KR102328552B1 - 가스 엔진 시동 방법 - Google Patents

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Abstract

하나 초과의 작동 실린더를 가지는 가스 엔진을 시동하기 위한 방법으로서, 그러한 작동 실린더에 연료 가스가 실린더 선택적으로 공급되고, 시동 가스량이 작동 실린더에 공급되며, 시동 가스가 적어도 하나의 작동 실린더에 실린더 선택적으로 공급되는 것인 방법이 제시된다.

Description

가스 엔진 시동 방법{METHOD FOR STARTING A GAS ENGINE}
본 발명은, 제1항의 전제부에 따른, 하나 초과의 작동 실린더(working cylinder)를 가지는 가스 엔진을 시동하기 위한 방법에 관한 것으로서, 그러한 작동 실린더에 연료 가스가 실린더 선택적으로 공급되고, 시동 가스량이 작동 실린더에 공급되는 것인 방법에 관한 것이다.
가스 엔진은 내연 기관이고, 그러한 가스 엔진의 작동을 위해서, 액체 연료 대신에 기체 연료가 이용되고, 그러한 기체 연료는, 예를 들어, 천연 가스, 목 가스(wood gas), 쓰레기 매립지 가스, 또는 수소의 형태로 존재할 수 있고, 이러한 목록은 최종적인 것이 아니다. 특히 조합된 열 및 발전 플랜트에서의 열 엔진으로서 또는 선박의 구동부로서, 가스 엔진이 종종 정지 방식(stationary manner)으로 작동된다.
출원인에 기인하는 DE 10 2009 016 461 A1을 통해서, 퍼포먼스 가스 분사 방법(performance gas injection method)(PGI)에 따라서 작동하는 가스 엔진이 공지되기 시작하였고, 그러한 가스 엔진에서 가스 혼합물을 점화(igniting)하기 위해서 고압 하의 연료 가스 혼합물이 각각의 작동 실린더의 예비 챔버(prechamber) 내로 분사되고, 예를 들어 글로우(glow; 예열) 본체 형태로 예비 챔버 내에 배치되는 점화 공급원(ignition source)이 위치되며, 그러한 점화 공급원 상에서 점화 가능 가스 혼합물이 점화된다. 이어서, 화염 면(flame front)이 예비 챔버 내의 통로에 걸쳐 주 연소 챔버 내로 확산될 수 있고, 그러한 주 연소 챔버 내에는, 예를 들어, 희박(lean) 가스 혼합물이 존재한다.
본원에서 언급된 점화는, 가스 엔진이 이미 작동되는 상태에서의 가스 혼합물의 점화이다. 엔진의 크랭크샤프트가 아직 회전되지 않는, 여전히 정지 상태인 가스 엔진은 시동 과정을 통해서 그 작동으로 진입하여야 한다.
가스 엔진의 시동을 위해서는, 작동 실린더 내의 점화를 가능하게 하기 위해서 그리고 그에 따라 가스 엔진의 시동을 가능하게 하기 위해서 연소 가능한 혼합물이 작동 실린더의 연소 챔버 내에 존재하여야 한다. 그러한 점화 가능 가스 혼합물이 종종 제1 점화 프로세스 중에 확산 발화(flare up)되지 않고 그에 따라 작동 실린더의 배기 제어 기관을 통해서 배기관(exhaust tract)으로 진입하고 그에 따라 점화 가능 가스 혼합물이 배기관 내에 축적된다는 것이 확인되었다. 만약 작동 실린더의 점화가 이어서 발생된다면, 고온 배기 가스가 배기관 내로 방출되고, 큰 압력 증가를 수반하는 배기관 내의 점화 가능 가스 혼합물의 자가 점화의 위험이 존재한다.
중앙 예비 혼합형(centrally pre-mixed) 가스 엔진에서, 연료 가스가 가스 엔진의 전체 흡기 공기량 내로 혼합되고, 그렇게 생성된 전체 가스 혼합물은 점화 가능하며 그에 따라, 시동 프로세스 중에 개별적인 작동 실린더 내에서 점화되지 않을 때, 다량으로 배기관으로 진입할 수 있다.
가스 엔진이 이미 운전 작동 중일 때 개별적인 작동 실린더를 위한 연료 가스의 실린더 선택적인 공급에서도, 가스 엔진의 시동을 위해서 필요한 연료 가스량이 중앙적으로(centrally) 방출되고, 다시 말해서 개별적인 작동 실린더를 점화하기 위해서 필요한 시동 가스량이 모든 작동 실린더들로 동시적으로 배분되고, 이는, 모든 작동 실린더가 균일하게 유리한 점화 거동을 가지지 않는 가스 엔진에서, 점화 가능 혼합물이 배기관 내에 축적되어 그에 따라 실질적인 폭발 위험이 나타나는 결과를 초래한다. 시동 프로세스 동안에 가스 엔진의 점화 프로세스를 모니터링하는 것 그리고 배기관 내의 가스 조성을 모니터링하는 것에 의해서, 이러한 위험이 감소될 수 있으나, 이러한 시스템이 여전히 개선 가능성을 가진다는 것이 확인되었다.
이로부터 시작하여, 본 발명은 가스 엔진을 시동하기 위한 방법을 생성하는 목적을 기초로 하고, 그러한 방법으로 가스 엔진의 배기관 내의 점화 가능 가스 혼합물의 발생이 방지될 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 생성되는 방법은 청구항 1에서 기술된 특징을 포함한다. 방법의 유리한 구성이 추가적인 청구항에서 설명된다.
본 발명은, 하나 초과의 작동 실린더를 가지는 가스 엔진을 시동하기 위한 방법을 생성하고, 그러한 작동 실린더에 연료 가스가 실린더 선택적으로 공급되고, 시동 가스량이 작동 실린더에 공급되며, 그러한 방법은 시동 가스가 적어도 하나의 작동 실린더에 실린더 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
다시 말해서, 이는, 본 발명에 따른 시동 방법이 가스 엔진의 운전 작동 중에 연료 가스가 실린더 선택적으로 공급될 수 있는 가스 엔진에 특히 적합하다는 것을 의미하며, 여기에서는, 이전의 시동 방법과 대조적으로, 시동 가스량이 더 이상 모든 작동 실린더에 대해서 동시적으로 중앙적으로 방출되지 않고, 모든 작동 실린더에 시동 가스가 동시적으로 공급되나, 적어도 하나의 작동 실린더에서 연소 프로세스를 시동하는 데 필요한 시동 가스량이 작동 실린더에 실린더 선택적으로 공급된다. 그에 따라, 다중 실린더 가스 엔진의 작동 실린더에 시동 가스량이 공급되는 한편, 우선적으로 언급되는 작동 실린더에 시동 가스가 공급되는 동안 다른 작동 실린더에는 시동 가스가 공급되지 않는다. 이는, 선택된 작동 실린더 내의 시동 가스량이 점화에 실패하고 배기 제어 기관을 통해서 배기관으로 진입할 때에도, 점화 가능 가스 혼합물이 배기관 내에 존재하지 않는 결과를 초래하는데, 이는 다른 작동 실린더를 통해서 연소 공기가 배기관 내로 펌핑되기 때문이고 그에 따라 가스 혼합물이 더 이상 점화 가능하지 않을 정도로 희석되기 때문이다. 그에 따라, 배기관 내의 가스 혼합물의 자가 점화의 위험이 효과적으로 제거되었다.
본 발명에 따른 방법의 추가적인 개량에 따라서, 적어도 2개의 작동 실린더에 미리 결정된 시동 가스량이 실린더 선택적으로 공급되는 것이 제시된다. 그에 따라, 특정한 가스 엔진의 작동 중에 예를 들어 경험적인 값의 함수로서, 상이한 시동 가스량이 선택된 작동 실린더에 공급될 수 있다. 가스 엔진은, 개별적인 작동 실린더가 다른 작동 실린더보다 더 빨리 시동되는 경향, 또는 시동을 위해서, 가스 엔진의 다른 작동 실린더와 다른 시동 가스량을 필요로 하는 경향을 가지며, 본 발명에 따른 방법에서, 각각의 가스 엔진의 그러한 특정한 특별 사항이 고려될 수 있다.
그에 따라, 확실한 초기 점화를 보장하기 위해서 그리고 점화 가능 가스 혼합물이 가스 엔진의 배기관 내로 방출되는 것을 신뢰가능하게 방지하기 위해서, 시동 거동에 맞춰서 적응된 특정한 시동 가스량이 각각의 작동 실린더에 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 유리한 추가적인 개량에 따라서, 적어도 하나의 작동 실린더 내의 완료된 점화가 일단 검출될 때에만, 시동 가스가 적어도 하나의 추가적인 작동 실린더에 공급되는 것이 제시된다. 이는, 다시 말해서, 특히, 시동을 위해서 하나 초과의 작동 실린더의 점화를 필요로 하는 적어도 하나의 작동 실린더 또는 가스 엔진에서, 필요한 수의 실린더 내의 점화가 이루어졌을 때에만, 계량될 수 있는 추가적인 작동 실린더에 시동 가스량이 공급되어 관심 대상의 작동 실린더에서의 비-점화 가능성이 상당히 감소된다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 방법은, 가스 엔진의 배기관 내에 점화 가능 혼합물이 존재하지 않도록, 실린더 선택적 시동 가스량이 결정되는 것을 특징으로 한다. 결과적으로, 시동 프로세스 중에 배기관으로 진입한, 점화되지 않은 작동 실린더의 가스 혼합물의 위험한 점화가 발생될 수 없다. 다중 실린더 가스 엔진의 경우, 시동 프로세스 중에, 점화가 복수의 작동 실린더 내에서 이미 이루어졌고 단지 특정한 작동 실린더만이 점화가 용이하지 않다는 것이 확인될 때, 그러한 작동 실린더에 공급되는 시동 가스량은, 예를 들어, 점화가 해당 작동 실린더 내에서 또한 개시될 때까지 단계적으로 증가될 수 있다. 그에 따라, 점화 가능 가스 혼합물이 배기관 내에 축적되지 않게 하는 목적을 가지고, 비-점화된 작동 실린더를 통해서 배기관으로 진입하는 가스량이 실린더 선택적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 추가적인 개량에 따라서, 시동 가스를 공급하고자 하는 작동 실린더가, 작동 실린더의 시동 용이성(starting willingness) 및/또는 적어도 하나의 추가적인 작동 실린더에 대한 작동 실린더의 회전 위치의 각도 및/또는 가스 엔진의 배기관 내의 작동 실린더의 배기 배출구의 위치에 따라, 엔진 특정적으로 결정되는 것이 제시된다.
그에 따라, 개별적인 작동 실린더에 대한 시동 가스의 실린더 선택적인 공급의 순서(sequence)는, 예를 들어, 특히 가스 엔진의 다른 작동 실린더가 이미 점화 개시되었을 때에만 해당 작동 실린더에 시동 가스가 공급되도록, 선행하는 시동 시도 중에 점화가 용이하지 않은 작동 실린더로 확인되었는지의 여부에 따라, 엔진 특정적으로 결정될 수 있고, 이로 인해서, 점화가 용이하지 않은 작동 실린더 내의 성공적인 점화 프로세스의 가능성이 상당히 증가된다.
이러한 방식으로, 전술한 매개변수의 함수로서 개별적인 작동 실린더에 시동 가스를 순차적으로 방출하는 것이 또한 실현될 수 있고, 이는, 시동 프로세스 중에 가스 엔진의 토크 곡선의 부드러운 증가를 초래하고, 그 결과로서 바람직하지 못한 토크 크기가 방지될 수 있다.
본 발명의 유리한 추가적인 개량에 따라서, 가스 엔진의 크랭크 구동이 자연적인 진동으로 여기(excite)되지 않는 방식으로, 시동 가스를 공급하고자 하는 작동 실린더의 순서가 엔진 특정적으로 결정되는 것이 또한 제시된다. 크랭크 구동부의 비틀림 특성(torsional characteristic)이 또한 본 발명에 따른 시동 방법에 의해서 영향을 받을 수 있다. 한편으로 가능한 한 균일한(even) 토크 곡선이 생성되도록 그리고 다른 한편으로 크랭크샤프트의 작동 중에 유해한 비틀림 진동이 방지되도록, 차례대로 시동 가스를 공급하고자 하는 작동 실린더들의 순서가 선택된다.
본 발명의 다른 추가적인 개량에 따라서, 가스 엔진의 시동 순서의 중단에 이어서, 시동 가스를 공급하고자 하는 작동 실린더의 순서는 선택된 순서로부터 벗어나는 제2 순서로 변경되고 그리고 시동 프로세스가 제2 순서로 반복되는 것이 또한 제시된다. 예를 들어 온도 및 공기 습도 또는 다른 특정의 영향 매개변수와 같은 가스 엔진의 주변 조건으로 인해서, 가스 엔진의 시동이 성공적이지 않은 것으로 확인되었을 때 이러한 과정이 유리할 수 있거나, 또는 그러한 변화되는 매개변수의 함수로서, 시동 가스를 공급하고자 하는 작동 실린더의 상이한 순서가 유리하다.
시동 가스가 이전에 공급된 작동 실린더 내에서 성공적인 점화 프로세스가 검출되었을 때에만, 선택된 작동 실린더에 실린더 특정된 시동 가스량이 공급되는 것은 앞서 설명되었다. 본 발명의 추가적인 개량에 따라서, 예를 들어 작동 실린더의 배기 가스 포트 내의 온도 상승을 검출하는 것에 의해서 및/또는 작동 실린더 내의 압력 상승을 검출하는 것에 의해서, 작동 실린더의 완료된 점화의 검출이 이루어진다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해서 부가적인 센서 시스템을 가스 엔진에 적용할 필요가 없도록, 완료된 점화를 결정하기 위해서, 예를 들어 작동 실린더의 노킹 센서(knocking sensor)가 이용될 수 있다.
그에 따라, 본 발명에 따른 방법은, 가스 엔진의 점화가 모든 실린더에 동시적으로 균일한 시동 가스를 방출하는 것으로 이루어지지 않고, 점화 가스가 특정적으로 선택된 실린더에, 즉 하나의 또는 복수의 작동 실린더에 순차적으로 공급되고, 시동 순서에서 후속하는 실린더를 위한 시동 가스의 방출은, 이미 방출된 실린더 순서의 성공적인 점화 검출 이후에만 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때문에, 점화를 위해서 방출된 작동 실린더로부터의 가스와 시동 가스가 아직 공급되지 않은 작동 실린더로부터의 가스의 혼합물, 즉 이미 점화된 작동 실린더로부터의 순수 연소 공기 또는 배기 가스가 배기관 내에서 얻어진다. 성공적이지 못한 점화의 경우에, 배기관 내에서 작동 실린더의 시동 가스와, 이미 점화된 작동 실린더로부터의 순수 연소 공기 및/또는 배기 가스의 혼합물로 인해서, 점화 가능 가스 혼합물이 존재하지 않도록 하기 위해, 점화를 위해서 동시적으로 방출되는 작동 실린더의 수가 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 방법이 비용 효과적으로 실현될 수 있도록, 개별적인 작동 실린더 내에서 점화가 이미 시작되었는지의 여부를 검출하기 위해서, 예를 들어 노킹 센서 형태의 기존의 센서가 또한 이용될 수 있다. 압력 검출 센서 대신에 또는 그에 부가하여, 작동 실린더 내의 온도를 검출하기 위한 센서를 또한 이용하여, 각각의 작동 실린더 내의 시동 프로세스가 성공적이었는지의 여부를 결정할 수 있다.
작동 실린더의 점화 순서의 결정이, 예를 들어, 또한 크랭크 구동부의 비틀림 특성을 포함할 수 있다. 한편으로 가능한 한 균일한 토크 곡선이 생성되도록 그리고 다른 한편으로 크랭크 구동부의 비틀림 진동이 허용 가능한 범위 내에서 유지되도록, 시동 가스를 공급하고자 하는 작동 실린더들의 순서가 차례대로 선택된다. 복수의 대안적인 순서가 또한, 가스 엔진을 시동하기 위해서 선택적으로 이용될 수 있는 점화 순서로서 결정될 수 있다.

Claims (10)

  1. 하나 초과의 작동 실린더 및 배기관(exhaust tract)을 가지는 가스 엔진을 시동하기 위한 방법으로서,
    상기 하나 초과의 작동 실린더에서 제1 점화를 위한 적어도 하나의 작동 실린더가 선택되고,
    상기 선택된 작동 실린더에, 연료 가스와 연소 프로세스를 시작하는 데 필요한 시동 가스량이 공급되고,
    비선택된(non-selected) 작동 실린더에 연소 공기만 공급되며,
    상기 연소 프로세스를 시작할 때 상기 선택된 작동 실린더에 공급된 시동 가스의 일부가 점화되지 않는 경우, 상기 선택된 작동 실린더로부터 배출된 연료 가스와 시동 가스의 혼합물이 상기 배기관에서 상기 비선택된 작동 실린더를 통과한 연소 공기와 혼합되고, 상기 혼합물은 상기 혼합물이 더 이상 점화 가능하지 않을 정도로 희석되는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    미리 결정된 시동 가스량이 적어도 2개의 작동 실린더에 실린더 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 작동 실린더에서의 완료된 점화의 검출 후에만, 시동 가스가 적어도 하나의 추가적인 작동 실린더에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 엔진의 배기관 내에 점화 가능 혼합물이 존재하지 않도록, 상기 시동 가스량이 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 작동 실린더의 시동 용이성(starting willingness), 적어도 하나의 추가적인 작동 실린더에 대한 작동 실린더의 회전 위치의 각도, 및 상기 가스 엔진의 배기관 내에서의 작동 실린더의 배기 배출구의 위치 중 하나 이상에 따라, 시동 가스가 공급될 작동 실린더가 엔진 특정적으로(engine-specifically) 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    미리 결정된 크기보다 작은 크기의 토크 곡선이 발생되도록, 상기 시동 가스가 공급될 작동 실린더의 순서(sequence)가 엔진 특정적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 엔진의 크랭크 구동부가 자연적인 진동(natural vibration)으로 여기되지(excited) 않도록 하는 방식으로, 상기 시동 가스가 공급될 작동 실린더의 순서가 엔진 특정적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 엔진의 시동 순서의 중단에 이어서, 상기 시동 가스가 공급될 작동 실린더의 순서는, 상기 시동 순서로부터 벗어나는 제2 순서로 변경되고 그리고 상기 제2 순서로 시동 프로세스가 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 작동 실린더의 배기 가스 포트 내의 온도 상승의 검출에 의해서, 상기 작동 실린더 내의 압력 상승의 측정에 의해서, 또는 상기 작동 실린더의 배기 가스 포트 내의 온도 상승의 검출 및 상기 작동 실린더 내의 압력 상승의 측정에 의해서, 상기 작동 실린더의 완료된 점화의 검출이 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력 상승의 측정을 위해서 작동 실린더의 적어도 하나의 노킹 센서(knocking sensor)가 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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