DK166161B

DK166161B - Gastilfoerselssystem for en gasdrevet dieselmotor

Info

Publication number: DK166161B
Application number: DK301388A
Authority: DK
Inventors: Koetsu Asai; Hiroshi Nakagawa; Mataji Tateishi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Ind Ltd
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1988-06-02
Publication date: 1993-03-15
Also published as: DK166161C; JPS63302169A; DK301388A; KR890000772A; AU606571B2; EP0293832B1; DE3869211D1; ATE73902T1; DK301388D0; EP0293832A2; KR910009725B1; JPH0654101B2; EP0293832A3; CA1302188C; AU1695588A; US4924822A

Description

DK 166161B

i Nærværende opfindelse angår et gastilførselssystem til en dieselmotor og især et gastilførselssystem til at tilføre gas til en dieselmotor, specielt i hvilken en fordampningsgas, som er fordampet fra en væskeformet gas, anvendes.

5

Ved dieselmotorer, som benytter gas som brændstof, er det kendt at benytte en type med lavtryksgas-forblandingsforbrænding og en type med højtryksgasinjektions-diffusionsforbrænding, og i den hidtil kendte teknik er lavtryksgas-forblandingsforbrændingstypen blevet 10 anvendt i mange tilfælde. Ved virkemåden i denne type indsuges en forblandet brændstof-luftblanding i indsugningsfasen eller et gasbrændstof indsprøjtes i en cylinder i den indledende og midterste periode af kompressionsfasen, under hvilken unormal forbrænding kan opstå på grund af temperaturstigningen, der forårsages af adiabatisk 15 kompression under kompressionsfasen, hvorfor der benyttes en proces, hvor kompressionsforholdet gøres lavere end det, der er nødvendigt i en dieselmotor, som arbejder med oliebrændsel, og hvorved der skabes et problem i form af, at den termiske effektivitet og kraftydelsen sænkes.

20

Der arbejdes derfor på indeværende tidspunkt af forskellige selskaber med videreudvikling af dieselmotorer af højtryksgasinjektions-diffusionsforbrændingstypen. Fig. 4 viser et eksempel på en sådan højtryksgasinjektions-diffusionsforbrændingstype på en die-25 selmotor af den hidtil kendte art. Idet der henvises til denne figur, sættes gas, som fordampes fra en gastank med flydende gas 11 under tryk af en højtrykskompressor 30, hvorpå gassen køles ned til normal temperatur af havvand i en varmeveksler 40 og derpå tilføres en dieselmotor 70 gennem en højtryksgastilførselsledning 41. Høj-30 trykskompressoren 30 er en 4-trins stempel kompressor 31, 32, 33 og 34, som drives af en elektromotor 35. Mellem det tredje kompressortrin 33 og det fjerde kompressortrin 34 er anbragt en mellemkøler 36, i hvilken gas under tryk afkøles af havvand. Henvisningsbetegnelsen 10 angiver en tankinstallation for flydende gas.

35 I en dieselmotor af højtryksgasinjektions-diffusionsforbrændingstypen kræves der imidlertid en mængde energi til at sætte gassen under tryk til et højtryk. Som et eksempel på en beregning heraf for en tank med flydende naturgas med en kapacitet på 125.000 m , hvor

DK 166161 B

2 fordampningstabet pr. dag af den totale gasmængde er 0,1%, andrager kompressorenergien, der kræves til at sætte den samlede gasmsngde under tryk op til 250 bar (atmosfære), ca. 700 kW.

5 Det er derfor formålet med nærværende opfindelse at tilvejebringe et nyt gastilførelsessystem for en gasdrevet dieselmotor, som er fri for de ovenfor nævnte ulemper ved den hidtil kendte teknik.

Det er et særligt formål med nærværende opfindelse at tilvejebringe 10 et gastilførselssystem for en gasdrevet dieselmotor, i hvilken energien, der kræves til at sætte fordampningsgassen under tryk, er lille.

Ifølge et træk ved nærværende opfindelse tilvejebringes der et 15 gastilførselssystem for en gasdrevet dieselmotor af den type, hvor et gasbrændsel tilføres dieselmotoren, og som er ejendommelig ved, at en tilførselslinie for højtryksgas, som sættes under tryk af en højtryksgaskompressor, og en tilførselslinie for lavtryksgas, som sættes under tryk af en lavtryksgaskompressor, er tilvejebragt i 20 nævnte gastilførselssystem.

Ifølge et andet træk ved nærværende opfindelse er opfindelsen yderligere ejendommelig ved, at der mellem nævnte motor og en tank for flydende gas for opbevaring af gasformet brændsel er tilveje-25 bragt et blandingsapparat for flydende gas til at iblande nævnte flydende gas i nævnte fordampningsgas, og at henholdsvis en tilførselslinie for højtryksgas, som er sat under tryk af en højtrykskompressor, som komprimerer nævnte fordampningsgas eller en blanding af nævnte fordampningsgas og nævnte flydende gas, og en tilførselslinie 30 for en lavtryksgas, som er sat under tryk af en lavtrykskompressor, er tilvejebragt i nævnte gastilførselssystem.

Med andre ord kan de ovenfor nævnte problemer i forbindelse med den hidtil kendte teknik løses ved hjælp af de følgende karakteristiske 35 træk ved opfindelsen: (1) Der tilvejebringes en tilførselslinie, gennem hvilken en del af gassen tilføres dieselmotoren som brændsel efter lavtryksgas-forblandingsmetoden, og en anden tilførselslinie, gennem

DK 166161 B

3 hvilken den resterende mængde gas tilføres efter en højtryksgasindsprøjtningsmetode. Mængden af gas, der tilføres som lavtryksgas, begrænses til en sådan størrelse, at unormal forbrænding ikke kan opstå i kompressionsfasen.

5 (2) En flydende gas tilføres fordampningsgassen, og begge gasmængder komprimeres derefter.

Ifølge opfindelsen opnås der hermed følgende fordele: 10 (1) Da mængden af den benyttede højtryksgas begrænses, bliver energien, der kræves til ved tryk at frembringe en højtryksgas, lille.

15 (2) Temperaturen i forbrændingsgassen ved indgangen til kompresso ren sænkes. Herudover begrænses temperaturstigningen af gassen under kompressionen til at være lille, hvorfor energien, der kræves til at sætte gassen under tryk, også bliver lille.

20 De ovenfor nævnte samt andre formål, træk og fordele ved nærværende opfindelse vil blive beskrevet nærmere i det følgende som en fore-trukken udførelsesform for opfindelsen i forbindelse med den vedføjede tegning. På denne viser: 25 fig. 1 et systemdiagram af et gastilførselssystem ifølge en fore- trukken udførelsesform for opfindelsen, fig. 2 et T-S-diagram, som der henvises til for at forklare tilstandsændringerne for gassen i systemet, der er vist i fig. 1, 30 fig. 3 et systemdiagram for et gastilførselssystem ifølge en anden foretrukken udførelsesform af nærværende opfindelse, og fig. 4 et systemdiagram for et gastilførselssystem af den hidtil 35 kendte art.

En første, foretrukken udførelsesform for opfindelsen er vist på fig. 1, som er et systemdiagram for et gastilførselssystem, i hvilket en fordampningsgas udvikles i en gastank for flydende

DK 166161B

4 naturgas og sættes under tryk og derpå tilføres en dieselmotor. Fig.

2 er et T-S-diagram for methan og vil blive benyttet til at forklare tilstandsændringen for en fordampningsgas under kompressionsfasen.

5 På fig. 1 angiver henvisningsbetegnelsen 10 en tankinstallation for flydende naturgas, henvisningsbetegnelsen 20 et blandingsapparat for flydende gas, henvisningsbetegelsen 30 generelt en højtrykskompressor, henvisningsbetegnelsen 40 en varmeveksler, henvisningsbetegnelsen 41 en højtryksgastilførselsledning, henvisningsbetegnelsen 50 jO et lavtrykskompressoranlæg, henvisningsbetegnelsen 51 selve lavtrykskompressoren, henvisningsbetegnelsen 52 en elektromotor, henvisningsbetegnelsen 60 en varmeveksler, henvisningsbetegnelsen 61 en lavtryksgastilførselsledning og henvisningsbetegnelsen 70 en dieselmotor.

15

Herudover angiver henvisningsbetegnelsen 11 en tank for naturgas, henvisningsbetegnelsen 12 en pumpe til at overføre flydende gas, henvisningsbetegnelsen 21 en forbrugstank, henvisningsbetegnelsen 22 en trykfrembringende pumpe for flydende gas, henvisningsbetegnelsen 20 23 en dyse for iblanding af flydende gas, henvisningsbetegnelsen 24 en hydrocyklon, henvisningsbetegnelserne 31, 32, 33 og 34 en flertrins kompressor og henvisningsbetegnelsen 35 en elektromotor.

Den flydende naturgas i tanken 11 fordampes af varmen, som kontinu-25 ert tilføres tanken fra den omgivende atmosfære, således at en fordampningsgas frembringes. Hovedparten af fordampningsgassen sættes under tryk op til et højtryk af højtrykskompressoren 30, køles derpå ned til normal temperatur af havvand i varmeveksleren 40 og tilføres dieselmotoren 70 gennem højtryksgastilførselsledningen 30 41. Højtrykskompressoren 30 er en 4-tri nskompressor af den frem- og tilbagegående type 31, 32, 33 og 34, som drives af elektromotoren 35. En del af fordampningsgassen sættes under tryk til et lavtryk af lavtrykskompressoren 50, opvarmes derpå til normal temperatur af havvand i varmeveksleren 60 og tilføres dieselmotoren 70 gennem 35 lavtryksgastilførselsledningen 61.

Dieselmotoren 70 har en gasinjektionsdyse, en styreventil og andre enheder, som ikke er vist, og lavtryksgassen tilføres enten som en forblandet brændsel-luftblanding i indsugningsfasen for

DK 166161 B

5 dieselmotoren 70 eller indsprøjtes i cylinderen under den indledende og mellemste periode af kompressionsfasen. Mængden af lavtryksgas, der indsprøjtes på dette tidspunkt, er begrænset til en sådan størrelse, at unormal forbrænding forårsaget af temperaturstigningen 5 under den adiabatiske kompressionsfase ikke opstår.

Højtryksgassen indsprøjtes momentant i cylinderen i nærheden af det øvre dødpunkt for stempelstangen. Næsten samtidig med denne indsprøjtning af højtryksgas indsprøjtes en tændolie i cylinderen ved 10 hjælp af en tændolieindsprøjtningsmekanisme, som ikke er vist.

Den pågældende grundliggende teknologi for denne tilførsel af lavtryksgas, af højtryksgasindsprøjtning og af tændolieindsprøjtning er kendt i forbindelse med dieselmotorer af lavtryksgas forbian-15 dingsforbrændingstypen og højtryksgasinjektions-diffusionsforbræn dingstypen.

På fig. 2 angiver ordinaten temperaturen T og abeissen entropien S.

Kurven A-B viser en mættet væskelinie, kurven D-F viser en mættet 20 damplinie, kurven E-H viser en isobar på 250 bar, og kurven A-C-F-G viser en isobar på 1 bar.

I det foran omtalte gastilførselssystem sker fordampningen af naturgas i tanken 11 kontinuert ved hjælp af varmetilgang fra den 25 omgivende atmosfære, og fordampningsgas udvikles. Forinden fordampningsgassen sættes under tryk i højtrykskompressoren 30, blandes denne fordampningsgas med en flydende gas i blandingsapparatet 20 for flydende gas.

30 Nærmere beskrevet modtager forbrugstanken 21 i det foran nævnte blandingsapparat 20 for flydende gas den flydende gas, som overføres fra tanken 11 ved hjælp af overførselspumpen 12 for flydende gas.

Den flydende gas i forbrugstanken 21 sættes under tryk af trykpumpen 22 for flydende gas, hvorpå denne indsprøjtes og blandes med for-35 brændingsgassen i blandingsdysen 23 for flydende gas.

Medens den tilførte flydende gas ville fordampe fuldstændigt, hvis indsprøjtningshastigheden for flydende gas var lille, vil blandingen, når den flydende gas indsprøjtes og blandes ved en højere

DK 166161 B

6 hastighed end den, der er nødvendig, for at temperaturen af fordampningsgassen kan sænkes til mættede dampes temperatur, indtage en tilstand af en tofasestrømning bestående af en gasfase fra fordampningsgassen og en flydende fase fra den flydende gas i form af 5 ganske små dråber.

Hensigtsmæssigt bør de flydende dråber i den flydende fase være så små som mulige, og derfor fjernes større dråber ved hjælp af hydro-cyklonen 24 og returneres til forbrugstanken 21. Tofasestrømningen, 20 hvorfra de større dråber er blevet fjernet, bliver successivt sat under tryk i fire trin i kompressoren 30, hvorefter gasstrømmen afkøles eller opvarmes ved hjælp af havvand i varmeveksleren 40 og derpå tilføres dieselmotoren 70 som brændsel.

15 For at forklare tilstandsændringen for fordampningsgassen i de respektive trin med henvisning til T-S-diagrammet i fig. 2, forudsættes betingelserne at være følgende: Tilstandsændringerne behandles under den forudsætning, at komponenten af flydende naturgas er ren methan. Yderligere forudsættes det, at temperaturen i forbræn-20 dingsgassen er 130eK, dens tryk er 1 bar, og komprimeret gas under et tryk på 250 bar ved normal temperatur (ca. 300eK) er fremstillet. Herudover forudsættes det, at komprimeringen er en isoentropisk, adiabatisk komprimering, at fordampningsgassen og de flydende dråber af den indsprøjtede flydende gas udgør en ideelt ensartet blan-25 dingsfase, og endvidere at der ses bort fra varmetilgang fra den omgivende atmosfære og mekanisk friktion og lignende.

Fordampningsgassens tilstand før behandlingen er vist ved punktet G.

Hvis fordampningsgassen her er sat under et tryk på 250 bar ved blot 30 i sig selv at komprimere i fire trin, vises tilstanden ved punktet H. Ved her at køle gassen ned til normal temperatur (ca. 300°K) ved hjælp af havvand under bibeholdelse af et konstant tryk på 250 bar, ændres tilstanden til punktet E, og gassen tilføres dieselmotoren i denne tilstand.

35

Enthalpiforskellen mellem G og H er ca. 170 kcal/kg, og enthalpi-forskellen mellem H og E er ca. 130 kcal/kg. Dette betyder, at mekanisk energi svarende til ca. 170 kcal forbruges pr. 1 kg fordampningsgas, og det meste af energien på omkring 130 kcal går til

DK 166161 B

7 spilde som termisk energi i havvandet.

Behandlingen ifølge nærværende opfindelse forklares herefter, idet en flydende gas ved punkt A blandes med fordampningsgassen ved punkt 5 G. Hvis mængden af flydende gas, der skal iblandes, er lille, vil den samlede gasmængde fordampe, og temperaturen i fordampningsgassen sænkes hovedsagelig ved hjælp af den latente varmeafgivelse ved denne fordampning og vil nå tilstanden mellem G og F. Tilstanden kan for eksempel angives ved punktet G'. Hvis gassen her underkastes en jO firetrins kompression, vil tilstanden blive vist ved punktet H'. Enthalpiforskellen mellem G' og H' er mindre end enthalpiforskellen mellem G og H.

Når mængden af flydende gas, som indsprøjtes og iblandes, øges, j5 sænkes temperaturen af gassen efter iblandingen, indtil punktet F

nås. Hvis mængden af iblandet gas yderligere forøges, vil gastemperaturen efter iblandingen ikke blive sænket ned under temperaturen svarende til punktet F, men gassen vil blive en tofasefluid bestående af gassen ved punktet F og den flydende gas ved punktet A.

20

Eksempelvis beskrives herefter situationen, hvor 0,5 kg flydende gas ved punktet A iblandes 1 kg fordampningsgas ved punktet G, hvorved det dannede fluid bliver til en tofasestrøm efter indsprøjtning og vil blive vist ved punktet C, og hvis dette fluid komprimeres i fire 25 trin til 250 bar, vil tilstanden blive vist ved punktet E, hvor temperaturen er på ca. 300eK. Under komprimeringsprocessen fra punktet C til punktet E er processen fra punktet C til punktet B en komprimering til en tofasestrømning. Idet gasfasen og den flydende fase herefter forklares hver for sig, sættes gasfasekomponenten 30 under tryk langs de mættede dampes linie F-D, samtidig med at den flydende fasekomponent sættes under tryk, og dennes temperatur hæves langs den mættede væskelinie A-B, medens gassen delvis fordamper, og som et resultat af fordampningen af den samlede gasmængde forsvinder den flydende fasekomponent ved punktet B. Enthalpi forskel len mellem 35 C og E er på ca. 86 kcal.

Med andre ord, ved at blande 0,5 kg flydende gas ved punktet A med 1 kg fordampningsgas ved punktet G, fås 1,5 kg tofasefluid ved punktet C. Den mekaniske energi, som kræves til at komprimere denne

DK 166161B

8 tofasefluid til 1,5 kg komprimeret gas ved punktet E, svarer til 85 kcal x 1,5 kg ^130 kcal. Som beskrevet i det foregående og sammenlignet med situationen, hvor fordampningsgassen ved punktet C i sig selv komprimeres, reduceres den krævede mekaniske energi, og den 5 producerede mængde gas ved punktet E forøges 1,5 gange.

Hvis mængden af flydende gas blandet med 1 kg fordampningsgas er større end 0,5 kg, ændres tilstanden for den frembragte tofasefluid fra punktet C hen imod punktet A og vil for eksempel blive vist ved 10 punktet C'. I modsætning hertil vil tilstanden, hvis blandingsmængden er mindre end 0,5 kg, blive vist ved punktet C". Hvis gasserne ved disse tilstande komprimeres op til 250 bar, vil gasserne fremstå som vist henholdsvis ved punktet E' og E", således at temperaturen af den frembragte højtryksgas vil ændre sig, ligesom den mekaniske 15 energi, der kræves til frembringelsen af trykket, vil blive henholdsvis formindsket eller forøget.

Hvis denne opnåede temperatur skulle overskride den tilladelige grænse for tilførsel til dieselmotoren 70, opvarmes eller afkøles 20 den frembragte gas af havvand i varmeveksleren.

Hvis andelen af flydende gas, som blandes med fordampningsgas, således forud kan fastsættes inden for bestemte grænser, det vil sige, hvis gastemperaturen ved kompressoren 30's udgang kan fast-25 sættes inden for en tilladelig grænse, kan varmeveksleren 40 undværes.

Fig. 3 er et systemdiagram, der viser en anden foretrukken udførelsesform for opfindelsen.

30

Medens den totale mængde flydende gas ved iblanding i det foregående trin, før gassen blev ledt ind i højtrykskompressoren i den foran beskrevne, første foretrukne udførelsesform, er der i denne anden foretrukne udførelsesform anbragt et antal blandingsdyser 22a, 23b, 35 23c og 23d for flydende gas, svarende til hver af de fire kompressortrin 31, 32, 33 og 34 i højtrykskompressoren 30 til successivt at iblande flydende gas.

Ved komprimering af en tofasefluid er det ønskeligt, at den flydende 9

DK 166161B

fasekomponent kan fordeles så ensartet som muligt i gassen, der har form af ganske små væskedråber, men for at opnå dette er det nødvendigt at iblande en passende mængde gas gradvist i stedet for at iblande en stor mængde flydende gas på en gang. I den anden fore-5 trukne udførelsesform opfyldes dette krav forholdsvis let ved, at iblandingsdyserne for flydende gas 23a, 23b, 23c og 23d er anbragt hver for sig svarende til kompressortrinene 31, 32, 33 og 34.

Som detaljeret beskrevet ovenfor er de karakteristiske træk til at 10 tilføre gas til en dieselmotor af højtryksgasinjektions-diffusionsforbrændingstypen ifølge opfindelsen, at (1) en del af det gasformede brændsel tilføres efter lavtryks forblandingsmetoden, og 15 (2) den flydende gas iblandes det gasformede brændsel og komprime-res derpå, hvorefter - sammenlignet med metoden ifølge den kendte teknik, hvor den samlede mængde gas tilføres som en højtryksgas - den mekaniske energi, som er nødvendig til at 20 sætte gassen under tryk, bliver lille, fordi en del af gassen tilføres i form af en lavtryksgas ifølge ovennævnte karakteristiske træk (1).

Herudover ændres på grund af ovennævnte karakteriske træk (2) 25 gastilstanden som vist på T-S-diagrammet ved kompression af gassen til lavtemperatursiden sammenlignet med brændselstilførselssystemet ifølge den kendte teknik, i hvilken en flydende gas ikke iblandes, og hvorefter den til komprimeringen af gassen nødvendige kraft kan reduceres. På grund af kombinationen af de ovennævnte karakteriske 30 træk (1) og (2) og forudsat at mængden af fordampningsgas og flydende gas, som skal iblandes, holdes konstant, reduceres ikke alene mængden af gas, som skal komprimeres under højt tryk, men også tilstanden af gassen, når den er blevet komprimeret ved højt tryk, ændres yderligere til lavtemperatursiden, og den til komprimeringen 35 nødvendige energi reduceres derfor yderligere væsentligt.

Selv om nærværende opfindelse i princippet er blevet beskrevet ovenfor i forbindelse med de foretrukne udførelsesformer for den, skal det i beskrivelsen indeholdte og i de ledsagende tegninger 10 5

DK 166161 B

illustrerede, fortolkes som eksempler og ikke som en begrænsning af opfindelsens ramme.

10 15 20 25 30 35

Claims

1. Et gastilførselssystem for en gasdrevet dieselmotor (70), ved hvilket gasformet brændsel tilføres motoren, kendetegnet 5 ved, at en tilførselslinie (41) for højtryksgas, som sættes under tryk af en højtryksgaskompressor (30), og en tilførselslinie (61) for lavtryksgas, som sættes under tryk af en lavtryksgaskompressor (50), er tilvejebragt i nævnte gastilførselssystem.

2. Et gastilførselssystem ifølge krav 1, i hvilket en fordamp ningsgas, som er fordampet fra en væskeformet gas, tilføres motoren, kendetegnet ved, at der mellem nævnte motor (70) og en tank (11) for flydende gas for opbevaring af gasformet brændsel er tilvejebragt et blandingsapparat (20) for flydende gas til at 15 iblande nævnte flydende gas i nævnte fordampningsgas, og at henholdsvis en tilførselslinie (41) for højtryksgas, som er sat under tryk af en højtrykskompressor (30), som komprimerer nævnte fordampningsgas eller en blanding af nævnte fordampningsgas og nævnte flydende gas, og en tilførselslinie (61) for en lavtryksgas, som er 20 sat under tryk af en lavtrykskompressor (50), er tilvejebragt i nævnte gastilførselssystem. 25 30 35