KR101872137B1 - 가스 엔진 - Google Patents

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케이지 마쯔모토
오사무 야마기시
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얀마 가부시키가이샤
잇판사단호진 닛폰 하쿠요 고교에
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Abstract

부하 변동이 생겨도 실제 공연비의 변동을 억제할 수 있는 가스 엔진의 제공을 목적으로 한다. 급기 밸브(5a)의 개도와 바이패스 밸브(5b)의 개도 중 적어도 하나의 개도(D)가 적정한 목표 공연비(λt)가 되도록 보정되는 가스 엔진(1)으로서, 실제 부하(L)의 변동에 기초하여 목표 가스압(Pgt) 및 연료 가스의 목표 가스 분사 시간(Tt)이 산출되고 목표 가스압(Pgt)에 기초하여 가스압이 보정됨과 함께, 목표 가스압(Pgt)과 목표 가스 분사 시간(Tt)의 변화량에 기초하여 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 보정된다.

Description

가스 엔진{GAS ENGINE}
본 발명은 가스 엔진에 관한 것이다.
종래, 천연 가스, 도시 가스 등의 연료 가스를 연료로 하는 가스 엔진에서, 적정한 연소 상태를 유지하고 배기 가스에 포함되는 NOx 등을 억제하기 위해, 사용되는 연료 가스의 특성에 따라 최적의 외기(급기) 유량과 연료 가스 유량의 비율(이하, 간단히 「공연비」라고 한다)로 조정하는 것이 알려졌다.
이러한 가스 엔진에서, 목표로 하는 회전수와 출력으로부터 결정되는 목표 연료 가스 유량 및 최적의 공연비에 기초하여 결정되는 목표 급기량이 산출된다. 그리고, 가스 엔진은 기준이 되는 급기 밸브의 목표 개도를 급기량으로부터 산출하고, 목표 급기량과 실제 급기량의 편차에 기초하여 스로틀 밸브의 목표 개도를 보정한다. 예를 들면, 특허문헌 1과 같다.
특허문헌 1의 기술은 공연비를 적정값으로 유지하기 위해 목표 급기량과 실제 급기량의 편차에 기초하여 스로틀 밸브의 목표 개도를 보정한다. 이 때문에, 부하의 변동이 생긴 경우, 연료 가스 분사량의 증가에 대해 응답 속도가 느린 급기 공급량이 따라가지 못하여 공연비가 변동될 수 있었다.
일본 특허 공개 제2009-057873호 공보
본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 부하 변동이 발생하여도 공연비의 변동을 억제할 수 있는 가스 엔진의 제공을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는 이상과 같으며, 다음으로 이 과제를 해결하기 위한 수단을 설명한다.
본 발명에서, 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 적정한 공연비가 되도록 보정되는 가스 엔진으로서, 부하의 변동에 기초하여 목표 가스압 및 연료 가스의 목표 가스 분사 시간이 산출되고, 목표 가스압에 기초하여 가스압이 보정됨과 함께, 목표 가스압과 목표 가스 분사 시간의 변화량에 기초하여 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 보정되는 것이다.
본 발명에서, 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 적정한 공연비가 되도록 보정되는 가스 엔진으로서, 부하의 변동에 기초하여 목표 가스압이 산출되고, 목표 가스압에 기초하여 가스압이 보정됨과 함께, 현재까지의 소정 기간 내 부하 변동의 형태에 기초하여 단위 시간 후의 예측 부하를 산출하고, 예측 부하에 기초하여 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 보정되는 것이다.
본 발명에서, 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 적정한 공연비가 되도록 보정되는 가스 엔진으로서, 현재까지의 소정 기간 내 부하 변동의 형태에 기초하여 단위 시간 후의 예측 부하를 산출하고, 예측 부하에 기초하여 목표 급기압 또는 목표 공연비가 보정되는 것이다.
본 발명에서, 상기 급기 밸브의 개도와 상기 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 목표 급기압과 실제 급기압의 차압 또는 목표 공연비와 실제 공연비의 차이에 기초하여 보정되는 것이다.
본 발명은, 이상과 같이 구성함으로써 이하에 나타내는 효과를 갖는다.
본 발명에 의하면, 응답 속도가 빠른 연료 가스의 목표 가스압 및 목표 가스 분사 시간의 변화량에 기초하여 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 보정되므로, 급기압의 응답 속도가 개선된다. 이에 따라, 부하율의 변동에 수반하는 공연비의 변동을 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 응답 속도가 빠른 연료 가스의 목표 가스압 및 목표 가스 분사 시간의 변화량에 기초하는 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도 보정 이외에도, 예측한 장래의 부하 변동에 기초하여 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 보정되므로, 급기압의 응답 속도가 개선된다. 이에 따라, 부하의 변동에 수반하는 공연비의 변동을 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 예측한 장래의 부하 변동에 기초하여 급기 밸브의 개도와 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 산출되므로, 목표 급기압과 실제 급기압의 편차가 감소한다. 이에 따라, 부하의 변동에 수반되는 공연비의 변동을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 엔진이 탑재되는 전기 추진선의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스 엔진과 과급기의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스 엔진의 공연비 제어의 제어 상태를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스 엔진의 공연비 제어의 제어 상태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스 엔진의 공연비 제어의 제어 상태를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스 엔진의 공연비 제어의 제어 상태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 엔진의 공연비 제어의 제어 상태를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 엔진의 공연비 제어의 제어 상태를 나타내는 플로우 차트이다.
먼저, 도 1을 이용하여 본 발명에 따른 과급기를 구비하는 가스 엔진(1)이 탑재되는 선박의 일 실시 형태인 전기 추진선(100)에 대해 설명한다. 한편, 도 1에서 전기 추진선(100)의 구성을 모식적으로 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 전기 추진선(100)은 본 실시 형태의 가스 엔진(1)을 탑재한다. 전기 추진선(100)은 LNG 탱크(101), 기화기(102), 가스 엔진(1), 발전기(103), 전력 컨트롤반(104), 추진 모터(105), 감속기(106) 및 가변 피치 프로펠러(107)를 구비한다.
전기 추진선(100)에서는 LNG 탱크(101·101)에 저장된 연료 가스가 기화기(102·102)에 의해 공기와 혼합되어 가스 엔진(1·1·1)에 공급된다. 그리고, 가스 엔진(1·1·1)에 의해 발전기(103·103·103)가 구동되어, 전력 컨트롤반(104)에 의해 추진 모터(105·105) 및 선내 부하에 전력이 공급된다. 추진 모터(105·105)의 구동은 감속기(106·106)를 통하여 가변 피치 프로펠러(107·107)에 전달된다.
여기서, 가스 엔진(1)은 천연 가스 등의 연료 가스를 연료로 사용한다. 한편, 본 실시 형태에서, 전기 추진선의 메인 발전 기관을 가스 엔진으로 하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 엔진으로 프로펠러를 구동시키는 선박 중, 메인 기기나 서브 기기로서 가스 엔진을 이용할 수도 있다.
다음으로, 도 2를 이용하여 본 발명에 따른 가스 엔진의 제1 실시 형태에 따른 가스 엔진(1)에 대해 설명한다. 한편, 본 실시 형태에서 「상류측」이란, 혼합기체의 흐름 방향에서의 상류측을 나타내며, 「하류측」이란 혼합 기체의 흐름 방향에서의 하류측을 나타낸다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 가스 엔진(1)은 단기통 엔진 또는 다기통 엔진이며, 천연 가스 등의 연료 가스를 연료로 하는 것이다. 본 실시 형태에 따른 가스 엔진(1)은 주로 6개의 기통(1a)을 가지는 직렬 6기통 엔진이다. 한편, 본 실시 형태에서, 1단 과급기를 구비하는 직렬 6기통 엔진으로 하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 하나 이상의 과급기를 구비하는 다기통 엔진이면 무방하다.
가스 엔진(1)은 외부의 공기와 연료 가스를 각 기통(1a)의 내부에서 혼합하여 연소시킴으로써 출력축을 회전 구동시킨다. 가스 엔진(1)은 외기를 흡입하는 흡기 장치(2), 배기를 외부로 배출하는 배기 장치(11) 및 제어 장치인 ECU(14)를 구비한다. 가스 엔진(1)은 도시 생략한 출력축이 부하 장치인 발전기(103)(도 1 참조)에 연결되어 있다.
흡기 장치(2)는 과급기(3)의 컴프레서부(3a), 급기관(4a), 급기 밸브(5a), 바이패스 밸브(5b), 인터쿨러(6) 및 급기 매니폴드(7)를 구비한다.
과급기(3)는 배기의 배기압을 구동원으로 하여 흡기를 가압 압축한다. 과급기(3)는 컴프레서부(3a)와 터빈부(3b)를 구비한다.
과급기(3)의 컴프레서부(3a)는 흡기를 가압 압축한다. 컴프레서부(3a)는 연결축(3c)에 의해 터빈부(3b)와 연결된다. 컴프레서부(3a)는 터빈부(3b)로부터의 회전 동력이 연결축(3c)을 통하여 전달 가능하게 구성된다. 컴프레서부(3a)에는 급기관(4a)을 통하여 인터쿨러(6)가 접속된다. 이하, 컴프레서부(3a)에서 가압 압축된 가압 후의 흡기를 급기라고 기재한다.
급기 밸브(5a)는 급기의 유량(급기량)을 변경한다. 급기 밸브(5a)는 급기관(4a)에 구비된다. 급기 밸브(5a)는 과급기(3)의 컴프레서부(3a)의 하류측으로서, 인터쿨러(6)의 상류측의 급기관(4a)에 마련된다. 즉, 급기 밸브(5a)는 컴프레서부(3a)와 인터쿨러(6) 사이에 마련된다. 급기 밸브(5a)는 전동 모터 등의 액츄에이터에 의해 개폐 가능한 자동 밸브로 구성된다. 급기 밸브(5a)는 그 개도(D)를 조정함으로써 엔진(1)에 공급되는 급기량을 변경할 수 있다.
바이패스 밸브(5b)는 급기량을 감량시킨다. 바이패스 밸브(5b)는 과급기(3)의 컴프레서부(3a)의 상류측과 인터쿨러(6)를 접속시키는 바이패스 관(4b)에 마련된다. 즉, 바이패스 밸브(5b)는 인터쿨러(6)에 공급된 급기를 컴프레서부(3a)의 상류측으로 배출시킬 수 있다. 바이패스 밸브(5b)는 전동 모터 등의 액츄에이터에 의해 개폐 가능한 자동 밸브로 구성된다. 바이패스 밸브(5b)는 그 개도를 조정함으로써 인터쿨러(6)로부터 급기를 배출하여, 엔진(1)에 공급되는 급기량을 변경할 수 있다.
인터쿨러(6)는 가압된 급기를 냉각한다. 인터쿨러(6)는 도시 생략한 냉각수 펌프에 의해 공급되는 냉각수와 가압된 급기 사이에서 열교환을 함으로써 급기를 냉각한다. 인터쿨러(6)에는 급기 매니폴드(7)가 접속된다.
급기 매니폴드(7)는 급기를 엔진(1)의 각 기통(1a)에 분배한다. 급기 매니폴드(7)는 가스 엔진(1)의 각 기통(1a)에 급기 포트(8····8)를 통하여 접속된다. 즉, 급기 매니폴드(7)는 인터쿨러(6)에서 냉각된 급기를 가스 엔진(1)의 각 기통(1a)에 공급할 수 있도록 구성된다. 또한, 급기 매니폴드(7)에는 실제 급기압(Pi)을 감지하는 급기압 센서(9)가 마련된다.
각 급기 포트(8)에는 연료 가스를 분사하는 가스 인젝터(8a)가 각각 마련된다. 각 가스 인젝터(8a)에 연료 가스를 공급하는 도시 생략한 연료 가스 공급로에는 연료 가스압을 제어하는 압력 조정 밸브인 레귤레이터(10)가 마련된다.
배기 장치(11)는 가스 엔진(1)으로부터의 배기를 외부로 배출한다. 배기 장치(11)는 배기 매니폴드(12), 및 과급기(3)의 터빈부(3b)를 구비한다.
배기 매니폴드(12)는 각 기통(1a)으로부터의 배기를 집약한다. 배기 매니폴드(12)는 가스 엔진(1)의 각 기통(1a)에 배기 매니폴드(12)가 배기 포트(13····13)를 통하여 접속된다. 배기 매니폴드(12)는 타측 단부에 과급기(3)가 접속된다. 또한, 배기 매니폴드(12)에는 실제 공연비(λ)를 산출하기 위한 배기중의 잔존 산소량(O)(도시 생략)을 검출하는 도시 생략한 공연비 센서(산소 센서)가 마련된다.
과급기(3)의 터빈부(3b)는 배기의 압력에 의해 회전 동력을 발생시킨다. 터빈부(3b)는 연결축(3c)에 의해 컴프레서부(3a)와 연결되며 컴프레서부(3a)에 회전 동력을 전달할 수 있도록 구성된다. 터빈부(3b)에는 배기 매니폴드(12)가 접속된다. 또한, 터빈부(3b)는 도시 생략한 정화 장치 등을 통하여 외부와 연통된다.
이상으로부터, 흡기 장치(2)에는 상류측(외부)으로부터 과급기(3)의 컴프레서부(3a), 급기관(4a), 인터쿨러(6), 급기 매니폴드(7)가 순서대로 접속된다. 또한, 배기 장치(11)는 상류측(가스 엔진(1))으로부터 배기 매니폴드(12), 과급기(3)의 터빈부(3b), 도시 생략한 배기관 등이 순서대로 접속된다.
제어 장치인 ECU(14)는 가스 엔진(1)의 운전을 제어한다. ECU(14)는 가스 엔진(1)을 제어하기 위한 여러 가지 프로그램이나 목표 회전수맵(M1)(도시 생략), 목표 급기압맵(M2), 목표 가스 차압맵(M3), 기준 개도맵(M4), 제1 개도 보정맵(M5) 등의 데이터가 저장된다. 여기서, 가스 차압이란, 실제 급기압(Pi)과 목표 가스압(Pgt)의 차압을 말한다. 한편, 이하의 실시 형태에서, ECU(14)에는 각종 맵이 저장되고 이들에 기초하여 제어하는 구성이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, ECU(14)는 맵 대신 연산식에 의해 각 수치를 산출하는 구성이어도 무방하다. ECU(14)는 CPU, ROM, RAM, HDD 등이 버스로 접속되는 구성일 수도 있으며, 또는 하나의 LSI 등의 칩으로 이루어지는 구성일 수도 있다.
ECU(14)는 급기 밸브(5a)와 바이패스 밸브(5b)에 접속되며, ECU(14)는 급기 밸브(5a)의 개도(D)를 제어함으로써 실제 급기압(Pi)을 변경할 수 있다. 즉, ECU(14)는 급기 밸브(5a)의 개도(D)(및/또는 바이패스 밸브(5b)의 개도)를 제어함으로써 가스 엔진(1)에 공급되는 급기량을 변경할 수 있다.
ECU(14)는 각 가스 인젝터(8a)에 접속되며 가스 인젝터(8a)의 연료 가스 분사 시간(T)을 변경할 수 있다. 즉, ECU(14)는 가스 인젝터(8a)에 의해 연료 가스 분사 시간을 변경함으로써 가스 엔진(1)의 가동을 정지하거나 연료 가스량을 변경할 수 있다.
ECU(14)는 레귤레이터(10)에 접속되며 레귤레이터(10)의 연료 가스압의 설정압(Pr)을 변경할 수 있다. 즉, ECU(14)는 레귤레이터(10)의 설정압(Pr)을 제어함으로써 가스 엔진(1)에 공급되는 연료 가스량을 변경할 수 있다.
ECU(14)는 급기압 센서(9)에 접속되며 급기압 센서(9)가 검출하는 실제 급기압(Pi)을 취득할 수 있다.
ECU(14)는 가스압 센서(15)에 접속되며 가스압 센서(15)가 검출하는 실제 가스압(Pg)(도시 생략)을 취득할 수 있다.
ECU(14)는 회전수 검출 센서(16)에 접속되며 회전수 검출 센서(16)가 검출하는 가스 엔진(1)의 실제 회전수(N)를 취득할 수 있다.
ECU(14)는 부하 투입을 명령하는 액셀 레버(17)에 접속되며 액셀 레버(17)로부터 명령값(C)을 취득할 수 있다.
ECU(14)는 상기 도시 생략한 공연비 센서에 접속되며 상기 공연비 센서가 검출하는 배기중의 잔존 산소량(O)을 취득할 수 있다.
ECU(14)는 발전기(103)에 접속되며 발전기(103)로부터의 발전 전력 신호에 기초하여 실제 부하(L)를 취득할 수 있다.
ECU(14)는 액셀 레버(17)로부터의 명령값(C)으로부터 목표 회전수맵(M1)에 기초하여 목표 회전수(Nt)를 산출할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 실제 부하(L), 도시 생략한 윤활유 온도 센서로부터 취득한 윤활유 온도, 도시 생략한 급기 온도 센서로부터 취득한 급기 온도 등에 기초하여 목표 급기압(Pit)을 산출할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 실제 부하(L)로부터 목표 가스 차압맵(M3)에 기초하여 목표 가스 차압(Pgdt)을 산출할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 실제 회전수(N) 및 산출한 목표 회전수(Nt)로부터 가스 인젝터(8a)의 목표 가스 분사 시간(Tt)을 산출할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 실제 급기압(Pi)과 산출한 목표 급기압(Pit)의 편차로부터 기준 개도맵(M4)에 기초하여 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 기준 개도(D0)를 산출할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 목표 가스 차압(Pgdt) 및 목표 가스 분사 시간(Tt)의 변화량으로부터 제1 개도 보정맵(M5)에 기초하여 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 제1 보정 개도(ΔD1)를 산출할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 실제 급기압(Pi) 및 산출한 목표 가스 차압(Pgdt)으로부터 목표 가스압(Pgt)을 산출할 수 있다.
ECU(14)는 가스 인젝터(8a)의 분사 시간(T)을 산출한 목표 가스 분사 시간(Tt)으로 변경할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 실제 부하(L)로부터 도시 생략한 목표 공연비맵에 기초하여 목표 공연비(λt)를 산출할 수 있다.
ECU(14)는 취득한 잔존 산소량(O)으로부터 실제 공연비(λ)를 산출할 수 있다.
ECU(14)는 레귤레이터(10)의 현재의 설정압(Pr)을 산출한 목표 가스압(Pgt)으로 변경할 수 있다.
ECU(14)는 산출한 기준 개도(D0) 및 산출한 제1 보정 개도(ΔD1)로부터, 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 개도(D)를 D=D0＋ΔD1로 산출할 수 있다.
다음으로, 도 2를 이용하여 흡기 장치(2)에서의 흡기의 흐름 및 배기 장치(11)에서의 배기의 흐름에 대하여 설명한다. 한편, 이하의 실시 형태에서, 흡기 장치(2)는 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 개도가 목표급기압(Pit)과 실제 급기압(Pi)의 차압에 기초하여 보정되는 구성을 기본 구성으로 하였으나, 목표 공연비(λt)와 실제 공연비(λ)의 차이에 기초하여 보정되는 구성으로 할 수도 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 흡기 장치(2)에서 외부의 공기(흡기)는 과급기(3)의 컴프레서부(3a)에 의해 흡입됨과 함께 가압 압축된다. 이때, 흡기는 가압 압축되어 압축열이 발생해 온도가 상승한다. 컴프레서부(3a)에서 가압 압축된 급기는 과급기(3)로부터 배출된다.
과급기(3)로부터 배출된 급기는 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)에 의해 유량이 조정된 후 급기관(4a)을 통하여 인터쿨러(6)에 공급된다. 인터쿨러(6)에 공급된 급기는 냉각된 후 급기 매니폴드(7)에 공급된다. 또한, 인터쿨러(6)에 공급된 급기는 가스 엔진(1)의 제어 형태에 따라 그 일부가 바이패스 밸브(5b)에 의해 유량 조정된 후 바이패스 관(4b)을 통하여 과급기(3)에 공급된다.
급기 매니폴드(7)에 공급된 급기는 각 급기 포트(8)를 통하여 가스 엔진(1)의 각 기통(1a)에 공급된다. 이때, 각 급기 포트(8)에 구비된 가스 인젝터(8a)로부터 목표 급기압(Pit)에 기초하여 연료 가스가 분사된다.
배기 장치(11)에서, 가스 엔진(1)으로부터의 배기는, 배기 포트(13) 및 배기 매니폴드(12)를 통하여 과급기(3)의 터빈부(3b)에 공급된다. 터빈부(3b)는 배기에 의해 회전된다. 터빈부(3b)의 회전 동력은 연결축(3c)을 통하여 컴프레서부(3a)에 전달된다. 터빈부(3b)에 공급된 배기는 도시 생략한 정화 장치 등을 통하여 외부로 배출된다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 이용하여, 본 발명에 가스 엔진(1)의 ECU(14)에 의한 공연비 제어에 대하여 설명한다.
도 3에 나타내 바와 같이, ECU(14)는 실제 부하(L)로부터 목표 급기압(Pit)을 산출한다. 다음으로, ECU(14)는 목표 급기압(Pit)과 실제 급기압(Pi)의 편차로부터 기준 개도(D0)를 산출한다. 병행하여, ECU(14)는 목표 가스 차압(Pgdt)과 목표 가스 분사 시간(Tt)의 변화량으로부터 제1 보정 개도(ΔD1)를 산출한다. 그리고, ECU(14)는 기준 개도(D0)와 제1 보정 개도(ΔD1)로부터 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 하나)의 개도(D)를 변경한다. 즉, ECU(14)는 급기량을 보정한다. 한편, ECU(14)는 레귤레이터(10)의 설정압(Pr)을 목표 가스압(Pgt)으로 변경하고, 가스 인젝터(8a)의 분사 시간(T)을 목표 가스 분사 시간(Tt)으로 변경한다.
이하, 도 4를 이용하여 ECU(14)에 의한 공연비 제어의 제어 상태에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 스텝 S110에서 ECU(14)는 급기압 센서(9)가 검출하는 실제 급기압(Pi), 회전수 검출 센서(16)가 검출하는 가스 엔진(1)의 실제 회전수(N), 발전기(103)가 검출하는 실제 부하(L) 및 액셀 레버(17)로부터의 명령값(C)을 취득하고, 스텝 S120로 이행한다.
스텝 S120에서, ECU(14)는 취득한 명령값(C)으로부터 목표 회전수(Nt)를 산출하고, 스텝 S130으로 이행한다.
스텝 S130에서, ECU(14)는 취득한 실제 부하(L)로부터 목표 급기압(Pit)을 산출하고, 스텝 S140으로 이행한다.
스텝 S140에서, ECU(14)는 취득한 실제 부하(L)로부터 목표 가스 차압(Pgdt)을 산출하고, 스텝 S150으로 이행한다.
스텝 S150에서, ECU(14)는 취득한 실제 회전수(N) 및 산출한 목표 회전수(Nt)로부터 목표 가스 분사 시간(Tt)을 산출하고, 스텝 S160으로 이행한다.
스텝 S160에서, ECU(14)는 취득한 실제 급기압(Pi)과 산출한 목표 급기압(Pit)의 편차로부터 기준 개도(D0)를 산출하고, 스텝 S170으로 이행한다.
스텝 S170에서, ECU(14)는 산출한 목표 가스 차압(Pgdt)과 산출한 목표 가스 분사 시간(Tt)의 변화량으로부터 제1 보정 개도(ΔD1)를 산출하고, 스텝 S180으로 이행한다.
스텝 S180에서, ECU(14)는 취득한 실제 급기압(Pi) 및 산출한 목표 가스 차압(Pgdt)으로부터 목표 가스압(Pgt)을 산출하고, 스텝 S190으로 이행한다.
스텝 S190에서, ECU(14)는 산출한 기준 개도(D0) 및 제1 보정 개도(ΔD1)로부터 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 개도(D)를 D=D0＋ΔD1로 변경하고, 산출한 목표 가스압(Pgt)으로부터 레귤레이터(10)의 설정압(Pr)을 목표 가스압(Pgt)으로 변경하고, 산출한 목표 가스 분사 시간(Tt)으로부터 가스 인젝터(8a)의 분사 시간(T)을 목표 가스 분사 시간(Tt)으로 변경하고, 스텝 S110으로 이행한다.
이상과 같이 구성되는 가스 엔진(1)은, 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 하나)의 개도(D)가 실제 급기압(Pi)과 목표 급기압(Pit)의 편차로부터 산출되는 기준 개도(D0), 및 목표 가스 차압(Pgdt)과 목표 가스 분사 시간(Tt)의 변화량으로부터 산출되는 제1 보정 개도(ΔD1)에 기초하여 변경된다. 즉, 가스 엔진(1)은 응답 속도가 빠른 연료 가스의 목표 가스 차압(Pgdt)과 목표 가스 분사 시간(Tt)의 변화에 기초하여 급기 밸브의 개도(D) 즉, 급기량이 보정되므로 실제 급기압(Pi)의 응답 속도가 개선된다. 이에 따라, 실제 부하(L)의 변동에 수반되는 실제 공연비(λ)의 변동을 억제할 수 있다.
다음으로, 도 5 및 도 6을 이용하여 본 발명에 따른 가스 엔진의 제2 실시 형태인 가스 엔진(19)에 대해 설명한다. 한편, 이하의 실시 형태에서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 점에 대해서는 그 구체적 설명을 생략하고, 다른 부분을 중심으로 설명한다.
ECU(14)는 가스 엔진(1)을 제어하기 위한 여러 가지의 프로그램이나 부하 예측맵(M6), 예측 목표 분사맵(M7), 제2 개도 보정맵(M8) 등의 데이터가 저장된다.
ECU(14)는 산출한 목표 회전수(Nt)와 산출한 실제 부하(L)의 일정 기간내의 집적 데이터로부터, 실험이나 측정에 의해 미리 설정된 복수의 부하 변동 패턴으로 이루어지는 부하 예측맵(M6)에 기초하여 근사(近似)한 하나의 부하 변동 패턴을 선택하고, 선택한 부하 변동 패턴에 기초하여 소정 시간 후의 예측 부하(Lp)를 산출할 수 있다. 한편, 본 실시 형태에서 실험이나 측정에 의해 미리 설정된 복수의 부하 변동 패턴으로부터 근사한 하나의 부하 변동 패턴을 선택하는 구성으로 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, ECU(14)는 실제 부하로부터 부하 패턴을 계산하고, 계산한 부하 변동 패턴에 기초하여 소정 시간 후의 예측 부하(Lp)를 산출하는 구성으로 할 수도 있다.
ECU(14)는 예측 부하(Lp)로부터 예측 목표 분사맵(M7)에 기초하여 예측 목표 분사 시간(Tp)을 산출함과 함께, 예측 부하(Lp)로부터 목표 가스 차압맵(M3)에 기초하여 목표 가스 차압(Pgdt)의 예측 부하(Lp)에 따른 보정값인 예측 목표 가스 차압(Pgpdt)을 산출할 수 있다.
ECU(14)는 산출한 예측 목표 분사 시간(Tp) 및 예측 목표 가스 차압(Pgpdt)으로부터 제2 개도 보정맵(M8)에 기초하여 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b)의 적어도 하나)의 제2 보정 개도(ΔD2)를 산출할 수 있다.
ECU(14)는 산출한 기준 개도(D0) 및 산출한 제2 보정 개도(ΔD2)로부터, 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 하나)의 개도(D)를 D=D0＋ΔD2로 산출할 수 있다.
다음으로, 도 5 및 도 6을 이용하여, 본 발명의 가스 엔진(19)의 ECU(14)에 의한 공연비 제어에 대해 설명한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, ECU(14)는 실제 부하(L)로부터 예측 부하(Lp)를 산출한다. ECU(14)는 기준 개도(D0)의 산출과 병행하여, 예측 목표 분사 시간(Tp) 및 예측 목표 가스 차압(Pgpdt)으로부터 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한 제3 보정 개도(ΔD3)를 산출한다. 그리고, ECU(14)는 기준 개도(D0) 및 제2 보정 개도(ΔD2)로부터 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 개도(D)를 변경한다.
이하, 도 6을 이용하여 ECU(14)에 의한 공연비 제어의 제어 상태에 대해 구체적으로 설명한다.
스텝 S150에서, ECU(14)는 취득한 실제 회전수(N) 및 산출한 목표 회전수(Nt)로부터 목표 가스 분사 시간(Tt)을 산출하고, 스텝 S151로 이행한다.
스텝 S151에서, ECU(14)는 취득한 실제 부하(L)로부터 예측 부하(Lp)를 산출하고, 스텝 S152로 이행한다.
스텝 S152에서, ECU(14)는 산출한 예측 부하(Lp)로부터 예측 목표 분사 시간(Tp)을 산출하고, 스텝 S153으로 이행한다.
스텝 S153에서, ECU(14)는 산출한 예측 부하(Lp)로부터 예측 목표 가스 차압(Pgpdt)을 산출하고, 스텝 S160으로 이행한다.
스텝 S160에서, ECU(14)는 취득한 실제 급기압(Pi)과 산출한 목표 급기압(Pit)의 편차로부터 기준 개도(D0)를 산출하고, 스텝 S171로 이행한다.
스텝 S171에서, ECU(14)는 산출한 예측 목표 분사 시간(Tp)과 예측 목표 가스 차압(Pgpdt)의 변화량으로부터 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한 제2 보정 개도(ΔD2)를 산출하고, 스텝 S180으로 이행한다.
스텝 S180에서, ECU(14)는 취득한 실제 급기압(Pi) 및 산출한 목표 가스 차압(Pgdt)으로부터 목표 가스압(Pgt)을 산출하고, 스텝 S191로 이행한다.
스텝 S191에서, ECU(14)는 산출한 기준 개도(D0) 및 제2 보정 개도(ΔD2)로부터 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 개도(D)를 D=D0＋ΔD2로 변경하고, 산출한 목표 가스압(Pgt)으로부터 레귤레이터(10)의 설정압(Pr)을 목표 가스압(Pgt)으로 변경하고, 산출한 목표 가스 분사 시간(Tt)으로부터 가스 인젝터(8a)의 분사 시간(T)을 목표 가스 분사 시간(Tt)으로 변경하고, 스텝 S110으로 이행한다.
이상과 같이 구성되는 가스 엔진(19)은 기준 개도(D0) 이외에도, 예측 목표 분사 시간(Tp)과 예측 목표 가스 차압(Pgpdt)의 변화량으로부터 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한 제2 보정 개도(ΔD2)에 기초하여 급기 밸브(또는 바이패스 밸브(5b) 중 하나)의 개도(D)가 변경된다. 즉, 가스 엔진(1)은 장래의 부하 변동을 고려하여, 응답 속도가 빠른 연료 가스의 예측 목표 가스 차압(Pgpdt) 및 예측 목표 분사 시간(Tp)으로부터 급기 밸브의 개도(D) 즉, 급기량이 보정되므로, 실제 급기압(Pi)의 응답 속도가 더욱 개선된다. 이에 따라, 실제 부하(L)의 변동에 수반되는 실제 공연비(λ)의 변동을 억제할 수 있다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 이용하여, 본 발명에 따른 가스 엔진의 제3 실시 형태인 가스 엔진(20)에 대해 설명한다. 한편, 이하의 실시 형태에서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 점에 대해서는 그 구체적 설명을 생략하고, 다른 부분을 중심으로 설명한다.
ECU(14)는 취득한 실제 부하(L)의 일정 기간내의 집적 데이터로부터, 부하 예측맵(M6)에 기초하여 부하 변동 패턴을 선택하고, 선택한 부하 변동 패턴에 기초하여 소정 시간 후의 예측 부하(Lp)를 산출할 수 있다. 그리고, ECU(14)는 산출한 예측 부하(Lp)로부터 목표 급기압맵(M2)에 기초하여 목표 급기압(Pit)의 예측 부하(Lp)에 의한 보정값인 예측 목표 급기압(Pipt)을 산출할 수 있다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 이용하여, 본 발명에 따른 가스 엔진(20)의 ECU(14)에 의한 공연비 제어에 대해 설명한다.
도 7에 나타낸 바와 같이, ECU(14)는 실제 부하(L)로부터 예측 부하(Lp)를 산출한다. 다음으로, ECU(14)는 예측 부하(Lp)로부터 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한 목표 급기압(Pit)을 산출한다. 다음으로, ECU(14)는 목표 급기압(Pit)과 실제 급기압(Pi)의 편차로부터 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한 기준 개도(D0)를 산출한다.
이하에서는, 도 8을 이용하여 ECU(14)에 의한 공연비 제어의 제어 상태에 대해 구체적으로 설명한다.
스텝 S120에서, ECU(14)는 취득한 명령값(C)으로부터 목표 회전수(Nt)를 산출하고, 스텝 S151로 이행한다.
스텝 S151에서, ECU(14)는 산출한 실제 부하(L)로부터 예측 부하(Lp)를 산출하고, 스텝 S154로 이행한다.
스텝 S154에서, ECU(14)는 산출한 예측 부하(Lp)로부터 예측 목표 급기압(Pipt)을 산출하고, 스텝 S161로 이행한다.
스텝 S161에서, ECU(14)는 취득한 실제 급기압(Pi)과 산출한 예측 목표 급기압(Pipt)의 편차로부터 기준 개도(D0)를 산출하고, 스텝 S192로 이행한다.
스텝 S192에서, ECU(14)는 산출한 기준 개도(D0)로부터 급기 밸브(5a)(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 개도(D)를 D=D0로 변경하고, 스텝 S110으로 이행한다.
이상과 같이 구성되는 가스 엔진(20)은 예측 부하(Lp)로부터 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한 예측 목표 급기압(Pipt)과 실제 급기압(Pi)의 편차로부터 산출되는 기준 개도(D0)에 기초하여 급기 밸브의 개도(D)가 변경된다. 즉, 가스 엔진(1)은 장래의 부하 변동을 고려하여 예측 목표 급기압(Pipt)으로부터 급기 밸브(또는 바이패스 밸브(5b) 중 적어도 하나)의 개도(D) 즉, 급기량이 보정되므로 실제 급기압(Pi)의 응답 속도가 개선된다. 이에 따라, 실제 부하(L)의 변동에 수반되는 실제 공연비(λ)의 변동을 억제할 수 있다.
한편, 본 발명에서, 제1 실시 형태인 가스 엔진(1)과 제2 실시 형태인 가스 엔진(19), 제3 실시 형태인 가스 엔진(20)을 별개의 구성으로 하였으나, 부하 상태에 따라 각 실시 형태에서의 제어 상태를 절환하는 구성으로 할 수도 있다.
가스 엔진의 ECU에는, 각 실시 형태에서의 제어 상태에 대한 제어 프로그램이나 맵이 저장되어 있다. 그리고, ECU는 외부 스위치나 통신 등을 통한 수동 전환, 각종 센서의 고장 감지에 수반되는 자동 절환, 부하율과 예측 부하율의 순간 오차 또는 과거의 오차에 기초하는 자동 절환, GPS로부터 취득한 위치 정보에 기초하는 자동 절환을 할 수 있도록 구성된다.
본 발명은, 가스 엔진의 기술에 이용할 수 있다.
1: 가스 엔진 5: 급기 밸브
Pi: 실제 급기압 Pit: 목표 급기압
Pgt: 목표 가스압 Tt: 목표 가스 분사 시간
D: 개도 λt: 목표 공연비

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 과급기의 하류측의 급기관에 마련되어 있는 급기 밸브의 개도와 상기 과급기의 상류측과 상기 급기 밸브의 하류측을 연결하는 바이패스 관에 마련되어 있는 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 적정한 공연비가 되도록 보정되는 가스 엔진으로서,
    부하의 변동에 기초하여 목표 가스압이 산출되고,
    목표 가스압에 기초하여 가스압이 보정됨과 함께, 미리 설정된 복수의 부하 변동 패턴으로부터 하나의 부하 변동 패턴을 선택하고,
    상기 선택한 하나의 부하 변동 패턴에 기초하여 소정 시간 후의 예측 부하를 산출하고,
    상기 예측 부하로부터 예측 목표 분사맵에 기초하여 예측 목표 분사 시간을 산출함과 함께,
    상기 예측 부하로부터 목표 가스 차압맵에 기초하여 목표 가스 차압의 예측 부하에 의한 보정값인 예측 목표 가스 차압을 산출하고,
    상기 예측 목표 분사 시간과 상기 예측 목표 가스 차압으로부터 제2 개도 보정맵에 기초하여 소정 시간 후에 상정되는 부하 변동을 고려한, 급기 밸브 또는 바이패스 밸브 중 적어도 하나의 제3 보정 개도를 산출하고,
    상기 제3 보정 개도에 기초하여 상기 급기 밸브의 개도와 상기 바이패스 밸브의 개도 중 적어도 하나의 개도가 보정되는 가스 엔진.
  3. 삭제
  4. 삭제
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