KR20150109287A - 시동 공기 시스템을 갖는 내연 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 내연 엔진(10)에 관한 것으로, 이 내연 엔진은, 연료와 공기의 혼합물을 연소시키기 위한 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D); 및 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D)에 가압 시동 공기를 제공하고 또한 시동 공기 시스템(90)의 작동성을 모니터링하도록 되어 있는 시동 공기 시스템(90)을 포함한다. 개시된 예시적인 시동 공기 시스템(90)은, 가압 시동 공기를 저장하도록 되어 있는 가압 시동 공기 공급원(91)에 유체 연결되어 있는 시동 공기 매니폴드(95); 시동 공기 매니폴드(95)에 유체 연결되어 있고 또한 시동 공기 시스템(90)을 배출시키도록 되어 있는 시동 공기 배출 밸브(99); 및 시동 공기 시스템(90)의 충전물에 대한 특성을 나타내는 파라미터를 검출하도록 되어 있는 감지 장치(100)를 포함할 수 있다.

Description

시동 공기 시스템을 갖는 내연 엔진{INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH STARTING AIR SYSTEM}
본 개시는 일반적으로 내연 엔진 및 이 내연 엔진을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 시동 공기 시스템을 갖는 내연 엔진 및 내연 엔진을 작동시키고 시동 공기 시스템의 기능성을 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이다.
예컨대 이중 연료 내연 엔진 또는 중유, 디젤유 또는 기체 연료 오일로 운전되는 내연 엔진과 같은 내연 엔진은, 선박 또는 다른 해양 분야, 기관차 분야, 도로용 트럭 또는 차량, 비도로용 기계, 흙 운반 장비, 발전기, 항공우주 분야, 펌프, 발전소와 같은 정치식 장비 또는 엔진 동력을 받는 다른 분야를 포함하여 임의의 기계 또는 다른 장치에 동력을 공급하는데 사용될 수 있다. 내연 엔진을 가속시키기 위해, 즉 내연 엔진을 시동시키기 위해, 주 시동 밸브 및 적어도 하나의 실린더를 위한 실린더 시동 밸브(각 실린더에 시동 공기를 제공함)를 포함하는 시동 공기 시스템을 통해 가압 시동 공기를 내연 엔진의 적어도 하나의 실린더 안으로 제공하는 것이 알려져 있다. 시동 공기의 압력에 의해 피스톤이 움직이게 되고 그래서 크랭크축이 회전하기 시작하여 그 내연 엔진의 작동이 시작된다. 주 시동 밸브는 시동 공기 매니폴드를 통한 가압 시동 공기 공급원과 실린더 시동 밸브(들)의 유체 연결을 제어한다.
내연 엔진이 작동될 때, 기능 장애가 일어난 실린더 시동 밸브에 누출이 일어날 수 있다. 이러한 경우, 예컨대 연소를 위해 실린더에 공급되는 연료/공기 혼합물의 적어도 일부의 양이, 기능 장애가 일어난 그 실린더 시동 밸브를 통해 시동 공기 매니폴드 안으로 누출될 수 있다. 그래서, 누출된 공기/연료 혼합물은 예컨대 주 시동 공기 밸브를 더 관류하여, 내연 엔진이 위치되어 있는 예컨대 엔진룸 내에 축적될 수 있다. 이러한 경우, 잠재적인 폭발 위험이 있을 수 있다.
본 개시는 종래 기술의 하나 이상의 문제점을 적어도 부분적으로 개선하거나 극복하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 내연 엔진은, 연료와 공기의 혼합물을 연소시키기 위한 적어도 하나의 실린더; 및 상기 적어도 하나의 실린더에 가압 시동 공기를 제공하고 또한 시동 공기 시스템의 작동성을 모니터링하도록 되어 있는 시동 공기 시스템을 포함할 수 있다. 상기 시동 공기 시스템은, 가압 시동 공기를 저장하도록 되어 있는 가압 시동 공기 공급원에 유체 연결되어 있는 시동 공기 매니폴드; 상기 시동 공기 매니폴드에 유체 연결되어 있고 또한 상기 시동 공기 시스템을 배출시키도록 되어 있는 시동 공기 배출 밸브; 및 상기 시동 공기 시스템의 충전물에 대한 특성을 나타내는 파라미터를 검출하도록 되어 있는 감지 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료와 공기의 혼합물을 연소시키기 위한 적어도 하나의 실린더, 및 상기 적어도 하나의 실린더에 가압 시동 공기를 제공하고 그 적어도 하나의 실린더와 관련되어 있는 적어도 하나의 실린더 시동 밸브를 포함하는 시동 공기 시스템을 포함하는 내연 엔진을 작동시키기 위한 방법이 개시된다. 이 방법은, 상기 내연 엔진이 연료로 작동되는 동안에, 상기 적어도 하나의 실린더 시동 밸브의 상류에서 상기 시동 공기 시스템에 폐쇄 공간을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 폐쇄 공간의 충전물에 대한 특성을 나타내고, 실린더 시동 밸브와 같은 시동 공기 시스템의 적절한 작동성을 나타내는 예상 파라미터로부터 벗어나 있는 파라미터를 검출하는 단계; 및 상기 시동 공기 시스템의 누출을 나타내는 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 상기 내연 엔진은 상기 감지 장치와 통신하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 검출된 파라미터가 소정의 문턱값에서 벗어나 있으면, 상기 제어부는 상기 시동 공기 시스템의 기능 장애를 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있을 수 있다. 예컨대, 상기 파라미터는 상기 폐쇄 공간 내부의 압력 변화를 나타내는 경시적 압력 변화, 폐쇄 공간 내부의 메탄 농도를 나타내는 메탄 농도 및/또는 폐쇄 공간 내부의 CO2 농도를 나타내는 CO2 농도일 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 상기 검출되는 파라미터는 경시적 메탄 농도 변화, 경시적 CO2 농도 변화 및/또는 경시적 온도 변화일 수 있다.
상기 폐쇄 공간은 실린더 시동 밸브의 상류에서 시동 공기 시스템에 제공되는 고립된 공간일 수 있다. 예컨대, 그 폐쇄 공간은, 예컨대 시동 공기 매니폴드 및/또는 이 시동 공기 매니폴드와 실린더 시동 밸브를 유체 연결하는 시동 공기 덕트의 공간일 수 있다. 또한, 여기서 사용되는, 시동 공기 시스템, 구체적으로 상기 폐쇄 공간의 충전물을 나타내는 파라미터는, 시동 공기 시스템, 특히 폐쇄 공간 내부의 압력, 메탄 농도, CO2 농도 및/또는 온도에 관련된 것일 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 상기 감지 장치는, 상기 시동 공기 시스템 내부, 특히 상기 폐쇄 공간 내부의 압력을 측정하도록 되어 있는 압력 센서를 포함할 수 있다. 또 어떤 실시 형태에서, 상기 감지 장치는 시동 공기 시스템 내부, 특히 상기 폐쇄 공간 내부의 메탄 농도를 측정하도록 되어 있는 메탄 센서 및/또는 시동 공기 시스템 내부, 특히 상기 폐쇄 공간 내부의 CO2 농도를 측정하도록 되어 있는 CO2 센서일 수 있다. 또 어떤 실시 형태에서, 상기 감지 장치는 시동 공기 시스템 내부, 특히 상기 폐쇄 공간 내부의 온도를 검출하도록 되어 있는 온도 센서를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 특징 및 양태들은 이하의 설명 및 첨부 도면으로부터 명확히 알 수 있을 것이다.
도 1 은 시동 공기 시스템을 갖는 터보 과급식 내연 엔진의 개략도이다.
도 2 는 내연 엔진을 작동시키기 위한 일 예시적인 방법의 흐름도이다.
이하, 본 개시의 예시적인 실시 형태를 상세히 설명하도록 한다. 여기서 설명하고 도면에 도시되어 있는 예시적인 실시 형태는, 본 개시의 원리를 가르쳐 주어 당업자가 본 개시를 많은 다른 상황에서 또한 많은 다른 용도로 실시하고 사용할 수 있게 해주기 위한 것이다. 그러므로, 본 예시적인 실시 형태는 특허 보호 범위의 제한적인 설명이 아니며 또한 그러한 설명인 것으로 생각되어서도 아니 된다. 오히려, 본 특허 보호 범위는 첨부된 청구 범위로 규정되어야 한다.
여기서 사용되는 용어 내연 엔진의 "시동 모드"는, 내연 엔진이 제로(zero)의 엔진 속도에서부터, 예컨대 내연 엔진이 공기/연료 혼합물로 운전되기에 충분한 점화 엔진 속도와 같은 예컨대 소정의 엔진 속도까지 시동되는 조건에 관련된다. 어떤 실시 형태에서, 점화 엔진 속도는 예컨대 약 80 rpm 내지 약 120 rpm 범위의 엔진 속도일 수 있다. 시동 모드 중에, 가압 시동 공기를 시동 시스템으로부터 실린더에 제공하여 내연 엔진이 구동된다. 그 가압 시동 공기에 의해 피스톤이 움직여 내연 엔진이 시동될 수 있다.
여기서 또한 사용되는 용어 내연 엔진의 "정상 작동 모드"는, 내연 엔진이 상기 소정의 엔진 속도까지 가속된 후에 연료로 운전되는 조건에 관련된다. 그 소정의 엔진 속도에 도달한 후에, 가압 시동 공기의 공급이 차단된다.
본 개시는, 시동 밸브의 작동성을 모니터링하여 엔진이 누출 발생 실린더 시동 밸브로 작동되는 것을 피할 수 있다는 인식에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 또한, 내연 엔진의 정상 작동 모드 중에 주 시동 밸브를 닫고 그 주 시동 밸브와 실린더 시동 밸브 사이에 폐쇄 공간을 제공하여 실린더 시동 밸브를 관찰할 수 있다는 것을 인식하였다. 예컨대, 시동 공기 시스템 내의 압력을 연속적으로 검출하고 모니터링하여 적어도 하나의 실린더 시동 밸브의 누출을 알 수 있다. 예컨대, 시동 공기 시스템 내의 검출된 압력이 소정의 압력 범위 밖에 있으면, 그에 대응하는 신호가 출력될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 시동 공기 시스템 내의 검출된 압력이 소정의 압력 범위 밖에 있으면 내연 엔진이 예컨대 정지될 수 있으며, 또는 시동 공기 시스템 또는 실린더 시동 밸브의 작동 불능을 나타내는 경고 신호가 출력될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 실린더 시동 밸브의 작동성에 대한 평가는 소정의 시간 기간 동안의 검출된 압력 변화에 근거할 수 있다. 적어도 하나의 실린더 시동 밸브의 작동 불능이 검출되면, 제어부는 내연 엔진을 이 내연 엔진이 저 출력 모드로 운전되는 예컨대 비상 모드로 전환시킬 수 있다.
이중 연료 내연 엔진의 경우에 기체 연료 모드 동안에 적어도 하나의 실린더 시동 밸브의 누출이 검출되면, 이중 연료 내연 엔진은 액체 연료 모드로 전환될 수 있다. 또한, 액체 연료 모드 동안에 이중 연료 내연 에진의 적어도 하나의 실린더 시동 밸브의 누출이 검출되면, 그 이중 연료 내연 엔진이 기체 연료 모드로 전환되는 것이 방지될 수 있고, 그래서 이중 연료 내연 엔진의 작동은 액체 연료 모드로 유지된다.
본 개시는, 실린더 시동 밸브의 작동성을 모니터링하고 이 작동성을 나타내는 신호를 출력하여 엔진의 주위 환경에 미연소 공기/연료 혼합물이 축적되는 위험을 줄일 수 있다는 인식에 적어도 부분적으로 더 기초할 수 있다. 그래서 잠재적인 폭발의 위험이 줄어들 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 내연 엔진(10)의 일 예시적인 실시 형태가 도 1 에 도시되어 있다. 이 내연 엔진(10)은 연료 시스템, 공기 시스템, 냉각 시스템, 주변물, 구동 트레인 구성품 등과 같은 요소(미도시)를 포함할 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 내연 엔진(10)은 예컨대 천연 가스와 같은 기체 연료로 운전되는 기체 연료 내연 엔진으로 되어 있다. 그러나, 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 상기 내연 엔진(10)은 연소를 위해 연료와 공기의 혼합물을 사용하는 어떤 종류의 내연 엔진이라도 될 수 있는데, 예컨대 이중 연료 내연 엔진 또는 임의의 다른 오토(Otto) 또는 디젤 연료 내연 엔진일 수 있다.
상기 내연 엔진(10)은 임의의 수의 실린더를 가지면서 임의의 크기일 수 있으며 또한 어떤 형태("V" 형, "일렬형" 등)라도 될 수 있다. 내연 엔진(10)은, 선박 또는 다른 해양 분야. 기관차 분야, 도로용 트럭 또는 차량, 비도로용 기계, 흙 운반 장비, 발전기, 항공우주 분야, 펌프, 발전소와 같은 정치식 장비 또는 엔진 동력을 받는 다른 분야를 포함하여 임의의 기계 또는 다른 장치에 동력을 공급하는데 사용될 수 있다.
내연 엔진(10)은 엔진 블럭(20)(도 1 에 나타나 있는 예시적인 실시 형태에서는 4개의 실린더(26A ∼ 26D)를 포함함), 적어도 하나의 연료 탱크(미도시), 상기 실린더(26A ∼ 26D)와 관련되어 있는 터보 과급기(40), 및 흡기 매니폴드(22)를 포함한다. 도 1 나타나 있는 바와 같이, 흡기 매니폴드(22)는 복수의 흡기 덕트(24A ∼ 24D)를 통해 각 실린더(26A ∼ 26D)에 유체 연결되어 있다.
엔진 블럭(20)은 크랭크케이스(미도시)를 포함하며, 이 크랭크케이스 내부에는 크랭크축(명시적으로 나타나 있지 않음)이 지지된다. 이 크랭크축은, 내연 엔진(10)의 작동 동안에 각 실린더(26A ∼ 26D) 내부에서 움직일 수 있는 피스톤에 연결되어 있다. 각 실린더(26A ∼ 26D)에는 적어도 하나의 입구 밸브(명시적으로 나타나 있지 않음)가 제공되어 있는데, 이 입구 밸브는 상기 흡기 덕트(24A ∼ 24D)와 실린더(26A ∼ 26D)의 대응하는 연소실 사이의 유체 연결을 개폐하도록 되어 있다.
배기 매니폴드(28)가 각 실린더(26A ∼ 26D)에 연결되어 있다. 각 실린더(26A ∼ 26D)에는 배기 덕트(37A ∼ 37D)에 배치되어 있는 적어도 하나의 배기 밸브가 제공되어 있는데, 이 배기 밸브는 실린더(26A ∼ 26D)와 배기 매니폴드(28) 사이의 유체 연결을 개폐하도록 되어 있다.
일반적으로, 내연 엔진(10)이 작동되면, 기체 연료와 공기의 혼합물(이하, "연소 혼합물"이라고 함)이 실린더(26A ∼ 26D)의 연소실 안으로 도입된다. 구체적으로, 연료 시스템(도면에는 명시적으로 나타나 있지 않음)이, 예컨대 입구 밸브의 상류 위치에 있는 각 기체 도입 밸브(도면에는 나타나 있지 않음)를 통해 적절한 양의 기체 연료를 예컨대 각 흡기 덕트(24A ∼ 24D) 안으로 분사하도록 되어 있다. 동시에, 과급 공기가 흡기 매니폴드(22)로부터 각 흡기 덕트(24A ∼ 24D) 안으로 제공된다. 기체 연료는 각 흡기 덕트(24A ∼ 24D) 내에서 상기 과급 공기와 혼합되고, 이어서 상기 연소 혼합물이 연소를 위해 각 실린더(26A ∼ 26D) 안으로 공급된다. 연소 혼합물의 연소 후에, 연소 과정에서 발생된 배기 가스가 실린더(26A ∼ 26D)로부터 방출되어 배기 덕트(37A ∼ 37D)를 통과해 배기 매니폴드(28) 안으로 들어가고 이어서 예컨대 상기 터보 과급기(40)에 연결되어 있는 주 배기 덕트(29) 안으로 들어가게 된다.
상기 터보 과급기(40)는 내연 엔진(10)의 배기 가스의 열과 압력을 사용하여, 흡기 공기가 엔진에 공급되기 전에 그 흡기 공기를 압축하기 위한 압축기(44)를 구동시키도록 되어 있다. 구체적으로, 터보 과급기(40)의 터빈(42)을 통과하는 배기 가스가 그 터빈(42)을 회전시키고 그래서 그 배기 가스의 압력과 온도가 낮아지게 된다. 상기 압축기(44)는 공통 축(46)을 통해 터빈(42)에 회전가능하게 연결되어 있고 그 터빈(42)에 의해 구동된다.
공기가 공기 입구(4)를 통해 흡입되어 압축기(44)에 공급된다. 기체 연료 내연 엔진에 관한 다른 실시 형태에서는 기체 연료 및 공기가 압축기(44)에 공급되기 전에 혼합기에서 혼합될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 적절한 기체 연료 분사기를 사용하여 기체 연료가 각 실린더(26A ∼ 26D) 안으로 직접 분사될 수도 있다.
일반적으로, 상기 압축기(44)의 출구는 압축기 연결부(21)를 통해 흡기 매니폴드(22)의 입구에 유체 연결되어 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 압축기(44)의 출구는 냉각기(23)를 통해 흡기 매니폴드(22)의 입구에 연결되어 있다. 그 냉각기(23)의 하류에 배치되어 있는 스로틀 밸브(27)가 상기 압축기 연결부(21)와 흡기 매니폴드(22) 사이의 유체 연결을 개폐하여 압축기 연결부(21)로부터 흡기 매니폴드(22) 안으로의 유동을 가능케 해주거나 억제하도록 되어 있다.
내연 엔진(10)의 작동 동안에, 흡기 공기는 실린더(26A ∼ 26D)에 공급되기 전에 압축 및 냉각된다. 실린더(26A ∼ 26D) 내부에서 피스톤의 운동에 의해 연소 혼합물이 더 압축되고 가열될 수 있다. 그리고, 실린더(26A ∼ 26D) 내부의 연소 혼합물은 예컨대 스파크 플러그(미도시)의 사용으로 점화될 수 있으며, 또는 실린더(26A ∼ 26D) 내부에서의 압축에 의해 연소가 자동 점화될 수도 있다. 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(28)를 통해 배출된다.
상기 배기 매니폴드(28)의 출구는 터빈(42)의 입구에 유체 연결되어 있다. 터빈(42)의 출구는 예컨대 배기 가스 처리 시스템(미도시)에 유체 연결될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 내연 엔진(10)에는, 터빈(42)과 압축기(44)의 회전 속도를 제어하기 위한 웨이스트게이트(wastegate) 시스템(도면에는 나타나 있지 않음) 및/또는 흡기 매니폴드(22) 내부의 과급 공기의 압력을 제어하기 위한 추기(blow-off) 시스템(도면에는 나타나 있지 않음)이 제공될 수 있다.
도 1 에 또한 나타나 있는 바와 같이, 내연 엔진(10)은 시동 공기 시스템(90)을 포함하는데, 이 시동 공기 시스템은, 크랭크축이 가속되는 내연 엔진(10)의 시동 모드 동안에 가압 시동 공기를 실린더(26A ∼ 26D)에 제공하도록 되어 있다. 시동 공기 시스템(90)은 압축 장치(80)(예컨대, 별도의 압축 장치), 제어 밸브(82)를 통해 그 압축 장치(80)에 연결되는 가압 시동 공기 공급원(91), 시동 공기 연결부(92), 이 시동 공기 연결부(92)에 제공되어 있는 주 시동 밸브(93), 이 주 시동 밸브(93)의 하류에서 또한 시동 공기 연결부(92)에 제공되어 있는 시동 공기 역지 밸브(94), 시동 공기 매니폴드(95), 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D), 및 관련된 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D)에 배치되어 있는 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)를 포함한다. 더욱이, 상기 시동 공기 시스템(90)은 시동 공기 배출 라인(98), 시동 공기 배출 밸브(99) 및 감지 장치(100)를 포함한다.
상기 가압 시동 공기 공급원(91)은, 내연 엔진(10)을 적어도 시동시키는데 충분한 가압 시동 공기를 저장하도록 되어 있는 크기와 구성을 가질 수 있다. 가압 시동 공기는 상기 가압 시동 공기 공급원(91) 내부에 소정의 압력 하에서 저장될 수 있다. 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 가압 시동 공기 공급원(91)은 제어 밸브(82)를 통해 압축 장치(80)에 유체 연결될 수 있다. 예컨대, 내연 엔진(10)을 가속 및 시동시킨 후에, 가압 시동 공기 공급원(91)은 나중의 시동 과정을 위한 충분한 가압 시동 공기를 갖기 위해 상기 압축 장치(80)에 의해 제공되는 가압 공기로 재충전될 수 있다. 또한, 가압 시동 공기 공급원(91)의 잠재적인 누출 때문에, 가압 시동 공기 공급원(91) 내부의 압력이 소정의 범위 밖에 있는 것으로 모니터링되면 그 가압 시동 공기 공급원(91)은 연속적으로 재충전될 수 있다.
상기 압축 장치(80)는 새로운 공기를 흡입할 수 있고 약 20 bar 내지 약 60 bar, 바람직하게는 약 25 bar 내지 35 bar의 범위에 있는 소정의 압력 하의 가압 시동 공기를 제공할 수 있다. 이와 비교하여, 압축기(44)는 예컨대 약 2 bar 내지 약 8 bar의 압력 하의 가압 과급 공기를 흡기 매니폴드(22)에 제공할 수 있다.
상기 가압 시동 공기 공급원(91)은 시동 공기 연결부(92)를 통해 시동 공기 매니폴드(95)에 더 유체 연결되어 있다. 주 시동 밸브(93) 및 시동 공기 역지 밸브(94)는 시동 공기 연결부(92)에 제공된다. 구체적으로, 예컨대 내연 엔진(10)의 시동 모드 동안과 같은 특정의 엔진 조건에 따라 가압 시동 공기가 상기 가압 시동 공기 공급원(91)으로부터 시동 공기 매니폴드(95) 안으로 유입하는 것이 허용되거나 불허되도록, 주 시동 밸브(93)는 예컨대 엔진 제어부(도면에는 명시적으로 나타나 있지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 시동 공기 매니폴드(95)로부터 가압 시동 공기 공급원(91) 안으로의 역류를 방지하기 위해, 상기 시동 공기 역지 밸브(94)가 가압 시동 공기의 그러한 역류를 억제하기 위해 주 시동 밸브(93)의 하류에 제공되어 있다.
상기 가압 시동 공기는 시동 공기 매니폴드(95) 안으로 유입한 후에, 실린더(26A ∼ 26D) 중의 하나와 관련되어 있는 각 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D) 안으로 유입할 수 있다. 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)는 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D)와 각각 관련되어 있다. 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D) 또한 예컨대 상기 엔진 제어부로 제어될 수 있다. 특히, 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)는, 내연 엔진(10)의 시동 과정 동안에 가압 공기가 크랭크각에 따라 상기 관련된 실린더(26A ∼ 26D) 안으로 유입하게 해줄 수 있다. 내연 엔진(10)이 독립적으로 연료로 운전될 때, 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)는 닫히게 된다.
다시 도 1 을 참조하면, 시동 공기 배출 라인(98)은 시동 공기 매니폴드(95)와 시동 공기 배출 밸브(99) 사이에 상호 유체 연결되어 있다. 시동 공기 배출 밸브(99)는, 내연 엔진(10)이 시동된 후에 시동 공기 매니폴드(95) 안에 남아 있는 가압 시동 공기를 주 배출 장치(110) 및 이 주 배출 장치(110)의 하류에 위치되어 있는 배출 (관) 시스템(도 1 에는 명시적으로 나타나 있지 않음)을 통해 주위 환경으로 방출하도록 되어 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 주 배출 장치(110)는 또한 크랭크케이스에 유체 연결되어 있는 크랭크케이스 배출 라인(60)을 통해 내연 엔진(10)의 크랭크케이스로부터 배출되는 가스 유체를 받도록 되어 있을 수 있다. 바람직하게는, 시동 공기 배출 밸브(99)는, 시동 공기 시스템(90)의 상기 폐쇄 공간 안에 남아 있는 가압 시동 공기를 주 배출 장치(110)와 상기 배출 시스템을 통해 주위 환경으로 배출하도록 되어 있는 예컨대 솔레노이드 배출 밸브일 수 있다. 이 솔레노이드 배출 밸브 또한 예컨대 상기 엔진 제어부로 제어될 수 있다.
시동 과정 동안에 상기 시동 공기 시스템(90) 내부의 압력은 약 20 bar 내지 약 60 bar, 바람직하게는 약 25 bar 내지 35 bar의 범위에 있을 수 있으며, 크랭크케이스 배출 라인(60) 내부의 압력은 대략 주변 압력 내지 크랭크케이스에 대한 배출을 보장해주는 낮은 과압의 범위에 있을 수 있다.
상기 주 배출 장치(110)에는, 예컨대, 주 배출 장치(110)에서 발생되는 원치않는 화염을 억제하도록 되어 있는 화염 방지기 또는 시동 공기 배출 라인(98) 및/또는 크랭크케이스 배출 라인(60)에 존재하는 어떤 메탄이라도 감지하도록 되어 있는 메탄 센서가 더 구비될 수 있다.
상기 시동 공기 시스템(90)은, 이 시동 공기 시스템(90)의 상기 폐쇄 공간 내부의 조건을 측정하기 위해 예컨대 상기 시동 공기 배출 밸브(99)의 근처에 배치되는 감지 장치(100)를 더 포함한다. 바람직하게는, 그 감지 장치(100)는 시동 공기 배출 라인(98)에 배치된다. 어떤 실시 형태에서, 감지 장치(100)는 시동 공기 배출 라인(98), 시동 공기 매니폴드(95) 및/또는 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D) 중의 한 시동 공기 덕트에 배치될 수 있다.
상기 감지 장치(100)는, 일반적으로 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)를 통한 누출을 검출하도록 되어 있는 센서일 수 있다. 감지 장치(100)는, 예컨대 시동 공기 배출 라인(98) 내부의 압력을 검출하도록 되어 있는 압력 센서, 또는 메탄 또는 CO2 센서일 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 감지 장치(100)는 시동 공기 시스템(90)의 상기 폐쇄 공간 내부의 온도를 검출하도록 되어 있는 온도 센서일 수 있다. 감지 장치(100)는 시동 공기 시스템(90) 내부의 검출된 파라미터를 나타내는 신호를 발생시켜 상기 엔진 제어부에 전달할 수 있다.
도 1 에 또한 나타나 있는 바와 같이, 압력 경감 밸브(84)가 시동 공기 시스템(90)의 상기 폐쇄 공간, 바람직하게는 시동 공기 배출 라인(98)에 제공될 수 있다. 그 압력 경감 밸브(84)는, 예컨대 비상 상황에서 상기 폐쇄 공간 내부의 압력이 예컨대 약 35 bar 와 같은 소정의 문턱 압력을 초과하면, 폐쇄 시스템의 충전물의 적어도 일부를 예컨대 엔진 격납실 안으로 방출하도록 되어 있다.
상기 엔진 제어부는, 특히 내연 엔진(10)의 다양한 구성품의 작동을 제어하기 위한 수단을 포함하는 단일의 마이크로프로세서 또는 이중 마이크로프로세서일 수 있다. 제어부는 내연 엔진(10) 및/또는 그의 관련된 구성품과 관련된 많은 기능들을 제어할 수 있는 일반적인 엔진 제어부(ECU)일 수 있다. 상기 제어부는 예컨대 메모리, 보조 저장 장치 및 중앙 처리부와 같은 프로세서와는 같은 어플리케이션을 실행시키는데 필요한 모든 요소, 또는 내연 엔진(10) 및/또는 그의 구성품을 제어하기 위한 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 수단을 포함할 수 있다. 전력 공급 회로, 신호 조정 회로, 통신 회로 및 다른 적절한 회로를 포함한 알려져 있는 다른 다양한 회로들이 상기 제어부와 관련되어 있을 수 있다. 제어기는 수신되어 저장된 데이타를 분석 및 비교할 수 있고, 또한 메모리에 저장되어 있거나 사용자에 의해 입력되는 지시 및 데이타에 근거하여, 조치가 필요한지를 판단할 수 있다. 예컨대, 상기 제어기는 수신된 값을 메모리에 저장되어 있는 목표 값과 비교할 수 있고, 또한 비교 결과에 근거하여, 하나 이상의 구성품에 신호를 전달하여 그 구성품의 작동 상태를 변경할 수 있다.
산업상 이용 가능성
이하, 도 1 및 2 를 참조하여 내연 엔진(10)의 작동을 더욱 자세히 설명한다. 예컨대, 이 내연 엔진(10)은 예컨대 천연 가스와 같은 기체 연료로 운전되는 기체 연료 내연 엔진이라고 간주한다. 그러나, 본 개시는 기체 연료 내연 엔진에 한정되지 않는다. 예컨대, 어떤 실시 형태에서, 내연 엔진(10)은 이중 연료 내연 엔진 또는 예컨대 디젤 연료 또는 중유로 운전되는 액체 연료 내연 엔진일 수도 있다.
도 2 는 상기 내연 엔진(10)을 작동시키기 위한 일 예시적인 방법(200)을 도시한다. 단계 202 에서, 내연 엔진(10)이 시동될 것인지를 평가한다. 내연 엔진(10)이 시동되지 않을 것이면, 방법(200)은 단계 202 에서 유지된다. 내연 엔진이 시동될 것으로 판단되면, 방법(200)은 단계 204 로 진행하고, 이 단계에서 내연 엔진(10)은 시동 모드에 있게 된다.
단계 204 에서, 엔진 제어부는 상기 주 시동 밸브(93)가 열리도록 제어하여, 가압 가스 유체가 상기 가압 시동 공기 공급원(91)으로부터 시동 공기 매니폴드(95) 및 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D) 안으로 흐를 수 있게 해준다. 동시에, 상기 엔진 제어부는 각 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)가 선택적으로 열리도록 제어한다. 이러한 경우에, 상기 가압 시동 공기가 크랭크각에 따라 각 실린더(26A ∼ 26D) 안으로 유입하여 피스톤이 움직이게 된다. 시동 모드 동안에, 시동 공기 배출 밸브(99)는 닫힌 상태로 유지된다.
다음, 단계 206 에서, 내연 엔진(10)이 시동되었는지의 여부를 평가한다. 이 평가는 예컨대 엔진 조건을 나타내는 적어도 하나의 엔진 파라미터에 근거할 수 있다. 예컨대, 내연 엔진(10)이, 예컨대 약 80 rpm 내지 약 120 rpm 의 범위에 있을 수 있는 점화 엔진 속도와 같은 소정의 문턱 엔진 속도에 도달하면, 내연 엔진(10)은 시동 모드에서 정상 작동 모드로 전환되고, 이 정상 작동 모드에서, 내연 엔진(10)은 흡기 매니폴드를 통한 과급 공기의 공급과 기체 연료 및/또는 액체 연료로 작동된다. 더 정확하게는, 내연 엔진(10)은 엔진 속도가 상기 소정의 엔진 속도 보다 낮은 한 시동 모드에 있게 되며, 엔진 속도가 소정의 문턱 엔진 속도 이상이면 내연 엔진(10)은 정상 작동 모드에 있게 된다.
단계 206 에서, 엔진 속도가 소정의 문턱 엔진 속도 보다 작은 것으로 판단되면, 그 내연 엔진(10)은 시동 모드로 유지되고 방법(200)은 단계 206 에서 유지된다. 그러나, 엔진 속도가 소정의 문턱 엔진 속도 이상인 것으로 판단되면, 그 내연 엔진(10)은 정상 작동 모드로 전환되고 방법(200)은 단계 208 로 진행하게 된다.
단계 208 에서, 내연 엔진(10)은 이미 정상 조건 하에서 작동되고 있는데, 이는 실린더(26A ∼ 26D)의 연소실 내부에서 과급 공기와 기체/액체 연료의 혼합물의 연소에 의해 작동되고 있음을 의미한다. 과급 공기와 연료의 혼합물은 내연 엔진의 원하는 출력에 부합하는 원하는 공연비를 제공한다.
발생된 배기 가스는 실린더(26A ∼ 26D)로부터 관련된 배기 밸브를 통해 방출되어, 관련 배기 덕트(37A ∼ 37D)를 통해 배기 매니폴드(28) 안으로 유입할 수 있다. 이어서, 상기 배기 가스는 터보 과급기(40)의 터빈(42)을 구동시킬 수 있고, 그리고 그 터빈은 공통 축(46)을 통해 터빈(42)에 기계적으로 연결되어 있는 압축기(44)를 구동시킬 수 있다. 이 압축기(44)는 공기를 흡입하고 그 공기를 소정의 압력, 예컨대 약 2 ∼ 8 bar 로 과급하게 된다. 그 과급 공기는 스로틀 밸브(27)를 통해 흡기 매니폴드(22)에 제공된다. 그리고 과급 공기는 흡기 덕트(24A ∼ 24D)를 통해 각 실린더(26A ∼ 26D) 안으로 분배된다.
또한, 단계 208 에서, 주 시동 밸브(93) 및 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)는 닫히고, 그래서 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D)로의 가압 시동 공기의 공급이 차단된다. 그리고, 단계 210 에서, 주 시동 밸브(93) 및 실린더 시동 공기 밸브(97A ∼ 97D)의 닫힘 후에 시동 공기 매니폴드(95), 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D) 및 시동 공기 배출 라인(98)의 내부에 남아 있는 가압 시동 공기가 시동 공기 배출 밸브(99)를 통해 예컨대 주위 환경으로 배출된다. 배출 과정 동안에, 시동 공기 시스템 내부의 압력은 예컨대 주변 압력과 같은 소정의 문턱 압력으로 감소될 수 있다.
그런 다음, 시동 공기 배출 밸브(99)는 닫힐 수 있고, 그래서, 닫힌 시동 공기 역지 밸브(94), 닫힌 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D) 및 닫힌 시동 공기 배출 밸브(99)로 인해 상기 시동 공기 시스템(90)은 예컨대 실질적으로 일정한 압력을 갖는 폐쇄(고립된) 공간으로 된다. 도 1 의 예시적인 실시 형태에서, 그 폐쇄 공간은 시동 공기 매니폴드(95)의 공간, 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)의 상류에 있는 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D)의 공간 및 시동 공기 배출 밸브(99)의 상류에 있는 배출 라인(98)의 공간에 의해 규정된다.
내연 엔진(10)의 정상 작동 모드 동안에, 주 시동 밸브(93) 및 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)는 닫힌 상태로 유지된다. 이어서, 단계 212 에서, 상기 감지 장치(100)가 예컨대 상기 시동 공기 시스템(90) 내부, 구체적으로 시동 공기 배출 라인(98) 내부의 압력을 검출한다.
단계 214 에서, 예컨대 시동 공기 시스템(90) 내부의 검출된 압력이 소정의 압력 범위 밖에 있는지를 평가한다. 예컨대 그 소정의 압력 범위는 소정의 문턱 압력의 근처 대략 10%의 범위일 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 시동 공기 시스템(90)은 예컨대 2 bar 와 같은 소정의 문턱 압력으로 배출될 수 있다. 이러한 경우, 압력 범위는 상기 소정의 문턱 압력의 근처 대략 10%, 바람직하게는 5%, 그리고 더 바람직하게는 2%의 범위일 수 있다. 단계 214 에서의 평가는 연속적으로 수행될 수 있으며, 또는 일정한 또는 임의의 시간 간격으로 수행될 수 있다.
예컨대, 단계 214 에서, 검출된 압력의 경시적 변화가 소정의 문턱값을 초과하는지를 평가한다. 예컨대, 감지 장치(100)는 상기 폐쇄 공간 내의 경시적 충전물의 경시적 압력 변화를 검출할 수 있다. 경시적 압력 변화는 소정의 시간 기간에 걸친 압력 변화로 정의될 수 있다.
단계 214 에서, 검출된 압력이 소정의 압력 범위 내에 있는 것으로 평가되면, 방법(200)은 시동 공기 시스템(90) 내부의 압력을 다시 검출하기 위해 단계 212 로 되돌아 가게 된다. 그러나, 검출된 압력이 소정의 압력 범위 밖에 있는 것으로 평가되면, 방법은 단계 216 로 진행하고, 이 단계에서 예컨대 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D) 중의 적어도 하나의 누출을 나타내는 신호가 출력된다. 이러한 경우, 연소 혼합물이 적어도 하나의 누출 발생 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)를 통해 누출되어 시동 공기 시스템(90) 안으로 들어가고 그래서 엔진의 주위 환경 안으로들어가게 되는 위험이 있기 때문에 내연 엔진(10)이 정지될 수 있다. 이는 또한 엔진의 주위 환경에서의 잠재적인 폭발의 위험을 증가시킬 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 예컨대 평가가 전술한 바와 같이 경시적 압력 변화에 근거할 때, 그 경시적 압력 변화가 소정의 압력-시간 관련 문턱값을 초과하면 상기 방법은 단계 216 으로 진행하게 된다. 그 압력-시간 관련 문턱값은, 압력 변화가 일어나는 시간 기간에 대한 압력 변화 사이의 관계를 나타내는 것이다. 예컨대, 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D) 중의 적어도 하나에 기능 장애가 일어난 경우, 상기 폐쇄 공간 내의 압력은 예컨대 약 5 내지 10 연소 사이클의 시간 내에 예컨대 2 내지 5 bar로 빠르게 증가할 수 있다. 어떤 실시 형태에서는, 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)를 통한 적어도 어느 정도의 허용가능한 누출 때문에, 실린더(26A ∼ 26D) 밖으로 나가 시동 공기 시스템(90) 안으로 들어가는 적어도 일부의 유체의 예상되는 드리프트(drift)가 있을 수 있다. 그러나, 측정된 드리프트가 소정의 문턱값을 초과하는 것으로 검출되면, 시동 공기 시스템(90)의 기능 장애를 나타내는 신호가 출력될 수 있다.
이중 연료 내연 엔진의 경우, 검출된 압력이 기체 연료 모드 동안에 소정의 압력 범위 밖에 있으면, 이중 연료 내연 엔진은 액체 연료 모드로 전환될 수 있다. 또한, 이중 연료 내연 엔진의 경우, 검출된 압력이 액체 연료 모드 동안에 소정의 압력 범위 밖에 있으면, 이중 연료 내연 엔진이 기체 연료 모드로 전환되는 것이 방지될 수 있다.
실린더 시동 밸브의 기능성을 모니터링하기 위한 전술한 시스템과 방법은, 예컨대 디젤 연료와 같은 액체 연료로만 운전되고 시동 공기 시스템을 포함하는 내연 엔진에도 사용될 수 있다.
여기서 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하였지만, 다음의 청구 범위에서 벗어나지 않고 개량과 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 내연 엔진(10)으로서,
    연료와 공기의 혼합물을 연소시키기 위한 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D); 및
    상기 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D)에 가압 시동 공기를 제공하고 또한 시동 공기 시스템(90)의 작동성을 모니터링하도록 되어 있는 시동 공기 시스템(90)을 포함하고,
    상기 시동 공기 시스템(90)은,
    가압 시동 공기를 저장하도록 되어 있는 가압 시동 공기 공급원(91)에 유체 연결되어 있는 시동 공기 매니폴드(95);
    상기 시동 공기 매니폴드(95)에 유체 연결되어 있고 또한 상기 시동 공기 시스템(90)을 배출시키도록 되어 있는 시동 공기 배출 밸브(99); 및
    상기 시동 공기 시스템(90)의 충전물에 대한 특성을 나타내는 파라미터를 검출하도록 되어 있는 감지 장치(100)를 포함하는 내연 엔진(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출된 파라미터는 절대값 또는 경시적 파라미터 변화인 내연 엔진(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 감지 장치(100)와 통신하고 검출된 파라미터를 평가하도록 되어 있는 제어부를 더 포함하고,
    상기 검출된 파라미터가 경시적으로 소정의 파라미터 범위 밖에 있으면, 상기 제어부는,
    상기 시동 공기 시스템(90)의 기능 장애를 나타내는 신호를 출력하며, 그리고/또는
    상기 내연 엔진(10)을 작동시키기 위한 다른 종류의 연료로 전환시키며, 그리고/또는
    상기 내연 엔진(10)을 끄며, 그리고/또는
    상기 내연 엔진(10)을 비상 작동 모드로 전환시키도록 되어 있는 내연 엔진(10).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 장치(100)는 상기 시동 공기 시스템(90) 내부의 압력을 측정하도록 되어 있는 압력 센서 및/또는 시동 공기 시스템(90) 내부의 메탄 농도를 측정하도록 되어 있는 메탄 센서 및/또는 시동 공기 시스템 내부의 CO2 농도를 측정하도록 되어 있는 CO2 센서 및/또는 시동 공기 시스템(90) 내부의 온도를 검출하도록 되어 있는 온도 센서를 포함하는 내연 엔진(10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시동 공기 시스템(90)은 상기 시동 공기 매니폴드(95)를 상기 시동 공기 배출 밸브(99)에 유체 연결하는 시동 공기 배출 라인(98)을 더 포함하는 내연 엔진(10).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시동 공기 배출 밸브(99)는 솔레노이드 배출 밸브인 내연 엔진(10).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시동 공기 배출 밸브(99)는 배출 장치(110)에 유체 연결되어 있고, 이 배출 장치는 내연 엔진(10)의 크랭크케이스에 유체 연결되어 있고 그 크랭크케이스를 배출시키도록 되어 있는 내연 엔진(10).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시동 공기 시스템(90)은,
    상기 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D)와 관련되어 있고 상기 시동 공기 매니폴드(95)에 유체 연결되어 있는 적어도 하나의 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D); 및
    상기 적어도 하나의 시동 공기 덕트(96A ∼ 96D)에 배치되고 상기 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D)와 관련되어 있는 적어도 하나의 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)를 더 포함하는 내연 엔진(10).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시동 공기 시스템(90)은 상기 가압 시동 공기 공급원(91)과 시동 공기 매니폴드(95) 사이에 상호 연결되어 있는 주 시동 밸브(93)를 더 포함하고, 이 주 시동 밸브(93)는 가압 시동 공기가 상기 가압 시동 공기 공급원(91)으로부터 상기 시동 공기 매니폴드(95) 안으로 유입하는 것을 허용하거나 불허하도록 되어 있는 내연 엔진(10).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 시동 공기 시스템(90)은 상기 주 시동 밸브(93)의 하류에 배치되는 시동 공기 역지 밸브(94)를 더 포함하고, 이 시동 공기 역지 밸브는 가압 시동 공기가 상기 시동 공기 매니폴드(95)로부터 가압 시동 공기 공급원(91) 안으로 역류하는 것을 방지하도록 되어 있는 내연 엔진(10).
  11. 연료와 공기의 혼합물을 연소시키기 위한 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D), 및 상기 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D)에 가압 시동 공기를 제공하고 그 적어도 하나의 실린더(26A ∼ 26D)와 관련되어 있는 적어도 하나의 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)를 포함하는 시동 공기 시스템(90)을 포함하는 내연 엔진(10)을 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 내연 엔진(10)이 연료로 작동되는 동안에, 상기 적어도 하나의 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)의 상류에서 상기 시동 공기 시스템(90)에 폐쇄 공간을 제공하는 단계;
    상기 폐쇄 공간의 충전물에 대한 특성을 나타내고, 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)와 같은 시동 공기 시스템(90)의 적절한 작동성을 나타내는 예상 파라미터로부터 벗어나 있는 파라미터를 검출하는 단계; 및
    상기 시동 공기 시스템(90)의 누출을 나타내는 신호를 출력하는 단계를 포함하는, 내연 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 파라미터를 검출하기 전에 상기 폐쇄 공간을 소정의 압력으로 배출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 폐쇄 공간의 파라미터를 검출하는 상기 단계는, 그 폐쇄 공간 내부의 압력 및/또는 메탄 농도 및/또는 CO2 농도 및/또는 온도를 검출하는 것을 포함하는 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시동 공기 시스템(90)의 누출을 나타내는 상기 신호는 검출된 파라미터가 소정의 문턱값을 초과할 때 출력되는 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    검출된 파라미터가 경시적으로 소정의 파라미터 범위 밖에 있으면 상기 적어도 하나의 실린더 시동 밸브(97A ∼ 97D)가 적절히 작동하지 않는 것으로 판단하는 단계, 및/또는
    검출된 파라미터가 경시적으로 소정의 파라미터 범위 밖에 있으면 상기 내연 엔진(10)을 작동시키기 위한 다른 종류의 연료로 전환시키는 단계, 및/또는
    검출된 파라미터가 경시적으로 소정의 파라미터 범위 밖에 있으면 상기 내연 엔진(10)을 끄는 단계, 및/또는
    검출된 파라미터가 경시적으로 소정의 파라미터 범위 밖에 있으면 상기 내연 엔진(10)을 비상 작동 모드로 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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