KR101061900B1 - 리치번 형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리치번 형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템에 관한 것으로, 광대역산소센서(UEGO)를 적용하여 분석되는 산소량을 검출하여 바이패스 연료 라인을 통하여 리치번 연소를 최적화하기 위해 소량의 연료를 정밀 제어하고, 과잉연소의 공연비 제어를 세밀화 하여 안정적으로 수행 할 수 있는 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템을 제공함에 목적이 있다.
나아가, 본 발명에 의해 급변전력부하 시에도 계속적인 모니터링하여 대기 배출물 제어에 대해 빠른 응답성 및 최적의 상태로 배기가스를 배출함으로써 대기 배출물 저감을 이룰 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실린더를 유동하며 유량을 가감하는 니들밸브; 및 메인 연료 라인을 통해 엔진 기동 및 정지시 바이패스 연료 라인을 온/오프(On/Off) 하는 솔레노이드 밸브; 및 대기 배출물을 최소화하기 위해서 연료량을 조정하는 바이패스 밸브; 이론공연비를 조정하기위해 지속적으로 모니터링 하는 AFRC(Air/Fuel Ratio Control System) 모듈; 및 산소농도를 계속적으로 분석하는 UEGO 산소센서; 를 포함한다.

Description

리치번 형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템{SYSTEM FOR REDUCING ATMOSPHERIC EMISSION OF RICH BURN TYPE APPLICATION OF INDUSTRIAL GAS ENGINE}

본 발명은 리치번 형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 연소 시 산소량 감소에도 안정된 연소가 이루어지게 하기 위해서, 산소센서에 의해 검출되는 배기가스 중의 산소 농도에 따라 안정된 운전을 할 수 있도록 연료공급을 제어하는 리치번 형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감 시스템에 관한 것이다.

나아가, 광대역산소센서(UEGO)를 적용하여 분석되는 산소량을 검출하여 바이패스 연료 라인을 통하여 리치번 연소를 최적화 하기위해 소량의 연료를 제어하여 리치번의 공연비 제어를 보다 안정적으로 수행할 수 있는 제어방법에 관한 것이다.

종래의 기술은 리치번 엔진의 대기 배출물 저감을 위해 메인 연료 라인을 제어하여 과잉연소(Rich-Burn)를 수행하는 시스템이다.

다만 이러한 기존의 제어시스템의 경우 공연비 제어시스템이 비교적 간단히 보이나, 엔진조건, 온도 및 계절 등의 변화 시 모든 제언관련 조정치를 다시 변경해야 하는 번거로움이 있었다. 또한, 상기와 같은 종래의 메인 연료 라인을 제어하는 방식은 제어방법의 복잡성, 단가상승을 초래하고, 제어모듈 및 관련 시스템의 이상 발생 시 엔진 기동에 큰 영향을 주는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 바이패스 연소라인을 정밀 제어하여 리치번 연소를 수행하는 것으로, 광대역산소센서(UEGO)를 적용하여 분석되는 산소량을 검출하여 바이패스 연료 라인을 통하여 리치번 연소를 최적화하기 위해 소량의 연료를 정밀 제어하고, 과잉연소의 공연비 제어를 세밀화 하여 안정적으로 수행할 수 있는 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템을 제공함에 있다.

그리고 본 발명의 제 2 목적은, 메인 연료 라인은 엔진사가 권장하는 제어방식을 그대로 사용하여 엔진 기동/정지 등의 기본 특성에 영향을 주지 않으며, 부하에 따른 공연비를 바이패스 연료 라인 및 솔레노이드 밸브를 이용하여 대기 배출물을 최소화 할 수 있는 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템을 제공함에 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템에 관한 것으로서, 메인 연료 라인에서 바이패스 연료 라인으로 연결하면서 유량의 가감을 조절하는 니들밸브; 상기 메인 연료 라인에 위치하며, 바이패스 연료 라인의 온/오프(On/Off) 조절하는 솔레노이드 밸브; 상기 메인 연료 라인과 AFRC 모듈에 연결되어 있으면서, 연료량을 조정하는 바이패스 밸브; UEGO 산소센서로부터 검출된 산소농도를 분석하여 바이패스 밸브를 조정하는 AFRC 모듈; 및 혼합배기 가스 성분 중 산소 농도를 검출하는 UEGO 산소센서; 를 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 메인 연료 라인 만으로서의 리치번 연소 단점을 보완하여 리치번 형식의 엔진에 관한 보증사항에 문제없도록 하는 정밀제어 기술을 사용함으로써, 대기 배출물을 최소화하는 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 엔진 배기가스의 산소성분에 대해 다양한 공기/연료비와 최적 연소를 보장하고, 또한 촉매장치를 이용하여 최적의 조건으로 배기가스를 넣어줄 수 있도록 계속적으로 모니터링하여 대기 배출물 제어함으로써, 빠른 응답성 및 최적의 상태로 배기가스를 배출하게 하는 효과가 있는바, 이는 대기환경보존법에 만족하고, 경제적 수익을 창출할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템에 대한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템의 운전방법을 나타낸 흐름도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 리치번 엔진의 대기 배출물 저감시스템에 관하여 도 1 내지 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템에 대한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 니들밸브(Needle Valve)(100), 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)(200), 바이패스 밸브(Fuel Bypass Valve)(300), AFRC 모듈(AFRC Module)(400); 및 UEGO 산소센서(UEGO Oxygen Sensor)(500)를 포함하여 이루어진다.

상기 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명은 니들밸브(100)와 솔레노이드 밸브(200)가 바이패스밸브(300)와 함께 연료 라인에 연결되어 있으며 AFRC 모듈(400)은 바이패스 밸브(300)와 UEGO 산소센서(500)에 연결되어 있다.

상기 니들 밸브(100)는 바늘 형상의 스핀들이 같은 형상의 실린더를 유동하며 유량을 가감하는 밸브의 기능을 하는 것으로서, 보다 구체적으로, 메인 연료 라인에서 바이패스 연료 라인으로 연결하면서 유량의 가감 기능과 바이패스 연료 라인의 이상이 있을 시 완벽히 차단하는 기능을 가지고 있다.

상기 니들밸브(100)는 가스 Inlet 라인과 연결되어 있으며, 솔레노이드 밸브(200) 이전에 장착되어 있다.

또한, 상기 솔레노이드 밸브(200)는 메인 연료 라인을 통해 기본적으로 엔진 기동 및 정지를 할 때 바이패스 연료 라인을 온/오프(On/Off) 하도록 제어하는 시스템이다.

보다 구체적으로, 엔진 기동 및 정지 시 바이패스 연료 라인을 통해 연료가 들어가면 시스템이 불안정함에 따라 엔진의 정격운전 이후 솔레노이드 밸브가 열리고, 정지 할 때 발전기 부하가 차단된 이후 솔레노이드 밸브가 닫히고 메인 연료 라인이 닫히면서 엔진이 정지하도록 설계되어 있다.

상기 솔레노이드 밸브(200)는 가스 Inlet과 바이패스 밸브(300)를 연결하고 있으며, 이는 상기 솔레노이드 밸브(200)가 바이패스 밸브를 제어할 수 있음으로 해서 본 발명의 대기 배출물 저감효과에 기여함을 알 수 있다.

또한, 상기 바이패스 밸브(300)는 메인 연료 라인에 직접적으로 연결된 쓰로틀 밸브에 직접적으로 연결된 것으로서, 이는 구체적으로, UEGO 산소센서(500)가 혼합 배기 가스 성분 중 산소 농도를 검출하여 AFRC 모듈(400)로 보내고 AFRC 모듈에서 측정/분석한다. 결국, 상기 바이패스 밸브(300)의 스텝퍼 모터(stepper motor)의 스텝포지션(step position)을 조정하여 연료량의 조정을 하게 되는데, 이러한 과정을 통해 본 발명이 구현하고자 하는 본 발명의 목적인 대기 배출물을 최소화하는 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 AFRC 모듈(400) (Air/Fuel Ratio Control System 모듈)은 바이패스 밸브(300)와 UEGO 산소센서(500)와 연결되어 있다.

보다 구체적으로, 상기 UEGO 산소센서(500)로부터 검출된 산소 농도를 분석함으로써, 바이패스 밸브를 조정하여 이론공연비(lambda=1)을 조정하게 되는데, 이는 지속적인 모니터링을 하여 전력부하의 급변에 따라 능동적으로 제어하게 된다.

그리고, 상기 UEGO 산소센서(500)는 Heated Narrow Band Oxygen Sensor와 pump cell의 결합구조로 되어 있다.

보다 구체적으로, 상기 UEGO 산소센서(500)는 정상센서 동작 중 배기가스 압력의 소표본은 확산갭을 통하여 pump cell로 들어간다. 이러한 압력이 전압 Vs보다 높거나 낮음을 인식하여 아래의 기준신호(Vref)를 만들어내는 기준 Cell에 의해 배기가스 과잉(rich)인지 희박(lean)인지를 인식할 수 있게 한다.

과잉배기는 높은 Vs 전압을 보여주고, 연료를 한 방향으로 소비하는 하에 Pump Current Ip를 보여준다. 한편, 희박 배기는 낮은 Vs 전압을 보여주고, 산소를 반대 방향으로 소비하는 하에 펌프에 전류를 보내게 된다. 이때 산소 혹은 연료가 중립화 했을때, Vs 피드백 신호가 450mV로 이동하게 된다. 이때 Pump Current Ip는 이론공연비(Lambda=1)의 평형상태를 요구한다.

나아가, 본 발명에 따른 일실시예로서의 상기 UEGO 산소센서(500)의 효과는 기존의 발명이 구현하고자 하는 연비개선이나 구동의 효율성을 위한 제어시스템이 아닌, 상기 UEGO 산소센서(500)를 통한 배기가스에 따른 Vs 전압 신호의 검출과정을 통해 적절한 연료배합을 이루어 적절한 배기가스 배출로서 대기 배출물을 저감하는 것을 특징으로 함에 본 발명의 목적을 구현할 수 있게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템의 운전방법에 관하여는 도 2 를 참조하여 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다. 도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템의 운전방법을 나타낸 흐름도이다.

좀 더 구체적으로 동작 과정을 설명하면, 본 발명의 엔진이 기동되면(S10), 바이패스 연료 라인을 통해 연료가 들어가고 이때 전체 시스템이 불안정함에 따라 엔진의 정격운전 이후 바이패스 솔레노이드 밸브가 열린다(S20).

UEGO 산소센서(500)로부터 검출된 산소 농도를 분석한 정보를 AFRC 모듈(400)에서 측정 및 분석하여 바이패스 밸브(300)를 조정하면서 이론공연비(Lambda=1)를 조정한다(S30).

공연비 제어가 실패하는 경우에는 공연비 제어 실패 알람을 하고 발전기 부하가 차단된 이후, 솔레노이드 밸브(200)가 닫히고 메인 연료 라인이 닫히면서 엔진이 정지된다(S40).

한편, 공연비 제어가 성공하는 경우에는 먼저 실제공연비가 목표공연비보다 큰 경우 희박연소에 해당된다고 판단하여 바이패스 연료 밸브를 열게 되고 이는 다시 S20단계부터 재시작을 의미한다. 따라서 실제공연비가 목표공연비에 도달할 때까지 공연비 제어(S30)과정을 되풀이 하게 된다. 반대로, 실제공연비가 목표공연비보다 작은 경우 과잉연소에 해당된다고 판단하여 바이패스 연료 밸브를 닫게 되는데 이 과정 이후 역시 공연비 제어(S30)단계를 다시 거쳐 실제공연비가 목표공연비에 도달할 때까지 이후 과정을 되풀이 하게 된다(S50).

결론적으로, 리치번 형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감 시스템은 전체적으로 상기와 같은 구성을 가지면서 전술한 바와 같이 바이패스 연소라인을 통하여 리치번 연소를 수행하는 것으로, 광대역산소센서(UEGO)를 적용하여 분석되는 산소량을 검출하여 소량의 연료를 정밀 제어하고, 과잉연소의 공연비 제어를 세밀화 하여 안정적으로 수행 할 수 있는 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물을 저감시키는 효과를 구현하게 된다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

S ; 리치번 엔진의 대기 배출물 저감 시스템
100 ; Needle Valve (니들밸브)
200 ; Solenoid Valve (솔레노이드 밸브)
300 ; Fuel Bypass Valve (바이패스 밸브)
400 ; AFRC module (AFRC 모듈)
500 ; UEGO Oxygen Sensor (UEGO 산소센서)

Claims (5)

1. 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템에 있어서,
   메인 연료라인(10)과 바이패스 연료라인(20)을 연결하면서 상기 바이패스 연료라인(20)으로 유입되는 유량을 조절하는 니들밸브(100);
   상기 니들밸브(100)를 통해 유입된 연료가 들어오는 바이패스 연료라인(20) 상에 위치하며, 상기 바이패스 연료라인(20)의 개폐를 제어하는 솔레노이드밸브(200);
   상기 바이패스 연료라인(20) 상에 위치하여 AFRC모듈(400)의 제어에 따라 공연비를 조정하는 바이패스밸브(300);
   UEGO 산소센서(500)로부터 검출된 산소농도를 분석하여 상기 바이패스 밸브(300)에 의해 연료량 조정을 제어하는 AFRC모듈(400); 및
   혼합배기 가스 성분 중 산소 농도를 검출하고, 검출한 데이터를 상기 AFRC모듈(400)에 전송하는 UEGO산소센서(500); 를 포함하되,
   상기 바이패스밸브(300)는,
   상기 AFRC 모듈(400)에 의해 스텝퍼 모터(stepper motor)의 스텝 포지션(step position)을 제어하여 연료량을 조정함으로써 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 AFRC모듈(400)은,
   상기 UEGO 산소센서(500)로부터의 검출결과를 분석하여, 이론공연비보다 실제공연비가 크다고 판단한 경우, 상기 바이패스밸브(300)를 제어하여, 연료량을 증가시키도록 조정하는 것을 특징으로 하는 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 AFRC모듈(400)은,
   상기 UEGO 산소센서(500)로부터의 검출결과를 분석하여, 이론공연비보다 실제공연비가 작다고 판단한 경우, 상기 바이패스밸브(300)를 제어하여, 연료량을 감소시키도록 조정하는 것을 특징으로 하는 리치번형식의 산업용 가스엔진의 대기 배출물 저감시스템.

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