KR20160136231A - 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 상기 방법의 용도 및 대형 디젤 엔진 - Google Patents

대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 상기 방법의 용도 및 대형 디젤 엔진 Download PDF

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Abstract

대형 디젤 엔진을 작동하는 방법이 제안되고, 상기 대형 디젤 엔진은, 가스가 연료로서 실린더로 도입되는 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있고, 상기 가스 모드에서 작동 (10) 중 강한 부하 변화 상태가 검출되고 (13) 그 후 상기 대형 디젤 엔진은:
- 상기 엔진의 회전 속도 또는 상기 엔진의 토크에 대해 원하는 값을 지정하는 단계;
- 상기 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 연료로서 이용가능하게 되는 가스의 양에 대한 상한치를 결정하는 단계 (14);
- 상기 가스 이외에 연소 공간으로 도입되는 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계 (14) 로서, 상기 회전 속도에 대해 원하는 값이 실현되도록 상기 부가량의 크기가 정해지는, 상기 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계 (14) 를 포함하는, 과도 모드에서 작동된다. 또한, 이러한 방법에 따라 작동되는 대형 디젤 엔진이 제안된다.

Description

대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 상기 방법의 용도 및 대형 디젤 엔진{METHOD OF OPERATING A LARGE DIESEL ENGINE, USE OF THIS METHOD, AS WELL AS LARGE DIESEL ENGINE}
본 발명은, 각각의 카테고리의 독립항의 전제부에 따른, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 대형 디젤 엔진 및 상기 방법의 용도에 관한 것이다.
2 행정 또는 4 행정 기계들로서, 예를 들어 종방향으로 소기되는 2 행정 대형 디젤 엔진으로서 구성될 수 있는 대형 디젤 엔진들은 선박용 구동 집합체들로서 또는 작동 정지 (stationary) 모드에서, 예컨대 전기 에너지를 발생시키기 위한 대형 발전기들을 구동하기 위해 종종 사용된다. 이와 관련하여 엔진들은 일반적으로 작동 안전성 및 가용성에 대해 높은 요구를 나타내는 연속 작동 모드에서 상당한 기간 동안 가동된다. 이런 이유들 때문에 특히 긴 유지보수 간격, 낮은 마모 및 작동 연료들의 경제적 취급이 작동자에게 가장 중요한 기준들이다.
몇 년 동안 추가 필수 사항 및 중요성이 높아지는 필수 사항은 배기 가스의 품질, 특히 배기 가스 중 산화 질소 농도이다. 여기에서 대응하는 배기 가스 값들에 대한 법 규정과 한계치들은 점점 더 엄격해지고 있다. 특히 2 행정 대형 디젤 엔진들을 고려하면 이것은, 오염물질들이 많이 로딩된 전형적인 중연료유의 연소 및 또한 디젤유 또는 그 밖의 다른 연료의 연소가 더욱 문제가 되는 결과를 낳는데, 왜냐하면 배기 가스 한계치들의 유지가 점점 더 어려워지고, 기술적으로 더 요구가 많아지고 이리하여 더 많은 비용이 들거나 결국, 그것의 유지가 합리적으로 심지어 더이상 가능하지 않기 때문이다.
이런 이유 때문에 소위 "듀얼 연료 엔진들", 즉 2 가지 다른 종류의 연료로 작동될 수 있는 엔진들에 대한 요구가 실제로 장기간 동안 존재하였다. 가스 모드에서는 가스, 예컨대 천연 가스, 예로 LNG (액화 천연 가스) 또는 액화 석유 가스 또는 연소 엔진의 구동에 적합한 다른 가스 형태의 가스가 연소되고, 반면에 액체 모드에서는 휘발유, 디젤, 중연료유 또는 다른 적합한 액체 연료와 같은 적합한 액체 연료가 동일한 엔진에서 연소된다. 엔진들은 이와 관련하여 2 행정 엔진들 뿐만 아니라 4 행정 엔진들 둘 다일 수 있고 이와 관련하여 이 엔진들은 소형 엔진들, 중형 엔진들 및 또한 대형 엔진들일 수 있고, 특히 또한 종방향으로 소기되는 2 행정 대형 디젤 엔진들일 수 있다.
또한 용어 "대형 디젤 엔진" 을 사용할 때 디젤 작동 모드와 상이하고, 연료의 자기 점화로 특징짓는 형태로 작동될 수 있고, 또한 연료의 외부 점화로 특징짓는 작동의 휘발유 엔진 모드에서, 또는 이 두 작동 모드들의 혼합된 작동 형태로 작동될 수 있는 이러한 대형 엔진들을 의미한다. 용어 대형 디젤 엔진은 특히 또한 소위 듀얼 연료 엔진들 및 연료의 자기 점화가 다른 연료의 외부 점화에 사용되는 이러한 대형 엔진들을 추가로 포함한다.
액체 모드에서, 연료는 전형적으로 실린더의 연소 공간으로 직접 도입되고 자기 점화의 원리에 따라 연소 공간에서 연소된다. 가스 모드에서는, 이와 같이, 실린더의 연소 공간에서 점화성 혼합물을 이와 같이 생성하도록 작동의 오토 (Otto) 원리 모드에 따라 가스 상태의 가스와 소기 공기를 혼합하는 것이 공지되어 있다. 이런 저압 방법을 고려하면, 시간적으로 알맞은 순간에 소량의 액체 연료가 실린더의 연소 공간으로 주입되거나 후에 공기-가스 혼합물의 점화를 유발하는 프리 챔버 (pre-chamber) 로 주입되므로 혼합물의 점화는 전형적으로 실린더에서 발생한다. 듀얼 연료 엔진은 가스 모드의 작동 중 액체 모드로 전환될 수 있고 반대로 액체 모드의 작동 중 가스 모드로 전환될 수 있다.
하지만, 특히 그러면, 받아들일 수 있는 기술적 요구와 경제적으로 실행가능한 방식으로, 가스의 연소를 통하여서만 유지될 수 있는 배기 가스에 대한 높은 요구가 있을 때, 또한 순수 가스 엔진들, 즉 단지 가스로만 작동가능하고 대안적으로 디젤, 중연료유 또는 다른 연료로 작동가능하지 않은 엔진들이 요구된다. 이러한 순수 가스 엔진은, 예를 들어, WO 2010 147071 A1 에 제공된다. 또한 종래 기술은 예컨대 DE 10 2010 005814 A1 에 제공된다.
듀얼 연료 엔진이든지 또는 순수 가스 엔진이든지 관계없이, 대응하는 왕복동 피스톤 연소 엔진의 실린더의 연소 공간으로 연료 가스를 도입하는 프로세스는, 이러한 엔진의 신뢰성 있고, 오염물질이 적고 안전한 작동에 크게 중요하다.
가스 모드에서 특히 가스에 대한 소기 공기의 정확한 비의 설정, 소위 공기 대 연료 비가 결정적으로 중요하다. 소기 공기 또는 충전 공기는 전형적으로 대형 디젤 엔진에서 터보과급기에 의해 이용가능하게 되고, 터보과급기는 엔진의 부하 및 이리하여 엔진의 동력 및/또는 토크 및/또는 회전 속도에 의존하는 소기 공기 압력 또는 로딩 공기 압력을 발생시킨다. 주어진 소기 공기 압력에 대해, 실린더 내 공기의 양이 계산될 수 있고 그 후 엔진에 의해 발생된 각각 요구되는 구동 토크가 결정될 수 있고 그리고/또는 적합한 양의 가스 연료가 이 작동 상태에 대해 이상적인 연소 프로세스를 유발하는 원하는 회전 속도, 토크의 양 및/또는 회전 속도를 위해 결정될 수 있다.
특히 가스 모드가 오토 원리에 따라 작동될 때, 공기-가스 비의 정확한 설정은, 오염 관점에서 보아 가능한 한 낮고, 효율적이며 경제적으로 실행가능한 엔진의 작동을 위해 결정적으로 중요하다. 가스 부분이 너무 많으면 공기 가스 혼합물이 너무 농후해진다. 혼합물의 연소가 너무 빨리 또는 너무 일찍 일어나고 이것은 엔진의 노킹을 유발한다. 연소 프로세스가 실린더 내 피스톤 운동에 더이상 정확히 맞추어지지 않으므로, 이것은 다른 것 중에서도, 또한, 연소가 피스톤의 운동에 부분적으로 불리하게 작용하도록 유발한다.
공기 대 가스 비의 정확한 설정이 정상 작동 조건들 하에 현재 대형 디젤 엔진들에서 어떠한 큰 문제점들도 더이상 나타내지 않을 때에도, 작동 조건들 하에 엔진 부하의 매우 급격하고, 빈번하며 강한 변화를 가지는 단점들이 종종 발생한다.
이와 관련하여 언급될 예는 격랑에 도달한 대형 디젤 엔진에 의해 구동되는 선박이다. 이것은, 추후 완전히 다시 잠기도록 높은 파도로 인해, 엔진에 의해 직접 구동된 선박 프로펠러가 거의 주기적으로 부분적으로 또는 심지어 완전히 물을 이탈하게 되는 결과를 가질 수 있다. 이것은 물론 결과적으로 엔진의 부하 및/또는 엔진에 의해 물에 전달되는 구동 토크의 매우 크고 급격한 변화를 갖는다. 소기 공기를 이용가능하게 하기 위한 터보과급기 시스템이 엔진의 부하 변화에 대해 위상 시프트되게 반응하므로 이러한 작동 모드들에서 실린더 내 공기 가스 혼합물이 너무 낮은 소기 공기 압력으로 인해 너무 농후해지는 것이 매우 쉽게 발생할 수 있고, 이것은 후에 빠른 연소 또는 노킹 연소를 이끌고 이것은 물론 불리하다. 가스 모드에서 이러한 부하의 빠르고 급격한 변화는 단지 매우 어렵게 조정되거나 실제로 심지어 전혀 조정되지 않을 수 있어서, 예를 들어, 엔진 성능의 하향 조정 또는 엔진 속도의 연속 변화 및/또는 적합화가 요구되거나, 하지만, 가스 모드로부터 액체 모드로 변화가 요구된다. 예를 들어 중연료유를 이용한, 액체 모드에서 작동되는 대형 디젤 엔진을 고려하면, 액체 모드에서 배기 가스 값들이 더이상 유지되지 않을 수도 있으므로, 기존의 배기 가스 요건들 때문에, 대형 디젤 엔진은 하지만 해안 부근에서 액체 모드로 작동되도록 더이상 허용가능하지 않다.
엔진의 매우 급격하고, 빈번하거나 강한 부하 변화가 발생할 수 있는 다른 예는 선박의 조종을 수행하는 것이다.
이런 이유 때문에 종래 기술에서 출발한 본 발명의 목적은, 예를 들어, 바다의 큰 놀 (swell) 에서 또는 조종을 수행하고 있는 선박에 대해 급격하고, 빈번하거나 강한 부하의 변화들이 발생할 때처럼, 상기 변화들에 대해 대형 디젤 엔진이 여전히 신뢰성 있게, 효율적으로 그리고 환경 친화적으로 또한 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법을 제안한다. 또한, 본 발명의 목적은 대응하는 대형 디젤 엔진을 제안하는 것이다.
이 목적을 충족시키는 본 발명의 주제는 각각의 카테고리의 독립항의 특징들로 특징짓는다.
본 발명에 따르면 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법이 이와 같이 제안되고, 상기 대형 디젤 엔진은 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있고, 상기 가스 모드에서 가스는 연료로서 실린더로 도입되고, 상기 가스 모드에서 작동 중 강한 부하 변화 상태가 검출되고 그 후 상기 대형 디젤 엔진은:
- 엔진의 회전 속도 또는 엔진의 토크에 대해 원하는 값을 지정하는 단계;
- 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 연료로서 이용가능하게 되는 가스의 양에 대한 상한치를 결정하는 단계;
- 가스 이외에 연소 공간으로 도입되는 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계로서, 회전 속도에 대해 원하는 값이 실현되도록 부가량의 크기가 정해지는, 상기 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계를 포함하는 과도 모드로 작동된다.
실린더에서 공기-가스 혼합물의 연소가 너무 빠르거나 노킹 연소 범위에 도달하지 않도록 크기가 정해진 상한치로 공급된 가스 양이 제한된다는 사실로 인해, 비효율적이고, 오염물질이 많으며 환경 비친화적인 작동 모드가 발생할 위험 없이 부하의 급격하고, 빈번하거나 주기적인 변화 또는 부하의 시프트에 대해서도 가스 모드를 이용할 수 있다. 제한되거나 감소된 가스 공급으로 인해, 원하는 바람직한 회전 속도를 달성하기 위해 부족한 동력은, 후에, 작동 과도 모드에서, 가스 이외에 임의의 양의 액체 연료가 실린더로 도입되고, 그것의 연소가 부족한 에너지 및/또는 동력을 공급하여 발생된다.
본 발명에 따른 방법에 의하여, 이런 식으로, 액체 모드에서만 단지 작동되는 대형 디젤 엔진에서처럼, 적어도 하나의 가스 모드에서 작동되는 대형 디젤 엔진에서 부하에 대한 유사한 응답을 실현할 수 있다. 이것은, 실린더에서 공기 가스 혼합물이 너무 농후해질 수 없고 일반적으로 디젤 원리에 따라 발생하는 액체 연료의 부가적 연소가 소기 공기 압력의 변화에 덜 민감하게 반응하여 가능해진다.
바람직하게, 대형 디젤 엔진은 가스의 연소를 위해 그리고 액체 연료, 특히 디젤 또는 중연료유의 연소를 위해 듀얼 연료 엔진으로서 구성된다. 본 발명에 따른 방법에 의해, 이런 식으로, 듀얼 연료 엔진은 심지어 부하의 급격하고 빈번한 변화에 대해서도 가스 작동 모드에서 여전히 효율적으로 작동될 수 있도록 가능하게 된다. 선박의 구동 집합체로서 대형 디젤 엔진의 중요한 적용예에서, 이것은, 가스 모드가 바다의 높은 놀에 대해서도 여전히 효율적으로 사용될 수 있음을 의미한다. 본 발명에 따른 방법에 의하여 엔진 원활성이 증가되고 속도 변동은 크게 감소된다.
이용가능해진 소기 공기의 각각의 실제 압력이 가스의 양에 대한 상한치를 결정하기 위해 사용될 때 유리하다. 이런 식으로 가스의 연소를 기반으로 한 부분이 최적화될 수 있다.
제 1 실시형태에 따르면 과도 모드가 수동으로 개시된다. 따라서, 예를 들어, 선박의 운영 요원은 바다의 높은 놀의 발생시 엔진의 과도 모드를 활성화시킬 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로 과도 모드가 다음 파라미터들: 소기 공기의 실제 압력, 실린더 압력, 계산된 공기 대 가스 비, 노킹 검출기의 신호, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비의 변화, 엔진의 토크, 토크의 변화, 주입에 요구되는 연료량, 및 주입에 요구되는 연료량의 변화 중 적어도 하나에 따라 개시될 수 있을 때 바람직하다. 이 파라미터들 중 적어도 하나의 연속적 또는 조정된 결정은 또한 과도 모드의 자동 활성화를 가능하게 한다.
과도 모드에서 연소 공간으로 액체 연료의 부가량을 도입하기 위해서 여러 가지 바람직한 변형예들이 존재한다:
액체 연료의 부가량은, 대형 디젤 엔진의 액체 모드에서 사용되는 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입될 수 있다.
액체 연료의 부가량은, 가스의 점화를 위해 가스 모드에서 사용되는 파일럿 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입될 수 있다.
액체 연료의 부가량은, 과도 작동 모드에 제공되는 별개의 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입될 수 있다.
또한 연소 공간으로 가스의 공급을 고려하면 복수의 바람직한 변형예들이 존재한다:
실린더로 가스의 공급은 실린더 라이너를 통하여 일어날 수 있다. 이 목적으로 실린더의 벽에 제공되고 실린더 라이너를 통하여 실린더의 내부 공간으로 가스를 도입하는 일반적으로 공지된 가스 공급 시스템들이 알려져 있다. 이러한 가스 공급 시스템들은, 실린더 내 피스톤의 상사점 또는 하사점 위치로부터 간격, 특히 상사점 위치와 하사점 위치 사이 간격의 40% ~ 60%, 바람직하게 50% 에 달하는 이러한 간격을 가지는 실린더 안의 로케이션에서 가스를 도입하도록 바람직하게 배치된다.
실린더 안으로 가스의 공급은 또한 실린더 헤드에서 일어날 수 있다. 이 목적으로 가스 공급 시스템들이 또한 공지되어 있다.
소기 공기가 실린더로 도입되기 전 또는 소기 공기가 실린더로 도입될 때 가스가 소기 공기에 공급되는 것이 또한 가능하다. 마지막에 언급한 변형예는, 특히, 인접한 소기 공기 개구들 또는 소기 공기 슬릿들을 서로 분리하는 하나 또는 복수의 웨브들에 하나 이상의 가스 유입 노즐들이 제공되도록 또한 실현될 수 있다.
본 발명에 따르면 대형 디젤 엔진이 또한 제안되고 상기 대형 디젤 엔진은 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있고 본 발명에 따른 방법에 따라 작동된다. 여기에서 발생되는 장점들은 본 발명에 따른 방법을 참조하여 전술한 내용에 제공된 것과 동일한 설명에 대응한다.
바람직하게, 대형 디젤 엔진은 가스의 연소를 위해 그리고 액체 연료, 특히 디젤 또는 중연료유의 연소를 위해 듀얼 연료 엔진으로서 구성된다.
바람직한 실시형태에서, 과도 작동 모드를 개시하고 수행하기 위한 제어 장치를 포함하는 엔진 제어부가 제공된다.
또한, 대형 디젤 엔진, 특히 듀얼 연료 엔진을 레트로피팅 (retrofitting) 하기 위한 본 발명에 따른 방법의 용도가 본 발명에 따라 제안된다. 본 발명에 따른 방법이 장치 관점에서 더 많은 부가적 요구 없이 많은 적용예들로 실현될 수 있으므로, 그것은 기존의 대형 디젤 엔진들을 수정 및/또는 레트로피팅하기에 특히 또한 적합하고, 이리하여, 특히 빈번히 급격하게 발생하는 부하의 변화를 고려하여, 예를 들어 바다의 높은 놀을 고려하여, 이들은 보다 효율적으로, 안전하게 경제적으로 실행가능하게 작동될 수 있다.
본 발명의 추가 유리한 조치들 및 설계들은 종속항으로부터 기인한다.
하기에서 본 발명은 실시형태들에 의해 도면을 참조하여 장치 관점 뿐만 아니라 프로세스 엔지니어링 관점 양자로 상세히 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시형태의 대형 디젤 엔진의 실시형태에서 공기 대 가스 비에 대한 토크의 상관성을 보여주기 위한 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 방법의 실시형태의 개략도이다.
도 3 은 토크의 시간에 따른 진행의 개략적 예시도이다.
실시형태를 참조하여 본 발명의 하기 설명을 고려하면, 듀얼 연료 엔진, 즉 2 가지 다른 유형의 연료로 작동될 수 있는 엔진의 실제 특히 중요한 적용예가 예시적 부호와 함께 참조된다. 특히 대형 디젤 엔진의 이 실시형태는, 단지 액체 연료만 실린더의 연소 공간으로 주입되는 액체 모드에서 작동될 수 있다. 전형적으로 액체 연료, 예를 들어 중연료유 또는 디젤유가 적합한 시점에 연소 공간으로 직접 주입되고 자기 점화의 디젤 원리에 따라 연소 공간에서 점화한다. 하지만, 연료로서 역할을 하는 가스, 예를 들어 천연 가스가 공기-가스 혼합물의 형태로 연소 공간으로 도입되고 점화되는 가스 작동 모드에서 대형 디젤 엔진이 또한 작동될 수 있다. 특히 대형 디젤 엔진은 저압 방법에 따라 가스 작동 모드에서 작업하고, 이것은 가스가 가스 상태로 실린더로 도입되는 것을 의미한다. 이와 관련하여 공기와 혼합은 실린더 그 자체에서 또는 또한 실린더 앞에서 일어날 수 있다. 공기-가스 혼합물은 오토 원리에 따라 외부에서 점화된다. 이 외부 점화는, 전형적으로, 소량의 액체 연료가 적합한 시점에 연소 공간으로 도입되고 그 자체를 점화하여서 공기-가스 혼합물의 외부 점화를 일으켜 발생된다.
대형 디젤 엔진은 4 행정 엔진뿐만 아니라 2 행정 엔진 모두로 구성될 수 있다. 이 실시예에서 설명한 실시형태들을 고려하면, 대형 디젤 엔진은 코먼 레일 (common-rail) 시스템을 가지는 액체 모드에서 작업하는 종방향으로 소기된 2 행정 대형 디젤 엔진으로서 구성된다.
대형 디젤 엔진의 어셈블리 및 개별 부품들, 예를 들어, 액체 모드를 위한 주입 시스템, 가스 모드를 위한 가스 공급 시스템, 가스 교환 시스템, 소기 공기 및/또는 충전 공기를 제공하기 위한 배기 가스 시스템 또는 터보 과급기 시스템뿐만 아니라 대형 디젤 엔진을 위한 제어 및 조정 시스템은, 2 행정 엔진으로서 설계와 또한 4 행정 엔진으로서 설계에 대해, 본 기술분야의 통상적인 기술을 가진 당업자에게 잘 알려져 있고, 이런 이유 때문에 추가 설명을 여기에서 요구하지 않는다.
종방향으로 소기되는 2 행정 대형 디젤 엔진의 이 실시예에서 설명된 실시형태를 고려하면, 소기 공기 슬롯들은, 전형적으로, 실린더에서 피스톤의 운동에 의하여 주기적으로 폐쇄 및 개방되는 각각의 실린더 및/또는 실린더 라이너의 하부 영역에 제공되어서, 소기 슬릿들이 개방되어 있다면, 터보과급기에 의해 제공되는 소기 공기는 충전 압력에서 소기 슬릿들을 통하여 실린더로 유입될 수 있다. 전형적으로 중심에 배치된 출구 밸브가 실린더 헤드 및/또는 실린더 커버에 제공되고 상기 실린더 헤드 및/또는 실린더 커버를 통하여 연소 가스들은 연소 프로세스 후 실린더 밖으로 그리고 배기 가스 시스템 안으로 다시 나갈 수 있다. 액체 연료의 도입을 위해 예를 들어, 출구 밸브 부근에 실린더 헤드에 배치되는 하나 이상의 연료 주입 노즐들이 제공된다. 가스 유입 노즐을 가지는 적어도 하나의 가스 입구 밸브를 포함하는 가스 공급 시스템이 가스 모드에서 가스 공급을 위해 제공된다. 가스 유입 노즐은, 예를 들어, 피스톤의 상사점 위치와 하사점 위치 사이 대략 가운데에 놓이는 높이에서, 실린더의 벽에 전형적으로 제공된다.
또한, 하기에서 예로서 대형 디젤 엔진이 선박의 구동 집합체인 적용예가 참조될 것이다.
배기 가스 값들을 고려한 법 규정으로 인해, 오늘날 대형 디젤 엔진들은 종종 해안 부근에서 가스 작동 모드로 작동되는데, 그렇지 않으면, 특히 산화 질소, NOx 및 이산화황인, 배기 가스 배출에 대한 미리 규정된 한계치들이 더이상 유지될 수 없기 때문이다.
가스 작동 모드에서 가능한 한 오염물질들이 적은 공기 가스 혼합물의 연소 및 효율성은 공기의 양과 가스의 양의 비에 매우 민감하다. 이 비는 전형적으로 연소를 위해 이용가능한 공기의 질량과 연료로서 사용되는 가스의 질량 비에 사용되는 λ 값으로 기술된다.
이상적인 공기 대 가스 비는 엔진에 의해 발생될 구동 토크 및 이리하여 선박의 원하는 속도에 의존한다. 대형 디젤 엔진들은 전형적으로 선박의 프로펠러에 직접 연결됨에 따라, 속도는 엔진의 회전 속도에 대응한다.
매우 개략적인 도면으로 도 1 은 공기 대 가스 비 (1) 와 선박을 구동하는 엔진에 의해 발생되는 토크 (2) 사이 예시적 관련성을 보여준다. 이 도면은, 선박이 본질적으로 정온 수역에서 움직일 때 선박의 특정 속도 - 또는 엔진의 임의의 회전 속도 - 에 대응하는 특정 토크에도 해당된다. 특히 도 1 에 도시된 토크 (2) 는 하나의 작업 사이클 (2 행정 기계들을 위한 피스톤 운동의 주기 및 4 행정 기계들을 위한 피스톤 운동의 2 개의 주기들) 동안 본질적으로 평균낸 토크인 BMEP 토크 (브레이크 평균 유효 압력 토크) 이다.
도 1 의 도면에서 2 개의 경계 곡선들, 즉 제 1 노킹 곡선 (3) 및 불점화 (misfiring) 곡선 (4) 을 볼 수 있다. 도면에 따라 존재하는 작동 상태들을 고려하면 노킹 곡선 (3) 위에서 공기 대 가스 비는 너무 농후하고, 이것은 너무 적은 공기가 혼합물에 존재하는 것을 의미한다. 너무 농후한 혼합물은 다른 문제점들을 이끌 수 있고, 즉 연소가 너무 빠르게 일어나거나 (빠른 연소) 엔진이 노킹을 시작하거나 그러면 실린더 내 높은 가스 함유량으로 인해 전형적으로 자기 점화에 의해 혼합물이 너무 일찍 연소되기 시작한다 (작업 사이클에 대해 또한 조기 점화로 알려짐). 도면에 따라 불점화 곡선 (4) 위에 있는 작동 상태들을 고려하면, 공기 대 가스 비는 너무 희박하고, 이것은 연소 공간에서 이상적인 연소를 위해 존재하는 충분한 가스가 없음을 의미한다.
이런 이유 때문에 공기 대 가스 비에 대해 이상적인 지점 (5) 에서 대형 디젤 엔진을 항상 작동시키려고 한다. 실제로 토크 및/또는 공기 대 가스 비 (1) 의 자연 편차는 또한 일정한 회전 속도 및/또는 선박의 일정한 속도를 위해 회피되거나 조정될 수 없고, 이런 이유 때문에 도 1 에서 2 개의 직선들 (7, 8) 에 의해 한정되는 공차 범위 (6) 가 존재하고, 상기 공차 범위 내에서 이상적인 지점 (5) 으로부터 공기 대 가스 비 (1) 의 편차가 허용된다. 가스 모드에서 이상적인 작동은 도 1 에서 A 로 나타낸 작동 지점에 의해 제공된다.
선박이 이제 정온 수역 (도 1 참조) 을 떠나 바다의 높은 놀에 도착했을 때 그러면 엔진에 대해 부하의 매우 급격하고 강한 변화가 유발될 수 있고, 이것은 엔진에 의해 선박 프로펠러를 통하여 물에 가해진 토크가 매우 빠르게 다량 변화될 수 있음을 의미한다 (부하 변화). 따라서, 예를 들어, 격랑에 대해 엔진의 실제 부하를 상당히 감소시키는 단기간 동안 선박 프로펠러가 부분적으로 또는 불완전하게 물을 이탈하는 것이 발생할 수 있다. 선박 프로펠러가 추후 물 속으로 완전히 다시 잠긴다면 이것은 부하의 큰 증가와 이리하여 토크의 증가를 이끈다. 도 1 에서 이것은 실제로, 예를 들어, 지점 (A) 으로부터, 노킹 곡선 (3) 위에 있고 이리하여 "빠른 연소" 및/또는 노킹 범위에 있는 B 로 나타낸 지점으로 이동하는 것을 의미한다. 터보과급기 시스템의 위상 시프트된 응답으로 인해, 공기-가스 혼합물이 너무 농후해지도록 소기 공기가 요구되는 충전 압력에서 더이상 이용할 수 없게 된다.
격랑에서처럼 엔진 부하의 이런 강한 변동들이 종종 잇따라 발생하고, 대략 주기적으로, 가스 모드에서 대형 디젤 엔진 작동의 효율적이고, 경제적인 저 배출 모드는 더이상 가능하지 않다.
본 발명에 따른 방법에 의한 개선책이 제공된다. 도 2 는 매우 개략적인 도면으로 본 발명에 따른 방법의 실시형태를 도시한다. 대형 디젤 엔진이 가스 모드에서 작동되는 시작점은 단계 (10) 이다. 선박이 이제 격랑에 도착하면, 이 상태는 운영 요원의 관찰에 의해 검출될 수 있고 (11) 그리고/또는 단계 (12) 에서 엔진 제어부에 의해 또는 다른 제어 장치들에 의해 검출되는 작동 파라미터들의 평가에 의해 검출될 수 있다. 그렇게 유발되는 부하의 강한 변화가 너무 큰 것으로 결정되면, 대형 디젤 엔진을 과도 모드로 전환하도록 단계 (13) 에서 결정된다. 이 과도 모드에서, 엔진의 회전 속도 또는 엔진에 의해 발생될 토크에 대한 원하는 값이 처음에 결정된다. 이것은, 예를 들어, 정온 수역에서 선박의 운동에 대응하는 값일 수 있다. 단계 (14) 에서 제어 장치는 그 후 연료로서 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 이용가능한 가스의 양에 대한 상한치를 결정한다. 이와 관련하여, "빠른 연소"의 범위 및/또는 노킹 연소의 범위가 회피되도록, 따라서 공기 대 가스 비가 너무 농후해지지 않도록, 상한치에 의해 정해진 최대 양의 가스를 연소시키기 위해서 이용가능한 소기 공기가 충분하도록 상기 상한치가 결정된다. 노킹 한계치 (3; 도 1) 초과를 회피하기 위해 최대 허용가능한 가스 양에 대한 상한치는 실린더에 존재하는 공기의 양에 의존한다. 알려진 실린더 체적들을 고려하면, 이 공기 양은, 이용가능한 소기 공기의 충전 압력을 이용해 결정될 수 있다. 이와 관련하여 물론 충전 압력의 편차가 고려되고, 즉 유리하게도 임의의 경우에 이용가능한 최소 충전 압력을 취한다. 물론 또한 경험값들 또는 대형 디젤 엔진의 다른 공지된 작동 파라미터들이 가스의 양에 대한 적합한 상한 경계를 결정할 때 이용될 수 있다.
특히 바람직하게 소기 공기의 현재 이용가능한 충전 압력은 가스 양의 상한치를 결정하기 위해 사용된다. 이 충전 압력은 전형적으로 대형 디젤 엔진에서 측정을 통하여 검출되고 이런 식으로 제어 장치에서 이용가능하게 되고 그리고/또는 제어 장치로 전송될 수 있다. 특히 이와 관련하여 가스 양에 대한 상한치의 결정은, 현재 이용가능한 소기 공기의 현재값과 소기 공기의 요구되는 충전 압력의 차이를 이용해 결정될 수 있다. 실제 작동 파라미터들에 대한 요구되는 충전 압력은, 예를 들어, 룩업 테이블들 또는 룩업 매트릭스들에 저장된다.
제어 장치는 그러면 연소 가스로서 실린더에 공급될 수 있는 가스의 양에 대해 충전 압력에 의존하는 상한치를 포함하고 가스의 양을 이 상한치로 제한한다. 회전 속도 또는 엔진에 의해 발생된 토크가 원하는 값으로 유지될 수 있도록, 회전 속도 또는 토크에 대한 원하는 값과 최대 가스 양으로 달성될 값 사이 차이를 보상하도록 크기가 정해진 부가량의 액체 연료가 단계 (14) 에서 제어 장치에 의해 추가로 지정된다.
이것은 상한치에 의해 정해진 최대 양의 가스로 달성될 수 있는 토크 또는 회전 속도에 대한 값을 제어 장치가 결정하는 것을 의미한다. 그러면, 원하는 값과 이 값 사이 차이가 결정된다. 그 후, 이 차이를 보상하기 위해서 요구되는 액체 연료의 양이 결정된다.
이제 가스의 정해진 양은 단계 (15) 에서 실린더로 도입되고 가스 모드에서처럼 연소되도록 유발된다. 동시에, 즉 동일한 작업 사이클에서, 미리 정해진 양의 액체 연료가 단계 (16) 에서 실린더로 도입되고 실린더에서 자체 점화된다. 가스 및 부가적으로 도입된 액체 연료의 공통 연소에 의하여, 회전 속도 또는 토크에 대한 원하는 값이 이런 식으로 발생될 수 있다. 이와 관련하여 액체 연료의 자기 점화는 공기-가스 혼합물의 외부 점화에 사용될 수 있다.
단계 (17) 에서 운영 요원의 관찰에 의하여 그리고/또는 작동 파라미터들의 결정에 의하여, 과도 모드의 활성화 조건들이 여전히 충족되는지 연속 점검되거나 일정한 간격으로 점검된다. 예라면, 도 2 에서 화살표 18 로 나타낸 것처럼 과도 모드가 유지되고, 바람직하게 가스 양의 상한치 및 액체 연료의 부가량에 대한 값이 점검 및/또는 업데이트된다.
과도 모드에 대한 조건들이 단계 (17) 에서 점검시 더이상 충족되지 않는다면 단계 (19) 에서 정상 가스 모드로 복귀 변화가 이루어질 수 있다.
과도 모드를 개시 및 수행하기 위한 제어 장치는 바람직하게 엔진 제어부로통합된다.
이런 식으로, 엔진 속도, 즉 회전 속도에 대한 원하는 값, 또는 토크에 대한 원하는 값은, "빠른 연소" 범위 및/또는 노킹 범위 및/또는 "조기 점화" 범위에서 가스 연소를 발생시키지 않으면서, 액체 연료의 연소와 가스 연소의 조합에 의해 과도 모드에서 유지될 수 있도록 보장된다. 가스 양에 대한 상한치에 의해 공기-가스 혼합물이 연소 공간에서 너무 농후해지지 않도록 보장된다.
따라서, 예를 들어, 가스 작동 모드에서 오토 원리에 따라 작업하는 듀얼 연료 대형 디젤 엔진은, 이 방법에 의해 전적으로 액체 연료로 작동되는 디젤 원리에 따라 단지 작업하는 대형 디젤 엔진과 적어도 대략 비슷한 부하 변화에 대한 응답을 달성할 수 있다. 한편으로는, 본 발명에 따른 방법에 대해 그리고/또는 본 발명에 따른 대형 디젤 엔진에 대해 공기-가스 혼합물이 너무 농후해지지 않고, 다른 한편으로는, 액체 연료와 연관된 연소 부분이 소기 공기의 너무 낮은 충전 압력에 크게 덜 민감하게 반응하도록 보장된다. 이런 식으로, 특히 격랑에서도 가스 작동 모드 중 대형 디젤 엔진의 가동 안정성이 개선될 수 있고 속도 변동이 감소될 수 있다.
도 3 의 개략도는, 예로서 다시 과도 모드에서 가스 연소와 액체 연료 연소의 협동 작용을 강조한다. 격랑을 고려했을 때 발생할 수 있는 것처럼, 대형 디젤 엔진의 토크 (T) 는 시간 (t) 에 따라 적용된다. 선박이 후에 부여받는 높은 파도 운동은 토크 (T) 의 - 대략 - 주기적인 시간에 따른 변화를 유발한다. 곡선 (G) 은 가스 연소에 의해 유발되는 토크 부분을 보여주고, 공기-가스 혼합물이 너무 농후해지지 않도록 이용가능한 소기 공기가 충분하도록 최대 가스 양이 제한된다. 해칭 (hatching) 에 의해 도시된 영역을 한정하는, 도면 부호 F 를 갖는 2 개의 곡선들은 액체 연료 연소를 부가하여 발생되는 토크 (T) 에 대한 부가량을 보여준다.
과도 모드 중 실린더들의 연소 공간으로 액체 연료의 부가량을 도입하기 위해, 다른 가능성들이 존재한다. 대형 디젤 엔진이 듀얼 연료 엔진으로서 구성되는 경우에, 액체 모드에서 연료를 주입하는데 또한 사용되는 동일한 주입 장치가 액체 연료를 주입하는데 사용될 수 있다.
과도 모드에서 액체 연료를 도입하기 위한 추가 가능성은, 가스 모드에서 공기-가스 혼합물의 점화에 사용되는 파일럿 주입 장치에 의해 액체 연료가 연소 공간으로 도입될 수 있다는데 있다.
물론, 과도 모드 중 액체 연료의 도입을 위해 별개의 주입 장치가 제공되는 것이 또한 가능하다. 이것은, 대형 디젤 엔진이 액체 모드를 위해 구성되지 않고 대응하는 주입 장치를 가지지 않을 때 특히 바람직하다.
실린더의 연소 공간으로 가스의 도입을 고려하면, 과도 모드 중 그리고 또한 가스 모드 중, 여러 가지 바람직한 변형예들이 존재한다. 상기에서 이미 언급한 바와 같이, 가스가 실린더로 도입될 수 있고 실린더에서 소기 공기와 혼합되어 점화성 공기-가스 혼합물을 형성할 수 있도록 실린더 라이너에 배치되는 적어도 하나의 가스 유입 노즐을 가지는 가스 공급 시스템이 제공될 수 있다.
하지만, 실린더 헤드로부터 실린더 안으로 가스의 공급이 일어나고 가스는 그 후 소기 공기와 혼합되도록 실린더 헤드 및/또는 실린더 커버에 하나 이상의 가스 유입 노즐들을 또한 제공할 수 있다.
소기 공기가 실린더로 도입되기 전 소기 공기로 가스를 공급하는 또다른 가능성이 존재한다. 그러면, 가스는 이미 실린더 내부 공간 밖에서 소기 공기와 혼합되어 공기-가스 혼합물을 형성하고 이것은 후에, 예를 들어, 소기 공기 슬릿들 또는 소기 공기 개구들에 의해 실린더로 도입된다. 이로써, 소기 공기로 가스 공급은, 터보과급기 시스템의 출구와 실린더의 내부 공간, 예를 들어, 소기 공기 슬릿들로의 입구 개구들 사이 지점에서 발생할 수 있다.
특히, 후에 소기 공기가 실린더로 도입될 때 소기 공기로 가스를 또한 공급할 수 있다. 이 목적으로 그러면, 예를 들어, 소기 공기가 소기 공기 슬릿들을 통과할 때 가스와 혼합하도록 인접한 소기 공기 슬릿들을 분리하는 하나 이상의 웨브들에 하나 이상의 가스 유입 노즐들을 각각 제공할 수 있다.
단계 (12; 도 2) 에서 결정되거나 과도 모드로 변화되어야 하는지, 단계 (13) 을, 판단하기 위해서 분석되는 작동 파라미터들은, 바람직하게, 엔진 제어부에 이미 존재하는, 즉 작동 동안 또는 작동 중 임의의 방식으로 검출되는, 대형 디젤 엔진의 이러한 파라미터들 또는 이러한 파라미터들로부터 유도될 수 있는 값들이다.
하지만, 또한, 단 하나의 작동 파라미터가 과도 모드로 변화를 결정하기 위해 사용되거나 후에 또한 수동으로 과도 모드를 개시할 수 있는 오직 운영 요원에 의한 관찰로 인해 과도 모드로 변화 결정이 일어나는 것이 또한 가능하다.
예를 들어, 다음 파라미터들 중 하나 이상은 단계 (12) 에 대한 작동 파라미터들 및/또는 단계 (13) 에서 결정으로서 적합하다: 터보과급기 시스템에 의해 이용가능한 소기 공기의 실제 압력; 및/또는 이 압력의 변화; 실린더 압력; 계산된 공기 대 가스 비; 실린더에서 연소가 노킹 방식으로 일어날 때, 즉 공기-가스 혼합물이 너무 농후할 때 인식할 수 있는 노킹 검출기의 신호들; 엔진의 부하에 대한 토크의 비 또는 이 비의 변화 또는 측정된 토크 또는 시간에 따른 토크의 변화.
본 발명에 따른 방법은 특히 기존의 대형 디젤 엔진들, 특히 듀얼 연료 엔진들을 레트로피팅하기 위해 또한 사용될 수 있다. 이러한 대형 디젤 엔진들에서, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 장치 관점에서 전제조건들은 종종 이미 충족되어 있거나 노력 또는 비용의 낮은 요구 및/또는 변환에 의해 실현될 수 있으므로, 엔진 제어부에서 대응하는 적합화 또는 보충에 의해 대형 디젤 엔진을 과도 모드로 준비하는 것이 종종 가능하다. 이런 레트로피팅 가능성은 크게 유리한 배출 값들의 유지를 특히 또한 고려한다.

Claims (15)

  1. 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법으로서,
    상기 대형 디젤 엔진은 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있고 상기 가스 모드에서 가스는 연료로서 실린더로 도입되고, 상기 가스 모드에서 작동 (10) 중 강한 부하 변화 상태가 검출되고 (13) 그 후 상기 대형 디젤 엔진은:
    - 상기 엔진의 회전 속도 또는 상기 엔진의 토크에 대해 원하는 값을 지정하는 단계;
    - 상기 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 연료로서 이용가능하게 되는 가스의 양에 대한 상한치를 결정하는 단계 (14);
    - 상기 가스 이외에 연소 공간으로 도입되는 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계 (14) 로서, 상기 회전 속도에 대해 원하는 값이 실현되도록 상기 부가량의 크기가 정해지는, 상기 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계 (14) 를 포함하는, 과도 모드에서 작동되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대형 디젤 엔진은, 가스의 연소 및 액체 연료, 특히 디젤 또는 중연료유의 연소를 위한 듀얼 연료 엔진으로서 구성되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    가스 양의 상한치를 결정하기 위해 (14) 현재 이용가능한 소기 공기의 각각의 압력이 사용되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과도 모드는 수동으로 개시되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과도 모드는 다음 파라미터들: 소기 공기의 실제 압력, 실린더 압력, 계산된 공기 대 가스 비, 노킹 검출기의 신호, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비의 변화, 엔진의 토크, 토크의 변화, 주입에 요구되는 연료량, 및 주입에 요구되는 연료량의 변화 중 적어도 하나에 따라 개시되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료의 부가량은, 상기 대형 디젤 엔진의 액체 모드에서 사용되는 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료의 부가량은, 가스를 점화하기 위한 가스 모드에서 사용되는 파일럿 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 연료의 부가량은, 상기 과도 모드에 제공되는 별개의 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더로 상기 가스의 공급은 실린더 라이너를 통하여 일어나는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더로 상기 가스의 공급은 실린더 헤드에서 일어나는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소기 공기가 상기 실린더로 도입되기 전 또는 상기 소기 공기가 상기 실린더로 도입될 때 가스가 소기 공기로서 공급되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  12. 대형 디젤 엔진으로서,
    적어도 하나의 가스 모드에서 작동 (10) 될 수 있고 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 작동되는, 대형 디젤 엔진.
  13. 제 12 항에 있어서,
    가스의 연소를 위한 그리고 액체 연료, 특히 디젤 또는 중연료유의 연소를 위한 듀얼 연료 엔진으로서 구성되는, 대형 디젤 엔진.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    과도 모드를 개시 및 수행하기 위한 제어 장치 (14) 를 포함하는 엔진 제어부가 제공되는, 대형 디젤 엔진.
  15. 대형 디젤 엔진, 특히 듀얼 연료 엔진을 레트로피팅 (retrofitting) 하기 위한 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.

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