JP2004353514A

JP2004353514A - Method and device for reducing nitrogen oxide of two-stroke diesel engine

Info

Publication number: JP2004353514A
Application number: JP2003150427A
Authority: JP
Inventors: Masataka Yamaguchi; 正隆山口; Hideaki Sakurai; 秀明桜井
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems that the amount of water injection is difficult to increase, a water injection device is constantly exposed to high-temperature and high-pressure combustion gas, and it is difficult to ensure reliability thereof. <P>SOLUTION: Water W is sprayed from a side surface of a cylinder 1 toward expanded high-temperature exhaust gas G present in an upper part of a piston 7 before the piston 7 reciprocating in a cylinder 1 of a two-stroke diesel engine 11 is lowered to start the scavenging, or when the piston performs the scavenging, and exhaust gas G in an area close to the upper part of the piston is cooled. By cooling exhaust gas G in the cylinder without discharging it outside and reusing the cooled exhaust gas, the exhaust gas temperature is dropped, and the oxygen concentration in the air to be compressed in the next stroke is reduced to effectively reduce the amount of NOx. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、車両や舶用等に使用される２ストロークディーゼル機関において、排気ガス中の窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を低減させる方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車両や船舶等の２ストロークディーゼル機関は、爆発、膨張するピストン下死点の前後で排気弁を開放し、同時に掃気ポートを開放することにより、燃焼した排気ガスの排出と空気の給気とを同時に行うような給排気の開閉タイミングで運転されている。
【０００３】
また、この種の２ストロークディーゼル機関として、高効率の運転が可能なユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関を採用することがある。このユニフロー掃気は、シリンダヘッドに排気弁を設け、ピストンの下死点に近い位置のシリンダに掃気ポートを設け、ピストンが下がった時にこの掃気ポートからシリンダ内に吸込まれる給気で排気ガスをシリンダヘッドの排気弁から排出するように構成したものである。このユニフロー掃気の場合、ガスの流れが一方通行になるため、迅速な排気と空気の給気で高効率の運転を可能としている。
【０００４】
一方、近年、環境保護の観点から、このような２ストロークディーゼル機関の排気ガス中のＮＯｘを低減させようとする技術が多く提案されている。その方法として、例えば、排気ガスの一部をシリンダ内部に残留させ、掃気終了後の排気弁が閉じた状態で、シリンダヘッドに設けた水噴射弁からシリンダ内部に残留する排気ガスに水を噴射するものがある。図５は、このような２ストロークディーゼル機関におけるバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートであり、クランクシャフトの１回転毎に爆発して往復運動するピストンが、クランク角１８０度のピストン下死点からピストン上死点に至る間の排気・給気を行って空気を圧縮している行程の途中で水噴射を行い、残留した排気ガスの温度で水蒸気を発生させている。そのため、この方法によれば、残した排気ガスの温度で水蒸気を発生させて排気ガスを冷却することができ、この排気ガスと水蒸気と新たな空気との混合物は、空気のみと比較して酸素の含有量が少ないので、燃焼過程で発生するＮＯｘを低減することができる、というものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、他の従来技術として、シリンダヘッドから水噴射する場合の水噴射ノズルの位置を工夫したもの（例えば、特許文献２参照。）や、燃焼・膨張行程における燃焼ガスの熱エネルギーを利用して水を水蒸気化することによりピストン出力に転化しようとするものがある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−５４８４３号公報（第４頁、図１）
【特許文献２】
特開平９−１１２３５４号公報（第２頁、図１）
【特許文献３】
特開平７−２２４７２４号公報（第２頁、図４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１では、シリンダ内に排気ガスが残留しているとはいえ、空気と混合した排気ガス温度は低下しており、水蒸気になりづらい。そのため水噴射量を多くしてＮＯｘの大幅な低減を図ることはできない。
【０００８】
また、水噴射装置が、高温・高圧に曝される燃焼室上部に設置されているので、高負荷の場合、常に高温・高圧の燃焼ガス中に曝される水噴射装置の信頼性を確保するのは難しい。前記特許文献２も同様である。しかも、これらは水噴射装置によってピストン上死点の圧力が高い位置で水を噴射するため、ピストン周囲のシリンダライナ上部摺動面に形成された潤滑油膜を水で損なう可能性がある。
【０００９】
なお、前記特許文献３では、冷却損失を抑制することはできても、ＮＯｘを低減した運転を安定して継続することができるものではない。
【００１０】
そこで、本願発明は、高負荷でも、近年の地球的な環境保護の観点から要望されている更なるＮＯｘの低減が可能な、２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法とその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願発明に係る２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法は、２ストロークディーゼル機関のシリンダ内で往復運動するピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けてシリンダ側面から水を噴射して、ピストン上部に近い領域の排気ガスを冷却するようにしている。これにより、ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げることができる。また、シリンダ内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして再使用することにより、他の構成を要することなく、排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、効果的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１２】
前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記水の噴射時期を、ピストン上死点から７０度〜１８０度のクランク角の範囲とすれば、水の噴射はシリンダライナ（シリンダ）の下方となり、シリンダライナ上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスの温度を下げることができる。
【００１３】
また、前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記水の噴射で冷却するピストン上部に近い排気ガスの領域を、ピストンの行程容積の１〜５０％の範囲とすれば、排気行程終了時のシリンダ内に冷却された排出ガスを安定した量で残すことができる。
【００１４】
さらに、２ストロークディーゼル機関のシリンダ内で往復運動するピストンが下降した掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて掃気ポートから水を噴射して、ピストン上部に近い領域の排気ガスを冷却するようにすれば、ピストンが下降した掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げることができる。このように、シリンダ内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして再使用することにより、排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、効果的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１５】
その上、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記掃気行程の全域でピストン上部に向けて水を噴射するようにすれば、水噴射量の調整や十分な水噴射量の供給により更なるＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１６】
また、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記水に代えて蒸気を噴射するようにすれば、より短時間で気化させる必要がある使用条件において、迅速な排気ガスの冷却を行ってＮＯｘを低減させることができる。
【００１７】
一方、本願発明に係る２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置は、シリンダヘッドに設けた排気ガスを排出する排気弁と、シリンダに設けた空気を供給するための掃気ポートと、該シリンダの内部で往復運動するピストンと、前記シリンダの側面にシリンダ内部に向けて設けられた水噴射部材と、該水噴射部材で、前記ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時のピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて水を噴射する水供給装置とを備えている。これにより、シリンダに設けた掃気ポートから空気を供給してシリンダヘッドの排気弁から排出するように構成したユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関において、ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げるので、排気ガス温度の低減と、次行程で圧縮する空気の酸素濃度を下げて、効率的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１８】
また、前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水供給装置を、機械式又は電気式もしくはそれらを組合わせた構成とし、該水供給装置に、ディーゼル機関運転中に前記水噴射部材からの噴射タイミングと噴射量とを調整する機能を具備させれば、ディーゼル機関の運転中に最適な水噴射タイミングと噴射量とに調整することができ、運転効率を維持しながらＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１９】
さらに、前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水噴射部材を、前記ピストンの中心軸に向けてシリンダの側面から均等に水を噴射する複数個の水噴射弁又は水噴射ノズルで構成すれば、複数個の水噴射弁又は水噴射ノズルによって、短時間で水を均等に噴射して水蒸気にすることができる。
【００２０】
また、シリンダヘッドに設けた排気ガスを排出する排気弁と、シリンダに設けた空気を供給するための掃気ポートと、該シリンダの内部で往復運動するピストンと、前記掃気ポートからシリンダ内部に向けて水を噴射する水噴射部材と、該水噴射部材で、前記ピストンが下降して掃気ポートが開放した時にピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けてに水を噴射する水供給装置とを備え、シリンダに設けた掃気ポートから空気を供給してシリンダヘッドの排気弁から排出するように構成したユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関において、ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げるので、排気ガス温度の低減と、次行程で圧縮する空気の酸素濃度を下げて、効率的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００２１】
しかも、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水供給装置に、前記ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて水を噴射する機能に加え、掃気行程の全域でピストン上部に向けて水を噴射する機能を具備させれば、掃気開始前又は掃気時の水噴射に加え、掃気行程の全域で更に微量の水噴射を行うことによって更なるＮＯｘの低減を図ることができる。
【００２２】
さらに、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水供給装置に、水に代えて蒸気を噴射する機能を具備させれば、より短時間で気化させる必要がある使用条件において、迅速な排気ガスの冷却を行ってＮＯｘを低減させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の第１実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図であり、図２は同２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。なお、図１は模式的に示している。
【００２４】
図１に示すように、シリンダ１の上部にシリンダヘッド２が設けられ、このシリンダヘッド２に排気弁４が設けられている。６は排気口である。シリンダ１の下部には掃気ポート３が設けられており、掃気室５に供給された空気が掃気ポート３からシリンダ１の内部に供給されるように構成されている。シリンダ１の内部には、図の上下方向に往復運動するピストン７が設けられている。この２ストロークディーゼル機関１１は、排気ガスを排出するための排気弁をシリンダヘッド２に設け、空気を供給するための掃気ポート３をシリンダ１の下部に有するユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関である。なお、実際にはシリンダ１内にシリンダライナが設けられるが、この明細書では、シリンダライナを含む構成をシリンダ１として示す。また、排気弁４の駆動機構、点火機構は省略されている。
【００２５】
そして、シリンダ１の側部の掃気ポート３に近い上部位置には、ピストン７が下降して上部が掃気ポート３付近に位置した時に、ピストン上部の排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射する水噴射部材８が設けられている。この水噴射部材８は、図示する例では左右対称に設けられている。この水噴射部材８の数は限定されるものではなく、ピストン７が下降して掃気を開始する前又は掃気の時に、ピストン７の上部の排気ガスＧに向けて効率良く水Ｗを噴射できる数と配置であればよい。なお、水噴射部材８の好ましい配置としては、ピストン７の中心部に向けて均等に水Ｗを噴射できるような配置がよい。また、水噴射部材８の配置として、シリンダ１内では低圧、低温となるピストン７が下降して掃気ポート３が開く前のシリンダ側面としている。図示する例では、ピストン７が下降して掃気が開始される前にピストン上部の排気ガスＧに水Ｗを噴射する例を示しており、二点鎖線で示すピストン上部に近い領域Ｖ２の排気ガスＧを冷却している。
【００２６】
しかも、ピストン７が下降して掃気を開始する前は、シリンダ１内では低圧、低温であるが、大気と比較すれば高圧、高温であるため、噴射された水は瞬間的に蒸発して排気ガスＧの温度を下げることができる。
【００２７】
また、この実施形態では、水を噴射する時期として、掃気が開始される前に水を噴射する例を示しているが、この水Ｗを噴射する時期としては、クランク角がピストン上死点から７０度〜１８０度の範囲であれば、水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。この水を噴射する時期としては、クランク角がピストン上死点から９０度〜１６０度の範囲が好ましい。
【００２８】
さらに、この例では、水Ｗの噴射で冷却するピストン上部に近い排気ガスＧの領域を、ピストン７の全行程容積Ｖ１の約２０〜２５％の容積Ｖ２としている。この水Ｗの噴射で冷却するピストン上部の排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積の１〜５０％の容積、好ましくは１０〜３０％の容積とすれば、排気行程終了時のシリンダ１内に冷却された排気ガスＧを安定して残すことができる。前記容積Ｖ２は、ディーゼル機関の排気量や出力、ＮＯｘ低減率に応じて決定すればよい。
【００２９】
一方、前記水噴射部材８は、供給管９によって水供給装置１０と接続されている。この水供給装置１０によって水噴射部材８に水が供給される。水供給装置１０としては、例えば、機械式（カム駆動式ポンプ）、または電気式（電磁弁付の水噴射弁）、もしくはそれらの組合わせによって構成することができ、運転中に噴射タイミング及び噴射量の調整を行うことが可能なように構成されている。この水供給装置１０は、ディーゼル機関１１を制御する図示しない制御装置と接続されており、ピストン７の位置や給気弁３、排気弁４の開閉タイミングと連動するように構成されている。
【００３０】
したがって、水供給装置１０による水Ｗの噴射タイミング及び噴射量の調整は、変化するディーゼル機関の運転条件に応じた制御装置からの信号により、運転効率を保ちながらＮＯｘの低減を図ることができる最適な噴射タイミングと噴射量とに調整される。このように連動させて制御する機能は、コンピュータ等によって実現することができる。
【００３１】
図２に示すように、このような２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとしては、例えば、クランクシャフトの回転角が０度のピストン上死点から爆発・膨張によって下降するピストン７が、ピストン上死点から約１００度のクランク角で排気弁４が開き始め、その後、約１２０度のクランク角で掃気ポート３が開き始め、この掃気ポート３から流入した空気で排気を押出すように構成される。
【００３２】
そして、この実施形態における水噴射タイミングは、ピストン７が下降して掃気ポート３が開く前後のクランク角が約９０度〜１６０度の間に、水噴射部材８からピストン上部の領域の排気ガスＧに向けて水Ｗが噴射される。この例では排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射しているが、ピストン７の頂面に向けて噴射するようにしてもよい。この場合も水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。しかも、燃焼後の高温の排気ガスＧに水Ｗを噴射するので、噴射した水Ｗは気化し易く、ピストン上部の排気ガスＧを効率良く冷却することができる。
【００３３】
また、このように水Ｗを噴射して冷却する排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積Ｖ１の１〜５０％の範囲で、ピストン７の上部に近い排気ガスの領域が冷却されている。この例では、冷却する容積として、ピストン７の行程容積Ｖ１の１０〜３０％が冷却される。
【００３４】
その後、水噴射が止められ、ピストン７は下死点を経て上昇しながら掃気ポート３を閉じ、排気弁４が閉じられて、圧縮、点火、燃焼、排気が繰り返される。
【００３５】
このようにしてシリンダ内に残される排気ガスＧが混ざった空気としては、前記したようにしてピストン７の上部の冷却された排気ガスＧが、掃気時に供給される空気と混ざって排気弁４側へと排出されるので、排気弁４からは上部の排気ガスＧから排出されて、ピストン７の上部に近い領域Ｖ２の冷却された排気ガスＧと混ざった空気を効率良くシリンダ１内に残すことができる。つまり、ピストン７の上部の冷却した排気ガスＧで排気弁４側の排気ガスＧを押出し、冷却した排気ガスＧの部分が最後に残るようにしている。
【００３６】
そのため、このようにしてシリンダ１内に残した排気ガスＧとの混合物は、冷却された排気ガスＧが新たな空気に混ざっているので、新たな空気のみに比べて酸素の含有量が少なく、また温度を比較的低くできるため、後の燃焼過程で発生するＮＯｘを大幅に低減することができる。
【００３７】
図３は本願発明の第２実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図であり、図４は同２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。なお、図３は模式的に示している。また、上述した第１実施形態と同一の構成には、同一符号を付して説明する。
【００３８】
図３に示すように、シリンダ１の上部にシリンダヘッド２が設けられ、このシリンダヘッド２に排気弁４が設けられている。６は排気口である。シリンダ１の下部には掃気ポート３が設けられており、掃気室５に供給された空気が掃気ポート３からシリンダ１の内部に供給されるように構成されている。シリンダ１の内部には、図の上下方向に往復運動するピストン７が設けられている。この２ストロークディーゼル機関１３は、排気ガスを排出するための排気弁をシリンダヘッド２に有し、空気を供給するための掃気ポート３をシリンダ１の下部に有するユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関である。なお、実際にはシリンダ１内にシリンダライナが設けられるが、この明細書では、シリンダライナを含む構成をシリンダ１として示す。また、排気弁４の駆動機構、点火機構は省略されている。
【００３９】
そして、掃気ポート３には、ピストン７が下降して掃気ポート３が開いた時に、ピストン上部の排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射する水噴射部材１２が設けられている。この水噴射部材１２は、図示する例では左右対称に設けられている。この水噴射部材１２の数は限定されるものではなく、ピストン７が下降して掃気する時に、ピストン７の上部の排気ガスＧ又はピストン頂面に向けて効率良く水Ｗを噴射できる数と配置であればよい。この水噴射部材１２の好ましい配置としては、ピストン７の中心軸、すなわちシリンダ１の中心部に向けて均等に水Ｗを噴射できるような配置にすれば、シリンダ１内にほぼ均等に水噴射して排気ガスＧをほぼ均等に冷却できるのでよい。また、水噴射部材１２の配置として、シリンダ１内では低圧、低温となるピストン７が下降した掃気時の掃気ポート３としている。図示する例では、ピストン７が下降して掃気が開始された時にピストン上部の排気ガスＧに水Ｗを噴射する例を示しており、二点鎖線で示すピストン上部に近い領域Ｖ２の排気ガスＧを冷却している。
【００４０】
しかも、ピストン７が下降して掃気を開始する時の排気ガスＧは、シリンダ１内では低圧、低温であるが、大気と比較すれば高圧、高温であるため、噴射された水は瞬間的に蒸発して排気ガスＧの温度を下げることができる。
【００４１】
また、この実施形態では、水を噴射する時期として、掃気が開始された時に水を噴射する例を示しているが、クランクシャフトの回転角がピストン上死点から約１２０度〜１８０度の範囲であれば、水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。この水Ｗを噴射する時期としては、ディーゼル機関の排気量や出力、ＮＯｘ低減率に応じて、掃気ポート３が開いている間で設定すればよい。
【００４２】
さらに、この例では、水Ｗの噴射で冷却するピストン上部に近い排気ガスＧの領域を、ピストン７の全行程容積Ｖ１の約２０〜２５％の容積Ｖ２としている。この水Ｗの噴射で冷却するピストン上部の排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積の１〜５０％の容積、好ましくは１０〜３０％の容積とすれば、排気行程終了時のシリンダ１内に冷却された排気ガスＧを安定して残すことができる。前記容積Ｖ２は、ディーゼル機関の排気量や出力、ＮＯｘ低減率に応じて決定すればよい。
【００４３】
一方、前記水噴射部材１２は、供給管９によって水供給装置１０と接続されている。この水供給装置１０によって水噴射部材１２に水が供給される。水供給装置１０としては、例えば、機械式（カム駆動式ポンプ）、または電気式（電磁弁付の水噴射弁）、もしくはそれらの組合わせによって構成することができ、運転中に噴射タイミング及び噴射量の調整を行うことが可能なように構成されている。この水供給装置１０は、ディーゼル機関１１を制御する図示しない制御装置と接続されており、ピストン７の位置や掃気ポート３、排気弁４の開閉タイミングと連動するように構成されている。
【００４４】
したがって、水供給装置１０による水Ｗの噴射タイミング及び噴射量の調整は、変化するディーゼル機関の運転条件に応じた制御装置からの信号により、運転効率を保ちながらＮＯｘの低減を図ることができる最適な噴射タイミングと噴射量とに調整される。このように連動させて制御する機能は、コンピュータ等によって実現することができる。
【００４５】
図４に示すように、このような２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとしては、例えば、クランクシャフトの回転角が０度のピストン上死点から爆発・膨張によって下降するピストン７が、ピストン上死点から約１００度のクランク角で排気弁４が開き始め、その後、約１２０度のクランク角で掃気ポート３が開き始め、この掃気ポート３から流入した空気で排気を押出すように構成される。
【００４６】
そして、この実施形態における水噴射タイミングは、ピストン７が下降して掃気ポート３が開いた時のクランクシャフト回転角が約１２０度〜１８０度の間に、水噴射部材１２からピストン上部の領域の排気ガスＧに向けて水Ｗが噴射される。この例では排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射しているが、ピストン７の頂面に向けて噴射するようにしてもよい。この水Ｗの噴射時期は、掃気ポート３が開いている間の好ましいタイミングに設定される。この場合も水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。しかも、燃焼後の高温の排気ガスＧに水Ｗを噴射するので、噴射した水Ｗは気化し易く、ピストン上部の排気ガスＧを効率良く冷却することができる。
【００４７】
また、このように水Ｗを噴射して冷却する排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積Ｖ１の１〜５０％の範囲で、ピストン７の上部に近い排気ガスの領域が冷却されている。この例では、冷却する容積として、ピストン７の行程容積Ｖ１の１０〜３０％が冷却される。
【００４８】
その後、水噴射が止められ、ピストン７は下死点を経て上昇しながら掃気ポート３を閉じ、排気弁４が閉じられて、圧縮・点火・燃焼、排気が繰り返される。
【００４９】
このようにしてシリンダ内に残される排気ガスＧが混ざった空気としては、前記したようにしてピストン７の上部の冷却された排気ガスＧが、掃気時に供給される空気と混ざって排気弁４側へと排出されるので、排気弁４からは上部の排気ガスＧから排出されて、ピストン７の上部に近い領域Ｖ２の冷却された排気ガスＧと混ざった空気を効率良くシリンダ１内に残すことができる。つまり、ピストン７の上部の冷却した排気ガスＧで排気弁４側の排気ガスＧを押出し、冷却した排気ガスＧの部分が最後に残るようにしている。
【００５０】
そのため、このようにしてシリンダ１内に残した排気ガスＧとの混合物は、冷却された排気ガスＧが新たな空気に混ざっているので、新たな空気のみに比べて酸素の含有量が少なく、また温度を比較的低くできるため、後の燃焼過程で発生するＮＯｘを大幅に低減することができる。
【００５１】
このように、本願発明では、多くの構成を要することなく、シリンダ１内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして効果的に再使用する、内部クール排気再循環方式で、排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、更なるＮＯｘの低減を安定して図ることができる。
【００５２】
また、冷却した排気ガスＧによって空気との混合物の温度を低くすることができるので、ピストン７等の燃焼室の構成を冷却して燃焼面温度を低くすることもできる。
【００５３】
なお、前記いずれの実施形態も、それぞれの実施の形態における水の噴射に加え、掃気ポート３が開いている掃気行程の全域で行うことにより、水噴射量を増加して更なるＮＯｘの低減の増加を図ることもできる。この水噴射量は、水供給装置１０によって調整することができ、燃焼条件等に応じて調整される。
【００５４】
また、前記水の代わりに蒸気を噴射するようにすれば、より短時間で気化させる必要がある使用条件において、ＮＯｘを安定して低減させることができる。この場合、水供給装置１０に蒸気供給機能が追加される。
【００５５】
さらに、上述した実施形態は一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００５６】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００５７】
シリンダ内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして再使用することにより、高負荷でも排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、安定した更なる窒素酸化物の低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第１実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【図３】本願発明の第２実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図である。
【図４】図３に示す２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【図５】従来の２ストロークディーゼル機関における、バルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…シリンダ
２…シリンダヘッド
３…掃気ポート
４…排気弁
５…掃気室
６…排気口
７…ピストン
８…水噴射部材
９…供給管
１０…水供給装置
１１…２ストロークディーゼル機関
１２…水噴射部材
１３…２ストロークディーゼル機関
Ｇ…排気ガス
Ｗ…水
Ｖ１，Ｖ２…容積[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for reducing nitrogen oxides (hereinafter, referred to as “NOx”) in exhaust gas in a two-stroke diesel engine used for vehicles and ships.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a two-stroke diesel engine such as a vehicle and a ship has an exhaust valve opened before and after a bottom dead center of an exploding and expanding piston, and at the same time, a scavenging port is opened to discharge burned exhaust gas and supply air. It is operated at the timing of opening and closing of the supply and exhaust to perform air and air simultaneously.
[0003]
As this type of two-stroke diesel engine, a uniflow scavenging two-stroke diesel engine that can operate with high efficiency may be used. In this uniflow scavenging, an exhaust valve is provided in the cylinder head, a scavenging port is provided in the cylinder near the bottom dead center of the piston, and exhaust gas is supplied from the scavenging port into the cylinder when the piston is lowered. It is configured to discharge from the exhaust valve of the cylinder head. In the case of this uniflow scavenging, the flow of gas is one-way, so that high-efficiency operation is enabled by quick exhaust and air supply.
[0004]
On the other hand, in recent years, from the viewpoint of environmental protection, many technologies for reducing NOx in exhaust gas of such a two-stroke diesel engine have been proposed. As a method, for example, a part of the exhaust gas remains in the cylinder, and water is injected from the water injection valve provided in the cylinder head to the exhaust gas remaining in the cylinder in a state where the exhaust valve is closed after the scavenging is completed. There is something to do. FIG. 5 is a time chart showing the relationship between valve timing and water injection timing in such a two-stroke diesel engine. A piston that explodes and reciprocates every crankshaft rotation has a crank angle of 180 degrees. Water is injected during the process of compressing air by performing exhaust and air supply from the bottom dead center to the piston top dead center, and generates steam at the temperature of the remaining exhaust gas. Therefore, according to this method, the exhaust gas can be cooled by generating steam at the temperature of the remaining exhaust gas, and the mixture of the exhaust gas, the steam, and the new air has a higher oxygen content than the air alone. Is small, so that NOx generated in the combustion process can be reduced (for example, see Patent Document 1).
[0005]
Further, as other conventional techniques, the position of a water injection nozzle when water is injected from a cylinder head is devised (for example, see Patent Document 2), or heat energy of combustion gas in a combustion / expansion process is used. There is one that attempts to convert water into steam by converting it into steam (see, for example, Patent Document 3).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-54843 (page 4, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-9-112354 (page 2, FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP-A-7-224724 (page 2, FIG. 4)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1, although the exhaust gas remains in the cylinder, the temperature of the exhaust gas mixed with the air is lowered, and it is difficult to generate steam. Therefore, it is not possible to increase the water injection amount to significantly reduce NOx.
[0008]
Also, since the water injection device is installed above the combustion chamber exposed to high temperature and high pressure, the reliability of the water injection device always exposed to high temperature and high pressure combustion gas under high load is ensured. Difficult. The same applies to Patent Document 2. Moreover, since water is injected by the water injection device at a position where the pressure at the piston top dead center is high, the lubricating oil film formed on the upper sliding surface of the cylinder liner around the piston may be damaged by the water.
[0009]
In Patent Document 3, even though the cooling loss can be suppressed, the operation with reduced NOx cannot be stably continued.
[0010]
Therefore, the present invention provides a method and an apparatus for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine, which are capable of further reducing NOx required from the viewpoint of global environmental protection in recent years even under a high load. With the goal.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine according to the present invention is characterized in that a piston reciprocating in a cylinder of the two-stroke diesel engine descends and starts scavenging or during scavenging. Water is injected from the side of the cylinder toward the expanded high-temperature exhaust gas existing in the upper portion or toward the piston top surface to cool the exhaust gas in a region near the upper portion of the piston. Thus, before or at the time of scavenging, when the piston descends, the water injected into the expanded high-temperature exhaust gas existing at the upper part of the piston or the water injected on the piston top surface becomes steam, and the exhaust gas in the area near the upper part of the piston is exhausted. The gas temperature can be reduced. Also, by cooling and reusing the exhaust gas inside the cylinder without leaving it outside, it is possible to reduce the temperature of the exhaust gas and reduce the oxygen concentration in the air to be compressed in the next process without the need for another configuration. In addition, effective reduction of NOx can be achieved.
[0012]
In the method for reducing nitrogen oxides of a two-stroke diesel engine, if the water injection timing is in a range of a crank angle of 70 to 180 degrees from the piston top dead center, the water is injected below the cylinder liner (cylinder). Thus, the temperature of the exhaust gas can be reduced without damaging the highly important lubricating oil film formed above the cylinder liner with water.
[0013]
In the method for reducing nitrogen oxides of a two-stroke diesel engine, the exhaust stroke is terminated if the region of the exhaust gas near the upper part of the piston cooled by the water injection is in a range of 1 to 50% of the stroke volume of the piston. The exhaust gas cooled in the cylinder at the time can be left in a stable amount.
[0014]
Further, at the time of scavenging when the piston reciprocating in the cylinder of the two-stroke diesel engine descends, water is injected from the scavenging port toward the expanded high-temperature exhaust gas existing at the top of the piston or toward the piston top surface, If the exhaust gas in the area near the upper part of the piston is cooled, the water injected into the expanded high-temperature exhaust gas existing at the upper part of the piston or on the top surface of the piston becomes steam when the scavenging of the piston descends. The exhaust gas temperature in the region near the upper part can be reduced. In this way, the exhaust gas in the cylinder is cooled and reused without being exhausted, thereby reducing the temperature of the exhaust gas and lowering the oxygen concentration in the air to be compressed in the next process, thereby effectively reducing NOx. Reduction can be achieved.
[0015]
In addition, in any one of the above-described methods for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine, if water is injected toward the upper part of the piston throughout the scavenging stroke, the water injection amount can be adjusted or a sufficient water injection amount can be obtained. Can further reduce NOx.
[0016]
Further, in any of the above two methods for reducing nitrogen oxides of a two-stroke diesel engine, if steam is injected instead of the water, the exhaust gas can be rapidly exhausted under use conditions that require vaporization in a shorter time. Cooling can be performed to reduce NOx.
[0017]
On the other hand, a nitrogen oxide reducing device for a two-stroke diesel engine according to the present invention includes an exhaust valve provided in a cylinder head for discharging exhaust gas, a scavenging port provided in the cylinder for supplying air, and an inside of the cylinder. A piston that reciprocates at a position, a water injection member provided on the side of the cylinder toward the inside of the cylinder, and the water injection member is present before the piston descends to start scavenging or at the top of the piston during scavenging. A water supply device for injecting water toward the expanding high-temperature exhaust gas or toward the piston top surface. Thereby, in a uniflow scavenging two-stroke diesel engine configured to supply air from a scavenging port provided in the cylinder and discharge from an exhaust valve of the cylinder head, before or at the time of scavenging, the piston descends to start scavenging. Water injected into the expanded high-temperature exhaust gas at the top of the piston or on the top surface of the piston turns into steam and lowers the temperature of the exhaust gas in the area near the top of the piston, reducing the temperature of the exhaust gas and compressing it in the next stroke By reducing the oxygen concentration of the generated air, it is possible to efficiently reduce NOx.
[0018]
Further, in the nitrogen oxide reducing device of the two-stroke diesel engine, the water supply device may be a mechanical or electric type or a combination thereof, and the water supply device may be provided with the water injection member during operation of the diesel engine. If the function of adjusting the injection timing and the injection amount from the engine is provided, it is possible to adjust the water injection timing and the injection amount to the optimum during the operation of the diesel engine, and to reduce the NOx while maintaining the operation efficiency. Can be planned.
[0019]
Further, in the nitrogen oxide reduction device of the two-stroke diesel engine, the water injection member is formed by a plurality of water injection valves or water injection nozzles that inject water evenly from a side surface of a cylinder toward a central axis of the piston. According to this structure, water can be uniformly jetted into steam in a short time by a plurality of water injection valves or water injection nozzles.
[0020]
Further, an exhaust valve provided in the cylinder head for discharging exhaust gas, a scavenging port for supplying air provided in the cylinder, a piston reciprocating inside the cylinder, and a gas flowing from the scavenging port toward the inside of the cylinder. A water injection member for injecting water, wherein the water is injected toward the expanded high-temperature exhaust gas existing above the piston when the piston is lowered and the scavenging port is opened, or toward the top surface of the piston. In a uniflow scavenging two-stroke diesel engine configured to supply air from a scavenging port provided in a cylinder and discharge air from an exhaust valve of a cylinder head, a piston descends to perform scavenging. Before starting or at the time of scavenging, water injected into the expanded high-temperature exhaust gas at the top of the piston or onto the piston top surface becomes steam. Since lowering the exhaust gas temperature region near the piston top Te, reduction of exhaust gas temperature, by lowering the oxygen concentration in the air to be compressed in the next stroke, it is possible to reduce the efficient NOx.
[0021]
Moreover, in any one of the above two-stroke diesel engine nitrogen oxide reduction devices, water is injected into the water supply device toward the expanded high-temperature exhaust gas existing above the piston or toward the piston top surface. In addition to the function, if a function to inject water toward the upper part of the piston in the entire scavenging stroke is provided, in addition to the water injection before or at the time of scavenging, a smaller amount of water is injected throughout the scavenging stroke. Accordingly, it is possible to further reduce NOx.
[0022]
Further, in any one of the above two-stroke diesel engine nitrogen oxide reduction devices, if the water supply device is provided with a function of injecting steam instead of water, it is necessary to vaporize in a shorter time. In this case, NOx can be reduced by rapidly cooling the exhaust gas.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a two-stroke diesel engine according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a time chart showing a relationship between valve timing and water injection timing of the two-stroke diesel engine. FIG. 1 is a schematic diagram.
[0024]
As shown in FIG. 1, a cylinder head 2 is provided above a cylinder 1, and an exhaust valve 4 is provided on the cylinder head 2. 6 is an exhaust port. A scavenging port 3 is provided at a lower portion of the cylinder 1, and the air supplied to the scavenging chamber 5 is supplied from the scavenging port 3 to the inside of the cylinder 1. A piston 7 that reciprocates in the vertical direction in the drawing is provided inside the cylinder 1. The two-stroke diesel engine 11 is a uniflow scavenging two-stroke diesel engine having an exhaust valve for discharging exhaust gas on a cylinder head 2 and a scavenging port 3 for supplying air at a lower portion of the cylinder 1. Although a cylinder liner is actually provided in the cylinder 1, in this specification, a configuration including the cylinder liner is shown as the cylinder 1. Further, a drive mechanism and an ignition mechanism of the exhaust valve 4 are omitted.
[0025]
In the upper position near the scavenging port 3 on the side of the cylinder 1, water that injects water W toward the exhaust gas G above the piston when the piston 7 descends and the upper portion is located near the scavenging port 3. An ejection member 8 is provided. The water jetting member 8 is provided symmetrically in the illustrated example. The number of the water jetting members 8 is not limited, and the number of the water jetting members 8 that can efficiently inject water W toward the exhaust gas G above the piston 7 before the piston 7 descends and starts scavenging or at the time of scavenging. And the arrangement may be sufficient. In addition, as a preferable arrangement | positioning of the water injection member 8, the arrangement | positioning which can inject water W uniformly toward the center part of the piston 7 is good. Further, the water injection member 8 is arranged on the side of the cylinder 1 before the scavenging port 3 is opened by the lowering of the piston 7 having a low pressure and a low temperature in the cylinder 1. The illustrated example shows an example in which water W is injected into the exhaust gas G above the piston before the piston 7 descends and scavenging starts, and the exhaust gas in a region V2 near the upper portion of the piston indicated by a two-dot chain line is shown. G is cooling.
[0026]
Moreover, before the piston 7 descends to start scavenging, the pressure in the cylinder 1 is low and low, but the pressure is high and high compared to the atmosphere. The temperature of the gas G can be reduced.
[0027]
Further, in this embodiment, an example is shown in which water is injected before scavenging is started as a timing for injecting water. However, as a timing for injecting water W, the crank angle is determined from the piston top dead center from the piston top dead center. In the range of 70 degrees to 180 degrees, the injection of water is below the cylinder 1, and the temperature of the exhaust gas G can be reduced without damaging the highly important lubricating oil film formed above the cylinder 1 with water. it can. The timing for injecting the water is preferably such that the crank angle is in the range of 90 to 160 degrees from the piston top dead center.
[0028]
Furthermore, in this example, the region of the exhaust gas G near the upper part of the piston cooled by the injection of the water W is set to a volume V2 of about 20 to 25% of the entire stroke volume V1 of the piston 7. If the region of the exhaust gas G above the piston cooled by the injection of the water W is 1 to 50% of the stroke volume of the piston 7, preferably 10 to 30%, the cylinder at the end of the exhaust stroke 1, the cooled exhaust gas G can be stably left. The volume V2 may be determined according to the displacement and output of the diesel engine and the NOx reduction rate.
[0029]
On the other hand, the water injection member 8 is connected to a water supply device 10 by a supply pipe 9. The water supply device 10 supplies water to the water injection member 8. The water supply device 10 can be constituted by, for example, a mechanical type (cam-driven pump), an electric type (water injection valve with an electromagnetic valve), or a combination thereof. It is configured so that the amount can be adjusted. The water supply device 10 is connected to a control device (not shown) that controls the diesel engine 11 and is configured to operate in conjunction with the position of the piston 7 and the opening / closing timing of the air supply valve 3 and the exhaust valve 4.
[0030]
Therefore, the adjustment of the injection timing and the injection amount of the water W by the water supply device 10 is optimized by the signal from the control device according to the changing operating condition of the diesel engine so that the NOx can be reduced while maintaining the operation efficiency. It is adjusted to a proper injection timing and injection amount. Such a function of controlling in conjunction with each other can be realized by a computer or the like.
[0031]
As shown in FIG. 2, the valve timing and the water injection timing of such a two-stroke diesel engine include, for example, a piston 7 that descends from the top dead center of a piston having a crankshaft rotation angle of 0 degree by explosion and expansion. The exhaust valve 4 starts to open at a crank angle of about 100 degrees from the top dead center of the piston, and then the scavenging port 3 starts to open at a crank angle of about 120 degrees. Be composed.
[0032]
The water injection timing in this embodiment is such that the exhaust gas G in the region above the piston from the water injection member 8 is located between about 90 degrees and 160 degrees of the crank angle before and after the piston 7 descends and the scavenging port 3 opens. Is sprayed toward. In this example, the water W is injected toward the exhaust gas G. However, the water W may be injected toward the top surface of the piston 7. In this case as well, the water is injected below the cylinder 1, and the temperature of the exhaust gas G can be reduced without damaging the highly important lubricating oil film formed above the cylinder 1 with water. In addition, since the water W is injected into the high-temperature exhaust gas G after the combustion, the injected water W is easily vaporized, and the exhaust gas G at the upper part of the piston can be efficiently cooled.
[0033]
Further, as the region of the exhaust gas G to be cooled by injecting the water W, the region of the exhaust gas near the upper part of the piston 7 is cooled in the range of 1 to 50% of the stroke volume V1 of the piston 7. I have. In this example, as the volume to be cooled, 10 to 30% of the stroke volume V1 of the piston 7 is cooled.
[0034]
Thereafter, the water injection is stopped, the piston 7 closes the scavenging port 3 while rising through the bottom dead center, the exhaust valve 4 is closed, and compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated.
[0035]
As the air mixed with the exhaust gas G remaining in the cylinder in this way, the cooled exhaust gas G on the upper part of the piston 7 is mixed with the air supplied at the time of scavenging as described above, The air exhausted from the exhaust valve 4 is discharged from the upper exhaust gas G, and the air mixed with the cooled exhaust gas G in the region V2 near the upper part of the piston 7 is efficiently left in the cylinder 1. Can be. That is, the exhaust gas G on the exhaust valve 4 side is pushed out by the cooled exhaust gas G on the upper part of the piston 7, so that the cooled exhaust gas G remains at the end.
[0036]
Therefore, the mixture of the exhaust gas G thus left in the cylinder 1 and the cooled exhaust gas G is mixed with the new air, so that the oxygen content is smaller than that of the fresh air alone, In addition, since the temperature can be relatively low, NOx generated in the subsequent combustion process can be significantly reduced.
[0037]
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a two-stroke diesel engine according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a time chart showing a relationship between valve timing and water injection timing of the two-stroke diesel engine. FIG. 3 is a schematic diagram. Further, the same configurations as those in the above-described first embodiment will be described by assigning the same reference numerals.
[0038]
As shown in FIG. 3, a cylinder head 2 is provided above a cylinder 1, and an exhaust valve 4 is provided on the cylinder head 2. 6 is an exhaust port. A scavenging port 3 is provided at a lower portion of the cylinder 1, and the air supplied to the scavenging chamber 5 is supplied from the scavenging port 3 to the inside of the cylinder 1. A piston 7 that reciprocates in the vertical direction in the drawing is provided inside the cylinder 1. The two-stroke diesel engine 13 is a uniflow scavenging two-stroke diesel engine having an exhaust valve for discharging exhaust gas in the cylinder head 2 and a scavenging port 3 for supplying air at a lower portion of the cylinder 1. . Although a cylinder liner is actually provided in the cylinder 1, in this specification, a configuration including the cylinder liner is shown as the cylinder 1. Further, a drive mechanism and an ignition mechanism of the exhaust valve 4 are omitted.
[0039]
The scavenging port 3 is provided with a water injection member 12 that injects water W toward the exhaust gas G above the piston when the piston 7 descends and the scavenging port 3 opens. The water injection member 12 is provided symmetrically in the illustrated example. The number of the water injection members 12 is not limited. When the piston 7 descends and scavenges, the number and arrangement of the water W can be efficiently injected toward the exhaust gas G above the piston 7 or the top surface of the piston 7. Should be fine. As a preferable arrangement of the water jetting member 12, if the water W is jetted evenly toward the central axis of the piston 7, that is, the center of the cylinder 1, water is jetted almost uniformly into the cylinder 1. The exhaust gas G can be cooled almost uniformly. In addition, the water injection member 12 is arranged as the scavenging port 3 at the time of scavenging in which the piston 7 having a low pressure and a low temperature in the cylinder 1 is lowered. The illustrated example shows an example in which water W is injected into the exhaust gas G above the piston when the piston 7 descends to start scavenging, and the exhaust gas G in a region V2 near the upper portion of the piston indicated by a two-dot chain line. Has cooled.
[0040]
In addition, the exhaust gas G when the piston 7 descends and starts scavenging is low pressure and low temperature in the cylinder 1, but is high pressure and high temperature compared to the atmosphere, so that the injected water instantaneously The temperature of the exhaust gas G can be reduced by evaporation.
[0041]
Further, in this embodiment, as an example of the timing of water injection, water is injected when scavenging is started. However, the rotation angle of the crankshaft is in a range of about 120 degrees to 180 degrees from the piston top dead center. In this case, the water is injected below the cylinder 1, and the temperature of the exhaust gas G can be reduced without damaging the highly important lubricating oil film formed above the cylinder 1 with water. The timing for injecting the water W may be set while the scavenging port 3 is open, according to the displacement and output of the diesel engine and the NOx reduction rate.
[0042]
Furthermore, in this example, the region of the exhaust gas G near the upper part of the piston cooled by the injection of the water W is set to a volume V2 of about 20 to 25% of the entire stroke volume V1 of the piston 7. If the region of the exhaust gas G above the piston cooled by the injection of the water W is 1 to 50% of the stroke volume of the piston 7, preferably 10 to 30%, the cylinder at the end of the exhaust stroke 1, the cooled exhaust gas G can be stably left. The volume V2 may be determined according to the displacement and output of the diesel engine and the NOx reduction rate.
[0043]
On the other hand, the water injection member 12 is connected to a water supply device 10 by a supply pipe 9. The water supply device 10 supplies water to the water injection member 12. The water supply device 10 can be constituted by, for example, a mechanical type (cam-driven pump), an electric type (water injection valve with an electromagnetic valve), or a combination thereof. It is configured so that the amount can be adjusted. The water supply device 10 is connected to a control device (not shown) that controls the diesel engine 11, and is configured to operate in conjunction with the position of the piston 7 and the opening / closing timing of the scavenging port 3 and the exhaust valve 4.
[0044]
Therefore, the adjustment of the injection timing and the injection amount of the water W by the water supply device 10 is optimized by the signal from the control device according to the changing operating condition of the diesel engine so that the NOx can be reduced while maintaining the operation efficiency. It is adjusted to a proper injection timing and injection amount. Such a function of controlling in conjunction with each other can be realized by a computer or the like.
[0045]
As shown in FIG. 4, the valve timing and the water injection timing of such a two-stroke diesel engine include, for example, a piston 7 that descends from an upper dead center of a piston having a rotation angle of a crankshaft of 0 degree by explosion and expansion, The exhaust valve 4 starts to open at a crank angle of about 100 degrees from the top dead center of the piston, and then the scavenging port 3 starts to open at a crank angle of about 120 degrees. Be composed.
[0046]
The water injection timing in this embodiment is such that the crankshaft rotation angle when the piston 7 is lowered and the scavenging port 3 is opened is about 120 degrees to 180 degrees, and the water injection member 12 is in the region above the piston. Water W is injected toward the exhaust gas G. In this example, the water W is injected toward the exhaust gas G. However, the water W may be injected toward the top surface of the piston 7. The injection timing of the water W is set to a preferable timing while the scavenging port 3 is open. In this case as well, the water is injected below the cylinder 1, and the temperature of the exhaust gas G can be reduced without damaging the highly important lubricating oil film formed above the cylinder 1 with water. In addition, since the water W is injected into the high-temperature exhaust gas G after the combustion, the injected water W is easily vaporized, and the exhaust gas G at the upper part of the piston can be efficiently cooled.
[0047]
Further, as the region of the exhaust gas G to be cooled by injecting the water W, the region of the exhaust gas near the upper part of the piston 7 is cooled in the range of 1 to 50% of the stroke volume V1 of the piston 7. I have. In this example, as the volume to be cooled, 10 to 30% of the stroke volume V1 of the piston 7 is cooled.
[0048]
Thereafter, the water injection is stopped, the piston 7 closes the scavenging port 3 while rising through the bottom dead center, the exhaust valve 4 is closed, and the compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated.
[0049]
As the air mixed with the exhaust gas G remaining in the cylinder in this way, the cooled exhaust gas G on the upper part of the piston 7 is mixed with the air supplied at the time of scavenging as described above, The air exhausted from the exhaust valve 4 is discharged from the upper exhaust gas G, and the air mixed with the cooled exhaust gas G in the region V2 near the upper part of the piston 7 is efficiently left in the cylinder 1. Can be. That is, the exhaust gas G on the exhaust valve 4 side is pushed out by the cooled exhaust gas G on the upper part of the piston 7, so that the cooled exhaust gas G remains at the end.
[0050]
Therefore, the mixture of the exhaust gas G thus left in the cylinder 1 and the cooled exhaust gas G is mixed with the new air, so that the oxygen content is smaller than that of the fresh air alone, In addition, since the temperature can be relatively low, NOx generated in the subsequent combustion process can be significantly reduced.
[0051]
As described above, according to the present invention, the exhaust gas temperature in the internal cool exhaust recirculation system, in which the exhaust gas in the cylinder 1 is cooled and effectively reused without leaving it outside, is not required. And the concentration of oxygen in the air to be compressed in the next stroke is reduced, so that the NOx can be further reduced stably.
[0052]
Further, since the temperature of the mixture with air can be lowered by the cooled exhaust gas G, the configuration of the combustion chamber such as the piston 7 can be cooled to lower the combustion surface temperature.
[0053]
In each of the above-described embodiments, in addition to the water injection in each embodiment, the water injection amount is increased over the entire scavenging stroke in which the scavenging port 3 is open, thereby further increasing the NOx reduction. It can be increased. This water injection amount can be adjusted by the water supply device 10, and is adjusted according to combustion conditions and the like.
[0054]
In addition, if steam is injected instead of the water, NOx can be stably reduced under use conditions that require vaporization in a shorter time. In this case, a steam supply function is added to the water supply device 10.
[0055]
Furthermore, the above-described embodiment is one embodiment, and various changes can be made without departing from the gist of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment.
[0056]
【The invention's effect】
The present invention is embodied in the form described above, and has the following effects.
[0057]
By cooling and reusing the exhaust gas inside the cylinder without letting it go outside, the temperature of the exhaust gas can be reduced even under high load, and the oxygen concentration in the air to be compressed in the next process can be reduced, resulting in more stable nitrogen oxidation. Objects can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a two-stroke diesel engine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing a relationship between valve timing and water injection timing of the two-stroke diesel engine shown in FIG.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a two-stroke diesel engine according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a time chart showing a relationship between valve timing and water injection timing of the two-stroke diesel engine shown in FIG.
FIG. 5 is a time chart showing a relationship between valve timing and water injection timing in a conventional two-stroke diesel engine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder 2 ... Cylinder head 3 ... Scavenging port 4 ... Exhaust valve 5 ... Scavenging chamber 6 ... Exhaust port 7 ... Piston 8 ... Water injection member 9 ... Supply pipe 10 ... Water supply device 11 ... 2-stroke diesel engine 12 ... Water injection Member 13: 2-stroke diesel engine G: exhaust gas W: water V1, V2 ... volume

Claims

Before or during scavenging, the reciprocating piston descends in the cylinder of the two-stroke diesel engine, or during scavenging, water flows from the side of the cylinder toward the expanded hot exhaust gas present at the top of the piston or toward the top of the piston. For reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine in which exhaust gas is injected to cool exhaust gas in a region near the upper part of the piston.

The method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine according to claim 1,
A method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine, wherein the water injection timing is in a range of a crank angle of 70 to 180 degrees from a piston top dead center.

The method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine according to claim 1,
A method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine, wherein an area of exhaust gas near an upper part of a piston cooled by injection of water is set in a range of 1 to 50% of a stroke volume of the piston.

At the time of scavenging when the piston reciprocating in the cylinder of the two-stroke diesel engine descends, water is injected from the scavenging port toward the expanded hot exhaust gas existing at the top of the piston or toward the top surface of the piston, and the top of the piston is scavenged. A method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine, wherein exhaust gas in a region close to the temperature is cooled.

The nitrogen oxide reduction method for a two-stroke diesel engine according to any one of claims 1 to 4,
A method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine, wherein water is injected toward an upper part of a piston throughout the scavenging stroke.

The nitrogen oxide reduction method for a two-stroke diesel engine according to any one of claims 1 to 5,
A method for reducing nitrogen oxides in a two-stroke diesel engine, wherein steam is injected instead of water.

An exhaust valve provided on the cylinder head for discharging exhaust gas, a scavenging port for supplying air provided on the cylinder, a piston reciprocating inside the cylinder, and a side wall of the cylinder facing the inside of the cylinder The water injection member and the water injection member are used to move water toward the expanded high-temperature exhaust gas existing at the top of the piston before the piston descends and start scavenging or at the time of scavenging, or toward the piston top surface. And a water supply device for injecting nitrogen.

The nitrogen oxide reduction device for a two-stroke diesel engine according to claim 7,
The water supply device is configured to be mechanical or electric or a combination thereof, and the water supply device has a function of adjusting the injection timing and the injection amount from the water injection member during operation of the diesel engine. Nitrogen oxide reduction equipment for a two-stroke diesel engine.

The nitrogen oxide reduction device for a two-stroke diesel engine according to claim 7,
A nitrogen oxide reducing device for a two-stroke diesel engine, wherein the water injection member includes a plurality of water injection valves or water injection nozzles for uniformly injecting water from a side surface of a cylinder toward a central axis of the piston.

An exhaust valve provided in the cylinder head for discharging exhaust gas, a scavenging port for supplying air provided in the cylinder, a piston reciprocating inside the cylinder, and water flowing from the scavenging port toward the inside of the cylinder. A water injection member for injecting, and the water injection member injects water toward the expanded high-temperature exhaust gas existing at the top of the piston when the piston descends and the scavenging port is opened, or toward the top surface of the piston. A nitrogen oxide reduction device for a two-stroke diesel engine, comprising a water supply device.

The nitrogen oxide reduction device for a two-stroke diesel engine according to any one of claims 7 to 10,
In addition to the function of injecting water toward the expanded high-temperature exhaust gas existing at the top of the piston or toward the top surface of the piston, the water supply device also injects water toward the top of the piston throughout the scavenging stroke. A nitrogen oxide reduction device for a two-stroke diesel engine equipped with functions.

The nitrogen oxide reduction device for a two-stroke diesel engine according to any one of claims 7 to 11,
A nitrogen oxide reduction device for a two-stroke diesel engine, wherein the water supply device has a function of injecting steam instead of water.