WO2018131978A1 - 가스히트펌프 및 그 제어방법 - Google Patents

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WO2018131978A1
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heat pump
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전지훈
염관호
최송
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엘지전자 주식회사
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    • Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine

Definitions

  • the present invention relates to a gas heat pump and a control method thereof, and the ignition condition can be changed by calculating the amount of energy generated by the spark plug.
  • a refrigeration cycle generally means a cycle of supplying heat or absorbing heat where necessary by using a circulation cycle of a refrigerant.
  • Compressors, condensers, expansion valves and evaporators are used to implement this refrigeration cycle. These components are connected to each other through the refrigerant pipe, the heat is supplied to the surroundings in the condenser through the phase change of the refrigerant, and absorbs the surrounding heat in the evaporator.
  • the condenser and the evaporator may be referred to as a configuration that the heat exchange between the refrigerant and air or other fluid. Therefore, such a configuration may be referred to as a heat exchanger, and may be said to be divided into a condenser and an evaporator according to a refrigerant state before and after heat exchange.
  • An apparatus or system for heating or cooling indoor air using such a refrigeration cycle is called an air conditioner.
  • the refrigerant supplies heat to the room air. Therefore, in this case, the indoor unit may be referred to as a condenser and the outdoor unit may be referred to as an evaporator.
  • the refrigerant absorbs the heat of the indoor air in order to cool the room in the air conditioner. Therefore, in this case, the indoor unit may be called an evaporator, and the outdoor unit may be called a condenser.
  • a gas heat pump system using a gas engine rather than an electric motor is used to drive a compressor for compressing a large amount of refrigerant into a gas of high temperature and high pressure.
  • the gas heat pump system generates power to drive a compressor through an engine that burns gas to implement a refrigeration cycle.
  • the gas heat pump system is a device for heating or cooling by operating the compressor by the driving force of the gas engine, as shown in Figure 1, to the refrigerant circulation system 100 and the engine coolant circulation system 200 It is composed.
  • the refrigerant circulation system forms a refrigeration cycle or a heat pump cycle for cooling or heating the indoor side, and a refrigerant compressor 14, a four-way valve 15, and an outdoor unit heat exchanger 16 driven by a gas engine 500.
  • the engine coolant circulation system 200 circulates the engine coolant to cool the gas engine 500, the engine coolant three-way valve 21, the radiator 22, the engine coolant circulation pump 23, and the exhaust gas heat exchanger 24. ) And the like.
  • auxiliary heat exchanger 25 is installed between the refrigerant circulation system 100 and the engine cooling water circulation system 200, and is configured to evaporate the refrigerant by performing heat exchange between the refrigerant and the engine cooling water.
  • the four-way valve 15 is switched as shown by the solid arrows in FIG. 1, and is compressed by the compressor 14 driven by the gas engine 500 to thereby produce a high temperature.
  • the refrigerant which has been in a high pressure state, is condensed by the outdoor unit heat exchanger 16 functioning as a condenser via the four-way valve 15 switched to the cooling operation mode and discharges the condensation heat to the outside air.
  • the refrigerant in the condensed liquid state is decompressed by the indoor unit expansion valve 18, and then flows into the indoor unit heat exchanger 19 which functions as an evaporator at a low temperature and low pressure to evaporate.
  • cooling is achieved by absorbing latent heat required in the evaporation process from the air in the room.
  • the refrigerant passing through the indoor unit heat exchanger 19 passes through the accumulator 13 so that only the refrigerant in the gaseous state is sucked into the compressor, thereby forming a refrigeration cycle continuously.
  • the engine coolant that has cooled the gas engine 500 is led to the radiator 22 side by the engine coolant three-way valve 21 and radiated to the outside air in the radiator 22, and then the engine coolant circulation pump 23. ) Is returned to the gas engine 500 via the exhaust gas heat exchanger 24.
  • the four-way valve 15 is switched as shown by the dotted arrow in FIG. 1, whereby the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed by the compressor 14 flows into the indoor unit I and functions as a condenser. Condensed in the heat exchanger (19), heating is achieved by the heat of condensation discharged into the room air. The refrigerant in the condensed liquid state is reduced in the state of low temperature and low pressure while passing through the heating expansion valve 17, and then flows into the outdoor unit heat exchanger 16 which functions as an evaporator and starts to evaporate.
  • the power required for the compressor increases, resulting in a decrease in the performance of the heat pump cycle. It is used as a heat source of evaporation of refrigerant. That is, in the heating operation, the engine coolant cooling the gas engine 500 is guided to the auxiliary heat exchanger 25 by the engine coolant three-way valve 21, and passes through the outdoor unit heat exchanger 16 to the auxiliary heat exchanger 25. The refrigerant flowed in is heated and evaporated.
  • the conventional gas heat pump system is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2013-0093297.
  • the output of the gas engine 500 was adjusted through voltage control applied to the spark plug provided in the gas engine 500.
  • the optimum ignition energy output is achieved in the compressor rotation region and the region requiring high torque according to the operating conditions (cooling and cooling selection and temperature selection) of the refrigerant cycle. There is a problem that cannot be solved.
  • the present invention provides a gas heat pump and a control method thereof, the ignition charging time of which can be varied according to the amount of ignition energy emitted from the ignition plug.
  • the present invention provides a gas heat pump and a control method thereof that can adjust the magnitude of the voltage supplied to the spark plug.
  • the present invention provides a gas heat pump and a control method thereof which can provide feedback whenever a discharge occurs in the spark plug.
  • a gas heat pump including a gas engine having an engine combustion unit including a plurality of combustion spaces provided with spark plugs, the operating conditions of the gas heat pump.
  • a target setting step of setting a target ignition energy amount on the basis of the refrigerant load amount determined accordingly;
  • An ignition step of igniting fuel injected into the combustion space;
  • a comparison step of comparing an output energy amount emitted in the ignition step with a target ignition energy amount set in the target setting step; And changing the amount of energy required to ignite the fuel when the output energy amount and the target ignition energy amount do not coincide in the comparing step.
  • a compressor for compressing a refrigerant A gas engine which drives the compressor and includes an engine combustion unit provided with a plurality of combustion spaces; An ignition plug provided in the engine combustion chamber and applying an impulse voltage; And a controller configured to adjust a voltage, a current, and a discharge time applied to the spark plug, wherein the controller is configured to determine a refrigerant load amount according to an operating condition, and set a target ignition energy amount according to the load amount. The amount of energy required by the ignition plug may be changed by comparing the output energy amount and the target ignition energy amount discharged during discharge.
  • the present invention has the following effects.
  • the present invention can vary the ignition charging time (dwell time) according to the amount of ignition energy emitted from the spark plug, and there is an effect capable of precise control.
  • the present invention has the effect of adjusting the magnitude of the voltage supplied to the spark plug.
  • the present invention can provide feedback whenever a discharge occurs in the spark plug, and there is an effect that can immediately cope with changes in air conditioning and temperature setting.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a gas heat pump system.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a structure of a gas engine according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows the structure of the engine combustion chamber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram briefly showing a process of ignition in the engine combustion chamber based on a voltage according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a basic algorithm according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an algorithm for operating an engine combustion chamber using an amount of energy according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers, and / or regions, such elements, components, regions, layers, and / or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.
  • FIG 2 is a view showing the overall configuration of the gas engine 500 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas engine 500 includes an engine combustion unit 520 for providing a place where air and fuel are combusted, a supply pipe 510 corresponding to a passage for supplying air and fuel to the engine combustion unit 520, and an engine combustion unit ( An exhaust pipe 530 which is in communication with the 520 and corresponds to a passage for discharging the exhaust gas generated due to combustion, and a cooling water pipe 550 for cooling the exhaust gas discharged through the exhaust pipe 530.
  • the engine combustion unit 520 includes a plurality of combustion chambers. In an exemplary embodiment of the present invention, an even number of combustion chambers is disclosed, but the present invention is not limited thereto and may include an odd number of combustion chambers.
  • the combustion chamber is composed of a housing 521 (see FIG. 3) which forms an external appearance, and an ignition plug 523 (see FIG. 3) which burns air and fuel introduced into the housing 521.
  • Air and fuel introduced into the housing 521 cause an explosion reaction by ignition (discharge) of the spark plug 523 provided in the housing 521.
  • the cylinder 522 (see FIG. 3) provided in the housing 521 performs a linear reciprocating motion, and the kinetic energy caused by the reciprocating motion of the cylinder rotates the crank 526 (see FIG. 3).
  • the rotation of the crank 526 is transmitted to a rotating shaft (not shown) connected with the compressor to operate the compressor. That is, the rotation of the rotary shaft corresponds to an energy power source for operating the compressor.
  • Exhaust gas, a byproduct of the explosion reaction is discharged to the exhaust pipe 530, and the exhaust gas is heat-exchanged with the cooling water.
  • Air and fuel flowing into the engine combustion unit 520 are mixed at a predetermined ratio specified by the user before entering the engine combustion unit 520.
  • Air is introduced into the gas engine 500 through the air purifier 501 and fuel is introduced into the gas engine 500 through the zero governor 502.
  • the air and the fuel introduced in this way are mixed in the mixer 503 and then introduced into the supply pipe 510 via an ETC (Electronic Throtle Control, 504) valve.
  • ETC Electronic Throtle Control, 504
  • the air purifier 501 is a means for filtering foreign matter from the air, and the explosion efficiency inside the engine combustion unit 520 may be maximized.
  • the zero governor 502 serves to keep the outlet pressure discharged at all times irrespective of changes in the pressure and flow rate of the incoming fuel (gas).
  • the mixer 503 functions to keep the mixing ratio of the air introduced from the air purifier 501 and the fuel (gas) introduced from the zero governor 502 constant. As such, by controlling the mixing ratio of air and fuel (gas) to be constant, the control of the combustion temperature can be facilitated.
  • the ETC valve 504 is an electronically controlled throttle system that electronically controls the throttle valve. Specifically, the ETC valve 504 controls the opening and closing of the throttle valve in accordance with a signal from the electronic accelerator pedal module. This has the advantage that the opening and closing can be finely controlled compared to the mechanical throttle valve.
  • the air and fuel passing through the ETC valve 504 flows into the supply pipe 510 and is divided into a plurality of branches and flows into the plurality of housings 521, respectively.
  • exhaust gas when air and fuel are respectively combusted in the plurality of housings 521, exhaust gas is generated.
  • the exhaust gas generated in this way is discharged through the exhaust pipe 530, and after passing through the exhaust gas heat exchanger 505 and the silencer 506, is discharged to the outside.
  • the cooling water absorbs heat while passing through the exhaust gas heat exchanger 505, the exhaust manifold 540, and the engine combustion unit 520 by the cooling water pump 507, and then is discharged to the radiator.
  • 3 is a view showing the detailed structure of any one of the combustion chamber of the engine combustion chamber (520).
  • the supply pipe 510 includes a temperature sensor 513 capable of measuring the temperature of the air and a pressure sensor 514 capable of measuring the pressure of the mixer in which the air and the fuel are mixed.
  • the probability of incomplete combustion in the combustion chamber is increased. Therefore, after measuring the temperature of the inlet air by using the temperature sensor 513, when the measured temperature is more than a predetermined temperature to stop the operation made in the engine combustion chamber 520 or to cool the temperature of the inlet air Start up a separate device.
  • the proportion of incomplete combustion in the total mixer depends on the pressure of the air and fuel mixture. Therefore, the pressure of the mixer is measured using the pressure sensor 514 before the mixer is introduced into the housing 521 to meet the set optimal pressure. As such, it may be determined whether to increase or decrease the pressure of the mixer based on the value measured by the pressure sensor 514.
  • the inside of the housing 521 may be provided with a cylinder position sensor 521a for determining the position of the cylinder and a crankshaft position sensor 521c for determining how much the crank 526 is rotated.
  • the crank 526 is connected to the cylinder 522 by a connecting rod 527.
  • One end of the connecting bar 527 is rotatably connected to the axis passing through the center of the cylinder 522, and the other end is connected to the crank 526, and rotatably at a position spaced a predetermined distance from the rotation center axis of the crank 526. It is provided.
  • the cylinder 522 is provided inside the cylinder housing 528 to allow only linear movement.
  • the cylinder housing 528 is provided inside the housing 521 to be in communication with the end of the supply pipe 510 and the end of the exhaust pipe 530. That is, the mixture of air and fuel supplied from the supply pipe 510 to the cylinder housing 528 is ignited by the spark plug 523 inside the cylinder housing 528, and the exhaust gas generated as a result of the ignition is exhausted from the exhaust pipe 530. Through the outside.
  • the side surface of the cylinder 522 is in close contact with the cylinder housing 528 so that the cylinder 522 can linearly move within the cylinder housing 528.
  • a special material is applied so that air and fuel do not leak between the surface where the cylinder 52 and the cylinder housing 528 contact, and friction does not occur.
  • the cylinder 52 and the cylinder housing 528 may be used a special material that hardly occurs friction.
  • Opening and closing is controlled by the inlet valve 524 at the point where the supply pipe 510 and the cylinder housing 528 communicate.
  • the opening and closing point of the exhaust pipe 530 and the cylinder housing 528 are controlled by the discharge valve 525.
  • the inlet valve 524 When the mixture of air and fuel is supplied into the cylinder housing 528, the inlet valve 524 is opened and the outlet valve 525 is closed. After the mixture of air and fuel enters the cylinder housing 528, the inlet valve 524 is also closed.
  • the mixture of air and fuel introduced into the cylinder housing 528 by the discharge of the spark plug 523 causes an explosion reaction, and the cylinder 522 is pushed out by the explosion force caused by the explosion reaction. That is, the cylinder 522 is a vertical reciprocating movement by the explosive force, the crank 526 is rotated by the linear reciprocating motion of the cylinder 522, the rotary shaft connected to the crank 526 by the rotation of the crank 526 This rotation causes the compressor to operate.
  • the discharge valve 525 is opened after discharge to discharge the exhaust gas generated by the discharge of the spark plug 523.
  • the exhaust gas is discharged to the exhaust pipe 530 through the discharge valve 525.
  • the combustion chamber may be provided in plural, and the discharge of the spark plug 523 provided in at least part of the combustion chamber may be performed at different times.
  • the cooling water temperature sensor 521b may be further provided inside the housing 521. This is to measure the temperature of the coolant supplied to the outside of the cylinder housing 528. When the temperature of the cylinder housing 528 is excessively high, the parts may be worn, so when the temperature of the coolant is measured higher than the reference temperature, it may be determined to be a dangerous state and controlled to stop the operation of the engine combustion chamber 520.
  • the explosive force may vary in proportion to the amount of air and fuel introduced into the cylinder housing 528 or the amount of energy discharged from the spark plug 523. That is, as the explosion force is precisely adjusted according to the load required by the compressor connected to the engine combustion chamber 520, the energy consumption can be minimized and the maximum efficiency can be obtained.
  • the spark plug 523 by controlling the magnitude of the energy discharged from the spark plug 523 it is possible to control the explosion force of the mixture of air and fuel. After determining the amount of refrigerant required by the compressor, the required output energy may be calculated according to the determined load, and then the amount of energy discharged from the spark plug 523 may be adjusted.
  • the output energy required by this load can be defined as the target amount of ignition energy.
  • a user-specified set value may first be determined. For example, it is possible to grasp which mode of air conditioning and heating is selected, how many degrees the set temperature is, and how the airflow intensity becomes.
  • This set value determination may be made by the controller 600 provided inside the gas heat pump.
  • the controller 600 may be the same component as an engine control unit (ECU) 610 that controls the driving of the engine, and in some cases, controls the ECU 610 and drives the entire gas heat pump. It may be a separate component.
  • ECU engine control unit
  • the controller 600 will be described with an example of the same components as the ECU 610, but the present invention is not limited thereto. Therefore, the control unit 600 and the ECU 610 will be described below using the same reference numeral 610.
  • the required refrigerant load may vary depending on the cooling and heating mode, the set temperature, and the airflow intensity. At this time, there may be a required rotational speed of the compressor according to the required amount of refrigerant load.
  • the output amount of the gas engine 500 for rotating the compressor may also be predetermined according to the refrigerant load amount determined above. The relationship between the refrigerant load and the output of the gas engine 500 may be experimentally obtained in advance and may be stored in advance in the controller 610 in a table form.
  • the amount of output energy required by the spark plug 523 may be determined according to the output amount. That is, the amount of refrigerant load required is determined according to a value set by the user (air conditioning, temperature, wind strength, etc.), and the output amount of the gas engine 500 is determined according to the amount of refrigerant determined in this way, and finally, the ignition is performed according to the determined output amount.
  • the amount of output energy required by the plug 523 may be determined.
  • This amount of output energy can be adjusted by changing the length of the ignition dwell time. As the ignition dwell time increases, the amount of current flowing through the primary coil 611 (see FIG. 4) may increase. This is because the coil corresponds to an inductor.
  • An inductor is a material whose resistance gradually decreases with time after a voltage is applied. That is, as time goes by, the value of the resistance becomes smaller and the applied voltage is constant, so the amount of current flowing may become larger.
  • the time for which ignition (discharge) is maintained may vary depending on the magnitude of the current applied to the primary coil 611. The larger the current is, the longer the ignition (discharge) is maintained. The smaller the current is, the shorter the ignition (discharge) is maintained.
  • the magnitude of the output energy is also related to the length of time that ignition occurs. This is because the output energy amount is calculated by time integration of the product of the applied voltage and the supplied current. Therefore, when the ignition charging time (dwell time) is long, the amount of current flowing through the primary coil 611 is gradually increased, the output energy amount may be larger because the time for ignition (discharge) is maintained.
  • the amount of output energy can be adjusted by varying the magnitude of the applied voltage. As the magnitude of the voltage applied to the primary coil 611 increases, a larger high voltage may be formed in the secondary coil 612.
  • the magnitude of the output energy amount may be adjusted by changing the length of the ignition charging time (dwell time) and the magnitude of the voltage applied to the primary coil 611.
  • the spark plug 523 is controlled using the magnitude of the output energy, the output amount of the gas engine 500 required according to the refrigerant load of the compressor can be more precisely controlled.
  • V 10 to 30 volts
  • the electromagnetic induction method of the transformer 610 composed of a coil is used.
  • the coil constituting the transformer unit 610 for example, the same as the secondary coil 612 wound about 20,000 to 30,000 times the thin copper wire around the rod-like iron core and the copper wire of about 0.5 to 1mm It may be made of a primary coil 611 wound 150 ⁇ 300 times in the direction.
  • the iron core may become an electromagnet, and at the moment of blocking the current, a high voltage is applied to the secondary coil 612 by an electromagnetic induction phenomenon. Current can flow.
  • the switching element 640 provided in the circuit may serve to block the flow of current flowing through the primary coil 611.
  • a high voltage may be generated in the secondary coil 612 by blocking the flow of current flowing through the primary coil 611.
  • the switching element 640 may use a power transistor, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • a portion provided with the primary coil 611 and flowing or blocking current may be referred to as an ignition coil portion 601, and a portion including a secondary coil 612 and including a spark plug 523 is a spark plug portion. It can be defined as (602).
  • the operation manner of the spark plug 523 is not limited thereto.
  • the scheme described above corresponds to a full transistor type ignition, and either pointed or distributorless ignition may be used.
  • FIG. 5 illustrates a circuit structure capable of measuring a current according to an embodiment of the present invention.
  • the current measurement is made by measuring the current value flowing in the shunt resistor 631 with a very small resistance.
  • the current measuring unit 630 measures the current value flowing through the shunt resistor 631.
  • the voltage is made through the voltage measuring unit 620. In this way, by providing a circuit for measuring voltage and current in advance, the amount of energy applied to the spark plug 523 can be calculated in advance.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating voltages respectively applied to four combustion chambers in the engine combustion chamber 520 according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the change in voltage applied to the primary coil 611 in each combustion chamber is shown. The spark plug 523 provided in each combustion chamber may ignite with a time difference.
  • a voltage corresponding to the capacity of the battery may be constantly applied. Thereafter, when the switching element 640 receiving the signal from the controller 610 cuts off the current applied to the primary coil 611, a high voltage may occur in the secondary coil 612.
  • This ignition charging time corresponds to the period of the point where the slight drop in FIG. 6 (the point indicated by the two-way arrow).
  • the switching element 640 cuts off the current applied to the primary coil 611, and a high voltage is generated in the secondary coil 612 to ignite (discharge) the ignition plug 523. Can happen.
  • FIG. 7 is a flow chart briefly illustrating the operation of the present invention.
  • the degree of ignition is adjusted based on the amount of energy generated when ignition (discharge) occurs in the spark plug 523, measurement of voltage and current may be necessary.
  • step (S100) of constructing a circuit for measuring the voltage applied to the primary coil 611 and the current flowing through the cylinder 522 cylinder can be preceded.
  • the gas engine 500 may be driven using a circuit capable of measuring voltage and current (200).
  • the ignition coil voltage and current applied to the primary coil 611 may be measured in real time by the controller 610 (S300). This may be to determine in real time whether the target ignition energy amount reaches each time one ignition (discharge) occurs in any one spark plug 523. Based on the measured information, the actual output energy can be calculated and reflected at the next ignition.
  • a process (S400) of performing optimal control of the gas engine 500 may be performed based on the measured information.
  • step S400 of performing the control of the gas engine 500 based on the measured information according to the exemplary embodiment of the present invention is illustrated using the flowchart in detail in FIG. 8.
  • At least one or more of the settings may be determined by the user's selection or by the automatic system, for example, which mode of cooling and heating, how to set the temperature, and how the intensity of the air flow. have. That is, the cooling and heating operation conditions (cooling and heating cycle) can be set (S410).
  • the setting condition may be input from the outside.
  • the operating condition may be at least one of cooling and heating mode setting, temperature setting, and air volume intensity.
  • control unit 610 may set the cooling and heating cycle conditions (S411).
  • the controller 610 determines the amount of refrigerant load required according to the set conditions. That is, the load amount according to the air conditioning and cycle conditions is determined (S412). The determination may be made in real time by the controller 610, or may be determined by a table stored in the controller 610.
  • the controller 610 sets a required amount of target ignition energy according to the required amount of refrigerant load (S413).
  • the target ignition energy amount may be set by the controller 610, and the required target ignition energy amount may be set according to the refrigerant load amount using a table stored in advance.
  • the ignition plug 523 may be controlled to generate one ignition (discharge) in the combustion chamber (S420).
  • the actual amount of output energy may be calculated by measuring the magnitude of the supplied current that varies depending on the voltage applied to the primary coil 611 and the ignition charging time (dwell time) during one ignition (discharge). This calculation may be made in the controller 610.
  • the controller 610 may determine whether the target ignition energy amount and the output energy amount are the same to change the ignition condition (S430).
  • the controller 610 may compare whether the target ignition energy amount and the output energy amount are the same (S431).
  • the controller 610 may correct the amount of energy required for ignition.
  • the controller 610 may correct an ignition charging time (Swell).
  • the ignition dwell time may be increased before the ignition at the next ignition. If the ignition charging time (dwell time) is increased, the magnitude of the current applied to the primary coil 611 before the ignition (discharge) occurs, and the time that the ignition (discharge) lasts may also increase. Therefore, the output energy amount becomes large at the next ignition (discharge).
  • the ignition dwell time may be reduced at the next ignition. If the ignition dwell time is reduced, the magnitude of the current applied to the primary coil 611 before the ignition (discharge) occurs is reduced, and the time for which the ignition (discharge) lasts may also be reduced. Therefore, the amount of output energy may be small at the next ignition (discharge).
  • the process of correcting the amount of energy required for ignition may be controlled by varying the magnitude of the voltage applied to the primary coil 611.
  • the magnitude of the current applied to the primary coil 611 before ignition (discharge) may be reduced. Accordingly, the time for which the ignition (discharge) is maintained can also be reduced.
  • the output energy amount is larger than the target ignition energy amount, it is possible to reduce the magnitude of the voltage applied to the primary coil 611 at the next ignition. If the output energy amount is smaller than the target ignition energy amount, it is possible to increase the magnitude of the voltage applied to the primary coil 611 at the next ignition.
  • the amount of output energy can be adjusted by changing either the ignition dwell time and the magnitude of the voltage according to the situation, or both conditions.
  • the output energy amount and the target ignition energy amount may be a step of determining whether the new cooling and heating conditions, the temperature setting and the air volume setting is changed by the user or the system. That is, it may be determined whether a new driving condition is set (S440).
  • the required refrigerant load amount is changed, and if the refrigerant load amount is changed, the target ignition energy amount may be changed. have.
  • the refrigerant load amount determining step (S412) according to the changed setting condition may be performed again. Then, if the required target ignition energy amount is set again according to the changed required refrigerant load amount, a new ignition (discharge) may occur in the spark plug 523.
  • step S420 may occur a new ignition (discharge) in the spark plug 523.
  • a new setting change occurs, and unless the engine continues to run, it is possible to continue to determine whether the amount of output energy and the target ignition energy coincide with each ignition (discharge).
  • the ignition charging time can be corrected each time or the magnitude of the applied voltage can be corrected.
  • the control unit 610 may determine and correct the amount of output energy, and thus the energy efficiency may be improved.
  • ignition discharge
  • the feedback can be provided based on the amount of energy, ignition (discharge) can be more precisely controlled than in the related art.
  • Control of the engine through the present invention can vary the ignition charge time (dwell time) according to the amount of ignition energy emitted from the spark plugs, there is an effect capable of precise control.

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Abstract

본 발명은 가스히트펌프 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 점화플러그가 구비된 다수개의 연소공간을 포함하는 엔진연소부를 가지는 가스엔진을 포함하는 가스히트펌프에 있어서, 상기 가스히트펌프의 운전 조건에 따라 판단된 냉매 부하량에 기초하여 목표 점화에너지량을 설정하는 목표설정단계; 상기 연소공간에 주입된 연료를 점화시키는 점화단계; 상기 점화단계에서 방출되는 출력에너지량과 상기 목표설정단계에서 설정된 목표 점화에너지량을 비교하는 비교단계; 및 상기 비교단계에서 상기 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량이 일치하지 않을 때, 상기 연료를 점화시키는 요구되는 에너지량을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

가스히트펌프 및 그 제어방법
본 발명은 가스히트펌프 및 그 제어방법에 관한 것이며, 점화플러그에서 발생되는 에너지량을 계산하여 점화 조건을 변경시킬 수 있다.
냉동 사이클은 일반적으로 냉매의 순환 사이클을 이용하여 필요한 곳에 열을 공급하거나 열을 흡수하는 사이클을 의미한다. 이러한 냉동 사이클을 구현하기 위하여 압축기, 응축기, 팽창밸브 그리고 증발기가 사용된다. 이러한 구성들은 냉매 배관을 통해서 서로 연결되어 있으며, 냉매의 상변화를 통해 응축기에서는 주변으로 열을 공급하게 되고, 증발기에서는 주변의 열을 흡수하게 된다.
여기서, 응축기와 증발기는 냉매와 공기 또는 다른 유체 사이에서 열교환이 이루어지도록 하는 구성이라 할 수 있다. 따라서, 이러한 구성들을 열교환기라 할 수 있으며 열교환 전후의 냉매 상태에 따라 응축기와 증발기로 나뉜다고 할 수 있다.
이러한 냉동 사이클을 이용하여 실내 공기를 난방하거나 냉방하는 장치 또는 시스템을 공기조화기라 한다. 공기조화기에서 실내를 난방하기 위해서 냉매는 실내 공기에 열을 공급하게 된다. 따라서, 이 경우 실내기를 응축기라 할 수 있으며 실외기는 증발기라 할 수 있다. 반대로 공기조화기에서 실내를 냉방하기 위해서 냉매는 실내 공기의 열을 흡수하게 된다. 따라서, 이 경우 실내기를 증발기라 할 수 있으며 실외기는 응축기라 할 수 있다.
가정과는 달리 산업용이나 큰 빌딩의 공기조화 등을 위해서는 대용량의 압축기를 필요로 한다. 즉, 많은 양의 냉매를 고온 고압의 기체로 압축하기 위한 압축기를 구동하기 위해 전기 모터가 아닌 가스엔진을 이용한 가스히트펌프 시스템을 많이 사용하고 있다.
이러한 가스히트펌프 시스템은 가스를 연소시키는 엔진을 통해 압축기를 구동하는 동력을 발생시켜 냉동 사이클을 구현하게 된다.
일반적으로, 가스히트펌프 시스템은 가스엔진의 구동력에 의해 압축기를 운전하여 난방 또는 냉방을 하도록 하는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매순환 계통(100)과 엔진 냉각수 순환 계통(200)으로 구성된다.
냉매순환 계통은 실내측을 냉방 또는 난방하기 위하여 냉동사이클 또는 히트펌프 사이클을 형성하며, 가스엔진(500)에 의해서 구동되는 냉매용 압축기(14), 사방밸브(15), 실외기 열교환기(16), 난방 팽창밸브(17), 실내기 팽창밸브(18), 실내기 열교환기(19), 어큐뮬레이터(13) 등으로 구성된다.
엔진 냉각수순환 계통(200)은 가스엔진(500)을 냉각하기 위하여 엔진 냉각수를 순환시키며, 엔진냉각수 삼방밸브(21), 라디에이터(22), 엔진냉각수 순환 펌프(23), 배기가스 열교환기(24) 등으로 구성된다.
또한, 냉매순환 계통(100)과 엔진 냉각수순환 계통(200) 간에는 보조 열교환기(25)를 설치하여 냉매와 엔진 냉각수 간의 열교환이 이루어짐으로써 냉매를 증발시키도록 구성되어 있다.
이와 같은 종래기술의 가스엔진 냉난방장치의 냉방 운전시에는 사방밸브(15)는 도 1의 실선 화살표와 같이 절환되며, 이에 따라 가스엔진(500)에 의하여 구동되는 압축기(14)에 의하여 압축되어 고온 고압의 상태가 된 냉매는 냉방 운전모드로 절환된 사방밸브(15)를 거쳐, 응축기로 기능하는 실외기 열교환기(16)에서 응축되며 응축열을 외기로 방출한다. 응축된 액체 상태의 냉매는 실내기 팽창밸브(18)에서 감압된 후, 저온 저압의 상태로 증발기로 기능하는 실내기 열교환기(19)로 유입되어 증발하게 된다. 이와 같이, 냉방은 증발 과정에서 요구되는 잠열을 실내의 공기로부터 흡열함으로써 이루어진다.
한편, 실내기 열교환기(19)를 거친 냉매는 어큐뮬레이터(13)를 거쳐 기체 상태의 냉매만이 압축기에 흡입됨으로써 냉동사이클이 연속적으로 형성된다.
또한, 냉방 운전시, 가스엔진(500)을 냉각한 엔진 냉각수는 엔진 냉각수 삼방밸브(21)에 의하여 라디에이터(22) 측으로 유도되고 라디에이터(22)에서 외기에 방열한 후, 엔진냉각수 순환펌프(23)에 의하여 배기가스 열교환기(24)를 거쳐, 다시 가스엔진(500)으로 되돌려진다.
그러나, 난방 운전시에는 사방밸브(15)가 도 1의 점선 화살표와 같이 절환되며, 이에 따라 압축기(14)에 의하여 압축된 고온 고압의 냉매는 실내기(I) 측으로 유입되어, 응축기로 기능하는 실내기 열교환기(19)에서 응축되며, 실내공기로 방출된 응축열에 의하여 난방이 이루어진다. 응축된 액체 상태의 냉매는 난방 팽창밸브(17)를 통과하면서 저온 저압의 상태로 감압된 후, 증발기로 기능하는 실외기 열교환기(16)로 유입되어 증발하기 시작한다.
한편, 난방 운전이 이루어지는 동절기에는 통상 외기의 온도가 낮으므로, 이에 따라 증발온도를 낮추려면 압축기 소요동력이 증가하여 열펌프 사이클의 성능저하를 초래하며, 이를 방지하기 위하여 엔진 배열의 일부를 회수하여 냉매의 증발열원으로 이용한다. 즉, 난방 운전시에는 가스엔진(500)을 냉각한 엔진 냉각수가 엔진냉각수 삼방밸브(21)에 의하여 보조 열교환기(25) 측으로 유도되어, 실외기 열교환기(16)를 지나 보조 열교환기(25)로 유입된 냉매를 가열하여 증발시킨다.
이와 같이, 실외기 열교환기(16)와 보조 열교환기(25)를 차례로 거치면서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(13)를 거쳐 기체 상태의 냉매만이 압축기(14)로 흡입되어 열펌프 사이클이 연속적으로 형성된다.
상기 종래의 가스히트펌프 시스템은 한국공개특허공보 제10-2013-0093297호에 개시되고 있다.
한편, 종래의 가스히트펌프 시스템의 경우, 가스엔진(500) 내부에 구비된 점화 플러그에 인가되는 전압 제어를 통해 가스엔진(500)의 출력을 조절하였다. 하지만 전압 제어만을 통해 가스엔진(500)의 출력을 제어할 경우, 냉매사이클의 운전 조건(냉난방 선택 및 온도 선택 등)에 따른 압축기 회전영역과 높은 토크를 필요로 하는 영역에서는 최적의 점화에너지 출력을 낼 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 점화플러그에서 방출되는 점화에너지의 양에 따라 점화충전시간(dwell time)을 가변할 수 있는 가스히트펌프 및 그 제어방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 점화플러그에 공급되는 전압의 크기를 조절할 수 있는 가스히트펌프 및 그 제어방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 점화플러그에서 방전이 일어날 때마다 피드백을 할 수 있는 가스히트펌프 및 그 제어방법을 제공한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 점화플러그가 구비된 다수개의 연소공간을 포함하는 엔진연소부를 가지는 가스엔진을 포함하는 가스히트펌프에 있어서, 상기 가스히트펌프의 운전 조건에 따라 판단된 냉매 부하량에 기초하여 목표 점화에너지량을 설정하는 목표설정단계; 상기 연소공간에 주입된 연료를 점화시키는 점화단계; 상기 점화단계에서 방출되는 출력에너지량과 상기 목표설정단계에서 설정된 목표 점화에너지량을 비교하는 비교단계; 및 상기 비교단계에서 상기 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량이 일치하지 않을 때, 상기 연료를 점화시키는 요구되는 에너지량을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기를 구동시키고 다수개의 연소공간이 구비된 엔진연소부를 포함하는 가스엔진; 상기 엔진연소실에 구비되고 임펄스 전압을 인가하는 점화플러그; 및 상기 점화플러그에 인가되는 전압, 전류 및 방전시간을 조절하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 운전조건에 따라 냉매 부하량을 판단하고 상기 부하량에 따라 목표 점화에너지량을 설정하며, 상기 점화플러그의 방전시 방출된 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량과 서로 비교하여 상기 점화플러그에서 요구되는 에너지량을 변경할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
본 발명은 점화플러그에서 방출되는 점화에너지의 양에 따라 점화충전시간(dwell time)을 가변할 수 있으며 정밀 제어가 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명은 점화플러그에 공급되는 전압의 크기를 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 점화플러그에서 방전이 일어날 때마다 피드백을 할 수 있으며 냉난방 및 온도 설정 변화에 즉각 대처할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 가스히트펌프 시스템의 기본 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스엔진의 구조를 도식화한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진연소실의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 점화플러그의 변압 과정을 간략하게 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 측정 회로를 간략하게 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진연소실 내에서 점화가 일어나는 과정을 전압을 기준으로 간략하게 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본 알고리즘을 도시하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지량을 이용하여 엔진연소실을 작동시키는 알고리즘을 도시하는 순서도이다.
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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스엔진(500)의 전반적인 구성을 나타낸 도면이다.
가스엔진(500)은 공기 및 연료가 연소되는 장소를 제공하는 엔진연소부(520), 이 엔진연소부(520)로 공기 및 연료를 공급하는 통로에 해당하는 공급관(510), 엔진연소부(520)와 연통되고 연소로 인하여 발생한 배기가스를 배출하는 통로에 해당하는 배기관(530), 이 배기관(530)를 통해서 배출되는 배기가스의 냉각을 담당하는 냉각수관(550)으로 구성된다.
엔진연소부(520)는 다수개의 연소실을 포함한다. 본 발명의 일 실시예의 경우 짝수개의 연소실이 포함되는 것을 개시하고 있으나 이에 한정되지 않으며 홀수개의 연소실을 포함할 수도 있다. 연소실은 각각 외관을 형성하는 하우징(521, 도 3 참조) 및 하우징(521) 내부로 유입된 공기 및 연료를 태우는 점화플러그(523, 도 3 참조) 등으로 구성된다.
하우징(521) 내부로 유입된 공기 및 연료는 하우징(521) 내부에 구비된 점화플러그(523)의 점화(방전)에 의해 폭발 반응을 일으킨다. 폭발 반응의 결과 하우징(521) 내부에 구비된 실린더(522, 도 3 참조)가 직선 왕복 운동을 하게 되고, 이러한 실린더의 왕복 운동에 의한 운동에너지는 크랭크(526, 도 3 참조)를 회전시킨다. 크랭크(526)의 회전은 압축기와 연결된 회전축(미도시)으로 전달되며 압축기를 작동시킨다. 즉, 회전축의 회전은 압축기를 작동시키는 에너지 동력원에 해당한다. 폭발 반응의 부산물인 배기가스는 배기관(530)으로 배출되며 이 배기가스는 냉각수와 열교환한다.
다수개의 연소실은 각각 일정한 시간 차이를 두고 하나씩 폭발 반응이 일어나는 것이 일반적이다. 즉, 일정한 시간 차이를 두고 각 연소실에 구비된 점화플러그(523)가 방전된다.
엔진연소부(520)로 유입되는 공기 및 연료는, 엔진연소부(520)로 유입되기 전에 사용자가 지정한 일정한 비율로 섞인다. 공기는 공기정화장치(501)를 통해 가스엔진(500) 내부로 유입되며 연료는 제로 가버너(502)를 통해 가스엔진(500) 내부로 유입된다. 이와 같이 유입된 공기와 연료는 믹서(503)에서 섞인 후 ETC(Electronic Throtle Control, 504) 밸브를 거쳐 공급관(510)으로 유입된다.
공기정화장치(501)는 공기의 이물질을 거르기 위한 수단이며, 엔진연소부(520) 내부에서의 폭발 효율을 최대로 높일 수 있다. 제로 가버너(502)는 유입되는 연료(가스)의 압력 및 유량의 변화에 관계없이 배출되는 출구압력을 항상 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 믹서(503)는 공기정화장치(501)로부터 유입되는 공기와 제로 가버너(502)로부터 유입되는 연료(가스)의 혼합비를 일정하게 하는 기능을 한다. 이와 같이 공기와 연료(가스)의 혼합비를 일정하게 함으로써 연소 온도의 제어가 용이해질 수 있다.
믹서(503)에서 일정한 혼합비로 섞인 공기와 연료는 ETC 밸브(504)에 의해 필요한 양만큼만 엔진연소부(520)로 유입된다. ETC 밸브(504)는 스로틀 밸브를 전자적으로 제어하는 전자 제어 스로틀 시스템이다. 구체적으로 ETC 밸브(504)는 전자식 액셀러레이터(accelerator) 페달 모듈로부터 오는 신호에 따라 스로틀 밸브의 개폐를 제어한다. 이는 기계식 스로틀 밸브에 비해 정교하게 개폐를 조절할 수 있는 장점이 있다.
ETC 밸브(504)를 통과한 공기 및 연료는 공급관(510)으로 유입된 후 다수개의 갈래로 나뉘어 다수개의 하우징(521)에 각각 유입된다.
이와 같은 과정에서 공기 및 연료가 다수개의 하우징(521)에서 각각 연소되면 배기가스가 생성된다. 이렇게 생성된 배기가스는 배기관(530)을 통해 배출되며, 배기가스 열교환기(505)와 소음기(506)를 차례로 거친 뒤 외부로 배출된다.
한편, 냉각수는 냉각수 펌프(507)에 의해 배기가스 열교환기(505), 배기매니폴드(540), 엔진연소부(520)를 차례로 거치면서 열을 흡수한 후 방열기로 배출된다.
도 3은 엔진연소실(520) 중 어느 하나의 연소실의 상세 구조가 도시된 도면이다.
공급관(510)에는 공기의 온도를 측정할 수 있는 온도센서(513)와 공기와 연료가 혼합된 혼합기의 압력을 측정할 수 있는 압력센서(514)가 포함된다.
공급관(510)으로 유입되는 공기의 온도가 지나치게 높은 경우, 연소실 내에서 불완전 연소가 일어날 확률이 높아진다. 따라서 유입되는 공기의 온도를 온도센서(513)를 이용하여 측정한 후, 측정된 온도가 소정 온도 이상이 되는 경우 엔진연소실(520) 내에서 이루어지는 작동을 중단하거나 유입된 공기의 온도를 냉각시키기 위한 별도의 장치를 가동시킨다.
공기와 연료가 혼합된 혼합기의 압력에 따라 전체 혼합기 중 불완전연소의 비율이 달라진다. 따라서 설정된 최적의 압력을 맞추기 위해 하우징(521) 내부로 혼합기가 유입되기 전 압력센서(514)를 이용하여 혼합기의 압력을 측정한다. 이와 같이 압력센서(514)에 의해 측정된 값을 바탕으로 혼압기의 압력을 더 높일 것인지 낮출 것인지를 판단할 수 있다.
한편, 하우징(521) 내부에는 실린더의 위치를 판단할 수 있는 실린더위치센서(521a)와 크랭크(526)가 얼마나 회전하였는지 판단할 수 있는 크랭크축위치센서(521c)가 구비될 수 있다.
크랭크(526)는 실린더(522)와 연결바(527; connecting rod)에 의해 연결된다. 연결바(527)의 일단은 실린더(522)의 중심을 지나는 축에 회전 가능하게 연결되며 타단은 크랭크(526)에 연결되되 크랭크(526)의 회전 중심축으로부터 소정거리 이격된 위치에 회전 가능하게 구비된다.
따라서 크랭크(526)가 회전하면 연결바(527)의 위치는 계속하여 변한다. 실린더(522)는 직선 운동만 가능하도록 실린더하우징(528) 내부에 구비된다. 실린더하우징(528)은 하우징(521) 내부에 구비되되 공급관(510)의 끝단과 배기관(530)의 끝단에 연통되도록 구비된다. 즉, 공급관(510)으로부터 실린더하우징(528)으로 공급되는 공기와 연료의 혼합기는 실린더하우징(528) 내부에서 점화플러그(523)에 의해 점화되며, 점화의 결과 발생한 배기가스는 배기관(530)을 통해 외부로 배출된다.
실린더(522)가 실린더하우징(528) 내부에서 직선 운동이 가능하도록 실린더(522)의 측면은 실린더하우징(528)과 밀착된다. 실린더(52)와 실린더하우징(528)이 접촉하는 면 사이로 공기 및 연료가 새어나가지 않으며 마찰 또한 발생되지 않도록 특수 재질이 도포된다. 한편, 실린더(52)와 실린더하우징(528)은 마찰이 거의 발생하지 않는 특수 소재가 이용될 수도 있다.
크랭크(526)가 회전하면 연결바(527)의 위치 변화로 인해 실린더(522)가 직선 왕복 운동을 한다.
공급관(510)과 실린더하우징(528)이 연통된 지점은 유입밸브(524)에 의해 개폐가 조절된다. 배기관(530)과 실린더하우징(528)이 연통된 지점은 배출밸브(525)에 의해 개폐가 조절된다.
공기와 연료의 혼합기가 실린더하우징(528) 내부로 공급될 때는 유입밸브(524)가 개방되고 배출밸브(525)가 폐쇄된다. 실린더 하우징(528)에 공기와 연료의 혼합기가 유입된 뒤에는 유입밸브(524)도 폐쇄된다.
유입밸브(524)와 배출밸브(525)가 모두 폐쇄되었을 때, 실린더(522)의 위치는 크랭크(526)와 가장 멀어진 상태가 된다. 즉, 실린더하우징(528) 내부에 유입된 공기와 연료의 혼합기가 최대한 압축된다. 이때 점화플러그(523)에서 방전이 일어나도록 엔진이 제어된다.
점화플러그(523)의 방전으로 실린더하우징(528) 내부에 유입된 공기와 연료의 혼합기는 폭발 반응을 일으키며, 이러한 폭발 반응에 의한 폭발력으로 실린더(522)가 밀려난다. 즉, 폭발력으로 실린더(522)가 상하 직선왕복운동을 하게 되고, 실린더(522)의 직선왕복운동에 의해 크랭크(526)가 회전하며, 크랭크(526)의 회전에 의해 크랭크(526)와 연결된 회전축이 회전하여 압축기를 작동시킨다.
점화플러그(523)의 방전으로 발생한 배기가스의 배출을 위해 방전 후 배출밸브(525)가 개방된다. 배기가스는 배출밸브(525)를 통해 배기관(530)으로 배출된다.
배기가스가 모두 배출되면, 배출밸브(525)는 다시 폐쇄되고 새로운 공기와 연료의 혼합기가 유입될 수 있도록 유입밸브(524)가 개방된다. 이와 같은 작동 사이클은 엔진연소실(520)이 작동되는 한 계속될 수 있다.
연소실은 다수개가 구비될 수 있으며, 적어도 일부분의 연소실에 구비된 점화플러그(523)의 방전은 다른 시간대에 이루어질 수 있다.
하우징(521) 내부에는 냉각수온도센서(521b)가 더 구비될 수 있다. 실린더하우징(528)의 외부에 공급되는 냉각수의 온도를 측정하기 위함이다. 실린더하우징(528)의 온도가 지나치게 높아지면 부품이 마모될 수 있기 때문에 냉각수의 온도가 기준 온도보다 높게 측정되면 위험 상태로 판단하여 엔진연소실(520)의 작동이 멈출 수 있도록 제어될 수 있다.
이와 같이 살펴본 바와 같이 실린더하우징(528)으로 유입되는 공기와 연료의 양이나 점화플러그(523)에서 방전되는 에너지의 크기에 비례하여 폭발력이 달라질 수 있다. 즉, 엔진연소실(520)과 연결된 압축기에서 요구하는 부하량에 따라 폭발력을 정밀하게 조절할수록 에너지의 소모를 최소화하고 최대의 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 점화플러그(523)에서 방전되는 에너지의 크기를 조절하여 공기와 연료의 혼합기의 폭발력을 조절할 수 있다. 압축기에서 요구되는 냉매 부하량을 판단한 후, 판단된 부하량에 따라 요구되는 출력 에너지를 산출한 뒤 점화플러그(523)에서 방전되는 에너지의 크기를 조절할 수 있다.
이러한 부하량에 따라 요구되는 출력 에너지는 목표 점화에너지량으로 정의할 수 있다. 이와 같은 목표 점화에너지량을 정하기 위해, 사용자가 지정한 설정값을 먼저 판단할 수 있다. 예를 들어, 냉난방 중 어떤 모드를 선택하였는지, 설정한 온도가 몇 도인지 및 풍량 세기가 어떻게 되는지를 파악할 수 있다. 이러한 설정값 판단은 가스 히트 펌프 내부에 구비된 제어부(600)에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 제어부(600)는 엔진의 구동을 제어하는 엔진 제어 유닛(Engine Control Unit; ECU; 610)과 동일한 구성 요소일 수 있고, 경우에 따라, 이러한 ECU(610)를 제어하고 가스 히트 펌프 전체를 구동하는 별개의 구성 요소일 수 있다. 이하, 제어부(600)는 ECU(610)와 동일한 구성 요소인 예를 들어 설명하나 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 따라서, 이하, 제어부(600)와 ECU(610)는 동일한 참조번호(610)를 이용하여 설명한다.
냉난방 모드, 설정한 온도 및 풍량 세기에 따라 요구되는 냉매 부하량이 달라질 수 있다. 이때 요구되는 냉매 부하량에 따라 요구되는 압축기의 회전 속도가 존재할 수 있다. 위에서 판단된 냉매 부하량에 따라 압축기를 회전시키는 가스엔진(500)의 출력량 또한 미리 정해질 수 있다. 냉매 부하량과 가스엔진(500)의 출력량과의 관계는 사전에 실험적으로 데이터를 얻을 수 있으며 table 형태로 제어부(610)에 사전에 저장될 수 있다.
가스엔진(500)의 출력량이 정해지면 이 출력량에 따라 점화플러그(523)에서 요구되는 출력에너지량이 정해질 수 있다. 즉, 사용자가 설정한 값(냉난방, 온도, 바람 세기 등)에 따라 요구되는 냉매 부하량이 결정되고, 이렇게 결정된 냉매 부하량에 따라 가스엔진(500)의 출력량이 정해지며 최종적으로 이 정해진 출력량에 따라 점화플러그(523)에서 요구되는 출력에너지량이 정해질 수 있다.
이러한 출력에너지량은 점화 충전 시간(dwell time)의 길이 변화를 통해 조절할 수 있다. 점화 충전 시간(dwell time)이 길어질수록 1차 코일(611, 도 4 참조)에 흐르는 전류의 양이 점점 커질 수 있다. 이는 코일이 인덕터(inductor)에 해당하기 때문이다. 인덕터(inductor)는 전압이 인가된 후 시간이 흐를수록 저항의 값이 점점 작아지는 소재이다. 즉, 시간이 흐를수록 저항의 값이 점점 작아지고 인가되는 전압은 일정하기 때문에 흐르는 전류의 양이 점점 커질 수 있다.
점화플러그(523)에서 점화(방전)가 일어날 때, 제1차 코일(611)에 인가되는 전류의 크기에 따라 점화(방전)가 유지되는 시간이 달라질 수 있다. 전류의 크기가 클수록 점화(방전)가 유지되는 시간이 길어지며 전류의 크기가 작을수록 점화(방전)가 유지되는 시간이 짧아질 수 있다.
출력에너지량의 크기는 점화(방전)가 일어나는 시간의 길이와도 관련이 있다. 출력에너지량은 인가되는 전압과 공급되는 전류의 곱을 시간 적분함으로써 산출되기 때문이다. 따라서 점화 충전 시간(dwell time)이 길어지는 경우, 1차 코일(611)에 흐르는 전류의 양이 점점 커지며, 점화(방전)가 유지되는 시간이 길어지기 때문에 출력에너지량이 더 커질 수 있다.
한편, 인가되는 전압의 크기를 가변하여 출력에너지량을 조절할 수 있다. 1차 코일(611)에 인가되는 전압의 크기가 클수록 2차 코일(612)에서 더 큰 고전압이 형성될 수 있다.
또한, 1차 코일(611)에 인가되는 전압의 크기가 클수록 점화 충전 시간(dwell time)이 짧아도 원하는 전류의 양에 도달할 수 있다. 즉, 같은 점화 충전 시간(dwell time)이 인가되어도 초기에 인가되는 전압의 크기에 따라서 도달되는 전류의 양에 차이가 발생할 수 있다. 동일한 목표의 전류의 양에 도달하기 위해서, 인가되는 전압의 크기가 클수록 점화 충전 시간(dwell time)을 짧게 설정할 수 있다.
정리하면, 출력에너지량의 크기는 점화 충전 시간(dwell time)의 길이와 1차 코일(611)에 인가되는 전압의 크기 변경을 통해 조절될 수 있다.
출력에너지의 크기를 이용하여 점화플러그(523)를 제어하는 경우, 압축기의 냉매 부하량에 따라 필요한 가스엔진(500)의 출력량을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
도 4 및 도 5는 전압 및 전류를 측정하는 회로를 단순하게 도시한 것이다.
도 4는 저전압을 고전압으로 상승시키는 회로를 나타내고 있다. 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 착화시키기 위해서는 전압을 2만 내지 3만 볼트(V)까지 높여서 스파크를 발생시킬 수 있지만, 회로에 장착된 배터리는 10 내지 30 볼트(V)의 저전압을 방출한다.
전압을 높이기 위해서는 코일로 구성된 변압부(610)의 전자기유도 방식이 사용된다. 변압부(610)를 구성하는 코일은, 예를 들어, 봉 형태의 철심 주변에 머리카락 정도의 가는 구리선을 약 2만~3만 회 감은 2차 코일(612)과 0.5~1mm 정도의 구리선을 동일한 방향으로 150~300회 겹쳐서 감은 1차 코일(611)로 이루어질 수 있다.
이때, 전압을 인가하여 1차 코일(611)에 전류를 흐르도록 하거나 전류의 흐름을 차단하면 철심이 전자석이 될 수 있으며, 전류를 차단하는 순간 전자기유도 현상에 의해 2차 코일(612)로 고전압의 전류가 흐를 수 있다.
회로 내에 구비된 스위칭소자(640)가 1차 코일(611)에 흐르는 전류의 흐름을 차단하는 역할을 할 수 있다. 제어부(ECU; 610)로부터 점화 신호를 받으면 1차 코일(611)에 흐르는 전류의 흐름을 차단하여 2차 코일(612)에 고전압을 발생시킬 수 있다. 여기서 스위칭 소자(640)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
1차 코일(611)이 구비되고 전류를 흐르게 하거나 차단하는 부분을 점화코일부(601)라고 부를 수 있으며, 2차 코일(612)이 구비되고 점화플러그(523)를 포함하는 부분을 점화플러그부(602)라고 정의할 수 있다.
점화플러그(523)의 작동 방식은 이에 한정되지 않는다. 위에서 기재된 방식은 풀 트랜지스터식 점화에 해당하며, 포인트식 점화 또는 디스트리뷰터리스 점화 방식이 사용될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류를 측정할 수 있는 회로 구조가 도시된 것이다.
전류 측정은 저항이 매우 작은 shunt 저항(631)에 흐르는 전류값을 측정하여 이루어진다. 이때, 전류측정부(630)에 의해 shunt 저항(631)에 흐르는 전류값을 측정한다. 전압은 전압측정부(620)를 통해 이루어진다. 이와 같이 전압과 전류를 사전에 측정할 수 있는 회로를 마련함으로써 점화플러그(523)에 인가되는 에너지량을 사전에 계산할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 엔진연소실(520) 내부에 4개의 연소실에 각각 인가되는 전압을 도식화한 것이다. 도 6을 참조하면, 각각의 연소실에서 1차 코일(611)에 인가되는 전압의 변화가 도시되고 있다. 각각의 연소실에 구비된 점화플러그(523)는 시간차를 두고 점화할 수 있다.
점화가 발생하기 전에는 배터리의 용량에 해당하는 전압이 일정하게 인가될 수 있다. 그 후 제어부(610)로부터 신호를 받은 스위칭소자(640)가 1차 코일(611)에 인가되는 전류를 차단하면 2차 코일(612)에 고전압이 발생할 수 있다.
1차 코일(611)에 인가되는 전류의 양을 조절하기 위해 점화 충전 시간(dwell time)을 가질 수 있다. 이러한 점화 충전 시간은 도 6에서 소폭 하락한 지점(양 방향 화살표가 표시된 지점)의 기간에 해당한다. 점화 충전 시간(dwell time)이 지나면 스위칭소자(640)에서 1차 코일(611)에 인가되는 전류를 차단하게 되고 2차 코일(612)에 고전압이 발생하면서 점화플러그(523)에서 점화(방전)가 일어날 수 있다.
도 7은 본 발명의 작동을 간략하게 도시한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 점화플러그(523)에서 점화(방전)가 일어날 때 발생하는 에너지량을 기준으로 점화의 정도를 조절하기 때문에 전압 및 전류의 측정이 필요할 수 있다.
따라서 실린더(522) 기통 별 1차 코일(611)에 인가되는 전압과 흐르는 전류를 측정하는 회로를 구성하는 단계(S100)가 선행될 수 있다.
전압 및 전류를 측정할 수 있는 회로를 이용하여 가스엔진(500)을 운전시킬 수 있다(200).
가스엔진(500)이 작동되면 1차 코일(611)에 인가되는 점화코일 전압 및 전류량을 제어부(610)에서 실시간으로 측정할 수 있다(S300). 이는 어느 하나의 점화플러그(523)에 있어서 한 번의 점화(방전)가 일어날 때마다 목표하는 점화에너지량에 도달하는지를 실시간으로 파악하기 위함일 수 있다. 이렇게 측정된 정보를 기반으로 실제 출력에너지량을 계산하고 다음 점화시 반영할 수 있게 된다.
이후, 측정된 정보를 기반으로 가스엔진(500)의 최적 제어를 수행하는 과정(S400)이 수행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 측정된 정보를 기반으로 가스엔진(500)의 제어를 수행하는 단계(S400)는 도 8에 상세하게 순서도를 이용하여 도시되고 있다.
사용자의 선택에 의해 또는 자동 시스템에 의해, 예를 들어, 냉방 및 난방 중 어떤 모드를 진행할 것인지, 온도 설정을 어떻게 할 것인지, 풍량의 세기는 어떻게 할 것인지와 같은 설정 중 적어도 하나 이상이 정해질 수 있다. 즉, 냉난방 운전 조건(냉난방 사이클)이 설정될 수 있다(S410).
제어부(610)의 입장에서는 이와 같이 설정 조건을 외부로부터 입력받을 수도 있다. 이와 같이, 운전 조건은 냉방 및 난방 모드 설정, 온도 설정, 및 풍량의 세기 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
구체적으로, 먼저, 제어부(610)는 냉난방 사이클 조건을 설정할 수 있다(S411).
이러한 냉난방 운전 조건이 설정되면, 제어부(610)는 이 설정된 조건에 따라 요구되는 냉매부하량을 판단한다. 즉, 냉난방 및 사이클 조건에 따른 부하량을 판단한다(S412). 이러한 판단은 제어부(610)에서 실시간으로 이루어질 수 있으며, 한편 제어부(610)에 저장된 table에 의해 결정될 수도 있다.
이후, 제어부(610)는 요구되는 냉매부하량에 따라 요구되는 목표 점화에너지량을 설정한다(S413). 이러한 목표 점화에너지량은 제어부(610)에 의해 설정될 수 있으며, 사전에 저장된 table을 이용하여 냉매부하량에 따라 필요한 목표 점화에너지량이 설정될 수도 있다.
이와 같이 목표 점화에너지량이 설정되면 연소실 내부에 점화플러그(523)에서 1회 점화(방전)가 일어나도록 제어할 수 있다(S420).
이때, 1회 점화(방전) 시 1차 코일(611)에 인가된 전압과 점화 충전 시간(dwell time)에 따라 가변하는 공급되는 전류의 크기 측정을 통해 실제 출력에너지량을 계산할 수 있다. 이러한 계산은 제어부(610)에서 이루어질 수 있다.
실제 출력에너지량이 계산되면, 제어부(610)는 목표 점화에너지량과 출력에너지량이 같은지 판단하여 점화 조건을 가변할 수 있다(S430).
구체적으로, 실제 출력에너지량이 계산되면, 제어부(610)는 목표 점화에너지량과 출력에너지량이 같은지 비교할 수 있다(S431).
이때, 목표 점화에너지량과 출력에너지량이 상이한 경우, 제어부(610)는 점화에 요구되는 에너지량을 보정할 수 있다. 일례로서, 제어부(610)는 점화 충전 시간(dwell time)을 보정할 수 있다(S432).
예를 들어, 출력에너지량이 목표 점화에너지량에 미치지 못하는 경우, 다음 점화 시 점화 전에 점화 충전 시간(dwell time)을 증가시킬 수 있다. 점화 충전 시간(dwell time)이 늘어나면, 점화(방전) 발생 전 1차 코일(611)에 인가되는 전류의 크기가 커지며, 점화(방전)가 지속되는 시간 또한 증가할 수 있다. 따라서, 다음 점화(방전) 시 출력에너지량이 커지게 된다.
반면, 출력에너지량이 목표 점화에너지량보다 큰 경우, 다음 점화 시 점화 충전 시간(dwell time)을 감소시킬 수 있다. 점화 충전 시간(dwell time)이 감소하면, 점화(방전) 발생 전 1차 코일(611)에 인가되는 전류의 크기가 작아지며, 점화(방전)가 지속되는 시간 또한 감소할 수 있다. 따라서 다음 점화(방전) 시 출력에너지량이 작아질 수 있다.
한편, 도 8에는 도시되지 않았지만 점화에 요구되는 에너지량을 보정하는 과정은 1차 코일(611)에 인가되는 전압의 크기를 가변하여 조절할 수도 있다.
점화 충전 시간(dwell time)이 고정된 상태에서 전압 크기만 줄이면 점화(방전)가 일어나기 전 1차 코일(611)에 인가되는 전류의 크기가 작아질 수 있다. 이에 따라 점화(방전)가 유지되는 시간 또한 감소할 수 있다.
따라서 출력에너지량이 목표 점화에너지량보다 큰 경우, 다음 점화 시 1차 코일(611)에 인가되는 전압의 크기를 줄일 수 있다. 만약 출력에너지량이 목표 점화에너지량보다 작은 경우, 다음 점화 시 1차 코일(611)에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬 수 있다.
최종 기준은 출력에너지량이기 때문에 점화 충전 시간(dwell time)과 전압의 크기를 상황에 따라 어느 하나만 변경시키거나 두 조건 모두를 변화시켜 출력에너지량의 크기를 조절할 수 있다.
한편, 출력에너지량과 목표 점화에너지량이 같은 경우, 사용자 또는 시스템에 의해 새로운 냉난방 조건, 온도 설정 및 풍량 설정이 변경되었는지 파악하는 단계를 거칠 수 있다. 즉, 새로운 운전조건이 설정되었는지 판단할 수 있다(S440).
이때, 설정이 변경된 경우(새로운 운전조건이 설정된 경우), 요구되는 냉매 부하량이 달라지며 냉매 부하량이 변경되면 목표 점화에너지량도 변경될 수 있기 때문에 설정이 조금이라도 변경되면 상기 단계의 수행이 필요할 수 있다.
이때, 설정이 변경된 경우(새로운 운전조건이 설정된 경우), 변경된 설정 조건에 따른 냉매 부하량 판단 단계(S412)를 다시 수행할 수 있다. 그 후 변경된 요구되는 냉매 부하량에 따라 필요한 목표 점화에너지량이 다시 설정되면 점화플러그(523)에서 새로운 점화(방전)가 일어날 수 있다.
한편, 새로운 설정 변경이 없다면 엔진이 계속해서 작동하는지 여부를 판단할 수 있다(S450).
이때, 엔진이 계속해서 작동하지 않는 경우, 점화(방전)할 필요가 없기 때문에 더 이상 점화가 일어나지 않을 수 있다(S460).
반면, 엔진이 계속해서 작동하는 경우, S420 단계로 복귀하여 점화플러그(523)에서 새로운 점화(방전)가 발생할 수 있다. 새로운 설정 변경이 일어나지 않는 한, 또한 엔진이 계속해서 작동하지 않는 한, 점화(방전)가 일어날 때마다 출력에너지량과 목표점화에너지량이 일치하는지를 계속해서 판단할 수 있다. 판단 결과, 출력에너지량과 목표점화에너지량이 일치하지 않는 경우, 그때마다 점화 충전 시간(dwell time)을 보정하거나 인가되는 전압의 크기를 보정할 수 있다.
이와 같이, 점화플러그(523)에서 점화가 1회 일어날 때마다 제어부(610)에서 출력에너지량을 판단하고 보정할 수 있기 때문에 기존에 비해 에너지 효율이 매우 향상될 수 있다. 또한, 에너지량을 기준으로 피드백 제공이 가능하기 때문에 기존에 비해 보다 정밀하게 점화(방전) 조절이 가능할 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.
본 발명을 통해 엔진을 제어하면 점화플러그에서 방출되는 점화에너지의 양에 따라 점화충전시간(dwell time)을 가변할 수 있으며 정밀 제어가 가능한 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 점화플러그가 구비된 다수개의 연소공간을 포함하는 엔진연소부를 가지는 가스엔진을 포함하는 가스히트펌프에 있어서,
    상기 가스히트펌프의 운전 조건에 따라 판단된 냉매 부하량에 기초하여 목표 점화에너지량을 설정하는 목표설정단계;
    상기 연소공간에 주입된 연료를 점화시키는 점화단계;
    상기 점화단계에서 방출되는 출력에너지량과 상기 목표설정단계에서 설정된 목표 점화에너지량을 비교하는 비교단계; 및
    상기 비교단계에서 상기 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량이 일치하지 않을 때, 상기 연료를 점화시키는 요구되는 에너지량을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료를 점화시키는 요구되는 에너지량을 변경하는 단계는,
    점화 충전 시간(dwell time)을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출력에너지량이 상기 목표 점화에너지량보다 클 때, 상기 점화 충전 시간(dwell time)을 감소시키는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 출력에너지량이 상기 목표 점화에너지량보다 작을 때, 상기 점화 충전 시간(dwell time)을 증가시키는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연료를 점화시키는 요구되는 에너지량을 변경하는 단계는,
    상기 점화플러그에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력에너지량이 상기 목표 점화에너지량보다 클 때, 상기 전압의 크기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 출력에너지량이 상기 목표 점화에너지량보다 작을 때, 상기 전압의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비교단계에서 상기 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량이 일치할 때, 상기 운전조건이 변경되었는지 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 운전조건이 변경된 경우, 상기 목표설정단계에서 냉매 부하량 및 목표 점화에너지량을 다시 설정하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 운전조건이 변경되지 않은 경우, 상기 가스엔진이 계속 작동하는지 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스엔진이 작동하지 않는 경우, 점화가 종료되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 출력에너지량 및 상기 목표 점화에너지량은 상기 점화플러그에 인가되는 전압과 전류의 곱에 방전되는 시간적분으로 산출되는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프 제어방법.
  13. 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축기를 구동시키고 다수개의 연소공간이 구비된 엔진연소부를 포함하는 가스엔진;
    상기 엔진연소실에 구비되고 임펄스 전압을 인가하는 점화플러그; 및,
    상기 점화플러그에 인가되는 전압, 전류 및 방전시간을 조절하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    운전조건에 따라 냉매 부하량을 판단하고 상기 부하량에 따라 목표 점화에너지량을 설정하며, 상기 점화플러그의 방전시 방출된 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량과 서로 비교하여 상기 점화플러그에서 요구되는 에너지량을 변경하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량이 일치하지 않는 경우, 상기 제어부는 점화 충전 시간(dwell time)을 변경하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 출력에너지량과 상기 목표 점화에너지량이 일치하지 않는 경우, 상기 제어부는 상기 점화플러그에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스히트펌프.
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