KR20230055371A - 내연 엔진 - Google Patents

내연 엔진 Download PDF

Info

Publication number
KR20230055371A
KR20230055371A KR1020220132153A KR20220132153A KR20230055371A KR 20230055371 A KR20230055371 A KR 20230055371A KR 1020220132153 A KR1020220132153 A KR 1020220132153A KR 20220132153 A KR20220132153 A KR 20220132153A KR 20230055371 A KR20230055371 A KR 20230055371A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
exhaust gas
pressure
internal combustion
combustion engine
scavenging air
Prior art date
Application number
KR1020220132153A
Other languages
English (en)
Inventor
알렉산더 탄저
Original Assignee
빈터투르 가스 앤 디젤 아게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 빈터투르 가스 앤 디젤 아게 filed Critical 빈터투르 가스 앤 디젤 아게
Publication of KR20230055371A publication Critical patent/KR20230055371A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/04—Engines having ports both in cylinder head and in cylinder wall near bottom of piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/005—Controlling exhaust gas recirculation [EGR] according to engine operating conditions
    • F02D41/0052—Feedback control of engine parameters, e.g. for control of air/fuel ratio or intake air amount
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control
    • F02D41/0072—Estimating, calculating or determining the EGR rate, amount or flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/146—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration
    • F02D41/1461—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration of the exhaust gases emitted by the engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/34—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with compressors, turbines or the like in the recirculation passage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/45—Sensors specially adapted for EGR systems
    • F02M26/46—Sensors specially adapted for EGR systems for determining the characteristics of gases, e.g. composition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0414—Air temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0418—Air humidity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/34—Control of exhaust back pressure, e.g. for turbocharged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/36—Control for minimising NOx emissions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Abstract

본 발명은 내연 엔진(20) 및 이 내연 엔진(20)을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
본 내연 엔진(20), 즉 대형 선박 엔진 또는 정치식(stationary) 엔진은, 적어도 200mm의 내경(22)을 갖는 적어도 하나의 실린더(21)를 포함한다. 내연 엔진(20)은 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치되는 EGR 경로(13)를 갖는 배기가스 재순환 시스템(1)을 포함하고, 또한 내연 엔진(20)은 터보 과급기(5)를 포함한다.
배기가스 재순환 시스템(1)은, 실린더를 떠나는 배기가스의 NOx 함량을 나타내는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제1 센서(12), 및 공기 입구(3)로 재순환되는 배기가스의 양을 제 1 센서(12)로부터의 신호에 기반하여 제어하도록 구성된 제어 유닛(11)을 포함한다.

Description

내연 엔진{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 바람직하게는 실린더의 내경이 적어도 200mm인 대형 해양용 또는 선박 엔진 또는 정치식(stationary) 엔진과 같은 내연 엔진에 관한 것이다. 엔진은 바람직하게는 2-행정 엔진 또는 2-행정 크로스 헤드 엔진이다. 엔진은 디젤 또는 가스 엔진, 이중 연료 또는 다중 연료 엔진일 수 있다. 이러한 엔진에서 액체 및/또는 기체 연료의 연소는 또한 자기 점화 또는 강제 점화로 가능하다.
엔진은 내부에 피스톤을 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는다. 피스톤은 크랭크축에 연결된다. 피스톤은 엔진의 작동 동안에 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 왕복한다. 실린더는 전형적으로 흡기를 위한 적어도 하나의 공기 통로 개구, 특히 실린더의 라이너에 배치되는 공기 입구, 및 배기를 위한 적어도 하나의 공기 통로 개구를 가지며, 배기 출구는 특히 실린더의 커버에 배치된다.
내연 엔진은 종방향으로 플러싱되는 2-행정 엔진일 수 있다.
내연 엔진이라는 용어는 또한 연료의 자기 점화를 특징으로 하는 디젤 모드뿐만 아니라. 연료의 포지티브 점화를 특징으로 하는 오토(Otto) 모드 또는 이들 두 모드의 혼합으로도 작동될 수 있다. 더욱이, 내연 엔진이라는 용어는 특히 이중 연료 엔진 및 연료의 자기 점화가 다른 연료의 포지티브 점화에 사용되는 대형 엔진을 포함한다.
엔진 속도는 바람직하게는 800RPM(4-행정) 미만이고, 더 바람직하게는, 저속 엔진의 지정을 나타내는 200RPM(2-행정) 미만이다.
연료는 디젤 또는 선박용 디젤유 또는 중유 또는 에멀젼 또는 슬러리 또는 메탄올 또는 에탄올뿐만 아니라 액화 천연 가스(LNG), 액화 석유 가스(LPG) 등과 같은 가스일 수 있다.
요청시 추가할 수 있는 다른 가능한 연료는 LBG(액화 바이오가스), 생물학적 연료(예컨대, 조류(Algae) 연료 또는 해초유), 수소, CO2 합성 연료(예컨대, Power-To-Gas 또는 Power-To-Liquid로 만들어짐).
대형 선박, 특히 상품 운송용 선박은 일반적으로 내연 엔진, 특히 디젤 및/또는 가스 엔진, 대부분 2-행정 크로스 헤드 엔진에 의해 동력 공급을 받는다. 중유, 선박용 디젤유, 디젤 또는 기타 액체와 같은 액체 연료의 경우뿐만 아니라 LNG, LPG 등과 같은 기체 연료의 경우에, 엔진에 의해 연소되면, 이 연소 과정에서 배출되는 배기 가스는 IMO Tier III 규칙과 같은 기존의 오염 물질 규제를 준수하도록 정화될 필요가 있다.
일반적으로 Tier I - Tier III 표준이라고 하는 IMO 배출 표준은 특히 기존의 그리고 새로운 해양용 엔진에 대한 NOx 배출 표준을 규정한다.
대형 선박의 경우, 특히 질소 산화물 배출과 관련하여 배출 요건이 증가하고 있다. 따라서, 이들 선박의 내연 엔진에서 배출되는 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)의 양을 규제할 필요가 있다.
선택적 촉매 환원(SCR) 및 배기 가스 재순환(EGR)이 디젤 엔진이 NOx를 줄이고 Tier III 제한을 달성하기 위한 주요 기술이다. SCR은 연소 후에 NOx를 감소시키는 반면, EGR은 NOx 생성을 감소시킨다.
EGR 비율이 너무 낮으면 NOx 배출량이 너무 높게 되고, EGR 비율이 너무 높으면 연소가 더 이상 일어나지 않는다. 그 결과 검댕(soot) 오염이 일어나는데 이는 엔진에 위험하다.
US10508606B2에는, 배출을 제어하기 위한 시스템이 나타나 있다. 제어기는 미립자 물질 및 NOx를 어떤 범위 내로 유지하기 위해 EGR 양을 변경하고 그런 다음에 NOx 센서 피드백에 근거하여 EGR 양을 더 조절함으로써 흡기 매니폴드 공기 온도, 흡기 유량, 또는 감지된 또는 추정된 흡기 산소 분율 중의 하나 이상에 응답하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 단을 피하고, 특히 종래 기술의 엔진보다 더 나은 성능을 갖는 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법을 제공하는 것이다.
위의 목적은 독립 청구항에 따른 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법에 의해 달성된다.
내연 엔진은 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 포함한다. 내연 엔진은 대형 선박 엔진 또는 정치식 엔진일 수 있다.
내연 엔진은 EGR 경로를 갖는 배기 가스 재순환 시스템을 포함한다. 배기 가스 재순환 시스템의 EGR 경로는 실린더의 배기 출구로부터 실린더의 공기 입구까지 이어져 있다.
배기가스 재순환 시스템은 저압 시스템일 수 있고, 배기가스는 터보 과급기의 터빈을 통해 안내될 수 있고, 이어서 배기 가스의 적어도 일부가 터보 과급기의 압축기를 통해 실린더의 공기 입구에 안내될 수 있다.
저압 EGR 시스템에서, 터보 과급기는 EGR 경로에 배치되며, 그래서 재순환된 배기 가스는 터보 과급기를 구동시키는 것에 기여한다.
실린더의 배기 출구로부터 실린더의 공기 입구까지 이어져 있는 EGR 경로는 터보 과급기의 터빈 및 터보 과급기의 압축기를 포함한다.
전형적으로, 배기가스는 터보 과급기에 의해 실린더의 공기 입구로 안내될 수 있고 신기(fresh air)와 혼합된다. 따라서, 터보 과급기의 압축기는 재순환될 배기 가스와 신기를 흡입한다.
전형적으로, EGR 경로는 바람직하게는 터보 과급기의 터빈의 하류에서 접합부를 포함하며, 이 접합부로부터 배기가스가 실린더의 공기 입구쪽으로, 바람직하게는 터보 과급기의 압축기로, 또는 배기가스 깔대기 쪽으로 안내될 수 있다.
대안적으로, 배기가스 재순환 시스템은 고압 시스템일 수 있으며, 여기서 배기가스는 압축기를 통과하지 않고, 바람직하게는 터보 과급기의 터빈을 통과하지 않고 실린더의 공기 입구로 안내된다.
배기가스 재순환 시스템은 실린더를 떠나는 배기가스의 NOx 함량을 나타내는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제 1 센서를 포함한다. NOx 함량이라는 용어는 NO x의 절대량, 예를 들어 배기 가스의 양과 관련된 NOx 농도, 또는 예를 들어 엔진의 부하와 관련된 NOx 비율을 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 센서는 ppm 단위의 NOx의 양과 관련된 신호를 제공하도록 구성된다.
제 1 센서는 EGR 경로에서 바람직하게는 터보 과급기의 터빈의 하류에서 그 옆에 배치될 수 있는데, 왜냐하면, 이 지점에서 배기가스는 여전히 뜨겁기 때문이다. 냉각된 배기가스는 센서의 손상을 야기할 수 있는 더 많은 습기를 포함할 수 있다.
NOx 함량은 UV 분광법(예컨대, DANFOSS IXA MES 1001 센서를 사용하여), 전기화학적 방법(예컨대, TESTO 340 또는 TESTO 350 센서를 사용하여) 또는 NDIR(예컨대, SICK MARSIC 300 센서를 사용하여)을 사용하여 결정될 수 있다. 대안적으로, 람다 측정, IR 흡수 또는 화학발광이 사용될 수 있다.
제 1 센서는 규칙적인 측정 및/또는 연속적인 측정을 제공하도록 구성될 수 있다.
배기가스 재순환 시스템은 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양을 제 1 센서로부터의 신호에 기반하여 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다. 제 1 센서는 신호를 제어 유닛에 전달하도록 구성될 수 있다.
제어 유닛은 특히 EGR 경로에서 배기가스 압력 및/또는 배기가스 유량을 설정하도록 구성된다.
배기가스 압력 및/또는 배기가스 유량을 설정함으로써, 배기가스 중에서 배기 출구에서 배출되는 부분은 EGR 경로를 따르도록 분기되고, 따라서 실린더 안으로 재순환되는 배기가스의 양이 결정된다.
공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양, 특히 배기가스 압력 및/또는 배기 가스 유량은 적어도 하나의 밸브 및/또는 송풍기를 작동시켜 설정될 수 있다.
밸브를 작동시킨다는 것은 밸브 개방을 확대하거나 감소시키는 것을 의미한다. 송풍기를 작동시킨다는 것은 송풍기 출력을 증가시키거나 감소시키는 것을 의미한다.
공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양, 특히 배기가스 압력 및/또는 EGR 유량은, 배기가스 중의 특정 NOx 레벨을 달성하고 또한 시스템에 대한 손상을 피하기 위해 조절될 수 있다.
제어 유닛은, 측정된 NOx가 너무 낮은 것으로 간주되는 경우 재순환되는 배기가스의 양을 감소시키며 그리고 측정된 NOx가 너무 높은 것으로 간주되는 경우 에는 재순환되는 배기가스의 양을 증가시키도록 구성될 수 있다.
NOx의 직접적인 피드백은 예상치 못한 영향에 대한 최고의 정확성 및 유연성을 허용한다.
실린더의 공기 입구는 소기 공기 수용부일 수 있다. 소기 공기 수용부에 들어가기 전에 가스는 소기 공기 냉각기를 통해 안내될 수 있다.
실린더의 배기 출구는 예를 들어 하나 이상의 실린더의 배기가스가 수집되는 배기 가스 수용부에 이어질 수 있다.
EGR 경로는 배기가스 냉각기 및 디미스터(demister)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제어 유닛은 NOx 함량을 미리 결정된 범위 내로 그리고/또는 미리 결정된 값 아래로 유지시키도록 구성된다. 제어 유닛은 폐루프 제어로 작동하도록 구성될 수 있으며, 여기서, 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양, 예를 들어 배기가스 압력 및/또는 배기가스 유량은, NOx 함량이 미리 결정된 범위 내에 있지 않고 그리고/또는 미리 결정된 값 아래에 있지 않은 한 또는 있자마자 조절된다.
미리 결정된 범위 및/또는 미리 결정된 값은 매장 테스트의 경험에 따라 선택될 수 있다.
미리 결정된 범위 및/또는 미리 결정된 값 아래는 오염 물질 규제에 의해 주어진 제한을 준수하도록 설정될 수 있다.
오염 물질 규제에 따른 제한은 NOx 비율로 규정될 수 있으며, 제 1 센서에 의해 제공되는 신호는 절대량과 관련될 수 있다. 예를 들어, NOx를 5.1 g/kWh 아래로 유지해야 할 수 있다
제 1 센서에 의해 제공되는 신호와 비교되는 오염 물질 규제에 기반하여 중요한 제한을 결정하기 위해 추가 파라미터가 고려될 수 있다.
제어 유닛은 바람직하게는 오염 물질 규제를 준수하기 위해 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터에 따라, 미리 결정된 범위 및/또는 미리 결정된 값을 설정하도록 구성될 수 있다.
주변 조건은 주변 온도, 주변 압력 및/또는 주변 습도를 포함한다.
터보 과급기의 작동 파라미터는 터빈 상류의 압력, 터빈 하류의 압력, 터빈 상류의 온도, 터빈 하류의 온도, 압축기 상류의 압력, 압축기 하류의 압력, 압축기 상류의 온도, 압축기 하류의 온도, 터빈 노즐 면적, 터빈 속도, 터빈 우회율, 추가 송풍기의 상태, 터빈 유동의 특성을 포함한다.
추가적으로, 배기가스 냉각기 하류의 배기가스 온도, 배기가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브의 위치가 고려될 수 있다.
엔진은 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터를 나타내는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제 2 센서를 포함할 수 있다.
제 2 센서는 배기가스 냉각기 하류의 배기가스의 온도, 배기가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브의 위치를 나타내는 신호를 제공할 수 있다.
제어 유닛은 바람직하게는 제 2 센서에 의해 제공되는 신호를 수신하도록 구성된다.
제어 유닛은 NOx 함량에 대한 제한 범위 및/또는 제한 값을 결정하기 위해 제 2 센서의 신호를 사용하도록 구성될 수 있다.
내연 엔진의 유리한 실시 형태에서, 제어 유닛은, 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로를 통한 압력 강하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터에 기반하여, 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양을 제어하도록 추가로 구성된다. 추가적으로, 배기가스 냉각기 하류의 배기가스의 온도, 배기가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브의 위치가 고려될 수 있다.
제어 유닛은 피드백 제어 내에서 및/또는 예측 제어로 위에서 언급된 파라미터에 기반하여 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양을 제어하도록 구성될 수 있다.
NOx 측정이 가능하지 않은 경우, 제어 유닛은 위에서 언급된 파라미터에 기반하여 NOx 함량을 예측할 수 있고 또한 그 예측된 NOx 함량에 기반하여 배기가스 압력 및/또는 배기가스 유량을 설정할 수 있다. 제어 유닛은 예측된 NOx 함량을 미리 결정된 범위 내로 그리고/또는 미리 결정된 값 아래로 유지시키도록 구성될 수 있다.
제어 유닛은 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 압축 압력, 엔진 부하, 또는 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터를 나타내는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제 2 센서의 적어도 하나의 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛은 신호 또는 신호의 조합을 미리 결정된 범위 내로 그리고/또는 미리 결정된 값 아래로 유지시키도록 구성될 수 있다.
제어 유닛은 매장 테스트에서 개발된 모델을 사용하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛은 모델이 저장되는 저장 장치를 포함할 수 있고, 엔진의 작동 동안에 그 저장 장치에 접근이 가능하다.
모델은 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 압축 압력, 엔진 부하, 발화 압력, 터보 과급기의 작동 파라미터, 배기가스 냉각기 하류의 배기가스 온도, 배기가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브의 위치의 값들을 예측된 NOx 값 또는 미리 결정된 범위 또는 제한 값에 관련시키는 템플릿(template) 또는 맵으로서 저장될 수 있다.
제어 유닛은, 배기가스 재순환 시스템을 통과하는 배기가스의 유동이 제 1 센서로부터의 신호에 기반하여 제어되는 제 1 모드와, 배기가스 재순환 시스템을 통과하는 배기가스의 유동이 주변 조건, 소기 공기 압력, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로를 통한 압력 강하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터에 기반하여 제어되는 제 2 모드 사이에서 바람직하게 자동적으로 변경하도록 구성될 수 있다. 제2 모드에서, 배기가스 재순환 시스템을 통과하는 배기가스의 유동은 제 1 센서로부터의 신호에 기반하여 제어되지 않는다. 따라서 제어 유닛은 제 2 모드에서 실린더를 떠나는 배기가스의 NOx 함량을 직접 사용하지 않는다.
NOx 측정이 불가능하거나 실패한 경우 또는 NOx 측정에 기반하는 폐루프 제어가 불안정한 경우, 제어 유닛은, NOx 측정이 필요하지 않은 제 2 모드로 전환될 수 있다.
제어 유닛은, NOx 함량에 기반하는 제어가 불가능하거나 권할 만한 것이 아닌 상황을 검출하도록 구성될 수 있고, 또한 모드를 자동적으로 변경하도록 구성될 수 있다.
제어 유닛은, 예를 들어, 검출된 파라미터, 사용자의 입력 및/또는 미리 결정된 기간에 따라 제2 모드를 스위치 오프하고 그리고/또는 다시 제 1 모드로 전환하도록 구성될 수 있다.
제어 유닛은 Tier II 모드로 전환하도록 구성될 수 있고, 이 모드에서 엔진은 배기가스 순환 없이 작동된다.
예를 들어 과도기적 상태 동안에, 제 2 모드는 예측 모델만 사용하여 안전한 부하 변경을 가능하게 할 수 있다.
NOx 측정이 없는 피드백 제어 및 예측 제어는 NOx 측정에 기반한 제어보다 덜 정확하다. 이는 매장 테스트에서 검사되지 않은 예상치 못한 변화에는 대응할 수 없다.
따라서, 제어 유닛은 가능할 때마다 제 1 모드로 전환하도록 구성되어야 한다. 예를 들어 안정적인 부하가 달성될 수 있자마자, 제 1 모드가 다시 활성화된다.
내연 엔진은, EGR 경로와 배기가스 깔대기 사이에 배치되어 EGR 경로에 적응 가능한 배압을 제공하는 배기가스 배압 장치, 특히 배기 배압 밸브를 포함할 수 있다.
제어 유닛은 배기가스 배압 장치의 설정을 통해 배기가스 압력을 설정하여 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양을 제어하도록 구성될 수 있다.
배기가스 배압 장치는 동력 작동식, 전기 작동식 또는 스프링 작동식일 수 있다. 바람직하게는 밸브는 공압식 또는 유압식으로 작동된다.
배기가스 유동 제한 장치는 접합부와 배기가스 깔대기 사이에 배치될 수 있다.
배기가스 배압 밸브가 많이 열릴수록, 가스가 배기가스 깔대기의 방향으로 흐를 확률이 더 높아진다. 배기가스 배압 밸브가 더 많이 닫힐수록, EGR 경로에서의 배기 압력이 더 높아지고 또한 EGR 경로 안으로 들어가는 유동이 더 높아진다.
배기가스 처리 장치가 배기가스 유동 제한 장치, 예를 들어 배기가스 배압 밸브와 깔대기 사이에 배치될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 내연 엔진은, 특히 EGR 경로에 배치되어 EGR 경로에 적응 가능한 압력을 제공하는 송풍기를 포함할 수 있다. 제어 유닛은 송풍기의 설정을 통해 배기가스 압력 및 배기가스 유량을 설정함으로써 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양을 제어하도록 구성될 수 있다.
내연 엔진은 EGR 경로에서 바람직하게는 배기가스 냉각 장치의 하류에 배치되는 유동 제어 장치, 특히 배기가스 재순환 밸브를 포함할 수 있다.
제어 유닛은 유동 제어 장치의 설정을 통해 배기가스 유량을 설정함으로써 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양을 제어하도록 구성될 수 있다.
측정된 NOx가 너무 높은 경우(예컨대, 미리 결정된 범위 위에 있으면), 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양은, 배기 깔대기 상류의 배기가스 배압 밸브를 닫고 그리고/또는 EGR 경로에 있는 배기가스 재순환 밸브를 열어 증가될 수 있다.
측정된 NOx가 너무 낮은 경우(예컨대, 미리 결정된 범위 아래에 있거나 미리 결정된 값 위에 있으면), 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양은, 배기가스 배압 밸브를 열고 그리고/또는 배기가스 재순환 밸브를 닫아 감소될 수 있다.
공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양은 EGR 비율에 대응하며, 이 비율은 CO2 함량에 따라 결정될 수 있다:
EGR 비율[%] = 100(CO2,흡기 - CO2,공기)/(CO2,엔진 배출 - CO2,공기).
배기가스 재순환 밸브는 더 낮은 EGR 비율에 사용되고 배압 밸브는 더 높은 EGR 비율에 사용될 수 있다. 본 발명의 목적은 또한 전술한 바와 같은 내연 엔진을 작동시키는 방법으로 달성된다.
본 방법은 배기가스의 적어도 일부를 공기 입구로 재순환시키는 단계; 실린더를 떠나는 배기가스의 NOx 함량을 나타내는 신호를 제공하는 단계; 및 배기가스 압력 및/또는 배기가스 유량을 설정하여 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 양을 신호에 기반하여 제어하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, EGR 경로와 배기가스 깔대기 사이에 배치되는 배기가스 배압 장치 및/또는 EGR 경로에 배치되는 유동 제어 장치는 바람직하게는 제어 유닛을 통해 설정된다.
배기가스 배압 장치는 EGR 경로와 깔대기 사이에 배치되는 배기가스 배압 밸브일 수 있다.
유동 제어 장치는 바람직하게는 배기가스 재순환 밸브이고, 이 밸브는 바람직하게는 배기가스 냉각 장치의 하류에서 터보 과급기의 압축기의 바로 상류에 배치된다.
NOx 함량을 나타내는 신호는 미리 결정된 범위 및/또는 미리 결정된 값과 비교될 수 있으며, 신호가 미리 결정된 범위 내에 있지 않고 그리고/또는 미리 결정된 값 보다 높으면, 배기가스 재순환 시스템을 통과하여 공기 입구로 가는 배기가스의 양이 변할 수 있다.
미리 결정된 범위 및/또는 미리 결정된 값의 위는 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로를 통한 압력 강하, 발화 압력, 터보 과급기의 작동 파라미터, 배기가스 냉각기 하류의 배기가스 온도, 배기 가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브 위치에 따라 선택될 수 있다.
추가로, 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 유동은 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로를 통한 압력 강하, 발화 압력, 터보 과급기의 작동 파라미터, 배기가스 냉각기 하류의 배기가스 온도, 배기 가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브의 위치에 기반하여 제어될 수 있다.
본 방법은 제 1 모드와 제 2 모드 사이에서 바람직하게는 자동적으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
제 1 모드에서 배기가스 재순환 시스템을 통과하는 배기가스의 유동은 제 1 센서의 신호에 기반하여 제어된다.
제 2 모드에서, 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 유동은, 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로를 통한 압력 강하, 발화 압력, 터보 과급기의 작동 파라미터, 배기가스 냉각기 하류의 배기가스 온도, 배기가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브의 위치에 기반하여 제어될 수 있다.
제 2 모드에서, 공기 입구로 재순환되는 배기가스의 유동은, 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로를 통한 압력 강하, 발화 압력, 터보 과급기의 작동 파라미터, 배기가스 냉각기 하류의 배기가스 온도, 배기가스 냉각기를 따른 압력 강하 및/또는 밸브의 위치를 나타내는 신호로서 제공되는 적어도 하나의 제 2 센서의 적어도 하나의 신호에 기반하여 제어될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 밸브는, EGR 경로와 배기가스 깔대기 사이에 배치되는 배기 배압 밸브, EGR 경로에서 바람직하게는 배기가스 냉각 장치의 하류에 배치되는 배기가스 재순환 밸브, EGR 경로에서 바람직하게는 배기가스 냉각 장치의 상류에 배치되는 차단 밸브, 및 바람직하게는 터빈 바이패스에 배치되는 배기 웨이스트 게이트를 포함한다.
배기 배압 밸브의 설정된 밸브 위치와 EGR 비율 사이의 관계 및 배기가스 재순환 밸브와 EGR 비율 사이의 관계는 밸브 위치의 넓은 범위에 걸쳐 선형적인 범위를 갖는다. 따라서 EGR 비율의 측정은 필요하지 않다.
EGR 비율을 증가시키기 위해, 먼저, 배기가스 재순환 밸브가 열릴 수 있으며, 배압 밸브는 완전히 열려 있다. 배기가스 재순환 밸브가 완전히 열리자 마자, 배압 밸브가 완전히 닫힐 때까지 EGR 비율을 더 증가시키기 위해 배압 밸브가 닫힐 수 있다.
배기가스 재순환 밸브와 후면의 경우 압력 밸브가 순차적으로 작동되고 또한 배기가스 재순환 밸브가 완전히 열린 후에 배압 밸브가 닫히기 시작 하면, 밸브 설정에 대한 EGR 비율의 종속성은 더 낮은 구배(gradient)의 범위를 포함한다.
배기가스 재순환 밸브가 거의 완전히 열려 있는 동안에, 다른 구배, 즉 더 낮은 구배를 갖는 범위가 생기고, 배기가스 재순환 밸브가 완전히 열리고 배압 밸브가 닫히기 시작할 때까지 배압 밸브는 여전히 열려 있다. 예를 들어, 배기가스 재순환 밸브의 개방이 50%보다 크면 그리고 배압 밸브가 거의 50%의 양으로 닫히기 전에, 더 낮은 구배를 갖는 범위가 생긴다.
바람직하게는, 배기가스 재순환 밸브 및 배압 밸브는 전체 밸브 설정 체제에 걸쳐 유사한 선형 관계, 바람직하게는 높은 구배를 영역에서 작동되며, 그래서 EGR 비율은 더 견고하게 그래서 더 정밀하게 제어될 수 있다.
다른 구배의 범위를 피하기 위해, 밸브는, 배기가스 재순환 밸브가 완전히 열리기 전에 배압 밸브가 이미 닫히도록 작동된다.
바람직하게는, EGR 비율을 증가시키기 위해, 제어 유닛은 배기가스 재순환 밸브를 열고 배압 밸브를 닫으며, 배기가스 재순환 밸브가 50% ∼ 100%, 바람직하게는 50% ∼ 70%, 더 바람직하게는 60%로 열린 후에, 배압 밸브가 닫히기 시작한다.
EGR 비율의 감소는 역방향으로 이루어지며, 이 경우, 배압 밸브가 완전히 열리기 전에 배기가스 재순환 밸브가 닫히기 시작한다.
바람직하게는, EGR 비율을 줄이기 위해, 제어 유닛은 배압 밸브를 열고 그리고 배기가스 재순환 밸브를 닫으며, 배압 밸브가 50% ∼ 100%, 바람직하게는 50% ∼ 70%, 더 바람직하게는 60%로 열린 후에, 배기가스 재순환 밸브가 닫히기 시작한다.
바람직하게는, 양쪽 밸브가 동시에 작동될 때, 그 양쪽 밸브는, 각각 열고 닫는 비율이 동시에 동일한 양만큼 변하도록 동일한 방식으로 작동된다. 이는, 예를 들어, 배기가스 재순환 밸브의 총 개방의 10%의 증가가 달성되고 반면에 배압 밸브의 개방은 총 개방의 10%만큼 감소하고 그 반대의 경우도 마찬가지임을 의미한다.
이하, 본 발명은 도면으로 실시 형태에서 더 설명된다. 동일한 참조 번호는 기능적으로 대응하는 특징을 나타낸다.
도 1은 연소 엔진의 제 1 예의 개략도를 나타낸다
도 2는 연소 엔진의 제 2 예의 개략도를 나타낸다.
도 3은 연소 엔진의 제 3 예의 개략도를 나타낸다.
도 4는 연소 엔진의 제 4 예의 개략도를 나타낸다.
도 5는 연소 엔진의 제 5 예의 개략도를 나타낸다.
도 6은 연소 엔진의 제 6 예의 개략도를 나타낸다.
도 7은 밸브 설정에 따른 EGR 비율을 개략적으로 나타낸다.
도 1은 적어도 200mm의 내경(22)을 갖는 왕복동 피스톤(23)을 갖는 실린더(21)를 포함하는 내연 엔진(20)의 제 1 예를 나타낸다. 내연 엔진(20)은 실린더(21)의 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치된 EGR 경로(13)를 갖는 배기 가스 재순환 시스템(1)을 포함한다. 내연 엔진(20)은 터빈(4) 및 압축기(10)를 갖는 터보 과급기(5)를 포함한다.
배기 가스 재순환 시스템(1)은 저압 시스템이며, 재순환된 배기 가스는, 배기 가스가 신기(fresh air)(6)와 혼합되는 터보 과급기(5)의 압축기(10)를 통해 실린더(21)의 공기 입구(3)로 안내될 수 있으며, 재순환된 배기 가스의 적어도 일부는 터보 과급기(5)의 터빈(4)을 통해 안내될 수 있다.
배기 웨이스트 게이트 밸브(27)가 개방되면, 배기 가스의 다른 부분이 터보 과급기(5)를 우회하여 터빈 바이패스(31)를 통해 안내될 수 있다.
내연 엔진(20)은 이중 연료 엔진일 수 있고 가스 도입 밸브(24)를 포함할 수 있다.
배기 가스 재순환 시스템(1)은 실린더(21)를 떠나는 배기 가스의 NOx 함량을 나타내는 신호를 제공하는 제 1 센서(12)를 포함한다. 이 센서는 터빈(4)의 하류에 배치된다.
배기 가스 재순환 시스템(1)은 제 1 센서(12)로부터의 신호에 기반하여 공기 입구(3)로 재순환되는 배기 가스의 양을 제어하도록 구성된 제어 유닛(11)을 포함한다. 제어 유닛(11)은 배기 가스 압력 및/또는 배기 가스 유량을 설정하도록 구성된다.
이를 위해, 제어 유닛(11)은 배기 가스 냉각 장치(8)의 하류에 있는 EGR 경로(13)에 배치되는 배기가스 재순환 밸브(7)를 제어할 수 있다. 제어 유닛(11)은 배기가스 배압 밸브(9)를 더 제어할 수 있고, 이 밸브는 EGR 경로(13)와 배기 가스 깔대기(14) 사이에 배치된다.
엔진(1)은 주변 온도, 주변 압력, 주변 습도와 같은 주변 조건을 측정하기 위한 제 2 센서(32)를 포함할 수 있다.
도 2는 제 1 예와 유사한 내연 엔진의 제 2 예를 나타낸다.
배기 가스는 배기 가스 수용부(17)에 수집된다. EGR 경로(13)는 냉각 장치(8) 및 디미스터(demister)(29)를 포함한다. 재순환된 배기 가스와 신기는 소기(scavenger) 공기 냉각기(19)를 통과하고 소기 공기 수용부(18)로 안내된다.
배기 가스 재순환 시스템(1)은 소기 공기 압력 및/또는 소기 공기 온도와 관련된 신호를 측정하기 위한 제 2 센서(32)를 포함한다. 그 신호는 제어 유닛(11)에 의해 수신될 수 있다.
제 1 센서(12)는, 터빈(4) 뒤에 위치되어 배기 가스 내의 NOx 함량을 ppm 단위로 측정한다. 측정된 값과 특정 부하에 대한 미리 규정된 목표 값의 차는 EGR 비율의 폐루프 제어에 사용될 수 있다.
측정된 NOx 값이 너무 높으면, EGR 비율은 증가되어야 하거나, 또는 측정된 NOx 값이 너무 낮으면 EGR 비율은 감소될 수 있다.
EGR 비율은 2개의 밸브(7, 9)의 도움으로 조절될 수 있다. 배기가스 재순환 밸브(7)는 압축기(10)의 바로 상류에서 냉각 장치(8) 또는 디미스터(29)의 출구에 위치된다. 배기 가스 재순환 밸브(7)가 폐쇄되는 경우, EGR 비율은 0이다. 냉각 장치(8) 및 디미스터(29)를 통과하는 배기 가스의 유동은 없다. 배기 가스 재순환 밸브(7)가 개방될 수 있고 EGR 비율이 증가할 것이다. 배기 가스 재순환 밸브(7)가 완전히 열리자 마자, 냉각 장치(8) 및 디미스터(29)에 대한 압력 손실이 이 경우에 대한 최대 EGR 비율을 규정한다.
그래서, 일반적으로, EGR 비율은 20 ∼ 30%이다.
EGR 비율을 더 증가시키기 위해, EGR 경로(13)와 깔대기(14) 사이의 배기 배압 밸브(9)가 사용되어 터빈(4) 뒤의 배압을 증가시킬 수 있고 또한 냉각 장치(8) 및 디미스터(29)를 통과하는 유동을 증가시킬 수 있다.
배기 배압 밸브(9)는 일반적으로 완전히 열려 있다. 배기 가스 재순환 밸브(7)가 적어도 50%, 바람직하게는 60%로 열리자마자 배기 배압 밸브(9)가 닫히기 시작해야 한다. 배기가스 재순환 밸브(7)가 완전히 열리고 배기 배압 밸브(9)가 완전히 닫히면, 최대 EGR 비율이 달성될 수 있다.
전형적으로, 제 1 센서(12)는 터빈(4) 뒤의 배기 가스 내의 NOx 함량을 ppm으로 측정한다. IMO NOx 규정은 비 NOx 배출량(g/kWh)을 제한한다.
NOx 한계에 대한 계산은 기준 값과 비교하여 습도[g/kg], 주변 온도[K] 및 소기 공기 온도[℃]에 대한 보정을 포함한다. 그 계산은 또한 소기 공기 압력[bar] 및 배기 웨이스트 게이트 밸브(27)의 위치[%]와 같은 측정값에 비례하는, 엔진을 통과하는 유동을 고려한다.
MEPC 58/23/Add.1 Annex 14, 5장에 따라 배출량이 습식 기준으로 측정되지 않는 경우, 측정된 농도(cd)는 cw = kw cd 공식에 따라 습식 기준(cw)으로 변환되어야 한다. 계수 kw는 흡기 공기의 절대 습도, 흡기 공기의 질량 유량, 연료의 질량 유량, CO2 농도, CO 농도, 연료의 H, N 및 O 함량에 따라 달라질 수 있다. 흡기 공기의 절대 습도는 주변 온도와 기압에 기반하여 결정될 수 있다.
연료의 질량 유량 및 CO2 의 측정 대신에, CO 농도 터빈 에너지 균형이 사용될 수 있다.
추가 정보, 예를 들어 냉각 장치(8) 및 디미스터(29)에 대한 압력 손실은 다른 제 2 센서(32)(도에는 명시적으로 나타나 있지 않음)에 의해 제공될 수 있고, 시스템이 예상대로 거동하는지 그리고 측정된 NOx 값이 그럴듯한지의 여부를 추정하기 위해 사용될 수 있다.
냉각 장치(8) 및 디미스터(29)에 대한 압력 손실은 냉각 장치(8) 및 디미스터(29)에 대한 차압 측정을 통해 측정될 수 있다.
차단 밸브(26)에서 배기 가스 재순환 밸브(7)까지 또는 유동에 대해 특징적인 EGR 경로(13)의 특정 요소에 대해 측정하는 것도 가능하다.
특정 부하에서 목표 압력 손실에 대한 측정된 압력 손실의 편차가 미리 규정된 값보다 높은 경우, 밸브 위치의 조절을 따를 필요가 있을 수 있다.
측정된 압력 손실이 너무 낮고 측정된 NOx가 너무 높거나 또는 측정된 압력 손실이 너무 높고 측정된 NOx가 너무 낮으면, 압력 측정이 정확한지 그리고/또는 밸브 위치가 정확하게 설정되어 있는지를 확인할 필요가 있다.
압력 손실 측정값이 미리 규정된 범위 내에 있고 NOx 측정 편차가 특정 한계를 초과하면, NOx 측정을 확인해야 한다.
추가 조절이 명백히 틀린 방향으로 이어지는 경우, 손상이 발생할 수 있음에 따라 NOx 신호는 사용하지 않아야 한다.
이 경우, 오퍼레이터는 예를 들어 제 1 모드로 전환하거나 Tier II 체제 또는 가스 모드로 다시 변경하도록 촉구 받을 수 있다.
NOx 편차가 낮은 경우(미리 규정된 한계 아래로), 제어 유닛(11)은 제 1 모드로 작동할 수 있고 EGR 비율은 NOx 측정에 기반하여 조절할 수 있다.
EGR 비율의 조절은 단계적으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 배기 가스 재순환 밸브(7)의 밸브 위치는 NOx 편차에 비례하는 양으로 변경된다.
NOx의 측정은 어떤 시간 후에, 예를 들어 몇 분 후에 반복된다. NOx 목표값이 여전히 달성되지 않으면, 밸브 위치가 다시 조절된다.
부하가 변하는 경우, 제어 유닛(11)은 제 2 모드로 변경되고 그리고 다시 제 1 모드로 전환될 수 있으며, 부하가 다시 안정적이자 마자, 폐루프 NOx 제어가 사용된다. NOx를 연속적으로 측정할 필요는 없고, 안정적인 부하가 달성되는 경우에만 측정할 수 있다.
NOx 측정값은 규정된 간격으로, 예를 들어 안정적인 부하에서 최종 조절 후 15분마다 제공될 수 있다.
NOx 센서는 능동형일 수 있고 제어 유닛(11)은 디젤 모드 동안 제 1 모드로만 작동할 수 있다.
과도기의 경우, 폐루프 NOx 제어는 비활성화될 수 있다. 제 2 모드로 변경될 수 있고, 이 모드에서, 스모크를 피하기 위해 피드포워드 값이 일시적으로 사용될수 있다.
도 3은 제 2 예와 유사한 연소 엔진(21)의 제 3 예의 개략도를 나타낸다. 배기 배압 밸브(9)(도 2 참조) 대신에, 송풍기(28)가 EGR 경로(13)에 배치된다.
송풍기(28)는 배압 밸브(9)와 유사하게 작동된다. EGR 비율을 증가시키기 위해, 배압 밸브(9)를 폐쇄하는 대신에, 송풍기(28)의 전력이 증가된다.
도 4는 연소 엔진(21)의 제 4 예의 개략도를 나타내는데, 여기서 배기 가스 재순환 시스템(1)은 고압 시스템이다. EGR 경로(13)는 터빈 바이패스(31)의 상류에서 분기되며 터보 과급기를 포함하지 않는다.
배기 가스는 소기 공기 냉각기(19)의 하류에서 신기와 혼합된다.
배기 배압 밸브(9)는 터빈 바이패스(31)의 상류에 배치된다.
도 5는 제 4 예와 유사한 연소 엔진(21)의 제 5 예의 개략도를 나타낸다.
EGR 경로(13)는 터빈(4)의 상류에서 분기된다. 배기 배압 밸브(9)는 터빈 바이패스(31)의 하류에서 그리고 터빈(4)의 상류에 배치된다.
도 6은 제 4 및 제 5 예와 유사한 연소 엔진(21)의 제 6 예의 개략도를 나타낸다. 배기 배압 밸브(9)(도 4, 5 참조) 대신에, 송풍기(28)가 EGR 경로(13)에 배치된다.
도 7은 밸브 설정에 따른 EGR 비율을 개략적으로 나타낸다.
EGR 비율을 높이려면, 먼저 배기 가스 재순환 밸브(7)(이전 도 참조)가 닫히고 그런 다음에 배압 밸브(9)(이전 도 참조)가 닫힐 수 있다.
배기 가스 재순환 밸브가 완전히 열린 후에 배압 밸브가 닫히기 시작하는 경우, EGR 비율과 밸브 설정 사이의 관계(개방된 원으로 나타나 있음)는 평평한 영역을 갖는다.
배기 가스 재순환 밸브가 70%로 열린 후 배압 밸브가 닫히기 시작하는 경우, EGR 비율과 밸브 설정 사이의 관계(폐쇄 원으로 나타나 있음)(평평한 영역)는 더 작게 된다.
배기 가스 재순환 밸브가 단지 60%(개방된 정사각형으로 나타나 있음) 또는 심지어 50%(폐쇄된 정사각형으로 나타나 있음)으로 열린 후에 배압 밸브가 닫히기 시작하면, EGR 비율과 밸브 설정 사이의 관계는 전체 설정 범위에 걸쳐 거의 선형적으로 되고, 이는 완전히 닫힌 배기 가스 재순환 밸브(FRV, 0%)와 완전히 열린 배압 밸브(BPV, 100%)에서 시작하여 완전히 열린 배기 가스 재순환 밸브(FRV, 100%) 및 완전히 닫힌 배압 밸브(BPV, 0%)로 끝난다.
배기 가스 재순환 밸브와 배압 밸브의 밸브 설정들이 겹칠 때 EGR 비율은 전체 설정 범위에 걸쳐 밸브 설정에서 동일한 방식으로 민감하다. 이리하여 제어 개념은 견고하게 되고, 그래서 EGR 비율이 매우 정밀하게 설정될 수 있다.
1 배기가스 재순환 시스템
2 배기 출구
3 공기 출구
4 터빈
5 터보 과급기
6 신기(fresh air)
7 유동 제어 장치
8 냉각 장치
9 배기가스 배압 장치
10 압축기
11 제어 유닛
12 제 1 센서
13 EGR 경로
14 배기 가스 깔대기
17 배기 가스 수용부
18 소기 공기 수용부
19 소기 공기 냉각기
20 내연 엔진
21 실린더
22 내경
23 피스톤
24 가스 도입 밸브
26 차단 밸브
27 배기 웨이스트 게이트
28 송풍기
29 디미스터
31 터빈 바이패스
32 소기 공기 압력 센서

Claims (15)

  1. 내연 엔진(20), 즉 대형 선박 엔진 또는 정치식(stationary) 엔진으로서, 적어도 200mm의 내경(22)을 갖는 적어도 하나의 실린더(21)를 포함하고, 내연 엔진(20)은 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치되는 EGR 경로(13)를 갖는 배기가스 재순환 시스템(1)을 포함하고,
    상기 내연 엔진(20)은 터보 과급기(5)를 포함하고,
    상기 배기가스 재순환 시스템(1)은,
    실린더를 떠나는 배기가스의 NOx 함량을 나타내는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제1 센서(12), 및
    상기 공기 입구(3)로 재순환되는 배기가스의 양을 상기 제 1 센서(12)로부터의 신호에 기반하여 제어하도록 구성된 제어 유닛(11)을 포함하고,
    상기 제어 유닛(11)은 바람직하게는 적어도 하나의 밸브 및/또는 송풍기를 설정하도록 구성되어 있는, 내연 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 시스템(1)은 저압 시스템이고, 재순환된 배기가스는 터보 과급기(5)의 압축기(10)를 통해 실린더(21)의 공기 입구(3)로 안내될 수 있고, 재순환된 배기 가스의 적어도 일부는 터보 과급기(5)의 터빈(4)을 통해 안내될 수 있는, 내연 엔진(20).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(11)은 NOx 함량을 미리 결정된 범위 내로 그리고/또는 미리 결정된 값 아래로 유지시키도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(11)은 또한 바람직하게 오염 물질 규제를 준수하도록 주변 온도, 주변 압력, 주변 습도와 같은 주변 조건, 소기(scavenging) 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터에 따라 상기 미리 결정된 범위 및/또는 미리 결정된 값을 설정 하도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 주변 온도, 주변 압력, 주변 습도와 같은 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터를 나타내는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제 2 센서(32)를 포함하고, 상기 제어 유닛(11)은 바람직하게는 상기 제 2 센서에 의해 제공되는 신호를 수신하도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(11)은 바람직하게는 피드백 제어 내에서 그리고/또는 예측 제어로 주변 온도, 주변 압력, 주변 습도와 같은 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로(13)를 통한 압력 강하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터에 기반하여 공기 입구(3)로 재순환되는 배기가스의 양을 제어하도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(11)은, 배기가스 재순환 시스템(1)을 통과하는 배기가스의 유동이 상기 제 1 센서(12)로부터의 신호에 기반하여 제어되는 제 1 모드와, 배기가스 재순환 시스템(1)을 통과하는 배기가스의 유동이 주변 온도, 주변 압력, 주변 습도와 같은 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로(13)를 통한 압력 강하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기(7)의 작동 파라미터에 기반하여 제어되는 제 2 모드 사이에서 바람직하게 자동적으로 변경하도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 엔진(20)은, EGR 경로(13)와 배기가스 깔대기 사이에 배치되어 EGR 경로(13)에 적응 가능한 배압을 제공하는 배기가스 배압 장치(9), 특히 배기 배압 밸브를 포함하고, 상기 제어 유닛(11)은 바람직하게는 상기 배기가스 배압 장치(9)의 설정을 통해 배기가스 압력을 설정하여 공기 입구(3)로 재순환되는 배기 가스의 양을 제어하도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 엔진(20)은 특히 EGR 경로에 배치되어 EGR 경로(13)에 적응 가능한 압력을 제공하는 송풍기(28)를 포함하며, 상기 제어 유닛(11)은, 바람직하게는, 송풍기(28)의 설정을 통해 배기가스 압력을 설정하여 공기 입구(3)로 재순환되는 배기 가스의 양을 제어하도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 엔진(20)은 EGR 경로(13)에 배치되는 유동 제어 장치(7), 특히 배기가스 재순환 밸브를 포함하고, 상기 제어 유닛(11)은, 바람직하게는, 유동 제어 장치(7)의 설정을 통해 배기가스 유량을 설정하여 공기 입구(3)로 재순환되는 배기 가스의 양을 제어하도록 구성되어 있는, 내연 엔진(20).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진(20)을 작동시키기 위한 방법으로서,
    배기가스의 적어도 일부를 공기 입구(3)로 재순환시키는 단계;
    실린더를 떠나는 배기가스의 NOx 함량을 나타내는 신호를 제공하는 단계; 및
    적어도 하나의 밸브 및/또는 송풍기를 설정하여, 공기 입구(3)로 재순환되는 배기가스의 양을 상기 신호에 기반하여 제어하는 단계를 포함하는, 내연 엔진을 작동시키기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    EGR 경로(13)와 배기가스 깔대기 사이에 배치된 배기가스 배압 장치(9)를 설정하는 단계 및/또는 EGR 경로(13)에 배치된 유동 제어 장치(7)를 설정하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 신호를 미리 결정된 범위 및/또는 미리 결정된 값과 비교하는 단계 및 신호가 상기 미리 결정된 범위 내에 있지 않고 그리고/또는 미리 결정된 값 보다 높으면 배기가스 재순환 시스템(1)을 통해 공기 입구(3)로 재순환되는 배기 가스의 양을 변경하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로(13)를 통한 압력 강하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기(5)의 작동 파라미터에 기반하여, 상기 공기 입구(3)로 재순환되는 배기가스의 유동을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기가스 재순환 시스템(1)을 통과하는 배기가스의 유동이 제 1 센서(12)로부터의 신호에 기반하여 제어되는 제 1 모드와, 배기가스 재순환 시스템(1)을 통과하는 배기가스의 유동이 주변 조건, 소기 공기 압력, 소기 공기 온도, 소기 공기 습도, 압축 압력, 엔진 부하, EGR 경로(13)를 통한 압력 강하, 발화 압력 및/또는 터보 과급기의 작동 파라미터에 기반하여 제어되는 제 2 모드 사이에서 바람직하게 자동적으로 변경하는 단계를 포함하는 방법.
KR1020220132153A 2021-10-18 2022-10-14 내연 엔진 KR20230055371A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21203070.4 2021-10-18
EP21203070.4A EP4166775A1 (en) 2021-10-18 2021-10-18 Internal combustion engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230055371A true KR20230055371A (ko) 2023-04-25

Family

ID=78528602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220132153A KR20230055371A (ko) 2021-10-18 2022-10-14 내연 엔진

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4166775A1 (ko)
JP (1) JP2023060818A (ko)
KR (1) KR20230055371A (ko)
CN (1) CN115992784A (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008131789A1 (de) * 2007-04-26 2008-11-06 Fev Motorentechnik Gmbh Regelungssystem zur regelung der abgasrückführrate mittels virtuellem nox-sensors mit adaption über einen nox sensor
CN102341589B (zh) * 2009-03-18 2013-08-28 曼恩柴油机涡轮公司,曼恩柴油机涡轮德国公司子公司 带有排气或者燃烧气体再循环的大型涡轮增压二冲程柴油发动机和用于减少NOx和碳烟排放的方法
DK177388B1 (en) * 2011-01-31 2013-03-04 Man Diesel & Turbo Deutschland Large turbocharged two-stroke diesel engine with exhaust gas recirculation
US10508606B2 (en) 2014-10-22 2019-12-17 Ge Global Sourcing Llc Method and systems for airflow control
EP3722572A1 (en) * 2019-04-12 2020-10-14 Winterthur Gas & Diesel Ltd. Internal combustion engine

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023060818A (ja) 2023-04-28
CN115992784A (zh) 2023-04-21
EP4166775A1 (en) 2023-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111810322B (zh) 内燃发动机
US8857156B2 (en) Engine utilizing a plurality of control valves, and a related method thereof
US7302918B2 (en) Method and apparatus for providing for high EGR gaseous-fuelled direct injection internal combustion engine
US6948475B1 (en) Optimized combustion control of an internal combustion engine equipped with exhaust gas recirculation
US7620490B2 (en) Fuel injection control device for internal combustion engine
AU2013245468B2 (en) System and method for controlling exhaust emissions and specific fuel consumption of an engine
US20050103014A1 (en) Dual loop exhaust gas recirculation system for diesel engines and method of operation
CZ79197A3 (cs) Recirkulační systém výfukových plynů pro vznětový motor a způsob regulace a recirkulace výfukových plynů
CA2559240A1 (en) Fumigation system for a diesel engine
CN112105808B (zh) 内燃机、内燃机的控制方法及内燃机的控制系统
KR20230055371A (ko) 내연 엔진
JP7266680B2 (ja) 内燃機関制御装置
DK201670286A1 (en) A internal combustion engine with fuel gas property measurement system
EP4219921A1 (en) Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine
JP6938800B2 (ja) 平均排出量を決定するように構成される内燃機関及び内燃機関の平均排出量を決定する方法
EP4261393A1 (en) Internal combustion engine
Wang et al. Predication emission of an intelligent marine diesel engine based on modeling of bp neural networks
KR20230017138A (ko) 대형 2행정 터보차지 유니플로 스캐빈지 내부 연소 엔진 및 엔진 작동 방법
JP2023111863A (ja) 大型エンジンを動作させるための装置及び方法
JP2021055659A (ja) 燃料改質エンジン