CN107614859B - 发动机系统 - Google Patents

Abstract

发动机系统的EGR控制部取得目标发动机转动数、发动机负荷、扫气压以及增压器转动数中多个发动机状态量，基于取得的各发动机状态量的值，根据预先存储的映射数据分别算出个别最适EGR气体流量，将算出的多个个别最适EGR气体流量中最小的一个选定为最适EGR气体流量，基于选定的最适EGR气体流量生成控制信号。

Description

发动机系统

技术领域

本发明涉及发动机系统。

背景技术

船舶用的发动机系统中，有的具备使从发动机排出的排气气体在发动机中再循环的EGR（Exhaust Gas Recirculation；排气再循环）单元。通过使排气气体（EGR气体）在发动机中再循环，从而扫气气体的氧气浓度降低，燃烧温度降低。其结果是能够抑制因燃烧温度高引起的热力型NOx（thermal NOx）的发生。

如果使在发动机中再循环的排气气体的量（EGR气体流量）增多，能使NOx的排出量减少的反面，则是EGR气体流量过多时扫气气体的氧气浓度降低，发动机的运行状态变得不稳定，根据情况可能会失火。因此，有必要控制EGR气体流量以使扫气气体的氧气浓度为适当的值。

关于该EGR气体流量的控制，下述专利文献1公开了将基于发动机负荷的前馈处理（前馈控制）与基于氧气浓度的反馈处理（反馈控制）组合起来控制EGR阀的方法。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1 : 日本特开2013-170520号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，发动机负荷变动时，各种发动机状态量相对于发动机负荷变动延迟变动或提前变动，所以基于发动机负荷的前馈处理无法充分发挥功能，根据情况还有可能使扫气气体的氧气浓度急剧降低从而失火。另，即便通过基于氧气浓度的反馈处理进行了修正，在增压器的增速需要时间等EGR系统的结构上，在扫气气体的氧气浓度急剧降低的状况下使反馈处理充分发挥作用也较为困难。

本发明鉴于以上情况而形成，目的是提供一种在进行EGR气体流量控制时能在发动机负荷变动时稳定运行的发动机系统。

解决问题的手段：

根据本发明一形态的发动机系统，具备：供给包含EGR气体和新气的扫气气体的发动机主体；吸入排气气体的一部分并将吸入的排气气体作为EGR气体供给至所述发动机主体，并且具有调节EGR气体流量的EGR气体流量调节部的EGR单元；由未被所述EGR单元吸入的剩余排气气体驱动，将新气升压并供给至所述发动机主体的增压器；和向所述EGR气体流量调节部发送控制信号，控制EGR气体流量的EGR控制部；所述EGR控制部取得目标发动机转动数、发动机负荷、扫气压以及增压器转动数中多个发动机状态量，基于取得的各发动机状态量的值，根据预先存储的映射数据（map data）分别算出个别最适EGR气体流量，将算出的多个个别最适EGR气体流量中最小的一个选定为最适EGR气体流量，基于选定的最适EGR气体流量生成所述控制信号。

根据该结构，基于由各发动机状态量算出的多个个别最适EGR气体流量中最小的一个，控制EGR气体流量。因此，发动机负荷变动时，考虑到相对于发动机负荷延迟变动等与发动机负荷的变动不同步的发动机状态量，调节从而减少EGR气体流量。由此，能够抑制扫气气体的氧气浓度急剧降低，在发动机负荷变动时也能维持稳定的运行状态。

又，上述发动机系统中，所述EGR控制部也可以是基于取得的发动机负荷算出扫气气体的目标氧气浓度，算出使所述目标氧气浓度与取得的扫气气体的氧气浓度的偏差为零或接近于零的EGR气体流量的修正量，基于所述最适EGR气体流量加上所述修正量的修正EGR气体流量，生成所述控制信号。

根据该结构，EGR气体流量的控制中，基于扫气气体的氧气浓度进行反馈处理，所以能在EGR气体流量的控制中反映氧气浓度。

又，上述发动机系统中，所述EGR控制部也可以在发动机负荷变动时将调节所述修正量大小的反馈增益（gain）设定为比发动机负荷整定时小，或设定为零。

前述发动机系统中，发动机负荷变动时以能确保扫气气体的氧气浓度较高的形式控制EGR气体流量，但在反馈处理中与之相反，可能会以使扫气气体的氧气浓度降低的形式进行修正。此时，很可能在发动机负荷变动时运行状态变得不稳定。因此，如上所述发动机负荷变动时，若反馈增益以减小、或设定为零的形式构成，则能够减弱反馈处理的影响，防止发动机负荷变动时运行状态变得不稳定。

又，上述发动机系统中，也可以是所述EGR控制部以使扫气压在规定的压力范围内、且增压器转动数在规定的转动数范围内的形式，生成所述控制信号。

上述发动机系统中，增压器由未被EGR单元吸入的剩余排气气体驱动，所以随着EGR气体流量的变动供给至增压器的排气气体的流量也发生变动。例如，EGR气体流量增多，则供给至增压器的排气气体的流量减小且增压器的转动数变小。此时，新气无法充分升压的结果是扫气压降低，运行状态不稳定，根据情况可能会失火。另一方面，EGR气体流量减小，供给至增压器的扫气气体的流量増大且增压器的转动数变大，扫气压上升。此时，增压器可能会过度转动而损坏，又，发动机主体的最大筒内压力变大从而发动机主体也可能会损坏。因此，如上所述，若构成为以使扫气压在规定的压力范围内、且增压器转动数在规定的转动数范围内的形式生成控制信号的结构，则能防止上述的失火、增压器损坏以及发动机主体损坏。

发明效果：

如上所述，根据上述发动机系统，能在进行EGR气体流量控制时，在发动机负荷变动时稳定运行。

附图说明

图1是发动机系统整体的概略结构图；

图2是发动机系统的控制系统的框图；

图3是根据EGR控制部的控制的流程图；

图4是根据变形例的发动机系统整体的概略结构图。

具体实施方式

以下，参考附图说明本发明的实施形态。以下所有附图中对相同或相当的要素标以同样的符号，省略重复说明。

＜发动机系统的整体结构＞

首先，说明发动机系统100的整体结构。图1是发动机系统100的整体的概略结构图。图1中，粗虚线示出排气气体（EGR气体）的流动，粗实线示出扫气气体的流动。发动机系统100具备发动机主体10、扫气管20、排气管30、增压器40和EGR单元50。

本实施形态的发动机主体10是船舶的推进用主机，是大型的二冲程柴油发动机。但是，发动机主体10也可以是四冲程发动机，也可以是燃气发动机或双燃料发动机。另，四冲程发动机的“进气”与本发明的“扫气”同义。发动机主体10具有多个汽缸11，在各汽缸11内燃料爆炸性燃烧从而驱动活塞12。发动机主体10上设置有向汽缸11供给燃料的燃料供给装置13以及测定发动机转动数的发动机转速计14（均参考图2）。

扫气管20临时容纳扫气气体，将容纳的扫气气体供给至发动机主体10的各汽缸11。新气从增压器40、EGR气体从EGR单元50开始通过扫气配管21分别供给至扫气管20。上述扫气气体中包含该新气和EGR气体。扫气管20上设置有测定扫气压（扫气气体的压力）的扫气压计22、测定扫气管20内的扫气气体的氧气浓度（以下，仅称为“氧气浓度”）的氧气浓度计23。

排气管30临时容纳从发动机主体10的各汽缸11排出的排气气体，将容纳的排气气体通过排气配管31供给至增压器40的涡轮41以及EGR单元50。另，本实施形态中，排气气体的一部分被吸入EGR单元50，未吸入EGR单元50的剩余排气气体全部供给至增压器40的涡轮41。

增压器40具有涡轮41和鼓风机42。向涡轮41通过排气配管31供给排气气体，涡轮41通过该排气气体的能量转动。涡轮41和鼓风机42通过连结传动轴43连结，伴随着涡轮41的转动鼓风机42也转动。鼓风机42转动时，从外部吸入的空气（新气）升压，升压的新气通过扫气配管21以及扫气管20供给至发动机主体10。增压器40上设置测定增压器40的转动数的增压器转速计44。又，扫气配管21上设置有冷却升压的新气的空冷器45。

EGR单元50吸入排气气体的一部分，将吸入的排气气体通过扫气配管21以及扫气管20供给至发动机主体10。另，以下的“EGR气体”是指，EGR单元50内的排气气体，或通过EGR单元50的排气气体。EGR单元50具有连接排气配管31和扫气配管21的EGR配管51。EGR配管51内EGR气体从排气配管31流向扫气配管21。该EGR配管51上，从排气配管31侧依次设置有洗涤器52、EGR气体冷却器53以及EGR鼓风机54。

洗涤器52是将吸入的排气气体洗净的装置。本实施形态的发动机主体10将重油作为燃料，排气气体中包含SOx以及大量的煤烟等。若吸入的排气气体未洗净便返回发动机主体10，则包含于排气气体中的SOx以及煤烟等会对发动机主体10产生不良影响。因此，通过洗涤器52从排气气体中去除SOx以及煤烟等。作为洗净排气气体的方法，有使排气气体通过洗净水的方式，有向排气气体喷射洗净水的方式，有使排气气体通过渗透有洗净水的构件之间的方式等，采用哪种方式都可以。

EGR气体冷却器53是将吸入的排气气体冷却的装置。本实施形态中，EGR气体冷却器53配置于EGR鼓风机54的上游侧。因此，EGR气体冷却器53冷却的排气气体密度变高，体积流量减少。由此，能减轻EGR鼓风机54的负荷。另，EGR气体冷却器53可以配置于EGR鼓风机54的下游侧，也可以配置于洗涤器52的上游侧。此外，EGR气体冷却器53也可以配置于EGR配管51的多个地方。

EGR鼓风机54是使吸入的排气气体升压，且调节从EGR单元50供给至发动机主体10的EGR气体的供给量（EGR气体流量）的装置。另，本实施形态中，该EGR鼓风机54相当于本发明的“EGR气体流量调节部”。本实施形态的EGR鼓风机54是容积型鼓风机，能仅通过控制EGR鼓风机54的转动速度调节EGR气体流量。

＜控制系统的结构＞

接下来，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具备控制发动机系统100整体的控制装置60。控制装置60由CPU、ROM、RAM等构成。

控制装置60与工作人员进行操作的运转操作盘61、发动机转速计14、扫气压计22、氧气浓度计23以及增压器转速计44电气连接。控制装置60基于从这些机械发送的状态信号，能够分别取得目标发动机转动数、发动机转动数（实际发动机转动数）、扫气压、氧气浓度以及增压器转动数的各种发动机状态量。此外，控制装置60基于取得的各种发动机状态量进行种种运算，控制发动机系统100各部。本实施形态中，控制装置60与燃料供给装置13以及EGR鼓风机54电气连接，基于种种运算等的结果，向这些机械发送控制信号。

又，控制装置60作为功能性结构，具有转动控制部62和EGR控制部63。其中转动控制部62控制发动机转动数。操作者通过运转操作盘61设定目标发动机转动数时，转动控制部62基于从运转操作盘61发送的状态信号，取得目标发动机转动数。然后，转动控制部62以使该目标发动机转动数与从发动机转速计14取得的发动机转动数（实际发动机转动数）的偏差为零的形式向燃烧供给装置13发送控制信号（燃料喷射量）。

一方面，EGR控制部63向EGR鼓风机54发送控制信号，控制EGR气体流量。图3是示出根据EGR控制部63的控制的流程的流程图。根据EGR控制部63的控制包括前馈处理、反馈处理以及限度（limit）处理。以下参考图3说明根据EGR控制部63的控制。

＜前馈处理＞

前馈处理中不进行反馈现状的氧气浓度的处理，基于预先存储的数据推定最合适的EGR气体流量。

图3所示的步骤S1到S3相当于前馈处理。EGR控制部63在控制开始时，首先取得发动机状态量（步骤S1）。这里所说的“发动机状态量”是示出发动机系统100的状态的值，包括目标发动机转动数、发动机负荷、扫气压、增压器转动数、氧气浓度。另，发动机负荷能基于发动机转动数和燃料喷射量算出（推定），但也可以从其它发动机状态量算出。

接着，EGR控制部63基于取得的各发动机状态量的值，从预先存储的映射数据算出个别最适EGR气体流量（步骤S2）。EGR控制部63内存储有示出上述多个发动机状态量中除了氧气浓度外的目标发动机转动数、发动机负荷、扫气压、增压器转动数分别与个别最适EGR气体流量的关系的映射数据。然后基于取得的各发动机状态量和对应的映射数据，分别算出个别最适EGR气体流量。

上述映射数据能够根据预先进行的发动机系统100的运转数据来制作。为了制作映射数据，首先，在某一发动机负荷中，以使NOx排出量在环境基准规定的基准值以下、且发动机负荷的振幅在规定以下的形式设定EGR气体流量。然后，将此时的EGR气体流量记录为个别最适EGR气体流量，且记录各发动机状态量。若将其实行于每个发动机负荷，则能够明确各发动机状态量与个别最适EGR气体流量的关系，从而制作映射数据。

另，各映射数据如上述那样制作而成，所以也可认为无论使用哪个发动机状态量，算出的个别最适EGR气体流量全部为同一值。但是，在因周围条件（例如，大气温度、大气压力、海上的风速以及波高）不同而施加于发动机主体10上的负荷与发动机系统100测定时不同时、或发动机负荷变动时（例如，从某发动机负荷向其它发动机负荷转移时的过渡期），各发动机状态量变动的正时或变动率相互不一致，所以每个发动机状态量算出的个别最适EGR气体量的值不同。

接着，EGR控制部63将算出的多个个别最适EGR气体流量中最小的一个选定为最适EGR气体流量（步骤S3）。如后所述，基于此处选定的最适EGR气体流量，生成向EGR鼓风机54发送的控制信号，控制EGR气体流量。若如上述基于在个别最适EGR气体流量中最小的一个对EGR气体流量进行控制，则在运行状态容易不稳定的发动机负荷变动时，将EGR气体流量朝变小的方向控制，所以能维持较高氧气浓度，防止运行状态不稳定。

＜反馈处理＞

接下来说明反馈处理。反馈处理中，在前馈处理选定的最适EGR气体流量中通过反馈氧气浓度加入修正。另，反馈处理终归是在最适EGR气体流量中加入修正的处理，EGR流量的控制较大地依存于最适EGR气体流量。

图3的步骤S4到S7相当于反馈处理。EGR控制部63在步骤S4中算出目标氧气浓度。具体来说，EGR控制部63内存储有示出目标氧气浓度与发动机负荷关系的映射数据，基于该映射数据与取得的发动机负荷算出目标氧气浓度。另，目标氧气浓度是使NOx排出量在环境基准规定的基准值以下、且发动机负荷的振幅在规定以下的氧气浓度。该映射数据也能根据预先进行的发动机系统100的运转数据制作。

接着，EGR控制部63设定反馈增益（步骤S5）。反馈增益是用于调节后述修正量的大小的常数。本实施形态中，根据运行状态设定反馈增益。具体来说，反馈增益设定为在发动机负荷变动时比在发动机负荷整定时小。但是，发动机负荷变动时，也可以设定反馈增益为零。另，“发动机负荷变动时”是说每规定时间的发动机负荷的变化量在规定量以上之时，“发动机负荷整定时”是说每规定时间的发动机负荷的变化量小于规定量之时。

接着，EGR控制部63算出最适EGR气体流量的修正量（步骤S6）。具体来说，利用反馈增益算出使步骤S4算出的目标氧气浓度与从氧气浓度计23取得的氧气浓度（实际氧气浓度）的偏差为零、或接近于零的EGR气体流量的修正量。该修正量的算出可以使用反馈控制的运算。

例如，可在算出修正量时使用比例控制（P控制）的运算的情况下，将上述偏差乘以比例增益后作为修正量。该情况下，比例增益相当于反馈增益。又，使用PID控制的运算的情况下，比例增益之外，积分增益以及微分增益相当于反馈增益。另，如前所述，反馈增益在发动机负荷变动时与发动机负荷整定时不同，所以即使是同样的偏差在发动机负荷变动时和发动机负荷整定时，算出的修正量也不同。

接着，EGR控制部63使步骤S3算出的最适EGR气体流量加上步骤S6算出的修正量（増加量的情况下是正值，减少量的情况下是负值），以此算出修正EGR气体流量（步骤S7）。通过像这样基于氧气浓度进行反馈处理，能将EGR气体流量控制为更合适的值，进而兼顾NOx的排出量的减低与发动机系统100的稳定。

另，在本实施形态中，发动机负荷变动时反馈增益设定为小于发动机负荷整定时的理由如下。即，在前馈处理中，发动机负荷变动时以确保扫气气体的氧气浓度较高的形式控制EGR气体流量。然而，进行反馈处理时，与前馈处理的意图相反，即使在发动机负荷变动时也可能会修正扫气气体的氧气浓度使之降低。因此，发动机负荷变动时将反馈增益设定得较小，以此减弱反馈处理的影响，防止发动机负荷变动时运行状态变得不稳定。

＜限度处理＞

接下来，说明限度处理。限度处理以EGR气体流量在规定的流量范围内的形式进行处理。

图3的步骤S8到S13相当于限度处理。EGR控制部63在步骤S8中，算出EGR气体流量的上限流量以及下限流量。这里，本实施形态中，未被EGR单元50吸入的排气气体全部供给至增压器40的涡轮41，所以EGR气体流量直接影响增压器40的转动数。例如，EGR气体流量过多时，增压器40的转动数降低从而扫气压降低。其结果，运行状态变得不稳定，根据情况可能会失火。因此，本实施形态中设置有EGR气体流量的上限流量。

另一方面，与前述情况相反，EGR气体流量过少时，增压器40可能会过度转动从而损坏，又，扫气压上升且发动机主体10的筒内压力过度上升，可能会损坏发动机主体10。因此，本实施形态中设置有EGR气体流量的下限流量。也就是说，本实施形态中，以扫气压在规定的压力范围内的形式、且以增压器转动数在规定的转动数范围内的形式，设置EGR气体流量的上限流量以及下限流量。

但是，从发动机主体10排出的排气气体的流量根据发动机负荷而不同，所以EGR气体流量的上限流量以及下限流量有必要根据运转状况进行变化。因此，本实施形态中，步骤S8算出EGR气体流量的上限流量以及下限流量。EGR气体流量的上限流量以及下限流量的算出可以基于预先存储的映射数据和取得的发动机负荷进行。

又，作为更加直接的方法，也可以基于扫气压以及增压器转动算出EGR气体流量的上限流量以及下限流量。例如，也可以基于预先存储的映射数据和取得的扫气压算出EGR气体流量的上限流量，且基于预先存储的映射数据和取得的增压器转动数算出EGR气体流量的上限流量，采用这些个别算出的EGR气体流量的上限流量中较小的一方的值。同样地，也可以基于预先存储的映射数据和取得的扫气压算出EGR气体流量的下限流量，且基于预先存储的映射数据和取得的增压器转动数算出EGR气体流量的下限流量，采用这些个别算出的EGR气体流量的下限流量中较大的一方的值。

接着，EGR控制部63判定步骤S7算出的修正EGR气体流量是否小于步骤S8算出的上限流量（步骤S9）。EGR控制部63在步骤S9中，判定修正EGR气体流量不小于上限流量（上限流量以上）时（步骤S9中为否），将与该上限流量对应的控制信号发送至EGR鼓风机54（步骤S10）。由此，EGR鼓风机54以与控制信号对应的转动数转动，EGR气体流量设定为上限流量。因此，能够回避运行状态变得不稳定。

另一方面，EGR控制部63在步骤S9中，判定修正EGR气体流量小于上限流量时（步骤S9中为是），判定修正EGR气体流量是否大于步骤S8算出的下限流量（步骤S11）。EGR控制部63在步骤S11中，判定修正EGR气体流量不大于下限流量（下限流量以下）时（步骤S11中为否），将与下限流量对应的控制信号发送至EGR鼓风机54（步骤S12）。由此，EGR鼓风机54以与控制信号对应的转动数转动，EGR气体流量设定为下限流量。因此，能够回避增压器40或发动机主体10损坏。

另一方面，EGR控制部63判定修正EGR气体流量大于下限流量时（步骤S11中为是），将与修正EGR气体流量对应的控制信号发送至EGR鼓风机54。由此，EGR鼓风机54以与控制信号对应的转动数转动，EGR流量设定为修正EGR气体流量。另，修正EGR气体流量为如前所述算出的量，因此发动机负荷整定时，NOx排出量为环境基准规定的基准值以下，且发动机负荷的振幅为规定以下，发动机负荷变动时运行状态稳定。

另，EGR控制部63经过步骤S10、S12、S13的任一个时，再度回到步骤S1，重复上述步骤S1到S13。

＜变形例＞

以上说明了通过EGR鼓风机54构成调节EGR气体流量的EGR气体流量调节部的情况，但也可以通过EGR鼓风机54以外的机械构成EGR气体流量调节部，也可以将EGR鼓风机54与除此之外的机械组合起来构成EGR气体流量调节部。

例如，也可以如图4所示，设置连接EGR配管51的EGR气体冷却器53的上游部分和EGR鼓风机54的下游部分的旁路配管55，且在该旁路配管55上设置开度可调节的EGR气体流量调节阀56，将EGR鼓风机54和EGR气体流量调节阀56组合起来构成EGR气体流量调节部。又，也可以在图1所示发动机系统100的EGR配管51上直接设置图4所示的流量调节阀56。这些情况下，从控制装置60向EGR鼓风机54以及EGR气体流量调节阀56的一方或双方发送控制信号，控制EGR流量。

符号说明：

10　 发动机主体；

40　 增压器；

50　 EGR单元；

54　 EGR鼓风机（EGR气体流量调节部）；

56　 EGR气体流量调节阀（EGR气体流量调节部）；

63　 EGR控制部；

100　发动机系统。

Claims (4)

1.一种发动机系统，其特征在于，具备：

供给包含EGR气体和新气的扫气气体的发动机主体；

吸入排气气体的一部分并将吸入的排气气体作为EGR气体供给至所述发动机主体，并且具有调节EGR气体流量的EGR气体流量调节部的EGR单元；

由未被所述EGR单元吸入的剩余排气气体驱动，将新气升压并供给至所述发动机主体的增压器；和

向所述EGR气体流量调节部发送控制信号，控制EGR气体流量的EGR控制部；

所述EGR控制部取得目标发动机转动数、发动机负荷、扫气压以及增压器转动数中多个发动机状态量，基于取得的各发动机状态量的值，根据预先存储的映射数据对每个发动机状态量分别算出个别最适EGR气体流量，将算出的多个个别最适EGR气体流量中最小的一个选定为最适EGR气体流量，基于选定的最适EGR气体流量生成所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，

所述EGR控制部也可以是基于取得的发动机负荷算出扫气气体的目标氧气浓度，算出使所述目标氧气浓度与取得的扫气气体的氧气浓度的偏差为零或接近于零的EGR气体流量的修正量，基于所述最适EGR气体流量加上所述修正量的修正EGR气体流量，生成所述控制信号。

3.根据权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，

所述EGR控制部也可以在发动机负荷变动时将调节所述修正量大小的反馈增益设定为比发动机负荷整定时小，或设定为零。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的发动机系统，其特征在于，

所述EGR控制部以使扫气压在规定的压力范围内、且增压器转动数在规定的转动数范围内的形式，生成所述控制信号。

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