KR101581495B1 - 과급 엔진의 ＮＯｘ 배출들을 제한하도록 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

과급 엔진의 ＮＯｘ 배출들을 제한하도록 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SCR 유닛으로 하여금 더욱 효율적으로 구동하게 할 수 있다. 본 발명의 장치는 엔진 제어 유닛 (13), SCR 유닛 (12) 및 파일롯 연료 주입기들 (10) 을 포함한다. 엔진 제어 유닛은 파일롯 연료 주입을 제어하는 파일롯 연료 주입기와 접속된다. 또한, 장치는 엔진 제어 유닛과 접속되는 과급 공기 센서 (14) 를 포함한다. 엔진 제어 유닛은 과급 공기 센서 (14) 로부터의 신호들 및 과급 공기 레퍼런스 데이터 신호들을 수신하고, 또한 조정 신호를 형성하도록 구성되는 조정 유닛을 포함한다. 조정 신호는 파일롯 연료 주입기의 제어를 조정하도록 구성된다.

Description

과급 엔진의 ＮＯｘ 배출들을 제한하도록 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR CONTROLLING PILOT FUEL INJECTION TO LIMIT NOx EMISSIONS OF SUPERCHARGED ENGINE}
본 발명은 과급 엔진 (supercharged engine) 에서 NOx 배출들을 제한하도록 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 가스를 연료로서 사용할 수 있는 왕복 엔진 (reciprocating engine) 에 관한 것이다.
과급 엔진은 과급 시스템을 포함한다. 이 시스템은, 예를 들어 터보차징된 (turbocharged) 시스템일 수 있다. 과급된 공기는 엔진의 실린더들로 안내된다. 가스가 연료로서 사용되는 경우, 이 가스는 실린더 특정 방식으로 공기와 혼합된다. 또한, 엔진에서 가스나 오일을 연료로서 사용하는 것이 알려져 있다. 이 유형의 엔진들은 듀얼 연료 엔진들로 지칭된다.
파일롯 연료 주입의 제어는 공개공보 EP 1559887 에서 알 수 있는 바와 같이, 엔진의 NOx (질소 산화물) 배출들을 최소화하기 위한 공지된 방식이다. 또한, 엔진은 배기 가스에서 NOx 배출들을 감소시키기 위한 SCR (Selective Catalytic Reduction) 유닛을 포함하는 것이 일반적이다. SCR 유닛은 NOx 배출들을 감소시키기 위한 파워풀한 디바이스이다. 그러나, 가능한 한 낮은 NOx 배출들을 달성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 가능한 한 많이 과급 엔진의 NOx 배출들을 감소시키기 위한 것이다. 이는, 독립항들에 설명된 장치 및 방법에 의해 달성된다. 종속항들은 본 발명의 상이한 실시형태들을 설명한다.
본 발명의 아이디어는 배기 가스들에서 NOx 진동을 줄이는 것이다. 본 발명에 따르면 또한, 배기 가스에서의 NOx 농도가 소정 한계치들 내에서 변동하는 경우, SCR 유닛이 더 효율적으로 구동한다. 따라서, 본 발명에 따른 변동은 소정 범위 내에서 유지된다. 과급 공기 압력은 NOx 농도에 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 장치는, 엔진 제어 유닛, SCR 유닛 및 파일롯 연료 주입기를 포함한다. 엔진 제어 유닛은 파일롯 연료 주입을 제어하기 위한 파일롯 연료 주입기와 접속되고, SCR 유닛은 엔진의 배기 가스의 NOx 배출들을 감소시키도록 구성된다. 또한, 장치는 엔진 제어 유닛과 접속되는 과급 공기 센서를 포함한다. 엔진 제어 유닛은 과급 공기 센서로부터 신호들 및 과급 공기 레퍼런스 데이터 신호들을 수신하고, 또한 조정 신호를 형성하도록 구성되는 조정 유닛을 포함한다. 조정 신호는 파일롯 연료 주입기의 제어를 조정하도록 구성된다 (arranged).
본 발명의 방법은, 각종 엔진 동작 컨디션들을 나타내는 신호들을 수신하는 단계; 및 파일롯 연료 주입을 제어하기 위해 수신된 신호들에 대한 응답으로서 제어 신호를 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 과급 공기 압력 및 레퍼런스 과급 공기 압력을 나타내는 제 2 신호들을 수신하는 단계; 수신된 제 2 신호들에 대한 응답으로서 조정 신호를 형성하는 단계; 및 조정 신호를 사용함으로써 제어 신호를 조정하는 단계를 더 포함한다.
다음으로, 본 발명은 첨부된 도면들의 피처들로 더욱 상세히 설명된다.
도 1 은 본 발명의 장치의 예를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 제어 유닛의 예를 더욱 상세히 나타낸다.
도 3 은 SCR 유닛 전에 NOx 변동에 대한 본 발명의 효과의 예를 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 방법으로부터의 흐름도 예를 나타낸다.
도 5 는 조정 유닛의 예를 나타낸다.
도 1 은 본 발명의 장치 예를 나타낸다. 이 장치는 과급 엔진 구성 (1) 에 장착된다. 과급 엘리먼트 (2) 는 입기 (incoming air) 의 압력을 증가시킨다. 과급된 공기는 실린더 헤드 (4) 를 통해 엔진의 각 실린더 (3) 로 안내된다. 실린더들에서 태워질 가스는 가스 공급기 시스템 (5) 으로부터 실린더들로 안내된다. 엔진에 가스를 분배하기 전에, 가스는 가스 조절 유닛 (6) 을 통해 흐른다. 조절 유닛은 상이한 부하들 하에서 가스 압력을 정확한 값으로 조절한다. 가스는 각각의 실린더 헤드 (4) 의 공기 유입구 (7) 에서 공기와 혼합된다. 실린더 특정 배출 밸브들 (8) 은 정확한 가스 피드 (feed) 를 각각의 실린더에 개별적으로 제공한다.
엔진은 메인 연료로서 가스를 그리고 파일롯 연료로서 오일을 사용하는 듀얼 연료 엔진일 수도 있다. 엔진은 린번 가스 엔진인 것이 바람직하다.
파일롯 연료를 사용함으로써 공기/가스 혼합물이 점화된다. 파일롯 연료는 파일롯 연료 펌프 (11) 를 통해 연료 공급기 (9) 로부터 파일롯 연료 주입 밸브들 (10) 로 안내된다. 연소 챔버 내의 압력 및 온도 컨디션은 공기 가스 혼합물 연소를 태우기 시작하는 파일롯 연료의 자기 점화를 촉진시킨다.
공기/가스 혼합물을 태운 후에, 배기 가스들이 SCR 유닛 (12) 을 통해 엔진밖으로 안내된다. SCR 유닛은 배기 가스의 NOx 배출들을 감소시킨다. 도 1 에서 알 수 있는 바와 같이, 배기 가스들은, 이 경우에서는 터보차징 (turbocharging) 엘리먼트인 과급 엘리먼트 (2) 를 구동시킨다.
제어 유닛 (13) 은 엔진 (1) 의 기능들을 제어한다. 대부분의 제어 접속들이 도 1 에는 도시되지 않는데, 이들은 그와 같이 알려져 있고 본 발명을 예시하기 위해 반드시 필요하지 않기 때문이다. 또한, 도 1 은 엔진의 단순화된 예시이며, 이는 엔진의 모든 엘리먼트들을 포함하지 않음을 유의해야 한다. 도 1 및 다른 도면들은 본 발명을 예시하기 위한 것이다. 따라서, 실제 실시형태들은 본 상세한 설명에 보여지지 않는 다수의 디바이스들 및 부품들을 포함한다는 것이 명확하다.
본 발명의 장치는 도 1 에 도시된 바와 같이 과급 공기 압력 센서 (14) 를 포함한다. 압력 센서는 압력 측정 신호들을 제어 유닛으로 송신하기 위해 제어 유닛 (13) 과 접속된다. 제어 유닛은 또한, 과급 공기 압력의 레퍼런스 데이터를 수신한다. 제어 유닛은 도 2 에서 더 상세히 도시된다. 제어 유닛은 파일롯 주입 밸브들 (10) 을 제어하기 위한 실린더 특정 제어 신호들을 제공하여 NOx 배출 변동을 제한한다.
제어 유닛 (13) 은 각종 엔진 동작 컨디션들, 예컨대 속도, 부하, 실린더 특정 배기 가스 온도 등을 나타내는 상이한 신호들 (18) 을 수신하도록 구성되는 프로세싱 유닛 (15) 을 포함한다. 종래 기술의 솔루션들에서, 프로세싱 유닛은 파일롯 주입 밸브들에서의 파일롯 연료 주입의 양 및 타이밍을 제어하기 위해 제어 신호들 (17) 을 제공한다. 특히, 엔진 부하 및 엔진 속도의 데이터가 파일롯 주입 제어에 사용된다. 본 발명의 제어 유닛은 또한, 조정 유닛 (16) 을 포함한다. 조정 유닛은 과급 공기 압력 센서 (14) 로부터의 과급 공기 압력을 나타내는 데이터 (20) 를 측정하고 과급 공기 압력의 레퍼런스 데이터 (19) 를 수신하도록 구성된다. 조정 유닛의 태스크는 레퍼런스 과급 공기 압력을 측정된 과급 공기 압력과 비교하고, 조정 신호를 형성하는 것이다. 조정 신호는 SCR 유닛 (12) 에서의 NOx 변동과 과급 공기 압력 간의 관계에 대한 통계적 정보를 포함하는 표를 사용함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 조정 신호는 NOx 변동에 영향을 주는 실제 터보과급 공기 압력을 고려한다. 조정 신호 (21) 는, SCR 유닛의 NOx 변동이 감소하는 그러한 방식으로 파일롯 주입 제어 신호 (17) 를 조정한다 (23). 따라서, 주입 밸브들로 송신될 파일롯 제어 신호들 (22) 은 SCR 유닛에서의 NOx 농도의 변동들 및 보통의 파일롯 연료 제어를 고려한다. 도 2 에 도시된 바와 같이 신호들을 더함으로써 조정 신호 및 보통의 제어 신호의 결합이 이루어질 수 있다. 다른 방식은, 조정 유닛이 이 유형의 결합에 대해 설계되는 경우에서 계수들을 사용하여 두 신호들을 곱하는 것이다. 이 결합은 도시된 바와 같이 제어 유닛의 개별 유닛 (23) 에서 이루어질 수 있고, 또는 제어 유닛의 보통의 구성의 통합된 기능 같을 수 있다.
도 3 은 본 발명이 SCR 유닛 (12) 에서의 NOx 변동을 감소시키는 방법 예를 나타낸다. 보다 얇은 선 (31) 은 본 발명의 장치가 없을 때의 변동을 나타낸다. 보다 넓은 선 (32) 은 본 발명의 장치가 있을 때의 변동을 나타낸다. 보여지는 바와 같이, 본 발명은 변동을 상당히 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 더 좋은 SCR 동작 효율성에 의해 엔진의 NOx 배출들을 감소시킨다. 가스 엔진들에서, 배기 가스들에서의 NOx 농도는 공기/가스 연료비에 의해 주로 좌우된다 (보다 낮은 공기/가스 연료비는 보다 높은 NOx 를 의미하고, 보다 높은 공기/가스 연료비는 보다 낮은 NOx 를 의미한다). 공기량 제어는 SCR 시스템에 대해 NOx 안정성을 보장하지 않는 그 자체의 기능적 한계를 갖는다. 본 발명은 실린더들의 각 사이클에서 파일롯 연료 양을 조정함으로써 NOx 농도의 변동을 제어하는 것을 가능하게 한다. 보다 높은 파일롯 연료 양은 보다 높은 NOx 값들을 의미하고, 보다 낮은 파일롯 연료 양은 보다 낮은 NOx 값들을 의미한다. 실화 (misfiring) 및 노킹 (knocking) 을 방지하기 위해 최대 및 최소로 허용된 파일롯 연료 양들이 고려된다.
도 5 는 조정 유닛 (16) 의 구조의 일 실시형태를 더 상세히 나타낸다. 과급 공기 압력이 과급 공기의 레퍼런스 값 이상으로 이동하면, 배기 가스들에서의 NOx 값이 감소하고, 과급 공기 압력이 과급 공기의 레퍼런스 값 이하로 이동하면, 배기 가스들에서의 NOx 값이 증가하는 것으로 알려져 있다. 또한, 파일롯 연료 양이 증가하면, 배기 가스들에서의 NOx 값이 증가하고, 파일롯 연료 양이 감소하면, 배기 가스들에서의 NOx 값이 감소한다. 따라서, 파일롯 주입 제어 신호를 형성하는 경우, 과급 공기 압력의 효과가 고려된다 (도 2 참조).
도 5 의 표 (51) 는 상이한 과급 공기 압력 컨디션들에서 파일롯 주입 제어 신호에 대한 조정 값들을 나타낸다. y 축은 과급 공기 압력의 편차를 나타낸다. 이 편차는 과급 공기 압력의 측정된 값과 레퍼런스 값 간의 차이로서 결정된다. x 축은 측정된 과급 공기 압력을 나타낸다. 이 예에서, 조정 값들은 마이크로초 단위의 지속기간들이다. 다시 말해, 파일롯 주입의 지속기간은 과급 공기 압력을 고려하도록 조정된다. 주입의 지속기간은 파일롯 연료 주입의 양에 영향을 준다.
이 표는 조정 유닛의 기능성을 제공하는 유일한 선택은 아니다. 또한, 예를 들어, 입력 신호들이 (이전 예에서 사용된 과급 공기 압력의 편차와 같은) NOx 형성에 연결되는 어떠한 엔진 파라미터이든 그리고 파일롯 연료 지속기간 동안의 상관을 출력으로서 포함하는 펑션 (function) 을 사용하는 것이 가능하다.
도 4 는 본 발명의 방법 예를 흐름도로서 나타낸다. 방법은, 각종 엔진 동작 컨디션들을 나타내는 신호들을 수신하는 단계 (41); 및 파일롯 연료 주입을 제어하기 위해, 수신된 신호들에 대한 응답으로서 제어 신호를 형성하는 단계 (42) 를 포함한다. 이들 단계들은 보통 파일롯 연료 주입 밸브들을 제어한다. 방법은, 과급 공기 압력 및 레퍼런스 과급 공기 압력을 나타내는 제 2 신호들을 수신하는 단계 (43); 수신된 제 2 신호들에 대한 응답으로서 조정 신호를 형성하는 단계 (44); 및 조정 신호를 사용함으로써 제어 신호를 조정하는 단계 (45) 를 더 포함한다. 제 2 신호들을 수신하는 단계 (43) 및 조정 신호를 형성하는 단계 (44) 는 SCR 유닛 (12) 에서의 NOx 변동과 과급 공기 압력 간의 관계를 고려한다. 조정 단계 (45) 는 파일롯 주입 밸브들로 전송될 파일롯 제어 신호를 제공하기 위해 보통의 제어 신호 및 조정 신호를 결합한다.
조정 신호를 형성하는 단계 (44) 는 과급 공기 압력과 SCR 유닛 (12) 에서의 NOx 변동 간의 관계에 대한 통계적 정보를 포함하는 표를 활용하도록 구성될 수 있다. 제어 신호들을 조정하는 단계 (45) 는 조정 신호 (21) 를 제어 신호들 (17) 과 결합하기 위한 결합 함수를 포함하도록 구성될 수 있다. 결합 함수는, 예를 들어 가산 함수 (add function) 일 수 있다.
본 발명의 제어는 착화원 (ignition source) 으로서 파일롯 액체 연료를 갖는 모든 듀얼 연료 엔진들에 대한 파일롯 연료에 사용될 수 있다. 조정 유닛은 상이한 엔진들에 대해 적절히 튜닝될 수 있다. 상기 예들에 비추어, 본 발명의 실시형태는 많은 방식들로 달성될 수 있다는 것이 자명하다. 또한, 본 발명은 이 텍스트의 예들에 제한되지 않고, 본 발명은 청구범위의 한계 내에서 임의의 형태로 형성될 수 있음이 자명하다.

Claims (10)

  1. 가스를 연료로서 사용할 수 있는 과급 엔진 (1) 의 NOx 배출들을 제한하기 위한 장치 (arrangement) 로서,
    파일롯 연료 주입기들에 대한 제어 신호들 (17) 을 형성하는 프로세싱 유닛 (15) 을 포함하고, 파일롯 연료 주입을 제어하기 위해 파일롯 연료 주입기들 (10) 과 접속 가능한 엔진 제어 유닛 (13) 을 포함하고,
    상기 엔진 제어 유닛 (13) 은, 레퍼런스 데이터 신호들 (19) 및 과급 공기 압력 센서 (14) 로부터의 신호들 (20) 을 수신하고 또한 상기 레퍼런스 데이터 신호들 (19) 및 상기 센서로부터의 신호들 (20) 을 비교함으로써 조정 신호 (21) 를 형성하도록 구성되는 조정 유닛 (16) 을 더 포함하고,
    상기 레퍼런스 신호들 및 상기 센서로부터의 신호들은 상기 NOx 배출들의 변동과 상관되고, 상기 조정 신호는 상기 NOx 배출들을 제한하기 위해 배기 가스들에서의 NOx 변동의 진폭을 감소시키기 위해 상기 파일롯 연료 주입기들의 제어를 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 과급 엔진의 NOx 배출들을 제한하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정 신호 (21) 를 상기 제어 신호들 (17) 과 결합하는 결합 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 엔진의 NOx 배출들을 제한하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (13) 은 상기 결합 함수를 제공하는 결합 유닛 (23) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 엔진의 NOx 배출들을 제한하기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결합 함수는 가산 함수인 것을 특징으로 하는 과급 엔진의 NOx 배출들을 제한하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진의 배기 가스의 NOx 배출들을 감소시키도록 구성되는 SCR 유닛 (12) 을 포함하고,
    상기 센서 (14) 는 과급 공기 센서이고, 상기 레퍼런스 신호들 및 상기 센서 (14) 로부터의 상기 신호들은 과급 공기 압력 값들을 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 엔진의 NOx 배출들을 제한하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 조정 유닛 (16) 은 상기 SCR 유닛 (12) 에서의 상기 NOx 변동의 진폭과 상기 과급 공기 압력 간의 관계에 관한 통계적 정보를 포함하는 표를 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 엔진의 NOx 배출들을 제한하기 위한 장치.
  7. 과급 엔진의 NOx 배출들을 제한하도록 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법으로서,
    각종 엔진 동작 컨디션들을 나타내는 신호들을 수신하는 단계 (41); 및
    상기 파일롯 연료 주입을 제어하기 위해, 상기 수신된 신호들에 대한 응답으로서 제어 신호들을 형성하는 단계 (42) 를 포함하고,
    엔진 과급 공기 압력 동작 컨디션 및 대응하는 레퍼런스 컨디션을 나타내는 제 2 신호들을 수신하는 단계로서, 상기 제 2 신호들은 또한 상기 NOx 배출들의 변동과 상관하는, 상기 제 2 신호들을 수신하는 단계 (43);
    상기 수신된 제 2 신호들의 상기 엔진 과급 공기 압력 동작 컨디션 및 상기 대응하는 레퍼런스 컨디션 간의 차이에 기초하여 조정 신호를 형성하는 단계 (44); 및
    상기 조정 신호를 사용함으로써 상기 제어 신호들을 조정하는 단계 (45) 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 신호들을 조정하는 단계 (45) 는 상기 조정 신호 (21) 를 상기 제어 신호들 (17) 과 결합하는 결합 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 결합 함수는 가산 함수인 것을 특징으로 하는 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 조정 신호를 형성하는 단계 (44) 는 SCR 유닛 (12) 에서의 NOx 변동의 진폭과 상기 과급 공기 압력 간의 관계에 관한 통계적 정보를 포함하는 표를 활용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 파일롯 연료 주입을 제어하는 방법.
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