KR20130104922A

KR20130104922A - 혼소엔진 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20130104922A
Application number: KR1020120026883A
Authority: KR
Inventors: 공영규
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-25

Abstract

본 발명은 혼소엔진 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 연소실을 형성하는 실린더, 상기 실린더 내를 왕복하는 피스톤, 상기 실린더 내 피스톤의 하사점 부근에 설치되며, 가스연료를 실린더 내로 직접분사하도록 구비되는 가스연료노즐, 상기 연소실 내로 점화용 연료를 분사하는 파일럿 노즐을 포함하여 이루어지는 혼소엔진이 제공된다.

Description

혼소엔진 및 그 제어방법{Dual-Fuel Engine and Controlling Method for the same}

본 발명은 혼소엔진에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 열효율이 보다 향상되며 린번 연소효과를 보다 상승시킬 수 있는 혼소엔진 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 디젤 엔진은 가솔린엔진에 비하여 토크와 열효율이 높아 대형트럭 및 선박의 추진 동력원으로써 널리 사용되고 있다.

또한, 최근에는 배기가스의 유동에너지로서 흡입공기를 압축하여 기관내에 과급하는 과급기를 장착, 흡입 공기 유량을 극대화하여 엔진의 효율 향상을 꾀함과 동시에, 압축비를 올리거나 연료의 분사 시기를 늦추어 희박한 환경에서도 연소가 잘 일어나게 함으로써 질소산화물(NOx)를 저감시키는 기술도 꾸준히 개발되고 있다.

한편, 최근에는 상기와 같은 디젤 엔진의 연료로서 LNG등의 천연가스를 혼용하여 경제성을 향상시킴과 동시에 친환경성을 향상시키는 혼소엔진이 개발되고 있다.

상기 혼소엔진은 엔진의 실린더 내부에 가스연료를 분사한 뒤 압축하고, 압축이 임계점에 이르렀을 때 디젤 등의 점화용 연료(Pilot fuel)를 피스톤의 상사점 부근에서 소량 분사하여 가스연료와 함께 점화하여 폭발시킴으로써 엔진을 구동하는 방식이다.

도 1은 종래의 혼소엔진을 예시하는 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 혼소엔진은 실린더(12)와 피스톤(14)으로 이루어져 연소실을 형성하는 엔진(10)과, 상기 엔진(10)의 실린더로 흡입되는 공기가 유동되는 흡기 통로(22), 상기 엔진의 실린더로부터 배기되는 공기가 유동하는 배기 통로(24), LNG나 석유가스 등의 가스연료를 저장하는 가스저장탱크(42) 및 가스저장탱크(42)로부터 가스를 공급받아 이를 엔진의 각 실린더로 분배하는 가스연료 레일(44)과 상기 엔진(10)의 실린더(12) 내부로 가스연료를 공급하는 가스 인젝터(46) 및 디젤 연료를 저장하는 오일탱크(52)와 상기 오일탱크(52)로부터 디젤연료를 상기 엔진(10)의 실린더(12) 내부로 공급하는 디젤 인젝터(56) 등으로 이루어진다.

또한, 상기 실린더(12)의 흡기 통로(22)와 결합되는 부분에는 흡기 밸브(32)가 위치되고, 실린더(12)의 배기 통로(24)와 결합되는 부분에는 배기 밸브(34)가 구비된다. 그리고, 상기 디젤 인젝터(56)는 실린더의 상측부에 구비되며, 상기 가스 인젝터(46)는 상기 흡기 통로(22)내에 상기 흡기 밸브(32)의 전측에 위치된다.

상기와 같은 혼소엔진은 가스연료가 실린더 입구에서 외부공기와 혼합되어 그 혼합기가 흡기 밸브(32)를 통해 실린더(12)로 유입되도록 이루어진다.

그러나, 이러한 경우에는 실린더(12) 외부의 흡기통로(22)에서 혼합된 가스연료와 연소공기의 일부가 잔존하여 역화의 위험이 존재하며, 실린더(12) 외부에서 분사된 가스연료의 일부가 실린더(12)로 모두 흡입되지 않아 정밀한 제어가 어려운 단점이 있으며, 가스 연료의 경우 흡기 통로(22)내에서 분사되는 즉시 증발하므로 실린더 내에 공급되었을 때 비체적이 증가하게 되어 연료의 밀도가 떨어지게 될 수 있으며, 린번 연소에 필요한 스월이나 텀블을 형성하기 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 가스 인젝터(46)가 실린더의 상측부(헤드)에 구비되는 안이 제시되고 있으나, 이는 흡기 밸브(32)와 배기 밸브(34) 및 디젤 인젝터(56) 등으로 공간이 협소하며 구조가 비좁은 실린더 상측부(헤드)의 구조적 복잡성 및 설계의 어려움을 가중시키며, 가스 인젝터(46)가 피스톤의 최대 압축시에 연료를 분사하여야 하여 그 분사압력이 200바아(bar)이상이 되어야 하여 실현의 어려움이 있고, 폭발시 압력을 견뎌야 하므로 구조적 강성이 증대되어야 하여 비용이 상승하며 내구성에 문제가 발생할 소지가 있으며, 고압 분사로 인한 소음 및 진동 발생의 문제도 있다.

또한, 가스 인젝터(46)가 실린더 상측에 형성되므로, 희박연소(lean burn)의 조건인 혼합기의 성층화 및 균질화를 위한 스월(swirl)이나 텀블(tumble) 형성에 어려움이 있다.

일본공개특허 2004-068762 한국공개특허 2011-0023733

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 역화의 위험성이 없으며, 보다 정밀한 제어가 가능하고, 린번 연소에 필요한 스월형성을 보다 최적화 할 수 있는 혼소엔진 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 연소실을 형성하는 실린더, 상기 실린더 내를 왕복하는 피스톤, 상기 실린더 내 피스톤의 하사점 부근에 설치되며, 가스연료를 실린더 내로 직접분사하도록 구비되는 하나 이상의 가스연료노즐, 상기 연소실 내로 점화용 연료를 분사하는 파일럿 노즐을 포함하는 혼소엔진이 제공된다.

상기 가스연료노즐은 상기 피스톤이 상기 가스연료노즐보다 더 아래로 하강하였을 때 연료를 실린더 내측으로 분사할 수 있다.

상기 가스연료노즐은, 분사된 가스연료가 상기 실린더 내부에서 스월(Swirl)을 형성하도록 실린더 내주면의 접선방향으로 분사할 수 있다.

상기 가스연료노즐 중, 적어도 일부는 상기 실린더 내에 서로 대향된 방향으로 연료를 분사할 수 있다.

상기 파일럿 노즐은, 상기 가스연료와 공기가 혼합된 상태의 실린더 내부의 혼합기가 압축되었을 때 점화용 연료를 분사할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 피스톤이 하강하면서 실린더 내부로 외부공기를 흡입하는 흡입단계, 피스톤이 하사점 인근에 이르렀을 때, 가스연소노즐에서 실린더 내부로 가스연료를 분사하는 가스연료 분사단계, 피스톤이 상승하면서 실린더 내부의 가스연료와 공기의 혼합기를 압축하는 압축단계, 파일럿 노즐에서 압축된 혼합기에 점화용 연료를 분사하는 점화용연료 분사단계, 가스연료와 점화용연료 및 공기의 혼합기가 폭발하여 피스톤을 밀어내는 폭발단계, 피스톤이 상승하여 연소된 가스를 실린더 외부로 밀어내는 배기단계를 포함하여 이루어지는 혼소엔진 제어방법이 개시된다.

본 발명의 혼소엔진 및 그 제어방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 가스연료가 실린더 내로 직접 분사되므로, 역화현상의 발생우려가 없어지는 효과가 있다.

둘째, 액체상태의 가스연료가 실린더 내로 직접 분사되므로, 분사 량을 보다 정밀하게 조절할 수 있으며, 연료의 비체적이 향상되고, 액체 상태의 연료가 실린더 내에서 기화되면서 실린더 내부를 냉각 시킬 수 있어 조기착화현상을 방지할 수 있으므로, 출력 및 열효율과 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.

셋째, 가스연료노즐이 피스톤의 하사점 부근에 구비되므로, 실린더 헤드의 구조적 복잡성을 회피할 수 있어 설계의 자유도 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 가스연료노즐에 압력이 작용될 때는 피스톤이 하사점으로 내려갔을 때 이므로 가스연료노즐이 직접적으로 영향받는 압력이 낮게 되므로 가스연료노즐의 내구성이 향상될 수 있으며, 그와 더불어 각종 카본 등의 이물질의 영향도 적게 받아 내구성이 더욱 향상될 수 있다.

넷째, 피스톤이 하사점으로 하강되었을 때 가스연료노즐에서 연료의 분사가 이루어지므로 대략 10바아(bar) 정도의 비교적 저압으로 연료를 분사하는 것이 가능하여 관련부품의 구성에 비용이 적게 소요될 수 있으며, 내구성이 향상되며 진동 및 소음이 줄어들 수 있다.

다섯째, 피스톤이 실린더 상측부(헤드)가 아닌 실린더 측면에 구비되므로, 실린더 내주면의 접선방향으로 가스연료를 분사하는 것이 가능하고, 그에 따라 분사된 가스연료가 실린더 내주면에서 스월을 일으킬 수 있어 희박연소(lean burn)을 보다 효과적으로 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 혼소엔진을 개략적으로 도시한 도면;
도 2는 도 1의 실린더 부분을 확대하여 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼소엔진을 개략적으로 도시한 도면;
도 4는 도 3의 실린더 내부의 일 형태를 도시한 횡단면도;
도 5는 도 3의 실린더 내부의 다른 형태를 도시한 횡단면도;
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼소엔진의 제어방법을 도시한 순서도;
도 7은 도 3의 혼소엔진이 흡기할 때의 모습을 도시한 단면도;
도 8은 도 3의 혼소엔진이 가스연료를 분사할 때의 모습을 도시한 단면도;
도 9는 도 3의 혼소엔진이 압축할 때의 모습을 도시한 단면도;
도 10은 도 3의 혼소엔진이 점화용 연료를 분사할 때의 모습을 도시한 단면도;
도 11은 도 3의 혼소엔진이 폭발할 때의 모습을 도시한 단면도;
도 12는 도 3의 혼소엔진이 배기할 때의 모습을 도시한 단면도 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 따른 혼소엔진(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 실린더(112)와 피스톤(114) 및 커넥팅 로드(116)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 실린더(112)는 일정체적을 형성하는 원통형의 내부공간을 형성하며, 상기 피스톤(114)은 상기 실린더(112)의 내주면 상하방향으로 왕복하도록 구비되고 상기 실린더(112)와의 사이에 연소실을 형성한다. 그리고, 상기 커넥팅 로드(116)는 상기 피스톤(114)의 왕복운동을 회전운동을 변환시킨다.

그리고, 외부의 공기를 상기 실린더(112) 내 연소실로 안내하는 흡기통로(122) 및 연소실 내 공기를 외부로 안내하는 배기통로(124)가 구비된다. 상기 흡기통로(122)와 배기통로(124)는 실린더(112)의 상측부(실린더 헤드)에 결합되고, 상기 흡기통로(122)가 실린더(112)와 결합된 부분에는 흡기통로(122)를 단속적으로 개폐하는 흡기밸브(132)가 구비되고, 상기 배기통로(124)가 실린더(112)와 결합된 부분에는 배기통로(124)를 단속적으로 개폐하는 배기밸브(134)가 구비된다.

한편, 통상적으로 엔진에는 상기와 같이 실린더(112)와 피스톤(114)이 복수셋트(예를 들어 4~12셋트) 구비되며, 그에 따른 여러 구성품들도 실린더(112)와 피스톤(114)의 개수만큼 복수개 구비되나 본 실시예의 설명에서는 설명의 편의를 위해 하나의 셋트만을 설명하기로 한다.

또한, 도면에 도시되지는 않았지만, LNG등의 가스연료를 저장하는 가스저장탱크 및 디젤 등의 점화용 연료를 저장하는 오일탱크와 각 연료의 분사시기 및 흡기밸브와 배기밸브의 개폐시기 및 개폐량을 조절하는 ECU등이 구비될 수 있다. 또한, 배기가스의 배기압으로 흡입되는 공기를 압축하여 과급하는 과급기도 설치될 수 있다.

그리고, 상기 실린더(112)의 상측부(실린더 헤드)에는 실린더(112) 내로 점화용 연료를 분사하는 파일럿 노즐(156)이 구비된다. 상기 파일럿 노즐(156)에서는 예를 들어 디젤(Disel) 등의 점화용 연료(D)를 분사하도록 이루어질 수 있다. 상기 점화용 연료(D)는 실린더(112) 내의 혼합기가 압축된 상태에 있을 때 실린더(112) 내로 분사되도록 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 실린더(112)의 측면에는 가스연료노즐(146)이 구비될 수 있다. 상기 가스연료노즐(146)은 가스연료(G)를 실린더 내에 분사하는 노즐로서, LNG나 기타 다른 가스를 분사하도록 구비될 수 있다. 분사되는 가스는 액체 또는 기체 등의 상태로 분사될 수 있다.

상기와 같은 가스연료노즐(146)은 실린더(112) 측면, 보다 상세하게는 피스톤(114)의 하사점 인근인 피스톤 하사점 바로 상측에 설치될 수 있다.

따라서, 상기 가스연료노즐(146)은 상기 피스톤(114)이 상기 가스연료노즐(146)보다 하측으로 하강하였을 때, 가스연료를 실린더 내로 분사하도록 구비된다. 즉, 상기 가스연료(G)는 피스톤(114)이 하사점 인근에 다다랐을 때, 상기 피스톤(114)이 상기 가스연료노즐(146)보다 하측으로 하강하였을 때 분사될 수 있다

한편, 일반적으로 압축착화기관인 디젤기관에서 피스톤(114)이 상사점에 이를 때에 연소실 내부는 200 바아(bar) 이상의 고압이 형성되며, 하사점에 이를 때에는 10바아(bar)이하로 압력이 하강한다. 즉, 피스톤(114)이 하사점에 이르렀을 때 실린더(112)내 압력이 최저가 되며, 그러한 때에 가스연료를 분사하므로 분사압력 또한 낮은 압력으로 분사하는 것이 가능하다.

상기 가스연료노즐(146)이 피스톤(114) 하사점 인근에 구비되므로 실린더(112)의 혼합기 압축시 발생하는 압력 및 폭발시 발생하는 압력과 화염에 직접적으로 영향을 받지 않아 내구성이 향상될 수 있다.

또한, 가스연료노즐(146)은 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 가스연료(G)를 실린더(112) 내주면의 접선방향으로 분사하여 분사된 가스연료(G)가 실린더(112) 내벽면을 따라 유동하여 실린더(112) 내부에서 소용돌이 형상의 스월(swirl)을 형성하도록 이루어질 수 있다.

상기와 같이 가스연료(G)가 실린더(112) 내부에서 스월을 일으키면 희박연소(lean burn)시 보다 안정적인 연소가 가능하여 희박연소의 구현이 보다 용이해질 수 있다.

상기와 같이 연소실 내 스월을 보다 용이하게 형성하기 위하여, 상기 가스연료노즐(146)은 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더(112) 내 서로 맞은편에 복수개가 상호 대향된 방향으로 가스연료를 분사하도록 구비될 수 있다. 상기와 같이 가스연료(G)를 실린더(112)내 서로 맞은편에 상호 대향된 방향으로 분사하면 가스연료(G)의 스월 형성을 보다 쉽게 구현할 수 있다.

또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 실린더(112) 내에서 복수개가 소정간격 이격되어 모두 같은 원주방향(시계방향 또는 반시계방향)으로 가스연료(G)를 분사하도록 구비될 수도 있다.

이하에서는 전술한 혼소엔진의 제어방법에 대해서 설명하고자 한다.

본 실시예에 따른 혼소엔진의 제어방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 흡입단계(S110)와, 가스연료 분사단계(S120), 압축단계(S130) 및 점화용 연료 분사단계(S140)와 폭발단계(S150) 및 배기단계(S160)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 흡입단계(S110)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 흡기밸브(132)가 개방되고, 피스톤(114)이 하강하면서 실린더(112) 내부로 외부공기(A)를 흡기통로(122)를 통해 흡입하는 단계이다. 이 때 흡입되는 공기(A)는 연료가 혼합되지 않은 순수한 공기이다.

상기 가스연료 분사단계(S120)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤(114)이 하사점 인근까지 하강하여 상기 가스연료노즐(146)보다 더 하측으로 하강하였을 때 상기 가스연료노즐(146)에서 실린더(112)의 연소실 내부로 가스연료(G)를 분사하는 단계이다. 상기 가스연료노즐(146)에서 분사되는 가스연료(G)는 액체 또는 기체의 유체상태로 분사될 수 있다.

이 때, 상기 가스연료노즐(146)에서 분사되는 가스연료(G)는 실린더(112) 내주면의 접선방향으로 분사되므로, 분사된 연료가 원통형의 실린더(112) 내벽면을 따라 돌면서 실린더(112) 내부에서 소용돌이 형상의 스월(Swirl)이 형성된다.

또한, 피스톤(114)이 하사점으로 내려가 실린더(112) 내 압력이 비교적 낮은 상태에서 가스연료(G)가 분사되므로 비교적 낮은 10바아(bar)이상의 분사압력으로도 분사할 수 있어 부품의 내구성 향상 및 소음저감 효과를 기대할 수 있다.

상기 압축단계(S130)는 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 흡기밸브(132)와 배기밸브(134)는 닫히고, 상기 피스톤(114)이 상승하여 연소실 내부의 가스연료(G)와 공기(A)의 혼합기를 압축하는 단계이다.

그리고, 상기 점화용 연료 분사단계(S140)는, 도 10에 도시된 바와 같이,상기 파일럿 노즐(156)에서 압축된 상태의 혼합기에 점화용 연료(D)를 분사하는 단계이다. 상기 점화용 연료(D)는 디젤 등이 사용될 수 있으며, 고압으로 압축된 혼합기에 점화용 연료(D)가 고압으로 분사되어 혼합기 내에 균일하게 분포될 수 있다.

상기 폭발단계(S150)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 공기(A)와 가스연료(G) 및 점화용 연료(D)가 혼합된 혼합기가 폭발하여 피스톤(114)을 밀어내는 단계이다. 일반적으로 디젤기관은 압축착화방식이며, 상기 압축단계(S130)에서 고압으로 압축되어 고온 상태의 혼합기에 상기 점화용 연료 분사단계(S140)에서 분사되어 혼합기 내에 균일하게 분포된 점화용 연료(D)가 착화되면서 그 화염이 가스연료(G)에도 전파되어 연소실 내에 균일연소를 이룰 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정된 것은 아니며, 도면에 도시되지는 않았지만 최초 폭발에너지를 공급하는 점화용 플러그(미도시)등이 구비될 수도 있다.

또한, 상기 배기단계(S160)는, 도 12에 도시된 바와 같이, 배기밸브(134)가 개방되고, 상기 피스톤(114)이 상승하여 폭발단계(S150)에서 연소된 가스(C)를 상기 배기통로(124)로 밀어내는 단계이다.

그리고, 상기 배기단계(S160) 후에는 전술한 흡입단계(S110)가 수행되어 사이클을 연속할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 혼소엔진 112: 실린더
114: 피스톤 116: 커넥팅 로드
122: 흡기통로 124: 배기통로
132: 흡기밸브 134: 배기밸브
146: 가스연료노즐 156: 파일럿 노즐
G: 가스연료 D: 점화용 연료
A: 공기
S110: 흡입단계 S120: 가스연료 분사단계:
S130: 압축단계 S140: 점화용 연료 분사단계
S150: 폭발단계 S160: 배기단계

Claims

연소실을 형성하는 실린더;
상기 실린더 내를 왕복하는 피스톤;
상기 실린더 내 피스톤의 하사점 부근에 설치되며, 가스연료를 실린더 내로 직접분사하도록 구비되는 가스연료노즐;
상기 연소실 내로 점화용 연료를 분사하는 파일럿 노즐;
을 포함하는 혼소엔진.
제1항에 있어서,
상기 가스연료노즐은,
상기 피스톤이 상기 가스연료노즐보다 더 아래로 하강하였을 때 연료를 실린더 내측으로 분사하는 혼소엔진.
제1항에 있어서,
상기 가스연료노즐은,
분사된 가스연료가 상기 실린더 내부에서 스월(Swirl)을 형성하도록 실린더 내주면의 접선방향으로 분사하는 혼소엔진.
제3항에 있어서,
상기 가스연료노즐이 복수개가 구비되는 경우,
상기 가스연료노즐 중 일부는 상기 실린더 내에 서로 대향된 방향으로 연료를 분사하는 혼소엔진.
제2항에 있어서,
상기 파일럿 노즐은,
상기 가스연료와 공기가 혼합된 상태의 실린더 내부의 혼합기가 압축되었을 때 점화용 연료를 분사하는 혼소엔진.
피스톤이 하강하면서 실린더 내부로 외부공기를 흡입하는 흡입단계;
피스톤이 하사점 인근에 이르렀을 때, 가스연료노즐에서 실린더 내부로 가스연료를 분사하는 가스연료 분사단계;
피스톤이 상승하면서 실린더 내부의 가스연료와 공기의 혼합기를 압축하는 압축단계;
파일럿 노즐에서 압축된 혼합기에 점화용 연료를 분사하는 점화용연료 분사단계;
가스연료와 점화용연료 및 공기의 혼합기가 폭발하여 피스톤을 밀어내는 폭발단계;
피스톤이 상승하여 연소된 가스를 실린더 외부로 밀어내는 배기단계;
를 포함하는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 혼소엔진 제어방법.