KR20140052884A - 내연기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1연소혼합물(BG1)의 연소를 위한 적어도 하나의 주연소실(1), 제2연소혼합물(BG2)의 연소를 위한 각 주연소실(1)의 적어도 하나의 예비연소실(2), 제1연소혼합물(BG1)을 공급하기 위하여 연료공급라인(4)과 공기공급라인(5)에 연결된 제1연료가스혼합기(24), 제2연소혼합물(BG2)을 공급하기 위하여 연료공급라인(4), 공기공급라인(5)과 합성가스공급라인(6)에 연결된 제2연료가스혼합기(25), 제1연료가스혼합기(24)와 주연소실(1)에 연결된 제1혼합라인(10)과, 제2연료가스혼합기(25)와 예비연소실(2)에 연결된 제2혼합라인(10')을 포함하고, 예비연소실(2)이 주연소실(1)측으로 향하는 적어도 하나의 통로(33)를 갖는 내연기관을 제공한다. 본 발명에 따라서, 제1연료가스혼합기(24)가 합성가스의 혼합을 위하여 합성가스공급라인(6)에 연결되고, 제1연료가스혼합기(24) 및/또는 제2연료가스혼합기(25)에 연결되어 제1연소혼합물(BG1) 및/또는 제2연소혼합물(BG2)에서 연료, 공기 및 합성가스의 혼합비율을 개방 또는 폐쇄루프형으로 제어하기 위한 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치(31)가 제공됨을 특징으로 한다. 본 발명은 이러한 내연기관의 작동방법을 제공한다.

Description

내연기관 {AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 제1항의 특징부의 특징을 갖는 내연기관과 이러한 내연기관의 작동방법에 관한 것이다.
특허문헌 EP 359 298 A2에는 주연소실과 예비연소실을 가지며 예비연소실에는 개질기(reformer)로부터 합성가스가 공급되는 내연기관을 기술하고 있다. 합성가스는 수소를 함유하고 있으므로 이에 의하여 내연기관의 점화특성이 개선된다.
특허문헌 WO 2008/150370 A1에는 배기가스 재순환기능을 갖는 내연기관이 기술되어 있는 바, 여기에서 배기가스는 합성가스를 얻기 위하여 개질기에서 연료와 함께 물질면에서 개질이 이루어진다. 이로써 내연기관의 배기가스의 원치 않는 방출을 감소시킬 수 있다.
상기 언급된 두 긍정적인 효과를 이용하는 것은 어려운 점이 있는 바, 연료가스에서 최적한 합성가스비율이 내연기관의 각 동작점에 따라 두 효과에 대하여 상이하기 때문이다. 아울러, 합성가스를 가스엔진에 이용하는 것은 가스조성(H2, CO, CH4, 3개 이상의 탄소원자를 갖는 탄화수소와 증기)과 엔진작동모드(파워출력, 차지,..)에 의존하는 자기점화와 가스조성에 의존하는 녹킹현상에 의하여 제한된다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 두 긍정적인 효과를 공동으로 최적하게 이용할 수 있도록 하고 특별한 제한을 부분적으로 또는 전체를 제거하는데 있다.
본 발명의 이러한 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 내연기관과 청구항 제8항의 특징을 갖는 방법에 의하여 달성된다.
이는 한편으로는 합성가스의 일부가 예비연소실에 공급될 수 있을 뿐만 아니라 주연소실에도 공급될 수 있도록 함으로서 달성되고, 다른 한편으로는 내연기관의 동작점에 따라서 주연소실과 예비연소실에 대한 연료가스조성이 독립된 두개의 연료가스혼합기에 의하여 각각 독립적으로 조절될 수 있도록 함으로서 달성된다.
내연기관의 최적한 동작점은 합성가스의 비율을 조절 또는 제어하여 얻을 수 있다. 이로써 한편으로는 합성가스의 증가된 비율로, 즉, 연료가스의 수소함량을 증가시켜 연소기술상의 엔진효율의 증가가 이루어질 수 있다. 다른 한편으로는 개질기에서의 손실이 크면 장치의 에너지효율이 높은 비율의 합성가스에 의하여 감소한다. 이러한 관계가 도 2에서 설명된다.
특허문헌 US 2004/0045514 A1에는 추가로 처리되는 반응생성물이 개질기로부터 주연소실과 예비연소실로 공급되고, 한편으로는 고옥탄가가 주연소실의 유체상 연료에 부여되어야 하는 반면에 다른 한편으로는 점화가 개선되어야 하는 내연기관을 기술하고 있다. 그러나, 혼합비의 개방 또는 폐쇄루프형 제어를 위한 수단이 구비되어 있지 않다.
본 발명의 다른 유리한 실시형태가 첨부된 청구범위에서 정의된다.
엔진의 상태에 관련하여 가능한 한 많은 정보를 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치에 제공하기 위하여, 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치에 연결된 연료공급라인 및/또는 공기공급라인 및/또는 배기가스라인 및/또는 증기공급라인 및/또는 합성가스공급라인에 체적유량측정장치가 제공될 수 있다. 또한 체적유량측정장치는 체적유량측정에 부가하여 제어밸브 및 폐쇄루프형 제어회로를 갖는 체적유량조절밸브의 형태일 수 있다.
요구된 혼합비율은 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치에서 계산될 수 있으며, 연료, 공기 및/또는 합성가스의 혼합비율은 요구된 혼합비율에 따라 내연기관의 제1연료가스혼합기와 내연기관의 제2연료가스혼합기에서 개방 또는 폐쇄루프형으로 제어될 수 있도록 하는 것이 좋다. 요구된 혼합비율은 각 동작점과 적용분야 및 엔진의 주연소실 및 예비연소실에 따라서 달라진다.
각 분야(고엔진 파워출력, 고엔진효율, 낮은 배출가스)에 대하여 한정된 연료가스조성의 적당한 조절은 사용된 연료 및 배출가스조건에 따라 최적한 모드의 엔진작동이 이루어질 수 있도록 한다. 이 점에 관하여 수소, 일산화탄소, 메탄과 고급탄화수소가 어떠한 농도한계내에 설정되는 경우에 유리하다.
예를 들어 오염물질 배출량이 가능한 한 최저가 되도록 가스엔진을 최적화하기 위하여, 주연소실에 대한 제1연소혼합물(요구된 연료가스조성)은 20%~30%의 수소와 5%~10%의 일산화탄소(모든 백분율은 체적%의 비율이다)를 포함할 수 있다.
제2예로서 메탄을 제외하고 고급탄화수소를 포함하는 연료로 작동되는 가스엔진이 언급되는 바, 이러한 가스엔진에서는 가능한 한 높은 엔진 파워출력을 얻을 수 있다. 이러한 경우에 있어서 제1연소혼합물의 요구된 연료가스조성은 35%~45%의 수소, 5%~10%의 일산화탄소와, 최대 5%의 고급탄화수소를 가질 수 있다.
개선된 점화특성을 위하여 그리고 가스엔진의 배기가스를 줄이기 위하여, 예비연소실을 위한 제2연소혼합물의 요구된 연료가스조성은 25%~40%의 수소, 5%~10%의 일산화탄소와, 20%~30%의 메탄을 함유할 수 있다.
개방 또는 폐쇄루프형 제어장치에 대하여 예측할 수 있는 합성가스의 조성을 얻을 수 있도록 개질기 전달함수는 요구된 혼합비율을 계산하기 위하여 사용될 수 있다. 이는 생성된 합성가스의 여러 성분의 농도가 개질기를 향하는 물질흐름의 체적유량과 개질기 전달함수로서 개질기의 입구 및 출구온도에 따라 계산되는 한에 있어서는 합성가스 성분의 여러 농도를 측정하는 복잡하고 비용이 많이 드는 작업을 피할 수 있다. 개질기 전달함수는 측정 또는 열역학 시뮬레이션에 의하여 발생될 수 있다.
예비연소실의 점화특성을 더욱 개선하기 위하여 제2혼합라인에 압축기가 배치되며, 이에 의하여 예비연소실에 높은 주입압력을 얻을 수 있다.
내연기관은 연료공급라인과 공기공급라인에 연결되는 합성가스생성을 위한 개질기를 가질 수 있다. 이러한 점에 대하여, 개질기는 물공급라인 및/또는 배기가스라인에 연결되는 것도 유리하다. 이러한 장치의 효율은 개질기로 배기가스를 재순환시킴으로서 증가된다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관을 보인 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 내연기관의 최적한 동작점을 설명하는 다이아그램.
도 1은 내연기관-개질기장치의 회로를 보인 것이다. 이 도면은 주연소실(1), 예비연소실(2)과 개질기(3)를 보이고 있다. 공기(L)가 공기공급라인(5)을 통하여 내연기관(30)으로 공급되고, 연료는 연료탱크(T)로부터 연료공급라인(4)을 통하여 내연기관에 공급되며, 합성가스(S)는 합성가스공급라인(6)을 통하여 내연기관에 공급된다. 제1연료가스혼합기(24)와 제2연료가스혼합기(25)가 각각 제1연소혼합물(BG1)과 제2연소혼합물(BG2)를 혼합한다. 제1연소혼합물(BG1)은 제1혼합물라인(10)을 통하여 주연소실(1)로 공급되고, 제2연소혼합물(BG2)은 제2혼합물라인(10')을 통하여 예비연소실(2)로 공급된다. 제2연소혼합물(BG2)이 예비연소실(2)에서 점화될 때, 점화화염이 통로(33)를 지나 주연소실(1)에서 제1연소혼합물(BG1)을 점화시킨다. 아울러 내연기관(30)은 제2혼합물라인(10')에 압축기(26)와 터보차저(turbocharger)(27)를 가질 수 있다. 내연기관(30)의 배기가스(A)는 배기라인(9)을 통하여 배출된다.
제1연료가스혼합기(24)와 제2연료가스혼합기(25)의 혼합비율은 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치(31)에서 결정되고, 이 제어장치(31)는 양측 연료가스혼합기에 연결된다. 모든 체적유량조절밸브(32)에 대한 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치(31)의 연결은 도면에 도시하기 어렵고 이해하는데 도움이 되지 않으므로 도시하지 않았다. 각 연료공급라인(4), 공기공급라인(5), 합성가스공급라인(6), 증기공급라인(8)과 배기가스라인(9)에 적어도 하나의 체적유량조절밸브(32)가 배치된다. 체적유량조절밸브(32)에서 조절되는 체적유량과 선택적으로 개질기 전달함수에 의하여 제어장치(31)는 연소혼합물의 수소, 일산화탄소 메탄 등의 요구된 농도로 혼합비율을 조절할 수 있다.
이러한 예에서 공기와 내연기관(30)으로부터의 배기가스는 공기공급라인(5)과 배기가스라인(9)에 의하여 추가 혼합장치(18)로 공급된다. 제1물질흐름이 이러한 추가 혼합장치(18)에서 혼합되어 공급라인(11)을 지난다.
물은 펌프(36)에 의하여 물탱크(W)로부터 물공급라인(7)을 통하여 증발기(20)에 공급된다. 이러한 증발기(20)는 다양한 구조를 가질 수 있다. 우선실시형태에서 이러한 증발기(20)는 배기가스라인(9)과 열결합된 열교환기의 형태이거나 또는 합성가스공급라인(6)에 열결합된 열교환기의 형태이다.
가열요소(23)가 물공급라인(7)에 배치된다. 이는 열교환기의 형태일 수 있다. 이에 관하여, 가열요소(23)는 제1냉각요소(16)와 제2냉각요소(17) 사이에서 합성가스공급라인(6)과 열결합되거나 제1냉각요소(16)와 열결합될 수 있다.
증발기(20)에서 생성된 증기가 증기공급라인(8)을 통하여 추가 혼합장치(19)에 공급된다. 또한 연료는 연료공급라인(4)을 통하여 추가 혼합장치(19)로 공급된다. 제2물질흐름이 추가 혼합장치(19)에서 증기 및 연료와 혼합되고 제2공급라인(12)으로 보내진다.
아울러 연료공급라인(4)에서 혼합장치(19)의 상류측에는 열교환기의 형태인 예열요소(21)가 연결된다. 이와 같은 경우 예열요소는 제1냉각요소(16), 내연기관의 냉각회로 및/또는 합성가스공급라인(6)과 열결합될 수 있다. 냉각회로는 종래기술로서 잘 알려져 있어 도시하지 않았다.
공기와 내연기관(30)으로부터의 배기가스는 공기공급라인(5)과 배기가스라인(9)를 통하여 추가 혼합장치(18)에 공급된다. 제1물질흐름이 추가 혼합장치(18)에서 혼합되어 공급라인(11)으로 보내진다.
제1공급라인(11)과 제2공급라인(12)이 제1열교환기(13)와 제2열교환기(14)를 통과한 후에 각 라인(11, 12)이 혼합장치(28)에 연결된다. 여기에서 혼합물이 생성되어 혼합라인(29)을 통하여 개질기(3)로 공급된다. 개질기(3)로부터 연장된 합성가스공급라인(6)이 제1열교환기(13)와 제2열교환기(14)를 통과하고, 바이패스라인(22)이 제2열교환기(14)의 바이패스로서 제공된다. 아울러 합성가스공급라인(6)에는 제1냉각요소(16)와 제2냉각요소(17)를 포함하는 합성가스냉각장치(15)가 배치된다.
합성가스는 합성가스냉각장치의 하류측인 합성가스공급라인(6)에서 가열요소(34)에 의하여 다시 가열될 수 있다. 합성가스의 상대함수율은 연속적인 냉각, 수분리 및 가열에 의하여 내연기관에 적합한 레벨로 유지될 수 있다.
열교환기(21)는 배기가스라인(9)에 배치된다.
이 실시형태에서 압축기(35)가 공기공급라인(5)에 배치된다.
도 2는 한편으로는 전체 장치의 효율과 다른 한편으로는 연소효율 사이의 질적관계를 보이고 있다. 이와 같은 경우에 있어서 연소효율은 합성가스의 혼합으로 증가하고 전체 장치의 효율은 연료가스에서 합성가스의 비율증가로 상승한다. 최적한 동작점은 두 그래프가 교차하는 영역에 해장하는 수직선 사이의 영역이다.
본 발명은 이상의 실시형태에 국한되지 않는다. 특히 연료가스의 조성은 직접적인 측정 또는 개질기의 동시시뮬레이션에 의하여 확인될 수 있다. 이러한 측정 및 시뮬레이션의 값은 혼합비율의 제어 또는 조절을 위하여 제어 또는 조절장치에 보내어진다.
1: 주연소실, 2: 예비연소실, 3: 개질기, 4: 연료공급라인, 5: 공기공급라인, 6: 합성가스공급라인, 8: 증기공급라인, 9: 배기가스라인, 10, 10': 혼합물라인, 24, 25: 연료가스혼합기, 26: 압축기, 31: 제어장치, 32: 체적유량조절밸브, 33: 통로.

Claims (13)

  1. - 제1연소혼합물(BG1)의 연소를 위한 적어도 하나의 주연소실(1),
    - 제2연소혼합물(BG2)의 연소를 위한 각 주연소실(1)의 적어도 하나의 예비연소실(2),
    - 제1연소혼합물(BG1)을 공급하기 위하여 연료공급라인(4)과 공기공급라인(5)에 연결된 제1연료가스혼합기(24),
    - 제2연소혼합물(BG2)을 공급하기 위하여 연료공급라인(4), 공기공급라인(5)과 합성가스공급라인(6)에 연결된 제2연료가스혼합기(25),
    - 제1연료가스혼합기(24)와 주연소실(1)에 연결된 제1혼합라인(10)과,
    - 제2연료가스혼합기(25)와 예비연소실(2)에 연결된 제2혼합라인(10')을 포함하고,
    예비연소실(2)이 주연소실(1)측으로 향하는 적어도 하나의 통로(33)를 갖는 내연기관에 있어서,
    제1연료가스혼합기(24)가 합성가스의 혼합을 위하여 합성가스공급라인(6)에 연결되고, 제1연료가스혼합기(24) 및/또는 제2연료가스혼합기(25)에 연결되어 제1연소혼합물(BG1) 및/또는 제2연소혼합물(BG2)에서 연료, 공기 및 합성가스의 혼합비율을 개방 또는 폐쇄루프형으로 제어하기 위한 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치(31)가 제공됨을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 각 체적유량측정장치(32)가 연료공급라인(4) 및/또는 공기공급라인(5) 및/또는 배기가스라인(9) 및/또는 증기공급라인(8) 및/또는 합성가스공급라인(6)에 제공되고 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치(31)에 연결됨을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제2항에 있어서, 요구된 혼합비율이 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치(31)에서 체적유량에 기초하여 계산되고, 체적유량이 적어도 하나의 체적유량측정장치(32)에 의하여 측정될 수 있으며, 제1연료가스혼합기(24)와 제2연료가스혼합기(25)에서 연료, 공기 및 합성가스의 혼합비율이 요구된 혼합비율에 따라 개방 또는 폐쇄루프형으로 제어될 수 있음을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제3항에 있어서, 요구된 혼합비율이 개질기 전달함수에 의하여 개방 또는 폐쇄루프형 제어장치(31)에서 요구된 연료가스조성을 얻도록 계산될 수 있음을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 압축기(26)가 제2혼합물라인(10')에 배치됨을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제1항 내지 제5항 중 적어도 한 항에 있어서, 연료공급라인(4)과 공기공급라인(5)에 연결되어 합성가스생성을 위한 개질기(3)가 제공됨을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제6항에 있어서, 개질기(3)가 증기공급라인(8) 및/또는 배기가스라인(9)에 연결됨을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 내연기관(30)의 작동방법에 있어서,
    - 제1연소혼합물(BG1)과 제2연소혼합물(BG2)이 연료, 공기 및 합성가스(S)로부터 혼합되고,
    - 제1연소혼합물(BG1)이 주연소실(1)에 공급되며 제2연소혼합물(BG2)이 예비연소실(2)에 공급됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  9. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 각 체적유량이 연료공급라인(4) 및/또는 공기공급라인(5) 및/또는 배기가스라인(9) 및/또는 증기공급라인(8) 및/또는 합성가스공급라인(6)에서 측정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  10. 제9항에 있어서, 연료, 공기 및 합성가스(S)의 요구된 혼합비율이 제1연소혼합물(BG1) 및/또는 제2연소혼합물(BG2)의 혼합비율을 위하여 적어도 하나의 측정된 체적유량에 기초하여 계산됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  11. 제10항에 있어서, 요구된 혼합비율이 개질기 전달함수에 의하여 요구된 연료가스조성을 얻도록 계산됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 적어도 한 항에 있어서, 제2연소혼합물(BG2)이 예비연소실에 공급되기 전에 압축됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 적어도 한 항에 있어서, 합성가스(S)가 개질기(3)에서 생성됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
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