 압력과 온도의 변화로 인해 전달되는 연료의 밀도를 측정하기가 더 어렵고, 엔진의 연소실로 전달되는 가스의 조성 변화로 인해 발열 특성을 결정하는 것 또한 일반적으로 더 어렵다.
가스 연료의 특성을 결정하는 한 가지 방법은 가스 크로마토그래프를 이용하고 일정한 주기로 샘플을 채취하는 것이다. 가스 조성을 분석함으로써 가스의 특성에 관한 필요한 정보를 평가할 수 있다. 그러나 예컨대 가스 크로마토그래프를 사용하여 시간 주기로 샘플을 채취하는 것은 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며, 즉각적인 결과를 제공하지 않아 엔진이 시간이 지난 정보(일반적으로 적어도 몇 분이 지난)로 항상 작동한다. 실제 가스 샘플링에 비한 측정 결과 배출의 지연은 엔진 작동의 정확성을 감소시킨다.
사용 가능한 다른 계측기는 표준 웨버지수(Wobbe index)를 측정하거나 출력한다. 웨버지수는 연료 가스의 호환성을 나타내는 지표다. 웨버지수 IW는 다음과 같이 정의된다. IW = VC/(제곱근 GS), 여기서 VC는 더 높은 발열량이고 GS는 비중이다.
웨버지수는 장치의 서로 다른 조성 연료 가스의 연소 에너지 출력을 비교하는 데 사용된다. 만약 두 연료의 웨버지수가 동일하면 주어진 압력과 밸브 설정에 대한 에너지 출력도 동일할 것이다.
그러나 웨버지수는 가스 품질/특성의 비교만을 제공하므로 엔진 부하를 정확하게 결정하는 데 필요한 정보 그 자체는 아니다.
따라서 연료 가스로 작동되는 내연기관의 제어를 개선하려면 엔진에 전달되는 연료 가스의 특성과 상태를 큰 지연 없이 정확하게 결정할 필요가 있다.
JP2005226621은 청구범위 제1 항의 전제부에 따라 내연기관을 개시하고 있다. JP2005226621에는 엔진에 공급되는 가스의 특성을 결정하기 위한 장치를 갖춘 첫 가스 작동 내연기관이 개시되어 있다. 하나 이상의 다른 내연기관 엔진이 첫 가스 작동 내연기관과 동일한 공급원으로부터의 동일한 가스 공급으로 작동된다. 상기 첫 엔진의 설정은 자체 장치를 기반으로 하며 상기 설정은 다른 엔진들이 가스 공급에 대해 적절하게 작동하는 데 사용된다. 따라서 하나의 단일 엔진에만 장치를 제공하고, 다른 엔진들은 첫 엔진에서 얻은 정보를 사용하여 장치 없이 작동할 수 있다. 그러나 이는 단 하나의 가스 작동 엔진만 있는 상황, 즉 대개 대형 2 행정 디젤 엔진을 사용하는 선박의 경우에 대해 해결책을 제공하지 못한다.
이러한 배경을 고려하여 본 발명의 목적은 전술한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 목적과 다른 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속항과 상세한 설명과 도면을 보면 명백하다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 하나 이상의 실린더, 연소 셀, 주어진 압력과 온도로 연료 가스의 유동을 실린더에 공급하도록 구성되고 동일하게 주어진 압력과 온도로 연료 가스의 유동을 연소 셀에 공급하도록 구성된 연료 가스 공급 시스템, 적어도 하나의 연료 유입 밸브가 각각 구비된 하나 이상의 실린더, 연료 가스 공급 시스템으로부터 연소 셀 내로 연료 가스의 유동을 분사하기 위한 노즐이 구비된 연소 셀, 연소 셀로 산화제 가스의 유동을 공급하기 위한 공급 라인, 연소 셀로부터 연소 가스의 유동을 전달하기 위한 배기 도관 및 연소 가스 유동 내 산소 비율을 측정하기 위한 센서 장치를 포함하는 내연기관이 제공된다.
연소 셀의 노즐을 통해 분사되는 연료 가스의 발열 특성을 나타내는 에너지 또는 값의 직접적인 측정은 내연기관의 연료 유입 밸브에 공급되는 연료 가스에 적용되는 조건과 정확하게 동일한 조건에 따라 결정될 수 있다. 이 정보는 연료 가스 온도와 압력 또는 기타 보정을 고려하여 더 보정 없이 엔진 제어에 직접 사용될 수 있다. 이에 따라 내연기관에 허용된/적합한 가스 품질 범위가 크게 확대될 수 있다. 이 시스템은 내연기관 자체 또는 가스 밸브 트레인(가스 공급 시스템)에 직접 통합될 수 있다.
제1 양태의 제1 구현예에서, 상기 엔진은 산화제 가스의 유동 내 산소 질량 비율을 일정하게 유지하는 장치를 포함한다.
제1 양태의 제2 구현예에서, 상기 엔진은 산화제 가스의 유동에서 산소 질량 비율을 제어하기 위한 장치를 포함한다.
제1 양태의 제3 구현예에서, 상기 엔진은 연소 셀로 공급되는 산화제 가스의 유량 또는 연소 셀로 공급되는 산화제 가스 유동 내 산소 질량 비율을 측정하기 위한 장치를 포함한다.
제1 양태의 제4 구현예서, 상기 엔진은 연소 셀로의 산화제 가스 유동 내 산소 질량 비율을 전달받고 연소 가스 유동 내 산소 비율을 측정하기 위한 장치로부터 신호를 수신하는 제어 장치를 포함한다.
제1 양태의 제5 구현예에서, 상기 엔진은 산화제 가스 유동 내 산소 질량 비율을 측정하기 위한 장치로부터의 신호와 연소 가스 유동 내 산소 비율을 측정하기 위한 장치로부터의 신호에 근거하여 노즐을 통해 분사되는 에너지를 결정하도록 구성되는 제어 장치를 포함한다.
제1 양태의 제6 구현예에서, 상기 제어 장치는 실린더와 연소 셀에 공급되는 연료 가스의 발열량을 나타내는 값을 결정하도록 구성된다.
제1 양태의 제7 구현예에서, 상기 엔진은 노즐을 통해 분사되는 에너지의 양을 고려하거나 실린더와 연소셀로 공급되는 연료 가스의 발열량을 나타내는 값을 고려하여 연료 유입 밸브를 통해 하나 이상의 실린더로 분사되거나 주입되는 에너지를 측정하도록 구성되는 제어 장치를 포함한다.
제1 양태의 제8 구현예에서, 상기 제어 장치는 연료 유입 밸브를 경유하여 하나 이상의 실린더로 분사되거나 주입되는 에너지의 양으로부터 엔진 부하를 결정하도록 구성된다.
제1 양태의 제9 구현예에서, 상기 제어 장치는 노즐 크기와 연료 유입 밸브 크기의 관계를 전달받는다.
제1 양태의 제10 구현예에서, 상기 제어 장치는 노즐의 정확한 크기와 연료 유입 밸브의 정확한 크기를 전달받는다.
제1 양태의 제11 구현예에서, 상기 제어 장치는 실린더와 연소 셀로 공급되는 연료 가스의 발열량을 나타내는 값을 엔진 부하를 계산하기 위한 보정계수로 사용하도록 구성된다.
제1 양태의 제12 구현예에서, 상기 산화제 가스는 공기이다.
제1 양태의 제13 구현예에서, 상기 산화제 가스는 공기에 질소를 추가한 혼합물이다.
제1 양태의 제14 구현예에서, 상기 산화제 가스의 산소 함량은 주변 공기의 산소 함량보다 낮다.
제1 양태의 제15 구현예에서, 상기 연소 셀에는 산화 촉매가 제공된다.
제1 양태의 제16 구현예에서, 상기 연소 셀에는 냉각 시스템이 제공된다.
제1 양태의 제17 구현예에서, 연소 가스 유동 내 산소 비율을 결정하기 위한 상기 장치는 람다 센서를 포함한다.
제1 양태의 제18 구현예에서, 상기 제어 장치는 연소 가스 내 산소 비율을 결정하기 위한 장치로부터의 신호에 대응하여 산소 질량 비율 또는 산화제 가스의 유량을 제어하도록 구성된다.
제1 양태의 제19 구현예에서, 연소 셀로의 연료 가스 유동의 유량은 하나 이상의 실린더로의 연료 가스 유동의 유량보다 적다.
제1 양태의 제20 구현예에서, 상기 제어 장치는 연소 셀의 연소 중에 소비되는 산소의 양을 결정하도록 구성된다.
제1 양태의 제21 구현예에서, 상기 연소 셀은 알려진 가스, 바람직하게는 순수 메탄과 같은 순수 가스를 사용하여 보정된다. 즉 순수 가스를 사용하여 노즐 크기를 결정한다. 알려진 가스로 상기 연소 셀(40)에 필요한 산소 소비량을 알아낸 다음 다른 모든 가스는 그 경우를 기준으로 편차를 처리한다.
제1 양태의 제22 구현예에서, 상기 연소 셀은 내연기관의 연소실이 아니다.
제1 양태의 제23 구현예에서, 상기 연소 셀은 대체로 일정한 유량으로 공급되고 연속 과정에서 연소가 되는 연료 가스와 산화제 가스를 둘 다 연소하도록 구성되는 연소실을 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 연료 가스로 작동되는 내연기관에서 연료 가스의 특성을 결정하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은:
주어진 압력과 온도에서 엔진의 실린더로 연료 가스를 공급하고 동일하게 주어진 압력과 온도에서 연소 셀로 연료 가스의 유동을 공급하는 단계, 연소 셀로 산화제 가스의 유동을 공급하는 단계, 상기 연소 셀에서 산화제 가스와 함께 연료 가스를 연소함으로써 연소 가스의 유동을 생성하는 단계 및 연소 가스 내 산소 비율을 측정하는 단계를 포함한다.
제2 양태의 제1 구현예에서, 상기 방법은 바람직하게는 연소 가스에서 측정되는 산소의 비율에 대응하여 산화제 가스 유동 내 산소 질량 비율을 결정하거나 제어하는 단계를 더 포함한다.
제2 양태의 제2 구현예에서, 상기 방법은 연료 가스의 발열 특성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 더 포함한다.
제2 양태의 제3 구현예에서, 상기 방법은 엔진의 연료 유입 밸브가 개방되는 시간과 연료 가스의 발열 특성을 나타내는 값에 근거하여 엔진 부하를 결정하는 단계를 더 포함한다.
제2 양태의 제4 구현예에서, 상기 방법은 상기 연소 셀의 연소 중에 소비되는 산소의 양을 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 이들 양태와 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 전술한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 시스템을 제공하는 효과가 있다.
이하 본 발명의 상세한 설명 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 2 행정 디젤 엔진의 상승상태 정면도이다.
도 2는 도 1의 대형 2 행정 엔진의 상승상태 측면도이다.
도 3은 도 1에 따른 대형 2 행정 엔진의 도식적인 표현이다.
도 4는 엔진의 실린더에 공급되는 연료 가스의 특성을 측정하기 위한 시스템의 도식적인 표현이다.
도 5는 엔진의 실린더에 대한 연료 가스의 특성을 측정하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
이하의 상세한 설명에서, 내연기관은 예시의 실시예들에서 크로스헤드를 포함하는 대형 2 행정 저속 터보차징 압축 점화 내연기관을 참조하여 설명될 것이지만, 내연기관은 2 행정 오토, 4 행정 오토 또는 디젤 등의 다른 유형일 수 있으며, 터보차징과 배기 가스 재순환이 있을 수도 있고 없을 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 1, 도 2 및 도 3은 크랭크샤프트(8)와 크로스헤드(9)가 구비된 대형 저속 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진을 도시한다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 갖춘 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진의 도식적인 표현을 도시한다. 이 실시예에서 상기 엔진은 6개의 실린더를 열을 지어 구비한다. 대형 저속 터보차징 2 행정 디젤 엔진은 엔진 프레임(11)에 의해 지지가 되는 실린더 프레임(23)에 의해 지지가 되며, 통상적으로 열을 지어 4개 내지 14개의 실린더를 갖는다. 상기 엔진은 예컨대 선박의 주 엔진이나 발전소의 발전기를 작동시키는 고정식 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예컨대 1,000 내지 110,000kW의 범위일 수 있다.
상기 엔진은, 이 실시예에서, 실린더 라이너(1)의 하부 영역에 소기 포트(18) 및 실린더 라이너(1) 상부 중앙에 배기 밸브(4)가 구비된 2 행정 단류(uniflow)식 압축 점화 엔진이다. 상기 소기는 소기 수용부(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트(18)로 통과한다. 상기 실린더(1) 내의 피스톤(10)은 소기를 압축하고, 실린더 커버(22)의 연료 분사 밸브(31)를 통해 연료가 분사되어 연소가 진행되고 배기가스가 생성된다.
배기밸브(4)가 개방되면 상기 배기가스는 실린더(1)와 결합된 배기덕트를 통해 배기가스 수용부(3)로 유동하고, 계속해서 제1 배기도관(19)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동한 후, 상기 배기가스는 제2 배기도관(7)을 통해 이코노마이저(20)를 경유하여 유출구(21)와 대기 중으로 배출된다. 상기 터빈(6)은 샤프트를 통해 흡기구(12)를 경유하여 신선한 공기가 공급되는 압축기(7)를 구동한다. 상기 압축기(7)는 소기 수용부(2)에 이르는 소기 도관(13)에 가압된 소기를 전달한다. 도관(13) 내 상기 소기는 소기의 냉각을 위해 인터쿨러(14)를 통과한다.
상기 터보차저(5)의 압축기(7)가 소기 수용부(2)에 충분한 압력을 전달하지 않으면, 즉 엔진의 낮은 부하 또는 부분 부하 조건에서, 냉각된 소기는 소기 흐름을 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 경유하여 통과한다. 더 높은 엔진 부하에서 상기 터보차저 압축기(7)는 충분히 압축된 소기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류방지밸브(15)를 경유하여 바이패스 된다.
상기 엔진은 예컨대 천연가스, 석탄 가스, 바이오가스, 매립지 가스, 메탄, 에틸렌, LPG와 같은 연료 가스로 작동되고, 대체로 안정된 압력과 온도에서 가스 형태의 가스 공급 시스템(30)에 의해 공급된다. 그러나 가스 공급 시스템의 세부 사항 및 공급되는 가스의 유형에 따라 온도와 압력에 약간의 변화가 불가피하다. 또한 가스 연료의 조성에 약간의 변화가 발생할 수 있다.
상기 가스 공급 시스템은 모든 연료 분사 밸브(31)에 압력하에 가스 연료를 공급한다. 상기 엔진의 전자 제어 장치(60)는 도 3에 파선으로 도시된 신호 라인을 경유하여 다양한 센서로부터 신호를 수신한다. 다양한 센서들로부터의 신호에는 예컨대 충전 압력과 온도, 배기 압력과 온도, 크랭크 각도와 속도가 포함되지만, 이 목록이 전체는 아니며, 예컨대 배기가스 재순환을 포함하는지와 터보차저를 포함하는지 등의 엔진 구성에 따라 달라진다는 점에 유의해야 한다. 전자 제어 장치(60)는 연료 분사 밸브(31)를 제어한다. 즉 상기 전자 제어 장치는 연료 분사 밸브(31)가 개방될 때를 결정하고 개방 시간의 길이를 결정한다. 상기 연료 밸브의 개방 시기는 디젤 엔진(압축 점화 엔진)의 연소 압력에 큰 영향을 미치고 연료 밸브의 개방 지속 시간은 실린더(1)로 주입되는 연료의 양을 결정하며, 지속 시간이 길어질수록 실린더(1)에 주입되는 연료양도 증가한다. 전자 제어 장치(60)는 모든 연료 분사 밸브(31)의 개방 지속 시간을 합한 시간으로부터 엔진 부하를 결정하도록 구성된다. 전자 제어 장치(60)는 연료 분사 밸브(31)의 지속 시간의 길이를 측정하기 때문에, 전자 제어 장치(60)는 모든 연료 분사 밸브(31)의 개방 지속 시간을 합한 시간을 완벽하게 전달받는다.
그러나 연료 분사 밸브(31)에 전달되는 연료 가스의 온도, 압력 및 조성과 같은 연료 가스의 특성은 변동할 수 있고, 이에 따라 엔진 부하의 계산에 부정확성을 초래할 수 있다. 이는 엔진 부하가 내연기관의 작동 제어를 위한 가장 중요한 제어 파라미터이므로 문제가 될 수 있다. 엔진 부하는 내연기관 작동의 여러 측면에 영향을 미친다. 예컨대 유압 시스템의 압력, 배기 밸브의 개방 시기, 연료 분사의 개시 시기, 배기가스 바이패스의 작동 및 이러한 배기가스 바이패스에서의 밸브의 개방도, 가변 터보차저의 설정, SCR 작동의 활성화/비활성화 및 연료 가스의 활성화/비활성화 가스 압력 등에 영향을 미친다.
따라서 연료 분사 밸브(31)의 개방 시기 중에 연료 분사 밸브(31)를 통해 분사되는 에너지의 양을 정확하게 그리고 (상당한) 지연 없이 전달받는 것이 중요하다. 디젤 오일과 같은 액체 연료의 경우 디젤 오일의 압력, 온도 및 조성으로 인한 변화는 무시해도 좋으며, 따라서 연료 밸브의 총 개방 지속 시간을 알면 디젤 오일이나 기타 액체 연료로 작동되는 내연기관의 엔진 부하를 매우 정확하게 결정할 수 있다. 연료 가스의 압력, 온도 및 조성의 변화는 무시할 수 없는 수준이기 때문에 이것은 유감스럽게도 연료 가스로 작동되는 엔진의 경우에는 해당하지 않는다.
연료 분사 밸브(31)의 개방 지속 시간으로부터 엔진 부하를 정확하게 결정할 수 있도록, 상기 엔진은 도 4에 도시된 시스템을 구비한다.
이 시스템은 엔진 부하 계산을 조정하는데 필요한 정보를 제공하여, 엔진 부하 계산이 연료 밸브의 총 지속 시간에 근거할 수 있지만, 정확하고 즉각적인 결과에 도달하기 위해 실린더(1)에 공급되는 가스 연료의 변동에 대해 조정될 수 있다.
가스 연료 공급 시스템(30)은 주어진 온도와 압력에서 가스 연료를 연료 밸브(31)를 통해 실린더(1)에 공급한다. 또한, 가스 연료 공급 시스템(30)은 연료 공급 시스템(30)을 노즐(49)에 연결하고 밸브(43)를 포함하는 가스 연료 공급 도관(41)을 경유하여 동일하게 주어진 압력과 온도에서 동일한 연료 가스를 연소 셀(40)에 공급한다. 밸브(43)는 가스 연료 공급 도관(41)을 차단하는 데 사용될 수 있다.
노즐(49)은 연료 가스를 노즐(49)의 하나 이상의 구멍을 통해 연소 셀(40) 내로 분사한다. 노즐(49)의 크기는 예컨대 보정에 의해 정확하게 결정된다. 이와 같은 결합은 관련된 내연기관 연료 밸브(31)에 대해 수행되거나, 보정이 절대 보정일 수 있다. 노즐(49)의 크기는 하나 이상의 노즐 구멍 면적의 크기이다.
연소 셀(40)로의 연료 가스 유동은 실린더(1)로의 연료 가스 유동과 비교할 때 매우 적다. 노즐(49)의 크기는 연소 셀로의 연료 가스 유동을 적게 하기 위해 연료 밸브(31)의 크기와 비교할 때 상대적으로 작은 것이 바람직하다. 연소 셀(40)로의 연료 가스의 공급은 실린더(1)에 전달되는 연료 가스와 동일한 압력과 온도에서의 동일한 연료 가스이기 때문에, 노즐(49)은 연료 밸브(31)와 동일한 조건에서 연료 가스를 수용한다.
공급 라인(42)은 산화제 가스의 유동을 연소 셀(40)로 공급한다. 상기 산화제 가스는 예컨대 주변 공기 또는 질소로 희석된 주변 공기로서 민트(mint) 공기에 비해 산화제 가스 내의 산소 함량을 감소시킨다. 상기 주변 공기가 질소로 희석될 때, 산화제 가스는 주변 공기보다 산소 비율이 낮으며, 그 결과 산화제 가스는 연소 온도가 공기로 연료 가스를 연소하는 것에 비해 낮다는 이점을 갖는다. 일 실시예에서 연소 셀(40)에는 연소 셀(40)의 온도를 관리하기 위한 냉각 수단이 제공된다.
일 실시예에서 연소 셀(40)에는 연소 과정에서 산화 촉매가 제공된다. 이러한 산화 촉매는 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 이와 달리 연소 셀(40)에는 전자 스파크 발생 장치와 같은 단순한 점화 장치가 제공될 수 있다.
일 실시예에서 공급 라인(42)은 송풍기(44a), 벤츄리(45) 및 제어 밸브(46)를 포함한다. 벤츄리(45)의 압력은 연소 셀(40)로의 산화제 가스의 유량을 결정하기 위해 측정된다. 제어 밸브(46)의 개방 정도와 송풍기(44)의 설정은 연소 셀(40) 로의 산화제 가스의 유량을 제어하기 위해 조정된다.
전자 제어 장치(50)는 시스템의 작동을 제어한다. 일 실시예에서 전자 제어 장치(50)는 송풍기(44)와 전자 제어 밸브(46)의 작동을 제어한다. 일 실시예에서 전자 제어 장치(50)는 벤츄리(45)의 압력 센서로부터 신호를 수신한다.
상기 연료 가스는 연소 셀(40)의 챔버 내의 산화제 가스와 함께 연소된다. 생성된 연소 가스는 배기 도관(47)을 경유하여 연소 셀(40)로부터 배출된다. 배기 도관(47)은 연소 가스의 유동 내 산소의 비율을 측정하기 위한 센서(48)를 구비한다. 일 실시예에서 센서(48)는 람다 센서(48)이다. 전자 제어 장치(50)는 센서(48)로부터 신호를 수신한다.
상기 산화 가스의 스트림은 제어된 조건, 즉 제어된 화학량론적 계수로 연소 셀(40)에서 연소가 발생하도록 제어된다. 바람직하게는 화학량론적 계수는 1 내지 2로 유지된다. 일 실시예에서 정확한 화학량론적 조건, 즉 1의 화학량론적 계수로 연소가 발생하는 것이 바람직하다.
상기 화학량론적 계수는 그에 따라 송풍기(44) 및/또는 제어 밸브(46)의 작동을 제어함으로써 센서(48)의 신호에 대응하여 전자 제어 장치(50)에 의해 제어된다. 따라서 센서(48)의 피드백은 산화제 가스의 유입을 조절하는 데 사용된다.
제어된 화학량론적 계수에서 연소에 필요한 산소 질량 비율을 모니터링하는데, 바람직하게는 전자 제어 장치에서 예컨대 벤츄리(45)로부터의 신호를 연속 모니터링한다.
다른 실시예에서 상기 시스템은 전자 제어 장치(50)의 임의의 제어 동작 없이 산소 질량 비율을 일정하게 유지하는 공급 라인(42)의 배열로 설정될 수 있으며, 이 실시예에서 전자 제어 장치(50)는 일정한 산소 질량 비율의 값을 단순히 전달받아 일정한 산소 질량 비율과 연소 가스 내에서 측정된 산소의 비율로부터 연소 과정에서 사용되는 산소 질량 비율을 결정한다.
상기 산소 질량 비율은 주어진 질량의 산소에 대해 미리 정해진 양의 열을 방출할 수 있기 때문에 가스 스트림에 결합된 화학 에너지의 직접적인 척도이다. 공기 킬로그램당 방출될 수 있는 열의 양은 연료 가스가 탄화수소(및 산화제 가스는 공기)로 이루어진 경우 약 3MJ이다. 따라서 연소 과정에서 사용되는 산소 질량 비율이나 공기 질량 비율은 시간 단위당 노즐을 통해 분사되는 에너지의 양에 직접 비례한다. 일 실시예에서 상기 노즐의 크기는 연료 밸브(31)의 크기에 대해 보정되기 때문에 노즐(49)을 통해 분사된 에너지의 정확한 양을 알므로 시간 단위당 연료 밸브를 통해 얼마나 많은 에너지가 분사되는지를 정확하게 결정할 수 있게 된다. 이는 차례로 연료 밸브(31)의 개방 지속 시간을 합산함으로써 엔진 부하의 정확한 계산이 가능해진다.
일 실시 예에서 상기 시스템의 출력 신호, 예컨대 전자 제어 장치(50)로부터 전자 제어 장치(60)로 보내는 신호는 전자 제어 장치(60)의 엔진 부하 계산을 실린더(1)에 적용되는 연료 가스의 실제 조건으로 보정하는 보정계수 형태이다. 따라서 전자 제어 장치(60)는 전자 제어 장치(50)로부터 수신된 신호를 사용하여 엔진 부하 계산을 조정할 수 있고, 이에 따라 엔진 부하를 더욱 정확하게 계산할 수 있다.
전자 제어 장치(50)로부터 전자 제어 장치(60)로 보내는 신호의 성질은 시스템이 작동하는 방식에 달려 있다. 상기 시스템이 일정한 공기 유동 또는 연소 셀로의 일정한 산소 질량 유동으로 작동되는 경우, 얻어진 측정 화학량론적 계수(예를 들어 람다 센서(48)로 측정된)는 전자 제어 장치(60)가 연료 밸브(31)의 개방 지속 시간에 근거한 엔진 부하 계산에 적용될 필요가 있는 보정을 결정하는 입력 신호일 수 있다.
상기 시스템이 산화제 가스 유동의 크기를 제어하고 화학량론적 계수를 일정하게 유지하면서 작동하는 경우, 예컨대 1에서 전자 제어 장치(60)로의 입력 신호는 벤츄리(45)의 압력 센서로부터의 신호일 수 있다. 이 신호에 근거하여 전자 제어 장치(60)는 엔진 부하 계산에 필요한 조정을 계산한다. 예컨대 열선 센서나 이동 베인 유량계 사용과 같이, 벤츄리를 사용하는 것 외의 다른 방식으로 산화제 가스의 질량 유동을 측정하는 것도 가능하다. 연소 셀(40) 내로의 산화제 가스 유동의 크기를 측정하거나 결정하기 위한 장치로부터의 신호는 전자 제어 장치(60)로 직접 또는 전자 제어 장치(50)를 경유하여 전달될 수 있다.
일 실시예에서 전자 제어 장치(50)는 연소 셀(40)에 대한 연료 가스 공급의 발열량을 결정하도록 구성되고 결정된 상기 발열량을 전자 제어 장치(60)에 전달하도록 구성된다. 발열량은 Mw/mm2로 표시할 수 있다.
일 실시예에서 전자 제어 장치(60)는 연료 밸브(31)의 크기, 즉 노즐(49) 내 구멍(또는 구멍들) 면적의 크기에 대한 연료 밸브(31) 노즐 내 구멍들의 면적을 전달받는다. 전자 제어 장치(60)는 이들 2개의 크기 사이의 비율을 결정하도록 추가로 구성될 수 있으며, 이 비율에 근거하여 분사 밸브(31)를 통해 유동하는 에너지의 정확한 양을 결정할 수 있다.
전자 제어 장치(50)와 전자 제어 장치(60)는 별개의 전자 제어 장치로 설명되었지만, 전자 제어 장치(50) 기능과 전자 제어 장치(60)의 기능을 포함하는 하나의 단일 전자 제어 장치를 엔진에 제공하는 것이 가능하다고 생각한다.
일 실시예에서 알려진 가스, 바람직하게는 순수 메탄과 같은 순수 가스를 사용하여 연소 셀(40)을 보정한다. 즉 노즐 크기를 결정한다. 알려진 가스로 연소 셀(40)에 필요한 산소 소비량을 알아낸 다음 다른 모든 가스는 그 경우를 기준으로 편차를 처리한다.
도 5는 상기 시스템의 작동을 도시하는 흐름도이다. 상기 흐름도는 방법의 원리를 도시하는 것으로서 흐름도 내 상자가 연속적인 단계를 도시하는 것은 아니다. 상기 방법은 연료 가스로 작동되는 내연기관에서 연료 가스의 특성을 결정하기 위해 사용된다. 상기 방법은 주어진 압력과 온도에서 엔진의 실린더(1)로 연료 가스를 공급하고 동일하게 주어진 압력과 온도에서 연소 셀(40)로 연료 가스의 유동을 공급하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 연소 셀(40)로 산화제 가스의 유동을 공급하는 단계, 연소 셀(40)에서 산화제 가스와 함께 연료 가스를 연소함으로써 연소 가스의 유동을 생성하고 연소 가스 내 산소 비율을 측정하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 연소 셀(40)로 공급되는 산화제 가스 유동의 산소 질량 비율을 결정하거나 제어하는 단계를 포함한다. 연소 셀(40)로 공급되는 산화제 가스 유동 내 산소 질량 비율 제어는 바람직하게는 연소 가스 내 산소를 측정한 비율에 대응하여 이루어진다.
상기 방법은 엔진의 연료 유입 밸브(31)가 개방되는 시간에 근거하여 엔진 부하를 계산하는 단계와 연소 과정에서 사용된 산소 질량 비율의 계산에 근거하여 계산된 엔진 부하를 조정하는 단계를 포함한다. 후자의 단계는 연소 셀(40)에 공급되는 산소 질량 비율의 측정이나 결정과 관련된 화학량론적 계수 측정이나 결정에 근거하여 연소에 사용되는 산소 질량 비율을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 방법은 또한 연료 가스의 발열 특성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 일 실시예에서 엔진 부하를 결정하기 위한 계산에서 연료의 발열 특성을 측정하거나 결정하는 데 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명을 본 명세서의 다양한 실시예와 함께 설명했다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형들은 도면, 개시된 내용 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 본 청구 범위에서 "포함하는"이라는 단어는 다른 요소나 단계를 배제하지 않으며, "하나"라는 표현은 복수를 배제하지 않는다. 특정 방안들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 방안으로 사용된 이들의 결합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내는 것은 아니다. 청구범위에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
30 : 연료 가스 공급 시스템 31 : 연료 유입 밸브
40 : 연소 셀 42 : 공급 라인
47 : 배기 도관 48 : 센서

Claims (22)

  1. 내연기관에 있어서,
    하나 이상의 실린더(1);
    상기 실린더(1)로 주어진 압력과 온도로 연료 가스의 유동을 공급하도록 구성되는 연료 가스 공급 시스템(30); 및
    하나 이상의 상기 실린더(1) 각각에 구비되는 적어도 하나의 연료 유입 밸브(31)를 포함하며,
    연소 셀(40);
    상기 연소 셀(40)로 동일하게 주어진 압력과 온도로 상기 연료 가스의 유동을 공급하도록 구성되는 상기 연료 가스 공급 시스템(30);
    산화제 가스의 유동을 상기 연소 셀(40)로 공급하는 공급 라인(42);
    상기 연소 셀(40)로부터 연소 가스의 유동을 전달하는 배기 도관(47); 및
    상기 연소 가스의 유동 내 산소의 비율을 측정하기 위한 센서(48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 가스의 유동 내 산소 질량 비율을 일정하게 유지하기 위한 장치(44,45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 가스의 유동 내 산소 질량 비율을 제어하기 위한 장치(44,45,50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 셀(40)로 공급되는 산화제 가스의 유량 또는 상기 연소 셀(40)로 공급되는 산화제 가스 유동 내 산소 질량 비율을 측정하거나 결정하기 위한 장치(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연소 셀(40)로의 산화제 가스 유동 내 산소 질량 비율을 전달받고 상기 연소 가스 유동 내 산소 비율을 측정하기 위한 상기 센서(48)로부터 신호를 수신하는 제어 장치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 상기 연소 셀(40)에서 연소 중에 소비되는 산소의 양을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 산화제 가스 유동 내 산소의 질량 비율을 측정하거나 결정하기 위한 장치(45)로부터의 신호와 연소 가스 유동 내 산소의 비율을 측정하기 위한 센서(48)로부터의 신호에 근거하여 노즐(49)을 통해 상기 연소 셀(40)로 분사되는 에너지를 결정하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 상기 실린더(1)와 상기 연소 셀(40)에 공급되는 연료 가스의 발열량을 나타내는 값을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 청구항 1항에 있어서,
    제어 장치(50)는 노즐(49)을 통해 상기 연소 셀(40)로 분사되는 에너지의 양을 고려하거나 상기 실린더(1)와 상기 연소 셀(40)로 공급되는 연료 가스의 발열량을 나타내는 값을 고려하는 하나 이상의 상기 실린더(1) 내로 상기 연료 유입 밸브(31)를 통해 분사되거나 주입되는 에너지를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 상기 연료 유입 밸브(31)를 경유하여 하나 이상의 상기 실린더(1)로 분사되거나 주입되는 에너지의 양으로부터 엔진 부하를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 상기 노즐(49)의 크기와 상기 연료 유입 밸브(31)의 크기 사이 관계를 전달받는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 상기 노즐(49)의 정확한 크기와 상기 연료 유입 밸브(31)의 정확한 크기를 전달받는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 상기 실린더(1)와 상기 연소 셀(40)에 공급되는 연료 가스의 발열량을 나타내는 값을 엔진 부하를 계산하기 위한 보정계수로 사용하도록 구성이 되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 가스는 추가 질소와 공기의 혼합물임을 특징으로 하는 내연기관.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 가스의 산소 함량은 주변 공기의 산소 함량보다 낮은 것을 특징으로 하는 내연기관.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소 가스 유동 내 산소 비율을 결정하기 위한 상기 센서(48)는 람다 센서(48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  17. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 장치(50)는 연소 가스 내 산소 비율을 결정하기 위한 상기 센서(48)로부터의 신호에 대응하여 산소 질량 비율이나 산화제 가스의 유량을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  18. 연료 가스로 작동되는 내연기관에서 연료 가스의 특성을 결정하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    주어진 압력과 온도에서 엔진의 실린더(1)로 연료 가스를 공급하고 동일하게 주어진 압력과 온도에서 연소 셀(40)로 상기 연료 가스의 유동을 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 연소 셀(40)로 산화제 가스의 유동을 공급하는 단계;
    상기 연소 셀(40) 내 상기 산화제 가스와 함께 상기 연료 가스를 연소함으로써 상기 연소 가스의 유동을 생성하는 단계; 및
    상기 연소 가스 내 산소 비율을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 연소 가스에서 측정된 산소의 비율에 대응하여 상기 산화제 가스 유동 내 산소의 질량 비율을 결정하거나 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 청구항 18 또는 청구항 19에 있어서,
    상기 연료 가스의 발열 특성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 엔진의 연료 유입 밸브(31)가 개방되는 지속 시간과 상기 연료 가스의 발열 특성을 나타내는 값에 근거하여 상기 엔진 부하를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 청구항 18에 있어서,
    상기 연소 셀(40)의 연소 중에 소비된 산소의 양을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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