KR20140132826A - 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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김종석
류영석
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Abstract

본 발명은 이중연료엔진의 연소특성 중 연소시작시기에 대한 제어를 통해 실린더 밸런싱을 하는 방치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이중연료엔진의 연소시작시점 제어를 통한 실린더 밸런싱 방법은, 각 실린더의 연소압력센서들로부터 연소압력에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S501); 각 실린더의 연소압력 정보로부터 각 실린더의 연소시작시기(SoC)를 산출하는 과정(단계 S502); 각 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S503); 각 실린더의 연소시작시기(SoC)와 목표값(SoC_tg)을 비교하여, 모든 실린더들의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S504); 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우, 해당 실린더의 연소시작시기(SoC) 값이 목표값(SoC_tg)에 이를 때까지 각 실린더의 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 과정(단계 S505); 및 모든 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되면, 그때의 최종적인 파일럿 분사시기 조정 값으로 유지하는 과정(단계 S506)을 포함한다.

Description

이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치 및 방법{CYLINDER BALANCING SYSTEM AND METHOD BY CONTROL START OF COMBUSTION OF DUAL FUEL ENGINE}
본 발명은 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료 엔진의 실린더 밸런싱에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스연료 운전 모드에서 연소 특성 인자 중 연소시작시기를 조정하여 실린더 밸런싱을 수행하는 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치 및 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, 오일연료 운전 모드에서는 일반적인 디젤엔진과 같이 연료의 압축착화를 통해 연소가 일어나지만, 가스연료 운전 모드에서는 파일럿 인젝션을 미리 수행하여 가스연료에 대한 점화를 유도하여야 한다.
위와 같은 이유 때문에, 가스연료 운전 모드에서는 가스연료에 의한 점화시기를 동일하게 설정하더라도 연소(폭발)의 진행, 최고 압력, 최고압력 발생 시점 등이 실린더마다 차이가 발생하게 된다.
따라서, 위와 같은 이중연료 엔진에서는, 엔진의 운전 특성을 안정적으로 유지하기 위해서 실린더 간의 연소특성이나 연소압력을 균일하고 높게 제어하는 것이 유리하다.
연소특성이나 연소압력을 균일하게 유지하면 운전이 안정적이고 효율이 증대되고, 그와 함께 연소압력을 균일하게 유지하면 출력 및 효율이 더욱 향상된다.
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 필요에 따라 개발한 것으로서, 이중연료 엔진이 가스연료 모드로 운전될 때 가스연료의 연소특성 인자 중 연소시작시기의 제어를 통하여 실린더 밸런싱을 수행함으로써 출력, 효율 및 운전 안정성을 극대화하는 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치는, 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템으로서, 각각의 실린더에 설치되어 연소압력을 감지하는 연소압력센서; 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터; 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터; 흡기 포트에 가스연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브; 상기 파일럿 인젝터 및 가스 유입 밸브와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널; 상기 연소압력센서와 연결되고, 해당 연소압력센서로부터 각 실린더별 연소압력에 대한 시그널을 입력받아 각 실린더의 연소시작시기(SoC) 값을 산출하는 연소 모니터링 유닛; 및 가스연료 운전 모드 시, 상기 연소 모니터링 유닛으로부터 전송되는 연소시작시기(SoC)를 사전에 설정된 목표값(SoC_tg)과 비교하고, 모든 실린더의 연소시작시기(SoC) 값이 목표값(SoC_tg)에 도달할 때까지, 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 제어 시그널을 생성하고, 생성된 제어 시그널을 상기 인젝션 컨트롤 패널에 하달하여 인젝션 컨트롤 패널로 하여금 파일럿 인젝터를 조정하도록 하는 메인 컨트롤 패널을 구비한다.
본 발명의 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치에 있어서, 상기 연소 모니터링 유닛은, 상기 메인 컨트롤 패널과 분리되어 독립적으로 설치되는 실린더 모니터링 패널에 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서의 실린더 밸런싱 방법으로서, 각 실린더의 연소압력센서들로부터 연소압력에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S501); 각 실린더의 연소압력 정보로부터 각 실린더의 연소시작시기(SoC)를 산출하는 과정(단계 S502); 각 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S503); 각 실린더의 연소시작시기(SoC)와 목표값(SoC_tg)을 비교하여, 모든 실린더들의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S504); 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우, 해당 실린더의 연소시작시기(SoC) 값이 목표값(SoC_tg)에 이를 때까지 각 실린더의 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 과정(단계 S505); 및 모든 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되면, 그때의 최종적인 파일럿 분사시기 조정 값으로 유지하는 과정(단계 S506)을 포함한다.
이 경우, 상기 목표값(SoC_tg)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 연소시작시기(SoC)들의 평균값인 평균-연소시작시기(Soc_average)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 크랭크각 범위로 설정되거나, 또는 정상 작동 시 실린더가 발휘하는 최고압력 시점의 크랭크각을 기준으로 일정 범위의 하한치를 제한한 범위로 사전에 설정된 값으로 이루어진다.
상기 단계 S505에서, 어떤 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)보다 늦으면 파일럿 분사시기를 진각 시키고; 어떤 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)보다 빠르면 파일럿 분사시기를 지각시킨다.
본 발명에 따른 이중연료엔진의 연소시작시기(SoC) 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치 및 방법에 의하면, 각 실린더 간의 연소시작시기(SoC)의 차이를 최소한의 범위로 규제한다.
이에 따르면, 각 실린더 간의 연소특성이 거의 동일해지고, 그에 따라 각 실린더 간의 연소압력도 균일해져서, 운전이 안정적으로 유지되고 효율이 증대된다.
또한, 그에 따라, 디젤엔진을 기반으로 하는 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드를 원활하고 양호하게 수행할 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 시스템의 전체 구성을 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실린더 밸런싱 제어 요소들에 대한 계통도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 연소시작시기를 제어하여 밸런싱을 하는 제어과정을 설명하기 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실린더 밸런싱 제어에 대한 성능시험을 위한 엔진 초기 상태를 나타내는 도표이다.
도 5는 본 발명에 따라 연소시작시기의 제어를 통해 실린더 밸런싱을 수행한 결과를 나타내는 도표이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치 및 방법에 대한 실시예들을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 시스템의 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.
실린더 밸런싱을 위해, 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 압력 레귤레이터를 구비하는 가스밸브유닛(32)이 구비되고, 가스연료 공급 라인(30)의 가스압력을 검출하는 가스연료 압력센서(34)가 구비된다.
이러한 이중연료엔진(10)의 전체적인 제어는 엔진 컨트롤 시스템의 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, 가스연료 압력센서(34)로부터 가스연료 공급 라인(30)의 가스연료 압력을 입력받고, 실린더 밸런싱 제어 시 가스밸브유닛(32)의 압력 레귤레이터를 제어하여 가스연료공급압력을 조정할 수 있다.
또한, 메인 컨트롤 패널(100)은, 후술하는 실시예에서 자세히 설명하겠지만, 실린더 밸런싱을 위해 '파일럿 분사시기'를 제어한다. 이를 위한 전체적 및 개별적인 조정 시그널은 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 인젝션 컨트롤 패널(120)로 하여금 파일럿 인젝터(24)를 제어하도록 한다.
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.
연소압력센서(12)와 노크 센서(14)로부터의 연소정보를 입력받아 그것에 대응하는 실린더 밸런싱 제어를 위해, 메인 컨트롤러(100)에 실린더 모니터링 기능(프로그램 또는 모듈)이 함께 탑재될 수 있다.
본 실시예에서는, 좀 더 용이한 제어를 위해, 독립적인 실린더 모니터링 패널(130)을 구비한다.
실린더 모니터링 패널(130)은 상기의 연소압력센서(12) 및 노크 센서(14)와 연결되며, 연소압력센서(12)로부터 실린더 연소압력정보와 노크 정보를 실시간으로 입력받아 모니터링 하고, 연소시작시기(SoC) 등, 연소에 관련된 각종의 인자들을 산출하며, 그 정보를 메인 컨트롤 패널(100)에 전송한다.
메인 컨트롤 패널(100)은, 실린더 모니터링 패널(130)로부터 전송되는 데이터(예; 연소시작시기(SoC) 등 연소관련 인자 정보 및 노트 정보 등)에 기초하여 사전에 입력된 실린더 밸런싱 제어 옵션과 노크 제어 옵션을 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 이중연료엔진의 실린더 밸런싱 제어 요소들에 대한 계통도이다. 도 1을 병행 참조한다.
도 2를 참조하면, 실린더 모니터링 패널(130)은, 실린더별 연소압력을 모니터링 하는 연소 모니터링 유닛(132)과 실린더별 노크 상태(강도)를 모니터링 하는 노크 감시 유닛(134)을 구비한다.
연소 모니터링 유닛(132)은 연소압력센서(12)로부터 각 실린더별 연소압력에 대한 시그널을 입력받아 연소 커브를 생성하고, 해당 연소 커브에 기초하여 시전에 입력된 계산식에 의해 각 실린더별 연소시작시기(SoC) 값을 산출하며, 생성된 정보는 메인 컨트롤 패널(100)로 전송하는 한편 모니터링 PC(150)에 디스플레이한다.
노크 감시 유닛(134)은 노크 센서(14)로부터 각 실린더별 노크 상황에 대한 시그널을 입력받아 실린더에서 발생하는 노이즈 중에 노크 가능성이 있는 레벨의 신호를 포착하고, 그 포착 결과를 메인 컨트롤 패널(100)로 전송한다.
메인 컨트롤 패널(100)에는 실린더 밸런싱과 노크 제어에 대한 프로그램이 미리 설정된다. 따라서, 메인 컨트롤 패널(100)은 실린더 모니터링 패널(130)의 연소 모니터링 유닛(132)으로부터 전송되는 연소시작시기(SoC)에 대한 정보와 노크 정보를 바탕으로 사전에 설정된 값 이상의 편차가 발생한 실린더에 대해 파일럿 분사시기를 오프셋 시키기 위한 제어 시그널을 생성해서 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 각 실린더의 파일럿 인젝터(24)를 제어하도록 한다.
[연소시작시기(SoC) 제어에 의한 실린더 밸런싱 방법]
본 발명에 따른 연소시작시기(SoC) 제어를 통한 실린더 밸런싱 방법은, 파일럿 인젝터(24)(도 1 참조)의 파일럿 오일연료 분사시기, 즉 파일럿 분사시기를 오프셋(offset)(즉, 진각(advancing)이나 지각(retarding))시켜 각 실린더의 연소시작시기(SoC)를 균일하게 유지하도록 제어하는 방법이다.
일반적인 파일럿 분사시기의 오프셋 범위, 즉 파일럿 분사시기 조절범위는, 예를 들어, 상사점 전 크랭크 각도(BTDC)로 -3°crs 내지 +3°crs 사이 등과 같이 사전에 설정되고, 그 범위 내에서 조절이 이루어진다.
파일럿 분사시기는 연소관련 인자 중 점화시기(ignition timing)와 밀접한 관련이 있다.
통상적으로 파일럿 분사시기를 진각시키면 점화시기가 앞당겨지고, 지각시키면 점화시기가 늦춰진다.
또한, 상기와 같이 제한적인 오프셋 범위 이내에서 파일럿 분사시기를 조정하는 경우, 일반적으로, 파일럿 분사시기를 진각시켜 점화시기를 앞당기면 연소시작시기(SoC)가 앞당겨지고, 반대로 파일럿 분사시기를 지각 시켜 점화시기를 늦추면 연소시작시기(SoC)가 늦춰지는 경향을 보인다.
<실시예>
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 파일럿 분사시기를 오프셋 시켜 각 실린더의 연소시작시기(SoC)를 제어하는 과정을 설명하기 순서도이다.
도 3을 참조하면, 각 실린더의 연소압력센서(12)들로부터 센싱 시그널이 입력되면(단계 S501), 각 실린더의 연소시작시기(SoC)를 산출한다(단계 S502).
연소시작시기(SoC)는, 연소 진행 과정에서 점화지연까지 고려한 연소의 실제 시작 지점으로서, 연소압력센서(12)로부터 입력되는 센싱 시그널에 의해 열 방출 커브(Heat Release Rate Curve)를 생성하고, 그 커브에 기초하여 사전에 입력된 계산식에 의해 산출된다.
이렇게 하여 산출된 각 실린더의 연소시작시기(SoC) 값은 메인 컨트롤 패널(100)에 전송되는 한편 모니터링 PC(150)에 디스플레이한다.
이어서, 각 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달하였는지를 파악한다(단계 S503).
여기서, 목표값(SoC_tg)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 연소시작시기(SoC)들의 평균값인 평균-연소시작시기(Soc_average)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 크랭크각 범위로 설정할 수 있다.
평균-연소시작시기(Soc_average)로 목표값(SoC_tg)을 설정하여 제어하는 경우는, 각 실린더의 연소시작시기(SoC)가 균일해져서 실린더들 사이의 연소시작시기(SoC) 값의 편차(Max - Min)가 줄어들어 운전 안정성과 효율이 향상된다.
또한, 목표값(SoC_tg)은, 정상 작동 시 실린더가 발휘하는(도달 가능한) 최고압력(한계압력) 시점의 크랭크각을 기준으로 일정 범위의 하한치를 제한한 범위로 사전에 설정할 수도 있다.
실린더의 한계압력을 기준으로 설정한 목표값(SoC_tg)으로 제어하는 경우는, 실린더들의 연소최고압력을 한계압력에 가까워지도록 상승시킬 수 있음과 동시에 그 압력편차도 줄어들게 되므로, 효율, 운전 안정성 및 출력을 극대화하는데 매우 유리하다.
위와 같이 하여, 각 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달하였는지를 파악한 이후에는, 각 실린더의 연소시작시기(SoC)와 목표값(SoC_tg)을 비교하여, 모든 실린더들의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 모두 도달하였는지를 판단한다(단계 S504).
연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되지 않은 실린더가 있는 경우에는, 해당 실린더(들)의 연소시작시기(SoC) 값이 목표값(SoC_tg)에 이를 때까지 파일럿 분사시기를 사전에 설정된 제어요령에 입각하여 진각 또는 지각시키는 동작을 단계별로 수행한다(단계 S505).
예를 들어, 어떤 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)보다 늦으면 파일럿 분사시기를 진각시키는 제어를 수행한다. 그러면 점화시기가 앞당겨지고 연소시작시기(SoC)도 앞당길 수가 있다.
반대로, 어떤 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)보다 빠르면 파일럿 분사시기를 지각시키는 제어를 수행한다. 그러면 점화시기가 늦춰지고 연소시작시기(SoC)도 늦출수 있다.
이렇게 하여, 모든 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되면, 그때의 최종적인 파일럿 분사시기 조정 값으로 계속하여 유지한다(단계 S506).
만일, 엔진 컨트롤 시스템에서 어떤 이유로 하여 제어 종료 신호가 입력되면, 최종의 조정 값을 저장한 후 제어를 종료한다(단계 S507).
<제1 실시예를 시험하기 위한 엔진 초기 조건 및 시험 결과>
도 4는 본 발명에 따른 실린더 밸런싱 제어에 대한 성능시험을 위한 엔진 초기 상태를 나타내는 도표이다.
도 4를 참조하면, 실린더 밸런싱 제어 시험에 사용될 엔진의 초기 설정 값 및 조건들은 다음과 같다.
엔진 부하(engine load) : 100%,
전체 파일럿 분사시기(global ignition timing) : 상사점 전 14°crs(크랭크 각)
흡기 압력(boost pressure) :4.40 barA
배기 게이트 포지션 : 약 39%
도 5는 본 발명에 따라 실린더 밸런싱을 수행한 결과를 나타내는 도표이다.
도 5를 참조하면, 실린더 밸런싱 제어를 수행하지 않은 경우는(Meas_1), 실린더들의 평균-연소시작시기(Soc_average)는 상사점 전(BTDC) 크랭크각으로 -5.2°(즉, 상사점 후 5.2˚)이다.
이때, 실린더들 중 연소시작시기(SoC)가 가장 빠른 실린더는 -3.7°이고, 가장 늦은 실린더는 -7.5°로서, 그 편차(Max - Min)가 3.8°나 되기 때문에 매우 넓고 불균일함으로 알 수 있다.
따라서 실린더 밸런싱 제어를 수행하지 않은 경우는 실린더간의 편차가 심해져서 운전 안정성이 저하되고 효율이 44.93%로 낮음을 알 수 있다.
만일, 실린더 밸런싱 제어 옵션을 실행하여, 전체 실린더의 가스연료 분사 개시 시기를 14(°crs BTDC)로 설정하고, 목표값(SoC_tg)을 구동중인 엔진으로부터 산출되는 연소시작시기(SoC)의 평균값인 평균-연소시작시기(Soc_average)(즉, -5.2°)로 설정하여 각 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 이르도록 파일럿 분사시기를 조절하는 경우(Meas_6)는, 실린더들 중 연소시작시기(SoC)가 가장 빠른 실린더는 -5.1°이고, 가장 늦은 실린더는 -5.3°이며, 그 편차(Max - Min)는 0.2°가 된다.
따라서, 제어 후 각 실린더 간의 연소시작시기(SoC)의 편차(Max - Min)가 밸런싱 전 3.8°에서 제어 후 0.2°로 많이 줄어들게 된다.
따라서 밸런싱 후에는 모든 실린더들이 균일한 연소특성을 보이며, 그것에 의해 출력도 균일해 질 것이고 운전 안정성도 향상되며 효율도 45.01로 증가한다는 것을 알 수 있다.
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)
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 (5)

  1. 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템으로서,
    각각의 실린더에 설치되어 연소압력을 감지하는 연소압력센서(12);
    연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터(22);
    파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터(24);
    흡기 포트에 가스연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브(26);
    상기 파일럿 인젝터(24) 및 가스 유입 밸브(26)와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널(120);
    상기 연소압력센서(12)와 연결되고, 해당 연소압력센서(12)로부터 각 실린더별 연소압력에 대한 시그널을 입력받아 각 실린더의 연소시작시기(SoC) 값을 산출하는 연소 모니터링 유닛(132); 및
    가스연료 운전 모드 시, 상기 연소 모니터링 유닛(132)으로부터 전송되는 연소시작시기(SoC)를 사전에 설정된 목표값(SoC_tg)과 비교하고, 모든 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달할 때까지, 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 제어 시그널을 생성하며, 생성된 제어 시그널을 상기 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 인젝션 컨트롤 패널(120)로 하여금 파일럿 인젝터(24)를 조정하도록 하는 메인 컨트롤 패널(100)을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소 모니터링 유닛(132)은, 상기 메인 컨트롤 패널(100)과 분리되어 독립적으로 설치되는 실린더 모니터링 패널(130)에 구비되는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 장치.
  3. 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서의 실린더 밸런싱 방법으로서,
    각 실린더의 연소압력센서(12)들로부터 연소압력에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S501);
    각 실린더의 연소압력 정보로부터 각 실린더의 연소시작시기(SoC)를 산출하는 과정(단계 S502);
    각 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S503);
    각 실린더의 연소시작시기(SoC)와 목표값(SoC_tg)을 비교하여, 모든 실린더들의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S504);
    연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우, 해당 실린더의 연소시작시기(SoC) 값이 목표값(SoC_tg)에 이를 때까지 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 과정(단계 S505); 및
    모든 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)에 도달되면, 그때의 최종적인 파일럿 분사시기 조정 값으로 유지하는 과정(단계 S506)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 목표값(SoC_tg)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 연소시작시기(SoC)들의 평균값인 평균-연소시작시기(Soc_average)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 크랭크각 범위로 설정되거나, 또는,
    정상 작동 시 실린더가 발휘하는 최고압력 시점의 크랭크각을 기준으로 일정 범위의 하한치를 제한한 범위로 사전에 설정되는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단계 S505에서,
    어떤 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)보다 늦으면 파일럿 분사시기를 진각 시키고;
    어떤 실린더의 연소시작시기(SoC)가 목표값(SoC_tg)보다 빠르면 파일럿 분사시기를 지각시키는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 연소시작시기 제어를 통한 실린더 밸런싱 방법.
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