Feedback Control using Dual O₂ Sensors for Improving the Conversion Efficiency of a Three-way Catalyst in a Heavy-duty CNG Engine

CNG 대형엔진에서 이중 O

2

윤성준

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Feedback Control using Dual O

Sensors for Improving the Conversion Efficiency of a Three-way Catalyst in a Heavy-duty CNG Engine

Sungjun Yoon, Junsun Lee, Hyunwook Park, Yonggyu Lee, Changup Kim, and Seungmook Oh

Key Words: Three-way catalyst(삼원촉매), Conversion efficiency(정화효율), PI control(PI 제어), Dual O

sensor( 이중 산소센서), Compressed natural gas(압축천연가스)

Abstract

In this study, feedback logic using dual O

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 O

sensor and the feedback control with dual O

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 O

sensor values were developed. In both cases, the nitrogen oxides (NO

) emissions were nearly zero. However, the carbon monoxide (CO) emissions were reduced significant in the feedback logic with dual O

sensors than in the PI control with the front O

sensor.

기호설명

CO : Carbon Monoxide CNG : Compressed Natural Gas ECU : Engine Control Unit OSC : Oxygen Storage Capacity PI : Proportional Integral

1. 서 론

일본의 후쿠시마 원전 사고는 원자력 발전의 위험성 에 대한 경각심을 일깨우는 계기가 되었고, 이에 따라 세계적으로 탈원전에 대한 논의가 진행되고 있다. 그러 나 발전단가가 낮고, 대기오염도가 낮으며, 우수한 효율 을 보이는 원자력 발전을 당장 중단할 경우, 전력 확보 에 어려움이 예상된다. 따라서 이에 대한 다양한 대안책 강구가 필수적이다. 분산발전은 송배전 인프라 건축비 용과 운영비용을 대폭 절감할 수 있고, 장거리 송전에 따른 전력 손실을 줄일 수 있다는 장점으로 인해, 원자 력 발전의 주요 대안 중 하나로 주목받고 있다. 이에 따 라, 국가적 측면에서 적극적으로 분산발전을 장려하고 있고, 제3차 에너지기본계획에 따르면, 2040년까지 발 전량 30% 이상 소규모 분산 전원을 공급할 계획에 있 (Received: 11 Sep 2019, Received in revised form: 22 Oct

2019, Accepted: 29 Oct 2019)

*

한국기계연구원

**

과학기술연합대학원대학교 환경에너지기계공학과

†

책임저자, 회원, 한국기계연구원 & 과학기술연합 대학원대학교 환경에너지기계공학과

E-mail : [email protected]

TEL : (042)868-7382 FAX : (042)868-7305

다. 따라서, 분산발전에 필요한 기술을 국산화하기 위하 여 다양한 기술력을 축적하는 것이 필요하다. 세계적으 로 소규모 분산발전을 위한 가스엔진이 개발되고 있으 며

, 특히 발전용 엔진에 CNG 연료를 적용할 경우, 기 존 인프라를 활용하여 연료 공급이 가능하고

, 수소원 자 대비 탄소원자 수가 낮아 이산화탄소 배출을 저감하 는데 효율적이다

. CNG 발전기 엔진의 배기규제를 만 족시키기 위하여, 기존 가솔린 엔진에 사용되는 삼원촉 매를 활용하는 방법을 연구 중에 있다

. 삼원촉매에서 배기 정화능력을 최적화하기 위해서는 촉매의 산소저장 능력(oxygen storage capacity, OSC)를 최대로 활용할 수 있는 lean/rich 제어가 필수적이다

. 실제로 oxygen (O

) 센서를 통해 피드백 제어할 경우, 효율적으로 배기를 저 감할 수 있음을 확인하였다

. Smith 등은 11L급 천연가 스 엔진에서 고에너지 점화, 이중 O

센서 적용을 통한

연료-공기 혼합기 제어를 통해US heavy-duty FTP를 만 족하는 NO

배출을 달성하였다고 보고하였다

. 따라서, 본 연구에서는 삼원촉매의 전단과 후단에O

센서를 장 착하는 이중 O

센서를 적용하여, CNG발전기 엔진에서 배기배출물을 저감하는 전략을 제시하였다. 전단 O

센 서만을 활용하는 PI 제어 변수 실험을 수행하였고, 이중 O

센서를 모두 활용한 피드백 제어 로직을 사용한 배 기 정화능력을 비교하였다.

2. 실험 장치 및 조건

2.1 실험 장치

본 연구의 실험장치 개략도는 Fig. 1에 나타내었다.

엔진은 8L급 6기통 압축착화 방식의 발전용 엔진을 스

Fig. 1 Schematic of experimental setup

파크점화 엔진으로 개조하여 제작하였다. 스파크 점화 방식을 위한 스파크 플러그는 기존의 디젤 인젝터 위치 에 장착하였다. 엔진은 45 kW급의 AC 동력계를 사용 하여 구동되었고, 엔진 제어를 위해 자체적으로 ECU를 제작하여, INCA software를 통해 제어하였다. 실린더 압 력을 측정하기 위해 스파크 플러그 일체형 압력센서 (AVL, ZI33) 를 사용하였고, 1번 실린더의 압력을 대표 로 측정하였다. 측정된 데이터는 연소 해석기(AVL, X- ion) 를 사용하여 분석하였다. 기존 압축착화 방식의 베 이스 디젤 엔진(압축비 = 17.1)을 스파크점화 방식의 천 연가스 엔진으로 개조하기 위해, 압축비 변경 실험 (10~14) 을 진행하여 엔진 열효율이 높고, 노킹이 발생하 지 않는 압축비 13의 피스톤을 선정하여 실험을 진행하 였다.

본 연구의 목적은 CNG발전기 엔진에서 삼원촉매의 배기정화 능력을 극대화하기 위한 이중 O

센서 PI 제 어 기술을 개발하는 것이므로, 배기에 삼원촉매를 장착 하고, 촉매 후단에서 배기 분석기(AVL, AMA i60)를 통 해 nitrogen oxides (NO

), total hydrocarbon (THC), car- bon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), O

를 측정하 였다. 기존 가솔린 엔진에서 삼원촉매 전단의 O

센서 는 연료량 제어, 후단의 O

센서는 촉매의 이상 유무를 판단하기 위해 쓰였지만, 본 연구에서는 세밀한 연료량 제어를 위해 전/후단 O

센서 출력값을 활용하였다. 본 연구에 사용된 엔진은 발전용으로 개발되었기 때문에, 규제상 연료의 고압 분사기 사용이 불가능하므로, 다단 의 레귤레이터 세트를 구성하여 고압으로 저장된 CNG

를 감압하여 공급하였다. 100~200 bar의 연료는 8기압 으로 1차 감압되며, 레귤레이터 세트를 지나면서 2.8 kPa 및 최종적으로 대기압 수준으로 감압된다. 이 연료 는 제작된 믹서에서 공기와 혼합되어 실린더 내부로 공 급되었다.

2.2 실험 조건

본 연구에 사용된 엔진은 발전용으로 개발된 엔진으 로, 국내 공급 전기 주파수 60 Hz와 일치하는 1800 rpm 으로 엔진속도를 고정하였다. 엔진부하는 중부하에 해 당하는 5.5 bar indicated mean effective pressure (IMEP) 수준으로 고정하였고, 흡기압력은 50 kPa으로 고정하였 다. 본 연구에서는 lean/rich 제어 변수에 따른 배기 특 성을 연구하기 위하여 proportional gain (P gain), inte- gral gain (I gain), lean delay 값을 Table 2와 같이 변경하 면서 실험을 수행하였다. P gain swing 실험의 경우, I gain 은 base 값인 0.02, lean delay 값은 0 ms로 사용하 였다. I gain 실험시에는 P gain의 base 값인 0.5, lean delay 는 0 ms로 사용하였고, lean delay 실험에서는 P gain 과 I gain 모두 base값을 사용하여 실험을 수행하였 다. 그리고 마지막으로 이중 O

sensor 제어 실험에서는 P gain, I gain, lean delay 모두 base 값을 사용하고, 후 단의 O

sensor 값에 따라 추가되는 lean/rich delay 값의 최대값인 upper/lower limit 값을 0.15 ms로 설정하였다.

3. 결 과

3.1 Proportional gain swing 실험

Figure 2 는 삼원촉매 lean/rich 제어시 PI 제어 파라미 Table 1 Engine specifications

Items Specifications Engine Type 6-Cylinder, Naturally Aspirated

Fuel Compressed Natural Gas (CNG) Fuel Injection Mixer type

Compression ratio 13 Bore × stroke 111 × 139 mm Displacement 8.071 L Intake

valve

Open 16 deg bTDC Close 36 deg aBDC Exhaust

valve

Open 46 deg bBDC Close 14 deg aTDC

Table 2 Experimental conditions Parameters Values Engine speed 1800 rpm (60Hz) Intake Pressure

(load condition) 50 kPa

IMEP 5.5 bar

PI control

P gain 0.2, 0.5(base), 1.0, 1.5 I gain 0.01, 0.02(base), 0.03, 0.04 Lean delay 0 ms(base), 0.15 ms,

0.3 ms, 0.45 ms

터인 P gain 값의 영향을 보기 위하여, P gain swing 실 험을 수행한 결과이다. P gain 실험에서 I gain 값은 base 값인 0.02로 고정하였다. 검은색 실선으로 표시된 fuel control 값은 lambda 1기준으로 설정된 값을 기준으 로 연료 비율을 증가 또는 감소시킨 값이다. P 값은 비 례제어를 결정하는 값으로 전단 O

센서 값이 미리 설 정한 threshold에 도달하면 급격하게 증가 또는 감소하 는 연료의 폭을 결정하게 된다. 따라서 P 값의 증가에 따라, 설정한 O

값의 threshold에 도달하는 속도가 더 빠르므로, Lean/rich 제어 파장이 점차 감소하고, 공급되 는 연료의 진폭이 증가한다. 빨간색 실선으로 표시된 delay signal 은 lean/rich delay를 나타내는 신호로서, p gain 의 영향을 보기 위해 모든 delay값은 0 ms이다. 점 선으로 나타낸 값은 O

센서 값으로, 검은색 점선은 전 단 O

센서, 빨간색 점선은 후단 O

센서의 출력 값을 나타낸다. 이 값은 0.45V (lambda = 1)을 기준으로 위쪽 은 농후, 아래쪽은 희박 영역을 의미한다. 전단 O

센서 의 값은 연료 제어에 따라, 즉각적으로 반응을 하는 반

면, 후단 O

센서의 값은 모든 경우에서 대략 0.8로 농 후하다.

Figure 3 은 P gain 증가에 따른 배기배출물 결과를 나 타낸다. 실험 장치에서 설명한 것과 같이 NO

, THC, CO 배출을 모두 측정하였으나, 본문의 그래프에서 Fig. 2 P gain swing and the output of O

sensors

Fig. 3 NO

and CO emissions according to P gain

THC 배출은 생략하였다. 이는 연료 공급 lean/rich 제어 에 따른 THC 배출은 CO 배출과 동일한 경향을 보였고, 배출 수준은 절반 이하였기 때문이다.

Figure 2 결과에서 촉매 후단 O

센서 값은 모든 조건 에서 농후하기 때문에, NO

의 환원작용은 활발하게 일 어나는 반면, 산화작용에 필요한 O

가 부족하다. 따라서 NOx 배출은 0에 가까운 값을 보이는 반면, CO가 다량 배출된다. CO 값은 P gain 증가에 따라 증가하였다.

3.2 Integral gain swing 실험

Figure 4 는 삼원촉매 lean/rich 제어시 PI 제어 파라미 터인 I gain 값의 영향을 보기 위하여, I gain swing 실 험을 수행한 결과이다. I gain 실험에서도 마찬가지로, 모든 조건에서 delay 값은 0 ms으로 하였고, I gain 값 은 0.01에서 0.04까지 swing 실험을 수행하였다.

I 값은 적분제어상수로 I값 증가에 따라, PI 제어에서 I 제어의 기울기가 증가하게 된다. Fig. 4를 보면, I gain 값 증가에 따라, 제어 파장이 소폭 증가하게 된다. 이는

P gain 값이 증가함에 따라 제어파장이 감소했던 결과 와 반대 경향을 보였다. 이는 I gain 값이 과도하게 증가 하여, 전단 O

센서 값이 overshooting 되어 나타나는 결 과로 판단된다. 후단 O

센서의 값을 보면, P gain swing 실험에서의 결과와 마찬가지로, 모든 경우에서 농후한 Fig. 4 I gain swing and the output of O

sensors

Fig. 5 NO

and CO emissions according to I gain

값을 보였다.

Figure 5 는 I gain에 따른 배기배출 특성을 나타낸 것 이다. P gain swing의 결과와 마찬가지로, 후단 O

센서 값이 모든 조건에서 농후하므로, CO의 배출이 높고, NO

는 거의 배출되지 않는다. CO 값은 I gain 값이 증 가함에 따라 증가하는 경향을 보이며, I gain이 0.03에서 최대값을 가지고, 이후 0.04에서 소폭 감소하였다.

3.3 Lean delay swing 실험

기존의 PI 제어만으로는, 모든 경우에 후단 O

값이 농후한 영역에 있었기 때문에, lean delay 실험을 진행하 였다. Fig. 6는 lean delay swing 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.

Lean delay 는 PI 제어 이후에 fuel control 값을 최저점 에서 lean delay 시간만큼 유지시켜 촉매 내부 배기가스 의 O

량을 늘리기 위해서이다. P gain과 I gain 실험의 모든 경우에 후단 O

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 = 0.15 ms에서는 농후한 배기 가스가 배출된 반면, lean delay = 0.3 ms 부터는 희박한 배기가스가 배출되었다.

Fig. 6 Lean delay swing and the output of O

sensors

Fig. 7 NO

and CO emissions according to lean delay

Figure 7 에서는 lean delay 증가에 따른 배기 배출물 값을 나타낸 값이다. Lean delay를 증가시킴에 따라, 촉 매 내부의 배기가스가 희박해지기 때문에, NOx 값은 급 증하였고, CO값은 급감하였다. 이는 후단 O

센서값이 lean delay = 0.15 ms 에서 농후하고, lean delay = 0.30 ms 부터 희박한 경향과 일치하는 결과이다. Lean delay = 0.15 ms 에서도 P gain과 I gain의 swing 실험 대비 후단 O

센서값이 낮았기 때문에, CO 값 역시 배출량이 P gain 과 I gain의 swing 실험에서보다 대폭 감소하였다.

따라서 삼원촉매에서의 배기가스 전환율에 큰 영향을 미치는 것은 후단 O

센서의 값인 것을 알 수 있다.

3.4 이중 O

센서 피드백제어

앞의 실험 결과에서 배기가스는 후단 O

센서값에 가 장 큰 영향을 받는 것을 확인하였다. 따라서, 기존의 전 단 O

센서만을 사용한 PI 제어로는 효율적인 제어가 어려우므로, 본 실험에서는 후단 O

센서를 활용한 피 드백 제어를 수행하였다. 후단 O

센서값 기준으로 농 후할 경우 lean delay를 추가, 희박할 경우 rich delay 값 을 기존의 맵핑된 lean delay 값에 추가하는 방식으로 피드백 제어를 실시하였다. 추가되는 lean/rich delay값 의 최대값에 해당하는 upper/lower limit값은 각각 ±0.15 ms 으로 설정하였다. 본 실험에서는 다른 조건들은 모두 base 조건을 사용하였으며, 이에 해당하는 값은 P gain

= 0.5, I gain = 0.02, Lean delay = 0 이다.

Figure 8 은 후단 O

센서 결과로 피드백 제어 결과 후 단 O

센서 값이 얼마나 제어가 잘 되는지를 나타낸 것 이다. Upper limit과 lower limit을 같은 값으로 설정했음 에도 불구하고, 희박영역과 농후영역에서의 추종속도는 큰 차이가 있었다. 농후영역에서 lean delay를 제어할 경

우 희박영역으로 가는 속도가 매우 느리지만, 희박영역 에서 rich delay 제어 시에는 급격하게 농후영역으로 가 게 된다. 따라서, 대부분의 시간에서 후단 O

센서 값은 농후영역인 0.45V 이상이므로, lean delay 값이 추가되 는 영역이 rich delay 가 추가되는 영역보다 넓음을 알 수 있다.

Figure 9 는 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 혼합기 를 이론공연비에서 살짝 농후한 영역으로 유지하여 NOX 배출을 0으로 유지하였고, CO 배출이 증가하면 혼합기를 희박하게 제어하여 CO 배출을 저감하였다.

CO 배출 저감을 위해 혼합기를 희박하게 제어한 이후 에도 짧은 시간에 다시 농후한 영역으로 제어하였기 때 문에, NOx 배출량은 모든 영역에서 0에 가까운 값이 나 왔다. CO 배출량은 후단 O

센서의 경향과 유사한 파형 을 나타낸다. 따라서, upper/lower limit값을 추종속도를 고려한 최적화 작업을 통해, 후단 O

센서 값의 농후에 서 희박으로 가는 시간을 단축한다면, CO 값 역시 대폭 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 8 Rear O

sensor value with feedback control

Fig. 9 NO

and CO emissions with feedback control of dual O

sensors

Table 3 Average values of NO

and CO emissions with feedback control of dual O

sensors

Item CO_L NOx

Unit ppm ppm

Value 38.3 0

Table 3 은 Fig. 9에서 제시된 배기 결과의 평균값을 나타낸 것이다. 이는 lean delay 실험에서 lean delay = 0 ms 일 때, CO 배출량이 108 ppm수준이었던 것과 비 교하여, 큰 폭으로 감소하였다. 따라서, 이중 O

센서 피 드백 제어를 통해, 효율적으로 배기를 저감시킬 수 있음 을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 초저압으로 공급되는 CNG연료를 활 용하는 발전기용 엔진에서 삼원촉매의 배기 정화능력을 극대화하기 위해, 삼원촉매의 전단과 후단에 설치된 이 중 O

센서 값을 활용한 피드백 제어 전략을 제시하였 다. 이 결과로부터 저압으로 공급되는 믹서시스템을 활 용하는 발전기에서 삼원촉매장치를 이용한 배출가스 저 감기술을 확보할 수 있었다. 삼원촉매의 전단에 설치된 O

센서 값을 통해 연료 공급의 PI 및 lean delay swing 실험을 진행하였다. 다음으로 이중 O

센서 값을 통한 피드백 제어를 실시하여, 전단 O

센서 값만을 활용한 제어의 결과 값과 비교하였다.

전단 O

센서로 연료 공급의 PI 제어를 실시한 경우, P gain 증가에 따라 lean/rich의 제어 파장이 감소한 반 면, I gain 증가에서는 제어 파장이 소폭 증가하였다.

전단 O

센서 값을 통한 P gain과 I gain swing 실험 에서 후단 O

센서 값이 항상 농후하여, 매우 낮은 수 준의 NO

배출을 보였으나 CO 배출은 상대적으로 높 았다.

연료 공급의 lean delay를 증가시켰을 때, 촉매 내부 배기가스의 희박도 증가를 통해, 높은 수준의 CO 배출 을 감소시켰으나 NO

배출은 증가하였다.

삼원촉매의 배기 정화효율을 극대화하기 위해 기존 전단 O

센서를 통한 제어에 후단 O

센서 값을 기준으 로 lean/rich delay를 추가한 이중 O

센서 피드백 제어 를 적용한 결과, 매우 낮은 수준의 NO

를 유지하면서 CO 배출을 저감하였다(전단 O

센서 피드백 제어 대비 약 35% 수준).

후 기

본 연구는 한국기계연구원 주요사업 ‘건물 에너지를 활용하는 옥상온실형 와이즈팜 기술 개발’ 사업의 일환 으로 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.

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