JP7394270B2 - レシプロエンジンシステム、レシプロエンジンの運転方法 - Google Patents
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Description
本願は、2021年11月16日に、日本に出願された特願2021-186474号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
アンモニアを燃料として用いるレシプロエンジンについては、以下のような特許出願がなされている。
本願発明者らは、鋭意研究の結果、レシプロエンジンにおいて、アンモニアを気体の状態で空気と予混合し、シリンダ内で混合気を圧縮した状態で液体補助燃料をシリンダ内に噴射して着火させることで、気体アンモニアと空気の混合気に点火する混焼運転を行うのが最適であるとの結論に至った。また、本願発明者らは、シリンダ内で混合気を圧縮するとピストンからの仕事が熱に変わることでシリンダ内の混合気の温度は上昇するが、ピストンが上死点に到達する際の混合気の温度である圧縮端温度を、アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上とすることで、アンモニアの良好な燃焼が可能になることを見出した。これにより、アンモニアと液体補助燃料の割合について、従来よりもアンモニアの割合を増やすことができ、アンモニアを燃料として用いるレシプロエンジンにおいて、二酸化炭素の排出削減の効果をより大きくすることができる。
ここで、液体補助燃料としては、所定の圧縮端温度で自着火をする液体燃料が使用可能であり、一般にディーゼルエンジンで用いられる燃料、具体的には重油、軽油、植物油などが好適に使用できる。
なお、圧縮端温度のアンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度は、具体的には750K以上であるが、シリンダの大きさ、エンジンの回転速度、運転の状態等の条件に応じて変更され得る。また、後述する発明を実施するための形態では、レシプロエンジンとして4ストロークのエンジンを例に上げて説明しているが、2ストロークのエンジンについても同じ原理が適用される。
また、空気に対する燃料全体の当量比を1.0以上とした場合には、燃料の燃焼に必要な空気が不足するため、燃料が未燃成分として排出される。この場合、アンモニアは液体補助燃料に比べ燃焼しにくいため、主にアンモニアが未燃成分として排出される。したがって、混焼運転では、空気に対する燃料全体の当量比を1.0以下とすることが望ましい。
上述した制御装置の処理を別の表現とすると、圧縮端温度がアンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上とならない運転領域においては、気体アンモニアの供給をゼロとし液体補助燃料のみで運転を行う、となる。
ここで、レシプロエンジンが直接的にプロペラを駆動するとは、レシプロエンジンの出力軸が必要により減速機等を介して機械的にプロペラを駆動することを含む。レシプロエンジンが間接的にプロペラを駆動するとは、レシプロエンジンが発電機を駆動して、得られた電力によりモータでプロペラを駆動することを含む。
図1に示すように、レシプロエンジンシステム1は、レシプロエンジン2と、レシプロエンジン2の制御装置3と、を備えている。図1に示すレシプロエンジン2は、直接的または間接的にプロペラを駆動する舶用エンジンである。なお、レシプロエンジン2は、後述するように発電機を駆動する発電エンジンであってもよい。
図2に示すように、ディーゼル運転モードのときは、液体燃料噴射弁53から重油等の液体補助燃料を燃焼室10に噴射させ、ピストン12で圧縮された圧縮空気中で着火・燃焼させる。このとき、燃料ガス噴射弁43は、停止している。
図3に示すように、混焼運転モードのときは、燃料ガス噴射弁43から気体アンモニアを吸気路20内に噴射させ、燃焼室10の手前で空気と予混合させる。次に、着火装置55から着火用の液体補助燃料を燃焼室10に噴射させ、ピストン12で圧縮された混合気を着火・燃焼させる。このとき、液体燃料噴射弁53は、停止している。
図4に示すように、レシプロエンジンシステム1の吸排気系統は、負荷Lと、レシプロエンジン2と、過給機4と、エアクーラ23と、圧力センサ26と、回転検出センサ14と、トルク検出センサ15と、第1駆動部70と、第1流量調整弁71と、第2駆動部80と、第2流量調整弁81と、吸気路20と、吸気バイパス路20aと、排気路30と、排気バイパス路30aと、制御装置3と、を備えている。
なお、本実施形態では#1~#6の6つのシリンダ11のそれぞれの入口にスロットルバルブ94を設けているが、吸気路20が各シリンダに向けて分岐する前の、エアクーラ23の出口あるいは入口付近の吸気路20に1つのスロットルバルブ94を設けても良い。
図6(a)に示す触媒処理装置60は、レシプロエンジン2から排出された排ガスを処理する選択還元触媒槽62と、選択還元触媒槽62から排出された排ガスをさらに処理する酸化触媒槽63と、を備えている。選択還元触媒槽62の上流側には、アンモニア第2供給路45を介して、レシプロエンジン2に燃料として供給される気体アンモニアの一部が分岐されて導かれ、図示しない噴射ノズルより排気ガス中に噴射される。選択還元触媒槽62の下流側及び酸化触媒槽63の下流側の、少なくとも一方には、NOxセンサ、アンモニアセンサ等の検出センサ61が設けられ、測定される排気ガス中の成分に応じて気体アンモニアの供給量が調整される。
以下の図7及び図8は、上述したレシプロエンジン2のシリンダ11部分のみを再現した急速圧縮膨張装置を用いて行った、気体アンモニアと液体補助燃料の混焼試験の結果を示している。
同図において、破線は給気圧力0.1MPa、圧縮端圧力2.6MPaの場合の圧縮端温度に対する燃焼遅れ(点火遅れ)の測定値を、一点鎖線は給気圧力0.2MPa、圧縮端圧力5.3MPaの場合の測定値を、それぞれ示す。いずれにおいても圧縮端温度が750K未満では燃焼遅れが大きくなり、特に前者の給気圧力が低い条件において燃焼遅れが著しくなることが分かる。このように、圧縮端温度がアンモニア混合気の燃焼に支配的な影響を与えることが分かる。
シリンダ数 1
ボア× ストローク 180×200 mm
シリンダあたり行程容積 5089 cc
定格回転速度 1000~1200 rpm
シリンダ数 6
ボア× ストローク 280×390 mm
シリンダあたり行程容積 24014 cc
定格回転速度 750 ~800 rpm
2 … レシプロエンジン
3 … 制御装置
4 … 過給機
10 … 燃焼室
11 … シリンダ
12 … ピストン
20 … 吸気路
30 … 排気路
40 … アンモニア燃料供給装置
50 … 液体補助燃料供給装置
60 … 触媒処理装置
94 … スロットルバルブ
95 … エアタンク装置(空気供給装置)
96、97、98 … 短絡路(第1短絡路)
96、97、99 … 短絡路(第2短絡路)
Claims (10)
- 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンと、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う制御装置と、を備え、
前記所定の温度が、750Kであり、
前記シリンダの一つ当たりの行程容積が5000cc以上であり、且つ、前記レシプロエンジンの定格回転速度が1200rpm以下であり、
前記制御装置は、前記混焼運転において、前記レシプロエンジンの出力の増大に応じて燃料全体に対する前記アンモニアの混焼率を増大させ、
前記アンモニアの最大の混焼率は、熱量比で80%以上とし、
前記制御装置は、前記混焼運転において、前記空気に対する燃料全体の当量比を0.5以上且つ1.0以下とする、
レシプロエンジンシステム。 - 前記制御装置は、前記空気に対する燃料全体の当量比が所定の値未満となる運転領域では、前記アンモニアの混焼率をゼロとし、前記液体補助燃料のみで運転を行う、
請求項1に記載のレシプロエンジンシステム。 - 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンと、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記混焼運転において、前記液体補助燃料の供給量を一定とし、前記アンモニアの供給量を調速制御する、
レシプロエンジンシステム。 - 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンと、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う制御装置と、を備え、
コンプレッサとタービンを有し前記レシプロエンジンに過給を行う過給機と、
前記コンプレッサと前記レシプロエンジンとを繋ぐ吸気路と、
前記レシプロエンジンと前記タービンとを繋ぐ排気路と、
前記吸気路と前記排気路とを繋ぐ開閉式の第1短絡路及び前記吸気路と前記タービンの下流とを繋ぐ開閉式の第2短絡路の少なくとも一方と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記レシプロエンジンの排気温度に応じて前記第1短絡路及び前記第2短絡路の少なくとも一方の開閉制御を行う、
レシプロエンジンシステム。 - 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンと、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記液体補助燃料のみにより前記レシプロエンジンを起動し、前記液体補助燃料の噴射量を増加させ、前記空気に対する燃料全体の当量比が所定値に到達した後に、前記混焼運転を行う、
レシプロエンジンシステム。 - 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンと、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う制御装置と、を備え、
前記レシプロエンジンは、前記混焼運転を行う混焼運転モードと、前記アンモニアの供給を行わずに前記液体補助燃料のみで運転を行うディーゼル運転モードと、を有し、
前記レシプロエンジンの吸気側に追加となる空気を供給する空気供給装置を備え、
前記制御装置は、前記混焼運転モードから前記ディーゼル運転モードに切り替える際に、前記空気供給装置から一時的に空気を供給させる、
レシプロエンジンシステム。 - 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンと、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う制御装置と、を備え、
前記レシプロエンジンは、前記混焼運転を行う混焼運転モードと、前記アンモニアの供給を行わずに前記液体補助燃料のみで運転を行うディーゼル運転モードと、を有し、
コンプレッサ又はタービンに可変機構を備える可変容量型の過給機を備え、
前記制御装置は、前記混焼運転モードにおいて前記過給機の容量を制御することで前記過給機の回転速度を過給に必要な速度よりも高く維持し、前記混焼運転モードから前記ディーゼル運転モードに切り替える際に前記過給機の容量を制御することでより多くの空気を供給させる、
レシプロエンジンシステム。 - 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンの運転方法であって、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う、
レシプロエンジンの運転方法であって、
前記所定の温度が、750Kであり、
前記シリンダの一つ当たりの行程容積が5000cc以上であり、且つ、前記レシプロエンジンの定格回転速度が1200rpm以下であり、
前記混焼運転において、前記レシプロエンジンの出力の増大に応じて燃料全体に対する前記アンモニアの混焼率を増大させ、
前記アンモニアの最大の混焼率は、熱量比で80%以上とし、
前記混焼運転において、前記空気に対する燃料全体の当量比を0.5以上且つ1.0以下とする、
レシプロエンジンの運転方法。 - さらに、前記空気に対する燃料全体の当量比が所定の値未満となる運転領域では、前記アンモニアの混焼率をゼロとし、前記液体補助燃料のみで運転を行う、
請求項8に記載のレシプロエンジンの運転方法。 - 燃焼室を形成するシリンダと、
前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
前記シリンダに気体のアンモニアを供給し空気と予混合させるアンモニア燃料供給装置と、
前記シリンダ内に前記アンモニアを着火させる液体補助燃料を供給する液体補助燃料供給装置と、を有するレシプロエンジンの運転方法であって、
前記シリンダ内の圧縮端温度が前記アンモニアの燃焼遅れが生じない所定の温度以上の状態で、前記アンモニアと前記液体補助燃料による混焼運転を行う、
レシプロエンジンの運転方法であって、
前記液体補助燃料のみにより前記レシプロエンジンを起動し、前記液体補助燃料の噴射量を増加させ、前記空気に対する燃料全体の当量比が所定値に到達した後に、前記混焼運転を行う、
レシプロエンジンの運転方法。
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