KR20140095094A - 가스 엔진의 연소 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

간이하고 저비용인 수단으로, 모든 기통의 노킹을 억제하면서, 점화 시기를 기통마다 최대한 진각함으로써, 가스 엔진의 출력 및 열 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하며, 제 1 산출부(32)에서 통내압 파형으로부터 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기 Tia를 산출한다. 제 2 산출부(34)에서 운전 상태량 및 엔진 기본 제원을 계산식(1)에 대입하여 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기(Tia＇)를 산출한다. 제 3 산출부(36)에서 노킹 한계 점화 시기(Tia와 Tia＇)를 비교하여 보정 계수 C를 구한다. 제 4 산출부(38)에서, 구한 보정 계수 C에 근거하여, 대표 기통(14a) 이외의 기통의 노킹 한계 점화 시기 Tib∼Tif를 산출한다. 바람직하게는, 제 4 산출부(38)에서는, 가스 엔진(10)과 동형의 시험기에서 얻은 시험 데이터에 근거하여, 기통마다 보정 계수 C를 수정한다.

Description

가스 엔진의 연소 제어 장치{COMBUSTION CONTROL DEVICE FOR GAS ENGINE}
본 발명은, 저비용인 수단으로 기통(氣筒)마다 노킹(knocking) 한계 점화 시기를 설정 가능하게 하여, 기관 출력이나 연비를 향상 가능하게 한 가스 엔진의 연소 제어 장치에 관한 것이다.
가스 엔진은, 가스 연료와 공기의 혼합 기체 중에서 화염이 전파하기 때문에, 연료의 분사와 발화가 거의 동시에 일어나는 디젤 엔진에 비해, 노킹이 발생하기 쉽다. 가스 엔진의 출력이나 연비를 향상시키기 위해서는, 점화 시기의 진각(進角)이 필요하지만, 점화 시기의 진각에는, 노킹이 제약으로 되어 있다. 즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 점화 시기를 진각할수록, 열 효율은 향상하지만, 점화 시기의 진각은 노킹에 의한 제약을 받는다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 출력이나 회전 수가 커질수록, 노킹이 발생하기 쉬워지기 때문에, 진각 가능한 영역을 좁힐 수 있다. 도 7은, 급기(給氣) 온도가 높을수록 노킹 빈도가 높아지는 것을 나타내고 있다. 그 때문에, 노킹 빈도가 임계치를 넘지 않도록 하기 위해서는, 급기 온도를 낮추고, 점화 시기를 지각(遲角)시킬 필요가 있다. 한편, 기통마다 연소 상태나 노킹의 발생 용이성이 상이하기 때문에, 노킹의 발생 용이성에 따라, 기통마다 노킹을 발생하는 일 없이 최대한 진각할 수 있는 노킹 한계 점화 시기를 설정할 필요가 있다.
특허 문헌 1에는, 복수의 기통을 구비한 내연 기관에 있어서, 각 기통의 노킹 방지 제어를 점화 시기의 조정에 의해 행하는 수단이 개시되어 있다. 이 수단의 노킹의 검출 방법은, 기통의 진동 상태를 검출하는 노크 센서에 의해 검출된다.
특허 문헌 2에는, 압축비 가변형 엔진에 있어서, 통내압(筒內壓) 센서에 의해 노킹의 발생을 검출하고, 압축비 및 점화 시기를 제어하여, 노킹을 방지함과 아울러, 열 효율, 구동능력(drivability)을 향상시키는 수단이 개시되어 있다. 특허 문헌 3에는, 복수의 기통을 구비한 가스 기관에 있어서, 노킹을 일으키지 않고, 소정 이상의 열 효율을 얻기 위해, 모든 기통에 마련한 노킹 센서(예를 들면, 통내압 센서)에 의해 통내압 파형을 계측함으로써, 기통마다 상이한 노킹 상태(강도나 빈도)를 검출하고, 그러한 검출값에 근거하여, 공기 연료 비 및 점화 시기를 변경하는 수단이 개시되어 있다.
복수의 기통을 구비한 가스 엔진에 있어서, 모든 기통에 통내압 센서를 마련하여 통내압 파형을 검출하고, 노킹 한계 점화 시기를 설정하는 연소 제어 장치는, 예를 들면, 도 8에 나타내는 구성을 생각할 수 있다. 도 8에 있어서, 가스 엔진(100)의 엔진 블록(102)에 일렬로 6개의 실린더(104a∼f)가 마련되어 있다. 실린더(104a∼f)에는, 각각 통내압 센서(106)가 마련되어 있다. 실린더(104a∼f)에는, 에어 쿨러(air cooler)(108)로부터 급기 매니폴드(manifold)(110)를 거쳐서 급기 a가 보내져 온다. 실린더(104a∼f)에서 연소한 후의 배기 e는, 각각 배기 매니폴드(112)를 거쳐서 배기관(114)에 모여져서, 배기관(114)으로부터 배출된다.
엔진 블록(102)에 마련된 크랭크 축에, 상사점(上死點) 및 하사점(下死點)을 포함하는 크랭크 각을 검출하는 회전 센서(116)가 마련되어 있다. 통내압 센서(106) 및 회전 센서(116)로부터, 크랭크 각에 대응한 통내압 파형 P가 검출된다. 사이클마다의 통내압의 변화에 의해, 노킹 발생 빈도와 노킹 한계 점화 시기가 도출된다. 모든 기통에서 동일 점화 시기로 하면, 노킹의 발생 상황이 기통마다 달라지게 된다. 모든 기통의 통내압을 검출하고, 노킹이 발생하기 쉬운 기통은 점화 시기를 지각하고, 노킹이 발생하기 어려운 기통은 점화 시기를 진각함으로써, 모든 기통의 노킹을 억제하면서, 점화 시기를 최대한 진각한다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
특허 문헌 1 : 일본 특개 제2011－12569호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특개평 제1－100328호 공보
특허 문헌 3 : 일본 특개 제2002－61524호 공보
그러나, 통내압 센서는 고가이고, 기통 수가 다수 있는 경우, 통내압 센서를 모든 기통에 부설하면, 고비용이 된다. 또한, 통내압 센서의 고장이나 오동작의 확률도 높아진다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 과제를 감안하여, 복수의 기통을 구비한 가스 엔진에 있어서, 간이하고 저비용인 수단으로, 모든 기통의 노킹을 억제하면서, 점화 시기를 기통마다 최대한 진각함으로써, 가스 엔진의 출력 및 열 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 가스 엔진의 연소 제어 장치는, 복수의 기통을 구비한 가스 엔진의 연소 제어 장치에 있어서, 복수의 기통 중에서 선택된 대표 기통의 통내압을 검출하는 통내압 센서와, 통내압 센서에서 검출된 대표 기통의 통내압 파형으로부터, 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출하는 제 1 산출 수단과, 통내압 파형 이외의 운전 상태량, 엔진 기본 제원 및 보정 계수를 포함하는 계산식으로부터, 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출하는 제 2 산출 수단과, 제 1 산출 수단에서 산출된 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기와 제 2 산출 수단에서 산출된 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기를 비교하여, 보정 계수를 구하는 제 3 산출 수단과, 구한 보정 계수와, 운전 상태량 및 엔진 기본 제원을 상기 계산식에 대입하여, 대표 기통 이외의 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출하는 제 4 산출 수단과, 제 1 산출 수단 및 제 4 산출 수단에서 산출된 모든 기통의 노킹 한계 점화 시기에 근거하여 각 기통의 노킹 한계 점화 시기를 설정하는 점화 시기 설정 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 모든 기통에 통내압 센서를 마련하는 대신에, 대표 기통을 선택하여, 대표 기통에만 통내압 센서를 마련한다. 다른 기통에서는, 통내압 센서를 마련하는 일 없이, 다른 운전 상태량 및 엔진 기본 제원으로부터 노킹 한계 점화 시기를 산출하므로, 저비용화할 수 있다. 그리고, 통내압 센서에서 검출한 통내압 파형과, 각 기통에서 검출한 운전 상태량으로부터, 기통마다 노킹 한계 점화 시기를 산출할 수 있다. 그 때문에, 저비용으로 출력, 연비 및 열 효율이 양호한 운전을 실현할 수 있다.
상기 운전 상태량으로서, 각 기통에 공급되는 급기의 온도, 공기 과잉률 및 엔진 회전 수를 선택하면 좋다. 이에 의해, 가스 엔진에 장착하는 센서류를 삭감할 수 있어, 저비용화할 수 있다. 또한, 상기 엔진 기본 제원으로서, 실린더 보어(cylinder bore), 스트로크(stroke), 압축비 및 커넥팅 로드(connecting rod) 길이를 선택하면 좋다. 기본 제원으로서 이들의 팩터(factor)를 선택함으로써, 각 기통의 노킹 한계 점화 시기를 정확하게 산출할 수 있다.
제 4 산출 수단에 있어서, 미리 취득한 가스 엔진의 운전 시험 데이터에 근거하여, 보정 계수를 기통마다 수정하도록 하면 좋다. 이에 의해, 기통마다 더 정확한 노킹 한계 점화 시기를 산출할 수 있다.
본 발명에서는, 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기를 기초로, 다른 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출하고 있다. 그 때문에, 가장 노킹이 발생하기 쉬운 기통을 대표 기통으로 선택하고, 그 기통의 노킹 한계 점화 시기에 근거하여, 다른 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출함으로써, 노킹을 확실하게 억제할 수 있는 안전 사이드의 운전 상태로부터 점화 시기를 진각하여, 노킹 한계 점화 시기에 조정하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 모든 기통에 통내압 센서를 마련하는 대신에, 통내압 센서를 대표 기통에 1개만을 마련한 저비용인 수단으로, 대표 기통의 통내압 파형과 각 기통의 운전 상태량 및 엔진 기본 제원으로부터, 모든 기통의 노킹 한계 점화 시기를 기통마다 구할 수 있다. 그 때문에, 모든 기통의 노킹을 억제하면서, 점화 시기를 최대한 진각할 수 있어, 가스 엔진의 출력 및 열 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명을 적용한 일 실시 형태에 따른 가스 엔진의 구성도이다.
도 2는 상기 실시 형태에 따른 연소 제어 장치의 블록선도이다.
도 3은 상기 실시 형태에 따른 연소 제어 순서의 흐름도이다.
도 4는 가스 엔진에 있어서의 노킹 빈도의 기통간 편차를 나타내는 선도이다.
도 5는 가스 엔진에 있어서의 점화 시기와 열 효율의 관계를 나타내는 선도이다.
도 6은 가스 엔진에 있어서의 점화 시기에 대한 출력 및 회전 수와 노킹 발생 한계의 관계를 나타내는 선도이다.
도 7은 가스 엔진에 있어서의 급기 온도와 노킹 빈도의 관계를 나타내는 선도이다.
도 8은 모든 기통에 통내압 센서를 마련했을 경우의 가스 엔진의 연소 제어 장치(관련 기술)의 구성도이다.
이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시 형태를 이용하여 상세하게 설명한다. 다만, 본 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지는 아니다.
본 발명을 가스 엔진의 연소 제어에 적용한 일 실시 형태를 도 1∼도 4에 근거하여 설명한다. 도 1에 있어서, 본 실시 형태에 따른 가스 엔진(10)은, 엔진 블록(12)에 일렬로 6개의 기통(14a∼f)이 마련되어 있다. 각 기통(14a∼f) 중 좌측단에 배치된 기통(14a)을 대표 기통으로 선택하고 있다. 기통(14a)에는 통내압 센서(16)가 마련되어 있다. 각 기통(14a∼f)에는, 에어 쿨러(18)로부터 급기 매니폴드(20)를 거쳐서 급기 a가 보내져 온다. 각 기통(14a∼f)에서 연소한 후의 배기 e는, 각각 배기 매니폴드(22)를 거쳐서 배기관(24)에 집합하여, 배기관(24)으로부터 배출된다.
엔진 블록(12)에 마련된 크랭크 축(도시 생략)에, 상사점 및 하사점을 포함하는 크랭크 각을 검출하는 회전 센서(26)가 마련되어 있다. 통내압 센서(16) 및 회전 센서(26)로부터, 크랭크 각에 대응한 통내압 파형 P가 검출된다. 사이클마다의 통내압의 변화로부터, 노킹 발생 빈도와 노킹 한계 점화 시기가 도출된다. 각 기통(14a∼f)의 입구에 급기 온도 센서(28a∼f)가 마련되어 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 각 기통(14a∼f)에 흡입되는 급기 온도 Ts는 각각 상이하다. 기통열의 양단에 있는 기통(14a 및 14f)의 급기 온도 Ts가 가장 높고, 중앙의 기통(14c 및 14d)의 급기 온도 Ts가 가장 낮다.
에어 쿨러(18)나 급기 매니폴드(20)는 양단측에서, 급기가 체류하는 경향이 있기 때문에, 벽 온도가 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, 엔진 블록(12)의 양단에 배치된 기통(14a 및 14f)에 유입하는 급기의 온도 Ts가 가장 높아지는 경향이 있다. 따라서, 엔진 블록(12)의 양단에 배치된 기통에서 노킹이 발생하기 쉬워진다. 본 실시 형태에서는, 좌측단에 배치된 기통(14a)을 대표 기통으로 선택하고 있다.
도 2에 가스 엔진(10)의 연소 제어 장치(30)를 나타낸다. 도 2에 있어서, 제 1 산출부(32)에는, 통내압 센서(16)에서 검출된 대표 기통(14a)의 통내압 파형이 입력된다. 제 1 산출부(32)에서는, 이 통내압 파형으로부터 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기를 산출한다. 제 2 산출부(34)에서는, 운전 상태량, 엔진 기본 제원 및 보정 계수 C를 포함하는 다음의 계산식(1)으로부터, 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기를 산출한다.
Figure pct00001
여기서, C는 보정 계수이다. B는 실린더 보어, S는 스트로크, ε는 압축비, CR은 커넥팅 로드 길이이며, 이들은 엔진 기본 제원이다. Ne는 엔진 회전 수, λ는 공기 과잉률, Ts는 급기 온도이다. 이들은 운전 상태량이다.
엔진 회전 수 Ne는 회전 센서(26)에서 검출되고, 급기 온도 Ts는, 급기 온도 센서(28a∼f)에서 기통마다 검출된다. 공기 과잉률 λ은, 배치 통로에 산소 농도 센서를 마련하여, 산소 농도 센서에 의해 설정값 대로 공기 과잉률 λ로 되어 있는지 여부를 확인하는 것이 바람직하다. 컴프레셔(compressor) 앞에서 가스 연료의 공급을 행하는 경우에는, 기통간 편차가 생기지 않기 때문에, 산소 농도 센서는 배기관(24)에 1개 마련하면 좋다.
제 3 산출부(36)에서는, 제 1 산출부(32)에서 산출된 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기와, 제 2 산출부(34)에서 산출된 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기를 비교하여, 보정 계수 C를 구한다. 제 4 산출부(38)에서는, 제 3 산출부(36)에서 구해진 보정 계수 C에 근거하여, 각 기통마다 운전 상태량 및 엔진 기본 제원을 계산식(1)에 입력함으로써, 대표 기통(14a) 이외의 각 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출한다. 점화 시기 설정부(40)에서는, 산출된 각 기통의 노킹 한계 점화 시기에 근거하여, 점화 장치(도시 생략)에 있어서의 각 기통의 노킹 한계 점화 시기를 설정한다.
도 3은, 제어 장치(30)에 의한 노킹 한계 점화 시기 설정 순서를 나타내는 흐름도이다. 도 3에 있어서, 우선, 통내압 센서(16)에서 대표 기통(14a)의 통내압 파형을 검출한다(S10). 제 1 산출부(32)에서, 검출된 통내압 파형으로부터 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기 Tia를 산출한다(S12). 한편, 전술한 바와 같이, 가스 엔진(10)에 부설된 각 센서에서 운전 상태량으로서, 엔진 회전 수 Ne, 공기 과잉률 λ 및 기통마다의 급기 온도 Ts를 선택한다(S14). 이러한 운전 상태량 및 상기 엔진 기본 제원이 제 2 산출부(34)에 입력된다. 제 2 산출부(34)에서는, 계산식(1)으로부터 대표 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기 Tia＇가 산출된다(S16).
다음에, 제 3 산출부(36)에서, 제 1 산출부(32)에서 산출한 노킹 한계 점화 시기 Tia와, 제 2 산출부(34)에서 산출한 노킹 한계 점화 시기 Tia＇를 비교하여, 보정 계수 C를 산출한다(S18). 즉, 계산식(1)에 노킹 한계 점화 시기 Tia와, 상기 운전 상태량 및 엔진 기본 제원을 대입하여, 보정 계수 C를 구한다. 다음에, 구한 보정 계수 C 및 각 기통의 운전 상태량 및 엔진 기본 제원에 근거하여, 계산식(1)으로부터, 각 기통의 노킹 한계 점화 시기 Tib∼Tif를 산출한다(S20). 또한, 가스 엔진(10)의 동형의 시험기를 운전했을 때의 시험 데이터를 미리 취득해 둔다. 이 시험 데이터에 근거하여, 보정 계수 C를 각 기통마다 수정한다. 수정한 보정 계수 C에 근거하여, 각 기통의 노킹 한계 점화 시기 Tib∼Tif를 산출한다.
도 4는, 시험기의 시험 데이터에 근거하여 작성한, 노킹 빈도의 기통간 편차를 나타내는 선도이며, 급기 온도를 일정하게 했을 때의 데이터이다. 예를 들면, 급기 온도 Ts의 차이에 의해 노킹 빈도의 기통간 편차가 발생하지만, 실제로는 각 기통 간에 급기 온도 Ts가 동일해도, 각 기통의 연소실 벽면 온도 등의 차이에 따라, 노킹 빈도의 기통간 편차가 발생한다. 그 때문에, 기통마다 정확한 노킹 한계 점화 시기를 산출하기 위해서는, 기통마다 보정 계수 C를 수정하면 좋다.
이렇게 하여 산출된 각 기통(14a∼f)의 노킹 한계 점화 시기에 근거하여, 점화 시기 설정부(40)에서 점화 장치에 있어서의 각 기통(14a∼f)의 점화 시기를 설정한다. 이렇게 하여, 시시각각 대표 기통(14a)의 통내압 파형 및 기타 운전 상태량을 검출하면서, 각 기통의 점화 시기를 실시간으로 변경한다.
본 실시 형태에 의하면, 선택한 대표 기통(14a)에만 통내압 센서(16)를 마련하면 좋고, 다른 기통(14b∼f)에서는, 통내압 센서를 마련하는 일 없이, 노킹 한계 점화 시기를 산출하므로, 저비용화할 수 있다. 그리고, 통내압 센서(16)에서 검출한 대표 기통(14a)의 통내압 파형과, 각 기통에서 검출한 다른 운전 상태량 및 엔진 기본 제원으로부터, 각 기통마다 노킹 한계 점화 시기를 산출하므로, 열 효율이 양호한 운전을 실현할 수 있다.
또한, 가스 엔진(10)과 동형의 시험기로부터 미리 취득한 운전 시험 데이터에 근거하여, 보정 계수 C를 기통마다 수정하도록 하고 있으므로, 각 기통의 정확한 노킹 한계 점화 시기를 산출할 수 있다. 또한, 대표 기통으로서, 급기 온도 Ts가 가장 높고, 가장 노킹이 발생하기 쉬운 기통(14a)을 선택하고, 기통(14a)의 노킹 한계 점화 시기에 근거하여, 다른 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출하도록 하고 있으므로, 모든 기통에 있어서, 안전 사이드의 운전 상태로부터 점화 시기를 진각하여, 노킹 한계 점화 시기까지 조정하는 것이 가능하고, 노킹을 확실하게 억제할 수 있다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명에 의하면, 간이하고 저비용인 수단으로, 모든 기통의 노킹을 억제하면서, 점화 시기를 최대한 진각할 수 있어, 가스 엔진의 출력 및 열 효율을 향상할 수 있다.

Claims (4)

  1. 복수의 기통(氣筒)을 구비한 가스 엔진의 연소 제어 장치에 있어서,
    상기 복수의 기통 중에서 선택된 대표 기통의 통내압(筒內壓)을 검출하는 통내압 센서와,
    상기 통내압 센서에서 검출된 대표 기통의 통내압 파형으로부터, 대표 기통의 노킹(knocking) 한계 점화 시기를 산출하는 제 1 산출 수단과,
    통내압 파형 이외의 운전 상태량, 엔진 기본 제원 및 보정 계수를 포함하는 계산식으로부터, 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출하는 제 2 산출 수단과,
    상기 제 1 산출 수단에서 산출된 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기와, 상기 제 2 산출 수단에서 산출된 대표 기통의 노킹 한계 점화 시기를 비교하여, 상기 보정 계수를 구하는 제 3 산출 수단과,
    구한 보정 계수와, 상기 운전 상태량 및 엔진 기본 제원을 상기 계산식에 대입하여, 대표 기통 이외의 기통의 노킹 한계 점화 시기를 산출하는 제 4 산출 수단과,
    상기 제 1 산출 수단 및 제 4 산출 수단에서 산출된 모든 기통의 노킹 한계 점화 시기에 근거하여 각 기통의 노킹 한계 점화 시기를 설정하는 점화 시기 설정 수단을 구비하고 있는
    것을 특징으로 하는 가스 엔진의 연소 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운전 상태량은 각 기통에 공급되는 급기(給氣)의 온도, 공기 과잉률 및 엔진 회전 수이며, 상기 엔진 기본 제원은 실린더 보어(cylinder bore), 스트로크(stroke), 압축비 및 커넥팅 로드(connecting rod) 길이인 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 연소 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 4 산출 수단에 있어서, 미리 취득한 가스 엔진의 운전 시험 데이터에 근거하여, 상기 보정 계수를 기통마다 수정하도록 한 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 연소 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각 기통 중 가장 노킹이 발생하기 쉬운 기통을 대표 기통으로 선택하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 연소 제어 장치.
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