JP7410216B2 - アンモニア吸収システムを有する大型２ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関 - Google Patents

Description

本明細書で開示される事項は、期間で燃焼させる燃料としてアンモニアで動作する少なくとも１つのモードにある大型２ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関に関する。

背景

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。

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_２）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_２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ＣＯ_２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。このためガスの炭化水素燃料は、液体の炭化水素燃料よりもフットプリントが小さい。しかしガスの炭化水素燃料は、取り扱いや貯蔵の点でより難しくコストもかかる。ＣＯ_２フットプリントを小さくするため、非炭化水素燃料が検討されてきている。

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フットプリントは事実上ゼロであり、又はＣＯ_２やＳＯ_ｘ、粒子状物質、未燃焼炭化水素の排出が事実上ゼロである。

アンモニアは、火花点火内燃機関において、小さなスケールでテストされ使用されてきた。しかし、圧縮着火内燃機関を運転するためには未だ使用されていない。

アンモニアは有害であり刺激臭を有する。このため、アンモニアが機関から漏れ出ることは防がねばならない。アンモニアによる運転が停止され、例えば従来の燃料による運転に変更されると、燃料システム中のアンモニアはパージ（除去）されねばならないが、除去されたアンモニアを単純に周囲環境に放出することはできない。余分なアンモニアを処理しなければならない他のシナリオが、例えばリークや、機関の故障等によって生じうる。このようなシナリオのアンモニアについてのソリューションを機関に提供する必要がある。

ＣＮ１１２６９６２８９は、船舶用液体アンモニア燃料供給システム及び燃料リサイクルシステムを開示している。このシステムはアンモニア燃料機関、液体アンモニア供給システム、液体アンモニアリサイクルシステム、液体アンモニア窒素パージ換気システムを備える。このシステムによれば、船舶用液体アンモニア燃料の高圧（７０ｂａｒ，４５＋／－１０℃）の液体供給が実現される。パイプライン中の消費されなかった液体アンモニア燃料はリサイクルされ、大量の燃料を節約することができる一方、換気塔に排出されるアンモニア燃料の量は減り、船舶及び人員の安全性が向上する。

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。

上述の目的やその他の目的が、独立請求項に記載の特徴により達成される。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。

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、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、
・ 前記シリンダ内の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、
・ アンモニア吸収システムと、
・ 前記アンモニア燃料システムの出口を前記アンモニア吸収システムの入口に接続する前記アンモニア排出流路と、
を備え、前記アンモニア吸収システムは、使用中、前記アンモニア排出流路を通じて供給されるアンモニアを水に吸収してアンモニア水を形成するために前記水を有する。

排出流路とアンモニア吸収システムとを利用することにより、機関からの余分なアンモニアに対処しなければならないような突然の事態にも対応可能となる。例えば、アンモニア燃料運転が停止したり、リークが発生したりしたような場合はアンモニアを排出しなければならないが、そのような事態にも対応可能となる。水を含む吸収システムにアンモニアを溶かすことにより、相当量のアンモニアを水中に一時保存し、またアンモニア水を生成することができる。アンモニア水は、機関で燃料として用いることもできるし、ＳＣＲリアクターで還元剤として利用することにより排気を浄化するために使用することもできる。

本願の発明者は、水温が低いと、アンモニアの溶解度は一般に増大することを理解した。水を冷却する冷却回路装置を加えることにより、再生システム（タンク）で再生されるアンモニアの実質量が増大し、高い再生率が実現されうる。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア吸収システムは、使用中に少なくとも部分的に水で満たされる少なくとも１つの容器を備え、前記少なくとも１つの容器は水源を接続するための水入口を備えることが好ましく、また前記アンモニア水を排出するためのアンモニア水出口を備えることが好ましい。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は二元燃料機関であり、好ましくは、機関のシリンダに従来燃料を供給する燃料システムを備える。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア水出口は、前記機関内で前記アンモニア水を燃焼させるべく前記アンモニア燃料システムに接続される。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記機関の排気流路内にＳＣＲリアクターを備え、前記アンモニア水出口は前記ＳＣＲリアクターに関連付けられる還元剤入口に接続される

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア吸収システムは、使用中に少なくとも部分的に水で満たされる圧力容器を備え、前記圧力容器には好ましくは該圧力容器の温度を下げるための冷却システムが備えられ、前記圧力容器は気相アンモニアを取り入れるための気相アンモニア入口を備えることが好ましく、前記圧力容器は好ましくは水源に接続されており、前記圧力容器はアンモニア水を排出するためのアンモニア水出口を備えることが好ましい。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア吸収システムはひとまとまりにされた吸収タワーを備え、前記吸収タワーは気相アンモニアを取り入れるための気相アンモニア入口を備えることが好ましく、前記吸収タワーは好ましくは水源に接続されており、前記吸収タワーはアンモニア水を排出するためのアンモニア水出口を備えることが好ましい、。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア吸収システムは、使用中はそれぞれ少なくとも部分的に水で満たされる複数の水タンクのカスケードを備え、第１の水タンクは、気相アンモニア入口及び気相アンモニア出口と、水入口と、アンモニア水出口とを好ましくは有し、後続の水タンクは、前記第１の水タンクの前記気相アンモニア出口に接続された気相アンモニア入口と、前記第１の水タンクの前記水入口に接続されたアンモニア水出口と、気相アンモニア出口とを好ましくは有し、前記カスケードは気相アンモニアの流れに対して反対方向である水の流れのために好ましくは構成されており、使用中において前記気相アンモニアの流れの最も上流の水タンクはタンク内の水のアンモニア濃度が最も高く、アンモニア水出口が設けられており、使用中に前記気相アンモニアの流れの最も下流の水タンクはタンク内の水のアンモニア濃度が最も低く、該タンクから気相物質を排出するためのベントが好ましくは設けられる。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア燃料システムは該アンモニア燃料システムから前記アンモニア吸収システムへとアンモニアを排出するように構成されるパージシステムを備え、前記パージシステムは好ましくは加圧窒素源を備え、前記加圧窒素源は好ましくはパージバルブを介して前記アンモニア燃料システムに接続され、前記パージシステムは、前記アンモニア燃料システムから前記アンモニア吸収システムにアンモニアをパージするために前記アンモニア排出流路を使用することが好ましい。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア燃料システムは中圧アンモニア供給ライン及びアンモニア戻しラインと、前記中圧アンモニア供給ラインを前記アンモニア吸収システムに接続する第１パージラインと、前記アンモニア戻しラインを前記アンモニア吸収システムに接続する第２パージラインとを備えると共に、好ましくは、前記中圧アンモニア供給ラインと前記アンモニア戻しラインとを選択的に前記アンモニア吸収システムに接続するためのバルブを備える。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記第１パージライン及び／又は前記第２パージラインにノックアウトドラムを備え、前記ノックアウトドラムは液相アンモニアから気相アンモニアを分離するように構成され、前記ノックアウトドラムは気相アンモニア出口及び液相アンモニア出口を備え、前記ノックアウトドラムの前記気相アンモニア出口は前記アンモニア吸収システムに接続され、前記液相アンモニア出口は前記アンモニア燃料システムに接続されるリカバリータンクに接続されることが好ましい。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア燃料システムは供給ライン及び戻しラインを備え、前記供給ライン及び前記戻しラインを形成する配管は二重壁パイプを有し、前記二重壁パイプの内管と外管との間の空間は前記アンモニア排出流路によって前記アンモニア吸収システムに流体的に接続している。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記アンモニア燃料システムは液相アンモニア燃料タンクと、低圧ポンプの動作により前記液相アンモニア燃料タンクを中圧燃料ポンプの入口に接続する低圧アンモニア供給ラインとを備え、前記アンモニア燃料システムは、好ましくは、前記中圧燃料ポンプの出口を前記燃料弁の入口に接続する中圧燃料ラインを備え、前記アンモニア燃料システムは、好ましくは、前記燃料弁の出口を前記中圧燃料ポンプの入口に接続する戻しラインを備える。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記少なくとも１つのシリンダには、その下部領域に掃気ポートが設けられる。

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記シリンダの中央部には排気弁が設けられ、前記排気弁の周囲には２つ以上の燃料弁が配される。

第２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においてアンモニアを管理す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、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、
・ 前記シリンダ内の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、
を備える。そして前記方法は、
・ 前記機関のアンモニア燃料による運転を停止することと；
・ 前記アンモニア燃料システムから残留アンモニアをパージすることと；
・ 前記パージした残留アンモニアを気相アンモニアと液相アンモニアに分離することと；
・ 前記気相アンモニアを水中に吸収し、アンモニア水を形成することと、
を含む。

前記第２の捉え方の実装形態の一例において、前記分離することは、ノックアウトドラムを用いて行われる。また前記方法は、前記液相アンモニアをアンモニア燃料タンクへ導くことを更に含む。

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、前記アンモニア水を前記機関の燃料又は前記機関のＳＣＲリアクターの還元剤として用いることを含む。

これらの捉え方及び他の捉え方は、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。

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。 図１の大型２ストローク機関の略図表現である。 第１の実施例に従う機関の略図表現である。この機関はアンモニア燃料システム、アンモニアパージシステム、アンモニア吸収システムを有する。 第２の実施例に従う機関の略図表現である。この機関も、アンモニア燃料システム、アンモニアパージシステム、アンモニア吸収システムを有する。

詳細説明

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。

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。

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。

掃気は、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、掃気を圧縮する。燃料（アンモニアモードにおいてはアンモニア）は、ＴＤＣ又はＴＤＣの近傍において、シリンダカバー２２に配される複数の（高圧）燃料弁５０を通じて、シリンダライナ１内の燃焼室内に噴射される。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５４も設けられるだろう。従ってそのような場合、機関は４つ以上の燃料弁を有するだろう。燃料弁５０がアンモニアと従来燃料の両方を噴射しう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。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、シリンダライナ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。このため、燃料供給システム３０が燃料を送達するために必要な圧力はかなり低くあることができ、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。

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）２８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。

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、圧縮された掃気を、掃気受け２に繋がっている掃気管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。

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、ターボ過給器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、ターボ過給器のコンプレッサ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。

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、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。

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。

図４を参照すると、アンモニア燃料システム３０が、アンモニアパージシステム及びアンモニア吸収システム６０と共に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。

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の戻しポートを低圧供給ライン３２に繋いでいる。従って、液相アンモニア燃料の一部は中圧供給ポンプ３５の入口へとリサイクルされる。

例えばアンモニア燃料システム３０の故障や、従来燃料に切り替える別の理由などにより、アンモニア燃料での運転が停止されると、アンモニア燃料システム３０は、システムからアンモニアを除去するためにパージされる。ここで、加圧された窒素のソース４０（例えば加圧された窒素容器４０）が、パージバルブ４１を介して中圧アンモニア供給ライン３６に、好ましくは中圧供給ポンプ３５のすぐ下流において接続される。

第２パージバルブ４３を含む第１パージライン４２が、中圧アンモニア供給ライン３６をノックアウトドラム４６に接続する。第３パージバルブ４５を含む第２パージライン４４が、アンモニア戻しライン３８をノックアウトドラム４６に接続する。パージ動作において、第１パージバルブ４１，第２パージバルブ４３、第３パージバルブ４５が開かれ、加圧された窒素が、アンモニア供給ライン３６及びアンモニア戻しライン３８から残留アンモニア燃料をノックアウトドラム４６へと押し出す。ノックアウトドラム４６は、気相アンモニアから液相アンモニアを分離するように構成される。窒素通気弁４９を含む窒素通気ライン４８が、ノックアウトドラム４６の内部と外部とを繋ぎ、ノックアウトドラム４６から窒素を放出する。ノックアウトドラム４６の下部領域には液相アンモニア出口が設けられ、リカバリータンク５７に繋がっている。実施例によっては、リカバリータンク５７内の液相アンモニアはアンモニア貯蔵タンク３１へと運ばれ、アンモニア燃料として使用される。ノックアウトドラム４６の気相アンモニア出口は、第３のパージライン４７を通じてアンモニア吸収システム６０に接続される。

アンモニア吸収システム６０は少なくとも１つの容器を備える。この容器は使われている時に少なくとも部分的に水で満たされる。これは、アンモニアを水で吸収してアンモニア水を形成するためである。

アンモニア水（Ａｍｍｍｏｎｉａ ｗａｔｅｒ，Ａｑｕｅｏｕｓ ａｍｍｏｎｉａ）はアンモニア水溶液である。

本実施例は、使われている時に少なくとも部分的に水で満たされる圧力容器５８を備える。圧力容器５８は好ましくは冷やされる。冷却手段は図示されていない。これは、アンモニアが水に溶ける際に熱が生じるためであり、水温が上がると水のアンモニア吸収能が減少するからである。そこで、冷却手段が圧力容器５８内の水の温度を低く保つように構成され、圧力容器５８内の水のアンモニア吸収能力を最適化するようにする。

圧力容器５８は、圧力容器アンモニア供給管５９を通じて気相アンモニアを受け取るための気相アンモニア入口を有する。圧力容器アンモニア供給管５９は、圧力容器５８から第３のパージライン４７へ液体が戻ることを防ぐために逆止弁７３を有する。圧力容器５８は、水（真水）のための入口を有する。この入口は、管を通じて加圧された水（真水）のソース７１に接続されている。本明細書において、「真水」とは、溶けているアンモニアの量が実質的になく、アンモニアを吸収する能力がほぼ完全である水を意味する。圧力容器５８内の水の高さは上限と下限の間で調節される。圧力容器５８に供給される気相アンモニアは水に吸収され、アンモニア水を形成する。圧力容器内の圧力は調節され、水がより多くの量の気相アンモニアを吸収できるように、適切な高圧に保たれる。圧力容器５８にはアンモニア水出口が設けられる。圧力容器５８内に入り込むことが許される真水の量と、圧力容器５８から排出されるアンモニア水の量は、アンモニアを吸収する十分な能力を確保できるように調節される。アンモニア水出口はアンモニア水排出管７５を通じて第３の戻しライン５５に接続している。アンモニア水排出管７５は、圧力容器５８から第３の戻しライン５５への流れを制御するために弁７６を有する。アンモニア水は、第３の戻しライン５５から、ＳＣＲリアクター２８内で還元剤として用いられるべくＳＣＲリアクター２８に送られるか、機関で燃料として使用されるべく低圧アンモニア供給ライン３２に送られる。これについては後により詳細に説明する。第３のパージライン４７は圧力制御弁７４を有する。圧力制御弁７４は、第３のパージライン４７内の圧力が所定値を超えた場合に開く。この所定の圧力は、圧力容器５８が動作することができる最大圧力に一致する。この所定の圧力を超えると、気相アンモニアは、順に並んだ３つの吸収タンク（第１吸収タンク６１，中間吸収タンク６３，最終吸収タンク６５）のカスケードに送られる。別の実施例では、第３のパージライン４７から圧力容器５８又は水タンク６１，６３，６５のカスケードへの気相アンモニアの制御されたフローは、図示される圧力制御システムの代わりに、図示されない電子制御弁によって制御される。

最終吸収タンク６５には第４のベント６６が設けられる。第４のベント６６は、最終吸収タンク６５を外界に接続している。実施例によっては３つより多い吸収タンクが存在する。これは、最終吸収タンク中の水の上のアンモニア濃度をより低くするためであり、そうして、第４のベント６６から排出される気体中のアンモニア濃度をより低くするためである。

複数の吸収タンクのカスケードによる吸収効率は、最終吸収タンク６５内の水を定期的に交換することにより維持される。この水は、加圧された水（真水）のソース７１から供給される。多少アンモニアを含んだ水は、上流のタンクで再使用される。このため、ある程度アンモニアを吸収した最終タンク６５の水は、水源７１からの水によって置き換えられるが、置き換えられた最終タンク６５の水は、第１の水戻し弁６５により制御される第１の水戻しライン６７を通じて中間吸収タンク６３に送られる。同様に、中間吸収タンク６３からの水は、第２の水戻し弁７０により制御される第２の水戻しライン６９を通じて第１吸収タンク６１に送られる。システムは、吸収タンク６１，６３，６５から蒸発する水や、第１吸収タンク６１から除去されるアンモニア水を補償するように構成される。すなわち、吸収タンク６１，６３，６５内の水の高さは、図４の破線で示される最低高と最大高の間に維持される。

第１吸収タンク６１内の水の上にあるアンモニアの蒸気は、第１アンモニア排出ライン６２を通じて中間吸収タンク６３へと流れる。中間吸収タンク６３内の水の上にあるアンモニアの蒸気は、第２アンモニア排出ライン６４を通じて最終吸収タンク６５へと流れる。このプロセスは、好ましくはパージプロセスの圧力によって遂行される。

第４のベント６６中のアンモニア濃度は、周囲に放出することが許される程度に十分に低い。しかし、規制に適合させるために必要な場合は、追加の吸収コラムを使用することによって換気塔からのアンモニア放出量を更に減らすことができる。そのような吸収コラムで使用される吸収媒体は酸である。酸は、水溶液中のアンモニアにプロトンを付加し、水酸化アンモニウムを形成する。従って、環境に放出されるアンモニアの量が減少する。

動作中、第１吸収タンク６１内の水のアンモニア濃度は中間吸収タンク６３内の水のアンモニア濃度より高く、中間吸収タンク６３内の水のアンモニア濃度は最終吸収タンク６５内の水のアンモニア濃度より高い。

第１吸収タンク６１のアンモニア水は、戻しポンプ５２を有する第１アンモニア水戻しライン５１を通じて第１吸収タンク６１から除去される。第１戻し弁５４を有する第２アンモニア水戻しライン５２が、第１アンモニア水戻しライン５１を低圧アンモニア供給ライン３２に接続する。このため第１戻し弁５４が開くと、第１吸収タンク６１からの比較的高濃度のアンモニア水は、アンモニア貯蔵タンク３１からの燃料と混じり合う。従って、アンモニア吸収システム６０により吸収されたアンモニアは、燃料として機関で再利用される。第２戻し弁５６を有する第３アンモニア水戻しライン５５が、第１アンモニア水戻しライン５１を、ＳＣＲリアクター２８に関連付けられる還元剤入口に接続する。この還元剤入口はＳＣＲリアクター２８の一部であってもよく、またはＳＣＲリアクター２８の上流の排気経路に設けられてもよい。第２戻し弁５６が開くと、アンモニア吸収システム６０により吸収されたアンモニアは、還元剤としてＳＣＲリアクター２８で再利用される。

水タンク６１，６３，６５のカスケードは完全に受動的な要素である。すなわち、ポンプなどはなく、また、アンモニアの吸収をストップさせることが必要な場合に利用可能な如何なる補助システムも存在しない。このため、システムは本質的に信頼性が高く、必要な場合に利用可能である。

実施例によっては、低圧アンモニア供給ライン３２、中圧アンモニア供給ライン３６、アンモニア戻しライン３８は、完全に又は部分的に、内側パイプと外側パイプの間に空間を有する二重壁パイプとして構成される。このような実施例においては、内側パイプと外側パイプの間の空間はパージシステムに接続され、当該空間に意図せずリークしたアンモニア燃料がアンモニア吸収システム６０に接続されて吸収されるように構成されている。従って、これらの燃料ラインからリークが生じたとしても、周囲環境へアンモニアが意図せずに放出されることは、アンモニア吸収システム６０による吸収を通じて防がれる。内側チューブと外側チューブの間の空間におけるアンモニアの存在を検出する検出システムが設けられることが好ましい。そして、当該空間内でアンモニアが検出されたときは、機関のアンモニアによる運転を停止するようにすることを可能にし、続いてアンモニア燃料システムをパージし、残留アンモニアをアンモニア吸収システム６０により吸収してもよい。

燃料システム３０やパージシステム、アンモニア吸収システム６０のポンプやバルブには、電子制御ユニット１００が、有線又は無線で接続されている。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、燃料システムやパージシステム、アンモニア吸収システムが、上述のように動作することを可能とする。

図５は機関の第２実施例を示す。この機関も燃料システムやパージシステム、アンモニア吸収システムを備える。この実施例において、既に説明した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、前と同じ符号を付している。図５の実施例は、水タンクのカスケードが、ひとまとめにされた吸収タワー７８で置き換えられている点を除き、図４の実施例と本質的に同一である。吸収タワー７８はアンモニアの吸収と、それに続くアンモニア水の排出に使用される。吸収タワー７８内における気体と液体（水）の接触は連続的である。タワー７８内で、水は、ひとまとまりにされた表面を下向きに流れていき、気相アンモニアはその流れとは逆に、上方向にタワー８７内を移動する。吸収タワー７８は、充填された部分を有する容器である。吸収タワー７８は、１つ又は複数の充填構造部を有し、これらは積層されている。吸収タワー７８は、圧力制御弁７４を介して第３のパージライン４７に接続される入口であってアンモニアガスを受け取るための入口を有する。また吸収タワー７８は、第１アンモニア水戻しライン５１に接続される出口であってアンモニア水のための出口を有する。この入口は、上記の充填構造部の上に配される。そして、加圧された水（真水）のソース７１が吸収タワー７８の当該入口に接続される。ベント７６は、上記の充填構造部の上の空間を換気するために設けられる。加圧された水（真水）のソース７１からの水の流量は、吸収タワー７８への気相アンモニアの流量に適合するようにされる。吸収タワー７８の底部で収集されるアンモニア水の量は調節され、必要に応じて（図示されない）中間アンモニア水貯蔵タンクへと移送される。

多くの側面及び実装形態が、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。

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。

Claims (27)

1. 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、
   ・ アンモニア吸収システムと、
   ・ アンモニア排出流路と、
   を備え、
   前記アンモニア排出流路は前記アンモニア燃料システムの出口を前記アンモニア吸収システムの入口に接続し、
   前記アンモニア吸収システムは、使用中、前記アンモニア排出流路を通じて供給されるアンモニアを水に吸収してアンモニア水を形成するために前記水を有し、
   前記アンモニア吸収システムは、使用中に少なくとも部分的に水で満たされる少なくとも１つの容器を備え、前記少なくとも１つの容器は前記アンモニア水を排出するためのアンモニア水出口を備え、
   前記アンモニア水出口は、前記機関内で前記アンモニア水を燃焼させるべく前記アンモニア燃料システムに接続される、
   機関。
2. 前記少なくとも１つの容器は水源を接続するための水入口を備える、請求項１に記載の機関。
3. 前記機関の排気流路内にＳＣＲリアクターを備え、前記アンモニア水出口は前記ＳＣＲリアクターに関連付けられる還元剤入口に接続される、請求項１に記載の機関。
4. 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、
   ・ アンモニア吸収システムと、
   ・ アンモニア排出流路と、
   を備え、
   前記アンモニア排出流路は前記アンモニア燃料システムの出口を前記アンモニア吸収システムの入口に接続し、
   前記アンモニア吸収システムは、使用中、前記アンモニア排出流路を通じて供給されるアンモニアを水に吸収してアンモニア水を形成するために前記水を有し、
   前記アンモニア吸収システムは、使用中に少なくとも部分的に水で満たされる圧力容器を備え、前記圧力容器には該圧力容器の温度を下げるための冷却システムが備えられる、
   機関。
5. 前記圧力容器は気相アンモニアを取り入れるための気相アンモニア入口を備える、請求項４に記載の機関。
6. 前記圧力容器は水源に接続されている、請求項４に記載の機関。
7. 前記圧力容器はアンモニア水を排出するためのアンモニア水出口を備える、請求項４に記載の機関。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
8. 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、
   ・ アンモニア吸収システムと、
   ・ アンモニア排出流路と、
   を備え、
   前記アンモニア排出流路は前記アンモニア燃料システムの出口を前記アンモニア吸収システムの入口に接続し、
   前記アンモニア吸収システムは、使用中、前記アンモニア排出流路を通じて供給されるアンモニアを水に吸収してアンモニア水を形成するために前記水を有し、
   前記アンモニア吸収システムは、使用中はそれぞれ少なくとも部分的に水で満たされる複数の水タンクのカスケードを備え、前記複数の水タンクのカスケードは第１の水タンク及び後続の水タンクを有し、前記第１の水タンクは水入口及びアンモニア水出口を有し、前記後続の水タンクは前記第１の水タンクの前記水入口に接続されたアンモニア水出口と、気相アンモニア出口とを有する、
   機関。
9. 前記第１の水タンクは、気相アンモニア入口及び気相アンモニア出口を有し、前記後続の水タンクは、前記第１の水タンクの前記気相アンモニア出口に接続された気相アンモニア入口を有する、請求項８に記載の機関。
10. 前記カスケードは気相アンモニアの流れに対して反対方向である水の流れのために構成されており、使用中において前記気相アンモニアの流れの最も上流の水タンクはタンク内の水のアンモニア濃度が最も高く、アンモニア水出口が設けられており、使用中に前記気相アンモニアの流れの最も下流の水タンクはタンク内の水のアンモニア濃度が最も低い、請求項８に記載の機関。
11. 最も下流の水タンクには、該タンクから気相物質を排出するためのベントが設けられる、請求項１０に記載の機関。
12. 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、
    ・ アンモニア吸収システムと、
    ・ アンモニア排出流路と、
    を備え、
    前記アンモニア排出流路は前記アンモニア燃料システムの出口を前記アンモニア吸収システムの入口に接続し、
    前記アンモニア吸収システムは、使用中、前記アンモニア排出流路を通じて供給されるアンモニアを水に吸収してアンモニア水を形成するために前記水を有し、
    前記アンモニア燃料システムは中圧アンモニア供給ライン及びアンモニア戻しラインと、前記中圧アンモニア供給ラインを前記アンモニア吸収システムに接続する第１パージラインと、前記アンモニア戻しラインを前記アンモニア吸収システムに接続する第２パージラインとを備える、
    機関。
13. 前記アンモニア燃料システムは、前記中圧アンモニア供給ラインと前記アンモニア戻しラインとを選択的に前記アンモニア吸収システムに接続するためのバルブを備える、請求項１２に記載の機関。
14. 前記第１パージライン及び／又は前記第２パージラインにノックアウトドラムを備え、前記ノックアウトドラムは液相アンモニアから気相アンモニアを分離するように構成され、前記ノックアウトドラムは気相アンモニア出口及び液相アンモニア出口を備え、該気相アンモニア出口は前記アンモニア吸収システムに接続される、請求項１２に記載の機関。
15. 前記液相アンモニア出口は前記アンモニア燃料システムに接続されるリカバリータンクに接続される、請求項１４に記載の機関。
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、
    ・ アンモニア吸収システムと、
    ・ アンモニア排出流路と、
    を備え、
    前記アンモニア排出流路は前記アンモニア燃料システムの出口を前記アンモニア吸収システムの入口に接続し、
    前記アンモニア吸収システムは、使用中、前記アンモニア排出流路を通じて供給されるアンモニアを水に吸収してアンモニア水を形成するために前記水を有し、
    前記アンモニア燃料システムは供給ライン及び戻しラインを備え、前記供給ライン及び前記戻しラインを形成する配管は二重壁パイプを有し、前記二重壁パイプの内管と外管との間の空間は前記アンモニア排出流路によって前記アンモニア吸収システムに流体的に接続している、
    機関。
17. 前記アンモニア燃料システムは液相アンモニア燃料タンクと、低圧ポンプの動作により前記液相アンモニア燃料タンクを中圧燃料ポンプの入口に接続する低圧アンモニア供給ラインとを備える、請求項１から１６のいずれかに記載の機関。
18. 前記アンモニア燃料システムは、前記中圧燃料ポンプの出口を前記燃料弁の入口に接続する中圧燃料ラインを備える、請求項１７に記載の機関。
19. 前記アンモニア燃料システムは、前記燃料弁の出口を前記中圧燃料ポンプの入口に接続する戻しラインを備える、請求項１７に記載の機関。
20. 前記アンモニア燃料システムは該アンモニア燃料システムから前記アンモニア吸収システムへとアンモニアを排出するように構成されるパージシステムを備える、請求項１から１１のいずれかに記載の機関。
21. 前記パージシステムは加圧窒素源を備える、請求項２０に記載の機関。
22. 前記加圧窒素源はパージバルブを介して前記アンモニア燃料システムに接続される、請求項２１に記載の機関。
23. 前記パージシステムは、前記アンモニア燃料システムから前記アンモニア吸収システムにアンモニアをパージするために前記アンモニア排出流路を使用する、請求項２０に記載の機関。
24. 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においてアンモニアを管理する方法であって、前記機関が、
    ・ 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、
    ・ 前記シリンダ内の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、
    を備え、前記方法は、
    ・ 前記機関のアンモニア燃料による運転を停止することと；
    ・ 前記アンモニア燃料システムから残留アンモニアをパージすることと；
    ・ 前記パージした残留アンモニアを気相アンモニアと液相アンモニアに分離することと；
    ・ 前記気相アンモニアを水中に吸収し、アンモニア水を形成することと、
    を含む、方法。
25. 前記分離することは、ノックアウトドラムを用いて行われる、請求項２４に記載の方法。
26. 前記液相アンモニアをアンモニア燃料タンクへ導くことを更に含む、請求項２４に記載の方法。
27. 前記アンモニア水を前記機関の燃料又は前記機関のＳＣＲリアクターの還元剤として用いることを含む、請求項２４から２６のいずれかに記載の方法。