JP6964484B2

JP6964484B2 - エンジンシステム

Info

Publication number: JP6964484B2
Application number: JP2017209595A
Authority: JP
Inventors: 郁美大西; 哲男野上; 正憲東田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: WO2019087453A1; CN110998082A; CN110998082B; KR102338341B1; KR20200062334A; JP2019082131A

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

近年強化されてきた排ガス規制に対応するために、大型船舶用のエンジンシステムでは排気流路から排気ガスを抽出し、抽出した排気ガスを掃気流路の掃気ガスに取り入れてエンジン本体へ循環させる排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；ＥＧＲ）が行われている（例えば、特許文献１参照）。ＥＧＲを実施することにより、掃気ガスの酸素濃度が下がり、シリンダ内での燃焼時間が長くなる結果、燃焼最高温度が低下し、ＮＯｘの排出量を抑制することができる。

特開２０１７−１６０７９９号公報

ところで、自動車用のエンジンシステム等で採用されることが多い４ストローク型ディーゼルエンジンの場合、ピストンの上昇によって排気を行うため、排気行程中は一般的に掃気流路（吸気流路）よりも排気流路の方が圧力が高くなるので、掃気流路と排気流路をつなぐようにＥＧＲ流路を設ければ、ＥＧＲ流路内では排気流路から掃気流路に向かって自然に排気ガスが流れる。そのため、ＥＧＲ流路に開閉制御弁を設け、開閉制御弁の開度を調整すれば、排気流路から掃気流路に供給する排気ガスの供給量、つまり排気流路から抽出する排気ガスの抽出量を調整することができる。

これに対し、大型船舶用のエンジンシステム等で採用されることが多い２ストローク型エンジンの場合、掃気ガスによってシリンダ内の排気ガスを押し出すので一般的に掃気流路よりも排気流路の方が圧力が低いことから、排気流路から掃気流路へ排気ガスを供給するにはＥＧＲ流路を設けるだけでは足りず、ＥＧＲ流路にＥＧＲブロワを設ける必要がある。この場合、排気ガスの抽出量を調整するには、ＥＧＲブロワの回転数を制御するのが一般的である。ただし、エンジンの運転状態によって必要となる排気ガスの抽出量が大きく異なることから、仮に排気ガスの抽出量をエンジンの運転状況に関わらず一定にすると、排気ガスの抽出量が最適量とならない場合もあり、排気ガスの抽出量が最適量よりも多い場合は酸素不足による失火するおそれがあり、反対に最適量よりも少ない場合は燃焼温度を十分に下げることができずＮＯｘ抑制効果を上げることができない。排気ガスの必要抽出量が少ない場合には、ＥＧＲブロワの回転数を下げることになるが、低回転域ではブロワ回転数を安定に制御することが難しくなるため排気ガスの抽出量を細かく制御できなかったり、また、ブロワ放熱特性による連続運転可能回転数を下回ったりすることがある。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、排気流路から抽出する排気ガスの抽出量が少ない場合であっても、排気ガス抽出量の制御性を維持することができるエンジンシステムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るエンジンシステムは、エンジン本体と、前記エンジン本体で発生した排気ガスを排出する排気流路と、前記エンジン本体へ掃気ガスを供給する掃気流路と、前記排気流路から排気ガスを抽出して前記掃気流路へ供給するＥＧＲ流路と、前記ＥＧＲ流路に設けられたＥＧＲブロワと、前記掃気流路から又は前記ＥＧＲ流路の前記ＥＧＲブロワよりも下流からガスを取り込んで、取り込んだガスを循環ガスとして前記ＥＧＲ流路の前記ＥＧＲブロワよりも上流へ供給する循環流路と、前記循環ガスの供給量を調整する循環ガス調整部と、前記ＥＧＲブロワ及び前記循環ガス調整部を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記排気流路から抽出する排気ガスの目標抽出量が所定の下限値以下のとき、前記ＥＧＲブロワを通過するガスの総量が前記下限値よりも多くなるように、前記循環ガスを前記ＥＧＲ流路の前記ＥＧＲブロワよりも上流へ供給するよう制御する。

この構成によれば、排気流路から抽出する排気ガスの抽出量が少ない場合であっても、ＥＧＲブロワを通過するガスの総量が下限値よりも多くなるため、ＥＧＲブロワの回転数の低下を抑えて排気ガス抽出量の制御性を維持することができる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記循環流路は、前記掃気流路の前記ＥＧＲ流路が合流する合流点よりも下流から前記循環ガスを取り込むように構成されていてもよい。

掃気流路の合流点では、掃気流路の合流点よりも上流を流れる掃気ガス（新気）とＥＧＲ流路を流れるガスが合流する。そのため、掃気流路の合流点よりも下流は、掃気流路の合流点よりも上流やＥＧＲ流路に比べて流路が大きく形成されている。したがって、掃気流路の合流点より下流では、掃気ガスの流れが比較的安定している。よって、上記のように、掃気流路の下流から循環ガスを抽出する構成によれば、安定した循環ガスをＥＧＲ流路に供給することができる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記掃気流路は、掃気ガスを一時的に溜めてから前記エンジン本体へ供給する掃気チャンバを有し、前記循環流路は、前記掃気チャンバから前記循環ガスを取り込むように構成されていてもよい。

掃気チャンバ内では圧力変動が少ないため、上記のように、掃気チャンバから循環ガスを抽出する構成によれば、より安定した循環ガスをＥＧＲ流路に供給することができる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記目標抽出量が前記下限値以下のとき、前記ＥＧＲブロワの回転数を一定にして当該ＥＧＲブロワを通過するガスの総量を一定にするとともに、前記ＥＧＲブロワを通過するガスに含まれる排気ガスの量が前記目標抽出量となるように前記循環ガスの供給量を調整し、前記目標抽出量が前記下限値よりも多いとき、前記循環ガスの供給を停止するとともに、前記ＥＧＲブロワを通過するガスの総量が前記目標抽出量となるように前記ＥＧＲブロワの回転数を調整するように構成されていてもよい。

この構成では、目標抽出量が下限値以下のときはＥＧＲブロワの回転数を一定にして循環ガスの流量を調整する一方、目標抽出量が下限値より多いときは循環ガスの供給を停止してＥＧＲブロワの回転数を調整する。つまり、目標抽出量に応じてＥＧＲブロワの回転数又は循環ガスの流量のいずれかのみを調整するため、排気ガスの抽出量の調整を単純化することができる。

上記のエンジンシステムにおいて、掃気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度計を備え、前記制御装置は、前記酸素濃度計が検出した酸素濃度に基づいて前記目標抽出量を設定するように構成されていてもよい。

この構成によれば、酸素濃度計が検出した酸素濃度に基づいて目標抽出量を設定するため、エンジンシステムから排出されるＮＯｘの排出量を適切に調整することができる。

上記の構成によれば、排気流路から抽出する排気ガスの抽出量が少ない場合であっても、排気ガス抽出量の制御性を維持することができる。

図１は、エンジンシステムの全体図である。図２は、エンジンシステムの制御系の構成のブロック図である。図３は、制御プログラムのフローチャートである。図４は、酸素濃度制御の制御ブロック図である。

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。

＜エンジンシステムの全体構成＞
はじめに、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の全体図である。本実施形態に係るエンジンシステム１００は大型船舶用のエンジンシステムであって、エンジン本体１０と、排気流路２０と、過給機３０と、掃気流路４０と、ＥＧＲ流路５０と、ＥＧＲブロワ６０と、循環流路７０と、循環ガス調整部８０と、を備えている。以下、これらの各構成要素について順に説明する。

本実施形態のエンジン本体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、複数のシリンダ１１を有しており、各シリンダ１１内で燃料が爆発燃焼することでピストン１２が駆動する。エンジン本体１０には、シリンダ１１に燃料を供給する燃料供給装置１３及びエンジン回転数を検出するエンジン回転計１４（いずれも図２参照）が設けられている。

排気流路２０は、シリンダ１１内における燃料の爆発燃焼によって発生した排気ガスを外部へ排出する流路である。排気流路２０は、エンジン本体１０の出口付近に位置する排気チャンバ２１を有している。エンジン本体１０で発生した排気ガスは、一時的に排気チャンバ２１に溜められた後、外部に向かって排出される。

過給機３０は、掃気ガス（新気）を圧縮する装置である。過給機３０は、排気流路２０に設けられたタービン部３１と、掃気流路４０に設けられたコンプレッサ部３２と、タービン部３１とコンプレッサ部３２を連結する連結軸３３を有している。排気ガスのエネルギによりタービン部３１が回転すると、これに伴ってコンプレッサ部３２も回転する。コンプレッサ部３２が回転することにより、外部から取り込んだ掃気ガス（新気）が圧縮される。

掃気流路４０は、エンジン本体１０に掃気ガスを供給する流路である。過給機３０により圧縮された掃気ガスは掃気流路４０を流れて、合流点４１でＥＧＲ流路５０から供給されたガスと合流してエンジン本体１０へ供給される。掃気流路４０は、エンジン本体１０の入口付近に位置する掃気チャンバ４２を有している。掃気チャンバ４２は掃気ガスを一時的に溜めた後、エンジン本体１０へ供給する。また、掃気流路４０の掃気チャンバ４２には、掃気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度計４３が設けられている。なお、酸素濃度計４３の設置箇所は、掃気チャンバ４２に限られない。例えば、酸素濃度計４３は、掃気流路４０の合流点４１と掃気チャンバ４２の間に設けられていてもよい。

ＥＧＲ流路５０は、排気流路２０から排気ガスを抽出し、抽出した排気ガスを掃気流路４０へ供給する流路である。ＥＧＲ流路５０は、排気流路２０の排気チャンバ２１よりも下流側でタービン部３１よりも上流側の部分と、掃気流路４０のコンプレッサ部３２よりも下流側で掃気チャンバ４２よりも上流側の部分とを連結している。

ＥＧＲブロワ６０は、ＥＧＲ流路５０に設けられ、排気流路２０から抽出した排気ガスを掃気流路４０へ供給する装置である。本実施形態のＥＧＲブロワ６０は、回転数と送風量が比例する容積式のブロワであり、より具体的にはルーツブロワである。ただし、ＥＧＲブロワ６０は、ターボ式など容積式以外のブロワであってもよい。なお、ＥＧＲブロワ６０は、送風量が少なく回転数が低いと、送風量を制御する制御性が低下してしまう。また、本実施形態のＥＧＲブロワ６０はＥＧＲブロワ６０自体の回転により冷却機構を駆動する自冷式のブロワである。そのため、ＥＧＲブロワ６０回転数が低くなると冷却機構を十分に駆動できなくなり、冷却効果が低下するという問題もある。

循環流路７０は、循環ガスをＥＧＲ流路５０のＥＧＲブロワ６０よりも上流へ供給する流路である。本実施形態の循環流路７０は、掃気チャンバ４２から掃気ガスを取り込み、取り込んだ掃気ガスを「循環ガス」としてＥＧＲ流路５０のＥＧＲブロワ６０よりも上流に供給している。ただし、循環流路７０は、掃気流路４０の掃気チャンバ４２以外の部分（合流点４１と掃気チャンバ４２の間の部分を含む）からガスを取り込み、そのガスを循環ガスとしてもよく、また、ＥＧＲ流路５０のＥＧＲブロワ６０よりも下流からガスを取り込み、そのガスを循環ガスとしてもよい。

ただし、掃気流路４０の合流点４１で排気ガス（新気）とＥＧＲ流路５０を流れるガスが合流するため、合流点４１よりも下流では掃気流路４０の合流点４１よりも上流やＥＧＲ流路５０に比べて流路が大きく形成されている。そのため、掃気流路４０の合流点４１より下流では、掃気ガスの流れが比較的安定している。よって、循環流路７０が掃気流路４０の下流から取り込んだがガスを循環ガスとする構成によれば、安定した循環ガスをＥＧＲ流路５０に供給することができる。

さらに、掃気チャンバ４２内では圧力変動が少ないため、本実施形態のように、循環流路７０が掃気チャンバ４２から取り込んだガスを循環ガスとする構成によれば、より安定した循環ガスをＥＧＲ流路５０に供給することができる。

循環ガス調整部８０は、ＥＧＲ流路５０に供給する循環ガスの供給量を調整する部分である。本実施形態の循環ガス調整部８０は開閉弁であり、この開閉弁の開度を変化させることで循環ガスの供給量を調整することができる。また、循環ガス調整部８０は、流量調整可能な絞り機構でもよい。また、循環ガス調整部８０は開閉弁に限られず、例えばブロワであってもよい。この場合、ブロワの回転数を変更することで、循環ガスの供給量を調整することができる。

＜制御系の構成＞
次に、本実施形態に係るエンジンシステム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の制御系の構成のブロック図である。図２に示すように、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、制御装置９０を備えている。制御装置９０は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、及び、Ｉ／Ｏインターフェース等を有している。

制御装置９０は、運転操作盤９１、エンジン回転計１４、及び、酸素濃度計４３と電気的に接続されている。なお、運転操作盤９１は作業者によって操作され、目標エンジン回転数を含む運転条件が入力される。制御装置９０は、上記の各機器から送信される信号に基づいて、目標エンジン回転数、エンジン回転数（実エンジン回転数）、及び、掃気ガスの酸素濃度（実酸素濃度）をそれぞれ取得することができる。

また、制御装置９０は、燃料供給装置１３、ＥＧＲブロワ６０、及び、循環ガス調整部８０と電気的に接続されており、これらの機器へ制御信号を送信して各機器を制御する。さらに、制御装置９０は、不揮発性メモリに後述する制御プログラム及び種々のデータが保存されており、プロセッサがこの制御プログラムに基づき揮発性メモリを用いて演算処理を行う。

＜制御プログラム＞
次に、制御プログラムについて説明する。図３は、制御プログラムのフローチャートである。図３で示す処理は、制御装置９０によって実行される。

図３に示すように制御が開始されると、まず制御装置９０は各機器から送信される信号に基づいて運転情報を取得する（ステップＳ１）。具体的には、制御装置９０は、運転操作盤９１、エンジン回転計１４、及び、酸素濃度計４３から送信される信号に基づいて、目標エンジン回転数、実エンジン回転数、及び、実酸素濃度をそれぞれ取得する。

続いて、制御装置９０は、目標エンジン回転数と実エンジン回転数の差がゼロとなるような燃料噴射量を算出し、算出した燃料噴射量に基づいて燃料噴射装置１３に制御信号を送信する（ステップＳ２）。

続いて、制御装置９０は、掃気ガスの目標酸素濃度を算出する（ステップＳ３）。制御装置９０は、目標酸素濃度とエンジン負荷との関係を示すマップデータを記憶しており、このマップデータとエンジン負荷に基づいて目標酸素濃度を算出する。なお、エンジン負荷は、実エンジン回転数と燃料噴射量から算出（推定）することができる。

続いて、制御装置９０は、排気流路２０から抽出する排気ガスの目標抽出量を算出する（ステップＳ４）。具体的には、目標酸素濃度と実酸素濃度の差及びエンジン負荷に基づいて、目標抽出量を算出する。例えば、実酸素濃度が目標酸素濃度より低い場合は、掃気ガス中における排気ガスの割合を減らして、掃気ガス中の酸素量を増加させる必要がある。そのため、この場合は目標抽出量は少なくなる。また、例えば、エンジン負荷が大きい場合は、エンジン本体１０へ供給される掃気ガスの量も多くなるため、目標抽出量も多くなる。

続いて、制御装置９０は、ステップＳ４で算出した目標抽出量が予め定めた下限値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５）。ここで、上記の「下限値」は、ＥＧＲブロワ６０が当該下限値よりも少ない量のガスを送風しようとすると、回転数が低くなりすぎて制御性が悪化してしまう量である。つまり、ＥＧＲブロワ６０の送風量が下限値以下になると、制御性が悪化する。

ステップＳ５において、目標抽出量が下限値以下であると判定した場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、制御装置９０は、ＥＧＲブロワ６０を通過するガスの総量が下限値よりも多くなるように、循環ガスをＥＧＲ流路５０のＥＧＲブロワ６０よりも上流へ供給する（ステップＳ６）。これにより、排気ガスの抽出量が少ない場合であっても、ＥＧＲブロワ６０を通過するガスの総量が下限値よりも多くなるため、ＥＧＲブロワ６０の回転数を一定以上に維持することができ、制御性を確保することができる。

より具体的には、制御装置９０は、ステップＳ６において、ＥＧＲブロワ６０の回転数を一定にしてＥＧＲブロワ６０を通過するガスの総量を一定にするとともに、ＥＧＲブロワ６０を通過するガスに含まれる排気ガスの量が目標抽出量となるように、循環ガスの供給量を調整する。つまり、ＥＧＲブロワ６０を通過するガスの総量を一定にしつつ、排気ガスの量が目標抽出量よりも少ない場合には循環ガスの供給量を減らして排気ガスの抽気量を増やし、排気ガスの量が目標抽出量よりも多い場合には循環ガスの供給量を増やして排気ガスの抽気量を減らす。

一方、ステップＳ５において、目標抽出量が下限値よりも多いと判定した場合（ステップＳ５でＮＯ）、制御装置９０は、循環ガスの供給を停止して供給量をゼロにする（ステップＳ７）。当然ながら、目標抽出量が下限値よりも多い場合は、循環ガスを供給しなくともＥＧＲブロワ６０を通過するガスの総量は、下限値よりも多くなるため、制御性を確保することができる。

より具体的には、制御装置９０は、ステップＳ７において、循環ガスの供給を停止するとともに、ＥＧＲブロワ６０を通過するガス（すなわち排気流路２０から抽出した排気ガス）の総量が目標抽出量となるようにＥＧＲブロワ６０の回転数を調整する。つまり、ＥＧＲブロワ６０を通過するガスの総量（送風量）が、目標抽出量よりも少なければ回転数を増加し、目標抽出量よりも多ければ回転数を減少させる。

以上のとおり、本実施形態では、排気流路２０から抽出した排気ガスの抽出量が目標抽出量となるように調整するにあたり、目標抽出量が下限値以下のときは循環ガスの供給量のみを調整し、目標抽出量が下限値よりも多いときはＥＧＲブロワ６０の回転数のみを調整するため、制御を単純化することができる。なお、上記のステップＳ６及びステップＳ７を経た後は、再度ステップＳ１に戻ってステップＳ１乃至Ｓ７を繰り返す。

なお、以上では、制御プログラムの趣旨が明確になるように排気ガスの目標抽出量を算出する場合について説明したが、実際には排気ガスの目標抽出量を算出しなくとも、例えば図４に示すような酸素濃度制御によれば上述した制御プラグラムと同様の作用効果を得ることができる。図４に示す酸素濃度制御は、図示のとおり目標酸素濃度と実酸素濃度の差に基づいて演算が行われる。そして、酸素濃度制御による演算で得られた操作量が上述した目標抽出量の下限値（ステップＳ５参照）に対応する値よりも小さいときには、ＥＧＲブロワ６０の回転数を一定に設定する一方、循環ガス調整部８０（ここでは制御弁）の開度は操作量が増加するに従って小さくなるように設定する。また、操作量が上述した目標抽出量の下限値に対応する値よりも大きいときには、ＥＧＲブロワ６０の回転数を操作量が増加するに従って大きく設定する一方、循環ガス調整部８０（制御弁）は全閉に設定する。

１０エンジン本体
２０排気流路
４０掃気流路
４１合流点
４２掃気チャンバ
４３酸素濃度計
５０ＥＧＲ流路
６０ＥＧＲブロワ
７０循環流路
８０循環ガス調整部
９０制御装置
１００エンジンシステム

Claims

エンジン本体と、
前記エンジン本体で発生した排気ガスを排出する排気流路と、
前記エンジン本体へ掃気ガスを供給する掃気流路と、
前記排気流路から排気ガスを抽出して前記掃気流路へ供給するＥＧＲ流路と、
前記ＥＧＲ流路に設けられたＥＧＲブロワと、
前記掃気流路から又は前記ＥＧＲ流路の前記ＥＧＲブロワよりも下流からガスを取り込んで、取り込んだガスを循環ガスとして前記ＥＧＲ流路の前記ＥＧＲブロワよりも上流へ供給する循環流路と、
前記循環ガスの供給量を調整する循環ガス調整部と、
前記ＥＧＲブロワ及び前記循環ガス調整部を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記排気流路から抽出する排気ガスの目標抽出量が所定の下限値以下のとき、前記ＥＧＲブロワを通過するガスの総量が前記下限値よりも多くなるように、前記循環ガスを前記ＥＧＲ流路の前記ＥＧＲブロワよりも上流へ供給するよう制御し、このとき、前記ＥＧＲブロワの回転数を一定にして当該ＥＧＲブロワを通過するガスの総量を一定にするとともに、前記ＥＧＲブロワを通過するガスに含まれる排気ガスの量が前記目標抽出量となるように前記循環ガスの供給量を調整し、
前記目標抽出量が前記下限値よりも多いとき、前記循環ガスの供給を停止するとともに、前記ＥＧＲブロワを通過するガスの総量が前記目標抽出量となるように前記ＥＧＲブロワの回転数を調整する、エンジンシステム。
前記循環流路は、前記掃気流路の前記ＥＧＲ流路が合流する合流点よりも下流から前記循環ガスを取り込む、請求項１に記載のエンジンシステム。
前記掃気流路は、掃気ガスを一時的に溜めてから前記エンジン本体へ供給する掃気チャンバを有し、
前記循環流路は、前記掃気チャンバから前記循環ガスを取り込む、請求項２に記載のエンジンシステム。
掃気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度計を備え、
前記制御装置は、前記酸素濃度計が検出した酸素濃度に基づいて前記目標抽出量を設定する、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載のエンジンシステム。