專利名稱：發(fā)動機排氣能量回收裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及回收從船舶用柴油發(fā)動機、陸上發(fā)電機用柴油發(fā)動機等的發(fā)動機主體排出的廢氣(燃燒氣體)的排氣能量作為動力的排氣能量回收裝置。
背景技術：
作為以廢氣(燃燒氣體)中含有的排氣能量為動力進行回收的排氣能量回收裝置，例如已知有專利文獻所公開的增壓器及動力渦輪。專利文獻1日本特開昭63-186916號公報柴油發(fā)動機具備將從發(fā)動機主體排出的廢氣(燃燒氣體)不僅導向增壓器，而且將其一部分導向動力渦輪等而回收排氣能量的裝置，在此種柴油發(fā)動機中，由于廢氣的一部分的排氣能量未使用于增壓器的驅動，因此根據(jù)發(fā)動機的運轉狀態(tài)的不同，可能會發(fā)生增壓器效率下降且從增壓器向發(fā)動機主體的換氣(吸氣)壓力不足，因而發(fā)動機的燃燒效率下降，燃料消耗率增加。然而，近年來，通過增壓器的排氣渦輪部及被渦輪部的旋轉驅動力所驅動的壓縮器部的葉片的形狀、將葉片包裹在內(nèi)的殼體與葉片之間的間隙的減少、渦輪部及壓縮器部的驅動阻力減少等的改善，增壓器的性能獲得提高，即使將來自發(fā)動機的廢氣超過以往情況地導向動力渦輪，增壓器也能夠向發(fā)動機主體供給充分的換氣壓力(供氣壓力)。其結果是，上述專利文獻所公開的柴油發(fā)動機在高負載運轉的狀態(tài)下，當縮小旁通閥(即，減少動力渦輪的輸出)時，為了驅動動力渦輪而利用的廢氣向增壓器的排氣渦輪供給，排氣渦輪的驅動力及轉速上升，被排氣渦輪所驅動的壓縮器的轉速也上升。其結果是，從壓縮器向柴油發(fā)動機供給的壓縮空氣的壓力(換氣壓力供氣壓力) 超過發(fā)動機的容許運轉壓力，因此從發(fā)動機安全方面的觀點出發(fā)，僅將換氣壓力控制成容許壓力以下，因此發(fā)動機不會以最佳運轉狀態(tài)進行運轉而無法實現(xiàn)熱效率改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述的情況而作出，其目的在于提供一種利用組裝有相對于發(fā)動機的負載、發(fā)動機轉速而發(fā)動機性能(燃料消耗率)成為最佳的換氣壓力(供氣壓力)的計算式或數(shù)據(jù)庫的控制裝置，以得到最佳換氣壓力的方式調(diào)整不通過動力渦輪及增壓器而旁通的廢氣量，從而能夠始終確保發(fā)動機的最佳運轉狀態(tài)的發(fā)動機排氣能量回收裝置。另外，其目的在于即便由于經(jīng)年老化而汽缸內(nèi)的壓縮壓力下降，也能維持所述發(fā)動機的最佳運轉狀態(tài)。發(fā)動機實現(xiàn)上述目的，涉及一種排氣能量回收裝置，其特征在于，具備排氣渦輪增壓器，利用從所述發(fā)動機排出的廢氣對渦輪部進行驅動，具有通過該渦輪部的驅動而將外氣向發(fā)動機主體進行壓力輸送的壓縮器部；第一排氣管，將該排氣渦輪增壓器與所述發(fā)動機的排氣岐管之間連通；動力渦輪，由所述廢氣來驅動；第二排氣管，將所述排氣岐管與所述動力渦輪之間連通；氣體入口控制閥，配設在該第二排氣管的中途并控制廢氣向所述
4動力渦輪的流量；旁通管，與位于所述氣體入口控制閥的上游側的所述第二排氣管連接而繞過所述動力渦輪；廢氣旁通控制閥，配設在該旁通管的中途并控制繞過所述動力渦輪的廢氣的流量；發(fā)動機負載檢測機構，檢測所述發(fā)動機的負載；發(fā)動機轉速檢測機構，檢測所述發(fā)動機的轉速；換氣(供氣)壓力檢測機構，檢測所述發(fā)動機的換氣(供氣)壓力；以及控制裝置，具有根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的最佳換氣壓力的數(shù)據(jù)庫，所述控制裝置以成為計算出的所述最佳換氣(供氣)壓力的方式控制所述廢氣旁通控制閥。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機排氣能量回收裝置，控制裝置根據(jù)檢測到的發(fā)動機負載和發(fā)動機轉速等檢測值而計算出用于將發(fā)動機形成為最佳的運轉狀態(tài)的發(fā)動機的最佳換氣壓力，以成為該計算出的最佳換氣壓力的方式通過設置在動力渦輪跟前的上述廢氣旁通控制閥的控制來控制廢氣旁通量，始終將發(fā)動機維持成最佳運轉狀態(tài)，通過抑制燃料消耗率而得到發(fā)動機的運轉成本減少及伴隨于此的環(huán)境改善等的良好效果。另外，還優(yōu)選具備如下結構在所述控制裝置中還具備根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的燃料噴射裝置的最佳噴射時間的映射，參照該映射，控制所述燃料噴射裝置的噴射時間。伴隨著與動力渦輪連結的被驅動裝置的負載變化，而向動力渦輪流動的廢氣量進行變化，向排氣渦輪增壓器側流動的廢氣量進行變化，換氣壓力進行變化。因此，除了換氣壓力之外，通過使燃料噴射時間變化而控制發(fā)動機的汽缸內(nèi)的燃燒狀態(tài)(燃燒時間)，能夠始終將發(fā)動機維持成燃料消耗率最佳運轉狀態(tài)，因此能得到發(fā)動機的運轉成本減少及與此相伴的環(huán)境改善等良好效果。另外，還優(yōu)選具備如下結構在所述控制裝置中還具備根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的排氣閥的關閉時間的映射，參照該映射，控制所述排氣閥的關閉時間。在發(fā)動機的汽缸內(nèi)壓縮的壓力由換氣(供氣)壓力和排氣閥關閉時間決定。通過提高換氣壓力并延遲排氣閥關閉時間，而活塞上升時的壓縮作功減少，能得到燃料費減少效果，而且，使壓縮上止點的汽缸內(nèi)燃燒氣體溫度下降，因此能夠抑制燃料燃燒時的 NOx(氮氧化物)生成，從而能夠減少環(huán)境負荷。另外，還優(yōu)選具備如下結構所述發(fā)動機具備燃料泵驅動液的工作液蓄壓室或共軌式燃料泵的燃料蓄壓室，在所述控制裝置中還具備根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的工作液蓄壓壓力或燃料蓄壓壓力的映射，參照該映射，控制所述工作液蓄壓壓力或燃料蓄壓壓力。工作液蓄壓壓力或燃料蓄壓壓力會直接影響燃料噴射壓力。因此，能夠較高地維持燃料噴射壓力，確保汽缸內(nèi)的燃料噴射時的燃料的微細化及燃料與空氣的混合促進引起的最佳燃燒狀態(tài)，得到熱效率的提高所引起的燃料消耗率的減少，通過燃燒改善而對廢氣的凈化帶來良好的效果。另外，所述控制裝置基于來自對所述廢氣旁通控制閥的開度進行檢測的廢氣旁通控制閥開度檢測機構的信號，為了形成燃料消耗率為最佳的運轉狀態(tài)的換氣壓力，以成為所述控制裝置計算出的目標旁通控制閥開度的方式對該廢氣旁通控制閥的開度進行反饋控制。通過依次檢測廢氣旁通控制閥的開度并控制開度，而調(diào)整向排氣渦輪增壓器側的廢氣量，能夠調(diào)整向發(fā)動機主體的換氣壓力，能夠修正經(jīng)年老化等引起的指令值與實際的開度的偏差，從而能夠防止運轉條件偏離最佳運轉條件的情況。另外，所述控制裝置根據(jù)由汽缸內(nèi)壓力檢測機構檢測到的汽缸內(nèi)壓力而計算出汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp、最高壓力Pmax，預先設定燃料消耗率相對于發(fā)動機負載及發(fā)動機轉速成為最佳的最佳壓縮壓力PcompO及最佳最高壓力PmaxO作為映射，以使所述算出最高壓力Pmax成為所述映射值的方式控制燃料噴射時間，以所述算出壓縮壓力Pcomp成為所述映射值的方式控制排氣閥關閉時間。用于將發(fā)動機維持成最佳運轉狀態(tài)的影響條件之一是燃料的燃燒狀況。燃料的燃燒狀況會影響發(fā)動機轉速、發(fā)動機的換氣(吸氣)壓力、燃料的性質(十六烷值、粘度、雜質的混合等)等，由于燃料的點火時期、燃料的微細化狀況等而燃燒狀況進行變化，因此可以直接檢測汽缸內(nèi)壓力〔壓縮壓力Pcomp和最高壓力(燃燒壓力)Pmax〕，而判斷燃料的燃燒狀況。因此，以使發(fā)動機運轉狀態(tài)相對于發(fā)動機負載的映射的燃料消耗率成為最佳運轉狀態(tài)的值的方式控制廢氣旁通控制閥，從而控制換氣壓力，即使燃料的性質發(fā)生變化，發(fā)動機的燃料消耗率也能夠維持最佳的運轉狀態(tài)。另外，本發(fā)明的發(fā)動機的排氣能量回收裝置的特征在于，具備排氣渦輪增壓器， 利用從所述發(fā)動機排出的廢氣對渦輪部進行驅動，具有通過該渦輪部的驅動而將外氣向發(fā)動機主體進行壓力輸送的壓縮器部；第一排氣管，將該排氣渦輪增壓器與所述發(fā)動機的排氣岐管之間連通；動力渦輪，由所述廢氣來驅動；第二排氣管，將所述排氣岐管與所述動力渦輪之間連通；氣體入口控制閥，配設在該第二排氣管的中途并控制廢氣向所述動力渦輪的流量；旁通管，與位于所述氣體入口控制閥的上游側的所述第二排氣管連接而繞過所述動力渦輪；廢氣旁通控制閥，配設在該旁通管的中途并控制繞過所述動力渦輪的廢氣的流量；發(fā)動機負載檢測機構，檢測所述發(fā)動機的負載；發(fā)動機轉速檢測機構，檢測所述發(fā)動機的轉速；汽缸內(nèi)壓力檢測機構，檢測所述發(fā)動機的汽缸內(nèi)壓力；控制裝置，具有根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的最佳壓縮壓力及最佳汽缸內(nèi)最高壓力的數(shù)據(jù)庫，所述控制裝置以成為計算出的所述最佳壓縮壓力的方式控制排氣閥關閉時間，以成為計算出的所述最佳汽缸內(nèi)最高壓力的方式控制燃料噴射時間。由于經(jīng)年老化等而產(chǎn)生廢氣旁通控制閥指令值與實際的閥開度的偏差，從而換氣壓力下降時，或排氣閥座部發(fā)生磨損時，壓縮壓力下降，因此發(fā)動機性能下降。通過直接檢測汽缸內(nèi)的燃燒壓力，以使汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp成為規(guī)定的值的方式控制廢氣旁通控制閥，從而控制換氣壓力，能夠防止發(fā)動機的實運轉條件偏離最佳運轉的情況。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的排氣能量回收裝置，根據(jù)分別來自發(fā)動機的負載檢測機構、發(fā)動機的轉速檢測機構、換氣壓力檢測機構等的檢測值，決定發(fā)動機性能(燃料消耗率)成為最佳的換氣壓力，并控制廢氣旁通控制閥，從而能夠將發(fā)動機性能始終維持成最佳的狀態(tài)。


圖1是具備本發(fā)明的第一實施方式的排氣能量回收裝置的簡要結構圖。圖2是本發(fā)明的決定最佳運轉狀態(tài)的控制用數(shù)據(jù)庫的一例。圖3是本發(fā)明的第一實施方式的控制結構圖。圖4是本發(fā)明的第一實施方式的控制流程圖。圖5是本發(fā)明的第二實施方式的控制結構圖。圖6是本發(fā)明的第二實施方式的控制流程圖。圖7是本發(fā)明的第三實施方式的控制結構圖。圖8是本發(fā)明的第三實施方式的控制流程圖。圖9是本發(fā)明的第四實施方式的控制流程圖。
具體實施例方式以下，說明本發(fā)明的發(fā)動機排氣能量回收裝置的實施方式。但是，該實施例所記載的結構部件的尺寸、材質、形狀、其相對配置等并不局限于特定的記載，本發(fā)明的范圍并未限定于此，只不過是說明例。如圖1所示，船舶用柴油發(fā)動機1具備柴油發(fā)動機主體(例如，低速二沖程柴油發(fā)動機)2 ；柴油發(fā)動機主體2 (以下稱為“發(fā)動機主體”)的排氣岐管7 ；在發(fā)動機主體2內(nèi)通過未圖示的燃料噴射裝置噴射的燃料進行燃燒的汽缸6 (在本實施方式的情況下，表示配置有六個汽缸的六汽缸發(fā)動機)。3是排氣渦輪增壓器，其具備通過從排氣岐管7排出的廢氣進行驅動的排氣渦輪部3a ；與該排氣渦輪部3a同軸地結合而被進行旋轉驅動，并將外氣作為換氣(供氣)施加壓力而向發(fā)動機主體2供給的壓縮器部:3b。Ll是將排氣岐管 7和排氣渦輪部3a連結，并將廢氣向排氣渦輪部3a輸送的第一排氣管。18是用于對利用壓縮器部北將外氣壓縮后的換氣(供氣)進行冷卻而提升空氣密度的中間冷卻器。Kl是將壓縮器部北和中間冷卻器18連結的第一供氣管，K2是將中間冷卻器18和發(fā)動機主體 2的供氣岐管8連結，并將通過中間冷卻器18冷卻后的換氣(供氣)向發(fā)動機主體2的供氣岐管8輸送的第二供氣管。4是通過從排氣岐管7分流的廢氣進行驅動的作為后述的發(fā)電機的驅動源的動力渦輪。9是利用對動力渦輪4及排氣渦輪增壓器3的排氣渦輪部3a分別進行驅動的廢氣的熱量來使水與蒸汽進行熱交換的熱交換器。LlO是向熱交換器9供水的供水管。熱交換器9是使通過供水管LlO供給的水向蒸發(fā)管內(nèi)(未圖示)流通，而利用廢氣的熱量將水熱轉換成蒸汽的裝置。L2是將排氣岐管7和動力渦輪4連結，并將廢氣向動力渦輪4輸送的第二排氣管。 L3是將動力渦輪4和熱交換器9連結，并將從動力渦輪4排出的廢氣向熱交換器9輸送的第三排氣管，L4是與排氣渦輪增壓器3的排氣渦輪部3a和第三排氣管L3連結，并將來自排氣渦輪部3a的廢氣向熱交換器9輸送的第四排氣管。L5與上述的動力渦輪4共同作用而將熱交換器9和作為發(fā)電機的驅動源的蒸汽渦輪5連結，并將熱交換器9進行了熱交換后的蒸汽向蒸汽渦輪5輸送的第五排氣管。L6是使驅動了蒸汽渦輪5后的蒸汽向冷凝器 (凝汽器)(未圖示)返回的第六排氣管。L7是將在熱交換器9中水與蒸汽進行了熱交換后的廢氣向煙囪(煙囪)(未圖示)輸送而向船外排出的第七排氣管。另外，通過冷凝器(凝汽器)使蒸汽凝結且凝汽而得到的水由供水管LlO向熱交換器9供給。Vl是夾裝在第二排氣管L2的中途，為了控制向動力渦輪4的廢氣流量，通過控制器(未圖示)來調(diào)整開度的氣體入口控制閥。V2是夾裝在第五排氣管L5的中途，為了控制向蒸汽渦輪5的蒸汽流量，通過所述控制器調(diào)整開度的蒸汽流量調(diào)整閥。V3是夾裝在第一旁通管L8的中途的廢氣旁通控制閥，該第一旁通管L8將第二排氣管L2的氣體入口控制閥 Vl上游側位置和第三排氣管L3連結。V4是夾裝在第二旁通管Lll的中途的蒸汽旁通流量控制閥，該第二旁通管Lll將第五排氣管L5的流量調(diào)整閥V2上游側位置和第六排氣管L6 連結。V5是在第二排氣管L2與第一旁通管L8的結合部和氣體入口控制閥Vl之間夾裝于第二排氣管L2的緊急用的緊急控制閥，在某些事態(tài)下想要停止向動力渦輪4的廢氣流入時進行工作。另外，在廢氣旁通控制閥V3與第三排氣管L3的中途部夾裝有節(jié)流裝置19。在發(fā)動機主體2進行高負載運轉(通常的航行運轉)，且動力渦輪4為全負載運轉狀態(tài)時(即， 廢氣旁通控制閥V3為全閉且氣體入口控制閥Vl為全開時)，節(jié)流裝置19進行調(diào)整，以在氣體入口控制閥Vl全閉時(動力渦輪4為停止狀態(tài))，使得與在氣體入口控制閥Vl中流動的廢氣同量的廢氣在廢氣旁通控制閥V3中流動。因此，在發(fā)動機主體2為高負載運轉的狀態(tài)且動力渦輪4為停止狀態(tài)時，防止向排氣渦輪增壓器3側供給的廢氣的流量增加而換氣壓力增加至規(guī)定以上的情況，從而防止對發(fā)動機造成壞影響。另一方面，如上所述，在發(fā)動機主體2為高負載運轉(通常的航行運轉)且動力渦輪4為全負載運轉狀態(tài)時，節(jié)流裝置19進行調(diào)整，以使得與在動力渦輪4中流動的廢氣同量的廢氣進行流動(氣體入口控制閥Vl全閉時)，上述情況是在氣體入口控制閥Vl全閉時，向排氣渦輪增壓器3側供給的廢氣的流量越減少而在節(jié)流裝置19中流動的廢氣越不流動，因此也防止排氣渦輪增壓器3的換氣壓力成為規(guī)定值以下，從而能夠確保發(fā)動機主體2 的最佳運轉。動力渦輪4的旋轉軸(未圖示)和蒸汽渦輪5的旋轉軸(未圖示)經(jīng)由減速器 (未圖示)及聯(lián)軸器10連結，而且，蒸汽渦輪5的旋轉軸(未圖示)和發(fā)電機11的旋轉軸 (未圖示)經(jīng)由減速器(未圖示)及聯(lián)軸器12連結。另外，發(fā)電機11經(jīng)由控制用阻力器13與另外配置在船內(nèi)(本實施方式中的發(fā)動機室內(nèi))的配電盤14電連接，從而能夠利用發(fā)電機11所發(fā)出的電力作為船內(nèi)電源。接下來，參照圖2，說明本發(fā)明的實施方式中的燃料消耗率決定最佳運轉狀態(tài)的控制用數(shù)據(jù)庫即映射。圖2的控制用數(shù)據(jù)庫在船舶用二沖程發(fā)動機中，表示某發(fā)動機轉速、負載時的關系。因此，分別相對于發(fā)動機轉速、負載而具有同樣的關系的映射。橫軸表示壓縮壓力Pcomp，圖2的右方向的值變大?？v軸表示燃料噴射時間，上方表示時間延遲角方向，下方表示提前角方向。取代壓縮壓力Pcomp，作為換氣(供氣)壓力(換氣壓力大時，壓縮壓力變大的關系)、發(fā)動機主體的排氣閥關閉時間(提前關閉而壓縮壓力變大的關系)，取代控制因子也能得到同樣的關系。圖中具有間隔的多個曲線是燃料消耗率的等高線，根據(jù)發(fā)動機的轉速、負載而曲線的位置及曲線的形狀不同。圖中燃料消耗率的等高線表示隨著向曲線的右下(曲線的中心方向)方向移動而燃料消耗率良好。另外，粗直線表示汽缸內(nèi)最高壓力Pmax上限值，汽缸內(nèi)最高壓力Pmax上限值的右側區(qū)域由于超過發(fā)動機主體的容許壓力而成為無法使用的范圍。因此，將發(fā)動機的燃料消耗率控制成最佳運轉狀態(tài)的目標位置(最佳運轉點)是汽缸內(nèi)最高壓力Pmax上限值的左側區(qū)域且成為燃料消耗率的等高線的接近汽缸內(nèi)最高壓力Pmax上限值的部分?；谠撃繕宋恢每刂茡Q氣壓力、排氣閥關閉時間、燃料噴射時間，維持發(fā)動機的最佳運轉狀態(tài)。另外，隨著負載降低，換氣壓力下降，伴隨于此，壓縮壓力下降，因此能夠將燃料噴射時間形成為提前角。因此，負載越低，而在圖2的映射中，最佳運轉點越沿著粗直線的汽缸內(nèi)最高壓力Pmax上限值向左下方向移動。此時，無論是燃料消耗率的等高線還是曲線的中心都沿著粗直線的汽缸內(nèi)最高壓力Pmax上限值向左下方向移動。(第一實施方式)基于圖3及圖4，說明本發(fā)明的發(fā)動機的最佳運轉(燃料消耗率最小)控制方法的第一實施方式。圖3是本發(fā)明的第一實施方式的控制結構圖，圖4是本發(fā)明的第一實施方式的控制流程圖。在圖3中，來自發(fā)動機負載檢測機構20的信號、來自發(fā)動機轉速檢測機構21的信號、來自對發(fā)動機的換氣(供氣)壓力進行檢測的換氣壓力檢測機構22的信號向控制裝置即控制器23輸入并輸出向廢氣旁通控制閥V3的廢氣旁通控制閥控制指令信號A。如圖4所示，在步驟Sl中，通過各個檢測機構從發(fā)動機主體1檢測發(fā)動機負載L、 發(fā)動機轉速Ne及換氣壓力Ps，作為信號向控制器23輸入。在步驟S2中，控制器23將發(fā)動機負載L及發(fā)動機轉速Ne參照預先在控制器23內(nèi)準備的數(shù)據(jù)庫并計算最佳換氣壓力 1^0(在圖2中基于橫軸表示換氣壓力的映射來計算)。接下來，在步驟S3中，控制器23求出換氣壓力I3S與在步驟S2中計算出的最佳換氣壓力PsO之差ΔΙ^，基于該差Δ I^s而決定廢氣旁通控制閥V3的開度修正量ΔΑ。接下來，在步驟S4中，根據(jù)在步驟S3中決定出的廢氣旁通控制閥V3的開度修正量ΔΑ和當前的開度指令值Α’，決定廢氣旁通控制閥V3的新的控制閥開度指令值Α。在步驟S5中，將控制成新的控制閥開度指令值A的指令通過控制器23向廢氣旁通控制閥V3輸出。然后，從步驟S5返回步驟Sl重復進行。通過重復該動作而檢測換氣壓力I^s是否成為用于維持最佳運轉狀態(tài)的狀態(tài)，在偏離用于維持最佳運轉狀態(tài)(燃料消耗率最小)的最佳換氣壓力PsO時進行修正。根據(jù)第一實施方式，根據(jù)控制裝置23所檢測到的發(fā)動機負載、發(fā)動機轉速等檢測值計算用于形成為發(fā)動機的最佳運轉狀態(tài)的發(fā)動機的最佳換氣壓力1^0，通過上述廢氣旁通控制閥V3的控制，將為了成為該計算出的換氣壓力而向動力渦輪側分流的廢氣量控制成最佳換氣壓力，始終將發(fā)動機維持成最佳運轉狀態(tài)，通過抑制燃料消耗率而能得到發(fā)動機的運轉成本減少及與之相伴的環(huán)境負荷減少等優(yōu)良效果。(第二實施方式)接下來，基于圖5及圖6，說明本發(fā)明的發(fā)動機最佳運轉控制方法的第二實施方式。另外，第一、第二實施方式是未計測汽缸內(nèi)壓力而進行基于換氣壓力(供氣壓力)的檢測值的控制的情況，后述的實施方式3、4是測定汽缸內(nèi)壓力進行控制的情況。圖5是第二實施方式的控制結構圖，圖6是第二實施方式的控制流程圖。在圖5中，對與第一實施方式相同的結構標注同一符號。與第一實施方式不同的結構是如下的點從廢氣旁通控制閥開度檢測機構26輸入開度信號，而且，向發(fā)動機控制器25輸出燃料噴射時間信號、排氣閥關閉時間信號、工作液蓄壓壓力信號(電子控制發(fā)動機中的燃料泵驅動液的工作液蓄壓壓力)或燃油蓄壓壓力信號(共軌式燃料泵的燃料蓄壓壓力)。在圖6所示的流程圖中，首先在步驟S11中，通過各個檢測機構從廢氣旁通控制閥開度檢測機構26檢測廢氣旁通控制閥開度信號B和來自發(fā)動機主體1的發(fā)動機負載L、發(fā)動機轉速Ne及換氣壓力Ps，作為信號向控制器M輸入。接下來在步驟S12中，參照預先在控制器M內(nèi)準備的映射(最佳換氣壓力1^0、燃料噴射時間9inj、排氣閥關閉時間θ evc、工作液/燃油蓄壓壓力相對于發(fā)動機負載L、發(fā)動機轉速Ne的映射)，計算各參數(shù)的最佳值。S卩，如圖2所示，預先在控制器M內(nèi)準備的映射是指，分別按照每個發(fā)動機負載L、 發(fā)動機轉速Ne，在壓縮壓力Pcomp與燃料噴射時間的坐標內(nèi)表示燃料消耗率的等高線及汽缸內(nèi)最高壓力Pmax上限值，并設定P點作為最佳運轉點的映射。并且，也可以取代橫軸的壓縮壓力Pcomp而使用換氣壓力、排氣閥關閉時間、工作液蓄壓壓力(電子控制發(fā)動機中的燃料泵驅動液的工作液蓄壓壓力)或燃油蓄壓壓力(共軌式燃料泵的燃料蓄壓壓力)?；谶@些映射而計算出各參數(shù)的最佳值。在步驟S13中，控制器M求出由換氣壓力檢測機構22檢測到的換氣壓力I3S與在步驟S12中算出的最佳換氣壓力PsO之差ΔΙ^，基于該Δ I^s而決定開度修正量ΔΑ。在步驟S14中，根據(jù)在步驟S13中決定的廢氣旁通控制閥V3的開度修正量Δ A和當前的開度指令值Α’而決定廢氣旁通控制閥V3的新的控制閥開度Α。在步驟S15中，通過控制器M將控制成新的控制閥開度A的指令向廢氣旁通控制閥V3輸出。在步驟S16中，算出新檢測到的廢氣旁通控制閥V3的檢測值B與指令值A的誤差。在步驟S17中若存在誤差則返回步驟S14，基于誤差而計算出修正量，重復進行修正。若檢測到的廢氣旁通控制閥V3的控制閥開度B成為按照指令值A的指示，則返回步驟S11，重復進行控制，以將換氣壓力I^s維持最佳換氣壓力1^0。另一方面，在步驟S18中，分別從燃料噴射時間einj、排氣閥關閉時間θ evc、工作液/燃油蓄壓壓力映射將發(fā)動機最佳運轉維持用的值作為信號向發(fā)動機控制器25發(fā)送， 而與發(fā)動機主體2的控制一起實施。S卩，如上所述，取代圖2的橫軸的壓縮壓力Pc，通過使用換氣壓力、排氣閥關閉時間、工作液蓄壓壓力(電子控制發(fā)動機中的燃料泵驅動液的工作液蓄壓壓力)或燃油蓄壓壓力(共軌式燃料泵的燃料蓄壓壓力)的映射，算出與設定了燃料消耗率最小的最佳運轉點P的位置相對的坐標縱軸的燃料噴射時間、坐標橫軸的排氣閥關閉時間、工作液蓄壓壓力、燃油蓄壓壓力的最佳值并輸出。電子控制發(fā)動機中的燃料泵驅動液的工作液蓄壓壓力、共軌式燃料泵的燃料蓄壓壓力、以及排氣閥的關閉時間會直接影響燃料噴射壓力。因此，能夠將工作液蓄壓壓力或燃料噴射壓力維持得較高，而確保汽缸內(nèi)的燃料的微細化、及燃料與空氣的混合促進形成的最佳燃燒狀態(tài)，從而得到熱效率的提高所產(chǎn)生的燃料消耗率的減少、燃燒改善所產(chǎn)生的廢氣的凈化所相伴的環(huán)境負荷的減少等優(yōu)良效果。另外，如圖6的步驟S14 S17所示，檢測排氣體旁通控制閥V3的開度，而進行反饋控制，從而能夠對經(jīng)年老化等所產(chǎn)生的指定值與實際的開度的偏差進行修正，能夠防止運轉條件偏離最佳運轉條件的情況。(第三實施方式)接下來，基于圖7、圖8，說明本發(fā)明的發(fā)動機最佳運轉控制方法的第三實施方式。 圖7表示控制結構圖，圖8表示控制流程圖。在圖7所示的控制結構中，對與所述第二實施方式相同的結構標注同一符號。與第二實施方式不同的結構是將汽缸內(nèi)壓力檢測機構27所產(chǎn)生的汽缸內(nèi)壓力信號向控制器 28輸入這一點。在圖8所示的流程圖中，首先在步驟S21中，將從廢氣旁通控制閥V3檢測到的廢氣旁通控制閥開度信號B，以及通過各個檢測機構檢測的來自發(fā)動機主體1的發(fā)動機負載 L、發(fā)動機轉速Ne、換氣壓力Ps、以及汽缸內(nèi)壓力Pcyl，作為信號向控制器觀輸入。在步驟 S22中，根據(jù)檢測到的汽缸內(nèi)壓力Pcyl的曲軸轉角履歷，而計算出汽缸內(nèi)壓縮壓力(點火前壓力)Pcomp、汽缸內(nèi)最高壓力Pmax。接下來，在步驟S23中，參照預先在控制器觀內(nèi)準備的映射(最佳換氣壓力1^0、 最佳壓縮壓力PcompO、最佳最高壓力PmaxO相對于發(fā)動機負載L、發(fā)動機轉速Ne的映射)， 而計算出參數(shù)最佳值。在步驟S24中，求出換氣壓力I3S與在步驟S23中算出的最佳換氣壓力PsO之差 ΔΙ^，基于ΔΙ^決定開度修正量ΔΑ。在步驟S25中，根據(jù)在步驟SM中決定的廢氣旁通控制閥V3的開度修正量△ A和當前的開度指令值Α’決定廢氣旁通控制閥V3的新的控制閥開度Α。在步驟S^中，通過控制器28將在步驟S25中決定的對向廢氣旁通控制閥V3的新的控制閥開度指令值A進行控制的指令輸出。在步驟S27中，算出新檢測到的廢氣旁通控制閥V3的值與指令值的誤差。在步驟S28中，判定誤差的有無，若存在誤差，則在步驟S30 中，基于誤差而計算出修正量，返回步驟S25，重復進行廢氣旁通控制閥V3的開度的修正。當檢測到的廢氣旁通控制閥V3的控制閥開度A成為按照指令值的指示時，然后， 返回步驟S21，重復進行控制，以將換氣壓力I^s維持成最佳換氣壓力1^0。另一方面，在步驟S31中，基于在步驟S23中算出的汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp與最佳壓縮壓力PcompO之差APcomp而決定排氣閥關閉時間的變更量Δ θ evc。同樣地，在步驟S32中與排氣閥關閉時間的變更量Δ θ evc的決定并行地，基于在步驟S23中算出的最佳最高壓力PmaxO和在步驟S22中算出的汽缸內(nèi)最高壓力Pmax而決定燃料噴射時間的變更量Δ θ inj。
在步驟S33中，基于在步驟S31中決定的排氣閥關閉時間的變更量Δ θ eve而決定排氣閥關閉時間，在步驟S34中，決定燃料噴射時間9inj。在步驟S35中，控制器觀對發(fā)動機控制器25發(fā)出排氣閥關閉時間θ evc及燃料噴射時間9inj的修正指令。在步驟 S36中，算出目標的最佳最高壓力PmaxO、最佳壓縮壓力PcompO與檢測到的汽缸內(nèi)最高壓力 Pmax、汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp的誤差。在步驟S37中，若分別存在誤差，則基于誤差，計算出修正量，分別對步驟S33和步驟S34進行反饋而重復進行控制。由此，發(fā)動機能夠進一步維持極其細微的最佳運轉(燃料消耗率最小)，能夠進一步實現(xiàn)燃料消耗率的提高和環(huán)境負荷減少。另外，在發(fā)動機的汽缸內(nèi)被壓縮的壓縮壓力由換氣壓力和排氣閥關閉時間這兩個因子來決定。因此，通過設定提高換氣(供氣)壓力并使排氣閥關閉時間延遲的關系，而活塞上升時的壓縮作功減少，能得到燃料費減少效果，而且，由于使壓縮上止點處的汽缸內(nèi)燃燒氣體溫度下降，因此能夠抑制燃料燃燒時的NOx(氮氧化物)生成，因此能夠減少環(huán)境負荷。另外，如步驟SM S27所示，以使換氣壓力成為最佳壓力的方式依次檢測換氣壓力的變化而控制廢氣旁通控制閥的開度，由此來調(diào)整向排氣渦輪增壓器側的廢氣量，從而能夠調(diào)整向發(fā)動機主體的換氣壓力，能夠修正因經(jīng)年老化等引起的指令值與實際的開度的偏差，從而能夠防止運轉條件偏離最佳運轉條件。另外，用于將發(fā)動機維持成最佳運轉狀態(tài)的條件之一是燃料的燃燒狀況。燃料的燃燒狀況會影響發(fā)動機轉速、發(fā)動機的換氣(吸氣)壓力、燃料的性質(十六烷值、粘度、 雜質的混合等)等，且由于燃料的點火時期、燃料的微細化狀況等而燃燒速度發(fā)生變化，因此如步驟S31 S37所示，直接檢測汽缸內(nèi)壓力〔壓縮壓力Pcomp和最高壓力(燃燒壓力) Pmax〕，以使檢測到的壓縮壓力Pcomp、最高壓力(燃燒壓力)Pmax分別成為發(fā)動機運轉狀態(tài)相對于發(fā)動機負載的映射的最佳運轉狀態(tài)的值的方式控制廢氣旁通控制閥開度及燃料噴射時間、排氣閥關閉時間，從而即使因燃料的性質的變化或經(jīng)年老化引起汽缸內(nèi)壓力的下降，也能夠維持發(fā)動機的最佳運轉(燃料消耗率最小的運轉)。另外，也可以不將壓縮壓力Pcomp和最高壓力Pmax分別控制成最佳值，而取得 Pmax/Pcomp的比，并使Pmax/Pcomp的比成為對發(fā)動機負載賦予的最佳映射比的方式控制廢氣旁通控制閥。(第四實施方式)接下來，基于圖7、圖9，說明本發(fā)明的發(fā)動機最佳運轉控制方法的第四實施方式。 圖7是控制結構圖，與第三實施方式同樣。圖9表示控制流程圖。在圖9中，首先，在步驟S41中，將來自發(fā)動機主體1的發(fā)動機負載L、發(fā)動機轉速 Ne、換氣壓力Ps、汽缸內(nèi)壓力Pcyl、以及廢氣旁通控制閥V3的檢測值通過各個檢測機構進行檢測，作為信號向控制器四輸入。在步驟S42中，根據(jù)檢測到的汽缸內(nèi)壓力Pcyl的曲軸轉角履歷，計算出汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp、汽缸內(nèi)最高壓力Pmax。在步驟S43中，參照預先在控制器四內(nèi)準備的映射(最佳壓縮壓力PcompO、最佳最高壓力PmaxO相對于發(fā)動機負載L、發(fā)動機轉速Ne的映射)，而計算出參數(shù)最佳值。在步驟S44中，控制器四基于汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp與最佳壓縮壓力PcompO之差Δ Pcomp而決定廢氣旁通控制閥V3的開度的變更量ΔΑ。在步驟S45中，根據(jù)在步驟S44中決定的廢氣旁通控制閥V3的開度修正量ΔΑ和當前的開度指令值A’而決定廢氣旁通控制閥V3的新的控制閥開度指令值A。在步驟S46中，通過控制器四將在步驟S45中控制成新的控制閥開度A的指令向廢氣旁通控制閥V3輸出。在步驟S47中，對最佳壓縮壓力PcompO與新檢測到的汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp進行比較，而計算出其誤差。并且，在步驟S48中，判斷廢氣旁通控制閥V3的開度是O還是打開。 在廢氣旁通控制閥V3的開度A興O即打開時，在步驟S49中，計算出基于誤差的廢氣旁通控制閥V3的開度修正量。將結果反映給步驟S45而實施廢氣旁通控制閥V3的開度控制。 另一方面，在步驟S48中，在開度A = O即關閉的情況下，在步驟S50中，基于汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp的誤差而計算出排氣閥關閉時間修正量Δ θ evc。在步驟S51中，決定排氣閥關閉時間θ evc。在步驟S52中，基于在步驟S43中算出的汽缸內(nèi)最高壓力Pmax與最佳最高壓力PmaxO之差而決定燃料噴射時間的變更量Δ θ inj。在步驟S53中，決定燃料噴射時間 θ inj。在步驟S54中，控制器四對發(fā)動機控制器25發(fā)出在步驟S51中決定的排氣閥關閉時間9evc和在步驟S53中決定的燃料噴射時間θ inj的控制指令。在步驟S55中，計算出目標的最佳最高壓力PmaxO、最佳壓縮壓力PcompO與檢測到的汽缸內(nèi)最高壓力Pmax、汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp之差。其結果是，當汽缸內(nèi)最高壓力Pmax與目標的最佳最高壓力PmaxO存在誤差時，在步驟S56中，基于汽缸內(nèi)最高壓力Pmax的誤差而計算出燃料噴射時間的變更量△ θ inj，返回步驟S53，基于上述Pmax的誤差而重新決定燃料噴射時間θ inj，并向發(fā)動機控制器25 輸出信號。另一方面，汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp與目標的最佳壓縮壓力PcompO存在誤差時，返回步驟S50，基于與最佳壓縮壓力PcompO的誤差而重新計算排氣閥關閉時間θ evc的修正
fio在因經(jīng)年老化等而廢氣旁通控制閥指令值與實際的閥開度產(chǎn)生偏差，從而換氣壓力下降時或排氣閥座部發(fā)生磨損時，由于壓縮壓力下降，因此發(fā)動機性能下降。如步驟 S44 S48所示，直接檢測汽缸內(nèi)的燃燒壓力，以使汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp成為規(guī)定值的方式控制廢氣旁通控制閥，從而能夠防止發(fā)動機的實運轉條件因經(jīng)年老化而偏離最佳運轉的情況。由此，發(fā)動機能夠進一步維持極細微的最佳運轉(燃料消耗率最小)，從而能夠實現(xiàn)進一步的燃料消耗率的提高和環(huán)境負荷減少。另外，直接檢測汽缸內(nèi)壓力〔壓縮壓力Pcomp和最高壓力(燃燒壓力)Pmax〕，以使檢測到的壓縮壓力Pcomp和最高壓力(燃燒壓力)Pmax分別成為發(fā)動機運轉狀態(tài)相對于發(fā)動機負載的映射的最佳運轉狀態(tài)的值的方式來控制廢氣旁通控制閥開度、燃料噴射時間、 排氣閥關閉時間，從而即使燃料的性質發(fā)生變化也能夠維持發(fā)動機的最佳運轉(燃料消耗率最小的運轉)。另外，在廢氣旁通控制閥V3的開度為全閉狀態(tài)的情況下，通過控制排氣閥關閉時間而能夠將汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp控制成最佳壓縮壓力PcompO，因此能夠可靠地進行對參數(shù)最佳值的控制。另外，本發(fā)明并未限定為上述的實施方式，而在不脫離本發(fā)明的技術思想的范圍內(nèi)，能夠根據(jù)需要而進行變形實施及變更實施。另外，在上述的實施方式中，將排氣渦輪增壓器3、動力渦輪4、蒸汽渦輪5各具備 1臺的排氣能量回收裝置作為一具體例進行了說明，但本發(fā)明并未限定于此，例如也可以適用兩臺排氣渦輪增壓器3、動力渦輪4、在動力渦輪的輸入側具備調(diào)整廢氣的流入量的可變噴嘴而控制轉速的動力渦輪等。另外，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，通過極其細微地調(diào)整氣體入口控制閥VI、蒸汽流量調(diào)整閥V2、廢氣旁通控制閥V3及蒸汽旁通流量控制閥V4，而能夠無級地調(diào)整動力渦輪4 及蒸汽渦輪5的各自運轉，因此發(fā)電機11的發(fā)電量的調(diào)整幅度增大，即使船內(nèi)的電力消耗量較大地變化，也可以采用控制用阻力器13的容量小的小型化的結構，因此在成本方面有利。工業(yè)實用性在本發(fā)明中，將動力渦輪及蒸汽渦輪與減速器通過聯(lián)軸器串聯(lián)連結，對發(fā)電機進行驅動而將發(fā)動機的排氣能量作為電力向船內(nèi)供給，但作也可以將壓縮空氣蓄積在空氣罐中作為空氣促動器的動力源。
權利要求
1.一種發(fā)動機排氣能量回收裝置，其特征在于，具備排氣渦輪增壓器，利用從所述發(fā)動機排出的廢氣對渦輪部進行驅動，具有通過該渦輪部的驅動而將外氣向發(fā)動機主體進行壓力輸送的壓縮器部；第一排氣管，將該排氣渦輪增壓器與所述發(fā)動機的排氣岐管之間連通； 動力渦輪，由所述廢氣來驅動；第二排氣管，將所述排氣岐管與所述動力渦輪之間連通；氣體入口控制閥，配設在該第二排氣管的中途并控制廢氣向所述動力渦輪的流量； 旁通管，與位于所述氣體入口控制閥的上游側的所述第二排氣管連接而繞過所述動力渦輪；廢氣旁通控制閥，配設在該旁通管的中途并控制繞過所述動力渦輪的廢氣的流量； 發(fā)動機負載檢測機構，檢測所述發(fā)動機的負載； 發(fā)動機轉速檢測機構，檢測所述發(fā)動機的轉速；換氣(供氣)壓力檢測機構，檢測所述發(fā)動機的換氣(供氣)壓力；以及控制裝置，具有根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的最佳換氣壓力的數(shù)據(jù)庫，所述控制裝置以成為計算出的所述最佳換氣(供氣)壓力的方式控制所述廢氣旁通控制閥。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機排氣能量回收裝置，其特征在于，在所述控制裝置中還具備根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的燃料噴射裝置的最佳噴射時間的映射，參照該映射，控制所述燃料噴射裝置的噴射時間。
3.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機排氣能量回收裝置，其特征在于，在所述控制裝置中還具備根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的排氣閥的關閉時間的映射，參照該映射，控制所述排氣閥的關閉時間。
4.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機排氣能量回收裝置，其特征在于，所述發(fā)動機具備燃料泵驅動液的工作液蓄壓室或共軌式燃料泵的燃料蓄壓室，在所述控制裝置中還具備根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的工作液蓄壓壓力或燃料蓄壓壓力的映射，參照該映射，控制所述工作液蓄壓壓力或燃料蓄壓壓力。
5.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機排氣能量回收裝置，其特征在于，所述控制裝置基于來自對所述廢氣旁通控制閥的開度進行檢測的廢氣旁通控制閥開度檢測機構的信號，為了形成燃料消耗率為最佳的運轉狀態(tài)的換氣壓力，以成為所述控制裝置計算出的目標旁通控制閥開度的方式對該廢氣旁通控制閥的開度進行反饋控制。
6.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機排氣能量回收裝置，其特征在于，所述控制裝置根據(jù)由汽缸內(nèi)壓力檢測機構檢測到的汽缸內(nèi)壓力而計算出汽缸內(nèi)壓縮壓力Pcomp、最高壓力Pmax，預先設定燃料消耗率相對于發(fā)動機負載及發(fā)動機轉速為最佳的最佳壓縮壓力PcompO及最佳最高壓力PmaxO作為映射，以使所述算出最高壓力Pmax成為所述映射值的方式控制燃料噴射時間，以所述算出壓縮壓力Pcomp成為所述映射值的方式控制排氣閥關閉時間。
7. 一種發(fā)動機排氣能量回收裝置，其特征在于，具備排氣渦輪增壓器，利用從所述發(fā)動機排出的廢氣對渦輪部進行驅動，具有通過該渦輪部的驅動而將外氣向發(fā)動機主體進行壓力輸送的壓縮器部；第一排氣管，將該排氣渦輪增壓器與所述發(fā)動機的排氣岐管之間連通； 動力渦輪，由所述廢氣來驅動；第二排氣管，將所述排氣岐管與所述動力渦輪之間連通；氣體入口控制閥，配設在該第二排氣管的中途并控制廢氣向所述動力渦輪的流量； 旁通管，與位于所述氣體入口控制閥的上游側的所述第二排氣管連接而繞過所述動力渦輪；廢氣旁通控制閥，配設在該旁通管的中途并控制繞過所述動力渦輪的廢氣的流量； 發(fā)動機負載檢測機構，檢測所述發(fā)動機的負載； 發(fā)動機轉速檢測機構，檢測所述發(fā)動機的轉速； 汽缸內(nèi)壓力檢測機構，檢測所述發(fā)動機的汽缸內(nèi)壓力；以及控制裝置，具有根據(jù)發(fā)動機負載檢測機構及發(fā)動機轉速檢測機構檢測到的各個檢測值而計算出發(fā)動機的燃料消耗率成為最佳的運轉狀態(tài)的最佳壓縮壓力及最佳汽缸內(nèi)最高壓力的數(shù)據(jù)庫，所述控制裝置以成為計算出的所述最佳壓縮壓力的方式控制排氣閥關閉時間，以成為計算出的所述最佳汽缸內(nèi)最高壓力的方式控制燃料噴射時間。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種相對于發(fā)動機的負載、發(fā)動機轉速而使發(fā)動機性能(燃料消耗率)成為最佳的最佳換氣壓力的方式調(diào)整向動力渦輪側抽出的廢氣量，始終能夠確保發(fā)動機的最佳運轉狀態(tài)的排氣能量回收裝置。具備發(fā)動機負載檢測機構、發(fā)動機轉速檢測機構、發(fā)動機的換氣(吸氣)壓力檢測機構，將各個檢測值與映射對照，控制排氣能量回收裝置側的廢氣流量，調(diào)整廢氣向增壓器側流動的廢氣量，將向發(fā)動機的換氣壓力維持成任意的壓力，從而控制成發(fā)動機的燃料消耗率最小的最佳運轉狀態(tài)。
文檔編號F01N5/04GK102422000SQ20108002055
公開日2012年4月18日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權日2009年6月25日
發(fā)明者三柳晃洋, 市來芳弘, 村田聰, 樋口純, 白石啟一, 細川直史 申請人:三菱重工業(yè)株式會社