CN108495993A - 发动机系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一形态的发动机系统，具备：设置于扫气流路并冷却新气的空气冷却器；设置于EGR流路并以洗净液洗净EGR气体的洗涤器；设置于EGR流路并冷却EGR气体的EGR气体冷却器；以及以维持供给至扫气流路的EGR气体的露点温度低于与该EGR气体合流的新气的温度且低于供给至发动机主体的扫气气体的温度的不凝结状态的形式控制空气冷却器、EGR气体冷却器或这两者的控制部。

Description

发动机系统及控制方法
技术领域
本发明涉及发动机系统及控制方法。
背景技术
使排气气体向发动机进行再循环的排气再循环（Exhaust Gas Recirculation；EGR）技术的NOx排出减少效果较明显，被广泛应用于低环境负荷发动机。该EGR也在船用的大型柴油发动机中有效。但是，由于以重油为燃料的船用的大型柴油发动机的排气气体中含有较多的SOx，所以在使排气气体进行再循环时，一般通过洗涤器洗净该排气气体（EGR气体）（参照专利文献1）。
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：
EGR气体的洗净利用洗净液进行，因此通过洗涤器的EGR气体为饱和状态。因此会有EGR气体若与新气合流并接触，则温度降低并凝结，产生凝缩水的情况。此外，通过洗涤器进行的洗净难以从EGR气体完全去除SOx，EGR气体中稍微含有SOx。若此EGR气体中含有的SOx溶入上述的凝缩水，则扫气流路内产生硫酸雾。而且，在硫酸雾流入发动机时，会产生发动机内的腐蚀易加重且发生缸套的异常摩擦这样的问题。
另，虽然也能在扫气流路上设置水雾捕集器（water mist catcher）并通过水雾捕集器捕集硫酸雾，但硫酸雾中极微小粒径的，无法由水雾捕集器捕集，导致向发动机流入。又，也会有未与新气混合的EGR气体在比水雾捕集器靠近下游的位置接触扫气气体并凝结，产生凝缩水的情况。
本发明鉴于以上的情况而成，目的在于提供一种能抑制EGR气体的凝结带来的凝缩水的产生的发动机系统。
解决问题的手段：
根据本发明的一形态的发动机系统，具备：发动机主体；使从所述发动机主体排出的排气气体向外部放出的排气流路；将EGR气体与新气混合的扫气气体供给至所述发动机主体的扫气流路；将从所述排气流路抽出的排气气体作为EGR气体供给至所述扫气流路的EGR流路；设置于所述扫气流路并冷却新气的空气冷却器；设置于所述EGR流路并以洗净液洗净EGR气体的洗涤器；设置于所述EGR流路并冷却EGR气体的EGR气体冷却器；以及以维持不凝结状态的形式控制所述空气冷却器、所述EGR气体冷却器、或这两者的控制部，所述不凝结状态为供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度低于与该EGR气体合流的新气的温度且低于供给至所述发动机主体的扫气气体的温度的状态。
根据该结构，以使供给至扫气流路的EGR气体的露点温度低于与该EGR气体合流的新气的温度且低于供给至发动机主体的扫气气体的温度的形式进行控制，因此能在供给至扫气流路的EGR气体接触新气或扫气气体时对EGR气体凝结并产生凝缩水进行抑制。
又，上述的发动机系统中，也可以是，所述控制部以如下形式控制所述空气冷却器、所述EGR气体冷却器、或这两者：维持所述不凝结状态，并使与EGR气体合流的新气的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差不超过规定的第一上限值，且供给至所述发动机主体的扫气气体的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差不超过规定的第二上限值。
根据该结构，以与EGR气体合流的新气的温度和供给至扫气流路的EGR气体的露点温度的差不超过规定的第一上限值的形式，且以供给至发动机主体的扫气气体的温度和供给至扫气流路的EGR气体的露点温度的差不超过规定的第二上限值的形式进行控制，因此能防止过度冷却EGR气体从而抑制用于冷却EGR气体的能量的不必要的消耗，又，能防止新气的温度的过度上升从而抑制燃料消耗率的降低。
又，上述的发动机系统中，也可以是，所述控制部在仅以所述EGR气体冷却器的控制能够维持所述不凝结状态的情况下，仅控制所述EGR气体冷却器；在仅以所述EGR气体冷却器的控制无法维持所述不凝结状态的情况下，控制所述EGR气体冷却器及所述空气冷却器这两者。
根据该结构，在仅以EGR气体冷却器的控制能维持不凝结状态的情况下仅控制EGR气体冷却器，因此能通过尽可能避免空气冷却器的控制，防止新气的温度上升，从而抑制发动机主体的燃料消耗率的降低。
又，根据本发明的其他形态的发动机系统，具备：发动机主体；使从所述发动机主体排出的排气气体向外部放出的排气流路；将EGR气体与新气混合的扫气气体供给至所述发动机主体的扫气流路；将从所述排气流路抽出的排气气体作为EGR气体供给至所述扫气流路的EGR流路；设置于所述扫气流路并冷却新气的空气冷却器；设置于所述EGR流路并以洗净液洗净EGR气体的洗涤器；设置于所述EGR流路并冷却EGR气体的EGR气体冷却器；以及控制部，所述控制部在与EGR气体合流的新气的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差在规定的第一下限值以下时，或供给至所述发动机主体的扫气气体的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差在规定的第二下限值以下时，发出规定的警报信号。
根据该结构，当处于EGR气体可能因接触新气或扫气气体而凝结的情况时，控制部发出警报信号。由此，通过警报得知EGR气体可能凝结的工作人员能通过对空气冷却器、EGR气体冷却器或这两者例如借由手动阀来控制冷却水的流量，从而事先防止EGR气体的凝结带来的凝缩水的产生。
此外，根据本发明的一形态的控制方法，是具备发动机主体、使从所述发动机主体排出的排气气体向外部放出的排气流路、将EGR气体与新气混合的扫气气体供给至所述发动机主体的扫气流路、将从所述排气流路抽出的排气气体作为EGR气体供给至所述扫气流路的EGR流路、设置于所述扫气流路并冷却新气的空气冷却器、设置于所述EGR流路并以洗净液洗净EGR气体的洗涤器、以及设置于所述EGR流路并冷却EGR气体的EGR气体冷却器的发动机系统的控制方法，以维持不凝结状态的形式控制所述空气冷却器、所述EGR气体冷却器、或这两者，所述不凝结状态为供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度低于与该EGR气体合流的新气的温度且低于供给至所述发动机主体的扫气气体的温度的状态。
发明效果：
如以上，根据上述的发动机系统，能抑制EGR气体的凝结带来的凝缩水的产生。
附图说明
图1是发动机系统的整体结构图；
图2是发动机系统的控制系统的框图；
图3是发动机系统的控制部进行的控制的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施形态。以下在所有附图上，对相同或相当的要素标以相同的符号，省略重复说明。
＜发动机系统的整体结构＞
首先，对根据实施形态的发动机系统100的整体结构进行说明。图1是发动机系统100的整体结构图。图1中，粗虚线表示排气气体或EGR气体的流动，粗实线表示扫气气体或新气气体的流动。
根据本实施形态的发动机系统100为船用的发动机系统，具备发动机主体10、排气流路20、扫气流路30、EGR单元40以及控制部50。以下，对这些各构成要素依序进行说明。
本实施形态的发动机主体10为所谓的二冲程柴油发动机。扫气气体通过扫气管11从扫气流路30供给至发动机主体10。扫气管11形成为临时容纳扫气气体的结构，扫气管11上设置有测定扫气气体的温度Ts的扫气气体温度传感器12以及测定扫气气体的压力Ps的扫气气体压力传感器13。又，从发动机主体10排出的排气气体临时容纳于排气管14，从排气管14向排气流路20排出。
排气流路20是使从发动机主体10排出的排气气体向外部放出的流路。排气流路20上设置有增压器21的涡轮部22，涡轮部22通过排气气体的能量转动。涡轮部22通过连结轴23与设置在扫气流路30上的压缩机部24连结。因此，涡轮部22转动时，伴随于此压缩机部24也转动。由于压缩机部24转动，因而从外部收入的新气被压缩。
扫气流路30是将扫气气体供给至发动机主体10的流路。扫气流路30上设置有用于冷却增压器21压缩的新气的空气冷却器31，并在空气冷却器31的下游设置有测定空气冷却器31的出口处的新气的温度Ta的空气温度传感器32。空气冷却器31内流有冷却水，能通过控制该冷却水的流量及温度从而调节空气冷却器31的出口处的新气的温度Ta。
通过空气冷却器31的新气在扫气流路30的合流点33上与通过EGR单元40的EGR气体合流，新气与EGR气体混合并生成扫气气体。又，扫气流路30的合流点33上设置有测定合流点33的EGR气体的压力Pe的合流点压力传感器34。此外，比扫气流路30的合流点33靠近下游侧的位置设置有捕集通过扫气流路30的水滴的水雾捕集器35。另，也存在如前所述，极微小径的水滴无法由水雾捕集器35捕集的情况。
EGR单元40是从排气流路20抽出排气气体的一部分，将此排气气体作为EGR气体供给至扫气流路30的单元。EGR单元40具有连接排气流路20的比涡轮部22的位置靠近上游侧的部分和扫气流路30的比压缩机部24及空气冷却器31的位置靠近下游侧的部分的EGR流路41。EGR流路51上，从上游侧依次设置有：利用洗净液洗净EGR气体的洗涤器42、冷却洗涤器42洗净的EGR气体的EGR气体冷却器43、捕集在EGR气体冷却器43产生的凝缩水的EGR水雾捕集器44、对EGR气体进行升压并调节供给至扫气流路30的EGR气体的流量的EGR鼓风机55。
此外，EGR水雾捕集器44的下游设置有分别测定EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的温度Tg及压力Pg的EGR气体温度传感器46及EGR气体压力传感器47。又，EGR气体冷却器43内流有冷却水，能通过控制该冷却水的流量及温度从而调节EGR气体冷却器43的出口处的EGR气体的温度。
另，如前所述，虽然洗涤器52利用洗净液从EGR气体去除SOx及粉尘，但实质上不可能完全去除EGR气体中包含的SOx。因此，供给至扫气流路30的EGR气体中稍微含有SOx，若该SOx溶入扫气流路30内的水滴，则产生硫酸雾。
控制部50作为对发动机系统100整体进行控制的部分，由CPU、ROM、RAM等构成。图2是发动机系统100的控制系统的框图。如图2所示，控制部50与扫气气体温度传感器12、扫气气体压力传感器13、空气温度传感器32、合流点压力传感器34、EGR气体温度传感器46及EGR气体压力传感器47电气连接。控制部50能基于从这些设备发送的测定信号，分别取得扫气气体的温度Ts、扫气气体的压力Ps、空气冷却器31的出口处的新气的温度（以下称为“新气温度”）Ta、合流点33上的EGR气体的压力Pe、EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的温度Tg及EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的压力Pg的各种测定值。
此外，控制部50基于取得的各种测定值进行种种运算，控制发动机系统100整体。本实施形态中，控制部50与空气冷却器31及EGR气体冷却器43电气连接，基于种种运算等的结果，向这些设备发送控制信号，调节新气的温度及EGR气体的温度。具体而言，控制部50以防止出现EGR气体因接触新气或扫气气体而被冷却，结果其被凝结而产生凝缩水的情况的形式进行控制。更为具体的控制内容见后述。
＜控制内容＞
接着，说明控制部50的控制的内容。图3是示出控制部50的控制的流程的流程图。如图3所示，控制开始时，首先，控制部50从各种传感器接收测定信号，基于这些测定信号取得各种测定值（步骤S1）。
接下来，控制部50基于步骤S1中取得的各种测定值算出合流点33上的EGR气体的露点温度（以下仅称为“露点温度”）Te。露点温度Te［℃］可由以下的式（1）算出。另，在之后的公式中，假定EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体为饱和水蒸气（湿度100%RH）。
[算式1]
。
上述的式（1）中的y可利用合流点33上的EGR气体的水蒸气分压P1［Pa］而由以下的式（2）表示。
[算式2]
。
又，式（2）的合流点33上的EGR气体的水蒸气分压P1可利用EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的绝对湿度η0［kg/kg］及合流点33上的EGR气体的压力Pe［Pa］而由以下的式（3）算出。其中，合流点33上的EGR气体的压力Pe可以用步骤S1中取得的值。另，合流点33上的EGR气体的压力Pe也可以用扫气气体的压力Ps的值。
[算式3]
。
又，EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的绝对湿度η0可利用EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的水蒸气压P0［Pa］及压力Pg［Pa］而由以下的式（4）算出。其中，EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的压力Pg可以用步骤S1中取得的值。
[算式4]
。
又，EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的水蒸气压P0可利用EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的温度Tg［℃］而由以下的式（5）（泰登（Tetens）公式）算出。EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的温度Tg可以用步骤S1中取得的值。
[算式5]
。
如以上，若使用步骤S1中取得的各种测定值和上述的式（1）至式（5），则能算出露点温度Te。但露点温度Te也可由上述以外的方法算出。例如也可以是，若在经验上判明露点温度Te比EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的温度Tg高出例如约2℃，则将EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的温度Tg加2℃后的值作为露点温度Te。又，本实施形态中，进行露点温度Te的算出时利用EGR水雾捕集器44的出口处的EGR气体的温度Tg及压力Pg，但作为代替也可以利用例如EGR水雾捕集器44的入口处的EGR气体的温度及压力。
接下来，控制部50判定新气温度Ta减露点温度Te而得的值是否大于规定的第一下限值（例如2℃）（步骤S3）。即判定是否新气温度Ta高于露点温度Te且其差大于第一下限值。新气温度Ta减露点温度Te而得的值大于第一下限值时（步骤S3中为是），进入步骤S5。这种情况下，即便EGR气体与新气合流， EGR气体的温度下降至新气温度Ta，其温度也在某种程度上高于EGR气体的露点温度Te（因为有富余），因此不会产生EGR气体与新气合流带来的凝结。
另一方面，新气温度Ta减露点温度Te而得的值不大于第一下限值时（步骤S3中为否），可能发生EGR气体与新气合流时EGR气体凝结并产生凝缩水的情况。这种情况下，控制部50控制EGR气体冷却器43，降低EGR气体冷却器43的出口处的EGR气体的温度（步骤S4）。由此露点温度Te降低，能避免EGR气体与新气合流带来的凝结。
步骤S5中，判定扫气气体的温度Ts减露点温度Te而得的值是否大于规定的第二下限值（例如2℃）。扫气气体的温度Ts减露点温度Te而得的值大于第二下限值时（步骤S5中为是），不会发生因EGR气体与扫气气体接触而凝结的情况。这种情况下，进入步骤S6。另，第一下限值及第二下限值可以互为相同值，也可以为另外的值。又，第一下限值及第二下限值也可以为零。
另一方面，扫气气体的温度Ts减露点温度Te而得的值不大于规定的下限值时（步骤S5中为否），可能发生EGR气体与扫气气体接触时EGR气体凝结的情况。这种情况下，控制部50控制EGR气体冷却器43，降低EGR气体冷却器43的出口处的EGR气体的温度（步骤S4）。由此露点温度Te降低，能避免EGR气体与扫气气体接触带来的凝结。
步骤S6中，判定新气温度Ta减露点温度Te而得的值是否小于规定的第一上限值（例如5℃）。即判定露点温度Te是否太过低于新气温度Ta。新气温度Ta减露点温度Te而得的值不小于（大于）第一上限值时（步骤S6中为否），露点温度Te低至不必要的程度，因此控制部50控制EGR气体冷却器43，使EGR气体冷却器43的出口处的EGR气体的温度上升（步骤S7）。由此能抑制EGR气体冷却器43中的用于冷却EGR气体的能量的消耗。
另一方面，新气温度Ta减露点温度Te而得的值小于规定的第一上限值时（步骤S6中为是），进入步骤S8。步骤S8中，判定扫气气体的温度Ts减露点温度Te而得的值是否小于规定的第二上限值（例如5℃）。扫气气体的温度Ts减露点温度Te而得的值不小于（大于）第二上限值时（步骤S8中为否），露点温度Te低至需要以上的程度，因此控制部50控制EGR气体冷却器43，使EGR气体冷却器43的出口处的EGR气体的温度上升（步骤S7）。另，第一上限值及第二上限值可以互为相同值，也可以为另外的值。但第一上限值大于第一下限值，第二上限值大于第二下限值。
又，扫气气体的温度Ts减露点温度Te而得的值小于第二上限值时（步骤S8中为是），返回步骤S1，重复步骤S1至S8。同样地，当处于在步骤S4中降低EGR气体冷却器43的出口处的EGR气体的温度的情况，以及处于在步骤S7中使EGR气体冷却器43的出口处的EGR气体的温度上升的情况下时，也返回步骤S1，重复步骤S1至S8。
控制部50通过进行上述的控制，能维持即便EGR气体接触新气或扫气气体也没有凝结的担忧的状态（不凝结状态），并且能抑制EGR气体冷却器43中不必要的能量的消耗。
另，上述控制中，步骤S4中仅控制EGR气体冷却器43，但也可以代替仅对EGR气体冷却器43的控制，或与EGR气体冷却器43的控制一起控制空气冷却器31。具体而言，上述的步骤S4中，控制部50通过控制空气冷却器31并使空气冷却器31的出口处的新气的温度（新气温度）Ta上升也能维持即便EGR气体接触新气或扫气气体也不凝结的不凝结状态。
但若使新气温度Ta上升，则发动机主体10的燃料消耗率降低。因此也可以是，控制部50在仅以EGR气体冷却器43的控制（在EGR气体冷却器43的最大冷却能力的范围内）能够维持不凝结状态的情况下仅控制EGR气体冷却器43，在仅以EGR气体冷却器43的控制无法维持不凝结状态的情况下控制EGR气体冷却器43及空气冷却器31这两者。根据该结构，能以防止新气温度Ta极力上升的形式进行控制，因此能抑制发动机主体10的燃料消耗率的降低。
又，上述的EGR单元40中，洗涤器42的下游配置有EGR气体冷却器43，但也可以在洗涤器42的上游配置EGR气体冷却器43。此外，EGR单元40也可以具有多个洗涤器42，还可以具有多个EGR气体冷却器43。例如也可以在EGR气体冷却器43的上游设置第一段洗涤器42（副洗涤器），在EGR气体冷却器43的下游设置第二段洗涤器42（主洗涤器）。像这样的结构，若能测定EGR气体的温度Tg及压力Pg，则也能进行与前述控制同样的控制。
另，上述的实施形态中，对由控制部50控制空气冷却器31、EGR气体冷却器43或这两者的情况进行了说明，但该控制也可以由工作人员进行。即，也可以是，控制部50在存在EGR气体凝结的可能性时向工作人员警告，工作人员控制空气冷却器31、EGR气体冷却器43或这两者。具体而言，也可以是，控制部50在与EGR气体合流的新气的温度和供给至扫气流路30的EGR气体的露点温度的差在规定的第一下限值以下时，或在供给至发动机主体10的扫气气体的温度和供给至扫气流路30的EGR气体的露点温度的差在规定的第二下限值以下时，向扬声器、显示器等报知设备发出警报信号。即，也可以是，在图3的步骤S3及S5中为否时，控制部50在步骤S4中发出规定的警报信号。这种情况下也能通过工作人员对阀等的控制（操作），从而事先防止EGR气体的凝结带来的凝缩水的产生。
符号说明：
10　 发动机主体；
20　 排气流路；
30　 扫气流路；
31　 空气冷却器；
35　 水雾捕集器；
41　 EGR流路；
42　 洗涤器；
43　 EGR气体冷却器；
50　 控制部；
100　发动机系统。

Claims (5)

1.一种发动机系统，其特征在于，
具备：发动机主体；
使从所述发动机主体排出的排气气体向外部放出的排气流路；
将EGR气体与新气混合的扫气气体供给至所述发动机主体的扫气流路；
将从所述排气流路抽出的排气气体作为EGR气体供给至所述扫气流路的EGR流路；
设置于所述扫气流路并冷却新气的空气冷却器；
设置于所述EGR流路并以洗净液洗净EGR气体的洗涤器；
设置于所述EGR流路并冷却EGR气体的EGR气体冷却器；以及
以维持不凝结状态的形式控制所述空气冷却器、所述EGR气体冷却器、或这两者的控制部，所述不凝结状态为供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度低于与该EGR气体合流的新气的温度且低于供给至所述发动机主体的扫气气体的温度的状态。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，
所述控制部以如下形式控制所述空气冷却器、所述EGR气体冷却器、或这两者：维持所述不凝结状态，并使与EGR气体合流的新气的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差不超过规定的第一上限值，且供给至所述发动机主体的扫气气体的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差不超过规定的第二上限值。
3.根据权利要求1或2所述的发动机系统，其特征在于，
所述控制部在仅以所述EGR气体冷却器的控制能够维持所述不凝结状态的情况下，仅控制所述EGR气体冷却器；在仅以所述EGR气体冷却器的控制无法维持所述不凝结状态的情况下，控制所述EGR气体冷却器及所述空气冷却器这两者。
4.一种发动机系统，其特征在于，
具备：发动机主体；
使从所述发动机主体排出的排气气体向外部放出的排气流路；
将EGR气体与新气混合的扫气气体供给至所述发动机主体的扫气流路；
将从所述排气流路抽出的排气气体作为EGR气体供给至所述扫气流路的EGR流路；
设置于所述扫气流路并冷却新气的空气冷却器；
设置于所述EGR流路并以洗净液洗净EGR气体的洗涤器；
设置于所述EGR流路并冷却EGR气体的EGR气体冷却器；以及
控制部，所述控制部在与EGR气体合流的新气的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差在规定的第一下限值以下时，或供给至所述发动机主体的扫气气体的温度和供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度的差在规定的第二下限值以下时，发出规定的警报信号。
5.一种控制方法，其特征在于，
是具备发动机主体、
使从所述发动机主体排出的排气气体向外部放出的排气流路、
将EGR气体与新气混合的扫气气体供给至所述发动机主体的扫气流路、
将从所述排气流路抽出的排气气体作为EGR气体供给至所述扫气流路的EGR流路、
设置于所述扫气流路并冷却新气的空气冷却器、
设置于所述EGR流路并以洗净液洗净EGR气体的洗涤器、以及
设置于所述EGR流路并冷却EGR气体的EGR气体冷却器的发动机系统的控制方法，
以维持不凝结状态的形式控制所述空气冷却器、所述EGR气体冷却器、或这两者，所述不凝结状态为供给至所述扫气流路的EGR气体的露点温度低于与该EGR气体合流的新气的温度且低于供给至所述发动机主体的扫气气体的温度的状态。
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