JP3999767B2 - Two-fluid injection internal combustion engine and method of operating the same - Google Patents
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本発明は、主として2流体噴射内燃機関(例えば、ガスエンジンやディーゼル機関)に適用され、燃料噴射装置からの燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射弁と、蒸気噴射装置からの蒸気をシリンダ内に噴射する蒸気噴射弁等とを併設してなる2流体噴射式内燃機関及びその運転方法に関する。 The present invention is mainly applied to a two-fluid injection internal combustion engine (for example, a gas engine or a diesel engine), and a fuel injection valve that injects fuel from the fuel injection device into the cylinder, and steam from the steam injection device into the cylinder. The present invention relates to a two-fluid injection internal combustion engine and a method for operating the same.
内燃機関において、上死点前に燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を噴射し、該燃料噴射後の受熱期間中に蒸気を噴射すると、仕事量及び熱効率が上昇することは良く知られており、かかる技術の1つに特許文献1(特開2002−54510号公報)の技術がある。
かかる技術においては、給気管に接続されて蒸気を給気ポートに吸入可能にする蒸気ラインと、該蒸気ラインに介装されバルブ開度調整信号が入力されることによって蒸気の注入量を可変せしめる流量調整弁と、給気管に供給される空気の湿度が目標絶対湿度になるのに必要な水分量を算出しかつ該必要水分量を注入させるバルブ開度調整信号を前記流量調整弁に出力する制御手段とを設け、燃料消費率の上昇を抑えつつ年間を通してNOxを低レベルに抑制し突き始め等の機関調整を季節ごとに行う必要がないように構成されている。
In an internal combustion engine, it is well known that when fuel is injected into a cylinder from a fuel injection valve before top dead center and steam is injected during a heat receiving period after the fuel injection, work amount and thermal efficiency are increased. As one of such techniques, there is a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-54510.
In such a technique, a steam line that is connected to an air supply pipe so that steam can be sucked into the air supply port, and a valve opening adjustment signal that is interposed in the steam line is input to vary the amount of steam injected. Calculates the amount of water required for the flow rate adjustment valve and the humidity of the air supplied to the air supply pipe to reach the target absolute humidity, and outputs a valve opening adjustment signal for injecting the required amount of water to the flow rate adjustment valve. The control means is provided so that NOx is suppressed to a low level throughout the year while suppressing an increase in the fuel consumption rate, and it is not necessary to perform engine adjustments such as the beginning of every season.
内燃機関において、上死点前での燃料噴射後の受熱期間中に蒸気を噴射すると、仕事量が増加して熱効率が上昇する一方で、該蒸気噴射を筒内最高圧力が許容値を超えないように行なっても、受熱期間終了後における筒内最高温度は高温側にシフトされ、蒸気噴射を終了すると、膨張行程における筒内圧力・温度の減少曲線は高い側にシフトされて、膨張行程終了時点における筒内温度は高温側にシフトされた状態となる。
このため、受熱期間中における蒸気噴射に伴う筒内温度上昇によって、NOx(窒素酸化物)の発生量が増加するとともに、燃焼室構成部材の熱応力が上昇して耐久性の保持が困難となる。
In an internal combustion engine, when steam is injected during the heat receiving period after fuel injection before top dead center, the work volume increases and the thermal efficiency increases, while the maximum pressure in the cylinder does not exceed the allowable value. Even if it carries out like this, after the end of the heat receiving period, the in-cylinder maximum temperature is shifted to the high temperature side, and when the steam injection is terminated, the in-cylinder pressure / temperature decrease curve in the expansion stroke is shifted to the higher side, and the expansion stroke ends. The in-cylinder temperature at the time is shifted to the high temperature side.
For this reason, the amount of NOx (nitrogen oxide) generated increases due to the rise in in-cylinder temperature accompanying steam injection during the heat receiving period, and the thermal stress of the combustion chamber constituent member rises, making it difficult to maintain durability. .
然るに前記特許文献1の技術にあっては、給気管に供給される空気の湿度が目標絶対湿度になるのに必要な水分量を算出しかつ該必要水分量を注入させるバルブ開度調整信号を蒸気ラインの流量調整弁に出力するように構成されているにとどまり、前記のような蒸気噴射に伴う筒内温度上昇への対処はなされていない。
However, in the technique of
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、蒸気等の噴射による仕事量の増加及び熱効率の上昇を保持しつつ、筒内温度を低下せしめてNOx(窒素酸化物)の発生量を低減するとともに、燃焼室構成部材の耐久性を保持し得る流体噴射式内燃機関を提供することを目的とする。 In view of the problems of the conventional technology, the present invention reduces the amount of NOx (nitrogen oxide) generated by lowering the in-cylinder temperature while maintaining the increase in work amount and the increase in thermal efficiency due to the injection of steam and the like. An object of the present invention is to provide a fluid injection type internal combustion engine capable of maintaining the durability of a combustion chamber component.
本発明はかかる目的を達成するもので、燃料噴射装置からの燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射弁と、蒸気噴射装置からの蒸気をシリンダ内に噴射する蒸気噴射弁とを併設してなる2流体噴射式内燃機関において、前記燃料噴射弁からシリンダ内への燃料噴射後の受熱期間終了前及び前記受熱期間の終了から膨張行程にかけての2回、前記蒸気噴射弁から蒸気を噴射するように前記蒸気噴射装置を制御する制御装置を備え、該制御装置の制御により前記蒸気噴射装置を介して蒸気噴射弁からシリンダ内における受熱期間終了前に蒸気を噴射し、さらに前記受熱期間終了後に2回目の蒸気噴射を行うように構成し、筒内最高圧力(Pmax)および筒内最高温度(Tmax)がともに許容値以下で前記膨張行程において所要の仕事量の増加が得られるような目標受熱率モードを設定し、実際の受熱率モードが前記目標受熱率モードになるように、前記燃料噴射弁からの燃料噴射条件及び蒸気噴射弁からの蒸気噴射条件を制御するように構成されてなることを特徴とする。 The present invention achieves such an object, and is provided with a fuel injection valve that injects fuel from the fuel injection device into the cylinder and a steam injection valve that injects steam from the steam injection device into the cylinder. In the fluid injection type internal combustion engine, the steam is injected from the steam injection valve before the end of the heat receiving period after fuel injection from the fuel injection valve into the cylinder and twice from the end of the heat receiving period to the expansion stroke. A control device for controlling the steam injection device, and under the control of the control device, the steam is injected from the steam injection valve before the end of the heat receiving period in the cylinder through the steam injection device, and further after the end of the heat receiving period configured to perform the steam injection, the increase in the required amount of work in the expansion stroke cylinder maximum pressure (Pmax) and the in-cylinder maximum temperature (Tmax) are both below the allowable value is obtained The target heat receiving rate mode is set, and the fuel injection condition from the fuel injection valve and the steam injection condition from the steam injection valve are controlled so that the actual heat receiving rate mode becomes the target heat receiving rate mode. It is characterized by.
また前記2流体噴射式内燃機関の運転方法として、燃料噴射装置からの燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射弁と、蒸気噴射装置からの蒸気をシリンダ内に噴射する蒸気噴射弁とを併設してなる2流体噴射式内燃機関の運転方法において、前記内燃機関の上死点前に燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を噴射し、該燃料噴射後の受熱期間終了前及び前記受熱期間の終了から膨張行程にかけての2回、前記蒸気噴射弁から蒸気を噴射し、筒内最高圧力(Pmax)および筒内最高温度(Tmax)がともに許容値以下で前記膨張行程において所要の仕事量の増加が得られるような目標受熱率モードを設定し、実際の受熱率モードが前記目標受熱率モードになるように、前記燃料噴射弁からの燃料噴射条件及び蒸気噴射弁からの蒸気噴射条件を制御することを特徴とする2流体噴射式内燃機関の運転方法を提案する。 As a method of operating the two-fluid injection internal combustion engine, a fuel injection valve for injecting fuel from the fuel injection device into the cylinder and a steam injection valve for injecting steam from the steam injection device into the cylinder are provided. In the operating method of the two-fluid injection internal combustion engine, the fuel is injected into the cylinder from the fuel injection valve before the top dead center of the internal combustion engine, and the fuel expands before and after the end of the heat receiving period after the fuel injection. Steam is injected from the steam injection valve twice during the stroke, and the maximum work pressure in the expansion stroke is obtained when both the maximum cylinder pressure (Pmax) and the maximum cylinder temperature (Tmax) are less than the allowable values. The target heat receiving rate mode is set, and the fuel injection condition from the fuel injection valve and the steam injection condition from the steam injection valve are controlled so that the actual heat receiving rate mode becomes the target heat receiving rate mode. Suggest method of operating a two-fluid injection internal combustion engine according to claim.
かかる発明において、具体的には前記制御装置により次のような制御を行って前記エンジンを運転する。
即ち、前記筒内圧力検出手段からの筒内圧力検出値及び前記筒内温度検出手段からの筒内温度検出値に基づきシリンダ内における実際の受熱率モードを算出する。
In this invention, specifically, the engine is operated by performing the following control by the control device.
That is, an actual heat receiving rate mode in the cylinder is calculated based on the in-cylinder pressure detection value from the in-cylinder pressure detection means and the in-cylinder temperature detection value from the in-cylinder temperature detection means .
また、前記目標受熱率モードを、前記エンジンの燃料噴射量及び燃料噴射時期の設定値、並びに蒸気噴射量及び蒸気噴射時期の設定値に基づき設定する。 Further, the target heat receiving rate mode is set based on set values of the fuel injection amount and fuel injection timing of the engine, and the set values of steam injection amount and steam injection timing .
かかる発明によれば、エンジンの上死点前に燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を噴射し、該燃料噴射後の受熱期間終了前好ましくは上死点前に蒸気噴射弁から蒸気を噴射した上で、さらに受熱期間の終了から膨張行程に蒸気噴射弁から蒸気を噴射することにより、膨張行程における仕事量が増加してエンジン出力が増加し、エンジンの熱効率が上昇する。
また、受熱期間の終了から膨張行程での蒸気噴射に伴う蒸気による熱吸収作用によって、かかる膨張行程での蒸気噴射を行わない従来技術よりも筒内温度が低下し、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制できるとともに、燃焼室構成部材の熱応力が低下して耐久性を保持できる。
According to this invention, the fuel is injected into the cylinder from the fuel injection valve before the top dead center of the engine, and the steam is injected from the steam injection valve before the end of the heat receiving period after the fuel injection, preferably before the top dead center. Further, by injecting steam from the steam injection valve in the expansion stroke after the end of the heat receiving period, the work amount in the expansion stroke increases, the engine output increases, and the thermal efficiency of the engine increases.
In addition, due to the heat absorption effect of the steam accompanying the steam injection in the expansion stroke from the end of the heat receiving period, the in-cylinder temperature is lower than in the prior art that does not perform the steam injection in the expansion stroke, and NOx (nitrogen oxide) Generation | occurrence | production can be suppressed and the thermal stress of a combustion chamber structural member can fall and durability can be hold | maintained.
加えて、前記受熱期間中における受熱率モードの最適値である目標受熱率モードを、予め設定された燃料噴射量及び燃料噴射時期、並びに蒸気噴射量及び蒸気噴射時期の双方で設定し、筒内圧力検出値及び筒内温度検出値に基づき算出した検出受熱率モードと前記目標受熱率モードとの比較結果に基づき、燃料噴射弁からの燃料噴射条件つまり燃料噴射量及び燃料噴射時期と蒸気噴射弁からの蒸気噴射条件つまり蒸気噴射量及び蒸気噴射時期の双方を関連させて変化させて、実際の受熱率モードを前記目標受熱率モードに一致せしめるように制御するので、エンジンの全運転域において常時最適の受熱率モードでの燃焼を継続できる。 In addition, the target heat receiving rate mode, which is the optimum value of the heat receiving rate mode during the heat receiving period, is set for both the preset fuel injection amount and fuel injection timing, and the steam injection amount and steam injection timing. Based on the comparison result between the detected heat reception rate mode calculated based on the pressure detection value and the in-cylinder temperature detection value and the target heat reception rate mode, the fuel injection conditions from the fuel injection valve, that is, the fuel injection amount, the fuel injection timing, and the steam injection valve Since the actual heat receiving rate mode is controlled so as to match the target heat receiving rate mode by changing both the steam injection conditions, i.e., the steam injection amount and the steam injection timing, from all over the engine operating range. Combustion in the optimum heat receiving rate mode can be continued.
さらにかかる発明によれば、前記のようにして設定した目標受熱率モードを、筒内最高圧力(Pmax)が許容値及び筒内最高温度(Tmax)あるいは排気温度等の燃焼ガス温度の許容値を取り込んで補正し、前記筒内最高圧力が許容値以下になるように、かつ前記燃焼ガス温度が許容値以下になるように目標受熱率モードを補正し、この目標受熱率モードを前記目標受熱率モードに置きかえるようにしたので、常時筒内最高圧力を許容値以下に保持しかつ燃焼ガス温度を許容値以下に保持し得るような受熱率モードでの燃焼を継続できる。 Further, according to the invention, the target heat receiving rate mode set as described above is configured such that the in-cylinder maximum pressure (Pmax) is an allowable value and the in-cylinder maximum temperature (Tmax) or the allowable value of the combustion gas temperature such as the exhaust temperature. The target heat receiving rate mode is corrected so that the in-cylinder maximum pressure is less than or equal to an allowable value and the combustion gas temperature is less than or equal to an allowable value, and the target heat receiving rate mode is set to the target heat receiving rate. Since the mode is changed, the combustion in the heat receiving rate mode in which the maximum in-cylinder pressure is always kept below the allowable value and the combustion gas temperature can be kept below the allowable value can be continued.
従って、かかる発明によれば、エンジンの上死点前に燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を噴射し、燃料噴射後の受熱期間終了前及び受熱期間の終了から膨張行程にかけての2回、蒸気噴射弁から蒸気を噴射することにより、膨張行程における仕事量が増加してエンジン出力が増加し、エンジンの熱効率を上昇できる。 Therefore, according to this invention, the fuel is injected into the cylinder from the fuel injection valve before the top dead center of the engine, before the end of the heat receiving period after fuel injection, and twice from the end of the heat receiving period to the expansion stroke. By injecting steam from the valve, the amount of work in the expansion stroke is increased, the engine output is increased, and the thermal efficiency of the engine can be increased.
さらには、受熱期間中における受熱率モードを燃料噴射量及び燃料噴射時期、並びに蒸気噴射量及び蒸気噴射時期の双方で制御するとともに、該受熱率モードを筒内最高圧力が許容値以下になるようにかつ燃焼ガス温度が許容値以下になるように補正するので、実際の受熱率モードを目標受熱率モードに一致せしめるように制御することによりエンジンの全運転域において常時最適の受熱率モードでの燃焼を継続でき、かつ筒内最高圧力及び燃焼ガス温度を常時許容値以下に保持して燃焼室構成部材の耐久性を保持した安定運転を継続できる。 Further, the heat receiving rate mode during the heat receiving period is controlled by both the fuel injection amount and the fuel injection timing, and the steam injection amount and the steam injection timing, and the heat receiving rate mode is set so that the in-cylinder maximum pressure is less than the allowable value. In addition, the combustion gas temperature is corrected to be below the allowable value, so by controlling the actual heat receiving rate mode to match the target heat receiving rate mode, the optimum heat receiving rate mode is always maintained in the entire engine operating range. Combustion can be continued, and stable operation can be continued in which the in-cylinder maximum pressure and the combustion gas temperature are always kept below the allowable values and the durability of the combustion chamber constituent members is maintained.
また、かかる発明において、前記蒸気噴射を次の2通りの手段で行うように構成することも可能である。
(1)前記蒸気噴射弁からの蒸気噴射を、受熱期間終了前から受熱期間終了後まで継続して行う。
(2)蒸気噴射弁からの蒸気噴射を、受熱期間終了前に複数回、および前記受熱期間終了から膨張行程にかけてさらに複数回行う。
Moreover, in this invention, it is also possible to comprise so that the said vapor | steam injection may be performed by the following two means.
(1) Steam injection from the steam injection valve is continuously performed from before the end of the heat receiving period to after the end of the heat receiving period.
(2) Steam injection from the steam injection valve is performed a plurality of times before the end of the heat receiving period, and further a plurality of times from the end of the heat receiving period to the expansion stroke.
また、かかる発明において好ましくは、前記燃料噴射装置及び燃料噴射弁、並びに蒸気噴射装置及び蒸気噴射弁は、燃料噴射量あるいは蒸気噴射量が比例的に変化する比例制御弁方式に構成されてなる。
このように構成すれば、燃料噴射弁からの燃料噴射量及び蒸気噴射弁からの蒸気噴射量
を時間変化に比例して連続的に変化せしめることができるので、筒内圧力検出値及び筒内温度検出値を含む燃焼ガス温度の検出値に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期、並びに蒸気噴射量及び蒸気噴射時期を連続的に制御することにより、シリンダ内における受熱率モードを高精度で制御できる。
In this invention, preferably, the fuel injection device and the fuel injection valve, and the steam injection device and the steam injection valve are configured in a proportional control valve system in which the fuel injection amount or the steam injection amount changes proportionally.
With this configuration, the fuel injection amount from the fuel injection valve and the steam injection amount from the steam injection valve can be continuously changed in proportion to the time change, so that the in-cylinder pressure detection value and the in-cylinder temperature By continuously controlling the fuel injection amount and fuel injection timing, and the steam injection amount and steam injection timing based on the detected value of the combustion gas temperature including the detected value, the heat receiving rate mode in the cylinder can be controlled with high accuracy. .
また、かかる発明において、前記蒸気に代えて、超臨界水を用いることもできる。
このようにすれば、超臨界水のシリンダ内での活発な反応性により、NOx(窒素酸化物)、煤煙等の発生を抑制できる。
In this invention, supercritical water can be used instead of the steam.
In this way, generation of NOx (nitrogen oxide), soot and the like can be suppressed by vigorous reactivity in the cylinder of supercritical water.
本発明によれば、エンジンの上死点前に燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を噴射し、燃料噴射後の受熱期間終了前及び受熱期間の終了から膨張行程にかけての2回、蒸気噴射弁から蒸気を噴射することにより、膨張行程における仕事量が増加してエンジン出力が増加し、エンジンの熱効率を上昇できる。
また、受熱期間の終了から膨張行程での噴射蒸気による熱吸収作用によって、膨張行程での蒸気噴射を行わない従来技術よりも筒内温度が低下し、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制できるとともに、燃焼室構成部材の熱応力が低下して耐久性を保持できる。
According to the present invention, fuel is injected into the cylinder from the fuel injection valve before the top dead center of the engine, before the end of the heat receiving period after fuel injection and twice from the end of the heat receiving period to the expansion stroke, from the steam injection valve. By injecting the steam, the work amount in the expansion stroke is increased, the engine output is increased, and the thermal efficiency of the engine can be increased.
In addition, due to the heat absorption effect of the injected steam in the expansion stroke from the end of the heat receiving period, the in-cylinder temperature is lower than in the prior art that does not perform the steam injection in the expansion stroke, and generation of NOx (nitrogen oxide) can be suppressed At the same time, the thermal stress of the combustion chamber constituent member is lowered, and the durability can be maintained.
さらに、受熱期間中における受熱率モードを燃料噴射量及び燃料噴射時期、並びに蒸気噴射量及び蒸気噴射時期の双方で制御するとともに、該受熱率モードを筒内最高圧力が許容値以下になるようにかつ燃焼ガス温度が許容値以下になるように補正するので、実際の受熱率モードを目標受熱率モードに一致せしめるように制御することによりエンジンの全運転域において常時最適の受熱率モードでの燃焼を継続可能となるとともに、筒内最高圧力及び燃焼ガス温度を常時許容値以下に保持して燃焼室構成部材の耐久性を保持した安定運転を継続できる。
また、前記蒸気に代えて超臨界水を用いれば、該超臨界水のシリンダ内での活発な反応性により、NOx(窒素酸化物)、煤煙等の発生を抑制できる。
Further, the heat receiving rate mode during the heat receiving period is controlled by both the fuel injection amount and the fuel injection timing, and the steam injection amount and the steam injection timing, and the heat receiving rate mode is set so that the maximum in-cylinder pressure is less than the allowable value. In addition, since the combustion gas temperature is corrected so that it falls below the allowable value, combustion in the optimal heat receiving rate mode is always performed in the entire engine operating range by controlling the actual heat receiving rate mode to match the target heat receiving rate mode. Can be continued, and the stable operation in which the in-cylinder maximum pressure and the combustion gas temperature are always kept below the allowable values and the durability of the combustion chamber constituent members is maintained can be continued.
Moreover, if supercritical water is used instead of the steam, generation of NOx (nitrogen oxide), soot and the like can be suppressed due to active reactivity in the cylinder of the supercritical water.
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this example are not intended to limit the scope of the present invention only to specific examples unless otherwise specified. Only.
図1は本発明の実施例に係る燃料・蒸気噴射式4サイクルディーゼル機関の全体構成を示す系統図である。図2は前記実施例における制御ブロック図、図3(A)、(B)は前記実施例における作用説明用の線図である。図4は前記実施例における燃料噴射装置及び燃料噴射弁の構造を示す一部断面図である。 FIG. 1 is a system diagram showing the overall configuration of a fuel / steam injection type 4-cycle diesel engine according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a control block diagram in the embodiment, and FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the operation in the embodiment. FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing the structure of the fuel injection device and the fuel injection valve in the embodiment.
燃料・蒸気噴射式内燃機関の全体構成を示す図1において、100はエンジン(内燃機関)、101は該エンジン100の複数のシリンダ(この図では1シリンダのみを図示している)、102は排気タービン102a及びコンプレッサ102bからなる過給機、104は給気冷却器、103は排気管、105は給気管で、前記エンジン100からの排気ガスが排気管103を通って過給機102の排気タービン102aを駆動し、該過給機102のコンプレッサ102bで加圧された高圧、高温の空気(給気)が給気冷却器104で冷却、降温され給気管105を通って前記エンジン100のシリンダ101内に供給されるようになっている。106は前記エンジン100に直結駆動される発電機である。
In FIG. 1 showing the overall configuration of a fuel / steam injection type internal combustion engine, 100 is an engine (internal combustion engine), 101 is a plurality of cylinders of the engine 100 (only one cylinder is shown in this figure), and 102 is exhaust A turbocharger composed of a
6は加圧された高圧燃料が導入される燃料噴射装置、4は燃料噴射弁であり(詳細構造は後述)、該燃料噴射装置6において燃料の噴射量及び噴射時期を制御された燃料が燃料噴射弁4から前記シリンダ101内に噴射されるようになっている。
10は水ポンプ、8は該水ポンプ10により供給された水から蒸気を発生する熱交換器であり、該熱交換器8においては、前記水ポンプ10により供給された水と排気管103から導入される前記過給機102の排気タービン102a駆動後の排気ガスとを熱交換して該水を加熱し、蒸気を発生せしめるようになっている。9は前記熱交換器8出口の排気ガス中の有害固形物を分離除去するセパレータであり、該セパレータ9で浄化処理された排気ガスは大気中に放出される。
6 is a fuel injection device into which pressurized high-pressure fuel is introduced, 4 is a fuel injection valve (detailed structure will be described later), and the fuel whose fuel injection amount and injection timing are controlled in the fuel injection device 6 is fuel. The fuel is injected into the cylinder 101 from the
7は前記熱交換器8で生成された高圧の蒸気が導入される蒸気噴射装置、5は蒸気噴射弁であり(詳細構造は後述)、該蒸気噴射装置7において蒸気の噴射量及び噴射時期を制御された蒸気が蒸気噴射弁5から前記シリンダ101内に噴射されるようになっている。
1は後述する演算、制御を行う制御装置、2は前記シリンダ101内におけるガス圧力(筒内圧力)を検出する筒内圧力センサ、3は前記排気管103における排気ガスの温度を検出する排気温度センサ、30は前記エンジン100の負荷(エンジン出力)を検出する負荷検出器であり、該筒内圧力センサ2からの筒内圧力の検出値、排気温度センサからの排気温度の検出値、及び負荷検出器30からのエンジン負荷(エンジン出力)の検出値は、前記制御装置1に入力されるようになっている。
7 is a steam injection device to which the high-pressure steam generated by the heat exchanger 8 is introduced, and 5 is a steam injection valve (detailed structure will be described later). In the steam injection device 7, the steam injection amount and the injection timing are determined. Controlled steam is injected into the cylinder 101 from the
1 is a control device that performs computation and control described later, 2 is an in-cylinder pressure sensor that detects gas pressure (in-cylinder pressure) in the
前記燃料噴射装置6及び燃料噴射弁4、並びに前記蒸気噴射装置7及び蒸気噴射弁5は、図4に示されるような超磁歪アクチュエータを備えた比例制御噴射装置を用いるのが好適である。
図4は前記燃料噴射装置6及び燃料噴射弁4に適用される超磁歪アクチュエータを備えた比例制御噴射装置を示す。尚、前記蒸気噴射装置7及び蒸気噴射弁5についても、図4と同一構造の装置を適用できる。
As the fuel injection device 6 and the
FIG. 4 shows a proportional control injection device provided with a giant magnetostrictive actuator applied to the fuel injection device 6 and the
図4において、014は燃料蓄圧管(燃料コモンレール)、015は高圧型の燃料ポンプ、016は燃料タンク、017は燃料管で、該燃料タンク016内の燃料を燃料ポンプ015にて高圧に加圧し燃料管017を通して燃料蓄圧管014に送り込み、該燃料蓄圧管014に蓄圧するようになっている。
022は共通油管、023は作動油ポンプ、025は作動油タンク、024は作動油管で、該作動油タンク025内の作動油を作動油ポンプ023により作動油管024を通して共通油管022に送り込み、該共通油管022に収容するようになっている。
In FIG. 4, 014 is a fuel accumulator pipe (fuel common rail), 015 is a high-pressure fuel pump, 016 is a fuel tank, and 017 is a fuel pipe. The fuel in the
022 is a common oil pipe, 023 is a hydraulic oil pump, 025 is a hydraulic oil tank, 024 is a hydraulic oil pipe, and the hydraulic oil in the hydraulic oil tank 025 is sent to the common oil pipe 022 through the hydraulic oil pipe 024 by the hydraulic oil pump 023. The oil pipe 022 is accommodated.
4は燃料噴射弁で次のように構成されている。
05は噴射弁本体、04は該噴射弁本体05の先端部に複数個穿孔された噴孔、06は該噴孔04に連通される油溜め、02は該噴射弁本体05内に往復摺動可能に嵌合された針弁、09は前記噴射弁本体05内に該針弁02の外周面が臨んで形成された針弁室であり、前記燃料蓄圧管014からの高圧燃料が燃料入口08を経て該針弁室09に導入されるようになっている。
また前記針弁02の先端部には円錐状のシート部02aが形成され、該シート部02aが前記噴射弁本体05に形成された弁座05aに着脱することにより、前記針弁室09と油溜め06及び噴孔04とを連通及び遮断するようになっている。
A
05 is an injection valve main body, 04 is a plurality of injection holes perforated at the tip of the injection valve main body 05, 06 is an oil reservoir communicating with the injection hole 04, 02 is reciprocatingly slid into the injection valve main body 05 A needle valve 09, which can be fitted, is a needle valve chamber formed in the injection valve body 05 with the outer peripheral surface of the needle valve 02 facing, and the high pressure fuel from the fuel accumulating pipe 014 is supplied to the
A conical seat portion 02a is formed at the tip of the needle valve 02, and the seat portion 02a is attached to and detached from a valve seat 05a formed in the injection valve body 05, so that the needle valve chamber 09 and the oil seat The reservoir 06 and the injection hole 04 are communicated and blocked.
013は前記噴射弁本体05に前記針弁室09と隔壁0013を隔てて形成された油室で、前記針弁02の大径部である本体部02bの外周面が臨み、前記共通油管022からの作動油が作動油入口027を経て該油室013に導入されるようになっている。
019は前記噴射弁本体05に前記油室013と隔壁011を隔てて形成されたパイロット制御室で、前記針弁02の前記シート部02aとは反対側の端面018が臨んで形成されている。
そして、前記針弁02の前記本体部02b外周面には一定長さに亘って幅Wなる制御用切欠部012が形成され、前記油室013と針弁室9との差圧による前記針弁02の軸方向移動により、前記油室013とパイロット制御室019とが該制御用切欠部012を介して連通可能となっている。
Reference numeral 013 denotes an oil chamber formed on the injection valve body 05 with the needle valve chamber 09 and the partition wall 0013 separated from each other. The outer peripheral surface of the main body portion 02b, which is the large diameter portion of the needle valve 02, faces from the common oil pipe 022. The hydraulic oil is introduced into the oil chamber 013 through the
A
031はパイロット弁で、前記噴射弁本体05の端部に穿孔された前記パイロット制御室019のパイロット油出口穴021を開閉するものである。即ち、該パイロット弁031は、平板状の当接面を前記噴射弁本体05の端部に形成された弁座面05cに着脱することにより、前記パイロット制御室019のパイロット油出口穴021を開閉するようになっている。
030は超磁歪アクチュエータであり、次のように構成されている。
033は磁石(電磁石)、032は磁気歪により変位する超磁歪材で一旦側を前記パイロット弁031の根元の支持部に固着されており、前記磁石033への通電によって超磁歪材032が軸方向に変位することにより、前記パイロット弁031を往復動せしめるようになっている。034は前記パイロット弁031の支持部とアクチュエータの本体部035との間に介装されたばねで、前記パイロット弁031を閉弁する方向に付勢されている。
かかる超磁歪アクチュエータ030の基本構成自体は公知であり、この実施例においては、該超磁歪アクチュエータ030に前記パイロット弁031を連結して開閉駆動するように構成している。
030 is a giant magnetostrictive actuator, which is configured as follows.
033 is a magnet (electromagnet), 032 is a giant magnetostrictive material that is displaced by magnetostriction, and is temporarily fixed to the support portion at the base of the
The basic configuration of the giant magnetostrictive actuator 030 is known per se. In this embodiment, the
次に、図2の制御ブロック図、及び図3(A)、(B)の作用説明用線図に基づきかかる実施例の動作を説明する。
前記筒内圧力センサ2からの筒内圧力の検出値は制御装置1の筒内温度算出部11及び受熱率算出部12に入力される。前記筒内温度算出部11においては前記筒内圧力の検出値に基づき筒内温度を算出して前記受熱率算出部12に入力する(前記筒内温度は直接検出してもよい)。
前記受熱率算出部12においては、前記筒内圧力及び筒内温度の時間変化に基づき受熱率モードを算出し受熱率補正部22に入力する。
Next, the operation of this embodiment will be described based on the control block diagram of FIG. 2 and the action explanatory diagrams of FIGS. 3 (A) and 3 (B).
The detected value of the in-cylinder pressure from the in-
In the heat receiving
13は燃料噴射量モード設定部、14は燃料噴射時期設定部で、該燃料噴射と後述する蒸気噴射後におけるシリンダ内の受熱率モードが後述する目標受熱率モードになるような
燃料噴射量モード及び燃料噴射時期が設定されている。15は蒸気噴射量設定部、16は蒸気噴射時期設定部で、前記燃料噴射及びかかる蒸気噴射後におけるシリンダ内の受熱率モードが後述する目標受熱率モードになるような蒸気噴射量モード及び蒸気噴射時期が設定されている。
17は目標受熱率設定部で、前記燃料噴射量モード設定部13及び燃料噴射時期設定部14、並びに蒸気噴射量モード設定部15及び蒸気噴射時期設定部16に基づき算出された目標とする受熱率モード、つまり後述するように、膨張行程における仕事量の所要増加量が得られるような受熱率モードが設定されている。
Reference numeral 13 denotes a fuel injection amount mode setting unit, and
即ち、図3(A)、(B)に示されるように、かかる実施例においては、エンジン100の上死点(TDC)前のθ1に燃料噴射弁4からシリンダ101内に燃料を噴射し、該燃料噴射後において図のS1から始まる受熱期間中あるいは受熱期間前のθ2に蒸気噴射弁5からシリンダ内に蒸気をGs1のように噴射し、該受熱期間の終了S22(あるいはθ22)から膨張行程にかけてのθ3に該蒸気噴射弁5から2回目の蒸気噴射Gs2を行うように、前記燃射量モード設定部13及び燃料噴射時期設定部14に燃料噴射量モード及び燃料噴射時期が設定されるとともに、蒸気噴射量設定部15及び蒸気噴射時期設定部16に蒸気噴射量モード及び蒸気噴射時期が設定されている。尚、図3(A)において、W3はブローダウンエネルギー、W4はタービン仕事である。
該目標受熱率設定部17での目標受熱率モードの設定値は目標受熱率補正部18に入力される。
That is, as shown in FIGS. 3A and 3B, in this embodiment, fuel is injected from the
The set value of the target heat receiving rate mode in the target heat receiving
19は許容Pmax設定部で、前記負荷検出器30から入力されるエンジン負荷に対応する筒内最高圧力(Pmax)の許容値で設定されている。20は許容Tmax設定部で、前記負荷検出器30から入力されるエンジン負荷に対応する筒内最高温度(Tmax)の許容値で設定されている。21は許容排気温度設定部で、前記負荷検出器30から入力されるエンジン負荷に対応する排気温度の許容値で設定されている。前記許容Pmax設定部19からの筒内最高圧力(Pmax)の許容値、前記許容Tmax設定部20からの筒内最高温度(Tmax)の許容値、及び前記許容排気温度設定部20からの排気温度の許容値は、前記目標受熱率補正部18に入力される。
前記目標受熱率補正部18においては、前記目標受熱率設定部17からの目標受熱率モードの設定値を、前記筒内最高圧力(Pmax)の許容値、筒内最高温度(Tmax)の許容値、及び排気温度の許容値を取り込んで補正し、補正目標受熱率モードつまり受熱率モードの最適値を算出し受熱率補正部22に入力する。
該受熱率補正部22においては、前記受熱率算出部12において筒内圧力及び筒内温度の時間変化に基づき算出した算出受熱率モードと前記補正目標受熱率モードとを比較し、さらに前記排気温度センサからの排気温度の検出値で補正し、その比較結果及び補正結果に基づき、前記補正目標受熱率モードになるような燃料噴射量モード及び燃料噴射時期の調整量、並びに蒸気噴射量モード及び蒸気噴射時期の調整量を算出し(23、24)、前記燃料噴射装置6及び蒸気噴射装置7にそれぞれ出力する。
燃料噴射弁4においては、燃料噴射装置6からの前記調整量に従う燃料噴射量モード及び燃料噴射時期により燃料噴射を行う。また蒸気噴射弁5においては、蒸気噴射装置7からの前記調整量に従う蒸気噴射量モード及び蒸気噴射時期により蒸気噴射を行う。
In the target heat receiving
The heat receiving
In the
また、前記制御装置1は、蒸気噴射弁5からの蒸気噴射を次の2通りの手段で行うように制御することもできる。
(1)前記蒸気噴射弁5からの蒸気噴射を、受熱期間終了S22(あるいはθ22)の前から受熱期間終了S22(あるいはθ22)の後まで継続して行う。
(2)蒸気噴射弁5からの蒸気噴射を、受熱期間終了S22(あるいはθ22)の前に複数回、および前記受熱期間終了S22(あるいはθ22)から膨張行程にかけてさらに複数回行う。
Moreover, the said
(1) performing the steam injection from the
(2) the steam injection from the
かかる実施例によれば、エンジン100の上死点前に燃料噴射弁4からシリンダ101内に燃料を噴射し、該燃料噴射後の受熱期間終了時S22よりも前、好ましくは上死点前に蒸気噴射弁5から蒸気を噴射した上で、さらに受熱期間終了時S22から膨張行程にかけて蒸気噴射弁5から2回目の蒸気噴射を行うことにより、図3(A)のW0から(W0+W1)のように、膨張行程における仕事量Wが増加してエンジン出力が増加し、エンジンの熱効率が上昇する。
また、受熱期間終了時S22から膨張行程での蒸気噴射に伴う蒸気による熱吸収作用によって、かかる膨張行程での蒸気噴射を行わない従来技術よりも膨張行程終了時S32における筒内温度が低下し、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制できるとともに、燃焼室構成部材の熱応力が低下する。
According to this embodiment, the fuel injected from the
Further, by the heat absorbing action of steam with the steam injection in the expansion stroke from the heat receiving period at the end of S 22, cylinder temperature is lowered in the expansion stroke at the end S 32 than the prior art that does not perform steam injection in such expansion stroke And generation | occurrence | production of NOx (nitrogen oxide) can be suppressed, and the thermal stress of a combustion chamber structural member falls.
加えて、前記受熱期間中における受熱率モードの最適値である目標受熱率モードを、予め設定された燃料噴射量及び燃料噴射時期、並びに蒸気噴射量及び蒸気噴射時期の双方で設定し、筒内圧力検出値及び筒内温度検出値に基づき算出した検出受熱率モードと前記目標受熱率モードとの比較結果に基づき、燃料噴射弁4からの燃料噴射条件つまり燃料噴射量及び燃料噴射時期と蒸気噴射弁5からの蒸気噴射条件つまり蒸気噴射量及び蒸気噴射時期の双方を関連させて変化させて、実際の受熱率モードを前記目標受熱率モードに一致せしめるように制御するので、エンジン100の全運転域において常時最適の受熱率モードでの燃焼を継続できる。
In addition, the target heat receiving rate mode, which is the optimum value of the heat receiving rate mode during the heat receiving period, is set for both the preset fuel injection amount and fuel injection timing, and the steam injection amount and steam injection timing. Based on the comparison result between the detected heat receiving rate mode calculated based on the detected pressure value and the in-cylinder temperature detected value and the target received heat rate mode, the fuel injection condition from the
さらにかかる実施例によれば、前記のようにして設定した目標受熱率モードを、筒内最高圧力(Pmax)の許容値及び筒内最高温度(Tmax)の許容値あるいは排気温度の許容値を取り込んで補正し、前記筒内最高圧力が許容値以下になるように、かつ前記筒内最高温度あるいは排気温度が許容値以下になるように目標受熱率モードを補正し、この目標受熱率モードを前記目標受熱率モードに置きかえるようにしたので、常時筒内最高圧力を許容値以下に保持しかつ筒内最高温度、排気温度等の燃焼ガス温度を許容値以下に保持し得るような受熱率モードでの燃焼を継続できる。 Further, according to this embodiment, the target heat receiving rate mode set as described above is taken in the allowable value of the in-cylinder maximum pressure (Pmax) and the allowable value of the in-cylinder maximum temperature (Tmax) or the allowable value of the exhaust temperature. The target heat receiving rate mode is corrected so that the in-cylinder maximum pressure is less than or equal to an allowable value and the in-cylinder maximum temperature or exhaust temperature is less than or equal to an allowable value. Since it has been changed to the target heat rate mode, the heat rate mode is such that the maximum in-cylinder pressure is always kept below the allowable value and the combustion gas temperature such as the maximum in-cylinder temperature and exhaust temperature can be kept below the allowable value. Can continue burning.
また、前記実施例における蒸気に代えて、超臨界水を用いることもできる。この場合も図4に示される燃料噴射装置及び燃料噴射弁と同様な噴射システムを用いることが可能である。
かかる超臨界水利用のシステムによれば、超臨界水のシリンダ内での活発な反応性により、NOx(窒素酸化物)、煤煙等の発生の抑制効果が大きくなる。
尚、前記実施例は、本発明を4サイクルディーゼル機関に適用した場合について示しているが、本発明はこれに限定されることなく2サイクルディーゼル機関やガスエンジン等にも適用できる。
Also, supercritical water can be used in place of the steam in the above embodiment. Also in this case, it is possible to use an injection system similar to the fuel injection device and the fuel injection valve shown in FIG.
According to such a system using supercritical water, the effect of suppressing the generation of NOx (nitrogen oxide), soot, etc. is increased due to the active reactivity in the cylinder of supercritical water.
In addition, although the said Example has shown about the case where this invention is applied to a 4-cycle diesel engine, this invention is applicable to a 2-cycle diesel engine, a gas engine, etc., without being limited to this.
本発明によれば、蒸気あるいは超臨界水の噴射による仕事量の増加及び熱効率の上昇を保持しつつ、筒内温度を低下せしめてNOx(窒素酸化物)の発生量を低減するとともに、燃焼室構成部材の耐久性を保持し得る2流体噴射式内燃機関を提供できる。 According to the present invention, while maintaining the increase in work amount and the increase in thermal efficiency due to the injection of steam or supercritical water, the in-cylinder temperature is lowered to reduce the generation amount of NOx (nitrogen oxide), and the combustion chamber It is possible to provide a two-fluid injection internal combustion engine that can maintain the durability of the constituent members.
1 制御装置
2 筒内圧力センサ
3 排気温度センサ
4 燃料噴射弁
5 蒸気噴射弁
6 燃料噴射装置
7 蒸気噴射装置
8 熱交換器
30 負荷検出器
100 エンジン(内燃機関)
101 シリンダ
102 過給機
103 排気管
105 給気管
106 発電機
DESCRIPTION OF
101 cylinder 102
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