KR20140124951A - 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서 가스공급 라인의 가스연료 압력 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법은, 흡기압력센서로부터 검출된 흡기압력(P_air)을 입력받는 과정(단계 S501); 해당 흡기압력(P_air)에 대응하는 가스연료 조정 표준값으로부터 목표 가스압력(P_tg)을 산출하는 과정(단계 S502); 가스연료 압력 센서로부터 가스연료 공급라인의 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)을 입력받는 과정(단계 S503); 목표 가스압력(P_tg)과 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)의 차압(P_tg - P_gas)을 산출하는 과정(단계 S504); 차압(P_tg - P_gas)이 사전에 설정된 허용 오차 범위인 기준값을 벗어나는지를 확인하는 과정(단계 S505); 차압(P_tg - P_gas)이 기준값을 벗어나면, 그 벗어난 압력만큼 가스연료 압력조정밸브에 조정신호를 전송하는 과정(단계 S506)을, 목표 가스압력(P_tg)과 실제 검출되는 가스연료의 압력(P_gas)의 차압(P_tg - P_gas)이 사전에 설정된 허용 오차 범위인 기준값 이내에 들어올 때까지 계속하여 피드백 제어하는 것이다.

Description

이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법{GAS FUEL PRESSURE CONTROL METHOD FOR DUAL FUEL ENGINE}
본 발명은 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료 대형 엔진의 가스연료 압력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스연료 운전 모드에서 가스공급 라인의 실제 가스연료 압력을 요구 압력으로 정확하게 조절함으로써 엔진 효율을 향상시키는 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG) 등의 가스 운반선에서는, 저장 탱크 내에 저장되어 있는 가스연료를 쉽게 연료로 사용하는 한편 탱크 내에서 기화되는 가스를 재 액화시키지 않고 선박 추진용 엔진의 연료로 활용하기 위해 오일연료와 가스연료를 선택적으로 또는 동시에 사용하는 이중 연료 엔진을 탑재하는 경우가 있다. 또한, LNG나 LPG와 같은 가스를 사용하는 해상 부유물, 해상 구조물, 또는 플랜트의 발전설비에서 사용하는 대형 디젤 엔진의 경우에도 가스연료를 함께 쓸 수 있는 이중 연료 엔진을 도입하고 있다.
이중 연료를 사용하는 대형 엔진(디젤 엔진)은, 가스연료를 사용하는 가스연료 운전 모드와 오일연료(예; Marine Diesel Oil, Heavy Fuel Oil 등)를 사용하는 오일연료 운전 모드, 그리고 가스연료와 오일연료를 동시에 사용하는 혼합 운전 모드를 가진다.
오일연료는 각각의 실린더 헤드에 구비된 오일연료 인젝터에 의해 연소실로 분사되고, 가스연료는 메인 피드 파이프로부터 각 실린더별 분배 파이프로 분배된 다음 가스 유입 밸브(GAV; Gas Admission Valve) 조립체에서 가스량이 조절되어 가스 인젝터를 통해 실린더 헤드의 흡기 포트에 분사된다.
이중연료 엔진은, 점화플러그에 의해 연료를 불꽃 점화하는 가솔린 엔진과는 달리 흡기를 고온고압으로 압축하여 자발화(self ignition, 자기착화) 시키는 디젤 엔진을 기반으로 하기 때문에, 가스연료의 착화를 유도하는 소형 오일연료 분사기로서 파일럿 인젝터(Micro Pilot Injector)를 더 구비한다.
천연가스와 같은 가스연료는 인화점은 낮지만 자발화(self ignition, 자기착화) 온도가 550℃ 부근으로 높기 때문에, 가스연료 운전 모드에서 주연료인 가스연료를 분사(main injection 과정)하기 직전에 파일럿 인젝터를 통해 파일럿 오일(예; Marine Diesel Oil, Marine Gas Oil 등)을 미량 분사하여 점화를 유도하여(pilot injection 과정), 가스연료의 안정적인 점화를 도모할 수 있다.
또한, 오일연료 운전 모드에서도, 주연료인 디젤연료를 분사하기 직전에 파일럿 인젝터를 통해 파일럿 오일을 미량 분사하여 연소실의 연소환경을 개선함으로써 NOx 개선 및 연소 성능을 향상시킬 수 있다.
위와 같이 이중연료 엔진에 있어서, 두 가지의 주연료와 파일럿 오일의 공급을 위해 각각 별도의 공급 계통을 설비하여야 하는 한편, 두 가지 운전 모드 이상으로 운전하여야 하기 때문에 장치가 복잡할 뿐만 아니라 이를 제어하기 위한 제어 시스템도 매우 복잡하다.
특히, 이중연료엔진은 디젤엔진을 기반으로 하여 가스연료를 추가로 사용할 수 있도록 한 것이기 때문에, 가스연료 모드에서의 정밀한 운전 제어는 가스연료 모드로 운전할 수 있는지의 여부를 결정하는 매우 중요한 요소이다.
예를 들어, 가스연료 운전모드에서 흡기포트에 분사되는 가스연료는, 가스연료 공급라인의 가스압력과 가스유입밸브(GAV)의 개방시간에 의해 분사량이 결정되는데, 가스연료 공급라인의 실제 가스압력이 제어 값에 비해 오차가 발생하는 경우 가스유입밸브로부터 분사되는 실제 가스연료량에 오차가 발생하여 엔진의 연소 특성의 제어를 어렵게 만들어 엔진효율이나 성능이 떨어지는 것을 막기 어렵다.
가스유입밸브(GAV)에 연결되는 가스연료 공급라인에는 가스밸브유닛(GVU, Gas Valve Unit)이 구비되고, 가스밸브유닛(GVU)에는 가스연료의 압력을 조정하는 가스연료 압력조정밸브가 구비된다.
상기 가스연료 압력조정밸브의 압력은 흡기압력(Charged Air Pressure)에 대응하여 엔진 컨트롤 시스템(ECS)에 의해 제어된다.
상기 가스연료 압력조정밸브는, 엔진 컨트롤 시스템에서 전송되는 전기 신호를 압력으로 변환하는 I/P 컨버터와, 상기 I/P 컨버터의 압력 신호 값에 따라 압력을 조정하는 압력 레귤레이터가 구비된다. 상기 압력 레귤레이터에는 소정의 기계적인 압력으로 사전에 설정된 사전 설정 값이 존재한다.
그런데, 상기 압력 레귤레이터의 사전 설정 값은 시간이 지남에 따라 스프링의 탄성계수가 변화하게 되고, 또한 I/P 컨버터에서는 전기신호를 압력 값으로 변환하는 과정에서 피치못할 오차가 발생하게 된다.
따라서, 엔진 컨트롤 시스템에서 흡기압력에 따라 압력조정밸브에 조절 제어신호를 전송하는 경우, 압력조정밸브에 의해 실제 가스연료에 반영되는 압력에 오차가 발생하게 된다. 이 경우 가스유입밸브의 개방시간에 대한 제어 값에 배해 실제 가스유입밸브를 통해 흡기포트로 공급되는 가스연료의 양에 차이가 발생하게 되어, 엔진의 연소특성을 제어하기 어렵고 그에 따라 엔진 효율이 낮아지는 폐단이 발생하게 된다.
공개특허공보 공개번호 제10-2010-0074084호(2010.07.01. 공개) 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0078504호(2008.08.27. 공개) 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0095274호(2004.11.12. 공개)
본 발명은 위와 같은 점을 개선하기 위 개발한 것으로서, 이중연료 엔진을 가스연료 모드로 운전할 때 가스공급 라인의 실제 가스연료 압력을 요구 압력으로 정확하게 조절함으로써 엔진 효율을 향상시키는 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법은, 흡기압력센서로부터 검출된 흡기압력(P_air)을 입력받는 과정(단계 S501); 해당 흡기압력(P_air)에 대응하는 가스연료 조정 표준값으로부터 목표 가스압력(P_tg)을 산출하는 과정(단계 S502); 가스연료 압력 센서로부터 가스연료 공급라인의 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)을 입력받는 과정(단계 S503); 목표 가스압력(P_tg)과 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)의 차압(P_tg - P_gas)을 산출하는 과정(단계 S504); 차압(P_tg - P_gas)이 사전에 설정된 허용 오차 범위인 기준값을 벗어나는지를 확인하는 과정(단계 S505); 및 차압(P_tg - P_gas)이 기준값을 벗어나면, 그 벗어난 압력만큼 가스연료 압력조정밸브에 조정신호를 전송하는 과정(단계 S506)을, 목표 가스압력(P_tg)과 실제 검출되는 가스연료의 압력(P_gas)의 차압(P_tg - P_gas)이 사전에 설정된 허용 오차 범위인 기준값 이내에 들어올 때까지 계속하여 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 목표 가스압력(P_tg)은, 흡기압력에 대응하여 사전에 설정된 가스연료 조정 표준값에 의해 산출되고; 상기 가스연료 조정 표준값은, 가스연료 압력조정밸브의 사전 설정 압력과 엔진 컨트롤 시스템으로부터 받은 신호에 의해 조정되는 I/P 컨버터의 출력 압력을 합한 값으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법에 의하면, 가스유입밸브에 의해 분사되는 가스연료의 실제 압력을 측정하여 목표압력과 동일해지도록 PID 컨트롤러에 의해 계속하여 피드백 제어함으로써 각종의 오차에 의한 영향을 최소화할 수 있고, 그에따라 엔진 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스연료 압력 제어 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가스연료 압력 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 전체 구성을 나타내는 계통도이다.
도 1은 선박용 또는 플랜트용의 대형 이중연료 엔진 및 그것의 제어 계통을 보여주는 것으로서, 이중연료엔진(10)은 오일연료를 사용하는 오일연료 운전 모드와 가스연료를 사용하는 가스연료 운전 모드로 운전된다.
이중연료엔진(10)의 각각의 실린더(즉, 연소실)에는 연소압력을 감지하는 연소압력센서(12)가 설치된다. 더 나아가서 노크 제어를 위한 노크 센서(14)가 설치된다.
두 가지의 연료를 제공하기 위해, 이중연료엔진(10)의 실린더 헤드(20)에는 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터(22)와 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터(Pilot Injector)(24)가 구비되고, 흡기 포트에 가스연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브(GAV; Gas Admission Valve)(26)가 구비된다.
또한, 가스 유입 밸브(26)에 연결된 가스연료 공급 라인(30)에는 가스연료의 압력을 조정하는 가스연료 압력조정밸브를 가지는 가스밸브유닛(32)이 구비되고, 가스연료 공급 라인(30)의 가스압력을 검출하는 가스연료 압력센서(34)가 구비된다.
또한, 흡기계통에는 흡기압력을 검출하는 흡기압력센서(40)와, 흡기온도를 검출하는 흡기온도센서(50)가 구비된다.
이러한 이중연료엔진(10)의 전체적인 제어는 엔진 컨트롤 시스템(ECS)의 중앙 제어 유닛을 갖추고 있는 메인 컨트롤 패널(100)에서 수행하며, 메인 컨트롤 패널(100)의 통제하에 로컬 오퍼레이팅 패널(LOP, Local Operating Panel)(110) 및 인젝션 컨트롤 패널(ICP, Injection Control Panel)(120)로부터 엔진의 모든 데이터를 받아 엔진 기동 및 정지, 속도 및 출력, 공연비, 메인 연료 공급 차단, 파일럿 연료 공급 차단, 연료 모드 전환, 연료 분배, 냉각 매체 온도, 엔진 운전 상태 산출, 엔진 안전을 위한 제어 등, 전반적인 제어 동작을 수행하며, 그리고 본 발명에 따른 실린더 밸런싱 제어 동작을 수행한다.
또한, 메인 컨트롤 패널(100)은, 흡기압력센서(40)와 흡기온도센서(50)로부터 흡기 압력 시그널을 입력받고, 가스연료 압력센서(34)로부터 가스연료 공급 라인(30)의 가스연료 압력 시그널을 입력받아, 실제 가스연료 공급 라인(30)의 가스압력에 목표압력이 되도록 가스밸브유닛(32)의 가스연료 압력조정밸브를 제어하게 된다.
로컬 오퍼레이팅 패널(110)은, 개별 엔진마다 설치되어 각각의 엔진의 모든 상태 값들이 디스플레이되고 모니터링 되는 한편, 메인 컨트롤 패널(100)과 각각의 엔진 상태 정보와 명령들을 통신한다. 또한, 로컬 오퍼레이팅 패널(110)은, 관리자가 개별 엔진을 작동하는 한편 모니터링을 수행할 수 있도록 하기 위해, 개별 엔진의 측정값들을 디스플레이하고 입력 또는 동작 메뉴 버튼을 디스플레이하기 위한 터치 스크린을 구비할 수 있다.
인젝션 컨트롤 패널(120)은 파일럿 인젝터(24) 및 파일럿 인젝션용 고압펌프와 연결됨과 함께 가스 유입 밸브(26)와 연결되며, 이것들을 메인 컨트롤 패널(100)의 통제하에 제어한다.
실린더 모니터링 패널(130)은 상기의 연소압력센서(12) 및 노크 센서(14)와 연결되어, 연소압력센서(12)로부터 실린더 연소압력정보와 노크 정보를 실시간으로 입력받아 모니터링 하고, 연소에 관련된 각종의 인자들을 산출하며, 그 정보를 메인 컨트롤 패널(100)에 전송한다.
<이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법>
도 2에는 본 발명에 따른 가스연료 압력 제어 방법을 설명하기 위한 블록도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명에 따른 가스연료 압력 제어 과정을 나타내는 순서도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 가스연료 분사 압력, 즉 가스연료 공급 라인의 요구 압력은, 부하에 따른 흡기 압력에 의해 결정되며, 가스연료의 압력의 오프셋의 결정은 가스유입밸브의 분사 지속시간에 영향을 준다. 가스연료 압력이 상승하면 가스유입밸브의 분사지속시간을 줄여야 한다.
가스밸브유닛에 구비되는 가스연료 압력조정밸브는, 사전에 설정된 사전 설정 압력(Mechanical Presetting Pressure) 및 I/P 컨버터로 이루어지며, 그것의 압력 레귤레이터(Pressure regulating valve)는 상기의 사전 설정 압력의 기계적인 조정 값과 엔진 컨트롤 시스템으로부터 받은 신호에 의해 조정되는 I/P 컨버터의 출력 값을 합한 값으로 압력조정된다.
목표 가스압력은, 흡기압력의 변화, 그리고 흡기압력에 대응하여 사전에 설정된 가스연료 조정 표준값에 의해 산출된다. 가스연료 조정 표준값은, 가스연료 압력조정밸브의 사전 설정 압력과 엔진 컨트롤 시스템으로부터 받은 신호에 의해 조정되는 I/P 컨버터의 출력 압력을 합한 값이다.
엔진 컨트롤 시스템은, I/P 컨버터와 가스 밸브 유닛에 대한 다양하게 공급되는 가스연료의 오차에 의한 영향을 줄이기 위해 PID 컨트롤러에 의해 피드백 제어된다.
도 3을 병행 참조하면, 더 구체적으로는 흡기압력센서로부터 검출된 흡기압력(P_air)이 엔진 컨트롤 시스템, 즉, 메인 컨트롤 패널로 입력받아(단계 S501), 해당 흡기압력(P_air)에 대응하는 가스연료 조정 표준값으로부터 목표 가스압력(P_tg)을 산출한다(단계 S502).
이어서, 가스연료 압력 센서로부터 가스연료 공급라인의 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)을 입력받아(단계 S503), 목표 가스압력(P_tg)과 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)의 차압(P_tg - P_gas)을 산출한다(단계 S504).
만일, 차압(P_tg - P_gas)이 사전에 설정된 허용 오차 범위인 기준값을 벗어나는지를 확인하고(단계 S505), 차압(P_tg - P_gas)이 기준값을 벗어나면 해당 벗어난 압력만큼 가스연료 압력조정밸브에 조정신호를 전송하여 가스연료 압력조정밸브의 출력 압력이 목표압력과 동일해 지도록 하는 제어를 수행한다(단계 S506).
만일, 엔진 컨트롤 시스템의 필요에 의해 제어 종료 신호가 입력되면, 제어를 종료한다(단계 S507).
이와 같이 본 발명의 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법에 의하면, 가스유입밸브에 의해 분사되는 가스연료의 실제 압력을 측정하여 목표압력과 동일해지도록 계속하여 피드백 제어함으로써 각종의 오차에 의한 영향을 최소화할 수 있고, 그에따라 엔진 효율을 향상시킬 수 있게된다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
10 : 엔진
12 : 연소압력센서
14 : 노크 센서
20 : 실린더 헤드
22 : 오일연료 인젝터
24 : 파일럿 인젝터
26 : 가스 유입 밸브(GAV)
30 : 가스연료 공급 라인
32 : 가스밸브유닛(32)
34 : 가스연료 압력센서(34)
40 : 흡기압력 센서
50 : 흡기온도 센서
100 : 메인 컨트롤 패널
110 : 로컬 오퍼레이팅 패널
120 : 인젝션 컨트롤 패널
130 : 실린더 모니터링 패널
132 : 연소 모니터링 유닛
134 : 노크 감시 유닛

Claims (2)

  1. 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법으로서,
    흡기압력센서로부터 검출된 흡기압력(P_air)을 입력받는 과정(단계 S501);
    해당 흡기압력(P_air)에 대응하는 가스연료 조정 표준값으로부터 목표 가스압력(P_tg)을 산출하는 과정(단계 S502);
    가스연료 압력 센서로부터 가스연료 공급라인의 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)을 입력받는 과정(단계 S503);
    목표 가스압력(P_tg)과 실제 검출된 가스연료의 압력(P_gas)의 차압(P_tg - P_gas)을 산출하는 과정(단계 S504);
    차압(P_tg - P_gas)이 사전에 설정된 허용 오차 범위인 기준값을 벗어나는지를 확인하는 과정(단계 S505);
    차압(P_tg - P_gas)이 기준값을 벗어나면, 그 벗어난 압력만큼 가스연료 압력조정밸브에 조정신호를 전송하는 과정(단계 S506)을, 목표 가스압력(P_tg)과 실제 검출되는 가스연료의 압력(P_gas)의 차압(P_tg - P_gas)이 사전에 설정된 허용 오차 범위인 기준값 이내에 들어올 때까지 계속하여 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목표 가스압력(P_tg)은, 흡기압력에 대응하여 사전에 설정된 가스연료 조정 표준값에 의해 산출되고,
    상기 가스연료 조정 표준값은, 가스연료 압력조정밸브의 사전 설정 압력과 엔진 컨트롤 시스템으로부터 받은 신호에 의해 조정되는 I/P 컨버터의 출력 압력을 합한 값으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 가스연료 압력 제어 방법.
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