KR102291722B1

KR102291722B1 - 이산화탄소 시비용 엔진의 시동 후 시비시작시간 단축용 제어방법

Info

Publication number: KR102291722B1
Application number: KR1020200058834A
Authority: KR
Inventors: 김창업; 오승묵; 박현욱; 이용규; 강건용
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2021-08-23

Abstract

본 발명은 시동시간 단축을 위한 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 유해가스 저감장치로 배출가스 내 유해가스를 정화함으로써 배출가스가 직접 식물에 공급되어 이산화탄소를 제공할 수 있도록 운용되는 가스엔진을 제어함에 있어서, 시동 시의 제어방법을 평상 운용 시와 다르게 설정함으로써 유해가스 농도를 적절히 낮게 유지하면서도 시동이 훨씬 빠르게 이루어질 수 있도록 하는, 시동시간 단축을 위한 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법을 제공함에 있다.

Description

이산화탄소 시비용 엔진의 시동 후 시비시작시간 단축용 제어방법 {Control method for engine supplying CO2 for reducing starting time}

본 발명은 이산화탄소 시비용 엔진의 시동 후 시비시작시간 단축용 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시설원예 시설에서 전기, 난방, 이산화탄소 등을 생산하는 트라이젠이나 냉방이 추가된 쿼드로젠 기술에 사용되는 엔진의 이산화탄소 시비를 하기 위한 시간을 단축할 수 있는 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 가스엔진을 사용한 발전기나 GHP(Gas engine Heat Pump)를 이용한 트라이젠 또는 쿼드로젠 시스템은, 값싼 가스연료(천연가스, 도시가스 등)를 사용해 난방(급탕), 냉방 및 이산화탄소 시비를 함과 동시에 가스엔진에 의해 구동되는 발전기를 이용해 발전을 하여 전기를 공급할 수 있도록 구성된다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 일반적으로 내연기관(엔진)에서는 매우 많은 열이 발생하며, 따라서 엔진에는 냉각수가 엔진의 주변을 유통하면서 과도한 열을 흡수하여 엔진을 냉각하도록 하는 구조가 구비되어 있다. 이 때 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수는 다시 엔진으로 돌아가 열을 흡수할 수 있도록 외부에 열을 버리게 되는데, 이 폐열을 이용하여 난방을 수행할 수도 있고, 또한 히트펌프를 포함하는 냉방 사이클을 이용하여 냉방을 수행할 수도 있다. 한편 엔진에서 발생되는 동력이 발전기를 회전시킴으로써 전기가 생산되며, 마지막으로 엔진에서 연소되고 난 배출가스에 포함된 형태로서 이산화탄소가 생산된다.

한편 시설원예나 도시형 스마트 팜 등과 같은 설비에는, 식물의 생장환경을 우수하게 조절하고 유지하기 위한 전기, 냉방, 난방 및 이산화탄소 등을 공급하기 위하여 상술한 바와 같은 엔진을 포함하는 트라이젠 또는 쿼드로젠 시스템이 구비된다. 엔진에서 발생하는 배출가스에는 이산화탄소(CO₂) 뿐만 아니라 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC) 등과 같이 유해한 물질들이 상당히 섞여 있기 때문에, 배출가스를 여러 촉매 장치 등을 통과시켜 유해가스를 제거한 후 남은 이산화탄소를 식물에 공급하도록 한다.

현재 국내 배출가스 규제기준은 상당히 높은 편이며, 상용화되어 사용되고 있는 발전기나 GHP는 별도의 유해가스 저감장치를 사용하지 않고도 이러한 배출가스 규제기준을 맞출 수 있도록 제작되어 생산되고 있다. 그러나 규제기준을 맞춘 배출가스라고 해도, 이 규제기준은 일반적인 환경에 유해하지 않은 정도의 기준일 뿐이기 때문에 이를 그대로 식물에 시비하는 것은 불가능하다. 도 1, 2는 종래의 상용화된 GHP 배출가스 내 유해가스 농도를 측정한 결과로서, 도시된 바와 같이 일산화탄소(CO)가 600~1000ppm / 질소산화물(NOx)이 100~200ppm / 메탄(CH4)이 2000~3000ppm 수준으로 나타난다.

이처럼 시설원예 등에 구비되는 가스엔진의 배출가스를 식물로의 이산화탄소 시비에도 사용하고자 할 경우, 현재 상용화된 제품을 그대로 사용하는 것은 불가능하며, 엔진 자체에서도 유해물질이 최소한으로 배출되도록 안정적인 연소가 이루어질 수 있는 개조가 이루어져야 하고, 더불어 별도의 유해가스 저감장치를 구비하여 최대한 유해물질을 정화하여야 한다. 한국특허등록 제1784896호("일산화탄소 센서를 이용한 시설원예용 트라이젠 시스템", 2017.09.28., 이하 '선행문헌')에는, 가스엔진 발전기를 사용하여 전기, 냉난방, 이산화탄소 등을 생산하는 시스템에서, 가스엔진에서 연소된 후 배출되는 배출가스 중의 유해가스 농도를 정밀하게 제어할 수 있도록 하여, 시설원예용 하우스에 이산화탄소 시비를 위해 공급되는 배출가스 중의 유해가스 농도를 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하가 되도록 하는 기술이 개시된다.

보다 구체적으로는, 상기 선행문헌에서는 가스엔진의 배기관에 구비되는 적어도 하나의 삼원촉매, 상기 삼원촉매 전후에 구비되는 한 쌍의 산소 센서, 상기 산소 센서들 후방에 구비되어, 장시간 사용 시에도 안정적으로 제어할 수 있도록 하기 위한 질소산화물 혹은 일산화탄소 센서 등을 이용하여, 제어부가 가스엔진의 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 낮도록 리치 상태로 제어한다. 또한 상기 제어부는, 일산화탄소 센서에서 측정되는 배출가스 중의 일산화탄소 농도에 따라 후방 산소 센서에서 출력되는 값의 기준값을 설정하여, 배출가스 중의 질소산화물(NOx)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 배출가스 중의 일산화탄소(CO)의 농도보다 낮게 유지되도록 제어한다. 도 3은 이러한 유해가스 저감장치가 구비된 이산화탄소 시비용 엔진의 구성도를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 이산화탄소 시비용 엔진을 상술한 바와 같이 제어함으로써, 상기 이산화탄소 시비용 엔진은 배출가스 내 유해가스인 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC) 등의 농도를 50ppm 미만까지 낮출 수 있는 월등한 효과를 가진다.

그런데 상기 선행문헌에 의한 시스템을 실제로 운용하는 과정에서, 촉매나 센서가 활성화되어 안전한 배출가스 수준에 도달하는 유해가스 저감시간이 상당히 길게 나타난다는 점이 발견되었다. 도 4, 5는 종래의 제어방법에 의해 운용되는 상기 이산화탄소 시비용 엔진의 배출가스 내 유해가스 농도를 측정한 결과로서, 도 4는 농도 스케일이 0~10000ppm으로 전체적인 경향을 보여주며, 도 5는 농도 스케일이 0~100ppm으로 0 근처에서의 보다 세부적인 경향을 보여준다. 도 4, 5로 확인되는 바와 같이 질소산화물(NOx), 메탄(CH4)은 매우 빠른 시간 내에 50ppm 미만이 되며, 도 5로 확인되는 바와 같이 대략 9분 정도가 되면 일산화탄소(CO)까지 50ppm 미만이 됨으로써, 모든 유해가스가 50ppm 미만으로 떨어짐이 확인된다. 즉 평상 운용 시에는 배출가스 내 모든 유해가스들의 농도가 50ppm 미만이 됨으로써 이산화탄소 시비 목적으로 식물에 공급함에 아무 문제가 없는 매우 우수한 성능을 가지고 있음은 충분히 입증되지만, 문제는 시동시간이 지나치게 길다는 것이다. 실제로 이러한 시스템을 운용함에 있어서 시동에 10분에 가까운 시간이 걸린다는 것은 사용자에게 상당한 불편함을 초래하기 때문에, 이를 개선하는 것이 반드시 필요하다.

1. 한국특허등록 제1784896호("일산화탄소 센서를 이용한 시설원예용 트라이젠 시스템", 2017.09.28.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유해가스 저감장치로 배출가스 내 유해가스를 정화함으로써 배출가스가 직접 식물에 공급되어 이산화탄소를 제공할 수 있도록 운용되는 가스엔진을 제어함에 있어서, 시동 시의 제어방법을 평상 운용 시와 다르게 설정함으로써 유해가스 농도를 적절히 낮게 유지하면서도 시동이 훨씬 빠르게 이루어질 수 있도록 하는, 이산화탄소 시비용 엔진의 시동 후 시비시작시간 단축용 제어방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이산화탄소 시비용 엔진의 시동 후 시비시작시간 단축용 제어방법은, 배기관에 구비되는 삼원촉매, 상기 삼원촉매의 전방 및 후방에 각각 구비되는 한 쌍의 산소 센서 및 제어부를 포함하는 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법에 있어서, 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 시동되는 엔진시동단계, 상기 제어부에 의하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 희박연소영역에서 운전되는 희박운전단계를 포함하는 시동제어단계; 상기 제어부에 의하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 이론공연비로 운전되도록 제어가 전환되는 평상전환단계, 상기 제어부에 의하여 상기 산소 센서에서 측정되는 값을 이용하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 이론공연비로 운전되도록 피드백 제어되는 피드백제어단계를 포함하는 평상제어단계; 를 포함할 수 있다.

이 때 상기 희박운전단계는, 미리 결정된 시동제어시간 동안 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 시동제어시간은, 2 내지 3분 범위 내의 값일 수 있다.

또는, 상기 이산화탄소 시비용 엔진은 배기관에 구비되는 질소산화물 센서를 더 포함하며, 상기 희박운전단계는, 상기 질소산화물 센서가 활성화되는 시간 동안 수행될 수 있다.

또한 상기 희박연소영역은, 공연비가 1.2 내지 1.3 범위 내의 값이 되는 영역일 수 있다.

또한 상기 피드백제어단계는, 상기 제어부에 미리 설정되어 입력되어 있는 기초 연료량에 전방 산소 센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량 및 후방 산소 센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해, 상기 이산화탄소 시비용 엔진으로 공급되는 연료량이 보정되도록 제어될 수 있다.

본 발명에 의하면, 시설원예에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 시비용 엔진을 운용함에 있어서, 시동 시 걸리는 시간을 비약적으로 단축하며 이에 따라 사용자 편의성을 크게 향상시키는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 종래에 이러한 엔진을 운용함에 있어서, 평상 운용 시에는 큰 문제가 없으나 시동 시에는 유해가스 저감장치에 포함된 촉매, 센서 등이 활성화되어 안정적으로 유해가스를 정화하는 데까지 10분 가량의 상당한 시간이 소요되는 문제가 있었다. 이는 일산화탄소(CO) 정화시간 지연에 의해 발생하는 문제로서, 본 발명에서는 시동 시 희박연소기법을 이용하여 일산화탄소의 생성을 억제하도록 엔진을 운전하고, 질소산화물(NOx) 센서가 활성화되는 2~3분 후부터는 다시 이론공연비 연소영역으로 엔진을 운전함으로써, 질소산화물 센서 활성화 이후로는 배출가스의 정화상태가 바로 식물에 공급할 수 있을 정도의 안정적인 수준이 되게 한다. 즉 본 발명에 의하면, 질소산화물 센서 활성화 시간 수준으로 시동시간을 줄일 수 있는데, 이는 종래의 시동시간의 1/3 정도로서 결과적으로 종래에 비해 시동시간을 비약적으로 줄일 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1, 2는 종래의 상용화된 GHP 배출가스 내 유해가스 농도.
도 3은 본 발명에서 사용되는 이산화탄소 시비용 엔진.
도 4, 5는 종래의 제어방법에 의해 운용되는 상기 이산화탄소 시비용 엔진의 배출가스 내 유해가스 농도.
도 6은 엔진 연소영역 그래프.
도 7은 본 발명의 시동시간 단축을 위한 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법.
도 8은 엔진 연소영역에서의 피드백 제어 설명.
도 9, 10은 본 발명의 제어방법에 의해 운용되는 상기 이산화탄소 시비용 엔진의 배출가스 내 유해가스 농도.

이하이산화탄소 시비용 엔진의 시동 후 시비시작시간 단축용 제어방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 본 발명에 사용되는 이산화탄소 시비용 엔진

먼저 본 발명에서 사용되는 이산화탄소 시비용 엔진의 구성을 설명한다. 본발명의 이산화탄소 시비용 엔진은, 가스엔진(100)의 배기관(110)에 다양한 촉매 및 센서들이 구비되며, 제어부(500)가 상기 센서들에서 측정되는 값을 이용하여 상기 가스엔진(100)을 제어한다. 도 3은 본 발명에서 사용되는 이산화탄소 시비용 엔진의 실시예를 도시한 것으로서, 각부에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

가스엔진(100)은 비교적 값이 싼 액화석유가스(LPG), 천연가스, 도시가스, 바이오가스 및 신재생연료 등의 가스연료를 사용해 구동되는 엔진이 될 수 있다. 그리고 라디에이터(200)는 가스엔진(100)에 연결되어 냉각수가 순환되면서 가스연료의 연소에 의해 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다. 이때, 라디에이터(200)가 가스엔진(100)의 구동축에 연결되어 구동되는 쿨링팬에 의해 냉각될 수 있으며, 가열된 냉각수는 라디에이터(200)에 연결된 별도의 온수탱크로 보내져 난방 및 온수로 사용될 수 있고 라디에이터(200)에 차가운 냉각수가 공급되어 냉각수가 보충될 수 있다. 또한, 콤프레셔(300)가 가스엔진(100)의 구동축에 연결되며, 가스엔진(100)에 의해 콤프레셔(300)가 구동되어 냉매를 압축시키는 역할을 할 수 있다.

제1삼원촉매(410)는 가스엔진(100)의 배기관(110)에 설치되어, 가스엔진(100)의 연소실에서 연소되어 배출되는 배출가스에 포함된 유해가스들을 제거하여 배출가스 중의 유해가스 농도를 저감시키며, 배기관(110)을 통해 배출되는 배출가스를 직접 시설원예용 하우스에 공급하여 이산화탄소 시비에 활용할 수 있으며, 배출가스에 포함된 이산화탄소가 및 질소가 활용될 수 있다.

전방 산소 센서(430) 및 후방 산소 센서(440)는 제1삼원촉매(410)의 전방과 후방에 설치될 수 있다. 즉, 배출가스의 유동방향으로 제1삼원촉매(410)의 전방에 전방 산소 센서(430)가 설치되어, 제1삼원촉매(410)를 거치기 전인 가스엔진(100)에서 연소된 후 배출된 배출가스 중의 산소 농도를 측정할 수 있다. 그리고 배출가스의 유동방향으로 제1삼원촉매(410)의 후방에 후방 산소 센서(440)가 설치되어, 제1삼원촉매(410)를 거친 후 유해가스들이 제거된 상태에서의 배출가스 중의 산소 농도를 측정할 수 있다. 또한, 질소산화물 센서(450)는 제1삼원촉매(410)의 후방에 설치되어 유해가스들이 제거된 배출가스 중의 질소산화물 농도를 측정할 수 있다.

제어부(500)는 가스엔진(100)에 연결되어 가스엔진(100)을 제어하되, 산소 센서들(430)(440) 및 질소산화물 센서(450)에 연결되어 산소 센서들(430)(440)에서 측정된 산소 농도 및 질소산화물 센서(450)에서 측정된 질소산화물 농도에 따라 가스엔진(100)을 제어할 수 있다.

상기 가스엔진(100)의 배기관(110)에는 설치되어 배출가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제2삼원촉매(420)가 더 설치될 수 있는데, 상기 제2삼원촉매(420)는 배출가스의 유동방향으로 상기 후방 산소 센서(440)의 후방에 설치될 수 있다.

이 때 상기 질소산화물 센서(450)는 배출가스의 유동방향으로 제2삼원촉매(420)의 후방에 설치될 수 있다. 즉, 질소산화물 센서(450)는 후방 산소 센서(440)의 후방에 설치되되 제2삼원촉매(420)의 후방에 설치됨으로써, 시설원예용 하우스로 공급되기 전에 촉매들에 의해 유해가스 성분이 제거된 후의 질소산화물 농도를 측정하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 후방 산소 센서(440)의 후방에는 일산화탄소 센서(460)가 더치될 수도 있고 일산화탄소 센서(460)에서 측정되는 값에 따라 제어부에서 가스엔진을 제어하도록 할 수도 있다.

또한, 상기 질소산화물 센서(460)는 배출가스의 유동방향으로 제2삼원촉매의 후방에 설치될 수 있다. 즉, 질소산화물 센서(460)는 후방 산소 센서(440)의 후방에 설치되되 제2삼원촉매(420)의 후방에 설치될 수 있으며, 질소산화물 센서(460)는 일산화탄소 센서(450)와 동일한 위치 또는 일산화탄소 센서(450)와 근접한 위치에 설치될 수 있다. 그리하여 시설원예용 하우스로 공급되기 전에 촉매들에 의해 유해가스 성분이 제거된 후의 질소산화물의 농도를 측정하도록 할 수 있다.

일반적으로 엔진은 이론공연비(λ=1.0)를 중심으로 희박(lean)과 과농(rich) 사이를 왕복하면서 평균적으로 이론공연비를 유지하도록 운용된다. 도 6은 이와 같이 운용되는 엔진 연소영역 그래프를 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 이산화탄소 시비용 엔진에서 배출되는 배출가스에 포함된 유해가스는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC)가 대표적이다. 이 중 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)는 산화에 의해, 질소산화물(NOx)은 환원에 의해 정화되도록 하는 삼원촉매에 의해 유해가스가 정화될 수 있다. 그런데 도 6과 같이 엔진이 희박-과농을 왕복하면서 평균적으로 이론공연비를 유지하게만 운영될 경우 삼원촉매의 산소저장능력(OSC) 저하로 인하여 유해가스 중 일부의 정화동작이 발산하게 되어 제어영역을 벗어나는 문제가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 앞서 설명한 바와 같이 상기 이산화탄소 시비용 엔진에는 한 쌍의 산소 센서가 구비되며, 상기 산소 센서에서 측정되는 산소 농도 값을 이용하여 시동 직후부터 정확히 이론공연비를 유지하도록 피드백 제어되면서 운용된다.

이와 같이 운용되는 상기 이산화탄소 시비용 엔진은, 앞서 도 4, 5로 설명한 바와 같이 평상 운용 시에는 배출가스 내 질소산화물(NOx), 메탄(CH4), 일산화탄소(CO) 등 모든 유해가스들의 농도가 50ppm 미만이 되도록 하는 매우 우수한 성능을 보인다. 그러나 도 4, 5에서도 잘 나타나 있는 바와 같이, 일산화탄소(CO)가 50ppm 미만이 될 때까지는 대략 9분 정도의 매우 긴 시간이 소요된다. 이는 촉매 및 센서가 활성화되고 촉매에 의한 유해가스 저감이 실제로 일어나는 데에 필요한 시간이다. 그런데 이처럼 상기 이산화탄소 시비용 엔진을 시동시킨 후 10분 가량이나 지나야 동작이 안정화되어 식물에 이산화탄소 시비가 가능하게 된다면 실제 현장에서는 상당한 불편함을 초래하게 됨이 당연하다.

[2] 본 발명의 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법

도 4, 5 및 [1]의 내용을 통해 설명한 바와 같이, 상기 이산화탄소 시비용 엔진은 평상 운용 시에는 산소 센서를 이용하여 정확히 이론공연비가 유지되도록 피드백 제어되며, 이를 통해 배출가스 내 모든 유해가스를 50ppm 이하로 저감시킬 수 있기는 하지만, 시동시간이 10분 가량이나 된다는 문제점이 있음이 알려졌다.

이 때, 도 4, 5에 잘 나타나 있는 바와 같이, 시동시간을 이렇게 지연시키는 직접적인 원인은 일산화탄소(CO) 저감에 있다. 도 5 및 [1]의 내용을 참조하여 보다 구체적으로 설명하자면, 질소산화물(NOx)은 2분 경에 센서가 활성화되어 제어가 시작되며, 센서 활성화 이후로는 순간 피크는 높지만 평균 시 50ppm 이하가 되는 정도로 빠르게 안정화된다. 메탄(CH4)은 엔진이 정확히 이론공연비로 제어되기 때문에 처음부터 0을 유지하여 별도의 제어가 굳이 필요하지 않다. 한편 일산화탄소(CO)는 대략 9분 정도가 지나야 50ppm 미만으로 떨어지는 것이 확인되며, 이것이 바로 시동시간 지연의 직접적인 원인이 됨을 알 수 있는 것이다.

이러한 사항들을 고려할 때, 다른 유해가스의 정화성능을 약간 유보하고 일산화탄소 정화성능이 빠르게 안정화되게 함으로써 시동시간을 크게 단축할 수 있을 것으로 유추할 수 있다. 본 발명의 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법은 바로 이러한 관점으로 설계된 것으로, 구체적으로는 시동시간 단축을 위해 평상시와는 다른 방식으로 제어가 이루어지는 시동제어단계와, 평상시 배출가스 내 유해가스 정화성능을 극대화하는 운전이 이루어지는 평상제어단계를 포함한다. 상기 이산화탄소 시비용 엔진은, 앞서 설명한 바와 같이 배기관에 구비되는 삼원촉매, 상기 삼원촉매의 전방 및 후방에 각각 구비되는 한 쌍의 산소 센서 및 제어부를 포함할 수 있다. 또한 상기 이산화탄소 시비용 엔진은, 배출가스 내 유해가스를 보다 정확히 감지하고 필요시 이를 제어에 이용할 수 있도록 일산화탄소 센서, 질소산화물 센서 등이 배기관에 더 구비될 수 있으며, 정화성능 향상을 위해 삼원촉매가 더 구비될 수도 있다. 즉 상기 이산화탄소 시비용 엔진은, 가장 바람직하게는, 도 3 및 [1]에서 설명된 구성으로 이루어질 수 있다.

상기 시동제어단계는, 상술한 바와 같이 시동시간 단축을 위해 평상시와는 다른 방식으로 제어가 이루어진다. 보다 구체적으로, 상기 시동제어단계는, 엔진시동단계 및 희박운전단계를 포함할 수 있다.

상기 엔진시동단계에서는, 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 시동된다. 시동 직전까지는 엔진 뿐 아니라 촉매, 센서 등이 모두 정지 상태에 있었으나, 엔진이 시동된 직후부터 촉매, 센서 등의 동작이 시작되게 된다. 이 때, 유해가스 정화동작에 사용되는 촉매, 센서 등은 화학반응에 의해 동작하는 부품이기 때문에, 일반적인 기계부품, 전자부품 등과 같이 즉각적으로 정상화되지 못하며, 어느 정도 동작이 시작된 후 안정화되는 시간이 필요하다.

상기 희박운전단계에서는, 상기 제어부에 의하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 희박연소영역에서 운전된다. 여기에서 희박연소영역이란 공연비가 1.2 내지 1.3 범위 내의 값이 되는 영역을 말한다. 희박연소는 연료 대비 공기가 많은 상태에서 연소가 일어나는 것으로, 완전연소에 필요한 산소가 많이 공급되는 상태이다. 즉 희박연소 시에는 불완전연소에 의해 발생되는 일산화탄소(CO)가 거의 발생되지 않는다. 앞서 설명한 바와 같이, 종래의 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법으로 제어 시 시동시간을 지연시키는 가장 큰 원인은 일산화탄소(CO)로서, 종래에는 일산화탄소(CO)가 시동 초기에 엄청나게 대량으로 발생하며 이에 따라 일산화탄소(CO)가 적정 수준(50ppm 미만)까지 정화되는데 10분에 가까운 시간이 필요했던 문제가 있었다. 그러나 이와 같이 시동 초기에 상기 이산화탄소 시비용 엔진을 희박연소영역에서 운전함으로써, 초기의 일산화탄소(CO) 대량 발생 자체를 막아 버리면, 이러한 문제가 근본적으로 방지되는 것이다.

이처럼 본 발명에서는, 시동 초기에 강제적으로 희박연소 운전을 수행함으로써, 시동시간 지연의 원인인 초기 일산화탄소(CO) 대량 발생 현상을 근본적으로 제거한다. 이에 따라 시동 초기에 촉매, 센서 등이 안정화되는 데에 걸리는 시간만 기다리면 된다. 상기 희박운전단계는, 미리 결정된 시동제어시간 동안 수행될 수 있으며, 이 시동제어시간은 2 내지 3분 범위 내의 값일 수 있다. 이 값은 경험적으로 알려진 촉매, 센서 등이 안정화되는데 걸리는 시간으로서, 물론 적절하게 변경 실시될 수 있다. 또는 보다 명확한 기준으로서, 상기 이산화탄소 시비용 엔진에 질소산화물 센서가 더 구비되어 있는 경우, 상기 희박운전단계는, 상기 질소산화물 센서가 활성화되는 시간 동안 수행되도록 할 수 있다.

상기 평상제어단계는, 상술한 바와 같이 평상시 배출가스 내 유해가스 정화성능을 극대화하는 운전이 이루어진다. 보다 구체적으로, 상기 평상제어단계는, 평상전환단계 및 피드백제어단계를 포함할 수 있다.

상기 평상전환단계에서는, 상기 제어부에 의하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 이론공연비로 운전되도록 제어가 전환된다. 앞서 상기 시동제어단계에서 일산화탄소(CO) 발생량을 최대한 억제하였고, 또한 이 시점에서는 촉매, 센서들이 모두 활성화된 상태이기 때문에, 이제 이론공연비로 운전되어도 유해가스의 대량 발생이 우려되지 않게 된다.

상기 피드백제어단계에서는, 상기 제어부에 의하여 상기 산소 센서에서 측정되는 값을 이용하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 이론공연비로 운전되도록 피드백 제어된다. 즉 상기 제어부에 미리 설정되어 입력되어 있는 기초 연료량에 전방 산소 센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량 및 후방 산소 센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해, 상기 이산화탄소 시비용 엔진으로 공급되는 연료량이 보정되도록 제어되는 것이다. 보다 구체적으로 설명하자면, 제어부(500)에는 가스엔진(100)의 람다를 이론공연비가 되도록 제어할 수 있는 기초 연료량에 대한 맵 데이터(map data)가 미리 설정되어 입력되어 있다. 그리고 제어부(500)에서는 전방 산소 센서(430)에서 측정된 값에 의해 보정되는 연료량과 후방 산소 센서(440)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해 가스엔진(100)으로 공급되는 가스연료의 연료량이 보정되도록 제어할 수 있다. 이 때, 도 8과 같이 전방 산소 센서(430)에서 측정된 값을 통해 I 게인(gain) 적분제어를 하고, 과농(rich) 상태 및 희박(lean) 상태에서 딜레이(delay) 제어를 하며, P 게인(gain) 비례제어를 하여 연료량의 보정이 이루어질 수 있다. 그리하여 과농 딜레이 시간과 희박 딜레이 시간을 조절하여 후방 산소 센서(440)의 출력이 원하는 스레숄드(threshold) 값 근처에서 피드백(feedback) 되도록 제어하는 것이다. 앞서 도 4, 5 및 [1]에서 충분히 설명한 바와 같이, 상기 이산환탄소 시비용 엔진이 이와 같이 피드백 제어됨으로써, 배출가스 내 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 메탄(CH4)의 농도가 모두 50ppm 미만으로 유지되는 대단히 우수한 정화성능을 얻을 수 있다.

도 9, 10은 본 발명의 제어방법에 의해 운용되는 상기 이산화탄소 시비용 엔진의 배출가스 내 유해가스 농도를 측정한 결과를 도시하고 있다. 도 4, 5와 마찬가지로, 도 9는 농도 스케일이 0~10000ppm으로 전체적인 경향을 보여주며, 도 10은 농도 스케일이 0~100ppm으로 0 근처에서의 보다 세부적인 경향을 보여준다.

도 9, 10으로 확인되는 바와 같이, 시동제어단계에 해당하는 약 3분 정도까지는 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 희박연소로 운전되기 때문에 일산화탄소(CO) 초기 발생량이 종래에 비해 극히 적다. 종래에는 도 4로 확인되는 바와 같이 일산화탄소(CO) 발생량이 피크에서 4000ppm이 넘을 정도로 대량 발생하였으나, 본 발명에 의하면 도 9로 확인되는 바와 같이 일산화탄소(CO) 발생량이 피크에서 약 45ppm 정도밖에 되지 않아, 이미 최초에서부터 50ppm 미만으로서 적정 수준 내로 들어오게 된다.

한편 메탄(CH4)의 경우 종래 제어방법의 경우에는 계속 0을 유지하였으나 본 발명의 제어방법의 경우에는 최초에 1500ppm 가량의 피크가 발생한다. 그러나 도 9로 확인되는 바와 같이 피크도 빠르게 사라지며 이후로는 종래와 마찬가지로 0을 유지하므로, 피크 발생이 큰 문제가 되지는 않는다.

또한 질소산화물(NOx)의 경우, 도 9, 10으로 확인되는 바와 같이 초반에는 상 500ppm 정도까지 치솟기는 하나 시동제어단계가 유지되는 시간(즉 시동제어시간)인 3분 가량이 지나 촉매가 활성화된 후에는 빠르게 정화되어 간다. 특히 도 10으로 확인되는 바와 같이, 약 4분 쯤에 이미 피크 값이 80ppm 정도로 떨어지는데, 시간적 평균을 생각하면 이 시점에 이미 평균 농도는 50ppm 미만 수준이 되었다고 볼 수 있으며, 물론 5분이 되기 전에 피크 값도 50ppm 미만이 된다. 즉 시동제어시간 이후로는 빠르게 50ppm 미만으로 안정화된 상태가 유지되는 것이다.

시동제어시간 이후로는 상기 이산화탄소 시비용 엔진은 평상제어단계로 운용되며, 도 4, 5에서도 이미 확인되었고 도 9, 10에서도 재차 확인되는 바와 같이, 배출가스 내 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 메탄(CH4) 모두가 50ppm 미만 수준으로 매우 우수한 정화성능이 나타난다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 가스엔진
200 : 라디에이터 300 : 콤프레셔
410 : 제1삼원촉매 420 : 제2삼원촉매
430 : 전방 산소 센서 440 : 후방 산소 센서
450 : 질소산화물 센서 460 : 일산화탄소 센서
500 : 제어부 600 : 발전기

Claims

배기관에 구비되는 삼원촉매, 상기 삼원촉매의 전방 및 후방에 각각 구비되는 한 쌍의 산소 센서 및 제어부를 포함하는 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법에 있어서,
상기 이산화탄소 시비용 엔진이 시동되는 엔진시동단계,
상기 제어부에 의하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 공연비가 1.2 내지 1.3 범위 내의 값이 되는 영역인 희박연소영역에서 운전되는 희박운전단계
를 포함하는 시동제어단계;
상기 제어부에 의하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 이론공연비로 운전되도록 제어가 전환되는 평상전환단계,
상기 제어부에 의하여 상기 산소 센서에서 측정되는 값을 이용하여 상기 이산화탄소 시비용 엔진이 이론공연비로 운전되도록 피드백 제어되는 피드백제어단계
를 포함하는 평상제어단계;
를 포함하여,
상기 평상제어단계에서는 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소를 포함하는 유해가스의 발생을 전체적으로 억제하되, 상기 시동제어단계에서는 일산화탄소 발생을 최우선적으로 억제하도록 운전됨으로써 시동 후 시비시작시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법.
제 1항에 있어서, 상기 희박운전단계는,
미리 결정된 시동제어시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법.
제 2항에 있어서, 상기 시동제어시간은,
2 내지 3분 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법.
제 1항에 있어서,
상기 이산화탄소 시비용 엔진은 배기관에 구비되는 질소산화물 센서를 더 포함하며,
상기 희박운전단계는,
상기 질소산화물 센서가 활성화되는 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 피드백제어단계는,
상기 제어부에 미리 설정되어 입력되어 있는 기초 연료량에 전방 산소 센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량 및 후방 산소 센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해, 상기 이산화탄소 시비용 엔진으로 공급되는 연료량이 보정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 시비용 엔진의 제어방법.