KR101246386B1 - 디젤 기관의 운전 제어 방법 및 운전 제어 장치, 디젤 기관 및 선박 - Google Patents

디젤 기관의 운전 제어 방법 및 운전 제어 장치, 디젤 기관 및 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 디젤 기관의 운전 제어 방법은 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관의 회전수 제어를 위해, 연료로의 물 주입률에 따라 연료 분사량을 조정한다. 특히, 배기 가스의 NOx 농도의 감소를 위해 물 주입률 설정기(11)에 설정되는 요구 물 주입률에 대하여, 수 에멀션 연료의 취급을 고려한 제한을 연산 요소(8) 등에 의해 가하고, 당해 제한된 물 주입률(x)에 따라 연료 분사량을 조정한다.

Description

디젤 기관의 운전 제어 방법 및 운전 제어 장치, 디젤 기관 및 선박 {METHOD FOR CONTROLLING OPERATION OF DIESEL ENGINE, APPARATUS FOR CONTROLLING OPERATION OF DIESEL ENGINE, DIESEL ENGINE, AND SHIP}
본 발명은 수 에멀션 연료(water emulsion fuel)를 사용하는 디젤 기관의 운전 제어 방법, 이와 같은 제어 방법을 실현하는 운전 제어 장치 및 디젤 기관, 당해 디젤 기관을 탑재한 선박에 관한 것이다.
디젤 기관의 운전 제어는 일반적으로는 거버너(governor) 등을 사용하여 연료 분사량을 조정하는 것에 의해 기관 회전수가 제어되고, 이 연료 분사량의 조정시에는 기관 회전수의 피드백이 행해진다. 즉, 기관 회전수의 설정값과 실제의 측정값을 비교하여, 이에 따라 연료 분사량을 증감시킨다. 다만, 과잉 토크의 발생을 방지하기 위해 토크 리미터(torque limiter)나, 소기압(掃氣壓)과의 밸런스를 맞추기 위해 소기압 리미터를 사용하여 연료량 제한도 실시하는 것이 통상이다. 이와 같은 운전 제어는 디젤 기관이 물을 첨가하지 않는 순연료를 사용하는 경우의 극히 일반적인 방법으로서 널리 알려져 있다.
그런데, 선박용 등의 디젤 기관에서는 연료 중에 물을 첨가하는 경우가 있다. 즉, A중유나 C중유 등에 물을 혼합하여 수 에멀션 연료로 하여 이를 디젤 기관에 공급한다. 이에 의해 기관의 연료 온도를 내리고, 배기 가스 중의 NOx량을 저감하는 것이다. 이와 같은 기술은 예를 들면 하기의 특허문헌1에 기재되어 있다.
특허문헌1 : 일본 특허 제3717315호 공보
디젤 기관에 수 에멀션 연료를 사용하는 것과 관련하여, 종래 적절한 운전 제어 방법이 확립되어 있지 않다. 이는 주로 다음의 2가지 점에 대하여 해결책이 발견되지 않았기 때문이다.
하나는 출력 토크의 변동에 대처하기 위한 방책이다. 수 에멀션 연료에는 물이 첨가되어 있기 때문에 이를 연료로 하는 경우에는 순연료를 이용하는 경우에 비하여 동일량이면 기관의 출력 토크가 저하된다. 따라서, 수 에멀션 연료를 사용하는 경우, 운전 제어 방법에 어떠한 수정을 가할 필요가 있다.
이에 관해서는, 기관 회전수를 피드백하면서 제어한다고 하는 상기한 일반적인 방법을 취하는 것에 의해서도 대응은 가능하다. 그러나, 이 경우는 출력 토크의 변동에 의해 기관 회전수가 변화한 후 이를 피드백하는 것에 의해 회전수가 설정값으로 수정되는 것이기 때문에 제어에 지연이 발생해버린다. 또한, 토크 리미터나 소기압 리미터의 설정을 변경할 필요가 있기 때문에, 기존의 제어 장치를 그대로 사용할 수 없다는 불이익도 있다.
또 하나의 과제는 배기 가스 중의 NOx 농도를 충분히 저감시키기 위한 물의 첨가량(물 주입량)을 많게 하고 싶을 때의 대응이다.
수 에멀션 연료는 도 6에 도시된 바와 같이, 물 주입률을 높게 하면 점도가 높아진다. 중유(특히 C중유)를 베이스로 하는 경우에는, 물 주입률을 올리면 점도가 지나치게 높아지게 되는 경우가 있는 것도 예상되지만, 물 주입률을 무제한으로 설정해도 좋을지 어떨지 명확하지 않다. 또한, 물 주입률을 제한한다고 해도, 지금까지 물 주입률에 의한 제어 방법을 나타낸 것이 없었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하여 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관의 운전 제어 방법으로서 적절한 것을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 동시에 이와 같은 운전 제어 방법을 실시할 수 있는 적절한 운전 제어 장치 및 디젤 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 디젤 기관의 운전 제어 방법은 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관의 운전 제어 방법이고, 연료로의 물 주입률에 따라 연료 분사량을 조정하는 것을 특징으로 한다.
이 방법에 의하면, 순연료에서 수 에멀션 연료로 변경한 때에 기관의 출력 토크가 저하했다가 수 에멀션 연료에서의 물 주입률이 변경했을 때에 출력 토크가 변동했다가 하는 것을 방지 또는 억제할 수 있다. 종래의 일반적인 운전 제어 방법과 같이 기관 회전수의 변동을 검지한 후에 연료 분사량을 조정하지 않고, 연료로의 물 주입률에 따라 물 주입률의 차이에 의해 기관 회전수가 변동하기 전에 연료 분사량을 조정하는 것이기 때문에 제어의 지연이 발생하지 않는다.
배기 가스의 성분 비율 요구를 위해 설정되는 요구 물 주입률에 대하여, 수 에멀션 연료의 특성을 고려하여 물 주입률에 제한을 가하는 것이 바람직하다. 여기서 언급하는 배기 가스의 성분 비율 요구는 예를 들면, NOx 농도의 필요 저감량 등에 따라 설정된다. 여기서 언급하는 수 에멀션 연료의 특성이란 가온에 의해 점도가 내려가지만 가온에 의한 온도 상승에 한계가 있는 것, 점도의 상승에 수반하여 연료가 배관 내를 흐르기 어렵게 되어 분사 밸브에서의 분사에 필요로 하는 에너지도 상승하는 것 등을 들 수 있다.
이와 같이 하여 요구 물 주입률에 제한을 가하면, 예를 들면 C중유라고 하는 점도가 높은 연료를 베이스로 한 수 에멀션 연료를 사용하는 경우에도, 점도가 지나치게 높게 되어 연료가 배관 내를 흐르기 어렵게 되거나, 실린더 내로의 연료 분사가 어렵게 되는 부적합 상태가 방지된다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 수 에멀션 연료의 점도는 성상에 따라 다른 곡선을 그리지만, 물 주입에 의해 높아지는 반면, 온도 상승에 의해 저하한다. 물 주입률을 올렸을 때 히터 등으로 연료를 가온하면 점도 상승은 억제할 수 있지만, 실제는 가온을 위한 열교환 효율에 한계가 있는 것 외에 연료 내의 물이 증발하는 부적합 상태를 초래하기 때문에, 일정 이상의 온도 상승은 곤란하다. 이 때문에, 무제한으로 점도를 조정할 수 있는 것은 아니며, 따라서 물 주입률을 요구 물 주입률대로 높이는 것에는 부적합 상태가 수반되기 쉽다.
그러나, 상기와 같이 하면, 요구 물 주입률에 적절한 제한이 가해져, 항상 원만한 연료 공급이 행해진다. 또한, 이 방법에서는, 연료 분사량을 조정하기 위한 기준으로서, 요구 물 주입률이 아닌 상기와 같이 제한된 실제의 물 주입률을 채용하기 때문에 연료 분사량이 적절히 정해져 원만한 회전수 제어가 실현된다.
요구 물 주입률에 대한 상기 제한은, 수 에멀션 연료를 가온하여 소정 점도까지 저하시키기 위해 정해지는 온도 상승 요구값과, 실현 가능한 온도 상승 한계값과의 차이를 산출하여 그 차이만큼 온도 상승을 억제하고, 온도 상승을 억제함으로 인하여 저하시킬 수 없었던 점도의 폭에 상당하는 물 주입률 폭만큼 상기 요구 물 주입률로부터 물 주입률을 낮추는 것에 의해 가해지는 것도 바람직하다.
이와 같이 하면, 실현 가능한 범위 내에서만 수 에멀션 연료를 가온할 수 있다. 또한, 온도 상승 요구값 중 실현되지 않은 온도 범위가 있고, 이에 의해 점도를 소정 점도까지 저하시킬 수 없는 가능성이 있어도, 이 저하시킬 수 없는 점도 폭에 상당하는 몫만큼 물 주입률을 요구 물 주입률로부터 낮추도록 하고 있기 때문에 결과적으로는 연료의 점도가 소정 점도로 제어되는 것이다. 즉, 연료 가온의 한계에 입각하여 요구 물 주입률에 적절한 제한이 가해져 연료의 점도를 목표로 하는 점도로 유지할 수 있고, 항상 원만한 연료 공급이 행해지게 된다.
상기 디젤 기관이 연료 조정 래크(rack)를 거버너로서 이용하여 연료 분사량을 조정하는 것인 경우, 물 주입률에 따라 상기 연료 조정 래크의 이동 한계를 변경하도록 하는 것이 바람직하다.
연료 분사량을 조정할 뿐만 아니라 물 주입률에 따라 이와 같이 연료 조정 래크의 이동 한계도 변경하면, 디젤 기관의 운전 제어는 더욱 바람직하게 된다. 어떠한 외력이나 제어 신호의 이상(異狀) 변동 등이 작용한 경우에도, 물 주입률에 따라 정해지는 상기 한계값을 초과하여 연료 조정 래크가 이동하지 않고, 기관에 악영향이 미치지 않게 되어 기관의 보호성이 높아진다. 또한, 연료 조정 래크의 이동 한계를 변경하기 위해, 상기 물 주입률로서 요구 물 주입률보다도 제한한 후에 얻을 수 있는 물 주입률을 채용하는 것이 바람직하다.
순연료를 사용하기 위해 설정된 제어 수단에 의해 순연료 분사량을 정함과 동시에, 당해 순연료 분사량에 물 주입률에 따른 보정을 가한 것에 의해, 수 에멀션 연료에 관한 연료 분사량을 조정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 순연료를 사용하는 경우에 넓게 행해지는 운전 제어 수단을 그대로 채용하면서 물 주입률에 따른 보정을 가하는 신규 부분을 추가하는 것에 의해 발명의 방법을 실시할 수 있다. 기존의 방법을 그대로 채용할 수 있으면, 이미 가동중의 디젤 기관에 간편하게 도입할 수 있고, 제어 기구의 조정도 용이하다.
또한, 순연료의 온도와 점도를 측정하는 것에 의해 순연료의 성상을 분류하고, 분류된 성상과 분류된 성상에 대응하는 온도 상한 및 점도 상한에 기초하여 물 주입률에 제한을 가하는 것도 바람직하다. 여기서 말하는 성상이란 예를 들면 연료의 명칭이나 종별 등을 말하고, 가온시의 온도 상한이나 점도 상한을 결정하는 인자이다.
연료 탱크 내에 성상이 다른 순연료를 보충한 경우 등에는, 거기까지의 연료와 혼합되는 것에 의해 연료의 성상이 명확해지지 않는 경우가 있다. 이와 같은 경우에, 예를 들면 온도ㆍ점도ㆍ성상의 관계를 나타내는 데이터 등에 기초하여 그 연료의 성상을 판정하고, 이에 의해 특정되는 수 에멀션 연료의 상한 온도와 상한 점도를 파악하고, 더욱이 이에 기초하여 물 주입률 제한값을 산출하는 것이다. 그렇게 하여 구해진 제한값에 기초하여 물 주입률에 제한을 가하면, 수 에멀션 연료가 과잉한 고점도가 되는 것이 방지되고, 원만한 연료 공급이 실현된다.
순연료의 성상이 이미 알려져 있는 경우에 있어서, 수 에멀션 연료의 온도와 점도를 측정하는 것에 의해 그 수 에멀션 연료의 물 주입률을 검출하고, 그 물 주입률에 따라 연료 분사량을 조정하도록 하는 것도 바람직하다.
사용하고 있는 순연료의 성상이 알려져 있는 경우, 점도계나 온도계 등에 의해 수 에멀션 연료의 점도와 온도를 측정하면, 그 연료에 대한 현재의 물 주입률을 검출할 수 있다. 그리고, 이와 같이 하여 검출한 물 주입률로부터 연료 분사량을 보정하는 것에 의해, 물 주입률의 변화 등에 수반하는 출력 토크의 변화를 적절히 방지 또는 억제하는 것이 가능하고, 원만한 회전수 제어를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 디젤 기관의 운전 제어 장치는 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관에 부설되고, 상기 운전 제어 방법을 수행하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 디젤 기관은 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관이고, 상기 운전 제어 방법을 수행하는 것이다. 본 발명에 따른 선박은 이와 같은 디젤 기관을 구비하는 것이다.
이와 같은 운전 제어 장치 또는 디젤 기관에 의하면, 상기 운전 제어 방법을 실시하여 수 에멀션 연료의 적절한 공급과 기관 회전수의 원만한 제어를 실현할 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면 참조하에 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해진다.
본 발명에 의하면, 수 에멀션 연료에서의 물 주입률이 변동할 때의 출력 토크 및 기관 회전수의 변동이 제어 지연을 수반하지 않고 적절하게 방지 또는 억제된다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤 기관에 수 에멀션 연료를 공급하는 시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디젤 기관의 운전 제어 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 디젤 기관의 운전 제어 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 4a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 디젤 기관의 운전 제어 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 4b는 도 4a에 도시한 운전 제어 장치의 물 주입률 판정기에 의해 참조될 수 있는 연료의 온도 및 점도와 소정 온도 환산의 점도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4c는 도 4a에 도시한 운전 제어 장치의 물 주입률 제한 설정기에 의해 결정될 수 있는 3차원 맵(map)의 일 예이다.
도 5a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디젤 기관의 운전 제어 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 5b는 도 5a에 도시한 운전 제어 장치의 물 주입률 검출기에 의해 참조될 수 있는 3차원 맵의 일 예이다.
도 6은 중유를 베이스로 한 수 에멀션 연료의 일반적인 점도 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 수 에멀션 연료를 디젤 기관에 공급하는 시스템(100)의 계통도이다. 이 시스템(100)에 있어서는, 순연료와 청수(淸水)가 수 에멀션 믹서(water emulsion mixer)(이하 단순히 「믹서」라고 한다)(101)에 의해 혼합되고, 이와 같이 하여 순연료와 청수를 혼합하여 되는 수 에멀션 연료가 디젤 기관의 주 기계(102)에 보내진다. 구체적으로는 주 기계(102)의 연료 밸브(미도시)에 보내지고, 이 연료 밸브에서 주 기계(102)의 기통에 수 에멀션 연료가 소요(所要)의 분사량만큼 분사된다. 주 기계(102)로부터의 연료는 벤트 탱크(103)(vent tank)에서 회수되고, 회수한 연료는 연료 유로(104)로 유입하여 믹서(101)로 순환한다.
순연료를 모아두는 탱크(미도시)로부터 믹서(101)에 이르는 연료 유로(104)에는 연료 공급 펌프(105)가 설치되고, 당해 펌프(105)에 의해 탱크 내의 순연료가 믹서(101)에 공급된다. 또한, 연료 유로(104)에는 순연료의 점도 및 온도를 측정하기 위한 점도ㆍ온도계(106)와 믹서(101)에 유입되는 순연료의 질량 유량을 측정하기 위한 질량 유량계(107)가 설치되어 있다. 또한, 순연료로서는 예를 들면 A중유, C중유 또는 이들이 혼합된 것이 이용된다.
청수는 디젤 기관을 탑재한 선박 내에 설치된 탈염 장치(미도시) 등을 그 공급원으로 하고, 그 공급원으로부터 믹서(101)에 이르는 청수 유로(108)에는 물공급 유닛(109)이 설치되어 있다. 물공급 유닛(109)의 작동에 따라 소요 유량의 청수가 믹서(101)에 보내진다.
믹서(101)로부터 주 기계(102)에 이르는 수 에멀션 유로(110)에는 연료 순환 펌프(111)가 설치되고, 당해 펌프(111)에 의해 믹서(101)에서의 수 에멀션 연료가 주 기계(102)에 보내진다. 수 에멀션 유로(110)의 하류부에는 수 에멀션 연료를 여과하는 여과기(112)가 설치되어 있다. 또한, 수 에멀션 유로(110)에는 연료 히터(113)가 설치되어, 주 기계(102)에 보내는 수 에멀션 연료를 가온 가능하게 구성되어 있다. 더욱이, 수 에멀션 유로(110)에는 연료 히터(113)에 의한 가온후의 수 에멀션 연료의 점도 및 온도를 측정하기 위한 점도ㆍ온도계(114)와, 연료 순환 펌프(111)에서 압송되어 연료 히터(113)로 유입되는 수 에멀션 연료의 질량 유량을 측정하기 위한 질량 유량계(115)가 설치되어 있다.
도 2에 도시한 제1 실시예에 따른 운전 제어 장치는 수 에멀션 연료가 사용될 수 있는 디젤 기관에 부설되고, 거버너(governor)로서 연료 조정 래크(rack)(이하, 이를 단순히 「거버너 래크」라고 한다)를 사용하는 디젤 기관의 회전수 제어를 수행하는 것이다. 이 운전 제어 장치는 수 에멀션 연료의 사용을 고려하는 것으로부터 점도의 조작 부분과 물 주입률의 조작 부분을 가지고 있다. 또한, 기관 회전수를 피드백하여 연료 분사량을 결정 및 출력하는 종래 일반적으로 사용되어 온 제어부(50)를 그대로 구비하고 있다. 그리고, 점도 및 물 주입률의 각 조작 부분이 최종적으로 결정된 물 주입률에 따라 제어부(50)가 출력하는 연료 분사량을 보정(조정)하고, 이에 따라 거버너 래크를 조작한다.
제어부(50)는 물 주입률이 제로(0)의 순연료를 사용하는 경우에 일반적으로 사용되고, 회전수 설정부(51), 비교부(52), 불감대(不感帶) 요소(53), 제어기(54), 토크 리미터(55), 소기압 리미터(56) 및 연료 제한부(57)를 가지고 있다.
회전수 설정부(51)에는 기관 회전수 설정값이 설정되고, 비교부(52)는 이 설정값을 측정되어 피드백된 실제의 기관 회전수 측정값과 비교한다. 비교부(52)에서 얻은 쌍방의 값의 차이가 불감대 요소(53)를 통하여 제어기(54)(예를 들면, PI 제어부)에 입력되고, 또 당해 제어기(54)를 통하여 연료 제한부(57)에 입력된다. 제어기(54)의 출력은 토크 제한 함수를 갖는 토크 리미터(55)에도 입력되고, 연료 제한부(57)에는 토크 리미터(55)로부터의 제한값이 입력된다. 또한, 소기압에 대한 연료량의 밸런스를 잡을 필요성에서, 소기압 센서에 의해 측정된 소기압 측정값이 소기압 제한 함수를 갖는 소기압 리미터(56)에 입력되고, 연료 제한부(57)에는 소기압 리미터(56)로부터의 제한값도 입력된다. 연료 제한부(57)는 각 리미터(55, 56)로부터의 출력에 기초하여 제한된 연료 분사량(m)을 출력하도록 구성되고, 이에 의해 디젤 기관이 과대한 토크를 발생하는 것을 피할 수 있다.
상기한 구성 및 기능은 순연료의 사용을 전제한 디젤 기관의 운전 제어에 있어서 널리 채용되고 있다. 본 실시예의 운전 제어 장치는 수 에멀션 연료의 사용을 고려한 제어를 실행하나, 이들 리미터(55, 56)가 가지는 각 제어 함수 등도 전혀 변경하지 않고 이 기존의 제어부(50)를 그대로 구성하고 있다.
점도의 조작 부분은 디젤 기관의 운전 제어 장치에 새롭게 부가된 부분이고, 설정 전환기(1), 비교부(2), 불감대 요소(3), 제어기(4), 제한 요소(5), 비교부(6), 요소(7) 및 연산 요소(8)를 가지고 있다.
설정 전환기(1)는 수 에멀션 연료의 점도 설정을 하는 요소이고, 조작원에 의해 전환 가능하게 구성되어 있다. 설정 전환기(1)에는 예를 들면 A중유의 점도 설정값이 미리 설정된 점도 설정부(1a)와, C중유의 점도 설정값이 미리 설정된 점도 설정부(1b)가 접속되어 있다. A중유를 베이스로 하여 사용하는 경우에는, 설정 전환기(1)를 전환 조작하는 것에 의해 점도 설정부(1a)로부터의 설정값이 설정 전환기(1)에 입력되는 상태가 선택되고, 이에 의해 점도 설정값이 A중유에 대응한 2 ~ 5 cSt로 정해진다. 또한, C중유를 베이스로 하는 경우에는, 점도 설정부(1b)로부터의 설정값이 설정 전환기(1)에 입력되는 상태가 선택되고, 이에 의해 점도 설정값이 C중유에 대응한 10 ~ 20 cSt로 정해진다. 비교부(2)는 설정 전환기(1)에 의해 정해진 점도 설정값을 점도ㆍ온도계(114)(도 1 참조)에서 측정된 실제의 연료 점도 측정값과 비교하고, 비교부(2)에서 얻은 쌍방의 값의 차이가 불감대 요소(3)를 통하여 제어기(4)(예를 들면 PI 제어부)에 입력된다. 제어기(4)는 이 차이에 기초하여 수 에멀션 연료를 점도 설정값으로 하기 위해 필요로 하는 온도 상승폭(온도 상승 요구값)을 연산한다. 이 온도 상승 요구값은 연료 히터(113)(도 1 참조)의 능력 한계나 각종 트러블(trouble)의 회피를 고려하여 온도 상승의 상한을 설정한 제한 요소(5)에 입력된다. 제한을 넘는 온도 상승 요구값이 입력된 경우, 제한 요소(5)는 연료 온도가 이 제한된 그 온도(온도 상승 한계값)만큼 상승하도록 연료 히터 온도를 조작한다.
비교부(6)에는 제어기(4)의 출력인 온도 상승 요구값과 제한 요소(5)의 출력인 온도 상승 한계값이 입력되고, 비교부(6)는 쌍방의 값의 차이를 산출하여 요소(7)에 출력한다. 요소(7)는 이 쌍방의 값의 차이에 기초하여, 온도 상승 요구값보다도 온도 상승 한계값이 작도록 하기 위해 연료의 온도 상승을 억제한 정도를 나타내는 온도폭(a)을 산출한다. 이 온도폭(a)은 연산 요소(8)에 입력되고, 연산 요소(8)에 있어서 함수 f1(a)에 의해 온도폭(a)의 부분만큼 점도 저하가 억제된 점도폭에 상당하는 물 주입률 폭으로 변환된다. 물론, 온도 상승 요구값과 온도 상승 한계값의 차이가 제로(0)일 때에는, 온도폭(a) 및 이에 상당하는 물 주입률 폭도 제로(0)로 된다.
물 주입률의 조작 부분은 디젤 기관의 운전 제어 장치에 새롭게 부가된 부분이고, 물 주입률 설정기(11), 감산부(12), 제한 요소(13) 및 연산 요소(14)를 가지고 있다.
물 주입률 설정기(11)에는 물 주입률 설정값으로서 배기 가스 중의 NOx 농도를 소정폭 만큼 저감하는데 필요한 수 에멀션 연료로의 요구 물 주입률이 입력된다. 이 물 주입률로부터 상기 연산 요소(8)에 의해 구해진 물 주입률 폭을 감산부(12)로 줄이는 것에 의해 온도 제한에 기인하여 실현 가능한 범위에서 제한된 물 주입률을 산출한다. 이와 같이 하여 산출한 물 주입률은 또 제한 요소(13)에 입력되고, 이 제한 요소(13)에 의해 사용하는 물 주입기의 능력에 기인하여 실현 가능한 물 주입률을 구한다. 요구 물 주입률이 예를 들면 50%, 물 주입률 폭이 예를 들면 10%로 한 경우, 감산부(12)에 있어서 40%의 물 주입률이 산출되고, 이 40%의 물 주입률이 제한 요소(13)에 의해 예를 들면 35% 정도의 물 주입률로 변환될 수 있다. 다만, 이 수치는 설명의 편의를 위한 하나의 예에 지나지 않고, 상황에 따라 적절히 변경될 수 있는 것이다.
이 제한 요소(13)가 구한 물 주입률이 최종 결정의 물 주입률(x)로서 다루어지고, 제한 요소(13)는 실제의 물 주입률이 이 최종 결정의 물 주입률(x)로 되도록 물 주입률을 조정하기 위해 디젤 기관에 설치되는 물공급 유닛(109)(도 1 참조) 등의 기기류를 조작한다. 또한, 이 물 주입률(x)과 제어부(50)가 출력하는 연료 분사량(m)이 연산 요소(14)에 입력된다. 연산 요소(14)는 함수 f0(m, x)에 따라 물 주입률(x)에 따른 적절한 수 에멀션 연료의 연료 분사량을 산출한다. 여기서 말하는 적절한 연료 분사량이란 물 주입률에 관계없이 기관의 출력 토크를 일정하게 하는 것이 가능한 연료 분사량이다. 또한, 함수 f0(m, x)는 예를 들면, f0(m, x) = (1 + x/100)ㆍm (여기서 x는 백분율)로 할 수 있다. 다만, 이 관계식은 일 예에 지나지 않고, 함수 f0(m, x)는 시험에 의해 도출된 그 외의 관계식에 의해 표현될 수도 있다.
본 실시예의 디젤 기관에 있어서는, 거버너 래크의 변위에 기초하여 소정의 분사량의 연료가 연료 밸브(미도시)에서 분사되도록 구성되고, 통상 거버너 래크는 그 변위가 전기 제어되는 경우에 있어서도 기계적으로 일정의 이동 범위 내에서 변위하도록 구성되며, 이 때문에 거버너 래크를 이용한 분사량의 조정범위에도 거버너의 이동 한계에 대응하여 한계가 있다. 이와 같은 경우, 연산 요소(14)가 구한 연료 분사량은 거버너 래크에 대응 부가된 제한 요소(16)에 입력되고, 제한 요소(16)에 있어서 이 이동 한계를 고려하여 제한된 연료 분사량이 구해진다. 제한 요소(16)는 연료가 이 제한된 분사량만큼 분사되도록 거버너 래크를 조작한다.
이상에 의해, 수 에멀션 연료의 적절한 공급과 기관 회전수의 원만한 제어가 실현된다.
도 3에 도시한 제2 실시예에 따른 운전 제어 장치에 있어서도, 도 2에 도시한 제1 실시예와 동일하게 종래 일반적으로 사용되어 온 제어부(50)가 그대로 구성되어 있음과 동시에, 수 에멀션 연료의 사용을 고려하여 점도 및 물 주입률의 각 조작 부분이 결정한 물 주입률에 대응하여, 제어부(50)의 출력인 연료 분사량을 보정하고, 이로써 적정한 연료 분사량을 얻도록 구성된다. 도 2의 예와 동일 구성 부분에는 동일의 부호를 부여하여 중복되는 상세 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예의 운전 제어 장치는 물 주입률(x)(즉 요구 물 주입률에 제한을 가하여 얻어진 물 주입률)에 기초하여 거버너 래크의 이동 한계를 변경하기 위해, 연산 요소(15)를 가지고 있다. 이 연산 요소(15)는 제한 요소(13)에 의해 구해진 물 주입률(x)이 입력되고, 거버너 래크의 이동 제한값을 보정 함수 f2(x)에 의해 정하고, 이 이동 제한값이 제한 요소(16)에 입력된다. 또한, 함수 f2(x)는 예를 들면, 함수 f2(x) = (1 + x/100)ㆍL0로 할 수 있다. 여기서, L0는 순연료에서의 거버너 래크의 이동 한계값이다. 다만, 이 관계식은 일 예에 지나지 않고, 보정 함수 f2(x)는 시험에 의해 구한 다른 관계식으로 나타낼 수도 있다. 제한 요소(16)에 의해 입력된 이동 제한값에 따라 거버너 래크의 이동 한계가 변경되기 때문에 기관에 있어서의 기계적 안전성을 높인 바람직한 제어를 행할 수 있다.
도 4a에 나타낸 제3 실시예에 따른 운전 제어 장치는 수 에멀션으로 하여 사용하고 있는 순연료의 성상이 불명인 경우의 디젤 기관의 운전 제어를 실행할 때에 알맞게 이용될 수 있다. 여기서 말하는 성상이란 예를 들면 연료의 명칭이나 종별 등을 말하고, 가온시 온도 상한이나 점도 상한 등의 연료 특성을 결정하는 인자로 된다. 본 실시예의 운전 제어 장치는 사용하고 있는 순연료의 온도와 점도를 측정하고, 이들 측정값을 기름 성상 판정기(31)에 입력하는 것에 의해 기름 성상을 분류하도록 구성되고, 상기한 제어 방법은 2종 이상의 순연료가 혼합된 것에 의해 탱크 내의 기름 성상이 불명확해진 경우 등에 있어서 의의가 있다.
기름 성상 판정기(31)는 도 4b에 나타낸 바와 같은 관계성을 이용하여 순연료 온도와 순연료 점도에 대응하여 소정 온도 환산의 점도를 산출하고, 당해 소정 온도 환산의 점도에 기초하여 탱크 내의 순연료의 기름 성상을 판정한다. 순연료의 온도 및 점도는 연료 유로(104)(도 1 참조)에 설치된 온도ㆍ점도계(106)(도 1 참조)에 의해 측정되고, 기름 성상 판정기(31)에는 이 온도ㆍ점도계(106)의 측정값이 입력된다.
그리고, 순연료의 기름 성상을 명확하게 하면, 물 주입률 제한 설정기(32)는 당해 순연료에 청수를 혼합하여 이루어지는 수 에멀션 연료의 온도 및 점도에 대응하여 물 주입률 상한을 구하기 위한 3차원 맵(map)을 명확해진 기름 성상에 기초하여 결정한다. 도 4c에는 어떤 기름 성상에 기초하여 결정될 수 있는 물 주입률 상한을 구하는 맵(해칭 영역 참조)의 일 예를 나타내고 있다. 결정된 맵을 참조하는 것에 의해 온도 상한 설정값 및 점도 상한 설정값 및 명확해진 기름 성상의 관계로부터 물 주입률 제한 설정기(32)로 물 주입률의 상한 설정값이 산출 가능해진다.
연료 내로의 물 주입률 설정값은 배기 가스 중의 NOx 농도의 목표 저감량에 대응 부가되어 물 주입률 설정기(36)에 입력되지만, 이에는 물 주입률 제한 설정기(32)에 의한 산출 결과를 반영시킨다. 즉, 물 주입률 제한 설정기(32)가 산출한 물 주입률의 상한 설정값에 기초하여 제한 요소(37)에 있어서의 물 주입률 제한의 조건을 정하는 것으로 하고, 물 주입률 설정값은 당해 제한 요소(37)로 제한된 물 주입률(x)로 변환한다.
또한, 본 실시예에 있어서도, 순연료에 대하여 종래 일반적으로 사용되어 온 제어부(50)가 그대로 구성되어 있고, 연산 요소(14)에는 제어부(50)의 출력인 연료 분사량(m)과 상기 물 주입률(x)이 입력된다. 연산 요소(14)는 함수 f0(m, x)에 의해 적정한 연료 분사량을 결정하고, 구한 연료 분사량을 제한 요소(16)에 출력하며, 제한 요소(16)는 거버너 래크의 이동 한계를 고려한 제한된 분사량만큼 수 에멀션 연료가 분사되도록 거버너 래크의 조작을 수행한다. 이와 같이 하는 것에 의해, 순연료가 미지인 경우에도, 출력 토크의 변동을 억제하여 디젤 기관을 적절히 운전 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 연료의 성상을 분류하기 위한 요소(31, 32)를 가지고 있는 것을 특징으로 하고 있으나, 도 2 및 도 3에 나타내는 제1 및 제2 실시예가 특징으로 하는 물 주입률 제한을 가하는 것도 가능하다.
도 5a에 나타낸 제4 실시예에 따른 운전 제어 장치는 수 에멀션으로 하여 사용하고 있는 순연료의 성상이 알려져 있어 물 주입률이 불명한 경우의 디젤 기관의 운전 제어에 알맞게 이용될 수 있다. 사용중의 순연료의 성상이 이미 알려지면, 수 에멀션 연료의 온도와 점도를 측정하는 것에 의해 그 수 에멀션 연료의 물 주입률을 검출할 수 있기 때문에, 검출한 물 주입률에 기초하여 디젤 기관의 토크 제어 및 회전수 제어를 수행할 수 있다.
구체적으로는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 이미 알고 있는 기름 성상과 온도계 및 점도계로 각각 실측한 수 에멀션 연료의 온도 측정값 및 점도 측정값이 물 주입률 검출기(41)에 입력된다. 물 주입률 검출기(41)는 도 5b에 예시하는 바와 같이 온도와 점도의 2요소를 파라미터로 하여 물 주입률과의 관계를 나타내는 3차원 맵을 참조 가능하게 구성되고, 이 3차원 맵에 기초하여 사용중의 수 에멀션 연료의 물 주입률이 검출된다. 물 주입률 검출기(41)에서 검출된 물 주입률이 최종 결정의 물 주입률(x)로서 다루어진다. 이 물 주입률(x)은 상기 실시예와 마찬가지로 하여 구성되어 있는 제어부(50)의 출력인 연료 분사량(m)과 함께 연산 요소(14)에 입력된다. 이들의 입력을 받아 연산 요소(14)는 함수 f0(m, x)에 의해, 수 에멀션 연료에 대한 적정한 연료 분사량을 결정한다. 이 적정량에 기초하여, 거버너 래크에 대응 부가한 제한 요소(16)를 통하여 거버너 래크의 조작을 행한다. 이와 같이 하면, 수 에멀션 연료의 물 주입률이 불명한 경우에도, 디젤 기관을 적절히 운전 제어할 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에 있어서는, 디젤 기관에 설치되는 연료 분사를 위한 디바이스가 연료 조정 래크를 이용하는 거버너인 경우를 예시하였으나, 이를 대신하여 연료 밸브를 전자 밸브로 할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 디젤 기관은 전자 밸브 등에 의해 연료 분사량을 조정하는 일반적으로 전자 제어식으로 불리는 것에도 알맞게 적용할 수 있다.
상기 설명으로부터 당업자에 있어서는 본 발명의 다양한 개량이나 다른 실시예가 명확하다. 따라서, 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 할 것이고, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에 교시하는 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않고, 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명은 수 에멀션 연료에 있어서의 물 주입률이 변동할 때의 출력 토크 및 기관 회전수의 변동이 제어 지연을 수반하지 않고 적절히 방지 또는 억제되는 작용 효과를 가져오고, 선박용 디젤 기관을 비롯하여 수 에멀션 연료가 사용될 수 있는 다양한 디젤 기관에 이용할 수 있다.
1 점도 설정 전환기
4 제어기
8 연산 요소
11 물 주입률 설정기
13 제한 요소
14 연산 요소
31 기름 성상 판정기
41 물 주입률 검출기
50 제어부

Claims (10)

  1. 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관의 운전 제어 방법으로서,
    연료로의 물 주입률에 따라 연료 분사량을 조정하며,
    배기 가스의 성분 비율 요구를 위해 설정되는 요구 물 주입률에 대하여, 수 에멀션 연료의 특성을 고려하여 물 주입률에 제한을 가하고,
    요구 물 주입률에 대한 제한은,
    수 에멀션 연료를 가온하여 소정 점도까지 저하시키기 위해 정해지는 온도 상승 요구값과, 실현 가능한 온도 상승 한계값과의 차이를 산출하여 이 차이만큼 온도 상승을 억제하고, 온도 상승을 억제함으로 인하여 저하시킬 수 없었던 점도의 폭에 상당하는 물 주입률 폭만큼 물 주입률을 상기 요구 물 주입률로부터 내리는 것에 의해 가해지는 것을 특징으로 하는 디젤 기관의 운전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디젤 기관이 거버너로서 연료 조정 래크를 이용하여 연료 분사량을 조정하는 것이고,
    물 주입률에 따라 상기 연료 조정 래크의 이동 한계를 변경하는 것을 특징으로 하는 디젤 기관의 운전 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    순연료를 사용하기 위해 설정된 제어 수단에 의해 순연료 분사량을 정함과 동시에,
    당해 순연료 분사량에 물 주입률에 따른 보정을 가하는 것에 의해, 수 에멀션 연료에 관한 연료 분사량을 산출하는 것을 특징으로 하는 디젤 기관의 운전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    순연료의 온도와 점도를 측정하는 것에 의해 순연료의 성상을 분류하고, 분류된 성상과 분류된 성상에 대응하는 온도 상한 및 점도 상한에 기초하여 물 주입률에 제한을 가하는 것을 특징으로 하는 디젤 기관의 운전 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    순연료의 성상이 이미 알려진 경우에 있어서, 수 에멀션 연료의 온도와 점도를 측정하는 것에 의해 수 에멀션 연료의 물 주입률을 검출하고, 상기 물 주입률에 따라 연료 분사량을 조정하는 것을 특징으로 하는 디젤 기관의 운전 제어 방법.
  6. 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관에 부설되고, 제1항 또는 제2항에 기재된 운전 제어 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 기관의 운전 제어 장치.
  7. 수 에멀션 연료를 사용하는 디젤 기관이고, 제1항 또는 제2항에 기재된 운전 제어 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 기관.
  8. 제7항에 기재된 디젤 기관을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.
  9. 삭제
  10. 삭제
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