KR102446728B1 - 엔진 시스템 - Google Patents

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KR102446728B1
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유타카 마스다
야스노리 아시카가
요시유키 우메모토
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

엔진 시스템(1)은, 배기 유로에서의 터빈의 상류측과 하류측을 접속하는 바이패스 관(바이패스 유로)(206)과, 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브(216)과, 바이패스 밸브 및 연소실의 압축비를 제어하는 촉매 활성화 제어부(182)를 구비한다.

Description

엔진 시스템
본 개시는, 엔진 시스템에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 4월 26일에 제출된 일본국 특허 출원 제2018―085579호에 기초한 우선권의 이익을 주장하는 것이며, 그 내용은 본 출원에 포함된다.
특허 문헌 1의 크로스헤드형(crosshead type) 엔진은, 소기실(掃氣室; scavenge chamber) 내의 공기를 배출하는 토출(吐出; discharge) 밸브가 설치되어 있다. 특허 문헌 1에서는, 토출 밸브를 개방하고, 소기실 내의 소기압(掃氣壓)을 저하시킴으로써, 엔진의 효율을 저하시켜, 배기 가스의 온도를 상승시키고 있다. 이로써, 배기 가스의 온도를, 선택적 촉매 환원(SCR: Selective catalytic reduction) 장치가 활성화하는 온도까지, 상승시키는 것이 가능하다.
일본 공개특허 제2017―101676호 공보
그러나, 배기 가스의 온도를 상승시키기 위해, 엔진의 효율을 저하시키면, 연비가 악화된다.
본 개시는, 엔진의 연비를 향상시키는 것이 가능한 엔진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 엔진 시스템은, 흡입 유로((intake flow passage) 및 배기 유로((xhaust flow passage)가 접속된 연소실과, 배기 유로에 설치된 배기 정화 촉매와, 배기 유로에 배치되는 터빈, 및 흡입 유로에 배치되는 압축기를 가지는 과급기(過給機; turbocharger)와, 배기 유로에서의 터빈의 상류측과 하류측을 접속하는 바이패스(bypass) 유로와, 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브와, 바이패스 밸브 및 연소실의 압축비를 제어하는 제어부를 구비한다.
실린더 내에서의 피스톤의 상사점 위치를 변경하는 압축비 가변 기구(varying mechanism)를 가져도 된다.
배기 정화 촉매의 온도를 검출하는 검출부를 가지고, 제어부는, 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값 미만일 경우에, 바이패스 밸브를 개방 상태로 제어하고, 압축비를 최소의 압축비보다 큰 고압축비로 제어해도 된다.
제어부는, 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값 이상일 경우에, 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 제어하여, 고압축비를 유지해도 된다.
제어부는, 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값보다 큰 제2 임계값 이상일 경우에, 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 제어하여, 압축비를 최압축비보다 작은 저압축비로 제어해도 된다.
배기 정화 촉매의 온도를 검출하는 검출부를 가지고, 제어부는, 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값 미만일 경우에, 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍보다 늦은 제2 연료 분사 타이밍에 제어하고, 압축비를 최소의 압축비보다 큰 고압축비로 제어해도 된다.
제어부는, 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값 이상일 경우에, 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍에 제어하여, 고압축비를 유지해도 된다.
제어부는, 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값보다 큰 제2 임계값 이상일 경우에, 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍에 제어하고, 압축비를 고압축비보다 작은 저압축비로 제어해도 된다.
본 발명의 엔진 시스템에 의하면, 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 엔진 시스템의 전체 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2a는, 피스톤 로드와 크로스헤드핀(crosshead pin)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다.
도 2b는, 촉매 활성화 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 3a는, 변형예에서의 피스톤 로드와 크로스헤드 핀과의 연결 부분을 추출한 추출도이다.
도 3b는, 변형예에서의 촉매 활성화 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 4는 본 실시형태에 있어서의 촉매 활성화 처리의 플로우차트를 나타낸 도면이다.
도 5는 변형예에서의 촉매 활성화 처리의 플로우차트를 나타낸 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 그 외에 구체적인 수치 등은, 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 지나지 않고, 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 그리고, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 가지는 요소에 대하여는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다. 또한 본 개시에 직접 관계가 없는 요소(要素; components)는 도시를 생략한다.
도 1은, 엔진 시스템(1)의 전체 구성을 나타낸 설명도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진 시스템(1)은, 엔진(100)과, 흡기 및 배기 계통(200)를 포함하여 구성된다. 엔진(100)은, 실린더(110)과, 피스톤(112)와, 피스톤 로드(114)와, 크로스헤드(116)과, 연접봉(連接棒; connecting rod)(118)과, 크랭크샤프트(crankshaft)(120)와, 플라이휠(122)과, 실린더 커버(124)와, 배기 밸브 케이스(126)와, 연소실(128)과, 배기 밸브(130)와, 배기 밸브 구동 장치(132)와, 소기류(掃氣溜; scavenge reservoir)(134)와, 냉각기(136)와, 실린더 쟈켓(138)을 포함하여 구성된다.
흡기 및 배기 계통(200)은, 흡입관(흡입 유로)(202)와, 배기관(배기 유로)(204)와, 바이패스 관(바이패스 유로)(206)과, 과급기(C)를 포함하여 구성된다. 과급기(C)는, 터빈(208)과, 압축기(210)과, 터빈 샤프트(212)를 포함하여 구성된다. 터빈(208)은, 배기관(배기 유로)(204)에 배치된다. 압축기(210)은, 흡입관(흡입 유로)(202)에 배치된다. 터빈(208) 및 압축기(210)은, 터빈 샤프트(212)에 의해 접속(연결)된다. 압축기(210)은, 터빈(208)과 일체로 회전한다.
실린더(110) 내에는, 피스톤(112)가 설치된다. 피스톤(112)는, 실린더(110) 내를 왕복 이동한다. 피스톤(112)에는, 피스톤 로드(114)의 일단(一端)이 장착되어 있다. 피스톤 로드(114)의 타단에는, 크로스헤드(116)의 크로스헤드 핀(150)이 연결된다. 크로스헤드(116)은, 피스톤(112)과 일체로 왕복 이동한다. 가이드 슈(guide shoe)(116a)에 의해, 크로스헤드(116)의 도 1 중, 좌우 방향[피스톤(112)의 스트로크 방향에 수직인 방향]의 이동이 규제된다.
크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단에 설치된 크로스헤드 베어링(118a)에 축지지된다. 크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단을 지지하고 있다. 피스톤 로드(114)의 타단과 연접봉(118)의 일단은, 크로스헤드(116)을 통해 접속된다.
연접봉(118)의 타단은, 크랭크샤프트(120)에 연결된다. 연접봉(118)에 대하여 크랭크샤프트(120)이 회전 가능하다. 피스톤(112)의 왕복 이동에 따라 크로스헤드(116)이 왕복 이동하면, 크랭크샤프트(120)이 회전한다.
크랭크샤프트(120)에는, 플라이휠(122)가 장착된다. 플라이휠(122)의 관성에 의해 크랭크샤프트(120) 등의 회전이 안정화된다. 실린더 커버(124)는, 실린더(110)의 상단(上端)에 설치된다. 실린더 커버(124)에는, 배기 밸브 케이스(126)가 삽통(揷通)된다.
배기 밸브 케이스(126)의 일단은, 피스톤(112)에 면하고 있다. 배기 밸브 케이스(126)의 일단에는, 배기 포트(126a)가 개구된다. 배기 포트(126a)는, 연소실(128)에 개구된다. 연소실(128)은, 실린더 커버(124)와 실린더(110)과 피스톤(112)에 위요(圍繞; surrounded)되어 실린더(110)의 내부에 형성된다.
연소실(128)에는, 배기 밸브(130)의 밸브체가 위치한다. 배기 밸브(130)의 로드부에는, 배기 밸브 구동 장치(132)가 장착된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브 케이스(126)에 배치된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브(130)을 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 이동시킨다.
배기 밸브(130)이 피스톤(112) 측으로 이동하면, 배기 포트(126a)가 밸브를 개방한다. 배기 포트(126a)가 밸브를 개방하면, 실린더(110) 내에서 생긴 연소 후의 배기 가스가, 배기 포트(126a)로부터 배기된다. 배기 후, 배기 밸브(130)이 배기 밸브 케이스(126) 측으로 이동하면, 배기 포트(126a)가 밸브폐쇄된다.
배기관(204)은, 배기 밸브 케이스(126)에 장착된다. 배기관(204)의 내부는, 배기 포트(126a)와 연통된다. 배기관(204)에는, 터빈(208)과, SCR 장치(배기 정화 촉매)(214)가 배치된다. 터빈(208)은, SCR 장치(214)보다 배기관(204)의 상류측에 배치된다. 배기 포트(126a)로부터 배출되는 배기 가스는, 배기관(204)의 내부를 유통(流通)하는 과정에서, 터빈(208)을 회전시킨다. SCR 장치(214)는, 배기 가스를 처리하고, 배기 가스를 정화한다. SCR 장치(214)는, 배기 가스 중의 질소산화물(NOx)을 저감시킨다.
배기관(204)에는, 바이패스 관(206)이 장착된다. 배기관(204)은, 터빈(208)보다 상류측의 상류측 배기관(상류측 배기 유로)(204a)와, 터빈(208)보다 하류측의 하류측 배기관(하류측 배기 유로)(204b)를 포함하여 구성된다. 바이패스 관(206)은, 터빈(208)을 우회(迂回)하여, 상류측 배기관(상류측 배기 유로)(204a)와 하류측 배기관(하류측 배기 유로)(204b)를 접속시킨다. 바이패스 관(206)의 상류측의 단부(端部)는, 배기 포트(126a)와 터빈(208)과의 사이의 배기관(204)에 접속된다. 바이패스 관(206)의 하류측의 단부는, 터빈(208)과 SCR 장치(214)와의 사이의 배기관(204)에 접속된다. 바이패스 관(206)의 내부에는, 바이패스 밸브(216)가 설치된다. 바이패스 밸브(216)은, 예를 들면, 버터플라이 밸브로 구성된다. 바이패스 밸브(216)은, 모터(218)에 의해 구동되고, 바이패스 관(206)을 개폐한다.
배기관(204)에는, 온도 검출 센서(220)과, 요소수(素水) 공급 기구(U)와, NOx 검출 센서(222)가 배치된다. 온도 검출 센서(220)은, 터빈(208)과 SCR 장치(214)와의 사이의 배기관(204) 내에 배치된다. 보다 구체적으로는, 온도 검출 센서(220)은, 바이패스 관(206)의 하류측의 단부(출구단)와 SCR 장치(214)와의 사이의 배기관(204) 내에 배치된다. 온도 검출 센서(220)은, 터빈(208 또는 바이패스 관(206)을 통과한 배기 가스의 온도, 또는 SCR 장치(214)의 온도를 검출한다. 그리고, 온도 검출 센서(220)의 위치는, 전술한 위치에 한정되지 않고, 예를 들면, SCR 장치(214)에 설치되어도 된다. 이 경우, 온도 검출 센서(220)은, SCR 장치(214)의 온도를 검출한다.
요소수 공급 기구(U)는, 요소수 분사 노즐(224)와, 요소수 펌프(226)와, 모터(228)와, 요소수 탱크(230)를 포함하여 구성된다. 요소수 공급 기구(U)는, 배기 가스 중에 환원제(還元劑; reducing agent)로서의 요소(尿素)를 불어넣는다. 배기 가스 중에 요소가 가해지므로, SCR 장치(214)는, NOx를 선택적으로 반응시켜, 질소와 물로 분해할 수 있다.
요소수 분사 노즐(224)은, 터빈(208)과 SCR 장치(214)와의 사이의 배기관(204) 내에 배치된다. 보다 구체적으로는, 요소수 분사 노즐(224)은, 바이패스 관(206)의 하류측의 단부(출구단)와 SCR 장치(214)와의 사이의 배기관(204) 내에 배치된다. 요소수 분사 노즐(224)은, 온도 검출 센서(220)보다 하류측에 배치된다.
요소수 탱크(230)은, 요소수를 저류(貯留)한다. 요소수 펌프(226)은, 모터(228)에 의해 구동됨으로써, 요소수 탱크(230)에 저류된 요소수를 가압하여 요소수 분사 노즐(224)에 송출한다. 요소수 분사 노즐(224)은, 요소수 펌프에 의해 공급된 요소수를 SCR 장치(214)를 향해 분무한다.
NOx 검출 센서(222)는, SCR 장치(214)보다 하류측의 배기관(204) 내에 배치된다. NOx 검출 센서(222)는, SCR 장치(214)를 통과한 후의 배기 가스 중의 질소산화물(NOx)의 양을 검출한다. 배기 포트(126a)로부터 배기된 배기 가스는, 배기관(204)를 통해 과급기(C)의 터빈(208) 또는 바이패스 관(206)에 공급된 후, SCR 장치(214)를 통과하고, 외부로 배기된다.
흡입관(202)은, 소기류(134)에 장착된다. 흡입관(202)의 내부는, 소기류(134)와 연통되고, 외기(外氣)(활성 가스)를 흡입하여 소기류(134)에 인도한다. 흡입관(202)에는, 압축기(210)이 배치된다. 압축기(210)은, 터빈(208)의 회전에 따라 회전하고, 활성 가스를 가압한다. 여기서, 활성 가스는, 예를 들면, 공기이다. 가압된 활성 가스는, 소기류(134)에 있어서, 냉각기(136)에 의해 냉각된다. 실린더(110)의 하단(下端)은, 실린더 쟈켓(138)으로 위요된다. 실린더 쟈켓(138)의 내부에는, 소기실(138a)이 형성된다. 냉각 후의 활성 가스는, 소기실(138a)에 압입(壓入)된다.
실린더(110)의 하단 측에는, 소기 포트(110a)가 설치된다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 내주면으로부터 외주면(外周面)까지 관통하는 구멍이다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 주위 방향으로 이격되어 복수 설치되어 있다.
피스톤(112)가 소기 포트(110a)보다 하사점 위치 측으로 이동하면, 소기실(138a)와 실린더(110) 내의 차압(差壓)에 의해, 소기 포트(110a)로부터 실린더(110) 내에 활성 가스가 흡입된다.
소기 포트(110a) 근방, 또는 실린더(110) 중, 소기 포트(110a)로부터 실린더 커버(124)까지의 부위에는, 도시하지 않은 기체(氣體) 연료 분사 밸브가 설치된다. 연료 가스는, 기체 연료 분사 밸브로부터 분사(噴射)된 후, 실린더(110) 내에 유입(流入)된다.
실린더 커버(124)에는, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브가 설치된다. 파일럿 분사 밸브로부터 적당량의 연료 오일이 연소실(128) 내로 분사된다. 연료 오일은, 연소실(128)의 열로 기화, 착화, 연소하고, 연소실(128)이 승온(昇溫)된다. 피스톤(112)에 의해 압축된 연료 가스 및 활성 가스의 혼합기(混合氣)는, 연소실(128)의 열로 착화되어 연소한다. 피스톤(112)은, 연료 가스(혼합기)의 연소에 의한 팽창압에 의해 왕복 이동한다. 실린더 커버(124)에는, 압력 검출 센서(184)이 설치되어 있다. 압력 검출 센서(184)는, 실린더(110)[연소실(128)] 내의 압력을 검출한다.
그리고, 압력 검출 센서(184), 온도 검출 센서(220), 및 NOx 검출 센서(222)는, 후술하는 촉매 활성화 제어부(182)에 접속되고, 검출값을 촉매 활성화 제어부(182)에 출력한다. 또한, 모터(218), (228)는, 촉매 활성화 제어부(182)에 접속되고, 촉매 활성화 제어부(182)에 의해 구동이 제어된다.
여기서, 연료 가스는, 예를 들면, LNG(액화 천연 가스)를 가스화하여 생성되는 것으로 한다. 단, 연료 가스는, LNG에 한정되지 않고, 예를 들면, LPG(액화 석유 가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.
엔진(100)에는, 압축비 가변 기구(V)가 설치되어 있다. 엔진 시스템(1)에는, SCR 장치(214)(촉매)를 활성화시키는 촉매 활성화 제어 장치(180)가 설치되어 있다. 촉매 활성화 제어 장치(180)은, 압력 검출 센서(184), 온도 검출 센서(220), NOx 검출 센서(222) 등의 검출부와, 촉매 활성화 제어부(182)를 포함하여 구성된다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 압력 검출 센서(184), 온도 검출 센서(220), NOx 검출 센서(222) 등의 검출부로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 바이패스 밸브(216)의 개도(開度; opening degree) 및 연소실(128)의 압축비[압축비 가변 기구(V)]를 제어한다. 이하, 압축비 가변 기구(V) 및 촉매 활성화 제어 장치(180)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2a, 도 2b는, 압축비 가변 기구(V) 및 촉매 활성화 제어 장치(180)의 개략적인 구성도이다. 도 2a는, 피스톤 로드(114)와 크로스헤드 핀(150)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다. 도 2b는, 촉매 활성화 제어 장치(180)의 기능 블록도이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 크로스헤드 핀(150) 중, 피스톤(112) 측의 외주면에는, 평면부(152)가 형성된다. 평면부(152)는, 피스톤(112)의 스트로크 방향에 대하여, 대략 수직인 방향으로 연장된다.
크로스헤드 핀(150)에는, 핀홀(pin hole)(154)이 형성된다. 핀홀(154)은, 평면부(152)에 개구된다. 핀홀(154)은, 평면부(152)로부터 스트로크 방향을 따라 크랭크샤프트(120) 측(도 2a 중, 하측)으로 연장된다.
크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에는, 커버 부재(160)이 설치된다. 커버 부재(160)은, 체결 부재(162)에 의해 크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에 장착된다. 커버 부재(160)은, 핀홀(154)을 덮는다. 커버 부재(160)에는, 스트로크 방향으로 관통하는 커버 구멍(160a)이 형성된다.
피스톤 로드(114)는, 대경부(大徑部)(114a) 및 소경부(小徑部)(114b)를 구비한다. 대경부(114a)의 외경(外徑)은, 소경부(114b)의 외경보다 크다. 대경부(114a)는, 피스톤 로드(114)의 타단에 형성된다. 대경부(114a)는, 크로스헤드 핀(150)의 핀홀(154)에 삽통된다. 소경부(114b)는, 대경부(114a)보다 피스톤 로드(114)의 일단측에 형성된다. 소경부(114b)는, 커버 부재(160)의 커버 구멍(160a)에 삽통된다.
유압실(154a)은, 핀홀(154)의 내부에 형성된다. 핀홀(154)은, 대경부(114a)에 의해 스트로크 방향으로 구획된다. 유압실(154a)은, 대경부(114a)에 의해 칸막이 된 핀홀(154)의 바닥면(154b) 측의 공간이다.
압축비 가변 기구(V)는, 유압(油壓) 조정 기구(O)를 구비하고 있다. 유압 조정 기구(O)는, 유압 배관(170)과, 유압 펌프(172)와, 체크 밸브(174)와, 분기 배관(176)과, 전환 밸브(178)를 포함하여 구성된다.
핀홀(154)의 바닥면(154b)에는, 오일 통로(oil passage)(156)의 일단이 개구된다. 오일 통로(156)의 타단은, 크로스헤드 핀(150)의 외부에 개구된다. 오일 통로(156)의 타단에는, 유압 배관(170)이 접속된다. 유압 배관(170)에는, 유압 펌프(172)가 연통된다. 유압 펌프(172)는, 촉매 활성화 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 도시하지 않은 오일 탱크로부터 공급되는 작동유를 유압 배관(170)에 공급한다. 유압 펌프(172)와 오일 통로(156)과의 사이에는, 체크 밸브(174)가 설치된다. 체크 밸브(174)에 의해 오일 통로(156) 측으로부터 유압 펌프(172) 측으로의 작동유의 흐름이 억제된다. 유압 펌프(172)로부터 오일 통로(156)을 통해 유압실(154a)에 작동유가 압입된다.
유압 배관(170) 중, 오일 통로(156)과 체크 밸브(174)의 사이에는, 분기 배관(176)이 접속된다. 분기 배관(176)에는, 전환 밸브(178)가 설치된다. 전환 밸브(178)는, 예를 들면, 전자(電磁) 밸브이다. 전환 밸브(178)는, 촉매 활성화 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 개방 상태 또는 폐쇄 상태로 제어된다. 유압 펌프(172)의 작동 중, 전환 밸브(178)는 밸브폐쇄된다. 유압 펌프(172)의 정지(停止) 중, 전환 밸브(178)가 밸브를 개방하면, 유압실(154a)로부터 분기 배관(176) 측에 작동유가 배출된다. 전환 밸브(178) 중, 오일 통로(156)과 반대측은, 도시하지 않은 오일 탱크와 연통된다. 배출된 작동유는, 오일 탱크에 저류된다. 오일 탱크는, 유압 펌프(172)에 작동유를 공급한다.
유압실(154a)의 작동유의 오일량에 따라서, 대경부(114a)가 스트로크 방향으로 핀홀(154)의 내주면(內周面)을 슬라이딩 이동한다. 그 결과, 피스톤 로드(114)가 스트로크 방향으로 이동한다. 피스톤(112)은, 피스톤 로드(114)와 일체로 이동한다. 피스톤 로드(114)가 스트로크 방향으로 이동함으로써, 피스톤(112)의 상사점 위치가 가변으로 된다.
압축비 가변 기구(V)는, 유압실(154a), 및 피스톤 로드(114)의 대경부(114a)를 포함하여 구성된다. 압축비 가변 기구(V)는, 상사점 위치를 이동시킴으로써, 압축비를 가변으로 한다. 유압실(154a)에 공급하는 작동유의 오일량이 조정됨으로써, 압축비 가변 기구(V)는, 엔진(100)의 실린더(110) 내에서의 피스톤(112)의 상사점 위치 및 하사점 위치를 변경할 수 있다.
여기서는, 1개의 유압실(154a)이 설치되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 대경부(114a)에 의해 칸막이 된 핀홀(154) 중, 커버 부재(160) 측의 공간(154c)도 유압실로 해도 된다. 이 유압실은, 유압실(154a)와 병용되어도 단독으로 이용되어도 된다.
도 2b에서는, 주로 압축비 가변 기구(V)의 제어에 관한 구성을 나타낸다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, 촉매 활성화 제어 장치(180)는, 촉매 활성화 제어부(182)를 구비한다. 촉매 활성화 제어 장치(180)는, 예를 들면, ECU(Engine Control Unit)로 구성된다. 촉매 활성화 제어 장치(180)는, 중앙 처리 장치(CPU), 프로그램 등이 저장된 ROM, 공작물 영역으로서의 RAM 등으로 구성되고, 엔진 시스템(1) 전체를 제어한다.
촉매 활성화 제어부(182)는, 압력 검출 센서(184)로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 유압 펌프(172) 및 전환 밸브(178)를 제어하고, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킨다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 엔진(100)의 기하학적(geometric) 압축비를 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220) 및 NOx 검출 센서(222)로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 모터(218)를 제어하고, 바이패스 밸브(216)의 개도를 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 관(206) 및 터빈(208)을 통과하는 배기 가스의 유량(流量)을 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220) 및 NOx 검출 센서(222)로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 모터(228)를 제어하고, 요소수 펌프(226)를 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 배기 가스에 가하는[즉, SCR 장치(214)에 공급하는] 요소수의 양을 제어한다.
도 3a, 도 3b는, 변형예에서의 압축비 가변 기구(Va) 및 촉매 활성화 제어 장치(180a)의 개략적인 구성도이다. 도 3a는, 변형예에서의 피스톤 로드(114)와 크로스헤드 핀(150)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다. 도 3b는, 변형예에서의 촉매 활성화 제어 장치(180a)의 기능 블록도이다.
압축비 가변 기구(Va)는, 유압실(154a), 및 피스톤 로드(114)의 대경부(114a)를 포함하여 구성된다. 압축비 가변 기구(Va)는, 유압 조정 기구(Oa)를 구비하고 있다. 유압 조정 기구(Oa)는, 유압 펌프(172)와, 요동관(swiveling pipe)(302)과, 플런저(plunger) 펌프(304)와, 릴리프(relief) 밸브(306)와, 플런저 구동부(308)와, 릴리프 밸브 구동부(310)를 포함하여 구성된다.
유압 펌프(172)는, 촉매 활성화 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 도시하지 않은 오일 탱크로부터 공급되는 작동유를 요동관(302)에 공급한다. 요동관(302)은, 유압 펌프(172)와 플런저 펌프(304)를 접속하는 배관이다. 요동관(302)은, 크로스헤드 핀(150)에 수반하여 이동하는 플런저 펌프(304)와, 유압 펌프(172)와의 사이에서, 요동 가능하도록 되어 있다.
플런저 펌프(304)는, 크로스헤드 핀(150)에 장착된다. 플런저 펌프(304)는, 봉형(棒形)의 플런저(304a)와, 플런저(304a)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 통형(筒形)의 실린더(304b)를 구비한다.
플런저 펌프(304)는, 크로스헤드 핀(150)의 이동에 따라 이동함으로써, 플런저(304a)가 플런저 구동부(308)와 접촉한다. 플런저 펌프(304)는, 플런저(304a)가 플런저 구동부(308)와 접촉함으로써, 실린더(304b) 내를 슬라이딩 이동하고, 실린더(304b) 내의 작동유를 승압(昇壓)하여 유압실(154a)로 공급한다. 실린더(304b)에는, 단부에 설치된 작동유의 토출측의 개구에 제1 체크 밸브(304c)가 설치된다. 또한, 실린더(304b)에는, 측 주위면에 설치된 흡입 측의 개구에 제2 체크 밸브(304d)이 설치되어 있다.
플런저 구동부(308)는, 촉매 활성화 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 플런저(304a)와 접촉하는 접촉 위치와, 플런저(304a)와 접촉하지 않는 비접촉 위치에 구동된다. 플런저 구동부(308)는, 플런저(304a)와 접촉함으로써, 플런저(304a)를 실린더(304b) 측으로 압압(押壓)한다.
제1 체크 밸브(304c)는, 실린더(304b)의 내측을 향해 밸브체가 가압됨으로써 밸브를 폐쇄한다. 제1 체크 밸브(304c)는, 밸브를 폐쇄함으로써, 유압실(154a)에 공급된 작동유가 실린더(304b) 내로 역류하는 것을 억제하고 있다. 제1 체크 밸브(304c)는, 실린더(304b) 내의 작동유의 압력이 제1 체크 밸브(304c)의 가압 부재의 가압력(밸브 개방 압력) 이상으로 되면, 밸브체가 작동유에 가압되는 것에 의해 밸브를 개방한다.
제2 체크 밸브(304d)는, 실린더(304b)의 외측을 향해 밸브체가 가압됨으로써 밸브를 폐쇄한다. 제2 체크 밸브(304d)는, 밸브를 폐쇄함으로써, 실린더(304b)에 공급된 작동유가 유압 펌프(172)로 역류하는 것을 억제하고 있다. 제2 체크 밸브(304d)는, 유압 펌프(172)로부터 공급되는 작동유의 압력이 제2 체크 밸브(304d)의 가압 부재의 가압력(밸브 개방 압력) 이상으로 되면, 밸브체가 작동유에 가압되는 것에 의해 밸브를 개방한다. 그리고, 제1 체크 밸브(304c)는, 밸브 개방 압력이 제2 체크 밸브(304d)의 밸브 개방 압력보다 높게 설정되어 있다.
릴리프 밸브(306)는, 크로스헤드 핀(150)에 장착된다. 릴리프 밸브(306)는, 유압실(154a) 및 도시하지 않은 오일 탱크에 접속된다. 릴리프 밸브(306)는, 봉형의 로드(306a)와, 로드(306a)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 통형의 본체(306b)와, 밸브체(306c)를 구비한다. 본체(306b)의 내부에는, 유압실(154a)로부터 배출된 작동유가 유통 하는 내부 유로가 형성되어 있다. 밸브체(306c)는, 본체(306b) 내의 내부 유로에 배치된다.
릴리프 밸브(306)는, 크로스헤드 핀(150)의 이동에 따라 이동함으로써, 로드(306a)가 릴리프 밸브 구동부(310)과 접촉한다. 릴리프 밸브 구동부(310)는, 촉매 활성화 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 로드(306a)와 접촉하는 접촉 위치로드(306a)와 접촉하지 않는 비접촉 위치로 구동된다. 릴리프 밸브 구동부(310)는, 로드(306a)와 접촉함으로써, 로드(306a)를 본체(306b) 측으로 압압한다. 로드(306a)는, 본체(306b) 측으로 가압됨으로써, 밸브체(306c)를 밸브를 개방한다. 밸브체(306c)가 밸브 개방됨으로써, 유압실(154a)에 저류된 작동유가 오일 탱크로 되돌려진다.
플런저 구동부(308) 및 릴리프 밸브 구동부(310)는, 예를 들면, 플런저 펌프(304) 및 릴리프 밸브(306)와의 상대(相對) 위치를 변화시킴으로써 작동 제어하는 캠판으로 이루어지는 기구를 포함하여 구성된다. 플런저 구동부(308) 및 릴리프 밸브 구동부(310)는, 캠판의 상대 위치를 액추에이터로 구동시키는 기구를 포함하여 구성된다.
도 3b에서는, 주로 압축비 가변 기구(Va)의 제어에 관한 구성을 나타낸다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, 촉매 활성화 제어 장치(180a)는, 촉매 활성화 제어부(182)를 구비한다. 촉매 활성화 제어 장치(180a)는, 예를 들면, ECU(Engine Control Unit)로 구성된다. 촉매 활성화 제어 장치(180a)는, 중앙 처리 장치(CPU), 프로그램 등이 저장된 ROM, 공작물 영역으로서의 RAM 등으로 구성되고, 엔진 시스템(1) 전체를 제어한다.
촉매 활성화 제어부(182)는, 압력 검출 센서(184)로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 유압 펌프(172)와, 플런저 구동부(308)와, 릴리프 밸브 구동부(310)를 제어하고, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킨다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 엔진(100)의 기하학적 압축비를 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220) 및 NOx 검출 센서(222)로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 모터(218)를 제어하고, 바이패스 밸브(216)의 개도를 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 관(206) 및 터빈(208)을 통과하는 배기 가스의 유량을 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220) 및 NOx 검출 센서(222)로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 모터(228)를 제어하여, 요소수 펌프(226)를 제어한다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 배기 가스에 가하는[즉, SCR 장치(214)에 공급하는] 요소수의 양을 제어한다.
그런데, SCR 장치(214)는, 배기 가스의 온도가 소정의 온도(예를 들면, 300℃) 이상이 아닌 것으로 반응하기 어렵다. 그러므로, SCR 장치(214)를 작동시킬 때, 배기 가스의 온도가 소정의 온도(제1 임계값) 미만일 경우에는, 배기 가스의 온도를 소정의 온도 이상으로 상승시킬 필요가 있다.
배기 가스의 온도를 상승시키는 방법 중 하나로, 소기실(138a) 내의 소기압을 저하시키는 방법이 있다. 이하, 소기압을 저하시킴으로써 배기 가스의 온도를 상승시키는 방법에 대하여 설명한다. 소기실(138a) 내의 소기압이 저하되면, 실린더(110)[연소실(128)] 내에 도입되는 활성 가스의 양이 감소한다. 이 상태에서 연료 가스와 활성 가스의 혼합기가 연소하면, 활성 가스의 도입량(導入量)이 감소하고 있으므로, 활성 가스의 도입량이 감소하기 전보다 연소 온도가 상승한다. 연소 온도가 상승하면, 배기 가스의 온도도 상승한다. 이와 같이, 소기압을 저하시킴으로써 배기 가스의 온도를 상승시키는 것이 가능하다.
그러나, 소기압을 저하시키는 경우, 실린더(110)[연소실(128)] 내에 도입되는 활성 가스의 양이 감소하므로, 연소실(128) 내의 연소가 악화되어, 엔진(100)의 효율이 저하된다(즉, 연비가 악화된다).
따라서, 본 실시형태의 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 작성 시에 있어서, 배기 가스의 온도를 상승시키면서, 엔진(100)의 연비를 향상시키기 위해 바이패스 밸브(216) 및 연소실(128)의 압축비를 제어한다. 여기서, 바이패스 밸브(216)은, 통상[즉, 배기 가스의 온도를 상승시키는 처리(이하, 촉매 활성화 처리라고 함)가 실행되고 있지 않을 때], 바이패스 유로가 폐쇄되도록, 폐쇄 상태로 제어되고 있다.
촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 작성 시에 있어서 배기 가스의 온도를 상승시키기 위해, 바이패스 밸브(216)를 개방 상태로 제어한다. 바이패스 밸브(216)가 개방 상태로 제어되면, 배기 가스의 일부는, 터빈(208)을 통하지 않고, 바이패스 관(206)을 통과하여 SCR 장치(214)에 도입된다. 한편, 터빈(208)에 유입된 배기 가스는, 터빈(208)을 회전시킬 때 열이 빼앗긴다. 그러므로, 터빈(208)을 통한 배기 가스보다, 터빈(208)을 통하지 않는 배기 가스 쪽이 높은 온도로 된다. 바이패스 밸브(216)를 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 제어함으로써, 촉매 활성화 제어부(182)는, 배기 가스의 온도를 상승시키는 것이 가능하다.
여기서, 배기 가스의 온도를 상승시키는 방법으로서, 바이패스 밸브(216)를 개방 상태로 제어하는 것 외에, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 의도적으로 지연시키는 방법을 생각할 수 있다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 촉매 활성화 처리를 행하는 경우, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 지연시키도록 제어해도 된다.
예를 들면, 촉매 활성화 제어부(182)는, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을, 촉매 활성화 처리를 행하지 않을 경우보다 촉매 활성화 처리를 행하고 있는 경우의 쪽이 지연되도록 제어해도 된다. 구체적으로, 촉매 활성화 제어부(182)는, 촉매 활성화 처리를 행하지 않을 경우, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 통상의 연료 분사 타이밍(이하, 제1 연료 분사 타이밍 라고 함)에 제어한다. 한편, 촉매 활성화 제어부(182)는, 촉매 활성화 처리를 행하고 있는 경우, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을, 통상의 연료 분사 타이밍으로부터 소정 시간만 지연시킨 연료 분사 타이밍(이하, 제2 연료 분사 타이밍이라고 함)에 제어한다.
촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)의 제어와, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍과의 제어를 조합시켜도 된다. 예를 들면, 촉매 활성화 제어부(182)는, 촉매 활성화 처리를 행하는 경우, 바이패스 밸브(216)를 개방 상태로 제어하고, 또한 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 지연시키도록 제어해도 된다.
바이패스 밸브(216)가 개방 상태로 제어되면, 터빈(208)에 공급되는 배기 가스의 유량이 감소하여, 터빈(208)의 회전 속도가 저하된다. 터빈(208)의 회전 속도가 저하되면, 압축기(210)의 회전 속도도 저하되고, 소기실(138a)에 공급되는 활성 가스의 양이 감소한다. 소기실(138a)에 공급되는 활성 가스의 양이 감소하면, 소기실(138a) 내의 소기압이 감소하고, 전술한 바와 같이 배기 가스의 온도가 더 상승한다.
따라서, 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)를 개방 상태로 제어함으로써, 배기 가스의 온도를 효과적으로 상승시키는 것이 가능하다.
촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)를 개방 상태로 제어하고 또한 연소실(128)의 압축비를 제어한다. 본 실시형태에서는, 바이패스 밸브(216)의 제어와 압축비의 제어를 동시에 행하도록하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 압축비의 제어는, 바이패스 밸브(216)의 제어보다 전 또는 후에 행해져도 된다.
본 실시형태에서는, 촉매 활성화 제어부(182)는, 압축비 가변 기구(V)를 구동함으로써, 압축비를 최소의 압축비 ε0로부터 최대의 압축비 εn까지의 범위 내에서 변경할 수 있다. 여기서, 엔진(100)에는, 실린더(110)의 내구성(耐久性)으로부터 실린더(110) 내의 압력에 관하여 상한값[이하, 실린더 내압(內壓) 상한값이라고 함]이 정해져 있다. 그러므로, 엔진(100)은, 1회의 연소 주기(周期) 중 압력 검출 센서(184)에 의해 측정되는 실린더(110) 내의 최대 압력을 최대 연소 압력 Pmax로 했을 때, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 이하로 억제할 필요가 있다.
여기서, 최대 연소 압력 Pmax는, 엔진 부하가 가장 커지게 되는 엔진 전체 부하(100% 부하) 시에, 가장 커지게 된다. 그러므로, 엔진(100)은, 통상, 연소실(128)의 압축비를, 엔진 전체 부하에 있어서 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값으로 되도록 설정한다.
본 실시형태의 압축비 가변 기구(V)는, 엔진 전체 부하에 있어서 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값으로 되도록, 압축비를 최소의 압축비 ε0으로 설정하고 있다. 본 실시형태에서는, 촉매 활성화 제어부(182)는, 촉매 활성화 처리를 실행하지 않을 때, 연소실(128)의 압축비가 최소의 압축비 ε0으로 되도록 제어하고 있다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 촉매 활성화 처리를 실행하고 있지 않을 때, 엔진 부하에 관계없이, 연소실(128)의 압축비를 최소의 압축비 ε0으로 고정하고 있다.
한편, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 작동 개시 시(즉, 촉매 활성화 처리를 실행할 때)에 있어서, 연소실(128)의 압축비를 최소의 압축비 ε0보다 큰 압축비로 제어한다. 압축비를 증가시키면, 최대 연소 압력 Pmax도 커지게 된다. 최대 연소 압력 Pmax가 커지게 되면, 엔진(100)의 효율도 향상되고, 연비 소비량을 저감시키는(즉, 연비를 개선하는) 것이 가능하다.
단, 엔진(100)에는 실린더 내압 상한값이 정해져 있으므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, 압축비를 증가시키는 경우, 최대 연소 압력 Pmax가 미리 설정된 실린더 내압 상한값을 초과하지 않도록, 압축비를 제어한다. 전술한 바와 같이, 최대 연소 압력 Pmax가 커질수록, 연비를 개선할 수 있다. 최대 연소 압력 Pmax가 미리 설정된 실린더 내압 상한값으로 될 때, 가장 연비를 개선할 수 있다. 촉매 활성화 제어부(182)는, 압축비를 증가시키는 경우, 최대 연소 압력 Pmax가 미리 설정된 실린더 내압 상한값에 가까워지도록, 압축비[압축비 가변 기구(V)]를 제어한다.
압축비를 증가시키면, 연소 온도도 상승한다. 연소 온도가 상승하면, 배기 가스의 온도도 상승한다. 이와 같이, 촉매 활성화 제어부(182)는, 압축비를 최소의 압축비 ε0보다 증가시킴으로써 배기 가스의 온도를 상승시키는 것이 가능하다.
이로써, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)를 작동시킬 때, 바이패스 밸브(216)의 개도 및 연소실(128)의 압축비를 제어함으로써, 배기 가스의 온도를 상승시키면서, 엔진(100)의 연비를 향상시킬 수 있다.
도 4는, 본 실시형태에 있어서의 촉매 활성화 처리의 플로우차트를 나타낸 도면이다.
먼저, 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx 검출 센서(222)로부터 출력되는 신호에 기초하여, 현재의 NOx의 양을 검출한다(스텝 S102). 다음에 촉매 활성화 제어부(182)는, 검출한 NOx의 양(이하, NOx 검출량이라고 함)이 소정량 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S104). 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx 검출량이 소정량 이상일 경우(스텝 S104에 있어서 YES), 스텝 S106으로 진행한다. 한편, 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx 검출량이 소정량 미만일 경우(스텝 S104에 있어서 NO), 스텝 S118로 진행한다.
스텝 S104에 있어서 YES인 경우, NOx 검출량이 소정량 이상이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx의 양을 저감시키기 위해, SCR 장치(214)의 작동을 개시한다. SCR 장치(214)의 작동 개시 시, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)로부터 출력되는 신호에 기초하여, 배기 가스의 온도를 검출한다(스텝 S106). 여기서, 촉매 활성화 제어부(182)는, 검출한 배기 가스의 온도로부터 SCR 장치(214)의 온도를 추정해도 된다. 또한, 온도 검출 센서(220)이 SCR 장치(214)에 설치되어 있는 경우, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)로부터 출력되는 신호에 기초하여, SCR 장치(214)의 온도를 검출해도 된다.
촉매 활성화 제어부(182)는, 검출한 온도의 값(이하, 온도 검출값이라고 함)과, 제1 임계값(예를 들면, 300℃)을 비교하고, 온도 검출값이 제1 임계값 미만인지의 여부를 판정한다(스텝 S108). 온도 검출값이 제1 임계값 미만일 경우(스텝 S108에 있어서 YES), 스텝 S110으로 진행한다. 온도 검출값이 제1 임계값 이상일 경우(스텝 S108에 있어서 NO), 스텝 S112로 진행한다.
스텝 S108에 있어서 YES인 경우, SCR 장치(214)의 온도가 300℃ 미만(촉매 활성화 온도 미만)이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 온도를 상승시키기 위해 배기 가스의 온도를 상승시키는 처리를 실행한다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)를 개방 상태로 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 고압축비로 제어한다(스텝 S110). 여기서, 고압축비는, 최대의 압축비 εn, 또는 최대 연소 압력 Pmax가 미리 설정된 실린더 내압 상한값에 가장 가까워지는 압축비이다. 단, 이에 한정되지 않고, 고압축비는, 최소의 압축비ε0보다 큰 압축비라도 된다.
스텝 S108에 있어서 NO인 경우, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출값과, 제2 임계값[예를 들면, SCR 장치(214)의 최대 허용 온도]을 비교하고, 온도 검출값이 제2 임계값 미만인지의 여부를 판정한다(스텝 S112). 여기서, 제2 임계값은, 제1 임계값보다 큰 값이며, 예를 들면, SCR 장치(214)의 촉매 활성화 온도를 초과하는 온도, 또는 SCR 장치(214)에 미리 설정된 최대 허용 온도이다. 온도 검출값이 제2 임계값 미만일 경우(스텝 S112에 있어서 YES), 스텝 S114로 진행한다. 온도 검출값이 제2 임계값 이상일 경우(스텝 S112에 있어서 NO), 스텝 S116로 진행한다.
스텝 S112에 있어서 YES인 경우, SCR 장치(214)의 온도가 300℃ 이상, 또한 최대 허용 온도 미만의 온도(촉매 활성화 온도)로 되어 있으므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, 엔진(100)의 연비를 향상시키는 처리를 실행한다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)를 폐쇄 상태로 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 고압축비로 제어(유지)한다(스텝 S114). 스텝 S114)에서는, 온도 검출값이 300℃ 이상이므로, 바이패스 밸브(216)를 폐쇄 상태로 제어함으로써, 배기 가스의 온도 상승을 억제한다.
여기서, 바이패스 밸브(216)가 폐쇄 상태로 되면, 바이패스 관(206)을 통과하고 있었던 배기 가스가 터빈(208)에 유입되므로, 터빈(208)을 통과하는 배기 가스의 유량이 증가한다. 터빈(208)을 통과하는 배기 가스의 유량이 증가하면, 터빈(208)의 회전 속도가 상승하여, 압축기(210)의 회전 속도도 상승한다. 이로써, 소기압이 상승하여, 연소실(128) 내의 최대 연소 압력 Pmax가 커지고, 엔진(100)의 효율이 향상된다(연비가 개선된다).
그러나, 바이패스 밸브(216)가 폐쇄 상태로 되면, 배기 가스가 터빈(208)에 유입하고, 터빈(208)을 회전시킴으로써 열이 빼앗겨 버린다. 그러므로, SCR 장치(214)의 온도가 300℃ 미만으로 저하될 우려가 있다. 따라서, 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)를 폐쇄 상태로 제어하고, 또한 연소실(128)의 압축비를 고압축비로 제어하는 것이 바람직하다. 연소실(128)의 압축비를 고압축비로 제어함으로써, 배기 가스의 온도를 상승시킬 수 있으므로, 터빈(208)을 통과한 배기 가스의 온도 저감을 억제할 수 있다.
스텝 S112에 있어서 NO인 경우, SCR 장치(214)의 온도가 최대 허용 온도 이상이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 온도를 저하시키기 위해 배기 가스의 온도를 저하시키는 처리를 실행한다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)를 폐쇄 상태로 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 저압축비로 제어한다(스텝 S116). 여기서, 저압축비는, 최소의 압축비 ε0이다. 단, 이에 한정되지 않고, 저압축비는, 최대의 압축비 εn보다 작은 압축비, 또는 최대 연소 압력 Pmax가 미리 설정된 실린더 내압 상한값에 가장 가까워지는 압축비보다 작은 압축비이라도 된다. 바이패스 밸브(216)를 폐쇄 상태로 하고, 연소실(128)의 압축비를 저압축비로 제어함으로써, 배기 가스의 온도를 최대 허용 온도 미만으로 저하시킬 수 있다.
스텝 S104에 있어서 NO인 경우, NOx 검출량이 소정량 미만이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 작동을 종료시킨다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 바이패스 밸브(216)를 폐쇄 상태로 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 저압축비로 제어하고(스텝 S118), 촉매 활성화 처리를 종료한다.
도 5는, 변형예에서의 촉매 활성화 처리의 플로우차트를 나타낸 도면이다. 본 변형예의 촉매 활성화 처리는, 상기 실시형태의 바이패스 밸브(216)의 제어 대신에, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 제어한다. 그러므로, 본 변형예의 촉매 활성화 처리는, 도 4에 나타낸 스텝 S110, S114, S116, S118 대신에, 도 5에 나타낸 스텝 S210, S214, S216, S218를 가진다. 이하, 본 변형예의 촉매 활성화 처리에 대하여 설명한다.
먼저, 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx 검출 센서(222)로부터 출력되는 신호에 기초하여, 현재의 NOx의 양을 검출한다(스텝 S102). 다음에 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx 검출량이 소정량 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S104). 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx 검출량이 소정량 이상일 경우(스텝 S104에 있어서 YES), 스텝 S106로 진행한다. 한편, 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx 검출량이 소정량 미만일 경우(스텝 S104에 있어서 NO), 스텝 S218로 진행한다.
스텝 S104에 있어서 YES인 경우, NOx 검출량이 소정량 이상이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, NOx의 양을 저감시키기 위해, SCR 장치(214)의 작동을 개시한다. SCR 장치(214)의 작동 개시 시, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)로부터 출력되는 신호에 기초하여, 배기 가스의 온도를 검출한다(스텝 S106).
촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출값과, 제1 임계값(예를 들면, 300℃)을 비교하고, 온도 검출값이 제1 임계값 미만인지의 여부를 판정한다(스텝 S108). 온도 검출값이 제1 임계값 미만일 경우(스텝 S108에 있어서 YES), 스텝 S210로 진행한다. 온도 검출값이 제1 임계값 이상일 경우(스텝 S108에 있어서 NO), 스텝 S112로 진행한다.
스텝 S108에 있어서 YES인 경우, SCR 장치(214)의 온도가 300℃ 미만(촉매 활성화 온도 미만)이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 온도를 상승시키기 위해 배기 가스의 온도를 상승시키는 처리를 실행한다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 제2 연료 분사 타이밍에 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 고압축비로 제어한다(스텝 S210).
스텝 S108에 있어서 NO인 경우, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출값과, 제2 임계값[예를 들면, SCR 장치(214)의 최대 허용 온도]을 비교하고, 온도 검출값이 제2 임계값 미만인지의 여부를 판정한다(스텝 S112). 온도 검출값이 제2 임계값 미만일 경우(스텝 S112에 있어서 YES), 스텝 S214로 진행한다. 온도 검출값이 제2 임계값 이상일 경우(스텝 S112에 있어서 NO), 스텝 S216로 진행한다.
스텝 S112에 있어서 YES인 경우, SCR 장치(214)의 온도가 300℃ 이상, 또한 최대 허용 온도 미만의 온도(촉매 활성화 온도)로 되어 있으므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, 엔진(100)의 연비를 향상시키는 처리를 실행한다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍에 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 고압축비로 제어(유지)한다(스텝 S214). 스텝 S214에서는, 온도 검출값이 300℃ 이상이므로, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍에 제어함으로써, 배기 가스의 온도 상승을 억제한다.
스텝 S112에 있어서 NO인 경우, SCR 장치(214)의 온도가 최대 허용 온도 이상이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 온도를 저하시키기 위해 배기 가스의 온도를 저하시키는 처리를 실행한다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍에 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 저압축비로 제어한다(스텝 S216). 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍으로 하고, 연소실(128)의 압축비를 저압축비로 제어함으로써, 배기 가스의 온도를 최대 허용 온도 미만으로 저하시킬 수 있다.
스텝 S104에 있어서 NO인 경우, NOx 검출량이 소정량 미만이므로, 촉매 활성화 제어부(182)는, SCR 장치(214)의 작동을 종료시킨다. 즉, 촉매 활성화 제어부(182)는, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브의 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍에 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 저압축비로 제어하고(스텝 S218), 촉매 활성화 처리를 종료한다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였으나, 본 개시는 이러한 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연하게 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
예를 들면, 전술한 실시형태에서는, 2사이클형, 유니플로우(uniflow) 소기식, 크로스헤드형의 엔진(100)을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 엔진의 종류는, 2사이클형, 유니플로우 소기식, 크로스헤드형에 한정되지 않는다. 적어도 엔진이면 된다. 또한, 전술한 실시형태에서는, 실린더(110)[연소실(128)] 내에 기체 연료(연료 가스)를 공급하는 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 실린더(110)[연소실(128)] 내에 액체 연료를 공급하도록 해도 된다. 또한, 엔진(100)은, 예를 들면, 기체 연료와 액체 연료를 구분하는 듀얼 연료형이라도 된다. 또한, 엔진(100)은, 선박용에 한정되지 않고, 예를 들면, 자동차용이라도 된다.
전술한 실시형태에서는, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)에 의해 검출된 온도가 제1 임계값 이상, 또한 제2 임계값 미만일 경우, 연소실(128)의 압축비를 고압축비로 제어하는 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)에 의해 검출된 온도가 제1 임계값 이상, 또한 제2 임계값 미만일 경우, 연소실(128)의 압축비를 저압축비로 제어해도 된다.
전술한 실시형태에서는, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)에 의해 검출된 온도가 제1 임계값 이상, 또한 제2 임계값 미만일 경우, 제1 임계값 미만일 경우의 압축비를 유지하는 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)에 의해 검출된 온도가 제1 임계값 이상, 또한 제2 임계값 미만일 경우, 제1 임계값 미만일 경우의 압축비를 변경해도 된다. 예를 들면, 운전 조건(엔진 부하)이 같은 상태인 경우, 촉매 활성화 제어부(182)는, 온도 검출 센서(220)에 의해 검출된 온도가 제1 임계값 미만일 경우의 압축비를, 제1 임계값 이상일 경우의 압축비보다 높게 해도 된다. 또한, 운전 조건(엔진 부하)이 같은 상태인 경우, 온도 검출 센서(220)에 의해 검출된 온도가 제1 임계값 미만, 및 제1 임계값 이상, 또한 제2 임계값 미만일 경우의 압축비를, 제2 임계값 이상일 경우의 압축비보다 높게 해도 된다.
본 개시는, 엔진 시스템에 이용할 수 있다.
1: 엔진 시스템
110: 실린더
112: 피스톤
128: 연소실
182: 촉매 활성화 제어부
202: 흡입관(흡입 유로)
204: 배기관(배기 유로)
206: 바이패스 관(바이패스 유로)
208: 터빈
210: 압축기
214: SCR 장치(배기 정화 촉매)
216: 바이패스 밸브
220: 온도 검출 센서(검출부)
C: 과급기
V: 압축비 가변 기구
Va: 압축비 가변 기구

Claims (8)

  1. 흡입 유로(intake flow passage) 및 배기 유로(exhaust flow passage)가 접속된 연소실;
    상기 배기 유로에 설치된 배기 정화 촉매;
    상기 배기 유로에 배치되는 터빈, 및 상기 흡입 유로에 배치되는 압축기를 구비하는 과급기(過給機; turbocharger);
    상기 배기 유로에서의 상기 터빈의 상류측과 하류측을 접속하는 바이패스 유로;
    상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브; 및
    상기 바이패스 밸브 및 상기 연소실의 압축비를 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 배기 정화 촉매의 온도를 검출하는 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값 미만일 경우에, 상기 바이패스 밸브를 개방 상태로 제어하고, 상기 압축비를 최소의 압축비보다 큰 고압축비로 제어하고,
    상기 제어부는, 상기 배기 정화 촉매의 온도가 상기 제1 임계값 이상일 경우에, 상기 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 제어하고, 상기 고압축비를 유지하는, 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    실린더 내에서의 피스톤의 상사점 위치를 변경하는 압축비 가변 기구(varying mechanism)를 더 포함하는, 엔진 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배기 정화 촉매의 온도가 상기 제1 임계값보다 큰 제2 임계값 이상일 경우에, 상기 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 제어하고, 상기 압축비를 상기 고압축비보다 작은 저압축비로 제어하는, 엔진 시스템.
  4. 흡입 유로(intake flow passage) 및 배기 유로(exhaust flow passage)가 접속된 연소실;
    상기 배기 유로에 설치된 배기 정화 촉매;
    상기 배기 유로에 배치되는 터빈, 및 상기 흡입 유로에 배치되는 압축기를 구비하는 과급기(過給機; turbocharger);
    상기 배기 유로에서의 상기 터빈의 상류측과 하류측을 접속하는 바이패스 유로;
    상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브; 및
    상기 바이패스 밸브 및 상기 연소실의 압축비를 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 배기 정화 촉매의 온도를 검출하는 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 배기 정화 촉매의 온도가 제1 임계값 미만일 경우에, 연료 분사 타이밍을 제1 연료 분사 타이밍보다 늦은 제2 연료 분사 타이밍에 제어하고, 상기 압축비를 최소의 압축비보다 큰 고압축비로 제어하고
    상기 제어부는, 상기 배기 정화 촉매의 온도가 상기 제1 임계값 이상일 경우에, 상기 연료 분사 타이밍을 상기 제1 연료 분사 타이밍에 제어하고, 상기 고압축비를 유지하는, 엔진 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배기 정화 촉매의 온도가 상기 제1 임계값보다 큰 제2 임계값 이상일 경우에, 상기 연료 분사 타이밍을 상기 제1 연료 분사 타이밍에 제어하고, 상기 압축비를 상기 고압축비보다 작은 저압축비로 제어하는, 엔진 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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