KR101938014B1 - 이중연료엔진의 노킹 제어 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스연료 운전 모드 시 이중연료엔진의 노킹 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 노크 제어 장치는, 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터(22); 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터(24); 흡기 포트에 가스 연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브(26); 각각의 실린더에 설치되어 노크를 감지하는 노크 센서(12); 각각의 실린더에 설치되어 연소압력을 감지하는 연소압력센서(14); 상기 파일럿 인젝터(24) 및 가스 유입 밸브(26)와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널(120); 상기 노크 센서(12) 및 연소압력센서(14)와 연결되어, 각 실린더의 노크 상태와 연소 압력을 모니터링 하여 노크 정보 또는 실린더 압력 정보를 생성하는 실린더 모니터링 패널(130); 상기 실린더 모니터링 패널(130)로부터 인가되는 노크 정보 또는 실린더 압력 정보에 기초하여 각 실린더의 노크 발생 여부를 판단하고, 사전에 입력된 노크 제거 프로그램에 의해 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각, 또는 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소, 또는 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각과 병행하여 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 상기 인젝션 컨트롤 패널(120) 및/또는 가스 유입 밸브(26)에 하달하는 메인 컨트롤 패널(100)을 포함한다.
Description
본 발명은 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료 대형 엔진에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더의 노킹 상황과 연소 상황을 효과적으로 모니터링하고, 노킹 발생시 효과적으로 대응할 수 있도록 하는 이중연료엔진의 노킹 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG) 등의 가스 운반선에서는, 저장 탱크 내에 저장되어 있는 가스연료를 쉽게 연료로 사용하는 한편 탱크 내에서 기화되는 가스를 재 액화시키지 않고 선박 추진용 엔진의 연료로 활용하기 위해 오일연료와 가스연료를 선택적으로 또는 동시에 사용하는 이중 연료 엔진을 탑재하는 경우가 있다. 또한, LNG나 LPG와 같은 가스를 사용하는 해상 부유물, 해상 구조물, 또는 플랜트의 발전설비에서 사용하는 대형 디젤 엔진의 경우에도 가스 연료를 함께 쓸 수 있는 이중 연료 엔진을 도입하고 있다.
이중 연료를 사용하는 대형 엔진(디젤 엔진)은, 가스연료를 사용하는 가스연료 운전 모드와 오일연료(예; Marine Diesel Oil, Heavy Fuel Oil 등)를 사용하는 오일연료 운전 모드, 그리고 가스연료와 오일연료를 동시에 사용하는 혼합 운전 모드를 가진다.
오일연료는 각각의 실린더 헤드에 구비된 오일연료 인젝터에 의해 연소실로 분사되고, 가스연료는 메인 피드 파이프로부터 각 실린더별 분배 파이프로 분배된 다음 가스 유입 밸브(GAV; Gas Admission Valve) 조립체에서 가스량이 조절되어 가스 인젝터를 통해 실린더 헤드의 흡기 포트에 분사된다.
이중연료 엔진은, 점화플러그에 의해 연료를 불꽃 점화하는 가솔린 엔진과는 달리 흡기를 고온고압으로 압축하여 자발화(self ignition, 자기착화) 시키는 디젤 엔진을 기반으로 하기 때문에, 가스연료의 착화를 유도하는 소형 오일연료 분사기로서 파일럿 인젝터(Micro Pilot Injector)를 더 구비한다.
천연가스와 같은 가스연료는 인화점은 낮지만 자발화(self ignition, 자기착화) 온도가 550℃ 부근으로 높기 때문에, 가스연료 운전 모드에서 주연료인 가스연료를 분사(main injection 과정)하기 직전에 파일럿 인젝터를 통해 파일럿 오일(예; Marine Diesel Oil, Marine Gas Oil 등)을 미량 분사하여 점화를 유도하여(pilot injection 과정), 가스연료의 안정적인 점화를 도모할 수 있다.
또한, 오일연료 운전 모드에서도, 주연료인 디젤연료를 분사하기 직전에 파일럿 인젝터를 통해 파일럿 오일을 미량 분사하여 연소실의 연소환경을 개선함으로써 NOx 개선 및 연소 성능을 향상시킬 수 있다.
위와 같이 이중연료 엔진에 있어서, 두 가지의 주연료와 파일럿 오일의 공급을 위해 각각 별도의 공급 계통을 설비하여야 하는 한편 두 가지 운전 모드 이상으로 운전하여야 하기 때문에, 장치가 복잡할 뿐만 아니라 이를 제어하기 위한 제어 시스템도 매우 복잡하다.
특히, 이중연료엔진은 디젤엔진을 기반으로 하기 때문에 가스연료 모드에서의 정밀한 운전 제어는 가스연료 모드로 운전할 수 있는지의 여부를 결정하는 매우 중요한 요소이다. 예를 들어, 오일연료 운전 모드에서는 일반적인 디젤엔진과 같이 연료의 압축착화를 통해 연소가 일어나지만, 가스연료 운전 모드에서는 파일럿 인젝션을 미리 수행하여 가스연료의 점화를 유도하여야 한다. 그 때문에 가스연료 운전 모드에서는 가스연료에 의한 점화시기를 동일하게 설정하더라도 연소(폭발)의 진행, 연소 압력, 최고압력 발생 시점 등이 실린더마다 차이가 발생하게 된다.
따라서, 위와 같은 이중연료 엔진에서는, 엔진의 운전 특성을 안정적으로 유지하기 위해서 각 실린더에서 실시간으로 발생하는 노크 상황을 모니터링하고 조기에 노킹 발생 요인을 제거하는 노킹 제어가 매우 중요하고, 노킹 제어에 따른 실린더 간의 밸런싱 유지도 매우 중요하다.
이처럼 노킹 제어나 실린더 밸런싱 제어를 통해 운전의 안정성을 기하기 위해서는, 각 실린더의 연소상황을 실시간을 모니터링하고 노킹 유발의 우려가 있는 연소상황의 여부를 조기에 포착하고 신속하고 적절한 조치에 의해 노킹 유발 가능성을 미연에 차단하여 실린더 간의 밸런싱을 유지하여야 한다.
따라서, 본 발명은 각 실린더의 연소 상황을 효과적으로 모니터링하고, 노킹 유발에 대한 가능성을 조기에 인지하여 효과적으로 대처함으로써 실린더의 연소 상황을 정상적으로 유지할 수 있도록 하며, 그에 따라 실린더 간의 밸런싱 유지에도 도움을 주는 이중연료엔진의 노킹 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이중연료엔진의 노킹 제어 장치는, 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터; 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터; 흡기 포트에 가스 연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브; 각각의 실린더에 설치되어 노크를 감지하는 노크 센서; 각각의 실린더에 설치되어 연소압력을 감지하는 연소압력센서; 상기 파일럿 인젝터 및 가스 유입 밸브와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널; 상기 노크 센서 및 연소압력센서와 연결되어, 각 실린더의 노크 상태와 연소 압력을 모니터링 하여 노크 정보 또는 실린더 압력 정보를 생성하는 실린더 모니터링 패널; 상기 실린더 모니터링 패널로부터 인가되는 노크 정보 또는 실린더 압력 정보에 기초하여 각 실린더의 노크 발생 여부를 판단하고, 사전에 입력된 노크 제거 프로그램에 의해 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각, 또는 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소, 또는 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각과 병행하여 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 상기 인젝션 컨트롤 패널 및/또는 가스 유입 밸브에 하달하는 메인 컨트롤 패널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 실린더 모니터링 패널은, 각 실린더의 노크 센서로부터 인가되는 노이즈 신호를 입력받아 감시하다가 노크 관련된 신호가 포착되면, 해당 노크 신호 포착 결과를 메인 컨트롤 패널에 전송하는 노크 감시 유닛; 및 각 실린더의 연소압력센서로부터 인가되는 연소압력에 대한 시그널을 입력받아, 노크 관련된 압력 신호를 포착하여 메인 컨트롤 패널에 전송하는 연소 모니터링 유닛을 구비한다.
본 발명에 따른 이중연료엔진의 노킹 제어 방법은, 실린더에 설치된 노크 센서 및 연소압력센서로부터 입력되는 센싱 시그널을 모니터링 시 노킹 신호가 입력되는 과정(단계 S501); 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값 이상인 경우, 가스연료 운전 모드를 정지하는 과정(단계 S503); 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값보다 작은 경우, 사전에 설정된 노크 제거 옵션에 의해 연소 관련 인자를 제어하여 노크 제거 처리를 수행하는 과정(단계 S504); 노크 제거 처리에 의해 노크 감지 센서 및 연소압력센서로부터 입력되는 신호에서 노크 신호가 사라질 때까지 노크 제거 처리를 계속 수행하는 과정(단계 S505)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 노크 제거 처리 방법으로서는, 파일럿 분사시기를 제어하여 점화 타이밍을 조정하거나, 또는 가스연료 분사지속시간(DOI)을 제어하여 가스연료량을 조정하거나, 또는 파일럿 분사시기와 가스연료 분사지속시간(DOI)을 병행하여 조정하는 것을 특징으로 한다.
상기 노크 제거를 위한 상기 파일럿 분사시기 조정은, 파일럿 분사시기를 지각시키는 것을 특징으로 한다.
상기 노크 제거를 위한 상기 가스연료 분사지속시간(DOI)의 조정은, 가스연료 분사지속시간(DOI)을 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이중연료엔진의 노킹 제어 장치 및 방법에 의하면, 실린더에 노크 센서와 연소압력센서를 설치하고, 그것들에 대한 정보를 실린더 모니터링 패널을 통해 실시간으로 모니터링 하여, 어떤 실린더에서 노킹 유발 신호가 포착되는 경우 해당 실린더의 파일럿 분사기기나 가스연료 분사지속시간을 조정하여 노크를 조기에 차단할 수 있고, 그에 따라 실린더 간의 밸런싱을 유지하고 안정적인 운전이 가능해진다.
또한, 그에 따라, 디젤엔진을 기반으로 하는 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템 및 노킹 모니터링 요소의 구성을 나타내는 전체 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템의 노크 제어 및 연소 모니터링 계통을 나타내는 다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 노킹 제어 과정에서 실린더 노킹 상태를 판단하는 두 가지 요소를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 노킹 제어 시 컨트롤러의 제어 대상의 일례를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 노킹 제어 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템의 노크 제어 및 연소 모니터링 계통을 나타내는 다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 노킹 제어 과정에서 실린더 노킹 상태를 판단하는 두 가지 요소를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 노킹 제어 시 컨트롤러의 제어 대상의 일례를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 노킹 제어 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이중연료엔진의 노킹 제어 장치 및 방법에 대한 실시예를 구체적으로 설명한다.
이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템 및 노킹 모니터링 시스템의 배치구조의 일 실시예를 구체적으로 설명한다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 "또는/및"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함하는 것으로 정의한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템 및 노킹 모니터링 요소의 구성을 나타내는 전체 다이어그램이다.
도 1은 선박용 또는 플랜트용의 대형 이중연료 엔진 및 그것의 제어 계통을 보여주는 것으로서, 이중연료엔진(10)은 오일연료를 사용하는 오일연료 운전 모드와 가스연료를 사용하는 가스연료 운전 모드로 운전된다.
이러한 이중연료엔진(10)의 전체적인 제어는 엔진 컨트롤 시스템의 중앙 제어 유닛을 갖추고 있는 메인 컨트롤 패널(100)에서 수행하며, 메인 컨트롤 패널(100)의 통제하에 로컬 오퍼레이팅 패널(LOP, Local Operating Panel)(110)과 인젝션 컨트롤 패널(ICP, Injection Control Panel)(120)로부터 엔진의 모든 데이터를 받아 엔진 기동 및 정지, 속도 및 출력, 공연비, 메인 연료 공급 차단, 파일럿 연료 공급 차단, 연료 모드 전환, 연료 분배, 냉각 매체 온도, 엔진 운전 상태 산출, 엔진 안전을 위한 제어 등, 전반적인 제어 동작을 수행하며, 그리고 본 발명에 따른 실린더 밸런싱 제어 및 노크 제어 동작을 수행한다.
두 가지의 연료를 제공하기 위해, 이중연료엔진(10)의 실린더 헤드(20)에는 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터(22)와 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터(Pilot Injector)(24)가 구비되고, 흡기 포트에 가스 연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브(GAV; Gas Admission Valve)(26)가 구비된다.
로컬 오퍼레이팅 패널(110)은, 개별 엔진마다 설치되어 각각의 엔진의 모든 상태 값들이 디스플레이되고 모니터링 되는 한편, 메인 컨트롤 패널(100)과 각각의 엔진 상태 정보와 명령들을 통신한다. 또한, 로컬 오퍼레이팅 패널(110)은, 관리자가 개별 엔진을 작동하는 한편 모니터링을 수행할 수 있도록 하기 위해, 개별 엔진의 측정값들을 디스플레이하고 입력 또는 동작 메뉴 버튼을 디스플레이하기 위한 터치 스크린을 구비할 수 있다.
인젝션 컨트롤 패널(120)은 파일럿 인젝터(24) 및 파일럿 인젝션용 고압펌프와 연결됨과 함께 가스 유입 밸브(26)와 연결되며, 이것들은 메인 컨트롤 패널(100)의 통제하에 인젝션 컨트롤 패널(120)에 의해 제어된다.
본 발명에 있어서, 메인 컨트롤 패널(100)은, 오일연료 또는 가스연료 운전 모드에 따라 오일연료 공급로와 가스연료 공급로의 개폐 및 펌프 구동을 제어하고, 연료 공급에 대한 전체적 및 개별적 조정 시그널을 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 인젝션 컨트롤 패널(120)로 하여금 파일럿 인젝터(24)의 분사시기 및/또는 가스 유입 밸브(26)의 가스연료 분사지속시간(DOI, Duration Of Injection 즉, 분사량)을 제어한다.
본 발명에 있어서, 노크 제어와 실린더 밸런싱 제어를 위해 이중연료엔진(10)의 각각의 실린더(즉, 연소실)에는 노크를 감지하는 노크 센서(12)와 연소압력을 감지하는 연소압력센서(14)가 설치된다.
본 실시예에서는, 노크 제어와 실린더 밸런싱 제어를 더 효과적으로 수행하기 위해, 별도의 실린더 모니터링 패널(130)을 구비한다. 실린더 모니터링 패널(130)은, 메인 컨트롤 패널(100)과 분리되어 독립적으로 설치된다.
이러한 실린더 모니터링 패널(130)은, 상기의 노크 센서(12) 및 연소압력센서(14)와 연결되며, 메인 컨트롤 패널(100)의 통제하에 엔진의 각 실린더에서 입력되는 노크 정보와 연소 정보를 모니터링하고, 노크 압력이나 연소압력에 대한 정보를 산출하여 메인 컨트롤 패널(100)에 전송한다.
메인 컨트롤 패널(100)은, 실린더 모니터링 패널(130)로부터 전송되는 데이터에 기초하여 노크 제어와 실린더 밸런싱 제어를 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템의 노크 제어 및 연소 모니터링 계통을 나타내는 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 실린더 모니터링 패널(130)은, 실린더별 노크 상태(강도)를 모니터링 하는 노크 감시 유닛(132)과 실린더별 연소압력을 모니터링 하는 연소 모니터링 유닛(134)을 구비한다.
노크 감시 유닛(132)은 노크 센서(12)로부터 각 실린더별 노크 상황에 대한 시그널을 입력받아 실린더에서 발생하는 노이즈 중에 노크 가능성이 있는 레벨의 신호를 포착하고, 그 포착 결과를 메인 컨트롤 패널(100)로 전송한다.
연소 모니터링 유닛(134)은 연소압력센서(14)로부터 각 실린더별 연소압력에 대한 시그널을 입력받아 압력 커브를 생성하고 사전에 설정된 계산식에 의해 각 실린더의 연소최고압력(Pmax)이나 전체 실린더의 평균-연소최고압력(Pmax_average) 등의 정보를 산출하고, 산출된 정보를 메인 컨트롤 패널(100)에 전송하는 한편, 모니터링 PC(150)에 디스플레이한다.
메인 컨트롤 패널(100)에는 노크 제어와 실린더 밸런싱 제어에 대한 제어 옵션이 미리 프로그램이 설정되어 있으며, 실린더 모니터링 패널(130)로부터 인가되는 노크 정보와 연소 압력에 대한 정보를 바탕으로 노크 제어 및 실린더 밸런싱 제어를 수행하여 노크 유발 인자를 제거하고 실린더 간의 연소특성이 균일해지도록 제어한다.
도 3은 본 발명에 따른 노킹 제어 과정에서 실린더 노킹 상태를 판단하는 두 가지 요소를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 병행 참조한다.
도 3을 참조하면, 실린더 모니터링 패널(130)의 노크 감시 유닛(132)은, 도 3의 우측 그림에 나타난 것처럼, 각 실린더의 노크 센서(12)로부터 인가되는 노이즈 신호를 입력받아 감시하다가 노크에 관련된 신호(예; 노크 발생 신호나 노크 유발 가능성이 있다고 판단되는 레벨의 신호)에 관련된 신호(굵은 실선의 화살표가 해당)가 포착되면, 해당 노크 신호 포착 결과를 메인 컨트롤 패널(100)에 전송한다.
또한, 실린더 모니터링 패널(130)의 연소 모니터링 유닛(134)은, 도 3의 좌측 그림에 나타난 것처럼, 각 실린더의 연소압력센서(14)로부터 인가되는 연소압력에 대한 시그널을 입력받아 그 압력의 변화를 감시하다가 노크에 관련된 압력 신호(예; 노크 발생에 의한 압력 변동 신호나 노크 유발 가능성이 있다고 판단되는 레벨의 압력 변동 신호)가 포착되면, 해당 압력 신호 포착 결과를 메인 컨트롤 패널(100)에 전송한다.
메인 컨트롤 패널(100)은, 상기의 두 가지 신호 중 어느 하나의 노크 신호가 도달되는 경우, 노크 제어 옵션(프로그램)에 의해 노크 제거를 위한 제어 동작을 수행한다.
도 4는 본 발명에 따른 노킹 제어 시 컨트롤러의 제어 대상의 일례를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 메인 컨트롤 패널(100)은, 부하(Rpm/Power)에 대응하여 가스연료 분사지속시간(DOI)을 조정하여 가스연료 분사량(Gas Quantity)을 제어하고, 배기구(Wastgate)의 개도를 제어하여 배출가스를 제어하며, 모든 운전 범위에서 및 노크 이벤트의 발생 시 파일럿 분사시기를 조정하여 점화 타이밍(ignition timing)을 제어한다.
실린더 모니터링 결과, 노크가 인지되는 경우, 메인 컨트롤 패널(100)은, 예를 들어 노크가 없어질 때까지 파일럿 분사시기를 변화시키는 제어를 수행할 수 있다.
노크 발생 시, 상기의 점화 타이밍(ignition timing) 제어에 더하여 또는 별도로 가스연료 분사지속시간(DOI)을 제어할 수 있다.
또한, 파일럿 분사시기와 가스연료 분사지속시간(DOI)을 동시에 변화시키는 제어를 수행할 수 있다.
노킹 감지에 따른 파일럿 분사시기 및 가스연료 분사지속시간(DOI)의 제어에 대한 상세한 사항은, 이하의 제어 과정에서 자세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 노킹 제어 과정을 설명하기 위한 순서도이다. 도 1 내지 도 3을 병행 참조한다.
도 5를 참조하면, 실린더에 설치된 노크 센서(12) 및 연소압력센서(14)로부터 입력되는 센싱 시그널을 모니터링 하는 도중에, 사전에 설정된 노킹 판단 요령에 의해 어떤 실린더에서 노킹 신호(예; 노킹이 발생하고 있거나 또는 노킹으로 발전될 가능성이 있는 노킹 유발 신호가 포착되는 경우)가 발생하면, 해당하는 노킹 신호 포착 결과가 실린더 모니터링 패널(130)로부터 메인 컨트롤 패널(100)에 입력된다(단계 S501).
그러면, 노크 압력을 산출하여, 해당 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값 이상인 경우 가스연료 운전 모드를 정지한다(단계 S503). 더 나아가서, 가스연료 운전 모드를 정지한 다음 곧바로 오일연료 운전 모드로 변환하는 것이 바람직하다. 노크 레벨이 한계 값을 넘을 정도로 지나치게 높으면 단순한 노크가 아니라 실린더에 다른 이상 상황이 발생한 것으로 판단하는 것이다.
만일, 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값에는 이르지 않은 경우에는, 노크 제어가 가능한 것으로 판단하여 사전에 설정된 옵션에 의해 연소 관련 인자를 제어하여 노크 제거 처리를 수행한다(단계 S504).
노크 제거 처리를 위한 연소 관련 인자는, 앞에서 언급한 파일럿 분사시기를 제어하여 점화 타이밍을 조정하는 방법이나, 가스연료 분사지속시간(DOI)을 제어하여 가스연료량을 조정하는 방법을 활용한다.
예를 들어, 실린더 모니터링 결과, 노크가 인지되는 경우, 메인 컨트롤 패널(100)은, 노크가 없어질 때까지 파일럿 분사시기(파일럿 인젝터에서의 파일럿 연료 분사시기)를 진각(advancing) 또는 지각(retarding)시키는 제어를 수행할 수 있다.
파일럿 분사시기 조절범위는, 예를 들어, 크랭크 각도로 -3°crs 내지 +3°crs 사이 등과 같이, 사전에 적적한 범위로 설정되고, 그 범위 내에서 조절이 이루어진다.
파일럿 분사시기는, 연소관련 인자 중 점화시기(ignition timing)와 밀접한 관련이 있으며, 통상적으로 파일럿 분사시기를 진각시키면 점화시기가 앞당겨지고, 지각시키면 점화시기가 늦춰진다. 또한, 상기와 같이 제한적인 범위 이내에서 파일럿 분사시기를 조정하는 경우, 일반적으로, 파일럿 분사시기를 진각시켜 점화시기를 앞당기면 연소최고압력(Pmax)이 증가하고, 반대로 파일럿 분사시기를 지각시켜 점화시기를 늦추면 연소최고압력(Pmax)은 감소하는 경향을 보인다.
즉, 파일럿 분사시기를 지각시키면(늦추면), 연소온도가 낮아지고 연소최고압력(Pmax)이 낮아져서 해당 실린더의 노킹을 없앨 수 있다, 이렇게 하여 노킹이 사라지면 파일럿 인젝션 시기를 다시 정상 범위로 복원시키는 제어를 수행한다.
또한, 노킹 제어를 위해, 가스연료 분사지속시간(DOI)을 제어할 수도 있다.
가스연료 분사지속시간(DOI)을 줄이면, 가스연료량이 줄어들어 혼합기가 희박해지므로 노킹을 제거할 수 있다. 이렇게 하여 노킹이 사라지면 가스연료 분사 지속 시간을 다시 정상 수준으로 복원시킨다.
더 나아가서는, 상기의 파일럿 분사시기와 가스연료 분사지속시간(DOI)을 병행하여 제어할 수 있다.
이러한 제어 동작은 노크 감지 센서(12)나 연소압력센서(14)로부터 입력되는 신호에서 노크 신호가 사라질 때까지 계속하여 수행한다(단계 S505).
이어서, 엔진 컨트롤 시스템 등의 필요 등에 의해 노크 제어 종료 신호가 입력되면 노크 제거 동작을 종료한다(단계 S506).
위와 같이 본 발명은 실린더에 노크 센서와 연소압력센서를 설치하고, 그것들에 대한 정보를 실린더 모니터링 패널을 통해 모니터링 하며, 노크를 해소하는 제어를 효과적으로 수행할 수 있다. 또한, 그에 따라, 디젤엔진을 기반으로 하는 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
10 : 엔진
12 : 노크 센서
14 : 연소압력센서
20 : 실린더 헤드
22 : 오일연료 인젝터
24 : 파일럿 인젝터
26 : 가스 유입 밸브(GAV)
100 : 메인 컨트롤 패널
110 : 로컬 오퍼레이팅 패널
120 : 인젝션 컨트롤 패널
130 : 실린더 모니터링 패널
132 : 노크 감시 유닛
134 : 연소 모니터링 유닛
12 : 노크 센서
14 : 연소압력센서
20 : 실린더 헤드
22 : 오일연료 인젝터
24 : 파일럿 인젝터
26 : 가스 유입 밸브(GAV)
100 : 메인 컨트롤 패널
110 : 로컬 오퍼레이팅 패널
120 : 인젝션 컨트롤 패널
130 : 실린더 모니터링 패널
132 : 노크 감시 유닛
134 : 연소 모니터링 유닛
Claims (6)
- 오일연료를 사용하는 오일연료 운전 모드와 가스연료를 사용하는 가스연료 운전 모드를 가지며, 가스연료 운전 모드 중에 각 실린더의 노크를 제어하기 위한 이중연료엔진의 노킹 제어 장치로서,
각 실린더의 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터(22);
각 실린더의 연소실에 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터(24);
흡기 포트에 가스 연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브(26);
각각의 실린더에 설치되어 노크를 감지하는 노크 센서(12);
각각의 실린더에 설치되어 연소압력을 감지하는 연소압력센서(14);
상기 파일럿 인젝터(24) 및 가스 유입 밸브(26)와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널(120);
상기 노크 센서(12) 및 연소압력센서(14)와 연결되어 각 실린더의 노크 상태와 연소 압력을 모니터링 하여 노크 정보 또는 실린더 압력 정보를 생성하는 것으로서, 각 실린더의 노크 센서(12)로부터 인가되는 노이즈 신호를 입력받아 감시하다가 노크 관련된 신호를 포착하는 노크 감시 유닛(132) 및 각 실린더의 연소압력센서(14)로부터 인가되는 연소압력에 대한 시그널을 입력받아, 노크 관련된 압력 신호를 포착하는 연소 모니터링 유닛(134)을 구비하는 실린더 모니터링 패널(130);
상기 실린더 모니터링 패널(130)로부터 인가되는 노크 정보 또는 실린더 압력 정보에 기초하여 각 실린더의 노크 발생 여부를 판단하고, 사전에 입력된 노크 제거 프로그램에 의해, 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값 이상인 경우, 가스연료 운전 모드를 정지하고 곧바로 오일연료 운전 모드로 전환하며, 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값보다 작은 경우에는 각 실린더의 노크가 제거될 때까지 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각, 또는 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소, 또는 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각과 병행하여 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 상기 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 상기 인젝션 컨트롤 패널(120)로 하여금 상기 파일럿 인젝터(24) 및/또는 가스 유입 밸브(26)를 조정하도록 제어하는 메인 컨트롤 패널(100)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 제어 장치. - 삭제
- 오일연료를 사용하는 오일연료 운전 모드와 가스연료를 사용하는 가스연료 운전 모드를 가지는 이중연료엔진이 가스연료 운전 모드로 운전 중일 때 각 실린더의 노크를 제어하기 위한 이중연료엔진의 노킹 제어 장치로서,
각 실린더의 연소실 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터(22)와, 각 실린더의 연소실에 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터(24)와, 흡기 포트에 가스 연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브(26)와, 각각의 실린더에 설치되어 노크를 감지하는 노크 센서(12)와, 각각의 실린더에 설치되어 연소압력을 감지하는 연소압력센서(14)와, 상기 파일럿 인젝터(24) 및 가스 유입 밸브(26)와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널(120)과, 상기 노크 센서(12) 및 연소압력센서(14)와 연결되어 각 실린더의 노크 상태와 연소 압력을 모니터링 하여 노크 정보 또는 실린더 압력 정보를 생성하는 것으로서, 각 실린더의 노크 센서(12)로부터 인가되는 노이즈 신호를 입력받아 감시하다가 노크 관련된 신호를 포착하는 노크 감시 유닛(132) 및 각 실린더의 연소압력센서(14)로부터 인가되는 연소압력에 대한 시그널을 입력받아, 노크 관련된 압력 신호를 포착하는 연소 모니터링 유닛(134)을 구비하는 실린더 모니터링 패널(130)과, 상기 실린더 모니터링 패널(130)로부터 인가되는 노크 정보 또는 실린더 압력 정보에 기초하여 각 실린더의 노크 발생 여부를 판단하고, 사전에 입력된 노크 제거 프로그램을 수행하는 메인 컨트롤 패널(100)을 구비하여,
상기 실린더 모니터링 패널(130)이, 상기 각 실린더에 설치된 노크 센서(12) 및 연소압력센서(14)로부터 입력되는 센싱 시그널을 모니터링 하여 노킹 신호를 포착하면, 그 노크 신호를 상기 메인 컨트롤 패널(100)에 전송하는 과정(단계 S501);
상기 메인 컨트롤 패널(100)이, 상기 실린더 모니터링 패널(130)로부터 전송되는 노크 레벨을 사전에 설정된 노크 한계 값과 비교하고, 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값 이상인 경우, 가스연료 운전 모드를 정지하고 곧바로 오일연료 운전 모드로 전환하는 과정(단계 S503);
상기 메인 컨트롤 패널(100)이, 실린더 모니터링 패널(130)로부터 전송되는 상기 노크 레벨이 사전에 설정된 노크 한계 값보다 작은 경우, 각 실린더의 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각, 또는 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소, 또는 파일럿 분사시기의 진각 또는 지각과 병행하여 가스연료 분사지속시간(DOI)의 증가 또는 감소를 위한 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 상기 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 상기 인젝션 컨트롤 패널(120)로 하여금 상기 파일럿 인젝터(24) 및/또는 가스 유입 밸브(26)를 조정하도록 제어하여 노크 제거 처리를 수행하는 과정(단계 S504);
상기 메인 컨트롤 패널(100)이, 상기 노크 제거 처리에 의해 상기 노크 센서(12) 및 연소압력센서(14)로부터 입력되는 신호에서 노크 신호가 사라질 때까지 상기 노크 제거 처리 과정(단계 S504)을 계속 수행하는 과정(단계 S505)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 제어 방법. - 삭제
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| KR102327411B1 (ko) * | 2017-05-02 | 2021-11-17 | 대우조선해양 주식회사 | 점화용 오일 공급 시스템 및 방법 |
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