KR102226648B1 - 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 흡입 행정 동안에 기관의 실린더 (10) 의 연소실 (28) 내로 가스 연료 (24) 및 흡입 공기를 도입하는 단계, 실린더 (10) 의 연소실 내로 배기 가스를 재순환시키는 단계, 실린더의 연소실 내로 액체 연료 (26) 를 도입하는 단계, 연소실 (28) 에서 공기, 가스 연료, 액체 연료 및 재순환된 배기 가스를 포함하는 차지를 압축하는 단계, 연소실에서 압축 점화에 의해 차지를 점화하는 단계를 포함하는 저부하 범위 모드에서 기관을 작동시키는 것, 그리고 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 그 변수의 미리 결정된 전환 레벨을 초과하는 때, 흡입 행정 동안에 기관의 실린더 (10) 의 연소실 (28) 내로 가스 연료 및 흡입 공기를 도입하는 단계, 실린더의 연소실 (28) 내로 액체 연료 (26) 의 제 1 부분을 도입하는 단계, 상기 연소실에서 공기, 가스 연료 및 액체 연료를 포함하는 차지를 압축하는 단계, 반응성 제어 압축 착화를 개시하기 위해 연소실 (28) 내로 액체 연료 (26) 의 제 2 부분을 분사하는 단계를 포함하는 고부하 범위 모드로 기관의 부하를 증가시키는 것을 포함한다.

Description

4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법
본 발명은 4행정 내연 기관에서 기체 및 액체 연료를 연소시키기 위해 균일 예혼합 압축 착화 (HCCI) 및 반응성 제어 압축 착화 (RCCI) 를 활용하여 상기 기관에서 부하를 증가시키는 방법에 관한 것이다.
내연 피스톤 기관은 고정 발전소뿐만 아니라 해양 선박에서의 전기 생산을 위한 알려진 동력원이다. 또한, 기체 연료를 사용하여 그러한 기관을 작동시키는 것이 알려져 있다. 내연 피스톤 기관 분야의 환경 문제는 이 분야의 성장에서 점점 더 많은 역할을 하고 있다. 현재의 규제와 기대에 대한 엄격한 요구는 기관의 작동을 위한 정확한 제어 시스템의 사용을 요구한다. 내연 기관에서의 NOx 배출 감소와 같은 다양한 방법이 존재하며, 그 중 일부는 배기 가스 처리와 관련되고 일부는 연소 프로세스 자체와 관련된다. 내연 기관의 작동 동안, 질소 산화물 (NOx) 이 형성된다. NOx 는 산소 및 질소의 존재 하에서 높은 온도로 인해 기관에서 연소 프로세스 동안 생성된다. 따라서, NOx 배출을 줄이는 프로세스 관련 방법은 연소 중 온도 피크 형성을 제어하는 것을 목표로 한다. 그러나, 연소 상황이 특히 기관의 부하에 따라 달라지는 것이 분명하다.
균일 예혼합 압축 착화 (HCCI) 는 자동 점화점까지 압축된 잘 혼합된 연료와 공기를 사용한다. 반응성 제어 압축 착화 (RCCI) 는 기관 실린더에서의 공기-연료 혼합물 반응성을 제어하기 위해 다중 연료 분사 및 상이한 반응성을 갖는 두 가지 연료를 사용한다.
US2016097338A 는 실린더 및 그 실린더 내에서 이동 가능한 피스톤을 갖는 기관을 사용하는 압축 점화 기관의 작동 방법을 개시한다. 이 방법은 제 1 연료와 공기를 대체로 균질하게 혼합하고 이 혼합물을 적어도 하나의 실린더에 도입함으로써 가연성 혼합물을 형성하는 단계 및 압축 행정에서 피스톤으로 가연성 혼합물을 압축하는 단계를 포함한다. 압축 행정 동안 그러나 연소 시작 전에, 제 2 연료가 가연성 혼합물에 추가되어서 실린더 차지 (charge) 를 생성하고, 제 2 연료는 제 1 연료보다 자동점화하기 더 용이하다. 압축 행정은 제 2 연료의 농도 및/또는 혼합물의 온도가 가장 높은 실린더의 위치들에서 연소가 시작될 때까지 계속된다. 실린더 차지의 온도 및/또는 가연성 혼합물에 첨가되는 제 2 연료의 양은 원하는 연소 지속시간이 달성될 수 있도록 선택된다.
US2015315957A 는 압축 점화 기관이 축방향으로 돌출하는 배리어를 갖는 피스톤을 포함하는 것을 개시한다. 배리어는 배리어에 의해 제 2 구역으로부터 분리된 제 1 구역을 갖는 연소실을 적어도 부분적으로 규정한다. 초기 연료 차지가 연소실에 공급되고, 초기 연료 차지보다 더 큰 반응성을 갖는 후속 연료 차지가 제 1 구역에 공급된다. 연료 차지들은 연료 차지들의 점화 및 연소를 유도하도록 압축되어서, 후속 연료 차지들은 제 1 구역 내에서 연소하여 고온 가스를 생성하고, 고온 가스는 배리어를 가로질러 유동하여 제 2 구역 내의 초기 연료 차지의 연소를 초래한다.
WO16005426A1 은 반응성 제어 압축 착화 (RCCI) 연소 시스템을 시작 및/또는 안정화하는 방법을 개시하며, 이 방법은 실린더의 흡입 단계 동안 기관 흡입구로부터 기관의 실린더 내로 흐르는 흡입 산소 (O2) 의 양을 결정하는 단계, 화학량론적 산소 대 연료 비율을 달성하기 위해 실린더에 주입될 일차 연료 반응물 (PFR) 및/또는 이차 연료 반응물 (SFR) 의 양을 산출하는 단계, SFR 및 O2 가 압축 단계 후에 압축 혼합물을 생성하도록 적어도 하나의 실린더의 압축 단계 전 또는 중에 SFR 을 적어도 하나의 실린더에 도입하는 단계, PFR 을 압축 혼합물과 조합하는 단계를 포함하고, PFR 및 압축 혼합물은 점화 시 균질하게 연소된다.
US2016097316A 는 압축 점화 기관의 작동 방법을 개시하며, 이 방법은 제 1 연료와 공기를 대체로 균질하게 혼합함으로써 가연성 혼합물을 형성하고, 이 혼합물을 적어도 하나의 실린더에 도입하는 단계, 압축 행정에서 피스톤으로 가연성 혼합물을 압축하는 단계, 압축 행정 동안 그러나 연소 시작 전의 제 2 연료의 분사 시간에 가연성 혼합물에 제 2 연료를 분사하는 단계, 및 제 2 연료의 농도가 가장 높은 그리고/또는 혼합물의 온도가 가장 높은 적어도 하나의 실린더 내 위치들에서 연소가 시작될 때까지 압축 행정을 계속하는 단계를 포함한다. 연소에 의해 야기된 실린더의 기계적 응력 및/또는 실린더의 배출이 모니터링되고, 배출 및/또는 기계적 응력이 실린더에 대해 각각 미리 정해진 개별 임계값을 초과하는 경우, 분사된 제 2 연료의 양 및/또는 타이밍 및/또는 실린더 차지의 온도가 변경된다.
US2015285178A 는 재순환된 배기 가스, 공기, 저반응성 연료 및 고반응성 연료의 층화된 반응성 차지 혼합물을 점화하는 반응성 제어 압축 점화 기관 압축을 개시한다. 정상 상태 작동 조건 동안, 연소 위상 제어는 정상 속도 및 부하와 관련된 기본 EGR 속도에 대한 배기 가스 재순환 (EGR) 속도의 조정을 포함한다. 과도 상태 동안 새로운 속도 및 부하로 전환할 때, 연소 위상 제어는 EGR 속도 제어를 사용하지 않지만, 고반응성 연료의 적어도 3 개의 분사 시퀀스들의 양 및 타이밍의 조정을 포함한다.
DE 102015212244 A1 은 상이한 방식으로 작동되는 3 개의 상이한 부하 범위를 제안하는 프로세스 관련 방법을 개시한다. 고부하에서, 공기-연료 혼합물은 제 1 연료, 재순환된 배기 가스, 및 제 1 연료와는 다른 제 2 연료를 가지며, 기관의 연소실에 공급된다. 제 1 연료, 재순환된 배기 가스 및 적어도 부분적으로 균질화된 현재의 제 2 연료와의 균질 연소 공기-연료 혼합물을 포함하는 차지의 점화는 점화 장치, 즉 스파크 플러그에 의해 외부에서 점화된다. 중간 부하 운전에서, 제 1 연료, 재순환된 배기 가스 및 제 2 연료를 포함하는 연소 공기-연료 혼합물이 공급되고, 연소실에서 차지의 점화를 위해 자동 점화가 사용된다. 저부하 모드에서, 제 1 연료를 갖는 연소 공기-연료 혼합물이 공급되고, 연소실에서 점화는 점화 장치를 작동시킴으로써 이루어진다. 바람직하게는, 제 3 모드에서, 스파크 점화를 이용한 순수 가솔린 연소 방법이 실현된다. DE 102015212244 A1 은 중간 부하 운전에서 균질 차지 압축 점화를 사용하는 것을 제안한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 해법에 비해 성능이 상당히 개선된 4행정 내연 기관의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립 청구항에 그리고 본 발명의 다른 실시형태들의 세부 내용을 묘사하는 다른 청구항에 개시된 바와 같이 실질적으로 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법은
- 상기 기관의 흡입 행정 동안에 흡입 공기 내로 가스 연료를 도입하는 단계,
- 상기 흡입 행정 동안에 상기 기관의 실린더의 연소실 내로 상기 가스 연료 및 흡입 공기를 도입하는 단계,
- 상기 실린더의 상기 연소실 내로 배기 가스를 인도하는 단계,
- 상기 실린더의 상기 연소실 내로 액체 연료를 도입하는 단계,
- 상기 연소실에서 상기 흡입 공기, 상기 가스 연료, 상기 액체 연료 및 재순환된 상기 배기 가스를 포함하는 차지를 압축하는 단계,
- 상기 연소실에서 압축 점화에 의해 상기 차지를 점화하는 단계
를 포함하는 저부하 범위 모드에서 상기 기관을 작동시키는 것,
그리고 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 그 변수의 미리 결정된 전환 레벨을 초과하는 때,
- 상기 흡입 공기 내로 가스 연료를 도입하는 단계,
- 흡입 행정 동안에 상기 기관의 실린더의 연소실 내로 상기 가스 연료 및 상기 흡입 공기를 도입하는 단계,
- 상기 실린더의 상기 연소실 내로 액체 연료의 제 1 부분을 도입하는 단계,
- 상기 연소실에서 상기 흡입 공기, 상기 가스 연료 및 상기 액체 연료를 포함하는 차지를 압축하는 단계,
- 반응성 제어 압축 착화를 개시하기 위해 상기 연소실 (28) 내로 액체 연료 (26) 의 제 2 부분을 분사하는 단계
를 포함하는 고부하 범위 모드로 상기 기관의 부하를 증가시키는 것을 포함한다.
반응성 제어 압축 착화는 연소실에서 차지를 점화하는 압축 점화에 의해 액체 연료의 제 2 부분을 점화함에 의한 개시 후에 진행된다.
4행정 내연 기관을 작동시키는 것은 기관을 저부하 범위 모드와 고부하 범위 모드에서 택일적으로 작동시키는 것을 포함하며, 저부하 범위 모드는
- 기관의 흡입 행정 동안에 흡입 공기 내로 가스 연료를 도입하는 단계,
- 흡입 행정 동안에 기관의 실린더의 연소실 내로 가스 연료 및 흡입 공기를 도입하는 단계,
- 실린더의 연소실 내로 배기 가스를 인도하는 단계,
- 실린더의 연소실 내로 액체 연료를 도입하는 단계,
- 연소실에서 공기, 가스 연료, 액체 연료 및 재순환된 배기 가스를 포함하는 차지를 압축하는 단계,
- 연소실에서 압축 점화에 의해 차지를 점화하는 단계를 포함하고,
고부하 범위 모드는
- 흡입 공기에 가스 연료를 도입하는 단계,
- 흡입 행정 동안에 기관의 실린더의 연소실 내로 가스 연료 및 흡입 공기를 도입하는 단계,
- 실린더의 연소실 내로 액체 연료의 제 1 부분을 도입하는 단계,
- 연소실에서 공기, 가스 연료 및 액체 연료를 포함하는 차지를 압축하는 단계,
- 반응성 제어 압축 착화를 개시하기 위해 연소실 내로 액체 연료의 제 2 부분을 분사하는 단계를 포함하여서, 압축 점화는 연소실에서 차지를 점화하는 압축 점화에 의해 액체 연료의 제 2 부분을 점화함에 의한 개시 후에 진행된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기관이 운전 중인 동안, 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 끊임없이 또는 단속적으로 결정되고, 기관 부하를 나타내는 변수는 그 변수의 미리 결정된 전환 레벨과 비교되며, 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 미리 결정된 전환 레벨 이하일 때, 기관은 저부하 범위 모드에서 운전되고, 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 미리 결정된 전환 레벨 초과일 때, 기관은 고부하 범위 모드에서 운전된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위는 0% 로부터 미리 결정된 전환 부하까지이고, 고부하 범위는 미리 결정된 전환 부하로부터 100% 부하까지이며, 미리 결정된 전환 부하는 50 - 80 % 부하이고, 더 유리하게는 미리 결정된 전환 부하 퍼센트는 65 - 70 % 부하이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 450 도로부터 670 도까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 배기 채널로부터 실린더의 연소실 내로 인도되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도에서 끝난다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 실린더의 배기 포트를 통해 직접 실린더의 배기 채널로부터 실린더의 연소실 내로 인도된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 450 도로부터 670 도까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 배기 채널로부터 실린더의 연소실 내로 인도되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도에서 끝나며, 저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 실린더의 배기 포트를 통해 직접 실린더의 배기 채널로부터 실린더의 연소실 내로 인도된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 450 도로부터 670 도까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 배기 채널로부터 실린더의 연소실 내로 인도되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도에서 끝나며, 저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 배기 포트에서 배기 밸브를 개방함으로써 실린더의 배기 포트를 통해 직접 실린더의 배기 채널로부터 실린더의 연소실 내로 인도된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 액체 연료가 540 도 CA 로부터 640 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 연소실 내로 도입되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 액체 연료가 510 도 CA 로부터 680 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 연소실 내로 도입되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 배기 밸브 개방의 타이밍 및/또는 지속시간, 차지 중 가스 연료의 양 및 액체 연료의 양이 균일 예혼합 압축 착화에 의해 665 내지 720 도 CA 의 희망 크랭크 각도에서 차지를 점화하도록 제어되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 저부하 범위 운전에서, 배기 밸브 개방의 타이밍 및/또는 지속시간, 차지 중 가스 연료의 양 및 액체 연료의 양이 균일 예혼합 압축 착화에 의해 665 내지 720 도 CA 의 희망 크랭크 각도에서 차지를 점화하도록 제어되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 연소실 내로의 액체 연료를 포함하는 저부하 범위 운전은 상이한 크랭크 각도들에서의 하나 이상의 개별 분사들을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 고부하 범위 운전에서, 액체 연료의 제 1 부분이 510 도 CA 로부터 680 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 연소실 내로 도입되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 고부하 범위 운전에서, 액체 연료의 제 2 부분이 665 - 720 도 CA 의 크랭크 각도에서 연소실 내로 도입되고, 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다.
본 발명은 또한, 명령들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 메모리 디바이스로서, 상기 명령들은 컴퓨터에 의해 실행되는 때에 상기 컴퓨터가 본 발명에 따른 방법을 수행하게 하는, 컴퓨터 판독 가능한 메모리 디바이스에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 종래 기술에 따른 듀얼 연료 기관에 비해 엔진 성능을 여전히 개선시키면서 특히 NOx 배출, 미연소 수소 탄소 배출을 상당히 감소시키는 것이 가능하다.
부하는 기관에 적용되는 외부 제한 토크이다. 기관이 일정한 속도로 작동하는 경우, 부하 토크는 기관에 의해 생성되는 구동 토크와 동일하고 상반된다. 균일 예혼합 압축 착화 (HCCI) 는 (적절한 양의 배기 가스를 재순환시킴에 의해) 압축 종료 온도 및 (초기 액체 연료 분사를 통해) 공기-가스 혼합물 반응성을 조정하는 공기-가스 혼합물 자기점화점을 제어함으로써 달성된다. 연소 페이징 (combustion phasing) 은 액체 연료 분사량을 조정함으로써 실린더 내부 (in-cylinder) 압력 센서로부터의 크랭크 각도 분해 신호로부터 계산된 실시간 열 방출 데이터에 기초하여 실린더마다 제어되는 폐쇄 루프이다.
반응성 제어 압축 착화 (RCCI) 는 다중 연료 분사 (연료 함유 차지의 예비혼합을 적어도 하나의 분사 및 차지를 점화하기 위한 하나의 분사) 및 상이한 반응성을 갖는 2 개의 연료를 사용한다. 이전과 마찬가지로, 연료 중 일방의 연료는 타방의 연료에 비해 더 낮은 반응성을 갖는다. 저반응성 연료, 고반응성 연료 및 공기를 포함하는 균질 차지가 기관 실린더에 형성된다. 실린더의 피스톤이 균질 혼합물을 압축함에 따라, 더 높은 반응성 연료의 추가 분사에 의해 균질 혼합물의 점화가 시작되기 전에 한 번에 더 높은 반응성 연료가 분사될 수 있다. 이러한 방식으로 공기-연료 혼합물의 연소는 기관 연비를 개선하면서 NOx 및 입자성 물질을 줄이도록 제어될 수 있다.
본 특허출원에서 제시된 본 발명의 모범적인 실시형태들은 첨부된 청구항들의 적용 가능성에 제한을 가하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 동사 "포함한다" 는 본 특허출원에서 또한 언급되지 않은 구성의 존재를 배제하지 않는 개방형 제한으로서 사용된다. 종속 청구항들에 기재된 구성들은 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 자유롭게 상호 조합될 수 있다. 본 발명의 특징으로 간주되는 신규 구성들은 특히 첨부된 청구항들에 제시되어 있다.
이하에서, 첨부된 모범적인 개략적 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 4행정 내연 피스톤 기관의 부하를 증가시키는 방법을 설명하는 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 4행정 내연 기관의 작동 모드를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 4행정 내연 기관의 작동 모드를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모범적인 가스 교환 밸브 및 액체 연료 분사 작동을 도시한다.
도 1 은 4행정 내연 피스톤 기관의 부하를 증가시키는 방법을 설명하는 흐름도를 개략적으로 묘사한다. 이 방법에서, 기관은 먼저 배기 가스 재순환, 차지 중 가스 연료의 양과 액체 연료의 양, 그리고 공기를 제어하여 균일 예혼합 압축 착화 HCCI 에 의해 점화하도록 작동된다. 기관 부하 (L) 를 나타내는 적어도 하나의 변수가 변수의 미리 결정된 전환 레벨 Ltrans 을 초과하는 때, 기관의 부하는 고부하 범위 모드로 되어 기관은 반응성 제어 압축 착화 RCCI 를 개시하도록 작동된다. 기관 부하 (L) 를 나타내는 적어도 하나의 변수는 기관이 작동하는 동안 끊임없이 또는 단속적으로 결정되고, 기관 부하를 나타내는 변수는 변수의 미리 결정된 전환 레벨 Ltrans 과 비교되며, 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 미리 결정된 전환 레벨 이하일 때, 기관은 HCCI 를 사용하는 저부하 범위 모드로 운전되고, 기관 부하 (L) 를 나타내는 적어도 하나의 변수가 미리 결정된 전환 레벨 초과일 때, 기관은 RCCI 를 사용하는 고부하 범위 모드로 운전된다.
도 2 및 도 3 은 본 발명에 따른 4행정 내연 기관의 작동 모드를 개략적으로 도시한다. 기관은 예를 들어 V 또는 인라인 구성의 여러 실린더를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2 는 4행정 내연 기관의 실린더 (10) 를 참조하여 작동 모드의 상이한 단계들을 도시한다. 각각의 실린더 (10) 는 기관의 블록의 보어 또는 실린더 슬리브 (12) 로 구성된다. 실린더에는 또한 압력 밀폐 방식으로 실린더 슬리브의 단부에 부착되는 실린더 헤드 (14) 가 제공된다. 실린더 헤드에는 입구 밸브 (18) 가 제공된 적어도 하나의 입구 포트 (16) 가 제공된다. 실린더 헤드에는 배기 밸브 (22) 가 제공된 적어도 하나의 배기 포트 (20) 가 또한 제공된다. 또한 가스 인젝터, 즉 입구 포트 (16) 와 연결된 가스 유입 밸브 (24), 및 실린더 (10) 의 연소실 (28) 에 직접 액체 연료를 분사하도록 구성된 실린더 헤드 (10) 와 연결된 액체 연료 인젝터 (26) 가 있다. 액체 연료 인젝터 (26) 는 커먼 레일 연료 도입 시스템 (미도시) 의 일부이다. 입구 밸브 (18) 및 그 작동 또는 리프팅 메커니즘은 당업자에게 잘 알려져 있는 반면, 배기 밸브 (22) 에는 연소실 (28) 로부터 배기 가스를 배출하기 위해 배기 밸브를 개방하도록 그리고 배기 가스 포트 (20) 로부터 다시 연소실 (28) 로 배기 가스를 재순환시키기 위해 배기 밸브를 개방하도록, 즉 450 도 내지 670 도의 크랭크 각도 범위 내에서 개방하도록 구성된 작동 시스템 (30) 이 제공된다. 배기 가스 밸브 (22) 작동 시스템 (30) 은 예를 들어 유압 방식으로 단독으로 또는 실린더 (10) 내의 피스톤 (32) 의 위치와의 기계적 동기화와 결합하여 작동될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기관이 운전 중인 동안, 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수 (부하는 제조업체가 평가한 기관의 크랭크 샤프트에서 생성하는 최대 출력의 백분율로 이해될 수 있음) 가 끊임없이 또는 단속적으로 결정된다. 기관의 부하를 나타내는 변수는 변수의 미리 결정된 전환 레벨과 비교되며, 이 비교에 근거하여 기관을 저부하 범위 모드 또는 고부하 범위 모드에서 택일적으로 작동하게 설정하도록 결정이 이루어진다. 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 미리 결정된 전환 레벨 이하인 때, 기관은 저부하 범위 모드에서 운전된다. 각각, 기관 부하를 나타내는 변수가 미리 결정된 전환 레벨 초과인 때, 기관은 고부하 범위 모드에서 운전된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기관 부하를 나타내는 변수는 예를 들어 실린더 노킹 강도, 실린더 최대 압력, 차지 압력, 또는 발화 압력 증가 속도일 수 있다.
본 발명의 보다 구체적인 실시형태에 따르면, 기관이 운전 중인 동안, 제조업체가 평가한 기관의 크랭크 샤프트에서 생성하는 최대 출력의 백분율인 기관의 부하는 끊임없이 또는 단속적으로 결정된다. 기관의 결정된 실제 부하는 미리 결정된 전환 부하와 비교되고, 이에 근거하여 기관은 택일적으로 저부하 범위 또는 고부하 범위에서 작동된다. 기관의 실제 부하가 미리 결정된 전환 부하 이하인 때, 기관은 저부하 범위 모드에서 운전된다. 각각, 기관의 실제 부하가 미리 결정된 천환 부하 초과인 때, 기관은 고부하 범위 모드에서 운전된다.
기관이 제공할 수 있는 총 부하 범위는 기관의 정격 출력의 실질적으로 0 % (실제 상황에서 약 5 %) 내지 100 % 이다. 미리 결정된 전환 부하는 유리하게는 50 - 80 % 부하이고, 따라서 본 발명에 따르면 저부하 범위는 0 % 로부터 미리 결정된 전환 부하까지이고, 고부하 범위는 미리 결정된 전환 부하로부터 100 % 부하까지이다. 몇몇 경우에는, 미리 결정된 전환 부하 퍼센트가 훨씬 더 좁을 수 있고, 즉 65 - 70 % 부하일 수 있다.
저부하 범위 작동 모드의 주요 단계가 도 2 에 개략적으로 도시되어 있고, 고부하 범위 작동 모드의 주요 단계가 도 3 에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4 는 실린더의 관련 크랭크 각도 범위 동안 저부하 작동 모드에서 밸브 타이밍 및 액체 연료 분사 범위의 일례를 보여준다. 수평 축은 크랭크 각도를 나타내고, 수직 축은 상대적인 밸브 개방과 상대적인 연료 도입률을 나타낸다. 곡선 34 는 정상 배기 단계 동안 배기 가스 밸브 (22) 의 개방 또는 상승을 나타내고, 곡선 36 은 정상 흡입 단계 동안 입구 밸브 (18) 의 개방을 나타낸다. 곡선 38 은 내부 배기 가스 재순환을 적용하는 동안 배기 가스 밸브 (22) 의 개방을 나타내고, 내부는 실린더 (10) 의 배기 가스 포트 (20) 를 통해 연소실로 다시 배기 가스를 유도하는 것을 지칭한다. 음영 영역 38' 은 내부 배기 가스 재순환을 적용하는 동안 배기 가스 밸브 (22) 의 개방에 대한 크랭크 각도 (지속시간) 및 상대적 개방 (리프트) 의 측면에서 적용 가능한 변형 또는 사용 가능한 범위를 보여준다. 음영 영역 40 은 실린더의 연소실 (28) 내로 액체 연료를 분사하기 위한 사용 가능한 범위를 나타낸다. 연소실 (28) 내로 분사되는 액체 연료는 범위 (40) 내의 상이한 크랭크 각도들에서 하나 또는 다수의 개별 분사를 포함한다. 연료의 양은 각각의 분사의 지속시간 또는 인젝터의 제어 니들의 개방도를 제어함으로써 제어될 수 있다.
도 2 및 도 4 를 참조하면, 저부하 범위 작동 모드는 자동 점화점까지 압축된 잘 혼합된 연료들, 재순환된 배기 가스 및 공기를 사용하는 균일 예혼합 압축 착화에 기초한다. 본 발명에 따른 저부하 범위 작동 모드는 제 1 단계 (A) 를 포함하며, 이는 관련 실린더의 흡입 행정 동안 실행된다. 제 1 단계에서, 피스톤 (32) 은 실린더 헤드 (14) 로부터 멀어지도록 이동하고, 입구 밸브 (18) 는 개방되고, 배기 밸브 (22) 는 폐쇄된다. 가스 연료는 유입 밸브 (24) 를 통해 입구 포트 (12) 내로 도입되고, 가스 연료와 공기가 연소실 (28) 내로 도입된다. 가스 연료는 공기와 혼합된다. 제 1 단계 (A) 다음에 오는 제 2 단계 (B1) 는 실질적으로 피스톤 (32) 의 하사점에서 일어난다. 이 단계에서 배기 밸브 (22) 는 일시적으로 다시 개방되고 배기 가스는 실린더 (10) 의 배기 채널 (20) 로부터 실린더의 연소실 (28) 내로 유도된다. 배기 가스의 재순환은 유리하게는 450 도 내지 670 도의 크랭크 각도 범위 내에서 일어나며, 실린더의 한 사이클은 팽창 행정의 TDC 에서 0 도에서 시작하고 압축 행정의 TDC 에서 720 도에서 끝난다. 재개방 중 밸브의 리프트 및 재개방 타이밍은 기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수에 기초하여 제어된다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 입구 행정 동안 흡입 밸브는 늦어도 크랭크 각도 510 도에서 폐쇄되고, 배기 가스 밸브는 늦어도 크랭크 각도 540 에서 개방되고 늦어도 크랭크 각도 670 에서 다시 폐쇄된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 입구 행정 동안 흡입 밸브는 늦어도 크랭크 각도 540 도에서 폐쇄된다. 이는 도 4 에서 점선 (36') 으로 표시된다. 배기 가스 밸브는 배기 가스의 내부 재순환을 제공하기 위해 늦어도 크랭크 각도 540 에서 다시 개방되고 늦어도 크랭크 각도 670 에서 다시 폐쇄된다.
단계 B1 후에 또는 단계 B1 과 동시에 시작하여 단계 B1' 이 실행된다. 단계 B1' 에서, 액체 연료는 액체 연료 인젝터 (26) 에 의해 연료 인젝터 (26) 를 통해 직접 연소실 (28) 내로 도입된다. B1' 단계에서, 액체 연료는 유리하게는 540 도 CA 로부터 680 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 연소실 (28) 내로 도입되며, 실린더의 한 사이클은 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다. 단계 B1' 동안, 연소실 (28) 내로 분사되는 액체 연료는 상이한 크랭크 각도들에서 하나 이상의 개별 분사를 포함한다.
공기, 재순환된 배기 가스, 가스 연료 및 액체 연료를 포함하는 차지는 연소실 (28) 에서 균질 예혼합 압축 착화에 의해 차지가 점화될 때까지 단계 C 에 의해 도시된 바와 같이 압축되며, 이는 단계 D1 에 의해 도시된다.
도 3 을 참조하면, 고부하 범위 작동 모드는 반응성 제어 압축 착화에 기초한다. 반응성 제어 압축 착화는 상이한 반응성을 갖는 두 가지 연료 (가스 연료 및 액체 연료) 를 사용하고, 액체 연료의 제 2 부분을 사용하는 점화 전에 공기-연료 혼합물을 제어하기 위해 하나 또는 여러 번의 연료 분사를 사용한다. 가스 연료와 액체 연료의 혼합물
디젤 연료, 경질 연료 오일, 선박용 디젤유 등과 같은 액체 연료는 천연 가스, 메탄, 프로판, 메탄올 등과 같은 가스 연료보다 더 큰 반응성을 갖는다. 가스 연료 및 액체 연료를 포함하는 차지의 점화는 액체 연료의 압축 점화에 의해 최종적으로 달성된다.
본 발명에 따른 고부하 범위 작동 모드는 제 1 단계 (A) 를 포함하며, 이는 관련 실린더의 흡입 행정 동안 실행된다. 제 1 단계에서, 피스톤 (32) 은 실린더 헤드 (14) 로부터 멀어지도록 이동하고, 입구 밸브 (18) 는 개방되고, 배기 밸브 (22) 는 폐쇄된다. 가스 연료는 유입 밸브 (24) 를 통해 입구 포트 (12) 내로 도입되고, 가스 연료와 공기가 연소실 (28) 내로 도입된다. 가스 연료는 공기와 혼합된다. 제 1 단계 (A) 다음에 오는 제 2 단계 (B1) 는 실질적으로 피스톤 (32) 의 하사점에서 일어난다. 단계 B2 에서, 액체 연료의 제 1 부분이 액체 연료 인젝터 (26) 에 의해 연료 인젝터 (26) 를 통해 직접 연소실 (28) 내로 도입된다. 단계 B2 동안, 액체 연료는 상이한 크랭크 각도들에서 하나 이상의 개별 분사로 연소실 (28) 내로 분사된다. B2 단계에서, 액체 연료는 유리하게는 510 도 CA 로부터 680 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더의 연소실 (28) 내로 도입되며, 실린더의 한 사이클은 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝난다. 공기, 가스 연료 및 액체 연료를 포함하는 차지는, 단계 D2 로 표시되는 665 도 CA 로부터 720 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 실린더 (10) 의 연소실 (28) 내로 액체 연료의 제 2 부분을 분사함으로써 차지가 점화되는 지점까지 단계 C 에 의해 도시된 바와 같이 압축된다.
미리 결정된 전환 부하는 각 경우에 대해 별도로 규정된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 미리 결정된 전환 부하 (또는 기관 부하를 나타내는 변수의 미리 결정된 전환 레벨) 은 기관의 각 실린더에서 연소 파라미터, 유리하게는 적어도 노크 레벨을 모니터링함으로써 기관의 운전 중에 결정되는 변수일 수 있다. 따라서, 노크 레벨 또는 최대 발화 압력이 설정된 노크 한계 레벨을 초과하는 때, 기관은 저부하 범위 모드로부터 고부하 범위 모드로 시프트된다.
여기에서 본 발명이 현재 가장 바람직한 실시형태로 생각되는 것과 관련하여 예로써 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태로 제한되지 않으며, 첨부된 청구항들에서 규정된 바와 같이, 본 발명의 특징들의 다양한 조합 또는 수정, 그리고 본 발명의 범위에 포함된 여러 다른 적용을 포함하려는 것으로 이해되어야 한다. 상기한 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 세부 사항은 그러한 조합이 기술적으로 실현 가능하다면 다른 실시형태와 관련되어 사용될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법으로서, 상기 방법은
    - 상기 기관의 흡입 행정 동안에 흡입 공기 내로 가스 연료 (24) 를 도입하는 단계,
    - 상기 흡입 행정 동안에 상기 기관의 실린더 (10) 의 연소실 (28) 내로 상기 가스 연료 (24) 및 흡입 공기를 도입하는 단계,
    - 상기 실린더 (10) 의 상기 연소실 내로 배기 가스를 인도하는 단계,
    - 상기 실린더의 상기 연소실 내로 액체 연료 (26) 를 도입하는 단계,
    - 상기 연소실 (28) 에서 상기 흡입 공기, 상기 가스 연료, 상기 액체 연료 및 재순환된 상기 배기 가스를 포함하는 차지 (charge) 를 압축하는 단계,
    - 상기 연소실에서 압축 점화에 의해 상기 차지를 점화하는 단계
    를 포함하는 저부하 범위 모드에서 상기 기관을 작동시키는 것, 그리고
    기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수가 상기 변수의 미리 결정된 전환 레벨을 초과하는 때,
    - 상기 흡입 공기 내로 가스 연료 (24) 를 도입하는 단계,
    - 흡입 행정 동안에 상기 기관의 실린더 (10) 의 연소실 (28) 내로 상기 가스 연료 및 상기 흡입 공기를 도입하는 단계,
    - 상기 실린더의 상기 연소실 (28) 내로 액체 연료 (26) 의 제 1 부분을 도입하는 단계,
    - 상기 연소실에서 상기 흡입 공기, 상기 가스 연료 및 상기 액체 연료를 포함하는 차지를 압축하는 단계,
    - 반응성 제어 압축 착화를 개시하기 위해 상기 연소실 (28) 내로 액체 연료 (26) 의 제 2 부분을 분사하는 단계
    를 포함하는 고부하 범위 모드로 상기 기관의 부하를 증가시키는 것을 포함하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기관 부하를 나타내는 적어도 하나의 변수는 상기 기관이 운전 중인 동안 끊임없이 또는 단속적으로 결정되고, 기관 부하를 나타내는 상기 변수는 상기 변수의 미리 결정된 전환 레벨과 비교되며,
    기관 부하를 나타내는 상기 적어도 하나의 변수가 상기 미리 결정된 전환 레벨 이하일 때, 상기 기관은 저부하 범위 모드에서 운전되고,
    기관 부하를 나타내는 상기 적어도 하나의 변수가 상기 미리 결정된 전환 레벨 초과일 때, 상기 기관은 고부하 범위 모드에서 운전되는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    저부하 범위는 0% 로부터 미리 결정된 전환 부하까지이고,
    고부하 범위는 상기 미리 결정된 전환 부하로부터 100% 부하까지이며,
    상기 미리 결정된 전환 부하는 50 - 80 % 부하인 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    미리 결정된 전환 부하 퍼센트는 65 - 70 % 부하인 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 450 도로부터 670 도까지의 크랭크 각도 범위 내에서 상기 실린더의 배기 채널로부터 상기 실린더의 연소실 내로 인도되고, 상기 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    저부하 범위 운전에서, 배기 가스가 상기 실린더의 배기 포트를 통해 직접 상기 실린더의 배기 채널로부터 상기 실린더의 상기 연소실 내로 인도되는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배기 포트의 배기 밸브를 개방함으로써 배기 가스가 상기 실린더의 배기 채널로부터 상기 실린더의 상기 연소실 내로 인도되는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    저부하 범위 운전에서, 액체 연료가 510 도 CA 로부터 680 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 상기 실린더의 상기 연소실 내로 도입되고, 상기 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    저부하 범위 운전에서, 배기 밸브 개방의 타이밍 및/또는 지속시간, 상기 차지 중 가스 연료의 양 및 액체 연료의 양이 균일 예혼합 압축 착화에 의해 665 내지 720 도 CA 의 희망 크랭크 각도에서 상기 차지를 점화하도록 제어되고, 상기 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소실 내 액체 연료를 포함하는 저부하 범위 운전은 상이한 크랭크 각도들에서의 하나 이상의 개별 분사들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    고부하 범위 운전에서, 상기 액체 연료의 제 1 부분이 510 도 CA 로부터 680 도 CA 까지의 크랭크 각도 범위 내에서 상기 실린더의 상기 연소실 내로 도입되고, 상기 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    고부하 범위 운전에서, 상기 액체 연료의 제 2 부분이 665 - 720 도 CA 의 크랭크 각도에서 상기 연소실 내로 도입되고, 상기 실린더의 한 사이클이 팽창 행정의 TDC 에서 0 도 CA 에서 시작하여 압축 행정의 TDC 에서 720 도 CA 에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 4행정 내연 기관에서 부하를 증가시키는 방법.
  13. 명령들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 메모리 디바이스로서,
    상기 명령들은 컴퓨터에 의해 실행되는 때에 상기 컴퓨터가 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하게 하는, 컴퓨터 판독 가능한 메모리 디바이스.
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