KR102032074B1

KR102032074B1 - 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관

Info

Publication number: KR102032074B1
Application number: KR1020187011037A
Authority: KR
Inventors: 리키카즈 도쿠스
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 자판엔진코포레숀
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2019-10-14
Also published as: CN108699976A; CN108699976B; KR20180053400A; WO2017149970A1; JP2017155624A; JP6700860B2

Abstract

내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관에 있어서, 디젤 엔진 본체 (11) 와, 디젤 엔진 본체 (11) 에 연소용 기체를 공급하는 컴프레서 (31) 및 터빈 (32) 을 구비하는 VTI 과급기 (12) 와, 통내 압력에 영향을 주는 작동 부재로서의 배기 밸브 (28) 및 인젝터 (29) 를 형성하고, 제어 장치 (13) 는, 터빈 (32) 의 용량에 따른 배기 밸브 (28) 및 인젝터 (29) 의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터 (A, B) 가 형성되고, 터빈 (32) 의 용량의 변경시에 미리 설정된 소정의 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환한다.

Description

내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관

본 발명은, 과급기를 구비하는 내연 기관의 제어 장치, 이 내연 기관의 제어 장치를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다.

예를 들어, 선박에 탑재되는 주기로서의 내연 기관은, 연비 향상이나 배기 가스 중의 CO₂ 를 삭감하기 위해 과급기가 장착되어 있다. 이 과급기는, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스를 이용하여 터빈 및 컴프레서를 구동시킴으로써, 내연 기관에 연소용 기체를 압축 공급하여 내연 기관의 출력을 향상시키는 것이다.

이와 같은 과급기로서, 가변 용량 터빈을 구비한 가변 터빈 시스템이 있다. 이 가변 터빈 시스템은, 가변 터빈 노즐을 배기 가스의 입구부에 배치함과 함께, 배기 가스의 가스 입구 통로를 2 계통으로 분할하여 일방의 가스 입구 통로에 개폐 밸브를 형성한 것이다. 그 때문에, 개폐 밸브의 개폐 동작에 의해 노즐 스로트 면적을 변화시키는 것을 가능하게 하고, 내연 기관의 저부하 운전역에 있어서, 노즐 스로트 면적을 감소시켜 소기 (掃氣) 압력을 상승시키고, 연료 소비율을 저감시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 기술로서, 예를 들어, 하기 특허문헌에 기재되어 있는 것이 있다.

일본 공개특허공보 2010-216468호

상기 서술한 가변 터빈 시스템에서는, 일방의 가스 입구 통로에 형성된 개폐 밸브의 개폐 동작에 의해 노즐 스로트 면적을 변화시키고, 내연 기관의 운전 상태에 따라 소기 압력을 조정하도록 제어하고 있다. 한편으로, 내연 기관에 운전 상태에 따라 조정하는 것으로서, 예를 들어, 연료 분사 시간이나 연료 분사 시기, 배기 밸브 구동 시간이나 배기 밸브 개폐 시기 등이 있으며, 이것들은 미리 설정된 운전 파라미터에 의해 제어되고 있다. 그 때문에, 가변 터빈 용량 시스템에 의한 소기 압력이 변화되었을 때, 내연 기관의 성능이 고르지 않다는 문제가 있다.

본 발명은, 상기 서술한 과제를 해결하는 것으로, 소기 압력의 변화에 따른 통내 압력의 거동을 저감시켜 내연 기관의 성능의 안정화를 도모하는 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내연 기관의 제어 장치는, 내연 기관 본체와, 상기 내연 기관 본체에 접속되어 상기 내연 기관 본체에 연소용 기체를 공급하는 압축기 및 상기 압축기와 동축 회전하는 가변 용량 터빈을 구비하는 과급기와, 상기 내연 기관 본체에 형성되어 통내 압력에 영향을 주는 작동 부재를 구비하고, 상기 터빈의 용량에 따른 상기 작동 부재의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터가 형성되고, 상기 터빈의 용량의 변경시에 미리 설정된 소정의 지연 시간의 경과 후에 상기 운전 파라미터를 전환하는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서, 터빈 용량의 변경시에, 소정의 지연 시간의 경과 후에 작동 부재의 운전 파라미터를 전환함으로써, 소기 압력의 변화와 운전 파라미터의 전환에 의한 통내 압력의 거동이 저감되어, 내연 기관의 성능의 안정화를 도모할 수 있다.

본 발명의 내연 기관의 제어 장치에서는, 상기 터빈의 용량의 변경 지령의 출력시부터 상기 지연 시간의 경과 후에 상기 운전 파라미터를 전환하는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 터빈 용량의 변경 지령의 출력시부터 지연 시간의 경과 후에 운전 파라미터를 전환함으로써, 터빈 용량을 변경하는 데에 필요로 하는 시간에 관계없이, 적정 시기에 운전 파라미터를 전환할 수 있다.

본 발명의 내연 기관의 제어 장치에서는, 상기 터빈의 용량의 증가시에는, 상기 터빈의 용량의 변경과 동시에 상기 운전 파라미터를 전환하는 한편, 상기 터빈의 용량의 감소시에는, 상기 터빈의 용량의 변경시부터 상기 지연 시간의 경과 후에 상기 운전 파라미터를 전환하는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 터빈 용량이 증가할 때에는, 소기 압력이 저하되지만, 터빈 용량의 감소시에는, 소기 압력이 상승하기 때문에, 터빈 용량의 변경시부터 지연 시간의 경과 후에 운전 파라미터를 전환한다. 그 때문에, 통내 압력의 급격한 상승이 억제되어, 내연 기관의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 내연 기관의 제어 장치에서는, 상기 과급기는, 상기 터빈의 용량을 변경 전환 가능한 전환 밸브가 형성되고, 상기 지연 시간은, 상기 전환 밸브의 전환 시간에 미리 설정된 여유 시간을 가산하여 설정되는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 전환 밸브의 전환 시간에 여유 시간을 가산하여 지연 시간을 설정함으로써, 전환 밸브가 전환 위치로 완전히 이동한 후에 운전 파라미터가 전환되게 되어, 간단한 제어에 의해 통내 압력의 급격한 상승을 억제할 수 있다.

본 발명의 내연 기관의 제어 장치에서는, 소기 압력 또는 통내 압력을 계측 또는 추정하는 소기 압력 또는 통내 압력 계측 추정 장치가 형성되고, 상기 지연 시간은, 상기 소기 압력 또는 상기 통내 압력이 일정값에 도달할 때까지의 시간인 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 계측 또는 추정된 소기 압력 또는 통내 압력이 일정값에 도달할 때까지의 시간을 지연 시간으로 함으로써, 통내 압력의 안정을 기다려 운전 파라미터가 전환되게 되어, 통내 압력의 급격한 상승을 억제할 수 있다.

본 발명의 내연 기관의 제어 장치에서는, 상기 작동 부재는, 배기 밸브와 연료 분사 밸브와 유압 작동 기기 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 터빈 용량에 따라, 배기 밸브의 개폐 시기, 연료 분사 밸브의 연료 분사 시기, 연료 분사 시간, 유압 작동 기기의 작동 압력 등의 운전 파라미터를 적정 시기로 설정할 수 있다.

또, 본 발명의 내연 기관은, 내연 기관 본체와, 상기 내연 기관 본체에 접속되어 상기 내연 기관 본체에 연소용 기체를 공급하는 압축기 및 상기 압축기와 동축 회전하는 가변 용량 터빈을 구비하는 과급기와, 상기 내연 기관 본체에 형성되어 통내 압력에 영향을 주는 작동 부재와, 상기 터빈의 용량에 따른 상기 작동 부재의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터가 형성되어 상기 터빈의 용량의 변경시에 미리 설정된 소정의 지연 시간의 경과 후에 상기 운전 파라미터를 전환하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관에 의하면, 소기 압력의 변화와 운전 파라미터의 전환에 의한 통내 압력의 거동이 저감되어, 내연 기관의 성능의 안정화를 도모할 수 있다.

도 1 은, 본 실시형태의 내연 기관으로서의 선박용 디젤 엔진을 나타내는 개략 구성도이다.
도 2 는, 가변 용량 터빈을 구비한 VTI 과급기를 나타내는 개략도이다.
도 3 은, 내연 기관의 제어 장치에 의한 주기 부하 일정시의 과급기 전환 제어를 나타내는 타임 차트이다.
도 4 는, 내연 기관의 제어 장치에 의한 주기 부하 변화시의 과급기 전환 제어를 나타내는 타임 차트이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관련된 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 바람직한 실시형태를 상세히 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 또, 실시형태가 복수 있는 경우에는, 각 실시형태를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.

도 1 은, 본 실시형태의 내연 기관으로서의 선박용 디젤 엔진을 나타내는 개략 구성도이다.

본 실시형태에서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 내연 기관으로서의 선박용 디젤 엔진 (10) 은, 디젤 엔진 본체 (내연 기관 본체) (11) 와, VTI 과급기 (12) 와, 제어 장치 (13) 를 구비하고 있다.

디젤 엔진 본체 (11) 는, 복수의 실린더부 (21) 가 형성되어 있고, 각각의 실린더부 (21) 는, 내부에 피스톤 (22) 이 각각 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 지지되어 있고, 각 피스톤 (22) 은, 피스톤봉 (23) 의 하부가 도시되지 않은 크로스 헤드를 개재하여 크랭크축에 연결되어 있다.

실린더부 (21) 는, 하부에 형성된 소기 포트 (24) 를 개재하여 소기 트렁크 (25) 가 연결됨과 함께, 상부에 형성된 배기 포트 (26) 를 개재하여 배기 매니폴드 (27) 가 연결되어 있다. 소기 트렁크 (25) 는, 흡기관 (L1) 을 개재하여 VTI 과급기 (12) 의 컴프레서 (압축기) (31) 에 연결되어 있다. 배기 매니폴드 (27) 는, 배기관 (L2) 을 개재하여 VTI 과급기 (12) 의 터빈 (32) 에 연결되어 있다. 또, 실린더부 (21) 는, 상부에 배기 가스를 배기 포트 (26) 로 배출하는 배기 밸브 (28) 가 형성되어 있다. 또한, 실린더부 (21) 는, 내부 (연소실) 에 연료 (예를 들어, 중유, 천연 가스 등) 를 분사하는 인젝터 (연료 분사 밸브) (29) 가 형성되어 있다.

그 때문에, 피스톤 (22) 의 하사점 (도 1 의 실선 위치) 으로 이동하면, 소기 포트 (24) 가 열림으로써, 소기 트렁크 (25) 의 연소용 기체가 소기 포트 (24) 로부터 연소실에 도입되어, 피스톤 (22) 이 상승하면, 소기 포트 (24) 와 연소실의 도통이 피스톤 (22) 에 의해 차단된다. 또한, 배기 밸브 (28) 에 의해 배기 포트 (26) 도 닫힘으로써, 연소실 내의 연소용 기체가 압축된다. 피스톤 (22) 이 상사점 (도 2 의 2 점 쇄선 위치) 까지 이동하면, 연소실의 압력이 소정의 압축 압력이 되고, 인젝터 (29) 가 연료를 분사한다. 그러면, 연소실 내에서 연소용 기체와 연료가 혼합되어 연소되고, 연소 에너지에 의해 피스톤 (22) 이 하강한다. 이 때, 배기 밸브 (28) 에 의해 배기 포트 (26) 가 열림으로써, 연소실의 배기 가스 (연소 가스) 가 배기 포트 (26) 로 배출된다.

배기 밸브 (28) 는, 배기 밸브 작동 장치 (41) 에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 배기 밸브 (28) 는, 도시되지 않은 탄성 지지 부재 (예를 들어, 압축 스프링, 공기 스프링 등) 에 의해 배기 포트를 폐지하는 방향으로 탄성 지지되어 있다. 또, 작동유 공급 배관 (42) 은, 일단부에 작동유 탱크 (도시 생략) 가 접속됨과 함께, 타단부가 배기 밸브 (28) 에 접속되어 있고, 중도부에 급유 펌프 (43) 가 형성되어 있고, 배기 밸브 (28) 가 탄성 지지 부재에 의해 배기 포트 (26) 를 폐지하는 상태에서, 개폐 밸브 (44) 를 개방하면, 급유 펌프 (43) 가 구동되고, 이 급유 펌프 (43) 에 의해 가압된 작동유가 작동유 공급 배관 (42) 을 통하여 배기 밸브 작동 장치 (41) 에 공급되고, 배기 밸브 (28) 를 탄성 지지 부재에 저항하여 하강시킨다. 그러면, 배기 밸브 (28) 는, 개폐 밸브 (44) 가 개방되어 있는 동안에만, 배기 포트 (16) 를 개방한다.

인젝터 (29) 는, 연료를 실린더부 (21) 의 연소실에 분사 가능하게 되어 있다. 연료 공급 배관 (46) 은, 일단부에 연료 탱크 (도시 생략) 가 접속되고, 타단부가 인젝터 (29) 에 접속되어 있고, 중도부에 연료 펌프 (47) 가 형성되어 있고, 개폐 밸브 (48) 를 개방하면, 연료 펌프 (47) 가 구동되고, 연료 펌프 (47) 에 의해 가압된 연료가 연료 공급 배관 (46) 을 통하여 인젝터 (29) 에 공급된다. 그러면, 인젝터 (29) 는, 개폐 밸브 (48) 가 개방되어 있는 동안에만, 연료를 실린더부 (21) 의 연소실에 분사한다.

VTI 과급기 (12) 는, 터빈 용량을 2 단계로 변경 가능한 가변 용량 터빈을 구비한 VTI (Variable Turbine Inlet) 과급기이다. VTI 과급기 (12) 는, 컴프레서 (31) 와 터빈 (축류 터빈) (32) 이 회전축 (33) 을 개재하여 동축 상에 연결되어 구성되어 있고, 컴프레서 (31) 와 터빈 (32) 은, 회전축 (33) 에 의해 일체 회전할 수 있다. 컴프레서 (31) 는, 외기 흡입식이며, 소기 트렁크 (25) 에 이르는 흡기관 (L1) 이 연결되어 있다. 터빈 (32) 은, 배기 매니폴드 (27) 에 이르는 배기관 (L2) 이 연결됨과 함께, 외부로 배기하는 배기관 (L4) 이 연결되어 있다.

여기서, VTI 과급기 (12) 에 대하여 상세히 설명한다. 도 2 는, 가변 용량 터빈을 구비한 VTI 과급기를 나타내는 개략도이다.

VTI 과급기 (12) 에 있어서, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 가스 입구 케이싱 (50) 은, 내측 케이싱 (51) 과 외측 케이싱 (52) 이 일체로 체결되어 구성되고, 내측 케이싱 (51) 과 외측 케이싱 (52) 사이에 형성되는 공간에 배기 가스 (G) 를 터빈 노즐 (53) 로 유도하기 위한 주배기 가스 유로 (54) 가 형성되어 있다. 주배기 가스 유로 (54) 는, 가스 입구 케이싱 (50) 의 회전 방향의 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있고, 가스 입구 케이싱 (50) 의 가스 입구 (50a) 로부터 도입된 배기 가스 (G) 는, 주배기 가스 유로 (54) 를 통하여 가스 출구 (50b) 로 유도된 후, 가스 출구 케이싱 (55) 의 출구부로부터 외부로 배출된다.

터빈 노즐 (53) 은, 가스 입구 케이싱 (50) 의 가스 출구 (50b) 에 형성되어 있다. 회전축 (33) 은, 베어링 (도시 생략) 에 자유롭게 회전할 수 있도록 지지되어 있고, 축 방향의 일단부에 터빈 (32) 이 일체로 고정되어 있다. 터빈 (32) 은, 외주부에 둘레 방향을 따라 복수의 터빈 동익 (56) 이 형성되어 있다. 이 터빈 동익 (56) 은, 터빈 노즐 (53) 의 출구가 되는 하류측에 근접하여 형성되어 있고, 터빈 노즐 (53) 로부터 분출되는 고온의 배기 가스가 터빈 동익 (56) 을 통과하여 팽창됨으로써 터빈 (32) 이 회전한다.

내측 케이싱 (51) 은, 내주측에 주배기 가스 유로 (54) 의 도중에 분기된 배기 가스를 터빈 노즐 (53) 의 내주측으로 유도하는 부배기 가스 유로 (57) 가 터빈 (32) 의 회전 방향의 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 이 부배기 가스 유로 (57) 는, 주배기 가스 유로 (54) 의 내주측에 형성되어 있고, 주배기 가스 유로 (54) 와 부배기 가스 유로 (57) 는, 내측 케이싱 (51) 을 형성하는 칸막이벽 (58) 에 의해 나뉘어져 있다.

또, 연결 배관 (59) 은, 일단부가 내측 케이싱 (51) 에 접속되어 주배기 가스 유로 (54) 에 연통되는 한편, 타단부가 내측 케이싱 (51) 에 접속되어 부배기 가스 유로 (57) 에 연통되어 있다. 그리고, 연결 배관 (59) 은, 중도부에 개폐 밸브 (전환 밸브, 예를 들어, 버터플라이 밸브) (60) 가 형성되어 있다. 그 때문에, 개폐 밸브 (60) 의 개방시, 주배기 가스 유로 (54) 의 도중에서 분기된 배기 가스 (G) 는 연결 배관 (59) 내부의 유로를 통하여 부배기 가스 유로 (57) 로 유도된다. 또, 터빈 노즐 (53) 은, 근원측 (터빈 (32) 의 회전 중심측) 에 칸막이벽 (58) 의 단부에 연속하도록, 터빈 노즐 (53) 의 내주측과 외주측을 나누는 칸막이벽 (61) 이 형성되어 있다.

여기서, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 부하가 낮고 배기 가스 (G) 의 양이 적은 경우, 개폐 밸브 (60) 를 폐지한다. 그러면, 가스 입구 케이싱 (50) 의 가스 입구 (50a) 로부터 도입된 배기 가스 (G) 의 전체량이 주배기 가스 유로 (54) 를 통하여 가스 출구 (50b) 로 유도된다. 가스 출구 (50b) 로 유도된 배기 가스 (G) 는, 터빈 노즐 (53) 의 외주측 (칸막이벽 (61) 의 외주측의 공간) 으로 흡입되고, 터빈 동익 (56) 을 통과할 때 팽창하여 터빈 (32) 및 회전축 (33) 을 회전시킨다.

한편, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 부하가 높고 배기 가스 (G) 의 양이 많은 경우, 개폐 밸브 (60) 를 개방한다. 그러면, 가스 입구 케이싱 (50) 의 가스 입구 (50a) 로부터 도입된 배기 가스 (G) 는, 주배기 가스 유로 (54) 를 통하여 가스 출구 (50b) 로 유도됨과 함께, 또한 연결 배관 (59) 으로부터 부배기 가스 유로 (57) 를 통하여 가스 출구 (57a) 로 유도된다. 가스 출구 (50b) 로 유도된 배기 가스 (G) 는, 터빈 노즐 (53) 의 외주측으로 흡입되고, 가스 출구 (57a) 로 유도된 배기 가스 (G) 는, 터빈 노즐 (53) 의 내주측 (칸막이벽 (61) 의 내주측의 공간) 으로 흡입되어, 터빈 동익 (56) 을 통과할 때 팽창하여 터빈 (32) 및 회전축 (33) 을 회전시킨다.

그 때문에, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 터빈 (32) 은, 배기 매니폴드 (27) 로부터 배기관 (L2) 을 통하여 유도된 배기 가스 (연소 가스) 에 의해 구동되고, 컴프레서 (31) 를 구동시킨 후, 배기 가스를 배기관 (L4) 으로부터 외부로 배출한다. 한편, 컴프레서 (31) 는, 터빈 (32) 에 의해 구동되고, 외기로부터 흡기 된 공기 등의 기체를 압축한 후, 압축된 공기 등의 기체를 연소용 기체로서 흡기관 (L1) 으로부터 소기 트렁크 (25) 에 압송한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 제어 장치 (13) 는, 개폐 밸브 (44, 48, 60) 를 개폐 제어 가능하게 되어 있다. 즉, 제어 장치 (13) 는, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 운전 상태에 따라 개폐 밸브 (44) 를 개폐 조작함으로써, 배기 밸브 (28) 의 개방 시기, 폐지 시기, 구동 시간 (개방 시간) 을 제어한다. 또, 제어 장치 (13) 는, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 운전 상태에 따라 개폐 밸브 (48) 를 개폐 조작함으로써, 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 개시 시기, 연료 분사 종료 시기, 연료 분사량, 연료 분사 시간을 제어한다. 또한, 제어 장치 (13) 는, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 운전 상태에 따라 개폐 밸브 (60) 를 개폐 조작함으로써, VTI 과급기 (12) 에 의한 소기 압력을 제어한다.

여기서, 제어 장치 (13) 는, 터빈 (가변 용량 터빈) (32) 의 터빈 용량에 따른 작동 부재의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터가 형성되어 있다. 여기서, 작동 부재란, 상기 서술한 배기 밸브 (28) 와 인젝터 (29) 이며, 이 배기 밸브 (28) 와 인젝터 (29) 이외에, 각종 유압 작동 기기가 있다. 즉, VTI 과급기 (12) 는, 디젤 엔진 본체 (11) 의 저부하시에, 개폐 밸브 (60) 를 폐지하는 저부하 운전 모드와, 디젤 엔진 본체 (11) 의 고부하시에, 개폐 밸브 (60) 를 개방하는 고부하 운전 모드가 설정되어 있다. 그 때문에, 제어 장치 (13) 는, 디젤 엔진 본체 (11) 의 운전 상태에 따라 저부하 운전 모드와 고부하 운전 모드를 전환한다.

한편, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 운전 상태에 따라 최적의 배기 밸브 (28) 의 개방 시기, 폐지 시기, 구동 시간이 설정됨과 함께, 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 개시 시기, 연료 분사 종료 시기, 연료 분사량, 연료 분사 시간이 설정된다. 그 때문에, VTI 과급기 (12) 의 저부하 운전 모드에 따른 최적의 배기 밸브 (28) 의 개방 시기, 폐지 시기, 구동 시간과 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 개시 시기, 연료 분사 종료 시기, 연료 분사량, 연료 분사 시간이 설정되는 운전 파라미터 (A) 와, 고부하 운전 모드에 따른 최적의 배기 밸브 (28) 의 개방 시기, 폐지 시기, 구동 시간과 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 개시 시기, 연료 분사 종료 시기, 연료 분사량, 연료 분사 시간이 설정되는 운전 파라미터 (B) 가 설정되어 있다.

제어 장치 (13) 는, VTI 과급기 (12) 의 운전 모드가 저부하 운전 모드와 고부하 운전 모드 사이에서 전환될 때, 운전 파라미터 (A) 와 운전 파라미터 (B) 를 전환함으로써, 최적의 배기 밸브 (28) 의 개방 시기, 폐지 시기, 구동 시간과 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 개시 시기, 연료 분사 종료 시기, 연료 분사량, 연료 분사 시간을 설정하고 있다.

또, 제어 장치 (13) 는, VTI 과급기 (12) 가 저부하 운전 모드에서 고부하 운전 모드로 전환됨으로써, 터빈 (32) 의 용량이 감소할 때에는, 모드 전환과 동시에 운전 파라미터 (A) 에서 운전 파라미터 (B) 로 전환한다. 한편, 제어 장치 (13) 는, VTI 과급기 (12) 가 고부하 운전 모드에서 저부하 운전 모드로 전환됨으로써, 터빈 (32) 의 용량이 증가할 때에는, 모드 전환에서 미리 설정된 소정의 지연 시간의 경과 후에 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환한다.

이 경우, 제어 장치 (13) 가 개폐 밸브 (60) 에 개폐 지령 신호를 출력하고 나서, 실제로, 개폐 밸브 (60) 가 개방 위치 또는 폐지 위치로 이동할 때까지의 전환 시간이 발생하기 때문에, 지연 시간은, 이 개폐 밸브 (60) 의 전환 시간에 미리 설정된 여유 시간을 가산하여 설정하는 것이 바람직하다. 그리고, 이 개폐 밸브 (60) 의 전환 시간과 여유 시간은, 개폐 밸브 (60) 의 설계 데이터나 사전에 실시되는 실험 데이터에 의해 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 이 지연 시간은, 이 설정 방법에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디젤 엔진 본체 (11) 에서, 실린더부 (21) 내에 있어서의 연소실의 압력 (이하, 통내 압력) 을 계측하는 압력 센서 (통내 압력 계측 추정 장치) 를 형성하고, VTI 과급기 (12) 의 모드 전환시에, 통내 압력이 감소 또는 증가한 후, 미리 설정된 일정값 (예를 들어, 통내 압력의 변화율이 소정값 이하) 에 도달할 때까지의 시간을 지연 시간으로서 설정해도 된다. 이 경우, 통내 압력을 계측하는 압력 센서 대신에, 소기 압력을 계측하는 압력 센서 (통내 압력 계측 추정 장치) 여도 된다. 또한, 각종 검출 데이터로부터 통내 압력이나 소기 압력을 추정해도 된다.

이하, VTI 과급기 (12) 의 운전 모드의 전환에 수반하는 운전 파라미터의 전환 제어에 대하여 상세히 설명한다. 도 3 은, 내연 기관의 제어 장치에 의한 주기 부하 일정시의 과급기 전환 제어를 나타내는 타임 차트, 도 4 는, 내연 기관의 제어 장치에 의한 주기 부하 변화시의 과급기 전환 제어를 나타내는 타임 차트이다.

(디젤 엔진 본체 (11) 의 부하가 일정하고 터빈 용량이 증가하는 경우)

도 1 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, VTI 과급기 (12) 는, 시간 (t1) 까지의 동안, 저부하 운전 모드로 설정되어 있고, 개폐 밸브 (60) 가 폐지됨으로써, 배기 가스 (G) 의 전량이 주배기 가스 유로 (54) 를 통하여 터빈 노즐 (53) 의 외주 측으로 흡입되고, 터빈 (32) 및 컴프레서 (31) 를 회전시킨다. 그 때문에, 디젤 엔진 본체 (11) 의 부하가 동일하고, 또한 개폐 밸브 (60) 를 폐지하지 않는 경우와 비교하여, 컴프레서 (31) 의 회전이 상승하고, 소기 압력이 상승함과 함께, 통내 압력도 상승한다.

주기 부하 및 소기 압력 등이 일정한 경우, 시간 (t1) 에, 제어 장치 (13) 는, 개폐 밸브 (60) 에 대해, 이 개폐 밸브 (60) 를 개방하기 위한 개폐 지령 신호가 출력되면, 개폐 밸브 (60) 가 개방측으로 작동함으로써, VTI 과급기 (12) 가 고부하 운전 모드로 전환된다. 이 때, 개폐 밸브 (60) 가 서서히 개방됨으로써, 배기 가스 (G) 가 부배기 가스 유로 (57) 측으로도 흘러 터빈 노즐 (53) 의 가스 통과 면적이 증가하기 때문에, 터빈 (32) 및 컴프레서 (31) 의 회전수가 저하되고, 소기 압력이 저하됨과 함께, 통내 압력도 저하된다.

또, 제어 장치 (13) 가 개폐 밸브 (60) 를 개방하기 위한 개폐 지령 신호를 출력함과 동시에, 운전 파라미터 (A) 에서 운전 파라미터 (B) 로 전환된다. 그 때문에, 배기 밸브 (28) 의 개방 시기나 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 시기, 시간의 변경에 따라, 최고 통내 압력이 시간 (t2) 까지 급격하게 감소되지만, 그 후, 완만하게 감소된다. 시간 (t3) 에, 개폐 밸브 (60) 가 개방 위치까지 이동하면, 시간 (t4) 이후는, 소기 압력이 안정되고, 통내 압력도 안정된다.

(디젤 엔진 본체 (11) 의 부하가 일정하고 터빈 용량이 감소하는 경우)

한편, 시간 (t5) 에, 제어 장치 (13) 는, 개폐 밸브 (60) 에 대해, 이 개폐 밸브 (60) 를 폐지하기 위한 개폐 지령 신호가 출력되면, 개폐 밸브 (60) 가 폐지 측으로 작동함으로써, VTI 과급기 (12) 가 저부하 운전 모드로 전환된다. 이 때, 개폐 밸브 (60) 가 서서히 폐지됨으로써, 부배기 가스 유로 (57) 측으로 흐르는 배기 가스 (G) 의 노즐 통과 면적이 감소되어 가, 터빈 (32) 및 컴프레서 (31) 의 회전수가 상승하고, 소기 압력이 상승함과 함께, 통내 압력도 상승한다.

한편, 제어 장치 (13) 는, 개폐 밸브 (60) 를 폐지하기 위한 개폐 지령 신호를 출력하였을 때, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환되지 않고, 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 시간 (t7) 에, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환된다. 그 때문에, 시간 (t5) 에서 시간 (t6) 동안, 배기 밸브 (28) 의 개방 시기나 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 시기, 시간이 변경되지 않기 때문에, 최고 통내 압력이 급격하게 증가하지 않고 완만하게 증가한다.

그 후, 시간 (t6) 에, 개폐 밸브 (60) 가 폐지 위치까지 이동하면, 시간 (t7) 에, 지연 시간 (t ＋ Δt) 이 경과하기 때문에, 여기서, 제어 장치 (13) 는, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환된다. 그러면, 시간 (t8) 이후는, 소기 압력이 안정되고, 통내 압력도 안정된다. 여기서, 지연 시간 (t ＋ Δt) 은, 개폐 밸브 (60) 의 전환 시간 (t) 에 여유 시간 (Δt) 을 가산하여 설정되어 있다.

제어 장치 (13) 가 개폐 밸브 (60) 를 폐지하기 위한 개폐 지령 신호를 출력 하였을 때에, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환되면, 여기서, 배기 밸브 (28) 의 개방 시기나 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 시기, 시간이 변경되기 때문에, 시간 (t5) 에서 시간 (t6) 사이에서, 최고 통내 압력이 급격하게 증가하여 오버슈트될 가능성이 있다. 또, VTI 과급기 (12) 의 운전 모드에 따른 운전 파라미터가 설정되어 있지 않으면, 도 3 에 2 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, VTI 과급기 (12) 의 저부하 운전 모드에서, 최고 통내 압력이 낮아진다. 한편, VTI 과급기 (12) 의 저부하 운전 모드에서, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환됨으로써, 도 3 에 실선으로 나타내는 바와 같이, VTI 과급기 (12) 의 저부하 운전 모드에서, 최고 통내 압력을 높게 유지할 수 있다.

(디젤 엔진 본체 (11) 의 부하가 상승하여 터빈 용량이 감소하는 경우)

도 1 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 주기 부하가 상승할 때, 시간 (t11) 에, 제어 장치 (13) 는, 개폐 밸브 (60) 에 대해, 이 개폐 밸브 (60) 를 개방하기 위한 개폐 지령 신호가 출력되면, 개폐 밸브 (60) 가 개방측으로 작동함으로써, VTI 과급기 (12) 가 고부하 운전 모드로 전환된다. 이 때, 개폐 밸브 (60) 가 서서히 개방됨으로써, 배기 가스 (G) 가 부배기 가스 유로 (57) 측으로도 흘러 터빈 노즐 (53) 의 가스 통과 면적이 증가하기 때문에, 터빈 (32) 및 컴프레서 (31) 의 회전수가 저하되고, 소기 압력이 저하됨과 함께, 통내 압력도 저하된다.

또, 제어 장치 (13) 가 개폐 밸브 (60) 를 개방하기 위한 개폐 지령 신호를 출력함과 동시에, 운전 파라미터 (A) 에서 운전 파라미터 (B) 로 전환된다. 그 때문에, 배기 밸브 (28) 의 개방 시기나 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 시기, 시간의 변경에 따라, 최고 통내 압력이 시간 (t12) 까지 급격하게 감소하지만, 그 후, 완만하게 감소한다. 시간 (t13) 에, 개폐 밸브 (60) 가 개방 위치까지 이동하면, 주기 부하의 상승에 수반하여 소기 압력이 상승하고, 통내 압력도 상승한다. 그리고, 시간 (t14) 이후에는, 주기 부하가 일정해지고, 소기 압력이 안정되고, 통내 압력도 안정된다.

(디젤 엔진 본체 (11) 의 부하가 감소하고 터빈 용량이 증가하는 경우)

한편, 시간 (t15) 에, 주기 부하가 저하되고 소기 압력과 통내 압력도 저하되면, 시간 (t16) 에, 제어 장치 (13) 는, 개폐 밸브 (60) 에 대해, 이 개폐 밸브 (60) 를 폐지하기 위한 개폐 지령 신호가 출력되면, 개폐 밸브 (60) 가 폐지측으로 작동함으로써, VTI 과급기 (12) 가 저부하 운전 모드로 전환된다. 이 때, 개폐 밸브 (60) 가 서서히 폐지됨으로써, 부배기 가스 유로 (57) 측으로 흐르는 배기 가스 (G) 의 노즐 통과 면적이 감소되어 가, 터빈 (32) 및 컴프레서 (31) 의 회전수가 상승하고, 소기 압력이 상승함과 함께, 통내 압력도 상승한다.

한편, 제어 장치 (13) 는, 개폐 밸브 (60) 를 폐지하기 위한 개폐 지령 신호를 출력하였을 때, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환되지 않고, 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 시간 (t8) 에, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환된다. 그 때문에, 시간 (t16) 에서 시간 (t18) 동안, 배기 밸브 (28) 의 개방 시기나 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 시기, 시간이 변경되지 않기 때문에, 최고 통내 압력이 급격하게 증가하지 않고 완만하게 증가한다.

그 후, 시간 (t17) 에, 개폐 밸브 (60) 가 폐지 위치까지 이동하면, 시간 (t18) 에, 지연 시간 (t ＋ Δt) 이 경과하기 때문에, 여기서, 제어 장치 (13) 는, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환된다. 제어 장치 (13) 가 개폐 밸브 (60) 를 폐지하기 위한 개폐 지령 신호를 출력하였을 때, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환되면, 여기서, 배기 밸브 (28) 의 개방 시기나 인젝터 (29) 에 의한 연료 분사 시기, 시간이 변경되기 때문에, 시간 (t16) 에서 시간 (t17) 사이에서, 도 4 에 2 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 최고 통내 압력이 급격하게 증가하여 오버슈트될 가능성이 있다. 또, VTI 과급기 (12) 의 운전 모드에 따른 운전 파라미터가 설정되어 있지 않으면, VTI 과급기 (12) 의 저부하 운전 모드에서, 최고 통내 압력이 부하에 있어서의 최적값보다 낮아진다. 한편, VTI 과급기 (12) 의 저부하 운전 모드에서, 운전 파라미터 (B) 에서 운전 파라미터 (A) 로 전환됨으로써, 도 4 에 실선으로 나타내는 바와 같이, VTI 과급기 (12) 의 저부하 운전 모드에서, 최고 통내 압력을 최적값으로 유지할 수 있다.

이와 같이 본 실시형태의 내연 기관의 제어 장치에 있어서는, 디젤 엔진 본체 (11) 와, 디젤 엔진 본체 (11) 에 연소용 기체를 공급하는 컴프레서 (31) 및 터빈 (32) 을 구비하는 VTI 과급기 (12) 와, 통내 압력에 영향을 주는 작동 부재로서의 배기 밸브 (28) 및 인젝터 (29) 를 형성하고, 제어 장치 (13) 는, 터빈 (32) 의 용량에 따른 배기 밸브 (28) 및 인젝터 (29) 의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터 (A, B) 가 형성되고, 터빈 (32) 의 용량의 변경시에 미리 설정된 소정의 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환하도록 되어 있다.

따라서, VTI 과급기 (12) 의 터빈 (32) 의 용량의 변경시에, 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환함으로써, 소기 압력의 변화와 운전 파라미터 (A, B) 의 전환에 의한 통내 압력의 거동이 저감되어, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 성능의 안정화를 도모할 수 있다.

본 실시형태의 내연 기관의 제어 장치에서는, VTI 과급기 (12) 의 개폐 밸브 (60) 의 개폐 지령 신호의 출력시부터 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에, 운전 파라미터 (A, B) 를 전환한다. 따라서, 터빈 용량을 변경하는 데에 필요로 하는 시간에 관계없이, 적정 시기에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환할 수 있다.

본 실시형태의 내연 기관의 제어 장치에서는, 터빈 (32) 의 용량의 증가시에는, 터빈 (32) 의 용량의 변경과 동시에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환하는 한편, 터빈 (32) 의 용량의 감소시에는, 터빈 (32) 의 용량의 변경시부터 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환한다. 따라서, 터빈 (32) 의 용량의 감소시에는, 소기 압력이 상승하기 때문에, 이 때에는 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환함으로써, 통내 압력의 급격한 상승이 억제되어, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 실시형태의 내연 기관의 제어 장치에서는, 개폐 밸브 (60) 의 전환 시간 (t) 에 여유 시간 (Δt) 을 가산하여 지연 시간을 설정함으로써, 개폐 밸브 (60) 가 전환 위치로 완전히 이동한 후에 운전 파라미터 (A, B) 가 전환되게 되어, 간단한 제어에 의해 통내 압력의 급격한 상승을 억제할 수 있다.

본 실시형태의 내연 기관의 제어 장치에서는, 소기 압력 또는 통내 압력을 계측 또는 추정하는 소기 압력 또는 통내 압력 계측 추정 장치를 형성하고, 지연 시간을 소기 압력 또는 통내 압력이 일정값에 도달할 때까지의 시간으로 하고 있다. 따라서, 통내 압력의 안정을 기다려 운전 파라미터 (A, B) 가 전환되게 되어, 통내 압력의 급격한 상승을 억제할 수 있다.

또, 본 실시형태의 내연 기관에 있어서는, 디젤 엔진 본체 (11) 와, 디젤 엔진 본체 (11) 에 연소용 기체를 공급하는 컴프레서 (31) 및 터빈 (32) 을 구비하는 VTI 과급기 (12) 와, 통내 압력에 영향을 주는 작동 부재로서의 배기 밸브 (28) 및 인젝터 (29) 와, 터빈 (32) 의 용량에 따른 배기 밸브 (28) 및 인젝터 (29) 의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터 (A, B) 를 형성하여 터빈 (32) 의 용량의 변경시에 미리 설정된 소정의 지연 시간 (t ＋ Δt) 의 경과 후에 운전 파라미터 (A, B) 를 전환하는 제어 장치 (13) 를 형성하고 있다. 따라서, 소기 압력의 변화와 운전 파라미터 (A, B) 의 전환에 의한 통내 압력의 거동이 저감되어, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 성능의 안정화를 도모할 수 있다.

10 : 선박용 디젤 엔진 (내연 기관)
11 : 디젤 엔진 본체 (내연 기관 본체)
12 : VTI 과급기 (과급기)
13 : 제어 장치
21 : 실린더부
22 : 피스톤
24 : 소기 포트
25 : 소기 트렁크
26 : 배기 포트
27 : 배기 매니폴드
28 : 배기 밸브
29 : 인젝터 (연료 분사 밸브)
31 : 컴프레서 (압축기)
32 : 터빈
41 : 배기 밸브 작동 장치
44, 48 : 개폐 밸브
53 : 터빈 노즐
54 : 주배기 가스 유로
57 : 부배기 가스 유로
60 : 개폐 밸브 (전환 밸브)

Claims

내연 기관 본체와,
상기 내연 기관 본체에 접속되어 상기 내연 기관 본체에 연소용 기체를 공급하는 압축기 및 상기 압축기와 동축 회전하는 가변 용량 터빈을 구비하는 과급기와,
상기 내연 기관 본체에 형성되어 통내 압력에 영향을 주는 작동 부재를 구비하고,
상기 터빈의 용량에 따른 상기 작동 부재의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터가 형성되고, 상기 터빈의 용량의 변경 지령의 출력시부터 미리 설정된 소정의 지연 시간의 경과 후에, 상기 운전 파라미터를 전환하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 터빈의 용량의 증가시에는, 상기 터빈의 용량의 변경과 동시에 상기 운전 파라미터를 전환하는 한편, 상기 터빈의 용량의 감소시에는, 상기 터빈의 용량의 변경 지령의 출력시부터 상기 지연 시간의 경과 후에 상기 운전 파라미터를 전환하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 과급기는, 상기 터빈의 용량을 변경 전환 가능한 전환 밸브가 형성되고, 상기 지연 시간은, 상기 전환 밸브의 전환 시간에 미리 설정된 여유 시간을 가산하여 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
소기압 또는 통내 압력을 계측 또는 추정하는 소기압 또는 통내 압력 계측 추정 장치가 형성되고, 상기 지연 시간은, 상기 소기압 또는 상기 통내 압력이 일정값에 도달할 때까지의 시간인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 작동 부재는, 배기 밸브와 연료 분사 밸브와 유압 작동 기기 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
내연 기관 본체와,
상기 내연 기관 본체에 접속되어 상기 내연 기관 본체에 연소용 기체를 공급하는 압축기 및 상기 압축기와 동축 회전하는 가변 용량 터빈을 구비하는 과급기와,
상기 내연 기관 본체에 형성되어 통내 압력에 영향을 주는 작동 부재와,
상기 터빈의 용량에 따른 상기 작동 부재의 작동량을 결정하는 복수의 운전 파라미터가 형성되어 상기 터빈의 용량의 변경 지령의 출력시부터 미리 설정된 소정의 지연 시간의 경과 후에, 상기 운전 파라미터를 전환하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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