JP5886356B2 - Engine system and control method - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンからの窒素酸化物(NOx)の排出量を低減させるために、水エマルジョン燃料を使用したり、排気ガスの一部をエンジンに戻す排気再循環(EGR;Exhaust Gas Recirculation)を行うエンジンシステムに関する。また、このエンジンシステムの制御方法に関する。 The present invention uses exhaust gas recirculation (EGR) that uses water emulsion fuel or returns part of the exhaust gas to the engine in order to reduce nitrogen oxide (NOx) emissions from the engine. It relates to the engine system to be performed. The present invention also relates to a method for controlling the engine system.
エンジンからのNOxの排出量を低減させる方法の1つとして、排気ガスの一部をエンジンに戻すEGRがある。排気ガスの一部をエンジンに戻すことにより、酸素濃度が低い状態で燃焼が行われ、その結果、燃焼温度が低下してNOxの生成が抑制される。ただし、EGRを行う場合、EGR率(掃気ガスにおけるEGRガスの割合)を大きくすることで十分なNOx低減効果を得ることができるものの、条件によっては燃費が悪化したり、排気ガスに含まれるすすの量が増加したりするなどの問題がある。 One method for reducing NOx emissions from the engine is EGR that returns a portion of the exhaust gas to the engine. By returning a part of the exhaust gas to the engine, combustion is performed in a state where the oxygen concentration is low. As a result, the combustion temperature is lowered and the generation of NOx is suppressed. However, when performing EGR, a sufficient NOx reduction effect can be obtained by increasing the EGR rate (the ratio of the EGR gas in the scavenging gas), but depending on the conditions, the fuel consumption may deteriorate or the soot contained in the exhaust gas There is a problem such as the amount of increase.
一方、エンジンから排出されるNOxの量を低減させる他の方法として、純燃料(水が添加されていない燃料)に水を添加した水エマルジョン燃料を使用する方法がある。水エマルジョン燃料を使用することにより、水の気化熱によって燃焼温度が低下し、NOxの生成を抑制することができる。また、水エマルジョン燃料内の水が気化・蒸発すると、水粒子を取り囲んでいた純燃料が飛散し、飛散した純燃料は径の小さい粒子となる。これにより、水エマルジョン燃料内の純燃料は体積あたりの表面積、すなわち酸素と接する面積が大きくなり、局部的な不完全燃焼が少なくなる。その結果、燃焼効率が高まって、すすの発生量が抑えられる。このように、水エマルジョン燃料を使用する場合、NOx低減効果は大きくはないものの排気ガスに含まれるすすの量が抑えられる。また、ある程度の水添加率までは燃費がほとんど悪化しないという利点もある。 On the other hand, as another method of reducing the amount of NOx discharged from the engine, there is a method of using water emulsion fuel obtained by adding water to pure fuel (fuel to which water is not added). By using the water emulsion fuel, the combustion temperature is lowered by the heat of vaporization of water, and the generation of NOx can be suppressed. Further, when the water in the water emulsion fuel is vaporized and evaporated, the pure fuel surrounding the water particles is scattered, and the scattered pure fuel becomes particles having a small diameter. Thereby, the pure fuel in the water emulsion fuel has a large surface area per volume, that is, an area in contact with oxygen, and local incomplete combustion is reduced. As a result, the combustion efficiency is increased and the amount of soot generated is suppressed. As described above, when the water emulsion fuel is used, the amount of soot contained in the exhaust gas is suppressed although the NOx reduction effect is not large. In addition, there is an advantage that fuel consumption hardly deteriorates until a certain amount of water is added.
下記の特許文献1に記載のエンジンでは、EGRガスの流量を一定とする制御を行っており、掃気ガスの流量の減少に伴ってEGR率が増加すると、純燃料から水エマルジョン燃料へと燃料を切り替えている(図1及び図2参照)。これにより、特許文献1に記載のエンジンは、EGR率が高いとき、具体的にはエンジン負荷が75%よりも低いときにおける、すすの過剰な発生を回避しようとしている。 In the engine described in Patent Document 1 below, control is performed to keep the flow rate of EGR gas constant, and when the EGR rate increases with a decrease in the flow rate of scavenging gas, fuel is supplied from pure fuel to water emulsion fuel. Switching (see FIGS. 1 and 2). Thus, the engine described in Patent Document 1 tries to avoid excessive soot generation when the EGR rate is high, specifically when the engine load is lower than 75%.
ただし、特許文献1に記載のエンジンは、燃料を切り替えることができるように、複数の燃料系統を設けている(図1及び図2参照)。そのため、特許文献1に記載のエンジンは、複雑な構造となっている。 However, the engine described in Patent Document 1 is provided with a plurality of fuel systems so that the fuel can be switched (see FIGS. 1 and 2). Therefore, the engine described in Patent Document 1 has a complicated structure.
なお、特許文献1では、エンジンに供給する純燃料と水の割合を変更して、水エマルジョン燃料の水添加率を瞬時に変更する構成も提案されているが(図3及び図4参照)、このような構成は、純燃料と水を均一に混合することは難しく、実用上問題がある。 In addition, in patent document 1, although the ratio of the pure fuel and water supplied to an engine is changed, the structure which changes the water addition rate of water emulsion fuel instantaneously is proposed (refer FIG.3 and FIG.4), In such a configuration, it is difficult to mix pure fuel and water uniformly, and there is a problem in practical use.
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものである。水エマルジョン燃料を使いつつ、EGR制御を行うに当たり、それぞれの特性が相殺しない範囲でエンジンの運転状況の変化に対して、燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらNOxの生成量を安定的に低減することができ、しかもこれを簡易な構造で実現できるエンジンシステムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances. When EGR control is performed while using water emulsion fuel, NOx generation is stably suppressed while suppressing deterioration of fuel consumption and soot generation in response to changes in the operating conditions of the engine as long as the characteristics do not cancel each other. An object of the present invention is to provide an engine system that can be reduced and that can be realized with a simple structure.
本発明のある形態に係るエンジンシステムは、気筒及び燃料噴射弁を有するエンジン本体と、水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、EGRガスを前記エンジン本体に供給するEGRユニットと、実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するよう制御するとともに、前記エンジン本体から排出されるNOxの排出量が所定値以下となるように前記EGRガスの流量を制御するよう構成されている制御装置と、を備えている。 An engine system according to an aspect of the present invention includes an engine body having a cylinder and a fuel injection valve, a fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies the water emulsion fuel to the fuel injection valve, and supplies EGR gas to the engine body. The EGR unit is controlled to use the water emulsion fuel in the entire range of practical engine loads, and the flow rate of the EGR gas is controlled so that the amount of NOx discharged from the engine body becomes a predetermined value or less. And a control device configured as described above.
ここで、「実用エンジン負荷」とは、エンジン始動時などの低いエンジン負荷を除いた範囲のエンジン負荷、すなわち通常の運用で使用する範囲のエンジン負荷をいい、最大エンジン負荷の25〜100%がこれに相当する。上記の構成によれば、実用エンジン負荷の全領域において純燃料と水エマルジョン燃料の切り換えが行われることは基本的にない。そのため、上記のエンジンシステムによれば、燃料を瞬時に切り換えるために必要な機構が不要となり、構造を簡略化することができる。しかも、水エマルジョン燃料を使用することで燃費の悪化とすすの発生を抑えることができるとともに、エンジン負荷に応じたEGRガスをエンジンに供給することでNOxの生成量を低減することができる。なお、水エマルジョン燃料の水添加率を変更することによりNOxの生成量を調整することも可能であるが、純燃料と水を均一に混合させつつ水添加率を瞬時に変更することは非常に難しい。一方、EGRガスの流量はEGRブロワの回転数制御によって速やかに変更することができる。よって、上記の構成によれば、状況が急激に変化したとしても、EGRガスの流量を制御することでNOx生成量の抑制を維持することができる。 Here, the “practical engine load” means an engine load in a range excluding a low engine load such as when the engine is started, that is, an engine load in a range used in normal operation, and 25 to 100% of the maximum engine load is It corresponds to this. According to the above configuration, switching between pure fuel and water emulsion fuel is basically not performed in the entire range of practical engine load. Therefore, according to the engine system described above, a mechanism necessary for instantaneously switching the fuel becomes unnecessary, and the structure can be simplified. In addition, the use of water emulsion fuel can suppress the deterioration of fuel consumption and the generation of soot, and the amount of NOx produced can be reduced by supplying EGR gas corresponding to the engine load to the engine. It is also possible to adjust the amount of NOx produced by changing the water addition rate of the water emulsion fuel, but it is very difficult to change the water addition rate instantaneously while mixing pure fuel and water uniformly. difficult. On the other hand, the flow rate of EGR gas can be quickly changed by controlling the number of revolutions of the EGR blower. Therefore, according to said structure, even if a situation changes rapidly, suppression of NOx production amount can be maintained by controlling the flow volume of EGR gas.
また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持するように構成されていてもよい。かかる構成によれば、実用エンジン負荷の全領域において、水添加率が一定に維持されるため、すすの発生を安定して抑えることができる。この条件とすれば、水添加率の制御も容易である。 In the engine system described above, the control device may be configured to maintain a constant water addition rate of the water emulsion fuel in the entire range of practical engine loads. According to such a configuration, since the water addition rate is kept constant throughout the practical engine load range, the generation of soot can be stably suppressed. Under this condition, it is easy to control the water addition rate.
また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記水エマルジョン燃料の1サイクルあたりの噴射量が増えるに従って1サイクルあたりの噴射時間を長くするように構成されていてもよい。かかる構成によれば、1サイクルあたりの噴射量が大きく変動したとしても、単位時間あたりの噴射量は大きく変動しない。そのため、1サイクルあたりの噴射量の変動がある程度大きくとも、同じ燃料噴射弁で水エマルジョン燃料の噴射が可能である。 In the engine system, the control device may be configured to increase the injection time per cycle as the injection amount of the water emulsion fuel per cycle increases. According to such a configuration, even if the injection amount per cycle fluctuates greatly, the injection amount per unit time does not fluctuate greatly. Therefore, even if the variation in the injection amount per cycle is large to some extent, the water emulsion fuel can be injected with the same fuel injection valve.
また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記1サイクルあたりの噴射時間を長くするとき、前記気筒内の最大圧力が所定の上限値を越えない範囲において、前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早めるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、噴射時間が長くなることに起因する最大筒内圧の低下を抑えることができ、エンジンを効率よく運転することができる。 In the engine system, when the control device increases the injection time per cycle, the injection timing of the water emulsion fuel is within a range in which the maximum pressure in the cylinder does not exceed a predetermined upper limit value. It may be configured to speed up. According to such a configuration, it is possible to suppress a decrease in the maximum in-cylinder pressure resulting from the longer injection time, and the engine can be operated efficiently.
また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記水添加率及び前記EGR率のうちの一方又は両方に応じて、前記噴射開始時期を決定するように構成されていてもよい。かかる構成によれば、水添加率及びEGR率に応じて適切な噴射開始時期を決定できるため、エンジンの効率のよい運転状態に素早く移行することができる。 In the engine system described above, the control device may be configured to determine the injection start time according to one or both of the water addition rate and the EGR rate. According to such a configuration, an appropriate injection start timing can be determined according to the water addition rate and the EGR rate, so that it is possible to quickly shift to an efficient operating state of the engine.
本発明のある形態に係る制御方法は、気筒及び燃料噴射弁を有するエンジン本体と、水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、EGRガスを前記エンジン本体に供給するEGRユニットと、を備えたエンジンシステムの制御方法であって、実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するとともに、前記エンジン本体から排出されるNOxの排出量が所定値以下となるように前記EGRガスの流量を制御する。 A control method according to an aspect of the present invention includes an engine main body having a cylinder and a fuel injection valve, a fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies the water emulsion fuel to the fuel injection valve, and supplies EGR gas to the engine main body. A control method for an engine system comprising an EGR unit, wherein the water emulsion fuel is used in the entire range of practical engine loads, and the amount of NOx discharged from the engine body is less than a predetermined value. The flow rate of the EGR gas is controlled.
また、上記の制御方法において、実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持してもよい。 In the above control method, the water addition rate of the water emulsion fuel may be kept constant in the entire range of practical engine load.
また、上記の制御方法において、前記水エマルジョン燃料の1サイクルあたりの噴射量が増えるに従って1サイクルあたりの噴射時間を長くしてもよい。 Moreover, in said control method, you may lengthen the injection time per cycle as the injection amount per cycle of the said water emulsion fuel increases.
また、上記の制御方法において、前記1サイクルあたりの噴射時間を長くするとき、前記気筒内の最大圧力が所定の上限値を越えない範囲において、前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早めてもよい。 In the above control method, when the injection time per cycle is lengthened, the water emulsion fuel injection start timing may be advanced within a range in which the maximum pressure in the cylinder does not exceed a predetermined upper limit value. .
また、上記の制御方法において、前記水添加率及び前記EGR率のうちの一方又は両方に応じて、前記噴射開始時期を決定してもよい。 In the above control method, the injection start timing may be determined according to one or both of the water addition rate and the EGR rate.
以上のとおり、上記のエンジンシステムによれば、水エマルジョン燃料を使用するとともにEGRを行うことにより、燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらNOxの生成量を低減することができ、しかもこれを簡易な構造で実現することができる。 As described above, according to the engine system described above, by using water emulsion fuel and performing EGR, it is possible to reduce the amount of NOx generated while suppressing the deterioration of fuel consumption and the generation of soot, and this It can be realized with a simple structure.
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is the same or it corresponds through all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
<エンジンシステムの全体構成>
まず、本実施形態に係るエンジンシステム100の全体構成について説明する。図1は、エンジンシステム100のブロック図である。図1に示すように、エンジンシステム100は、エンジン本体10と、過給機20と、EGRユニット30と、燃料供給ユニット40と、を備えている。
<Overall configuration of engine system>
First, the overall configuration of the
本実施形態におけるエンジン本体10は、船舶の推進用主機であり、大型の2ストロークディーゼルエンジンである。エンジン本体10は、複数の気筒11(図1では1つのみ図示)を有している。各気筒11には、下方部分に掃気口12が形成され、上方部分には排気口13が形成されている。また、各気筒11には、ピストン14、燃料噴射弁15、及び排気弁16が設けられている。ピストン14は、掃気口12を横切るようにして気筒11内を摺動し、下端部分がクランク軸(図示せず)に連結されている。燃料噴射弁15は、気筒11の上方部分に位置しており、燃料供給ユニット40から燃料が供給される。また、気筒11には気筒11内の圧力(筒内圧)を測定する筒内圧センサ17が設けられており、エンジン本体10には、エンジン本体10の回転数(エンジン回転数)を測定するエンジン回転計18(図2参照)が設けられている。なお、エンジン本体10は、4ストロークエンジンであってもよく、ガスエンジンやガソリンエンジンであってもよい。
The
過給機20は、空気を昇圧してエンジン本体10に供給する装置である。各気筒11で生成された排気ガスは排気口13、排気管24、及び排気流路25を介して過給機20のタービン部21に供給される。タービン部21は供給された排気ガスのエネルギにより回転する。タービン部21とコンプレッサ部22は連結シャフト23により連結されており、タービン部21の回転に伴ってコンプレッサ部22も回転する。コンプレッサ部22が回転すると、外部から取り込んだ空気(新気)が昇圧され、昇圧された新気は掃気流路26、掃気管27、及び掃気口12を介して各気筒11内に供給される。
The
EGRユニット30は、排気流路25と掃気流路26をつなぐEGR流路28に設けられており、排気流路25の排気ガスの一部を抽出し(以下、排気流路25から抽出した排気ガスを「EGRガス」と称す)、そのEGRガスを掃気流路26へ供給するユニットである。掃気流路26へ供給されたEGRガスは、過給機20で昇圧された新気と混合され、掃気ガスとしてエンジン本体10(各気筒11)へ供給される。これにより、各気筒11に供給される掃気ガスの酸素濃度が低下し、エンジン本体10から排出されるNOxの排出量を低減することができる。EGRユニット30は、EGRガスを洗浄するスクラバ31、EGRガスを冷却する冷却装置32、EGRガスを昇圧し掃気流路26へ供給するEGRブロワ33を備えている。EGRブロワ33の回転数を調整することにより、EGRガスの流量、ひいてはEGR率を変更することができる。ただし、EGRガスの流量(ひいてはEGR率)の変更は、EGR流路28内に設けられた流量調整弁(不図示)で行っても良い。
The
燃料供給ユニット40は、水エマルジョン燃料を生成して燃料噴射弁15へ供給するユニットである。燃料供給ユニット40は、燃料生成部41と、燃料供給部42とを有している。燃料生成部41は、混合容器43に投入した純燃料と水をミキサー等で混合し、所定の水添加率の水エマルジョン燃料を生成する部分である。純燃料と水を同時に燃料噴射弁15に供給するような構造では(特許文献1の図3及び図4参照)、純燃料と水を均一に混合するのは困難であるが、本実施形態では純燃料と水を均一に混合することができる。なお、実際の水添加率は、投入された純燃料と水の割合に基づいて算出することができる。燃料供給部42は、燃料生成部41で生成した水エマルジョン燃料をエンジン本体10の燃料噴射弁15に供給する部分である。燃料供給部42は、燃料噴射弁15から噴射する水エマルジョン燃料の噴射時間及び噴射開始時期を変更することができる。
The
<制御系の構成>
次に、エンジンシステム100の制御系の構成について説明する。図2は、エンジンシステム100の制御系のブロック図である。図2に示すように、エンジンシステム100は、エンジンシステム100全体を制御する制御装置50を備えている。制御装置50は、例えばCPU、ROM、RAM等によって構成されている。
<Control system configuration>
Next, the configuration of the control system of the
制御装置50は、筒内圧センサ17、エンジン回転計18、及び入力設定部51と電気的に接続されている。制御装置50は、これらの機器から送信される信号に基づいて筒内圧、エンジン回転数、及び設定水添加率を取得する。なお、入力設定部51は、エンジンシステム100が搭載されている船体の運転室に設けられている。また、入力設定部51は、運転者によって設定水添加率を入力することができ、入力された設定水添加率を保存することができるように構成されている。
The
制御装置50は、上記の各機器からの入力信号に基づいて種々の演算を行い、エンジンシステム100の各部を制御する。本実施形態では、制御装置50は、EGRブロワ33、燃料生成部41、及び燃料供給部42と電気的に接続されており、各種の演算等の結果に基づいて、これらの機器へ制御信号を送信する。なお、制御装置50は、燃料生成部41に制御信号を送信するだけでなく、燃料生成部41から送信される信号に基づいて実際の水添加率を取得することができる。ただし、実際の水添加率は、燃料生成部41の混合容器43から噴射弁15までの流路に水添加率を測定するセンサを設け、そのセンサから送信される信号に基づいて取得してもよい。
The
制御装置50は、機能的な構成として、水添加率制御部52と、EGR率制御部53と、燃料噴射制御部54とを有している。
The
水添加率制御部52は、水エマルジョン燃料の水添加率を制御する部分である。水添加率制御部52は、まず、運転者に入力された設定水添加率に基づいて目標水添加率を設定する。本実施形態では、図3の破線で示すように目標水添加率を設定する。具体的には、エンジン負荷が0〜15%のとき目標水添加率を0%とし、エンジン負荷が15〜100%のとき目標水添加率を上記の設定水添加率とする。そして、水添加率制御部52は、燃料生成部41に制御信号を送信し、実際の水添加率が目標添加率となるように制御する。
The water addition
このように、本実施形態では、実用エンジン負荷の全量領域(エンジン負荷が25〜100%)において純燃料は使用せず、水エマルジョン燃料のみを使用している。しかも、実用エンジン負荷領域では、水添加率は一定である。よって、本実施形態によれば、純燃料と水エマルジョン燃料を瞬時に切り替える機構、及び水添加率を瞬時に変えるような機構は不要である。また、前述した特許文献1では、純燃料用と水エマルジョン燃料を切り替えるときは使用する燃料噴射弁も切り替わるが、本実施形態によれば、燃料噴射弁を切り替えるような機構も不要である。このように本実施形態によれば、エンジンシステム100の構成を簡略化することができる。
Thus, in this embodiment, pure fuel is not used but only water emulsion fuel is used in the whole range of practical engine loads (engine load is 25 to 100%). Moreover, the water addition rate is constant in the practical engine load region. Therefore, according to this embodiment, a mechanism that instantaneously switches between pure fuel and water emulsion fuel and a mechanism that instantaneously changes the water addition rate are unnecessary. Further, in Patent Document 1 described above, when the pure fuel and the water emulsion fuel are switched, the fuel injection valve to be used is also switched. However, according to the present embodiment, a mechanism for switching the fuel injection valve is unnecessary. Thus, according to the present embodiment, the configuration of the
EGR率制御部53は、EGRガスの流量を調整してEGR率を制御する部分である。EGR率制御部53は、まず、目標EGR率を設定する。本実施形態では、図3の実線で示すように、エンジン負荷が0〜15%のとき目標EGR率を0%に設定し、エンジン負荷が15〜100%のときエンジン負荷が大きくなるに従って目標EGR率を小さくなるように設定する。目標EGR率は、予め行った試験により導き出された値であって、NOx排出量規制をクリアできるEGR率、つまりNOxの排出量が所定値以下となるEGR率である。この目標EGR率は、EGR率制御部53に記憶されている。 The EGR rate control unit 53 is a part that controls the EGR rate by adjusting the flow rate of the EGR gas. The EGR rate control unit 53 first sets a target EGR rate. In this embodiment, as shown by the solid line in FIG. 3, the target EGR rate is set to 0% when the engine load is 0 to 15%, and the target EGR is increased as the engine load increases when the engine load is 15 to 100%. Set the rate to be small. The target EGR rate is a value derived by a test performed in advance, and is an EGR rate that can clear the NOx emission amount regulation, that is, an EGR rate at which the NOx emission amount becomes a predetermined value or less. The target EGR rate is stored in the EGR rate control unit 53.
図4は、図3における目標水添加率を下げた場合のエンジン負荷と目標EGR率との関係を示した図である。図4における2つの点線は、それぞれ図3における目標水添加率と目標EGR率に相当するものである。図4に示すように、設定水添加率が下げられて、エンジン負荷が15%以上のときの目標水添加率を下げたとする。そうすると、エンジン負荷が15%以上のときの目標EGR率を高くする。これは、水添加率が小さくなると、水エマルジョン燃料の使用によるNOxの排出低減効果が低下することから、NOx排出量規制をクリアするためにEGR率を増加させる必要があるからである。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the engine load and the target EGR rate when the target water addition rate in FIG. 3 is lowered. The two dotted lines in FIG. 4 correspond to the target water addition rate and the target EGR rate in FIG. 3, respectively. As shown in FIG. 4, it is assumed that the set water addition rate is lowered and the target water addition rate when the engine load is 15% or more is lowered. Then, the target EGR rate when the engine load is 15% or more is increased. This is because if the water addition rate is reduced, the NOx emission reduction effect due to the use of water emulsion fuel is reduced, so that the EGR rate must be increased in order to satisfy the NOx emission restriction.
続いて、EGR率制御部53は、EGRブロワ33に制御信号を送信し、実際のEGR率がそのときのエンジン負荷(本実施形態では、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいてエンジン負荷を算出するが別の方法で算出してもよい。例えば、過給機20の回転数から算出してもよく、筒内圧によって求められる図示仕事から算出してもよい。また、軸馬力計を用いてエンジン負荷を直接計測することも可能である。)に応じた目標EGR率となるように、EGRガス流量を調整する。これにより、NOxの排出規制をクリアすることができる。本実施形態では、EGRガス流量の調整は、EGRブロワ33の回転数を制御することで行っている。ただし、EGRガス流量の調整は、流量制御弁で制御する方式など他の方式で行ってもよい。いずれの方式であっても、EGRガス流量の調整は容易であり、状況変化に対するEGRガス流量の変化の応答性は非常に高い。
Subsequently, the EGR rate control unit 53 transmits a control signal to the
燃料噴射制御部54は、水エマルジョン燃料の燃料噴射(噴射量、噴射時間、及び噴射開始時期)を制御する部分である。図5は、水エマルジョン燃料の燃料噴射制御の方法を示したフローチャートである。以下で説明する演算及び制御は、燃料噴射制御部54によって遂行される。
The fuel
まず、処理が開始されると、燃料噴射制御部54は、筒内圧センサ17、エンジン回転計18、及び燃料生成部41などから送信される信号を読み込み、これらの信号に基づいて筒内圧、エンジン回転数、及び水添加率などの各種情報を取得する(ステップS1)。
First, when the process is started, the fuel
続いて、燃料噴射制御部54は、1サイクルあたりに噴射する水エマルジョン燃料の噴射量を決定する(ステップS2)。本実施形態では、エンジン回転数が一定の回転数(100%回転数)を維持できるように噴射量を決定する。ただし、噴射量が同じであっても、水添加率が異なれば熱量が異なり、EGR率が異なれば燃焼効率が異なる。そのため、例えば、水添加率やEGR率が高くなったときには噴射量を増加する。
Subsequently, the fuel
続いて、燃料噴射制御部54は、1サイクルあたりに噴射する水エマルジョン燃料の噴射時間を決定する(ステップS3)。本実施形態では、1サイクルあたりの燃料噴射量が大きくなるに従って、噴射時間を長くする。これにより、1サイクルあたりの噴射量が増えたとしても、単位時間当たりの噴射量は増加しない。よって、1サイクルあたりの噴射量がある程度大きく変動しても、同じ燃料噴射弁15を用いて正常な噴射が可能である。
Subsequently, the fuel
続いて、燃料噴射制御部54は、噴射時間に変更があったか否かを判定する(ステップS4)。後述するように、各ステップは繰り返して行われるが、ステップS3で決定した噴射時間が、1つ前のサイクル時において設定した噴射時間から変更があったか否かを判定する。燃料噴射制御部54は、噴射時間に変更があったと判定した場合には(ステップS4でYES)、ステップS5へ進む。一方、噴射時間に変更がなかったと判定した場合には(ステップS4でNO)、ステップS6へ進む。
Subsequently, the fuel
続いて、ステップS5へ進んだ場合、燃料噴射制御部54は噴射開始時期(噴射を開始するクランク角度)を決定する。具体的には、水添加率、EGR率、及びエンジン負荷に基づいて、予め記憶しているマップデータから読み取った値を噴射開始時期とする。なお、本実施形態では、水添加率、EGR率、及びエンジン負荷に基づいて噴射開始時期を決定しているが、水添加率、EGR率、及びエンジン負荷に対応するパラメータによって噴射開始時期を決定してもよい。例えば、EGR率に代えて、掃気管27内の酸素濃度の値を用いてもよい。
Then, when progressing to step S5, the fuel-
図6は、クランク角度と筒内圧の関係を示した概念図である。図中の実線は純燃料を使用した場合を示しており、破線は水エマルジョン燃料を使用した場合を示しており、点線は水エマルジョンを使用して噴射開始時期を早めた場合を示している。 FIG. 6 is a conceptual diagram showing the relationship between the crank angle and the in-cylinder pressure. The solid line in the figure shows the case where pure fuel is used, the broken line shows the case where water emulsion fuel is used, and the dotted line shows the case where the injection start timing is advanced using water emulsion.
燃料として純燃料を使用した場合、図6の実線で示すように、ピストン14が上昇して上死点(クランク角度=0°)に達したときに筒内圧が1つ目のピークを迎える。このとき燃料の噴射を開始すると、筒内圧は一旦下降した後、燃焼により再び上昇して2つ目のピークを迎える。この2つ目のピークにおける筒内圧が最大筒内圧(Pmax)である。この最大筒内圧は、燃料の噴射開始時期を変動させることで調整が可能である。最大筒内圧が高いほどエンジンの効率は高くなるが、筒内圧が高くなりすぎると気筒11が破損するおそれがある。そのため、通常は、最大筒内圧が所定の目標値となるように(上限値を越えない範囲での最大値となるように)噴射開始時期が決定される。なお、燃料噴射制御部54は、最大筒内圧が上限値を越えるおそれがある場合に噴射開始時期を修正する制御を行ってもよい。
When pure fuel is used as the fuel, as shown by the solid line in FIG. 6, the in-cylinder pressure reaches the first peak when the
一方、燃料として水エマルジョン燃料を使用し、純燃料の場合と同じようにクランク角が0°のときに燃料の噴射を開始したとする。そうすると、水エマルジョン燃料は体積あたりの熱量が純燃料より小さく、比較的長い期間噴射することになるため、図6の破線で示すように、筒内圧の2つ目のピークに向うカーブが緩やかになる。その結果、最大筒内圧は所定の目標値よりも低くなる。 On the other hand, it is assumed that water emulsion fuel is used as the fuel and fuel injection is started when the crank angle is 0 ° as in the case of pure fuel. As a result, the water emulsion fuel has a smaller calorific value per volume than the pure fuel and is injected for a relatively long period of time. Therefore, as shown by the broken line in FIG. Become. As a result, the maximum in-cylinder pressure becomes lower than a predetermined target value.
これに対し、燃料として水エマルジョン燃料を使用するが、純燃料の場合よりも噴射開始時期を早めたとする。そうすると、図6の点線で示すように、筒内圧の2つ目のピークに向かうカーブの立ち上がりが早く始まり、その結果、最大筒内圧を所定の目標値又はこれに近い値とすることができる。つまり、1サイクルあたりの噴射時間が長くなるに従って噴射開始時期を早くすることで、最大筒内圧を所定の目標値又はこれに近い値とすることができる。 On the other hand, water emulsion fuel is used as the fuel, but it is assumed that the injection start timing is earlier than in the case of pure fuel. Then, as shown by the dotted line in FIG. 6, the rising of the curve toward the second peak of the in-cylinder pressure starts earlier, and as a result, the maximum in-cylinder pressure can be set to a predetermined target value or a value close thereto. That is, the maximum in-cylinder pressure can be set to a predetermined target value or a value close to this by increasing the injection start timing as the injection time per cycle becomes longer.
本実施形態では、予め行った試験により、水添加率、EGR率、及びエンジン負荷毎に最大筒内圧が所定の目標値又はこれに近い値になるような噴射開始時期を算出し、その噴射開始時期をマップデータとして記憶している。よって、ステップS5で決定した噴射開始時期で水エマルジョン燃料の噴射を開始すると、最大筒内圧が所定の目標値又はこれに近い値となる。 In the present embodiment, the injection start timing is calculated based on the water addition rate, the EGR rate, and the maximum in-cylinder pressure at a predetermined target value or a value close to the predetermined value for each engine load by a test performed in advance. The time is stored as map data. Therefore, when the water emulsion fuel injection is started at the injection start timing determined in step S5, the maximum in-cylinder pressure becomes a predetermined target value or a value close thereto.
一方、ステップS6へ進んだ場合、燃料噴射制御部54は噴射開始時期を補正する。具体的には、燃料噴射制御部54は、実際の最大筒内圧と所定の目標値との差が小さくなるように、噴射開始時期を補正する。このように、本実施形態では、噴射時間が変更になった直後は初期値となる噴射開始時期を水添加率及びEGR率に基づいて決定し(ステップS5)、その後は実際の最大筒内圧に基づいて噴射開始時期を補正している(ステップS6)。つまり、本実施形態では、フィードフォワード制御と、フィードバック制御を組み合わせた制御を行っている。
On the other hand, when it progresses to step S6, the fuel-
続いて、ステップS5又はS6を経た後は、燃料噴射制御部54は、燃料供給部42に制御信号を送信し、決定した噴射量、噴射時間、及び噴射開始時期で水エマルジョン燃料を噴射させる(ステップS7)。燃料噴射制御部54は、ステップS7が終わると、ステップS1に戻ってステップS1〜S7を繰り返し行う。本実施形態では、以上のような燃料噴射制御を行うため、適正な噴射開始時期に水エマルジョン燃料が噴射されるため、エンジン本体10を効率よく運転することができる。
Subsequently, after step S5 or S6, the fuel
以上が、本発明に係る実施形態の説明である。以上では、燃料の噴射開始時期を決定する際に、フィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせる場合について説明したが、フィードフォワード制御に相当する部分の制御のみで燃料の噴射開始時期を決定してもよい。つまり、筒内圧センサ17を気筒11に設けずに、水添加率、EGR率、及びエンジン負荷に基づいて噴射開始時期を決定し、その噴射開始時期を維持するようにしてもよい。
The above is the description of the embodiment according to the present invention. The case where the feedback control and the feedforward control are combined when determining the fuel injection start timing has been described above. However, the fuel injection start timing may be determined only by the control corresponding to the feedforward control. . That is, without providing the
また、以上では、実用エンジン負荷の全領域において水エマルジョン燃料の水添加率が一定である場合について説明したが、水添加率は緩やかに変化してもよい。そのようなエンジンシステムであっても、簡易な構造で燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらNOxの生成量を低減することができるという作用効果を奏することができる。 In the above description, the case where the water addition rate of the water emulsion fuel is constant over the entire range of the practical engine load has been described. However, the water addition rate may change gradually. Even with such an engine system, it is possible to achieve the effect of being able to reduce the amount of NOx produced while suppressing the deterioration of fuel consumption and the generation of soot with a simple structure.
本発明に係るエンジンシステムによれば、水エマルジョン燃料を使用するとともにEGRを行うことにより、燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらNOxの生成量を低減することができ、しかもこれを簡易な構造で実現できる。また、負荷の変動に対して追従制御しやすいEGR率を主な制御変数としているため、NOx低減に対して制御遅れがなく確実に制御が行える。簡単な構造により実現できるので、広く汎用性のあるNOx低減システムとして有益である。 According to the engine system of the present invention, by using water emulsion fuel and performing EGR, it is possible to reduce the amount of NOx generated while suppressing the deterioration of fuel consumption and the generation of soot. Can be realized with a structure. In addition, since the EGR rate that facilitates follow-up control with respect to load fluctuations is used as a main control variable, control can be performed reliably with no control delay for NOx reduction. Since it can be realized with a simple structure, it is useful as a widely versatile NOx reduction system.
10 エンジン本体
11 気筒
15 燃料噴射弁
30 EGRユニット
40 燃料供給ユニット
50 制御装置
100 エンジンシステム
DESCRIPTION OF
Claims (8)
水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、
EGRガスを前記エンジン本体に供給するEGRユニットと、
実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するよう制御するとともに、前記エンジン本体から排出されるNOxの排出量が所定値以下となるように前記EGRガスの流量を制御するよう構成されている制御装置と、を備え、
前記制御装置は、実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持するように構成されている、エンジンシステム。 An engine body having a cylinder and a fuel injection valve;
A fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies it to the fuel injection valve;
An EGR unit for supplying EGR gas to the engine body;
It is configured to control the use of the water emulsion fuel in the entire range of the practical engine load, and to control the flow rate of the EGR gas so that the amount of NOx discharged from the engine body becomes a predetermined value or less. A control device comprising :
The engine system is configured to maintain a constant water addition rate of the water emulsion fuel in the entire range of practical engine loads .
水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、A fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies it to the fuel injection valve;
EGRガスを前記エンジン本体に供給するEGRユニットと、An EGR unit for supplying EGR gas to the engine body;
実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するよう制御するとともに、前記エンジン本体から排出されるNOxの排出量が所定値以下となるように前記EGRガスの流量を制御するよう構成されている制御装置と、を備え、It is configured to control the use of the water emulsion fuel in the entire range of the practical engine load, and to control the flow rate of the EGR gas so that the amount of NOx discharged from the engine body becomes a predetermined value or less. A control device comprising:
前記制御装置は、前記水エマルジョン燃料の1サイクルあたりの噴射量が増えるに従って1サイクルあたりの噴射時間を長くするとともに、前記水エマルジョン燃料の1サイクルあたりの噴射量にかかわらず前記気筒内の最大圧力が所定の目標値を維持できるよう前記水エマルジョン燃料の噴射時期を早めるように構成されている、エンジンシステム。The control device increases the injection time per cycle as the injection amount of the water emulsion fuel per cycle increases, and the maximum pressure in the cylinder regardless of the injection amount of the water emulsion fuel per cycle. The engine system is configured to advance the injection timing of the water emulsion fuel so that can maintain a predetermined target value.
水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、
EGRガスを前記エンジン本体に供給するEGRユニットと、を備えたエンジンシステムの制御方法であって、
実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するとともに、前記エンジン本体から排出されるNOxの排出量が所定値以下となるように前記EGRガスの流量を制御し、
実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持する、制御方法。 An engine body having a cylinder and a fuel injection valve;
A fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies it to the fuel injection valve;
An EGR unit for supplying EGR gas to the engine body, and a control method for an engine system,
While using the water emulsion fuel in the entire range of practical engine load, the flow rate of the EGR gas is controlled so that the amount of NOx discharged from the engine body is a predetermined value or less ,
A control method for maintaining a constant water addition rate of the water emulsion fuel in a whole range of practical engine loads .
水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、
EGRガスを前記エンジン本体に供給するEGRユニットと、を備えたエンジンシステムの制御方法であって、
実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するとともに、前記エンジン本体から排出されるNOxの排出量が所定値以下となるように前記EGRガスの流量を制御し、
前記水エマルジョン燃料の1サイクルあたりの噴射量が増えるに従って1サイクルあたりの噴射時間を長くするとともに、前記水エマルジョン燃料の1サイクルあたりの噴射量にかかわらず前記気筒内の最大圧力が所定の目標値を維持できるよう前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早める、制御方法。 An engine body having a cylinder and a fuel injection valve;
A fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies it to the fuel injection valve;
An EGR unit for supplying EGR gas to the engine body, and a control method for an engine system,
While using the water emulsion fuel in the entire range of practical engine load, the flow rate of the EGR gas is controlled so that the amount of NOx discharged from the engine body is a predetermined value or less,
As the injection amount per cycle of the water emulsion fuel increases, the injection time per cycle is lengthened, and the maximum pressure in the cylinder is a predetermined target value regardless of the injection amount per cycle of the water emulsion fuel. The control method of advancing the injection start timing of the water emulsion fuel so as to maintain the above .
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