KR20200065080A - 압축단 압력 제어 장치 및 엔진 시스템 - Google Patents

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Abstract

승압된 작동 유체가 유체실(R3)에 공급됨으로써 연소실(R1)의 압축비를 높이는 가변 압축 장치의 작동 유체의 공급량을 제어하는 압축단 압력 제어 장치(300)로서, 연소실(R1)에서의 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 높은 경우에, 가변 압축 장치를 제어하여 연소실(R1)의 압축비를 저하시키는 압축비 설정부(305)와, 압축비 설정부(305)에 의해 결정된 압축비에 기초하여, 작동 유체의 공급량을 제어하는 가변 압축 장치 조정부(306)를 갖는 압축단 압력 제어 장치.

Description

압축단 압력 제어 장치 및 엔진 시스템
본 개시는, 압축단 압력 제어 장치 및 엔진 시스템에 관한 것이다. 본원은, 2017년 12월 19일에 출원된 일본특허출원 2017-243275호에 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 모두에 의해 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 대응한다. 그 때문에, 유압에 의해 피스톤 로드를 이동시킴으로써 압축비를 변경시키는 조정 기구를 크로스 헤드 부분에 마련하고 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2014-020375호 공보
그런데, 다기통의 엔진에서 각 기통의 압축단 압력(상사점에서의 연소실 압력)의 불균일을 억제하기 위해, 배기 밸브의 폐쇄 타이밍을 변화시킴으로써, 압축단 압력을 조정하는 것이 행해지고 있다. 가변 압축 장치를 구비하는 엔진 시스템에서도, 배기 밸브의 폐쇄 타이밍을 변화시킴으로써, 복수의 기통 사이의 압축단 압력을 조정하고 있다. 그러나, 압축단 압력을 저하시키기 위해, 배기 밸브의 폐쇄 타이밍을 지연시키면, 연소실 내로부터 많은 공기가 배출된다. 그 때문에, 연소실 내의 공기 충전량이 감소하고, 연소실 내에서의 기체에 상대적인 연료 가스의 농도가 증가한다. 이에 의해, 연소실에서 이상(異常) 연소가 발생하는 경우가 있다.
본 개시는, 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 압축단 압력을 제어할 때의 이상 연소를 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 개시는, 상기 과제를 해결하기 위한 제1 태양으로서, 승압된 작동 유체가 유체실에 공급됨으로써 연소실의 압축비를 높이는 가변 압축 장치의 작동 유체의 공급량을 제어하기 위한 압축단 압력 제어 장치로서, 연소실에서의 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 높은 경우에, 취득된 가변 압축 장치를 제어하여 연소실의 압축비를 저하시키도록 압축비를 설정하는 압축비 설정부와, 압축비 설정 장치에 의해 결정된 압축비에 기초하여, 작동 유체의 공급량을 제어하는 가변 압축 장치 조정 장치를 갖는 압축단 압력 제어 장치라는 수단을 채용한다.
본 개시는, 제2 태양으로서, 상기 제1 태양에 있어서, 상기 압축단 압력이 상기 기준 범위보다 낮은 경우에 상기 연소실 내의 배기 포트를 개폐하는 배기 밸브 장치의 밸브 폐쇄 타이밍을 현행의 밸브 폐쇄 타이밍보다 앞당기는 배기 밸브 조정 장치를 더 갖는 압축단 압력 제어 장치라는 수단을 채용한다.
본 개시는, 제3 태양으로서, 상기 제1 또는 제2 태양에 있어서, 연소실에서의 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 높은 경우에, 연소실에 공급되는 연료의 조성에 기초하여, 압축단 압력하에서 이상 연소가 발생하는지 여부를 추정하는 이상 연소 추정 장치를 더 가지며, 압축비 설정 수단은, 이상 연소 추정 수단의 추정 결과에 기초하여, 압축비를 결정하는 압축단 압력 제어 장치라는 수단을 채용한다.
본 개시는, 제4 태양으로서, 엔진 시스템은, 연소실을 갖는 복수의 기통과, 승압된 작동 유체가 공급됨으로써 피스톤 로드가 상기 연소실의 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유체실을 갖는 가변 압축 장치와, 상기 제1~제3 태양 중 어느 하나에 기재된 압축단 압력 제어 장치를 구비하는 엔진 시스템이라는 수단을 채용한다.
본 개시에 의하면, 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 높은 경우에, 연소실의 압축비를 낮춤으로써 압축단 압력을 저하시킨다. 따라서, 연소실 내의 기체의 배출량은 변화하지 않기 때문에, 연소실 내의 충전 공기량을 감소시키지 않고 압축단 압력을 저하시킬 수 있다. 따라서, 연소실 내의 기체 연료의 농도를 상승시키지 않고 이상 연소를 방지할 수 있다.
도 1은, 본 개시의 일 실시형태에서의 엔진 시스템의 단면도이다.
도 2는, 본 개시의 일 실시형태에서의 엔진 시스템의 일부를 나타내는 모식 단면도이다.
도 3은, 본 개시의 일 실시형태에서의 엔진 시스템의 제어부의 블록도이다.
도 4는, 본 개시의 일 실시형태에서의 제어부의 압축단 압력 제어의 흐름도이다.
도 5는, 본 개시의 일 실시형태에서의 제어부의 압축비 변경 제어의 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 개시에서의 엔진 시스템(100)의 일 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태의 엔진 시스템(100)은, 예를 들어 대형 탱커 등의 선박에 탑재되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1)과, 과급기(200)와, 제어부(300)(압축단 압력 제어 장치)와, 통내압(筒內壓) 센서(400)와, 가스 크로마토그래피(500)를 가지고 있다. 또, 본 실시형태에서는, 엔진(1)을 주기(主機)로서, 과급기(200)를 보기(補機)로서 파악하고, 엔진(1)(주기)과 과급기(200)(보기)를 별도의 몸체로서 설명한다. 단, 과급기(200)를 엔진(1)의 일부로서 구성하는 것도 가능하다.
엔진(1)은, 다기통의 유니플로 소기 디젤 엔진으로, 천연가스 등의 기체 연료를 중유 등의 액체 연료와 함께 연소시키는 가스 운전 모드와, 중유 등의 액체 연료를 연소시키는 디젤 운전 모드를 실행 가능하다. 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. 또, 도 1 중, 배기 밸브 유닛(5)이 설치되어 있는 측을 상측, 후술하는 크랭크축(11)이 설치되어 있는 측을 하측으로 하는 경우가 있다. 피스톤 로드(6)의 중심축 방향에서 본 도면을 평면에서 볼 때라고 부르는 경우가 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)의 내부에서, 크로스 헤드(7)의 후술하는 크로스 헤드 핀(7a)이 왕복이동 가능하게 설치되어 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)이 슬라이딩하는 슬라이딩면이 내측에 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, 둘레방향을 따라 배열된 복수의 소기 포트(S)가 형성되어 있다. 각 소기 포트(S)는, 실린더 라이너(3a)의 내주면 및 외주면에 개구되는 개구를 구비하고, 실린더 자켓(3c)의 내부의 소기실(R2)과 실린더 라이너(3a)의 내측을 연통시키고 있다. 실린더 헤드(3b)는, 덮개 부재로서, 실린더 라이너(3a)의 상단부에 설치되어 있다. 실린더 헤드(3b)는, 평면에서 볼 때 중앙부에 형성된 배기 포트(H)를 구비하고, 배기 탱크부(13)와 접속되어 있다. 또한, 실린더 헤드(3b)에는, 도시하지 않은 연료 분사 밸브가 설치되어 있다. 또한, 실린더 헤드(3b)의 연료 분사 밸브의 근방에는, 도시하지 않은 통내압 센서가 설치되어 있다. 통내압 센서는, 연소실(R1) 내의 압력을 검출하여 제어부(300)에 송신하고 있다. 실린더 자켓(3c)은, 원통형의 부재로서, 가구(2)와 실린더 라이너(3a)의 사이에 설치되고, 내부에 실린더 라이너(3a)의 하단부가 삽입되고, 내부에 소기실(R2)이 형성되어 있다. 또한, 실린더 자켓(3c)의 소기실(R2)은, 소기 탱크부(12)와 접속되어 있다.
피스톤(4)은, 대략 원기둥형상의 부재로서, 후술하는 피스톤 로드(6)와 접속되고, 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 간극이 봉지되어 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, 원통형의 케이싱으로, 배기 밸브(5a)의 실린더부(3)로부터 먼 단부가 수용되어 있다. 배기 밸브 구동부(5c)는, 배기 밸브(5a)를 피스톤(4)의 스트로크 방향을 따르는 방향으로 이동시키는 액추에이터이다.
피스톤 로드(6)는, 장척(長尺) 형상의 부재로서, 일단부가 피스톤(4)과 접속되고, 타단부가 크로스 헤드 핀(7a)과 연결되어 있다. 피스톤 로드(6)의 타단부는, 크로스 헤드 핀(7a)에 삽입되고, 연접봉(9)은, 회전 가능하게 크로스 헤드 핀(7a)에 연결되어 있다. 또한, 피스톤 로드(6)는, 타단부의 일부분의 지름이 피스톤 로드(6)의 그 밖의 부분의 지름보다 굵은 직경부를 가지고 있다.
크로스 헤드(7)는, 크로스 헤드 핀(7a)과, 가이드 슈(7b)와, 덮개 부재(7c)를 가지고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 크로스 헤드 핀(7a)은, 원기둥형상의 부재로서, 피스톤 로드(6)와 연접봉(9)을 이동 가능하게 연결한다. 크로스 헤드 핀(7a)은, 피스톤 로드(6)의 타단부가 삽입되는 삽입 공간을 구비한다. 이 삽입 공간에서, 피스톤 로드(6)의 굵은 직경부와의 사이에, 작동유(작동 유체)의 공급 및 배출이 행해지는 유압실(R3)(유체실)이 형성된다. 피스톤 로드(6)의 플랜지의 하면과, 유압실(R3)의 바닥면이 되는 삽입 공간의 바닥면은, 서로 평행하다. 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 냉각유(윤활 유체)가 유통하여 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)를 접속하는 릴리프 유로(R5)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, 회전 운동이 규제되어 있고, 피스톤(4)의 스트로크 방향을 따르는 직선 방향 이외의 방향을 따르는 이동도 규제되어 있다. 덮개 부재(7c)는, 환상 부재로서, 크로스 헤드 핀(7a)의 상부에 고정되고, 피스톤 로드(6)의 실린더부(3)로부터 먼 단부가 삽입되어 있다. 이러한 크로스 헤드(7)는, 피스톤(4)의 직선 운동을 연접봉(9)에 전달하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유압부(8)는, 공급 펌프(8a)와, 요동관(8b)과, 플런저 펌프(8c)와, 플런저 펌프(8c)가 갖는 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), 및 제어부(300)는, 본 개시에서의 가변 압축 장치로서 기능한다.
공급 펌프(8a)는, 제어부(300)로부터 받은 지시에 기초하여, 도시하지 않은 작동유 탱크로부터 공급되는 작동유를 승압하여 플런저 펌프(8c)에 공급하는 펌프이다. 공급 펌프(8a)는, 선박의 배터리의 전력에 의해 구동되고, 연소실(R1)에 액체 연료가 공급되기 전에 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, 고정되어 이동하지 않는 공급 펌프(8a)의 사이에서 요동 가능하게 설치되어 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)에 공급한다. 또한, 실린더(8c2)의 공급 유로(R4)에 가까운 단부에 설치된 작동유를 토출하는 개구에, 제1 체크 밸브(8d)가 설치되어 있다. 또한, 실린더(8c2)의 측둘레면에 설치된 작동유를 흡입하는 개구에, 제2 체크 밸브(8e)가 설치되어 있다. 플런저 구동부(8c3)는, 플런저(8c1)에 접속되고, 제어부(300)로부터 수취하는 지시에 기초하여 플런저(8c1)를 왕복 운동시킨다.
제1 체크 밸브(8d)는, 밸브체가 실린더(8c2)의 내측을 향하여 바이어스됨으로써 폐쇄되어 있는 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 밸브체를 바이어스시키는 바이어스 부재의 바이어스력(개방 압력)보다 커지면, 밸브체가 실린더(8c2) 내의 작동유에 눌림으로써 개방된다. 제2 체크 밸브(8e)는, 밸브체가 실린더(8c2)의 외측을 향하여 바이어스됨으로써 폐쇄되어 있는 구조가 되고, 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 밸브체를 바이어스시키는 바이어스 부재의 바이어스력(개방 압력)보다 커지면, 밸브체가 공급 펌프(8a)로부터 공급되는 작동유에 눌림으로써 개방된다. 또, 제1 체크 밸브(8d)는, 제2 체크 밸브(8e)의 개방 압력보다 높은 개방 압력을 구비한다. 그 때문에, 미리 설정된 압축비로 엔진 시스템이 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 밸브체이다. 릴리프 밸브 구동부(8f2)는, 본체부(8f1)에 접속되고, 제어부(300)로부터 수취하는 지시에 기초하여 본체부(8f1)를 개폐시킨다. 릴리프 밸브(8f)가 릴리프 밸브 구동부(8f2)에 의해 개방됨으로써, 유압실(R3) 내에 저류된 작동유가 작동유 탱크로 되돌려진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연접봉(9)은, 장척 형상의 부재로서, 일단부가 크로스 헤드 핀(7a)과 연결되고, 타단부가 크랭크축(11)과 연결되어 있다. 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, 크랭크각을 산출하기 위한 크랭크 펄스 신호를 제어부(300)에 송신하고 있다.
크랭크축(11)은, 장척 형상의 부재로서, 각 기통에 설치되는 연접봉(9)에 접속되고, 연접봉(9)에 의해 전달되는 회전 운동에 의해 회전한다. 이에 의해, 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, 관형상 부재로서, 각 기통의 배기 포트(H)와 접속됨과 아울러 과급기(200)와 접속되어 있다. 배기 포트(H)로부터 배출되는 가스는, 배기 탱크부(13)에 일시적으로 저류됨으로써, 맥동을 억제한 상태로 과급기(200)에 공급된다. 공기 냉각기(14)는, 소기 탱크부(12)의 내부에 있는 공기를 냉각한다.
과급기(200)는, 배기 포트(H)로부터 배출된 가스에 의해 회전되는 터빈에 의해, 도시하지 않은 흡기 포트로부터 흡입한 공기를 가압하여 소기 포트(S)를 통해 연소실(R1)에 공급한다.
제어부(300)는, 선박의 조종자에 의한 조작 등에 기초하여, 각 기통의 연료의 공급량 등을 제어하는 컴퓨터이다. 제어부(300)는, CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory)이나 ROM(Read Only Memory) 등과 같은 메모리, 및 SSD(Solid State Drive)나 HDD(Hard Disc Drive) 등과 같은 기억 장치 등으로 구성되어 있다. 또한, 제어부(300)는, 유압부(8)를 제어함으로써, 연소실(R1)에서의 압축비를 변경한다.
구체적으로는, 제어부(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 압축단 압력 판정부(301)와, 자착화(自着火) 타이밍 산출부(302)와, 이상 연소 추정부(303)(이상 연소 추정 장치)와, 배기 밸브 조정부(304)(배기 밸브 조정 장치)와, 압축비 설정부(305)(압축비 설정 장치)와, 유압 조정부(306)(가변 압축 장치 조정 장치)를 가지고 있다. 압축단 압력 판정부(301)는, 통내압 센서(400)로부터 취득한 압축단 압력과, 미리 기억된 기준 범위를 비교한다. 미리 기억된 기준 범위는, 예를 들어, 엔진 회전수, 엔진 부하, 압축단 압력에 기초한 맵 등으로부터 정해진다.
자착화 타이밍 산출부(302)는, 가스 크로마토그래피(500)에 의해 취득한 기체 연료의 조성을 포함하는 정보에 기초하여, 미리 기억된 자착화 타이밍 맵을 참조하여, 자착화 타이밍(이상 연소에 관한 정보)을 산출한다. 자착화 타이밍 맵에는, 기체 연료의 각 성분의 함유 비율의 조합의 복수의 패턴에서, 연료 분사 개시로부터 자착화하기까지의 시간이 기억되어 있다. 즉, 자착화 타이밍 산출부(302)는, 자착화 타이밍 맵을 참조하여, 검출된 연료 조성과 가장 가까운 기체 연료의 각 성분의 함유 비율의 조합의 패턴에서의 연료 분사 개시로부터 자착화하기까지의 시간으로부터, 자착화 타이밍을 산출한다.
이상 연소 추정부(303)는, 기체 연료의 분사량과, 취득된 압축단 압력에 기초하여, 연소실(R1)에서의 기체 연료의 연소 가스의 분포를 산출하고, 연소실(R1)에 연소 가스가 널리 퍼지는 타이밍(연소 완료 타이밍)을 산출한다. 그리고, 이상 연소 추정부(303)는, 연소 완료 타이밍과 자착화 타이밍을 비교하여, 자착화 타이밍이 연소 완료 타이밍보다 빠른지 여부를 판정함으로써, 이상 연소가 발생하는지 여부를 판정한다. 자착화 타이밍이 연소 완료 타이밍보다 빠른 경우에, 이상 연소가 발생할 가능성이 높다고 판정하고, 자착화 타이밍이 연소 완료 타이밍과 동일한 경우 및 자착화 타이밍이 연소 완료 타이밍보다 늦은 경우에, 이상 연소가 발생하지 않을 가능성이 높다고 판정한다.
배기 밸브 조정부(304)는, 배기 밸브 구동부(5c)를 제어함으로써, 배기 밸브(5a)를 개폐한다. 또한, 배기 밸브 조정부(304)는, 압축단 압력 판정부(301)의 판정 결과에 기초하여, 압축단 압력이 기준 범위보다 낮은 경우에 배기 밸브(5a)의 폐쇄 타이밍이 진각되도록(앞당겨지도록), 배기 밸브 구동부(5c)를 제어한다.
압축비 설정부(305)는, 외부로부터의 입력에 기초하여, 연료의 종류에 따라 최적의 압축비를 산출한다. 또한, 압축비 설정부(305)는, 자착화 타이밍 산출부(302)에 의해 산출된 자착화 타이밍에 기초하여, 미리 기억된 압축비 설정 맵을 참조하여, 압축단에서 기체 연료가 자착화하는 범위에서 최대가 되도록 압축비를 결정한다. 이러한 압축비를 압축비 설정값이라고도 부른다. 압축비 설정 맵에는, 자착화 타이밍과, 이러한 압축비의 상관이 기억되어 있다.
유압 조정부(306)는, 압축비 설정부(305)로부터 취득한 압축비(압축비 설정값)에 기초하여, 유압부(8)의 플런저 펌프(8c)와 릴리프 밸브(8f)를 제어함으로써, 유압실(R3)에의 작동유의 공급량을 조정한다.
통내압 센서(400)는, 연소실(R1) 내의 압력을 계측하는 센서로서, 연소실(R1)의 내벽에 설치되어 있다. 가스 크로마토그래피(500)는, 연소실(R1)에 기체 연료가 공급될 때에, 연소실(R1)에 공급되는 기체 연료의 조성을 취득하여, 기체 연료의 조성마다의 분포를 검출한다. 가스 크로마토그래피(500)는, 예를 들어 1일에 1번 또는 1시간에 1번 정도의 빈도로, 기체 연료의 조성 분포의 검출을 행한다.
이러한 엔진 시스템(100)은, 도시하지 않은 연료 분사 밸브로부터 연소실(R1)에 분사된 연료를 착화시켜 폭발시킴으로써, 피스톤(4)을 실린더 라이너(3a) 내에서 슬라이딩시켜, 크랭크축(11)을 회전시킨다. 상세히 설명하면, 연소실(R1)에 공급된 연료는, 소기 포트(S)로부터 유입된 가압 공기와 혼합된 후, 피스톤(4)이 스트로크 방향 중 상사점을 향하는 방향으로 이동함으로써 압축되어 온도 상승하여 자연 착화한다. 또한, 연료가 액체 연료인 경우에는, 연소실(R1)에서, 액체 연료는 온도 상승하여 기화하여 자연 착화한다.
그리고, 연소실(R1) 내의 연료가 자연 착화하여 급격하게 팽창함으로써, 피스톤(4)에는, 스트로크 방향 중 하사점을 향하는 방향으로 압력이 걸린다. 이에 의해, 피스톤(4)이 피스톤 로드(6)를 따라 하사점을 향하는 방향으로 이동하고, 연접봉(9)을 통해 크랭크축(11)이 회전된다. 또한, 피스톤(4)이 하사점으로 이동됨으로써, 소기 포트(S)로부터 연소실(R1)에 가압 공기가 유입된다. 배기 밸브 유닛(5)이 구동함으로써, 배기 포트(H)가 열린다. 이에 의해, 연소실(R1) 내의 배기가스가, 가압 공기에 의해 배기 포트(H)를 통해 배기 탱크부(13)로 밀려나온다.
기체 연료를 이용하기 위해 압축비를 크게 하는 경우에는, 제어부(300)의 압축비 설정부(305)에 의해 최적의 압축비가 산출되고, 유압 조정부(306)에 의해 공급 펌프(8a)가 구동되어, 플런저 펌프(8c)에 작동유가 공급된다. 그리고, 제어부(300)의 유압 조정부(306)는, 플런저 펌프(8c)를 구동하여, 피스톤 로드(6)를 들어올리는 것이 가능한 압력이 될 때까지 작동유를 가압하여, 작동유를 유압실(R3)에 공급한다. 유압실(R3)에 공급된 작동유의 압력에 의해, 유압실(R3)의 바닥면으로부터 피스톤 로드(6)의 단부(굵은 직경부)가 올라간다. 이에 따라, 피스톤 로드(6)가 상방으로 이동되고, 피스톤(4)의 상사점이 상방(즉, 배기 포트(H) 근처)으로 이동된다.
액체 연료를 이용하기 위해 압축비를 작게 하는 경우에는, 제어부(300)의 압축비 설정부(305)에 의해 최적의 압축비가 산출되고, 유압 조정부(306)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) 내의 작동유가 감소하여, 피스톤 로드(6)가 하방(즉, 크랭크축(11) 근처)으로 이동한다. 이에 따라, 피스톤(4)의 상사점이 하방으로 이동된다.
또한, 압축단 압력의 조정에 대해, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 연료의 종류(액체 연료 또는 기체 연료)에 따른 압축비의 변경 동작이 완료된 후에, 제어부(300)는, 압축단 압력 판정부(301)에 의해, 압축단 압력을 취득하고(단계 S1), 취득한 압축단 압력과 미리 정해진 기준 범위를 비교한다(단계 S2). 취득한 압축단 압력이 기준 범위보다 낮은 경우에는, 제어부(300)는, 배기 밸브 조정부(304)에 의해, 배기 밸브 구동부(5c)를 제어하여 배기 밸브(5a)의 폐쇄 타이밍을 진각시킨다(단계 S3). 또한, 취득한 압축단 압력이 기준 범위 내인 경우에는, 제어부(300)는 흐름을 종료한다. 또한, 취득한 압축단 압력이 기준 범위보다 높은 경우에는, 제어부(300)는, 가변 압축 장치에 의해 압축비를 변경한다(단계 S4). 이러한 제어에 의해, 전체 기통의 압축단 압력을 기준 범위 내로 함으로써, 각 기통에서의 압축단 압력의 불균일을 방지하고 있다.
단계 S4의 동작에 대해, 도 5를 참조하여 상술한다. 우선, 기체 연료가 연소실(R1)에 공급될 때에, 제어부(300)는, 가스 크로마토그래피(500)에 의해, 연소실(R1)에 공급되는 기체 연료의 조성을 취득하고(단계 S11), 자착화 타이밍 산출부(302)에 의해, 자착화 타이밍 맵에 의해, 자착화 타이밍을 산출한다(단계 S12).
그리고, 제어부(300)는, 이상 연소 추정부(303)에 의해, 기체 연료의 분사량 및 연소 속도에 기초하여, 연소 완료 타이밍을 산출한다(단계 S13). 다음에, 제어부(300)는, 이상 연소 추정부(303)에 의해, 취득된 압축단 압력하에서, 산출된 연소 완료 타이밍보다 산출된 자착화 타이밍이 빠른지 여부를 판정한다(단계 S14).
단계 S14의 판정이 YES인 경우, 즉 연소 완료 타이밍보다 자착화 타이밍이 빠른 경우에는, 연소 가스가 연소실(R1)에 널리 퍼지는 것보다 빨리 혼합 기체가 자착화하여, 이상 연소가 발생할 가능성이 높다. 따라서, 제어부(300)는, 압축비 설정부(305)에 의해, 현재 연소실(R1)의 압축비보다 압축비를 낮추도록 압축비 설정 맵에 의해 압축비를 결정한다(단계 S15). 그리고, 제어부(300)는, 결정된 압축비(압축비 설정값)에 일치하도록 압축비를 낮추기 위해, 유압 조정부(306)에 의해, 유압실(R3)에 공급되는 작동유의 공급량을 감소시킨다(단계 S16).
또한, 단계 S14의 판정이 NO인 경우, 즉 연소 완료 타이밍보다 자착화 타이밍이 늦거나, 또는 연소 완료 타이밍과 자착화 타이밍이 동시인 경우에는, 흐름을 종료한다.
또, 연료의 종류에 의한 압축비의 변경에 따른 피스톤 로드(6)의 이동량은, 압축단 압력의 조정에 의한 압축비의 변경에 따른 피스톤 로드(6)의 이동량보다 훨씬 크다. 따라서, 연료의 종류에 의한 압축비의 변경을 행한 후에, 압축단 압력의 조정에 의한 압축비의 변경을 행함으로써, 각 연료에 최적의 압축비로 할 수 있다.
이러한 본 실시형태에 의하면, 취득한 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 높은 경우에, 연소실(R1)의 압축비를 낮춤으로써, 압축단 압력을 저하시킨다. 따라서, 연소실(R1) 내의 기체의 배출량은 변화하지 않기 때문에, 연소실(R1) 내의 충전 공기량을 감소시키지 않고 압축단 압력을 저하시킬 수 있다. 따라서, 연소실(R1) 내의 기체 연료의 농도를 상승시키지 않고 이상 연소를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 취득한 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 낮은 경우에, 배기 밸브(5a)의 폐쇄 타이밍을 앞당김으로써, 압축단 압력을 상승시킨다. 따라서, 연소실(R1) 내의 충전 공기량을 감소시키지 않고 압축단 압력을 상승시킬 수 있다. 따라서, 연소실(R1) 내의 기체 연료의 농도를 상승시키지 않고 이상 연소를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 자착화 타이밍 산출부(302)에 의해, 연료의 조성에 기초하여 자착화 타이밍을 산출하고, 압축비 설정부(305)에 의해, 자착화 타이밍에 기초하여 이상 연소가 발생하지 않는 압축비가 되도록 연소실(R1)의 압축비를 결정할 수 있다. 따라서, 기체 연료의 조성에 따라 다른 이상 연소가 발생하기 쉬움에 기초하여 압축비를 결정하여, 이상 연소를 방지할 수 있다.
이상, 도면을 참조하면서 본 개시의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 개시의 취지로부터 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 여러 가지 변경 가능하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 엔진 시스템(100)은, 가스 크로마토그래피(500)를 갖는 구성으로 하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 기체 연료의 조성이 미리 판명되어 있는 경우에는, 가스 크로마토그래피(500)를 가지지 않아도 된다. 또한, 조성 취득 장치는, 가스 크로마토그래피(500) 이외의 구성으로 해도 된다.
상기 실시형태에서는, 통내압 센서(400)로부터 입력되는 정보에 기초하여 이상 연소가 발생하는지 여부를 판정하는 것으로 하였지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연소실(R1)에 진동 센서를 마련함으로써, 진동 센서로부터 입력되는 정보에 기초하여 이상 연소가 발생하는지 여부를 판정해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 압축단 압력을 높이는 경우에, 배기 밸브 조정부(304)에 의한 조정을 행하는 것으로 하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 압축단 압력을 높이는 경우에, 예를 들어, 유압 조정부(306)가, 압축단 압력의 조정을 행하는 것으로 해도 된다.
본 개시에 의하면, 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 높은 경우에, 연소실의 압축비를 낮춤으로써 압축단 압력을 저하시킨다. 따라서, 연소실 내의 기체의 배출량은 변화하지 않기 때문에, 연소실 내의 충전 공기량을 감소시키지 않고 압축단 압력을 저하시킬 수 있다. 따라서, 연소실 내의 기체 연료의 농도를 상승시키지 않고 이상 연소를 방지할 수 있다.
1 엔진
2 가구
3 실린더부
3a 실린더 라이너
3b 실린더 헤드
3c 실린더 자켓
4 피스톤
5 배기 밸브 유닛
5a 배기 밸브
5b 배기 밸브 케이싱
5c 배기 밸브 구동부
6 피스톤 로드
7 크로스 헤드
7a 크로스 헤드 핀
7b 가이드 슈
7c 덮개 부재
8 유압부
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
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(압축단 압력 제어 장치)
301 압축단 압력 판정부
302 자착화 타이밍 산출부
303 이상 연소 추정부(이상 연소 추정 장치)
304 배기 밸브 조정부(배기 밸브 조정 장치)
305 압축비 설정부(압축비 설정 장치)
306 유압 조정부(가변 압축 장치 조정 장치)
400 통내압 센서
500 가스 크로마토그래피
H 배기 포트
O 출구 구멍
R1 연소실
R2 소기실
R3 유압실(유체실)
R4 공급 유로
R5 릴리프 유로
S 소기 포트

Claims (5)

  1. 승압된 작동 유체가 유체실에 공급됨으로써 연소실의 압축비를 높이는 가변 압축 장치의 상기 작동 유체의 공급량을 제어하기 위한 압축단 압력 제어 장치로서,
    취득된 상기 연소실에서의 압축단 압력이 미리 정해진 기준 범위보다 높은 경우에, 상기 가변 압축 장치를 제어하여 상기 연소실의 압축비를 저하시키도록 압축비를 결정하는, 압축비 설정 장치와,
    상기 압축비 설정 장치에 의해 결정된 압축비에 기초하여, 상기 작동 유체의 공급량을 제어하는, 가변 압축 장치 조정 장치를 갖는 압축단 압력 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축단 압력이 상기 기준 범위보다 낮은 경우에, 상기 연소실 내의 배기 포트를 개폐하는 배기 밸브 장치의 밸브 폐쇄 타이밍을 현행의 밸브 폐쇄 타이밍보다 앞당기는, 배기 밸브 조정 장치를 더 갖는 압축단 압력 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소실에서의 상기 압축단 압력이 상기 기준 범위보다 높은 경우에, 상기 연소실에 공급되는 연료의 조성에 기초하여, 상기 압축단 압력하에서 이상 연소가 발생하는지 여부를 추정하는, 이상 연소 추정 장치를 더 가지며,
    상기 압축비 설정 장치는, 상기 이상 연소 추정 장치의 추정 결과에 기초하여, 상기 압축비를 결정하는 압축단 압력 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 연소실에서의 상기 압축단 압력이 상기 기준 범위보다 높은 경우에, 상기 연소실에 공급되는 연료의 조성에 기초하여, 상기 압축단 압력에서 이상 연소가 발생하는지 여부를 추정하는 이상 연소 추정 장치를 더 가지며,
    상기 압축비 설정 장치는, 상기 이상 연소 추정 장치의 추정 결과에 기초하여, 상기 압축비를 결정하는 압축단 압력 제어 장치.
  5. 연소실을 갖는 복수의 기통과,
    승압된 작동 유체가 공급됨으로써 피스톤 로드가 상기 연소실의 압축비를 높이는 방향으로 이동되는 유체실을 갖는 가변 압축 장치와,
    청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 압축단 압력 제어 장치를 갖는 엔진 시스템.
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