CN102422000B - 发动机排气能量回收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种相对于发动机的负载、发动机转速而使发动机性能(燃料消耗率)成为最佳的最佳换气压力的方式调整向动力涡轮侧抽出的废气量，始终能够确保发动机的最佳运转状态的排气能量回收装置。具备发动机负载检测机构、发动机转速检测机构、发动机的换气(供气)压力检测机构，将各个检测值与映射对照，控制排气能量回收装置侧的废气流量，调整废气向增压器侧流动的废气量，将向发动机的换气压力维持成任意的压力，从而控制成发动机的燃料消耗率最小的最佳运转状态。

Description

发动机排气能量回收装置
技术领域
本发明涉及回收从船舶用柴油发动机、陆上发电机用柴油发动机等的发动机主体排出的废气(燃烧气体)的排气能量作为动力的排气能量回收装置。
背景技术
作为以废气(燃烧气体)中含有的排气能量为动力进行回收的排气能量回收装置，例如已知有专利文献所公开的增压器及动力涡轮。
专利文献1日本特开昭63-186916号公报
柴油发动机具备将从发动机主体排出的废气(燃烧气体)不仅导向增压器，而且将其一部分导向动力涡轮等而回收排气能量的装置，在此种柴油发动机中，由于废气的一部分的排气能量未使用于增压器的驱动，因此根据发动机的运转状态的不同，可能会发生增压器效率下降且从增压器向发动机主体的换气(供气)压力不足，因而发动机的燃烧效率下降，燃料消耗率增加。
然而，近年来，通过增压器的排气涡轮部及被涡轮部的旋转驱动力所驱动的压缩器部的叶片的形状、将叶片包裹在内的壳体与叶片之间的间隙的减少、涡轮部及压缩器部的驱动阻力减少等的改善，增压器的性能获得提高，即使将来自发动机的废气超过以往情况地导向动力涡轮，增压器也能够向发动机主体供给充分的换气压力(供气压力)。
其结果是，上述专利文献所公开的柴油发动机在高负载运转的状态下，当缩小旁通阀(即，减少动力涡轮的输出)时，为了驱动动力涡轮而利用的废气向增压器的排气涡轮供给，排气涡轮的驱动力及转速上升，被排气涡轮所驱动的压缩器的转速也上升。
其结果是，从压缩器向柴油发动机供给的压缩空气的压力(换气压力：供气压力)超过发动机的容许运转压力，因此从发动机安全方面的观点出发，仅将换气压力控制成容许压力以下，因此发动机不会以最佳运转状态进行运转而无法实现热效率改善。
发明内容
本发明鉴于上述的情况而作出，其目的在于提供一种利用组装有相对于发动机的负载、发动机转速而发动机性能(燃料消耗率)成为最佳的换气压力(供气压力)的计算式或数据库的控制装置，以得到最佳换气压力的方式调整不通过动力涡轮及增压器而旁通的废气量，从而能够始终确保发动机的最佳运转状态的发动机排气能量回收装置。
另外，其目的在于即便由于经年老化而汽缸内的压缩压力下降，也能维持所述发动机的最佳运转状态。
发动机实现上述目的，涉及一种排气能量回收装置，其特征在于，具备：排气涡轮增压器，利用从所述发动机排出的废气对涡轮部进行驱动，具有通过该涡轮部的驱动而将外气向发动机主体进行压力输送的压缩器部；第一排气管，将该排气涡轮增压器与所述发动机的排气岐管之间连通；动力涡轮，由所述废气来驱动；第二排气管，将所述排气岐管与所述动力涡轮之间连通；气体入口控制阀，配设在该第二排气管的中途并控制废气向所述动力涡轮的流量；旁通管，与位于所述气体入口控制阀的上游侧的所述第二排气管连接而绕过所述动力涡轮；废气旁通控制阀，配设在该旁通管的中途并控制绕过所述动力涡轮的废气的流量；发动机负载检测机构，检测所述发动机的负载；发动机转速检测机构，检测所述发动机的转速；换气(供气)压力检测机构，检测所述发动机的换气(供气)压力；以及控制装置，具有根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的最佳换气压力的数据库，所述控制装置以成为计算出的所述最佳换气(供气)压力的方式控制所述废气旁通控制阀。
根据本发明的发动机排气能量回收装置，控制装置根据检测到的发动机负载和发动机转速等检测值而计算出用于将发动机形成为最佳的运转状态的发动机的最佳换气压力，以成为该计算出的最佳换气压力的方式通过设置在动力涡轮跟前的上述废气旁通控制阀的控制来控制废气旁通量，始终将发动机维持成最佳运转状态，通过抑制燃料消耗率而得到发动机的运转成本减少及伴随于此的环境改善等的良好效果。
另外，还优选具备如下结构：在所述控制装置中还具备根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的燃料喷射装置的最佳喷射时间的映射，参照该映射，控制所述燃料喷射装置的喷射时间。
伴随着与动力涡轮连结的被驱动装置的负载变化，而向动力涡轮流动的废气量进行变化，向排气涡轮增压器侧流动的废气量进行变化，换气压力进行变化。因此，除了换气压力之外，通过使燃料喷射时间变化而控制发动机的汽缸内的燃烧状态(燃烧时间)，能够始终将发动机维持成燃料消耗率最佳运转状态，因此能得到发动机的运转成本减少及与此相伴的环境改善等良好效果。
另外，还优选具备如下结构：在所述控制装置中还具备根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的排气阀的关闭时间的映射，参照该映射，控制所述排气阀的关闭时间。
在发动机的汽缸内压缩的压力由换气(供气)压力和排气阀关闭时间决定。通过提高换气压力并延迟排气阀关闭时间，而活塞上升时的压缩作功减少，能得到燃料费减少效果，而且，使压缩上止点的汽缸内燃烧气体温度下降，因此能够抑制燃料燃烧时的NOx(氮氧化物)生成，从而能够减少环境负荷。
另外，还优选具备如下结构：所述发动机具备燃料泵驱动液的工作液蓄压室或共轨式燃料泵的燃料蓄压室，在所述控制装置中还具备根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的工作液蓄压压力或燃料蓄压压力的映射，参照该映射，控制所述工作液蓄压压力或燃料蓄压压力。
工作液蓄压压力或燃料蓄压压力会直接影响燃料喷射压力。因此，能够较高地维持燃料喷射压力，确保汽缸内的燃料喷射时的燃料的微细化及燃料与空气的混合促进引起的最佳燃烧状态，得到热效率的提高所引起的燃料消耗率的减少，通过燃烧改善而对废气的净化带来良好的效果。
另外，所述控制装置基于来自对所述废气旁通控制阀的开度进行检测的废气旁通控制阀开度检测机构的信号，为了形成燃料消耗率为最佳的运转状态的换气压力，以成为所述控制装置计算出的目标旁通控制阀开度的方式对该废气旁通控制阀的开度进行反馈控制。
通过依次检测废气旁通控制阀的开度并控制开度，而调整向排气涡轮增压器侧的废气量，能够调整向发动机主体的换气压力，能够修正经年老化等引起的指令值与实际的开度的偏差，从而能够防止运转条件偏离最佳运转条件的情况。
另外，所述控制装置根据由汽缸内压力检测机构检测到的汽缸内压力而计算出汽缸内压缩压力Pcomp、最高压力Pmax，预先设定燃料消耗率相对于发动机负载及发动机转速成为最佳的最佳压缩压力Pcomp0及最佳最高压力Pmax0作为映射，以使所述算出最高压力Pmax成为所述映射值的方式控制燃料喷射时间，以所述算出压缩压力Pcomp成为所述映射值的方式控制排气阀关闭时间。
用于将发动机维持成最佳运转状态的影响条件之一是燃料的燃烧状况。燃料的燃烧状况会影响发动机转速、发动机的换气(供气)压力、燃料的性质(十六烷值、粘度、杂质的混合等)等，由于燃料的点火时期、燃料的微细化状况等而燃烧状况进行变化，因此可以直接检测汽缸内压力〔压缩压力Pcomp和最高压力(燃烧压力)Pmax〕，而判断燃料的燃烧状况。
因此，以使发动机运转状态相对于发动机负载的映射的燃料消耗率成为最佳运转状态的值的方式控制废气旁通控制阀，从而控制换气压力，即使燃料的性质发生变化，发动机的燃料消耗率也能够维持最佳的运转状态。
另外，本发明的发动机的排气能量回收装置的特征在于，具备：排气涡轮增压器，利用从所述发动机排出的废气对涡轮部进行驱动，具有通过该涡轮部的驱动而将外气向发动机主体进行压力输送的压缩器部；第一排气管，将该排气涡轮增压器与所述发动机的排气岐管之间连通；动力涡轮，由所述废气来驱动；第二排气管，将所述排气岐管与所述动力涡轮之间连通；气体入口控制阀，配设在该第二排气管的中途并控制废气向所述动力涡轮的流量；旁通管，与位于所述气体入口控制阀的上游侧的所述第二排气管连接而绕过所述动力涡轮；废气旁通控制阀，配设在该旁通管的中途并控制绕过所述动力涡轮的废气的流量；发动机负载检测机构，检测所述发动机的负载；发动机转速检测机构，检测所述发动机的转速；汽缸内压力检测机构，检测所述发动机的汽缸内压力；控制装置，具有根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的最佳压缩压力及最佳汽缸内最高压力的数据库，所述控制装置以成为计算出的所述最佳压缩压力的方式控制排气阀关闭时间，以成为计算出的所述最佳汽缸内最高压力的方式控制燃料喷射时间。
由于经年老化等而产生废气旁通控制阀指令值与实际的阀开度的偏差，从而换气压力下降时，或排气阀座部发生磨损时，压缩压力下降，因此发动机性能下降。通过直接检测汽缸内的燃烧压力，以使汽缸内压缩压力Pcomp成为规定的值的方式控制废气旁通控制阀，从而控制换气压力，能够防止发动机的实运转条件偏离最佳运转的情况。
发明效果
根据本发明的排气能量回收装置，根据分别来自发动机的负载检测机构、发动机的转速检测机构、换气压力检测机构等的检测值，决定发动机性能(燃料消耗率)成为最佳的换气压力，并控制废气旁通控制阀，从而能够将发动机性能始终维持成最佳的状态。
附图说明
图1是具备本发明的第一实施方式的排气能量回收装置的简要结构图。
图2是本发明的决定最佳运转状态的控制用数据库的一例。
图3是本发明的第一实施方式的控制结构图。
图4是本发明的第一实施方式的控制流程图。
图5是本发明的第二实施方式的控制结构图。
图6是本发明的第二实施方式的控制流程图。
图7是本发明的第三实施方式的控制结构图。
图8是本发明的第三实施方式的控制流程图。
图9是本发明的第四实施方式的控制流程图。
具体实施方式
以下，说明本发明的发动机排气能量回收装置的实施方式。
但是，该实施例所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并不局限于特定的记载，本发明的范围并未限定于此，只不过是说明例。
如图1所示，船舶用柴油发动机1具备：柴油发动机主体(例如，低速二冲程柴油发动机)2；柴油发动机主体2(以下称为“发动机主体”)的排气岐管7；在发动机主体2内通过未图示的燃料喷射装置喷射的燃料进行燃烧的汽缸6(在本实施方式的情况下，表示配置有六个汽缸的六汽缸发动机)。3是排气涡轮增压器，其具备：通过从排气岐管7排出的废气进行驱动的排气涡轮部3a；与该排气涡轮部3a同轴地结合而被进行旋转驱动，并将外气作为换气(供气)施加压力而向发动机主体2供给的压缩器部3b。L1是将排气岐管7和排气涡轮部3a连结，并将废气向排气涡轮部3a输送的第一排气管。18是用于对利用压缩器部3b将外气压缩后的换气(供气)进行冷却而提升空气密度的中间冷却器。K1是将压缩器部3b和中间冷却器18连结的第一供气管，K2是将中间冷却器18和发动机主体2的供气岐管8连结，并将通过中间冷却器18冷却后的换气(供气)向发动机主体2的供气岐管8输送的第二供气管。
4是通过从排气岐管7分流的废气进行驱动的作为后述的发电机的驱动源的动力涡轮。9是利用对动力涡轮4及排气涡轮增压器3的排气涡轮部3a分别进行驱动的废气的热量来使水与蒸汽进行热交换的热交换器。L10是向热交换器9供水的供水管。热交换器9是使通过供水管L10供给的水向蒸发管内(未图示)流通，而利用废气的热量将水热转换成蒸汽的装置。
L2是将排气岐管7和动力涡轮4连结，并将废气向动力涡轮4输送的第二排气管。L3是将动力涡轮4和热交换器9连结，并将从动力涡轮4排出的废气向热交换器9输送的第三排气管，L4是与排气涡轮增压器3的排气涡轮部3a和第三排气管L3连结，并将来自排气涡轮部3a的废气向热交换器9输送的第四排气管。L5与上述的动力涡轮4共同作用而将热交换器9和作为发电机的驱动源的蒸汽涡轮5连结，并将热交换器9进行了热交换后的蒸汽向蒸汽涡轮5输送的第五排气管。L6是使驱动了蒸汽涡轮5后的蒸汽向冷凝器(凝汽器)(未图示)返回的第六排气管。L7是将在热交换器9中水与蒸汽进行了热交换后的废气向烟囱(烟囱)(未图示)输送而向船外排出的第七排气管。
另外，通过冷凝器(凝汽器)使蒸汽凝结且凝汽而得到的水由供水管L10向热交换器9供给。
V1是夹装在第二排气管L2的中途，为了控制向动力涡轮4的废气流量，通过控制器(未图示)来调整开度的气体入口控制阀。V2是夹装在第五排气管L5的中途，为了控制向蒸汽涡轮5的蒸汽流量，通过所述控制器调整开度的蒸汽流量调整阀。V3是夹装在第一旁通管L8的中途的废气旁通控制阀，该第一旁通管L8将第二排气管L2的气体入口控制阀V1上游侧位置和第三排气管L3连结。V4是夹装在第二旁通管L11的中途的蒸汽旁通流量控制阀，该第二旁通管L11将第五排气管L5的流量调整阀V2上游侧位置和第六排气管L6连结。
V5是在第二排气管L2与第一旁通管L8的结合部和气体入口控制阀V1之间夹装于第二排气管L2的紧急用的紧急控制阀，在某些事态下想要停止向动力涡轮4的废气流入时进行工作。
另外，在废气旁通控制阀V3与第三排气管L3的中途部夹装有节流装置19。在发动机主体2进行高负载运转(通常的航行运转)，且动力涡轮4为全负载运转状态时(即，废气旁通控制阀V3为全闭且气体入口控制阀V1为全开时)，节流装置19进行调整，以在气体入口控制阀V1全闭时(动力涡轮4为停止状态)，使得与在气体入口控制阀V1中流动的废气同量的废气在废气旁通控制阀V3中流动。
因此，在发动机主体2为高负载运转的状态且动力涡轮4为停止状态时，防止向排气涡轮增压器3侧供给的废气的流量增加而换气压力增加至规定以上的情况，从而防止对发动机造成坏影响。
另一方面，如上所述，在发动机主体2为高负载运转(通常的航行运转)且动力涡轮4为全负载运转状态时，节流装置19进行调整，以使得与在动力涡轮4中流动的废气同量的废气进行流动(气体入口控制阀V1全闭时)，上述情况是在气体入口控制阀V1全闭时，向排气涡轮增压器3侧供给的废气的流量越减少而在节流装置19中流动的废气越不流动，因此也防止排气涡轮增压器3的换气压力成为规定值以下，从而能够确保发动机主体2的最佳运转。
动力涡轮4的旋转轴(未图示)和蒸汽涡轮5的旋转轴(未图示)经由减速器(未图示)及联轴器10连结，而且，蒸汽涡轮5的旋转轴(未图示)和发电机11的旋转轴(未图示)经由减速器(未图示)及联轴器12连结。
另外，发电机11经由控制用阻力器13与另外配置在船内(本实施方式中的发动机室内)的配电盘14电连接，从而能够利用发电机11所发出的电力作为船内电源。
接下来，参照图2，说明本发明的实施方式中的燃料消耗率决定最佳运转状态的控制用数据库即映射。
图2的控制用数据库在船舶用二冲程发动机中，表示某发动机转速、负载时的关系。因此，分别相对于发动机转速、负载而具有同样的关系的映射。
横轴表示压缩压力Pcomp，图2的右方向的值变大。纵轴表示燃料喷射时间，上方表示时间延迟角方向，下方表示提前角方向。
取代压缩压力Pcomp，作为换气(供气)压力(换气压力大时，压缩压力变大的关系)、发动机主体的排气阀关闭时间(提前关闭而压缩压力变大的关系)，取代控制因子也能得到同样的关系。
图中具有间隔的多个曲线是燃料消耗率的等高线，根据发动机的转速、负载而曲线的位置及曲线的形状不同。图中燃料消耗率的等高线表示随着向曲线的右下(曲线的中心方向)方向移动而燃料消耗率良好。
另外，粗直线表示汽缸内最高压力Pmax上限值，汽缸内最高压力Pmax上限值的右侧区域由于超过发动机主体的容许压力而成为无法使用的范围。
因此，将发动机的燃料消耗率控制成最佳运转状态的目标位置(最佳运转点)是汽缸内最高压力Pmax上限值的左侧区域且成为燃料消耗率的等高线的接近汽缸内最高压力Pmax上限值的部分。
基于该目标位置控制换气压力、排气阀关闭时间、燃料喷射时间，维持发动机的最佳运转状态。
另外，随着负载降低，换气压力下降，伴随于此，压缩压力下降，因此能够将燃料喷射时间形成为提前角。因此，负载越低，而在图2的映射中，最佳运转点越沿着粗直线的汽缸内最高压力Pmax上限值向左下方向移动。
此时，无论是燃料消耗率的等高线还是曲线的中心都沿着粗直线的汽缸内最高压力Pmax上限值向左下方向移动。
(第一实施方式)
基于图3及图4，说明本发明的发动机的最佳运转(燃料消耗率最小)控制方法的第一实施方式。图3是本发明的第一实施方式的控制结构图，图4是本发明的第一实施方式的控制流程图。
在图3中，来自发动机负载检测机构20的信号、来自发动机转速检测机构21的信号、来自对发动机的换气(供气)压力进行检测的换气压力检测机构22的信号向控制装置即控制器23输入并输出向废气旁通控制阀V3的废气旁通控制阀控制指令信号A。
如图4所示，在步骤S1中，通过各个检测机构从发动机主体1检测发动机负载L、发动机转速Ne及换气压力Ps，作为信号向控制器23输入。在步骤S2中，控制器23将发动机负载L及发动机转速Ne参照预先在控制器23内准备的数据库并计算最佳换气压力PsO(在图2中基于横轴表示换气压力的映射来计算)。
接下来，在步骤S3中，控制器23求出换气压力Ps与在步骤S2中计算出的最佳换气压力PsO之差ΔPs，基于该差ΔPs而决定废气旁通控制阀V3的开度修正量ΔA。
接下来，在步骤S4中，根据在步骤S3中决定出的废气旁通控制阀V3的开度修正量ΔA和当前的开度指令值A’，决定废气旁通控制阀V3的新的控制阀开度指令值A。在步骤S5中，将控制成新的控制阀开度指令值A的指令通过控制器23向废气旁通控制阀V3输出。然后，从步骤S5返回步骤S1重复进行。通过重复该动作而检测换气压力Ps是否成为用于维持最佳运转状态的状态，在偏离用于维持最佳运转状态(燃料消耗率最小)的最佳换气压力PsO时进行修正。
根据第一实施方式，根据控制装置23所检测到的发动机负载、发动机转速等检测值计算用于形成为发动机的最佳运转状态的发动机的最佳换气压力PsO，通过上述废气旁通控制阀V3的控制，将为了成为该计算出的换气压力而向动力涡轮侧分流的废气量控制成最佳换气压力，始终将发动机维持成最佳运转状态，通过抑制燃料消耗率而能得到发动机的运转成本减少及与之相伴的环境负荷减少等优良效果。
(第二实施方式)
接下来，基于图5及图6，说明本发明的发动机最佳运转控制方法的第二实施方式。另外，第一、第二实施方式是未计测汽缸内压力而进行基于换气压力(供气压力)的检测值的控制的情况，后述的实施方式3、4是测定汽缸内压力进行控制的情况。
图5是第二实施方式的控制结构图，图6是第二实施方式的控制流程图。
在图5中，对与第一实施方式相同的结构标注同一符号。与第一实施方式不同的结构是如下的点：从废气旁通控制阀开度检测机构26输入开度信号，而且，向发动机控制器25输出燃料喷射时间信号、排气阀关闭时间信号、工作液蓄压压力信号(电子控制发动机中的燃料泵驱动液的工作液蓄压压力)或燃油蓄压压力信号(共轨式燃料泵的燃料蓄压压力)。
在图6所示的流程图中，首先在步骤S11中，通过各个检测机构从废气旁通控制阀开度检测机构26检测废气旁通控制阀开度信号B和来自发动机主体1的发动机负载L、发动机转速Ne及换气压力Ps，作为信号向控制器24输入。
接下来在步骤S12中，参照预先在控制器24内准备的映射(最佳换气压力PsO、燃料喷射时间θinj、排气阀关闭时间θevc、工作液/燃油蓄压压力相对于发动机负载L、发动机转速Ne的映射)，计算各参数的最佳值。
即，如图2所示，预先在控制器24内准备的映射是指，分别按照每个发动机负载L、发动机转速Ne，在压缩压力Pcomp与燃料喷射时间的坐标内表示燃料消耗率的等高线及汽缸内最高压力Pmax上限值，并设定P点作为最佳运转点的映射。
并且，也可以取代横轴的压缩压力Pcomp而使用换气压力、排气阀关闭时间、工作液蓄压压力(电子控制发动机中的燃料泵驱动液的工作液蓄压压力)或燃油蓄压压力(共轨式燃料泵的燃料蓄压压力)。基于这些映射而计算出各参数的最佳值。
在步骤S13中，控制器24求出由换气压力检测机构22检测到的换气压力Ps与在步骤S12中算出的最佳换气压力PsO之差ΔPs，基于该ΔPs而决定开度修正量ΔA。在步骤S14中，根据在步骤S13中决定的废气旁通控制阀V3的开度修正量ΔA和当前的开度指令值A’而决定废气旁通控制阀V3的新的控制阀开度A。在步骤S15中，通过控制器24将控制成新的控制阀开度A的指令向废气旁通控制阀V3输出。在步骤S16中，算出新检测到的废气旁通控制阀V3的检测值B与指令值A的误差。在步骤S17中若存在误差则返回步骤S14，基于误差而计算出修正量，重复进行修正。
若检测到的废气旁通控制阀V3的控制阀开度B成为按照指令值A的指示，则返回步骤S11，重复进行控制，以将换气压力Ps维持最佳换气压力PsO。
另一方面，在步骤S18中，分别从燃料喷射时间θinj、排气阀关闭时间θevc、工作液/燃油蓄压压力映射将发动机最佳运转維持用的值作为信号向发动机控制器25发送，而与发动机主体2的控制一起实施。
即，如上所述，取代图2的横轴的压缩压力Pc，通过使用换气压力、排气阀关闭时间、工作液蓄压压力(电子控制发动机中的燃料泵驱动液的工作液蓄压压力)或燃油蓄压压力(共轨式燃料泵的燃料蓄压压力)的映射，算出与设定了燃料消耗率最小的最佳运转点P的位置相对的坐标纵轴的燃料喷射时间、坐标横轴的排气阀关闭时间、工作液蓄压压力、燃油蓄压压力的最佳值并输出。
电子控制发动机中的燃料泵驱动液的工作液蓄压压力、共轨式燃料泵的燃料蓄压压力、以及排气阀的关闭时间会直接影响燃料喷射压力。因此，能够将工作液蓄压压力或燃料喷射压力维持得较高，而确保汽缸内的燃料的微细化、及燃料与空气的混合促进形成的最佳燃烧状态，从而得到热效率的提高所产生的燃料消耗率的减少、燃烧改善所产生的废气的净化所相伴的环境负荷的减少等优良效果。
另外，如图6的步骤S14～S17所示，检测排气体旁通控制阀V3的开度，而进行反馈控制，从而能够对经年老化等所产生的指定值与实际的开度的偏差进行修正，能够防止运转条件偏离最佳运转条件的情况。
(第三实施方式)
接下来，基于图7、图8，说明本发明的发动机最佳运转控制方法的第三实施方式。图7表示控制结构图，图8表示控制流程图。
在图7所示的控制结构中，对与所述第二实施方式相同的结构标注同一符号。与第二实施方式不同的结构是将汽缸内压力检测机构27所产生的汽缸内压力信号向控制器28输入这一点。
在图8所示的流程图中，首先在步骤S21中，将从废气旁通控制阀V3检测到的废气旁通控制阀开度信号B，以及通过各个检测机构检测的来自发动机主体1的发动机负载L、发动机转速Ne、换气压力Ps、以及汽缸内压力Pcyl，作为信号向控制器28输入。在步骤S22中，根据检测到的汽缸内压力Pcyl的曲轴转角履历，而计算出汽缸内压缩压力(点火前压力)Pcomp、汽缸内最高压力Pmax。
接下来，在步骤S23中，参照预先在控制器28内准备的映射(最佳换气压力PsO、最佳压缩压力Pcomp0、最佳最高压力Pmax0相对于发动机负载L、发动机转速Ne的映射)，而计算出参数最佳值。
在步骤S24中，求出换气压力Ps与在步骤S23中算出的最佳换气压力PsO之差ΔPs，基于ΔPs决定开度修正量ΔA。在步骤S25中，根据在步骤S24中决定的废气旁通控制阀V3的开度修正量ΔA和当前的开度指令值A’决定废气旁通控制阀V3的新的控制阀开度A。
在步骤S26中，通过控制器28将在步骤S25中决定的对向废气旁通控制阀V3的新的控制阀开度指令值A进行控制的指令输出。在步骤S27中，算出新检测到的废气旁通控制阀V3的值与指令值的误差。在步骤S28中，判定误差的有无，若存在误差，则在步骤S30中，基于误差而计算出修正量，返回步骤S25，重复进行废气旁通控制阀V3的开度的修正。
当检测到的废气旁通控制阀V3的控制阀开度A成为按照指令值的指示时，然后，返回步骤S21，重复进行控制，以将换气压力Ps维持成最佳换气压力PsO。
另一方面，在步骤S31中，基于在步骤S23中算出的汽缸内压缩压力Pcomp与最佳压缩压力Pcomp0之差ΔPcomp而决定排气阀关闭时间的变更量Δθevc。
同样地，在步骤S32中与排气阀关闭时间的变更量Δθevc的决定并行地，基于在步骤S23中算出的最佳最高压力Pmax0和在步骤S22中算出的汽缸内最高压力Pmax而决定燃料喷射时间的变更量Δθinj。
在步骤S33中，基于在步骤S31中决定的排气阀关闭时间的变更量Δθevc而决定排气阀关闭时间，在步骤S34中，决定燃料喷射时间θinj。在步骤S35中，控制器28对发动机控制器25发出排气阀关闭时间θevc及燃料喷射时间θinj的修正指令。在步骤S36中，算出目标的最佳最高压力Pmax0、最佳压缩压力Pcomp0与检测到的汽缸内最高压力Pmax、汽缸内压缩压力Pcomp的误差。在步骤S37中，若分别存在误差，则基于误差，计算出修正量，分别对步骤S33和步骤S34进行反馈而重复进行控制。
由此，发动机能够进一步维持极其细微的最佳运转(燃料消耗率最小)，能够进一步实现燃料消耗率的提高和环境负荷减少。
另外，在发动机的汽缸内被压缩的压缩压力由换气压力和排气阀关闭时间这两个因子来决定。因此，通过设定提高换气(供气)压力并使排气阀关闭时间延迟的关系，而活塞上升时的压缩作功减少，能得到燃料费减少效果，而且，由于使压缩上止点处的汽缸内燃烧气体温度下降，因此能够抑制燃料燃烧时的NOx(氮氧化物)生成，因此能够减少环境负荷。
另外，如步骤S24～S27所示，以使换气压力成为最佳压力的方式依次检测换气压力的变化而控制废气旁通控制阀的开度，由此来调整向排气涡轮增压器侧的废气量，从而能够调整向发动机主体的换气压力，能够修正因经年老化等引起的指令值与实际的开度的偏差，从而能够防止运转条件偏离最佳运转条件。
另外，用于将发动机维持成最佳运转状态的条件之一是燃料的燃烧状况。燃料的燃烧状况会影响发动机转速、发动机的换气(供气)压力、燃料的性质(十六烷值、粘度、杂质的混合等)等，且由于燃料的点火时期、燃料的微细化状况等而燃烧速度发生变化，因此如步骤S31～S37所示，直接检测汽缸内压力〔压缩压力Pcomp和最高压力(燃烧压力)Pmax〕，以使检测到的压缩压力Pcomp、最高压力(燃烧压力)Pmax分别成为发动机运转状态相对于发动机负载的映射的最佳运转状态的值的方式控制废气旁通控制阀开度及燃料喷射时间、排气阀关闭时间，从而即使因燃料的性质的变化或经年老化引起汽缸内压力的下降，也能够维持发动机的最佳运转(燃料消耗率最小的运转)。
另外，也可以不将压缩压力Pcomp和最高压力Pmax分别控制成最佳值，而取得Pmax/Pcomp的比，并使Pmax/Pcomp的比成为对发动机负载赋予的最佳映射比的方式控制废气旁通控制阀。
(第四实施方式)
接下来，基于图7、图9，说明本发明的发动机最佳运转控制方法的第四实施方式。图7是控制结构图，与第三实施方式同样。图9表示控制流程图。
在图9中，首先，在步骤S41中，将来自发动机主体1的发动机负载L、发动机转速Ne、换气压力Ps、汽缸内压力Pcyl、以及废气旁通控制阀V3的检测值通过各个检测机构进行检测，作为信号向控制器29输入。在步骤S42中，根据检测到的汽缸内压力Pcyl的曲轴转角履历，计算出汽缸内压缩压力Pcomp、汽缸内最高压力Pmax。
在步骤S43中，参照预先在控制器29内准备的映射(最佳压缩压力Pcomp0、最佳最高压力Pmax0相对于发动机负载L、发动机转速Ne的映射)，而计算出参数最佳值。
在步骤S44中，控制器29基于汽缸内压缩压力Pcomp与最佳压缩压力Pcomp0之差ΔPcomp而决定废气旁通控制阀V3的开度的变更量ΔA。在步骤S45中，根据在步骤S44中决定的废气旁通控制阀V3的开度修正量ΔA和当前的开度指令值A’而决定废气旁通控制阀V3的新的控制阀开度指令值A。在步骤S46中，通过控制器29将在步骤S45中控制成新的控制阀开度A的指令向废气旁通控制阀V3输出。
在步骤S47中，对最佳压缩压力Pcomp0与新检测到的汽缸内压缩压力Pcomp进行比较，而计算出其误差。并且，在步骤S48中，判断废气旁通控制阀V3的开度是0还是打开。在废气旁通控制阀V3的开度A≠0即打开时，在步骤S49中，计算出基于误差的废气旁通控制阀V3的开度修正量。将结果反映给步骤S45而实施废气旁通控制阀V3的开度控制。另一方面，在步骤S48中，在开度A＝0即关闭的情况下，在步骤S50中，基于汽缸内压缩压力Pcomp的误差而计算出排气阀关闭时间修正量Δθevc。在步骤S51中，决定排气阀关闭时间θevc。
在步骤S52中，基于在步骤S43中算出的汽缸内最高压力Pmax与最佳最高压力Pmax0之差而决定燃料喷射时间的变更量Δθinj。在步骤S53中，决定燃料喷射时间θinj。在步骤S54中，控制器29对发动机控制器25发出在步骤S51中决定的排气阀关闭时间θevc和在步骤S53中决定的燃料喷射时间θinj的控制指令。
在步骤S55中，计算出目标的最佳最高压力Pmax0、最佳压缩压力Pcomp0与检测到的汽缸内最高压力Pmax、汽缸内压缩压力Pcomp之差。
其结果是，当汽缸内最高压力Pmax与目标的最佳最高压力Pmax0存在误差时，在步骤S56中，基于汽缸内最高压力Pmax的误差而计算出燃料喷射时间的变更量Δθinj，返回步骤S53，基于上述Pmax的误差而重新决定燃料喷射时间θinj，并向发动机控制器25输出信号。
另一方面，汽缸内压缩压力Pcomp与目标的最佳压缩压力Pcomp0存在误差时，返回步骤S50，基于与最佳压缩压力Pcomp0的误差而重新计算排气阀关闭时间θevc的修正量。
在因经年老化等而废气旁通控制阀指令值与实际的阀开度产生偏差，从而换气压力下降时或排气阀座部发生磨损时，由于压缩压力下降，因此发动机性能下降。如步骤S44～S48所示，直接检测汽缸内的燃烧压力，以使汽缸内压缩压力Pcomp成为规定值的方式控制废气旁通控制阀，从而能够防止发动机的实运转条件因经年老化而偏离最佳运转的情况。
由此，发动机能够进一步维持极细微的最佳运转(燃料消耗率最小)，从而能够实现进一步的燃料消耗率的提高和环境负荷减少。
另外，直接检测汽缸内压力〔压缩压力Pcomp和最高压力(燃烧压力)Pmax〕，以使检测到的压缩压力Pcomp和最高压力(燃烧压力)Pmax分别成为发动机运转状态相对于发动机负载的映射的最佳运转状态的值的方式来控制废气旁通控制阀开度、燃料喷射时间、排气阀关闭时间，从而即使燃料的性质发生变化也能够维持发动机的最佳运转(燃料消耗率最小的运转)。
另外，在废气旁通控制阀V3的开度为全闭状态的情况下，通过控制排气阀关闭时间而能够将汽缸内压缩压力Pcomp控制成最佳压缩压力Pcomp0，因此能够可靠地进行对参数最佳值的控制。
另外，本发明并未限定为上述的实施方式，而在不脱离本发明的技术思想的范围内，能够根据需要而进行变形实施及变更实施。
另外，在上述的实施方式中，将排气涡轮增压器3、动力涡轮4、蒸汽涡轮5各具备1台的排气能量回收装置作为一具体例进行了说明，但本发明并未限定于此，例如也可以适用两台排气涡轮增压器3、动力涡轮4、在动力涡轮的输入侧具备调整废气的流入量的可变喷嘴而控制转速的动力涡轮等。
另外，根据本发明的实施方式，通过极其细微地调整气体入口控制阀V1、蒸汽流量调整阀V2、废气旁通控制阀V3及蒸汽旁通流量控制阀V4，而能够无级地调整动力涡轮4及蒸汽涡轮5的各自运转，因此发电机11的发电量的调整幅度增大，即使船内的电力消耗量较大地变化，也可以采用控制用阻力器13的容量小的小型化的结构，因此在成本方面有利。
工业实用性
在本发明中，将动力涡轮及蒸汽涡轮与减速器通过联轴器串联连结，对发电机进行驱动而将发动机的排气能量作为电力向船内供给，但作也可以将压缩空气蓄积在空气罐中作为空气促动器的动力源。

Claims (7)

1.一种发动机排气能量回收装置，其特征在于，具备：
排气涡轮增压器，利用从所述发动机排出的废气对涡轮部进行驱动，具有通过该涡轮部的驱动而将外气向发动机主体进行压力输送的压缩器部；
第一排气管，将该排气涡轮增压器与所述发动机的排气岐管之间连通；
动力涡轮，由所述废气来驱动；
第二排气管，将所述排气岐管与所述动力涡轮之间连通；
气体入口控制阀，配设在该第二排气管的中途并控制废气向所述动力涡轮的流量；
旁通管，与位于所述气体入口控制阀的上游侧的所述第二排气管连接而绕过所述动力涡轮；
废气旁通控制阀，配设在该旁通管的中途并控制绕过所述动力涡轮的废气的流量；
节流装置，设置在该废气旁通控制阀的下游侧；
发动机负载检测机构，检测所述发动机的负载；
发动机转速检测机构，检测所述发动机的转速；
换气（供气）压力检测机构，检测所述发动机的换气（供气）压力；以及
控制装置，具有根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出在该检测值中发动机的燃料消耗率成为最少的最佳的运转状态的最佳换气压力的数据库，
所述控制装置以成为计算出的所述最佳换气（供气）压力的方式控制所述废气旁通控制阀，
在发动机进行高负载运转且动力涡轮为全负载运转状态时，所述节流装置进行调整，以在所述气体入口控制阀全闭时，使得与在所述气体入口控制阀中流动的废气同量的废气在所述废气旁通控制阀中流动。
2.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收装置，其特征在于，
在所述控制装置中还具备根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的燃料喷射装置的最佳喷射时间的映射，参照该映射，控制所述燃料喷射装置的喷射时间。
3.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收装置，其特征在于，
在所述控制装置中还具备根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的排气阀的关闭时间的映射，参照该映射，控制所述排气阀的关闭时间。
4.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收装置，其特征在于，
所述发动机具备燃料泵驱动液的工作液蓄压室或共轨式燃料泵的燃料蓄压室，在所述控制装置中还具备根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出发动机的燃料消耗率成为最佳的运转状态的工作液蓄压压力或燃料蓄压压力的映射，参照该映射，控制所述工作液蓄压压力或燃料蓄压压力。
5.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收装置，其特征在于，
所述控制装置基于来自对所述废气旁通控制阀的开度进行检测的废气旁通控制阀开度检测机构的信号，为了形成燃料消耗率为最佳的运转状态的换气压力，以成为所述控制装置计算出的目标旁通控制阀开度的方式对该废气旁通控制阀的开度进行反馈控制。
6.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收装置，其特征在于，
所述控制装置根据由汽缸内压力检测机构检测到的汽缸内压力而计算出汽缸内压缩压力Pcomp、最高压力Pmax，预先设定燃料消耗率相对于发动机负载及发动机转速为最佳的最佳压缩压力Pcomp0及最佳最高压力Pmax0作为映射，以使所述算出最高压力Pmax成为所述映射值的方式控制燃料喷射时间，以所述算出压缩压力Pcomp成为所述映射值的方式控制排气阀关闭时间。
7.一种发动机排气能量回收装置，其特征在于，具备：
排气涡轮增压器，利用从所述发动机排出的废气对涡轮部进行驱动，具有通过该涡轮部的驱动而将外气向发动机主体进行压力输送的压缩器部；
第一排气管，将该排气涡轮增压器与所述发动机的排气岐管之间连通；
动力涡轮，由所述废气来驱动；
第二排气管，将所述排气岐管与所述动力涡轮之间连通；
气体入口控制阀，配设在该第二排气管的中途并控制废气向所述动力涡轮的流量；
旁通管，与位于所述气体入口控制阀的上游侧的所述第二排气管连接而绕过所述动力涡轮；
废气旁通控制阀，配设在该旁通管的中途并控制绕过所述动力涡轮的废气的流量；
节流装置，设置在该废气旁通控制阀的下游侧；
发动机负载检测机构，检测所述发动机的负载；
发动机转速检测机构，检测所述发动机的转速；
汽缸内压力检测机构，检测所述发动机的汽缸内压力；以及
控制装置，具有根据发动机负载检测机构及发动机转速检测机构检测到的各个检测值而计算出在该检测值中发动机的燃料消耗率成为最少的最佳的运转状态的点火前压力的最佳压缩压力及最佳汽缸内最高压力的数据库，
所述控制装置以成为计算出的所述最佳压缩压力的方式控制排气阀关闭时间，以成为计算出的所述最佳汽缸内最高压力的方式控制燃料喷射时间，
在发动机进行高负载运转且动力涡轮为全负载运转状态时，所述节流装置进行调整，以在所述气体入口控制阀全闭时，使得与在所述气体入口控制阀中流动的废气同量的废气在所述废气旁通控制阀中流动。
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