KR102010383B1 - 열 병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법은 (a)엔진의 출력을 기준으로 복수의 실린더의 기본테이블을 생성하는 단계; (b)상기 기본테이블을 바탕으로 복수의 실린더의 점화각도를 조절하는 단계; (c)상기 복수의 실린더 각각에 유입되는 연료의 량에 따른 각각의 실린더의 압력을 측정하여 복수의 실린더 각각의 보정테이블을 생성하는 단계; 및 (d) (c)단계에서 생성된 각각의 보정테이블을 바탕으로 복수의 실린더 각각의 점화각도를 조절하는 단계를 포함한다.

Description

열 병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법{Engine Ignition Angle Correcting Method of Cogeneration Power Generation System}
본 발명은 열 병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 실린더별 압력차이를 보정하는 테이블을 이용한 열 병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법에 관한 것이다.
내연기관을 이용하는 열 병합 발전 시스템은 자동차 엔진과 같이 기관 안에 있는 실린더에서 연료를 폭발시키거나 태운 다음, 그때 발생한 가스에 의해 팽창되는 힘으로 크랭크축을 직접 회전시켜 발전기를 구동하는 발전방식이다.
열 병합 발전 시스템의 엔진은 자동차 엔진과 달리 엔진에 걸리는 부하가 선형적으로 형성되어, 엔진출력에 따라 생성된 기본 테이블을 이용한 점화각도 조절에 의해 어느정도 엔진 회전수의 헌팅문제를 해결할 수 있다.
다만, 혼합연료가 각각의 엔진으로 유입되는 흡기매니폴드의 연결유로의 각도 및 연경유로와 각 실린더로 연결되는 흡입유로와의 거리 등의 차이로 인한 실린더별 압력차이가 발생하며, 이는 각 실린더별 유입되는 연료량과 실린더별 유효압력의 차이가 발생시켜 각 실린더별 토크의 편차로 인해 성능편차 및 엔진회전수의 헌팅이 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 각 실린더별 압력차이를 해소하여 엔진의 성능편차를 줄이는 열병합 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 최소한의 실험으로 보정테이블을 생성하여 점화각도를 조절하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 열 병합 발전 시스템의 엔진 각도 조절방법은 (a)복수의 실린더에 대해 엔진의 출력을 기준으로 점화각도를 조절하는 단계; 및 (d)상기 복수의 실린더 각각에 유입되는 연료의 량에 따른 각각의 실린더의 압력을 측정하여, 상기 복수의 실린더 각각의 점화각도를 조절하는 단계를 포함 하여, 각 실린더별로 구체적인 보정테이블을 생성하여, 각 실린더별로 세부적으로 점화각도를 조절할 수 있다.
상기 (a)단계는, (ab)엔진의 출력을 기준으로 복수의 실린더의 기본테이블을 생성하는 단계; 및 (bc) 상기 (b)단계에서 생성된 상기 기본테이블을 바탕으로 복수의 실린더의 점화각도를 조절하는 단계;를 포함하여, 기본테이블을 생성하고, 기본테이블을 바탕으로 점화각도를 조절하도록 하였다.
상기 (d)단계는, (ce)상기 복수의 실린더 각각에 유입되는 연료의 량에 따른 각각의 실린더의 압력을 측정하여 복수의 실린더 각각의 보정테이블을 생성하는 단계; 및 (df) 상기 (ce)단계에서 생성된 각각의 보정테이블을 바탕으로 복수의 실린더 각각의 점화각도를 조절하는 단계를 포함하여, 각 실린더별 보정테이블을 생성하여, 각 실린더별로 세부적으로 점화각도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 열 병합 발전 시스템의 엔진 각도 조절방법의 상기 (d)단계는, (d1) 각 실린더별 압력을 측정하는 단계; (d2) 측정된 실린더별 압력을 비교하는 단계; (d3) 기준압력값을 설정하는 단계; (d6) 상기 기준압력값을 바탕으로 각 실린더별 점화각도를 조절하는 단계를 포함하여, 각 실린더별 평균유효압력을 동일하게 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 열 병합 발전 시스템의 엔진 각도 조절방법의 상기 기준압력값은 측정된 실린더별 압력값 중 최고치 압력값으로 설정하여, 각 실린더별 평균유효압력을 동일하게 형성하고, 엔진출력을 최대치로 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 열 병합 발전 시스템의 엔진 각도 조절방법에서, 최고치 압력값을 가지지 않는 다른 실린더들의 점화각도를 조절하여도, 최고치 압력값에 도달할 수 없는 경우, 상기 최고치 압력값을 가지지 않는 다른 실린더들 각각의 조절된 최고치 점화각도를 비교하여 최소값을 가지는 실린더의 압력값을 기준 압력값으로 설정하여, 각 실린더의 조건을 고려하여 실린더의 압력을 조절할 수 있다.
상기 (d)단계는, (d4) 상기 (d3)단계와 상기 (d6)단계 사이에 상기 기준압력값을 바탕으로 보정테이블을 생성하는 단계와,(d0) 상기 (d1)단계 이전에, 엔진 속도와 엔진부하를 고정하는 단계; 및 (d5) 상기 (d4)단계 이후에, 엔진속도 또는 엔진부하를 변경하는 단계를 더 포함하고, 상기 (d0) 내지 상기 (d5) 단계를 반복적으로 실시하여, 다양한 엔진속도 및 엔진부하 조건에서의 보정테이블을 생성할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 열 병합 발전 시스템의 엔진 각도 조절방법은 (a’)복수의 실린더에 대해 엔진의 출력을 기준으로 점화각도를 조절하는 단계; 및 (b’) 상기 (a’)단계로 조절된 상기 복수의 실린더의 점화각도를 바탕으로, 제1실린더그룹에 속하는 하나의 실린더와 제2실린더그룹에 속하는 하나의 실린더에 유입되는 연료의 량에 따른 각각의 실린더의 압력을 측정하여 상기 제1실린더그룹과 상기 제2실린더그룹 각각의 점화각도를 조절하는 단계를 포함하여, 전체의 실린더 각각의 압력을 측정하지 않고, 각 실린더별로 세부적으로 점화각도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 열 병합 발전 시스템의 엔진 각도 조절방법의 상기 제1실린더그룹 내의 실린더 각각은 혼합연료가 유입되는 흡기매니폴더의 연결유로에서 상기 각각의 실린더로 연결되는 흡입유로 간의 이격된 거리가 동일하게 형성되고, 상기 제2실린더그룹 내의 실린더 각각은 혼합연료가 유입되는 흡기매니폴더의 연결유로에서 상기 각각의 실린더로 연결되는 흡입유로 간의 이격된 거리가 동일하게 형성된다.
본 발명에 따른 열 병합 발전 시스템의 엔진 각도 조절방법은 (c’) 상기 (b’)단계를 바탕으로 조절된 상기 제1실린더그룹에 속하는 실린더 각각에 유입되는 연료의 량에 따른 각각의 실린더의 압력을 측정하여 상기 제1실린더그룹에 속하는 실린더 각각의 점화각도를 조절하고, 상기 (b’)단계를 바탕으로 조절된 상기 제2실린더그룹에 속하는 실린더 각각에 유입되는 연료의 량에 따른 각각의 실린더의 압력을 측정하여 상기 제2실린더그룹에 속하는 실린더 각각의 점화각도를 조절하는 단계를 더 포함하여, 각각의 실린더별로 구체적인 점화각도를 조절할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 각 실린더별 연소압력을 동등하게 하여 엔진의 성능편차를 줄여, 엔진의 회전수의 헌팅이 발생하지 않게 하는 장점이 있다.
둘째, 구조상 실린더의 압력이 동등한 실린더는 하나의 실린더조합으로 보정테이블을 생성하여 보정테이블 생성을 위한 실험을 최소화할 수 있는 장점도 있다.
셋째, 보정테이블에 기반한 각 실린더별 점화각도를 조절하여, 연소압력을 균일하게 하여, 엔진의 회전수를 안정하게 하는 장점도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기가 사용되는 열병합발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 어셈블리의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡기매니폴드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 피스톤의 위치에 따른 점화와 각 위치별 점화시기에 따른 실린더의 압력분포를 나타낸 것이다.
도 5는 본 실시예에 따른 보정테이블을 생성하기 위해 각 실린더별 데이터를 측정하는 실험시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도를 조절하기 위한 제어부 및 관련 구성을 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절을 위한 보정테이블을 생성하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 열병합 발전의 엔진 점화각도 조절방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
<열병합 발전 시스템>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기가 사용되는 열병합발전 시스템의 개략도이다. 이하에서는 도 1을 참조하여, 본 실시예에 따른 발전기가 사용될 수 있는 열병합 발전 시스템에 대해 간단히 설명한다.
본 발명에 따른 열병합 발전기는 도 1에 도시된 바와 같이, 열병합 발전 시스템(10)과, 저탕조(12)를 포함할 수 있다.
열병합 발전 시스템(10)은 전력과 열을 발생하고, 발생된 전력을 전력소비기기인 조명이나 가전기기 등으로 공급하며, 발생된 열을 열수요처인 저탕조(12)로 전달할 수 있다.
열병합 발전 시스템(10)은 내부에 설치된 엔진 어셈블리(100)과; 엔진 어셈블리(004)에 연결되어 전력을 생성하는 발전기(14)와; 저탕조(12)와 급탕 순환 유로(18)로 연결된 급탕 열교환기(16)와, 엔진 어셈블리(100)와 발전기(14) 중 적어도 하나의 열을 회수하여 급탕 열교환기(16)로 전달하는 열전달부(20)를 포함할 수 있다.
열전달부(20)는 열매체가 엔진 어셈블리(100)의 열을 회수하는 열회수부(22)와, 열회수부(22)와 급탕 열교환기(18)를 연결하는 열매체 순환 유로(24)를 포함할 수 있다.
엔진 어셈블리(100)는 가스 또는 석유 등 화석 연료와 공기를 혼합한 가스로 구동되어 발전기(14)를 구동시키는 것으로서, 가스나 석유 등의 연료가 공급되는 연료 공급관(28)과, 엔진 어셈블리(100)으로 공기가 흡입되는 흡기관(26)과, 엔진 어셈블리(100)에서 배기된 배기 가스가 통과하는 배기관(30)이 연결된다.
또한, 열병합 발전 시스템(10)은 저탕조(12)와 방열유로(34)로 연결되어 저탕조(12)의 물을 방열하는 방열유닛(32)을 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 열병합 발전기는 하나의 실시예에 따른 것으로, 연료와 공기가 혼합된 가스를 압축하는 컴프레서와 엔진에서 토출된 가스로 터빈을 연결하여 사용하는 터보차져(미도시)를 사용하는 것도 가능하다.
<엔진운전방식>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 어셈블리의 구성을 나타낸 개략도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡기매니폴드를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도 2 내지 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 엔진 어셈블리를 설명한다.
본 발명과 관련된 엔진 어셈블리(100)는 일정한 압력으로 연료를 공급하는 연료공급유닛(110), 연료공급유닛(110)으로 공급되는 연료를 공기와 혼합하여 엔진으로 공급하는 혼합유닛(120), 혼합유닛(120)으로 공급되는 혼합연료를 점화(spark)에 의해 착화(ignition)할 수 있게 형성된 엔진유닛(130), 연소되어 배출된 배기가스를 처리하는 배기유닛(150)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진 어셈블리(100)에 사용되는 연료는 기체(gas) 상태의 프로판 가스, 부탄 가스 또는 천연가스 등의 연료를 사용할 수 있다. 이는, 액체 상태의 연료를 엔진본체에 공급하거나 직접 분사하는 방식과 구별될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료공급유닛(110)는 엔진본체로 유입되는 연료의 압력을 조절하는 레귤레이터(112)와, 혼합부(124)로 유입되는 연료를 대기압 상태로 형성하는 제로가버너(114)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 엔진 어셈블리(100)는 연료가 레귤레이터(112)로 공급되지 전에 연료의 불순물을 제거하는 연료여과기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 레귤레이터(112)는 유동하는 연료를 적정 압력으로 유지된다. 본 실시예에 따른 제로가버너(114)는 출구압력을 조절하여, 혼합부(124)로 공급되는 연료를 일정한 압력(대기압 상태)로 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 혼합유닛(120)은 공기의 불순물을 제거하는 공기여과기(122), 연료공급유닛(110)으로부터 공급되는 연료를 공기와 혼합하는 혼합부(124) 및 혼합부(124)에서 엔진유닛(130)으로 공급되는 혼합연료의 양을 조절하는 스로틀밸브(126)를 포함한다.
본 실시예에 따른 혼합부(124)는 연료과 공기가 균질로 섞일 수 있도록 유도한다. 연료와 공기가 혼합된 혼합연료는 스로틀밸브(126)에 의해 엔진유닛(130)의 연소실로 공급된다. 스로트밸브(126)는 엔진제어부(160)의 제어신호에 따라 요구되는 엔진부하 및 목표회전수에 이르거나 유지하는데 필요한 개도로 조절될 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진유닛(130)은 공급된 혼합연료를 착화시켜 내부에서 피스톤의 왕복운동을 진행하는 복수의 실린더(132a, 132b, 132c, 132d), 피스톤(미도시)의 왕복운동을을 회전운동으로 변경하는 커넥팅 로드(미도시) 및 커넥팅 로드와 연결되어 회전하는 크랭크축(134)을 포함할 수 있다. 상기의 크랭크 축(134)은 발전기(14)와 연결되어 전력을 생산할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진유닛(130)은 혼합부(124)에서 공급되는 혼합연료를 복수의 실린더 각각으로 분배하는 흡기매니폴드(140)를 포함한다. 흡기매니폴드(140)는 혼합부(124)와 연결되는 연결유로(142), 복수의 실린더 각각으로 연결되는 복수의 흡입유로(146a, 146b, 146c, 146d) 및 연결유로(142)를 유동하는 혼합연료를 복수의 흡입유로(146a, 146b, 146c, 146d) 각각으로 분배하는 분배유로(144)를 포함한다.
본 실시예에 따른 엔진유닛(130)은 4개의 실린더를 포함할 수 있다. 각각의 실린더 내부에 배치된 커넥팅 로드는 크랭크 축(134)과 대략 90°의 간격으로 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 배기유닛(150)은 복수의 실린더(132a, 132b, 132c, 132d)에서 배출된 배기가스가 모아지는 배기매니폴드(152)와, 배기가스에 포함된 유해성분을 촉매 등을 이용하여 처리하는 배기처리장치(154)를 포함할 수 있다.
<기본테이블 생성방법>
엔진유닛(130)은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정으로 피스톤을 왕복온동하고, 피스톤의 왕복운동을 커넥팅로드로 회전운동으로 변경하여 크랭크 축(134)을 회전시킨다. 본 실시예에 따른 엔진은 4개의 실린더를 사용하고, 4개의 실린더에서 순차적으로 폭발행정이 일어나, 커넥팅 로드로 연결되는 크랭크축을 돌리게 된다.
엔진유닛(130)의 복수의 실린더 내부에서 발생하는 운동과정으로 발생하는 엔진의 출력토크는 점화시기에 따라 달라질 수 있다. 이는 피스톤의 위치와, 점화에 의한 발화시기를 고려하여 결정될 수 있다.
도 4는 피스톤의 위치에 따른 점화와 각 위치별 점화시기에 따른 실린더의 압력분포를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 점화에 의한 발화시점은 일정한 시간적 간격을 두고 형성되는 바, 압축이 최대로 일어나는 피스톤의 TDC(Top Dead Center)지점에서 점화가 일어나는 경우, 오히려, 엔진출력이 줄어들 수 있다. 따라서, 도 4에서는 피스톤이 압축을 위해 상승하고 있는 구간인 TDC의 이전 시점에서 점화가 시작되는 것이 바람직하며, 피스톤이 하강하는 구간인 TDC의 이후 시점에서 발화가 일어나도록 형성하는 것이 바람직하다.
따라서, 도 4를 참조하면, TDC의 이전 구간인 BTDC(Before Top Dead Center) 20°의 지점에서 점화가 시작되는 것이 TDC 이후 구간인 ATDC(After Top Dead Center) 지점에서 발화되어, 엔진의 최대 출력토크를 발생시킬 수 있다.
기본 테이블은 이러한 엔진의 특성을 고려하여, 생성될 수 있다. 기본테이블은 엔진에서 최대의 토크가 발생되는 점화시기인 MBT(Minimum spark advance for best torque)를 검토하여 생성될 수 있다.
Ignition
[BTDC]		 엔진속도(rpm)
0 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600





엔
진
부
하
 0 18° 18° 21° 24° 24° 25° 26° 28° 30° 30° 29° 30°
300 18° 18° 21° 24° 24° 25° 26° 28° 30° 30° 29° 30°
400 18° 18° 21° 24° 24° 25° 26° 28° 30° 30° 29° 30°
500 18° 18° 20° 20° 21° 23° 26° 26° 28° 26° 28° 28°
600 16° 16° 19° 19° 21° 23° 24° 24° 24° 26° 26° 28°
700 16° 16° 19° 18° 20° 22° 22° 23° 24° 25° 26° 26°
800 16° 16° 18° 18° 20° 22° 21° 22° 22° 24° 26° 26°
900 14° 14° 17° 19° 19° 20° 21° 22° °25 26° 26° 26°
1000 15° 15° 17° 20° 19° 21° 23° 23° 25° 23° 24° 23°
1100 14° 14° 18° 17° 19° 22° 23° 20° 23° 22° 22° 21°
1200 13° 13° 15° 16° 17° 20° 20° 18° 20° 20° 20° 20°
1300 12° 12° 14° 15° 16° 17° 18° 18° 18° 19° 19° 19°
표 1은 엔진의 최대토크가 발생되는 점화시기를 표시한 기본테이블의 일례이다. 이는 엔진부하와 엔진속도를 조절하면서, MBT가 발생하는 시기를 측정하여, 실린더의 적절한 점화각도를 나타낸 것이다.
상기 표에 따르면, 엔진부하가 높을수록 BTDC영역으로 지각의 범위가 줄어들게 되며, 엔진 속도가 빨라질수록 BTDC영역으로 지각의 범위가 커짐을 알 수 있다. 이러한 기본테이블에 맞추어 엔진의 점화각을 제어하는 경우, 어느 정도의 엔진의 출력을 높일 수 있다.
다만, MBT를 이용하여 생성한 점화각도의 기본 테이블은 복수의 실린더의 평균적인 값으로 개별의 실린더를 제어하는 것으로, 각각의 실린더별로 최대토크가 발생하는 점화시기와는 차이가 있을 수 있다.
각각의 실린더의 경우, 유입되는 혼합연료의 량, 압력 및 열발생율 등에 따라 점화시기가 기본테이블과 차이가 있을 수 있다. 즉, 혼합연료의 흡입압력의 변화에 따라 실린더의 기통별 평균유효압력(IMEP: indicated Mean Effective Pressure)이 변화하게 되고, 그로 인해 각 실린더별 혼합연료량의 편차가 발생하게 된다.
이는 흡기매니폴드의 구조적인 형상에 의해 발생하는 것으로, 각 실린더별 혼합연료의 유량이나 압력을 고려한 점화각도를 조절함으로써 해결할 수 있다.
<보정테이블 생성방법>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡기매니폴드(140)의 형태를 도시한 것이다. 이는 하나의 실시예에 따른 것으로, 엔진 어셈블리의 공간 및 크기에 따라 다른 형태로 제작될 수 있다.
본 실시예에 따른 흡기매니폴드(140)는 4개의 실린더(132a, 132b, 132c, 132d) 각각으로 연결되는 4개의 흡입유로와, 스로틀밸브(126)에서 연결되는 연결유로가 형성된다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 흡입유로(146a, 146b, 146c, 146d)는 좌측으로부터 차례로 제1실린더(132a)와 연결되는 제1흡입유로(146a), 제2실린더(132b)와 연결되는 제2흡입유로(146b), 제3실린더(132c)와 연결되는 제3흡입유로(146c) 및 제4실린더(132d)와 연결되는 제4흡입유로(146d)로 구분될 수 있다.
각 실린더에 공급되는 혼합연료의 량은 연결유로(142)와 각 흡입유로 간의 거리, 연결유로의 각도 등에 따라 달라질 수 있다.
본 실시예에 따라 보정테이블을 생성하는 방법은 각각의 실린더별 압력을 측정하여 생성할 수 있다. 따라서, 보정테이블은 각각의 실린더 별로 생성되게 된다. 본 실시예에 따른 엔진 어셈블리에는 4개의 실린더를 포함하고 있으므로, 4개의 보정테이블이 생성될 수 있다.
본 실시예에 따른 점화각도의 보정테이블은 기본테이블을 바탕으로 각각의 실린더에 작용하는 압력을 동일하게 형성하도록 조절되어야 할 점화각도를 나타낸 표이다. 이는 기본테이블을 바탕으로 각 실린더별로 플러스 또는 마이너스의 각도로 표시될 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 보정테이블을 생성하기 위해 각 실린더별 데이터를 측정하는 실험시스템의 구성도이다.
본 실시예에 따른 실험시스템은 엔진 어셈블리(100)의 구성에, 엔진의 속도를 제어하는 하는 엔진제어부(160), 엔진의 부하를 변경시키는 부하제어부(162), 각 실린더 별 흡입압력과 실린더 압력 데이터를 취득하는 데이터취득부(164)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진제어부(160)는 엔진을 컴퓨터로 제어하는 전자제어부(electronic control unit)이다. 엔진제어부(160)는 엔진의 회전수 등에 맞추어 미리 정해 놓은 점화시기 MAP(Manifold Absolute Pressure)값과 연료분사 MAP값 등을 조정할 수 있다.
본 실시예에 따른 부하제어부(162)는 엔진의 RPM을 고정한 상태에서 부하를 변경시키는 다이나모미터일 수 있다.
데이터취득부(164)는 각 실린더로 유입되는 혼합연료의 압력을 측정하는 흡입압력센서(166)와 각 실린더의 내부압력을 측정하는 실린더 압력센서(168)를 통해 실린더로 유입되는 흡입압력과 실린더의 압력을 취득할 수 있다.
보정테이블은 각각의 RPM과 엔진부하 조건에 따른 점화각도의 보정값이 입력된다. 각각의 RPM과 엔진부하 조건에 따른 점화각도를 찾는 방법으로는, 각 실린더를 동일RPM과 동일부하 조건에서 걸리는 압력을 비교한다. 이 중에서 가장 큰 압력이 걸리는 실린더에 맞추어 다른 실린더의 점화각을 조절해야할 보정값을 정한다. 같은 방식으로 각각의 실린더의 RPM 또는 엔진부하를 달리하면서, 각각의 조건에서의 보정값을 정하여, 보정테이블을 생성할 수 있다.
각 실린더별로 연소압력을 동등하게 하여, 엔진성능편차 및 엔진회전수의 헌팅이 발생하지 않도록 할 수 있다. 다만, 각 실린더별의 연소압력이 동등한 조건에서는 큰 압력값을 가진 것을 엔진의 출력을 높일 수 있으므로, 큰 압력이 걸리는 실린더에 맞추어 다른 실린더의 점화각을 조절하는 것이 바람직하다.
다만, 실린더 중 일부가 각도를 조절하더라도, 가장 큰 압력이 걸리는 실린더의 압력에 도달할 수 없는 경우에는, 낮은 압력의 실린더에서 걸리는 압력이 최대인 지점으로 점화각도를 조절하도록 보정테이블을 생성한다. 이 경우, 가장 큰 압력이 걸리는 실린더를 포함한 나머지 실린더를 보정테이블을 생성한 실린더의 압력으로 점화각도를 조절하도록 보정테이블을 생성하여, 각 실린더에 걸리는 압력을 동일하게 할 수 있다.
<점화각도 조절관련 구성>
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도를 조절하기 위한 제어부 및 관련 구성을 도시한 블록도이다. 이하에서는 도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도를 조절하기 위한 제어부 및 제어부와 관련된 구성을 설명한다.
본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 복수의 실린더 내부에서 발생하는 운동과정으로 발생하는 엔진의 출력토크를 감지하는 엔진출력 감지부(210), 각 실린더별 흡입되는 연료의 압력 또는 각 실린더의 내부 압력을 감지하는 실린더 압력감지부(220) 엔진출력 또는 실린더의 압력을 바탕으로 점화각도를 조절하는 제어부(200)를 포함한다.
본 실시예에 따른 제어부(200)는 상기의 엔진출력감지부(210)로부터 감지된 엔진출력을 바탕으로 기본테이블을 생성할 수 있다. 본 실시예에 따른 제어부(200)는 압력감지부(220)로부터 감지된 실린더별 압력을 바탕으로 보정테이블을 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 압력감지부(220)는 각 실린더로 유입되는 혼합연료의 압력을 측정하는 흡입압력센서(166)와 각 실린더의 내부압력을 측정하는 실린더 압력센서(168)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 제어부(200)에 의해 생성된 기본테이블이나, 보정테이블을 저장하는 저장부(230)를 더 포함할 수 있다. 저장부(230)는 엔진출력감지부(210)로부터 감지된 엔진출력을 바탕으로 생성된 기본테이블이나, 압력감지부(220)로부터 감지된 각 실린더의 압력을 바탕으로 생성된 보정테이블의 정보를 저장할 수 있다.
본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 제어부(200)는 저장부(230)에 저장된 기본테이블 또는 보정테이블을 이용하여 실린더의 점화각도를 조절할 수 있다. 본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 제어부(200)는 저장부(230)에 저장된 기본테이블을 바탕으로, 전체 실린더의 점화각도를 조절한다. 또한, 본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 제어부(200)는 저장부(230)에 저장된 보정테이블을 바탕으로 각 실린더별 점화각도를 조절한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로, 제어부(200)에 의해 생성된 기본테이블과 보정테이블을 바탕으로 사용자가 각 실린더별 점화각도를 조절하는 것도 가능하다.
<점화각도 제어방법>
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법을 도시한 순서도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절을 위한 보정테이블을 생성하는 방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는, 도 7 내지 도 8을 참조하여, 본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법을 설명한다.
열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법은 먼저, 기본테이블을 생성하는 단계(S100)를 거친다. 기본테이블을 생성하는 방법은 상기에서 설명한 바와 같이, 엔진의 최대의 토크가 발생되는 점화시기인 MBT를 검토하여 생성할 수 있다.
이후, 기본테이블을 바탕으로 실린더의 점화각도를 조절하는 단계(S200)를 거친다. 기본테이블을 바탕으로 실린더의 점화각도를 조절하더라도, 흡기매니폴드의 형상 등의 문제로 각 실린더별로 발생하는 평균유효압력의 차이가 생긴다. 따라서, 이러한 각 실린더별 압력차이를 줄이는 보정단계를 진행할 수 있다.
본 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법은, 각 실린더별 보정테이블을 생성하는 단계(S300)를 거친다. 각 실린더별 보정테이블을 생성하는 단계는 각 실린더별 압력을 비교하여, 압력이 동일해지는 점화각도 보정테이블을 생성한다.
도 8을 참조하여, 구체적인 보정테이블 생성방법을 설명하면, 먼저 엔진속도와 엔진부하를 고정한다(S310). 이후, 혼합연료 공급에 따른 각 실린더별 압력을 측정하고(S320), 측정된 실린더별 압력을 비교하는 단계(S330)를 거친다.
각 실린더별 압력을 비교하여, 기준 압력값을 설정한다(S340). 원칙적으로, 기준 압력값은 실린더별 압력값 중 최고의 압력값이 설정된다. 다만, 최고치 압력값을 가지지 않는 나머지 실린더들의 점화각도를 조절하여도, 최고치 압력값에 도달할 수 없는 경우에는, 나머지 실린더들 조절된 최고치 점화각도를 비교하여 최소값을 가지는 실린더의 압력값을 기준 압력값으로 설정한다.
기준 압력값이 정해지면, 각 실린더들은 기준 압력값으로 실린더의 압력이 나오는 범위로 점화각도를 조절하는 단계(S350)를 거친다.
이후, 기본테이블에서 조절된 점화각도로 보정된 값으로 보정테이블을 작성하는 단계(S360)를 거친다.
상기의 S310 내지 S360 단계를 엔진속도 또는 엔진부하를 변경하면서, 반복실시(S370)하여, 다양한 엔진속도와 엔진부하구간에서의 보정테이블을 생성할 수 있다.
<점화각도 제어방법-보정테이블 생성-2실시예>
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법을 도시한 순서도이다. 이하에서는, 도 3 및 도 9을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 점화각도 조절방법을 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연결유로(142)는 제2흡입유로(146b)와 제3흡입유로(146c)의 사이에 배치된다. 본 실시예에 따른 연결유로(142)로부터 제2흡입유로(146b) 간의 이격된 거리(d2)는 연결유로(142)로부터 제3흡입유로(146c) 간의 이격된 거리(d3)와 동일하게 형성된다. 본 실시예에 따른 연결유로(142)로부터 제1흡입유로(146a) 간의 이격된 거리(d1)는 연결유로(142)로부터 제4흡입유로(146d) 간의 이격된 거리(d4)와 동일하게 형성된다.
따라서, 본 실시예에 따른 엔진 어셈블리(100)는 제1실린더와 제4실린터의 평균유호압력(IMEP)이 대략 동일하게 형성되고, 제2실린더와 제3실린터의 평균유호압력(IMEP)이 대략 동일하게 형성될 수 있다.
따라서, 실린더의 평균유효압력이 대략 동일하게 되는 제2실린더 및 제3실린더(132c)를 제1실린더그룹으로, 나머지 제1실린더(132a)와 제4실린더를 제2실린더그룹으로 구분할 수 있다.
도 3과 같은 흡기매니폴드 구조에서는 제1실린더그룹에 속하는 하나의 실린더와 제2실린더그룹에 속하는 하나의 실린더를 비교하여 제1보정테이블을 생성할 수 있다(S530). 하나의 실시예로써, 제1실린더그룹에 속하는 제3실린더와 제2실린더그룹에 속하는 제1실린더(132a)를 비교하여 제1보정테이블을 생성할 수 있다.
도 3과 같은 구조에서는, 상기의 제1보정테이블에 의한 점화각도 조절만으로도, 엔진의 성능편차가 어느정도 줄어드는 효과를 발생시킬 수 있다.
이후, 제1보정테이블을 이용하여, 제1실린더그룹과 제2실린더그룹의 점화각도를 조절하고(S540), 상기와 같은 방식으로 제1실린더그룹(136)과 제2실린더그룹(138) 각각의 제2보정테이블을 생성한다(S550).
이후, 제1보정테이블로 변경된 점화각도로 제1실린더그룹(136)에 속하는 제2실린더(132b)와 제3실린더(132c) 각각의 압력을 비교하며, 제1실린더그룹(136)의 제2보정테이블을 생성한다(S550). 같은 방식으로 제2실린더그룹(138)에 속하는 제1실린더(132a)와 제4실린더(132d) 각각의 압력을 비교하며, 제2실린더그룹(138)의 제2보정테이블을 생성한다.
각각의 실린더 별로 생성된 제2보정테이블을 기초로 각 실린더의 점화각도를 조절한다(S560).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
10 : 열병합 발전 유닛 12 : 저탕조
14 : 발전기 100 : 엔진어셈블리
110 : 연료공급유닛 120 : 혼합유닛
130 : 엔진유닛 132a : 제1실린더
132b : 제2실린더 132c : 제3실린더
132d : 제4실린더 140 : 흡기매니폴드
142 : 연결유로 144 : 분배유로
146a : 제1흡입유로 146b : 제2흡입유로
146c : 제3흡입유로 146d : 제4흡입유로
150 : 배기유닛 160 : 엔진제어부
162 : 부하제어부 164 : 데이터취득부
166 : 흡입압력센서 168 : 실린더압력센서

Claims (11)

  1. (a)복수의 실린더에 대해 엔진의 출력을 기준으로 복수의 실린더의 기본테이블을 생성하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 생성된 상기 기본테이블을 바탕으로 복수의 실린더의 점화각도를 조절하는 단계;
    (c)상기 복수의 실린더 각각에 유입되는 연료의 량에 따른 각각의 실린더의 압력을 측정하여 복수의 실린더 각각의 보정테이블을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계에서 생성된 각각의 보정테이블을 바탕으로 복수의 실린더 각각의 점화각도를 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 (c)단계는,
    (c1) 각 실린더별 압력을 측정하는 단계;
    (c2) 측정된 실린더별 압력을 비교하는 단계;
    (c3) 기준압력값을 설정하는 단계; 및
    (c4) 상기 (c3)단계에서 설정된 상기 기준압력값을 바탕으로 보정테이블을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 기준압력값은 측정된 실린더별 압력값 중 최고치 압력값으로 설정되고,
    최고치 압력값을 가지지 않는 다른 실린더들의 점화각도를 조절하여도, 최고치 압력값에 도달할 수 없는 경우, 상기 최고치 압력값을 가지지 않는 다른 실린더들 각각의 조절된 최고치 점화각도를 비교하여 최소값을 가지는 실린더의 압력값을 기준 압력값으로 설정하는 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법.
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  9. (a1’)복수의 실린더에 대해 엔진의 출력을 기준으로 복수의 실린더의 기본테이블을 생성하는 단계;
    (a2’) 상기 (a1’)단계에서 생성된 상기 기본테이블을 바탕으로 복수의 실린더의 점화각도를 조절하는 단계;
    (b1’) 혼합연료가 유입되는 흡기매니폴더의 연결유로에서 상기 각각의 실린더로 연결되는 흡입유로 간의 이격된 거리가 동일하게 형성된 제1실린더그룹에 속하는 하나의 실린더와, 상기 혼합연료가 유입되는 상기 흡기매니폴더의 연결유로에서 상기 각각의 실린더로 연결되는 흡입유로 간의 이격된 거리가 상기 제1실린더그룹에 차이를 가지고 동일하게 형성된 제2실린더그룹에 속하는 하나의 실린더를 비교하여 제1보정테이블을 생성하는 단계;
    (b2’)상기 제1보정테이블을 이용하여, 상기 제1실린더그룹과 상기 제2실린더그룹의 점화각도를 조절하는 단계;
    (c1’)상기 제1보정테이블로 변경된 점화각도로 상기 제1실린더그룹에 속하는 복수의 실린더 각각의 압력을 비교하며, 상기 제1실린더그룹의 제2보정테이블을 생성하는 단계;
    (c2’)상기 제1보정테이블로 변경된 점화각도로 상기 제2실린더그룹에 속하는 복수의 실린더 각각의 압력을 비교하며, 상기 제2실린더그룹의 제2보정테이블을 생성하는 단계;
    (d1’)상기 제1실린더그룹의 상기 제2보정테이블을 기초로 상기 제1실린더그룹에 속하는 복수의 실린더 각각의 점화각도를 조절하는 단계; 및
    (d2’)상기 제2실린더그룹의 상기 제2보정테이블을 기초로 상기 제2실린더그룹에 속하는 복수의 실린더 각각의 점화각도를 조절하는 단계를 포함하는 열병합 발전 시스템의 엔진 점화각도 조절방법.
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