KR20160041523A - 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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임채순
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정대열
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Abstract

본 발명은 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 각 실린더의 노킹센서들로부터 노킹에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S501); 각 실린더의 노킹 정보로부터 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)를 산출하는 과정(단계 S502); 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S503); 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)와 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 비교하여, 모든 실린더들의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S504); 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우, 해당 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity) 값이 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 이를 때까지 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 과정(단계 S505); 및 모든 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되면, 그때의 최종적인 파일럿 분사시기 조정 값을 유지하는 과정(단계 S506)을 포함한다.

Description

이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치 및 방법{CYLINDER BALANCING SYSTEM AND METHOD USING KNOCK INTENSITY OF DUAL FUEL ENGINE}
본 발명은 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료 대형 엔진의 실린더 밸런싱에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스연료 운전 모드에서 연소특성 인자 중 노킹 강도를 조정하여 실린더 밸런싱을 수행하는 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 가스 연료를 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.
그러나 부득이하게 비용 등의 이유로 연소압 센서 및 연소압 모니터링 시스템을 구비하지 못하는 경우에도 엔진 운전을 안정적으로 하기 위한 실린더 밸런싱 제어가 필요하며 노킹 센서를 통해서 측정되는 노킹 강도 또한 그 대상이 될 수 있다.
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 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 이중연료 엔진이 가스연료 모드로 운전될 때 가스연료의 연소특성 인자 중 노킹 강도에 대한 제어를 통해 실린더 밸런싱을 수행함으로써 연소압 센서 및 연소압 모니터링 시스템이 없이도 출력, 효율 및 운전 안정성을 극대화할 수 있도록 하는 실린더 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치는, 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템으로서, 실린더 헤드 벽면에 부착되어 노킹 강도를 감지해 내는 노킹 센서; 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터; 파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터; 흡기 포트에 가스 연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브; 상기 파일럿 인젝터 및 가스 유입 밸브와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널; 상기 노킹센서와 연결되고, 해당 노킹센서로부터 각 실린더별 노킹 강도에 대한 시그널을 입력받아 각 실린더의 노킹 강도 값을 산출하는 노킹 모니터링 유닛; 및 가스연료 운전 모드 시, 상기 노킹 모니터링 유닛으로부터 전송되는 노킹 강도를 사전에 설정된 목표 값과 비교하고, 모든 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달할 때까지, 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 제어 신호를 생성하거나, 또는 가스연료 분사지속시간(DOI)을 연장 또는 단축시키는 제어 시그널을 생성하고, 생성된 제어 시그널을 상기 인젝션 컨트롤 패널에 하달하여 인젝션 컨트롤 패널로 하여금 파일럿 인젝터와 가스 유입 밸브를 조정하도록 하는 메인 컨트롤 패널을 구비한다.
본 발명의 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치에 있어서, 상기 노킹 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 노킹센서들로부터 노킹에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S501); 각 실린더의 노킹 정보로부터 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)를 산출하는 과정(단계 S502); 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S503); 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)와 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 비교하여, 모든 실린더들의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S504); 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우, 해당 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity) 값이 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 이를 때까지 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 과정(단계 S505); 및 모든 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되면, 그때의 최종적인 파일럿 분사시기 조정 값을 유지하는 과정(단계 S506)을 포함한다.
이 경우, 상기 목표값(Target or Average Knock Intensity)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 노킹 강도 (Knock Intensity)들의 평균값(Knock intensity-average)인 평균노킹 강도(Average Knock Intensity)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 강도 범위로 설정되거나, 또는 정상 작동 시 실린더가 도달 가능한 최고 강도인 한계노킹 강도를 기준으로 소정 범위의 하한치를 제한한 노킹 강도 범위로 설정된다.
상기 단계 S505에서, 어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 낮으면 파일럿 분사시기를 진각 시키고; 어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 높으면 파일럿 분사시기를 지각시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서의 실린더 밸런싱 방법으로서, 각 실린더의 노킹센서들로부터 노킹에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S601); 각 실린더의 노킹 정보로부터 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)를 산출하는 과정(단계 S602); 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S603); 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)와 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 비교하여, 모든 실린더들의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S604); 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우에는, 해당 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity) 값이 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 이를 때까지 각 실린더의 가스연료 분사지속시간(DOI)을 단계별로 연장 또는 단축시키는 과정(단계 S605); 및 모든 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되면, 그때의 최종적인 가스연료 분사지속시간(DOI) 조정 값을 유지하는 과정(단계 S606)을 포함한다.
이 경우, 상기 목표값(Target or Average Knock Intensity)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 노킹 강도 (Knock Intensity)들의 평균값(Knock intensity-average)인 평균노킹 강도(Average Knock Intensity)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 강도 범위로 설정되거나, 또는 정상 작동 시 실린더가 도달 가능한 최고 강도인 한계노킹 강도를 기준으로 소정 범위의 하한치를 제한한 노킹 강도 범위로 설정된다.
상기 단계 S605에서, 어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 낮으면 가스연료 분사지속시간(DOI)을 연장하고; 어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 높으면 가스연료 분사지속시간(DOI)을 단축한다.
본 발명에 따른 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치 및 방법에 의하면, 각 실린더 간의 노킹 강도 차이를 최소한의 범위로 규제하는 한편, 평균 노킹 마진이 적당한 수준으로 유지된다.
그러므로 각 실린더 간의 노킹 경향성이 일정해지고 운전이 안정적으로 유지되는 한편, 출력과 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 연소최고압력 제어를 이용한 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 노킹 강도를 제어하여 밸런싱을 하는 제어과정을 설명하기 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 노킹 강도(Knocking Intensity)를 제어하여 밸런싱을 하는 제어과정을 설명하기 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실린더 밸런싱을 통한 노킹 강도와 실린더 밸런싱을 수행하지 않은 상태에서의 노킹 강도를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.
아래에서는 본 발명에 따른 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치 및 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 연소최고압력 제어를 이용한 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 가스 연료를 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, 노킹 강도 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 조정한다.
또한, 메인 컨트롤 패널(100)은, 후술하는 실시예에서 자세히 설명하겠지만, 실린더 밸런싱을 위해 '파일럿 분사시기' 또는 '가스연료 분사지속시간(DOI, Duration Of Injection)'을 제어한다. 이러한 전체적 및 개별적인 조정 시그널은 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 인젝션 컨트롤 패널(120)로 하여금 파일럿 인젝터(24)와 가스 유입 밸브(26)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, 별도의 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, 연소최고압력(Pmax) 및 노킹 강도(Knocking Intensity) 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; 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 압력변화 그래프를 생성하거나, 각 실린더별 연소최고압력(Pmax) 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 연소최고압력(Pmax)에 대한 정보와 노크 정보를 바탕으로 사전에 설정된 값 이상의 압력편차가 발생한 실린더에 대해 파일럿 분사시기나 가스연료 분사지속시간을 오프셋 시키기 위한 제어 시그널을 생성해서 인젝션 컨트롤 패널(120)에 하달하여 파일럿 인젝터(24)와 가스 유입 밸브(26)를 제어하도록 한다.
노킹 강도(Knocking Intensity)에 의한 실린더 밸런싱 방법]
본 발명에 따른 노킹 강도(Knocking Intensity) 제어에 의한 실린더 밸런싱 방법 중 하나는, 파일럿 인젝터(24)(도 1 참조)의 파일럿 오일연료 분사시기, 즉 파일럿 분사시기를 오프셋(offset)(즉, 진각(advancing)이나 지각(retarding))시켜 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)를 균일하게 유지하도록 제어하는 방법이다(제1 실시예). 일반적인 파일럿 분사시기의 오프셋 범위, 즉 파일럿 분사시기 조절범위는, 예를 들어, 크랭크 각도로 -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 있으며, 통상적으로 파일럿 분사시기를 진각시키면 점화시기가 앞당겨지고, 지각시키면 점화시기가 늦춰진다. 또한, 상기와 같이 제한적인 오프셋 범위 이내에서 파일럿 분사시기를 조정하는 경우, 일반적으로, 파일럿 분사시기를 진각 시켜 점화시기를 앞당기면 노킹 강도(Knocking Intensity)가 증가하고, 반대로 파일럿 분사시기를 지각 시켜 점화시기를 늦추면 노킹 강도(Knocking Intensity)는 감소하는 경향을 보인다.
다음으로, 가스 유입 밸브(26)의 개방 시간, 즉, 가스연료의 분사지속시간(DOI, Duration Of Injection)을 오프셋(즉, 연장하거나 단축시켜) 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity) 을 균일하게 유지하도록 제어하는 방법이다(제2 실시예). 가스연료의 분사지속시간(DOI)의 오프셋 범위, 즉 분사지속시간(DOI)의 증감 조절범위도 제한적인 범위로 사전에 설정된다. 가스연료 분사지속시간의 연장은, 가스연료 분사 종료 시기는 변화시키지 않고 분사 개시 시기를 진각시키는 것으로 수행한다. 따라서 가스연료 분사지속시간이 연장되어 실린더의 가스 유입량이 증가하고 노킹 강도(Knocking Intensity)는 증가한다. 또한, 가스연료 분사지속시간의 단축은, 가스연료 분사 종료 시기는 변화시키지 않고 분사 개시 시기를 지각시키는 것으로 수행한다. 따라서 가스연료 분사지속시간이 단축되어 실린더의 가스 유입량이 감소하고 노킹 강도(Knocking Intensity)는 감소한다.
<실시예 1>
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 파일럿 분사시기를 오프셋 시켜 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)를 제어하는 과정을 설명하기 순서도이다.
도 3을 참조하면, 각 실린더의 노크 센서(Knock Intensity)(14)들로부터 센싱 시그널이 입력되면(단계 S501), 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)를 산출한다(단계 S502).
이어서, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악한다(단계 S503).
여기서, 상기 목표값(Target or Average Knock Intensity)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 노킹 강도 (Knock Intensity)들의 평균값(Knock intensity-average)인 평균노킹 강도(Average Knock Intensity)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 강도 범위로 설정되거나, 또는 정상 작동 시 실린더가 도달 가능한 최고 강도인 한계노킹 강도를 기준으로 소정 범위의 하한치를 제한한 노킹 강도 범위로 설정된다.
노킹 강도(Knocking Intensity)의 평균값, 즉 노킹 강도의 평균값 범위로 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 설정하여 제어하는 경우는, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 균일해져서 실린더들 사이의 노킹 강도의 편차(Max - Min)가 줄어들어 효율이 증가되고 운전 및 출력을 극대화하는데 매우 유리하다.
위와 같이 하여, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악한 이후에는, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)와 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 비교하여, 모든 실린더들의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 모두 도달하였는지를 판단한다(단계 S504).
노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 도달되지 않은 실린더가 있는 경우에는, 해당 실린더(들)의 노킹 강도(Knocking Intensity) 값이 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 이를 때까지 파일럿 분사시기를 사전에 설정된 제어요령에 입각하여 진각 또는 지각시키는 동작을 단계별로 수행한다(단계 S505).
예를 들어, 어떤 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값 보다 낮으면 파일럿 분사시기를 진각시키는 제어를 수행한다. 그러면 점화시기를 앞당기고 노킹 강도(Knocking Intensity)를 증가시킬 수가 있다. 반대로, 어떤 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값 보다 높으면 파일럿 분사시기를 지각시키는 제어를 수행한다. 그러면 점화시기를 늦추고 노킹 강도(Knocking Intensity)를 감소시킬 수 있다.
이렇게 하여, 모든 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 도달되면(도 5의 (b)), 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).
<실시예 2>
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 노킹 강도(Knocking Intensity)를 제어하여 밸런싱을 하는 제어과정을 설명하기 순서도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 실린더 밸런싱은, 가스연료의 분사지속시간(DOI)을 오프셋(즉, 연장하거나 단축시켜) 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)를 균일하게 유지하도록 제어하는 방법이다.
도 4를 참조하면, 각 실린더의 노크 센서(Knock Intensity)(14)들로부터 센싱 시그널이 입력되면(단계 S601), 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)를 산출한다(단계 S602).
이어서, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악한다(단계 S603).
여기서, 상기 목표값(Target or Average Knock Intensity)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 노킹 강도 (Knock Intensity)들의 평균값(Knock intensity-average)인 평균노킹 강도(Average Knock Intensity)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 강도 범위로 설정되거나, 또는 정상 작동 시 실린더가 도달 가능한 최고 강도인 한계노킹 강도를 기준으로 소정 범위의 하한치를 제한한 노킹 강도 범위로 설정된다.
노킹 강도(Knocking Intensity)의 평균값, 즉 노킹 강도의 평균값 범위로 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 설정하여 제어하는 경우는, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 균일해져서 실린더들 사이의 노킹 강도의 편차(Max - Min)가 줄어들어 효율이 증가되고 운전 및 출력을 극대화하는데 매우 유리하다.
위와 같이 하여, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 도달하였는지를 파악한 이후에는, 각 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)와 목표값을 비교하여, 모든 실린더들의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 모두 도달하였는지를 판단한다(단계 S604).
노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 도달되지 않은 실린더가 있는 경우에는, 해당 실린더(들)의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 이를 때까지 각 실린더의 가스연료 분사개시 시기를 사전에 설정된 제어요령에 입각하여 진각 또는 지각시키는 동작을 단계별로 수행하여 가스연료 분사지속시간(DOI)을 단계별로 연장 또는 단축시킨다(단계 S605).
가스연료 분사지속시간(DOI)을 연장하면, 실린더에 가스 유입량이 증가하여 노킹 강도(Knocking Intensity)가 증가 된다. 반대로 가스연료 분사지속시간(DOI)을 단축하면, 실린더에 가스 유입량이 감소하여 노킹 강도(Knocking Intensity)가 감소된다.
예를 들어, 어떤 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값 보다 낮으면 가스연료 분사지속시간(DOI)을 연장하는 제어를 수행한다. 그러면 노킹 강도(Knocking Intensity)를 증가시킬 수가 있다. 반대로, 어떤 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값 보다 높으면 가스연료 분사지속시간(DOI)을 단축하는 제어를 수행한다. 그러면 노킹 강도(Knocking Intensity)를 감소시킬 수 있다.
이렇게 하여, 모든 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값에 도달되면, 그때의 최종적인 가스연료 분사지속시간(DOI) 조정 값으로 계속하여 유지한다(단계 S606).
만일, 엔진 컨트롤 시스템에서 어떤 이유로 하여 제어 종료 신호가 입력되면, 최종의 조정 값을 저장한 후 제어를 종료한다(단계 S607).
한편, 도 5는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 실린더 밸런싱을 통한 노킹 강도와 실린더 밸런싱을 수행하지 않은 상태에서의 노킹 강도를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.
도 5의 (a)는 실린더 밸런싱을 수행하지 않은 상태 즉 밸런싱 전의 노킹 강도를 나타낸 시뮬레이션 이미지로서, 각 실린더 별로 노킹레벨의 편차가 크게 발생한다.
한편, 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 실린더 밸런싱을 수행한 상태의 노킹 강도는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 노킹레벨의 편차가 작게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 이중연료엔진의 노킹 강도 제어가 이루어짐에 따라 평균 노킹 마진이 적당한 수준으로 유지할 수 있고, 그에 따라 각 실린더 간의 노킹 경향성이 일정해지고 운전이 안정적으로 유지되어 출력과 효율이 증대된다.
또한, 디젤엔진을 기반으로 하는 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드를 원활하고 양호하게 수행할 수 있어 신뢰성을 향상시킬 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 (8)

  1. 오일연료와 가스연료를 사용하는 이중연료엔진의 엔진 컨트롤 시스템으로서,
    실린더 헤드 벽면에 부착되어 노킹 강도를 감지해 내는 노킹 센서;
    연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터;
    파일럿 연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터;
    흡기 포트에 가스 연료를 분사하기 위한 가스 유입 밸브;
    상기 파일럿 인젝터 및 가스 유입 밸브와 연결되어 동작을 제어하는 인젝션 컨트롤 패널;
    상기 노킹센서와 연결되고, 해당 노킹센서로부터 각 실린더별 노킹 강도에 대한 시그널을 입력받아 각 실린더의 노킹 강도 값을 산출하는 노킹 모니터링 유닛;
    가스연료 운전 모드 시, 상기 노킹 모니터링 유닛으로부터 전송되는 노킹 강도를 사전에 설정된 목표값과 비교하고, 모든 실린더의 노킹 강도(Knocking Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달할 때까지, 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 제어 신호를 생성하거나, 또는 가스연료 분사지속시간(DOI)을 연장 또는 단축시키는 제어 시그널을 생성하고, 생성된 제어 시그널을 상기 인젝션 컨트롤 패널에 하달하여 인젝션 컨트롤 패널로 하여금 파일럿 인젝터와 가스 유입 밸브를 조정하도록 하는 메인 컨트롤 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노킹 모니터링 유닛은, 상기 메인 컨트롤 패널과 분리되어 독립적으로 설치되는 실린더 모니터링 패널에 구비되는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 장치.
  3. 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서의 실린더 밸런싱 방법으로서,
    각 실린더의 노킹센서들로부터 노킹에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S501);
    각 실린더의 노킹 정보로부터 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)를 산출하는 과정(단계 S502);
    각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S503);
    각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)와 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 비교하여, 모든 실린더들의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S504);
    노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우, 해당 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity) 값이 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 이를 때까지 파일럿 분사시기를 진각 또는 지각시키는 과정(단계 S505);
    모든 실린더의 노킹 강도(Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되면, 그때의 최종적인 파일럿 분사시기 조정 값을 유지하는 과정(단계 S506)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 목표값(Target or Average Knock Intensity)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 노킹 강도 (Knock Intensity)들의 평균값(Knock intensity-average)인 평균노킹 강도(Average Knock Intensity)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 강도 범위로 설정되거나, 또는 정상 작동 시 실린더가 도달 가능한 최고 강도인 한계노킹 강도를 기준으로 소정 범위의 하한치를 제한한 노킹 강도 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단계 S505에서, 어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 낮으면 파일럿 분사시기를 진각시키고; 어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 높으면 파일럿 분사시기를 지각시키는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 방법.
  6. 이중연료엔진의 가스연료 운전 모드에서의 실린더 밸런싱 방법으로서,
    각 실린더의 노킹센서들로부터 노킹에 대한 센싱 시그널을 입력받는 과정(단계 S601);
    각 실린더의 노킹 정보로부터 각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)를 산출하는 과정(단계 S602);
    각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달하였는지를 파악하는 과정(단계 S603);
    각 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)와 목표값(Target or Average Knock Intensity)을 비교하여, 모든 실린더들의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 모두 도달하였는지를 판단하는 과정(단계 S604);
    노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되지 않은 실린더가 존재하는 경우에는, 해당 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity) 값이 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 이를 때까지 각 실린더의 가스연료 분사지속시간(DOI)을 단계별로 연장 또는 단축시키는 과정(단계 S605); 및
    모든 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)에 도달되면, 그때의 최종적인 가스연료 분사지속시간(DOI) 조정 값을 유지하는 과정(단계 S606)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 목표값(Target or Average Knock Intensity)은, 구동중인 각 실린더로부터 산출되는 노킹 강도 (Knock Intensity)들의 평균값(Knock intensity-average)인 평균노킹 강도(Average Knock Intensity)를 기준으로 소정의 상한치와 하한치를 지정한 강도 범위로 설정되거나, 또는 정상 작동 시 실린더가 도달 가능한 최고 강도인 한계노킹 강도를 기준으로 소정 범위의 하한치를 제한한 노킹 강도 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단계 S605에서,
    어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 낮으면 가스연료 분사지속시간(DOI)을 연장하고; 어떤 실린더의 노킹 강도 (Knock Intensity)가 목표값(Target or Average Knock Intensity)보다 높으면 가스연료 분사지속시간(DOI)을 단축하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진의 노킹 강도 제어를 이용한 실린더 밸런싱 방법.
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