KR101743413B1 - 가스 기관에 대한 시스템 모니터링 - Google Patents

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Abstract

가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2) 으로서, 상기 기관 (1) 은 연료로서 가스를 사용하는 왕복 내연 기관이고, 상기 기관 (1) 은 배기 가스를 상기 기관 (1) 밖으로 안내하기 위한 출구 채널 (3) 에 연결되고, 비시동 기관 (1) 의 경우에 그리고 상기 출구 채널 (3) 에 축적된 미연소 연료 가스 (G) 가 존재할 수도 있는 때에, 공기 (A) 로 상기 출구 채널 (3) 을 플러싱하기 위해 상기 출구 채널 (3) 과 관련하여 배치된 팬 (30) 이 존재한다. 상기 시스템에는, 상기 출구 채널 (3) 내에서 미연소 연료 가스 (G) 가 축적될 수도 있는 위치에 적어도 하나의 NOx-센서 (5) 가 존재한다.

Description

가스 기관에 대한 시스템 모니터링{MONITORING SYSTEM FOR GAS ENGINE}
본 발명은 가스 기관 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 상기 기관은 연료로서 가스를 사용하는 왕복 내연 기관이며, 기관은 배기 가스를 기관 밖으로 안내하기 위한 출구 채널에 연결되어 있고, 비-시동 기관의 경우에 그리고 출구 채널에 미연소 연료 가스가 축적되어 있을 수도 있는 때에 출구 채널을 공기로 플러싱하기 위해 출구 채널과 관련하여 배치된 팬이 존재한다.
내연 왕복 가스 기관에서, 일반적으로 연료로서 메탄 또는 공기보다 가벼운 다른 가스를 사용한다. 시동 동안에, 가스 연료가 실린더에 공급된다. 정상적인 경우, 연료는 실린더에 공급되어 압축된 후, 가스/공기 혼합물이 점화하거나 점화되고, 연소 후에, 연소된 배기 가스가 배기 행정 중에 실린더로부터 제거된다. 점화가 어떤 이유로 발생하지 않는다면, 미연소 연료 가스가 다음의 배기 행정 중에 배기 가스 시스템으로, 즉 출구 채널로 제거된다. 기관의 이러한 비-시동, 즉 기관이 연료의 연소에 기초하여 주행하도록 시동되지 않은 때는, 너무 희박한 혼합물, 약한 점화 디바이스 등과 같은 여러 인자에 기인할 수도 있다. 가스 기관 설비에서, 실패한 시동의 경우, 미연소 연료 가스가 배기 가스 시스템에 수집될 위험이 있다. 또한, 이는 다량의 폭발성 연료 가스 혼합물이 덕트에 축적될 위험이 존재한다는 것을 의미한다. 그리고 나서 기관이 시동되어 고온 배기 가스가 점화 소스를 제공하면, 이는 배기 가스 라인에서 폭발을 야기할 수도 있다. 이는 배기 출구 채널이 폭발성 연료 가스 혼합물로 적어도 부분적으로 충전되고 시동 시도가 너무 오랜 지속시간 계속되는 경우에도 또한 일어날 수도 있다.
전술한 위험을 제거하기 위해, 가스 기관에는, 출구 채널과 관련하여 배치된 환기용 팬을 포함하는 플러싱 시스템이 보통 제공된다. 출구 채널에 축적된 미연소 연료 가스를 갖기 쉽거나 가질 수도 있는 비-시동 기관의 경우에 공기로 출구 채널을 플러싱하는 것이 이용된다. 기관/발전소의 조작자는 이러한 문제에 대한 결정을 하고, 필요한 만큼 출구 채널을 플러싱한다. 보통 이러한 예방 시간은 제공된 기관/발전소에 의해 결정된다.
설명한 바와 같이 그리고 이러한 위험을 완화하기 위해, 가스 기관 설비는 새로운 시동 시도 이전에 출구 채널 내로 깨끗한 공기를 송풍하는데 사용되는 환기용 팬을 구비한다. 이러한 타입의 가스 기관은 예비 동력 목적을 위해 일반적으로 사용되므로, 동력 요구에 대한 비교적 빠른 응답이 요구되고 오랜 세척 시간이 단점이다.
본 발명의 목적은 출구 채널의 예방 플러싱 시간을 단축할 수 있는 가스 기관용 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
최신 해법의 과제는 환기가 덕트를 비우기에 적합하도록 제어하는 수단이 없다는 것이다. 너무 짧은 환기 시간은 폭발 위험을 의미하고, 오랜 환기 시간은 특히 동력 요구에 대한 신속한 응답이 요구되는 설비에서 문제가 있다. 따라서, 출구 채널의 신속한 환기, 즉 세척 시간이 달성되어야 한다.
본 발명은, 출구 채널 내에서 미연소 연료 가스가 축적될 수도 있는 위치에 적어도 하나의 NOx-센서가 위치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 문제를 해결하고 짧은 플러싱 시간을 가능하게 한다. 그리고, 본 시스템은 기관 장치의 안전성을 상당히 향상시킨다.
본 시스템의 일 실시형태에 따르면, 센서가 위치되며 미연소 연료 가스가 축적될 수도 있는 위치는, 소음기, 보일러, 촉매기 (catalysator), 열 회수 시스템, 출구 채널의 폐쇄 상부 곡선 또는 대응부이다. 따라서, 센서 위치는 연료 가스가 출구 채널의 포켓형 위치에 수집될 가능성이 있도록 선택된다. 물론, 사용된 연료 가스가 예컨대 프로판 등과 같이 공기보다 무겁다면, 이는 다른 방식으로 될 필요가 있고, 센서는 바닥 폐쇄 보울 (bowl) 형 위치에 위치될 필요가 있다. 쌍방의 경우에, 바람직하게는 위치는 포켓의 체적이 고려되도록 선택된다. 매우 작은 포켓은 다량의 연료 가스가 수집될 수 있는 큰 포켓보다 덜 중요하다.
다른 실시형태에 따르면, 센서는 NO 및 O2 농도를 측정할 수 있는 NOx 센서이다. 기관 제어 기능을 위해 사용되는 보통의 NOx 센서는 일반적으로, 포켓의 축적 가스를 측정하지 않는 그러한 위치에 있다. 여기서, 센서는 기관 제어 센서와 정확히 유사할 수도 있지만, 상이하게 위치될 수 있다. 연소 환경의 고온으로 인해, 단지 재료의 특정 유형이 그러한 위치에서 작동할 수 있다. 개발되어 상업적으로 이용가능한 NOx 센서의 대부분은 현재 산소 센서에도 또한 사용되는, 가장 흔하게는 이트리아-안정화 지르코니아 (YSZ) 인, 세라믹형 금속 산화물로 제조되어 왔다. YSZ 는 치밀한 세라믹으로 압착되고, 실제로 400 ℃ 이상과 같은 출구 채널의 고온에서 산소 이온 (O2-) 을 전도한다. 또한, 일 실시형태에 따르면, 센서는 적어도 2 개의 센서, 즉 NO 농도를 측정할 수 있는 하나의 NOx 센서 및 O2 농도를 측정할 수 있는 다른 센서가 존재하는 듀얼 센서 장치이다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 시스템은 성공하지 못한 시동 시도 후에 체크 절차를 수행하도록 구성된다. 체크 절차 중에, 센서는 그 센서 위치에서 산소 및 NO 의 함량을 검출 또는 측정한다. 그리고, 측정에 기초하여, 시스템은 측정된 O2 및 NO 농도에 기초하여 적어도 3 개의 가능한 상태를 구별하도록 배치되고, 상기 적어도 3 개의 가능한 상태는
- 출구 채널이 환기되지 않았지만 출구 채널에서의 폭발 위험이 존재하지 않음을 나타내는 제 1 상태,
- 출구 채널이 환기되지 않았고 출구 채널에서의 폭발 위험이 존재함을 나타내는 제 2 상태, 및
- 출구 채널이 적절하게 환기되었음을 나타내는 제 3 상태를 포함한다.
이하에서, 다음의 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1 은 시스템의 일반적인 개요를 보여준다.
도 2 는 체크 과정의 실시형태를 보여준다.
도 1 에는, 가스 기관 (1) 을 위한 모니터링 시스템 (2) 을 포함하는 가스 기관 (1) 장치 (arrangement) 가 도시되어 있고, 기관 (1) 은 연료로서 가스를 사용하는 왕복 내연 기관 (1) 이고, 기관 (1) 은 배기 가스를 기관 (1) 밖으로 안내하기 위한 출구 채널 (3) 에 연결되고, 비시동 기관의 경우에, 즉 기관이 연료의 연소에 기초하여 주행하도록 시동되지 않아서 출구 채널 (3) 에 축적된 미연소 연료 가스 (G) 가 존재할 수도 있는 때에, 공기 (A) 로 출구 채널을 플러싱하기 위해 출구 채널 (3) 과 관련하여 배치된 팬 (30) 이 존재한다. 출구 채널 (3) 내에서 미연소 연료 가스 (G) 가 축적될 수도 있는 위치에 적어도 하나의 NOx-센서 (5) 가 위치된다. 센서 (5) 가 위치되며 미연소 연료 가스 (G) 가 축적될 수도 있는 위치는 예를 들어 도 1 에 나타낸 바와 같이 소음기 (7) 일 수도 있지만, 보일러, 캐터라이저 (catalyser), 열 회수 시스템, 출구 채널의 일종의 폐쇄 상부 곡선 또는 대응부일 수 있다.
센서 (5) 장치는 센서 (5) 가 NO 및 O2 농도를 측정할 수 있는 NOx 센서인 것이 바람직하다. 센서 (5) 에 대한 특정 요구 사항이 존재하는데, 상이한 온도의 출구 채널 내부의 가스의 함량을 비교적 정확하게 측정할 수 있을 정도로 충분히 정확할 필요가 있다. 또한, 고온의 배기 가스 환경을 견디기 위해 내구성일 필요가 있다. 센서는 적어도 2 개의 센서, 즉 NO 농도를 측정할 수 있는 하나의 NOx 센서와 O2 농도를 측정할 수 있는 다른 센서가 존재하는 듀얼 센서 장치일 수 있다. 그러나, 이 목적을 위한 특정 센서 (5) 의 선택은 특성이 명시될 수 표준 센서 선택과 비슷하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 본 시스템은 기관 메인 제어 시스템과 통합될 수 있다. 이는 기관 메인 제어 시스템에 부분적으로 또는 전적으로 통합될 수 있거나 또는 독립형 시스템으로서 배치될 수 있다. 시스템의 센서 (5) 는 NO 및 O2 의 함량을 측정하고, 기관 메인 제어 시스템 또는 보조 제어 시스템이 값들을 판독하고 다음과 같이 데이터를 사용한다. 시스템은 측정된 O2 및 NO 농도에 기초하여 적어도 3 개의 가능한 상태를 구별하도록 배치되고, 상기 적어도 3 개의 상태는 다음을 포함한다:
- 출구 채널이 환기되지 않았지만 출구 채널에서의 폭발 위험이 존재하지 않음을 나타내는 제 1 상태,
- 출구 채널이 환기되지 않았고 출구 채널에서의 폭발 위험이 존재함을 나타내는 제 2 상태, 및
- 출구 채널이 적절하게 환기되었음을 나타내는 제 3 상태.
더 구체적으로, 시스템은
- 낮은 O2 임계치보다 더 낮은 O2 농도 및 높은 NO 임계치를 초과하는 NO 농도에 응답하여 제 1 상태를 검출하도록,
- 소정의 범위 내에 있는 O2 농도 및 낮은 NO 임계치보다 더 낮은 NO 농도에 응답하여 제 2 상태를 검출하도록,
- 높은 O2 임계치를 초과하는 O2 농도에 응답하여 제 3 상태를 검출하도록 배치된다. 여기서, 상기 소정의 범위는 18 % 내지 20 % 의 범위이다.
일 실시형태에 따르면, 모니터링 시스템은 다음과 같이 설정될 수 있다:
- 낮은 O2 임계치는 A % 내지 B % 범위 내의 임계치이고,
- 높은 O2 임계치는 C % 내지 D % 범위 내의 임계치이고,
- 낮은 NO 임계치는 X % 내지 Y % 범위 내의 임계치이고,
- 높은 NO 임계치는 Z % 내지 W % 범위 내의 임계치이다. A, B, C, D, X, Y, Z 및 W 의 정확한 값은 실제 가스 조성, 주위 공기 습도 및 대응 인자들과 같은 상이한 것들에 의존한다.
도 2 에는, 전술한 절차의 일 실시형태가 흐름도 형태로 표시된다. 절차는 많은 다른 형태로도 또한 행해질 수 있으며, 단계들의 순서는 아래에 제시된 바와 같이 될 필요는 없으며, 이는 옵션들 중의 단 하나이다. 기본적인 아이디어는 블록 200 에 나타낸 것처럼 02 농도 및 NO 농도의 표시를 획득하는 것이다. 블록 201 에서, 제 1 비교 체크가 행해진다. 측정된 02 농도가 낮은 O2 임계치보다 더 낮고 측정된 NO 농도가 높은 NO 임계치보다 더 높다면, 블록 기준은 참 (TRUE) 이고, 그러면 블록 204 로 이동한다. 블록 기준이 달성되었으므로, 측정된 함량은 연소 배기 가스에 해당한다. 따라서, 출구 채널 (3) 이 환기되지 않고 폭발 위험이 없다고 결론지을 수 있다. 이어서, 예를 들어 새로운 시동 시도에 대한 승인이 제공될 수 있다. 블록 201 이 거짓 (FALSE) 으로 결론나면, 블록 202 로 계속된다.
블록 202 에서, 측정된 NO 농도가 높은 NO 임계치보다 더 높고 O2 농도가 소정의 범위 사이인지 (Th02 _1 < O2 < Th02 _2) 체크된다. 블록 기준이 참이면, 블록 205 로 이동한다. 블록 기준이 달성되었으므로, 측정된 함량은 미연소 연료 가스/산소 혼합물에 해당한다. 따라서, 출구 채널 (3) 이 환기되지 않고 폭발 위험이 존재한다고 결론지을 수 있다. 이어서, 예를 들어 새로운 시동 시도에 대한 승인이 주어지지 않을 수 있고, 플러싱 작용이 완료되어야 한다. 블록 202 가 거짓으로 결론나면, 블록 203 으로 계속된다.
블록 203 에서, O2 농도가 높은 O2 임계치보다 더 높은지 체크된다. 참이라면, 블록 206 으로 이동한다. 블록 203 기준이 충족되었으므로, 측정된 함량은 보통의 공기에 해당한다. 따라서, 출구 채널 (3) 이 적절하게 환기되고 폭발 위험이 없다고 결론지을 수 있다. 이어서, 예를 들어 새로운 시동 시도에 대한 승인이 주어질 수 있다. 블록 203 값이 거짓이면, 상태는 폭발 위험에 대하여 규정되지 않는다.
전술한 실시형태는 옵션들 중의 단지 일부를 보여주므로, 특히 흐름도는 다양한 순서로 수행되도록 배치될 수 있으며, 전술한 것은 단지 일례이다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 것처럼, 본 발명 및 그 실시형태는 전술한 실시형태의 예들로 한정되지 않는다. 특징의 존재를 나타내는 표현은 비제한적이므로, 특징의 설명은 독립 또는 종속 청구항에 제시되지 않은 다른 특징의 존재를 배제하거나 전제조건으로 하지 않는다.

Claims (10)

  1. 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2) 으로서,
    상기 기관 (1) 은 연료로서 가스를 사용하는 왕복 내연 기관이고,
    상기 기관 (1) 은 배기 가스를 상기 기관 (1) 밖으로 안내하기 위한 출구 채널 (3) 에 연결되고,
    비시동 기관 (1) 의 경우에 그리고 상기 출구 채널 (3) 에 축적된 미연소 연료 가스 (G) 가 존재할 수도 있는 때에, 공기 (A) 로 상기 출구 채널 (3) 을 플러싱하기 위해 상기 출구 채널 (3) 과 관련하여 배치된 팬 (30) 이 존재하고,
    상기 출구 채널 (3) 내에서 미연소 연료 가스 (G) 가 축적될 수도 있는 위치에 적어도 하나의 NOx-센서 (5) 가 존재하고,
    상기 모니터링 시스템 (2) 은 측정된 O2 및 NO 농도에 기초하여 적어도 3 개의 가능한 상태를 구별하도록 배치되고, 상기 적어도 3 개의 가능한 상태는
    - 상기 출구 채널 (3) 이 환기되지 않았지만 상기 출구 채널 (3) 에서의 폭발 위험이 존재하지 않음을 나타내는 제 1 상태,
    - 상기 출구 채널 (3) 이 환기되지 않았고 상기 출구 채널 (3) 에서의 폭발 위험이 존재함을 나타내는 제 2 상태, 및
    - 상기 출구 채널 (3) 이 적절하게 환기되었음을 나타내는 제 3 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 NOx-센서 (5) 가 위치되며 상기 미연소 연료 가스 (G) 가 축적될 수도 있는 위치는 소음기 (7), 보일러, 촉매기 (catalysator), 열 회수 시스템, 출구 채널의 폐쇄 상부 곡선 또는 대응부인 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 NOx-센서 (5) 는 NO 및 O2 농도를 측정할 수 있는 NOx 센서인 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 NOx-센서 (5) 는 적어도 2 개의 센서, 즉 NO 농도를 측정할 수 있는 하나의 NOx 센서 및 O2 농도를 측정할 수 있는 다른 센서가 존재하는 듀얼 센서 장치인 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링 시스템 (2) 은 기관 메인 제어 시스템과 통합되고, 상기 기관 메인 제어 시스템에 부분적으로 또는 전적으로 통합될 수 있거나 또는 독립형 시스템으로서 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 (2) 은 성공하지 못한 시동 시도 후에 체크 절차를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 체크 절차 중에, 상기 NOx-센서 (5) 는 그 센서 (5) 위치에서 O2 농도 및 NO 농도를 검출하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링 시스템 (2) 은
    - 낮은 O2 임계치보다 더 낮은 O2 농도 및 높은 NO 임계치를 초과하는 NO 농도에 응답하여 상기 제 1 상태를 검출하도록,
    - 소정의 범위 내에 있는 O2 농도 및 낮은 NO 임계치보다 더 낮은 NO 농도에 응답하여 상기 제 2 상태를 검출하도록,
    - 높은 O2 임계치를 초과하는 O2 농도에 응답하여 상기 제 3 상태를 검출하도록
    배치되는 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 소정의 범위는 18 % 내지 20 % 의 범위인 것을 특징으로 하는, 가스 기관 (1) 용 모니터링 시스템 (2).
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