KR102230322B1 - 선박용 디젤 엔진 - Google Patents

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아키히로 미야나기
요헤이 츠지
준 히구치
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가부시키가이샤 자판엔진코포레숀
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Abstract

본 발명의 일 양태인 선박용 디젤 엔진은, 실린더 내의 연료 연소에 의한 피스톤의 왕복 운동을, 추진력을 발생시키는 회전축의 회전 운동으로 변환하는 엔진 본체와, 실린더 내의 연소실에 연료 및 물을 분사하는 분사부와, 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스 중의 질소 산화물을 저감하는 NOx 저감 장치와, 제어부를 구비한다. 제어부는, 분사부의 동작 기간, 엔진 본체의 부하인 엔진 부하에 따라, 분사부에 의한 물 첨가율을 가변으로 제어하고, NOx 저감 장치의 동작 기간, 엔진 부하에 따라, NOx 저감 장치에 의한 질소 산화물의 저감의 정도를 나타내는 저감 파라미터를 가변으로 제어한다.

Description

선박용 디젤 엔진
본 발명은, 선박에 탑재되는 선박용 디젤 엔진에 관한 것이다.
종래, 선박의 분야에 있어서는, 선박용 디젤 엔진의 엔진 본체로부터 배출되는 배기 가스 중의 질소 산화물 (NOx) 을 저감하는 수법의 하나로서, 물 기술이 공지이다. 이 물 기술은, 엔진 본체의 실린더 내의 연소실에 물을 첨가함으로써, 연소 온도를 낮춰 NOx 의 배출량을 저감하는 것이다. 이와 같은 물 기술로서, 예를 들어, 연료에 물을 혼합하여 유화시킨 물 에멀션 연료를 연소실에 도입하는 것이나, 연료 분사 후의 연소실에서 발생한 화염을 향하여 물을 단독으로 분사하는 것 등을 들 수 있다.
또, 엔진 본체로부터의 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 다른 수법으로서, 배기 가스 재순환 (EGR : Exhaust Gas Recirculation) 시스템, 및, 선택식 촉매 환원 (SCR : Selective Catalytic Reduction) 시스템이라는 2 가지의 NOx 저감 기술이 공지이다. EGR 시스템은, 엔진 본체로부터의 배기 가스의 일부를 공기와 혼합하여 엔진 본체로 재순환함으로써, 연소에 의한 NOx 의 생성을 억제하여 NOx 의 배출량을 저감한다. SCR 시스템은, 엔진 본체로부터의 배기 가스에 대해 환원제를 분사하고, 이 배기 가스 중의 NOx 와 환원제의 환원 반응을 촉진시킴으로써, NOx 의 배출량을 저감한다.
또, 상기 서술한 물 기술과 EGR 시스템을 조합한 디젤 엔진도 개시되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 ∼ 3 참조). 특허문헌 1 ∼ 3 에 개시되어 있는 기술에서는, 엔진 부하가 낮은 상태와 높은 상태에서 가변의 EGR 률에 따라, 실린더 내의 연소실에 분사되는 연료의 흐름에 물이 첨가되고 있다. 또는, 연료에 대한 물 첨가율이, 실용적인 엔진 부하에 의하지 않고 일정한 목표값이 되도록 제어되고 있다.
일본 특허공보 제5014516호 일본 특허공보 제5886356호 일본 특허공보 제5908636호
그런데, 선박용 디젤 엔진에 요구되는 NOx 의 배출 규제에는, 국제 해사 기관의 해양 오염 방지 조약 부속서 VI 에 기초하여, 현상황, 2 차 규제 (Tier II) 및 3 차 규제 (Tier III) 가 있다. 2 차 규제는, 일반 해역 (Global Area) 을 항행하는 선박에 탑재되는 선박용 디젤 엔진의 NOx 의 배출량을 규제하는 것이다. 3 차 규제는, 2 차 규제에 비해 매우 강화된 NOx 의 배출 규제이며, 배출 규제 해역 (ECA : Emission Control Area) 을 항행하는 선박에 탑재되는 선박용 디젤 엔진의 NOx 의 배출량을 규제하는 것이다.
2 차 규제는, 상기 서술한 물 기술, EGR 시스템 또는 SCR 시스템 중 어느 것을 단독으로 선박용 디젤 엔진에 채용하면, 만족할 수 있는 레벨이다. 한편, 3 차 규제는, 선박용 디젤 엔진에의 물 기술의 단독 채용으로는 만족하는 것이 곤란한 레벨이다. 이와 같은 3 차 규제에 의한 NOx 의 배출 규제의 강화에 대응하기 위해서, 최근, 선박용 디젤 엔진에 물 기술과 EGR 시스템 또는 SCR 시스템의 NOx 저감 기술을 채용하고, 선박용 디젤 엔진의 연비 (이하, 엔진 연비라고 한다) 의 악화를 억제하면서, 이들 NOx 저감 기술의 조합에 의해 엔진 본체로부터의 NOx 의 배출량을 저감하는 것이 요망되고 있다.
그러나, 상기 서술한 종래 기술에서는, 요구되는 NOx 의 배출 규제를 만족할 수 있는 레벨로 엔진 본체로부터의 NOx 의 배출량을 저감하면서, 엔진 연비의 악화를 억제하기 위하여 물 기술 및 다른 NOx 저감 기술을 효율적으로 제어하는 것은 곤란하다. 특히, 특허문헌 1 에 기재된 종래 기술에서는, 가령 엔진 부하가 서로 상이한 상태로 변화해도 EGR 률은 동일한 값이 되는 경우가 있고, 이 경우, EGR 률과 연료에 대한 물 첨가율이 일의적으로 정해지지 않으므로, EGR 률에 따른 물 첨가율의 제어가 곤란해지는 경우가 많다. 또, 특허문헌 2, 3 에 기재된 종래 기술에서는, 실린더 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 엔진 부하에 따라 유연하게 제어하는 것은 곤란하다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 엔진 연비의 악화를 억제함과 함께, 엔진 본체로부터의 NOx 의 배출량을 저감할 수 있는 선박용 디젤 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 실린더 내의 연료 연소에 의한 피스톤의 왕복 운동을, 추진력을 발생시키는 회전축의 회전 운동으로 변환하는 엔진 본체와, 상기 실린더 내의 연소실에 연료 및 물을 분사하는 분사부와, 상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스 중의 질소 산화물을 저감하는 NOx 저감 장치와, 상기 분사부의 동작 기간, 상기 엔진 본체의 부하인 엔진 부하에 따라, 상기 분사부에 의한 물 첨가율을 가변으로 제어하고, 상기 NOx 저감 장치의 동작 기간, 상기 엔진 부하에 따라, 상기 NOx 저감 장치에 의한 질소 산화물의 저감의 정도를 나타내는 저감 파라미터를 가변으로 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 상기 발명에 있어서, 상기 NOx 저감 장치는, 상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스의 일부를 상기 엔진 본체로 재순환하는 EGR 시스템이며, 상기 NOx 저감 장치에 의한 상기 저감 파라미터는, 상기 EGR 시스템에 의한 EGR 률인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 상기 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 엔진 부하와 상기 물 첨가율의 관계를 나타내는 물 첨가율 제어맵과, 상기 엔진 부하와 상기 EGR 률의 관계를 나타내는 EGR 률 제어맵을 이용하고, 상기 엔진 부하에 따라, 상기 물 첨가율과 상기 EGR 률을 가변으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 상기 발명에 있어서, 상기 NOx 저감 장치는, 상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스에 환원제를 분사하는 SCR 시스템이며, 상기 NOx 저감 장치에 의한 상기 저감 파라미터는, 상기 SCR 시스템에 의한 환원제 분사율인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 상기 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 엔진 부하와 상기 물 첨가율의 관계를 나타내는 물 첨가율 제어맵과, 상기 엔진 부하와 상기 환원제 분사율의 관계를 나타내는 환원제 분사율 제어맵을 이용하고, 상기 엔진 부하에 따라, 상기 물 첨가율과 상기 환원제 분사율을 가변으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 상기 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 엔진 부하가 소정값 미만인 경우, 상기 분사부에 의한 상기 물 첨가율을 가변으로 제어하고, 상기 엔진 부하가 소정값 이상인 경우, 상기 물 첨가율의 제어에 더하여 추가로, 상기 NOx 저감 장치에 의한 상기 저감 파라미터를 가변으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 상기 발명에 있어서, 상기 분사부는, 상기 실린더 내의 연소실에 연료 및 물을 층상으로 분사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진에 의하면, 엔진 연비의 악화를 억제함과 함께, 엔진 본체로부터의 NOx 의 배출량을 저감할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태 1 에 있어서의 엔진 부하에 따른 물 첨가율 및 EGR 률의 제어의 일 구체예를 설명하는 도면이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태 3 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태 4 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태 5 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 7 은, 본 발명의 실시형태 5 에 있어서의 엔진 부하에 따른 물 첨가율 및 환원제 분사율의 제어의 일 구체예를 설명하는 도면이다.
도 8 은, 본 발명의 실시형태 6 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 9 는, 본 발명의 실시형태 7 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 10 은, 본 발명의 실시형태 8 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
이하에, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진의 바람직한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또, 도면은 모식적인 것이며, 각 요소의 치수의 관계, 각 요소의 비율 등은, 현실의 것과는 상이한 경우가 있는 것에 유의할 필요가 있다. 도면의 상호간에 있어서도, 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 경우가 있다. 또, 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호가 붙어 있다.
(실시형태 1)
본 발명의 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 구성에 대해 설명한다. 도 1 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 은, 엔진 본체 (1) 와, 엔진 본체 (1) 에 대한 연료 공급 및 물 첨가를 위한 분사부 (5) 와, 엔진 본체 (1) 의 회전수 검출을 위한 회전수 검출부 (9) 를 구비한다. 또, 선박용 디젤 엔진 (10) 은, 과급기 (11) 와, EGR 시스템 (12) 과, 과급기 (11) 로부터의 압축 가스를 냉각하기 위한 냉각기 (13) 와, 역지 밸브 (14) 와, 보조 블로어 (15) 와, 연소용 가스의 산소 농도를 검출하기 위한 산소 농도 검출부 (16) 와, 조작부 (17) 와, 제어부 (18) 를 구비한다. 또, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 선박용 디젤 엔진 (10) 은, 급기용의 배관으로서의 급기 라인 (G1, G6) 및 바이패스 라인 (G7) 과, 배기용의 배관으로서의 배기 라인 (G2, G3) 과, 배기 가스 재순환 (EGR) 용의 배관으로서의 배기 가스 재순환 라인 (G4, G5) 을 구비한다.
또한, 도 1 에 있어서, 가스의 유통 및 배관은, 실선 화살표에 의해 적절히 도시된다. 액체의 유통 및 배관은, 파선 화살표에 의해 적절히 도시된다. 전기 신호선은, 일점 쇄선에 의해 적절히 도시된다. 이것은 이하 동일하다.
엔진 본체 (1) 는, 도시되지 않지만, 프로펠러축을 통하여 선박의 추진용 프로펠러를 구동 회전시키는 추진용의 기관 (주기관) 이다. 이 엔진 본체 (1) 는, 유니플로 소배기식의 크로스 헤드식 디젤 엔진 등의 2 스트로크 디젤 엔진이다. 예를 들어, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 엔진 본체 (1) 는, 복수 (실시형태 1 에서는 6 개) 의 실린더 (2) 와, 소기 트렁크 (3) 와, 배기 매니폴드 (4) 를 구비한다. 또, 엔진 본체 (1) 는, 도시하지 않지만, 각 실린더 (2) 의 내부를 따라 왕복 운동 (예를 들어 상하동) 하는 피스톤, 피스톤의 왕복 운동에 수반하여 프로펠러축을 회전시키기 위한 크랭크, 크랭크 샤프트 및 크로스 헤드 등을 구비한다.
복수의 실린더 (2) 의 각각은, 피스톤을 왕복 운동시키기 위한 흡배기 및 연료 연소 등이 실시되는 연소실을 형성한다. 소기 트렁크 (3) 는, 엔진 본체 (1) 내에 있어서의 소기 포트 (도시 생략) 를 통하여 각 실린더 (2) 내의 연소실과 연통되어 있다. 배기 매니폴드 (4) 는, 엔진 본체 (1) 내에 있어서의 배기 유로 (도시 생략) 를 통하여 각 실린더 (2) 내의 연소실과 연통되어 있다. 엔진 본체 (1) 는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 있어서의 연료 연소에 의한 피스톤의 왕복 운동을, 선박의 추진력을 발생시키는 회전축 (구체적으로는 프로펠러축 또는 크랭크 샤프트 등) 의 회전 운동으로 변환한다. 이때, 엔진 본체 (1) 는, 각 실린더 (2) 내의 흡배기의 흐름을 하방으로부터 상방으로의 일방향으로 하여, 배기의 잔류를 없애도록 하고 있다. 구체적으로는, 소기 트렁크 (3) 로부터 각 실린더 (2) 내의 연소실로 연소용 가스가 급기되고, 연소 후의 배기 가스가 각 실린더 (2) 내의 연소실로부터 배기 매니폴드 (4) 로 배출된다. 이와 같은 엔진 본체 (1) 에 있어서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 소기 트렁크 (3) 에는 급기 라인 (G1) 및 바이패스 라인 (G7) 이 연결되고, 배기 매니폴드 (4) 에는 배기 라인 (G2) 이 연결되어 있다. 또한, 배기 가스란, 엔진 본체 (1) 로부터 배기 라인 (G2) 등을 통해서 외부로 배출되는 가스이다.
분사부 (5) 는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 연료 및 물을 분사하는 것이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 분사부 (5) 는, 복수의 연료 분사 펌프 (6) 와, 복수의 주수 펌프 (7) 와, 복수의 연료 분사 밸브 (8) 를 구비하고, 엔진 본체 (1) 에 설치된다. 본 실시형태 1 에 있어서, 연료 분사 펌프 (6) 및 주수 펌프 (7) 는, 상기 서술한 실린더 (2) 의 수량에 대응하여, 각각 6 개씩, 엔진 본체 (1) 에 설치되어 있다. 연료 분사 밸브 (8) 는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 연소실 내의 서로 다른 방향으로 분사구를 향하게 하는 양태로 2 개씩, 각 실린더 (2) 에 설치되어 있다.
복수의 연료 분사 펌프 (6) 의 각각은, 연료용의 배관을 통하여 각 연료 분사 밸브 (8) 로 연료를 보낸다. 복수의 주수 펌프 (7) 의 각각은, 물용의 배관을 통하여 각 연료 분사 밸브 (8) 에 증류수 등의 물을 주입하여, 예를 들어, 각 연료 분사 밸브 (8) 의 유통 경로 내의 연료 사이에 물을 들어가게 한다. 분사부 (5) 는, 각 연료 분사 펌프 (6) 에 의한 연료의 압송 작용에 의해, 각 연료 분사 밸브 (8) 로부터 각 실린더 (2) 내의 연소실로, 연료 및 물을 층상으로 (예를 들어 도 1 에 나타내는 연료 (6a) 와 물 (7a) 이 분사 방향으로 교대로 배열되도록) 분사한다. 이 결과, 각 연료 분사 펌프 (6) 로부터의 연료 (6a) 는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 분사되어 연소되고, 각 주수 펌프 (7) 로부터의 물 (7a) 은, 각 연소실 내에 첨가되어 연소 온도를 저하시킨다. 분사부 (5) 는, 이 물 분사 (물 첨가) 에 의해, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스 중의 NOx 의 배출량을 저감한다.
이와 같은 분사부 (5) 에 의한 연료 분사량, 주수량, 연료 및 물의 분사 타이밍 등은, 제어부 (18) 에 의한 각 연료 분사 펌프 (6) 의 구동 제어, 각 주수 펌프 (7) 의 구동 제어, 각 연료 분사 밸브 (8) 의 개폐 제어를 통해서, 각각 제어된다.
회전수 검출부 (9) 는, 엔진 본체 (1) 의 회전수를 검출하는 것이며, 엔진 본체 (1) 에 설치된다. 회전수 검출부 (9) 는, 예를 들어, 프로펠러축과 접속된 회전축 (크랭크 샤프트 등) 의 회전수를, 엔진 본체 (1) 의 회전수로서 검출한다. 회전수 검출부 (9) 는, 회전수를 검출할 때마다, 검출한 회전수를 나타내는 전기 신호를 제어부 (18) 에 송신한다. 또한, 회전수 검출부 (9) 는, 상기 회전축의 회전수를 검출해도 되지만, 프로펠러축의 회전수를 검출해도 된다.
과급기 (11) 는, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스를 이용하여, 연소용 가스를 압축하여 엔진 본체 (1) 로 보내기 위한 1 단식 과급기이다. 본 실시형태 1 에 있어서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 과급기 (11) 는, 압축기 (컴프레서) (11a) 와, 터빈 (11b) 과, 회전축 (11c) 을 구비하고, 엔진 본체 (1) 와 EGR 시스템 (12) 사이에 설치된다. 압축기 (11a) 및 터빈 (11b) 은, 날개차 등에 의해 각각 구성되고, 회전축 (11c) 을 중심축으로 하여 일체로 회전하도록, 회전축 (11c) 에 의해 서로 연결되어 있다. 또, 압축기 (11a) 의 가스 입측 (入側) 에는, 외부 (대기) 로부터의 새로운 공기 (신기 (新氣) 라고도 한다) 등의 가스를 흡입하는 급기 라인 (G6) 이 연결되어 있다. 압축기 (11a) 의 가스 출측 (出側) 에는, 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 통하는 급기 라인 (G1) 이 연결되어 있다. 터빈 (11b) 의 가스 입측에는, 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 에 통하는 배기 라인 (G2) 이 연결되어 있다. 터빈 (11b) 의 가스 출측에는, 외부로 배기 가스를 배출하는 연돌 (도시 생략) 등에 통하는 배기 라인 (G3) 이 연결되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 과급기 (11) 에 있어서, 터빈 (11b) 은, 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 로부터 배기 라인 (G2) 을 통해서 배출된 고온 고압의 배기 가스를 받는다. 터빈 (11b) 은, 이 받은 배기 가스에 의해 회전하면서, 이 회전에 사용되어 압력 및 온도가 저하한 배기 가스를 배기 라인 (G3) 으로 배출한다. 이 터빈 (11b) 의 회전은, 회전축 (11c) 에 의해 압축기 (11a) 에 전달된다. 이로써, 압축기 (11a) 는, 이 터빈 (11b) 의 회전에 수반해 회전하여, 급기 라인 (G6) 으로부터 공기 등의 연소용 가스를 흡입하고, 흡입한 연소용 가스를 압축하여 급기 라인 (G1) 으로부터 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 공급한다.
EGR 시스템 (12) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스의 일부를 공기와 혼합하여 엔진 본체 (1) 로 재순환하는 것이다. EGR 시스템 (12) 은, 이 배기 가스의 재순환에 의해, 각 실린더 (2) 내의 연료 연소에 의한 NOx 의 생성을 억제하여, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스 중의 NOx 의 배출량을 저감한다. 즉, 본 실시형태 1 에 있어서, EGR 시스템 (12) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 NOx 저감 장치로서 기능한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, EGR 시스템 (12) 은, 배기 가스 재순환 라인 (G4, G5) 과, EGR 세정 장치 (12a) 와, EGR 블로어 (12b) 와, EGR 입구 밸브 (12c) 와, EGR 출구 밸브 (12d) 를 구비한다.
배기 가스 재순환 라인 (G4, G5) 은, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스의 일부를 엔진 본체 (1) 로 재순환하기 위한 배관이다. 배기 가스 재순환 라인 (G4) 은, 일단이 배기 라인 (G3) 의 중도부에 접속되고 또한 타단이 EGR 세정 장치 (12a) 에 접속되어 있고, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스의 일부를, 재순환 가스로서 배기 라인 (G3) 으로부터 분리하여 EGR 세정 장치 (12a) 를 향해 유통시킨다. 배기 가스 재순환 라인 (G5) 은, 일단이 EGR 세정 장치 (12a) 에 접속되고 또한 타단이 급기 라인 (G6) 의 중도부에 접속되어 있고, EGR 세정 장치 (12a) 에 의한 세정 후의 재순환 가스를, 연소용 가스의 일부로서 급기 라인 (G6) 과 합류하도록 유통시킨다.
또한, 재순환 가스란, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스 중, 엔진 본체 (1) 로 재순환되는 배기 가스이다. 예를 들어, 본 실시형태 1 에 있어서, 재순환 가스는, 배기 라인 (G3) 으로부터 배기 가스 재순환 라인 (G4) 으로 분류 (추기) 된 일부의 배기 가스이다.
EGR 세정 장치 (12a) 는, 재순환 가스에 포함되는 유해 물질을 세정에 의해 제거하는 것이다. EGR 세정 장치 (12a) 는, 특별히 도시되지 않지만, 재순환 가스를 물 분사에 의해 세정하는 스크러버 유닛, 물 분사에 의한 세정 후의 재순환 가스와 세정 폐수를 분리하는 데미스터 유닛, 이 세정 폐수로부터 유해 물질을 분리하여 얻은 물을 상기 스크러버 유닛으로 재순환하는 물 순환 유닛 등에 의해 구성된다. 본 실시형태 1 에 있어서, EGR 세정 장치 (12a) 는, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 으로부터 재순환 가스를 받아들이고, 받아들인 재순환 가스를 유통시키면서, 이 재순환 가스에 대해 물을 분사한다. EGR 세정 장치 (12a) 는, 이와 같은 물 분사에 의해 재순환 가스를 세정하고, 황 산화물 (SOx) 이나 매진 등의 미립자 (PM) 와 같은 유해 물질을 재순환 가스로부터 제거한다. 이것과 동시에, EGR 세정 장치 (12a) 는, 이 재순환 가스를 냉각한다. 이어서, EGR 세정 장치 (12a) 는, 세정 후의 재순환 가스와, 제거한 유해 물질을 포함하는 세정 폐수를 분리하고, 이 세정 폐수에 대해 소정의 폐수 처리 및 물 순환 처리를 실시하면서, 세정 후의 재순환 가스를 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로 송출한다.
EGR 블로어 (12b) 는, EGR 세정 장치 (12a) 에 의한 세정 후의 재순환 가스를 급기 라인 (G6) 으로 유도하는 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, EGR 블로어 (12b) 는, 송풍기 등에 의해 구성되고, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 의 중도부에 설치된다. EGR 블로어 (12b) 는, EGR 세정 장치 (12a) 로부터 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로 송출된 재순환 가스 (세정 후의 재순환 가스) 를, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로부터 급기 라인 (G6) 을 향하여 유통시킨다. 이로써, EGR 블로어 (12b) 는, 이 재순환 가스를 급기 라인 (G6) 내의 공기 (신기) 와 혼합한다. 이와 같이 공기와 혼합된 재순환 가스는, 과급기 (11) 의 압축기 (11a) 에 의해 압축된 후, 연소용 가스로서 엔진 본체 (1) 로 재순환된다.
EGR 입구 밸브 (12c) 는, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 에 있어서의 재순환 가스의 유통 상태를 개폐에 의해 조정하는 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, EGR 입구 밸브 (12c) 는, 자동식의 개폐 밸브 등에 의해 구성되고, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 의 중도부에 설치된다. EGR 입구 밸브 (12c) 는, EGR 시스템 (12) 이 가동하는 경우, 개방 상태가 되어, 배기 라인 (G3) 으로부터 배기 가스 재순환 라인 (G4) 으로의 배기 가스의 분류를 가능으로 한다. 이 경우, 배기 라인 (G3) 내의 배기 가스의 일부는, 순환 가스로서 배기 가스 재순환 라인 (G4) 내로 추기된다. 한편, EGR 입구 밸브 (12c) 는, EGR 시스템 (12) 이 가동 정지하는 경우, 폐쇄 상태가 되어, 배기 라인 (G3) 으로부터 배기 가스 재순환 라인 (G4) 으로의 배기 가스의 분류를 불가로 한다.
EGR 출구 밸브 (12d) 는, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 에 있어서의 재순환 가스의 유통 상태를 개폐에 의해 조정하는 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, EGR 출구 밸브 (12d) 는, 자동식의 개폐 밸브 등에 의해 구성되고, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 의 중도부이고 EGR 블로어 (12b) 의 하류측에 설치된다. EGR 출구 밸브 (12d) 는, EGR 시스템 (12) 이 가동하는 경우, 개방 상태가 되어, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로부터 급기 라인 (G6) 으로의 재순환 가스의 유통 (합류) 을 가능으로 한다. 한편, EGR 출구 밸브 (12d) 는, EGR 시스템 (12) 이 가동 정지하는 경우, 폐쇄 상태가 되어, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로부터 급기 라인 (G6) 으로의 재순환 가스의 유통을 불가로 한다.
또한, 상기 서술한 EGR 입구 밸브 (12c) 및 EGR 출구 밸브 (12d) 는, 각각, 유량 조정 밸브로 하고, 배기 가스 재순환 라인 (G4, G5) 내를 유통하는 재순환 가스의 유량을 조정하도록 해도 된다.
냉각기 (13) 는, 압축된 연소용 가스를 냉각하는 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, 냉각기 (13) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 급기 라인 (G1) 의 중도부이고, 과급기 (11) 에 있어서의 압축기 (11a) 의 후단 (後段) (압축기 (11a) 에 의한 압축 가스의 유통 방향의 하류측) 에 설치된다. 냉각기 (13) 는, 압축기 (11a) 에 의해 압축되어 고온이 된 연소용 가스를, 예를 들어 냉각수와의 열교환 등에 의해 냉각한다. 이 냉각기 (13) 에 의해 냉각되는 연소용 가스는, EGR 시스템 (12) 이 가동하고 있는 경우, 신기와 재순환 가스의 혼합 가스이다. 이 경우, 연소용 가스는, 냉각기 (13) 에 의해 냉각된 후, 급기 라인 (G1) 내를 유통하고, 역지 밸브 (14) 를 통과하여, 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 급기된다. 한편, EGR 시스템 (12) 이 가동 정지하고 있는 경우, 이 냉각기 (13) 에 의해 냉각되는 연소용 가스는, 신기이다. 이 경우, 연소용 가스는, 냉각기 (13) 에 의해 냉각된 후, 급기 라인 (G1) 으로부터 바이패스 라인 (G7) 내를 유통하고, 보조 블로어 (15) 에 의해 압축되어, 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 급기된다.
역지 밸브 (14) 는, 엔진 본체 (1) 측으로부터의 연소용 가스의 역류를 방지하는 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, 역지 밸브 (14) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 급기 라인 (G1) 의 중도부이고 바이패스 라인 (G7) 의 분기부와 엔진 본체 (1) 측의 단부 (端部) 사이에 설치된다. 역지 밸브 (14) 는, 급기 라인 (G1) 내에 있어서의 연소용 가스 (예를 들어 과급기 (11) 의 압축기 (11a) 에 의해 압축되고 또한 냉각기 (13) 에 의해 냉각된 연소용 가스) 의 유통 방향을, 냉각기 (13) 측으로부터 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 측을 향하는 일방향으로 규제하여, 소기 트렁크 (3) 측으로부터 냉각기 (13) 측으로의 연소용 가스의 역류를 방지한다.
보조 블로어 (15) 는, 과급기 (11) 대신에 연소용 가스를 압축하여 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 로 보내는 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, 보조 블로어 (15) 는, 예를 들어, 압축기 및 모터 등에 의해 구성되고, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 바이패스 라인 (G7) 의 중도부에 설치된다. 보조 블로어 (15) 는, 예를 들어, 과급기 (11) 가 기동하고 나서 안정 가동할 때까지의 기간에 구동하여, 과급기 (11) 대신에, 급기 라인 (G1, G6) 및 압축기 (11a) 등을 통하여 외부로부터 바이패스 라인 (G7) 내로 공기 (신기) 를 흡입하고, 흡입한 공기를, 연소용 가스로서 압축하여 소기 트렁크 (3) 측으로 압송한다. 또, 보조 블로어 (15) 는, 이 연소용 가스의 압송을 종료한 후, 소기 트렁크 (3) 측으로부터 바이패스 라인 (G7) 내로의 연소용 가스의 흐름을 저해하는 정도로 구동하여, 바이패스 라인 (G7) 내에 있어서의 연소용 가스의 역류를 방지한다.
바이패스 라인 (G7) 은, 보조 블로어 (15) 가 과급기 (11) 대신에 기능하기 위한 급기 라인이다. 본 실시형태 1 에 있어서, 바이패스 라인 (G7) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 일단이 급기 라인 (G1) 의 중도부이고 냉각기 (13) 와 역지 밸브 (14) 사이에 접속되고, 또한, 타단이 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 접속되어 있다. 바이패스 라인 (G7) 은, 역지 밸브 (14) 를 우회하도록 급기 라인 (G1) 으로부터 분기하여 보조 블로어 (15) 측으로 공기 등의 연소용 가스를 유도하고, 보조 블로어 (15) 에 의한 압축 후의 연소용 가스를 소기 트렁크 (3) 내로 유통시킨다.
산소 농도 검출부 (16) 는, 엔진 본체 (1) 에 급기되는 연소용 가스의 산소 농도를 검출하는 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, 산소 농도 검출부 (16) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 급기 라인 (G1) 의 중도부이고 바이패스 라인 (G7) 의 분기부와 냉각기 (13) 사이에 설치된다. 산소 농도 검출부 (16) 는, 급기 라인 (G1) 내의 연소용 가스의 산소 농도를 검출하고, 그때마다, 검출한 산소 농도를 나타내는 전기 신호를 제어부 (18) 에 송신한다.
조작부 (17) 는, 선박의 항행 속도 등을 조작하기 위한 것이다. 본 실시형태 1 에 있어서, 조작부 (17) 는, 예를 들어 조종 핸들 등에 의해 구성된다. 조작부 (17) 는, 조작자에 의한 조작에 따라, 선박의 항행 속도 (전속이나 정지 등) 를 항행 방향 (전진이나 후진 등) 과 함께 전환 가능하게 지정한다. 조작부 (17) 는, 항행 속도의 지정을 전환하는 조작이 실시될 때마다, 전환 후의 항행 속도 (현 항행 속도) 를 지정하는 전기 신호를 제어부 (18) 에 송신한다.
제어부 (18) 는, 엔진 본체 (1) 의 운전을 제어하는 엔진 제어 기능과, 엔진 본체 (1) 로부터 배출되는 배기 가스 중의 NOx 의 저감을 제어하는 NOx 저감 제어 기능을 겸비한다. 제어부 (18) 는, 각종 프로그램을 실행하여 데이터 처리를 실시하는 CPU 및 메모리 등에 의해 구성되고, 도 1 중의 일점 쇄선 (전기 신호선) 으로 나타내는 바와 같이, 분사부 (5) 의 각 연료 분사 펌프 (6) 및 각 주수 펌프 (7) 와, EGR 시스템 (12) 의 EGR 블로어 (12b) 를 제어한다. 또, 제어부 (18) 는, 특별히 전기 신호선은 도시되지 않지만, 분사부 (5) 의 각 연료 분사 밸브 (8) 와, EGR 시스템 (12) 의 EGR 입구 밸브 (12c) 및 EGR 출구 밸브 (12d) 와, 냉각기 (13) 와, 보조 블로어 (15) 를 제어하는 것이 가능하다.
본 실시형태 1 에 있어서, 제어부 (18) 는, 조작부 (17) 에 의해 전환 가능하게 지정되는 선박의 항행 속도에 따라, 엔진 본체 (1) 의 운전을 제어한다. 상세하게는, 제어부 (18) 는, 조작부 (17) 로부터의 전기 신호를 수신하고, 수신한 전기 신호에 기초하여, 선박의 지정된 항행 속도를 파악한다. 제어부 (18) 는, 이 파악한 항행 속도로 선박을 항행시키기 위해서 필요한 엔진 본체 (1) 의 회전수를 도출하고, 얻어진 회전수로 엔진 본체 (1) 를 가동시키기 위해서 필요한 연료 투입량, 예를 들어, 엔진 본체 (1) 의 1 회전당 필요한 연료 투입량을 산출한다. 제어부 (18) 는, 이 연료 투입량분의 연료를 각 실린더 (2) 내의 연소실로 분사하도록, 각 연료 분사 펌프 (6) 및 각 연료 분사 밸브 (8) 를 구동 제어하고, 이로써, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 연료 분사량 및 연료 분사 타이밍을 제어한다. 제어부 (18) 는, 이들 제어를 통해 엔진 본체 (1) 의 회전수를 제어하고, 이로써, 상기 지정된 항행 속도로 선박이 항행 또는 정지하도록 엔진 본체 (1) 의 출력을 제어한다.
또, 제어부 (18) 는, 엔진 본체 (1) 의 부하인 엔진 부하에 따라, 상기 서술한 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율과, NOx 저감 장치로서의 EGR 시스템 (12) 에 의한 질소 산화물 (NOx) 의 저감 파라미터 (이하, NOx 저감 파라미터라고 한다) 를 가변으로 제어한다. 상세하게는, 제어부 (18) 는, 분사부 (5) 가 각 실린더 (2) 의 연소실에 대한 연료 및 물의 분사 (본 실시형태 1 에서는 층상 분사) 를 실시하는 동작 기간 (이하, 연료·물 분사 동작 기간이라고 한다), 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다. 또, 제어부 (18) 는, EGR 시스템 (12) 이 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스의 일부 (재순환 가스) 를 공기와 혼합하여 엔진 본체 (1) 로 재순환하는 동작, 즉 EGR 동작을 실시하는 기간 (이하, EGR 동작 기간이라고 한다), EGR 시스템 (12) 에 의한 EGR 률을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다.
여기서, 물 첨가율은, 엔진 본체 (1) 의 1 회전마다 각 실린더 (2) 내의 연소실에 분사되는 연료 및 물의 합계 분사량에 대한 물의 분사량 (첨가량) 의 비율이다. EGR 동작 기간은, NOx 저감 장치가 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스 중의 NOx 의 저감을 실시하는 동작 기간의 일례이다. NOx 저감 파라미터는, NOx 저감 장치에 의한 상기 NOx 의 저감의 정도를 나타내는 파라미터이다. 본 실시형태 1 에 있어서, NOx 저감 파라미터는, EGR 시스템 (12) 에 의한 EGR 률이다. EGR 률은, 엔진 본체 (1) 의 1 회전마다 각 실린더 (2) 내의 연소실에 급기되는 연소용 가스 중에서 차지하는 재순환 가스의 비율이다. 이들 물 첨가율 및 EGR 률은, 각각 질량비 (질량％) 여도 되고, 체적비 (체적％) 여도 된다.
연료·물 분사 동작 기간에 있어서, 제어부 (18) 는, 엔진 부하와 물 첨가율의 관계를 나타내는 물 첨가율 제어맵을 이용하고, 엔진 부하에 따라, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 가변으로 제어한다. 상세하게는, 물 첨가율 제어맵은, 도 1 에 나타내는 제어맵 (19) 의 하나로서, 데이터 입력 등에 의해 제어부 (18) 의 메모리에 미리 기억되어 있다. 제어부 (18) 는, 회전수 검출부 (9) 로부터의 전기 신호를 수신하고, 수신한 전기 신호에 기초하여, 엔진 본체 (1) 의 상기 운전 제어에 의한 회전수를 취득한다. 제어부 (18) 는, 이 취득한 회전수와 상기 운전 제어 시의 연료 분사량을 승산하거나 하여, 엔진 본체 (1) 의 현재의 엔진 부하를 산출한다. 이어서, 제어부 (18) 는, 물 첨가율 제어맵을 참조하여, 현재의 엔진 부하에 대응하는 물 첨가율을 도출한다. 제어부 (18) 는, 이 도출한 물 첨가율에 기초하여, 각 주수 펌프 (7) 에 의한 주수량을 제어한다. 이로써, 제어부 (18) 는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율이 현재의 엔진 부하에 따른 물 첨가율이 되도록, 각 연료 분사 밸브 (8) 로부터 각 실린더 (2) 내의 연소실로의 물의 분사량을 제어한다. 그 후, 제어부 (18) 는, 이 분사량의 물이 연료에 수반하여 각 실린더 (2) 내의 연소실로 분사되도록, 각 연료 분사 펌프 (6) 및 각 연료 분사 밸브 (8) 를 구동 제어한다. 이와 같이 하여, 제어부 (18) 는, 분사부 (5) 의 작용에 의한 NOx 의 저감 (예를 들어 단위시간당 NOx 의 저감량) 을 제어한다.
또, EGR 동작 기간에 있어서, 제어부 (18) 는, 엔진 부하와 EGR 률의 관계를 나타내는 EGR 률 제어맵을 이용하고, 엔진 부하에 따라, EGR 시스템 (12) 에 의한 EGR 률을 가변으로 제어한다. 상세하게는, EGR 률 제어맵은, 상기 서술한 물 첨가율 제어맵에 더하여, 도 1 에 나타내는 제어맵 (19) 의 하나로서, 데이터 입력 등에 의해 제어부 (18) 의 메모리에 미리 기억되어 있다. 제어부 (18) 는, 상기 서술한 물 첨가율 제어의 경우와 동일하게, 엔진 본체 (1) 의 현재의 엔진 부하를 산출한다. 이어서, 제어부 (18) 는, EGR 률 제어맵을 참조하여, 현재의 엔진 부하에 대응하는 EGR 률을 도출한다. 또, 제어부 (18) 는, 산소 농도 검출부 (16) 로부터의 전기 신호를 수신하고, 수신한 전기 신호에 기초하여, 엔진 본체 (1) 에 급기되는 연소용 가스의 현재의 산소 농도를 취득한다. 제어부 (18) 는, 이 취득한 산소 농도에 기초하여, EGR 블로어 (12b) 의 날개차를 회전시키는 모터 (도시 생략) 의 주파수를 제어한다. 이로써, 제어부 (18) 는, EGR 시스템 (12) 으로부터 엔진 본체 (1) 로 공급하는 재순환 가스의 양을 제어하고, 이 제어를 통해, 현재의 연소용 가스 중에서 차지하는 재순환 가스의 비율, 즉 EGR 률을, 현재의 엔진 부하에 따른 것으로 제어한다. 이와 같이 하여, 제어부 (18) 는, EGR 시스템 (12) 의 작용에 의한 NOx 의 저감량 (예를 들어 단위시간당 NOx 의 저감량) 을 제어한다.
또한, 제어부 (18) 는, 이 EGR 동작 기간에 있어서, 상기 서술한 EGR 블로어 (12b) 의 구동 제어 이외에, EGR 입구 밸브 (12c) 및 EGR 출구 밸브 (12d) 의 개폐와, EGR 세정 장치 (12a) 의 운전을 제어한다.
다음에, 본 실시형태 1 에 있어서의 엔진 부하에 따른 물 첨가율 및 EGR 률의 제어에 대해, 구체적으로 설명한다. 도 2 는, 본 발명의 실시형태 1 에 있어서의 엔진 부하에 따른 물 첨가율 및 EGR 률의 제어의 일 구체예를 설명하는 도면이다.
도 2 에 있어서, 물 첨가율 제어맵 (19a) 은, 엔진 본체 (1) 의 엔진 부하와 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율의 관계를 나타내는 제어맵의 일례이다. 물 첨가율 제어맵 (19a) 은, 예를 들어, 실험이나 시뮬레이션의 결과를 기초로, 엔진 본체 (1) 로부터의 NOx 의 배출량이 대상인 선박용 디젤 엔진 (본 실시형태에서는 도 1 에 나타내는 선박용 디젤 엔진 (10)) 에 요구되는 2 차 규제 등의 NOx 의 배출 규제 (이하, NOx 배출 규제로 약기한다) 를 만족하는 엔진 부하와 연소실에 대한 물 첨가율의 관계 중, 엔진 연비가 최적이 되는 관계를 구함으로써 설정 가능하다. EGR 률 제어맵 (19b) 은, 엔진 본체 (1) 의 엔진 부하와 EGR 시스템 (12) 에 의한 EGR 률의 관계를 나타내는 제어맵의 일례이다. EGR 률 제어맵 (19b) 은, 예를 들어, 실험이나 시뮬레이션의 결과를 기초로, 엔진 본체 (1) 로부터의 NOx 의 배출량이 NOx 배출 규제를 만족하는 엔진 부하와 엔진 본체 (1) 에 급기되는 연소용 가스의 EGR 률의 관계 중, 엔진 연비가 최적이 되는 관계를 구함으로써 설정 가능하다.
특히, 물 첨가율 제어맵 (19a) 과 EGR 률 제어맵 (19b) 간에 엔진 부하가 중복되는 범위의 물 첨가율 및 EGR 률에 대해서는, 연소실에 대한 물의 분사 (첨가) 에 의한 NOx 의 저감 효과와, EGR 동작에 의한 NOx 의 저감 효과와, 엔진 연비의 최적값을 가미하여, 엔진 본체 (1) 로부터의 NOx 의 배출량이 NOx 배출 규제를 만족하는 엔진 부하와의 관계를 나타내도록 설정되는 것이 바람직하다.
이들 물 첨가율 제어맵 (19a) 및 EGR 률 제어맵 (19b) 은, 도 1 에 나타내는 제어맵 (19) 으로서 제어부 (18) 의 메모리에 기억되어 있다. 또한, 물 첨가율 제어맵 (19a) 으로 나타내는 엔진 부하와 물 첨가율의 관계, 및, EGR 률 제어맵 (19b) 으로 나타내는 엔진 부하와 EGR 률의 관계는, 각각 일례이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 엔진 부하가 A1 이상인 경우, 엔진 본체 (1) 로부터의 NOx 의 배출량 (이하, NOx 배출량으로 적절히 약기한다) 이 NOx 배출 규제를 만족한다는 관점에서는, 각 실린더 (2) 내의 연소실로의 물 분사 및 EGR 동작의 적어도 일방이 실시되는 것이 바람직하다. 즉, 이 A1 이상이라는 엔진 부하 범위는, NOx 배출량을 NOx 배출 규제에 기초하여 관리해야 하는 범위 (이하, 관리 범위라고 한다) 이다. 이 관리 범위 중, 엔진 부하가 A1 이상 A2 미만인 경우, 각 실린더 (2) 내의 연소실로의 물 분사 또는 EGR 동작 중 어느 것이 실시되면, NOx 배출량은 NOx 배출 규제를 만족한다. 이 경우, 엔진 연비 (구체적으로는 엔진 본체 (1) 의 연비) 를 향상시킨다는 관점에서, EGR 동작에 비해 엔진 연비의 악화가 적은 물 분사를 실시하는 것이 바람직하다. 따라서, 제어부 (18) 는, A1 이상이라는 엔진 부하 범위 (관리 범위) 에 있어서, 엔진 부하가 소정값 (본 실시형태 1 에서는 A2) 미만인 경우, 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다. 예를 들어, 제어부 (18) 는, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하 (A1) 에 대응하는 물 첨가율 (R11) 을 일의적으로 결정하고, 분사부 (5) 의 제어를 통해 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 R11 로 제어한다. 또, 제어부 (18) 는, 엔진 부하가 변화하면, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하에 따라 물 첨가율을 가변으로 제어한다. 한편, 제어부 (18) 는, 이 엔진 부하가 A2 미만이라는 관리 범위에 있어서, EGR 블로어 (12b) 를 정지시켜 EGR 시스템 (12) 에 의한 연소용 가스의 EGR 률을 영값으로 제어한다.
엔진 부하가 A2 이상인 경우, NOx 배출량이 NOx 배출 규제를 만족한다는 관점에서는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에의 물 분사 및 EGR 동작의 쌍방이 실시되는 것이 바람직하다. 따라서, 제어부 (18) 는, 엔진 부하가 소정값 (본 실시형태 1 에서는 A2) 이상인 경우, 즉 엔진 부하가 A2 이상이라는 관리 범위에 있어서, 상기 서술한 물 첨가율의 제어에 더하여 추가로, NOx 저감 장치에 의한 NOx 저감 파라미터를 가변으로 제어한다. 구체적으로는, 제어부 (18) 는, 이 관리 범위에 있어서, 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어하고, 또한, EGR 시스템 (12) 에 의한 연소용 가스의 EGR 률을 동 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다.
예를 들어, 엔진 부하가 A2 인 경우, 제어부 (18) 는, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하 (A2) 에 대응하는 물 첨가율 (R12) 을 일의적으로 결정하고, 또한, EGR 률 제어맵 (19b) 에 기초하여, 동 엔진 부하 (A2) 에 대응하는 EGR 률 (R1) 을 일의적으로 결정한다. 이와 같이 하여, 제어부 (18) 는, 엔진 부하 (A2) 에 따라, 목표로 하는 물 첨가율과 EGR 률의 조합 (R12, R1) 을 일의적으로 결정하고, 분사부 (5) 의 제어를 통해 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 R12 로 제어함과 함께, EGR 시스템 (12) 의 제어를 통해 연소용 가스의 EGR 률을 R1 로 제어한다.
엔진 부하가 A3, A4 또는 A5 인 경우도, 상기 서술한 A2 의 경우와 동일하게, 제어부 (18) 는, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하에 대응하는 물 첨가율을 일의적으로 결정하고, 또한, EGR 률 제어맵 (19b) 에 기초하여, 동 엔진 부하에 대응하는 EGR 률을 일의적으로 결정한다. 이로써, 목표로 하는 물 첨가율과 EGR 률의 조합이, 엔진 부하에 따라 일의적으로 결정된다. 구체적으로는, 상기 물 첨가율과 EGR 률의 조합은, 엔진 부하가 A3 인 경우에 (R13, R2) 가 되고, 엔진 부하가 A4 인 경우에 (R14, R3) 이 되고, 엔진 부하가 A5 인 경우에 (R15, R2) 가 된다. 특히, 엔진 부하가 서로 상이한 값 A3, A5 임에도 불구하고 EGR 률이 동일한 값 R2 가 되는 경우여도, 제어부 (18) 는, 엔진 부하 A3, A5 의 각각에 따라, 상기 물 첨가율과 EGR 률의 조합을 서로 상이한 조합 (R13, R2), (R15, R2) 로 일의적으로 결정한다. 그 후, 제어부 (18) 는, 상기 서술한 A2 의 경우와 동일하게, 물 첨가율 및 EGR 률을, 엔진 부하에 따라 일의적으로 결정한 물 첨가율과 EGR 률의 조합과 동일하게 되도록 제어한다.
또한, 본 실시형태 1 의 엔진 부하 범위에 있어서, 하한은 0 ％ 이상이며, 상한은 100 ％ 이하이다. 즉, 상기 서술한 관리 범위의 상한은 100 ％ 이하이다. 또, 이 관리 범위는, 분사부 (5) 의 연료·물 분사 동작 기간에 상당한다. 이 관리 범위 중의 엔진 부하가 A2 이상인 범위는, 상기 연료·물 분사 동작 기간과, EGR 시스템 (12) 의 EGR 동작 기간이 중복되는 기간에 상당한다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 에서는, 엔진 본체 (1) 의 각 실린더 (2) 내의 연소실에 연료 및 물을 분사하는 분사부 (5) 를 설치하고, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 NOx 저감 장치로서, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스의 일부 (재순환 가스) 를 공기와 혼합하여 엔진 본체 (1) 로 재순환하는 EGR 시스템 (12) 을 설치하고, 제어부 (18) 에 의해, 엔진 본체 (1) 의 부하 (엔진 부하) 에 따라, 분사부 (5) 의 연료·물 분사 동작 기간에 있어서의 물 첨가율과, NOx 저감 장치의 동작 기간에 있어서의 NOx 저감 파라미터 (구체적으로는 EGR 시스템 (12) 의 EGR 동작 기간에 있어서의 EGR 률) 를 가변으로 제어하고 있다.
이 때문에, 기온이나 습도 등의 환경 조건에 영향을 받지 않고, 조작자에 의해 전환 가능하게 지정된 항행 속도에 기초하여 명확하게 정해지는 엔진 부하에 따라, 배기 가스 중의 NOx 의 저감에 기여하는 물 첨가율 및 EGR 률을 각각 일의적으로 결정할 수 있다. 이로써, 엔진 연비의 악화가 EGR 동작에 비해 적은 물 분사에 의한 연소실에의 물 첨가율과, NOx 저감 효과가 물 분사에 비해 큰 EGR 동작에 의한 EGR 률의 조합을, 엔진 부하의 증감 변화에 수반하여 증감하는 NOx 배출량과 엔진 연비의 악화 억제를 가미한 바람직한 조합으로 제어하여, NOx 배출량을 저감할 수 있다. 이 결과, NOx 배출량을, 요구되는 NOx 배출 규제에 대응하여 효율적으로 저감할 수 있으므로, 엔진 연비의 악화를 억제하여 연비 성능을 향상시킴과 함께, 요구되는 NOx 배출 규제를 만족하는 레벨로 NOx 배출량을 저감할 수 있다.
또, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 에서는, 엔진 부하와 물 첨가율의 관계를 나타내는 물 첨가율 제어맵과, 엔진 부하와 EGR 률의 관계를 나타내는 EGR 률 제어맵을 이용하고, 엔진 부하에 따라, 상기 물 첨가율 및 EGR 률을 가변으로 제어하고 있다. 이 때문에, NOx 배출량의 저감과 엔진 연비의 악화 억제에 바람직한 물 첨가율, EGR 률, 나아가서는 이들의 조합을, 엔진 부하에 따라 일의적 또한 간이하게 결정하여, NOx 배출량을 저감할 수 있다. 이로써, 엔진 본체 (1) 의 연비 성능의 향상을 확보하면서, 요구되는 NOx 배출 규제에 NOx 배출량의 저감을 대응시키는 것을 간이하게 실시할 수 있다.
또, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 에서는, 엔진 부하가 소정값 미만인 경우, 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율을 가변으로 제어하고, 엔진 부하가 소정값 이상인 경우, 이 물 첨가율의 제어에 더하여 추가로, NOx 저감 장치에 의한 NOx 저감 파라미터, 구체적으로는, EGR 시스템 (12) 에 의한 EGR 률을 가변으로 제어하고 있다. 이 때문에, 엔진 부하가 낮으므로 NOx 배출량이 비교적 적은 경우에는, 엔진 부하에 따라 일의적으로 제어한 물 첨가율에 의한 물 분사를 EGR 동작에 우선하여 실시하고, 엔진 부하의 증가에 수반하여 NOx 배출량이 물 분사 단독으로는 다 억제할 수 없는 레벨로 증가한 경우에는, 엔진 부하에 따라 일의적으로 제어한 물 첨가율 및 EGR 률의 조합에 기초하여 물 분사와 EGR 동작을 병용할 수 있다. 이로써, NOx 배출량의 저감 및 엔진 연비의 악화 억제의 각 필요도에 따라, 물 분사와 EGR 동작을 효율적으로 구분하여 사용해, NOx 배출량을 저감할 수 있고, 이 결과, 엔진 본체 (1) 의 연비 성능의 향상과, 요구되는 NOx 배출 규제에 맞는 NOx 배출량의 저감을 효율적으로 양립시킬 수 있다.
또, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 에서는, 분사부 (5) 에 의해, 엔진 본체 (1) 의 각 실린더 (2) 내의 연소실에 연료 및 물을 층상으로 분사 (즉 층상 물 분사) 하고 있다. 이 때문에, 연료와 함께 연소실 내에 첨가하는 물의 분사량을 간이하게 제어할 수 있고, 이로써, 물 에멀션 연료 등의 경우에 비해, NOx 배출량의 저감에 기여하는 물 첨가율의 제어를 간이하게 실시할 수 있다. 나아가서는, NOx 저감의 물 기술로서 층상 물 분사를 채용한 경우, 주수 펌프 (7) 의 고장이나 오동작 등에서 기인하여 적정한 양의 물이 연료 분사 밸브 (8) 에 공급되지 않는다고 해도, 주수 펌프 (7) 로부터의 에러 신호에 기초하여, 연료 분사 펌프 (6) 로부터의 연료의 송급량 (밀어냄량) 및 공급 타이밍을, 부적정인 수량 (예를 들어 수량이 영 (물 없음) 인 상태) 의 발생을 보충할 수 있는 적정한 것으로 즉석에서 제어할 수 있다. 이로써, 주수 펌프 (7) 의 에러의 유무에 관계없이, 실린더 (2) 의 연소실에 대한 연료 분사량을 최적인 상태로 유지할 수 있고, 이 결과, 엔진 본체 (1) 의 안정적인 운전이 가능해진다. 이 점에서, 층상 물 분사를 채용한 엔진 본체 (1) 는, 물 에멀션 연료의 분사나 물의 단독 분사의 경우에 비해, 신뢰성 및 페일 세이프 등의 관점에서 우위성이 있다는 효과를 발휘한다.
(실시형태 2)
다음에, 본 발명의 실시형태 2 에 대해 설명한다. 상기 서술한 실시형태 1 에서는, 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 의 회전에 사용되어 압력이 저하한 배기 가스로부터 재순환 가스를 추기하여, EGR 동작 (저압의 EGR 동작) 을 실시하고 있었지만, 본 실시형태 2 에서는, 터빈 (11b) 을 회전시키기 전의 고압의 배기 가스로부터 재순환 가스를 추기하여, EGR 동작 (고압의 EGR 동작) 을 실시하고 있다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 2 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (20) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 의 EGR 시스템 (12) 대신에 EGR 시스템 (22) 을 엔진 본체 (1) 와 과급기 (11) 사이에 구비한다. 그 밖의 구성은 실시형태 1 과 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고 있다.
EGR 시스템 (22) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 (구체적으로는 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 을 회전시키기 전의 고압의 배기 가스) 의 일부를 공기와 혼합하여 엔진 본체 (1) 로 재순환하는 것이다. 즉, 본 실시형태 2 에 있어서, EGR 시스템 (22) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 NOx 저감 장치로서 기능한다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, EGR 시스템 (22) 은, 배기 가스 재순환 라인 (G4, G5) 과, EGR 세정 장치 (12a) 와, EGR 블로어 (12b) 와, EGR 입구 밸브 (12c) 와, EGR 출구 밸브 (12d) 와, EGR 냉각기 (22a) 를 구비한다. 이 EGR 시스템 (22) 에 있어서, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 은, 일단이 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 라인 (G2) 의 중도부에 접속되고 또한 타단이 EGR 세정 장치 (12a) 에 접속되어 있다. 배기 가스 재순환 라인 (G4) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 고압의 배기 가스의 일부를, 재순환 가스로서 배기 라인 (G2) 으로부터 분리하여 EGR 세정 장치 (12a) 를 향해 유통시킨다. 여기서 말하는 고압의 배기 가스란, 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 로부터 배출된 배기 가스이고, 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 을 회전시키기 전의 고압의 배기 가스를 의미한다. 배기 가스 재순환 라인 (G5) 은, 일단이 EGR 냉각기 (22a) 에 접속되고 또한 타단이 엔진 본체 (1) 에의 급기 라인 (G1) 의 중도부에 접속되어 있다. 배기 가스 재순환 라인 (G5) 은, EGR 냉각기 (22a) 에 의한 냉각 후의 재순환 가스를, 연소용 가스의 일부로서 급기 라인 (G1) 과 합류하도록 유통시킨다. 또한, EGR 세정 장치 (12a), EGR 블로어 (12b), EGR 입구 밸브 (12c) 및 EGR 출구 밸브 (12d) 는, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 EGR 시스템 (12) 과 동일하다.
EGR 냉각기 (22a) 는, EGR 시스템 (22) 에 의한 고압의 EGR 동작에 있어서 재순환 가스를 냉각하는 것이다. 구체적으로는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, EGR 냉각기 (22a) 는, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 의 중도부이고 EGR 세정 장치 (12a) 와 EGR 블로어 (12b) 사이에 설치된다. EGR 냉각기 (22a) 는, EGR 세정 장치 (12a) 에 의해 세정된 재순환 가스를, 예를 들어 냉각수와의 열교환 등에 의해 냉각한다. 이어서, EGR 냉각기 (22a) 는, 냉각 후의 재순환 가스를 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로 송출한다. 그 후, 이 재순환 가스는, EGR 블로어 (12b) 의 작용 등에 의해, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 내를 유통하여, 급기 라인 (G1) 내의 공기 (예를 들어 과급기 (11) 의 압축기 (11a) 에 의해 압축된 공기) 와 혼합되고, 연소용 가스로서 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 급기된다.
또한, 본 실시형태 2 에 있어서, 배기 라인 (G3) 은, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 과 접속되어 있지 않고, 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 의 회전에 사용되어 압력 및 온도가 저하한 배기 가스를 연돌측으로 유통시킨다. 또, 급기 라인 (G6) 은, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 과 접속되어 있지 않고, 외부로부터 흡인된 공기를 과급기 (11) 의 압축기 (11a) 로 유도한다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (20) 에서는, 엔진 본체 (1) 와 과급기 (11) 사이에 EGR 시스템 (22) 을 설치하고, 이 EGR 시스템 (22) 에 의해, 엔진 본체 (1) 로부터의 고압의 배기 가스의 일부를, 재순환 가스로서 공기와 혼합한 후, 엔진 본체 (1) 로 재순환하도록 하고, 그 외를 실시형태 1 과 동일하게 구성하고 있다. 이 때문에, EGR 시스템 (22) 이 고압의 EGR 동작을 실시하는 것이면서, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일한 작용 효과를 향수할 수 있다.
(실시형태 3)
다음에, 본 발명의 실시형태 3 에 대해 설명한다. 상기 서술한 실시형태 1 에서는, 1 단식 과급기 (과급기 (11)) 에 의해 연소용 가스 (구체적으로는 신기 또는 신기와 재순환 가스의 혼합 가스) 를 압축하고 있었지만, 본 실시형태 3 에서는, 2 단식 과급기에 의해 연소용 가스를 압축하고 있다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태 3 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 4 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 3 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (30) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 의 과급기 (11) 대신에 2 단식 과급기 (31) 를 구비한다. 그 밖의 구성은 실시형태 1 과 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고 있다.
2 단식 과급기 (31) 는, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스를 이용하여, 공기 등의 연소용 가스를 단계적으로 압축해 엔진 본체 (1) 로 보내기 위한 과급기이다. 본 실시형태 3 에 있어서, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 2 단식 과급기 (31) 는, 저압단 과급기 (32) 와, 고압단 과급기 (33) 와, 중간 냉각기 (34) 와, 급기 바이패스 밸브 (35) 와, 배기 바이패스 밸브 (36) 와, 급기 라인 (G11) 과, 배기 라인 (G12) 과, 급기 바이패스 라인 (G13) 과, 배기 바이패스 라인 (G14) 을 구비한다. 예를 들어, 2 단식 과급기 (31) 는, 엔진 본체 (1) 에 대한 흡배기를 실시하는 급기 라인 (G1) 및 배기 라인 (G2) 과, 외부에 대한 흡배기를 실시하는 급기 라인 (G6) 및 배기 라인 (G3) 사이에 설치되어 있다.
저압단 과급기 (32) 는, 2 단식 과급기 (31) 에 있어서의 1 단계째의 과급을 실시하는 것이다. 본 실시형태 3 에 있어서, 저압단 과급기 (32) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 저압단 압축기 (32a) 와, 저압단 터빈 (32b) 과, 회전축 (32c) 을 구비하고, 급기 라인 (G6) 및 배기 라인 (G3) 과 고압단 과급기 (33) 사이에 설치된다. 저압단 압축기 (32a) 및 저압단 터빈 (32b) 은, 날개차 등에 의해 각각 구성되고, 회전축 (32c) 을 중심축으로 하여 일체로 회전하도록, 회전축 (32c) 에 의해 서로 연결되어 있다. 또, 저압단 압축기 (32a) 의 가스 입측에는, 급기 라인 (G6) 이 연결되어 있다. 저압단 압축기 (32a) 의 가스 출측에는, 고압단 과급기 (33) 등에 통하는 급기 라인 (G11) 이 연결되어 있다. 저압단 터빈 (32b) 의 가스 입측에는, 고압단 과급기 (33) 등에 통하는 배기 라인 (G12) 이 연결되어 있다. 저압단 터빈 (32b) 의 가스 출측에는, 배기 라인 (G3) 이 연결되어 있다.
고압단 과급기 (33) 는, 2 단식 과급기 (31) 에 있어서의 2 단계째의 과급을 실시하는 것이다. 본 실시형태 3 에 있어서, 고압단 과급기 (33) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 고압단 압축기 (33a) 와, 고압단 터빈 (33b) 과, 회전축 (33c) 을 구비하고, 급기 라인 (G1) 및 배기 라인 (G2) 과 저압단 과급기 (32) 사이에 설치된다. 고압단 압축기 (33a) 및 고압단 터빈 (33b) 은, 날개차 등에 의해 각각 구성되고, 회전축 (33c) 을 중심축으로 하여 일체로 회전하도록, 회전축 (33c) 에 의해 서로 연결되어 있다. 또, 고압단 압축기 (33a) 의 가스 입측에는, 저압단 압축기 (32a) 에 통하는 급기 라인 (G11) 이 연결되어 있다. 고압단 압축기 (33a) 의 가스 출측에는, 급기 라인 (G1) 이 연결되어 있다. 고압단 터빈 (33b) 의 가스 입측에는, 배기 라인 (G2) 이 연결되어 있다. 고압단 터빈 (33b) 의 가스 출측에는, 저압단 터빈 (32b) 에 통하는 배기 라인 (G12) 이 연결되어 있다.
중간 냉각기 (34) 는, 저압단 과급기 (32) (상세하게는 저압단 압축기 (32a)) 에 의해 압축된 연소용 가스를 냉각하는 것이다. 본 실시형태 3 에 있어서, 중간 냉각기 (34) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 급기 라인 (G11) 의 중도부이고, 고압단 압축기 (33a) 와 급기 라인 (G11) 으로부터의 급기 바이패스 라인 (G13) 의 분기 부분 사이에 설치된다. 중간 냉각기 (34) 는, 저압단 압축기 (32a) 에 의해 압축되어 고온이 된 연소용 가스를, 예를 들어 냉각수와의 열교환 등에 의해 냉각한다. 이 중간 냉각기 (34) 에 의해 냉각되는 연소용 가스는, EGR 시스템 (12) 이 가동하고 있는 경우, 신기와 재순환 가스의 혼합 가스이며, EGR 시스템 (12) 이 가동 정지하고 있는 경우, 신기이다. 어느 경우도, 연소용 가스는, 중간 냉각기 (34) 에 의해 냉각된 후, 급기 라인 (G11) 내를 유통하여, 고압단 압축기 (33a) 로 유도된다.
급기 바이패스 라인 (G13), 배기 바이패스 라인 (G14), 급기 바이패스 밸브 (35) 및 배기 바이패스 밸브 (36) 는, 2 단식 과급기 (31) 에 의한 연소용 가스의 과급을 1 단계의 과급과 2 단계의 과급으로 전환하기 위한 것이다. 본 실시형태 3 에 있어서, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 급기 바이패스 라인 (G13) 은, 일단이 급기 라인 (G11) 의 중도부에 접속되고 또한 타단이 급기 라인 (G1) 의 중도부에 접속되어 있다. 이로써, 급기 바이패스 라인 (G13) 은, 급기 라인 (G11) 으로부터 분기하여 고압단 과급기 (33) 를 우회해 급기 라인 (G1) 에 합류하는 우회 급기 경로를 형성한다. 이 급기 바이패스 라인 (G13) 에는, 급기 바이패스 밸브 (35) 가 설치되어 있다. 급기 바이패스 밸브 (35) 는, 개폐 구동에 의해 급기 바이패스 라인 (G13) 의 개폐를 실시한다. 배기 바이패스 라인 (G14) 은, 일단이 배기 라인 (G2) 의 중도부에 접속되고 또한 타단이 배기 라인 (G12) 의 중도부에 접속되어 있다. 이로써, 배기 바이패스 라인 (G14) 은, 배기 라인 (G2) 으로부터 분기하여 고압단 과급기 (33) 를 우회해 배기 라인 (G12) 에 합류하는 우회 배기 경로를 형성한다. 이 배기 바이패스 라인 (G14) 에는, 배기 바이패스 밸브 (36) 가 설치되어 있다. 배기 바이패스 밸브 (36) 는, 개폐 구동에 의해 배기 바이패스 라인 (G14) 의 개폐를 실시한다.
상기 서술한 바와 같은 구성을 갖는 2 단식 과급기 (31) 는, 엔진 부하가 소정값에 비해 낮기 때문에 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스의 배출량이 소정량 미만인 경우, 엔진 본체 (1) 에 대해 연소용 가스의 1 단계의 과급을 실시한다. 이 경우, 급기 바이패스 밸브 (35) 및 배기 바이패스 밸브 (36) 는, 각각 개방 상태가 되어, 급기 바이패스 라인 (G13) 및 배기 바이패스 라인 (G14) 을 각각 개방한다. 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 로부터 배출된 배기 가스는, 배기 라인 (G2) 으로부터 배기 바이패스 라인 (G14) 을 거쳐 배기 라인 (G12) 으로 유입되고, 그 후 배기 라인 (G12) 으로부터 저압단 터빈 (32b) 으로 유도된다. 저압단 터빈 (32b) 은, 이 배기 라인 (G12) 으로부터의 배기 가스를 받아 회전하면서, 이 회전에 사용되어 압력 및 온도가 저하한 배기 가스를 배기 라인 (G3) 으로 배출한다. 이 저압단 터빈 (32b) 의 회전은, 회전축 (32c) 에 의해 저압단 압축기 (32a) 로 전달된다. 이로써, 저압단 압축기 (32a) 는, 이 저압단 터빈 (32b) 의 회전에 수반하여 회전해, 급기 라인 (G6) 으로부터 공기 등의 연소용 가스를 흡입하고, 흡입한 연소용 가스를 압축하여 급기 라인 (G11) 으로 송출한다. 이 저압단 압축기 (32a) 의 압축 작용에 의해 고압화된 연소용 가스는, 급기 라인 (G11) 으로부터 급기 바이패스 라인 (G13) 을 거쳐 급기 라인 (G1) 으로 유입되고, 냉각기 (13) 에 의해 냉각된 후, 급기 라인 (G1) 을 통해서 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 급기된다.
한편, 엔진 부하가 소정값 이상으로 높기 때문에 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스의 배출량이 소정량 이상인 경우, 2 단식 과급기 (31) 는, 엔진 본체 (1) 에 대해 연소용 가스의 2 단계의 과급을 실시한다. 이 경우, 급기 바이패스 밸브 (35) 및 배기 바이패스 밸브 (36) 는, 각각 폐쇄 상태가 되어, 급기 바이패스 라인 (G13) 및 배기 바이패스 라인 (G14) 을 각각 폐쇄한다. 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 로부터 배출된 배기 가스는, 배기 라인 (G2) 을 통해서 고압단 터빈 (33b) 으로 유도된다. 고압단 터빈 (33b) 은, 이 배기 라인 (G2) 으로부터의 고온 고압의 배기 가스를 받아 회전하면서, 이 회전에 사용되어 압력 및 온도가 저하한 배기 가스를 배기 라인 (G12) 으로 배출한다. 이 고압단 터빈 (33b) 의 회전은, 회전축 (33c) 에 의해 고압단 압축기 (33a) 로 전달된다. 이로써, 고압단 압축기 (33a) 는, 이 고압단 터빈 (33b) 의 회전에 수반하여 회전해, 급기 라인 (G6) 으로부터의 연소용 가스의 흡입에 기여한다. 한편, 고압단 터빈 (33b) 으로부터 배기 라인 (G12) 으로 배출된 배기 가스는, 이 배기 라인 (G12) 을 통해서 저압단 터빈 (32b) 으로 유도된다. 저압단 터빈 (32b) 은, 상기 서술한 1 단계의 과급의 경우와 동일하게, 이 배기 라인 (G12) 으로부터의 배기 가스를 받아 회전하면서 배기 라인 (G3) 으로 배기 가스를 배출한다. 저압단 압축기 (32a) 는, 이 저압단 터빈 (32b) 의 회전에 수반하여 회전한다. 이와 같이 회전한 상태의 저압단 압축기 (32a) 는, 급기 라인 (G6) 으로부터 공기 등의 연소용 가스를 흡입하고, 흡입한 연소용 가스를 압축해 급기 라인 (G11) 으로 송출한다. 이 저압단 압축기 (32a) 의 압축 작용에 의해 고압화된 연소용 가스는, 급기 라인 (G11) 을 통해서 중간 냉각기 (34) 로 유도되고, 중간 냉각기 (34) 에 의해 냉각된 후, 급기 라인 (G11) 을 통해서 고압단 압축기 (33a) 로 유도된다. 고압단 압축기 (33a) 는, 상기 서술한 고압단 터빈 (33b) 의 회전에 수반하여 회전한 상태에 있고, 급기 라인 (G11) 으로부터, 저압단 압축기 (32a) 에 의한 압축 후의 연소용 가스를 흡입하고, 흡입한 연소용 가스를 더욱 압축한다. 이 고압단 압축기 (33a) 의 압축 작용에 의해 더욱 고압화된 연소용 가스는, 급기 라인 (G1) 으로 송출되고, 냉각기 (13) 에 의해 냉각된 후, 급기 라인 (G1) 을 통해서 엔진 본체 (1) 의 소기 트렁크 (3) 에 급기된다.
또한, 상기 서술한 급기 바이패스 밸브 (35) 및 배기 바이패스 밸브 (36) 의 개폐 구동 및 개폐 타이밍은, 제어부 (18) 에 의해 제어되어도 되고, 제어부 (18) 이외에 별도 설치된 제어부 (도시 생략) 에 의해 제어되어도 된다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 3 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (30) 에서는, 2 단식 과급기 (31) 에 의해, 연소용 가스를 단계적으로 압축하여 엔진 본체 (1) 로 보내도록 하고, 그 외를 실시형태 1 과 동일하게 구성하고 있다. 이 때문에, 엔진 본체 (1) 에 대해 연소용 가스의 1 단계 또는 2 단계의 과급을 엔진 부하에 따라 적절히 실시하면서도, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일한 작용 효과를 향수할 수 있다.
(실시형태 4)
다음에, 본 발명의 실시형태 4 에 대해 설명한다. 상기 서술한 실시형태 3 에서는, 저압단 과급기 (32) 의 저압단 터빈 (32b) 의 회전에 사용되어 압력이 저하한 배기 가스로부터 재순환 가스를 추기하여, 저압의 EGR 동작을 실시하고 있었지만, 본 실시형태 4 에서는, 저압단 과급기 (32) 의 저압단 터빈 (32b) 또는 고압단 과급기 (33) 의 고압단 터빈 (33b) 을 회전시키기 전의 고압의 배기 가스로부터 재순환 가스를 추기하여, 고압의 EGR 동작을 실시하고 있다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태 4 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 4 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (40) 은, 상기 서술한 실시형태 3 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (30) 의 EGR 시스템 (12) 대신에 EGR 시스템 (22) 을 엔진 본체 (1) 와 고압단 과급기 (33) 사이에 구비한다. 그 밖의 구성은 실시형태 3 과 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고 있다.
EGR 시스템 (22) 은, 상기 서술한 실시형태 2 와 동일한 것 (도 3 참조) 이며, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 (구체적으로는, 저압단 터빈 (32b) 또는 고압단 터빈 (33b) 을 회전시키기 전의 고압의 배기 가스) 의 일부를 공기와 혼합하여 엔진 본체 (1) 로 재순환한다. 이로써, 각 실린더 (2) 내의 연료 연소에 의한 NOx 의 생성이 억제된다.
또한, 본 실시형태 4 에 있어서, 배기 라인 (G3) 은, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 과 접속되어 있지 않고, 저압단 터빈 (32b) 의 회전에 사용된 후의 배기 가스를 연돌측으로 유통시킨다. 또, 급기 라인 (G6) 은, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 과 접속되어 있지 않고, 외부로부터 흡인된 공기를 저압단 압축기 (32a) 로 유도한다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 4 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (40) 에서는, 엔진 본체 (1) 와 고압단 과급기 (33) 사이에 EGR 시스템 (22) 을 설치하고, 이 EGR 시스템 (22) 에 의해, 엔진 본체 (1) 로부터의 고압의 배기 가스의 일부를, 재순환 가스로서 공기와 혼합한 후, 엔진 본체 (1) 로 재순환하도록 하고, 그 외를 실시형태 3 과 동일하게 구성하고 있다. 이 때문에, EGR 시스템 (22) 이 고압의 EGR 동작을 실시하는 것이면서, 상기 서술한 실시형태 3 과 동일한 작용 효과를 향수할 수 있다.
(실시형태 5)
다음에, 본 발명의 실시형태 5 에 대해 설명한다. 상기 서술한 실시형태 1 에서는, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 NOx 저감 장치로서 EGR 시스템 (12) 이 설치되어 있었지만, 본 실시형태 5 에서는, 상기 NOx 저감 장치로서 SCR 시스템이 설치되어 있다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태 5 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 5 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (50) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (10) 의 EGR 시스템 (12) 대신에 SCR 시스템 (52) 을 구비하고, 제어부 (18) 대신에 제어부 (58) 를 구비한다. 또, 이 선박용 디젤 엔진 (50) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 산소 농도 검출부 (16) 를 구비하고 있지 않다. 그 밖의 구성은 실시형태 1 과 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고 있다.
SCR 시스템 (52) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스에 환원제를 분사하여, 이 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 것이다. 즉, 본 실시형태 5 에 있어서, SCR 시스템 (52) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 NOx 저감 장치로서 기능한다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, SCR 시스템 (52) 은, SCR 반응기 (52a) 와, 환원제 공급 장치 (52b) 와, 혼합기 (52c) 와, SCR 입구 밸브 (52d) 와, SCR 출구 밸브 (52e) 와, 추기 라인 (G15) 과, 추기 밸브 (53) 와, 배기 바이패스 라인 (G16) 과, 배기 바이패스 밸브 (54) 를 구비한다.
SCR 반응기 (52a) 는, 촉매 반응 용기 등에 의해 구성되고, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 배기 라인 (G3) 의 중도부에 설치된다. SCR 반응기 (52a) 는, 환원제가 분사된 배기 가스 중의 NOx 와 당해 환원제의 환원 반응을 촉매 작용에 의해 선택적으로 진행 (촉진) 시키고, 이로써, 배기 가스 중의 NOx 를 제거하여 저감한다.
환원제 공급 장치 (52b) 는, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스에 환원제를 공급하는 것이다. 본 실시형태 5 에 있어서, 환원제 공급 장치 (52b) 는, 환원제의 유통관인 액체 공급 라인 (L1) 과, 물의 유통관인 액체 공급 라인 (L2) 을 갖는다. 액체 공급 라인 (L1) 의 출구단 (出口端) 에는, 분사 노즐 (도시 생략) 이 설치되어 있고, 이 분사 노즐은, 혼합기 (52c) 의 내부로 분사구를 향하게 한 상태로 되어 있다. 한편, 액체 공급 라인 (L2) 은, 상기 액체 공급 라인 (L1) 과 합류하도록 구성되어 있다. 환원제 공급 장치 (52b) 는, 일방의 액체 공급 라인 (L1) 내에 환원제를 유통시킴과 함께, 타방의 액체 공급 라인 (L2) 내에 물을 유통시켜, 이 환원제를 희석하고, 희석 후의 환원제를 액체 공급 라인 (L1) 으로부터 혼합기 (52c) 내의 유로 전체면에 분사한다. 이로써, 환원제 공급 장치 (52b) 는, 혼합기 (52c) 내를 유통하는 배기 가스, 즉, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스에 대해 환원제를 분사하여 공급한다. 또한, 이 환원제로는, 예를 들어, 요소수 등을 사용할 수 있다.
혼합기 (52c) 는, 배기 가스와 환원제를 혼합하는 것이다. 본 실시형태 5 에 있어서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 혼합기 (52c) 는, 배기 라인 (G3) 의 중도부이고, SCR 반응기 (52a) 보다 배기 가스의 유통 방향의 상류측에 설치되어 있다. 혼합기 (52c) 는, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스와 환원제 공급 장치 (52b) 로부터의 환원제를 혼합하면서, 이 배기 가스를 SCR 반응기 (52a) 를 향하여 유통시킨다.
SCR 입구 밸브 (52d) 및 SCR 출구 밸브 (52e) 는, SCR 시스템 (52) 에 의한 NOx 저감 대상인 배기 가스의 유통 상태를 개폐에 의해 조정하는 것이다. 본 실시형태 5 에 있어서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, SCR 입구 밸브 (52d) 는, 배기 라인 (G3) 의 중도부이고, 혼합기 (52c) 와 배기 라인 (G3) 으로부터의 배기 바이패스 라인 (G16) 의 분기 부분 사이에 설치된다. SCR 출구 밸브 (52e) 는, 배기 라인 (G3) 의 중도부이고, SCR 반응기 (52a) 와 배기 라인 (G3) 으로의 배기 바이패스 라인 (G16) 의 합류 부분 사이에 설치된다. SCR 입구 밸브 (52d) 및 SCR 출구 밸브 (52e) 는, SCR 시스템 (52) 이 가동하는 경우, 개방 상태가 되어, 배기 라인 (G3) 을 통해서 혼합기 (52c) 와 SCR 반응기 (52a) 를 이 순서로 순차 통과하는 배기 가스의 유통을 가능으로 한다. 한편, SCR 입구 밸브 (52d) 및 SCR 출구 밸브 (52e) 는, SCR 시스템 (52) 이 가동 정지하는 경우, 폐쇄 상태가 되어, 상기 배기 라인 (G3) 에 있어서의 배기 가스의 유통을 불가로 한다.
추기 라인 (G15) 및 추기 밸브 (53) 는, SCR 시스템 (52) 에 의한 배기 가스 중의 NOx 제거에 필요한 배기 가스 온도를 확보하기 위한 것이다. 본 실시형태 5 에 있어서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 추기 라인 (G15) 은, 일단이 배기 라인 (G2) 의 중도부에 접속되고 또한 타단이 배기 라인 (G3) 의 중도부 (예를 들어, 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 과 배기 라인 (G3) 으로부터의 배기 바이패스 라인 (G16) 의 분기 부분 사이) 에 접속되어 있다. 이와 같은 추기 라인 (G15) 은, 배기 라인 (G2) 으로부터 분기하여 과급기 (11) 를 우회해 배기 라인 (G3) 에 합류하는 추기 경로를 형성한다. 추기 라인 (G15) 은, 이 추기 경로를 따라, 배기 라인 (G2) 으로부터 고온 고압의 배기 가스의 일부를 추기하고, 이 추기한 배기 가스를 배기 라인 (G3) 내의 배기 가스 (터빈 (11b) 의 회전에 사용된 배기 가스) 와 혼합한다. 이로써, 배기 라인 (G3) 내의 배기 가스 온도는, SCR 시스템 (52) 에 의해 배기 가스 중의 NOx 를 효율적으로 제거하기 위해서 필요한 반응 온도 (즉, 촉매 작용에 의한 배기 가스 중의 NOx 와 환원제의 환원 반응의 필요 온도) 이상으로 유지된다. 추기 밸브 (53) 는, 추기 라인 (G15) 에 설치되고, 개폐 구동에 의해 추기 라인 (G15) 의 개폐를 실시한다.
배기 바이패스 라인 (G16) 및 배기 바이패스 밸브 (54) 는, SCR 시스템 (52) 이 가동 정지하고 있는 경우에, 외부에 대한 배기 가스의 배기 경로를 확보하기 위한 것이다. 본 실시형태 5 에 있어서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 배기 바이패스 라인 (G16) 의 일단은, 배기 라인 (G3) 의 중도부이고, SCR 입구 밸브 (52d) 와 배기 라인 (G3) 으로의 추기 라인 (G15) 의 합류 부분 사이에 접속된다. 배기 바이패스 라인 (G16) 의 타단은, 배기 라인 (G3) 의 중도부이고, SCR 출구 밸브 (52e) 보다 배기 가스의 유통 방향의 하류측에 접속된다. 이와 같은 배기 바이패스 라인 (G16) 은, 배기 라인 (G3) 중, SCR 입구 밸브 (52d) 로부터 혼합기 (52c) 와 SCR 반응기 (52a) 를 순차 지나 SCR 출구 밸브 (52e) 에 이르는 배기 경로를 우회하는 우회 배기 경로를 형성한다. 배기 바이패스 밸브 (54) 는, 배기 바이패스 라인 (G16) 에 설치되고, 개폐 구동에 의해 배기 바이패스 라인 (G16) 의 개폐를 실시한다.
제어부 (58) 는, 엔진 본체 (1) 의 운전을 제어하는 엔진 제어 기능과, 엔진 본체 (1) 로부터 배출되는 배기 가스 중의 NOx 의 저감을 제어하는 NOx 저감 제어 기능을 겸비한다. 제어부 (58) 는, 각종 프로그램을 실행하여 데이터 처리를 실시하는 CPU 및 메모리 등에 의해 구성되고, 도 6 중의 일점 쇄선 (전기 신호선) 으로 나타내는 바와 같이, 분사부 (5) 의 각 연료 분사 펌프 (6) 및 각 주수 펌프 (7) 와, SCR 시스템 (52) 의 환원제 공급 장치 (52b) 를 제어한다. 또, 제어부 (58) 는, 특별히 전기 신호선은 도시되지 않지만, 분사부 (5) 의 각 연료 분사 밸브 (8) 와, SCR 시스템 (52) 의 SCR 입구 밸브 (52d), SCR 출구 밸브 (52e), 추기 밸브 (53) 및 배기 바이패스 밸브 (54) 와, 냉각기 (13) 와, 보조 블로어 (15) 를 제어하는 것이 가능하다.
본 실시형태 5 에 있어서, 제어부 (58) 는, 엔진 본체 (1) 의 부하 (엔진 부하) 에 따라, 상기 서술한 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율과, NOx 저감 장치로서의 SCR 시스템 (52) 에 의한 NOx 저감 파라미터를 가변으로 제어한다. 상세하게는, 제어부 (58) 는, 분사부 (5) 의 연료·물 분사 동작 기간, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다. 또, 제어부 (58) 는, SCR 시스템 (52) 이 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스 중의 NOx 를 환원제의 분사 및 환원 작용에 의해 제거하는 동작, 즉 SCR 동작을 실시하는 기간 (이하, SCR 동작 기간이라고 한다), SCR 시스템 (52) 에 의한 환원제 분사율을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다.
여기서, SCR 동작 기간은, NOx 저감 장치가 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스 중의 NOx 의 저감을 실시하는 동작 기간의 일례이다. 본 실시형태 5 에 있어서, NOx 저감 파라미터는, SCR 시스템 (52) 에 의한 환원제 분사율이다. 환원제 분사율은, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스량에 대한 환원제의 분사량의 비율이다. 예를 들어, 배기 가스량은, 단위시간당에 엔진 본체 (1) 로부터 배출되는 배기 가스의 배출량이다. 환원제의 분사량은, 이 배기 가스 중의 NOx 를 제거하기 위해서 필요한 환원제의 분사량이다. 이 환원제 분사율은, 질량비 (질량％) 여도 되고, 체적비 (체적％) 여도 된다.
SCR 동작 기간에 있어서, 제어부 (58) 는, 엔진 부하와 환원제 분사율의 관계를 나타내는 환원제 분사율 제어맵을 이용하고, 엔진 부하에 따라, SCR 시스템 (52) 에 의한 환원제 분사율을 가변으로 제어한다. 상세하게는, 환원제 분사율 제어맵은, 상기 서술한 물 첨가율 제어맵에 더하여, 도 6 에 나타내는 제어맵 (59) 의 하나로서, 데이터 입력 등에 의해 제어부 (58) 의 메모리에 미리 기억되어 있다. 제어부 (58) 는, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 물 첨가율 제어의 경우와 동일하게, 엔진 본체 (1) 의 현재의 엔진 부하를 산출한다. 이어서, 제어부 (58) 는, 환원제 분사율 제어맵을 참조하여, 현재의 엔진 부하에 대응하는 환원제 분사율을 도출한다. 제어부 (58) 는, 이 도출한 환원제 분사율을 기초로, 혼합기 (52c) 내를 순차 통과하는 배기 가스 중의 NOx 를 제거하기 위해서 필요한 환원제의 분사량을 산출하고, 이 산출한 분사량으로의 환원제의 분사 (공급) 를 실시하도록 환원제 공급 장치 (52b) 를 제어한다. 이 제어를 통해, 제어부 (58) 는, 단위시간당의 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스량에 대한 환원제 공급 장치 (52b) 로부터의 환원제의 분사량의 비율, 즉, 환원제 분사율을, 현재의 엔진 부하에 따른 것으로 제어한다. 이와 같이 하여, 제어부 (58) 는, SCR 시스템 (52) 의 작용에 의한 NOx 의 저감량 (예를 들어 단위시간당의 NOx 의 저감량) 을 제어한다.
또, 이 SCR 동작 기간에 있어서, 제어부 (58) 는, 배기 바이패스 밸브 (54) 를 폐쇄하도록 구동 제어함과 함께, SCR 입구 밸브 (52d), SCR 출구 밸브 (52e) 및 추기 밸브 (53) 를 개방하도록 구동 제어한다. 이로써, 배기 바이패스 라인 (G16) 이 폐쇄된 상태가 됨과 함께, 배기 라인 (G3) 의 혼합기 (52c) 및 SCR 반응기 (52a) 에 통하는 배기 경로와, 추기 라인 (G15) 이 개방된 상태가 된다. 이 상태에 있어서, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스는, 배기 라인 (G2) 을 통해서 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 으로 유입되는 배기 가스와, 배기 라인 (G2) 으로부터 추기 라인 (G15) 으로 추기되는 배기 가스로 나누어져 흐른다. 그 후, 터빈 (11b) 의 회전에 사용된 배기 가스와 추기 라인 (G15) 으로 추기된 배기 가스는, 배기 라인 (G3) 내에서 합류하여, 고온 상태를 유지하면서 배기 라인 (G3) 의 상기 배기 경로를 따라 흐른다.
한편, SCR 동작 기간 이외에 있어서, 제어부 (58) 는, 배기 바이패스 밸브 (54) 를 개방하도록 구동 제어함과 함께, SCR 입구 밸브 (52d), SCR 출구 밸브 (52e) 및 추기 밸브 (53) 를 폐쇄하도록 구동 제어한다. 이로써, 배기 바이패스 라인 (G16) 이 개방된 상태가 됨과 함께, 배기 라인 (G3) 의 상기 배기 경로와 추기 라인 (G15) 이 폐쇄된 상태가 된다. 이 상태에 있어서, SCR 시스템 (52) 은 가동 정지하고 있고, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스는, 배기 라인 (G2) 을 통해서 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 으로 유입되고, 터빈 (11b) 을 회전시킨 후, 배기 라인 (G3) 으로부터 배기 바이패스 라인 (G16) 으로 유입된다. 그 후, 이 배기 가스는, 배기 바이패스 라인 (G16) 을 따라 혼합기 (52c) 및 SCR 반응기 (52a) 를 우회하여 흐르고, 배기 바이패스 라인 (G16) 으로부터 배기 라인 (G3) 으로 유입된다.
또한, 본 실시형태 5 에 있어서, 제어부 (58) 는, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일하게, 엔진 본체 (1) 의 운전을 제어한다. 또, 제어부 (58) 는, 분사부 (5) 의 연료·물 분사 동작 기간에 있어서, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일하게, 물 첨가율 제어맵을 이용하고, 엔진 부하에 따라, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 가변으로 제어한다. 한편, 급기 라인 (G6) 은, 실시형태 1 에 있어서의 배기 가스 재순환 라인 (G5) (도 1 참조) 과 접속되어 있지 않고, 외부로부터 흡인된 공기를 과급기 (11) 의 압축기 (11a) 로 유도한다.
다음에, 본 실시형태 5 에 있어서의 엔진 부하에 따른 물 첨가율 및 환원제 분사율의 제어에 대해, 구체적으로 설명한다. 도 7 은, 본 발명의 실시형태 5 에 있어서의 엔진 부하에 따른 물 첨가율 및 환원제 분사율의 제어의 일 구체예를 설명하는 도면이다.
도 7 에 있어서, 환원제 분사율 제어맵 (19c) 은, 엔진 본체 (1) 의 엔진 부하와 SCR 시스템 (52) 에 의한 환원제 분사율의 관계를 나타내는 제어맵의 일례이다. 환원제 분사율 제어맵 (19c) 은, 예를 들어, 실험이나 시뮬레이션의 결과를 기초로, 엔진 본체 (1) 로부터의 NOx 의 배출량이 NOx 배출 규제를 만족하는 엔진 부하와 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스량에 대한 환원제의 분사량의 비율 (환원제 분사율) 의 관계 중, 엔진 연비가 최적이 되는 관계를 구함으로써 설정 가능하다.
특히, 물 첨가율 제어맵 (19a) 과 환원제 분사율 제어맵 (19c) 간에서 엔진 부하가 중복되는 범위의 물 첨가율 및 환원제 분사율에 대해서는, 연소실에 대한 물의 분사 (첨가) 에 의한 NOx 의 저감 효과와, SCR 동작에 의한 NOx 의 저감 효과와, 엔진 연비의 최적값을 가미하여, 엔진 본체 (1) 로부터의 NOx 의 배출량이 NOx 배출 규제를 만족하는 엔진 부하와의 관계를 나타내는 바와 같이 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 물 첨가율 제어맵 (19a) 은, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일하다.
이들 물 첨가율 제어맵 (19a) 및 환원제 분사율 제어맵 (19c) 은, 도 6 에 나타내는 제어맵 (59) 으로서 제어부 (58) 의 메모리에 기억되어 있다. 또한, 물 첨가율 제어맵 (19a) 으로 나타내는 엔진 부하와 물 첨가율의 관계, 및, 환원제 분사율 제어맵 (19c) 으로 나타내는 엔진 부하와 환원제 분사율의 관계는, 각각 일례이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 7 에 나타내는 바와 같이, 엔진 부하가 A1 이상인 경우, NOx 배출량이 NOx 배출 규제를 만족한다는 관점에서는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에의 물 분사 및 SCR 동작의 적어도 일방이 실시되는 것이 바람직하다. 즉, 이 A1 이상이라는 엔진 부하 범위는, NOx 배출량을 NOx 배출 규제에 기초하여 관리해야 하는 관리 범위이다. 이 관리 범위 중, 엔진 부하가 A1 이상 A2 미만인 경우, 각 실린더 (2) 내의 연소실에의 물 분사 또는 SCR 동작 중 어느 것이 실시되면, NOx 배출량은 NOx 배출 규제를 만족한다. 이 경우, 엔진 연비를 향상시킨다는 관점에서, SCR 동작에 비해 엔진 연비의 악화가 적은 물 분사를 실시하는 것이 바람직하다. 따라서, 제어부 (58) 는, 엔진 부하가 A1 이상이라는 관리 범위에 있어서, 엔진 부하가 소정값 (본 실시형태 5 에서는 A2) 미만인 경우, 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다. 예를 들어, 제어부 (58) 는, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하 (A1) 에 대응하는 물 첨가율 (R11) 을 일의적으로 결정하고, 분사부 (5) 의 제어를 통해 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 R11 로 제어한다. 또, 제어부 (58) 는, 엔진 부하가 변화하면, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하에 따라 물 첨가율을 가변으로 제어한다. 한편, 제어부 (58) 는, 이 엔진 부하가 A1 이상 A2 미만이라는 관리 범위에 있어서, 환원제 공급 장치 (52b) 를 정지시켜 SCR 시스템 (52) 에 의한 환원제 분사율을 영값으로 제어한다. 이때, 제어부 (58) 는, 상기 서술한 바와 같이, 배기 바이패스 밸브 (54) 를 개방하도록 구동 제어함과 함께, SCR 입구 밸브 (52d), SCR 출구 밸브 (52e) 및 추기 밸브 (53) 를 폐쇄하도록 구동 제어한다.
엔진 부하가 A2 이상인 경우, NOx 배출량이 NOx 배출 규제를 만족한다는 관점에서는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에의 물 분사 및 SCR 동작의 쌍방이 실시되는 것이 바람직하다. 따라서, 제어부 (58) 는, 엔진 부하가 소정값 (본 실시형태 5 에서는 A2) 이상인 경우, 즉, 엔진 부하가 A2 이상이라는 관리 범위에 있어서, 상기 서술한 물 첨가율의 제어에 더하여 추가로, NOx 저감 장치에 의한 NOx 저감 파라미터를 가변으로 제어한다. 구체적으로는, 제어부 (58) 는, 이 관리 범위에 있어서, 분사부 (5) 에 의한 물 첨가율을 엔진 부하에 따라 가변으로 제어하고, 또한, SCR 시스템 (52) 에 의한 환원제 분사율을 동 엔진 부하에 따라 가변으로 제어한다.
예를 들어, 엔진 부하가 A2 인 경우, 제어부 (58) 는, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하 (A2) 에 대응하는 물 첨가율 (R12) 을 일의적으로 결정하고, 또한, 환원제 분사율 제어맵 (19c) 에 기초하여, 동 엔진 부하 (A2) 에 대응하는 환원제 분사율 (R21) 을 일의적으로 결정한다. 이와 같이 하여, 제어부 (58) 는, 엔진 부하 (A2) 에 따라, 목표로 하는 물 첨가율과 환원제 분사율의 조합 (R12, R21) 을 일의적으로 결정하고, 분사부 (5) 의 제어를 통해 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대한 물 첨가율을 R12 로 제어함과 함께, SCR 시스템 (52) 의 제어를 통해, 환원제 공급 장치 (52b) 로부터 혼합기 (52c) 내의 배기 가스에 대한 환원제 분사율을 R21 로 제어한다.
엔진 부하가 A3, A4 또는 A5 인 경우도, 상기 서술한 A2 의 경우와 동일하게, 제어부 (58) 는, 물 첨가율 제어맵 (19a) 에 기초하여, 엔진 부하에 대응하는 물 첨가율을 일의적으로 결정하고, 또한, 환원제 분사율 제어맵 (19c) 에 기초하여, 동 엔진 부하에 대응하는 환원제 분사율을 일의적으로 결정한다. 이로써, 목표로 하는 물 첨가율과 환원제 분사율의 조합이, 엔진 부하에 따라 일의적으로 결정된다. 구체적으로는, 상기 물 첨가율과 환원제 분사율의 조합은, 엔진 부하가 A3 인 경우에 (R13, R22) 가 되고, 엔진 부하가 A4 인 경우에 (R14, R23) 이 되고, 엔진 부하가 A5 인 경우에 (R15, R24) 가 된다. 그 후, 제어부 (58) 는, 상기 서술한 A2 의 경우와 동일하게, 물 첨가율 및 환원제 분사율을, 엔진 부하에 따라 일의적으로 결정한 물 첨가율과 환원제 분사율의 조합과 동일하게 되도록 제어한다.
또한, 본 실시형태 5 의 엔진 부하 범위에 있어서, 엔진 부하가 A1 이상이라는 관리 범위는, 분사부 (5) 의 연료·물 분사 동작 기간에 상당한다. 이 관리 범위 중의 엔진 부하가 A2 이상인 범위는, 상기 연료·물 분사 동작 기간과, SCR 시스템 (52) 의 SCR 동작 기간이 중복되는 기간에 상당한다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 5 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (50) 에서는, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 NOx 저감 장치로서, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스에 환원제를 분사하는 SCR 시스템 (52) 을 설치하고, 제어부 (58) 에 의해, 엔진 부하에 따라, 분사부 (5) 의 연료·물 분사 동작 기간에 있어서의 물 첨가율과, NOx 저감 장치의 동작 기간에 있어서의 NOx 저감 파라미터 (구체적으로는 SCR 시스템 (52) 의 SCR 동작 기간에 있어서의 환원제 분사율) 를 가변으로 제어하도록 하고, 그 외를 실시형태 1 과 동일하게 구성하고 있다. 이 때문에, NOx 저감 장치로서, EGR 시스템 (12) 을 SCR 시스템 (52) 으로 치환하였다고 해도, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일한 작용 효과를 향수할 수 있다.
(실시형태 6)
다음에, 본 발명의 실시형태 6 에 대해 설명한다. 상기 서술한 실시형태 5 에서는, 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 의 회전에 사용되어 압력이 저하한 배기 가스에 환원제를 분사하여 NOx 를 제거하는 SCR 동작을 실시하고 있었지만, 본 실시형태 6 에서는, 터빈 (11b) 을 회전시키기 전의 고온의 배기 가스에 환원제를 분사하여 NOx 를 제거하는 SCR 동작 (고온의 SCR 동작) 을 실시하고 있다.
도 8 은, 본 발명의 실시형태 6 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 6 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (60) 은, 상기 서술한 실시형태 5 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (50) 의 SCR 시스템 (52) 대신에 SCR 시스템 (62) 을 엔진 본체 (1) 와 과급기 (11) 사이에 구비하고, 또한, 배기 라인 (G2) 을 개폐하는 배기 밸브 (63) 를 구비한다. 그 밖의 구성은 실시형태 5 와 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고 있다.
SCR 시스템 (62) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 (구체적으로는 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 을 회전시키기 전의 고온의 배기 가스) 에 환원제를 분사하여, 이 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 것이다. 즉, 본 실시형태 6 에 있어서, SCR 시스템 (62) 은, 엔진 본체 (1) 로부터 배출된 배기 가스 중의 NOx 를 저감하는 NOx 저감 장치로서 기능한다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, SCR 시스템 (62) 은, SCR 반응기 (52a) 와, 환원제 공급 장치 (52b) 와, 혼합기 (52c) 와, SCR 입구 밸브 (52d) 와, SCR 출구 밸브 (52e) 와, 배기 라인 (G17) 을 구비한다.
이 SCR 시스템 (62) 에 있어서, 배기 라인 (G17) 은, 일단이 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 에 접속되고 또한 타단이 배기 라인 (G2) 의 중도부에 접속되어 있다. 이 배기 라인 (G17) 에는, 엔진 본체 (1) 로부터의 배기 가스의 유통 방향을 향해, SCR 입구 밸브 (52d) 와, 혼합기 (52c) 와, SCR 반응기 (52a) 와, SCR 출구 밸브 (52e) 가, 이 순서로 배치되어 있다. SCR 입구 밸브 (52d) 및 SCR 출구 밸브 (52e) 는, SCR 시스템 (62) 이 가동하는 경우, 개방 상태가 되어, 배기 라인 (G17) 을 통해서 혼합기 (52c) 와 SCR 반응기 (52a) 를 이 순서로 순차 통과하는 고온의 배기 가스의 유통을 가능하게 한다. 이 고온의 배기 가스는, 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 로부터 배출된 배기 가스이고, 과급기 (11) 의 터빈 (11b) 을 회전시키기 전의 배기 가스이다. 이 고온의 배기 가스는, 환원제의 분사 및 환원 작용에 의한 배기 가스 중의 NOx 제거에 필요한 배기 가스 온도 이상으로 유지된 것이다. SCR 시스템 (62) 에 의해 NOx 가 제거된 배기 가스는, 이 배기 라인 (G17) 으로부터 배기 라인 (G2) 을 통해서 터빈 (11b) 으로 유입된다. 한편, SCR 입구 밸브 (52d) 및 SCR 출구 밸브 (52e) 는, SCR 시스템 (62) 이 가동 정지하는 경우, 폐쇄 상태가 되어, 상기 배기 라인 (G17) 에 있어서의 고온의 배기 가스의 유통을 불가로 한다. 또한, SCR 반응기 (52a), 환원제 공급 장치 (52b) 및 혼합기 (52c) 는, 상기 서술한 실시형태 5 에 있어서의 SCR 시스템 (52) 과 동일하다.
배기 밸브 (63) 는, 개폐 구동에 의해 배기 라인 (G2) 의 개폐를 실시하는 것이다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 배기 밸브 (63) 는, 배기 라인 (G2) 중, 배기 매니폴드 (4) 와 배기 라인 (G2) 으로의 배기 라인 (G17) 의 합류 부분 사이에 설치되어 있다. 배기 밸브 (63) 는, SCR 시스템 (62) 이 가동 정지하는 경우, 개방 상태가 되어, 배기 매니폴드 (4) 로부터 배기 라인 (G2) 을 통해서 터빈 (11b) 에 이르는 배기 가스의 유통을 가능으로 한다. 한편, 배기 밸브 (63) 는, SCR 시스템 (62) 이 가동하는 경우, 폐쇄 상태가 되어, 이 배기 라인 (G2) 을 통한 배기 가스의 유통을 불가로 한다. 또한, 배기 밸브 (63) 의 개폐 구동 및 개폐 타이밍은, 제어부 (58) 에 의해 제어되어도 되고, 제어부 (58) 이외에 별도 설치된 제어부 (도시 생략) 에 의해 제어되어도 된다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 6 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (60) 에서는, 엔진 본체 (1) 와 과급기 (11) 사이에 SCR 시스템 (62) 을 설치하고, 이 SCR 시스템 (62) 의 환원제의 분사 및 환원 작용에 의해, 엔진 본체 (1) 로부터의 고온의 배기 가스로부터 NOx 를 제거하도록 하고, 그 외를 실시형태 5 와 동일하게 구성하고 있다. 이 때문에, 터빈 (11b) 을 회전시키기 전의 고온의 배기 가스의 일부를 추기하여, 터빈 (11b) 을 회전시킨 후의 배기 가스에 혼합하지 않아도, 배기 가스 온도를 SCR 시스템 (62) 에 필요한 온도 이상으로 유지할 수 있음과 함께, SCR 시스템 (62) 이 고온의 SCR 동작을 실시하는 것이면서, 상기 서술한 실시형태 5 와 동일한 작용 효과를 향수할 수 있다.
(실시형태 7)
다음에, 본 발명의 실시형태 7 에 대해 설명한다. 상기 서술한 실시형태 5 에서는, 1 단식 과급기 (과급기 (11)) 에 의해 연소용 가스를 압축하고 있었지만, 본 실시형태 7 에서는, 2 단식 과급기에 의해 연소용 가스를 압축하고 있다.
도 9 는, 본 발명의 실시형태 7 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 7 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (70) 은, 상기 서술한 실시형태 5 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (50) 의 과급기 (11) 대신에 2 단식 과급기 (31) 를 구비한다. 그 밖의 구성은 실시형태 5 와 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고 있다.
본 실시형태 7 에 있어서, 도 9 에 나타내는 바와 같이, SCR 시스템 (52) 의 추기 라인 (G15) 은, 일단이 배기 바이패스 라인 (G14) 의 중도부에 접속되고 또한 타단이 상기 서술한 실시형태 5 와 동일하게 배기 라인 (G3) 의 중도부에 접속되어 있다. 이와 같은 추기 라인 (G15) 은, 배기 바이패스 라인 (G14) 으로부터 분기하고 저압단 과급기 (32) 를 우회하여 배기 라인 (G3) 에 합류하는 추기 경로를 형성한다. 추기 라인 (G15) 은, 이 추기 경로를 따라, 배기 바이패스 라인 (G14) 으로부터 고온 고압의 배기 가스의 일부를 추기하고, 이 추기한 배기 가스를 배기 라인 (G3) 내의 배기 가스 (저압단 터빈 (32b) 의 회전에 사용된 배기 가스) 와 혼합한다. 이로써, 배기 라인 (G3) 내의 배기 가스 온도는, SCR 시스템 (52) 에 의해 배기 가스 중의 NOx 를 효율적으로 제거하기 위해서 필요한 반응 온도 이상으로 유지된다.
또한, 본 실시형태 7 에 있어서, 2 단식 과급기 (31) 의 중간 냉각기 (34), 급기 바이패스 밸브 (35) 및 배기 바이패스 밸브 (36) 의 동작은, 제어부 (58) 에 의해 제어되어도 되고, 제어부 (58) 이외에 별도 설치된 제어부 (도시 생략) 에 의해 제어되어도 된다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 7 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (70) 에서는, 실시형태 3 과 동일한 2 단식 과급기 (31) 에 의해, 연소용 가스를 단계적으로 압축하여 엔진 본체 (1) 에 보내도록 하고, 그 외를 실시형태 5 와 동일하게 구성하고 있다. 이 때문에, 엔진 본체 (1) 에 대한 연소용 가스의 1 단계 또는 2 단계의 과급을 엔진 부하에 따라 적절히 실시하면서도, 상기 서술한 실시형태 5 와 동일한 작용 효과를 향수할 수 있다.
(실시형태 8)
다음에, 본 발명의 실시형태 8 에 대해 설명한다. 상기 서술한 실시형태 7 에서는, 2 단식 과급기 (31) 의 저압단 터빈 (32b) 으로부터 송출된 배기 가스에 환원제를 분사하여 NOx 를 제거하는 SCR 동작을 실시하고 있었지만, 본 실시형태 8 에서는, 2 단식 과급기 (31) 의 고압단 터빈 (33b) 으로부터 송출된 배기 가스에 환원제를 분사해 NOx 를 제거하는 SCR 동작을 실시하고 있다.
도 10 은, 본 발명의 실시형태 8 에 관련된 선박용 디젤 엔진의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 10 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 8 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (80) 은, 상기 서술한 실시형태 7 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (70) 의 SCR 시스템 (52) 대신에, 실시형태 6 과 동일한 SCR 시스템 (62) 을 2 단식 과급기 (31) 의 저압단 과급기 (32) 와 고압단 과급기 (33) 사이에 구비하고, 또한, 배기 라인 (G12) 을 개폐하는 배기 밸브 (73) 를 구비한다. 그 밖의 구성은 실시형태 7 과 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고 있다.
본 실시형태 8 에 있어서, SCR 시스템 (62) 의 배기 라인 (G17) 은, 일단이 2 단식 과급기 (31) 의 배기 라인 (G12) 에 있어서의 고압단 터빈 (33b) 측의 중도부에 접속되고 또한 타단이 배기 라인 (G12) 에 있어서의 저압단 터빈 (32b) 측의 중도부에 접속되어 있다. SCR 시스템 (62) 이 가동하는 경우, SCR 입구 밸브 (52d) 및 SCR 출구 밸브 (52e) 가 개방 상태가 됨으로써, 이 배기 라인 (G17) 은, 고온의 배기 가스를, 혼합기 (52c) 와 SCR 반응기 (52a) 를 이 순서로 순차 통과하는 방향으로 유통시킬 수 있다. 이 고온의 배기 가스는, 고압단 터빈 (33b) 으로부터 배기 라인 (G12) 으로 송출된 배기 가스와, 엔진 본체 (1) 의 배기 매니폴드 (4) 로부터 배기 라인 (G2) 및 배기 바이패스 라인 (G14) 을 통하여 추기된 고온의 배기 가스를 혼합한 것이다. 즉, 이 고온의 배기 가스는, 환원제의 분사 및 환원 작용에 의한 배기 가스 중의 NOx 제거에 필요한 배기 가스 온도 이상으로 유지된 것이다. SCR 시스템 (62) 에 의해 NOx 가 제거된 배기 가스는, 이 배기 라인 (G17) 으로부터 배기 라인 (G12) 을 통해서 저압단 터빈 (32b) 으로 유입된다.
배기 밸브 (73) 는, 개폐 구동에 의해 배기 라인 (G12) 의 개폐를 실시하는 것이다. 도 10 에 나타내는 바와 같이, 배기 밸브 (73) 는, 배기 라인 (G12) 의 중도부이고 배기 라인 (G12, G17) 의 분기 부분과 합류 부분 사이에 설치되어 있다. 배기 밸브 (73) 는, SCR 시스템 (62) 이 가동 정지하는 경우, 개방 상태가 되어, 고압단 터빈 (33b) 으로부터 배기 라인 (G12) 을 통해서 저압단 터빈 (32b) 에 이르는 배기 가스의 유통을 가능으로 한다. 한편, 배기 밸브 (73) 는, SCR 시스템 (62) 이 가동하는 경우, 폐쇄 상태가 되어, 이 배기 라인 (G12) 을 통한 배기 가스의 유통을 불가로 한다. 또한, 배기 밸브 (73) 의 개폐 구동 및 개폐 타이밍은, 제어부 (58) 에 의해 제어되어도 되고, 제어부 (58) 이외에 별도 설치된 제어부 (도시 생략) 에 의해 제어되어도 된다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 8 에 관련된 선박용 디젤 엔진 (80) 에서는, 2 단식 과급기 (31) 의 저압단 과급기 (32) 와 고압단 과급기 (33) 사이에 SCR 시스템 (62) 을 설치하고, 이 SCR 시스템 (62) 의 환원제의 분사 및 환원 작용에 의해, 엔진 본체 (1) 로부터의 고온의 배기 가스로부터 NOx 를 제거하도록 하고, 그 외를 실시형태 7 과 동일하게 구성하고 있다. 이 때문에, 고압단 터빈 (33b) 을 회전시키기 전의 고온의 배기 가스의 일부를 추기하여, 고압단 터빈 (33b) 을 회전시킨 후의 배기 가스에 혼합한 것을, NOx 저감 대상의 배기 가스로 할 수 있으므로, 배기 가스 온도를 SCR 시스템 (62) 에 필요한 온도 이상으로 유지하기 쉬워짐과 함께, SCR 시스템 (62) 이 고온의 SCR 동작을 실시하는 것이면서, 상기 서술한 실시형태 7 과 동일한 작용 효과를 향수할 수 있다.
또한, 상기 서술한 실시형태 1 ∼ 8 에서는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대해 연료 및 물을 층상으로 분사하고 있었지만, 본 발명은, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 분사부 (5) 는, 각 실린더 (2) 내의 연소실에 대해, 연료와는 별도로 단독으로 물을 분사 (첨가) 해도 되고, 연료와 물을 혼합하여 에멀션화한 액체 (물 에멀션 연료) 를 분사해도 된다.
또, 상기 서술한 실시형태 1 ∼ 8 에서는, 6 개의 실린더 (2) 가 설치된 엔진 본체 (1) (6 기통 엔진) 를 예시했지만, 본 발명은, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 엔진 본체 (1) 에 설치되는 실린더 (2) 의 배치수는, 소망수 (1 개 이상) 여도 된다. 동일하게, 분사부 (5) 의 연료 분사 펌프 (6), 주수 펌프 (7) 및 연료 분사 밸브 (8) 의 각 배치수는, 상기 서술한 것으로 한정되지 않고, 실린더 (2) 의 배치수에 맞춰 필요수 (1 개 이상) 여도 된다. 즉, 본 발명에 있어서, 실린더 (2) 및 분사부 (5) 의 각 구성부의 배치수는, 특별히 문제가 되지 않는다.
또한, 상기 서술한 실시형태 1 ∼ 8 에서는, 엔진 부하의 증가에 수반하여, 물 첨가율을 먼저 제어하고, 엔진 부하가 소정값 이상으로 증가한 경우, 물 첨가율의 제어에 더하여 추가로 EGR 률 또는 환원제 분사율을 제어하고 있었지만, 본 발명은, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 엔진 부하의 증가에 수반하여, EGR 률 또는 환원제 분사율을 먼저 제어하고, 엔진 부하가 소정값 이상으로 증가한 경우, 이 제어에 더하여 추가로 물 첨가율을 제어해도 되고, 엔진 부하가 소정값 이상으로 증가한 시점부터 물 첨가율의 제어와 EGR 률 또는 환원제 분사율의 제어를 동시에 개시해도 된다.
또, 상기 서술한 실시형태 1 ∼ 8 에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 서술한 각 구성 요소를 적절히 조합하여 구성한 것도 본 발명에 포함된다. 그 외, 상기 서술한 실시형태 1 ∼ 8 에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시형태, 실시예 및 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
산업상 이용가능성
이상과 같이, 본 발명에 관련된 선박용 디젤 엔진은, 엔진 본체로부터의 NOx 의 배출량 저감에 유용하고, 특히, 엔진 연비의 악화를 억제함과 함께 NOx 의 배출량을 저감할 수 있는 선박용 디젤 엔진에 적합하다.
1 : 엔진 본체
2 : 실린더
3 : 소기 트렁크
4 : 배기 매니폴드
5 : 분사부
6 : 연료 분사 펌프
6a : 연료
7 : 주수 펌프
7a : 물
8 : 연료 분사 밸브
9 : 회전수 검출부
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 : 선박용 디젤 엔진
11 : 과급기
11a : 압축기
11b : 터빈
11c : 회전축
12, 22 : EGR 시스템
12a : EGR 세정 장치
12b : EGR 블로어
12c : EGR 입구 밸브
12d : EGR 출구 밸브
13 : 냉각기
14 : 역지 밸브
15 : 보조 블로어
16 : 산소 농도 검출부
17 : 조작부
18, 58 : 제어부
19, 59 : 제어맵
19a : 물 첨가율 제어맵
19b : EGR 률 제어맵
19c : 환원제 분사율 제어맵
22a : EGR 냉각기
31 : 2 단식 과급기
32 : 저압단 과급기
32a : 저압단 압축기
32b : 저압단 터빈
32c, 33c : 회전축
33 : 고압단 과급기
33a : 고압단 압축기
33b : 고압단 터빈
34 : 중간 냉각기
35 : 급기 바이패스 밸브
36, 54 : 배기 바이패스 밸브
52, 62 : SCR 시스템
52a : SCR 반응기
52b : 환원제 공급 장치
52c : 혼합기
52d : SCR 입구 밸브
52e : SCR 출구 밸브
53 : 추기 밸브
63, 73 : 배기 밸브
G1, G6, G11 : 급기 라인
G2, G3, G12, G17 : 배기 라인
G4, G5 : 배기 가스 재순환 라인
G7 : 바이패스 라인
G13 : 급기 바이패스 라인
G14, G16 : 배기 바이패스 라인
G15 : 추기 라인
L1, L2 : 액체 공급 라인

Claims (11)

  1. 실린더 내의 연료 연소에 의한 피스톤의 왕복 운동을, 추진력을 발생시키는 회전축의 회전 운동으로 변환하는 엔진 본체와,
    상기 실린더 내의 연소실에 연료 및 물을 분사하는 분사부와,
    상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스 중의 질소 산화물을 저감하는 NOx 저감 장치와,
    상기 분사부의 동작 기간, 상기 엔진 본체의 부하인 엔진 부하에 따라, 상기 분사부에 의한 물 첨가율을 가변으로 제어하고, 상기 NOx 저감 장치의 동작 기간, 상기 엔진 부하에 따라, 상기 NOx 저감 장치에 의한 질소 산화물의 저감의 정도를 나타내는 저감 파라미터를 가변으로 제어하고, 상기 분사부의 동작 기간과 상기 NOx 저감 장치의 동작 기간이 중복되는 경우에 있어서, 상기 물 첨가율과 상기 저감 파라미터의 조합을, 상기 엔진 부하마다 상이한 조합이 되도록 일의적으로 결정하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 엔진 부하가 소정값 미만인 경우, 상기 분사부에 의한 상기 물 첨가율을 가변으로 제어하고, 상기 엔진 부하가 상기 소정값 이상인 경우, 상기 물 첨가율의 제어에 더하여 추가로, 상기 NOx 저감 장치에 의한 상기 저감 파라미터를 가변으로 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 NOx 저감 장치는, 상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스의 일부를 상기 엔진 본체로 재순환하는 EGR 시스템이며,
    상기 NOx 저감 장치에 의한 상기 저감 파라미터는, 상기 EGR 시스템에 의한 EGR 률인 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 엔진 부하와 상기 물 첨가율의 관계를 나타내는 물 첨가율 제어맵과, 상기 엔진 부하와 상기 EGR 률의 관계를 나타내는 EGR 률 제어맵을 이용하고, 상기 엔진 부하에 따라, 상기 물 첨가율과 상기 EGR 률을 가변으로 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 NOx 저감 장치는, 상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스에 환원제를 분사하는 SCR 시스템이며,
    상기 NOx 저감 장치에 의한 상기 저감 파라미터는, 상기 SCR 시스템에 의한 환원제 분사율인 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 엔진 부하와 상기 물 첨가율의 관계를 나타내는 물 첨가율 제어맵과, 상기 엔진 부하와 상기 환원제 분사율의 관계를 나타내는 환원제 분사율 제어맵을 이용하고, 상기 엔진 부하에 따라, 상기 물 첨가율과 상기 환원제 분사율을 가변으로 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사부는, 상기 실린더 내의 연소실에 연료 및 물을 층상으로 분사하는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
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