JP7307293B1 - Large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine and method of operation thereof - Google Patents

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Abstract

Figure 0007307293000001

【課題】アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも1つの動作モードを有する大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を提供する。
【解決手段】シリンダライナと、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、往復ピストンとシリンダカバーとの間においてシリンダ内に形成される燃焼室と、シリンダカバー又はシリンダライナに配される少なくとも1つのアンモニア燃料弁に、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、シリンダカバー又はシリンダライナに配される少なくとも1つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと、を備え、点火液システムが、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも20%の噴射持続時間、点火液を燃焼室内に供給するように構成される。
【選択図】図3

Figure 0007307293000001

A large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine having at least one mode of operation operating with both ammonia and an ignition fluid such as fuel oil.
At least one cylinder having a cylinder liner, a reciprocating piston in the cylinder liner, and a cylinder cover covering the cylinder, a combustion chamber formed in the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover; An ammonia fuel system configured to supply pressurized ammonia to at least one ammonia fuel valve disposed on a cylinder cover or cylinder liner, and at least one ignition fluid valve disposed on the cylinder cover or cylinder liner. and an ignition fluid system configured to supply pressurized ignition fluid, wherein the ignition fluid system burns the ignition fluid for an injection duration of at least 20% of the determined ammonia fuel combustion duration. Configured to supply indoors.
[Selection drawing] Fig. 3

Description

本発明は、機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと点火液(例えば燃料油)の両方を用いて動作する少なくとも1つの動作モードを有する大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関に関する。この機関は、シリンダライナ及び前記シリンダライナ内の往復ピストン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カバーと;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少なくとも1つのアンモニア燃料弁に、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;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少なくとも1つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと;を備える。 The present invention relates to a large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine having at least one mode of operation operating with both ammonia and an ignition liquid (e.g. fuel oil) as the fuel to be combusted within the engine. . at least one cylinder having a cylinder liner and a reciprocating piston within said cylinder liner; a cylinder cover covering said cylinder; and a combustion formed within said cylinder between said reciprocating piston and said cylinder cover. an ammonia fuel system configured to supply pressurized ammonia to at least one ammonia fuel valve disposed in said cylinder cover or said cylinder liner; disposed in said cylinder cover or said cylinder liner; an ignition fluid system configured to supply pressurized ignition fluid to at least one ignition fluid valve in the .

発明の背景Background of the Invention

大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関は、通常、コンテナ船などの大型外航船や発電所の原動機として使用される。このタイプのエンジンは、重油や燃料油で運転されることが非常に多い。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 turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engines are typically used as prime movers for large ocean-going ships such as container ships and power plants. Engines of this type are very often run on heavy or fuel oil. Its size, weight and power set large two-stroke turbocharged compression ignition internal combustion engines far apart from other combustion engines and place this type of compression internal combustion engine in a unique class.

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(CO2)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、CO2の発生は、炭化水素の燃焼に不可避である。燃料のエネルギー密度やCO2フットプリントは、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CO2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。CO2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 driven primarily by hydrocarbon fuels, such as fuel oil, such as diesel oil, or fuel gas, such as natural gas or petroleum gas. Combustion of hydrocarbon fuels is associated with the production of greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2), which can contribute to air pollution and climate change. Unlike petroleum fuel impurities that produce by-product emissions, CO2 production is inevitable in hydrocarbon combustion. A fuel's energy density and CO2 footprint depend on the length of the hydrocarbon chain and the complexity of the hydrocarbon molecule. As such, gaseous hydrocarbon fuels have lower CO2 emissions than liquid hydrocarbon fuels. However, gaseous hydrocarbon fuels are difficult to handle, store, and costly. 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)によって得られる製品である。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、CO2やSOx、粒子状物質、未燃焼炭化水素を排出することはない。現在、アンモニアは内燃機関の燃料として非常に高い関心を集めている。その主な理由は、太陽、風、波エネルギーなどの再生可能エネルギー源からの電力を使用して気候にやさしい方法で製造できること、またアンモニアの燃焼自体が二酸化炭素などの温室効果ガスを含まないためである。 Ammonia is a product obtained from petroleum, biomass and renewable energy sources (wind, solar, hydro, geothermal). Ammonia produced using renewable energy sources has virtually zero carbon emissions when burned and emits no CO2, SOx, particulate matter or unburned hydrocarbons. Ammonia is currently of great interest as a fuel for internal combustion engines. This is primarily because it can be produced in a climate-friendly manner using electricity from renewable sources such as solar, wind and wave energy, and because the combustion of ammonia itself does not contain greenhouse gases such as carbon dioxide. is.

WO2020/252518A1には、冒頭で述べたタイプの大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関が記載されている。 WO 2020/252518 A1 describes a large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine of the type mentioned at the outset.

内燃機関の燃料としてアンモニアを使用する場合、ピストンの圧縮行程でアンモニア燃料を比較的低い圧力で導入するオットー原理で動作させる場合と、ピストンが上死点(TDC)に近づいたときにアンモニア燃料を高圧で燃焼室に噴射するディーゼル原理で動作させる場合がある。ピストンサイクルのアンモニア燃料噴射・燃焼段階では、燃焼室の圧縮・膨張と燃焼により、シリンダ圧力が劇的に変化する。 When using ammonia as fuel for an internal combustion engine, when operating on the Otto principle in which ammonia fuel is introduced at a relatively low pressure during the compression stroke of the piston, and when the piston approaches top dead center (TDC), ammonia fuel is introduced. It may operate on the diesel principle with injection into the combustion chamber at high pressure. During the ammonia fuel injection/combustion phase of the piston cycle, cylinder pressure changes dramatically due to combustion chamber compression/expansion and combustion.

アンモニアは、小型の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、圧縮着火内燃機関ではまだ大規模な使用はされていない。 Ammonia has been tested and used on a small scale in small spark ignited internal combustion engines. However, they have not yet been used on a large scale in compression ignition internal combustion engines.

アンモニアを燃料として用いるにはいくつかの技術的課題がある。課題の一つは、典型的な炭化水素燃料に比べて低い出力密度である。これは、非常に多くの量の燃料が噴射されなければならないことに繋がり、従って大きな流量に繋がる。そのような大きな流量は火炎消化を生じうる。すなわち、噴射イベントの非常に初期に着火が生じたとしても、後続の大きな流量やそれに伴う高速の燃料ジェットが炎を消火してしまう(吹き消してしまう)。別の課題は、液体の炭化水素燃料に比して、アンモニアは着火性(燃えやすさ)が低いことである。更なる課題はアンモニアの大きな気化冷却であり、これは噴射時に燃料を冷やしてしまう。従って多くの着火エネルギーを必要とする。強い気化冷却のため、燃料室の温度が高いことは、安定燃焼のための必須条件である。これらの技術的課題は、圧縮着火機関でアンモニアを主燃料として使うことを強く妨げてきた。 There are some technical problems in using ammonia as a fuel. One challenge is the low power density compared to typical hydrocarbon fuels. This leads to a very large amount of fuel having to be injected and thus to a large flow rate. Such large flow rates can result in flame extinction. That is, even if ignition occurs very early in the injection event, the subsequent high flow rate and accompanying high velocity fuel jet will extinguish (blow out) the flame. Another problem is that ammonia is less ignitable (easier to burn) than liquid hydrocarbon fuels. A further problem is the large evaporative cooling of ammonia, which cools the fuel during injection. Therefore, a lot of ignition energy is required. Due to strong evaporative cooling, a high temperature in the fuel chamber is a prerequisite for stable combustion. These technical challenges have strongly hindered the use of ammonia as the main fuel in compression ignition engines.

2種類の燃料で動作可能な内燃機関は、通常二元燃料機関と呼ばれる。二元燃料機関の2つの異なる燃料は、通常、圧縮着火可能な重油やディーゼルなどの燃料油と、例えばアンモニア、メタノール、LPG、LNG、エタンなどの気体燃料とからなり、これらは全て、例えばパイロット燃料油の形で、点火液を加える必要がある。したがって、アンモニアと燃料油で動作する二元燃料機関の既存の技術的解決策のコンセプトは、機関が燃料油だけで最大定格で動作するか、アンモニア燃料の点火のために最小限のパイロット燃料油を用いるものの、アンモニア燃料だけで最大定格で動作するというものである。既存のコンセプトには、燃料油でのフルレート分量の供給に最適化された燃料油噴射システムと、アンモニアでのフルレート運転に最適化されたアンモニア燃料システムと、(例えば前室へのパイロット燃料油噴射による)最小限のパイロット燃料油によるアンモニア点火に適したパイロット燃料油システムとが必要である。また、既知の二元燃料機関のあるものは、パイロット燃料油噴射にもフルレート燃料油噴射システムを使用する。ここで、パイロット燃料油の分量は、ガス燃料で動作する場合、フルレート分量の1.5-5%の範囲にある。 Internal combustion engines that can operate on two fuels are commonly referred to as dual fuel engines. The two different fuels in a dual fuel engine usually consist of a compression ignitable fuel oil, such as heavy oil or diesel, and a gaseous fuel, such as ammonia, methanol, LPG, LNG, ethane, all of which, for example, pilot It is necessary to add ignition fluid in the form of fuel oil. Therefore, the concept of existing technical solutions for dual-fuel engines operating on ammonia and fuel oil is based on the idea that the engine either operates on fuel oil alone at its maximum rating or uses a minimum of pilot fuel oil for ignition of the ammonia fuel. , but operated at maximum rating on ammonia fuel only. Existing concepts include a fuel oil injection system optimized for full-rate delivery of fuel oil, an ammonia fuel system optimized for full-rate operation with ammonia, and a pilot fuel oil injection into the vestibule (e.g. A pilot fuel oil system suitable for ammonia ignition with a minimum of pilot fuel oil is needed. Also, some known dual fuel engines use a full rate fuel injection system for pilot fuel injection as well. Here, the amount of pilot fuel oil is in the range of 1.5-5% of the full rate amount when operating on gas fuel.

しかし、既存のアンモニアと燃料油の二元燃料機関には、燃料油のパイロット噴射システムを有するため、複雑であるという問題がある。また、二元燃料コンセプトでは、アンモニア燃料運転中は、燃料油噴射システムをフルレート動作しない。このため、アンモニア燃料走行時にフルレート燃料油噴射システムの噴射弁のノズル孔にデポジットが発生し、アンモニア動作から燃料油動作に切り替えたときに、フルレート燃料油噴射システムが正常に作動しないおそれがある。さらに、アンモニアの層流火炎速度は、多くの炭化水素の火炎速度のほぼ10分の1であるため、低い乱流レベルでも火炎の消火/消滅が起こり得る。このため、公知の重油/ガス二元燃料機関に利用されるフルレート燃料油噴射システムを使用してアンモニアの燃焼を維持することは困難であり、燃焼室に導入されるアンモニア燃料の全部を確実に着火・燃焼させることは難しい。パイロット燃料油噴射システムにおける燃料油の噴射時間は、典型的にはクランク角で約1度であり、これではアンモニアの着火を確保するだけで、全てのアンモニア燃料の完全燃焼を保証することはできない。 However, existing ammonia and fuel oil dual fuel engines suffer from the complexity of having a fuel oil pilot injection system. Also, the dual fuel concept does not operate the fuel oil injection system at full rate during ammonia fuel operation. For this reason, deposits may form in the nozzle holes of the injection valves of the full-rate fuel oil injection system when the vehicle is running on ammonia fuel, and the full-rate fuel oil injection system may not operate normally when the ammonia operation is switched to the fuel oil operation. Furthermore, since the laminar flame speed of ammonia is approximately one-tenth that of many hydrocarbons, flame extinguishing/extinguishing can occur even at low turbulence levels. For this reason, it is difficult to sustain ammonia combustion using the full-rate fuel oil injection systems utilized in known heavy oil/gas dual fuel engines, and it is difficult to ensure that all of the ammonia fuel introduced into the combustion chamber. It is difficult to ignite and burn. The injection time of the fuel oil in the pilot fuel oil injection system is typically about 1 degree crank angle, which only ensures ignition of the ammonia, but cannot guarantee complete combustion of all the ammonia fuel. .

本発明の目的は、冒頭に述べた種類の大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関であって、上記の課題が少なくとも大幅に低減された機関を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine of the initially mentioned type, in which the above problems are at least greatly reduced.

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、従属請求項や明細書、図面から明らかになるだろう。 The above-mentioned and other problems are solved by the features of the independent claims. More specific implementations will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings.

第1の捉え方によれば、機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも1つの動作モードを有する大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関が提供される。この機関は、
・ シリンダライナ及び前記シリンダライナ内の往復ピストン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カバーと;
・ 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少なくとも1つのアンモニア燃料弁に、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;
・ 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少なくとも1つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと;
を備え、前記点火液システムが、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも20%の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする。
According to the first conception, a large turbocharged two-stroke uniflow crosshead that has at least one operating mode that operates using both ammonia and an ignition liquid such as fuel oil as fuels to be burned in the engine. A compression ignition internal combustion engine is provided. This institution
- at least one cylinder having a cylinder liner and a reciprocating piston within said cylinder liner; and a cylinder cover covering said cylinder;
a combustion chamber defined within the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover;
- an ammonia fuel system configured to supply pressurized ammonia to at least one ammonia fuel valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
an ignition fluid system configured to supply pressurized ignition fluid to at least one ignition fluid valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
wherein the ignition fluid system is configured to deliver ignition fluid into the combustion chamber for an injection duration of at least 20% of the determined ammonia fuel combustion duration.

アンモニア燃料の燃焼時間は、機関の実際の回転数に応じて、機関制御システムによって決定される。 The combustion time of the ammonia fuel is determined by the engine control system according to the actual rpm of the engine.

既知のやり方に比べて長い時間にわたって内燃機関のシリンダの燃焼室に点火液を噴射することにより、アンモニアのより完全な燃焼が達成される。さらに、フルレート燃料油噴射装置を使うことができるため、パイロット燃料油噴射システムを省略することができ、従って、かなりのコスト削減と、シリンダカバーに燃料噴射弁を設置するためのより良いスペースが提供される。また、アンモニアと点火液(燃料油等)の二元燃料動作時にも、燃料油噴射装置を稼動させておくため、燃料油噴射装置がクリーンな状態を維持することができ、アンモニア二元燃料動作から燃料油動作への切り替えに備えることができる。 A more complete combustion of the ammonia is achieved by injecting the ignition liquid into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine for a longer period of time than in known practice. In addition, because a full rate fuel injector can be used, a pilot fuel injection system can be omitted, thus providing significant cost savings and better space to install fuel injectors in the cylinder cover. be done. In addition, since the fuel oil injection device is kept in operation even during the dual fuel operation of ammonia and ignition liquid (fuel oil, etc.), the fuel oil injection device can be maintained in a clean state, and the ammonia dual fuel operation is possible. Provision can be made for switching from to fuel oil operation.

アンモニアのより高い燃焼率、好ましくは完全な燃焼率を得るために、前記点火液システムは、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも50%、好ましくは少なくとも80%、最も好ましくは少なくとも95%の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されてもよい。 In order to obtain a higher combustion rate of ammonia, preferably a complete combustion rate, said igniter fluid system controls at least 50%, preferably at least 80%, most preferably at least 95% of said determined ammonia fuel combustion duration. may be configured to supply ignition liquid into the combustion chamber for an injection duration of .

前記点火液システムは、機関低速時のクランク角2度からフルレート機関回転時のクランク角20度まで増大する噴射持続時間で点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されてもよい。本明細書において、機関低速時とは、可能な限り低い機関速度として定義される。 The ignition fluid system may be configured to deliver ignition fluid into the combustion chamber at injection durations that increase from 2 crank angle degrees at low engine speed to 20 crank angle degrees at full engine speed. Low engine speed is defined herein as the lowest possible engine speed.

実施形態によっては、前記点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよいし、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよい。前記点火液システムが間欠的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め2回から10回、好ましくは5回に定められていてもよく、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定されてもよい。 In some embodiments, the ignition fluid system may be configured to continuously supply ignition fluid into the combustion chamber during the injection duration, or to intermittently supply ignition fluid into the combustion chamber. may be configured. If the ignition fluid system is configured to inject intermittently, the number of injections may be pre-determined between 2 and 10, preferably 5; may be variably determined by a control system that monitors a number of different engine operating parameters, such as cylinder pressure, which is indicative of .

前記点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の全速動作に必要な量の5~50%、好ましくは15~40%、最も好ましくは25~35%の範囲の量で点火液を燃焼室内に供給するよう構成されていてもよい。 The ignition fluid system ignites with an amount in the range of 5-50%, preferably 15-40%, most preferably 25-35% of the amount required for full speed operation when operating solely on ignition fluid such as fuel oil. It may be configured to supply liquid into the combustion chamber.

前記アンモニア燃料システムが、機関の全速動作に必要な燃料量の少なくとも60%、好ましくは少なくとも70%、最も好ましくは少なくとも95%の量のアンモニアを燃焼室に供給するように構成されてもよい。アンモニア燃料システムのサイズを小さくすることに応じてコストが削減される。 The ammonia fuel system may be arranged to supply ammonia to the combustion chamber in an amount of at least 60%, preferably at least 70%, most preferably at least 95% of the amount of fuel required for full speed operation of the engine. Costs are reduced as the size of the ammonia fuel system is reduced.

実施形態によっては、前記アンモニア燃料弁は、開口部によって燃焼室に接続されているプレチャンバに接続されていてもよい。このようなプレチャンバを介してアンモニア燃料を燃焼室に噴射することによって、燃料が開口部から燃焼室に入る前に燃料の大幅な減速が生じ、更にプレチャンバは予熱室として機能することができる。このため、前記開口部から燃焼室に入る際に燃料速度は減少し、燃焼室に入る際に燃料温度は上昇する。それによって、圧縮着火内燃機関にアンモニアを燃料として用いることに関連する上述の課題が少なくとも部分的には解決される。 In some embodiments, the ammonia fuel valve may be connected to a pre-chamber that is connected to the combustion chamber by an opening. Injecting ammonia fuel into the combustion chamber through such a prechamber causes a significant deceleration of the fuel before it enters the combustion chamber through the opening, and the prechamber can also serve as a preheating chamber. . As a result, the fuel velocity decreases as it enters the combustion chamber through the opening, and the fuel temperature increases as it enters the combustion chamber. Thereby, the above-mentioned problems associated with using ammonia as a fuel in compression ignition internal combustion engines are at least partially resolved.

本発明のそのような実施形態では、前記機関は、点火液弁がプレチャンバに関連付けられ、前記点火液弁は、ノズル孔を有する点火液ノズルを有し、前記点火液弁は、加圧された点火液のソースに組み合わされてもよい。これによって、プリチャンバ内で点火液がアンモニアに混合され、アンモニアの着火の信頼性が向上する。点火液を高圧でプリチャンバに噴射することにより、点火液がアンモニア中によく分散することが担保され、点火液とアンモニアの混合物が燃焼室に入る際に既にこれらがよく混合していることが担保される。 In such an embodiment of the invention, the engine has an ignition fluid valve associated with the prechamber, said ignition fluid valve having an ignition fluid nozzle having a nozzle hole, said ignition fluid valve being pressurized. may be combined with a source of ignition fluid. As a result, the ignition fluid is mixed with the ammonia in the prechamber, improving the reliability of ignition of the ammonia. Injecting the ignition fluid at high pressure into the pre-chamber ensures that the ignition fluid is well dispersed in the ammonia and that the mixture of ignition fluid and ammonia is already well mixed when it enters the combustion chamber. be done.

プリチャンバは、シリンダカバーの挿入物の形態を有してもよい。このため、プリチャンバや、プリチャンバと燃焼室との間の開口部にダメージが生じた場合、挿入物を交換するだけでプリチャンバを簡単に置き換えることができ、そのためにシリンダカバー全体に対して修理・加工を行う必要がない。 The prechamber may have the form of an insert in the cylinder cover. Therefore, if damage occurs to the pre-chamber or the opening between the pre-chamber and the combustion chamber, the pre-chamber can be easily replaced by simply replacing the insert, which allows the entire cylinder cover to be repaired and machined. no need to do

また、前記プリチャンバはアンモニア燃料弁と共に単一のユニットを形成してもよい。この単一ユニットは、シリンダカバーに配される挿入物である。従って、プリチャンバとアンモニア燃料弁を単一の操作でシリンダカバーに取り付けることができる。 The prechamber may also form a single unit with the ammonia fuel valve. This single unit is an insert placed in the cylinder cover. Thus, the prechamber and ammonia fuel valve can be attached to the cylinder cover in a single operation.

第2の捉え方によれば、機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも1つの動作モードを有する大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を動作させる方法が提供される。ここで前記機関は、
・ 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少なくとも1つのアンモニア燃料弁に、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;
・ 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少なくとも1つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと;
を備え、前記方法は、前記点火液が、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも20%の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする。
According to the second conception, a large turbocharged two-stroke uniflow crosshead that has at least one operating mode that operates using both ammonia and an ignition liquid such as fuel oil as the fuel to be burned in the engine. A method of operating a compression ignition internal combustion engine is provided. wherein said agency:
- at least one cylinder having a cylinder liner and a reciprocating piston in said cylinder liner; and a cylinder covering said cylinder;
a combustion chamber defined within the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover;
- an ammonia fuel system configured to supply pressurized ammonia to at least one ammonia fuel valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
an ignition fluid system configured to supply pressurized ignition fluid to at least one ignition fluid valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
and the method is characterized in that the ignition fluid is supplied into the combustion chamber for an injection duration of at least 20% of the determined ammonia-fueled combustion duration.

以下、図面に示される例示的な実施形態を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。
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1の大型2ストローク機関の略図表現を示す。
The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawings.
1 shows a frontal view of a large two-stroke diesel engine in accordance with certain exemplary embodiments; 2 shows an overview of the large two-stroke engine of FIG. 1 viewed from the rear. 2 shows a schematic representation of the large two-stroke engine of FIG. 1;

詳細説明Detailed explanation

以下の詳細説明では、本発明による圧縮着火式内燃機関を、クロスヘッド式大型2ストロークユニフロー掃気内燃機関を参照して説明する。ただし内燃機関は他のタイプであってもよいことは理解されたい。 In the following detailed description, the compression ignition internal combustion engine according to the invention will be described with reference to a large two-stroke crosshead uniflow scavenging internal combustion engine. However, it should be understood that the internal combustion engine may be of other types.

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。この実施形態において、機関は直列に6本のシリンダ1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本から14本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。 1-3 depict a turbocharged large low speed two-stroke diesel engine. This engine has a crankshaft 8 and a crosshead 9 . FIG. 3 is a schematic representation of a turbocharged large low-speed two-stroke diesel engine with its intake and exhaust systems. In this embodiment the engine has six cylinders 1 in series. Turbocharged large low speed two-stroke diesel engines typically have from 4 to 14 cylinders arranged in series. These cylinders are carried on a cylinder frame 23 . The cylinder frame 23 is carried by the engine frame 11 . Such an engine can also be used, for example, as a main engine on ships or as a stationary engine for powering generators in power plants. The total engine power can be, for example, from 1000 kW to 110000 kW.

この実施形態の機関は2ストロークユニフロー式圧縮着火型二元エンジンである。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、アンモニア又はアンモニア系燃料と、燃料油などの点火液の両方で動作する少なくとも1つの動作モードを有する。この機関は更に、従来燃料、例えば燃料油船舶用ディーゼル)や重油で動作する少なくとも1つの従来燃料モードを有していてもよい。 The engine in this embodiment is a two stroke uniflow compression ignition binary engine. Each cylinder liner 1 is provided with a scavenging port 18 in its lower region and an exhaust valve arranged centrally on its top. The engine has at least one mode of operation operating both on ammonia or ammonia-based fuels and on ignition liquids such as fuel oil. The engine may also have at least one conventional fuel mode operating on conventional fuels, such as fuel oil marine diesel) or heavy oil.

機関の動作中、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。シリンダライナ1内の燃焼室には、シリンダカバー22に配置された燃料弁50を通じて燃料が噴射される。噴射される燃料にはアンモニアと点火液が含まれる。アンモニアはアンモニア燃料供給装置30から、点火液は点火燃料供給装置40から、それぞれ供給される。アンモニアの噴射は、ピストン10がTDCに向かうストローク中に比較的低い圧力で行われる場合と、TDC又はその近傍で高圧で行われる場合とがある。点火液の噴射は常にTDC又はその近傍で高圧で行われる。燃料の噴射に続いて燃焼が生じ、排気が生成される。 During operation of the engine, scavenging air is directed through the scavenging receiver 2 to the scavenging ports 18 of each cylinder 1 . Piston 10 reciprocates between bottom dead center (BDC) and top dead center (TDC) in cylinder liner 1 to compress scavenging air. Fuel is injected into the combustion chamber inside the cylinder liner 1 through a fuel valve 50 arranged on the cylinder cover 22 . The injected fuel contains ammonia and ignition fluid. Ammonia is supplied from the ammonia fuel supply device 30, and ignition liquid is supplied from the ignition fuel supply device 40, respectively. The injection of ammonia may occur at relatively low pressure during the stroke of piston 10 toward TDC, or at high pressure at or near TDC. The ignition fluid injection is always at or near TDC and at high pressure. Following the injection of fuel, combustion occurs and exhaust is produced.

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、それぞれ特定の1種類の燃料、アンモニア及びこの場合点火液のみを噴射するように構成されてもよい。そのような場合、アンモニアを燃焼室に噴射するための2つ以上の燃料弁50と、例えば従来燃料の形態の点火液を燃焼室に噴射するための2つ以上の燃料弁50が設けられることになる。従ってそのような場合、機関は4つ以上の燃料弁50を有するだろう。燃料弁50がアンモニアと従来燃料の両方を同時に噴射しうるように構成されている場合(例えばアンモニアと従来燃料を予め混合して噴射するように構成されているか、アンモニアと従来燃料をそれぞれ別のノズル孔から噴射するように構成されている場合)、各シリンダに設けられる燃料弁50の数は2つ以上でありうる。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。 Each cylinder cover 22 is provided with two or more fuel valves 50 . The fuel valves 50 may each be configured to inject only one particular type of fuel, ammonia and in this case ignition liquid. In such a case, two or more fuel valves 50 are provided for injecting ammonia into the combustion chamber and two or more fuel valves 50 for injecting ignition liquid, for example in the form of conventional fuel, into the combustion chamber. become. Accordingly, in such a case, the engine would have four or more fuel valves 50. FIG. When the fuel valve 50 is configured to simultaneously inject both ammonia and conventional fuel (for example, ammonia and conventional fuel are premixed and injected, or ammonia and conventional fuel are separately injected). nozzle holes), the number of fuel valves 50 provided in each cylinder may be two or more. The fuel valve 50 is arranged in the cylinder cover 22 around the exhaust valve 4 arranged in the central portion of the cylinder cover 22 .

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、他の形態の点火促進剤であってもよい。本機関は二元燃料機関であるので、点火液、例えば燃料油(船舶用ディーゼル)、又は重油などの従来燃料のみで運転される従来燃料モードでも動作することができる。 The ignition liquid may be, for example, dimethyl ether (DME) or fuel oil. However, other forms of ignition accelerator, such as hydrogen, are also possible. Since the engine is a dual fuel engine, it can also be operated in a conventional fuel mode where it is operated solely on conventional fuels such as ignition liquid, e.g. fuel oil (marine diesel), or heavy oil.

実施形態によっては、シリンダライナに沿ってアンモニア燃料導入弁が配される。アンモニア燃料導入弁は、ピストン10がBDCからTDCに向かう途中であってアンモニア燃料導入弁を通過する前に、シリンダライナ内にアンモニア燃料を比較的低圧で導入する。そしてピストン10は、掃気空気と燃料の混合物を圧縮する。TDC又はその近辺の所定のタイミングで点火が行われる。この点火は点火液の噴射等によって行われる。アンモニア燃料導入弁を有する実施例では、アンモニア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。このため、燃料供給システム30がアンモニア燃料を送達するために必要な圧力はかなり低くて済み、及び/又は、シリンダカバー22に配される燃料弁50でしばしば使用される圧力ブースターは不要となりうる。 In some embodiments, an ammonia fuel inlet valve is positioned along the cylinder liner. The ammonia fuel inlet valve introduces ammonia fuel into the cylinder liner at relatively low pressure before the piston 10 passes through the ammonia fuel inlet valve on its way from BDC to TDC. The piston 10 then compresses the mixture of scavenging air and fuel. Ignition is performed at a predetermined timing at or near TDC. This ignition is performed by injection of ignition fluid or the like. In the embodiment with the ammonia fuel inlet valve, the pressure at which the ammonia fuel is introduced is significantly lower than the pressure at which the fuel is injected in the embodiment with the fuel valve 50 in the cylinder cover 22 . As such, the pressure required for the fuel delivery system 30 to deliver the ammonia fuel may be significantly lower and/or the pressure booster often used in the fuel valve 50 located in the cylinder cover 22 may not be required.

排気弁4が開くと、排気は、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、さらに選択触媒還元リアクター(SCRリアクター)38を通って第1の排気管19を通り、ターボ過給器5のタービン6へと進む。そこから排気は、第2の排気管25を通ってエコノマイザ20へ流れ、さらに出口21から大気中へと放出される。SCRリアクターは排気中の排出物、特にNOxの排出量を低減する。 When the exhaust valve 4 opens, the exhaust flows through an exhaust duct provided in the cylinder 1 to the exhaust receiver 3, further through a selective catalytic reduction reactor (SCR reactor) 38, through a first exhaust pipe 19, and into the turbo. Proceed to turbine 6 of supercharger 5 . From there, the exhaust flows through a second exhaust pipe 25 to the economizer 20 and out the outlet 21 to the atmosphere. SCR reactors reduce emissions in the exhaust, especially NOx emissions.

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。 Turbine 6 drives compressor 7 via a shaft. Outside air is supplied to the compressor 9 through an air intake 12 . The compressor 7 sends the compressed scavenging air to the scavenging pipe 13 connected to the scavenging receiver 2 . The scavenging air in 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。 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 when the compressor 7 of the turbocharger 5 cannot provide sufficient pressure for the scavenging receiver 2, ie when the engine is under 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 non-return valve 15 and the electric motor 17 is stopped. .

アンモニアは、実質的に安定した圧力及び温度でアンモニア弁50に供給される。液相でアンモニア弁50に供給されてもよいし、気相でアンモニア弁50に供給されてもよい。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。 Ammonia is supplied to ammonia valve 50 at a substantially stable pressure and temperature. It may be supplied to the ammonia valve 50 in a liquid phase, or may be supplied to the ammonia valve 50 in a gas phase. The liquid phase ammonia may be aqueous ammonia, ie an aqueous solution of ammonia.

本発明によれば、点火液は、既知のやり方に比べて長い時間にわたって内燃機関のシリンダの燃焼室に噴射され、それによって、アンモニアのより完全な燃焼が達成される。既知の手法によれば、点火液は、約1度のクランク角にわたって噴射される。これは、アンモニア燃料の燃焼持続時間の5-10%に相当する。これに対して、本発明によれば、点火液システム40は、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも20%の噴射持続時間で点火液を燃焼室内に供給するように構成される。 According to the invention, the ignition fluid is injected into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine for a longer period of time than in known practice, thereby achieving a more complete combustion of the ammonia. According to known practice, the ignition fluid is injected over a crank angle of approximately 1 degree. This corresponds to 5-10% of the combustion duration of ammonia fuel. In contrast, in accordance with the present invention, the ignition fluid system 40 is configured to deliver ignition fluid into the combustion chamber for an injection duration of at least 20% of the determined ammonia fuel combustion duration.

アンモニアをより完全に燃焼させることに加えて、本発明による追加の利点は、点火液の噴射にフルレート燃料油噴射システムを使用することができるということである。なぜなら、使用されるべき点火液の必要量のためである。このことは、パイロット燃料油噴射システムを省略することができることを意味し、従って、かなりのコスト削減と、シリンダカバーに燃料噴射弁を設置するためのより良いスペースが提供される。また、機関の全動作モードにおいて、燃料油噴射装置が作動し続けるため、クリーンな状態を保つことができる。 In addition to burning the ammonia more completely, an additional advantage of the present invention is that a full rate fuel oil injection system can be used to inject the ignition fluid. This is because of the required amount of ignition fluid to be used. This means that the pilot fuel oil injection system can be omitted, thus providing significant cost savings and better space for installing the fuel injectors in the cylinder cover. Also, in all operating modes of the engine, the fuel oil injection device continues to operate, so a clean state can be maintained.

アンモニアと点火液を同時に燃焼させる機関の動作によっても可能な限りCO2を発生させないという観点から、点火液の量は、アンモニアの燃焼を損なわない範囲でできるだけ少なくする必要がある。しかし、状況によっては、アンモニアを完全に燃焼させるために、点火液をアンモニア燃料の燃焼時間の少なくとも50%、あるいは少なくとも80%、あるいは少なくとも95%の噴射時間、燃焼室内に噴射する必要がある。また、点火液は、アンモニア燃料の燃焼時間の100%の噴射時間、燃焼室に噴射されることも可能である。 From the viewpoint of generating as little CO2 as possible even when the engine is operated to simultaneously burn ammonia and ignition liquid, the amount of ignition liquid must be as small as possible within a range that does not impair the combustion of ammonia. However, in some situations, the ignition liquid must be injected into the combustion chamber for at least 50%, alternatively at least 80%, alternatively at least 95% of the combustion time of the ammonia fuel in order to completely combust the ammonia. It is also possible for the ignition fluid to be injected into the combustion chamber for an injection time that is 100% of the ammonia fuel combustion time.

点火液システム40が点火液を燃焼室内に供給する噴射持続時間は、機関低速時のクランク角約2度からフルレート機関回転時のクランク角約20度まで増加しうる。 The injection duration during which the ignition fluid system 40 delivers the ignition fluid into the combustion chamber may be increased from about 2 crank angle degrees at low engine speed to about 20 crank angle degrees at full engine speed.

実施形態によって、点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよいし、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよい。点火液システムが間欠的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め2回から10回、好ましくは5回に定められていてもよく、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定されてもよい。 Depending on the embodiment, the ignition fluid system may be configured to continuously supply ignition fluid into the combustion chamber for the injection duration, or may be configured to intermittently supply ignition fluid into the combustion chamber. may If the ignition fluid system is configured to inject intermittently, the number of injections may be pre-determined from 2 to 10, preferably 5, or otherwise improve the combustion performance and thus the combustion of ammonia. It may be variably determined by a control system that monitors a number of different engine operating parameters, such as indicated cylinder pressure.

点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の最大回転数(最大速度)に必要な量の5~50%、好ましくは15~40%、最も好ましくは25~35%の範囲の量で点火液を燃焼室内に供給するよう構成されていてもよい。 The ignition fluid system should be in the range of 5-50%, preferably 15-40%, most preferably 25-35% of the amount required for maximum rpm (maximum speed) when operating solely on ignition fluid such as fuel oil. may be configured to supply the ignition liquid into the combustion chamber in an amount of

アンモニア燃料システムは、少なくとも60%、好ましくは少なくとも70%、最も好ましくは少なくとも95%の量のアンモニアを燃焼室に供給するように構成されてもよい。アンモニア燃料システムのサイズを小さくすることで、それに応じてコストが削減される。 The ammonia fuel system may be configured to supply ammonia to the combustion chamber in an amount of at least 60%, preferably at least 70%, and most preferably at least 95%. Reducing the size of the ammonia fuel system reduces costs accordingly.

Claims (10)

機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも1つの動作モードを有する大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関であって、前記機関は、
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、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少なくとも1つのアンモニア燃料弁に、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;
・ 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少なくとも1つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと;
を備え、
前記点火液システムが、機関速度に応じて決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも20%の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、機関。
A large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine having at least one mode of operation operating with both ammonia and an ignition fluid such as fuel oil as fuel to be combusted in the engine, said institutions are
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 at least one ammonia fuel valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
an ignition fluid system configured to supply pressurized ignition fluid to at least one ignition fluid valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
with
An engine, wherein the ignition fluid system is configured to supply ignition fluid into the combustion chamber for an injection duration of at least 20% of an ammonia fuel combustion duration determined as a function of engine speed .
前記点火液システムは、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも50%、好ましくは少なくとも80%、最も好ましくは少なくとも95%の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項1に記載の機関。 The ignition fluid system is configured to supply ignition fluid into the combustion chamber for an injection duration of at least 50%, preferably at least 80%, most preferably at least 95% of the determined ammonia fuel combustion duration. 2. An engine according to claim 1, characterized in that: 前記点火液システムは、2度から20度までのいずれかのクランク角に対応する噴射持続時間で点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項1に記載の機関。 2. The igniter fluid system of claim 1, wherein the igniter fluid system is configured to deliver igniter fluid into the combustion chamber with an injection duration corresponding to anywhere from 2 degrees to 20 degrees of crank angle. institutions. 前記点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項1から3のいずれかに記載の機関。 4. An engine as claimed in any preceding claim, wherein the ignition fluid system is configured to continuously supply ignition fluid into the combustion chamber for the duration of injection. 前記点火液システムは、噴射持続時間の間、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項1から3のいずれかに記載の機関。 4. An engine as claimed in any preceding claim, wherein the ignition fluid system is configured to intermittently supply ignition fluid into the combustion chamber during the injection duration. 前記点火液システムが断続的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め2回から10回、好ましくは5回に定められているか、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定される、請求項5に記載の機関。 If the igniter system is configured to inject intermittently, the number of injections is pre-determined between 2 and 10, preferably 5, or indicates combustion performance and thus combustion of ammonia. 6. An engine as claimed in claim 5, variably determined by a control system which monitors a plurality of different engine operating parameters such as cylinder pressure. 前記点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の最大回転数に必要な量の5~50%、好ましくは15~40%、最も好ましくは25~35%の範囲の量で点火液を前記燃焼室内に供給するよう構成される、請求項1から3のいずれかに記載の機関。 Said igniter fluid system has an amount in the range of 5 to 50%, preferably 15 to 40%, most preferably 25 to 35% of the amount required for maximum rpm when operating only on igniter fluid such as fuel oil. 4. An engine as claimed in any preceding claim, arranged to supply ignition liquid into the combustion chamber. 前記アンモニア燃料システムが、機関の全速動作に必要な燃料量の少なくとも60%、好ましくは少なくとも70%、最も好ましくは少なくとも95%の量のアンモニアを前記燃焼室に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の機関。 said ammonia fuel system is arranged to supply ammonia to said combustion chamber in an amount of at least 60%, preferably at least 70%, most preferably at least 95% of the amount of fuel required for full speed operation of the engine; An engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that 機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも1つの動作モードを有する大型ターボ過給式2ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を動作させる方法であって、前記機関は、
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、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少なくとも1つのアンモニア燃料弁に、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;
・ 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少なくとも1つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと;
を備え、前記点火液が、機関速度に応じて決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも20%の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、方法。
A method of operating a large turbocharged two-stroke uniflow crosshead compression ignition internal combustion engine having at least one mode of operation operating with both ammonia and an ignition liquid such as fuel oil as the fuel to be combusted in the engine. and said agency:
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 at least one ammonia fuel valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
an ignition fluid system configured to supply pressurized ignition fluid to at least one ignition fluid valve disposed in the cylinder cover or the cylinder liner;
wherein said ignition liquid is supplied into said combustion chamber for an injection duration of at least 20% of an ammonia fuel combustion duration determined as a function of engine speed .
前記点火液は、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも50%、好ましくは少なくとも80%、最も好ましくは少なくとも95%の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、請求項9に記載の方法。 Claim characterized in that said ignition liquid is supplied into said combustion chamber for an injection duration of at least 50%, preferably at least 80%, most preferably at least 95% of said determined ammonia fuel combustion duration. Item 9. The method of Item 9.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011132604A1 (en) 2010-04-22 2011-10-27 トヨタ自動車株式会社 Device for controlling internal combustion engine
WO2011136151A1 (en) 2010-04-26 2011-11-03 トヨタ自動車株式会社 Ammonia-burning internal combustion engine
JP2012122423A (en) 2010-12-09 2012-06-28 Hitachi Zosen Corp Two-stroke engine and four-stroke engine
JP2022537229A (en) 2019-06-19 2022-08-25 コモンウェルス サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ オーガナイゼーション Method of injecting ammonia fuel into a reciprocating engine

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2406479B1 (en) * 2009-03-10 2015-08-05 Sturman Digital Systems, LLC Dual fuel compression ignition engines and methods
US20110259285A1 (en) * 2010-04-26 2011-10-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Ammonia burning internal combustion engine
DK178072B1 (en) * 2014-01-06 2015-04-27 Man Diesel & Turbo Deutschland A method of operating an internal combustion engine
WO2020183522A1 (en) * 2019-03-08 2020-09-17 Jfeエンジニアリング株式会社 Diesel engine
DK180798B1 (en) * 2020-07-15 2022-04-01 Man Energy Solutions Filial Af Man Energy Solutions Se Tyskland Internal combustion engine
CN114320572B (en) * 2022-01-13 2022-12-02 天津大学 Multi-combustion-mode ammonia fuel engine and control method thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011132604A1 (en) 2010-04-22 2011-10-27 トヨタ自動車株式会社 Device for controlling internal combustion engine
WO2011136151A1 (en) 2010-04-26 2011-11-03 トヨタ自動車株式会社 Ammonia-burning internal combustion engine
JP2012122423A (en) 2010-12-09 2012-06-28 Hitachi Zosen Corp Two-stroke engine and four-stroke engine
JP2022537229A (en) 2019-06-19 2022-08-25 コモンウェルス サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ オーガナイゼーション Method of injecting ammonia fuel into a reciprocating engine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
仁木 洋一, 清水 明, 新田 好古, 市川 泰久, 春海 一佳,舶用ディーゼル機関へのアンモニア燃料の適用に関する基礎的研究,日本燃焼学会誌,2019年11月15日,61巻, 198号, p.313-319,https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcombsj/61/198/61_61.198_313/_article/-char/ja

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