JP2022537229A - アンモニア燃料をレシプロエンジンに噴射する方法 - Google Patents

Abstract

液体または気体のアンモニア燃料を少なくとも２つのシリンダを含むレシプロエンジンに噴射する方法。この方法は、アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に、それぞれのシリンダの少なくとも１つの排気バルブが、実質的に閉じた後、およびそれぞれのピストンが、上死点前最大でも３５度、好ましくは最大でも４５度に移動する前の時期調整により、少なくとも１つの燃料ジェットとして噴射するステップを含む。

Description

優先権相互参照
本出願は、２０１９年６月１９日出願の豪州仮特許出願第２０１９９０２１３７号による優先権を主張するものであり、その内容は、これを参照することによって本明細書に組み込まれていることを理解されたい。

本発明は、一般に、アンモニア燃料をレシプロエンジンに噴射する方法に関する。本発明は、詳細には、２サイクルおよび４サイクルを有するトランクピストンエンジンおよびクロスヘッドエンジンに適用可能であり、本明細書において以下、本発明をその例示的な適用例に関して開示するのが好都合であろう。ただし、本発明は、その適用例のみに限定されるものではなく、種々のタイプのレシプロエンジン／内燃エンジンにおいて使用されることもあり得ることを理解されたい。

本発明に対する背景技術の次の議論は、本発明の理解を容易にすることを意図している。ただし、この議論は、参照される資料はいずれも、本出願の優先日時点において、公開されていること、知られていること、または通常の一般常識の一部であることを認めるものでも、または許容するものでもないことを認識されたい。

現在、再生可能エネルギーから生成されたアンモニア系燃料をレシプロエンジン、具体的には圧縮着火（ディーゼル）エンジンに燃料供給することに世界的な関心が集まっている。アンモニア（アンモニア濃度が相対的に低いアンモニア水溶液と区別するために無水アンモニアとも呼ばれる）は、費用対効果の高い、環境に優しい、ゼロ炭素燃料をもたらす可能性がある。

圧縮着火（ディーゼル）エンジンにおいてアンモニアを効率的に使用するための１つの問題は、いかにしてエンジンに燃料を導入または噴射するかということである。４ストロークエンジンを使用するこれまでの技術には、次を含むいくつかのスキームが用いられている：
Ａ．ターボチャージャーが装備されている場合の、ターボチャージャーの前か後かのいずれかのエンジン空気吸入システムへの液体アンモニアのフラッシングによる燻蒸。着火は、ディーゼル燃料のパイロット噴射によって開始される。これは、最も簡単な燃料供給方法である。しかしながら、ほとんどのエンジンにおいては、排気／吸入バルブがオーバーラップして、アンモニアを含有した燃焼用空気が排気に迂回することになり、排気ガス中に望ましくない高いレベルの未燃アンモニアがもたらされる。この問題は、シリンダ掃気周期中、排気への燃焼用空気の迂回がはるかにより高度に必要なユニフロー２ストロークエンジンにとっては特に問題となる。ユニフロー２ストロークエンジンの場合、この方法はまた、危険な掃気ボックス火災、およびアンモニア蒸発の強い冷却効果による掃気ベルトの歪みの可能性も高める。
Ｂ．ターボチャージャーが装備されている場合の、ターボチャージャーの前か後かのいずれかのエンジン空気吸入システムへの蒸発したアンモニアの燻蒸。着火は、ディーゼル燃料のパイロット噴射によって開始される。これは、液体アンモニアの燻蒸の問題と同様の問題を孕み、気体アンモニアが使用されるとき、この方法はまた、圧縮作業を減らす際のシリンダ給気冷却の可能性も低下させる。
Ｃ．従来型ディーゼル燃料エンジンと同様の方式でのシリンダへの液体アンモニアの直接噴射。着火は、ディーゼル燃料のパイロット噴射によって開始される。この方法は、次の理由により、効率的なアンモニア燃焼を達成することが最も困難である。
－ディーゼル燃料に対して相対的な蒸発熱が高いことに起因して、アンモニア噴霧の蒸発率が相対的に低いこと（低温の未蒸発アンモニアが、高温のエンジン部品上、特にピストン上に衝突し、アンモニアの大きな蒸発潜熱に起因する熱応力問題の可能性を伴う）、
－燃焼空間におけるアンモニア／空気の不均一な混合により、燃焼がより緩慢であること、
－アンモニアが圧縮ストロークにおける後半で追加されること（その結果、この方法においては、圧縮作業を減らす給気冷却の効果を低下させ、それによって、全体的な熱効率が低減することになる）、および
－局所的に温度が高くなることにより、ＮＯｘがより高くなること。

そのため、これらの問題を軽減および／または回避し、アンモニア燃焼を改善しおよび／または熱効率を高めたレシプロエンジンを提供することが望ましい。

本発明は、レシプロエンジンにおけるアンモニアの着火および燃焼を改善するための方法を提供する。

本発明の第１の態様は、液体または気体のアンモニア燃料を少なくとも２つのシリンダを含むレシプロエンジンに噴射する方法を提供し、各シリンダは、そのシリンダ内で往復移動するピストンを含み、各シリンダは、ピストンの圧縮端に対向して位置する一方の端部にヘッド位置を有し、圧縮端とヘッド位置との間に燃焼室を画定し、シリンダは、燃焼ガスが燃焼室に供給される少なくとも１つの吸入バルブ、および使用済みの燃焼ガスが燃焼室から出ていく少なくとも１つの排気バルブを含み、ピストンは、ピストンがヘッド位置の最も近くに位置する上死点とピストンがヘッド位置から最も遠くに位置する下死点との間のサイクルでシリンダを移動し、各シリンダは、ヘッド位置に、またはヘッド位置内に位置する少なくとも１つの燃料噴射器をさらに含み、
方法は、
アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に、
それぞれのシリンダの少なくとも１つの排気バルブが、実質的に閉じた後、および
それぞれのピストンが、上死点前最大でも３５度、好ましくは最大でも４５度に移動する前
の時期調整（ｔｉｍｉｎｇ）により、少なくとも１つの燃料ジェットとして噴射するステップ
を含む。

燃料噴射は、排気への未燃アンモニア損失を制限するために少なくとも１つの排気バルブが実質的に閉じた後に時期調整されていることを認識されたい。

有利には、本発明の方法は、液体または気体のアンモニア燃料を使用して内燃エンジンにおけるアンモニアの着火および燃焼を改善する。本発明はまた、シリンダへの噴射後のアンモニア蒸発を改善することができ、それにより、エンジンの圧縮作業が低減され、この場合、燃料／空気の混合がより均質になることにより、ユニフロー２ストロークエンジンのＮＯｘ、窒素系粒子状排出物も低減される。

本発明者は、いずれか１つの理論に限定されることを望んでいるわけではないが、エンジンにおけるアンモニアの燃焼には、特にユニフロー２ストロークエンジンについては、別のアンモニア噴射方法が必要であることを発見した。本発明者は、蒸発、および燃焼用空気との混合に対する時間を増やすことを可能にするには、着火のかなり前にアンモニアをシリンダに噴射することが必要であることを見出した。また、着火は、ピストン行程に対する相対的な噴射点の位置、ならびにピストンの移動および場所に対する相対的な噴射時期調整を考慮することにより促進されることもわかった。また、アンモニアの自己着火温度が高いこと、およびアンモニア噴射の冷却効果を含むいくつかの要因により、過早着火のおそれなくアンモニアの早期噴射が達成可能であることも見出された。

本発明において噴射される液体または気体のアンモニア燃料は、好ましくは、無水アンモニアを含む。このアンモニアは、典型的には、アンモニア濃度が相対的に低いアンモニア水溶液ではない。アンモニア燃料中のアンモニア含有量は、高い／相当多いことが好ましい。この方法を使用して噴射されるアンモニア燃料は、気体のアンモニア燃料または液体のアンモニア燃料のうちの少なくとも一方であることが好ましい。いくつかの実施形態においては、アンモニア燃料は、液体アンモニアと、水または別の燃料のうちの少なくとも一方との配合物を含む。アンモニア燃料は、好ましくは、液体アンモニアと、様々な量の他の可溶性の、混和可能なエマルジョン燃料またはスラリー状燃料との配合物を含むことができる。例としては、着火、燃焼、潤滑を促進させ、またはＮＯｘもしくは粒子状排出物を低減させるために追加される鉄ピクリン酸塩溶液、ヒドラジン、硝酸アンモニウム、様々な含酸素液体が挙げられるが、これらに限定するものではない。

本発明は、そのようなアンモニア燃料をレシプロエンジン、より好ましくは、内燃エンジンにおいて使用するのに適用可能である。本発明は、圧縮着火エンジン、または火花着火エンジン、プラズマ着火エンジン、もしくはレーザ着火エンジンを含む種々の内燃エンジンにおいて使用され得る。これらの実施形態においては、ヘッド位置は、好ましくは、シリンダヘッドを含むことになる。

本発明の態様は、対向ピストンエンジンおよびフリーピストンエンジンにも適用可能である。これらの実施形態においては、各シリンダは、好ましくは、そのシリンダ内で対向方向に往復移動してヘッド位置に圧縮端をおよび圧縮端間に燃焼室を形成する２つのピストン、燃焼ガスが燃焼室に供給される少なくとも１つの吸入バルブまたは吸入ポート（典型的には、シリンダ側壁内に位置する）、ならびに使用済みの燃焼ガスが燃焼室から出ていく少なくとも１つの排気バルブまたは排気ポート（典型的には、シリンダ側壁内に位置する）を含み、ピストンは、ピストンが、対向するピストンの最も近くに位置する上死点と、ピストンが、対向するピストンから最も遠くに位置する下死点との間のサイクルでシリンダを移動し、各シリンダは、シリンダの壁面内に位置する少なくとも１つの燃料噴射器をさらに含む。

対向ピストンエンジンおよびフリーピストンエンジンの実施形態においては、ピストンのヘッド（大抵の場合には、その上のリング）は、吸入バルブおよび排気バルブを一緒に形成する、シリンダの壁面内のポートをカバーするように、およびカバーしないように機能する。したがって、吸入バルブ／ポートおよび排気バルブ／ポートはそれぞれ、それぞれのピストンストローク中、それぞれのピストンによってカバーされない。この場合、一方のピストンは、燃焼ガスが燃焼室に供給されるそのピストンの最外行程に最も近い少なくとも１つの吸入バルブポートをカバーしない内面を有し、他方の対向するピストンは、使用済みの燃焼ガスが燃焼室から出ていくそのピストンの最外行程に向かって少なくとも１つの排気バルブをカバーしない内面を有する。

本発明は、クランクを備えていない対向ピストンエンジンおよびフリーピストンエンジンに適用可能であることを認識されたい。これらのエンジンは、リニア発電機を使用して、電力を取り出し、圧縮を駆動させることができる。いくつかの形式では、対向ピストンエンジンは、一方の端部に掃気ベルトを有し、他方の端部に排気ベルトを有することができる。

圧縮着火エンジンは、エンジンシリンダの燃焼室に噴射される燃料の着火が、機械的な圧縮によるシリンダ内の空気の昇温によってもたらされる内燃エンジンのタイプである。燃焼によって生成される高温で高圧のガスが膨張すると、シリンダ内でピストンの運動を駆動させるための直接力が加えられ、それにより、ひいては、エンジンの被駆動部の運動を駆動する。圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンなどのエンジンを含む。ただし、本発明の圧縮着火エンジンが、ディーゼル型のエンジン形態に限定するものではないことを理解されたい。

シリンダ位置は、シリンダの最上限もしくは上限または最上点もしくは上点を画定し、シリンダは、この最上限もしくは上限または最上点もしくは上点に向けて移動することを認識されたい。多くのシリンダ形態においては、ヘッド位置は、シリンダヘッドによって画定される。ただし、シリンダヘッドを含まないそれらのシリンダ形態、たとえば、対向ピストンエンジンおよびフリーピストンエンジンにおいては、ヘッド位置は、圧縮および排気ストロークでのシリンダにおけるその移動の最大最上限をマーキングするシリンダ内の点を含む（後述する）。

また、そのそれぞれのシリンダ内でのピストンの上死点は、ピストンが、その往復移動中、シリンダ内でシリンダヘッド／ヘッド位置に最も近い場所にある場合であり、下死点は、その往復移動中、シリンダヘッド／ヘッド位置から最も遠くに離間されている場所にある場合であることも認識されたい。マルチシリンダエンジンにおいては、ピストンは、エンジン形態に応じて、上死点に同時に到達することも、または異なる時点に到達することもある。レシプロエンジンにおいては、ピストン１番の上死点は、着火システム測定が行われ、点火順序が決定される点である。たとえば、着火時期調整は、通常、上死点前(before top dead centre: BTDC)のクランクシャフト回転度として指定される。

ほとんどのレシプロエンジンにおいては、ピストンは、次のように一連の繰り返されるストロークサイクルで、シリンダ内を特定のストロークサイクル（往復移動／往復サイクル）で移動する：
吸入ストローク。ここでは、排気バルブは閉じ、吸入バルブは開いており、ピストンは、初期には上死点に近接して位置しているがヘッド位置から離間しており、ヘッド位置から離れて移動して、燃料／空気混合物（または直噴エンジンの場合には、空気単独）をピストン内に吸い込む。
圧縮ストローク。ここでは、排気バルブおよび吸入バルブは閉じており、ピストンは、初期には下死点に位置し、ヘッド位置に向かって移動して、燃焼室における空気／燃料混合物（または直噴エンジンの場合には、燃料が燃焼室に噴射されるまでは空気単独）を圧縮する。この位相の終わりにかけて、燃料／空気混合物は、たとえば、ガソリンエンジンの場合には火花プラグもしくは他の着火手段によって、またはディーゼルエンジンなどの圧縮着火エンジンの場合には自己着火によって着火される。
燃焼ストローク。ここでは、排気バルブおよび吸入バルブは閉じており、ピストンは、初期には上死点に位置し、着火された燃料混合物は膨張すると、ヘッド位置とピストンヘッド（ピストンの圧縮端）との間の燃焼室によってヘッド位置から離れて押し出される。
排気ストローク。ここでは、排気バルブは開き、吸入バルブは閉じており、ピストンは、初期には下死点に位置し、ヘッド位置に向かって移動して、排気バルブを介して使用済みの燃焼ガスを放出する。このストロークサイクルが繰り返される。

圧縮ストローク中、燃料が直噴エンジンの燃焼室に噴射されて、燃焼ストロークを起こすことが可能になることを認識されたい。また、燃焼ガスは、空気、またはＯ_２および／もしくは他の可燃物を含んだ空気を含むことも認識されたい。

この繰り返されるストロークサイクルの文脈においては、アンモニア燃料は、好ましくは、エンジンサイクルの圧縮ストローク中、各シリンダの燃焼室に噴射される。この文脈においては、アンモニア燃料は、その燃焼ストロークにおいて、圧縮によって（圧縮着火エンジン）、または火花、プラズマ、レーザの燃焼イニシエータによって燃焼される。

上記のピストン移動の文脈においては論じていないが、本発明のシリンダおよびピストンは、従来型レシプロエンジン、より具体的には、内燃エンジンの機能を動作させ、組み込んでいることが可能であることを理解されたい。たとえば、多くの内燃エンジンにおいては、各ピストンの基部は、好ましくは、連接棒に連接され、連接棒は、クランクシャフトに連接されている。各ピストンの往復移動により、そのクランクシャフトの回転が駆動する。したがって、連接棒は、クランクシャフトの回転運動をそのシリンダ内のピストンの前後運動に変換する。シリンダは、一方の端部にシリンダヘッドを有し、他方の端部では、連接棒がその作業を行えるようにするために開いている。ピストンは、２つ以上のピストンリングによってそれぞれのシリンダに効果的に封止されている。ただし、この場合も、他の形態が可能であることを認識されたい。たとえば、エンジンは、クランクの代わりに、リニア発電機を使用して、電力を取り出し、圧縮を駆動させることができる。

上記の文脈においては、また、本明細書全体を通して参照される度単位のピストンの移動は、クランクの度単位、すなわち、ピストンの被駆動往復移動に対応するクランクの相対回転であることも認識されたい。上死点間のピストンの往復移動の各完全サイクルは、クランクシャフトの３６０度移動に対応する。

このピストン構成の特徴および関連のエンジン形態の特徴は、当技術分野においてよく知られている。そのような内燃エンジンの動作および形態が当業者によってよく理解され、本発明による液体または気体のアンモニア燃料をレシプロエンジンに噴射するための方法の特徴は、本明細書の教示に続いて、当業者によって従来型レシプロエンジンに容易に採用され得る可能性があることを理解されたい。

本発明のこの第１の態様は、典型的には、燃料噴射器がそのシリンダのシリンダヘッド内のヘッド位置に、またはヘッド位置内に位置する場合の直噴エンジンに関する。種々の噴射器形態が可能である。たとえば、燃料噴射器は、シリンダヘッドの中心に位置する単一の燃料噴射器、またはシリンダヘッドの直径にわたって離間されている少なくとも２つの燃料噴射器のうちの少なくとも一方を含むことができる。いくつかの実施形態においては、燃料噴射器は、シリンダの中心付近に位置し付近の燃料ジェットが下方に向けられている少なくとも１つの半軸流ノズル燃料噴射器(semi-axial nozzle fuel injector)を含む。他の実施形態においては、燃料噴射器は、シリンダの壁面付近に位置し付近の半軸流燃料ジェットがピストンに向かって下方に向けられている少なくとも１つの半軸流吐出ノズル液体アンモニア噴射器を含む。

先に述べたように、アンモニア燃料を使用する着火は、ピストン行程に対する相対的な噴射点の位置、ならびにピストンの移動および場所に対する相対的な噴射の時期調整を考慮することにより促進されることもわかっている。

いくつかの実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、
少なくとも１つの排気バルブが、実質的に閉じた後、および
ピストンが、上死点前３５度に移動する前
の時期調整により、噴射される。

他の実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、
少なくとも１つの排気バルブが、実質的に閉じた後、および
ピストンが、上死点前４５度に移動する前
の時期調整により、噴射される。

また、アンモニア燃料を使用する着火は、アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に噴射する時期調整が、少なくとも１つの吸入バルブが閉じた後にも行われたとき、促進されることがわかっている。これにより、燃料吸入／取込みバルブへのアンモニア燃料および燃焼ガスの漏れが軽減される。したがって、特定の実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、
少なくとも１つの排気バルブが、実質的に閉じた後、
少なくとも１つの吸入バルブが閉じた後、および
ピストンが、上死点前３５度に移動する前
の時期調整により、噴射される。

いくつかの実施形態においては、後述するように、燃料ジェットがシリンダに入る角度は重要であることもわかっている。これらのパラメータが、たとえば本発明の２つの態様において述べているように、異なるピストン／シリンダの形態について異なっている場合があることを認識されたい。

諸実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、燃料ジェットがそれぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－３５°の間の角度をなすジェット中心線を有してシリンダに入るように噴射される。いくつかの実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、燃料ジェットがそれぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－５０°の間、好ましくは、－９０°～－６５°の間の角度をなすジェット中心線を有してシリンダに入るように噴射される。

他の実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、燃料ジェットがそれぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－３０°の間の角度をなすジェット中心線を有してシリンダに入るように噴射される。

特定の実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、燃料ジェットがそれぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－６５°の間の角度をなすジェット中心線を有してシリンダに入るように噴射され、ここでは、噴射は、少なくとも１つの排気バルブが閉じた後、およびピストンが上死点の３５度に移動する前に行われるように時期調整されている。

他の実施形態においては、アンモニア燃料は、各シリンダの燃焼室に、燃料ジェットがそれぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－５０°の間の角度をなすジェット中心線を有してシリンダに入るように噴射され、ここでは、噴射は、少なくとも１つの排気バルブが閉じた後、およびピストンが上死点の４５度に移動する前に行われるように時期調整されている。

本発明のこの第１の態様の方法は、圧縮着火エンジン、または火花着火エンジン、プラズマ着火エンジン、もしくはレーザ着火エンジンのうちの少なくとも１つを含む種々のタイプのレシプロエンジンにおいて使用され得る。そのレシプロエンジンは、２ストロークエンジンであっても、または４ストロークエンジンであってもよい。同様に、そのレシプロエンジンは、クロスヘッドユニフローエンジンであっても、またはトランクユニフローエンジンであってもよい。

本発明の方法は、有利には、低速、中速、および高速のエンジン、トランクピストンおよびクロスヘッドの両エンジン、２ストロークサイクルおよび４ストロークサイクル、ならびに火花着火エンジン、プラズマ着火エンジン、またはレーザ着火エンジンに使用され得る。本発明は、従来型トランクピストン２ストロークエンジンに特に適用可能であり、たとえばより低速なクロスヘッドエンジンの場合、深海船舶に使用される。本発明の第１の態様の特定の実施形態は次の通りである。

トップ噴射（噴射器がシリンダヘッド内に位置する）トランクピストンユニフロー２ストロークエンジンの場合、本発明の第１の態様の方法は、アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に、－９０°および－３５°の角度Ａをなす少なくとも１つの燃料ジェットとして、あるいは１以上の燃料ジェットとして噴射するステップを含み、アンモニア燃焼噴射は、排気バルブが閉じた後、およびクランクが上死点の４５度前に行われるように時期調整されている。

トップ噴射（噴射器がシリンダヘッド内に位置する）クロスヘッドユニフロー２ストロークエンジンの場合、本発明の第１の態様の方法は、アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に、１以上の燃料ジェットが－９０°～－３０°の間の角度Ａをなすように噴射するステップを含み、アンモニア燃料噴射は、排気バルブが閉じた後、およびクランクが上死点の３５度前に行われるように時期調整されている。

本発明の第２の態様は、液体または気体のアンモニア燃料を少なくとも２つのシリンダを含むレシプロエンジンに噴射する方法を提供し、各シリンダは、そのシリンダ内で往復移動するピストンを含み、各シリンダは、ピストンの圧縮端に対向して位置する一方の端部にヘッド位置を有し、圧縮端とヘッド位置との間に燃焼室を画定し、シリンダは、燃焼ガスが燃焼室に供給される少なくとも１つの吸入バルブ、および使用済みの燃焼ガスが燃焼室から出ていく少なくとも１つの排気バルブを含み、ピストンは、ピストンがヘッド位置の最も近くに位置する上死点とピストンがヘッド位置から最も遠くに位置する下死点との間のサイクルでシリンダを移動し、各シリンダは、ヘッド位置から離間されているシリンダの壁面内に位置する少なくとも１つの燃料噴射器をさらに含み、この噴射器は、燃料を燃焼室に噴射するように位置決めされ、
方法は、
アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に、燃焼ジェットがそれぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－８０°～８０°の間の角度をなすジェット中心線を有して燃焼室に入るように少なくとも１つの燃料ジェットとして噴射するステップ
を含み、
噴射は、
それぞれのシリンダの少なくとも１つの排気バルブが、実質的に閉じた後、および
少なくとも１つの燃料噴射器が、各それぞれのシリンダ内の下死点から上死点に移動する際のそれぞれのピストンによってカバーされる前に
行われるように時期調整されている。

本発明のこの第２の態様はまた、液体または気体のアンモニア燃料を使用して内燃エンジンにおけるアンモニアの着火および燃焼を改善する本発明の方法を提供する。本発明のこの第２の態様は、燃料噴射器または複数の燃料噴射器が、シリンダの壁面内に位置する直噴エンジンに関する。ただし、本発明の第１の態様に関して説明した先に論じた利点、ピストンストロークサイクル、およびエンジン構成部品などが、本発明のこの第２の態様に同様に適用されることを認識されたい。

第１の態様について述べたように、シリンダ位置は、ピストンがシリンダ内でのその往復運動において移動して向かうシリンダの最上限もしくは上限または最上点もしくは上点を画定する。多くのシリンダ形態においては、ヘッド位置は、シリンダヘッドによって画定される。ただし、シリンダヘッドを含まないそれらのシリンダ形態、たとえば、対向ピストンエンジンおよびフリーピストンエンジンにおいては、ヘッド位置は、圧縮および排気ストロークでのシリンダにおけるその移動の最大最上限をマーキングするシリンダ内の点を含む（後述する）。また、先に論じたエンジンタイプは、本発明のこの第２の態様にも適用可能であることを理解されたい。

アンモニア燃料は、気体のアンモニア燃料または液体のアンモニア燃料のうちの少なくとも一方であることが好ましい。いくつかの実施形態においては、アンモニア燃料は、液体アンモニアと、水または別の燃料のうちの少なくとも一方との配合物を含む。アンモニア燃料は、好ましくは、液体アンモニアと、様々な量の他の可溶性の、混和可能なエマルジョン燃料またはスラリー状燃料との配合物を含むことができる。例としては、着火、燃焼、潤滑を促進させ、またはＮＯｘもしくは粒子状排出物を低減させるために追加される鉄ピクリン酸塩溶液、ヒドラジン、硝酸アンモニウム、様々な含酸素液体が挙げられるが、これらに限定するものではない。

この場合も、燃料噴射は、排気への未燃アンモニア損失を制限するために少なくとも１つの排気バルブを実質的に閉じた後に時期調整されている。さらには、先に論じた繰り返されるストロークサイクルの文脈においては、アンモニア燃料は、好ましくは、エンジンサイクルの圧縮ストローク中、各シリンダの燃焼室に噴射される。この文脈においては、アンモニア燃料は、その燃焼ストロークにおいて、圧縮によって（圧縮着火エンジン）、または火花、プラズマ、レーザの燃焼イニシエータによって燃焼される。

上に示したように、本発明のこの第２の態様は、燃料噴射器または複数の燃料噴射器が、シリンダの壁面内に位置する直噴エンジンに関する。噴射器は、好ましくは、上死点と下死点との間のピストンの移動（すなわち、ピストン／最上部の行程）に対するシリンダの下側半分の中のシリンダ側壁内に位置する。そのため、燃料ジェットは、シリンダの下部半分に噴射される。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの燃料噴射器は、少なくとも１つの燃料噴射器とシリンダヘッドとの間のシリンダの上側部分、および少なくとも１つの燃料噴射器と下死点にあるときのピストンとの間の下側部分を画定するように、シリンダヘッドから離間されているシリンダの壁面内に位置する。これらの実施形態においては、燃料ジェットは、シリンダの上側部分または下部部分に噴射され得る。

種々の噴射器形態が可能である。たとえば、燃料噴射器は、単一の燃料噴射器、またはシリンダの壁面の外周周りに円周方向に離間された少なくとも２つの燃料噴射器のうちの少なくとも一方を含むことができる。いくつかの実施形態においては、燃料噴射器は、ピストンが下死点にあるときの燃焼室の中心付近に位置し付近の燃料ジェットが下方に向けられている少なくとも１つの半軸流ノズル燃料噴射器を含む。他の実施形態においては、燃料噴射器は、シリンダの壁面内に低く配置された少なくとも１つの液体アンモニア噴射器を含む。シリンダの壁面内の低い場所は、典型的には、ピストンが下死点にあるときのシリンダヘッドよりもピストンの圧縮端に近いことを含む。

また、本発明のこの第２の態様におけるアンモニア燃料を使用する着火は、アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に噴射する時期調整が、少なくとも１つの吸入バルブが閉じた後にも行われたとき、促進されることがわかっている。これにより、燃料吸入／取込みバルブへのアンモニア燃料および燃焼ガスの漏れが軽減される。

第１の実施形態と同様に、後述するように、燃料ジェットがシリンダに入る角度は重要であることもわかっている。これらのパラメータが、たとえば本発明の２つの態様において述べているように、異なるピストン／シリンダ形態によって異なることがあることを認識されたい。

諸実施形態においては、少なくとも１つの燃料ジェットは、それぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－８０°および４０°の角度をなすジェット中心線を有して燃焼室に噴射される。

いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの燃料ジェットは、それぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－８０°および０°の角度をなすジェット中心線を有して燃焼室に噴射される。

他の実施形態においては、少なくとも１つの燃料ジェットは、それぞれのシリンダの中心線に垂直な基線に対して－８０°および－４０°の角度をなすジェット中心線を有して燃焼室に噴射される。

本発明のこの第２の態様の方法は、圧縮着火エンジン、または火花着火エンジン、プラズマ着火エンジン、もしくはレーザ着火エンジンのうちの少なくとも１つを含む種々のタイプのレシプロエンジンにおいて使用され得る。そのレシプロエンジンは、２ストロークエンジンであっても、または４ストロークエンジンであってもよい。同様に、このレシプロエンジンは、クロスヘッドユニフローエンジンであっても、またはトランクユニフローエンジンであってもよい。

この場合も、本発明の方法は、有利には、低速、中速、および高速のエンジン、トランクピストンおよびクロスヘッドの両エンジン、２ストロークサイクルおよび４ストロークサイクル、ならびに火花着火エンジン、プラズマ着火エンジン、またはレーザ着火エンジンに使用され得る。本発明は、従来型トランクピストン２ストロークエンジンに特に適用可能であり、たとえばより低速なクロスヘッドエンジンの場合、深海船舶に使用される。本発明の第２の態様の特定の実施形態は次の通りである。

サイド噴射（噴射器がシリンダの壁面内に位置する）トランクピストンユニフロー２ストロークエンジンの場合、本発明の第２の態様の方法は、アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に、－８０°～８０°の角度で１以上の燃料ジェットとして燃焼室に噴射するステップを含み、アンモニア燃焼噴射は、排気バルブが閉じた後、およびピストンが噴射ポートをカバーする前に行われるように時期調整されている。噴射器は、上死点と下死点との間のピストンの圧縮端の行程（ピストン／最上部の行程）に対するシリンダの下側半分の中にあることが好ましい。

サイド噴射器クロスヘッドユニフロー２ストロークエンジンの場合、本発明の第２の態様の方法は、アンモニア燃料を各シリンダの燃焼室に、－８０°～８０°の角度Ａをなす１以上の燃料ジェットとして燃焼室に噴射するステップを含み、アンモニア燃料噴射は、排気バルブが閉じた後、およびピストンが噴射ポートをカバーする前に行われるように時期調整されている。噴射器は、上死点と下死点との間のピストンの圧縮端の行程に対するシリンダの下側半分の中にあることが好ましい。

本発明の第１の態様および第２の態様の両方の実施形態においては、噴射器は、液体アンモニアを噴射し、次いでディーゼルなどのパイロット燃料を噴射することの両方を行うように機能することが可能になる。好ましくは、噴射器は、アンモニア燃料およびパイロット燃料のための別個のノズルを有することになる。これらの実施形態においては、本発明の方法は、各シリンダの燃焼室へのアンモニア燃料の噴射に続いて、パイロット燃料、好ましくはディーゼルを燃焼室に噴射するステップをさらに含むことになる。アンモニア燃料は、本発明に従って噴射されることになり、パイロット燃料は、好ましくは、所要の燃焼発現の寸前、好ましくは、燃焼室における燃料の所要の燃焼発現の直前に噴射される。この実施形態においては、パイロット噴射の量は、有利には、液体アンモニアを使用する前に、エンジンを始動および暖機するのに使用することも、ならびに／または低負荷運転に使用することも可能であり得るが、通常の運転では、燃料エネルギーの２～５％を着火に要すことになるだけである。

次に、本発明について、本発明の特定の好ましい実施形態を示している添付の図面の図を参照して説明する。

噴射器を介してエンジンのシリンダ内に噴射される燃料のジェット角度を決定するのに本明細書に使用される方法論を示す図である。 エンジンのシリンダのシリンダ中心線に対する相対的な燃料ジェット角度を指定するのに使用されるシステムを示す図である。 シリンダの中心付近に位置し、燃料ジェットが外方に向けられている径方向流ノズル燃料噴射器(radial nozzle fuel injector)を示す従来型（従来技術）トランクユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダの概略的断面略図である。 （Ａ）は、シリンダの壁面付近に位置し、燃料ジェットが径方向内方に向けられている、シリンダのサイド吐出燃料噴射器を示す従来型（従来技術）クロスヘッドユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダの概略的断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示されている噴射器および基線Ｘに対して測定された燃料ジェットおよび燃料ジェット角度Ａの拡大図である。 シリンダの中心付近に位置し、付近の燃料ジェットが下方に向けられている半軸流ノズル燃料噴射器を示す本発明の１つの実施形態による噴射器形態を含むトランクユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダの概略的断面図である。明瞭にするために、パイロット噴射器／着火装置は図示していない。 シリンダの壁面付近に位置し、付近の半軸流燃料ジェットがピストンに向かって下方に向けられている半軸流吐出ノズル液体アンモニア噴射器を有する本発明の実施形態による噴射器形態を含む１つのシリンダのクロスヘッドユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダの概略的断面図である。明瞭にするために、パイロット噴射器／着火装置は図示していない。 シリンダの中心付近に位置し、付近の燃料ジェットが下方に向けられている半軸流ノズル燃料噴射器を示している本発明の実施形態による噴射器形態を含むトランクユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダの概略的断面図である。 シリンダの壁面内に低く配置され、様々なジェット位置合せの選択肢をもつ液体アンモニア噴射器を含む本発明の実施形態による噴射器形態を含むクロスヘッドユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダの概略的断面図である。明瞭にするために、パイロット噴射器／着火装置は図示していない。

本発明の方法は、気体または液体のアンモニア燃料を噴射する方法を提供し、この方法は、その液体または気体のアンモニア燃料を使用して内燃エンジンにおけるアンモニアの着火および燃焼を改善する。本発明はまた、シリンダへの噴射後のアンモニア蒸発を改善することができ、それにより、エンジンの圧縮作業が低減され、ユニフロー２ストロークエンジンのＮＯｘ、窒素系粒子状排出物も低減される。

ジェット燃料噴射角度
図１および図２は、燃料ジェット噴射器からシリンダエンジン（概略図の参照を容易にするために図示していない）の燃焼室に噴射される燃料ジェットの角度Ａを測定し、明治するために本明細書に使用されるシステムおよび方法論を示している。

第一に、図１に示されているように、燃料ジェット１１５が燃料噴射器１１０のノズル１１８から外に発散されると、噴射器１１０から噴射された燃料ジェット１１５は、ある程度の広がりを受けることになる。本明細書においては以降、燃料ジェットに関して参照されるすべての角度Ａは、ノズル１１８における噴射点Ｍから始まるそれぞれの燃料ジェット１１５のジェット噴霧の中心線Ｙを基準としている。

第二に、シリンダ内で噴霧される燃料ジェット１１５のすべての角度は、基線Ｘに対して測定される。基線Ｘは、それぞれのシリンダの中心線ＣＬに垂直な線である。参照を容易にするために、基線Ｘは、交点Ｉを介して燃料ジェット１１５の中心線Ｙと交わるように位置決めされて、ＸとＹの間の角度Ａを示すことができる。ただし、この基線は、燃料ジェット１１５の中心線Ｙに対する、任意の適切な場所での角度Ａの基準として使用することができることを認識されたい。

それぞれのシリンダの中心線ＣＬ、基線Ｘ、および燃料ジェット中心線Ｙを使用して、角度Ａは、燃料ジェット１１５が噴射器１１０のノズル１１８から出てシリンダの燃焼室に噴霧される角度を示す。

図２は、このシステムを使用してこの測定の６つの例を示している。すべての角度Ａは、各燃料ジェットの燃料ジェット中心線Ｙとそれぞれのシリンダの中心線ＣＬに垂直な基線Ｘとの間で測定される。図１において測定された例示的な角度を表１に示す。

この名称体系を使用すると、種々の燃料ジェットの角度Ａについて説明することができる。

燃料ジェット角度Ａについては、単一の平面におけるそれらの傾斜に関して説明することになるが、有利には、複合的なジェット角度が使用されることもあり得ることに留意すべきであり、ここでアンモニア燃料ジェットは、シリンダの排気ガス除去を改善するために、普通は掃気ベルトポートによって生じる燃焼用空気の渦流パターンで向けられるか、またはその渦流パターンに逆らって向けられる。燃料ジェット角度（Ａ）は、シリンダ中心線（ＣＬ）、およびシリンダ中心線（ＣＬ）に垂直な平面を基準とした真の角度として測定される。

従来の燃料噴射
本発明は、具体的には、ユニフロー２ストロークエンジンについて、異なるアンモニア噴射方法を使用することによって内燃エンジンにおける燃焼燃料としてアンモニアをより効果的に使用する。比較する点としては、図３および図４は、従来型（従来技術）トランクユニフロー２ストロークエンジン（図３）、および従来型（従来技術）クロスヘッドユニフロー２ストロークエンジン（図４）における燃料の燃料噴射方法を示す概略図を提供している。

まず、図３を参照すると、従来式に燃料供給したトランクピストンユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダ３００とピストン３０５との組合せの断面図が示されている。シリンダ３００は、シリンダヘッド３０８を含み、シリンダヘッド３０８は、シリンダ３００およびシリンダヘッド３０８の中心付近に位置する径方向流ノズル燃料噴射器３１０を有し、この径方向流ノズル燃料噴射器３１０は、燃料ジェット３１５を噴射器３１０からシリンダの壁面３１２に向かって外方に向けている。シリンダヘッド３０８は、排気排出バルブ３３０を含む。示されているように、ピストン３０５は、クランクシャフト（図示せず）に他方の端部で連接されている連接棒３２２を含む。シリンダ３００はまた、（ピストン３０５が、下死点に近いとき）ピストンストロークの下部に向かってピストン３０５によってカバーされない吸入ポート３３５を含む掃気機ベルト３６０を含む。この概略図においては、燃料は、噴射器３１０を介して、燃料ジェット３１５の中心線Ｙが基線Ｘに対して－３０°および＋５°の角度Ａを形成するように噴射される。噴射器３１０は、典型的には、ノズル内に４～１６個のオリフィスを含むことになる。燃料噴射イベントは、ピストンが圧縮ストロークの最上部に到達する前、すなわち、上死点前（ＢＴＤＣ）３５°～１０°の間のクランクシャフト回転を開始する時期である。

図４は、従来式に燃料供給したクロスヘッドユニフロー２ストロークエンジンの１つのシリンダ４００とピストン４０５との組合せの断面図を示している。例示のシリンダ４００は、シリンダの壁面４１２の付近に位置し燃料ジェット４１５が内方に向けられている（すなわち、シリンダの壁面４１２から離れた）少なくとも２つのサイド吐出燃料噴射器４１０を有するシリンダヘッド４０８を含む。シリンダヘッド４０８は、中心の排気排出バルブ４３０を含む。示されているように、ピストン４０５は、他方の端部でクロスヘッドに相互連接されているピストン棒４２２、次いでクランクシャフトに相互連接されている連接棒（図示せず）を含む。シリンダ４００はまた、（ピストン４０５が、下死点に近いとき）ピストンストロークの下部に向かってピストン４０５によってカバーされない吸入ポート４３５を含む掃気機ベルト４６０をシリンダの壁面４１２内に封入する周囲掃気機ボックス４５３を含む。ピストン棒４２２は、スタッフィングボックス４６５を介して掃気機ボックス４５３に交差し、挿入される。図示のように、燃料は、噴射器４１０を介して、基線Ｘに対して－２５°～＋５°の間の角度Ａを形成する燃料ジェット４１５として噴射される。噴射器４１０は、典型的には、ノズル内に４～８個のオリフィスを含むことになる。燃料噴射イベントは、エンジン大きさおよび燃料着火特性に応じて、ＢＴＤＣクランクシャフト回転１５°から上死点後(after top dead centre: ATDC)数度までの間に開始する時期である。

本発明の燃料噴射
本発明は、液体アンモニア燃料または気体アンモニア燃料のいずれかをエンジンに燃料供給するための新規に発見された要件に基づく異なる噴射構成を含む。本発明者は、アンモニア燃料は、圧縮着火エンジン、たとえば図３および図４に関して上述した２つの従来技術のエンジン形態について通常教示されるものよりも、エンジンの各シリンダの圧縮サイクルにおいて、より早期に噴射される場合、より効果的な燃焼が達成され得ることを見出した。本発明の噴射レジームの燃料噴射は、排気バルブ／ポートが閉じた直後に、シリンダ容量部へとより深く（すなわち、より急勾配の燃料ジェット噴射角度）行われて、蒸発および混合に十分な時間を確保し、圧縮作業を低減し、より完全な燃焼を可能にする。

図５は、本発明のアンモニア燃料噴射方法を使用するトランクピストンユニフロー２ストロークエンジンのための１つのシリンダ５００とピストン５０５との組合せの断面図を示している。シリンダとピストンとの形態は、図３に関して説明したものと同じである。したがって、同様の機能部が、同じ参照数字に２００を足して設けられている。この概略図においては、アンモニア燃料は、噴射器５１０を介して、燃料ジェット５１５の中心線Ｙが－９０°および－３５°の角度Ａをなしてシリンダに入るように噴射される。噴射器５１０は、典型的には、ノズル内に１～４個のオリフィスを含むことになる。アンモニア噴射は、排気バルブ５３０が閉じた後、およびクランクが上死点の４５度前に行われるように時期調整されている。排気バルブ５３０は、アンモニア噴射中、閉じて、排気へのアンモニアスリップ(ammonia slip)を制限／制御する。

図６は、本発明のアンモニア燃料噴射方法を使用する、燃料供給されたクロスヘッドユニフロー２ストロークエンジン４００の１つのシリンダ６００とピストン６０５との組合せの断面図を示している。シリンダとピストンとの形態は、図４に関して説明したものと同じである。したがって、同様の機能部が、同じ参照数字に２００を足して設けられている。この概略図においては、アンモニア燃料は、噴射器６１０を介して、燃料ジェット６１５の中心線Ｙが－９０°～－３０°の間の角度Ａをなしてシリンダに入るように噴射される。噴射器６１０は、典型的には、ノズル内に１～４個のオリフィスを含むことになる。アンモニア噴射は、排気バルブ６３０が閉じた後、およびクランクが上死点の３５度前に行われるように時期調整されている。排気バルブ６３０は、閉じて、排気へのアンモニアスリップを制限／制御する。

本発明の燃料噴射方法を使用してアンモニア燃料が噴射されるトランクピストンユニフロー２ストロークエンジンに適用される本発明の代替形態が、図７に示されている。１つのシリンダ７００およびピストン７０５の断面図が示されている。シリンダとピストンとの形態は、図３に関して説明したものと同じである。したがって、同様の機能部が、同じ参照数字に４００を足して設けられている。この実施形態は、シリンダの壁面７１２内に位置し付近の燃料ジェット７１５がシリンダの中心に向かって向けられている半軸流ノズルアンモニア燃料噴射器７１０を有するサイド噴射器形態である。この噴射器７１０は、典型的には、ノズル内に１～４個のオリフィスを含むことになる。大型のシリンダの場合、いくつかのそのような噴射器を使用して、混合を改善し、シリンダの壁面に対する冷却効果を低減させることが可能であり、すなわち、好適な構成では、シリンダの円周が３００～４００ｍｍ増分するごとに１つの噴射器が使用されている。この概略図においては、燃料噴射器７１０は、上死点と下死点との間のピストン行程（ピストン／最上部の行程）に対するシリンダ７００の下側半分７７０の中に位置し、１以上の燃料ジェット７１５が、基線Ｘに対して－８０°～８０°の角度Ａでシリンダ７００の燃焼室７５０に噴射されている。この概略図に示されているように、燃料ジェット７１５は、噴射器７１０に対して上方に進むことも、または下方に進むこともできる。アンモニア噴射は、排気バルブ７３０が閉じた後、およびピストンが噴射ポートをカバーする前に行われるように時期調整されている。排気バルブ７３０は、閉じて、排気へのアンモニアスリップを制限／制御する。この構成では、パイロット噴射器（たとえば、より詳細に後述する７１１）または他の着火装置の位置のシリンダヘッド／カバーが取り除かれるので、より小さい内径のトランクエンジンには有利である。すべての場合において、噴射時期調整は、排気バルブが閉じた後、およびピストンが上方ストロークまたは圧縮ストロークにおいて噴射ポート７３５をカバーする前になる。燃料ジェット７１５の位置および使用されるジェット角度Ａは、シリンダ７００内の空気／燃料の所要の混合を行うようにさらに最適化され得る。

本発明のアンモニア燃料噴射方法を使用して燃料が噴射されるクロスヘッドユニフロー２ストロークエンジンに適用される本発明の代替形態が、図８に示されている。１つのシリンダ８００およびピストン８０５の断面図が示されている。シリンダとピストンとの形態は、図４に関して説明したものと同じである。したがって、同様の機能部が、同じ参照数字に４００を足して設けられている。この実施形態は、シリンダの壁面８１２内に低く配置され様々なジェット位置合せの選択肢をもつアンモニア噴射器８１０を有するサイド噴射器形態である。噴射器８１０は、典型的には、ノズル内に１～４個のオリフィスを有する。大型のシリンダの場合、いくつかのそのような噴射器を使用して、混合を改善し、シリンダの壁面に対する冷却効果を低減させることが可能であり、すなわち、好適な構成では、シリンダの円周が３００～４００ｍｍ増分するごとに１つの噴射器が使用されている。この概略図においては、燃料噴射器８１０は、上死点と下死点との間のピストン行程（ピストン／最上部の行程）に対するシリンダ８００の下側半分８７０の中に位置し、１以上の燃料ジェット８１５が、－８０°～８０°の角度Ａをなして燃焼室８５０に噴射されている。この概略図に示されているように、燃料ジェット８１５は、噴射器８１０に対して上方に進むことも、または下方に進むこともできる。アンモニア噴射は、排気バルブ８３０が閉じた後、およびピストンが噴射ポートをカバーする前に行われるように時期調整されている。排気バルブ８３０は、閉じて、排気へのアンモニアスリップを制限／制御する。この構成では、パイロット噴射器または他の着火装置の位置のシリンダヘッド／カバーが取り除かれるので、より小さい内径のエンジンには有利である。

図５～図８に示された本発明は、主に、液体アンモニアの噴射に関するものであるが、これらの構成はまた、気体アンモニア噴射を使用することもあり得、ここでは、蒸発は、シリンダの外部でもたらされ、有利には、エンジン冷却剤などからの廃熱を使用する。本発明の気体バージョンの利点としては、たとえば高温のエンジン冷却剤からの低級の廃熱の効率的な利用、より優れた燃料／空気混合、より高速なエンジンの燃焼を助けるのに特に有利なより高い圧縮温度が挙げられる。加えて、排気への過度なアンモニアスリップを回避することを条件として、ピストンが掃気ポートを閉じる前に気体アンモニアを噴射すると、シリンダ内で何らかの燃焼用空気が変位して、所与の膨張作業の圧縮損失が効果的に低減することになる、また所与の上昇／掃気空気圧力に向けて、より高い燃料対空気比を与えることになる。本発明のこの実施形態のさらなる利点は、相対的には、６０～１００℃のアンモニア蒸発器温度により、ガスコンプレッサを使用することなく、直接シリンダ噴射を可能にするのに十分に高い圧力で蒸気がもたらされることになるという点である。

本発明について液体アンモニア燃料に関して説明してきたが、液体アンモニアと様々な量の水との他の配合物も使用可能である。

本発明について液体アンモニア燃料に関して説明してきたが、液体アンモニアと様々な量の他の可溶性の、混和可能なエマルジョン燃料またはスラリー状燃料との他の配合物が使用可能であり、これらには、着火、燃焼、潤滑を促進させ、またはＮＯｘもしくは粒子状排出物を低減させるために追加される鉄ピクリン酸塩溶液、ヒドラジン、硝酸アンモニウム、様々な含酸素液体が挙げられるが、これらに限定するものではない。

本発明についてアンモニア燃料の噴射のためのみの燃料噴射器に関して説明してきたが、さらなる実施形態においては、噴射器は、液体アンモニアを噴射し、次いで、ディーゼルなどのパイロット燃料を噴射することの両方に機能することもあり得る。パイロット噴射器７１１を含み得る１つの実施形態が、図７に示されており、ここでは、パイロット噴射器７１１は、シリンダヘッド７０８内に含められている。そのような噴射器はアンモニア燃料およびパイロット燃料のための別個のノズルを有することになることが想定され、ここでは、液体アンモニアは、本発明に従って噴射され、パイロット燃料は、従来型ディーゼルエンジンと同様に、所要の燃焼発現の寸前に噴射される。この実施形態においては、この量のパイロット噴射はまた、有利には、液体アンモニアを使用する前に、エンジンを始動および暖機するのに使用することも、ならびに／または低負荷運転に使用することも可能であり得るが、通常の運転では、燃料エネルギーの２～５％を着火に要すことになるだけである。

本発明について着火制御に使用される圧縮着火およびパイロット噴射に関して説明してきたが、本発明のさらなる実施形態においては、有利には、火花着火、プラズマ着火、およびレーザ着火を含む他の着火方法が使用可能になる。

本発明について２ストロークエンジンに関して説明してきたが、本発明はまた、４ストロークエンジンの圧縮ストロークにも適用され得る。

本明細書において説明した本発明が、具体的に説明していないもの以外の変形形態および修正形態に影響されやすいことを当業者なら認識するであろう。本発明が、本発明の趣旨および範囲に入るそのようなすべての変形形態および修正形態を含むことが理解される。

「備える、含む(comprise, comprises, comprised, comprising)」という用語は、本明細書（特許請求の範囲を含む）に使用されている場合、それらは、提示された特徴、整数、ステップ、または構成部品の存在を指定しているが、１以上の他の特徴、整数、ステップ、構成部品、またはそれらの群の存在を除外するものではないと解釈すべである。

１１０ 燃料噴射器、１１５ 燃料ジェット、１１８ ノズル、３００，４００，５００，６００，７００，８００ シリンダ、３０５，４０５，５０５，６０５，７０５，８０５ ピストン、３０８，４０８，７０８ シリンダヘッド、３１０ 径方向流ノズル燃料噴射器、３１２，４１２，７１２，８１２ シリンダの壁面、３１５，４１５，５１５，６１５，７１５，８１５ 燃料ジェット、３２２ 連接棒、３３０，４３０ 排気排出バルブ、３６０，４６０ 掃気機ベルト、４１０ サイド吐出燃料噴射器、４２２ ピストン棒、４３５ 吸入ポート、４５３ 掃気機ボックス、４６５ スタッフィングボックス、５１０，６１０ 噴射器、５３０，６３０，７３０，８３０ 排気バルブ、７１０ 半軸流ノズルアンモニア燃料噴射器、７１１ パイロット噴射器、７３５ 噴射ポート、７５０，８５０ 燃焼室、７７０，８７０ 下側半分、８１０ アンモニア噴射器、Ａ 角度、Ｉ 交点、Ｍ 噴射点、Ｘ 基線、Ｙ 燃料ジェット中心線、ＣＬ シリンダ中心線

Claims (39)

1. 液体または気体のアンモニア燃料を少なくとも２つのシリンダを含むレシプロエンジンに噴射する方法であって、
   前記シリンダそれぞれが、前記シリンダ内で往復移動するピストンを含み、
   前記シリンダそれぞれが、前記ピストンの圧縮端に対向して位置する一方の端部にヘッド位置を有し、前記圧縮端と前記ヘッド位置との間に燃焼室を画定し、
   前記シリンダは、燃焼ガスが前記燃焼室に供給される少なくとも１つの吸入バルブと、使用済みの燃焼ガスが前記燃焼室から出ていく少なくとも１つの排気バルブと、を含み、
   前記ピストンは、前記ピストンが前記ヘッド位置の最も近くに位置する上死点と前記ピストンが前記ヘッド位置から最も遠くに位置する下死点との間のサイクルで前記シリンダを移動し、
   前記シリンダそれぞれが、前記ヘッド位置に、または前記ヘッド位置内に位置する少なくとも１つの燃料噴射器をさらに含み、
   前記方法は、
   前記アンモニア燃料を前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、
   前記シリンダそれぞれの少なくとも１つの前記排気バルブが、実質的に閉じた後、および
   前記ピストンそれぞれが、前記上死点前最大でも３５度、好ましくは最大でも４５度に移動する前
   の時期調整により、少なくとも１つの燃料ジェットとして噴射するステップを含む、
   方法。
2. 前記アンモニア燃料が、前記エンジンサイクルの圧縮ストローク中、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に噴射される、請求項１に記載の方法。
3. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、
   少なくとも１つの前記排気バルブが、実質的に閉じた後、および
   前記ピストンが、前記上死点前３５度に移動する前
   の時期調整により、噴射される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、
   少なくとも１つの前記排気バルブが、実質的に閉じた後、および
   前記ピストンが、前記上死点前４５度に移動する前
   の時期調整により、噴射される、請求項１または２に記載の方法。
5. アンモニア燃料を前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に噴射する前記時期調整が、
   少なくとも１つの前記吸入バルブが、閉じた後
   にも行われる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、
   少なくとも１つの前記排気バルブが、実質的に閉じた後、
   少なくとも１つの前記吸入バルブが、閉じた後、および
   前記ピストンが、上死点前３５度に移動する前
   の時期調整により、噴射される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、前記燃料ジェットが前記シリンダそれぞれの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－３５°の間の角度をなすジェット中心線を有して前記シリンダに入るように噴射される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、前記燃料ジェットが前記シリンダそれぞれの前記中心線に垂直な基線に対して－９０°～－５０°の間、好ましくは、－９０°～－６５°の間の角度をなす前記ジェット中心線を有して前記シリンダに入るように噴射される、請求項７に記載の方法。
9. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、前記燃料ジェットが前記シリンダそれぞれの前記中心線に垂直な基線に対して－９０°～－３０°の間の角度をなす前記ジェット中心線を有して前記シリンダに入るように噴射される、請求項７に記載の方法。
10. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、前記燃料ジェットが前記シリンダそれぞれの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－６５°の間の角度をなすジェット中心線を有して前記シリンダに入るように噴射され、
    噴射は、少なくとも１つの前記排気バルブが閉じた後、および前記ピストンが前記上死点の３５度に移動する前に行われるように時期調整されている、請求項１に記載の方法。
11. 前記アンモニア燃料は、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、前記燃料ジェットが前記シリンダそれぞれの中心線に垂直な基線に対して－９０°～－５０°の間の角度をなすジェット中心線を有して前記シリンダに入るように噴射され、
    噴射は、少なくとも１つの前記排気バルブが閉じた後、および前記ピストンが上死点の４５度に移動する前に行われるように時期調整されている、請求項１に記載の方法。
12. 前記アンモニア燃料が、気体アンモニア燃料および液体アンモニア燃料のうちの少なくとも一方である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記アンモニア燃料が、液体アンモニアと水および別の燃料のうちの少なくとも一方との配合物を含み、前記別の燃料が、好ましくは鉄ピクリン酸塩溶液、ヒドラジンおよび硝酸アンモニウムのうちの少なくとも１つから選択されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 少なくとも１つの前記燃料噴射器が、前記ヘッド位置のシリンダヘッド内に位置し、
    前記シリンダヘッドの中心に位置する単一の燃料噴射器、および
    前記シリンダヘッドの直径にわたって離間されている少なくとも２つの燃料噴射器
    のうちの少なくとも一方を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 少なくとも１つの前記燃料噴射器が、前記シリンダの中心付近に位置し付近の燃料ジェットが下方に向けられている少なくとも１つの半軸流ノズル燃料噴射器を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記少なくとも１つの燃料噴射器が、前記シリンダの壁面付近に位置し付近の半軸流燃料ジェットが前記ピストンに向かって下方に向けられている少なくとも１つの半軸流吐出ノズル液体アンモニア噴射器を含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記レシプロエンジンが、圧縮着火エンジンと、火花着火エンジン、プラズマ着火エンジンまたはレーザ着火エンジンと、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記レシプロエンジンが、２ストロークエンジン、または４ストロークエンジンである、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記レシプロエンジンが、クロスヘッドユニフローエンジン、またはトランクユニフローエンジンである、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記ヘッド位置が、前記シリンダのシリンダヘッドを含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記シリンダそれぞれが、
    前記シリンダ内で対向方向に往復移動して前記ヘッド位置に圧縮端をおよび前記圧縮端間に前記燃焼室を形成する２つの前記ピストンと、
    燃焼ガスが前記燃焼室に供給される少なくとも１つの前記吸入バルブと、
    使用済みの燃焼ガスが前記燃焼室から出ていく少なくとも１つの前記排気バルブと、
    を含み、
    前記ピストンは、前記ピストンが対向するピストンの最も近くに位置する前記上死点と前記ピストンが対向するピストンから最も遠くに位置する前記下死点との間のサイクルで前記シリンダを移動し、
    前記シリンダそれぞれが、前記シリンダの壁面内に位置する少なくとも１つの前記燃料噴射器をさらに含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
22. 液体または気体のアンモニア燃料を少なくとも２つのシリンダを含むレシプロエンジンに噴射する方法であって、
    前記シリンダそれぞれが、前記シリンダ内で往復移動するピストンを含み、
    前記シリンダそれぞれが、前記ピストンの圧縮端に対向して位置する一方の端部にヘッド位置を有し、前記圧縮端と前記ヘッド位置との間に燃焼室を画定し、
    前記シリンダは、燃焼ガスが前記燃焼室に供給される少なくとも１つの吸入バルブと、使用済みの燃焼ガスが前記燃焼室から出ていく少なくとも１つの排気バルブと、を含み、
    前記ピストンは、前記ピストンが前記ヘッド位置の最も近くに位置する上死点と前記ピストンが前記ヘッド位置から最も遠くに位置する下死点との間のサイクルで前記シリンダを移動し、
    前記シリンダそれぞれが、前記ヘッド位置から離間されている前記シリンダの壁面内に位置する少なくとも１つの燃料噴射器をさらに含み、
    前記噴射器が、燃料を前記燃焼室に噴射するように位置決めされ、
    前記方法は、
    前記アンモニア燃料を前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に、燃焼ジェットが前記シリンダそれぞれの中心線に垂直な基線に対して－８０°～８０°の間の角度をなすジェット中心線を有して前記燃焼室に入るように少なくとも１つの燃料ジェットとして噴射するステップを含み、
    噴射が、
    前記シリンダそれぞれの少なくとも１つの前記排気バルブが、実質的に閉じた後、および
    少なくとも１つの前記燃料噴射器が、前記シリンダそれぞれ内の前記下死点から前記上死点に移動する際の前記ピストンそれぞれによってカバーされる前に
    行われるように時期調整されている、
    方法。
23. 前記噴射器が、前記上死点と前記下死点との間の前記ピストンの移動に対する前記シリンダの下側半分における前記シリンダの側壁内に位置する、請求項２２に記載の方法。
24. 前記アンモニア燃料が、前記エンジンサイクルの圧縮ストローク中、前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に噴射される、請求項２２または２３に記載の方法。
25. アンモニア燃料を前記シリンダそれぞれの前記燃焼室に噴射する前記時期調整が、
    少なくとも１つの前記吸入バルブが、閉じた後
    にも行われる、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 少なくとも１つの前記燃料ジェットが、前記シリンダそれぞれの前記中心線に垂直な基線に対して－８０°および４０°の角度をなすジェット中心線を有して前記燃焼室に噴射される、請求項２２から２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 少なくとも１つの前記燃料ジェットが、前記シリンダそれぞれの前記中心線に垂直な基線に対して－８０°および０°の角度をなすジェット中心線を有して前記燃焼室に噴射される、請求項２２から２５のいずれか一項に記載の方法。
28. 少なくとも１つの前記燃料ジェットが、前記シリンダそれぞれの前記中心線に垂直な基線に対して－８０°および－４０°の角度をなすジェット中心線を有して前記燃焼室に噴射される、請求項２２から２５のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記アンモニア燃料が、気体アンモニア燃料および液体アンモニア燃料のうちの少なくとも一方である、請求項２２から２８のいずれか一項に記載の方法。
30. 前記アンモニア燃料が、液体アンモニアと、水および別の燃料のうちの少なくとも一方との配合物を含み、前記別の燃料が、好ましくは鉄ピクリン酸塩溶液、ヒドラジンおよび硝酸アンモニウムのうちの少なくとも１つから選択されている、請求項２２から２９のいずれか一項に記載の方法。
31. 少なくとも１つの前記燃料噴射器が、
    単一の燃料噴射器、および
    前記シリンダの壁面の外周周りに円周方向に離間された少なくとも２つの燃料噴射器
    のうちの少なくとも一方を含む、請求項２２から３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 少なくとも１つの前記燃料噴射器は、前記ピストンが前記下死点にあるときの前記燃焼室の中心付近に位置し付近の燃料ジェットが下方に向けられている少なくとも１つの半軸流ノズル燃料噴射器を含む、請求項２２から３１のいずれか一項に記載の方法。
33. 少なくとも１つの前記燃料噴射器は、前記シリンダの壁面内に低く、好ましくは前記ピストンが前記下死点にあるときのシリンダヘッドよりも前記ピストンの前記圧縮端の近くに配置された少なくとも１つの液体アンモニア噴射器を含む、請求項２２から３２のいずれか一項に記載の方法。
34. 前記レシプロエンジンが、圧縮着火エンジンと、火花着火エンジン、プラズマ着火エンジンまたはレーザ着火エンジンと、のうちの少なくとも１つを含む、請求項２２から３３のいずれか一項に記載の方法。
35. 前記レシプロエンジンが、２ストロークエンジン、または４ストロークエンジンである、請求項２２から３４のいずれか一項に記載の方法。
36. 前記レシプロエンジンが、クロスヘッドユニフローエンジン、またはトランクユニフローエンジンである、請求項２２から３５のいずれか一項に記載の方法。
37. 前記ヘッド位置が、前記シリンダのシリンダヘッドを含む、請求項２２から３６のいずれか一項に記載の方法。
38. 前記シリンダそれぞれが、
    前記シリンダ内で対向方向に往復移動して前記ヘッド位置に圧縮端をおよび前記圧縮端間に燃焼室を形成する２つの前記ピストンと、
    燃焼ガスが前記燃焼室に供給される少なくとも１つの前記吸入バルブと、
    使用済みの燃焼ガスが前記燃焼室から出ていく少なくとも１つの前記排気バルブと、
    を含み、
    前記ピストンは、前記ピストンが対向するピストンの最も近くに位置する前記上死点と前記ピストンが対向するピストンから最も遠くに位置する前記下死点との間のサイクルで前記シリンダを移動し、
    前記シリンダそれぞれが、前記シリンダの壁面内に位置する少なくとも１つの燃料噴射器をさらに含む、請求項２２から３６のいずれか一項に記載の方法。
39. 前記シリンダそれぞれの前記燃焼室への前記アンモニア燃料の噴射に続いて、パイロット燃料、好ましくはディーゼルを前記燃焼室に噴射するステップ
    をさらに含む、請求項１から３８のいずれか一項に記載の方法。

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