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KR102677221B1 - 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 상기 방법의 용도 및 대형 디젤 엔진 - Google Patents

대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 상기 방법의 용도 및 대형 디젤 엔진 Download PDF

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KR102677221B1
KR102677221B1 KR1020160055147A KR20160055147A KR102677221B1 KR 102677221 B1 KR102677221 B1 KR 102677221B1 KR 1020160055147 A KR1020160055147 A KR 1020160055147A KR 20160055147 A KR20160055147 A KR 20160055147A KR 102677221 B1 KR102677221 B1 KR 102677221B1
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diesel engine
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마르켈 오트
Original Assignee
빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Abstract

대형 디젤 엔진을 작동하는 방법이 제안되고, 상기 대형 디젤 엔진은 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있고 상기 가스 모드에서 가스는 연료로서 실린더 (21) 로 도입되고 연소 후 출구 밸브 (24) 를 통하여 방출되고, 상기 가스 모드에서 작동 (10) 중 강한 부하 변화 상태가 검출되고 (13) 그 후 상기 대형 디젤 엔진은:
- 상기 가스 모드에서 상기 출구 밸브를 폐쇄하기 위해 드웰 각도를 설정하는 단계,
- 상기 드웰 각도에 대한 보정값을 결정하는 단계 (14),
- 상기 드웰 각도를 상기 보정값과 연관지음으로써 과도 드웰 각도를 결정하는 단계 (14);
- 상기 과도 드웰 각도에서 상기 출구 밸브를 폐쇄하는 단계 (15) 를 포함하는 과도 모드에서 작동된다. 또한, 이러한 방법에 따라 작동되는 대형 디젤 엔진이 제안된다.

Description

대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 상기 방법의 용도 및 대형 디젤 엔진{METHOD OF OPERATING A LARGE DIESEL ENGINE, USE OF THIS METHOD, AS WELL AS LARGE DIESEL ENGINE}
본 발명은, 각각의 카테고리의 독립항의 전제부에 따른, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법, 대형 디젤 엔진 및 상기 방법의 용도에 관한 것이다.
2 행정 또는 4 행정 기계들로서, 예를 들어 종방향으로 소기되는 2 행정 대형 디젤 엔진으로서 구성될 수 있는 대형 디젤 엔진들은 선박용 구동 집합체들로서 또는 작동 정지 (stationary) 모드에서, 예컨대 전기 에너지를 발생시키기 위한 대형 발전기들을 구동하기 위해 종종 사용된다. 이와 관련하여 엔진들은 일반적으로 작동 안전성 및 가용성에 대해 높은 요구를 나타내는 연속 작동 모드에서 상당한 기간 동안 가동된다. 이런 이유들 때문에 특히 긴 유지보수 간격, 낮은 마모 및 작동 연료들의 경제적 취급이 작동자에게 가장 중요한 기준들이다.
몇 년 동안 추가 필수 사항 및 중요성이 높아지는 필수 사항은 배기 가스의 품질, 특히 배기 가스 중 산화 질소 농도이다. 여기에서 대응하는 배기 가스 값들에 대한 법 규정과 한계치들은 점점 더 엄격해지고 있다. 특히 2 행정 대형 디젤 엔진들을 고려하면 이것은, 오염물질들이 많이 로딩된 전형적인 중연료유의 연소 및 또한 디젤유 또는 그 밖의 다른 연료의 연소가 더욱 문제가 되는 결과를 낳는데, 왜냐하면 배기 가스 한계치들의 유지가 점점 더 어려워지고, 기술적으로 더 요구가 많아지고 이리하여 더 많은 비용이 들거나 결국, 그것의 유지가 합리적으로 심지어 더이상 가능하지 않기 때문이다.
이런 이유 때문에 소위 "듀얼 연료 엔진들", 즉 2 가지 다른 종류의 연료로 작동될 수 있는 엔진들에 대한 요구가 실제로 장기간 동안 존재하였다. 가스 모드에서는 가스, 예컨대 천연 가스, 예로 LNG (액화 천연 가스) 또는 액화 석유 가스 또는 연소 엔진의 구동에 적합한 다른 가스 형태의 가스가 연소되고, 반면에 액체 모드에서는 휘발유, 디젤, 중연료유 또는 다른 적합한 액체 연료와 같은 적합한 액체 연료가 동일한 엔진에서 연소된다. 엔진들은 이와 관련하여 2 행정 엔진들 뿐만 아니라 4 행정 엔진들 둘 다일 수 있고 이와 관련하여 이 엔진들은 소형 엔진들, 중형 엔진들 및 또한 대형 엔진들일 수 있고, 특히 또한 종방향으로 소기되는 2 행정 대형 디젤 엔진들일 수 있다.
또한 용어 "대형 디젤 엔진" 을 사용할 때 디젤 작동 모드와 상이하고, 연료의 자기 점화로 특징짓는 형태로 작동될 수 있고, 또한 연료의 외부 점화로 특징짓는 작동의 휘발유 엔진 모드에서, 또는 이 두 작동 모드들의 혼합된 작동 형태로 작동될 수 있는 이러한 대형 엔진들을 의미한다. 용어 대형 디젤 엔진은 특히 또한 소위 듀얼 연료 엔진들 및 연료의 자기 점화가 다른 연료의 외부 점화에 사용되는 이러한 대형 엔진들을 추가로 포함한다.
액체 모드에서, 연료는 전형적으로 실린더의 연소 공간으로 직접 도입되고 자기 점화의 원리에 따라 연소 공간에서 연소된다. 가스 모드에서는, 이와 같이, 실린더의 연소 공간에서 점화성 혼합물을 이와 같이 생성하도록 작동의 오토 (Otto) 원리 모드에 따라 가스 상태의 가스와 소기 공기를 혼합하는 것이 공지되어 있다. 이런 저압 방법을 고려하면, 시간적으로 알맞은 순간에 소량의 액체 연료가 실린더의 연소 공간으로 주입되거나 후에 공기 가스 혼합물의 점화를 유발하는 프리 챔버 (pre-chamber) 로 주입되므로 혼합물의 점화는 전형적으로 실린더에서 발생한다. 듀얼 연료 엔진은 가스 모드의 작동 중 액체 모드로 전환될 수 있고 반대로 액체 모드의 작동 중 가스 모드로 전환될 수 있다.
하지만, 특히 그러면, 받아들일 수 있는 기술적 요구와 경제적으로 실행가능한 방식으로, 가스의 연소를 통하여서만 유지될 수 있는 배기 가스에 대한 높은 요구가 있을 때, 또한 순수 가스 엔진들, 즉 단지 가스로만 작동가능하고 대안적으로 디젤, 중연료유 또는 다른 연료로 작동가능하지 않은 엔진들이 요구된다. 이러한 순수 가스 엔진은, 예를 들어, WO 2010 147071 A1 에 제공된다. 또한 종래 기술은 예컨대 DE 10 2010 005814 A1 에 제공된다.
듀얼 연료 엔진이든지 또는 순수 가스 엔진이든지 관계없이, 대응하는 왕복동 피스톤 연소 엔진의 실린더의 연소 공간으로 연료 가스를 도입하는 프로세스는, 이러한 엔진의 신뢰성 있고, 오염물질이 적고 안전한 작동에 크게 중요하다.
가스 모드에서 특히 가스에 대한 소기 공기의 정확한 비의 설정, 소위 공기 대 연료 비가 결정적으로 중요하다. 소기 공기 또는 충전 공기는 전형적으로 대형 디젤 엔진에서 터보과급기에 의해 이용가능하게 되고, 터보과급기는 엔진의 부하 및 이리하여 엔진의 동력 및/또는 토크 및/또는 회전 속도에 의존하는 소기 공기 압력 또는 로딩 공기 압력을 발생시킨다. 주어진 소기 공기 압력에 대해, 실린더 내 공기의 양이 계산될 수 있고 그 후 엔진에 의해 발생된 각각 요구되는 구동 토크가 결정될 수 있고 그리고/또는 적합한 양의 가스 연료가 이 작동 상태에 대해 이상적인 연소 프로세스를 유발하는 원하는 회전 속도, 토크의 양 및/또는 회전 속도를 위해 결정될 수 있다.
특히 가스 모드가 오토 원리에 따라 작동될 때, 공기 가스 비의 정확한 설정은, 오염 관점에서 보아 가능한 한 낮고, 효율적이며 경제적으로 실행가능한 엔진의 작동을 위해 결정적으로 중요하다. 가스 부분이 너무 많으면 공기 가스 혼합물이 너무 농후해진다. 혼합물의 연소가 너무 빨리 또는 너무 일찍 일어나고 이것은 엔진의 노킹을 유발한다. 연소 프로세스가 실린더 내 피스톤 운동에 더이상 정확히 맞추어지지 않으므로, 이것은 다른 것 중에서도, 또한, 연소가 피스톤의 운동에 부분적으로 불리하게 작용하도록 유발한다.
공기 대 가스 비의 정확한 설정이 정상 작동 조건들 하에 현재 대형 디젤 엔진들에서 어떠한 큰 문제점들도 더이상 나타내지 않을 때에도, 작동 조건들 하에 엔진 부하의 매우 급격하고, 빈번하며 강한 변화를 가지는 단점들이 종종 발생한다.
이와 관련하여 언급될 예는 격랑에 도달한 대형 디젤 엔진에 의해 구동되는 선박이다. 이것은, 추후 완전히 다시 잠기도록 높은 파도로 인해, 엔진에 의해 직접 구동된 선박 프로펠러가 거의 주기적으로 부분적으로 또는 심지어 완전히 물을 이탈하게 되는 결과를 가질 수 있다. 이것은 물론 결과적으로 엔진의 부하 및/또는 엔진에 의해 물에 전달되는 구동 토크의 매우 크고 급격한 변화를 갖는다. 소기 공기를 이용가능하게 하기 위한 터보과급기 시스템이 엔진의 부하 변화에 대해 위상 시프트되게 반응하므로 이러한 작동 모드들에서 실린더 내 공기 가스 혼합물이 너무 낮은 소기 공기 압력으로 인해 너무 농후해지는 것이 가능하다면 발생할 수 있고, 이것은 후에 빠른 연소 또는 노킹 연소를 이끌고 이것은 물론 불리하다. 가스 모드에서 이러한 부하의 빠르고 급격한 변화는 단지 매우 어렵게 조정되거나 실제로 심지어 전혀 조정되지 않을 수 있어서, 예를 들어, 엔진 성능의 하향 조정 또는 엔진 속도의 연속 변화 및/또는 적합화가 요구되거나, 하지만, 가스 모드로부터 액체 모드로 변화가 요구된다. 예를 들어 중연료유를 이용한, 액체 모드에서 작동되는 대형 디젤 엔진을 고려하면, 액체 모드에서 배기 가스 값들이 더이상 유지하는 것이 가능하지 않을 수도 있으므로, 기존의 배기 가스 요건들 때문에, 미래에 대형 디젤 엔진은 해안 부근에서 액체 모드로 작동되도록 더이상 허용되지 않을 수도 있다.
엔진의 매우 급격하고, 빈번하거나 강한 부하 변화가 발생할 수 있는 다른 예는 선박의 조종을 수행하는 것이다.
이런 이유 때문에 종래 기술에서 출발한 본 발명의 목적은, 예를 들어, 바다의 큰 놀 (swell) 에서의 선박 또는 조종을 수행하고 있는 선박에 대해 급격하고, 빈번하거나 강한 부하의 변화들이 발생할 때처럼, 상기 변화들에 대해 대형 디젤 엔진이 여전히 신뢰성 있게, 효율적으로 그리고 환경 친화적으로 또한 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법을 제안한다. 또한, 본 발명의 목적은 대응하는 대형 디젤 엔진을 제안하는 것이다.
이 목적을 충족시키는 본 발명의 주제는 각각의 카테고리의 독립항의 특징들로 특징짓는다.
본 발명에 따르면 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법이 이와 같이 제안되고, 상기 대형 디젤 엔진은 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있고, 상기 가스 모드에서 가스는 연료로서 실린더로 도입되고 연소 후 출구 밸브를 통하여 방출되고, 상기 가스 모드에서 작동 중 강한 부하 변화 상태가 검출되고 그 후 상기 대형 디젤 엔진은:
- 상기 가스 모드에서 상기 출구 밸브를 폐쇄하기 위해 드웰 각도 (dwell angle) 를 설정하는 단계,
- 상기 드웰 각도에 대한 보정값을 결정하는 단계,
- 상기 드웰 각도를 상기 보정값과 연관지음으로써 과도 드웰 각도를 결정하는 단계;
- 상기 과도 드웰 각도에서 상기 출구 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는 과도 모드에서 작동된다.
출구 밸브에 대한 과도 드웰 각도가 드웰 각도의 보정에 의하여 결정된다는 사실로 인하여, 실린더에서 작업 사이클 중 압축되고 연소를 위해 이용가능하게 되는 공기의 양은 타겟 제어 방식으로 설정될 수 있다. 이로써, 실린더에서 공기 가스 혼합물의 연소는 너무 빠른 연소 또는 노킹 연소 범위에 도달하지 않고 실린더에서 공기 가스 혼합물의 연소는 혼합물이 너무 희박한 범위에 도달하지 않도록 보장될 수 있고, 혼합물이 너무 희박하다는 것은 실린더에서 존재하는 공기의 양이 너무 많아 스파크 불량 (spark failures) 이 초래되는 것을 의미한다. 소기 공기의 현재 존재하는 충전 압력이 공기-가스 혼합물의 이상적인 조성에 대해 너무 낮다면, 출구 밸브에 대한 과도 드웰 각도가 작동의 정상 가스 모드에서보다 작도록 보정값이 결정되고, 이것은 압축을 위해 실린더에서 더 많은 양의 공기가 이용가능하도록 작업 사이클에 대해 출구 밸브가 이제 더 일찍 폐쇄되는 것을 의미한다. 그리하여, 너무 낮은 소기 공기의 충전 압력이 보상될 수 있다. 소기 공기의 현재 존재하는 충전 압력이 공기-가스 혼합물의 이상적인 조성에 대해 너무 크다면, 출구 밸브에 대한 과도 드웰 각도가 정상 가스 작동 모드에서보다 크도록 보정값이 결정되고, 이것은 압축을 위해 실린더에서 더 적은 양의 공기가 이용가능하도록 작업 사이클에 대해 출구 밸브가 이제 더 늦게 폐쇄되는 것을 의미한다. 그리하여, 너무 높은 충기 공기의 충전 압력이 보상될 수 있다.
이런 식으로 비효율적이고, 오염물질이 많으며 비경제적인 작동 결과를 유발할 위험 없이, 부하의 급격하고, 빈번하거나 주기적인 변화 또는 부하의 시프트에 대해서도 또한 가스 모드를 사용할 수 있도록 한다.
바람직하게 대형 디젤 엔진은 가스의 연소를 위한 그리고 액체 연료, 특히 디젤 또는 중연료유의 연소를 위한 듀얼 연료 엔진으로서 구성된다. 본 발명에 따른 방법에 의하여 따라서 듀얼 연료 엔진 그 자체는 가스 모드에서 심지어 급격하고 빈번한 부하 변화에도 효율적으로 작동될 수 있도록 가능하게 된다. 선박의 구동 집합체로서 대형 디젤 엔진의 중요한 적용 경우에, 이것은 또한 바다의 높은 놀에 대해 또는 조종 수행시 가스 모드가 여전히 효율적으로 사용될 수 있음을 의미한다.
과도 드웰 각도를 결정하기 위해서 드웰 각도에 보정값이 부가될 때 바람직한 조치가 제공되는데, 왜냐하면 이것은 특히 간단한 종류의 드웰 각도의 보정을 나타내기 때문이다.
출구 밸브가 더 일찍 폐쇄되어야 한다면 보정값은 네거티브이다. 실제로, 이와 관련하여 크기가 최대로 60 도에 달할 때 유리한 것으로 발견되었다.
출구 밸브가 더 늦은 시점에 폐쇄되어야 한다면 보정값은 포지티브이다. 실제로 이와 관련하여 보정값이 최대로 60 도에 달할 때 유리한 것으로 발견되었다.
특히 바람직한 실시형태에서 또한 가스의 양은 본 발명에 따른 방법에서 실린더에서 작업 사이클마다 도입되는 과도 모드에서 제한된다. 가스 이외에 그 후 가스의 제한되거나 감소된 공급으로 인해 부족한 동력을 보상하기 위해서 미리 정해진 양의 액체 연료가 실린더로 도입된다. 이 바람직한 실시형태를 고려하면, 과도 모드는 다음 단계들:
- 엔진의 회전 속도 또는 엔진의 토크의 원하는 값을 지정하는 단계,
- 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 연료로서 이용가능하게 되는 가스의 양에 대한 상한치를 결정하는 단계,
- 가스 이외에 도입되는 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계를 포함하고, 회전 속도에 대한 원하는 값이 실현되도록 부가량의 크기가 정해진다. 과도 모드에서 가스 양의 제한은, 특히 출구 밸브에 대한 드웰 각도의 변화와 조합하여, 이상적인 연소 프로세스가 효율적으로 보장되는 경계들 내에서 실린더 내에 공기-가스 혼합물의 조성을 유지할 수 있는 추가 바람직한 조치를 나타낸다.
상한치까지 공급된 가스의 제한은, 특히, 실린더 내 공기 가스 혼합물의 연소가 너무 빠른 연소의 범위 또는 노킹 연소의 범위에 도달하지 않도록 기여한다. 제한되거나 감소된 가스 공급으로 인해, 원하는 바람직한 회전 속도를 달성하기 위해 부족한 동력은, 후에, 과도 모드에서, 가스 이외에 미리 정해진 양의 액체 연료가 실린더로 도입되고, 그것의 연소가 부족한 에너지, 부족한 동력을 각각 제공하여 발생된다.
이런 식으로 특히 이 바람직한 실시형태에 의하여 액체 모드에서 단지 작동되는 대형 디젤 엔진에서 가능한 것처럼 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있는 대형 디젤 엔진에서 부하에 대한 유사한 응답을 실현할 수 있다. 이것은, 공기 가스 혼합물이 실린더에서 너무 농후해질 수 없고 또한 너무 희박해질 수 없으며 디젤 원리에 따라 일반적으로 발생하는 액체 연료의 부가적 연소가 소기 공기의 변화에 크게 덜 민감하게 반응하여 가능해진다. 또한 엔진의 가동 원활성이 증가되고 속도 변동이 크게 감소된다.
이용가능해진 소기 공기의 각각의 실제 압력이 가스의 양에 대한 상한치를 결정하기 위해 사용될 때 유리하다. 이런 식으로 가스의 연소를 기반으로 한 부분이 최적화될 수 있다.
실시형태에 따르면 과도 모드가 수동으로 개시된다. 따라서, 예를 들어, 선박의 운영 요원은 바다의 높은 놀의 발생시 또는 조종 수행시 엔진의 과도 모드를 활성화시킬 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로 과도 모드가 다음 파라미터들: 소기 공기의 실제 압력, 실린더 압력, 계산된 공기 대 가스 비, 노킹 검출기의 신호, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비의 변화, 엔진의 토크, 토크의 변화, 주입에 요구되는 연료량, 및 주입에 요구되는 연료량의 변화 중 적어도 하나에 따라 개시될 수 있을 때 바람직하다. 이 파라미터들 중 적어도 하나의 연속적 또는 규칙적 결정은 또한 과도 모드의 자동 활성화를 가능하게 한다.
액체 연료의 부가적 연소를 가지는 이 실시형태를 고려하면, 과도 모드에서 연소 공간으로 액체 연료의 부가량을 도입하기 위해서 복수의 바람직한 변형예들이 존재한다:
액체 연료의 부가량은, 대형 디젤 엔진의 액체 모드에서 사용되는 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입될 수 있다.
액체 연료의 부가량은, 가스의 점화를 위해 가스 모드에서 사용되는 파일럿 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입될 수 있다.
액체 연료의 부가량은, 과도 작동 모드에 제공되는 별개의 주입 장치에 의해 연소 공간으로 도입될 수 있다.
또한 연소 공간으로 가스의 공급을 고려하면 복수의 바람직한 변형예들이 존재한다:
실린더로 가스의 공급은 실린더 라이너를 통하여 일어날 수 있다. 이 목적으로 실린더의 벽에 제공되고 실린더 라이너를 통하여 실린더의 내부 공간으로 가스를 도입하는 일반적으로 공지된 가스 공급 시스템들이 알려져 있다. 이러한 가스 공급 시스템들은, 실린더 내 피스톤의 상사점 또는 하사점 위치로부터 간격, 특히 상사점 위치와 하사점 위치 사이 간격의 40% ~ 60%, 바람직하게 50% 에 달하는 이러한 간격을 가지는 실린더 안의 로케이션에서 가스를 도입하도록 바람직하게 배치된다.
실린더 안으로 가스의 공급은 또한 실린더 헤드에서 일어날 수 있다. 이 목적으로 가스 공급 시스템들이 또한 공지되어 있다.
소기 공기가 실린더로 도입되기 전 또는 소기 공기가 실린더로 도입될 때 가스가 소기 공기에 공급되는 것이 또한 가능하다. 마지막에 언급한 변형예는, 특히, 인접한 소기 공기 개구들 또는 소기 공기 슬릿들을 서로 분리하는 하나 또는 복수의 웨브들에 하나 이상의 가스 유입 노즐들이 제공되도록 또한 실현될 수 있다.
본 발명에 따르면 대형 디젤 엔진이 또한 제안되고 상기 대형 디젤 엔진은 적어도 하나의 가스 모드에서 작동될 수 있고 본 발명에 따른 방법에 따라 작동된다. 여기에서 발생되는 장점들은 본 발명에 따른 방법을 참조하여 전술한 내용에 제공된 것과 동일한 설명에 대응한다.
바람직하게, 대형 디젤 엔진은 가스의 연소를 위해 그리고 액체 연료, 특히 디젤 또는 중연료유의 연소를 위해 듀얼 연료 엔진으로서 구성된다.
바람직한 실시형태에서, 과도 작동 모드를 개시하고 수행하기 위한 제어 장치를 포함하는 엔진 제어부가 제공된다.
또한, 대형 디젤 엔진, 특히 듀얼 연료 엔진을 개장 (retrofitting) 하기 위한 본 발명에 따른 방법의 용도가 본 발명에 따라 제안된다. 본 발명에 따른 방법이 장치 관점에서 더 많은 부가적 요구 없이 많은 적용예들로 실현될 수 있으므로, 그것은 기존의 대형 디젤 엔진들을 수정 및/또는 개장하기에 특히 또한 적합하고, 이리하여, 특히 빈번히 급격하게 발생하는 부하의 변화를 고려하여, 예를 들어 바다의 높은 놀을 고려하여, 이것은 보다 효율적으로, 안전하게 경제적으로 실행가능하게 작동될 수 있다.
본 발명의 추가 유리한 조치들 및 설계들은 종속항으로부터 기인한다.
하기에서 본 발명은 실시형태들에 의해 도면을 참조하여 장치 관점 뿐만 아니라 프로세스 엔지니어링 관점 양자로 상세히 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 대형 디젤 엔진의 실시형태의 개략도이다.
도 2 는 대형 디젤 엔진의 실시형태에서 공기 대 가스 비에 대한 토크의 상관성을 강조한 개략도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시형태의 개략도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시형태의 개략도이다.
도 5 는 토크의 시간에 따른 진행의 개략적 예시도이다.
실시형태를 참조하여 본 발명의 하기 설명을 고려하면, 듀얼 연료 엔진, 즉 2 가지 다른 유형의 연료로 작동될 수 있는 엔진의 실제 특히 중요한 적용예가 예시적 부호와 함께 참조된다. 특히 대형 디젤 엔진의 이 실시형태는, 단지 액체 연료만 실린더의 연소 공간으로 주입되는 액체 모드에서 작동될 수 있다. 전형적으로 액체 연료, 예를 들어 중연료유 또는 디젤유가 적합한 시점에 연소 공간으로 직접 주입되고 자기 점화의 디젤 원리에 따라 연소 공간에서 점화한다. 하지만, 연료로서 역할을 하는 가스, 예를 들어 천연 가스가 공기 가스 혼합물의 형태로 연소 공간으로 도입되고 연소 공간에서 점화되는 가스 작동 모드에서 대형 디젤 엔진이 또한 작동될 수 있다. 특히 대형 디젤 엔진은 저압 방법에 따라 가스 작동 모드에서 작업하고, 이것은 가스가 가스 상태로 실린더로 도입되는 것을 의미한다. 이와 관련하여 공기와 혼합은 실린더 그 자체에서 또는 또한 실린더 앞에서 일어날 수 있다. 공기 가스 혼합물은 오토 원리에 따라 외부에서 점화된다. 이 외부 점화는, 전형적으로, 소량의 액체 연료가 적합한 시점에 연소 공간으로 도입되고 그 후 그 자체를 점화하여서 공기 가스 혼합물의 외부 점화를 일으켜 발생된다.
대형 디젤 엔진은 4 행정 엔진뿐만 아니라 2 행정 엔진 모두로 구성될 수 있다. 이와 같이 설명한 실시형태들을 고려하면, 대형 디젤 엔진은 코먼 레일 (common-rail) 시스템과 액체 모드에서 작업하는 종방향으로 소기된 2 행정 대형 디젤 엔진으로서 구성된다.
도 1 은 매우 완전히 개략적으로 강조된 도면으로 전체적으로 도면 부호 20 을 사용해 지칭되는 대형 디젤 엔진의 이 실시형태의 실린더 (21) 를 도시한다. 실린더 (21) 의 내부에서 피스톤 (23) 은 그 자체가 공지된 방식으로 움직인다.
대형 디젤 엔진 (20) 의 어셈블리 및 개별 부품들, 예를 들어, 액체 모드를 위한 주입 시스템, 가스 모드를 위한 가스 공급 시스템, 가스 교환 시스템, 소기 공기 및/또는 충전 공기를 제공하기 위한 배기 가스 시스템 또는 터보 과급기 시스템뿐만 아니라 대형 디젤 엔진을 위한 제어 및 조정 시스템은, 2 행정 엔진으로서 설계와 또한 4 행정 엔진으로서 설계에 대해, 본 기술분야의 통상적인 기술을 가진 당업자에게 잘 알려져 있고, 이런 이유 때문에 이 부품들의 추가 설명을 여기에서 요구하지 않고, 단지 출구 밸브 (24) 만 도 1 에 도시되고 이것은 본 발명을 이해하기에 충분하다.
종방향으로 소기되는 2 행정 대형 디젤 엔진 (20) 의 이 실시예에서 설명된 실시형태를 고려하면, 소기 공기 슬릿들 (22) 은, 전형적으로, 실린더 (21) 에서 피스톤 (23) 의 운동에 의하여 주기적으로 폐쇄 및 개방되는 각각의 실린더 (21) 및/또는 실린더 라이너의 하부 영역에 제공되어서, 소기 공기 슬릿들이 개방되어 있다면, 터보과급기에 의해 제공되는 소기 공기는 충전 압력에서 소기 공기 슬릿들을 통하여 실린더로 유입될 수 있다. 이것은 도면 부호 L 을 갖는 2 개의 화살표들에 의해 도 1 에 나타나 있다. 전형적으로 중심에 배치된 출구 밸브 (24) 가 실린더 헤드 및/또는 실린더 커버에 제공되고 상기 실린더 헤드 및/또는 실린더 커버를 통하여 연소 가스들은 연소 프로세스 후 실린더 밖으로 그리고 배기 가스 시스템 (25) 안으로 다시 디스펜싱될 수 있다. 액체 연료의 도입을 위해, 예를 들어, 출구 밸브 (24) 부근에 실린더 헤드에 배치되는 하나 이상의 연료 주입 노즐들이 제공된다 (미도시). 가스 유입 노즐을 가지는 적어도 하나의 가스 입구 밸브를 포함하는 가스 공급 시스템이 가스 모드에서 가스 공급을 위해 제공된다 (미도시). 가스 유입 노즐은, 예를 들어, 피스톤의 상사점 위치와 하사점 위치 사이 대략 가운데에 놓이는 높이에서, 실린더의 벽에 전형적으로 제공된다.
그 자체가 공지된 방식으로 대형 디젤 엔진 (20) 의 작업 사이클을 특징짓는 도 1 의 좌측에서 다른 크랭크 각도들이 부가적으로 기술된다. 이와 관련하여 기술된 크랭크 각도들은 피스톤 (23) 의 압축 행정에 관한 것이다. 180°의 크랭크 각도를 고려하면 피스톤 (23) 은 하사점 위치 또는 반전점에 존재하고 360°의 크랭크 각도에서 피스톤 (23) 은 상사점 위치 또는 반전점에 존재한다. 2 행정 엔진으로서 설계를 고려하면 완전한 작업 사이클은 360° 를 포함한다. 0°(피스톤 (23) 이 360° 와 동일한 위치, 즉 상사점 위치에 있음) 에서 시작할 때 피스톤 (23) 은 그것이 180° 에서 하사점 위치에 도달할 때까지 아래로 이동하고 그 후 피스톤이 360° 에서 상사점 위치에 도달할 때까지 압축 행정시 다시 위로 이동한다. 도 1 의 도면에서 피스톤 (23) 은 270° 의 크랭크 각도에 대응하는 위치에 정확히 있다.
4 행정 엔진으로서 설계를 고려하면, 잘 알려진 대로, 완전한 작업 사이클은 720° 를 포함한다.
또한, 하기에서 예로서 대형 디젤 엔진이 선박의 구동 집합체인 적용예가 참조될 것이다.
배기 가스 값들을 고려한 법 규정으로 인해, 오늘날 대형 디젤 엔진들은 종종 해안 부근에서 가스 작동 모드로 작동되는데, 그렇지 않으면, 특히 산화 질소, NOx 및 이산화황인, 배기 가스 배출에 대한 미리 규정된 한계치들이 더이상 유지될 수 없기 때문이다.
가스 작동 모드에서 가능한 한 오염물질들이 적은 공기 가스 혼합물의 연소 및 효율성은 공기의 양과 가스의 양의 비에 매우 민감하다. 이 비는 전형적으로 연소를 위해 이용가능한 공기의 질량과 연료로서 사용되는 가스의 질량의 비에 사용되는
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값으로 기술된다.
이상적인 공기 대 가스 비는, 다른 것들 중에서, 엔진에 의해 발생될 구동 토크 및 이리하여 선박의 원하는 속도에 의존한다. 대형 디젤 엔진들은 전형적으로 선박의 프로펠러에 직접 연결됨에 따라, 각각의 경우에 속도는 예컨대 고정된 피치 프로펠러를 고려한 엔진의 회전 속도에 대응한다.
매우 개략적인 도면으로 도 2 는 공기 대 가스 비 (1) 와 선박을 구동하는 엔진에 의해 발생되는 토크 (2) 사이 예시적 관련성을 보여준다. 이 도면은, 선박이 본질적으로 정온 수역에서 움직일 때 선박의 특정 속도 - 또는 엔진의 임의의 회전 속도 - 에 대응하는 특정 토크에도 해당된다. 특히 도 2 에 도시된 토크 (2) 는 하나의 작업 사이클 (2 행정 기계들을 위한 피스톤 운동의 주기 및 4 행정 기계들을 위한 피스톤 운동의 2 개의 주기들) 동안 본질적으로 평균낸 토크인 BMEP 토크 (브레이크 평균 유효 압력 토크) 이다.
도 2 의 도면에서 2 개의 경계 곡선들, 즉 제 1 노킹 곡선 (3) 및 불점화 (misfiring) 곡선 (4) 을 볼 수 있다. 도면에 따라 존재하는 작동 상태들을 고려하면 노킹 곡선 (3) 위에서 공기 대 가스 비는 너무 농후하고, 이것은 너무 적은 공기가 혼합물에 존재하는 것을 의미한다. 너무 농후한 혼합물은 다른 문제점들을 이끌 수 있고, 즉 연소가 너무 빠르게 일어나거나 (빠른 연소) 엔진이 노킹을 시작하거나 그러면 실린더 내 높은 가스 함유량으로 인해 전형적으로 자기 점화에 의해 혼합물이 너무 일찍 연소되기 시작한다 (작업 사이클에 대해 또한 조기 점화로 알려짐). 도면에 따라 불점화 곡선 (4) 위에 있는 작동 상태들을 고려하면, 공기 대 가스 비는 너무 희박하고, 이것은 연소 공간에서 이상적인 연소를 위해 존재하는 충분한 가스가 없음을 의미한다.
이런 이유 때문에 공기 대 가스 비에 대해 이상적인 지점 (5) 에서 대형 디젤 엔진을 항상 작동시키려고 한다. 실제로 토크 및/또는 공기 대 가스 비 (1) 의 자연 편차는 또한 일정한 회전 속도 및/또는 선박의 일정한 속도를 위해 회피되거나 조정될 수 없고, 이런 이유 때문에 도 2 에서 2 개의 직선들 (7, 8) 에 의해 한정되는 공차 범위 (6) 가 존재하고, 상기 공차 범위 내에서 이상적인 지점 (5) 으로부터 공기 대 가스 비 (1) 의 편차가 허용된다. 가스 모드에서 이상적인 작동은 도 2 에서 A 로 나타낸 작동 지점에 의해 제공된다.
선박이 이제 정온 수역 (도 2 참조) 을 떠나 바다의 높은 놀에 도착했을 때 그러면 엔진에 대해 부하의 매우 급격하고 강한 변화가 유발될 수 있고, 이것은 엔진에 의해 선박 프로펠러를 통하여 물에 가해진 토크가 매우 빠르게 다량 변화될 수 있음을 의미한다 (부하 시프트). 따라서, 예를 들어, 격랑에 대해 엔진의 실제 부하를 상당히 감소시키는 단기간 동안 선박 프로펠러가 부분적으로 또는 불완전하게 물을 이탈하는 것이 발생할 수 있다. 선박 프로펠러가 추후 물 속으로 완전히 다시 잠긴다면 이것은 부하의 큰 증가와 이리하여 토크의 증가를 이끈다. 도 2 에서 이것은 실제로, 예를 들어, 지점 (A) 으로부터, 노킹 곡선 (3) 위에 있고 이리하여 빠른 연소 범위 및/또는 노킹 범위에 있는 B 로 나타낸 지점으로 이동하는 것을 의미한다.
한편, 엔진은 불점화 곡선 (4) 위에 있는 크게 감소된 부하를 가지는 작동 상태에 도달할 수 있고, 여기에서, 가스의 양에 대해, 너무 많은 공기가 실린더 (21) 에 존재하고, 공기-가스 혼합물 중 공기는 따라서 희박하다. 이러한 작동 상태는, 예를 들어, 도 2 에서 지점 (C) 에서 달성된다. 터보과급기 시스템의 위상 시프트 응답으로 인해, 소기 공기가 너무 높은 충전 압력에서 이용가능하게 되어서 공기-가스 혼합물이 너무 희박해진다.
격랑에서처럼 엔진 부하의 이런 강한 변동들이 종종 잇따라 발생하고, 대략 주기적으로, 가스 모드에서 대형 디젤 엔진 (20) 작동의 효율적이고, 경제적인 저 배출 모드는 더이상 가능하지 않다.
본 발명에 따른 방법에 의한 개선책이 제공된다. 도 3 은 매우 개략적인 도면으로 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시형태를 도시한다. 대형 디젤 엔진이 가스 모드에서 작동되는 시작점은 단계 (10) 이다. 선박이 이제 격랑에 도착하면, 이 상태는 운영 요원의 관찰에 의해 검출될 수 있고 (11) 그리고/또는 단계 (12) 에서 엔진 제어부에 의해 또는 다른 제어 장치들에 의해 검출되는 작동 파라미터들의 평가에 의해 검출될 수 있다. 그렇게 유발되는 부하의 강한 변화가 너무 큰 것으로 결정되면, 대형 디젤 엔진을 과도 모드로 전환하도록 단계 (13) 에서 결정된다.
이 과도 모드에서 출구 밸브 (24) 를 폐쇄하기 위한 드웰 각도는 처음에 가스 모드에서 결정된다. 이와 관련하여 크랭크 각도는, 피스톤 (23) 의 상승 운동 동안 출구 밸브 (24) 가 폐쇄되는 드웰 각도로 이해된다. 가스 모드에 대해 전형적으로 출구 밸브의 드웰 각도는 - 또한 다른 작동 파라미터들을 위한 값들처럼 - 매트릭스에 저장되고 한 가지 치수는 (발생된 토크에 의해 결정된) 엔진의 부하이고 다른 치수는 엔진의 회전 속도이다. 이런 식으로 가스 모드에 대한 정확한 드웰 각도는, 부하 및 회전 속도로 이루어진 각각의 값의 쌍을 위한 이 매트릭스에서 판독될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 도 1 에서 피스톤 (23) 의 위치에 대응하는 270° 에 달한다. 단계 (14) 에서 제어 장치는 그 후 폐쇄 각도에 대한 보정값을 결정한다. 이 보정값은 다양한 방식으로 결정될 수 있다. 특히 경험값들이 또한 제어 장치에 저장된 제어값으로 유입될 수 있다.
보정값을 결정하는 특히 바람직한 방법은, 본원에서, 보정값을 결정하기 위해 소기 공기의 현재 이용가능한 충전 압력을 사용하는 것으로 구성된다. 이 충전 압력은 전형적으로 대형 디젤 엔진에서 측정을 통하여 검출되고 이리하여 제어 장치에서 이용가능하게 되거나 이 제어 장치로 전송될 수 있다. 이와 관련하여 보정값의 결정은, 특히, 현재 이용가능한 소기 공기의 충전 압력의 현재값과 소기 공기의 요구되는 충전 압력 사이 차이를 이용해 결정될 수 있다. 실제 작동 파라미터들을 위해 요구되는 충전 압력은, 예를 들어, 룩업 테이블들 (lookup tables) 또는 룩업 매트릭스들에 저장된다. 현재 이용가능한 충전 압력과 요구되는 충전 압력 사이 차이로부터, 가스 모드를 위한 드웰 각도 및 요구되는 충전 압력에서 요구되는 것처럼, 출구 밸브 (24) 를 폐쇄한 직후 현재 이용가능한 충전 압력에 대해 실린더에 동량의 공기가 존재하도록 실린더의 알려진 체적 및/또는 실린더 헤드와 피스톤의 상부측 사이 공간에 대해 출구 밸브 (24) 가 얼마나 더 빨리 또는 더 늦게 폐쇄되어야 하는지 결정될 수 있다.
제어 장치는, 그 후, 드웰 각도를 보정값에 링크함으로써 출구 밸브에 대한 과도 드웰 각도를 결정한다. 바람직하게 보정값은 과도 드웰 각도를 결정하기 위해서 드웰 각도에 부가된다. 단계 (15) 에서 제어 장치는, 그 후, 과도 드웰 각도에서 출구 밸브 (24) 의 폐쇄를 개시한다.
따라서, 터보과급기 시스템의 위상 시프트된 응답으로 인해 현재 충전 압력이 부하 변화에 대해 너무 작다면, 보정값은 네거티브이고, 이것은 출구 밸브 (24) 가 가스 모드에 대한 드웰 각도보다 작은 과도 드웰 각도에서 이미 폐쇄되어 있음을 의미한다.
이와 반대로, 부하 변화에 대해 터보과급기 시스템의 위상 시프트된 응답으로 인해, 현재 충전 압력이 너무 크다면, 보정값은 포지티브이고, 이것은 출구 밸브 (24) 가 가스 모드에 대한 드웰 각도보다 큰 과도 드웰 각도에서만 단지 폐쇄되는 것을 의미한다.
단계 (17) 에서, 과도 모드의 활성화 조건들이 여전히 충족되고 있는지 운영 요원의 관찰에 의해 그리고/또는 작동 파라미터들의 결정에 의해 연속적으로 또는 일정한 간격으로 점검된다. 예 (yes) 라면, 도 3 의 화살표 18 로 나타낸 것처럼, 과도 모드가 유지되고, 바람직하게 보정값 및/또는 과도 드웰 각도들의 값이 점검 및/또는 업데이트된다.
과도 모드를 위한 조건들이 단계 (17) 에서 더이상 충족되지 않는다면, 정상 가스 모드로 복귀 변화가 단계 (19) 에서 이루어질 수 있다.
과도 모드를 도입 및 수행하기 위한 제어 장치는 바람직하게 엔진 제어부로 통합된다.
출구 밸브 (24) 의 폐쇄에 대한 이런 변화들에 의해 2 개의 직선들 (7, 8) 에 의해 도 2 에서 한정되는 공차 범위 (6) 내에 있는 작동 상태에서 대형 디젤 엔진이 작업하도록 과도 모드에서 또한 보장될 수 있다.
실제로, 네거티브 보정값의 경우에, 그것의 크기가 최대로 60°에 달할 때 포지티브 보정값의 경우에 이 양이 최대로 60°에 달하는 것은 신뢰할 수 있었다. 이것은, 도 1 의 도면에 따라, 가스 모드에서 270°의 출구 밸브 (24) 의 드웰 각도에 대해, 최소 과도 드웰 각도가 210° 이고 최대 과도 드웰 각도가 330° 인 것을 의미한다.
작동 과도 모드에서 과도 드웰 각도로 드웰 각도의 변화를 통하여 실린더에서 공기-가스 혼합물의 압축 최종 온도가 증가 또는 감소될 수 있다. 하지만, 이것은 일반적으로 그다지 중요하지 않지만 실린더에서 공기-가스 혼합물의 자기 점화가 일어날 정도로 큰 값을 압축 최종 온도가 받아들이는 것이 회피되어야 한다. 이것은, 예를 들어, 보정값 및/또는 그것의 양에 대한 최대값들을 제공함으로써 특정 용도에서 보장될 수 있다.
하기에서 제 1 실시형태의 확장을 보여주는 제 2 바람직한 실시형태가 설명될 것이다. 지금까지의 설명, 특히 제 1 실시형태의 설명은 이런 이유 때문에 제 2 실시형태에 대해서도 유사하게 해당된다. 제 2 실시형태를 고려한 과도 드웰 각도에 대한 출구 밸브에 대한 드웰 각도의 보정 이외에, 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 이용가능한 가스의 양은 상한치에 의해 제한되는 연료이고 과도 모드에서 가스 이외에 연소 공간으로 도입되는 액체 연료의 부가량이 결정되고, 회전 속도에 대해 원하는 값이 실현되도록 부가량의 크기가 정해진다.
도 3 과 유사한 매우 개략적인 도면으로, 도 4 는 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시형태를 도시한다. 시작점은 대형 디젤 엔진이 가스 모드에서 작동되는 단계 (10) 이다. 제 1 실시형태에 대한 상기 경우처럼, 운영 요원의 관찰 (11) 에 의해 그리고/또는 단계 (12) 에서 엔진 제어부 또는 다른 제어 장치들에 의해 작동 파라미터들의 평가를 참조하여, 격랑에 대해 또는 또한 작동 조종 모드에서 발생할 수 있는 것과 같은, 부하의 강하거나 급격한 변화 상태가 이 실시예에서 또한 검출될 수 있다. 부하의 강한 변화가 너무 큰 것으로 결정되면, 대형 디젤 엔진을 과도 모드로 변화시키는 결정이 단계 (13) 에서 이루어진다.
이 과도 모드에서, 엔진의 회전 속도 또는 엔진에 의해 발생될 토크에 대한 원하는 값이 처음에 결정된다. 이것은, 예를 들어, 정온 수역에서 선박의 운동에 대응하는 값일 수 있다. 단계 (14) 에서 제어 장치는 그 후 연료로서 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 이용가능한 가스의 양에 대한 상한치를 결정한다. 이와 관련하여, 공기 대 가스 비가 이와 같이 너무 농후하지 않음을 의미하는, 빠른 연소의 범위 및/또는 노킹 연소의 범위 및/또는 조기 점화의 범위가 회피되도록 상한치에 의해 정해진 최대 양의 가스를 연소시키기 위해서 실린더 (21) 에서 이용가능한 소기 공기가 충분하도록 상기 상한치가 결정된다. 노킹 곡선 (3; 도 1) 초과를 회피하기 위해 최대 허용가능한 가스 양에 대한 상한치는 실린더에 존재하는 공기의 양에 의존한다. 알려진 실린더 체적들을 고려하면, 이 공기 양은, 이용가능한 소기 공기의 충전 압력을 이용해 결정될 수 있다. 이와 관련하여 물론 충전 압력의 편차가 고려되고, 즉 유리하게도 임의의 경우에 이용가능한 최소 충전 압력을 취한다. 물론 또한 경험값들 또는 대형 디젤 엔진의 다른 공지된 작동 파라미터들이 가스의 양에 대한 적합한 상한치를 결정하는 동안 이용될 수 있다. 더욱이, - 제 1 실시형태와 관련하여 설명된 대로 - 단계 (14) 에서 드웰 각도에 대한 보정값이 결정되고 이 보정값은 출구 밸브 (24) 에 대한 과도 드웰 각도를 결정하도록 바람직하게 부가적으로 드웰 각도에 링크된다.
특히 바람직하게 소기 공기의 현재 이용가능한 충전 압력은 가스 양의 상한치를 결정하기 위해 사용된다. 특히 이와 관련하여 가스 양에 대한 상한치의 결정은, 현재 이용가능한 소기 공기의 변화 압력의 현재값과 소기 공기의 요구되는 충전 압력 사이 차이를 이용해 결정될 수 있다. 실제 작동 파라미터들에 대한 요구되는 충전 압력은, 예를 들어, 룩업 테이블들 또는 룩업 매트릭스들에 저장된다.
제어 장치는 그러면 연료 가스로서 실린더에 공급될 수 있는 가스의 양에 대해 충전 압력 및 가능하다면 또한 과도 드웰 각도에 의존하는 상한치를 포함하고 가스의 양을 이 상한치로 제한한다. 이제 회전 속도 또는 엔진에 의해 발생된 토크가 원하는 값으로 유지될 수 있도록, 회전 속도 또는 토크에 대해 원하는 값과 최대 양의 가스로 달성될 값 사이 차이를 보상하도록 크기가 정해진 부가량의 액체 연료가 단계 (14) 에서 제어 장치에 의해 추가로 지정된다.
이것은 상한치에 의해 정해진 최대 양의 가스로 달성될 수 있는 토크 또는 회전 속도에 대한 값을 제어 장치가 결정하는 것을 의미한다. 그러면, 원하는 값과 이 값 사이 차이가 결정된다. 그 후, 이 차이를 보상하기 위해서 요구되는 액체 연료의 양이 결정된다.
가스의 양에 대한 상한치, 액체 연료의 부가량 및 과도 드웰 각도를 결정하는 조치들은 물론 서로 독립적이지 않지만, 그것은 과도 모드에서 대형 디젤 엔진의 가능한 한 이상적인 작동이 보장되도록 서로에 대해 이 조치들을 조정할 더 큰 문제를 나타내지 않는다.
물론 또한 액체 연료의 부가량을 고정 비율 값에 고정할 수 있다.
이제 출구 밸브 (24) 는 단계 (15) 에서 과도 드웰 각도로 폐쇄되고 가스의 정해진 양은 단계 (15) 에서 실린더로 도입되고 가스 모드에서처럼 연소되도록 유발된다. 동시에, 즉 동일한 작업 사이클에서, 미리 정해진 양의 액체 연료가 단계 (16) 에서 실린더로 도입되고 실린더에서 자체 점화된다. 가스 및 부가적으로 도입된 액체 연료의 공통 연소에 의하여, 회전 속도 또는 토크에 대한 원하는 값이 이런 식으로 발생될 수 있다. 이와 관련하여 액체 연료의 자기 점화는 공기-가스 혼합물의 외부 점화에 사용될 수 있다.
단계 (17) 에서 운영 요원의 관찰에 의하여 그리고/또는 작동 파라미터들의 결정에 의하여, 과도 모드의 활성화 조건들이 여전히 충족되는지 연속 점검되거나 일정한 간격으로 점검된다. 예라면, 도 4 에서 화살표 18 로 나타낸 것처럼 과도 모드가 유지되고, 바람직하게 가스 양의 상한치 및 액체 연료의 부가량에 대한 값이 점검 및/또는 업데이트된다.
과도 모드에 대한 조건들이 단계 (17) 에서 점검시 더이상 충족되지 않는다면 단계 (19) 에서 정상 가스 모드로 복귀 변화가 이루어질 수 있다.
과도 모드를 개시 및 수행하기 위한 제어 장치는 바람직하게 엔진 제어부로통합된다.
이런 식으로, 엔진 속도, 즉 회전 속도에 대해 원하는 값, 또는 토크에 대해 원하는 값은, 빠른 연소 범위 및/또는 노킹 범위에서 가스 연소를 발생시키지 않으면서, 액체 연료의 연소와 가스 연소의 조합 및 출구 밸브 (24) 의 드웰 각도의 적합화에 의해 과도 모드에서 유지될 수 있도록 보장된다. 가스 양에 대한 상한치에 의해 공기-가스 혼합물이 연소 공간에서 너무 농후해지지 않도록 보장된다. 또한, 특히 과도 드웰 각도로 폐쇄 각도를 변화시킴으로써, 불점화 곡선 (4; 도 2) 을 초과하는 것이 회피된다. 이런 식으로 대형 디젤 엔진 (20) 은 공차 범위 (6) 내에서 과도 모드로 또한 작동된다 (도 2).
따라서, 예를 들어 이 방법에 의하여, 가스 작동 모드에서 오토 원리에 따라 작업하는 듀얼 연료 대형 디젤 엔진은 전적으로 액체 연료로 작동되는 디젤 원리에 따라 단지 작업하는 대형 디젤 엔진과 적어도 대략 비슷한 부하 변화에 대한 응답을 달성할 수 있다. 한편으로는, 본 발명에 따른 방법에 대해 그리고/또는 본 발명에 따른 대형 디젤 엔진에 대해 공기-가스 혼합물이 너무 농후해지지도, 너무 희박해지지도 않고 다른 한편으로는, 액체 연료와 연관된 연소 부분이 소기 공기의 너무 낮은 충전 압력에 크게 덜 민감하게 반응하도록 보장된다. 이런 식으로, 특히 격랑에서도 가스 작동 모드 중 대형 디젤 엔진의 가동 안정성이 개선될 수 있고 속도 변동이 감소될 수 있다.
도 5 의 개략도는, 예로서 다시 과도 모드에서 가스 연소와 액체 연료 연소의 협동 작용을 강조한다. 격랑을 고려했을 때 발생할 수 있는 것처럼, 대형 디젤 엔진의 토크 (T) 는 시간 (t) 에 따라 적용된다. 선박이 후에 부여받는 높은 파도 운동은 토크 (T) 의 시간에 따른 - 대략 - 주기적 변화를 유발한다. 곡선 (G) 은 가스 연소에 의해 유발되는 토크 부분을 보여주고, 공기-가스 혼합물이 너무 농후해지지 않도록 이용가능한 소기 공기는 과도 드웰 각도를 고려했을 때 충분하도록 가스의 최대량이 제한된다. 해칭 (hatching) 에 의해 도시된 영역을 한정하는, 도면 부호 F 를 갖는 2 개의 곡선들은 액체 연료 연소를 부가하여 발생되는 토크 (T) 에 대한 부가량을 보여준다.
실린더에서 너무 희박한 혼합물을 회피하기 위해 과도 드웰 각도를 결정하는 것이 특히 적합하다. 이 실시예에서 포지티브 보정값에 대응하고 이리하여 가스 작동 모드에서 드웰 각도보다 큰 과도 드웰 각도에 대응하는, 가스 모드와 비교해 출구 밸브 (24) 의 늦은 폐쇄 때문에, 출구 밸브 (24) 가 폐쇄되기 전 출구 밸브를 통하여 실린더 (21) 에 존재하는 너무 많은 공기가 밀려나갈 수 있다.
과도 모드 중 실린더들의 연소 공간으로 액체 연료의 부가량을 도입하기 위해, 다른 가능성들이 존재한다. 대형 디젤 엔진이 듀얼 연료 엔진으로서 구성되는 경우에, 액체 모드에서 연료를 주입하는데 또한 사용되는 동일한 주입 장치가 액체 연료를 주입하는데 사용될 수 있다.
과도 모드에서 액체 연료를 도입하기 위한 추가 가능성은, 가스 모드에서 공기-가스 혼합물의 점화에 사용되는 파일럿 주입 장치에 의해 액체 연료가 연소 공간으로 도입될 수 있다는데 있다.
물론, 과도 모드 중 액체 연료의 도입을 위해 별개의 주입 장치가 제공되는 것이 또한 가능하다. 이것은, 대형 디젤 엔진이 액체 모드를 위해 구성되지 않고 대응하는 주입 장치를 가지지 않을 때 특히 바람직하다.
실린더의 연소 공간으로 가스의 도입을 고려하면, 과도 모드 중 그리고 또한 가스 모드 중, 여러 가지 바람직한 변형예들이 존재한다. 상기에서 이미 언급한 바와 같이, 가스가 실린더로 도입될 수 있고 실린더에서 소기 공기와 혼합되어 점화성 공기-가스 혼합물을 형성할 수 있도록 실린더 라이너에 배치되는 적어도 하나의 가스 유입 노즐을 가지는 가스 공급 시스템이 제공될 수 있다.
하지만, 실린더 헤드로부터 실린더 안으로 가스의 공급이 일어나고 가스는 그 후 소기 공기와 혼합되도록 실린더 헤드 및/또는 실린더 커버에 하나 이상의 가스 유입 노즐들을 또한 제공할 수 있다.
소기 공기가 실린더로 도입되기 전 소기 공기로 가스를 공급하는 또다른 가능성이 존재한다. 그러면, 후에, 예를 들어, 소기 공기 슬릿들 또는 소기 공기 개구들을 통하여 실린더로 도입되는 공기-가스 혼합물과 실린더 내부 공간 밖에서 가스는 이미 혼합되어 있다. 이로써, 소기 공기로 가스 공급은, 터보과급기 시스템의 출구와 실린더의 내부 공간, 예를 들어, 소기 공기 슬릿들로의 입구 개구들 사이 지점에서 발생할 수 있다.
특히, 후에 소기 공기가 실린더로 도입될 때 소기 공기로 가스를 또한 공급할 수 있다. 이 목적으로 그러면, 예를 들어, 소기 공기가 소기 공기 슬릿들을 통과할 때 가스와 혼합하도록 인접한 소기 공기 슬릿들을 분리하는 하나 이상의 웨브들에 하나 이상의 가스 유입 노즐들을 각각 제공할 수 있다.
단계 (12; 도 3 및 도 4) 에서 결정되거나 과도 모드로 변화되어야 하는지, 단계 (13) 을, 판단하기 위해서 분석되는 작동 파라미터들은, 바람직하게, 엔진 제어부에 이미 존재하는, 즉 작동 동안 또는 작동 중 임의의 방식으로 검출되는, 대형 디젤 엔진의 이러한 파라미터들 또는 이러한 파라미터들로부터 유도될 수 있는 값들이다. 하지만, 또한, 단 하나의 작동 파라미터가 과도 모드로 변화를 결정하기 위해 사용되고 대안적으로 후에 또한 수동으로 과도 모드를 개시할 수 있는 오직 운영 요원에 의한 관찰로 인해 과도 모드로 변화 결정이 일어나는 것이 또한 가능하다.
예를 들어, 다음 파라미터들 중 하나 이상은 단계 (12) 에 대한 작동 파라미터들 및/또는 단계 (13) 에서 결정으로서 적합하다: 터보과급기 시스템에 의해 이용가능한 소기 공기의 실제 압력; 및/또는 이 압력의 변화; 실린더 압력; 계산된 공기 대 가스 비; 실린더에서 연소가 노킹 방식으로 일어날 때, 즉 공기-가스 혼합물이 너무 농후할 때 인식할 수 있는 노킹 검출기의 신호들; 엔진의 부하에 대한 토크의 비 또는 이 비의 변화 또는 측정된 토크 또는 시간에 따른 토크의 변화, 또는 엔진의 회전 속도를 유지하기 위해서 요구되는 주입을 위한 연료의 양 (주입량) 또는 이 주입된 양의 변화.
본 발명에 따른 방법은 특히 기존의 대형 디젤 엔진들, 특히 듀얼 연료 엔진들을 개장하기 위해 또한 사용될 수 있다. 이러한 대형 디젤 엔진들에서, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 장치 관점에서 전제조건들은 종종 이미 충족되어 있거나 노력과 비용의 낮은 요구 및/또는 변환에 의해 실현될 수 있으므로, 엔진 제어부에서 대응하는 적합화 또는 보충에 의해 대형 디젤 엔진을 과도 모드로 준비하는 것이 종종 가능하다. 이런 개장 가능성은, 특히 또한 배출 값들의 유지를 고려했을 때 크게 유리하다.
또한 이와 관련하여 연료로서 작업 사이클마다 이용가능한 가스 양에 대한 상한치의 결정 및 연소 공간으로 가스 이외에 도입되는 액체 연료의 부가량의 결정 조치가 과도 모드를 위한 과도 드웰 각도의 결정과 조합하여 단지 설명될 때 이 조치는 또한 자체적으로, 즉 출구 밸브에 대한 드웰 각도의 변화 없이 수행될 수 있다. 이것은, 가스 작동 모드와 비교해 드웰 각도가 변화되지 않도록 제 2 실시형태가 또한 수정될 수 있음을 의미한다.

Claims (15)

  1. 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법으로서,
    터보 과급기가 구비된 상기 대형 디젤 엔진은 적어도 가스 모드에서 작동될 수 있고 상기 가스 모드에서 연료로서 가스가 실린더 (21) 내로 도입되고 연소 후 출구 밸브 (24) 를 통하여 방출되고, 상기 가스 모드에서의 작동 (10) 중, 운영 요원 (11) 의 관찰 및 제어 장치들에 의해 검출되는 작동 파라미터들의 평가 중 적어도 하나에 의해 상기 대형 디젤 엔진의 부하 변동이 미리 정해진 양을 초과하는 것이 감지 (13) 되면, 상기 작동은,
    - 상기 엔진의 회전 속도 또는 부하에 기초하여 상기 가스 모드에서 상기 출구 밸브를 폐쇄하기 위해 드웰 각도 (dwell angle) 를 결정하는 단계,
    - 소기 공기의 현재 충전 압력을 측정하는 단계, 상기 엔진의 회전 속도 및 상기 부하에 기초하여 룩업 테이블 또는 룩업 매트릭스로부터 상기 소기 공기의 필요한 충전 압력을 결정하는 단계, 및 상기 현재 충전 압력과 상기 필요한 충전 압력의 차이에 기초하여 상기 드웰 각도에 대한 보정값을 결정하는 단계 (14),
    - 상기 드웰 각도에 상기 보정값을 추가함으로써 과도 (transient) 드웰 각도를 결정하는 단계 (14);
    - 과도 드웰 각도에서 상기 출구 밸브를 폐쇄하는 단계 (15)
    를 포함하는 과도 모드로 전환되고,
    상기 작동 파라미터들은, 소기 공기의 현재 압력, 실린더 압력, 계산된 공기 대 가스 비, 노킹 검출기의 신호, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비, 엔진의 부하에 대한 회전 속도의 비의 변화, 엔진의 토크, 토크의 변화, 주입에 요구되는 연료량, 및 주입에 요구되는 연료량의 변화 중 적어도 하나인, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대형 디젤 엔진 (20) 은, 가스의 연소 및 액체 연료, 또는 디젤 또는 중연료유의 연소를 위한 듀얼 연료 엔진으로서 구성되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정값은 네거티브이고 상기 보정값의 크기는 최대로 60 도에 달하는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정값은 포지티브이고 최대로 60 도에 달하는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 과도 모드는
    - 상기 엔진의 회전 속도 또는 상기 엔진의 토크의 원하는 값을 결정하는 단계,
    - 상기 대형 디젤 엔진의 작업 사이클마다 연료로서 이용가능한 가스의 양에 대한 상한치를 결정하는 단계 (14'),
    - 상기 가스 이외에 연소 공간으로 도입되는 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계 (14) 로서, 상기 회전 속도에 대한 원하는 값이 실현되도록 상기 부가량의 크기가 정해지는, 상기 액체 연료의 부가량을 결정하는 단계 (14')
    를 포함하는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 과도 모드는 수동으로 개시되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더 (21) 내로의 상기 가스의 공급은 실린더 라이너를 통하여 일어나는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    소기 공기가 상기 실린더 (21) 내로 도입되기 전 또는 소기 공기가 상기 실린더 (21) 내로 도입될 때 가스가 상기 소기 공기에 공급되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
  12. 대형 디젤 엔진으로서,
    적어도 하나의 가스 모드 (10) 에서 작동될 수 있고 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항, 제 8 항, 제 10 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 작동되는, 대형 디젤 엔진.
  13. 제 12 항에 있어서,
    가스의 연소를 위한 그리고 액체 연료, 또는 디젤 또는 중연료유의 연소를 위한 듀얼 연료 엔진으로서 구성되는, 대형 디젤 엔진.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 과도 모드를 개시 및 수행하기 위한 제어 장치 (14) 를 포함하는 엔진 제어부가 제공되는, 대형 디젤 엔진.
  15. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항, 제 8 항, 제 10 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 대형 디젤 엔진, 또는 듀얼 연료 엔진의 개장 (retrofitting) 을 위해 사용되는, 대형 디젤 엔진을 작동하는 방법.
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