KR20160085899A

KR20160085899A - 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법

Info

Publication number: KR20160085899A
Application number: KR1020167017131A
Authority: KR
Inventors: 소타 와타나베; 나오히로 히라오카; 야스유키 고마다; 히로유키 이시다
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-07-18
Also published as: JP2015165106A; CN106030076B; JP6297363B2; CN106030076A; KR101854056B1; WO2015129547A1

Abstract

연료의 전환 시에서 과잉된 열량의 제공을 억제 가능한 이원연료기관 및 이원연료기관의 제어방법이다. 석유만으로 운전되는 디젤모드와 석유 및 가스에 의해 운전되는 가스모드를 구비하고, 디젤모드와 가스모드를 전환함과 동시에 석유 및 가스의 실린더 내에의 분사량을 각각 제어하는 제어부를 구비한 이원연료기관(1)에서, 제어부는 디젤모드에서 가스모드로 전환하는 경우에 전환 개시 지령시에 가스의 분사량을 제1 소정량 증가시킴과 동시에, 가스의 제1 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 감소시킨 후에, 가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에 석유의 분사량을 서서히 감소시키도록 제어를 행하는 이원연료기관(1)이다.

Description

이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법{DUAL-FUEL ENGINE, SHIP PROVIDED WITH SAME, AND METHOD FOR CONTROLLING DUAL-FUEL ENGINE}

본 발명은 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법에 관한 것이다.

내연기관으로서 종래 석유를 연료로 하는 디젤기관이 이용되어왔다. 그러나 환경에 대한 배려 등 각도에서 가스 및 석유를 연료로 하고, 이들을 전환하여 이용하는 이원연료기관이 검토되고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는 가스 및 석유를 연료로 하는 이원연료기관에 있어서, 연료를 전환하여 이용하는 것이 개시되어 있다. 석유만을 연료로 하여 운전하면 연소실 내에　퇴적물(Deposit)이 발생하고, 이것이 가스를 연료로 이용할 시에 연소프로세스의 장애가 될 수 있으므로, 석유에서 가스로 연료를 전환하는 도중에 일정기간 과도적 연료비(예를 들어, 가스 50%, 석유 50%)로 함으로써 퇴적물을 소진하고 있다.

또한 가스를 주 연료로서 이용하는 경우는 석유를 파일럿분사하여 점화시키는 것이 개시되어 있다.

일본특허공개 제2010-14112호 공보

그러나 상기 특허문헌 1에 개시된 발명에서는 가스를 분사하는 분사밸브의 제어가 예를 들어 전자밸브로 행해지는 경우, 전자밸브의 최소분사기간의 최소값의 제약에 의해 최소연료분사량을 세세하게 제어할 수 없다고 하는 것이 고려되어 있지 않고, 석유에서 가스로 전환 직후에 상당량의 가스가 분사되어 일시적으로 실린더 내에 공급되는 열량이 과잉된다고 하는 문제가 있었다.

도 3에는 상술한 바와 같이 가스가 과잉으로 공급된 경우의 이원연료기관의 회전수와 실린더 내 최고압력의 시간경과를 나타낸 그래프가 나타나 있다. 도 3에서 횡축은 시간이고 종축은 이원연료기관의 회전수 및 실린더 내 최고압력이다. 여기서 실린더 내 최고압력이란 어느 한 운전상태에 따른 실린더 내의 내압의 최고치이고, 운전상태에 관계없이 설계단계에서 결정되는 각각의 기관에 고유한 값인 허용압력(실린더 내 최고압력의 상한치)과는 상이하다.

시간 t=0에서 석유만을 주 연료로 하는 디젤모드에서 가스를 주 연료로 하고 석유를 파일럿연료로 하는 가스모드로의 전환이 행해진 경우에, 일시적으로 가스가 과잉 공급되면 도 3에 나타낸 바와 같이, 이원연료기관의 실린더 내 최고압력은 그때까지 안정되어 있던 값에서 급격히 높은 값을 나타내고, 그 상태가 잠시 계속되고 그 후 서서히 낮아지며 재차 안정된다. 실린더 내 최고압력이 높아지면 작업량이 증가하므로 이원연료기관의 회전수도 안정상태에서 고회전이 된다. 또한 이원연료기관의 회전수가 올라가면 연료량을 낮추는 지시가 내려지므로, 가스의 분사량의 증가가 억제됨과 동시에 석유의 분사량은 크게 감소하게 된다.

이와 같이 연료의 전환 시에 가스가 일시적으로 과잉 공급됨으로써, 이원연료기관의 실린더 내 압력, 회전수 및 총 열량(각 연료의 분사량)의 각각의 변동이 커지고, 안정된 연소에 의한 운전을 행할 수 없다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 연료의 전환 시에 따른 과잉된 연료의 공급을 억제 가능한 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법을 공급하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법은 이하의 수단을 채용한다.

본 발명의 제1 형태는 석유연료만으로 운전되는 제1 운전모드와 상기 석유연료 및 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 전환함과 동시에, 상기 석유연료 및 상기 연료가스의 분사량을 제어하는 제어부를 구비한 이원연료기관에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 운전모드에서 상기 제2 운전모드로 전환할 시에 상기 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에, 상기 연료가스의 상기 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 감소시킨 후에, 상기 연료가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에 상기 석유연료의 분사량을 서서히 감소시키도록 제어를 행하는 이원연료기관이다.

상기 제1 형태에 의하면 이원연료기관은 석유연료만으로 운전되는 제1 운전모드와 석유연료와 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 구비하고 있다. 이 제1 운전모드에서 제2 운전모드로 전환할 시에 총 열량이 변하지 않도록 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에, 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 석유연료의 분사량을 감소시켜, 그 후 연료가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에 석유연료의 분사량을 서서히 감소시키도록 제어한다.

연료가스의 분사밸브가 예를 들어, 전자밸브처럼 최소분사기간의 최소값의 제약이 있고, 최소연료분사량을 세세하게 제어하는 것이 어려운 경우, 전환과 동시에 연료가스를 분사하는 것으로 하면 전환 직후의 연료가스의 분사량이 일시적으로 커지고 제어지령값보다도 과잉된 열량을 실린더 내에 공급하게 된다. 그래서 상기 제1 형태에서는 제1 운전모드에서 제2 운전모드로의 전환 시에 실린더 내의 총 열량이 변하지 않도록 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 석유연료의 분사량을 감소시킴으로써, 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다. 이것에 의해 이원연료기관의 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실시할 수 있고, NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있다.

상기 형태에서 상기 제어부는 상기 석유연료의 분사량을 파일럿분사량까지 서서히 감소시킴과 동시에, 상기 연료가스를 총 열량에서 상기 파일럿분사량의 열량을 뺀 열량에 상당하는 분사량까지 서서히 증가시키는 구성으로 해도 된다.

상기 구성에 의하면 석유연료의 분사량을 파일럿분사량까지 서서히 감소시킴과 동시에, 연료가스를 총 열량에서 파일럿분사량의 열량을 뺀 열량에 상당하는 분사량까지 서서히 증가시키므로, 연료가스의 연소에 필요한 파일럿연료로서 석유연료를 사용할 수 있고, 또한 전체의 총 열량이 변하지 않으므로 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다. 이것에 의해 이원연료기관의 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실시할 수 있고, NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있다.

본 발명의 제2 형태는 석유연료만으로 운전되는 제1 운전모드와 상기 석유연료 및 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 전환함과 동시에, 상기 석유연료 및 상기 연료가스의 분사량을 제어하는 제어부를 구비한 이원연료기관에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2 운전모드에서 상기 제1 운전모드로 전환할 때에 상기 연료가스의 분사량을 서서히 감소시킴과 동시에, 상기 석유연료의 분사량을 서서히 증가시킨 후에, 전환 완료 시에 상기 연료가스의 분사량을 소정량 감소시킴과 동시에, 상기 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 증가시키도록 제어를 행하는 이원연료기관이다.

상기 제2 형태에 의하면 제2 운전모드에서 제1 운전모드로 전환할 때에 연료가스의 분사량의 비율을 서서히 감소시킴과 동시에 석유연료의 분사량의 비율을 서서히 증가시키고, 그 후 전환 완료 시에 총 열량이 변하지 않도록 연료가스의 분사량을 소정량 감소시킴과 동시에 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 석유연료의 분사량을 증가시키도록 제어한다.

연료가스의 분사밸브가 예를 들어, 전자밸브처럼 최소분사기간의 최소값의 제약이 있고, 최소연료분사량을 세세하게 제어하는 것이 어려운 경우, 전환 시에 연료가스의 분사를 서서히 줄이게 하면 전환 완료 시에 연료가스의 분사량이 일시적으로 크게 감소되고, 실린더 내에 공급되는 열량은 제어지령값보다도 큰폭으로 삭감되고 만다.

그래서 상기 제2 형태에서는 제2 운전모드에서 제1 운전모드로의 전환 완료 시에 실린더 내의 총 열량이 변하지 않도록 연료가스의 분사량을 소정량 감소시킴과 동시에 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 석유연료의 분사량을 증가시킴으로써, 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다. 이것에 의해 이원연료기관의 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실시할 수 있고, NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있다.

상기 어느 하나의 형태에서, 상기 연료가스의 상기 소정량은 상기 연료가스 분사밸브의 상기 최소분사기간의 최소분사량 이상인 구성이어도 된다.

상기 구성에 의하면 연료가스의 소정량이 연료가스 분사밸브의 최소분사기간의 최소분사량 이상이므로 제어 가능한 값을 설정할 수 있고, 연료가스 분사밸브의 사양의 제약에 의해 제1 운전모드와 제2 운전모드의 전환 시에 연료가스의 열량이 변동하는 것을 억제하므로, 실린더 내의 총 열량이 변하지도 않도록 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다.

상기 어느 하나의 형태에서 상기 제어부는 상기 연료가스의 공급압력과 그에 따른 상기 연료가스의 상기 소정량 및 상기 연료가스의 상기 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 관련지어 기억하는 테이블을 구비하고, 상기 제1 운전모드와 상기 제2 운전모드의 전환 개시 때의 상기 연료가스의 상기 공급압력을 검지하고, 검지한 해당 공급압력에 의거하여 상기 테이블에서 상기 연료가스의 상기 소정량과 그것에 대응하는 상기 석유연료의 분사량을 취득하는 구성이어도 된다.

상기 구성에 의하면 연료가스의 공급압력과 그것에 따른 연료가스의 분사량의 소정량과 그 열량에 상당하는 석유연료의 분사량을 각각 관련지어 사전에 테이블에 보존해두고, 검지한 공급압력에 따른 소정량 및 분사량을 공급함으로써 연료가스의 분사열량은 공급압력에 의해 변화하지만, 적절한 양의 연료가스의 분사량 및 석유연료의 분사량을 결정할 수 있고, 실린더 내 총 열량이 변하지 않고 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실행할 수 있다.

본 발명의 제3 형태는 상술한 어느 하나에 기재된 이원연료기관과 상기 이원연료기관을 탑재하는 선체를 구비하는 선박이다.

상기 제3 형태에 의하면 상술한 어느 하나의 이원연료기관을 선박에 탑재하였으므로, 기관의 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실행할 수 있다. 이것에 의해 NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제하여 환경을 배려한 선박 운행을 행할 수 있다.

본 발명의 제4 형태는 석유연료만으로 운전되는 제1 운전모드와 상기 석유연료 및 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 구비하는 이원연료기관의 제어방법에 있어서, 상기 제1 운전모드에서 상기 제2 운전모드로 전환할 때에 상기 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에, 상기 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 감소시키는 스텝과, 상기 연료가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에 상기 석유연료의 분사량을 서서히 감소시키는 스텝을 구비하는 이원연료기관의 제어방법이다.

상기 제4 형태에 의하면 이원연료기관은 석유연료만으로 운전되는 제2 운전모드와, 석유연료와 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 구비하고 있다. 이 제1 운전모드에서 제2 운전모드로 전환할 시에 총 열량이 변하지 않도록 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에, 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 석유연료의 분사량을 감소시켜, 그 후 연료가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에 석유연료의 분사량을 서서히 감소시키도록 제어한다.

연료가스의 분사밸브가 예를 들어, 전자밸브처럼 최소분사기간의 최소값의 제약이 있고, 최소연료분사량을 세세하게 제어하는 것이 어려운 경우, 전환과 동시에 연료가스를 분사하는 것으로 하면 전환 직후의 연료가스의 분사량이 일시적으로 커지고 제어지령값보다도 과잉된 열량을 실린더 내에 공급하게 된다. 그래서 상기 제4 형태에서는 전환 시에 실린더 내의 총 열량이 변하지 않도록 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 석유연료의 분사량을 감소시킴으로써, 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다. 이것에 의해 이원연료기관의 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실시할 수 있고, NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면 연료가스의 열량의 공급의 변동을 억제할 수 있으므로, 실린더 내에의 과잉된 열량의 공급을 억제할 수 있고, 이원연료기관의 실린더 내압 및 회전수의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 이원연료기관의 각 연료의 분사과정을 나타낸 횡단면도와 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 이원연료기관의 석유연료 및 연료가스의 열량의 시간경과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 이원연료기관의 회전수와 실린더 내 최고압력의 시간경과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 연료가스의 연료가스 분사밸브 분사기간과 연료가스 분사밸브 분사량을 나타낸 그래프이다.

이하에 본 발명에 관한 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법의 일실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

(제1 실시형태)

이하, 본 발명의 제1 실시형태에 대하여 도 1을 이용하여 설명한다.

도 1에는 본 실시형태에 관한 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법의 대략적인 구성 및 각 연료의 분사과정이 나타나 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이 이원연료기관(1)은 실린더부(10), 피스톤(20), 연료가스 분사밸브(101), 연료분사밸브(103)를 주요 구성으로서 구비하고 있다.

이원연료기관(1)에는 실린더라이너(도시하지 않음), 실린더커버(도시하지 않음) 등으로 이루어지는 실린더부(10)가 설치되어 있고, 실린더부(10) 내부에는 피스톤(20)이 배치되어 있으며, 피스톤(20)에 연결된 연접봉이나 크랭크축 등(도시하지 않음)에 의해 외부로 동력이 추출된다.

이원연료기관(1)에는 연료가스 분사밸브(101) 및 연료분사밸브(103)에서 각 연료가 분사 및 공급되어, 실린더부(10) 내부에서 연료가 연소된다.

이원연료기관(1)은 예를 들어, 선박에 탑재되고, 외부로 추출된 동력이 프로펠러로 전달되어 선박의 추진력으로서 출력된다.

연료가스 분사밸브(101)는 그 제어가 전자밸브에 의해 행해지고, 전자밸브가 열려진 기간에 따라 예를 들어, 150~250bar 정도까지 승압된 가스(연료가스)가 실린더 내에 분사된다. 또한 연료분사밸브(103)는 예를 들어, 저속 2스트로크사이클 디젤기관에 이용되는 연료분사밸브가 사용되고, 연료분사밸브의 개도에 따라 연료분사펌프에 의해 승압된 석유(석유연료)가 실린더 내에 분사된다 연료가스 분사밸브(101) 및 연료분사밸브(103)는 도시하지 않은 제어부에 의해 제어된다. 또한 각 연료가스 분사밸브(101) 및 각 연료분사밸브(103)는 실린더부(10) 상방의 실린더부(10)의 중심축을 중심으로 대칭이 되는 위치에 각각 배치되어 있다.

여기서 가스는 액화천연가스(LNG)를 가스화하여 승압한 압축천연가스(CNG), 액화프로판가스(LPG) 등 어느 것을 사용해도 된다. 또한 석유는 중유, 경유 등 어느 것을 사용해도 된다.

이원연료기관(1)은 제어부에 의해 석유만을 주 연료로 하는 디젤모드(제1 운전모드)와 가스를 주 연료로 하는 가스모드(제2 운전모드)가 전환되어, 어느 하나의 모드에 의해 운전이 행해진다. 가스모드로 운전되는 경우, 파일럿착화의 파일럿분사용 연료가 필요하지만, 본 실시형태에서는 석유를 파일럿분사용 연료로서 사용한다. 또한 이하에서는 디젤모드와 가스모드를 전환하는 기간을 전환기간으로 한다.

도 1의 (a) 내지 (c)에는 가스를 주 연료로 함과 동시에 석유를 파일럿연료로 하는 가스모드의 경우의 각 연료의 분사 과정이 나타나 있다.

도 1의 (a)는 압축행정을 나타내고, 연료가스 분사밸브(101) 및 연료분사밸브(103)로부터의 연료분사는 행해지지 않고, 실린더부(10) 내부에서 피스톤(20)의 상방에는 공기만이 공급되고 있다. 피스톤(20)이 상방으로 이동함에 따라 실린더부(10) 내부의 공기가 압축된다.

다음 행정의 도 1의 (b)는 착화행정을 나타내고, 피스톤(20)은 상사점 부근으로 이동하고 있다. 이때 연료분사밸브(103)에서는 가스의 점화에 필요한 파일럿유가 분사되고, 연료가스 분사밸브(101)에서는 가스가 분사된다. 이때 연료분사밸브(103)는 가스에 착화시키기 위한 파일럿밸브로서 사용되고 있는 것으로 된다.

다음 행정의 도 1의 (c)는 연소/팽창 행정을 행하고, 도 1(b)에서 분사된 가스 및 파일럿유가 확산 연소하고 있다. 연소한 가스는 팽창하고 피스톤(20)을 하방으로 되민다.

이들 행정을 반복함으로써 피스톤(20)이 상하이동하고, 연결된 크랭크축(도시하지 않음) 등에 의해 외부로 동력이 추출된다.

도 2에는 연료분사밸브(103)에서 실린더 내에 분사되는 석유의 열량과 연료가스 분사밸브(101)에서 실린더 내에 분사되는 가스의 열량의 시간경과를 타나낸 그래프가 나타나 있다.

도 2에서 횡축은 시간이고, 종축은 석유 및 가스의 열량에 상당하는 계수이다. 종축의 계수는 연료전환 전후의 운전에 따른 실린더 내 총 열량의 소정값이 1이 된다. 또한 굵은 선 및 굵은 파선은 가스의 제어부에 의해 제어되는 제어값(총 열량에 대한 제어 열량의 비율) 및 종래 제어값(종래 예의 제어값으로서 총 열량에 대한 종래의 제어 열량의 비율), 가는 선 및 가는 파선은 석유의 제어값 및 종래 제어값이다.

도 2에서는 디젤모드에서의 운전에서 전환기간을 거쳐 가스모드로 전환하는 경우의 석유 및 가스의 제어값, 또한 석유 및 가스의 종래 제어값이 시간의 경과와 함께 나타나 있다. 여기서 전환기간의 개시시점의 시간(t)을 0으로 하고 있다.

디젤모드에서 가스모드로 전환을 행하는 경우, 제어부는 연료가스 분사밸브(101)에 열림 제어를 행하는데, 공급되는 가스는 고압가스이므로 연료가스 분사밸브(101)의 제어가 전자밸브에 의해 행해지고, 최소분사기간의 최소값(예를 들어, 3~4ms)의 제약이 있는 것을 알고 있다. 따라서 연료가스 분사밸브(101)는 최소분사기간 이하의 세세한 제어를 행하는 것이 불가능하고, 제어지령값에 따라 서서히 분사량을 증가시키는 것이 불가능하므로, 제어지령값보다도 큰 최소분사량을 분사하게 된다.

이것에 반하여 연료분사밸브(103)에서 분사되는 석유는 서서히 분사량이 감소되므로, 석유의 분사량의 감소량보다도 가스의 분사량의 증가량이 상회하고, 실린더부(10)의 실린더 내에는 원하는 총 열량보다도 과잉된 열량이 공급되게 된다.

그래서 도 2의 가스 및 석유 제어값의 그래프에 표시되도록 디젤모드에서 가스모드로 전환을 행하는 경우, 제어부는 전환 시에 연료가스 분사밸브(101)에 대하여 제1 소정량(열량(Fs)에 상당함)을 증가시키는 지시와 연료분사밸브(103)에 대하여 가스의 제1 소정량의 열량(Fs)에 상당하는 분사량을 감소시키는 지시를 동시에 행한다. 여기서 제1 소정량은 연료가스 분사밸브(101)의 최소분사기간의 최소분사량 이상의 분사량인 것으로 한다. 이 지시에 의해 도 2의 시간 t=0에서, 가스의 분사량은 0부터 제1 소정량으로 연속하지 않고 급격하게 상승한다. 또한 석유는 도 2의 시간 t=0에서, 총 열량에 상당하는 분사량부터 가스의 제1 소정량의 열량(Fs)에 상당하는 분사량 분량만큼 연속하지 않고 급격하게 감소한다.

제1 소정량의 가스를 분사하고, 총 열량에서 가스의 제1 소정량의 열량(Fs)을 뺀 열량(1-Fs)에 상당하는 분사량의 석유를 분사한 후, 제어부는 석유가 시간 t2에 파일럿분사량에 상당하는 열량인 F1이 되도록 분사량을 연속적으로 서서히 감소시키는 지시와, 가스가 시간 t2에 총 열량에서 파일럿분사량에 상당하는 열량을 뺀 열량 F2=1-F1이 되도록 분사량을 연속적으로 서서히 증가시키는 지시를 행한다. 석유의 분사량의 감소지시 및 가스의 분사량의 증가지시는 총 열량의 변동을 억제하도록 각각 일차함수처럼 감소 및 증가의 지시를 행하고 있다. 단, 그 감소 및 증가의 경향에 대해서는 도 2에 나타낸 예에 한정되지 않고, 총 열량의 변동을 억제하는 제어이면 예를 들어, 이차함수처럼 곡선상으로 변화시킨 감소지시 및 증가지시여도 된다.

시간 t2에서 가스의 열량은 F2, 석유의 열량은 F1이 되고, 시간 t2 이후 이원연료기관(1)은 가스모드로 운전된다. 여기서 t2는 t3과 동일한 값이어도 되고, 적절하게 설정 가능한 값이다.

이상과 같이 제어됨으로써, 시간 t=0부터 t2 사이의 전환기간에서도 실린더 내에 공급되는 총 열량의 변동이 억제된다.

또한 가스모드에서 디젤모드로 전환을 행하는 경우에는 동일하게 연료가스 분사밸브(101)의 최소분사기간의 최소값의 제약에 의해 최소분사량을 세세하게 제어하기 어렵고, 제어지령값에 따라 서서히 분사량을 감소시킬 수 없으므로, 전환 완료 시에 가스의 분사량이 일시적으로 크게 감소되어, 실린더 내에 공급되는 총 열량이 제어지령값보다도 대폭 삭감되게 된다.

그래서 제어부는 먼저 석유의 열량이 총 열량이 되도록 분사량을 서서히 증가시키는 지시와 가스의 열량이 0이 되도록 분사량을 서서히 감소시키는 지령을 행한다. 그리고 전환 완료 시에 연료가스 분사밸브(101)에 대하여 제2 소정량을 감소시키는 지시와 연료분사밸브(103)에 대하여 제2 소정량의 열량에 상당하는 분사량을 증가시키는 지시를 행한다. 여기서 제2 소정량은 연료가스 분사밸브(101)의 최소분사기간의 최소분사량 이상의 분사량인 것으로 한다. 이 지시에 의해 전환 완료 시에서 석유의 분사량은 파일럿분사량에서 제2 소정량의 열량에 상당하는 분사량 분량만큼 연속하지 않고 급격하게 상승하고, 동시에 가스는 제2 소정량 분량만큼 연속하지 않고 급격하게 감소한다.

이상, 설명해온 것과 같이 본 실시형태에 관한 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법에 의하면 이하의 작용효과를 이룬다.

이원연료기관(1)은 석유만으로 운전되는 디젤모드와, 석유와 가스에 의해 운전되는 가스모드를 구비하고 있다. 이 디젤모드에서 가스모드로 전환할 시에 실린더 내의 총 열량이 변하지 않도록 가스의 분사량을 제1 소정량 증가시킴과 동시에 가스의 제1 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 감소시키고, 그 후 가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에 석유의 분사량을 서서히 감소시키도록 제어한다.

연료가스 분사밸브(101)에 최소분사기간의 최소값의 제약이 있고, 최소분사량을 세세하게 제어하는 것이 어려운 경우, 도 2의 가스 및 석유의 분사량을 종래 제어값처럼 연속적으로 전환하는 제어를 행하여 전환개시지령과 동시에 가스를 분사하는 것으로 하면, 최소분사기간 이하의 세세한 제어가 행해지지 않고 전환개시직후의 가스의 분사량이 일시적으로 커지며, 가스에 대한 제어지령값보다도 과잉된 열량을 실린더 내에 공급하게 된다. 이때 석유의 분사량은 제어지령값에 따라 서서히 감소되어 있으므로, 석유의 분사량의 감소량보다도 가스의 분사량의 증가량이 상회하고, 실린더부(10)의 실린더 내에는 원하는 총 열량보다도 과잉된 열량이 공급되게 된다. 실린더 내에 원하는 총 열량보다도 과잉된 열량이 공급되면 도 3에 나타낸 바와 같이, 이원연료기관의 실린더 내 최고압력은 그때까지 안정되어 있던 값에서 급격히 높은 값을 나타내고, 그 상태가 잠시 계속된다. 실린더 내 최고압력이 높아지면 작업량이 증가하므로 이원연료기관의 회전수도 안정상태에서 고회전이 된다. 또한 이원연료기관의 회전수가 올라가면 연료량을 낮추는 지시가 내려지므로, 가스의 분사량의 증가가 억제됨과 동시에 석유의 분사량은 크게 감소하게 된다.

이와 같이 가스가 일시적으로 과잉 공급됨으로써, 이원연료기관의 실린더 내 압력, 회전수 및 총 열량(각 연료의 분사량)의 각각의 변동이 커지고, 안정된 연소에 의한 운전을 행할 수 없다.

본 실시형태에 의하면 디젤모드에서 가스모드로의 전환 시에 실린더 내의 총 열량이 변하지 않도록 가스의 분사량을 제1 소정량 증가시킴과 동시에 가스의 제1 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 감소시킴으로써, 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다. 이것에 의해 이원연료기관(1)의 실린더 내압 및 회전수의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실시할 수 있고, NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있다.

또한 석유의 분사량을 파일럿분사량까지 서서히 감소시킴과 동시에, 가스를 총 열량에서 파일럿분사량의 열량을 뺀 열량에 상당하는 분사량까지 서서히 증가시키므로, 가스의 연소에 필요한 파일럿연료로서 석유를 사용할 수 있고, 또한 전체의 총 열량이 변하지 않으므로 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다. 이것에 의해 이원연료기관(1)의 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실행할 수 있고, NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있다.

또한 가스모드에서 디젤모드로의 전환 완료 시에 실린더 내의 총 열량이 변하지 않도록 가스의 분사량을 제2 소정량 감소시킴과 동시에 가스의 제2 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 증가시킴으로써, 가스모드에서 디젤모드로의 전환에서 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다. 이것에 의해 이원연료기관(1)의 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실행할 수 있고, NOx나 연비의 변동을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있다.

또한 가스의 제1 소정량 및 제2 소정량이 연료가스 분사밸브(101)의 최소분사기간의 최소분사량 이상이므로, 사전에 최소분사량 이상의 제어 가능한 값을 설정하고, 이것에 상당하는 열량의 석유의 분사량을 설정함으로써 열량을 상쇄함으로써, 연료가스 분사밸브(101)의 사양의 제약에 의해 디젤모드와 가스모드의 전환 시에 가스의 열량이 변동하는 것을 억제하므로, 실린더 내의 총 열량이 변하지 않도록 실린더 내에 공급하는 열량의 변동을 억제할 수 있다.

(제2 실시형태)

이하, 본 발명의 제2 실시형태에 대하여 도 4를 이용하여 설명한다.

상기한 제1 실시형태에서는 각 연료의 전환 시에 증감시키는 각 연료의 분사량을 하나의 값으로 결정했지만, 본 실시형태에서는 가스의 압력에 따라 각 연료의 분사량을 설정하는 것이다. 그 외의 부분에 대해서는 제1 실시형태와 동일하므로, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다. 도 4에는 본 실시형태에 관한 연료가스 분사밸브 분사기간과 연료가스 분사밸브 분사량을 나타낸 그래프가 나타나 있다. 도 4에서 횡축은 연료가스 분사밸브(101)의 분사기간이고, 종축은 1사이클당 연료가스 분사밸브(101)의 분사량이다. tn은 최소분사기간을 나타내고, 전자밸브에 의해 결정되는 분사시간의 하한계가 된다.

도 4에 나타낸 바와 같이 분사기간이 길어지면 분사량도 증가하고 있다. 또한 가스압력이 예를 들어, 20MPa, 25MPa. 30MPa로 커지면, 최소분사기간(tn)에 따른 최소분사량뿐만 아니라 동일한 분사기간에 따른 분사량은 증가한다. 또한 최소분사기간(tn)은 연료가스 분사밸브(101)에 이용되는 전자밸브에 의해 결정되므로, 가스압력에 관계없이 동일한 값을 나타낸다.

이와 같이 가스압력에 따라 최소분사기간(tn)에 따른 최소분사량이 변하므로, 본 실시형태에서는 가스의 공급압력과 그것에 따른 가스의 제1 소정량 및 가스의 제1 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 관련지어 기억하는 테이블을 제어부에 구비하고 있다.

가스의 공급압력과 그것에 따른 가스의 제1 소정량은 이하의 식(1)으로 나타낸다.

[수1]

Q'∝Hu¹×ρ_f ^1/2×ΔP^1/2×do²..(1)

(1) 식에서 Q'는 단위시간당 투입가스 발열량[kJ/s], Hu는 가스의 저위 발열량[kJ/㎏], ρ_f는 연료가스 분사밸브(101)의 분사구멍출구의 가스밀도[Kg/㎥], ΔP는 연료가스 분사밸브(101)의 유효분사압[Pa], do는 연료가스 분사밸브(101)의 분사구멍지름[m]이다.

ΔP는 (연료가스 분사밸브(101)의 분사압) - (실린더부(10) 내압)이다.

또한 초크조건으로는, ΔP는 (연료가스 분사밸브(101)의 분사압) - (초크압), ρ_f는 초크 시의 밀도로 한다.

제어부는 디젤모드에서 가스모드로의 전환 개시 때에 가스압력을 검지하는 센서(도시하지 않음)가 검지한 가스압력에 의거하여 테이블을 참조하고, 테이블에서 가스압력에 따른 가스의 제1 소정량 및 가스의 제1 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 취득한다. 제어부는 연료가스 분사밸브(101)에 대하여 테이블에서 취득한 가스의 제1 소정량을 증가시키는 지시와 연료분사밸브(103)에 대하여 테이블에서 취득한 가스의 제1 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 감소시키는 지시를 동시에 행한다.

또한 제어부는 가스의 공급압력과 그에 대한 가스의 제2 소정량 및 가스의 제2 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 관련지어 기억하는 테이블을 구비하고 있다.

제어부는 가스모드에서 디젤모드로의 전환 개시 때에 가스압력을 검지하는 센서(도시하지 않음)가 검지한 가스압력에 의거하여 테이블을 참조하고, 테이블에서 가스압력에 따른 가스의 제2 소정량 및 가스의 제2 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 취득한다. 제어부는 전환 완료 시에 연료가스 분사밸브(101)에 대하여 테이블에서 취득한 가스의 제2 소정량을 감소시키는 지시와 연료분사밸브(103)에 대하여 테이블에서 취득한 가스의 제2 소정량의 열량에 상당하는 석유의 분사량을 증가시키는 지시를 동시에 행한다.

이상, 설명해온 것과 같이 본 실시형태에 관한 이원연료기관 및 이것을 구비한 선박, 그리고 이원연료기관의 제어방법에 의하면 이하의 작용효과를 가진다.

가스의 공급압력과 그에 따른 가스의 분사량의 제1 또는 제2 소정량과 그 열량에 상당하는 석유의 분사량을 각각 관련지어 사전에 테이블에 보존해두고, 검지한 공급압력에 따른 가스 및 석유의 분사량을 취득하여 실린더부(10)의 실린더 내에 공급함으로써, 가스의 분사 열량은 공급 압력에 의해 변하지만, 적절한 양의 가스의 분사량 및 석유의 분사량을 결정할 수 있고, 실린더 내의 총 열량이 변하지 않고 실린더 내압의 변동을 억제하여 안정된 전환 제어를 실시할 수 있다.

이상, 본 발명의 각 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 서술해 왔는데, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위의 설계 변경 등도 포함된다.

예를 들어, 상술한 실시형태에서는 가스 압력과 그에 따른 가스의 제1 또는 제2 소정량과 그 열량에 상당하는 석유의 분사량을 각각 관련지어 테이블에 기억하게 하였는데, 검지한 가스압력을 상술한 (1)식에 설정하여 산출한 열량(에 상당하는 분사량)을 설정하는 것으로 해도 된다.

1 이원연료기관
10 실린더부
20 피스톤
101 연료가스 분사밸브
103 연료분사밸브

Claims

석유연료만으로 운전되는 제1 운전모드와 상기 석유연료 및 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 전환함과 동시에, 상기 석유연료 및 상기 연료가스의 분사량을 제어하는 제어부를 구비한 이원연료기관에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 운전모드에서 상기 제2 운전모드로 전환할 때에 상기 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에, 상기 연료가스의 상기 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 감소시킨 후에,
상기 연료가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에, 상기 석유연료의 분사량을 서서히 감소시키도록 제어를 행하는, 이원연료기관.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 석유연료의 분사량을 파일럿분사량까지 서서히 감소시킴과 동시에, 상기 연료가스를 총 열량에서 상기 파일럿분사량의 열량을 뺀 열량에 상당하는 분사량까지 서서히 증가시키는, 이원연료기관.
석유연료만으로 운전되는 제1 운전모드와 상기 석유연료 및 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 전환함과 동시에, 상기 석유연료 및 상기 연료가스의 분사량을 제어하는 제어부를 구비한 이원연료기관에 있어서,
상기 제어부는 상기 제2 운전모드에서 상기 제1 운전모드로 전환할 때에 상기 연료가스의 분사량을 서서히 감소시킴과 동시에 상기 석유연료의 분사량을 서서히 증가시킨 후에, 전환 완료 시에 상기 연료가스의 분사량을 소정량 감소시킴과 동시에, 상기 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 증가시키도록 제어를 행하는, 이원연료기관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료가스의 상기 소정량은 상기 연료가스 분사밸브의 상기 최소분사기간의 최소분사량 이상인, 이원연료기관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 연료가스의 공급압력과 그에 따른 상기 연료가스의 상기 소정량 및 상기 연료가스의 상기 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 관련지어 기억하는 테이블을 구비하고, 상기 제1 운전모드와 상기 제2 운전모드의 전환 개시 때의 상기 연료가스의 상기 공급압력을 검지하고, 검지한 해당 공급압력에 의거하여 상기 테이블에서 상기 연료가스의 상기 소정량과 그것에 대응하는 상기 석유연료의 분사량을 취득하는, 이원연료기관.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 이원연료기관과,
상기 이원연료기관을 탑재하는 선체를 구비하는, 선박.
석유연료만으로 운전되는 제1 운전모드와 상기 석유연료 및 연료가스에 의해 운전되는 제2 운전모드를 구비하는 이원연료기관의 제어방법에 있어서,
상기 제1 운전모드에서 상기 제2 운전모드로 전환할 때에 상기 연료가스의 분사량을 소정량 증가시킴과 동시에, 상기 연료가스의 소정량의 열량에 상당하는 상기 석유연료의 분사량을 감소시키는 스텝과,
상기 연료가스의 분사량을 서서히 증가시킴과 동시에, 상기 석유연료의 분사량을 서서히 감소시키는 스텝을 구비하는, 이원연료기관.