[논문]CNG 대형엔진에서 이중 O2 센서를 활용한 피드백 제어를 통한 삼원촉매 정화효율 향상

윤성준; 이준순; 박현욱; 이용규; 김창업; 오승묵

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.4.163

CNG 대형엔진에서 이중 O2 센서를 활용한 피드백 제어를 통한 삼원촉매 정화효율 향상
Feedback Control using Dual O2 Sensors for Improving the Conversion Efficiency of a Three-way Catalyst in a Heavy-duty CNG Engine 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.4, 2019년, pp.163 - 170

윤성준 (한국기계연구원) , 이준순 (과학기술연합대학원대학교 환경에너지기계공학과) , 박현욱 (한국기계연구원) , 이용규 (한국기계연구원) , 김창업 (한국기계연구원) , 오승묵 (한국기계연구원 & 과학기술연합 대학원대학교 환경에너지기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, feedback logic using dual O2 sensor values were developed to increase the purification capability of a three-way catalyst (TWC) in a compressed natural gas (CNG) engine. A heavy-duty inline 6-cylinder engine was used and the CNG was supplied to the engine through a mixer. This study consists of two main parts, namely, the proportional integral (PI) control with a front O2 sensor and the feedback control with dual O2 sensors. In the PI control experiment, effects of various parameters, such as P gain, I gain, and lean delay, on the TWC capability were identified. Based on the results of the PI control experiment, the feedback logic using dual O2 sensor values were developed. In both cases, the nitrogen oxides (NOX) emissions were nearly zero. However, the carbon monoxide (CO) emissions were reduced significant in the feedback logic with dual O2 sensors than in the PI control with the front O2 sensor.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic of experimental setup
표 Table 1 Engine specifications
표 Table 2 Experimental conditions
그림 Fig. 2 P gain swing and the output of O₂ sensors
그림 Fig. 3 NO_X and CO emissions according to P gain
그림 Fig. 4 I gain swing and the output of O₂ sensors
그림 Fig. 5 NO_X and CO emissions according to I gain
그림 Fig. 6 Lean delay swing and the output of O₂ sensors
그림 Fig. 7 NO_X and CO emissions according to lean delay
그림 Fig. 9 NO_X and CO emissions with feedback control of dual O₂ sensors
그림 Fig. 8 Rear O₂ sensor value with feedback control
표 Table 3 Average values of NO_X and CO emissions with feedback control of dual O₂ sensors

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 초저압으로 공급되는 CNG연료를 활용하는 발전기용 엔진에서 삼원촉매의 배기 정화능력을 극대화하기 위해, 삼원촉매의 전단과 후단에 설치된 이중 O₂ 센서 값을 활용한 피드백 제어 전략을 제시하였다. 이 결과로부터 저압으로 공급되는 믹서시스템을 활용하는 발전기에서 삼원촉매장치를 이용한 배출가스 저감기술을 확보할 수 있었다.
본 연구의 목적은 CNG발전기 엔진에서 삼원촉매의 배기정화 능력을 극대화하기 위한 이중 O₂ 센서 PI 제어 기술을 개발하는 것이므로, 배기에 삼원촉매를 장착하고, 촉매 후단에서 배기 분석기(AVL, AMA i60)를 통해 nitrogen oxides (NO_X), total hydrocarbon (THC), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), O₂를 측정하였다. 기존 가솔린 엔진에서 삼원촉매 전단의 O₂ 센서는 연료량 제어, 후단의 O₂ 센서는 촉매의 이상 유무를 판단하기 위해 쓰였지만, 본 연구에서는 세밀한 연료량 제어를 위해 전/후단 O₂ 센서 출력값을 활용하였다.

제안 방법

5, lean delay는 0 ms로 사용하였고, lean delay 실험에서는 Pgain과 I gain 모두 base값을 사용하여 실험을 수행하였다. 그리고 마지막으로 이중 O₂ sensor 제어 실험에서는 P gain, I gain, lean delay 모두 base 값을 사용하고, 후단의 O₂ sensor 값에 따라 추가되는 lean/rich delay 값의 최대값인 upper/lower limit 값을 0.15 ms로 설정하였다.
를 측정하였다. 기존 가솔린 엔진에서 삼원촉매 전단의 O₂ 센서는 연료량 제어, 후단의 O₂ 센서는 촉매의 이상 유무를 판단하기 위해 쓰였지만, 본 연구에서는 세밀한 연료량 제어를 위해 전/후단 O₂ 센서 출력값을 활용하였다. 본 연구에 사용된 엔진은 발전용으로 개발되었기 때문에, 규제상 연료의 고압 분사기 사용이 불가능하므로, 다단의 레귤레이터 세트를 구성하여 고압으로 저장된 CNG를 감압하여 공급하였다.
기존의 PI 제어만으로는, 모든 경우에 후단 O₂ 값이 농후한 영역에 있었기 때문에, lean delay 실험을 진행하였다. Fig.
센서값에 가장 큰 영향을 받는 것을 확인하였다. 따라서, 기존의 전단 O₂ 센서만을 사용한 PI 제어로는 효율적인 제어가 어려우므로, 본 실험에서는 후단 O₂ 센서를 활용한 피드백 제어를 수행하였다. 후단 O₂ 센서값 기준으로 농후할 경우 lean delay를 추가, 희박할 경우 rich delay 값을 기존의 맵핑된 lean delay 값에 추가하는 방식으로 피드백 제어를 실시하였다.
Smith 등은 11L급 천연가스 엔진에서 고에너지 점화, 이중 O₂ 센서 적용을 통한 연료-공기 혼합기 제어를 통해US heavy-duty FTP를 만족하는 NO_X 배출을 달성하였다고 보고하였다⁽⁷⁾. 따라서, 본 연구에서는 삼원촉매의 전단과 후단에O₂ 센서를 장착하는 이중 O₂ 센서를 적용하여, CNG발전기 엔진에서 배기배출물을 저감하는 전략을 제시하였다. 전단 O₂ 센서만을 활용하는 PI 제어 변수 실험을 수행하였고, 이중 O₂ 센서를 모두 활용한 피드백 제어 로직을 사용한 배기 정화능력을 비교하였다.
기존 가솔린 엔진에서 삼원촉매 전단의 O₂ 센서는 연료량 제어, 후단의 O₂ 센서는 촉매의 이상 유무를 판단하기 위해 쓰였지만, 본 연구에서는 세밀한 연료량 제어를 위해 전/후단 O₂ 센서 출력값을 활용하였다. 본 연구에 사용된 엔진은 발전용으로 개발되었기 때문에, 규제상 연료의 고압 분사기 사용이 불가능하므로, 다단의 레귤레이터 세트를 구성하여 고압으로 저장된 CNG를 감압하여 공급하였다. 100~200 bar의 연료는 8기압으로 1차 감압되며, 레귤레이터 세트를 지나면서 2.
5 bar indicated mean effective pressure (IMEP) 수준으로 고정하였고, 흡기압력은 50 kPa으로 고정하였다. 본 연구에서는 lean/rich 제어 변수에 따른 배기 특성을 연구하기 위하여 proportional gain (P gain), integral gain (I gain), lean delay값을 Table 2와 같이 변경하면서 실험을 수행하였다. P gain swing 실험의 경우, Igain은 base 값인 0.
이 결과로부터 저압으로 공급되는 믹서시스템을 활용하는 발전기에서 삼원촉매장치를 이용한 배출가스 저감기술을 확보할 수 있었다. 삼원촉매의 전단에 설치된 O₂ 센서 값을 통해 연료 공급의 PI 및 lean delay swing 실험을 진행하였다. 다음으로 이중 O₂ 센서 값을 통한 피드백 제어를 실시하여, 전단 O₂ 센서 값만을 활용한 제어의 결과 값과 비교하였다.
엔진은 45 kW급의 AC 동력계를 사용하여 구동되었고, 엔진 제어를 위해 자체적으로 ECU를 제작하여, INCA software를 통해 제어하였다. 실린더 압력을 측정하기 위해 스파크 플러그 일체형 압력센서(AVL, ZI33)를 사용하였고, 1번 실린더의 압력을 대표로 측정하였다. 측정된 데이터는 연소 해석기(AVL, Xion)를 사용하여 분석하였다.
Figure 3은 P gain 증가에 따른 배기배출물 결과를 나타낸다. 실험 장치에서 설명한 것과 같이 NO_X, THC, CO 배출을 모두 측정하였으나, 본문의 그래프에서 THC 배출은 생략하였다. 이는 연료 공급 lean/rich 제어에 따른 THC 배출은 CO 배출과 동일한 경향을 보였고, 배출 수준은 절반 이하였기 때문이다.
연구에 사용된 엔진은 발전용으로 개발된 엔진으로, 국내 공급 전기 주파수 60 Hz와 일치하는 1800 rpm으로 엔진속도를 고정하였다. 엔진부하는 중부하에 해당하는 5.5 bar indicated mean effective pressure (IMEP) 수준으로 고정하였고, 흡기압력은 50 kPa으로 고정하였다. 본 연구에서는 lean/rich 제어 변수에 따른 배기 특성을 연구하기 위하여 proportional gain (P gain), integral gain (I gain), lean delay값을 Table 2와 같이 변경하면서 실험을 수행하였다.
스파크 점화방식을 위한 스파크 플러그는 기존의 디젤 인젝터 위치에 장착하였다. 엔진은 45 kW급의 AC 동력계를 사용하여 구동되었고, 엔진 제어를 위해 자체적으로 ECU를 제작하여, INCA software를 통해 제어하였다. 실린더 압력을 측정하기 위해 스파크 플러그 일체형 압력센서(AVL, ZI33)를 사용하였고, 1번 실린더의 압력을 대표로 측정하였다.
따라서, 본 연구에서는 삼원촉매의 전단과 후단에O₂ 센서를 장착하는 이중 O₂ 센서를 적용하여, CNG발전기 엔진에서 배기배출물을 저감하는 전략을 제시하였다. 전단 O₂ 센서만을 활용하는 PI 제어 변수 실험을 수행하였고, 이중 O₂ 센서를 모두 활용한 피드백 제어 로직을 사용한 배기 정화능력을 비교하였다.
따라서, 기존의 전단 O₂ 센서만을 사용한 PI 제어로는 효율적인 제어가 어려우므로, 본 실험에서는 후단 O₂ 센서를 활용한 피드백 제어를 수행하였다. 후단 O₂ 센서값 기준으로 농후할 경우 lean delay를 추가, 희박할 경우 rich delay 값을 기존의 맵핑된 lean delay 값에 추가하는 방식으로 피드백 제어를 실시하였다. 추가되는 lean/rich delay값의 최대값에 해당하는 upper/lower limit값은 각각 ±0.

대상 데이터

측정된 데이터는 연소 해석기(AVL, Xion)를 사용하여 분석하였다. 기존 압축착화 방식의 베이스 디젤 엔진(압축비 = 17.1)을 스파크점화 방식의 천연가스 엔진으로 개조하기 위해, 압축비 변경 실험(10~14)을 진행하여 엔진 열효율이 높고, 노킹이 발생하지 않는 압축비 13의 피스톤을 선정하여 실험을 진행하였다.
1에 나타내었다. 엔진은 8L급 6기통 압축착화 방식의 발전용 엔진을 스파크점화 엔진으로 개조하여 제작하였다. 스파크 점화방식을 위한 스파크 플러그는 기존의 디젤 인젝터 위치에 장착하였다.
연구에 사용된 엔진은 발전용으로 개발된 엔진으로, 국내 공급 전기 주파수 60 Hz와 일치하는 1800 rpm으로 엔진속도를 고정하였다. 엔진부하는 중부하에 해당하는 5.

데이터처리

삼원촉매의 전단에 설치된 O₂ 센서 값을 통해 연료 공급의 PI 및 lean delay swing 실험을 진행하였다. 다음으로 이중 O₂ 센서 값을 통한 피드백 제어를 실시하여, 전단 O₂ 센서 값만을 활용한 제어의 결과 값과 비교하였다.
실린더 압력을 측정하기 위해 스파크 플러그 일체형 압력센서(AVL, ZI33)를 사용하였고, 1번 실린더의 압력을 대표로 측정하였다. 측정된 데이터는 연소 해석기(AVL, Xion)를 사용하여 분석하였다. 기존 압축착화 방식의 베이스 디젤 엔진(압축비 = 17.

성능/효과

량을 늘리기 위해서이다. P gain과 I gain 실험의 모든 경우에 후단 O₂ 센서 값이 0.8 이상 이였던 것과 비교하여 lean delay = 0.15 ms에서 약 0.76정도로 소폭 감소하였고, lean delay = 0.3 ms 부터는 0.2 이하로 대폭 감소하였다. 즉, lean delay = 0.
CO 배출량은 후단 O₂ 센서의 경향과 유사한 파형을 나타낸다. 따라서, upper/lower limit값을 추종속도를 고려한 최적화 작업을 통해, 후단 O₂ 센서 값의 농후에서 희박으로 가는 시간을 단축한다면, CO 값 역시 대폭 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
이는 lean delay 실험에서 lean delay =0 ms 일 때, CO 배출량이 108 ppm수준이었던 것과 비교하여, 큰 폭으로 감소하였다. 따라서, 이중 O₂ 센서 피드백 제어를 통해, 효율적으로 배기를 저감시킬 수 있음을 확인하였다.
삼원촉매의 배기 정화효율을 극대화하기 위해 기존 전단 O₂ 센서를 통한 제어에 후단 O₂ 센서 값을 기준으로 lean/rich delay를 추가한 이중 O₂ 센서 피드백 제어를 적용한 결과, 매우 낮은 수준의 NO_X를 유지하면서 CO 배출을 저감하였다(전단 O₂ 센서 피드백 제어 대비 약 35% 수준).
센서 값을 활용한 피드백 제어 전략을 제시하였다. 이 결과로부터 저압으로 공급되는 믹서시스템을 활용하는 발전기에서 삼원촉매장치를 이용한 배출가스 저감기술을 확보할 수 있었다. 삼원촉매의 전단에 설치된 O₂ 센서 값을 통해 연료 공급의 PI 및 lean delay swing 실험을 진행하였다.
Figure 9는 피드백 제어시 실시간 배기 결과로, 모든 영역에서 NOx 값은 0에 가까운 값이 배출되는 반면, CO 값은 큰 폭으로 배출량이 변화한다. 이는 Fig. 8에서 확인한 바와 같이 대부분의 영역에서 연료-공기 혼합기를 이론공연비에서 살짝 농후한 영역으로 유지하여 NO_X 배출을 0으로 유지하였고, CO 배출이 증가하면 혼합기를 희박하게 제어하여 CO 배출을 저감하였다. CO 배출 저감을 위해 혼합기를 희박하게 제어한 이후에도 짧은 시간에 다시 농후한 영역으로 제어하였기 때문에, NOx 배출량은 모든 영역에서 0에 가까운 값이 나왔다.
센서로 연료 공급의 PI 제어를 실시한 경우,P gain 증가에 따라 lean/rich의 제어 파장이 감소한 반면, I gain 증가에서는 제어 파장이 소폭 증가하였다. 전단 O₂ 센서 값을 통한 P gain과 I gain swing 실험에서 후단 O₂ 센서 값이 항상 농후하여, 매우 낮은 수준의 NO_X 배출을 보였으나 CO 배출은 상대적으로 높았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분산발전 특징은 무엇인가?	따라서 이에 대한 다양한 대안책강구가 필수적이다. 분산발전은 송배전 인프라 건축비용과 운영비용을 대폭 절감할 수 있고, 장거리 송전에 따른 전력 손실을 줄일 수 있다는 장점으로 인해, 원자력 발전의 주요 대안 중 하나로 주목받고 있다. 이에 따라, 국가적 측면에서 적극적으로 분산발전을 장려하고 있고, 제3차 에너지기본계획에 따르면, 2040년까지 발전량 30% 이상 소규모 분산 전원을 공급할 계획에 있다.
	원자력 발전의 장점은 무엇인가?	일본의 후쿠시마 원전 사고는 원자력 발전의 위험성에 대한 경각심을 일깨우는 계기가 되었고, 이에 따라 세계적으로 탈원전에 대한 논의가 진행되고 있다. 그러나 발전단가가 낮고, 대기오염도가 낮으며, 우수한 효율을 보이는 원자력 발전을 당장 중단할 경우, 전력 확보에 어려움이 예상된다. 따라서 이에 대한 다양한 대안책강구가 필수적이다.

참고문헌 (7)

정탄, 이준순, 이용규, 김창업, 오승묵, "FT 반응 Off-gas를 이용한 고압축비 전기점화 엔진의 연소 및 배기가스 특성에 관한 연구," 한국액체미립화학회지, Vol. 23, No. 3, 2018, pp. 114-121.

원문보기 상세보기
Inge Saanum, Marie Bysveen, Per Tunestal and Bengt Johansson. "Lean Burn Versus Stoichiometric Operation with EGR and 3-Way Catalyst of an Engine Fueled with Natural Gas and Hydrogen Enriched Natural Gas," SAE Technical Paper, 2007, No. 2007-01-0015.
Fanhua Ma, Junjun Wang, Yu Wang, Yefu Wang, Yong Li, Haiquan Liu and Shangfen Ding, "Influence of Different Volume Percent Hydrogen/Natural Gas Mixtures on Idle Performance of a CNG Engine", Energy & Fuels, Vol. 22, No. 3, 2008, pp. 1880-1887.

상세보기
Ningsheng Qiao, Chandrasekar Krishnamurthy and Nicholas Moore. "Determine air-fuel ratio imbalance cylinder identification with an oxygen sensor", SAE International Journal of Engines Vol. 8, No. 3, 2015, pp. 1005-1011.

상세보기
Kumar, Sanath V., and Ronald M. Heck. "A New Approach to OBDII Monitoring of Catalyst Performance Using Dual Oxygen Sensors", SAE Transactions, Vol. 109, 2000, pp. 586-595.
Joseph R. Griffin, "Closed Loop Catalyst Temperature Feedback for Controlled Catalyst Lightoff and Diagnostics for ULEV", SAE Technical Paper, 1999, No. 1999-00-0311.
Ian Smith, Thomas Briggs, Christopher Sharp and Cynthia Webb. "Achieving 0.02 g/bhp-hr NO x Emissions from a Heavy-Duty Stoichiometric Natural Gas Engine Equipped with Three-Way Catalyst", SAE Technical Paper, 2017, No. 2017-01-0957.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증