KR20110043702A - 가스 엔진의 노킹 제어장치 - Google Patents

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토모히코 스기모토
테츠오 토쿠오카
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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

본 발명에 따른 가스 엔진(1)의 노킹 제어장치(20)는, 제어부(21)가, 소정 사이클이 경과하는 동안에 소정의 노킹이 발생한 사이클 수의 상기 소정 사이클 수에 대한 비율인 노킹 출현율(SEV)을 산출하고, 노킹 출현율(SEV)을 지연 연산해 산출한 발생율 지연 연산값(SEVAVE)과 소정의 발생율 목표값(SEVSET)과의 편차(ΔSEV)에 기초하여 점화 장치의 점화 타이밍의 목표값을 결정해, 점화 타이밍이 상기 목표값에 따라 정해지는 지령값(IGN)이 되도록 점화 장치를 구동 제어한다.

Description

가스 엔진의 노킹 제어장치{KNOCKING CONTROL DEVICE IN GAS ENGINE}
본 발명은 천연가스나 도시가스 등의 가스 연료를 주연료로 하는 왕복형 가스 엔진(Reciprocating gas engine)의 노킹 제어장치에 관한 것이다.
발전 설비에 이용되는 가스 엔진은 노킹이 막 발생하려는 상태에서 운전을 계속할 때 높은 발전 효율을 얻을 수 있다는 것이 알려져 있다. 반면, 높은 강도의 노킹은 기통을 손상시키는 원인이 되기 때문에, 가능한 발생하지 않도록 할 필요가 있다.
따라서, 예를 들면 특허 문헌 1에 개시된 바와 같이, 노킹의 발생을 제어하는 가스 엔진의 노킹 제어장치가 제안되어 있다. 이러한 노킹 제어장치는, 노킹의 발생율이 소정의 역치를 넘었을 경우 노킹의 발생을 방지하기 위해 기통에 대한 연료 공급량이나 점화 타이밍을 변경하는 제어를 실시하도록 구성되어 있다. 이러한 발생율의 산출은 소정 사이클이 경과할 때마다 행해지므로, 산출된 발생율과 역치의 편차에 따라서 연료 공급량이나 점화 타이밍을 변경하기 위한 보정값이 소정 사이클 시마다 결정된다. 특히, 노킹의 발생이 많을 때에는 연료 공급량을 감소시킴으로써 노킹의 발생을 억제하도록 하고 있다.
[특허문헌]
[특허문헌 1]일본특허공개 제2007-247569호 공보
그러나, 높은 발전 효율을 얻기 위해 가스 엔진을 상술한 상태로 운전시키는 경우에는, 노킹의 발생율이 안정되지 못한다. 즉, 특허 문헌 1의 장치에 의하면, 소정 사이클이 경과할 때마다 노킹의 발생율이 크게 변화하는 경우에는, 연료 공급량이나 점화 타이밍이 그것에 추종하여 소정 사이클마다 크게 변화하게 되므로 엔진의 운전이 안정되기 어렵다. 이러한 것을 회피하기 위해서 역치를 큰 값으로 설정하는 경우에는, 노킹 발생율과 역치의 편차가 작아져서 결과적으로 노킹의 발생이 과소평가되어 노킹을 충분히 억제할 수 없게 된다. 또한, 연료 공급량을 줄여 노킹의 발생을 억제하면, 원하는 엔진 출력을 얻을 수 없게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 가스 엔진이 불안정하게 운전되지 않고, 원하는 엔진 출력을 유지하면서도, 노킹을 충분히 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 내용을 바탕으로 한 것으로서, 본 발명에 따른 가스 엔진의 노킹 제어장치는, 가스 엔진에 공급된 혼합기체를 점화하기 위한 점화 장치와, 상기 가스 엔진의 기통에서의 노킹을 검출하는 노킹 검출 장치와, 상기 가스 엔진의 위상각을 검출하는 위상각 검출 장치와, 상기 점화 장치를 구동 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 소정의 사이클 횟수 동안 소정의 노킹이 발생한 사이클 횟수의 상기 소정의 사이클의 횟수에 대한 비율인 노킹 발생율을 산출하고, 상기 노킹 발생율을 지연 연산해 산출한 발생율 지연 연산값과 소정의 발생율 목표값과의 편차에 기초하여 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 목표값을 결정하며, 점화 타이밍이 상기 목표값에 따라 정해진 지령값이 되도록 전기 점화 장치를 구동 제어하는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 발생율 지연 연산값은 과거의 노킹 발생율의 이력을 포함한 값이 된다. 따라서, 노킹 발생율이 소정 사이클이 경과할 때마다 크게 변화 하게 되더라도, 이러한 변화에 의해서 점화 타이밍이 크게 변화하지 않게 된다. 따라서, 노킹의 발생을 억제하면서도 안정된 가스 엔진의 운전을 확보할 수 있다. 나아가, 점화 타이밍을 변경하는 것에 의해서 노킹의 발생율을 제어하기 때문에, 연료 공급량을 변경하는 경우와 비교해서 원하는 엔진 출력을 유지하는 것이 가능해진다.
상기 제어부는, 상기 발생율 지연 연산값이 상기 발생율 목표값 보다 클 때에는 점화 타이밍을 늦추고(지각(遲角)시키고), 상기 발생율 지연 연산값이 상기 발생율 목표값보다 작을 때에는 점화 타이밍을 앞당기는(진각(進角)시키는) 구성을 가질 수도 있다. 이때, 점화 타이밍을 늦추는 때에 있어서의 단위 기간 동안의 점화 타이밍의 지각량이, 점화 타이밍을 앞당기는 때에 있어서의 단위 기간 동안의 점화 타이밍의 진각량에 비해 큰 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 점화 타이밍을 늦추어 노킹의 발생율을 낮추고자 할 때에는 그러한 동작이 신속하게 이루어지고, 점화 타이밍을 앞당겨 가스 엔진의 출력 효율을 상승시키고자 할 때에는 그러한 동작이 이것이 천천히 안전하게 이루어진다. 그 결과로, 노킹의 발생을 신속하게 억제하면서도 효과적인 노킹 제어가 가능해진다.
상기 제어부는, 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 지령값을 지연 연산함으로써 점화 타이밍의 기준값을 산출하고, 상기 발생율 지연 연산값과 상기 출현율 목표값과의 편차에 기초하여 결정한 보정값을 상기 기준값에 가산하는 것에 의해서 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 목표값을 결정하는 구성을 가질 수도 있다. 이러한 구성에 따르면, 점화 타이밍이 노킹 발생율과 동일하게 과거의 데이터를 고려한 값이 되므로, 결정되는 점화 타이밍의 목표값을 안정시킬 수 있다. 여기서 말하는 「보정값」은 양의 값 및 음의 값을 포함한 개념이다.
상기 노킹 검출 장치는, 노킹을 그 강도에 따라 복수 단계로 나누어 검출하고, 상기 제어부는, 상기 소정 사이클이 경과하는 동안에 소정 강도 이상의 노킹이 발생한 사이클 수가 역치를 초과할 때에는 상기 사이클 수에 따른 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 지각량을 산출하고, 상기 발생율 지연 연산값과 상기 발생율 목표값과의 편차에 기초하여 결정한 보정값을 상기 기준값에 가산하는 것에 의해서 산출된 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 목표값을 상기 지각량만큼 늦추는 구성을 가질 수도 있다. 이러한 구성에 따르면, 지연 연산과는 별도로 점화 타이밍이 늦춰지기 때문에, 엔진의 부담이 큰 소정 강도 이상의 노킹이 발생했을 경우에 신속하게 노킹이 억제되어 가스 엔진이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 상기 지연 연산은 이동 평균 기법에 의할 수도 있다. 또한, 상기 가스 엔진으로 혼합 기체가 공급되는 주연소실 및 부연소실이 설치되고, 상기 점화 장치는 상기 부연소실에 공급된 혼합 기체를 스파크 점화시키는 점화 플러그를 구비할 수도 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면 참조하여 이하의 적합한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 가스 엔진의 운전을 불안정화시키지 않고 원하는 엔진 출력을 유지하면서도, 노킹의 발생율이 목표로 하는 발생율에 근접하도록 노킹을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 엔진의 노킹 제어장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 노킹 검출 장치가 실시하는 연소 상태의 판정 처리에 대한 설명도이다.
도 3은 도 1에 도시된 주제어장치가 실시하는 노킹 발생율 제어에 대한 설명도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명과 관련한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 엔진의 노킹 제어장치의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 1에 도시된 가스 엔진(1)은, 천연가스나 도시가스 등의 가스 연료를 주연료로 하는 왕복형의 다기통 4 사이클 엔진이며, 예를 들면 발전 설비의 원동기로서 이용된다. 도 1에서는 가스 엔진(1)의 기통(2) 중 하나를 대표해 도시하였지만, 도시하지 않는 다른 기통들도 동일한 구성을 가지고 있다.
기통(2)에는 피스톤(3)이 왕복 운동 가능하게 삽입되어 있고, 피스톤(3)은 가스 엔진(1)의 출력축인 크랭크축(도시하지 않음)과 연결되어 있다. 기통(2)에서 피스톤(3)의 상부에는 주연소실(4)이 형성되어 있다. 주연소실(4)에는, 급기 밸브(5)가 개재된 급기 포트(6)가 접속되어 있고, 배기 밸브(7)가 개재된 배기 포트(8)가 접속되어 있다. 급기 포트(6) 안에는 가스 연료를 분사하는 주연료 공급 밸브(9)가 설치되어 있다.
또한, 주연소실(4)에는 부연소실(10)이 인접되어 있다. 부연소실(10)은, 격벽(11)을 통해 주연소실(4)과 구획되어 있고, 격벽(11)에 형성된 연통공(12)을 통해 주연소실(4)과 연통되어 있다. 상기 부연소실(10)에는 가스 연료를 분사하는 부연료 공급밸브(13)와 혼합 기체를 점화하기 위한 점화 플러그(14)가 설치되어 있다.
이러한 가스 엔진(1)에 의하면, 급기 행정에서 주연소실(4)에는 급기 포트(6)를 통해 외부 공기와 주연료 공급 밸브(9)가 분사하는 가스 연료를 포함한 혼합기체가 공급되고, 부연소실(10)에는 부연료 공급 밸브(13)가 분사하는 가스 연료를 포함한 혼합 기체가 공급된다. 압축 행정에서는 주연소실(4) 및 부연소실(10) 내의 혼합 기체가 압축된 후, 점화 플러그(14)가 소정의 타이밍에서 동작하여 부연소실(10) 내의 혼합 기체가 착화(着火)된다. 부연소실(10) 내에서 발생한 화염은 연통공(12)을 통해서 주연소실(4) 내로 전파되고, 상기 화염에 의해서 주연소실(4) 내의 혼합 기체가 착화된다. 이것에 의해 피스톤(3)이 아래로 이동한다(팽창 행정). 그리고, 배기행정에서는, 주연소실(4) 내의 가스가 배기 포트(8)를 통해 외부로 배출된다.
또한, 배기 포트(8)에 접속되는 배기 통로(15)는 도시되지 않은 과급기(過給機)에 접속되고, 배기 통로(15)에 개재되는 바이패스(by-pass) 유로(16) 상에는 급기압을 조정하기 위한 배기 바이패스 밸브(17)가 설치되어 있다. 급기 행정에서는, 도시되지 않은 과급기로부터의 고압 공기도 급기 포트(6)에 공급된다.
가스 엔진(1)은 상기 4 행정을 1 사이클로서 동작한다. 1 사이클의 사이에 피스톤(3)이 2번 왕복하고, 크랭크축이 2번 회전하며, 급기 밸브(5) 및 배기 밸브(7)를 구동시키는 동작 밸브 시스템을 구성하는 캠축(도시하지 않음)이 1 회전한다. 즉, 1 사이클 동작 동안에서의 피스톤(3)의 위치, 크랭크축의 회전각(크랭크각), 또는 캠축의 회전각 등을 가스 엔진(1)의 위상각으로서 취급할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 엔진(1)의 노킹 제어장치(20)는 CPU, 메모리 및 입출력 인터페이스를 가지는 주제어장치(21)를 구비한다. 메모리에는 후술하는 노킹 발생율 제어를 위한 제어 프로그램 등이 저장되고, CPU에 의해서 상기 제어 프로그램이 실행된다.
주제어장치(21)는, 전자 밸브인 주연료 공급 밸브(9) 및 부연료 공급 밸브(13)로 구동 신호를 출력하는 가스 밸브 제어장치(22)에 접속되어, 가스 밸브 제어장치(22)로 지령 신호를 출력하여 각 연료 공급 밸브(9, 13)를 구동 제어한다. 또한, 주제어장치(21)는 점화 플러그(14)로 구동 신호를 출력하는 점화 플러그 드라이버(23)에 접속되어 있다. 주제어장치(21)는 상기 드라이버(23)로 지령 신호를 출력해 드라이버(23) 및 점화 플러그(14)를 구동 제어하여 혼합 기체의 점화 타이밍을 제어한다. 점화 플러그(14)의 구동 제어는 기통(2)마다 독립하여 행해진다.
노킹 제어장치(20)는, 연료 공급 밸브(9, 13)의 동작 기간이나 점화 플러그(14)에 의한 혼합 기체의 점화 타이밍을 제어하기 위하여, 가스 엔진(1)의 위상각을 검출하기 위한 위상각 검출 장치(24)를 구비하며, 주제어장치(21), 가스 밸브 제어장치(22) 및 점화 플러그 드라이버(23)에는 위상각 검출 장치(24)로부터의 신호가 입력된다. 위상각 검출 장치(24)는 전자 픽업, 근접 스위치 또는 로터리 인코더에 의해서 구성되어도 좋다.
노킹 제어장치(20)는, 노킹의 발생을 검출하는 노킹 검출 장치(25)를 구비한다. 노킹 검출 장치(25)에는 위상각 검출 장치(24)와 기통(2)의 내압을 검출하는 기통 내압 센서(26)가 접속되어 있다. 노킹 검출 장치(25)는, 가스 엔진(1)의 위상각과 기통(2)의 내압 변동에 기초하여, 1 사이클마다 기통(2)의 연소 상태가 「통상」, 「실화(失火)」, 「소(小) 노크」및 「대(大) 노크」의 4개 상태 중 어느 것에 속하는지를 판정한다. 기통 내압 센서(26)는 각 기통(2)에 개별적으로 설치되어 있어 노킹 검출 장치(25)에 의해 각 기통(2)의 연소 상태가 개별적으로 판정된다. 주제어장치(21)에는 노킹 검출 장치(25)에 의한 판정 결과가 입력된다.
도 2는 상기 노킹 검출 장치(25)가 실시하는 연소 상태의 판정 처리에 대한 설명도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기통 내압 센서에 의해 기통 내압의 파형이 계측되면, 노킹 검출 장치는 상기 파형을 필터에 통과시켜 고주파 성분을 추출한다. 데이터를 추출하는 범위는, 피스톤이 상사점(上死點)에 이르고 나서부터의 소정 시간(예를 들면 20msec)으로 설정된다. 그리고 상기 시간 내에서의 고주파 성분이 복수개(N) 샘플링되고, 샘플링된 각 성분의 평균값이 산출된다. 상기 평균값이 제1 역치 이상인 경우에는, 기통의 연소 상태가 「대 노크」상태라고 판정되고, 상기 평균값이 제1 역치 미만이고 제2 역치 이상인 경우에는, 기통의 연소 상태가 「소 노크」상태라고 판정된다. 「대 노크」 및 「소 노크」는 모두 제2 역치에 기초하여 기통에 노킹이 발생하였다는 상태를 나타내는 것이지만, 「대 노크」는 제1 역치에 기초하여 소정 강도 이상의 노킹이 발생한 상태를 나타내고, 「소 노크」는 제1 역치에 기초하여 소정 강도 미만의 노킹이 발생한 상태를 나타낸다.
또한, 기통 내압 센서에 의해 기통 내압의 파형이 계측되면, 노킹 검출 장치는, 상사점 전후의 기통 내압을 비교하고, 이러한 비교를 통해 얻을 수 있는 압력 편차(ΔP)가 역치를 초과하는지 여부를 판정한다. 압력 편차(ΔP)가 역치 미만인 경우에는, 기통의 연소 상태가 「실화」 상태라고 판정되고, 압력 편차(ΔP)가 역치 이상이고 상기 평균값이 제2 역치 미만인 경우에는, 기통의 연소 상태가 「통상」 상태라고 판정된다.
다시 도 1을 참조하면, 주제어장치(21)에는, 그 외에도 발전기 출력, 급기 압, 급기 온도, 배기 온도가 입력된다. 주제어장치(21)는, 발전기 출력에 대해서 소정의 급기압이 되도록 배기 바이패스 밸브(17)의 개방도를 조절하는 제어를 실시하여, 혼합 기체의 공연비(空燃比)가 발전기 출력에 대응하는 소정 값으로 유지된다. 또한, 주제어장치(21)는 각 기통(2)의 배기 온도를 균일하게 하는 제어를 실시하여, 각 기통(2)이 분담하는 부하가 평준화되도록 한다. 또한, 가스 밸브 제어장치(22)는, 급기압과 가스 연료의 압력과의 차이가 소정 값이 되도록 가스 연료의 압력을 조정하여 전자 밸브인 주연료 공급 밸브(9)가 급기압의 크기에 관계없이 안정된 개폐 동작을 할 수 있게 한다.
이하, 도 1을 참조하면서 도 3에 기초하여, 노킹 제어장치(20)의 주제어장치 (21)가 실행하는 노킹 발생율 제어에 대해 설명한다.
노킹 발생율 제어는, 각 기통(2)의 노킹 발생율(SEV)을 소정의 목표값(SEVSET)에 근접시키는 것을 목적으로 하고, 그 개요는 가스 엔진(1)이 소정 사이클 수(N)(예를 들면, 50 사이클)를 운전할 때마다, 각 기통(2)에서의 혼합 기체의 점화 타이밍의 목표값(IGNSET2)을 갱신하고, 상기 목표값(IGNSET2)에 근거하여 결정된 지령값(IGN)을 점화 플러그 드라이버(23)로 출력해 점화 플러그(14)를 구동 제어하는 것이다. 공지된 바에 따르면, 점화 타이밍이 늦춰지면 노킹이 발생하기 어려워지고, 점화 타이밍이 앞당겨지면 노킹이 발생하기 쉬워진다.
이러한 제어 내용에 의하면, 주제어장치(21)는 그 기능 블록으로서 노킹 발생율 산출부(31), 발생율 지연 연산부(32), 편차·보정값 산출부(33), 기준값 산출부(34), 일차 목표값 산출부(35), 지각량 산출부(36), 2차 목표값 산출부(37) 및 변화율 제한부(38)를 구비한다.
노킹 발생율 제어의 내용에 대해 구체적으로 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 주제어장치(21)에는, 1 사이클마다, 노킹 검출 장치(25)에 의해서 판정된 기통(2)의 연소 상태가 입력된다. 주제어장치(21)의 노킹 발생율 산출부(31)는 위상각 검출장치(25)로부터 입력되는 신호에 근거해 가스 엔진(1)이 소정 사이클 수(N)동안 운전했다고 판정되면, 그동안에 소 노크가 발생한 사이클 수(NL)의 상기 소정 사이클 수(N)에 대한 비율(SEV)을 산출한다(SEV=NL/N). 이하에서는, 상기 비율(SEV)을 「노킹 발생율」이라고 칭하여 설명한다.
주제어장치(21)의 발생율 지연 연산부(32)는, 최근에서부터 소정 기간(본 명세서에서는 편의적으로 부호 T를 부기한다)만큼 거슬러 올라가 노킹 발생율(SEV)을 지연 연산한다. 여기에서는 지연 연산의 연산 기법으로서 이동 평균이 이용되며, 발생율 지연 연산부(32)에서 발생율 평균값(SEVAVE)이 산출된다. 여기서, 이동 평균은, 단순 이동평균이어도 좋고, 현재에 가까운 노킹 발생율에 대한 중요도를 높게 한 가중 이동평균이어도 좋다. 또한, 상기 지연 연산의 연산 기법은 일차 지연 연산이어도 좋다.
상기 지연 연산의 연산 범위인 소정 기간(T)으로는, 노킹 발생율(SEV)을 취득하기 위해서 확보된 상기 소정 사이클 수(N)에 대해서 충분히 큰 기간(예를 들면 수 분)이 설정되어 있다. 따라서, 주제어장치(21)의 메모리에는, 최근에서부터 적어도 상기 소정 기간(T)만큼 거슬러 올라간 과거의 노킹 발생율이 기억된다.
또한, 주제어장치(21)의 메모리에는, 노킹 발생율의 목표값(SEVSET)이 미리 기억되어 있다. 노킹 발생율이 상기 발생율 목표값(SEVSET)인 상태에서 가스 엔진(1)이 계속 운전하게 되면, 높은 발전 효율이 달성되는 한편, 가스 엔진(1)에는 큰 손상이 가해지지 않는다. 이러한 발생율 목표값(SEVSET)은 실험 또는 수치 시뮬레이션에 의해서 얻을 수 있는 값이다.
주제어장치(21)의 편차·보정값 산출부(33)는 발생율 평균값(SEVAVE)과 발생율 목표값(SEVSET)을 비교하여 편차(ΔSEV)를 산출한다. 여기에서는, 편차(ΔSEV)의 산출에 있어서 발생율 목표값(SEVSET)를 양, 발생율 평균값(SEVAVE)을 음으로 하고 있다(ΔSEV = SEVSET-SEVSVE). 나아가, 편차·보정치 산출부(33)는, 상기 편차(ΔSEV)에 이득(gain)(K1)을 곱하여 보정치(ΔIGNSEV)를 산출한다(ΔIGNSEV=ΔSEV×K1). 편차(ΔSEV)가 양일 때, 즉 노킹의 발생율이 목표보다 낮은 상황에서는, 상기 보정값(ΔIGNSEV)이 양이 되고, 그 반대의 경우는 보정값(ΔIGNSEV)이 음이 된다.
주제어장치(21)의 일차 목표값 산출부(35)는, 기준값 산출부(34)에서 산출된 기준값(IGNAVE)에 상기 보정값(ΔIGNSEV)을 가산하여, 점화 타이밍의 일차 목표값(IGNSET1)을 산출한다(IGNSET1=IGNAVE+ΔIGNSEV). 보정값(ΔIGNSEV)이 양일 때에는 일차 목표값(IGNSET1)은 기준값(IGNAVE)을 보정값(ΔIGNSEV)만큼 앞당겨 변경한 값이 되고, 보정값(ΔIGNSEV)이 음일 때에는 그 반대가 된다.
주제어장치(21)의 기준값 산출부(34)는 점화 타이밍의 지령값(IGN)(실제의 점화 타이밍과 실질적으로 의미가 동일함)을 지연 연산하여 상기 기준값(IGNAVE)을 산출한다. 상기 지연 연산에는, 상기 발생율 평균값(SEVAVE)을 산출할 때와 동일한 연산 기법이 이용되는 것이 바람직하고, 여기에서는 최근으로부터 상기 소정 기간 (T) 거슬러 올라가 과거의 지령값(IGN)의 이동평균을 연산하는 것에 의해서 기준값(IGNAVE)이 산출된다. 또한, 발생율 평균값(SEVAVE)이 가중 이동평균에 의해 산출되는 경우에는, 기준값(IGNAVE)의 산출에 대해서도 같은 중요도가 고려된다.
주제어장치(21)의 이차 목표값 산출부(37)는 상기 일차 목표값(IGNSET1)을 지각량 산출부(36)에서 산출된 지각량(ΔIGNM)만큼 감산하여 점화 타이밍의 이차 목표값(IGNSET2)을 산출한다(IGNSET2=IGNSET1-ΔIGNM, ΔIGNM≥0).
주제어장치(21)에는, 상기 지각량(ΔIGNM)을 산출하기 위해서 소정의 사이클 수(N)가 경과하는 동안에 대 노크가 발생한 사이클 수(NM)가 기억되고, 주제어장치(21)의 지각량 산출부(36)는 상기 사이클 수(NM)가 역치(M) 이상인 경우에는 사이클 수(NM)에 대응하는 지각량(ΔIGNM)을 산출한다. 구체적으로, 지각량 산출부(36)는 사이클 수(NM)에 대해, 역치(M)로부터 1을 감한 값을 감산하고, 이와 같이 얻어진 값에 이득(K2)을 곱하여 지각량(ΔIGNM)을 산출한다(ΔIGNM={NM-(M-1)}×K2). 단, 사이클 수(NM)가 역치(M) 미만인 경우에는, 식 : NM-(M-1)의 값이 0으로 취급된다. 따라서, 사이클 수(NM)가 역치 이상인 경우에는, 사이클 수(NM)가 많아질수록 지각량(ΔIGNM)이 커지고, 사이클 수(NM)가 역치(M) 미만인 경우에는 지각량(ΔIGNM)이 0이 된다. 한편, 역치(M)는 가스 엔진(1)의 사양에 따라 적당의 값으로 설정된다(예를 들면 M=2).
주제어장치(21)는. 상기 지각량(ΔIGNM)을 고려한 이차 목표값(IGNSET2)을 점화 타이밍의 최종적인 목표값으로 갱신한다. 또한, 주제어장치(21)는 점화 타이밍의 지령값(IGN)이 현재의 지령값(갱신 직전의 이차 목표값과 실질적으로 동일한 의미임)으로부터 새로 갱신된 이차 목표값(IGNSET2)으로 바로 갱신되는 것을 방지하도록 구성된다.
구체적으로, 주제어장치(21)의 변화율 제한부(38)는 새로 갱신된 이차 목표값(IGNSET2)이 현재의 지령값에 비해 큰 값이고, 점화 타이밍의 지령값을 앞당길 필요가 있을 때에, 단위 기간만큼의 점화 타이밍의 진각량을 제1 변화율(본 명세서에서는 편의적으로 부호 ΔIGNLIM1를 부기한다)로 제한한다. 한편, 여기에서는 설명을 단순화하기 위하여 「단위 기간」을 1 사이클로 하고 있지만, 단위 시간이어도 좋다.
이때, 이차 목표값(IGNSET2)이 갱신되고나서 점화 타이밍의 지령값이 상기 이차 목표값(IGNSET2)에 이르는 동안에는, 적어도 이차 목표값(IGNSET2)을 제1 변화율(ΔIGNLIM1)로 나누어 얻을 수 있는 정수 부분에 상당하는 사이클 수의 경과가 필요하며, 이러한 나눗셈에서 나머지가 있는 경우에는 해당 사이클 수가 경과한 후의 다음 사이클에서 상기 나머지만큼 점화 타이밍이 앞당겨지게 된다. 바꾸어 말하면, 갱신된 이차 목표값(IGNSET2)과 갱신 직전의 지령값과의 차이가 제1 변화율(ΔIGNLIM1)에 대해서 충분히 크다고 가정하고, 이차 목표값(IGNSET2)의 갱신 후에 경과한 사이클 수를 n라고 하면, 해당 사이클 수(n)의 경과 후에서의 점화 타이밍의 지령값(IGN)은 갱신 직전의 지령값(IGN´)에 대해서 제1 변화율(ΔIGNLIM1)의 n배만큼 진각한 값이 된다(IGN=IGN´+ΔIGNLIM1×n). 주제어장치(21)의 변화율 제한부(38)가 위와 같이 상기 지령값(IGN)을 결정함으로써, 점화 타이밍이 급변하지 않고, 가스 엔진(1)의 동작이 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있다.
반대로 점화 타이밍의 지령값을 늦출 필요가 있는 경우에는, 단위 기간만큼의 점화 타이밍의 지각량을 제2 변화율(본 명세서에서는 편의적으로 부호 ΔIGNLIM2를 부기한다)로 제한한다. 따라서, 늦추는 때에도, 점화 타이밍의 지령값(IGN)이 이차 목표값(IGNSET2)에 이르는 동안에는 앞당기는 때와 같은 방식으로 구해지는 사이클 수의 경과를 필요로 한다.
제2 변화율(ΔIGNLIM2)의 절대값은 제1 변화율(ΔIGNLIM1)의 절대값에 비해 큰 값으로 설정되어 있다(|ΔIGNLIM2|>|ΔIGNLIM1|). 즉, 점화 타이밍의 지령값(IGN)을 앞당기는 경우에는 늦추는 경우와 비교해서 점화 타이밍의 지령값(IGN)이 이차 목표값(IGNSET2)에 이르기까지 필요한 기간이 짧다. 이와 같이 노킹이 발생하기 어렵도록 하고 싶은 경우에는 이것이 비교적 신속하게 실현되어서 노킹에 의한 가스 엔진(1)의 손상이 발생할 우려를 감소시킬 수 있다. 한편, 점화 타이밍의 지령값(IGN)을 앞당겨 가스 엔진(1)의 출력 효율을 상승시킬 때는 그것이 비교적 천천히 안정적으로 실현된다. 그 결과, 노킹의 발생을 신속하게 억제하면서도 효과적인 노킹 제어가 가능하다.
이와 같이 주제어장치(21)는 갱신된 이차 목표값(IGNSET2)과, 갱신 직전의 점화 타이밍의 지령값과, 제 1 또는 제2 변화율(ΔIGNLIM1,ΔIGNLIM2)에 따라 점화 타이밍의 지령값(IGN)을 결정하고, 상기 지령값(IGN)과 위상각 검출 장치(24)로부터의 입력에 기초하여 점화 플러그 드라이버(23)로 제어 신호를 출력한다. 이것에 의해, 지령값(IGN)에 대응하는 점화 타이밍에서 부연소실(10) 내의 혼합 기체가 착화한다.
주제어장치(21)는, 일단 이차 목표값(IGNSET2)을 갱신하면 상기 소정 사이클 수(N)가 경과할 때까지, 상기 갱신된 이차 목표값(IGNSET2)에 기초하여 점화 타이밍의 지령값(IGN)을 결정해 점화 플러그(14)를 구동 제어한다. 그리고, 상기 소정 사이클 수(N)가 경과하면, 상술한 순서에 따라 이차 목표값(IGNSET2)이 다시 갱신된다.
본 발명에 따른 노킹 제어장치(20)에 따르면, 기능 블록(31~33, 35)에 도시된 바와 같이, 발생율 평균값(SEVAVE)과 발생율 목표값(SEVSET)과의 편차(ΔSEV)에 기초하여 점화 타이밍의 목표값이 산출된다. 이와 같이, 점화 타이밍의 목표값이 과거의 노킹 발생율을 고려하여 노킹 발생율의 이력을 포함하도록 산출되면, 최근의 노킹 발생율이 과거의 노킹 발생율에 대해서 크게 변화하는 일이 발생하여도 점화 타이밍의 목표값이 그 변화에 추종하여 크게 변화하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 가스 엔진(1)의 동작이 불안정화되지 않고, 가스 엔진(1)의 노킹 발생율(SEV)이 발생율 목표값(SEVSET)에 근접할 수 있게 된다. 또한, 노킹 발생율(SEV)의 제어를 점화 타이밍의 변경에 의해서 실행하기 때문에, 연료 공급량을 변경하는 경우와 비교해서 엔진 출력이 크게 변경되는 일 없이 원하는 엔진 출력을 유지할 수 있게 된다.
기능 블록(34)에 도시된 바와 같이, 점화 타이밍의 목표값을 변경하기 위한 기준값(IGNAVE)도 지령값(IGN)를 지연 연산하는 것에 의해서 산출되고 있다. 이와 같이, 기준값(IGNAVE)도 과거의 지령값(IGN)를 고려해 산출되도록 하면, 그것에 근거해 산출되는 점화 타이밍의 목표값이 크게 변동하는 일 없이, 가스 엔진(1)의 운전이 한층 더 안정적으로 행해진다.
기능 블록(36, 37)에 도시된 바와 같이, 가스 엔진(1)에 대한 부담이 큰 대 노크가 발생한 사이클 수(NM)가 역치(M) 이상인 경우에는, 그 사이클 수(NM)에 따라 점화 타이밍의 목표치가 늦춰진다. 따라서, 대 노크가 발생하여도 그것을 방지할 수 있어 가스 엔진(1)을 보호할 수 있다.
기능 블록(35, 37)에 도시된 바와 같이, 상기 지각량(ΔIGNM)은 발생율 평균값(SEVAVE)과 발생율 목표값(SEVSET)과의 편차(ΔSEV)에 기초하여 산출되는 일차 목표값(IGNSET1)을 변경하기 위한 값으로 이용되며, 상기 일차 목표값(IGNSET1)과 지각량(ΔIGNM)을 이용한 연산에 의해 산출되는 이차 목표값(IGNSET2)이 점화 타이밍의 최종적인 목표값이 된다. 이와 같이 대 노크가 발생한 사이클 수(NM)에 따라 결정되는 지각량(ΔIGNM)이 지연 연산의 처리를 통하여 점화 타이밍의 최종적인 목표값을 결정하기 위한 연산에 대해 직접적으로 이용되기 때문에, 점화 타이밍의 최종적인 목표값 및 그에 근거해 결정되는 점화 타이밍의 지령값이 상기 지각량(ΔIGNM)을 크게 반영한 값이 된다. 따라서, 대 노크의 발생이 허용 범위를 넘는 경우에는 그러한 상황에 바로 대응해 대 노크의 발생을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명과 관련되는 가스 엔진(1)의 노킹 제어장치(20)의 실시예를 설명하였지만, 상술한 구성은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 적절히 변경 가능하다.
예를 들면, 과거의 노킹 발생율을 고려하기 위한 지연 연산의 연산 기법으로서 이동평균을 이용하는 경우를 설명하였지만, 그 외에도 예를 들면 일차 지연 연산을 이용하여도 좋다. 이와 같이 연산 기법이 변경되었을 경우에는, 기능 블록 (34)에 대한 점화 타이밍의 기준값를 산출하기 위한 연산 기법도 동일한 것으로 변경되는 것이 바람직하다.
노킹 발생율(SEV)이 소 노크가 발생한 사이클 수(NL)의 소정 사이클 수(N)에 대한 비율(SEV=NL/N)이라고 하였지만, 소 노크 및 대 노크가 출현한 사이클 수의 소정 사이클 수(N)에 대한 비율(SEV=(NL+NM)/N)이어도 좋다.
혼합 기체를 착화하는 방식으로서 부연소실(10) 내의 혼합 기체를 점화 플러그(14)에 의해 착화시키는 이른바 부연소실·불꽃 점화 방식을 채용하고 있지만, 그 외의 방식을 채용해도 좋다. 예를 들면, 고압 가스 연료를 분사하는 파일럿 연료 분사 밸브를 구비하여 연소실 내의 압축 혼합 기체에 대해서 파일럿 연료 분사 밸브에 의해 고압 가스 연료를 분사함으로써 혼합 기체를 착화시키는 이른바 파일럿 연료 분사 방식을 채용해도 좋다.
본 발명에 따른 가스 엔진(1)의 용도는 발전 설비의 원동기에 한정되지 않고, 그 외의 설비나 장치의 원동기에도 적용 가능하다.
상기한 설명으로부터 당업자에 의해 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 가능하다는 것이 명백하다. 따라서, 상기한 설명은, 예시로서만 해석되어야 할 것이며, 본 발명을 실시하는 최선의 형태를 당업자에게 개시하는 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서, 그 구조 및/또는 기능의 세부 사항은 실질적으로 변경될 수 있다.
본 발명은 가스 엔진의 동작이 가능한 한 안정화된 채로 원하는 엔진 출력을 유지하면서도, 노킹 발생율이 목표값에 근접할 수 있도록 하는 뛰어난 효과를 가지며, 특히 발전 설비의 원동기로서 이용되는 가스 엔진에 매우 적합하게 적용된다.
1: 가스 엔진
2: 기통
4: 주연소실
10: 부연소실
14: 점화 플러그
20: 노킹 제어장치
21: 주제어장치
24: 위상각 검출 장치
25: 노킹 검출 장치
31: 노킹 발생율 산출부
32: 발생율 지연 연산부
33: 편차·보정값 산출부
34: 기준값 산출부
35: 일차 목표치 산출부
36: 지각량 산출부
37: 이차 목표치 산출부
38: 변화율 제한부
SEV: 노킹 발생율
SEVAVE: 발생율 평균값
SEVSET: 발생율 목표값
ΔSEV: 편차
IGNAVE: 기준값
ΔIGNSEV: 보정값
IGNSET1: 일차 목표값
IGNSET2: 이차 목표값
IGN: 지령값

Claims (7)

  1. 가스 엔진에 공급된 혼합 기체를 점화하기 위한 점화 장치와,
    상기 가스 엔진의 기통에서의 노킹을 검출하는 노킹 검출 장치와,
    상기 가스 엔진의 위상각을 검출하는 위상각 검출 장치와,
    상기 점화 장치를 구동 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 소정의 사이클 수가 경과하는 동안에 소정의 노킹이 발생한 사이클 수의 상기 소정의 사이클 수에 대한 비율인 노킹 발생율을 산출하고, 상기 노킹 발생율을 지연 연산하여 산출한 발생율 지연 연산값과 소정의 발생율 목표값과의 편차에 기초하여 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 목표값을 결정하고, 점화 타이밍이 상기 목표값에 따라 결정되는 지령값을 따라도록 상기 점화 장치를 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 노킹 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지연 연산은 이동 평균 기법에 의한 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 노킹 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 발생율 지연 연산값이 상기 발생율 목표값보다 클 때에는 점화 타이밍을 늦추고, 상기 발생율 지연 연산값이 상기 발생율 목표값보다 작을 때에는 점화 타이밍을 앞당기는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 노킹 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    점화 타이밍을 늦추는 경우에서의 단위 기간 동안의 점화 타이밍의 지각량은, 점화 타이밍을 앞당기는 경우에서의 단위 기간 동안의 점화 타이밍의 진각량에 비해 큰 것을 특징으로 가스 엔진의 노킹 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 지령값을 지연 연산하여 점화 타이밍의 기준값을 산출하고, 상기 발생율 지연 연산값과 상기 발생율 목표값과의 편차에 기초하여 결정한 보정값을 상기 기준값에 가산하여 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 목표값을 결정하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 노킹 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 노킹 검출 장치는, 노킹을 그 강도에 따라 복수 단계로 나누어 검출하고,
    상기 제어부는, 상기 소정 사이클이 경과하는 동안에 소정 강도 이상의 노킹이 발생한 사이클 수가 역치를 넘는 경우 상기 발생 사이클 수에 따라 결정되는 상기 점화 장치의 점화 타이밍의 지각량을 산출하고, 상기 발생율 지연 연산값과 상기 발생율 목표값과의 편차에 기초하여 결정한 점화 타이밍의 목표값을 상기 지각량만큼 늦추는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 노킹 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 엔진에 혼합 기체가 공급되는 주연소실 및 부연소실이 설치되고,
    상기 점화 장치는, 상기 부연소실에 공급된 혼합 기체를 스파크 점화하는 점화 플러그를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 노킹 제어장치.
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