CN110998082B - 发动机系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明一形态的发动机系统具备从扫气流路或从EGR流路的比EGR鼓风机靠近下游处取入气体，将取入的气体作为循环气体向EGR流路的比EGR鼓风机靠近上游处供给的循环流路，当从排气流路抽出的排气气体的目标抽出量为规定的下限值以下时，以使通过EGR鼓风机的气体的总量多于所述下限值的形式，将循环气体向EGR流路的比EGR鼓风机靠近上游处供给。

Description

发动机系统

技术领域

本发明涉及发动机系统。

背景技术

为了应对近年逐渐加强的排气规定，大型船舶用发动机系统中会进行从排气流路抽出排气气体，并将抽出的排气气体引入扫气流路的扫气气体从而向发动机主体循环的排气再循环（Exhaust Gas Recirculation；EGR）（例如参见专利文献1）。通过实施EGR以此降低扫气气体的氧气浓度，汽缸内的燃烧时间变长，结果燃烧最高温度下降，能抑制NOx的排出量。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2017-160799号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

不过，在汽车用发动机系统等较多采用的4冲程型柴油发动机的情况下，由于通过活塞的上升进行排气，因此排气行程中一般而言相比于扫气流路（进气流路），排气流路的压力较高，从而若以连接扫气流路和排气流路的形式设置EGR流路，则EGR流路内排气气体自然从排气流路流向扫气流路。因此，若在EGR流路上设置开闭控制阀，调节开闭控制阀的开度，则能调节从排气流路供给至扫气流路的排气气体的供给量，即从排气流路抽出的排气气体的抽出量。

相对于此，在大型船舶用的发动机系统等较多采用的2冲程型发动机的情况下，通过扫气气体压出汽缸内的排气气体因此一般而言相比于扫气流路，排气流路的压力较低，从而为了从排气流路向扫气流路供给排气气体，仅设置EGR流路是不够的，需要在EGR流路上设置EGR鼓风机。此时，为调节排气气体的抽出量而通常会控制EGR鼓风机的转速。不过，根据发动机的运行状态所必要的排气气体的抽出量大不相同，因此假若使排气气体的抽出量与发动机的运行状況无关而为一定，则存在排气气体的抽出量不是最适量的情况，排气气体的抽出量多于最适量时可能会因氧气不足而失火，相反地少于最适量时燃烧温度无法充分下降而无法提高NOx抑制效果。排气气体的必要抽出量较少的情况下会降低EGR鼓风机的转速，但由于低旋转域内难以稳定控制鼓风机转速从而有时不能细致控制排气气体的抽出量，又有时达不到鼓风机放热特性的可连续运行转速。

本发明鉴于上述而成，目的在于提供一种即使在从排气流路抽出的排气气体的抽出量较少的情况下，也能维持排气气体抽出量的控制性的发动机系统。

解决问题的手段：

根据本发明一形态的发动机系统具备：发动机主体，将所述发动机主体内产生的排气气体排出的排气流路，向所述发动机主体供给扫气气体的扫气流路，从所述排气流路抽出排气气体并向所述扫气流路供给的EGR流路，设于所述EGR流路的EGR鼓风机，从所述扫气流路或从所述EGR流路的比所述EGR鼓风机靠近下游处取入气体，将取入的气体作为循环气体向所述EGR流路的比所述EGR鼓风机靠近上游处供给的循环流路，调节所述循环气体的供给量的循环气体调节部，和控制所述EGR鼓风机及所述循环气体调节部的控制装置，所述控制装置如下控制：在从所述排气流路抽出的排气气体的目标抽出量为规定的下限值以下时，以使通过所述EGR鼓风机的气体的总量多于所述下限值的形式，将所述循环气体向所述EGR流路的比所述EGR鼓风机靠近上游处供给。

根据该结构，即使在从排气流路抽出的排气气体的抽出量较少的情况下，也能使通过EGR鼓风机的气体的总量多于下限值，从而抑制EGR鼓风机的转速下降并维持排气气体抽出量的控制性。

也可以是，在上述发动机系统中，所述循环流路形成为从所述扫气流路的比所述EGR流路合流的合流点靠近下游处取入所述循环气体的结构。

在扫气流路的合流点处，在扫气流路的比合流点靠近上游处流动的扫气气体（新气）与EGR流路内流动的气体合流。因此，扫气流路的比合流点靠近下游处相比于扫气流路的比合流点靠近上游处或EGR流路，流路较大地形成。因此，在扫气流路的比合流点靠近下游处，扫气气体的流动比较稳定。因此，如上述，根据从扫气流路的下游抽出循环气体的结构，能向EGR流路供给稳定的循环气体。

也可以是，上述发动机系统中，所述扫气流路具有暂时积存扫气气体后向所述发动机主体供给的扫气腔室，所述循环流路形成为从所述扫气腔室取入所述循环气体的结构。

由于扫气腔室内压力变动较少，如上述，根据从扫气腔室抽出循环气体的结构，能向EGR流路供给更稳定的循环气体。

也可以是，上述发动机系统中，所述控制装置如下构成：在所述目标抽出量为所述下限值以下时，使所述EGR鼓风机的转速为一定从而使通过该EGR鼓风机的气体的总量为一定，并且以使通过所述EGR鼓风机的气体中含有的排气气体的量为所述目标抽出量的形式，调节所述循环气体的供给量，当所述目标抽出量多于所述下限值时，停止所述循环气体的供给，并且以使通过所述EGR鼓风机的气体的总量为所述目标抽出量的形式，调节所述EGR鼓风机的转速。

该结构中，在目标抽出量为下限值以下时使EGR鼓风机的转速为一定并调节循环气体的流量，另一方面，当目标抽出量多于下限值时停止循环气体的供给并调节EGR鼓风机的转速。即，根据目标抽出量仅调节EGR鼓风机的转速或循环气体的流量中任一个，因此能使排气气体的抽出量的调节简单化。

也可以是，上述发动机系统中，具备检测扫气气体的氧气浓度的氧气浓度计，所述控制装置形成为基于所述氧气浓度计检测出的氧气浓度设定所述目标抽出量的结构。

根据该结构，基于氧气浓度计检测出的氧气浓度设定目标抽出量，因此能适当调节从发动机系统排出的NOx的排出量。

发明效果：

根据上述结构，即使在从排气流路抽出的排气气体的抽出量较少的情况下，也能维持排气气体抽出量的控制性。

附图说明

图1是发动机系统的整体图；

图2是发动机系统的控制系统的结构的框图；

图3是控制程序的流程图；

图4是氧气浓度控制的控制框图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施形态。以下所有附图中相同或相当要素标以相同符号，省略重复的说明。

＜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的整体图。本实施形态的发动机系统100为大型船舶用的发动机系统，具备发动机主体10、排气流路20、增压机30、扫气流路40、EGR流路50、EGR鼓风机60、循环流路70和循环气体调节部80。以下依次说明该些结构要件。

本实施形态的发动机主体10为船舶的推进用主机，是大型的2冲程柴油发动机。发动机主体10具有多个汽缸11，各汽缸11内燃料爆发燃烧从而驱动活塞12。发动机主体10内设有向汽缸11供给燃料的燃料供给装置13及检测发动机转速的发动机旋转计14（均参见图2）。

排气流路20是将汽缸11内燃料的爆发燃烧而产生的排气气体向外部排出的流路。排气流路20具有位于发动机主体10的出口附近的排气腔室21。发动机主体10内产生的排气气体暂时积存于排气腔室21后，向外部排出。

增压机30是压缩扫气气体（新气）的装置。增压机30具有设于排气流路20的涡轮部31、设于扫气流路40的压缩部32以及连结涡轮部31和压缩部32的连结轴33。涡轮部31通过排气气体的能量旋转，压缩部32也随之旋转。通过压缩部32旋转压缩从外部取入的扫气气体（新气）。

扫气流路40是向发动机主体10供给扫气气体的流路。被增压机30压缩的扫气气体在扫气流路40内流动，在合流点41与从EGR流路50供给的气体合流后向发动机主体10供给。扫气流路40具有位于发动机主体10的入口附近的扫气腔室42。扫气腔室42内暂时积存扫气气体后，向发动机主体10供给。又，扫气流路40的扫气腔室42设有检测扫气气体的氧气浓度的氧气浓度计43。另，氧气浓度计43的设置部位不限于扫气腔室42。例如，氧气浓度计43也可设于扫气流路40的合流点41与扫气腔室42之间。

EGR流路50是从排气流路20抽出排气气体并将抽出的排气气体向扫气流路40供给的流路。EGR流路50连结如下两部分：比排气流路20的排气腔室21靠近下游侧且比涡轮部31靠近上游侧的部分；比扫气流路40的压缩部32靠近下游侧且比扫气腔室42靠近上游侧的部分。

EGR鼓风机60是设于EGR流路50，将从排气流路20抽出的排气气体向扫气流路40供给的装置。本实施形态的EGR鼓风机60是转速与送风量成比例的容积式的鼓风机，更具体而言是罗茨鼓风机。不过，EGR鼓风机60也可以是涡轮式等容积式以外的鼓风机。另，EGR鼓风机60在送风量少而转速低时，控制送风量的控制性会下降。又，本实施形态的EGR鼓风机60是通过EGR鼓风机60自身旋转驱动冷却机构的自冷式的鼓风机。因此，EGR鼓风机60还存在转速低时无法充分驱动冷却机构，冷却效果下降的问题。

循环流路70是将循环气体向EGR流路50的比EGR鼓风机60靠近上游处供给的流路。本实施形态的循环流路70从扫气腔室42取入扫气气体，将取入的扫气气体作为“循环气体”向EGR流路50的比EGR鼓风机60靠近上游处供给。不过，循环流路70也可以从扫气流路40的扫气腔室42以外的部分（包括合流点41和扫气腔室42之间的部分）取入气体，并将该气体作为循环气体，而且也可以从EGR流路50的比EGR鼓风机60靠近下游处取入气体，并将该气体作为循环气体。

不过，由于在扫气流路40的合流点41使排气气体（新气）与EGR流路50内流动的气体合流，所以比合流点41靠近下游处与扫气流路40的比合流点41靠近上游处或EGR流路50相比，流路较大地形成。因此，在扫气流路40的比合流点41靠近下游处，扫气气体的流动比较稳定。因此，根据循环流路70从扫气流路40的下游取入而将气体作为循环气体的结构，能将稳定的循环气体供给至EGR流路50。

此外，扫气腔室42内压力变动较少，因此能如本实施形态所示，根据循环流路70将从扫气腔室42取入的气体作为循环气体的结构，能向EGR流路50供给更稳定的循环气体。

循环气体调节部80是调节供给至EGR流路50的循环气体的供给量的部分。本实施形态的循环气体调节部80为开闭阀，使该开闭阀的开度变化从而能调节循环气体的供给量。又，循环气体调节部80也可以是可调节流量的节流机构。又，循环气体调节部80不限于开闭阀，例如也可为鼓风机。此时，改变鼓风机的转速，从而能调节循环气体的供给量。

＜控制系统的结构＞

接着，说明本实施形态的发动机系统100的控制系统的结构。图2是发动机系统100的控制系统的结构的框图。如图2所示，本实施形态的发动机系统100具备控制装置90。控制装置90具有处理器、易失性存储器、非易失性存储器及I/O接口等。

控制装置90与运行操作盘91、发动机旋转计14及氧气浓度计43电气连接。另，运行操作盘91由作业者操作，输入包含目标发动机转速的运行条件。控制装置90能基于从上述各机器发送的信号，分别取得目标发动机转速、发动机转速（实际发动机转速）及扫气气体的氧气浓度（实际氧气浓度）。

又，控制装置90与燃料供给装置13、EGR鼓风机60及循环气体调节部80电气连接，向该些机器发送控制信号从而控制各机器。此外，控制装置90在非易失性存储器中保存后述的控制程序及各种数据，处理器基于该控制程序利用易失性存储器进行运算处理。

＜控制程序＞

接着说明控制程序。图3是控制程序的流程图。图3示出的处理由控制装置90执行。

如图3所示控制开始，则首先控制装置90基于从各机器发送的信号取得运行信息（步骤S1）。具体而言，控制装置90基于从运行操作盘91、发动机旋转计14及氧气浓度计43发送的信号，分别取得目标发动机转速、实际发动机转速及实际氧气浓度。

接着，控制装置90计算出使目标发动机转速和实际发动机转速的差为零的燃料喷射量，基于算出的燃料喷射量向燃料喷射装置13发送控制信号（步骤S2）。

接着，控制装置90计算出扫气气体的目标氧气浓度（步骤S3）。控制装置90存储表示目标氧气浓度和发动机负荷的关系的映射数据，基于该映射数据和发动机负荷计算出目标氧气浓度。另，发动机负荷能从实际发动机转速和燃料喷射量算出（推定）。

接着，控制装置90计算出从排气流路20抽出的排气气体的目标抽出量（步骤S4）。具体而言，基于目标氧气浓度和实际氧气浓度的差以及发动机负荷，计算出目标抽出量。例如，实际氧气浓度低于目标氧气浓度时，有必要减少扫气气体中的排气气体的比例，增加扫气气体中的氧气量。因此，此时目标抽出量变少。又，例如，发动机负荷较大时，向发动机主体10供给的扫气气体的量也变多，所以目标抽出量也变多。

接着，控制装置90判断步骤S4中算出的目标抽出量是否为预定的下限值以下（步骤S5）。此处，上述的“下限值”是指EGR鼓风机60对少于该下限值的量的气体进行送风时，转速变得过低从而控制性恶化的量。换言之，EGR鼓风机60的送风量为下限值以下时，控制性恶化。

步骤S5中，判断为目标抽出量为下限值以下时（步骤S5中为是），控制装置90以使通过EGR鼓风机60的气体的总量多于下限值的形式，向EGR流路50的比EGR鼓风机60靠近上游处供给循环气体（步骤S6）。由此，即使是排气气体的抽出量较少的情况，也能使通过EGR鼓风机60的气体的总量多于下限值，从而能将EGR鼓风机60的转速维持在一定以上，能确保控制性。

更具体而言，控制装置90在步骤S6中，使EGR鼓风机60的转速为一定从而使通过EGR鼓风机60的气体的总量为一定，并且以使通过EGR鼓风机60的气体所包含的排气气体的量为目标抽出量的形式，调节循环气体的供给量。换言之，使通过EGR鼓风机60的气体的总量为一定，同时在排气气体的量少于目标抽出量的情况下减少循环气体的供给量而增加排气气体的抽气量，在排气气体的量多于目标抽出量的情况下增加循环气体的供给量而减少排气气体的抽气量。

一方面，步骤S5中，判断为目标抽出量多于下限值时（步骤S5中为否），控制装置90停止循环气体的供给从而使供给量为零（步骤S7）。当然，目标抽出量多于下限值的情况下，即使不供给循环气体，通过EGR鼓风机60的气体的总量也多于下限值，所以能确保控制性。

更具体而言，控制装置90在步骤S7中，停止循环气体的供给，并且以使通过EGR鼓风机60的气体（即从排气流路20抽出的排气气体）的总量为目标抽出量的形式控制EGR鼓风机60的转速。换言之，通过EGR鼓风机60的气体的总量（送风量）若少于目标抽出量则增加转速，若多于目标抽出量则减少转速。

如以上，本实施形态中，以使从排气流路20抽出的排气气体的抽出量为目标抽出量的形式进行调节时，目标抽出量为下限值以下时仅调节循环气体的供给量，目标抽出量多于下限值时仅调节EGR鼓风机60的转速，因此能使控制简单化。另，经过上述步骤S6及步骤S7后，再次返回步骤S1重复步骤S1至S7。

另，以上说明了计算排气气体的目标抽出量的情况以明确控制程序的主旨，但实际上不计算排气气体的目标抽出量，根据例如图4所示的氧气浓度控制也能得到与上述控制程序相同的作用效果。图4所示的氧气浓度控制如图示基于目标氧气浓度和实际氧气浓度的差进行运算。而且，由氧气浓度控制的运算得到的操作量小于与上述目标抽出量的下限值（参照步骤S5）相对应的值时，将EGR鼓风机60的转速设定为一定，另一方面以使循环气体调节部80（此处为控制阀）的开度随着操作量增加而减小的形式进行设定。又，操作量大于与上述目标抽出量的下限值所对应的值时，使EGR鼓风机60的转速随着操作量増加而设定为较大，另一方面将循环气体调节部80（控制阀）设定为全闭。

符号说明：

10 发动机主体

20 排气流路

40 扫气流路

41 合流点

42 扫气腔室（chamber）

43 氧气浓度计

50 EGR流路

60 EGR鼓风机

70 循环流路

80 循环气体调节部

90 控制装置

100 发动机系统。

Claims (3)

1.一种发动机系统，具备：

发动机主体；

排出所述发动机主体内产生的排气气体的排气流路；

向所述发动机主体供给扫气气体的扫气流路；

从所述排气流路抽出排气气体向所述扫气流路供给的EGR流路；

设于所述EGR流路的EGR鼓风机；

从所述EGR流路的比所述EGR鼓风机靠近下游处取入气体，将取入的气体作为循环气体向所述EGR流路的比所述EGR鼓风机靠近上游处供给的循环流路；

调节所述循环气体的供给量的循环气体调节部；以及

控制所述EGR鼓风机及所述循环气体调节部的控制装置；

所述控制装置如下控制：在从所述排气流路抽出的排气气体的目标抽出量为规定的下限值以下时，以使通过所述EGR鼓风机的气体的总量多于所述下限值的形式，将所述循环气体向所述EGR流路的比所述EGR鼓风机靠近上游处供给，此时，所述控制装置在所述目标抽出量为所述下限值以下时，使所述EGR鼓风机的转速为一定从而使通过该EGR鼓风机的气体的总量为一定，并且以使从所述排气流路抽出的排气气体的量为所述目标抽出量的形式调节所述循环气体的供给量，在所述目标抽出量多于所述下限值时，停止所述循环气体的供给，并且以使通过所述EGR鼓风机的气体的总量为所述目标抽出量的形式调节所述EGR鼓风机的转速。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，

所述扫气流路具有暂时积存扫气气体后向所述发动机主体供给的扫气腔室，

所述循环流路从所述扫气腔室取入所述循环气体。

3.根据权利要求1或2所述的发动机系统，其特征在于，

具备检测扫气气体的氧气浓度的氧气浓度计，

所述控制装置基于所述氧气浓度计检测出的氧气浓度设定所述目标抽出量。

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