KR20160070186A - 과급기 부착 엔진 - Google Patents

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Abstract

과급기 부착 엔진의 사양을 변경하지 않고, 배기 정화 장치에 사용하는 촉매의 활성화에 필요한 배기의 온도를 얻을 수 있는 과급기 부착 엔진의 제공을 목적으로 한다. 환원제를 엔진 본체(40)의 배기에 첨가하여, 촉매에 의해 배기 중의 질소산화물을 환원하는 배기 정화 장치(50)를 구비하는 과급기 부착 엔진(6)으로서, 과급기(20)로부터 급기관(28)을 통해 엔진 본체(40)로 공급되는 급기의 일부를 급기관(28)의 외부로 배출 가능한 급기 릴리프 밸브(70)와, 급기 릴리프 밸브(70)를 조작해, 과급기(20)로부터 엔진 본체(40)로 공급되는 급기의 공급량을 조정함으로써 배기의 온도를 제어하는 제어 장치(80)를 구비한다.

Description

과급기 부착 엔진{ENGINE WITH SUPERCHARGER}
본 발명은 과급기 부착 엔진에 관한 것이다.
종래, 배기 정화 장치를 구비하는 과급기 부착 엔진의 기술은 공지 기술이다(예를 들면, 특허 문헌 1).
종래의 과급기 부착 엔진에서는, 연비 저감의 관점에서, 배기의 허용 온도를 낮게 설정한 것이 있었다.
이와 같은 과급기 부착 엔진에 대해, 요소수 등의 환원제를 배기에 첨가하여, 촉매에 의해 배기 중의 질소산화물을 환원하는 배기 정화 장치(SCR 시스템)를 마련한 경우, 배기의 온도가 촉매의 활성화 온도까지 상승하지 않아, 배기 정화 장치의 촉매 반응 효율이 저하될 우려가 있다.
따라서, 과급기 부착 엔진의 사양 변경을 실시해, 기관 성능과 배기 온도를 양립시킬 필요가 있다.
즉, 과급기 부착 엔진에서는, 배기 정화 장치에 사용하는 촉매의 종류(활성화 온도)에 따라 사양 변경을 실시해, 배기 정화 장치에 사용하는 촉매의 활성화에 필요한 배기의 온도가 얻어지도록 배기의 온도를 조정할 필요가 있다. 그러나, (1) 사양 변경마다 배기가스 규제 인증을 다시 받을 필요가 있고, (2) 사양 변경마다 개발 시험이 필요하게 되어, 개발 시험공수가 증가하고, (3) 사양 변경마다 부품이 다르기 때문에, 관리하는 부품수가 증가하는 등의 단점이 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허공개 2010-127188호 공보
본 발명은, 과급기 부착 엔진의 사양을 변경하지 않고, 배기 정화 장치에 사용하는 촉매의 활성화에 필요한 배기의 온도를 얻을 수 있는 과급기 부착 엔진을 제공한다.
본 발명은, 환원제를 배기에 첨가하여, 촉매에 의해 배기 중의 질소산화물을 환원하는 배기 정화 장치를 구비하는 과급기 부착 엔진으로서, 과급기로부터 급기관을 통해 엔진 본체로 공급되는 급기의 일부를 상기 급기관의 외부로 배출 가능한 급기 릴리프 밸브와, 상기 급기 릴리프 밸브를 조작해, 상기 과급기로부터 상기 엔진 본체로 공급되는 급기의 공급량을 조정함으로써 상기 배기의 온도를 제어하는 제어 장치를 구비한다.
본 발명에서 상기 제어 장치는, 상기 배기 정화 장치의 작동시에, 상기 배기의 온도가 미리 기억되어 있는 상기 촉매의 활성화 온도에 도달하도록 상기 급기 릴리프 밸브를 조작한다.
본 발명에서는, 상기 배기 정화 장치의 현재 위치를 산출하는 위치 산출 장치와, 상기 배기의 온도를 검출하는 온도 검출 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 위치 산출 장치로부터 상기 배기 정화 장치의 현재 위치의 정보를 취득해, 상기 배기 정화 장치의 현재 위치가 미리 결정된 배기의 규제 구역 내이고, 상기 급기 릴리프 밸브를 조작해 상기 급기의 일부를 상기 급기관의 외부로 배출하면서, 상기 온도 검출 장치로부터 상기 배기의 온도 정보를 취득해, 상기 배기의 온도가 상기 촉매의 활성화 온도에 도달했을 때는 상기 배기 정화 장치를 작동시킨다.
본 발명에서 상기 배기 정화 장치는, 가압 기체와 상기 환원제의 혼합기체를 분사하는 노즐을 갖고, 상기 급기 릴리프 밸브가 상기 급기관으로부터 배출한 급기와 상기 환원제의 혼합기체를 상기 노즐로부터 분사시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 과급기 부착 엔진의 사양을 변경하지 않고, 배기 정화 장치에 사용하는 촉매의 활성화에 필요한 배기의 온도를 얻을 수 있다.
도 1은 선박의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 과급기 부착 엔진의 측면도이다.
도 3은 과급기 부착 엔진의 흡배기 계통을 나타낸 개념도이다.
도 4는 과급기 부착 엔진의 배기 정화 장치를 나타낸 개념도이다.
도 5는 제1 맵(α)을 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 제1 맵(α)의 좌표(α1)에 대응하는 제2 맵(β1)을 나타내는 도면이고, (b)는 제1 맵(α)의 좌표(α2)에 대응하는 제2 맵(β2)을 나타내는 도면이다.
도 7은 선박 항해시의 플로우차트이다.
도 8은 과급기 부착 엔진의 변형예의 개념도이다.
도 9는 시험 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은 배기 정화 장치의 입구부의 배기 온도와 연료에 포함되는 S 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
선박(1)에 대해 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 선박(1)은 선체(2), 선교(3), 기관실(4), 프로펠러(9) 및 키(10)를 구비한다. 선박(1)은 선체(2)의 상부에 조종실 등을 갖는 선교(3)가 마련된다. 또한, 선박(1)은 선체(2)의 후방에 기관실(4)이 마련된다. 기관실(4)에는, 선박(1) 추진용 엔진으로서 프로펠러(9)를 구동하는 주기(5)와, 발전용 엔진으로서 발전기(7)를 구동하는 보조기(8)가 마련된다. 선체(2)의 선미에는 프로펠러(9)와 키(10)가 마련된다. 선박(1)은 프로펠러축(9a)을 통해 주기(5)의 동력이 프로펠러(9)에 전달 가능하도록 구성된다.
여기에서, 주기(5)와 보조기(8)는 각각 경유 혹은 중유를 연료로 하는 과급기 부착 엔진(6)으로 구성된다.
기관실(4)은 주기(5), 보조기(8), 발전기(7)를 설치하는 선내의 한 구획이다. 기관실(4)은 선체(2)의 후방이면서 프로펠러(9)의 근방에 마련된다. 기관실(4)은 그 선미측에 주기(5)가 배치되고, 선수측에 3세트의 과급기 부착 엔진(6)과 발전기(7)가 배치되어 있다.
선박(1)에 탑재된 과급기 부착 엔진(6)에 대해 설명한다. 한편, 본 실시 형태에서는, 과급기 부착 엔진(6)은 선박에 탑재되어 있지만, 이것으로 한정되지는 않는다.
도 2 내지 도 4에 나타내는 바와 같이, 과급기 부착 엔진(6)은 과급기(20), 엔진 본체(디젤 엔진)(40), 배기 정화 장치(50), 급기 릴리프 밸브(70), 제어 장치(80), 위치 산출 장치(90) 등을 구비한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 과급기(20)는 컴프레서부(21) 및 터빈부(22)를 갖는다. 컴프레서부(21)와 터빈부(22)는 연결축(23)에 의해 연결되어, 일체적으로 회전 가능하게 구성된다.
과급기(20)의 컴프레서부(21)는 흡기관(24) 및 에어크리너(25)를 통해 외부와 연통된다. 또한, 컴프레서부(21)는 급기관(26)을 통해 인터쿨러(27)에 접속된다. 인터쿨러(27)는 급기관(28)을 통해 서지 탱크(29)에 접속된다. 서지 탱크(29)는 엔진 본체(40)의 흡기 매니폴드(41)에 접속된다.
엔진 본체(40)의 배기 매니폴드(42)는 과급기(20)의 터빈부(22)에 접속된다. 터빈부(22)는 배기관(32)을 통해 배기 정화 장치(50)에 접속된다. 또한, 엔진 본체(40)의 배기 매니폴드(42)에는 엔진 본체(40)의 배기의 온도를 검출하는 온도 검출 장치(배기 온도계)(43)가 마련된다.
또한, 엔진 본체(40)에는 엔진 본체(40)의 단위 시간당 회전수(엔진 회전수)를 검출하는 엔진 회전수 검출 장치(44)가 마련된다. 또한, 엔진 본체(40)에는 엔진 출력을 검출하는 출력 검출 장치(45)가 마련된다. 한편, 출력 검출 장치(45)를 대신해, 연소실에 공급되는 단위 시간당 연료 분출량을 검출하는 연료 검출 장치를 마련해도 된다.
엔진 본체(40)의 구동시에, 외부의 공기는 과급기(20)의 컴프레서부(21)에 의해 에어크리너(25)를 통해 흡입됨과 함께 가압 압축된다. 그리고, 컴프레서부(21)에 의해 가압 압축된 공기(급기)는 과급기(20)로부터 배출된다. 과급기(20)로부터 배출된 급기는 인터쿨러(27)로 공급되어 냉각된 후에, 서지 탱크(29)로 공급된다. 서지 탱크(29)로 공급된 급기는 흡기 매니폴드(41)를 통해 엔진 본체(40)로 공급된다. 엔진 본체(40)는, 공급된 급기와 연료를 그 기통의 내부에서 혼합해 연소시킴으로써 출력축을 회전 구동시킨다. 그리고, 엔진 본체(40)는 연료의 연소에 의해 발생하는 배기를 배출한다. 엔진 본체(40)로부터 배출된 배기는, 배기 매니폴드(42)를 통해 과급기(20)의 터빈부(22)로 공급된다. 터빈부(22)는 배기가 유입됨으로써 회전된다. 터빈부(22)의 회전 동력은 연결축(23)을 통해 컴프레서부(21)로 전달된다. 터빈부(22)로 유입된 배기는 배기관(32) 및 배기 정화 장치(50)를 통해 외부로 배출된다.
한편, 과급기 부착 엔진(6)에 대해서는 2단 과급기를 구비하는 것으로 해도 무방하다. 또한, 엔진 본체(40)의 기통수에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
배기관(32)에는 분사 노즐(51)의 상류측에 분기관(33)과 배기의 통과 경로를 절환하는 배기 절환 밸브(34·35)가 마련된다. 분기관(33)은 배기관(32)에 접속된다. 배기 절환 밸브(34)는 분사 노즐(51)의 상류측이면서 분기관(33) 하류측의 배기관(32)의 내부에 배치되어 있다. 배기 절환 밸브(35)는 분기관(33)의 내부에 배치되어 있다.
배기 절환 밸브(34·35)는 서로 연동해 개폐 가능하게 구성된다. 구체적으로 배기 절환 밸브(34·35)는, 배기 절환 밸브(34)가 개방 상태일 때 배기 절환 밸브(35)가 폐쇄 상태가 되고, 배기 절환 밸브(34)가 폐쇄 상태일 때 배기 절환 밸브(35)가 개방 상태가 되도록 구성된다. 이에 따라, 배기 절환 밸브(34)가 개방 상태이면서 배기 절환 밸브(35)가 폐쇄 상태인 경우, 배기관(32)은 배기가 배기 정화 장치(50)로 공급되는 경로가 구성된다. 한편, 배기 절환 밸브(34)가 폐쇄 상태이면서 배기 절환 밸브(35)가 개방 상태인 경우, 배기관(32)은 배기가 배기 정화 장치(50)에서 정화되지 않고 분기관(33)을 통해 외부(대기)로 방출되는 경로가 구성된다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 배기 정화 장치(SCR 시스템)(50)은 엔진 본체(40)의 배기를 정화하는 것이다. 배기 정화 장치(50)는 분사 노즐(51), 가압 공기 공급 펌프(컴프레서)(52), 가압 공기 밸브(53), 환원제 공급 펌프(54), 절환 밸브(55), NOx 검출부(56), 제1 공급 유로(58), 제2 공급 유로(59), NOx 촉매(60) 등을 구비한다.
분사 노즐(51)은 환원제를 배기관(32)의 내부에 공급하는 것이다. 분사 노즐(51)은 관상 부재로 구성되고, 그 일측(하류측)을 배기관(32)의 외부로부터 내부로 삽입하도록 하여 마련된다. 분사 노즐(51)의 내부에서는 가압 기체와 환원제가 혼합되고, 분사 노즐(51)로부터는 가압 기체와 환원제의 혼합기체가 분사된다.
가압 공기 공급 펌프(52)는 가압 공기를 에어 탱크(61)에 공급하는 것이다. 가압 공기 공급 펌프(52)는 공기를 가압(압축)해 공급한다. 가압 공기 공급 펌프(52)는, 에어 탱크(61)의 압력이 소정의 압력을 밑도는 경우, 공기를 에어 탱크(61)에 공급하고, 에어 탱크(61)의 압력이 소정의 압력에 도달하면 정지한다.
가압 공기 밸브(53)는 가압 공기의 유로를 연통 또는 차단하는 것이다. 가압 공기 밸브(53)는 제2 공급 유로(59)에 마련된다. 가압 공기 밸브(53)는 스풀을 슬라이딩시킴으로써 위치(V) 및 위치(W)로 절환할 수 있다. 가압 공기 밸브(53)는, 스풀이 위치(V) 상태에 있는 경우, 제2 공급 유로(59)를 차단한다. 따라서, 분사 노즐(51)에는 가압 공기가 공급되지 않는다. 가압 공기 밸브(53)는, 스풀이 위치(W) 상태에 있는 경우, 제2 공급 유로(59)를 연통시킨다. 따라서, 분사 노즐(51)에는 가압 공기가 공급된다.
환원제 공급 펌프(54)는 분사 노즐(51)에 환원제를 공급하는 것이다. 환원제 공급 펌프(54)는 제1 공급 유로(58)에 마련된다. 환원제 공급 펌프(54)는 탱크(62) 내의 환원제를 소정의 유량으로 제1 공급 유로(58)를 통해 분사 노즐(51)로 공급한다.
절환 밸브(55)는 환원제의 유로를 절환하는 것이다. 절환 밸브(55)는 제1 공급 유로(58)의 환원제 공급 펌프(54)의 하류측에 마련된다. 절환 밸브(55)에는 드레인 포트(63)가 유로(64)를 통해 접속된다. 절환 밸브(55)는 스풀을 슬라이딩시킴으로써 위치(X) 및 위치(Y)로 절환할 수 있다. 절환 밸브(55)는, 스풀이 위치(X) 상태에 있는 경우, 제1 공급 유로(58)를 차단하고, 분사 노즐(51)과 드레인 포트(63)를 연통시킨다. 절환 밸브(55)는, 스풀이 위치(Y) 상태에 있는 경우, 제1 공급 유로(58)를 연통시킨다. 따라서, 분사 노즐(51)에는 환원제가 공급된다.
NOx 검출부(56)는 엔진 본체(40)의 배기에 포함되는 NOx 배출량을 검출하는 것이다. NOx 검출부(56)는 NOx 센서 등으로 구성되고, 배기관(32)의 중간부이면서 NOx 촉매(60)보다 상류측에 배치된다.
NOx 촉매(60)는 NOx의 환원 반응을 촉진시키는 것이다. NOx 촉매(60)는 배기관(32)의 내부이면서 분사 노즐(51)보다 하류측에 배치된다. NOx 촉매(60)는, 환원제가 열·가수분해되어 생성되는 암모니아가 배기에 포함되는 NOx를 질소와 물로 환원하는 반응을 촉진시킨다.
배기 정화 장치(50)의 입구부(50a)에는, 입구부(50a)의 배기의 온도를 검출하는 온도 센서(50b)가 마련된다. 온도 센서(50b)는 분사 노즐(51)의 하류측에 마련되어, 분사 노즐(51)에 의한 환원제 분출 후의 배기의 온도를 검출한다.
도 2 내지 도 4에 나타내는 바와 같이, 급기 릴리프 밸브(70)는 과급기(20)로부터 엔진 본체(40)로의 급기의 공급량을 조정하기 위한 것이다.
급기 릴리프 밸브(70)는, 인터쿨러(27)와 서지 탱크(29)를 연결하는 급기관(28)의 중간부에 마련되고, 엔진 본체(40)의 실린더 블록에 고정되어 있다. 급기관(28)은 엔진 본체(40)의 블록 내에 일체적으로 형성된다. 급기 릴리프 밸브(70)는 엔진 본체(40)의 블록에 마련되어, 윤활유 배관(30)의 뒤편에 마련된다. 또한, 급기 릴리프 밸브(70)는 윤활유 필터 등, 유지 보수 작업이 행해지는 부재가 많이 배치된 쪽에 장착되어 있다. 이에 따라, 급기 릴리프 밸브(70)에 의해 분출된 공기를 이용할 때, 분출된 공기를 안내하기 위한 배관 등을 마련하기 쉽다. 또한, 급기 릴리프 밸브(70)를 작동시키기 위한 액츄에이터의 유지 보수를 실시하기 쉬워진다. 또한, 급기관(28)의 중간부에는, 급기를 급기관(28)으로부터 외부(대기중)로 배출하기 위한 분기관(28a)이 접속된다. 분기관(28a)에는, 분기관(28a) 내의 기압을 검출하는 기압 검출 장치(28b)가 마련된다. 급기 릴리프 밸브(70)는, 인터쿨러(27)에 의한 냉각 후의 급기를 분기관(28a)을 통해 외부로 배출하도록 구성되어 있다.
급기 릴리프 밸브(70)는, 개방도를 조정함으로써 급기관(28)과 분기관(28a)의 연통부의 통로 면적을 증감시키는 것이 가능하다.
급기 릴리프 밸브(70)는, 급기관(28)과 분기관(28a)의 연통부의 통로 면적을 증가시킴으로써, 분기관(28a)을 통해 외부로 배출되는 급기의 양을 증가시킨다. 그 결과, 엔진 본체(40)로의 급기의 공급량이 감소해, 엔진 본체(40)의 배기의 온도가 상승한다.
또한, 급기 릴리프 밸브(70)는, 급기관(28)과 분기관(28a)의 연통부의 통로 면적을 감소시킴으로써, 분기관(28a)을 통해 외부로 배출되는 급기의 양을 감소시킨다. 그 결과, 엔진 본체(40)로의 급기의 공급량이 증가해, 엔진 본체(40)의 배기의 온도가 낮아진다.
또한, 급기 릴리프 밸브(70)는, 폐쇄함으로써 급기관(28)과 분기관(28a)의 연통부를 폐쇄하는 것이 가능하다. 그 결과, 급기관(28) 내의 급기가 분기관(28a)에 의해 외부로 배출되지 않고, 엔진 본체(40)로 공급되게 된다.
급기 릴리프 밸브(70)에는, 급기 릴리프 밸브(70)를 개폐시키기 위한 동력을 발생시키는 액추에이터인 모터(71)가 접속된다. 모터(71)의 회전각(θ)을 변경함으로써, 급기 릴리프 밸브(70)의 개방도(급기를 배출하는 양)를 변경하는 것이 가능하다. 모터(71)의 회전각(θ)에 대응하는 급기 릴리프 밸브(70)의 개방도는, 미리 정해져 있다. 본 실시 형태에서 급기 릴리프 밸브(70)는, 모터(71)의 회전각(θ)이 증가함에 따라 분기관(28a)을 통해 배출되는 급기량을 증가시킨다. 즉, 급기 릴리프 밸브(70)는 모터(71)의 회전각(θ)이 증가함에 따라, 엔진 본체(40)로의 급기의 공급량을 감소시키도록 구성되어 있다. 그 결과, 모터(71)의 회전각(θ)이 증가함에 따라, 엔진 본체(40)의 배기의 온도가 상승하게 된다(도 6의 (a) 및 (b) 참조).
도 4에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(80)는 과급기 부착 엔진(6)의 각 부분 및 배기 정화 장치(50)의 각 부분의 동작을 제어하는 것이다.
제어 장치(80)는, 엔진 회전수 검출 장치(44)에 접속되어 엔진 회전수 검출 장치(44)로부터 신호를 수신해, 엔진 회전수의 정보를 취득할 수 있다.
제어 장치(80)는, 출력 검출 장치(45)(혹은 상기 연료 검출 장치)에 접속되어 출력 검출 장치(45)로부터 신호를 수신해, 엔진 출력의 정보를 취득할 수 있다.
제어 장치(80)는, 기압 검출 장치(28b)에 접속되어 기압 검출 장치(28b)로부터 신호를 수신해, 분기관(28a)내의 기압의 정보를 수신할 수 있다.
제어 장치(80)는, 환원제 공급 펌프(54), 절환 밸브(55) 및 가압 공기 밸브(53)에 각각 접속되어, 환원제 공급 펌프(54), 절환 밸브(55) 및 가압 공기 밸브(53)의 동작을 각각 제어할 수 있다.
제어 장치(80)는, 모터(71)에 접속되어 모터(71)를 조작해, 급기 릴리프 밸브(70)의 동작을 제어할 수 있다.
제어 장치(80)는, 배기 정화 장치(50)의 현재 위치를 산출할 수 있는 위치 산출 장치(90)에 접속된다. 위치 산출 장치(GPS 수신기)(90)는, GPS 위성으로부터 신호를 수신해, 수신한 당해 신호에 기초해 배기 정화 장치(50)의 현재 위치를 산출한다.
또한, 제어 장치(80)에는, 배기 규제 지역 맵(M1)이 기억된다.
제어 장치(80)에는 제1 맵(α)이 기억된다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 맵(α)에서, 종축은 엔진 출력(혹은 연료 분출량)을 나타내고, 횡축은 엔진 회전수를 나타낸다. 따라서, 제1 맵(α)의 좌표(α1·α2· …)는 엔진 출력(혹은 연료 분출량)과 엔진 회전수로 구성된다. 한편, 좌표(α1)에서의 엔진 회전수를 N1이라고 하고, 엔진 출력을 F1이라고 한다(좌표(α1)=(N1, F1)).
제어 장치(80)에는 제2 맵(β1·β2· …)이 기억된다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 제2 맵(β1·β2· …)은 모터(71)의 회전각(θ)과 엔진 본체(40)의 배기 온도(T)의 상관관계를 나타내고 있다.
제1 맵(α)의 각 좌표(α1·α2· …)는 각 제2 맵(β1·β2· …)에 각각 대응한다. 좌표(α1)는 제2 맵(β1)에 대응하고, 좌표(α2)는 제2 맵(β2)에 대응한다.
제어 장치(80)에는, 배기 정화 장치(50)에 이용되는 촉매(NOx 촉매(60))의 활성화 온도(TX)의 정보가 기억되어 있다. 활성화 온도(TX)는 NOx 촉매(60)를 활성화시키는데 필요한 온도이다. 활성화 온도(TX)는 T1℃ 이상이나, T1℃ 이상 T2℃ 이하와 같은 폭을 갖는 값이라도 되고, 또는, 폭이 없는 값 T1℃라도 된다.
제어 장치(80)는 온도 검출 장치(43)에 접속되어, 온도 검출 장치(43)로부터 엔진 본체(40)의 배기 온도(T)의 정보를 수신할 수 있다.
제어 장치(80)는 온도 센서(50b)에 접속되어, 온도 센서(50b)로부터 배기 정화 장치(50) 입구부(50a)의 배기 온도 정보를 취득할 수 있다.
이하, 과급기 부착 엔진(6)을 선박(1)에 탑재한 경우의, 제어 장치(80)에 의한 과급기 부착 엔진(6)의 각 부분의 제어 상태에 대해, 도 7을 참조해 설명한다.
스텝 S1에서, 선박(1) 항해시, 제어 장치(80)는 위치 산출 장치(90)로부터 배기 정화 장치(50)의 현재 위치 정보를 취득하고, 취득한 배기 정화 장치(50)의 현재 위치 정보와 규제 지역 맵(M1)에 기초해, 배기 정화 장치(50)가 배기 규제 지역 외에 존재하고 있는지 여부를 판단한다.
제어 장치(80)에 의해, 배기 정화 장치(50)가 배기 규제 지역 외에 존재하고 있다고 판단된 경우에는(스텝 S1, 예), 스텝 S2로 이행한다.
제어 장치(80)에 의해, 배기 정화 장치(50)가 배기 규제 지역 내에 존재하고 있다고 판단된 경우에는(스텝 S1, 아니오), 스텝 S4로 이행한다.
스텝 S2에서, 제어 장치(80)는, 배기 정화 장치(50)가 상기 배기 규제 지역 외에 존재하고 있다고 판단하면, 모터(71)에 의해 급기 릴리프 밸브(70)를 닫아, 급기 릴리프 밸브(70)에 의해 급기관(28)과 분기관(28a)의 연통부의 통로를 폐쇄시킨다. 이에 따라, 급기관(28) 내의 급기가 분기관(28a)을 통해 외부로 배출되지 않고, 엔진 본체(40)로 공급되는 상태가 된다.
스텝 S3에서, 제어 장치(80)는 배기 정화 장치(50)를 정지시킨다. 배기 정화 장치(50)를 정지시킨다는 것은, 분사 노즐(51)로부터의 환원제의 분사를 정지시키는 것이다. 본 실시 형태에서 제어 장치(80)는, 가압 공기 공급 펌프(52) 및 환원제 공급 펌프(54)를 정지시킴과 동시에, 가압 공기 밸브(53)의 스풀을 위치(V), 절환 밸브(55)의 스풀을 위치(X)로 각각 절환함으로써, 배기 정화 장치(50)를 정지시킨다(도 4 참조).
그리고, 스텝 S1로 이행한다.
상기 스텝 S2 및 스텝 S3에 나타내는 바와 같이, 급기 릴리프 밸브(70)에 의해 급기를 외부로 배출하지 않도록 하고 있는 상태를 저연비 모드라고 칭한다.
이상과 같이, 배기 규제 지역 외에서는, 상기 저연비 모드로 절환함으로써, 과급기(20)로부터의 급기를 급기 릴리프 밸브(70)에 의해 외부로 배출하지 않고, 엔진 본체(40)로 공급할 수 있으므로, 효율적으로 엔진 본체(40)를 구동시키는 것이 가능해진다.
스텝 S4에서, 제어 장치(80)는, 배기 정화 장치(50)가 상기 배기 규제 지역 내에 존재하고 있다고 판단하면, 엔진 회전수 검출 장치(44)로부터 신호를 수신해, 엔진 회전수의 정보를 취득한다. 본 실시 형태에서는, 취득한 엔진 회전수가 N1인 것으로 한다.
스텝 S5에서, 제어 장치(80)는, 출력 검출 장치(45)(상기 연료 검출 장치)로부터 신호를 수신해, 엔진 출력의 정보(연료 분출량의 정보)를 취득한다. 본 실시 형태에서는, 취득한 엔진 출력이 F1인 것으로 한다.
스텝 S6에서, 제어 장치(80)는, 제1 맵(α)을 이용해 상기 스텝 S4에서 취득한 엔진 회전수(N1)와 상기 스텝 S5에서 취득한 엔진 출력(연료 분출량)(F1)으로 구성되는 좌표(α1)를 산출한다(도 5 참조). 그리고, 제어 장치(80)는 좌표(α1)에 대응하는 제2 맵(β1)을 이용해, NOx 촉매(60)의 활성화 온도(TX)에 대응하는 회전각(θX)(목표 회전각(θX))을 산출한다(도 6의 (a) 참조).
스텝 S7에서, 제어 장치(80)는, 모터(71)를 목표 회전각(θX)까지 구동시킨다. 이에 따라, 엔진 본체(40)의 배기 온도(T)가 활성화 온도(TX)에 도달하도록 급기 릴리프 밸브(70)의 개방도가 조정되게 된다.
스텝 S8에서, 제어 장치(80)는, 기압 검출 장치(28b)로부터 신호를 수신해, 분기관(28a) 내의 기압 정보를 취득한다. 본 실시 형태에서는, 분기관(28a) 내의 기압이 P1인 것으로 한다.
스텝 S9에서, 제어 장치(80)는, 온도 검출 장치(43)로부터 신호를 수신해, 엔진 본체(40)의 배기 온도 정보를 취득한다. 본 실시 형태에서는, 엔진 본체(40)의 배기 온도가 T1인 것으로 한다.
스텝 S10에서, 제어 장치(80)는, 스텝 S8에서 취득한 분기관(28a) 내의 기압(P1)이 소정치(PX) 이상인지 여부를 확인한다. 소정치(PX)는, 급기 릴리프 밸브(70)가 열려 있어, 급기의 일부가 분기관(28a) 내를 흐르고 있을 때의 분기관(28a) 내의 기압으로서, 실험 등에 의해 미리 구해져 있다. 제어 장치(80)는, 분기관(28a) 내의 기압이 소정치(PX) 이상일 때는, 급기의 일부가 분기관(28a)을 통해 급기관(28)의 외부로 배출되고 있다고 판단하고, 소정치(PX) 미만일 때는, 급기 릴리프 밸브(70)가 닫혀져 있어 급기가 분기관(28a)을 통해 외부로 배출되고 있지 않다고 판단한다.
또한, 제어 장치(80)는, 스텝 S9에서 취득한 엔진 본체(40)의 배기 온도(T1)가, NOx 촉매(60)의 활성화 온도(TX)에 도달하고 있는지 여부를 확인한다.
제어 장치(80)는, 분기관(28a) 내의 기압(P1)이 소정치(PX) 이상이면서(급기의 일부가 급기관(28)의 외부로 배출되고 있고), 엔진 본체(40)의 배기 온도(T1)가 NOx 촉매(60)의 활성화 온도(TX)에 도달하고 있는 것을 확인한 경우에는(스텝 S10, 예), 스텝 S11로 이행한다.
제어 장치(80)는, 분기관(28a) 내의 기압(P1)이 소정치(PX) 미만이면서(급기 릴리프 밸브(70)가 닫혀 있고), 엔진 본체(40)의 배기 온도(T1)가 NOx 촉매(60)의 활성화 온도(TX)에 도달하지 않은 것을 확인한 경우에는(스텝 S10, 아니오), 스텝 S1로 이행한다.
스텝 S11에서, 제어 장치(80)는 배기 정화 장치(50)를 작동시킨다. 배기 정화 장치(50)를 작동시킨다는 것은, 분사 노즐(51)로부터 환원제를 분사시키는 것이다. 본 실시 형태에서 제어 장치(80)는, 가압 공기 공급 펌프(52) 및 환원제 공급 펌프(54)를 구동시킴과 동시에, 가압 공기 밸브(53)의 스풀을 위치(W), 절환 밸브(55)의 스풀을 위치(Y)로 각각 절환함으로써 배기 정화 장치(50)를 작동시킨다(도 4 참조).
그리고, 스텝 S1로 이행한다.
상기 스텝 S11에 나타내는 바와 같이, 엔진 본체(40)의 배기 온도를, NOx 촉매(60)의 활성화 온도(TX)에 도달시키고, 또한 배기 정화 장치(50)를 작동시키고 있는 상태를 배기 정화 모드라고 칭한다.
이상과 같이, 배기 규제 지역 내에서는, 상기 배기 정화 모드로 절환함으로써, 배기의 온도를 NOx 촉매(60)의 활성화 온도(TX)에 도달시킨 상태로, 배기 정화 장치(50)를 작동시켜 분사 노즐(51)로부터 환원제를 분사시킬 수 있어, 배기의 정화 성능을 높이는 것이 가능해진다.
또한, 급기 릴리프 밸브(70)를 조작해 엔진 본체(40)로의 급기의 공급량을 조정함으로써 엔진 본체(40)의 배기 온도를 제어할 수 있으므로, 엔진 본체(40)의 사양을 변경하지 않고, 급기 릴리프 밸브(70)의 개방도를 조정하는 것만으로, 배기 정화 장치(50)에 사용하는 촉매의 활성화에 필요한 배기의 온도를 얻는 것이 가능해진다.
또한, 엔진 본체(40)의 배기 온도를 제어할 수 있으므로, 배기 정화 장치(50)에 사용하는 촉매의 선택성을 높이는 것이 가능해진다.
또한, 배기 정화 장치(50)의 작동시에, 엔진 본체(40)의 배기 온도를 제어해 양호한 배기의 온도를 유지할 수 있으므로, 배기 정화 장치(50)에 사용하는 촉매의 수명을 연장할 수 있게 된다.
또한, 상기 스텝 S1 및 스텝 S10에 나타내는 바와 같이, 배기 정화 장치(50)를 작동시키기 위한 조건을 설정함으로써 배기 정화 장치(50)의 오작동을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 가압 기체 릴리프 밸브(70)를 조작해 엔진 본체(40)로의 급기의 공급량을 조정하는 것만으로 배기의 온도 저하를 방지할 수 있으므로, 필요한 배기의 온도(TX)를 얻기 위한 장치의 도입 비용을 억제하는 것이 가능해진다.
한편, 도 8에 나타내는 바와 같이, 분기관(28a)을 제2 공급 유로(59)에 접속해, 급기 릴리프 밸브(70)에 의해 급기관(28)으로부터 배출한 급기를 분기관(28a) 및 제2 공급 유로(59)를 통해 분사 노즐(51)로 공급하도록 구성해도 된다.
이에 따라, 상기 배기 정화 모드시에, 분사 노즐(51)은 급기 릴리프 밸브(70)가 배출한 급기를 이용해 환원제를 분사하게 된다.
따라서, 가압 공기 공급 펌프(52)로부터의 가압 공기를 이용하지 않고 환원제를 분사시키는 것이 가능해져, 가압 공기 공급 펌프(52)를 마련하지 않아도 되기 때문에, 합리적인 장치 구성을 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 선내에 공기를 공급하기 위한 장치가 없는 경우에도, 배기 정화 장치(50)를 작동시키는 것이 가능해진다.
또한, 도 8, 상기 스텝 S10 및 스텝 S11에 나타내는 바와 같이, 분사 노즐(51)은, 급기관(28) 내의 급기가 분기관(28a)을 통해 에어 탱크(61)에 공급되고 있는 상태로, 분기관(28a) 내의 기압이 소정치(PX) 이상에 도달하고, 또한, 배기의 온도(T1)가 목표치(TX)에 도달하면, 당해 에어 탱크(61) 내의 급기를 이용해 환원제를 분사한다. 이에 따라, 환원제의 분사에 필요한 기압을 확보하는 것이 가능해진다.
한편, 분기관(28a)의 배기구를 배기 정화 장치(50)를 향해 배치해, 급기 릴리프 밸브(70)에 의해 급기관(28)으로부터 급기를 배출할 때, 배출한 급기를 배기 정화 장치(50)의 센서류 등에 쐬어, 배기 정화 장치(50)의 센서류 등을 냉각하도록 구성해도 된다.
이에 따라, 배기 정화 장치(50)의 센서류 등을 냉각하기 위한 장치를 별도로 마련할 필요가 없어, 합리적인 장치 구성을 실현하는 것이 가능해진다.
도 9는 시험 장치(100)를 나타낸 도면이다.
시험 장치(100)는, 제1 배기관(101)과, 배기 정화 장치(촉매조)(102)와, 제2 배기관(103)과, 분기관(바이패스 라인)(104)과, 입구측 NOx 검출부(105)와, 분사 노즐(106)과, 출구측 NOx 검출부(107)과, NH3 슬립량 검출 장치(108)를 갖는다.
제1 배기관(101)은, 일단이 엔진 본체(40)에 접속되고, 타단이 배기 정화 장치(102)에 접속된다. 배기 정화 장치(102)의 배출측에는 제2 배기관(103)이 접속된다. 배기 정화 장치(102)는 배기 정화 장치(50)에 상당하고, 촉매(탈질산 촉매)를 이용해 배기를 정화한다. 엔진 본체(40)로부터 배출된 배기는 제1 배기관(101)→배기 정화 장치(102)→제2 배기관(103)의 순서로 흘러 대기 중으로 방출된다.
분기관(104)은, 일단이 제1 배기관(101)의 중간부에 접속되고, 타단이 제2 배기관(103)의 중간부에 접속된다. 분기관(104)은 분기관(33)에 상당한다. 분기관(33)과 제1 배기관(101)의 연결부에는, 배기 절환 밸브(109·110)가 마련된다. 배기 절환 밸브(109)는 배기 절환 밸브(35)에 상당하고, 배기 절환 밸브(110)는 배기 절환 밸브(34)에 상당한다.
분기관(104) 및 배기 절환 밸브(109·110)를 마련함으로써, 분기관(104) 또는 제1 배기관(101)의 어느 하나로 배기 통로를 절환하는 것이 가능하다.
제1 배기관(101)에서의, 분기관(33)과 제1 배기관(101)의 연결부의 하류측에는 입구측 NOx 검출부(105)가 마련된다. 입구측 NOx 검출부(105)는 배기 정화 장치(102)에 유입되기 전의 배기에 포함되는 촉매 입구 NOx량을 검출한다. 제1 배기관(101)에서의, 입구측 NOx 검출부(105)의 하류측, 즉, 입구측 NOx 검출부(105)와 배기 정화 장치(102)의 사이에는 분사 노즐(106)이 마련된다. 분사 노즐(106)은 분사 노즐(51)에 상당하며, 환원제(요소수)를 제1 배기관(101)의 내부에 공급한다.
제2 배기관(103)에는 출구측 NOx 검출부(107)가 마련된다. 출구측 NOx 검출부(107)는, 배기 정화 장치(102)로부터 유출된 배기, 즉, 정화 후의 배기에 포함되는 촉매 출구 NOx량을 검출한다. 제2 배기관(103)에서의, 출구측 NOx 검출부(107)의 하류측에는 NH3 슬립량 검출 장치(108)가 마련된다. NH3 슬립량 검출 장치(108)는 NH3 슬립량, 즉, 제2 배기관(103)을 통해 대기 중에 방출되는 배기가스에 포함되는 암모니아의 양을 검출한다. 제2 배기관(103)에서 NH3 슬립량 검출 장치(108)의 하류측에는 분기관(104)이 접속된다.
배기 정화 장치(촉매조)(102)의 입구부(111)에는, 입구부(111)의 배기 온도를 검출하는 온도 센서(112)가 마련된다.
시험 장치(100)는, 입구측 NOx 검출부(105)에 의한 촉매 입구 NOx량의 검출치(R1)와 출구측 NOx 검출부(107)에 의한 촉매 출구 NOx량의 검출치(R2)에 기초해, NOx 정화율(Q)(=(R1-R2)/R1)을 산출하는 것이 가능하다. 또한, 시험 장치(100)는 NH3 슬립량 검출 장치(108)에 의해 NH3 슬립량을 검출하는 것이 가능하다.
도 10에는, 배기 정화 장치(촉매조)(102) 입구부(111)의 배기 온도와, 연료에 포함되는 S(유황) 함유량(%)과, NOx 정화율(Q)의 저하율과, 산성 황산암모늄(NH4HSO3)의 유무의 관계를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 도 10의 그래프는, 시험 장치(100) 등을 이용해 NOx 정화율(Q) 등의 각종 데이터를 취득·분석함으로써 얻어진 것이다.
도 10의 그래프에서, 종축은 배기 정화 장치(촉매조)(102) 입구부(111)의 배기 온도를 나타내고, 횡축은 엔진 본체(40)에 사용되는 연료에 포함되는 S(유황) 함유량을 나타내고 있다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 라인 L보다 아래쪽 영역에서는 산성 황산암모늄(NH4HSO3)이 생성되어, NOx 정화율(Q)의 저하율을 커지는 것을 알 수 있다(도 10의 '×' 참조). 즉, 배기 정화 장치(촉매조)(102) 입구부(111)의 배기 온도가 낮아지면, 산성 황산암모늄(NH4HSO3)이 생성되어 NOx 정화율(Q)의 저하율이 커진다. 산성 황산암모늄이 생성되면, 산성 황산암모늄에 의해 배기 정화 장치(102)의 촉매가 열화되어 배기 정화 기능(NOx 정화율(Q))이 저하되므로, 산성 황산암모늄의 생성을 억제하는 것이 바람직하다.
이에 대해, 도 10에 나타내는 바와 같이, 라인 L보다 위쪽 영역에서는 산성 황산암모늄(NH4HSO3)이 생성되지 않게 되어, NOx 정화율(Q)의 저하율이 작아지는 것을 알 수 있었다(도 10의 '●' 참조). 즉, 배기 정화 장치(촉매조)(102) 입구부(111)의 배기 온도가 높아지면, 산성 황산암모늄(NH4HSO3)이 생성되지 않게 되어, NOx 정화율(Q)의 저하율이 작아진다. 따라서, 배기 정화 장치(102)의 배기 정화 기능(NOx 정화율(Q))을 양호한 상태로 유지하기 위해서는, 배기 정화 장치(촉매조)(102) 입구부(111)의 배기 온도가 라인 L보다 위쪽 영역에 위치하도록, 엔진 본체(40)의 배기의 온도를 제어하는 것이 바람직하다.
전술한 과급기 부착 엔진(6)은, 급기 릴리프 밸브(70)를 이용해 엔진 본체(40)의 배기의 온도를 제어할 수 있다. 이에 따라, 과급기 부착 엔진(6)은 배기 정화 장치(촉매조)(102) 입구부(111)의 배기의 온도가 라인 L보다 위쪽의 영역에 위치하도록, 엔진 본체(40)의 배기의 온도를 제어할 수 있다. 따라서, 산성 황산암모늄의 생성을 억제할 수 있어, NOx 촉매(60)의 열화의 진행을 억제할 수 있게 된다.
〈산업상의 이용 가능성〉
본 발명은 과급기 부착 엔진에 이용 가능하다.
6: 과급기 부착 엔진
20: 과급기
40: 엔진 본체
50: 배기 정화 장치
60: NOx 촉매
70: 급기 릴리프 밸브
80: 제어 장치

Claims (4)

  1. 환원제를 배기에 첨가하여, 촉매에 의해 배기 중의 질소산화물을 환원하는 배기 정화 장치를 구비하는 과급기 부착 엔진으로서,
    과급기로부터 급기관을 통해 엔진 본체로 공급되는 급기의 일부를 상기 급기관의 외부로 배출 가능한 급기 릴리프 밸브와,
    상기 급기 릴리프 밸브를 조작해, 상기 과급기로부터 상기 엔진 본체로 공급되는 급기의 공급량을 조정함으로써 상기 배기의 온도를 제어하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 과급기 부착 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 배기 정화 장치 작동시에, 상기 배기의 온도가 미리 기억되어 있는 상기 촉매의 활성화 온도에 도달하도록 상기 급기 릴리프 밸브를 조작하는 것을 특징으로 하는 과급기 부착 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배기 정화 장치의 현재 위치를 산출하는 위치 산출 장치와,
    상기 배기의 온도를 검출하는 온도 검출 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 위치 산출 장치로부터 상기 배기 정화 장치의 현재 위치의 정보를 취득해, 상기 배기 정화 장치의 현재 위치가 미리 결정된 배기 규제 구역 내이고, 상기 급기 릴리프 밸브를 조작해 상기 급기의 일부를 상기 급기관의 외부로 배출하면서, 상기 온도 검출 장치로부터 상기 배기의 온도 정보를 취득해, 상기 배기의 온도가 상기 촉매의 활성화 온도에 도달하고 있을 때에는, 상기 배기 정화 장치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 과급기 부착 엔진.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 정화 장치는, 가압 기체와 상기 환원제의 혼합기체를 분사하는 노즐을 갖고, 상기 급기 릴리프 밸브가 상기 급기관으로부터 배출한 급기와 상기 환원제의 혼합기체를 상기 노즐로부터 분사시킬 수 있는 과급기 부착 엔진.
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