KR20230017138A - 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진 및 엔진 작동 방법 - Google Patents

Abstract

대형 2행정 터보차저 내부 연소 엔진은 제어기(60)를 포함하고, 상기 제어기(60)는: 작동 조건을 모니터링하는 단계와, 엔진이 정상 상태 작동 조건에서 작동할때와 정상 상태 조건에서 작동할 때를 결정하는지 확인하는 단계로 구성되고: 초기에 첫 번째 값(p1)으로 설정된 마진만큼 알려진 작동 조건 종속 임계 수준보다 작은 공연비에 대한 값으로 작동 조건의 함수로서 각 연소실에 대한 공연비를 개별적으로 제어하는 단계, 시간이 지남에 따라 실제 값에서 두 번째 값(p2)을 향해 감소하는 마진을 개별적으로 각 연소실에 대해 감소시키는 단계, 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및 사전 점화 이벤트에 대해 각 연소실을 개별적으로 모니터링하는 단계, 이러한 이벤트가 감지되면 이러한 이벤트가 더 이상 감지되지 않을 때까지 실제 값에서 첫 번째 값(p1)으로 증가하는 마진을 늘리고 해당 방법을 사용하는 단계를 수행한다.

Description

대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진 및 엔진 작동 방법{A LARGE TWO-STROKE TURBOCHARGED UNIFLOW SCAVENGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATING THE ENGINE}

본 개시는 대형 2행정 가스 연료 내부 연소 엔진, 특히 BDC에서 TDC로의 피스톤 행정 동안 연료 밸브로부터 유입되는 가스 연료 상에서 작동하는 크로스헤드를 갖는 대형 2행정 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진에 관한 것이다.

크로스헤드가 있는 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진은 예를 들어 대형 원양 선박의 추진에 사용되거나 발전소의 주요 동력 장치로 사용된다. 이 2행정 디젤 엔진은 단순한 크기 때문만이 아니라 다른 내부 연소 엔진과 다르게 구성된다. 배기 밸브의 무게는 최대 400kg이고 피스톤의 직경은 최대 100cm이며 연소실의 최대 작동 압력은 일반적으로 수백 bar이다. 이러한 높은 압력 수준과 피스톤 크기에 관련된 힘은 엄청나다.

실린더 라이너의 길이를 따라 중앙에 배열되거나 실린더 커버에 내에 있는 연료 밸브에 의해 유입되는 가스 연료로 작동되는 대형 2행정 터보 차저 내부 연소 엔진, 즉 배기 밸브가 닫히기 훨씬 전에 시작되는 피스톤의 상향 행정 동안 기체 연료를 받아들이고 연소실에서 기체 연료와 소기 공기(scavenging air)의 혼합물을 압축하고 압축된 혼합물을 점화하는 엔진은, 파일럿 오일 인젝션(piot oil injection)과 같은 시한의(timed) 점화수단에 의해서 연소실에서 기체 연료와 소기 공기의 혼합물을 압축하고 압축된 혼합물을 점화한다.

실린더 라이너 또는 실린더 커버에 배치된 연료 밸브(가스 흡입 밸브)를 사용하는 이러한 유형의 가스 흡입은 압축 압력이 상대적으로 낮을 때 기체 연료가 분사되기 때문에 훨씬 더 낮은 연료 분사 압력을 사용할 수 있다는 장점이 있다. 피스톤이 상사점(TDC)에 가까울 때, 즉 연소실의 압축 압력이 최대이거나 최대에 가까울 때 기체 연료를 분사하는 대형 2행정 터보차저 내부 연소 엔진과 비교할 때 낮다. 후자의 엔진은 이미 높은 최대 연소 압력보다 훨씬 높은 연료 분사 압력이 필요하다. 이러한 극도로 높은 압력에서 기체 압력을 처리할 수 있는 연료 시스템은 기체 연료의 휘발성 특성과 이러한 고압에서의 거동으로 인해 비용이 많이 들고 복잡하다.

따라서, 압축 행정 동안 기체 연료를 분사하는 엔진용 연료 공급 시스템은 피스톤이 TDC 근처에 있을 때 고압에서 기체 연료를 분사하는 엔진과 비교할 때 상당히 저렴하다.

그러나 압축 행정 중에 기체 연료를 분사할 때 피스톤은 기체 연료와 소기 공기의 혼합물을 압축하여 결과적으로 사전 점화의 위험이 있다. 사전 점화의 위험은 매우 희박한 혼합물로 작동하여 줄일 수 있지만 희박한 혼합물은 실화 또는 부분 실화의 위험을 증가시키고 결과적으로 연료 슬립을 발생시킨다.

따라서, 실화 및 사전 점화/디젤-노크와 관련된 문제를 극복하거나 최소한 감소시키기 위해 이러한 대형 2행정 터보 차저 내부 연소 엔진에서 압축 동안 연소실의 상태에 대한 제어를 개선할 필요가 있다. 사전 점화 및 실화를 방지하려면 연소실의 조건을 매우 정확하게 제어해야 한다.

엔진이 정상 상태로 작동하는 동안 엔진의 성능 레이아웃은 일반적으로 사전 점화가 방지되도록 한다. 이는 연소실 설계, 연료 분사 타이밍 및 배기 밸브 타이밍을 신중하게 선택하여 달성된다. 그러나 이것은 실화 또는 부분 실화 또는 사전 점화가 발생할 가능성이 높은 연소 상태로부터 안전한 거리에서 작동해야 한다. 이 큰 안전 거리는 특히 연료 효율성과 관련하여 연소 상태가 최적이 아닌 결과를 초래한다.

DK201970370은 다수의 연소실이 있는 대형 2행정 터보차지 유니플로 소거 가스 작동 내부 연소 엔진, 엔진과 관련된 적어도 하나의 제어기, 연소 개시시 연소실의 평균 압축 공연비 및 벌크 압축 온도를 결정하는 제어기를 개시하고 있으며, 제어기는 다음과 같이 구성된다:

- 공연 비가 더 낮은 압축 공연비 임계값 미만일 때 적어도 하나의 압축 공연비 증가 측정을 수행하고 ,

- 결정되거나 측정된 평균 압축 공연비가 압축 공연비 상한 임계값을 초과할 때 적어도 하나의 압축 공연비 감소 측정을 수행하고,

- 결정되거나 측정된 벌크 압축 온도가 낮은 벌크 압축 온도 임계값 미만일 때 적어도 하나의 벌크 압축 온도 증가 측정을 수행하고,

- 결정되거나 측정된 벌크 압축 온도가 상부 벌크 압축 온도 임계값보다 높을 때 적어도 하나의 벌크 압축 온도 감소 측정을 수행한다.

상술한 문제점을 극복하거나 적어도 감소시키는 엔진 및 방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기 및 기타 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속항, 설명 및 도면에서 명백해진다.

제1 양태에 따르면, 기체 작동 모드에서 기체 연료를 주 연료로 사용하여 작동하도록 구성된 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진에 있어서, 상기 엔진은: 실린더 라이너, 왕복 피스톤 및 실린더 커버로 각각 구분되는 복수의 연소실, 상기 연소실로 소기 공기를 유입시키기 위해 실린더 라이너에 배열된 소기 포트, 실린더 커버에 배치되고 배기 밸브에 의해 제어되는 배기 가스 출구, 각 연소실에 대한 배기 밸브 타이밍을 제어할 수 있는 가변 타이밍 배기 밸브 작동 시스템, 실린더 커버를 향한 피스톤의 행정 동안 기체 연료를 유입시키도록 구성된 실린더 라이너 또는 실린더 커버에 배열된 하나 이상의 기체 연료 유입 개구, 및 엔진과 관련된 적어도 하나의 제어기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제어기는 각각의 연소실에 대한 상기 배기 밸브의 개폐 타이밍을 결정 및 제어하고 각각의 연소실에 대한 상기 기체 연료 유입 개구를 통해 연소 챔버로 유입되는 기체 연료의 양을 제어하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 제어기는 엔진의 작동 조건을 모니터링하고 엔진이 정상 상태 작동 조건에서 작동할 때를 결정하도록 구성되고, 상기 연소실은 공연비가 임계 수준에 의존하는 알려진 작동 조건을 초과할 때 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및/또는 사전 점화가 발생할 가능성이 있는 알려진 바람직하지 않은 연소 상태를 적어도 정상 상태 작동에 대해 갖고, 상기 가변 타이밍 배기 밸브 작동 시스템은 각 연소실에 대한 배기 밸브 타이밍의 개별 제어를 허용하고, 상기 적어도 하나의 제어기는 각각의 연소실에 대해 개별적으로 상기 배기 밸브의 개폐 타이밍을 결정 및 제어하고 각 연소실에 대해 개별적으로 상기 기체 연료 유입 개구를 통해 연소실로 유입되는 기체 연료의 양을 제어하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 제어기는 적어도 하나의 제어기가 엔진이 정상 상태 조건에서 작동하고 있다고 결정할 때 정상 상태 모드에서 작동하도록 구성되고, 상기 정상 상태 동작 모드에서 상기 적어도 하나의 제어기는: 작동 조건의 함수로서 각각의 연소실에 대한 공연비를 상기 공지된 작동보다 초기에 첫 번째 값(p1)으로 설정된 마진만큼 상기 알려진 작동 조건 종속 임계 수준보다 작은 공연비 값으로 제어하는 단계, 각각의 연소실에 대해 시간이 지남에 따라 실제 값에서 제2 값(p2)을 향해 감소하는 상기 마진을 개별적으로 감소시키는 단계, 여기서 상기 제2 값(p2)은 상기 제1 값(p1)보다 작고 0보다 크며, 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및 사전 점화 이벤트에 대해 각 연소실을 개별적으로 모니터링하는 단계, 및 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및/또는 사전 점화 이벤트의 검출 시, 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및 사전 점화 이벤트가 더 이상 검출되지 않을 때까지 실제 값에서 상기 제1 값(p1)을 향해 증분으로 상기 마진을 증가시키는 단계로 구성될 수 있다.

정상 상태 작동 조건에 대한 마진에 비해 마진이 줄어들도록 허용함으로써, (최대) 연료 효율(에너지 효율), (최소화된) NOx 배출 또는 (최소화된) 탄화수소 슬립(HC 슬립)과 같은 엔진 작동 매개변수(연소되지 않은 연료 또는 부분적으로 연소되지 않은 연료)를 임계 수준에 가까운 값으로 안전하게 사용할 수 있으므로 엔진 작동 및 연소 프로세스를 최적화할 가능성을 향상시킨다. 따라서 엔진은 이러한 작동 매개변수를 최적화하도록 설계할 수 있다.

최적화는 연소 과정을 최적화하기 위해 정상 정상 상태 작동 조건에서 작동기에 대한 설정점이 어떻게 벗어나야 하는지를 지정한다. 제어할 수 없는 요소(예: 주변 조건 및 구성 요소 유지 관리)는 얼마나 최적화가 가능한지를 결정하기 때문에 최적화 접근 방식은 편차 규칙만 지정하고 원하지 않는 연소 상태가 감지되면 적어도 부분적으로 반전된다. 따라서 제어할 수 없는 요소는 규칙(액추에이터 설정값의 편차 크기)을 적용할 수 있는 범위를 결정한다.

바람직하지 않은 연소 상태는 실화 사건, 부분적 실화 사건 또는 사전 점화 사건이 발생하는 연소 상태이다.

정상 상태 작동을 위한 공기 대 연료 비율의 임계 수준에 따라 작동 조건은 엔진 설계 중 및/또는 테스트 실행 및/또는 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 결정된다.

마진의 첫 번째 값은 엔진 설계 중에 그리고/또는 테스트 실행 및/또는 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 결정된다. 작동 조건의 함수로서의 마진 값은 룩업 테이블로 저장되거나 알고리즘으로 구현된다.

초기에 설정된 첫 번째 값에서 마진을 줄이는 프로세스는 제어기가 엔진이 정상 상태 조건에서 즉시 또는 미리 결정된 지연(미리 결정된 시간 길이)으로 작동하고 있다고 결정할 때 시작된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 적어도 하나의 제어기는 바람직하지 않은 연소 상태 및 알려진 작동 조건이 임계 레벨에 따라 통지된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 제어기는 값의 마지막 증가 이후에 미리 결정된 시간 길이가 경과하고 값이 두 번째 값과 동일하지 않을 때 실제 값에서 조금씩 감소하는 마진을 각 연소실에 대해 개별적으로 시간이 지남에 따라 감소를 재개하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 제어기는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 전진시킴으로써, 바람직하게는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 단계적으로 전진시킴으로써 감분으로 마진을 감소시키도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 제어기는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 지연시킴으로써, 바람직하게는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 단계적으로 지연시킴으로써 증분으로 마진을 증가시키도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 엔진은 배기 가스 바이패스 제어 밸브를 갖는 배기 가스 바이패스를 포함하고, 제어기는 배기 가스 바이패스 제어 밸브의 스로틀링을 폐쇄하거나 증가시킴으로써 감소 마진을 감소시키도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 엔진은 배기 가스 바이패스 제어 밸브를 갖는 배기 가스 바이패스를 포함하고, 제어기는 배기 가스 바이패스 제어 밸브의 스로틀링을 개방 또는 감소함으로써 증분으로 마진을 증가시키도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 엔진은 배기 가스 재순환 도관에 배기 가스 재순환 송풍기가 있는 배기 가스 재순환 도관을 포함하고, 여기서 제어기는 배기 가스 재순환 송풍기의 속도를 활성화하거나 증가시킴으로써 증분으로 마진을 증가시키도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 엔진은 배기 가스 재순환 도관에 배기 가스 재순환 송풍기를 갖는 배기 가스 재순환 도관을 포함하고, 여기서 제어기는 배기 가스 재순환 송풍기의 속도를 비활성화하거나 감소시킴으로써 감소 마진을 감소시키도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 엔진은 메인 소기 공기 냉각기의 상류에 있는 실린더 바이패스를 포함하고, 제어기는 고온 실린더 바이패스 도관을 개방하거나 고온 실린더 우회 도관에서 제어 밸브의 스로틀링을 감소시킴으로써 공연비를 증가시키도록 구성되며, 그 반대도 마찬가지이다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 제어기는 작동 조건이 이를 요구할 때 액체 연료 분사를 활성화하도록 구성되고, 예를 들어 액체 연료, 예를 들어 디젤 오일 분사가 활성화 되면 마진을 제1 값 으로 재설정하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 증분은 작은 증분이고, 감소는 작은 감소 이며, 단계는 작은 단계이다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 엔진은 각각의 실린더에 대한 실린더 압력을 개별적으로 감지하기 위한 센서를 포함하고, 여기서 제어기는 각각의 실린더에 대해 감지된 실린더 압력을 개별적으로 모니터링하도록 구성되고, 제어기는 각각의 실린더에 대해 오발 사건, 부분 실화 사건 및/또는 사전 점화 사건이 해당 실린더에서 발생했는지 여부를 개별적으로 결정하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 제어기는 실화 이벤트가 없을 때, 부분 실화 이벤트 및/또는 사전 점화 이벤트가 발생했을 때 실린더 압력의 예상 전개로부터 실린더 압력 전개의 편차를 결정함으로써 실화 이벤트, 부분 실화 이벤트 및/또는 사전 점화 이벤트를 결정하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현에서, 제어기는 원하는 엔진 속도와 실제 엔진 속도 간의 차이가 편차 임계값 미만인 경우와 동시에 엔진 부하가 엔진 부하 임계값보다 높은 경우 엔진이 정상 상태를 작동한다고 결정하도록 구성된다.

제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 기체 연료 유입 개구 중 하나 이상은 연료 유입 밸브를 통해 가압 기체 연료의 공급으로부터 수용된 기체 연료를 연소실로 유입하도록 구성된다.

제2 양태에 따르면, 다수의 연소실을 구비한 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진을 기체 작동 모드로 작동시키는 방법에 있어서, 여기서 공연비를 갖는 공연비 혼합물이 점화 전에 연소실에 존재하고, 상기 연소실은 공연비가 임계 수준에 의존하는 알려진 작동 조건을 초과할 때 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및/또는 사전 점화가 발생할 가능성이 있는 알려진 바람직하지 않은 연소 상태를 적어도 정상 상태 작동에 대해 갖고, 상기 방법은: 엔진의 작동 조건을 모니터링하는 단계와 엔진이 정상 상태 작동 조건에서 작동할 때를 결정하는 단계를 포함하고, 정상 상태 작동 조건이 결정된 경우: 초기에 첫 번째 값(p1)으로 설정된 마진만큼 상기 알려진 작동 조건 종속 임계 레벨보다 작은 공연비에 대한 값으로 작동 조건의 함수로서 각 연소실에 대한 공연비를 개별적으로 제어하는 단계, 각각의 연소실에 대해 시간이 지남에 따라 실제 값에서 제2 값(p2)을 향해 감소하는 상기 마진을 개별적으로 감소시키는 단계, 여기서, 상기 제2 값(p2)은 상기 제1(p1) 값보다 작고 0보다 크며, 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및 사전 점화 이벤트에 대해 각 연소실을 개별적으로 모니터링하는 단계, 및 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트, 및/또는 사전 점화 이벤트의 검출 시, 부분 실화 이벤트, 실화 이벤트 및 사전 점화 이벤트가 더 이상 검출되지 않을 때까지 실제 값에서 상기 제1 값(p1)을 향해 증분으로 상기 마진을 증가시키는 단계를 포함한다.

이들 및 다른 측면은 아래에 설명된 실시예로부터 명백할 것이다.

본 개시의 다음의 상세한 부분에서, 양태, 실시예 및 구현은 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 더 상세히 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 2행정 디젤 엔진의 정면도이고,
도 2는 도 1의 대형 2행정 엔진의 측면도이고,
도 3은 도 1에 따른 대형 2행정 엔진의 제1 개략도이고,
도 4는 실린더 커버와 배기 밸브가 장착된 도 1의 엔진의 실린더 프레임과 실린더 라이너, 그리고 피스톤이 TDC와 BDC로 도시된 단면도이고,
도 5는 도 1의 엔진의 두 번째 개략도이고,
도 6은 압축 온도 관찰기 및 압축 공연비 관찰기의 개략도이고,
도 7은 종축에 압축 공연비를, 횡축에 벌크 실린더 온도를 나타내는 도면으로, 안전 지대에 복귀하기 위한 조치가 필요한 지대에 의해 둘러싸인 안전 지대를 나타내고,
도 8은 대형 2행정 엔진을 제어하는 방법의 일 실시예를 도시한 프로세스이고,
도 9는 각 실린더에 대한 개별 최적화 과정을 도시한 도면이다.

다음의 상세한 설명에서, 내부 연소 엔진은 예시적인 실시예에서 대형 2행정 저속 터보 차저 내연 크로스헤드 엔진을 참조하여 설명될 것이다. 도 1, 2 및 3은 크랭크샤프트(8) 및 크로스헤드(9)를 갖는 대형 저속 터보차저 2행정 디젤 엔진의 실시예를 도시한다. 도 1 및 2는 각각 정면도 및 측면도이다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템이 있는 도 1 및 도 2의 대형 저속 터보차지 2행정 디젤 엔진의 개략도이다. 이 예시적인 실시예에서, 엔진은 일렬로 4개의 실린더를 갖는다. 대형 저속 터보 차저 2행정 내부 연소 엔진은 일반적으로 엔진 프레임(11)에 의해 지지되는 일렬로 4개에서 14개 사이의 실린더를 가지고 있다. 엔진은 예를 들어 선박의 주 엔진으로 또는 발전소의 발전기. 예를 들어, 엔진의 총 출력은 1,000 내지 110,000kW 범위일 수 있다.

이 예시적인 실시예에서 엔진은 실린더 라이너(1)의 하부 영역에 소기 포트(18) 및 실린더 라이너(1)의 상단에 중앙 배기 밸브(4)를 갖는 2행정 유니플로 소기 유형의 엔진이다. 소기 공기는 피스톤(10)이 소기 포트(18) 아래에 있을 때 개별 실린더 라이너(1)의 소기 포트(18)를 통해 소기 공기 수용기(2)로부터 통과된다. 피스톤이 위쪽으로 움직일 때 그리고 피스톤이 연료 밸브(30)(가스 유입 밸브)를 통과하기 전에 전자 제어기(60)의 제어 하에 가스 연료 분사 밸브(30)로부터 가스 연료가 유입된다.

기체는 30 bar 미만, 바람직하게는 25 bar 미만, 더 바람직하게는 20 bar 미만인 비교적 낮은 압력에서 유입된다. 연료 밸브(30)는 바람직하게는 실린더 라이너의 둘레 주위에 고르게 분포되고 실린더 라이너(1)의 길이의 중앙 영역 어딘가에 배치된다. 따라서 기체 연료의 유입은 압축 압력이 비교적 낮을 때 발생한다. 피스톤이 TDC에 도달할 때 압축 압력보다 훨씬 낮으므로 상대적으로 낮은 압력에서도 허용된다.

실린더 라이너(1)의 피스톤(10)은 가스 연료와 소기 공기를 압축하고, 압축은 TDC 점화 또는 그 부근에서 일어나고, 예를 들어 바람직하게는 실린더 커버(22)에 배치된 파일럿 오일 연료 밸브(50)로부터 파일럿 오일(또는 임의의 다른 적절한 점화 액체)이 분사되면 연소가 뒤따르고 배기 가스가 생성된다. 파일럿 오일 연료 밸브(50) 대신에 또는 파일럿 연료 밸브(50)에 추가하여, 예를 들어 예비 챔버(미도시), 레이저 점화(미도시) 또는 예열 플러그(미도시)와 같은 점화 시스템의 대안적인 형태가 또한 점화를 개시하는데 사용될 수 있다.

배기 밸브(4)가 열리면 배기 가스는 실린더(1)와 연결된 배기 덕트를 통해 배기 가스 수용부(3)로 흐른 다음 제1 배기 도관(19)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 흐르고, 배기가스는 이코노마이저(20)를 통해 배출구(21)로 그리고 대기 중으로 터빈으로부터 제2 배기 도관을 통해 흘러나간다.

샤프트를 통해 터빈(6)은 공기 유입구(12)를 통해 신선한 공기가 공급되는 압축기(7)를 구동한다. 압축기(7)는 압축된 소기 공기를 소기 공기 수용부(2)로 이어지는 소기 공기 도관(13)으로 전달한다. 도관(13) 내의 소기 공기는 소기 공기를 냉각시키기 위한 인터쿨러(14)를 통과한다.

터보차저(5)의 압축기(7)가 소기 리시버(2)에 충분한 압력을 전달하지 않을 때, 즉 저(low) 또는 부분(partial) 부하 조건에서, 냉각된 소기 공기는 가압을 위해 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 통과한다.

더 높은 엔진 부하에서 터보차저 압축기(7)는 충분한 압축된 소기 공기를 전달하고 보조 송풍기(16)는 체크 밸브(15)를 통해 우회된다.

도 4는 일반적으로 대형 2행정 크로스헤드 엔진용으로 지정된 실린더 라이너(1)를 도시한다. 엔진 크기에 따라, 실린더 라이너(1)는 일반적으로 250mm에서 1000mm 범위의 실린더 보어와 1000mm에서 4500mm 범위에 해당하는 전형적인 길이를 갖는 다양한 크기로 제조될 수 있다.

도 4에서 실린더 라이너(1)는 실린더 프레임(23)에 장착된 것으로 도시되어 있으며 실린더 커버(22)는 그 사이에 기밀 인터페이스가 있는 실린더 라이너(1)의 상부에 배치된다. 도 4에서 피스톤(10)은 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 모두에서, 물론 이 두 위치가 동시에 발생하지 않고 크랭크 샤프트(8)의 180도 회전에 의해 분리된다는 것이 분명하지만, 중단된 선으로 도식적으로 도시되어 있다. 실린더 라이너(1)에는 피스톤(10)이 윤활 라인(24)을 통과할 때 실린더 윤활유의 공급을 제공하는 실린더 윤활 구멍(25) 및 실린더 윤활 라인(24)이 제공되며, 다음 피스톤 링(미도시)은 실린더 라이너(1)의 작동 표면 위에 실린더 윤활유를 분배한다. 엔진은 일반적으로 8에서 15 사이의 기하학적 압축비를 갖지만 실린더 커버의 연료 분사 밸브에서 고압 가스 분사가 제공되는 엔진에서는 TDC 또는 TDC 부근에서 고압으로 분사된 기체 연료의 경우 기하학적 압축비는 20 이상일 수 있다.

파일럿 연료 밸브(50)(전형적으로 실린더당 하나 이상), 또는 파일럿 오일 밸브(50)를 갖는 프리-챔버는 실린더 커버(22)에 장착되고 파일럿 오일 공급원(미도시)에 연결된다. 파일럿 오일 분사의 타이밍은 전자 제어 유닛(60)에 의해 제어된다.

연료 밸브(30)는 실린더 라이너(1)(또는 실린더 커버(22))에 설치되며, 그 노즐은 실린더 라이너(1)의 내부 표면과 실질적으로 같은 높이에 있고 연료 밸브(30)의 후단은 실린더 라이너(1)의 외벽에서 돌출되어 있다. 일반적으로, 실린더 라이너(1) 주위에 원주 방향으로 분포(바람직하게는 원주 방향으로 균일하게 분포됨)되어 있는 하나 또는 두 개, 그러나 가능하게는 세 개 또는 네 개의 연료 밸브(30)가 각 실린더 라이너(1)에 제공된다. 연료 밸브(30)는 일 실시예에서 실린더 라이너(1)의 길이를 따라 실질적으로 중앙에 배열된다.

또한, 도 4는 기체 연료 공급 도관(41)을 통해 기체 연료 밸브(30) 각각의 입구에 연결된 가압 기체 연료 공급원(40)을 포함하는 기체 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 5는 도 2 와 유사한 엔진의 개략도를 도시하지만, 엔진의 가스 교환 기반구조에 대한 더 상세한 설명이 있다. 주변 공기는 주변 공기 압력 및 온도에서 흡입되고 공기 유입구(12)를 통해 터보차저(5)의 압축기(7)로 이송된다. 압축기(7)에서 압축된 소기 공기는 공기 도관(32)을 통해 분배 지점(28)으로 이송된다.

분배 지점(28)은 소기 공기를 고온 실린더 우회 도관(29)을 통해 제1 배기 도관(19)의 터빈 연결부(32)로 분기시키는 것을 허용한다. 고온 실린더 우회 도관(29)을 통한 흐름은 고온 실린더 우회 제어 밸브(31)에 의해 조절된다. 실린더 바이패스 제어 밸브(31)는 제어기(60)에 의해 전자적으로 제어된다. 핫 실린더 바이패스 도관(29)을 개방하거나 핫 실린더 바이패스에서 제어 밸브(31)의 스로틀링을 감소시키는 효과는 공연비의 증가 및 벌크 압축 온도의 증가이며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

공기 도관(13)은 인터쿨러(14)의 상류에 제1 소기 공기 제어 밸브(33)를 더 포함한다. 제2 소기 제어 밸브(34)는 인터쿨러(14)의 하류에 배열된다. 공기 도관(13)은 소기 공기 수용기(2)로 계속된다. 보조 송풍기(16)는 인터쿨러(14)에서 분기된다.

콜드 실린더 바이패스 도관(35)은 제1 배기 도관(19)의 터빈 연결부(32)에 소기 공기 수용기(2)를 연결한다. 바이패스(35)의 코트를 통한 흐름은 콜드 실린더 바이패스 제어 밸브(36)에 의해 조절된다. 콜드 실린더 바이패스 제어 밸브(36)는 제어기(60)에 의해 전자적으로 제어된다. 콜드 실린더 바이패스(35)를 개방하거나 콜드 실린더 바이패스 밸브(36)의 스로틀링을 감소시키는 효과는 벌크 압축 온도의 증가이다.

저온 소기 우회 도관(37)은 소기 공기가 환경으로부터 소기 공기 수용기(26)로부터 탈출하도록 한다. 저온 소기 우회 도관(37)을 통한 흐름은 저온 소기 우회 제어 밸브(38)에 의해 제어된다. 저온 소기 우회 제어 밸브(38)는 제어기(60)에 의해 전자적으로 제어된다. 저온 소기 바이패스 제어 밸브(38)는 소기 공기압의 감소이고 공연비를 감소시키며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 냉각 소기 우회 도관(37)은 소기 공기 수용기(2)로부터 분기될 필요가 없지만 , 인터쿨러(14)의 하류의 임의의 위치에서 공기 도관(13)으로부터 분기될 수도 있다.

배기 가스 재순환 도관(42)은 배기 가스 수용부(3)를 소기 수용부(2)에 연결하고 배기 가스 재순환 제어 밸브(45), 배기 가스 재순환 냉각기(44) 및 배기 가스 재순환 송풍기(43)를 포함한다. 배기 가스 재순환 송풍기(43)와 배기 가스 재순환 제어 밸브(45)는 둘 다 제어기(60)의 전자 제어 하에 배기 가스 재순환 도관(42)을 통한 흐름을 조절하는 데 사용된다. 정상적인 작동 조건에서는 배기 가스 재순환 송풍기(43)는 배기 가스 수용부(42)의 압력이 일반적으로 소기 수용부(2)의 압력보다 낮기 때문에 활성화된다(따라서 배기 가스 재순환 송풍기(43)가 작동하지 않을 때 배기 가스 재순환 제어 밸브(45)를 닫아야 함). 배기 가스 재순환 도관(42)은 배기 가스 리시버(3)로부터 연결될 필요가 없지만 제1 배기 도관(19)에 임의의 지점에서 연결될 수 있고 소기 공기 수용부(2)에 연결할 필요가 없으며 인터쿨러(14)의 하류에 있는 공기 도관(13)의 임의의 위치에 잘 연결된다.

배기 가스 재순환 도관(42)에서 배기 가스 재순환 송풍기(43)의 속도를 활성화하거나 증가시키는 것은 압축 공연비를 감소시키고 벌크 압축 온도를 약간 감소시키며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

배기 가스 바이패스(39)는 배기 가스 수용기(3) 또는 제1 배기 도관(19)에서 분기되어 주어진 배압(27)에서 대기(27)에 연결된다. 배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)는 제어기(60)의 전자 제어 하에 배기 가스 바이패스 도관(39)을 통한 흐름을 조절한다.

배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)를 열거나 배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)의 스로틀링을 감소시키면 실린더의 압축 공연비가 감소하고 그 반대도 마찬가지이다.

선택적 촉매 수용기(SVR) 원자로와 원자로 우회 밸브(RVB)가 제공되는 엔진에서, 제어기(60)의 전자 제어 하에 SCR 원자로를 통과하는 소기 공기 수용부(3)로부터 터보차저(5)의 터빈(6)으로의 흐름의 분율을 조절한다.

제어기(60)에 의해 제어되는 상기 언급된 모든 구성요소는 도 5에서 중단된 라인으로 표시된 신호 라인에 의해 이들 구성요소에 연결된다.

도 6은 공연비 관찰기(46) 및 벌크 압축 온도 관찰기(47)를 도시한다.

공연비 관찰기(46)는 소기 공기압, 배기 밸브 폐쇄 타이밍, 실린더 기하학, 화학량론적 공연비 및 분사된 가스량에 대한 정보를 보유하고 있는 컴퓨터 구현 알고리즘이다. 압축 공연비 관찰기(46)는 제어기(60)의 일부일 수 있거나 별도의 컴퓨터 또는 제어기일 수 있다. 압축 공연비 관찰기(46)는 (완전한) 압축 공연비 혼합물의 압축 공연비 추정치인 출력을 제공하고(피스톤(10)이 TDC에 있을 때) 이를 제어기(60)에 보낸다. 추정치는 배기 밸브(4)가 시트에 착지할 때 연소실에 포착된 신선한 공기 질량을 총 주입된 가스 질량의 화학량론적 연소에 필요한 신선한 공기 질량으로 나눈 비율을 기반으로 한다.

벌크 압축 온도 관찰기(47)는 소기 압력, 소기 공기 온도, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 및 크랭크축 속도에 대한 정보를 보유하고 있는 컴퓨터 구현 알고리즘이다. 벌크 압축 온도 관찰기(47)는 제어기(60)의 일부일 수 있거나 별도의 컴퓨터 또는 제어기일 수 있다. 벌크 압축 온도 관찰기(47)는 가스 분사 시작부터 파일럿 분사까지의 시간 창에서 연소실의 최대 벌크 압축 온도인 Tcomp(Tc)의 추정치인 출력을 제공한다. 벌크 압축 온도 관찰기(47)는 추정치를 제어기(60)에 보낸다. 일 실시예에서, Tcomp 추정은 TDC에서 피스톤(10)을 지칭한다.

도 7은 공연비(λ)에 대한 벌크 압축 온도(Tcomp)를 설정한 그래프이다. 정상 상태 기본 구역(51)은 더 낮은 공연비 임계값, 상위 공연비 임계값, 더 낮은 벌크 압축 온도 임계값 및 상위 벌크 압축 온도 임계값에 의해 정의된 경계 내에 있다. 이 정상 상태 디폴트 영역(51)에서 제어기(60)는 현재 엔진 부하에 필요한 연료의 양을 각 실린더에 개별적으로 제공하고 제어기(60)는 벌크 압축 온도를 변경하는 조치를 취하지 않고 각 실린더에 대해 개별적으로 제어한다. 부분 실화 사건, 실화 사건 및/또는 사전 점화가 발생할 가능성이 있는 알려진 원치 않는 연소 상태로부터 여유의 형태로 안전 거리를 갖는 엔진 작동 조건의 함수인 수준까지의 공연비 공연비가 임계 수준에 따라 알려진 작동 조건을 초과한다. 첫 번째 마진의 수준은 0보다 큰 첫 번째 값을 갖는다.

실린더 라이너(1)의 연소 조건이 정상 주행 구역(51)을 떠나 작동 구역(52)으로 들어갈 위험이 있을 때, 제어기(60)는 이러한 일이 일어나지 않도록 조치를 취할 것이다.

여기에서 제어기(60)는 각 실린더에 대해 개별적으로 다음과 같이 구성된다:

- 결정되거나 측정된 평균 압축 공연비가 더 낮은 압축 공연비 임계값 미만인 경우 적어도 하나의 압축 공연비 증가 측정(CAFRIM)을 수행하고,

- 결정되거나 측정된 평균 압축 공연비가 압축 공연비 상한 임계값을 초과할 때 적어도 하나의 압축 공연비 감소 측정(CAFRDM)을 수행하고,

- 결정되거나 측정된 벌크 압축 온도가 더 낮은 벌크 압축 온도 임계값 미만일 때 적어도 하나의 벌크 압축 온도 증가 측정(BCTIM)을 수행하고,

- 결정되거나 측정된 벌크 압축 온도가 상한 벌크 압축 온도 임계값보다 높을 때 적어도 하나의 벌크 압축 온도 감소 측정(BCTDM)을 수행한다.

이러한 조치를 수행함으로써, 제어기(60)는 정상 주행 구역(51) 내부의 실린더 라이너(1) 각각의 상태를 유지하고, 적어도 일시적으로만 조건이 정상 주행 구역(51) 외부로 이동하여 작용 구역(52)에 진입하도록 허용한다. 구역(52)은 사전 점화 및/또는 실화 사건이 발생할 가능성이 매우 높은 임계 구역(53)으로 둘러싸여 있다.

구역(51, 52, 53)에 대한 경계는 벌크 압축 온도에 대한 상한 및 하한 임계값과 압축 공연비에 대한 상한 및 하한으로 정의될 수 있다. 이러한 임계값은 시행착오를 통해 또는 엔진 주기의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 경험적으로 특정 엔진에 대해 결정할 수 있다.

관찰기들이 압축 공연비와 벌크 압축 온도가 모두 정상 작동 구역(51) 밖에 있음을 나타낼 때, 제어기(60)는 실린더 라이너(1)의 상태를 정상 작동 구역(51)으로 다시 이동시키기 위해 압축 공연비 및 벌크 압축 온도를 개별적으로 조정하기 위한 두 가지 조치를 취한다.

배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)를 조정하여(배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)를 더 열린 위치로 이동) 배기 가스 바이패스(EGB) 도관(39)(TC 터빈 입구에서 터빈 출구 또는 주변으로의 흐름)을 열면 소기 기압에서 감소가 발생하고, 이에 따라서 연소실에서 포집된 공기 질량이 감소한다. 결과적으로 이 조치는 압축 벌크 온도에 약간의 영향만 미치면서 압축 공연비를 줄이는 데 적합하다. 엔진에 더 많은 터보 차저가 있는 경우 배기 가스 수신기로의 다른 흐름에서 다른 잠재적인 혼합 지점에 따라 위치가 선택되는 한 단일 EGB는 여전히 배기 가스 수신기에서 사용할 수 있다.

고온 실린더 바이패스 제어 밸브(31)(TC 압축기 출구에서 TC 터빈 입구로의 흐름)를 열면 연소실에서 압축 공연비 및 벌크 압축 온도가 증가한다.

소기 바이패스 제어 밸브(38)를 열면 소기 공기 수용기(2)에서 압축기 입구 또는 주변으로의 흐름이 생성되고 개방은 공기 압축-연료 비율에 대한 배기 가스 바이패스와 유사한 정성적 효과를 갖지만 소기 프로세스(따라서 연소실의 벌크 압축 온도에서)에 대한 다른 영향을 갖는다. 연소실 상태에 대한 소기 바이패스 제어 밸브(38)를 여는 효과는 배기 가스 바이패스와 비교할 때 더 빠르다.

콜드 실린더 바이패스 밸브(36)를 열면 소기 공기 수용기에서 TC 터빈 입구로의 흐름이 증가하고 벌크 압축 온도가 증가하지만 압축 공연비에는 매우 작은 영향을 미친다.

배기 밸브 닫힘 타이밍은 연소실의 압축과 소기 압력 사이의 비율을 결정한다. 다양한 타이밍은 압축 공연비와 연소실의 벌크 압축 온도 모두에 상당한 영향을 미친다.

배기 밸브 열림 타이밍은 연소실 청소 프로세스의 첫 번째 단계에 영향을 준다. 타이밍을 변경하면 엔진 효율과 청소 프로세스에 영향을 준다. 소거 공정이 변경됨에 따라 결과적인 벌크 온도도 변경된다. 배기 밸브(4)를 매우 일찍 열면 피스톤(10)이 이후에 소기 포트(18)를 열 때 소기 공기 수용기(2)로의 흐름이 없다. 배기 밸브(4)가 매우 늦게 열릴 때 소기 수용기(2)로의 큰 흐름이 있다. 피스톤(10)은 이후에 소기 포트(18)를 연다. 이러한 조치는 소거 프로세스를 변경하고, 따라서 다음 압축 행정에 합류하는 이전 연소로부터의 '더티 핫(dirty hot)' 가스의 분율을 변경한다.

따라서 배기 밸브(4)를 늦게 열면 이전 연소에서 더 많은 "더티 핫(dirty hot)" 가스가 발생하므로 압축 공연비가 감소 하고 벌크 압축 온도가 증가한다. 배기 밸브(4)를 매우 늦게 닫으면 이전 연소로 인한 “더티 핫(dirty hot)” 가스가 줄어들고 따라서 벌크 압축 온도에서 압축 공연비가 증가할 것이다. 배기 밸브(4)를 더 일찍 닫아 압축을 증가시키면 배기 밸브(4)를 통해 더 적은 가스가 빠져나가기 때문에 더 많은 가스가 연소실에 포착된다. 이것은 공연비를 증가시킨다. 또한, 증가하는 압축은 연소실의 가스에 대해 피스톤(10)에 의해 수행되는 더 많은 압축 작업으로 이어진다. 이것은 연소실의 더 높은 가스 온도로 이어진다.

배기 가스 재순환 송풍기(43)를 활성화하거나 배기 가스 재순환 송풍기(43)의 속도를 증가시켜 배기 가스 재순환 유량을 증가시키면 배기 가스 수용기(3)에서 터보차저 압축기 출구 또는 소기 공기 수용기(2)로 더 많은 배기 가스가 흐르고 이는 압축 공기-연료비를 감소시킨다.

보조 송풍기(16)의 속도를 증가시키면 압축 공연비가 약간 증가할 것이다.

물 분사 엔진의 경우 압축 중에 연소실에 물을 주입하면 벌크 압축 온도가 낮아진다.

스캐빈지 에어 쿨러 바이패스(도시되지 않음): 인터쿨러(14)를 바이패스하면 압축 공연비에 미미한 영향을 미치면서 연소실의 벌크 압축 온도가 크게 증가한다.

가변 기하형 터빈(6)이 제공된 엔진의 경우, 터빈 유동 영역을 감소시키는 효과는 소기 공기압의 증가이며, 따라서 연소실에서 포획된 공기 질량의 증가이다. 결과적으로 이 조치는 압축 벌크 온도에 약간의 영향만 미치면서 압축 공연비를 줄이는 데 적합하다.

터보차저 어시스트가 제공되는 엔진의 경우, 어시스트를 증가시켜 터보차저(5)의 속도를 높이면 압축 공연비가 증가하지만 압축 온도에는 약간의 영향을 미친다.

또 다른 조치는 기체 연료와 액체 연료(예: 디젤유 또는 선박용 디젤) 간의 비율을 변경하는 것이다. 총 분사 연료 에너지의 가스 연료 비율을 줄이면 압축 시 압축 공연비가 증가한다. 이에 따라 액체 연료 비율이 증가하여 크랭크축 토크가 유지된다.

열교환기가 배기 가스 수용기에 설치된 엔진의 경우(또는 배기 가스의 일부를 수용하는 열교환기가 있는 경우) 열교환기를 통과하는 배기 가스의 비율을 증가시키는 것, 즉 배기 가스에서 더 많은 열을 추출하면 소기 공기 압력이 감소하고, 따라서 연소실의 포집된 공기 질량이 감소한다. 결과적으로 이 조치는 압축 벌크 온도에 약간의 영향만 미치면서 압축 공연비를 줄이는 데 적합하다. 열교환기는 증기 생산에 사용할 수 있다.

핫 스캐빈지 바이패스가 있는 엔진의 경우 핫 스캐빈지 바이패스 제어 밸브를 열면 컴프레서 출구에서 주변 또는 컴프레서 입구로의 흐름이 설정되거나 증가하여 스캐빈지 공기 압력이 크게 감소하고 따라서 연소실의 포집된 공기 질량이 감소한다. 결과적으로 이 조치는 압축 공연비를 줄이는 데 적합하다.

일 실시예에서, 하부 압축 공연비 임계값, 상부 압축 공연비 임계값, 하부 벌크 압축 온도 임계값, 및 상부 벌크 압축 온도 임계값은 엔진 작동 조건 종속 파라미터이다. 엔진 작동 조건은 엔진 부하, 주변 온도, 주변 습도, 엔진 속도 등과 같은 매개변수에 의해 결정된다. 이러한 작동 조건 종속 매개변수에 대한 값은, 예를 들어 룩업 테이블 또는 알고리즘 또는 이들의 조합을 통해, 제어기(60)에 대해 사용할 수 있다.

실시예에서 제어기(60)는 다음과 같이 구성된다:

결정되거나 측정된 평균 압축 공연비가 더 낮은 최소 압축 공연비 임계값보다 낮은 최소 압축 공연비 임계값 미만인 경우 추가 압축 공연비 증가 조치(예: 위에서 언급한 조치에서 선택)를 수행하는 단계,

결정되거나 측정된 평균 압축 공연비가 최대 압축 공연비 임계값보다 높은 즉, 최대 압축 공연비 임계값보다 높은 경우, 추가 압축 공연비 감소 측정을 수행하는 단계, 및

결정되거나 측정된 벌크 압축 온도가 상부 벌크 압축 온도 임계값보다 높은 최대 벌크 압축 온도 임계값보다 높을 때 적어도 하나의 추가 벌크 압축 온도 감소 측정을 수행하는 단계를 포함한다.

이러한 추가 조치는 연소실의 상태가 작용 영역(52)에서 작용 영역(52)을 둘러싸는 임계 영역(53)으로 이동할 때 취해진다. 따라서 제어기(60)는 작업 영역(52)으로 다시 처리하고 다시 정상 실행 영역(51)으로 다시 처리한다.

제어기(60)는 제약, 즉 엔진을 정상 구역(51) 내의 작동 조건으로 다시 이동시키기 위해 위에서 언급된 조치를 최소화하도록 구성된다. 따라서, 제어기는 연소실의 상태가 정상 작동 영역으로 되돌아갈 때 위에서 언급한 모든 조치를 종료하도록 구성된다.

도 8은 상술한 제어기(60)의 구성에 따라 엔진을 작동시키는 과정을 나타내는 흐름도이다.

공정 제어기가 시작된 후 압축 공연비가 하한 임계값 미만인지 확인한다. 대답이 아니오인 경우 제어기는 엔진이 정상 상태에서 실행 중인지 확인하는 단계로 이동한다. 대답이 예인 경우 제어기는 공연비 최적화 프로세스 실행으로 이동한다. 이 과정을 도 9를 참조하여 상세히 설명한다. 응답이 '아니오'인 경우 제어기(60)는 압축 공연비 상한값 초과 여부를 확인하고, 응답이 '예'인 경우 제어기(60)는 압축 공연을 취한다. 위에서 언급한 조치 중 하나에서 압축 공연비 증가 조치를 취한다. 다음으로, 제어기(60)는 압축 공연비가 최소 임계값 미만인지 확인한다. 응답이 아니오인 경우 제어기는 상위 압축비 임계값 초과 여부를 확인하는 단계로 이동하고 답이 예인 경우 제어기(60)는 위에서 언급한 조치에서 추가 압축 연료비 증가 조치를 취하는 단계로 이동한다. 압축-연료 비율이 상한 임계값 이상인지 확인하는 것이다.

제어기(60)는 압축 공연비가 상한 임계값을 초과하는지 확인한다. 대답이 아니오인 경우 제어기(60)는 더 낮은 벌크 압축 온도 임계값이 초과되었는지 확인하는 단계로 이동하고, 이것이 예인 경우 제어기(60)는 위에서 언급된 조치 중 하나로부터 압축 공연비 감소 조치를 취한다. 다음으로, 제어기(60)는 압축 공연비가 최대 임계값 이상인지 확인한다. 대답이 아니오인 경우 제어기는 더 낮은 벌크 압축 온도 임계값을 초과했는지 확인하는 단계로 이동하고, 대답이 예인 경우 제어기(60)는 위에서 언급한 조치에서 추가 압축-연료 비율 감소 조치를 취한 후 벌크 압축 온도가 하한 임계값 미만인지 확인하는 단계로 이동한다.

제어기(60)는 벌크 압축 온도가 하한 임계값 미만인지 확인한다. 응답이 아니오인 경우 제어기(60)는 벌크 압축 온도 가 상한 임계값 이상 인지 확인하는 다음 단계로 이동하고 응답이 예인 경우 제어기(60)는 벌크 압축 온도 상승 조치를 취한다. 이후, 제어기(60)는 벌크 압축 온도가 최소 임계값 미만인지 확인하고, 대답이 아니오인 경우 제어기(60)는 벌크 압축 온도가 상한 임계값 이상인지 확인하는 단계로 이동하고, 대답이 예인 경우, 제어기(60)는 위에서 언급된 조치로부터 추가 벌크 온도 증가 조치를 취한 후 벌크 압축 온도 임계값이 초과되었는지 확인하는 단계로 이동한다.

제어기(60)는 벌크 압축 온도 임계값 초과 여부를 확인하고 응답이 아니오인 경우 제어기(60)는 압축 공연비가 하한 임계값 미만인지 확인하는 단계로 돌아가고 응답이 예이면 제어기(60)는 위에서 언급한 조치 중 벌크 온도 감소 조치를 취한다. 다음으로, 제어기(60)는 벌크 압축 온도가 최대 임계값 이상인지 확인하고, 응답이 "아니오"이면 압축 공연비가 하한 임계값 미만인지 확인하는 단계로 다시 이동하고 응답이 예이면, 제어기(60)는 위에서 언급된 조치로부터 추가적인 벌크 온도 감소 조치를 취한 후 압축 공연비가 하한 임계값 미만인지 확인하는 단계로 이동한다.

일 실시예에서, 제어기(60)에는 공연비를 증가 또는 감소시키기 위한 이용 가능한 조치 중 어느 것이 엔진의 현재 작동 조건에서 가장 적합한 조치 인지를 결정하기 위한 알고리즘, 룩업 테이블, 또는 기타 정보가 제공된다.

도 9는 단일 실린더에 대한 공연비 최적화를 도시하며, 엔진의 각 실린더에는 개별 공연비 최적화 유닛이 제공된다. 일 실시예에서, 공연비 최적화 유닛 및 관련 유닛은 제어기(60)에 통합된다. 다른 실시예에서, 이들 유닛은 제어기(60)와 연관된 제어기(미도시)의 일부이다.

단일 실린더에 대한 공연비 최적화 장치의 출력은 개별적으로 제어되고, 즉 각 실린더에는 실린더별 공연비 최적화 장치로부터 신호를 수신하는 자체 개별 실린더 제어 장치가 있다.

공연비에 대한 정상 상태 기본 모드 값은 합산점으로 전송되고 합산점의 결과는 해당 실린더의 개별 실린더 제어 장치로 전송된다. 공연비 최적화 단위(λ 최적화 단위)의 출력도 합산점에 추가된다.

공기 연료 최적화 장치는 적어도 엔진 부하, 속도 오류(원하는 엔진 속도(RPM)와 실제 엔진 속도(RPM) 간의 차이) 및 FRC(액체 연료의 고압 분사(예: 디젤유 또는 선박용 디젤) TDC 또는 그 근처에서 연소 과정을 안정화하기 위해 사용됨)를 나타내는 신호를 수신한다.

또한, 실린더 압력 변동 추정 모듈은 관련된 개별 실린더에 대해 측정된 실린더 압력을 수신한다. 실린더 압력 변동 추정 모듈은 실화 이벤트, 부분 실화 이벤트 및/또는 사전 점화(예비 점화는 변동이 아니라 편차에 의해 결정됨)와 같은 원하는 연소 이벤트가 발생하는지 여부 및 원하는 연소 이벤트를 결정한다. 실린더 압력 변화 추정 모듈은 실린더 압력의 실제(측정된) 전개와 비교하여 실린더 압력의 예상 사이의 편차를 결정하고 추정으로부터의 편차 및/또는 편차를 기반으로 원하지 않는 연소 이벤트의 발생을 결정한다.

최적화 장치는 초기 첫 번째 레벨 p1에서 최소값 p2(p2는 0 이상임)를 향해 조금씩 감소하면서 여백 값을 통합(시간이 지남에 따라 감소)한다. 값 p2에 도달하면 이벤트가 강제로 변경될 때까지 유지된다. 첫 번째 수준 p1에서 최소 수준 p2까지 마진 값을 통합하는 프로세스는 상대적으로 느리고 일반적으로 최소 몇 분, 최대 10~15분이 소요된다.

초기 설정된 제 1 값으로부터 마진을 감소시키는 프로세스는 제어기(60)가 엔진이 즉시 또는 미리 결정된 지연(소정 시간 길이)으로 정상 상태 조건을 작동하고 있다고 결정할 때 시작된다.

전술한 바와 같이, 마진은 원하지 않는 연소 이벤트가 발생할 가능성이 있는 영역에 있는 것으로 알려진 실제 작동 조건에 대한 공연비 수준으로부터의 마진이다. 마진은 안전 마진으로 간주될 수 있다.

엔진이 정상 상태 작동에 있고 제어기(60)가 이것이 사실임을 확인할 수 있는 한, 최적화 유닛은 시간이 지남에 따라 최소 레벨 p2를 향해 작은 증분으로 마진 값을 통합할 것이다.

그러나 부하 신호는 부하가 부하 임계값 미만이거나 속도 오류가 속도 오류 임계값 이상임을 나타내는 경우, 프로세서(60)는 엔진이 더 이상 정상 상태에서 실행되고 있지 않다고 결론지을 것이고 최적화 프로세스를 취소하고 마진에 대한 값이 레벨 p1로 설정된다.

또한, 실린더 압력 추정 유닛이 실화 이벤트, 부분 실화 이벤트 및/또는 사전 점화 이벤트와 같은 바람직하지 않은 연소 이벤트를 감지하는 경우 공연비 최적화 프로세스는 역전되고 공연비 최적화 장치는 오발 이벤트가 감지되지 않거나 첫 번째 수준 p1에 도달할 때까지 첫 번째 수준 p1을 향해 작은 증분으로 마진 값을 통합한다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 마진 값의 마지막 증가 및 여백이 두 번째 값과 같지 않기 때문에 제어기(60)는 미리 결정된 시간이 경과할 때 실제 값에서 약간 감소하는 마진을 개별적으로 각 연소실에 대해 시간이 지남에 따라 감소를 재개하도록 구성된다. 미리 정해진 시간의 길이는 사전 정의된 기간(period)이다. 사전 정의된 기간은 초 또는 분 범위일 수 있다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 전진시킴으로써, 바람직하게는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 작은 단계로 전진시킴으로써 감분으로 마진을 감소시키도록 구성된다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 지연시킴으로써, 바람직하게는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 작은 단계로 지연시킴으로써 증분으로 마진을 증가시키도록 구성된다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)의 스로틀링을 폐쇄하거나 증가시킴으로써 감분으로 마진을 감소시키도록 구성된다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)의 스로틀링을 개방 또는 감소시킴으로써 증분으로 마진을 증가시키도록 구성된다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 배기 가스 재순환 송풍기(43)의 속도를 활성화하거나 증가시킴으로써 증분으로 마진을 증가시키도록 구성된다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 배기 가스 재순환 송풍기(43)의 속도를 비활성화하거나 감소시킴으로써 감분으로 마진을 감소시키도록 구성된다.

일 실시예에서, 제어기(60)는 작동 조건이 요구될 때(예를 들어, 신뢰할 수 없는 점화 또는 일련의 실화를 방지하기 위해 요구될 때) 액체 연료 분사(FRC)를 활성화하도록 구성되고, 액체 연료 분사가 활성화되면 마진을 제1 값(p1)으로 재설정하도록 구성된다. 액체 연료는 예를 들어 디젤 오일, 선박용 디젤 또는 압축 점화에 대해 우수하고 신뢰할 수 있는 점화 특성을 갖는 것으로 알려진 기타 액체 연료이다.

다양한 양태 및 구현이 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명되었다. 그러나, 개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 개시, 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 주제를 실시함에 있어 당업자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다. 청구항에서 "포함하는"이라는 단어는 다른 요소나 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서, 제어기 또는 기타 장치가 청구 범위에 언급된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단이 서로 다른 종속항에 인용되어 있다는 사실이 측정된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다. 청구범위에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (17)

1. 기체 작동 모드에서 기체 연료를 주 연료로 사용하여 작동하도록 구성된 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진에 있어서, 상기 엔진은 :
   실린더 라이너(1), 왕복 피스톤(10) 및 실린더 커버(22)로 각각 구분되는 복수의 연소실,
   상기 연소실로 소기 공기를 유입시키기 위해 실린더 라이너(1)에 배열된 소기 포트(18),
   실린더 커버(22)에 배치되고 배기 밸브(4)에 의해 제어되는 배기 가스 출구,
   각 연소실에 대한 배기 밸브 타이밍을 제어할 수 있는 가변 타이밍 배기 밸브 작동 시스템,
   실린더 커버(22)를 향한 피스톤(10)의 행정 동안 기체 연료를 유입시키도록 구성된 실린더 라이너(1) 또는 실린더 커버(22)에 배열된 하나 이상의 기체 연료 유입 개구, 및
   엔진과 관련된 적어도 하나의 제어기(60)를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 제어기(60)는 각각의 연소실에 대한 상기 배기 밸브(4)의 개폐 타이밍을 결정 및 제어하고 각각의 연소실에 대한 상기 기체 연료 유입 개구를 통해 연소 챔버로 유입되는 기체 연료의 양을 제어하도록 구성되고.
   상기 적어도 하나의 제어기(60)는 엔진의 작동 조건을 모니터링하고 엔진이 정상 상태 작동 조건에서 작동할 때를 결정하도록 구성되고,
   상기 연소실은 공연비가 임계 수준에 의존하는 알려진 작동 조건을 초과할 때 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및/또는 사전 점화가 발생할 가능성이 있는 알려진 바람직하지 않은 연소 상태를 적어도 정상 상태 작동에 대해 갖고,
   상기 가변 타이밍 배기 밸브 작동 시스템은 각 연소실에 대한 배기 밸브 타이밍의 개별 제어를 허용하고,
   상기 적어도 하나의 제어기(60)는 각각의 연소실에 대해 개별적으로 상기 배기 밸브(4)의 개폐 타이밍을 결정 및 제어하고 각 연소실에 대해 개별적으로 상기 기체 연료 유입 개구를 통해 연소실로 유입되는 기체 연료의 양을 제어하도록 구성되고,
   상기 적어도 하나의 제어기(60)는 적어도 하나의 제어기(60)가 엔진이 정상 상태 조건에서 작동하고 있다고 결정할 때 정상 상태 모드에서 작동하도록 구성되고,
   상기 정상 상태 동작 모드에서 상기 적어도 하나의 제어기(60)는:
   작동 조건의 함수로서 각각의 연소실에 대한 공연비를 상기 공지된 작동보다 초기에 첫 번째 값(p1)으로 설정된 마진만큼 상기 알려진 작동 조건 종속 임계 수준보다 작은 공연비 값으로 제어하는 단계,
   각각의 연소실에 대해 시간이 지남에 따라 실제 값에서 제2 값(p2)을 향해 감소하는 상기 마진을 개별적으로 감소시키는 단계, 여기서 상기 제2 값(p2)은 상기 제1 값(p1)보다 작고 0보다 크며,
   부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및 사전 점화 이벤트에 대해 각 연소실을 개별적으로 모니터링하는 단계, 및
   부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및/또는 사전 점화 이벤트의 검출 시, 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및 사전 점화 이벤트가 더 이상 검출되지 않을 때까지 실제 값에서 상기 제1 값(p1)을 향해 증분으로 상기 마진을 증가시키는 단계로 구성되는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기(60)는 상기 바람직하지 않은 연소 상태 및 상기 공지된 작동 조건이 임계 레벨에 따라 통지되도록 구성되는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기(60)는 상기 마진의 마지막 증가 이후 미리 결정된 시간 길이가 경과할 때 실제 값으로부터 작은 감소로 각각의 연소실에 대해 개별적으로 시간이 지남에 따라 마진 감소를 재개하도록 구성되는 엔진. 값이고 상기 값은 두 번째 값(p2)과 동일하지 않은,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
4. 제1항에 있어서, 상기 제어기(60)는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 전진시킴으로써, 바람직하게는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 단계적으로 전진시킴으로써 감소의 마진을 감소시키도록 구성되는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
5. 제1항에 있어서, 상기 제어기(60)는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 지연시킴으로써, 바람직하게는 단계적으로 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 지연시킴으로써 상기 마진을 증분으로 증가시키도록 구성되는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
6. 제1항에 있어서, 배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)가 있는 배기 가스 바이패스(39)를 포함하고, 상기 제어기(60)는 상기 가스 바이패스 제어 밸브(49)의 스로틀링을 폐쇄하거나 증가시킴으로써 상기 마진을 감소시키도록 구성되는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
7. 제1항에 있어서, 배기 가스 바이패스 제어 밸브(49)를 구비한 배기 가스 바이패스(39)를 포함하고, 상기 제어기(60)는 상기 배기 가스의 스로틀링을 개방 또는 감소시킴으로써 상기 마진을 증분으로 증가시키도록 구성되는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
8. 제1항에 있어서, 배기 가스 재순환 도관(42)에 배기 가스 재순환 송풍기(43)가 있는 배기 가스 재순환 도관(42)을 포함하고, 상기 제어기(60)는 상기 배기 가스 재순환 송풍기(43)의 속도를 활성화하거나 증가시킴으로써 증가하는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
9. 제1항에 있어서, 배기 가스 재순환 도관(42)에 배기 가스 재순환 송풍기(43)가 있는 배기 가스 재순환 도관(42)을 포함하고, 상기 제어기(60)는 상기 배기 가스 재순환 송풍기(43)의 속도를 비활성하거나 감소시킴으로써 감소의 마진을 감소시키도록 구성되는,
   대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
10. 제1항에 있어서, 메인 소기 공기 냉각기의 상류에 실린더 바이패스를 포함하고, 제어기(60)는 고온 실린더 바이패스 도관(29)을 개방하거나 고온 실린더 바이패스 도관(29)에서 제어 밸브(31)의 스로틀링을 감소시키거나 그 반대의 경우도 마찬가지로 하여 공연비를 증가시키도록 구성되는,
    대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
11. 제1항에 있어서, 상기 제어기(60)는 작동 조건이 필요할 때 액체 연료 분사(FRC)를 활성화하도록 구성되고, 액체 연료 분사가 활성화되면 상기 마진을 상기 제1 값(p1)으로 재설정하도록 구성되는,
    대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
12. 제1항에 있어서, 상기 증분은 작은 증분이고, 상기 감소는 작은 감소이며, 상기 단계는 작은 단계인,
    대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
13. 제1항에 있어서, 각각의 실린더에 대한 실린더 압력을 개별적으로 감지하기 위한 센서를 포함하고, 여기서 상기 제어기는 각 실린더에 대해 감지된 실린더 압력을 개별적으로 모니터링하도록 구성되고, 상기 제어기는 각 실린더에 대해 오발 이벤트, 부분적 오발사 및/또는 사전 점화 이벤트가 해당 실린더에서 발생했는지 여부를 개별적으로 결정하도록 구성되는,
    대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
14. 제13항에 있어서, 상기 제어기(60)는 실화 이벤트, 부분적 실화 이벤트 및/또는 사전 점화 이벤트가 발생했을때, 실린더 압력의 예상 전개로부터 실린더 압력 전개의 편차를 결정함으로써 실화 이벤트, 부분적 실화 이벤트 및/또는 사전 점화 이벤트를 결정하도록 구성되는,
    대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
15. 제1항에 있어서, 상기 제어기(60)는 원하는 엔진 속도와 실제 엔진 속도 사이의 차이가 편차 임계값 미만일 때 엔진이 정상 상태 조건에서 작동하고 있다고 결정함과 동시에, 엔진 부하가 엔진 부하 임계값 이상인 것으로 결정하도록 구성되는,
    대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
16. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기(60)는 상기 연소실에서 순간 평균 압축 공연비를 결정하기 위한 압축 공연비 관찰기(46)를 포함하거나 이에 연결되는,
    대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진.
17. 다수의 연소실을 구비한 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진을 기체 작동 모드로 작동시키는 방법에 있어서, 여기서 공연비를 갖는 공연비 혼합물이 점화 전에 연소실에 존재하고,
    상기 연소실은 공연비가 임계 수준에 의존하는 알려진 작동 조건을 초과할 때 부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및/또는 사전 점화가 발생할 가능성이 있는 알려진 바람직하지 않은 연소 상태를 적어도 정상 상태 작동에 대해 갖고,
    상기 방법은:
    엔진의 작동 조건을 모니터링하고 엔진이 정상 상태 작동 조건에서 작동할 때를 결정하고,
    정상 상태 작동 조건이 결정된 경우:
    초기에 첫 번째 값(p1)으로 설정된 마진만큼 상기 알려진 작동 조건 종속 임계 레벨보다 작은 공연비에 대한 값으로 작동 조건의 함수로서 각 연소실에 대한 공연비를 개별적으로 제어하는 단계,
    각각의 연소실에 대해 시간이 지남에 따라 실제 값에서 제2 값(p2)을 향해 감소하는 상기 마진을 개별적으로 감소시키는 단계, 여기서, 상기 제2 값(p2)은 상기 제1(p1) 값보다 작고 0보다 크며,
    부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트 및 사전 점화 이벤트에 대해 각 연소실을 개별적으로 모니터링하는 단계, 및
    부분적 오발 이벤트, 오발 이벤트, 및/또는 사전 점화 이벤트의 검출 시, 부분 실화 이벤트, 실화 이벤트 및 사전 점화 이벤트가 더 이상 검출되지 않을 때까지 실제 값에서 상기 제1 값(p1)을 향해 증분으로 상기 마진을 증가시키는 단계를 포함하는,
    다수의 연소실을 구비한 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진을 기체 작동 모드로 작동시키는 방법.

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