KR102128643B1 - 연료 분사 회로 및 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법 - Google Patents

연료 분사 회로 및 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

피스톤 기관 용의 연료 분사 회로는 피스톤 기관의 각각의 실린더 (14) 에 대해 적어도 하나의 연료 분사 펌프 (7) 와 적어도 하나의 연료 분사기 (12) 를 포함한다. 각각의 연료 분사기 (12) 는 연료 순환 덕트 (16) 에 연결되고, 연료 분사 회로에는 각각의 실린더 (14) 에 대해 연료 분사기들 (12) 과 연료 순환 덕트 (16) 를 통한 연료 순환을 선택적으로 방지 및 허용하기 위하여 연료 순환 밸브 (17) 가 제공되어 있다.

Description

연료 분사 회로 및 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법{FUEL INJECTION CIRCUIT AND METHOD FOR OPERATING A MULTI-FUEL PISTON ENGINE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 연료 분사 회로에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 다른 독립 청구항의 전제부에서 규정된 바와 같이 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법에 관한 것이다.
선박들 및 발전소들 양자에서의 대형 내연 기관들의 작동 비용을 저감시키고 배출을 감소시키는데 효과적인 해결책은, 가스 연료 및 액체 연료 양자에 대해 작동될 수 있는 이른바 이중 또는 삼중 연료 기관들이다. 이러한 멀티-연료 기관은 특정한 시간에서 또는 특정한 공간 내에서 실시되는 배출 제한들 및/또는 상이한 연료들의 가격 및 유용성에 따라 가장 적합한 연료를 선택하는 유연성을 제공한다. 예를 들어, 선박 기관은 엄격한 배출 제한들이 적용되는 영역들에서의 가스 연료에 대해 그리고 다른 곳에서의 중 연료유에 대해 작동될 수 있다. 정교한 기관들에서, 가스 연료로부터 증류물 그레이드 액체 연료, 예컨대 경 연료유 (LFO) 로의 전환이 전체 부하에서 자동적으로 그리고 즉각적으로 행해질 수 있다. 하지만, 가스 연료로부터 잔류 연료, 예컨대 중 연료유 (HFO) 로의 직접적인 전환은 불가능하다. LFO 작동이 갖는 중간 상은 가스 작동과 HFO 작동 사이에서 요구되고, LFO 로부터 HFO 로의 전이는 30 분 동안 일어날 수도 있다. 이는 HFO 의 점도가 높고 연료의 온도가 HFO 를 이용하기 전에 증가될 필요가 있기 때문이다.
본 발명의 목적은 피스톤 기관에 대해 전술한 문제점들을 해결하기 위한 개선된 연료 분사 회로를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 연료 분사 회로의 특징들은 청구항 1 의 특징부에 주어진다. 본 발명의 다른 목적은 멀티-연료 피스톤 기관의 개선된 작동 방법을 제공하는 것이고, 상기 기관은 가스 연료를 이용하는 가스 모드에서 그리고 액체 연료를 이용하는 액체 연료 모드에서 작동될 수 있고, 기관의 각각의 실린더에 대해 적어도 하나의 연료 분사 펌프 및 액체 연료를 실린더들 내로 분사하기 위한 적어도 하나의 액체 분사기를 포함한다. 작동 방법의 특징들은 다른 독립 청구항의 특징부에 주어진다.
본 발명에 따른 연료 분사 회로는 기관의 각각의 실린더에 대해 적어도 하나의 연료 분사 펌프 및 상기 연료 분사 펌프에 연결되는 적어도 하나의 연료 분사기를 포함한다. 각각의 연료 분사기는 연료 순환 덕트에 연결되고, 연료 분사 회로에는 기관의 각각의 실린더에 대해 연료 분사기들 및 연료 순환 덕트를 통한 연료 순환을 선택적으로 방지 및 허용하기 위해 연료 순환 밸브가 제공되어 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 기관이 가스 모드에서 작동될 때에, 액체 연료는 연료 분사기들을 통해 순환된다.
본 발명에 따른 기관과 방법으로, 연료 분사기들은 기관이 가스 연료를 사용하여 작동될 때에도 적절한 온도로 유지될 수 있다. 따라서, 작동 모드는 잔류 연료가 사용될 때에도 가스 모드로부터 액체 연료 모드로 재빨리 변경될 수 있다. 이는 기관의 작동 비용을 최적화시키는데 도움이 된다. 기관의 모든 실린더들에 대한 별개의 밸브들은 기관의 각각의 연료 분사기에서의 별도의 연료 순환 제어를 허용한다.
연료 순환 덕트에는 연료 순환 덕트를 통해 연료 유동의 양을 제한하기 위한 조절가능한 스로틀이 제공될 수 있다. 연료 순환 덕트에서의 연료 온도는 온도가 잔류 연료의 사용으로의 전환을 허용하기에 충분히 높다는 것을 보장하기 위하여 모니터링될 수 있다.
연료 순환 밸브는 예를 들어 솔레노이드 밸브일 수 있다. 연료 순환 덕트는 연료 분사 펌프들의 복귀 라인에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 첨부 도면들을 참조하여 더 상세하게 후술된다.
도 1 은 피스톤 기관에서의 액체 연료용의 연료 분사 시스템의 간략도를 도시한다.
도 2 는 가스 연료용의 연료 시스템을 도시한다.
도 1 에서는, 멀티-연료 피스톤 기관에서의 액체 연료용의 연료 분사 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 도 2 는 동일 기관에 대해 가스 연료용의 연료 시스템을 도시한다. 기관은 대형 내연 기관, 예컨대 선박의 주요 또는 보조 기관 또는 전력을 생성하기 위한 발전소에서 사용되는 기관이다. 기관은 임의의 합당한 수의 실린더들을 포함할 수 있고, 상기 실린더들은 예를 들어 일렬로 또는 V-구성으로 배치될 수 있다. 기관은 가스 연료 또는 액체 연료에 대해 선택적으로 작동될 수 있다. 액체 연료는 예를 들어 중 연료유 (HFO), 경 연료유 (LFO) 또는 해양 디젤 연료 (MDF) 일 수 있다. 가스 연료는 예를 들어 천연 가스 또는 바이오가스일 수 있다. 가스는 기관의 흡입 덕트 내로 도입된다. 가스 모드에서는, 소량의 액체 파일럿 연료가 가스 연료의 점화를 위해 사용된다. 파일럿 연료의 양은 전체 로드 연료 소비 중 1 퍼센트 미만이다. 파일럿 연료는 LFO 또는 MDF 와 같은 증류물 연료 그레이드를 가져야 한다. 이른바 린 번 (lean burn) 원리는 가스 모드에서 사용된다. 따라서, 연소 챔버에서 공기와 가스의 혼합물은 완전 연소에 필요한 것보다 더 많은 공기를 포함한다. 희박 연소는 피크 온도를 그리고 따라서 NOx 방출을 감소시킨다. 효율은 증가되고 더 높은 출력이 감소되면서 노킹 (knocking) 을 회피한다. 희박한 공기-연료 혼합물의 연소는 소량의 액체 파일럿 연료를 실린더 내로 분사시킴으로써 개시된다. 파일럿 연료는 메인 차지 (main charge) 용의 고에너지 점화원을 제공하는 종래의 디젤 프로세스에서 점화된다. 최고 효율과 최소 방출을 얻기 위하여, 모든 실린더는 정확한 공기-연료 비로 그리고 파일럿 연료 분사의 정확한 양과 시기로 작동을 보장하기 위하여 별개로 제어된다.
도 2 에서는 가스 연료용의 연료 시스템을 개략적으로 도시한다. 기관의 각각의 실린더 (14) 에는 가스 유입 밸브 (15) 가 제공되어 있고, 상기 가스 유입 밸브를 통해 가스 연료가 실린더 (14) 의 흡입 덕트 내로 도입될 수 있다. 가스 유입 밸브 (15) 는 전기적으로 제어된다. 각각의 실린더 (14) 의 가스 유입 밸브 (15) 는 흡입 밸브와 무관하게 제어될 수 있다. 가스는 실린더 헤드에서 흡입 밸브로부터 상류에 있는 흡입 공기와 혼합된다. 흡입 덕트 대신에, 가스가 예비연소 챔버 내로 또한 도입될 수 있다.
기관의 연료 분사 시스템은 메인 액체 연료용의 제 1 연료 회로와 액체 파일럿 연료용의 제 2 연료 회로를 포함한다. 기관이 액체 연료에 대해 단독으로 작동될 때에 사용되는 메인 액체 연료는 종래의 연료 분사 펌프들 (7) 에 의해 기관의 실린더들 (14) 내로 분사된다. 파일럿 연료는 커먼 레일 시스템에 의해 실린더들 (14) 내로 분사된다.
파일럿 연료 분사용의 커먼 레일 시스템은 파일럿 연료 공급 펌프 (1) 를 포함하고, 상기 파일럿 연료 공급 펌프 (1) 는 비교적 낮은 압력에서 파일럿 연료 탱크 (5) 로부터 고압 펌프 (2) 로 파일럿 연료를 전달한다. 파일럿 연료의 압력은 고압 펌프 (2) 에 의해 증가되고, 상기 고압 펌프 (2) 로부터 파일럿 연료는 압력 어큐뮬레이터로서 작동하는 연료 레일 (3) 내로 도입된다. 연료 레일 (3) 로부터, 가압된 연료가 파일럿 연료 분사기들 (4) 내로 이송된다. 기관의 각각의 실린더 (14) 에는 커먼 레일 회로의 일부인 적어도 하나의 파일럿 연료 분사기 (4) 가 제공되어 있다. 커먼 레일 시스템에는 수개의 고압 펌프들 (2) 과 연료 레일들 (3) 이 또한 제공될 수 있다. 예를 들어, V-기관에서, 각각의 실린더 뱅크에는 그 소유의 고압 펌프 (2) 와 연료 레일 (3) 이 제공될 수 있다. 또한, 하나의 고압 펌프 (2) 와 연료 레일 (3) 이 두 개의 실린더들 (14) 또는 약간의 실린더들 (14) 에 대하여 있을 수 있다. 더욱이, 그 소유의 압력 어큐뮬레이터를 갖는 각각의 실린더 (14) 를 제공하는 것이 가능해지고, 이러한 경우에, 연료 레일 (3) 은 고압 펌프 (2) 로부터 파일럿 연료 분사기들 (4) 로 연료를 전달하는 연료 공급 파이프로 교체될 수 있다. 파일럿 연료 분사기들 (4) 은 별개로 제어된다. 예를 들어, 제어는 전기적일 수 있다. 각각의 파일럿 연료 분사기 (4) 는 복귀 라인 (6) 에 연결되고, 복귀 라인 (6) 을 통해 초과 파일럿 연료가 파일럿 연료 탱크 (5) 로 복귀된다.
커먼 레일 시스템을 통한 파일럿 연료 분사는 기관이 액체 연료에 대해 작동할 때에도 사용된다. 파일럿 연료 분사는 파일럿 연료 분사기 (4) 의 온도를 제어하고 파일럿 연료 분사기 (4) 의 막힘 (clogging) 을 방지하는데 필요하다. 기관은 파일럿 연료 분사없이 백업 모드에서 단시간에 또한 작동될 수 있지만, 백업 모드에서의 더 긴 작동은 파일럿 연료 분사기들 (4) 의 막힘으로 이어질 수 있다.
기관이 액체 연료에 대해 작동될 때에, 연료는 종래의 연료 분사 펌프들 (7) 에 의해 기관의 실린더들 (14) 내로 도입된다. 액체 연료 모드에서, 기관은 증류물 그레이드의 연료들과 잔류 연료들 모두에 대해 작동될 수 있다. 기관의 각각의 실린더 (14) 에는 그 소유의 연료 분사 펌프 (7) 가 제공되어 있다. 연료는 연료 공급 펌프 (9) 에 의해 연료 탱크 (8) 로부터 연료 분사 펌프들 (7) 로 전달된다. 각각의 연료 분사 펌프 (7) 로부터, 연료는 이송 파이프 (18) 를 통해 각각의 실린더 (14) 의 연료 분사기 (12) 로 공급된다. 파일럿 연료 분사기 (4) 와 메인 연료 분사기 (12) 는 커먼 분사기 유닛으로 통합될 수 있다. 연료 분사기들 (12) 로 공급되지 않는 연료는 연료 탱크 (8) 로 연료 복귀 (fuel back) 를 실시하는 연료 분사 펌프들 (7) 의 복귀 라인 (11) 내로 수집된다. 복귀 라인 (11) 에는 복귀 라인 (11) 의 압력을 원하는 레벨로 유지시키는 압력 제어 밸브 (10) 가 제공되어 있다. 연료 분사기들 (12) 과 이송 파이프들 (18) 로부터의 클린 누출 연료가 누출 라인 (13) 내로 수집된다. 클린 누출은 기관의 정상 작동 동안 연료 분사 펌프들 (7) 과 연료 분사기들 (12) 의 클리어런스로 인해 발생한다. 누출 라인 (13) 에는 누출 연료의 양을 모니터링하기 위한 수단이 제공되어 있고, 그 양이 어떤 미리 정해진 값을 초과할 경우 알람이 트리거링된다.
멀티-연료 기관들이 갖는 문제는, 가스 연료에 대한 작동으로부터 잔류 액체 연료에 대한 작동으로의 즉각적인 전환 (switch-over) 이 불가능하지만, LFO 와 같은 증류물 그레이드 연료에 대한 작동이 HFO 와 같은 잔류 연료에 대한 작동과 가스 연료에 대한 작동 사이에 필요하다는 것이었다. 가스 모드로부터 잔류 연료에 대한 작동으로의 더 빠른 또는 즉각적인 변화를 가능하게 하기 위하여, 액체 연료용의 연료 회로는 연료 분사기들 (12) 을 통해 잔류 연료의 순환을 허용하는 연료 순환 덕트 (16) 가 제공되어 있다. 연료 순환 덕트 (16) 는 연료 분사기들 (12) 에 연결된다. 연료 순환 덕트 (16) 에는 각각의 연료 분사기들 (12) 에 대한 분기부 (16A, 16B, 16C, 16D) 가 제공되어 있다. 연료 분사 회로에는 연료 순환 덕트 (16) 를 통한 유동을 선택적으로 허용 및 방지하기 위하여 기관의 각각의 실린더 (14) 에 대한 연료 순환 밸브 (17) 가 추가로 제공되어 있다. 연료 순환 밸브들 (17) 은 솔레노이드 밸브들이다. 연료 순환 덕트 (16) 는 압력 제어 밸브 (10) 의 하류에 있는 연료 분사 펌프들 (7) 의 복귀 라인 (11) 에 연결된다. 연료 순환 덕트 (16) 는 누출 라인 (13) 으로부터 분리되어 있다. 연료 순환 덕트 (16) 는 누출 라인 (13) 과 통합될 수 있지만, 그 경우에 연료 분사 펌프들 (7) 과 연료 분사기들 (12) 로부터의 누출은 연료 순환이 사용 중에 있을 때에 모니터링되지 않을 수 있다. 연료 순환 덕트 (16) 에는 조절가능한 스로틀 (19) 이 제공되어 있다. 스로틀 (19) 로, 연료 순환 덕트 (16) 를 통한 유동량이 필요 시에 제한될 수 있다. 또한, 연료 순환 덕트 (16) 에는 온도 센서가 제공될 수 있다.
기관이 액체 연료 모드에서 작동될 때에, 연료 순환 밸브들 (17) 이 폐쇄된 채로 유지된다. 따라서, 연료 분사는 정상적으로 작동하고, 각각의 연료 분사 펌프 (7) 에 의해 가압되는 연료의 일부는 이송 파이프 (18) 를 통해 연료 분사기 (12) 로 유동한다. 연료의 압력은 연료 분사기 (12) 를 개방하고 연료는 기관의 실린더 (14) 내로 분사된다. 기관이 가스 모드에서 작동될 때에, 연료 순환 밸브들 (17) 이 개방될 수 있다. 또한, 연료 분사 펌프들 (7) 은 작동하는 채로 유지된다. 개방된 연료 순환 밸브들 (17) 로 인해, 연료는 각각의 연료 분사 펌프 (7) 로부터 각각의 연료 분사기 (12) 의 상부 부분으로 유동할 수 있다. 연료 순환 덕트 (16) 가 압력 제어 밸브 (10) 의 하류에 있는 연료 분사 펌프들 (11) 의 복귀 라인 (11) 에 연결되므로, 연료 분사기들 (12) 의 압력은 상당하게 상승하지 않는다. 따라서 연료 분사기들 (12) 은 개방되지 않지만, 연료는 연료 분사기들 (12) 로부터 연료 순환 덕트 (16) 의 분기부들 (16A, 16B, 16C, 16D) 을 통해 복귀 라인 (11) 으로 그리고 추가로 연료 탱크 (8) 내로 유동할 수 있다. 유동하는 연료는 연료 분사 펌프들 (7) 과 연료 분사기들 (12) 을 정확한 작동 온도에 유지시키고, 가스 연료로부터 잔류 연료로의 신속한 전이를 가능하게 한다. 연료 순환 덕트에서의 연료 온도는, 온도가 잔류 연료의 사용으로의 전환을 허용하기에 충분히 높다는 것을 보장하기 위해 모니터링될 수 있다.
본 발명이 전술한 실시형태들에 제한되는 것이 아니라 첨부된 청구항들의 범위 내에서 다양할 수도 있다는 것이 당업자에 의해 인지될 것이다. 예를 들어, 본 발명은 파일럿 연료의 분사없이 멀티-연료 기관들에 또한 적용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 멀티-연료 피스톤 기관용의 연료 분사 회로로서,
    상기 멀티-연료 피스톤 기관은 가스 연료 또는 액체 연료에 대해 선택적으로 작동될 수 있고,
    상기 연료 분사 회로는 상기 멀티-연료 피스톤 기관의 각각의 실린더 (14) 에 대해 적어도 하나의 연료 분사 펌프 (7) 및 상기 연료 분사 펌프 (7) 에 연결되는 적어도 하나의 연료 분사기 (12) 를 포함하고,
    상기 액체 연료용의 연료 회로에는 연료 분사기들 (12) 을 통한 잔류 연료의 순환을 허용하기 위한 연료 순환 덕트 (16) 가 제공되어 있고,
    각각의 상기 연료 분사기 (12) 는 연료 순환 덕트 (16) 에 연결되고,
    상기 연료 분사 회로에는 상기 멀티-연료 피스톤 기관의 각각의 실린더 (14) 에 대해 상기 연료 분사기들 (12) 과 상기 연료 순환 덕트 (16) 를 통한 연료 순환을 선택적으로 방지 및 허용하기 위하여 연료 순환 밸브 (17) 가 제공되어 있는, 멀티-연료 피스톤 기관용의 연료 분사 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 순환 밸브 (17) 는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는, 멀티-연료 피스톤 기관용의 연료 분사 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 순환 덕트 (16) 는 연료 분사 펌프들 (7) 의 복귀 라인 (11) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 멀티-연료 피스톤 기관용의 연료 분사 회로.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 순환 덕트 (16) 에는 조절가능한 스로틀 (19) 이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는, 멀티-연료 피스톤 기관용의 연료 분사 회로.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 순환 덕트 (16) 에는 온도 센서가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는, 멀티-연료 피스톤 기관용의 연료 분사 회로.
  6. 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법으로서,
    상기 멀티-연료 피스톤 기관은 가스 연료 및 상기 가스 연료를 점화하기 위한 소량의 액체 파일럿 연료를 사용하는 가스 모드에서 그리고 액체 연료를 사용하는 액체 연료 모드에서 작동될 수 있고,
    상기 멀티-연료 피스톤 기관은 상기 멀티-연료 피스톤 기관의 각각의 실린더 (14) 에 대해 적어도 하나의 연료 분사 펌프 (7), 및 액체 연료를 실린더들 (14) 내로 분사하기 위하여 상기 연료 분사 펌프 (7) 에 연결되는 적어도 하나의 연료 분사기 (12) 를 포함하는 연료 분사 회로를 포함하고,
    상기 멀티-연료 피스톤 기관이 상기 가스 모드에서 작동되는 때에, 상기 액체 연료는 연료 분사기들 (12) 을 통해 순환되며, 상기 연료 분사기들 (12) 은 상기 연료 분사기들 (12) 을 통한 잔류 연료의 순환을 허용하기 위하여 상기 멀티-연료 피스톤 기관의 연료 회로 내에 제공되는 연료 순환 덕트 (16) 에 연결되는, 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 멀티-연료 피스톤 기관의 각각의 실린더 (14) 의 상기 연료 분사기 (12) 를 통한 연료 순환을 제어하기 위하여 별개의 연료 순환 밸브 (17) 가 사용되는 것을 특징으로 하는, 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    순환된 상기 연료는 연료 분사 펌프들 (7) 의 복귀 라인 (11) 내로 안내되는 것을 특징으로 하는, 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 순환 덕트 (16) 에서의 상기 연료의 온도가 모니터링되는 것을 특징으로 하는, 멀티-연료 피스톤 기관의 작동 방법.
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