KR101658530B1 - 엔진 시스템 - Google Patents

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KR101658530B1
KR101658530B1 KR1020150080618A KR20150080618A KR101658530B1 KR 101658530 B1 KR101658530 B1 KR 101658530B1 KR 1020150080618 A KR1020150080618 A KR 1020150080618A KR 20150080618 A KR20150080618 A KR 20150080618A KR 101658530 B1 KR101658530 B1 KR 101658530B1
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타카히로 나카지마
카츠히로 요시자와
준타 아키야마
마사노리 히가시다
테츠오 노가미
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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

과급기의 가동 대수를 변경할 때에, 엔진 본체의 연소 상태의 악화를 억제할 수 있는 엔진 시스템을 제공한다. 엔진 시스템(100)은, 복수의 실린더(11)를 갖는 엔진 본체(10)와, 각 실린더(11)에 소기 가스를 공급하는 소기관(20)과, 공기를 승압하여 소기 가스로서 소기관(20)에 공급하는 주과급기(40)와, 주과급기(40)와 병렬로 배치되어 있으며 공기를 승압하여 소기 가스로서 소기관(20)에 공급하는 부과급기(50)와, 압축 공기를 내부에 보유하는 압축 공기 탱크(60)와, 압축 공기 탱크(60)가 보유하는 압축 공기를 소기관(20)에 공급하는 압축 공기 공급 배관(61)과, 압축 공기 공급 배관(61)에 설치된 압축 공기 제어 밸브(62)를 구비하고 있다.

Description

엔진 시스템{ENGINE SYSTEM}
본 발명은, 복수대의 과급기를 구비하며, 운전 상태에 따라 과급기의 가동 대수를 변경할 수 있는 엔진 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 과급기를 구비한 엔진 시스템에서는, 엔진 본체가 고부하인 때에 효율적인 운전을 할 수 있도록 과급기가 선정된다. 다만, 연비 등의 관점에서 엔진 본체를 중부하 및 저부하로 운전하는 경우가 많은 엔진 시스템에서는, 주과급기와 부과급기의 2대의 과급기를 구비하는 경우도 있다(특허문헌 1 및 2 참조).
이러한 엔진 시스템에서는, 엔진 본체를 고부하로 운전하는 경우에는 주과급기와 부과급기 양쪽 모두를 가동시키고, 엔진 본체를 중부하 및 저부하로 운전하는 경우에는 주과급기만 가동시킨다. 이러한 구성에 따르면, 엔진 본체를 고부하로 운전하는 경우뿐만 아니라 중부하 및 저부하로 운전하는 경우에도 효율적인 운전이 가능하다.
일본 특개 소60-166716호 공보 일본 특개 2009-167799호 공보
다만, 상기 엔진 시스템에서는, 과급기의 가동 대수를 변경할 때 과급기의 서지(surge)를 회피하기 위해 소기(掃氣) 가스의 일부를 외부로 방출하고 있다. 이와 같은 이유 등으로 과급기의 가동 대수를 변경할 때에는, 소기압이 일시적으로 떨어져 엔진 본체의 연소 상태가 악화되고, 경우에 따라서는 실화(失火)할 우려가 있다.
본 발명은, 이상과 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 과급기의 가동 대수를 변경할 때에, 엔진 본체의 연소 상태의 악화를 억제할 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 예에 따른 엔진 시스템은, 복수의 실린더를 갖는 엔진 본체와, 각 실린더에 소기 가스를 공급하는 소기관과, 공기를 승압하여 상기 소기 가스로서 상기 소기관에 공급하는 주과급기와, 상기 주과급기와 병렬로 배치되어 있으며 공기를 승압하여 상기 소기 가스로서 상기 소기관에 공급하는 부과급기와, 압축 공기를 내부에 보유하는 압축 공기 탱크와, 상기 압축 공기 탱크가 보유하는 압축 공기를 상기 소기관에 공급하는 압축 공기 공급 배관과, 상기 압축 공기 공급 배관에 설치된 압축 공기 제어 밸브를 구비하고 있다.
이러한 구성에 따르면, 소기압이 감소하였을 때 또는 감소하기 직전에 압축 공기 탱크가 보유하는 압축 공기를 단숨에, 또한 일시적으로 소기관에 공급할 수 있다. 따라서 과급기의 가동 대수를 변경할 때에 소기압의 감소를 억제하는 것이 가능하고, 나아가서는 엔진 본체의 연소 상태의 악화를 억제할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 탱크는, 엔진 시동용 압축 공기를 보유하는 탱크이어도 좋다. 일반적으로, 엔진 시동과 과급기의 가동 대수의 변경은 동시에 이루어지지 않기 때문에, 과급기의 가동 대수를 변경할 때에는, 엔진 시동용 압축 공기를 이용할 수 있다. 따라서 상기 구성에 따르면, 압축 공기 탱크를 별도로 설치할 필요가 없어 엔진 시스템 전체의 제조 코스트를 줄일 수 있는 동시에 압축 공기 탱크의 설치 에어리어를 별도로 확보할 필요도 없다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 주과급기 및 상기 부과급기가 승압한 공기를 냉각하는 에어 쿨러를 더 구비하며, 상기 압축 공기 공급 배관은, 상기 에어 쿨러에 상기 압축 공기를 공급하고, 해당 압축 공기는 상기 에어 쿨러를 통해 상기 소기관에 공급해도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 압축됨으로써 온도가 높아진 압축 공기를, 에어 쿨러로 냉각할 수 있기 때문에, 소기 가스의 온도가 압축 공기에 의해 상승하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 주과급기 및 상기 부과급기가 가동하는 병렬 운전에서 상기 주과급기만 가동하는 단독 운전으로 이행하는 사이의 단독 이행 운전 때에 개방되어 있어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 단독 이행 운전시에 소기압이 감소하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 주과급기만 가동하는 단독 운전에서 상기 주과급기 및 상기 부과급기가 가동하는 병렬 운전으로 이행하는 사이의 병렬 이행 운전 때에 개방되어 있어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 병렬 이행 운전시에 소기압이 감소하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 단독 이행 운전이 시작됨과 동시에 개방되어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 단독 이행 운전의 이른 단계에서 소기압이 감소해버리는 경우에도 소기압의 감소를 억제할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 병렬 이행 운전이 시작됨과 동시에 개방되어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 병렬 이행 운전의 이른 단계에서 소기압이 감소해버리는 경우이라도 소기압의 감소를 억제할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 소기관 내의 압력이 소정 보다 낮아졌을 때에 개방되어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 소기압이 낮아졌을 때에 소기관에 압축 공기가 공급되기 때문에, 소기관에 압축 공기를 불필요하게 공급하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 공급 배관에 설치된 압력 조절 밸브를 더 구비하며, 상기 압력 조절 밸브는, 상기 단독 이행 운전시 또는 상기 병렬 이행 운전시에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 압력이, 상기 병렬 운전시에서의 정상 상태에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 근처의 압력 이상이고, 상기 단독 운전시에서의 정상 상태에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 근처의 압력 이하로 되도록 제어해도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 소기압의 감소를 효과적으로 억제하면서 소기압이 과상승하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 압축 공기 공급 배관에 설치되어 소기 가스가 상기 압축 공기 탱크를 향해 흐르는 것을 방지하는 체크 밸브를 더 구비하고 있어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 소기 가스가 압축 공기 공급 배관 및 압축 공기 탱크에 유입함으로써 발생할 수 있는 문제를 방지할 수 있다.
이상과 같이, 상기 엔진 시스템에 따르면, 과급기의 가동 대수를 변경할 때에, 연소 상태의 악화를 억제할 수 있다.
도 1은 엔진 시스템 전체의 개략 구성도이다.
도 2는 엔진 시스템의 제어계의 블록도이다.
도 3은 대수 삭감 제어를 시작한 후 소기압의 시간 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 대수 증가 제어를 시작한 후 소기압의 시간 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 압축 공기 공급 제어의 플로우차트이다.
도 6은 변형예에 따른 압축 공기 공급 제어의 플로우차트이다
도 7은 다른 예에 따른 엔진 시스템 전체의 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에서는, 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 동등한 요소에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.
<엔진 시스템의 전체 구성>
먼저, 엔진 시스템(100)의 전체 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 엔진 시스템(100) 전체의 개략 구성도이다. 도 1에 있어서, 굵게 그린 파선은 배기 가스의 흐름을 나타내고 있고, 굵게 그린 실선은 소기 가스의 흐름을 나타내고 있다. 엔진 시스템(100)은, 엔진 본체(10), 소기관(20), 배기관(30), 주과급기(40), 부과급기(50), 압축 공기 탱크(60), 압축 공기 공급 배관(61), 압축 공기 제어 밸브(62), 및 압력 조절 밸브(63)를 구비하고 있다. 이하, 이러한 구성 요소에 대해 차례로 설명한다.
본 실시예의 엔진 본체(10)는, 선박의 추진용 주기(主幾)로서, 대형의 2스토로크 디젤 엔진이다. 다만, 엔진 본체(10)는, 4스트로크 엔진이어도 좋고, 가스 엔진이나 가솔린 엔진이어도 좋다. 4스트로크 엔진이라면 "소기"는 "급기"로 바꿔 읽을 수 있다. 엔진 본체(10)는 복수의 실린더(11)를 갖고 있으며, 각 실린더(11) 안에서 연료가 폭발 연소함으로써 피스톤(12)을 구동할 수 있다. 또한, 엔진 본체(10)에는, 엔진 회전수를 측정하는 엔진 회전계(13), 및 연료 유량을 측정하는 연료 유량계(14)(모두 도 2 참조)가 설치되어 있다.
소기관(20)은, 소기 가스를 일시적으로 수용하는 장치이다. 소기관(20)에는, 주과급기(40) 및 부과급기(50)로부터 소기 가스가 공급된다. 소기관(20)은, 공급받은 소기 가스를 일시적으로 수용한 후, 해당 소기 가스를 각 실린더(11)에 공급한다. 또한, 소기관(20)에는, 소기관(20) 내에서의 소기 가스 압력(이하, "소기압"이라고 칭한다)을 측정하는 소기압계(21)가 설치되어 있다.
배기관(30)은, 배기 가스를 일시적으로 수용하는 장치이다. 배기관에는 엔진 본체(10)의 각 실린더(11)로부터 배기 가스가 공급된다. 배기관(30)은, 공급받은 배기 가스를 일시적으로 수용한 후, 해당 배기 가스를, 주배기 배관(31)을 통해 주과급기(40)의 터빈(41)에 공급하는 동시에 부배기 배관(32)을 통해 부과급기(50)의 터빈(51)에 공급한다. 또한, 부배기 배관(32)에는, 부터빈 입구 밸브(33)가 설치되어 있다.
주과급기(40)는, 엔진 본체(10)의 운전 중에, 항상 가동하는 과급기이다. 주과급기(40)는, 터빈(41)과 블로워(42)를 갖고 있다. 터빈(41)에는, 배기관(30)으로부터 배기 가스가 공급되고, 이 배기 가스의 에너지에 의해 터빈(41)이 회전한다. 터빈(41)과 블로워(42)는 연결 샤프트(43)에 의해 연결되어 있으며, 터빈(41)의 회전에 따라 블로워(42)도 회전한다. 블로워(42)가 회전하면, 외부에서 받아들인 공기(외기)가 승압되고, 승압된 공기는 소기 가스로서 주소기 배관(44)을 통해 소기관(20)에 공급된다. 또한, 주소기 배관(44)에는, 소기 가스를 냉각하는 에어 쿨러(45)가 설치되어 있다.
부과급기(50)는, 엔진 본체(10)의 운전 상태에 따라 가동 또는 정지하는 과급기이다. 부과급기(50)는, 주과급기(40)와 병렬로 배치되어 있다. 부과급기(50)는, 주과급기(40)와 같은 구조이며, 연결 샤프트(53)에 의해 연결된 터빈(51)과 블로워(52)를 갖고 있다. 본 실시예의 부과급기(50)는, 주과급기(40)와 같은 사양(용량)이지만, 다른 사양이어도 좋다. 부과급기(50)에서 승압된 외기는, 소기 가스로서 부소기 배관(54) 및 주소기 배관(44)을 통해 소기관(20)에 공급된다. 또한, 부소기 배관(54)에는, 부블로워 출구 밸브(55)가 설치되어 있다. 또한, 부소기 배관(54)의 부블로워 출구 밸브(55)보다 상류 측의 부분에는, 블로워(52)에서 승압된 외기를 대기로 방출하는 방풍 배관(56)이 연결되어 있다. 이 방풍 배관(56)에는, 방풍 밸브(57)가 설치되어 있다.
압축 공기 탱크(60)는, 내부에 압축 공기를 보유하는 탱크이다. 본 실시예의 압축 공기 탱크(60)는, 엔진 시동용 압축 공기를 보유하는 탱크이다. 여기서 말하는 "엔진 시동용 압축 공기"에는, 에어 스타터를 구동하는 공기원이 되는 압축 공기, 및 엔진 본체(10)의 실린더(11)에 직접 공급되어 피스톤(12)을 구동하는 시동 밸브용 압축 공기가 포함된다. 대형의 2사이클 디젤 엔진을 탑재하는 선박은, 엔진 시동용 압축 공기를 보유하는 탱크를 구비하고 있는 것이 일반적이다. 즉, 이와 같은 선박이라면, 별도로 압축 공기 탱크를 설치할 필요가 없다.
압축 공기 공급 배관(61)은, 압축 공기 탱크(60)가 보유하는 압축 공기를 소기관(20)에 공급하는 배관이다. 본 실시예의 압축 공기 공급 배관(61)은, 압축 공기 탱크(60)와 소기관(20)을 직접 연결하고 있지만, 압축 공기 탱크(60)와 주소기 배관(44)을 연결해도 좋고, 압축 공기 탱크(60)와 부소기 배관(54)의 부블로워 출구 밸브(55)보다 하류의 부분을 연결해도 좋고, 압축 공기 탱크(60)와 에어 쿨러(45)를 연결해도 좋다. 어느 구성이어도 압축 공기 공급 배관(61)은, 압축 공기 탱크(60)가 보유하는 압축 공기를 소기관(20)에 공급할 수 있다.
압축 공기 제어 밸브(62)는, 압축 공기 공급 배관(61)에 설치된 밸브로서, 개방됨으로써 압축 공기 탱크(60)가 보유한 압축 공기를 소기관(20)에 공급할 수 있다. 압축 공기 제어 밸브(62)를 개방하는 타이밍에 대해서는 후술한다. 또한, 압축 공기 공급 배관(61) 중 압축 공기 제어 밸브(62)보다 하류에는 체크 밸브(64)가 설치되어 있다. 이 체크 밸브(64)는, 압축 공기가 소기관(20)을 향해 흐르는 것을 허용하는 한편, 소기 가스가 압축 공기 탱크(60)를 향해 흐르는 것을 방지할 수 있다.
압력 조절 밸브(63)는, 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력을 조절하는 밸브이다. 압력 조절 밸브(63)는, 압축 공기 공급 배관(61)의 압축 공기 제어 밸브(62)보다 상류 측의 2개소에 설치되어 있다. 상류 측의 압력 조절 밸브(63)는 압축 공기 탱크(60)로부터 공급되는 압축 공기의 압력을 일정 정도로 낮추는 역할을 담당하고 있다. 또한, 하류 측의 압력 조절 밸브(63)는 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력을 미세하게 조절하는 역할을 담당하고 있다. 또한, 압력 조절 밸브(63)는 1개소에만 설치되어 있어도 좋다.
<제어계의 구성>
다음으로, 엔진 시스템(100)의 제어계의 구성에 대해 설명한다. 도 2는, 엔진 시스템(100)의 제어계의 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 시스템(100)은, 엔진 시스템(100) 전체를 제어하는 제어 장치(70)를 구비하고 있다. 제어 장치(70)는, 시피유(CPU), 롬(ROM), 램(RAM) 등으로 구성되어 있다.
제어 장치(70)는, 작업자가 조작하는 운전 조작반(71), 엔진 회전계(13), 연료 유량계(14), 및 소기압계(21)와 전기적으로 연결되어 있다. 제어 장치(70)는 이러한 기기로부터 전송받는 입력신호에 따라 각종 연산을 수행하여 엔진 시스템(100)의 각부를 제어한다. 본 실시예에서는, 제어 장치(70)는, 부터빈 입구 밸브(33), 부블로워 출구 밸브(55), 방풍 밸브(57), 압축 공기 제어 밸브(62), 및 압력 조절 밸브(63)와 전기적으로 연결되어 있으며, 각종 연산 등의 결과에 따라 이러한 기기에 제어 신호를 전송한다.
제어 장치(70)는, 기능적인 구성으로서, 대수 삭감 제어부(72), 대수 증가 제어부(73), 및 압축 공기 공급 제어부(74)를 갖고 있다. 각 제어부에 대해 차례로 설명한다.
<대수 삭감 제어부>
대수 삭감 제어부(72)는, 과급기의 가동 대수를 줄이는 대수 삭감 제어를 수행하는 부분이다. 대수 삭감 제어는, 엔진 부하를 고부하(예를 들어 엔진 부하 100%)에서 중부하 또는 저부하(예를 들어 엔진 부하 50%)로 이행한 후에 수행된다. 본 실시예에서는, 작업자의 조작에 의해 대수 삭감 제어가 시작되지만, 자동으로 시작되도록 해도 좋다.
대수 삭감 제어에서는, 주과급기(40)를 가동시킨 상태에서 부과급기(50)를 정지시킴으로써 과급기의 가동 대수를 줄인다. 구체적으로는, 개방되어 있는 부터빈 입구 밸브(33)를 폐쇄함으로써 배기 가스가 부과급기(50)의 터빈(51)에 공급되지 않게 되어 부과급기(50)가 정지한다. 또한, 부터빈 입구 밸브(33)를 폐쇄할 때에는, 부블로워 출구 밸브(55)도 폐쇄한다. 이로써 주과급기(40)에서 승압된 공기가 부과급기(50)의 블로워(52)로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 다만, 부블로워 출구 밸브(55)를 폐쇄하면 부과급기(50)의 블로워(52)의 배압이 높아진 결과, 서지(surge)가 발생할 우려가 있다. 따라서 부블로워 출구 밸브(55)를 폐쇄했을 때에는. 방풍 밸브(57)도 동시에 개방하여 부과급기(50)에서 승압된 공기를 외부로 방출한다. 이로써 부과급기(50)의 블로워(52)의 배압이 높아지는 것을 억제할 수 있어 서지를 회피할 수 있다.
도 3의 파선은, 엔진 부하가 중부하인 때에 대수 삭감 제어를 시작한 후 소기압의 시간 변화를 나타내고 있다. 다만, 도 3에서 나타낸 값은 개념적인 것으로, 실제 값과 반드시 일치하지는 않는다(이하에서 설명하는 다른 그래프도 마찬가지). 대수 삭감 제어에 따라 주과급기(40)와 부과급기(50)의 양쪽 모두가 가동하는 병렬 운전에서, 주과급기(40)만 가동하는 가동 단독 운전으로 이행하게 된다. 도면 내의 부호 Pw로 나타낸 값은, 병렬 운전 시 정상 상태에서의 소기압(이하, "병렬 소기압"이라고 칭한다)이다. 또한 부호 Ps로 나타낸 값은, 단독 운전 시 정상 상태에서의 소기압(이하, "단독 소기압"이라고 칭한다)이다. 도 3은 중부하의 예이지만, 주과급기(40)만 가동할 수 있는 모든 부하에 있어서, 병렬 소기압(Pw)보다 단독 소기압(Ps)의 쪽이 크다.
병렬 운전에서 단독 운전으로 이행하는 사이의 운전을 "단독 이행 운전"이라고 부르기로 하면, 도 3의 파선으로 나타낸 바와 같이, 단독 이행 운전 시 소기압은, 병렬 소기압(Pw)에서 단독 소기압(Ps)으로 완만하게 상승하는 것이 아니라 병렬 소기압(Pw)보다 낮은 값으로 일단 하락하다. 이것은, 부과급기(50)에서 승압된 공기가 외부로 방출되어 소기관(20)에 공급되지 않는 것이 주요 원인이다. 소기압의 하락이 클 경우에는, 엔진 본체(10)의 효율이 감소하고, 경우에 따라서는 실화가 될 우려가 있다.
<대수 증가 제어부>
대수 증가 제어부(73)는, 과급기의 가동 대수를 늘리는 대수 증가 제어를 수행하는 부분이다. 가동 대수 증가 제어는, 엔진 부하를 중부하 또는 저부하에서 고부하로 이행하기 전에 수행된다. 본 실시예에서는, 작업자의 조작에 의해 대수 증가 제어가 시작되지만, 자동으로 시작되도록 해도 좋다. 엔진 부하를 증가하기 전에, 미리 부과급기(50)를 가동시켜 가동하는 과급기의 대수를 늘림으로써 고부하에서의 주과급기(40)의 오버스피드를 방지할 수 있다.
대수 증가 제어에서는, 주과급기(40)를 가동한 상태에서 부과급기(50)를 시동시킴으로써 과급기의 가동 대수를 늘린다. 구체적으로는, 폐쇄되어 있는 부터빈 입구 밸브(33)를 개방함으로써 배기 가스가 부과급기(50)의 터빈(51)에 공급되어 부과급기(50)는 시동된다. 한편, 대수 증가 제어를 시작할 때에는, 부블로워 출구 밸브(55)는 폐쇄된 상태에 있다. 따라서 이 경우도 부과급기(50)의 터빈에 서지가 발생하지 않도록 방풍 밸브(57)를 개방하여 부과급기(50)에서 승압된 공기를 외부로 방출한다.
도 4의 파선은, 엔진 부하가 중부하인 때에 대수 증가 제어를 시작한 후 소기압의 시간 변화를 나타내고 있다. 대수 증가 제어에 의해 단독 운전에서 병렬 운전으로 이행하게 된다. 단독 운전에서 병렬 운전으로 이행하는 사이의 운전을 "병렬 이행 운전"이라고 부르기로 하면, 도 4의 파선으로 나타낸 바와 같이, 병렬 이행 운전시 소기압은, 단독 소기압(Ps)에서 병렬 소기압(Pw)으로 완만하게 이행하는 것이 아니라 병렬 소기압(Pw)보다 낮은 값으로 일단 하락하다. 이것은, 부과급기(50)에서 승압된 공기가 외부로 방출되어 소기관(20)에 공급되지 않는 것이 주요 원인이다. 또한, 부과급기(50)의 시동에 시간이 걸리는 것도 영향을 주고 있다. 소기압의 하락이 클 경우에는, 엔진 본체(10)의 효율이 감소하고, 경우에 따라서는 실화가 될 우려가 있다.
<압축 공기 공급 제어부>
압축 공기 공급 제어부(74)는, 소기관(20)에 압축 공기를 공급하여 소기압의 감소를 방지하는 압축 공기 공급 제어를 수행하는 부분이다. 도 5는 압축 공기 공급 제어 방법을 나타낸 플로우차트이다. 도 5를 참조하여 압축 공기 공급 제어에 대해 설명한다. 이하에서 설명하는 연산 및 제어는, 압축 공기 공급 제어부(74)에 의해 수행된다.
압축 공기 공급 제어는, 대수 삭감 제어 또는 대수 증가 제어(이하, 두 제어를 종합하여 "대수 전환 제어"라고 칭한다)가 수행됨과 동시에 시작된다. 요컨대, 작업자의 조작에 의해 운전조작반(71)에서 제어 장치(70)로 대수 전환 제어의 시작을 지시하는 신호가 전송되면, 압축 공기 공급 제어의 처리가 시작된다.
처리가 시작되면, 압축 공기 공급 제어부(74)는, 대수 전환 제어가 시작되고 나서 미리 설정된 공급 시작 시간(t1)이 경과했는지 여부를 판정한다(단계 S1). 대수 전환 제어가 시작되고 나서 공급 시작 시간(t1)이 경과하지 않은 것으로 판정했을 경우에는(단계 S1에서 '아니오'), 단계 S1을 반복한다.
한편, 대수 전환 제어가 시작되고 나서 공급 시작 시간(t1)이 경과하는 것으로 판정했을 경우에는(단계 S1에서 '예'), 압축 공기 공급 제어부(74)는, 압축 공기 제어 밸브(62)에 제어 신호를 전송하여 압축 공기 제어 밸브(62)를 개방한다(단계 S2). 이에 따라, 압축 공기 탱크(60) 안의 압축 공기가, 단숨에 소기관(20)에 공급된다. 따라서 대수 전환 제어 시의 소기압의 감소를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 압축 공기 탱크(60)에서 소기관(20)으로 공급하는 압축 공기의 압력, 즉 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력(Po)은, 병렬 소기압(Pw) 이상이고 단독 소기압(Ps) 이하이다. 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력(Po)을 이와 같이 조절함으로써 소기압의 감소를 효과적으로 억제하면서 소기압이 과상승하는 것을 억제할 수 있다. 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력(Po)은, 압력 조절 밸브(63)에 의해 조절할 수 있다.
이어서, 압축 공기 공급 제어부(74)는, 대수 전환 제어가 시작되고 나서 미리 설정된 공급 종료 시간(t2)이 경과했는지 여부를 판정한다(단계 S3). 대수 전환 제어가 시작되고 나서 공급 종료 시간(t2)이 경과하지 않은 것으로 판정했을 경우에는(단계 S3에서 '아니오'), 단계 S3를 반복한다.
한편, 대수 전환 제어가 시작되고 나서 공급 종료 시간(t2)이 경과한 경우에는(단계 S3에서 '예'), 압축 공기 공급 제어부(74)는, 압축 공기 제어 밸브(62)에 제어 신호를 전송하여 압축 공기 제어 밸브(62)를 폐쇄하고(단계 S4), 처리를 종료한다. 이로써 소기관(20)에의 압축 공기 공급은 중지된다.
또한, 상기 공급 시작 시간(t1) 및 공급 종료 시간(t2)은, 고정 값이어도 좋고, 변동 값이어도 좋다. 공급 시작 시간(t1) 및 공급 종료 시간(t2)이 고정 값인 경우, 대수 삭감 제어와 대수 증가 제어에서 다른 값으로 해도 좋다. 공급 시작 시간(t1) 및 공급 종료 시간(t2)이 변동 값인 경우, 예를 들어 엔진 부하가 커짐에 따라 공급 종료 시간(t2)을 늦게 설정해도 좋다.
또한, 엔진 부하에 의해 병렬 소기압(Pw) 및 단독 소기압(Ps)은 변동하기 때문에, 엔진 부하에 따라 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력(Po)을 변동해도 좋다. 또한, 압축 공기 탱크(60)가 보유하는 압축 공기의 압력이 변동하는 경우에는, 압축 공기 탱크(60)의 압력을 취득하고 해당 압력에 따라 압력 조절 밸브(63)의 개도를 조절해도 좋다.
도 3의 실선은, 대수 삭감 제어와 동시에 압축 공기 공급 제어를 수행했을 경우 소기압의 시간 변화를 나타내고 있다. 대수 삭감 제어의 조건은, 도 3의 파선으로 나타낸 경우와 같다. 또한, 압축 공기 공급 제어에 있어서 공급 시작 시간(t1)은 제로이다. 즉, 대수 삭감 제어의 시작과 동시에 압축 공기 제어 밸브(62)를 개방하고 있다. 또한, 공급 종료 시간(t2)은, 대수 삭감 제어가 수행되고 있는 시간, 즉 단독 이행 운전의 종료 시간보다 길게 설정되어 있다. 또한, 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력(Po)은, 병렬 소기압(Pw) 이상이고 단독 소기압(Ps) 이하가 되도록 설정되어 있다(도 3의 일점쇄선 참조).
도 3의 실선으로 나타낸 바와 같이, 대수 삭감 제어와 동시에 압축 공기 공급 제어를 수행하면, 소기관(20)에 압축 공기가 공급되기 때문에, 압축 공기 공급 제어를 수행하지 않는 경우(파선)에 비해 소기압의 하락이 작아진다. 또한, 단독 운전으로 전환되고 나서 비교적 이른 단계에서, 소기압이 단독 소기압(Ps) 근처까지 도달한다. 따라서 엔진 본체(10)의 연소 상태의 악화를 억제할 수 있다.
도 4의 실선은, 대수 증가 제어와 동시에 압축 공기 공급 제어를 수행했을 경우 소기압의 시간 변화를 나타내고 있다. 대수 증가 제어의 조건은, 도 4의 파선으로 나타낸 경우와 같다. 또한, 압축 공기 공급 제어에 있어서 공급 시작 시간(t1)은 제로이다. 그리고 공급 종료 시간(t2)은, 대수 증가 제어가 수행되고 있는 시간과 같은 시간으로 설정되어 있다. 또한, 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력(Po)은, 병렬 소기압(Pw) 이상이고 단독 소기압(Ps) 이하가 되도록 설정되어 있다(도 4의 일점쇄선 참조).
도 4의 실선으로 나타낸 바와 같이, 대수 증가 제어와 동시에 압축 공기 공급 제어를 수행하면, 소기관(20)에 압축 공기가 공급되기 때문에, 압축 공기 공급 제어를 수행하지 않는 경우(파선)에 비해 소기압의 하락이 작아진다. 또한, 소기압이 병렬 소기압(Pw)보다 크게 하회하는 경우가 없다. 따라서 엔진 본체(10)의 연소 상태의 악화를 억제할 수 있다.
또한, 도 4의 실선으로 나타낸 바와 같이, 대수 증감 제어의 초기 단계에서는, 소기압이 압축 공기 공급 배관의 출구 압력(Po)보다 크기 때문에 소기관(20)으로 압축 공기를 공급할 수는 없다. 이때, 소기관(20)에서 압축 공기 탱크(60)로 소기 가스가 역류할 우려가 있지만, 압축 공기 공급 배관(61)에는 체크 밸브(64)가 설치되어 있기 때문에 해당 역류는 발생하지 않는다. 따라서 소기 가스가 압축 공기 공급 배관(61) 및 압축 공기 탱크(60)에 유입함으로써 발생할 수 있는 문제를 방지할 수 있다.
<변형예>
다음으로, 도 6을 참조하여 압축 공기 공급 제어의 변형예에 대해 설명한다. 도 6은, 변형예의 압축 공기 공급 제어 방법을 나타낸 플로우차트이다. 이하에서 설명하는 연산 및 제어는, 압축 공기 공급 제어부(74)에 의해 수행된다.
압축 공기 공급 제어는, 도 5의 경우와 마찬가지로, 대수 전환 제어가 수행됨과 동시에 시작된다. 처리가 시작되면, 압축 공기 공급 제어부(74)는 엔진 회전계(13) 및 소기압계(21)로부터 전송받는 신호를 읽어들이고 이러한 신호에 따라 엔진 부하(엔진 회전수 및 연료 분사량으로부터 추정) 및 소기압을 취득한다(단계 S11).
이어서, 압축 공기 공급 제어부(74)는, 기준 소기압을 결정한다(단계 S12). 여기서는, 병렬운전시의 소기압(즉 병렬 소기압(Pw))을 기준 소기압으로 한다. 구체적으로는, 압축 공기 공급 제어부(74)는, 엔진 부하에 따른 기준 소기압을 미리 저장하고 있으며, 단계 S11에서 취득한 엔진 부하에 따라 기준 소기압을 결정한다. 또한, 기준 소기압은, 병렬 소기압(Pw) 이외의 값으로 결정해도 좋다.
이어서, 압축 공기 공급 제어부(74)는, 단계 S11에서 취득한 소기압이 상기 기준 소기압보다 작은지 여부를 판정한다(단계 S13). 소기압이 기준 소기압 이상인 경우(단계 S13에서 '아니오'), 압축 공기 제어 밸브(62)를 폐쇄한다(단계 S14). 한편, 소기압이 기준 소기압보다 작은 경우(단계 S13에서 '예'), 압축 공기 제어 밸브(62)를 개방한다(단계 S15).
이어서, 압축 공기 공급 제어부(74)는, 대수 전환 제어가 완료되었는지 여부를 판정한다(단계 S16). 대수 전환 제어가 완료되었는지 여부는, 대수 전환 제어 시작으로부터의 경과 시간에 따라 판정해도 좋고, 부터빈 입구 밸브(33)의 개도에 따라 판정해도 좋고, 부과급기(50)의 회전수에 따라 판정해도 좋다. 대수 전환 제어가 완료되지 않은 것으로 판정했을 경우(단계 S16에서 '아니오'), 단계 S11로 되돌아가서 각 단계(S11~S16)를 반복한다. 한편, 대수 전환 제어가 완료된 것으로 판정했을 경우(단계 S16에서 '예'), 처리는 종료된다.
이상의 압축 공기 공급 제어에 따르면, 소기압이 기준 소기압보다 낮아졌을 때에만 소기관에 압축 공기가 공급된다. 따라서 불필요하게 압축 공기를 소기관(20)에 공급함으로써 소기압이 과상승해 버리는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 소기압을 조기에 안정시킬 수 있다.
또한, 변형예에 따른 압축 공기 제어에서는, 소기압이 소정 값보다 작은지 여부로 압축 공기 제어 밸브(62)를 개방할지 여부를 결정하고 있지만, 주과급기(40)의 회전수가 소정 값보다 작은지 여부로 압축 공기 제어 밸브(62)를 개방할지 여부를 결정해도 좋다. 또한, 연료 분사량이 소정 값보다 큰지 여부로 압축 공기 제어 밸브(62)를 개방할지 여부를 결정해도 좋다. 어느 경우이라도 대수 전환 제어에서의 소기압의 감소를 억제할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진 시스템(100)의 구성은 이상과 같다. 상기와 같이 본 실시예에 따른 엔진 시스템(100)에서는, 블로워나 압축기가 아니라 압축 공기 탱크(60)에서 소기관(20)으로 압축 공기를 공급한다. 따라서 대수 전환 제어 때에 미리 승압되어 있는 압축 공기를 소기관을 향해 단숨에 분사할 수 있다. 따라서 대수 전환 제어 시에 소기압의 감소를 방지하여 실화 등을 방지할 수 있다.
상기 실시예에서는, 압축 공기 탱크(60)는, 엔진 시동용 압축 공기를 보유하는 탱크이지만, 소기관(20)에 압축 공기를 공급하기 위한 전용 탱크이어도 좋다. 압축 공기 탱크(60)를 전용 탱크로 함으로써 압축 공기의 온도가 높아지는 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이 압축 공기 공급 배관(61)을 에어 쿨러(45) 또는 에어 쿨러(45)보다 상류의 배관에 연결해도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 압축 공기 공급 배관(61)에서 토출된 압축 공기는 에어 쿨러(45)를 통과하면서 냉각되기 때문에, 압축 공기에 의해 소기 가스의 온도가 상승하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같은 경우에는, 단독 이행 운전시 또는 병렬 이행 운전시의 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 압력은, 병렬 운전 시의 정상 상태에서의 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 근처에서의 출력 이상이고 단독 운전 시의 정상 상태에서의 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 근처에서의 출력 이하가 되도록 조절되어 있어도 좋다. 또한, 상기 압축 공기 공급 배관(61)의 출구 근처에서의 출력은, 도 1의 소기관(20) 안의 압력(소기압)에 해당한다.
본 발명에 따른 엔진 시스템에 따르면, 과급기의 가동 대수를 변경할 때에, 엔진 본체의 연소 상태의 악화를 억제할 수 있다. 따라서 운전 상황에 따라 과급기의 가동 대수를 변경하는 엔진 시스템의 기술 분야에 있어서 유익하다.
10: 엔진 본체
11: 실린더
20: 소기관
40: 주과급기
50: 부과급기
60: 압축 공기 탱크
61: 압축 공기 공급 배관
62: 압축 공기 제어 밸브
63: 압력 조절 밸브
64: 체크 밸브
100: 엔진 시스템

Claims (11)

  1. 복수의 실린더를 갖는 엔진 본체와,
    각 실린더에 소기 가스를 공급하는 소기관과,
    공기를 승압하여 상기 소기 가스로서 주소기 배관을 통하여 상기 소기관에 공급하는 주과급기와,
    상기 주과급기와 병렬로 배치되어 있으며 공기를 승압하여 상기 소기 가스로서 부소기 배관 및 상기 주소기 배관을 통하여 상기 소기관에 공급하는 부과급기와,
    상기 부소기 배관에 설치된 부블로워 출구 밸브와,
    상기 부소기 배관의 상기 부블로워 출구 밸브보다 상류측 부분에 연결되어, 상기 부과급기에서 승압된 공기를 외부로 방출하는 방풍 배관과,
    상기 방풍 배관에 설치된 방풍 밸브와,
    압축 공기를 내부에 보유하는 압축 공기 탱크와,
    상기 압축 공기 탱크가 보유하는 압축 공기를 상기 소기관에 공급하는 압축 공기 공급 배관과,
    상기 압축 공기 공급 배관에 설치된 압축 공기 제어 밸브를 구비하며,
    상기 주과급기 및 상기 부과급기가 가동하는 병렬 운전에서 상기 주과급기만 가동하는 단독 운전으로 이행하는 사이의 단독 이행 운전 때에는 상기 부블로워 출구 밸브가 폐쇄됨과 함께 상기 방풍 밸브가 개방되고, 그에 따라 상기 압축 공기 제어 밸브는 상기 단독 이행 운전 때의 소기압 저하를 억제할 수 있도록 상기 단독 이행 운전 때에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  2. 복수의 실린더를 갖는 엔진 본체와,
    각 실린더에 소기 가스를 공급하는 소기관과,
    공기를 승압하여 상기 소기 가스로서 주소기 배관을 통하여 상기 소기관에 공급하는 주과급기와,
    상기 주과급기와 병렬로 배치되어 있으며 공기를 승압하여 상기 소기 가스로서 부소기 배관 및 상기 주소기 배관을 통하여 상기 소기관에 공급하는 부과급기와,
    상기 부소기 배관에 설치된 부블로워 출구 밸브와,
    상기 부소기 배관의 상기 부블로워 출구 밸브보다 상류측 부분에 연결되어, 상기 부과급기에서 승압된 공기를 외부로 방출하는 방풍 배관과,
    상기 방풍 배관에 설치된 방풍 밸브와,
    압축 공기를 내부에 보유하는 압축 공기 탱크와,
    상기 압축 공기 탱크가 보유하는 압축 공기를 상기 소기관에 공급하는 압축 공기 공급 배관과,
    상기 압축 공기 공급 배관에 설치된 압축 공기 제어 밸브를 구비하며,
    상기 주과급기만 가동하는 단독 운전에서 상기 주과급기 및 상기 부과급기가 가동하는 병렬 운전으로 이행하는 사이의 병렬 이행 운전 시작 시에는 상기 부블로워 출구 밸브가 폐쇄됨과 함께 상기 방풍 밸브가 개방된 상태에 있고, 이때 상기 압축 공기 제어 밸브는 상기 병렬 이행 운전 때의 소기압 저하를 억제할 수 있도록 상기 병렬 이행 운전 때에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압축 공기 탱크는, 엔진 시동용 압축 공기를 보유하는 탱크인 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주과급기 및 상기 부과급기가 승압한 공기를 냉각하는 에어 쿨러를 더 구비하며,
    상기 압축 공기 공급 배관은, 상기 에어 쿨러에 상기 압축 공기를 공급하고, 해당 압축 공기는 상기 에어 쿨러를 통해 상기 소기관에 공급되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 주과급기 및 상기 부과급기가 승압한 공기를 냉각하는 에어 쿨러를 더 구비하며,
    상기 압축 공기 공급 배관은, 상기 에어 쿨러에 상기 압축 공기를 공급하고, 해당 압축 공기는 상기 에어 쿨러를 통해 상기 소기관에 공급되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 단독 이행 운전이 시작됨과 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 병렬 이행 운전이 시작됨과 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압축 공기 제어 밸브는, 상기 소기관 내의 압력이 소정 값 이하로 되었을 때에 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급 배관에 설치된 압력 조절 밸브를 더 구비하며,
    상기 압력 조절 밸브는, 상기 단독 이행 운전 시에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 압력이, 상기 병렬 운전 시에서의 정상 상태에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 근처의 압력 이상이고, 상기 단독 운전 시에서의 정상 상태에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 근처의 압력 이하로 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급 배관에 설치된 압력 조절 밸브를 더 구비하며,
    상기 압력 조절 밸브는, 상기 병렬 이행 운전 시에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 압력이, 상기 병렬 운전 시에서의 정상 상태에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 근처의 압력 이상이고, 상기 단독 운전 시에서의 정상 상태에서의 상기 압축 공기 공급 배관의 출구 근처의 압력 이하로 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급 배관에 설치되어 소기 가스가 상기 압축 공기 탱크를 향해 흐르는 것을 방지하는 체크 밸브를 더 구비한 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
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