KR20200007457A - 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치 - Google Patents

이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 IMO의 Tier3에 대응하는 선박 및 발전용 이중 연료 (DF, Dual-Fuel) 엔진의 연료분사장치를 구동하는 제어장치로서, 다양한 구동 전압/전류의 제어를 필요로 하는 연료분사장치 (인젝터 및 가스 밸브 등)에 대응이 가능하도록 한 것으로, 센싱 및 제어를 담당하는 프로그램 로직부;전압 부스터 및 전류를 제어하는 드라이버부;진단 및 리던던트(redundant)를 제공하는 진단부;를 포함하고, 엔진의 제어 장치인 ECU로부터 명령을 주고받으며, 윈도우 프로그램을 통해 사용자 설정 수신 및 모니터링 제공 기능을 수행하고, 외부 온도 감지 모듈과 통신하여 엔진의 현재 온도 정보를 획득하는 것이다.

Description

이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치{System for Driving Control of Dual Fuel Engine Fuel Supply Device}
본 발명은 이중 연료 엔진 연료분사장치에 관한 것으로, 구체적으로 다양한 구동 전압 및 전류의 제어를 필요로 하는 연료분사장치에 대응이 가능하도록 한 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진은 같은 크기의 가솔린 엔진에 비하여 출력과 연비가 높은 장점을 가지고 있으나, 질소산화물 (NOx), 황산화물 (SOx), 입자상물질 (PM)과 같이 배출물을 많이 배출하는 단점을 지니고 있다.
이러한 배출물의 저감을 위하여 세계 각국의 정부는 자체적으로 규제를 시행하고 있다.
미국은 EPA Tier 1~3로, 유렵은 EURO 1~4로, 일본은 포스트신장기규제로 에미션 규제를 강화하고 있다.
또한, 해상 운송량이 점차 증가함과 더불어 중유 등의 가격이 오름에 따라 선박 및 발전용 엔진의 연비 및 효율의 향상이 중요한 가치척도로 떠오르고 있다.
이에 대비하여 엔진 제조사는 전자식 디젤 엔진, 가스 엔진, 이중 연료 엔진 등을 개발하여 환경 규제와 연비 효율의 벽을 뛰어 넘고자 하고 있다.
선박에서는 전 세계적으로 공통된 규제를 실시하기 위해 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에서 배출물을 아래 그림 3과 같이 규제하고 있다.
먼저, 황산화물에 있어서는 2015년 1월 1일부터 에미션 규제 지역 (ECA, Emission Control Areas)에서는 연료의 황 함유량이 0.1% 이하로 규제되었다.
또한, 일반 지역에서도 2020년이 되면 0.5% 이하로 규제될 예정이다. 질소산화물에 있어서는 2016년 1월 1일부터 ECA를 항해하는 신조선은 Tier3의 규제로 인해 Tier1 약 80%에 해당하는 질소산화물을 저감시켜야 한다.
Tier3의 규제를 만족시키기 위해서는 SCR(Selective Catalytic Reduction)이라고 하는 질소산화물 저감 장치를 디젤엔진 배기가스 라인에 반드시 설치해야 할 것으로 보고 있다.
그러나 SCR 장치는 질소산화물만 저감시키기 때문에 황산화물을 제거하는 스크러버 (Scrubber)도 필요로 하게 된다. 이들 장비들은 배기가스 라인에 상당한 공간과 중량을 차지하게 되어 선박의 안전을 위한 설계에 많은 지장을 주고 있다.
그렇기 때문에 엔진 자체에서 질소산화물과 황산화물을 저감시키고자 하는 노력이 지속되고 있고 그 중 한 기술이 천연가스 이중연료 디젤엔진이다.
천연가스 이중연료 디젤엔진의 또 다른 장점은 이산화탄소의 저감이다.
2015년 1월 1일부터 시행된 선박에너지효율설계지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)의 단계 1에 따르면 기존보다 10%의 이산화탄소 배출을 저감시켜야 한다.
천연가스 이중연료 디젤엔진은 기존 중유를 사용하는 디젤엔진에 비해 약 20%의 이산화탄소를 저감시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
엔진 제조사들은 배출물 규제를 만족하고 효율을 높이기 위하여 전자식 디젤 엔진을 도입하였으며, 저렴한 연료인 LNG (Liquefied Natural Gas)를 사용하며 배출물을 저감할 수 있는 이중 연료 엔진을 개발하였다.
이중 연료 엔진은 연료의 상황 또는 부하에 따라 fuel oil only 모드, minimum fuel 모드, mixed gas 모드 등을 선택적으로 유연하게 가동 가능하다.
minimum fuel 모드에서의 DF 엔진은 fuel oil only 모드에 대비하여 질소 산화물의 배출은 90%, 이산화탄소의 배출은 20%, 황산화물의 배출은 95% 이상 절감이 가능하다.
이중 연료 엔진은 액체 연료인 경유 또는 중유와 가스 연료인 LNG나 LPG (Liquefied Petroleum Gas) 등을 모두 연료로 사용한다.
액체 연료와 가스 연료를 사용 환경에 따라 가변적으로 조절하여 전체적으로 유해 배출물을 저감하고, 연비 및 성능을 최대로 높이는 최적의 운용 상태를 유지한다.
이러한 운용 상태를 유지하기 위해서는 엔진의 회전수에 연동하여 정확한 시점에 정확한 양의 연료를 실린더에 공급할 필요가 있다.
도 1은 DF 엔진 실린더 헤드의 연료 시스템 구성도이다.
가스 모드에서는 흡기 매니폴드에 부착된 가스 흡입 밸브를 통하여 가스 분사하여 혼합기를 만들고 이 혼합기가 실린더로 공급된 후, 파일럿 인젝터를 통해 분사되는 파일럿 연료에 대하여 압축 착화 방식 (compression ignition)으로 폭발이 시작된다.
이 폭발이 혼합기로 방사되어 전체 혼합기의 폭발을 가져온다. 액체 연료 (디젤) 모드에서는 디젤을 이용하는 일반적인 압축 착화 방식과 동일하게 메인 인젝터를 통하여 연료가 분사되어 폭발 행정이 진행된다.
이때 파일럿 인젝터 노즐에 폭발로부터 발생되는 그을음 등으로 인한 막힘을 방지하기 위하여 파일럿 연료의 분사 과정이 추가된다.
이중 연료 엔진의 연료 분사 제어는 가스 흡입 밸브와 파일럿 인젝터 및 메인 인젝터의 제어라 할 수 있으며, 이를 달성하기 위하여 연료분사장치의 개폐 시점을 정밀하게 제어할 수 있는 드라이버가 필요하다.
도 2는 엔진의 혼합비 및 점화시기에 따른 운용 영역을 나타낸 그래프이다.
연료분사장치의 정밀한 제어는 엔진의 운용 효율 및 배출물의 증가/감소에 중대한 영향을 미친다.
도 2는 현대중공업社 H35/40G HiMSEN 가스 엔진의 공기 대 연료 혼합비와(AFR, Air Fuel Ratio) 점화시기에(SOC timing, Start of Combustion timing) 따른 운용 영역을 나타내고 있다.
배출물 제한, 린번 (Lean Burn)에 따른 AFT 제한, 노크 제한, 열효율 감소에 따른 점화 지연 등에 따라 최적의 운용 영역이 제한됨을 알 수 있다.
연료분사 장치 드라이버는 ECU가 명령하는 정확한 분사시기 및 분사량에 따라 연료분사장치를 제어해야 할 필요가 있다.
따라서, 다양한 구동 전압/전류의 제어를 필요로 하는 연료분사장치(인젝터 및 가스 밸브 등)에 대응이 가능한 새로운 기술의 IMO의 Tier3에 대응하는 선박 및 발전용 이중 연료 엔진의 연료분사장치를 구동하는 제어장치의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0061596호 대한민국 공개특허 제10-2016-0007725호 대한민국 공개특허 제10-2016-0104039호
본 발명은 종래 기술의 이중 연료 엔진의 연료분사장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다양한 구동 전압 및 전류의 제어를 필요로 하는 연료분사장치에 대응이 가능하도록 한 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 정밀한 연료 분사 제어를 위한 위상각 및 TDC(Top Dead Center) 검출 및 연료분사장치에 따른 다양한 가동 전압/전류에 대응 가능한 전압 부스팅을 위한 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고전압 및 고전류의 정밀 제어 및 효율성 확보가 가능하도록 하고 CPD(Closure Point Detection) 기법, 듀얼 코어를 이용한 위상각 검출, 전류/전압 측정 및 bank 리미트 기능 등을 활용한 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 드라이버의 진단 기능과 리던던트(redundant)가 가능하도록 하고, 소형화 및 내진동/내충격 기반의 제품 설계로 드라이버의 엔진 장착 효율성을 높인 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치는 센싱 및 제어를 담당하는 프로그램 로직부;전압 부스터 및 전류를 제어하는 드라이버부;진단 및 리던던트(redundant)를 제공하는 진단부;를 포함하고, 엔진의 제어 장치인 ECU로부터 명령을 주고받으며, 윈도우 프로그램을 통해 사용자 설정 수신 및 모니터링 제공 기능을 수행하고, 외부 온도 감지 모듈과 통신하여 엔진의 현재 온도 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
그리고 엔진의 cam-shaft에 설치된 픽업 센서를 이용하여 엔진의 회전 속도 및 위상각을 0.1°CA의 해상도로 검출하고, 직류 24V를 이용하여 125V/15A의 구동전압/전류를 필요로 하는 연료분사장치를 최대 24채널까지 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고 연료분사밸브들의 상면에 형성된 공기유입공에 엔진 컨트롤 유니트로부터 출력되는 공기압조절신호에 대응하여 개폐되며, 연료분사밸브로 공급되는 공기압을 조절해 주는 분사압력 제어밸브들을 설치하고, 연료분사펌프와 연료분사밸브 사이에는 엔진 컨트롤 유니트에서 출력되는 분사시기제어신호에 부응하여 작동되며 각각의 연료분사펌프에서 엔진으로 분사시켜 주는 연료의 분사시기를 제어하는 분사시작 제어밸브들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 이중 연료에 대한 연료 분사 제어 시에 연료 분사량을 결정함에 있어서, 현 시점의 주기에 설정된 연료 분사량으로 분사 실행하는 도중에 현 시점의 연료분사 시스템에서 요구되는 연료 분사량의 변화가 있는 경우에 이를 반영하여 연료 분사량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고 프로그램 로직부는, ECU로부터 제공되는 분사 정보를 바탕으로 엔진 RPM과 위상에 맞춰 연료분사 장치가 정확한 시점에 정확한량의 연료를 분사할 수 있도록 전원을 공급/제어하는 역할을 수행하는 고속 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 고속 제어부의 동작은 'Run'과 'Stop'으로 나뉘고, ECU에 의해 동작 결정이 이루어진다. ECU로부터 받은 분사 정보에 따라 고속 제어부는 엔진 RPM, 위상 정보를 바탕으로 인젝터 드라이버 및 부스트 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고 고속 제어부는 위상각 측정 및 연료 분사 시스템을 병렬로 구성하여 redundant를 확보함과 동시 센서 입력 오류에 대해 대처하고, 시분할 위상각 생성 모듈을 병렬로 사용하여 각각의 모듈에서 각도가 생성되게 되며, 메인 프로세서는 두 모듈에서 생성된 위상각이 센서가 설치된 각도만큼의 위상차를 보이는지 판단하여 픽업 센서의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 한다.
그리고 전류 회생을 통하여 인젝터에 공급된 일부 전력을 재사용하고, 병렬 승압으로 부스터 회로의 발열을 줄이고 효율을 높이고, 전류 회생은 인젝션 제어 동작 중 이루어지고, 인젝터를 열기 위해 대량의 에너지를 공급하는 단계와 열린 인젝터를 유지하기 위한 단계 사이에서 인젝터에 충전된 에너지 일부를 부스트 컨버터로 회생시켜 전력 효율을 높이는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 다양한 구동 전압 및 전류의 제어를 필요로 하는 연료분사장치에 대응할 수 있는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어가 가능하다.
둘째, 정밀한 연료 분사 제어를 위한 위상각 및 TDC(Top Dead Center) 검출 및 연료분사장치에 따른 다양한 가동 전압/전류에 대응 가능한 전압 부스팅이 가능하다.
셋째, 고전압 및 고전류의 정밀 제어 및 효율성 확보가 가능하도록 하고 CPD(Closure Point Detection) 기법, 듀얼 코어를 이용한 위상각 검출, 전류/전압 측정 및 bank 리미트 기능 등을 활용한 드라이버의 진단 기능과 리던던트(redundant)가 가능하다.
넷째, 소형화 및 내진동/내충격 기반의 제품 설계로 드라이버의 엔진 장착 효율성을 높인다.
도 1은 DF 엔진 실린더 헤드의 연료 시스템 구성도
도 2는 엔진의 혼합비 및 점화시기에 따른 운용 영역을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치의 연결 구성도
도 5는 시분할 위상각 생성 관련 프로그램 로직 구성도
도 6은 고속 제어부의 구성도
도 7은 연료분사장치를 위한 전류 제어 프로파일
도 8은 연료 분사 병렬 처리 시스템 구성도
도 9a와 도 9b는 전압 부스터의 구성도
도 10은 인젝터 드라이버 구성도
이하, 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치의 연결 구성도이다.
본 발명은 IMO의 Tier3에 대응하는 선박 및 발전용 이중 연료 (DF, Dual-Fuel) 엔진의 연료분사장치를 구동하는 제어장치로서, 다양한 구동 전압/전류의 제어를 필요로 하는 연료분사장치(인젝터 및 가스 밸브 등)에 대응이 가능한 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치는 도 3에서와 같이 센싱 및 제어를 담당하는 프로그램 로직(program logic)부, 전압 부스터 및 전류를 제어하는 드라이버부, 진단 및 리던던트(redundant)를 제공하는 진단(diagnostic)부로 구성되어 있다.
본 발명은 엔진의 제어 장치인 ECU로부터 명령을 주고받으며, 윈도우 프로그램을 통해 사용자 설정 수신 및 모니터링 제공 기능을 수행할 수 있다.
또한, 외부 모듈인 온도 감지 모듈과 통신하여 엔진의 현재 온도 정보를 획득 가능하다.
본 발명은 엔진의 cam-shaft에 설치된 픽업 센서를 이용하여 엔진의 회전 속도 및 위상각을 0.1°CA의 해상도로 정밀하게 검출하고, 직류 24V를 이용하여 125V/15A의 구동전압/전류를 필요로 하는 연료분사장치를 최대 24채널까지 제어한다.
본 발명에 따른 제어를 하는 연료분사장치는 전자식 인젝터 및 솔레노이드 구동식 가스 흡입 밸브이다.
그리고 연료분사장치의 제어 명령은 엔진 제어를 담당하는 ECU로부터 획득하며, 제어 명령에 따라 0.2°CA의 정확도로 연료분사장치를 제어하며, ECU로 연료분사장치 및 드라이버에 대한 진단 기능을 제공한다.
본 발명은 디젤 엔진용 전자식 연료분사 제어장치에 관한 것으로, 연료분사밸브들의 상면에 형성된 공기유입공에 엔진 컨트롤 유니트로부터 출력되는 공기압조절신호에 대응하여 개폐되며 연료분사밸브로 공급되는 공기압을 조절해 주는 분사압력 제어밸브들을 설치하고, 연료분사펌프와 연료분사밸브 사이에는 엔진 컨트롤 유니트에서 출력되는 분사시기제어신호에 부응하여 작동되며 각각의 연료분사펌프에서 엔진으로 분사시켜 주는 연료의 분사시기를 제어하는 분사시작 제어밸브들을 설치한 시스템이다.
본 발명은 전자유닛인젝터(EUI)나 커먼레일(CRDi)방식과는 달리 디젤 전자제어장치(ECU)를 구비하지 아니한 인라인 디젤펌프(In-Line Diesel Pump)와 같은 기계식 디젤펌프 및 인젝터만을 구비하고 있는 기계식 디젤엔진을 기반으로 한 디젤-가스 연소(Dual-Fuel Combustion) 엔진기술에 관한 것이다.
본 발명은 이중 연료의 분사 제어 방법 및 이에 적용되는 장치로 이중 연료의 분사 제어 방법은, 이중 연료에 대한 연료 분사 제어 시에 연료 분사량을 결정함에 있어서 현 시점의 주기에 설정된 연료 분사량으로 분사 실행하는 도중에 현 시점의 연료분사 시스템에서 요구되는 연료 분사량의 변화가 있는 경우에도 이를 능동적으로 반영하여 연료 분사량을 조절할 수 있도록 할 수 있다.
도 5는 시분할 위상각 생성 관련 프로그램 로직 구성도이다.
연료분사 위치를 선정하기 위해서 우선 시분할 위상각 생성 기법을 통해 실시간으로 얻어지는 각도를 측정해야 한다.
엔진이 작동 중일 때 실시간으로 각도가 변하므로 분사 위치를 찾기 위해서는 실시간으로 변하는 각도를 연속적으로 감지 할 수 있도록 해야 한다.
이에 해당하는 조건을 만족시키기 위해 인터럽트 방식을 사용하여 고속 및 정밀한 분사 동작을 수행할 수 있도로 한 것이다.
폴링 방식으로 알고리즘을 수행할 경우 CPU의 효율적 동작 수행이 어려워지므로, 인터럽트 방식을 사용하여 연료 분사 위치 선정을 한다.
또한, 이중 연료 엔진의 경우 두 종류의 연료 분사 장치마다 각각의 채널 수 만큼 연료 분사 위치를 찾을 수 있도록 하고, 해당 채널에 관련된 물리적인 output에 출력이 나갈 수 있도록 한 것이다.
도 6은 고속 제어부의 구성도이다.
RPM 계산은 시분할 위상각 생성 기법을 통해 얻어진 각도 값의 주기적인 시간별 증가량을 다음 수학식 1에 대입하여 계산한다.
Figure pat00001
하나의 입력으로 이루어진 연료 분사 알고리즘은 그 입력이 문제가 발생 되었을 시 대안이 없다. 이로 인한 문제를 해결하고자 본 발명은 두 개의 입력 센서를 이용 하여 각각의 입력에 따라 연료 분사 알고리즘을 독립적으로 수행 할 수 있도록 하고 각각의 독립적인 연료 분사 알고리즘 기능의 이상 유무를 인지하며, 분사 위치데이터를 관리 할 수 있도록 하는 중앙 CPU를 구성하는 구조로 연료 분사 redundant 시스템을 구성한다.
이러한 구조로 시스템을 구성하게 되면 센서 입력에 대한 오류로 작동에 문제가 발생 하는 문제도 해결 할 수 있으면서 부가적인 기능 구현 시에 제약이 없는 장점이 있다.
고속 제어부는 ECU로부터 제공되는 분사 정보를 바탕으로 엔진 RPM과 위상에 맞춰 연료분사 장치가 정확한 시점에 정확한량의 연료를 분사할 수 있도록 전원을 공급/제어하는 역할을 수행한다.
고속 제어부의 동작은 크게 'Run'과 'Stop'으로 나뉘고, ECU에 의해 동작 결정이 이루어진다. ECU로부터 받은 분사 정보에 따라 고속 제어부는 엔진 RPM, 위상 정보를 바탕으로 인젝터 드라이버 및 부스트 컨버터를 제어한다.
고속 제어부는 통신 데이터 처리, RPM·위상각에 따른 인젝터 드라이버 제어, 연료분사장치의 사용 전압에 따른 부스트 컨버터 제어 및 본 발명에 따른 장치의 전역에 걸친 동작을 관리 및 수행하기 때문에 CPU의 충분한 자원 확보가 필요하다.
이를 위하여 멀티 코어를 역할에 따라 구분함과 동시에 CPU 자원을 효율적으로 사용하는 알고리즘을 적용해야 한다.
도 7은 연료분사장치를 위한 전류 제어 프로파일이다.
연료분사를 위하여 고속 제어부는 하드웨어 드라이버를 통해 도 7에서와 같이 전류 프로파일을 생성하도록 제어 한다. 제어 구간별 시간, peak current, hold current와 같은 파라미터는 타겟이 되는 연료분사 장치에 맞춰 모두 설정 가능하다.
연료분사장치 제어시에 하드웨어적인 지연시간으로 인해 분사 지연이 일어날 수 있다. 이에 대한 문제를 해결하기 위해 내부 알고리즘에 CPD 시간 측정을 이용한 지연 계측 기법을 적용한다.
이는 하드웨어 지연의 오차를 최소화함과 동시에, 실시간으로 지연 시간에 따른 오차를 계산하여 분사 지연시간을 줄일 수 있도록 한다.
도 8은 연료 분사 병렬 처리 시스템 구성도이다.
위상각 측정 시스템 및 연료 분사 시스템을 단일 시스템으로 구성하면, 픽업 센서 또는 스피드 센서에 문제가 발생할 경우에 대한 대처 수단이 없어 엔진 동작에 큰 장애를 일으킬 수 있다.
따라서, 위상각 측정 및 연료 분사 시스템을 병렬로 구성하여 redundant를 확보함과 동시 센서 입력 오류에 대해 대처할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 redundant 시스템은 시분할 위상각 생성 기법을 이중으로 사용하며, 이에 따라 픽업 센서 입력도 이중으로 이루어지게 된다.
시분할 위상각 생성 모듈을 병렬로 사용하게 됨에 따라 각각의 모듈에서 각도가 생성되게 되며, 메인 프로세서는 두 모듈에서 생성된 위상각이 센서가 설치된 각도만큼의 위상차를 보이는지 판단하여 픽업 센서의 고장 유무를 판단할 수 있다.
그리고 고장 진단 알고리즘을 이용하여 하나의 픽업 센서의 고장을 감지할 경우 여분의 모듈만을 이용하여 위상각 생성을 유지할 수 있어 연료분사 시스템의 안정성이 높아지게 된다.
도 9a와 도 9b는 전압 부스터의 구성도이다.
선박 엔진에서 제어장치에 공급되는 전압은 직류 24V이다.
연료분사장치를 구동하는데 필요한 전압은 24~125V까지 다양하기 때문에 도 9b에서와 같이 직류 24V를 부스팅(승압)하는 회로가 필요하다.
부하가 일정하고 연속적인 전류를 소모하는 일반적인 산업용 부스팅 회로와 달리 본 개발제품에 적용되는 부스팅 회로의 경우 소형화와 동시에 고속, 대량의 전력 공급을 목표로 하므로 출력 커패시터의 용량과 PWM 신호의 duty 제어 방식에 많은 신경을 써야한다.
이러한 제어를 위하여 필요한 파라미터들의 계산 방식은 수학식 2에서와 같다.
Figure pat00002
본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치에서는 전류 회생, 병렬 승압 기법을 적용한다.
전류 회생을 통하여 인젝터에 공급된 일부 전력을 재사용할 수 있으며, 병렬 승압 기법을 이용해 부스터 회로의 발열을 줄이고 효율을 높일 수 있다.
전류 회생은 인젝션 제어 동작 중 이루어진다.
인젝터를 열기위해 대량의 에너지를 공급하는 단계와 열린 인젝터를 유지하기 위한 단계 사이에서 인젝터에 충전된 에너지 일부를 부스트 컨버터로 회생시켜 전력 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.
도 10은 인젝터 드라이버 구성도이다.
고속의 인젝션 시 스위칭 소자에서 대량의 발열이 발생되며, 이를 위해 높은 출력 전력을 가지며 전력 소모가 낮은 소자의 사용이 요구된다.
고속 동작 시 FET 드라이버의 출력 전류 부족으로 FET가 turn-on 되지 않는 현상이 발생하는데 이는 출력 전류를 안정되게 유지하기 위한 회로를 추가로 구성하여 해결한다.
또한, 제어 오차를 최소화하기 위하여 전류 피드백 및 비례 제어 기법을 사용한다.
연료분사장치 드라이빙 과정 중, boost phase 및 peak phase 구간에서 부스트 컨버터와 연료분사장치의 부하가 가장 높아 많은 전력이 소모되게 된다.
게다가 다채널이 동시에 구동되게 되면 높은 전력소모로 인하여 제품 발열 및 사이즈의 증가, 제품 내구성에 문제가 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 상기 구간에서 사용된 전류를 회생시켜 다음 동작채널에 공급하는 방식을 구현한다.
peak phase 구간에서 연료분사장치에 흐르는 전류를 FET(
Figure pat00003
) OFF 구간에서 회생시켜 콘덴서를 충전, 다음 동작 제어타임 혹은 다른 채널에서 활용 할 수 있게 된다.
특히, 효율적인 연료분사장치 드라이빙을 위해 고전압 및 저전압 제어 방식을 사용한다.
연료분사장치를 고속제어하기 위해선 순간적으로 높은 전압과 전류를 공급하여야 하지만, 연료분사장치가 열린 이후에는 저전압 및 저전류를 공급하면 분사상태를 유지할 수 있기 때문에 불필요한 승압 전원의 이용을 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치는 IMO의 Tier3에 대응하는 선박 및 발전용 이중 연료 (DF, Dual-Fuel) 엔진의 연료분사장치를 구동하는 제어장치로서, 다양한 구동 전압/전류의 제어를 필요로 하는 연료분사장치(인젝터 및 가스 밸브 등)에 대응이 가능한 특징을 갖는다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 프로그램 로직부
200. 드라이버부
300. 진단부

Claims (8)

  1. 센싱 및 제어를 담당하는 프로그램 로직부;
    전압 부스터 및 전류를 제어하는 드라이버부;
    진단 및 리던던트(redundant)를 제공하는 진단부;를 포함하고,
    엔진의 제어 장치인 ECU로부터 명령을 주고받으며, 윈도우 프로그램을 통해 사용자 설정 수신 및 모니터링 제공 기능을 수행하고, 외부 온도 감지 모듈과 통신하여 엔진의 현재 온도 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 엔진의 cam-shaft에 설치된 픽업 센서를 이용하여 엔진의 회전 속도 및 위상각을 0.1°CA의 해상도로 검출하고, 직류 24V를 이용하여 125V/15A의 구동전압/전류를 필요로 하는 연료분사장치를 최대 24채널까지 제어하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 연료분사밸브들의 상면에 형성된 공기유입공에 엔진 컨트롤 유니트로부터 출력되는 공기압조절신호에 대응하여 개폐되며,
    연료분사밸브로 공급되는 공기압을 조절해 주는 분사압력 제어밸브들을 설치하고, 연료분사펌프와 연료분사밸브 사이에는 엔진 컨트롤 유니트에서 출력되는 분사시기제어신호에 부응하여 작동되며 각각의 연료분사펌프에서 엔진으로 분사시켜 주는 연료의 분사시기를 제어하는 분사시작 제어밸브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 이중 연료에 대한 연료 분사 제어 시에 연료 분사량을 결정함에 있어서,
    현 시점의 주기에 설정된 연료 분사량으로 분사 실행하는 도중에 현 시점의 연료분사 시스템에서 요구되는 연료 분사량의 변화가 있는 경우에 이를 반영하여 연료 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 프로그램 로직부는,
    ECU로부터 제공되는 분사 정보를 바탕으로 엔진 RPM과 위상에 맞춰 연료분사 장치가 정확한 시점에 정확한량의 연료를 분사할 수 있도록 전원을 공급/제어하는 역할을 수행하는 고속 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 고속 제어부의 동작은 'Run'과 'Stop'으로 나뉘고,
    ECU에 의해 동작 결정이 이루어진다. ECU로부터 받은 분사 정보에 따라 고속 제어부는 엔진 RPM, 위상 정보를 바탕으로 인젝터 드라이버 및 부스트 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 고속 제어부는 위상각 측정 및 연료 분사 시스템을 병렬로 구성하여 redundant를 확보함과 동시 센서 입력 오류에 대해 대처하고,
    시분할 위상각 생성 모듈을 병렬로 사용하여 각각의 모듈에서 각도가 생성되게 되며, 메인 프로세서는 두 모듈에서 생성된 위상각이 센서가 설치된 각도만큼의 위상차를 보이는지 판단하여 픽업 센서의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 전류 회생을 통하여 인젝터에 공급된 일부 전력을 재사용하고, 병렬 승압으로 부스터 회로의 발열을 줄이고 효율을 높이고,
    전류 회생은 인젝션 제어 동작 중 이루어지고, 인젝터를 열기 위해 대량의 에너지를 공급하는 단계와 열린 인젝터를 유지하기 위한 단계 사이에서 인젝터에 충전된 에너지 일부를 부스트 컨버터로 회생시켜 전력 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 이중 연료 엔진 연료분사장치의 구동 제어를 위한 장치.

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