KR101544388B1 - 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법 - Google Patents

천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법 Download PDF

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Abstract

천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법이 개시된다. 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법은, (a) 천연가스 연료가 주입된 엔진을 구동하여, 엔진 회전수 상승 발생까지의 지연 시간 및 지연 시간 이후의 엔진 회전수를 포함하는 제1 엔진 제어 변수를 엔진 ECU에 입력하는 단계와, (b) 천연가스와 수소가 설정된 비율로 혼합된 혼합 연료를 엔진에 주입하는 단계와, (c) 상기 (b) 단계 이후에 상기 혼합 연료가 주입된 상기 엔진을 구동하여, 1차 시동시의 지연 시간을 확인하는 단계와, (d) 상기 (b) 단계 이후에 상기 혼합 연료가 주입된 상기 엔진을 구동하여, 1차 시동시 설정된 시간 동안의 엔진 회전수를 확인하는 단계와, (e) 상기 (c) 단계의 상기 지연 시간과 상기 (d) 단계의 상기 엔진 회전수를 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 통해, 상기 혼합 연료에 포함된 수소 비율을 결정하는 단계와, (f) 상기 (e) 단계에서 결정된 상기 수소 비율에 해당하는 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건을 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 상기 차량의 ECU에 입력하는 단계와, (g) 상기 (f) 단계 이후에 상기 엔진의 2차 시동 이후 조건에서, 상기 제2 엔진 제어 변수를 상기 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경하여 상기 엔진을 구동하도록 제어하는 단계를 포함한다.

Description

천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법{METHOD FOR IMPROVING ENGINE IDLE STARTING ABILITY AND CATALYST EFFECT}
본 발명은 천연가스와 수소가 혼합된 혼합 연료를 사용하는 엔진의 아이들 운전시의 시동 초기에 운전 안전성을 개선하여 미연탄화수소 및 메탄의 과다 배출을 방지하는 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 방법에 관한 것이다.
천연가스는 옥탄가가 120 정도로 높기 때문에 일반적인 가솔린 엔진 보다 압축비를 높이고도 노킹없이 운전이 가능하며, 이를 통해 열효율과 출력 향상을 도모할 수 있다.
그러나 희박 운전 영역에서는 좁은 가연한계와 느린 연소 속도 등으로 연소가 불안정해지고, 유해 배기가스가 증가하여 강하되는 배기규제를 만족하기 어려움이 있다. 따라서, 천연가스에 수소를 혼합한 연료를 적용하여 보다 희박한 영역에서 운전되도록 하는 기술이 적용되고 있다.
이와 같이, 천연가스에 수소를 포함한 혼합 연료(HCNG)를 가스 엔진에 적용하면, 유해 배출 가스의 저감 및 엔진 구동 효율의 증대가 가능하고, 보다 희박한 영역에서 엔진의 운전이 가능하다.
여기서 수소는 넓은 가연한계, 빠른 연소 속도와 짧은 소염 거리 및 높은 단열 화염 온도 등 탄화 수소계의 연료와는 상이한 연소 특성을 갖고 있다.
따라서 수소를 이용한 엔진 구동은 초희박 연소를 가능하게 하여, 저부하 영역에서의 고효율 및 저배기를 실현하는 것이 가능하다.
그러나, 엔진 구동시 혼합 연료의 성분이 일정하지 않은 조건에서 운전될 경우에는 천연가스와 혼합되는 수소의 비율이 달라지는 경우가 발생됨으로써, 아이들 운전성을 악화시키고 배기가스의 온도를 감소시켜 촉매 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 혼합 연료 성분이 일정하지 않은 조건에서 운전될 경우에도 엔진 아이들 운전성이 악화되지 않고 촉매 효율 저하가 발생되지 않는 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는, (a) 천연가스 연료가 주입된 엔진을 구동하여, 엔진 회전수 상승 발생까지의 지연 시간 및 지연 시간 이후의 엔진 회전수를 포함하는 제1 엔진 제어 변수를 엔진 ECU에 입력하는 단계와, (b) 천연가스와 수소가 설정된 비율로 혼합된 혼합 연료를 엔진에 주입하는 단계와, (c) 상기 (b) 단계 이후에 상기 혼합 연료가 주입된 상기 엔진을 구동하여, 1차 시동시의 지연 시간을 확인하는 단계와, (d) 상기 (b) 단계 이후에 상기 혼합 연료가 주입된 상기 엔진을 구동하여, 1차 시동시 설정된 시간 동안의 엔진 회전수를 확인하는 단계와, (e) 상기 (c) 단계의 상기 지연 시간과 상기 (d) 단계의 상기 엔진 회전수를 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 통해, 상기 혼합 연료에 포함된 수소 비율을 결정하는 단계와, (f) 상기 (e) 단계에서 결정된 상기 수소 비율에 해당하는 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건을 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 상기 차량의 ECU에 입력하는 단계와, (g) 상기 (f) 단계 이후에 상기 엔진의 아이들 운전 조건에서, 상기 제2 엔진 제어 변수를 상기 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경하여 상기 엔진을 구동하도록 제어하는 단계를 포함한다.
(g) 단계는, (g-1) 상기 (f) 단계의 상기 제1 엔진 제어 변수와 상기 제2 엔진 제어 변수의 제어변수 차이값을 도출하는 단계와, (g-2) 상기 (g-1) 단계의 상기 제어변수 차이값을 이용하여 상기 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건이 상기 (a) 단계의 상기 천연가스 연료가 주입된 엔진의 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건과 일치하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
(g-2) 단계에서 점화시기 지각 조건을 포함하는 상기 제2 엔진 제어 변수를 상기 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경할 수 있다.
(g) 단계에서, 공연비를 상기 (a) 단계의 천연가스 연료가 주입된 엔진의 공연비와 일치하도록 제어하여 상기 제2 엔진 제어 변수를 상기 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경할 수 있다.
혼합연료에 포함된 상기 수소의 함유량 10%에 대해, 공연비는 공기 과잉률 0.3 이하이며, 점화시기는 10 크랭크 각도 지각 제어될 수 있다.
(e) 단계에서, 엔진의 지연 시간이 0.12sec이면, 상기 혼합 연료의 수소 함유량이 10%일 수 있다.
(e) 단계에서, 엔진의 최초 상승된 회전수가 70rpm이면, 혼합 연료의 수소 함유량이 10%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간이 천연가스가 주입된 엔진에서의 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간과 유사하도록 제어함으로써, 혼합 연료를 이용한 아이들 엔진 구동시에 미연탄화수소 및 메탄이 과다하게 배출되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 천연가스 연료 및 천연가스-수소 혼합의 혼합 연료를 주입한 엔진의 시동 특성을 개략적으로 함께 나타낸 그래프 도면이다.
도 3은 천연가스 연료가 주입된 엔진의 공연비 및 점화시기에 따른 배기가스의 온도 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 천연가스와 수소 연료의 혼합 연료가 주입된 엔진의 공연비 및 점화시기에 따른 배기가스의 온도 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 이하에서 도면을 참조하여 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 천연가스 연료가 단독으로 주입된 엔진을 구동하여, 엔진 회전수 상승 발생까지의 지연 시간 및 지연 시간 이후의 엔진 회전수를 포함하는 제1 엔진 제어 변수를 엔진 ECU에 입력한다(S10). (S10) 단계에서 제1 엔진 제어 변수를 엔진 ECU에 입력하는 것은 이후 단계에서의 엔진 시동시 천연 가스 엔진과 유사한 엔진 구동이 이루어지도록 하여 엔진 시동 안정성을 확보하기 위한 것이다.
다음, 천연가스와 수소가 설정된 비율로 혼합된 혼합 연료를 엔진에 주입한다(S20). (S20) 단계에서 사용되는 혼합 연료는 유해 배출가스의 저감 및 차량 구동 효율의 증대를 위해 천연 가스에 수소를 포함한 연료를 말한다. 따라서, 보다 희박한 영역에서 엔진이 운전되도록 하는 것이 가능하여 차량 구동 효율의 증대가 가능하다.
이어서, (S20) 단계에서 혼합 연료가 주입된 엔진을 구동하여 최초 1차 시동시 엔진 회전수 상승에 소요되는 지연 시간을 확인한다(S30). (S30) 단계에서 시동 초기의 엔진 회전수 상승에 소요되는 시간을 확인하는 것은, 천연가스-수소가 함께 포함된 혼합 연료에서 수소의 함유량에 따라 엔진 회전수 상승에 소요되는 지연 시간이 변동되는 바, 이러한 지연 시간을 확인하기 위한 것이다.
다음, (S20) 단계 이후에 혼합 연료가 주입된 엔진을 구동하여, 시동 초기의 최초 1차 시동시 엔진 회전수를 확인한다(S40). (S40) 단계에서 혼합 연료가 주입된 엔진의 시초 초기 1차 시동 과정에서 엔진 회전수를 확인하는 것은, 천연가스-수소가 함께 포함된 혼합 연료에서 수소의 함유량에 따라 1차 시동 과정에서의 엔진 회전수가 변동되는 바, 이를 확인하기 위한 것이다.
전술한 바와 같이, (S30) 단계 및 (S40) 단계에서 혼합 연료가 주입된 엔진의 시동 초기의 엔진 회전수 상승 시작에 소요되는 시간 및 엔진 회전수를 확인하는 것은, 천연가스-수소의 혼합 연료가 주입된 엔진에서 수소의 함유량에 따라 달라지는 지연 시간 및 엔진 회전수를 확인하여, 혼합 연료에 포함된 수소의 함유량을 확인하기 위한 것이다.
이어서, (S30) 단계에서 확인된 엔진의 지연 시간과 (S40) 단계에서 확인된 엔진 회전수를 통해 혼합 연료에 포함된 수소 비율을 결정한다(S50). 본 실시예에서는, 엔진의 지연 시간이 0.12sec이면, 혼합 연료의 수소 함유량이 10%인 것을 예시적으로 설명한다. 또한, 엔진의 최초 상승 회전수가 70rpm이면, 혼합 연료의 수소 함유량이 10%인 것을 예시적으로 설명한다. 따라서, 엔진의 지연 시간과 회전수의 변화에 따라 수소의 포함 비율을 결정하는 것이 가능하다.
다음, (S50) 단계에서 결정된 수소 비율에 해당하는 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건을 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 차량의 ECU에 입력한다(S60). 여기서 (S60) 단계에서 결정된 혼합 연료에 포함된 수소 비율에 대응하는 촉매 활성화 온도를 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 ECU에 입력하는 것은, 엔진의 시동 초기의 아이들 구동 단계에서, 아이들 운전 안정성을 개선하고 촉매 효율을 향상시키켜, 시동 초기에 발생되는 미연탄화수소 및 메탄의 배출을 감소시키기 위한 것이다. 이에 대해서는 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
이어서, (S60) 단계 이후에 엔진의 아이들 시동 조건에서 제2 엔진 제어 변수를 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경하여 엔진을 구동을 제어한다(S70).
보다 구체적으로 설명하면, (S70) 단계의 제1 엔진 제어 변수와 제2 엔진 제어 변수의 제어 변수 차이값을 도출한다(S71). 즉, 제1 엔진 제어 변수의 점화 시기 지각 정도와 제2 엔진 제어 변수의 점화시기 지각 정도의 차이값과, 제1 엔진 제어 변수의 공연비 제어값과 제2 엔진 제어 변수의 공연비 제어값의 차이값을 도출한다.
다음, (S71) 단계의 점화 시기 지각 정도 및 공연비를 포함한 제어변수 차이값을 이용하여 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건이 (S10) 단계의 천연가스 연료가 주입된 엔진의 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건과 일치하도록 제어한다(S72). 즉, 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간은 엔진의 점화 시기 지각 정도 및 공연비의 제어에 따라 변동되는 바, (S72) 단계를 실시하여 엔진의 아이들 시동 조건에서 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간이 (S10) 단계의 천연가스가 주입된 엔진에서의 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간과 유사하도록 할 수 있다. 따라서, 천연가스-수소가 혼합된 혼합 연료의 시동 초기에 미연탄화수소 및 메탄이 과다하게 배출되는 것을 방지하는 것이 가능하다. 여기서, 상기 혼합연료에 포함된 상기 수소의 함유량 10%에 대해, 공연비는 공기 과잉률 0.3 이하이며, 점화시기는 10 크랭크 각도 지각 제어될 수 있다.
도 2는 천연가스 연료 및 천연가스-수소 혼합의 혼합 연료를 주입한 엔진의 시동 특성을 개략적으로 함께 나타낸 그래프 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 천연가스 연료를 사용하는 천연가스 엔진의 경우에는 엔진 시동시 3700ms 위치에서 최대인 910rpm으로 확인되고, 엔진 회전수 상승이 발생되기 전까지의 지연 시간이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 천연가스-수소의 혼합 연료를 사용하는 엔진의 경우에는 엔진 시동시 4900rpm 위치에서 최대인 1200rpm으로 확인된다. 또한, 천연가스-수소의 혼합 연료를 사용하는 엔진의 경우에도 천연가스 엔진의 시동 과정에서 확인된 지연 시간이 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 천연가스가 주입된 엔진의 공연비 및 점화시기에 따른 배기가스의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 천연가스-수소의 혼합 연료가 주입된 엔진의 공연비 및 점화시기에 따른 배기가스의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 동일 공연비 및 동일 점화시기 조건에서는 천연가스 단독으로 주입된 엔진의 배기가스의 온도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.
따라서, (S10) 단계 내지 (S70) 단계를 수행하여, 엔진의 아이들 시동 과정에서 천연가스-수소가 포함된 혼합 연료의 엔진의 점화 시기 지각 정도 및 공연비를 천연가스 단독으로 주입된 엔진과 유사하게 운전되도록 함으로써, 배기가스의 온도를 상승시켜 촉매 활성화 시간을 줄일 수 있다. 이에 따라 혼합 연료가 주입된 엔진의 시동 초기에 미연탄화수소 및 매탄이 과다하게 배출되는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다.

Claims (7)

  1. (a) 천연가스 연료가 주입된 엔진을 구동하여, 엔진 회전수 상승 발생까지의 지연 시간 및 지연 시간 이후의 엔진 회전수를 포함하는 제1 엔진 제어 변수를 엔진 ECU에 입력하는 단계;
    (b) 천연가스와 수소가 설정된 비율로 혼합된 혼합 연료를 엔진에 주입하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계 이후에 상기 혼합 연료가 주입된 상기 엔진을 구동하여, 1차 시동시의 지연 시간을 확인하는 단계;
    (d) 상기 (b) 단계 이후에 상기 혼합 연료가 주입된 상기 엔진을 구동하여, 1차 시동시 설정된 시간 동안의 엔진 회전수를 확인하는 단계;
    (e) 상기 (c) 단계의 상기 지연 시간과 상기 (d) 단계의 상기 엔진 회전수를 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 통해, 상기 혼합 연료에 포함된 수소 비율을 결정하는 단계;
    (f) 상기 (e) 단계에서 결정된 상기 수소 비율에 해당하는 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건을 포함하는 제2 엔진 제어 변수를 상기 차량의 ECU에 입력하는 단계; 및
    (g) 상기 (f) 단계 이후에 상기 엔진의 아이들 운전 조건에서, 상기 제2 엔진 제어 변수를 상기 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경하여 상기 엔진을 아이들 구동 제어하는 단계;
    를 포함하는 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (g) 단계는,
    (g-1) 상기 (f) 단계의 상기 제1 엔진 제어 변수와 상기 제2 엔진 제어 변수의 제어변수 차이값을 도출하는 단계; 및
    (g-2) 상기 (g-1) 단계의 상기 제어변수 차이값을 이용하여 상기 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건이 상기 (a) 단계의 상기 천연가스 연료가 주입된 엔진의 촉매 활성화 온도에 도달하는 시간 조건과 일치하도록 제어하는 단계;
    를 포함하는 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (g-2) 단계에서 점화시기 지각 조건을 포함하는 상기 제2 엔진 제어 변수를 상기 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경하는 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서, 공연비를 상기 (a) 단계의 천연가스 연료가 주입된 엔진의 공연비와 일치하도록 제어하여 상기 제2 엔진 제어 변수를 상기 제1 엔진 제어 변수에 대응하도록 변경하는 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 혼합연료에 포함된 상기 수소의 함유량 10%에 대해,
    상기 공연비는 공기 과잉률 0.3 이하이며, 점화시기는 10 크랭크 각도 지각제어되는 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 엔진의 지연 시간이 0.12sec이면, 상기 혼합 연료의 수소 함유량이 10%인 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 엔진의 최초 상승된 회전수가 70rpm이면, 상기 혼합 연료의 수소 함유량이 10%인 천연가스와 수소의 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법.
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