KR101136535B1 - 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면은 개질 가스 내의 가스 성분의 변동에 따라 점화시기를 조절하는 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 공기, 연료 및 개질 가스를 사용하여 동력을 발생하는 엔진, 상기 개질 가스를 생산하여 상기 엔진에 공급하는 개질기, 및 분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값 내일 때, 상기 개질 가스 내에 수소 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 지각 제어하고, 분사시간이 설정값보다 증가하고 상기 흡기압이 설정값보다 증가할 때, 상기 개질 가스 내에 불활성 가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 진각 제어하는 ECU를 포함한다.

Description

개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치 및 그 방법 {CONTROL APPARATUS OF ENGINE USING REFORMED GAS AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 개질 가스 내의 가스 성분 비율의 변동에 따라 점화시기를 제어하는 엔진의 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 화석 연료의 고갈로 인하여, 태양, 바람, 파도, 생물 유기체 및 그 폐기물과 같이 자연에서 끊임없이 얻을 수 있는 대체 에너지에 대한 관심이 부각되고 있다. 대체 에너지는 화석 연료와 달리 공해가 적은 청정 에너지일 것이 요구된다.
일례로써, 개질기를 사용하여 화석 연료로부터 수소가 포함된 개질 가스를 생산하고, 이 개질 가스를 화석 연료와 혼합하여 엔진에 공급하여 동력 생산하는 기술이 개발되고 있다.
개질 가스의 주성분인 수소는 기존의 화석 연료와 비교할 때, 연소 반응 및 확산 속도가 빠르고, 매연이 거의 발생되지 않는다. 따라서 수소를 포함하는 개질 가스는 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) 또는 PZEV(Partial Zero Emission Vehicle)에 적용될 수 있다.
개질 가스를 화석 연료, 즉 탄화수소계 연료를 이용하는 점화 착화 엔진에 혼합하여 사용하는 경우, 연료의 발열량이 높고, 개질 가스 내에서 가스 성분의 비율이 일정해야 한다. 개질 가스에서 가스 성분의 비율이 변동되거나, 그 비율의 변동이 심한 경우 엔진 구동이 어려워질 수 있다.
본 발명의 일측면은 개질 가스 내의 가스 성분의 비율 변동에 따라 점화시기를 조절하는 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 공기, 연료 및 개질 가스를 사용하여 동력을 발생하는 엔진, 상기 개질 가스를 생산하여 상기 엔진에 공급하는 개질기, 및 분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값 내일 때, 상기 개질 가스 내에 수소 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 지각 제어하고, 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고 상기 흡기압이 설정값보다 증가할 때, 상기 개질 가스 내에 불활성 가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 진각 제어하는 ECU를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 상기 엔진의 흡기관에 설치되어 상기 흡기량에 따라 흡기압을 감지하는 흡기압센서, 및 상기 엔진의 배기관에 설치되어 배기온도를 감지하는 배기온도센서를 더 포함하며, 상기 ECU는, 상기 흡기압센서와 상기 배기온도센서의 감지신호 및 분사신호에 의한 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값 내이며, 배기가스의 온도가 감소할 때, 상기 개질 가스 내에 수소 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 지각 제어하고, 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값보다 증가하며, 상기 배기가스의 온도가 증가할 때, 상기 개질 가스 내에 불활성 가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 진각 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 상기 개질기와 상기 엔진 사이에 설치되는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 개질기는, 상기 엔진의 동력으로 구동되는 발전기 및 상기 발전에서 생산한 전력으로 충전되는 배터리에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 방법은, 분사 신호 및 흡기압 신호가 입력되는 신호 입력 단계, 분사시간이 설정값보다 증가하는가 및 흡기압이 설정값 내인가를 판단하는 판단 단계, 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고 상기 흡기압이 설정값 내일 때, 점화시기를 지각 제어하는 지각 단계, 및 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고 상기 흡기압이 설정값보다 증가할 때, 점화시기를 진각 제어하는 진각 단계를 포함한다.
상기 신호 입력 단계는, 배기가스 온도 신호를 더 입력하고, 상기 판단 단계는 배기가스의 온도가 감소하는가를 더 판단할 수 있다.
상기 지각 단계는 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값 내이며, 상기 배기가스의 온도가 감소할 때, 점화시기를 지각 제어하며, 상기 진각 단계는 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값보다 증가하며, 상기 배기가스의 온도가 증가할 때, 점화시기를 진각 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사시간의 증가 여부 및 흡기압의 증가 여부에 따라 개질 가스에 포함된 가스 성분, 즉 수소 또는 불활성가스의 비율이 각각 기준치보다 높은 것으로 판단하고, 이에 따라 ECU가 점화시기를 지각 또는 진각 제어함으로써 엔진을 최적으로 제어하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 분사시간의 증가 여부 및 흡기압의 증가 여부에 더하여, 배기가스의 온도 증감에 따라 개질 가스에 포함된 수소 또는 불활성가스의 비율이 각각 기준치보다 높은 것으로 판단하고, 이에 따라 ECU가 점화시기를 지각 또는 진각 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 동력을 발생시키는 엔진(1), 엔진(1)에 연료(예를 들면, 가솔린이나 천연가스)를 공급하는 연료탱크(2), 및 연료탱크(2)로부터 공급되는 가솔린이나 천연가스로 개질 가스를 생산하여 엔진(1)에 공급하는 개질기(3)를 포함한다.
엔진(1)은 연료탱크(2)로부터 공급되는 가솔린 또는 천연가스와 공기 및 개질기(3)에서 생산된 개질 가스를 사용하여 동력을 생산한다. 예를 들면, 엔진(1)은 가솔린과 개질 가스를 연료로 사용하도록 구성될 수 있고, 이 경우 연료탱크(2)는 가솔린을 저장하여 공급한다. 또한 엔진(1)은 천연가스와 개질 가스를 연료로 사용하도록 구성될 수 있으며, 이 경우, 연료탱크(2)는 천연가스를 저장하여 공급한다. 또한 엔진(1)은 개질 가스를 사용하지 않고, 가솔린이나 천연가스를 사용하여 운전될 수 있다.
개질기(3)는 엔진(1)의 동력으로 구동되는 발전기(4)에 전기적으로 연결되거나, 발전기(4)에서 생산한 전력으로 충전되는 배터리(5)에 전기적으로 연결 된다. 따라서 개질기(3)는 발전기(4)나 배터리(5)에서 공급되는 전력을 이용하여, 연료탱크(2)에서 공급되는 가솔린 또는 천연가스와 공기를 이용하여 개질 가스를 생산한다.
개질기(3)에 공기를 공급하는 공기 유입 측에 열교환기(6)가 구비되며, 이 열교환기(6)는 엔진(1)에도 연결된다. 즉 열교환기(6)는 개질기(3)와 엔진(1) 사이에 설치 및 연결된다. 따라서 연료의 개질을 위하여 공급되는 공기는 열교환기(6)에서 가열되어 개질하기 적절한 온도로 변화되어 개질기(3)로 유입되며, 개질기(3)에서 생산된 개질 가스는 연소하기 적절한 온도로 변화되어 엔진(1)으로 유입될 수 있다.
개질기(3)에서 생산된 개질 가스는 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한다. 수소는 넓은 가연 한계, 빠른 연소 속도, 짧은 소염 거리 및 높은 단열 화염 온도와 같이, 가솔린이나 천연가스와 같은 탄화수소계 연료에 비하여 우수한 연소 특성을 가진다. 이러한 연소 특성은 엔진(1)에서 초희박 연소를 가능케 하며, 이로 인하여, 저부하 영역에서 고효율 및 저배기를 실현할 수 있다. 또한 수소는 입자상 물질, THC(total hydrocarbon) 및 일산화탄소 같은 유해 가스를 배출하지 않는다. 따라서 수소를 천연가스에 첨가하여 희박 운전함으로써 엔진의 성능이 향상될 수 있다.
엔진(1)에 공기를 유입하는 흡기관에는 흡기압센서(7)가 설치되어, 흡기량에 따른 흡기압을 감지한다. 엔진(1)의 배기가스를 배출하는 배기관에는 배기온도센서(8)가 설치되어 배기가스의 배기온도를 감지한다. 흡기압센서(7)와 배기온도센서(8)는 엔진(1)을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)에 연결된다. 배기관에는 3방향 촉매 컨버터 또는 산화촉매 컨버터(9)가 구비되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 포함한 유해 가스를 처리하여 최종 배기가스를 배출한다.
ECU는 흡기압센서(7)에서 감지된 신호에 따라 흡기관으로 유입되는 흡기압을 판단하고, 배기온도센서(8)에서 감지된 신호에 따라 배기관으로 배출되는 배기가스의 온도를 판단한다. 또한 ECU는 엔진(1)의 운전 조건에 따라 엔진(1)의 인젝터(미도시)를 개방 제어하여 연료를 분사하는 분사시간을 설정하고 있다. 따라서 ECU는 순차적으로 진행되는 연소들에서 실질적으로 연료를 분사하는 분사시간을 비교하여, 운전 중에 분사시간의 변화, 즉 분사시간이 설정값보다 증가하는지 감소하는지를 판단할 수 있도록 구성된다.
ECU는 인젝터를 제어하는 분사신호로부터 분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값 내일 때, 개질 가스 내에 수소 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 지각 제거하고, 분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값보다 증가할 때, 개질 가스 내에 불활성 가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 진각 제어한다. 개질 가스에서 수소의 비율 및 불활성 가스의 비율에 대한 기준치는 가솔린 또는 천연가스를 사용하는 엔진에 대한 실험으로 설정될 수 있다.
일례를 들면, 개질기(3)의 효율이 높은 경우, 기준치와 비교할 때, 개질 가스 내에서 불활성가스의 비율이 감소하고, 수소의 비율이 증가한다. 수소의 비율이 높은 개질 가스가 공기와 함께 엔진(1)에 공급될 수 있다. 개질 가스가 공급되지 않고 공기만 엔진(1)에 공급하는 경우와 비교하여, 수소 비율이 높은 개질 가스와 공기를 엔진(1)에 공급하는 경우는, 동일한 출력 및 동일한 공연비 제어를 하기 위하여, 더 많은 양의 연료를 분사하게 된다. 즉 분사시간이 설정값보다 증가된다.
개질기(3)의 효율이 낮은 경우, 기준치와 비교할 때, 개질 가스 내에서 수소의 비율이 감소하고, 불활성가스의 비율이 증가한다. 불활성가스의 비율이 높은 개질 가스가 공기와 함께 엔진(1)에 공급될 수 있다. 개질 가스가 공급되지 않고 공기만 엔진(1)에 공급하는 경우와 비교하여, 불활성가스 비율이 높은 개질 가스와 공기를 엔진(1)에 공급하는 경우에도, 동일한 출력 및 동일한 공연비 제어를 하기 위하여, 더 많은 양의 연료를 분사하게 된다. 즉 분사기간이 설정값보다 증가된다.
본 실시예에서와 같이, 개질 가스를 연료와 같이 사용하는 엔진(1)은 정확한 공연비 제어로 안정적인 연소를 필요로 한다. 이를 위하여, ECU는 엔진 제어 로직을 내장하고 있다. 개질 가스 내의 가스 조성 비율이 일정한 경우, 즉 엔진(1)의 정상 운전시, 공연비 센서(미도시)의 모니터링 결과로 점화시기 및 스로틀 개도를 조절함으로써 안정적인 연소를 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 방법의 순서도이다. 도 2를 참조하면, 일 실시예의 엔진의 제어 방법은 개질 가스를 공기 및 연료와 함께 엔진(1)으로 공급하여 엔진(1)을 운전할 때, 개질 가스 내에서 가스의 성분, 즉 수소와 불활성가스의 조성 비율이 일정하지 않은 경우에도, 엔진(1)의 최적 운전을 가능하게 한다.
예를 들면, 일 실시예의 엔진의 제어 방법은 신호 입력 단계(ST10), 판단 단계(ST20) 및 점화시기를 제어하는 제어 단계(ST30)를 포함한다.
신호 입력 단계(ST10)는 분사 신호가 입력되는 단계를 포함한다. 분사 신호는 ECU에서 인젝터를 제어하는 신호이다. 분사시간은 인젝터를 개방하는 시간이다. 따라서 분사 신호는 별도의 센서에서 인가될 수도 있으나, 운전 조건에 따라 ECU에 설정되어 있는 데이터를 활용할 수 있다.
판단 단계(ST20)은 분사시간이 설정값보다 증가하는가 및 흡기압이 설정값 내인가를 판단한다. 분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값 내인 경우, ECU는 분사기간이 증가하고 흡기압이 증가하는 것으로 개질 가스에서 수소의 비율이 기준치보다 높거나 개질 가스에서 불활성가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단한다. 즉 ECU는 개질 가스가 엔진(1)으로 공급되는 것으로 판단한다.
수소의 비율이 높거나 불활성가스의 비율이 높은 경우는, 개질 가스를 공급하는 않는 경우와 비교할 때, 동일한 출력 및 동일한 공연비 제어를 위하여 분사시간을 증가시킨다.
개질 가스에서, 수소의 비율이 기준치보다 높은 경우, 수소의 연소에 필요한 공기량이 감소하기 때문에 흡기압이 설정값을 유지한다. 개질 가스에서, 불황성 가스의 비율이 기준치보다 높은 경우, 불활성 가스의 연소에 필요한 공기량이 증가하기 때문에 흡기압이 상승한다.
제어 단계(ST30)는 분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값 내일 때, 점화시기를 지각 제어하는 지각 단계(ST31)와, 분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값보다 증가할 때 점화시기를 진각 제어는 진각 단계(ST32)를 포함한다.
즉 분사시간이 증가하면서 흡기압이 일정할 때, ECU는 수소의 빠른 연소 특성을 감안하여 점화시기를 지각시킴으로써 엔진(1)을 최적 연소 상태로 운전한다. 그리고 분사시간이 증가하면서 흡기압이 증가할 때, ECU는 연소 속도의 감소를 감안하여 점화시기를 진각시킴으로써 엔진(1)을 최적 연소 상태로 운전한다.
한편, 신호 입력 단계(ST10)는 배기가스 온도 신호를 더 입력하고, 이에 따라 판단 단계(ST20)는 배기가스의 온도가 감소하는가를 더 판단한다.
이 경우, 제어 단계(ST30)에서, 지각 단계(ST31)는 분사시간이 설정값보다 증가하고, 흡기압이 설정값 내이며, 배기가스의 온도가 감소할 때, 개질 가스에서 수소의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 지각 제어한다. 이로써 엔진(1)의 출력 감소 및 노킹 현상을 방지할 수 있다.
제어 단계(ST30)에서 진각 단계(ST32)는 분사시간이 설정값보다 증가하고, 흡기압이 설정값보다 증가하며, 배기가스의 온도가 증가할 때, 개질 가스에서 불활성가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 진각 제어한다.
이와 같이 일 실시예에 따른 엔진의 제어 방법은 연료의 성분변화, 즉 개질 가스 내의 가스 성분의 비율 변화에 대하여 몇 가지 측정변수로부터 유입되는 연료의 성분을 예측하여 엔진의 효율 저하 및 배출가스 특성 악화를 막을 수 있다. 또한, 연료의 다양한 조성에서 연소의 안정성을 확보할 수 있고, 설계자에게 자기진단 제어정보를 제공할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1 : 엔진 2 : 연료탱크
3 : 개질기 4 : 발전기
5 : 배터리 6 : 열교환기
7 : 흡기압센서 8 : 배기온도센서
9 : 3방향 촉매 컨버터 또는 산화촉매 컨버터

Claims (7)

  1. 공기, 연료 및 개질 가스를 사용하여 동력을 발생하는 엔진;
    상기 개질 가스를 생산하여 상기 엔진에 공급하는 개질기; 및
    분사시간이 설정값보다 증가하고 흡기압이 설정값 내일 때, 상기 개질 가스 내에 수소 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 지각 제어하고, 상기 분사시간이 설정값 보다 증가하고 상기 흡기압이 설정값보다 증가할 때, 상기 개질 가스 내에 불활성 가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 진각 제어하는 ECU
    를 포함하는 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 엔진의 흡기관에 설치되어 흡기량에 따라 상기 흡기압을 감지하는 흡기압센서; 및
    상기 엔진의 배기관에 설치되어 배기온도를 감지하는 배기온도센서를 더 포함하며,
    상기 ECU는,
    상기 흡기압센서와 상기 배기온도센서의 감지신호 및 분사신호에 의한 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값 내이며, 배기가스의 온도가 감소할 때, 상기 개질 가스 내에 수소 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 지각 제어하고, 상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값보다 증가하며, 상기 배기가스의 온도가 증가할 때, 상기 개질 가스 내에 불활성 가스의 비율이 기준치보다 높은 것으로 판단하여 점화시기를 진각 제어하는 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 개질기와 상기 엔진 사이에 설치되는 열교환기
    를 더 포함하는 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 엔진의 동력으로 구동되는 발전기 및
    상기 발전에서 생산한 전력으로 충전되는 배터리에 전기적으로 연결되는
    개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
  5. 분사 신호 및 흡기압 신호가 입력되는 신호 입력 단계;
    분사시간이 설정값보다 증가하는가 및 흡기압이 설정값 내인가를 판단하는 판단 단계;
    상기 분사시간이 설정값보다 증가하고 상기 흡기압이 설정값 내일 때, 점화시기를 지각 제어하는 지각 단계; 및
    상기 분사시간이 설정값보다 증가하고 상기 흡기압이 설정값보다 증가할 때, 점화시기를 진각 제어하는 진각 단계
    를 포함하는 개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 신호 입력 단계는,
    배기가스 온도 신호를 더 입력하고,
    상기 판단 단계는,
    배기가스의 온도가 감소하는가를 더 판단하는
    개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 지각 단계는,
    상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값 내이며, 상기 배기가스의 온도가 감소할 때, 점화시기를 지각 제어하며,
    상기 진각 단계는,
    상기 분사시간이 설정값보다 증가하고, 상기 흡기압이 설정값보다 증가하며, 상기 배기가스의 온도가 증가할 때, 점화시기를 진각 제어하는
    개질 가스를 사용하는 엔진의 제어 방법.
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