KR20200118214A

KR20200118214A - 압축비 제어 장치 및 엔진

Info

Publication number: KR20200118214A
Application number: KR1020207027780A
Authority: KR
Inventors: 유타카 마스다; 요시유키 우메모토; 다카히로 다키모토; 준 데라모토; 가즈키 요쓰이; 게이토쿠 이구치
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-10-14
Also published as: US11053865B2; KR102372738B1; JP7196408B2; US20200408158A1; WO2019188703A1; CN111819348A; EP3779151A1; CN111819348B; JP2019173667A; EP3779151A4

Abstract

압축비 제어 장치(180)는, 적어도 엔진 부하가 소정 부하(엔진 전체 부하) 이하일 경우, 검출부의 검출 신호에 기초하여, 최대 연소 압력이 연소 압력 상한값(실린더 내압 상한값)에 가까워지도록, 연소실(128)의 압축비를 제어하는 압축비 제어부(182)를 구비한다.

Description

압축비 제어 장치 및 엔진

본 개시는, 압축비 제어 장치 및 엔진에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 3월 28일에 제출된 일본국 특허 출원 제2018―063299호에 기초한 우선권의 이익을 주장하는 것이며, 그 내용은 본 출원에 포함된다.

특허문헌 1의 크로스헤드형(crosshead type) 엔진은, 피스톤 로드와 크로스헤드 핀(crosshead pin)과의 사이에 유압(油壓) 기구(機構)를 설치하고 있다. 특허문헌 1은, 유압 기구를 작동시킴으로써 피스톤 로드를 상하로 이동시키고, 크로스헤드형 엔진의 압축비를 변경하고 있다.

일본 공개특허 제2014―20375호 공보

특허문헌 1에서는, 예를 들면, 디젤유로부터 가스에 공급 연료가 변경된 경우에 압축비를 변경함으로써, 연비의 향상이 도모되어 있다. 그러나, 엔진의 연비를 더욱 향상시키는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 개시는, 엔진의 연비를 향상시키는 것이 가능한 압축비 제어 장치 및 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 압축비 제어 장치는, 엔진 부하 및 연소실의 최대 연소 압력 중 적어도 한쪽에 상관(correlating)을 가지는 신호를 검출하는 검출부와, 적어도 엔진 부하가 소정 부하 이하일 경우, 검출부의 검출 신호에 기초하여, 최대 연소 압력이, 미리 설정된 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 연소실의 압축비를 제어하는 제어부를 구비한다.

제어부는, 최대 연소 압력이 연소 압력 상한값 미만으로 되는 범위에서, 압축비를 가장 고압축비로 제어해도 된다.

실린더 내에서의 피스톤의 상사점 위치를 변경하는 압축비 가변(可變) 기구를 가져도 된다.

검출부는, 엔진 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서, 연소실에 공급되는 연료의 분사량을 검출하는 분사량 검출 센서, 연소실 내의 압력을 검출하는 압력 검출 센서, 및 연소실에 공급되는 활성 가스의 압력인 소기압(scavenging pressure)을 검출하는 소기압 검출 센서 중 하나 이상의 센서를 가져도 된다.

제어부는, 압력 검출 센서가 검출하는 최대 연소 압력과, 연소 압력 상한값을 비교하여, 최대 연소 압력이 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 압축비를 제어해도 된다.

제어부는, 소기압 검출 센서가 검출하는 소기압과, 압축비와, 비열비(specific heat ratio)에 기초하여, 최대 연소 압력을 추정하고, 추정한 최대 연소 압력과, 연소 압력 상한값을 비교하여, 최대 연소 압력이 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 압축비를 제어해도 된다.

검출부는, 가변 피치 프로펠러의 블레이드(blade)의 각도를 검출하는 각도 검출 센서를 가지고, 제어부는, 블레이드의 각도와 엔진 회전수에 기초하여, 최대 연소 압력을 도출하고, 도출한 최대 연소 압력과, 연소 압력 상한값을 비교하여, 최대 연소 압력이 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 압축비를 제어해도 된다.

또한, 본 발명의 엔진은, 상기 압축비 제어 장치를 구비해도 된다.

본 발명의 압축비 제어 장치 및 엔진에 의하면, 연비를 향상시킬 수 있다.

도 1은, 엔진의 전체 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2a는, 피스톤 로드와 크로스헤드 핀과의 연결 부분을 추출한 추출도이다.
도 2b는, 압축비 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 3a는, 변형예에서의 피스톤 로드와 크로스헤드 핀과의 연결 부분을 추출한 추출도이다.
도 3b는, 변형예에서의 압축비 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 4는, 압력 검출 센서에 의해 측정되는 실린더 내의 압력의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5a는, 연소실의 압축비를 고정으로 한 경우의 엔진 부하와 최대 연소 압력과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5b는, 연소실의 압축비를 고정으로 한 경우와 가변으로 한 경우에서의 엔진 부하와 최대 연소 압력과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6a는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역에서의 연료 소비율(연비)과 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6b는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역에서의 최대 연소 압력과 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6c는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역에서의 압축 압력과 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6d는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역에서의 소기압과 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6e는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역에서의 유효 압축비와 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은, 압축비 제어부에 의한 압축비의 제어 처리에 관한 플로우차트를 나타낸 도면이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 그 외에 구체적인 수치 등은, 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 지나지 않고, 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 그리고, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 가지는 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다. 또한, 본 개시에 직접 관계가 없는 요소(要素)는 도시를 생략한다.

도 1은, 엔진(100)의 전체 구성을 나타낸 설명도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진(100)은, 실린더(110)와, 피스톤(112)과, 피스톤 로드(114)와, 크로스헤드(116)와, 연접봉(連接棒; connecting rod)(118)과, 크랭크샤프트(crankshaft)(120)와, 플라이휠(122)와, 실린더 커버(124)와, 배기 밸브 케이스(126)와, 연소실(128)과, 배기 밸브(130)와, 배기 밸브 구동 장치(132)와, 배기관(134)과, 소기류(掃氣溜; scavenge reservoir)(136)와, 냉각기(138)와, 실린더 쟈켓(140)을 포함하여 구성된다.

실린더(110) 내에는, 피스톤(112)이 설치된다. 피스톤(112)은, 실린더(110) 내를 왕복 이동한다. 피스톤(112)에는, 피스톤 로드(114)의 일단(一端)이 장착되어 있다. 피스톤 로드(114)의 타단에는, 크로스헤드(116)의 크로스헤드 핀(150)이 연결된다. 크로스헤드(116)는, 피스톤(112)과 일체로 왕복 이동한다. 가이드 슈(guide shoe)(116a)에 의해, 크로스헤드(116)의 도 1 중, 좌우 방향[피스톤(112)의 스트로크 방향에 수직인 방향]의 이동이 규제된다.

크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단에 설치된 크로스헤드 베어링(118a)에 축지지된다. 크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단을 지지하고 있다. 피스톤 로드(114)의 타단과 연접봉(118)의 일단은, 크로스헤드(116)를 통해 접속된다.

연접봉(118)의 타단은, 크랭크샤프트(120)에 연결된다. 연접봉(118)에 대하여 크랭크샤프트(120)가 회전 가능하다. 피스톤(112)의 왕복 이동에 따라 크로스헤드(116)가 왕복 이동하면, 크랭크샤프트(120)가 회전한다. 엔진(100)에는, 회전수 검출 센서(184)가 설치되어 있다. 회전수 검출 센서(184)는, 크랭크샤프트(120)의 근방에 설치되어 있다. 회전수 검출 센서(184)는, 크랭크샤프트(120)의 각도를 검출함으로써, 엔진 회전수를 검출한다.

크랭크샤프트(120)에는, 플라이휠(122)이 장착된다. 플라이휠(122)의 관성에 의해 크랭크샤프트(120) 등의 회전이 안정화된다. 실린더 커버(124)는, 실린더(110)의 상단(上端)에 설치된다. 실린더 커버(124)에는, 배기 밸브 케이스(126)가 삽통(揷通)된다.

배기 밸브 케이스(126)의 일단은, 피스톤(112)에 면하고 있다. 배기 밸브 케이스(126)의 일단에는, 배기 포트(126a)가 개구된다. 배기 포트(126a)는, 연소실(128)에 개구된다. 연소실(128)은, 실린더 커버(124)와 실린더(110)와 피스톤(112)에 위요(圍繞; surrounded)되어 실린더(110)의 내부에 형성된다.

연소실(128)에는, 배기 밸브(130)의 밸브체가 위치한다. 배기 밸브(130)의 로드부에는, 배기 밸브 구동 장치(132)가 장착된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브 케이스(126)에 배치된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브(130)를 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 이동시킨다.

배기 밸브(130)가 피스톤(112) 측으로 이동하면, 배기 포트(126a)가 밸브를 개방한다. 배기 포트(126a)가 밸브를 개방하면, 실린더(110) 내에서 생긴 연소 후의 배기 가스가, 배기 포트(126a)로부터 배기된다. 배기 후, 배기 밸브(130)가 배기 밸브 케이스(126) 측으로 이동하면, 배기 포트(126a)가 폐쇄된다.

배기관(134)은, 배기 밸브 케이스(126) 및 과급기(過給機; supercharger)(C)에 장착된다. 배기관(134)의 내부는, 배기 포트(126a) 및 과급기(C)의 터빈과 연통된다. 배기 포트(126a)로부터 배기된 배기 가스는, 배기관(134)을 통해 과급기(C)의 터빈에 공급된 후, 외부로 배기된다.

과급기(C)의 압축기에 의해, 활성 가스가 가압된다. 여기서, 활성 가스는, 예를 들면, 공기이다. 가압된 활성 가스는, 소기류(136)에 있어서, 냉각기(138)에 의해 냉각된다. 실린더(110)의 하단(下端)은, 실린더 쟈켓(140)으로 위요된다. 실린더 쟈켓(140)의 내부에는, 소기실(掃氣室; scavenge chamber)(140a)이 형성된다. 냉각 후의 활성 가스는, 소기실(140a)에 압입(壓入)된다.

실린더(110)의 하단 측에는, 소기 포트(110a)가 설치된다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 내주면으로부터 외주면(外周面)까지 관통하는 구멍이다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 주위 방향으로 이격되어 복수 설치되어 있다.

피스톤(112)이 소기 포트(110a)보다 하사점 위치 측으로 이동하면, 소기실(140a)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)에 의해, 소기 포트(110a)로부터 실린더(110) 내에 활성 가스가 흡입된다. 소기실(140a)에는, 소기압 검출 센서(186)가 설치되어 있다. 소기압 검출 센서(186)는, 실린더(110)[연소실(128)] 내에 공급되는 활성 가스의 압력인 소기압을 검출한다.

소기 포트(110a) 근방, 또는 실린더(110) 중, 소기 포트(110a)로부터 실린더 커버(124)까지의 부위에는, 도시하지 않은 기체(氣體) 연료 분사 밸브가 설치된다. 연료 가스는, 기체 연료 분사 밸브로부터 분사(噴射)된 후, 실린더(110) 내로 유입(流入)된다.

실린더 커버(124)에는, 도시하지 않은 파일럿 분사 밸브가 설치된다. 파일럿 분사 밸브로부터 적당량의 연료 오일이 연소실(128) 내로 분사된다. 연료 오일은, 연소실(128)의 열로 기화, 착화, 연소하고, 연소실(128)이 승온(昇溫)된다. 피스톤(112)에 의해 압축된 연료 가스 및 활성 가스의 혼합기(混合氣)는, 연소실(128)의 열로 착화되어 연소한다. 피스톤(112)은, 연료 가스(혼합기)의 연소에 의한 팽창압에 의해 왕복 이동한다. 실린더 커버(124)에는, 분사량 검출 센서(188)가 설치되어 있다. 분사량 검출 센서(188)는, 도시하지 않은 기체 연료 분사 밸브로부터 연소실(128)에 공급되는 연료의 분사량을 검출한다. 또한, 실린더 커버(124)에는, 압력 검출 센서(190)가 설치되어 있다. 압력 검출 센서(190)는, 실린더(110)[연소실(128)] 내의 압력을 검출한다.

그리고, 회전수 검출 센서(184), 소기압 검출 센서(186), 분사량 검출 센서( 188), 및 압력 검출 센서(190)는, 후술하는 압축비 제어부(182)에 접속되고, 검출값(검출 신호)을 압축비 제어부(182)에 출력한다. 그리고, 도 1 중, 신호의 흐름을 파선(破線)의 화살표로 나타낸다.

여기서, 연료 가스는, 예를 들면, LNG(액화 천연 가스)를 가스화하여 생성되는 것으로 한다. 단, 연료 가스는, LNG에 한정되지 않고, 예를 들면, LPG(액화 석유 가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것을 적용할 수도 있다.

엔진(100)에는, 압축비 가변 기구(V)가 설치되어 있다. 엔진(100)에는, 연소실(128)의 압축비를 제어하는 압축비 제어 장치(180)가 설치되어 있다. 압축비 제어 장치(180)는, 회전수 검출 센서(184), 소기압 검출 센서(186), 분사량 검출 센서(188), 압력 검출 센서(190) 등의 검출부와, 압축비 제어부(182)를 포함하여 구성된다. 압축비 제어부(182)는, 회전수 검출 센서(184), 소기압 검출 센서(186), 분사량 검출 센서(188), 압력 검출 센서(190) 등의 검출부로부터 얻어지는 신호에 기초하여, 압축비 가변 기구(V)를 제어한다. 이하, 압축비 가변 기구(V) 및 압축비 제어 장치(180)에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2a, 도 2b는, 압축비 가변 기구(V) 및 압축비 제어 장치(180)의 개략적인 구성도이다. 도 2a는, 피스톤 로드(114)와 크로스헤드 핀(150)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다. 도 2b는, 압축비 제어 장치(180)의 기능 블록도이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 크로스헤드 핀(150) 중, 피스톤(112) 측의 외주면에는, 평면부(152)가 형성된다. 평면부(152)는, 피스톤(112)의 스트로크 방향에 대하여, 대략 수직인 방향으로 연장된다.

크로스헤드 핀(150)에는, 핀홀(pin hole)(154)이 형성된다. 핀홀(154)은, 평면부(152)에 개구된다. 핀홀(154)은, 평면부(152)로부터 스트로크 방향을 따라 크랭크샤프트(120) 측(도 2a 중, 하측)으로 연장된다.

크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에는, 커버 부재(160)가 설치된다. 커버 부재(160)는, 체결 부재(162)에 의해 크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에 장착된다. 커버 부재(160)는, 핀홀(154)을 덮는다. 커버 부재(160)에는, 스트로크 방향으로 관통하는 커버공(160a)이 형성된다.

피스톤 로드(114)는, 대경부(大徑部)(114a) 및 소경부(小徑部)(114b)를 구비한다. 대경부(114a)의 외경(外徑)은, 소경부(114b)의 외경보다 크다. 대경부(114a)는, 피스톤 로드(114)의 타단에 형성된다. 대경부(114a)는, 크로스헤드 핀(150)의 핀홀(154)에 삽통된다. 소경부(114b)는, 대경부(114a)보다 피스톤 로드(114)의 일단측에 형성된다. 소경부(114b)는, 커버 부재(160)의 커버공(160a)에 삽통된다.

유압실(154a)은, 핀홀(154)의 내부에 형성된다. 핀홀(154)은, 대경부(114a)에 의해 스트로크 방향으로 구획된다. 유압실(154a)은, 대경부(114a)에 의해 칸막이된 핀홀(154)의 바닥면(154b) 측의 공간이다.

압축비 가변 기구(V)는, 유압 조정 기구(O)를 구비하고 있다. 유압 조정 기구(O)는, 유압 배관(170)과, 유압 펌프(172)와, 체크 밸브(174)와, 분기(branching) 배관(176)과, 전환 밸브(178)를 포함하여 구성된다.

바닥면(154b)에는, 오일 통로(oil passage)(156)의 일단이 개구된다. 오일 통로(156)의 타단은, 크로스헤드 핀(150)의 외부로 개구된다. 오일 통로(156)의 타단에는, 유압 배관(170)이 접속된다. 유압 배관(170)에는, 유압 펌프(172)가 연통된다. 유압 펌프(172)는, 압축비 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 도시하지 않은 오일 탱크로부터 공급되는 작동유를 유압 배관(170)에 공급한다. 유압 펌프(172)와 오일 통로(156)와의 사이에는, 체크 밸브(174)가 설치된다. 체크 밸브(174)에 의해 오일 통로(156) 측으로부터 유압 펌프(172) 측으로의 작동유의 흐름이 억제된다. 유압 펌프(172)로부터 오일 통로(156)를 통해 유압실(154a)에 작동유가 압입된다.

유압 배관(170) 중, 오일 통로(156)와 체크 밸브(174)의 사이에는, 분기 배관(176)이 접속된다. 분기 배관(176)에는, 전환 밸브(178)가 설치된다. 전환 밸브(178)는, 예를 들면, 전자(電磁) 밸브이다. 전환 밸브(178)는, 압축비 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 개방 상태 또는 폐쇄 상태로 제어된다. 유압 펌프(172)의 작동 중, 전환 밸브(178)는 폐쇄된다. 유압 펌프(172)의 정지(停止) 중, 전환 밸브(178)가 밸브를 개방하면, 유압실(154a)로부터 분기 배관(176) 측으로 작동유가 배출된다. 전환 밸브(178) 중, 오일 통로(156)와 반대측은, 도시하지 않은 오일 탱크와 연통된다. 배출된 작동유는, 오일 탱크에 저류된다. 오일 탱크는, 유압 펌프(172)에 작동유를 공급한다.

유압실(154a)의 작동유의 오일량에 따라서, 대경부(114a)가 스트로크 방향으로 핀홀(154)의 내주면(內周面)을 슬라이딩한다. 그 결과, 피스톤 로드(114)가 스트로크 방향으로 이동한다. 피스톤(112)은, 피스톤 로드(114)와 일체로 이동한다. 피스톤 로드(114)가 스트로크 방향으로 이동함으로써, 피스톤(112)의 상사점 위치가 가변으로 된다.

압축비 가변 기구(V)는, 유압실(154a), 및 피스톤 로드(114)의 대경부(114a)를 포함하여 구성된다. 압축비 가변 기구(V)는, 상사점 위치를 이동시킴으로써, 압축비를 가변으로 한다. 유압실(154a)에 공급하는 작동유의 오일량이 조정됨으로써, 압축비 가변 기구(V)는, 엔진(100)의 실린더(110) 내에서의 피스톤(112)의 상사점 위치 및 하사점 위치를 변경할 수 있다.

여기서는, 1개의 유압실(154a)이 설치되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 대경부(114a)에 의해 칸막이된 핀홀(154) 중, 커버 부재(160) 측의 공간(154c)도 유압실로 해도 된다. 이 유압실은, 유압실(154a)과 병용해도, 단독으로 사용되어도 된다.

도 2b에서는, 주로 압축비 가변 기구(V)의 제어에 관한 구성을 나타낸다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, 압축비 제어 장치(180)는, 압축비 제어부(182)를 구비한다. 압축비 제어 장치(180)는, 예를 들면, ECU(Engine Control Unit)로 구성된다. 압축비 제어 장치(180)는, 중앙 처리 장치(CPU), 프로그램 등이 저장된 ROM, 공작물 영역(work area)으로서의 RAM 등으로 구성되고, 엔진(100) 전체를 제어한다.

압축비 제어부(182)는, 유압 펌프(172) 및 전환 밸브(178)를 제어하여, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킨다. 이와 같이 하여, 압축비 제어부(182)는, 엔진(100)의 기하학적(geometric) 압축비를 제어한다.

도 3a, 도 3b는, 변형예에서의 압축비 가변 기구(Va) 및 압축비 제어 장치(180a)의 개략적인 구성도이다. 도 3a는, 변형예에서의 피스톤 로드(114)와 크로스헤드 핀(150)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다. 도 3b는, 변형예에서의 압축비 제어 장치(180a)의 기능 블록도이다.

압축비 가변 기구(Va)는, 유압실(154a), 및 피스톤 로드(114)의 대경부(114a)를 포함하여 구성된다. 압축비 가변 기구(Va)는, 유압 조정 기구(Oa)를 구비하고 있다. 유압 조정 기구(Oa)는, 유압 펌프(172)와, 요동관(swiveling pipe)(302)과, 플런저(plunger) 펌프(304)와, 릴리프(relief) 밸브(306)와, 플런저 구동부(308)와, 릴리프 밸브 구동부(310)를 포함하여 구성된다.

유압 펌프(172)는, 압축비 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 도시하지 않은 오일 탱크로부터 공급되는 작동유를 요동관(302)에 공급한다. 요동관(302)은, 유압 펌프(172)와 플런저 펌프(304)를 접속하는 배관이다. 요동관(302)은, 크로스헤드 핀(150)에 수반하여 이동하는 플런저 펌프(304)와, 유압 펌프(172)와의 사이에 있어서, 요동 가능하도록 되어 있다.

플런저 펌프(304)는, 크로스헤드 핀(150)에 장착된다. 플런저 펌프(304)는, 봉형(棒形)의 플런저(304a)와, 플런저(304a)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 통형(筒形)의 실린더(304b)를 구비한다.

플런저 펌프(304)는, 크로스헤드 핀(150)의 이동에 따라 이동함으로써, 플런저(304a)가 플런저 구동부(308)와 접촉한다. 플런저 펌프(304)는, 플런저(304a)가 플런저 구동부(308)와 접촉함으로써, 실린더(304b) 내를 슬라이딩 이동하고, 실린더(304b) 내의 작동유를 승압(昇壓)하여 유압실(154a)로 공급한다. 실린더(304b)에는, 단부(端部)에 설치된 작동유의 토출측의 개구에 제1 체크 밸브(304c)가 설치된다. 실린더(304b)에는, 측 주위면에 설치된 흡입 측의 개구에 제2 체크 밸브(304d)가 설치된다.

플런저 구동부(308)는, 압축비 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 플런저(304a)와 접촉하는 접촉 위치와, 플런저(304a)와 접촉하지 않는 비접촉 위치에 구동된다. 플런저 구동부(308)는, 플런저(304a)와 접촉함으로써, 플런저(304a)를 실린더(304b) 측으로 압압(押壓)한다.

제1 체크 밸브(304c)는, 실린더(304b)의 내측을 향해 밸브체가 가압됨으로써 밸브를 폐쇄한다. 제1 체크 밸브(304c)는, 밸브를 폐쇄함으로써, 유압실(154a)에 공급된 작동유가 실린더(304b) 내로 역류하는 것을 억제하고 있다. 제1 체크 밸브(304c)는, 실린더(304b) 내의 작동유의 압력이 제1 체크 밸브(304c)의 가압 부재의 가압력(밸브 개방 압력) 이상으로 되면, 밸브체가 작동유에 가압되는 것에 의해 밸브를 개방한다.

제2 체크 밸브(304d)는, 실린더(304b)의 외측을 향해 밸브체가 가압됨으로써 밸브를 폐쇄한다. 제2 체크 밸브(304d)는, 밸브를 폐쇄함으로써, 실린더(304b)에 공급된 작동유가 유압 펌프(172)로 역류하는 것을 억제하고 있다. 또한, 제2 체크 밸브(304d)는, 유압 펌프(172)로부터 공급되는 작동유의 압력이 제2 체크 밸브(304d)의 가압 부재의 가압력(밸브 개방 압력) 이상으로 되면, 밸브체가 작동유에 가압되는 것에 의해 밸브를 개방한다. 그리고, 제1 체크 밸브(304c)는, 밸브 개방 압력이 제2 체크 밸브(304d)의 밸브 개방 압력보다 높게 설정되어 있다.

릴리프 밸브(306)는, 크로스헤드 핀(150)에 장착된다. 릴리프 밸브(306)는, 유압실(154a) 및 도시하지 않은 오일 탱크에 접속된다. 릴리프 밸브(306)는, 봉형의 로드(306a)와, 로드(306a)를 슬라이딩 가능하게 수용하는 통형의 본체(306b)와, 밸브체(306c)를 구비한다. 본체(306b)의 내부에는, 유압실(154a)로부터 배출된 작동유가 유통(流通)하는 내부 유로(流路; flowpath)가 형성되어 있다. 밸브체(306c)는, 본체(306b) 내의 내부 유로에 배치된다.

릴리프 밸브(306)는, 크로스헤드 핀(150)의 이동에 따라 이동함으로써, 로드(306a)가 릴리프 밸브 구동부(310)와 접촉한다. 릴리프 밸브 구동부(310)는, 압축비 제어부(182)로부터의 지시에 기초하여, 로드(306a)와 접촉하는 접촉 위치와, 로드(306a)와 접촉하지 않는 비접촉 위치로 구동된다. 릴리프 밸브 구동부(310)는, 로드(306a)와 접촉함으로써, 로드(306a)를 본체(306b) 측으로 압압한다. 로드(306a)는, 본체(306b) 측으로 가압됨으로써, 밸브체(306c)를 밸브를 개방한다. 밸브체(306c)가 밸브 개방됨으로써, 유압실(154a)에 저류된 작동유가 오일 탱크로 되돌려진다.

플런저 구동부(308) 및 릴리프 밸브 구동부(310)는, 예를 들면, 플런저 펌프(304) 및 릴리프 밸브(306)와의 상대(相對) 위치를 변화시킴으로써 작동 제어하는 캠판으로 이루어지는 기구를 포함하여 구성된다. 또한, 플런저 구동부(308) 및 릴리프 밸브 구동부(310)는, 캠판의 상대 위치를 액추에이터로 구동시키는 기구를 포함하여 구성된다.

도 3b에서는, 주로 압축비 가변 기구(Va)의 제어에 관한 구성을 나타낸다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, 압축비 제어 장치(180a)는, 압축비 제어부(182)를 구비한다. 압축비 제어 장치(180a)는, 예를 들면, ECU(Engine Control Unit)로 구성된다. 압축비 제어 장치(180a)는, 중앙 처리 장치(CPU), 프로그램 등이 저장된 ROM, 공작물 영역으로서의 RAM 등으로 구성되고, 엔진(100) 전체를 제어한다.

압축비 제어부(182)는, 유압 펌프(172)와, 플런저 구동부(308)와, 릴리프 밸브 구동부(310)를 제어하여, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킨다. 이와 같이 하여, 압축비 제어부(182)는, 엔진(100)의 기하학적 압축비를 제어한다.

그런데, 엔진(100)은, 실린더(110)의 내구성(耐久性)으로부터 실린더(110) 내의 압력에 관하여 상한값[이하, 실린더 내압(內壓) 상한값이라고 함]이 정해져 있다. 도 4는, 압력 검출 센서(190)에 의해 측정되는 실린더(110) 내의 압력의 일례를 나타낸 도면이다. 도 4에 있어서, 세로축은 실린더(110) 내의 압력(실린더 내압)을 나타내고, 가로축은 크랭크각을 나타낸다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 크랭크각이 하사점으로부터 상사점에 가까워짐에 따라서, 실린더(110) 내의 혼합기(공기 및 연료)는, 피스톤(112)에 의해 압축되고, 실린더(110) 내의 온도 및 압력이 상승한다(압축 행정). 크랭크각이 하사점으로부터 상사점에 도달하기 전의 A점에 도달했을 때, 실린더(110) 내의 혼합기가 연소하고, 이 때 발생한 열에 의해 연소 가스가 팽창한다(연소 행정 및 팽창 행정). 연소 가스의 팽창에 의한 압력 상승에 의해 피스톤(112)을 압하(押下)하는 힘이 발생한다.

본 실시형태에서는, 압력 검출 센서(190)에 의해 측정되는 실린더(110) 내의 압력 중, 크랭크각이 A점보다 전방의 압축 행정에서의 압력을 압축 압력 Pcomp라고 한다. 또한, 압력 검출 센서(190)에 의해 측정되는 실린더(110) 내의 압력 중, 크랭크각이 A점보다 후의 연소 행정 및 팽창 행정에서의 압력을 연소 압력 P라고 한다. 또한, 연소 압력 P 중 최대의 압력을 최대 연소 압력 Pmax라고 한다. 최대 연소 압력 Pmax는, 1회의 연소 주기(周期) 중 압력 검출 센서(190)에 의해 측정되는 실린더(110) 내의 최대 압력이다. 그리고, 도 4 중의 파선은, 압축 행정에 있어서 측정된 압력으로부터 추정되는 A점보다 후의 압축 압력을 나타내고, 도 4 중의 B점은, 추정한 압축 압력의 피크 위치(피크값)를 나타내고 있다. 또한, 도 4 중의 C점은, 연소 압력 P의 피크 위치(피크값), 즉 최대 연소 압력 Pmax의 위치를 나타내고 있다.

전술한 바와 같이, 엔진(100)에는, 실린더 내압 상한값(연소 압력 상한값)이 정해져 있다. 그러므로, 엔진(100)은, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 이하로 억제할 필요가 있다. 여기서, 최대 연소 압력 Pmax는, 연소실(128)에 공급되는 활성 가스의 압력인 소기압 Ps에 따라서 변화한다. 구체적으로, 소기압 Ps가 커질수록 최대 연소 압력 Pmax는 커지고, 소기압 Ps가 작아질수록 최대 연소 압력 Pmax는 작아지게 된다.

소기압 Ps는, 엔진 부하에 따라 변화한다. 구체적으로, 엔진 부하(예를 들면, 엔진 회전수)가 커질수록 소기압 Ps는 커지고, 엔진 부하가 작아질수록 소기압 Ps는 작아지게 된다. 따라서, 소기압 Ps가 가장 커지게 되는, 즉 엔진 부하가 가장 커지게 되는 엔진 전체 부하(100% 부하) 시에, 최대 연소 압력 Pmax는 가장 커지게 된다. 그러므로, 엔진(100)은, 통상, 연소실(128)의 압축비를 고정으로 한 경우, 엔진 전체 부하 시에서의 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값으로 되도록 압축비를 설정한다.

도 5a, 도 5b는, 엔진 부하와 최대 연소 압력 Pmax와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 5a, 도 5b에 있어서, 세로축은 최대 연소 압력 Pmax를 나타내고, 가로축은 엔진 부하를 나타낸다. 도 5a는, 연소실(128)의 압축비를 고정으로 한 경우의 엔진 부하와 최대 연소 압력 Pmax와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 5b는, 연소실(128)의 압축비를 고정으로 한 경우와 가변으로 한 경우에서의 엔진 부하와 최대 연소 압력 Pmax와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 5a 및 도 5b에 있어서, 1점 쇄선은, 실린더 내압 상한값 Pmax Limit를 나타낸다

도 5a 중의 실선은, 연소실(128)의 압축비를 고정으로 한 경우의 엔진 부하에 따라 변화하는 최대 연소 압력 Pmax를 나타내고 있다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 연소실(128)의 압축비를 고정으로 한 경우, 최대 연소 압력 Pmax는, 엔진 전체 부하 상태에 있어서 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 된다. 최대 연소 압력 Pmax가 커질수록, 연료 소비율을 저감시키는(즉, 연비를 개선하는) 것이 가능하다. 그러므로, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 되는 엔진 전체 부하 상태에 있어서 연비가 개선된다.

그러나, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 연소실(128)의 압축비를 고정으로 한 경우, 최대 연소 압력 Pmax는, 엔진 부하가 엔진 전체 부하 상태보다 작은 부하 상태에 있어서 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 도달하지 않는다. 따라서, 도 5a에 나타낸 예에서는, 엔진 부하가 엔진 전체 부하 상태보다 작은 부하 상태에 있어서는, 연비 개선의 여지가 있다.

따라서, 본 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 적어도 엔진 부하가 소정 부하 이하일 경우, 최대 연소 압력 Pmax가, 미리 설정된 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록, 연소실(128)의 압축비[압축비 가변 기구(V)]를 제어한다. 본 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 압력 검출 센서(190)로부터 출력되는 검출값(최대 연소 압력 Pmax를 포함하는 실린더 내압)을 취득할 수 있다. 따라서, 압축비 제어부(182)는, 압력 검출 센서(190)에 의해 검출되는 최대 연소 압력 Pmax와, 실린더 내압 상한값 Pmax Limit를 비교하여, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록, 압축비를 제어한다.

압축비 제어부(182)는, 압축비 가변 기구(V)를 제어함으로써, 연소실(128)의 압축비를 압축비 ε0으로부터 압축비 εn까지의 동안에서 변경할 수 있다. 압축비 ε0은, 연소실(128)의 압축비가 최소로 되는 압축비이다. 압축비 εn은, 연소실(128)의 압축비가 최대가 되는 압축비이다.

도 5b 중의 실선은, 본 실시형태에 있어서의 연소실(128)의 압축비를 가변으로 한 경우의 엔진 부하에 따라 변화하는 최대 연소 압력 Pmax를 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 엔진 전체 부하 상태에 있어서 연소실(128)의 압축비가 최소의 압축비 ε0로 되도록 압축비 가변 기구(V)를 제어한다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 엔진 전체 부하 상태에 있어서 연소실(128)의 압축비를 최소의 압축비 ε0로 하면, 최대 연소 압력 Pmax는 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 된다. 여기서, 도 5b에서의 파선은, 연소실(128)의 압축비가 최소의 압축비 ε0로 고정되어 있는 상태의 엔진 부하에 따라 변화하는 최대 연소 압력 Pmax를 나타내고 있다.

압축비 제어부(182)는, 엔진 전체 부하 상태보다 작은 부하 상태에 있어서 연소실(128)의 압축비가 최소의 압축비 ε0보다 큰 압축비로 되도록, 압축비 가변 기구(V)를 제어한다. 전술한 바와 같이, 최대 연소 압력 Pmax는, 소기압 Ps에 따라서, 변화하지만, 연소실(128)의 압축비에 따라서도 변화한다. 구체적으로, 압축비가 커질수록 최대 연소 압력 Pmax는 커지고, 압축비가 작아질수록 최대 연소 압력 Pmax는 작아지게 된다.

따라서, 연소실(128)의 압축비를 최소의 압축비 ε0보다 큰 압축비로 변경함으로써, 소기압 Ps가 감소하고 최대 연소 압력 Pmax가 작아지도록 한 경우에도, 최대 연소 압력 Pmax를 크게 할 수 있다. 그 결과, 엔진 전체 부하 상태보다 작은 부하 상태에 있어서도, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 근접시킬 수 있다.

이와 같이, 압축비 제어부(182)는, 연소실(128)의 압축비를 변경함으로써, 엔진 부하가 작아지게 되는 경우에도, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 유지시킬 수 있다. 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역(R1)은, 연소실(128)의 압축비를 최소의 압축비 ε0으로부터 최대의 압축비 εn의 범위 내에서 변경함으로써, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 유지 가능한 범위이다.

엔진 부하 영역(R1)에 있어서, 압축비 제어부(182)는, 연소실(128)의 압축비를 가변으로 한 경우(도 5b 중의 실선), 연소실(128)의 압축비를 고정(도 5b 중의 파선)으로 한 경우보다 큰 압축비를 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이, 압축비가 커질수록, 최대 연소 압력 Pmax는 커지게 된다.

따라서, 엔진 부하 영역(R1)에 있어서, 연소실(128)의 압축비를 최소의 압축비 ε0보다 큰 압축비로 한 경우(도 5b 중의 실선)의 최대 연소 압력 Pmax은 압축비를 최소의 압축비 ε0로 한 경우(도 5b 중의 파선)의 최대 연소 압력 Pmax보다 크게 할 수 있다. 이와 같이, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 영역(R1)에 있어서, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit를 초과하지 않는 범위에서, 연소실(128)의 압축비를 가능한 한 크게 함으로써, 연비를 개선할 수 있다.

도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역(R2)는, 연소실(128)의 압축비를 최대의 압축비 εn으로 설정해도, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit 미만으로 되는 범위이다. 여기서, 엔진 부하 영역(R1)은, 엔진 전체 부하를 포함하는 엔진 부하 영역이다. 또한, 엔진 부하 영역(R2)은, 엔진 부하 영역(R1)보다 작은 부하 영역이다.

엔진 부하 영역(R2)에 있어서, 최대 연소 압력 Pmax는, 연소실(128)의 압축비를 고정(파선)으로 한 경우에도 가변(실선)으로 한 경우에도, 실린더 내압 상한값 Pmax Limit 미만으로 된다. 그러나, 엔진 부하 영역(R2)에 있어서, 연소실(128)의 압축비를 가변(실선)으로 한 경우, 압축비 제어부(182)는, 연소실(128)의 압축비를 고정(파선)으로 한 경우보다 큰 압축비 εn를 얻을 수 있다.

따라서, 엔진 부하 영역(R2)에 있어서, 연소실(128)의 압축비를 가변(실선)과 했을 때의 최대 연소 압력 Pmax는, 압축비를 고정(파선)으로 한 경우의 최대 연소 압력 Pmax보다 크게 할 수 있다. 이와 같이, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 영역(R2)에 있어서도, 연소실(128)의 압축비를 가능한 한 크게 함으로써, 연비를 개선할 수 있다.

이로써, 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit 미만으로 되는 범위에서, 압축비를 가장 고압축비로 제어한다. 구체적으로, 압축비 제어부(182)는, 압축비를 최대의 압축비 εn로 했을 때의 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit 미만으로 되는 경우, 압축비를 최대의 압축비 εn로 유지하도록 제어한다.

도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d, 도 6e는, 본 실시형태에 있어서의 엔진(100)의 성능을 나타낸 도면이다. 도 6a는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역(R1)에서의 연료 소비율(연비)과 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6a에 있어서, 세로축은 연료 소비율을 나타내고, 가로축은 엔진 부하를 나타낸다. 도 6a 중의 엔진 부하는, Ea, Eb, Ec, Ed, Ee의 순서로 작아지게 된다. 즉, 엔진 부하 Ea, Eb, Ec, Ed, Ee의 관계는, Ea>Eb>Ec>Ed>Ee로 되는 관계이다. 엔진 부하 Ea는, 엔진 전체 부하(100% 부하)를 나타낸다. 이후의 도 6b∼도 6e 중의 엔진 부하 Ea, Eb, Ec, Ed, Ee도, 도 6a와 같은 정의이다. 또한, 도 6a에 있어서, 파선은, 연료 소비율이 최소로 되는 최소 연료 소비율을 나타내고 있다.

도 6b는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역(R1)에서의 최대 연소 압력 Pmax와 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6b에 있어서, 세로축은 최대 연소 압력 Pmax를 나타내고, 가로축은 엔진 부하를 나타낸다. 또한, 도 6b에 있어서, 1점 쇄선은, 실린더 내압 상한값 Pmax Limit를 나타내고 있다. 그리고, 실린더 내압 상한값은, 엔진 부하에 관계없이 일정한 값이다.

도 6c는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역(R1)에서의 압축 압력 Pcomp와 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6c에 있어서, 세로축은 압축 압력 Pcomp를 나타내고, 가로축은 엔진 부하를 나타낸다. 여기서, 압축 압력 Pcomp는, 예를 들면, 도 4 중의 B점과 같이, 추정한 압축 압력의 피크값이다. 또한, 도 6c에 있어서, 1점 쇄선은, 추정한 압축 압력의 피크값의 목표값(이하, 목표 압축 압력이라고 함)이다. 압축 압력 Pcomp의 피크값을 목표 압축 압력에 접근함으로써, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 근접시킬 수 있다. 그리고, 압축 압력 Pcomp의 피크값이 목표 압축 압력으로 될 때, 최대 연소 압력 Pmax는 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 된다.

도 6c에 나타낸 바와 같이, 목표 압축 압력은, 엔진 부하에 따라 변동하고, 일정한 값은 아니다. 구체적으로, 목표 압축 압력은, 엔진 부하가 작아짐에 따라 작아지고, 엔진 부하가 커짐에 따라 커지게 되는 값이다. 이것은, 도 4 중의 B 점에서 나타내는 압축 압력 Pcomp의 피크값과, 도 4 중의 C 점에서 나타내는 연소 압력 P의 피크값(최대 연소 압력 Pmax)과의 차이 Δ가, 엔진 부하가 커짐에 따라서 커지기 때문이다. 엔진 부하가 커짐에 따라 목표 압축 압력을 크게 함으로써, 엔진 부하가 커짐에 따라 차이 Δ가 커져도, 최대 연소 압력 Pmax를 엔진 부하에 관계없이 일정한 값으로 할 수 있다.

도 6d는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역(R1)에서의 소기압 Ps와 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6d에 있어서, 세로축은 소기압 Ps를 나타내고, 가로축은 엔진 부하를 나타낸다. 도 6d에 나타낸 바와 같이, 소기압 Ps는, 엔진 부하가 커짐에 따라 커지고, 엔진 부하가 작아짐에 따라 작아지게 된다.

도 6e는, 도 5b에 나타낸 엔진 부하 영역(R1)에서의 유효 압축비(ε)ef와 엔진 부하와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6e에 있어서, 세로축은 유효 압축비ef를 나타내고, 가로축은 엔진 부하를 나타낸다. 도 6e에 나타낸 바와 같이, 유효 압축비ef는, 엔진 부하가 커짐에 따라 작아져, 엔진 부하가 작아짐에 따라 커지게 된다. 유효 압축비ef는, 연소실(128)의 실제의 압축비여, 소기 포트(110a)가 폐쇄된 순간의 실린더(110) 내의 용적과, 피스톤(112)이 상사점에 도달했을 때의 연소실(128)의 용적과의 비로 표현된다.

압축비 제어부(182)는, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 엔진 전체 부하 상태로부터 엔진 부하가, 엔진 부하 Ea, Eb, Ec, Ed, Ee의 순서로 작아짐에 따라서, 연소실(128)의 압축비를, 압축비 ε0, ε1,ε2, εn-1,εn의 순서로 변화시킨다. 여기서, 압축비는, ε0, ε1,ε2, εn-1,εn의 순서로 커지게 되는 값이다. 즉, 압축비 ε0, ε1,ε2, εn-1,εn의의 관계는, ε0<ε1<ε2<εn-1<εn으로 되는 관계이다.

구체적으로, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 Ea(엔진 전체 부하)에 있어서, 연소실(128)의 압축비를, 압축비 0으로 설정한다. 엔진 부하 Ea에 있어서 압축비 0으로 설정함으로써, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 할 수 있다. 또한, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 Eb에 있어서, 연소실(128)의 압축비를, 압축비 1로 설정한다. 엔진 부하 Eb에 있어서 압축비 1로 설정함으로써, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 할 수 있다.

또한, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 Ec에 있어서, 연소실(128)의 압축비를, 압축비 2로 설정한다. 엔진 부하 Ec에 있어서 압축비 2로 설정함으로써, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 할 수 있다. 또한, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 Ed에 있어서, 연소실(128)의 압축비를, 압축비 εn-1로 설정한다. 엔진 부하 Ed에 있어서 압축비 εn-1로 설정함으로써, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 할 수 있다. 또한, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 Ee에 있어서, 연소실(128)의 압축비를, 압축비 εn으로 설정한다. 엔진 부하 Ee에 있어서 압축비 εn으로 설정함으로써, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit로 할 수 있다.

본 실시형태에 의하면, 압축비 제어부(182)는, 적어도 엔진 부하가 소정 부하(엔진 전체 부하) 이하일 경우, 최대 연소 압력 Pmax가, 미리 설정된 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록, 연소실(128)의 압축비를 제어한다. 압축비 제어부(182)는, 엔진 전체 부하 상태로부터 엔진 부하가 작아짐에 따라 압축비를 크게 한다. 이로써, 도 6d에 나타낸 바와 같이, 소기압 Ps가 작아지는 경우라도, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 근접시킬 수 있다. 이로써, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 각 엔진 부하 Ea∼Ee에 있어서 연료 소비율을 최소로 하는(즉, 연비를 개선하는) 것이 가능하다.

도 7은, 압축비 제어부(182)에 의한 압축비의 제어 처리에 관한 플로우차트를 나타낸 도면이다.

먼저, 압축비 제어부(182)는, 압력 검출 센서(190)로부터 출력되는 신호에 기초하여, 현재의 실린더 내압을 도출한다(스텝 S102). 다음에, 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit보다 작은지의 여부를 판정한다(스텝 S104). 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit보다 작을 경우(스텝 S104에서 YES), 스텝 S106으로 진행한다. 한편, 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit 이상일 경우(스텝 S104에서 NO), 스텝 S110로 진행한다.

스텝 S104에서 YES인 경우, 압축비 제어부(182)는, 압축비 가변 기구(V)를 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 증대시킨다(스텝 S106). 압축비 제어부(182)는, 연소실(128)의 압축비를 증대시킨 후, 연소실(128)의 압축비가 최대의 압축비 εn인지의 여부 판정한다(스텝 S108). 연소실(128)의 압축비가 최대의 압축비 εn인 경우(스텝 S108에서 YES), 스텝 S116으로 진행한다. 연소실(128)의 압축비가 최대의 압축비 εn가 아닐 경우(스텝 S108에서 NO), 스텝 S102로 복귀하고, 스텝 S102∼S104의 처리를 다시 행한다.

스텝 S104에서 NO인 경우, 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit보다 큰지의 여부를 판정한다(스텝 S110). 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit보다 클 경우(스텝 S110에서 YES), 스텝 S112로 진행한다. 한편, 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit 이하인, 즉 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit으로 된 경우(스텝 S110에서 NO), 스텝 S116으로 진행한다.

스텝 S110에서 YES인 경우, 압축비 제어부(182)는, 압축비 가변 기구(V)를 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 감소시킨다(스텝 S112). 압축비 제어부(182)는, 연소실(128)의 압축비를 감소시킨 후, 연소실(128)의 압축비가 최소의 압축비 ε0인지의 여부 판정한다(스텝 S114). 연소실(128)의 압축비가 최소의 압축비 ε0인 경우(스텝 S114에서 YES), 스텝 S116으로 진행한다. 연소실(128)의 압축비가 최소의 압축비 ε0가 아닐 경우(스텝 S114에서 NO), 스텝 S102로 복귀하고, 스텝 S102, S104, S110의 처리를 다시 행한다.

스텝 S108 또는 스텝 S114에서 YES, 및 스텝 S110에서 NO인 경우, 압축비 제어부(182)는, 압축비 가변 기구(V)를 제어하고, 연소실(128)의 압축비를 유지시키고(스텝 S116), 압축비의 제어 처리를 종료한다.

상기 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 압력 검출 센서(190)에 의해 측정되는 최대 연소 압력 Pmax에 따라서, 압축비를 변경하는 예를 설명하였다. 그러나, 최대 연소 압력 Pmax는, 압력 검출 센서(190)에 의해 측정되지 않아도 된다. 예를 들면, 압축비 제어부(182)는, 압력 검출 센서(190) 대신에, 소기압 검출 센서(186)에 의해 측정되는 소기압 Ps에 기초하여, 최대 연소 압력 Pmax를 추정해도 된다.

구체적으로, 압축비 제어부(182)는, 소기압 Ps와, 압축비와, 비열비에 기초하여, 최대 연소 압력 Pmax를 추정해도 된다. 압축비 제어부(182)는, 추정한 최대 연소 압력 Pmax와, 실린더 내압 상한값 Pmax Limit를 비교하여, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록, 압축비를 제어해도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 최대 연소 압력 Pmax에 따라서 압축비를 변경하는 예를 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하에 따라 압축비를 변경하도록 해도 된다. 예를 들면, 압축비 제어부(182)는, 회전수 검출 센서(184)에 의해 검출되는 엔진 회전수와, 분사량 검출 센서(188)에 의해 검출되는 연료 분사량에 기초하여, 엔진 부하를 도출한다. 이 경우, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하에 대한 압축비를 나타내는 맵이 미리 기억된 ROM을 가진다. 압축비 제어부(182)는, ROM에 기억된 맵을 참조함으로써, 도출한 엔진 부하에 따른 압축비로 변경할 수 있다.

또한, 압축비 제어부(182)는, 엔진 회전수에 대한 압축비를 나타내는 맵이 미리 기억된 ROM을 가져도 된다. 이 경우, 압축비 제어부(182)는, ROM에 기억된 맵을 참조함으로써, 회전수 검출 센서(184)에 의해 검출되는 엔진 회전수에 따른 압축비로 변경할 수 있다. 이와 같이, 엔진 부하 또는 엔진 회전수에 따른 압축비로 변경함으로써, 압축비 제어부(182)는, 각 엔진 부하 또는 엔진 회전수에 있어서 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 근접시킬 수 있다.

또한, 압축비 제어부(182)는, 압축 압력 Pcomp에 따라서, 압축비를 변경하도록 해도 된다. 예를 들면, 압축비 제어부(182)는, 압력 검출 센서(190)에 의해 측정되는 실린더 내압으로부터, 압축 압력 Pcomp의 피크값을 추정한다. 이 경우, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 또는 엔진 회전수에 대한 목표 압축 압력을 나타내는 맵이 미리 기억된 ROM을 가진다. 압축비 제어부(182)는, ROM에 기억된 맵을 참조함으로써, 추정한 압축 압력의 피크값이 목표 압축 압력으로 되는 압축비로 변경할 수 있다. 이와 같이, 압축 압력 Pcomp의 피크값이 목표 압축 압력으로 되는 압축비로 변경함으로써, 압축비 제어부(182)는, 각 엔진 부하에 있어서 최대 연소 압력 Pmax를 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 근접시킬 수 있다.

또한, 압축비 제어부(182)는, 추정한 압축 압력의 피크값과, 전술한 도 4 중의 B점과 C점의 차이 Δ로부터, 최대 연소 압력 Pmax를 추정해도 된다. 이 경우, 압축비 제어부(182)는, 엔진 부하 또는 엔진 회전수에 대한 차이 Δ를 나타내는 맵이 미리 기억된 ROM을 가진다. 압축비 제어부(182)는, ROM에 기억된 맵을 참조함으로써, 추정한 압축 압력의 피크값과 차이 Δ로부터 최대 연소 압력 Pmax를 추정할 수 있다. 압축비 제어부(182)는, 추정한 최대 연소 압력 Pmax와, 실린더 내압 상한값 Pmax Limit를 비교하여, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록, 압축비를 제어해도 된다.

이와 같이, 엔진(100)은, 엔진 부하 및 연소실(128)의 최대 연소 압력 중 적어도 한쪽에 상관을 가지는 신호를 검출하는 검출부[예를 들면, 회전수 검출 센서(184), 압력 검출 센서(190) 등]를 구비하고 있다. 압축비 제어부(182)는, 이와 같은 검출부로부터 취득되는 신호에 기초하여, 최대 연소 압력 Pmax가 미리 설정된 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록, 압축비를 제어할 수 있다.

또한, 엔진(100)에 의해 구동되는 피구동 부재(예를 들면, 선박용 프로펠러)의 종류에 따라서는, 엔진 회전수가 같아도 엔진 부하가 상이한 경우가 있다. 예를 들면, 엔진(100)에 의해 구동되는 피구동 부재로서, 고정 피치 프로펠러와 가변 피치 프로펠러가 있다. 고정 피치 프로펠러는, 블레이드(날개)의 각도가 고정이지만, 가변 피치 프로펠러는, 블레이드의 각도를 변경할 수 있다. 그러므로, 가변 피치 프로펠러는, 고정 피치 프로펠러와 같은 회전수라도, 블레이드의 각도에 따라 엔진 부하가 상이한 경우가 있다.

압축비 제어부(182)는, 엔진(100)이 고정 피치 프로펠러를 회전 구동시키는 경우, 전술한 방법으로 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록 압축비를 제어할 수 있다. 그러나, 압축비 제어부(182)는, 엔진(100)이 가변 피치 프로펠러를 회전 구동시키는 경우, 전술한 방법으로 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록 압축비를 제어할 수 없는 경우가 있다.

따라서, 압축비 제어부(182)는, 가변 피치 프로펠러를 회전 구동시킬 때, 전술한 방법으로 압축비를 제어할 수 없는 경우, 가변 피치 프로펠러의 블레이드의 각도와 엔진 회전수에 기초하여, 예를 들면, 최대 연소 압력 Pmax를 도출해도 된다. 그리고, 도출한 최대 연소 압력 Pmax와, 실린더 내압 상한값 Pmax Limit를 비교하여, 최대 연소 압력 Pmax가 실린더 내압 상한값 Pmax Limit에 가까워지도록, 압축비를 제어해도 된다.

구체적으로, 압축비 제어부(182)는, 가변 피치 프로펠러 VP의 블레이드의 각도를 검출 가능한 각도 검출 센서(192)(검출부: 도 2b 및 도 3b 참조)로부터, 가변 피치 프로펠러 VP의 블레이드의 각도로 관한 정보를 취득할 수 있다. 이 경우, 압축비 제어부(182)는, 가변 피치 프로펠러 VP의 블레이드의 각도 및 엔진 회전수에 대한 최대 연소 압력 Pmax를 나타내는 맵이 미리 기억된 ROM을 가진다. 압축비 제어부(182)는, ROM에 기억된 맵을 참조함으로써, 현재의 가변 피치 프로펠러 VP의 블레이드의 각도 및 엔진 회전수로부터 최대 연소 압력 Pmax를 도출할 수 있다.

그리고, ROM에 기억된 맵은, 가변 피치 프로펠러 VP의 블레이드의 각도 및 엔진 회전수에 대한 압축비를 나타내는 맵이라도 된다. 이 경우, 압축비 제어부(182)는, ROM에 기억된 맵을 참조함으로써, 현재의 가변 피치 프로펠러 VP의 블레이드의 각도 및 엔진 회전수로부터 압축비를 도출할 수 있다. 또한, 압축비 제어부(182)는, 가변 피치 프로펠러 VP의 블레이드의 각도와, 엔진 회전수와, 연료 분사량에 기초하여, 엔진 부하를 도출할 수 있다. 따라서, ROM에 기억된 맵은, 전술한 맵(예를 들면, 엔진 부하에 대한 압축비를 나타내는 맵)이라도 된다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였으나, 본 개시는 이러한 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연하게 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.

예를 들면, 전술한 실시형태에서는, 2사이클형, 유니플로우(uniflow) 소기식(掃氣式; scavenging type), 크로스헤드형의 엔진(100)을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 엔진의 종류는, 2사이클형, 유니플로우 소기식, 크로스헤드형에 한정되지 않는다. 적어도 엔진이면 된다. 또한, 전술한 실시형태에서는, 실린더(110)[연소실(128)] 내에 기체 연료(연료 가스)를 공급하는 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 실린더(110)[연소실(128)] 내에 액체 연료를 공급하도록 해도 된다. 또한, 엔진(100)은, 예를 들면, 기체 연료와 액체 연료를 구분하는 듀얼 연료형이라도 된다. 또한, 엔진(100)은, 선박용에 한정되지 않고, 예를 들면, 자동차용이라도 된다.

[산업 상의 이용 가능성]

본 개시는, 압축비 제어 장치 및 엔진에 이용할 수 있다.

100: 엔진, 110: 실린더, 112: 피스톤, 128: 연소실, 180, 180a: 압축비 제어 장치, 182: 압축비 제어부(제어부), 184: 회전수 검출 센서(검출부), 186: 소기압 검출 센서(검출부), 188: 분사량 검출 센서(검출부), 190: 압력 검출 센서(검출부), 192: 각도 검출 센서(검출부), V: 압축비 가변 기구, Va: 압축비 가변 기구, VP: 가변 피치 프로펠러

Claims

엔진 부하 및 연소실의 최대 연소 압력 중 적어도 한쪽에 상관(correlating)을 가지는 신호를 검출하는 검출부; 및
적어도 상기 엔진 부하가 소정 부하 이하일 경우, 상기 검출부의 검출 신호에 기초하여, 상기 최대 연소 압력이, 미리 설정된 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 상기 연소실의 압축비를 제어하는 제어부;
을 포함하는, 압축비 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 최대 연소 압력이 상기 연소 압력 상한값 미만으로 되는 범위에서, 상기 압축비를 가장 고압축비로 제어하는, 압축비 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
실린더 내에서의 피스톤의 상사점 위치를 변경하는 압축비 가변(可變) 기구(機構)를 더 포함하는, 압축비 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출부는, 엔진 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서, 상기 연소실에 공급되는 연료의 분사량을 검출하는 분사량 검출 센서, 상기 연소실 내의 압력을 검출하는 압력 검출 센서, 및 상기 연소실에 공급되는 활성 가스의 압력인 소기압(scavenging pressure)을 검출하는 소기압 검출 센서 중 하나 이상의 센서를 구비하는, 압축비 제어 장치.
제4항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 압력 검출 센서가 검출하는 상기 최대 연소 압력과, 상기 연소 압력 상한값을 비교하여, 상기 최대 연소 압력이 상기 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 상기 압축비를 제어하는, 압축비 제어 장치.
제4항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 소기압 검출 센서가 검출하는 상기 소기압과, 상기 압축비와, 비열비(specific heat ratio)에 기초하여, 상기 최대 연소 압력을 추정하고, 추정한 상기 최대 연소 압력과, 상기 연소 압력 상한값을 비교하여, 상기 최대 연소 압력이 상기 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 상기 압축비를 제어하는, 압축비 제어 장치.
제4항에 있어서,
상기 검출부는, 가변 피치 프로펠러의 블레이드(blade)의 각도를 검출하는 각도 검출 센서를 구비하고,
상기 제어부는, 상기 블레이드의 각도와 엔진 회전수에 기초하여, 상기 최대 연소 압력을 도출하고, 도출한 상기 최대 연소 압력과, 상기 연소 압력 상한값을 비교하여, 상기 최대 연소 압력이 상기 연소 압력 상한값에 가까워지도록, 상기 압축비를 제어하는, 압축비 제어 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 압축비 제어 장치를 포함하는 엔진.