KR101892427B1

KR101892427B1 - 터보차저 제어시스템 및 제어방법

Info

Publication number: KR101892427B1
Application number: KR1020147005715A
Authority: KR
Inventors: 신지 바바
Original assignee: 히다치 조센 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2018-08-28
Also published as: CN103782007B; KR20140063664A; DK2759686T3; CN103782007A; EP2759686A1; EP2759686B1; KR20180079472A; WO2013042196A1; EP2759686A4

Abstract

(과제)
본 발명은, 터빈의 상류측에 탈초반응장치를 설치한 엔진기관에 있어서 바이패스 경로를 설치하지 않고 헌팅을 방지한다.
(해결수단)
소기실(6) 내의 소기압(Ps)을 검출하는 압력계(7a)와, 터보차저(2)의 구동을 어시스트 또는 제동할 수 있는 모터(8a)와, 모터(8a)의 회생전력을 축전장치(11)에 충전할 수 있는 발전기(8b)와, 제어장치(9)를 설치한다. 제어장치(9)는, 소기압 데이터 베이스(9a1)와, 목표 소기압(tPs)을 구하는 목표 소기압 계산수단(9a2)과, 소기압(Ps)과 목표 소기압(tPs)을 비교하는 압력비교부(9a3)와, 이 압력비교부(9a3)의 비교결과에 따라 모터(8a) 또는 발전기(8b)를 제어하는 주명령부(9a4)를 적어도 구비한 구성으로 한다.
(효과)
배기가스는 항상 전량 정화처리된다. 배기가스의 에너지를 손실하지 않고 모터의 구동전력으로서 유효하게 이용할 수 있다.

Description

터보차저 제어시스템 및 제어방법{TURBO CHARGER CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD}

본 발명은, 터보차저(turbo charger)의 터빈(turbine) 상류측의 배기통로에, 배기가스 중의 질소산화물(窒素酸化物)(이하 「NOx」라고 한다)을 환원제거(還元除去)하는 탈초반응장치(脫硝反應裝置)를 설치한 엔진기관에 적용된 터보차저 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.

도4(a)에 나타내는 바와 같이 일반적으로 터보차저(101)는, 회전축(101a)의 양단에 터빈(10lb)과 컴프레서(compressor)(101c)를 구비하고, 엔진(103)의 배기포트(排氣port)(103b)로부터 배기통로(104)로 배출되는 고온의 배기가스의 배기류(排氣流)에 의하여 터빈(10lb)을 회전시키고, 그 동력에 의하여 컴프레서(101c)를 구동한다. 그리고 컴프레서(101c)에 의하여 압축된 공기는, 소기실(掃氣室)(102)을 통하여 엔진(103)의 소기포트(掃氣port)(103a)로 공급된다.

이와 같이 배기포트(103b)와 터빈(10lb)의 사이가 배기통로(104)만인 경우에, 터보차저(101)는 엔진(103)의 부하의 증감에 대하여 거의 동기(同期)되어 작동하여, 엔진(103)에 적절한 타이밍에서 과급(過給)이 이루어진다.

이에 대하여 예를 들면 선박용 디젤기관에서는, 도4(b)에 나타내는 바와 같이 배기포트(103b)와 터빈(10lb) 사이의 배기통로(104)에 탈초반응장치(106)를 설치하는 경우가 있다(예를 들면 비특허문헌1, p42의 도1). 탈초반응장치(106)에는, 배기가스 중의 NOx를 암모니아 가스 등의 환원제(還元劑)와 선택적으로 환원반응시켜서 질소와 물로 분해하여 무해화(無害化)하는 SCR 촉매 등이 갖추어져 있다. 또 NOx를 제거한 후의 배기가스는 굴뚝(105)으로부터 방출된다.

그러나 이러한 터빈(10lb)의 상류측에 탈초반응장치(106)를 설치하는 엔진기관의 경우에, 큰 열용량을 구비하는 SCR 촉매가 승온(昇溫) 또는 냉각되는 것에는 어느 정도의 시간을 필요로 하기 때문에, 배기포트(103b)로부터 배출되는 배기가스의 온도(이하, 제1배기온도(Te1)라고 한다)는 엔진의 부하에 따라 즉시 변화되더라도, 탈초반응장치(106)의 출구(106a)로부터 배출되는 배기가스의 온도(이하, 제2배기온도(Te2)라고 한다)가 변화될 때까지는 시간의 지연이 발생하고 있었다.

그 때문에 탈초반응장치(106)를 터빈(10lb)의 상류측에 설치하는 예를 들면 선박용 디젤기관에서는, 엔진(103)의 부하를 내릴 때에 소기실(102)의 소기압(掃氣壓)(Ps)이 필요 이상으로 높아지게 되어 과급과잉(過給過剩)이 되거나(비특허문헌1, p43의 도3을 참조), 엔진(103)의 부하를 올릴 때에 필요한 소기압(Ps)이 얻어지지 않아 과급부족(過給不足)이 되는 헌팅현상(hunting 現象)이 발생하고 있었다. 이하, 이 헌팅이 발생하는 원인에 대하여 도5를 참조하여 상세하게 설명한다.

도5(a)는 오퍼레이터가 엔진의 부하(회전수)를 내렸을 경우의 설명도이다. 엔진의 부하가 내려가면, 배기포트(103b)에 있어서의 제1배기온도(Te1)는 부호(X1)로 나타내는 바와 같이 즉시 하강하지만, 탈초반응장치(106)를 통과하는 사이에 SCR 촉매에 축적되어 있었던 열에 의하여 배기가스가 다시 가열되기 때문에, 탈초반응장치(106)의 출구(106a)에 있어서의 제2배기온도(Te2)는 부호(X1')로 나타내는 바와 같이 하강이 늦어진다.

터보차저(101)의 회전속도는 기본적으로 터빈(10lb)으로 유입되는 배기가스의 온도에 비례한다. 따라서 제2배기온도(Te2)가 내려가지 않는 동안에는, 엔진(103)의 부하가 하강하고 있음에도 불구하고 터보차저(101)의 회전속도가 엔진부하에 적합한 속도보다 빠른 상태가 되고, 그에 따라 컴프레서(101c)로부터 반송되는 공기량도 과잉으로 되기 때문에, 소기실(102)의 소기압(Ps)은 부호(X1")로 나타내는 바와 같이 높은 상태가 유지된다. 따라서 필요 이상의 공기가 소기실(102)을 통하여 소기포트(103a)로 유입되기 때문에, 엔진(103)이 과급과잉의 상태가 되어 제1배기온도(Te1)가 더 저하된다.

이러한 과급과잉의 상태가 잠시 계속되면, 일정한 시간지연의 후에 제2배기온도(Te2)는 부호(Y1')로 나타내는 바와 같이 과잉으로 저하되고, 이에 따라 터보차저(101)의 회전속도가 저하되고, 소기압(Ps)도 부호(Y1")로 나타내는 바와 같이 과잉으로 저하된다.

이 결과 컴프레서(101c)로부터 보내지는 공기량이 엔진의 부하에 적합한 양보다 적어지게 되어, 부호(Y1)로 나타내는 바와 같이 제1배기온도(Te1)가 상승하여 버린다. 엔진의 부하를 내릴 때에는, 이상과 같은 현상이 일어나며 잠시 반복되어 수습될 때까지 시간을 필요로 한다.

도5(b)는 오퍼레이터가 엔진의 부하(회전수)를 올렸을 경우의 설명도이며, (a)와는 반대의 현상이 발생한다. 우선 엔진의 부하가 올라가면, 제1배기온도(Te1)는 부호(X2)로 나타내는 바와 같이 즉시 상승하지만, 탈초반응장치(106) 내의 SCR 촉매는 큰 열용량을 구비하여 승온하는 데에도 시간이 걸리기 때문에, 제2배기온도(Te2)는 부호(X2')로 나타내는 바와 같이 상승이 늦어진다.

따라서 제2배기온도(Te2)가 올라가지 않는 동안에는, 엔진(103)의 부하가 상승하고 있음에도 불구하고 터보차저(101)의 회전속도가 엔진부하에 적합한 속도보다 느린 상태가 되고, 그에 따라 컴프레서(101c)로부터 반송되는 공기량도 부족하기 때문에, 소기실(102)의 소기압(Ps)은 부호(X2")로 나타내는 바와 같이 낮은 상태가 유지된다. 따라서 필요한 공기가 소기포트(103a)로 유입되지 않아 엔진(103)이 과급부족의 상태가 되어, 연료도 많이 투입되고 있기 때문에 제1배기온도(Te1)가 더 상승한다.

이러한 과급부족의 상태가 잠시 계속되면, 일정한 시간지연의 후에 제2배기온도(Te2)는 부호(Y2')로 나타내는 바와 같이 과잉으로 상승하고, 그에 따라 터보차저(101)의 회전속도가 빨라지게 되어 소기압(Ps)도 부호(Y2")로 나타내는 바와 같이 과잉으로 상승한다.

이 결과 컴프레서(101c)로부터 보내지는 공기량이 엔진의 부하에 적합한 양보다 많아지게 되어, 부호(Y2)로 나타내는 바와 같이 제1배기온도(Te1)가 하강하여 버린다. 엔진의 부하를 올릴 때에는 이상과 같은 현상이 반복된다.

이러한 헌팅현상이 일어나고 있는 동안에는, 터보차저(101)의 본래의 기능이 충분하게 발휘되지 않아 엔진기관의 운전에 지장을 초래하게 된다.

그래서 종래에 있어서, 예를 들면 도6에 나타내는 바와 같이 바이패스 밸브(bypass valve)(108a)에 의하여 개폐 가능한 바이패스 도관(bypass 導管)(108)을, 탈초반응장치(106)의 상류측의 배기통로(104a)와 하류측의 배기통로(104b)를 접속하도록 설치하여, 엔진의 부하를 올릴 때에는 바이패스 밸브(108a)를 열어서 배기가스의 일부가 탈초반응장치(106)를 통과하지 않도록 구성한 터보차저 제어시스템(100)이 제안되어 있다(예를 들면 비특허문헌1, p46의 도8, 특허문헌1, 도2).

이것은, 엔진의 부하를 올릴 때에는 엔진(103)이 과급부족으로 되기 때문에, 탈초반응장치(106)로 유입되는 배기가스의 일부를 터빈(10lb)의 상류로 바이패스하여, 터빈(10lb)의 회전속도를 상승시키는 것이다.

또한 종래에 있어서, 터빈(10lb)의 상류측의 배기통로(104b)와 하류측의 배기통로(107)를 접속하는 바이패스 도관(109)을 더 설치하여, 엔진의 부하를 내릴 때에는 바이패스 밸브(109a)를 개방하여 배기가스의 일부를 터빈(10lb)으로 공급하지 않는 구성도 제안되어 있다(예를 들면 비특허문헌1, p44의 도4, 특허문헌1, 도1).

이것은, 엔진의 부하를 내릴 때에는 엔진(103)이 과급과잉으로 되기 때문에, 터빈(10lb)에 공급되는 배기가스의 일부를 터빈(10lb)의 하류로 바이패스하여, 터빈(10lb)의 회전속도의 상승을 억제하는 것이다.

그러나 종래의 터보차저 제어시스템(100)은, 바이패스 밸브(108a)를 열고 있는 동안에는, 배기가스의 일부가 탈초반응장치(106)를 통과하지 않기 때문에, NOx가 환원정화되어 있지 않은 미처리의 가스가 굴뚝(105)으로부터 대기 중으로 방출되어 환경을 오염시킨다는 문제가 있었다.

또한 바이패스 밸브(109a)를 열고 있는 동안에는, 배기류의 일부를 이용하지 않고 터빈(10lb)의 하류의 배기통로(107)로 흐르기 때문에, 배기가스의 에너지를 손실시키고 있다.

일본국 특허공표 특표평8-500170호 공보

모토무라 오사무(本村收) 외 5명, 「탈초장치 부착 저속 디젤기관의 운전 동특성」, 일본선박용기관 학회지, 1999년 1월, 제34권, 제1호, p41-47

본 발명이 해결하고자 하는 문제점은, 종래의 터보차저 제어시스템은, 탈초반응장치를 바이패스시키면 배기가스 중의 NOx가 환원정화되지 않는 점 및 터빈을 바이패스시키면 배기류의 에너지가 손실되는 점이다.

본 발명은 상기한 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 헌팅을 방지할 수 있는 터보차저의 제어시스템 및 제어방법에 있어서, 엔진이 과급부족일 때에도 탈초반응장치를 바이패스시키지 않고 배기가스는 항상 전량 정화처리할 수 있음과 아울러, 엔진이 과급과잉일 때에도 배기가스의 에너지를 손실시키지 않고 효율적으로 활용할 수 있는 제어시스템 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 터보차저 제어시스템은,

터보차저의 터빈 상류측의 배기통로에 탈초반응장치를 배치한 엔진기관에 있어서,

소기실 내의 소기압을 검출하는 압력계와,

상기 터보차저의 구동을 어시스트 또는 제동할 수 있는 모터와,

상기 모터의 회생전력을 축전장치에 충전할 수 있는 발전기를 설치함과 아울러,

소기압 데이터 베이스에 억세스하여 목표 소기압을 구하는 목표 소기압 계산수단과, 상기 압력계가 검출한 소기압과 상기 목표 소기압 계산수단이 구한 목표 소기압을 비교하는 압력비교부와, 이 압력비교부의 비교결과에 따라 상기 모터 또는 상기 발전기를 제어하는 주명령부를 구비한 제어장치를 설치한 것을 가장 주요한 특징점으로 하고 있다.

상기 본 발명의 터보차저 제어시스템을 사용한 터보차저의 구동제어는,

상기 압력비교부는, 소정의 시간마다 상기 소기압과 상기 목표 소기압의 차이를 비교하고,

상기 주명령부는,

엔진을 가속할 때에, 상기 소기압이 상기 목표 소기압보다 작은 동안에는, 상기 모터의 회전속도를 가속하도록 명령하여 상기 터보차저의 구동을 어시스트하고,

엔진을 감속할 때에, 상기 소기압이 상기 목표 소기압보다 큰 동안에는, 상기 발전기에 상기 축전장치에 대한 충전을 명령하여 상기 터보차저의 구동을 제동한다. 이것이 본 발명의 터보차저 제어방법이다.

본 발명에 의하면, 오퍼레이터가 엔진의 부하를 올려서 엔진이 과급부족이 될 때에는, 제어장치의 주명령부는 모터에 구동전력을 공급하도록 명령하여, 모터의 회전에 의하여 터보차저의 구동을 어시스트한다. 따라서 탈초반응장치를 바이패스시키지 않고 엔진의 과급부족을 해소하여 헌팅을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 오퍼레이터가 엔진의 부하를 내려서 엔진이 과급과잉이 될 때에는, 제어장치의 주명령부는 발전기에 모터로부터의 회생전력을 충전하도록 명령하여, 터보차저의 회전토크를 전기에너지로 변환하면서 터보차저의 구동을 제동한다. 또한 발전기가 발전한 전력은 축전장치에 축전하여 두고, 엔진의 부하를 올릴 때에 모터의 구동전력으로서 이용할 수 있다. 따라서 배기가스의 에너지를 장치 외로 버리지 않고 유효한 이용을 도모하면서 헌팅을 방지할 수 있다.

도1은, 본 발명의 터보차저 제어시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
도2는, 본 발명의 터보차저 제어시스템의 제어장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도3에 있어서, (a)는 엔진을 가속할 때에, 소기압이 목표 소기압보다 작은 동안에 모터의 회전속도를 가속하도록 명령하여 터보차저의 구동을 어시스트하는 제어를, (b)는 엔진을 감속할 때에, 소기압이 목표 소기압보다 큰 동안에 발전기에 축전장치에 대한 충전을 명령하여 터보차저의 구동을 제동하는 제어를 설명하는 도면이다.
도4에 있어서, (a)는 일반적인 터보차저의 설명도, (b)는 터빈의 상류측에 탈초반응장치를 설치한 선박용 디젤기관의 설명도이다.
도5는 헌팅현상이 발생하고 있을 때의, 배기포트에 있어서의 제1배기온도(Te1), 탈초반응장치의 출구에 있어서의 제2배기온도(Te2), 소기실의 소기압(Ps)의 변화를 나타낸 그래프로서, (a)는 엔진부하를 내렸을 때의, (b)는 엔진부하를 올렸을 때의 설명도이다.
도6은, 종래의 터보차저 제어시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 다양한 형태에 대하여 도1∼도3을 사용하여 상세하게 설명한다. 도1에 있어서, 1은, 터보차저(turbo charger)(2)의 터빈(turbine)(2a) 상류측의 배기통로(3)에 탈초반응장치(脫硝反應裝置)(4)를 배치한 선박용 디젤엔진에 적용한 본 발명의 터보차저 제어시스템(turbo charger 制御system)이다. 터보차저 제어시스템(1)은, 엔진(5)의 소기포트(掃氣port)(5a)와 접속되는 소기실(掃氣室)(6) 내의 소기압(掃氣壓)(Ps)을 검출하기 위하여 소기실(6)에 설치한 압력계(壓力計)(7a)와, 터보차저(2)의 회전축(2b)에 설치되어 터보차저(2)의 구동을 어시스트(assist) 또는 제동(制動)할 수 있는 모터(8a)와, 이 모터(8a)에 구동전력을 공급하는 축전장치(蓄電裝置)(11)와, 상기 모터(8a)의 회생전력(回生電力)을 상기 축전장치(11)에 충전할 수 있는 발전기(發電機)(8b)를 구비하고 있다. 또 본 실시예에서는, 모터(8a)의 기능과 발전기(8b)의 기능을 겸비한 모터 겸 발전기(8)를 사용하고 있다. 또한 10은, 엔진(5)에 공급하는 연료(F)의 분사량을 제어함과 아울러 오퍼레이터(operator)가 설정한 엔진회전수의 데이터를 제어장치(制御裝置)(9)에 전달할 수 있는 회전수 제어장치(回轉數制御裝置)를, 12는, NOx를 환원정화(還元淨化)한 후의 배기가스를 방출하는 굴뚝을 나타내고 있다.

탈초반응장치(4)에는, 배기가스 중의 NOx를 암모니아 가스 등의 환원제와 선택적으로 환원반응시켜서 질소와 물로 분해하여 무해화(無害化)하는 SCR 촉매가 갖추어져 있다. 탈초반응장치(4)의 상류측의 배기통로(3a)에는, 가수분해되면 암모니아 가스를 생성하는 요소수(尿素水) 등의 환원제 전구체(還元劑前驅體)를 분무하는 노즐(nozzle)(도면에 나타내지 않는다)이 설치되어 있다.

제어장치(9)는, 도2에 나타내는 바와 같이 소기압 데이터 베이스(9a1)에 억세스하여 회전수 제어장치(10)로부터 취득한 엔진회전수의 데이터에 따라 목표 소기압(tPs)을 구하는 목표 소기압 계산수단(9a2)과, 압력계(7a)가 검출한 소기실(6)의 소기압(Ps)과 목표 소기압 계산수단(9a2)이 구한 목표 소기압(tPs)을 비교하는 압력비교부(9a3)와, 이 압력비교부(9a3)의 비교결과에 따라 모터(8a)에 공급하는 구동전력을 제어함과 아울러 발전기(8b)에 대하여 모터(8a)의 회생전력을 축전장치(11)에 충전하는 것을 명령하는 주명령부(9a4)를 적어도 구비하고 있다(본 발명의 제1실시형태).

소기압 데이터 베이스(9a1)는, 엔진(5)의 회전수에 대응한 적절한 소기압인 목표 소기압(tPs)을 실험데이터로부터 구하여 테이블(table)로 한 것으로서, 오퍼레이터가 설정한 엔진회전수의 데이터를 키(key)로 하여 검색할 수 있는 데이터 베이스이다. 소기압 데이터 베이스(9a1)에 미리 등록하여 두는 데이터의 내용은, 엔진기관의 종류나 규모 등에 따라 다른 것이다.

이 본 발명의 제1실시형태를 사용하여 터보차저의 구동을 제어하는 방법을, 엔진의 부하를 올리는 경우와 내리는 경우로 나누어서 설명한다.

(1)엔진의 부하를 올리는 경우의 제어방법

오퍼레이터가 엔진(5)을 가속하기 위하여 엔진회전수를 올리도록 설정하면, 회전수 제어장치(10)는 설정된 엔진회전수에 대응하는 분사량의 연료(F)를 엔진(5)에 공급한다. 또한 회전수 제어장치(10)는 엔진(5)의 회전수 증가를 검지하여, 제어장치(9)에 본 발명의 제어방법을 시작하는 것을 명령한다.

제어장치(9)의 목표 소기압 계산수단(9a2)은, 회전수 제어장치(10)로부터 오퍼레이터가 설정한 엔진회전수의 데이터를 취득하고, 그것을 키로 하여 소기압 데이터 베이스(9a1)를 참조하여, 소기압 데이터 베이스(9a1)의 테이블로부터 설정회전수의 데이터에 대응하는 목표 소기압(tPs)의 데이터를 취득한다.

또 본 실시예의 목표 소기압 계산수단(9a2)은 소기압 데이터 베이스(9a1)에 등록되어 있는 데이터를 그대로 사용하지만, 목표 소기압(tPs)은 소기압 데이터 베이스(9a1)에 등록되어 있는 데이터를 기초데이터로 하여 필요한 보정(補正)을 한 값을 사용하더라도 좋다.

공기(A)는 컴프레서(2c)에 의하여 압축되어 소기실(6)로 반송된다. 소기실(6)에 설치된 압력계(7a)는 소기실(6) 내의 소기압(Ps)을 검출한다.

제어장치(9)의 압력비교부(9a3)는, 소정의 시간마다 압력계(7a)가 검출한 소기압(Ps)의 데이터를 취득하여, 목표 소기압 계산수단(9a2)이 구한 목표 소기압(tPs) 값과의 차이를 구한다.

주명령부(9a4)는, 도3(a)에 나타내는 바와 같이 엔진을 가속할 때에 소기압(Ps)이 목표 소기압(tPs)보다 작은 동안(도면의 예에서는, 시간(0)에서부터 시간(T)까지의 동안)에는, 모터(8a)의 제어회로에 모터(8a)의 회전속도를 가속하도록 명령하여, 축전장치(11)로부터 공급하는 모터(8a)의 구동전력을 크게 함으로써 터보차저(2)의 구동을 어시스트한다. 이러한 제어는, 소정의 시간마다 소기압(Ps)의 데이터를 취득하여, 압력비교부(9a3)에 있어서 소기압(Ps)이 목표 소기압(tPs)보다 작다라고 판정되고 있는 동안에 반복된다(도면의 예에서는, 시간(t1, t2, t3 … )의 타이밍에서 반복되고 있다).

그리고 소기압(Ps)이 목표 소기압(tPs)에 도달하면, 주명령부(9a4)는 모터(8a)의 제어회로에 대하여 그 이상 모터(8a)의 회전속도를 올리지 않도록 명령한다.

(2)엔진의 부하를 내리는 경우의 제어방법

오퍼레이터가 엔진(5)을 감속하기 위하여 엔진회전수를 내리도록 설정하였을 경우에, 회전수 제어장치(10)는 설정된 엔진회전수에 대응하여 엔진(5)에 공급하는 연료(F)의 분사량을 감소시킨다. 또한 회전수 제어장치(10)는 엔진(5)의 회전수 감소를 검지하여, 제어장치(9)에 본 발명의 제어방법을 시작하는 것을 명령한다.

압력비교부(9a3)는, 소정의 시간마다 압력계(7a)가 검출한 소기압(Ps)의 데이터를 취득하여, 목표 소기압 계산수단(9a2)이 구한 목표 소기압(tPs) 값과의 차이를 구한다.

주명령부(9a4)는, 도3(b)에 나타내는 바와 같이 엔진을 감속할 때에 소기압(Ps)이 목표 소기압(tPs)보다 큰 동안(도면의 예에서는, 시간(0)에서부터 시간(T)까지의 동안)에는, 발전기(8b)의 제어회로에 모터(8a)의 회생전력을 축전장치(11)에 충전하도록 명령하고, 그에 따라 터보차저(2)의 구동을 제동한다. 이러한 제어는, 소정의 시간마다 소기압(Ps)의 데이터를 취득하여, 압력비교부(9a3)에 있어서 소기압(Ps)이 목표 소기압(tPs)보다 크다고 판정되고 있는 동안에 반복된다(도면의 예에서는, 시간(t1, t2, t3 … )의 타이밍에서 반복되고 있다).

그리고 소기압(Ps)이 목표 소기압(tPs)에 도달하면, 주명령부(9a4)는, 발전기(8b)의 제어회로에 대하여 그 이상 발전을 하지 않도록 명령하여, 모터(8a)의 회전속도를 내리지 않도록 한다.

또 엔진(5)의 회전수가 일정할 때에는, 회전수 제어장치(10)는 엔진회전수의 증가나 감소를 검지하지 않기 때문에, 제어장치(9)에 본 발명의 제어방법의 시작을 명령하지 않는다.

다음에 본 발명의 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 이 제2실시형태에서는, 도1에 나타내는 바와 같이 엔진(5)의 배기포트(5b)와 탈초반응장치(4) 사이의 배기통로(3a)에, 압축, 연소, 팽창, 급배기(소기)의 사이클을 거쳐서 배기포트(5b)로부터 배출된 배기가스(G)의 온도인 제1배기온도(Te1)를 검출하는 제1온도계(7b)를 설치하고 있다.

그리고 제어장치(9)는, 도2에 나타내는 바와 같이 탈초반응장치(4) 내의 촉매의 열화(劣化)를 방지하기 위한 상한온도(uTe1)와 제1배기온도(Te1)의 차이를 구하는 제1온도비교부(9b1)와, 이 제1온도비교부(9b1)에서 구한 온도차이가 소정의 범위 내로 되었을 때에 모터(8a)의 회전속도를 가속하도록 명령하는 부명령부(9b2)를 더 구비하도록 구성하고 있다.

상한온도(uTe1)는, 배기가스(G)가 탈초반응장치(4)를 통과할 때에 촉매를 열화시키지 않는 상한의 온도이며, 제어장치(9)에 미리 데이터를 설정하고 있다. 또한 이 상한온도(uTe1)를 기준으로 하여 감시하여야 할 온도의 범위도 엔진의 종류나 규모에 따라 제어장치(9)에 미리 데이터를 설정하고 있다. 또한 악천후일 때 등의 바다의 자연적인 현상에 의하여 제1배기온도(Te1)가 상한온도(uTe1)를 넘는 것이 상정되는 경우에도, 제어장치(9)에 미리 데이터를 설정하고 있다.

이와 같이 구성하는 경우에 제어장치(9)는, 탈초반응장치(4)로 유입되는 배기가스(G)의 제1배기온도(Te1)를 감시하고, 이것이 미리 설정된 상한온도(uTe1)를 넘는 위험성이 높은 범위에 들어갔을 때에는, 부명령부(9b2)가 모터(8a)의 회전속도를 가속하도록 보정할 수 있다. 따라서 터보차저(2)의 회전수가 상승하여, 소기포트(5a)에 공급하는 소기량을 올림으로써 제1배기온도(Te1)를 내릴 수 있기 때문에 촉매의 열화를 방지할 수 있어 적합하다.

이 본 발명의 제2실시형태를 사용하여 터보차저의 구동을 제어하는 방법에 대하여 설명한다.

제1온도비교부(9b1)는, 소정의 시간마다 제1온도계(7b)가 검출한 제1배기온도(Te1)의 데이터를 취득하여, 상한온도(uTe1)와의 차이를 비교한다.

제어장치(9)는, 제1배기온도(Te1)와 상한온도(uTe1)의 차이가 소정의 범위 내일 때에는, 부명령부(9b2)로부터 명령하는 가속도분만 모터(8a)의 회전속도를 가속한다.

또한 제어장치(9)는, 제1배기온도(Te1)와 상한온도(uTe1)의 차이가 소정의 범위 내이고 또한 소기압(Ps)이 목표 소기압(tPs)보다 작을 때에는, 주명령부(9a4)로부터 명령하는 가속도분과 부명령부(9b2)로부터 명령하는 가속도분을 모두 더하여 모터(8a)의 회전속도를 가속한다.

따라서 엔진(5)을 가속하는 중에 제1배기온도(Te1)가 상한온도(uTe1)를 넘을 위험성이 높은 상황이 발생하였을 경우에도, 주명령부(9a4) 및 부명령부(9b2)로부터 동시에 모터(8a)의 회전수를 올리도록 명령하여, 양방을 고려한 가속도분만 터보차저(2)의 회전축(2b)의 회전을 가속하기 때문에, 헌팅의 방지와 촉매의 열화방지를 모두 도모하여 적합하다.

상기와 같은 제어를 소정의 시간마다 반복하여, 제1배기온도(Te1)와 상한온도(uTe1)의 온도차이가 소정의 범위 외가 되면, 부명령부(9b2)는 모터(8a)의 제어회로에 대한 명령을 정지한다.

또한 본 발명의 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 이 제3실시형태는, 도1에 나타내는 바와 같이 탈초반응장치(4)의 출구(4a)와 터빈(2a) 사이의 배기통로(3b)에, 출구(4a)로부터 배출된 NOx 정화처리 후의 배기가스의 온도인 제2배기온도(Te2)를 검출하는 제2온도계(7c)를 설치하고 있다.

제어장치(9)는, 도2에 나타내는 바와 같이 출구온도 데이터 베이스(9c1)에 억세스하여, 회전수 제어장치(10)로부터 취득한 엔진회전수의 데이터에 따라 목표 제1배기온도(tTe1)와 목표 제2배기온도(tTe2)를 각각 구하는 목표 배기온도 계산수단(9c2)과, 제1배기온도(Te1)와 목표 제1배기온도(tTe1)의 차이 및 제2배기온도(Te2)과 목표 제2배기온도(tTe2)의 차이를 각각 구하는 제2온도비교부(9c3)와, 이 제2온도비교부(9c3)에서 구한 온도차이가 모두 소정의 범위 내로 되었을 때에는 모터(8a) 또는 발전기(8b)의 구동을 정지하도록 명령하는 정지명령부(9c4)를 더 구비하도록 구성하고 있다.

출구온도 데이터 베이스(9c1)는, 엔진(5)의 회전수에 대응한 배기포트(5b)에 있어서의 이상(理想)의 출구온도인 목표 제1배기온도(tTe1)와, 탈초반응장치(4)의 출구(4a)에 있어서의 목표 제2배기온도(tTe2)를 각각 실험데이터로부터 구하여 테이블로 한 것으로서, 오퍼레이터가 설정한 엔진회전수의 데이터를 키로 하여 검색할 수 있는 데이터 베이스이다. 출구온도 데이터 베이스(9c1)에 미리 등록하여 두는 데이터의 내용은, 엔진기관의 종류나 규모 등에 따라 다른 것이다.

상기한 바와 같이 구성하는 경우에 제어장치(9)는, 제1배기온도(Te1)와 제2배기온도(Te2)를 감시하여, 이들의 온도 차이가 미리 설정한 범위 내에 들어갈 때에는, 정지명령부(9c4)가 모터(8a) 및 발전기(8b)에 대하여 제어정지를 명령할 수 있다. 따라서 탈초반응장치(4)의 SCR 촉매의 열용량 영향에 의한 온도차이(제1배기온도(Te1)와 제2배기온도(Te2)의 차이)가 없어진 타이밍에서, 터보차저(2)에 대한 어시스트 또는 제동을 중지하여 통상의 운전으로 되돌아가게 할 수 있기 때문에 적합하다.

이 본 발명의 제3실시형태를 사용하여 터보차저의 구동을 제어하는 방법에 대하여 설명한다.

제2온도비교부(9c3)는, 소정의 시간마다 제1온도계(7b)가 검출한 제1배기온도(Te1)의 데이터와 제2온도계(7c)가 검출한 제2배기온도(Te2)의 데이터를 취득하여, 목표 제1배기온도(tTe1)와의 차이 및 목표 제2배기온도(tTe2)와의 차이를 각각 비교한다.

정지명령부(9c4)는, 제2온도비교부(9c3)에서 구한 온도차이가 모두 소정의 범위 내로 되어 있는 상태가 일정한 시간 계속되었을 때에는, 모터(8a) 또는 발전기(8b)의 구동을 정지하도록 명령한다.

따라서 탈초반응장치(4)의 SCR 촉매의 열용량 영향에 의한 온도차이를 소정의 시간 간격으로 리얼타임(real time)으로 검지하면서, 그 온도차이가 허용범위로 되고 또한 그 상태가 소정의 시간 유지되고 있는 가장 적절한 타이밍에서, 터보차저(2)의 어시스트 또는 제동을 하지 않는 통상운전으로 되돌릴 수 있기 때문에, 모터(8a) 및 발전기(8b)의 구동을 필요한 범위에서 한정할 수 있어 적합하다.

상기 제3실시형태에 의한 제어방법은, 회전수 제어장치(10)가 엔진(5)의 회전수의 증가 또는 감소를 검지하였을 때에 시작되고, 제어장치(9)의 정지명령부(9c4)가 정지명령을 하였을 때에 종료된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 오퍼레이터가 엔진의 부하를 올릴 때에는, 제어장치의 주명령부가 모터에 구동전력을 공급하도록 명령하여, 모터의 회전에 의하여 터보차저의 구동을 어시스트하기 때문에, 탈초반응장치를 바이패스하지 않고 엔진의 과급부족을 해소할 수 있다. 따라서 미처리의 가스는 없어 배기가스는 항상 전량 정화처리할 수 있다.

또한 본 발명에서는, 오퍼레이터가 엔진의 부하를 내릴 때에는, 제어장치의 주명령부가 발전기에 모터로부터의 회생전력을 충전하도록 명령하여 터보차저의 구동을 제동한다. 발전기가 발전한 전력은 축전장치에 축전하여 모터의 구동전력으로서 이용할 수 있다. 따라서 배기가스의 에너지를 장치 외로 버리지 않고 유효하게 이용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은, 터보차저의 회전축에 모터 겸 발전기를 접속하여 에너지의 공급과 회수를 함으로써 헌팅을 방지하여, 터보 앞에 위치한 탈초반응장치를 구비한 엔진기관의 운전을 안정시킬 수 있다.

본 발명은, 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라, 각 청구항에 기재된 기술적 사상의 범위 내에 있어서 적절하게 실시형태를 변경하더라도 좋다는 것은 말할 필요도 없다.

예를 들면 상기의 실시예에서는, 목표 배기온도 계산수단(9c2)은 출구온도 데이터 베이스(9c1)에 등록되어 있는 데이터를 사용하는 예를 개시하였지만, 목표 제1배기온도(tTe1)와 목표 제2배기온도(tTe2)는 출구온도 데이터 베이스(9c1)에 등록되어 있는 데이터를 기초데이터로 하여 필요한 보정을 한 값을 사용하더라도 좋다.

또한 오퍼레이터는 엔진의 부하를 변경하도록 명령하지 않고 있지만, 악천후일 때 등 바다의 자연적인 현상에 의하여 엔진의 부하가 변동되는 경우에 대해서도, 상기 각 실시예에 있어서 제어장치(9)에 미리 설정하는 임계값을 넘은 것인가 아닌가에 의하여 본 발명의 시스템의 작동 또는 불작동을 적절하게 제어하면 좋다. 바다의 자연적인 현상에 의한 헌팅도 일정한 임계값 이상으로 커지게 되는 경우에는, 오퍼레이터가 엔진의 부하를 크게 변하게 한 상황과 같아지게 된다고 생각되기 때문이다.

1 : 터보차저 제어시스템
2 : 터보차저
2a : 터빈
3, 3a, 3b : 배기통로
4 : 탈초반응장치
4a : 출구
5 : 엔진
5b : 배기포트
6 : 소기실
7a : 압력계
7b : 제1온도계
7c : 제2온도계
8a : 모터
8b : 발전기
9 : 제어장치
9a1 : 소기압 데이터 베이스
9a2 : 목표 소기압 계산수단
9a3 : 압력비교부
9a4 : 주명령부
9b1 : 제1온도비교부
9b2 : 부명령부
9c1 : 출구온도 데이터 베이스
9c2 : 목표 배기온도 계산수단
9c3 : 제2온도비교부
9c4 : 정지명령부
11 : 축전장치
Ps : 소기압
tPs : 목표 소기압
Te1 : 제1배기온도
Te2 : 제2배기온도
uTe1 : 상한온도
tTe1 : 목표 제1배기온도
tTe2 : 목표 제2배기온도
G : 배기가스

Claims

터보차저(turbo charger)의 터빈(turbine) 상류측의 배기통로에 탈초반응장치(脫硝反應裝置)를 배치한 엔진기관에 있어서,
소기실(掃氣室) 내의 소기압(掃氣壓)을 검출하는 압력계(壓力計)와,
상기 터보차저의 구동을 어시스트(assist) 또는 제동(制動)할 수 있는 모터(motor)와,
상기 모터의 회생전력(回生電力)을 축전장치(蓄電裝置)에 충전할 수 있는 발전기(發電機)를
설치함과 아울러,
소기압 데이터 베이스에 억세스하여 목표 소기압을 구하는 목표 소기압 계산수단과, 상기 압력계가 검출한 소기압과 상기 목표 소기압 계산수단이 구한 목표 소기압을 비교하는 압력비교부와, 이 압력비교부의 비교결과에 따라 상기 모터 또는 상기 발전기를 제어하는 주명령부를 구비한 제어장치(制御裝置)를 설치하고,
엔진의 배기포트(排氣port)와 상기 탈초반응장치 사이의 배기통로에, 상기 배기포트로부터 배출된 배기가스의 온도인 제1배기온도를 검출하는 제1온도계를 설치함과 아울러,
상기 제어장치는,
상기 탈초반응장치 내의 촉매의 열화(劣化)를 방지하기 위한 상한온도와 상기 제1배기온도의 차이를 구하는 제1온도비교부와, 이 제1온도비교부에서 구한 온도차이가 소정의 범위 내로 되었을 때에 상기 모터의 회전속도를 가속하도록 명령하는 부명령부를 더 구비한 것을
특징으로 하는 터보차저 제어시스템(turbo charger 制御system).
삭제
제1항에 있어서,
상기 탈초반응장치와 상기 터빈 사이의 배기통로에, 상기 탈초반응장치의 출구로부터 배출된 배기가스의 온도인 제2배기온도를 검출하는 제2온도계를 설치함과 아울러,
상기 제어장치는,
출구온도 데이터 베이스에 억세스하여 목표 제1배기온도와 목표 제2배기온도를 각각 구하는 목표 배기온도 계산수단과, 상기 제1배기온도와 상기 목표 제1배기온도의 차이 및 상기 제2배기온도와 상기 목표 제2배기온도의 차이를 각각 구하는 제2온도비교부와, 상기 제2온도비교부에서 구한 온도차이가 모두 소정의 범위 내로 되었을 때에는 상기 모터 또는 상기 발전기의 구동을 정지하도록 명령하는 정지명령부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 터보차저 제어시스템.
제1항의 터보차저 제어시스템을 사용하여 터보차저의 구동을 제어하는 방법으로서,
상기 압력비교부는, 소정의 시간마다 상기 소기압과 상기 목표 소기압의 차이를 비교하고,
상기 주명령부는,
엔진을 가속할 때에, 상기 소기압이 상기 목표 소기압보다 작은 동안에는, 상기 모터의 회전속도를 가속하도록 명령하여 상기 터보차저의 구동을 어시스트하고,
엔진을 감속할 때에, 상기 소기압이 상기 목표 소기압보다 큰 동안에는, 상기 발전기에 상기 축전장치에 대한 충전을 명령하여 상기 터보차저의 구동을 제동하는 것을
특징으로 하는 터보차저 제어방법.
제1항의 터보차저 제어시스템을 사용하여 터보차저의 구동을 제어하는 방법으로서,
상기 제1온도비교부는, 소정의 시간마다 상기 제1배기온도와 상기 상한온도를 비교하고,
상기 제1배기온도와 상기 상한온도의 차이가 소정의 범위 내일 때에는, 상기 부명령부로부터 명령하는 가속도분만 상기 모터의 회전속도를 가속하고,
상기 제1배기온도와 상기 상한온도의 차이가 소정의 범위 내이고 또한 상기 소기압이 상기 목표 소기압보다 작을 때에는, 상기 주명령부로부터 명령하는 가속도분과 상기 부명령부로부터 명령하는 가속도분을 모두 더하여 상기 모터의 회전속도를 가속하는 것을
특징으로 하는 터보차저 제어방법.
제3항의 터보차저 제어시스템을 사용하여 터보차저의 구동을 제어하는 방법으로서,
상기 제2온도비교부는, 소정의 시간마다 상기 제1배기온도와 상기 목표 제1배기온도의 차이 및 상기 제2배기온도와 상기 목표 제2배기온도의 차이를 각각 비교하고,
상기 정지명령부는, 상기 제2온도비교부에서 구한 온도차이가 모두 소정의 범위 내로 되어 있는 상태가 일정한 시간 계속되었을 때에는, 상기 모터 또는 상기 발전기의 구동을 정지하도록 명령하는 것을
특징으로 하는 터보차저 제어방법.