KR20180080042A

KR20180080042A - 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20180080042A
Application number: KR1020170000923A
Authority: KR
Inventors: 장희중
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-01-03
Filing date: 2017-01-03
Publication date: 2018-07-11
Also published as: KR101926136B1

Abstract

본 발명은 엔진 발전 시스템에 관한 것으로 특히, 발전기 부하 변동시 시스템을 안정적으로 제어할 수 있는 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 엔진 발전 시스템의 제어 방법에 있어서, 발전기의 발전량 변경에 따른 엔진의 부하 변동 시, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정값 이내이고, 상기 부하 변동에 따른 엔진 회전수와 상기 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진을 제어하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법 {Engine generation system and method for controlling the same}

본 발명은 엔진 발전 시스템에 관한 것으로 특히, 발전기 부하 변동시 시스템을 안정적으로 제어할 수 있는 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

열병합 발전 시스템은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다.

이러한 열병합 발전 시스템에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.

엔진은 발전기를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 또한, 발전기에서 생산되는 전력은 전력변환기에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.

엔진의 거동에 있어서 엔진은 기본적으로 연소 작용에 따라 동작하기 때문에 정속으로 제어하여도 회전수 측면에 있어서 헌팅(리플)이 존재하게 된다.

따라서, 부하의 변동이 있을 경우 이에 즉각적으로 대응이 불가능하여 엔진 회전수가 급격하게 변화되는 문제가 발생할 수 있다.

예를 들어, 고정 부하 및 회전수 상태에서 부하가 증가하게 될 경우에는 엔진에서 증가된 부하를 목표 회전수까지 보정하는데 있어서 갑작스러운 부하 증가로 인해 엔진 회전수가 하강하게 되는 경향을 가지게 되며, 부하가 감소하게 되면 엔진에서는 일정량의 고정 출력을 나타내고 있었으나 부하 감소로 인한 필요 이상의 출력으로 인해 엔진 회전수가 상승하게 된다.

이러한 열병합 발전 시스템에 적용될 수 있는 엔진 발전 시스템의 경우 사용자의 요구에 따른 발전량 출력이 가변함으로 인해 부하 변경의 요소가 많을 수 있다. 따라서 엔진을 안정적으로 제어하기 위한 방법이 요구될 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 엔진 발전 시스템에 있어서, 발전량 출력이 가변함으로 인해 부하 변경이 이루어지는 경우에 엔진을 안정적으로 제어할 수 있는 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 엔진 발전 시스템의 제어 방법에 있어서, 발전기의 발전량 변경에 따른 엔진의 부하 변동 시, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정값 이내이고, 상기 부하 변동에 따른 엔진 회전수와 상기 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진을 제어하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 일정값은 10 내지 15 RPM일 수 있다.

여기서, 상기 엔진을 제어하는 단계는, 현재 목표 부하를 판단하는 단계; 상기 목표 부하에 따른 부하 변동량을 산출하는 단계; 상기 부하 변동의 주기를 판단하는 단계; 및 상기 부하 변동량 및 주기에 따라 전자 스로틀 제어(ETC) 제어 주기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 부하 변동량을 산출하는 단계는, 엔진의 흡입압력 증가량에 엔진 회전수 감소량을 더한 값으로 산출할 수 있다.

또한, 상기 엔진의 흡입압력 증가량은 초 단위로 현재 흡입압력 값에서 이전 흡입압력 값을 뺀 값일 수 있다.

여기서, 상기 ETC 제어 주기는 상기 산출된 부하 변동량에 따라 유지, 감소 또는 증가할 수 있다.

이때, 상기 부하 변경이 시작되어 엔진 회전수가 일정하게 유지되는 구간에서는 상기 ETC 제어 주기를 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 부하가 지속적으로 변경되며, 현재 엔진 회전수가 목표 회전수 대비 일정 범위를 유지하고 있을 경우 상기 ETC 제어 주기를 유지킬 수 있다.

한편, 상기 부하 변경이 완료되어 현재 엔진 회전수와 목표 회전수의 차이가 점점 작아지고 있을 경우 상기 ETC 제어 주기를 증가시킬 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 엔진 발전 시스템에 있어서, 발전기; 상기 발전기의 구동축에 연결되어 상기 발전기를 구동하는 엔진; 및 상기 엔진을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 발전기의 발전량 변경에 따른 엔진의 부하 변동 시, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정값 이내이고, 상기 부하 변동에 따른 엔진 회전수와 상기 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진을 제어할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는, 현재 목표 부하를 판단하고, 상기 목표 부하에 따른 부하 변동량을 산출하고, 상기 부하 변동의 주기를 판단하여 상기 부하 변동량 및 주기에 따라 전자 스로틀 제어(ETC) 제어 주기를 조절할 수 있다.

여기서, 상기 일정값은 10 내지 15 RPM일 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

먼저, 엔진에 부하를 일정 기울기를 가진 형태로 부하를 증가함으로 엔진 회전수 증가 및 ETC 개도 증가에 따른 엔진 측 부하 증가 기울기와 보합이 되어, 엔진 회전수가 목표 엔진 회전수보다 낮게 유지될 수 있지만 반면에 안정적으로 부하를 증가시킬 수 있다.

따라서, 목표 엔진 회전수 추종 성능은 낮아질 수 있으나, 안정적으로 부하를 증가시켜 목표 부하에 관해 빠르게 엔진 성능을 추종할 수 있다.

또한, 부하 증가에 대해서는 엔진 회전수가 다소 낮게 유지되어 부하가 증가될 수 있으나, 부하 감소 시에는 엔진 회전수가 다소 높게 유지되어 부하가 감소될 수 있어 부하의 변경에 대해 엔진 측면에서 빠르고 안정적으로 엔진 회전수 및/또는 파워를 안정적으로 변경하고, 엔진 회전수의 헌팅을 최소화할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 엔진 발전 시스템에서 부하의 변경에 따른 엔진 회전수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 부하의 변경에 따른 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 부하의 증가에 따른 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 부하의 감소에 따른 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 ETC 제어 주기를 제어하는 과정 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명이 구현될 수 있는 엔진 발전 시스템의 주요부를 간략히 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.

열병합 발전 시스템(100)은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다. 본 발명의 엔진 발전 시스템은 이와 같은 열병합 발전 시스템(100)을 이룰 수 있다.

이러한 열병합 발전 시스템(100)에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.

가스 연료는 제로 가버너(zero governor; 12)에 의해 입구 입력의 형태나 유량 변화에 상관없이 항상 일정한 출구 압력을 유지하면서 공급될 수 있다. 제로 가버너(12)는 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출구 압력을 얻을 수 있으며, 엔진에 공급하는 가스 연료의 압력을 대기압 형태로 거의 일정하게 조절해 주는 기능을 가진다. 또한, 제로 가버너(12)는 2개의 솔레노이드밸브를 구비하여 공급되는 연료를 차단할 수 있다.

공기는 에어 클리너(air cleaner; 14)를 거쳐 깨끗한 공기로 여과되어 공급될 수 있다. 이러한 에어 클리너(14)는 엔진에 공급되는 외부 공기를 필터를 사용하여 먼지 및 미스트 형태의 수분 및 유분의 혼입을 차단할 수 있다.

이와 같이 공급된 가스 연료와 공기는 믹서(mixer; 16)에 의해 공기와 연료의 혼합비가 일정한 혼합기로 되어 엔진에 흡입될 수 있다.

믹서(16)의 입구측에는 연료밸브(13)가 구비되어 공기와 혼합되는 가스 연료의 공급량을 조절한다. 가스 연료가 많이 공급되면 공기와 연료가 혼합된 혼합기의 혼합비가 커지게 된다.

터보차저(turbo charger; 20)는 혼합기를 고온 고압 상태로 압축할 수 있다. 이 터보차저(20)는 배기가스의 힘으로 터빈을 회전시키고 그 회전력으로 흡기를 압축시켜 엔진의 실린더로 보내어 출력을 높이는 장치이다.

터보차저(20)는 터보(turbine)와 슈퍼차저(super charger; 과급기)를 합성한 용어로서, 터빈과 여기에 직결된 공기압축기로 구성되어 배기가스의 에너지로 터빈 휠(turbine wheel)을 회전시키고 공기압축기에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낼 수 있다.

이러한 터보차저(20)는 블레이드가 설치된 터빈 휠과 공기압축기의 임펠러를 하나의 축에 연결하고 각각 하우징으로 둘러싼 구조를 가지며, 엔진의 배기 매니폴드 근처에 배치될 수 있다.

혼합기는 터보차저(20)에 의해 압축되어 온도가 상승하기 때문에 인터쿨러(intercooler; 25)로 냉각시킨 후 흡기 매니폴드(32)를 통해 엔진(30)으로 유입될 수 있다. 이 인터쿨러(25)는 혼합기를 냉각시켜 밀도를 크게 함으로써 엔진으로 유입되는 혼합기의 절대량을 늘려 엔진출력을 향상시킬 수 있다.

인터쿨러(25)는 공기로 냉각하는 공랭식 열교환기 또는 물로 냉각하는 수냉식 열교환 경로를 구성될 수 있다. 수냉식 인터쿨러는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 열교환기 및 펌프를 구비하여 압축된 혼합기로부터 얻은 열량을 외부에 버리게 된다.

이러한 인터쿨러(25)와 흡기 매니폴드(32) 사이에는, 엔진(30)에 유입되는 혼합기량을 조절하기 위해 스로틀 밸브(미도시)가 마련될 수 있다. 이 스로틀 밸브는 전자 스로틀 밸브(electronic throttle control valve; ETC 밸브)가 사용되는 것이 일반적이다.

또한, 엔진은 별도의 엔진 제어 유닛(engine control unit; ECU; 31)을 통하여 엔진의 제어와 관련된 각종 제어 변수들이 제어될 수 있다. 예를 들어, ETC 밸브(38) 및 이 밸브의 제어 주기 등이 ECU(31)에 의하여 제어될 수 있다. 또한, 이러한 ECU(31)는 엔진 발전 시스템 전체를 제어하는 제어부(110; 도 8 참고)에 의하여 제어될 수 있다.

엔진(30)은 흡기 매니폴드(32)를 통해 유입된 혼합기를 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정을 통해 작동하는 내연기관이다.

엔진(30)이 작동함에 따라 발생하는 배기가스는 배기 매니폴드(34)를 통해 배출되며, 이때 터보차저(20)의 임펠러를 회전시킨다.

엔진(30)은 발전기(40)를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 이를 위해, 엔진(30)의 회전축 일단에 마련된 풀리(36)와 발전기(40)의 회전축 일단에 마련된 풀리(46) 사이에 벨트가 연결될 수 있다.

이러한 엔진(30)의 풀리(36)와 발전기(40)의 풀리(46)는 그 회전수 비가 대략 1:3이 되도록 마련될 수 있다. 즉, 엔진(30)이 1 회전할 때 발전기(40)는 약 3 회전할 수 있다.

발전기(40)에서 생산되는 전력은 전력변환기(90)에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.

한편, 엔진(30)은 가스 연소에 의해 작동시 상당한 열이 발생하므로 냉각수를 순환시키면서 열교환시켜 엔진에서 발생하는 고온의 열을 흡수하도록 한다.

자동차에서는 냉각수 순환 유로에 라디에이터를 설치하여 엔진의 폐열을 모두 버리도록 구성되지만, 열병합 발전 시스템(100)에서는 엔진에서 발생하는 열을 흡수하여 온수를 만들어 이용할 수 있다.

이를 위해, 냉각수 순환 유로에는 온수 열교환기(50)가 마련되어 냉각수와 별도로 공급되는 물 사이에 열교환 함으로써 물이 고온의 냉각수로부터 열을 전달받도록 할 수 있다.

이 온수 열교환기(50)에 의해 생성되는 온수는 온수 저장조(51)에 저장되었다가 건물 등의 온수 수요처에 공급될 수 있다.

온수 수요처에서 온수를 사용하지 않는 경우에는 온수 열교환기(50)로 물이 공급되지 않아 냉각수 온도가 상승하게 되는데, 이를 방지하기 위해 별도의 방열기(70)를 설치하여 필요없는 냉각수의 열량을 실외로 버릴 수 있다.

이 방열기(70)는 고온의 냉각수가 다수의 핀(fin)에 의해 공기와 열교환함으로써 방열하는 것으로서, 방열 촉진을 위해 방열팬(72)이 구비될 수 있다.

엔진(30)에서 나오는 냉각수 유로는 상기 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 분기되고, 그 분기되는 지점에 삼방밸브(53)를 설치하여 냉각수의 유동 방향을 상황에 따라 제어할 수 있다. 이 삼방밸브(53)에 의해 냉각수를 온수열교환기(50)로만 보내거나 방열기(70)로만 보내거나, 상황에 따라 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 소정 비율로 나누어 보낼 수 있다.

삼방밸브(53)를 통과하여 방열기(70)에서 방열된 냉각수는 삼방밸브(53)를 통과하여 온수 열교환기(50)를 통과한 냉각수와 합쳐져서 엔진(30)으로 유입될 수 있다.

그리고, 냉각수 순환 유로에는 냉각수 펌프(55)가 설치되어 냉각수의 유동 속도를 조절할 수 있다. 이 냉각수 펌프(55)는 냉각수 순환 유로에서 온수 열교환기(50) 및 방열기(70)의 하류와 엔진(30)의 상류에 설치될 수 있다.

한편, 엔진(30)의 배기 매니폴드(34)를 통해서 나오는 배기가스는 상기한 터보차저(20)를 작동시키기도 하지만, 배기가스의 폐열을 회수하기 위해 배기가스 열교환기(60)를 구비할 수 있다.

이 배기가스 열교환기(60)는 냉각수 순환 유로에서 냉각수 펌프(55)와 엔진(30) 상류 사이에 설치되고, 터보차저(20)를 통해 배출되는 배기가스와 냉각수 사이에 열교환되도록 구성될 수 있다. 이 배기가스 열교환기(60)를 통해 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.

배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 냉각수가 어느 정도 가열되어 미지근한 상태로 엔진(30)으로 유입되지만, 그 냉각수도 엔진(30)을 충분히 냉각시킬 수 있다.

배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 방열된 배기가스는 머플러(80)를 통과하게 되고, 머플러(80)에 의해 엔진의 배기 측 소음이 저감될 수 있다.

머플러(80)를 통과한 배기가스는 드레인 필터(85)를 통과한 후 외부로 배출될 수 있다. 이 드레인 필터(85)는 머플러(80)와 배기가스 라인 등에서 생성되는 응축수를 정화하기 위해 내부에 정화석을 내장하고 있어서, 산성의 응축수를 정화하고 중화시켜 외부로 유출할 수 있다.

도 2는 엔진 발전 시스템에서 부하의 변경에 따른 엔진 회전수의 변화를 나타내는 그래프이다.

엔진 발전 시스템에서, 엔진을 구동하는 경우에, 일반적으로 엔진은 4 행정 과정으로 인해 출력을 얻어 운전하게 된다.

그러나, 불완전 연소 등으로 인하여 항상 동일한 엔진 회전수로 엔진이 구동되지 못할 수 있다. 또한, 발전기 등의 부하 변경에 따라 목표한 엔진 회전수로 구동하지 못하는 상황이 발생하기도 한다. 이러한 상황을 방지하기 위하여, 엔진 회전수가 목표 회전수로 동작하기 위한 제어가 수행될 수 있으며, 이를 엔진 회전수 추종 제어라고 한다.

이러한 엔진 회전수 추종 제어는 엔진을 구동함에 있어서 필수적으로 이루어지는 제어 중 하나이다. 위에서 설명한 열병합 발전 시스템을 구동하는 경우에도 이러한 엔진 회전수 추종 제어가 이루어지는 상황을 전제로 설명한다.

이와 같은 엔진 회전수 추종 제어에 의하여 엔진 회전수가 목표 엔진 회전수를 정상적으로 추종하고 있을 때, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 부하의 변경(증가 혹은 감소)이 발생할 경우 현재 엔진 회전수가 부하의 변경에 따라 큰 폭으로 흔들리게 된다.

즉, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 부하가 단계적으로 증가할 경우에 엔진 회전수는 이에 따라 증가시점에서 큰 폭으로 저하될 수 있다.

이때, 부하 추종을 위해 엔진의 전자 스로틀 제어(ETC) 및 연료량 밸브, 점화 각도 등의 엔진 제어 인자들을 제어하게 되며, 부하 추종에 있어 간헐적 헌팅이 발생하게 된다.

짧은 주기를 가지고 높은 부하를 지속적으로 엔진에 인가할 경우 엔진은 목표 회전수 추종에 있어서 하울링이 발생하게 되고, 제어가 깨질 경우 고 회전수 또는 저 회전수로 인하여 엔진이 꺼지는 상황이 발생하기도 한다.

엔진 회전수가 하강할 때 부하를 주는 상황은 엔진 회전수가 더욱 하락하게 할 수 있으며, 엔진 회전수가 증가할 때 부하를 감소시키는 상황은 엔진 회전수가 더욱 증가해 엔진 및 주변 부품의 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 부하의 변경에 따른 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.

위에서 설명한 바와 같이, 부하의 변동이 있을 경우 이에 즉각적으로 대응이 불가능하여 엔진 회전수가 급격하게 변화되는 문제가 발생할 수 있다.

위에서 설명한 도 2를 참조하면, 고정 부하 및 회전수 상태에서 부하가 증가하게 될 경우에는 엔진에서 증가된 부하를 목표 회전수까지 보정하는데 있어서 갑작스러운 부하 증가로 인해 엔진 회전수가 하강하게 되는 경향을 가지게 되며, 부하가 감소하게 되면 엔진에서는 일정량의 고정 출력을 나타내고 있었으나 부하 감소로 인한 필요 이상의 출력으로 인해 엔진 회전수가 상승하게 되는 그래프를 확인할 수 있다.

도 3을 참조하면, 엔진의 출력을 높이기 위해 흡입공기량을 늘려 출력 및 엔진 회전수를 상승하기 위한 제어를 하게 되는데, 이때 엔진 회전수 및 출력은 상승하는 기울기를 가지게 된다.

이때 부하 증가 폭을 계산하여 발전기에 부하를 걸어주면 엔진 입장에서는 회전수 및 출력에 관해 감소하는 기울기를 가지게 된다.

엔진에서의 상승 기울기와 발전기에서의 하강 기울기가 동등하게 되면, 엔진은 목표 대비 다소 낮은 회전수 영역에서 운전하지만, 엔진 회전수를 매우 안정적으로 운전이 가능할 수 있다.

부하의 증가가 모두 종료하게 되면 해당 제어는 종료하게 되면, 이때는 엔진의 상승 기울기만으로 목표 회전수를 추종하는 제어로서 정상적으로 목표 회전수를 추종하게 된다.

본 발명의 엔진 발전 시스템이 적용될 수 있는 열병합 발전 시스템의 경우 사용자의 요구에 따른 발전량 출력이 가변함으로 인해 부하 변경의 요소가 많을 수 있다. 따라서 엔진을 안정적으로 제어하기 위한 방법이 요구될 수 있다.

엔진 회전수가 목표 대비 낮을 경우, 부하 변경이 이루어지는 영역(A)에서 목표 회전수를 추종하기 위해 상승 기울기(B)를 가지게 된다.

발전기 기준으로 부하 증가 시 엔진 회전수가 하강하게 되며, 추가적인 출력을 필요로 하게 된다. 따라서 엔진에서는 이러한 부하 변경이 이루어지는 영역(A)에서 감소 기울기(C)를 가지게 된다.

이러한 상승 기울기(B) 및 감소 기울기(C)가 서로 보합이 될 경우 엔진은 상대적으로 낮은 엔진 회전수 영역에서 운전되지만, 안정적으로 부하 증가 대응 제어를 할 수 있다.

반대로 부하 감소의 경우는 위의 경우와 반대의 경우로서, 엔진은 감소 기울기이지만, 발전기는 상승 기울기를 만들어 내게 되고, 이때는 목표 대비 상대적으로 높은 회전수로 제어되게 된다.

즉, 이 경우에는 도 3의 경우와 반대 방향의 그래프가 된다(도 5 참고).

이와 같은 제어를 부하 변경 제어라 칭할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 부하의 증가에 따른 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 부하(발전량) 증가에 따른 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 일정값 이내가 되도록 제어될 수 있다.

즉, 엔진 회전수가 목표 대비 낮을 경우, 발전기 기준으로 부하 증가 시 엔진 회전수가 하강하게 되며, 부하 변경이 이루어지는 영역에서 목표 회전수를 추종하기 위해 엔진 회전수 추종의 방향은 상승 기울기(B)를 가지게 된다.

구체적으로, 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 발생할 경우에 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정값 이내가 되도록(예를 들어, 10 내지 15 RPM) 엔진을 제어할 수 있다.

이때, 엔진 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진을 제어할 수 있다.

여기서, 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)는 목표 엔진 회전수에서 현재 엔진 회전수를 뺀 값일 수 있다(즉, Diff_RPM = 목표 RPM - 현재 RPM).

또한, 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 일정값 이상일 경우에 이러한 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정값 이내가 되도록(예를 들어, 10 내지 15 RPM) 하는 제어가 이루어질 수 있다.

예를 들어, 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 15 RPM보다 커지는 경우에 위와 같은 제어가 이루어질 수 있다.

한편, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량이 일정값 이내가 되도록(예를 들어, 10 내지 15 RPM) 부하 변동량을 조절할 수도 있다. 이때, 부하 변동은 계단적 변동이 아닌 일정 기울기를 가지는 연속적인 변동이 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 부하의 감소에 따른 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 부하(발전량) 감소에 따른 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 일정값 이내가 되도록 제어될 수 있다.

즉, 엔진 회전수가 목표 대비 높을 경우, 발전기 기준으로 부하 감소 시 엔진 회전수가 증가하게 되며, 부하 변경이 이루어지는 영역에서 목표 회전수를 추종하기 위해 엔진 회전수 추종의 방향은 하강 기울기(C)를 가지게 된다.

예를 들어, 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 15 RPM 이하일 경우, 또는 15 RPM 보다 작을 경우에 위와 같은 제어가 이루어질 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량이 일정값 이내가 되도록(예를 들어, 10 내지 15 RPM) 부하 변동량을 조절할 수도 있다. 이때, 부하 변동은 계단적 변동이 아닌 일정 기울기를 가지는 연속적인 변동이 이루어질 수 있다.

이때, 기울기는 지속적으로 증가하는 부하가 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)에 따른 ETC 개도 증가량과 같아지는 기울기를 말할 수 있다.

도 4 및 도 5에서는 부하의 변경 여부 및 목표 회전수와의 일정 간격(Diff_RPM)에 초점을 맞추어 부하가 급격하게 변경된 것으로 표현되어 있으나, 실질적으로는 도 3과 동일하게 완만히 변경될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.

먼저, 엔진 회전수 추종 제어(S10)가 수행될 수 있다. 이러한 엔진 회전수 추종 제어(S10)는 엔진 발전이 이루어지는 시기 전체에 걸쳐 이루어질 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 여러 원인으로 인하여 항상 목표한 엔진 회전수로 구동하지 못하는 상황이 발생할 수 있으므로 이러한 상황을 방지하기 위하여 엔진 회전수가 목표 회전수로 동작하기 위한 엔진 회전수 추종 제어(S10)가 수행될 수 있다.

이후, 부하 변경이 이루어질 수 있다(S20). 이러한 부하 변경은 부하의 증가 또는 감소를 포함할 수 있으며, 엔진 발전 시스템 구동 중에 전력 수요처가 증가하는 경우 또는 감소하는 경우에 해당할 수 있다. 예를 들어, 공기 조화 장치를 기동하거나 구동을 종료하는 경우에 해당할 수 있다.

이와 같이, 부하 변경이 이루어진 경우(S20), 위에서 설명한 부하 변경 제어(S30)가 이루어질 수 있다.

즉, 발전기의 발전량 변경에 따른 엔진의 부하 변동 시, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정값 이내에서 변동하고, 엔진 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진을 제어할 수 있다.

이와 동시에, 이러한 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량이 일정 범위 이내가 되도록 부하 변동량을 조절할 수 있다.

도 6에서 도시하는 바와 같이, 이러한 부하 변경 제어(S30)는 구체적으로 목표 부하를 판단하는 단계(S31), 이 목표 부하에 따른 부하 변동량을 산출하는 단계(S32), 부하 변동의 주기를 판단하는 단계(S33) 및 부하 변동량 및 주기에 따라 엔진을 제어하는 단계(S34)를 포함할 수 있다.

여기서, 부하 변동량을 산출하는 단계(S32)에서 부하 변동량은 엔진 흡입 압력(manifold absolute pressure; MAP) 증가량에 엔진 회전수(RPM) 감소량을 더한 값일 수 있다.

또한, 엔진의 흡입압력 증가량은 초 단위로 현재 흡입압력 값에서 이전 흡입압력 값을 뺀 값일 수 있다. 즉, 현재의 엔진 MAP에서 1초 전의 엔진 MAP 값을 뺀 값일 수 있다.

한편, 엔진 RPM 감소량은 1초 전의 엔진 회전수(RPM)에서 현재의 엔진 회전수(RPM)를 뺀 값일 수 있다.

또한, 엔진을 제어하는 단계, 즉, 부하 변경 제어(S30)는, 전자 스로틀 제어(ETC) 주기를 조절함으로써 이루어질 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 ETC 제어 주기를 제어하는 과정 나타내는 순서도이다.

도 7을 참조하면, 이러한 ETC 제어 주기는 위에서 부하 변동량을 산출하는 단계(S32)에서 산출된 부하 변동량에 따라 엔진 회전수(RPM) 및 부하 변동에 따른 변동량을 계산할 수 있다(S35).

이후, 이와 같이 계산된 부하 변동량에 따라 ETC 제어 주기가 유지(S36), 감소(S37) 또는 증가(S38)할 수 있다.

예를 들어, 현재의 ETC 제어 주기가 1000 ms라면, ETC 제어 주기가 200 내지 400 ms만큼 감소(S37) 또는 제어 주기가 100 내지 200 ms만큼 증가(S38)할 수 있다.

즉, 부하 변경이 시작되어 엔진 회전수가 일정하게 유지되는 구간에서는 ETC 제어 주기를 감소시킬 수 있다(S37).

또한, 부하가 지속적으로 변경되며, 현재 엔진 회전수가 목표 회전수 대비 일정 범위를 유지하고 있을 경우 ETC 제어 주기를 유지킬 수 있다(S36).

한편, 부하 변경이 완료되어 현재 엔진 회전수와 목표 회전수의 차이가 점점 작아지고 있을 경우 ETC 제어 주기를 증가시킬 수 있다(S38).

보다 상세히 설명하면, 이와 같은 ETC 제어 주기는 아래와 같이 부하 변경에 따라 일정 엔진 RPM 변화 구간을 기반으로 제어하게 된다.

제어 초기: 부하 변경이 시작되어 엔진 회전수가 일정하게 유지되는 구간까지는 제어 주기를 감소하여 엔진 회전수가 안정화되기까지 짧은 시간 내에 안정될 수 있도록 한다.

제어 중기: 부하가 지속적으로 변경되며, 엔진 회전수가 목표 회전수 대비 일정하게 오차(Diff_RPM)를 유지하고 있을 경우 적용할 수 있다.

제어 말기: 부하 변경이 완료되어 현재 엔진 회전수가 목표 회전수를 추종하기 위해 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 점점 작아지고 있을 경우 최종적으로 엔진 회전수를 수렴하기 전에 제어주기를 늦추어 엔진 회전수의 헌팅 없이 추종할 수 있도록 하기 위함이다.

ETC 제어량의 경우 목표 엔진 회전수와 현재 회전수와의 관계에 있어서 엔진 회전수의 변화(Diff_RPM)가 클수록 ETC 개도의 변화가 작아진다. 따라서 제어 초기 ETC 변화가 작기 때문에 제어주기를 빠르게 하여 부하 증가 대비 엔진 회전수가 빠르게 안정되는 구간까지 해당 제어를 유지해야 한다.

하지만 일정하게 엔진 회전수가 유지되며, 부하가 증가할 경우에는 부하 증가에 따라 엔진에서 판단하는 MAP의 값이 지속적으로 증가하고 있을 것이다. 이때부터는 제어 중기로 기본의 ETC 제어 주기로서 부하증가에 따른 기울기 및 현재 엔진 회전수의 목표 추종에 따른 기울기가 보합 되도록 제어해주게 된다.

목표 엔진 회전수 대비 현재 엔진 회전수가 일정량 범위의 차이가 유지되어야 하는 이유로는 부하 증가시 엔진 회전수는 물리적으로 하락할수 밖에 없는데 이때 엔진 회전수를 안전적으로 추종하기 위해 엔진 회전수와 관계된 ETC를 이용하여 제어할 경우보다 효과적으로 엔진 회전수를 안정화할 수 있기 때문이다.

이와 같은 방법으로 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정값 이내가 아닌 동일한 값으로 제어하고자 할 경우에는, 이러한 엔진 회전수가 부하 변동시 주기적으로 목표치보다 커졌다 작아졌다 하면서 큰 진동이 발생할 수 있다.

그러나, 이상에서 설명한 바와 같이, 엔진에 부하를 일정 기울기를 가진 형태로 부하를 증가함으로 엔진 회전수 증가 및 ETC 개도 증가에 따른 엔진 측 부하 증가 기울기와 보합이 되어, 엔진 회전수가 목표 엔진 회전수보다 낮게 유지될 수 있지만 반면에 안정적으로 부하를 증가시킬 수 있다.

도 8은 본 발명이 구현될 수 있는 엔진 발전 시스템의 주요부를 간략히 나타내는 블록도이다.

도 1 및 도 8을 함께 참조하면, 위에서 설명한 제어 과정을 수행하는 제어부(110)는 엔진(30)과 각종 센서 및 밸브를 포함하는 엔진 발전 시스템의 작동을 제어한다.

엔진(30)에는 엔진 회전수 센서(33)가 구비되어 엔진(30)의 분당 회전수(RPM)를 산출할 수 있다.

또한, 흡기 매니폴드(32)에는 흡입 압력을 측정하는 MAP 센서(Manifold Absolute Pressure Sensor; 35)가 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 흡입 압력으로부터 부하의 크기를 역으로 산출할 수 있다.

일반적으로 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 유입량이 많을수록 엔진 회전수가 커지고 이에 따라 출력, 즉 발전량이 커지게 된다.

그리고, 믹서(16)의 입구측에는 연료밸브(13)가 구비되어 공기와 혼합되는 가스 연료의 공급량을 조절한다. 가스 연료가 많이 공급되면 공기와 연료가 혼합된 혼합기의 혼합비가 커지게 된다.

또한, ETC 밸브(Electronic Throttle Control Valve; 38)는 흡기 매니폴드(32)의 입구측에 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 양을 조절한다. 혼합기가 많이 공급되면 엔진 출력이 커지게 된다.

이때, 제어부(110)는 연료밸브(13)의 개도와 ETC 밸브(38)의 개도를 조절하여 엔진(30)의 작동을 제어한다. 연료밸브(13)의 개도와 ETC 밸브(38)의 개도가 커질수록 엔진 회전수가 증가할 수 있다.

이러한 제어부(110)는 전력변환기(90)에 포함될 수 있으나, 그 외의 부분에 별도로 구성될 수도 있다.

즉, 제어부(110)는 발전기(40)의 발전량 변경에 따른 엔진(30)의 부하 변동 시, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정 범위 이내이고, 이러한 부하 변동에 따른 엔진 회전수와 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진(30)을 제어할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

30: 엔진 40: 발전기
90: 전력변환기 100: 열병합 발전 시스템
110: 제어부

Claims

엔진 발전 시스템의 제어 방법에 있어서,
발전기의 발전량 변경에 따른 엔진의 부하 변동 시, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정 범위 이내이고, 상기 부하 변동에 따른 엔진 회전수와 상기 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진을 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 일정 범위는 10 내지 15 RPM인 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 엔진을 제어하는 단계는,
현재 목표 부하를 판단하는 단계;
상기 목표 부하에 따른 부하 변동량을 산출하는 단계;
상기 부하 변동의 주기를 판단하는 단계; 및
상기 부하 변동량 및 주기에 따라 전자 스로틀 제어(ETC) 제어 주기를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제3항에 있어서, 상기 부하 변동량을 산출하는 단계는,
엔진의 흡입압력 증가량에 엔진 회전수 감소량을 더한 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제4항에 있어서, 상기 엔진의 흡입압력 증가량은 초 단위로 현재 흡입압력 값에서 이전 흡입압력 값을 뺀 값인 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제3항에 있어서, 상기 ETC 제어 주기는 상기 산출된 부하 변동량에 따라 유지, 감소 또는 증가하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제6항에 있어서, 상기 부하 변경이 시작되어 엔진 회전수가 일정하게 유지되는 구간에서는 상기 ETC 제어 주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제6항에 있어서, 상기 부하가 지속적으로 변경되며, 현재 엔진 회전수가 목표 회전수 대비 일정 범위를 유지하고 있을 경우 상기 ETC 제어 주기를 유지시키는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
제6항에 있어서, 상기 부하 변경이 완료되어 현재 엔진 회전수와 목표 회전수의 차이가 점점 작아지고 있을 경우 상기 ETC 제어 주기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
엔진 발전 시스템에 있어서,
발전기;
상기 발전기의 구동축에 연결되어 상기 발전기를 구동하는 엔진; 및
상기 엔진을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 발전기의 발전량 변경에 따른 엔진의 부하 변동 시, 부하 변동에 따른 엔진 회전수의 변화량과 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화량의 차이가 일정 범위 이내이고, 상기 부하 변동에 따른 엔진 회전수와 상기 엔진 회전수 추종을 위한 엔진의 회전수의 변화의 방향은 서로 반대가 되도록 엔진을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
제10항에 있어서, 상기 제어부는,
현재 목표 부하를 판단하고, 상기 목표 부하에 따른 부하 변동량을 산출하고, 상기 부하 변동의 주기를 판단하여 상기 부하 변동량 및 주기에 따라 전자 스로틀 제어(ETC) 제어 주기를 조절하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
제10항에 있어서, 상기 일정 범위는 10 내지 15 RPM인 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.