CN106103947A - 发动机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一种发动机系统，具备：发动机主体；生成水乳化燃料并供给至燃料喷射阀的燃料供给单元；将EGR气体供给至发动机主体的EGR单元；以及控制装置，所述控制装置以在实用发动机负荷的全区域内使用水乳化燃料的形式进行控制，并且以使发动机主体排出的NOx的排出量达到规定值以下的形式控制EGR气体的流量。

Description

发动机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及使用水乳化燃料或者执行使排气气体的一部分回流至发动机的排气再循环（EGR：Exhaust Gas Recirculation）以减少从发动机排出的氮氧化物（NOx）的排出量的发动机系统。又，涉及该发动机系统的控制方法。

背景技术

作为减少从发动机排出的NOx的排出量的方法之一，有使排气气体的一部分回流至发动机的EGR。通过将排气气体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，执行EGR时，虽然可以通过增加EGR率（扫气气体中EGR气体的比例）获得充分的NOx减少效果，但是根据条件不同会存在燃料消耗量恶化或排气气体所含的烟尘的量增加等问题。

另一方面，作为减少从发动机排出的NOx的量的其他方法，有使用在纯燃料中（未加水的燃料）加入水而得到的水乳化燃料的方法。通过使用水乳化燃料，能够借由水的汽化热使燃烧温度降低，抑制NOx的生成。又，当水乳化燃料内的水汽化·蒸发时，包着水粒子的纯燃料飞散，飞散的纯燃料成为直径较小的粒子。由此，水乳化燃料内的纯燃料单位体积的表面积、即与氧气接触的面积变大，局部不完全燃烧减少。其结果是，可以提高燃烧效率并且抑制烟尘的产生量。像这样，在使用水乳化燃料的情况下，虽然NOx减少效果不大但可以抑制排气气体中所含的烟尘的量。又，也有直到某个程度的水添加率为止燃料消耗量几乎不恶化的优点。

在下述专利文献1所记载的发动机中，控制EGR气体的流量为恒定，当随着扫气气体的流量的减少而EGR率增加时，将燃料从纯燃料切换为水乳化燃料（参见图1和图2）。由此，专利文献1所记载的发动机试图在EGR率较高时，具体而言在发动机负荷低于75%时，避免烟尘的过度产生。

现有技术文献：

专利文献1：日本特表2012-518748号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，专利文献1所记载的发动机为了能够切换燃料，设置了多个燃料系统（参见图1和图2）。因此，专利文献1所记载的发动机形成为复杂的结构。

另外，虽然在专利文献1中也提出了改变供给至发动机的纯燃料与水的比例而瞬时改变水乳化燃料的水添加率的结构（参见图3和图4），但这样的结构难以均匀混合纯燃料和水，实用上有问题。

本发明鉴于以上的情况而形成。目的在于提供一种发动机系统，其能够使用水乳化燃料，并且在进行EGR控制时，在各种特性不发生抵消的范围内，针对发动机的运转状况的变化，能够抑制燃料消耗量的恶化以及烟尘的产生的同时稳定地减少NOx的生成量，而且能够以简易的结构实现。

解决问题的手段：

根据本发明的某种形态的发动机系统，具备：具有汽缸和燃料喷射阀的发动机主体；生成水乳化燃料并供给至所述燃料喷射阀的燃料供给单元；将EGR气体供给至所述发动机主体的EGR单元；以及控制装置，所述控制装置形成为以在实用发动机负荷的全区域内使用所述水乳化燃料的形式进行控制，并且以使所述发动机主体排出的NOx的排出量达到规定值以下的形式控制所述EGR气体的流量的结构。

在此，“实用发动机负荷”是指，除发动机启动时等较低的发动机负荷之外的范围的发动机负荷，即在一般运用中使用的范围的发动机负荷，最大发动机负荷的25%～100%与之相当。根据上述结构，在实用发动机负荷的全区域内基本不进行纯燃料与水乳化燃料的切换。因此，根据上述发动机系统，不需要瞬时切换燃料所需的机构，可以简化结构。而且，通过使用水乳化燃料可以抑制燃料消耗量的恶化以及烟尘的产生，并且通过将与发动机负荷对应的EGR气体供给至发动机可以减少NOx的生成量。另外，也可以通过改变水乳化燃料的水添加率来调节NOx的生成量，但很难一边均匀混合纯燃料和水一边瞬时改变水添加率。另一方面，可以通过EGR鼓风机的转速控制来迅速改变EGR气体的流量。因此，根据上述结构，即使状态发生骤变，也可以通过控制EGR气体的流量以此维持NOx生成量的抑制。

又，在上述发动机系统中，所述控制装置亦可形成为在实用发动机负荷的全区域内维持所述水乳化燃料的水添加率为恒定的结构。根据该结构，在实用发动机负荷的全区域内维持水添加率为恒定，因此可以稳定地抑制烟尘的产生。如果实现该条件，则也容易控制水添加率。

又，在上述发动机系统中，所述控制装置亦可形成为随着所述水乳化燃料每个周期的喷射量增加而延长每个周期的喷射时间的结构。根据该结构，即使每个周期的喷射量发生较大改变，单位时间的喷射量也不会发生较大改变。因此，即使每个周期的喷射量的改变在一定程度上较大，也可以用同一燃料喷射阀喷射水乳化燃料。

又，在上述发动机系统中，所述控制装置亦可形成为以下结构：延长所述每个周期的喷射时间时，在所述汽缸内的最大压力不超过规定上限值的范围内，将所述水乳化燃料的喷射开始时刻提前。根据该结构，可以抑制因喷射时间延长导致的最大缸内压的降低，能够高效地运转发动机。

又，在上述发动机系统中，所述控制装置亦可形成为根据所述水添加率和所述EGR率中的一个或两个确定所述喷射开始时刻的结构。根据该结构，能够根据水添加率和EGR率确定适当的喷射开始时刻，因此能够快速过渡到发动机的高效运转状态。

根据本发明的某种形态的控制方法，是具备具有汽缸和燃料喷射阀的发动机主体、生成水乳化燃料并供给至所述燃料喷射阀的燃料供给单元、以及将EGR气体供给至所述发动机主体的EGR单元的发动机系统的控制方法，在实用发动机负荷的全区域内使用所述水乳化燃料，并且以使所述发动机主体排出的NOx的排出量达到规定值以下的形式控制所述EGR气体的流量。

又，在上述控制方法中，亦可在实用发动机负荷的全区域内，维持所述水乳化燃料的水添加率为恒定。

又，在上述控制方法中，亦可随着所述水乳化燃料的每个周期的喷射量增加而延长每个周期的喷射时间。

又，在上述控制方法中，亦可在延长所述每个周期的喷射时间时，在所述汽缸内的最大压力不超过规定上限值的范围内，将所述水乳化燃料的喷射开始时刻提前。

又，在上述控制方法中，亦可根据所述水添加率和所述EGR率中的一个或两个确定所述喷射开始时刻。

发明效果：

如上，根据上述发动机系统，通过使用水乳化燃料并执行EGR，能够抑制燃料消耗量的恶化以及烟尘的产生的同时减少NOx的生成量，而且能够以简易的结构实现。

附图说明

图1是根据实施形态的发动机系统整体的概略图；

图2是根据实施形态的发动机系统的控制系统的框图；

图3是示出发动机负荷与目标水添加率以及目标EGR率的关系的图；

图4是示出图3中目标水添加率降低时的发动机负荷与目标EGR率的关系的图；

图5是燃料喷射控制的流程图；

图6是示出曲轴角度与缸内压的关系的概念图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施形态。以下，相同或相应的要素在所有附图中以相同的符号标记，并省略重复的说明。

<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：发动机主体10、增压器20、EGR单元30、以及燃料供给单元40。

本实施形态的发动机主体10是船舶推进用主机，是大型二冲程柴油发动机。发动机主体10具有多个汽缸11（图1中仅图示一个）。各汽缸11在下方部分形成有扫气口12，在上方部分形成有排气口13。又，各汽缸11上设置有活塞14、燃料喷射阀15、以及排气阀16。活塞14以横穿扫气口12的形式在汽缸11内滑动，并且下端部分与曲柄轴（未图示）连接。燃料喷射阀15位于汽缸11的上方部分，并且从燃料供给单元40被供给燃料。又，汽缸11上设置有测定汽缸11内的压力（缸内压）的缸内压传感器17，发动机主体10上设置有测定发动机主体10的转速（发动机转速）的发动机转速计18（参见图2）。另外，发动机主体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。

增压器20是将空气升压并供给至发动机主体10的装置。各汽缸11中生成的排气气体经由排气口13、排气管24以及排气流路25向增压器20的涡轮部21供给。通过供给的排气气体的能量使涡轮部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（新气）被升压，升压后的新气经由扫气流路26、扫气管27以及扫气口12向各汽缸11内供给。

EGR单元30设置于连接排气流路25和扫气流路26的EGR流路28上，是抽出排气流路25的排气气体的一部分（以下，将从排气流路25抽出的排气气体称为“EGR气体”）并将该EGR气体向扫气流路26供给的单元。向扫气流路26供给的EGR气体与经增压器20升压后的新气混合，而后作为扫气气体向发动机主体10（各汽缸11）供给。由此，供给至各汽缸11的扫气气体的氧浓度降低，可以减少从发动机主体10排出的NOx的排出量。EGR单元30具备洗涤EGR气体的洗涤器31、冷却EGR气体的冷却装置32、和将EGR气体升压并供给至扫气流路26的EGR鼓风机33。通过调整EGR鼓风机33的转速，可以改变EGR气体的流量乃至EGR率。但是，EGR气体的流量（乃至EGR率）的改变亦可通过设置于EGR流路28内的流量调节阀（未图示）进行。

燃料供给单元40是生成水乳化燃料并向燃料喷射阀15供给的单元。燃料供给单元40具有燃料生成部41和燃料供给部42。燃料生成部41是将投入至混合容器43的纯燃料和水通过搅拌器等混合而生成规定水添加率的水乳化燃料的部分。在将纯燃料和水同时供给至燃料喷射阀15的结构中（参见专利文献1的图3和图4），难以均匀混合纯燃料和水，然而在本实施形态中能够均匀混合纯燃料和水。另外，实际水添加率可以基于投入的纯燃料和水的比例算出。燃料供给部42是将燃料生成部41中生成的水乳化燃料向发动机主体10的燃料喷射阀15供给的部分。燃料供给部42可以改变从燃料喷射阀15喷射的水乳化燃料的喷射时间以及喷射开始时刻。

<控制系统的结构>

接着，说明发动机系统100的控制系统的结构。图2是发动机系统100的控制系统的框图。如图2所示，发动机系统100具有对发动机系统100整体进行控制的控制装置50。控制装置50由CPU、ROM、RAM等构成。

控制装置50与缸内压传感器17、发动机转速计18以及输入设定部51电气连接。控制装置50基于从这些机器发送的信号获得缸内压、发动机转速以及设定水添加率。另外，输入设定部51设置于搭载有发动机系统100的船体的驾驶室内。又，输入设定部51形成为能够由驾驶员输入设定水添加率并且能够保存输入的设定水添加率的结构。

控制装置50基于来自上述各机器的输入信号而进行各种运算，并对发动机系统100的各部进行控制。在本实施形态中，控制装置50与EGR鼓风机33、燃料生成部41以及燃料供给部42电气连接，并基于各种运算等的结果向这些机器发送控制信号。另外，控制装置50不仅能够向燃料生成部41发送控制信号，而且能够基于从燃料生成部41发送的信号获得实际水添加率。但是，亦可在从燃料生成部41的混合容器43至喷射阀15的流路中设置测定水添加率的传感器，基于从该传感器发送的信号获得实际水添加率。

控制装置50作为功能结构，具有水添加率控制部52、EGR率控制部53、以及燃料喷射控制部54。

水添加率控制部52是对水乳化燃料的水添加率进行控制的部分。水添加率控制部52首先基于驾驶员输入的设定水添加率而设定目标水添加率。在本实施形态中，如图3的虚线所示设定目标水添加率。具体的，发动机负荷为0～15%时，将目标水添加率设定为0%，发动机负荷为15～100%时，将目标水添加率设定为上述的设定水添加率。然后，水添加率控制部52向燃料生成部41发送控制信号，以实际水添加率达到目标水添加率的形式进行控制。

如此，在本实施形态中，在实用发动机负荷的全区域（发动机负荷为25～100%）中不使用纯燃料，仅使用水乳化燃料。而且，在实用发动机负荷范围内，水添加率是恒定的。因此，根据本实施形态，不需要瞬时切换纯燃料和水乳化燃料的机构以及瞬时改变水添加率的机构。又，上述的专利文献1中，切换纯燃料用和水乳化燃料时也切换所使用的燃料喷射阀，但是根据本实施形态，不需要切换燃料喷射阀的机构。根据这样的本实施形态，能够简化发动机系统100的结构。

EGR率控制部53是调节EGR气体的流量而对EGR率进行控制的部分。EGR率控制部53首先设定目标EGR率。本实施形态中，如图3的实线所示，发动机负荷为0～15%时，将目标EGR率设定为0%，发动机负荷为15～100%时，设定目标EGR率随着发动机负荷变大而变小。目标EGR率是通过预先进行的实验导出的值，是能够通过NOx排出量管理的EGR率，即使NOx的排出量达到规定值以下的EGR率。该目标EGR率储存于EGR率控制部53。

图4是示出图3中目标水添加率降低时的发动机负荷与目标EGR率的关系的图。图4中的两条点线分别相当于图3中的目标水添加率和目标EGR率。如图4所示，假定设定水添加率降低，从而降低了发动机负荷为15%以上时的目标水添加率。那样的话，提高发动机负荷为15%以上时的目标EGR率。这是因为，水添加率变小时，因使用水乳化燃料而产生的NOx排出减少效果降低，所以为了通过NOx排出量规定需要增加EGR率。

接着，EGR率控制部53向EGR鼓风机33发送控制信号，以实际EGR率达到与此时的发动机负荷（本实施形态中，基于发动机转速和燃料喷射量算出发动机负荷，但也可以通过其他方法算出。例如，可以由增压器20的转速算出，也可以由通过缸内压求出指示功（indicated work）算出。又，也可以使用轴马力计直接测量发动机负荷。）对应的目标EGR率的形式，调节EGR气体流量。由此，可以通过NOx的排出规定。在本实施形态中，通过控制EGR鼓风机33的转速进行EGR气体流量的调节。但是，亦可通过用流量控制阀进行控制的方式等其他方式进行EGR气体流量的调节。无论以何种方式都可容易地调节EGR气体流量，对于状态变化的EGR气体流量的变化的响应性非常高。

燃料喷射控制部54是对水乳化燃料的燃料喷射（喷射量、喷射时间以及喷射开始时刻）进行控制的部分。图5是示出水乳化燃料的燃料喷射控制方法的流程图。以下说明的运算和控制由燃料喷射控制部54执行。

首先，开始处理时，燃料喷射控制部54读取从缸内压传感器17、发动机转速计18以及燃料生成部41等发送的信号，基于这些信号获得缸内压、发动机转速以及水添加率等各种信息（步骤S1）。

接着，燃料喷射控制部54确定每个周期喷射的水乳化燃料的喷射量（步骤S2）。在本实施形态中，以发动机转速能够维持一定的转速（100%转速）的形式确定喷射量。然而，即使喷射量相同，水添加率不同则热量不同，EGR率不同则燃烧效率不同。因此，例如，水添加率或EGR率升高时增加喷射量。

接着，燃料喷射控制部54确定每个周期喷射的水乳化燃料的喷射时间（步骤S3）。在本实施形态中，随着每个周期的燃料喷射量变大，延长喷射时间。由此，即使每个周期的燃料喷射量增加，单位时间的喷射量也不增加。因此即使每个周期的喷射量发生一定程度的较大改变，也可以使用同一燃料喷射阀15进行正常喷射。

接着，燃料喷射控制部54判断喷射时间是否发生改变（步骤S4）。如后所述，各步骤重复进行，对步骤S3中确定的喷射时间是否与前一周期设定的喷射时间有所变化进行判断。当燃料喷射控制部54判断喷射时间发生了变化时（步骤S4中为是），进入步骤S5。另一方面，当判断喷射时间没有发生变化时（步骤S4中为否），进入步骤S6。

接着，进入步骤S5时，燃料喷射控制部54确定喷射开始时刻（开始喷射的曲轴角度）。具体的，基于水添加率、EGR率以及发动机负荷，将从预先储存的映射数据（map data）中读取的值设为喷射开始时刻。另外，本实施形态中，基于水添加率、EGR率以及发动机负荷确定喷射开始时刻，但亦可通过与水添加率、EGR率以及发动机负荷对应的参数确定喷射开始时刻。例如，可以使用扫气气体管27内的氧浓度的值代替EGR率。

图6是示出曲轴角度与缸内压的关系的概念图。图中实现表示使用纯燃料的情况，虚线表示使用水乳化燃料的情况，点线表示使用水乳化燃料并且将喷射开始时刻提前的情况。

在使用纯燃料作为燃料的情况下，如图6的实线所示，活塞14上升至上止点（曲轴角度=0°）时缸内压迎来第一个高峰。如果此时开始喷射燃料，则缸内压暂时下降之后，因燃烧而再次上升并迎来第二个高峰。该第二个高峰时的缸内压为最大缸内压（P_max）。可以通过使燃料的喷射开始时刻发生改变以此调节该最大缸内压。最大缸内压越高发动机的效率越高，但如果缸内压过度升高则存在汽缸11损坏的担忧。因此，通常以最大缸内压达到规定的目标值的形式（达到不超过上限值的范围内的最大值的形式）确定喷射开始时刻。另外，在存在最大缸内压超过上限值的担忧的情况下，燃料喷射控制部54可以进行修正喷射开始时刻的控制。

另一方面，假定使用水乳化燃料作为燃料，并且与纯燃料的情况相同地在曲轴角为0°时开始喷射燃料。那样的话，由于水乳化燃料每体积的热量小于纯燃料，喷射时间较长，因此如图6的虚线所示，朝向缸内压的第二个高峰的曲线变缓。其结果是，最大缸内压低于规定的目标值。

相对于此，假定使用水乳化燃料作为燃料，但将喷射开始时刻相比纯燃料的情况提前。那样的话，如图6的点线所示，朝向缸内压的第二个高峰的曲线的上升提前开始，其结果是，能够将最大缸内压作为规定的目标值或者与之接近的值。即，随着每个周期的喷射时间延长而将喷射开始时刻提前，以此能够将最大缸内压作为规定的目标值或者与之接近的值。

在本实施形态中，根据预先进行的实验，针对每个水添加率、EGR率以及发动机负荷算出最大缸内压成为规定的目标值或者与之接近的值的喷射开始时刻，将该喷射开始时刻存储为映射数据。因此，当以步骤S5确定的喷射开始时刻开始喷射水乳化燃料时，最大缸内压成为规定的目标值或者与之接近的值。

另一方面，进入步骤S6时，燃料喷射控制部54对喷射开始时刻进行修正。具体的，燃料喷射控制部54以缩小实际的最大缸内压与规定的目标值的差的形式，修正喷射开始时刻。由此，在本实施形态中，喷射时间发生改变之后立刻基于水添加率以及EGR率确定成为初始值的喷射开始时刻（步骤S5），然后基于实际的最大缸内压修正喷射开始时刻（步骤S6）。也就是说，本实施形态中，进行前馈控制与反馈控制相结合的控制。

接着，经过步骤S5或步骤S6之后，燃料喷射控制部54向燃料供给部42发送控制信号，按照所确定的喷射量、喷射时间以及喷射开始时刻喷射水乳化燃料（步骤S7）。步骤S7结束时，燃料喷射控制部54返回步骤S1重复进行步骤S1～S7。在本实施形态中，由于进行如上的燃料喷射控制，在适当的喷射开始时刻喷射燃料，因此能够高效地运转发动机主体10。

以上是根据本发明的实施形态的说明。以上，说明了确定燃料的喷射开始时刻时将反馈控制与前馈控制进行组合的情况，但亦可仅凭与前馈控制相当的部分的控制确定燃料的喷射开始时刻。即，亦可在未将缸内压传感器17设置于汽缸11的状态下，基于水添加率、EGR率以及发动机负荷确定喷射开始时刻，并维持该喷射开始时刻。

又，以上，说明了实用发动机负荷的全区域内水乳化燃料的水添加率为恒定的情况，但是水添加率也可以慢慢发生改变。即使是那样的发动机系统，也能够发挥通过简易的结构即可抑制燃料消耗量的恶化和烟尘的产生，并且减少NOx的生成量这样的作用效果。

工业应用性：

根据本发明的发动机系统，通过使用水乳化燃料并执行EGR，以此能够抑制燃料消耗量的恶化和烟尘的产生，同时能够减少NOx的生成量，而且能够以简易的结构实现。又，将容易对负荷改变进行随动控制的EGR率作为主要控制变量，因此可以无控制延迟且准确地对NOx减少进行控制。由于能够通过简单的结构实现，因此作为具有广泛通用性的NOx减少系统是有益的。

符号说明：

10 发动机主体；

11 汽缸；

15 燃料喷射阀；

30 EGR单元；

40 燃料供给单元；

50 控制装置；

100 发动机系统。

Claims (10)

1.一种发动机系统，具备：具有汽缸和燃料喷射阀的发动机主体；

生成水乳化燃料并供给至所述燃料喷射阀的燃料供给单元；

将EGR气体供给至所述发动机主体的EGR单元；以及

控制装置，所述控制装置形成为以在实用发动机负荷的全区域内使用所述水乳化燃料的形式进行控制，并且以使所述发动机主体排出的NOx的排出量达到规定值以下的形式控制所述EGR气体的流量的结构。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述控制装置形成为在实用发动机负荷的全区域内维持所述水乳化燃料的水添加率为恒定的结构。

3.根据权利要求1或2所述的发动机系统，其特征在于，所述控制装置形成为随着所述水乳化燃料的每个周期的喷射量增加而延长每个周期的喷射时间的结构。

4.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，所述控制装置形成为以下结构：延长所述每个周期的喷射时间时，在所述汽缸内的最大压力不超过规定上限值的范围内，将所述水乳化燃料的喷射开始时刻提前。

5.根据权利要求4所述的发动机系统，其特征在于，所述控制装置形成为根据所述水添加率和所述EGR率中的一个或两个确定所述喷射开始时刻的结构。

6.一种控制方法，是发动机系统的控制方法，所述发动机系统具备：具有汽缸和燃料喷射阀的发动机主体、生成水乳化燃料并供给至所述燃料喷射阀的燃料供给单元、以及将EGR气体供给至所述发动机主体的EGR单元，其特征在于，

在实用发动机负荷的全区域内使用所述水乳化燃料，并且以使所述发动机主体排出的NOx的排出量达到规定值以下的形式控制所述EGR气体的流量。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在实用发动机负荷的全区域内，维持所述水乳化燃料的水添加率为恒定。

8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，随着所述水乳化燃料的每个周期的喷射量增加而延长每个周期的喷射时间。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，延长所述每个周期的喷射时间时，在所述汽缸内的最大压力不超过规定上限值的范围内，将所述水乳化燃料的喷射开始时刻提前。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，根据所述水添加率和所述EGR率中的一个或两个确定所述喷射开始时刻。