KR20060045761A - 가스엔진의 운전방법 - Google Patents

가스엔진의 운전방법 Download PDF

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Abstract

제 1 연료공급 시스템(2)과, 제 2 연료공급 시스템(3) 및 제 3 연료공급 시스템(4)을 포함하여 구성되는 가스엔진의 운전방법으로서, 제 1 운전모드에서는 제 1 연료공급 시스템(2)을 경유하여 기체연료를 엔진(1) 연소공기내로 도입하고, 기체연료는 제 1 연료공급 시스템(2)을 통한 연소공기의 혼합기에 점화용 연료를 분사함으로써 점화된다. 본 운전방법의 제 2 운전모드에서, 엔진은 제 1 연료공급 시스템(2)을 경유하여 기체연료를 엔진(1) 연소공기내로 도입하고, 기체연료는 제 3 연료공급 시스템(3)을 경유하여 기체연료와 연소공기의 혼합기내로 점화용 연료를 분사함으로써 점화된다.

Description

가스엔진의 운전방법{A METHOD OF OPERATING A GAS ENGINE}
도 1 은 본 발명에 따른 방법을 적용한 일 실시예의 도면이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 엔진 2 : 제 1 연료공급 시스템
2.1 : 입구파이프 2.2 : 공급밸브
3 : 제 2 연료공급 시스템 3.1 : 고압펌프
3.2 : 연료라인 4 : 제 3 연료공급 시스템
5 : 전기적 제어장치 6 : 커먼레일
7 : 분사기 노즐 7.1 : 연료라인
8 : 연료분사기 노즐 9 : 분사펌프
9.1 : 조절로드 9.2 : 액츄에이터
9.3 : 공급라인 9.4 : 복귀라인
11 : 엔진제어 유니트 12 : 연료탱크
12.2 : 밸브
본 발명은 특허청구의 범위 제 1 항의 서문에 설명된 바와 같은 가스엔진의 운전방법에 관한 것이다.
기체연료로 운전되는 피스톤 엔진인 가스엔진을 선박엔진으로서 안전하고 신뢰성있는 사용함에 있어서는 연료공급 시스템에 대한 특별한 요구가 있으며, 그중 가장 중요한 것은, 어떠한 상황하에서도 엔진의 예상치못한 정지되는 것이 허용되어서는 안된다는 것이다. 그 때문에, 선박엔진으로서의 가스엔진은 연료공급 시스템내에 백업시스템을 포함하여 구성된다. 전형적으로, 가스엔진내에서 주연료로서 사용되는 기체연료는 공기와 함께 혼합되어 엔진의 연소실내로 공급된다. 연료는 극소량의 점화용 연료를 분사함으로써 점화되고, 점화용 연료는 상황조건에 따라 점화되어 기체연료를 점화하게 된다. 이 경우에, 기체연료에 관한 한, 엔진은 오토(otto) 방식에 따라 운전된다. 상술한 엔진의 운전에 영향을 미치는 오동작이 있게 되는 경우에는, 엔진이 액체연료만을 사용하는 백업연료공급 시스템이 마련될 수 있다. 이 경우에, 가스운전으로부터 액체연료운전으로 전환이 있게 되고, 엔진은 디젤방식에 따라서 운전된다.
그러나, 액체연료의 백업사용은, 전형적으로 이들 시스템이 유체역학적으로 제어된다는 점에서 문제가 있는데, 왜냐하면, 운전의 신뢰성을 최대화하려는 경향이 있지만, 유체역학 시스템은 연소공정을 제어하는 것이 불가능하며, 연소부산물에는, 예를 들어 불완전연소된 탄화수소 및 질소산화물이 통상의 가스운전에서보다 많은 양을 포함하게 된다. 또한, 백업운준에 있어서는, 전체 출력이 액체연료를 사용함으로써 생성되며, 그에 따라 가스운전에서 점화용 연료로서 액체연료를 소비 하는 것에 비할 때 연료의 소비가 몇배로 늘어난다. 액체연료용의 탱크들은 선박의 공간활용을 고려하여 규격이 매겨지게 되며, 이는 선박의 적하용량에 영향을 미친다. 따라서, 예비연료의 양이 불충분하면 운전이 위험해질 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 종래기술의 문제점이 최소화될 수 있는 방법을 제공함에 있다. 또한, 본 발명의 목적은, 무엇보다도 가스엔진의 운전신뢰성이 모든 상황에서 보장될 수 있고 동시에 액체연료가 바닥나는 위험을 최소화하며 가스엔진의 백업운전 조건하에서도 배기가스의 배출이 감소될 수 있는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 첨부된 청구범위 1 항 및 보다 상세하게는 기타 청구항에서 기재된 바에 따라 주로 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 제 1 연료공급 시스템과, 제 2 연료공급 시스템 및 제 3 연료공급 시스템을 포함하여 구성되는 가스엔진의 운전방법으로서, 그의 사용은 다양한 운전모드에서 엔진을 운용하도록 변경될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 제 1 운전모드에서는 제 1 연료공급 시스템을 경유하여 기체연료를 엔진의 연소공기내로 도입함으로써 엔진이 운용되며, 그에 의하여 기체연료는 제 2 연료공급 시스템(2)을 경유하여 기체연료 및 연소공기의 혼합기에 점화용 연료를 분사함으로써 점화된다. 본 발명의 특징은, 엔진이 제 2 운전모드로 운전될 수 있다는 것이고, 여기에서 엔진은 엔진의 연소공기내로 기체연료를 도입함으로써 운전 되고, 기체연료는 제 3 연료공급 시스템을 경유하여 연소공기와 기체연료의 혼합기내로 점화용 연료를 분사함으로써 점화된다.
본 발명에 따르면, 제 2 운전모드는, 적어도 제 2 연료공급 시스템내에 오동작이 있는 상황에서 사용된다. 운전에 관한 오동작 측정치를 검출하기 위하여, 데이터들이 엔진의 제어시스템내에서 수집되고, 측정치들은 설정치와 비교되고, 설정치 및 측정치의 변화가 미리 설정된 정도를 초과하는 경우에는, 새스템이 제 2 운전모드로 전환된다. 바람직하게는, 적어도 제 2 연료공급 시스템의 연료압력이 운전데이터로서 사용된다. 제 2 연료공급 시스템에 있어서, 연료는 각 분사기 노즐과 접속되어 배치된 전기제어를 사용하는 커먼레일로부터 일정하게 공급된다. 이에 대하여, 제 3 연료공급시스템에서는, 연료는 각 분사기 노즐과 접속되어 배치된 분사펌프의 수단에 의하여 유체역학적인 제어에 의하여 일정하게 공급된다.
제 2 운전모드에 있어서, 제 3 연료공급 시스템은 그의 분사량이 이 운전모드시에 분사되는 전체 연료량의 적어도 20% 미만으로 되도록 제어되며, 제 2연료공급 시스템은 폐쇄된다.
그러나, 이 경우에, 실제로는 제 1 운전모드내에서 가용한 출력의 약 80%까지 엔진의 최대출력을 낮추어야 하는데, 제 2 운전모드에서는 녹킹검출이 반드시 신뢰성이 있는 경우가 아니기 때문이다. 제 2 운전모드에서는, 엔진의 출력이 제 1 연료의 양을 조정함으로써 주로 조정된다.
본 발명은 공지의 기술과 관련하여 명백한 장점을 가진다. 본 발명에 다른 방법을 사용함으로써, 가스엔진은 점화용 연료 공급시스템의 오동작이 있는 경우에 사용할 수 있으며, 따라서 배기가스의 양이 공지기술에 따라 사용되는 연료에 비하여 훨씬 낮아진다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 사용은 공지기술에 따른 백업 연료운정에 비교할 때, 액체연료의 범위를 상당히 증가할 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 예시적인 방법으로 설명된다.
(실시예)
도 1은 가스엔진에 대한 분사시스템(1)을 도식적으로 나타내며, 이 시스템은 엔진에 연료를 도입하기 위하여 마련된 것이다. 연료공급 시스템은, 주된 연료원으로서 제 1 연료공급 시스템(2)을 포함하여 구성되며, 이를 통하여 기체연료가 엔진에 대하여 도입될 수 있다. 이하의 명세서 있어서, 기체연료는 단순히 가스라고 언급될 수 있다. 제 1 연료공급 시스템은 가스 공급원(2.3)에 접속된 입구 파이프(2.1)와 엔진의 밸브(2.2)를 포함하여 구성된다. 가스는 입구파이프(2.1)를 통하여 공급밸브(2.2)를 사용하여 연소공기내로 일정하게 공급될 수 있다. 여기에서 가스공급 밸브들은 엔진 연소공기의 공급채널과 관련하여 배열된다. 가스공급밸브(2.2)를 제어하기 위하여, 엔진제어 유니트(11)는 엔진과 관련되어 배치되며, 그에 의하여 엔진의 운전시에 제어유니트(11)는 공급밸브의 개방 및 폐쇄타이밍 및 예를 들어 엔진부하에 따른 가스공급의 적정량을 제어한다. 제 1 연료공급 시스템은 여기에서는 매우 모식적인 방식으로 나타내었으며, 본 발명을 이해하는데 불필요한 부분들은 도시되지 않았다.
엔진은 또한 제 2 연료공급 시스템(3)을 포함하여 구성된다. 제 2 연료공급 시스템은 노즐(8)의 수단에 의하여 연료탱크(12)로부터 엔진으로 점화용 연료를 공급하도록 배치된다. 제 2 연료공급 시스템(3)은 액체연료용 분사시스템이다. 이는 적절한 레벨로 연료압력을 증가하는 고압펌프(3.1)를 포함하여 구성되며, 연료를 연료라인(3.2)을 경유하여 커먼레일(6)로 공급한다. 여분의 연료는 라인(3.3)을 경유하여 연료탱크로 복귀된다. 커먼레일(6)은 또한 각 연료분사기 노즐(8)에 접속된다. 제 2 연료공급 시스템의 분사기 밸브에는 전기적 제어장치(5)가 구비되며, 그에 의하여 연료의 양이 정량으로 공급되고 분사의 타이밍이 달성된다. 각 전기적 제어장치(5)는 엔진제어 유니트(11)에 접속되고 이 유니트는 기타 연료공급 시스템(3)의 운전을 제어한다.
가스를 연소할 때, 엔진이 운전되어 가스가 점화용 연료로 점화된다. 가스는 가스공급밸브(2.2)를 개방 및 폐쇄함으로써 제 1 연료공급 시스템(2)의 수단에 의해 엔진연소공기내로 도입된다. 밸브가 개방될 때, 가스는 연소공기내로 흘러들어가고 공기와 혼합될 때 엔진의 연소실내에서 점화된다. 점화는 제 2 연료공급 시스템(3)의 수단에 의하여 비교적 소량의 점화용 연료를 분사함으로써 수행된다. 피스톤의 대략 중앙 상단주위에, 압축행정의 최종단계에서, 연소실 또는 연소실에 접속된 예비연소실(설치된 경우에)내의 조건은 점화용 연료를 점화할 수 있도록 하는 조건에 있게 되며, 이는 연소공기와 혼합된 가스를 점화하게 된다. 점화용 연료의 양은 주연료의 양에 비하여 매우 소량이다.
가스엔진에는 부가적으로 제 2 연료공급 시스템(3)에 대한 백업 시스템으로서 기능하는 제 3 연료공급 시스템(4)이 마련된다. 제 3 연료공급 시스템(4)은, 도면에서 예시된 실시예를 보면, 엔진의 각 실린더용의 분사펌프(9)를 포함하여 구성된다. 각 분사펌프(9)는 그 자체의 연료라인(7.1)을 가지는 분사기 노즐(7)에 접속된다. 제 3 연료공급 시스템(4)의 분사기 노즐(7)들의 제어는 유체역학적으로 수행된다. 이는, 각 분사기 노즐이 스프링 부하가 걸린 노즐니들(nozzle needle: 도시않됨)을 포함하여 구성되며, 이 스프링은 노즐니들을 폐쇄하는 힘을 발휘함을 의미한다. 노즐니들은 스프링의 힘에 대한 연료압력의 힘에 의하여 개방된다. 연료분사량은 조절로드(9.1)를 이동함으로써 분사펌프의 피스톤을 원하는 위치로 회전시키는 분사펌프의 수단에 의하여 조정된다. 분사펌프의 동작을 제어하고, 동시에 제 3 연료공급 시스템(4)의 동작을 제어하기 위하여, 액츄에이터(9.2)가 함께 접속되어 배치되며, 그에 의하여 연료의 분사가 조절될 수 있다. 액츄에이터(9.2)는 위치데이터를 전송하는 엔진 제어유니트(11)에 접속되며, 제어유니트는 또한 액츄에이터의 동작을 규정한다. 분사펌프는 공급라인(9.3) 및 복귀라인(9.4)을 통하여 연료탱크(12)와 접속된다.
도 1의 실시예에서, 제 2 및 제 3 연료공급 시스템(3),(4)은 탱크(12)를 공유하고 있다. 연료는 이송펌프(12.1)의 수단에 의하여 이송되고, 그 후에 연료의 흐름이 밸브(12.2)의 수단에 의하여 공급시스템의 공급라인(3.2),(9.3)으로 분기된다. 각 연료공급 시스템은 각자의 개별적인 연료탱크를 포함하여 구성될 수도 있으며, 예를 들면 상이한 연료가 제 2 및 제 3 연료공급 시스템내에서 사용되는 경우로 될 수도 있다.
엔진의 운전과 주연료 및 점화용 연료의 점화는 제어유니트(11)에 의하여 제 어된다. 엔진의 다양한 운전에이터에 관한 데이터도 제어유니트로 전송된다. 본 발명에 있어서는, 제 2 연료공급 시스템의 운전데이터의 값들이 제어유니트(11)내의 설정치와 비교되는 것이 필수적이다. 이러한 목적으로, 적어도 압력측정장치(13)가 제 2 연료공급 시스템(3)과 접속하여 배치되며, 여기에서 압력측정치는 특정한 간격으로 엔진제어유니트내로 도입된다. 이러한 또는 기타 가능한 측정치들이 제어유니트내 저장된 설정치와 비교되고, 측정치와 설정치의 차이가 소정의 범위보다 큰 경우에는, 시스템이 본 발명에 따른 제 2 운전방법으로 전환되는데, 이 모드에 대하여 후술한다.
제 2 운전모드에 있어서, 엔진은 제 1 운전모드에서와 마찬가지로 제 1 연료공급 시스템(2)을 통하여 가스를 엔진연소공기내로 도입함으로써 운전된다. 그러나, 이제, 엔진의 제어시스템이 제 3 연료공급 시스템의 액츄에이터(9.2)를 제어하여 제 3 연료공급 시스템의 분사기 노즐(7)을 통하여 연료의 분사를 개시 및 유지하게 된다. 그와 동시에 또는 그 직후에 엔진제어 유니트(11)는 제 2 연료공급 시스템의 전기적 제어장치(5)를 제어하여 분사기 노즐(8)을 통한 엔진 연소실내로의 연료의 분사를 중지시킨다.
따라서, 엔진의 동작이 실질적으로 방해를 받지 않고서 계속될 수 있으므로, 제 3 연료공급 시스템(3)을 통하여 기체연료와 점화용 연료를 연소공기와 기체연료의 혼합기내로 분사함으로써 기체연료가 점화될 수 있다. 이 제 2의 운전모드에 있어서는 제 3 의 연료공급 시스템이 거의 일정한 연료량으로 운전되며, 전체 연료량보다 약 20% 미만의 양으로 된다. 따라서 엔진의 출력은 공급되는 가스의 양을 조절함으로써 조정가능하다.
본 발명에 따르면, 제 2 연료공급 시스템의 공급용량은, 엔진의 출력이 가스운전시의 엔진의 최대출력에 대략 대응하도록 한다. 이 때문에, 필요할 때는, 엔진은 제 3 의 모드에서 사용될 수도 있으며, 이 모드는 연료의 분사가 제 3 연료공급 시스템(4)을 통하여만 수행되는 것이다. 따라서 제어유니트(11)는 제 1 및 제 2 연료공급 시스템(2),(3)을 제어하여 연료의 공급을 중지하고 엔진의 출력은 제 3 연료공급 시스템의 액츄에이터(9.2)를 조절함으로써만 조정된다.
본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 그의 다수개의 변형이 첨부된 특허청구의 범위내에서 가능함을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 제 1 연료공급 시스템(2)과, 제 2 연료공급 시스템(3) 및 제 3 연료공급 시스템(4)을 포함하여 구성되는 가스엔진이, 제 1 운전모드에서 기체연료를 제 1 연료공급 시스템(2)을 통하여 엔진(1)연소공기내로 도입함으로써 운전되고, 기체연료는 점화용 연료를 제 2 연료공급 시스템(3)을 통하여 기체연료와 연소공기의 혼합기내로 분사함으로써 점화되는 가스엔진의 운전방법에 있어서, 제 2 운전모드에서, 엔진은 기체연료를 제 1 연료공급 시스템(2)을 통하여 엔진(1) 연소공기내로 도입함으로써 계속 운전되고, 기체연료는 점화용 연료를 제 3 연료공급 시스템(4)을 통하여 기체연료와 연소공기의 혼합기내로 분사함으로써 점화되는 것을 특징으로 하는 가스엔진의 운전방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 2 연료공급 시스템(3)내에서, 연료는 시스템(3)내에 포함된 커먼레일(6)로부터 각 분사기 노즐(8)과 접속하여 배치되는 전기적 제어장치(5)를 사용하여 정량공급되는 것을 특징으로 하는 가스엔진의 운전방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 3 연료공급 시스템(4)내에서, 연료는 각 분사기 노즐(7)과 접속하여 배치되는 분사기 펌프(9)의 수단에 의하여 유체역학적으로 제어되는 방식으로 정량공급되는 것을 특징으로 하는 가스엔진의 운전방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 2 운전모드에서, 제 3 연료공급 시스템은 그의 분사량이 전체연료량의 20% 미만으로 되도록 제어되며, 제 2 연료공급 시스템(3)은 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가스엔진의 운전방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 2 운전모드에서 엔진의 출력은 제 1 연료의 양을 조정함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 가스엔진의 운전방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 2 연료공급 시스템의 운전데이터에 관한 측정치가 엔진의 제어시스템내로 수집되고, 제어시스템에서는 측정치를 사전 설정치와 비교하며, 측정치와 설정치사이의 차가 소정의 수준을 초과하는 경우에, 시스템은 제 2 운전모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 가스엔진의 운전방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 적어도 연료의 압력이 운전데이터로서 사용되는 것을 특징으로 하는 가스엔진의 운전방법.
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