JP2023129320A - Large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine with system for reducing nitrous oxide emission and method for reducing nitrous oxide emission of such engine - Google Patents

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Abstract

To reduce nitrous oxide emissions of large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engines that are fueled with ammonia.SOLUTION: The present invention discloses a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine configured for removing nitrous oxide from an exhaust gas using an electrogenerated mediator in a wet scrubber and a method for removing nitrous oxide from the exhaust gas of a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine by wet electroscrubbing.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本明細書で開示される事項は、燃焼用の燃料としてアンモニアを使用して運転される少なくとも1つのモードを有する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関であって、亜酸化窒素の排出を低減するためのシステムを有する機関、及び、そのような機関の亜酸化窒素排出の低減方法に関する。 Disclosed herein is a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine having at least one mode of operation using ammonia as a fuel for combustion, which reduces nitrous oxide emissions. The present invention relates to an engine having a system for reducing nitrous oxide emissions and a method for reducing nitrous oxide emissions of such an engine.

背景background

大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関は、典型的には、大型船舶の推進システムや、発電プラントの原動機として用いられる。その大きさや重量、出力は、大型2ストロークターボ過給式圧縮着火内燃機関を他の燃焼機関からかけ離れたものとしており、このタイプの圧縮内燃機関を独特の分類に位置づけている。 Large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engines are typically used in propulsion systems for large ships and as prime movers in power plants. Its size, weight, and power set large two-stroke turbocharged compression ignition internal combustion engines apart from other combustion engines, placing this type of compression internal combustion engine in a unique category.

内燃機関はこれまで、ディーゼル油のような燃料油や、天然ガス又は石油ガスのような燃料ガスといった、炭化水素燃料によって主に運転されてきた。炭化水素燃料の燃焼は、二酸化炭素(CO)等の温室効果ガスの発生を伴うが、これらは大気汚染や気候変動の原因になり得る。副生成物の排出を生じる石油燃料の不純物と違って、COの発生は、炭化水素の燃焼に不可避である。特定の燃料のエネルギー密度やCO排出量は、炭化水素鎖の長さと炭化水素分子の複雑さに依存する。このためガス状炭化水素燃料は、液体の炭化水素燃料よりもCO排出量が少ない。しかし、ガス状炭化水素燃料は、取り扱いや貯蔵が難しく、コストもかかる。CO排出量を削減するために、炭化水素以外の燃料の研究が進められている。 Internal combustion engines have traditionally been operated primarily with hydrocarbon fuels, such as fuel oils such as diesel oil or fuel gases such as natural gas or petroleum gas. Combustion of hydrocarbon fuels involves the production of greenhouse gases such as carbon dioxide ( CO2 ), which can contribute to air pollution and climate change. Unlike impurities in petroleum fuels that result in byproduct emissions, the generation of CO2 is inevitable in the combustion of hydrocarbons. The energy density and CO2 emissions of a particular fuel depend on the length of the hydrocarbon chain and the complexity of the hydrocarbon molecule. Gaseous hydrocarbon fuels therefore emit less CO2 than liquid hydrocarbon fuels. However, gaseous hydrocarbon fuels are difficult and costly to handle and store. Research into fuels other than hydrocarbons is underway to reduce CO2 emissions.

アンモニアは、石油やバイオマス、再生可能エネルギー源(風力、太陽光、水力、地熱)によって得られる合成物である。再生可能エネルギー源を用いて生成したアンモニアは、燃焼させたときのカーボン排出量は事実上ゼロであり、COやSOx、粒子状物質、未燃焼炭化水素を排出することはない。 Ammonia is a compound obtained from petroleum, biomass, and renewable energy sources (wind, solar, hydropower, geothermal). Ammonia produced using renewable energy sources has virtually zero carbon emissions when combusted and produces no CO2 , SOx, particulate matter or unburned hydrocarbons.

アンモニアは、小さな火花点火内燃機関において、小規模にテストされ使用されてきた。しかし、圧縮着火内燃機関を動作させるためには未だ使用されていない。 Ammonia has been tested and used on a small scale in small spark ignition internal combustion engines. However, it has not yet been used to operate compression ignition internal combustion engines.

アンモニアを燃料とする機関は、燃焼の副産物として亜酸化窒素(NO)が発生しやすい。対策を行わないと、亜酸化窒素を含む排ガスが大気中に出てしまう。亜酸化窒素は、国連の気候レポートIPPC AR5によると、COの約265倍という大きな地球温暖化係数を持つことが知られている。このため、アンモニアを燃料とする大型2サイクルユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関の亜酸化窒素排出量を削減する必要がある。 Engines that use ammonia as fuel tend to generate nitrous oxide (N 2 O) as a byproduct of combustion. If measures are not taken, exhaust gas containing nitrous oxide will be released into the atmosphere. Nitrous oxide is known to have a global warming potential approximately 265 times greater than CO2 , according to the United Nations climate report IPPC AR5. Therefore, it is necessary to reduce the nitrous oxide emissions of large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engines that use ammonia as fuel.

現在入手可能な排ガス中亜酸化窒素除去システムは、触媒分解法及び熱破壊法を使用している。これらの方法は、亜酸化窒素を窒素と酸素に変換する。触媒分解は約500℃で動作し、熱的破壊は1000℃近くで動作する。大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関の排気温度は、運転条件によるが、タービン前の排気温度が典型的には300~500℃であり、タービン後の排気温度が典型的には150~250℃であるので、これらの公知の方法で使用するには不充分である。従って、触媒分解及び熱破壊は、アンモニアを燃料とする大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関の排気ガスから亜酸化窒素を除去するには適していない。 Currently available exhaust gas nitrous oxide removal systems use catalytic decomposition and thermal destruction methods. These methods convert nitrous oxide into nitrogen and oxygen. Catalytic decomposition operates at about 500°C and thermal destruction near 1000°C. The exhaust temperature of a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine depends on the operating conditions, but the exhaust temperature before the turbine is typically 300-500°C, and the exhaust temperature after the turbine is typically 150-500°C. The temperature is 250°C, which is insufficient for use in these known methods. Therefore, catalytic decomposition and thermal destruction are not suitable for removing nitrous oxide from the exhaust gas of large ammonia-fueled two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engines.

DK178072B1は、液体燃料からなる第1の燃料とアンモニアからなる第2の燃料とで運転する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関を開示している。この機関は、シリンダライナとその中の往復ピストンとシリンダカバーとを有する少なくとも1つのシリンダと、前記シリンダ内で前記往復ピストンと前記シリンダカバーとの間に形成される燃焼室と、シリンダカバーに配された燃料弁に加圧されたアンモニアを供給するように構成されるアンモニア燃料システムと、掃気用空気を圧縮する少なくとも1つのコンプレッサと少なくとも1つの排ガス駆動タービンとを有するターボ過給システムとを備える。また、再循環された排気ガスを燃焼室に再導入する前に洗浄するスクラバーが設けられている。アンモニアなどの低カロリー燃料を使用する場合は、排気ガスの再循環率を上げることで、NOxの排出を低く抑えることができる。 DK178072B1 discloses a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine that operates with a first fuel consisting of liquid fuel and a second fuel consisting of ammonia. The engine includes at least one cylinder having a cylinder liner, a reciprocating piston therein, and a cylinder cover, a combustion chamber defined within the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover, and a combustion chamber disposed in the cylinder cover. an ammonia fuel system configured to supply pressurized ammonia to a fuel valve configured to provide pressurized ammonia; and a turbocharging system having at least one compressor for compressing scavenging air and at least one exhaust gas-driven turbine. . A scrubber is also provided to clean the recirculated exhaust gas before reintroducing it into the combustion chamber. When using low-calorie fuels such as ammonia, NOx emissions can be kept low by increasing the exhaust gas recirculation rate.

摘要Abstract

目的は、上述の問題を解決するか又は少なくとも緩和する、大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関を提供することである。 The objective is to provide a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine that solves or at least alleviates the above-mentioned problems.

上述の課題やその他の課題が、独立請求項に記載の特徴により解決される。より具体的な実装形態は、従属請求項や発明の詳細な説明、図面から明らかになるだろう。 The above-mentioned and other objects are solved by the features of the independent claims. More specific implementation forms will become apparent from the dependent claims, the detailed description of the invention, and the drawings.

第1の捉え方によれば、主燃料がアンモニアである運転モードを少なくとも1つ有する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関が提供される。この機関は、
・ シリンダライナと、前記シリンダライナ内の往復ピストンとを有する少なくとも1つのシリンダと、前記シリンダを覆うシリンダと;
・ 前記シリンダ内において、前記往復ピストンと前記シリンダカバーとの間に形成される燃焼室と;
・ 前記シリンダカバー又は前記シリンダライナに配される燃料弁に、加圧されたアンモニアを供給するように構成されるアンモニア燃料システムと;
・ 掃気用空気を圧縮するための少なくとも1つの圧縮機と、少なくとも1つの排ガス駆動タービンとを有するターボ過給システムと;
・ 前記少なくとも1つの排ガス駆動タービンの下流に設けられる亜酸化窒素スクラバーであって、前記亜酸化窒素スクラバーを流れる排ガス中の亜酸化窒素を、アンモニアに変換する及び/又は窒素と酸素若しくは窒素と水酸化物に還元する亜酸化窒素スクラバーと;
を備える。
According to the first approach, a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine is provided that has at least one operating mode in which the main fuel is ammonia. This institution is
- at least one cylinder having a cylinder liner and a reciprocating piston within the cylinder liner, and a cylinder covering the cylinder;
- a combustion chamber formed within the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover;
- an ammonia fuel system configured to supply pressurized ammonia to a fuel valve disposed on the cylinder cover or the cylinder liner;
- a turbocharging system having at least one compressor for compressing scavenging air and at least one exhaust gas-driven turbine;
- a nitrous oxide scrubber provided downstream of the at least one exhaust gas-driven turbine, the nitrous oxide scrubber converting nitrous oxide in the exhaust gas flowing through the nitrous oxide scrubber into ammonia and/or nitrogen and oxygen or nitrogen and water; a nitrous oxide scrubber that reduces to oxides;
Equipped with

前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記スクラバーは、湿式洗浄と、電気的に生成されたメディエータ(electrogenerated mediator)とを組み合わせた電気スクラバー(electroscrubber)であり、前記メディエータは好ましくはNi系のメディエータであり、より好ましくはNi(I)[Ni(I)(CN)3-メディエータであり、前記スクラバーは、一回の処理段階で亜酸化窒素をアンモニアに変換し、及び/又は、前記スクラバーを流れる排ガス中の亜酸化窒素を窒素と酸素若しくは窒素と水酸化物に還元する。 In one example of an implementation of the first perspective, the scrubber is an electroscrubber that combines wet cleaning with an electrogenerated mediator, the mediator being preferably Ni. system, more preferably a Ni(I) [Ni(I)(CN) 4 ] 3- mediator, said scrubber converts nitrous oxide to ammonia in one treatment step and/or Alternatively, nitrous oxide in the exhaust gas flowing through the scrubber is reduced to nitrogen and oxygen or nitrogen and hydroxide.

前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は、スクラバーを通してメディエータを含む水を循環させる循環システムを備え、前記メディエータは好ましくは電気的に生成されたメディエータであり、前記循環システムは好ましくは前記メディエータを電気生成するための電圧源に結合した電解槽を有し、前記電解槽は好ましくは前記電圧源に結合した少なくとも二つの電極を有する。 In an example of an implementation of the first perspective, the engine comprises a circulation system for circulating water containing a mediator through a scrubber, the mediator being preferably an electrically generated mediator, and the circulation system comprising: Preferably, the mediator comprises an electrolytic cell coupled to a voltage source for generating electricity, said electrolytic cell preferably having at least two electrodes coupled to said voltage source.

前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は、排ガスからアンモニアを分離する手段を備え、前記排ガスからアンモニアを分離する手段は前記スクラバーの下流に配置され、好ましくはスクラバータワーを有している。 In an example of an implementation of the first perspective, the engine comprises means for separating ammonia from the exhaust gas, the means for separating ammonia from the exhaust gas being arranged downstream of the scrubber, preferably comprising a scrubber tower. are doing.

前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は、前記タービンの下流で前記スクラバーの上流に、排ガス中の水の一部を除去するための凝縮器を備え、前記凝縮器は好ましくは制御された凝縮器であり、前記凝縮器は好ましくは排ガスから除去された水を捨てるためのアウトレットを有し、前記凝縮器は好ましくは冷却水を受け取るためのインレットと冷却水を排出するためのアウトレットを有する。 In an example of an implementation of the first perspective, the engine includes a condenser downstream of the turbine and upstream of the scrubber for removing part of the water in the exhaust gas, the condenser preferably comprising: is a controlled condenser, said condenser preferably having an outlet for discarding the water removed from the exhaust gas, said condenser preferably having an inlet for receiving cooling water and an inlet for discharging the cooling water. It has an outlet.

前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記機関はアンモニア供給ポンプを備え、前記アンモニア供給ポンプのアウトレットは燃料弁に流体的に接続され、前記アンモニア供給ポンプは好ましくはアンモニア貯蔵タンクに流体的に接続されるインレットを有する。
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記機関はコントローラを備え、該コントローラは、以下のうちの1つ以上を制御するように構成される。
・ 前記凝縮器の働き。前記循環システム内の水又は流体の量を代表する信号に応じて制御する。これは、好ましくは前記循環システム内の水の量を一定に保つためになされ、また好ましくは、前記凝縮器を通過する冷却水の温度を制御することによってなされる。
・ 前記電圧源から前記電解槽に供給される電力量。好ましくは、再循環水中の、電気的に生成されたメディエータの濃度を表す信号に応じて制御する。
・ 前記アンモニア燃料システムから前記機関に供給されるアンモニアの量及び/又は圧力。好ましくはアンモニア供給ポンプの速度を調整することで制御する。
In one example of an implementation of the first aspect, the engine comprises an ammonia supply pump, an outlet of the ammonia supply pump is fluidly connected to a fuel valve, and the ammonia supply pump preferably supplies fluid to an ammonia storage tank. It has an inlet that is connected to the
In one example of an implementation of the first perspective, the engine includes a controller configured to control one or more of the following:
- Function of the condenser. Control in response to a signal representative of the amount of water or fluid in the circulation system. This is preferably done in order to keep the amount of water in the circulation system constant, and preferably by controlling the temperature of the cooling water passing through the condenser.
- the amount of power supplied to the electrolyzer from the voltage source; Preferably, the control is responsive to an electrically generated signal representative of the concentration of mediator in the recirculated water.
- the amount and/or pressure of ammonia supplied to the engine from the ammonia fuel system; Preferably, this is controlled by adjusting the speed of the ammonia supply pump.

前記第1の捉え方の実装形態の一例において、亜酸化窒素の還元は、水溶液中で少量のNi(II)錯体の存在下で水銀電極で生じる。このNi(II)錯体は、[15又は14]aneN{[15又は14]aneN=1,4,8,12(又は11)-テトラアザシクロペンタ(又はテトラ)デカン}のNi(II)錯体である。 In one example of an implementation of the first perspective, the reduction of nitrous oxide occurs at a mercury electrode in the presence of a small amount of Ni(II) complex in an aqueous solution. This Ni( II ) complex is composed of Ni( II ) is a complex.

前記第1の捉え方の実装形態の一例において、NOからNへの還元は、PtやNiの電気触媒で修飾されたガス拡散電極上で行われる。 In one example of an implementation of the first perspective, the reduction of N 2 O to N 2 is performed on a gas diffusion electrode modified with a Pt or Ni electrocatalyst.

第2の側面によれば、ターボ過給機を有する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関の排ガスから亜酸化窒素を除去する方法が提供される。この方法は、
主燃料としてアンモニアで前記機関を動作させることと;
・ ターボ過給機のタービン下流の排ガスを、Ni系のメディエータ(好ましくはNi(I)[Ni(I)(CN)3-メディエータ)を水に加えて湿式洗浄し、排ガス中の亜酸化窒素を単一の処理段階でアンモニアに変換すること、又は、
水に添加した大環状ポリアミンのNi(II)錯体を用いて、前記亜酸化窒素を窒素と酸素に還元すること、及び/又は窒素と水酸化物に還元することと;
を含む。
According to a second aspect, a method is provided for removing nitrous oxide from the exhaust gas of a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine having a turbocharger. This method is
operating said engine with ammonia as the main fuel;
- Exhaust gas downstream of the turbine of a turbocharger is wet-cleaned by adding a Ni-based mediator (preferably Ni(I) [Ni(I)(CN) 4 ] 3- mediator) to water to remove nitrogen from the exhaust gas. converting nitrogen oxide to ammonia in a single process step, or
reducing the nitrous oxide to nitrogen and oxygen and/or reducing it to nitrogen and hydroxide using a Ni(II) complex of a macrocyclic polyamine added to water;
including.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、好ましくは電解槽で、前記メディエータを電気的に生成することを含む。 In an example implementation of the second perspective, the method includes electrically generating the mediator, preferably in an electrolytic cell.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記メディエータを含む水をスクラバーで循環させることを含む。 An example implementation of the second approach includes circulating the water containing the mediator in a scrubber.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、排ガスからアンモニアを分離し、その後、好ましくはスクラバータワーを用いて、湿式洗浄することを含む。 In one example of an implementation of the second perspective, the method includes separating ammonia from the exhaust gas, followed by wet cleaning, preferably using a scrubber tower.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、湿式洗浄の前に排ガス中の水分含有量を制御することを含む。これは好ましくは排ガスから水を除去することによって行われる。排ガスからの水の除去は、好ましくはタービン6の上流で行われ、好ましくは凝縮器を用いて行われる。 In one example of an implementation of the second perspective, the method includes controlling moisture content in the exhaust gas prior to wet cleaning. This is preferably done by removing water from the exhaust gas. Removal of water from the exhaust gas preferably takes place upstream of the turbine 6, preferably using a condenser.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、Ni系メディエータを含む水を、湿式スクラバーを有する循環システムで循環させることを含む。 In one example of an implementation of the second perspective, the method includes circulating water containing the Ni-based mediator in a circulation system having a wet scrubber.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、洗浄の前に排ガスから水を除去することによって、前記循環システム内の水の量を制御することを含む。この制御は、好ましくは、前記循環システム内の水の量が上限閾値以上である場合は前記凝縮器の働きを活発にし、前記循環システム内の水の量が下限閾値未満である場合は前記凝縮器の働きを低下させることによって、行う。 An example of an implementation of the second perspective includes controlling the amount of water in the circulation system by removing water from the exhaust gas prior to cleaning. This control preferably activates the condenser when the amount of water in the circulation system is above an upper threshold, and activates the condenser when the amount of water in the circulation system is less than a lower threshold. This is done by reducing the function of the vessel.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、水溶液中で少量のNi(II)錯体の存在下で水銀電極で亜酸化窒素を還元することを含む。このNi(II)錯体は、[15又は14]aneN4{[15又は14]aneN4=1,4,8,12(又は11)-テトラアザシクロペンタ(又はテトラ)デカン}のNi(II)錯体である。 In one example of an implementation of the second perspective, the method includes reducing nitrous oxide with a mercury electrode in the presence of a small amount of Ni(II) complex in an aqueous solution. This Ni(II) complex is a Ni(II) complex of [15 or 14]aneN4 {[15 or 14]aneN4=1,4,8,12 (or 11)-tetraazacyclopenta(or tetra)decane} It is.

前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、PtやNiの電気触媒で修飾されたガス拡散電極上で、NOをNに還元することを含む。 In one example of an implementation of the second perspective, the method includes reducing N 2 O to N 2 on a gas diffusion electrode modified with a Pt or Ni electrocatalyst.

これらの捉え方及び他の捉え方は、添付図面及び以下に説明される実施例により更に明らかになるであろう。 These and other aspects will become clearer from the accompanying drawings and the examples described below.

以下、図面に示される例示的な実施形態を参照しつつ、様々な捉え方や実施形態、実装例を詳細に説明する。
ある例示的実施形態に従う大型2ストロークディーゼル機関を正面方向から見た概観を示す図である。 図1の大型2ストローク機関を背面方向から見た概観を示す図である。 アンモニア燃料システム及び亜酸化窒素除去システムを有する、図1の大型2ストローク機関の実施形態を示す略図表現である。 アンモニア燃料システムをより詳細に示した図3の実施形態の機関の略図表現である。 アンモニア燃料システム及び亜酸化窒素除去システムを有する、図1の大型2ストローク機関の別の実施形態を示す略図表現である。
Various aspects, embodiments, and implementation examples will be described in detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings.
1 is a diagram illustrating a front view of a large two-stroke diesel engine according to an exemplary embodiment; FIG. FIG. 2 is a diagram showing an overview of the large two-stroke engine shown in FIG. 1 when viewed from the rear. 2 is a schematic representation of an embodiment of the large two-stroke engine of FIG. 1 having an ammonia fuel system and a nitrous oxide removal system; 4 is a schematic representation of the engine of the embodiment of FIG. 3 showing the ammonia fuel system in more detail; FIG. 2 is a schematic representation of another embodiment of the large two-stroke engine of FIG. 1 having an ammonia fuel system and a nitrous oxide removal system;

詳細説明Detailed explanation

以下の詳細説明では、実施例のクロスヘッド式大型低速2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関を参照して、内燃機関が説明される。なお場合によっては、内燃機関は別のタイプの機関で有り得ることに注意されたい。大型2ストローク低速ユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関は、ピストンの上死点付近又は上死点で燃料が噴射される、圧縮着火型の(すなわち高圧型の)機関であることができる。又は、掃気空気が圧縮される前又は圧縮される途中で燃料と混合される、火花点火型の(すなわち低圧型の)機関であることができる。後者の場合は通常、確実に点火を行うために、添加液(例えば燃料油)によるパイロット点火が行われる。 In the following detailed description, the internal combustion engine will be described with reference to an exemplary crosshead large low speed two stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine. It should be noted that in some cases the internal combustion engine may be another type of engine. Large two-stroke, low-speed, uniflow, scavenged, turbocharged internal combustion engines can be compression ignition (ie, high-pressure) engines in which fuel is injected near or at top dead center of the piston. Alternatively, it can be a spark ignition type (i.e. low pressure type) engine where the scavenging air is mixed with the fuel before or during compression. In the latter case, a pilot ignition is usually performed with an additive liquid (for example, fuel oil) to ensure ignition.

図1-図3は、ターボ過給式大型低速2ストロークディーゼル機関を描いている。このエンジンは、クランクシャフト8及びクロスヘッド9を有する。図3は、ターボ過給式大型低速2ストロークディーゼル機関を、その吸気システム及び排気システムと共に略図により表現したものである。この実施例において、機関は直列に6本のシリンダを有する。ターボ過給式大型低速2ストロークディーゼル機関は通常、直列に配される4から14のシリンダを有する。これらのシリンダはシリンダフレーム23に担持される。シリンダフレーム23は機関フレーム11に担持される。またこのような機関は、例えば、船舶の主機関や、発電所において発電機を動かすための据え付け型の機関として用いられることができる。機関の全出力は、例えば、1000kWから110000kWでありうる。 Figures 1-3 depict a large, turbocharged, low speed, two-stroke diesel engine. This engine has a crankshaft 8 and a crosshead 9. FIG. 3 is a schematic representation of a large, turbocharged, low-speed, two-stroke diesel engine with its intake and exhaust systems. In this example, the engine has six cylinders in series. Large, low-speed, turbocharged, two-stroke diesel engines typically have four to fourteen cylinders arranged in series. These cylinders are carried by a cylinder frame 23. The cylinder frame 23 is carried by the engine frame 11. Further, such an engine can be used, for example, as a main engine of a ship or a stationary engine for operating a generator in a power plant. The total power of the engine can be, for example, from 1000 kW to 110 000 kW.

この実施例における機関は、2ストロークユニフロー式圧縮着火型二元機関であり、各シリンダライナ1には、その下部領域に掃気ポート18が設けられ、その頂部中央には排気弁が配される。この機関は少なくとも1つのアンモニアモード及び少なくとも1つの従来燃料モードを有する。アンモニアモードにおいて、機関はアンモニア燃料又はアンモニアベースの燃料で運転される。従来燃料モードにおいては従来の燃料、例えば燃料油(船舶用ディーゼル燃料)や重油で運転される。 The engine in this embodiment is a two-stroke uniflow compression ignition binary engine, and each cylinder liner 1 is provided with a scavenging port 18 in its lower region, and an exhaust valve is arranged in the center of the top. The engine has at least one ammonia mode and at least one conventional fuel mode. In ammonia mode, the engine is operated on ammonia fuel or ammonia-based fuel. In conventional fuel mode, it is operated with conventional fuel, such as fuel oil (marine diesel fuel) or heavy oil.

掃気空気は、掃気受け2を通じて、各シリンダ1の掃気ポート18へと導かれる。ピストン10は、シリンダライナ1中で下死点(BDC)と上死点(TDC)の間を往復し、掃気空気を圧縮する。燃料(アンモニアモードではアンモニア)は、シリンダカバー22に配置された燃料弁50を通じて燃焼室内に噴射される。ディーゼル原理に基づく動作の場合、燃料は、ピストンがTDC又はその付近にあるときに、高圧で噴射される。オットー原理に基づく動作の場合、燃料は、ピストンがTDCに向かう途中に低圧で噴射される。燃料の噴射に続いて燃焼が生じ、排気が生成される。各シリンダカバー22には2つ以上の燃料弁50が設けられる。燃料弁50は、特定の1つのタイプの燃料(例えばアンモニア)のみを噴射するように構成されてもよい。その場合、燃焼室内に従来燃料を噴射するための2つ以上の燃料弁も設けられるだろう(図3には図示されていない)。燃料弁50は、シリンダカバー22において、シリンダカバー22の中央部に配される排気弁4の周囲に配される。図示されていないが、実施例によっては、アンモニア燃料を確実に点火するために点火液を噴射するように構成される、追加の(通常は小さな)燃料弁がシリンダカバーに配されてもよい。点火液は、例えばジメチルエーテル(DME)又は燃料油であってもよい。しかし、例えば水素のような、他の形の点火促進剤であってもよい。機関は二元エンジンであってもよいので、機関は、燃料弁50に従来燃料を供給するための従来燃料供給システムを備えていてもよい(図示されていない)。実施例によっては、シリンダライナに沿って燃料弁50'が配される(破線で示されている)。燃料弁50'は、ピストン10がBDCからTDCに向かう途中であって燃料弁50'を通過する前に、シリンダ内に燃料を導入する。その場合、ピストン10は掃気と燃料の混合気を圧縮する。TDC又はその近辺でタイミングをはかって点火が行われる。点火は、火花、レーザー、点火液の噴射等によって行われる。燃料弁50'を有する実施例では、燃料が導入される時点での圧力は、シリンダカバー22に燃料弁50を有する実施例において燃料が噴射される時点での圧力よりもかなり低い。シリンダカバー22に配される燃料弁50は、ピストンがTDC又はその付近にあるときに燃料を噴射するので、燃料噴射圧力は、圧縮圧力よりもかなり高くなくてはならない。このように、実施形態によっては、機関はディーゼル原理(圧縮点火)に従って動作し、掃気ガスを圧縮しする。他の実施形態では、機関はオットーサイクル(所定のタイミングで点火する)に従って動作し、燃料と掃気ガスの混合物を圧縮する。オットー原理に従って動作するとき、燃料供給システム30が燃料を供給するために必要な圧力は、圧縮点火の場合に比べて著しく低くすることができ、及び/又は、圧縮点火機関用の燃料弁50でしばしば使用される圧力ブースターを用いる必要は回避され得る。 Scavenging air is guided through the scavenging air receiver 2 to the scavenging air port 18 of each cylinder 1. The piston 10 reciprocates between bottom dead center (BDC) and top dead center (TDC) in the cylinder liner 1 and compresses scavenging air. Fuel (ammonia in ammonia mode) is injected into the combustion chamber through a fuel valve 50 located in the cylinder cover 22. For operation on the diesel principle, fuel is injected at high pressure when the piston is at or near TDC. In the case of operation based on the Otto principle, fuel is injected at low pressure while the piston is on its way to TDC. Following fuel injection, combustion occurs and exhaust gas is produced. Each cylinder cover 22 is provided with two or more fuel valves 50. Fuel valve 50 may be configured to inject only one particular type of fuel (eg, ammonia). In that case, two or more fuel valves for conventional fuel injection into the combustion chamber would also be provided (not shown in FIG. 3). The fuel valve 50 is arranged in the cylinder cover 22 around the exhaust valve 4 arranged in the center of the cylinder cover 22 . Although not shown, in some embodiments an additional (usually small) fuel valve may be located in the cylinder cover, configured to inject ignition fluid to ensure ignition of the ammonia fuel. The ignition fluid may be, for example, dimethyl ether (DME) or fuel oil. However, other forms of ignition accelerator are also possible, for example hydrogen. Since the engine may be a dual engine, the engine may be equipped with a conventional fuel supply system for supplying conventional fuel to the fuel valve 50 (not shown). In some embodiments, a fuel valve 50' is disposed along the cylinder liner (indicated by dashed lines). The fuel valve 50' introduces fuel into the cylinder while the piston 10 is on its way from BDC to TDC and before passing through the fuel valve 50'. In that case, the piston 10 compresses the scavenging air and fuel mixture. Ignition is timed at or near TDC. Ignition is performed by a spark, laser, injection of ignition fluid, or the like. In embodiments having a fuel valve 50', the pressure at which fuel is introduced is significantly lower than the pressure at which fuel is injected in embodiments having a fuel valve 50 in the cylinder cover 22. Since the fuel valve 50 located in the cylinder cover 22 injects fuel when the piston is at or near TDC, the fuel injection pressure must be significantly higher than the compression pressure. Thus, in some embodiments, the engine operates according to the diesel principle (compression ignition) and compresses the scavenging gas. In other embodiments, the engine operates according to an Otto cycle (firing at predetermined times) to compress a mixture of fuel and scavenge gas. When operating according to the Otto principle, the pressure required for the fuel supply system 30 to supply fuel can be significantly lower than in the case of compression ignition, and/or the pressure required for the fuel supply system 30 to supply fuel can be significantly lower than in the case of compression ignition, and/or at the fuel valve 50 for compression ignition engines. The need to use the often used pressure boosters can be avoided.

排気弁4が開くと、排ガスは、シリンダ1に設けられる排気ダクトを通って排気受け3へと流れ、(実施形態によっては選択的触媒リアクター33を通って)第1の排気管19を流れ、ターボ過給機5のタービン6へと進む。そこから排ガスは第2の排気管28を進み、、凝縮器20、ウェットスクラバー40、スクラバータワー48を経て、出口21から大気中へと放出される。湿式スクラバー40は、以下でさらに詳細に説明するように、亜酸化窒素排出量(NO排出量)を低減する。 When the exhaust valve 4 is opened, the exhaust gas flows through the exhaust duct provided in the cylinder 1 to the exhaust receiver 3 and through the first exhaust pipe 19 (through the selective catalytic reactor 33 depending on the embodiment); Proceed to the turbine 6 of the turbocharger 5. From there, the exhaust gases proceed through the second exhaust pipe 28, through the condenser 20, the wet scrubber 40, the scrubber tower 48, and are discharged to the atmosphere through the outlet 21. Wet scrubber 40 reduces nitrous oxide emissions (N 2 O emissions), as described in further detail below.

ターボ過給機5のタービン6は、シャフトを介してコンプレッサ7を駆動する。コンプレッサ9には、空気取り入れ口12を通じて外気が供給される。コンプレッサ7は、圧縮された掃気空気を、掃気受け2に繋がる掃気管13へと送り込む。掃気管13の掃気は、掃気を冷却するためのインタークーラー14を通過する。 A turbine 6 of the turbocharger 5 drives a compressor 7 via a shaft. The compressor 9 is supplied with outside air through an air intake 12 . The compressor 7 sends compressed scavenging air to the scavenging pipe 13 connected to the scavenging air receiver 2. The scavenging air from the scavenging pipe 13 passes through an intercooler 14 for cooling the scavenging air.

冷却された掃気は、電気モーター17により駆動される補助ブロワ16を通る。補助ブロワ16は、ターボ過給機5のコンプレッサ7が掃気受け2のために十分な圧力を提供できない場合、すなわち機関が低負荷又は部分負荷である場合に、掃気流を圧縮する。機関の負荷が高い場合は、ターボ過給機のコンプレッサ7が、十分に圧縮された掃気を供給することができるので、補助ブロワ16は逆止め弁15によってバイパスされ、電気モーター17は停止される。ターボ過給システムは2つ以上のターボ過給機5を有してもよい。 The cooled scavenging air passes through an auxiliary blower 16 driven by an electric motor 17. The auxiliary blower 16 compresses the scavenging air flow if the compressor 7 of the turbocharger 5 cannot provide sufficient pressure for the scavenging air receiver 2, ie when the engine is at low or part load. When the engine load is high, the turbocharger compressor 7 can supply sufficiently compressed scavenging air, so that the auxiliary blower 16 is bypassed by the check valve 15 and the electric motor 17 is stopped. . The turbocharging system may have two or more turbochargers 5.

アンモニアモードにおいて、機関はアンモニアを主燃料として運転される。アンモニアは、アンモニア燃料システム30によって、ほぼ一定の圧力及び温度でアンモニア弁50に供給される。アンモニアはアンモニア弁50に、液相又は気相で供給されうる。液相アンモニアは、アンモニア水(aqueous ammonia)、すなわちアンモニア水溶液であってもよい。 In the ammonia mode, the engine is operated with ammonia as the main fuel. Ammonia is supplied by ammonia fuel system 30 to ammonia valve 50 at approximately constant pressure and temperature. Ammonia can be supplied to the ammonia valve 50 in liquid or gas phase. The liquid ammonia may be aqueous ammonia, ie, an aqueous ammonia solution.

従来燃料システムについてはよく知られているので、図示されておらず、また詳細な説明もなされない。アンモニア燃料システム30は、液相のアンモニアを中間的な供給圧力で(例えば30~80bar)で、アンモニア弁50に供給する。代替例では、アンモニア燃料は、気相で、比較的低い供給圧力(例えば8~30bar)で、アンモニア弁50に供給される。圧縮着火型機関の場合、燃料弁50は、アンモニア燃料の圧力を著しく上昇させる圧力ブースターを備える。圧力ブースターは、アンモニア燃料の圧力を中間的な圧力から高圧へと上昇させ、それによって、機関の圧縮圧力よりも高い圧力でアンモニア燃料が噴射されることを可能にする。通常、圧縮着火型機関の噴射圧力は300barより高い。 Since conventional fuel systems are well known, they are not shown or described in detail. The ammonia fuel system 30 supplies ammonia in liquid phase to the ammonia valve 50 at an intermediate supply pressure (eg 30-80 bar). Alternatively, the ammonia fuel is supplied to the ammonia valve 50 in the gas phase and at a relatively low supply pressure (eg 8-30 bar). For compression ignition engines, the fuel valve 50 includes a pressure booster that significantly increases the pressure of the ammonia fuel. The pressure booster increases the pressure of the ammonia fuel from an intermediate pressure to a high pressure, thereby allowing the ammonia fuel to be injected at a pressure higher than the compression pressure of the engine. Typically, the injection pressure in compression ignition engines is higher than 300 bar.

実施形態によっては、機関は、排ガスの一部を掃気ガスと共に燃焼室に再導入するための排ガス循環システムを備える。これは例えばNOxの発生を低減するためである。 In some embodiments, the engine includes an exhaust gas circulation system for reintroducing a portion of the exhaust gas into the combustion chamber along with the scavenging gas. This is for example to reduce the generation of NOx.

図4を参照すると、アンモニア燃料システム30がより詳細に示されている。アンモニアは、圧力式貯蔵タンク31に液相で約17barで貯蔵される。アンモニアは、外気温20℃において8.6bar以上であればアンモニア貯蔵タンク31に液相で貯蔵することができる。しかし、外気温が上昇しても液相を保たせるためには、17bar以上でアンモニアを貯蔵することが好ましい。 Referring to FIG. 4, ammonia fuel system 30 is shown in more detail. Ammonia is stored in the liquid phase in a pressure storage tank 31 at approximately 17 bar. Ammonia can be stored in the ammonia storage tank 31 in a liquid phase if the outside temperature is 8.6 bar or higher at 20°C. However, in order to maintain the liquid phase even when the outside temperature rises, it is preferable to store ammonia at 17 bar or higher.

低圧アンモニア供給ライン32が、アンモニア貯蔵タンク31の出口と中圧供給ポンプ35の入口を繋いでいる。低圧供給ポンプ33は、タンク31からの液相アンモニアがフィルタ装置34を通って中圧供給ポンプ35の入口に達するように圧力をかける。中圧供給ポンプ35は、中圧アンモニア供給ライン36から燃料弁50,50'へと液相アンモニアを圧送する。燃料弁50へと供給される液相アンモニアの一部は機関の燃焼室に噴射されるが、別の部分はアンモニア戻しラインライン38に戻される。アンモニア戻しライン38は、燃料弁50,50'の戻しポートを低圧供給ライン32に接続している。従って、液相アンモニア燃料の一部は中圧供給ポンプ35の入口へと再循環される。 A low pressure ammonia supply line 32 connects the outlet of the ammonia storage tank 31 and the inlet of the medium pressure supply pump 35. Low pressure feed pump 33 applies pressure such that liquid ammonia from tank 31 passes through filter device 34 to the inlet of medium pressure feed pump 35 . The medium pressure supply pump 35 pumps liquid ammonia from the medium pressure ammonia supply line 36 to the fuel valves 50, 50'. A portion of the liquid ammonia supplied to the fuel valve 50 is injected into the combustion chamber of the engine, while another portion is returned to the ammonia return line 38. Ammonia return line 38 connects the return ports of fuel valves 50, 50' to low pressure supply line 32. A portion of the liquid ammonia fuel is therefore recycled to the inlet of the medium pressure supply pump 35.

電子制御ユニット100は、有線又は無線で、燃料システム30のポンプ及びバルブ、制御される凝縮器20、及び亜酸化物除去システムに接続されている。電子制御ユニット100は、例えばポンプのスピードを調節したりバルブの開閉を制御したりすることにより、これらの要素を制御するように構成される。そうして、燃料システムや亜酸化物除去吸収システムが、以下に詳細に説明するように動作することを可能とする。 The electronic control unit 100 is connected by wires or wirelessly to the pumps and valves of the fuel system 30, the controlled condenser 20, and the suboxide removal system. The electronic control unit 100 is configured to control these elements, for example by adjusting the speed of a pump or controlling the opening and closing of a valve. This allows the fuel system and suboxide removal and absorption system to operate as described in detail below.

図3に戻る。亜酸化窒素低減システムは、タービン6の下流で、制御された凝縮器20の下流に亜酸化窒素スクラバー40を有する。亜酸化窒素スクラバー40は、スクラバー40を流れる排ガス中の亜酸化窒素を1回の処理段階でアンモニアに変化させるように構成されている。従って、スクラバー40を出る排ガスは、スクラバー40に入る排ガスと比較して亜酸化物の含有量が大幅に減少しており、スクラバー40を出る排ガスは、スクラバー40に入る排ガスと比較してアンモニアの含有量が増加している。 Return to Figure 3. The nitrous oxide reduction system includes a nitrous oxide scrubber 40 downstream of the turbine 6 and downstream of the controlled condenser 20 . The nitrous oxide scrubber 40 is configured to convert nitrous oxide in the exhaust gas flowing through the scrubber 40 into ammonia in one treatment step. Therefore, the exhaust gas exiting the scrubber 40 has a significantly reduced suboxide content compared to the exhaust gas entering the scrubber 40, and the exhaust gas exiting the scrubber 40 has a significantly reduced content of ammonia compared to the exhaust gas entering the scrubber 40. content is increasing.

実施形態によっては、スクラバー40は充填カラム(packed column)を有する。この充填カラムは、広い表面積と低い圧力損失を実現する物質で充填されている。実施形態によっては、スクラバーはプレートカラムを有する。亜酸化窒素の除去プロセスは、カラムの設計に関係なく機能する。しかし、効率及び流量は、カラムの種類及び構造によって影響を受ける可能性がある。 In some embodiments, scrubber 40 has a packed column. This packed column is packed with a material that provides high surface area and low pressure drop. In some embodiments, the scrubber has a plate column. The nitrous oxide removal process works regardless of column design. However, efficiency and flow rate can be affected by column type and construction.

電気スクラバー40は、湿式洗浄と、電気的に生成されたメディエータ(electrogenerated mediator)とを組み合わせて、1回の処理段階で亜酸化窒素をアンモニアに還元する。このメディエータは好ましくはNi(I)系のメディエータであり、より好ましくはNi(I)[Ni(I)(CN)3-メディエータである。 Electric scrubber 40 combines wet scrubbing and an electrogenerated mediator to reduce nitrous oxide to ammonia in one process step. This mediator is preferably a Ni(I)-based mediator, more preferably a Ni(I) [Ni(I)(CN) 4 ] 3- mediator.

メディエータは、亜酸化窒素除去装置内で循環する水と混合される。循環水のpH値が高いため、アンモニアは水に溶解せず、排ガスと共にスクラバー40から排出される。 The mediator is mixed with water circulating within the nitrous oxide removal device. Since the pH value of the circulating water is high, ammonia is not dissolved in water and is discharged from the scrubber 40 together with the exhaust gas.

循環システムは、循環ポンプ45を用いて、水を循環回路49内で循環させる。水はメディエータを含み、スクラバー40を通過する。 The circulation system uses a circulation pump 45 to circulate water in a circulation circuit 49 . The water contains a mediator and passes through the scrubber 40.

電気的電子メディエータの存在、例えば9MのKOH中の例えば[Ni(I)(CN)3-(Ni(I))の存在は、は、亜酸化窒素(NO)をアンモニアに変換することによって、ウェットスクラバー40を通過する排ガスから亜酸化窒素を一貫して除去する(通常95%が除去される)結果をもたらす。 The presence of an electrical electronic mediator, e.g. [Ni(I)(CN) 4 ] 3- (Ni(I)) in 9M KOH, converts nitrous oxide (N 2 O) to ammonia. This results in consistent removal (typically 95% removal) of nitrous oxide from the exhaust gas passing through the wet scrubber 40.

このプロセスは高温を必要とせず、周囲温度と同程度の低い温度で機能する。ウェットスクラバー40に入る排ガスは、機関運転条件及び制御された凝縮器20の動作の度合いに依存するが、典型的には150~250℃の範囲にあるであろう。 The process does not require high temperatures and works at temperatures as low as ambient. The exhaust gases entering the wet scrubber 40 will typically be in the range of 150-250°C, depending on engine operating conditions and the degree of controlled condenser 20 operation.

亜酸化窒素は、電気的触 媒メディエータであるNi(I)と合体して、周囲温度まで下がった排ガスから除去される。この、メディエータとなる電気的触媒は、過剰な窒素の存在下で、NOからNHへの変換を促進する。この変換は、溶液相反応(solution phase reaction)によって可能になる。これは、NHが生成され、機関の燃料として、又は選択的触媒リアクターにおける還元剤として使用することができるという利点を有する。 Nitrous oxide combines with the electrocatalytic mediator Ni(I) and is removed from the exhaust gas, which has cooled to ambient temperature. This mediator electrocatalyst promotes the conversion of N 2 O to NH 3 in the presence of excess nitrogen. This conversion is made possible by a solution phase reaction. This has the advantage that NH3 is produced and can be used as engine fuel or as a reducing agent in selective catalytic reactors.

メディエータは、電気的に生成されるメディエータ(electrogenerated mediator)であり、循環システムは、メディエータを電気的に生成するための電位源46に結合された電解槽44を有する。電解槽44は、電位源46に接続される少なくとも2つの電極(陽極/陰極)を有する。循環システムはまた、循環システム内の水の量を検知するためのセンサ(図示せず)を有する。 The mediator is an electrogenerated mediator, and the circulation system has an electrolytic cell 44 coupled to a potential source 46 for electrically generating the mediator. Electrolytic cell 44 has at least two electrodes (anode/cathode) connected to potential source 46 . The circulation system also has a sensor (not shown) for sensing the amount of water within the circulation system.

電位源46、循環ポンプ45、循環システム水量検知用センサ、及び制御可能な凝縮器20は、コントローラ100に接続されている。 The potential source 46 , the circulation pump 45 , the sensor for detecting the amount of water in the circulation system, and the controllable condenser 20 are connected to the controller 100 .

スクラバー40の下流には、排ガスからアンモニアを分離するスクラバータワー48等が配置され、スクラバー40のアウトレットがスクラバータワー48の入口に接続されている。スクラバータワー48からアウトレット21を通って大気中に出る排ガスは、アンモニアを全く含まないか、又は非常に少ない。スクラバータワー48で排ガスから分離されたアンモニアは、機関の燃料として、又はNOx排出を低減するために使用できる選択的触媒リアクター33における還元剤として、使用することが可能である。 A scrubber tower 48 for separating ammonia from exhaust gas is arranged downstream of the scrubber 40, and an outlet of the scrubber 40 is connected to an inlet of the scrubber tower 48. The exhaust gas exiting from scrubber tower 48 through outlet 21 to the atmosphere contains no or very little ammonia. The ammonia separated from the exhaust gas in the scrubber tower 48 can be used as engine fuel or as a reducing agent in the selective catalytic reactor 33, which can be used to reduce NOx emissions.

タービン6の下流でスクラバー40の上流に配される凝縮器20は、循環システム内の水量が増加して再循環水中のメディエータの濃度が低下することを避けるために、排ガス中の水分の一部を除去する。凝縮器20は、好ましくは、制御装置100によって制御可能であり、排ガスから除去された水を排出するためのアウトレットを有する。凝縮器20は、冷却水を受け取るためのインレットと、冷却水を排出するためのアウトレットも有している。実施形態によっては、凝縮器20を通る冷却水の温度及び低下率は、制御装置100によって制御される。 A condenser 20 located downstream of the turbine 6 and upstream of the scrubber 40 removes a portion of the water in the exhaust gas in order to avoid increasing the amount of water in the circulation system and reducing the concentration of mediator in the recirculating water. remove. The condenser 20 is preferably controllable by the control device 100 and has an outlet for discharging the water removed from the exhaust gas. Condenser 20 also has an inlet for receiving cooling water and an outlet for discharging cooling water. In some embodiments, the temperature and rate of reduction of cooling water through condenser 20 is controlled by controller 100.

コントローラは、以下のうちの1つ以上を制御するように構成される。
・ 凝縮器20の能力。循環システム内の水又は流体の量を表す信号(例えば前記センサーからの信号)に応じて制御する。これは、好ましくは前記循環システム内の水の量を一定又は限度内に保つためになされ、また好ましくは、凝縮器20を通過する冷却水の温度及び/又は流量を制御することによってなされる。ここで、凝縮器20を通過する冷却水の温度及び/又は流量の制御は、スクラバー40内で蒸発及び/又は凝縮が生じないか又はほとんど生じないように行われる。
・ 電圧源46から電解槽44に供給される電力量。好ましくは再循環水中の電解メディエータの濃度を表す信号に応じて制御する。この信号は、好ましくは循環システム内に配されたセンサー(図示されていない)からの信号である。
・ アンモニア燃料システムから機関に供給されるアンモニアの量及び/又は圧力。好ましくはアンモニア供給ポンプ35の速度を調整することで制御する。
The controller is configured to control one or more of the following:
- Capacity of condenser 20. The control is responsive to a signal representative of the amount of water or fluid in the circulation system, such as a signal from the sensor. This is preferably done in order to keep the amount of water in the circulation system constant or within limits, and is preferably done by controlling the temperature and/or flow rate of the cooling water passing through the condenser 20. Here, the temperature and/or flow rate of the cooling water passing through the condenser 20 is controlled such that no or almost no evaporation and/or condensation occurs within the scrubber 40 .
- The amount of power supplied to the electrolyzer 44 from the voltage source 46. Preferably, the control is dependent on a signal representative of the concentration of electrolytic mediator in the recirculated water. This signal is preferably from a sensor (not shown) located within the circulation system.
- The amount and/or pressure of ammonia supplied to the engine from the ammonia fuel system. Preferably, this is controlled by adjusting the speed of the ammonia supply pump 35.

実施形態によっては、大型2ストロークユニフロー掃気式ターボ内燃の排ガスから亜酸化窒素を除去する方法は、
・ 主燃料としてアンモニアで前記機関を動作させることと;
・ ターボ過給機5のタービン6の下流の排ガスを、Ni(I)系のメディエータ(好ましくはNi(I)[Ni(I)(CN)3-メディエータ)を水に加えて湿式洗浄し、排ガス中の亜酸化窒素を単一の処理段階でアンモニアに変換することと;
を含む。
In some embodiments, a method for removing nitrous oxide from the exhaust gas of a large two-stroke uniflow scavenged turbo internal combustion engine includes:
- operating said engine with ammonia as the main fuel;
- Wet cleaning the exhaust gas downstream of the turbine 6 of the turbocharger 5 by adding a Ni(I)-based mediator (preferably Ni(I) [Ni(I)(CN) 4 ] 3- mediator) to water. and converting nitrous oxide in the exhaust gas into ammonia in a single processing step;
including.

前記方法は、好ましくは電解槽44で、前記メディエータを電気生成することを更に含んでもよい。前記方法は、好ましくは循環ポンプ45を使用して、前記メディエータを含む水をスクラバー40を通して循環させることを更に含んでもよい。前記方法は、排ガスからアンモニアを分離し、その後、好ましくはスクラバータワーを用いて、湿式洗浄することを更に含んでもよい。前記方法は、湿式洗浄の前に排ガス中の水分含有量を制御することを更に含んでもよい。これは好ましくは排ガスから水を除去することによって行われる。排ガスからの水の除去は、好ましくはタービン6の上流で行われ、好ましくは凝縮器20を用いて行われる。前記方法は、Ni(I)系メディエータを含む水を、湿式スクラバー40を有する前記循環システムで循環させることを更に含んでもよい。前記方法は、洗浄の前に排ガスから水を除去することによって、前記循環システム内の水の量を制御することを更に含んでもよい。この制御は、好ましくは、前記循環システム内の水の量が上限閾値以上である場合は前記凝縮器の働きを活発にし、前記循環システム内の水の量が下限閾値未満である場合は前記凝縮器の働きを低下させることによって、行う。 The method may further include electrogenerating the mediator, preferably in an electrolytic cell 44. The method may further include circulating the water containing the mediator through the scrubber 40, preferably using a circulation pump 45. The method may further include separating ammonia from the exhaust gas, followed by wet scrubbing, preferably using a scrubber tower. The method may further include controlling the moisture content in the exhaust gas prior to wet cleaning. This is preferably done by removing water from the exhaust gas. Removal of water from the exhaust gas preferably takes place upstream of the turbine 6, preferably using a condenser 20. The method may further include circulating water containing a Ni(I)-based mediator through the circulation system having a wet scrubber 40. The method may further include controlling the amount of water in the circulation system by removing water from the exhaust gas prior to cleaning. This control preferably activates the condenser when the amount of water in the circulation system is above an upper threshold, and activates the condenser when the amount of water in the circulation system is less than a lower threshold. This is done by reducing the function of the vessel.

図5は、機関の別の実施形態を描いている。この実施形態において、既に説明又は図示した構成や特徴と同様の構成及び特徴については、以前に使用したものと同じ符号を付している。この実施形態において、機関は、DC電流源46に接続された電極を備える電気スクラバー40を備えている。水は、循環ポンプ45によって電気スクラバー40を通って循環される。実施形態によっては、電気スクラバー40を通って循環される水は、触媒を含む。電気スクラバー40を通過する排ガス中の亜酸化窒素は、電気分解(electrolysis)を利用して、窒素と酸素に、又は窒素と水酸化物に分解される。このプロセスは、周囲温度と同じくらい低い温度でも機能するが、排ガスが電気スクラバー40に入る典型的な温度範囲である150~250℃において良好に機能する。 FIG. 5 depicts another embodiment of the engine. In this embodiment, structures and features similar to those already described or illustrated are given the same reference numerals as previously used. In this embodiment, the engine is equipped with an electric scrubber 40 comprising electrodes connected to a DC current source 46. Water is circulated through the electric scrubber 40 by a circulation pump 45. In some embodiments, the water circulated through electric scrubber 40 includes a catalyst. Nitrous oxide in the exhaust gas passing through the electric scrubber 40 is decomposed into nitrogen and oxygen or into nitrogen and hydroxide using electrolysis. Although this process works at temperatures as low as ambient temperature, it works well in the typical temperature range of 150-250° C. where the exhaust gas enters the electric scrubber 40.

実施形態によっては、電極は水銀電極であり、好ましくは垂下型水銀滴下電極(hanging mercury drop electrode)である。この実施形態において、亜酸化窒素の還元は水銀電極で生じ、水溶液中に少量のNi(II)錯体が存在する条件の下で、100%近い収率でNのみを得ることができる。ここで上記Ni(II)錯体は、[15又は14]aneN{[15又は14]aneN=1,4,8,12(又は11)-テトラアザシクロペンタ(又はテトラ)デカン}のNi(II)錯体である。大環状ポリアミンは従来から調製されており、その金属錯体は、選択された金属イオンと配位子としての大環状ポリアミンをエタノール及び/又はメタノール中で混合することによって得られる。 In some embodiments, the electrode is a mercury electrode, preferably a hanging mercury drop electrode. In this embodiment, the reduction of nitrous oxide occurs at a mercury electrode, and under the condition of the presence of a small amount of Ni(II) complex in the aqueous solution, only N2 can be obtained with a yield close to 100%. Here, the above Ni(II) complex is Ni of [15 or 14]aneN 4 {[15 or 14]aneN 4 =1,4,8,12 (or 11)-tetraazacyclopenta(or tetra)decane} (II) It is a complex. Macrocyclic polyamines are conventionally prepared, the metal complexes of which are obtained by mixing selected metal ions and macrocyclic polyamines as ligands in ethanol and/or methanol.

また、白金やニッケルの電極触媒で修飾したガス拡散電極で亜酸化窒素の還元が行われることもある。 Nitrous oxide may also be reduced using a gas diffusion electrode modified with a platinum or nickel electrocatalyst.

製造過程でアンモニアは発生しないので、本実施形態によっては、電気スクラバー40の下流にアンモニアを除去するためのスクラバータワー48を設ける必要はない。 Since ammonia is not generated during the manufacturing process, it is not necessary to provide a scrubber tower 48 downstream of the electric scrubber 40 to remove ammonia in this embodiment.

発明の様々な捉え方や実装形態が、いくつかの実施例と共に説明されてきた。しかし、本願の明細書や図面、特許請求の範囲を検討すれば、当業者は、特許請求の範囲に記載される発明を実施するにおいて、説明された実施例に加えて多くのバリエーションが存在することを理解し、また具現化することができるであろう。特許請求の範囲に記載される「備える」「有する」「含む」との語句は、記載されていない要素やステップが存在することを排除しない。特許請求の範囲において記載される要素の数が複数であると明示されていなくとも、当該要素が複数存在することを除外しない。 Various conceptions and implementations of the invention have been described along with several examples. However, upon studying the specification, drawings, and claims of this application, those skilled in the art will realize that there are many variations in addition to the described embodiments in carrying out the invention described in the claims. You will be able to understand this and embody it. The use of the words "comprising," "having," and "including" in the claims does not exclude the presence of unstated elements or steps. Even if it is not explicitly stated that there is a plurality of elements recited in the claims, this does not exclude the existence of a plurality of the elements.

特許請求の範囲で使用されている符号は発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。特に言及されない限り、図面は明細書と共に読まれることが意図されており、本願による開示の全体の一部である。 Any reference signs used in the claims shall not be construed as limiting the scope of the invention. Unless otherwise noted, the drawings are intended to be read in conjunction with the specification and are a part of the entire disclosure herein.

Claims (16)

主燃料がアンモニアである運転モードを少なくとも1つ有する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関であって、
シリンダライナと、前記シリンダライナ内の往復ピストンと、自身をカバーするシリンダカバーとを有する少なくとも1つのシリンダと、
前記往復ピストンと前記シリンダカバーとの間において前記シリンダ内に形成される燃焼室と、
前記シリンダカバー又は前記シリンダライナに配される燃料弁に加圧されたアンモニアを供給するように構成されるアンモニア燃料システムと、
・ 掃気用空気を圧縮するための少なくとも1つの圧縮機と、少なくとも1つの排ガス駆動タービンとを有するターボ過給システムと;
を備えると共に、
・ 前記少なくとも1つの排ガス駆動タービンの下流に設けられる亜酸化窒素スクラバーであって、前記亜酸化窒素スクラバーを流れる排ガス中の亜酸化窒素を、アンモニアに変換する及び/又は窒素と酸素若しくは窒素と水酸化物に還元する亜酸化窒素スクラバー
を備える、機関。
A large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine having at least one operating mode in which the main fuel is ammonia,
at least one cylinder having a cylinder liner, a reciprocating piston within the cylinder liner, and a cylinder cover covering the cylinder;
a combustion chamber formed within the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover;
an ammonia fuel system configured to supply pressurized ammonia to a fuel valve disposed on the cylinder cover or the cylinder liner;
- a turbocharging system having at least one compressor for compressing scavenging air and at least one exhaust gas-driven turbine;
In addition to providing
- a nitrous oxide scrubber provided downstream of the at least one exhaust gas-driven turbine, the nitrous oxide scrubber converting nitrous oxide in the exhaust gas flowing through the nitrous oxide scrubber into ammonia and/or nitrogen and oxygen or nitrogen and water; An engine equipped with a nitrous oxide scrubber that reduces to oxides.
前記スクラバーは電気スクラバーであり、湿式洗浄と、電気的に生成されたメディエータとを組み合わせて、1回の処理段階で亜酸化窒素をアンモニアに還元し、前記メディエータは好ましくはNi(I)系のメディエータであり、より好ましくはNi(I)[Ni(I)(CN)3-メディエータである、請求項1に記載の機関。 The scrubber is an electric scrubber that combines wet cleaning with an electrically generated mediator to reduce nitrous oxide to ammonia in one process step, the mediator preferably being Ni(I) based. The agent according to claim 1, which is a mediator, more preferably a Ni(I)[Ni(I)(CN) 4 ] 3- mediator. スクラバーを通してメディエータを含む水を循環させる循環システムを備え、前記メディエータは好ましくは電気的に生成されたメディエータであり、前記循環システムは好ましくは前記メディエータを電気生成するための電圧源に結合した電解槽を有し、前記電解槽は好ましくは前記電圧源に結合した少なくとも二つの電極を有する、請求項1又は2に記載の機関。 a circulation system for circulating water containing a mediator through the scrubber, said mediator preferably being an electrically generated mediator, said circulation system preferably having an electrolytic cell coupled to a voltage source for electrically generating said mediator; 3. An engine according to claim 1, wherein the electrolytic cell preferably has at least two electrodes coupled to the voltage source. 排ガスからアンモニアを分離する手段を備え、該手段は前記スクラバーの下流に配置され、好ましくはスクラバータワーを有する、請求項1から3のいずれかに記載の機関。 4. An engine according to any of claims 1 to 3, comprising means for separating ammonia from exhaust gas, said means being arranged downstream of said scrubber, preferably comprising a scrubber tower. 前記タービンの下流で前記スクラバーの上流に、排ガス中の水の一部を除去するための凝縮器を備え、前記凝縮器は好ましくは制御された凝縮器であり、前記凝縮器は好ましくは排ガスから除去された水を捨てるためのアウトレットを有し、前記凝縮器は好ましくは冷却水を受け取るためのインレットと冷却水を排出するためのアウトレットを有する、請求項1から4のいずれかに記載の機関。 Downstream of the turbine and upstream of the scrubber, a condenser is provided for removing a portion of the water in the exhaust gas, said condenser being preferably a controlled condenser, said condenser preferably removing water from the exhaust gas. Engine according to any of claims 1 to 4, having an outlet for discarding the removed water, said condenser preferably having an inlet for receiving cooling water and an outlet for discharging the cooling water. . アンモニア供給ポンプを備え、前記アンモニア供給ポンプのアウトレットは燃料弁に流体的に接続され、前記アンモニア供給ポンプは好ましくはアンモニア貯蔵タンクに流体的に接続されるインレットを有する、請求項1から5のいずれかに記載の機関。 Any of claims 1 to 5 comprising an ammonia supply pump, an outlet of said ammonia supply pump being fluidly connected to a fuel valve, said ammonia supply pump preferably having an inlet fluidly connected to an ammonia storage tank. Institutions listed in . 請求項3,5,6のいずれかに記載の機関であって、コントローラを備え、該コントローラは、
・ 前記凝縮器の働きを、前記循環システム内の水又は流体の量を代表する信号に応じて制御することであって、好ましくは前記循環システム内の水の量を一定に保つために制御し、また好ましくは、前記凝縮器を通過する冷却水の温度を制御することによって制御することと;
・ 前記電圧源から前記電解槽に供給される電力量を制御することであって、好ましくは、再循環水中の、電気的に生成されたメディエータの濃度を表す信号に応じて制御することと;
・ アンモニア燃料システムから機関に供給されるアンモニアの量及び/又は圧力を制御することであって、好ましくはアンモニア供給ポンプ35の速度を調整することで制御することと;
のうちの1つ以上を行うように構成される、機関。
The engine according to any one of claims 3, 5 and 6, comprising a controller, the controller comprising:
- controlling the operation of said condenser in response to a signal representative of the amount of water or fluid in said circulation system, preferably to maintain a constant amount of water in said circulation system; , also preferably by controlling the temperature of the cooling water passing through the condenser;
- controlling the amount of power supplied to the electrolyzer from the voltage source, preferably in response to a signal representative of the concentration of an electrically generated mediator in the recirculating water;
- controlling the amount and/or pressure of ammonia supplied to the engine from the ammonia fuel system, preferably by adjusting the speed of the ammonia supply pump 35;
An institution configured to do one or more of the following:
水銀電極を備え、亜酸化窒素の還元は、水溶液中で少量のNi(II)錯体の存在下で前記水銀電極で生じ、前記Ni(II)錯体は[15又は14]aneN{[15又は14]aneN=1,4,8,12(又は11)-テトラアザシクロペンタ(又はテトラ)デカン}のNi(II)錯体である、請求項1に記載の機関。 A mercury electrode is provided, and the reduction of nitrous oxide occurs at said mercury electrode in the presence of a small amount of Ni(II) complex in aqueous solution, said Ni(II) complex being [15 or 14]aneN 4 {[15 or 14] aneN 4 =1,4,8,12 (or 11)-tetraazacyclopenta(or tetra)decane}. ターボ過給機を有する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関の排ガスから亜酸化窒素を除去する方法であって、
・ 主燃料としてアンモニアで前記機関を動作させることと;
・ ターボ過給機のタービンの下流の排ガスを、好ましくはNi(I)[Ni(I)(CN)3-メディエータであるNi(I)系のメディエータを水に加えて湿式洗浄し、排ガス中の亜酸化窒素を単一の処理段階でアンモニアに変換すること、又は、
水に添加した大環状ポリアミンのNi(II)錯体を用いて、前記亜酸化窒素を窒素と酸素に還元すること、及び/又は窒素と水酸化物に還元することと;
を含む、方法。
A method for removing nitrous oxide from exhaust gas of a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine having a turbocharger, the method comprising:
- operating said engine with ammonia as the main fuel;
Wet cleaning the exhaust gas downstream of the turbine of the turbocharger by adding a Ni(I)-based mediator, preferably a Ni(I)[Ni(I)(CN) 4 ] 3- mediator, to water; converting nitrous oxide in the exhaust gas into ammonia in a single process step, or
reducing the nitrous oxide to nitrogen and oxygen and/or reducing it to nitrogen and hydroxide using a Ni(II) complex of a macrocyclic polyamine added to water;
including methods.
電解槽で前記メディエータを電気生成することを含む、請求項9に記載の方法。 10. The method of claim 9, comprising electrogenerating the mediator in an electrolytic cell. 前記メディエータを含む水をスクラバーで循環させることを含む、請求項9又は10に記載の方法。 11. A method according to claim 9 or 10, comprising circulating the water containing the mediator through a scrubber. 排ガスから前記アンモニアを分離し、その後、好ましくはスクラバータワーを用いて、湿式洗浄することを含む、請求項9から11のいずれかに記載の方法。 12. A method according to any of claims 9 to 11, comprising separating the ammonia from the exhaust gas followed by wet scrubbing, preferably using a scrubber tower. 湿式洗浄の前に排ガス中の水分含有量を制御することを含み、前記制御することは、好ましくは排ガスから水を除去することによって行われ、前記除去することは、好ましくは前記タービンの上流で行われ、好ましくは凝縮器を用いて行われる、請求項9から11のいずれかに記載の方法。 controlling the water content in the exhaust gas prior to wet cleaning, said controlling preferably being carried out by removing water from the exhaust gas, said removing preferably being carried out upstream of said turbine. 12. The method according to any of claims 9 to 11, wherein the method is carried out, preferably using a condenser. 前記Ni(I)系メディエータを含む水を、湿式スクラバーを有する循環システムで循環させることを含む、請求項9から12のいずれかに記載の方法。 13. A method according to any of claims 9 to 12, comprising circulating the water containing the Ni(I)-based mediator in a circulation system having a wet scrubber. 洗浄の前に排ガスから水を除去することによって、前記循環システム内の水の量を制御することを含み、前記制御することは、好ましくは、前記循環システム内の水の量が上限閾値以上である場合は前記凝縮器の働きを活発にし、前記循環システム内の水の量が下限閾値未満である場合は前記凝縮器の働きを低下させることによって行う、請求項9から14のいずれかに記載の方法。 controlling the amount of water in said circulation system by removing water from the exhaust gas prior to cleaning, said controlling preferably comprising: controlling the amount of water in said circulation system at or above an upper threshold; 15. According to any one of claims 9 to 14, by activating the condenser in some cases and decreasing the condenser function if the amount of water in the circulation system is below a lower threshold. the method of. 水溶液中で少量のNi(II)錯体の存在下で水銀電極で亜酸化窒素を還元することを含み、前記Ni(II)錯体は、[15又は14]aneN{[15又は14]aneN=1,4,8,12(又は11)-テトラアザシクロペンタ(又はテトラ)デカン}のNi(II)錯体である、請求項9に記載の方法。 reducing nitrous oxide with a mercury electrode in the presence of a small amount of Ni(II) complex in an aqueous solution, said Ni(II) complex being [15 or 14]aneN 4 {[15 or 14]aneN 4 =1,4,8,12(or 11)-tetraazacyclopenta(or tetra)decane}. The method according to claim 9, wherein the Ni(II) complex is
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