JP6755901B2 - Large turbocharged 2-stroke compression ignition internal combustion engine and how to operate the engine - Google Patents
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Description
本開示は、クロスヘッドを有する大型ターボ過給式2ストローク圧縮着火型内燃エンジン、およびそのようなエンジンを運転する方法に関する。 The present disclosure relates to a large turbocharged two-stroke compression ignition internal combustion engine having a crosshead and a method of operating such an engine.
クロスヘッドを有する大型ターボ過給式2ストローク圧縮着火型内燃エンジンは、典型的には、コンテナ船などの大型外航船または発電所における原動機として使用される。 A large turbocharged two-stroke compression ignition internal combustion engine with a crosshead is typically used as a prime mover in a large oceangoing vessel such as a container ship or a power plant.
特に外航船内で運転される場合、ねじり震動の制御が困難になりうる。このようなねじり震動は、エンジンをプロペラに連結するプロペラ軸がねじれに対して比較的柔軟であり、このねじれに対して比較的柔軟な仕組みが、エンジンから変動する接線方向の圧力(トルク)を受けることによって生じる。この、エンジンからの変動する接線方向の圧力は、各シリンダにおけるサイクル工程によって生じ、クランクシャフトの回転ごとに繰り返される。この、各シリンダにおけるサイクル工程により、クランクシャフトのトルクが大きく変動する。このトルクは圧縮時は負であり、膨張時は正である。これを図5に示す。図5では、1個のシリンダからのシリンダ圧力PおよびトルクQを実線で示し、6個のシリンダからの合成トルクを点線で示している。1回転にわたって複数のシリンダを分散させることで、クランクシャフトのトルクの変動は減少するものの、まだ顕著である。震動応力レベルは、直接的または間接的に測定するか、あるいはエンジンおよびその関連する構造の数学的モデルを用いて予測または計算することができる。エンジンによって駆動または加振される1つ以上の装備を含む個々のエンジンの場合、1つ以上の構成要素レベルの震動応力は、例えばエンジン回転速度や、エンジンの運転モードを規定する様々な運転パラメータに基づいて計算できる。計算された震動応力レベルは所定の制限値と比較でき、制限値を超える場合は適切な処置をとることができる。 It can be difficult to control torsional vibrations, especially when operating on an ocean-going vessel. In such a torsional vibration, the propeller shaft that connects the engine to the propeller is relatively flexible to twist, and the mechanism that is relatively flexible to this twist applies pressure (torque) in the tangential direction that fluctuates from the engine. It is caused by receiving. This fluctuating tangential pressure from the engine is generated by the cycle process in each cylinder and is repeated with each rotation of the crankshaft. The torque of the crankshaft fluctuates greatly depending on the cycle process in each cylinder. This torque is negative during compression and positive during expansion. This is shown in FIG. In FIG. 5, the cylinder pressure P and the torque Q from one cylinder are shown by a solid line, and the combined torque from the six cylinders is shown by a dotted line. Dispersing a plurality of cylinders over one revolution reduces fluctuations in crankshaft torque, but is still significant. Seismic stress levels can be measured directly or indirectly, or predicted or calculated using mathematical models of the engine and its associated structures. For individual engines, including one or more equipment driven or excited by the engine, the seismic stress at one or more component levels can be, for example, various operating parameters that define the engine speed or the operating mode of the engine. Can be calculated based on. The calculated seismic stress level can be compared with a predetermined limit value, and if the limit value is exceeded, appropriate measures can be taken.
震動応力レベルには、縦および横(またはせん断)震動およびねじり震動によって誘発される応力レベルが含まれる。ある構成要素における震動応力レベルが大きすぎる場合、その構成要素の損傷のおそれがあり、ひいてはその構成要素が故障してエンジンおよび/または装備全体に致命的な結果となる可能性がある。そのため、震動応力レベルを安全性限界より低く保つ必要がある。 Seismic stress levels include stress levels induced by longitudinal and lateral (or shear) and torsional tremors. If the seismic stress level in a component is too high, that component can be damaged and, in turn, that component can fail with fatal consequences for the engine and / or the entire equipment. Therefore, it is necessary to keep the seismic stress level below the safety limit.
船舶において、エンジンからの震動はエンジン自体やプロペラ軸に留まらず、船体の他の部分にも伝達される。この震動は、震動として知覚されたり、可聴騒音を生じて船員や乗客に不快感を与えたりする場合がある。そのため、震動応力レベルを快適限界より低く保つことが望ましい。 In a ship, the vibration from the engine is transmitted not only to the engine itself and the propeller shaft, but also to other parts of the hull. This tremor may be perceived as a tremor or may cause audible noise that may cause discomfort to seafarers and passengers. Therefore, it is desirable to keep the seismic stress level below the comfort limit.
エンジンの主軸(プロペラ軸を含む)におけるねじり震動は、エンジン回転速度の高調波を含む複数の周波数により構成される。エンジンの主軸におけるねじり振動の周波数は、エンジンの回転速度に関連する。一般に、k個のシリンダを備えるエンジンでは、エンジン回転速度の第k高調波と、その倍数および場合によっては約数が周波数スペクトルに含まれ、各周波数によって対応するねじり振動がエンジンの主軸に生じる。一部の周波数のねじり震動は、他の周波数のねじり振動より大きい。合計振動レベルを所定の制限値より低く保つ必要があり、また、選択された(またはすべての)周波数において振動レベルを所定の制限値より低く保つ必要がある。これらのレベルは周波数ごとに固有に設定できる。 Torsional vibrations on the engine spindle (including the propeller shaft) are composed of multiple frequencies, including harmonics of engine speed. The frequency of torsional vibration in the spindle of the engine is related to the rotational speed of the engine. In general, in an engine having k cylinders, the kth harmonic of the engine speed and its multiples and, in some cases, divisors are included in the frequency spectrum, and the corresponding torsional vibration is generated in the main axis of the engine at each frequency. Torsional vibrations at some frequencies are greater than torsional vibrations at other frequencies. The total vibration level should be kept below a predetermined limit and the vibration level should be kept below a predetermined limit at selected (or all) frequencies. These levels can be set uniquely for each frequency.
6個のシリンダを備えるエンジンに関する図5の例では、1回転ごとに、クランクシャフトのトルクが負になる6つの期間が事実上存在する。なお、これは単なる例であり、すべてのエンジンが、トルクが負になる期間を有するわけではないことに留意されたい。これはエンジンの連結方法による。シリンダ数の多いエンジンは、クランクトルクが負になる期間を有しない。同様に、5個のシリンダを備えるエンジンは1回転ごとに5つの期間を有し、7個のシリンダを備えるエンジンは1回転ごとに7つの期間を有する、などである。負荷−駆動軸−エンジン系におけるねじり震動の問題は、4、5、6、および7シリンダエンジンにおいて言及されている。これらの振動は重大であり、エンジンと負荷(例えばプロペラ)間の駆動軸の柔軟性を考慮すると、エンジンとプロペラの慣性と、それらを連結する柔軟な軸により、共振が発生する。共振に近づくと、トルク変動による加振が非常に大きくなる。 In the example of FIG. 5 for an engine with six cylinders, there are effectively six periods in which the crankshaft torque is negative for each revolution. It should be noted that this is just an example and not all engines have a period of negative torque. This depends on how the engine is connected. An engine with a large number of cylinders does not have a period during which the crank torque becomes negative. Similarly, an engine with five cylinders has five periods per revolution, an engine with seven cylinders has seven periods per revolution, and so on. The problem of torsional vibration in the load-drive shaft-engine system is mentioned in 4, 5, 6, and 7 cylinder engines. These vibrations are significant and, given the flexibility of the drive shaft between the engine and the load (eg the propeller), the inertia of the engine and the propeller and the flexible shaft connecting them causes resonance. As it approaches resonance, the vibration due to torque fluctuation becomes very large.
ねじり震動の問題を軽減するために、ばねまたは粘性型トーショナルダンパが用いられる。しかしながら、トーショナルダンパを用いるとコストがかなり増大する。また、トーショナルダンパを使用しても、これらのエンジンには禁止回転速度範囲、すなわち、連続運転が禁止される速度範囲があることが多い。これは、軸に高い応力がかかると耐用期間が短くなるからである。 Spring or viscous torsional dampers are used to alleviate the problem of torsional vibration. However, using a torsional damper increases the cost considerably. Further, even if a torsional damper is used, these engines often have a prohibited rotation speed range, that is, a speed range in which continuous operation is prohibited. This is because the service life is shortened when a high stress is applied to the shaft.
WO2005/124132は、燃料噴射量を徐々に増加させて大型2ストロークディーゼルエンジンの燃料噴射系を制御することによって、ねじり震動を減少させる方法を開示している。燃料噴射を徐々に増加させることで、ねじり震動がいくらか減少するが、この効果は、特定の速度範囲においてねじり振動の問題が最も大きいエンジン、例えば5シリンダエンジンには十分ではない。 WO2005 / 124132 discloses a method of reducing torsional vibration by gradually increasing the fuel injection amount to control the fuel injection system of a large two-stroke diesel engine. Gradually increasing fuel injection reduces some torsional vibrations, but this effect is not sufficient for engines with the greatest torsional vibration problems in a particular speed range, such as 5-cylinder engines.
本願発明者らによるシミュレーションと測定により、着火/燃焼を遅延させると、シリンダ圧力にある意味で影響する、すなわち、特定の重要なトルク変動の程度が大きく減少することが分かった。したがって、燃料噴射を遅延させることでねじり加振を減少させることができる。しかしながら、燃料噴射を上死点(Top Dead Center:TDC)後のクランク角10°時点より遅延させることは、ディーゼルノックの発生のため通常は不可能である。 Simulations and measurements by the inventors of the present application have shown that delaying ignition / combustion has a certain effect on cylinder pressure, i.e., a significant reduction in the degree of certain significant torque fluctuations. Therefore, the torsional excitation can be reduced by delaying the fuel injection. However, it is usually impossible to delay the fuel injection from the crank angle of 10 ° after the top dead center (TDC) due to the occurrence of diesel knock.
上記を鑑みて、本発明は、前述の問題を克服または少なくとも軽減するために、少なくとも任意のRPM帯域において、非常に遅いタイミングの燃料噴射遅延によって運転可能な大型2ストローク圧縮着火型エンジンを提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention provides a large two-stroke compression ignition engine that can be operated with a very late timing fuel injection delay, at least in any RPM band, in order to overcome or at least alleviate the above problems. The purpose is.
前記およびその他の目的は、独立請求項に示す特徴により達成される。さらなる実施の形態は、従属請求項、明細書、および図面により明らかにされる。 The above and other objectives are achieved by the characteristics set forth in the independent claims. Further embodiments will be apparent in the dependent claims, the specification, and the drawings.
第1の態様によると、大型2ストローク圧縮着火型内燃エンジンが提供される。前記大型2ストローク圧縮着火型内燃エンジンは、エンジン運転中に下死点(Bottom Dead Center:BDC)と上死点(Top Dead Center:TDC)との間を往復するピストンをそれぞれ内部に備える複数のシリンダと、燃焼のために前記シリンダに燃料を噴射するために、前記シリンダそれぞれに付随する1つ以上の燃料弁を備える燃料噴射系と、前記燃料弁の開閉を制御することによって、前記シリンダのクランク角に応じて燃料噴射のタイミングを制御するように構成される電子制御ユニットと、を備え、前記ピストンは、ピストン棒と、クロスヘッドと、連接棒とを介してクランクシャフトに動作可能に連結され、前記クランクシャフトは、前記エンジンの運転中に所定の回転速度で回転し、前記電子制御ユニットは、少なくとも特定の回転速度範囲内の前記エンジンの前記シリンダの少なくとも1つを、TDC以降の少なくとも1回のプリ噴射と、その後のゼロ燃料噴射期間と、その後の遅延メイン噴射とを電子制御ユニットによって実行することによる遅延燃料噴射により、運転するように構成される。 According to the first aspect, a large two-stroke compression ignition type internal combustion engine is provided. The large two-stroke compression ignition type internal combustion engine has a plurality of internal pistons that reciprocate between the bottom dead center (BDC) and the top dead center (TDC) during engine operation. A cylinder, a fuel injection system including one or more fuel valves attached to each of the cylinders for injecting fuel into the cylinder for combustion, and control of the opening and closing of the fuel valve to control the cylinder. It comprises an electronic control unit configured to control the timing of fuel injection according to the crank angle, and the piston is operably connected to the crankshaft via a piston rod, a crosshead, and an articulating rod. The crankshaft rotates at a predetermined rotation speed during the operation of the engine, and the electronic control unit makes at least one of the cylinders of the engine within a specific rotation speed range at least one after TDC. It is configured to operate by delayed fuel injection by executing one pre-injection, a subsequent zero fuel injection period, and a subsequent delayed main injection by an electronic control unit.
燃焼室内の圧力と温度は、ノックの発生に影響する。燃焼を遅延させると、燃焼室内の空気の膨張により温度と圧力の両方が下がる。TDC後、すなわちTDC=ゼロ後に少なくとも1回のプリ噴射を実行することで、燃焼室内の温度がより高いレベルに維持され、ディーゼルノック発生のおそれなく、メイン噴射の最大許容遅延をより遅くすることができる。 The pressure and temperature in the combustion chamber affect the occurrence of knocks. When combustion is delayed, the expansion of air in the combustion chamber reduces both temperature and pressure. Performing at least one pre-injection after TDC, i.e. after TDC = zero, keeps the temperature in the combustion chamber at a higher level and slows down the maximum permissible delay of the main injection without the risk of diesel knock. Can be done.
この文脈における遅延燃料噴射はメイン燃料噴射イベントであり、パイロット噴射ではない。メイン燃料噴射イベントとは、実質的な量の燃料噴射であり、所望のエンジン負荷におけるエンジンの運転に必要な動力を提供する。パイロット噴射とは、少量の燃料噴射であり、所望の負荷に対するエンジンの運転を維持することはできない。このメイン燃料噴射イベントは、ねじり震動が生じる特定の回転速度範囲外における燃料噴射よりも遅く行われる。プリ噴射イベントの後にゼロ噴射の期間があり、その後にメイン噴射イベントが行われる。 Delayed fuel injection in this context is the main fuel injection event, not pilot injection. The main fuel injection event is a substantial amount of fuel injection that provides the power required to run the engine at the desired engine load. Pilot injection is a small amount of fuel injection that cannot keep the engine running for the desired load. This main fuel injection event occurs later than the fuel injection outside the specific rotational speed range in which the torsional vibration occurs. There is a period of zero injection after the pre-injection event, followed by the main injection event.
したがって、問題の(特定の)速度範囲(RPM範囲)では、エンジンは特定のモードで運転される。このモードは低ねじり震動(Torsional Vibration:TV)モードと呼ぶことができる。問題の速度範囲より下の速度範囲と、問題の速度範囲より上の速度範囲では、エンジンはいくつかの「通常」運転モードの1つで運転される。通常運転モードは、例えば国際海事機関(International Marine Organization:IMO)の二次規制(tier II)または三次規制(tier III)の排出量に一致する運転モードである。 Therefore, in the (specific) speed range (RPM range) in question, the engine is operated in a specific mode. This mode can be called the low torsional vibration (TV) mode. In the speed range below the speed range in question and above the speed range in question, the engine operates in one of several "normal" mode of operation. The normal operation mode is, for example, an operation mode that matches the emission amount of the secondary regulation (tier II) or the tertiary regulation (tier III) of the International Maritime Organization (IMO).
メイン燃料噴射イベントを大きく遅延させると、ねじり震動の量が大きく低減される。 A large delay in the main fuel injection event will greatly reduce the amount of torsional vibration.
第1の態様の第1の可能な実装によると、電子制御ユニットは、メイン噴射を、好ましくはTDC後の12°より遅く、より好ましくはTDC後の13°より遅く、さらに好ましくはTDC後の14°より遅く、最も好ましくはTDC後の15°よりも遅く実行するように構成される。これは燃料噴射イベントを開始する角度である。 According to the first possible implementation of the first aspect, the electronic control unit makes the main injection preferably slower than 12 ° after TDC, more preferably slower than 13 ° after TDC, and even more preferably after TDC. It is configured to run slower than 14 °, most preferably slower than 15 ° after TDC. This is the angle at which the fuel injection event begins.
一般的に従来技術では、メイン燃料噴射イベントは、TDC前の極めて小さい角度(例えば1〜2度)とTDC後の数度(例えば1〜6度)との間の任意の角度に設定される。これは燃料噴射イベントを開始する角度である。燃料噴射イベントの「通常の」開始角度は、エネルギー効率と(例えばNOxの)排出量の両方について最適な角度である。 Generally, in the prior art, the main fuel injection event is set at any angle between a very small angle before the TDC (eg 1-2 degrees) and a few degrees after the TDC (eg 1-6 degrees). .. This is the angle at which the fuel injection event begins. The "normal" start angle of a fuel injection event is the optimum angle for both energy efficiency and emissions (eg NOx).
第1の態様の第2の可能な実装によると、少なくとも1回のプリ噴射は、エンジン全負荷時のメイン噴射において噴射される燃料の量よりかなり少ない燃料噴射量で行われる。 According to the second possible implementation of the first aspect, at least one pre-injection is performed with a fuel injection amount that is significantly less than the amount of fuel injected in the main injection at full engine load.
第1の態様の第3の可能な実装によると、少なくとも1回のプリ噴射は、すべてのエンジン負荷においてほぼ同じ燃料量で行われる。 According to a third possible implementation of the first aspect, at least one pre-injection is performed with approximately the same amount of fuel at all engine loads.
第1の態様の第4の可能な実装によると、電子制御ユニットは、遅延メイン噴射時のシリンダ内の温度が、TDC時のシリンダ内の温度とほぼ等しくなるようにするために十分な燃料量をプリ噴射するように構成される。 According to the fourth possible implementation of the first aspect, the electronic control unit has a sufficient amount of fuel to ensure that the temperature in the cylinder during delayed main injection is approximately equal to the temperature in the cylinder during TDC. Is configured to pre-inject.
第1の態様の第5の可能な実装によると、メイン噴射用の燃料は気体燃料であり、プリ噴射用の燃料は着火液であり、着火液はメイン噴射と同時にも噴射される。 According to the fifth possible implementation of the first aspect, the fuel for main injection is a gaseous fuel, the fuel for pre-injection is an ignition liquid, and the ignition liquid is injected at the same time as the main injection.
第1の態様の第6の可能な実装によると、電子制御ユニットは、クランクシャフトにおける、および/またはプロペラ軸における、および/またはクランクシャフトを負荷に連結する中間軸におけるねじり震動を低減するように構成される。 According to the sixth possible implementation of the first aspect, the electronic control unit is to reduce torsional vibrations at the crankshaft and / or at the propeller shaft and / or at the intermediate shaft connecting the crankshaft to the load. It is composed.
第1の態様の第7の可能な実装によると、負荷は、船舶を推進するためのプロペラである。 According to a seventh possible implementation of the first aspect, the load is a propeller for propelling a ship.
第1の態様の第8の可能な実装によると、クランクシャフトは、船舶を推進するためのプロペラに主軸によって連結される。 According to the eighth possible implementation of the first aspect, the crankshaft is connected by a spindle to a propeller for propelling the ship.
第1の態様の第9の可能な実装によると、電子制御ユニットは、特定の回転速度範囲中に負荷下でエンジンを運転する間に、シリンダの少なくとも1つに対し、TDC後の少なくとも1回のプリ噴射と、その後のメイン噴射とを電子制御ユニットによって実行することによる遅延燃料噴射により、エンジンを運転するように構成される。 According to a ninth possible implementation of the first aspect, the electronic control unit is at least once after TDC for at least one of the cylinders while running the engine under load during a particular rotational speed range. The engine is operated by delayed fuel injection by executing the pre-injection of the above and the subsequent main injection by the electronic control unit.
第2の態様によると、大型2ストローク圧縮着火型内燃エンジンを運転する方法が提供される。前記大型2ストローク圧縮着火型内燃エンジンは、エンジン運転中に下死点(Bottom Dead Center:BDC)と上死点(Top Dead Center:TDC)との間を往復するピストンをそれぞれ内部に備える複数のシリンダと、燃焼のために前記シリンダに燃料を噴射するために、前記シリンダそれぞれに付随する1つ以上の燃料弁を備える燃料噴射系と、を備え、前記ピストンは、ピストン棒と、クロスヘッドと、連接棒とを介してクランクシャフトに動作可能に連結され、前記クランクシャフトは、前記エンジンの運転中に所定の回転速度で回転する。前記方法は、少なくとも特定の回転速度範囲において、遅延燃料噴射により、TDC後の少なくとも1回のプリ噴射と、その後のゼロ燃料噴射期間と、その後の遅延メイン燃料噴射とを実行することを含む。 According to the second aspect, a method of operating a large two-stroke compression ignition type internal combustion engine is provided. The large 2-stroke compression ignition type internal combustion engine has a plurality of pistons internally provided with pistons reciprocating between the bottom dead center (BDC) and the top dead center (TDC) during engine operation. It comprises a cylinder and a fuel injection system with one or more fuel valves associated with each of the cylinders for injecting fuel into the cylinder for combustion, the piston having a piston rod and a crosshead. The crankshaft is operably connected to the crankshaft via an articulating rod, and the crankshaft rotates at a predetermined rotation speed during operation of the engine. The method comprises performing at least one pre-injection after TDC, a subsequent zero fuel injection period, and a subsequent delayed main fuel injection by delayed fuel injection, at least in a particular rotational speed range.
第2の態様の第1の可能な実装によると、メイン噴射は、好ましくはTDC後の12°より遅く、より好ましくはTDC後の13°より遅く、さらに好ましくはTDC後の14°より遅く、最も好ましくはTDC後の15°よりも遅く実行される。 According to the first possible implementation of the second aspect, the main injection is preferably slower than 12 ° after TDC, more preferably slower than 13 ° after TDC, and even more preferably slower than 14 ° after TDC. Most preferably it is performed later than 15 ° after TDC.
第2の態様の第2の可能な実装によると、少なくとも1回のプリ噴射は、エンジン全負荷時のメイン噴射において噴射される燃料の量よりかなり少ない燃料噴射量で行われる。 According to the second possible implementation of the second aspect, at least one pre-injection is performed with a fuel injection amount that is significantly less than the amount of fuel injected in the main injection at full engine load.
第2の態様の第3の可能な実装によると、方法は、遅延メイン噴射時のシリンダ内の温度が、TDC時のシリンダ内の温度とほぼ等しくなるようにするために十分な燃料量をプリ噴射することを含む。 According to a third possible implementation of the second aspect, the method precharges a sufficient amount of fuel to ensure that the temperature in the cylinder during delayed main injection is approximately equal to the temperature in the cylinder during TDC. Including spraying.
第2の態様の第4の可能な実装によると、方法は、着火液のプリ噴射と、その後のメイン噴射とを実行することをさらに含み、メイン噴射は、気体燃料と少量の着火液とを噴射することを含む。 According to a fourth possible implementation of the second aspect, the method further comprises performing a pre-injection of the ignition liquid followed by a main injection, the main injection containing gaseous fuel and a small amount of ignition liquid. Including spraying.
第2の態様の第5の可能な実装によると、電子制御ユニットは、エンジンが特定の回転速度範囲内で運転されているときに、シリンダの少なくとも1つに対してTDC後にパイロット噴射を行い、エンジンが特定の回転速度範囲外で運転されているときより遅く、当該シリンダにメイン燃料噴射イベントを開始するように構成される。 According to a fifth possible implementation of the second aspect, the electronic control unit pilots after TDC to at least one of the cylinders when the engine is operating within a particular speed range. It is configured to initiate a main fuel injection event in the cylinder later than when the engine is operating outside a certain speed range.
第2の態様の第6の可能な実装によると、メイン燃料噴射イベントの遅い開始は、好ましくはTDC後の12°より遅く、より好ましくはTDC後の13°より遅く、さらに好ましくはTDC後の14°より遅く、最も好ましくはTDC後の15°より遅い。 According to a sixth possible implementation of the second aspect, the late start of the main fuel injection event is preferably later than 12 ° after TDC, more preferably later than 13 ° after TDC, and even more preferably after TDC. It is slower than 14 °, most preferably slower than 15 ° after TDC.
第2の態様の第7の可能な実装によると、エンジンが特定の回転速度範囲外で運転されているとき、燃料噴射すなわちメイン燃料噴射は遅延メイン燃料噴射よりも早く実行される。 According to a seventh possible implementation of the second aspect, the fuel injection, i.e. the main fuel injection, is performed faster than the delayed main fuel injection when the engine is operating outside a particular speed range.
本発明における上記の態様およびその他の態様を、以下に説明する実施形態により明らかにする。 The above aspect and other aspects of the present invention will be clarified by the embodiments described below.
以下に示す本開示の詳細な説明において、図面に示す例示的実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。
以下の詳細な説明において、大型2ストローク圧縮着火型エンジンと、大型2ストローク圧縮着火型エンジンを運転する方法を、例示的実施形態によって説明する。図1から図3は、クランクシャフト22、連接棒、クロスヘッド23、およびピストン棒を備える大型低速ターボ過給式2ストロークディーゼルエンジンを示している。図3は、大型低速ターボ過給式2ストロークディーゼルエンジンをその吸気系および排気系と共に示す模式図である。この例示的実施形態において、エンジンは6個のシリンダ1を一列に備えている。大型ターボ過給式2ストロークディーゼルエンジンは一般に、5本から16本のシリンダを一列に備える。これらのシリンダはエンジンフレーム24によって担持される。ねじり震動の問題は特に5シリンダエンジン、6シリンダエンジン、および7シリンダエンジンに関連する。このエンジンは、例えば、外洋船舶のメインエンジンとして、または発電所において発電機を回すための固定式エンジンとして用いられる。このようなエンジンの全出力は、例えば、5,000kWから110,000kWにまで及ぶ。 In the following detailed description, a method of operating a large two-stroke compression ignition engine and a large two-stroke compression ignition engine will be described by exemplary embodiments. 1 to 3 show a large low speed turbocharged two-stroke diesel engine equipped with a crankshaft 22, a connecting rod, a crosshead 23, and a piston rod. FIG. 3 is a schematic view showing a large low-speed turbocharged 2-stroke diesel engine together with its intake system and exhaust system. In this exemplary embodiment, the engine comprises six cylinders 1 in a row. Large turbocharged two-stroke diesel engines typically have 5 to 16 cylinders in a row. These cylinders are supported by the engine frame 24. The problem of torsional vibration is particularly relevant for 5-cylinder engines, 6-cylinder engines, and 7-cylinder engines. This engine is used, for example, as the main engine of an ocean-going vessel or as a fixed engine for turning a generator in a power plant. The total output of such an engine ranges from, for example, 5,000 kW to 110,000 kW.
このエンジンは、シリンダ1の下部領域に環状に配置された複数のピストン制御ポートとしての掃気ポート19と、シリンダ1の上部の排気弁4とを備える、2ストロークユニフロー型のディーゼル(圧縮着火型)エンジンである。したがって、燃焼室内の流れは常に下から上へであり、このエンジンはいわゆるユニフロー型である。掃気は、掃気受け2から各シリンダ1の掃気ポート19へと送られる。シリンダ1内の往復ピストン21により、燃焼室14内の掃気が圧縮される。燃料が、シリンダカバー26に設けられる2個または3個の燃料弁30を介して燃焼室14に噴射される。燃料噴射のタイミングは、信号線(図3に点線で示す)を介して燃料弁30に接続された電子制御ユニット50によって制御される。続いて燃焼が起こり、排気ガスが生じる。排気弁4が開くと、排気ガスは、当該シリンダ1に付随する排気ダクト20を通って排気受け3へと流れ、第1の排気導管18を通ってターボ過給機5のタービン6に進み、そこから第2の排気導管7を通って流れ出る。タービン6は、吸気口10を介して給気される圧縮機9を軸8によって駆動する。 This engine is a two-stroke uniflow diesel (compression ignition type) including a scavenging port 19 as a plurality of piston control ports arranged in an annular shape in the lower region of the cylinder 1 and an exhaust valve 4 on the upper part of the cylinder 1. It is an engine. Therefore, the flow in the combustion chamber is always from bottom to top, and this engine is of the so-called uniflow type. The scavenging air is sent from the scavenging receiver 2 to the scavenging port 19 of each cylinder 1. The reciprocating piston 21 in the cylinder 1 compresses the scavenging air in the combustion chamber 14. Fuel is injected into the combustion chamber 14 via two or three fuel valves 30 provided on the cylinder cover 26. The timing of fuel injection is controlled by the electronic control unit 50 connected to the fuel valve 30 via a signal line (shown by a dotted line in FIG. 3). Combustion then occurs, producing exhaust gas. When the exhaust valve 4 is opened, the exhaust gas flows to the exhaust receiver 3 through the exhaust duct 20 attached to the cylinder 1, and proceeds to the turbine 6 of the turbocharger 5 through the first exhaust conduit 18. From there, it flows out through the second exhaust conduit 7. The turbine 6 drives the compressor 9 supplied with air through the intake port 10 by the shaft 8.
圧縮機9は、給気を加圧して、給気受け2に至る給気導管11へと送る。導管11内の掃気は、給気を冷却するためのインタークーラー12を通って送られる。冷却された給気は、補助ブロワ16を介して給気受け2へと送られる。補助ブロワ16は電気モータ17によって駆動され、低負荷または部分負荷状態の給気を加圧する。負荷がより高い場合、ターボ過給機圧縮機9は十分な圧縮掃気を送り、補助ブロワ16は逆止弁15を介して迂回される。 The compressor 9 pressurizes the supply air and sends it to the air supply conduit 11 leading to the air supply receiver 2. The scavenging air in the conduit 11 is sent through the intercooler 12 for cooling the supply air. The cooled air supply is sent to the air supply receiver 2 via the auxiliary blower 16. The auxiliary blower 16 is driven by an electric motor 17 to pressurize the supply air in a low load or partial load state. At higher loads, the turbocharger compressor 9 delivers sufficient compression scavenging and the auxiliary blower 16 is bypassed via the check valve 15.
シリンダ1はシリンダライナ13内に形成される。シリンダライナ13はシリンダフレーム25によって担持され、シリンダフレーム25はエンジンフレーム24によって支持される。 The cylinder 1 is formed in the cylinder liner 13. The cylinder liner 13 is supported by the cylinder frame 25, and the cylinder frame 25 is supported by the engine frame 24.
ピストンエンジンにおいて、死点とは、ピストンがクランクシャフトから最も遠いまたは最も近いときのピストンの位置である。前者は上死点(Top Dead Center:TDC)と呼ばれ、後者は下死点(Bottom Dead Center:BDC)と呼ばれる。 In a piston engine, the dead center is the position of the piston when it is farthest or closest to the crankshaft. The former is called the top dead center (TDC), and the latter is called the bottom dead center (BDC).
図4は、大型船舶40に搭載された図1から図3のエンジンを示している。エンジン1は、船舶40の船尾に比較的近いエンジンルームに搭載されている。エンジンは、プロペラ軸42によって、船尾に設置されたプロペラ44に連結される。プロペラ軸42とエンジンの間にトーショナルダンパ(図示せず)を設置することができる。 FIG. 4 shows the engines of FIGS. 1 to 3 mounted on the large vessel 40. The engine 1 is mounted in an engine room relatively close to the stern of the ship 40. The engine is connected to the propeller 44 installed at the stern by the propeller shaft 42. A torsional damper (not shown) can be installed between the propeller shaft 42 and the engine.
図5は、エンジンサイクル中の各シリンダにおけるサイクル工程のためエンジンによって生じるトルク変動を示すグラフである。エンジンサイクルを横軸に角度として示している。このトルクは圧縮時は負であり、膨張時は正である。図5では、1個のシリンダからのシリンダ圧力P(バール、縦軸に示す)およびトルクQを実線で示し、6個のシリンダからの合成トルクを点線で示している。点線から、トルク変動が顕著であり、実際、6シリンダエンジンの1回転ごとに6回、トルクがゼロをわずかに下回ることが明示されている。 FIG. 5 is a graph showing torque fluctuations caused by the engine due to the cycle process in each cylinder during the engine cycle. The engine cycle is shown as an angle on the horizontal axis. This torque is negative during compression and positive during expansion. In FIG. 5, the cylinder pressure P (bar, shown on the vertical axis) and the torque Q from one cylinder are shown by a solid line, and the combined torque from the six cylinders is shown by a dotted line. From the dotted line, it is clearly shown that the torque fluctuation is remarkable, and in fact, the torque is slightly below zero 6 times per rotation of the 6-cylinder engine.
図6は、従来技術のエンジンの回転速度(RPM)に対する、ねじり震動/予測値の影響の大きさを駆動軸への応力(MPa)で示したグラフである。 FIG. 6 is a graph showing the magnitude of the influence of the torsional vibration / predicted value on the rotational speed (RPM) of the engine of the prior art in terms of stress (MPa) on the drive shaft.
グラフは、46RPM周辺にピークがあることを示している。46RPM周辺に大きなピークがあることから、およそ42PRMと49RPMの間、すなわち、2本の縦の破線の間に禁止回転速度範囲が設定される。ねじり震動によって特にピーク周囲で生じる駆動軸への応力の大きさは、メイン燃料噴射を遅延させる(小さいプリ噴射を先に行うことにより可能になる)ことによって低減できる。 The graph shows that there is a peak around 46 RPM. Since there is a large peak around 46 RPM, a prohibited rotational speed range is set between approximately 42 PRM and 49 RPM, that is, between the two vertical dashed lines. The magnitude of stress on the drive shaft caused by torsional vibrations, especially around the peak, can be reduced by delaying the main fuel injection (which can be achieved by performing a small pre-injection first).
このグラフは、RPMに依存する2つの応力限界を2本の一点鎖線で示している。下の鎖線より下の応力レベルでは、連続運転が許容される。上の鎖線より上の応力レベルは許容不可である。下の鎖線と上の鎖線の間の応力レベルは、限定期間内で許容される。 This graph shows two RPM-dependent stress limits with two alternate long and short dash lines. At stress levels below the dashed line below, continuous operation is allowed. Stress levels above the dashed line above are unacceptable. The stress level between the lower and upper chain lines is acceptable within a limited period of time.
図6の例に示す2本の縦の破線間の、およそ42RPMから49RPMの回転速度範囲は、ねじり震動レベルが問題と見なされる特定の回転速度範囲である。この特定の回転速度範囲はエンジンによって異なり、エンジン設計、シリンダ数、主軸42の特性、および主軸42の負荷に依存する。したがって、この問題の回転速度範囲は、エンジンの全体的なエンジン回転速度範囲内で様々な範囲と位置をとる可能性がある。エンジンの電子制御ユニット50は、当該エンジンに関連付けられた特定の(問題の)速度範囲において異なるモードでエンジンを運転するように構成される。この異なるモードは、低ねじり震動モードと呼ぶことができる。この特定の速度範囲外では、エンジンは従来の運転モードで運転される。このモードでは一般に、国際海事機関(International Marine Organization:IMO)の二次規制(tier II)または三次規制(tier III)によって規定されるものなどの特定の排出量を順守しつつ、最適な燃料効率を確実にするように運転される。一方、低ねじり震動モードは、燃料効率はそれほど重視せず、排出量の閾値を順守する。 The rotational speed range of approximately 42 RPM to 49 RPM between the two vertical dashed lines shown in the example of FIG. 6 is a specific rotational speed range in which the torsional vibration level is considered to be a problem. This particular speed range depends on the engine and depends on the engine design, the number of cylinders, the characteristics of the spindle 42, and the load on the spindle 42. Therefore, the speed range of this problem can take various ranges and positions within the overall engine speed range of the engine. The electronic control unit 50 of an engine is configured to operate the engine in different modes in a particular (problematic) speed range associated with the engine. This different mode can be called the low torsional vibration mode. Outside this particular speed range, the engine is operated in conventional mode of operation. This mode generally adheres to specific emissions, such as those specified by the International Maritime Organization (IMO) secondary or tertiary regulations (tier II), while maintaining optimum fuel efficiency. It is driven to ensure. On the other hand, the low torsional vibration mode does not place much emphasis on fuel efficiency and adheres to the emission threshold.
図7および図8は、1個のシリンダの燃料噴射イベントのタイミングを示している。破線は、従来技術のエンジン(および特定の回転速度範囲外での「通常の」エンジン運転)の(燃料噴射)イベントを示し、実線は、本開示によるエンジンおよび方法のイベントを示している。図7において、Pと標示される線は燃焼室14内の圧力を示し、Tと標示される線は燃焼室14内の温度を示している。横軸にはTDCに対するクランク角が角度単位で示され、縦軸には燃焼室内の圧力がバール単位で示される。図8において、実線は、プリ噴射イベントと、その後のゼロ燃料噴射期間と、その後の立ち上がりから開始されるメイン燃料噴射イベントを示している。点線は、従来技術のエンジンのメイン燃料噴射イベントを示している。このイベントも立ち上がりから開始され、本開示によるメイン燃料噴射イベントよりもかなり早く行われる。 7 and 8 show the timing of the fuel injection event for one cylinder. The dashed line indicates the (fuel injection) event of the prior art engine (and "normal" engine operation outside the specific speed range), and the solid line indicates the engine and method event according to the present disclosure. In FIG. 7, the line labeled P indicates the pressure in the combustion chamber 14, and the line labeled T indicates the temperature in the combustion chamber 14. The horizontal axis shows the crank angle with respect to the TDC in angular units, and the vertical axis shows the pressure in the combustion chamber in bar units. In FIG. 8, the solid line shows the pre-injection event, the subsequent zero fuel injection period, and the main fuel injection event starting from the subsequent rise. The dotted line indicates the main fuel injection event of the prior art engine. This event also starts from the start and takes place much earlier than the main fuel injection event according to the present disclosure.
従来技術のエンジンおよび方法の例において、燃料噴射はTDC後の5°まで遅延される。TDC0と、5°での燃料噴射との間に、燃焼室14内の温度と圧力の両方が低下する。TDC後の5°において燃料が噴射され、この時点から、燃焼室の温度はそれぞれの最大値に達するまで上昇する。 In an example of a prior art engine and method, fuel injection is delayed up to 5 ° after TDC. Both the temperature and pressure in the combustion chamber 14 decrease between TDC 0 and fuel injection at 5 °. Fuel is injected at 5 ° after TDC, from which point the temperature of the combustion chamber rises until the respective maximums are reached.
本開示によるエンジンの一例において、電子制御ユニット50が燃料弁30を操作することにより、小さいプリ噴射が実行される。このプリ噴射はTDC0以降に実行される。好ましくは、プリ噴射はTDC後の6°から10°の間、さらに好ましくは約7°から8°、最も好ましくはTDC後の約8°において実行される。プリ噴射は、その後のメイン噴射と比べて少量の燃料による燃料噴射である。このプリ噴射では、燃焼室14内の温度が、TDC後の約10°まで、TDC0における温度を大きく下回らないようにするために十分な量の燃料を噴射する。その後、ゼロ噴射期間後にメイン噴射が実行される。メイン噴射は電子制御ユニット50によって制御される。プリ噴射は、1回の噴射としても、一連の複数回の小さいプリ噴射としてもよく、電子制御ユニット50は一実施形態においてそれに応じて構成される。一実施形態において、メイン噴射(の開始)はTDC後の最大25°まで遅延される。好ましくは、メイン噴射はTDC後の少なくとも12°、より好ましくはTDC後の少なくとも13°、さらに好ましくはTDC後の少なくとも14°、最も好ましくはTDC後の少なくとも15°において実行される。プリ噴射をTDC時点またはTDC直後に行えば、メイン噴射のタイミングを20°から25°まで遅らせても(当該角度において開始しても)ディーゼルノックや他の燃焼の問題が生じないことが、テストやシミュレーションによって示されている。 In an example of an engine according to the present disclosure, a small pre-injection is performed by the electronic control unit 50 operating the fuel valve 30. This pre-injection is executed after TDC0. Preferably, the pre-injection is performed between 6 ° and 10 ° after TDC, more preferably about 7 ° and 8 °, and most preferably about 8 ° after TDC. The pre-injection is a fuel injection with a smaller amount of fuel than the subsequent main injection. In this pre-injection, a sufficient amount of fuel is injected so that the temperature in the combustion chamber 14 does not fall significantly below the temperature at TDC 0 up to about 10 ° after TDC. Then, after the zero injection period, the main injection is executed. The main injection is controlled by the electronic control unit 50. The pre-injection may be a single injection or a series of small pre-injections, and the electronic control unit 50 is configured accordingly in one embodiment. In one embodiment, the main injection (start) is delayed up to 25 ° after TDC. Preferably, the main injection is performed at at least 12 ° after TDC, more preferably at least 13 ° after TDC, even more preferably at least 14 ° after TDC, and most preferably at least 15 ° after TDC. Tested that pre-injection at TDC or immediately after TDC does not cause diesel knock or other combustion problems when the main injection timing is delayed from 20 ° to 25 ° (starting at that angle). And shown by simulation.
噴射の遅延は一般的に燃料効率を損なうため、通常は、ねじり震動や共振の問題のあるエンジン回転速度の範囲にのみ適用される。したがって電子制御ユニット50は、一実施形態において、ねじり振動の問題に関連するエンジンの所定の速度範囲のみにおいて、プリ噴射と遅延されたメイン噴射を適用する。もちろん、二重噴射(プリ噴射とその後の遅いタイミングのメイン噴射)は、NOx排出量の削減などの他の目的に用いることもできる。 Injection delays generally impair fuel efficiency and are usually only applied in the range of engine speeds where there are problems with torsional vibrations and resonances. Thus, in one embodiment, the electronic control unit 50 applies pre-injection and delayed main injection only in a predetermined speed range of the engine associated with the problem of torsional vibration. Of course, double injection (pre-injection followed by late-timing main injection) can also be used for other purposes such as reducing NOx emissions.
本開示に係るエンジンおよび方法によると、メイン噴射イベント(の開始)をTDC後の10°よりもさらに遅延させることができ、これによってねじり予測値を低減し、エンジン−軸−負荷系におけるねじり震動に関連する問題を軽減することができる。重くコストの高い(ねじり)振動ダンパを節約でき、エンジン禁止回転速度範囲を縮小または回避して、すべての回転速度で自由にエンジンを運転することができる。 According to the engine and method according to the present disclosure, the main injection event (start) can be further delayed than 10 ° after TDC, thereby reducing the predicted torsional value and the torsional vibration in the engine-axis-load system. Can alleviate problems related to. It saves heavy and costly (torsional) vibration dampers, reduces or avoids the engine prohibited speed range, and allows the engine to run freely at all speeds.
本開示によるエンジンおよび方法は、船舶用ディーゼルや重油など従来の燃料や、気体燃料などの代替燃料にも用いることができる。 The engines and methods according to the present disclosure can also be used for conventional fuels such as marine diesel and heavy oil, and alternative fuels such as gaseous fuels.
気体燃料の場合、プリ噴射は一般的に船舶用ディーゼルなどの着火液で実行される。メイン噴射は、少量の着火液と主要量の気体燃料による噴射となる。 For gaseous fuels, pre-injection is generally performed with an ignition fluid such as marine diesel. The main injection is an injection with a small amount of ignition liquid and a main amount of gaseous fuel.
一実施形態によると、エンジンの各シリンダは異なるサイクル工程で動作させてもよい。したがって、プリ噴射とその後の遅いタイミングのメイン噴射を1つ以上の選択したシリンダに適用し、他のシリンダはサイクルごとに1回の燃料噴射による従来のサイクルで動作させてもよい。 According to one embodiment, each cylinder of the engine may be operated in a different cycle process. Therefore, pre-injection and subsequent late-timing main injection may be applied to one or more selected cylinders and the other cylinders may be operated in a conventional cycle with one fuel injection per cycle.
一実施形態において、燃料の種類はシリンダごとに異なる。 In one embodiment, the type of fuel is different for each cylinder.
上記の様々な実施形態によって本発明を説明したが、開示した実施形態に対する他の変形は、図面、開示内容、および添付の特許請求の範囲を検討することにより、請求項記載の発明を実施する際に当業者により理解され行われることのできるものである。特許請求の範囲において、「有する、備える」という文言はその他の要素またはステップを排除せず、単数表現は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという事実のみでは、これらの手段の組み合わせが有効に使用されないことにはならない。 Although the present invention has been described by the various embodiments described above, other modifications to the disclosed embodiments implement the claimed invention by examining the drawings, the disclosed content, and the appended claims. It is something that can be understood and done by those skilled in the art. In the claims, the phrase "have, prepare" does not exclude other elements or steps, and the singular representation does not exclude the plural. The fact that certain means are listed in different dependent claims does not mean that the combination of these means is not effectively used.
特許請求の範囲における参照符号は、その範囲を限定するものと解釈してはならない。 Reference codes in the claims should not be construed as limiting the scope.
Claims (17)
燃焼のために前記シリンダ(1)に燃料を噴射するために、前記シリンダ(1)それぞれに付随する1つ以上の燃料弁(30)を備える燃料噴射系と、
前記燃料弁(30)の開閉を制御することによって、前記シリンダ(1)のクランク角に応じて燃料噴射のタイミングを制御するように構成される電子制御ユニット(50)と、
を備え、
前記ピストン(21)は、ピストン棒と、クロスヘッド(23)と、連接棒とを介してクランクシャフト(22)に動作可能に連結され、
前記クランクシャフト(22)は、前記エンジンの運転中に所定の回転速度で回転し、
前記電子制御ユニット(50)は、少なくとも特定の回転速度範囲内の前記エンジンの前記シリンダ(1)の少なくとも1つを、TDC後の6°から10°の間のプリ噴射と、前記プリ噴射の後のゼロ燃料噴射期間と、前記ゼロ燃料噴射期間の後のメイン燃料噴射であってTDC後の12°以降に行われるメイン燃料噴射とを電子制御ユニット(50)によって実行することにより、運転するように構成される、
大型2ストローク圧縮着火型内燃エンジン。 A plurality of cylinders (1) each internally provided with pistons (21) reciprocating between the bottom dead center (BDC) and the top dead center (TDC) during engine operation.
A fuel injection system including one or more fuel valves (30) attached to each of the cylinders (1) in order to inject fuel into the cylinders (1) for combustion.
An electronic control unit (50) configured to control the timing of fuel injection according to the crank angle of the cylinder (1) by controlling the opening and closing of the fuel valve (30).
With
The piston (21) is operably connected to the crankshaft (22) via a piston rod, a crosshead (23), and a connecting rod.
The crankshaft (22) rotates at a predetermined rotational speed during operation of the engine.
The electronic control unit (50) pre-injects at least one of the cylinders (1) of the engine within a specific rotation speed range from 6 ° to 10 ° after TDC, and the pre-injection. The operation is performed by executing the later zero fuel injection period and the main fuel injection after the zero fuel injection period, which is the main fuel injection after 12 ° after the TDC, by the electronic control unit (50). Is configured as
Large 2-stroke compression ignition type internal combustion engine.
前記エンジンは、
・ エンジン運転中に下死点(Bottom Dead Center:BDC)と上死点(Top Dead Center:TDC)との間を往復するピストン(21)をそれぞれ内部に備える複数のシリンダ(1)と、
・ 燃焼のために前記シリンダ(1)に燃料を噴射するために、前記シリンダ(1)それぞれに付随する1つ以上の燃料弁(30)を備える燃料噴射系とを備え、
・ 前記ピストン(21)は、ピストン棒と、クロスヘッド(23)と、連接棒とを介してクランクシャフト(22)に動作可能に連結され、
前記クランクシャフト(22)は、前記エンジンの運転中に所定の回転速度で回転する、
エンジンであり、
前記方法は、前記エンジンの前記シリンダ(1)の少なくとも1つを、少なくとも特定の回転速度範囲において、TDC後の6°から10°の間のプリ噴射と、前記プリ噴射の後のゼロ燃料噴射期間と、前記ゼロ燃料噴射期間の後のメイン燃料噴射であってTDC後の12°以降に行われるメイン燃料噴射とを実行することにより、運転することを含む、方法。 It is a method of operating a large 2-stroke compression ignition type internal combustion engine.
The engine
A plurality of cylinders (1) each having pistons (21) that reciprocate between the bottom dead center (BDC) and the top dead center (TDC) during engine operation.
A fuel injection system including one or more fuel valves (30) attached to each of the cylinders (1) for injecting fuel into the cylinders (1) for combustion.
The piston (21) is operably connected to the crankshaft (22) via a piston rod, a crosshead (23), and a connecting rod.
The crankshaft (22) rotates at a predetermined rotational speed during operation of the engine.
Is an engine
In the method, at least one of the cylinders (1) of the engine is pre-injected between 6 ° and 10 ° after TDC and zero fuel injection after the pre-injection, at least in a specific rotational speed range. A method comprising operating by performing a period and a main fuel injection after the zero fuel injection period, which is a main fuel injection performed after 12 ° after TDC.
前記メイン燃料噴射は、気体燃料と少量の着火液とを噴射することを含む、請求項12から16のいずれかに記載の方法。 Further including performing pre-injection of ignition liquid and subsequent main fuel injection,
The method according to any one of claims 12 to 16, wherein the main fuel injection includes injecting a gaseous fuel and a small amount of ignition liquid.
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