KR20040029398A - 배기가스의 재순환에 의한 내연기관 조정방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 람다-1 내연기관(2)과, 연료유도라인(3), 연소에 필요한 공기-연료 혼합물을 압축시키도록 연료유도라인(3)에 배치된 보완유니트(9), 배기가스흐름에 배치된 촉매컨버터(12) 및, 촉매컨버터(12)의 하류에 위치되어 연료유도라인(3)으로 이어지고서 공기-연료 혼합물에 냉각된 배기가스를 공급하도록 된 배기가스재순환라인(15)을 필수적으로 구비하는 장치(1)를 조정하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 특히 단위시간 당 공기-연료 혼합물에 공급되는 배기가스의 양이 람다조정과 관련하여 내연기관(2)의 연소실에서 측정된 연소실 온도에 따라 조정되는 것을 특징으로 한다. 바람직하기로, 상기 연소실의 온도와 단위시간 당 공기-연료 혼합물로 공급되는 배기가스의 양은 연속적으로 측정되고 조정된다. 특히 소위 문제의 가스들이 사용될 때 탐침의 유효수명이 대체로 줄어들고 이에 따라 보수유지비용이 많이 들게되는 단점을 해결할 수 있다.

Description

배기가스의 재순환에 의한 내연기관 조정방법과 그 장치 {Method for adjusting an internal combustion engine with exhaust gas recirculation and device for carrying out said method}

실제로, 두가지 유형의 엔진이 유니트형 난방시스템에 우수하게 사용될 수 있음이 입증되었는 바, 이들 중 첫째로는 삼원촉매컨버터를 갖춘 람다-1 내연기관이고, 다음으로는 촉매컨버터가 없이 과급기(turbocharger)를 갖춘 린(lean)-가스엔진이 있다.

상기 람다-1 내연기관인 경우에, 효율적으로 공급된 공기량과 연소에 필요한 최소공기량 사이의 비가 1로 되는데, 이는 연소반응에서 공기의 산소분자 모두를 산화시키기 위해 필요한 연소공기의 화학량론적인 양이 연소공기에 더해짐을 의미한다. 이 연소방법에 의해 생성된 배기가스는 삼원촉매컨버터에 의해 정화되어서, 엔진에서 나오는 배기가스는 전술된 제한값에 미달되는 비교적 작은 배기값을 갖는 특징이 있다. 이 경우에, 연소공기로의 가스공급은 배기가스흐름 중에 배치된 람다탐침(探針)에 의해 조정되는데, 이 탐침은 배기가스흐름 중에 있는 산소량을 연속적으로 측정하여서, 조종가능한 제어부재를 매개로 하여 측정된 산소량의 함수로 연소가스의 요구량을 조정하게 된다. 하지만, 이러한 람다-1 내연기관은 비교적 작은 효율을 가지며, 이에 따라 낮은 출력을 갖는 단점이 있다. 상기 출력이 공기-연료 혼합물의 예압축과 과급(過給)에 의해 증대될 수는 있지만, 이 방법은 연소실의 압력과 온도를 상승시켜서, 소위 녹킹(knocking)이라고 하는 연료에 있는 불연소된 성분의 자기점화를 용이하게 일으키며, 엔진의 유효수명을 현저히 감소시키게 된다. 따라서, 과급기를 갖춘 람다-1 내연기관은 긴 유효수명을 가져야 하는 고정식 설비에는 사용될 수 없다.

상기 린-가스엔진의 경우에는, 가능한 낮게 연소온도를 유지하고 유해물질의 형성을 방지하기 위해서 연료가스가 연소공기를 초과하여 함유하고 있다. 통상 1.6과 1.8 사이의 람다값과 관련된 이 기술은 적절한 예로 하수에서 발생하는 가스와 쓰레기 처리장에서 발생하는 가스 및 생물가스와 같은 소위 문제의 가스들에 사용된다. 이들 가스가 연료가스로 사용될 때, 삼원촉매컨버터를 못쓰게 만들 수 있음을 잘 알고 있기 때문에 이들을 조합하여 사용할 수가 없다. 그러므로, 린-가스엔진에 의해서는 법으로 규정된 제한된 배기값을 따르기가 아주 어렵고, 예컨대 배기가스흐름에 산화촉매컨버터를 삽입함으로써 이것이 이루어질 수 있다 하더라도 상당한 추가비용을 수반하게 된다. 이에 덧붙여, 상당한 초과공기가 주어지면, 린-가스엔진의 출력은 아주 작게 된다. 이 단점을 보상하기 위하여, 공기-연료 혼합물이 배기가스터보과급기내로 통과되고 압축되는데, 여기서 람다탐침이 연료가스의 공급을 조절하는 데에 다시 한번 사용될 수 있다. 그러나, 소위 문제의 가스들이 사용될 때, 이 탐침의 유효수명이 현저히 줄어들고 이번에는 높은 보수유지비용이 들게 된다.

전술된 두가지 내연기관을 조절할 때, 연소공기와 연료가스 사이의 비가 엔진의 작동동안 계속적으로 수정되어야 하는 것이 절대적으로 필요하다. 엔진이 시동될 때, 또한 최대하중 이하이거나 가변적인 조건(가스품질의 변화나 온도의 급등과 같은)에서 작동될 때 혼합비는 바뀌는 작동조건에 계속적으로 맞춰져야 한다.이에 덧붙여, 특히 람다-1 가스엔진의 경우에, 만족스러운 삼원촉매컨버터의 전환율을 얻으려면 람다의 범위는 아주 좁은 범위를 갖게 된다. 이들 매개변수를 기초로 하여 공지된 엔진들의 제어는 최적화될 수 없으며, 증가된 출력을 얻으려면 개선되어야 한다.

본 발명은 배기가스의 재순환으로 내연기관을 조정하는 방법과 이 방법을 이행하는 장치, 즉 청구범위 제1항의 서문에 따른 방법과 제4항에 따른 장치에 관한 것이다.

상기 장치는 예컨대 고정식 가스엔진을 갖춘 유니트형 난방시스템에 사용된다.

이 유니트형 난방시스템의 우수하고 경제적인 작동은 반드시 세가지 기준에 따라 결정되는데, 동력밀도와 효율 및 제한된 배기값을 고려해야 한다.

연소생성물들 중 특히 NO₄배기와 같은 특정한 배기율은 상기 세가지의 기준에서 중요한 위치를 차지하는 바, 이는 화석연료로 작동되는 모든 장치에 대해 50 내지 80ng/Nm³정도의 최대 NO_x값을 지정한 정부의 규제 때문이다. 30ng/Nm³의 전형적인 배기로 이러한 조건을 만족시키는 가스엔진은 32%의 효율을 갖는다. 다른 구동수단이 더 우수한 효율을 갖지만, 대체로 이들의 배기가스 배출은 법에 의해 강제된 제한값을 초과하고 있다.

이제, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조로 하여 설명된다. 도 1은 람다-1 내연기관과 이 내연기관 또는 가스엔진으로 배기가스를 제어하여 재순환시키는 제어장치를 갖춘 본 발명에 따른 장치의 구조가 도시된 개략도이다.

본 발명은 특히 가스엔진과 같은 고정식 내연기관을 조정하는 새로운 방법을 제공하기 위한 것으로, 이는 전술된 어려움과 관련이 없으며, 특히 공지된 방법들이 갖는 결점이 없고, 항상 작동안정성이 크고 유효수명이 긴 상태에서 유해물질의 배출이 가능한 적게 됨과 동시에 더욱 효과적인 출력을 얻게 되도록 가능한 신속히 작동조건을 변경시키기 위해 연소공정을 조절할 수 있게 되어 있다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구범위 제1항에 기술된 특징을 갖는 방법과 제4항에 기술된 특징을 갖는 장치에 의해 성취될 수 있다.

이 방법과 장치의 바람직한 실시예들이 종속항에 기술되어 있다.

본 발명에 따르면, 전술된 유형의 람다-1 가스엔진이 주어지고서 연소에 필요한 공기를 압축시키는 보완유니트가 설치되어 있으며, 소정량의 냉각된 배기가스가 공기-연료 혼합물에 첨가되는데, 이러한 첨가는 상기 가스엔진의 연소실에서 측정된 온도의 함수로 제어된다. 바람직하기로, 상기 공기-연료 혼합물은 냉각된 배기가스의 공급을 연속적으로 받아들이되, 더욱 정확히 말하자면 조성된 가스혼합물에서 배기가스의 점유율이 체적의 20 내지 25% 사이로 되는 양을 받아들이게 된다.

상기 공기-연료 혼합물의 연소와 압축을 위한 보완유니트로는 바람직하기로 터보과급기로 구성되는데, 이 터보과급기가 압축시키는 데에 필요한 에너지는 배기가스로 터빈을 돌려 얻을 수 있다.

연소공정은 촉매컨버터로부터 얻은 냉각된 배기가스의 첨가로 인해 냉각된다. 실제로 모든 산소가 배기가스에서 제거되기 때문에, 람다의 값을 변경시키지 않고서 화학량론적인 공기-연료 혼합물에 첨가될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 삼원촉매컨버터를 갖춘 공지된 람다-1 내연기관의 장점들을 겸비할 수 있는 바, 이는 린-가스엔진으로 알려진 연소온도의 냉각 및 이에 따른 긴 유효수명과 더불어, 더욱 우수한 동력밀도를 가지며 더욱 광범위한 용도로 사용될 수 있음을 의미한다.

도 1에서 전체적으로 참조부호 1로 표시된 본 발명에 따른 장치는 도면에 도시되지 않은 프레임에 장착된 가스엔진(2)을 구비한다. 연료유도라인(3)은 공기-연료 혼합물을 가스엔진(2)으로 안내하고, 그 입력쪽에는 필요에 따라 개방될 수 있는 차단장치 또는 밸브(6)를 통해 연료(8)가 유입될 수 있는 한편, 공기(7)가 필터(5)를 통해 들어올 수 있는 가스혼합기(4)가 연결되어 있다.

또한, 상기 연료유도라인(3)에는 터보과급기(9)가 구비되는데, 이는 연소될 가스혼합물을 압축시킴으로써 가스엔진(2)의 가스처리량을 증대시켜서 동력밀도가 더욱 우수하게 될 수 있도록 한다. 또, 상기 터보과급기(9)는 압축된 공기-연료 혼합물을 냉각시키는 냉각기(10)를 구비한다.

한편, 배기가스라인(11)은 가스엔진(2)에서부터 배기가스냉각기(13)를 갖춘 삼원촉매컨버터(12)까지 이어져 있는데, 이들 모두는 공지된 구조로 되어 있고, 배기가스출구(14)를 구비하면서 추가적인 배기가스재순환라인(15)이 배기가스냉각기에서부터 이어져 있다. 본 발명에 따르면, 이 배기가스재순환라인은 배기가스재순환밸브(16)를 구비하며 연료유도라인(3)으로 내보내고 있다.

또한, 본 발명에 따른 장치(1)는 다양한 측정기구를 구비하고 있는 바, 이는 상기 삼원촉매컨버터(12)의 앞쪽에 있는 배기가스라인(11)에 배치된 람다탐침(17)과, 예컨대 발전기의 전력을 측정하는 동력측정장치(18), 가스엔진(2)의 연소실에 배치된 적어도 하나의 온도탐침(19) 및, 가스엔진(2)에 설치된 녹킹센서(20)를 구비하고 있다.

추가로, 상기 장치(1)는 제어기구(21)를 구비하고, 이 제어기구는 배기가스재순환밸브(16)와 가스혼합물용 밸브(6) 및 제어부재(25)의 제어수단들(22,23,24)에 연결되어 있는데, 이들은 예컨대 버터플라이밸브(butterfly valve)의 형태로 될 수 있으며, 차례로 터보과급기(9)와 가스엔진(2)의 사이에서 압력라인으로 표시된영역에서 연료유도라인(3)에 배치된다.

또한, 상기 제어기구(21)는 바람직하기로 기동기구와, 표시장치 및, 시스템이 수동이나 자동으로 제어되고 감지될 수 있게 하는 전자부품을 구비한다.

상기 배기가스라인(11)을 통해 흐르는 배기가스의 최적의 정화를 확보하고 이에 따라 최소의 허용배기값을 얻기 위해서, 람다탐침(17)에 의해 탐지된 측정값은 제어기구에 의해 평가되며, 이들 측정값을 고려하여 미리 설치된 프로그램에 따라, 예컨대 람다값을 가진 제어부재로 될 수 있는 제어수단(23)은 가스혼합기에서 계속 생성되는 공기-연료 혼합물이 연소공정 내내 바람직한 화학량론적인 연소비를 갖도록 제어된다.

배기가스재순환밸브(16)가 설치된 배기가스재순환라인(15)은 이 장치에 악영향을 끼치는 전술된 요인들을 보정하도록 작용한다. 이 밸브는 예컨대 제어부재를 갖춘 조절밸브로 될 수 있으며, 냉각된 배기가스가 제어기구(21)에 의해 제어되는 연료유도라인(3)으로 공급될 수 있게 한다. 바람직하기로, 공기-연료 혼합물에 공급될 배기가스의 양은 연속적으로 측정되는 연소실의 온도의 함수로 제어기구(21)에 의해 계속 제어된다. 이 온도는 적어도 하나의 온도탐침(19)에 의해 측정되는데, 그 센서는 가스엔진(2)의 여러 연소실린더 중 하나에 설치된다. 연소공정으로의 배기가스 공급이 제어될 수 있어서, 변화하는 작동조건에 연소온도를 맞출 수 있게 되고, 전술된 바와 같이 연료와 연소공기 사이의 화학량론적인 비율에 어떠한 영향도 끼치지 않게 된다. 제어회로의 짧은 반응시간은 배기가스재순환율의 조정을 위해 결정적으로 중요하다. 이 조건은 연소실 온도의 직접적인 측정과 이 온도에의해 바로 결정되는 배기가스재순환밸브(16)의 제어로 충족된다.

마찬가지로 제어기구(21)에 연결된 상기 녹킹센서(20)와 연료유도라인(3)의 제어부재(25)도 연소공정을 제어하도록 작용하는 구성요소이다. 이들 구성요소의 기능과 제어는 당해분야의 숙련자들에게 잘 알려져 있으므로, 이에 대하여 상세히 설명하지 않는다.

연소온도를 제어하도록 작용하는 배기가스재순환과 조합하여 사용함으로써, 본 발명에 따른 방법과 이를 위해 필요한 터보과급기(9)를 갖춘 연소장치는 전술된 여러 문제점을 해결하며, 공지된 방법과 비교해 볼 때 더욱 우수한 이행성능을 갖게 된다.

본 발명에 따른 방법과 이 방법을 이행하는 데에 필요한 장치의 장점과 특성은 다음과 같다.

연소온도를 제어하도록 연속적이고 비교적 신속히 작용하는 조정기구가 불리한 녹킹을 효과적으로 저지할 수 있다.

삼원촉매컨버터를 조합한 람다-1 내연기관을 사용함으로써, 본 발명에 따른 장치는 낮은 배기값을 갖게 된다.

더구나, 상기 장치는 비교적 높은 정도로 과급할 수 있고, 이에 따라 정화성능을 향상시킬 수 있다. 동력밀도는 처음에 설명된 두가지 내연기관보다 1.5 내지 2배로 높게 되며, 그 효율 또한 비교되는 공지된 장치보다 대체로 우수하게 된다.

엔진 내부에서의 연소가 계속 제어되고 이 엔진이 작동하는 시간 내내 최적으로 되기 때문에, 배기가스 배출을 최소로 유지하면서 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 관련 엔진부품의 유효수명이 증대될 수 있는데, 즉 본 발명에 따른 해결방법에서의 마손(磨損)이 공지된 장치에서보다 확실히 적다.

Claims (8)

1. 람다-1 내연기관(2)과, 연료유도라인(3), 연소에 필요한 공기-연료 혼합물을 압축시키도록 연료유도라인(3)에 배치된 보완유니트(9), 배기가스흐름에 배치된 촉매컨버터(12) 및, 이 촉매컨버터(12)의 하류에 배치되어 공기-연료 혼합물에 냉각된 배기가스를 공급하고 연료유도라인(3)으로 내보내는 배기가스재순환라인(15)을 필수적으로 구비하는 장치(1)를 조정하는 방법에 있어서,

   단위시간 당 공기-연료 혼합물로 공급되는 배기가스의 양이 내연기관(2)의 연소실에서 측정된 온도의 함수로 조정되는 것을 특징으로 하는 내연기관 조정방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 온도와 단위시간 당 공기-연료 혼합물로 공급되는 배기가스의 양은 연속적으로 측정되거나 제어되며, 상기 공기-연료 혼합물의 화학량론적인 비율을 조정하기 위해 배기가스에 남아 있는 산소량이 람다탐침(17)으로 측정되는 것을 특징으로 하는 내연기관 조정방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각된 배기가스는 연소온도가 예정된 값을 초과하지 않는 양으로 공기-연료 혼합물에 공급되고, 조성된 가스혼합물에 함유된 배기가스의 비율이 내연기관의 동력에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 내연기관 조정방법.
4. 연료유도라인(3)을 갖춘 람다-1 내연기관(2)과,

   연소에 필요한 공기-연료 혼합물을 압축시키도록 연료유도라인(3)에 배치된 보완유니트(9),

   배기가스흐름에 배치된 촉매컨버터(12),

   이 촉매컨버터(12)의 하류에 배치되어 연료유도라인(3)으로 내보내는 배기가스재순환라인(15),

   상기 내연기관(2)에 배치된 적어도 하나의 온도탐침(19) 및,

   이 적어도 하나의 온도탐침(19)으로 측정된 연소실의 온도에 따라 단위시간 당 배기가스재순환라인(15)을 통해 공급되는 배기가스의 양을 제어하는 제어기구(21)를 구비하는, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이행하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 내연기관(2)은 가스엔진인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 공기-연료 혼합물의 압축 및 연소를 위한 보완유니트(9)는 터보과급기인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매컨버터(12)는 삼원촉매컨버터인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매컨버터(12)의 상류의 배기가스라인에 배치된 람다탐침(17)과, 동력측정장치(18) 및, 내연기관(2)에 배치된 녹킹센서(20)를 구비하며, 이들 측정기구도 중앙의 제어기구(21)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.