KR20200138765A - 다수의 연료를 사용하는 내연기관 및 이를 작동시키는 방법 - Google Patents

다수의 연료를 사용하는 내연기관 및 이를 작동시키는 방법 Download PDF

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KR20200138765A
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Abstract

하나 이상의 실시형태들에 따르면, 내연 기관은 엔진 실린더 내로 제1 연료와 제2 연료를 1회 이상 주입하여 연료 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 연료 혼합물을 점화 플러그로 연소시켜서 엔진 실린더 내에 수용된 피스톤을 직동시켜서 피스톤에 연결된 크랭크축을 회전시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 작동될 수 있다. 제1 연료는 제2 연료보다 더 큰 옥탄 등급을 포함할 수 있다. 목표 CA50은 연료 혼합물의 비연료소비율의 최솟값에 해당할 수 있다. 점화 플러그는 내연 기관이 목표 CA50의 20도 내에 있는 작동 CA50으로 작동할 수 있도록 한 시점에 연소를 개시할 수 있다.

Description

다수의 연료를 사용하는 내연기관 및 이를 작동시키는 방법
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2018년 4월 9일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/948,516호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 인용되어 포함된다.
기술분야
본 개시내용은 내연 기관에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는, 다수의 연료를 사용하는 내연 기관에 관련된 것이다.
석유계 연료는 자동차와 같은 대부분의 경량 운송 차량에 동력을 공급하는 데 사용된다. 예를 들어, 비교적 저렴하고 사용자에게 널리 이용 가능한 가솔린은 전세계적으로 자동차의 내연 기관에 동력을 공급하기 위해 사용된다. 그러나, 석유계 연료의 연소는 이산화탄소를 환경 속으로 배출할 수 있으며, 이는 여러 가지 이유로 바람직하지 않을 수 있다. 운송 차량에 사용하기 위한 다른 더 청정한 에너지원은 너무 비싸고 개발이 미흡할 수 있어서, 향상된 효율성, 저감된 연료 소비량, 또는 이들 둘 다를 갖춘 석유계 연료로 작동할 수 있는 엔진이 필요하다.
본원에 개시된 바와 같이, 엔진을 노킹, 조기 점화, 또는 이들 둘 다가 없이 여전히 작동시키면서도 연료 소비를 줄이기 위해 여러 연료 유형을 동시에 사용하는 내연 기관이 사용될 수 있다. 내연 기관은, 엔진의 옥탄 요구량이 비교적 낮은 비교적 낮은 중간 부하에서는 저 옥탄 연료원을 사용하는 한편 저 옥탄 연료만 사용하는 경우에 발생할 수 있는 노킹을 완화하거나 제거하기 위해 높은 부하에서는 고 옥탄 연료를 추가로(저 옥탄 연료와의 혼합물 형태로) 사용함으로써, 적은 연료 소모량으로 작동될 수 있다는 것이 발견되었다. 이 방법에 의하면, 제한된 양의 고 옥탄 연료를 활용함으로써, 석유계 연료(메탄올 및 에탄올과 같은 일반적으로 사용 가능한 고 옥탄 연료보다 훨씬 더 높은 비에너지를 가질 수 있음)를 사용하는 엔진을 더 효율적이게 할 수 있다. 예를 들어, 노킹 방지 품질이 서로 다른 2종의 연료로 작동되는 내연 기관에서 조기 점화를 완화하는 데 사용할 수 있는 방법 및 시스템과, 별도의 도입 방법이 본원에 개시된다. 하나 이상의 실시형태들에서, 석유-유래 연료와 같은 저 옥탄 연료가 알코올 연료와 같은 고 옥탄 연료와 함께 사용된다.
하나 이상의 실시형태들에 따르면, 본원에 개시된 바와 같은 엔진을 작동시키는 방법은 실린더 내의 공기-연료 혼합물의 최고 압력, 최고 온도, 또는 이들 둘 다가 (최대 제동 토크 시기에서의 작동과 비교하여) 감소되도록 일정한 엔진 부하에서 연소 시기를 (주어진 엔진의 최대 제동 토크 시기에 대해) 지각시키는 것을 포함할 수 있다. 연소 시기의 이러한 지각은 전체 혼합물 중의 석유계 연료의 비율을 증가시킴과 동시에 노킹 없이 엔진을 작동시키는 데 필요한 고 옥탄 연료의 양을 줄일 수 있다. 연소 시기의 지각은 비연료소비율(specific fuel consumption) 및 비이산화탄소 배출량(specific carbon dioxide emission)을 추가로 줄일 수 있다. 엔진을 작동시키는 데 필요한 알코올 연료의 감소된 양과 함께 더 낮아진 실린더 내의 압력은 조기 점화와 같은 비정상적 연소 현상을 완화시킬 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 내연 기관은 엔진 실린더 내로 제1 연료와 제2 연료를 1회 이상 주입하여 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 연료 혼합물을 점화 플러그로 연소시켜 엔진 실린더 내에 수용된 피스톤을 직동시켜서 피스톤에 연결된 크랭크축을 회전시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 작동될 수 있다. 제1 연료는 제2 연료보다 더 큰 옥탄 등급을 포함할 수 있다. CA50이 상기 연료 혼합물의 50 중량%가 연소된 때의 크랭크축의 각도 위치로 정의될 수 있고, 상기 CA50은 상기 크랭크축이 상사점을 지날 때 측정될 수 있고, 그리고 상기 CA50은 점화 플러그에 의한 연소 시기의 함수일 수 있다. 목표 CA50은 연료 혼합물의 비연료소비율의 최솟값에 해당할 수 있다. 점화 플러그는 내연 기관이 목표 CA50의 20도 내에 있는 작동 CA50으로 작동할 수 있도록 한 시점에 연소를 개시할 수 있다.
하나 이상의 추가 실시형태에 따르면, 내연 기관은 하나 이상의 엔진 실린더, 엔진 실린더 내에 수용된 피스톤, 피스톤과 연결된 크랭크축, 제1 연료를 분사하는 제1 연료 분사기, 제2 연료를 분사하는 제2 연료 분사기, 및 피스톤을 직동시켜 크랭크축을 회전시키기 위해 연료 혼합물을 연소시키는 점화 플러그를 포함할 수 있다. 상기 제2 연료는 상기 제2 연료보다 더 큰 옥탄 등급을 가질 수 있고, 상기 제1 연료와 상기 제2 연료는 엔진 실린더의 연소실에 연료 혼합물을 형성할 수 있다. CA50이 연료 혼합물의 50 중량%가 연소된 때의 크랭크축의 각도 위치로 정의될 수 있고, 상기 CA50은 크랭크축이 상사점을 지날 때 측정될 수 있고, 그리고 상기 CA50은 점화 플러그에 의한 연소 시기의 함수일 수 있다. 목표 CA50은 연료 혼합물의 비연료소비율의 최솟값에 해당할 수 있다. 점화 플러그는 내연 기관이 목표 CA50의 20도 내에 있는 작동 CA50으로 작동할 수 있도록 한 시점에 연소를 개시할 수 있다.
본 개시내용의 특정 실시형태들에 대한 이하의 상세한 설명은 이하의 도면과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 수 있으며, 도면에서 유사한 구조는 유사한 참조 번호로 제시된다:
도 1은 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태에 따른 것으로, 내연 기관의 실린더의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태에 따른 것으로, 다른 내연 기관의 실린더의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다른 내연 기관의 실린더의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다른 내연 기관의 실린더의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 50 중량% 연소(CA50)에서 크랭크 각도의 함수로 나타낸 메탄올 비율의 실험 결과를 시각적으로 도시한다.
도 5는 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, CA50의 함수로 나타낸 가솔린 연료, 메탄올 연료, 및 연료 혼합물의 낮아진 발열량의 실험 결과를 시각적으로 도시한다.
도 6은 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, CA50의 함수로 나타낸 정미 열효율의 실험 결과를 시각적으로 도시한다.
도 7은 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, CA50의 함수로 나타낸 연료 혼합물의 비연료소비율의 실험 결과를 시각적으로 도시한다.
도 8은 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 엔진 부하에 대해 CA50의 함수로 나타낸 평균 최대 압력을 시각적으로 도시한다.
도 9는 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 엔진 부하에 대해 CA50의 함수로 나타낸 메탄올 비율의 변화량을 시각적으로 도시한다.
도 10은 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 엔진 부하에 대해 CA50의 함수로 나타낸 메탄올 비율을 시각적으로 도시한다.
도 11은 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 엔진 부하에 대해 CA50의 함수로 나타낸 연료 혼합물의 정미 비연료소모율을 시각적으로 도시한다.
도 12는 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 엔진 부하에 대해 CA50의 함수로 나타낸 메탄올 비율을 시각적으로 도시한다.
도 13은 본원에 기재된 하나 이상의 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 엔진 부하에 대해 CA50의 함수로 나타낸 연료 혼합물의 정미 비연료소모율을 시각적으로 도시한다.
이제, 다양한 실시형태들에 대해 더 자세하게 언급할 것이며, 이러한 실시형태들 중 일부는 첨부 도면에 도시되어 있다. 가능한 한, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분들을 나타내기 위해 동일한 참조 번호가 사용될 것이다.
여기에 설명된 것은 내연 기관 및 그 작동 방법이며, 이는 모든 작동 조건 또는 일부 작동 조건에서 적어도 2종의 연료의 조합을 사용한다. 엔진 및 이러한 엔진을 작동하는 방법은 엔진 작동 조건과 연료 특성 모두에 긍정적인 영향을 미쳐 조기 점화를 완화하거나 제거할 수 있다. 하나 이상의 실시형태에서, 연소 시기(CA50에 의해 측정됨)를 지각시키게 되면 평균 최대 압력을 감소시킬 수 있으며, 이는 조기 점화 가능성을 감소시킬 수 있다. 연소 시기의 지각은 또한 노킹 없이 엔진을 작동하는 데 필요할 수 있는 고 옥탄 연료(예컨대, 알코올)의 양을 감소시켜 조기 점화 가능성을 감소시킬 수 있다. 더 적은 양의 고 옥탄 연료는 또한 향상된 공기-연료 혼합물이 형성되는 결과를 가져올 수 있다. 또한, 더 적은 양의 고 옥탄 연료는 연소실 표면에 대한 연료 충돌을 감소시킬 수 있다. 연료 충돌이 감소하면 실린더 보어 마모도 감소할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고 생각해보면, 벽 습윤의 증가는 실린더 라이닝의 유막 제거를 초래할 수 있으며, 이는 보어의 피스톤 링 반전 지점 근처(때로는 실린더 마모가 가장 심한 곳)에서 발생할 수 있다. 따라서 연료 충돌이 감소하면 벽의 습윤이 감소하여 실린더 보어의 마모가 감소할 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 불꽃-점화 내연 기관의 노킹은 실린더 내의 공기/연료 혼합물의 연소가 점화 플러그에 의한 점화에 응하여 올바르게 시작되지 않고, 연료/공기 혼합물의 하나 이상의 포켓이 정상 연소 전면의 바깥 쪽에서 폭발하는 것이 발생하는 경우를 의미할 수 있다. 조기 점화는 불꽃-점화 엔진에서 발생하는 일을 의미할 수 있으며, 엔진 노킹과 기술적으로 다르며, 점화 플러그가 점화되기 전에 실린더 내의 공기/연료 혼합물이 점화되는 이벤트를 설명한다. 조기 점화는, 예컨대 연소실 내의 고온 지점, 적용하기에 너무 고온으로 작동하는 점화 플러그, 또는 이전 엔진 연소에 의해 백열로 가열된 연소실의 탄소성 침착물과 같은, 불꽃 이외의 점화원에 의해 시작된다. 실제 엔진에서는 압축 행정 중일 수 있다. 이는 점화 시기를 진각시키는 것과 유사하며, 이 진각이 더 커질수록 압력이 더 높아지고, 발생할 수 있는 노킹/슈퍼노킹 이벤트가 더 심각해진다. 이것은 엔진에 심각한 손상을 일으키고 엔진의 작동이 멈출 수 있다. 따라서 조기 점화는 불꽃-점화 엔진의 효율성을 개선하는 데 제한 요소이다. 이러한 현상 각각은 본원에 설명된 방법 및 엔진 구성에 의해 완화 또는 제거될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 내연 기관(100)의 적어도 일부의 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1은 내연 기관(100)의 단일 엔진 실린더(110)를 도시한다. 그러나, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 내연 기관(100)은 도 1에 도시된 크랭크축(180)과 같은 하나 이상의 크랭크축에 결합될 수 있는 엔진 실린더(110)와 같은 다수의 엔진 실린더를 포함할 수 있다.
내연 기관은 적어도 하나의 엔진 실린더(110), 흡기 포트(171), 배기 포트(172), 및 피스톤(120)을 포함할 수 있다. 흡기 포트(171)는 흡기 포트(171)가 엔진 실린더(110)에 연결되는 곳에 배치된 흡기 밸브(172)에 의해 조절될 수 있다. 유사하게, 배기 포트(173)는 배기 밸브(174)에 의해 조절될 수 있다. 흡기 밸브(172) 및/또는 배기 밸브(174)는 흡기 밸브(174) 및/또는 배기 밸브(174)를 엔진의 작동에 시간을 맞추는 역할을 할 수 있는 하나 이상의 캠 또는 캠 샤프트(도 1에 도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 피스톤(120)은 커넥팅로드(182)에 의해 크랭크 샤프트(180)에 결합될 수 있다.
엔진 실린더(110)에 의해 상부와 측면이 한정되고 피스톤(120)에 의해 하부가 한정된 체적을 연소실(122)이라 한다. 흡기 포트(171) 및 배기 포트(173)는 유체가 엔진 사이클 전체에 걸쳐 다양한 시간에 연소실(122)로 들어가고 나올 수 있도록 연소실(122)과 유체 연통되게 결합된다. 점화 플러그(115)가 연소실(122)에 배치되어 일정 시간 간격의 폭발로 연소 개시를 제공한다.
도 1에 도시된 실시형태에 따르면, 고 옥탄 연료 분사기(132)는 고 옥탄 연료를 흡입 포트(171)로 분사할 수 있으며, 이는 궁극적으로 연소실(122)로 들어갈 것이다. 본원에 설명된 바와 같이, 흡기 포트(171)로 연료를 분사하는 연료 분사기는 "포트 연료 분사기"로 지칭된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 저 옥탄 연료 분사기(130)는 저 옥탄 연료를 연소실(122)에 직접 분사할 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 연료를 연소실(122)에 직접 분사하는 연료 분사기는 "직접 연료 분사기"로 지칭된다. 저 옥탄 연료 분사기(130) 및 고 옥탄 연료 분사기(132)는 저 옥탄 연료 공급원(161) 및 고 옥탄 연료 공급원(163)으로부터 각각의 연료를 공급받을 수 있다. 저 옥탄 연료 공급부(161)는 연결 라인(141)을 통해 저 옥탄 연료 분사기(130)에 유체 연통되게 연결될 수 있다. 유사하게, 고 옥탄 연료 공급부(163)는 연결 라인(143)을 통해 고 옥탄 연료 분사기(132)에 유체 연통되게 연결될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 다른 실시형태에서 고 옥탄 연료 분사기(132)는 고 옥탄 연료를 연소실(122) 내로 공급하는 직접 분사기이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 저 옥탄 연료 분사기(130)는 저 옥탄 연료를 흡기 포트(171)로 공급하는 간접 분사기일 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 고 옥탄 연료 분사기(132) 및 저 옥탄 연료 분사기(130)가 모두 직접 연료 분사기인 추가 실시형태들을 도시한다. 그러한 일 실시형태에서, 고 옥탄 연료 및 저 옥탄 연료의 분사에 대한 독립적인 제어가 존재할 수 있다. 도 3a는 두 개의 직접 연료 분사기가 실린더 헤드(예컨대, 점화 플러그(115)에 또는 그 근처)에 배치된 실시형태를 도시한다. 도 3b는 실린더 헤드에 위치한 하나의 연료 분사기와, 실린더의 측면에 위치한 하나의 연료 분사기(때때로 측면 장착형 직접 분사기로 지칭됨)를 갖는다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, "저 옥탄 연료"는 "고 옥탄 연료"보다 더 저 옥탄 등급(또는 옥탄가)을 갖는 임의의 연료를 지칭할 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 명시하지 않는 한, 저 옥탄 연료와 고 옥탄 연료는 둘 사이의 관계가 만족되는 한 임의의 옥탄가를 가질 수 있다. 옥탄 등급 또는 옥탄가는 엔진 또는 항공 연료 성능의 표준 척도이다. 옥탄가가 높을수록 연료가 폭발(점화) 전까지 견딜 수 있는 압축이 높아진다. 넓은 의미에서 옥탄 등급이 더 높은 연료는 더 높은 압축비가 필요한 고성능 가솔린 엔진에 사용될 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, "옥탄가"는 연구 옥탄가(RON)를 의미한다.
하나 이상의 실시형태들에 따르면, 저 옥탄 연료는 가솔린을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저 옥탄 연료는 적어도 50 중량%, 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 90 중량%, 적어도 95 중량%, 적어도 99 중량%, 또는 심지어 적어도 약 99.9 중량%의 가솔린을 포함할 수 있다. 저 옥탄 연료는 98 이하, 90 이하, 또는 심지어 80 이하의 옥탄가를 가질 수 있다. 추가 실시형태들에서, 저 옥탄 연료는 60 내지 98의 옥탄가, 예컨대 91 내지 95의 옥탄가를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시형태들에 따르면, 고 옥탄 연료는 메탄올 또는 에탄올과 같은 하나 이상의 알코올을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저 옥탄 연료는 적어도 50 중량%, 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 90 중량%, 적어도 95 중량%, 적어도 99 중량%, 또는 심지어 적어도 약 99.9 중량%의 총 알코올, 메탄올, 에탄올, 물, 또는 물, 메탄올, 또는 에탄올 중 임의의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 고 옥탄 연료는 적어도 91, 적어도 95, 또는 심지어 적어도 98의 옥탄가를 가질 수 있다. 추가 실시형태에서, 고 옥탄 연료는 91 내지 130의 옥탄가, 예컨대 105 내지 115의 옥탄가, 예컨대 110의 옥탄가를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시형태들에 따르면, 고 옥탄 연료는 메탄올일 수 있고, 연료 혼합물에서 메탄올의 중량%(즉, 메탄올과 가솔린의 합으로 나눈 메탄올의 양)는 0 중량% 내지 40 중량%일 수 있다. 다른 실시형태에서, 고 옥탄 연료는 에탄올일 수 있고, 연료 혼합물에서 에탄올의 중량%는 10 중량% 내지 50 중량%일 수 있다. 연료 혼합물의 나머지는 가솔린일 수 있다. 저 및 고 옥탄 연료의 옥탄가 또는 엔진의 압축비에 기초하여 다른 범위의 메탄올 또는 에탄올의 중량%가 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 예를 들어, 압축비가 증가하면 메탄올 또는 에탄올의 중량%가 더 커질 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 일부 실시형태에서, 알코올의 백분율은 50 중량% 초과, 75 중량% 초과, 95 중량% 초과, 또는 심지어 100 중량%일 수 있다.
내연 기관(100)은 고 옥탄 연료 및 저 옥탄 연료를 포함하는 연료 혼합물의 반복 연소에 의해 작동할 수 있다. 점화 플러그(155)에 의해 시작된 연료 혼합물의 연소는 피스톤(120)을 최상부 위치와 최하부 위치 사이에서 이동시킬 수 있다. 피스톤(120)의 이동은 크랭크 샤프트(180)를 회전시킬 수 있다. 크랭크 샤프트(180)는 상사점 위치(피스톤(120)의 최상위 위치에 해당) 및 하사점 위치(피스톤(120)의 최하위 위치에 해당)를 통해 회전할 수 있다. 하나 이상의 실시형태들에서, 내연 기관은 4 행정 엔진으로 작동할 수 있지만, 다른 엔진 구성이 고려된다. 그러한 일 실시형태들에서, 흡입, 압축, 파워, 및 배기 행정이 순환될 수 있다. 흡입 행정에서, 피스톤은 아래로 이동할 수 있고 공기 및/또는 연료는 흡기 포트(171)를 통해 연소실(122)로 들어갈 수 있다. 압축 행정에서 피스톤(120)이 위로 이동함에 따라 공기와 연료가 압축된다. 파워 행정에서, 피스톤은 점화 플러그(115)의 불꽃에 의해 발생하는 연소에 의해 아래로 강제된다. 주어진 엔진의 최대 열 효율을 활용하는 것에 기초한 (점화 플러그의 점화에 의한) 최적의 연소 시기를 최대 제동 토크 시기라고 한다. 배기 행정에서, 피스톤은 위쪽으로 이동하여 배기 가스(연소 반응의 산물)를 배기 포트(173)를 통해 연소실(122) 밖으로 강제 배출한다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 내연 기관(100)은 상대적으로 낮은 부하에서 작동하는 동안 저 옥탄 연료만을 사용하여 작동할 수 있다. 내연 기관(100)은 더 큰 부하에서 고 옥탄 연료와 저 옥탄 연료의 혼합물을 이용할 수 있다. 예를 들어, 낮은 엔진 부하에서 가솔린은 작동에 충분할 수 있는 반면, 높은 엔진 부하에서는 연소되는 연료의 옥탄 등급을 높이기 위해 첨가제로 알코올이 필요하다. 고 옥탄 연료 및 저 옥탄 연료를 위한 별도의 연료 분사기(130, 132)는 일부 작동 조건에서 고 옥탄 연료의 주문형 분사를 허용하는 한편, 다른 작동 조건에서는 저 옥탄 연료만을 사용할 수 있다.
하나 이상의 실시형태들에 따르면, CA50이 연료 질량의 50 중량%가 연소된 때의 크랭크 각도로 정의될 수 있고, 달리 명시되지 않는 한 피스톤의 상사점(TDC) 위치에 대해 정의된다. CA50은 엔진 연소의 불꽃 점화 시기를 나타낼 수 있다. 즉, 점화 시기가 CA50을 결정할 수 있다. 각각의 엔진 구성 및 작동 조건에 대해 최대 제동 토크 CA50이 결정될 수 있으며, 이는 엔진의 최대 열효율이 활용되는 CA50이다.
본원에 개시된 실시형태들에서, 엔진은 최대 제동 토크에 해당하는 CA50보다 늦은 CA50 시기에 작동할 수 있다. 불꽃 점화의 이러한 지연된 시기는 본원에서는 연소 시기 또는 점화 시기의 지각으로 지칭될 수 있다. 연소 시기를 지각시키면 점화 중에 엔진 압력과 온도가 낮아질 수 있다. 추가적으로, 연소 시기의 지각(즉, 최대 제동 토크 CA50보다 더 큰 CA50을 사용)은 엔진이 더 낮은 CA50 값에서의 것보다 낮은 저 옥탄 연료로 작동하게 할 수 있다. 예를 들어, 최대 제동 토크에 해당하는 CA50으로 엔진을 작동시키는 데에는 최대 제동 토크에 해당하는 것보다 더 큰 CA50에서 엔진을 작동시키는 것에 비해 더 높은 고 옥탄 연료 혼합물이 필요할 수 있다.
하나 이상의 실시형태들에서, 엔진은 엔진 작동에 사용되는 CA50에서 노킹을 방지하는 데 필요한 최소 옥탄 등급 또는 그 근처에 있는 혼합 연료로 작동될 수 있다. 즉, 주어진 CA50 엔진 시기에 대해, 적절한 양의 고 옥탄 연료가 나머지 저 옥탄 연료와 결합되어 노킹이 발생하지 않도록 충분한 옥탄가를 가진 혼합 연료를 제공할 수 있다. 작동 CA50(엔진이 작동되는 CA50)의 경우, 연료 혼합물의 최소 옥탄 등급은 실험에 기초하여 결정될 수 있다. 사용된 고 옥탄 연료와 저 옥탄 연료의 옥탄가에 기초하여, 작동 CA50에서 노킹을 방지하는 데 필요한 고 옥탄 연료의 최소 중량%를 결정할 수 있다. 하나 이상의 실시형태들에서, 엔진은 엔진 노킹을 방지하는 데 필요한 이러한 최소 중량%가 20 중량% 이내, 15 중량% 이내, 10 중량% 이내, 5 중량% 이내, 2 중량% 이내, 또는 심지어 1 중량% 이내인 고 옥탄 연료 중량 백분율로 작동될 수 있다.
하나 이상의 실시형태들에서, 저 옥탄 연료는 고 옥탄 연료보다 저위 발열량을 갖는다. 따라서, CA50을 증가시킴에 따라, 혼합 연료의 저위 발열량이 증가할 수 있다(CA50이 높을수록 더 낮은 저 옥탄 연료를 사용할 수 있기 때문이다). 본원에 사용된 연료의 "저위 발열량"은 지정된 양이 연소하고(초기에 25℃) 연소 생성물의 온도가 150℃로 돌아감으로써 방출되는 열의 양으로 정의되며, 이는 반응 생성물 중의 물의 기화 잠열은 회수되지 않는 것으로 가정한 것이다. 저위 발열량은 때때로 정미 발열량이라고도 한다.
실시형태들에 따르면, 연료 혼합물의 저위 발열량은 작동 CA50이 증가함에 따라 증가할 수 있지만, 엔진 효율은 작동 CA50이 증가함에 따라 감소될 수 있다. 따라서, 엔진의 최소 연료 소비는 엔진 효율과 사용된 연료 혼합물(예컨대, 사용된 고 옥탄 연료의 중량 백분율)의 함수일 수 있으므로, 비연료소비율은 특정 CA50에서, 이를 본원에서 "목표 CA50"라 칭함, 최소화될 수 있다. "목표 CA50"에서 최소 연료 소비가 최소화되고, 이에 따라 CA50이 증가함에 따른 엔진의 열효율 감소는 더 높은 CA50 값에서의 혼합 연료의 저위 발열량이 증가함에 따라 최대로 상쇄된다.
하나 이상의 실시형태들에 따르면, 내연 기관(100)은 목표 CA50의 20도 내에 있는 작동 CA50으로 작동할 수 있다. 예를 들어, 작동 CA50은 목표 CA50의 15도 이내, 10도 이내, 8도 이내, 6도 이내, 4도 이내, 또는 심지어 2도 이내일 수 있다. 이러한 작동은 작동 CA50에서 엔진 노킹을 방지하기 위해 고 옥탄 연료 첨가제를 사용하는 내연 기관의 비연료소비율을 충분히 최소화할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 본원에 개시된 엔진은 6도 또는 8도 내지 35 도, 예컨대 14도 내지 23 도의 CA50으로 작동할 수 있다. 예를 들어, 작동 CA50은 8도에서 14도, 14도에서 17도, 17도에서 20도, 또는 20도에서 23도, 23도에서 30도, 30도에서 35 도 또는 이들의 어떤 조합일 수 있다. 작동 CA50은 엔진 작동 부하 및/또는 사용된 저 옥탄 및 고 옥탄 연료에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 표 1은 고 옥탄 연료가 에탄올, 메탄올, 또는 물을 포함하거나 포함하지 않는 이들의 조합일 수 있는 다양한 엔진 조건에 대해 고려되는 CA50 값을 보여줍니다.
Figure pct00001
이론에 얽매이지 않고, 여기에 설명된 작동 방법을 이용하는 엔진은 최대 제동 토크 시기로 작동하는 동일한 엔진에 비해 하나 이상의 이점을 가질 수 있다고 믿어진다. 예를 들어, 엔진의 조기 점화가 감소하고, 엔진의 평균 최대 압력이 감소할 수 있고, 엔진은 더 적은 고 옥탄 연료로 노킹하지 않고 작동할 수 있고, 엔진은 공기와 연료 간의 혼합이 증가했을 수 있고, 엔진은 실린더에서의 연료 충돌이 감소했을 수 있고, 또는 엔진 마모가 감소했을 수 있다.
실시예들
내연 기관의 다양한 실시형태들 및 그 작동은 다음 실시예들에 의해 더욱 명확해질 것이다. 실시예들은 본질적으로 예시적인 것이지, 본 개시내용의 특허 대상을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
본 개시내용의 내연 기관이 어떻게 비정상적인 연소 현상을 완화할 수 있는지 입증하기 위해, 두 개의 연료 엔진 시스템이 실험적으로 분석되었다.
실시예 1
2500 rpm 및 13 bar에서 작동되는 엔진 시스템은 고 옥탄 연료와 저 옥탄 연료로 각각 에탄올과 가솔린을 사용하여 다양한 CA50에서 분석되었다. 실시예에서 사용된 가솔린은 RON이 90인 옥시지네이티드 블렌딩(BOB)용 사우디 아라비아 가솔린 블렌드스톡이었다. 실시예 1의 엔진에서 최대 제동 토크는 약 8도 aTDC(상사점 후)로 측정되었다.
엔진은 주어진 CA50에서 노킹을 방지하는 데 필요한 고 옥탄 연료의 필요한 양을 결정하기 위해 8도 이상의 CA50에서 분석되었다. 도 4는 노킹 방지를 위해 다양한 CA50에서 엔진에 필요한 메탄올의 중량비를 도시한다. 메탄올 비율은 주어진 연소 시기에서 엔진의 최소 옥탄 요건에 기초하여 간접적으로 설정되었다. 즉, 노킹은 도 4에 나타낸 주어진 CA50에서 더 적은 메탄올로 발생할 것이다. 이 작동 조건에서, 가장 지각된 연소 시기(약 28도 aTDC의 CA50)에서 옥탄 요건은 엔진이 가솔린 연료로만 작동할 수 있을 만큼 충분히 낮다. 예상대로, 엔진은 최대 제동 토크 CA50에 접근하는 CA50에서 노킹 없이 작동하기 위해서는 고 옥탄 연료 혼합물이 필요했다.
또한, 도 5는 메탄올과 가솔린에 대한 다양한 위상 각도에서의 저위 발열량을 도시하며, 이는 도 4에 도시된 메탄올 대 가솔린 비율 요건을 설명한다. 도 5는 추가적으로 연료 혼합물에 대한 결합된 저위 발열량을 보여준다. 도 5에 도시된 바와 같이, 저 옥탄(큰 CA50 위상에서 활용 가능)를 갖는 연료 혼합물은 고 옥탄 연료 혼합물보다 높은 에너지 함량을 갖는다.
도 6은 변화하는 CA50 시기에 엔진의 측정된 정미 열효율을 도시한다. 최대 엔진 효율은 최대 제동 토크에서 발생하며, 정미 열 효율은 CA50 위상이 증가함에 따라 감소한다(최대 제동 토크 시기에서 멀어짐).
도 7은 다양한 CA50 시기에서의 정미 비연료소비율(NSFC: net specific fuel consumption)을 도시한다. 열효율과 저위 발열량의 경쟁 효과가 궁극적으로 결정짓는 것은, 열효율의 점증적 개선이 연료의 결합된 에너지 밀도의 점감적 감소를 보다 많이 상쇄하는 경우라면 연소 시기를 더 진각시키는 것만이 결합된 비연료소비율에 이로울 것이라는 것이다. 이러한 절충은 도 7의 결합된 비연료소비율 곡선 내에서 국부적 최솟값을 생성한다. 이는 연소 시기가 MBT 점화 시기를 향해 진각됨에 따라 열효율의 점증적 개선이 계속해서 감소하기 때문이다. 열 효율과 연료 에너지 밀도 사이의 이러한 절충을 최대화하면 결합된 비연료소비율이 최고 효율 작동 조건(약 8도 aTDC의 CA50)과 관련하여 9% 감소한다. 노킹을 억제하는 데 필요한 메탄올의 양도 60% 이상 감소한다.
예를 들어, 약 28도의 CA50에서 작동(모두 가솔린을 연료로 사용)은 옥탄 품질이 가장 낮지만 에너지 밀도가 가장 높은 연료를 나타낸다. 연소 시기를 진각시키기 위해서는 메탄올의 양을 늘리고 이와 동시에 가솔린 혼합 원료의 양을 줄여 화학량론적 연소를 유지해야 한다. 이는 더욱 최적화된 연소 시기를 통해 엔진의 열 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 연료의 결합된 에너지 밀도도 감소시킨다.
실시예 2
추가 테스트가 실시예 1의 엔진 및 조건에 대해 수행되었지만, 엔진 부하는 18 bar, 16 bar, 13 bar, 11 bar, 및 8 bar로 변경되었으며 엔진은 1500 rpm에서 지속적으로 작동했다. 약 8도의 CA50에서 MBT는 가솔린으로만 작동되는 엔진으로 이 수준 이하의 모든 부하에서 유지될 수 있다(즉, 고 옥탄 연료에 의한 옥탄 강화 없음). 도 8은 최대 제동 토크 또는 실린더 압력 한계(해당되는 경우)를 지나 CA50의 함수로서 평균 최대 압력을 보여준다. 또한, 도 9는 CA50의 함수로서 메탄올 비율의 변화를 보여주며, 다시 최대 제동 토크 또는 실린더 압력 한계(해당되는 경우)를 초과하는 각도로 표준화되었다. 열효율과 연료 에너지 밀도 사이의 절충은 연소 시기와 최고 실린더 압력 사이의 관계에 의해 가능해진다. 연소 시기를 지각시키게 되면 최대 실린더 압력이 감소하고, 이는 엔진의 옥탄 요건을 효과적으로 낮춘다. 이것은 차례로 노킹을 억제하는 데 필요한 메탄올의 양을 줄인다. 예를 들어, 2개의 최저 엔진 부하(11 bar 및 8 bar)에서 단지 6도의 크랭크 각도(CAD)만큼 연소 시기를 지각시킴으로써 메탄올 비율을 100% 및 50%까지 줄일 수 있다. 이러한 이점은 엔진 부하가 증가함에 따라 감소하지만 이 실험에서 고려한 최고 부하에서 여전히 25%를 초과한다.
실시예 3
메탄올과 가솔린을 사용하고 다양한 엔진 부하(18 bar, 16 bar, 13 bar, 11 bar, 및 8 bar)에서 1500 rpm으로 작동하는 엔진은 다양한 CA50 값에서 실험적으로 분석되었으며, 여기서 연료 혼합물의 메탄올 함량은 노킹을 방지하는 데 필요한 양만큼 감소하였다. 도 10은 다양한 엔진 부하에 대한 CA50의 함수로서 메탄올 비율을 나타낸다. 도 11은 다양한 엔진 부하에 대한 CA50의 함수로서 연료 혼합물의 정미 비연료소비율을 나타낸다.
실시예 4
에탄올과 가솔린을 사용하고 다양한 엔진 부하(18 bar, 16 bar, 13 bar, 및 11 bar)에서 2500 rpm으로 작동하는 엔진은 다양한 CA50 값에서 실험적으로 분석되었으며, 여기서 연료 혼합물의 에탄올 함량은 노킹을 방지하는 데 필요한 양만큼 감소하였다. 도 12는 다양한 엔진 부하에 대한 CA50의 함수로서 메탄올 비율을 나타낸다. 도 13은 다양한 엔진 부하에 대한 CA50의 함수로서 연료 혼합물의 정미 비연료소비율을 나타낸다.

Claims (16)

  1. 내연 기관을 작동시키는 방법으로서,
    제1 연료와 제2 연료를 엔진 실린더 내로 보내어 연료 혼합물을 형성하는 단계; 및
    상기 연료 혼합물을 점화 플러그로 연소시켜서 엔진 실린더 내에 수용된 피스톤을 직동시켜 피스톤에 연결된 크랭크축을 회전시키는 단계를 포함하고,
    CA50이 상기 연료 혼합물의 50 중량%가 연소된 때의 크랭크축의 각도 위치로 정의되고, 상기 CA50은 크랭크축이 상사점을 지날 때 측정되고, 그리고 상기 CA50은 점화 플러그에 의한 연소 시기의 함수이며,
    목표 CA50이 상기 연료 혼합물의 최소 비연료소비율에 해당하고,
    점화 플러그는 내연 기관이 상기 목표 CA50의 20도 내에 있는 작동 CA50으로 작동하도록 한 시점에 연소를 개시하는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 연료는 상기 제2 연료보다 더 높은 옥탄 등급을 갖는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 연료는 상기 제2 연료보다 더 낮은 조기 점화 저항을 갖는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 연료는 적어도 하나의 알코올을 포함하는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 알코올은 에탄올 및 메탄올 중 적어도 하나를 포함하는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제2 연료는 석유계 연료를 포함하는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 석유계 연료는 가솔린인, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 연료는 포트 연료 분사기에 의해 흡기 포트 내로 주입되고, 상기 제2 연료는 직접 연료 분사기에 의해 엔진 실린더 내로 주입되는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 연료는 직접 연료 분사기에 의해 엔진 실린더 내로 주입되고, 상기 제2 연료는 포트 연료 분사기에 의해 흡기 포트 내로 주입되는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 연료는 직접 연료 분사기에 의해 엔진 실린더 내로 주입되고, 상기 제2 연료는 직접 연료 분사기에 의해 엔진 실린더 내로 주입되는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 혼합물 중의 제1 연료의 양은 작동 CA50에서 노킹을 방지하는 데 필요한 제1 연료의 최소량의 20 중량% 이내인, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 CA50은 8도 내지 35도 aTDC인, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  13. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 점화 플러그에 의한 연소 시기를 최대 제동 토크 시기에 대해 지각시키는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  14. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 최대 제동 토크 시기로 작동되는 동일한 엔진에 비해,
    당해 엔진은 조기 점화가 감소된 것,
    당해 엔진의 평균 최대 압력이 감소된 것,
    당해 엔진은 더 적은 고 옥탄 연료로 노킹 없이 작동하는 것,
    당해 엔진은 공기와 연료 간의 혼합이 증가되는 것,
    당해 엔진은 실린더 내에서의 연료 충돌이 감소된 것, 및
    당해 엔진은 감소된 마모율을 갖는 것들 중 적어도 하나를 특징으로 하는, 내연 기관을 작동시키는 방법.
  15. 내연 기관으로서,
    엔진 실린더;
    엔진 실린더 내에 수용된 피스톤;
    피스톤에 결합된 크랭크축;
    제1 연료를 분사하는 제1 연료 분사기;
    제2 연료를 분사하는 제2 연료 분사기, 여기서 상기 제2 연료는 상기 제2 연료보다 더 큰 옥탄 등급을 갖고, 상기 제1 연료와 상기 제2 연료는 엔진 실린더의 연소 영역에 연료 혼합물을 형성함; 및
    피스톤을 직동시켜 상기 크랭크축을 회전시키기 위해 상기 연료 혼합물을 연소시키는 점화 플러그를 포함하고,
    CA50이 상기 연료 혼합물의 50 중량%가 연소된 때의 상기 크랭크축의 각도 위치로 정의되고, 상기 CA50은 상기 크랭크축이 상사점을 지날 때 측정되고, 그리고 상기 CA50은 점화 플러그에 의한 연소 시기의 함수이고,
    목표 CA50이 상기 연료 혼합물의 최소 비연료소비율에 해당하고,
    상기 점화 플러그는 내연 기관이 상기 목표 CA50의 20도 내에 있는 작동 CA50으로 작동할 수 있도록 한 시점에 연소를 개시하는, 내연 기관.
  16. 상이한 노킹 방지 및 조기 점화 특성들을 갖는 복수의 연료로 작동하는 내연 기관을 위한 시스템으로서,
    제1 연료를 엔진 내의 연소실로 도입시키는 제1 연료 분사기;
    제2 연료를 연소실로 도입시키는 제2 연료 분사기; 및
    연소실 내의 상기 제1 연료와 상기 제2 연료에 의해 형성된 연료 혼합물을 연소시키는 점화 플러그를 포함하고, 상기 제1 연료 분사기와 상기 제2 연료 분사기와 상기 점화 플러그가 협동을 하되, 당해 시스템에 의해 생성되는 연소 시기에 의해, 내연기관 작동 중에 조기 점화와 노킹이 실질적으로 회피되면서, 점화 플러그가 최대 제동 토크를 전달하는 데 필요한 점화 시기와 최소 비연료소비량을 전달하는 데 필요한 점화 시기 사이의 시간 동안 상기 혼합물을 점화시킬 수 있도록, 협동하는, 시스템.
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