JP2012520421A - 二元燃料圧縮点火エンジン及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧縮天然ガス、水素、及びアンモニア等の気体燃料で圧縮点火でき、更に始動目的で、又は気体燃料が利用できないか又は消費されて長期の運転時間が必要とされる場合に、ディーゼル燃料を含む液体燃料で運転可能である、二元燃料圧縮点火エンジン及び方法に関する。自己点火温度が高い燃料の点火は、圧縮前の吸気充填に高温の排気ガスを再循環することで保証される。既存のエンジンは、エンジンヘッドを交換することで二元燃料エンジンとして運転できるよう改造できる。種々の実施形態が開示されている。
【選択図】 図１

Description

関連出願

本出願は、２００９年３月１０日出願の米国仮出願番号６１／１５９，０３１の優先権を主張するものである。

本発明は、圧縮点火エンジンの技術分野に関連している。

二元燃料圧縮点火エンジンは従来から良く知られている。一般には、このようなエンジンはディーゼル燃料と天然ガスとから成る二元燃料で運転される。従来、液体燃料と気体燃料との組み合わせは、ディーゼル燃料を従来型のディーゼル噴射装置から規定量だけ噴射でき、気体燃料を吸気流に噴射できるという利点があった。典型的に、このようなエンジンは、圧縮点火を開始させるために所定のディーゼル燃料を使用するようになっており、その後、気体燃料は出力向上のためにディーゼル燃料を補うようになっている。このようなエンジンは、アイドル時にディーゼル燃料１００％で運転されることが多く、エンジンの出力要求が高くなると気体燃料の量が増えて、全出力では約８０％の気体燃料で運転される

ディーゼル燃料は圧縮点火を達成するために気体燃料と共に使用されるが、エンジンが従来型のディーゼルエンジンである場合、気体燃料自体では圧縮点火を制御することができない。しかしながら、圧縮点火用に噴射されたディーゼル燃料を利用すると上手く作動するが、典型的には気体燃料の自己点火温度は従来型のディーゼルエンジンの自己点火温度よりも非常に高く、更に、自己点火が達成できたとしても、気体燃料が吸入空気と混合されることなく適切な時期に燃焼室に噴射されない限り、点火時期を制御する方法がない。

米国又は他の多くの地域で関心のある主要な気体燃料は安価で豊富な天然ガスである。しかしながら、天然ガスには、常温では液化しないが低温で液化するという欠点がある。乗用車やトラック等の普通自動車において、低温に維持する必要がある燃料を使用することは実用的ではない。従って、このような用途において、天然ガスは加圧状態で貯蔵する必要があり、圧縮天然ガスの単位容積あたりのエネルギ（エネルギ密度）は著しく制限される。つまり、自動車に動力を供給するために天然ガスを火花点火方式で、又は圧縮点火用の十分なディーゼル燃料と一緒に利用する場合、自動車の用途は著しく制限される。従って、このような二元燃料エンジンは、必要な場合、圧縮天然ガスが完全に使用された場合にはディーゼル燃料だけで作動する。

２００７年１１月２５日公開の米国公開第２００７／０２４５９８２号「低公害高性能エンジン、多気筒エンジン、及び運転方法」には、圧縮点火エンジン、及び圧縮点火エンジンを運転する方法が開示されており、特に、カムレスエンジン用のエンジン運転サイクルが含まれており、これによってディーゼル燃料は、従来の吸気行程ではなく圧縮行程の初期に燃焼室に噴射される。点火温度は燃焼室の非常に限られた空気量によって制限され、燃焼を継続して燃料を完全に消費するために点火後に追加の空気が噴射され、燃焼室温度をＮＯｘが形成される温度以下に制限しながら、後続の燃焼点火のために残留排気ガスに十分な過剰空気（何らかの付加的な吸気口を使用するか又は使用しないで）を供給する。圧縮点火時期はエンジンのバルブ制御によって制御され、先行サイクルでの点火時期に基づいてサイクル毎に調整される。この運転サイクルは、燃焼前に高温排気ガス中でディーゼル燃料を完全に蒸発させてホットスポット及び完全に燃焼しない液滴を防止するという利点を含む、ディーゼル燃料に対していくつかの利点を有している。

米国公開第２００７／０２４５９８２号

本発明は、圧縮天然ガス、水素、及びアンモニア等の気体燃料で圧縮点火でき、更に始動目的で、又は気体燃料が利用できないか又は消費されて長期の運転時間が必要とされる場合に、ディーゼル燃料を含む液体燃料で運転可能である、二元燃料圧縮点火エンジン及び方法に関する。自己点火温度が高い燃料の点火は、圧縮前の吸気充填に高温の排気ガスを再循環することで保証される。既存のエンジンは、エンジンヘッドを交換することで二元燃料エンジンとして運転できるようになる。

本発明による例示的なエンジンヘッド構造を示す平面図である。 ポペット弁内のポペット弁の例示的な構造を示す断面図である。 図１のエンジンの例示的な運転サイクルを示すカーブを表す。 本発明による別の例示的なエンジンヘッド構造を示す平面図である。 燃料として又は燃料の１つとしてアンモニアを使用すると共に、アンモニアを気化させて噴射圧力を得るために排気熱を使用する、例示的なエンジンヘッドの平面図である。

本発明は、カムレスエンジンでの使用が意図されており、電子制御システムはエンジンのバルブタイミング及び燃料噴射を制御するようになっている。このようなエンジンのバルブ制御システムは、米国特許第６，７３９，２９３号に開示されたような油圧式バルブ作動装置を使用することができるが、他のエンジンのバルブ制御システムを使用することもできる。電子制御システムがエンジンのバルブタイミング及び燃料噴射を制御するようになったカムレスエンジンはフリーピストンエンジンを含み、該エンジンはカムシャフト又はフリーピストンに連結されたクランクシャフトの何れも備えていない。

図１は、典型的な４気筒エンジン又はＶ８ディーゼルエンジンの片バンクを示す。図示のエンジンにおいて、全てのシリンダは同一構成であるが、この点は本発明を制限するものではない。詳細には、図１の実施形態において、各々のシリンダＣは、２つの吸気弁ＩＮ１及びＩＮ２、及び２つの排気弁Ｅ１及びＥ２を備える。更に、各々のシリンダは圧縮点火エンジン用の従来型の燃料噴射装置Ｆを備えることができるが、電子制御可能であることが好ましい。また、４つのシリンダは、各々に付随するオイルレールを備え、本実施形態では油圧弁作動システム、及び噴射装置、典型的には増圧式噴射装置に作動オイルを供給するために使用される（オイルレールと燃料噴射装置の接続手段は公知であるが、図面を複雑化しないよう図示していない）。また、４つのシリンダ全てには、ターボ過給器（図示せず）を経由して空気が供給される吸気マニホルド、及びターボ過給器を駆動する排気マニホルドが連結されている。

本実施形態において、吸気弁ＩＮ１及び排気弁Ｅ２の両者は、図２に示すような内側ポペット弁２０及び外側ポペット弁２２を有する複式ポペット弁である。外側ポペット弁２２は、閉鎖位置ではスプリング３４で囲まれており、好ましい実施形態において、３方スプール弁である３方制御弁３８から供給される作動流体に応じて開放位置に付勢されることができる。本構成において、外側ポペット弁２２が開放されると、内側ポペット弁２０は外側ポペット弁２２に追従して閉鎖状態を維持できる。従って、外側ポペット弁２２が開放されるとスプリング２８及び３４の両方は圧縮される。また、外側ポペット弁２２が閉じると内側ポペット弁２０は３方弁３２の制御によって単独で開くことができ、スプリング３４はスプリング２８よりも強い。所望であれば、内側ポペット弁２０のリフト量は、外側ポペット弁２２が開いた状態で内側ポペット弁２０が開くことができるように、外側ポペット弁２２のリフト量よりも大きくすることができるが、以下の記載で理解できる通り、本発明に必須の構成ではない。各ポペット弁の間、又は外側ポペット弁とハウジングとの間のシーリングは、図示のＯリング溝に嵌るＯリングによって達成される。

内側ポペット弁２０は３方弁３２で制御される油圧ピストン３０によって作動され、外側ポペット弁は３方弁３８で制御される油圧ピストン３６によって作動される。典型的には（必須ではないが）、エンジンオイルは作動流体として使用される。バルブシート２４は、エンジンヘッドの従来型のバルブシートでマニホルドに連結されているが、内側ポペット弁２０との流体連通は、ポート２６及びハウジングを取り囲む開口（図示せず）を経由して行われる。

図１に戻ると、吸気弁ＩＮ１の内側ポペット弁は、加圧された気体燃料、典型的には圧縮天然ガスの供給源に接続されるが、水素等の他の気体燃料も使用できることに留意されたい。排気弁Ｅ２の内側ポペット弁２０は、高圧空気レール又はマニホルドに接続されるが、該空気マニホルドは典型的には空気貯蔵タンクＡＩＲによって増大できる大きな一時的貯蔵能力を有している。排気弁Ｅ２の内側ポペット弁２０のタイミングを制御することで、任意のシリンダは吸入空気を圧縮して、この圧縮空気を高圧空気マニホルドに供給すること、又は、高圧空気を任意のシリンダに噴射して爆発（膨張）行程の期間に燃焼を継続させることができる。

別の方法として、吸気弁ＩＮ１の内側ポペット弁は空気貯蔵タンクＡＩＲによって増大できる高圧空気レールに接続することができ、排気弁Ｅ２の内側ポペット弁２０は、加圧された気体燃料の供給源に接続することができる。

好ましいエンジの作動サイクルを図３に示す。全てのシリンダは同一なので、任意のシリンダを圧縮シリンダとして使用し、任意のシリンダを燃焼シリンダとして使用することができる。この点に関して、一般的には、任意の１つのシリンダを時として燃焼シリンダとして、その後、圧縮シリンダとして、交互に使用することが望ましく、エンジンの温度分布が均一になり、結果的に、専用の燃焼シリンダのための余分な冷却能力をもたらす何らかの特別な対策を必要とすることなく、従来のエンジンブロックが使用可能となる。また、好まし実施形態において、シリンダが圧縮シリンダとして使用される場合、図３の下側の曲線に示すように、２ストロークの圧縮サイクルで使用される。従って、任意の１つのシリンダは、約２／３の時間だけ燃焼シリンダとして使用し、約１／３の時間だけ圧縮シリンダとして使用することができる。また、シリンダを圧縮シリンダと燃焼シリンダとの間で移行させる影響を最小限にするために、例えば２回の燃焼サイクルを行いその後に２回の圧縮サイクルを行うのではなく、圧縮シリンダとして使用するように切り換える前に少なくとも数分間だけシリンダを燃焼シリンダとして作動させることが好ましい。この点に関連して、一対の圧縮行程の終わりにはその圧縮シリンダ内の残留ガスは比較的低温であり、爆発行程後の燃焼シリンダよりも酸素富化の状態にある。この点を説明するために、圧縮シリンダの圧力が吸気マニホルドの圧力より低下した時に、圧縮行程の後に排気弁を開き、燃焼シリンダの排気ガスを排気マニホルドから引き込んで、圧縮シリンダに残留する空気と混合した後に、次の４サイクル燃焼サイクルの初期に混合気を排気することができる。いずれにしても、シリンダの圧縮サイクルの後の最初の燃焼サイクルは、次の燃焼サイクルとは別の制御を必要とするが、この場合も、エンジンバルブ及び噴射装置の電子制御の柔軟性により、並びに等価サイクル毎に各等価サイクルを振り返って制御を調整することで、その相違を簡単に補償することができる。

ピストンの下死点位置Ｂと上死点位置Ｔとの間で、圧縮シリンダにおいて圧縮が起こり（図３の下側のグラフ）、圧縮シリンダの圧力が高圧空気マニホルドの圧力に等しいか又は僅かに上回る場合にそれぞれの排気弁Ｅ２の内側ポペット弁は開放され、その後、ピストンが上死点位置に到達すると閉鎖される。圧縮によって空気量は非常に低減されるので小型バルブで十分である。その後、ピストンは上死点位置から下がり、圧縮シリンダの圧力は直ぐに低下して、この圧力が吸気マニホルドの圧力と概ね等しくなると、１つ又は好ましくは両方の吸気弁ＩＮ１及びＩＮ２は開放されて吸気マニホルドから空気を吸入し、ピストンが圧縮行程直前の下死点に到達すると吸気弁は閉鎖する。

燃焼サイクルに関して好ましい実施形態で利用されるサイクルは、図３の上側のグラフに見ることができる。燃焼行程又は爆発行程の後で、ピストンが概ね下死点位置に到達すると排気弁が開き（ＥＶＯ）従来の排気行程となり、ピストンが概ね上死点位置に到達すると排気弁は閉じる（ＥＶＣ）。その後、再度吸気弁が開き、制御された量のいずれかの燃料（液体又はガス、又は両方）が燃焼室に噴射されて吸気弁が閉じ、続いて排気弁が開き、その後、ピストンの下死点位置で排気弁が閉じる、従って、所定の新鮮な空気及び所定の燃料が燃焼シリンダに吸入され、その後、所定の高温排気が燃焼シリンダに引き戻された後に圧縮行程が始まる。種々のエンジンバルブの作動タイミングを適切に制御及び調節することで、圧縮点火がピストンの概ね上死点位置で起こることになり、まず燃焼室の圧力及び温度が上昇し、ピストンが上死点から離れるにつれて圧力及び温度が低下する。吸気行程の期間に噴射される燃料量は、圧縮点火が起こると意図的に制限され、焼室の温度上昇は窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成する温度以下に制限される。燃焼シリンダの圧力が高圧空気レール圧力まで低下すると、それぞれの排気弁Ｅ２の内側ポペット弁２０が開放されて追加の気体燃料（燃料２）が燃焼室に噴射され、吸気行程の期間に噴射されて燃焼状態にある燃料によって点火される。勿論、気体燃料が利用できない場合（又は、既に消費された場合、又はエンジンが運転される場所では入手できない場合）、必然的ではないが典型的にはディーゼル燃料である液体燃料を噴射することができる。

前述の燃焼シリンダのサイクルにおいて、圧縮点火後の爆発行程の期間に噴射される燃料は、通常、気体燃料とすることができる。吸気行程の期間に噴射される燃料は、気体燃料又は液体燃料のいずれかとすることができ、液体燃料は、ディーゼル燃料、ガソリン、又は他の適切な液体燃料である。吸気行程の終了時又はその近傍に一部の排気ガスの吸入により圧縮行程の初期に燃焼室へ高温充填を行うことでき、実質的にディーゼル燃料よりも自己点火温度が高い圧縮天然ガス等の気体燃料であっても、圧縮状態で圧縮点火を実現する高温状態がもたらされる。この点に関して、カムレスエンジンのバルブタイミングを制御することで、所望のクランクシャフト角の範囲での圧縮点火を維持するようにサイクル毎の調節が可能になる。従って、本発明によれば、繰り返し可能な気体燃料の圧縮点火が実現できるので、エンジンは完全に気体燃料で運転でき、点火が液体燃料（ディーゼル燃料）を用いて行われ、気体燃料が結果的に燃焼シリンダ内の温度上昇を有意に制御することなく点火される従来技術とは異なっている。

エンジンの冷間始動に関し、エンジンは従来方式の４行程ディーゼルサイクル（又は２行程ディーゼルサイクル）を用いて始動し、所定の暖機期間の後に、気体燃料専用に直接切り替える必要がある。別の方法として、最初に、圧縮点火を目的として吸気行程の期間にディーゼル燃料を噴射し、爆発行程の期間に気体燃料を噴射するように切り換え、その後、完全に気体燃料で運転し、気体燃料を使い果たした場合には、車両の航続距離を延ばすためにディーゼル燃料での運転に再び戻る。更に別の方法として、冷間始動は、吸気行程の期間にディーゼル燃料を噴射して圧縮行程の期間に点火した後、爆発行程の期間に気体燃料を噴射し、その後、エンジンの運転状態が許す場合には１００％気体燃料の運転に切り換えることで実現できる。

圧縮点火後の燃焼温度のピークは、圧縮時に酸素リッチ環境で燃料量を限定することで、又は燃料リッチ環境で酸素量を限定することで制限できることに留意されたい。更に別の方法として、ほぼ理論空燃比とすることができるが、非反応成分の大きな成分（排気ガス）を伴う。更に別の方法として、アイドル時又はエンジン出力要求が低い時には、燃焼開始時にＮＯｘ形成温度に到達することなく、吸気行程の期間に全ての必要な燃料を噴射することができるので、爆発行程の期間に燃料を噴射する必要がない。いずれにしても、吸入される吸入空気量、排気ガス再循環量、吸気行程の期間に燃焼シリンダに噴射される燃料量及び燃料の種類、爆発行程の期間に燃焼シリンダに噴射される空気量、燃料量、及び燃料の種類、及びこれら全ての事象タイミングは、全て別々に制御可能であり、点火、燃焼、燃焼シリンダ内の最大温度、及びエンジン出力を別々に制御できる。

どの方法を用いても、本発明では気体燃料のみの圧縮点火モードでの運転が可能であり、点火を促進するディーゼル燃料を使用するする必要はない。これにより低公害で気体燃料を最大限使用することができ、更に必要な時に車両の航続距離を延ばすことができる。航続距離延長の有用性は、航続距離を延ばす必要が滅多に又は全くなくても多くの購入者は航続距離の短い圧縮天然ガス車両の購入を嫌がるので、市場の見地から非常に重要である。また、本発明の別の利点は、多くの場合、既存のディーゼルエンジン及びエンジン設計は、ディーゼル燃料のバックアップで、圧縮天然ガスでもって運転するための旧型装置の改装であり、結果的に、圧縮天然ガスで運転することで、及び航続距離を延ばすためにディーゼル燃料で運転する場合でも本質的に完全燃焼を保証してＮＯｘ生成物を除去する改善された運転サイクルの下でエンジンを運転することで、旧型ディーゼルエンジンの主要な汚染源を有効に低減する。このような旧型装置の改装は、通常は車両の交換につながる場合もあるエンジン交換よりも遙かに安価である。

図１において、オイル供給経路が示されており、オイルレール内を所望の圧力に維持するために逆止弁ＣＶ３経由でオイルレールへ圧送すると共に逆止弁ＣＶ４及び制御弁Ｖ２経由でアキュムレータＡＣＣへオイルを圧送するポンプＰに、逆止弁ＣＶ２経由でオイルを供給し、又は過剰なポンプ容量を制御弁Ｖ１及び逆止弁ＣＶ１経由で分流してポンプ入口へ戻してポンプ出口とポンプ入口の差圧が小さい状態で作動させるようになっている。追加のエンジン出力が必要な場合、３方制御弁Ｖ２が作動され逆止弁ＣＶ４経由でアキュムレータＡＣＣへ向かう流れが阻止されて、アキュムレータからポンプＰの入口への流れが可能になる。これによりポンプが圧送する差圧が低減してポンプが使う出力が小さくなる。アキュムレータ内の圧力がオイルレールの所望圧力よりも大きい場合、ポンプは油圧モータとして機能して実際にポンプ駆動側に出力を戻すことができる。従って、アキュムレータＡＣＣを加圧するとエンジンブレーキ機能を高めること、又は追加のエンジン出力増大期間に備えて蓄積することができる。

また、図１には空気貯蔵タンクＡＩＲが示されている。空気貯蔵タンクは、通常のエンジン運転期間に空気レールの圧力サージを安定させるために使用できる。また、空気貯蔵タンクＡＩＲは、例えば車両エンジンを車両ブレーキ用途に使用する際に高圧空気を貯蔵するために使用できる。この点において、従来のジェイクブレーキ（ジェイクブレーキ）（Ｊａｃｏｂｓ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ社の登録商標）では、圧縮行程の終了時に排気弁を開き、圧縮エネルギを逃がしてエンジンブレーキを付与するようになっている。本発明においては、エンジンブレーキ用途で、全てのシリンダを圧縮シリンダとして２行程サイクルで使用して、ジェイクブレーキに対して２倍のエンジンブレーキ作用をもたらす。しかしながら、本発明において、吸気行程の終了時又はその近傍で、シリンダは瞬間的に空気レールへ接続することができる。これによりシリンダ内圧が非常に高くなり、シリンダは、圧縮のための後続の下方ストロークで多くの空気を取り込む前でピストンが上死点近くに又は上死点に到達した後で、排気に放出される前に、又はエネルギ貯蔵のために最初に高圧レールその後に排気に放出される前に、充填空気を通常よりも高圧に圧縮するために大きなエネルギを使用する。このことはジェイクブレーキよりも何倍ものブレーキングをもたらすために使用できる。

更に、ジェイクブレーキの１つの問題は排気騒音が発生することである。圧縮行程の上死点で排気弁を開くと非常に高圧のパルスが消音器系に現れて大きな排気騒音が発生する。結果的に、住宅地域でのジェイクブレーキの使用はしばしば禁止される。本発明によると、排気弁は開放されず、シリンダ圧がほぼ吸気マニホルド圧に低下した後でのみ吸気弁が開放される場合には、高圧パルスが大気に放出されない。それどころか、高圧空気は空気貯蔵タンクＡＩＲに接続され、過剰な高圧空気は空気タンクから流出する。このことは対処すべき高圧パルスが存在しないので消音問題を容易にする。また、流出する空気圧力はエンジン回転数に無関係なので、ノイズ成分は再現可能であり同調ノイズ抑制技術が利用可能である。このことは、排気の圧力パルス周期がエンジン回転数に比例するジェイクブレーキでは実現できない。結果的に、本発明は、強力なエンジンブレーキ性能を提供しながらジェイクブレーキに関連する使用上の制約を回避するように構成できる。

図４を参照すると、図１のエンジンの２つの典型的なシリンダに関する別の実施形態が示されている（図において、特定の部分のみ図示されており、燃料噴射装置に供給する燃料レール及びオイルレールは図示されていない）。本実施形態では図１の実施形態と同じサイクルで運転される。しかしながら、本実施形態において、全てのエンジンバルブは同軸ペアであり、２つの空気貯蔵タンク、つまり高圧空気タンク及び低圧空気タンクが使用される。高圧空気タンクは、前述のように燃焼シリンダへ空気を噴射するために使用される。低圧空気タンクは低圧空気を貯蔵し、車両装備品を駆動するといった他の目的で使用される。特定の用途において、エンジンは、スプレーガン、空圧式ツール、ジャックハンマを駆動する目的での空気圧縮機として使用でき、シリンダが燃焼シリンダではなく圧縮シリンダとして使用される時間割合を増やし、圧縮空気を必要に応じていずれかの空気レールに導き、それぞれの内側ポペット弁を横切る圧力降下が僅かなように適宜に時間を決めることで実現できる。ここで２つの内側ポペット弁は、低圧空気を低圧空気貯蔵タンクへ排気するように使用できるが、低圧空気が大量にあることに起因している。この構成によれば、高価な別体の移動式エンジン駆動圧縮ユニットが必要なくなり、車両エンジンを必要な時に移動式圧縮ユニットとして機能させることができ、コスト増加は僅かである。更に、全てのエンジンバルブ及びエンジンバルブ駆動システムを同一にすると製造コストで有利である。全ての実施形態において、加圧空気、特に高圧空気の利用性は、エンジンの冷間始動時に有利である。

前述の例示的な実施形態の説明において、エンジンバルブ作動タイミング、燃料噴射タイミング、及び空気噴射タイミング等は概略的に説明されているが、動特性及び他の作用、並びに性能を最大にするためのサイクル毎の調節は、本明細書の説明の有意な変形物をもたらすことに留意されたい。

本発明のエンジンは、エンジンバルブ（カムレスエンジン）及び燃料噴射の電子制御装置を搭載し、従来型の圧縮点火エンジンとして作動可能な吸気弁及び排気弁を備えるので、２００７年１０月２５日公開の米国特許公開番号２００７／０２４５９８２号「低公害高性能エンジン、多気筒エンジン、及びその運転方法」、２００９年１０月３０日公開の米国特許公開番号２００８／０２６４３９３号「低公害高性能圧縮点火エンジンの運転方法」、及び２００９年７月２３日公開の米国特許公開番号２００９／０１８３６９９号「圧縮点火エンジン及びその方法」等に開示される任意の運転サイクルを用いて運転することができるが、これらの開示内容は参照により本明細書に組み込まれている。液体燃料又は気体燃料のいずれも任意の噴射イベントの任意の部分で使用できる。

本発明によるエンジンで使用可能な燃料の１つはアンモニア（ＮＨ３）である。燃料としてのアンモニアにはいくつかの利点及びいくつかの欠点がある。主たる利点は、生産用のエネルギ源と水とがあれば生産でき、公知の技術を使って相当安全に貯蔵及び輸送できる点である。他の利点は、燃焼生成物は単純に窒素と水なので無公害である。少なくとも水素との比較による他の利点は、臭いを発生するので、高濃度では有毒であるが、何らかの爆発のリスクが生じる前に僅かな漏れも容易に検出できる点である。欠点は、いくつかの種類のエンジンにおいて、アンモニアの沸点は−３３°Ｃであり、加圧状態にしておかないと気化してしまう点である。また、アンモニアの臨界温度は１３２．４°Ｃ（２７０．３２°Ｆ）であり、この温度以上ではどんな加圧状態でもガス状態となり、臨界温度に近づく場合には液体状態に保つよう高い圧力が必要である。アンモニアの火炎伝播速度は比較的低く、自己点火温度は６５１°Ｃである。この温度は、圧縮比が１５：１と２０：１との間の典型的ディーゼルエンジンの圧縮行程で典型的に形成される温度よりも僅かに高い。アンモニアのエネルギ密度は比較的低く、３ガロンのアンモニアのエネルギ密度は１ガロンのガソリンにほぼ相当し、約２．３５ポンドのアンモニアのエネルギ密度は１ポンドのガソリンに相当する。

本発明のエンジンに燃料としてアンモニアを使用すると興味深い可能性がある。アンモニアの低いエネルギ容量の一部は、圧縮点火エンジンの高圧縮比に起因する高効率によって形成される。また、アンモニアの遅い火炎伝播速度は、圧縮点火エンジンに帰結するものではない。最後に、沸点が低いので、アンモニアは気体燃料として又は液体燃料として、又は二者択一的に使用でき、本発明のエンジンにおいては気体燃料及び液体燃料の両方で使用できる。冷間始動のために、実質的に吸入空気を加熱して、従来の圧縮点火を得るために上死点近傍又は上死点においてアンモニアの噴射を開始することで、従来の圧縮点火サイクルを利用して始動できる。一度エンジンが稼働すると、高温の排気ガスを吸気行程の期間に燃焼シリンダに再循環することができ、液体又は好ましくは気体アンモニアを吸気行程の期間に噴射される燃料とすることができる（図３の上側のカーブ参照）。所望であれば、吸気行程の期間に噴射されるアンモニア量は、後続の燃焼行程で使用されるアンモニア量の全てを占めることができ、点火時に燃焼室に存在する空気量（酸素）が制限されて（燃料リッチ）、燃焼室のピーク温度をＮＯｘ生成に必要な温度未満に制限でき、点火後の空気噴射は、燃焼を持続して爆発行程の期間中に燃焼室のアンモニアを全て消費する。吸気行程の期間に追加の空気を取り込むことなく次のサイクル期間に燃焼を開始するように、爆発行程の後に燃焼室に十分な過剰酸素が存在できること、及び、全ての燃料が吸気行程の期間に噴射できるので爆発行程の期間に噴射される燃料はゼロとすることができることに留意されたい。

エンジン運転温度でエンジンヘッドの噴射装置から液体アンモニアを噴射することは、この温度でのアンモニアの蒸気圧、及びエンジン停止時のエンジン温度ピークが噴射を不可能にする場合があるので、非常に難しい。しかしながら、噴射は冷間エンジンでは可能であり、又はその代わりに、前述のように通常のディーゼルサイクルにディーゼル燃料を使用して始動することができる。しかしながら、気体アンモニアは、図３の上側のカーブに示すように、爆発行程の期間に、燃焼室の圧力を適切に幾分超える蒸気圧まで、アンモニアを排気ガスで加熱することで、例えばエンジンバルブＩＮ１の内側バルブから噴射できる。これは本質的に、燃料及び爆発行程の期間に噴射されるかなりの量の高圧ガスとして、排気ガス熱で加熱される前に、小容積の液体アンモニアを図５のポンプＰで供給することで排気ガス熱の一部を回収する。

既存のエンジンは、エンジンヘッドを本発明のヘッド構造の１つを組み込んだエンジンヘッドに変更することで、本発明の二元燃料エンジンに改造して運転することができる。

本明細書では、本発明の特定の好ましい実施形態を開示し説明しているがこれは例示目的であり本発明を限定するものではなく、当業者であれば形状及び詳細構造の種々の変更が本発明の精神及び範囲を逸脱することなく可能であることを理解できるはずである。

Claims (24)

1. 気体燃料及び／又は液体燃料で運転可能なエンジンにおいて、
   装置はエンジンヘッドを備え、前記エンジンヘッドはエンジンの各々のシリンダに関して、
   吸気マニホルドにつながる一対の吸気弁と、排気マニホルドにつながる一対の排気弁と、燃料噴射装置とを備え、
   第１の吸気弁及び第１の排気弁の各々は、前記吸気弁及び前記排気弁のそれぞれの内部に内側弁を有し、
   前記第１の吸気弁及び前記第１の排気弁の一方の前記内側弁は、気体燃料源に接続され、
   前記第１の吸気弁及び前記第１の排気弁の他方の前記内側弁は、空気貯蔵装置に接続され、
   前記燃料噴射装置は、液体燃料源に接続されて各々のシリンダに直接噴射を行うようになっていることを特徴とする装置。
2. エンジンの各々のシリンダに関して、
   前記第１の吸気弁の前記内側弁は、前記気体燃料源に接続され、
   前記第１の排気弁の前記内側弁は、前記空気貯蔵タンクに接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記空気貯蔵装置は空気レールであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 記空気貯蔵装置は空気貯蔵タンクに接続される空気レールであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記エンジンは多気筒エンジンであり、前記空気貯蔵装置は、各々のシリンダに関する前記第１の吸気弁及び前記第１の排気弁の一方の前記内側弁に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 燃料噴射装置作動オイルを加圧下で前記燃料噴射装置へ供給するオイルレールを更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 前記エンジンの各々のシリンダに関して、両吸気弁及び両排気弁の各々は、それぞれの吸気弁及び排気弁の内部に内側弁を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. 前記空気圧貯蔵装置は、高圧空気貯蔵装置であり、
   前記第１の吸気弁の一方及び前記第１の排気弁の一方の前記内側弁は、低圧空気貯蔵装置に接続され、前記低圧空気貯蔵装置は、前記高圧空気貯蔵装置よりも低い低圧空気を貯蔵することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 気体燃料及び液体燃料で運転可能なエンジンにおいて、
   装置は多気筒用のエンジンヘッドを備え、前記エンジンヘッドはエンジンの各々のシリンダに関して、
   吸気マニホルドにつながる一対の吸気弁と、排気マニホルドにつながる一対の排気弁と、燃料噴射装置とを備え、
   第１の吸気弁及び第１の排気弁の各々は、前記吸気弁及び前記排気弁のそれぞれの内部に内側弁を有し、
   前記第１の吸気弁及び前記第１の排気弁の一方の前記内側弁は、気体燃料源に接続され、
   前記第１の吸気弁及び前記第１の排気弁の他方の前記内側弁は、空気貯蔵装置に接続される空気レールに接続され、
   前記燃料噴射装置は、液体燃料源に接続されることを特徴とする装置。
10. エンジンの各々のシリンダに関して、
    前記第１の吸気弁の前記内側弁は、前記気体燃料源に接続され、
    前記第１の排気弁の前記内側弁は、前記空気貯蔵タンクに接続されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 燃料噴射装置作動オイルを加圧下で前記燃料噴射装置へ供給するオイルレールを更に備えることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
12. 前記エンジンの各々のシリンダに関して、両吸気弁及び両排気弁の各々は、それぞれの吸気弁及び排気弁の内部に内側弁を備えることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
13. 前記空気圧貯蔵装置は、高圧空気貯蔵装置であり、
    前記第１の吸気弁の一方及び前記第１の排気弁の一方の前記内側弁は、低圧空気貯蔵装置に接続され、前記低圧空気貯蔵装置は、前記高圧空気貯蔵装置よりも低い低圧空気を貯蔵することを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記エンジンは、カムレスエンジンであることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
15. 多気筒エンジンを気体燃料及び／又は液体燃料で運転する方法であって、
    少なくとも１つのシリンダを２行程サイクルの圧縮シリンダとして運転して吸入空気を圧縮する段階と、
    少なくとも１つのシリンダを４行程サイクルの燃焼シリンダとして運転する段階と、
    を含み、
    前記少なくとも１つのシリンダを４行程サイクルの燃焼シリンダとして運転する段階は、
    ａ） 吸気行程の期間に、前記燃焼シリンダに空気を取り込み、前記燃焼シリンダに前記燃料の一方を噴射し、前記燃焼シリンダに排気ガスを取り込み、
    ｂ） ａ）の吸気行程に続く圧縮行程の期間に前記燃焼シリンダの内容物を圧縮し、圧縮行程の終わり又はその近傍で圧縮点火することで燃焼を開始させ、
    ｃ） ｂ）の圧縮行程に続く爆発行程の期間に、気体燃料と、前記圧縮シリンダとして作動するシリンダで圧縮された吸入空気とを、前記燃焼シリンダに噴射し、
    ｄ） ｃ）の爆発行程に続く排気行程の期間に、前記燃焼シリンダの内容物を排気し、
    ｅ） ａ）からｄ）を繰り返す、
    ことを特徴とする方法。
16. 前記ａ）で噴射される燃料は、気体燃料であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ａ）で噴射される燃料は、液体燃料であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ａ）で噴射される燃料は、ディーゼル燃料であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
19. 前記ａ）で噴射される燃料は、ある時は気体燃料、ある時は液体燃料であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
20. 前記ａ）で噴射される燃料は、ある時は液体燃料、ある時は気体燃料であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
21. 前記ａ）で噴射される燃料は、液体アンモニアであることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
22. 前記ａ）で噴射される燃料は、気体アンモニアであることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
23. 前記ｃ）で噴射される燃料は、気体アンモニアであることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
24. 前記多気筒エンジンは、カムレスエンジンであることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

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