JP2012167664A - Operation method for supercharged internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は請求項1のおいて書き部に記載の、過給式内燃機関を作動させるための方法に関する。
The invention relates to a method for operating a supercharged internal combustion engine according to
過給式内燃機関、例えば過給式船舶用ディーゼルエンジンは、実用化されたものが十分に知られている。すなわち過給式内燃機関において、内燃機関の排ガスは、ターボチャージャのタービンに供給されるとともに、タービンにおいて膨張させられる。このようにタービンにおいて排ガスが膨張する際に得られるエネルギーは、ターボチャージャの圧縮機を駆動するために用いられ、それによって、圧縮機を介して内燃機関に供給すべき過給空気を圧縮する。 A supercharged internal combustion engine, for example, a supercharged marine diesel engine, is well known in practice. That is, in the supercharged internal combustion engine, the exhaust gas of the internal combustion engine is supplied to the turbine of the turbocharger and is expanded in the turbine. The energy obtained when the exhaust gas expands in the turbine is used to drive the turbocharger compressor, thereby compressing the supercharged air to be supplied to the internal combustion engine via the compressor.
従来技術からさらに、内燃機関の出力を高めるために圧縮された過給空気を、圧縮後に給気冷却器を介して導き、それによって内燃機関に、圧縮かつ冷却された空気を供給することが知られている。 It is further known from the prior art that supercharged air that has been compressed in order to increase the output of the internal combustion engine is guided via a charge air cooler after compression, thereby supplying the internal combustion engine with compressed and cooled air. It has been.
内燃機関に供給すべき過給空気の過給圧を制限するために、内燃機関から出た排ガスの一部を、いわゆるウェイストゲートを介してタービンの傍らを通過するように導き、それによってタービン内で生成可能なエネルギーを減少させることが、実際の業務からすでに知られている。このように過給圧を制限するために排ガス側で行われる介入に加えて、過給圧を制限するために過給空気側で行われる介入も、実際の業務から知られており、例えば内燃機関の上流において、圧縮された過給空気の一部に対して、いわゆる過給空気排出が行われる。 In order to limit the supercharging pressure of the supercharged air to be supplied to the internal combustion engine, a part of the exhaust gas emitted from the internal combustion engine is led through a so-called wastegate to pass by the turbine, thereby It is already known from actual work to reduce the energy that can be produced in In addition to the intervention performed on the exhaust gas side to limit the supercharging pressure in this way, the intervention performed on the supercharged air side to limit the supercharging pressure is also known from actual work, for example, internal combustion In the upstream of the engine, so-called supercharged air discharge is performed on a part of the compressed supercharged air.
実際の業務から、過給圧を制限するための様々な可能性がすでに知られてはいるが、過給式内燃機関に供給すべき過給空気の過給圧を制限するための新規な方法が求められている。 Although various possibilities for limiting the supercharging pressure are already known from actual work, a new method for limiting the supercharging pressure of supercharged air to be supplied to a supercharged internal combustion engine Is required.
上記の点に鑑み、本発明は、過給式内燃機関を作動させるための新規な方法を創出することを課題とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to create a new method for operating a supercharged internal combustion engine.
上記の課題は、請求項1に記載の過給式内燃機関を作動させるための方法によって解決される。本発明によれば、過給空気の過給圧を制限するために、内燃機関の下流で、かつ、タービンの上流において、排ガスに対して水が導入され、当該水は少なくとも部分的に蒸発する状態で導入される。本願発明によって、内燃機関の下流で、かつ、タービンの上流において、排ガスに対して水を、当該水を少なくとも部分的に蒸発させながら導入することが初めて提案される。これによって排ガスの温度を低下させることができ、それによって最終的に、タービン内で生成可能なエネルギーを低減させることができる。当該方法によって実現可能な過給圧の制限は、特に容易に、内燃機関、例えば重油で作動される船舶用ディーゼルエンジンにおいて実用化され得る。
The above problem is solved by a method for operating a supercharged internal combustion engine according to
好適に水は、所定の圧力および所定の温度で排ガスに導入される。このとき当該水の所定の温度は、周囲圧力または内燃機関の下流の排気圧力において、当該水の沸騰温度を20K乃至5Kの範囲で下回る温度であり、当該水の所定の圧力は、内燃機関の下流の排気圧力の2倍乃至5倍の範囲の大きさである。水が、所定の圧力および所定の温度で排ガスに導入されると、特に有効な過給圧の制限を行うことができる。すなわち、所定の温度を介して水は、出来る限り沸点に接近させられ、それによって排ガスにおいて水を完全かつ迅速に蒸発させることができる。当該圧力を介して水を排ガスに導入する際、当該水を細かい霧状にすることができる。 Preferably, the water is introduced into the exhaust gas at a predetermined pressure and a predetermined temperature. At this time, the predetermined temperature of the water is a temperature lower than the boiling temperature of the water in the range of 20K to 5K at ambient pressure or exhaust pressure downstream of the internal combustion engine. The size is in the range of 2 to 5 times the downstream exhaust pressure. When water is introduced into the exhaust gas at a predetermined pressure and a predetermined temperature, a particularly effective supercharging pressure restriction can be performed. That is, the water is brought as close to the boiling point as possible through the predetermined temperature, so that the water can be completely and quickly evaporated in the exhaust gas. When introducing water into the exhaust gas via the pressure, the water can be made into a fine mist.
本発明の好適なさらなる構成によれば、過給空気の実際の過給圧が閾値よりも小さいとき、排ガスに水は導入されず、それに対して過給空気の実際の過給圧が閾値よりも大きいとき、排ガスへの水の導入は、当該導入される水の量または質量流量が、実際の過給圧と閾値との偏差に依存するように行われる。排ガスに導入される水の量もしくは質量流量を上記のように調整もしくは制御することは、特に容易かつ効率的である。 According to a further preferred configuration of the invention, when the actual supercharging pressure of the supercharged air is smaller than the threshold value, no water is introduced into the exhaust gas, whereas the actual supercharging pressure of the supercharged air is below the threshold value. Is larger, the introduction of water into the exhaust gas is performed such that the amount of water introduced or the mass flow rate depends on the deviation between the actual supercharging pressure and the threshold value. It is particularly easy and efficient to adjust or control the amount or mass flow rate of water introduced into the exhaust gas as described above.
本発明の好適なさらなる構成は従属請求項および以下の詳細な説明に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に制限されるものではない。図面に示すのは以下の通りである。 Preferred further configurations of the invention are described in the dependent claims and in the following detailed description. Embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments. The drawings show the following.
図1は過給式内燃機関を極めて概略的に示している。当該内燃機関は好適に、重油で作動される船舶用ディーゼルエンジンである。 FIG. 1 very schematically shows a supercharged internal combustion engine. The internal combustion engine is preferably a marine diesel engine operated with heavy oil.
図1によれば本来の内燃機関10に過給空気11が供給される。当該過給空気は内燃機関への供給に先立って、ターボチャージャの圧縮機12において圧縮され、当該圧縮機12における圧縮の後に、給気冷却器13において所定の温度に冷却されている。内燃機関10を出た排ガス14は、ターボチャージャのタービン15において膨張させられ、このとき得られるエネルギーは、ターボチャージャの圧縮機12を駆動するために用いられる。
According to FIG. 1, the supercharged air 11 is supplied to the original
内燃機関10に供給される過給空気11の過給圧を制限するために、本願発明では、排ガス14に対して、内燃機関10の下流で、かつ、タービン15の上流において水が導入され、当該水は少なくとも部分的に蒸発する状態で導入される。このとき排ガス14に導入される水は、当該排ガス14への当該水の導入の際に、好ましくは完全に蒸発させられる。
In order to limit the supercharging pressure of the supercharged air 11 supplied to the
図1は装置16を示しており、当該装置を用いて、排ガス14に対して、内燃機関10の下流で、かつ、タービン15の上流において、水が導入され得る。このような水導入装置16は、別個の噴射装置あるいは、場合によっていずれにしても設けられるターボチャージャの洗浄装置であってもよい。
FIG. 1 shows a
本発明に係る方法の作用を以下に図2を参照しながら説明する。図2では、タービン15内で膨張させられる排ガス14のエントロピーsに対して、排ガス14のエンタルピーhと温度Tとが図示されている。図2にはさらに、等圧線、すなわち一定の圧力pの曲線が示されている。
The operation of the method according to the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 2, the enthalpy h and the temperature T of the
点17,18および19によって、タービン15における排ガス14の膨張が示されており、当該膨張は、従来技術に従って排ガス14に水を導入しない場合に想定されるように形成されている。すなわち点17は、圧力pzと、温度Tzもしくはエンタルピーhzとを有する、膨張させるべき排ガス14、すなわち内燃機関10のすぐ下流における排ガス14の排気状態を視覚化している。
The
等エントロピー効率が100%である理想的なタービン15において、点17によって表される排ガス(圧力pz、温度Tz、エンタルピーhz)は、点18に膨張させられ、等エントロピー効率が100%よりも小さい現実のタービンにおいては、点19(圧力py、温度Ty、エンタルピーhy)に膨張させられる。タービン15におけるこのような膨張の際に、出力もしくはエネルギーが獲得され得、当該出力もしくはエネルギーはエンタルピー差Δh=hy−hzに依存している。
In an
本発明によれば、排ガス14に対して、内燃機関10の下流で、かつ、タービン15の上流において水が導入され、当該水は蒸発する状態で導入される。すなわち、水の導入および蒸発によって、排ガスは点17(圧力pz、温度Tz、エンタルピーhz)から、例えば点17’(圧力px、温度Tx、エンタルピーhx)に、図2に表された等圧線(pz=px)に沿って移動され得る。こうして、水の導入および蒸発によって、排ガス14の温度(Tz>Tx)のみならず、エンタルピー(hz>hx)も低減される
According to the present invention, water is introduced into the
タービン15において上記の排ガス17’(圧力px、温度Tx、エンタルピーhx)が膨張するとき、当該排ガスは等エントロピー効率が100%である理想的なタービンにおいて、点18’に膨張させられ、等エントロピー効率が100%よりも小さい現実のタービンにおいては、点19’(圧力py、温度Ty、エンタルピーhy)に膨張させられる。このとき形成されるエンタルピー差Δh’は、タービン15において水の導入および蒸発を行わない場合に形成されると想定されるエンタルピー差Δhよりも小さい。従って本発明により、排ガス14の膨張の際にタービン15によって生成されるエネルギーもしくは出力は低減され得る。
When the
さらに、本発明によって過給圧が減少されているとき、新たな平衡が調整されるまで圧力pzも低下する。 Furthermore, when the supercharging pressure is reduced according to the invention, the pressure p z also decreases until a new equilibrium is adjusted.
このように本発明により、過給空気11の過給圧を制限するために、タービン15によって生成されるとともに、圧縮機12において過給空気11を圧縮するために用いられる、出力もしくはエネルギーは低減される。当該低減はすなわち、排ガス14に対してタービン15の上流で、かつ、内燃機関10の下流において水を導入および蒸発させることによって行われる。
Thus, according to the present invention, the output or energy generated by the
水は、所定の圧力および所定の温度で排ガス14内に導入され、好ましくは噴射される。当該水の所定の温度は、周囲圧力における当該水の沸騰温度を20K乃至5Kの範囲で下回る温度であり、特に、周囲圧力における当該水の沸騰温度を15K乃至10Kの範囲で下回る温度である。同様に、当該水の温度は、内燃機関10の下流で、従って、タービン15の上流における排気圧力における水の沸騰温度を20K乃至5Kの範囲で下回る温度であり、特に、15K乃至10Kの範囲で下回る温度であってよい。当該水の所定の圧力であって、当該所定の圧力によって当該水が排ガス14に導入される所定の圧力は、内燃機関10の下流で、従って、タービン15の上流における排気圧力の2倍乃至5倍の範囲、好ましくは3倍乃至4倍の範囲の大きさである。
Water is introduced into the
排ガス14に導入すべき水の量もしくは質量流量は、好適に以下のように決定される。すなわち、過給空気の実際の過給圧が閾値よりも小さいとき、排ガス14に水は導入されず、それに対して過給空気の実際の過給圧が閾値よりも大きいとき、排ガスへの水の導入は、実際の過給圧と閾値との偏差に依存するように行われる。好適に過給圧pLに対して、閾値pL,MAXを上回る際に導入される水の質量流量mwは、以下の式によって決定される。
mw=k*(pL,MAX−pL) ・・・数式(1)
上記の式は、閾値を上回る際に、排ガス14に導入される水の質量流量mwと、実際の過給圧pLと閾値もしくは最大許容過給圧pL,MAXの差、との間の直線関係を表しており、当該式においてkは一定の比例定数を表す。
The amount or mass flow rate of water to be introduced into the
m w = k * (p L, MAX −p L ) (1)
The above equation, when above a threshold, between the mass flow rate m w of water introduced into the
10 内燃機関
11 過給空気
12 圧縮機
13 給気冷却器
14 排ガス
15 タービン
16 水導入装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記過給空気の過給圧を制限するために、前記排ガスに対して、前記内燃機関(10)の下流で、かつ、前記タービン(15)の上流において水が導入され、当該水は少なくとも部分的に蒸発する状態で導入されることを特徴とする方法。 A method for operating a supercharged internal combustion engine, in particular a marine diesel engine operated with heavy oil, wherein the exhaust gas of the internal combustion engine (10) expands the exhaust gas into a turbine (15) of a turbocharger. In the method used for compressing the supercharged air to be supplied to the internal combustion engine (10) in the compressor (12) of the turbocharger,
In order to limit the supercharging pressure of the supercharged air, water is introduced into the exhaust gas downstream of the internal combustion engine (10) and upstream of the turbine (15), the water being at least partly The method is characterized in that it is introduced in a vaporized state.
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