KR102531801B1 - 선박용 내연 기관 - Google Patents

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다카시 우에다
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가부시키가이샤 자판엔진코포레숀
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Abstract

배기 터빈식 과급기를 구비하는 선박용 내연 기관에 있어서, EGR 운전과 통상운전을 양립시킨다.
선박용 내연 기관으로서의 엔진(1)은, 주기관(10)과, 터빈(42)에 공급되는 배기에 의해 컴프레서(41)를 구동하는 배기 터빈식 과급기(4)와, 배기 통로(31)에서의 터빈(42) 하류 측 부위와 흡기 통로(21)에서의 컴프레서(41) 상류 측 부위를 접속하는 EGR 통로(81)와, EGR 통로(81)를 개폐하는 EGR 밸브(82)와, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 조정하는 배기 조정 시스템(9)과, EGR 밸브(82)의 개도에 기초하여 배기 조정 시스템(9)을 제어하는 컨트롤러(100)를 구비한다. 컨트롤러(100)는, EGR 밸브(82)가 개방 상태에 있는 경우에는, 당해 EGR 밸브(82)가 폐쇄 상태에 있는 경우와 비교하여, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 증가시킨다.

Description

선박용 내연 기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR SHIP}
본 개시는 선박용 내연 기관에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 선박용에 한정되지 않는 내연 기관의 일례로, EGR 장치를 구비한 과급기가 장착된 엔진이 개시되어 있다. 구체적으로, 이 특허문헌 1에는, 과급기의 흡입 공기 온도에 기초하여, 과급기가 파손되는 파손 온도에 대응하는 파손 과급압을 구하고, 그 파손 과급압보다 낮게 설정된 최대 과급압을 상한으로 하도록, 과급기의 과급압을 제한하는 것이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1에 의하면, EGR 장치를 구비하는 엔진의 경우, EGR 냉각기의 성능에 따라서는, 흡기 통로에 환류되는 EGR 가스가 고온이 될 가능성이 있다. 따라서, 과급기가 EGR 가스를 흡입하는 경우, 그 과급기에 흡입되는 공기의 온도(흡입 공기 온도)가 과도하게 높아지고, 이에 기인하여 과급기가 파손될 우려가 있다.
이와 같은 문제에 대하여, 상기 특허문헌 1에 개시된 엔진은, 상기 흡입 공기 온도에 기초하여 과급기의 과급압을 제한함으로써, 과급기의 파손을 예방할 수 있도록 되어 있다. 여기서, 특허문헌 1에 따른 엔진은, 과급기의 과급압을 제한하기 위한 수단으로서, 과급기를 우회하도록 공기를 유통시키는 바이패스 밸브를 구비한 구성으로 되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 2009-299537호 공보
전술한 문제에 대응하기 위한 구체적인 방책으로는, 예를 들어, EGR 가스를 환류시키는 때에 바이패스 밸브의 개방 등을 실시함으로써, 과급기를 구성하는 로터, 터빈 등에 유입되는 배기의 유량 또는 유속을 감소시켜, 과급압이 과도하게 높아지지 않도록 하는 것을 생각할 수 있다.
또한, 바이패스 밸브뿐만 아니라, 이른바 가변 노즐 터보를 이용함으로써, EGR 가스를 환류시킬지 여부에 따라, 과급기에 유입되는 배기의 유속을 적절히 조정하는 것도 생각할 수 있다.
다만, 전술한 문제는, EGR 냉각기 성능에 기인하는 것이다. 따라서, 예를 들어 선박용 내연 기관과 같이, 대형이고 고성능의 냉각 장치를 사용할 수 있는 경우에는, 전술한 바와 같은 제어는 통상적으로 불필요하다.
그러나, 선박을 대상으로 실시되고 있는 NOx 규제 중, 특히 3차 규제(Tier-3)를 통과하기 위한 수단으로서, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 EGR 장치를 구비한 선박용 내연 기관이 검토되고 있다.
이러한 선박용 내연 기관에 있어서, 추가로 배기 터빈식 과급기를 구비한 구성으로 한 경우, 컴프레서로 압축되는 공기의 비열비는, 그 공기에 포함되는 EGR 가스에 기인하여 저하하게 된다. 비열비의 저하는, 소기압(과급압)의 저하를 초래한다. 소기압의 저하는, 연비 성능의 악화, 배기 중의 스모크 발생 등을 초래하기 때문에 바람직하지 않다.
여기서, EGR 가스 환류를 예상하여, 연료의 분사 압력을 미리 높게 설정하거나, 비열비의 저하에 따른 소기압의 저하를 보완하도록 터빈 상류의 노즐 면적(이하, 이를 "터빈 노즐 면적"이라고 함)을 미리 좁혀두거나 하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 선박이 운항 대상으로 하는 해역은, 전술한 3차 규제가 적용된 해역(이하, "Tier-3 해역"이라고 함)에 한정되지 않는다. 이 3차 규제보다 NOx의 배출 제한이 느슨한 2차 규제(Tier-2)가 적용된 해역(이하, "Tier-2 해역"이라고 함)을 운항하거나, Tier-3 해역과 Tier-2 해역을 왕래하도록 운항하는 것 등도 생각할 수 있다.
이에 대응하기 위해서는, Tier-3 해역에서는 EGR 밸브를 개방하여 EGR 가스를 환류시키는 한편, Tier-2 해역에서는 EGR 밸브를 폐쇄하여 EGR 가스를 환류시키지 않도록 내연 기관을 제어하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, EGR 가스를 환류시키는 EGR 운전 시(Tier-3 해역에 적합한 운전 시)에 비열비에 따른 문제가 발생하지 않도록, 전술한 바와 같이 연료의 분사 압력을 미리 높게 설정하면, EGR 가스를 환류시키지 않는 통상운전 시(Tier-2 해역에 적합한 운전 시)에, NOx의 배출량이 증가하는 문제에 직면하게 된다.
이에, 연료의 분사 압력을 높이는 대신에, 전술한 바와 같이 터빈 노즐 면적을 미리 좁혀두는 것을 생각할 수 있으나, 이 경우, 통상운전 시에 소기압이 과도하게 상승하여, 통내압이 설계상의 허용 범위를 초과할 우려가 있다.
이와 같이, 본원 발명자들은, 상기 특허문헌 1과는 상이한 관점에서 검토를 진행한 결과, 선박용 내연 기관에 특유의 과제를 새롭게 발견하였다. 본원 발명자들은, 보다 예의 검토를 거듭한 결과, 특허문헌 1에 따른 구성과는 이질적인 제어를 창작하기에 이르렀다.
본 개시는, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적하는 바는, 배기 터빈식 과급기를 구비하는 선박용 내연 기관에 있어서, EGR 운전과 통상운전을 양립시키는 데 있다.
본 개시의 제 1 양태는, 선박용 내연 기관에 관한 것이다. 이 선박용 내연 기관은, 2 스트로크식 주기관과, 상기 주기관에 접속되는 흡기 통로 및 배기 통로와, 상기 흡기 통로에 배치되는 컴프레서 및 상기 배기 통로에 배치되는 터빈을 가지며, 상기 터빈에 공급되는 배기에 의해 상기 컴프레서를 구동하는 배기 터빈식 과급기와, 상기 배기 통로에서의 상기 터빈 하류 측 부위와, 상기 흡기 통로에서의 상기 컴프레서 상류 측 부위를 접속하는 EGR 통로와, 상기 EGR 통로를 개폐하는 EGR 밸브와, 상기 터빈에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 조정하는 배기 조정 시스템과, 상기 EGR 밸브의 개도에 기초하여 상기 배기 조정 시스템을 제어하는 컨트롤러를 구비한다.
그리고, 본 개시의 제 1 양태에 의하면, 상기 컨트롤러는, 상기 EGR 밸브가 폐쇄 상태에 있는 경우에는, 당해 EGR 밸브가 개방 상태에 있는 경우와 비교하여, 상기 터빈에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 감소시킨다.
여기서, "배기 조정 시스템"에는, 배기에 터빈을 우회시킴에 따라 배기의 유량을 조정하는 바이패스 라인, 터빈 상류의 노즐 면적을 가변시킴으로써 배기의 유속을 조정하는 가변 노즐 등이 포함된다.
상기 제 1 양태에 의하면, 상기 컨트롤러는, Tier-2 해역에서의 운항 등, EGR가스를 환류시키지 않는 통상운전을 실행하는 경우(EGR밸브가 폐쇄 상태에 있는 경우)에는, Tier-3 해역에서의 운항 등, EGR 가스를 환류시키는 EGR 운전을 실행하는 경우(EGR 밸브가 개방 상태에 있는 경우)와 비교하여, 터빈에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 감소시킨다.
이로써, EGR 운전에 적합한 소기압이 실현되도록 터빈 노즐 면적을 미리 좁혀두었다 하더라도, 통상운전에서는 터빈에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 감소시킴으로써, 통상운전에서의 소기압의 과도한 상승을 억제하고, 통내압이 허용 범위에 들어갈 수 있게 된다.
환언하면, 상기 컨트롤러는, EGR 운전을 실행하는 경우에는, 통상운전을 실행하는 경우와 비교하여, 터빈에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 증가시키게 된다.
이로써, 통상운전에 적합한 소기압이 실현되도록, 바이패스 라인 등을 이용하여 배기의 유량 등을 낮게 설정해두었다 하더라도, EGR 운전 시에는 그 바이패스 라인 등을 폐지(閉止)함으로써, EGR 운전에서도 적절한 소기압을 유지할 수 있게 된다.
또한, 본 개시의 제 2 양태에 의하면, 상기 배기 조정 시스템은, 상기 배기 통로에서의 상기 터빈 상류 측 부위와, 당해 터빈 하류 측 부위를 접속하는 바이패스 통로와, 상기 바이패스 통로를 개폐함으로써, 상기 터빈에 공급되는 배기의 유량을 조정하는 바이패스 밸브를 가져도 된다.
상기 제 2 양태에 의하면, 바이패스 밸브를 개방 상태로 한 때에는, 터빈에 공급되는 배기의 유량을 상대적으로 감소시킬 수 있는 한편, 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 한 때에는, 터빈에 공급되는 배기의 유량을 상대적으로 증가시킬 수 있게 된다. 바이패스 밸브를 적절히 개폐함으로써, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행 시(또는, 그 반대로 이행 시)에, 소기압을 적절한 값으로 유지할 수 있게 된다.
또한, 본 개시의 제 3 양태에 의하면, 상기 배기 터빈식 과급기는, 상기 EGR 밸브 및 상기 바이패스 밸브 중 어느 한쪽을 개방 상태로 한 때에, 당해 배기 터빈식 과급기의 토출압이 소정의 적정 범위에 들어가도록 구성되어도 된다.
여기서 말하는 "토출압"이란, 배기 터빈식 과급기의 컴프레서로부터 토출되는 공기의 압력(과급압)을 가리킨다. 토출압의 크기는, 전술한 소기압과 실질적으로 동등하다. 또한, 여기서 말하는 "적정 범위"란, 주기관의 통내압이 허용 범위를 초과하지 않도록 설정된 압력 범위를 가리킨다.
상기 제 3 양태에 의하면, 예를 들어 터빈 노즐 면적을 설계 단계에서 좁혀둠으로써, 배기 터빈식 과급기의 토출압을 미리 높게 설정한다. 이와 같이 함으로써, EGR 밸브를 개방 상태로 한 때(또는, 바이패스 밸브를 개방 상태로 한 때)에 발생하는 토출압의 저하를 예상한 구성으로 할 수 있어, 토출압이 적정 범위에 들어갈 수 있게 된다.
또한, 본 개시의 제 4 양태에 의하면, 상기 컨트롤러는, 상기 EGR 밸브가 개방 상태에서 폐쇄 상태로 변경된 때, 상기 바이패스 밸브를 적어도 일시적으로 전개 상태로 하여도 된다.
상기 제 4 양태에 의하면, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행 직후 또는 이행 도중 시에 바이패스 밸브를 전개 상태로 함으로써, 주기관 내에 잔존한 EGR 가스의 배출을 촉진시키고, 이를 조기에 배출할 수 있게 된다. 이로써, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행을 원활하게 실시할 수 있게 된다.
또한, 본 개시의 제 5 양태에 의하면, 상기 선박용 내연 기관은, 상기 터빈을 통과하는 배기의 유량과, 상기 바이패스 통로를 개재하여 상기 터빈을 우회하는 배기의 유량과의 비율을 조정하는 배기 스로틀 수단을 구비하고, 상기 배기 스로틀 수단은, 상기 바이패스 밸브가 개방 상태에 있는지 여부와는 상관없이, 상기 터빈을 우회하는 배기의 유량을, 당해 터빈을 통과하는 배기의 유량보다 적게 하도록 구성되어도 된다.
바이패스 밸브가 개방 상태에 있는 때에는, 바이패스 통로를 개재하여 배기가 터빈을 우회하게 된다. 그러나, 필요 이상의 배기를 우회시켜서는 소기압의 저하를 초래하고, 이를 유지하는 데 문제가 된다.
상기 제 5 양태에 의하면, 상기 배기 스로틀 수단은, 바이패스 밸브가 개방 상태에 있어도 여전히, 터빈을 우회하는 배기의 유량을, 당해 터빈을 통과하는 배기의 유량보다 적게 한다. 이와 같이 함으로써, 터빈 구동에 필요한 유량을 확보할 수 있고, 더 나아가서는, 소기압을 유지하는 데 유리해진다.
또한, 본 개시의 제 6 양태에 의하면, 상기 바이패스 통로에는, 당해 바이패스 통로의 통로 단면적을 좁히는 오리피스가 배치되고, 상기 배기 스로틀 수단은, 상기 오리피스에 의해 구성되어도 된다.
상기 제 6 양태는 소기압을 유지하는 데 있어서 유효하다.
또한, 본 개시의 제 7 양태에 의하면, 상기 선박용 내연 기관은, 상기 배기 터빈식 과급기는, 상기 터빈 주위의 통로 면적을 변화시킴으로써, 상기 터빈에 공급되는 배기의 유속을 조정하는 가변 노즐을 구비하고, 상기 배기 조정 시스템은, 상기 가변 노즐에 의해 구성되어도 된다.
상기 제 7 양태에 의하면, 가변 노즐을 좁힌 때에는, 터빈에 공급되는 배기의 유속을 상대적으로 증가시킬 수 있는 한편, 가변 노즐을 연 때에는, 터빈에 공급되는 배기의 유속을 상대적으로 감소시킬 수 있게 된다. 이와 같이 구성함으로써, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행 시(또는, 그 반대로 이행 시)에, 소기압을 적절한 값으로 유지할 수 있게 된다.
또한, 본 개시의 제 8 양태에 의하면, 상기 배기 터빈식 과급기는, 상기 EGR 밸브를 개방 상태로 하며 또한 상기 가변 노즐에 의해 상기 통로 면적을 축소한 때, 또는, 상기 EGR 밸브를 폐쇄 상태로 하며 또한 상기 가변 노즐에 의해 상기 통로 면적을 확대한 때에, 당해 배기 터빈식 과급기의 토출압이 소정 범위에 들어가도록 구성되어도 된다.
상기 제 8 양태에 의하면, 예를 들어 터빈 노즐 면적을 설계 단계에서 좁혀둠으로써, 배기 터빈식 과급기의 토출압을 미리 높게 설정한다. 이와 같이 함으로써, EGR 밸브를 개방 상태로 한 때, 또는, 가변 노즐에 의해 통로 면적을 확대한 때에 발생하는 소기압의 저하를 예상한 구성으로 할 수 있어, 소기압이 적정 범위에 들어갈 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시에 의하면, 배기 터빈식 과급기를 구비하는 선박용 내연 기관에 있어서, EGR 운전과 통상운전을 양립시킬 수 있다.
도 1은 선박용 내연 기관의 개략 구성을 예시하는 시스템도이다.
도 2는 EGR 운전에서 통상운전으로의 전환 순서를 예시하는 흐름도이다.
도 3은 통상운전에서 EGR 운전으로의 전환 순서를 예시하는 흐름도이다.
도 4는 선박용 내연 기관의 변형예를 나타내는 도 1에 대응하는 도면이다.
이하, 본 개시의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 여기서, 이하의 설명은 예시다.
도 1은 선박용 내연 기관(이하, 단순히 "엔진(1)"이라고도 함)의 개략 구성을 예시하는 시스템도이다.
엔진(1)은, 복수의 실린더(11)를 구비한 직렬 다기통식 디젤 엔진이다. 이 엔진(1)은, 유니플로 소기식의 2 스트로크 1 사이클 기관으로 구성되고, 유조선, 컨테이너 선박, 자동차 운반선 등, 대형 선박에 탑재된다.
선박에 탑재된 엔진(1)은, 그 선박을 추진시키기 위한 주기관(10)을 구비한다. 따라서, 주기관(10)의 출력축은, 프로펠러축(도시하지 않음)을 개재하여 선박의 프로펠러(도시하지 않음)에 연결된다. 엔진(1)을 운전함에 따라, 그 출력이 프로펠러에 전달되어 선박이 추진하도록 되어 있다.
엔진(1)은 또한, 터보과급기를 장착된 엔진으로 구성된다. 즉, 본 실시형태에 따른 엔진(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 배기 터빈식 과급기(4)를 구비한 구성으로 된다.
(1) 주요 구성
이하, 엔진(1)의 주요부에 대하여 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 엔진(1)은, 전술한 주기관(10)과, 이 주기관(10)에 접속되는 흡기계(2) 및 배기계(3)와, 배기계(3)를 흐르는 배기에 의해 작동되는 배기 터빈식 과급기(4)와, 배기를 환류시키는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템(8)과, 배기의 유량 또는 유속을 조정하는 배기 조정 시스템(9)과, 엔진(1)의 각 부를 제어하는 컨트롤러(100)를 구비한다.
이 중, 주기관(10)은, 복수의 실린더(11)(도 1에서는, 4개의 실린더(11)만 예시)를 갖는다. 주기관(10)은, 2 스트로크식 기관이다. 각 실린더(11) 내에는, 피스톤(도시하지 않음)이 왕복 운동 가능하게 각각 삽입된다. 각 실린더(11)의 내벽, 실린더 헤드(도시하지 않음)의 천장면, 및 피스톤의 꼭대기면에 의해, 실린더(11)별로 연소실이 구획된다.
주기관(10)은 또한, 소기 트렁크(18)와, 배기 매니폴드(19)를 갖는다. 소기 트렁크(18)는, 주기관(10)의 연소실에 연통하고, 이 연소실(12)에 소기를 공급하도록 구성된다. 배기 매니폴드(19)는, 주기관(10)의 연소실에 연통하고, 이 연소실로부터 기연소 가스(배기)를 배출할 수 있다. 주기관(10)은, 소기 트렁크(18)를 개재하여 흡기계(2)(구체적으로는, 후술하는 흡기 통로(21))에 접속되는 한편, 배기 매니폴드(19)를 개재하여 배기계(3)(구체적으로는, 후술하는 배기 통로(31))에 접속되게 된다.
흡기계(2)는, 주기관(10)에 접속되는 흡기 통로(21)를 갖는다. 흡기계(2)는, 이 흡기 통로(21)를 개재하여 주기관(10)에 공기를 공급하도록 구성된다. 구체적으로, 본 실시형태에 따른 흡기 통로(21)에는, 상류 측에서부터 차례로, 대기에서 받아들인 공기(신기(新氣 ; fresh air))를 후술하는 EGR 가스와 함께 압축하는 컴프레서(41)와, 컴프레서(41)에 의해 압축된 공기를 냉각하는 공기 냉각기(22)가 배치된다. 공기 냉각기(22)에 의해 냉각된 공기는, 전술한 소기 트렁크(18)를 개재하여 연소실에 이른다.
배기계(3)는, 주기관(10)에 접속되는 배기 통로(31)를 갖는다. 배기계(3)는, 이 배기 통로(31)를 개재하여 주기관(10)으로부터 배기를 배출하도록 구성된다. 구체적으로, 본 실시형태에 따른 배기 통로(31)에는, 상류 측에서부터 차례로, 후술하는 바이패스 통로(91)로 분기하는 제 1 분기부(바이패스 통로(91)의 상류 끝단부와 배기 통로(31)와의 접속부)(31a)와, 컴프레서(41)에 대하여 구동 연결된 터빈(42)과, 바이패스 통로(91)와 합류하는 합류부(바이패스 통로(91)의 하류 끝단부와 배기 통로(31)와의 접속부)(31b)와, 후술하는 EGR 통로(81)로 분기하는 제 2 분기부(EGR 통로(81)의 상류 끝단부와 배기 통로(31)와의 접속부)(31c)가 배치된다. 연소실로부터 배출된 배기는, 전술한 배기 매니폴드(19)를 개재하여 배기 통로(31)에 유입되고, 터빈(42)을 통과하여 대기에 배출된다.
배기 터빈식 과급기(4)는, 흡기 통로(21)에 배치되는 컴프레서(41)와, 배기 통로(31)에 배치되는 터빈(42)을 가지며, 터빈(42)에 공급되는 배기에 의해 컴프레서(41)를 구동하도록 구성된다. 여기서, 컴프레서(41)와 터빈(42)은 연결되어 있고, 서로 동기하여 회전하다. 따라서, 터빈(42)을 통과하는 배기에 의해 컴프레서(41)가 회전 구동되면, 이 컴프레서(41)를 통과하는 공기를 압축할 수 있다.
EGR 시스템(8)은, 배기 통로(31)에서의 터빈(42) 하류 측 부위(제 2 분기부(31c)) 및 흡기 통로(21)에서의 컴프레서(41) 상류 측 부위를 접속하는 EGR 통로(81)를 갖는다. EGR 시스템(8)은, 이른바 저압 EGR 시스템으로 구성되고, EGR 통로(81)를 개재하여 배기를 순환시키도록 구성된다. 구체적으로, 본 실시형태에 따른 EGR 통로(81)에는, 순환되는 배기(이하, "EGR 가스"라고도 함)의 흐름 방향의 상류 측에서부터 차례로, EGR 밸브(82)와, EGR 유닛(83)이 배치된다.
이 중, EGR 밸브(82)는, EGR 통로(81)를 개폐한다. 이 EGR 밸브(82)는, 컨트롤러(100)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 작동한다.
EGR 유닛(83)은, EGR 가스로부터 그을음(soot), SOx 등을 제거하는 스크러버와, EGR 가스를 냉각하는 EGR 냉각기와, EGR 가스를 승압하는 블로어를 조합하여 이루어진다. 그리고, 스크러버나 EGR 냉각기에서의 압력 손실이 적고, EGR 밸브(82)의 개도 조정만으로, 필요한 EGR 가스량을 순환 가능한 경우에는, 블로어는 필수가 아니다.
배기 조정 시스템(9)은, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 조정함에 따라, 배기 터빈식 과급기(4)의 과급압(구체적으로는, 컴프레서(41)로부터 토출되는 공기의 압력)을 제어한다. 구체적으로, 본 실시형태에 따른 배기 조정 시스템(9)은, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 조정하도록 구성되고, 바이패스 통로(91)와, 바이패스 밸브(93)와, 배기 스로틀 수단(92)을 갖는다. 그리고, 후술하는 바와 같이, 배기 조정 시스템(9)에 있어서, 배기 스로틀 수단(92)은 필수가 아니다.
이 중, 바이패스 통로(91)는, 배기 통로(31)에서의 터빈(42) 상류 측 부위(제 1 분기부(31a))와, 당해 터빈(42) 하류 측 부위(합류부(31b))를 접속한다. 이 바이패스 통로(91)에는, 상류 측에서부터 차례로, 배기 스로틀 수단(92)과, 바이패스 밸브(93)가 배치된다.
바이패스 밸브(93)는, 바이패스 통로(91)를 개폐한다. 이 바이패스 밸브(93)는, 컨트롤러(100)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 작동한다.
배기스로틀 수단(92)은, 터빈(42)을 통과하는 배기의 유량(제 1 유량)과, 바이패스 통로(91)를 개재하여 터빈(42)을 우회하는 배기의 유량(제 2 유량)과의 비율을 조정한다. 구체적으로, 배기 스로틀 수단(92)은, 바이패스 밸브(93)가 개방 상태에 있는지 여부와는 상관없이, 제 2 유량을 제 1 유량보다 적게 하도록 구성된다. 이와 같이 구성함으로써, 배기 터빈식 과급기(4)의 구동에 필요한 최저한의 유량(제 1 유량)을 확보하면서, 과급압을 억제하기 위한 유량(제 2 유량)분만 터빈(42)을 우회시킬 수 있게 된다.
또한, 본 실시형태에 따른 배기 스로틀 수단(92)은, 바이패스 통로(91)의 통로 단면적을 좁히는 오리피스에 의해 구성된다. 배기 스로틀 수단(92)은, 전술한 바와 같이, 바이패스 통로(91)에서의 바이패스 밸브(93)의 상류 측에 배치된다.
그리고, 배기 스로틀 수단(92)은, 바이패스 밸브(93)의 하류 측이면서 합류부(31b)의 상류에 배치되어도 된다. 또한 애초에, 배기 스로틀 수단(92)은 필수가 아니다. 배기 스로틀 수단(92)을 배치하는 대신에, 그 기능을 바이패스 밸브(93)에 겸용시킬 수도 있다. 이 경우, 바이패스 밸브(93)의 개도를 제어함으로써, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량(구체적으로는, 제 1 유량과 제 2 유량과의 비율)을 조정하게 된다.
그리고, EGR 가스를 순환시키는 때에는, EGR 통로(81)를 개재하여 배기가 유통되는 분량만큼, 배기 터빈식 과급기(4)의 부하가 저감되고, 소기압이 저하된다. 소기압의 저하는, 실린더(11)에 도입되는 공기량의 저하를 초래하고, 연비 성능의 악화, 스모크 발생 등을 초래하기 때문에 바람직하지 않다. 마찬가지의 문제는, 배기 일부가 터빈(42)을 우회하는 때(바이패스 밸브(93)를 개방한 때)에도 발생할 수 있다.
그래서, 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같은 소기압의 저하를 예상하여, 배기 터빈식 과급기(4)의 터빈 노즐 면적을 좁히도록 설계 단계에서 튜닝이 이루어진다. 그리고, 본 실시형태에 따른 배기 터빈식 과급기(4)는, EGR 밸브(82) 및 바이패스 밸브(93) 중 어느 한쪽을 개방 상태로 한 때(환언하면, EGR 밸브(82) 및 바이패스 밸브(93) 중 한쪽을 개방 상태로 하고, 다른 쪽을 폐쇄 상태로 한 때)에, 당해 배기 터빈식 과급기(4)의 토출압이 소정의 적정 범위에 들어가도록 구성된다. 이와 같이 함으로써, EGR 밸브(82)를 개방 상태로 한 때(또는, 바이패스 밸브(93)를 개방 상태로 한 때)에 발생하는 소기압의 저하를 예상한 구성으로 할 수 있어, 소기압이 적정 범위에 들어갈 수 있게 된다.
컨트롤러(100)는, 적어도, EGR 밸브(82) 및 바이패스 밸브(93)와 전기적으로 접속된다. 컨트롤러(100)는, EGR 밸브(82)의 개도에 기초하여 배기 조정 시스템(9)을 제어한다.
구체적으로, 컨트롤러(100)는, 프로세서, 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 입출력 버스 등으로 이루어지고, EGR 밸브(82)의 개도를 나타내는 신호를 수신하여 제어 신호를 생성하고, 그것을 바이패스 밸브(93)에 입력함으로써 배기 조정 시스템(9)을 제어한다.
이하, 컨트롤러(100)가 실시하는 제어 중, 엔진(1)의 운전 모드에 관련된 처리에 대하여 설명한다.
(2) 엔진의 운전 모드
컨트롤러(100)는, 엔진(1)의 각종 운전 파라미터를 제어함으로써, 엔진(1)의 운전 모드로서, 3차 규제(Tier-3)에 적합한 EGR 운전과, 2차 규제(Tier-2)에 적합한 통상운전을 구별하여 사용할 수 있다. EGR 운전은, 통상운전에 비하여 NOx 배출량 삭감에 적합한 운전 모드다. 통상운전은, EGR 운전에 비하여 공기의 비열비가 높은 운전 모드다.
EGR 운전에서, 컨트롤러(100)는, EGR 밸브(82)를 개방 상태로 한다. 이로써, 엔진(1) 내에 EGR 가스가 순환하게 된다. 또한, EGR 운전에 있어서, 컨트롤러(100)는, 배기 조정 시스템(9)을 제어함으로써, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 통상운전에 비하여 상대적으로 감소시킨다. 구체적으로, 컨트롤러(100)는, 바이패스 밸브(93)를 폐쇄 상태로 한다. 이로써, 바이패스 통로(91)를 개재한 배기의 우회가 억제된다.
통상운전에서, 컨트롤러(100)는, EGR 밸브(82)를 폐쇄 상태로 한다. 이로써, EGR 가스의 순환이 정지된다. 또한, 통상운전에 있어서, 컨트롤러(100)는, 배기 조정 시스템(9)을 제어함으로써, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 EGR 운전에 비하여 상대적으로 증가시킨다. 구체적으로, 컨트롤러(100)는, 바이패스 밸브(93)를 개방 상태로 한다. 이로써, 바이패스 통로(91)를 개재하여 배기의 일부가 터빈(42)을 우회하게 된다.
또한, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행 시(또는 이행 도중 시)에는, EGR 밸브(82)가 개방 상태에서 폐쇄 상태로 변경되게 된다. 이때, 컨트롤러(100)는, 통상운전으로의 이행 완료 직후, 또는, 그 이행 도중 시에 걸쳐, 바이패스 밸브(93)를 적어도 일시적으로 전개 상태로 한다.
마찬가지로, 통상운전에서 EGR 운전으로의 이행 시(또는 이행 도중 시)에는, EGR 밸브(82)가 폐쇄 상태에서 개방 상태로 변경되게 된다. 이때, 컨트롤러(100)는, EGR 운전으로의 이행 완료 직후, 또는, 그 이행 도중 시에 걸쳐, 바이패스 밸브(93)를 폐쇄 상태로 한다.
(3) 운전 모드 전환의 구체예
도 2는 EGR 운전에서 통상운전으로의 전환 순서를 예시하는 흐름도이다.
먼저, 도 2의 단계 S11에 예시되는 바와 같이, 엔진(1)의 운전 모드를 EGR 운전으로 한 상태(특히, EGR 운전의 정상(定常) 상태)에서 선박이 운항하는 것으로 한다.
이어지는 단계 S12에서, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행 여부가 판정된다. 이 판정이 YES일 경우에는 단계 S13으로 진행하는 한편, NO일 경우에는 컨트롤러(100)가 제어 프로세스를 종료시킨다.
단계 S13에서는, EGR 밸브(82)가 폐쇄 상태가 된다. 이로써, EGR 가스의 순환이 정지된다. 그 다음에 이어지는 단계 S14에서는, 컨트롤러(100)가 바이패스 밸브(93)에 제어 신호를 출력함으로써, 그 바이패스 밸브(93)를 적어도 일시적으로 전개 상태로 한다. 이로써, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량이 감소한다. EGR 밸브(82)를 폐쇄함으로써 소기압이 과대해질 것이 우려되지만, 바이패스 밸브(93)를 개방함으로써, 그러한 우려가 해소된다.
EGR 밸브(82)를 폐쇄함으로써 엔진(1) 내의 EGR 가스가 배출되면, 단계 S14에서 단계 S15로 진행한다. 이 단계 S15에서는, 각종 운전 파라미터(엔진(1)의 각종 액추에이터를 제어하기 위한 파라미터)가, EGR 운전에 적합한 파라미터에서 통상운전에 적합한 파라미터로 변경된다.
최종적으로, 단계 S15에서부터 이어지는 단계 S16에 있어서, 통상운전(특히, 통상운전의 정상 상태)에서의 운항이 개시되고, 컨트롤러(100)는 제어 프로세스를 종료하게 된다.
그리고, 단계 S13, 단계 S14 및 단계 S15는, 동시에 나란히 실시할 수도 있다.
도 3은 통상운전에서 EGR 운전으로의 전환 순서를 예시하는 흐름도이다.
먼저, 도 3의 단계 S21에 예시되는 바와 같이, 엔진(1)의 운전 모드를 통상운전으로 한 상태(특히, 통상운전의 정상 상태)에서 선박이 운항하는 것으로 한다.
이어지는 단계 S22에서, 통상운전에서 EGR 운전으로의 이행 여부가 판정된다. 이 판정이 YES일 경우에는 단계 S23으로 진행하는 한편, NO일 경우에는 컨트롤러(100)가 제어 프로세스를 종료시킨다.
단계 S23에서는, 컨트롤러(100)가 바이패스 밸브(93)에 제어 신호를 출력함으로써, 그 바이패스 밸브(93)를 적어도 일시적으로 전폐 상태로 한다. 이에 이어지는 단계 S24에서는, EGR 밸브(82)가 개방 상태가 된다.
단계 S23에서는, 컨트롤러(100)가 바이패스 밸브(93)에 제어 신호를 출력함으로써, 그 바이패스 밸브(93)를 적어도 일시적으로 전폐 상태로 한다. 이로써, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량이 증가한다. 이에 이어지는 단계 S24에서는, EGR 밸브(82)가 개방 상태가 된다. 이로써, EGR 가스의 순환이 개시된다. EGR 밸브(82)를 개방함으로써 소기압의 저하가 우려되지만, 바이패스 밸브(93)를 폐쇄함으로써, 그러한 우려가 해소된다.
EGR 밸브(82)를 개방함으로써 EGR 가스의 순환이 개시되면, 단계 S24에서 단계 S25로 진행한다. 이 단계 S25에서는, 각종 운전 파라미터가, 통상운전에 적합한 파라미터에서 EGR 운전에 적합한 파라미터로 변경된다.
최종적으로, 단계 S25에서부터 이어지는 단계 S26에 있어서, EGR 운전(특히, EGR 운전의 정상 상태)에서의 운항이 개시되고, 컨트롤러(100)는 제어 프로세스를 종료하게 된다.
그리고, 단계 S23, 단계 S24 및 단계 S25는, 동시에 나란히 실시할 수도 있다.
(4) 소기압의 유지에 대하여
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 컨트롤러(100)는, 도 2의 단계 S13~S14에 나타내는 바와 같이, 통상운전을 실행하는 경우(EGR 밸브(82)가 폐쇄 상태에 있는 경우)에는, EGR 운전을 실행하는 경우(EGR 밸브(82)가 개방 상태에 있는 경우)와 비교하여, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 감소시킨다.
이로써, EGR 운전에 적합한 소기압이 실현되도록 터빈 노즐 면적을 미리 좁혀두었다 하더라도, 통상운전에서는 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 감소시킴으로써, 그 통상운전에서의 소기압의 과도한 상승을 억제하고, 통내압이 허용 범위에 들어갈 수 있게 된다.
환언하면, 컨트롤러(100)는, 도 3의 단계 S23~S24에 나타내는 바와 같이, EGR 운전을 실행하는 경우에는, 통상운전을 실행하는 경우와 비교하여, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 증가시키게 된다.
이로써, 통상운전에 적합한 소기압이 실현되도록, 바이패스 통로(91)를 이용하여 배기의 유량을 낮게 설정해두었다 하더라도, EGR 운전 시에는 그 바이패스 통로(91)를 폐지함으로써, EGR 운전에서도 적절한 소기압을 유지할 수 있게 된다.
또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 바이패스 밸브(93)를 이용하여 배기 조정 시스템(9)을 구성함에 따라, 바이패스 밸브(93)를 개방 상태로 한 때에는, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 상대적으로 감소시킬 수 있는 한편, 바이패스 밸브(93)를 폐쇄 상태로 한 때에는, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유량을 상대적으로 증가시킬 수 있게 된다. 바이패스 밸브(93)를 적절히 개폐함으로써, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행 시(또는, 그 반대로 이행 시)에, 소기압을 적절한 값으로 유지할 수 있게 된다.
또한, 전술한 바와 같이, 터빈 노즐 면적을 설계 단계에서 좁혀둠으로써, 배기 터빈식 과급기(4)의 토출압은, 사전에 높게 설정된다. 이와 같이 설정함으로써, 전술한 바와 같이, EGR 밸브(82)를 개방 상태로 한 때, 또는, 바이패스 밸브(93)를 개방 상태로 한 때에 발생하는 토출압의 저하를 예상한 구성으로 할 수 있어, 토출압이 적정 범위에 들어갈 수 있게 된다.
또한, 도 2의 단계 S14에 나타내는 바와 같이, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행 직후 또는 이행 도중 시에 바이패스 밸브(93)를 전개 상태로 함으로써, 주기관(10) 내에 잔존한 EGR 가스의 배출을 촉진시키고, 이를 조기에 배출할 수 있게 된다. 이로써, EGR 운전에서 통상운전으로의 이행을 원활하게 실시할 수 있게 된다.
또한, 바이패스 밸브(93)가 개방 상태에 있는 때에는, 바이패스 통로(91)를 개재하여 배기가 터빈(42)을 우회하게 된다. 그러나, 필요 이상의 배기를 우회시켜서는 소기압의 저하를 초래하고, 이를 유지하는 데 문제가 된다.
그래서, 바이패스 통로(91) 상에 오리피스(92)를 배치함으로써, 바이패스 밸브(93)가 개방 상태에 있어도 또한, 터빈(42)을 우회하는 배기의 유량을, 당해 터빈(42)을 통과하는 배기의 유량보다 적게 한다. 이와 같이 함으로써, 터빈(42) 구동에 필요한 유량을 확보할 수 있고, 더 나아가서는, 소기압을 유지하는 데 유리해진다.
《그 밖의 실시형태》
도 4는 선박용 내연 기관의 변형예(이하, 이를 "엔진(1')"이라고도 함)를 나타내는 도 1에 대응하는 도면이다. 상기 실시형태에 따른 배기 조정 시스템(9)은, 바이패스 통로(91) 및 이를 개폐하는 바이패스 밸브(93) 등에 의해 구성되었으나, 본 개시는, 그러한 구성에 한정되지 않는다.
예를 들어, 배기 터빈식 과급기(4)를 이른바 가변 노즐 터보(Variable Nozzle Turbo : VNT)로서 구성한 경우에, 그 가변 노즐(43)에 의해 배기 조정 시스템(9')을 구성하여도 된다.
구체적으로, 변형예에 따른 배기 터빈식 과급기(4')는, 가변 노즐(43)을 구비한다. 이 가변 노즐(43)은, 이른바 가변 노즐 링에 의해 구성된다. 가변 노즐 링은, 터빈(42)의 입구 주변에 링 형상으로 배치된 복수의 노즐 블레이드로 이루어진다. 각 노즐 블레이드에는, 각 노즐 블레이드의 회전축으로서 기능하는 샤프트가 배치된다. 이 샤프트에는 레버가 장착되고, 당해 레버를 동작시킴으로써 노즐 블레이드의 회전각이 변화한다. 각 노즐 블레이드의 회전각이 변화함에 따라, 가변 노즐(43)의 스로트 면적이 증감한다. 이로써, 터빈(42)의 입구 주변의 통로 면적이 증감한다. 터빈(42) 주위의 통로 면적을 변화시킴으로써, 이 터빈(42)에 공급되는 배기의 유속을 조정할 수 있다. 변형예에 따른 배기 조정 시스템(9')은, 이 가변 노즐(43)에 의해 구성된다.
그리고, 변형예에 따른 배기 터빈식 과급기(4')는, EGR 밸브(82)를 개방 상태로 하며 또한 가변 노즐(43)에 의해 터빈(42) 주위의 통로 면적을 축소한 때, 또는, EGR 밸브(82)를 폐쇄 상태로 하며 또한 가변 노즐(43)에 의해 터빈(42) 주위의 통로 면적을 확대한 때에, 배기 터빈식 과급기(4')의 소기압이 소정 범위에 들어가도록 구성된다. 이와 같이 함으로써, 상기 실시형태와 마찬가지로, EGR 밸브(82)를 개방 상태로 한 때, 또는, 가변 노즐(43)에 의해 통로 면적을 확대한 때에 발생하는 소기압의 저하를 예상한 구성으로 할 수 있어, 소기압이 적정 범위에 들어갈 수 있게 된다.
상기 실시형태와 마찬가지로, EGR 운전에 있어서, 컨트롤러(100)는, EGR 밸브(82)를 개방 상태로 함과 함께, 배기 조정 시스템(9')을 제어함으로써, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유속을 통상운전에 비하여 상대적으로 감소시킨다. 구체적으로, 컨트롤러(100)는, 배기 조정 시스템(9')으로서의 가변 노즐(43)을 작동시켜, 상기 통로 면적을 확대시킨다.
한편, 통상운전에 있어서, 컨트롤러(100)는, EGR 밸브(82)를 폐쇄 상태로 함과 함께, 배기 조정 시스템(9')을 제어함으로써, 터빈(42)에 공급되는 배기의 유속을 EGR 운전에 비하여 상대적으로 증가시킨다. 구체적으로, 컨트롤러(100)는, 배기 조정 시스템(9')으로서의 가변 노즐(43)을 작동시켜, 상기 통로 면적을 축소시킨다.
이로써, EGR 운전에 적합한 소기압이 실현되도록 터빈 노즐 면적을 미리 좁혀두었다 하더라도, 통상운전에서는 터빈(42)에 공급되는 배기의 유속을 감소시킴으로써, 그 통상운전에서의 소기압의 과도한 상승을 억제하고, 통내압이 허용 범위에 들어갈 수 있게 된다.
마찬가지로, 통상운전에 적합한 소기압이 실현되도록, 가변 노즐(43)을 이용하여 배기의 유속을 낮게 설정해두었다 하더라도, EGR 운전 시에는 그 가변 노즐(43)을 작동시켜 유속을 높임으로써, EGR 운전에서도 적절한 소기압을 유지할 수 있게 된다.
1 : 엔진(선박용 내연 기관)
1' : 엔진(선박용 내연 기관의 변형예)
10 : 주기관
21 : 흡기 통로
31 : 배기 통로
4 : 배기 터빈식 과급기
41 : 컴프레서
42 : 터빈
43 : 가변 노즐(배기 조정 시스템의 변형예)
81 : EGR 통로
82 : EGR 밸브
9 : 배기 조정 시스템
91 : 바이패스 통로
92 : 오리피스(배기 스로틀 수단)
93 : 바이패스 밸브
100 : 컨트롤러

Claims (8)

  1. 2 스트로크식 주기관과,
    상기 주기관에 접속되는 흡기 통로 및 배기 통로와,
    상기 흡기 통로에 배치되는 컴프레서 및 상기 배기 통로에 배치되는 터빈을 가지며, 상기 터빈에 공급되는 배기에 의해 상기 컴프레서를 구동하는 배기 터빈식 과급기와,
    상기 배기 통로에서의 상기 터빈 하류 측 부위와, 상기 흡기 통로에서의 상기 컴프레서 상류 측 부위를 접속하는 EGR 통로와,
    상기 EGR 통로를 개폐하는 EGR 밸브와,
    상기 터빈에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 조정하는 배기 조정 시스템과,
    상기 EGR 밸브의 개도에 기초하여 상기 배기 조정 시스템을 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 EGR 밸브가 폐쇄 상태에 있어 EGR 가스를 환류시키지 않는 경우에는, 당해 EGR 밸브가 개방 상태에 있어 EGR 가스를 환류시키는 경우와 비교하여, 상기 터빈에 공급되는 배기의 유량 또는 유속을 감소시키는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 조정 시스템은,
    상기 배기 통로에서의 상기 터빈 상류 측 부위와, 당해 터빈 하류 측 부위를 접속하는 바이패스 통로와,
    상기 바이패스 통로를 개폐함으로써, 상기 터빈에 공급되는 배기의 유량을 조정하는 바이패스 밸브를 갖는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배기 터빈식 과급기는, 상기 EGR 밸브 및 상기 바이패스 밸브 중 어느 한쪽을 개방 상태로 한 때에, 당해 배기 터빈식 과급기의 토출압이 소정의 적정 범위에 들어가도록 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 EGR 밸브가 개방 상태에서 폐쇄 상태로 변경된 때, 상기 바이패스 밸브를 적어도 일시적으로 전개 상태로 하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈을 통과하는 배기의 유량과, 상기 바이패스 통로를 개재하여 상기 터빈을 우회하는 배기의 유량과의 비율을 조정하는 배기 스로틀 수단을 구비하고,
    상기 배기 스로틀 수단은, 상기 바이패스 밸브가 개방 상태에 있는지 여부와는 상관없이, 상기 터빈을 우회하는 배기의 유량을, 당해 터빈을 통과하는 배기의 유량보다 적게 하도록 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이패스 통로에는, 당해 바이패스 통로의 통로 단면적을 좁히는 오리피스가 배치되고,
    상기 배기 스로틀 수단은, 상기 오리피스에 의해 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 터빈식 과급기는, 상기 터빈 주위의 통로 면적을 변화시킴으로써, 상기 터빈에 공급되는 배기의 유속을 조정하는 가변 노즐을 구비하고,
    상기 배기 조정 시스템은, 상기 가변 노즐에 의해 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배기 터빈식 과급기는, 상기 EGR 밸브를 개방 상태로 하며 또한 상기 가변 노즐에 의해 상기 통로 면적을 축소한 때, 또는, 상기 EGR 밸브를 폐쇄 상태로 하며 또한 상기 가변 노즐에 의해 상기 통로 면적을 확대한 때에, 상기 배기 터빈식 과급기의 토출압이 소정 범위에 들어가도록 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
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