KR20110127786A - 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치 - Google Patents

개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일측면은 연료에서 수소의 비율에 따라 연료의 유량을 조절하는 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 공기와 천연가스에 개질 가스를 선택적으로 혼합한 연료를 사용하여 동력을 생산하는 엔진, 상기 개질 가스를 생산하여 상기 엔진에 공급하는 개질기, 연료탱크와 상기 엔진 사이에 설치되어 상기 엔진으로 공급되는 상기 연료의 유량을 조절하는 레귤레이터, 상기 엔진의 배기 측에 설치되는 공연비 센서, 및 상기 공연비 센서의 감지신호에 따라 상기 연료에서 수소의 비율을 판단하고 상기 수소의 비율에 따라 상기 레귤레이터를 제어하는 ECU를 포함한다.

Description

개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치 {CONTROL APPARATUS OF ENGINE USING REFORMED GAS AND NATURAL GAS}
본 발명은 연료에서 수소 비율에 따라 연료의 유량을 제어하는, 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 화석 연료의 고갈로 인하여, 태양, 바람, 파도, 생물 유기체 및 그 폐기물과 같이 자연에서 끊임없이 얻을 수 있는 대체 에너지에 대한 관심이 부각되고 있다. 대체 에너지는 화석 연료와 달리 공해가 적은 청정 에너지일 것이 요구된다.
일례로써, 개질기를 사용하여 화석 연료로부터 수소가 포함된 개질 가스를 생산하고, 이 개질 가스를 화석 연료와 혼합하여 엔진에 공급하여 동력을 생산하는 기술이 개발되고 있다.
개질 가스의 주성분인 수소는 기존의 화석 연료와 비교할 때, 연소 반응 및 확산 속도가 빠르고, 매연이 거의 발생되지 않는다. 따라서 수소를 포함하는 개질 가스는 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) 또는 PZEV(Partial Zero Emission Vehicle)에 적용될 수 있다.
개질 가스를 화석 연료, 즉 탄화수소계 연료를 이용하는 점화 착화 엔진에 혼합하여 사용하는 경우, 연료의 발열량이 높고, 연료에서 수소의 비율에 따라 연료의 양이 변화되어야 한다. 연료에서 수소의 비율이 변동되거나, 그 비율의 변동이 심한 경우 엔진 구동이 어려워질 수 있다.
본 발명의 일측면은 연료에서 수소의 비율에 따라 연료의 유량을 조절하는 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 공기와 천연가스에 개질 가스를 선택적으로 혼합한 연료를 사용하여 동력을 생산하는 엔진, 상기 개질 가스를 생산하여 상기 엔진에 공급하는 개질기, 연료탱크와 상기 엔진 사이에 설치되어 상기 엔진으로 공급되는 상기 연료의 유량을 조절하는 레귤레이터, 상기 엔진의 배기 측에 설치되는 공연비 센서, 및 상기 공연비 센서의 감지신호에 따라 상기 연료에서 수소의 비율을 판단하고 상기 수소의 비율에 따라 상기 레귤레이터를 제어하는 ECU를 포함한다.
상기 레귤레이터는, 상기 연료탱크와 상기 개질기에 연결되어 상기 연료를 유입하는 유입구와 상기 엔진에 연결되어 상기 연료를 공급하는 공급구를 형성하는 바디, 상기 유입구와 상기 공급구 사이에 설치되고 제1 탄성부재로 지지되어 상기 유입구와 상기 공급구의 연결 통로를 제어하는 제어 스풀, 상기 제1 탄성부재의 반대측에서 상기 제어 스풀에 연결되고 제2 탄성부재로 지지되어 상기 공급구에 연결되는 챔버의 압력을 조절하여 상기 공급구의 유량을 제어하는 다이어프램, 상기 다이어프램을 지지하는 상기 제2 탄성부재의 탄성력을 조절하도록 상기 바디에 결합되는 조절나사, 및 상기 조절나사에 기계적으로 연결되고 상기 ECU에 전기적으로 연결되어 상기 조절나사를 제어하는 모터를 포함할 수 있다.
상기 바디는, 상기 유입구와 상기 공급구를 형성하는 중간부재, 상기 중간부재의 상측에 결합되어 상기 다이어프램과 상기 중간부재 사이에 상기 챔버를 형성하는 상부 케이스, 및 상기 중간부재의 하측에 결합되어 상기 유입구와 상기 공급구 주위에 고온수를 순환시키는 고온수 챔버를 형성하는 하부 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 레귤레이터는 상기 중간부재의 상기 유입구와 상 공급구 사이에 설치되는 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 연료탱크와 엔진 사이에 레귤레이터를 설치하고, 연료에서 수소의 비율에 따라 ECU로 레귤레이터를 제어하여 엔진으로 공급되는 연료의 유량을 조절함으로써 엔진을 최적으로 제어한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 연료 레귤레이터의 연료 차단 상태의 단면도이다.
도 3은 도 1에 적용되는 연료 레귤레이터의 연료 조절 상태의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 개질 가스와 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치는, 동력을 생산하는 엔진(1), 엔진(1)에 천연가스를 공급하는 연료탱크(2), 연료탱크(2)로부터 공급되는 천연가스로부터 개질 가스를 생산하여 엔진(1)에 공급하는 개질기(3), 및 천연가스에 개질 가스를 선택적으로 혼합한 연료에서 수소의 비율에 따라 연료의 유량을 제어하는 레귤레이터(10)를 포함한다.
엔진(1)은 연료탱크(2)로부터 공급되는 천연가스, 외부로부터 공급되는 공기, 및 개질기(3)에서 생산되어 선택적으로 공급되는 개질 가스를 사용하여 동력을 생산한다. 예를 들면, 엔진(1)은 천연가스와 개질 가스를 혼합한 연료를 사용할 수도 있고, 개질 가스를 사용하지 않고 천연가스를 연료로 사용하여 운전될 수도 있는 점화 착화 엔진이다. 일 실시예는 천연가스에 개질 가스를 혼합한 연료를 사용함에 따라 연료 내에서 수소의 비율에 따라 연료의 유량을 더 제어하도록 형성된다.
개질기(3)는 엔진(1)의 동력으로 구동되는 발전기(4)에 전기적으로 연결되거나, 발전기(4)에서 생산한 전력으로 충전되는 배터리(5)에 전기적으로 연결된다. 따라서 개질기(3)는 발전기(4)나 배터리(5)에서 공급되는 전력을 이용하여 연료탱크(2)에서 공급되는 천연가스와 외부에서 공급되는 공기를 이용하여 개질 가스를 생산한다.
개질기(3)에 공기를 공급하는 공기 유입 측에 열교환기(6)가 연결되며, 열교환기(6)는 엔진(1)에도 연결된다. 즉 열교환기(6)는 개질기(3)와 엔진(1) 사이에 설치되어 서로 연결된다. 따라서 천연가스의 개질을 위하여 공급되는 공기는 열교환기(6)에서 가열되어 개질하기 적절한 온도로 변화되어 개질기(3)로 유입되고, 개질기(3)에서 생산된 개질 가스는 연소하기 적절한 온도로 변화되어 엔진(1)으로 유입될 수 있다.
개질기(3)에서 생산된 개질 가스는 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한다. 수소는 넓은 가연 한계, 빠른 연소 속도, 짧은 소염 거리 및 높은 단열 화염 온도와 같이, 천연가스와 같은 탄화수소계 연료에 비하여 우수한 연소 특성을 가진다. 이러한 연소 특성은 엔진(1)에서 초희박 연소를 가능케 하며, 이로 인하여, 저부하 영역에서 고효율 및 저배기를 실현할 수 있다. 또한 수소는 입자상 물질, THC(total hydrocarbon) 및 일산화탄소 같은 유해 가스를 배출하지 않는다. 따라서 수소를 천연가스에 첨가하여 희박 운전함으로써 엔진의 성능이 향상될 수 있다.
엔진(1)의 배기가스를 배출하는 배기관에는 공연비 센서(8)가 설치되어 배기가스 내의 산소량을 감지하여 엔진(1)의 공연비를 판단할 수 있게 한다. 공연비 센서(8)는 엔진(1)을 제어하는 엔진 제어 유닛(Engine Control Unit, 이하 "ECU"라 한다)에 연결된다. 배기관에는 3방향 촉매 컨버터 또는 산화 촉매 컨버터(9)가 구비되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 처리하여 최종 배기가스를 배출한다.
본 실시예에서와 같이, 개질 가스를 천연가스와 같이 사용하는 엔진(1)은 정확한 공연비 제어로 안정적인 연소를 필요로 한다. 이를 위하여, ECU는 엔진 제어 로직을 내장하고 있다. 개질 가스가 공급되지 않거나 공급되는 경우에도 연료 내의 수소 비율이 일정한 경우, 즉 정상 운전시, 공연비 센서(8)의 감지 신호에 따라 점화시기 및 스로틀 개도를 조절함으로써 엔진(1)의 안정적인 연소가 구현될 수 있다.
ECU는 개질 가스가 공급되어 연료에서 수소의 비율이 변동할 때에도 안정적인 연소로 엔진(1) 구동을 가능하게 한다. 예를 들면, ECU는 엔진(1)의 운전 조건에 따라 엔진(1)의 인젝터(미도시)를 개방 제어하여 연료의 분사시간을 제어한다. ECU는 공연비 센서(8)에서 감지된 신호에 따라 배기관으로 배출되는 배기가스에 포함된 산소량을 감지하여, 공연비를 판단한다.
ECU는 개질 가스 공급시, 공연비 센서(8)의 감지 신호에 따라 배기가스 내의 산소량이 감소하면, 공기가 적고 연료에서 수소 비율이 높아 연료가 많은 것으로 판단하고, 개질 가스가 공급되지 않은 조건과 동일한 출력 및 공연비 제어를 위하여, 레귤레이터(10)를 제어하여 연료 유량을 줄인다.
반대로, ECU는 배기가스 내의 산소량이 증가하면, 공기가 많고 연료에서 수소 비율이 낮아 연료가 부족한 것으로 판단하고, 개질 가스가 공급되지 않은 조건과 동일한 출력 및 공연비 제어를 위하여, 레귤레이터(10)를 제어하여 연료 유량을 증가한다.
한편, 엔진(1)에 공급되는 연료의 유량을 제어하는 레귤레이터(10)는 ECU에 전기적으로 연결되어, 연료에서 수소 비율에 따라 연료의 유량을 증가하거나 감소할 수 있도록 형성된다.
도 2는 도 1에 적용되는 연료 레귤레이터의 연료 차단 상태의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 레귤레이터(10)는 바디(11), 제어 스풀(12), 다이어프램(13), 조절나사(14) 및 모터(15)를 포함한다.
바디(11)는 연료탱크(2)에 연결되어 연료를 유입하는 유입구(111)와, 엔진(1)에 연결되어 유입된 연료를 공급하는 공급구(112)를 양측에 각각 형성한다.
제어 스풀(12)은 바디(11)에서 유입구(111)와 공급구(112) 사이에 설치되고 제1 탄성부재(21)로 지지되어 유입구(111)와 공급구(112)의 연결 통로를 제어한다. 즉 연결 통로는 단속되고, 연통되는 크기가 조절될 수 있다. 제1 탄성부재(21)는 제어 스풀(12)을 상향시켜 유입구(111)와 공급구(112)의 연결 통로를 차단하는 방향으로 탄성력을 가진다.
다이어프램(13)은 제어 스풀(12)에 연결되고 반대측에서 제2 탄성부재(22)로 지지되어 공급구(112)에 연결되는 챔버(113)에서 연료의 압력을 조절함으로써 공급구(112)에서 엔진(1)으로 공급되는 연료의 유량을 제어한다. 제2 탄성부재(22)는 제1 탄성부재(21)의 반대측에 제공된다. 즉 제어 스풀(12) 및 다이어프램(13)은 서로 연결되어 제1, 제2 탄성부재(21, 22) 사이에 놓인다.
조절나사(14)는 바디(11)에 나사 결합되어 다이어프램(13)을 지지하는 제2 탄성부재(22)를 지지하여, 제2 탄성부재(22)의 탄성력을 조절함으로써 챔버(113)에서 다이어프램(13)의 위치를 조절한다. 따라서 다이어프램(13)의 일측에 형성되는 챔버(113) 내의 천연가스의 압력이 조절된다.
모터(15)는 조절나사(14)에 기계적으로 연결되고 ECU에 전기적으로 연결되어, ECU의 제어신호에 따라 조절나사(14)를 정회전 또는 역회전 조작한다. 모터(15)의 정역회전에 따라 조절나사(14)가 정역회전하면서 바디(11) 상에서 위치 조절된다.
즉 ECU에 의한 모터(15) 및 조절나사(14)의 구동으로 제1, 제2 탄성부재(21, 22)의 탄성력이 조절되고, 또한 제어 스풀(12)의 위치가 설정된다. 따라서 유입구(111)와 공급구(112) 사이의 연결 통로가 제어되어 연료의 공급 유량이 조절된다. 동시에, 다이어프램(13)에 의하여 챔버(113)의 압력이 제어되어, 챔버(113)에 연결되는 공급구(112)를 통하여 엔진(1)으로 공급되는 연료의 유량이 조절된다.
더 구체적으로 설명하면, 바디(11)는 유입구(111)와 공급구(112)를 양측에 형성하는 중간부재(31), 중간부재(31)의 상하측에 각각 결합되는 상부 케이스(32)와 하부 케이스(33)를 더 포함할 수 있다.
상부 케이스(32)는 중간부재(31)의 상측에 결합되어 바디(11)의 상부를 형성하고, 다이어프램(13)과 중간부재(31) 사이에서 챔버(113)를 형성한다. 또한 상부 케이스(32)는 다이어프램(13)을 지지하는 제2 탄성부재(22)를 내장한다. 그리고 제2 탄성부재(22)를 지지하는 조절나사(14)는 상부 케이스(32)에 나사 결합되어, 모터(15)의 구동으로 승강한다.
하부 케이스(33)는 중간부재(31)의 하측에 결합되어 바디(11)의 하부를 형성하고, 유입구(111)와 공급구(112) 주위에 고온수를 순환시키는 고온수 챔버(331)를 형성한다. 고온수 챔버(331)를 순환하는 고온수는 유입구(111)로 유입되어 공급구(112)로 공급되는 연료를 가열하여, 연료의 급격한 온도 강하 및 결빙 현상을 방지한다.
또한, 중간부재(31)에서 유입구(111)와 공급구(112) 사이에 필터(34)가 더 구비될 수 있다. 필터(340는 유입구(111)에서 공급구(112)로 흐르는 연료에 포함되는 이물질을 제어한다.
일 실시예의 엔진 제어 장치에서, ECU가 연료 내에서 수소의 비율에 따라 모터(15)를 제어하여 조절나사(14)를 상승시킨다(도 2 참조). 제2 탄성부재(22)의 탄성력이 약화되면서 다이어프램(13)과 제어 스풀(12)이 상승한다.
따라서 제어 스풀(12)에 의하여 유입구(111)와 공급구(112)가 서로 차단되고 챔버(113)가 커지면서 챔버(113) 내의 연료 압력이 감소되어, 공급구(112)를 통하여 엔진(1)으로 공급되는 연료의 유량이 감소된다(도 2 참조).
도 3은 도 1에 적용되는 연료 레귤레이터의 연료 조절 상태의 단면도이다. 도3을 참조하면, ECU가 연료 내에서 수소의 비율에 따라 모터(15)를 제어하여 조절나사(14)를 하강시킨다. 제2 탄성부재(22)의 탄성력이 강화되면서 다이어프램(13)과 제어 스풀(12)이 하강한다. 이때, 연료에서 수소의 비율에 따라 조절나사(14)의 하강 정도가 조절되어, 다이어프램(13) 및 제어 스풀(12)의 하강이 조절된다.
따라서 제어 스풀(12)에 의하여 유입구(111)와 공급구(112)가 서로 연통되어 유입구(111)에 대기하던 연료가 공급구(112)로 공급될 때, 챔버(113)가 작아지면서 챔버(113) 내의 압력이 증가되어, 공급구(112)를 통하여 엔진(1)으로 공급되는 연료의 유량이 증가된다.
이와 같이 일 실시예에 따른 엔진의 제어 장치는 연료 내의 수소 성분의 비율 변화에 대하여 공연비 센서(8)로부터 유입되는 연료에서 수소의 비율을 예측하여 연료의 유량을 제어함으로써, 엔진(1)의 효율 저하 및 배출가스 특성 악화를 막을 수 있다. 또한, 연료의 다양한 조성에서 연소의 안정성을 확보할 수 있고, 설계자에게 자기진단 제어정보를 제공할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1 : 엔진 2 : 연료탱크
3 : 개질기 4 : 발전기
5 : 배터리 6 : 열교환기
8 : 공연비 센서 10 : 레귤레이터
9 : 3방향 촉매 컨터터 또는 산화 촉매 컨버터
11 : 바디 12 : 제어 스풀
13 : 다이어프램 14 : 조절나사
15 : 모터 21, 22 : 제1. 제2 탄성부재
31 : 중간부재 32 : 상부 케이스
33 : 하부 케이스 34 : 필터
111 : 유입구 112 : 공급구
113 : 챔버 331 : 고온수 챔버

Claims (4)

  1. 공기와 천연가스에 개질 가스를 선택적으로 혼합한 연료를 사용하여 동력을 생산하는 엔진;
    상기 개질 가스를 생산하여 상기 엔진에 공급하는 개질기;
    590
    연료탱크와 상기 엔진 사이에 설치되어 상기 엔진으로 공급되는 상기 연료의 유량을 조절하는 레귤레이터;
    상기 엔진의 배기 측에 설치되는 공연비 센서; 및
    상기 공연비 센서의 감지신호에 따라 상기 연료에서 수소의 비율을 판단하고 상기 수소의 비율에 따라 상기 레귤레이터를 제어하는 ECU
    를 포함하는 개질 가스 및 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레귤레이터는,
    상기 연료탱크와 상기 개질기에 연결되어 상기 연료를 유입하는 유입구와 상기 엔진에 연결되어 상기 연료를 공급하는 공급구를 형성하는 바디,
    상기 유입구와 상기 공급구 사이에 설치되고 제1 탄성부재로 지지되어 상기 유입구와 상기 공급구의 연결 통로를 제어하는 제어 스풀,
    상기 제1 탄성부재의 반대측에서 상기 제어 스풀에 연결되고 제2 탄성부재로 지지되어 상기 공급구에 연결되는 챔버의 압력을 조절하여 상기 공급구의 유량을 제어하는 다이어프램,
    상기 다이어프램을 지지하는 상기 제2 탄성부재의 탄성력을 조절하도록 상기 바디에 결합되는 조절나사, 및
    상기 조절나사에 기계적으로 연결되고 상기 ECU에 전기적으로 연결되어 상기 조절나사를 제어하는 모터
    를 포함하는 개질 가스 및 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 바디는,
    상기 유입구와 상기 공급구를 형성하는 중간부재,
    상기 중간부재의 상측에 결합되어 상기 다이어프램과 상기 중간부재 사이에 상기 챔버를 형성하는 상부 케이스 및
    상기 중간부재의 하측에 결합되어 상기 유입구와 상기 공급구 주위에 고온수를 순환시키는 고온수 챔버를 형성하는 하부 케이스
    를 더 포함하는 개질 가스 및 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 레귤레이터는,
    상기 중간부재의 상기 유입구와 상기 공급구 사이에 설치되는 필터
    를 더 포함하는 개질 가스 및 천연가스를 사용하는 엔진의 제어 장치.
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