FI120210B

FI120210B - Process for operating a piston combustion engine for reducing NOx

Info

Publication number: FI120210B
Application number: FI20030526A
Authority: FI
Inventors: Georg Wachtmeister; Peter Eilts
Original assignee: Man B & W Diesel Ag
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2009-07-31
Also published as: KR20030084612A; FI20030526A; DE10218723A1; DE10218723B4; KR100898357B1; FI20030526A0

Description

Menetelmä mäntäpolttomoottorin käyttämiseksi NOx:ien vähentämiseksiA method of using a piston combustion engine to reduce NOx

Keksintö koskee menetelmää sellaisen vähintään yhdellä turboah-timella ja yhdellä ahtoilmajäähdyttimeilä varustetun mäntäpolttomoottorin käyt-5 tämiseksi NOx:ien vähentämiseksi, jossa on laite veden sekoittamiseksi polttoaineeseen polttoaine-vesiemulsion muodostamiseksi ennen ruiskutusta ja laite sytytyshetken säätämiseksi ja laite veden lisäämiseksi ahtoilmaan.The invention relates to a method for operating a reciprocating internal combustion engine equipped with at least one turbocharger and one charge air cooler for reducing NOx, comprising a device for mixing water with fuel to form a fuel-water emulsion prior to injection and a device for adding water to the charge air.

Tällainen menetelmä on tunnettu esimerkiksi julkaisuista Fl 113392 Bja US 6318308 B1.Such a method is known, for example, from Fl 113392 B and US 6318308 B1.

10 Keksinnön tavoitteena oli saada aikaan mainitunlaiselle mäntäpolt- tomoottorille käyttömenetelmä, jolla pystytään saavuttamaan mahdollisimman pienellä veden kulutuksella mahdollisimman suuri NOx-vähennys ja samalla minimoimaan kielteiset vaikutukset polttoaineen kulutukseen ja nokipäästöihin. Tämä saavutetaan keksinnön mukaisesti sitä kautta, että: 15 koko kuormitusalueella toimitaan käyttäen polttoaine-vesiemulsiota, jossa veden osuus on 10-20 massaprosenttia, laskettuna 100 massaprosent-tia kohden hetkellistä kuormitusta vastaavaa polttoainetta, kuormitusalueen 76 % yläpuolella ja kuormitusalueen 30 % alapuolella toimitaan käyttäen aikaista sytytyshetkeä ja näiden arvojen välissä 20 olevalla välikuormitusalueella käyttäen myöhempää sytytyshetkeä ja/tai kuormitusalueen 75 % yläpuolella ja kuormitusalueen 30 % alapuolella toimitaan lisäämättä tai lisäten vähän vettä ahtoilmaan ja näiden arvojen välissä olevalla välikuormitusalueella lisäten runsaasti vettä.It was an object of the invention to provide a drive method for such a piston combustion engine which achieves the highest possible NOx reduction with minimum water consumption while minimizing the negative effects on fuel consumption and soot emissions. This is achieved in accordance with the invention by: operating over the entire loading range using a water-in-water fuel emulsion of 10-20% by weight, based on 100% by mass of fuel corresponding to the instantaneous load, above 76% and 30% below the loading range. at the moment of ignition and at an intermediate load range between these values using the later ignition point and / or above the load range of 75% and below the load range of 30% is operated without adding or adding little water to the supercharged air and in the intermediate load range between these values.

Veden suhteellisen pieni osuus polttoaine-vesiemulsiossa tarjoaa 25 sen edun, että tämä vesimäärä voidaan syöttää seoksen mukana tekemättä ruiskutusjärjestelmään suuria muutoksia. Yiäkuormitusalueella käytettävällä aikaisella sytytyshetkellä vähennetään lämpötilojen nousua samoin kuin polttoaineen kulutusta. Alakuormitusalueella tämän avulla pidetään nokipäästöt pieninä. Vähäisellä veden lisäämisellä ahtoilmaan yiäkuormitusalueella pie-30 nennetään polttoaineen kulutuksen samoin kuin ahtopaineen nousua. Alakuor-mitusaiueella vältetään suurten vesimäärien yhteydessä odotettavissa olevat valkoiset savupäästöt ja saavutetaan vähäiset nokipäästöt.The relatively small proportion of water in the fuel-water emulsion provides the advantage that this amount of water can be supplied with the mixture without making major changes to the injection system. Early ignition in the overload zone reduces temperature rise as well as fuel consumption. This will keep the carbon black emissions low in the underload range. The slight addition of water to the supercharged air in the overload area of the pie-30 reduces the increase in fuel consumption as well as the supercharging pressure. The lower loading area avoids the expected white smoke emissions with large volumes of water and achieves low carbon emissions.

Ylä- ja alakuormitusalueella käytettävä aikainen sytytyshetki säädetään edullisesti kulutuksen kannalta optimoiduksi, sytytys tapahtuu välikuormi-35 tusalueelia tällöin kampiakselin kääntökulman 5-10° verran myöhemmin. Tätä 2 kautta saavutetaan ylä- ja alakuormitusalueelia pieni kulutus ja välikuormitus-alueelia NOx-päästöjen huomattava väheneminen.Advantageously, the early ignition time used in the upper and lower load region is optimized for wear, the ignition occurring 5-10 ° lateral to the crankshaft pivot range. Through this 2, low consumption is achieved in the upper and lower load areas and a significant reduction in NOx emissions in the intermediate load area.

Keksinnön yhden kehitelmän mukaan kuormitusalueen 81 % yläpuolella ja kuormitusalueen 24 % alapuolella toimitaan lisäten vähän vettä ah-5 toilmaan.According to one embodiment of the invention, above the loading range 81% and below the loading range 24% is operated by adding a little water to the ah-5 air.

Veden lisäys ahtoilmaan on ylä- ja alakuormitusalueelia edullisesti alle 15 massaprosenttia, laskettuna 100 massaprosenttia kohden hetkellistä kuormitusta vastaavaa polttoainetta. Siinä yhteydessä veden lisäystä ahtoilmaan rajoittavat yläkuormitusalueelia kulloisenkin mäntäpolttomoottorin ahto-10 paineen ja maksimipaineen suurimat sallitut arvot.The addition of water to the charge air is preferably less than 15% by mass in the upper and lower loading range, based on 100% by mass of fuel corresponding to the instantaneous load. In this context, the addition of water to the supercharged air is limited by the maximum allowable values for the supercharging pressure and maximum pressure of the respective piston combustion engine.

Veden lisäys ahtoilmaan on välikuormitusalueella noin 50 massa-prosenttia, laskettuna 100 massaprosenttia kohden hetkellistä kuormitusta vastaavaa polttoainetta. Tätä veden lisäystä rajoittaa ahtoilman kylläisyysrajan saavuttaminen veden suhteen.The amount of water added to the charge air in the intermediate load range is about 50% by mass, based on 100% by mass of fuel corresponding to the instantaneous load. This addition of water is limited by the reaching of the charge air saturation limit for water.

15 Seuraavissa toteutusesimerkeissä on veden massaprosenttiset osuudet laskettu 100 massaprosenttia kohden hetkellistä kuormitusta vastaavaa polttoainetta.In the following embodiments, the percentages by mass of water are calculated per 100 percent by mass of fuel corresponding to the instantaneous load.

Ensimmäisen toteutusesimerkin mukaan toimitaan dieselmoottorin ollessa kyseessä lisäten vettä sekä polttoaineeseen että ahtoilmaan. Tällöin 20 käytetään polttoaine-vesiemulsiota, jossa veden osuus on vakio, 15 massaprosenttia, kaikilla kuormitusalueilla. Tämä on myös sikäli edullista, että polttoai-ne-vesiemulsion vesimäärä on muutettavissa vain määrätyllä viipeellä. Ahtoilmaan lisättävä vesimäärä on sen sijaan kuormitukseen 25 % asti 15 massa-prosenttia ja kuormituksen 80 % yläpuolella 10 massaprosenttia. Veden lisää-25 mistä rajoittaa yläkuormitusalueelia periaatteessa se, ettei ylitetä kyseisen mäntäpolttomoottorin ahtopaineen ja maksimipaineen suurimpia sallittuja arvoja. Näiden alueiden välissä olevilla kuormitusalueilla toimitaan sitä vastoin käyttämällä suurempaa vesimäärää, 50 massaprosenttia. Tätä veden lisäystä rajoittaa ahtoilman kylläisyysrajan saavuttaminen veden suhteen.In the first embodiment, the diesel engine is operated by adding water to both fuel and supercharged air. In this case, a fuel-water emulsion with a constant water content of 15% by mass is used in all loading areas. This is also advantageous in that the amount of water in the fuel-water emulsion can be changed only with a certain delay. Instead, the amount of water added to the compressed air is up to 25% by mass, up to a load of 25%, and 10% by mass above 80% of the load. Addition of water limits the overload range in principle not to exceed the maximum permissible values for the charge pressure and maximum pressure of the piston internal combustion engine in question. In contrast, the loading areas between these areas are operated using a larger amount of water, 50% by weight. This addition of water is limited by the reaching of the charge air saturation limit for water.

30 Toisen toteutusesimerkin ollessa kyseessä toimitaan lisäämättä vet tä polttoaineeseen. Tällöin kuormitusalueilla 24 % ja yli 81 % sytytyshetki säädetään aikaiseksi, kun taas niiden välissä olevalla kuormitusalueella tapahtuu myöhäinen sytytys. Aikainen sytytyshetki valitaan siten, että saavutetaan mahdollisimman pieni polttoaineen kulutus. Välikuormitusalueella sytytyshetkeä 35 siirretään kampiakselin kääntökulman noin 7° verran takaisinpäin. Veden lisäys ahtoilmaan tapahtuu sillä tavalla, että kuormituspisteeseen 24 % asti toimi- 3 taan käyttäen veden osuutta 15 massaprosenttia ja kuormituspisteen ollessa yli 81 % käyttäen veden osuutta 10 massaprosenttia. Näiden alueiden välissä olevalla kuormitusalueeila toimitaan käyttäen ahtoilmaan lisätyn veden osuutta noin 50 massaprosenttia.30 In the second embodiment, proceed without adding water to the fuel. In this case, in the load areas 24% and more than 81%, the ignition time is adjusted early, while in the load area between them the delay ignition occurs. The early ignition time is selected so as to minimize fuel consumption. In the intermediate loading range, the ignition time 35 is shifted back about 7 ° in the crankshaft rotation angle. The addition of water to the charge air is effected by operating up to a load point of 24% using a water percentage of 15% by mass and a loading point of more than 81% using a water proportion of 10% by weight. The loading range between these areas is operated using approximately 50% by weight of water added to the charge air.

5 Kolmannen toteutusesimerkin ollessa kyseessä käytetään diesel moottorin yhteydessä kaikkia kolmea vaikutusmahdollisuutta. Sytytyshetki, jonka määrää polttoaineen ruiskutushetki, säädetään sekä kuormituspistee-seen 24 % asti että kuormituspisteen 81 % yläpuolella aikaiseksi ja niiden välissä olevalla kuormitusalueeila myöhäiseksi. Polttoaine-vesiemuision kohdalla 10 toimitaan kaikilla kuormitusalueilia käyttämällä vakioarvoa 15 massaprosenttia. Veden lisäys ahtoilmaan säädetään sitä vastoin kuormitukseen 24 % asti 15 massaprosentiksi ja kuormituksen ollessa yli 81 % 10 massaprosentiksi. Niiden välissä olevilla kuormitusalueilia toimitaan käyttäen veden osuutta 50 massa-prosenttia.5 In the third embodiment, the diesel engine uses all three of the power options. The ignition time, which is determined by the moment the fuel is injected, is adjusted both up to 24% above the loading point and 81% above the loading point and late within the loading range between them. At Fuel Water Emission 10, all load ranges are operated using a constant value of 15% by mass. In contrast, the addition of water to the charge air is controlled up to a load of 24% to 15% by mass and to a load of more than 81% to 10% by mass. The loading areas between them are operated using 50% by weight of water.

15 Vesimäärän vaihto voi tapahtua moottorin käydessä yksinkertaisella tavalla yhdellä iskulla ylitettäessä ala- ja välikuormitusalueen samoin kuin väii-ja yläkuormitusalueen välinen raja.15 Changing the amount of water can be done with the engine running in a simple manner with one stroke across the low and intermediate load range as well as between the low and high load range.

Edellä esitetyn menetelmän yhteydessä otetaan huomioon, että ΝΟχ-raja-arvot ovat yleensä sykliarvoja. Se tarkoittaa, että tarkastellaan eri 20 kuormituspisteistä saatua painotettua keskiarvoa. On siis täysin sallittua, että päästöt ovat yksittäisissä kuormituspisteissä jonkin verran suurempia ja toisissa kuormituspisteissä jonkin verran pienempiä kuin raja-arvo, erityisesti koska kuormituspisteiden painotus on erilainen.The above method takes into account that the ΝΟχ limit values are usually cyclic values. This means looking at the weighted average of the 20 load points. It is thus perfectly permissible for emissions to be slightly higher at individual load points and somewhat lower than the limit value at other load points, especially since the weighting of the load points is different.

Claims

1. A method of operating such a jet with at least one turbo compressor and at least one charge air cooler equipped with COF combustion engine for reduction of NOx, which has a device for mixing the water in fuel for generating a fuel-water emission prior to spraying and a device for regurgitation. of the ignition timing and a device for adding the water into the charging air, characterized by being operated throughout the loading area using a fuel-water emu- sion, where the proportion of water is 10 to 20 mass percent, calculated 10 to 100 mass percent of the fuel corresponding to the instantaneous load, 75% above the load range and 30% below the load range operate using an early ignition timing, and in an intermediate load range between these values using a later ignition point and / or 75% above the load range and 30% below the load range operate without add or by adding a little water in the charge air and in the intermediate load range between these values by adding plenty of water. 20

2, A method according to claim 1, characterized in that the early ignition timing used in the upper and lower loading area is optimized with respect to the consumption and the ignition takes place in the intermediate load range later on a 5-10 ° rotation angle of the crankshaft.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that one operates 81% above the loading area and 24% below the loading area by adding a little water in the charging air.

Process according to any of the preceding claims, characterized in that the water addition in the charge air in the upper and lower loading area is preferably below 15% by mass, calculated on 100 mass% of the fuel corresponding to the instantaneous loading.

5. A method according to claim 4, characterized in that the water charge in the charge air in the upper load range is limited by the maximum pressure values and maximum pressure in the individual case of the piston combustion engine in each case.

6. A process according to any preceding claim, characterized in that the water addition in the charge air in the intermediate load range is about 50% by mass, calculated on 100% by mass of the fuel, or corresponds to the instantaneous load. 5

7. A method according to claim 6, characterized in that the water addition in the intermediate loading area is limited by the supply of the saturation limit of the charge air in relation to water.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that 81% above the load range and 24% below the load range 10 operate by using an early ignition timing and in the intermediate load range using a late ignition timing.