KR20110094137A - 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템 - Google Patents

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카니치 야마모토
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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

본 발명에 따른 배기 재순환 시스템은, 내연기관(2)로부터의 배기가스를 인도하는 배기통로(3)에 대하여 병렬 접속된 복수의 과급기(6A, 6B)와, 복수의 과급기(6A, 6B)로부터 발생하는 압축가스를 내연기관(2)으로 공급하기 위한 급기 또는 소기통로(10)와 배기통로(3)를 바이패스하는 EGR통로(25)와, EGR통로(25)를 흐르는 배기 가스량의 모든 배기가스량에 대한 비율인 EGR율을 조정하는 제어를 실행하는 제어장치(30)를 구비하며, 제어장치(30)는 또한 내연기관(2)의 부하 및 EGR율에 따라 복수의 과급기(6A, 6B) 각각을 동작시키는지 여부를 결정하는 제어를 실행하는 구성으로 되어있다.

Description

과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템{EXHAUST RECIRCULATION SYSTEM IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SUPERCHARGER}
본 발명은 과급기(過給機)(supercharger)를 구비한 내연기관에 적용되는 배기 재순환 시스템에 관한 것이다.
종래 NOx 배출량의 저감이나 연비의 향상을 목적으로 배기가스를 내연기관에 재순환시키는 기술을 적용한 내연기관이 알려져 있고, 당해 기술은 일반적으로 「배기 재순환(EGR)」이라고 불리고 있다. 이 내연기관에 있어서는, 배기통로와 급기 또는 소기(掃氣)통로를 바이패스(bypass)하는 EGR통로에 EGR밸브가 설치되고, 이 EGR밸브의 개도(開度)를 변경함으로써 EGR통로를 통하여 재순환되는 배기가스량을 변경 가능하게 하고 있다. 내연기관의 제어장치는 도 5에 나타낸 바와 같이, EGR율이 증가하면 NOx 배출량이 단순 감소한다는 관계에 기초하여 NOx 배출량이 소망하는 값이 되도록 EGR밸브의 개도를 조정하는 제어를 실행한다.
또한, 복수의 과급기를 구비한 내연기관도 잘 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌1에는, 내연기관의 회전수에 따라 배기가스의 유량이 변화한다는 사정을 감안하여, 서로 용량이 다른 2개의 과급기를 구비한 내연기관이 개시되어 있다. 이 내연기관에는, 과급기 터빈(turbine) 상류의 배기가스를 과급기 컴프레서(compressor) 하류로 순환시키는 이른바 고압 EGR기술이 사용되고 있다.
이 내연기관의 제어장치는 내연기관의 회전수 및 연료 분사량에 따라 소용량의 과급기만을 동작시키는 싱글 모드(single mode) 및 양측의 과급기를 동작시키는 트윈 모드(twin mode)의 2가지 동작 모드에서 하나를 선택적으로 설정하는 제어를 실행한다. 이에 따라 내연기관의 회전수 또는 연료 분사량이 변화하여도 그 변화에 추종하여 될 수 있는 한 높은 과급 성능이 발휘될 수 있도록 하고 있다.
그리고, 싱글 모드에서 트윈 모드로 동작 모드를 이행할 때에는, 정지되어 있던 대용량의 과급기를 시동시켜야 한다. 여기서, 이 내연기관의 제어장치는 트윈 모드로의 이행시에 EGR밸브를 조이는 제어를 실행한다. 이에 따라, 재순환되어야 할 배기가스가 과급기 측으로 공급되어 이 대용량의 과급기의 사전 회전에 필요한 유량을 확보 가능하게 한다.
특허문헌1: 일본 특개2008-175114호 공보
이와 같이 종래의 제어장치에 따르면, 배기 재순환 기술을 적용한 내연기관에 구비되어 있는 복수의 과급기의 동작 제어가 회전수와 연료 분사량에만 기초하여 실행되고 있다. 그러나, 회전수 및 연료 분사량이 같아도 EGR밸브의 개도가 변경되면, 과급기 측으로 공급되는 배기 가스량이 변경되어버린다. 이 때문에 과급기 측으로 실제로 공급되고 있는 배기 가스량에 기초한 최적의 동작 모드를 설정할 수 없는 우려가 있다.
또한, 제어장치가 선택적으로 설정 가능한 동작모드는 2가지이고, 운전상태에 따른 최적의 과급 성능을 발휘하기 어려운 우려가 있다. 특히, 재순환되는 배기 가스량을 변경 가능하게 구성된 내연기관에 있어서는, 재순환되는 배기 가스량의 모든 배기 가스량에 대한 비율(이른바 EGR율)이 과급기 측으로 공급되는 배기 가스량을 결정하는 중요한 요소이고, 이 EGR율의 변화에 따라 섬세한 과급기의 제어를 실행 가능하게 하는 것이 요구되고 있다.
또한, 종래의 제어장치에 의하면, 동작모드의 이행 시에 과급기를 사전 회전시킬 때에, EGR밸브의 개도를 변경하여 재순환되어야 할 배기 가스량을 변경하도록 하고 있다. 전술한 바와 같이, EGR밸브의 개도는 원래 NOx 배출량을 소망하는 값으로 억제하는 것을 목적으로 하여 조정되고 있다. 이 때문에, 과급기의 동작모드의 이행을 위하여 EGR밸브의 개도가 변경되면, 이 원래의 목적을 달성할 수 없어질 우려가 있다.
여기서 본 발명은 배기가스를 재순환시키는 기술을 적용한 과급기 장착 내연기관에 있어서, 어떠한 운전상태에나 높은 과급성능을 발휘시키는 것을 목적으로 하고, 과급기 통과 풍량이 크게 감소하는 고EGR율의 운전 시에도 높은 과급 성능을 발휘시키는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 과급기의 동작 제어와, EGR율을 결정하는 제어 간의 간섭을 방지하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 따른 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템은 내연기관으로부터의 배기가스를 인도하는 배기통로와, 상기 배기통로에 대하여 병렬 접속된 복수의 과급기와, 상기 복수의 과급기로부터 발생하는 압축가스를 상기 내연기관으로 공급하기 위한 급기 또는 소기통로와, 상기 배기통로와 상기 급기 또는 소기통로를 바이패스하는 EGR통로와, 상기 EGR통로를 흐르는 배기 가스량의 모든 배기가스량에 대한 비율인 EGR율을 조정하는 제어를 실행하는 제어장치를 구비하며, 상기 제어장치는 또한 상기 내연기관의 부하 및 상기 EGR율에 따라 상기 복수의 과급기 각각을 동작시키는지 여부를 결정하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 구성으로 함으로써, EGR율이 변경되어 과급기 측으로 공급되는 배기 가스량이 변화하였다고 하여도 그 배기 가스량의 변화에 추종하여 최적의 과급기의 동작상태를 선택할 수 있게 된다. 또한, 복수의 과급기 각각에 관하여, 이를 동작시키는지 여부를 결정하도록 하고 있기 때문에, 동작시킬 과급기의 조합이 다양화된다. 이 때문에, 내연기관의 부하 및 EGR율에 따라 섬세하게 과급기의 동작상태를 변경할 수 있어 그 때의 운전상태에 따라 가능한 한 높은 과급 성능을 발휘시킬 수 있게 된다.
상기 복수의 과급기 중 적어도 하나에, 당해 과급기로부터 발생하는 압축가스의 압력을 조정하기 위한 가변 노즐이 설치될 수 있다. 이 가변 노즐을 최적으로 제어함으로써 과급 성능을 보다 높일 수 있다.
상기 배기통로에는, 상기 내연기관에서 연장되는 배기 집합통로와, 당해 배기 집합통로로부터 서로 분기하여 상기 복수의 과급기 각각에 접속되는 복수의 배기 분기통로가 포함되고, 상기 각 배기 분기통로에 설치된 배기 개폐밸브를 더 구비하며, 상기 제어장치는 동작시켜야 할 과급기에 접속된 분기 배기통로를 개방함과 아울러 정지시켜야 할 과급기에 접속된 분기 배기통로를 폐쇄하도록, 복수의 상기 배기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 상기한 바와 같이 복수의 과급기 각각에 대하여 이를 동작시키는지 여부를 선택하기 위한 구성을 실현할 수 있다.
상기 급기 또는 소기통로에는, 상기 복수의 과급기에 각각 접속된 복수의 분기통로와, 상기 복수의 분기통로가 집합되어 상기 내연기관으로 연장하는 집합통로가 포함되고, 상기 각 분기통로에 설치된 개폐밸브를 더 구비하며, 상기 제어장치는, 동작시켜야 할 과급기에 접속된 분기통로를 개방함과 아울러 정지시켜야 할 과급기에 접속된 분기통로를 폐쇄하도록 복수의 상기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 동작시켜야 할 과급기로부터의 압축가스가 급기 또는 소기통로를 통하여 내연기관으로 공급되도록 함과 아울러 정지시켜야 할 과급기에 이 압축가스가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
상기 배기통로와는 독립하여 설치되고, 상기 복수의 과급기 각각에 사전 회전용 압축공기를 공급하기 위한 압축공기통로를 더 구비하며, 상기 제어장치는, 상기 과급기의 시동에 임하여, 시동해야 할 과급기에 대하여 소정 기간 상기 압축공기통로를 통하여 사전 회전용 압축공기를 공급하는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 시동해야할 과급기의 사전 회전에 배기가스를 이용할 필요가 없어진다. 즉, 예를 들면, EGR율을 작게 하여 재순환되어야 할 배기가스를 과급기 측으로 돌리는 것과 같은 필요가 없어진다. 이와 같이 과급기의 동작 제어가 NOx 배출량을 저감하는 것을 목적으로 한 EGR율을 결정하는 제어에 간섭하는 것을 피할 수 있다.
상기 복수의 과급기의 컴프레서 각각의 하류측에 접속되고, 과급기로부터의 압축가스를 대기에 개방하기 위한 복수의 릴리스(release) 통로와, 상기 각 릴리스 통로에 설치된 릴리스 밸브를 더 구비하며, 상기 제어장치는, 상기 소정 기간이 경과하는 동안에, 상기 시동해야 할 과급기에 대응하는 릴리스 통로를 개방하도록 상기 릴리스 밸브를 구동하는 제어를 실행하고, 상기 소정 기간의 경과 후에 당해 릴리스 통로를 폐쇄하도록 상기 릴리스 밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 시동하여야 할 과급기를 사전 회전시키고 있을 때에 서징(surging)이 발생하는 것을 피할 수 있다.
상기 급기 또는 소기통로에는, 상기 복수의 과급기에 각각 접속된 복수의 분기통로와, 상기 복수의 분기통로가 집합되어 상기 내연기관으로 연장되는 집합통로가 포함되고, 상기 각 분기통로에 설치된 개폐밸브와, 상기 배기통로와는 독립하여 설치되고, 상기 복수의 과급기 각각에 사전 회전용 압축공기를 공급하기 위한 압축공기통로와, 상기 복수의 과급기의 컴프레서 각각의 하류측에 접속되고, 과급기로부터의 압축가스를 대기에 개방하기 위한 복수의 릴리스 통로와, 상기 각 릴리스 통로에 설치된 릴리스 밸브를 더 구비하며, 상기 제어장치는, 상기 과급기의 시동에 임하여, 시동하여야 할 과급기에 대해 소정 기간 상기 압축공기통로를 통하여 사전 회전용 압축공기를 공급하는 제어를 실행함과 아울러, 적어도 상기 소정 기간이 경과하는 동안에, 상기 시동하여야 할 과급기에 대응하는 릴리스 통로를 개방하도록 상기 릴리스 밸브를 구동함과 아울러 상기 시동하여야 할 과급기에 접속된 분기통로를 폐쇄하도록 상기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하고, 상기 소정 기간의 경과 후에 당해 릴리스 통로를 폐쇄하도록 상기 릴리스 밸브를 구동함과 아울러 당해 분기통로를 개방하도록 상기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 시동하여야 할 과급기를 사전 회전시키고 있는 때에, 당해 과급기의 컴프레서로부터의 압축가스가 내연기관으로 공급되는 것을 방지할 수가 있어 내연기관의 거동이 불안정해지는 것을 피할 수 있다. 또한 과급기의 사전 회전 시에 다른 과급기로부터의 압축가스가 역류하는 것을 방지할 수가 있어 과급기의 사전 회전을 안정적으로 행하게 할 수 있다.
상기 복수의 과급기의 용량이 모두 같을 수 있다. 또한, 상기 복수의 과급기의 용량이 서로 다를 수 있다. 다르게 한 경우, 예를 들면 부분 부하 때에는 용량이 작은 과급기를 동작시키고, 중고(中高) 부하 시에는 용량이 큰 과급기를 동작시키는 등의 제어가 실행 가능해져 운전상태의 변화에 무관하게 높은 과급 성능을 발휘시킬 수 있게 된다.
상기 제어장치는, 상기 EGR율을 소정의 하한값과 소정의 상한값 사이의 범위에서 조정하는 제어를 실행하고, 상기 복수의 과급기 중 최소용량의 과급기는, 상기 내연기관의 부하가 저부하이고 상기 EGR율을 상기 상한값으로 조정했을 때에 당해 과급기까지 인도되는 배기가스의 유량에 기초하여 그 용량이 설정될 수 있다. 내연기관이 저 부하이고 EGR율이 상한값으로 설정되어 있을 때에는 과급기 측으로 공급되는 배기가스의 유량이 가장 작아지는 상황이다. 이와 같은 상황에 맞추어 과급기의 용량을 설정함으로써 이와 같은 상황에 있어서도 높은 과급 성능을 발휘할 수 있게 된다.
상기 복수의 과급기가 제1 과급기와, 당해 제1 과급기에 비하여 용량이 작은 제2 과급기로 이루어지고, 상기 제어장치는, 상기 내연기관의 부하 및 상기 EGR율에 기초하여 상기 제1 및 제2 과급기 양측을 동작시키는 상태, 상기 제1 과급기만을 동작시키는 상태 및 상기 제2 과급기만을 동작시키는 상태 중 어느 하나의 상태를 선택하는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 2개의 과급기를 구비한 내연기관에 있어서 운전상태에 따른 과급기의 동작 제어를 섬세하게 실행할 수 있다.
상기 제1 과급기로부터의 압축가스의 압력을 조정하기 위한 가변 노즐을 더 구비하며, 상기 제어장치는, 상기 EGR율이 0일 때에 적어도 상기 제1 과급기를 동작시키고, 상기 EGR율이 0보다 크고 소정의 EGR 역치(threshold value) 미만일 때에, 적어도 상기 제1 과급기를 동작시키고 또한 상기 제1 과급기로부터의 압축가스의 압력이 소정의 필요 압력 이상으로 되도록 상기 가변 노즐을 동작시키는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 재순환되어야 할 배기 가스량이 0이고, 모든 배기가스가 과급기로 공급되는 상황에 있어서는, 적어도 대용량의 제1 과급기를 동작시킴으로써 가능한 한 높은 과급성능을 발휘할 수 있다. 이 제1 과급기에 가변 노즐을 설치해두면, EGR율이 0에서부터 점차 증가했을 때에, 이 가변 노즐의 동작에 의해 최적의 과급 성능이 발휘되는 상황을 유지할 수 있다.
상기 제어장치는, 상기 내연기관의 부하가 소정의 부하 역치 이상이고, 상기 EGR율이 소정의 EGR 역치 미만일 때에, 상기 제1 및 제2 과급기 양측을 동작시키고, 상기 EGR율이 상기 EGR 역치 이상일 때에, 상기 제1 과급기만을 동작시키는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 내연기관의 부하가 고부하의 상태에 있을 때에 있어서, EGR율이 낮거나 0일 때에는 과급기 측에 비교적 대량의 배기가스가 공급되기 때문에, 2개의 과급기를 함께 동작시킴으로써 높은 과급 성능을 발휘할 수 있다. EGR율이 높을 때에는, 소용량의 제2 과급기를 정지시킴으로써 최적의 과급 성능이 발휘되는 상태를 유지할 수 있다.
상기 제어장치는, 상기 내연기관의 부하가 소정의 부하 역치 미만이며, 상기 EGR율이 소정의 EGR 역치 미만일 때에, 상기 제1 과급기만을 동작시키고, 상기 EGR율이 상기 EGR 역치 이상일 때에, 상기 제2 과급기만을 동작시키는 제어를 실행하는 구성일 수 있다. 이에 따라, 내연기관의 부하가 저부하의 상태에 있을 때에 있어서, EGR율이 높을 때에는, 과급기 측으로 공급되는 배기가스의 양이 적어지기 때문에, 소용량의 제2 과급기만을 동작시킴으로써 높은 과급 성능을 발휘할 수 있다. EGR율이 낮거나 0일 때에는, 제2 과급기 대신에 제1 과급기만을 동작시킴으로써 최적의 과급 성능이 발휘되는 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 배기가스를 재순환시키는 기술을 적용한 과급기 장착 내연기관에 있어서, 내연기관의 부하 및 EGR율 등의 운전상태에 따라 높은 과급 성능을 발휘시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 재순환 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 시스템의 제어계의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 내연기관의 부하 및 EGR율과, 과급기의 동작상태의 대응관계에 관한 설명도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 터보 제어부가 실행하는 터보 제어의 처리순서를 나타낸 플로우차트이다.
도 5는 EGR율과 NOx 배출율의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 이들 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 배기 재순환 시스템(이하, 간단히 「시스템」이라고 함)(1)은 과급기를 구비한 내연기관(2)에 적용되어 있다. 이 내연기관(2)은 2사이클 엔진 및 4사이클 엔진 중 어느 것일 수도 있고, 가솔린 엔진, 가스 엔진 및 디젤 엔진 중 어느 것일 수도 있다. 또한, 이 내연기관(2)은 4륜차나 선박 등의 수송기뿐 아니라 그 외 다양한 기기의 원동기로서 이용될 수 있다. 여기서는, 편의상 내연기관(2)이 선박용 2사이클 디젤 엔진인 것으로 하여 설명한다.
내연기관(2)은 도시하지 않은 연소실을 가지고, 당해 연소실에서는 배기가스를 인도하기 위한 배기통로(3)가 연장되어 있다. 배기통로(3)는 내연기관(2)에서 연장되는 1계통의 집합 배기통로(4)와, 이 집합 배기통로(4)에서 서로 나뉘어져 연장되는 2개의 분기 배기통로(5A, 5B)를 가지고 있다.
각 분기 배기통로(5A, 5B)에는 과급기(6A, 6B)가 각각 접속되어 있다. 다시 말하면, 본 시스템(1)은 2개의 과급기(6A, 6B)를 구비하고 있고, 이들 과급기(6A, 6B)는 분기 배기통로(5A, 5B)를 통하여 집합 배기통로(4)에 대하여 병렬로 접속되어 있다.
이들 2개의 과급기(6A, 6B)는 서로 용량이 다르며, 이하에서는 대용량의 과급기(6A)를 「제1 과급기(6A)」, 소용량의 과급기(6B)를 「제2 과급기(6B)」라고 한다. 또한, 제1 과급기(6A)에 접속된 분기 배기통로(5A)를 「제1 분기 배기통로(5A)」, 제2 과급기(6B)에 접속된 분기 배기통로(5B)를 「제2 분기 배기통로(5B)」라고 한다.
제1 과급기(6A)는 터빈(7A) 및 컴프레서(8A)를 가지고 있고, 터빈(7A)은 제1 분기 배기통로(5A)를 흐르는 배기가스에 의해 회전된다. 컴프레서(8A)는 터빈(7A)의 회전 토크(torque)가 전달됨으로써 회전하고, 이에 따라 컴프레서(8A)에서 공기가 압축된다. 터빈(7A)의 입구부에는 터빈(7A)에 유입되는 배기가스의 유로 단면을 변화시키는 가변 노즐(nozzle)(9A)이 설치되어 있고, 이 가변 노즐(9A)의 동작에 의해 컴프레서(8A)로부터 유출되는 압축가스의 압력을 조절 가능하게 된다.
제2 과급기(6B)의 구조는 가변 노즐을 가지고 있지 않은 점을 제외하고 제1 과급기(6A)와 동일하기 때문에, 그 중복 설명을 생략한다. 도 1 내의 부호 7B, 8B는 제2 과급기(6B)의 터빈 및 컴프레서이다.
과급기(6A, 6B)에는 과급기(6A, 6B)로부터의 압축가스를 내연기관(2)의 연소실로 공급하는 소기통로(10)가 접속되어 있다. 또한, 내연기관이 4사이클 엔진일 경우에는 이들 과급기는 급기통로에 접속되는 것으로 이루어진다.
소기통로(10)는 제1 과급기(6A)의 컴프레서(8A) 측에서 연장되는 제1 분기 소기통로(11A)와, 제1 과급기(6B)의 컴프레서(8B) 측에서 연장되는 제2 분기 소기통로(11B)와, 이들 분기 소기통로(11A, 11B)가 집합하여 내연기관(2)을 향하여 1계통으로 연장되는 집합 소기통로(12)를 가지고 있다. 즉, 2개의 과급기(6A, 6B)는 분기 소기통로(11A, 11B)를 통하여 집합 소기통로(12)에 대해서도 병렬로 접속되어 있다.
이 때문에 본 시스템(1)에 의하면, 각 과급기(6A, 6B)는 내연기관(2)에서 배기되어 배기통로(3)를 흐르는 배기가스의 에너지를 사용하여 공기를 압축하고, 그 고온의 압축가스를 소기통로(10)를 통하여 내연기관(2)으로 공급할 수가 있다. 집합 소기통로(12)에는 에어 쿨러(air cooler)(13)가 설치되어 있고, 과급기(6A, 6B)로부터의 고온 압축가스는 이 에어 쿨러(13)에서 냉각된 후에 내연기관(2)으로 공급되도록 되어 있다.
본 시스템(1)은 제1 분기 배기통로(5A)를 개폐하는 제1 배기 개폐밸브(14A)와, 제2 분기 배기통로(5B)를 개폐하는 제2 배기 개폐밸브(14B)를 구비하고 있다. 제1 배기 개폐밸브(14A)가 제1 분기 배기통로(5A)를 개방하는 상태에 있으면, 제1 분기 배기통로(5A)를 통하여 배기가스가 제1 과급기(6A)로 공급되어 제1 과급기(6A)를 동작시킬 수가 있다. 반대로, 제1 배기 개폐밸브(14A)가 제1 분기 배기통로(5A)를 폐쇄하는 상태에 있으면, 제1 과급기(6A)를 정지시킬 수가 있다. 제2 배기 개폐밸브(14B)의 상태와, 제2 과급기(6B)의 동작의 관계도 이와 같다.
또한, 각 분기 배기통로(5A, 5B)에는 압축기(15)가 발생하는 압축공기를 축압(蓄壓)하는 리저버(reservoir)(16)에서 연장되는 과급기 사전 회전용 압축공기통로(17)가 접속되어 있다. 이 사전 회전용 압축공기통로(17)는 리저버(16)에서 연장되는 집합 압축공기통로(18)와, 집합 압축공기통로(18)에서 분기하여 제1 분기 배기통로(5A)에 접속된 제1 분기 압축공기통로(19A)와, 제2 분기 배기통로(5B)에 접속된 제2 분기 압축공기통로(19B)를 가지고 있다.
또한, 리저버(16)는 과급기의 사전 회전에 전용인 것으로 할 수도 있고, 다른 기기를 구동하기 위한 것과 함께 사용되고 있을 수도 있다. 선박에는 압축공기를 이용하여 구동되는 기기가 다수 있고, 이에 대응하여 리저버가 설치되어 있다. 이 때문에, 내연기관(2) 근처에 배치된 리저버 중 하나를 과급기의 사전 회전에 용이하게 이용 가능하여 과급기의 사전 회전에 전용인 리저버를 설치할 필요성이 적다.
각 분기 압축공기통로(19A, 19B)의 하류단은 제1 분기 배기통로(5A) 및 제2 분기 배기통로(5B)에 각각 접속되어 있어 리저버(16)에 저장되어 있는 압축공기를 각 과급기(6A, 6B)의 터빈(7A, 7B)에 공급할 수 있다. 다시 말하면, 2개의 과급기(6A, 6B)는 분기 배기통로(5A, 5B) 및 분기 압축공기통로(19A, 19B)를 통하여 리저버(16)에 대하여 병렬로 접속되어 있다.
본 시스템(1)은 제1 분기 압축공기통로(19A)를 개폐하는 제1 압축공기 개폐밸브(20A)와, 제2 분기 압축공기통로(19B)를 개폐하는 제2 압축공기 개폐밸브(20B)를 구비하고 있다. 제1 압축공기 개폐밸브(20A)가 제1 분기 압축공기통로(19A)를 개방하는 상태에 있으면, 압축공기가 제1 과급기(6A)의 터빈(7A)으로 공급되고, 당해 압축공기에 의해 터빈(7A)을 회전시킬 수 있다. 반대로, 제1 압축공기 개폐밸브(20A)가 제1 분기 압축공기통로(19A)를 폐쇄하는 상태에 있으면, 압축공기를 터빈(7A)으로 공급할 수 없게 된다. 또한, 제2 압축공기 개폐밸브(19B)의 상태와, 제2 과급기(6B)의 터빈(7B)의 동작의 관계도 이와 같다.
과급기(6A, 6B)의 컴프레서(8A, 8B)에 접속되어 있는 각 분기 소기통로(11A, 11B)에는 압축가스를 대기에 개방하기 위한 제1 및 제2 릴리스(release) 통로(22A, 22B)가 각각 접속되어 있고, 본 시스템(1)은 제1 릴리스 통로(22A)를 개폐하는 제1 릴리스 밸브(23A)와, 제2 릴리스 통로(22B)를 개폐하는 제2 릴리스 밸브(23B)를 구비하고 있다. 제1 릴리스 밸브(23A)가 제1 릴리스 통로(22A)를 개방하는 상태에 있으면, 제1 분기 소기통로(11A) 내의 압축가스가 제1 릴리스 통로(22A)를 통하여 외부로 방출된다. 반대로, 제1 릴리스 밸브(23A)가 제1 릴리스 통로(22A)를 폐쇄하는 상태에 있으면, 제1 분기 소기통로(11A) 내의 압축가스가 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 본 시스템(1)은 제1 분기 소기통로(11A)를 개폐하는 제1 소기 개폐밸브(24A)와, 제2 분기 소기통로(11B)를 개폐하는 제2 소기 개폐밸브(24B)를 구비하고 있다. 제1 소기 개폐밸브(24A)가 제1 분기 소기통로(11A)를 개방하는 상태에 있으면, 제1 분기 소기통로(11A) 내의 압축가스를 집합 소기통로(12)로 공급할 수 있다. 반대로, 제1 소기 개폐밸브(24A)가 제1 분기 소기통로(11A)를 폐쇄하는 상태에 있으면, 제1 분기 소기통로(11A) 내의 압축가스를 집합 소기통로(12)로 공급할 수 없게 된다. 또한, 제2 릴리스 밸브(23B) 및 제2 소기 개폐밸브(24B)의 상태와, 제2 분기 소기통로(11B) 내의 압축가스의 거동의 관계도 이와 같다.
집합 배기통로(4)는 EGR통로(25)를 통하여 집합 소기통로(12)와 바이패스 접속되어 있다. 이 때문에, 내연기관(2)로부터의 배기가스는 각 과급기(6A, 6B)를 경유하지 않고 이 EGR통로(25)를 통하여 소기통로(10)로 인도되어 내연기관(2)과 재순환될 수 있도록 되어 있다. 즉, 본 시스템(1)은 EGR통로가 배기통로 중 과급기에 대하여 상류측의 부분과, 급기 또는 소기통로 중 과급기에 대하여 하류측의 부분을 바이패스하는 이른바 고압EGR의 기술이 적용되어 있고, 이 때문에 컴프레서(8A, 8B)의 오염 손상을 방지하면서 배기가스를 재순환할 수 있는 등의 이점을 가지고 있다.
이 EGR통로(25) 상에는 EGR밸브(26), 스크러버(scrubber)(27), 블로워(blower)(28) 및 EGR에어쿨러(29)가 배기통로(3) 측에서부터 이러한 순서로 개재되어 있다. EGR밸브(26)는 예를 들면 버터플라이(butterfly) 밸브 등으로 구성되고 그 개도가 가변적으로 되어 있어 EGR밸브(26)의 개도를 변경함으로써 EGR율이 변경될 수 있도록 이루어져 있다. 이 「EGR율」은 연소실로부터 배기통로(3)로 유입된 모든 배기 가스량에 대하여 EGR통로(25)를 통하여 내연기관(2)으로 재순환된 배기 가스량의 비율이다. 도 5를 참조하여 전술한 바와 같이, EGR율을 증가시킴으로써 NOx 배출율을 감소시킬 수 있다. 한편, 본 시스템(1)은 이른바 고압EGR의 기술을 적용하고 있기 때문에, EGR율을 증가시키면 과급기(6A, 6B) 측으로 공급되는 배기 가스량의 감소를 초래하게 된다.
또한, 스크러버(27)는 배기가스의 탈진(脫塵), 탈류(脫硫) 및 냉각을 행하여 재순환되는 배기가스의 청정화에 기여하는 디바이스(device)이다. 블로워(28)는 배기가스를 승압하기 위한 디바이스이다. 선박용 디젤엔진에 있어서는 재순환되는 배기가스의 압력보다도 소기압 측이 높아지기 쉽기 때문에, 소기통로로의 재순환시에 배기가스의 압력을 이 블로워에 의해 소기압 정도로 높임으로써 배기가스의 재순환을 원활하게 행하게 할 수 있다. 또한, 블로워(28)의 구동원은 전동모터일 수도 있고 내연기관(2)의 크랭크(crank)축일 수도 있으며, 또한 상기 제1 및 제2 과급기(6A, 6B)와는 다른 과급기일 수도 있다. 그리고, 배기통로(3)에서 EGR통로(25)로 유입한 고온의 배기가스는 EGR에어쿨러(29)에서 냉각된 후에 소기통로(10)를 통하여 내연기관(2)까지 재순환되도록 이루어져 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 시스템(1)의 제어계에 대하여 설명한다. 본 시스템(1)은 내연기관(2)의 동작을 총괄적으로 제어하는 콘트롤러(controller)(30)를 구비하고 있다. 콘트롤러(30)는 외부의 센서(sensor) 및 제어대상인 디바이스 등과 정보의 입출력을 행하기 위한 입출력 인터페이스(interface)(미도시), 제어 프로그램(program)이나 입력한 정보를 기억하는 메모리(memory)(미도시) 및 이 제어 프로그램을 실행하는 CPU(미도시)를 가지고 있다. 이 제어 프로그램에는, 예를 들면, 내연기관(2)의 부하를 제어하기 위한 처리 순서를 지시하는 부하 제어 프로그램, EGR율을 조정하기 위한 처리 순서를 지시하는 EGR제어 프로그램 및 과급기(6A, 6B)의 동작을 제어하기 위한 처리 순서를 지시하는 터보(turbo) 제어 프로그램 등이 포함된다. 즉, 콘트롤러(30)는 그 기능 블록(block)으로서, 내연기관(2)의 부하를 제어하는 부하 제어부(31), EGR율을 조정하는 제어를 실행하는 EGR 제어부(32) 및 과급기(6A, 6B)의 동작 제어를 실행하는 터보 제어부(33)를 가지고 있다. 콘트롤러(30)는 이들 제어부(31~33)에 의해 실행되는 제어에 있어서 참조해야 할 시스템(1)의 운전상태를 검지하는 여러 가지 센서와 접속되어 있고, 이들 센서로부터 운전상태를 나타내는 신호가 콘트롤러(30)로 출력되도록 구성되어 있다.
또한, 콘트롤러(30)는 각 제어부(31~33)에 의해 실행되는 제어의 대상이 되는 디바이스로서, 가변 노즐(9A), 각 배기 개폐밸브(14A, 14B), 사전 회전용 각 압축공기 개폐밸브(20A, 20B), 각 릴리스 밸브(23A, 23B), 각 소기 개폐밸브(24A, 24B), EGR밸브(26) 및 연료분사장치(35)와 접속되어 있다. 여기서 열거한 밸브는 각각 전기 또는 공기적 수단을 이용하여 구동될 수 있는 밸브이다. 단, 상개(常開) 밸브인지 상폐(常閉) 밸브인지는 한정되지 아니한다.
부하 제어부(31)는 시스템(1)의 운전상태를 나타내는 입력신호에 따라 연료 분사량의 명령값을 구하고, 당해 명령값의 연료 분사량이 연소실로 분사되도록 연료분사장치(35)의 동작을 제어한다. 이에 따라 콘트롤러(30)의 입력신호에 따라 내연기관(2)의 부하를 제어할 수 있다.
EGR제어부(32)는 도 5에 나타낸 관계성에 기초하여 NOx 배출율이 소망하는 값이 되도록 EGR율을 조정하기 위해 EGR밸브(26)의 개도(開度) 명령값을 구하고, EGR밸브(26)의 개도가 당해 명령값이 되도록 EGR밸브(26)를 구동하는 제어를 실행한다. 이에 따라 내연기관(2)에서의 NOx 배출량을 소망하는 값으로 억제할 수 있게 된다. 내연기관(2)을 선박용 2사이클 디젤엔진으로 하는 본 실시예에 있어서는, EGR제어부(32)에 의해 EGR율이 예를 들면 0%에서 30%의 범위에서 조정된다.
터보 제어부(33)는 내연기관(2)의 부하 및 EGR율에 따라 제1 및 제2 과급기(6A, 6B) 각각의 동작여부를 결정하고, 당해 결정에 기초하여 과급기(6A, 6B)의 동작을 제어하는 구성으로 되어 있다. 즉, 터보 제어부(33)는 내연기관(2)의 부하 및 EGR율에 따라 제1 및 제2 배기 개폐밸브(14A, 14B)의 구동 제어 및 가변 노즐(9A)의 구동 제어를 실행하는 구성으로 되어 있다. 또한, 터보 제어부(33)는 후술하는 바와 같이, 사전 회전용의 각 압축공기 개폐밸브(20A, 20B), 각 릴리스 밸브(23A, 23B), 각 소기 개폐밸브(24A, 24B)의 구동 제어도 동시에 실행하는 구성으로 되어 있다. 터보 제어부(33)는 내연기관(2)의 부하를 검지하기 위하여 부하 제어부(31)가 구한 연료 분사량의 명령값을 참조하고, EGR율을 검지하기 위하여 EGR제어부(32)가 구한 EGR밸브(26)의 개도 명령값을 참조하는 구성으로 되어 있다.
도 3에는 내연기관(2)의 부하 및 EGR율과, 과급기의 동작상태의 대응관계를 나타내고 있다. 터보 제어부(33)는 내연기관(2)의 부하가 「고부하」 및 「저부하」의 2 가지 상태 중 어느 것인지에 기초하여, 또한 EGR율이 「EGR 없음」, 「저 EGR」, 「중 EGR」 및「고 EGR」의 4 가지 상태 중 어느 것인지에 기초하여 동작시킬 과급기를 결정한다. 「고부하」는 내연기관(2)의 부하가 콘트롤러(30)에 미리 기억된 소정의 부하 역치 이상임을 나타내고, 「저부하」는 당해 부하 역치 미만임을 나타내고 있다. 「EGR 없음」은 EGR밸브(26)가 완전히 폐쇄되어 있고 EGR율이 0이며 모든 배기가스가 과급기(6A, 6B)의 측으로 공급되는 상태임을 나타내고,「저 EGR」은 EGR율이 0보다 크고 콘트롤러(30)에 미리 기억된 소정의 제1 EGR 역치 미만임을 나타내고, 「고 EGR」은 EGR율이 당해 제1 EGR 역치보다 큰 값인 소정의 제2 EGR 역치 이상임을 나타내며,「중 EGR」은 EGR율이 제1 EGR 역치 이상 제2 EGR 역치 미만임을 나타내고 있다. 또한, 제어상 분류되는 부하상태의 수 및 EGR율 상태의 수는 2 및 4에 각각 한정되지 아니하고, 적절히 변경 가능하다.
내연기관(2)의 부하가 「고부하」인 경우에 있어서, EGR율이 「EGR 없음」 및 「저 EGR」이면, 제1 및 제2 과급기(6A, 6B)의 양측을 동작시킨다. 단, 「EGR 없음」이면, 제1 과급기(6A)의 가변 노즐(9A)의 개도를 전개(全開) 상태로 한다. 「저 EGR」이면, 가변 노즐(9A)을 동작시켜 가변 노즐(9A)의 개도를 전개(全開) 상태보다 작은 소정의 개도로 한다. EGR율이 「중 EGR」 및 「고 EGR」이면, 제1 과급기(6A)만 동작시키고 제2 과급기(6B)를 정지시킨다. 단, 「중 EGR」이면, 제1 과급기(6A)의 가변 노즐(9A)의 개도를 전개(全開) 상태로 한다. 「고 EGR」이면, 가변 노즐(9A)을 동작시켜 가변 노즐(9A)의 개도를 전개(全開) 상태보다 작은 소정의 개도로 한다.
내연기관(2)의 부하가 「저부하」인 경우에 있어서, EGR율이 「EGR 없음」 및 「저 EGR」이면, 제1 과급기(6A)만을 동작시키고 제2 과급기(6B)를 정지시킨다. 이와 동시에, 가변 노즐(9A)의 개도를 전개(全開) 상태보다 작은 소정의 개도로 한다. 「고 EGR」이면, 제2 과급기(6B)만 동작시키고 제1 과급기(6A)를 정지시킨다.
이와 같이 본 실시예에서는, 「저부하」인 경우에는 EGR율이 「EGR 없음」, 「저 EGR」 및 「고 EGR」의 3 가지 상태 중 어느 것인지에 기초하여 동작시킬 과급기의 동작상태가 결정되도록 하고 있다. 내연기관(2)의 부하가 「저부하」이며, EGR율이 상기한 바와 같이 하여 정의되는 「중 EGR」인 경우에는, 도 3에 나타낸 「저 EGR」인 경우와 같은 동작상태가 결정될 수도 있고, 「고 EGR」인 경우와 같은 동작상태가 결정될 수도 있다. 또한, 내연기관(2)의 부하가 「고부하」인 때와 「저부하」인 때에, EGR율의 상태를 구분하기 위하여 사용하는 EGR 역치의 값을 다르게 할 수도 있다.
이와 같이 터보 제어부(33)는 EGR율이 0인 때에는, 적어도 제1 과급기(6A)를 동작시키고, EGR율이 0보다 크고 소정의 EGR 역치 미만인 때에, 적어도 제1 과급기(6A)를 동작시킴과 아울러 가변 노즐(9A)을 동작시키는 제어를 실행하는 구성으로 되어 있다. 이와 같이, 재순환되어야 할 배기가스량이 0이어서, 모든 배기가스가 과급기 측으로 공급되는 상황에 있어서는, 적어도 대용량의 제1 과급기(6A)를 동작시킴으로써 높은 과급성능을 발휘할 수 있다. EGR율이 0에서 약간 증가하여「저 EGR」의 상태가 되었을 때에는 가변 노즐(9A)을 동작시키지만, 이때에 소정의 필요 소기압(掃氣壓)이 되도록 가변 노즐(9A)을 동작시킴으로써 EGR율의 변화에 추종하여 최적의 과급성능이 발휘되는 상태를 유지할 수 있다.
또한, 터보제어부(33)는 내연기관(2)의 부하가 「고부하」이고, EGR율이 「저 EGR」 또는「EGR 없음」일 때에는, 양측의 과급기(6A, 6B)를 동작시키고, EGR율이 「중 EGR」 또는「고 EGR」일 때에는, 제1 과급기(6A)만을 동작시키는 제어를 실행하는 구성으로 되어 있다. 이에 따라, 「고부하」이고 「저 EGR」 또는「EGR 없음」일 때에는, 과급기 측으로 비교적 대량의 배기가스가 공급되기 때문에, 2개의 과급기(6A, 6B)를 동시에 동작시킴으로써 높은 과급성능을 발휘할 수 있다. 「중 EGR」 또는「고 EGR」일 때에는, 소용량의 제2 과급기(6B)를 정지함으로써 최적의 과급성능이 발휘되는 상태를 유지할 수 있다.
또한, 터보 제어부(33)는 내연기관(2)의 부하가 「저부하」이고, EGR율이 「저 EGR」 또는「EGR 없음」일 때에는, 제1 과급기(6A)만을 동작시키고, EGR율이 「고 EGR」일 때에는, 제2 과급기(6B)만을 동작시키는 제어를 실행하는 구성으로 되어 있다. 이에 따라, 「저부하」이고 「고 EGR」일 대에는, 과급기 측으로 공급되는 배기가스의 량이 적어지기 때문에, 소용량의 제2 과급기(6B)만을 동작시킴으로써 높은 과급성능을 발휘할 수 있다. 「저 EGR」또는 「EGR 없음」일 때에는 제2 과급기(6B)를 대신하여 대용량의 제1 과급기(6A)만을 동작시킴으로써 최적의 과급성능이 발휘되는 상태를 유지할 수 있다.
이와 같이 「저부하」 및 「고 EGR」일 때는, 본 시스템(1)에 있어서 과급기 측으로 인도되는 배기 가스량이 가장 적어질 때이다. 이 상황에서 과급기 측으로 인도되는 배기가스의 유량을 시스템(1)의 설계단계에서 미리 파악하여 두고, 당해 유량에 기초하여 제2 과급기(6B)의 용량을 설정하여 두는 것이 바람직하다. 이에 따라, 배기 가스량이 가장 적어지는 것과 같은 상황에 있어서도 높은 과급 성능을 유지할 수 있게 된다.
여기서, 도 3의 괄호안의 숫자는, 「고부하」 및 「EGR 없음」일 경우의 모든 배기 가스량을 10으로 하였을 때의 각 과급기(6A, 6B)에 공급되는 배기 가스량의 허용값의 예를 나타내고 있다. 바꾸어 말하면, 각 과급기(6A, 6B)는 괄호안의 숫자의 상태까지 배기가스를 흐르게 할 수 있는 용량이 있다는 것이다. 이와 같이 「고부하」 및 「EGR 없음」일 경우에는, 본 시스템(1)에 있어서 과급기 측으로 공급되는 배기 가스량이 최대로 된다. 「저부하」 및 「고 EGR」일 경우에는, 같은 배기 가스량이 최소로 되지만, 여기서는 그 배기 가스량이 상기 최대 배기 가스량의 20%로 되게 한다. 소용량의 제2 과급기(6B)의 용량은 이와 같은 상황에 있어서 높은 과급성능을 발휘할 수 있도록 설계된다. 단, 이 비율은 단순히 일예를 나타내는 것으로, 이 값의 변화에 따라 제2 과급기(6B)의 용량도 적절히 변경된다.
그리고, 제1 및 제2 과급기(6A, 6B)의 용량의 합계가 과급기 측으로 인도되는 배기 가스량이 최대로 되는 「고부하」 및 「EGR 없음」일 경우에 높은 과급성능을 발휘할 수 있도록 설정된다. 제2 과급기(6B)는 이 최대의 배기 가스량의 20%를 분담하는 것으로 하고 있기 때문에 제1 과급기(6A)의 용량은 나머지 80%가 공급되는 상황에 있어서 높은 과급성능을 발휘할 수 있도록 설정된다.
이와 같이, 전술한 과급기(6A, 6B)의 동작상태는 내연기관(2)의 부하 및 EGR율에 따라 결정되는 과급기 측으로의 배기가스 공급량에 더하여 각 과급기(6A, 6B)의 용량에 기초하여 결정된다.
「저부하」 및 「EGR 없음」또는 「저 EGR」일 경우에는, 과급기 측으로 공급되는 배기 가스량이 감소하므로 제1 과급기(6A)만을 동작시키고, 이 배기 가스량의 추이에 따라 가변 노즐(9A)의 개도를 변경함으로써 가능한 한 높은 과급 성능을 유지 가능하게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여 터보 제어부(33)가 실행하는 터보 제어의 처리순서에 대하여 설명한다. 도 4에 나타낸 플로우는 터보 제어부(33)에 의해 소정의 제어 주기마다 반복 실행되도록 되어 있다. 우선 터보 제어부(33)는 부하 제어부(31) 및 EGR 제어부(32)로부터의 입력에 따라 내연기관(2)의 부하 및 EGR율을 검지한다(단계(S1)). 그리고, 검지한 부하 및 EGR율을 각각 부하 역치 및 EGR 역치와 비교하고(단계(S2)), 내연기관(2)의 부하가 「고부하」 및 「저부하」 중 어느 상태에 해당하는지를 도출함과 아울러 EGR율이 「EGR 없음」, 「저 EGR」, 「중 EGR」 및 「고 EGR」 중 어느 상태에 해당하는지를 도출한다(단계(S3)).
다음으로, 터보 제어부(33)는, 금회(今回) 도출된 상태가 전회(前回) 도출된 상태에서 변화하고 있는지 여부를 판단한다(단계(S4)). 상태에 변화가 없으면(S4: 아니오), 처리를 종료하고 현재 설정되어 있는 과급기의 동작상태를 계속한다. 상태에 변화가 있을 때에는(S4: 예), 금회에 도출된 상태와, 도 3에 나타낸 대응관계에 따라 새로운 과급기의 동작상태를 선정한다(단계(S5)).
그리고, 현재 설정되어 있는 과급기의 동작상태와, 새로 선정된 과급기의 동작상태를 비교하고, 이에 기초하여 현재는 정지되어 있으나 새로 선정된 동작상태에 따라 시동시킬 필요가 있는 과급기가 존재하는지 여부를 판단한다(단계(S6)). 즉, 전회의 처리의 실행에서부터 소정의 제어 주기가 경과하는 동안에 있어서, 예를 들면 「고부하」 및 「고 EGR」에서 「고부하」 및 「저 EGR」로 상태가 변화한 경우, 새로이 제2 과급기(6B)를 시동시킬 필요가 있다. 한편, 예를 들면 「고부하」 및 「EGR 없음」에서 「고부하」 및 「저 EGR」로 상태가 변화한 경우에는, 과급기의 동작상태는 변경되나 새로이 시동시킬 필요가 있는 과급기가 존재하지 아니한다.
시동시킬 필요가 있는 과급기가 존재하지 않을 경우에는(S6: 아니오), 선정된 동작상태에 따라 각 배기 개폐밸브(14A, 14B) 및 각 소기 개폐밸브(24A, 24B), 가변 노즐(9A)의 구동 제어를 실행하고(단계(S10)), 처리를 종료한다.
새로이 시동시킬 필요가 있는 과급기가 존재할 경우에는(S6: 예), 이 과급기에 대응하는 사전 회전용 분기 압축공기통로 및 릴리스 통로를 개방하도록 분기 압축공기 개폐밸브 및 릴리스 밸브를 각각 구동 제어한다(단계(S7)). 그리고, 이들의 구동 제어를 실행하고 나서 소정 시간이 경과했는지 여부를 판단한다(단계(S8)).
상기한 바와 같이 각 통로가 개폐된 상태가 소정 시간 계속되고 있는 동안에, 리저버(16)에서의 압축공기가 시동시켜야 할 과급기로 공급되고, 이 과급기의 터빈이 압축공기에 의해 사전 회전하게 된다. 이에 따라 컴프레서도 사전 회전되어 공기가 압축된다. 이 사전 회전에서 발생한 압축공기의 압력은 가동 중인 내연기관(2)의 필요 소기압보다도 낮아지기 쉽다. 그래서 소기통로에서 컴프레서로의 역류를 방지하기 위하여, 분기 소기통로의 소기 개폐밸브를 폐쇄상태로 하고 과급기를 내연기관(2)으로부터 차단한다. 동시에 릴리스 밸브를 개방상태로 만들어 릴리스 밸브를 개방하고 사전 회전에서 발생한 저압의 압축공기를 배출함으로써 서징(surging)의 발생을 방지하고 있다. 또한, 사전 회전을 위하여 이용하는 압축공기는 배기통로(3)와는 독립한 계통으로부터 공급되기 때문에, 과급기의 사전 회전을 위하여 배기가스를 이용하지 않아도 된다. 이 때문에, 과급기의 시동으로부터 유래하여 EGR율이 영향을 받지 아니하고 과급기의 시동이 EGR율 제어에 간섭하는 것을 피할 수 있어 NOx 배출량을 소망하는 값으로 유지할 수 있다.
단계(S8)에 있어서 소정 시간이 경과했다고 판단되면(S8: 예), 분기 압축공기통로 및 릴리스 통로를 폐쇄하도록 압축공기 개폐밸브 및 릴리스 밸브를 각각 구동 제어하고(단계(S9)), 단계(S10)로 진입하여 분기 배기통로 및 분기 소기통로를 개방하도록 배기 개폐밸브 및 소기 개폐밸브를 각각 구동 제어하고, 처리를 종료한다. 이에 따라, 소기통로(3) 내의 배기가스가 사전 회전한 과급기에 공급되고, 이 과급기가 배기가스의 유량에 기초하여 시스템에 동작하게 된다.
지금까지 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 상기 구성은 본 발명의 범위 내에 있어서 적절히 변경 가능하다. 과급기의 수는 2개로 한정되지 아니하고, 배기통로와, 소기 또는 급기통로에 각각 병렬로 접속된 3개 이상의 과급기가 시스템에 구비되어 있을 수 있다. 또한, 가변 노즐을 구비한 과급기의 개수는 1개로 한정되지 아니하고, 복수의 과급기에 가변 노즐이 구비되어 있을 수 있다. 또한, 과급기의 용량은 반드시 서로 다르지 않아도 되고, 각 과급기의 용량이 서로 같아도 된다.
또한, EGR 통로 상의 스크러버, 블로워, EGR 에어쿨러는 필요에 따라 설치되는 것으로서, 적절히 생략 가능하다.
본 실시예에서는, 내연기관을 선박용 2사이클 디젤엔진에 적용하는 것으로 하였지만, 다른 용도의 4사이클 디젤엔진 또는 가솔린엔진에 적용할 수도 있다. 다만, 디젤엔진은 3원 촉매를 이용하여 NOx 배출율의 저감을 도모하는 가솔린엔진과 비교하여, EGR율이 보다 높게 설정되는 경향이 있고, EGR율을 입력 파라미터(parameter)로 하여 과급기의 동작상태를 결정한다는 본 시스템을 바람직하게 적용할 수 있다.
상기 설명으로부터 당업자에게는 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 명확하다. 따라서 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 하고, 본 발명을 실행하는 가장 좋은 태양을 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 아니하고, 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명은 과급기 통과 전의 배기가스를 재순환시키는 고압 EGR 기술을 적용한 과급기 장착 내연기관에 있어서, 운전상태에 따라 높은 과급성능을 발휘시킬 수 있다는 작용 효과가 있고, 예를 들면 선박용 디젤엔진에 적용하면 유익하다.
1: 배기 재순환 시스템
2: 내연기관
3: 배기통로
4: 집합 배기통로
5A, 5B: 분기 배기통로
6A: 제1 과급기
6B: 제2 과급기
9A: 가변 노즐
10: 소기통로
11A, 11B: 분기 소기통로
12: 집합 소기통로
14A, 14B: 배기 개폐밸브
16: 리저버
17: 압축공기통로
22A, 22B: 릴리스 통로
23A, 23B: 릴리스 밸브
24A, 24B: 소기 개폐밸브
25: EGR 통로
26: EGR 밸브
30: 콘트롤러
33: 터보 제어부

Claims (14)

  1. 내연기관에서의 배기가스를 인도하는 배기통로와,
    상기 배기통로에 대하여 병렬 접속된 복수의 과급기와,
    상기 복수의 과급기로부터 발생하는 압축가스를 상기 내연기관으로 공급하기 위한 급기 또는 소기통로와,
    상기 배기통로의 상기 과급기의 상류측과 상기 급기 또는 소기통로의 상기 과급기의 하류측을 바이패스하는 EGR통로 및
    상기 EGR통로를 흐르는 배기 가스량의 모든 배기 가스량에 대한 비율인 EGR율을 조정하는 제어를 실행하는 제어장치를 구비하며,
    상기 제어장치는 상기 내연기관의 부하 및 상기 EGR율에 따라 상기 복수의 과급기 각각의 동작 여부를 결정하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 과급기 중 적어도 하나에, 당해 과급기로부터 발생하는 압축가스의 압력을 조정하기 위한 가변 노즐이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배기통로에는, 상기 내연기관에서 연장되는 배기 집합통로와, 당해 배기 집합통로로부터 서로 분기하여 상기 복수의 과급기 각각에 접속되는 복수의 배기 분기통로가 포함되고,
    상기 배기 분기통로 각각에 설치된 배기 개폐밸브를 더 구비하며,
    상기 제어장치는, 동작시켜야 할 과급기에 접속된 분기 배기통로를 개방함과 아울러 정지시켜야 할 과급기에 접속된 분기 배기통로를 폐쇄하도록, 복수의 상기 배기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 급기 또는 소기통로에는, 상기 복수의 과급기 각각에 접속된 복수의 분기통로와, 상기 복수의 분기통로가 집합되어 상기 내연기관으로 연장되는 집합통로가 포함되고,
    상기 분기통로 각각에 설치된 개폐밸브를 더 구비하며,
    상기 제어장치는, 동작시켜야 할 과급기에 접속된 분기통로를 개방함과 아울러 정지시켜야 할 과급기에 접속된 분기통로를 폐쇄하도록, 복수의 상기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기통로와는 독립하여 설치되고, 상기 복수의 과급기 각각에 사전 회전용 압축공기를 공급하기 위한 압축공기통로를 더 구비하며,
    상기 제어장치는, 상기 과급기의 시동에 임하여 시동해야 할 과급기에 대하여 소정 기간 상기 압축공기통로를 통하여 사전 회전용 압축공기를 공급하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 과급기의 컴프레서 각각의 하류측에 접속되고, 과급기로부터의 압축가스를 대기에 개방하기 위한 복수의 릴리스 통로와, 상기 릴리스 통로 각각에 설치된 릴리스 밸브를 더 구비하며,
    상기 제어장치는, 상기 소정 기간이 경과하는 동안에, 상기 시동해야 할 과급기에 대응하는 릴리스 통로를 개방하도록 상기 릴리스 밸브를 구동하는 제어를 실행하고, 상기 소정 기간의 경과 후에 당해 릴리스 통로를 폐쇄하도록 상기 릴리스 밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 급기 또는 소기통로에는, 상기 복수의 과급기에 각각 접속된 복수의 분기통로와, 상기 복수의 분기통로가 집합되어 상기 내연기관으로 연장되는 집합통로가 포함되고,
    상기 분기통로 각각에 설치된 개폐밸브와, 상기 배기통로와는 독립하여 설치되고, 상기 복수의 과급기 각각에 사전 회전용 압축공기를 공급하기 위한 압축공기통로와, 상기 복수의 과급기의 컴프레서 각각의 하류측에 접속되고, 과급기로부터의 압축가스를 대기에 개방하기 위한 복수의 릴리스 통로와, 상기 릴리스 통로 각각에 설치된 릴리스 밸브를 더 구비하며,
    상기 제어장치는,
    상기 과급기의 시동에 임하여, 시동하여야 할 과급기에 대해 소정 기간 상기 압축공기통로를 통하여 사전 회전용 압축공기를 공급하는 제어를 실행함과 아울러,
    적어도 상기 소정 기간이 경과하는 동안에, 상기 시동하여야 할 과급기에 대응하는 릴리스 통로를 개방하도록 상기 릴리스 밸브를 구동함과 아울러 상기 시동하여야 할 과급기에 접속된 분기통로를 폐쇄하도록 상기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하고, 상기 소정 기간의 경과 후에 당해 릴리스 통로를 폐쇄하도록 상기 릴리스 밸브를 구동함과 아울러 당해 분기통로를 개방하도록 상기 개폐밸브를 구동하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 과급기의 용량이 모두 같은 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 과급기의 용량이 서로 다른 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 EGR율을 소정의 하한값과 소정의 상한값 사이의 범위에서 조정하는 제어를 실행하고,
    상기 복수의 과급기 중 최소용량의 과급기는, 상기 내연기관의 부하가 저부하이고 상기 EGR율을 상기 상한값으로 조정했을 때에 당해 과급기까지 인도되는 배기가스의 유량에 기초하여 용량이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 과급기가, 제1 과급기와, 당해 제1 과급기와 비교하여 용량이 작은 제2 과급기로 이루어지고,
    상기 제어장치는, 상기 내연기관의 부하 및 상기 EGR율에 기초하여 상기 제1 및 제2 과급기 양측을 동작시키는 상태, 상기 제1 과급기만을 동작시키는 상태 및 상기 제2 과급기만을 동작시키는 상태 중 어느 하나의 상태를 선택하는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 과급기로부터의 압축가스의 압력을 조정하기 위한 가변 노즐을 더 구비하며,
    상기 제어장치는,
    상기 EGR율이 0일 때에 적어도 상기 제1 과급기를 동작시키고,
    상기 EGR율이 0보다 크고 소정의 EGR 역치 미만일 때에, 적어도 상기 제1 과급기를 동작시키고 또한 상기 제1 과급기로부터의 압축가스의 압력이 소정의 필요 압력 이상으로 되도록 상기 가변 노즐을 동작시키는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    상기 내연기관의 부하가 소정의 부하 역치 이상인 경우에 있어서,
    상기 EGR율이 소정의 EGR 역치 미만일 때에, 상기 제1 및 제2 과급기 양측을 동작시키고,
    상기 EGR율이 상기 EGR 역치 이상일 때에, 상기 제1 과급기만을 동작시키는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    상기 내연기관의 부하가 소정의 부하 역치 미만인 경우에 있어서,
    상기 EGR율이 소정의 EGR 역치 미만일 때에, 상기 제1 과급기만을 동작시키고,
    상기 EGR율이 상기 EGR 역치 이상일 때에, 상기 제2 과급기만을 동작시키는 제어를 실행하는 구성인 것을 특징으로 하는 과급기 장착 내연기관의 배기 재순환 시스템.
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