JP5014516B2 - Large turbocharged two-cycle diesel engine with exhaust gas or combustion gas recirculation and method for reducing NOx and soot emissions - Google Patents

Large turbocharged two-cycle diesel engine with exhaust gas or combustion gas recirculation and method for reducing NOx and soot emissions Download PDF

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Description

本発明は、NOx発生を減少させるために排ガス再循環を使用する大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジンと、排ガスまたは燃焼ガス再循環を使用してNOx発生を抑えるための大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジンの動作方法とに関する。   The present invention relates to a large turbocharged two-cycle diesel engine that uses exhaust gas recirculation to reduce NOx generation, and a large turbocharged type 2 to suppress NOx generation using exhaust gas or combustion gas recirculation. The present invention relates to a method of operating a cycle diesel engine.

現在、大型2サイクルディーゼルエンジンのエンジン過程に次のような技術を適用することによる変化によって、数多くのNOx発生を抑えるためのオプションが存在する:
・ 排ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation; EGR)
・ エマルジョン燃料の使用
・ 新気の加湿、すなわち、掃気加湿(Scavenge Air Moisterization; SAM).
Currently, there are many options for reducing the generation of NOx due to changes in the engine process of large two-cycle diesel engines by applying the following technologies:
・ Exhaust Gas Recirculation (EGR)
・ Use of emulsion fuel ・ Humidification of fresh air, that is, Scavenge Air Moisterization (SAM).

最も効果的な抑制方法は、EGRである。文献DE19809618は、排ガス再循環を備える大型2サイクルターボ過給型ディーゼルエンジンを開示する(本エンジンでは、ガスは、シリンダから直接取り出されるため、この形式のEGRは、燃焼ガス再循環(Combustion Gas Recirculation; CGR)とも呼ばれる。)本文献において「排ガス再循環」と言われる場合、これは、排ガスから取り出されるガスとシリンダから直接取り出されるガスとの両方の再循環を対象とすることを意味する。   The most effective suppression method is EGR. Document DE 1980618 discloses a large two-cycle turbocharged diesel engine with exhaust gas recirculation (in this engine, gas is taken directly from the cylinder, so this type of EGR is called combustion gas recirculation). CGR))) When referred to in this document as "exhaust gas recirculation", this means that the recirculation of both the gas extracted from the exhaust gas and the gas extracted directly from the cylinder is targeted.

排ガス再循環では、排ガスは、圧縮開始時に掃気の酸素含有量を減少させるように、汚れていない掃気と混合される。これによって、燃焼過程中のNOx発生を抑えることが実現できる。   In exhaust gas recirculation, the exhaust gas is mixed with clean scavenging to reduce the oxygen content of the scavenging at the start of compression. Thereby, it is possible to suppress the generation of NOx during the combustion process.

今後の排出要件を満たすのに必要な高いEGR率(すなわち、掃気流量に対する再循環排ガス流量が比較的高い状態)は、これまで大型2サイクルディーゼルエンジンに適用されたことがない。小型ディーゼルエンジンにおいて、高EGR率が多くのすすを発生させることが分かっている。小型ディーゼルエンジンでは、すす排出のこの増加により、エンジン開発者は、より高い燃料噴射圧力を採用することによって、より良好な混合および空気の取り込みを確実にすることを強いられてきた。しかしながら、燃料噴射圧力が高くなると、NOx発生にいくらかの増加がもたらされ、ひいては当初得られていたNOx発生の抑制がある程度きかなくなってしまう。この手段では、小型ディーゼルエンジンの設計者は、燃料噴射圧力の増加に伴ってより高いEGR率を使用することを強いられてきた。現在では、小型ディーゼルエンジンにおける燃料圧力は、しばしば2000バールを上回っており、このような燃料圧力レベルにおける燃料の流れの制御は、技術的に極めて厳しく、かつ費用がかかり、しばしば耐久性の問題を生じる。   The high EGR rate required to meet future emission requirements (i.e., relatively high recirculated exhaust gas flow rate relative to scavenging flow rate) has never been applied to large two-cycle diesel engines. In small diesel engines, it has been found that a high EGR rate generates a lot of soot. In small diesel engines, this increase in soot emissions has forced engine developers to ensure better mixing and air intake by employing higher fuel injection pressures. However, when the fuel injection pressure is increased, there is some increase in the generation of NOx, and as a result, the suppression of the NOx generation that was initially obtained cannot be made to some extent. In this manner, designers of small diesel engines have been forced to use higher EGR rates with increasing fuel injection pressure. At present, fuel pressure in small diesel engines is often above 2000 bar, and control of fuel flow at such fuel pressure levels is technically extremely rigorous and expensive, often overcoming durability issues. Arise.

大型2サイクルディーゼルエンジンが非常に大規模なため、小型ディーゼルエンジンにおけるこのような高圧下で燃料を制御するために開発された技術を、大型2サイクルディーゼルエンジンに直接適用することは不可能である。ゆえに、燃料噴射システムにおいてこのような高圧を使用するのであれば、大型2サイクルディーゼルエンジンがこのような超高圧を処理できるための燃料噴射システムを開発する新しい技術に、莫大な投資が必要になるであろう。
DE19809618
Because large two-cycle diesel engines are very large, it is impossible to directly apply the technology developed to control fuel under such high pressures in small diesel engines to large two-cycle diesel engines. . Therefore, if such a high pressure is used in the fuel injection system, a huge investment is required in a new technology for developing a fuel injection system for a large two-cycle diesel engine to handle such a high pressure. Will.
DE1980618

このような背景から、本発明の目的は、過剰に高い燃料圧力でエンジンを動作させることを必要とせずに、高EGR率で動作可能である大型2サイクルターボ過給型ディーゼルエンジンを提供することにある。   From such a background, an object of the present invention is to provide a large two-cycle turbocharged diesel engine that can operate at a high EGR rate without requiring the engine to operate at an excessively high fuel pressure. It is in.

本目的は、複数のシリンダと、排ガス再循環ガスシステムと、噴射ノズルを通してシリンダ内に噴射される高圧燃料を、複数のシリンダに供給するための燃料噴射システムとを備えるクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジンであって、排ガス再循環率が可変であり、燃料噴射システムは、噴射ノズルを通る燃料の流れに水を選択的に加えることができ、燃料噴射システムは、実際の排ガス再循環率に応じて燃料の流れに水を加えることによって、噴射ノズルを通る質量流量を増加させるように構成される、大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジンを提供することによって、達成される。   The object is to provide a crosshead large turbocharger comprising a plurality of cylinders, an exhaust gas recirculation gas system, and a fuel injection system for supplying high pressure fuel injected into the cylinders through injection nozzles to the plurality of cylinders. Type 2 cycle diesel engine with variable exhaust gas recirculation rate, the fuel injection system can selectively add water to the fuel flow through the injection nozzle, and the fuel injection system can This is accomplished by providing a large turbocharged two-cycle diesel engine configured to increase the mass flow rate through the injection nozzle by adding water to the fuel flow as a function of circulation rate.

排ガス再循環率が高い場合に噴射ノズルを通る質量流量を増加させることによって、噴射される流体の運動量が増加し、これによって、ともすればすすの発生が過剰となりうる動作条件における、高速の燃料噴霧内への新気の取り込みが改善される。したがって、過剰なすすの発生が回避されるとともに、非常に高い燃料噴射圧力の使用を必要とせずに、NOx値を低く抑えられ得る。   Increasing the mass flow rate through the injection nozzle when the exhaust gas recirculation rate is high will increase the momentum of the injected fluid, which in turn will result in high-speed fuel in operating conditions where soot generation may be excessive The intake of fresh air into the spray is improved. Therefore, the generation of excessive soot can be avoided and the NOx value can be kept low without requiring the use of a very high fuel injection pressure.

燃料に水を混ぜて使用することは、燃焼温度をさらに下げることができるため、NOxのさらなる発生を抑えられる。   When water is mixed with fuel, the combustion temperature can be further lowered, so that further generation of NOx can be suppressed.

ある実施形態によると、排ガス再循環率が所定の閾値を上回る場合は所定の燃料/水比率が使用される。   According to an embodiment, a predetermined fuel / water ratio is used if the exhaust gas recirculation rate exceeds a predetermined threshold.

ある実施形態によると、複数のシリンダは、各々が少なくとも2つの噴射ノズルを有し、少なくとも1つの噴射ノズルは燃料の流れに水が加えられない場合に使用する小さめの穴を有し、少なくとも1つの噴射ノズルは燃料の流れに水が加えられる場合に使用する大きめの穴を有する。したがって、増加した燃料の流れは、大きめの穴を有する方の噴射ノズルによって対応可能である。   According to an embodiment, the plurality of cylinders each have at least two injection nozzles, the at least one injection nozzle having a small hole for use when no water is added to the fuel flow, and at least one One injection nozzle has a larger hole that is used when water is added to the fuel stream. Therefore, the increased fuel flow can be accommodated by the injection nozzle having the larger hole.

さらなる実施形態によると、水と燃料を乳化し、噴射ノズルを通して燃料/水混合物を噴射する。   According to a further embodiment, water and fuel are emulsified and the fuel / water mixture is injected through an injection nozzle.

別の実施形態によると、燃料噴射流量は、燃料の流れに水が加えられる場合でも一定である。したがって、エンジンは、水/燃料と純粋燃料とが入れ替わる場合でも、一定量の燃料を受け、一定の負荷で動作し続けることができる。   According to another embodiment, the fuel injection flow rate is constant even when water is added to the fuel flow. Thus, the engine can receive a certain amount of fuel and continue to operate at a certain load, even when water / fuel and pure fuel are switched.

別の実施形態によると、燃料噴射圧力は、燃料の流れに水が加えられる場合でも一定である。したがって、エンジンは、水/燃料動作において、純粋燃料動作と実質的に同一の燃料圧力で動作する。   According to another embodiment, the fuel injection pressure is constant even when water is added to the fuel stream. Thus, the engine operates in water / fuel operation at substantially the same fuel pressure as pure fuel operation.

別の実施形態によると、エンジンは、高負荷時は燃料の流れに水を加えずに、適度な排ガス再循環率で稼働するように構成される。   According to another embodiment, the engine is configured to operate at a moderate exhaust gas recirculation rate without adding water to the fuel flow at high loads.

別の実施形態によると、エンジン負荷にかかわらず、排ガス循環システムを通る質量流量は、実質的に一定に維持される。   According to another embodiment, the mass flow rate through the exhaust gas circulation system is maintained substantially constant regardless of the engine load.

別の実施形態によると、排ガス再循環システムにはスクラバが設けられ、スクラバは、排ガス再循環システムを通る上記実質的に一定の質量流量に十分な規模を有する。   According to another embodiment, the exhaust gas recirculation system is provided with a scrubber, the scrubber being large enough for the substantially constant mass flow rate through the exhaust gas recirculation system.

ある実施形態によると、燃料噴射システムは、燃料と水を乳化させるシステムを備える。   According to certain embodiments, the fuel injection system comprises a system for emulsifying fuel and water.

ある実施形態によると、燃料噴射システムは、選択的に純粋燃料で動作することができ、また選択的に水/燃料の混合物で動作することができる。   According to certain embodiments, the fuel injection system can be selectively operated with pure fuel and optionally with a water / fuel mixture.

ある実施形態によると、エンジンは、燃料噴射システムの動作を制御する電子制御ユニットをさらに備え、電子制御ユニットは、燃料に水を加えることによって噴射ノズルを通る質量流量を増加させるタイミングを決定するように構成される。   According to certain embodiments, the engine further comprises an electronic control unit that controls the operation of the fuel injection system, wherein the electronic control unit is configured to determine when to increase the mass flow rate through the injection nozzle by adding water to the fuel. Configured.

本発明の別の目的は、クロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジンにおける燃料噴射を制御する方法であって、排ガス再循環を有するエンジンにおいて可変の排ガス再循環率で制御を行うことを含み、エンジンには燃料噴射システムが設けられ、燃料に水を加えることによって噴射ノズルを通る質量流量を選択的に増加させ、噴射される液体の運動量を増加させる、方法を提供することにある。   Another object of the present invention is a method for controlling fuel injection in a cross-head type large turbocharged two-cycle diesel engine, which performs control at a variable exhaust gas recirculation rate in an engine having exhaust gas recirculation. In addition, an engine is provided with a fuel injection system to provide a method of selectively increasing the mass flow rate through the injection nozzle by adding water to the fuel and increasing the momentum of the injected liquid.

ある実施形態によると、水と燃料を乳化して燃料に水を加え、噴射ノズルを通る質量流量を増加させる。   According to one embodiment, water and fuel are emulsified to add water to the fuel and increase the mass flow rate through the injection nozzle.

別の実施形態によると、所定の排ガス再循環率を上回る場合に、噴射ノズルを通る流量に水が加えられる。   According to another embodiment, water is added to the flow rate through the injection nozzle if a predetermined exhaust gas recirculation rate is exceeded.

ある実施形態によると、排ガス再循環システムを通る質量流量は、エンジン負荷にかかわらず、実質的に一定に維持される。   According to certain embodiments, the mass flow rate through the exhaust gas recirculation system is maintained substantially constant regardless of engine load.

ある実施形態によると、燃料の流れに水が加えられる場合には大きめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用され、燃料の流れに水が加えられない場合は小さめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用される。   According to one embodiment, an injection nozzle with a larger opening is used for fuel injection when water is added to the fuel flow, and an injection with a smaller opening when water is not added to the fuel flow. A nozzle is used for fuel injection.

ある実施形態によると、燃料に加えられる水の量は、排ガス再循環率に関連して制御される。   According to certain embodiments, the amount of water added to the fuel is controlled in relation to the exhaust gas recirculation rate.

本発明に従う大型2サイクルディーゼルエンジンおよび方法に関するさらなる目的、特徴、利点および特性は、詳細な説明より明らかになる。   Further objects, features, advantages and characteristics of the large two-cycle diesel engine and method according to the present invention will become apparent from the detailed description.

本説明の以下の詳細な部分において、図面に示される例示的実施形態を参照して、本発明についてより詳細に説明する。
本発明のある実施形態に従う、クロスヘッド式大型2サイクルディーゼルエンジンの概略図である。 本発明の別の実施形態に従う、クロスヘッド式大型2サイクルディーゼルエンジンの概略図である。 本発明の別の実施形態に従う、クロスヘッド式大型2サイクルディーゼルエンジンの概略図である。 本発明のさらに別の実施形態に従う、クロスヘッド式大型2サイクルディーゼルエンジンの概略図である。
In the following detailed portion of the present description, the present invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawings.
1 is a schematic view of a crosshead large two-cycle diesel engine according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 3 is a schematic view of a crosshead large two-cycle diesel engine according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic view of a crosshead large two-cycle diesel engine according to another embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic view of a crosshead large two-cycle diesel engine according to yet another embodiment of the present invention.

望ましい実施形態の詳細な説明Detailed Description of Preferred Embodiments

以下において、本発明に従うクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジンと、クロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジンを動作する方法とに関する詳細な説明について、好適な実施形態によって記述する。   In the following, a detailed description of a crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine according to the present invention and a method of operating a crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine will be described by means of a preferred embodiment. .

クロスヘッド式大型ターボ過給型ディーゼルエンジンの構成および動作は、それ自体はよく知られており、本発明の背景においてさらに説明することは不要であろう。燃料噴射システムおよび排ガスシステムの動作に関するさらなる詳細について以下に述べる。   The construction and operation of a crosshead large turbocharged diesel engine are well known per se and need not be further described in the context of the present invention. Further details regarding the operation of the fuel injection system and the exhaust gas system are described below.

図1は、本発明に従う大型2サイクルディーゼルエンジン1の第1の実施形態を示す。エンジン1は、例えば、外航船の主エンジンとして、または発電所の発電機を動作するための定置エンジンとして使用され得る。エンジンの全出力は、例えば、5,000kWから110,000kWの範囲であり得る。   FIG. 1 shows a first embodiment of a large two-cycle diesel engine 1 according to the present invention. The engine 1 can be used, for example, as a main engine of an ocean-going ship or as a stationary engine for operating a generator of a power plant. The total power of the engine can range from, for example, 5,000 kW to 110,000 kW.

エンジンには、一列に並んで配置される複数のシリンダ2が設けられる。各シリンダ2には、そのシリンダカバーに関連する排気弁3が設けられる。排気路は、排気弁3によって開閉可能である。排気曲がり管4は、排ガス受け5に接続する。排ガス受け5は、複数のシリンダ2の列に平行して配置される。排ガスは、排ガス受け5から排気導管8を介してターボ過給機7のタービンに向かって誘導される。排ガスは、タービンの下流の大気中に排出される。   The engine is provided with a plurality of cylinders 2 arranged in a line. Each cylinder 2 is provided with an exhaust valve 3 associated with the cylinder cover. The exhaust path can be opened and closed by an exhaust valve 3. The exhaust bent pipe 4 is connected to the exhaust gas receiver 5. The exhaust gas receiver 5 is arranged in parallel to the row of the plurality of cylinders 2. The exhaust gas is guided from the exhaust gas receiver 5 through the exhaust pipe 8 toward the turbine of the turbocharger 7. The exhaust gas is discharged into the atmosphere downstream of the turbine.

また、前記ターボ過給機7は、新気取り込み口に連結される圧縮機も含む。圧縮機は、高圧掃気を掃気冷却機10および掃気導管11を介して、掃気受け9に送る。掃気は、給気受け9から、個々のシリンダ2の掃気ポート12に送られる。   The turbocharger 7 also includes a compressor connected to the fresh air intake port. The compressor sends high-pressure scavenging to the scavenging receiver 9 via the scavenging cooler 10 and the scavenging conduit 11. The scavenging gas is sent from the air supply receiver 9 to the scavenging port 12 of each cylinder 2.

排ガス再循環ポート13を介して、燃焼ガスの一部分は、排ガス受け14に送られる。排ガス受け14は、排ガス再循環システムを通る質量流量を調節する制御弁15と、再循環排ガスを浄化するスクラバ16と、冷却機17と、ミスト捕集器18(例えば、スクラバ16中のガス流に追加される水滴を除去する)とを介して、掃気導管11に連結する。   A part of the combustion gas is sent to the exhaust gas receiver 14 via the exhaust gas recirculation port 13. The exhaust gas receiver 14 includes a control valve 15 that adjusts the mass flow rate through the exhaust gas recirculation system, a scrubber 16 that purifies the recirculated exhaust gas, a cooler 17, and a mist collector 18 (for example, a gas flow in the scrubber 16). To the scavenging conduit 11.

排ガス再循環システムを通る質量流量は、エンジン負荷にかかわらず、実質的に一定に維持される。したがって、エンジン負荷が低い状態(例えば、最大連続定格の約75%以下)では、排ガス再循環率は比較的高く、エンジン負荷が高い状態(例えば、最大連続定格の75%を上回る)では、排ガス再循環率は、比較的抑えられる。前記排ガススクラバ16は、このような負荷の高い動作条件で再循環排ガス流を処理するのに十分であるように正確な規模を有する。対策を取らなければ、エンジン負荷が低い状態におけるすすの発生と、それに応じて高くなる排ガス再循環率とは、許容範囲を超えてしまうだろう。   The mass flow rate through the exhaust gas recirculation system is maintained substantially constant regardless of engine load. Therefore, the exhaust gas recirculation rate is relatively high when the engine load is low (for example, about 75% or less of the maximum continuous rating), and the exhaust gas is high when the engine load is high (for example, exceeding 75% of the maximum continuous rating). The recirculation rate is relatively low. The exhaust gas scrubber 16 has an accurate scale so that it is sufficient to treat the recirculated exhaust gas stream under such high operating conditions. If no measures are taken, the soot generation at low engine loads and the corresponding increase in the exhaust gas recirculation rate will exceed the permissible range.

しかしながら、エンジンには、本発明に従う、燃料タンク20および水燃料エマルジョンタンク21を備えた燃料噴射システムが設置されている。また、エンジンは、燃料/水乳化システム(図示せず)も備えてもよい。燃料タンク20は、高圧燃料をコモンレール23に送る高圧燃料ポンプ22に連結される。コモンレール23は燃料弁24を通して、シリンダ2内に噴射される高圧燃料を、複数のシリンダ2に供給する。燃料弁24の噴射ノズルには、比較的小さな開口部が設けられ、燃料はその開口部からシリンダ2内部の燃料室内に噴霧される。燃料弁24の動作は、電子制御ユニット(図示せず)によって制御される。各シリンダ2毎に、1つ以上の、例えば、2つまたは3つの燃料弁24が存在してもよく、これらの燃料弁24は、全てコモンレール23に連結される。   However, the engine is provided with a fuel injection system comprising a fuel tank 20 and a water fuel emulsion tank 21 according to the present invention. The engine may also include a fuel / water emulsification system (not shown). The fuel tank 20 is connected to a high-pressure fuel pump 22 that sends high-pressure fuel to the common rail 23. The common rail 23 supplies high-pressure fuel injected into the cylinder 2 through the fuel valve 24 to the plurality of cylinders 2. The injection nozzle of the fuel valve 24 is provided with a relatively small opening, and the fuel is sprayed into the fuel chamber inside the cylinder 2 from the opening. The operation of the fuel valve 24 is controlled by an electronic control unit (not shown). There may be one or more, for example two or three, fuel valves 24 for each cylinder 2, all of which are connected to the common rail 23.

また、燃料噴射システムは、タンク21から高圧でコモンレール26内に燃料/水エマルジョンを送り込む高圧燃料ポンプ25も含む。コモンレール26は燃料弁27を通して、シリンダ2内に噴射される高圧燃料/水エマルジョンを、複数のシリンダ2に供給する。燃料弁27の噴射ノズルには、比較的大きな開口部が設けられ、燃料/水エマルジョンはその開口部からシリンダ2内部の燃料室内に噴霧される。燃料弁27の動作は、電子制御ユニットによって制御される。各シリンダ2毎に、1つ以上の、例えば、2つまたは3つの燃料弁27が存在してもよく、これらの燃料弁27は、全てコモンレール26に連結される。   The fuel injection system also includes a high pressure fuel pump 25 that pumps fuel / water emulsion from the tank 21 into the common rail 26 at high pressure. The common rail 26 supplies the high pressure fuel / water emulsion injected into the cylinder 2 through the fuel valve 27 to the plurality of cylinders 2. The injection nozzle of the fuel valve 27 is provided with a relatively large opening, and the fuel / water emulsion is sprayed into the fuel chamber inside the cylinder 2 from the opening. The operation of the fuel valve 27 is controlled by an electronic control unit. There may be one or more, for example two or three, fuel valves 27 for each cylinder 2, all of which are connected to the common rail 26.

電子制御ユニットは、エンジン負荷にかかわらず、動作中に制御弁15を介して排ガス再循環システムを通る質量流量を実質的に一定に維持する。エンジン負荷が高い状態では、空気吸気システムを通る質量流量は、負荷が中〜低程度の状態(例えば、最大連続定格の75%未満)よりも実質的に大きくなる。これは、排ガス再循環率が、負荷が高い場合よりも中〜低程度の場合(例えば、最大連続定格の75%を上回る)に実質的に高くなることを意味する。   The electronic control unit maintains the mass flow rate through the exhaust gas recirculation system through the control valve 15 substantially constant during operation regardless of the engine load. At high engine loads, the mass flow through the air intake system is substantially greater than at moderate to low loads (eg, less than 75% of maximum continuous rating). This means that the exhaust gas recirculation rate is substantially higher when it is moderate to low (eg, exceeding 75% of the maximum continuous rating) than when the load is high.

高負荷時における動作中、エンジン制御ユニットは、高圧燃料ポンプ22および燃料噴射弁24を動作して、燃料噴射弁24を通して、シリンダ内の燃焼室内に純粋燃料を噴射する。EGR率が比較的低くなるため、このような動作条件ではすすの発生は、あまり多くならない。   During operation at high load, the engine control unit operates the high-pressure fuel pump 22 and the fuel injection valve 24 to inject pure fuel through the fuel injection valve 24 into the combustion chamber in the cylinder. Since the EGR rate is relatively low, the occurrence of soot is not so high under such operating conditions.

エンジン負荷がそれほど高くない状態で動作し、かつ排ガス再循環率が所定の閾値を上回る場合、電子制御ユニットは、燃料噴射弁24および高圧燃料ポンプ22の動作を中断し、代わりに、高圧ポンプ25および燃料噴射弁27を動作して、シリンダ2内の燃焼室内に燃料/水混合またはエマルジョンを噴射する。噴射される燃料の量は、純粋燃料から燃料/水混合またはエマルジョンへの切り替え時、または燃料/水混合またはエマルジョンから純粋燃料への切り替え時も、同様に実質的に一定である。燃料および燃料/水エマルジョンが噴射される圧力は一定である。すなわち、高圧燃料ポンプ22および高圧燃料ポンプ25は、実質的に一定の圧力で動作する。この圧力は、大型2サイクルディーゼルエンジンの従来のコモンレール燃料噴射システムに使用される圧力と同じ範囲にあり得、通常は800バールから1200バールの範囲にある。   When operating with the engine load not so high and the exhaust gas recirculation rate exceeds a predetermined threshold, the electronic control unit interrupts the operation of the fuel injection valve 24 and the high pressure fuel pump 22, and instead the high pressure pump 25. The fuel injection valve 27 is operated to inject a fuel / water mixture or emulsion into the combustion chamber in the cylinder 2. The amount of fuel injected is likewise substantially constant when switching from pure fuel to fuel / water mixing or emulsion, or when switching from fuel / water mixing or emulsion to pure fuel. The pressure at which the fuel and fuel / water emulsion are injected is constant. That is, the high pressure fuel pump 22 and the high pressure fuel pump 25 operate at a substantially constant pressure. This pressure can be in the same range as that used in conventional common rail fuel injection systems for large two-cycle diesel engines, and is typically in the range of 800 bar to 1200 bar.

水が燃料に加えられる場合の燃料噴射ノズルを通る質量流量の増加によって、高速の燃料噴霧内への新気の取り込みが向上し、これによって、燃料/空気混合が増加し、燃焼効率が上がり、すすの発生が抑えられる。   Increased mass flow through the fuel injection nozzle when water is added to the fuel improves the uptake of fresh air into the high-speed fuel spray, which increases fuel / air mixing and increases combustion efficiency, Soot generation is suppressed.

排ガス再循環率が所定の閾値を下回る場合、エンジン制御ユニットは、高圧燃料ポンプ22および燃料弁24の動作を再開し、高圧燃料ポンプ25および燃料弁27の動作を中断する。   When the exhaust gas recirculation rate falls below a predetermined threshold, the engine control unit resumes the operations of the high pressure fuel pump 22 and the fuel valve 24 and interrupts the operations of the high pressure fuel pump 25 and the fuel valve 27.

図2は、本発明の第2の実施形態を図示し、これは、排ガス再循環システムが、再循環排ガスを掃気システム内に混合せずに、直接シリンダに戻すこと以外は、第1の実施形態に本質的に同一である。   FIG. 2 illustrates a second embodiment of the present invention, which is the first implementation except that the exhaust gas recirculation system returns directly to the cylinder without mixing the recirculated exhaust gas into the scavenging system. Essentially identical in form.

図3は、本発明の第3の実施形態を図示し、これは、水および燃料が燃料ポンプ22内部で混合されること以外は、第1の実施形態に本質的に同一である。本実施形態では、燃料ポンプは、燃料に混合する水の量をコントロールできるものである。燃料と混合される水の量は、電子制御ユニットによって決定され、ポンプ22は、電子制御ユニットの信号に従って、決定された量の水を混合する。また、電子制御ユニットは、ノズルに小さい開口部を有する燃料弁24とノズルに大きい開口部を有する燃料弁27とのどちらを使用するかも判断する。本実施形態では、燃料と混合される水の量は、ゼロから所定の最大値の間で(段階的および連続的に)可変であってもよく、もしくは一定量の水をオン/オフ方式で燃料に混合してもよい。   FIG. 3 illustrates a third embodiment of the present invention, which is essentially the same as the first embodiment, except that water and fuel are mixed inside the fuel pump 22. In the present embodiment, the fuel pump can control the amount of water mixed with the fuel. The amount of water to be mixed with the fuel is determined by the electronic control unit, and the pump 22 mixes the determined amount of water according to the signal of the electronic control unit. The electronic control unit also determines whether to use a fuel valve 24 having a small opening in the nozzle or a fuel valve 27 having a large opening in the nozzle. In this embodiment, the amount of water mixed with the fuel may be variable (stepwise and continuously) between zero and a predetermined maximum value, or a certain amount of water is turned on / off. It may be mixed with fuel.

また、図3は、燃料と混合される水の量を調節するためのフィードバック制御システムを備えてもよい。本図面では、エンジン1には、排気導管8内に、または図示されるようにターボ過給機7の下流に、排ガスのNOx含有量を測定するNOxセンサ28が設けられる。NOxセンサ28からの信号は、制御ボックス29(電子制御ユニット)に送られる。制御ボックス29は、エンジン負荷および排ガス再循環率等の他のエンジン動作パラメータに関するデータを受信し、制御器は、これらのデータに基づいて燃料の流れに加えるべき水の量(水を加える必要がある場合)を決定し、燃料ポンプ22にそれに応じてコマンドを送る。またある実施形態では、制御器29は、フィードバック制御ループにおいて排ガス再循環率を調節するように構成されてもよい。   FIG. 3 may also include a feedback control system for adjusting the amount of water mixed with the fuel. In this drawing, the engine 1 is provided with a NOx sensor 28 for measuring the NOx content of the exhaust gas in the exhaust conduit 8 or downstream of the turbocharger 7 as shown. A signal from the NOx sensor 28 is sent to a control box 29 (electronic control unit). The control box 29 receives data regarding other engine operating parameters such as engine load and exhaust gas recirculation rate, and the controller based on these data the amount of water to be added to the fuel flow (water needs to be added). And send a command to the fuel pump 22 accordingly. In some embodiments, controller 29 may also be configured to adjust the exhaust gas recirculation rate in a feedback control loop.

図4は、本発明の第4の実施形態を図示し、これは、水および燃料が高圧燃料ポンプ22および送水ポンプ25の下流で混合されること以外は、第1の実施形態に本質的に同一である。これらのポンプ22、25の出口は統合され、そして燃料/水混合物を噴射弁24に送る導管23に接続される。本実施形態では、水および燃料ポンプは、容量を変えることができるが、実施形態は、その代わりに速度を変えられるポンプを使用することで実現してもよい。   FIG. 4 illustrates a fourth embodiment of the present invention, which is essentially the same as the first embodiment except that water and fuel are mixed downstream of the high pressure fuel pump 22 and the water pump 25. Are the same. The outlets of these pumps 22, 25 are integrated and connected to a conduit 23 that delivers the fuel / water mixture to the injection valve 24. In this embodiment, the water and fuel pumps can vary in capacity, but embodiments may instead be realized by using pumps that can vary in speed.

上述の実施形態は、シリンダ2底部のポートから再循環するために排ガスを取り出す、排ガス再循環システムとして説明されている。しかしながら、本発明は、シリンダの上部から、例えば、シリンダカバーに配置される排ガス再循環弁を通して、排ガスを取り出す排ガス再循環システムに対して使用されてもよい。また、再循環排ガスの再循環も、シリンダの上部であってもよい。   The above-described embodiment has been described as an exhaust gas recirculation system that extracts exhaust gas for recirculation from a port at the bottom of the cylinder 2. However, the present invention may be used for an exhaust gas recirculation system that extracts exhaust gas from the top of the cylinder, for example, through an exhaust gas recirculation valve disposed on the cylinder cover. Further, the recirculation of the recirculated exhaust gas may be performed at the upper part of the cylinder.

上述の実施形態は、燃料タンクおよび燃料/水エマルジョンタンクを使用する燃料噴射システムに関して説明された。しかしながら、本発明は、別の方法で所要の量の水を取り入れるシステムを使用することも可能である。システムが水タンクおよび燃料タンクのみを備えればよいように、注水口および燃料注入口を備える高圧燃料ポンプであって、ポンプ内部で2つの流体を混合する前記高圧燃料ポンプを使用してもよい。このような燃料噴射システムは、燃料噴射システム内への水の流量を変えることで動作してもよく、水の流量は、排ガス再循環率に関連して決定されてもよい。すなわち、このようなシステムは、可変の燃料対水の比率で動作してもよいく、燃料対水比率は、実際のEGR率に関連して決定してもよい。   The above embodiments have been described with reference to a fuel injection system that uses a fuel tank and a fuel / water emulsion tank. However, the present invention may use a system that takes in the required amount of water in another way. A high pressure fuel pump with a water inlet and a fuel inlet, which mixes two fluids inside the pump, may be used so that the system need only have a water tank and a fuel tank. . Such a fuel injection system may operate by changing the flow rate of water into the fuel injection system, and the flow rate of water may be determined in relation to the exhaust gas recirculation rate. That is, such a system may operate at a variable fuel to water ratio, and the fuel to water ratio may be determined in relation to the actual EGR rate.

用語の「備える」は、請求項において使用する際、他の要素またはステップを除外しない。請求項における単数形の用語は、複数形を除外しない。   The term “comprising”, when used in the claims, does not exclude other elements or steps. The singular terms in the claims do not exclude the plural.

請求項で使用する参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されない。   Any reference signs used in the claims shall not be construed as limiting the scope.

本発明について例示目的のために詳細に説明したが、このような詳細が単にその目的のためのものであること、ならびに本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によりそこに変更を加えてもよいことを理解されたい。   Although the present invention has been described in detail for purposes of illustration, such details are merely for purposes of the invention and modifications may be made thereto by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. I hope you understand.

Claims (18)

複数のシリンダ(2)と、排ガス再循環ガスシステムと、噴射ノズルを通して前記シリンダ内に噴射される高圧燃料を、前記複数のシリンダに供給するための燃料噴射システムとを備えるクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)であって、
排ガス再循環率が可変であり、
前記燃料噴射システムは、前記噴射ノズルを通る燃料の流れに水を選択的に加えることができ、
前記燃料噴射システムは、実際の排ガス再循環率に応じて前記燃料の流れに水を加えることによって、前記噴射ノズルを通る質量流量を増加させるように構成される、
ことを特徴とする、クロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。
A crosshead large turbocharger comprising a plurality of cylinders (2), an exhaust gas recirculation gas system, and a fuel injection system for supplying high pressure fuel injected into the cylinders through injection nozzles to the plurality of cylinders. A feed type two-cycle diesel engine (1),
The exhaust gas recirculation rate is variable,
The fuel injection system can selectively add water to the fuel flow through the injection nozzle;
The fuel injection system is configured to increase the mass flow rate through the injection nozzle by adding water to the fuel flow in response to an actual exhaust gas recirculation rate.
A crosshead type large turbocharged two-cycle diesel engine (1) characterized in that
前記排ガス再循環率が所定の閾値を上回る場合は所定の燃料/水比率が使用される、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1, wherein a predetermined fuel / water ratio is used when the exhaust gas recirculation rate exceeds a predetermined threshold. 前記複数のシリンダ(2)は、各々が少なくとも2つの噴射ノズルを有し、少なくとも1つの噴射ノズルは前記燃料の流れに水が加えられない場合に使用する小さめの穴を有し、少なくとも1つの噴射ノズルは前記燃料の流れに水が加えられる場合に使用する大きめの穴を有する、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The plurality of cylinders (2) each have at least two injection nozzles, the at least one injection nozzle having a small hole for use when no water is added to the fuel flow, and at least one The crosshead type large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1, wherein the injection nozzle has a large hole for use when water is added to the fuel flow. 水と燃料を乳化し、前記噴射ノズルを通して燃料/水混合物を噴射する、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1, wherein water and fuel are emulsified and a fuel / water mixture is injected through the injection nozzle. 前記燃料の流れに水が加えられる場合でも燃料噴射流速が一定である、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The crosshead type large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1, wherein a fuel injection flow rate is constant even when water is added to the fuel flow. 前記燃料の流れに水が加えられる場合でも燃料噴射圧力が一定である、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1, wherein the fuel injection pressure is constant even when water is added to the fuel flow. 高負荷時において、前記燃料の流れに水を加えずに、低負荷時に比べて排ガス再循環率を抑えて稼働するように構成される、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。 Oite at high load, without adding water to the flow of the fuel, is configured to operate with reduced exhaust gas recirculation rate than at low load, crosshead large turbocharged according to claim 1 Type 2 cycle diesel engine (1). 前記排ガス循環システムを通る質量流量が、エンジン負荷にかかわらず実質的に一定に維持される、請求項7に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The crosshead large turbocharged two-stroke diesel engine (1) according to claim 7, wherein the mass flow rate through the exhaust gas circulation system is maintained substantially constant regardless of engine load. 前記燃料噴射システムは、燃料/水乳化システムを備える、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1, wherein the fuel injection system comprises a fuel / water emulsification system. 前記燃料噴射システムは、選択的に純粋燃料で動作することができ、また選択的に水/燃料の混合物で動作することができる、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The crosshead large turbocharged two-cycle of claim 1, wherein the fuel injection system can selectively operate with pure fuel and can selectively operate with a water / fuel mixture. Diesel engine (1). 前記燃料噴射システムの動作を制御する電子制御ユニットをさらに備え、前記電子制御ユニットは、前記燃料に水を加えることによって、前記噴射ノズルを通る質量流量を増加させる場合に、前記排ガス再循環率に関連して決定を行うように構成される、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。The electronic control unit further controls the operation of the fuel injection system, and the electronic control unit increases the mass recirculation rate when the mass flow rate through the injection nozzle is increased by adding water to the fuel. The crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1, wherein the crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine (1) is configured to make a determination in relation. 前記燃料に加えられる水の量を調節するため、および/または排ガス中の測定されたNOx値を使用して前記排ガス再循環率を調節するための、フィードバック制御システム(28、29)をさらに備える、請求項1に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)。A feedback control system (28, 29) is further provided for adjusting the amount of water added to the fuel and / or for adjusting the exhaust gas recirculation rate using measured NOx values in the exhaust gas. The crosshead type large turbocharged two-cycle diesel engine (1) according to claim 1. クロスヘッド式大型ターボ過給型2サイクルディーゼルエンジン(1)における燃料噴射を制御する方法であって、排ガス再循環を有する前記エンジンにおいて可変の排ガス再循環率で制御を行うことを含み、前記エンジンには燃料噴射システムが設けられ、前記燃料に水を加えることによって噴射ノズルを通る質量流量を選択的に増加させ、噴射される液体の運動量を増加させる、方法。  A method for controlling fuel injection in a crosshead large turbocharged two-cycle diesel engine (1), comprising: controlling the engine with exhaust gas recirculation at a variable exhaust gas recirculation rate; Wherein a fuel injection system is provided to selectively increase the mass flow rate through the injection nozzle by adding water to the fuel to increase the momentum of the injected liquid. 水と燃料を乳化して燃料に水を加え、前記噴射ノズルを通る質量流量を増加させる、請求項13に記載の方法。14. The method of claim 13 , wherein water and fuel are emulsified to add water to the fuel and increase the mass flow rate through the injection nozzle. 所定の排ガス再循環率を上回る場合に、前記噴射ノズルを通る前記流量に水が加えられる、請求項13に記載の方法。The method of claim 13 , wherein water is added to the flow rate through the injection nozzle when a predetermined exhaust gas recirculation rate is exceeded. 前記排ガス再循環システムを通る前記質量流量は、前記エンジン負荷にかかわらず実質的に一定に維持される、請求項13に記載の方法。The method of claim 13 , wherein the mass flow rate through the exhaust gas recirculation system is maintained substantially constant regardless of the engine load. 前記燃料の流れに水が加えられる場合には大きめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用され、前記燃料の流れに水が加えられない場合は小さめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用される、請求項13に記載の方法。When water is added to the fuel flow, an injection nozzle having a large opening is used for fuel injection, and when water is not added to the fuel flow, an injection nozzle having a small opening is used for fuel injection. The method according to claim 13 , wherein the method is used. 前記燃料の流れに加えられる水の量は、前記排ガス再循環率に関連して決定される、請求項13に記載の方法。The method of claim 13 , wherein the amount of water added to the fuel stream is determined in relation to the exhaust gas recirculation rate.
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