KR20110044855A - 비연료 유체 분사에 의해 엔진을 작동시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

비연료 유체 분사에 의해 엔진을 작동시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20110044855A
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튜더 디. 윌리엄스
에반 윌리엄스
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캠브리언 에너지 디벨롭먼트 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 물 분사기는, 소정량의 물 또는 다른 비연료 유체가 연소실로 분사되는, 불꽃 점화 또는 압축 점화 형태의 내연기관의 개별 연소실에 설치하기 위한 플러그 단부 피팅을 가진다. 각각의 연소실의 온도 및 연소 압력 및 대기의 온도, 압력 및 습도는, 표준 ISO 정격 대기 상태에서 발생하는 것과 동등한 내부 연소 상태에서 상기 엔진이 작동되고 대기와 무관하게 엔진의 ISO 정격 출력을 공급하도록, 연소실로 분사되는 물의 양을 제어하기 위해 모니터링되고 사용될 수 있다. 노즐은, 물 또는 다른 비연료 유체를 소정 공간 스프레이 패턴으로 연소실 내로 분사하기 위해 복수의 개구를 포함하는 물 분사기의 플러그 단부에 장착된다. 불꽃 점화 엔진에 대해, 고에너지 예비 챔버는, 물이 압축 사이클 내로 분사될 때 점화를 용이하게 하기 위해, 물 분사기와 일체로 될 수 있다. 디젤 엔진에 대해, 물 분사 노즐에, 실린더 내의 디젤 분사기의 것을 보충하는 공간 스프레이 패턴이 제공될 수 있다. 엔진 효율은, 비(non)-ISO 상태 동안에 높은 정격 출력을 유지하기 위해, 엔진 내로 분사되는 유체의 적어도 일부를 예열하기 위해 배기열 교환기를 사용하고, 압축 행정 동안에 연소를 제어하고 다르게는 효율을 향상시키기 위한 낮은 온도에서의 유체의 제1 분사와 팽창 행정 동안에 실질적으로 높은 온도에서의 유체의 제2 분사를 결합시킴으로써, 더욱 강화될 수 있다.

Description

비연료 유체 분사에 의해 엔진을 작동시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING AN ENGINE WITH NON-FUEL FLUID INJECTION}
본 발명은, 내연기관의 구조 및 작동 모드에 관한 것으로서, 특히 연소실 내로 물과 같은 비연료 유체(non-fuel fluid)의 분사에 관한 것이다.
본 출원은, 2008년 6월 28일자 출원된 미국 가출원 61/133,176호를 우선권으로 주장한다.
내연기관의 실린더 내로 물 또는 다른 비연료 유체의 분사에 의해 얻어진 파워의 증가 및 연료 경제면에서의 이득의 증가는 오래동안 공지되어 있다. 압축 사이클 동안에 첨가된 물은 엔진 NOX를 감소시키는 것으로 입증되었다.
"ISO 상태"는, 주위 온도, 압력 및 습도의 변화를 고려하기 위해 파워를 규정할 때 사용되며, 각각 59℉(15℃), 해면에서의 대기압(14.54378 psi 또는 1.01325 바), 및 60 % 상대습도이다. 디젤 또는 오토 사이클에서 원동력을 제공하기 위해 실린더 내에서 작동하는 대부분의 질량은 대기에 의해 제공되고, 엔진에 첨가되는 연료에 의해 가열된다. 공기의 밀도는 공기의 온도, 압력 및 습도의 함수이기 때문에, 실린더 내의 질량 및 따라서 엔진의 결과적인 파워는, 표준 ISO 상태로부터 편차되는 소정 대기 상태 하에서 감소될 수 있다.
반 달(Van Dal)의 미국 특허 제4,5899,377호는, 오터 사이클 내연기관 내의 물 또는 다른 비연료 물질의 분사, 분사되는 비연료 물질의 양, 연료의 양과 같은 인자에 의해 지배되는 분사 시간, 엔진의 압축비, 연료의 품질, 및 사전 선택된 최대 연소 온도를 기술하고 있다.
나카야마(Nakayama)의 미국 특허 제6,112,705호는, NOX 방출을 낮추기 위한 압축 점화된 (즉, 디젤 사이클) 내연기관 내로의 물의 분사를 기술하고 있다. 주르 로예 등의 미국 특허공보 제2002/0026926호 역시 압축 점화된 내연기관 내로의 물의 분사를 기술하고 있다.
싱(Singh)의 미국 특허 제6,311,651호, 제6,571,749호, 및 제7,021,272호는, 실린더 내에서 연소가 시작되는 동안 또는 그 후에 엔진의 각각의 실린더 내로의 물의 분사를 사용하는 컴퓨터 제어 내연기관을 기술하고 있다. 내연기관의 각각의 실린더에, 실린더 내의 압력 및 온도를 측정하기 위한 압력 센서 및 온도 센서가 구비된다. 이들 센서는, 센서로부터 수신되는 신호에 의해 판정되는 실린더의 "에너지 양"에 기초하여 실린더 내로 분사되는 물의 유량 및 지속시간을 제어하기 위해 컴퓨터에 연결된다.
홉스(Hobbs)의 미국 특허 제5,125,366호는, 가압된 수원(source of water)이 사용되는 내연기관 내로의 물의 도입을 기술하고 있다. 엔진의 실린더로의 물의 도입을 제어하기 위해 컴퓨터 및 여러 가지 엔진 센서가 사용된다. 비니온의 미국 특허 제5,718,194호는 내연기관용 실린더 내 물 분사 시스템을 기술하고 있다. 물은 고압 및 저온에서 분사된다. 밀러의 미국 특허 제4,448,153호는, 엔진 온도에 따라 엔진의 실린더 내로 물을 분사하는 내연기관용 물 분사 시스템을 기술하고 있다. 미국 특허공보 제2006/0037563호, 코너의 미국 특허 제5,148,776호, 및 리의 미국 특허 제6,892,680호는 모두, 물의 분사가 하나 이상의 센싱된 엔진/실린더 변수에 따라 컴퓨터에 의해 제어되는 내연기관용 물 분사를 기술하고 있다.
상술한 미국 특허 제4,448,153호, 미국 특허 제4,589,377호, 미국 특허 제5,125,366호, 미국 특허 제5,148,776호, 미국 특허 제5,718,194호, 미국 특허 제5,937,799호, 미국 특허 제6,311,651호, 미국 특허 제6,571,749호, 미국 특허 제6,892,680호, 및 미국 특허 제7,021,272호, 및 미국 특허공보 제2002/0026926호, 및 미국 특허공보 제2006/0037563호는 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 목적은, 표준 ISO 상태로부터 편차되는 소정 대기 상태 하에서 내연기관의 파워 및 효율을 강화하는 것이다.
내연기관의 실린더 내로 물(또는 다른 비연소 유체)의 분사에 의한 이점 및 연료 경제의 이득이 오래동안 공지되었지만, 다음의 특징 중 몇 가지 또는 모두가 별개로 및 조합되어, 특히 본 발명의 여러 가지 실시예의 특징이 되는 것으로 믿는다.
(a) 연료 공기 혼합물 내의 외부 공기 밀도(압력 및 온도) 및/또는 물 함량(습도)의 임의의 변화에 따라 분사되는 물(또는 다른 비연소 유체)의 분사되는 양의 교정,
(b) 현재의 대기 상태와 무관하게, 엔진이 ISO 상태에서 정격 용량을 발생시킬 수 있게 하기 위해, 물 분사 제어 시스템에서 실린더에 첨가되는 물의 양을 조절하는 능력,
(c) 희박 엔진 혼합물을 점화시킬 수 있는 고에너지 점화 시스템,
(d) 절대 (ISO) 엔진 압력을 출력할 수 있는 실린더 내부(in-cylinder) 압력 측정 시스템,
(e) 다른 엔진 형상과 상보적이 되도록 수정된 플레임 패턴을 가질 수 있는 예비 챔버 디자인,
(f) 오토 사이클 엔진을 위한 다른 엔진 형상 및 예비 챔버 점화기의 플레임 패턴, 또는 압축 점화 엔진의 디젤 분사기 스프레이 패턴과 상보적이 되도록 수정된 스프레이 패턴을 가질 수 있는 물 분사기 디자인,
(g) 엔진 오일로부터 물을 제거하기 위한 오일/물 분리기,
(h) 실린더 내부 분사를 위해 사용되는 물의 점성을 감소시키고 다르게는 프로세스 효율을 촉진시키기 위해, 엔진에 분사되는 물을 예열하기 위해 사용되는 배기열 교환기,
(i) 엔진의 배기로부터 물을 회수하기 위한 2차 응축열 교환기,
(j) 응축열 교환기 및 배기로부터 증가된 에너지를 추출하기 위한 유기 랭킨 가변 위상 터빈 및 응축기, 및
(k) 압축 행정 동안에 연소를 제어하기 전의 물의 제1 분사를 팽창 행정 동안에 높은 온도에서의 물의 제2 분사로 보충하기.
본 발명의 몇 가지 실시예는, 표준 ISO 정격 대기 상태에서 발생하는 것을 모방하는 내부 연소 상태(연소실 내의 압력 및 온도 등)에서 엔진이 작동하여 대기 상태와 무관하게 ISO 정격 출력을 공급할 수 있게 하는 내부 연소 작동 시스템을 제공한다. 바람직하게, 소정량의 물 또는 다른 비연료 유체가 연소실로 분사되는, 불꽃 점화 또는 압축 점화 형태의 내연기관의 연소실에 장착되는 플러그 단부를 가진 물 분사기가 제공되며, 노즐은, 물 또는 다른 비연료 유체를 소정 공간 스프레이 패턴으로 연소실로 공급하기 위해 복수의 개구를 포함하는 물 분사기의 플러그 단부에 장착된다. 이들 실시예에서, 각각의 엔진 챔버의 온도 및 연소 압력 및 대기의 온도, 압력 및 습도는 바람직하게, 연소실로 분사되는 물을 제어하기 위해 모니터링되고 사용된다. 이것은, 표준 ISO 상태가 아닌 상태하에서 최대 정격 파워로 작동될 때 압축 및 팽창 행정 동안에 실린더 내로 분사되는 물로부터 질량을 추가함으로써, 공기의 대기 특성으로 인한 실린더 내에서의 낮은 작동 유체 질량을 보상할 수 있을 뿐만 아니라, 최대 정격 파워보다 낮은 파워에서 작동될 때에도 전체 엔진 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 물이 가압되고 예열되며, 팽창 사이클 동안에 기화되는 지점인 상사점 뒤에서 실린더 내로 분사될 때, 비-ISO 상태 하에서 최대 정격 파워가 얻어질 수 있다.
다른 실시예의 몇몇 특징에 따라, 물 분사는, 이용 가능한 마력을 감소시키도록(엔진의 정격을 감소시킴) 공기의 밀도를 대기 상태가 감소시켰을 때, 엔진의 파워를 정격 상태로 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 이것은, 압축 및 팽창 사이클 동안에 실린더 내로 분사되는 물로부터 질량을 추가함으로써, 공기의 대기 특성으로 인한 실린더 내에서의 낮은 작동 유체 질량을 보상할 수 있다. 이것은, 연소실 내의 증가된 질량 및 따라서 증가된 압력의 결과인 것으로 믿는다. 각각의 엔진 실린더의 압력은 바람직하게, 현재의 실제 대기 상태에 대한 게이지 압력을 얻기 위해 각각의 사이클 동안에 모니터링되고, 다음에는, 현재의 대기 상태와 ISO 정격 상태 사이의 온도, 압력 및 습도의 차이가, 측정된 게이지 압력을 표준 ISO 정격 상태에서의 대응 ISO 절대 내압으로 변환하기 위해 사용된다. 이러한 측정된 ISO 절대 내압과, 동일한 ISO 정격 상태에서 최대 정격 출력으로 작동될 때 실제로 발생되는 공지된 절대 내압을 비교함으로써, 물 분사는 대기 상태와 무관하게 엔진을 정격 출력으로 복귀시키도록 제어될 수 있다.
연소실 내로의 물 분사는 바람직하게, 주위 공기의 온도, 압력 및 습도, 연료 내의 물, 압축 사이클에서 분사되는 물, 및 압력 및 온도와 같은 연소실 내의 엔진 작동 변수를 측정함으로써 제어되며, 실린더 압력을 측정하기 위한 센서는 바람직하게 물 분가 컴포넌트와 일체화된다. 이것은, 오토 사이클(불꽃 점화) 및 디젤 사이클(압축 점화) 엔진, 및 이들 사이클의 수정(밀러, 분할 챔버, 및 압축 차지 점화 엔진)에 적용된다. 결과적인 신규 제어된 물 분사 연소 사이클은 엔진 효율을 향상시킬 뿐만 아니라(향상의 정도는 분사된 물의 온도, 타이밍 및 스프레이 패턴에 의해 영향을 받음), 연소실 내로 직접 물(또는 다른 적절한 비연료 유체)을 시간 제어된 공간적 패턴에 따라 첨가함으로써, 모든 대기 상태 하에서 ISO 상태에서 측정된 최대 정격 파워의 발생을 가능하게 한다.
본 발명의 몇몇 실시예의 다른 특징은, 바람직하게 실린더 내로 분사되는 물의 공간적 패턴 및 실린더 내의 연료의 점화 소스의 공간적 패턴을 제어하는, 유일한 실린더 및 피스톤 형상을 가진 각각의 엔진을 위해 디자인된 유일한 스프레이 패턴을 가진 모든 실린더 챔버 내의의 물과 같은 비연료 유체의 도입이다.
분사기, 점화기 및/또는 압력 센서는 바람직하게, 각각의 실린더에 대해 하이드로미터의 디바이스의 플러그 단부에 노즐 배열을 가진 단일 하이드로미터 디바이스에 결합되며, 노즐 배열은 연소실 내로 연장되고, 바람직하게 점화 플러그 및/또는 디젤 분사기를 위한 표준 나사산 규격을 사용하여, 또는 다른 실시예에서는 종래의 디젤 분사기 유지 클램프에 의해 정위치에 고정되도록 디자인된다. 이것은, 상술한 여러 가지 물 분사 기술의 많은 장점을 이용하기 위해, 중고 및 신규 장비를 현장에서 용이하게 업그레이드할 수 있게 한다. 불꽃 점화 엔진에서, 고에너지 예비 점화기는 바람직하게, 연소실 내의 압축된 연료 공기 혼합물의 점화 및 압축/팽창 사이클 동안의 적절한 시간에서의 물의 분사를 독립적으로 제어하는 "피로하이드로미터" 점화기-분사기를 형성하도록 물 분사기와 일체화된다. 디젤 및 다른 압축 점화 엔진에서, 물과 연료는 바람직하게, 2개의 세트의 노즐 제트를 장착하는 "디젤 하이드로미터" 분사기에 의해 연소실 내로 독립적으로 분사되며, 물 제트는, 디젤 제트의 공간 스프레이 패턴을 보완하는 공간 스프레이 패턴을 가진다.
몇몇 다른 바람직한 실시예의 또 다른 중요한 특징에 따라, 예비 연소실이, 희박 연소실 혼합물(압축 동안에 물 분사에 의해 발생할 수 있는 것과 같음)이 점화될 수 있게 하는 고에너지 점화 소스가 존재하도록, 물 분사 디자인 내에 합체될 수 있다. 예비 연소실은 또한, 연소실 내로 진입하는 높은 속도의 제트에 의한 더욱 양호한 예비 연소, 및 대량의 물 분사에 의해 발생할 수 있는 지극히 희박한 연료 혼합물에 의한 낮은 전체 엔진 방출의 목적으로, 수소 가스와 같은 특수 연료 첨가를 위해 사용될 수 있다. 비연료 유체는, 엔진 배기의 NOX, CO, 특징 또는 실린더 벽의 윤활성을 수정하기 위해, 과산화물 또는 요소 또는 다른 첨가제 또는 윤활유를 첨가함으로써 수정될 수 있다. 이들 첨가제는 또한 측정된 대기 변수 및 외부 배기 측정의 함수일 수 있다.
디젤 엔진에 대해, 액화 천연 가스(LNG) 또는 압축 천연 가스(CNG)는 바람직하게, 바람직하게 LNG 또는 CNG 대체 연료를 위해 분사기 노즐 내에 추가적 분사기 출구를 포함하는 디젤 하이드로미터에 첨가된 연료(CNG 또는 LNG)를 입력함으로써 통상적 디젤 연료의 실질적 부분(바람직하게 약 60% 내지 98%)을 대치한다. 유사하게, 주 연소실에 유입된(바람직하게, 하이드로미터를 통해 추가적 통로에 의함) 후에만 점화될 저휘발성 연료(수소 또는 산소 수소 혼합물(로드의 가스 또는 브라운의 가스)와 같은)를 분사함으로써, 엔진 배기에서 NOX가 감소될 수 있다. 이것은, 대량의 물 분사에 의해 발생할 수 있는 지극히 희박한 연료 혼합물을 점화시킬 수 있는 고속 플레임의 능력에 기인하는 것으로 믿어진다. 연소실 내로의 이들 고속 플레임 연료의 첨가는 점화를 상사점에 더 가까이 집중시켜, 압축 펌핑 손실을 감소시키고 엔진 효율을 더 향상시키는 것으로 믿어진다.
적절한 엔진 입력을 가진 엔진 컨트롤러는 바람직하게, 엔진의 내부 작동 변수, 외부 공기 온도, 압력 및 습도, 물 분사 온도, 연료 내의 물 함량, 및 다른 연료 변수를 모두 모니터링하기 위해 사용된다. 그러면, 이들 입력 변수는, 물 분사의 타이밍, 및 각각의 엔진 사이클에서 각각의 실린더 내로 분사되는 물의 양 및 온도, 및 각각의 실린더에 대한 점화 시스템의 타이밍을 제어하기 위해 컨트롤러에 의해 사용된다. 특히 연소실 내의 최적 물 분사 스프레이 패턴과 결합될 때, 이것은, 최대 정격 파워 이하에서 작동될 때 엔진 효율을 향상시킨다. 여러 가지 다른 실린더 내의 여러 가지 다른 센서로부터 복수의 변수가 컨트롤러에 입력되기 때문에, 물 분사/점화 타이밍 컨트롤러는 또한 바람직하게, 각각의 센서가 적절하게 작동되는지를 평가한다.
분사 물은, 온도를 상승시키기 위해 배기열을 사용함으로써 분사 전에 점성을 수정할 수 있다. 열교환기 바이패스 시스템은 물 온도의 전체 범위를 가능하게 한다. 이러한 점성의 변화는 분사에 필요한 물 펌핑 부하를 감소시키고, 연소실 내의 스프레이 패턴에 영향을 줄 수 있다. 사이클 효율 역시, 물이 실린더 내로 분사되기 전에 물을 예열하기 위해, 폐기될 수도 있었을 열을 엔지 배기로부터 회수함으로써 향상될 수 있다.
터보-차지 오토 사이클 엔진에 대해, 물 분사는, (a) 터보차저 뒤에서의 분무, (b) 각각의 실린더 흡입 전의 분무, 또는 (c) 흡입 또는 압축 행정 동안의 연소실 내로의 직접 분사, 또는 상기 사항의 임의의 조합에 의해 적용될 수 있다. 물 분사는 터보 차저의 압축열을 제거함으로써 엔진 효율을 더 증가시키기 위해 사용되고(내부 냉각기를 사용하는 대신), 엔진 녹(knock)(엔진 사전 점화 또는 이상 폭발)을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 오토 사이클의 효율은, 압력비를 증가시키고, 엔진 녹을 유발하는 온도 아래로 물 분사에 의해 엔진 공기를 냉각시켜 엔진 녹을 피함으로써 향상될 수 있다. 엔진 녹 센서는 바람직하게, 점화 전에 실린더 온도 상승으로 인해 엔진 녹이 발생하지 않는 것을 확실하게 하기 위해 추가된다.
물/오일 분리기는 바람직하게, 엔진 오일로부터 물을 제거하기 위해 물 분사 시스템 내에 포함된다. 엔진 작동 동안에, 엔진의 연소된 가스는 피스톤 링 내의 갭과 피스톤 링 틈새로 인해 엔진 오일과 혼합되어, 물이 엔진 오일과 혼합될 가능성을 발생시킨다.
몇몇 바람직한 실시예의 다른 중요한 특징에 따라, 엔진 배기는 또한 에너지를 발생시키고, 응축열 교환기 및/또는 터보 발전기를 설치함으로써 분사된 물의 대부분을 회수하기 위해 사용될 수 있다. 열교환기는, 약간 산성의 배기 가스로부터의 부식에 견디기 위해 내산성 금속 또는 테플론 코팅된 금속으로 이루어질 수 있다. 가변 위상 터빈 또는 R245fa(1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판)을 가진 트라이래터럴(trilateral) 사이클을 사용하는 유기 랭킨 터빈 및 응축기는, 재사용을 위해 응축열 교환기 및 응축수로부터 에너지를 추출하기 위해 사용될 수 있다. 대기 공기는, 열교환기 내의 유기 터빈의 작동 유체를 위한 적절한 온도 상태를 제공하기 위해 엔진 배기 가스에 혼합될 수 있다.
본 발명은, 운반 및 파워 발생을 포함하여 넓은 범위의 기술적 응용에 사용될 수 있고, 통상적으로 현재까지 가능하였던 것보다 파워 및 효율을 증가시킬 것이다. 기관차 및 선박에 사용하기 위해, 배기 가스로 작동되는 터보 발전기는 추가적 파워를 제공할 수 있으며, 필요한 분사 물은 기관차에 의해 운반될 수 있거나, 역삼투에 의해 선박 상에서 생성될 수 있다. 매립 가스(LFG) 및 높은 물 함량을 가진 다른 생물 연료에 대해, 연료 내의 물은 연소실 내로 직접 분사될 때 유사한 질량 강화 기능을 수행하여, 필터링되어 제거되어야 할 오염이 아니라, 단순히 물 분사 컨트롤러에 대한 입력으로서 측정 및 제공된다.
본 발명의 더욱 완전한 이해를 위해, 이제 몇 가지 대표적이고 현재 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조한다.
도 1은, 본 발명에 따른 물 분사를 사용하는 16-기통 엔진의 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시예에 따른 불꽃 점화 엔진에 사용하기 위한 불꽃 점화 점화기-분사기("피로하이드로미터(pyrohydrometer)") 디바이스의 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 불꽃 점화 엔진에 사용하기 위한 디젤 점화(마이크로 파일럿) 피로하이드로미터 디바이스의 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 수소 또는 브라운 가스(Brown's gas)용 분사기를 역시 포함하는 불꽃 점화 엔진에 사용하기 위한 피로하이드로미터의 개략도이다.
도 5는, 점화기-분사기 노즐을 포함하는 도 2의 피로하이드로미터의 플러그 단부의 확대도이다.
도 6은, 도 2의 점화기-분사기 노즐용 제트 구멍의 제1 배치를 도시한다.
도 7은, 도 2의 점화기-분사기 노즐용 제트 구멍의 다른 배치를 도시한다.
도 8은, 도 1에 도시된 바와 같지만, 액화 천연가스(LNG)에 사용하기 위해 수정된 16-기통 엔진의 개략도이다.
도 9는, 도 8에 도시된 바와 같지만, 압축 천연가스(CNG)에 사용하기 위해 수정된 16-기통 엔진의 개략도이다.
도 10은, 물 분사를 가진 디젤 분사기("디젤 하이드로미터(diesel hydrometer)")를 도시한다.
도 11은, CNC 또는 LNG 분사를 가진 디젤 하이드로미터를 도시한다.
도 12는 여러 가지 실시예를 평가하기 위한 열역학 모델을 도시한다.
용이하게 읽을 수 있게 하기 위해, 다음의 설명은 대체로 비연료 유체로서 물을 사용하는 것을 참조할 것이지만, 다른 비연료 유체도 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 첨가되는 질량으로서 연소실 내로 분사될 비연료 유체로서 물이 명백한 선택이지만, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 암모니아와 같은 불활성 가스, 및 산화된 물 조합을 포함하여 다른 적절한 유체도 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 개선된 사항을 포함하는 16-기통 엔진(10)이 도시되어 있다. 공기 센서(12)는 주위 공기의 온도, 압력 및 상대 습도를 제공한다. 이러한 대기 데이터와 인입 엔진 공기의 현재 질량 유량으로부터, 엔진에 들어오는 공기의 밀도 및 임의의 주어진 엔진 디자인 구성 내의 공기 질량이 판정될 수 있다.
프로세스된 물(첨가제가 있거나 없음)은 고압 조절된 펌프(14)에 공급된다. 펌프는, 엔진(10)의 각각의 실린더(16)에 고압 물을 공급한다. 물은 먼저, 물의 온도를 상승시키는 배기열 교환기(18)를 통과한다. 물은 녹(knock)을 방지하기 위해 엔진의 압축 사이클 및 파워를 증가시키고 사이클 효율을 향상시키기 위해 엔진의 팽창 사이클에 사용된다. 초기 압축 사이클 동안에, 물은 (a) 실린더 내로 직접 분사되거나, (b) 터보 차저의 컴프레서 배기 내로 분사되거나, (c) 흡기 밸브 내로 분사되거나, (d) 상술한 것의 임의의 조합 내로 분사될 수 있다.
각각의 실린더(16)에 녹 센서(20), 온도 센서(22), 압력 센서(24)(도 2에 도시됨)가 구비된다. 압력 센서는, 게이지 압력보다 ISO 상태에 기초하여 압력을 판독하도록 보정된다. 교정된 ISO 데이터는, 공기 센서(12)로부터의 압력, 온도 및 습도 입력(및/또는 인입 공기 스트림 내에 있는 질량 유량 센서로부터 도출되는 균등 데이터)들을 사용하여 계산되고, 또한 연료 내에 포함되는 임의의 물 또는 물 첨가제에 기인할 수 있는 추가 질량을 고려한다.
추가적으로 도 2 내지 도 4를 참조하면, 불꽃 점화 엔진에 대해, 각각의 실린더(16)에, 엔진의 종래 불꽃 플러그 스크루 패턴 내에 장착될 수 있는 점화기-분사기 제어 디바이스가 장착된다. 점화기-분사기 제어 디바이스는 바람직하게, 각각의 실린더(16) 내의 점화 패턴 및 타이밍, 각각의 실린더(16) 내의 물 스프레이 패턴 및 그 타이밍을 제어하며, 연소 압력 센서(24)에 의해 각각의 사이클 내의 압력을 모니터링하는 피로하이드로미터(26)의 형태이다. 물은 고압 물 공급기로부터 물 라인(25)으로 공급된다. 각각의 피로하이드로미터는, 제조자의 ISO 정격 상태를 초과하지 않는 것을 확실하게 하기 위해 압력 센서(24)를 포함한다. 연소 압력 센서(24)는 전기 라인(28)을 거쳐 마스터 컨트롤러(30)에 연결된다. 압력 센서 출력은 상대 게이지 압력보다 절대 ISO 압력으로서 전달된다(또는 마스터 컨트롤러(30)에 의해 변환된다). 물의 양 및 타이밍은, 측정된 변수를 ISO 상태와 관련시킴으로써, 대기 공기 상태와 무관하게, 엔진의 ISO 정격에 매칭시키기 위해, 물 제어 솔레노이드(32)를 통해 마스터 컨트롤러(30)에 의해 제어된다.
오일 정화 시스템(42)은 오일 시스템 내에 임의의 갇힌 물을 제거하도록 디자인된다. 다음에는 오일은 엔진 윤활을 위해 크랭크케이스로 복귀된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 불꽃 점화 엔진에 대해, 연소된 가스의 고에너지 플레임(36)(또한 도 5 참조)을 연소 가스 통로(38)를 통해 예비 연소실(34)로부터 연소실로 향하게 하는 피로하이드로미터(26) 디자인은, 예비 연소실(34) 내에 삽입되는 점화 플러그(27)를 포함한다. 희박 혼합물의 연소를 가능하게 하기 위해 고에너지 플레임(36)을 연소실(도시되지 않음)로 도입하는 것이 가능하게 될 것이다. 예비 연소실(34)은 그 플러그 단부에서, 각각의 피스톤 및 헤드 형상에 매칭되도록 맞추어질 수 있고 점화기-제트 패턴과 상호적일 수 있는 물 스프레이 패턴을 제공하기 위해, 예비 연소실(34) 내로 연장되는 통로(38) 및 물 라인(25)과 밀봉 유체 연통되는 물 제트(40)를 구비하는 나사산이 형성된 분사기 노즐(35)로 종료된다. 예를 들면, 도 5에서 가장 잘 알 수 있듯이, 물 분사 제트(40)를 정의하는 나사산이 형성된 노즐(35)의 개별 구멍은, 인입 연소 가스와의 더욱 양호한 혼합을 촉진하기 위해 물에 와류를 주도록, 원주방향으로 경사각을 가지고 경사 천공될 수 있다. 주어진 엔진 구성에 대해 적절한 분사 각도는, 여러 가지 시리즈의 각도 천공 구멍을 각각 가진 여러 가지 테스트 노즐을 순차적으로 설치하고 가장 양호한 성능을 제공하는 노즐 천공 구멍을 선택함으로써, 실험적으로 용이하게 판정될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 디젤 연료를 사용하는 마이크로 파일럿 점화 기관용 피로하이드로미터(26a) 디자인은 도 2에 도시된 것과 유사하지만, 디젤 분사기(39)가 예비 연소실(34) 내로 삽입된다. 피로하이드로미터(26a)의 플러그 단부(35)에 엔진의 점화 디바이스 스크루 패턴(또는 다른 적절한 커넥터)이 장착된다.
도 4를 참조하면, 도 2의 것과 유사한 불꽃 점화 기관에 사용하기 위한 피로하이드로미터(26)가 제공되지만, 피로하이드로미터(26)는 또한 수소 또는 브라운의 가스(2원자 및 단원자 수소 및 산소의 안정된 화학량론적 "혼합물")를 위한 분사기(41)를 포함한다. 브라운 가스는, 통로(38)를 통해 예비 연소실(34)로 인입되는 가스상 연료에 추가되거나 가스상 연료를 대치할 수 있다. 브라운 가스가 도시된 바와 같이 피로하이드로미터(26b) 내로 공급될 때, 연소실로 인입되는 플레임(36)의 에너지는, 낮은 칼로리의 혼합물이 연소될 수 있게 하도록, 매우 높은 에너지를 가져야 한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 2개의 다른 피로하이드로미터 노즐 디자인(35a, 35b)은, 2개의 다른 패턴의 물 스프레이 테스트 패턴을 발생시킬 수 있는 각각의 내부 연결 영역(37a, 37b)을 가진다. 도 6에 도시된 패턴(35a)에서, 더 큰 가스상 연료 통로(38a)는 영역(37a) 내의 여러 개의 점 및 방향으로 천공될 수 있고, 작은 물 제트(40a)는 고정되며, 다른 패턴(35b)에서는, 연료 통로(38b)는 고정되고, 제트(40b)가 영역(37b) 내에서 천공될 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 1에 도시된 것과 유사한 16-기통 엔진(10a)은, LNG의 공급기(42)로부터 LNG 펌프(44) 및 드라이브(46)로 공급되고 LNG 연료 라인(48)을 통해 엔진의 실린더로 공급되는 액화 천연 가스를 사용하기 위해 수정되었다.
도 9를 참조하면, 도 8의 16-기통 엔진(10b)은, LNG의 공급기(43)로부터 LNG 펌프(44) 및 드라이브(46)로 공급되고, 기화기(47)를 통하며, 다음에는 CNG 연료 라인(50)을 통해 엔진의 실린더로 공급되는 압축 천연 가스(CNG)를 사용하기 위해 수정되었다. 다른 실시예(도시되지 않음)에서, CNG는 외부에서 생성되고, 가압 탱크 내에 저장 및 운반될 수 있으며, 그러한 경우에는 CNG는 제어 밸브로부터 점(47)에 직접 공급될 수 있다.
도 10은, 디젤 엔진용 디젤 하이드로미터를 도시하고 있다. 그 목적은 디젤 엔진에서 디젤 분사기를 대치하는 것이고, 디젤 하이드로미터는 디젤 입구(52) 및 물 입구(54)를 포함한다. 도 10의 분사기는, 연료를 종래의 디젤 스프레이 원뿔(53)에서 엔진에 공급하는 것에 더하여, 디젤 스프레이 원뿔(53)을 둘러싸는 동심 스프레이 패턴(56)으로 물을 도입하여, 분사된 물은 분사된 디젤 연료를 둘러싼다. 물의 양은, 엔진 성능을 ISO 상태로 되게 하고 사용된 디젤 연료의 양을 이송시키기 위해 컨트롤러에 의해 제어된다.
도 11의 디젤 하이드로미터는 도 10의 것과 유사하지만, 무거운 디젤 연료의 일부 또는 전부를 대치하는 대치 연료로서 제3 입구(58)로부터 CNG 또는 LNG를 추가로 사용할 수 있다. 동심 디젤 및 물 스프레이 원뿔(53, 56)에 더하여, 디젤 하이드로미터는 또한 그 대체 연료를 연소실 내로 도입하기 위해 CNG 또는 LNG 제트의 대응 링에 의해 형성되는 외부 동심 스프레이 원뿔(60)을 제공한다. 따라서, 도 11은 3개의 스프레이 패턴을 가지며, 도 10은 2개의 스프레이 패턴을 가진다. 두 가지 경우 모두에서, 제트는, 도 6 및 도 7에 도시된 피로하이드로미터 노즐 디자인과 유사하게, 특정 연소실 형상에 대해 최적 세트의 스프레이 패턴을 형성하도록 재위치될 수 있다.
표 1 내지 표 4는, 표준 ISO 3046/1 상태에서의 최대 파워에서 및 비-ISO 상태에서의 96.7%의 정격 감소된 발전기 효율에서, 데이터 시트 효율 정격에 의한 보정이 가정되었고, 일정한 터보차저 컴프레서 및 익스팬더 효율이 가정된 후에, 본 발명의 여러 가지 실시예에 따라 수정되고 작동된 통상적 왕복기관(이 경우에, CAT G3516C)의 전산화 열역학 모델로부터 얻어진 수치 결과를 도시하고 있다. 또한, ISO에서의 필요한 터보차저 압축비를 계산하기 위해, 연소 유입 공기 유량, 실린더 형상 및 압축비가 사용되었다(컴프레서 맵의 부족으로 인해, 터보차저 압축비는 모델에서 일정하게 유지되었음). 구성된 모델은, 높이(0 내지 12,000 ft), 온도(50 내지 130℉), 및 습도(0% 내지 100%)에 걸쳐 맵핑되었다. 디자인 상태 외의 성능이 판정되고 도표화되었다. 데이터 시트를 사용하여, 열역학 모델이 보정되었다(터보차저, 압축, 및 팽창의 효율에 대해).
표 1의 데이터는, 상사점에서 모델에 물 분사를 첨가하고, 다음에는 결과로서의 계산된 플레임 온도를 물 분사가 없는 경우의 ISO 기준 모델의 플레임 온도(이것은 연료 유량을 변화시킴으로써 얻어졌다)에 매칭함으로써 생성되었다. 물의 양은, 얻어질 수 있는 파워 증가를 결정하였고, 이러한 프로세스는, 파워 및 플레임 온도가 ISO 상태에 도달할 때까지 반복되었다. 특히, 표 1로부터, 최대 정격 출력을 유지하기 위해 필요한 분사 물의 양은 높은 높이(낮은 압력)에서 증가되어, 약 100℉(38℃)에서 현저한 피크를 보인다는 것을 알 수 있다. 표 1은 60% 상대 습도를 가정하며, 실제 습도를 고려하고 연료 내에 이미 존재하는 물을 고려하기 위해, 주어진 주위 대기 온도 및 압력에 대해 필요한 분사 물 유량이 조절될 수 있도록, 다른 주위 습도에 대해 동일한 절차가 반복될 수 있다.
더욱 많은 변수에 의한 그러한 열역학 모델의 더욱 정교한 버전(표 2)이, 본 발명의 다른 실시예의 이점을 포함하도록 강화되었다(표 3). 특히, 파워만이 아니라 효율도 증가시키기 위해, 압축/압축 해제 사이클 동안에 2개의 다른 온도에서 2개의 다른 시간에 여러 가지 양의 물이 분사되었다. 연료 점화 전에 상대적으로 낮은 온도(100℉)에서 소량의 물을 분사함으로써, 압축비를 11.3으로부터 14로 증가시킬 수 있었는데, 그것은 연속실 내의 온도가 그에 따라 감소되기 때문이다. 증가된 압축비로부터 발생하는 증가된 파워 및 효율에 더하여, 물 분사는 손실을 반감시키는 점에서도 이점을 가진다. 피크 온도를 감소시킴으로써, 해리가 감소되어, 연소 효율이 향상되고, 재킷 워터 및 열 방사로 인한 손실도 낮아진다. 그러한 효율 향상을 위한 최적 분사점은, 행정 동안에 물 분사가 없는 상태에서 압축 전에 있다는 것이 알려졌다. 이것은 애프터쿨러 뒤에서 표준 유입 분무충만에 의해 달성될 수 있다.
또한, 모델에 대해 다른 수정을 사용한 추가적 계산은, 파워를 강화하기 위해 물을 분사하기 위한 최적 시간은 상사점에 있지 않았는데(표 1에 대해 가정된 바와 같음), 그것은 물이 연소 가스와 혼합되었을 때 명백히 기화되어, 그렇지 않았으면 발생될 팽창을 억제하고, 압축 챔버 내의 압력 및 온도를 즉각적으로 강하시키며, 팽창 성능을 감소시키기 때문이라는 것을 제시하였다. 그러나, 파워 강화 물 분사가 후에 일어나면, 바람직하게 가스가 4의 계수로 팽창되면, 어떠한 억제 효과도, 엔진 내의 감소된 열 손실 및 물의 팽창에 기인할 수 있는 효율 및 파워에 대한 향상에 의해 상쇄된다. 또한, 팽창 스테이지 동안에 후에 발생하는 분사에 대한 가압수가 먼저 엔진 배기를 사용하여 실질적으로 더 높은 온도(바람직하게 약 650℉)로 예열되고, 높은 온도의 물이 금속 표면을 냉각시키고 기화되기 위해 피스톤 헤드 및 벽에 분출되면, 표 3(ISO 상태) 및 표 4(감소된 대기압 및 상승된 온도)에 반영된 바와 같이, 전체 효율이 더욱 증가된다.
본 발명은 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당업자는, 본 발명의 원리 및 범위를 이탈함이 없이 수정 및 변경이 사용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 따라서, 그러한 수정은 첨부된 청구항의 범위 내에서 실시될 수 있다.
표 1
Figure pct00001
표 2
Figure pct00002
표 3
Figure pct00003
표 4
Figure pct00004

Claims (20)

  1. 압축/팽창 사이클 동안에 물 또는 다른 불연성 유체가 엔진의 실린더 내로 분사되는 내연기관의 파워 및 효율을 강화하기 위한 방법에 있어서,
    현재의 대기 상태의 임의의 변화를 모니터링하는 단계,
    엔진이 현재의 대기 상태에서 ISO 상태에서의 정격 용량을 발생시킬 수 있게 하기 위해 필요한 분사된 유체의 양을 판정하는 단계,
    연료원의 물의 함량의 임의의 변화에 따라 분사된 유체의 양을 교정하는 단계,
    상기 엔진 내로 분사되는 유체의 적어도 일부를 예열하기 위해 배기열 교환기를 사용하는 단계, 및
    압축 행정 동안의 연소를 제어하기 위한 제1 분사의 유체를, 팽창 행정 동안의 더 높은 온도의 제2 분사의 유체로 보충하는 단계
    를 포함하는, 내연기관의 파워 및 효율을 강화하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    희박 엔진 혼합물을 점화시킬 수 있는 고에너지 점화 시스템을 합체하는 하이드로미터를 제공하는 단계,
    상기 엔진의 배기로부터 물을 회수하기 위해 2차 응축열 교환기를 사용하는 단계,
    절대 (ISO) 내압을 얻는 단계,
    다른 엔진 연소실 형상과 상보적이 되도록 하나의 특정 연소실 형상을 위해 디자인되는 하이드로미터로부터 출력되는 플레임 패턴을 수정하는 단계,
    다른 엔진 디자인과 상보적이 되도록 하나의 특정 엔진 디자인을 위해 디자인되는 하이드로미터로부터 출력되는 스프레이 패턴을 수정하는 단계, 및
    엔진 오일로부터 물을 제거하기 위해 오일/물 분리기를 제공하는 단계
    중 하나 이상의 추가적 단계를 더 포함하는,
    내연기관의 파워 및 효율을 강화하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은, 특정 형상을 가지는 연소실, 및 상기 형상을 위해 맞추어진 특정 플레임 패턴을 출력하는 하이드로미터를 가진 오토 사이클 엔진인, 내연기관의 파워 및 효율을 강화하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은, 특정 형상을 가지는 연소실, 및 상기 형상을 위해 맞추어진 물 및 연료의 보충적 스프레이 패턴을 출력하는 디젤 하이드로미터를 가진 디젤 사이클 엔진인, 내연기관의 파워 및 효율을 강화하기 위한 방법.
  5. 연소실 내로 연장되어 있으며 제어된 양의 물 또는 다른 비연료 유체가 상기 연소실 내로 분사되게 하는 노즐 배열을 가진 분사기를 가진 내연기관에 있어서,
    상기 연소실에 상기 분사기를 장착하기 위한 플러그 단부 수단, 및
    소정 공간 스프레이 패턴으로 상기 비연료 유체를 상기 연소실 내로 향하게 하기 위한 제트 수단
    을 포함하는, 내연기관.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연소실 내로 소정 플레임 패턴을 제공하기 위해 상기 분사기와 일체로 형성된 점화 예비 챔버를 더 포함하는, 내연기관.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제트 수단의 대응 스프레이 패턴을 보충하는 소정 스프레이 패턴에 의해 디젤 연료를 상기 연소실 내로 분사하기 위한 제2 세트의 제트를 더 포함하는, 내연기관.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 비연료 유체가 상기 연소실 내로 분사되기 전에 상기 비연료 유체를 압축 및 예열하기 위한 공급 수단을 더 포함하는, 내연기관.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 온도를 가진 제1 양의 상기 유체가 압축 행정 동안에 제1 시간 구간 동안에 분사되고, 제2 온도를 가진 제2 양의 상기 유체가 팽창 행정 동안에 후속 제2 시간 구간 동안에 분사되게 하기 위해, 상기 분사기 및 상기 공급 수단에 작동 가능하게 결합된 제어 시스템을 더 포함하는, 내연기관.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 온도는 화씨 650도 이상이고,
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 훨씬 낮은,
    내연기관.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 시간 구간은 연소 전이고,
    상기 제2 시간 구간은 4의 계수로 팽창 후인,
    내연기관.
  12. 각각의 연소실 내로 연장되어 있으며 제어된 양의 물 또는 다른 비연료 유체가 상기 연소실 내로 분사되게 하는 각각의 노즐 배열을 가진 분사기를 각각 구비한 복수의 실린더를 가진 내연기관에 있어서,
    각각의 상기 연소실의 온도 및 연소 압력을 판정하기 위한 수단,
    대기의 온도, 압력 및 습도를 판정하기 위한 수단, 및
    상기 연소실 내로 분사될 물의 양을 제어하기 위해, 판정된 상기 대기의 온도, 압력 및 습도를 사용하는 컨트롤러
    를 포함하는, 내연기관.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 엔진의 상기 연소실의 압력을 판정하기 위한 상기 수단은, 절대 ISO 엔진 압력을 판정할 수 있는, 내연기관.
  14. 제12항에 있어서,
    연료의 물 함량을 판정하기 위한 수단을 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 양을 계산할 때 상기 물 함량을 고려하는,
    내연기관.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 엔진이 대기 상태와 무관하게 ISO 상태에서 상기 엔진의 정격 용량을 발생시킬 수 있도록, 물 분사기에 의해 첨가되는 물의 양을 조절하기 위한 수단을 더 포함하는, 내연기관.
  16. 제12항에 있어서,
    엔진 오일로부터 물을 제거하기 위해 오일/물 분리기를 더 포함하는, 내연기관.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 엔진에 분사되는 물을 예열하기 위해 배기열 교환기를 더 포함하는, 내연기관.
  18. 소정량의 물 또는 다른 비연료 유체가 분사되는 복수의 연소실을 가진 불꽃 점화 또는 압축 점화 형태의 내연기관을 작동시키는 방법에 있어서,
    각각의 상기 연소실의 온도 및 연소 압력을 판정하는 단계,
    대기의 온도, 압력 및 습도를 판정하는 단계, 및
    상기 연소실 내로 분사될 물을 제어하기 위해, 판정된 상기 대기의 온도, 압력 및 습도를 사용하는 단계
    를 포함하는, 내연기관을 작동시키는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 엔진의 상기 연소실의 압력을 판정하는 상기 단계는, 절대 ISO 엔진 압력을 측정하는 단계를 포함하는, 내연기관을 작동시키는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 엔진에 사용되는 연료의 물 함량을 판정하는 단계, 및
    대기 상태로 인한 공기 밀도 및 연료 내의 상기 물 함량의 변화에 기초하여, 분사되는 물의 양을 제어하는 단계
    를 더 포함하는,
    내연기관을 작동시키는 방법.
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