KR20160060575A - 엔진을 작동시키기 위한 방법 및 그 제어 장치 - Google Patents

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쥐르겐 메츠거
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Abstract

본 발명은 복수의 실린더(2)를 포함하여 바람직하게는 혼소 엔진으로서 형성되는 엔진을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이며, 기상 연료와 공기로 이루어진 가스-공기 혼합기의 연소를 위해, 가스-공기 혼합기는 실린더들(2) 내에서 점화 유체의 이용하에 점화되고, 각각의 실린더(2)의 영역에서 이 각각의 실린더의 하나의 작동 주기에 맨 먼저 기상 연료 및 가스-공기 혼합기의 공기가 각각의 실린더(2) 내로 유입되고, 그런 다음 점화 유체가 각각의 실린더(2) 내로 유입되며, 그리고 각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에 점화 유체는 2회 이상의 연속되는 분사로 각각의 실린더(2) 내로 유입된다.

Description

엔진을 작동시키기 위한 방법 및 그 제어 장치{METHOD FOR OPERATING AN ENGINE AND CONTROL DEVICE THEREOF}
본 발명은 엔진을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
실제로는, 한편으로 액상 연료 작동 모드에서 경유와 같은 액상 연료가 연소될 수 있고 다른 한편으로 기상 연료 작동 모드에서는 천연가스와 같은 기상 연료가 연소될 수 있는 이른바 혼소 엔진들(dual fuel engine)은 공지되었다. 상기 혼소 엔진의 기상 연료 작동 모드에서 일반적으로는 희박한 가스-공기 혼합기가 엔진의 실린더들 내로 유입되어 마찬가지로 실린더들 내로 유입되는 점화 유체의 점화 에너지를 통해 점화된다. 따라서 혼소 엔진은 점화 유체 분사 시스템을 포함하며, 점화 유체 분사 시스템은 복수의 실린더를 위한 공통 점화 유체 이송 펌프와, 복수의 실린더를 위한 공통 점화 유체 저장 탱크와, 복수의 실린더를 위한 개별 점화 유체 인젝터들을 포함한다. 이 경우, 점화 유체는 실무에 따라서 각각의 실린더 내에서 각각의 실린더의 피스톤의 이른바 상사점 직전에 각각의 실린더의 연소실 내로 유입되며, 더욱 정확하게 말하면 각각의 실린더의 작동 주기마다 오직 1회의 분사로, 또는 그에 의해 유입된다.
본 발명의 과제는, 종래 기술에서 출발하여, 엔진을 작동시키기 위한 새로운 유형의 방법 및 그 제어 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 청구항 제1항에 따르는 방법을 통해 해결된다. 본 발명에 따라서, 각각의 실린더의 각각의 작동 주기에서, 점화 유체는 2회 이상의 연속되는 분사로 각각의 실린더 내로 유입된다.
본 발명에 따라서, 점화 유체가 각각의 실린더의 각각의 작동 주기에서 2회 이상의 연속되는 분사로 각각의 실린더 내로 유입되는 것을 통해, 엔진의 각각의 실린더 내에서 가스-공기 혼합기의 연소는 개량될 수 있고 그에 따라 엔진의 효율은 증가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라서, 각각의 실린더의 각각의 작동 주기에, 점화 유체는, TDC(상사점) 이전의 90°CA(크랭크 샤프트 각도)와 TDC 이전의 30°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에, 바람직하게는 TDC 이전의 85°CA와 TDC 이전의 35°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에, 특히 바람직하게는 TDC 이전의 70°CA와 TDC 이전의 40°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 제1 분사 개시점을 갖는 제1 분사로, 그리고 TDC 이전의 40°CA와 TDC 이전의 20°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 제2 분사 개시점을 갖는 제2 분사로 각각의 실린더 내로 유입되며, 제2 분사의 제2 분사 개시점은 제1 분사의 제1 분사 종료점의 뒤에 위치한다. 이렇게 하여, 엔진의 각각의 실린더 내에서 가스-공기 혼합기의 연소는 계속하여 개량될 수 있고 그에 따라 엔진의 효율은 계속하여 증가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라서, 각각의 실린더의 각각의 작동 주기에서 점화 유체의 분사량은, 각각의 작동 주기를 위한 점화 유체의 총 분사량 중에서 제1 분사의 경우 60%와 80% 사이, 그리고 제2 분사의 경우에는 20%와 40% 사이가 각각의 실린더 내로 유입되는 방식으로, 분사들 간에 분배된다. 이렇게 하여, 가스-공기 혼합기의 연소는 계속하여 개량될 수 있고 엔진의 효율은 특히 계속하여 증가될 수 있다. 이렇게 하여, 엔진의 각각의 실린더 내에서 가스-공기 혼합기의 연소는 계속하여 개량될 수 있고 그에 따라 엔진의 효율은 계속하여 증가될 수 있다.
분사량은 실린더마다 서로 상이할 수 있다. 따라서, 특히 엔진이 실린더 개별의 폐회로 제어 장치를 포함한다면, 각각의 실린더는 최적의 조건에서 작동될 수 있다.
본 발명을 실행하기 위한 제어 장치는 청구항 제8항에서 정의된다.
본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들과 하기의 기재내용에서 제시된다. 본 발명의 실시예들은, 이 실시예들로 국한되지 않으면서, 도면에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 혼소 엔진으로서 형성된 엔진을 도시한 블록회로도이다.
도 2는 바람직하게는 혼소 엔진으로서 형성된 엔진을 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법을 명확하게 설명하기 위한 그래프이다.
도 1에는 혼소 엔진의 모듈들이 도시되어 있으며, 특히 도 1은 상기 엔진의 하나의 실린더(2)를 도시하고 있다.
실린더(2)는 실린더 헤드(3)를 포함한다. 실린더(2) 내에서는 커넥팅 로드(5)에 의해 안내되는 피스톤(4)이 상하 이동된다. 실린더 헤드(3) 내에는 연료 인젝터(6)가 고정되며, 이 연료 인젝터를 통해 액상 연료, 특히 경유 연료가 연료 라인(7)을 경유하여, 그리고/또는 연료 저장 탱크에서 연료 펌프(8)로부터 실린더(2)의 연소실(9) 내로 직접 분사될 수 있다. 이 경우, 연료 펌프(8)는 바람직하게는 엔진의 크랭크 샤프트를 기반으로 구동된다. 연료 인젝터(6), 연료 라인(7) 및 연료 펌프(8)는, 실린더(2)의 연소실(9) 내로 액상 연료를 공급하는 역할을 하는 연료 공급 장치의 부재들이다. 이런 연료 공급 장치는, 혼소 엔진의 실린더(2) 내에서 연료로서 액상 연료, 특히 경유가 연소될 때, 다시 말하면 혼소 엔진의 액상 연료 작동 모드에서 활성화된다.
그 밖에, 액상 연료의 연소를 위해, 혼소 엔진의 각각의 실린더(2) 내로는 과급 공기(10)가 흡기 밸브(17)를 통해 유입될 수 있으며, 연료의 연소 동안 발생하는 배기가스(15)는 배기 밸브(18)를 통해 실린더(2)로부터 배출될 수 있다.
기상 연료 작동 모드에서 혼소 엔진의 실린더(2)의 연소실(9) 내에서는 연료로서 가스도 연소될 수 있다. 이를 위해, 혼소 엔진은 혼합기 형성 유닛(20)을 포함하고, 이 혼합기 형성 유닛 내에서는 가스 공급 라인(21)을 통해 혼합기 형성 유닛(20)으로 공급되는 가스와 연소 공기(10)로 이루어진 혼합기가 형성되며, 이런 가스-공기 혼합기는 흡기 밸브(17)를 통해 실린더(2)의 연소실(9) 내로 유입된다. 가스의 연소 동안에도 배기가스(15)가 발생하며, 이 배기가스는 배기 밸브(18)를 통해 실린더(2)로부터 배출될 수 있다.
혼소 엔진의 실린더(2)의 기상 연료 작동 모드에서 가스-공기 혼합기의 점화를 위해, 점화 유체 인젝터(13)에 의해 실린더의 추가 연소실(11) 내로 유입될 수 있는 점화 유체가 이용되며, 실린더(2)의 상기 추가 연소실(11)은 하나 이상의 연결 채널(12)을 통해 연소실(9)과 연결된다. 여기서 주지할 사항은, 점화 유체가 연소실(9) 내로 직접적으로도 유입될 수 있다는 점이다.
도 1에 도시된 실린더(2)의 점화 유체 인젝터(13)는 엔진의 점화 유체 분사 시스템의 부품이며, 점화 유체 분사 시스템은 엔진의 각각의 실린더(2)를 위해 개별 점화 유체 인젝터(13)를 포함한다. 점화 유체 인젝터들(13)은 점화 유체 분사 시스템의 공통 점화 유체 저장 탱크(22)로부터 출발하여 점화 유체 라인(14)을 통해 점화 유체를 공급받을 수 있으며, 점화 유체 저장 탱크(22)에는, 이 점화 유체 저장 탱크(22)에 점화 유체를 공급하는 점화 유체 이송 펌프(16)가 할당된다. 점화 유체 이송 펌프(16)는 바람직하게는 전기 작동식 고압 펌프이다. 이 경우, 점화 유체 이송 펌프(16)에는 흡입 스로틀(19)(suction throttle)이 할당된다.
이제부터, 본 발명은 혼소 엔진의 기상 연료 작동 모드에서 최적의 조건에서 높은 효율로 가스 또는 가스-공기 혼합기를 연소할 수 있는 상세내용에 관한 것이다.
혼소 엔진의 기상 연료 작동 모드에서, 실린더(2)의 각각의 작동 주기에서 맨 먼저 각각의 실린더(2)의 연소실(9) 내로 가스-공기 혼합기가 유입되고, 그런 다음 점화 유체가 각각의 실린더(2) 내로 유입된다. 이 경우, 본 발명에 따라서 점화 유체는 각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기마다 2회 이상의 연속되는 분사로 각각의 실린더(2) 내로 유입되지만, 그러나 실제로 통상적인 것처럼 각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기마다 오직 1회의 분사로는 유입되지 않는다.
각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에서, 점화 유체는, TDC 이전의 90°CA와 TDC 이전의 30°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 제1 분사 개시점을 갖는 제1 분사로 각각의 실린더(2) 내로 유입된다. 바람직하게는 제1 점화 유체 분사의 제1 분사 개시점은 TDC 이전의 85°CA와 TDC 이전의 35°CA 사이에 위치한다. 특히 바람직하게는 제1 점화 유체 분사의 제1 분사 개시점은 TDC 이전의 80°CA와 TDC 이전의 40°CA 사이에 위치한다. CA는 크랭크 샤프트 각도를 나타내고 TDC는 각각의 실린더(2)의 피스톤(4)의 상사점을 나타낸다.
각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에서, 그 다음, 점화 유체는, TDC 이전의 40°CA와 TDC 이전의 20°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 제2 분사 개시점을 갖는 제2 분사로 각각의 실린더(2) 내로 유입되며, 제2 점화 유체 분사의 제2 분사 개시점은 제1 점화 유체 분사의 제1 분사 종료점의 뒤에 위치한다.
점화 유체 분사의 분사 개시점과 그 분사 종료점 사이의 크랭크 샤프트 각도는 전형적으로 2°CA 내지 15°CA이다. 따라서 TDC 이전의 40°CA에서 개시되는 점화 유체 분사는 전형적으로 TDC 이전의 36°CA와 TDC 이전의 32°CA 사이에서 종료된다.
각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에서 점화 유체의 분사량은 바람직하게는 각각의 작동 주기를 위한 점화 유체의 총 분사량 중에서 제1 점화 유체 분사의 경우 60%와 80% 사이, 그리고 제2 점화 유체 분사의 경우에는 20%와 40% 사이가 각각의 실린더(2) 내로 유입되는 방식으로, 점화 유체 분사들 간에, 요컨대 점화 유체를 위한 제1 분사와 점화 유체를 위한 제2 분사 간에 분배되거나 분할된다.
본 발명에 의해, 엔진의 각각의 실린더(2) 내에서 가스-공기 혼합기의 연소는 개량될 수 있고 그에 따라 엔진의 효율은 증가될 수 있다. 이렇게 도 2에는, 곡선 파형(23)으로, 실무에 따라서 하나의 작동 주기 동안, 다시 말하면 점화 유체가 각각의 작동 주기마다 오직 1회의 분사에 의해 실린더(2) 내로 유입될 때 실린더(2) 내에서 설정되는 가스-공기 혼합기의 연소 특성곡선이 도시되어 있다. 도 2의 연소 특성곡선(24)은, 본 발명에 따라서, 하나의 작동 주기 동안, 다시 말하면 점화 유체가 각각의 작동 주기마다 2회 이상의 연속되는 분사로 실린더(2) 내로 유입될 때 실린더(2) 내에서 설정되는 가스-공기 혼합기의 연소를 도시하고 있으며, 제1 분사의 분사 개시점은 크랭크 샤프트 각도 α1에 위치하고 제2 분사의 분사 개시점은 크랭크 샤프트 각도 α2에 위치한다. 도 2에는 [°CA] 단위의 크랭크 샤프트 각도(α)에 걸쳐서 [KJ] 단위의 공급되는 연소 에너지(E)가 도시되어 있다. 도 2에서는, 본 발명을 이용할 경우 연소가 상대적으로 더 신속하면서도 더 안정적이며, 연소는 상대적으로 더 높은 최대 전환율 및 개량된 전소(burnout)를 나타낸다는 점을 알 수 있다. 전체적으로 엔진의 효율은 증가될 수 있다.
점화 유체의 제1 분사와 점화 유체의 제2 분사 사이에, 그리고/또는 점화 유체의 제2 분사 후에 추가의 점화 유체 분사가 수행될 수 있으며, 이 추가의 점화 유체 분사의 분사 개시점은 각각 선행하는 점화 유체 분사의 분사 종료점의 뒤에 위치한다. 이런 경우에, 점화 유체는 각각의 작동 주기마다 3회 이상의 분사로 엔진의 각각의 실린더(2) 내로 유입될 수 있다. 이렇게 하여, 엔진의 각각의 실린더(2) 내에서 가스-공기 혼합기의 연소는 계속하여 개량될 수 있고 그에 따라 엔진의 효율은 계속하여 증가될 수 있다.
본 발명은 바람직하게는 혼소 엔진들의 경우 기상 연료 작동 모드에서 이용된다. 그러나 본 발명은 기상 연료만이 점화 유체의 이용하에 연소되는 엔진들, 다시 말하면 혼소 엔진들과 달리 액상 연료 작동 모드를 이용하지 않는 상기 엔진들의 경우에서도 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 엔진의 제어 장치에도 관한 것이다. 제어 장치는 바람직하게는 엔진 제어 유닛이다. 이런 엔진 제어 유닛은 본원의 방법의 실행을 위한 수단들을 포함하며, 이런 수단들은 하드웨어 측 수단들 및 소프트웨어 측 수단들이다. 하드웨어 측 수단들은 본 발명에 따른 방법의 실행에 관여하는 모듈들과 데이터를 교환하기 위해 데이터 인터페이스들을 포함한다. 또한, 하드웨어 측 수단들은 데이터 저장을 위한 저장 장치와 데이터 처리를 위한 프로세서를 포함한다. 소프트웨어 측 수단들은 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 프로그램 모듈들이다.

Claims (8)

  1. 복수의 실린더(2)를 포함하여 바람직하게는 혼소 엔진(dual fuel engine)으로서 형성되는 엔진을 작동시키기 위한 엔진 작동 방법으로서, 기상 연료와 공기로 이루어진 가스-공기 혼합기의 연소를 위해 가스-공기 혼합기는 실린더들(2) 내에서 점화 유체의 이용하에 점화되고, 각각의 실린더(2)의 영역에서 그 각각의 실린더의 하나의 작동 주기에 맨 먼저 기상 연료 및 가스-공기 혼합기의 공기가 각각의 실린더(2) 내로 유입되고, 그런 다음 점화 유체가 상기 각각의 실린더(2) 내로 유입되는, 엔진 작동 방법에 있어서,
    상기 각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에 상기 점화 유체는 2회 이상의 연속되는 분사로 상기 각각의 실린더(2) 내로 유입되는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에 상기 점화 유체는 TDC 이전의 90°CA와 TDC 이전의 30°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 제1 분사 개시점을 갖는 제1 분사로 상기 각각의 실린더(2) 내로 유입되는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 분사 개시점은 TDC 이전의 85°CA와 TDC 이전의 35°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 분사 개시점은 TDC 이전의 80°CA와 TDC 이전의 40°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에 상기 점화 유체는 TDC 이전의 40°CA와 TDC 이전의 20°CA 사이의 크랭크 샤프트 각도 범위에 위치하는 제2 분사 개시점을 갖는 제2 분사로 상기 각각의 실린더(2) 내로 유입되며, 상기 제2 분사의 제2 분사 개시점은 상기 제1 분사의 제1 분사 종료점의 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점화 유체를 위한 제1 분사와 상기 점화 유체를 위한 제2 분사 사이에, 그리고/또는 상기 점화 유체를 위한 제2 분사 후에 상기 점화 유체를 위한 추가 분사가 수행되며, 이 추가 분사의 분사 개시점은 각각 선행하는 분사의 분사 종료점의 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 실린더(2)의 각각의 작동 주기에 점화 유체의 분사량은, 각각의 작동 주기를 위한 점화 유체의 총 분사량 중에서 상기 점화 유체를 위한 제1 분사의 경우 60%와 80% 사이, 그리고 상기 점화 유체를 위한 제2 분사의 경우에는 20%와 40% 사이가 상기 각각의 실린더(2) 내로 유입되는 방식으로, 분사들 간에 분배되는 것을 특징으로 하는 엔진 작동 방법.
  8. 엔진의 제어 장치에 있어서, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따르는 방법의 실행을 위한 수단들을 특징으로 하는 엔진의 제어 장치.
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