KR20190064652A - 선박용 디젤 엔진 - Google Patents

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다카시 우에다
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나오히로 히라오카
아키히로 미야나기
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

엔진 본체를 보다 좋은 조건에서 운전시킬 수 있는 선박용 디젤 엔진을 제공한다. 엔진 본체와, 과급기와, EGR 시스템과, 엔진 본체의 구동을 제어하여, 엔진 본체의 회전수가 높아짐에 따라서, 연소 사이클에 있어서의 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이 늦어지는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴에 기초하여, 배기 밸브의 동작을 제어하는 엔진 제어 장치와, EGR 제어 장치를 갖고, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건이고, EGR 시스템이 가동하고 있는 경우의 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이, 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건이고, EGR 시스템이 정지되어 있는 경우의 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍보다, 빠르다.

Description

선박용 디젤 엔진
본 발명은 선박용 디젤 엔진에 관한 것이다.
선박용 디젤 엔진에는, 엔진 본체와, 엔진 본체로부터 배출되는 배기 가스의 힘으로 터빈을 회전시키고, 터빈과 동축으로 접속된 압축기에서 생성된 압축 공기를 엔진 본체에 공급하는 과급기와, 엔진 본체로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 상기 엔진 본체로 재순환시키는 EGR 유닛을 구비하는 것이 있다 (특허문헌 1 참조). 또, 특허문헌 1 에는, 엔진 본체의 배기 밸브를 개방하는 타이밍을 늦게 하여, 기연 (旣燃) 가스의 일부를 배기 밸브로부터 배출하지 않는 제어가 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2014-20275호
특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 배기 밸브를 개방하는 타이밍을 조정함으로써, 연소실 내의 공기의 밸런스를 조정할 수 있다. 여기서, 선박용 디젤 엔진에서는, 배기 밸브의 동작의 타이밍을 엔진 본체의 부하 등에 의해 변화시키는 제어를 실시할 수 있다. 선박용 디젤 엔진은, 엔진 본체의 부하에 의해 배기 밸브의 동작의 타이밍을 전환함으로써, 운전 조건에 의해 효율적으로 운전하는 것이 가능해지지만, 연소가 불안정해지거나, 흑연이 발생하거나 할 우려가 있는 엔진 본체의 운전 조건이 생기는 경우가 있다.
본 발명은 상기 서술한 과제를 해결하는 것으로서, 엔진 본체를 보다 좋은 조건에서 운전시킬 수 있는 선박용 디젤 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 선박용 디젤 엔진으로서, 배기 밸브를 개폐하여, 연소실 내의 공기의 배기를 제어하는 엔진 본체와, 상기 엔진 본체로부터 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈과 상기 터빈 및 회전축이 연결되고, 상기 터빈의 회전에 의해 회전하여, 압축 공기를 생성하는 압축기를 구비하고, 압축 공기를 상기 엔진 본체에 공급하는 과급기와, 상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스의 일부를 연소용 가스로서 상기 엔진 본체로 재순환하는 EGR 시스템과, 상기 엔진 본체의 구동을 제어하여, 상기 엔진 본체의 회전수가 높아짐에 따라서, 연소 사이클에 있어서의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이 늦어지는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴에 기초하여, 상기 배기 밸브의 동작을 제어하는 엔진 제어 장치와, 상기 EGR 시스템의 구동을 제어하는 EGR 제어 장치를 갖고, 상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건이고, 상기 EGR 시스템이 가동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이, 상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건이고, 상기 EGR 시스템이 정지되어 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍보다, 빠르다.
선박용 디젤 엔진은, EGR 시스템이 가동하고 있는 상태에서 연소실로의 연료의 공급량에 대한 산소량이 저하되는 것을 억제할 수 있어, 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있다. 이로써, 엔진 본체를 보다 좋은 조건에서 운전시킬 수 있다. 운전하고 있던 보조 압축기가 정지하고, 또한, EGR 시스템이 가동하고 있는 상태라도 연소실에 유지되는 공기를 많게 할 수 있어, 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있다. 이로써, 엔진 본체를 보다 좋은 조건에서 운전시킬 수 있다.
또, 상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 EGR 시스템이 가동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이, 상기 EGR 시스템이 정지되어 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍보다, 빠른 것이 바람직하다.
상기 엔진 본체에 공급하는 공기를 압축하는 보조 압축기를 갖고, 상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 EGR 시스템이 가동하고, 또한, 상기 보조 압축기가 구동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이, 일정한 것이 바람직하다.
상기 엔진 본체에 공급하는 공기를 압축하는 보조 압축기를 갖고, 상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 EGR 시스템이 가동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍과, 상기 EGR 시스템이 정지되어 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍의 차가, 상기 EGR 시스템이 가동하고, 또한, 상기 보조 압축기가 구동하고 있는 상태에서 정지하는 상태로 전환되는 운전 조건에서 최대가 되는 것이 바람직하다.
상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건보다 부하가 낮은 조건에서의 운전인 경우, 상기 엔진 본체에 공급하는 공기를 압축하고, 상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건보다 부하가 높은 조건인 경우, 정지하는 보조 압축기를 추가로 갖는 것이 바람직하다. 운전하고 있던 보조 압축기가 정지할 때에, 연소실로의 연료의 공급량에 대한 산소량이 저감되는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 엔진 본체를 보다 좋은 조건에서 운전시킬 수 있다.
상기 EGR 시스템은, 상기 엔진 본체로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 연소용 가스로서 상기 엔진 본체로 재순환하는 배기 가스 재순환 라인과, 상기 배기 가스 재순환 라인에 형성되는 EGR 밸브와, 상기 배기 가스 재순환 라인을 흐르는 상기 연소용 가스에 대해 액체를 분사하는 스크러버를 갖는 것이 바람직하다.
상기 EGR 시스템은, 상기 터빈과 회전축으로 연결된 상기 압축기에 재순환시킨 배기 가스를 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, EGR 시스템이 가동하고 있는 상태에서 연소실로의 연료의 공급량에 대한 산소량의 저하를 억제할 수 있어, 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있다. 이로써, 엔진 본체를 보다 좋은 조건에서 운전시킬 수 있다.
도 1 은, 본 실시형태의 EGR 시스템을 구비한 디젤 엔진을 나타내는 개략도이다.
도 2 는, 본 실시형태의 EGR 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
도 3 은, 본 실시형태의 엔진 본체의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 엔진 구동 장치의 제어의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 5 는, 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6 은, 보조 압축기의 제어의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 7 은, 통내 산소량과 엔진 부하의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 은, 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 9 는, 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 또, 실시형태가 복수인 경우에는, 각 실시형태를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.
도 1 은, EGR 시스템을 구비한 선박용 디젤 엔진을 나타내는 개략도, 도 2 는, EGR 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 선박용 디젤 엔진 (10) 은, 엔진 본체 (엔진) (11) 와, 과급기 (12) 와, EGR 시스템 (13) 을 구비하고 있다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 엔진 본체 (11) 는, 도시하지 않지만, 프로펠러축을 개재하여 추진용 프로펠러를 구동 회전시키는 추진용의 기관 (주기관) 이다. 이 엔진 본체 (11) 는, 유니플로 소배기식의 크로스헤드식 디젤 엔진으로서, 2 스트로크 디젤 엔진이고, 실린더 내의 흡배기의 흐름을 하방으로부터 상방으로의 일방향으로 하여, 배기의 잔류를 없애도록 한 것이다. 엔진 본체 (11) 는, 피스톤이 상하 이동하는 복수의 실린더 (21) 와, 각 실린더 (21) 에 연통하는 소기 트렁크 (22) 와, 각 실린더 (21) 에 연통하는 배기 매니폴드 (23) 를 구비하고 있다. 그리고, 각 실린더 (21) 와 소기 트렁크 (22) 의 사이에 소기 포트 (24) 가 형성되고, 각 실린더 (21) 와 배기 매니폴드 (23) 의 사이에 배기 유로 (25) 가 형성되어 있다. 그리고, 엔진 본체 (11) 는, 소기 트렁크 (22) 에 급기 라인 (G1) 이 연결되고, 배기 매니폴드 (23) 에 배기 라인 (G2) 이 연결되어 있다.
도 3 은, 본 실시형태의 엔진 본체의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 3 은, 엔진 본체 (11) 중 1 개의 피스톤 및 실린더 (21) 에 대응하는 부분을 나타내고 있다. 엔진 본체 (11) 는, 하방에 위치하는 받침판 (111) 과, 받침판 (111) 상에 형성되는 가구 (架構) (112) 와, 가구 (112) 상에 형성되는 실린더 재킷 (113) 을 가지고 있다. 이 받침판 (111) 과 가구 (112) 와 실린더 재킷 (113) 은, 상하 방향으로 연장되는 복수의 텐션 볼트 (타이 볼트/연결 부재) (114) 및 너트 (115) 에 의해 일체로 체결되어 고정되어 있다.
실린더 재킷 (113) 은, 실린더 라이너 (116) 가 형성되어 있고, 이 실린더 라이너 (116) 의 상단에 실린더 커버 (117) 가 형성되어 있다. 실린더 라이너 (116) 와 실린더 커버 (117) 는 공간부 (118) 를 구획하고 있고, 이 공간부 (118) 내에 피스톤 (119) 이 상하로 자유롭게 왕복동할 수 있게 형성됨으로써, 연소실 (120) 이 형성된다. 또, 실린더 커버 (117) 는, 배기 밸브 (배기 가스 밸브) (121) 가 형성되어 있다. 이 배기 밸브 (121) 는, 연소실 (120) 과 배기 가스관 (122) 을 개폐하는 것이다. 또한, 배기 밸브 (121) 는, 연소실 (120) 과 배기 가스관 (122) 을 개폐하는 기능을 갖고 있으면 되며, 반드시 실린더 커버 (117) 의 중앙부에 형성할 필요는 없다.
그 때문에, 연소실 (120) 에 대해, 연료 분사 펌프로부터 공급된 연료와, 과급기 (12) 에 의해 압축된 연소용 가스가 공급됨으로써 연소된다. 그리고, 이 연소에 의해서 발생한 에너지에 의해 피스톤 (119) 이 상하동한다. 또, 이 때, 배기 밸브 (121) 에 의해 연소실 (120) 이 개방되면, 연소에 의해 생긴 배기 가스가 배기 가스관 (122) 으로 밀려나오는 한편, 소기 포트 (24) 로부터 연소용 가스가 연소실 (120) 에 도입된다. 배기 가스관 (122) 은, 배기 매니폴드 (23) 와 접속되어 있다.
피스톤 (119) 은, 피스톤봉 (123) 의 상단부에 접속됨과 함께, 피스톤봉 (123) 과 함께 피스톤축 방향으로 이동 가능하게 연결되어 있다. 받침판 (111) 은, 크랭크 케이스로 되어 있고, 크랭크 샤프트 (124) 를 자유롭게 회전할 수 있도록 지지하는 베어링 (125) 이 형성되어 있다. 또, 크랭크 샤프트 (124) 는, 크랭크 (126) 를 개재하여 연접봉 (127) 의 하단부가 자유롭게 회동 (回動) 할 수 있도록 연결되어 있다. 가구 (112) 는, 상하 방향으로 연장되는 1 쌍의 가이드판 (128) 이 소정 간격을 두고 고정되어 있으며, 1 쌍의 가이드판 (128) 의 사이에 크로스헤드 (129) 가 상하로 자유롭게 이동할 수 있도록 지지되어 있다. 크로스헤드 (129) 는, 피스톤봉 (123) 의 하단부에 형성된 크로스헤드 핀의 하반부를 연접봉 (127) 의 상단부에 접속되는 크로스헤드 베어링이 자유롭게 회동할 수 있게 되도록 연결되어 있다.
그 때문에, 실린더 재킷 (113) 의 연소실 (120) 에서 발생한 에너지가 전달된 피스톤 (119) 은, 피스톤봉 (123) 과 함께, 엔진 본체 (11) 의 설치면을 향해 (받침판 (111) 측의 방향, 즉, 피스톤축 방향에 있어서의 하방) 밀어 누른다. 그러면, 피스톤봉 (123) 은, 크로스헤드 (129) 를 피스톤축 방향으로 밀어 눌러, 연접봉 (127) 및 크랭크 (126) 를 개재하여 크랭크 샤프트 (124) 를 회전시킨다.
엔진 본체 (11) 에는, 회전수 검출부 (62) 와, 연료 투입량 검출부 (64) 와, 소기 압력 검출부 (65) 가 배치되어 있다. 회전수 검출부 (62) 는, 엔진 본체 (11) 의 회전수 (프로펠러축과 접속된 회전축의 회전수) 를 검출한다. 회전수 검출부 (62) 는, 엔진 본체 (11) 에 삽입된 회전축의 회전수를 검출해도 되지만, 프로펠러축의 회전수를 검출해도 된다. 연료 투입량 검출부 (64) 는, 엔진 본체 (11) 의 연료 투입량을 검출한다. 소기 압력 검출부 (65) 는, 엔진 본체 (11) 에 공급되는 압축 공기의 압력을 검출한다. 구체적으로는, 소기 압력 검출부 (65) 는, 소기 트렁크 (22) 에 배치되고, 소기 트렁크 (22) 의 압력을 검출한다.
엔진 제어 장치 (26) 는, 엔진 본체 (11) 의 운전을 제어한다. 엔진 제어 장치 (26) 는, 요구 부하 등의 각종 입력 조건 및 회전수 검출부 (62) 와 연료 투입량 검출부 (64) 와 소기 압력 검출부 (65) 등의 각종 센서에서 검출한 결과에 기초하여, 엔진 본체 (11) 의 운전을 제어한다. 엔진 제어 장치 (26) 는, 실린더 (21) 로의 연료의 분사 타이밍이나, 분사량, 배기 밸브 (121) 의 개폐 타이밍을 제어하여, 엔진 본체 (11) 의 연료 투입량이나 회전수, 연소실 (120) 에서의 연소를 제어한다. 엔진 제어 장치 (26) 는, 연료 투입량이나 회전수를 제어함으로써, 엔진 본체 (11) 의 출력을 제어한다.
과급기 (12) 는, 컴프레서 (압축기) (31) 와 터빈 (32) 이 회전축 (33) 에 의해 일체로 회전하도록 연결되어 구성되어 있다. 이 과급기 (12) 는, 엔진 본체 (11) 의 배기 라인 (G2) 으로부터 배출된 배기 가스에 의해 터빈 (32) 이 회전하고, 터빈 (32) 의 회전이 회전축 (33) 에 의해 전달되어 컴프레서 (31) 가 회전하고, 이 컴프레서 (31) 가 공기 및 재순환 가스 중 적어도 일방을 압축하여, 압축한 압축 기체로서 급기 라인 (G1) 으로부터 엔진 본체 (11) 에 공급한다. 컴프레서 (31) 는, 외부 (대기) 로부터 공기를 흡입하는 흡입 라인 (G6) 에 접속되어 있다.
과급기 (12) 는, 터빈 (32) 을 회전시킨 배기 가스를 배출하는 배기 라인 (G3) 이 연결되어 있고, 이 배기 라인 (G3) 은, 도시하지 않은 연돌 (퍼널) 에 연결되어 있다. 또, 배기 라인 (G3) 에서부터 급기 라인 (G1) 까지의 사이에 EGR 시스템 (13) 이 형성되어 있다.
EGR 시스템 (13) 은, 배기 가스 재순환 라인 (G4, G5, G7) 과, 스크러버 (42) 와, 데미스터 유닛 (14) 과, EGR 블로어 (송풍기) (47) 와, EGR 제어 장치 (60) 를 구비하고 있다. 이 EGR 시스템 (13) 은, 엔진 본체 (11) 로부터 배출된 배기 가스의 일부를 재순환 가스로서 공기와 혼합한 후, 과급기 (12) 에 의해 압축하여 연소용 가스로서 선박용 디젤 엔진 (10) 에 재순환시킴으로써, 연소에 의한 NOx 의 생성을 억제하는 것이다. 또한, 여기서는, 터빈 (32) 의 하류측으로부터 배기 가스의 일부를 추기 (抽氣) 했지만, 터빈 (32) 의 상류측으로부터 배기 가스의 일부를 추기해도 된다.
또한, 이하의 설명에서, 배기 가스란, 엔진 본체 (11) 로부터 배기 라인 (G2) 으로 배출된 후, 배기 라인 (G3) 으로부터 외부로 배출되는 가스이다. 재순환 가스란, 배기 라인 (G3) 으로부터 분리된 일부의 배기 가스를 가리킨다. 재순환 가스는, 배기 가스 재순환 라인 (G4, G5, G7) 에 의해 엔진 본체 (11) 로 되돌려지는 것이다.
배기 가스 재순환 라인 (G4) 은, 일단이 배기 라인 (G3) 의 중도부에 접속되어 있다. 배기 가스 재순환 라인 (G4) 은, EGR 입구 밸브 (개폐 밸브) (41A) 가 형성되어 있고, 타단이 스크러버 (42) 에 접속되어 있다. EGR 입구 밸브 (41A) 는, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 을 개폐함으로써, 배기 라인 (G3) 으로부터 배기 가스 재순환 라인 (G4) 으로 분류 (分流) 되는 배기 가스를 ON/OFF 한다. 또한, EGR 입구 밸브 (41A) 를 유량 조정 밸브로 하여, 배기 가스 재순환 라인 (G4) 을 통과하는 배기 가스의 유량을 조정하도록 해도 된다.
스크러버 (42) 는, 벤투리식의 스크러버이고, 중공 형상을 이루는 스로트부 (43) 와, 배기 가스가 도입되는 벤투리부 (44) 와, 원래의 유속으로 단계적으로 되돌리는 확대부 (45) 를 구비하고 있다. 스크러버 (42) 는, 벤투리부 (44) 에 도입된 재순환 가스에 대해 물을 분사하는 물 분사부 (46) 를 구비하고 있다. 스크러버 (42) 는, SOx 나 매진 등의 미립자 (PM) 와 같은 유해 물질이 제거된 재순환 가스 및 유해 물질을 포함하는 배수를 배출하는 배기 가스 재순환 라인 (G5) 이 연결되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 스크러버 (42) 로서 벤투리식을 채용하고 있지만, 이 구성으로 한정되는 것은 아니다.
배기 가스 재순환 라인 (G5) 은, 데미스터 유닛 (14) 과 EGR 블로어 (47) 가 형성되어 있다.
데미스터 유닛 (14) 은, 물 분사에 의해 유해 물질이 제거된 재순환 가스와 배수를 분리하는 것이다. 데미스터 유닛 (14) 은, 배수를 스크러버 (42) 의 물 분사부 (46) 로 순환시키는 배수 순환 라인 (W1) 이 형성되어 있다. 그리고, 이 배수 순환 라인 (W1) 은, 미스트 (배수) 를 일시적으로 저류하는 홀드 탱크 (49) 와 펌프 (50) 가 형성되어 있다.
EGR 블로어 (47) 는, 스크러버 (42) 내의 재순환 가스를 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로부터 데미스터 유닛 (14) 으로 유도하는 것이다. EGR 블로어 (47) 는, 데미스터 유닛 (14) 을 통과한 재순환 가스를 컴프레서 (31) 로 보낸다.
배기 가스 재순환 라인 (G7) 은, 일단이 EGR 블로어 (47) 에 접속됨과 함께, 타단이 혼합기 (도시 생략) 를 통하여 컴프레서 (31) 에 접속되어 있고, EGR 블로어 (47) 에 의해 재순환 가스가 컴프레서 (31) 로 보내진다. 배기 가스 재순환 라인 (G7) 은, EGR 출구 밸브 (개폐 밸브 또는 유량 조정 밸브) (41B) 가 형성되어 있다. 흡입 라인 (G6) 으로부터의 공기와, 배기 가스 재순환 라인 (G7) 으로부터의 재순환 가스는, 혼합기에서 혼합됨으로써 연소용 가스가 생성된다. 또한, 이 혼합기는, 사이렌서와 별도로 형성되어도 되고, 혼합기를 별도로 형성하지 않고, 재순환 가스와 공기를 혼합하는 기능을 부가하도록 사이렌서를 구성해도 된다. 그리고, 과급기 (12) 는, 컴프레서 (31) 가 압축한 연소용 가스를 급기 라인 (G1) 으로부터 엔진 본체 (11) 에 공급 가능하며, 급기 라인 (G1) 에 에어 쿨러 (냉각기) (48) 가 형성되어 있다. 이 에어 쿨러 (48) 는, 컴프레서 (31) 에 의해 압축되어 고온이 된 연소용 가스와 냉각수를 열 교환함으로써, 연소용 가스를 냉각시키는 것이다. 또, EGR 시스템 (13) 은, 급기 라인 (G1) 또는 소기 트렁크 (22) 에 산소 농도 검출부 (66) 가 배치되어 있다. 본 실시형태의 산소 농도 검출부 (66) 는, 에어 쿨러 (48) 보다 엔진 본체 (11) 측에 배치되어 있다. 산소 농도 검출부 (66) 는, 엔진 본체 (11) 에 공급되는 공기의 산소 농도, 요컨대 EGR 시스템 (13) 이 가동되고 있는 경우에는, 연소용 가스의 산소 농도를 검출한다.
EGR 제어 장치 (60) 는, EGR 시스템 (13) 의 각 부의 동작을 제어한다. EGR 제어 장치 (60) 는, 엔진 제어 장치 (26) 로부터 부하 정보를 취득한다. EGR 제어 장치 (60) 는, 연료 투입량 검출부 (64) 로부터 엔진 본체 (11) 의 연료 투입량의 정보를 취득한다. EGR 제어 장치 (60) 는, 산소 농도 검출부 (66) 로부터 엔진 본체 (11) 에 공급되는 연소용 가스의 산소 농도의 정보를 취득한다. EGR 제어 장치 (60) 는, 취득한 엔진 본체 (11) 의 회전수와 연료 투입량과, 엔진 본체 (11) 에 공급되는 공기의 산소 농도에 기초하여, EGR 블로어 (47) 의 운전 상태, 구체적으로는 EGR 블로어 (47) 의 임펠러를 회전시키는 모터의 주파수를 제어하여, EGR 시스템 (13) 으로부터 엔진 본체 (11) 에 공급하는 재순환 가스의 양을 제어한다. EGR 제어 장치 (60) 는, 엔진 본체 (11) 의 부하와 산소 농도의 목표값의 관계를 기억하고 있고, 부하에 따라서 산소 농도의 목표값을 산출한다. EGR 제어 장치 (60) 는, 엔진 본체 (11) 의 부하와 산소 농도의 목표값의 관계에 기초하여 산소 농도의 목표값을 산출하고, 산출된 산소 농도의 목표값과 취득한 산소 농도의 관계와 현재의 EGR 블로어 (47) 의 주파수에 기초하여, EGR 블로어 (47) 의 주파수 (운전 주파수) 를 산출한다. EGR 제어 장치 (60) 는, 산출된 EGR 블로어 (47) 의 주파수로 EGR 블로어 (47) 를 회전시킨다. EGR 제어 장치 (60) 는, EGR 블로어 (47) 이외의 각 부, 예를 들어, EGR 입구 밸브 (41A), EGR 출구 밸브 (41B) 의 개폐나, 스크러버 (42) 의 운전도 제어한다.
이하, 본 실시형태의 EGR 시스템 (13) 의 작용을 설명한다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 엔진 본체 (11) 는, 소기 트렁크 (22) 로부터 실린더 (21) 내에 연소용 가스가 공급되면, 피스톤 (119) 에 의해 이 연소용 가스가 압축되고, 이 고온의 연소용 가스에 대해 연료가 분사됨으로써 자연 착화되어, 연소한다. 그리고, 발생한 연소 가스는, 배기 가스로서 배기 매니폴드 (23) 로부터 배기 라인 (G2) 으로 배출된다. 엔진 본체 (11) 로부터 배출된 배기 가스는, 과급기 (12) 에 있어서의 터빈 (32) 을 회전시킨 후, 배기 라인 (G3) 으로 배출되고, EGR 입구 밸브 (41A) 및 EGR 출구 밸브 (41B) 가 폐지 (閉止) 되어 있을 때에는, 전체량이 배기 라인 (G3) 으로부터 외부로 배출된다.
한편, EGR 입구 밸브 (41A) 및 EGR 출구 밸브 (41B) 가 개방되어 있을 때, 배기 가스는, 그 일부가 재순환 가스로서 배기 라인 (G3) 으로부터 배기 가스 재순환 라인 (G4) 으로 흐른다. 배기 가스 재순환 라인 (G4) 으로 흐른 재순환 가스는, 스크러버 (42) 에 의해, 유해 물질이 제거된다. 즉, 스크러버 (42) 는, 재순환 가스가 벤투리부 (44) 를 고속으로 통과할 때, 물 분사부 (46) 로부터 물을 분사함으로써, 이 물에 의해 재순환 가스를 냉각함과 함께, 유해 물질을 물과 함께 낙하시켜 제거한다. 그리고, 유해 물질을 포함하는 미스트 (배수) 는, 재순환 가스와 함께 데미스터 유닛 (14) 에 유입된다.
스크러버 (42) 에 의해 유해 물질이 제거된 재순환 가스는, 배기 가스 재순환 라인 (G5) 으로 배출되고, 데미스터 유닛 (14) 에 의해 미스트 (배수) 가 분리된 후, 배기 가스 재순환 라인 (G7) 에 의해 과급기 (12) 로 보내진다. 그리고, 이 재순환 가스는, 흡입 라인 (G6) 으로부터 흡입된 공기와 혼합되어 연소용 가스가 되고, 과급기 (12) 의 컴프레서 (31) 에 의해 압축된 후, 에어 쿨러 (48) 에 의해 냉각되고, 급기 라인 (G1) 으로부터 엔진 본체 (11) 에 공급된다.
보조 압축기 (51) 는, 급기 라인 (G1) 의 에어 쿨러 (48) 와 소기 트렁크 (22) 의 사이에 배치되어 있다. 보조 압축기 (보조 블로어) (51) 는, 바이패스 라인 (52) 과, 블로어용 임펠러 (컴프레서) (54) 와, 블로어용 전동기 (모터) (56) 와, 역지 밸브 (59) 를 갖는다. 보조 압축기 (51) 는, 소기 압력 검출부 (65) 에서 검출한 소기 트렁크 (22) 내의 압력에 기초하여, 제어된다. 바이패스 라인 (52) 은, 양단이 급기 라인 (G1) 에 접속되고, 급기 라인 (G1) 을 바이패스한다. 블로어용 임펠러 (54) 는, 소기 라인 (G1) 에 형성되고, 바이패스 라인 (52) 을 흐르는 공기를 압축한다. 블로어용 전동기 (모터) (56) 는, 블로어용 임펠러 (54) 를 회전시킨다. 역지 밸브 (59) 는, 소기 라인 (G1) 에 형성되고, 바이패스 라인 (52) 의 공기의 역류, 요컨대, 소기 트렁크 (22) 측의 단부로부터 에어 쿨러 (48) 측의 단부를 향하여 공기가 흐르는 것을 방지한다.
보조 압축기 (51) 는, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 기동시에 구동됨으로써, 흡입 라인 (G6) 으로부터 컴프레서 (31) 를 경유하여 흡기한 공기 등의 기체를 압축한 후, 압축한 공기 등의 기체를 연소용 가스로서 소기 트렁크 (22) 측으로 압송한다. 보조 압축기 (51) 는, 급기 라인 (G1) 과 바이패스 라인 (52) 에 제어 밸브를 형성하고, 제어 밸브의 개폐에 의해 압축 공기가 흐르는 경로를 전환하거나, 유량의 밸런스를 제어하거나 해도 된다. 또한, 보조 압축기 (51) 는, 급기 라인 (G1) 을 바이패스하는 바이패스 라인 (52) 을 형성하고, 이 바이패스 라인 (52) 에 블로어용 임펠러 (54) 를 형성했지만, 급기 라인 (G1) 과 바이패스 라인 (52) 은 병렬로 형성할 필요는 없으며, 바이패스 라인 (52) 을 형성하지 않고, 급기 라인 (G1) 만을 형성하여 급기 라인 (G1) 에 블로어용 임펠러 (54) 를 형성해도 된다.
다음으로, 도 4 를 사용하여, 선박용 디젤 엔진 (10) 의 엔진 제어 장치 (26) 에서 실행하는 엔진 본체 (11) 및 보조 압축기 (51) 의 제어에 대해 설명한다. 도 4 는, 엔진 구동 장치의 제어의 일례를 나타내는 플로차트이다.
엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정과, EGR 시스템 (13) 을 가동시키지 않는 설정 요컨대 EGR 시스템 (13) 을 정지시키고 있는 설정에서, 각 부의 제어 조건을 전환한다. EGR 시스템 (13) 을 가동시키지 않는 설정이란, EGR 시스템 (13) 으로부터 정화한 배기 가스의 일부를 엔진 본체 (11) 에 공급하는 재순환을 실행하지 않는 상태이고, EGR 시스템 (13) 의 스크러버 (42) 등의 EGR 시스템 (13) 의 일부가 가동하고 있어도 된다.
엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정인 경우, EGR 모드로 제어를 실행하고, EGR 시스템 (13) 을 가동시키지 않는 설정인 경우, 노멀 모드로 제어를 실행한다. 이하, 도 4 를 사용하여 설명한다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정으로 되어 있는지를 판정한다 (스텝 S12). EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정이란, 사용자가 EGR 시스템 (13) 의 ON, OFF 를 조작할 수 있는 스위치가 있는 경우, 그 스위치가 ON 으로 되어 있는지 OFF 로 되어 있는지이다. 또한, EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정인 경우, EGR 시스템 (13) 이 실제로 가동되어 있지 않아도 된다. 예를 들어, 선박용 디젤 엔진 (10) 은, EGR 시스템 (13) 이 엔진 본체 (11) 의 부하가 임계값 이상에서 가동시키는 설정인 경우, EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정이라도 엔진 본체 (11) 의 부하가 낮으면 EGR 시스템 (13) 이 가동하지 않는다.
엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정으로 되어 있다 (스텝 S12 에서 Yes) 라고 판정한 경우, EGR 모드를 선택하고 (스텝 S14), EGR 모드의 설정에 기초하여 각 부를 제어한다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 을 가동시키는 설정으로 되어 있지 않다 (스텝 S12 에서 No) 라고 판정한 경우, 노멀 모드를 선택하고 (스텝 S16), 노멀 모드의 설정에 기초하여 각 부를 제어한다.
다음으로, 도 5 를 사용하여, 엔진 제어 장치 (26) 에 의한 배기 밸브의 제어에 대해 설명한다. 도 5 는, 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내는 그래프이다. 엔진 제어 장치 (26) 는, 도 5 에 나타내는 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계인 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴에 기초하여, 엔진 부하에 따라서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 변화시킨다. 배기 밸브 폐쇄 타이밍은, 연소 사이클에 있어서 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이고, 연소 사이클의 각도로 나타낼 수 있다. 여기서, 배기 밸브 (121) 를 폐쇄하는 타이밍은, 상기 서술한 바와 같이 엔진 본체 (11) 의 피스톤 (119) 의 1 스트로크를 360 도로 한 각도, 요컨대 크랭크 각도에 기초하여 제어한다. 요컨대, 엔진 제어 장치 (26) 는, 크랭크 각도가 설정된 각도가 되었을 경우에 배기 밸브 (121) 를 개방한다. 배기 밸브 (121) 가 폐쇄하는 타이밍이 늦어지면, 크랭크 각도가 보다 큰 각도에서 배기 밸브가 폐쇄된다.
도 5 의 실선으로 나타내는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, EGR 모드에서의 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내고 있다. 도 5 의 점선으로 나타내는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 은, 노멀 모드에서의 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내고 있다. 본 실시형태의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202, 204) 은, 모두 엔진 부하가 증가하면, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지는 관계가 된다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 이 가동하는 설정인 EGR 모드인 경우, 엔진 부하를 검출하고, 검출한 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 의 관계에 기초하여 배기 밸브 (121) 를 폐쇄하는 타이밍인 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 을 가동시키지 않는 설정인 노멀 모드인 경우, 엔진 부하를 검출하고, 검출한 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 의 관계에 기초하여 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍인 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한다.
노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 은, 엔진 부하의 변화량에 대한 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 변화량인 변화율이 일정하게 된다. 또한, 도 5 에서는, 변화율을 일정한 것으로 했지만, 부하 상승에 수반하여 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어진다면, 변화율이 변화해도 된다. 여기서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 은, EGR 시스템 (13) 으로부터 정화된 배기 가스가 공급되지 않는 설정으로, 각 엔진 부하에서 연비 등의 엔진 성능이 높아지는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 산출하고, 그 결과에 기초하여 설정한 이상선이 되는 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계이다. 여기서, 이상선은, 먼저 엔진의 설계 출력으로부터 연소시 최대 압력을 결정한다. 거기서부터 각 부하의 연소시 압력을 결정하고, 그 연소시 압력으로부터 압축 압력을 설계하여, 그 압축 압력이 되도록 계획의 배기 밸브의 폐쇄 타이밍을 결정한다. 그 후, 시운전에 의해 계획의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 부근에서, 변경·조정하여, 연비 및 배기 가스 출구 온도 등의 파라미터가 최적이 되도록 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 결정한다. 각 부하에서 상기 서술한 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 실시하여, 최적의 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 각도를 각 부하에서 결정한다. 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 은, 이 때 각 부하의 타이밍을 매끄럽게 연결되도록 미세 조정을 실시하여, 결정한다.
EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 동일 엔진 부하의 경우, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 보다 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 빨라진다. 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, EGR 시스템 (13) 으로부터 정화된 배기 가스가 공급되는 설정으로, 각 엔진 부하에서 연비 등의 엔진 성능이 높아지는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 산출하고, 그 결과에 기초하여 설정한 이상선이 되는 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계에 기초하여 설정한 관계이다. 예를 들어, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 보조 압축기 (51) 가 가동하고 있는 부하 범위 (210), 요컨대 엔진 부하 (A1) 보다 낮은 엔진 부하의 범위에 있어서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 일정하게 되고, 엔진 부하 (A1) 보다 높은 엔진 부하의 범위에서, 엔진 부하가 높아짐에 따라서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어진다. 여기서, 엔진 부하 (A1) 는, 엔진 본체 (11) 의 운전 조건이 임계값 조건이 되었을 때의 부하이다. 임계값 조건으로서, 여러 가지 조건을 설정할 수 있다. 도 5 의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 엔진 부하 (A1) 보다 높은 엔진 부하의 범위에서의 변화율을 일정한 것으로 했지만 변화율이 변화해도 된다. 이와 같이, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 부하 범위 (210) 에서는 엔진 부하가 증가해도, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지지 않는다. 이로써, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 부하 범위 (210) 에 있어서, 엔진 부하가 증가할수록, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 과의 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 차가 커진다.
엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 모드인 경우, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 에 기초하여 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어하고, 노멀 모드인 경우, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 에 기초하여, 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한다. 이로써, 엔진 제어 장치 (26) 는 동일 부하 조건, 예를 들어, 임계값 조건의 엔진 부하 (A1) 인 경우, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍이, 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍보다 빨라진다. 이와 같이, EGR 모드인 경우, 노멀 모드보다 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 빠르게 함으로써, 노멀 모드의 조건으로 모든 제어를 실시하는 경우와 비교하여, 엔진 본체 (11) 를 보다 안정적으로 운전할 수 있다.
구체적으로는, 선박용 디젤 엔진 (10) 은, EGR 시스템 (13) 을 가동시킴으로써, 연소용 가스의 산소 농도를 저하시켜, 연소를 완만하게 시킬 수 있고, 연소용 가스의 열 용량을 증가시켜, 온도 상승을 억제할 수 있으며, 나아가서는, 선박용 디젤 엔진 (10) 으로부터 계외로 배출되는 배기 가스의 양을 저하시킬 수 있다. 이로써, 선박용 디젤 엔진 (10) 은, EGR 시스템 (13) 을 가동시킴으로써, 질소 산화물의 배출량을 저하시킬 수 있다. 그러나, 선박용 디젤 엔진 (10) 은, 연소를 완만하게 하는 조건에서 운전하면, 통내의 산소량의 저하가 커져, 운전이 불안정해지는 경우가 있다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 모드인 경우, 노멀 모드보다 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 빠르게 함으로써, 연소용 가스의 산소 농도 저하에 대해, 연소실 (120) 내의 산소량의 저하를 적게 할 수 있다. 이로써, 엔진 본체 (11) 를 보다 안정적으로 운전할 수 있다.
또, 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 과, 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 이 설정된다. EGR 운전인지의 여부에 따라서 각각의 모드에 맞추어 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어함으로써, 각각의 모드로 엔진을 안정적으로 운전시키면서, 운전의 효율을 높게 할 수 있다.
또, 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 의 부하 범위 (210) 에서의 배기 밸브 (121) 의 폐쇄 타이밍을 일정하게 함으로써, 파라미터의 설정을 간단하게 할 수 있어, 제어를 간단하게 할 수 있다. 제어를 간단하게 할 수 있음으로써 엔진 본체 (11) 의 운전을 안정시킬 수 있다.
여기서, 임계값 조건의 엔진 부하 (A1) 는, 엔진 부하가 20 ％ 이상, 60 ％ 이하의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 엔진 부하는, 정격 운전의 부하를 100 ％ 로 한다. 또, 본 실시형태의 엔진 제어 장치 (26) 는, 어느 엔진 부하에서도, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍보다 빠르게 함으로써, 엔진 본체 (11) 를 보다 좋은 조건에서 운전할 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 또, 엔진 제어 장치 (26) 는, 엔진 부하가 상기 범위 이외인 경우에도 EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍은, 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍보다 빠른 것이 바람직하다. 요컨대, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍은, 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍과 동시, 또는 빠른 것이 바람직하다. 이로써, 엔진 본체 (11) 를 보다 좋은 조건에서 운전할 수 있다. 또, 상기 실시형태에서는 엔진 부하에 의해 설명했지만, 엔진 본체 (11) 의 회전수도 정격 운전의 회전수에 대한 비율에서 동일한 범위로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 보조 압축기 (51) 는, 소기 압력 검출부 (65) 에서 검출한 압력에 기초하여, 가동 정지를 제어한다. 이하, 도 6 을 사용하여 설명한다. 도 6 은, 보조 압축기의 제어의 일례를 나타내는 플로차트이다. 또한, 도 6 에 나타내는 처리는, 엔진 본체 (11) 의 시동시에만 실행해도 되고, 항상 실행해도 된다. 보조 압축기 (51) 는, 소기 트렁크 (22) 의 압력이 임계값 이하인지를 판정한다 (스텝 S22). 보조 압축기 (51) 는, 소기 트렁크 (22) 의 압력이 임계값 이하이다 (스텝 S22 에서 Yes) 라고 판정한 경우, 보조 압축기 (51) 를 가동시킨다 (스텝 S24). 요컨대, 보조 압축기 (51) 의 블로어용 전동기 (56) 를 구동하여, 블로어용 임펠러 (54) 를 구동시킨다. 보조 압축기 (51) 는, 소기 트렁크 (22) 의 압력이 임계값 이하가 아니다 (스텝 S22 에서 No) 라고 판정한 경우, 보조 압축기 (51) 를 정지시킨다 (스텝 S26). 요컨대, 보조 압축기 (51) 의 블로어용 전동기 (56) 를 정지하여, 블로어용 임펠러 (54) 를 정지시킨다. 이로써, 보조 압축기 (51) 는, 엔진 부하가 낮기 때문에, 과급기 (12) 에서 압축되는 공기의 압력이 낮아져, 소기 압력 검출부 (65) 에서 검출하는 압력이 낮아지는 경우에, 보조 압축기 (51) 에서 압축한 공기를 엔진 본체 (11) 로 공급할 수 있다. 이로써, 엔진 본체 (11) 에 공급하는 압축한 공기의 압력을 높게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 소기 압력 검출부 (65) 에서 검출한 소기 압력에 기초하여 보조 압축기 (51) 의 가동, 정지를 제어했지만, 엔진 부하에 기초하여, 보조 압축기 (51) 의 가동, 정지를 제어해도 된다.
엔진 제어 장치 (26) 는, 상기 서술한 엔진 부하 (A1) 를 보조 압축기 (51) 가 정지하는 조건으로 하는 것이 바람직하다. 요컨대, 임계값 조건을 가동하고 있던 보조 압축기 (51) 가 정지하는 조건으로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 보조 압축기 (51) 는, 엔진 본체 (11) 의 운전 조건이 임계값 조건의 엔진 부하 (A1) 보다 부하가 낮은 조건에서의 운전인 경우, 가동된다. 또, 보조 압축기 (51) 는, 엔진 본체에 공급하는 연소용 가스를 압축하여, 엔진 본체 (11) 의 운전 조건이 임계값 조건인 엔진 부하 (A1) 보다 부하가 높은 조건인 경우, 정지된다. 또한, 보조 압축기 (51) 는, 엔진 부하를 사용하지 않고서 제어하는 경우도 있기 때문에, 임계값 조건과 보조 압축기 (51) 를 정지시키는 조건에 허용 범위의 차가 있어도 된다.
엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 에 기초하여, 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어함으로써, 보조 압축기 (51) 는 정지하는 엔진 부하 (A1) 에서의 배기 밸브 폐쇄 타이밍이, 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 으로 운전한 경우보다 빨라진다. 이와 같이, 엔진 부하 (A1) 에서의 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 빠르게 함으로써, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 타이밍에서 생기는 통내 산소량 (연소실 (120) 내의 산소량) 의 저하에 의해, 흑연이 발생할 우려가 생기는 통내 산소량인 레벨까지 통내 산소량이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
도 7 은, 통내 산소량과 엔진 부하의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7 은, 가로축이 엔진 부하이고, 세로축이 통내 산소량이 된다. 요컨대, 도 7 은, 엔진 부하와 그 부하에 있어서의 통내 산소량의 관계를 나타내고 있다. 도 7 에서는, 노멀 모드이면서, 또한, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 에 기초하여 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한 경우를 EGR OFF 로 나타내고, EGR 모드이면서, 또한, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 에 기초하여 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한 경우를 EGR ON (비교예) 으로 나타내고, EGR 모드이면서, 또한, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 에 기초하여 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한 경우를 EGR ON (실시예) 으로 나타낸다.
엔진 제어 장치 (26) 는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 으로 제어를 실행함으로써, EGR 모드로 엔진 부하를 증가시키는 제어를 실행하고 있는 동안에 보조 압축기 (51) 가 정지하는 조건에서, 통내 산소량이 스모크 발생 레벨 (212) 까지 통내 산소량이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, 엔진 제어 장치 (26) 는, 본 실시형태의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 으로 제어를 실행함으로써, 보조 압축기 (51) 를 가동하고 있는 동안의, 엔진 본체 (11) 의 부하 (회전수) 의 상승에 비례한 연소실 (120) 에서의 연료 연소시의 산소 과잉률의 저하를 억제할 수 있다. 투입되는 연료에 대한 산소량의 저감을 억제할 수 있음으로써, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 으로 운전한 경우와 비교하여 동일 부하에서의 연소실 (120) 의 공기의 양을 많게 할 수 있다. 이로써, EGR 모드로 운전하고 있는 경우에도 보조 압축기 (51) 를 정지하는 단계에서의 연소실 (120) 안의 산소량을 많게 할 수 있다.
엔진 제어 장치 (26) 는, 부하 범위 (210) 에서 부하가 상승해도 연소실 (120) 에 유지하는 공기량이 저감되지 않도록 함으로써, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 단계에서의 연소실 (120) 안의 산소량을 많게 할 수 있어, 연료의 연소를 바람직하게 실시할 수 있다. 이로써, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 단계에서의 연료에 대해 산소가 적어져서, 연소가 불안정해지는 것을 억제할 수 있어, 불완전 연소에 의해 흑연이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 연소를 안정적으로 실행할 수 있음으로써, 원하는 출력을 얻을 수 있어, 회전수를 바람직하게 상승시킬 수 있다. 본 실시형태의 선박용 디젤 엔진 (10) 은, EGR 시스템 (13) 을 가동시킴으로써, 연소실 (120) 에 공급되는 연소용 가스의 산소 농도가 낮아져, 연소의 불안정성이나 흑연 발생의 리스크가 커지지만, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 에 기초하여 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어함으로써, 연소가 불안정해지는 것을 억제할 수 있어, 불완전 연소에 의해 흑연이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 연소를 안정적으로 실행할 수 있음으로써, 원하는 출력을 얻을 수 있어, 회전수를 바람직하게 상승 혹은 바람직하게 안정시킬 수 있다.
또, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 단계에서의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 이외의 범위는, EGR 모드의 이상선이 되도록 산출한 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴과 일치하는 패턴으로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 단계 이외의 부하의 범위에서, 엔진 본체 (11) 를 보다 효율적으로 운전할 수 있다. 또한, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 급격하게 변화하면 엔진 본체 (11) 의 제어가 불안정해지므로, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 이 이상선과 겹치는 부분과 임계값 조건의 엔진 부하 (A1) 와의 사이는, 변화율이 제로에 가까운 것이 바람직하다. 이로써, 엔진 본체 (11) 의 부하가 보조 압축기 (51) 를 정지하는 단계의 근방에서 증감한 경우에, 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 변동이 지나치게 커져, 엔진 본체 (11) 의 운전이 불안정해지는 것을 억제할 수 있다.
또, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 타이밍에서 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 과의 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 차가 최대가 되는 것이 바람직하다. 요컨대, EGR 시스템 (13) 이 가동하고 있는 경우의 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍과, EGR 시스템 (13) 이 정지되어 있는 경우의 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍의 차가, EGR 시스템 (13) 이 가동하고, 또한, 보조 압축기 (51) 가 구동하고 있는 상태에서 정지하는 상태로 전환되는 운전 조건, 요컨대 도 5 에서는 엔진 부하 (A1) 에서 최대가 되는 것이 바람직하다. 이로써, 보조 압축기 (51) 가 가동하고 있는 상태의 엔진 부하, 또한, EGR 시스템 (13) 의 영향이 적은 부하 범위에서는, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 과의 차를 작게 할 수 있어, 기관 성능이 높아진 상태로 운전할 수 있다. 또, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 타이밍에서 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 과의 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 차를 최대로 함으로써, 보조 압축기 (51) 를 정지한 후에는, EGR 운전을 한 상태에 맞추어, 통내의 O2 량을 변화시킬 수 있어, 기관 성능이 높아진 상태로 운전할 수 있다.
여기서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (202) 은, 부하 범위 (210) 에서 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 일정한 것으로 했지만 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 도 8 은, 엔진 부하와 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계의 다른 예를 나타내는 그래프이다. 이하, 도 8 을 사용하여, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴의 다른 예를 설명한다. 도 8 에 나타내는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (206, 208, 209) 은, 모두 EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴이다.
배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (206) 은, 부하 범위 (210) 의 엔진 부하가 낮은 범위에서는, 엔진 부하가 증가하면 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지고, 부하 범위 (210) 의 소정의 엔진 부하보다 높은 부하의 범위에서는, 엔진 부하가 증가해도 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 일정하게 되어, 엔진 부하 (A1) 를 초과하여도, EGR 모드의 이상선과 겹치는 엔진 부하까지, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 일정하게 된다. 이와 같이, 엔진 제어 장치 (26) 는, 부하 범위 (210) 에 있어서, 엔진 부하가 증가하면 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지는 관계로 해도 된다.
배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (208) 은, 부하 범위 (210) 에서는, 엔진 부하가 증가하면 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지고, 엔진 부하 (A1) 를 초과한 다음부터 EGR 모드의 이상선과 겹치는 엔진 부하까지, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 일정하게 된다. 또한, 부하 범위 (210) 의 변화율은, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 보다 작다. 이와 같이, 엔진 제어 장치 (26) 는, 부하 범위 (210) 에 있어서, 엔진 부하가 증가하면 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지고, 엔진 부하 (A1) 를 초과한 다음부터 EGR 모드에 있어서의 이상선과 겹치는 엔진 부하까지, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 일정하게 되는 관계로 해도 된다.
배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (209) 은, 엔진 부하가 부하 범위 (210) 에서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 과 겹치는 위치가 없다. 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (209) 은, 엔진 부하가 가장 낮은 위치에서도, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 보다 빨라진다. 이로써, 부하 범위 (210) 에 있어서, EGR 모드의 엔진 본체 (11) 의 통내 산소량을 보다 많게 할 수 있다.
엔진 제어 장치 (26) 는, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (206, 208, 209) 에 나타내는 바와 같이 EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴을 여러 가지 패턴으로 할 수 있다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴을 엔진 부하 (A1) 에서의 배기 밸브 폐쇄 타이밍이, 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (204) 의 배기 밸브 폐쇄 타이밍보다 빠른 관계로 함으로써 상기 서술한 효과를 얻을 수 있다.
엔진 제어 장치 (26) 는, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴으로서, 엔진 본체 (11) 의 부하가 증가하는 경우와, 엔진 본체 (11) 의 부하가 감소하는 경우와, 엔진 부하 (A1) 에서의 엔진 본체 (11) 의 회전수와 배기 밸브 (121) 를 폐쇄하는 타이밍이 상이한 관계를 사용해도 된다.
또, 상기 실시형태는, 엔진 부하에 기초하여 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 엔진 제어 장치 (26) 는, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력에 기초하여, 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어해도 된다. 도 9 는, 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 9 의 실선으로 나타내는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 은, EGR 모드에서의 엔진 본체 (11) 의 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내고 있다. 도 9 의 점선으로 나타내는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (224) 은, 노멀 모드에서의 엔진 본체 (11) 의 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계를 나타내고 있다. 본 실시형태의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222, 224) 은, 모두 엔진 본체 (11) 의 소기 압력이 증가하면, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지는 관계가 된다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 이 가동하는 설정인 EGR 모드인 경우, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력을 검출하고, 검출한 엔진 본체 (11) 의 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 의 관계에 기초하여 배기 밸브 (121) 를 폐쇄하는 타이밍인 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한다. 엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 시스템 (13) 을 가동시키지 않는 설정인 노멀 모드인 경우, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력을 검출하고, 검출한 엔진 본체 (11) 의 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (224) 의 관계에 기초하여 배기 밸브 (121) 를 폐쇄하는 타이밍인 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어한다.
노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (224) 은, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력의 변화량에 대한 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 변화량인 변화율이 일정하게 된다. 또한, 도 9 에서는, 변화율을 일정한 것으로 했지만, 소기압 상승에 수반하여 배기 밸브를 개방하는 타이밍이 늦어진다면, 변화율이 변화해도 된다. 여기서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (224) 은, EGR 시스템 (13) 으로부터 정화된 배기 가스가 공급되지 않는 설정으로, 각 엔진 본체 (11) 의 소기 압력에서 연비 등의 엔진 성능이 높아지는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 산출하고, 그 결과에 기초하여 설정한 이상선이 되는 엔진 본체 (11) 의 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계이다. 이상선의 산출 방법은 상기 서술한 바와 같다.
EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 은, 동일한 엔진 본체 (11) 의 소기 압력인 경우, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (224) 보다 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 빨라진다. 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 은, EGR 시스템 (13) 으로부터 정화된 배기 가스가 공급되는 설정으로, 각 엔진 본체 (11) 의 소기 압력에서 연비 등의 엔진 성능이 높아지는 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 산출하고, 그 결과에 기초하여 설정한 이상선이 되는 엔진 본체 (11) 의 소기 압력과 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 관계에 기초하여 설정한 관계이다. 구체적으로는, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 은, 보조 압축기 (51) 가 가동하고 있는 부하 범위 (210), 요컨대, 보조 압축기 (51) 는 정지하는 엔진 본체 (11) 의 소기 압력 (B1) 보다 낮은 엔진 본체 (11) 의 소기 압력의 범위에 있어서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 일정하게 되고, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력 (B1) 보다 높은 엔진 본체 (11) 의 소기 압력의 범위에서, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력이 높아짐에 따라서, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어진다. 또한, 도 9 의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 은, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력 (B1) 보다 높은 엔진 본체 (11) 의 소기 압력의 범위에서의 변화율을 일정한 것으로 했지만, 소기압 상승에 수반하여 배기 밸브 (121) 를 개방하는 타이밍이 늦어진다면, 변화율이 변화해도 된다. 이와 같이, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 은, 부하 범위 (210) 에서는 엔진 본체 (11) 의 소기 압력이 증가해도, 배기 밸브 폐쇄 타이밍이 늦어지지 않는다. 이로써, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 은, 부하 범위 (210) 에 있어서, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력이 증가할수록, 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (224) 과의 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 차가 커진다.
엔진 제어 장치 (26) 는, EGR 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (222) 에 기초하여, 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 제어함으로써, 보조 압축기 (51) 는 정지하는 엔진 본체 (11) 의 소기 압력 (B1) 에서의 배기 밸브 폐쇄 타이밍이, 노멀 모드의 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴 (224) 으로 운전한 경우보다 빨라진다. 이와 같이, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력 (B1) 에서의 배기 밸브 폐쇄 타이밍을 빠르게 함으로써, 보조 압축기 (51) 를 정지하는 타이밍에서 생기는 통내 산소량 (연소실 (120) 내의 산소량) 의 저하에 의해, 흑연이 발생할 우려가 생기는 통내 산소량인 스모크 발생 레벨까지 통내 산소량이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 이와 같이, 엔진 제어 장치 (26) 는, 엔진 부하가 아니라, 엔진 본체 (11) 의 소기 압력에 기초하여 제어를 실시해도, 엔진 부하의 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 엔진 제어 장치 (26) 는, 배기 밸브 폐쇄 타이밍에 추가하여, 배기 밸브 (121) 를 개방하는 타이밍인 배기 밸브 개방 타이밍도, 위험 회전수 영역과 그 밖의 회전수 영역에서 변화율을 변화시켜도 된다.
10 : 선박용 디젤 엔진
11 : 엔진 본체
12 : 과급기
13 : EGR 시스템
14 : 데미스터 유닛
26 : 엔진 제어 장치
41A : EGR 입구 밸브
41B : EGR 출구 밸브
42 : 스크러버
47 : EGR 블로어
48 : 에어 쿨러 (냉각기)
51 : 보조 압축기
60 : EGR 제어 장치
62 : 회전수 검출부
64 : 연료 투입량 검출부
65 : 소기 압력 검출부
66 : 산소 농도 검출부
111 : 받침판
112 : 가구
113 : 실린더 재킷
114 : 텐션 볼트 (타이 볼트/연결 부재)
115 : 너트
116 : 실린더 라이너
117 : 실린더 커버
118 : 공간부
119 : 피스톤
120 : 연소실
121 : 배기 밸브
122 : 배기 가스관
123 : 피스톤봉
124 : 크랭크 샤프트
125 : 베어링
126 : 크랭크
127 : 연접봉
128 : 가이드판
129 : 크로스헤드

Claims (7)

  1. 배기 밸브를 개폐하여, 연소실 내의 공기의 배기를 제어하는 엔진 본체와,
    상기 엔진 본체로부터 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈과 상기 터빈 및 회전축이 연결되고, 상기 터빈의 회전에 의해 회전하여, 압축 공기를 생성하는 압축기를 구비하고, 압축 공기를 상기 엔진 본체에 공급하는 과급기와,
    상기 엔진 본체로부터 배출된 배기 가스의 일부를 연소용 가스로서 상기 엔진 본체로 재순환하는 EGR 시스템과,
    상기 엔진 본체의 구동을 제어하여, 상기 엔진 본체의 회전수가 높아짐에 따라서, 연소 사이클에 있어서의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이 늦어지는 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴에 기초하여, 상기 배기 밸브의 동작을 제어하는 엔진 제어 장치와,
    상기 EGR 시스템의 구동을 제어하는 EGR 제어 장치를 갖고,
    상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건이고, 상기 EGR 시스템이 가동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이, 상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건이고, 상기 EGR 시스템이 정지되어 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍보다, 빠른 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 EGR 시스템이 가동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이, 상기 EGR 시스템이 정지되어 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍보다, 빠른 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 엔진 본체에 공급하는 공기를 압축하는 보조 압축기를 갖고,
    상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 EGR 시스템이 가동하고, 또한, 상기 보조 압축기가 구동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍이, 일정한 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 엔진 본체에 공급하는 공기를 압축하는 보조 압축기를 갖고,
    상기 배기 밸브 폐쇄 타이밍 패턴은, 상기 EGR 시스템이 가동하고 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍과, 상기 EGR 시스템이 정지되어 있는 경우의 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 타이밍의 차가, 상기 EGR 시스템이 가동하고, 또한, 상기 보조 압축기가 구동하고 있는 상태에서 정지하는 상태로 전환되는 운전 조건에서 최대가 되는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건보다 부하가 낮은 조건에서의 운전인 경우, 상기 엔진 본체에 공급하는 공기를 압축하고, 상기 엔진 본체의 운전 조건이 임계값 조건보다 부하가 높은 조건인 경우, 정지하는 보조 압축기를 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 EGR 시스템은, 상기 엔진 본체로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 연소용 가스로서 상기 엔진 본체로 재순환하는 배기 가스 재순환 라인과,
    상기 배기 가스 재순환 라인에 형성되는 EGR 밸브와,
    상기 배기 가스 재순환 라인을 흐르는 상기 연소용 가스에 대해 액체를 분사하는 스크러버를 갖는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 EGR 시스템은, 상기 터빈과 회전축으로 연결된 상기 압축기에 재순환시킨 배기 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤 엔진.
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