JP5833326B2 - 噴射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンの燃焼室内にアンモニアを噴射して、燃焼室内にて燃焼を生じさせる噴射装置に関する。
従来より、アンモニアガスを燃焼させるエンジンが提案されており、例えば、特許文献１では、燃焼室からの排気の熱によりアンモニアガスを水素と窒素とに分解するとともに、上記水素ガスを初期に燃焼させて燃焼室内に別途供給されたアンモニアガスを燃焼させる手法が開示されている。特許文献１の手法では、自着火が容易ではないアンモニアガス（常圧下での自着火温度は６５１℃である。）を効果的に燃焼させることが実現される。
ところが、特許文献１の手法では、アンモニアガスを水素と窒素とに分解するアンモニア分解反応器や水素吸蔵手段等が必要となり、エンジンの構成が複雑となる。したがって、アンモニアを燃料とするエンジンにおいて燃焼室内にて燃焼を容易に生じさせる新規な手法が求められている。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、燃焼室内にてアンモニアの燃焼を容易に生じさせることを目的としている。
請求項１に記載の発明は、エンジンの燃焼室内にアンモニアを噴射して、前記燃焼室内にて燃焼を生じさせる噴射装置であって、容器と、前記容器内に所定量の液状アンモニアを供給する液状アンモニア供給部と、前記容器に接続されるとともに、圧縮用の空間内に充填されたガスを圧縮して圧縮ガスを前記容器内に導入する圧縮部と、前記容器に接続され、前記容器内への前記圧縮ガスの導入により前記容器から押し出されるアンモニアを前記燃焼室内へと導くノズルとを備える。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の噴射装置であって、前記ガスが酸素を含む。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の噴射装置であって、前記ガスが酸素ガスである。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の噴射装置であって、前記ガスが前記燃焼室から排出される排気である。
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の噴射装置であって、前記ガスを加熱する加熱部をさらに備える。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の噴射装置であって、前記加熱部において前記燃焼室から排出される排気を用いて前記ガスが加熱される。
本発明によれば、圧縮により高温となるガスを利用して燃焼室内にアンモニアを噴射することにより、燃焼室内にてアンモニアの燃焼を容易に生じさせることができる。
図１は、本発明の一の実施の形態に係る２ストロークエンジン１の構成を示す図である。２ストロークエンジン１は、船舶用の内燃機関であり、アンモニア（ＮＨ３）を燃料とする。２ストロークエンジン１は、シリンダ２、および、シリンダ２内に設けられるピストン３を備え、ピストン３は、図１中の上下方向に移動可能である。なお、図１の上下方向は重力方向であるとは限らない。
シリンダ２は、円筒状のシリンダライナ２１、および、シリンダライナ２１の上部に取り付けられるシリンダカバー２２を有する。ピストン３は、シリンダライナ２１に挿入された厚い円板状のピストンクラウン３１、および、一端がピストンクラウン３１の下面に接続されるピストンロッド３２を有する。ピストンロッド３２の他端は、図示省略のクランク機構に接続される。
２ストロークエンジン１では、シリンダライナ２１、シリンダカバー２２、排気弁２５（後述）、および、ピストンクラウン３１の上面（すなわち、ピストン３の上面）にて囲まれる空間が、アンモニアおよび空気を燃焼するための燃焼室２０である。シリンダカバー２２には、燃焼室２０に燃料を供給する噴射装置６が設けられる。本実施の形態では、燃料として液状アンモニアが使用される。噴射装置６の構成については後述する。
シリンダライナ２１の下端部近傍には、多数の貫通孔が周状に配列して形成され、これらの貫通孔の集合が、燃焼室２０内に後述の掃気を供給する掃気ポート２３である。掃気ポート２３の周囲には、掃気室２３１が設けられており、掃気ポート２３は掃気室２３１を介して掃気管４１に連通する。
シリンダカバー２２には、燃焼室２０内のガスを燃焼室２０外に排出する排気ポート２４が形成され、排気ポート２４には、排気ポート２４を開閉する排気弁２５が設けられる。排気ポート２４を介して燃焼室２０から排出されたガス（以下、「排気」という。）は、第１排気路２４１を介して排気管４２へと導かれる。実際の２ストロークエンジン１では、複数のシリンダ２が併設されており、複数のシリンダ２が１つの掃気管４１および１つの排気管４２に接続される。
２ストロークエンジン１は、ターボチャージャである過給機５、および、海水等の冷媒により過給機５からの空気の冷却を行う空気冷却器４３をさらに備える。過給機５は、タービン５１およびコンプレッサ５２を備え、タービン５１は、第２排気路８１１を介して排気管４２から送り込まれた排気により回転する。コンプレッサ５２は、タービン５１にて発生する回転力を利用して（すなわち、タービン５１の回転を動力として）、２ストロークエンジン１の外部から吸気路８２を介して取り込んだ吸気（空気）を加圧して圧縮する。加圧された空気（以下、「掃気」という。）は、空気冷却器４３にて冷却された後、掃気管４１内に供給される。このように、過給機５では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。
タービン５１の回転に利用された排気は、第３排気路８１２を通過し、窒素酸化物（ＮＯＸ）を還元するための還元触媒７を介して２ストロークエンジン１の外部に排出される。上述のように、２ストロークエンジン１の燃料はアンモニアであり、硫黄分は燃料に含まれていない。このため、排気は、スクラバによる硫黄分除去なしで外気へと排出される。これにより、２ストロークエンジン１を備える船舶の構造を簡素化することができる。
図２は、噴射装置６の構成を示す図である。噴射装置６は、装置本体６１、および、液状アンモニア供給部６９を備える。２ストロークエンジン１において、装置本体６１は複数のシリンダ２のそれぞれに対して設けられ、１つの液状アンモニア供給部６９が複数の装置本体６１に接続される。したがって、複数のシリンダ２にそれぞれ設けられる複数の噴射装置６において、１つの液状アンモニア供給部６９が共有される。
装置本体６１は容器６２を有し、容器６２にはアンモニア供給路６９２の一端が接続される。アンモニア供給路６９２の他端は液状アンモニア供給部６９の液状アンモニアタンク６９１に接続される。アンモニア供給路６９２には、供給ポンプ６９３および供給弁６９４が設けられ、供給弁６９４を開放することにより、液状アンモニアタンク６９１から容器６２内に所定量の液状アンモニアが供給される。既述のように、１つの液状アンモニア供給部６９が複数の噴射装置６にて共有されるため、実際には、液状アンモニアタンク６９１から伸びるアンモニア供給路６９２は複数の分岐流路に分岐して複数の装置本体６１の容器６２にそれぞれ接続される。なお、供給ポンプ６９３は液状アンモニアタンク６９１と分岐点との間に設けられ、供給弁６９４は各分岐流路に設けられる。これにより、１つの供給ポンプ６９３のみにより複数の装置本体６１への液状アンモニアの供給が可能になるとともに、供給弁６９４を制御することにより複数の装置本体６１において個別のタイミングにて液状アンモニアの供給を行うことができる。
噴射装置６は、２ストロークエンジン１の外部から空気を取り入れるとともに、当該空気（後述するように、燃料を燃焼室２０へと案内するガスであり、以下、「補助ガス」という。）を加熱する加熱部６８をさらに備える。加熱部６８は、図１の第３排気路８１２の一部を内部に含む構成であり、タービン５１から排出された排気の熱を利用して補助ガスを加熱する。なお、加熱部６８も複数の噴射装置６にて共有される。
各装置本体６１は、プランジャポンプ（またはピストンポンプ）である圧縮部本体６３を備え、圧縮部本体６３はポンプシリンダ６３２およびポンプピストン６３１を有する。ポンプピストン６３１は、図示省略のカム機構により、クランク機構におけるクランク角に応じてポンプシリンダ６３２の軸方向に移動する。また、ポンプシリンダ６３２の先端（図２中の下側の先端）には、排出路６３３が設けられる。
ポンプシリンダ６３２では、加熱部６８から伸びる補助ガス供給路６８１の一端が排出路６３３の近傍に接続され、ポンプシリンダ６３２内の補助ガスが加熱部６８に戻ることを防止する逆止弁（図示省略）が補助ガス供給路６８１に設けられる。また、排出路６３３の先端は後述の噴射圧制御弁６４に接続され、噴射圧制御弁６４では、排出路６３３から排出された補助ガスがポンプシリンダ６３２内に戻ることが防止される。したがって、圧縮部本体６３では、ポンプピストン６３１が排出路６３３から離れる方向（図２中の上側）に移動することにより、加熱部６８内の補助ガスがポンプシリンダ６３２内に充填される。また、ポンプピストン６３１が排出路６３３に向かって移動することにより、後述するようにポンプシリンダ６３２内の補助ガスが排出路６３３から排出される。なお、ポンプシリンダ６３２の容積は、排出路６３３から容器６２を経由して後述のノズル６６へと至る流路の容積よりも十分に大きい。
噴射圧制御弁６４はケーシング６４１を有し、排出路６３３の先端はケーシング６４１内に配置される。ケーシング６４１内において、排出路６３３の開口には弁体６４２が設けられ、付勢部６４３により弁体６４２が排出路６３３の開口に押し当てられることにより当該開口が閉塞される。
装置本体６１において、ポンプピストン６３１が図２中に実線にて示す位置から排出路６３３に向かって移動を開始した直後は、排出路６３３の開口が閉塞されているため、ポンプシリンダ６３２内の補助ガスの圧力および温度が次第に増大する。そして、補助ガスが弁体６４２を押す力が、付勢部６４３により弁体６４２が当該開口を閉塞する力よりも大きくなると、排出路６３３の開口が開放される。これにより、圧縮された補助ガス（以下、単に「圧縮ガス」という。）が当該開口から排出される。ケーシング６４１には容器６２に接続される連通路６４５が設けられており、圧縮ガスは連通路６４５を介して容器６２内へと導入される。このように、噴射装置６では、圧縮部本体６３および噴射圧制御弁６４が、圧縮用の空間であるポンプシリンダ６３２内に充填された補助ガスを圧縮して圧縮ガスを容器６２内に導入する圧縮部６５となる。なお、付勢部６４３による付勢力は調節部６４４により調節可能であり、これにより、容器６２内に導入される圧縮ガスの圧力も変更可能である。
既述のように、容器６２内には液状アンモニアタンク６９１から液状アンモニアが供給される。また、容器６２の上部（液状アンモニアの液面よりも上方）にはノズル６６が接続される。圧縮ガスが容器６２内に導入される際には、アンモニア供給路６９２の供給弁６９４は閉じられており、ノズル６６および連通路６４５が接続される部位を除き、容器６２は密閉状態となる。したがって、容器６２内への圧縮ガスの導入により容器６２内の液状アンモニアが押し出され、ノズル６６を介して圧縮ガスと共に燃焼室２０内に噴射される。なお、ノズル６６から噴射されるアンモニアは、液状（液滴を含む。）やガス状のアンモニアを含む状態（気液混合状態）となっている。
次に、２ストロークエンジン１の動作について説明する。２ストロークエンジン１では、図１中において二点鎖線にて示すピストン３の位置が上死点であり、実線にて示すピストン３の位置が下死点である。ピストン３が上死点近傍に位置する際には、図１中において二点鎖線にて示すように排気弁２５が上昇して排気ポート２４が閉じられており、燃焼室２０内の掃気が圧縮される。
図２の噴射装置６では、ピストン３の動作に同期してポンプピストン６３１が排出路６３３に向かって移動することにより、高温かつ高圧の圧縮ガスが容器６２内に導入され、容器６２内のアンモニアが圧縮ガスと共に、ノズル６６を介して図１の燃焼室２０内に噴射される。燃焼室２０内において気化したアンモニアの自着火が高温の圧縮ガスにより促進され、燃焼室２０内のガス（すなわち、アンモニアガス、圧縮ガスおよび掃気）の燃焼（爆発）が生じる。これにより、ピストン３が押し下げられ、下死点に向かって移動する。なお、着火した状態のアンモニアがノズル６６から燃焼室２０内に噴射されてもよい。
図２の噴射装置６では、アンモニアの噴射後、ピストン３が次に上死点近傍へと到達するまでに、液状アンモニア供給部６９により容器６２内に所定量（本実施の形態では、１回の噴射に必要な量であり、２ストロークエンジン１の出力に対応する量として可変である。）の液状アンモニアが供給される。また、ポンプピストン６３１が排出路６３３から離れる方向に移動することにより、加熱部６８内の補助ガスがポンプシリンダ６３２内に充填される。
図１の２ストロークエンジン１では、燃焼室２０内のガスの燃焼後、ピストン３が下死点に到達する前に、排気弁２５が下降して排気ポート２４が開かれる。これにより、燃焼室２０内の燃焼済みガスの排出が開始される。燃焼室２０から排出されたガス（すなわち、排気）は、既述のように、第１排気路２４１、排気管４２および第２排気路８１１を介して過給機５のタービン５１に送り込まれる。タービン５１通過後の排気は、加熱部６８における補助ガスの加熱に利用される。加熱部６８を通過した排気は、還元触媒７を通過して２ストロークエンジン１の外部に排出される。なお、２ストロークエンジン１では、クランク機構のクランクシャフトに接続されたカム機構により、排気弁２５の上昇および下降（排気ポート２４の開閉）が行われる。
ピストン３が下死点近傍まで移動し、ピストンクラウン３１の上面が掃気ポート２３の下方に位置すると、燃焼室２０と掃気室２３１とが連通し（すなわち、掃気ポート２３が開かれ）、掃気室２３１内の掃気の燃焼室２０内への供給が開始される。ピストン３は下死点を通過した後、上昇に転じ、ピストンクラウン３１の上面が掃気ポート２３の上方に到達することにより、掃気ポート２３が閉じられ、燃焼室２０内への掃気の供給が停止される。続いて、排気ポート２４が排気弁２５により閉じられ、燃焼室２０が密閉される。
ピストン３はさらに上昇して、燃焼室２０内の掃気が圧縮され、ピストン３が上死点近傍に到達すると、噴射装置６から燃焼室２０内にアンモニアが圧縮ガスと共に噴射され、燃焼室２０内にて燃焼が生じる。２ストロークエンジン１では、上記動作が繰り返される。
ところで、点火プラグ等を用いて、燃焼室２０内においてアンモニアの燃焼を行うことも考えられるが、点火プラグは消耗品であり、港以外ではエンジンを原則停止しない船舶用の内燃機関では、点火プラグを用いることは好ましくない。また、水素ガス等のパイロット燃料を用いて、燃焼室２０内においてアンモニアの燃焼を行うことも考えられるが、液状アンモニアおよびパイロット燃料のそれぞれに対してタンクや噴射機構を設ける必要があり、エンジンの構成が複雑になる。
これに対し、図２の噴射装置６では、圧縮部６５において、圧縮用の空間内に充填されたガスが圧縮され、液状アンモニアを保持する容器６２内に圧縮ガスが導入される。そして、圧縮ガスの導入により容器６２から押し出されるアンモニアが、圧縮ガスと共にノズル６６を介して燃焼室２０内へと導かれる。このように、噴射装置６では、圧縮により高温となるガスを利用して燃焼室２０内にアンモニアを噴射することにより、燃焼室２０内にてアンモニアの燃焼を容易に生じさせることができる。なお、噴射装置６では、１つの圧縮部６５によりアンモニアおよび補助ガスを燃焼室２０内に噴射するため、エンジンの構造が複雑化することはない。
また、噴射装置６が補助ガスを加熱する加熱部６８を備えることにより、圧縮ガスをさらに高温にすることができ、燃焼室２０内のアンモニアを含むガスをより確実に燃焼させることができる。さらに、加熱部６８が、燃焼室２０から排出される排気を用いて補助ガスを加熱することにより、２ストロークエンジン１のエネルギー効率を向上することができる。
ここで、仮に、プランジャポンプにより液状アンモニアを直接、燃焼室２０内に噴射する場合、すなわち、図２の圧縮部本体６３のポンプシリンダ６３２内に液状アンモニアを充填して、排出路６３３から直接、燃焼室２０内にアンモニアを噴射する場合、ポンプシリンダ６３２内にガスが混入すると、ポンプピストン６３１を押し込んだ際に、当該ガスの圧縮によりポンプシリンダ６３２内の液状アンモニアの加圧が不十分となり、アンモニアが燃焼室２０内に適切に噴射されない現象（ベーパーロック現象）が生じることがある。特に、液状アンモニアを燃料とする場合、ポンプシリンダ６３２内への液状アンモニアの充填時に、液状アンモニアが気化してポンプシリンダ６３２内にガスが混入する可能性が高くなる。
これに対し、圧縮部６５において補助ガスを圧縮する噴射装置６では、圧縮対象がガスであるため、ベーパーロック現象は生じず、燃焼室２０内へのアンモニアの噴射を確実に行うことができる。
図３は、２ストロークエンジン１の他の例を示す図である。図３の噴射装置６ａでは、図１の噴射装置６における加熱部６８が省略され、第３排気路８１２内の排気の一部を装置本体６１へと導く補助流路６８２が新たに設けられる。他の構成は図１の２ストロークエンジン１と同様であり、同様の構成に同符号を付している。
噴射装置６ａでは、タービン５１内を通過した高温の排気が、補助流路６８２を介して図２のポンプシリンダ６３２内に補助ガスとして充填される。そして、圧縮部６５が、ポンプシリンダ６３２内の補助ガスを圧縮して圧縮ガスを容器６２内に導入することにより、容器６２から押し出されるアンモニアが圧縮ガスと共に燃焼室２０内に噴射される。このように、燃焼室２０から排出される排気を補助ガスとして利用する噴射装置６ａでは、圧縮ガスをさらに高温かつ高圧にすることができ、燃焼室２０内のアンモニアを含むガスを容易に、かつ、より確実に燃焼させることができる。
図４は、２ストロークエンジン１のさらに他の例を示す図である。図４の噴射装置６ｂでは、図１の噴射装置６における加熱部６８が省略され、装置本体６１に接続される酸素タンク６７が新たに設けられる。他の構成は図１の２ストロークエンジン１と同様であり、同様の構成に同符号を付している。
噴射装置６ｂでは、酸素タンク６７から供給される酸素ガスが、図２のポンプシリンダ６３２内に補助ガスとして充填される。そして、圧縮部６５が、ポンプシリンダ６３２内の補助ガスを圧縮して圧縮ガスを容器６２内に導入することにより、容器６２から押し出されるアンモニアが圧縮ガスと共に燃焼室２０内に噴射される。このように、酸素ガスを補助ガスとして利用する噴射装置６ａでは、高温かつ高圧の酸素ガスによりアンモニアの自着火を促進することができ、燃焼室２０内のアンモニアを含むガスを容易に、かつ、より確実に燃焼させることができる。なお、図４の噴射装置６ｂにおいて加熱部６８を設け、加熱した酸素ガスを圧縮した圧縮ガスを利用してアンモニアが噴射されてもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
上記噴射装置６，６ａ，６ｂでは、酸素を含む補助ガスを圧縮した圧縮ガスを利用してアンモニアを燃焼室２０内に噴射することにより、燃焼室２０内のアンモニアガスの燃焼が容易に行われるが、２ストロークエンジン１の設計によっては、酸素を含まない補助ガス（例えば、アンモニアガス）が用いられてもよい。この場合でも、圧縮により高温となった圧縮ガスを利用してアンモニアを燃焼室２０内に噴射することにより、燃焼室２０内にて燃焼を容易に生じさせることができる。また、液状アンモニアに石油燃料等を混合したものが容器６２内に供給され、燃焼室２０内に噴射されてもよい。
噴射装置６，６ａ，６ｂにおいて、圧縮部６５は他の往復ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプやベローズポンプ）等を有するものであってもよい。すなわち、圧縮用の空間内に充填されたガスを圧縮して圧縮ガスを容器６２内に導入する圧縮部６５は、様々な態様にて実現することができる。また、加熱部６８においてヒータが設けられることにより、排気を用いることなく、補助ガスの加熱が行われてもよい。
上記実施の形態における噴射装置６，６ａ，６ｂは、４ストロークエンジンにおいて用いられてもよい。また、噴射装置６，６ａ，６ｂを有するエンジンは、船舶以外に、自動車や発電用の原動機等、様々な用途に用いられてよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせられてよい。
１ ２ストロークエンジン
６，６ａ，６ｂ 噴射装置
２０ 燃焼室
６２ 容器
６５ 圧縮部
６６ ノズル
６８ 加熱部
６９ 液状アンモニア供給部
６，６ａ，６ｂ 噴射装置
２０ 燃焼室
６２ 容器
６５ 圧縮部
６６ ノズル
６８ 加熱部
６９ 液状アンモニア供給部
Claims (6)
- エンジンの燃焼室内にアンモニアを噴射して、前記燃焼室内にて燃焼を生じさせる噴射装置であって、
容器と、
前記容器内に所定量の液状アンモニアを供給する液状アンモニア供給部と、
前記容器に接続されるとともに、圧縮用の空間内に充填されたガスを圧縮して圧縮ガスを前記容器内に導入する圧縮部と、
前記容器に接続され、前記容器内への前記圧縮ガスの導入により前記容器から押し出されるアンモニアを前記燃焼室内へと導くノズルと、
を備えることを特徴とする噴射装置。 - 請求項１に記載の噴射装置であって、
前記ガスが酸素を含むことを特徴とする噴射装置。 - 請求項２に記載の噴射装置であって、
前記ガスが酸素ガスであることを特徴とする噴射装置。 - 請求項２に記載の噴射装置であって、
前記ガスが前記燃焼室から排出される排気であることを特徴とする噴射装置。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の噴射装置であって、
前記ガスを加熱する加熱部をさらに備えることを特徴とする噴射装置。 - 請求項５に記載の噴射装置であって、
前記加熱部において前記燃焼室から排出される排気を用いて前記ガスが加熱されることを特徴とする噴射装置。
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