KR101914981B1 - 저공해 산업용 엔진 시스템 및 이를 포함하는 시설 원예 시스템과 엔진 제어 방법 - Google Patents

저공해 산업용 엔진 시스템 및 이를 포함하는 시설 원예 시스템과 엔진 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진의 연소실에서 연료가 연소된 후 배출되는 배기가스가 촉매를 통과하면서 배기가스 중의 유해가스가 저감되도록 엔진을 제어하되, 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되는 경우, 미리 설정된 시간 동안 엔진의 현재 운전영역보다 낮은 부하 및 낮은 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하여 엔진을 운전한 후 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 엔진을 운전하도록 제어하여, 촉매의 산소저장능력을 회복시켜 배출가스의 정상화를 이룰 수 있는 저공해 산업용 엔진 시스템 및 이를 포함하는 시설 원예 시스템과 엔진 제어 방법에 관한 것이다.

Description

저공해 산업용 엔진 시스템 및 이를 포함하는 시설 원예 시스템과 엔진 제어 방법 {Industrial low-emission engine and facilities gardening system having the same and Engine control method}
본 발명은 시설원예용을 포함하는 저공해 산업용 엔진 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 촉매의 산소저장능력의 회복 및 배출가스의 정상화를 이룰 수 있도록 하는 저공해 산업용 엔진 시스템 및 이를 포함하는 시설 원예 시스템과 엔진 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스엔진을 사용한 발전기나 지에치피(GHP; Gas engine Heat Pump)를 이용한 트라이젠 시스템은 값싼 가스연료(천연가스, 도시가스 등)를 사용해 난방(급탕), 냉방 및 농작물에 이산화탄소 시비를 할 수 있도록 구성되며, 가스엔진에 의해 구동되는 발전기를 이용해 발전을 하여 전기를 공급할 수 있도록 구성된다.
이때, 종래의 발전기나 지에치피 등에 이용되는 산업용 엔진 또는 시설원예용 엔진은 엔진의 부하나 회전수가 특정한 부하 및 특정한 회전수의 한 지점의 운전영역에서 오랜 시간 동안 작동되는 특징이 있다.
그런데 엔진이 특정 부하 이상의 운전영역에서 특정 시간 이상 운전하게 되면, 배기가스 중의 유해가스를 저감시키는 역할을 하는 촉매의 산소저장능력이 저하되어 결과적으로 촉매에서의 배출가스 제어가 불가능하게 되는 현상이 발생한다.
이에 따라 배기가스가 촉매를 거쳐 배출되더라도 배기가스 중의 유해가스인 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOX) 등의 농도가 높아져 대기 오염이 증가되며, 엔진에서 배출되는 배기가스를 시설원예 하우스의 농작물 재배에 필요한 이산화탄소 시비에 직접 활용하기 어려운 문제점이 있다.
KR 10-0936983 B1 (2010.01.07)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 시설원예용을 포함하는 저공해 산업용 엔진 시스템에서 정화용 촉매의 산소저장능력의 저하로 인한 배출가스 제어가 불가능하게 되는 운전영역에서의 운전 상황이 발생하였을 때, 이를 적절한 운전영역 변경 알고리즘에 의해 엔진의 운전영역을 제어함으로써, 촉매의 산소저장능력의 회복 및 배출가스의 정상화를 이룰 수 있도록 하는 저공해 산업용 엔진 시스템 및 이를 포함하는 시설 원예 시스템과 엔진 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 엔진 제어 방법은, 엔진의 연소실에서 연료가 연소된 후 배출되는 배기가스가 촉매를 통과하면서 배기가스 중의 유해가스가 저감되도록 하는 엔진 시스템의 엔진 제어 방법에 있어서, 상기 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되고 있는지를 판단하는 운전영역 판단 단계; 상기 엔진이 상기 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전된 경우, 미리 설정된 시간 동안 엔진의 현재 운전영역보다 낮은 부하 및 낮은 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하여 엔진을 운전하는 운전영역 변경 단계; 및 상기 운전영역 변경 단계 이후 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 엔진을 운전하는 운전영역 복귀 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 운전영역 복귀 단계 이후 다시 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되면, 상기 운전영역 변경 단계 및 운전영역 복귀 단계를 반복하여 수행할 수 있다.
또한, 상기 위험운전영역은 엔진 부하 60kPa 이상의 운전영역일 수 있다.
또한, 상기 운전영역 판단 단계에서 특정한 시간은 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역의 한 지점에서 운전되기 시작한 시점으로부터 촉매를 통과하여 배출되는 배기가스 중의 유해가스 농도가 발산하면서 증가하기 시작하는 현상이 나타나는 시점까지의 시간일 수 있다.
또한, 상기 특정한 시간은 배기가스 중의 특정한 한 가지의 유해가스 농도가 미리 설정된 기준치를 초과하기 전까지의 시간일 수 있다.
또한, 상기 촉매는 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매를 포함하며, 상기 배기가스의 유동방향으로 상기 제1삼원촉매의 전방 측 배기관에 설치된 전방 산소센서 및 후방 측 배기관에 설치된 후방 산소센서를 통해 엔진의 공연비가 제어될 수 있다.
또한, 상기 엔진은 산업용 또는 시설원예용 엔진일 수 있다.
그리고 본 발명의 저공해 산업용 엔진 시스템은, 엔진; 상기 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매; 상기 배기가스의 유동방향으로 상기 제1삼원촉매의 전방에 설치된 전방 산소센서와 제1삼원촉매의 후방에 설치된 후방 산소센서; 및 상기 엔진, 전방 산소센서 및 후방 산소센서에 연결되어, 상기 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되는 경우, 미리 설정된 시간 동안 엔진의 현재 운전영역보다 낮은 부하 및 낮은 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하여 엔진을 운전한 후 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 엔진을 운전하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기가스의 유동 방향으로 후방 산소센서의 후방 측 배기관에 설치된 제2삼원촉매를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 시설 원예 시스템은, 상기 저공해 산업용 엔진 시스템; 및 상기 배기가스의 유동방향으로 배기관의 말단에 연결된 시설원예용 하우스를 포함하여 이루어져, 상기 엔진에서 연소 후 배출된 배기가스에서 유해가스가 제거된 배기가스를 이용해 상기 시설원예용 하우스의 이산화탄소의 시비에 활용할 수 있다.
또한, 상기 엔진에 연결되어 엔진을 냉각시키는 라디에이터를 더 포함하며, 상기 라디에이터 및 배기관 중 어느 하나 이상의 폐열을 이용해 상기 시설원예용 하우스의 난방에 활용할 수 있다.
또한, 상기 엔진에 의해 구동되어 냉매를 압축시키는 콤프레셔를 더 포함하며, 상기 콤프레셔에 의해 압축된 냉매를 이용해 상기 시설원예용 하우스의 냉방 및 난방 중 어느 하나 이상에 활용할 수 있다.
또한, 상기 엔진에 의해 구동되어 전기를 발생시키는 발전기를 더 포함하며, 상기 발전기에 의해 생산된 전기를 상기 시설원예용 하우스에 활용할 수 있다.
본 발명은 촉매의 산소저장능력이 저하되기 시작하거나 저하가 예상될 때 엔진의 운전영역을 현재의 운전영역보다 낮은 엔진 부하 및 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하였다가 다시 원래의 운전영역으로 복귀시키는 엔진의 제어 방법을 통해, 촉매의 산소저장능력을 회복시켜 배출가스의 정상화를 이룰 수 있으며, 이에 따라 유해가스들이 제거된 후 배기관의 말단을 통해 배출되는 배기가스를 직접 시설원예용 하우스에 공급하여 안정적으로 이산화탄소 시비에 활용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저공해 산업용 엔진 시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 방법에서 운전영역 매핑 영역 상황을 나타낸 개념도.
도 5 및 도 6은 종래의 엔진 제어 방법에 따라 위험운전영역의 한 지점에서 연속적으로 엔진을 운전하였을 때 촉매의 산소저장능력 저하에 따른 배출가스의 발산 현상을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료량 보정을 위한 제어 방법을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 후방 산소센서에서 측정되는 전압값에 대한 스레숄드 값을 약간 리치하게 설정하여 제어하는 상태를 나타낸 그래프.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 방법을 적용하였을 때 촉매의 산소저장능력이 회복되어 정상으로 배출가스가 제어되는 상태를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템을 나타낸 구성도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 저공해 산업용 엔진 시스템 및 이를 포함하는 시설 원예 시스템과 엔진 제어 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저공해 산업용 엔진 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 저공해 산업용 엔진 시스템은 엔진(100), 제1삼원촉매(410), 제2삼원촉매(420), 전방 산소센서(430), 후방 산소센서(440) 및 제어부(500)를 포함한다.
엔진(100)은 일례로 가스엔진이 될 수 있으며, 가스엔진은 비교적 값이 싼 액화석유가스(LPG), 천연가스, 도시가스, 바이오가스 및 신재생연료 등의 가스연료를 사용해 구동될 수 있다. 그리고 엔진(100)에는 배기관(110)이 연결되어 있으며, 엔진(100)의 연소실에서 연료가 연소된 후 배출되는 배기기스가 배기관(110)을 통해 배출된다.
제1삼원촉매(410)는 엔진(100)의 배기관(110)에 설치되며, 엔진(100)의 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하여 배기가스 중의 유해가스 농도를 저감시킨다.
실시예에 따라 배기가스의 유동방향으로 후방 산소센서(440)의 후방측 배기관(110)에 제2삼원촉매(420)가 추가로 설치될 수 있다. 여기에서 제1삼원촉매(410)는 MCC(Manifold Catalyst Converter)라고 하며, 주로 냉간 시동 시 일산화탄소와 탄화수소의 저감용으로 사용되며, 일부 질소산화물도 저감시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 제2삼원촉매(420)는 UCC(Underbody Catalyst Converter)라고 하며, 주 촉매로써 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물을 동시에 저감시키는 역할을 할 수 있다. 그리하여 후방 산소센서(440)의 후방에 더 설치된 제2삼원촉매(420)를 이용해 한 번 더 배기가스 중의 유해가스들을 제거하면 질소산화물의 농도가 거의 0(zero)에 가깝게 유지될 수 있다.
전방 산소센서(430) 및 후방 산소센서(440)는 각각 설치된 지점에서 배기관(110)을 통과하는 배기가스에 포함된 산소의 농도를 측정하는 것으로, 배기가스의 유동방향으로 제1삼원촉매(410)의 전방측 배기관(110)에 전방 산소센서(430)가 설치되며, 제1삼원촉매(410)의 후방측 배기관(110)에 후방 산소센서(440)가 설치된다.
제어부(500)는 엔진(100), 전방 산소센서(430) 및 후방 산소센서(440)에 연결되며, 엔진(100)의 회전수 및 부하를 주기적으로 측정하여 엔진(100)의 회전수 및 부하 중 어느 하나 이상을 변경하도록 제어한다. 또한 제어부(500)는 전방 산소센서(430) 및 후방 산소센서(440)에서 측정된 산소 농도에 대한 신호를 받아서 엔진(100)의 공연비 등을 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(500)는 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되는 경우, 현재의 운전영역보다 낮은 엔진 부하 및 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하였다가 다시 원래의 운전영역으로 복귀시킴으로써 촉매의 산소저장능력을 회복시킨다. 제어부(500)의 구체적인 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템은 상술한 저공해 산업용 엔진 시스템의 배기관(110)의 말단에 연결된 시설원예용 하우스(700)를 포함하며, 엔진(100)에서 연소 후 배출된 배기가스에서 유해가스들이 제거된 배기가스를 이용해 상기 시설원예용 하우스(700)의 이산화탄소의 시비에 활용한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템은, 엔진(100)에 연결되어 엔진(100)을 냉각시키는 라디에이터(200), 엔진(100)에 의해 구동되어 냉매를 압축시키는 콤프레셔(300), 엔진(100)에 의해 구동되어 전기를 발생시키는 발전기(600) 등을 더 포함할 수 있다. 그리하여 라디에이터(200)의 냉각수를 시설원예용 하우스(700)의 난방 및 온수로 활용할 수 있고, 콤프레셔(300)에 의해 압축된 냉매를 이용해 시설원예용 하우스(700)의 냉방 및 난방중 어느 하나 이상에 활용할 수 있으며, 발전기(600)를 이용해 생산된 전기를 시설원예용 하우스(700)의 조명 등의 전기 장치에 활용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 엔진 제어 방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 운전영역 매핑 영역 상황을 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 방법은, 운전영역 판단 단계(S100), 운전영역 변경 단계(S200) 및 운전영역 복귀 단계(S300)를 포함한다.
운전영역 판단 단계(S100)는 현재 엔진이 운전되고 있는 운전영역이 특정한 부하 이상의 위험운전영역(도 4 참조)에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 계속 운전되고 있는지를 판단하는 단계이다.
여기에서 위험운전영역이란 촉매의 산소저장능력(OSC) 저하가 발생되어 촉매에서의 배출가스 중의 유해가스 농도 제어가 불가능하게 될 수 있는 특정한 엔진 부하 이상의 운전영역이 될 수 있다. 즉, 운전영역 판단 단계(S100)는 엔진 부하, 엔진 회전수 및 운전 시간을 측정하여 ECU의 운전영역 맵의 운전영역 중 위험운전영역의 한 지점(일정한 엔진 부하 및 회전수)에서 특정한 시간 이상 현재 엔진이 운전되고 있는지를 판단하여, 촉매의 산소저장능력(OSC) 저하가 발생될 것을 미리 예측하는 단계이다. 이러한 산소저장능력(OSC; Oxygen Storage Capacity)은 마이크로 공간에서 정밀하게 산소농도를 제어하는 촉매의 능력이다. 그리고 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스 중의 산소 농도가 너무 높거나 낮으면 촉매에서의 유해가스의 제거율이 크게 낮아지게 되는데, 산소 농도의 변화 폭을 줄이기 위해 촉매의 기본 물질인 세리아(CeO2)는 산소를 저장할 수 있는 기능인 산소저장능력(OSC)를 갖고 있다. 또한, 엔진이 작동되는 중에는 엔진 출력의 다양한 조건에 따라 이론공연비에서 어긋나기 때문에 그 조정을 산소센서를 이용해서 전자제어한다. 그러나 이 제어는 완벽하게 할 수 없기 때문에 정화 효율에 한계가 있다. 그리하여 촉매 자체에 의해 마이크로 공간에서 정밀하게 제어하는 것이 산소저장능력(OSC)이며, 엔진 배기처리의 기본 기술이 되고 있다.
운전영역 변경 단계(S200)는 엔진이 위험운전영역의 한 지점에서 특정한 시간 이상 연속적으로 운전되어 촉매의 산소저장능력(OSC) 저하가 발생될 것으로 예측되었을 때, 미리 설정된 시간 동안 엔진의 현재 운전영역보다 낮은 부하 및 낮은 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하여 엔진을 운전함으로써 촉매의 산소저장능력을 회복시켜 배출가스의 정상화를 이룰 수 있도록 하는 단계이다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 현재 운전영역에서 회전수를 고정하고 부하를 낮추거나(1. rpm 고정, 부하 변동영역으로의 이동), 부하를 고정하고 회전수를 낮출 수 있다(2. 부하 고정, rpm 변동영역으로의 이동). 또한 엔진의 부하와 회전수를 동시에 낮추어(3. 부하 및 rpm 변동영역으로의 이동) 촉매의 산소저장능력을 회복시킬 수 있다.
운전영역 복귀 단계(S300)는 운전영역을 변경하여 미리 설정된 시간 동안 엔진을 운전한 이후 위험운전영역 내의 원래의 운전영역으로 복귀하여 다시 엔진을 운전하는 단계이다. 즉, 운전영역 변경 단계(S200)를 통해 촉매의 산소저장능력이 회복되도록 한 후 원래의 운전영역으로 복귀하여 운전함으로써, 원래 운전되던 엔진의 부하 및 회전수로 계속하여 운전할 수 있으며 동시에 배출가스의 정상화를 이룰 수 있다.
그리하여 본 발명의 엔진 제어 방법은, 촉매의 산소저장능력(OSC) 저하가 발생되어 촉매에서의 배출가스 중의 유해가스 농도 제어가 불가능하게 될 수 있는 엔진의 특정 부하 이상의 위험운전영역의 한 지점에서 연속으로 특정한 시간 이상 운전되고 있을 때, 현재의 운전영역보다 낮은 엔진 부하 및 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 잠시 변경하여 운전하였다가 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 운전하도록 제어함으로써 촉매의 산소저장능력을 회복시켜 배기가스 중의 유해가스 농도를 미리 설정된 기준치 이하로 정상화되도록 하는 것이다. 또는 촉매의 산소저장능력이 저하되기 시작하거나 저하가 예상될 때 엔진의 운전영역을 현재의 운전영역보다 낮은 엔진 부하 및 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하였다가 다시 원래의 운전영역으로 복귀시키는 엔진의 제어 방법을 통해 촉매의 산소저장능력을 회복시켜 배출가스의 정상화를 이룰 수 있으며, 이에 따라 위험운전영역 내의 원래의 운전영역의 한 지점에서 운전을 계속할 수 있다.
또한, 상기 운전영역 복귀 단계(S300) 이후 다시 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되면, 상기 운전영역 변경 단계(S200) 및 운전영역 복귀 단계(S300)를 반복하여 수행할 수 있다.
즉, 엔진의 현재 운전영역에서 보다 낮은 부하 또는 회전수의 운전영역으로 잠시 변경하여 운전한 후 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 운전하게 되면, 다시 위험운전영역의 특정한 한 지점에서 연속으로 운전될 수 있으므로 상기와 같은 단계들을 반복하여 수행함으로써 계속적으로 촉매의 산소저장능력을 회복시킬 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 상기 위험운전영역은 엔진 부하 60kPa 이상의 운전영역일 수 있다.
즉, 엔진의 회전수에 관계없이 엔진 부하 60kPa 이상의 상대적으로 고 부하 운전영역에서는 촉매의 산소저장능력 저하가 발생하여 촉매에서의 배출가스 제어 불가능 현상이 나타날 수 있으며, 이 때의 엔진 부하가 60kPa 이상일 수 있다. 여기에서 엔진 부하가 60kPa 이상일 때 회전수가 높아질수록 촉매의 산소저장능력 저하가 더 잘 발생한다. 그리고 엔진부하 60kPa이라는 말의 의미는 엔진의 흡기부의 압력을 측정한 값이 60kPa 이라는 것이고, 이를 보통 엔진의 부하조건으로 표기한다. 즉, 엔진은 운전자나 또는 이미 입력된 값으로 엑셀레이터를 밟으면 스로틀밸브가 열리고 공기를 흡입하게 된다. 이때 대기에서 공기를 흡입하는 방식이기 때문에 흡기압력은 대기압보다 작은 값을 보이는데, 대기압이 100kPa이므로 60kPa 정도이면 스로틀 밸브를 많이 연 상태가 되어 고부하 상태이다.
도 5 및 도 6은 종래의 엔진 제어 방법에 따라 위험운전영역의 한 지점에서 연속적으로 엔진을 운전하였을 때 촉매의 산소저장능력 저하에 따른 배출가스의 발산 현상을 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 운전영역 판단 단계(S100)에서 특정한 시간은 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역의 한 지점에서 운전되기 시작한 시점으로부터 촉매를 통과하여 배출되는 배기가스 중의 유해가스 농도가 발산하면서 증가하기 시작하는 현상이 나타나는 시점까지의 시간일 수 있다.
즉, 일례로 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역의 한 지점에서 운전되기 시작한 시점으로부터 약 30분 전후에서 질소산화물(NOx)의 농도 또는 일산화탄소(CO)의 농도가 발산하면서 증가되는 것을 알 수 있으며, 이후 미리 설정된 유해가스 농도의 기준치를 초과하여 촉매에서의 배기가스 제어가 불가능해지는 것을 알 수 있다.
이에 따라 위험운전영역의 한 지점에서 연속으로 엔진이 운전될 수 있는 시간인 상기 특정한 시간은, 특정한 부하 이상의 위험운전영역의 한 지점에서 운전되기 시작한 시점으로부터 촉매를 통과하여 배출되는 배기가스 중의 유해가스 농도가 발산하면서 증가하기 시작하는 현상이 나타나는 지점까지의 시간으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 특정한 시간은 배기가스 중의 특정한 한 가지의 유해가스 농도가 미리 설정된 기준치를 초과하기 전까지의 시간일 수 있다.
즉, 배기가스 중의 유해가스 농도가 미리 설정된 기준치를 초과하기 전에 미리 촉매의 산소저장능력을 회복시켜 촉매에서의 배기가스 제어가 정상화되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 엔진(100)에 연결된 배기관(110)에 배기가스의 유동방향으로 전방 산소센서(430), 제1삼원촉매(410) 및 후방 산소센서(440)가 순서대로 배치되어 설치될 수 있으며, 전방 산소센서(430) 및 후방 산소센서(440)에서 측정된 배기가스 중의 산소 농도를 이용해 엔진의 공연비가 제어될 수 있다. 이때, 제어부(500)에 미리 설정되어 입력되어 있는 기초 연료량에 전방 산소센서(430)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량 및 후방 산소센서(440)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해, 상기 엔진(100)으로 공급되는 연료량이 보정되도록 제어될 수 있다. 그리고 제어부(500)에는 엔진(100)의 람다를 이론공연비가 되도록 제어할 수 있는 기초 연료량에 대한 맵 데이터(map data)가 미리 설정되어 입력되어 있을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료량 보정을 위한 제어 방법을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 제어부(500)에서는 전방 산소센서(430)에서 측정된 값에 의해 보정되는 연료량과 후방 산소센서(440)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해 엔진(100)의 믹서(180)로 공급되는 가스연료의 연료량이 보정되도록 제어할 수 있다. 이때, 전방 산소센서(430)에서 측정된 값을 통해 I 게인(gain) 적분제어를 하고, 리치(rich) 상태 및 린(lean) 상태에서 딜레이(delay) 제어를 하며, P 게인(gain) 비례제어를 하여 연료량의 보정이 이루어질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 후방 산소센서에서 측정되는 전압값에 대한 스레숄드 값을 약간 리치하게 설정하여 제어하는 상태를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 리치 딜레이 시간과 린 딜레이 시간을 조절하여 후방 산소센서(440)의 출력이 원하는 스레숄드(threshold) 값 근처에서 피드백(feedback) 되도록 제어할 수 있으며, 이때 기준점인 스레숄드 값을 조금 높게 설정하여 일산화탄소의 농도를 약간 증가시키고 질소산화물의 농도를 0(zero) 또는 0에 가까운 상태로 유지되도록 할 수 있다. 일례로 후방 산소센서(440)에서 측정되어 출력되는 전압값이 미리 설정된 이론공연비에 해당되는 기준값(0.45V)보다 약간 높게 설정된 값(0.48V)이 되도록 제어하여 일산화탄소의 발생량을 약간 증가시키고 질소산화물 발생을 제로화 시킬 수 있다.
또한, 상기 엔진은 산업용 또는 시설원예용 엔진일 수 있다.
즉, 발전기나 지에치피 등에 이용되는 산업용 엔진 또는 시설원예용 엔진은 엔진의 부하나 회전수가 수시로 바뀌지 않고 특정한 부하 및 특정한 회전수의 한 지점의 운전영역에서 오랜 시간 동안 작동되는 특징이 있으므로, 본 발명의 엔진의 운전영역을 변경하였다가 다시 원래의 운전영역으로 복귀시켜 운전하는 엔진의 제어 방법을 이용하면 촉매의 산소저장능력이 회복되어 촉매에서의 배기가스 제어 기능이 정상화될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 방법을 적용하였을 때 촉매의 산소저장능력이 회복되어 정상으로 배출가스가 제어되는 상태를 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 엔진이 위험운전영역 중 한 지점인 회전수 2,000rpm 및 부하 70kPa 의 현재 운전영역에서 30분 이상 운전 시, 촉매의 산소저장능력(OSC) 저하가 발생하여 배출가스 중의 유해가스(NOx 또는 CO)의 농도가 발산하면서 증가하는 현상이 나타났다. 그리고 상기한 바와 같이 회전수 2,000rpm 및 부하 70kPa에서 30분 이상 운전 시, 배기가스 중 일산화탄소(CO)의 농도는 기준치 이하에서 증가하지 않고 정상으로 유지되는데 질소산화물(NOx)의 농도가 증가하여 30분에서 1시간 정도 유지되다가 다시 기준치 이하의 정상 범위로 오게 된다. 또는, 상기한 바와 같이 회전수 2,000rpm 및 부하 70kPa에서 30분 이상 운전 시, 배기가스 중 질소산화물(NOx)의 농도는 기준치 이하에서 증가하지 않고 정상으로 유지되는데 일산화탄소(CO)의 농도가 증가할 수 있다.
이때, 현재 운전영역에서 엔진의 회전수를 고정한 상태에서 상대적으로 저부하(30~40kPa)로 부하를 변동하여 1~2분간 운전을 하거나, 현재 운전영역에서 엔진의 부하를 고정한 상태에서 상대적으로 저 회전수(1300~1500rpm)으로 회전수를 변동하여 1~2분간 운전을 하거나, 상기 두 가지를 동시에 변동하여 현재 운전영역에서 상대적으로 저부하(30~40kPa)로 부하를 변동 및 상대적으로 저 회전수(1300~1500rpm)으로 회전수를 변동하여 1~2분간 운전을 한 후, 다시 원래의 운전영역인 회전수 2,000rpm 및 부하 70kPa 의 운전영역으로 복귀하여 운전할 수 있다. 그리고 다시 위험 운전영역에서 30분 이상 운전이 반복되면, 상기와 같은 방법을 반복하여 적용할 수 있다. 이때, 엔진의 부하 및 회전수를 모두 변경하는 것이 촉매의 산소저장능력을 회복 효과가 가장 크고, 다음으로는 엔진의 회전수를 고정한 상태에서 부하를 변경하는 것이 효과가 크고, 마지막으로는 엔진의 부하를 고정한 상태에서 회전수를 변경하는 것이 효과가 클 수 있다. (효과 크기: 회전수 및 부하 변동 ＞ 부하만 변동 ＞ 회전수만 변동)
그리고 일반적으로 촉매의 산소저장능력(OSC)이 저하되지 않고 정상인 상황에서는 촉매작용을 위한 공연비 흔들림에도 배기가스는 정상적으로 반응하여 zero화 될 수 있다. 그러나 상대적으로 고 부하인 위험운전영역 내의 고정된 운전영역에서 30분 이상 운전 시, 촉매의 산소저장능력(OSC) 저하로 인해 촉매에서 일어나는 산화환원 반응에 대한 연료량 보정 제어(lean delay 제어 및 rich delay 제어) 폭이 매우 정밀하게(짧게)되고, 제1삼원촉매에서 인위적으로 발생하는 공연비의 흔들림에 배출가스가 발산하여 제어 목표값(유해가스 농도 기준치)을 상회하게 된다. 이때, 부하 또는 회전수를 변동시키거나 부하 및 회전수를 동시에 변동시키면 제어부(ECU)의 정밀 제어범위가 바뀌면서 그 제어폭(lean delay, rich delay)이 원상으로 다시 넓어지게 되어 촉매에서 배기가스의 제어가 다시 정상화될 수 있다.
그리하여 본 발명의 엔진 제어 방법을 이용해 엔진을 제어하되, 엔진의 부하 및 회전수를 모두 변경하는 방법을 이용해 운전한 결과, 배기가스 중의 유해가스인 질소산화물 및 일산화탄소의 농도가 더 이상 증가하지 않고 기준치 이하로 유지되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 촉매에서 배출가스 중의 유해가스 농도 제어가 불가능하게 될 수 있는 엔진의 특정 부하 이상의 위험운전영역의 한 지점에서 연속으로 특정한 시간 이상 엔진이 운전되고 있을 때, 촉매의 산소저장능력(OSC) 저하가 발생되기 시작하거나 저하가 예상되는 시점에서 현재의 운전영역보다 낮은 엔진 부하 및 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 잠시 변경하여 운전하였다가 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 운전하도록 제어함으로써, 촉매의 산소저장능력을 회복시켜 배기가스 중의 유해가스 농도를 미리 설정된 기준치 이하로 정상화되도록 할 수 있으며, 이에 따라 위험운전영역 내의 원래의 운전영역의 한 지점에서 운전을 계속할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템은, 상기 저공해 산업용 엔진 시스템; 및 상기 배기가스의 유동방향으로 배기관(110)의 말단에 연결된 시설원예용 하우스(700)를 포함하며, 상기 엔진(100)에서 연소 후 배출된 배기가스에서 유해가스가 제거된 배기가스를 이용해 상기 시설원예용 하우스(700)의 이산화탄소의 시비에 활용할 수 있다.
즉, 상기한 바와 같은 저공해 산업용 엔진 시스템의 배기관(110) 말단이 시설원예용 하우스(700)에 연결되도록 함으로써, 유해가스들이 제거된 후 배기관(110)의 말단을 통해 배출되는 배기가스를 직접 시설원예용 하우스(700)에 공급하여 안정적으로 이산화탄소 시비에 활용할 수 있다. 이때, 배기가스에 포함된 이산화탄소 및 질소가 시설원예용 하우스(700)의 농작물에 활용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 시설 원예 시스템은, 상기 엔진(100)에 연결되어 엔진(100)을 냉각시키는 라디에이터(200)를 더 포함하며, 상기 라디에이터(200) 및 배기관(110) 중 어느 하나 이상의 폐열을 이용해 상기 시설원예용 하우스(700)의 난방에 활용할 수 있다.
즉, 엔진(100)의 구동에 따라 발생되는 열을 이용해 시설원예용 하우스(700)의 난방에 활용할 수 있으며, 엔진(100)의 냉각을 위한 냉각수가 순환되는 라디에이터(200)의 냉각수 또는 배기관(110)의 폐열을 이용해 난방 또는 온수로 활용할 수 있다.
또한, 상기 엔진(100)에 의해 구동되어 냉매를 압축시키는 콤프레셔(300)를 더 포함하며, 상기 콤프레셔(300)에 의해 압축된 냉매를 이용해 상기 시설원예용 하우스(700)의 냉방 및 난방 중 어느 하나 이상에 활용할 수 있다.
즉, 엔진(100)에 연결되어 구동되는 콤프레셔(300)를 이용해 냉매를 압축하여, 이 압축된 냉매를 이용해 시설원예용 하우스(700)의 냉방에 활용할 수 있다. 또는 압축된 냉매를 이용한 히트펌프를 사용해 난방과 냉방을 전환하여 활용될 수도 있다.
또한, 상기 엔진(100)에 의해 구동되어 전기를 발생시키는 발전기(600)를 더 포함하며, 상기 발전기(600)에 의해 생산된 전기를 상기 시설원예용 하우스(700)에 활용할 수 있다.
즉, 엔진(100)에 연결되어 구동되는 발전기(600)를 이용해 전기를 발생시켜, 생산된 전기를 시설원예용 하우스(700)의 조명 등의 전기 장치에 활용할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 엔진
110 : 배기관
200 : 라디에이터
300 : 콤프레셔
410 : 제1삼원촉매
420 : 제2삼원촉매
430 : 전방 산소센서
440 : 후방 산소센서
500 : 제어부
600 : 발전기
700 : 시설원예용 하우스

Claims (13)

  1. 엔진의 연소실에서 연료가 연소된 후 배출되는 배기가스가 촉매를 통과하면서 배기가스 중의 유해가스가 저감되도록 하는 엔진 시스템의 엔진 제어 방법에 있어서,
    상기 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되고 있는지를 판단하는 운전영역 판단 단계;
    상기 엔진이 상기 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전된 경우, 미리 설정된 시간 동안 엔진의 현재 운전영역보다 낮은 부하 및 낮은 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하여 엔진을 운전하는 운전영역 변경 단계; 및
    상기 운전영역 변경 단계 이후 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 엔진을 운전하는 운전영역 복귀 단계
    를 포함하여 이루어지는 엔진 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전영역 복귀 단계 이후 다시 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되면, 상기 운전영역 변경 단계 및 운전영역 복귀 단계를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위험운전영역은 엔진 부하 60kPa 이상의 운전영역인 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 운전영역 판단 단계에서 특정한 시간은 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역의 한 지점에서 운전되기 시작한 시점으로부터 촉매를 통과하여 배출되는 배기가스 중의 유해가스 농도가 발산하면서 증가하기 시작하는 현상이 나타나는 시점까지의 시간인 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 특정한 시간은 배기가스 중의 특정한 한 가지의 유해가스 농도가 미리 설정된 기준치를 초과하기 전까지의 시간인 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매를 포함하며,
    상기 배기가스의 유동방향으로 상기 제1삼원촉매의 전방 측 배기관에 설치된 전방 산소센서 및 후방 측 배기관에 설치된 후방 산소센서를 통해 엔진의 공연비가 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 산업용 또는 시설원예용 엔진인 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
  8. 엔진;
    상기 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매;
    상기 배기가스의 유동방향으로 상기 제1삼원촉매의 전방에 설치된 전방 산소센서와 제1삼원촉매의 후방에 설치된 후방 산소센서; 및
    상기 엔진, 전방 산소센서 및 후방 산소센서에 연결되어, 상기 엔진이 특정한 부하 이상의 위험운전영역에서 특정한 시간 이상 한 지점에서 연속으로 운전되는 경우, 미리 설정된 시간 동안 엔진의 현재 운전영역보다 낮은 부하 및 낮은 회전수 중 어느 하나 이상의 운전영역으로 변경하여 엔진을 운전한 후 다시 원래의 운전영역으로 복귀하여 엔진을 운전하도록 제어하는 제어부
    를 포함하는 저공해 산업용 엔진 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배기가스의 유동 방향으로 후방 산소센서의 후방 측 배기관에 설치된 제2삼원촉매를 더 포함하는 저공해 산업용 엔진 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항의 저공해 산업용 엔진 시스템; 및
    상기 배기가스의 유동방향으로 배기관의 말단에 연결된 시설원예용 하우스를 포함하며,
    상기 엔진에서 연소 후 배출된 배기가스에서 유해가스가 제거된 배기가스를 이용해 상기 시설원예용 하우스의 이산화탄소의 시비에 활용하는 것을 특징으로 하는 시설 원예 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엔진에 연결되어 엔진을 냉각시키는 라디에이터를 더 포함하며,
    상기 라디에이터 및 배기관 중 어느 하나 이상의 폐열을 이용해 상기 시설원예용 하우스의 난방에 활용하는 것을 특징으로 하는 시설 원예 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 엔진에 의해 구동되어 냉매를 압축시키는 콤프레셔를 더 포함하며,
    상기 콤프레셔에 의해 압축된 냉매를 이용해 상기 시설원예용 하우스의 냉방 및 난방 중 어느 하나 이상에 활용하는 것을 특징으로 하는 시설 원예 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 엔진에 의해 구동되어 전기를 발생시키는 발전기를 더 포함하며,
    상기 발전기에 의해 생산된 전기를 상기 시설원예용 하우스에 활용하는 것을 특징으로 하는 시설 원예 시스템.
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