KR20180100676A - 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진을 위한 개선된 연료 시스템 - Google Patents

탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진을 위한 개선된 연료 시스템 Download PDF

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KR20180100676A
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KR1020187023301A
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루이 제임스 위벌리
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커먼웰쓰 사이언티픽 앤 인더스트리알 리서치 오거니제이션
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Abstract

본 발명은 개선된 연료 분사 시스템 및 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진에서 연료 가열 및 순환을 제어하기 위한 관련 방법을 제공한다. 연료 분사 시스템은, 연료가 미립화되는 분사기 노즐 및 분사기 노즐에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프를 포함하는 적어도 하나의 연료 분사기; 및 각 연료 분사기에 유체 연결되어 있고, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 연료 분사기로부터 유동할 수 있게 해주도록 위치하는 피제어 블리드(bleed) 밸브를 포함한다.

Description

탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진을 위한 개선된 연료 시스템
본 출원은 2016년 1월 13일에 출원된 호주 가 특허 출원 2016900094에 대해 우선권을 주장하며, 이의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있는 것으로 이해해야 한다.
본 발명은 일반적으로 탄소질 수성 슬러리를 사용하는 디젤형 엔진을 위한 연료 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히 탄소질 수성 슬러리를 사용하는 디젤형 엔진의 분사기 장치를 위한 피제어 블리드(bleed) 시스템과 세척 시스템에 이용될 수 있고, 이하, 그러한 예시적인 용례와 관련하여 본 발명을 개시하는 것이 편리할 것이다.
본 발명의 배경 기술에 대한 이하의 논의는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것이다. 그러나, 그 논의는 언급된 어떤 자료도 본 출원의 우선일에 공개되었거나 알려졌거나 또는 통상의 일반적인 지식의 일부분임을 인정하는 것은 아님을 알아야 한다.
디젤형 엔진에서 사용되는 통상적인 디젤 및 중(heavy) 연료 오일을 위한 현재의 분사 기술은 비교적 낮은 점도를 갖는 연료의 압력 미립화를 사용한다. 중 연료 오일에 대해서는 연료 점도는 연료가 엔진 고압 분사 펌프에 들어가기 전에 그 연료를 가열하여(최대 165℃까지) 5 내지 20 mPa.s로 제어된다. 저압 연료가 비교적 일정한 압력에서 연료 시스템에 제공되어, 분사기의 압력 완화 밸브 및 스프링 부착 밸브를 통해 고온 서비스 탱크로 복귀되는 연료 오일의 정상적인 순화 및 블리드를 제공하며, 각 분사 이벤트의 압력이 저압 전달 펌프의 압력 아래로 감소하면 밸브가 개방된다. 이러한 순환은 연료 시스템을 상승된 온도로 유지시키고 공기 제거를 도와주며 또한 연료 전환 시간을 줄여준다.
새로운 일 기술은, 예컨대 국제 특허 공개 공보 WO2015048843(이의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있음)에 교시되어 있는 바와 같이 디젤형 엔진을 위한 중 연료 오일을 교체하기 위해 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 것이다. 탄소질 수성 슬러리 연료는 일반적으로 미세하게 갈린 탄소질 입자의 수성 콜로이드 현탁물을 포함한다. 그러므로 슬러리 연료의 특성은 디젤 및 연료 오일과 크게 달라, 특히 훨씬 더 높은 점도를 가지며 또한 불안정하게 되고 침전되어 슬러지를 형성하는 경향이 있으며, 엔진이 시스템 내의 슬러리로 막히면 분사기 노즐에서 완전히 말라 버릴 수 있다.
이들 연료의 생산, 운반, 저장 및 사용은 상용화를 어렵게 하는 많은 기술적 문제를 야기할 수 있다. 한 큰 문제는, 엔진 작동 동안에 또한 엔진 정지시에 슬러리 내의 탄소질 입자가 탱크 및 연료 라인에서 침전되어 연료 분사 장치의 더 작은 오리피스를 막는 것을 방지하는 것이다. 이 문제를 해결하기 위한 종래의 기술은, 연료 순환 본관에 있는 스프링 부착 압력 완화 밸브를 사용하여 비교적 일정한 연료 전달 압력 하에서 연료 시스템 주위에 예열된 연료를 항상 순환시키는 중 연료 오일 시스템을 사용하는 것이다. 이리하여, 분사 이벤트 사이에서 압력 완화 밸브를 통해 연료 분사기의 고압 회로로부터 연료를 누출시킬 수 있다. 그러나, 압력 완화 밸브는 슬러리 연료로 손상 및 가속화된 마모를 받기 쉽다. 더욱이, 예열된 서비스 탱크를 사용하는 경우, 비교적 다량의 연료(예컨대, 8 내지 24 시간 소비)가 분사 압력으로 유지될 필요가 있다. 이는 고온 취급이 길어지면 침전과 불안정화를 받기 쉬운 수성 슬러리 연료의 경우에 문제가 된다. 덩어리짐이 또한 수성 슬러리의 미립화에 특히 유해하여 점화 지연이 길어지고 불완전 연소가 일어나게 되는데, 이 모두는 피스톤 링의 손상 및 엔진 수명의 심한 감소에 기여할 수 있고 또한 연소 효율을 감소시킨다.
종래 기술은 순환 유동을 줄이기 위해 가변 유동 전달 펌프를 사용함으로써 이 문제를 어느 정도 해결할 수 있지만, 이는 다른 문제를 야기할 수 있는데, 왜냐하면, 유체 전달 압력은, 연료 분사기 펌프, 특히 고압(분사) 연료 분사기 펌프 플런저를 후퇴시키기 위해 연료 전달 압력을 이용하는 플런저형 연료 분사기 펌프를 최적으로 작동시키기에는 불충분할 수 있다.
종래 기술의 추가 문제는, 세척 유체로 엔진의 연장된 작동이 없으면 서비스 탱크 뒤의 연료 시스템의 완전하고 신속한 세척을 수행할 수 없다는 것이다.
그러므로, 연료 시스템에서 탄소질 수성 슬러리 연료의 악화, 불안정화 및 덩어리짐을 줄여주는, 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진을 위한 연료 시스템, 특히 연료 분사 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 서비스 탱크 다음에서 연료 시스템의 더 효율적이고 제어된 세척을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 연료 분사 시스템, 및 석탄, 숯, 카본 블랙 및 역청(bitumen)으로 형성되는 것과 같은 수성 매체에 현탁되는 탄소질 입자를 포함하는 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진에서 연료 가열 및 순환을 제어하기 위한 관련 방법을 제공한다. 본 발명의 실시 형태는 일 종의 미분 정제 탄소 연료(MRC)로서 특성화된 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제 1 양태는, 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진의 연료 분사 시스템을 제공하는데, 이 연료 분사 시스템은, 연료가 미립화되는 분사기 노즐 및 상기 분사기 노즐에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프를 포함하는 적어도 하나의 연료 분사기; 및 각 연료 분사기에 유체 연결되어 있고, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 상기 연료 분사기로부터 유동할 수 있게 해주도록 위치하는 피제어 블리드(bleed) 밸브를 포함한다.
연료 분사 시스템의 각 분사기에 피제어 블리드 밸브를 사용함으로써, 연료 분사 시스템을 통과하는 조절된 순환 유동 탄소질 수성 슬러리 연료가 제공되고 또한 분사기로부터 나오는 탄소질 수성 슬러리 연료의 블리드 유동의 시기를 제어할 수 있다. 그러므로, 본 발명은, 엔진의 연료 시스템, 특히 연료 분사 시스템을 통과하는 탄소질 수성 슬러리 연료의 블리드와 순환 속도 모두를 제어하여 탄소질 수성 슬러리 연료의 악화, 탈안정화 및 덩어리짐을 감소시키는데에 도움을 준다.
피제어 블리드 벨브를 사용함으로써, 압력 완화 밸브를 사용할 필요가 없게 되며, 그리하여 시일 오일에 의한 오염이 있는 경우 분사기 내 연료의 대기 시간이 줄어들며, 또한 연료가 상승된 온도에서 소비되는 시간이 줄어든다. 이러한 구성은, 분사기 블리드 밸브의 사용 수명을 증가시킬 수 있고 또한 연료 분사 시스템 내의 탄소 입자의 응집을 감소시켜 엔진 효율을 최적화하는데 도움이 된다. 피제어 블리드 밸브를 사용함으로써 또한 서비스 탱크 뒤에 있는 연료 시스템의 더 신속하고 제어된 세척이 가능하게 된다.
피제어 블리드 밸브의 사용을 통해 또한 연료를 위한 전통적인 별도의 예열순환 본관에 대한 필요성이 유리하게 없어질 수 있다. 중 연료 오일과는 달리, 탄소질 수성 슬러리 연료는 예비 가열을 사용하는 점도 제어가 필요 없이 잘 분사되고 연소될 수 있다. 이리하여, 모든 조건(예컨대, 별도의 슬러리 연료 시스템이 바람직한 경우 보다 저온일 수 있는 연료 변경 동안) 하에서 정확한 온도 제어를 보장할 필요성을 줄여준다.
본 발명의 연료 분사 시스템 및 연료 재순환 시스템은 디젤형 압축 점화 엔진에 사용되기에 적합함을 알아야 한다.
디젤형 엔진은 수성 매체에 현탁된 탄소질 입자를 포함하는 연료를 사용하여 작동하도록 제조된, 구성된 또는 수정된 어떤 엔진이라도 포함함을 알아야 한다. 적절한 엔진은 통상적인 압축 점화 또는 디젤형 엔진, 탄소질 연료의 직접 분사를 사용하는 이중 연료 엔진, 또는 수성 매체에 현탁된 탄소질 입자를 포함하는 연료를 사용하여 작동하도록 통상적인 압축 점화 또는 디젤형 엔진으로부터 개선된, 수정된 또는 다른 식으로 유도된 엔진을 포함한다. 일 예가 직접 분사 탄소 엔진(DICE)인데, 이는 미분 정제 탄소 연료(MRC)의 수성 슬러리의 연소를 가능하게 하도록 수정된 디젤형 엔진이다.
본 발명은 다양한 연료 분사 시스템에 사용되기에 적합하다. 예컨대, 본 발명은 통상적인 분사 장치에 사용되기에 적합하며, 그래서 플런저를 포함하는 연료 펌핑 요소는 펌프 챔버 내부에 수용된다. 이들 시스템에서, 펌프 챔버는 노즐을 펌프 챔버에 연결하는 연료 덕트 또는 연료 도관을 통해 분사기 노즐과 연통한다. 분사기 노즐은 일반적으로, 연소실 안으로의 연료 분사를 조절하기 위해 통상 폐쇄 위치로 편향되는 분사기 밸브를 포함한다. 이 구성에서, 플런저의 하향 운동에 의해, 펌프 챔버의 부피가 감소하여 그 펌프 챔버와 연료 덕트를 차지하는 연료의 압력이 증가하게 된다. 이리하여, 연료가 분사기 노줄에의 공급을 위해 연료가 가압된다. 이 압력 증가는 연료가 분사기 노즐로부터 연소실 안으로 분사될 수 있는 개방 위치로 움직이는 폐쇄 분사기 밸브의 편향을 극복한다. 연료가 연소실 안으로 방출되면, 분사기 노즐 상류의 압력이 감소하여 분사기 노즐 밸브가 그의 통상 폐쇄 위치로 복귀하고, 분사기 노즐을 통한 분사가 종료된다. 플런저에 의해 발생된 가압 연료 유동은 플런저로부터 멀어져 분사 경로를 경유하여 분사기 노즐 쪽으로 가게 되며, 그 분사 경로는 펌프 챔버와 연료 덕트의 집합적인 용적으로 규정된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 플런저형 연료 펌핑 요소 및 압력 작동식 분사기 노즐을 시용하는 기존의 연료 분사 장치에 사용되기에 적합하다. 그러나, 이것들은 본 발명이 사용될 수 있는 연료 펌핑 요소 및 분사기 노즐의 단지 일부의 예임을 알 것이다. 다양한 다른 연료 펌핑 요소 및 분사기 노즐이 본 발명에 사용되기에 적합하다. 예컨대, 본 발명의 펌프 챔버 및 펌핑 요소는 요구되는 분사 압력에 따라 어떤 종류의 적절한 유동 발생 장치라도 포함할 수 있는데, 예컨대, 움직이는 공동 펌프, 또는 다이어프램과 같은 용적형 폄프를 포함할 수 있다. 연료 펌핑 요소는 피스톤 또는 플런저형 펌핑 요소를 포함하는 본 발명의 실시 형태에서, 피스톤/플런저는 다양한 작동 시스템, 예컨대 캠 장치, 유압 장치 또는 전자 솔레노이드 시스템에 의해 작동될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 분사기 노즐은 통상적인 종류의 분사기 노즐(즉, 분사 경로 내 압력의 증가에 의해 개방 위치로 작동됨)일 수 있고, 또는 별도의 시스템(예컨대, 유압 또는 전자 시스템)에 의해 선택적으로 작동되어 연소실 내로의 분사 이벤트에 대한 증가된 제어를 제공하며, 어떤 엔진 시스템에서 그 분사 이벤트의 시기는 증가된 연소 효율이 얻어지도록 정확하게 정해진다.
본 발명의 디젤형 엔진에 사용되는 탄소질 수성 슬러리 연료는 수성 매체에 현탁되는 탄소질 입자를 포함한다. 이 연료는 일반적으로 미세하게 갈린 탄소질 입자의 수성 콜로이드 현탁물을 포함한다. 이 현탁물은 페이스트(paste) 농도를 가질 수 있다. 또한, 탄소질 입자는 바람직하게는 소수성인데, 매체 내에서의 입자 분산을 개선하기 때문이다. 일 적절한 예가 국제 특허 공개 공보 WO2015048843A1에 교시되어 있고, 이의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있다.
피제어 블리드 밸브는 어떤 적절한 구성이라도 가질 수 있다. 바람직한 실시 형태에서, 피제어 블리드 밸브는 전자적으로 제어되는 블리드 밸브와 유압식으로 제어되는 블리드 밸브 중의 적어도 하나를 포함한다. 어떤 실시 형태에서, 피제어 블리드 밸브는 전자 제어되는 무그(Moog) 브랜드 밸브/엑츄에이터를 포함하는데, 이는 탄소질 수성 슬러리 연료, 예컨대 밸브 시트 재료 등의 변형에 사용되기에 바람직하게 적합하게 되어 있다.
피제어 블리드 밸브는, 한 분사 이벤트 끝과 다른 분사 이벤트의 시작 사이의 기간 동안에, 더 바람직하게는 연료 펌프의 재충전과 다음 분사 이벤트의 시작 사이의 기간 동안에 전체 개방 및 폐쇄 사이클을 가능하게 하기 위해 신속한 개방 및 폐쇄를 제공하도록 바람직하게 선택된다. 예컨대, 120 rpm으로 작동하는 엔진의 경우, 이 기간은 대략 200 내지 400 ms 이며(재충전 시간을 포함하는지의 여부에 따라), 밸브의 개폐 기간은 이상적으로는 대략 20 ms 이다. 엔진 속도가 빠를 수록 그에 비례하여 더 빠른 개방 밸브가 필요함을 알아야 한다.
전술한 바와 같이, 피제어 블리드 밸브는 탄소질 수성 슬러리 연료의 악하, 불안정화 및 덩어리짐을 줄이기 위해 분사기를 통과하는 탄소질 수성 슬러리 연료를 순환시키도록 작동된다. 블리드 밸브는, 연료 분사 펌프가 연료를 분사기 안으로 흡인한 후에 그리고 연료 분사기가 상기 분사기 노즐을 통해 연료를 분사하기 전에 연료 분사기로부터의 유동을 허용하도록 작동된다. 이리하여, 분사기는 통상적으로 필요한 양의 연료를 분사기 안으로 흡인하고 그 연료를 분사기 노즐을 통해 방출/미립화하도록 작동할 수 있다. 블리드 유동은 바람직하게는 주어진 연료 전달 압력에 대한 블리드 밸브의 듀티로 제어된다.
피제어 블리드 밸브는 어떤 적절한 위치에서도 분사기에 유체 연결될 수 있다. 피제어 블리드 밸브는 바람직하게는 상기 연료 분사기 펌프와 분사기 노즐 주위에서 또는 그들 사이에서 상기 분사기에 유체 연결된다. 이리하여, 시스템은 통상적인 펌프-라인-노즐 분사 시스템에 사용될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 분사기 노즐은 분사기 노즐을 통과하는 유동을 제어하기 위한 유동 밸브를 포함하고, 상기 피제어 블리드 밸브는 상기 유동 밸브에서 또는 유동 밸브 주위에서 상기 분사기에 유체 연결된다. 유동 밸브는 밸브 시트(seat)를 포함하고, 그러므로 피제어 블리드 밸브는 상기 유동 밸브의 밸브 시트에서 또는 밸브 시트 주위에서 상기 분사기에 유체 연결된다. 피제어 블리드 밸브를 컷오프 밸브 시트에 유체 연결하면, 유리하게도, 밸브 시트 근처의 무효 공간에서 침전이 일어나지 않으며 또한 세척 작용의 효율(완전성)이 최대화된다. 유동 밸브는 어떤 적절한 압력 작동식 밸브라도 포함할 수 있음을 알아야 한다. 어떤 실시 형태에서, 유동 밸브는 니들 밸브를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 피제어 블리드 밸브는 상기 연료 분사기 펌프에 유체 연결된다. 특정 실시 형태에서, 연료 분사기 펌프는, 실린더 및 연료를 상기 분사기 노즐에 펌핑하기 위한 피동 플런저를 포함하는 플런저 펌프를 포함하고, 상기 피제어 블리드 밸브는 상기 플런저와 상기 플런저 펌프의 연료 입구 사이에서 상기 실린더 내의 펌프 공간에 유체 연결된다. 이러한 구성은, 연료 분사기 펌프에 더 가까운 분사기 노즐에 대한 분사기와 연료 분사기 사이의 유체 연결의 위치를 이동시켜 더 작은 단면을 갖는 분사기에 유리하게 사용된다.
블리드 유량은 탄소질 수성 슬러리 연료의 유동학에 달려 있고 엔진 부하 및 세척의 필요 여부에 따라 분사기 노즐을 관류하는 전 부하 유량의 1% 내지 100% 사에서 변할 수 있음을 알아야 한다. 어떤 실시 형태에서, 블리드 유량은 전 부하 유량의 1% 내지 20%, 바람직하게는 1% 내지 5% 이다. 다른 실시 형태에서, 블리드 유량은 전 부하 유량의 3% 내지 15%, 바람직하게는 3% 내지 10% 이고, 어떤 실시 형태에서는 전 부하 유량의 약 5% 이다; 예컨대, 전 부하 유량의 1%를 포함하는 블리드 유량이 입자 침전 및 슬러지 형성이 최소화되는 양호한 유동학적 특성을 갖는 탄소질 수성 슬러리 연료에 적합할 것이다. 연료가 슬러지 형성을 받기 쉬운 경우에 블리드 유량은 더 높게 될 것이다.
블리드 밸브의 듀티 사이클은 바람직하게는 연료의 특성에 따라 조절되다. 어떤 실시 형태에서, 블리드 밸브의 듀티 사이클은 불량한 유동학의 연료에 대해 개방되는 시간의 10 내지 20%이지만, 분사 중에는 개방되지 않는데, 즉 동기화된다. 블리드 밸브의 도관 또는 파이프 크기는 바람직하게는 침식/마모를 최소화하기 위해 탄소질 수성 슬러리 연료 내 최대 탄소질 입자 보다 적어도 5배 크다. 어떤 실시 형태에서, 듀티 사이클은 블리드 사이클과 세척 사이클 사이에 주기적인 사이클을 포함할 수 있다. 실시 형태에서, 이 사이클은, 특히 연료가 슬러지 형성을 받기 쉬운 경우에 부스러기 또는 입자 축적을 해소하기 위해 사용되는 온-오프 구형파(square wave)형 사이클을 포함할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 시스템은 적어도 하나의 센서 또는 시험 시스템을 포함하는데, 이 시스템은 석탄 슬러리 특성을 결정하고 그 특성을 최적의 듀티 사이클 설정과 연관시키는 작용을 한다.
어떤 실시 형태에서, 블리드 밸브의 개폐 듀티를 사용하여, 엔진 안으로 들어가는 연료의 양을 제어할 수 있다. 예컨대, 유압식으로 작동되는 펌프의 경우, 블리드 밸브를 사용하여, 연료를 분사기 노즐에 펌핑하기 위해 사용되는 예컨대 하향 행정에서 피동 플런저의 이동 정도를 제어할 수 있다.
분사기 노즐은 탄소질 수성 슬러리 연료에 사용될 수 있는 어떤 적절한 미립화기라도 포함할 수 있다. 블래스트 미립화기형 분사기의 일부분을 형성하는 한 적절한 분사기 노즐의 일 예가 동일 출원인의 국제 특허 공개 공보 WO2013142921A1 및 WO2015048843A1에 교시되어 있고, 이의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있다.
본 발명의 연료 분사기 시스템은 전체 시스템 내에서 다수의 유체 연결 유닛을 포함할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 연료 분사기 시스템은 상기 연료 분사기에 연료를 펌핑하기 위한 연료 전달 펌프를 포함한다. 연료 전달 펌프는 일반적으로 각 분사기의 입구와 유체 연통한다.
각 피제어 블리드 밸브는 바람직하게는 연료 재순환 시스템에 유체 연결된다. 연료 재순환 스트림은 바람직하게는 상기 피제어 블리드 밸브의 출구와 상기 연료 전달 펌프의 입구 사이에 유체 연결된다. 따라서, 정상적인 작동 동안에, 피제어 블리드 밸브로부터의 블리드 유동은 연료 전달 펌프(들)에 보내져, 서비스 또는 데이(day) 탱크(들)가 고온의 악화된/오염된 연료로 오염되는 일이 없게 되고 또한 고온의 악화된 연료가 엔진 안으로 분사되기 전의 시간이 줄어든다.
엔진의 정상 작동 동안에, 연료 분사기 시스템 및/또는 재순환 스트림의 압력은 일반적으로 10 내지 50 bar, 더 바람직하게는 20 내지 30 bar이다. 재순환 스트림 내 연료의 온도는 일반적으로 50 내지 150℃, 바람직하게는 70 내지 130℃ 이다.
연료 분사 시스템의 어떤 실시 형태는 연료 순환 본관을 더 포함할 수 있고 상기 연료 순환 본관으로부터의 복귀는 상기 연료 전달 펌프의 입구에 유체 연결된디. 각 피제어 블리드 밸브는 바람직하게는 연료 재순환 시스템에 유체 연결된다. 연료 순환 본관을 포함하는 실시 형태에서, 연료 재순환 스트림은 연료 전달 펌프의 입구에 연결되고 서비스 탱크에 연결되지 않는다. 이리하여, 고온 연료가 서비스 탱크 내의 저온 연료와 혼합되지 않으며 불안정화의 경향이 줄어든다.
연료 재순환 스트림은 다수의 대안적인 연결부를 포함하는 회로를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 연료 재순환 스트림은 블리드 연료를 분사기에 직접 재순환시키기 위해 바람직하게는 연료 전달 펌프에 연결된다. 그러나, 유체, 예컨대 오염된 연료, 악화된 연료, 세척 유체 등을 재순환으로부터 전환시키거나 선택적으로 제거하여 그 유체가 연료 분사기 안으로 재순환되지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러므로, 어떤 실시 형태에서, 연료 재순환 스트림은, 연료 재순환 스트림으로부터 유체를 제거하기 위해 선택적으로 전환될 수 있는 폐기물 스트림에 대한 연결을 포함한다. 어떤 적절한 유체 연결이라도 사용될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 폐기물 스트림은 피제어 3-방(way) 밸브를 사용하여 상기 재순환 스트림에 유체 연결된다. 연료 시스템에는, 시스템 세척 또는 비정상적인 작동의 기간 동안에 블리드 유동을 폐기물 탱크 또는 세척 유체 회수 시스템에 보내기 위한 밸브가 제공되어 있다.
어떤 실시 형태에서, 연료 분사기 시스템은, 새로운 탄소질 수성 슬러리 연료가 공급되는 서비스 탱크를 더 포함하고, 서비스 탱크는 상기 연료 전달 펌프의 입구에 유체 연결된다. 서비스 탱크는 바람직하게는 연료 분사 시스템 보다 낮은 온도에서 작동된다. 서비스 탱크의 이 낮은 서비스 온도는 슬러리 불안정화를 더 줄여 준다. 실시 형태에서, 20 내지 50℃, 더 바람직하게는 25 내지 40℃의 서비스 탱크 온도가 대부분의 연료에 적합할 것이다. 이 온도는 비교적 통상적인 디젤형 엔진에서 사용되는 온도의 대략 절반임을 유의해야 한다. 제어 밸브가 바람직하게 서비스 탱크의 출구, 세척 유체 라인의 출구 및 상기 연료 전달 펌프의 입구에 유체 연결된다. 이 제어 밸브를 사용하여, 서비스 탱크로부터의 유동을 차단할 수 있고 또한 세척 유체를 엔진 연료 시스템 안으로 펌핑할 수 있다. 이 밸브는 유리하게는 3-방 밸브 또는 2개의 서로 별개인 밸브일 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 연료 분사기 시스템은 상기 분사기 시스템의 입구에 유체 연결되는 연료 예비 조절 시스템을 더 포함하고, 상기 연료 예비 조절 시스템은 연료를 서비스 온도로 가열하기 위한 연료 예비 가열기를 포함한다. 이 예비 조절 시스템은 녹 플레이크와 같은 외래의 조대한 물질을 벙커 탱크로부터 제거하기 위한 스크린을 갖는 연료 스트레이너(strainer)를 포함할 수 있다. 연료 예비 가열기는 스트레이너를 통한 걸러내기 전에 연료의 점도를 줄이기 위해 바람직하게는 연료 스트레이너 앞에 위치된다. 연료가 상승된 온도에 있는 평균 시간을 최소화하면서 분사된 연료의 온도를 최대화하기 위해 연료 예비 가열은 연료의 특성 및 복귀 블리드 유동에 따라 변하게 된다. 예비 가열기는 일반적으로 이를 관류하는 연료를 50 내지 150℃, 바람직하게는 70 내지 130℃의 온도로 가열한다. 허용 가능한 시간-온도 프로파일은 다른 연료에 대해서는 다를 것이다.
본 발명이 종래 기술과 크게 다른 점은, 연료 불안정화를 야기하는 시간-온도 조건을 실질적으로 줄이면서 최선의 연소 및 열효율(최대 연료 예비 가열)을 이루기 위해 연료 전달 조건을 정밀하게 제어할 수 있다는 것이다.
어떤 실시 형태에서, 연료 분사기 시스템은, 연료 예비 조절 시스템과 폐기물 탱크 또는 유체 회수 시스템 사이에 유체 연결되는 제어 밸브를 더 포함한다. 이 제어 밸브는 유체를 연료 예비 조절 시스템으로부터 폐기물 탱크 또는 유체 회수 시스템에 보내기 위해 시스템 세척 또는 비정상적인 작동 기간 동안에 선택적으로 작동될 수 있다. 이러한 제어 밸브를 사용하면, 세척 시간이 유리하게 줄어든다. 어떤 적절한 밸브 구성이라도 사용될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 이 제어 밸브는 3-방 밸브를 포함한다.
본 발명의 연료 분사 시스템은 많은 용례에 사용될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 연료 분사 시스템은 정치식 발전 엔진에 사용된다. 이들 실시 형태에서, 엔진은, 건물 또는 다른 둘러싸인 구조물 내부 제자리에 일반적으로 고정되고 주로 전기를 발생시키기 위해 사용되는 대형 엔진을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 연료 분사 시스템은 일반적으로 선박을 추진하는 운반 엔진에 사용된다. 운반 엔진의 예는 기관차, 선박, 원양 정기선, 바지선 등과 같은 항해 선박에 동력을 공급하고 추진하기 위한 엔진의 사용을 포함한다. 그러나, 트럭 등과 같은 다른 차량의 엔진도 본 발명의 연료 분사 시스템을 사용하는 적절한 크기의 동력 공급 엔진을 이용할 수 있음을 알아야 한다.
본 발명의 제 2 양태는, 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진의 연료 재순환 시스템을 제공하는 바, 상기 디젤형 엔진은 연료 분사 시스템을 포함하고, 연료 분사 시스템은, 연료가 미립화되는 분사기 노즐 및 상기 분사기 노즐에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프를 포함하는 적어도 하나의 연료 분사기를 포함한다. 연료 재순환 시스템은 각 연료 분사기에 유체 연결되는 적어도 하나의 피제어 블리드 밸브를 포함하고, 피제어 블리드 밸브는, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 각각의 연료 분사기로부터 유동할 수 있게 해주도록 위치한다.
본 발명의 이 제 2 양태의 연료 재순환 시스템은 본 발명의 제 1 양태에 따른 연료 분사 시스템을 포함함을 알아야 한다. 본 발명의 제 1 양태와 관련하여 전술한 모든 특징적 사항은 본 발명의 이 제 2 양태에도 동등하게 표함될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 제 3 양태는 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진을 제공하고, 이 엔진은 적어도 하나의 연료 분사기를 포함하는 연료 분사 시스템을 포함하고, 각 분사기는,
연료가 미립화되는 분사기 노즐, 및 상기 분사기 노즐에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프; 및
각 연료 분사기에 유체 연결되어 있고, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 각각의 연료 분사기로부터 유동할 수 있게 해주도록 위치하는 피제어 블리드 밸브를 포함한다.
본 발명의 이 제 3 양태의 디젤형 엔진은 본 발명의 제 1 양태에 따른 연료 분사 시스템을 바람직하게 포함함을 알아야 한다. 본 발명의 제 1 양태와 관련하여 전술한 모든 특징적 사항은 본 발명의 이 제 3 양태에도 동등하게 표함될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 이 제 3 실시 형태의 디젤형 엔진은 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하여 운전 가능한 엔진, 예컨대 직접 분사 엔진, 압축 점화 엔진 또는 디젤형 엔진을 포함할 수 있다. 바람직한 형태에서, 엔진은 수정 디젤형 엔진, 예컨대 블래스트 분사기/블래스트 미립화기형 분사기를 갖는 디젤형 엔진을 포함한다.
본 발명의 제 4 양태는, 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진에서 연료 가열 및 순환을 제어하기 위한 방법을 제공하며, 상기 디젤형 엔진은 본 발명의 제 1 양태에 따른 연료 분사 시스템을 포함하고, 연료 분사기는 연료를 엔진의 연소실 안으로 분사하도록 작동하고, 본 방법은, 연료 분사 이벤트 사이에서 상기 연료 분사기로부터 상기 연소실 안으로의 유동을 허용하도록 상기 블리드 밸브를 작동시키는 단계를 포함한다.
피제어 블리드 밸브는, 상기 연료 분사 펌프가 연료를 분사기 안으로 흡인한 후에 그리고 연료 분사기가 상기 분사기 노즐을 통해 연료를 분사하기 전에 연료 분사기로부터의 유동을 허용하도록 작동된다. 실시 형태에서, 연료 분사기 펌프는, 실린더 및 연료를 상기 분사기 노즐에 펌핑하기 위한 피동 플런저를 포함하는 플런저 펌프를 포함하고, 상기 연료 분사 펌프는 상기 플런저의 후퇴를 통해 연료를 분사기 안으로 흡인한다.
블리드 유동은 바람직하게는 주어진 연료 전달 압력에 대한 상기 블리드 밸브의 듀티로 제어된다. 실시 형태에서, 각 피제어 블리드 밸브는 연료 재순환 시스템에 유체 연결된다, 여기서, 재순환 스트림에서의 압력 강하는 바람직하게는 전자적으로 제어되는 블리드 밸브의 전후에서 분사기의 내부 유동 채널에서의 압력 강하에 의해 제어된다. 이 압력 강하는 스로틀링 밸브를 통과하는 블리드 유동이 받는 전단(shear) 강도를 줄이도록 제어된다.
정상적인 엔진 작동 중에, 연료 재순환 스트림은 바람직하게는 연료를 블리드 밸브로부터 연료 전달 펌프의 입구에 보낸다. 이 블리드 및 재순환 유동은 블리드 유동을 연료 분사 시스템으로 직접 재순환시켜, 서비스 또는 데이 탱크(들)가 고온의 악화된/오염된 연료로 오염되는 일이 없게 되고 또한 고온의 악화된 연료가 엔진 안으로 분사되기 전의 시간이 줄어든다.
본 발명은 또한 세척 유체로 엔진의 연장된 작동 없이 서비스 탱크 뒤에서 연료 시스템의 완전하고 신속한 세척을 가능하게 한다. 탄소질 수성 슬러리를 위한 세척 유체는 물 또는 적절한 세제 혼합물과 같은 실질적으로 비가연성인 유체이고, 그래서 이중 연료 분사 시스템에 대해서도, 통상적인 오일 연료를 사용하는 별도의 연료 시스템이 있는 경우에, 세척 유체의 과도한 사용/연장된 세척 기간은 희석된 슬러리 연료의 있을 수 있는 불량한 연소로 인해 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명의 제 5 양태는, 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진의 분사기 시스템을 세척하는 방법을 제공하는 바, 상기 디젤형 엔진은 본 발명의 제 1 양태에 따른 연료 분사 시스템을 포함하고, 본 방법은, 상기 연료 분사기로부터의 연속적인 유동을 허용하도록 상기 블리드 밸브를 작동시키는 단계를 포함한다.
실시 형태에서, 각 피제어 리드 밸브는 연료 재순환 시스템에 유체 연결된다. 이 재순환 스트림은 바람직하게는 세척 유체 유동을 상기 블리드 밸브로부터 폐기물 스트림에 보내도록 구성되어 있다.
어떤 실시 형태에서, 연료 분사기는 연료 시스템 세척 작업의 끝에서 적어도 하나의 사이클, 바람직하게는 복수의 사이클 동안 작동된다. 이리하여, 세척 유체는 분사기 내의 모든 통로 주위를 유동할 수 있어 각 분사기의 완전한 세척을 보장한다. 이와 관련하여, 각 분사기 내의 통로는 유동 밸브의 밸브 시트 및 분사기 노즐의 표면을 포함하는 분사기 노즐의 유동 밸브 아래에서 세척된다. 이 세척 사이클은, 연료 분사 시스템에서 부착 입자의 무분별한 축적을 감소 및/또는 방지하기 위해 정기적으로, 예컨대 엔진의 20 회전마다 작동될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시 형태를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 분사 및 재순환 시스템을 개략적으로 나타낸 것으로, 이 시스템은 도 2 내지 5에 도시되어 있는 바와 같은 적어도 하나의 피제어 블리드 밸브를 포함하는 엔진의 입구에 유체 연결된 연료 전달 펌프로 가는 약 5%의 복귀 유동을 제공한다.
도 1a는 도 1에 나타나 있는 연료 분사 시스템으로부터의 디젤형 엔진의 단면도로, 그 엔진 내 분사기의 위치를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 피제어 블리드 시스템의 일 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것으로, 이 시스템은 유압적으로 적합하게 된 단위 펌프-분사기를 위해 구성되어 있고, 컷오프 또는 니들 밸브 시트 주위로부터 블리드 유동이 취해진다.
도 3은 본 발명에 따른 피제어 블리드 시스템의 일 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것으로, 이 시스템은 적합하게 되지 않은 단위 펌프-분사기를 위해 구성되어 있고, 컷오프 또는 니들 밸브 시트 주위로부터 블리드 유동이 취해진다.
도 4는 본 발명에 따른 피제어 블리드 시스템의 일 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것으로, 이 시스템은 유압적으로 적합하게 된 단위 펌프-분사기를 위해 구성되어 있고, 펌프 공간으로부터 블리드 유동이 취해진다.
도 5는 본 발명에 따른 피제어 블리드 시스템의 일 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것으로, 이 시스템은 적합하게 되지 않은 단위 펌프-분사기를 위해 구성되어 있고, 펌프 공간으로부터 블리드 유동이 취해진다.
본 발명은 연료 분사 시스템, 및 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진에서 연료 가열 및 순환을 제어하기 위한 관련 방법을 포함한다.
본 발명의 연로 분사 시스템(도 1)은 각 분사기(150)(도 2 내지 5 참조)에 있는 전자적으로 제어되는 블리드 밸브(V1, 도 1)를 이용하고, 이 블리드 밸브를 사용하여, 각 분사기로부터 나오는 블리드 유동의 순환 유동 및 시기를 조절할 수 있다. 중 연료 오일과는 달리, 탄소질 수성 슬러리 연료는 예비 가열에 의한 점도 제어에 대한 필요가 없이 잘 분사되어 연소될 수 있으며, 그래서 모든 조건(예컨대, 별도의 슬러리 연료 시스템이 바람직한 경우 보다 저온일 수 있는 연료 변경 동안) 하에서 정확한 온도 제어를 보장할 필요성을 없애주거나 줄여준다.
어떤 이론에 제한되는 것을 바라지 않지만, 본 발명자는, 탄소질 수성 슬러리 연료는 압력 완화 밸브 및 스로틀링 밸브를 통해 경험되는 것과 같은 고 전단(shear) 또는 공동화(cavitation)에 대해 일반적으로 불리하게 거동하는 것을 알았다. 문제는 입자 굽기 및 입자 덩어리짐을 포함한다. 이들 효과는 온도가 증가하면 크게 증가된다. 덩어리짐은 연료 분사기 펌프 플런저 및 밸브 스핀들을 보호하기 위한 시일(seal) 오일의 사용으로 생기는 순환 슬러리의 오염에 의해 더 증가된다. 본 발명자는 이 오염된 연료는 덩어리짐의 경향을 줄이기 위해 가능한 한 조속히 사용될 필요가 있음을 알았다(오일은 석탄-물 슬러리 내의 석탄 및 역청(bitumen)-물 슬러리 내의 역청이 덩어리지게 함). 그러므로, 순환 유동을 서비스 탱크에 복귀시키는 현재의 기술은 불안정화된 슬러리 연료의 축적을 야기할 것이며, 이러한 축적은 연료 스트레이너(strainer)의 막힘 및 연료 라인 내의 고형물 탈락(특히 피팅에서 그리고 유동 영역의 갑작스런 증가)을 야기할 수 있다.
탄소질 수성 슬러리 연료는 수성 매체에 현탁되는 탄소질 입자를 포함하는 수성 슬러리 또는 현탁물형 연료를 포함한다. 탄소질 입자는 다양한 석탄, 목탄, 역청, 숯, 목재, 다양한 탄화물, 및 유기물(본래 생물학적이든 또는 유기 화합물이든) 등을 포함하되 이에 한정되지 않는 적절한 탄소질원에서 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 탄소질 재료는 석탄이다. 어떤 종류의 석탄이라도 사용될 수 있는데, 예컨대, 무연탄, 역청질 석탄 또는 갈탄 또는 아탄이 사용될 수 있다. 이것이 특히 유리한데, 석탄은 탄소질원으로서 쉽게 이용 가능하기 때문이다. 탄소질원은 낮은 재(ash) 함량, 바람직하게는 2 wt% 미만, 더 바람직하게는 1 wt% 미만, 가장 바람직하게는 0.5 wt% 미만을 갖는 것이 바람직하다. 적절한 종류의 탄소질 수성 슬러리 연료의 일 예가 국제 특허 공개 공보 WO2015048843A1에 교시되어 있고, 이의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있음을 이해해야 한다.
탄소질 입자가 석탄인 경우, 그 석탄은 어떤 형태의 예비 처리를 받는 것이 바람직하다. 이 예비 처리는 광물 재 오염물의 제거를 포함할 수 있고, 낮은 등급의 석탄의 경우에는, 더 높은 석탄 로딩을 갖는 연료가 얻어질 수 있도록 석탄이 더 소수성(hydrophobic)이 되게 하기 위해 어떤 형태의 밀화 및 표면 특성 변경을 포함할 수 있다. 예컨대, 역청질 석탄에 대한 광물질 제거는 선택적인 덩어리화, 부선법(flotation) 및 사이클론에 의해 이루어질 수 있다. 블래스트 미립화기형 분사기의 일부분을 형성하는 한 적절한 분사기 노즐의 일 예가 국제 특허 공개 공보 WO2013142921A1 및 WO2015048843A1에 교시되어 있고, 이들의 내용은 마찬가지로 본 명세서에 참조로 관련되어 있음을 이해해야 한다.
탄소질 수성 슬러리 연료는, 특히 5 MW 규모 보다 큰 정치식 발전 및 대형 선박을 위한 디젤형 엔진을 위한 중 연료 오일을 대체하기 위해 사용될 수 있다. 석탄-물 슬러리 연료의 연료 특성은 디젤 및 연료 오일과는 상당히 다르며, 특히, 석탄 슬러리는 훨씬 더 높은 전단-세선화(thinning) 비-뉴턴 점도를 가지며, 석탄 입자와 오염 광물 입자 모두는 낮은 경도의 강에 대해 마멸성이 있어, 연료가 연료 시스템을 윤활하는 것을 방지한다. 경화된 연료 시스템 요소가 사용된다면, 석탄-물 슬러리 연료는 많은 입증 프로그램에서 적합하게 된 디젤형 엔진에서 성공적으로 입증되었고, 연료는 충분히 낮은 점도를 가졌다.
본 발명의 실시 형태는, 일종의 미분 정제 탄소 연료(MRC)로서 특성화된 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성될 수 있다. 미분화(micronising)는 고형 탄소질(탄소 함유) 재료를 약 10 내지 60 미크론으로 미세하게 하는 분쇄하는 것을 포함한다. 정제(refining)는, 대략 1%의 광물 함량을 갖는 연료가 얻어지도록 대부분의 광물을 제거하기 위해 탄소질 재료를 물리적으로 정화하는 것을 포함한다. 미세한 탄소질 재료 및 물을 조합하여, 40 내지 50% 물을 함유하는 수성 슬러리/현탁물을 만든다.
본 발명은 압축 점화 또는 디젤형 엔진의 직접 분사 연소실에 사용되기에 적합함을 알아야 한다. 그러므로, 특별한 엔진은, 종래의 압축 점화 또는 디젤형 엔진, 또는 수성 매체에 현탁되는 탄소질 입자를 포함하는 연료를 사용하여 작동하도록 종래의 압축 점화 또는 디젤 엔진으로부터 개량된, 수정된 또는 다른 식으로 유도된 엔진을 포함할 수 있다.
일 예가 직접 분사 탄소 엔진(DICE)인데, 이는 디젤형 엔진(112)의 한 종류이며, 이 디젤형 엔진은 도 1 및 1a에 나타나 있는 바와 같이 미분 정제 탄소 연료(MRC)의 수성 슬러리의 연소를 가능하게 하도록 수정된 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 분사 시스템(100)의 일 실시 형태를 개략적으로 나타내는데, 이 연료 분사 시스템은, 블리드 유동 중에, 도 2 내지 5에 도시되어 있는 바와 같은 적어도 하나의 피제어 블리드 밸브(V1)를 포함하는 엔진(112)의 입구에 유체 연결되어 있는 유체 전달 펌프(120)에 1 내지 20%, 바람직하게는 3 내지 10%, 더 바람직하게는 약 5%의 복귀 유동을 제공한다. 그러나, (아래에서 설명하는 바와 같이), 세척 모드에서 그 복귀 유동은 최대 100%일 수도 있음을 알아야 한다. 유사하게, 블리드 유동은 시스템 온도를 유지하기 위해 조절될 수 있다. 도시되어 있는 연료 분사 시스템(100)은, 서비스 탱크(110)로부터 새로운 연료를 디젤형 엔진(112)에 공급하는 연료 순환 회로를 포함한다. 서비스 탱크(110)는 예비 조절 회로(114)를 통해 엔진에 연결되며, 그 예비 조절 회로는 연료 전달 펌프(120), 예비 가열기(122) 및 연료 스트레이너(strainer)(124)를 포함한다. 그 회로(114) 내의 연료의 압력 및 온도는 적절한 압력/온도 센서(125, 126, 127)를 사용하여 모니터링된다. 엔진(112)에 있는 분사기(120)(이 분사기(120)에 대한 추가 상세에 대해서는 도 2 내지 5 참조요)로부터 나오는 연료의 블리드 유동은 통상적인 방식으로 연료 재순환 스트림(130)을 통해 예비 조절 회로(114)로 재순환된다. 유량계(132)가 블리드 스트림(135)을 통해 엔진(112)에서 나오는 유체의 유동을 모니터링한다. 유량계(138)는 공급 스트림(139)을 통해 엔진(112)에 공급되는 유체의 유량을 모니터링한다.
앞에서 언급한 바와 같이, 피제어 블리드 밸브(V1)는, 한 분사 이벤트 끝과 다른 분사 이벤트의 시작 사이의 기간 동안에, 더 바람직하게는 연료 펌프의 재충전과 다음 분사 이벤트의 시작 사이의 기간 동안에 전체 개방 및 폐쇄 사이클을 가능하게 하기 위해 신속한 개방 및 폐쇄를 제공하도록 바람직하게 선택된다. 피제어 블리드 밸브(V1)는 어떤 적절한 블리드 밸브라도 포함할 수 있음을 알아야 한다. 내향 개방 및 외향 개방 밸브 모두를 포함하여 많은 밸브 구성이 적절할 것이며, 내향 개방 및 외향 개? 밸브는, 스프링 부착 밸브 스핀들을 당겨 여는 작용을 하는 솔레노이드를 사용하여 직접 작동되거나 또는 슬러리 밸브에 부착된 유압 피스톤을 통해 밸브를 개폐하기 위해 유압 오일 유동을 제어하는 작은 고속 서보 유압 밸브를 사용하여 간접적으로 작동된다. 다수의 상업적인 작동 기구, 예컨대 무그(Moog) 브랜드 작동 기구가 이용 가능한데, 하지만 모든 경우에, 슬러리 유동을 전환하는 밸브에는, 슬러리 내의 입자에 의한 마멸과 마손을 견디기 위해 탄화텅스텐 또는 세라믹 인서트, 및 슬라이딩 밸브 스핀들을 슬러리 유입으로부터 보호해 주는 수단이 제공되어야 한다. 실시 형태에서, 이는 유리하게는, 다른 분사기 부품, 특히 펌프 플런저 및 컷오프 니들을 보호하기 위해 제공되는 것과 유사한 방식으로 고압의 밀봉 유체를 밸브 스핀들에 가하여 제공될 수 있는데, 그러므로 이는 고속 슬러리 밸브를 동일한 유닛 분사기 어셈블리에 포함시켜 용이하게 될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 피제어 블리드 밸브(V1)는 전자 제어되는 무그 브랜드 밸브/엑츄에이터, 예컨대 72 계열 서보 밸브를 포함하며, 이 밸브는 바람직하게는 위에서 언급한 바와 같이 탄소질 수성 슬러리 연료에 사용되기에 적합하다.
도 1을 다시 참조하면, 새로운 연료는 서비스 탱크(110)를 통해 도시된 연료 분사 시스템(100)에 공급된다. 서비스 탱크(110)는 일반적으로 엔진(112) 근처에 위치되는 폐쇄형 탱크이며, 그 엔진(112)을 위한 연료 저장부를 포함한다. 서비스 탱크(112)는 유리하게 엔진(112)에서의 분사를 위해 사용되는 것 보다 훨씬 더 낮은 온도에서 작동되며, 이러한 온도는 슬러리의 불안정화를 더 줄여준다. 본 발명자는, 25 내지 40℃의 서비스 탱크 온도가 엔진(112)에서 사용되는 대부분의 탄소질 수성 슬러리 연료에 적합할 것이라고 생각한다. 서비스 탱크(110)로부터의 유동을 차단하고 세척 유체(173)를 엔진 연료 시스템안으로 펌핑할 수 있게 해주는 밸브(V2)(도 1)가 제공된다(아래에서 개략적으로 설명함). 이 밸브(V2)는 유리하게는 3-방(way) 밸브 또는 서로 별개의 두 밸브일 수 있다.
서비스 탱크(110)는 연료 예비 조절 회로(114)의 연료 전달 펌프(120)를 통에 연료를 공급한다. 연료 전달 펌프(120)는 당업계에서 디젤 엔진용으로 알려져 있는 것을 포함하여 어떤 적절한 펌프라도 포함할 수 있는데, 예컨대 기계식, 유압식, 인라인, 단위 분사기 등을 포함할 수 있다. 연료 예비 조절 회로(114)는, 연료가 엔진(112)의 연료 분사 시스템 안으로 공급되기 전에 그 연료를 적절한 특성(온도, 압력, 점도 등)으로 조절하기 위해 사용된다. 도시되어 있는 바와 같이, 연료 스트레이너(127) 앞에 주 연료 예비 가열기(122)가 위치되어 있어, 스트레이너(127)가 예열된 슬러리의 감소된 점도를 이용할 수 있게 해준다. 연료 예비 가열기(122)는, 당업계에서 디젤 엔진용으로 알려져 있는 것을 포함하여, 연료를 선택된 온도로 열적으로 가열하는 어떤 적절한 예비 가열 유닛이라도 포함할 수 있다. 유사하게, 연료 스트레이너(127)는, 당업계에서 디젤 엔진용으로 알려져 있는 것을 포함하여, 어떤 적절한 연료 필터 또는 여과 유닛이라도 포함할 수 있다. 연료가 상승된 온도에 있는 평균 시간을 최소화하면서 분사된 연료의 온도를 최대화하기 위해 연료 예비 가열은 연료의 특성 및 복귀 블리드 유동에 따라 변할 수 있다. 예비 가열기는 일반적으로 이를 관류하는 연료를 50 내지 150℃, 바람직하게는 70 내지 130℃의 온도로 가열한다. 허용 가능한 시간-온도 프로파일은 다른 연료에 대해서는 다를 것이다. 본 발명이 종래 기술과 크게 다른 점은, 연료 불안정화를 야기하는 시간-온도 조건을 실질적으로 줄이면서 최선의 연소 및 열효율(최대 연료 예비 가열)을 이루기 위해 엔진에 대한 연료 전달 조건을 정밀하게 제어할 수 있다는 것이다.
연료 예비 조절 회로(114)의 구성 요소는 당업계에 잘 알려져 있고, 예컨대 K. Nicol "The direct injection carbon engine", IEA Clean Coal Centre report CCC/243,December2014(https://www.usea.org/sites/default/files/122014_The%20direct%20injection%20carbon%20engine_ccc243.pdf)에서 논의되어 있는 것과 같은 구성 요소로부터 선택될 수 있고, 이 문헌의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있다.
예비 조절 회로(114)는 밸브(V3)(도 1)를 통해 공급 스트림(139)에 연결된다. 밸브(V3)는 연료 유동을 연료 예비 조절 회로(114)로부터 폐기물 스트림(174)으로 돌리기 위해 사용될 수 있고, 그 폐기물 스트림은 세척 시간을 유리하게 줄이기 위해 시스템 세척 또는 비정상적인 작동 기간 동안에 폐기물 탱크 또는 세척 유체 회수 시스템(170)에 연결된다.
도시되어 있는 엔진(112)(도 1 및 1a)은 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하여 운전될 수 있는 어떤 엔진이라도 포함할 수 있는데, 예컨대, 직접 분사 엔진, 압축 점화 엔진, 또는 디젤형 엔진을 포함할 수 있다. 바람직한 형태에서, 엔진은 블래스트 분사기를 갖는 디젤형 엔진과 같은 수정 디젤형 엔진을 포함한다. 블래스트 미립화 분사기를 사용하는 것이 유리할 수 있는데, 왜냐하면, 이러한 분사기는 운동 에너지 강도를 직접 가하여, 넓은 크기 분포, 높은 비율의 미세 재료 및 더 큰 최대 크기를 가지며 또한 점성이 높고 고형물 함량이 높은 연료를 미립화하기 때문이다. 블래스트 유체의 운동 에너지를 직접 가하면, 연료 내의 마찰 에너지 손실이 생기지 않아, 더 많은 미립화 에너지가 효율적으로 사용될 수 있다(즉, 표면 장력 효과를 극복하기 위해). 훨씬 더 낮은 연료 속도 및 훨씬 더 큰 연료 통로로 인해, 연료를 취급하는 마찰 손실이 최소화될 수 있고 또한 연료 입자의 최대 크기가 그렇지 않은 경우 보다 크게 될 수 있다. 한 적절한 블래스트 미립화기의 일 예가 동일한 출원인의 국제 특허 공개 공보 WO2013142921A1 및 WO2015048843A1에 교시되어 있고, 이들의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있다.
도 1a는 본 발명의 연료 분사 시스템을 포함할 수 있는 2-행정 DICE 엔진(112)의 일 예의 단면도를 나탄낸다. 이들 엔진의 예는, Wibberley L J (2013) Coal base-load power using micronised refined coal (MRC). Energy Generation, pp 35-39 (Jan-Mar 2011)에 교시되어 있고, 이의 내용은 본 명세서에 참조로 관련되어 있다. 이 엔진은 도 2 내지 5에 도시되어 있는 것과 유사한 직접 연료 분사기(150)를 가지도록 수정된 디젤형 엔진이다. 도 1a에 나타나 있는 바와 같이, 연료 분사기(150), 특히 분사기 노즐(152)은 피스톤 하우징(151) 위쪽에 위치되고, 연료 분사기 펌프(155)에 유체 연결되어 있다.
도 2 내지 5는, 유체 연결되는 피제어 블리드 밸브(V1)를 포함하는 엔진(112)의 연료 분사기(150)의 4개의 다른 실시 형태를 도시한다. 전자적으로 제어되는 블리드 밸브(V1)가 도시된 실시 형태에서 사용되지만, 유압적으로 제어되는 블리드 밸브와 같은 다른 종류의 피제어 블리드 밸브도 본 발명의 정신 또는 범위에서 벗어남이 없이 동등하게 사용될 수 있음을 알아야 한다.
도 2 내지 5에 도시되어 있는 실시 형태 각각에서, 도시된 연료 분사기 시스템(118)은, 연료가 미립화되는 분사기 노즐(152) 및 분사기 노즐(152)에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프(154)를 갖는 연료 분사기(150)를 포함한다. 분사기 노즐(152)은 분사기 노즐(152)을 통과하는 유동을 제어하기 위한 유동 밸브, 일반적으로 니들 밸브(미도시)를 포함한다. 유동 밸브는 일반적으로 밸브 시트(미도시)를 포함한다. 도시된 연료 분사기 펌프(154)는 실린더 및 연료를 분사기 노즐(152)에 펌핑하기 위한 피동 플런저(155)를 포함하는 플런저 펌프를 포함한다.
도 2 내지 5에 도시되어 있는 실시 형태 각각에서, 피제어 블리드 밸브(V1)는, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 연료 분사기(150)로부터 유체 연결된 연료 재순환 스트림(130)(도 1)으로 유동할 수 있게 해주는 위치에서 각 연료 분사기(150)에 유체 연결되어 있다. 블리드 밸브(V1)가 작동되어, 연료 분사 펌프(155)가 연료를 분사기(152) 안으로 흡인한 후에 그리고 연료 분사기(150)가 분사기 노즐(152)을 통해 연료를 분사하기 전에 연료 분사기(150)로부터 재순환 스트림(130) 안으로 들어가는 유동이 일어날 수 있다. 이리하여, 분사기(150)는 정상적으로 작동하여, 필요한 양의 연료를 분사기(150) 안으로 흡인하고/흡인하거나 분사기 노즐(152)을 통해 연료를 미립화한다. 블리드 유동은 바람직하게는 주어진 연료 전달 압력에 대한 블리드 밸브(V1)의 듀티로 제어된다. 엔진(112)의 정상적인 작동 중에, 블리드 유동은 재순환 스트림(130)을 통해 연료 저압 전달 펌프(들)(120)(도 1)에 보내져, 서비스 또는 데이(day) 탱크(들)가 고온의 악화된/오염된 연료로 오염되는 일이 없게 되고/되거나 고온의 악화된 연료가 엔진(112) 안으로 분사되기 전의 시간을 줄일 수 있다. 피제어 블리드 밸브(V1)로부터 연료 전달 펌프(120)로의 블리드 복귀는 약 1 tph일 수 있다.
피제어 블리드 밸브는 어떤 적절한 위치에서도 분사기에 유체 연결될 수 있다. 도 2 및 3에 나타나 있는 바와 같이, 피제어 블리드 밸브(V1)는 분사기 노즐(152)의 밸브 시트에서 또는 그 주위에서 분사기(150)에 유체 연결될 수 있다. 피제어 블리드 밸브(V1)를 컷오프 밸브 시트에 유체 연결하면, 유리하게도, 밸브 시트 근처의 무효 공간에서 침전이 일어는 것을 피할 수 있고 또한 세척 작용의 효율(완전성)이 최대화된다. 도 2 및 3은 적합하게 된 그리고 적합하게 되지 않은 유압 작동식 분사기(150)를 사용하는 이 실시 형태를 개략적으로 나타낸다. 도 2는 연료 분사기 펌프(154)가 유압적으로 적합하게 된 단위 펌프-분사기(150A)이고 블리드 밸브(V1)가 분사기 노즐(152)의 컷오프 또는 니들 밸브 시트 주위에 연결되어 있는 실시 형태를 나타낸다. 도 3은 연료 분사기 펌프(154)가 적합하게 되지 않은 단위 펌프-분사기이고 블리드 밸브(V1)가 분사기 노즐(152)의 컷오프 또는 니들 밸브 시트 주위에 연결되어 있는 실시 형태를 나타낸다. 이들 바람직한 구성에 의해, 컷오프 밸브 시트(즉, 니들 밸브 시트) 주위로부터 블리드 유동이 일어나, 이 무효 공간에서 침전이 일어나지 않으며 또한 세척의 효율(완전성)이 최대화된다.
다른 실시 형태에서, 피제어 블리드 밸브(V1)는 연료 분사기 펌프(154)에 유체 연결되고, 그래서 재순환 스트림(130)에 대한 블리드 유동이 연료 분사기 펌프(154)의 펌프 공간으로부터 일어나게 된다. 도 4 및 5는 적합하게 된 그리고 적합하게 되지 않은 유압 작동식 분사기(150)를 사용하는 이 실시 형태를 개략적으로 나타낸다. 도 4는 연료 분사기 펌프(154)가 유압적으로 적합하게 된 단위 펌프-분사기(150A)이고 블리드 밸브(V1)가 연료 분사기 펌프(154)의 펌프 공간에 연결되어 있는 실시 형태를 나타낸다. 도 5는 연료 분사기 펌프(154)가 적합하게 되지 않은 단위 펌프-분사기이고 블리드 밸브(V1)가 연료 분사기 펌프(154)의 펌프 공간에 연결되어 있는 실시 형태를 나타낸다. 이러한 구성은 블리드 도관의 위치를 높게 하여 더 작은 단면을 갖는 분사기에 유리하게 사용될 것임을 생각할 수 있다.
블리드 유동이 받는 전단(shear) 강도를 스로틀링 밸브를 지나는 유사한 유동과 비교하여 줄이기 위해, 분사기(150)에서 나오는 블리드 유동의 압력 강하는, 전자적으로 제어되는 블리드 밸브(V1)의 앞과 뒤에 있는 분사기(150) 내의 전달 채널에서의 압력 강하에 의해 유리하게 제어된다.
엔진(112)에 있는 분사기(120)(분사기(120)에 대한 추가 상세에 대해서는 도 2 내지 도 5 참조요)에서 나오는 연료의 블리드 유동은 정상적인 작동시 연료 재순환 스트림(130)을 통해 예비 조절 회로(114)로 재순환된다. 세척 동안에 연료 재순환 스트림(130)은 밸브(V4)(도 1)의 작동을 통해 폐기물 전환 스트림(175)에 연결된다. 그러므로, 밸브(V4)는, 세척 시간을 유리하게 줄이기 위해 시스템 세척 또는 비정상적인 작동 기간 동안에 연료 유동을 연료 재순환 스트림(130)으로부터 폐기물 탱크 또는 세척 유체 회수 시스템(171)으로 전환하기 사용될 수 있다. 이 밸브(V4)는 유리하게는 3-방 밸브일 수 있다.
연료 시스템 세척 동안에, 전자적으로 제어되는 블리드 밸브(V1)는 연장된 듀티 사이클(연속적 개방을 포함하여)로 유리하게 작동되어, 신속한 시스템 세척을 제공할 수 있다. 완전한 세척을 보장하기 위해, 분사기는 바람직하게는 연료 시스템 세척 기간의 끝에서 여러 개의 사이클 동안 유리하게 작동될 수 있다. 이 방법은 컷오프 밸브 시트 및 분사기 미립화 노즐(152)을 포함하는 밸브(즉, 니들 밸브)의 차단 전에 분사기 통로를 세척할 것이다. 세척 사이클 동안에, 밸브(V2)가 작동되어 세척 유체(173)를 공급하고, 또한 밸브(V3 및/또는 V4)가 작동되어 연료 분사 시스템(100) 및 전체 회로로부터 폐유체를 제거하게 된다. 이리하여, 엔진(112), 특히 연료 분사 시스템(100)이 정기적으로 세척되고 정화되어 그 시스템 내의 슬러지 또는 퇴적물이 제거된다. 추가적으로, 차단 동안에, 연로 분사 시스템(100)을 포함하는 연료 시스템을 세척할 수 있다.
도시되어 있지는 않지만, 순환 본관이 바람직하고 연료 분사 시스템에서 사용되면, 이 본관으로부터의 복귀는 서비스 탱크(110)가 아닌 저압 연료 전달 펌프(들)(120)의 입구까지 이루어져야 한다. 이렇게 헤서, 서비스 탱크(110) 내의 저온 연료를 고온 연료와 혼합할 필요가 없고, 연료 불안정화의 경향이 줄어든다.
연료 분사 시스템(100) 및 엔진(112)은 정치식 발전 엔진 및 항해 선박의 엔진과 같은 수동 엔진을 포함한 다양한 용례에 사용될 수 있음을 알 것이다.
항해 선박의 경우, 탄소질 슬러리 연료를 사용하면, 항해 선박에 대한 황 방출 한계를 유리하게 처리할 수 있는데, 그러한 선박은 많은 관할 구역에서 0.5% 이하, 어떤 경우에는 이제 0.10% 이하의 황 함량을 갖는 연료 오일을 선내에서 사용하도록 제약을 받고 있다. 탄소질 슬러리 연료, 특히 미분 정제 탄소 연료(MRC)의 황 함량은 이 특정한 황 함량 제약 조건을 만족하도록 조정될 수 있다. 그러므로, 그러한 연료를 사용하는 본 발명과 관련하여 개시된 것과 같은 엔진이 이들 요건을 만족하는데에 도움을 줄 수 있다.
당업자는 아는 바와 같이, 여기서 설명된 발명은 특별히 설명된 것과는 다른 변화 및 수정을 받을 수 있다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위에 포함되는 모든 그러한 변화 및 수정을 포함함을 이해할 것이다.
"포함한다", "포함된다" 또는 "포함하는" 이라는 용어가 본 명세서(청구 범위를 포함하여)에서 사용될 때, 이 용어는 언급된 사항, 정수, 단계 또는 요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 사항, 정수, 단계 또는 요소 또는 이들의 조합의 존재를 배제하지 않은 것으로 해석되어야 한다.

Claims (36)

  1. 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진의 연료 분사 시스템으로서,
    연료가 미립화되는 분사기 노즐 및 상기 분사기 노즐에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프를 포함하는 적어도 하나의 연료 분사기; 및
    각 연료 분사기에 유체 연결되어 있고, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 상기 연료 분사기로부터 유동할 수 있게 해주도록 위치하는 피제어 블리드(bleed) 밸브를 포함하는, 연료 분사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피제어 블리드 밸브는 전자적으로 제어되는 블리드 밸브와 유압식으로 제어되는 블리드 밸브 중의 적어도 하나를 포함하는, 연료 분사 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피제어 블리드 밸브는, 상기 연료 분사 펌프가 연료를 분사기 안으로 흡인한 후에 그리고 연료 분사기가 상기 분사기 노즐을 통해 연료를 분사하기 전에 연료 분사기로부터의 유동을 허용하도록 작동되는, 연료 분사 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피제어 블리드 밸브는 상기 연료 분사기 펌프와 분사기 노즐 주위에서 또는 그들 사이에서 상기 분사기에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사기 노즐은 분사기 노즐을 통과하는 유동을 제어하기 위한 유동 밸브를 포함하고, 상기 피제어 블리드 밸브는 상기 유동 밸브에서 또는 유동 밸브 주위에서 상기 분사기에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유동 밸브는 밸브 시트(seat)를 포함하고, 상기 피제어 블리드 밸브는 상기 유동 밸브의 밸브 시트에서 또는 밸브 시트 주위에서 상기 분사기에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 유동 밸브는 니들 밸브를 포함하는, 연료 분사 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피제어 블리드 밸브는 상기 연료 분사기 펌프에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 분사기 펌프는, 실린더 및 연료를 상기 분사기 노즐에 펌핑하기 위한 피동 플런저를 포함하는 플런저 펌프를 포함하고, 상기 피제어 블리드 밸브는 상기 플런저와 상기 플런저 펌프의 연료 입구 사이에서 상기 실린더 내의 펌프 공간에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 피제어 블리드 밸브는 연료 재순환 시스템에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 분사 시스템은 상기 연료 분사기에 연료를 펌핑하기 위한 연료 전달 펌프를 더 포함하고, 상기 연료 재순환 스트림은 상기 피제어 블리드 밸브의 출구와 상기 연료 전달 펌프의 입구 사이에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 분사 시스템은 연료 순환 본관을 더 포함하고, 상기 연료 순환 본관으로부터의 복귀는 상기 연료 전달 펌프의 입구에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 재순환 스트림은, 연료 재순환 스트림으로부터 유체를 제거하기 위해 선택적으로 전환될 수 있는 폐기물 스트림에 대한 연결을 포함하는, 유체 분사 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 폐기물 스트림은 피제어 3-방(way) 밸브를 사용하여 상기 재순환 스트림에 유체 연결되는, 유체 분사 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 분사 시스템은, 새로운 탄소질 수성 슬러리 연료가 공급되는 서비스 탱크를 더 포함하고, 서비스 탱크는 상기 연료 전달 펌프의 입구에 유체 연결되는, 연료 분사 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 서비스 탱크의 출구, 세척 유체 라인의 출구 및 상기 연료 전달 펌프의 입구에 유체 연결되는 제어 밸브를 더 포함하는 연료 분사 시스템.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 서비스 탱크는 상기 연료 분사 시스템 보다 낮은 온도에서 작동되는, 연료 분사 시스템
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 분사 시스템은 상기 분사기 시스템의 입구에 유체 연결되는 연료 예비 조절 시스템을 더 포함하고, 상기 연료 예비 조절 시스템은 연료를 서비스 온도로 가열하기 위한 연료 예비 가열기를 포함하는, 연료 분사 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 예비 조절 시스템은 스트레이너(strainer)를 위한 연료 스트레이너를 포함하고, 상기 연료 예비 가열기는 연료 스트레이너 앞에 위치하는, 연료 분사 시스템.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 연료 예비 조절 시스템과 폐기물 탱크 또는 유체 회수 시스템 사이에 유체 연결되는 제어 밸브를 더 포함하는 연료 분사 시스템.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블리드 밸브를 통과하는 유동은 주어진 연료 전달 압력에 대한 상기 블리드 밸브의 듀티로 제어되는, 연료 분사 시스템.
  22. 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진의 연료 재순환 시스템으로서, 상기 디젤형 엔진은 연료 분사 시스템을 포함하고, 연료 분사 시스템은, 연료가 미립화되는 분사기 노즐 및 상기 분사기 노즐에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프를 포함하는 적어도 하나의 연료 분사기를 포함하고, 상기 연료 재순환 시스템은 각 연료 분사기에 유체 연결되는 적어도 하나의 피제어 블리드 밸브를 포함하고, 피제어 블리드 밸브는, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 각각의 연료 분사기로부터 유동할 수 있게 해주도록 위치하는, 디젤형 엔진의 연료 재순환 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 시스템을 포함하는 연료 재순환 시스템.
  24. 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하도록 구성된 디젤형 엔진으로서, 적어도 하나의 연료 분사기를 포함하는 연료 분사 시스템을 포함하고, 각 분사기는,
    연료가 미립화되는 분사기 노즐, 및 상기 분사기 노즐에의 공급을 위해 연료를 가압하기 위한 연료 분사기 펌프; 및
    각 연료 분사기에 유체 연결되어 있고, 제어된 양의 탄소질 수성 슬러리 연료가 각각의 연료 분사기로부터 유동할 수 있게 해주도록 위치하는 피제어 블리드 밸브를 포함하는, 디젤형 엔진.
  25. 제 24 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 시스템을 포함하는 디젤형 엔진.
  26. 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진에서 연료 가열 및 순환을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 디젤형 엔진은 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 시스템을 포함하고, 연료 분사기는 연료를 엔진의 연소실 안으로 분사하도록 작동하고,
    연료 분사 이벤트 사이에서 상기 연료 분사기로부터 상기 연소실 안으로의 유동을 허용하도록 상기 블리드 밸브를 작동시키는 단계를 포함하는, 디젤형 엔진에서 연료 가열 및 순환을 제어하기 위한 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 피제어 블리드 밸브는, 상기 연료 분사 펌프가 연료를 분사기 안으로 흡인한 후에 그리고 연료 분사기가 상기 분사기 노즐을 통해 연료를 분사하기 전에 연료 분사기로부터의 유동을 허용하도록 작동되는, 방법.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 연료 분사기 펌프는, 실린더 및 연료를 상기 분사기 노즐에 펌핑하기 위한 피동 플런저를 포함하는 플런저 펌프를 포함하고, 상기 연료 분사 펌프는 상기 플런저의 후퇴를 통해 연료를 분사기 안으로 흡인하는, 방법.
  29. 제 26 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블리드 밸브를 통과하는 유동은 주어진 연료 전달 압력에 대한 상기 블리드 밸브의 듀티로 제어되는, 방법.
  30. 제 26 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 피제어 블리드 밸브는 연료 재순환 시스템에 유체 연결되고, 정상적인 엔진 작동 중에, 상기 연료 재순환 스트림은 연료를 블리드 밸브로부터 상기 연료 전달 펌프의 입구에 보내는, 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 재순환 스트림에서의 압력 강하는 전자적으로 제어되는 블리드 밸브의 전후에서 분사기의 내부 유동 채널에서의 압력 강하에 의해 제어되는, 방법.
  32. 탄소질 수성 슬러리 연료를 사용하는 디젤형 엔진의 분사기 시스템을 세척하는 방법으로서, 상기 디젤형 엔진은 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 시스템을 포함하고, 상기 연료 분사기로부터의 연속적인 유동을 허용하도록 상기 블리드 밸브를 작동시키는 단계를 포함하는, 디젤형 엔진의 분사기 시스템 세척 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 블리드 밸브는 재순환 스트림에 유체 연결되고, 상기 재순환 스트림은 세척 유체 유동을 상기 블리드 밸브로부터 폐기물 스트림에 보내도록 구성되어 있는, 방법.
  34. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서,
    상기 연료 분사기는 연료 시스템 세척 작업의 끝에서 적어도 하나의 사이클, 바람직하게는 복수의 사이클 동안 작동되는, 방법.
  35. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디젤형 엔진은 정치식 발전 엔진을 포함하는, 연료 분사 시스템.
  36. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디젤형 엔진은 운반 엔진, 바람직하게는 항해 엔진을 포함하는, 연료 분사 시스템.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2017320332B2 (en) * 2016-08-29 2023-02-09 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Improved injector arrangement for diesel engines using slurry or emulsion fuels
US10989121B2 (en) 2018-05-03 2021-04-27 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Fuel system for diesel engines using carbonaceous aqueous slurry and emulsion fuels

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3505229A1 (de) * 1985-02-05 1986-08-07 Gebrüder Sulzer AG, Winterthur Vorrichtung zum einspritzen von in einer fluessigkeit aufgeschwemmten, feinteiligem, festem brennstoff in den brennraum einer hubkolbenbrennkraftmaschine
US4782794A (en) * 1986-08-18 1988-11-08 General Electric Company Fuel injector system
CH672660A5 (ko) * 1987-03-17 1989-12-15 Sulzer Ag
US5056469A (en) * 1990-06-29 1991-10-15 Ail Corporation Fuel injection system
US5251576A (en) * 1991-06-14 1993-10-12 Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha System and method for feeding fuel to a fine-particle-mixed fuel burning diesel engine
US5313915A (en) * 1992-10-27 1994-05-24 General Electric Company Coal slurry fuel supply and purge system
SE523482C2 (sv) * 2001-03-02 2004-04-20 Volvo Lastvagnar Ab Dieselmotor med katalysator
US7743754B2 (en) * 2006-03-31 2010-06-29 Transonic Combustion, Inc. Heated catalyzed fuel injector for injection ignition engines
US20090211559A1 (en) * 2008-02-22 2009-08-27 Andy Blaine Appleton Engine fuel supply circuit
WO2013142921A1 (en) 2012-03-29 2013-10-03 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Injection of heavy and particulate laden fuels
JP5106695B1 (ja) * 2012-04-02 2012-12-26 修 小川 ディーゼルエンジン用内部洗浄剤及びこれを用いた洗浄システム
US20130269657A1 (en) * 2012-04-16 2013-10-17 Joseph C. Firey Common rail slurry fuel injector system
EP2847451A1 (en) * 2012-05-11 2015-03-18 Helpful Technologies, Inc. Method and system to improve atomization and combustion of heavy fuel oils
DE102012025021A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Man Diesel & Turbo Se Kraftstoffversorgungsanlage und Verfahren zum Betreiben derselben
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