KR102020524B1

KR102020524B1 - 엔진 시스템

Info

Publication number: KR102020524B1
Application number: KR1020187007615A
Authority: KR
Inventors: 나오타카 야마조에; 준타 아키야마; 이쿠오 우에무라; 테츠오 노가미; 마사노리 히가시다
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2019-09-10
Also published as: WO2017038033A1; JP6595851B2; KR20180034670A; JP2017048739A; CN107614859B; CN107614859A

Abstract

엔진 시스템의 EGR 제어부는 목표 엔진 회전수, 엔진 부하, 소기압 및 과급기 회전수 중 복수의 엔진 상태량을 취득하고, 취득한 각각의 엔진 상태량의 값에 기초하여 미리 저장된 맵 데이터에서 개별 최적 EGR 가스 유량을 각각 산출하고, 산출한 복수의 개별 최적 EGR 가스 유량 중 가장 작은 것을 최적 EGR 가스 유량으로 선정하고, 선정된 최적 EGR 가스 유량에 따라 제어 신호를 생성한다.

Description

엔진 시스템

본 발명은 엔진 시스템에 관한 것이다.

선박의 엔진 시스템에는, 엔진에서 배출된 배기 가스를 엔진에 다시 순환시키는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 장치를 구비하는 것이 있다. 배기 가스(EGR 가스)를 엔진에 재순환시킴으로써 소기(掃氣) 가스의 산소 농도가 저하되고, 연소 온도가 저하된다. 그 결과, 연소 온도의 높이에 기인하는 열적 NOx(thermal NOx)의 발생을 억제할 수 있다.

엔진에 재순환시키는 배기 가스의 양(EGR 가스 유량)을 많이 하면 NOx의 배출량을 줄일 수 있는 반면, EGR 가스 유량을 너무 많이 사용하면 소기 가스의 산소 농도가 저하되어 엔진 운전 상태가 불안정하게 되고, 경우에 따라서는 실화(失火)가 발생할 수 있다. 따라서, 소기 가스의 산소 농도가 적절한 값이 되도록 EGR 가스 유량을 제어할 필요가 있다.

이러한 EGR 가스 유량 제어에 관하여, 하기 특허 문헌 1에는 엔진 부하에 기초한 피드포워드(feed forward) 처리(피드포워드 제어)와, 산소 농도에 기초한 피드 백(feed back) 처리(피드 백 제어)를 조합하여 EGR 밸브를 제어하는 방법이 개시되어 있다.

일본특허출원공개 2013-170520호

그런데, 엔진 부하 변동 시에는, 각종 엔진 상태량이 엔진 부하의 변동에 늦게 변화하거나 앞서 변동하게 되므로, 엔진 부하에 따른 피드 포워드 처리는 충분한 기능을 하지 못하고, 경우에 따라서는 소기 가스의 산소 농도가 급격히 저하되어 실화가 발생할 우려도 있다. 또한, 산소 농도에 따른 피드백 처리에 의해 수정을 가하더라도, 과급기의 증속에 시간이 걸리는 등의 EGR 시스템의 구조상 소기 가스의 산소 농도가 급격히 저하되는 상황에서는 피드백 처리가 충분히 기능하도록 하는 것이 곤란하다.

본 발명은, 이상과 같은 사정을 고려하여 도출된 것이며, EGR 가스 유량 제어를 수행함에 있어서, 엔진 부하 변동 시에 안정된 운전을 할 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템은, EGR 가스와 신기(fresh air; 新氣)를 포함한 소기 가스가 공급되는 엔진 본체와, 배기 가스의 일부가 유입되고 유입된 배기 가스를 EGR 가스를 상기 엔진 본체에 공급하는 동시에 EGR 가스 유량을 조절하는 EGR 가스 유량 조절부를 구비하는 EGR 장치와, 상기 EGR 장치에 유입되지 않은 나머지 배기 가스에 의해 구동되고 신기를 승압하여 상기 엔진 본체에 공급하는 과급기와, 상기 EGR 가스 유량 조절부에 제어 신호를 전송하여 EGR 가스 유량을 제어하는 EGR 제어부를 구비하고, 상기 EGR 제어부는 목표 엔진 회전수, 엔진 부하, 소기압 및 과급기 회전수 중 복수의 엔진 상태량을 취득하고 취득한 각각의 엔진 상태량의 값에 기초하여 미리 저장된 맵 데이터(map data)에서 개별 최적 EGR 가스 유량을 각각 산출하고, 산출한 복수의 개별 최적 EGR 가스 유량 중 가장 작은 것을 최적 EGR 가스 유량으로 선정하고 선정된 최적 EGR 가스 유량에 기초하여 상기 제어 신호를 생성한다.

이러한 구성에 따르면, 각각의 엔진 상태량에 따라 산출된 복수의 개별 최적 EGR 가스 유량 중 가장 작은 것에 기초하여 EGR 가스 유량이 제어된다. 따라서, 엔진 부하 변동시는 엔진 부하에 지연 변동하는 등 엔진 부하의 변동에 동조하지 않는 엔진 상태량을 고려하여 EGR 가스 유량이 적어지도록 조절된다. 이에 의하면, 소기 가스의 산소 농도가 급격히 저하하는 것이 억제되어 엔진 부하 변동시에도 안정된 운전 상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 EGR 제어부는 취득한 엔진 부하에 따라 소기 가스의 목표 산소 농도를 산출하고, 상기 목표 산소 농도와 취득한 소기 가스의 산소 농도의 편차가 0이 되거나 0에 가깝게 되도록 하는 EGR 가스 유량 수정량을 산출하고, 상기 최적 EGR 가스 유량에 상기 수정량을 더한 수정 EGR 가스 유량에 기초하여 상기 제어 신호를 생성하여도 좋다.

이러한 구성에 따르면, EGR 가스 유량의 제어에서, 소기 가스의 산소 농도에 따라 피드백 처리가 이루어지기 때문에 EGR 가스 유량 제어에 산소 농도를 반영할 수 있다.

또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 EGR 제어부는 엔진 부하 변동시에는 상기 수정량의 크기를 조절하는 피드백 게인(feedback gain)을 엔진 부하 안정(整定)시에 비해 작게 설정하거나 0으로 설정하여도 좋다.

전술한 엔진 시스템에서는, 엔진 부하 변동시에는 소기 가스의 산소 농도를 높게 확보할 수 있도록 EGR 가스 유량이 제어되지만, 피드백 과정에서 그와 반하여 소기 가스의 산소 농도가 낮아지도록 수정이 가해질 수 있다. 이 경우 엔진 부하 변동시에 운전 상태가 불안정하게 될 수 있다. 따라서, 상기와 같이 엔진 부하 변동시에는 피드백 게인을 작게 또는 0으로 설정하도록 구성하면 피드백 처리의 영향을 약화시키고, 엔진 부하 변동시 운전 상태가 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 EGR 제어부는 소기압이 소정의 압력 범위 내가 되도록 하고, 과급기 회전수가 소정의 회전수 범위 내가 되도록 상기 제어 신호를 생성하여도 좋다.

상기의 엔진 시스템은 과급기가 EGR 장치에 유입되지 않은 나머지 배기 가스에 의해 구동되기 때문에 EGR 가스 유량의 변동에 따라 과급기에 공급되는 배기 가스의 유량도 변화한다. 예를 들어, EGR 가스 유량이 많아지면 과급기에 공급되는 배기 가스의 유량이 감소하여 과급기의 회전수가 작아진다. 이 경우 신기를 충분히 승압시킬 수 없는 결과로 소기압이 저하하여 운전 상태가 불안정하게 되고, 경우에 따라서는 실화가 발생할 수 있다. 한편, EGR 가스 유량이 작아지면 과급기에 공급되는 소기 가스의 유량이 증가하고 과급기의 회전수가 커져 소기압이 상승한다. 이 경우 과급기가 과회전하여 파손될 우려가 있고, 또한 엔진 본체의 최대 통 내부 압력이 커져 엔진 본체가 파손될 우려도 있다. 따라서, 상기와 같이 소기압이 소정의 압력 범위 내가 되도록 하는 동시에, 과급기 회전수가 소정의 회전 수 범위 내가 되도록 제어 신호를 생성하도록 구성하면, 상술한 실화, 과급기의 파손 및 엔진 본체의 파손을 방지할 수 있다.

이상과 같이, 상기 엔진 시스템에 의하면, EGR 가스 유량 제어를 함에 있어서, 엔진 부하 변동시에 안정된 운전을 할 수 있다.

도 1은 엔진 시스템 전체의 개략적인 구성도이다.
도 2는 엔진 시스템의 제어계의 블록도이다.
도 3은 EGR 제어부에 의한 제어의 흐름도이다.
도 4는 변형예에 따른 엔진 시스템 전체의 개략적인 구성도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에서는, 모든 도면에 걸쳐 동일 또는 상응하는 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복 설명은 생략한다.

<엔진 시스템의 전체 구성>

먼저, 엔진 시스템(100)의 전체 구성에 대해 설명한다. 도 1은 엔진 시스템(100)의 전체의 개략적인 구성도이다. 도 1에서 굵은 점선은 배기 가스(EGR 가스)의 흐름을 나타내고, 굵은 실선은 소기 가스의 흐름을 나타낸다. 엔진 시스템(100)은 엔진 본체(10)와, 소기관(20)과, 배기관(30)과, 과급기(40)와, EGR 유닛(50)을 구비한다.

본 실시예에 따른 엔진 본체(10)는 선박의 추진용 메인 엔진(主機)이고, 대형의 2행정 디젤 엔진이다. 그러나, 엔진 본체(10)는 4행정 엔진이어도 좋고, 가스 엔진이나 이원 연료 엔진이어도 좋다. 여기서, 4행정 엔진의 「급기」와 본 발명의 「소기」는 동일한 의미이다. 엔진 본체(10)는 복수의 실린더(11)를 구비하고, 각각의 실린더(11) 내에서 연료가 폭발 연소하여 피스톤(12)이 구동한다. 엔진 본체(10)에는 실린더(11)에 연료를 공급하는 연료 공급 장치(13) 및 엔진 회전수를 측정하는 엔진 회전계(14)(모두 도 2 참조)가 설치되어 있다.

소기관(20)은 소기 가스를 일시적으로 수용하고, 수용한 소기 가스를 엔진 본체(10)의 각 실린더(11)에 공급한다. 소기관(20)에는, 과급기(40)로부터 신기가, EGR 유닛(50)으로부터 EGR 가스가 소기 배관(21)을 통해 각각 공급된다. 상술한 소기 가스에는 신기와 EGR 가스가 포함된다. 소기관(20)에는 소기압(소기 가스의 압력)을 측정하는 소기압계(22), 소기관(20) 내에서 소기 가스의 산소 농도(이하 「산소 농도」라 칭함)를 측정하는 산소 농도계(23)가 설치되어 있다.

배기관(30)은 엔진 본체(10)의 각 실린더(11)로부터 배출된 배기 가스를 일시적으로 수용하고, 수용한 배기 가스를 배기 배관(31)을 통해 과급기(40)의 터빈(41) 및 EGR 유닛(50)에 공급한다. 본 실시예에 따르면, 배기 가스의 일부가 EGR 유닛(50)에 유입되고, EGR 유닛(50)에 유입되지 않은 나머지 배기 가스는 모두 과급기(40)의 터빈(41)에 공급된다.

과급기(40)는 터빈(41)과 블로어(blower)(42)를 구비한다. 터빈(41)에는 배기 배관(31)을 통해 배기 가스가 공급되고, 이 배기 가스의 에너지에 의해 터빈(41)이 회전한다. 터빈(41)과 블로어(42)는 연결 샤프트(43)에 의해 연결되어 있으며, 터빈(41)의 회전에 따라 블로어(42)도 회전한다. 블로어(42)가 회전하면, 외부에서 거두어 들인 공기(신기)가 승압되고, 승압된 신기는 소기 배관(21) 및 소기관(20)을 통해 엔진 본체(10)에 공급된다. 과급기(40)에는, 과급기(40)의 회전수를 측정하는 과급기 회전계(44)가 설치되어 있다. 또한, 소기 배관(21)에는 승압된 신기를 냉각하는 에어 쿨러(air cooler)(45)가 설치되어 있다.

EGR 유닛(50)은 배기 가스의 일부를 거두어 들이고, 유입된 배기 가스를 소기 배관(21) 및 소기관(20)을 통해 엔진 본체(10)에 공급한다. 이하에서 「EGR 가스」라 함은 EGR 유닛(50) 내의 배기 가스 또는 EGR 유닛(50)을 통과한 배기 가스를 의미한다. EGR 유닛(50)은 배기 배관(31)과 소기 배관(21)을 연결하는 EGR 배관(51)을 구비한다. EGR 배관(51)에는 배기 배관(31)로부터 소기 배관(21)을 향해 EGR 가스가 흐른다. 이 EGR 배관(51)에는 배기 배관(31) 측으로부터 순서대로 스크러버(scrubber)(52), EGR 가스 쿨러(53) 및 EGR 블로어(54)가 설치되어 있다.

스크러버(52)는 유입된 배기 가스를 세정하는 장치이다. 본 실시예에 따른 엔진 본체(10)는 중유를 연료로 하고 있으며, 배기 가스에는 SOx 및 다량의 그을음 등이 포함된다. 유입된 배기 가스를 세척하지 않고 엔진 본체(10)에 되돌리면 배기 가스에 포함된 SOx 및 그을음 등이 엔진 본체(10)에 악영향을 미친다. 따라서, 스크러버(52)에 의해 배기 가스에서 SOx 및 그을음 등을 제거한다. 배기 가스를 세정하는 방법으로는, 세정수 중에 배기 가스를 통과시키는 방식, 배기 가스에 세정수를 분사하는 방식, 세정수가 스며 있는 부재 사이에 배기 가스를 통과시키는 방식 등이 있으며, 어느 방식을 채용해도 좋다.

EGR 가스 쿨러(53)는 유입된 배기 가스를 냉각하는 장치이다. 본 실시예에 따르면, EGR 가스 쿨러(53)는 EGR 블로어(54)의 상류 측에 배치되어 있다. 따라서, EGR 가스 쿨러(53)에 의해 냉각된 배기 가스는 밀도가 높아지고, 체적 유량이 감소한다. 따라서, EGR 블로어(54)의 부하를 경감시킬 수 있다. 여기서, EGR 가스 쿨러(53)는 EGR 블로어(54)의 하류 측에 배치되어 있어도 좋고, 스크로버(52)의 상류 측에 배치되어 있어도 좋다. 또한, EGR 가스 쿨러(53)는 EGR 배관(51)의 복수 개소에 배치되어 있어도 좋다.

EGR 블로어(54)는 유입된 배기 가스를 승압시키고, EGR 유닛(50)으로부터 엔진 본체(10)에 공급되는 EGR 가스의 공급량(EGR 가스 유량)을 조절하는 장치이다. 본 실시예에서는 EGR 블로어(54)가 본 발명의 「EGR 가스 유량 조절부」에 해당한다. 본 실시예에 따른 EGR 블로어(54)는 용적형 블로어이고, EGR 블로어(54)의 회전 속도를 제어하는 것만으로, EGR 가스 유량을 조절할 수 있다.

<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)을 제어하는 제어 장치(60)를 구비하고 있다. 제어 장치(60)는 CPU, ROM, RAM 등으로 구성되어 있다.

제어 장치(60)는 작업자에 의해 작업이 수행되는 운전 조작반(61), 엔진 회전계(14), 소기압계(22), 산소 농도계(23) 및 과급기 회전계(44)와 전기적으로 연결되어있다. 제어 장치(60)는 이들 기기로부터 전송되는 상태 신호에 따라 각각 목표 엔진 회전수, 엔진 회전수(실제 엔진 회전수), 소기압, 산소 농도 및 과급기 회전수의 각종 엔진 상태량을 취득할 수 있다. 또한, 제어 장치(60)는 취득한 각종 엔진 상태량에 따라 다양한 연산을 수행하고, 엔진 시스템(100)의 각부를 제어한다. 본 실시예에 따르면, 제어 장치(60)는 연료 공급 장치(13) 및 EGR 블로어(54)와 전기적으로 연결되어 있으며, 다양한 연산 등의 결과에 따라 이러한 장치에 제어 신호를 전송한다.

또한, 제어 장치(60)는 기능적인 구성으로 회전 제어부(62), EGR 제어부(63)를 구비하고 있다. 이 중 회전 제어부(62)는 엔진 회전수를 제어한다. 운전자가 운전 조작반(61)을 통해 목표 엔진 회전수를 설정하면, 회전 제어부(62)는 운전 조작반(61)으로부터 송신된 상태 신호에 따라 목표 엔진 회전수를 취득한다. 그리고, 회전 제어부(62)는 목표 엔진 회전수와 엔진 회전계(14)로부터 취득한 엔진 회전수(실제 엔진 회전수)의 편차가 0이 되도록 연료 공급 장치(13)에 제어 신호(연료 분사량)를 전송한다.

한편, EGR 제어부(63)는 EGR 블로어(54)에 제어 신호를 전송하여, EGR 가스 유량을 제어한다. 도 3은 EGR 제어(63)에 의한 제어 흐름을 나타낸 흐름도이다. EGR 제어부(63)에 의한 제어는 피드 포워드 처리, 피드백 처리 및 리미트(limit) 처리가 포함된다. 이하, 도 3을 참조하여 EGR 제어부(63)에 의한 제어를 설명한다.

<피드포워드 처리>

피드포워드 처리에서는, 현재의 산소 농도를 피드 백하는 처리는 실시하지 않고, 미리 저장된 데이터를 기반으로 최적의 EGR 가스 유량을 추정한다.

도 3의 단계 S1 내지 S3가 피드포워드 처리에 해당한다. EGR 제어부(63)는 제어가 시작되면 먼저 엔진 상태량을 취득한다(단계 S1). 여기서 말하는 「엔진 상태량」은 엔진 시스템(100)의 상태를 나타내는 값이며, 목표 엔진 회전수, 엔진 부하, 소기압, 과급기 회전수, 산소 농도가 포함된다. 여기서, 엔진 부하는 엔진 회전수와 연료 분사량을 기준으로 계산(추정)할 수 있지만, 다른 엔진 상태량으로부터 산출하여도 좋다.

이어서, EGR 제어부(63)는 취득한 각 엔진 상태량의 값에 따라 미리 저장된 맵 데이터로부터 개별 최적 EGR 가스 유량을 산출한다(단계 S2). EGR 제어부(63)는 상술한 여러 엔진 상태량 중 산소 농도를 제외한 목표 엔진 회전수, 엔진 부하, 소기압, 과급기 회전수의 각각에 대하여, 개별 최적 EGR 가스 유량과의 관계를 나타내는 맵 데이터를 저장하고 있다. 그리고, 취득한 각각의 엔진 상태량과 해당 맵 데이터에 기초하여 개별 최적 EGR 가스 유량을 각각 산출한다.

상기 맵 데이터는 미리 행해진 엔진 시스템(100)의 운전 데이터에 의해 작성될 수 있다. 맵 데이터를 작성하려면, 먼저 어떤 엔진 부하에서 대해서, NOx 배출량이 환경 기준에서 정한 기준치 이하가 되고 또한 엔진 부하의 진폭이 소정 이하가 되도록 EGR 가스 유량을 설정한다. 그리고, 그 때의 EGR 가스 유량을 개별 최적 EGR 가스 유량으로 기록하고, 각각의 엔진 상태량을 기록한다. 이것을 엔진 부하마다 실시하면 각각의 엔진 상태량과 개별 최적 EGR 가스 유량과의 관계가 나타나 맵 데이터를 작성할 수 있다.

또한, 각각의 맵 데이터는 상기와 작성되어 있기 때문에, 어느 엔진 상태량을 이용한다고 해도, 산출되는 개별 최적 EGR 가스 유량은 모두 같은 값이 된다고 기대된다. 그러나, 주위 조건(예를 들어, 대기 온도, 대기 압력, 해상의 풍속 및 파고)의 차이에 의해 엔진 본체(10)에 걸리는 부하가 엔진 시스템(100)의 측정시와 다른 경우나, 엔진 부하 변동시(예를 들어, 어떤 엔진 부하에서 다른 엔진 부하로 전환할 때의 과도기)에는 각각의 엔진 상태량이 변동하는 타이밍이나 변동률이 서로 일치하지 않기 때문에 엔진 상태량마다 산출되는 개별 최적 EGR 가스량의 값은 다르다.

이어서, EGR 제어부(63)는 산출한 여러 개별 최적 EGR 가스 유량 중 가장 작은 것을 최적 EGR 가스 유량으로 선정한다(단계 S3). 후술하는 바와 같이, 여기에서 선정된 최적 EGR 가스 유량에 따라 EGR 블로어(54)에 전송하는 제어 신호를 생성하고, EGR 가스 유량이 제어된다. 상기와 같이 개별 최적 EGR 가스 유량 중 가장 작은 것에 따라 EGR 가스 유량 제어를 하면, 운전 상태가 불안정하게 되기 쉬운 엔진 부하 변동시에 EGR 가스 유량이 작아지는 방향으로 제어를 하게 되므로 높은 산소 농도가 유지되어 운전 상태가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.

<피드백 처리>

다음으로 피드백 처리에 대해 설명한다. 피드백 처리에서는, 피드포워드 처리로 선정된 최적 EGR 가스 유량에 산소 농도를 피드백하는 것에 의한 수정을 가한다. 여기서, 피드백 처리는 어디까지나 최적 EGR 가스 유량에 수정을 가하는 추가 처리이며, EGR 유량의 제어는 최적 EGR 가스 유량에 크게 의존한다.

도 3의 단계 S4 내지 S7이 피드백 처리에 해당한다. EGR 제어부(63)는 단계 S4에서 목표 산소 농도를 산출한다. 구체적으로는, EGR 제어부(63)는 목표 산소 농도와 엔진 부하와의 관계를 나타내는 맵 데이터를 저장하고, 이 맵 데이터와 취득한 엔진 부하에 따라 목표 산소 농도를 산출한다. 여기서, 목표 산소 농도는, NOx 배출량이 환경 기준에서 정한 기준치 이하가 되고, 또한 엔진 부하의 진폭이 소정 이하가 되는 산소 농도이다. 이러한 맵 데이터는 미리 행해진 엔진 시스템(100)의 운전 데이터에 의해 작성될 수 있다.

이어서, EGR 제어부(63)는 피드백 게인을 설정한다(단계 S5). 피드백 게인은 후술하는 수정량의 크기를 조정하기 위한 상수이다. 본 실시예에 따르면, 운전 상태에 따라 피드백 게인이 설정된다. 구체적으로는, 피드백 게인은 엔진 부하 변동시에는 엔진 부하 안정시보다 작게 설정된다. 다만, 엔진 부하 변동시에는 피드백 게인을 0으로 설정하여도 좋다. 여기서, 「엔진 부하 변동시」는 소정 시간당 엔진 부하의 변화량이 소정량 이상인 경우를 말하며, 「엔진 부하 안정시」는 소정 시간당 엔진 부하의 변화량이 소정량 미만 때를 말한다.

이어서, EGR 제어부(63)는 최적 EGR 가스 유량의 수정량을 산출한다(단계 S6). 구체적으로는, 단계 S4에서 산출한 목표 산소 농도와 산소 농도계(23)에서 취득한 산소 농도(실제 산소 농도)와의 편차가 0이 되는, 또는 0에 가까워지도록 하는 EGR 가스 유량의 수정량을 피드백 게인을 이용하여 산출한다. 이러한 수정량의 산출에는 피드백 제어의 연산을 이용할 수 있다.

예를 들어, 수정량을 산출함에 있어서 비례 제어(P 제어) 연산을 이용하는 경우, 상기 편차에 비례 게인을 곱한 값을 수정량으로 할 수 있다. 이 경우 비례 게인이 피드백 게인에 해당한다. 또한, PID 제어 연산을 이용하는 경우에는 다른 비례 게인, 적분 게인과 미분 게인이 피드백 게인에 해당한다. 여기서, 전술한 바와 같이, 피드백 게인은 엔진 부하 변동시와 엔진 부하 안정시가 다르기 때문에, 동일한 편차에 대해서도 엔진 부하 변동시와 엔진 부하 안정시에서는 산출되는 수정량이 달라지게 된다.

이어서, EGR 제어부(63)는 단계 S3에서 산출한 최적 EGR 가스 유량에 단계 S6에서 산출한 수정량(증가량의 경우는 플러스 값, 감소량의 경우는 마이너스 값)을 더하여, 수정 EGR 가스 유량을 산출한다(단계 S7). 이와 같이 산소 농도에 따라 피드백 처리를 함으로써 EGR 가스 유량을 최적의 값으로 제어하고, 나아가 NOx의 배출량 감소와 엔진 시스템(100)의 안정을 양립시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 엔진 부하 변동시에는 엔진 부하 안정시에 비해 피드백 게인을 작게 설정하는 이유는 다음과 같다. 피드포워드 처리는 엔진 부하 변동시에는 소기 가스의 산소 농도를 높게 확보할 수 있도록 EGR 가스 유량이 제어된다. 그런데, 피드백 처리가 이루어지면 피드포워드 처리의 의의에 반하여, 엔진 부하 변동시에서도 소기 가스의 산소 농도가 낮아지도록 수정될 우려가 있다. 따라서, 엔진 부하 변동시에는 피드백 게인을 작게 설정하여 피드백 처리의 영향을 약화시키고, 엔진 부하 변동시에 운전 상태가 불안정해지는 것을 방지하는 것이다.

<리미트 처리>

다음으로 리미트 처리에 대해 설명한다. 리미트 처리에서는 EGR 가스 유량이 소정의 유량 범위 내가 되도록 처리된다.

도 3의 단계 S8 내지 S13이 리미트 처리에 해당한다. EGR 제어부(63)는 단계 S8에서 EGR 가스 유량의 상한 유량과 하한 유량을 산출한다. 여기서, 본 실시예에 따르면, EGR 유닛(50)에서 거두어 들이지 않은 배기 가스는 모두 과급기(40)의 터빈(41)에 공급되기 때문에, EGR 가스 유량은 과급기(40)의 회전수에 직접적인 영향을 준다. 예를 들어, EGR 가스 유량이 지나치게 늘어나면 과급기(40)의 회전수가 저하되기 때문에 소기압이 저하된다. 그 결과, 운전 상태가 불안정하게 되고, 경우에 따라서는 실화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 EGR 가스 유량의 상한 유량을 설정하고 있다.

한편, 상술한 경우와는 반대로, EGR 가스 유량이 지나치게 적어지면, 과급기(40)가 과회전하여 파손될 우려가 있고, 또한 소기압이 상승하여 엔진 본체(10)의 통 내부 압력이 과도하게 상승하여 엔진 본체(10)가 파손될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 EGR 가스 유량의 하한 유량을 설정하고 있다. 요컨대, 본 실시예에 따르면, 소기압이 소정의 압력 범위 내가 되도록 하며, 과급기 회전수가 소정의 회전수 범위 내가 되도록, EGR 가스 유량의 상한 유량과 하한 유량을 설정한다.

다만, 엔진 본체(10)에서 배출되는 배기 가스의 유량은 엔진 부하에 따라 다르기 때문에, EGR 가스 유량의 상한 유량과 하한 유량은 운전 상황에 따라 변화시킬 필요가 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 단계 S8에서 EGR 가스 유량의 상한 유량과 하한 유량을 산출하고 있다. EGR 가스 유량의 상한 유량과 하한 유량의 산출은 미리 저장된 맵 데이터와 취득한 엔진 부하에 따라 이루어질 수 있다.

또한, 더 직접적인 방법으로, 소기압 및 과급기 회전에 기초해 EGR 가스 유량의 상한 유량과 하한 유량을 산출하여 좋다. 예를 들어, 미리 저장된 맵 데이터와 취득한 소기압에 기초해 EGR 가스 유량의 상한 유량을 산출하는 동시에, 미리 저장된 맵 데이터와 취득한 과급기 회전수에 기초해 EGR 가스 유량의 상한 유량을 산출하고, 이러한 개별적으로 산출한 EGR 가스 유량의 상한 유량 중 작은 값을 채용하여도 좋다. 마찬가지로, 미리 저장된 맵 데이터와 취득한 소기압에 기초해 EGR 가스 유량의 하한 유량을 산출하는 동시에, 미리 저장된 맵 데이터와 취득한 과급기 회전수에 기초해 EGR 가스 유량의 하한 유량을 산출하고, 이러한 개별적으로 산출한 EGR 가스 유량의 하한 유량 중 큰 값을 채용하여도 좋다.

이어서, EGR 제어부(63)는 단계 S7에서 산출한 수정 EGR 가스 유량이 단계 S8에서 산출한 상한 유량보다 작은지 여부를 판정한다(단계 S9). EGR 제어부(63)는 단계 S9에서 수정 EGR 가스 유량이 상한 유량보다 작지 않다(상한 유량 이상이다)고 판정한 경우(단계 S9에서 NO), 그 상한 유량에 대응하는 제어 신호를 EGR 블로어(54)에 전송한다(단계 S10). 따라서, EGR 블로어(54)는 제어 신호에 대응하는 회전수로 회전하고, EGR 가스 유량은 상한 유량으로 설정된다. 따라서, 운전 상태가 불안정하게 되는 것을 피할 수 있다.

한편, EGR 제어부(63)는 단계 S9에서 수정 EGR 가스 유량이 상한 유량보다 작다고 판정한 경우(단계 S9에서 YES), 수정 EGR 가스 유량이 단계 S8에서 산출된 하한 유량보다 큰지 여부를 판정한다(단계 S11). EGR 제어부(63)는 단계 S11에서 수정 EGR 가스 유량이 하한 유량보다 크지 않다(하한 유량 이하 같다)고 판정한 경우(단계 S11에서 NO), 하한 유량에 대응하는 제어 신호를 EGR 블로어(54)로 전송한다(단계 S12). 따라서, EGR 블로어(54)는 제어 신호에 대응하는 회전수로 회전하고, EGR 가스 유량은 하한 유량으로 설정된다. 따라서, 과급기(40)와 엔진 본체(10)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

한편, EGR 제어부(63)는 수정 EGR 가스 유량이 하한 유량보다 큰 것으로 판정된 경우에는(단계 S11에서 YES), 수정 EGR 가스 유량에 대응하는 제어 신호를 EGR 블로어(54)에 전송한다. 따라서, EGR 송풍기(54)는 제어 신호에 대응하는 회전수로 회전하고 EGR 유량은 수정 EGR 가스 유량으로 설정된다. 여기서, 수정 EGR 가스 유량은 상술한 바와 같이 산출된 것이기 때문에, 엔진 부하 안정시에는 NOx 배출량이 환경 기준에서 정한 기준치 이하가 되는 것과 동시에 엔진 부하의 진폭이 소정량 이하가 되고, 엔진 부하 변동시에는 운전 상태가 안정된다.

나아가, EGR 제어부(63)는 단계 S10, S12, S13 중 하나를 거치면 다시 단계 S1로 돌아가서 위의 단계 S1 내지 S13을 반복한다.

<변형예>

이상에서는 EGR 블로어(54)에 의해 EGR 가스 유량을 조정하는 EGR 가스 유량 조절부를 구성하는 경우에 대해 설명하였지만, EGR 블로어(54) 외의 기기에 의해 EGR 가스 유량 조절부를 구성하여도 좋고, EGR 블로어(54)와 그 외의 기기를 조합하여 EGR 가스 유량 조절부를 구성하여도 좋다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, EGR 배관(51)의 EGR 가스 쿨러(53)의 상류 부분과 EGR 블로어(54)의 하류 부분을 연결하는 바이패스 배관(55)을 설치하는 동시에, 이 바이 패스 배관(55)의 개도 조절이 가능한 EGR 가스 유량 조절 밸브(56)를 설치하고, EGR 블로어(54)와 EGR 가스 유량 조절 밸브(56)를 조합하여 EGR 가스 유량 조절부를 구성하여도 좋다. 또한, 도 1에 도시된 엔진 시스템(100)의 EGR 배관(51)에 도 4에 도시된 유량 조절 밸브(56)를 직접 설치해도 좋다. 이러한 경우, 제어 장치(60)로부터 EGR 블로어(54) 및 EGR 가스 유량 조절 밸브(56)의 한쪽 또는 양쪽에 제어 신호가 전송되어, EGR 유량이 제어된다.

10: 엔진 본체
40: 과급기
50: EGR 유닛
54: EGR 블로어 (EGR 가스 유량 조절부)
56: EGR 가스 유량 조절 밸브 (EGR 가스 유량 조절부)
100: 엔진 시스템

Claims

EGR 가스와 신기를 포함하는 소기 가스가 공급되는 엔진 본체와;
배기 가스의 일부가 유입되고, 유입된 배기 가스를 EGR 가스로하여 상기 엔진 본체에 공급하며, EGR 가스 유량을 조절하는 EGR 가스 유량 조절부를 구비하는 EGR 유닛과;
상기 EGR 유닛으로 유입되지 않은 나머지 배기 가스에 의해 구동되고, 신기를 승압하여 상기 엔진 본체에 공급하는 과급기와;
상기 EGR 가스 유량 조절부에 제어 신호를 전송하여 EGR 가스 유량을 제어하는 EGR 제어부;를 포함하고,
상기 EGR 제어부는 목표 엔진 회전수, 엔진 부하, 소기압 및 과급기 회전수 중 복수의 엔진 상태량을 취득하고, 취득한 각각의 엔진 상태량의 값에 기초하여 미리 저장된 맵 데이터로부터 개별 최적 EGR 가스 유량을 엔진 상태량마다 각각 산출하고, 산출한 복수의 개별 최적 EGR 가스 유량 중 가장 작은 것을 최적 EGR 가스 유량으로 선정하고, 선정된 최적 EGR 가스 유량에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제1항에 있어서,
상기 EGR 제어부는 취득한 엔진 부하에 기초하여 소기 가스의 목표 산소 농도를 산출하고, 상기 목표 산소 농도와 취득한 소기 가스의 산소 농도의 편차가 0이 되거나 0에 가까워지게 하는 EGR 가스 유량 수정량을 산출하고, 상기 최적 EGR 가스 유량에 상기 수정량을 더한 수정 EGR 가스 유량에 기초해 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제2항에 있어서,
상기 EGR 제어부는 엔진 부하 변동시에는 상기 수정량의 크기를 조절하는 피드백 게인을 엔진 부하 안정시에 비해 작게 설정하거나 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 EGR 제어부는 소기압이 소정의 압력 범위 내가 되도록 하고, 동시에 과급기 회전수가 소정의 회전수 범위 내가 되도록 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.