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JP5681742B2 - Large low-speed turbocharged two-cycle internal combustion engine having a crosshead and an exhaust gas (combustion gas) recirculation system - Google Patents

Large low-speed turbocharged two-cycle internal combustion engine having a crosshead and an exhaust gas (combustion gas) recirculation system Download PDF

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JP5681742B2
JP5681742B2 JP2013056024A JP2013056024A JP5681742B2 JP 5681742 B2 JP5681742 B2 JP 5681742B2 JP 2013056024 A JP2013056024 A JP 2013056024A JP 2013056024 A JP2013056024 A JP 2013056024A JP 5681742 B2 JP5681742 B2 JP 5681742B2
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イェンス ヴィルヘルム ガアツ
イェンス ヴィルヘルム ガアツ
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Description

本発明は、クロスヘッド及び排気ガス(燃焼ガス)再循環系を有する大型低速ターボ過給式2サイクル内燃機関に関連する。さらに、本発明は、クロスヘッド及び排気ガス(燃焼ガス)再循環系を有する大型低速ターボ過給式内燃機関を動作させる方法に関連する。   The present invention relates to a large low-speed turbocharged two-cycle internal combustion engine having a crosshead and an exhaust gas (combustion gas) recirculation system. The present invention further relates to a method of operating a large low speed turbocharged internal combustion engine having a crosshead and an exhaust gas (combustion gas) recirculation system.

発明の背景Background of the Invention

クロスヘッドを有する大型低速ターボ過給式2サイクル内燃機関は、少なくとも1つのシリンダと、その中で受容される往復運動ピストンとを有する機関(エンジン)である。これらの機関は、ピストンとクランク軸との間に配されるクロスヘッドを有する。燃焼室は、ピストンとシリンダ内壁と、シリンダの一端のシリンダカバーとの間によって画定される。シリンダカバーは排気弁を備える。排気弁は、燃焼室から排気ダクトシステムへ燃焼かすを排出するために、制御可能かつ断続的に開口することができる。これらの機関はまた、内部における燃焼前にシリンダの第2の端部の近くで間欠的に開口部を確立する手段を有する。そして、その開口部を通して、酸素を含む加圧された掃気ガスを導入することによって第1の端部に向かって掃気を行う。これらの機関はまた、燃焼室の中で燃焼を発生させるために、加圧された掃気ガスの中に燃料を噴射する手段も備える。   A large low-speed turbocharged two-cycle internal combustion engine having a crosshead is an engine (engine) having at least one cylinder and a reciprocating piston received therein. These engines have a crosshead disposed between the piston and the crankshaft. The combustion chamber is defined by a piston, a cylinder inner wall, and a cylinder cover at one end of the cylinder. The cylinder cover includes an exhaust valve. The exhaust valve can be controllably and intermittently opened to discharge combustion debris from the combustion chamber to the exhaust duct system. These engines also have means for intermittently establishing an opening near the second end of the cylinder prior to combustion therein. Then, scavenging is performed toward the first end by introducing a pressurized scavenging gas containing oxygen through the opening. These engines also include means for injecting fuel into the pressurized scavenging gas to generate combustion in the combustion chamber.

上記の定義による機関は、しばしば、クロスヘッド式ユニフロー大型ターボ過給式2サイクルディーゼル機関」または単に「大型2サイクル機関」と称される。ただしこれらの語句は完全に正しいとは限らない。またこれらの機関は、しばしば、直列に配される複数の直立したシリンダを有するように実装され、これらのピストンは単一のクランク軸で作動する。これらの機関は、純粋な2サイクルの作動順序を有することができる。またこれらの機関は、通常、シリンダの直径やピストンストロークの物理的なサイズが大きいものであり、しばしば住宅ほどの高さになる。これらの機関は、発電所の発電機を駆動するための、海洋船舶の推進力のための、またはMWを超える範囲の出力要件等を満たすための、数メガワットの出力を比較的低い回転速度で発生する。   Engines according to the above definition are often referred to as “crosshead uniflow large turbocharged two-cycle diesel engines” or simply “large two-cycle engines”. However, these terms are not completely correct. Also, these engines are often implemented with a plurality of upright cylinders arranged in series, with these pistons operating on a single crankshaft. These engines can have a pure two-cycle operating sequence. Also, these engines are usually large in cylinder diameter and physical size of piston stroke and are often as high as a house. These engines are capable of producing several megawatts of power at relatively low rotational speeds to drive generators in power plants, for marine vessel propulsion, or to meet power requirements in the range of more than MW. Occur.

現在、大型低速ターボ過給式内燃機関において、NOx発生を減少させるための多くのオプションが存在する。これらのオプションは、エンジンプロセスに適用されるべきものであり、具体的には次のようなものが存在する。
・ 排気ガスまたは燃焼ガス再循環(EGR)
・ 水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 NOx generation in large, low speed turbocharged internal combustion engines. These options should be applied to the engine process. Specifically, there are the following.
Exhaust gas or combustion gas recirculation (EGR)
・ Use of water emulsion fuel ・ Humidification of fresh air, that is, Scavenge Air Moisterization (SAM)

本明細書において、「排気ガス再循環または燃焼ガス再循環」という用語は、EGRという用語で称される。   In this specification, the term “exhaust gas recirculation or combustion gas recirculation” is referred to as EGR.

これまでのところ、NOxの発生を最も効果的に減少させる方法はEGRである。DE19809618は、排気ガス再循環システムを備える大型2サイクルターボ過給式ディーゼル機関を開示する。この文献の機関では、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)。この文献において「排気ガス再循環」との用語が用いられる場合、それは、排気ガスから取り出されるガスの再循環と各燃焼シリンダから直接取り出されるガスの再循環との両方を対象としている。   So far, the most effective way to reduce NOx generation is EGR. DE19809618 discloses a large two-cycle turbocharged diesel engine with an exhaust gas recirculation system. This type of EGR is also referred to as Combustion Gas Recirculation (CGR) because in the engine of this document the gas is taken directly from the cylinder. Where the term “exhaust gas recirculation” is used in this document, it covers both the recirculation of gas taken from exhaust gas and the recirculation of gas taken directly from each combustion cylinder.

排気ガス再循環では、排気ガスは汚れていない掃気と混合され、その結果、燃焼開始時のガス混合気の酸素含有量は少なくなっている。これによって、燃焼過程中にNOxが発生する可能性の低下が達成される。 In exhaust gas recirculation, the exhaust gas is mixed with uncleaned scavenging, so that the oxygen content of the gas mixture at the start of combustion is reduced. This achieves a reduction in the possibility of NO x generation during the combustion process.

2011年から、新しい船舶に設置される船舶用ディーゼル機関は、IMO Tier II NOx排出要件を満たさなければならない。大型低速ターボ過給式内燃機関の場合、制限は、14.4g/kWhとなる。これは、従来の機関の改良によって達成されることができるが、これらは、燃料消費の増加をもたらす。   Beginning in 2011, marine diesel engines installed on new vessels must meet the IMO Tier II NOx emission requirements. In the case of a large low-speed turbocharged internal combustion engine, the limit is 14.4 g / kWh. This can be achieved by improvements of conventional engines, but these lead to increased fuel consumption.

特定の排出規制海域(Emission Control Area; ECA)の中へ航海する時に、2016年1月1日以後に建造される船舶に設置される機関は、はるかに低い制限であるTier IIIを満たさなければならず、低速機関の場合、3.4g/kWhである。この制限は、従来の機関の改良によっては達成することができず、EGR等の、排出量を少なくするための別の方法を使用しなければならない。   When sailing into a specific Emission Control Area (ECA), institutions installed on ships constructed after 1 January 2016 must meet the much lower limit Tier III In the case of a low speed engine, it is 3.4 g / kWh. This limitation cannot be achieved by improvements to conventional engines, and other methods for reducing emissions, such as EGR, must be used.

排気ガスシステムには、機関の1つ又は複数のターボ過給機のタービンの低圧側に、SOxスクラバまたは他の装置を設けることができる。SOxスクラバは、機関が最大連続定格(MCR)で出力を届ける場合に生成される大量の排気ガスの質量流を処理することが可能でなければならないので、かさばる装置である。   The exhaust gas system may be provided with a SOx scrubber or other device on the low pressure side of the turbine of one or more turbochargers of the engine. The SOx scrubber is a bulky device because it must be able to handle the mass flow of exhaust gases that are produced when the engine delivers power at maximum continuous rating (MCR).

DE19809618DE19809618

このような背景から、本出願の目的は、種々の排出規制を満たすとともに、それを満たすことが、製造コストおよび運転コストの双方の観点から経済的に行うことを可能にしうる、機関を提供することである。   In view of this background, the object of the present application is to provide an engine that meets various emission regulations and that can make it economically possible from the perspective of both manufacturing and operating costs. That is.

この目的は、クロスヘッドを有し、かつ定められた最大連続定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関を提供することによって達成される。この機関は、排気ガスシステムと、掃気システムと、掃気システムの中にコンプレッサを有するターボ過給機と、排気ガスシステムの中のタービンと、排気システムおよび掃気システムに接続されるEGRシステムと、コントローラとを備える。このコントローラは、シリンダから来る排気ガスの全質量流量率を、EGRシステムに進入するEGR質量流量率と、タービンに向かって排気ガスシステムの中を流れる排気ガス質量流量率との間で、分配するように構成される。また前記コントローラは、排気ガスの全質量流量率に対するEGR質量流量率の比である、選択されたEGR率であって、ゼロから所定の最大率までの範囲で選択可能であるEGR率を有する。前記排気ガスシステムは、排気ガス質量流量率を処理する規定の最大連続能力であって、最大連続定格でシリンダから来る全排気ガス質量流量率よりも少ない、規定の最大連続能力を有する。前記コントローラは、選択されたEGR率に関わらず、シリンダから来る実際の全排気ガス質量流量率が排気ガスシステムの規定の最大能力を超える時に、超過質量流量率をEGRシステムの中へ送給するように構成される。   This object is achieved by providing a large low speed multi-cylinder turbocharged internal combustion engine having a crosshead and having a defined maximum continuous rating. The engine includes an exhaust gas system, a scavenging system, a turbocharger having a compressor in the scavenging system, a turbine in the exhaust gas system, an EGR system connected to the exhaust system and the scavenging system, and a controller With. This controller distributes the total mass flow rate of exhaust gas coming from the cylinder between the EGR mass flow rate entering the EGR system and the exhaust gas mass flow rate flowing through the exhaust gas system towards the turbine Configured as follows. The controller has a selected EGR rate that is a ratio of the EGR mass flow rate to the total mass flow rate of the exhaust gas, and an EGR rate that can be selected in a range from zero to a predetermined maximum rate. The exhaust gas system has a specified maximum continuous capacity to handle the exhaust gas mass flow rate, which is less than the total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder at the maximum continuous rating. The controller delivers excess mass flow rate into the EGR system when the actual total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder exceeds the specified maximum capacity of the exhaust gas system, regardless of the selected EGR rate. Configured as follows.

したがって、ターボ過給機のタービンに向かって排気ガスシステムを通って流れる排気ガスの最大質量流を大幅に低減することができ、機関の運転および構成の双方に関して相当のコスト節減を提供する。   Thus, the maximum mass flow of exhaust gas flowing through the exhaust gas system towards the turbocharger turbine can be significantly reduced, providing considerable cost savings both in terms of engine operation and configuration.

したがって、コントローラは、EGRシステムに進入するEGR質量流量率と、タービンに向かって排気ガスシステムの中を流れる排気ガス流量率との間で、シリンダから来る排気ガスの全質量流量率を分配するように構成される。ただし、前記全質量流量率に対するEGR質量流量率の選択されたEGR率に基づいて前記分配を行うように構成される。   Therefore, the controller will distribute the total mass flow rate of exhaust gas coming from the cylinder between the EGR mass flow rate entering the EGR system and the exhaust gas flow rate flowing through the exhaust gas system towards the turbine. Configured. However, the distribution is configured based on a selected EGR rate of the EGR mass flow rate relative to the total mass flow rate.

一実施形態において、前記規定の最大能力は、最大連続定格でシリンダから来る総排気ガス質量流量率の50%〜90%の範囲内である。   In one embodiment, the specified maximum capacity is in the range of 50% to 90% of the total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder with maximum continuous rating.

一実施形態において、前記排気ガスシステムは、少なくとも排気ガス処理要素を備える。   In one embodiment, the exhaust gas system comprises at least an exhaust gas treatment element.

一実施形態において、前記掃気システムは、掃気質量流量率を扱う規定の最大能力であって、最大連続定格で掃気ガス受けへ流れる全掃気ガスの給気ガス質量流量率よりも少ない、規定の最大能力を有する。したがって、掃気システムの構成要素は、大きさを小さくすることができ、それによって、製造および運転のコストを節約する。   In one embodiment, the scavenging system has a specified maximum capability for handling a scavenging mass flow rate, and a specified maximum that is less than the charge gas mass flow rate of the total scavenging gas flowing to the scavenging gas receiver at the maximum continuous rating. Have the ability. Accordingly, the components of the scavenging system can be reduced in size, thereby saving manufacturing and operating costs.

一実施形態において、前記掃気システムは少なくとも掃気冷却機を備える。   In one embodiment, the scavenging system comprises at least a scavenging cooler.

一実施形態において、前記コントローラは次の少なくとも2つのモードで動作しうるように構成される。   In one embodiment, the controller is configured to operate in at least two modes:

1つは、前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記選択されたEGR率は、超過質量流量率がない場合に排気要件をちょうど満たすように選択される、低排出モードである。   One is a low emission mode in which the engine depends on the load of the engine and the selected EGR rate is selected to just meet the exhaust requirements in the absence of excess mass flow rate.

もう1つは、前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記排気ガスシステムを通って前記ターボ過給機の前記タービンへ流れる質量流量率が前記規定の最大連続能力を超えることを避けるためにゼロよりも高いEGR率が必要とされる時を除いて、前記選択されたEGR率はゼロになるように選択される、排気低減モードである。   The other is to avoid that the mass flow rate of the engine depending on the load of the engine and flowing through the exhaust gas system to the turbine of the turbocharger exceeds the specified maximum continuous capacity. Except when an EGR rate higher than zero is required, the selected EGR rate is an emission reduction mode that is selected to be zero.

上記の目的はまた、クロスヘッドを有し、かつ定められた最大連続定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関を動作させる方法を提供することによっても達成される。前記機関は、排気ガスシステムと、掃気システムと、掃気システムの中にコンプレッサを有するターボ過給機と、排気ガスシステムの中のタービンと、排気システムおよび掃気システムに接続されるEGRシステムと、コントローラとを備える。前記方法は、シリンダから来る排気ガスの全質量流量率を、EGRシステムに進入するEGR質量流量率と、タービンに向かって排気ガスシステムの中を流れる排気ガス質量流量率との間で分配することと、排気ガスの全質量流量率に対するEGR質量流量率の比である、選択されたEGR率に従って、ゼロから所定の最大率までの範囲でEGR率を選択することとを含む。前記排気ガスシステムは、排気ガス質量流量率を扱うことに関する規定の最大連続能力であって、最大連続定格でシリンダから来る全排気ガス質量流量率よりも少ない、規定の最大連続能力を有し、また、選択されたEGR率に関わらず、シリンダから来る実際の全排気ガス質量流量率が排気ガスシステムの規定の最大能力を超える時には、超過質量流量率をEGRシステムへと送給する。   The above object is also achieved by providing a method for operating a large, low speed, multi-cylinder turbocharged internal combustion engine having a crosshead and having a defined maximum continuous rating. The engine includes an exhaust gas system, a scavenging system, a turbocharger having a compressor in the scavenging system, a turbine in the exhaust gas system, an EGR system connected to the exhaust system and the scavenging system, and a controller With. The method distributes the total mass flow rate of exhaust gas coming from the cylinder between the EGR mass flow rate entering the EGR system and the exhaust gas mass flow rate flowing through the exhaust gas system towards the turbine. And selecting an EGR rate in the range from zero to a predetermined maximum rate according to the selected EGR rate, which is the ratio of the EGR mass flow rate to the total mass flow rate of the exhaust gas. The exhaust gas system has a specified maximum continuous capacity with respect to handling exhaust gas mass flow rate, which is less than the total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder with a maximum continuous rating, Regardless of the selected EGR rate, when the actual total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder exceeds the specified maximum capacity of the exhaust gas system, the excess mass flow rate is sent to the EGR system.

したがって、ターボ過給機のタービンに向かって排気ガスシステムを通って流れる排気ガスの最大質量流を大幅に低減することができ、機関の製造および構成の双方において相当のコスト節減を提供する。   Thus, the maximum mass flow of exhaust gas flowing through the exhaust gas system toward the turbocharger turbine can be significantly reduced, providing considerable cost savings in both engine manufacture and configuration.

ある実施形態において、本方法は、シリンダから来る実際の全質量流量率を決定することと;実際の質量流量率と規定の能力との間の差を決定することと;実際の質量流量率が規定の能力以下である時に、ゼロから所定の最大率の範囲で選択される所望のEGR率を適用することと;実際の質量流量率が規定の能力よりも大きい時に、排気ガスシステムを通ってターボ過給機のタービンへ流れる質量流が、規定の能力を超えないことを確実にするために十分な大きさのEGR率を適用することとをさらに含む。   In certain embodiments, the method includes determining an actual total mass flow rate coming from a cylinder; determining a difference between the actual mass flow rate and a specified capability; Applying a desired EGR rate selected from zero to a predetermined maximum rate when less than the specified capacity; and through the exhaust gas system when the actual mass flow rate is greater than the specified capacity Applying an EGR rate that is large enough to ensure that the mass flow flowing to the turbocharger turbine does not exceed a specified capacity.

一実施形態において、本方法は、前記機関が前記機関の負荷に依存し、超過質量流量率がない時に低排出要件を満たすために必要とされるEGR率で動作する、低排出モードと;前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記排気ガスシステムを通って前記ターボ過給機の前記タービンへ流れる質量流量率が前記規定の最大連続能力を超えることを避けるために必要とされる最低限のEGR率で動作する、排気低減モードと;の少なくとも2つのモードのうちの1つで、前記機関を動作させることをさらに含む。   In one embodiment, the method comprises a low emission mode, wherein the engine is dependent on the load of the engine and operates at an EGR rate required to meet a low emission requirement when there is no excess mass flow rate; The minimum required to avoid that the engine depends on the load of the engine and the mass flow rate flowing through the exhaust gas system to the turbine of the turbocharger exceeds the specified maximum continuous capacity And further operating the engine in one of at least two modes: an exhaust reduction mode that operates at an EGR rate of:

本方法の一実施形態において、前記動作モードは、オペレータによって手動で選択されるか、または電子コントローラユニットによって自動で選択される。   In one embodiment of the method, the operating mode is selected manually by an operator or automatically by an electronic controller unit.

本方法の一実施形態において、前記コントローラは、機関の地理的位置に関する情報に基づいて、動作モードを決定する。   In one embodiment of the method, the controller determines an operating mode based on information regarding the geographic location of the institution.

本願の開示に従う機関および機関を動作させるための方法のさらなる目的、特徴、利点、および特性は、以下の詳細説明より明らかになる。   Further objects, features, advantages and characteristics of the engine and the method for operating the engine according to the present disclosure will become apparent from the following detailed description.

本明細書の以下の詳細説明部分では、図面に示される例示的実施形態を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。
例示的な実施形態に従う機関の概略図である。 別の例示的な実施形態に従う機関の概略図である。 機関を動作させる方法の例示的な実施形態を示す、フローチャートである。
The following detailed description portion of the specification describes the invention in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawings.
FIG. 2 is a schematic diagram of an engine according to an exemplary embodiment. 2 is a schematic diagram of an engine according to another exemplary embodiment. FIG. 2 is a flowchart illustrating an exemplary embodiment of a method for operating an engine.

好適な実施形態の詳細な説明Detailed Description of the Preferred Embodiment

図1は、クロスヘッド式大型低速ターボ過給式2サイクル内燃機関1の形式を有する機関の概略図を示す。例示的な実施形態において、機関1は、直列に並んだ6本のシリンダ4(破線の円で示される)を有する。大型ターボ過給式2サイクルディーゼル機関は、典型的に、5〜16本のシリンダを直列に有し、これらは機関フレーム2によって支持される。   FIG. 1 shows a schematic view of an engine having the form of a crosshead type large-scale low-speed turbocharged two-cycle internal combustion engine 1. In the exemplary embodiment, the engine 1 has six cylinders 4 (indicated by dashed circles) arranged in series. Large turbocharged two-stroke diesel engines typically have 5 to 16 cylinders in series, which are supported by the engine frame 2.

機関1は、シリンダ4の下部領域に掃気ポートを有し、シリンダ4の頂部に排気弁を有する2サイクルユニフロー型である。そのような機関の一般的な動作原理はよく知られており、ここでは詳細に説明されない。   The engine 1 is a two-cycle uniflow type having a scavenging port in the lower region of the cylinder 4 and an exhaust valve at the top of the cylinder 4. The general operating principle of such engines is well known and will not be described in detail here.

機関1は給気システムを有する。給気システムは入口5を有し、この入口にはサイレンサまたはフィルタユニットが備えられることがあり、これらはターボ過給機6のコンプレッサ7の上流に設けられる。ターボ過給機6には、後に詳細に説明される排気ガスシステムの一部であるタービン8も設けられる。図にはターボ過給機6が1つしか示されていないが、複数のターボ過給機を機関に備え付けて動作させることも可能である。圧縮された高温の掃気は、掃気ガス受け16へと通じるパイプ9を通ってコンプレッサ7から退出する。掃気ガス受け16に到着する前に、掃気ガスは、最初に第1の冷却機11を通過し、その後第2の空気冷却機12を通過し、次いで、反転室/水ミスト捕集器14を通過する。   The engine 1 has an air supply system. The air supply system has an inlet 5, which may be equipped with a silencer or a filter unit, which are provided upstream of the compressor 7 of the turbocharger 6. The turbocharger 6 is also provided with a turbine 8 that is part of an exhaust gas system that will be described in detail later. Although only one turbocharger 6 is shown in the figure, a plurality of turbochargers can be installed in the engine and operated. The compressed hot scavenging gas leaves the compressor 7 through a pipe 9 leading to a scavenging gas receiver 16. Before arriving at the scavenging gas receiver 16, the scavenging gas first passes through the first cooler 11, then passes through the second air cooler 12, and then passes through the inversion chamber / water mist collector 14. pass.

第1の冷却機11において、掃気は加湿され、若干冷却される。空気冷却機12において、掃気は、典型的に、摂氏190度程度の範囲から摂氏約40度まで冷却される。   In the first cooler 11, the scavenging air is humidified and slightly cooled. In the air cooler 12, the scavenging air is typically cooled from a range of about 190 degrees Celsius to about 40 degrees Celsius.

混合点10で、再循環排気ガスの流れが掃気流に加えられる。掃気流に加えられる再循環排気ガスの量は、動作モードおよび機関負荷/動作条件に応じて、ゼロから所定の最大質量流量比との間で可変的である。   At the mixing point 10, the recirculated exhaust gas flow is added to the scavenging airflow. The amount of recirculated exhaust gas added to the scavenging air varies between zero and a predetermined maximum mass flow ratio, depending on the operating mode and engine load / operating conditions.

図1において、混合点10の上流にある給気システムの構成要素は、破線42の中に含められて示されている。   In FIG. 1, the components of the air supply system that are upstream of the mixing point 10 are shown included within a dashed line 42.

反転室/水ミスト捕集器14は、ガス状の掃気媒体の中のあらゆる水滴が、最終的に燃焼室に進むことを回避するために捕集され、除去されることを確実にする。   The inversion chamber / water mist collector 14 ensures that any water droplets in the gaseous scavenging medium are collected and removed to avoid eventually going to the combustion chamber.

低機関負荷(典型的には、MCRの約40%未満)時を除いて、掃気ガスは、反転室/水ミスト捕集器14から直接に掃気ガス受け16へ進む。機関負荷が低い時においては、タービン7によって生成される掃気圧は通常不十分であるため、低機関負荷条件で機能するように切り替えられた場合は補助ブロワ15によって掃気圧を増加させてもよい。   Except at low engine loads (typically less than about 40% of the MCR), the scavenging gas proceeds directly from the reversing chamber / water mist collector 14 to the scavenging gas receiver 16. When the engine load is low, the scavenging pressure generated by the turbine 7 is usually insufficient, so the scavenging pressure may be increased by the auxiliary blower 15 when switched to function at low engine load conditions. .

掃気ガスは、シリンダ4の定められた動作順序に従って、上述の掃気ポートを通って掃気ガス受け16からシリンダ4内の燃焼室に進入する。   The scavenging gas enters the combustion chamber in the cylinder 4 from the scavenging gas receiver 16 through the above-described scavenging port according to a predetermined operation sequence of the cylinder 4.

燃焼後、排気ガスは、排気弁を通ってシリンダ4内の燃焼室から退出し、排気ガス受け17に到達する。排気ガス受け17は、しばしば、機関1の長手方向に沿って延在する大型円筒容器である。排気ガス受け17は、各シリンダ4から来る排気ガスの圧力変動を十分に弱めるために、大きな容積を有する。排気ガス受け17は、別々の部分に区切られてもよく、それぞれの部分には機関の総合的な機能を補助するための様々な要素が含まれてもよい。それらは例えば、排気ガスから有用な熱を集めるためのものであったり、機関の総合的な機能を改善するための様々な物質を加えるためのものであったりしてもよい。   After combustion, the exhaust gas leaves the combustion chamber in the cylinder 4 through the exhaust valve and reaches the exhaust gas receiver 17. The exhaust gas receiver 17 is often a large cylindrical container extending along the longitudinal direction of the engine 1. The exhaust gas receiver 17 has a large volume in order to sufficiently weaken the pressure fluctuation of the exhaust gas coming from each cylinder 4. The exhaust gas receiver 17 may be divided into separate parts, and each part may contain various elements to assist the overall function of the engine. They may be, for example, for collecting useful heat from exhaust gases or for adding various substances to improve the overall function of the engine.

機関1には、その最大連続定格においてシリンダ4から退出して排気ガス受け17に進入する排気ガスの質量流量率が存在する。   The engine 1 has a mass flow rate of exhaust gas that leaves the cylinder 4 and enters the exhaust gas receiver 17 at the maximum continuous rating.

排気ガスは、パイプ18を通って排気ガス受け17から退出する。分割点20では、シリンダ4から来る排気ガスの全質量流の一部(割合)がEGRシステムに導かれる一方で、シリンダから来る排気ガスの全質量流の残りの部分は、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分へと導かれる。   The exhaust gas exits the exhaust gas receiver 17 through the pipe 18. At split point 20, a portion (percentage) of the total exhaust gas mass flow coming from cylinder 4 is directed to the EGR system, while the remaining exhaust gas total mass flow coming from the cylinder is split in the exhaust gas system. Directed downstream of point 20.

分割点20の下流で、排気ガスは、パイプ31の中をターボ過給機6のタービン8へ進む。この実施例において、排気ガスは、タービン8の下流で、排熱回収ユニット33を介してパイプ32を通り、次いで、SOxスクラバ34を通って進む。その後に、排気ガスは、環境、すなわち周囲の空気に導かれる。排熱回収ユニット33や特にSOxスクラバ34は、体積が非常に大きな装置であり、例えば機関が推進ユニットとして使用される船舶においては、搭載するための空間を見つけることが困難である。分割点20の下流にある排気ダクト31および32の途中に、追加的または代替的な種々の回収または処理装置が設けられてもよい。排気ガスの質量流量が大きくなるにつれて、関連する装置の物理的体積も大きくなるという傾向は共通であり、上記回収・処理装置の全てについても一般的に当てはまる。   Downstream of the dividing point 20, the exhaust gas travels through the pipe 31 to the turbine 8 of the turbocharger 6. In this embodiment, the exhaust gas travels downstream of turbine 8 through pipe 32 via exhaust heat recovery unit 33 and then through SOx scrubber 34. Thereafter, the exhaust gas is directed to the environment, ie the ambient air. The exhaust heat recovery unit 33 and particularly the SOx scrubber 34 are devices having a very large volume. For example, in a ship where an engine is used as a propulsion unit, it is difficult to find a space for mounting. Various additional or alternative recovery or processing devices may be provided in the middle of the exhaust ducts 31 and 32 downstream of the dividing point 20. As the mass flow rate of exhaust gas increases, the trend of increasing the physical volume of the associated equipment is common, and is generally true for all of the above recovery and treatment equipment.

理解を容易にするために、分割点20の下流にある排気ガスシステムの構成要素は、図1において、破線44で囲まれて示されている。   For ease of understanding, the components of the exhaust gas system downstream of the dividing point 20 are shown in FIG.

分割点20から、再循環排気ガスは、電子制御弁21、プレスクラバ22、混合気冷却機23、湿式スクラバ24、水ミスト捕集器25、およびEGRブロワ26を介して、パイプ28を通過して混合点10へ進み、再循環排気ガスはそこで掃気流に加えられる。   From the dividing point 20, the recirculated exhaust gas passes through the pipe 28 via the electronic control valve 21, the press scrubber 22, the mixture cooler 23, the wet scrubber 24, the water mist collector 25, and the EGR blower 26. Proceed to mixing point 10 where the recirculated exhaust gas is added to the scavenging air.

電子制御ユニット50の形態を有するコントローラは、電子制御弁21やEGRブロワ26、補助ブロワ15に制御信号を送信し、また、冷却ユニット11、12、23に関連する水ポンプ(符号なし)にも制御信号を送信する。この電子制御ユニットはまた、例えば燃料噴射システムや機関冷却システム、機関潤滑システム、排気弁作動システム等の、機関の他の機能を制御するためにも使用され得る。   A controller in the form of an electronic control unit 50 sends control signals to the electronic control valve 21, EGR blower 26, auxiliary blower 15 and also to water pumps (not numbered) associated with the cooling units 11, 12, 23. Send a control signal. This electronic control unit can also be used to control other functions of the engine, such as, for example, fuel injection systems, engine cooling systems, engine lubrication systems, exhaust valve actuation systems, and the like.

電子制御ユニット50は、電子弁21およびEGRブロワ26に対する信号を通して、再循環排気ガスの比率を決定する。   The electronic control unit 50 determines the recirculated exhaust gas ratio through signals to the electronic valve 21 and the EGR blower 26.

電子制御ユニット50は、選択された動作モードや機関負荷等の機関運転条件に基づいて、必要とされるEGR率を判断する。機関1および電子制御ユニット50は、少なくとも2つの異なるモードで動作することが可能であるように構成されている。1つのモードは、低NOx排出値を提供する低排出モード(Low Emission Mode; LEM)である。もう1つのモードは排気低減モード(Reduced Exhaust Mode; REM)である。このモードは、最大連続定格未満の機関負荷でより良好な燃料効率を提供するが、最大連続定格未満の機関負荷においてNOx排出レベルが高くなるというトレードオフを有する。   The electronic control unit 50 determines the required EGR rate based on the engine operating conditions such as the selected operation mode and engine load. The engine 1 and the electronic control unit 50 are configured to be able to operate in at least two different modes. One mode is Low Emission Mode (LEM) that provides low NOx emission values. Another mode is a reduced exhaust mode (REM). This mode provides better fuel efficiency at engine loads below the maximum continuous rating, but has the tradeoff of higher NOx emission levels at engine loads below the maximum continuous rating.

これらの動作モードは、機関1の地理的位置に基づいて自動的に選択されることができ、または機関1のオペレータによる入力を通して選択されることができる。あるいは、制御にGPSユニットを組み合わせることによって自動的に選択されることができる。   These modes of operation can be selected automatically based on the geographic location of the engine 1 or can be selected through input by an operator of the engine 1. Alternatively, it can be selected automatically by combining a GPS unit with the control.

本例示的実施形態に従う機関1によれば、LEMにおいて、特に支障なくNOx排出値をECA Tier IIIの厳しい上限値未満に抑えることができる。また、REMでは燃料効率が良好であり、かつNOx排出レベルも非ECA海域における要請よりも大幅に低い。   According to the engine 1 according to the present exemplary embodiment, in the LEM, the NOx emission value can be suppressed to less than the strict upper limit value of ECA Tier III without any problem. REM also has good fuel efficiency and NOx emission levels are much lower than required in non-ECA waters.

Tier IIIの下でECAに適用される最も厳しい排出規制を満たすためには、機関を、低排出モード(LEM)で、比較的高いEGR率で動作させる。この比較的高いEGR率は、しばしば、機関負荷に関わらず一定に保たれる。典型的に、低排出モードにおけるEGR率は、約32%〜約44%の間である。下の表1で与えられる例において、低排出モード(LEM)のEGR率は38%である。また、排出低減モード(REM)において、EGR率は、特定の部分負荷状態における機関の特定の振る舞いの効果を補償するために、機関負荷と関連して変動してもよい。   In order to meet the most stringent emission regulations applicable to ECA under Tier III, the engine is operated at a relatively high EGR rate in low emission mode (LEM). This relatively high EGR rate is often kept constant regardless of engine load. Typically, the EGR rate in the low emission mode is between about 32% and about 44%. In the example given in Table 1 below, the low emission mode (LEM) EGR rate is 38%. Also, in emission reduction mode (REM), the EGR rate may vary in relation to the engine load to compensate for the effects of the specific behavior of the engine in specific partial load conditions.

下の表1は、最大連続定格の割合としての機関負荷と、異なる機関負荷での、すなわち、25%MCR、50%MCR、75%MCR、および100%MCRでの、EGR率と、NOx排出レベル(g/kWh)とを列記している。IMO NOxサイクルで使用するためのNOx値、ならびにIMOサイクルに従って組み合わせるNOx値も示されている。表1はまた、機関が100%の最大連続定格で運転している時の、機関の全シリンダから来る排気ガスの質量流量の割合として、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分を通る排気ガスの質量流量を列記している。 Table 1 below shows engine load as a percentage of maximum continuous rating and EGR rate at different engine loads, ie, 25% MCR, 50% MCR, 75% MCR, and 100% MCR, and NO x The emission level (g / kWh) is listed. NO x value for use in IMO NO x cycles, and NO x values are also shown combined in accordance with IMO cycle. Table 1 also shows the exhaust gas passing through the downstream portion of the split point 20 in the exhaust gas system as a percentage of the mass flow rate of exhaust gas coming from all cylinders of the engine when the engine is operating at a maximum continuous rating of 100%. The mass flow rate is listed.

排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分(破線44によって囲まれている)の大きさは排気ガスの処理量によって定められるが、その処理量は、最大で、機関1を最大連続定格で動作している時にシリンダ4から来る排気ガスの全質量流量に対応する質量流量から、(問題となる機関に対するIMO Tier III ECAの制限を守るために)最大連続定格においてEGRシステムを通過しなければならない排気ガスの質量流量率の値を引いた量としてよい。   The size of the part downstream of the dividing point 20 in the exhaust gas system (enclosed by the broken line 44) is determined by the exhaust gas throughput, which is the maximum and the engine 1 operates at the maximum continuous rating. Exhaust that must pass through the EGR system at maximum continuous rating (to comply with IMO Tier III ECA limits for the engine in question) from the mass flow rate corresponding to the total mass flow rate of exhaust gas coming from cylinder 4 when It is good also as the quantity which subtracted the value of the mass flow rate of gas.

分割点20の下流の排気ガスシステムの質量流量率のためのこの規定の能力Cは、排気ガスシステムにおいて破線44によって囲まれる領域内の部分の構成要素の「大きさ」又は能力によって決定(すなわち制限)される。   This prescribed capacity C for the mass flow rate of the exhaust gas system downstream of the split point 20 is determined by the “size” or capacity of the component in the region enclosed by the dashed line 44 in the exhaust gas system (ie, Restricted).

本明細書において、「大きさが定められる」との語句は、分割点20の下流にある排気ガスシステムおよびその構成要素が、実質的に能力過剰にならずに求められる能力(質量流量率)に対処できるように、すなわち必要以上に大きくならずに設計および構成されることを意味する。   As used herein, the phrase “sized” refers to the capability (mass flow rate) of the exhaust gas system and its components downstream of the dividing point 20 that are required without substantially being overcapacity. It means that it is designed and constructed so that it can cope with, i.e., not larger than necessary.

シリンダ4からの排気ガス流量率のうち、この規定の能力Cを超える分であって、EGRシステムへ通されることが必要な分は、本明細書において、"超過質量流量率(Excess Mass Flow Rate)"と称される場合がある。   The amount of exhaust gas flow rate from cylinder 4 that exceeds this specified capacity C and that needs to be passed to the EGR system is referred to in this specification as “Excess Mass Flow Rate”. Rate) ".

一例ではあるが、約100回転で約36MWのトルクを提供するMAN B&W 6K98ME-C7のような、ボア98cmおよびストローク約2.4mの6気筒機関において、最大連続定格でシリンダ4から来る排気ガスの全質量流量率は、約300,000kg/hとなる。この機関の場合、下の表1にあるEGR率を採用すると、排気ガスシステムにおいて分割点20の下流部分の大きさは、その62%、すなわち、186,000kg/hだけを処理しうるように定められる。従って、EGRシステムに通される、最大連続定格時の超過質量流量率は、114メートルトン/hとなる。   For example, in a 6-cylinder engine with a bore of 98 cm and a stroke of about 2.4 m, such as MAN B & W 6K98ME-C7, which provides about 36 MW of torque at about 100 revolutions, all exhaust gases coming from cylinder 4 with maximum continuous rating The mass flow rate is about 300,000 kg / h. In the case of this engine, if the EGR rate shown in Table 1 below is adopted, the size of the downstream part of the dividing point 20 in the exhaust gas system is determined so that only 62%, that is, 186,000 kg / h can be processed. It is done. Therefore, the excess mass flow rate at the maximum continuous rating passed through the EGR system is 114 metric tons / h.

機関1を排気低減モード(REM)で動作させる場合、EGR率は、機関負荷の変動に対して一定に保たれない。代わりにEGR率は、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分の規定能力は超えないようにしながら、できるだけ低く抑えられる。表1で示されるように、電子制御ユニット50は、機関負荷が最大連続定格の62%以下である全ての領域において、EGR率をゼロに保つ。機関負荷が最大連続定格の62%を超える場合、電子制御ユニット50は、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分を通る質量流量率が、規定の能力に対応する率となるようなEGR率を適用する。すなわち、当該質量流量率が、最大連続定格の100%時にシリンダから送られる排気ガスの質量流量率の62%となるようなEGR率を適用する。従って、排出低減モードにおいては、機関1は、EGRシステムを通して一部の排気ガスをさらに再循環させることが望ましい別の理由がある場合を除いて、機関負荷が62%〜100%である場合はゼロ〜38%の間で変動するEGR率で運転され、62%未満の機関負荷においてはEGR率ゼロで運転される。

Figure 0005681742
100%の最大連続定格時にシリンダ4からやってくる排気ガスの全質量流量率より低い質量流量率の排気ガスに対応できるように大きさが決定された(すなわちそのような処理能力を有する)、排気システムにおける分割点20の下流部分と、機関負荷に応じて最低限のEGR率を適用するREM運転モードとの組み合わせは、製造および運転の両方の観点において、総合的に経済的な機関のコンセプトを提供する。 When the engine 1 is operated in the emission reduction mode (REM), the EGR rate is not kept constant with respect to fluctuations in engine load. Instead, the EGR rate is kept as low as possible while not exceeding the specified capacity of the downstream part of the split point 20 in the exhaust gas system. As shown in Table 1, the electronic control unit 50 maintains the EGR rate at zero in all regions where the engine load is 62% or less of the maximum continuous rating. When the engine load exceeds 62% of the maximum continuous rating, the electronic control unit 50 adjusts the EGR rate so that the mass flow rate through the downstream part of the dividing point 20 in the exhaust gas system is a rate corresponding to the specified capacity. Apply. That is, an EGR rate is applied such that the mass flow rate is 62% of the mass flow rate of exhaust gas sent from the cylinder when the maximum continuous rating is 100%. Therefore, in emission reduction mode, engine 1 will be used when the engine load is between 62% and 100% unless there is another reason that it is desirable to further recirculate some exhaust gas through the EGR system. It operates at an EGR rate that varies between zero and 38%, and at an engine load of less than 62%, it operates at an EGR rate of zero.
Figure 0005681742
An exhaust system that is sized (ie, has such processing capability) to accommodate exhaust gas with a mass flow rate lower than the total mass flow rate of exhaust gas coming from cylinder 4 at 100% maximum continuous rating The combination of the downstream part of the divide point 20 and the REM operating mode that applies the minimum EGR rate according to engine load provides a comprehensive economic engine concept from both a manufacturing and operating point of view. To do.

上記の表1の中の数字は、例示的なものである。TIRE IIIモードで適用されうる、EGR率の他の値も可能である。シリンダから来る排気ガスの全質量流量率のうち、EGR流に使用される質量流量率の割合は、10%〜50%の範囲内、好ましくは20%〜45%の範囲内、さらに好ましくは36%〜40%の間であり得る。   The numbers in Table 1 above are exemplary. Other values of EGR rate that can be applied in TIRE III mode are also possible. Of the total mass flow rate of the exhaust gas coming from the cylinder, the proportion of the mass flow rate used for the EGR flow is in the range of 10% to 50%, preferably in the range of 20% to 45%, more preferably 36. % To 40%.

故に、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分が処理することが可能なように決定される、排気ガスの質量流量率の大きさは、最大連続定格時にシリンダから来る全排気ガス流の質量流量率の50%〜90%の範囲内、好ましくは55%〜80%の範囲内、さらに好ましくは60%〜64%の間とすることができる。   Therefore, the magnitude of the exhaust gas mass flow rate, determined so that the downstream part of the split point 20 in the exhaust gas system can be processed, is the mass flow rate of the total exhaust gas flow coming from the cylinder at the maximum continuous rating It can be in the range of 50% to 90% of the rate, preferably in the range of 55% to 80%, more preferably between 60% and 64%.

図2は、機関1の別の例示的な実施形態を示している。この実施形態は、図1で示される実施形態と基本的に同じであるが、EGRシステムが排気ガス受け17で排気システムに接続され、このため排気ガス受け17が明確な分割点または分割位置を有する点と、EGRシステムが掃気ガス受け16で掃気システムに接続され、このため混合点が形成されることが異なっている。また、この実施形態では、水ミスト捕集器14および補助ブロワ15が、掃気システムの中で当該混合点の上流に設けられる。従って、これらの構成要素はサイズが小さく設計されることが可能となる。そのほか、図2に従う機関の動作および制御は、図1に従う機関のものと同じである。   FIG. 2 shows another exemplary embodiment of the engine 1. This embodiment is basically the same as the embodiment shown in FIG. 1, except that the EGR system is connected to the exhaust system at the exhaust gas receiver 17 so that the exhaust gas receiver 17 has a clear dividing point or position. The difference is that the EGR system is connected to the scavenging system at the scavenging gas receiver 16 and thus a mixing point is formed. In this embodiment, the water mist collector 14 and the auxiliary blower 15 are provided upstream of the mixing point in the scavenging system. Therefore, these components can be designed to be small in size. Otherwise, the operation and control of the engine according to FIG. 2 is the same as that of the engine according to FIG.

混合「点」の別の位置、すなわち、10のような場所も可能である。請求項で定義される一群の実施形態は、コンプレッサ7の上流の位置で再循環排気ガスを加えることを含む。これによって、例えばEGR系からの出力が加圧されていることという要請は、実質的に低減される。しかし、最大連続定格時に供給ガスの全質量流量を処理するために、掃気ガス吸入システム42の中の構成要素のいくつかについて、能力を増強しなければならない。さらに、掃気のためのシリンダ開口部を閉鎖する前または閉鎖した後に、再循環のために排気ガスをそれぞれのシリンダの中に直接的に導入する実施形態も、請求項の範囲に含まれる。そのような実施形態の場合、EGR系は、特にシリンダへの分配のための弁や、所要の圧力レベルに関して、適合されなければならない。   Other locations of the mixing “point” are possible, ie 10 locations. A group of embodiments as defined in the claims includes adding recirculated exhaust gas at a location upstream of the compressor 7. Thereby, for example, the requirement that the output from the EGR system is pressurized is substantially reduced. However, capacity must be increased for some of the components in the scavenging gas inlet system 42 to handle the total mass flow rate of the feed gas at maximum continuous rating. Furthermore, embodiments in which the exhaust gas is introduced directly into the respective cylinders for recirculation before or after closing the cylinder openings for scavenging are also included in the scope of the claims. For such embodiments, the EGR system must be adapted, especially with respect to valves for distribution to the cylinder and the required pressure level.

図3は、簡単なフローチャートで、機関の動作方法の一例を示したものである。この方法は、電子制御ユニット50へのGPS等のナビゲーション信号を通じて、船舶/機関1の地理的位置を判断することを含む。電子制御ユニット50は、判断された地理的位置がECA領域の中にあるかどうかを、その中に記憶される情報に基づいて判断する。判断された地理的位置がECA内であった場合、電子制御ユニット50は、固定された所定のEGR率を有する、低排出モード(LEM)による運転方法を選択する。判断された地理的位置がECAの外側にあった場合、電子制御ユニット50は、排気低減モード(REM)を選択し、最低限のEGR率で運転する。電子制御ユニット50は、特定の間隔で地理的位置を確認し、ECAの内側または外側に位置しているという結論に依存して、運転モードを自動的に選択する。基本的に、例えば緊急事態がそうすべきであることを必要とする場合、機関のオペレータは、常に、手動で動作モードの選択を破棄することが可能である。   FIG. 3 is a simple flowchart showing an example of an operation method of the engine. The method includes determining the geographical location of the vessel / engine 1 through navigation signals such as GPS to the electronic control unit 50. The electronic control unit 50 determines whether the determined geographical location is within the ECA area based on the information stored therein. If the determined geographical location is within the ECA, the electronic control unit 50 selects a low emission mode (LEM) operating method with a fixed predetermined EGR rate. If the determined geographical location is outside the ECA, the electronic control unit 50 selects the emission reduction mode (REM) and operates with a minimum EGR rate. The electronic control unit 50 confirms the geographical location at specific intervals and automatically selects the operating mode depending on the conclusion that it is located inside or outside the ECA. Basically, the engine operator can always manually discard the mode of operation selection, for example when an emergency needs to do so.

排出低減モード(REM)で動作する時の最低限のEGR率を判断するために、電子制御ユニット50は、シリンダから流れてきている実際の質量流量率を判断する。ある実施形態において、これは、電子制御ユニット50に記憶されるルックアップテーブルを使用することによって可能にされる。このテーブルは、最大連続定格の割合として、機関負荷に関してシリンダから来る質量流量率を含んでいる。次に電子制御ユニット50は、判断した実際の質量流量率と、排気ガスシステムにおける分割「点」20の下流部分の規定能力との間の差を決定する。判断した実際の質量流量率が規定能力以下である時に、電子制御ユニット50は、EGR率としてゼロを適用する。判断した実際の質量流量率が、分割点から下流側にある排気システム経路31、32の規定能力よりも大きい場合、電子制御ユニット50は、EGR弁21を開き、判断された差の分の質量流量率を分離してEGR弁21の下流に導く。それによって、分離された上記差の分の質量流量率をシリンダからの実際の質量流量率によって除算した値に等しいEGR率を確立する。一例として、シリンダから来る質量流量率が100 kg/sであり、規定の能力が80 kg/sである時、EGR弁21を通して20 kg/sが導かれるので、確立されたEGR率は、(100-80)/100=0.2、すなわち、20%である。   In order to determine the minimum EGR rate when operating in the emission reduction mode (REM), the electronic control unit 50 determines the actual mass flow rate flowing from the cylinder. In certain embodiments, this is enabled by using a look-up table stored in the electronic control unit 50. This table contains the mass flow rate coming from the cylinder with respect to the engine load as a percentage of the maximum continuous rating. The electronic control unit 50 then determines the difference between the determined actual mass flow rate and the defined capacity of the downstream portion of the split “point” 20 in the exhaust gas system. When the determined actual mass flow rate is equal to or less than the specified capacity, the electronic control unit 50 applies zero as the EGR rate. When the determined actual mass flow rate is larger than the specified capacity of the exhaust system paths 31 and 32 downstream from the dividing point, the electronic control unit 50 opens the EGR valve 21 and determines the mass of the determined difference. The flow rate is separated and guided downstream of the EGR valve 21. This establishes an EGR rate equal to the separated mass flow rate divided by the actual mass flow rate from the cylinder. As an example, when the mass flow rate coming from the cylinder is 100 kg / s and the specified capacity is 80 kg / s, 20 kg / s is led through the EGR valve 21, so the established EGR rate is ( 100-80) /100=0.2, that is, 20%.

また、排気システムを通る最大質量流量率の限度を低く抑えたことは、本発明に従って排気系の許容限度より多くの燃焼ガスを生成するように機関が運転されるとき、必然的に、EGR系へ導かれる分離ガスが、シリンダに供給する掃気ガスの全質量流量率に対して正の貢献をもたらすことに注意されたい。また、掃気システムの入口/上流(5-7-9-11-14)において要求される、質量流量率の容量も小さくなる。   Also, keeping the limit on the maximum mass flow rate through the exhaust system low is inevitably necessary when the engine is operated to produce more combustion gases than the allowable limit of the exhaust system according to the present invention. Note that the separation gas that is led to the positive contribution to the total mass flow rate of the scavenging gas supplied to the cylinder. Also, the mass flow rate capacity required at the inlet / upstream (5-7-9-11-14) of the scavenging system is reduced.

したがって、本発明はまた、EGR率によって許容される範囲まで、吸気系要素と排気系要素の両方の大きさを小さくするという、有用な組み合わせの可能性も提供する。ここで上記の要素には、例えばターボ過給機、掃気「処理装置」、機関室の通気、SOxスクラバシステム、廃熱回収(Waste Heat Recovery; WHR)システム、および他のアプリケーションのようなものが含まれる。サイズの低減は、これらの要素のハードウェアコストおよび設置コストを大幅に下げ、SOxスクラバおよびWHRを設置する場合、機関室の空間の大幅な獲得を期待することができる。   Thus, the present invention also offers the possibility of a useful combination of reducing the size of both intake and exhaust system elements to the extent allowed by the EGR rate. The above elements here include, for example, turbochargers, scavenging “treatment devices”, engine room ventilation, SOx scrubber systems, Waste Heat Recovery (WHR) systems, and other applications. included. The reduction in size greatly reduces the hardware and installation costs of these elements, and can be expected to gain significant engine room space when installing SOx scrubbers and WHRs.

廃熱回収ユニット33も、低減された最大質量流量率からの恩恵を受ける。その理由は、機関の動作範囲および動作時間のかなり広い範囲にわたって、比較的多くの(〜最大量の)高温の排気ガス流量率が存在し、安定的に飽和状態となるため、熱伝達効率が良好になるからである。これに対して従来の機関では、まれにしか最大連続定格に到達せず、そのWHRユニットをまれにしか有益に「飽和」させることができない。   Waste heat recovery unit 33 also benefits from the reduced maximum mass flow rate. The reason for this is that there is a relatively large (~ maximum amount) of hot exhaust gas flow rate over a fairly wide range of operating range and operating time of the engine, and since it is stably saturated, the heat transfer efficiency It is because it becomes favorable. In contrast, conventional engines rarely reach the maximum continuous rating and can rarely beneficially “saturate” their WHR units.

さらに、機関の最大吸気量を抑えることで、機関室の通気も少なくなるため、さらなる節約がもたらされる。特に、サイレンサおよび機関室ブロワのためのコストを低減することができる。   Further, by suppressing the maximum intake amount of the engine, the ventilation of the engine room is reduced, resulting in further savings. In particular, the costs for the silencer and the engine room blower can be reduced.

排気低減モード(REM)は、EGRが適用される船舶用ディーゼル機関の専用の運転モードである。REMは、(環境に)排出するガスの分割点または分割位置の下流において、永続的に低い又は低減された最大質量流量率を保つ目的で、EGR率が制御されることを含み、またそれによって、排気システム中の構成要素のサイズおよびコストを低減する機会を提供することを意味する。   The emission reduction mode (REM) is a dedicated operation mode for marine diesel engines to which EGR is applied. REM includes the control of the EGR rate in order to maintain a permanently low or reduced maximum mass flow rate downstream of the split point or location of the exhaust gas (to the environment) and thereby Means providing an opportunity to reduce the size and cost of components in the exhaust system.

排出規制海域(Emission Control Areas; ECA)の外側を航海する時に、EGR率は、ECAの外側でNOx基準を順守するために必要な比率よりもかなり高くなる。100%MCR時に、EGR率は、ECA内のNOx基準を順守するために必要とされる比率に等しい。負荷が低い時には、NOxレベルを現場のNOx基準未満に保ちながら、EGR率を低減することができる。   When navigating outside the Emission Control Areas (ECA), the EGR rate is significantly higher than the ratio required to comply with NOx standards outside the ECA. At 100% MCR, the EGR rate is equal to the ratio required to comply with NOx standards in the ECA. When the load is low, the EGR rate can be reduced while keeping the NOx level below the on-site NOx standard.

特に、SOxスクラバのサイズを小さくすることは、いくつかの理由によりかなりの経済的影響を有する。ターボ過給機の低圧側に設けられるSOxスクラバは、非常に体積が大きく、コストがかかり、場所を取る装置の一部であるしたがって、どのようなサイズ低減もコストを削減し、他の装置のための空間を提供する。さらに通常、SOxスクラバは、洗浄の媒体として大量の海水を使って運転され、この海水をポンプで送ることはエネルギーを消費する。加えて、例えばNaOHのような化学物質を海水に加えなければならず、それによって、処置すべき排気ガスの量(質量流量率)が増加することがあり、さらにコストを増加させる。したがって、排気システムにおいて分割点の下流にある部分を通す必要のある排気ガスの最大質量流量率を削減し、それによってSOxスクラバを通す必要のある排気ガスの最大質量流量率も削減することは、かなりの経済的利点をもたらす。   In particular, reducing the size of the SOx scrubber has a significant economic impact for several reasons. The SOx scrubber installed on the low pressure side of the turbocharger is part of a device that is very bulky, costly, and takes up space, so any size reduction will reduce the cost of other devices Provide space for. In addition, SOx scrubbers are usually operated using a large amount of seawater as a cleaning medium, and pumping this seawater consumes energy. In addition, chemicals such as NaOH must be added to the seawater, which can increase the amount of exhaust gas (mass flow rate) to be treated, further increasing costs. Therefore, reducing the maximum mass flow rate of exhaust gas that needs to pass through the part downstream of the split point in the exhaust system, thereby reducing the maximum mass flow rate of exhaust gas that needs to pass through the SOx scrubber, Provides considerable economic benefits.

当然、機関はまた、ECA内で動作するためのLEMモードと、REMモードとの間に該当するモードで運転されることもあるだろう。すなわち、EGR率が、分割点の下流における排気システムの質量流量率を損なわないために必要とされる比率よりも大きい場合もあるだろう、EGR率が、分割点の下流における排気システムの質量流量率を損なわないために必要とされる比率よりも大きいことを意味する。しかしながら、燃料経済的な理由のために、最低限のEGR率で動作する場合があるだろう。   Of course, the engine may also be operated in a mode that falls between the LEM mode to operate within the ECA and the REM mode. That is, the EGR rate may be greater than the ratio required to maintain the exhaust system mass flow rate downstream of the split point. The EGR rate may be greater than the exhaust system mass flow rate downstream of the split point. It means that it is larger than the ratio required in order not to impair the rate. However, for fuel economy reasons, it may operate at a minimum EGR rate.

上の説明から、本発明に従う機関において、サイズ、空間的要件、およびコストのいずれにも関する利点は、掃気取入口の要素から、また、「処理又は調節」に関わるグループの要素から、また、再循環排気ガスを掃気/給気ガスへ取り入れる口の上流にある要素から、得ることができることも、明らかに理解できるだろう。   From the above description, in the engine according to the invention, the advantages in terms of any of size, spatial requirements and costs are from the elements of the scavenging intake, from the elements of the group involved in “treatment or regulation”, and It will also be clearly understood that it can be obtained from the elements upstream of the inlet that takes the recirculated exhaust gas into the scavenging / feeding gas.

あまり厳しくないNOx排出基準でこれまで運転されてきている多くの海洋船舶については、より厳しい将来のNOx排出基準を満足するために、既存の機関を交換したり船舶を解体したりするのではなく、既存の機関を新しい基準に適応させることについて関心がもたれる場合もあるだろう。あり得る。本発明の概念に従って改修される既存の機関も、添付の特許請求の範囲に含まれる。   For many marine vessels that have been operated with less stringent NOx emission standards, instead of replacing existing engines or dismantling the ships to meet more stringent future NOx emission standards. There may be some interest in adapting existing institutions to new standards. possible. Existing institutions that are modified in accordance with the concepts of the present invention are also within the scope of the appended claims.

そのような改修に使用される機関構成要素の数や型は、元の状態で機関に使用される部品とは大幅に異なり、さらに機関毎に、さらには新しい機関についても異なり得る。新しい機関または発明となるように改修された機関を迅速に識別するために、およびその修正履歴等を通知するために、電子的に読み出し可能/書き込み可能なタグ、好ましくは、遠隔で読み出し可能なRFID型のものを、本発明の機関に組み込むことが有益であろう。   The number and type of engine components used for such refurbishment are significantly different from the parts used in the engine in its original state, and may vary from engine to engine and even for new engines. Electronically readable / writable tags, preferably remotely readable, to quickly identify new institutions or institutions that have been modified to become inventions, and to notify them of revision history, etc. It would be beneficial to incorporate an RFID type into the institution of the present invention.

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含むことを除外しない。請求項における単数形の用語は、複数であることを除外しない。単一のプロセッサ、装置、または他のユニットが、請求項に列挙するいくつかの手段の機能を実行してもよい。   The term “comprising”, when used in the claims, does not exclude the inclusion of other elements or steps. The singular terms in the claims do not exclude a plurality. A single processor, apparatus, or other unit may fulfill the functions of several means recited in the claims.

請求項で使用する参照符号は、範囲を限定するものと解釈してはならない。   Any reference signs used in the claims shall not be construed as limiting the scope.

本発明について例示の目的のために詳細に説明してきたが、このような詳細説明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、当業者が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 detailed description is intended solely for that purpose and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. Please understand that you may.

Claims (13)

クロスヘッドを有し、かつ定められた最大定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関(1)であって、
排気ガスシステム(44)と、掃気システム(42)と、前記掃気システム(42)の中にコンプレッサ(7)を有するターボ過給機(6)と、前記排気ガスシステム(44)の中のタービン(8)と、
前記排気システム(44)および前記掃気システム(42)に接続されるEGRシステムと、
コントローラ(50)と、
を備え、該コントローラ(50)は、前記シリンダ(4)から来る全排気ガス質量流量を、前記EGRシステムに進入するEGR質量流量と、前記タービン(8)に向かって前記排気ガスシステム(44)の中を流れる排気ガス質量流量との間で分配するように構成され、また該コントローラは、前記全排気ガス質量流量に対する前記EGR質量流量の比である、選択されたEGR率であって、ゼロから所定の最大値までの範囲で選択可能であるEGR率を有し、前記機関はさらに:
前記排気ガスシステム(44)が、排気ガス質量流量を扱うことに関する規定の最大能力(C)を有すること、ただし前記規定の最大能力(C)は、前記最大定格において前記シリンダから直接来る前記全排気ガス質量流量よりも少ないことと、
前記コントローラ(50)が、前記選択されたEGR率に関わらず、前記シリンダから来る排気ガスの実際の全排気ガス質量流量が前記排気ガスシステム(44)の前記規定の最大能力(C)を超える時に、超過質量流量を前記EGRシステムの中へ送給するように構成されることと、
を特徴とする、機関(1)。
A large-sized low-speed multi-cylinder turbocharged internal combustion engine (1) having a crosshead and having a predetermined maximum rating,
An exhaust gas system (44), a scavenging system (42), a turbocharger (6) having a compressor (7) in the scavenging system (42), and a turbine in the exhaust gas system (44) (8) and
An EGR system connected to the exhaust system (44) and the scavenging system (42);
A controller (50);
The controller (50) includes a total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder (4), an EGR mass flow rate entering the EGR system, and an exhaust gas system (44) toward the turbine (8). And the controller has a selected EGR rate that is a ratio of the EGR mass flow rate to the total exhaust gas mass flow rate and is zero. And an EGR rate that is selectable in a range from a predetermined maximum value, the institution further:
The exhaust gas system (44) has a specified maximum capacity (C) for handling exhaust gas mass flow, wherein the specified maximum capacity (C) is the total capacity directly coming from the cylinder at the maximum rating. Less than the exhaust gas mass flow rate,
The controller (50) causes the actual total exhaust gas mass flow rate of exhaust gas coming from the cylinder to exceed the specified maximum capacity (C) of the exhaust gas system (44) regardless of the selected EGR rate. Sometimes configured to deliver excess mass flow into the EGR system;
An engine (1) characterized by
分割の下流にある前記排気ガスシステム(44)の前記規定の最大能力(C)は、前記最大定格で前記シリンダから来る前記全排気ガス質量流量の50%〜90%の範囲内、または55%〜80%の範囲内、または60%〜64%の範囲内である、請求項1に記載の機関(1)。   The specified maximum capacity (C) of the exhaust gas system (44) downstream of the split is in the range of 50% to 90% of the total exhaust gas mass flow coming from the cylinder at the maximum rating, or 55% The engine (1) according to claim 1, which is in the range of -80% or in the range of 60% -64%. 前記排気ガスシステム(44)は、少なくとも排気ガス処理要素(33、34)を備える、請求項1または2に記載の機関(1)。   The engine (1) according to claim 1 or 2, wherein the exhaust gas system (44) comprises at least an exhaust gas treatment element (33, 34). 前記掃気システム(2)は、掃気質量流量(A)を扱う規定の最大能力であって、前記最大定格で前記掃気ガス受け(14)へ流れる全掃気ガス(B)の掃気質量流量よりも少ない、規定の最大能力を有する、請求項1から3のいずれかに記載の機関(1)。   The scavenging system (2) has a prescribed maximum capacity for handling the scavenging mass flow rate (A) and is less than the scavenging mass flow rate of the total scavenging gas (B) flowing to the scavenging gas receiver (14) at the maximum rating. 4. The engine (1) according to any of claims 1 to 3, having a defined maximum capacity. 前記掃気システム(42)は、少なくとも掃気冷却機(12)を備える、請求項1から4のいずれかに記載の機関(1)。   The engine (1) according to any of the preceding claims, wherein the scavenging system (42) comprises at least a scavenging cooler (12). 前記コントローラ(50)は、少なくとも2つのモード、すなわち、
前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記選択されたEGR率は、超過質量流量がない場合に排気要件をちょうど満たすように選択される、低排出モードと、
前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記タービン(8)に向かって前記排気ガスシステム(44)の中を流れる前記排気ガス質量流量が前記規定の最大能力(C)を超えることを避けるためにゼロよりも高いEGR率が必要とされる時を除いて、前記選択されたEGR率はゼロになるように選択される、排気低減モードと、
で動作しうるように構成される、請求項1から5のいずれかに記載の機関(1)。
The controller (50) has at least two modes:
A low emission mode in which the engine depends on the load of the engine and the selected EGR rate is selected to just meet the exhaust requirements in the absence of excess mass flow;
To avoid that the engine depends on the load of the engine and that the exhaust gas mass flow through the exhaust gas system (44) towards the turbine (8) exceeds the specified maximum capacity (C). Exhaust reduction mode, wherein the selected EGR rate is selected to be zero, except when an EGR rate higher than zero is required for
An engine (1) according to any of the preceding claims, configured to be operable with
クロスヘッドを有し、かつ定められた最大定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関(1)を動作させる方法であって、前記機関は、排気ガスシステム(44)と;掃気システム(42)と;前記掃気システム(42)の中にコンプレッサ(7)を有するターボ過給機(6)と;前記排気ガスシステム(44)の中のタービン(8)と;前記排気システム(44)および前記掃気システム(42)に接続されるEGRシステムと;コントローラ(50)とを備え、前記方法は、
前記シリンダ(4)から来る全排気ガス質量流量を、前記EGRシステムに進入するEGR質量流量と、前記タービン(8)に向かって前記排気ガスシステム(44)の中を流れる排気ガス質量流量との間で分配することと;
前記全排気ガス質量流量に対する前記EGR質量流量の比である、選択されたEGR率に従って、ゼロから所定の最大率までの範囲でEGR率を選択することと;
を含み、
前記排気ガスシステム(44)が、排気ガス質量流量を扱うことに関する規定の最大能力(C)を有すること、ただし前記規定の最大能力(C)は、前記最大定格において前記シリンダから直接来る前記全排気ガス質量流量よりも少ないことと、
前記選択されたEGR率に関わらず、前記シリンダから来る実際の全排気ガス質量流量が前記排気ガスシステム(44)の前記規定の最大能力(C)を超える時に、超過質量流量を前記EGRシステムへと送給することと、
を特徴とする、方法。
A method of operating a large, low speed, multi-cylinder turbocharged internal combustion engine (1) having a crosshead and having a defined maximum rating, the engine comprising an exhaust gas system (44); and a scavenging system A turbocharger (6) having a compressor (7) in the scavenging system (42); a turbine (8) in the exhaust gas system (44); and the exhaust system (44) And an EGR system connected to the scavenging system (42); and a controller (50), the method comprising:
The total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder (4) is defined as the EGR mass flow rate entering the EGR system and the exhaust gas mass flow rate flowing through the exhaust gas system (44) toward the turbine (8). Distributing between;
Selecting an EGR rate in a range from zero to a predetermined maximum rate according to a selected EGR rate, which is the ratio of the EGR mass flow rate to the total exhaust gas mass flow rate;
Including
The exhaust gas system (44) has a specified maximum capacity (C) for handling exhaust gas mass flow, wherein the specified maximum capacity (C) is the total capacity directly coming from the cylinder at the maximum rating. Less than the exhaust gas mass flow rate,
Regardless of the selected EGR rate, excess mass flow to the EGR system when the actual total exhaust gas mass flow coming from the cylinder exceeds the specified maximum capacity (C) of the exhaust gas system (44). And sending
A method characterized by.
前記シリンダ(4)から来る前記実際の全排気ガス質量流量を決定することと、
前記実際の全排気ガス質量流量と前記規定の最大能力(C)との間の差を決定することと、
前記実際の全排気ガス質量流量が、前記規定の最大能力(C)以下である時に、ゼロから所定の最大率の範囲で選択される所望のEGR率を適用することと、
前記実際の全排気ガス質量流量が、前記規定の最大能力(C)よりも大きい時に、前記タービン(8)に向かって前記排気ガスシステム(44)の中を流れる前記排気ガス質量流量が、前記規定の最大能力(C)を超えないことを確実にするために十分な大きさのEGR率を適用することと、
をさらに含む、請求項7に記載の方法。
Determining the actual total exhaust gas mass flow rate coming from the cylinder (4);
Determining a difference between the actual total exhaust gas mass flow rate and the specified maximum capacity (C);
Applying a desired EGR rate selected in a range from zero to a predetermined maximum rate when the actual total exhaust gas mass flow rate is less than or equal to the specified maximum capacity (C) ;
When the actual total exhaust gas mass flow rate is greater than the specified maximum capacity (C) , the exhaust gas mass flow rate flowing through the exhaust gas system (44) toward the turbine (8) is Applying an EGR rate large enough to ensure that the specified maximum capacity (C) is not exceeded;
The method of claim 7, further comprising:
前記機関が前記機関の負荷に依存し、超過質量流量がない時に低排出要件を満たすために必要とされるEGR率で動作する、低排出モードと
前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記タービン(8)に向かって前記排気ガスシステム(44)の中を流れる前記排気ガス質量流量が前記規定の最大能力(C)を超えることを避けるために必要とされる最低限のEGR率で動作する、排気低減モードと、
の少なくとも2つのモードのうちの1つで、前記機関(1)を動作させることをさらに含む、
請求項に記載の方法。
Depending the engine load of the engine, operates the EGR rate required to meet the low emissions requirements when there is no excess mass flow rate, low emission mode and the engine depends on the load of said engine, said Operates at the minimum EGR rate required to avoid the exhaust gas mass flow through the exhaust gas system (44) toward the turbine (8) exceeding the specified maximum capacity (C) The exhaust reduction mode,
Further comprising operating the engine (1) in one of at least two modes of:
The method of claim 7 .
請求項9に記載の方法であって、前記機関(1)を動作させることは、前記操作モードをオペレータが手動で選択することか、前記操作モードを電子コントローラユニットが自動的に選択することを含む、方法。   10. The method according to claim 9, wherein operating the engine (1) means that the operation mode is manually selected by an operator or the operation mode is automatically selected by an electronic controller unit. Including. 前記コントローラは、前記機関の地理的位置に関する情報に基づいて、前記操作モードを決定する、請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the controller determines the mode of operation based on information regarding a geographic location of the institution. 前記タービン(8)に向かって前記排気ガスシステム(44)の中を流れる前記排気ガス質量流量が、前記規定の最大能力(C)を超えることのないようにしうる最低のEGR率を、いずれかの動作モードで適用することをさらに含む、請求項に記載の機関を操作する方法。 Any minimum EGR rate that may prevent the exhaust gas mass flow through the exhaust gas system (44) toward the turbine (8) from exceeding the specified maximum capacity (C), either The method of operating an engine according to claim 7 , further comprising applying in a mode of operation. 前記シリンダ(4)から来る前記実際の全排気ガス質量流量を判断することと、
前記実際の全排気ガス質量流量と前記規定の最大能力(C)との間の差を決定することと、
前記実際の全排気ガス質量流量が前記規定の最大能力(C)以下である場合、EGR率ゼロを適用することと、
前記実際の全排気ガス質量流量が前記規定の最大能力(C)よりも大きい場合、前記実際の全排気ガス質量流量から前記規定の最大能力(C)を差し引いた差を、前記実際の全排気ガス質量流量で除算したものに等しいEGR率を適用することと、
をさらに含む、請求項に記載の方法。
And to determine the actual total exhaust gas mass flow coming from the cylinder (4),
Determining a difference between the actual total exhaust gas mass flow rate and the specified maximum capacity (C) ;
If the actual total exhaust gas mass flow rate is less than or equal to the specified maximum capacity (C) , applying an EGR rate of zero;
If the actual total exhaust gas mass flow rate is greater than the maximum capacity (C) of the prescribed, the difference obtained by subtracting the maximum capacity (C) of the specified from the actual total exhaust gas mass flow rate, the actual total exhaust Applying an EGR rate equal to that divided by the gas mass flow rate;
The method of claim 7 , further comprising:
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