KR101026741B1 - 다중 가변식 터보 차져를 구비한 대형 2행정 디젤 엔진 - Google Patents

다중 가변식 터보 차져를 구비한 대형 2행정 디젤 엔진 Download PDF

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Abstract

대형 2행정 디젤 엔진에는 배출 가스 리시버와 엔진의 소기 공기 리시버 사이에 나란하게 연결된 다수의 가변식 터보 차져가 제공된다. 제어 시스템은 그룹으로서 또는 개별적으로 상기 가변식 터보 차져의 안정적이며 최적의 작동을 보장하기 위하여 제공된다.
2행정 디젤, 가변식 터보 차져

Description

다중 가변식 터보 차져를 구비한 대형 2행정 디젤 엔진{Large 2-stroke diesel engine with multiple variable turbochargers}
본 발명은 다수의 가변식 터보 차져를 구비한 대형 다중 실린더 2행정 디젤 엔진, 특히 다수의 가변식 터보 차져의 제어에 관한 것이다.
디젤 엔진의 놀라운 크기로 인하여, 대형 2행정 디젤 엔진에는 다중 터보 차져가 제공되어 왔다. 대형 2행정 디젤 엔진은 일렬로 배열된 일반적으로 5 내지 14개의 실린더를 가진 거대한 기계이다. 소기 공기 리시버(scavenging air receiver)는 상기 엔진의 전체 길이를 따라 연장되는데 30 미터 이상으로 연장될 수 있다.
이론적으로, 이러한 엔진들에는 하나의 큰 터보 차져가 제공된다. 그러나, 이러한 크기의 터보 차져를 제조하는 것은 기술적으로 매우 어려우며 결과적으로 매우 고가이다. 따라서, 이러한 대형 2행정 디젤 엔진은 2, 3, 4 이상의 터보 차져를 가지도록 제공된다. 이러한 터보 차져들은 엔진의 길이를 따라 균일하게 분포된다.
이러한 엔진들에는 일반적인 터보 차져가 제공되는데, 이러한 일반적인 터보 차져는 가변식 타입이 아니다. 가변식 터보 차져는 높은 부하에서 고압을 제공하지 않고서 부분 부하에서 높은 소기 공기 압력을 제공할 수 있는 장점을 가지고 있다. 터보 차져 속도는 높은 부하에서 상대적으로 감소된다. 이러한 특징은 배출 가스 우회로에 유사하지만, 높은 효율을 가진다. 결과적으로, 압축기측은 서지 라인(surge line)에 가깝게 이동하게 되어, 서지(surging)와 스톨(stalling)을 피하기 위하여 매우 정밀하게 제어되어야 한다. 단일 가변 터보 차져를 위한 적절한 제어 시스템은 공지되어 있지만, 이러한 제어 시스템은 병렬적으로 연결된 다수의 가변식 터보 차져에는 적합하지 않은데, 특히 엔진이 대형 2행정 디젤 엔진인 경우에 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 다수의 가변식 터보 차져를 구비한 대형 2행정 디젤 엔진으르 제공하는 것이다.
가변식 터보 차져는 상기 엔진의 가변식 작동 조건에 있어서 높은 효율로 작동될 수 있다. 가변식 터보 차져를 위한 최적의 설정은 서지 한계(서지 라인)에 인접한 것이며, 서지 한계에 근접하게 작동시에 터보 차져는 스톨을 피하기 위하여 정밀하게 제어되어야한다.
본 발명의 발명자는 단일 가변식 터보 차져만을 가진 소형 엔진에 사용되는 공지의 제어 시스템은 하기의 이유로 인하여 대형 2행정 디젤 엔진상의 다수의 가변식 터보 차져에 대해서는 기능하지 못한다는 것을 인지하였다. 이러한 이유중 하나는 다수의 가변식 터보 차져는 서로 영향을 미치게 되어 따라서 하나의 가변식 터보 차져에 대한 설정 변화는 다른 가변식 터보 차져의 작동에 영향을 미치게 된다는 것이다. 또한, 본 발명자는 각각의 가변식 터보 차져에 대한 작동 조건은 엔진의 배치에 따라 달라지게 된다. 엔진을 따라 행해지는 이러한 배치는 소기 공기 리시버 내부에 실질적인 압력 파동이 존재한다는 사실로 인하여 개별 가변식 터보 차져의 작동에 중요한 영향을 미치게 된다. 대형 2행정 디젤 엔진에서, 이러한 파동 터보 차져의 작동에 영향을 미칠 정도로 충분히 큰데; 압력 파동으로 인하여 관련된 터보 차져의 속도에도 파동 현상이 나타나게 된다. 일반적으로, 낮은 주파수의 압력 파동은 소기 리시버의 단부 근처에서 가장 유해하다. 발명자는 복수의 터 보 차져 중 개별 터보 차져의 조건이 터보 차져 마다 다른데, 그 이유는 다수의 터보 차져 중 하나 또는 2개만이 동시에 정비(overhaul)될 수 있기 때문이라는 것을 인지하였다. 따라서, 다수의 터보 차져 중 일부는 최근에 정비될 수 있지만 다수의 터부 차져 중 다른 것들이 덜 좋은 상태에 있게 되어, 이러한 차이점을 고려한 제어 시스템에 대한 필요성이 대두되었다 .
발명자는 일반적인 터보 차져에 대한 것보다는 가변식 터보 차져에 대하여 기계적인 공차가 더 큰 것을 인지하였다. 따라서, 가변식 타입의 다수의 터보 차져에서의 개별 터보 차져들간의 차이점은 일반적인 터보 차져의 것보다 크다는 것을 인지하였다.
본 발명의 목적은 일렬로 배열된 다수의 실린더와, 상기 엔진의 소기 공기 리시버와 배출 가스 리시버 사이에서 나란하게 연결된 다수의 가변식 노즐 영역 터보 차져와, 상기 가변식 터보 차져에 연결된 제어기를 구비한 대형 2행정 디젤 엔진을 제공하는 것인데, 상기 제어기는 압력 제어기를 포함하는 외부 압력 루프와, 속도 제어기를 구비한 내부 속도 루프를 포함하며, 상기 압력 제어기는 결합된 터보 차져의 원하는 전체 노즐 영역을 결정하도록 구성되며, 상기 속도 제어기는 개별 터보 차져의 속도를 제어하도록 구성된다.
상기 소기 공기 리시버에서의 정확한 압력을 보장하는 외부 제어 루프와 각각의 가변식 터보 차져에 대한 내부의 개별적인 속도 제어 루프를 제공함으로써, 대형 2행정 디젤엔진에 나란하게 연결된 다수의 가변식 터보 차져를 위한 안정적이 며 유연한 제어 시스템이 얻어지게 된다.
바람직하게는, 상기 속도 제어기는 각각의 개별적인 가변식 터보 차져에 대하여 실질적으로 동일한 속도를 얻도록 구성된다.
상기 속도 제어기는 그외의 가변식 터보 차져상에 대하여 가변 터보 차져 중 하나의 변화된 설정에 대한 영향을 주기 위한 보상을 하도록 구성될 수 있다.
상기 속도 제어기는 개별 터보 차져의 상이한 배치에 의해 야기되는 소기 공기 리시버에서의 저-주파수 압력 파장에 노출된 차이점을 보상하도록 구성될 수 있다.
상기 속도 제어기는 개별 터보 차져의 유지 상태에 대하여 보상하도록 구성될 수 있다.
상기 속도 제어기에는 영구적 또는 정적인 차이점에 대한 보상을 위한 저속 제어부와, 동적 차이점에 대한 보상을 위한 고속 제어부가 제공된다.
상기 제어기는 서지 한계에 근접하게 가장 높은 효율로 설정되는 것에 근접하게 터보 차져가 작동하도록 구성된다.
상기 제어기는 엔진의 작동 상태, 예를 들어 입구 온도, 소기 공기 온도, 배출 리시버 압력, 배출 리시버 온도, 출구 온도 및/또는 출구 압력에 대한 표시 신호를 사용하게 되어, 서지 한계에 대하여 개별 터보 차져의 거리를 가능한 한 정밀하게 결정하게 된다.
본 발명의 다른 목적은 일렬로 배열된 다수의 실린더를 가진 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공기 리시버에 나란하게 연결된 다수의 가변식 터보 차져를 제어하 는 방법을 제공하는 것인데, 상기 방법은 소기 공기 압력 피드백 루프에서 같이 모든 가변식 터보 차져의 전체 원하는 노즐 영역을 제어하는 단계와, 다수의 가변식 터보 차져 속력 피드백 루프에서 같이 가변식 터보 차져의 전체 원하는 노즐 영역의 제약조건(constraint) 내에서 개별 가변식 터보 차져의 노즐 영역을 제어하는 단계를 포함한다.
개별터보 차져의 노즐 영역은 모든 터보 차져에 대하여 균일한 속력을 얻기 위한 목적으로써 제어될 수 있다.
선형 2차 조절기가 개별 터보 차져의 노즐 영역을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
균형 잡힌 응답으로 가진 서지 방지 동적 알고리즘은 작업 조건에서 급격한 변화가 발생할 때, 즉 거친 바다(프로펠러가 수면 위로 떠오르는 경우)의 경우, 급속한 속력 변화(충동 정지 및 조종)의 경우 및 그외의 경우에 적용될 수 있다. 이것은 특히 터보 차져 속력에서 현저한 변화가 있거나 터보 차져 중 하나가 파손된 경우에 관련된다.
개별 가변식 터보 차져들간의 정적인(static) 차이점은 가변 가변식 터보 차져들의 노즐 영역을 제어하는 것에 있어서 고려된다.
본 발명의 다른 목적은 일렬로 배열된 다수의 실린더, 상기 배출 가스 리시버 및 엔진의 소기 공기 리시버 사이에서 나란하게 연결된 다수의 가변식 노즐 영역 터보 차져, 상기 가변식 터보 차져에 연결된 제어기를 포함하는 대형 2행정 디젤 엔진을 제공하는 것으로서, 상기 제어기에는 각각의 가변식 터보 차져의 속력이 제공되며, 상기 가변식 터보 차져에는 그 노즐 영역을 변화시키기 위한 액튜에이터가 제공되며, 상기 제어기는 모든 가변식 터보 차져의 속력 및 고장나지 않은 터보 차져의 위치에 기초하여 고장난 액튜에이터를 구비한 가변식 터보 차져의 실제 노즐 영역을 결정하도록 구성된다.
대형 2행정 디젤 엔진의 특징, 장점, 특성, 및 추가적인 목적으로서, 본 발명에 따른 대형 2행정 디젤 엔진을 제어하는 방법은 하기의 설명으로부터 명확하게 드러나게 된다.
본원의 교시 내용은 다양한 장점을 가진다. 다른 실시예 또는 실현예는 하기의 장점 중 하나 이상을 수반한다. 이러한 것은 소모적인 리스트가 아니며, 여기서 설명되지 않은 다른 장점일 수 있다. 본원의 교시 내용중 하나의 장점은 본원은 대형 2행정 디젤 엔진에서 다수의 가변식 터보 차져의 안정적인 제어를 제공한다는 것이다. 본원의 교시 내용의 다른 장점은 본 발명은 개별 터보 차져들간의 정적인 차이점을 고려할 수 있는 대형 2행정 디젤 엔진에서의 다수의 가변식 터보 차져들을 제어할 수 있다는 점이다. 본원의 교시 내용의 다른 장점은 본원은 대형 2행정 디젤 엔진의 다수의 가변식 터보 차져들의 비상시 및/또는 곤란한 작동 조건에서의 제어가 가능하다는 것이다. 본원의 추가적인 장점은, 본원은 최적의 엔진 성능을 제공하면서 배출물을 감소시키고 마모도 감소된 가변식 터보 차져의 거의 균일한 속력을 제공할 수 있다는 것이다. 본원의 다른 장점으로서, 본원은 스톨의 위험성을 감소시킬 수 있는 제어 시스템을 제공할 수 있다는 것이다. 본원의 추가 적인 장점으로서, 파손 조작이 최적화된다. 본원의 추가적인 장점으로서, 터보 차져 작동 조건에서의 지역적 차이점이 대응될 수 있다는 것이다. 본원의 추가적인 장점으로서, 서로 다른 크기의 가변식 터보 차져를 최적으로 사용할 수 있다는 것이다. 본원의 추가적인 장점으로서, 가변식과 비가변식 터보 차져가 혼합된 대형 2행정 디젤 엔진에 대한 제어가 가능하며 대형 엔진에서의 가변식 터보 차져에 대한 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서, 본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 설명된다.
하기의 설명에서, 본 발명은 바람직한 실시예에 의해 설명된다. 도 1 내지 3은 흡기 및 배기 시스템을 가진 크로스헤드 타입의 대형 터보 차징 2행정 디젤 엔진을 도시한다. 상기 엔진(1)은 소기 공기 리시버(2) 및 배출 가스 리시버(3)를 구비한다. 이러한 각각의 리시버들은 엔진의 전체 길이를 따라 연장된다. 상기 엔진은 일렬로 배열된 다수의 실린더(특히 5 내지 14개)를 구비한다. 연소실에 속하는 배기 밸브는 4로 표시된다. 상기 엔진(1)은, 예를 들어 대양에서 항해하는 선박의 메인 엔진 또는 파워 스테이션의 발전기로서 작동하는 고정식 엔진으로서 사용될 수 있다. 상기 엔진의 전체 출력은, 예를 들어, 5,000 내지 110,000+ kW 의 범위에 있다. 상기 엔진(1)은 무거운 연료 오일에서 작동되게 되므로, 가열된 무거운 연료 오일 탱크 및 가열된 무거운 연료 오일 튜브(미도시)을 가진 무거운 연료 오일 시스템을 구비한다. 연료 분사 시스템의 이러한 가열된 요소들은 무거운 연료 오일이 대기중에서 극히 점성을 나타내기 때문에 엔진 정지시에 가열된다. 또한, 무거운 연료 오일 시스템(미도시)에는 엔진 정지시에 무거운 연료 오일이 무거운 연료 오일 시스템의 구성요소들을 통하여 유동하게 하는 순환 시스템이 제공된다. 상기 순환 시스템으로 인하여 자체적으로 전용의 가열 수단을 가지지 않은 무거운 연료 오일 시스템의 구성요소들이 엔진 정지시에 따뜻한 상태로 유지되며, 이러한 순환은 무거운 연료 오일 시스템의 디-에어레이션(de-aeration)을 촉진한다.
소기 공기는 소기 공기 리시버(2)로부터 개별 실린더의 소기 공기 포트(미도시)로 통과하게 된다. 상기 배기 배브(4)가 개방시에, 배기 가스는 제 1 배기 도관을 통하여 배출 리시버(3)로 향하게 되며, 제 1 배기 도관(5)을 통하여 다수의 가변식 터보차져(6) 중 가변 영역 터빈(7)(가변 노즐 영역을 구비한 터보 차져)로 향하게 되는데, 이러한 가변식 터보 차져로부터 배기 가스는 제 2 배기 도관(20)을 통하여 유동하게 된다. 각각의 가변 영역 터빈(7)은, 샤프트(8)를 통하여, 공기 입구(10)를 통해 공급되는 압축기(9)를 구동하게 된다. 상기 압축기(9)는 압축된 소기 공기를 소기 공기 리시버(2)로 연장되는 소기 공기 도관(11)에 전달하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가변식 터보 차져(6)는 상기 엔진(1)의 길이 방향으로 거의 균일하게 분포된다. 이러한 실시예에서, 3개의 가변식 터보 차져(6)가 존재하는데, 그 개수는 예시적인 것일 뿐이며, 더 많거나 작은 가변식 터보 차져가 존재할 수도 있다.
각각의 가변식 터보 차져(6)에는 관련된 가변식 터보 차져(6)의 노즐 영역을 제어하는 액튜에이터가 제공된다. 다수의 가변식 터보 차져의 각각의 액튜에이터는 제어기(50)에 연결된다.
상기 도관(11)에서의 흡입 공기는 약 200℃에서 36 내지 80℃의 수준으로 상기 압축기를 떠나는 냉각 차징/소기 공기를 위한 냉각 유니트를 통하여 통과한다. 일실시예에서, 상기 냉각 유니트(12)는 많은 양의 물이 차징/소기 공기를 가습하도록 분사되어 증발되는 스크러버에 존재하게 된다.
냉각되고 가습될 가능성이 있는 소기 공기는 상기 소기 공기 리시버(2)에 낮거나 부분적으로 부하 조건에서 소기 공기를 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 통하여 통과하게 된다. 보다 높은 부하에서, 상기 터보 차져 압축기(9)는 충분히 압축된 소기 공기를 운반하게 되며 보조 송풍기(16)는 비-복귀 밸브(15)를 통하여 바이패스 된다.
각각의 터보 차져(6)의 가변식 영역 터빈(7)은 액튜에이터를 통하여 제어기(50)에 연결된다. 상기 제어기(50)는 가변식 영역 터빈(7)의 노즐 영역을 제어하며 상기 제어기(50)는 엔진 작동 조건에 대한 정보를 수신한다.
도 4는 제어기(50)를 보다 상세하게 도시한다. 상기 제어기(50)는 2개의 제어 루프를 구비한다. 제 1 제어 루프는 도면에서 "압력 설정 지점"으로 표시된, 소정의 일정한 수준에서 소기 공기 압력을 유지하도록 구성된 압력 제어 루프이다. 상기 압력 제어 루프는 2개의 제어 루프 중 외부 루프이다. 또한, 상기 제어기(50)는 각각의 가변식 터보 차져(6)의 상대 속력을 개별적으로 제어하는 가변식 터보 차져 속력 제어 루프를 포함한다. 상기 가변식 터보 차져 속력 제어 루 프는 내부 루프인데, 즉 그것은 압력 제어 루프에 의해 설정된 한계 내에서만 작동하게 된다.
상기 압력 제어 루프는 상기 소기 공기 리시버(2)에서의 측정된 압력 및 압력 설정 지점 간의 차이에 대응하는 신호를 수신하는 압력 제어기를 포함한다. 상기 압력 제어기는 속력 루프에서 가변식 터보 차져 속력 제어기에 전해지는 원하는 전체 가변식 터보 차져 노즐 영역을 구비한 신호를 생성한다.
상기 가변식 터보 차져 속력 제어기는 피드백 제어 루프에서 각각의 가변식 터보 차져(6)의 속력을 개별적으로 제어한다. 따라서, 각각의 가변식 터보 차져(6)는, 관련된 가변식 터보 차져(6)가 관련된 개별적인 가변식 터보 차져의 노즐 영역의 설정을 위하여 가변식 터보 차져 속력 제어기로부터 개별 신호를 수신하고 상기 속력 제어기가 개개의 가변식 터보 차져(6)의 속력을 나타내는 신호를 수신하는 속력 제어 루프의 일부분이다.
상기 가변식 터보 차져 속력 제어기는 입구 온도, 소기 공기 온도, 배출 리시버 압력, 배출 리시버 온도, 출구 온도 및 출구 압력과 같은 다양한 엔진 작동 파라미터를 수신하며 이에 따라 개개의 가변식 터보 차져(6)에 제어 신호를 조절한다.
일실시예에서, 개개의 속력 제어 루프는 원하는 가변식 터보 차져 속력을 얻기 위하여 LQR 함수가 아니라 PID (proportional/integral/differential) 함수를 포함한다.
가변식 터보 차져 속력 제어기로 인하여, 결합된 가변식 터보 차져(6)의 노 즐 영역은 원하는 소기 공기 압력을 유지하기 위하여 압력 제어기의 출력 신호의 그것과 동일하다. 그러나, 각각의 터보 차져(6)의 노즐 영역은 결합된 가변식 터보 차져(6)의 전체 영역이 압력 제어기로의 출력 신호의 그것과 동일하게 되는 구속조건 내에서 변화하게 된다.
가변식 터보 차져들(6) 중 하나의 설정에서의 변화는 다른 가변식 터보 차져(6)에 영향을 미치게 된다. 예를 들어, 모든 터보 차져(6)의 영역이 감소되며, 모든 터보 차져(6)에 대한 가변식 터보 차져 속력은 증가하게 된다. 그러나, 가변식 터보 차져(6) 중 하나만이 감소하면, 그 특정 가변식 터보 차져(6)의 노즐 영역 속력은 감소하게 되는 반면에 다른 가변식 터보 차져(6)의 속력은 증가하게 된다. 적절한 제어 알고리즘이 없다면, 이러한 효과는 불안정한 상태가 되게 된다. 따라서, 속력 제어기는 터보 차져(6)들 중 하나의 설정의 변화가 다른 터보 차져에 나타나는 것을 고려하고, 터보 차져에서의 노즐 영역의 동시의 변화를 고려하도록 구성된다. 일실시예에서, 가변식 터보 차져 속력 제어기는 전술한 효과를 만나게 되고 시스템을 안정화시키는 제어기를 제공하는 선형 2차 조절기(LQR: linear quadratic regulator)를 포함한다.
빠르고 느린 제어는 상이한 목적을 위하여 동시에 행해진다. 하기에서 설명될 영구적인 차이점에 대한 보상은 느린 것으로 적용된다. 동적 차이, 예를 들어 현저한 부하 변화에 대한 보상은 빠른 것으로 적용된다.
가변식 터보 차져 속력 제어기는 일반적으로 각각의 가변식 터보 차져(6)에 대하여 실질적으로 동일한 속력을 얻도록 구성되는데, 그 이유는 엔진(1)은 모든 가변식 터보 차져(6)가 거의 동일한 속력을 가질 때 가장 효과적으로 작동하기 때문이다.
그러나, 동일한 속력에서 모든 가변식 터보 차져(6)의 작동 원리에 대한 약간의 예외가 있다.
그러나 예외 중 하나는, 소기 공기 리시버(2)의 압력 파동에 관한 것이다. 대형 소기 리시버(2)에서, 작동시에, 큰 저주파 파장이 존재한다. 터보 차져(6)가 "눈"(eye)의 위치에 있다면, 저주파 파장에 의해 나타나게 되는 큰 압력 파장에 대하여 어떠한 경험도 하지 않게 된다. 그러나, 실제로, 가변식 터보 차져(6)는 엔진의 길이 방향으로 균일하게 배치되어야 하며 그들 중 일부만이 정확하게 "눈"(eye)위치에 배치될 수 있다. 나머지 터보 차져(6)들은 특히 연장된 소기 공기 리시버(2)의 길이방향 단부 근처에 그것들이 배치될 때 큰 저주파 압력 파동에 노출되게 된다. 이러한 배치에서, 대형 저주파 압력 파동은 관련된 가변식 터보 차져(6)의 작동 조건에 영향을 미치게 된다. 결과적으로, 상기 터보 차져(6)의 속력은 파동 하게 되며 서지 라인에 인접한 이러한 저주파 압력 파동에 노출되는 가변식 터보 차져를 작동하는 것이 가능하지 않게 되는데, 그 이유는 서지 라인을 넘어서고 관련된 터보 차져(6)를 스톨시킬 위험이 너무 높기 때문이다.
따라서, 상기 제어기(50)에는 서리 라인으로부터 큰 마진으로 큰 압력 스윙에 노출되는 임의의 터보 차져(6)를 작동시키는 설정이 제공된다. 일반적으로, 이것은 큰 저주파 압력 파동에 노출된 가변식 터보 차져가 엔진(1)의 다른 터보 차져보다 약간 낮은 속력에서 작동한다는 것을 의미한다.
다른 인자는 개개의 가변식 터보 차져(6)에 대한 입구 온도에서의 차이이다. 상기 입구 온도는 각각의 터보 차져(6)에서 직접 측정되지만, 엔진룸의 온도 분포에 대한 정보와 결합된 엔진 룸의 온도 센서로부터 예측될 수 있다. 입구 온도에서의 이러한 차이점은 엔진의 길이 방향을 따라 관련된 가변식 터보 차져(6)의 배치에 관련될 수 있으며, 상기 제어기는 터보 차져 속력을 증가시킴으로써 서지 마진에 대하여 거리를 증가시키도록 구성된다.
다른 이슈도 관련되는데, 터보 차져 속력의 파동은 추가적인 마모를 가져오기 때문에, 파동하는 가변식 터보 차져의 속력은 감소되게 된다. 이러한 2가지 특징은 서로 반대 방향으로 제어부를 구동하게 된다. 그러나, 마모 상태가 최악인 약 75%를 넘어서는 서징에서는 문제점이 없게 되어, 상기 제어기는 높은 부하에서 속력을 감소시키고 부분적인 부하에서 속력을 증가시키면서 최적의 과정을 달성하도록 구성된다.
동일한 속력으로 엔진의 모든 터보 차져를 작동시키는 원칙의 또다른 예외는 개개의 가변식 터보 차져(6)의 유지 상태에 관련된다. 실제로, 한번의 유지기동안에 엔진(1)의 모든 터보 차져를 정비하는 것이 불가능하다. 이것은 복수개의 가변식 터보 차져(6) 중 하나 또는 두개만이 다음번 유지기 동안에 대기할 수 있다는 것을 의미한다. 더 양호한 유지 상태에서 가변식 터보 차져(6)는 새롭게 정비된 터보 차져(6)로서의 서리 라인에 인접하게 작동될 수 없다. 따라서, 상기 제어기(50)에는 개별 터보 차져(6)의 유지 상태가 제공되며, 정비되지 않은 터보 차져(6)보다 서지 라인에 인접하게 새로이 정비된 터보 차져를 작동하게 된다. 일 반적으로, 이것은 최근에 정비된 터보 차져(6)가 최근에 정비되지 않은 터보 차져보다 약간 높은 속력으로 작동하게 된다는 것을 의미한다.
또한, 가변식 터보 차져에 대한 구조 공차는 약간 높으며, 따라서 그 특징은 동일한 타입일지라도 터보차져마다 다르다. 상기 제어기는 이러한 차이점을 보상한다. 가변식 터보 차져(6)에서의 기계적인 공차의 결과는 터보 차져 속력에서의 오차로 나타나게 되는데, 그 이유는 제어기는 공차의 효과가 만나게 되는 가변식 터보 차져의 속력을 균형 맞추도록 구성되기 때문이다.
균형 잡힌 응답을 구비한 서지를 방지하는 동적 알고리즘은 개별 가변식 터보 차져(6)의 속력이 서로 현저하게 다르거나 가변식 터보 차져(6)들 중 하나가 파손되었을 때 적용된다.
상기 제어기(50)에는 파손 조작, 감독, 진단 모듈이 제공된다. 이러한 모듈은 위협적인 작동상태(충돌 정지, 풍랑, 등)에서의 최적의 응답과, 가변식 터보 차져 액튜에이터의 파손시의 최적의 응답 양자를 포함한다.
가변식 터보 차져(6) 중 하나의 액튜에이터의 파손시에, 노즐 위치는 다른 모든 가변식 터보 차져의 속력과 다른 터보 차져들의 위치에 의해 예측된다. 따라서, 제어기(50)는 결합된 모든 가변식 터보 차져들(6)의 노즐 영역의 합계를 알고 있으며, 결점이 없는 가변식 터보 차져(6)의 적절한 위치를 결정하게 된다.
도시되지 않은 일실시예에서, 터보 차져(6)들 중 하나 이상은 비가변식인 반면에, 엔진의 다른 터보 차져들은 가변식이다. 이러한 시스템에서, 제어기는 비가변식 터보 차져들의 노즐 영역을 알게 되며, 나머지 가변식 터보 차져들의 가변 영 역을 조절하게 된다.
일실시예에서, 상기 시스템은 2개의 터보 차져들을 구비한다. 하나는 가변식이며 다른 하나는 일반적인 것이다. 가변식 터보 차져는 일반적으로 2개중 하나는 크다. 작은 부하에서, 가변식 터보 차져는 배출 가스 리시버 압력을 증가시키기 위하여 가능한 한 가깝게 된다(최소 노즐 영역). 이로 인하여 터보 차져로 전달되는 에너지량은 증가하게 되며(우선 비가변식 터보 차져에서는 작게 된다), 소기 공기 압력은 증가된다. 가변식 터보 차져는 서지 한계의 우측에 유지된다. 높은 부하에서, 그것은 속력과 마모에 있어서, 작은(일반적인) 터보 차져에서 너무 높은 속력을 피하는 것을 목적으로 한다.
전술한 사항은 기존의 가변식 터보 차져 해결책에 비교하여 노즐 범위가 증가되는 향상점을 나타낸다.
동일한 원리는 2개 터보 차져 이상을 가진 시스템에 사용될 수 있다.
다른 특징은, 일반적인 타입의 다중 터보차져를 사용시에 치수를 크게 할 필요가 있는데, 그 이유는 그것들이 동일하게 되어야 하기 때문이다. 이러한 과대 치수의 문제점은 큰 터보 차져와 작은 터보 차져를 혼합함으로써 해결되는데, 한편으로는 이러한 혼합된 크기의 터보 차져 중 적어도 하나가 가변식일 때에만 달성된다.
전술한 것들에 대한 다양한 특징은 단독으로 또는 다양하게 결합된 형태로 사용될 수 있다. 본원의 교시 내용은 하드웨어와 소프트웨어를 결합함으로써 행해지는 것이 바람직하지만, 하드웨어에서 행해질 수 있다. 본원의 교시 내용은 컴퓨 터 판독 매체상의 컴퓨터 판독 코드로서 구현될 수 있다.
본원의 교시 내용은 예시적인 목적으로 설명되었지만, 이러한 상세한 설명은 예시적인 목적이라는 것이며, 다양한 변형이 본원의 교시 내용의 범위를 벗어나지 않는한 당헤 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 가능하다.
청구범위에서 사용된 용어 "포함하다"는 다른 구성요소나 단계를 배제하지 않음을 의미한다. 청구범위에서 단수의 구성요소는 그 구성요소가 복수개임을 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유니트는 청구범위에서 기재된 다수의 수단의 기능을 만족하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대형 2행정 디젤 엔진의 정면도이다.
도 2는 도 1의 2행정 디젤 엔진의 측면도이다.
도 3은 도 1의 엔진의 흡기 및 배기 시스템의 다이아그램이다.
도 4는 도 1의 엔진의 터보 차져에 대한 제어기를 도시하는 블록 다이아그램이다.

Claims (14)

  1. 일렬로 배열된 다수의 실린더를 구비한 대형 2행정 디젤 엔진에서, 다수의 가변식 노즐 영역 터보차져는 엔진의 소기 공기 리시버와 배출 가스 리시버 사이에서 나란하게 연결되며, 제어기는 상기 가변식 터보 차져에 연결되며,
    상기 제어기는 압력 제어기를 구비한 외부 압력 루프와 속력 제어기를 구비한 내부 속력 루프를 포함하며, 상기 압력 제어기는 결합된 터보 차져들의 원하는 전체 노즐 영역을 결정하도록 구성되며, 상기 속력 제어기는 각각의 개별 터보 차져들의 속력을 제어하도록 구성되는, 대형 2행정 디젤 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 속력 제어기는 개별 가변식 터보 차져에 대하여 실질적으로 동일한 속력을 얻도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 속력 제어기는 다른 가변식 터보 차져에 대한 가변식 터보 차져들 중 하나의 설정 변화가 영향을 보상하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 속력 제어기는 개별 터보 차져의 상이한 배치에 의해 야기되는 소기 공기 리시버에서의 저주파 압력 파장에 노출된 차이를 보상하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 속력 제어기는 개별 터보 차져들의 유지 상태를 보상하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 속력 제어기에는 동적 차이에 대한 보상을 위한 고속 제어와, 영구적이거나 정적인 차이에 대한 보상을 위한 저속 제어가 제공되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 서지 한계에 인접하게 최대한의 효율로 설정치에 가깝게 터보 차져를 작동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는, 개별 터보 차져들의 거리를 서지 한계에 가능한 한 정확하게 측정하도록, 입구 온도, 소기 공기 온도, 배출 리시버 압력, 배출 리시버 온도, 배출 온도 또는 출구 압력을 포함하는 그룹에서 선택되는 엔진 작동 상태를 나타내는 하나 이상의 신호를 사용하는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진.
  9. 일렬로 배열된 다수의 실린더를 가진 대형 2행정 디젤 엔진의 소기 공기 리시버에 나란하게 연결된 다수의 가변식 터보 차져를 제어하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    소기 공기 압력 피드백 루프와 함께 모든 가변식 터보 차져들의 원하는 전체 노즐 영역을 제어하는 단계와;
    다수의 가변 터보 차져 속력 피드백 루프와 함께 가변식 터보 차져의 원하는 전체 노즐 영역의 구속 조건 내에서 개별 가변식 터보 차져들의 노즐 영역을 제어하는 단계를 포함하는, 다수의 가변식 터보 차져를 제어하는 방법
  10. 제 9 항에 있어서,
    개별 터보 차져의 노즐 영역은 모든 터보 차져에 대하여 균일한 속력을 얻기 위하여 제어되는 것을 특징으로 하는 다수의 가변식 터보 차져를 제어하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    선형 2차 조절기는 개별 터보 차져들의 노즐 영역을 제어하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 다수의 가변식 터보 차져를 제어하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    균형 잡힌 응답을 가진 서지를 방지하는 동적 알고리즘은 개개의 가변식 터보 차져들의 속력이 현저하게 다르거나 가변식 터보 차져들 중 하나가 파손되었을 때 적용되는 것을 특징으로 하는 다수의 가변식 터보 차져를 제어하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    개개의 가변식 터보 차져들 간의 정적 차이는 개별 가변식 터보 차져들의 노즐 영역의 제어시에 의해 고려되는 것을 특징으로 하는 다수의 가변식 터보 차져를 제어하는 방법.
  14. 일렬로 배열된 다수의 실린더를 가진 대형 2행정 디젤 엔진에서, 다수의 가변식 노즐 영역 터보 차져들은 엔진의 배출 가스 리시버와 소기 공기 리시버 사이에서 나란하게 연결되며, 제어기는 상기 가변식 터보 차져에 연결되며, 상기 제어기에는 각각의 가변식 터보 차져이 속력이 제공되며, 상기 가변식 터보 차져에는 노즐 영역을 변화시키도록 액튜에이터가 제공되며, 상기 제어기는 모든 가변식 터보 차져의 속력과 파손되지 않은 터보 차져의 위치에 기초하여 파손된 액튜에이터를 가진 가변식 터보 차져의 실제 노즐 영역을 결정하도록 구성되는, 대형 2행정 디젤 엔진.
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