CN105899282A - 洗涤器以及发动机系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的洗涤器（40），具备：将从喷射喷嘴（41）喷射的洗涤液回收积存并将一部分积存的洗涤液向外部排出的存水部（42）、将中和剂投入至循环配管（43）的流路的中和剂投入装置（44）、和控制装置（70）。控制装置（70）基于从喷射喷嘴（41）喷射的洗涤液的pH值与规定的目标喷射pH值的偏差、以及积存于存水部（42）的洗涤液的pH值与规定的目标存水pH值的偏差，确定从中和剂投入装置（44）投入的中和剂的投入量。

Description

洗涤器以及发动机系统
技术领域
本发明涉及洗涤从发动机排出的排气的洗涤器（scrubber，湿式气体洗涤装置），以及具备该洗涤器的发动机系统。
背景技术
作为减少从发动机排出的氮氧化物（NOx）的量的方法已知的是排气的一部分回流至发动机的排气再循环（EGR：Exhaust Gas Recirculation）。通过将排气的一部分回流至发动机，以此在氧浓度较低的状态下进行燃烧，其结果是燃烧温度降低而抑制NOx的生成。然而，根据所使用的燃料的不同而存在排气中大量含有颗粒状物质（PM：Particulate Matter）和硫氧化物（SOx）的情况，在该情况下需要从再循环的排气中去除PM和SOx。对于从排气中去除PM和SOx，使用洗涤液的洗涤器是有效的（参照专利文献1的图2的符号15）。
又，从保护环境的观点出发，优选回流至发动机的排气（EGR气体）以及排出至大气的排气均去除PM和SOx。该情况下，对于从排气中去除PM和SOx，使用洗涤液的洗涤器也是有效的。
洗涤器所使用的洗涤液中，为了去除SOx（进行脱硫）而投入脱硫用的中和剂（氢氧化钠等碱性溶剂），将洗涤液的pH值调节为达到一定以上。然而，由于洗涤液与排气接触时会使pH值降低，因此在重复使用洗涤液的情况下，需要连续投入中和剂从而维持洗涤液的pH值。又，将洗涤液排出至外部时，如果存在pH值的排出规定，则需要调节洗涤液的pH值以能够通过该排出规定。如果考虑这样维持脱硫性能以及符合排出规定，则多投入些中和剂是安全的，但是也有要抑制中和剂使用量的要求。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1：日本特开2011-157959号公报。
发明内容
发明要解决的问题：
本发明鉴于如上的情况而形成，目的在于提供一种能够抑制投向洗涤液的中和剂的投入量、维持充分的脱硫性能，并且能够通过洗涤液的排出规定的洗涤器。
解决问题的手段：
根据本发明的一种形态的洗涤器，是洗涤从发动机排出的排气的洗涤器，具备：对所述排气喷射洗涤液的喷射喷嘴、将从所述喷射喷嘴喷射的洗涤液回收积存并将一部分积存的洗涤液向外部排出的存水部、将积存于所述存水部的洗涤液供给至所述喷射喷嘴的循环配管、将中和剂投入至所述循环配管的流路的中和剂投入装置、和确定从所述中和剂投入装置投入的中和剂的投入量的控制装置；所述控制装置形成为以下结构：基于从所述喷射喷嘴喷射的洗涤液的pH值与规定的目标喷射pH值的偏差、以及积存于所述存水部的洗涤液的pH值与规定的目标存水pH值的偏差，确定从所述中和剂投入装置投入的中和剂的投入量。
在该结构中，能够将中和剂直接投入至从喷射喷嘴喷射的洗涤液而调节从喷射喷嘴喷射的洗涤液的pH值。因此，在根据实质上从喷射喷嘴喷射的洗涤液的pH值与规定的目标喷射pH值的偏差而确定中和剂的投入量的情况下，不对积存于存水部的洗涤液的pH值进行不必要的提高亦可，能够抑制中和剂的投入量。此外，由于中和剂的投入量是基于从射喷嘴喷射的洗涤液的pH值与规定的目标喷射pH值的偏差、以及积存于存水部的洗涤液的pH值与规定的目标存水pH值的偏差而确定的，因此可以维持充分的脱硫性能（目标喷射pH值）并且通过洗涤液的排出规定（目标存水pH值）。
又，在上述洗涤器中，所述排气也可以是回流至所述发动机的EGR气体。根据该结构，净化后的EGR气体回流至发动机，因此能够降低腐蚀发动机的风险。
又，在上述洗涤器中，所述控制装置形成为基于使用于所述发动机的燃料的硫分以及通过该洗涤器的排气的流量而设定所述目标喷射pH值的结构亦可。
根据该结构，能够将目标喷射pH值设定为适当的值，因此能够防止目标喷射pH值过度变大，其结果是能够抑制投向洗涤液的中和剂的投入量。
又，在上述洗涤器中，所述控制装置形成为将预先确定的固定值设定为所述目标存水pH值的结构亦可。
根据该结构，作为目标存水pH值，设定成排出规定所确定的pH值，以此能够可靠地通过洗涤液的排出规定。
又，在上述的洗涤器中，所述控制装置亦可形成为以下结构：基于使用于所述发动机的燃料的硫分和通过该洗涤器的排气的流量，算出基本中和剂投入量，所述基本中和剂投入量是被预测为维持脱硫性能所需的中和剂的投入量，基于从所述喷射喷嘴喷射的洗涤液的pH值与规定的目标喷射pH值的偏差、积存于所述存水部的洗涤液的pH值与规定的目标存水pH值的偏差、以及所述基本中和剂投入量，确定所述中和剂投入装置投入的中和剂的投入量。
根据该结构，关于中和剂投入装置投入的中和剂的投入量，可以使用基本中和剂投入量来进行所谓的前馈控制。因此，即使发动机的运转状况等发生变化，也能够快速地将中和剂的投入量调节为适当的值。
又，根据本发明的一种形态的发动机系统具备上述的洗涤器。
发明效果：
如上，根据上述的洗涤器，能够抑制投向洗涤液的中和剂的投入量、维持充分的脱硫性能，并且能够通过洗涤液的排出规定。
附图说明
图1是根据第一实施形态的发动机系统的框图；
图2是根据第一实施形态的洗涤器的概略图；
图3是根据第一实施形态的洗涤器的控制系统的框图；
图4是示出中和剂投入量的控制方法的流程图；
图5是示出EGR气体流量和基本中和剂投入量的关系的图表；
图6是示出EGR气体流量和目标喷射pH值的关系的图表；
图7是示出第二实施形态的中和剂投入量的控制方法的框图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施形态。以下，在所有附图中对于相同或相当的要素标以相同的符号，省略重复说明。
（第一实施形态）
首先，说明本发明的第一实施形态。另外，以下，说明洗涤排气中回流至发动机的EGR气体的情况，但是可以认为洗涤排出至大气的排气的情况也一样。
＜发动机系统的整体结构＞
先来说明根据本实施形态的发动机系统100的整体结构。图1是发动机系统100的框图。如图1所示，发动机系统100具备：发动机10、增压器20、EGR鼓风机30、洗涤器40、以及废水处理装置60。
本实施形态的发动机10是船舶推进用主机，是大型二冲程柴油发动机。从增压器20经由扫气流路11向发动机10供给扫气（在四冲程发动机的情况下为“进气”）。又，从发动机10排出的排气经由排气流路12供给至增压器20。另外，发动机10可以是四冲程发动机，也可以是气体发动机或汽油发动机。又，发动机10不限于使用在船舶中，也可以使用于发电设备。
增压器20是将空气升压并供给至发动机10的装置。增压器20具有涡轮部21和压缩部22。在涡轮部21中供给有从发动机10排出的排气，通过排气的能量使涡轮部21旋转。涡轮部21和压缩部22通过连接轴23连接，随着涡轮部21的旋转而压缩部22也旋转。当压缩部22旋转时，从外部引入的空气（大气）被升压，升压后的空气经由扫气流路11供给至发动机10。
EGR鼓风机30设置于连接排气流路12和扫气流路11的EGR流路31，是抽取排气流路12中排气的一部分（以下，将从排气流路12抽取的排气称为EGR气体）、将该EGR气体升压并输送至扫气流路11的装置。输送至扫气流路11的EGR气体与经增压器20升压后的大气混合，作为扫气供给至发动机10。由此，供给至发动机10的扫气的氧浓度降低，可以减少NOx的排出量。另外，EGR鼓风机30的结构没有特别限定，在本实施形态中采用容积型。
洗涤器40设置于EGR流路31，是利用洗涤液从EGR气体中去除SOx以及PM的装置。尤其，大型柴油发动机的排气中含有大量SOx以及PM，因此在大型柴油发动机中进行EGR时，在该发动机系统中设置洗涤器非常有效。另外，由于本实施形态的洗涤器40如后所述具有冷却EGR气体的冷却功能，因此EGR流路31中未设置冷却装置，但也可以在EGR流路31中设置冷却装置。此外，洗涤器40的详细结构将在后面说明。
废水处理装置60是对洗涤器40使用过的洗涤液进行净化处理的装置。经废水处理装置60净化处理后的洗涤液的全部或者一部分向大海排出。将洗涤液向大海排出时的问题在于废水（洗涤液）的排出规定。排出规定包括浊度排出规定和pH值排出规定。废水处理装置60用于通过其中的浊度排出规定。具体的，洗涤器40使用过的洗涤液中含有大量由PM凝结而形成的粉尘，浊度非常高。因此，作为废水处理装置60，例如使用离心分离机从洗涤液中分离粉尘而降低洗涤液的浊度。由此，能够通过废水（洗涤液）的浊度排出规定。另一方面，如后所述由洗涤器40应对pH值排出规定。另外，将用于确认洗涤液的最终pH值的废水pH传感器61（参见图2）设置于废水处理装置60的下游亦可。
＜洗涤器的结构＞
接着，说明洗涤器40的详细结构。图2是根据本实施形态的洗涤器40的概略图。图中的粗箭头示出EGR气体的流动。根据本实施形态的洗涤器40是具有洗涤EGR气体的洗涤功能、积存洗涤液的存水功能、以及冷却EGR气体的冷却功能中所有功能的一体型洗涤器。如图2所示，洗涤器40具备：喷射喷嘴41、存水部42、循环配管43、以及中和剂投入装置44。
喷射喷嘴41是对EGR气体喷射洗涤液的部分。喷射喷嘴41设置于洗涤器40的入口附近，对刚流入洗涤器40的EGR气体喷射洗涤液。如此，由于根据本实施形态的洗涤器40采用喷射式，因此可以在循环配管43的流路中投入中和剂。
存水部42是将从喷射喷嘴41喷射的洗涤液回收积存的部分。存水部42位于洗涤器40的下方部分，从喷射喷嘴41喷射的洗涤液靠自重向存水部42落下。又，被喷射洗涤液的EGR气体通过冷却部45而借由热交换进行冷却，并借由捕雾器46（mist catcher）去除EGR气体所含有的雾状洗涤液。由冷却部45产生的冷凝水以及由捕雾器46捕获的洗涤液靠自重向存水部42落下。又，通过冷却部45和捕雾器46的EGR气体出了洗涤器40后朝向EGR鼓风机30（参见图1）流动。
循环配管43是将积存于存水部42的洗涤液供给至喷射喷嘴41的构件。循环配管43上设置有循环泵47。又，循环配管43具有引入从中和剂投入装置44投入的中和剂的中和剂投入部48。此外，循环配管43中比中和剂投入部48靠近上游侧的部分设置有存水pH传感器49，并且比中和剂投入部48靠近下游侧的部分设置有喷射pH传感器50。存水pH传感器49能够测定积存于存水部42的洗涤液的pH值（以下称为“存水pH值”），喷射pH传感器50能够测定从喷射喷嘴41喷射的洗涤液的pH值（以下称为“喷射pH值”）。
中和剂投入装置44是经由循环配管43的中和剂投入部48，将中和剂投入至循环配管43的流路的装置。在本实施形态中，使用氢氧化钠作为中和剂。本实施形态的中和剂投入装置44将中和剂投入至流经循环配管43的洗涤液，而不是积存于存水部42的洗涤液。通过如此构成，无需一定使积存于存水部42的洗涤液全部增加至脱硫所需的pH值。因此，能够抑制中和剂的使用量。
＜控制系统的结构＞
接着，说明洗涤器的控制系统的结构。图3是控制系统的结构框图。根据本实施形态的洗涤器具有控制装置70。控制装置70由CPU、ROM、RAM等构成。如图3所示，控制装置70与存水pH传感器49、喷射pH传感器50以及EGR鼓风机30电气连接。控制装置70基于从这些测量器和装置发送的信号，获得存水pH值、喷射pH值以及EGR气体流量（可以从EGR鼓风机30的转速求得）。另外，EGR气体流量也可以是在EGR流路31中设置流量计，基于该流量计所发送的信号而获得。
又，控制装置70也与设置于搭载有发动机系统100的船体的驾驶室中的运转操作部71电气连接。运转操作部71形成为能够由驾驶员输入使用于发动机10的燃料的硫分（质量%）且能够保存该值结构。控制装置70基于从该运转操作部71发送的信号，获得使用于发动机10的燃料的硫分。另外，运转操作部71形成为能够选择使用于发动机10的燃料的油种类、将与该油种类对应的硫分保存并发送的结构亦可。
此外，控制装置70与中和剂投入装置44电气连接。控制装置70基于获得的存水pH值、喷射pH值、EGR气体流量以及硫分，进行各种计算，将控制信号发送至中和剂投入装置44。由此，控制装置70对中和剂投入装置44投入至循环配管43的流路的中和剂的投入量（以下称为“中和剂投入量”）进行控制。
＜中和剂投入量的控制方法＞
接着，说明中和剂投入量的控制方法。图4是示出中和剂投入量的控制方法的流程图。以下说明的计算和控制通过控制装置70执行。首先，开始处理时，控制装置70读取从存水pH传感器49、喷射pH传感器50、 EGR鼓风机30以及运转操作部71发送的信号，基于这些信号获得存水pH值、喷射pH值、EGR气体流量以及硫分等各种信息（步骤S1）。
然后，控制装置70基于EGR气体流量和硫分算出基本中和剂投入量（步骤S2）。基本中和剂投入量是被预测为维持脱硫性能所需的中和剂投入量。控制装置70具有对应于图5所示那样的图表的图位数据（map data），根据该图位数据算出基本中和剂投入量。图5示出了各硫分的EGR气体流量和基本中和剂投入量的关系。例如，在图5中，如果硫分为2.0%且EGR气体流量为Q1，则基本中和投入量为W1。基本中和剂投入量随着硫分变大以及随着EGR气体流量变大而变大。另外，图5是概念图，并非一定与实际值一致。（图6也同样如此）。
然后，控制装置70基于EGR气体流量和硫分设定目标喷射pH值（步骤S3）。控制装置70具有对应于图6所示那样的图表的图位数据，根据该图位数据获得目标喷射pH值。图6示出了各硫分的EGR气体流量和目标喷射pH值的关系。例如，在图6中，如果硫分为2.0%且EGR气体流量为Q1，则目标喷射pH值为PH1。目标喷射pH值随着硫分变大以及随着EGR气体流量变大而变大。
然后，控制装置70设定目标存水pH值（步骤S4）。目标存水pH值为预先确定的固定值。从保护环境的观点出发，废水（洗涤液）必须为规定范围的pH值才能向外部（大海）排出。在本实施形态中，将比该规定范围的下限值稍大的值设定为目标存水pH值。例如，规定范围的下限值为6.5的情况下，控制装置70将目标存水pH值设定为“6.8”。
然后，控制装置70基于喷射pH值与目标喷射pH值的偏差，算出喷射侧修正值（步骤S5）。具体的，算出消除喷射pH值与目标喷射pH值的差（偏差）的喷射侧修正值。由此，步骤S5相当于有关喷射pH值的反馈控制。作为该反馈控制，可以采用PID控制。另外，喷射侧修正值用于修正前述的基本中和剂投入量。
然后，控制装置70基于存水pH值与目标存水pH值的偏差，算出存水侧修正值（步骤S6）。具体的，算出消除存水pH值与目标存水pH值的差（偏差）的存水侧修正值。由此，步骤S6相当于有关存水pH值的反馈控制。作为该反馈控制，可以采用PID控制。另外，存水侧修正值用于修正前述的基本中和剂投入量。
然后，控制装置70基于基本中和剂投入量、喷射侧修正值以及存水侧修正值，确定中和剂投入量（步骤S7）。具体的，将喷射侧修正值和存水侧修正值中较大一方（使中和剂投入量较大的一方）的值（也有可能为负值）加至基本中和剂投入量，将该值作为中和剂投入量。如此，在本实施形态的中和剂投入量的控制中，通过前馈控制确定基本中和剂投入量，通过反馈控制对中和剂投入量进行微调以满足目标pH值。
然后，控制装置70向中和剂投入装置44发送控制信号以使从中和剂投入装置44投入的中和剂的投入量为步骤S7所算出的中和剂投入量（步骤S8）。由此，将适量的中和剂投入至洗涤液。控制装置70在步骤S8结束时返回步骤S1重复进行步骤S1～S8。
以上是本实施形态的中和剂投入量的控制方法。通过进行如上的控制，将从喷射喷嘴41喷射的洗涤液维持脱硫能力所需的中和剂投入量（以下称为“脱硫所需投入量”）、以及积存于存水部42的洗涤液通过排出规定所需的中和剂投入量（以下称为“排出所需投入量”）之中，较多的量的中和剂投入至循环配管43的流路。
然而，通常脱硫所需投入量大于排出所需投入量。这是因为，当使从喷射喷嘴41喷射的洗涤液的pH值成为能够维持脱硫性能的程度的值时，虽然从喷射喷嘴41喷射的洗涤液因EGR气体而pH值下降，但通常该值大于排水规定的pH值（目标存水pH值=6.8）。该情况下，只有从喷射喷嘴41喷射的洗涤液需要成为维持脱硫性能所需的pH值，而积存于存水部42的洗涤液不需要匹配维持脱硫性能所需的pH值。在根据本实施形态的洗涤器40中，将中和剂投入至循环配管43，以此能够仅使从喷射喷嘴41喷射的洗涤液达到维持脱硫性能所需的pH值。因此，相较于将中和剂投入至存水部42洗涤器，根据本实施形态的洗涤器40能够抑制中和剂的投入量。
然而，在本实施形态中，根据EGR气体流量等条件的不同而排出所需投入量大于脱硫所需投入量时，将排出所需投入量的中和剂投入至循环配管43的流路。由此，不会发生积存于存水部42的洗涤液在排出规定值以下（在规定范围外）的情况。
（第二实施形态）
接着，说明本发明的第二实施形态。第一实施形态中，中和剂投入量以图4 所示的方法进行控制，相对于此，在本实施形态中以图7所示的方法进行控制，在这点上两个实施形态是不同的。然而，在除此之外的结构上两个实施形态基本相同。以下，说明本实施形态的中和剂投入量的控制方法。
由于图7所示的控制方法中步骤S11～S14与第一实施形态的步骤S1～S4相同，在此省略说明。在步骤S15中，控制装置70基于喷射pH值与目标喷射pH值的偏差，算出喷射侧所需投入量。具体的，算出消除喷射pH值与目标喷射pH值的差（偏差）的喷射侧所需投入量。这里所说的“喷射侧所需投入量”是被预测为使喷射pH值达到目标喷射pH值所需的中和剂的投入量。如此，步骤S15相当于有关喷射pH值的反馈控制。作为该反馈控制，可以采用PID控制。
然后，控制装置70基于存水pH值和目标存水pH值，算出存水侧所需投入量（步骤S16）。具体的，算出消除存水pH值与目标存水规定pH值的差（偏差）的存水侧所需投入量。这里所说的“存水侧所需投入量”是被预测为使存水pH值达到目标存水pH值所需的中和剂的投入量。另外，如前所述，目标存水pH值=6.8。步骤S16相当于有关存水pH值的反馈控制。作为该反馈控制，可以采用PID控制。
然后，控制装置70基于基本中和剂投入量、喷射侧所需投入量以及存水侧所需投入量，确定中和剂投入量（步骤S17）。具体的，将基本中和剂投入量、喷射侧所需投入量以及存水侧所需投入量之中值最大的作为中和剂投入量。由于像这样确定中和剂投入量，因此不会发生中和剂投入量在基本中和剂投入量以下的情况。如上，在本实施形态的中和剂投入量的控制中，将通过前馈控制确定的基本中和剂投入量作为下限值，并且，如果通过反馈控制确定的喷射侧所需投入量或者存水侧所需投入量高于所述下限值，则将其确定为中和剂投入量。
然后，控制装置70向中和剂投入装置44发送控制信号以使从中和剂投入装置44投入的中和剂投入量为步骤S17所算出的中和剂投入量（步骤S18）。由此，将适量的中和剂投入至洗涤液。控制装置70在步骤S18结束时返回步骤S11重复进行步骤S11～S18。
如上，中和剂投入量的控制方法不限于第一实施形态中说明的方法，也可以是本实施形态中说明的方法。虽然本实施形态与第一实施形态在中和剂投入量的控制方法上部分不同，但不变的是：能够抑制投向洗涤剂的中和剂的投入量、维持充分的脱硫性能，并且通过洗涤液排出规定。
以上是第一实施形态和第二实施形态的说明。以上，说明了洗涤器40为具有洗涤功能、存水功能、冷却功能中所有功能的一体型的情况，但也可以是通过独立的装置实现各功能的结构。例如，洗涤器形成为仅具有洗涤功能的结构，并将具有冷却功能的冷却装置以及具有存水功能的存水罐与洗涤器分开设置亦可。
又，以上，说明了将反馈控制与前馈控制组合而对中和剂投入量进行控制的情况，但是仅以反馈控制对中和剂投入量进行控制亦可。
又，以上，说明了发动机系统为船舶用发动机系统且将洗涤液向有排出规定的大海排出的情况，但即使是设置于陆地上的发动机系统或者气体净化系统，存在洗涤液的排出规定时本发明也可以适用。另外，这里所说的“气体净化系统”，是将从发动机排出的排气在放出至大气之前进行洗涤的系统。即，亦可将实施形态中说明的洗涤器设置于例如比发动机系统靠近下游的排气流路。
工业应用性：
根据本发明的洗涤器，能够抑制投向洗涤液的中和剂的投入量、维持充分的脱硫性能，并且能够通过洗涤液的排出规定。因此，在洗涤器的技术领域有益。
符号说明：
10 发动机；
40 洗涤器；
41 喷射喷嘴；
42 存水部；
43 循环配管；
44 中和剂投入装置；
70 控制装置；
100 发动机系统。

Claims (6)

1.一种洗涤器，是洗涤从发动机排出的排气的洗涤器，具备：
对所述排气喷射洗涤液的喷射喷嘴、
将从所述喷射喷嘴喷射的洗涤液回收积存并将一部分积存的洗涤液向外部排出的存水部、
将积存于所述存水部的洗涤液供给至所述喷射喷嘴的循环配管、
将中和剂投入至所述循环配管的流路的中和剂投入装置、和
确定从所述中和剂投入装置投入的中和剂的投入量的控制装置；
所述控制装置形成为以下结构：基于从所述喷射喷嘴喷射的洗涤液的pH值与规定的目标喷射pH值的偏差、以及积存于所述存水部的洗涤液的pH值与规定的目标存水pH值的偏差，确定从所述中和剂投入装置投入的中和剂的投入量。
2.根据权利要求1所述的洗涤器，其特征在于，所述排气是回流至所述发动机的EGR气体。
3.根据权利要求1或2所述的洗涤器，其特征在于，所述控制装置形成为基于使用于所述发动机的燃料的硫分以及通过该洗涤器的排气的流量而设定所述目标喷射pH值的结构。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的洗涤器，其特征在于，所述控制装置形成为将预先确定的固定值设定为所述目标存水pH值的结构。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的洗涤器，其特征在于，所述控制装置形成为以下结构：
基于使用于所述发动机的燃料的硫分和通过该洗涤器的排气的流量，算出基本中和剂投入量，所述基本中和剂投入量是被预测为维持脱硫性能所需的中和剂的投入量，
基于从所述喷射喷嘴喷射的洗涤液的pH值与规定的目标喷射pH值的偏差、积存于所述存水部的洗涤液的pH值与规定的目标存水pH值的偏差、以及所述基本中和剂投入量，确定所述中和剂投入装置投入的中和剂的投入量。
6.一种发动机系统，具备权利要求1至5中任一项所述的洗涤器。
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