KR101945582B1 - 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법 및 제어 시스템 - Google Patents

내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법 및 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법에 관한 것이고, 이 방법에서 가스 연료가 엔진에 공급되어 그 안에서 연소되고; 연료의 발열량은 제 1 인터벌을 사용하여 간헐적으로 측정되고; 엔진의 부하를 나타내는 값은 제 2 인터벌을 사용하여 결정되고; 엔진으로 공급된 연료의 질량 유동율을 나타내는 값은 제 3 인터벌을 사용하여 결정되고; 상대적 발열량이 결정되고; 보정 팩터 및 제어 발열량이 결정되고, 이 제어 발열량은 적어도 보정 팩터 및 상대적 발열량의 함수이며; 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는 제어 발열량을 사용하여 결정된다. 본 발명은 또한, 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법 및 제어 시스템{METHOD OF AND A CONTROL SYSTEM FOR CONTROLLING THE OPERATION OF AN INTERNAL COMBUSTION PISTON ENGINE}
본 발명은 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법에 관한 것이고, 이 방법에서 가스 연료는 엔진으로 공급되어 그 안에서 연소되며, 이 연료의 발열량은 제 1 인터벌을 사용하여 간헐적으로 측정되고 여기서 발열량은 엔진의 동작을 제어하는데 이용된다.
왕복 피스톤 엔진은 정지형 발전소들 뿐만 아니라 다양한 종류의 선박들에서 전기 생산을 위한 알려진 전력 소스이다. 가스 연료를 사용함으로써 그러한 엔진을 동작시키는 것으로 또한, 알려져 있고, 이것은 이하에서 가스 엔진으로서 표기된다. 가스를 연료로서 사용하는 발전소에 있어서, 대개 다양한 품질들, 보다 구체적으로는 다양한 발열량들의 가스를 발전소에 공급하는 것이 가능하다. 대개, 엔진의 신뢰할 만한 동작을 제공하기 위해, 이 엔진은 연료 품질에 대해, 또한 발열량의 관점에서 소정의 요건들을 갖는다.
가스 엔진, 특히 선박 엔진의 안전하고 신뢰할 만한 사용은 연료 공급 시스템에 대해 특별한 요건을 설정하고, 이것의 가중 중요한 점은 임의의 상황 하에서 엔진의 예상되지 않은 셧다운이 받아들여질 수 없다는 것이다. 이 때문에, 가스 엔진은 백업 연료 공급 시스템을 포함한다. 통상적으로, 가스 엔진에서 주 연료로서 사용된 가스 연료는 공기와 혼합된 엔진의 연소 챔버 안으로 공급된다. 이것은, 기존 컨디션들로 인해 점화되고 이에 의해 또한 가스 연료를 점화시키는 매우 적은 양의 점화 연료를 주입함으로써 점화된다. 가스 엔진으로서, 엔진은 옷토 (otto) 프로세스에 따라 동작된다. 엔진의 구동에 영향을 주는 전술된 동작에서의 불량의 경우, 엔진에는 단지 액체 연료 만을 사용하는 것에 기초한 백업 연료 공급 시스템이 제공될 수 있다. 이 경우에서, 가스로 구동하는 것으로부터 액체 연료로 구동하는 것으로의 트랜스퍼가 수행되어, 엔진은 디젤 프로세스에 따라 구동된다.
EP1586758 A2 는 제 1 연료 공급 시스템, 제 2 연료 공급 시스템 및 제 3 연료 공급 시스템을 포함하는 가스 엔진을 동작하는 방법을 개시하고, 이것의 사용은 다양한 동작 모드들에서 엔진을 구동하기 위해 교번될 수 있다. 엔진의 제 1 동작 모드에서, 엔진은 가스 연료를 제 1 연료 공급 시스템을 통해 엔진의 연소 공기 안으로 도입함으로써 구동되고, 이에 의해 점화 연료를 연소 공기 및 가스 연료의 혼합물 안으로 제 2 연료 공급 시스템을 통해 주입함으로써 가스 연료가 점화된다. 엔진은 제 2 동작 모드에서 구동될 수 있는데, 여기서 엔진은 가스 연료를 엔진의 연소 공기 안으로 도입함으로써 구동되고, 가스 연료는 점화 연료를 제 3 연료 공급 시스템을 통해 연소 공기 및 가스 연료의 혼합물 안으로 도입함으로써 점화된다.
본 발명의 목적은 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이고, 이에 의해 불균등한 품질의 연료를 사용하는 경우 엔진의 동작이 더 신뢰할 만 하다.
본 발명의 목적들은 실질적으로, 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법에 의해 충족되고, 이 방법에서 가스 연료는 엔진으로 공급되어 그 안에서 연소된다; 연료의 발열량 (HVm) 은 제 1 인터벌을 사용하여 간헐적으로 측정되고; 엔진의 부하 (Le) 를 나타내는 값은 제 2 인터벌을 사용하여 결정되고; 엔진으로 공급된 상기 연료의 질량 유동율 (qm) 을 나타내는 값이 제 3 인터벌을 사용하여 결정되고; 상대적 발열량 (HVr) 이 식 HVr = Le / qm * η 을 사용하여 결정되고, 여기서 η은 추정 또는 결정된 엔진 효율이고; 보정 팩터 (Q) 가 결정되고, 이 보정 팩터 (Q) 는 적어도 연료의 측정된 발열량 (HVm), 및 상대적 발열량 (HVr) 의 함수, 즉 Q = f(HVm,HVr,...,) 이고; 제어 발열량 (HVe) 이 결정되고, 이 제어 발열량은 적어도 보정 팩터 (Q) 및 상대적 발열량 (HVr) 의 함수, 즉 HVe = f(Q,HVr, ...) 이며; 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는 제어 발열량 (HVe) 을 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 보정 팩터 (Q) 는 오프셋 차이 Δ = HVm - HVr 이고; 제어 발열량은 HVe = HVr + Δ 에 의해 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 보정 팩터 (Q) 는 비율 d = HVm / HVr 이고; 제어 발열량은 HVe = d * HVr 에 의해 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 여러 품질들의 연료가 결합되어 엔진에 공급된 연료를 구성한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 2 인터벌은 제 3 인터벌과 동일하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 인터벌은 제 2 인터벌과 상이하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 오프셋 차이 (Δ) 는 제어 발열량에 대한 값의 결정 단계 이전에 필터링 프로세스의 대상이 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엔진의 스타트-업 동안, 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는 측정된 발열량 (HVm) 을 단독으로 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엔진의 스타트-업 동안, 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는 미리결정된 상수 값을 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엔진으로 공급된 연료의 질량 유동율 (qm) 을 나타내는 값은 엔진의 연료 공급 제어 밸브의 포지션 상태 및/또는 연료 공급 제어 밸브에 대한 압력 차이에 기초하여 결정된다.
본 발명의 목적들은 실질적으로 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템에 의해 충족되고, 이 시스템은 엔진의 동작 데이터를 수신하고 엔진으로 제어 데이터를 전송하도록 배열된 제어 모듈; 엔진으로 공급되는 연료의 발열량 (HVm) 을 측정하도록 배열되고, 제어 모듈과 통신하도록 배열된 측정 시스템; 엔진의 부하 (Le) 를 나타내는 값을 제공하기 위해 엔진으로부터 동작 데이터를 수신하도록 배열되고, 제어 모듈과 통신하도록 배열된 엔진 부하 결정 유닛; 제어 모듈과 통신하도록 배열된 엔진의 연료 질량 유동율 (qm) 결정 유닛; 제어 발열량 (HVe) 에 기초하여 적어도 하나의 엔진 제어 파라미터를 생성하도록 배열된 제어 모듈과 연관되는 프로세싱 유닛을 포함하고, 이 제어 발열량은, 프로세싱 유닛에서 일어나도록 처리된, I) 식 HVr = Le / qm * η 을 사용하는 상대적 발열량 (HVr), 여기서 η 은 상기 프로세싱 유닛에 저장되거나 이용 가능한 추정 또는 결정된 엔진 효율 정보임; II) 적어도 연료의 측정된 발열량 (HVm) 및 상대적 발열량 (HVr) 의 함수인 보정 팩터 (Q) 의 계산에 의해 결정되고, III) 제어 발열량 (HVe) 에 대한 값은 적어도 보정 팩터 (Q) 및 상대적 발열량 (HVr) 의 함수이다.
본 발명에 의해, 최적의 성능을 보장하기 위해 엔진의 제어 시스템의 거동을 조정하는데 사용될 수 있는 변수를 얻기 위해서 추정된 제어 발열량의 빠른 반응 및 발열량 측정의 정확도의 이점들을 결합하는 것이 가능하다.
다음에서, 본 발명은 첨부한 예시적인 개략적 도면을 참조하여 설명되고, 여기서 도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제어 시스템을 포함하는 내연 피스톤 엔진용 연료 공급 시스템을 예시한다.
도 1 은 발전소 (power plant) 에서 전기를 생산하도록 배열되는 2 개의 내연 피스톤 엔진들 (12) 을 개략적으로 도시한다. 엔진들 (12) 은 가스 동작형 피스톤 엔진들이고, 이들은 연료 공급 시스템 (fuel feeding system, 10) 에 접속된다. 연료 공급 시스템은 발전소의 엔진들 (여기에 2 개의 엔진이 도시됨) 모두에 대해 공통적이다.
연료 공급 시스템 (10) 은 엔진들 (12) 각각에 접속되는 공급 라인 (14) 을 포함한다. 연료 공급 라인은, 1 보다 많은 가스 연료의 소스들 (18.1 ...18.3) 이 접속되는 혼합 유닛 (16) 을 포함한다. 엔진 또는 엔진들로 공급되는 연료의 발열량 (HVm) 을 측정하도록 배열되는, 연료 공급 라인과 관련되는 측정 시스템 (24) 이 존재한다.
엔진의 동작을 제어하기 위해 제공된 내연 엔진 각각과 접속되는 제어 시스템 (20) 이 존재한다. 제어 시스템은 엔진의 동작 데이터를 수신하고 제어 데이터를 엔진으로 전송하도록 배열된 제어 모듈 (22) 을 포함하여, 엔진은 이 제어 모듈의 제어 하에서 동작된다. 측정 시스템은 제어 모듈과 통신하도록 배열된다. 따라서, 연료의 발열량은 제어 모듈에 대해 이용 가능하여 제어 절차에서 이용된다.
제어 시스템 (20) 은 엔진의 부하 (Le) 를 나타내는 값을 제공하기 위해 엔진으로부터 동작 데이터를 수신하도록 배열된 엔진 부하 결정 유닛 (26) 을 더 포함한다. 엔진 부하 결정 유닛 (26) 은 도 1 에 도시된 바와 같은 모듈의 내부 부품이거나 외부 부품으로서 제어 모듈과 통신하도록 배열된다.
내연 피스톤 엔진의 동작 동안, 엔진들 각각에는 가스 연료가 공급된다. 도 1 에 도시된 바와 같은 모듈의 내부 부품인 것으로 또는 외부 부품으로서 제어 모듈과 통신하도록 배열된 엔진의 연료 질량 유동율 (qm) 결정 유닛 (28) 이 또한 존재한다. 질량 유동율 (qm) 결정 유닛 (28) 은 엔진의 연료 공급 제어 밸브 (30) 의 정보를 수신하도록 배열된다. 유리하게는, 이 정보는 밸브에 대한 압력 차이 및/또는 밸브의 포지션 상태를 포함하고 이것에 기초하여 질량 유동율이 결정될 수도 있다.
제어 모듈 (22) 은 제어 발열량 (HVe) 의 사용에 기초하여 또는 이것을 사용하여 적어도 하나의 엔진 제어 파라미터를 생성하도록 배열된 프로세싱 유닛 (32) 을 더 포함한다. 엔진의 동작을 제어하는 것은, 식 HVr = Le / qm * η 을 사용하여 상대적 발열량 (HVr) 의 계산에 의해 결정되는 발열량을 사용하고, 여기서, η 은 프로세싱 유닛에 저장되거나 이에 이용 가능해진 추정된 또는 결정된 엔진 효율 정보이다. 이 방법에서 또한 보정 팩터 (Q) 가 결정되고, 이 보정 팩터 (Q) 는 적어도, 연료의 측정된 발열량 (HVm) 및 상대적 발열량 (HVr) 의 함수이다. 다음으로, 제어 발열량 (HVe) 이 결정되고, 이 제어 발열량은 적어도, 미리 정의된 상대적 발열량 (HVr) 및 보정 팩터 (Q) 의 함수이며; 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는 제어 발열량 (HVe) 을 사용하여 결정된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 보정 팩터 (Q) 는 식 Δ = HVm - HVr 을 사용하여 결정된 오프셋 차이이고, 이 경우에서, 제어 발열량에 대한 값은 식 HVe = HVr + Δ 을 사용하여 결정된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 보정 팩터 (Q) 는 비율 d = HVm / HVr 이고, 이 경우에서 제어 발열량에 대한 값은 식 HVe = d*HVr 을 사용하여 결정된다.
엔진 제어 파라미터는 다음 중 하나 이상을 포함한다.
i. 점화 타이밍
ii. 공급 라인 가스 압력
iii. 엔진 프리-챔버 가스 압력,
iv. 엔진의 배기 가스 매니폴드 및 연소 공기 공급 매니폴드를 연결하는 밸브의 포지션
v. 웨스트 (waste) 게이트 포지션
vi. 엔진의 연소 공기 공급 매니폴드 내의 연소 공기 압력
엔진의 연소 공기 컨디션들 및 터보기어의 동작 포인트에 영향을 주는 제어 밸브들의 임의의 조합의 포지션은 또한, 상기 제어 파라미터들의 리스트에 포함될 수도 있다.
혼합 유닛 (16) 에서, 가스 연료의 하나 보다 많은 소스 (18.1 ...18.3) 는, 가스 연료의 하나 보다 많은 소스 (18.1 ...18.3) 에서의 여러 품질들의 연료가 결합되어 엔진에 공급된 연료를 구성하도록 접속된다.
내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법은 제 1 인터벌을 사용하여 간헐적으로 연료의 발열량 (HVm) 을 측정하는 단계를 포함한다. 제 1 인터벌은 10s - 10min 인 반면에, 엔진의 로드 (Le) 를 나타내는 값은 제 2 인터벌을 사용하여 결정되고, 제 2 인터벌은 10ms - 1s 이다. 또한, 엔진에 공급된 연료의 질량 유동율 (qm) 을 나타내는 값은 바람직하게, 제 2 인터벌을 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 오프셋 차이 (Δ) 는 제어 발열량의 다음 값 (HVe = HVr + Δ) 을 결정하는 단계를 실시하기 전에 필터링 프로세스의 대상이 된다.
필터링 프로세스는, 실제 신호를 강화하고 원하지 않는 컴포넌트들 또는 피처들을 제거 또는 억제하는 신호 프로세싱을 포함한다. 필터링 프로세스는 당업자에게 명백한 임의의 필터링, 예를 들어 로우 패스 필터링, 칼만 (Kalman) 또는 재귀 (Recursice) 최소 제곱 필터링 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다.
엔진의 스타트-업 동안, 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는, 제어 발열량을 결정하기 위해 이용 가능한 관련 데이터가 없기 때문에, 측정된 발열량 (HVm) 을 단독으로 사용하여 결정된다.
본 발명은 가장 바람직한 실시형태인 것으로 현재 간주되는 것과 관련되어 예로써 본원에서 설명되었으나, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되지 않고 그 피처들의 다양한 조합들 또는 변형들, 및 첨부된 청구항들에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함된 여러 다른 애플리케이션들을 커버하도록 의도된다. 임의의 상기 실시형태와 관련하여 언급된 상세들은, 이러한 조합이 기술적으로 실현 가능한 경우 다른 실시형태와 관련되어 사용될 수도 있다.

Claims (14)

  1. 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법으로서,
    a) 가스 연료가 상기 엔진으로 공급되어 그 안에서 연소되고;
    b) 상기 연료의 발열량 (HVm) 이 제 1 인터벌을 사용하여 간헐적으로 측정되고;
    c) 엔진의 부하 (Le) 를 나타내는 값이 제 2 인터벌을 사용하여 결정되고;
    d) 상기 엔진으로 공급된 상기 연료의 질량 유동율 (qm) 을 나타내는 값이 제 3 인터벌을 사용하여 결정되고;
    e) 상대적 발열량 (HVr) 이 식 HVr = Le / qm * η 을 사용하여 결정되고, 여기서 η은 추정 또는 결정된 엔진 효율이고;
    f) 보정 팩터 (Q) 가 결정되고, 상기 보정 팩터 (Q) 는 적어도 상기 연료의 측정된 발열량 (HVm), 및 상기 상대적 발열량 (HVr) 의 함수이고;
    g) 제어 발열량 (HVe) 이 결정되고, 상기 제어 발열량은 적어도 단계 f) 에서 정의된 상기 보정 팩터 (Q) 및 단계 e) 에서 결정된 상기 상대적 발열량 (HVr) 의 함수이며;
    h) 상기 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는 단계 g) 에서 결정된 상기 제어 발열량 (HVe) 을 사용하여 결정되는, 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 팩터 (Q) 는 오프셋 차이 Δ = HVm - HVr 이고, 상기 제어 발열량은 함수 HVe = HVr + Δ 에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 팩터 (Q) 는 비율 d = HVm / HVr 이고, 상기 제어 발열량은 함수 HVe = d * HVr 에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    여러 품질들의 연료가 결합되어 상기 엔진에 공급된 연료를 구성하는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 인터벌은 상기 제 3 인터벌과 동일한 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 인터벌은 상기 제 2 인터벌과 상이한 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 인터벌은 10s - 10min 인 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 인터벌은 10ms - 1s 인 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 팩터 (Q) 는 단계 g) 이전에 필터링 프로세스의 대상이 되는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 비율 (d) 은 단계 g) 이전에 필터링 프로세스의 대상이 되는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 오프셋 차이 (Δ) 는 단계 g) 이전에 필터링 프로세스의 대상이 되는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 스타트-업 동안, 상기 엔진의 적어도 하나의 제어 파라미터는 측정된 상기 발열량 (HVm) 을 단독으로 사용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 d) 는 상기 엔진의 연료 공급 제어 밸브의 포지션 상태에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하는 방법.
  14. 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템으로서,
    a) 상기 엔진의 동작 데이터를 수신하고 상기 엔진으로 제어 데이터를 전송하도록 배열된 제어 모듈;
    b) 상기 엔진으로 공급되는 연료의 발열량 (HVm) 을 제 1 인터벌을 사용하여 간헐적으로 측정하도록 배열되고, 상기 제어 모듈과 통신하도록 배열된 측정 시스템;
    c) 제 2 인터벌을 사용하여 엔진의 부하 (Le) 를 나타내는 값을 제공하기 위해 상기 엔진으로부터 동작 데이터를 수신하도록 배열되고, 상기 제어 모듈과 통신하도록 배열된 엔진 부하 결정 유닛;
    d) 제 3 인터벌을 사용하여 상기 엔진으로 공급되는 연료 질량 유동율 (qm) 을 나타내는 값을 결정하도록 배열되고, 상기 제어 모듈과 통신하도록 배열된 상기 엔진의 연료 질량 유동율 (qm) 결정 유닛; 및
    e) 제어 발열량 (HVe) 에 기초하여 적어도 하나의 엔진 제어 파라미터를 생성하도록 배열된 상기 제어 모듈과 관련되는 프로세싱 유닛을 포함하고,
    상기 제어 발열량은, 상기 프로세싱 유닛에서 일어나도록 처리된,
    - 식 HVr = Le / qm * η 을 사용하는 상대적 발열량 (HVr), (여기서 η 은 상기 프로세싱 유닛에 저장되거나 이용 가능한 추정 또는 결정된 엔진 효율 정보임); 및
    - 적어도 상기 연료의 측정된 발열량 (HVm) 및 상대적 발열량 (HVr) 의 함수인 보정 팩터 (Q) 의 계산에 의해 결정되고,
    - 상기 제어 발열량 (HVe) 에 대한 값은 적어도 상기 보정 팩터 (Q) 및 상기 상대적 발열량 (HVr) 의 함수인, 내연 피스톤 엔진의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템.
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