KR102206923B1 - 이중 연료 엔진의 기체 연료 모드의 종료 방법 - Google Patents

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Abstract

이중 연료 내연 기관의 작동을 제어하는 방법이 개시된다. 본 방법은 기체 연료의 공급을 정지시킴으로써 기체 연료 모드의 종료 공정을 개시하는 단계를 포함한다. 종료 공정 중에, 실린더(8, 9, 10, 11)의 하위군(12)의 액체 연료와 함께 잔여 기체 연료를 연소시킨다. 본 방법은 하위군(12)의 적어도 하나의 실린더(11)와, 액체 연료만을 연소시키는 하위군(12)이 아닌 적어도 하나의 실린더(8, 9, 10)의 연소 공정 파라미터의 차이가 미리 설정된 허용가능 범위 이내인지를 판정하는 단계와, 종료 공정의 완료를 표시하는 단계를 추가로 포함한다.

Description

이중 연료 엔진의 기체 연료 모드의 종료 방법{ENDING OPERATION OF DUAL FUEL ENGINE IN GASEOUS FUEL MODE}
본 개시는 일반적으로 이중 연료 내연 기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드 종료 공정을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
이중 연료 내연기관은 액체 연료 모드(LFM)와 기체 연료 모드(GFM)에서 작동할 수 있다. LFM에서는, 디젤 연료와 같은 액체 연료가 연소 중에 유일한 에너지원으로서 엔진 실린더나 예연소 챔버에 바로 분사된다. GFM에서는, 천연가스와 같은 기체 연료가 실린더의 흡기 채널 내에서 압축된 과급 공기와 혼합되고 소량의 액체 연료가 실린더나 예연소 챔버에 분사되어 공기/기체 연료 혼합물을 점화한다.
이런 이중 연료 내연 기관에서는, 하나 이상의 기체 연료 진입 밸브(admission valve)가 기체 연료원과 각각의 엔진 실린더의 개별 유입 채널 사이에 배치된다. GFM에서 기체 연료 진입 밸브가 개방되면, 기체 연료는 압축된 과급 공기와의 혼합을 위해 개별 유입 채널 내로 이동한다. 이런 기체 연료 진입 밸브는 스파크 점화식 엔진에 활용될 수도 있다.
GFM이 활성화되지 않은 경우에는, 안전상의 이유로 기체 연료가 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 공급 라인에 존재해서는 안 된다. 따라서, 통상적으로 통기 라인이 잔여 기체 연료를 기체 연료 공급 라인으로부터 외부 환경으로 배출하기 위해 기체 연료 시스템에 연결된다. 잔여 가스를 배출하기 위해, 퍼지 가스가 기체 연료 공급 라인에 공급되어 기체 연료 공급 라인을 세정할 수 있다.
퍼지 제어 논리를 구비한 터빈 연료 제어기를 포함하는 시스템이 US 8,340,886 B2에 개시되어 있다. 퍼지 논리는 연료 밸브를 완전히 폐쇄하기 전에 퍼지 가스용 퍼지 밸브를 개방하기 위해 퍼지 시퀀스를 제어한다.
본 개시는 종래 시스템의 하나 이상의 양태를 적어도 부분적으로 개선하거나 극복하는 것을 지향한다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법이 개시된다. 본 방법은 기체 연료의 공급을 정지시킴으로써 종료 공정을 개시하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 종료 공정 중에 실린더의 하위군(subgroup)에서 액체 연료와 함께 잔여 기체 연료를 연소시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 방법은 하위군의 적어도 하나의 실린더와 액체 연료만을 연소시키는 하위군이 아닌 적어도 하나의 실린더의 연소 공정 파라미터의 차이가 미리 설정된 허용가능 범위 이내인지를 판정하는 단계와, 종료 공정의 완료를 표시하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 이중 연료 내연 기관의 작동을 제어하는 제어 시스템이 개시된다. 이중 연료 내연 기관은 액체 연료 모드와 기체 연료 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템은 본 출원에 예시적으로 개시된 방법에 따라 이중 연료 내연 기관을 제어하도록 구성될 수 있는 제어 유닛을 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 특징과 양태는 다음의 설명과 첨부도면을 통해 분명히 드러날 것이다.
본 출원에 통합되어 특허명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 개시의 예시적인 실시예를 도시하며, 설명과 함께, 본 개시의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 예시적인 이중 연료 내연 기관의 개략도를 도시한다.
도 2는 기체 연료 모드의 종료 공정을 제어하기 위한 예시적인 방법의 순서도를 도시한다.
이하, 본 개시의 예시적인 실시예를 상세히 설명한다. 본 명세서에 설명되고 도면에 도시된 예시적인 실시예는 본 개시의 원리를 설시하여 기술분야의 기술자가 다양한 환경에서 다양한 용례를 위해 본 개시를 구현하고 사용할 수 있도록 의도되어 있다. 따라서, 예시적인 실시예는 특허 보호 범위에 대한 설명을 제한하는 것이 되도록 의도되지도 않았고 그렇게 해석되어서도 안 된다. 오히려 특허 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
본 개시는, 잔여 기체 연료를 기체 연료 공급 라인으로부터 외부 환경으로 방출하는 대신에 잔여 기체 연료를 이중 연료 내연 기관을 작동시키기 위해 사용할 수 있다는 인식에 부분적으로 기초한다. 이로써, 온실 가스, 즉 천연가스나 메탄가스와 같은 기체 연료의 배출을 저감할 수 있는 환경 친화적인 해법을 제공할 수 있다. 그러나, 꾸준히 양이 줄어드는 잔여 기체 연료의 연소를 제어하는 것은 힘든 과제이다.
이하, 잔여 기체 연료를 연소시킴으로써 환경 친화적 해법을 제공하는 동시에 기체 연료 모드의 종료 공정에 대한 신뢰성 있는 제어를 용이하게 하는 이중 연료 내연 기관과 이의 제어 방법을 개시한다.
도 1을 참조하면, 엔진 블록(2), 과급 공기 시스템(4), 배기가스 시스템(5), 기체 연료 시스템(6) 및 퍼지 가스 시스템(7)을 포함하는 예시적인 이중 연료 내연 기관(1)의 개략도가 도시되어 있다.
이중 연료 내연 기관(1)은 추가 공기 시스템 구성요소, 추가 냉각 시스템 구성요소, 추가 배기가스 구성요소, 주변 기기, 구동렬 구성요소 등과 같은 도시 안 된 형상부를 포함할 수 있다. 이중 연료 내연 기관(1)은 기관차 용례, 포장도로용 트럭이나 차량, 비포장도로용 트럭이나 기계, 토목 설비, 발전기, 항공우주 용례, 해양 용례, 연안 용례, 펌프, 정착 설비 또는 여타의 엔진 동력 용례를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 기계나 여타 장치를 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 이중 연료 내연 기관(1)은 액체 연료 모드(LFM)에서는 예컨대 디젤 연료와 같은 액체 연료로 작동할 수 있고, 기체 연료 모드(GFM)에서는 예컨대 메탄가스와 같은 기체 연료로 작동할 수 있다.
엔진 블록(2)은 복수의 실린더를 포함한다. 예로서, 네 개의 실린더(8, 9, 10, 11)가 도 1에 도시되어 있다. 엔진 블록(2)은 임의의 크기일 수 있고, 임의의 개수의 실린더를 구비할 수 있으며, 예컨대 "V자"형, 직렬형, 방사형 등과 같은 임의의 구성을 취할 수 있다. 보다 상세히 후술하는 바와 같이, 네 개의 실린더 중 실린더(11)는 실린더의 하위군(12)에 속하는데 반해, 실린더(8 내지 10)는 하위군(12)에 속하지 않는다.
각각의 실린더(8 내지 11)는 적어도 하나의 유입 밸브(18)와 적어도 하나의 유출 밸브(16)를 구비한다. 유입 밸브(18)는 과급 공기나 과급 공기/기체 연료 혼합물을 실린더(8 내지 11)로 공급하도록 구성된다. 유사하게, 유출 밸브(16)는 각각의 실린더(8 내지 11)에서 배기가스를 내보내도록 구성된다.
과급 공기는 과급 공기 시스템(4)에 의해 공급된다. 과급 공기 시스템(4)은 압축기(22)에 유체적으로 연결되는 흡기구(20)를 포함하며, 이어서 압축기는 과급 공기 냉각기(24)에 유체적으로 연결된다. 과급 공기 매니폴드(26)가 과급 공기 냉각기(24)의 하류측에 유체적으로 연결되어 실린더 특정 유입 채널(28)을 통해 각각의 실린더(8 내지 11)로 과급 공기를 안내한다.
도시된 구성에서, 압축기(22)와 배기가스 터빈(30)은 샤프트(32)를 통해 연결되어 1단 터보차저를 형성한다. 대안적인 예로서, 중간냉각부(intercooling)를 갖는 2단 터보차저가 마련될 수 있다.
과급 공기 매니폴드(26)는 과급 공기 냉각기(24)와 개별 유입 채널(28) 사이에 유체적으로 상호연결되어 개별 실린더(8 내지 11)로 과급 공기를 안내한다. 엔진 블록(2)의 유형에 따라서는, 하나보다 많은 과급 공기 매니폴드가 마련될 수 있다. 예컨대, 엔진 블록(2)이 V자-배열로 구성되는 경우에는 두 실린더 뱅크 모두 개별 과급 공기 매니폴드를 포함할 수 있거나, 두 실린더 뱅크 모두를 위한 공통 과급 공기 매니폴드가 마련될 수 있다.
과급 공기는 압축기(22) 내에서 압축되는 동안 뜨거워지기 때문에, 연소에 앞서 소기의 수준까지 과급 공기를 냉각하기 위해 과급 공기 냉각기(24)가 마련된다.
배기가스 터빈(30)을 갖춘 배기가스 시스템(5)은 개별 배기가스 채널(35)로부터 배기가스 터빈(30)으로 배기가스를 안내하는 배기가스 매니폴드(34)를 추가로 포함한다. 각각의 배기가스 채널은 복수의 실린더(8 내지 11) 중 하나와 배기가스 매니폴드(34) 사이에 유체적으로 연결된다. 과급 공기 매니폴드(26)와 마찬가지로 엔진 블록(2)의 유형에 따라, 배기가스 시스템(5)은 하나보다 많은 배기가스 매니폴드를 포함할 수 있다. 예컨대, 엔진 블록(2)이 V자형 배열의 실린더로 구성되는 경우에는 두 실린더 뱅크 모두 개별 배기가스 매니폴드를 포함할 수 있거나, 두 실린더 뱅크 모두를 위한 공동 배기가스 매니폴드가 마련될 수 있다. 또한, 유입 밸브(18)와 유출 밸브(16)가 유입 채널(28)과 유출 채널(35)의 내부에 각각 설치될 수 있다.
유입 채널(28)과 유출 채널(35)은 실린더(8 내지 11)를 덮는 공통 실린더 헤드나 개별 실린더 헤드 내부에 마련될 수 있다.
위에 언급한 바와 같이, 도 1에 구체적으로 도시되지 않은 추가 구성요소가 과급 공기 시스템(4)과 배기가스 시스템(5)의 일부일 수 있다. 예컨대, 과급 공기 시스템(4)과 배기가스 시스템(5)은 작동 중에 소음 발생을 저감하는 소음기(silencer)를 포함할 수 있다.
기체 연료 시스템(6)은 기체 연료 탱크(36)와 가스 밸브 유닛(38)(도 1에 쇄선 박스로 표시)을 포함한다. 기체 연료 탱크(36)는 GFM에서 연소를 위해 기체 연료를 공급하는 기체 연료원을 구성한다. 예컨대, 기체 연료 탱크(36)는 메탄 가스를 가압 상태로 저장한다.
가스 밸브 유닛(38)은 기체 연료 탱크(36)로부터 기체 연료 파이프(42)로의 유동을 허용, 차단 및 제어하도록 구성된다. 도시된 구성에서, 가스 밸브 유닛(38)은 직렬 연결되는 기체 연료 제어 밸브(44)와 두 개의 기체 연료 차단 밸브(46, 48)를 포함할 수 있다. 기체 연료 제어 밸브(44)는 가스 밸브 유닛(38)을 통해, 기체 연료 탱크(36)로부터 기체 연료의 유량을 조절하도록 구성된다. 제1 기체 연료 차단 밸브(46)와 제2 기체 연료 차단 밸브(48)는 기체 연료 탱크(36)로부터 기체 연료의 유동을 즉각 허용하거나 차단하도록 구성된다. 가스 밸브 유닛(38)은 개방된 상태일 때 기체 연료 및/또는 퍼지 가스를 외부 환경으로 방출하도록 구성되는 제1 통기 밸브(50)와 제2 통기 밸브(52)를 추가로 포함한다.
가스 파이프(42)는 복수의 기체 연료 채널(56)로 분할되는 기체 연료 매니폴드(54)에 유체적으로 연결된다. 각각의 기체 연료 채널(56)은 복수의 유입 채널(28) 중 하나에 하나씩 유체적으로 연결된다. 개별 유입 채널(28)에 기체 연료를 투여하기 위해, 각각의 기체 연료 채널(56)에는 기체 연료 진입 밸브(58)가 설치된다. 몇몇 실시예에서, 이중 연료 내연 기관(1)은 하나보다 많은 기체 연료 매니폴드(54)를 포함할 수 있다.
각각의 기체 연료 진입 밸브(58)는, 기체 연료가 기체 연료 탱크(36)로부터 공급되고 가스 밸브 유닛(38)이 기체 연료의 유동을 허용할 경우 GFM에서 과급 공기 시스템(4)에서 나오는 압축된 과급 공기와 혼합되도록 개별 유입 채널(28)로 들어가는 기체 연료의 유동을 허용하거나 차단하도록 구성된다. 따라서, 각각의 기체 연료 진입 밸브(58)의 하류측에는 실린더 특정 혼합 영역이 생성된다. 예컨대, 기체 연료 진입 밸브(58)는, 이동식 원판의 하면이 스프링에 의해 고정식 원판 또는 평판의 상면에 밀착되고 이들 두 표면은 기체 연료 진입 밸브(58)가 폐쇄된 상태일 때 밀봉 관계를 제공하도록 구성되는 솔레노이드 가동식 플레이트 밸브일 수 있다. 각각의 기체 연료 진입 밸브(58)는 적어도 하나의 실린더(8 내지 11)를 덮는 실린더 헤드에 장착될 수 있다.
퍼지 가스 시스템(7)(도 1에 쇄선 박스로 표시)은 연속적으로 연결되는 퍼지 가스 탱크(60), 퍼지 가스 제어 밸브(62) 및 제1 퍼지 가스 차단 밸브(64)를 포함한다. 퍼지 가스 탱크(60)는 퍼지 가스로 기체 연료 파이프(42), 기체 연료 매니폴드(54) 등을 세정하기 위한 퍼지 가스원을 구성한다. 예컨대, 퍼지 가스 탱크(60)는 질소와 같은 불활성 가스를 가압 상태로 저장할 수 있다. 퍼지 가스 제어 밸브(62)는 퍼지 가스 탱크(60)로부터 퍼지 가스의 유동을 조절하도록 구성되고, 제1 퍼지 가스 차단 밸브(64)는 퍼지 가스 탱크(60)로부터 퍼지 가스의 유동을 즉각 허용하거나 차단하도록 구성된다.
퍼지 가스 시스템(7)은 다양한 위치에서 기체 연료 시스템(6)에 유체적으로 연결된다. 제1 연결부(66)는 기체 연료 매니폴드(54)에 근접하게 배치된다. 상기 제1 연결부(66)를 통한 퍼지 가스의 유동은 제2 퍼지 가스 차단 밸브(68)에 의해 차단되거나 허용된다. 제2 연결부(70)는 가스 밸브 유닛(38)에 근접하게 가스 밸브 유닛의 하류측에 배치된다. 제2 연결부(70)를 대신하거나 이에 추가하여, 제3 연결부(74)(도 1에 파선으로 표시)가 가스 밸브 유닛(38)에 통합될 수 있다. 구체적으로, 제2 연결부(70)는 제2 기체 연료 차단 밸브(48)의 직하류측에 배치될 수 있는데 반해, 제3 연결부(74)는 가스 밸브 유닛(38) 내에 위치한 제1 기체 연료 차단 밸브(46)와 제2 기체 연료 차단 밸브(48)의 유체 연결부에 배치될 수 있다. 제2 연결부(70) 및/또는 제3 연결부(74)를 통한 퍼지 가스의 유동은 가스 밸브 유닛(38) 외부에 배치되는 제3 퍼지 가스 차단 밸브(72)에 의해 차단되거나 허용된다. 대안으로서, 특히 제3 연결부(74)가 존재할 경우, 제3 퍼지 가스 차단 밸브(72)는 가스 밸브 유닛(38)에 통합될 수 있다. 도 1에 개략적으로 표시되어 있는 제4 연결부(75)는 기체 연료 제어 밸브(44)와 제1 기체 연료 차단 밸브(46) 사이의 유체 연결부와 퍼지 가스 시스템(7) 사이에 유체적으로 상호연결된다.
이중 연료 내연 기관(1)의 작동을 제어하기 위해 제어 유닛(76)이 마련된다. 제어 유닛(76)은 제어 시스템의 일부를 형성하며, 제어 연결 라인(도 1에 쇄선으로 표시)을 통해 가스 밸브 유닛(38)의 밸브, 퍼지 가스 시스템(7)의 밸브, 기체 연료 진입 밸브(58) 및 퍼지 가스 밸브(68, 72)와 같은 이중 연료 내연 기관(1)의 다양한 구성요소를 제어하도록 구성된다. 간결성을 위해, 제어 유닛(76)과 타 구성요소 사이의 제어 연결 라인은 도시되어 있지 않다.
엔진(1)은 각각의 실린더(8 내지 11)에 장착되어 실린더별로 연소 압력을 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 복수의 연소 압력 센서(77) 및/또는 각각의 실린더(8 내지 11)에 장착되어 실린더별로 연소 온도를 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 복수의 연소 온도 센서(77)를 추가로 포함할 수 있다. 이를 대신하거나 이에 추가하여, 실린더별로 노킹 파라미터를 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 복수의 노킹 센서(knocking sensor)(77)가 각각의 실린더(8 내지 11)에 장착될 수 있다. 센서(77)는 제어 유닛(76)에 연결될 수 있다.
이하, 도 1과 도 2를 참조하여 이중 연료 내연 기관(1)의 작동과 제어를 설명한다.
위에 언급한 바와 같이, 이중 연료 내연 기관(1)은 상이한 종류의 연료로 작동할 수 있다. 구체적으로, 이중 연료 내연 기관(1)은 LFM, 예컨대 디젤 연료 모드나 GFM, 예컨대 메탄가스 모드에서 작동할 수 있다.
LFM의 경우에는, 과급 공기 시스템(4)이 압축기(22)에 의해 가압되는 과급 공기를 개별 실린더(8 내지 11)로 공급한다. 압축된 과급 공기는 각각의 실린더의 상사점(TDC)을 향해 이동하는 피스톤에 의해 추가로 압축된다. 과급 공기/액체 연료 혼합물이 각각의 실린더(8 내지 11) 내의 고압과 고온에 의해 초래되는 액체 연료의 자기 점화로 인해 점화되도록 액체 연료 분사 시스템(미도시)이 압축된 과급 공기에 액체 연료를 공급한다.
GFM의 경우에는, 메탄가스와 같은 기체 연료가 기체 연료 시스템(6)의 기체 연료 탱크(36)로부터 공급된다. 가스 밸브 유닛(38)은 기체 연료 파이프(42) 내로 기체 연료의 유동을 허용한다. 기체 연료 진입 밸브(58)는 과급 공기 시스템(4)에 의해 공급되어 유입 채널(28)을 통과하는 압축된 과급 공기 내로 기체 연료를 투여하고, 이로써 과급 공기/기체 연료 혼합물을 생성한다. 상기 혼합물은 개방된 유입 밸브(18)를 통해 각각의 실린더(8 내지 11) 내로 진입하여, TDC를 향해 이동하는 피스톤에 의해 압축되고, 소량의 점화 연료, 예컨대 디젤 연료의 분사에 의해 점화된다. 고압과 고온으로 인해 점화 연료는 즉각 점화되고, 이로써 압축된 과급 공기/기체 연료 혼합물도 점화한다. 점화 연료의 양은 예컨대, LFM 중에 분사되는 연료량의 0.5% 내지 5%의 범위 이내일 수 있다.
LFM와 GFM 두 경우 모두, 공기/연료 혼합물의 연소 후에, 유출 밸브(16)의 개방에 의해 배기가스가 실린더(8 내지 11)에서 유출 채널(35)을 거쳐 배출되어 배기가스 시스템(5)으로 이동한다.
도 2로 넘어가면, GFM의 종료 방법이 도시되어 있다. GFM의 종료 공정은 GFM에서 LFM으로 이행이 이루어지거나, GFM과 이중 연료 내연 기관(1)의 작동이 정지되는 경우에 필요할 수 있다.
단계 80에서는, 종료 공정을 위한 반응 시간과 기간(time frame)을 증가시키기 위해 종료 공정의 개시에 앞서 이중 연료 내연 기관(1)의 엔진 부하가 저감된다. 이중 연료 내연 기관(1)의 부하 저감은 바로 연료 소비량의 저감을 의미한다. 엔진 부하를 저감함으로써, 종료 공정과 결부된 다양한 구성요소를 제어하고 개폐하기 위한 반응 시간이 향상될 수 있다. 대안으로서, 단계 80은 현재 부하에서의 타이밍이 충분할 경우에는 필요하지 않을 수 있다. 이 경우에는, 종료 공정을 개시할 때 엔진 부하가 변화없이 유지될 수 있다.
단계 82에서는, 밸브(44, 46 및/또는 48)를 폐쇄하여 가스 연료 탱크(36)로부터 기체 연료의 공급을 정지시킴으로써 GFM의 종료 공정이 개시된다.
제어 유닛(76)은 단계 84에서 기체 연료 파이프(42)와 기체 연료 매니폴드(54) 내의 잔여 기체 연료가 실린더의 하위군(12) 내에서만 연소되도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 해당 연소는 또한 실린더의 하위군(12)에 공급되는 액체 연료의 양을 토대로 한다. 하위군(12)이 아닌 타 실린더(8, 9, 10)는 순수 LFM과 유사한 액체 연료만을 공급받는다. 하위군(12)에 대한 기체 연료의 공급은 각각의 기체 연료 진입 밸브(58)의 개방에 의해 실현될 수 있는데 반해, 하위군(12)이 아닌 실린더(8 내지 11)의 타 기체 연료 진입 밸브(58)는 폐쇄 상태로 유지된다.
일례로서, 위에 언급한 바와 같이, 하위군(12)은 실린더(11)를 포함하며, 나머지 실린더(8 내지 10)는 하위군(12)에 속하지 않는다. 그러나, 다른 실시예에서, 하위군(12)은 타 실린더 및/또는 추가 실린더에 의해 형성될 수 있다. 각각의 구성에서, 적어도 하나의 실린더는 하위군(12)에 속하지 않는다.
몇몇 실시예에서, 모든 실린더(8 내지 11)는 종료 공정 중에 동일한 양의 액체 연료를 공급받을 수 있다. 이는 액체 연료 분사 시스템이 일반 설정(common setting)에 따라 실린더(8 내지 11)별 액체 연료 분사량만을 조절할 수 있는 경우에 적용될 수 있다. 예컨대, 액체 연료 분사 시스템은 실린더(8 내지 11)별 액체 연료 분사량만을 일반적으로 조절할 수 있는 신축성 캠 기술을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 예컨대, 실린더별로 압전 가동식 액체 연료 분사기를 포함할 수 있는 공통 레일 액체 연료 분사 시스템에서는, 실린더별 액체 연료 분사량이 각각 따로 설정될 수 있다. 이 경우에는, 후술하는 연소 파라미터의 평가시 개별 설정이 고려된다.
잔여 기체 연료를 실린더(11) 내로 유입시키기 위해, 퍼지 가스가 퍼지 가스 시스템(7)에 의해 예컨대 제2 연결부(70) 및/또는 제3 연결부(74)를 통해 기체 연료 파이프(42)로 공급될 수 있다. 퍼지 가스가 제3 연결부(74)를 통해 공급되는 경우에는, 제2 기체 연료 차단 밸브(48)가 개방되어야 한다. 공급된 퍼지 가스는 하위군(12)의 방향으로 잔여 기체 연료를 "밀어낸다".
퍼지 가스의 공급은 기체 연료 파이프(42), 기체 연료 매니폴드(54) 및 기체 연료 채널(56) 내의 압력 수준을 일정하게 유지하는 데 도움을 줄 수 있는데, 이는 기체 연료 진입 밸브(58)의 작동을 위해 필요할 수 있는 기체 연료 채널(56)과 유입 채널(28) 사이의 압력차 유지를 위해 필요할 수 있다.
최대한 효과적으로 잔여 기체 연료를 하위군(12) 내로 "밀어내기" 위해, 퍼지 가스는 퍼지 가스 밸브(72)의 개방에 의해 실린더(8 내지 11)에서 멀리 떨어진 위치에서, 예컨대 연결부(70)를 통해 기체 연료 시스템(6)으로 진입할 수 있다. 또한, 연소를 위해 최대한으로 세정될 수 있도록, 하위군(12)은 기체 연료 탱크(36)로부터 가장 멀리 유체적으로 배치되는 실린더만을 포함할 수 있고/있거나 퍼지 가스 탱크(60)로부터 가장 멀리 유체적으로 배치되는 실린더만을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 하위군(12)은 실린더 뱅크별로, 통틀어 정확히 하나의 실린더, 예컨대 실린더(11)를 포함한다. 예컨대, 이중 연료 내연 기관(1)이 두 개의 실린더 뱅크를 가질 경우, 각각의 실린더 뱅크의 하나의 실린더가 하위군(12)에 속할 수 있다.
제4 실린더(11)에서 액체 연료와 함께 잔여 기체 연료를 연소시키는 것은 타 실린더(8 내지 10) 내의 연소 공정과는 다른 연소 공정을 초래하게 되는데, 이는 이들 실린더(8 내지 10)는 액체 연료만을 연소시키기 때문이다. 즉, 하위군(12)의 실린더는 액체 연료와 남아있는 잉여 기체 연료를 연소시키고, 따라서 보다 많은 양의 에너지를 받아들이는데 반해, 하위군(12)에 속하지 않는 실린더는 액체 연료만을 연소시킨다.
도 2를 참조하면, 단계 86에서는, 연소 공정 파라미터가 하위군(12)의 적어도 하나의 실린더와 하위군(12)이 아닌 적어도 하나의 실린더, 예컨대 실린더(8)를 대상으로 측정된다. 연소 공정 파라미터는 예컨대 연소 압력, 연소 온도 또는 연소 소음/노킹 파라미터일 수 있다.
단계 88에서는, 하위군(12)의 실린더(11)와 하위군(12)이 아닌 실린더를 대상으로 측정된 연소 공정 파라미터의 차이가 판정된다.
몇몇 실시예에서는, 연소 파라미터 측정 대상 실린더, 예컨대 하위군(12)의 실린더(11)와 하위군(12)이 아닌 실린더(8)만이 동일한 액체 연료 분사량을 공급받는다. 이런 구성에서, 액체 연료 분사 시스템은 실린더(8 내지 11)별 액체 연료 분사량을 각각 따로 조절할 수 있다.
판단(decision) 단계 90에서, 제어 유닛(76)은 판정된 연소 공정 파라미터의 차이가 미리 설정된 허용가능 범위 이내인지를 확인한다. 차이가 (아직은) 미리 설정된 허용가능 범위 이내가 아닌 한, 잔여 기체 연료는 여전히 상당량 존재하며, 종료 공정 중에 연소될 수 있다(도 2의 순환 91로 표시). 잔여 기체 연료가 완전히 연소되는 순간 하위군(12)의 실린더와 하위군(12)이 아닌 실린더의 연소 공정은 유사해진다. 단계 92에서는, 연소 공정 파라미터의 차이가 미리 설정된 허용가능 범위 내로 이동하는 순간 신호가 생성된다. 이 신호는 잔여 기체 연료가 연소되어 가스 파이프(42)와 기체 연료 매니폴드(54)에는 기체 연료가 실질적으로 존재하지 않는다는 것을 나타낸다.
예컨대, 미리 설정된 허용가능 범위는 압력값, 온도값 또는 노킹 파라미터값에 대하여 최대 부하 파라미터의 105%, 110%, 115% 또는 120%까지 달할 수 있다.
판단 단계 94에서는, 이중 연료 내연 기관(1)이 정지되어야 하는지 아니면 LFM에서 작동하여야 하는지가 판정된다. 단계 96에서는, 이중 연료 내연 기관(1)의 정지가 수행된다.
단계 98에서는, 이중 연료 내연 기관(1)의 작동이 LFM로 계속해서 수행된다. 내연 기관(1)이 LFM에서 추가로 작동된다면, 엔진 부하가 종료 공정 전에 감소했을 경우 엔진 부하가 증가하여야 한다. 또한, 퍼지 가스의 퍼지 가스 시스템(7)으로부터의 공급이 신호를 토대로 정지될 수 있다.
제어 유닛(76)은 상술한 방법의 단계를 수행하도록 구성되며, 특히 이중 연료 내연 기관(1)의 다양한 구성요소, 예컨대 유입 밸브(18), 유출 밸브(16), 가스 밸브 유닛(38), 기체 연료 진입 밸브(58) 및 퍼지 가스 시스템(7)의 작동을 제어하는 수단을 포함할 수 있는 단일 마이크로프로세서 또는 복수의 마이크로프로세서일 수 있다. 제어 유닛(76)은 이중 연료 내연 기관(1) 및/또는 그 관련 구성요소와 결부된 다양한 기능을 제어할 수 있는 범용 엔진 제어 유닛(ECU)일 수 있다. 제어 유닛(76)은 어플리케이션 운용에 필요한 모든 구성요소, 예컨대 메모리와 이차 저장 장치, 그리고 중앙처리유닛 또는 이중 연료 내연 기관(1)과 그 다양한 구성요소를 제어하기 위한 기술분야에 공지된 여타의 수단과 같은 프로세서를 포함할 수 있다.
전원 공급 회로, 신호 조절 회로, 통신 회로 및 여타의 적절한 회로를 포함하여, 여타의 다양한 공지 회로가 제어 유닛(76)과 연동할 수 있다. 제어 유닛(76)은 수신 및 저장된 데이터를 분석 및 비교할 수 있고, 메모리에 저장되거나 사용자에 의해 입력된 지시 및 데이터를 토대로 조치의 필요성 여부를 판정할 수 있다. 예컨대, 제어 유닛(76)은 수신된 값을 메모리에 저장된 표적값과 비교하고, 제어 유닛(76)은 비교 결과를 토대로 하나 이상의 구성요소로 신호를 전송하여 해당 구성요소의 작동 상태를 변경할 수 있다.
제어 유닛(76)은 이중 연료 내연 기관(1)과 그 구성요소의 작동과 관련한 데이터를 저장하는, 기술분야에 공지된 임의의 메모리 장치를 포함할 수 있다. 데이터는 예컨대 밸브 개방 타이밍과 관련되고/되거나 이를 설명하는 하나 이상의 맵의 형태로 저장될 수 있다. 각각의 맵은 표, 그래프 및/또는 방정식 형태일 수 있고, 연구소 및/또는 현장에서 이중 연료 내연 기관(1)의 작동을 통해 수집된 데이터의 편집물을 포함할 수 있다. 맵은 관련 파라미터를 변경하면서 다양한 작동 조건 하에서 이중 연료 내연 기관(1)의 작동에 대한 계측 시험을 수행함으로써 생성될 수 있다. 제어 유닛(76)은 이들 맵을 참조할 수 있고 타 구성요소의 소기의 작동에 응하여 일 구성요소의 작동을 제어할 수 있다.
본 개시의 다른 양태에서는, 이중 연료 내연 기관(1)의 기체 연료 공급 라인의 충전 상태의 변화를 판정하는 방법이 개시된다. 예컨대, 본 방법은 예컨대 공기, 질소, 천연가스 또는 메탄가스의 충전 상태와 이들 기체 매체의 타 충전 상태 사이의 변화를 식별할 필요가 있을 수 있다. 본 방법은 기체 연료 파이프로부터 공급되는 기체 매체를 실린더의 하위군(12) 내의 액체 연료와 함께 연소시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 하위군(12)의 적어도 하나의 실린더(11)와 액체 연료만을 연소시키는, 하위군(12)이 아닌 적어도 하나의 실린더(8, 9, 10)의 연소 공정 파라미터의 차이가 미리 정해진 범위 이내인지를 판정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 방법은 기체 연료 공급 라인의 충전 상태, 예컨대 기체 연료의 충전 상태를 표시하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
예컨대, 미리 정해진 범위는 해당 차이가 미리 정해진 임계값보다 작아진다면 기체 연료가 기체 연료 파이프에 실질적으로 존재하지 않는 것으로 판정하도록 설정될 수 있다. 대안적인 예로서, 미리 정해진 범위는 해당 차이가 미리 정해진 임계값보다 커진다면 기체 연료가 완전히 충전된 것으로 판정하도록 설정될 수 있다.
이중 연료 모드의 종료 공정과 관련하여 본 출원에 설명된 특정 실시예는 적용가능할 경우, 위에 언급한 기체 연료 충전 상태 판정 방법에도 적용될 수 있다.
본 개시의 다른 양태에서는, 이중 연료 내연 기관(1)의 기체 연료 모드를 시작하는 방법이 개시된다. 본 방법은 기체 매체로 충전된 기체 연료 공급 라인에 기체 연료의 공급을 시작함으로써 시작 공정을 개시하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 시작 공정 중에, 공급된 기체 연료 함량이 증가한 기체 매체를 실린더의 하위군(12)의 액체 연료와 함께 연소시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 방법은 하위군(12)의 적어도 하나의 실린더(11)와 액체 연료만을 연소시키는, 하위군(12)이 아닌 적어도 하나의 실린더(8, 9, 10)의 연소 공정 파라미터의 차이가 미리 설정된 허용가능 범위 이내인지를 판정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 방법은 시작 공정의 완료를 표시하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이중 연료 모드의 종료 공정과 관련하여 본 출원에 설명된 특정 실시예는 적용가능할 경우, 위에 언급한 이중 연료 모드 시작 공정에도 적용될 수 있다.
본 출원에 개시된 양태에서는, 기체 연료 라인에 적어도 일시적으로 공급되는 기체 매체의 에너지 함량과 같은 다양한 연소 특성을 사용할 수 있다. 이들 다양한 연소 특성은 실린더 유닛 중 선택된 것의 연소에만 영향을 미치기 때문에, 각각의 연소 파라미터를 모니터함으로써 충전 상태 및 이에 따른 종료/시작/변환 공정의 국면에 대한 결론을 내릴 수 있다.
본 출원에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하긴 했지만, 이에 대한 개량과 변경이 하기 특허청구범위를 벗어나지 않고 포함될 수 있다.

Claims (15)

  1. 이중 연료 내연 기관(1)의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법이며,
    기체 연료의 공급을 정지시킴으로써 종료 공정을 개시하는 단계와,
    종료 공정 중에, 실린더(8, 9, 10, 11)의 하위군(12)에서 액체 연료와 함께 잔여 기체 연료를 연소시키는 단계와,
    하위군(12)에 속하는 적어도 하나의 실린더(11)와, 액체 연료만을 연소시키는 하위군(12)에 속하지 않는 적어도 하나의 실린더(8, 9, 10)의 연소 공정 파라미터의 차이가 미리 설정된 허용가능 범위 이내인지를 판정하는 단계와,
    종료 공정의 완료를 표시하는 단계를 포함하고,
    종료 공정을 개시하기 전에, 이중 연료 내연 기관(1)의 엔진 부하를 저감하는 단계와,
    일단 종료 공정이 완료되면, 엔진 부하를 증가시키는 단계와,
    하위군(12)의 연소 공정 파라미터의 검출값을 토대로 엔진 부하를 조절하는 단계를 추가로 포함하는,
    이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 종료 공정 내의 적어도 약간의 기간 동안 잔여 기체 연료를 하위군(12)을 향해 유동시키기 위해 퍼지 가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    일단 종료 공정이 완료되면, 이중 연료 내연 기관(1)의 작동을 정지시키는 단계, 또는
    일단 종료 공정이 완료되면, 이중 연료 내연 기관(1)을 액체 연료 모드에서 계속 작동시키는 단계를 추가로 포함하는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 종료 공정 중에 각각의 실린더(8, 9, 10, 11)에 동일한 양의 액체 연료를 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연소 공정 파라미터는 연소 온도, 연소 압력, 연소 소음 또는 노킹 파라미터 중 적어도 하나인, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 미리 설정된 허용가능 범위는 최대 부하 파라미터의 110%까지 달하는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실린더 뱅크별로, 실린더(8, 9, 10, 11)의 하위군(12)은 통틀어 정확히 하나의 실린더(11)를 포함하는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하위군(12)은 기체 연료원(36)으로부터 가장 멀리 유체적으로 배치되도록 선택되는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하위군(12)은 퍼지 가스원(60)으로부터 가장 멀리 유체적으로 배치되도록 선택되는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 퍼지 가스를 공급하는 단계는 불활성 가스를 공급하는 단계를 포함하는, 이중 연료 내연 기관의 기체 연료 모드를 종료하기 위한 방법.
  14. 액체 연료 모드와 기체 연료 모드에서 작동되도록 구성되는 이중 연료 내연 기관(1)의 작동을 제어하기 위한 제어 시스템이며,
    제1항 또는 제2항의 방법에 따라 이중 연료 내연 기관(1)을 제어하도록 구성되는 제어 유닛(76)을 포함하는 제어 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    실린더별 연소 압력을 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 복수의 연소 압력 센서(77),
    실린더별 연소 온도를 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 복수의 연소 온도 센서(77), 및
    실린더별 노킹 파라미터를 표시하는 신호를 생성하도록 구성되는 복수의 노킹 센서(77)
    중 적어도 하나를 추가로 포함하는 제어 시스템.
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