KR100898357B1 - Method of operating reciprocative internal combustion engine for ???-reduction - Google Patents

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Abstract

가능한 한 소량의 물을 소비하면서 NOx 감소를 최대화할 수 있는 동시에, 연료 소비 및 매연에 미치는 악영향을 최소화할 수 있는 작동 방법을 제공하기 위해, 하나 이상의 터보 차저와 과급 공기 냉각기를 구비한 왕복 내연을 작동함에 있어서, 모든 부하 범위에서 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 물 분율이 15 내지 20 질량%인 연료와 물의 에멀젼으로 운전하고; 75 % 이상의 고부하 범위 및 30 % 이하의 저부하 범위에서는 점화 시점을 앞당기고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 점화 시점을 늦추어 각각 운전하며; 75 % 이상의 고부하 범위 및 30 % 이하의 저부하 범위에서는 과급 공기에 소량의 물을 첨가하거나 물을 첨가하지 않고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 소량의 물보다 많은 다량의 물을 첨가하여 각각 운전하도록 조치한다.Reciprocating internal combustion with one or more turbochargers and a charge air cooler to provide a method of operation that maximizes NO x reduction while consuming as little water as possible while minimizing the adverse effects on fuel consumption and soot. In operation, operating in an emulsion of fuel and water having a water fraction of 15 to 20 mass% based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each operation point in all load ranges; Drive the ignition time earlier in the high load range of 75% or more and the low load range of 30% or less, and slow the ignition time in the intermediate load range in between; In the high load range of 75% and above and in the low load range of 30% and below, do not add a small amount of water to the boost air or add water, and in the middle load range in between, add more water than a small amount of water to operate each. Take action.

Description

ＮＯｘ를 감소시키는 왕복 내연 기관 작동 방법{METHOD OF OPERATING RECIPROCATIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR ＮＯｘ-REDUCTION}METHOD OF OPERATING RECIPROCATIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR NOK-REDUCTION}

본 발명은 연료에 물을 혼합시켜 분사 전에 연료와 물의 에멀젼(emulsion)을 생성하는 장치 및/또는 점화 시점을 조정하는 장치 및/또는 과급 공기에 물을 첨가하는 장치가 마련된 하나 이상의 터보 차저(turbo charger) 및 과급 공기 냉각기를 구비하는 왕복 내연 기관을 NOx를 감소시키도록 작동하는 방법에 관한 것이다.The present invention provides at least one turbocharger provided with a device for mixing water with fuel to create an emulsion of fuel and water prior to injection and / or for adjusting the ignition timing and / or for adding water to the charge air. a reciprocating internal combustion engine with a charger and a charge air cooler is operated to reduce NO x .

본 발명의 목적은 가능한 한 소량의 물을 소비하면서 NOx 감소를 최대화할 수 있는 동시에, 연료 소비 및 매연에 미치는 악영향을 최소화할 수 있는 작동 방법을 그러한 유형의 왕복 내연 기관에 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide such a type of reciprocating internal combustion engine with an operating method which can maximize NO x reduction while consuming as little water as possible, while minimizing the adverse effects on fuel consumption and soot.

그러한 목적은 본 발명에 따른 다음과 같은 단계, 즉 모든 부하 범위에서 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 물 분율이 10 내지 20 질량%인 연료와 물의 에멀젼으로 운전하는 단계와; 75 % 이상의 고부하 범위 및 30 % 이하의 저부하 범위에서는 점화 시점을 앞당기고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 점화 시점을 늦추어 각각 운전하는 단계 및 75 % 이상의 고부하 범위 및 30 % 이하의 저부하 범위에서는 과급 공기에 소량의 물을 첨가하거나 물을 첨가하지 않고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 소량의 물보다 많은 다량의 물을 첨가하여 각각 운전하는 단계 중 하나 이상의 단계를 조합시켜 적용함으로써 달성된다.Such an object is to operate with an emulsion of fuel and water with the following steps according to the invention, i.e. with a water fraction of 10 to 20 mass%, based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each time of operation in all load ranges. Steps; In the high load range of 75% or more and the low load range of 30% or less, the ignition timing is advanced, and in the intermediate load range in between, the ignition time is delayed and operated respectively, and in the high load range of 75% or more and the low load range of 30% or less, respectively. This is achieved by the application of a combination of one or more of the steps of each operation, with the addition of a small amount of water to the charge air, with or without the addition of water, and in the intermediate load range in between.

본 발명에 따르면, 연료와 물의 에멀젼에서 물 분율이 상대적으로 낮기 때문에, 수량(water quantity)이 분사 시스템을 크게 개조함이 없이 동반 이송될 수 있다는 장점이 주어진다. 고부하 범위에서 점화 시점을 앞당김으로써, 온도 및 연료 소비의 상승이 감소된다. 그에 따라, 저부하 범위에서 매연 방출이 낮게 유지된다. 고부하 범위에서 과급 공기에 소량의 물을 첨가함으로써, 연료 소비 및 과급 압력의 상승이 감소된다. 저부하 범위에서는 수량이 많을 경우에 예상되는 백연(white fume) 방출이 방지되고 매연 방출이 감소된다.According to the present invention, since the water fraction in the emulsion of fuel and water is relatively low, the water quantity is given the advantage that it can be carried together without major modifications to the injection system. By advancing the ignition timing in the high load range, the rise in temperature and fuel consumption is reduced. Thus, soot emission is kept low in the low load range. By adding a small amount of water to the charge air in the high load range, the increase in fuel consumption and charge pressure is reduced. In the low load range, the expected white fume emissions at high yields are avoided and soot emissions are reduced.

고부하 및 저부하 범위에서의 점화 시점은 연료 소비가 최적화되도록 앞당겨져 세팅되는 것이 바람직하고, 그러한 경우에 중간 부하 범위에서의 점화를 5 내지 10°의 크랭크 각만큼 늦춘다. 이로써, 고부하 및 저부하 범위에서 연료 소비가 낮아지고, 중간 부하 범위에서 NOx 방출이 현격하게 감소된다.The ignition timing in the high load and low load ranges is preferably set ahead of time to optimize fuel consumption, in which case the ignition in the medium load range is delayed by a crank angle of 5 to 10 degrees. This results in lower fuel consumption in the high and low load ranges and significantly reduces NO x emissions in the medium load range.

본 발명의 구성에 따르면, 81 % 이상의 고부하 범위 및 24 % 이하의 저부하 범위에서는 과급 공기에 소량의 물을 첨가하여 운전한다.According to the configuration of the present invention, in a high load range of 81% or more and a low load range of 24% or less, a small amount of water is added and operated to the charge air.

고부하 및 저부하 범위에서 과급 공기에 물을 첨가하는 것은, 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 물 분율을 15 질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 경우, 고부하 범위에서 과급 공기에 대한 물의 첨가는, 각 왕복 내연 기관의 과급 압력 및 피스톤 실린더 압력의 최대 허용치에 의해 제한된다.The addition of water to the charge air in the high load and low load ranges preferably makes the water fraction 15 mass% or less based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each operation point. In that case, the addition of water to the charge air in the high load range is limited by the maximum allowable values of the boost pressure and the piston cylinder pressure of each reciprocating internal combustion engine.

중간 부하 범위에서 과급 공기에 물을 첨가하는 것은, 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 물 분율을 약 50 질량%로 한다. 그러한 물의 첨가는, 과급 공기가 포화 한계에 도달되는 것에 의해 제한되도록 한다.Adding water to the charge air in the intermediate load range makes the water fraction about 50 mass% based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each operation point. The addition of such water allows the charge air to be limited by reaching the saturation limit.

후술하는 실시예에서 물의 질량%는 항상 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 한 것이다.In the embodiments described below, the mass% of water is always based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each operation point.

제1 실시예에 따르면, 디젤 엔진의 경우에 연료는 물론 과급 공기에도 물을 첨가하여 작동시킨다. 이와 같은 작동을 위해, 물 분율이 모든 부하 범위에서 각 운전 시점의 부하에 해당하는 연료의 100 질량%를 기준으로 물 분율이 15 질량%로 일정한 연료와 물의 에멀젼을 사용한다. 이는 연료와 물의 에멀젼 중의 수량이 단지 일정한 시간상의 지연에 의해서만 변할 수 있다는 측면에서도 유리하다. 반면에, 과급 공기에 첨가하는 수량(水量)을 25 % 이하의 저부하에서는 15 질량%로, 80 % 이상의 고부하에서는 10 질량%로 한다. 기본적으로, 고부하 범위에서의 물의 첨가는, 해당 왕복 내연 기관의 과급 압력 및 피스톤 실린더 압력에 대한 최대 허용치가 초과되지 않게 함으로써 제한된다. 반면에, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 보다 많은 수량, 즉 50 질량%의 수량으로 작동한다. 이러한 물의 첨가는, 과급 공기가 포화 한계에 도달되는 것에 의해 제한된다.According to the first embodiment, the diesel engine is operated by adding water to fuel as well as to boost air. For this operation, an emulsion of fuel and water is used in which the water fraction is 15 mass% based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each operating point in all load ranges. This is also advantageous in that the amount of fuel and water in the emulsion can only be changed by a constant time delay. On the other hand, the amount of water added to the charge air is set to 15% by mass at low loads of 25% or less, and 10% by mass at high loads of 80% or more. Basically, the addition of water in the high load range is limited by not exceeding the maximum allowable for the boost pressure and piston cylinder pressure of the reciprocating internal combustion engine. On the other hand, in the intermediate load range in the meantime, they operate in higher quantities, ie 50 mass%. This addition of water is limited by the charge air reaching the saturation limit.

제2 실시예에서는 연료에 물을 첨가하지 않고서 작동시킨다. 그 경우, 24 % 이하의 저부하 범위 및 81 % 이상의 고부하 범위에서 점화 시점을 앞당겨 세팅하는 반면에, 그 사이의 부하 범위에서는 점화를 늦춘다. 이와 같이 앞당겨지는 점화 시점은, 가능한 한 연료 소비가 낮아지도록 선택한다. 중간 범위에서는 점화 시점을 약 7°의 크랭크 각만큼 늦춘다. 24 % 이하의 부하점에서는 15 질량%의 물 분율로, 81 % 이상의 부하점에서는 10 질량%의 물 분율로 각각 운전하는 형식으로, 과급 공기에 물을 첨가한다. 그 사이의 중간 부하 범위에서는 약 50 질량%의 과급 공기에 대한 물 분율로 운전한다.In the second embodiment, the fuel is operated without adding water. In that case, the ignition timing is set ahead of the low load range of 24% or less and the high load range of 81% or more, while the ignition is delayed in the load range in between. This earlier ignition timing is chosen so that fuel consumption is as low as possible. In the mid range, the ignition time is delayed by a crank angle of about 7 °. Water is added to the charge air in such a way that it is operated at a water fraction of 15 mass% at a load point of 24% or less and at a water fraction of 10 mass% at a load point of 81% or more. In the middle load range in the meantime, it operates with a water fraction with about 50 mass% of charging air.

제3 실시예에서는 디젤 엔진에 3가지 개재 방안을 모두 적용한다. 연료의 분사 시점에 의해 결정되는 점화 시점을 24 % 이하의 부하점 및 81 % 이상의 부하점에서 각각 앞당겨 세팅하고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 늦추어 세팅한다. 모든 부하 범위에서 각 운전 시점의 부하에 해당하는 연료의 100 징량%를 기준으로 연료와 물의 에멀젼을 15 질량%의 물 분율로로 일정하게 하여 운전한다. 반면에, 24 % 이하의 부하점에서는 15 질량%로, 81 % 이상의 부하점에서는 10 질량%로 각각 세팅한다. 그 사이의 중간 부하 범위에서는 50 %의 물 분율로 운전한다.In the third embodiment, all three intervening methods are applied to a diesel engine. The ignition timing determined by the injection timing of the fuel is set ahead of each other at a load point of 24% or less and a load point of 81% or more, and set later in the intermediate load range therebetween. In all load ranges, the emulsion of fuel and water is operated at a constant water fraction of 15 mass%, based on 100% by weight of fuel corresponding to the load at each operating point. On the other hand, it is set to 15% by mass at load points of 24% or less and 10% by mass at load points of 81% or more, respectively. In the middle load range in the meantime, it operates at a water fraction of 50%.

저부하 범위와 중간 부하 범위 사이 그리고 중간 부하 범위와 고부하 범위 사이에서 한계를 초과하는 경우에, 작동 중에 수량을 간단히 신속하게 절환시킬 수 있다.If the limit is exceeded between the low load range and the medium load range and between the medium load range and the high load range, the quantity can be switched quickly and simply during operation.

전술된 방법에서는 NOx 한계치가 통상의 사이클 값에 있는 것을 고려하였다. 즉, 여러 부하점의 가중 평균치를 감안하였다. 따라서, 특정 부하점에서의 가중치가 상이하기 때문에, 개개의 부하점에서 한계치를 다소 상회하는 배출이 있을 수 있고 다른 부하점에서 한계치를 다소 하회하는 배출이 있을 수 있음이 전적으로 허용된다.The method described above considered that the NO x limit was at a normal cycle value. That is, the weighted average of the various load points was considered. Thus, because the weights at certain load points are different, it is entirely permissible that there may be emissions slightly above the limit at individual load points and there may be emissions slightly below the limit at other load points.

본 발명에 따른 왕복 내연 기관 작동 방법에서는, 모든 부하 범위에서 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 물 분율이 10 내지 20 질량%인 연료와 물의 에멀젼으로 운전하는 단계; 75 % 이상의 고부하 범위 및 30 % 이하의 저부하 범위에서는 점화 시점을 앞당기고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 점화 시점을 늦추어 각각 운전하는 단계; 75 % 이상의 고부하 범위 및 30 % 이하의 저부하 범위에서는 과급 공기에 소량의 물을 첨가하거나 물을 첨가하지 않고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 소량의 물보다 많은 다량의 물을 첨가하여 각각 운전하는 단계를 조합시킴으로써, 가능한 한 소량의 물을 소비하면서 NOx 감소를 최대화할 수 있는 동시에, 연료 소비 및 매연에 미치는 악영향을 최소화할 수 있다.In the method for operating a reciprocating internal combustion engine according to the present invention, operating in an emulsion of fuel and water having a water fraction of 10 to 20 mass% based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each operation point in all load ranges; Driving the ignition time earlier in the high load range of 75% or more and the low load range of 30% or less, and slowing the ignition time in the intermediate load range in between; In the high load range of 75% or more and in the low load range of 30% or less, a small amount of water is added or not added to the supercharged air, and in the middle load range in between, a large amount of water is added to operate the small amount of water. By combining the steps, it is possible to maximize NO x reduction while consuming as little water as possible, while minimizing the adverse effects on fuel consumption and soot.

Claims (8)

터보 차저(turbo charger) 및 과급 공기 냉각기를 구비하고, 연료에 물을 혼합시켜 분사 전에 연료와 물의 에멀젼을 생성하는 장치가 마련되며, 점화 시점을 조정하는 장치 또는 과급 공기에 물을 첨가하는 장치 중 하나 이상이 마련되는 왕복 내연기관을 NOx 를 감소시키도록 작동하는 방법에 있어서, A turbocharger and a charge air cooler are provided, and a device is provided for mixing water with fuel to produce an emulsion of fuel and water before injection, and for adjusting the ignition timing or adding water to the charge air. In a method for operating a reciprocating internal combustion engine provided with at least one to reduce NO x , 모든 부하 범위에서 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 물 분율이 15 내지 20 질량%인 연료와 물의 에멀젼으로 운전하는 단계를 포함하고,Operating in an emulsion of fuel and water having a water fraction of 15 to 20 mass% based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each time of operation in all load ranges, 75% 이상의 고부하 범위 및 30% 이하의 저부하 범위에서는 점화 시점을 앞당기고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 점화 시점을 늦추어 각각 운전하는 단계와,Operating at a high load range of 75% or more and a low load range of 30% or less before the ignition time, and in the middle load range in the meantime, by operating the ignition time later, 75% 이상의 고부하 범위 및 30% 이하의 저부하 범위에서는 과급 공기에 소량의 물을 첨가하거나 물을 첨가하지 않고, 그 사이의 중간 부하 범위에서는 상기 소량의 물보다 많은 다량의 물을 첨가하여 각각 운전하는 단계 중 하나 이상의 단계In the high load range of 75% or more and in the low load range of 30% or less, a small amount of water is added or not added to the supercharged air, and in the middle load range in between, the operation is performed by adding a larger amount of water than the small amount of water. One or more of the steps 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 NOx 를 감소시키는 왕복 내연기관 작동 방법.Reciprocating internal combustion engine operating method for reducing NO x further comprising. 제1항에 있어서, 고부하 및 저부하 범위에서의 점화 시점은 연료 소비가 최적화되도록 앞당겨 세팅되고, 중간 부하 범위에서의 점화는 5 내지 10°의 크랭크 각만큼 늦추는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 기관 작동 방법.The method of operating a reciprocating internal combustion engine according to claim 1, wherein the ignition timing in the high load and the low load range is set to advance the fuel consumption to be optimized, and the ignition in the medium load range is delayed by a crank angle of 5 to 10 degrees. . 제1항에 있어서, 81 % 이상의 고부하 범위 및 24 % 이하의 저부하 범위에서는 과급 공기에 소량의 물을 첨가하여 운전하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 기관 작동 방법.The method of operating a reciprocating internal combustion engine according to claim 1, wherein a small amount of water is added to the charge air to operate the high load range of 81% or more and the low load range of 24% or less. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고부하 범위 및 저부하 범위에서 과급 공기에 물을 첨가하는 것은, 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 물 분율을 15 질량% 이하로 하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 기관 작동 방법.The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the addition of water to the charge air in the high load range and the low load range is based on 100% by mass of the fuel corresponding to the load at each operation time. A reciprocating internal combustion engine operating method, characterized in that it is 15% by mass or less. 삭제delete 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 부하 범위에서 과급 공기에 물을 첨가하는 것은, 각 운전 시점의 부하에 해당되는 연료의 100 질량%를 기준으로 하여 50 질량%로 하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 기관 작동 방법.The method according to any one of claims 1 to 3, wherein adding water to the charge air in the intermediate load range is set to 50 mass% based on 100 mass% of the fuel corresponding to the load at each operation time. A method of operating a reciprocating internal combustion engine. 제6항에 있어서, 중간 부하 범위에서의 과급 공기에 대한 물의 첨가는, 과급 공기를 물로 포화시키는 한계에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 기관 작동 방법.7. A method according to claim 6 wherein the addition of water to the charge air in the intermediate load range is limited by the limit of saturating the charge air with water. 제1항 또는 제2항에 있어서, 81 % 이상의 고부하 범위 및 24 % 이하의 저부하 범위에서는 점화 시점을 앞당기고, 중간 부하 범위에서는 점화 시점을 늦추어 운전하는 것을 특징으로 하는 왕복 내연 기관 작동 방법.The method of operating a reciprocating internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the ignition timing is advanced in the high load range of 81% or more and the low load range of 24% or less, and the ignition timing is delayed in the medium load range.
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