KR100346846B1 - 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오 가스 공급량을 최대로 할 수 있는 반면 디젤연료의 공급량을 최소로 제어할 수 있으므로 실화를 완전하게 방지할 수 있음은 물론 디젤연료 대체율을 극대화할 수 있어 엔진의 성능 및 효율이 향상되는 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공한다. 그 연료 제어 시스템은 바이오 가스 인입포트(12)와, 흡기포트(14)와, 디젤 공급용 거버너(governor)(16)와,디젤 연료 펌프(18)가 연설되는 바이오 가스 엔진(10)에서, 디젤 거버너(16)를 통해 바이오 가스 엔진으로 공급되는 디젤 연료의 공급량을 검출하기 위해 디젤 연료 조절 랙의 위치를 감지하기 위한 위치센서(22); 인입포트(10)로 유입되는 바이오 가스의 공급량을 제어하기 위한 바이오 가스 연료량 조절밸브(24); 및 거버너의 조절 랙 위치센서(22)와 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)에 연결되고, 상기 조절 랙 위치센서(22)에서 검출되는 위치값을 기초로 하여 상기 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)를 제어하기 위한 콘트롤러(26)로 구성된다.

Description

혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어시스템 및 그 제어방법{SYSTEM FOR CONTROLLING FUEL IN BIO GAS ENGINE AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF }

본 발명은 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운전조건에 적합하게 디젤연료의 공급량 과 바이오 가스의 공급량을 조절하여 바이오 가스 엔진의 모든 운전 조건에서 실화의 발생을 방지할 수 있고 바이오 가스의 디젤연료 대체율을 극대화 할 수 있는 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 다양한 장치, 설비, 시스템 등에 동력을 전달하기 위한 엔진 또는 기관은 사용 연료 또는 동력원에 따라, 가솔린엔진, 디젤엔진, 가스엔진, 전기기관 등 다양하게 구분된다. 또한, 연료의 효과적인 이용을 위해 2가지 이상의 연료를 혼용하여 사용하는 혼소용 엔진이 개발되고 있으며, 예컨대 천연 액화 가스와 가솔린 또는 디젤을 혼용하여 사용하는 엔진이 일반적으로 사용되고 있다.

한편, 경제학, 환경학 등에 저촉되는 여러 가지 제반 사항을 충족시키기 위해 바이오 가스의 이용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 같은 연구개발의 결과로서 최근에는 바이오가스 와 디젤을 혼용하여 사용하는 혼소용 바이오 가스의 엔진이 사용되고 있다. 이 같은 종래의 혼소용 바이오 가스 엔진은 대개 일반적인 디젤엔진의 연료제어 방식과 유사한 방식으로 연료량을 제어하는 바, 즉, 부하의 변동에 관계없이 항상 일정한 엔진 회전수를 유지하기 위해 기계적으로 또는 전자적으로 연료량을 증가시키는 방식으로 연료를 제어하고 있다. 이에 따라, 연료효율을 최대화 하기 위해 바이오 가스의 공급량을 증가시키면 디젤연료의 공급량이자동적으로 감소하게 된다. 그러나, 이 경우 디젤연료의 공급량이 과도하게 감소되면, 도 1에 도시된 바와 같이 실화(失火;misfire)가 발생되어 엔진의 회전수가 변동됨은 물론 진동 및 소음을 초래하게 되는 문제점이 있다.

역으로, 상술된 현상을 방지하기 위해 엔진의 모든 부하조건에서 실화가 발생되지 않는 범위 또는 한계치로 바이오 가스의 공급량을 제한하면 바이오 가스의 디젤연료 대체율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 바이오 가스와 디젤연료의 공급량을 적절하게 제어함으로써 실화를 방지할 수 있는 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료제어 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 디젤연료에 대한 바이오 가스의 연료 대체율을 극대화 하기 위한 바이오 가스 엔진의 연료 제어 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 모든 운전 조건에서 바이오 가스와 디젤의 량을 적절하게 제어하여 실화를 방지함은 물론 디젤에 대한 바이오 가스의 연료 대체율을 극대화 하기 위한 바이오 가스 엔진의 연료 제어 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 혼소용 바이오 가스 엔진에서의 디젤연료 와 바이오 가스의 연료소모 및 실화발생 상태를 보여주는 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료제어 시스템을 보여주는 구성도.

도 3은 도 2의 연료제어 시스템에 의해 구현되는 연료제어 및 실화방지 특성을 보여주는 도 1과 유사한 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 혼소용 바이오 가스 엔진 시스템의 연료제어방식을 보여주는 플로우 챠트.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 바이오 가스 엔진 12: 인입포트

14: 흡기포트 16: 거버너

18: 디젤연료 펌프 20: 발전기

22: 위치센서 24: 바이오 가스 연료량 조절밸브

26: 코트롤러

이 같은 목적들은 바이오 가스를 공급받을 수 있는 인입포트와, 공기를 공급받을 수 있는 흡기포트와, 디젤연료 공급원에 연결되어 디젤의 공급을 유지하기 위한 거버너(governor)와, 상기 거버너에 연결된 디젤연료 펌프가 연설되는 바이오 가스 엔진에서 실화를 방지하고 바이오 가스의 소모량을 최대로 하기 위한 혼소용바이오 가스 연료 제어 시스템에 있어서, 상기 디젤연료 거버너를 통해 바이오 가스 엔진으로 공급되는 디젤 연료의 공급량을 검출하기 위해 디젤 연료 조절 랙의 위치를 감지하기 위한 위치센서; 상기 인입포트로 유입되는 바이오 가스의 공급량을 제어하기 위한 바이오 가스 연료량 조절밸브; 및 상기 거버너의 조절 랙 위치센서와 바이오 가스 연료량 조절밸브에 연결되고, 상기 조절 랙 위치센서에서 검출되는 위치값을 기초로 하여 상기 바이오 가스 연료량 조절밸브를 조절하기 위한 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼소용 바이오 가스 엔진 연료 제어 시스템에 의해 달성된다.

또한, 상술된 목적들은 상기 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어 시스템으로 바이오 가스 엔진의 연료를 제어하는 방법에 있어서, 디젤연료로 점화후 조절밸브를 개방시켜 바이오 가스의 공급량을 증가시키는 단계; 디젤연료가 최소 허용 공급량으로 공급되는가를 판단하는 단계; 디젤연료가 최소 허용 공급량으로 공급되면 상기 조절밸브를 제한된 범위로 폐쇄하여 바이오 가스의 공급량을 일시적으로 감소시키는 단계; 디젤연료가 최소 허용 공급량 보다 많이 공급되는 가를 판단하여 최소 허용 공급량 보다 많이 공급되면 상기 단계를 계속 실행시키는 단계; 상기 단계각각의 단계를 반복적으로 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼소용 바이오 가스 엔진 연료 제어방법에 의해 달성될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면 중 도 2에는 본 발명에 따른 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료처리 시스템의 구성을 전체적으로 보여주는 구성도가 도시되어 있고, 도 3에는 연료제어 시스템에 의해 구현되는 연료제어 및 실화방지 특성을 보여주는 그래프가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명에 따른 혼소용 바이오 가스 엔진 시스템의 연료제어방식을 보여주는 플로우 챠트가 도시되어 있다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 제어시스템이 적용되는 혼소용 바이오 가스 엔진(10)에는 기본적으로, 도시되지 않은 바이오 가스 저장탱크 등과 같은 바이오 가스 공급원으로부터 바이오 가스를 공급받을 수 있는 인입포트(12)와, 외부의 공기 또는 정화된 공기를 공급받을 수 있는 흡기포트(14)가 구비되어 있다. 또한, 바이오 가스 엔진에는 도시되지 않은 디젤연료 저장탱크와 같은 디젤 공급원에 연결되어 디젤의 원할한 공급을 유지하기 위한 거버너(governor)(16)와, 그 거버너(16)에 연결되어 실제로 디젤 연료를 바이오 가스 엔진(10)에 공급하기 위한 디젤 연료 펌프(18)가 연설된다. 물론, 바이오 가스 엔진(10)에는 그 엔진에서 발생되는 동력을 이용하기 위한 발전기(20) 또는 다른 기계장치 들이 연설되어 있다. 이와 같이 구성된 바이오 가스 엔진에 본 발명에 따른 연료제어 시스템이 설치되는 것이다.

보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 혼소용 바이오 가스 연료 제어 시스템은 디젤연료 거버너(16)를 통해 바이오 가스 엔진으로 공급되는 디젤연료의 공급량을 검출하기 위해 디젤 연료 조절 랙의 위치를 감지하기 위한 위치센서(22)와, 인입포트(10)로 유입되는 바이오 가스의 공급량을 제어하기 위한 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)를 구비한다. 거버너(16)에 설치될 조절 랙 위치센서(22)와 바이오가스 연료량 조절밸브(24)는 모두 콘트롤러(26)에 연결된다. 이 콘트롤러(26)는 주로 조절 랙 위치센서(22)에서 검출되는 위치값을 입력받아 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)를 조절할 수 있도록 구성된다. 특히, 콘트롤러(26)에는 바이오 가스 엔진(10)에서 실화가 발생하지 않는 최소한의 허용 디젤 연료 조절랙의 위치와, 그 최소 허용 디젤 연료 공급량을 유지하기 위한 열료량 최종 제어 영역이 입력되어 있거나 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 상술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 혼소용 바이오 가스 제어 시스템의 작동 및 그 작용모드를 도 2, 도 3 및 도 4를 참조로 하여 상세히 설명한다.

먼저, 바이오 가스 엔진의 초기 점화(S110)시에는 도 3의 그래프에 표시된 바와 같이 디젤유의 소모가 현저히 많은 반면 바이오 가스 의 소모량은 상대적으로 작다. 점화가 완료된 후 엔진이 정상적으로 작동되면 디젤유의 소모량은 점진적으로 감소하는 반면, 바이오 가스의 소모량은 상대적으로 증가하게 된다(S120). 이때, 연료 제어 시스템은 디젤연료가 최소 허용 디젤 연료 공급량으로 공급되는 가를 판단하여(S130) 바이오 가스의 공급량을 제어함으로써 실화 발생을 방지할 수 있는 것이다.

보다 상세히 설명하면, 예컨대, 조절 랙 위치센서(22)에서 검출되는 조절랙의 위치의 검출값이 최소로 허용되는 디젤 연료를 공급하기 위한 조절랙의 위치의 기준값보다 큰 것으로 판단되면, 콘트롤러(26)는 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)를 점진적으로 개방하여 바이오 가스의 공급량을 증가시킨다. 물론 이경우에는 거버너가 자동적으로 조절되어 상대적으로 디젤연료의 공급량은 감소된다.

이와 같은 바이오 가스의 공급량의 증가시키는 반면 디젤 연료의 공급량을 감소시키는 단계는 예컨대, 도 3의 그래프의 바이오 가스 증가영역(a)을 지나고 연료량 최종 제어영역(b)을 지날 때까지 계속되며, 최종적으로 실화가 방지됨은 물론 최소 허용 디젤연료 공급량이 공급되도록 설정된 경계영역(c)에서 종료된다. 이때, 콘트롤러(26)는, 바이오 가스가 증가적으로 공급되어 경계구역(c)을 지나 실화영역(d)에 이르는 것을 방지하기 위해 조절밸브(22)를 적정양 만큼 폐쇄하여 바이오 가스의 공급량을 약간 감소시키는 반면 디젤 거버너를 조절하여 디젤연료의 공급량을 비례적으로 증가시킨다(S140).

이후, 다시 조절 랙 위치센서(22)에서 검출되는 조절랙의 위치값이 최소로 허용되는 디젤 연료를 공급하기 위한 조절랙의 위치값보다 큰가를 판단하는 방식으로 디젤연료가 최소 허용 공급량보다 많이 공급되는가를 판단하여(S150), 디젤연료가 최소 허용 공급량보다 많이 공급되면, 콘트롤러(26)는 다시 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)를 점진적으로 개방하여 바이오 가스의 공급량을 증가시키는 반면 거버너가 자동적으로 조절되어 상대적으로 디젤연료의 공급량은 다시 최소 허용 디젤 공급량까지 감소되는 것이다.

상술된 바와 같은 콘트롤러(26)에 의한 바이오 가스의 공급 및 최소 허용 디젤연료의 공급은 실제로, 도 3의 그래프에서 알 수 있듯이, 바이오 가스 증가영역(a)과 최소 허용 디젤연료 공급량이 공급되도록 설정된 경계구역(c)사이에 설정되는 연료량 최종 제어 영역(b)의 범위내에서 화살표와 같이 반복적으로 실행되는 것이다.

이에 따라, 바이오 가스의 과도공급 또는 디젤연료 과소공급으로 인한 바이오 가스 엔진의 실화가 발생되지 않음은 물론 디젤연료 대체율이 최적화 될 수 있는 것이다.

선택적으로, 상술된 실시예서는 디젤연료를 점화원으로 하여 공기-바이오 혼합가스를 연소시키는 혼소용 바이오 가스 엔진을 예로 들어 설명하였으나, 본 기술 분야의 당업자라면 2개의 연료를 혼용하여 사용하는 다른 종류의 혼소용 엔진에서도 동일하게 또는 유사하게 적용시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 바이오 가스 공급량을 최대로 할 수 있는 반면 디젤연료 의 공급량을 최소로 제어할 수 있으므로 실화를 완전하게 방지할 수 있음은 물론 디젤연료 대체율을 극대화할 수 있어 엔진의 성능 및 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 디젤연료의 소모를 최소로 하고 바이오 가스의 사용을 최대로 할 수 있어 엔진 및 그 엔진에 연설된 발전기의 운전 및 유지비용을 절감시킬 수 있음은 물론 바이오 가스의 자원화를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (5)

1. 바이오 가스(bio gas)를 공급받을 수 있는 인입포트(12)와, 공기를 공급받을 수 있는 흡기포트(14)와, 디젤 공급원에 연결되어 디젤의 공급을 유지하기 위한 거버너(governor)(16)와, 상기 거버너(16)에 연결된 디젤 연료 펌프(18)가 연설되는 바이오 가스 엔진(10)에서 실화를 방지하고 바이오 가스의 소모량을 최대로 하기 위한 혼소용 바이오 가스 연료 제어 시스템에 있어서,

   상기 디젤 거버너(16)를 통해 바이오 가스 엔진으로 공급되는 디젤 연료의 공급량을 검출하기 위해 디젤 연료 조절 랙의 위치를 감지하기 위한 위치센서(22);

   상기 인입포트(10)로 유입되는 바이오 가스의 공급량을 제어하기 위한 바이오 가스 연료량 조절밸브(24); 및

   상기 거버너의 조절 랙 위치센서(22)와 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)에 연결되고, 상기 조절 랙 위치센서(22)에서 검출되는 위치값을 기초로 하여 상기 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)를 제어하기 위한 콘트롤러(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼소용 바이오 가스 엔진 연료 제어 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 콘트롤러(26)는 상기 바이오 가스 엔진(10)에서 실화가 발생하지 않는 최소한의 허용 디젤 연료 조절랙의 위치가 설정되어 있으며, 상기 콘트롤러는 최소 허용 디젤 연료 공급량을 유지하기 위해 상기 바이오 가스 연료량 조절밸브(24)를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 혼소용 바이오 가스엔진 연료 제어 시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 콘트롤러(26)에는 바이오 가스를 점진적으로 증가시키기 위한 바이오 가스 공급 증가영역(a)과, 상기 바이오 가스를 최대범위로 제어하는 반면 상기 디젤연료를 최소범위로 제어하기 위한 연료량 최종 제어영역(b)과, 상기 최소 허용 디젤연료 공급량이 공급되는 경계구역(c)이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 혼소용 바이오 가스 엔진 연료 제어 시스템.
4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 따른 혼소용 바이오 가스 엔진의 연료 제어 시스템으로 바이오 가스 엔진의 연료를 제어하는 방법에 있어서,

   디젤연료로 점화(S110)후 조절밸브(22)를 개방시켜 바이오 가스의 공급량을 증가시키는 단계(S120);

   디젤연료가 최소 허용 공급량으로 공급되는가를 판단하는 단계(S130);

   디젤연료가 최소 허용 공급량으로 공급되면 상기 조절밸브를 제한된 범위로 폐쇄하여 바이오 가스의 공급량을 일시적으로 감소시키는 단계(S140);

   디젤연료가 최소 허용 공급량 보다 많이 공급되는가를 판단하여(S150) 최소 허용 공급량 보다 많이 공급되면 상기 단계(S120)를 계속 실행시키는 단계;

   상기 단계(S130), 단계(S140) 및 단계(S150)를 반복적으로 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼소용 바이오 가스 엔진 연료 제어방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 단계(S130), 단계(S140) 및 단계(S150)는 연료량 최종 제어 영역에서 반복적으로 실행되는 것을 특징으로 하는 혼소용 바이오 가스 엔진 연료 제어방법.