KR20210037432A - 가스엔진 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어클리너를 통과한 필터링된 공기와 제로가버너를 통과한 소정 압력의 연료를 혼합시키는 믹서로부터 혼합기를 공급받아 연소시켜 기계적 에너지를 생성하는 엔진을 포함하고, 상기 엔진의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 가스엔진 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템은, 내부에 상기 믹서에 공급되는 공기가 유동하는 제1 흡기유로 및 제2 흡기유로가 형성되는 흡기패스; 상기 제1 및 제2 흡기유로 중 어느 하나를 개방하되, 나머지 하나를 폐쇄하는 흡기 유로조절기; 상기 엔진에 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프; 상기 엔진을 통과한 냉각수를 방열시키는 방열기; 상기 흡기패스 중 상기 제2 흡기유로가 형성되는 부분에 설치되고, 상기 엔진을 통과한 냉각수를 방열시키는 흡기 가열기; 상기 엔진을 통과한 냉각수를 상기 냉각수 펌프, 방열기 및 흡기 가열기로 분배하는 냉각수 유로조절기; 및 상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도 및 상기 엔진의 부하에 관한 정보에 기초하여 상기 흡기 유로조절기, 냉각수 유로조절기 및 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

가스엔진 발전 시스템{GAS ENGINE POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 가스엔진 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 냉각수를 통해 엔진에서 발생되는 열로 엔진에 공급되는 흡기를 가열함으로써, 엔진의 부분부하 운전 상태에서의 펌핑로스를 저감하고, 연소 효율을 증대시킬 수 있는 가스엔진 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 발전 시스템은 동력원으로부터 기계적 에너지를 전달받아 전기적 에너지로 변환시키는 장치이다. 여기서, 동력원으로는 터빈, 수차, 전동기 또는 가스엔진 등을 예로 들 수 있다.
발전기의 동력원이 가스엔진인 경우, 엔진의 실린더에서의 연료와 공기의 연소 반응에 따라 생성되는 열 에너지는 피스톤의 직선 왕복 운동이라는 기계적 에너지로 변환된다. 또한, 기계적 에너지로서의 피스톤의 왕복 운동은 커넥팅 로드에 연결된 크랭크축에 의해 회전 운동으로 변환된다. 발전기는 엔진의 출력축으로서 크랭크축을 통해 엔진의 기계적 에너지를 전달받아 전기적 에너지로 변환할 수 있다.
일 예로써, 엔진의 크랭크축이 발전기의 로터를 회전시켜 발전기의 스테이터에 권선된 코일에 전류를 유도함으로써 발전기가 전력을 생산할 수 있다. 그리고, 상기한 엔진 및 발전기를 구비하여 전력을 생산하는 시스템을 가스엔진 발전 시스템으로 부를 수 있고, 도 1은 가스엔진 발전 시스템의 개략적인 구성을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 가스엔진 발전 시스템에서 연료 및 공기 각각은 제로가버너(1) 및 에어클리너(2) 각각을 통과한 후, 믹서(3)에서 혼합되어 혼합기로서 토출된 후 슈퍼차저(4) 또는 터보차저(미도시), 및 스로틀밸브(5)를 지나 흡기매니폴드(6a)를 통해 엔진(6)의 실린더(미부호)로 유입될 수 있다.
엔진(6)에서의 혼합기의 연소 반응에 따라 생성되는 열 에너지는 기계적 에너지로 변환되어 발전기(GE)를 구동할 수 있고, 그 결과 발전기(GE)는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 또한, 엔진(6)에서의 혼합기의 연소 반응에 따라 생성되는 배기가스는 배기 매니폴드(6b)를 통해 배기가스 열교환기(8a) 및 머플러(7a)를 통해 외부로 배출되고, 배기가스의 배출 과정에서 생성되는 응축수는 드레인필터(7b)에서 정화된 후 외부로 배출될 수 있다.
엔진(10)의 과열 및 이에 따른 손상 내지 성능 저하를 방지하기 위해, 냉각수 펌프(8)에 의해 유동하는 냉각수가 배기가스 열교환기(8a)를 지나 엔진(6)으로 공급될 수 있다. 엔진(6)을 통과하며 가열된 냉각수는 삼방밸브(8b)에 의해 방열기(9) 또는 냉각수 펌프(8)로 안내될 수 있다.
JP 3630040 B2 는 엔진의 시동성을 향상시키기 위해, 엔진에서 생성되는 고온의 연소가스 중 일부를 흡기에 공급하는 기술을 개시한다. 그러나, 이로 인하여 흡기의 산소농도가 저하되어 시동성이 오히려 저하될 수 있고, 흡기를 가열하기 위해 엔진의 동력 생성과 별도로 연료를 소비하여야 하므로 엔진의 효율도 저하되는 문제가 있었다.
KR 10-1998-0057291 는 엔진의 시동성을 향상시키기 위해, 흡기라인에 설치되는 에어히터로 엔진에 공급되는 흡기를 가열하는 기술을 개시한다. 그러나, 에어히터의 동작을 위해 별도의 전력소모가 필요한 문제가 있었다.
또한, 상기한 종래기술은 모두 엔진의 시동성을 향상하는 데 주안점을 둘 뿐, 엔진의 부분부하 상태에서의 펌핑로스 저감 및 엔진 효율을 증대시키기 위한 방안은 염두에 두지 않았다.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는, 엔진에서 발생되는 열로 엔진에 공급되는 흡기를 가열함으로써, 엔진의 부분부하 운전 상태에서의 펌핑로스를 저감하고, 연소 효율을 증대시킬 수 있는 가스엔진 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는, 냉각수의 온도 및 엔진의 부하에 대응해 흡기 가열 전략을 수립하여, 흡기 가열이 효율적인 엔진 구동 측면에서 적시에 이루어질 수 있도록 할 수 있는 가스엔진 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 에어클리너를 통과한 필터링된 공기와 제로가버너를 통과한 소정 압력의 연료를 혼합시키는 믹서로부터 혼합기를 공급받아 연소시켜 기계적 에너지를 생성하는 엔진을 포함하고, 상기 엔진의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 가스엔진 발전 시스템에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 가스엔진 발전 시스템은, 내부에 상기 믹서에 공급되는 공기가 유동하는 제1 흡기유로 및 제2 흡기유로가 형성되는 흡기패스; 상기 제1 및 제2 흡기유로 중 어느 하나를 개방하되, 나머지 하나를 폐쇄하는 흡기 유로조절기; 상기 엔진에 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프; 상기 엔진을 통과한 냉각수를 방열시키는 방열기; 상기 흡기패스 중 상기 제2 흡기유로가 형성되는 부분에 설치되고, 상기 엔진을 통과한 냉각수를 방열시키는 흡기 가열기; 상기 엔진을 통과한 냉각수를 상기 냉각수 펌프, 방열기 및 흡기 가열기로 분배하는 냉각수 유로조절기; 및 상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도 및 상기 엔진의 부하에 관한 정보에 기초하여 상기 흡기 유로조절기, 냉각수 유로조절기 및 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 가스엔진 발전 시스템은, 상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도를 감지하여 상기 제어부에 전송하는 온도센서; 상기 냉각수 펌프, 엔진 및 냉각수 유로조절기를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 순환유로; 및 상기 냉각수 펌프, 엔진, 냉각수 유로조절기 및 방열기를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 제1 방열유로와, 상기 냉각수 펌프, 엔진, 냉각수 유로조절기 및 흡기 가열기를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 제2 방열유로를 포함하는 방열유로를 더 포함하고, 상기 냉각수 유로조절기는, 상기 순환유로 및 방열유로 각각을 개폐할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 엔진의 운전이 개시될 시, 상기 제1 흡기유로는 개방되되, 상기 제2 흡기유로는 폐쇄되도록 상기 흡기 유로조절기의 동작을 제어하고, 상기 순환유로는 개방되되, 상기 방열유로는 폐쇄되도록 상기 냉각수 유로조절기의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 상에서 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 가스엔진 발전 시스템은, 상기 엔진의 흡기매니폴드에 설치되어 상기 흡기매니폴드를 유동하는 공기와 연료의 혼합기의 압력을 감지하여 상기 제어부에 전송하는 압력센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 흡기매니폴드를 유동하는 혼합기의 압력이 기준압력 이하이면 상기 엔진의 부하가 부분부하 상태인 것으로 판단하고, 상기 기준압력 초과하면 상기 엔진의 부하가 최대부하 상태인 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도가 상기 기준온도 이상인 경우로서, 상기 엔진의 부하가 상기 부분부하 상태이고, 상기 엔진에서 노킹이 감지되지 않으면, 상기 제1 흡기유로는 폐쇄되되, 상기 제2 흡기유로는 개방되도록 상기 흡기 유로조절기의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 상기 냉각수 유로조절기의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어할 수 있다.
상기에서 언급되지 않은 과제의 해결수단은 본 발명의 실시예에 관한 설명으로부터 충분히 도출될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 엔진을 통과한 냉각수를 방열시키는 흡기 가열기가 흡기패스에 설치됨으로써, 엔진으로 공급되는 흡기를 가열하여 펌핑로스를 저감하고 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 엔진을 통과한 냉각수의 온도 및 엔진의 부하에 관한 정보에 기초하여 흡기 유로 및 냉각수 유로를 조절함으로써, 엔진에 공급되는 흡기의 가열이 효율적인 엔진 구동 측면에서 적시에 이루어질 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 가스엔진 발전 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템의 흡기 유로 및 냉각수 유로가 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템의 흡기 가열에 관한 제어 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템의 냉각수 온도 및 엔진의 부하에 따른 흡기 가열 전략을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명은 엔진의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 가스엔진 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 에어클리너를 통과한 공기와 제로가버너를 통과한 연료가 믹서에서 혼합되어 슈퍼차저(또는, 실시예에 따라 터보차저) 및 스로틀밸브를 거쳐 엔진의 흡기매니폴드로 공급될 수 있다. 상기 엔진은 점화기의 불꽃점화를 통해 상기 혼합기를 연소시켜 기계적 에너지를 생성할 수 있고, 상기 엔진의 기계적 에너지는 발전기에서 전기적 에너지로 변환될 수 있다.
여기서, 상기 에어클리너는 내부에 구비되는 필터를 통해 공기 중에 포함된 먼지 등의 이물질을 제거하여 깨끗한 공기가 상기 믹서에 공급되도록 하는 장치이다. 그리고, 상기 제로가버너는 유입되는 연료의 압력이나 유량 변화에 상관없이 항상 소정 압력의 연료가 상기 믹서에 공급되도록 하는 장치이다.
이와 같은 가스엔진 발전 시스템은 대부분의 운전 시간 동안 엔진이 최대부하 보다 낮은 부분부하 조건에서 동작되는 것이 일반적이다. 즉, 엔진의 최대토크를 향상시키기 위해서는 엔진에 공급되는 공기를 냉각하는 것이 바람직하겠으나, 엔진의 부분부하 운전 상태에서는 엔진의 펌핑로스를 저감하고, 연소 효율을 증대시키기 위해 공기를 가열하는 것이 바람직하고 이하에서는 이를 위한 본 발명의 구성을 설명하도록 한다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템을 보다 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템의 흡기 유로 및 냉각수 유로가 도시된 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템의 흡기 가열에 관한 제어 방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 가스엔진 발전 시스템은 엔진(10) 외에도, 흡기패스(20), 흡기 유로조절기(30), 냉각수 펌프(50), 방열기(70), 흡기 가열기(40), 냉각수 유로조절기(60) 및 제어부(90)를 포함한다. 한편, 흡기패스(20)를 통과한 공기는 상기 믹서에서 상기 제로가버너를 통과한 연료와 혼합된 후, 상기 슈퍼차저 및 스로틀밸브를 거쳐 엔진(10)의 흡기매니폴드(11)로 공급되나, 본 발명의 간략한 설명을 위하여 상기 슈퍼차저 및 스로틀밸브는 도면에서 생략하였다. 또한, 엔진(10)에서의 혼합기의 연소 반응에 따라 생성되는 배기가스는 엔진(10)의 배기매니폴드(12)를 통해 외부로 배출된다.
흡기패스(20)의 내부에는 상기 믹서에 공급되는 공기가 유동하는 제1 흡기유로(21) 및 제2 흡기유로(22)가 형성된다. 일 예로써, 흡기패스(20)는 상기 에어필터 및 믹서의 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 흡기패스(20)는 상기 에어필터와 연결되어 상기 에어필터를 통과한 공기가 유동하는 유입 단일유로(미부호)와, 상기 믹서에 연결되어 제1 흡기유로(21) 및 제2 흡기유로(22)를 통과한 공기가 유동하는 배출 단일유로(미부호)가 내부에 형성될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 흡기유로(21, 22)는 상기 유입 단일유로 및 배출 단일유로의 사이에 구비될 수 있다.
흡기 유로조절기(30)는 제1 및 제2 흡기유로(21, 22) 중 어느 하나를 개방하되, 나머지 하나를 폐쇄할 수 있다. 즉, 흡기 유로조절기(30)가 제1 흡기유로(21)를 개방하되, 제2 흡기유로(22)를 폐쇄하는 경우에는 상기 유입 단일유로를 통과한 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나 상기 배출 단일유로를 통해 상기 믹서로 안내될 수 있다. 반대로, 흡기 유로조절기(30)가 제1 흡기유로(21)를 폐쇄하되, 제2 흡기유로(22)를 개방하는 경우에는 상기 유입 단일유로를 통과한 공기는 제2 흡기유로(22)를 지나 상기 배출 단일유로를 통해 상기 믹서로 안내될 수 있다.
흡기 유로조절기(30)는 흡기 유로를 개폐하는 다양한 구성이 적용될 수 있고, 밸브 또는 댐퍼를 그 예로 들 수 있다. 흡기 유로조절기(30)는 후술하는 제어부(90)와 전기적으로 연결되어, 제어부(90)의 제어 신호에 따라 제1 및 제2 흡기유로(21, 22) 각각의 개폐를 조절할 수 있다.
냉각수 펌프(50)는 엔진(10)에 냉각수를 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 냉각수 펌프(50)에 의해 엔진(10)의 냉각수 재킷(미부호)을 통과하는 냉각수로 엔진(10)에서 발생되는 열이 제거될 수 있다. 냉각수 펌프(50)로부터 토출된 냉각수는 엔진(10) 등을 경유하는 후술하는 냉각수 유로를 유동한 후 다시 냉각수 펌프(50)로 유입됨으로써 순환될 수 있고, 보다 상세히는 후술한다.
방열기(70)는 엔진(10)을 통과한 냉각수를 방열시킬 수 있다. 일 예로써, 엔진(10)을 통과한 냉각수는 방열기(70)에 유입되어 방열기(70)에 구비된 팬(미부호)에 의해 유동되는 공기와 열교환하며 냉각될 수 있다. 방열기(70)를 통과하며 냉각된 냉각수는 다시 냉각수 펌프(50)로 유입될 수 있다. 실시예에 따라, 방열기(70)는 실외 공기와 열교환하는 장치 뿐만 아니라, 실내 공기와 열교환하는 장치까지 포함하는 구성일 수 있다.
흡기 가열기(40)는 흡기패스(20) 중 제2 흡기유로(22)가 형성되는 부분에 설치될 수 있다. 흡기 가열기(40)는 엔진(10)을 통과한 냉각수를 방열시킬 수 있다. 즉, 제2 흡기유로(22)에 공기가 유동하는 경우, 엔진(10)을 통과한 냉각수로서 흡기 가열기(40)에 유입된 냉각수는 제2 흡기유로(22)를 유동하는 공기와 열교환하며 냉각될 수 있고, 이로써 제2 흡기유로(22)를 유동하는 공기는 가열될 수 있다.
냉각수 유로조절기(60)는 엔진(10)을 통과한 냉각수를 냉각수 펌프(50), 방열기(70) 및 흡기 가열기(40)로 분배할 수 있다. 냉각수 유로조절기(60)는 냉각수 유로를 개폐하는 다양한 구성이 적용될 수 있고, 밸브 또는 댐퍼를 그 예로 들 수 있다. 냉각수 유로조절기(60)는 후술하는 제어부(90)와 전기적으로 연결되어, 제어부(90)의 제어 신호에 따라 냉각수 유로의 개폐를 조절할 수 있다.
제어부(90)는 엔진(10)을 통과한 냉각수의 온도(Tout) 및 엔진(10)의 부하에 관한 정보에 기초하여 흡기 유로조절기(30), 냉각수 유로조절기(60) 및 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 가스엔진 발전 시스템은 온도센서(80)와 압력센서(MAP: Manifold Absolute Pressure sensor)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 온도센서(80)는 엔진(10)의 냉각수 토출측에 설치되어, 엔진(10)을 통과한 냉각수의 온도(Tout)를 감지하여 제어부(90)에 전송할 수 있다. 그리고, 압력센서(MAP)는 엔진(10)의 흡기매니폴드(11)측에 설치되어, 흡기매니폴드(11)를 유동하는 공기와 연료의 혼합기의 압력을 감지하여 제어부(90)에 전송할 수 있다.
이 경우, 엔진(10)의 부하가 증가할수록 상기 스로틀밸브의 개도가 높아져 엔진(10)에 공급되는 혼합기의 압력이 증가할 것이므로, 압력센서(MAP)에서 감지된 압력은 엔진(10)의 부하에 비례하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 제어부(90)는 압력센서(MAP)에서 감지된 흡기매니폴드(11)를 유동하는 혼합기의 압력이 기준압력(Ptarget)(예를 들면, 750mbar)을 초과하면 엔진(10)의 부하가 최대부하 또는 이에 인접한 상태인 것으로 판단할 수 있고, 기준압력(Ptarget) 이하이면 엔진(10)의 부하가 상기 최대부하보다 낮은 부분부하 상태인 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 기준압력(Ptarget)은 엔진(10)의 구체적인 스펙에 따라 달리 설정될 수 있음은 물론이다.
한편, 냉각수 펌프(50)에 의해 순환되는 냉각수가 유동하는 냉각수 유로는 순환유로와 방열유로를 포함할 수 있다.
상기 순환유로는 냉각수 펌프(50), 엔진(10) 및 냉각수 유로조절기(60)를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 유로일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 순환유로는 냉각수 펌프(50)와 엔진(10)을 연결하는 제1 배관(P1)과, 엔진(10)과 냉각수 유로조절기(60)를 연결하는 제2 배관(P2)과, 냉각수 유로조절기(60)와 냉각수 펌프(50)를 연결하는 제3 배관(P3)으로 이루어질 수 있다.
상기 방열유로는 제1 방열유로와 제2 방열유로를 포함할 수 있다. 상기 제1 방열유로는 냉각수 펌프(50), 엔진(10) 및 냉각수 유로조절기(60) 및 방열기(70)를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 유로일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 방열유로는 제1 배관(P1)과, 제2 배관(P2)과, 냉각수 유로조절기(60)와 방열기(70)를 연결하는 제4 배관(P4)과, 방열기(70)와 냉각수 펌프(50)를 연결하는 제5 배관(P5)으로 이루어질 수 있다. 상기 제2 방열유로는 냉각수 펌프(50), 엔진(10) 및 냉각수 유로조절기(60) 및 흡기 가열기(40)를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 유로일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제2 방열유로는 제1 배관(P1)과, 제2 배관(P2)과, 냉각수 유로조절기(60)와 흡기 가열기(40)를 연결하는 제6 배관(P6)과, 흡기 가열기(40)와 냉각수 펌프를 연결하는 제7 배관(P7)으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 냉각수 유로조절기(60)는 상기 순환유로 및 방열유로 각각의 개폐를 조절할 수 있다. 즉, 냉각수 유로조절기(60)가 상기 순환유로를 개방하되, 상기 방열유로를 폐쇄하면 냉각수 펌프(50)에서 토출된 냉각수는 엔진(10)을 통과하며 가열된 후 다시 냉각수 펌프(50)로 유입되므로 엔진(10)의 동작이 지속될 시 냉각수의 온도도 계속 상승할 수 있다. 이와 달리, 냉각수 유로조절기(60)가 상기 순환유로 뿐만 아니라 상기 방열유로도 개방하면 냉각수 펌프(50)에서 토출된 냉각수는 엔진(10)을 통과하며 가열된 후 방열기(70) 및 흡기 가열기(40) 각각을 통과하며 냉각된 후 다시 냉각수 펌프(50)로 유입되므로 방열기(70) 및 흡기 가열기(40)로 안내되는 냉각수의 유량을 조절하는 것에 의해 냉각수 온도를 일정 범위로 유지할 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 제어부(90)는 엔진(10)의 운전이 개시(S10)될 시 다음과 같이 흡기 유로조절기(30), 냉각수 유로조절기(60) 및 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(90)는 제1 흡기유로(21)는 개방되되, 제2 흡기유로(22)는 폐쇄되도록 흡기 유로조절기(30)의 동작을 제어할 수 있다(S20). 이와 동시 또는 이시에, 제어부(90)는 상기 순환유로는 개방되되, 상기 방열유로는 폐쇄되도록 냉각수 유로조절기(60)의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 상에서 냉각수가 순환되도록 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다(S30).
이로써, 엔진(10)의 운전이 개시되어 아직 냉각수의 온도가 충분히 상승되지 않은 상태에서, 냉각수가 상기 순환유로를 순환하도록 제어함으로써 냉각수의 온도가 흡기를 가열하기에 충분한 정도까지 상승되도록 준비(즉, 웜업)할 수 있다. 이 경우, 상기 유입 단일유로를 통과한 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나며 미가열된 채로 상기 배출 단일유로를 통해 상기 믹서로 안내될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 제어부(90)는 엔진(10)을 통과한 냉각수의 온도(Tout)(즉, 온도센서(80)에서 감지된 온도)가 기준온도(Ttarget)(예를 들면, 70℃) 이상이면(S40에서 YES), 상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 냉각수 유로조절기(60)의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다(S50).
이로써, 냉각수의 온도가 충분히 상승된 상태에서, 냉각수가 상기 순환유로 및 방열유로를 순환하도록 제어함으로써, 냉각수의 온도가 지나치게 상승되는 것을 방지함과 아울러, 후술하는 소정 조건이 만족될 시 흡기를 가열하는 데 이용될 수 있도록 준비할 수 있다. 이 경우, 상기 유입 단일유로를 통과한 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나며 미가열된 채로 상기 배출 단일유로를 통해 상기 믹서로 안내될 수 있다.
한편, 제어부(90)는 엔진(10)을 통과한 냉각수의 온도(Tout)가 기준온도(Ttarget)보다 높은 한계온도(예를 들면, 85℃) 이상이면, 상기 방열유로 상을 순환하는 냉각수의 유량이 증가되도록 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어하여, 냉각수 과열에 따른 엔진 방열성능 저하 및 배관 손상을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제어부(90)는 엔진(10)을 통과한 냉각수의 온도(Tout)가 기준온도(Ttarget) 이상인 경우로서, 엔진(10)의 부하가 상기 부분부하 상태이고(즉, S60에서 YES) 엔진(10)에서 노킹(knocking)이 감지되지 않으면(즉, S70에서 YES), 다음과 같이 흡기 유로조절기(30), 냉각수 유로조절기(60) 및 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 엔진(10)의 부하가 상기 부분부하 상태인 경우는, 압력센서(MAP)에서 감지한 압력(Pin)이 기준압력(Ptarget)(예를 들면, 750mbar) 이하인 경우에 해당함은 상술한 바와 같다. 또한, 노킹은 엔진 실린더 내에서의 혼합기의 연소가 불꽃점화에 의해 생성된 화염의 전파에 따른 정상적인 과정에 의해 이루어지지 않고, 불꽃점화 전에 이루어지거나(조기점화), 아직 화염이 전파되지 않은 부위(엔드존)에서 이루어지는 것 등에 의해 망치로 두르리는 것과 같은 소리가 나는 현상이다.
즉, 제어부(90)는 제1 흡기유로(21)는 폐쇄되되, 제2 흡기유로(22)는 개방되도록 흡기 유로조절기(30)의 동작을 제어할 수 있다(S80). 또한, 제어부(90)는 상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 냉각수 유로조절기(60)의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 유입 단일유로를 통과한 공기는 제2 흡기유로(22)를 지나며 흡기 가열기(40)를 유동하는 냉각수에 의해 가열된 채로 상기 배출 단일유로를 통해 상기 믹서로 안내될 수 있다. 이로써, 엔진(10)에 공급되는 혼합기의 체적이 증가되어 엔진(10)의 펌핑로스(pumping loss)를 저감할 수 있다. 여기서, 펌핑로스는 엔진(10)의 실린더 내에서의 혼합기의 연소 폭발에 의하여 발생한 에너지의 일부가 혼합기를 흡입하고 배기가스를 배출하는 과정에서 소비되는 것을 의미한다.
또한, 이와 같은 흡기의 가열로 인해 연료의 증발이 촉진되어 배기가스 배출을 저감할 수 있고, 엔진(10)의 실린더 내부의 온도상승에 따른 연소 안정성 및 연소 효율 향상을 기대할 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 제어부(90)는 엔진(10)을 통과한 냉각수의 온도(Tout)가 기준온도(Ttarget) 이상인 경우로서, 엔진(10)의 부하가 상기 최대부하 상태이면(즉, S60에서 NO), 다음과 같이 흡기 유로조절기(30), 냉각수 유로조절기(60) 및 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 엔진(10)의 부하가 상기 최대부하 상태인 경우는, 압력센서(MAP)에서 감지한 압력(Pin)이 기준압력(Ptarget)(예를 들면, 750mbar) 초과한 경우에 해당함은 상술한 바와 같다.
즉, 제어부(90)는 제1 흡기유로(21)는 개방되되, 제2 흡기유로(22)는 폐쇄되도록 흡기 유로조절기(30)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(90)는 상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 냉각수 유로조절기(60)의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 유입 단일유로를 통과한 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나며 미가열된 채로 상기 배출 단일유로를 통해 상기 믹서로 안내될 수 있다. 이로써, 엔진(10)에 공급되는 공기가 미가열되어, 엔진(10)에서 최대 체적효율을 달성할 수 있어 엔진(10)이 최대부하 내지는 최대토크를 생성하는 데 유리할 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 제어부(90)는 엔진(10)을 통과한 냉각수의 온도(Tout)가 기준온도(Ttarget) 이상인 경우로서, 엔진(10)에서 노킹이 감지되면(즉, S70에서 NO), 다음과 같이 흡기 유로조절기(30), 냉각수 유로조절기(60) 및 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(90)는 제1 흡기유로(21)는 개방되되, 제2 흡기유로(22)는 폐쇄되도록 흡기 유로조절기(30)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(90)는 상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 냉각수 유로조절기(60)의 동작을 제어하고, 상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 냉각수 펌프(50)의 동작을 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 유입 단일유로를 통과한 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나며 미가열된 채로 상기 배출 단일유로를 통해 상기 믹서로 안내될 수 있다. 이로써, 엔진(10)에 공급되는 공기가 미가열되어, 엔진(10)에서의 이상연소에 따른 노킹 현상이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템의 냉각수 온도 및 엔진의 부하에 따른 흡기 가열 전략을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 엔진(10)을 시동한 이후에 소정시간 동안 엔진을 공회전시켜 냉각수의 온도가 흡기를 가열하는기에 충분한 정도까지 상승되도록 준비(즉, 웜업)하는 것이 필요하다. 이 경우, 도 2 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 냉각수는 상기 순환유로만을 유동하고, 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나며 미가열될 수 있다(CASE 1).
엔진(10)은 소정의 공회전 이후에, 발전을 위해 가속 운전될 수 있고, 이에 따라 냉각수의 온도가 충분히 상승되면(즉, 웜업 완료), 냉각수의 온도가 지나치게 상승되는 것을 방지하고 흡기를 가열할 준비를 마치는 것이 필요하다. 이 경우, 도 3 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 냉각수는 상기 순환유로와 방열유로를 유동하고, 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나며 미가열될 수 있다(CASE 2).
상기 웜업 완료된 이후로서, 엔진(10)의 부하가 부분부하 상태인 경우(즉, 웜업 완료 이후의 정속, 감속, 공회전 등을 포함), 엔진(10)에 공급되는 공기를 가열하여 펌핑로스를 저감하고 연소 효율을 증대시키는 것이 필요하다. 이 경우, 도 4 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 냉각수는 상기 순환유로와 방열유로를 유동하고, 공기는 제2 흡기유로(22)를 지나며 가열될 수 있다(CASE 3).
다만, 엔진(10)의 부하가 최대부하 상태이거나, 노킹 현상이 감지되는 경우에는, 엔진(10)에 공급되는 공기를 미가열하는 것이 필요하다. 이 경우, 도 3 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 냉각수는 상기 순환유로와 방열유로를 유동하고, 공기는 제1 흡기유로(21)를 지나며 미가열될 수 있다(CASE 2).
이상, 본 발명의 실시예에 따른 가스엔진 발전 시스템을 첨부도면을 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 예측할 수 있는 다양한 변형이나 균등한 범위내에서의 실시가 가능함은 물론이다.
10: 엔진 11: 흡기매니폴드
12: 배기매니폴드 20: 흡기패스
21: 제1 흡기유로 22: 제2 흡기유로
30: 흡기 유로조절기 40: 흡기 가열기
50: 냉각수 펌프 60: 냉각수 유로조절기
70: 방열기 80: 온도센서
90: 제어부 MAP: 압력센서

Claims (10)

  1. 에어클리너를 통과한 필터링된 공기와 제로가버너를 통과한 소정 압력의 연료를 혼합시키는 믹서로부터 혼합기를 공급받아 연소시켜 기계적 에너지를 생성하는 엔진을 포함하고, 상기 엔진의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 가스엔진 발전 시스템에 있어서,
    내부에 상기 믹서에 공급되는 공기가 유동하는 제1 흡기유로 및 제2 흡기유로가 형성되는 흡기패스;
    상기 제1 및 제2 흡기유로 중 어느 하나를 개방하되, 나머지 하나를 폐쇄하는 흡기 유로조절기;
    상기 엔진에 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프;
    상기 엔진을 통과한 냉각수를 방열시키는 방열기;
    상기 흡기패스 중 상기 제2 흡기유로가 형성되는 부분에 설치되고, 상기 엔진을 통과한 냉각수를 방열시키는 흡기 가열기;
    상기 엔진을 통과한 냉각수를 상기 냉각수 펌프, 방열기 및 흡기 가열기로 분배하는 냉각수 유로조절기; 및
    상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도 및 상기 엔진의 부하에 관한 정보에 기초하여 상기 흡기 유로조절기, 냉각수 유로조절기 및 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 가스엔진 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도를 감지하여 상기 제어부에 전송하는 온도센서;
    상기 냉각수 펌프, 엔진 및 냉각수 유로조절기를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 순환유로; 및
    상기 냉각수 펌프, 엔진, 냉각수 유로조절기 및 방열기를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 제1 방열유로와, 상기 냉각수 펌프, 엔진, 냉각수 유로조절기 및 흡기 가열기를 순차적으로 거치며 폐루프로 형성되는 제2 방열유로를 포함하는 방열유로를 더 포함하고,
    상기 냉각수 유로조절기는,
    상기 순환유로 및 방열유로 각각을 개폐하는 가스엔진 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진의 운전이 개시될 시,
    상기 제1 흡기유로는 개방되되, 상기 제2 흡기유로는 폐쇄되도록 상기 흡기 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로는 개방되되, 상기 방열유로는 폐쇄되도록 상기 냉각수 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 상에서 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 가스엔진 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도가 상기 기준온도 이상이면,
    상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 상기 냉각수 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 가스엔진 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 엔진의 흡기매니폴드에 설치되어 상기 흡기매니폴드를 유동하는 공기와 연료의 혼합기의 압력을 감지하여 상기 제어부에 전송하는 압력센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 흡기매니폴드를 유동하는 혼합기의 압력이 기준압력 이하이면 상기 엔진의 부하가 부분부하 상태인 것으로 판단하고, 상기 기준압력 초과하면 상기 엔진의 부하가 최대부하 상태인 것으로 판단하는 가스엔진 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도가 상기 기준온도 이상인 경우로서, 상기 엔진의 부하가 상기 부분부하 상태이고, 상기 엔진에서 노킹이 감지되지 않으면,
    상기 제1 흡기유로는 폐쇄되되, 상기 제2 흡기유로는 개방되도록 상기 흡기 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 상기 냉각수 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 가스엔진 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도가 상기 기준온도 이상인 경우로서, 상기 엔진의 부하가 상기 최대부하 상태이면,
    상기 제1 흡기유로는 개방되되, 상기 제2 흡기유로는 폐쇄되도록 상기 흡기 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 상기 냉각수 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 가스엔진 발전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도가 상기 기준온도 이상인 경우로서, 상기 엔진에서 노킹이 감지되면,
    상기 제1 흡기유로는 개방되되, 상기 제2 흡기유로는 폐쇄되도록 상기 흡기 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 및 방열유로가 개방되도록 상기 냉각수 유로조절기의 동작을 제어하고,
    상기 순환유로 및 방열유로 상에서 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 가스엔진 발전 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진을 통과한 냉각수의 온도가 상기 기준온도보다 높은 한계온도 이상이면,
    상기 방열유로 상을 순환하는 냉각수의 유량이 증가되도록 상기 냉각수 펌프의 동작을 제어하는 가스엔진 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 흡기패스는,
    상기 에어클리너 및 믹서의 사이에 위치하는 가스엔진 발전 시스템.
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