FI122374B

FI122374B - Method and apparatus for operating reciprocating internal combustion engines

Info

Publication number: FI122374B
Application number: FI20040918A
Authority: FI
Inventors: Peter Eilits
Original assignee: Man B & W Diesel Ag
Priority date: 2003-07-05
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2011-12-30
Also published as: DE10330352A1; CH698110B1; DE10330352B4; FI20040918A0; KR20050005753A; FI20040918A

Description

Menetelmä ja laitteisto iskumäntäpolttomoottorien käyttöä vartenMethod and apparatus for operating reciprocating internal combustion engines

Keksintö koskee menetelmää useilla sylintereillä varustettujen isku-mäntäpolttomoottoreiden käyttämiseksi, joissa moottoreissa on pakokaasu-5 turboahto ja veden ruiskutus typen oksidien vähentämiseksi. Keksintö koskee lisäksi laitteistoa tämän menetelmän suorittamiseksi.The invention relates to a method for operating multiple-cylinder percussion piston internal combustion engines having exhaust-5 turbocharging and water injection to reduce nitrogen oxides. The invention further relates to apparatus for performing this method.

Kompressorin jälkeen tapahtuvan veden ruiskutuksen vaikutuksesta ahtopaine ja sen myötä sylinterissä polttoaineen palamisen yhteydessä muodostuva maksimipaine nousee. Jos vesimäärää korotetaan niin pitkälle, kun-10 nes ilma on kyllästynyt, ahtopaineen nousu on useampia satoja millibaareja. Tämä ei ole osakuormituksella mikään ongelma, täydellä kuormituksella tätä ei voida kuitenkaan yleensä hyväksyä, koska kulloinkin kysymyksessä olevan is-kumäntäpolttomoottorin varmuusrajoista riippuen toisaalta tämä moottori ja toisaalta turboahdin eivät kestä seurauksena olevia korkeita paineita.The effect of the injection of water after the compressor increases the supercharging pressure and, consequently, the maximum pressure in the cylinder when the fuel burns. If the amount of water is raised as much as 10 air is saturated, the boost pressure will be several hundred millibars. This is not a problem at partial load, however, at full load this is generally unacceptable because, depending on the safety margins of the impact piston engine in question, this engine and the turbocharger do not withstand the resulting high pressures.

15 Ahtopainetta voidaan yleisesti laskea turboahtimen toisenlaisella suunnittelulla niin, että tällä tavalla täyden kuormituksen yhteydessä ei esiinny liian korkeita paineita. Tämä ei ole varsinkaan laivamoottorien yhteydessä käyttökelpoinen ratkaisu, koska sen vaikutuksesta myös osakuormituksella ahtopaine on liian alhainen, mikä johtaa kohonneeseen nokipäästöön. Sen lisäksi 20 on olemassa iskumäntämoottorin liian korkean lämpökuormituksen vaara.The supercharging pressure can generally be lowered by a different design of the turbocharger so that there is no excessive pressure at full load. This is not a feasible solution, especially for marine engines, as it also causes the supercharging pressure to be too low at partial load, leading to increased soot emissions. In addition, there is a risk of too high a thermal load on the piston engine.

Keksinnön tarkoituksena on ensi sijassa luoda alussa mainitunlainen menetelmä, joka välttää iskumäntäpolttomoottorin ja pakokaasuturboahti-men liian korkean kuormituksen ylemmällä kuormitusalueella. Edelleen luodaan menetelmän toteuttamiseen soveltuvat laitteistot.It is primarily an object of the invention to provide such a method at the outset, which avoids overloading the piston combustion engine and exhaust turbocharger in the upper loading range. Further, suitable equipment for carrying out the method is provided.

25 Ensisijainen tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisella menetelmällä siten, että ylemmällä kuormitusalueella ahtopainetta pienennetään huippupai-5 neen alentamiseksi sylintereissä, jolloin veden syöttöä pienennetään ja lisäksi ^ osa ahtoilmasta puhalletaan ulos kompressorin ja sylinterien välistä ja/tai osa ^ pakokaasuista puhalletaan ulos ennen turboahtimen turbiinia.The primary problem is solved by the method of the invention by lowering the supercharging pressure in the upper loading range to reduce peak pressure in the cylinders, thereby reducing the water supply and additionally blowing some of the charge air between the compressor and cylinders and / or exhausting the turbine.

° 30 Keksinnön erään toteutuksen mukaan, jolloin käytetään iskumäntä-30 according to one embodiment of the invention, wherein

XX

£ polttomoottoria, jossa on säädettävä sisääntulosuutinrengas turbiinia varten, oo sisääntulosuutinrengas avataan ylemmällä kuormitusalueella. Myös tämän vai- § kutuksesta pakokaasuahtimen turbiinin teho ja sen myötä myös kompressorin o teho alenevat.£ An internal combustion engine with an adjustable inlet nozzle ring for the turbine, oo the inlet nozzle ring is opened in the upper loading range. This effect also reduces the power of the turbocharger of the exhaust gas compressor and consequently the power of the compressor o.

^ 35 Keksinnön mukaiselle asetetun tehtävän ratkaisevalle laitteistolle on tunnusomaista, että veden syöttämiseksi on järjestetty muutettavissa olevalla 2 syöttömäärällä toimiva syöttöpumppu, ja ahtoilmajohtoon iskumäntäpoltto-moottorin kompressorin ja sylinterien väliin avautuu ulospuhallusjohto, johon on sijoitettu säädettävä sulkuelin, ja/tai pakokaasujohtoon ennen turbiinia avautuu ulospuhallusjohto, johon on sijoitettu säädettävä sulkuelin. Keksinnön 5 muita ominaisuuksia ilmenee seuraavasta piirustukseen viittaavasta selityksestä. Piirustus esittää kaaviomaisesti monisylinterisen iskumäntäpolttomoottorin, jossa on erilaisia käsittelymahdollisuuksia keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseksi.The apparatus for solving the task of the invention according to the invention is characterized in that a variable pump feed pump is provided for supplying water, and a blow-off line is provided between the percussion engine and with an adjustable closing member. Further features of the invention 5 will become apparent from the following description referring to the drawing. The drawing schematically illustrates a multi-cylinder percussion internal combustion engine having various processing options for carrying out the process of the invention.

Esitetyssä iskumäntäpolttomoottorissa on useampia sylintereitä 1, 10 jotka työntävät pakokaasunsa pakoputkeen 2. Tämä johtaa pakokaasun turbo-ahtimen turbiiniin 3. Turbiinissa 3 on nuolella 4 kaaviomaisesti viitattu aseteltavissa oleva sisäänottosuutinrengas 4. Turbiinin 3 kanssa kytketty kompressori 5 imee ilmaa ja työntää sen yhdysputken 6 kautta ahtoilman jäähdyttimeen 7. Sieltä se pääsee ahtoilmajohdon 8 kautta sylintereihin 1.The shown reciprocating piston internal combustion engine has a plurality of cylinders 1, 10 which push its exhaust gas into the exhaust pipe 2. This leads to an exhaust turbocharger turbine 3. The turbine 3 has an adjustable intake nozzle ring 4, schematically referred to by arrow 4 and a radiator 7. From there, it passes through the charge air line 8 to the cylinders 1.

15 Sisäänottosuutinrenkaan avaamisen vaikutuksesta pakokaasu luo vuttaa vähemmän tehoa turbiiniin 3 niin, että myös kompressori 5 kuljettaa vähemmän ilmaa. Sen vaikutuksesta ahtoilman paine laskee ja sen myötä myös maksimipaine sylintereissä 1.As a result of opening the intake nozzle ring, the exhaust produces less power to the turbine 3 so that the compressor 5 also carries less air. As a result, the charge air pressure drops and, consequently, the maximum pressure in the cylinders 1.

Vesi johdetaan kompressorista 5 tulevaan ilmaan pumpun 9 ja yh-20 dysjohdon 6 yhden suuttimen 10 tai useamman suuttimen avulla. Vaihtoehtoisesti vesi voidaan suihkuttaa myös ahtoilman jäähdyttimeen 7. Kuten nuolella 11 on viitattu, siirtopumppu 9 voi olla siten säädettävissä, että se tuottaa vaih-televia siirtomääriä. Pienentämällä siirrettyä vesimäärää ahtopaine ja sen myötä myös maksimipaine kokoavat vähemmän.The water is supplied to the air from the compressor 5 by means of a pump 9 and a single nozzle 10 or more of a nozzle 6 of the yh-20. Alternatively, water may also be injected into the charge air cooler 7. As indicated by arrow 11, the transfer pump 9 may be adjustable to produce variable transfer rates. By reducing the amount of water transferred, the supercharging pressure and thus the maximum pressure also collect less.

25 Eräs seuraava käsittelymahdollisuus keksinnön mukaisen menetel män toteuttamiseksi muodostuu siitä, että ahtoilman jäähdyttimen 7 ja ensim-mäisen sylinterin 1 väliin on varustettu säädettävissä olevan sulkuelimen 12 £3 sisältävä ulospuhallusjohto 13. Ilman ulos puhaltamisella voidaan samoin alenet taa ahtoilman painetta ja sen myötä maksimipainetta. Ulospuhallusjohto voi ol- r^. 30 la järjestetty myös kompressorin 5 ja lämmönvaihtimen 7 väliin. Tällä on se o x etu, että ulospuhallusjohdon ollessa järjestettynä kompressorin ja veden tulo- * johdon väliin puhalletaan ainoastaan ilmaa ulos. Tämän johdosta veden kulu- $2 tus pienenee.A further treatment option for carrying out the process according to the invention consists in providing an outflow line 13 containing an adjustable closing member 12 £ 3 between the charge air cooler 7 and the first cylinder 1 by similarly reducing the charge air pressure and thereby the maximum pressure. The bleed line may be r ^. 30a1a is also arranged between the compressor 5 and the heat exchanger 7. This has the advantage that, when the outlet line is arranged between the compressor and the water inlet line, only air is blown out. As a result, water consumption is reduced by $ 2.

CDCD

o Seuraava ahtopaineen aleneminen voidaan saavuttaa sillä, että pa- o 35 koputkesta 2 viimeisen sylinterin 1 ja turbiinin 3 väliltä haarautuu säädettävissä olevan sulkuelimen 15 sisältävä ulospuhallusjohto 14. Myös pakokaasun pu- 3 haltamisella ulos saavutetaan sama vaikutus kuin turbiinin 3 säädettävissä olevalla sisäänottosuutinrenkaalla, nimittäin ahtopaineen aleneminen.o The next reduction in supercharging pressure can be achieved by branching out the exhaust pipe 14 from the baffle 2 between the last cylinder 1 and the turbine 3 with an adjustable shut-off member 15, also by blowing out the exhaust gas 3 with an adjustable intake fall.

Sulkuelimet voivat olla venttiileinä tai läppinä toteutettuja.The closing means may be implemented as valves or flaps.

Iskumäntäpolttomoottoria syötetään polttoaineella yhden tai useam-5 man ruiskutuspumpun 16 ja perään kytketyn ruiskutussuuttimen 17 kautta, joista ainoastaan yksi on esitetty ylimmän sylinterin 1 kohdalla. Ruiskutuspum-put 16 tai ruiskutussuuttimet 17 on toteutettu siten, että ne mahdollistavat käytössä ruiskutuksen alun vaihtelun. Ruiskutuspumpun 16 vaihtelumahdollisuus on osoitettu nuolella 18. Hidastetulla ruiskutuksella saavutetaan myöhäisempi 10 syttymisen alku ja sen myötä maksimipaineen aleneminen. Mikäli kysymyksessä on iskumäntäpolttomoottori, jossa on ulkopuolinen sytytys, sytytysjärjes-telmä voidaan toteuttaa siten, että sytytysajan hetkeä vaihdellaan käytössä. Näillä toimenpiteillä voidaan maksimipainetta alentaa myös vakiona olevan ahtopaineen yhteydessä.The percussion piston engine is fueled through one or more injection pumps 16 and a trailing injection nozzle 17, only one of which is shown at the top cylinder 1. Injection pump tubes 16 or injection nozzles 17 are designed to allow variation of the initial injection operation. The variation in injection pump 16 is indicated by arrow 18. Slow injection results in a delayed onset of ignition 10 and consequently a reduction in maximum pressure. In the case of a reciprocating internal combustion piston engine, the ignition system may be implemented such that the moment of ignition is varied during use. These measures can also lower the maximum pressure at constant supercharging pressure.

15 Vaikkakin yksi edellä selostetuista käsittelymahdollisuuksista voi riit tää maksimipaineen alentamiseen, sen lisäksi on kuitenkin mahdollisuus kombinoida kaksi tai useampia edellä selostettuja toimenpiteitä keskenään huippu-paineen alentamiseksi.15 While one of the treatment options described above may be sufficient to lower the maximum pressure, it is nevertheless possible to combine two or more of the above described measures to reduce the peak pressure.

δ C\lδ C \ l

Oo

Is- oIs-

XX

cccc

CLCL

00 δ o M"00 δ o M "

Oo

(M(M

Claims

1. A method for operating stroke piston combustion engines equipped with multiple cylinders (1), which have an exhaust turbocharger compressor (4, 5) and water injection (9, 10, 11) for reducing nitrogen oxides, characterized in that the upper load range is reduced. the charge pressure to reduce the peak pressure in the cylinders (1), whereby the water supply is reduced and in addition a portion of the charge air is discharged between the compressor (5) and the cylinders (1) and / or some of the exhaust gases are exited before the turbine (4, 5) turbine ( 4). 10

The method of claim 1, wherein an exhaust turbo compressor is used which has an adjustable inlet nozzle for the turbine (4), characterized in that the inlet nozzle is opened in the upper load range.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1 or 2, characterized in that a supply pump (9) which operates with a variable supply quantity is arranged for the water supply, and in the charge air line (13) between the piston combustion engine compressor (5) and cylinders (5). 1) discharges a blowout line (13) in which a controllable barrier means (12) is placed, and / or in the exhaust line (2) before the turbine (3) opens an exhaust line (13), in which a controlable barrier means (13) (15) is located.

Device according to claim 3, characterized in that the locking means (12, 15) is steplessly controllable. δ CVJ o o X cc CL 00 δ o o o CM