KR20220019293A - 피스톤 엔진을 작동하는 방법 및 피스톤 엔진을 위한 제어 시스템 - Google Patents

피스톤 엔진을 작동하는 방법 및 피스톤 엔진을 위한 제어 시스템 Download PDF

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베사 노르드만
마르띤 악셀손
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Abstract

과도 상태에서 피스톤 엔진 (1) 을 작동하는 방법에 있어서, 엔진 속도 또는 엔진 전력을 나타내는 신호는 모니터링되고 (101) 그리고 설정점과 비교되며 (102), 이러한 비교에 기초하여, 제 1 제어 신호가 생성되고 (103) 그리고 한계값과 비교되며 (104), 제 1 제어 신호가 한계값 미만인 경우에, 제 1 제어 신호에 기초하여 가스 메인 연료의 양이 제어되고 (105), 제 1 제어 신호가 한계값 초과인 경우에, 한계값으로 캡핑된 제 2 제어 신호가 생성되고, 제 2 제어 신호에 기초하여 연료량이 제어되며 (106), 제 1 제어 신호와 한계값 사이의 차이가 결정되고 (107) 그리고 연소 행정 동안 액체 연료 분사를 제어 (109) 하는데 사용되는 제 3 제어 신호를 생성하기 위한 입력으로서 사용된다 (108).

Description

피스톤 엔진을 작동하는 방법 및 피스톤 엔진을 위한 제어 시스템
본 발명은 청구항 1 에 따른 가스 메인 연료 및 액체 파일럿 연료를 사용하여 과도 상태에서 피스톤 엔진을 작동하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 다른 독립항에 규정된 바와 같이 피스톤 엔진을 위한 제어 시스템에 관한 것이다.
천연 가스와 같은 가스 연료를 사용하여 피스톤 엔진을 작동시킬 수 있는 가능성은, 예를 들어 많은 액체 연료에 비해 더 낮은 배출물의 형태로 많은 장점을 제공한다. 가스 연료는 통상적으로 점화 공급원을 필요로 하는데, 이는 대부분의 경우에 스파크 플러그 또는 파일럿 연료이다. 이중 연료 엔진에서, 가스 메인 연료는 액체 파일럿 연료를 이용함으로써 점화되고, 이 액체 파일럿 연료는 엔진의 실린더들내로 직접 또는 예비챔버를 통해 분사된다. 가스 연료는 흡기 행정 동안 흡기 덕트내로 유입되어 흡기구들을 통하여 실린더들내로 유입된다. 액체 파일럿 연료는 압축 행정의 종료시에 파일럿 연료 분사기들에 의해 분사된다. 파일럿 연료는 자체 점화되고, 파일럿 연료의 점화는 가스 메인 연료의 연소를 개시한다. 공기/연료 혼합물은 종종 가스 연료 및 액체 파일럿 연료 모두의 완전 연소에 필요한 것보다 더 많은 공기를 포함하는 희박 혼합물이다.
엔진 부하가 급격하게 증가하는 과도 상황에서, 통상적으로 연료량은 공기량보다 더 빠르게 증가하여, 풍부한 공기/연료 혼합물을 초래한다. 이러한 풍부한 혼합물은 연료의 자동 점화 또는 너무 빠른 연소 속도로 이어져 노킹 (knocking) 을 유발할 수 있다.
본 발명의 목적은 흡기 행정 동안 엔진의 실린더의 메인 연소실 내로 유입되는 가스 메인 연료 및 가스 메인 연료를 점화하기 위한 압축 행정 동안 하나 이상의 분사 이벤트들이 발생함에 따라 메인 연소실 또는 예비챔버 내로 유입되는 액체 파일럿 연료를 사용하여 과도 상태에서 피스톤 엔진을 작동하는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 방법의 특징부들은 청구항 1 에 주어진다. 본 발명의 다른 목적은 피스톤 엔진을 위한 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다. 제어 시스템의 특징부들은 다른 독립항에 주어진다.
본 발명에 따른 방법은,
- 엔진 출력 전력 또는 엔진 속도를 나타내는 제 1 측정 신호를 모니터링하는 단계,
- 상기 제 1 측정 신호를 설정점과 비교하는 단계,
- 상기 제 1 측정 신호와 상기 설정점의 비교에 기초하여, 가스 메인 연료의 양을 제어하는 제 1 제어 신호를 생성하는 단계, 및
- 상기 제 1 제어 신호를 제 1 한계값과 비교하는 단계
를 포함하고,
상기 제 1 제어 신호가 상기 제 1 한계값 미만인 경우에,
- 상기 제 1 제어 신호에 기초하여 실린더들내로 유입되는 상기 가스 메인 연료의 양이 제어되고,
상기 제 1 제어 신호가 상기 제 1 한계값 초과인 경우에,
- 상기 제 1 한계값으로 캡핑된 제 2 제어 신호가 생성되고, 상기 제 2 제어 신호에 기초하여 상기 실린더들내로 유입되는 상기 가스 메인 연료의 양이 제어되며,
- 상기 제 1 제어 신호와 상기 제 1 한계값 사이의 차이가 결정되고,
- 상기 제 1 제어 신호와 상기 제 1 한계값 사이의 차이는 제 3 제어 신호를 생성하기 위한 입력으로 사용되며,
- 상기 제 3 제어 신호에 기초하여 연소 행정 동안 상기 실린더들내로의 추가적인 액체 연료 분사가 제어된다.
본 발명에 따른 제어 시스템은 전술한 방법에 따라 과도 상태에서 엔진을 작동시키도록 구성된다.
본 발명에 따른 피스톤 엔진은 전술한 제어 시스템을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 출력 전력은 연소실들로 유입되는 가스 연료의 양을 조절함으로써 일차적으로 제어된다. 그러나, 엔진의 연료 요구량이 가스 연료의 허용량보다 크면, 실린더들내로 유입되는 가스 연료의 양은 한계값으로 제한된다. 실린더들내로 유입될 수 있는 가스 연료의 양과 연료 요구량 사이의 차이가 결정되고, 이는 추가적인 액체 연료 분사를 제어하기 위한 입력으로서 사용된다.
본 발명에 따른 방법 및 제어 시스템에 의하면, 엔진이 급격히 증가하는 부하에 대응할 수 있는 한편, 가스 연료의 자동 점화 또는 너무 빠른 연소 속도가 방지될 수 있다. 연소 행정 동안 추가적인 액체 연료를 분사함으로써, 연소 시작시에 영향을 미치지 않고 가스 공급의 제한을 보상할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엔진의 작동을 나타내는 제 1 변수 또는 제 1 변수들의 세트가 측정 또는 계산되고, 적어도 하나의 제 1 변수의 값에 기초하여 제 1 한계값이 결정된다. 제 1 한계값을 결정하는데 사용되는 제 1 변수는 제 1 한계값이 노킹 위험이 증가하는 한계를 반영하도록 선택된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 변수들은 충전 공기압, 엔진 부하, 엔진 속도 및 공기/연료비의 그룹으로부터 적어도 하나의 변수를 포함한다. 또한, 2 개 이상의 변수들의 조합이 제 1 한계값을 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 룩업 테이블로부터의 값은 제 3 제어 신호를 생성하기 위한 추가적인 입력으로서 사용된다. 따라서, 추가적인 액체 연료 분사는 룩업 테이블로부터 검색될 수 있는 기본 레벨, 및 제 1 제어 신호와 제 1 한계값 사이의 차이에 기초하는 가변 부분을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 추가적인 액체 연료 분사의 지속기간이 추가적인 액체 연료 분사의 지속기간 동안 결정된 상한에 도달하는 경우에, 제 3 제어 신호는 제 2 한계값으로 캡핑된다. 제 2 한계값은, 예를 들어, 연기를 방지하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 추가적인 액체 연료 분사의 지속기간의 상한은 허용가능한 공기/연료비, 엔진의 최대 속도 또는 엔진의 최대 부하에 기초하여 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 3 제어 신호의 감소 비율이 결정되고 제 3 한계값과 비교되며, 상기 감소 비율이 상기 한계값을 초과하는 경우에, 제 3 값의 감소 비율은 상기 제 3 한계값으로 캡핑된다. 이러한 추가 액체 연료 분사의 매우 급격한 감소를 방지함으로써, 액체 연료 분사가 너무 일찍 종료되지 않고, 가스 연료의 공급이 연료 요구량을 충족시킬 수 있도록 보장한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엔진의 적어도 하나의 실린더 내의 압력은 모니터링되고, 측정된 피크 압력이 미리 결정된 값을 초과하는 경우에, 실린더들내로 유입되는 가스 연료의 양은 제 1 제어 신호 또는 제 2 제어 신호에 의해 결정된 레벨로부터 감소된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 노킹을 나타내는 하나 이상의 변수들이 모니터링되고, 노킹이 검출되는 경우에, 실린더들내로 유입되는 가스 연료의 양은 제 1 제어 신호 또는 제 2 제어 신호에 의해 결정된 레벨로부터 감소된다.
본 발명의 실시형태들은 첨부 도면들을 참조하여 이하에 보다 상세하게 설명된다.
도 1 은 피스톤 엔진의 파일럿 연료 및 메인 연료 분사 시스템들의 단순화된 도면을 개략적으로 도시한다.
도 2 는 도 1 의 엔진의 하나의 실린더를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방법을 순서도로 도시한다.
도 1 은 피스톤 엔진 (1) 의 파일럿 연료 및 가스 연료 분사 시스템들을 개략적으로 도시한다. 도 2 는 도 1 의 엔진 (1) 의 실린더들 (2) 중 하나를 도시한다. 엔진 (1) 은 전기를 생산하기 위해 발전소에서 사용되는 엔진 또는 선박의 메인 또는 보조 엔진과 같은 대형 내연 엔진이다. 엔진 (1) 의 정격 전력은 실린더당 적어도 150 kW 이고, 실린더 보어는 적어도 150 mm 이다. 도 1 에서, 일렬로 배열된 4 개의 실린더들 (2) 이 도시되어 있지만, 엔진 (1) 은, 예를 들어 일렬로 또는 V 구성으로 배열되는 임의의 합리적인 개수의 실린더들 (2) 을 포함할 수 있다. 도 1 의 엔진 (1) 은 가스 메인 연료 및 액체 파일럿 연료를 사용하여 적어도 가스 연료 모드에서 작동될 수 있는 이중 연료 엔진이다. 가스 연료는, 예를 들어 천연 가스, 바이오가스, 액화 석유 가스 또는 에탄일 수 있다. 액체 파일럿 연료는, 예를 들어 경유 (LFO), 해양 디젤 오일 (MDO) 또는 바이오디젤일 수 있다. 엔진 (1) 은 가능하다면 또한 LFO 또는 MDO 와 같은 액체 연료만을 사용하여 액체 연료 모드에서 작동될 수 있다. 엔진 (1) 은 또한 2 개 이상의 상이한 유형의 액체 연료 및/또는 가스 연료를 사용하여 작동될 수 있는 다중 연료 엔진일 수 있다. 예를 들어, 엔진 (1) 은 가스 메인 연료 및 액체 파일럿 연료를 사용하여 가스 연료 모드에서 그리고 2 개의 상이한 액체 연료 모드에서, 예를 들어 중유 또는 주로 잔류 연료 오일을 함유하는 다른 연료를 사용하는 제 1 액체 연료 모드에서 그리고 경유 또는 주로 증류 연료 오일을 함유하는 다른 연료를 사용하는 제 2 액체 연료 모드에서 작동될 수 있는 삼중 연료 엔진일 수 있다.
상기 엔진 (1) 은 상기 엔진 (1) 의 흡기를 가압하는 압축기 (16a) 및 터빈 (16b) 을 포함하는 터보차저 (16) 에 연결된다. 엔진 (1) 은 또한 직렬로 그리고/또는 병렬로 연결된 2 개 이상의 터보차저들을 구비할 수 있다.
엔진 (1) 은 가스 연료와 파일럿 연료를 위한 별도의 연료 분사 시스템들을 구비한다. 가스 연료는 가스 탱크 (6) 에 저장되고, 가스 탱크로부터 가스 라인 (7) 을 통해 엔진 (1) 의 실린더들 (2) 내로 공급된다. 가스 라인 (7) 에는 가스 라인 (7) 으로의 가스 메인 연료의 공급을 제어하기 위한 메인 가스 밸브 (8) 가 제공된다. 메인 가스 밸브 (8) 는, 예를 들어 엔진 (1) 이 액체 연료 모드에서 작동할 때 폐쇄될 수 있다. 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 에는 자체 가스 유입 밸브 (3) 가 제공된다. 가스 유입 밸브 (3) 는 개별적으로 제어가능하다. 제 1 제어 라인 (9) 은 가스 유입 밸브들 (3) 을 제어 유닛 (10) 에 연결하고, 제어 유닛은 가스 유입 밸브들 (3) 의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 각각의 가스 유입 밸브들 (3) 은 솔레노이드 또는 스텝 모터와 같은 액추에이터에 의해 개방 및 폐쇄된다. 가스 유입 밸브들 (3) 은 가스 연료를 엔진 (1) 의 흡기 덕트 (4) 내로 유입하도록 배열된다. 각각의 가스 유입 밸브 (3) 는 각각의 실린더 (2) 의 흡기 밸브들에 근접하게 위치된다. 엔진 (1) 은 또한 가스 연료의 일부를 예비챔버들내로 유입하기 위한 추가적인 가스 유입 밸브를 포함할 수 있다. 가스 연료는 흡기 행정 동안 흡기 덕트 (4) 내로 유입된다. 실린더 (2) 의 흡기 밸브들이 개방되면, 가스 연료가 실린더 (2) 내로 유동하여 공기/연료 혼합물을 형성한다. 공기/연료 혼합물은 바람직하게는 가스 연료 및 액체 파일럿 연료 모두의 완전 연소에 필요한 것보다 더 많은 공기를 포함하는 희박 혼합물이다. 도 1 은 가스 메인 연료를 위한 연료 분사 시스템의 단순화된 예만을 도시한다는 점에 유의해야 한다. 연료 분사 시스템은 도면들에 도시되지 않은 많은 추가적인 구성요소들, 예를 들어 상이한 밸브들, 필터들 등을 포함할 수 있다.
액체 파일럿 연료를 위한 연료 분사 시스템은 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 를 위한 자체 파일럿 연료 분사기 (5) 를 포함한다. 파일럿 연료 분사기 (5) 는 연료를 도 2 에 도시된 바와 같이 메인 연소실 (23) 내로 직접 분사하거나 또는 예비챔버 내로 분사하도록 배열될 수 있다. 파일럿 연료 분사기들 (5) 은 별개로 제어가능하다. 파일럿 연료 분사기들 (5) 은 예를 들어 전기적으로 작동될 수 있다. 제 2 제어 라인 (15) 은 파일럿 연료 분사기들 (5) 을 제어 유닛 (10) 에 연결하고, 제어 유닛은 파일럿 연료 분사기들 (5) 의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 각각의 파일럿 연료 분사기 (5) 는 파일럿 연료 분사기 (5) 를 통해 연료를 분사하기 위해 상승될 수 있는 밸브 니들을 포함한다.
도 1 의 실시형태에서, 파일럿 연료 분사 시스템은 가압 연료를 저장하기 위한 연료 레일 (11) 을 포함하는 커먼 레일 연료 분사 시스템이다. 모든 파일럿 연료 분사기들 (5) 은 동일한 연료 레일 (11) 에 연결된다. 저압 펌프 (12) 는 액체 연료 탱크 (14) 로부터 고압 펌프 (13) 로 연료를 공급하고, 고압 펌프는 파일럿 연료의 압력을 직접 연료 분사에 적합한 레벨로 상승시켜, 이를 연료 레일 (11) 내로 공급하고, 이로부터 연료가 파일럿 연료 분사기 (5) 로 공급된다. 연료 분사 압력은 800 내지 3000 bar 의 범위에 있을 수 있다. 단일의 연료 레일 (11) 대신에, 각각의 파일럿 연료 분사기 (5) 에는 자체 연료 축압기가 제공될 수 있거나, 파일럿 연료 분사 시스템은 2 개 이상의 파일럿 연료 분사기들 (5) 에 각각 사용되는 2 개 이상의 연료 레일들 (11) 을 포함할 수 있다. 파일럿 연료 분사 시스템으로서의 용도에 더하여, 도 1 의 연료 분사 시스템은 또한 다른 상황들에서 엔진 (1) 의 실린더들 (2) 내로 액체 연료를 분사하는데 사용될 수 있다.
파일럿 연료 분사 시스템은 엔진 (1) 이 액체 연료만을 사용하는 액체 연료 모드에서 작동될 때 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 파일럿 연료 분사기들 (5) 은 또한 메인 연료 분사기들로서 기능할 것이다. 또한, 도 1 의 연료 분사 시스템의 일부만이 액체 메인 연료를 위한 연료 분사 시스템의 일부로서 사용되는 것이 가능하다. 예를 들어, 액체 메인 연료를 분사하기 위해 도 1 의 연료 레일 (11) 에 추가적인 연료 분사기들이 연결될 수 있다. 가스 연료 모드에서, 액체 파일럿 연료는 파일럿 연료 분사기들 (5) 에 의해 분사될 것이고, 액체 연료 모드에서, 액체 연료는 메인 연료 분사기들에 의해 분사될 것이다. 작동 모드들 둘 다에서, 동일한 저압 펌프 (12) 및 고압 펌프 (13) 가 사용될 것이다. 파일럿 연료 분사기들 (5) 및 메인 연료 분사기들은 연료 분사기 유닛들로 통합될 수 있다. 파일럿 연료는, 피스톤이 상사점에 근접할 때, 압축 행정 동안 파일럿 연료 분사기들 (5) 을 통해 엔진 (1) 의 실린더들 (2) 내로 분사된다.
도 1 에 도시된 연료 분사 시스템들에 더하여, 엔진 (1) 은 예를 들어 액체 메인 연료를 엔진 (1) 의 실린더들 (2) 내로 분사하기 위한 적어도 하나의 추가적인 연료 분사 시스템을 구비할 수 있다. 추가적인 연료 분사 시스템은 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 에 대한 자체 연료 분사 펌프를 갖는 연료 분사 시스템 또는 커먼 레일 시스템일 수 있다.
도 2 는 도 1 의 엔진 (1) 의 하나의 실린더 (2) 를 개략적으로 도시한다. 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 에는, 실린더 (2) 내에서 왕복 방식으로 이동하도록 구성되는 피스톤 (18) 이 제공된다. 피스톤 (18) 은 연결 로드 (19) 를 통해 크랭크샤프트 (20) 에 연결된다. 크랭크샤프트 (20) 의 일 단부에는 플라이휠 (21) 이 부착된다. 실린더 (2) 의 벽들 및 실린더 헤드 (22) 와 함께, 피스톤 (18) 은 메인 연소실 (23) 을 한정한다. 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 에는, 적어도 하나의 흡기 밸브 (24) 가 제공된다. 각각의 실린더 (2) 에는 예를 들어 2 개의 흡기 밸브들 (24) 이 제공될 수 있다. 흡기 밸브들 (24) 은 흡기 덕트 (흡기 리시버) (4) 와 메인 연소실 (23) 사이의 유체 연통을 개방 및 폐쇄하는데 사용된다. 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 에는, 적어도 하나의 배기 밸브 (25) 가 제공된다. 엔진의 각각의 실린더 (2) 에는 예를 들어 2 개의 배기 밸브들 (25) 이 제공될 수 있다. 배기 밸브들 (25) 은 연소실 (23) 과 배기 덕트 (26) 사이의 유체 연통을 개방 및 폐쇄하는데 사용된다.
흡기 밸브들 (24) 은 흡기 밸브 작동 수단 (27) 에 연결된다. 흡기 밸브 작동 수단 (27) 은 흡기 밸브들 (24) 을 개방 및 폐쇄하는데 사용된다. 흡기 밸브 작동 수단 (27) 은 가변 흡기 밸브 타이밍을 허용하도록 구성될 수 있다. 이에 따라서 흡기 밸브들 (24) 이 개방 및/또는 폐쇄되는 크랭크 각도가 변할 수 있다. 흡기 밸브 작동 수단 (27) 은 많은 대안적인 방식들로 구현될 수 있다. 흡기 밸브 작동 수단 (27) 은 전기식, 유압식 또는 기계식 액추에이터를 포함할 수 있다. 흡기 밸브 작동 수단 (27) 은 또한, 전기식, 유압식 및/또는 기계식 수단의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 흡기 밸브들 (24) 은 캠샤프트에 의해 개방될 수 있다. 흡기 밸브들 (24) 을 폐쇄하기 위한 폐쇄력은 나선형 스프링들 및/또는 공기 스프링들과 같은 하나 이상의 스프링들에 의해 생성될 수 있다. 흡기 밸브들 (24) 의 폐쇄는 유압식 시스템에 의해 지연될 수 있다. 대안적으로, 개방 및 폐쇄 타이밍 모두는 솔레노이드와 같은 전기식 액추에이터에 의해 결정될 수 있다. 대안적으로, 흡기 밸브들 (24) 은 유압식으로 개방 및 폐쇄될 수 있다. 흡기 밸브 작동 수단 (27) 은, 흡기 밸브들 (24) 의 개방 및/또는 폐쇄 타이밍을 결정하기 위해 흡기 밸브 작동 수단 (27) 에 제어 신호를 송신하도록 구성되는 제어 유닛 (10) 에 연결된다.
도 2 의 실시형태에서, 배기 밸브들 (25) 은 흡기 밸브들 (24) 과 유사한 작동 수단 (28) 에 연결된다. 그러나, 배기 밸브들 (25) 에는 또한 상이한 작동 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 배기 밸브들 (25) 의 작동 수단 (28) 은 가변 밸브 타이밍을 허용할 필요가 없다. 도 2 의 실시형태에서, 또한, 배기 밸브 작동 수단 (28) 은, 배기 밸브들 (25) 의 개방 및/또는 폐쇄 타이밍을 결정하기 위해 배기 밸브 작동 수단 (28) 에 제어 신호를 송신하도록 구성되는 제어 유닛 (10) 에 연결된다. 전술한 배열체들 대신에, 흡기 밸브들 (24) 및 배기 밸브들 (25) 모두는 캠 제어될 수 있다. 밸브 타이밍들은 가변적이거나 또는 고정될 수 있다.
가스 유입 밸브들 (3) 및 파일럿 연료 분사기들 (5) 은 제어 유닛 (10) 에 연결된다. 이에 따라서, 파일럿 연료 분사 및 메인 연료 분사 모두의 분사 타이밍들 및 지속기간들은 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 에서 개별적으로 제어될 수 있다.
엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 에는 실린더 압력 센서 (29) 가 제공된다. 실린더 압력 센서 (29) 는 실린더 (2) 내의 압력을 측정하도록 배열된다. 엔진 (1) 에는, 실린더 압력 센서들 (29) 로부터 측정 데이터를 수신하는 제어 유닛 (10) 과 같은 데이터 프로세싱 수단이 제공된다. 엔진 (1) 은 크랭크 각도 센서 (30) 또는 크랭크샤프트 (20) 의 각방향 위치를 결정하기 위한 다른 수단을 더 포함한다. 도 2 의 실시형태에서, 크랭크 각도 센서 (30) 는 플라이휠 (21) 의 각방향 위치를 모니터링한다. 플라이휠 (21) 의 각방향 위치에 기초하여, 각각의 실린더 (2) 에서의 피스톤 (18) 의 위치가 결정될 수 있다. 압력 측정 데이터에 더하여, 제어 유닛 (10) 은 또한 크랭크 각도 센서 (30) 로부터 측정 데이터를 수신한다. 실린더 압력은 따라서 크랭크 각도와 관련하여 결정될 수 있다.
가스 연료 모드에서 엔진 (1) 의 통상의 정상 상태 작동 동안, 엔진 (1) 의 각각의 실린더 (2) 의 흡기 밸브들 (24) 은 배기 행정의 종료시에 개방된다. 흡기 행정의 시작시에, 제어 유닛 (10) 은 가스 유입 밸브 (3) 를 개방하기 위해 제 1 제어 라인 (9) 을 통해 가스 유입 밸브 (3) 에 제어 신호를 송신한다. 가스 유입 밸브 (3) 는 개방되고, 밸브 (3) 는 가스 연료가 흡기 덕트 (4) 내로 그리고 추가로 실린더 (3) 내로 유동할 수 있도록 일정 기간 동안 개방되어 유지된다. 흡기 행정의 종료 전에, 가스 유입 밸브 (3) 는 폐쇄된다. 또한, 흡기 밸브들 (24) 은 폐쇄되고, 흡기 행정 이후의 압축 행정 동안, 실린더 (2) 내의 공기/연료 혼합물이 압축된다. 실린더 (2) 내의 피스톤 (18) 이 상사점에 접근함에 따라, 제어 유닛 (10) 은 파일럿 연료 분사기 (5) 를 개방하기 위해 그리고 액체 파일럿 연료를 실린더 (2) 내로 분사하기 위해 제 2 제어 라인 (15) 을 통해 파일럿 연료 분사기 (5) 에 제어 신호를 송신한다. 파일럿 연료 분사기 (5) 의 밸브 니들은 짧은 시간 동안 상승되어 실린더 (2) 내로 파일럿 연료가 분사된다. 일정 점화 지연 후에, 파일럿 연료는 자체 점화된다. 파일럿 연료의 양은 비교적 적다. 파일럿 연료의 연소는, 예를 들어 실린더 (2) 내의 연소에 의해 방출되는 열의 5% 미만을 방출할 수 있다. 파일럿 연료의 연소는 또한 공기 및 가스 메인 연료의 혼합물을 점화시킨다. 피스톤 (18) 이 하사점에 근접할 때, 배기 밸브들 (25) 이 개방된다. 배기 행정 동안, 배기 가스는 실린더 (2) 로부터 유출되고, 새로운 엔진 사이클이 시작된다.
정상 상태 작동에서, 엔진 (1) 은 희박 공기/연료 혼합물을 사용하여 작동된다. 엔진 부하가 급격하게 증가하는 과도 상황에서, 실린더들 내로의 연료의 공급이 증가되어야 한다. 터보차저 (16) 는 증가된 부하에 즉시 응답할 수 없고, 따라서 공기/연료 혼합물은 더 풍부해진다. 이는 가스 연료의 자동 점화 또는 너무 빠른 연소로 이어져 노킹을 야기할 수 있다. 본 발명은 이러한 문제를 대처한다.
본원에 따른 방법에서, 흡기 행정 동안 엔진 (1) 의 실린더 (2) 의 메인 연소실 (23) 내로 유입되는 가스 메인 연료 및 가스 메인 연료를 점화하기 위한 압축 행정 동안 하나 이상의 분사 이벤트들이 발생함에 따라 메인 연소실 (23) 또는 예비챔버 내로 유입되는 액체 파일럿 연료를 사용하여 과도 상태에서 엔진이 작동된다.
본 발명에 따른 방법에 사용하기에 적합한 가스 공급 시스템의 일 예가 전술되었다. 그러나, 이 시스템은 도 1 및 도 2 의 시스템과 동일할 필요는 없다. 메인 연소실 (23) 로의 가스 공급에 추가하여, 엔진 (1) 에 예비챔버가 제공되는 경우에, 가스 연료의 일부가 예비챔버내로 유입될 수 있다.
가스 메인 연료를 점화하기 위해, 액체 파일럿 연료는 메인 연소실들 (23) 내로 및/또는 예비챔버들 내로 유입된다. 액체 연료를 분사하기 위해 전술한 액체 연료 분사 시스템이 사용될 수 있다. 액체 파일럿 연료는 압축 행정 동안 분사된다. 파일럿 연료 분사는 하나 이상의 분사 이벤트들로 분할될 수 있다. 파일럿 연료 분사는, 예를 들어 상사점 전에 50 ~ 20 도의 범위에서 일어날 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 단계들은 도 3 에 도시된다. 본 방법의 제 1 단계에서, 엔진 출력 전력 또는 엔진 속도를 나타내는 제 1 측정 신호가 모니터링된다 (101). 제 1 측정 신호는 설정점과 비교된다 (102). 예를 들어, 제 1 측정 신호가 속도 신호이면, 원하는 엔진 속도와 비교된다. 제 1 측정 신호로서의 속도 신호의 사용은 많은 상이한 적용들, 예를 들어 엔진의 회전 속도 및 발전기의 회전 속도를 일정하게 유지하는 것을 목적으로 하는 엔진 발전기 세트에 적절하다. 속도 신호 대신에, 예를 들어 엔진에 의해 구동되는 발전기에 의해 생성된 전력을 나타내는 신호가 모니터링되고 설정점과 비교될 수 있다.
제 1 측정 신호와 설정점의 비교에 기초하여, 가스 메인 연료의 양을 제어하는 제 1 제어 신호가 생성된다 (103). 엔진 (1) 은 제어 유닛 (10) 의 일부일 수 있는 PID 제어기 (10a) 를 포함할 수 있다. PID 제어기 (10a) 는 제 1 측정 신호 및 설정점을 수신할 수 있다. 제 1 제어 신호는 제 1 측정 신호와 설정점 사이의 차이에 기초하여 PID 제어기 (10a) 에 의해 생성될 수 있다.
제 1 제어 신호는 제 1 한계값과 비교된다 (104). 제 1 한계값은 상당한 노킹 위험 없이 엔진의 실린더들 내로 유입될 수 있는 가스 연료의 최대량을 나타낸다. 제 1 제어 신호가 제 1 한계값 미만이면, 노킹 위험이 낮다. 제 1 한계값은 일정할 필요는 없지만, 변경 한계값일 수 있다. 제 1 한계값은 측정되거나 계산되는 하나 이상의 제 1 변수들의 값에 기초하여 결정될 수 있다. 제 1 변수들은 충전 공기압, 엔진 부하, 엔진 속도 및 공기/연료비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔진의 충전 공기압은 모니터링될 수 있고, 충전 공기압에 기초하여 제 1 한계값이 결정될 수 있다. 더 높은 충전 공기압은 더 많은 가스 메인 연료가 노킹 위험 없이 엔진의 실린더들 내로 유입되게 하고, 따라서 충전 공기압이 증가함에 따라 제 1 한계값이 증가할 수 있다. 공기/연료비에 기초하여 제 1 한계값이 결정되면, 분사된 연료의 질량과 실린더내로 유입된 공기의 질량을 계산하고, 최소 허용 공기/연료비가 달성되도록 제 1 한계값이 결정된다. 제 1 한계값은 또한 2 개 이상의 제 1 변수들의 조합에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 충전 공기압 및 엔진 부하 또는 엔진 속도 모두가 모니터링될 수 있고, 제 1 한계값은 충전 공기압 및 엔진 부하 또는 엔진 속도에 기초하여 결정될 수 있다.
제 1 제어 신호가 제 1 한계값 미만이면, 가스 메인 연료의 양은 제 1 제어 신호에 기초하여 제어된다 (105). 제 1 제어 신호가 제 1 한계값 미만이면, 노킹 위험이 낮다. 이에 따라서, 엔진의 출력 전력은 PID 제어기 (10a) 의 출력 신호와 같은 제 1 제어 신호에 기초하여 제어될 수 있다.
제 1 제어 신호가 제 1 한계값 초과이면, 제 1 한계값으로 캡핑된 제 2 제어 신호가 생성되고, 제 2 제어 신호에 기초하여 가스 메인 연료의 양이 제어된다 (106). 제 1 제어 신호가 제 1 한계값 초과인 경우, 제 1 제어 신호에 기초하여 실린더들내로 유입된 가스 연료의 양이 증가하면 노킹 위험이 증가함을 나타내는 것이다. 따라서, PID 제어기 (10a) 의 출력 신호와 같은 제 1 제어 신호는 가스 메인 연료의 양을 직접 제어하는데 사용되지 않는다. 따라서, PID 제어기 (10a) 의 출력 신호가 나타내는 만큼 가스 메인 연료의 양은 증가하지 않는다.
실린더들내에 유입되는 가스 메인 연료의 양이 연료 요구량과 동일하지 않으면, 가스 메인 연료의 제한된 공급의 영향을 보상하지 않으면 엔진의 속도가 떨어진다. 따라서, 제 1 제어 신호와 제 1 한계값 사이의 차이가 결정되고 (107), 제 1 제어 신호와 제 1 한계값 사이의 차이가 제 3 제어 신호를 생성하기 위한 입력으로서 사용되며 (108), 제 3 제어 신호에 기초하여 연소 행정 동안 실린더들 (2) 내로의 추가적인 액체 연료 분사가 제어된다 (109). 제 2 제어 신호가 제 1 한계값으로 캡핑되었기 때문에, 엔진의 실린더들내로 유입되는 가스 메인 연료의 양은 전력 요구량을 충족시키기에 충분하지 않다. 가스 메인 연료의 부적절한 공급의 영향은 액체 연료를 실린더들내로 분사함으로써 보상된다. 연소 행정 동안 추가적인 액체 연료 분사가 수행되기 때문에, 파일럿 연료 분사는 변경될 필요가 없고, 따라서 연소의 시작은 영향을 받지 않는다. 추가적인 액체 연료 분사는, 예를 들어 상사점 후에 0 ~ 20 도의 범위에서 일어날 수 있다.
제 3 제어 신호는 제 1 제어 신호와 제 1 한계값 사이의 차이에 기초할 수 있다. 그러나, 이는 필수적인 것은 아니며, 룩업 테이블로부터의 값은 제 3 제어 신호를 생성하기 위한 추가적인 입력으로 사용될 수 있다. 따라서, 추가적인 액체 연료 분사는 룩업 테이블을 사용하여 결정되는 기본 레벨을 가질 수 있고, 제 1 한계값과 제 1 측정 신호 사이의 차이는 추가적인 액체 연료 분사의 가변 부분을 결정할 수 있다. 룩업 테이블은 상이한 속도/부하 조합에 대해서 상이한 기본 레벨의 추가적인 액체 연료 분사를 포함할 수 있다.
추가적인 액체 연료 분사의 지속기간 동안 상한이 결정될 수 있다. 상한은, 예를 들어 연기를 방지하는데 사용될 수 있다. 추가적인 액체 연료 분사 지속기간이 상한에 도달하는 경우에, 제 3 제어 신호는 제 2 한계값으로 캡핑될 수 있다. 추가적인 액체 연료 분사 지속기간의 상한은, 예를 들어 허용가능한 공기/연료비, 엔진의 최대 속도 또는 엔진의 최대 부하에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 제 3 제어 신호의 감소 비율은 한계값을 가질 수 있다. 제 3 제어 신호의 감소 비율이 결정될 수 있고 제 3 한계값과 비교될 수 있으며, 상기 감소 비율이 상기 제 3 한계값을 초과하는 경우에, 제 3 값의 감소 비율은 상기 제 3 한계값으로 캡핑된다. 이러한 추가적인 액체 연료 분사의 매우 급격한 감소를 방지함으로써, 추가적인 액체 연료 분사가 너무 일찍 종료되지 않고, 가스 메인 연료의 공급이 연료 요구량을 충족시킬 수 있도록 보장한다.
가스 연료의 양은 실린더 압력에 기초하여 추가로 제어될 수 있다. 실린더 압력이 모니터링될 수 있고, 하나 이상의 실린더들 내의 측정된 피크 압력이 미리 결정된 값을 초과하는 경우에, 실린더들 내로 유입되는 가스 연료의 양은 제 1 제어 신호 또는 제 2 제어 신호에 의해 결정된 레벨로부터 감소될 수 있다.
가스 연료의 양은 검출된 노킹에 기초하여 추가로 제어될 수 있다. 노킹을 나타내는 하나 이상의 변수들이 모니터링되고, 노킹이 검출되는 경우에, 실린더들내로 유입되는 가스 연료의 양은 제 1 제어 신호 또는 제 2 제어 신호에 의해 결정된 레벨로부터 감소될 수 있다. 노킹은 예를 들어 실린더 압력을 모니터링함으로써 검출될 수 있다.
본 발명이 전술한 실시형태들에 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 변경될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 당업자는 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 흡기 행정 동안 피스톤 엔진 (1) 의 실린더 (2) 의 메인 연소실 (23) 내로 유입되는 가스 메인 연료 및 상기 가스 메인 연료를 점화하기 위한 압축 행정 동안 하나 이상의 분사 이벤트들이 발생함에 따라 상기 메인 연소실 (23) 내로 또는 예비챔버 내로 유입되는 액체 파일럿 연료를 사용하여 과도 상태에서 피스톤 엔진 (1) 을 작동하는 방법으로서,
    - 엔진 출력 전력 또는 엔진 속도를 나타내는 제 1 측정 신호를 모니터링하는 단계 (101),
    - 상기 제 1 측정 신호를 설정점과 비교하는 단계 (102),
    - 상기 제 1 측정 신호와 상기 설정점의 비교에 기초하여, 상기 가스 메인 연료의 양을 제어하는 제 1 제어 신호를 생성하는 단계 (103), 및
    - 상기 제 1 제어 신호를 제 1 한계값과 비교하는 단계 (104)
    를 포함하고,
    상기 제 1 제어 신호가 상기 제 1 한계값 미만인 경우에,
    - 상기 제 1 제어 신호에 기초하여 실린더들 (2) 내로 유입되는 상기 가스 메인 연료의 양이 제어되고 (105),
    상기 제 1 제어 신호가 상기 제 1 한계값 초과인 경우에,
    - 상기 제 1 한계값으로 캡핑된 제 2 제어 신호가 생성되고, 상기 제 2 제어 신호에 기초하여 상기 실린더들 (2) 내로 유입되는 상기 가스 메인 연료의 양이 제어되며 (106),
    - 상기 제 1 제어 신호와 상기 제 1 한계값 사이의 차이가 결정되고 (107),
    - 상기 제 1 제어 신호와 상기 제 1 한계값 사이의 차이는 제 3 제어 신호를 생성하기 위한 입력으로 사용되며 (108),
    - 상기 제 3 제어 신호에 기초하여 연소 행정 동안 상기 실린더들 (2) 내로의 추가적인 액체 연료 분사가 제어되는 (109), 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진 (1) 의 작동을 나타내는 제 1 변수 또는 제 1 변수들의 세트가 측정 또는 계산되고, 상기 제 1 한계값은 적어도 하나의 제 1 변수의 값에 기초하여 결정되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 변수들은 충전 공기압, 엔진 부하, 엔진 속도 및 공기/연료비의 그룹으로부터 적어도 하나의 변수를 포함하는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 제어 신호를 생성하기 위한 추가적인 입력으로서 룩업 테이블로부터의 값이 사용되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가적인 액체 연료 분사의 지속기간이 상기 추가적인 액체 연료 분사의 지속기간에 대해 결정된 상한에 도달하는 경우에, 상기 제 3 제어 신호는 제 2 한계값으로 캡핑되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가적인 액체 연료 분사의 지속기간에 대한 상기 상한은 허용가능한 공기/연료비, 엔진의 최대 속도 또는 엔진의 최대 부하에 기초하여 결정되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 제어 신호의 감소 비율이 결정되고 제 3 한계값과 비교되며, 상기 감소 비율이 상기 제 3 한계값을 초과하는 경우에, 제 3 값의 감소 비율은 상기 제 3 한계값으로 캡핑되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진의 적어도 하나의 실린더 (2) 내의 압력이 모니터링되고, 측정된 피크 압력이 미리 결정된 값을 초과하는 경우에, 상기 실린더들 (2) 내로 유입되는 상기 가스 메인 연료의 양은 상기 제 1 제어 신호 또는 상기 제 2 제어 신호에 의해 결정된 레벨로부터 감소되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    노킹 (knocking) 을 나타내는 하나 이상의 변수들이 모니터링되고, 노킹이 검출되는 경우에, 상기 실린더들 (2) 내로 유입되는 상기 가스 메인 연료의 양은 상기 제 1 제어 신호 또는 상기 제 2 제어 신호에 의해 결정된 레벨로부터 감소되는, 피스톤 엔진을 작동하는 방법.
  10. 피스톤 엔진 (1) 을 위한 제어 시스템으로서,
    상기 제어 시스템은 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 과도 상태에서 피스톤 엔진 (1) 을 작동시키도록 구성되는, 제어 시스템.
  11. 제 10 항에 따른 제어 시스템을 포함하는 피스톤 엔진 (1).
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