KR20200042005A - 엔진 시스템 및 가변 압축 장치의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

이 엔진 시스템(100)은, 승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤(4)과 접속되는 피스톤 로드(6)가 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유체실(R3)을 갖는 가변 압축 장치(A)와, 상기 작동 유체를 승압하여 상기 유체실에 공급하는 승압 기구(8)와, 상기 피스톤 로드의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하는 검출 장치(3d, 400, 500)와, 상기 위치 정보에 기초하여 상기 피스톤 로드의 이동 위치를 유지하도록 상기 승압 기구를 제어하도록 구성된 제어 장치(300)를 가진다.

Description

엔진 시스템 및 가변 압축 장치의 제어 방법
본 개시는, 엔진 시스템 및 가변 압축 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
본원은, 2017년 11월 30일에 출원된 일본 특허출원 2017-230697호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 크로스 헤드를 갖는 대형 왕복 피스톤 연소 엔진이 개시되어 있다. 특허문헌 1의 대형 왕복 피스톤 연소 엔진은, 중유 등의 액체 연료와 천연가스 등의 기체 연료 모두에서의 가동이 가능하게 되는 듀얼 퓨얼 엔진이다. 특허문헌 1의 대형 왕복 피스톤 연소 엔진은, 액체 연료에 의한 가동에 적합한 압축비와 기체 연료에 의한 가동에 적합한 압축비 둘 다에 대응하기 위해, 유압에 의해 피스톤 로드를 크로스 헤드에 대해 상대 이동시킴으로써 압축비를 변경시키는 조정 기구를 크로스 헤드 부분에 마련하고 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2014-20375호 공보
상술한 바와 같은 압축비를 변경하는 압축 조정 장치를 갖는 엔진 시스템은, 피스톤 로드의 이동 방향에서의 위치(크로스 헤드에 대한 상대 위치)를 변경함으로써, 피스톤의 하사점 및 상사점 위치를 변경하여, 압축비를 조정하고 있다. 이러한 압축비의 조정은, 조종자의 조작 등에 기초하여 엔진 시스템의 제어 장치가 행하고 있다. 그러나, 피스톤 로드를 이동시키기 위한 유체실로부터 작동 유체가 누출되는 등, 유체실에서의 작동 유체의 부피 변화가 발생해도, 제어 장치는, 실제의 압축비를 파악하지 못하여, 압축비를 유지하기 위한 작동 유체의 제어가 어려운 경우가 있다. 따라서, 가변 압축 장치에 있어서, 의도치 않게 압축비가 변화되어 있을 가능성이 있다.
본 개시는, 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 가변 압축 장치를 갖는 엔진 시스템에 있어서, 설정된 압축비를 유지하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 제1 태양의 엔진 시스템은, 승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤과 접속되는 피스톤 로드가 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유체실을 갖는 가변 압축 장치와, 상기 작동 유체를 승압하여 상기 유체실에 공급하는 승압 기구와, 상기 피스톤 로드의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하는 검출 장치와, 상기 위치 정보에 기초하여 상기 피스톤 로드의 이동 위치를 유지하도록 상기 승압 기구를 제어하도록 구성된 제어 장치를 가진다.
본 개시의 제2 태양은, 상기 제1 태양에 있어서, 상기 검출 장치가, 상기 피스톤이 수용되는 실린더 라이너에 설치됨과 아울러 상기 피스톤의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하도록 구성되어 있다.
본 개시의 제3 태양은, 상기 제1 태양에 있어서, 상기 검출 장치가, 상기 피스톤 로드에 고정된 피검출부의 이동을 비접촉으로 검출하는 센서부를 가진다.
본 개시의 제4 태양은, 상기 제1 내지 제3 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 승압 기구가, 상기 유체실과 외부를 연통시키는 유로에 설치된 배출 밸브를 가지며, 상기 제어 장치가, 상기 승압 기구와 상기 배출 밸브를 제어하여 상기 작동 유체를 상기 유체실에 공급하면서 상기 유체실로부터 배출시키도록 구성되어 있다.
본 개시의 제5 태양은, 승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤과 접속되는 피스톤 로드가 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유체실을 갖는 가변 압축 장치의 제어 방법으로서, 상기 피스톤 로드의 위치 정보에 기초하여, 상기 피스톤 로드의 이동 위치를 유지하도록, 상기 작동 유체를 승압하여 상기 유체실에 공급하거나 또는 상기 작동 유체를 상기 유체실로부터 배출하도록 구성된 승압 기구를 제어한다.
본 개시에 의하면, 제어 장치가 피스톤 로드의 위치를 취득하고 있고, 피스톤 로드의 위치가 작동 유체의 유체실로부터의 누출 등에 의해 의도치 않게 변화한 경우에도, 피스톤 로드가 설정상의 위치가 되도록 승압 기구를 제어하여, 작동 유체를 유체실에 공급할 수 있다. 이에 의해, 의도치 않은 압축비의 변화를 방지할 수 있다.
도 1은, 본 개시의 제1 실시형태에서의 엔진 시스템의 단면도이다.
도 2는, 본 개시의 제1 실시형태에서의 엔진 시스템의 일부를 나타내는 모식 단면도이다.
도 3은, 본 개시의 제1 실시형태에서의 엔진 시스템의 제어부의 기능 블록도이다.
도 4는, 본 개시의 제1 실시형태에서의 제어부의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 본 개시의 제2 실시형태에서의 엔진 시스템의 위치 검출부를 나타내는 사시도이다.
도 6은, 본 개시의 제3 실시형태에서의 엔진 시스템의 위치 검출부를 나타내는 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 개시에서의 엔진 시스템(100)의 실시형태에 대해 설명한다.
[제1 실시형태]
본 실시형태의 엔진 시스템(100)은, 예를 들어 대형 탱커 등 선박에 탑재되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1)과, 과급기(200)와, 제어부(300)(제어 장치)를 가지고 있다. 또, 본 실시형태에서는, 과급기(200)를 보기(補機)로서 파악하고, 엔진(1)(주기(主機))과 별도의 몸체로서 설명한다. 단, 과급기(200)를 엔진(1)의 일부로서 구성하는 것도 가능하다. 또, 과급기(200)는, 본 실시형태의 엔진 시스템(100)에 필수적인 구성 요소는 아니고, 엔진 시스템(100)에 설치되지 않아도 된다.
도 1은, 엔진 시스템(100)에 설치된 후술하는 원통형의 실린더 라이너(3a)의 중심축에 따른 종단면도이다. 도 1에서, 후술하는 배기 밸브 유닛(5)이 설치되어 있는 측을 상측, 후술하는 크랭크축(11)이 설치되어 있는 측을 하측이라고 부르는 경우가 있다. 실린더 라이너(3a)의 중심축에 교차하는 방향을 지름 방향이라고 부르는 경우가 있다. 실린더 라이너(3a)의 중심축 방향에서 본 도면을 평면에서 볼 때라고 부르는 경우가 있다.
엔진(1)은, 다기통의 유니플로 소기 디젤 엔진이 되고, 천연가스 등의 기체 연료를 중유 등의 액체 연료와 함께 연소시키는 가스 운전 모드와, 중유 등의 액체 연료를 연소시키는 디젤 운전 모드를 실행 가능한 듀얼 퓨얼 엔진이다. 또, 가스 운전 모드에서는, 기체 연료만을 연소시켜도 된다. 이러한 엔진(1)은, 가구(架構)(2)와, 실린더부(3)와, 피스톤(4)과, 배기 밸브 유닛(5)과, 피스톤 로드(6)와, 크로스 헤드(7)와, 유압부(8)(승압 기구)와, 연접봉(9)과, 크랭크각 센서(10)와, 크랭크축(11)과, 소기 탱크부(12)와, 배기 탱크부(13)와, 공기 냉각기(14)를 가지고 있다. 또한, 실린더부(3), 피스톤(4), 배기 밸브 유닛(5) 및 피스톤 로드(6)에 의해, 기통이 구성되어 있다.
가구(2)는, 엔진(1)의 전체를 지지하는 강도 부재로서, 크로스 헤드(7), 유압부(8) 및 연접봉(9)이 수용되어 있다. 또한, 가구(2)는, 내부에서, 크로스 헤드(7)의 후술하는 크로스 헤드 핀(7a)이 왕복이동 가능하게 되어 있다.
실린더부(3)는, 원통형의 실린더 라이너(3a)와, 실린더 헤드(3b)와, 실린더 자켓(3c)을 가지고 있다. 실린더 라이너(3a)는, 원통형의 부재로서, 피스톤(4)과의 슬라이딩면이 내측(내주면)에 형성되어 있다. 이러한 실린더 라이너(3a)의 내주면과 피스톤(4)에 의해 둘러싸인 공간이 연소실(R1)로 되어 있다. 또한, 실린더 라이너(3a)의 하부에는, 복수의 소기 포트(S)가 형성되어 있다. 소기 포트(S)는, 실린더 라이너(3a)의 둘레면을 따라 배열된 개구로서, 실린더 자켓(3c) 내부의 소기실(R2)과 실린더 라이너(3a)의 내측을 연통시키고 있다. 실린더 헤드(3b)는, 실린더 라이너(3a)의 상단부에 설치된 덮개 부재이다. 실린더 헤드(3b)는, 평면에서 볼 때에 중앙부에 배기 포트(H)가 형성되고, 배기 탱크부(13)와 접속되어 있다. 또한, 실린더 헤드(3b)에는, 통(筒)내압 센서(3d)(검출 장치)가 설치되어 있다. 통내압 센서(3d)는, 연소실(R1) 내의 압력을 검출하여, 제어부(300)로 송신하고 있다. 또, 연소실(R1) 내의 압력을 검출할 수 있다면, 통내압 센서(3d)는 실린더 라이너(3a) 등에 설치되어도 된다. 실린더 헤드(3b)의 통내압 센서(3d)의 근방에는, 도시하지 않은 연료 분사 밸브가 설치되어 있다. 실린더 자켓(3c)은, 가구(2)와 실린더 라이너(3a)의 사이에 설치되고, 실린더 라이너(3a)의 하단부가 삽입된 원통형의 부재로서, 내부에 소기실(R2)이 형성되어 있다. 또한, 실린더 자켓(3c)의 소기실(R2)은, 소기 탱크부(12)와 접속되어 있다.
피스톤(4)은, 대략 원기둥형상이 되고, 후술하는 피스톤 로드(6)와 접속되어 실린더 라이너(3a)의 내측에 배치되어 있다. 또한, 피스톤(4)의 외주면에는 도시하지 않은 피스톤 링이 설치되고, 피스톤 링에 의해, 피스톤(4)과 실린더 라이너(3a)의 간극을 봉지하고 있다. 피스톤(4)은, 연소실(R1)에서의 압력의 변동에 의해, 피스톤 로드(6)를 따라 실린더 라이너(3a) 내를 슬라이딩한다.
배기 밸브 유닛(5)은, 배기 밸브(5a)와, 배기 밸브 케이싱(5b)과, 배기 밸브 구동부(5c)를 가지고 있다. 배기 밸브(5a)는, 실린더 헤드(3b)의 내측에 설치되고, 배기 밸브 구동부(5c)에 의해, 실린더부(3) 내의 배기 포트(H)를 폐색한다. 배기 밸브 케이싱(5b)은, 배기 밸브(5a)의 단부를 수용하는 원통형의 케이싱이다. 배기 밸브 구동부(5c)는, 배기 밸브(5a)를 피스톤(4)의 스트로크 방향을 따르는 방향으로 이동시키는 액추에이터이다.
피스톤 로드(6)는, 일단(상단)이 피스톤(4)과 접속되고, 타단(하단)이 크로스 헤드 핀(7a)과 연결된 장척(長尺) 형상 부재이다. 피스톤 로드(6)의 단부(하단부)는, 크로스 헤드 핀(7a)에 삽입되고, 연접봉(9)이 회전 가능해지도록 연결되어 있다. 또한, 피스톤 로드(6)에서의, 크로스 헤드 핀(7a) 측의 단부(하단부)의 일부의 외주면에는, 지름 방향 외측으로 돌출되는 큰 직경부(6a)가 설치되어 있다(도 2 참조). 즉, 큰 직경부(6a)의 외경은 피스톤 로드(6)의 외경보다 크다.
크로스 헤드(7)는, 크로스 헤드 핀(7a)과, 가이드 슈(7b)와, 덮개 부재(7c)를 가지고 있다. 크로스 헤드 핀(7a)은, 피스톤 로드(6)와 연접봉(9)을 이동 가능하게 연결하는 원기둥형상 부재로서, 피스톤 로드(6)의 단부(하단부)가 삽입되는 삽입 공간에, 작동유(작동 유체)의 공급 및 배출이 행해지는 유압실(R3)(유체실)이 형성된다. 크로스 헤드 핀(7a)의 중심축은, 상하 방향과 직교하는 방향으로 연장되어 있다. 크로스 헤드 핀(7a)의 상부에는, 상방을 향하여 개구되어 큰 직경부(6a)가 상하 슬라이딩 가능하게 삽입된 삽입 오목부가 형성되어 있다. 상술한 유압실(R3)은, 상기 삽입 오목부의 바닥면과 큰 직경부(6a)의 하면의 사이에 설치되어 있다. 크로스 헤드 핀(7a)에는, 중심보다 하측에, 크로스 헤드 핀(7a)의 축방향을 따라 관통하는 출구 구멍(O)이 형성되어 있다. 출구 구멍(O)은, 피스톤 로드(6)의 도시하지 않은 냉각 유로를 통과한 냉각유가 배출되는 개구이다. 또한, 크로스 헤드 핀(7a)에는, 유압실(R3)과 후술하는 플런저 펌프(8c)를 접속하는 공급 유로(R4)와, 유압실(R3)과 후술하는 릴리프 밸브(8f)(배출 밸브)를 접속하는 릴리프 유로(R5)가 설치되어 있다. 바꾸어 말하면, 릴리프 유로(R5)는, 유압실(R3)과 그 외부를 연통시키는 유로로서, 릴리프 유로(R5)에 릴리프 밸브(8f)가 설치되어 있다.
가이드 슈(7b)는, 크로스 헤드 핀(7a)을 회동 가능하게 지지하는 부재로서, 크로스 헤드 핀(7a)에 따라 피스톤(4)의 스트로크 방향을 따라 도시하지 않은 가이드 레일 상을 이동한다. 가이드 슈(7b)가 가이드 레일을 따라 이동함으로써, 크로스 헤드 핀(7a)은, 피스톤(4)의 스트로크 방향을 따르는 직선 방향 이외로의 이동이 규제된다. 크로스 헤드 핀(7a)은, 그 중심축 둘레의 회전 운동도 규제되어 있다. 덮개 부재(7c)는, 크로스 헤드 핀(7a)의 상부에 고정되고, 피스톤 로드(6)의 단부가 삽입되는 환상 부재이다. 덮개 부재(7c)는, 크로스 헤드 핀(7a)의 상기 삽입 오목부의 개구 주연(周緣)부에 설치되어 있다. 덮개 부재(7c)의 내경은, 피스톤 로드(6)의 외경과 동등하고, 큰 직경부(6a)의 외경보다 작다. 이러한 크로스 헤드(7)는, 피스톤(4)의 직선 운동을 연접봉(9)으로 전달하고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 유압부(8)는, 공급 펌프(8a)와, 요동관(8b)과, 플런저 펌프(8c)와, 플런저 펌프(8c)에 접속되어 있는 제1 체크 밸브(8d) 및 제2 체크 밸브(8e)와, 릴리프 밸브(8f)를 가지고 있다. 또한, 피스톤 로드(6), 크로스 헤드(7), 유압부(8), 제어부(300) 및 통내압 센서(3d)는, 본 개시에서의 가변 압축 장치(A)로서 기능해도 된다. 가변 압축 장치(A)가, 피스톤 로드(6), 크로스 헤드(7), 유압부(8) 및 통내압 센서(3d)를 구비해도 된다.
공급 펌프(8a)는, 제어부(300)로부터의 지시에 기초하여, 도시하지 않은 작동유 탱크로부터 공급되는 작동유를 승압하여 플런저 펌프(8c)로 공급하는 펌프이다. 공급 펌프(8a)는, 선박의 배터리의 전력에 의해 구동되고, 연소실(R1)에 액체 연료가 공급되는 것보다 이전에 가동하는 것이 가능하다. 요동관(8b)은, 공급 펌프(8a)와 각 기통의 플런저 펌프(8c)를 접속하는 배관으로, 크로스 헤드 핀(7a)에 따라 이동하는 플런저 펌프(8c)와, 고정된 공급 펌프(8a)의 사이에서 요동 가능하게 되어 있다.
플런저 펌프(8c)는, 크로스 헤드 핀(7a)에 고정되어 있고, 봉상(棒狀)의 플런저(8c1)와, 플런저(8c1)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 통형의 실린더(8c2)와, 플런저 구동부(8c3)를 가지고 있다. 플런저 펌프(8c)는, 플런저(8c1)가 도시하지 않은 구동부와 접속됨으로써, 실린더(8c2) 내를 슬라이딩하고, 작동유를 승압하여 유압실(R3)로 공급한다. 또한, 실린더(8c2)에는, 단부에 설치된 작동유의 토출측의 개구에 제1 체크 밸브(8d)가 설치되고, 측둘레면에 설치된 흡입측의 개구에 제2 체크 밸브(8e)가 설치되어 있다. 플런저 구동부(8c3)는, 플런저(8c1)에 접속되고, 제어부(300)로부터의 지시에 기초하여 플런저(8c1)를 왕복이동시킨다.
제1 체크 밸브(8d)는, 실린더(8c2)의 내측을 향하여 밸브체가 도시하지 않은 바이어스 부재에 의해 바이어스됨으로써 폐쇄되는 구조가 되고, 유압실(R3)에 공급된 작동유가 실린더(8c2)로 역류하는 것을 방지하고 있다. 또한, 제1 체크 밸브(8d)는, 실린더(8c2) 내의 작동유의 압력이 제1 체크 밸브(8d)의 바이어스 부재의 바이어스력(개방 압력) 이상이 되면, 밸브체가 작동유에 눌림으로써 개방된다. 제2 체크 밸브(8e)는, 실린더(8c2)의 외측을 향하여 도시하지 않은 바이어스 부재에 의해 바이어스되어 있고, 실린더(8c2)에 공급된 작동유가 공급 펌프(8a)로 역류하는 것을 방지하고 있다. 또한, 제2 체크 밸브(8e)는, 공급 펌프(8a)로부터 공급되는 작동유의 압력이 제2 체크 밸브(8e)의 바이어스 부재의 바이어스력(개방 압력) 이상이 되면, 밸브체가 작동유에 눌림으로써 개방된다. 또, 제1 체크 밸브(8d)는, 개방 압력이 제2 체크 밸브(8e)의 개방 압력보다 높고, 미리 설정된 압축비로 운전되는 정상 운전시에서는, 공급 펌프(8a)로부터 공급되는 작동유의 압력에 의해 개방되는 일은 없다.
릴리프 밸브(8f)는, 크로스 헤드 핀(7a)에 설치되고, 본체부(8f1)와, 릴리프 밸브 구동부(8f2)를 가지고 있다. 본체부(8f1)는, 유압실(R3) 및 도시하지 않은 작동유 탱크에 접속되는 밸브이다. 릴리프 밸브 구동부(8f2)는, 본체부(8f1)의 밸브체에 접속되고, 제어부(300)로부터의 지시에 기초하여 본체부(8f1)를 개폐한다. 릴리프 밸브(8f)가 릴리프 밸브 구동부(8f2)에 의해 개방됨으로써, 유압실(R3)에 저류된 작동유가 작동유 탱크로 되돌려진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연접봉(9)은, 크로스 헤드 핀(7a)과 연결됨과 아울러 크랭크축(11)과 연결되어 있는 장척 형상 부재이다. 연접봉(9)은, 크로스 헤드 핀(7a)에 전달된 피스톤(4)의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하고 있다. 크랭크각 센서(10)는, 크랭크축(11)의 크랭크각을 계측하기 위한 센서로서, 제어부(300)로 크랭크각을 산출하기 위한 크랭크 펄스 신호를 송신하고 있다.
크랭크축(11)은, 기통에 설치되는 연접봉(9)에 접속된 장척 형상의 부재로서, 각각의 연접봉(9)에 의해 전달되는 회전 운동에 의해 회전됨으로써, 예를 들어 스크류 등에 동력을 전달한다. 소기 탱크부(12)는, 실린더 자켓(3c)과 과급기(200)의 사이에 설치되고, 과급기(200)에 의해 가압된 공기가 유입된다. 또한, 소기 탱크부(12)에는, 공기 냉각기(14)가 내부에 설치되어 있다. 배기 탱크부(13)는, 각 기통의 배기 포트(H)와 접속됨과 아울러 과급기(200)와 접속되는 관형상 부재이다. 배기 포트(H)로부터 배출되는 가스는, 배기 탱크부(13)에 일시적으로 저류됨으로써, 맥동을 억제한 상태로 과급기(200)로 공급된다. 공기 냉각기(14)는, 소기 탱크부(12) 내부의 공기를 냉각하는 장치이다.
과급기(200)는, 배기 포트(H)로부터 배출된 가스에 의해 회전되는 터빈에 의해, 도시하지 않은 흡기 포트로부터 흡입한 공기를 가압하여 연소실(R1)에 공급하는 장치이다.
제어부(300)는, 선박의 조종자에 의한 조작 등에 기초하여, 연료의 공급량 등을 제어하는 컴퓨터이다. 또한, 제어부(300)는, 유압부(8)를 제어함으로써, 연소실(R1)에서의 압축비를 변경한다. 구체적으로는, 제어부(300)는, 통내압 센서(3d)로부터의 신호에 기초하여 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 취득하고, 플런저 펌프(8c), 공급 펌프(8a) 및 릴리프 밸브(8f)를 제어하여, 유압실(R3)에서의 작동유의 양을 조정함으로써, 피스톤 로드(6)의 위치(피스톤 로드(6)의, 크로스 헤드 핀(7a)에 대한 상대 위치, 또는 유압실(R3)에 대한 상대 위치)를 변경시켜 압축비를 변경한다. 이러한 제어부(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤 로드 위치 취득부(310)와, 온도 취득부(320)와, 플런저 펌프 제어부(330)와, 릴리프 밸브 제어부(340)를 가지고 있다. 예를 들어, 제어부(300)는, 물리적으로는, 하나 또는 복수의 프로세서, RAM(Random Access Memory) 및 ROM(Read Only Memory) 등의 주기억 장치, 하드 디스크 장치 등의 보조 기억 장치, 조작 패널 등의 입력 장치, 디스플레이 등의 출력 장치, 및 데이터 송수신 디바이스인 통신 모듈 등의 하드웨어를 구비하는 컴퓨터로서 구성될 수 있다. 피스톤 로드 위치 취득부(310)와, 온도 취득부(320)와, 플런저 펌프 제어부(330)와, 릴리프 밸브 제어부(340)의 기능은, 예를 들어, 도시하지 않은 온도 센서로부터의 신호에 기초하여, 주기억 장치의 하드웨어에 하나 또는 복수의 소정의 컴퓨터 프로그램을 읽어들이게 함으로써, 하나 또는 복수의 프로세서의 제어하에서 각 하드웨어를 동작시킴과 아울러, 주기억 장치 및 보조 기억 장치에서의 데이터의 독출 및 기입을 행함으로써 실현된다.
피스톤 로드 위치 취득부(310)는, 연소실(R1) 내의 압력을 검출하는 통내압 센서(3d)(검출 장치)로부터의 입력에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 피스톤(4)의 슬라이딩 방향(높이 방향, 상하 방향)에서의 위치를 산출한다. 그리고, 피스톤 로드 위치 취득부(310)는, 설정된 압축비에 기초한 피스톤 로드(6)의 위치와, 실제의 피스톤 로드(6)의 위치를 비교한다. 온도 취득부(320)는, 유압실(R3) 내의 작동유의 온도를 계측하는 도시하지 않은 온도 센서로부터의 신호에 기초하여, 작동유의 온도를 취득한다. 그리고, 온도 취득부(320)는, 미리 설정된 문턱값과 실제의 작동유의 온도를 비교한다. 플런저 펌프 제어부(330)는, 피스톤 로드(6)의 위치 정보 및 작동유의 온도 정보에 기초하여 플런저 펌프(8c)의 구동 시간 및 토출량을 산출하여, 플런저 펌프(8c)를 제어한다. 릴리프 밸브 제어부(340)는, 피스톤 로드(6)의 위치 정보 및 작동유의 온도 정보에 기초하여, 릴리프 밸브(8f)의 개방 시간을 산출하여, 릴리프 밸브(8f)를 제어한다. 또, 본 실시형태의 통내압 센서(3d)는, 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력 가능하다. 즉, 본 실시형태에 있어서, 「피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호」는, 피스톤 로드(6)의, 크로스 헤드 핀(7a)에 대한 상대 위치나 유압실(R3)에 대한 상대 위치를 나타내는 신호뿐만 아니라, 피스톤 로드(6)의 위치를 산출하기 위해 이용되는 신호이어도 되고, 예를 들어, 연소실(R1) 내의 압력을 나타내는 신호이어도 된다.
이러한 엔진 시스템(100)은, 도시하지 않은 연료 분사 밸브로부터 연소실(R1)에 분사된 연료를 착화, 폭발시킴으로써 피스톤(4)을 실린더 라이너(3a) 내에서 슬라이딩시켜, 크랭크축(11)을 회전시키는 장치이다. 상세히 설명하면, 연소실(R1)에 공급된 연료는, 소기 포트(S)로부터 유입된 공기와 혼합된 후, 피스톤(4)이 상사점 방향을 향하여 이동함으로써 압축되어 온도가 상승하여 자연 착화한다. 또한, 액체 연료의 경우에는, 연소실(R1)에서 온도 상승함으로써 기화하여 자연 착화한다.
그리고, 연소실(R1) 내의 연료가 자연 착화함으로써 급격하게 팽창하여, 피스톤(4)에는 하사점 방향을 향한 압력이 걸린다. 이에 의해, 피스톤(4)이 하사점 방향으로 이동하고, 피스톤(4)에 따라 피스톤 로드(6)가 이동되어, 연접봉(9)을 개재하여 크랭크축(11)이 회전된다. 또한, 피스톤(4)이 하사점으로 이동됨으로써, 소기 포트(S)로부터 연소실(R1)로 가압 공기가 유입된다. 배기 밸브 유닛(5)이 구동함으로써 배기 포트(H)가 열리고, 연소실(R1) 내의 배기가스가, 가압 공기에 의해 배기 탱크부(13)로 밀려나온다.
압축비를 크게 하는 경우에는, 제어부(300)에 의해 공급 펌프(8a)가 구동되어, 플런저 펌프(8c)에 작동유가 공급된다. 그리고, 제어부(300)는, 플런저 펌프(8c)를 구동하여 작동유를, 피스톤 로드(6)를 들어올리는 것이 가능한 압력이 될 때까지 가압하여, 유압실(R3)로 작동유를 공급한다. 유압실(R3)의 작동유의 압력에 의해, 피스톤 로드(6)의 단부가 올라가고, 이에 따라 피스톤(4)의 상사점 위치가 상방(배기 포트(H) 측)으로 이동된다.
압축비를 작게 하는 경우에는, 제어부(300)에 의해 릴리프 밸브(8f)가 구동되어, 유압실(R3)과 도시하지 않은 작동유 탱크가 연통 상태가 된다. 그리고, 피스톤 로드(6)의 하중이 유압실(R3)의 작동유에 걸려, 유압실(R3) 내의 작동유가 릴리프 밸브(8f)를 개재하여 작동유 탱크로 밀려나온다. 이에 의해, 유압실(R3)의 작동유가 감소하여, 피스톤 로드(6)가 하방(크랭크축(11) 측)으로 이동되고, 이에 따라 피스톤(4)의 상사점 위치가 하방으로 이동된다.
이어서, 본 실시형태에서의 피스톤 로드(6)의 위치 조정 방법에 대해 설명한다(도 4 참조).
우선, 제어부(300)는, 온도 취득부(320)에 의해, 온도 센서로부터의 입력에 기초하여, 작동유 온도를 산출한다(단계 S1). 그리고, 제어부(300)는, 온도 취득부(320)에 의해, 산출한 작동유 온도가 문턱값 이상인지를 판단한다(단계 S2). 온도 취득부(320)가 작동유 온도는 문턱값 이상이라고 판단한 경우, 즉 단계 S2의 판단이 YES인 경우, 제어부(300)는, 플런저 펌프 제어부(330) 및 릴리프 밸브 제어부(340)에 의해, 각각 플런저 펌프(8c) 및 릴리프 밸브(8f)의 구동 시간을 산출하여, 플런저 펌프(8c) 및 릴리프 밸브(8f)를 구동시킨다(단계 S3). 이에 의해, 유압실(R3)에서는, 내부의 작동유가 배출됨과 아울러 새로운 작동유가 공급되어, 유압실(R3) 내부의 작동유의 온도가 저하된다.
또한, 온도 취득부(320)가 작동유 온도는 문턱값 미만이라고 판단한 경우, 즉 단계 S2의 판단이 NO인 경우, 제어부(300)는, 단계 S4로 진행된다. 그리고, 제어부(300)는, 피스톤 로드 위치 취득부(310)에 의해, 통내압 센서(3d)로부터의 입력에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치를 산출한다(단계 S4).
구체적으로는, 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치는, 이하의 순서로 산출된다.
피스톤(4)이 하사점에 위치할 때의 통내압을 P0, 피스톤(4)이 상사점에 위치할 때의 통내압을 P1로 하였을 때, 압축비(ε)는, 하기 식 1로 나타난다. 또, κ는, 폴리트로프 지수를 나타낸다.
Figure pct00001
제어부(300)는, 피스톤 로드 위치 취득부(310)에 의해, 통내압 센서(3d)가 출력하는 전기 신호(피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호)로부터 상기 식 1에 기초하여 실린더부(3)에서의 압축비를 산출한다. 또한, 제어부(300)는, 피스톤 로드 위치 취득부(310)에 의해, 압축비에 기초하여 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치를 산출한다.
그리고, 제어부(300)는, 피스톤 로드 위치 취득부(310)에 의해, 피스톤 로드(6)의 위치가 미리 설정된 압축비에 기초한 위치(설정 위치)보다 낮은지를 판단한다(단계 S5). 그리고, 피스톤 로드 위치 취득부(310)에 의해 피스톤 로드(6)의 위치가 설정 위치보다 낮다고 판단된 경우, 즉 단계 S5의 판단이 YES인 경우, 제어부(300)는, 플런저 펌프 제어부(330)에 의해, 플런저 펌프(8c)의 토출량을 증가시킨다(단계 S6). 또한, 피스톤 로드 위치 취득부(310)에 의해 피스톤 로드(6)의 위치가 설정 위치보다 높다고 판단한 경우, 즉 단계 S5의 판단이 NO인 경우, 플런저 펌프 제어부(330)에 의해, 플런저 펌프(8c)의 토출량을 감소시킨다(단계 S7).
본 실시형태에 의하면, 제어부(300)가 피스톤 로드(6)의 위치를 취득하고 있고, 피스톤 로드(6)의 위치가, 작동유의 누출 등에 의해 의도치 않게 변화한 경우에, 피스톤 로드(6)가 설정상의 위치로 되돌아가도록(이동 위치를 유지하도록) 플런저 펌프(8c)를 제어할 수 있다. 이에 의해, 의도치 않은 압축비의 변화를 방지하여, 압축비를 유지할 수 있다. 또, 본 실시형태에서의 「피스톤 로드(6)의 이동 위치」란, 유압실(R3)에 의해 이동되는 피스톤 로드(6)의 위치를 가리키며, 바꾸어 말하면, 피스톤 로드(6)의, 크로스 헤드 핀(7a)에 대한 상대 위치, 또는 유압실(R3)에 대한 상대 위치이다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 제어부(300)가 작동유의 온도 정보에 기초하여 릴리프 밸브(8f)를 제어하기 때문에, 작동유가 고온이 되었을 때에 작동유를 유압실(R3)로부터 배출할 수 있다. 이에 의해, 작동유가 유압실(R3) 내에서 고온이 되는 것을 방지하여, 의도치 않은 부피 변화나 캐비테이션 등을 방지할 수 있다. 따라서, 의도치 않은 압축비의 변화를 방지하여, 압축비를 유지할 수 있다.
[제2 실시형태]
상기 제1 실시형태의 변형예를 제2 실시형태로서 설명한다. 또, 이 제2 실시형태에 있어서 상기 제1 실시형태와 동일한 구성의 부재에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략한다.
본 실시형태에서의 엔진 시스템(100)은, 위치 검출부(400)(검출 장치)를 가지고 있다. 위치 검출부(400)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 자기(磁氣) 센서(410)(센서부)와, 로드부(420)와, 통신부(430)를 가지고 있다. 자기 센서(410)는, 덮개 부재(7c)에 고정되어 있고, 후술하는 로드(421)의 이동에 따른 자계의 변화에 의해 전기 신호(피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호)를 발생시키는 센서이다.
로드부(420)는, 로드(421)와, 보유지지부(422)와, 바이어스 스프링(423)과, 자성 부재(424)를 가지고 있다. 로드(421)는, 단부 근방에 바이어스 스프링(423)을 보유지지하는 플랜지를 가진 봉상 부재이다. 로드(421)는, 보유지지부(422)와 함께 덮개 부재(7c)에 형성된 관통공에 삽입되고, 피스톤 로드(6)의 연장 방향을 따라 배치되며, 바이어스 스프링(423)에 의해 피스톤 로드(6)의 단부의 큰 직경부(6a)에 눌려붙여져 고정되어 있다. 보유지지부(422)는, 덮개 부재(7c)에 고정되고, 로드(421)가 삽입된 통형 부재이다. 로드(421)는, 보유지지부(422) 내를 왕복이동 가능하게 되어 있다. 바이어스 스프링(423)은, 로드(421)의 플랜지와, 피스톤 로드(6)의 큰 직경부(6a)의 사이에 설치되고, 로드(421)를 피스톤 로드(6)의 큰 직경부(6a)를 향하여 바이어스시키고 있다. 자성 부재(424)는, 등간격으로 자석이 복수 배열된 부재로서, 로드(421)의 둘레면에 있어서 로드(421)의 연장 방향을 따라 설치되어 있다.
통신부(430)는, 자기 센서(410)가 검출한 전기 신호를 제어부(300)에 무선 통신에 의해 송신하는 텔레미터이다.
이러한 위치 검출부(400)는, 피스톤 로드(6)의 이동에 따라 로드(421)가 이동되면, 자성 부재(424)가 이동됨으로써, 자기 센서(410)가 검출하는 자계가 변화한다. 자기 센서(410)는, 이러한 자계의 변화를 전기 신호로서 출력한다. 자기 센서(410)는, 피스톤 로드(6)에 고정된 로드(421)(피검출부)의 이동을 비접촉으로 검출 가능하다.
본 실시형태에서는, 피스톤 로드 위치 취득부(310)는, 위치 검출부(400)로부터의 입력에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 위치를 산출한다.
본 실시형태에 의하면, 제어부(300)가 위치 검출부(400)로부터의 입력에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 위치를 취득하고 있고, 피스톤 로드(6)의 위치가, 작동유의 누출 등에 의해 의도치 않게 변화한 경우에, 피스톤 로드(6)가 설정상의 위치로 되돌아가도록 플런저 펌프(8c)를 제어할 수 있다. 이에 의해, 의도치 않은 압축비의 변화를 방지하여, 압축비를 유지할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 의하면, 직접 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치를 검출할 수 있어, 보다 정확한 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치를 파악할 수 있다.
[제3 실시형태]
본 실시형태에서의 엔진 시스템(100)은, 상기 제2 실시형태의 위치 검출부(400) 대신에, 위치 검출부(500)(검출 장치)를 가지고 있다. 위치 검출부(500)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 센서부(510)와, 피검출부(520)를 가지고 있다. 센서부(510)는, 소기 포트(S)보다 연소실(R1)로부터 떨어진 위치인 실린더 라이너(3a)의 내주면 하단측에 매설되어 고정되어 있다. 센서부(510)는, 2개의 피검출부(520)의 이동에 따른 피검출부(520)의 표면과의 거리의 변화에 의해 전기 신호(피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호)를 발생시키는 센서이다.
피검출부(520)는, 피스톤(4)의 슬라이딩면 하단측에 설치되고, 각각 피스톤(4)의 슬라이딩 방향(상하 방향)을 향하여 등간격으로 형성된 복수의 요철에 의해 구성되어 있다. 또, 피검출부(520)는, 피스톤(4)에 설치되는 피스톤 링(도시생략)보다 하방(피스톤 로드(6) 측)에 설치되어 있다. 이에 의해, 피검출부(520)에 대한, 피스톤(4)의 슬라이딩면에서의 윤활유의 영향을 줄일 수 있다.
이러한 위치 검출부(500)는, 피스톤 로드(6)의 이동에 따라 피스톤(4)이 이동되면, 센서부(510)에 대해 피검출부(520)의 요철이 상대적으로 이동됨으로써, 센서부(510)가 검출하는 피검출부(520)와의 거리가 변화한다. 센서부(510)는, 이러한 요철의 변화, 즉 피검출부(520)의 표면과의 상대적인 거리의 변화를 비접촉으로 검출하여 전기 신호로서 제어부(300)에 출력한다.
본 실시형태에서는, 피스톤 로드 위치 취득부(310)는, 위치 검출부(500)로부터의 입력에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 위치를 산출한다.
본 실시형태에 의하면, 제어부(300)가 위치 검출부(500)로부터의 입력에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 위치를 취득하고 있고, 피스톤 로드(6)의 위치가, 작동유의 누출 등에 의해 의도치 않게 변화한 경우에, 피스톤 로드(6)가 설정상의 위치로 되돌아가도록 플런저 펌프(8c)를 제어할 수 있다. 이에 의해, 의도치 않은 압축비의 변화를 방지하여, 압축비를 유지할 수 있다.
또한, 센서부(510)가 가구(2)에 고정된 실린더 라이너(3a)에 매설되어 있음으로써, 센서부(510)와 제어부(300)를 유선에 의해 용이하게 접속할 수 있다. 따라서, 센서부(510)는, 통신부 등을 마련할 필요가 없어, 설치가 용이하다.
상기 실시형태의 엔진 시스템(100)은, 승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤(4)과 접속되는 피스톤 로드(6)가 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유압실(R3)을 갖는 가변 압축 장치(A)와, 상기 작동 유체를 승압하여 유압실(R3)에 공급하는 유압부(8)와, 피스톤 로드(6)의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하는 검출 장치(3d, 400, 500)와, 상기 위치 정보에 기초하여 피스톤 로드(6)의 이동 위치를 유지하도록 유압부(8)를 제어하도록 구성된 제어부(300)를 가진다.
상기 검출 장치(3d)가, 피스톤(4)이 수용되는 실린더 라이너(3a)에 설치됨과 아울러 피스톤(4)의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하도록 구성되어도 된다.
상기 검출 장치(400, 500)가, 피스톤 로드(6)에 고정된 피검출부의 이동을 비접촉으로 검출하는 센서부(410, 510)를 가져도 된다.
유압부(8)가, 유압실(R3)과 외부를 연통시키는 릴리프 유로(R5)에 설치된 릴리프 밸브(8f)를 가지며, 제어부(300)가, 유압부(8)와 릴리프 밸브(8f)를 제어하여 상기 작동 유체를 유압실(R3)에 공급하면서 유압실(R3)로부터 배출시키도록 구성되어도 된다.
승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤(4)과 접속되는 피스톤 로드(6)가 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유압실(R3)을 갖는 가변 압축 장치(A)의 제어 방법은, 피스톤 로드(6)의 위치 정보에 기초하여, 피스톤 로드(6)의 이동 위치를 유지하도록, 상기 작동 유체를 승압하여 유압실(R3)에 공급하거나 또는 상기 작동 유체를 유압실(R3)로부터 배출하도록 구성된 유압부(8)를 제어한다.
이상, 도면을 참조하면서 본 개시의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되지 않는다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 개시의 취지로부터 벗어나지 않는 범위에 있어서 설계 요구 등에 기초하여 여러 가지 변경 가능하다.
상기 실시형태에서는, 제어부(300)는, 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치가 설정 위치보다 낮은지 여부만을 판단하였지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치가 설정 위치보다 높은 경우에 대해서도 판단하고, 릴리프 밸브 제어부(340)에 의해, 피스톤 로드(6)의 높이 방향의 위치 정보에 기초하여, 릴리프 밸브(8f)를 개방시켜, 작동유를 배출시켜도 된다.
또한, 위치 검출 장치는, 피스톤 로드(6) 또는 피스톤(4)의 이동을 검출하는 레이저 거리 센서를 구비하는 구성이어도 된다. 이 경우, 피스톤 로드(6) 또는 피스톤(4)에는, 요철에 의한 마커(피검출부)가 설치된다.
1 엔진
2 가구
3 실린더부
3a 실린더 라이너
3b 실린더 헤드
3c 실린더 자켓
3d 통내압 센서(검출 장치)
4 피스톤
5 배기 밸브 유닛
5a 배기 밸브
5b 배기 밸브 케이싱
5c 배기 밸브 구동부
6 직접 피스톤 로드
6 피스톤 로드
7 크로스 헤드
7a 크로스 헤드 핀
7b 가이드 슈
7c 덮개 부재
8 유압부(승압 기구)
8a 공급 펌프
8b 요동관
8c 플런저 펌프
8c1 플런저
8c2 실린더
8c3 플런저 구동부
8d 제1 체크 밸브
8e 제2 체크 밸브
8f 릴리프 밸브(배출 밸브)
8f1 본체부
8f2 릴리프 밸브 구동부
9 연접봉
10 크랭크각 센서
11 크랭크축
12 소기 탱크부
13 배기 탱크부
14 공기 냉각기
100 엔진 시스템
200 과급기
300 제어부
310 피스톤 로드 위치 취득부
400 위치 검출부
410 자기 센서(센서부)
411 요철부
412 요철부
420 로드부
421 로드(피검출부)
422 보유지지부
423 바이어스 스프링
424 자성 부재
430 통신부
500 위치 검출부
510 센서부
520 피검출부
A 가변 압축 장치
H 배기 포트
O 출구 구멍
R1 연소실
R2 소기실
R3 유압실(유체실)
R4 공급 유로
R5 릴리프 유로(유로)
R6 보조 유로
S 소기 포트

Claims (5)

  1. 승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤과 접속되는 피스톤 로드가 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유체실을 갖는 가변 압축 장치와,
    상기 작동 유체를 승압하여 상기 유체실에 공급하는 승압 기구와,
    상기 피스톤 로드의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하는 검출 장치와,
    상기 위치 정보에 기초하여 상기 피스톤 로드의 이동 위치를 유지하도록 상기 승압 기구를 제어하도록 구성된 제어 장치를 갖는 엔진 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출 장치는, 상기 피스톤이 수용되는 실린더 라이너에 설치됨과 아울러 상기 피스톤의 위치 정보를 포함하는 신호를 출력하도록 구성되어 있는 엔진 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출 장치는, 상기 피스톤 로드에 고정된 피검출부의 이동을 비접촉으로 검출하는 센서부를 갖는 엔진 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승압 기구는, 상기 유체실과 외부를 연통시키는 유로에 설치된 배출 밸브를 가지며,
    상기 제어 장치는, 상기 승압 기구와 상기 배출 밸브를 제어하여 상기 작동 유체를 상기 유체실에 공급하면서 상기 유체실로부터 배출시키도록 구성되어 있는 엔진 시스템.
  5. 승압된 작동 유체가 공급됨으로써, 피스톤과 접속되는 피스톤 로드가 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유체실을 갖는 가변 압축 장치의 제어 방법으로서,
    상기 피스톤 로드의 위치 정보에 기초하여, 상기 피스톤 로드의 이동 위치를 유지하도록, 상기 작동 유체를 승압하여 상기 유체실에 공급하거나 또는 상기 작동 유체를 상기 유체실로부터 배출하도록 구성된 승압 기구를 제어하는 가변 압축 장치의 제어 방법.
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