WO2014091763A1 - ガスエンジン駆動システムおよび船舶 - Google Patents

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WO2014091763A1
WO2014091763A1 PCT/JP2013/007340 JP2013007340W WO2014091763A1 WO 2014091763 A1 WO2014091763 A1 WO 2014091763A1 JP 2013007340 W JP2013007340 W JP 2013007340W WO 2014091763 A1 WO2014091763 A1 WO 2014091763A1
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natural gas
fuel injection
injection mechanism
gas
tank
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PCT/JP2013/007340
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紳一 大谷
健司 鹿野
美彦 戸澗
岳夫 宇井
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川崎重工業株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a gas engine drive system including a gas engine using natural gas as a fuel, and a ship using the gas engine drive system.
  • SO X and CO 2 emissions in the future are regulated in addition to the regulation by the tertiary regulation of the International Maritime Organization (IMO).
  • IMO International Maritime Organization
  • gas engines using natural gas as fuel have been developed in place of conventional diesel engines using heavy oil as fuel.
  • Patent Document 1 discloses a two-stroke gas engine that injects natural gas and pilot oil into air compressed in a combustion chamber.
  • the expansion and exhaust strokes are generally performed while the piston descends from top dead center to slightly before bottom dead center, and the piston descends from slightly before bottom dead center to top dead center. And during the ascending, a scavenging stroke and a compression stroke are performed.
  • natural gas is injected into the combustion chamber at the end of the compression stroke.
  • Patent Document 2 discloses a two-stroke gas engine in which natural gas is injected into the combustion chamber in the second half of the scavenging stroke and / or the first half of the compression stroke. Note that the natural gas supplied to the gas engine is vaporized by a vaporizer after the natural gas stored in a tank in a liquid state is pressurized by a pump.
  • an object of the present invention is to provide a gas engine drive system that can prevent knocking and misfire and that can effectively use boil-off gas, and a ship using the gas engine drive system.
  • the present invention provides, from one side, a two-stroke gas engine having a combustion chamber formed by a cylinder provided with an air inlet and an exhaust port, and a piston that reciprocates in the cylinder.
  • a first fuel injection mechanism for injecting a portion of natural gas in an amount necessary for one combustion into the combustion chamber at a low pressure when the piston rises from bottom dead center;
  • a second fuel injection mechanism for injecting the remaining amount of natural gas required for combustion at a high pressure within a transition period immediately before and after the piston is located at the top dead center; and a tank for storing natural gas in a liquid state
  • a first supply path that guides the natural gas vaporized in the tank to the first fuel injection mechanism, a vaporizer that vaporizes the natural gas in a liquid state extracted from the tank, and the first supply path from the vaporizer.
  • a second supply passage for guiding the natural gas vaporized in the fuel injection system, with a, to provide a gas engine drive system.
  • the present invention provides a two-stroke gas engine having a combustion chamber formed by a cylinder provided with an air introduction port and an exhaust port, and a piston that reciprocates in the cylinder, and combustion for one time.
  • a first fuel injection mechanism for injecting a small amount of natural gas at a low pressure during scavenging before being introduced into the combustion chamber, and the remaining amount of natural gas required for one combustion in the combustion chamber ,
  • a second fuel injection mechanism that injects at a high pressure within a transition period immediately before and after the piston is located at top dead center, a tank that stores natural gas in a liquid state, and natural gas that is vaporized in the tank
  • a first supply path that leads the gas to the first fuel injection mechanism, a vaporizer that vaporizes the liquid natural gas extracted from the tank, and a second gas that leads the vaporized natural gas from the vaporizer to the second fuel injection mechanism.
  • natural gas is injected in two stages. That is, since not all of the natural gas required for one combustion is compressed together with air, knocking can be prevented. Moreover, even if the air-fuel mixture is in the misfire region after the natural gas is injected from the first fuel injection mechanism, the natural gas for diffusion combustion is injected from the second fuel injection mechanism, so that there is no problem of misfire. For this reason, in the compression stroke, control with a sufficient margin from the knocking region is possible. In addition, since the amount of natural gas injected at a high pressure is reduced compared to the case where the entire amount of natural gas is injected at the end of the compression stroke, for example, facilities and power necessary for boosting the natural gas in the liquid state are reduced. Can be reduced. Furthermore, since the natural gas vaporized in the tank is injected from the first fuel injection mechanism, the boil-off gas can be effectively used as fuel.
  • the low pressure gas injection mechanism is isolated from the combustion chamber by the piston when the piston is located at a top dead center. It may be arranged at a position. According to this configuration, the first fuel mechanism can be protected from impact during combustion.
  • any of the above gas engine drive systems may further include a liquid supply path provided with a booster pump that guides the liquid natural gas from the tank to the vaporizer.
  • the gas engine drive system may further include a liquid supply path that guides natural gas in a liquid state from the tank to the vaporizer, and a compressor may be provided in the second supply path.
  • the gas engine drive system may further include a bypass path provided with a vaporizer that connects the liquid supply path and the first supply path. According to this configuration, even when the amount of boil-off gas is small, the ratio between the low-pressure natural gas injected from the first fuel injection mechanism and the high-pressure natural gas injected from the second fuel injection mechanism is freely controlled. can do.
  • the present invention provides a ship including the gas engine drive system described above and a propulsion shaft having a propeller attached to one end and driven by the gas engine drive system.
  • knocking and misfire can be prevented, and boil-off gas can be used effectively.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a ship using a gas engine drive system according to a first embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the 2-stroke gas engine which comprises the gas engine drive system shown in FIG. 1, and shows the state which a piston is located in a bottom dead center. It is sectional drawing of the 2-stroke gas engine which comprises the gas engine drive system shown in FIG. 1, and shows the state which a piston is located in a top dead center. It is a graph which shows the relationship between the rotation angle of a crankshaft, and the pressure in a combustion chamber. It is a figure for demonstrating the ratio of the low pressure natural gas injected from a 1st fuel injection mechanism, and the high pressure natural gas injected from a 2nd fuel injection mechanism.
  • FIG. 1 shows a ship 1 using a gas engine drive system 10A according to a first embodiment of the present invention.
  • the ship 1 includes a hull 11 equipped with a gas engine drive system 10A, and a propulsion shaft 13 driven by the gas engine drive system 10A.
  • a propeller 15 is attached to one end of the propulsion shaft 13.
  • the gas engine drive system 10A includes a two-stroke gas engine 2E and a tank (so-called LNG tank) 3 that stores natural gas that is a fuel of the gas engine 2E in a liquid state.
  • the gas engine 2E includes a crankshaft 12 connected to the propulsion shaft 13, a casing 14 covering the crankshaft 12, and a plurality of gas engines 2 arranged in the axial direction of the crankshaft 12 (in FIG. 1, only two are drawn to simplify the drawing). ) Cylinder 2.
  • Natural gas usually contains methane as the main component.
  • the tank 3 has a heat insulating structure that prevents heat from entering from the outside of the tank into the tank so as to store the liquefied natural gas cooled to about ⁇ 162 ° C.
  • the tank 3 may be shared with one or more tanks of the LNG carrier, or may be a tank dedicated to the gas engine 2E.
  • each cylinder 2 includes, for example, a cylinder liner 21 extending in the vertical direction and a cylinder head 22 that closes the upper end of the cylinder liner 21.
  • the cylinder liner 21 is provided with an air inlet 2a
  • the cylinder head 22 is provided with an exhaust port 2b. That is, the cylinder 2 is a uniflow type.
  • the cylinder 2 may be a cross type or a loop type in which an exhaust port 2b is provided in the cylinder liner 21.
  • a piston 23 is disposed in the cylinder 2, and a combustion chamber 20 is formed by the cylinder 2 and the piston 23.
  • the piston 23 reciprocates in the cylinder 2 and is connected to the crankshaft 12 by a connecting rod 24.
  • the piston 23 may be directly pin-joined with the connecting rod 24, but may be pin-joined with the connecting rod 24 via a piston rod (not shown).
  • the exhaust port 2b is opened and closed by an exhaust valve 25 operated by an actuator (not shown).
  • the exhaust valve 25 is disposed before the pressure receiving surface (the upper surface in the present embodiment) of the piston 23 reaches the air inlet 2a when the piston 23 descends, in other words, before the air inlet 2a communicates with the combustion chamber 20.
  • FIG. 3 shows a state where the piston 23 is located at the top dead center.
  • each cylinder 2 The air inlet 2a of each cylinder 2 is connected to the scavenging manifold 15 via the scavenging pipe 16, and the exhaust port 2b of each cylinder 2 is connected to the exhaust manifold 18 via the exhaust pipe 17.
  • the exhaust gas collected in the exhaust manifold 18 is sent to a supercharger (turbocharger) 19 and used as power for compressing air in the atmosphere, and is then discharged outside the system.
  • the air compressed by the supercharger 19 is sent to the scavenging manifold 15, where it is distributed and supplied to each cylinder 2 as scavenging.
  • Each cylinder 2 has a first fuel injection mechanism 4 and a second fuel injection mechanism 5 for injecting natural gas as fuel into the combustion chamber 20, and a liquid injection valve 9 for injecting pilot oil into the combustion chamber 20.
  • gas injection valves are used as the first fuel injection mechanism 4 and the second fuel injection mechanism 5, the first fuel injection mechanism 4 is provided in the cylinder liner 21, and the second fuel injection is applied to the cylinder head 22.
  • a mechanism 5 and a pilot oil injection valve 9 are provided.
  • one or both of the first fuel injection mechanism 4 and the second fuel injection mechanism 5 includes a through hole provided in the cylinder liner 21 or the cylinder head 22, and an electromagnetic valve provided in a pipe communicating with the through hole. It may be comprised.
  • the first fuel injection mechanism 4 injects a part of the natural gas necessary for one combustion at a low pressure when the piston 23 rises from the bottom dead center toward the cylinder head 22.
  • the second fuel injection mechanism 5 injects the remaining amount of natural gas necessary for one combustion at a high pressure within a transition period immediately before and immediately after the piston 23 is located at the top dead center.
  • the pressure of the natural gas 35 injected from the first fuel injection mechanism 4 is slightly higher than the pressure of the air compressed by the supercharger 19 (for example, about 0.5 to 1.0 MPa).
  • the pressure of the natural gas 32 injected from the second fuel injection mechanism 5 is slightly higher (for example, about 15 to 30 MPa) than the pressure in the combustion chamber 20 when the piston 23 is located at the top dead center.
  • the transition period is, for example, the rotation angle of the crankshaft 12 and is ⁇ 10 degrees from the timing at which the piston 23 is located at the top dead center.
  • the ratio of the low-pressure natural gas 35 (see FIG. 2) injected from the first fuel injection mechanism 4 to the high-pressure natural gas 32 (see FIG. 3) injected from the second fuel injection mechanism 5 is vaporized in the tank 3. It is controlled according to the amount of boil-off gas to be produced and the required output.
  • the first fuel injection mechanism 4 and the second fuel injection mechanism 5 are controlled based on a detection value of a sensor that detects a rotation angle of the crankshaft 12, for example.
  • the first fuel injection mechanism 4 is desirably arranged at a position separated from the combustion chamber 20 by the piston 23 when the piston 23 is located at the top dead center. This is because the first fuel injection mechanism 4 can be protected from impact during combustion.
  • the first fuel injection mechanism 4 may be disposed at substantially the same height as the air introduction port 2a.
  • the first fuel injection mechanism 4 is not necessarily arranged at such a position, and may be provided in the cylinder head 22, for example.
  • the pilot oil 90 such as light oil or heavy oil is supplied to the liquid injection valve 9 from the oil pump 91 through the pilot oil supply passage 92.
  • the liquid injection valve 9 injects the pilot oil 90 immediately before the high-pressure natural gas 32 is injected from the second fuel injection mechanism 5.
  • the pilot oil 90 is ignited, whereby the mixture of compressed air and natural gas is combusted.
  • natural gas (BOG) 35 vaporized in the tank 3 is guided to the first fuel injection mechanism 4 of each cylinder 2 through the first supply path 6.
  • the natural gas 31 in the liquid state stored in the tank 3 is guided to the vaporizer 73 through the liquid supply path 71. That is, the liquid natural gas 31 extracted from the tank 3 is vaporized by the vaporizer 73.
  • the vaporized natural gas 32 is guided from the vaporizer 73 to the second fuel injection mechanism 5 of each cylinder 2 through the second supply path 74.
  • the upstream end of the first supply path 6 is connected to the upper part of the tank 3, and the upstream part of the liquid supply path 71 passes through the upper part of the tank 3 and opens near the bottom of the tank 3.
  • the first supply path 6 is provided with a compressor 61 that boosts the natural gas 35 vaporized in the tank 3 to the above-described low pressure, that is, the pressure at which the first injection mechanism 4 can inject.
  • a booster pump 72 is provided in the liquid supply path 71. The booster pump 72 boosts the natural gas 31 in a liquid state so that the natural gas 32 vaporized by the vaporizer 73 has the above-described high pressure that can be injected from the second fuel injection mechanism 5.
  • the ratio of the low-pressure natural gas 35 injected from the first fuel injection mechanism 4 and the high-pressure natural gas 32 injected from the second fuel injection mechanism 5 in one cycle for each cylinder 2 is determined as follows, for example. Is done.
  • the entire amount of fuel gas (the amount of natural gas necessary for one combustion) is mixed with the air before being introduced into the combustion chamber 20, there are a knocking region and a misfiring region as shown in FIG.
  • the amount GT of natural gas necessary for one-time combustion is obtained from the required output to the gas engine 2E.
  • the knocking limit (upper limit value of gas amount) at the net average effective pressure PM at the engine speed at that time is GN
  • the misfire limit lower limit value of gas amount
  • a value obtained by dividing the amount of BOG generated in the tank 3 per minute by the engine speed (rpm) and the number of cylinders 2 is defined as GB.
  • the amount GL of the low-pressure natural gas 35 may be GN or less, and the amount GH of the high-pressure natural gas 32 may be GS or more.
  • the amount GL of the low-pressure natural gas 35 is the smaller of GB and GN, and the amount GH of the high-pressure natural gas 32 is calculated by subtracting GL from GT.
  • the upstream portion of the liquid supply passage 71 relative to the booster pump 72 and the downstream portion of the first supply passage 6 relative to the compressor 61 are connected by the bypass passage 8.
  • the bypass 8 is provided with a pump 81 having a pressure increase capability comparable to that of the compressor 61 and a vaporizer 82 for vaporizing the liquid natural gas 31 pumped from the pump 81.
  • a pressure reducing valve may be provided instead of the pump 81, and the upstream end of the bypass path 8 may be connected to the downstream side of the pressure increasing pump 72 in the liquid supply path 71.
  • a throttle may be provided instead of the pump 81, and the downstream end of the bypass path 8 may be connected to a portion upstream of the compressor 61 in the first supply path 6.
  • natural gas is injected in two stages. That is, since not all of the amount of natural gas required for one combustion is compressed together with air, knocking can be prevented.
  • the air-fuel mixture is in the misfire region after the natural gas is injected from the first fuel injection mechanism 4, the amount of gas used for one-time combustion is injected from the second fuel injection mechanism 5 and the natural gas for diffusion combustion is injected. Since GT is controlled to be equal to or higher than GS, there is no problem of misfire. For this reason, in the compression stroke, control with a sufficient margin from the knocking region is possible.
  • the amount of natural gas injected at a high pressure is reduced as compared with the case where the entire amount of natural gas is injected at the end of the compression stroke, for example, the equipment and power necessary for boosting the liquid natural gas 31 are increased. Can be reduced. Furthermore, since the natural gas 35 vaporized in the tank 3 is injected from the first fuel injection mechanism 4, the boil-off gas can be effectively used as fuel.
  • the amount of boil-off gas generated in the tank 3 varies depending on the temperature.
  • the amount of the natural gas 32 injected from the second fuel injection mechanism 5 can be adjusted according to the amount of boil-off gas, thereby making maximum use of the boil-off gas. Can be operated.
  • the liquid supply path 71 and the first supply path 6 are connected by the bypass path 8 provided with the vaporizer 82, the first fuel is used even when the amount of boil-off gas is small.
  • the ratio between the low-pressure natural gas 35 injected from the injection mechanism 4 and the high-pressure natural gas 32 injected from the second fuel injection mechanism 5 can be freely controlled.
  • FIG. 6 shows a knocking region and a misfire region when the entire amount of the fuel gas is mixed with the air before being introduced into the combustion chamber 20.
  • the air-fuel ratio changes, for example, at the beginning and end of the compression stroke, as indicated by points A and B in FIG. That is, only a part of the amount of natural gas necessary for one combustion is injected from the first fuel injection mechanism 4 and the air-fuel ratio at the beginning of the compression stroke is high (the air-fuel mixture is lean). There is no risk of knocking even if the air-fuel mixture is subsequently compressed. Further, when the remaining amount of natural gas necessary for one combustion is injected from the second fuel injection mechanism 5, the air-fuel mixture moves to a lower air-fuel ratio (in the direction where the air-fuel mixture is not lean), and there is no risk of misfire.
  • the engine output is controlled so that Furthermore, since the air-fuel mixture burns immediately after the natural gas is injected from the second fuel injection mechanism 5, knocking does not occur. In addition, since the air-fuel ratio at the time of combustion can be appropriately adjusted finally, the required output can be obtained and the resistance against load fluctuation can be improved.
  • the amount of either the low-pressure natural gas 35 or the high-pressure natural gas 32 may be adjusted, or the amount of both may be adjusted.
  • gas engine drive system differs from the gas engine drive system 10A shown in FIG. 1 only in the position where the first fuel injection mechanism 4 is disposed, and therefore only the cross-sectional view of the gas engine 2E. Will be described.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and a duplicate description is omitted.
  • the first fuel injection mechanism 4 is provided in the scavenging manifold 15. For this reason, the natural gas 35 vaporized in the tank 3 is injected at a low pressure during scavenging before being introduced from the first fuel injection mechanism 4 into the combustion chamber 20. In other words, the low-pressure natural gas 35 is preliminarily mixed with scavenging before being introduced into the combustion chamber 20 in the scavenging manifold 15.
  • the first fuel injection mechanism 4 is provided in the vicinity of the air inlet 2a. The first fuel injection mechanism 4 injects the low-pressure natural gas 35 in accordance with the timing when the piston 23 descends and the air introduction port 2a is opened and the air in the scavenging manifold 15 flows into the cylinder 2.
  • gas engine drive system 10B according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the gas engine drive system 10B of the present embodiment is different from the gas engine drive system 10A of the first embodiment shown in FIG. 1 in that the bypass path 8 is not provided, and a booster pump 72 is provided in the liquid supply path 71. Instead, a compressor 75 is provided in the second supply path 74.
  • the compressor 75 boosts the natural gas 32 vaporized by the vaporizer 73 to the high pressure described in the first embodiment, that is, the pressure at which the second injection mechanism 5 can inject.
  • the liquid supply passage 71 is provided with a low-pressure pump (not increasing the pressure of the natural gas so much) that supplies the natural gas in the liquid state to the vaporizer 73.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the first injection mechanism 4 is provided in the cylinder 2, but the first injection mechanism 4 may be provided in the scavenging manifold 15 as shown in FIG. Further, the bypass path 8 shown in FIG. 1 may be provided also in the gas engine drive system 10B of the present embodiment.
  • the combustion chamber 20 is a single chamber, but the combustion chamber 20 may be divided into a main chamber for burning natural gas and a sub chamber for ignition.
  • the ignition method is not necessarily limited to the method using pilot oil, and may be a method using a spark plug.
  • the gas engine drive system of the present invention is not necessarily used for ships, and may be used, for example, for power generation that drives a rotating shaft of a generator.

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Abstract

　ガスエンジン駆動システム（１０Ａ）は、燃焼室（２０）を有する２ストロークガスエンジン（２Ｅ）と、天然ガスを液体状態で貯蔵するタンク（３）と、タンク（３）から抜き出した液体状態の天然ガスを気化する気化器（７３）を備えている。燃焼室（２０）内には、第１燃料噴射機構（４）から一度の燃焼に必要な量の天然ガスの一部が低圧で噴射され、残りが第２燃料噴射機構（５）から高圧で噴射される。第１燃料噴射機構（４）には、タンク（３）内で気化した天然ガスが第１供給路（６）により導かれ、第２燃料噴射機構（５）には、気化器（７３）から気化した天然ガスが第２供給路（７４）により導かれる。

Description

ガスエンジン駆動システムおよび船舶
　本発明は、天然ガスを燃料とするガスエンジンを備えたガスエンジン駆動システムおよびこのガスエンジン駆動システムを用いた船舶に関する。
　船舶においては、大気汚染防止の観点から、国際海事機関（ＩＭＯ）の３次規制による規制の他、ＳＯXや将来的にはＣＯ2の排出量が規制される。このような状況下、従来の重油を燃料とするディーゼルエンジンに代わる、天然ガスを燃料とするガスエンジンが開発されてきている。
　例えば、特許文献１には、燃焼室で圧縮された空気中に天然ガスおよびパイロットオイルを噴射する２ストロークガスエンジンが開示されている。２ストロークガスエンジンでは、概略的に、ピストンが上死点から下死点の少し手前まで下降する間に膨張行程および排気行程が行われ、ピストンが下死点の少し手前から上死点まで下降および上昇する間に掃気行程および圧縮行程が行われる。特許文献１に開示されたガスエンジンでは、圧縮行程の終わりに天然ガスが燃焼室内に噴射される。しかしながら、このガスエンジンでは、天然ガスを圧縮空気よりも高い圧力（例えば、１５～３０ＭＰａ程度）に加圧する必要がある。
　その問題点を解決するために、特許文献２には、燃焼室への天然ガスの噴射を掃気行程の後半および／または圧縮行程の前半で行うようにした２ストロークガスエンジンが開示されている。なお、このガスエンジンに供給される天然ガスは、液体状態でタンクに貯蔵された天然ガスがポンプにより加圧された後に気化器により気化されたものである。
特開２００８－２０２５５０号公報 特開２０１２－３６７８０号公報
　しかしながら、特許文献２に開示されたガスエンジンでは、燃焼室に噴射された天然ガスが空気と共に圧縮されるため、従来の４ストロークガスエンジンと同様の問題を生じることになる。４ストロークガスエンジンでは、燃焼室に導入される吸気中に、要求出力に必要な量の燃料ガスが予め混合される。この場合、空燃比（燃料量ＱＦに対する空気量ＱＡの比：ＱＡ／ＱＦ）と正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）との関係で、ノッキングあるいは失火が生じることがある。
　また、天然ガスを液体状態でタンクに貯蔵する場合、タンク内で天然ガスが気化してボイルオフガス（ＢＯＧ）が生じるため、このボイルオフガスをどう処理するかが問題となる。
　そこで、本発明は、ノッキングおよび失火を防止でき、かつ、ボイルオフガスを有効に活用することができるガスエンジン駆動システム、およびこのガスエンジン駆動システムを用いた船舶を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明は、一つの側面から、空気導入口および排気口が設けられたシリンダならびに前記シリンダ内で往復運動するピストンにより形成された燃焼室を有する２ストロークガスエンジンと、前記燃焼室内に、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの一部を、前記ピストンが下死点から上昇する際に低圧で噴射する第１燃料噴射機構と、前記燃焼室内に、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの残りを、前記ピストンが上死点に位置する直前から直後までの遷移期間内に高圧で噴射する第２燃料噴射機構と、天然ガスを液体状態で貯蔵するタンクと、前記タンク内で気化した天然ガスを前記第１燃料噴射機構に導く第１供給路と、前記タンクから抜き出した液体状態の天然ガスを気化する気化器と、前記気化器から前記第２燃料噴射機構に気化した天然ガスを導く第２供給路と、を備えた、ガスエンジン駆動システムを提供する。
　また、本発明は、他の側面から、空気導入口および排気口が設けられたシリンダならびに前記シリンダ内で往復運動するピストンにより形成された燃焼室を有する２ストロークガスエンジンと、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの一部を、前記燃焼室に導入される前の掃気中に低圧で噴射する第１燃料噴射機構と、前記燃焼室内に、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの残りを、前記ピストンが上死点に位置する直前から直後までの遷移期間内に高圧で噴射する第２燃料噴射機構と、天然ガスを液体状態で貯蔵するタンクと、前記タンク内で気化した天然ガスを前記第１燃料噴射機構に導く第１供給路と、前記タンクから抜き出した液体状態の天然ガスを気化する気化器と、前記気化器から前記第２燃料噴射機構に気化した天然ガスを導く第２供給路と、を備えた、ガスエンジン駆動システムを提供する。
　上記のいずれのガスエンジン駆動システムにおいても、天然ガスが二段階で噴射される。すなわち、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの全てが空気と共に圧縮されるわけではないので、ノッキングを防止することができる。また、第１燃料噴射機構からの天然ガスの噴射後に混合気が失火領域にあっても第２燃料噴射機構から拡散燃焼用の天然ガスが噴射されるため、失火の問題も生じない。このため、圧縮行程においてはノッキング領域から十分に余裕を持った制御が可能となる。また、天然ガスの全量を例えば圧縮行程の終わりに噴射する場合に比べて、高圧で噴射される天然ガスの量が減少するため、液体状態の天然ガスを昇圧するのに必要な設備や動力を低減することができる。さらに、タンク内で気化した天然ガスが第１燃料噴射機構から噴射されるため、ボイルオフガスを燃料として有効に活用することができる。
　上記の第１燃料噴射機構が天然ガスを燃焼室内に噴射するガスエンジン駆動システムにおいて、前記低圧ガス噴射機構は、前記ピストンが上死点に位置したときに前記ピストンによって前記燃焼室と隔離される位置に配置されていてもよい。この構成によれば、第１燃料機構を燃焼時の衝撃から保護することができる。
　上記のいずれのガスエンジン駆動システムも、前記タンクから前記気化器に液体状態の天然ガスを導く、昇圧ポンプが設けられた送液路をさらに備えてもよい。あるいは、上記のガスエンジン駆動システムは、前記タンクから前記気化器に液体状態の天然ガスを導く送液路をさらに備え、前記第２供給路には圧縮機が設けられていてもよい。
　上記のガスエンジン駆動システムは、前記送液路と前記第１供給路とを接続する、気化器が設けられたバイパス路をさらに備えてもよい。この構成によれば、ボイルオフガス量が少ない場合であっても、第１燃料噴射機構から噴射される低圧の天然ガスと第２燃料噴射機構から噴射される高圧の天然ガスの比率を自由に制御することができる。
　また、本発明は、上記のガスエンジン駆動システムと、一端にプロペラが取り付けられた、前記ガスエンジン駆動システムにより駆動される推進軸と、を備えた、船舶を提供する。
　本発明によれば、ノッキングおよび失火を防止でき、かつ、ボイルオフガスを有効に活用することができる。
本発明の第１実施形態に係るガスエンジン駆動システムを用いた船舶の概略構成図である。 図１に示すガスエンジン駆動システムを構成する２ストロークガスエンジンの断面図であり、ピストンが下死点に位置する状態を示す。 図１に示すガスエンジン駆動システムを構成する２ストロークガスエンジンの断面図であり、ピストンが上死点に位置する状態を示す。 クランク軸の回転角度と燃焼室内の圧力の関係を示すグラフである。 第１燃料噴射機構から噴射される低圧の天然ガスと第２燃料噴射機構から噴射される高圧の天然ガスの比率を説明するための図である。 燃焼室内に導入される前の空気に燃料ガスの全量を混合したときのノッキング領域および失火領域を示す、横軸に空燃比、縦軸に正味平均有効圧をとったグラフである。 本発明の第２実施形態に係るガスエンジン駆動システムを構成する２ストロークガスエンジンの断面図であり、ピストンが下死点に位置する状態を示す。 本発明の第３実施形態に係るガスエンジン駆動システムを用いた船舶の概略構成図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
　（第１実施形態）
　図１に、本発明の第１実施形態に係るガスエンジン駆動システム１０Ａを用いた船舶１を示す。この船舶１は、ガスエンジン駆動システム１０Ａが装備された船体１１と、ガスエンジン駆動システム１０Ａにより駆動される推進軸１３とを備えている。推進軸１３の一端には、プロペラ１５が取り付けられている。
　ガスエンジン駆動システム１０Ａは、２ストロークガスエンジン２Ｅと、このガスエンジン２Ｅの燃料である天然ガスを液体状態で貯蔵するタンク（いわゆるＬＮＧタンク）３とを備えている。ガスエンジン２Ｅは、推進軸１３と連結されたクランク軸１２と、クランク軸１２を覆うケーシング１４と、クランク軸１２の軸方向に並ぶ複数（図１では図面の簡略化のために２つのみ作図）のシリンダ２とを含む。
　天然ガスは、通常はメタンを主成分として含む。タンク３は、－１６２℃程度まで冷却され液化した天然ガスを貯蔵できるようにタンク外からタンク内への熱の侵入を阻止する断熱構造を有している。なお、タンク３は、ＬＮＧ運搬船の１つまたは複数のタンクと兼用されていてもよいし、ガスエンジン２Ｅに専用のタンクであってもよい。
　各シリンダ２は、図２に示すように、例えば鉛直方向に延びるシリンダライナ２１と、シリンダライナ２１の上端を塞ぐシリンダヘッド２２とを含む。本実施形態では、シリンダライナ２１に空気導入口２ａが設けられており、シリンダヘッド２２に排気口２ｂが設けられている。すなわち、シリンダ２はユニフロー式となっている。ただし、シリンダ２は、シリンダライナ２１に排気口２ｂが設けられたクロス式やループ式であってもよい。
　シリンダ２内にはピストン２３が配設されており、シリンダ２およびピストン２３によって燃焼室２０が形成されている。ピストン２３は、シリンダ２内で往復運動するものであり、連結棒２４によりクランク軸１２と連結されている。なお、ピストン２３は、連結棒２４と直接ピン接合されていてもよいが、ピストン棒（図示せず）を介して連結棒２４とピン接合されていてもよい。
　排気口２ｂは、図略のアクチュエータにより作動させられる排気弁２５により開閉される。排気弁２５は、ピストン２３が下降する際に、ピストン２３の受圧面（本実施形態では上面）が空気導入口２ａに到達する前、換言すれば空気導入口２ａが燃焼室２０と連通する前に開かれる。すなわち、ピストン２３の下降開始から排気弁２５が開かれるまでが膨張行程であり、排気弁２５が開かれてから空気導入口２ａが燃焼室２０と連通するまでが排気行程である。また、排気弁２５は、ピストン２３が上昇する際に、ピストン２３の受圧面が空気導入口２ａを通過した後、換言すれば空気導入口２ａの燃焼室２０との連通状態が解除された後に閉じられる。すなわち、空気導入口２ａが燃焼室２０と連通してから排気弁２５が閉じられるまでが掃気行程であり、排気弁２５が閉じられてからピストン２３の上昇終了までが圧縮行程である。なお、図３では、ピストン２３が上死点に位置した状態を示す。
　各シリンダ２の空気導入口２ａは、掃気管１６を介して掃気マニホールド１５に接続されており、各シリンダ２の排気口２ｂは、排気管１７を介して排気マニホールド１８に接続されている。排気マニホールド１８に収集された排気は、過給機（ターボチャージャー）１９に送られて大気中の空気を圧縮する動力として使用された後に、系外に排出される。過給機１９で圧縮された空気は掃気マニホールド１５に送られ、ここで分配されて各シリンダ２に掃気として供給される。
　また、各シリンダ２には、燃料である天然ガスを燃焼室２０内に噴射する第１燃料噴射機構４および第２燃料噴射機構５、ならびにパイロットオイルを燃焼室２０内に噴射する液噴射弁９が設けられている。本実施形態では、第１燃料噴射機構４および第２燃料噴射機構５としてガス噴射弁が用いられており、シリンダライナ２１に第１燃料噴射機構４が設けられ、シリンダヘッド２２に第２燃料噴射機構５およびパイロットオイル噴射弁９が設けられている。ただし、第１燃料噴射機構４および第２燃料噴射機構５の一方または双方は、シリンダライナ２１またはシリンダヘッド２２に設けられた貫通穴と、この貫通穴と連通する配管に設けられた電磁弁とで構成されていてもよい。
　図４に示すように、第１燃料噴射機構４は、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの一部をピストン２３が下死点からシリンダヘッド２２に向かって上昇する際に低圧で噴射するものであり、第２燃料噴射機構５は、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの残りをピストン２３が上死点に位置する直前から直後までの遷移期間内に高圧で噴射するものである。第１燃料噴射機構４から噴射される天然ガス３５の圧力は、過給機１９で圧縮された空気の圧力よりも僅かに高い程度（例えば、０．５～１．０ＭＰａ程度）である。第２燃料噴射機構５から噴射される天然ガス３２の圧力は、ピストン２３が上死点に位置するときの燃焼室２０内の圧力よりも僅かに高い程度（例えば、１５～３０ＭＰａ程度）である。遷移期間とは、例えば、クランク軸１２の回転角度で、ピストン２３が上死点に位置するタイミングから±１０度である。
　第１燃料噴射機構４から噴射される低圧の天然ガス３５（図２参照）と第２燃料噴射機構５から噴射される高圧の天然ガス３２（図３参照）の比率は、タンク３内で気化するボイルオフガス量や要求出力などに応じて制御される。第１燃料噴射機構４および第２燃料噴射機構５は、例えばクランク軸１２の回転角度を検出するセンサの検出値に基づいて制御される。
　図３に示すように、第１燃料噴射機構４は、ピストン２３が上死点に位置したときに、ピストン２３によって燃焼室２０と隔離される位置に配置されることが望ましい。第１燃料噴射機構４を燃焼時の衝撃から保護できるからである。例えば、第１燃料噴射機構４は、空気導入口２ａとほぼ同じ高さ位置に配置されてもよい。ただし、第１燃料噴射機構４は、必ずしもそのような位置に配置されている必要はなく、例えばシリンダヘッド２２に設けられていてもよい。
　液噴射弁９には、パイロットオイル供給路９２を通じてオイルポンプ９１から軽油や重油などのパイロットオイル９０が供給される。液噴射弁９は、第２燃料噴射機構５から高圧の天然ガス３２が噴射される直前にパイロットオイル９０を噴射する。圧縮空気中にパイロットオイル９０が噴射されるとパイロットオイル９０が発火し、これにより圧縮空気と天然ガスの混合気が燃焼する。
　図１に示すように、各シリンダ２の第１燃料噴射機構４には、タンク３内で気化した天然ガス（ＢＯＧ）３５が第１供給路６により導かれる。一方、タンク３に貯蔵された液体状態の天然ガス３１は、送液路７１により気化器７３に導かれる。すなわち、タンク３から抜き出された液体状態の天然ガス３１は、気化器７３により気化される。気化した天然ガス３２は、第２供給路７４により気化器７３から各シリンダ２の第２燃料噴射機構５に導かれる。例えば、第１供給路６の上流端はタンク３の上部に接続され、送液路７１の上流側部分は、タンク３の上部を貫通してタンク３の底付近で開口している。
　第１供給路６には、タンク３内で気化した天然ガス３５を上述した低圧、すなわち第１噴射機構４から噴射可能となる圧力まで昇圧する圧縮機６１が設けられている。一方、送液路７１には、昇圧ポンプ７２が設けられている。この昇圧ポンプ７２は、気化器７３により気化された天然ガス３２が第２燃料噴射機構５から噴射可能な上述した高圧となるように、液体状態の天然ガス３１を昇圧する。
　各シリンダ２ごとの１サイクルにおける第１燃料噴射機構４から噴射される低圧の天然ガス３５と第２燃料噴射機構５から噴射される高圧の天然ガス３２の比率は、例えば次のようにして決定される。燃焼室２０内に導入される前の空気に燃料ガスの全量（一度の燃焼に必要な量の天然ガス）を混合した場合には、図５に示すようなノッキング領域と失火領域が存在する。一度の燃焼に必要な天然ガスの量ＧＴは、ガスエンジン２Ｅへの要求出力から求まる。そのときのエンジン回転数における正味平均有効圧ＰＭでのノッキング限界（ガス量の上限値）をＧＮ、失火限界（ガス量の下限値）をＧＳとする。また、タンク３内でのＢＯＧの１分あたりの発生量をエンジン回転数（ｒｐｍ）およびシリンダ２の数で割った値をＧＢとする。低圧の天然ガス３５の量ＧＬはＧＮ以下であればよく、高圧の天然ガス３２の量ＧＨはＧＳ以上であればよい。例えば、低圧の天然ガス３５の量ＧＬは、ＧＢとＧＮの小さい方とし、高圧の天然ガス３２の量ＧＨは、ＧＴからＧＬを引いて算出する。
　さらに、本実施形態では、送液路７１における昇圧ポンプ７２よりも上流側部分と第１供給路６における圧縮機６１よりも下流側部分とがバイパス路８により接続されている。バイパス路８には、圧縮機６１と同程度の昇圧能力を有するポンプ８１と、ポンプ８１から圧送される液体状態の天然ガス３１を気化させる気化器８２が設けられている。なお、ポンプ８１の代わりに減圧弁を設け、バイパス路８の上流端を送液路７１における昇圧ポンプ７２よりも下流側部分につなげてもよい。あるいは、ポンプ８１の代わりに絞りを設け、バイパス路８の下流端を第１供給路６における圧縮機６１よりも上流側部分につなげてもよい。
　以上説明したように、本実施形態のガスエンジン駆動システム１０Ａでは、天然ガスが二段階で噴射される。すなわち、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの全てが空気と共に圧縮されるわけではないので、ノッキングを防止することができる。また、第１燃料噴射機構４からの天然ガスの噴射後に混合気が失火領域にあっても第２燃料噴射機構５から拡散燃焼用の天然ガスが噴射され、一度の燃焼に用いられるガスの量ＧＴはＧＳ以上となるように制御されるため、失火の問題も生じない。このため、圧縮行程においてはノッキング領域から十分に余裕を持った制御が可能となる。また、天然ガスの全量を例えば圧縮行程の終わりに噴射する場合に比べて、高圧で噴射される天然ガスの量が減少するため、液体状態の天然ガス３１を昇圧するのに必要な設備や動力を低減することができる。さらに、タンク３内で気化した天然ガス３５が第１燃料噴射機構４から噴射されるため、ボイルオフガスを燃料として有効に活用することができる。
　ところで、タンク３内で発生するボイルオフガス量は気温などに応じて変化する。これに対し、本実施形態のガスエンジン駆動システム１０Ａでは、ボイルオフガス量に応じて第２燃料噴射機構５から噴射する天然ガス３２の量を調整することができ、これによりボイルオフガスを最大限利用した運転を行うことができる。
　しかも、本実施形態では、気化器８２が設けられたバイパス路８により送液路７１と第１供給路６とが接続されているので、ボイルオフガス量が少ない場合であっても、第１燃料噴射機構４から噴射される低圧の天然ガス３５と第２燃料噴射機構５から噴射される高圧の天然ガス３２の比率を自由に制御することができる。
　ここで、図６を参照して、本実施形態のガスエンジン駆動システム１０Ａではノッキングを防止できることをより詳しく説明する。図６は、燃焼室２０内に導入される前の空気に燃料ガスの全量を混合したときのノッキング領域および失火領域を示す。
　一般に、燃焼室に導入される吸気中に燃料ガスが予め混合される４ストロークガスエンジンでは、図５に示すノッキング領域および失火領域を避けるために、それらで挟まれる比較的に狭い範囲Ｒ内に空燃比が収まるように制御される。
　本実施形態のガスエンジン駆動システム１０Ａでは、図６中にＡ点およびＢ点で示すように例えば圧縮行程の始めと終わりとで空燃比が変化する。すなわち、第１燃料噴射機構４からは一度の燃焼に必要な量の天然ガスの一部のみが噴射され、圧縮行程の始めの空燃比が高い（混合気がリーンな）ために、そのリーンな混合気がその後に圧縮されてもノッキングが生じるおそれがない。また、第２燃料噴射機構５から一度の燃焼に必要な量の天然ガスの残りが噴射されると、空燃比が低い方（混合気がリーンでない方向）に移り、失火のおそれがない混合気となるようにエンジン出力が制御される。さらには、第２燃料噴射機構５から天然ガスが噴射された後は直ちに混合気が燃焼するので、ノッキングが生じることもない。しかも、最終的には燃焼時の空燃比を適切に調整できるため、必要な出力が得られるとともに、負荷変動に対する耐性を向上させることができる。
　なお、エンジン回転数を一定に保つガバーニングを行う際は、低圧の天然ガス３５と高圧の天然ガス３２のどちらかの量を調整してもよいし、双方の量を調整してもよい。
　（第２実施形態）
　次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係るガスエンジン駆動システムを説明する。ただし、本実施形態のガスエンジン駆動システムは、図１に示すガスエンジン駆動システム１０Ａに対して、第１燃料噴射機構４が配置される位置が異なるだけであるので、ガスエンジン２Ｅの断面図のみを用いて説明する。また、本実施形態および後述する第３実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
　本実施形態では、第１燃料噴射機構４が掃気マニホールド１５に設けられている。このため、タンク３内で気化した天然ガス３５は、第１燃料噴射機構４から燃焼室２０に導入される前の掃気中に低圧で噴射される。換言すれば、低圧の天然ガス３５は、掃気マニホールド１５内で燃焼室２０に導入される前の掃気と予め混合される。第１燃料噴射機構４は、空気導入口２ａ近傍に設けられる。第１燃料噴射機構４は、低圧の天然ガス３５を、ピストン２３が下降して空気導入口２ａが開き、掃気マニホールド１５内の空気がシリンダ２内に流入するタイミングに合わせて噴射する。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　（第３実施形態）
　次に、図８を参照して、本発明の第３実施形態に係るガスエンジン駆動システム１０Ｂを説明する。本実施形態のガスエンジン駆動システム１０Ｂが図１に示す第１実施形態のガスエンジン駆動システム１０Ａと異なる点は、バイパス路８が設けられていない点と、送液路７１に昇圧ポンプ７２が設けられていない代わりに第２供給路７４に圧縮機７５が設けられている点である。
　圧縮機７５は、気化器７３により気化された天然ガス３２を第１実施形態で説明した高圧、すなわち第２噴射機構５から噴射可能となる圧力まで昇圧する。なお、この場合は図示は省略するが、送液路７１には気化器７３に液体状態の天然ガスを供給する低圧（天然ガスの圧力をあまり上昇させない）のポンプが設けられる。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図８では、第１噴射機構４がシリンダ２に設けられているが、図７に示すように第１噴射機構４が掃気マニホールド１５に設けられていてもよい。また、本実施形態のガスエンジン駆動システム１０Ｂでも図１に示すバイパス路８が設けられていてもよい。
　（その他の実施形態）
　前記各実施形態では、燃焼室２０が単室になっていたが、燃焼室２０は天然ガスの燃焼用の主室と着火用の副室に分かれていてもよい。また、着火の方法は、必ずしもパイロットオイルを用いる方法に限らず、スパークプラグを用いる方法であってもよい。
　本発明のガスエンジン駆動システムは、必ずしも船舶に用いられる必要はなく、例えば、発電機の回転軸を駆動させる発電用として使用されてもよい。
　１　　船舶
　１０Ａ，１０Ｂ　ガスエンジン駆動システム
　１２　クランク軸
　２Ｅ　２ストロークガスエンジン
　２ａ　空気導入口
　２ｂ　排気口
　２　　シリンダ
　２０　燃焼室
　２３　ピストン
　３　　タンク
　３１　液化天然ガス
　３２，３５　天然ガス
　４　　第１燃料噴射機構
　５　　第２燃料噴射機構
　６　　第１供給路
　６１　圧縮機
　７１　送液路
　７２　昇圧ポンプ
　７３　気化器
　７４　第２供給路
　７５　圧縮機
　８　　バイパス路
　８１　ポンプ
　８２　気化器

Claims (7)

  1. 　空気導入口および排気口が設けられたシリンダならびに前記シリンダ内で往復運動するピストンにより形成された燃焼室を有する２ストロークガスエンジンと、
    　前記燃焼室内に、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの一部を、前記ピストンが下死点から上昇する際に低圧で噴射する第１燃料噴射機構と、
    　前記燃焼室内に、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの残りを、前記ピストンが上死点に位置する直前から直後までの遷移期間内に高圧で噴射する第２燃料噴射機構と、
    　天然ガスを液体状態で貯蔵するタンクと、
    　前記タンク内で気化した天然ガスを前記第１燃料噴射機構に導く第１供給路と、
    　前記タンクから抜き出した液体状態の天然ガスを気化する気化器と、
    　前記気化器から前記第２燃料噴射機構に気化した天然ガスを導く第２供給路と、
    を備えた、ガスエンジン駆動システム。
  2. 　前記第１燃料噴射機構は、前記ピストンが上死点に位置したときに前記ピストンによって前記燃焼室と隔離される位置に配置されている、請求項１に記載のガスエンジン駆動システム。
  3. 　空気導入口および排気口が設けられたシリンダならびに前記シリンダ内で往復運動するピストンにより形成された燃焼室を有する２ストロークガスエンジンと、
    　一度の燃焼に必要な量の天然ガスの一部を、前記燃焼室に導入される前の掃気中に低圧で噴射する第１燃料噴射機構と、
    　前記燃焼室内に、一度の燃焼に必要な量の天然ガスの残りを、前記ピストンが上死点に位置する直前から直後までの遷移期間内に高圧で噴射する第２燃料噴射機構と、
    　天然ガスを液体状態で貯蔵するタンクと、
    　前記タンク内で気化した天然ガスを前記第１燃料噴射機構に導く第１供給路と、
    　前記タンクから抜き出した液体状態の天然ガスを気化する気化器と、
    　前記気化器から前記第２燃料噴射機構に気化した天然ガスを導く第２供給路と、
    を備えた、ガスエンジン駆動システム。
  4. 　前記タンクから前記気化器に液体状態の天然ガスを導く、昇圧ポンプが設けられた送液路をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスエンジン駆動システム。
  5. 　前記タンクから前記気化器に液体状態の天然ガスを導く送液路をさらに備え、
    　前記第２供給路には圧縮機が設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスエンジン駆動システム。
  6. 　前記送液路と前記第１供給路とを接続する、気化器が設けられたバイパス路をさらに備える、請求項４または５に記載のガスエンジン駆動システム。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載のガスエンジン駆動システムと、
    　一端にプロペラが取り付けられた、前記ガスエンジン駆動システムにより駆動される推進軸と、
    を備えた、船舶。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017016628A1 (de) * 2015-07-27 2017-02-02 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brenngasversorgungseinrichtung zur bereitstellung eines brenngases und brennkraftmaschine

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6061026B2 (ja) * 2013-05-10 2017-01-18 株式会社Ihi ユニフロー掃気式２サイクルエンジン
JP2015190328A (ja) * 2014-03-27 2015-11-02 三井造船株式会社 ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式
JP6389404B2 (ja) * 2014-09-12 2018-09-12 川崎重工業株式会社 ガス供給システム及びそれを備える船舶
JP6561362B2 (ja) * 2014-10-29 2019-08-21 株式会社三井Ｅ＆Ｓマシナリー 船舶の機関運転方式
EP3217009B1 (en) * 2014-11-04 2020-01-08 IHI Corporation Uniflow scavenging two-cycle engine
JP6455085B2 (ja) * 2014-11-04 2019-01-23 株式会社Ihi ユニフロー掃気式２サイクルエンジン
JP6432285B2 (ja) * 2014-11-04 2018-12-05 株式会社Ihi ユニフロー掃気式２サイクルエンジン
JP6521095B2 (ja) * 2015-11-30 2019-05-29 株式会社Ihi ガスエンジン
KR102338124B1 (ko) * 2016-10-17 2021-12-13 한국조선해양 주식회사 선박용 엔진
JP2019044780A (ja) * 2018-12-20 2019-03-22 株式会社三井Ｅ＆Ｓマシナリー 船舶の機関運転方式
KR102330222B1 (ko) * 2019-07-05 2021-11-23 만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드 기체 연료 모드를 갖춘 대형 2행정 단류 소기식 엔진
KR20210005520A (ko) * 2019-07-05 2021-01-14 만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드 대형 2행정 단류 소기식 기체 연료 엔진
US10947905B1 (en) * 2019-12-11 2021-03-16 GM Global Technology Operations LLC System and process for pump assist to maximize fuel consumption in a natural gas powertrain
JP7236407B2 (ja) * 2020-05-29 2023-03-09 株式会社三井Ｅ＆Ｓマシナリー 水素燃料を用いた内燃機関
CN114233526A (zh) * 2021-08-11 2022-03-25 哈尔滨工程大学 一种抑制天然气发动机爆震以及失火的氨重整系统及方法
DK181193B1 (en) * 2021-09-28 2023-04-24 Man Energy Solutions Filial Af Man Energy Solutions Se Tyskland A large two-stroke uniflow scavenged engine and method for operating cylinders selectively according to the pre-mix process or the compression-ignition process

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63302169A (ja) * 1987-06-02 1988-12-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガス焚きディ−ゼルエンジンのガス供給装置
JP2005042614A (ja) * 2003-07-22 2005-02-17 Hino Motors Ltd 液化ガスエンジンの燃料供給装置
JP2012076561A (ja) * 2010-09-30 2012-04-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 舶用燃料供給システム

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4312803B2 (ja) 2007-02-22 2009-08-12 エムエーエヌ・ディーゼル・フィリアル・アフ・エムエーエヌ・ディーゼル・エスイー・ティスクランド 大型２ストローク２元燃料ディーゼルエンジン
CN101368527B (zh) * 2008-08-13 2010-04-07 奇瑞汽车股份有限公司 一种氢气燃料内燃机及其氢气喷射系统和燃烧方法
JP5587091B2 (ja) 2010-08-05 2014-09-10 株式会社ディーゼルユナイテッド ２ストロークガス機関
KR20120018545A (ko) * 2010-08-23 2012-03-05 현대중공업 주식회사 저압가스 공급 방식의 2행정 대형 엔진

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63302169A (ja) * 1987-06-02 1988-12-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガス焚きディ−ゼルエンジンのガス供給装置
JP2005042614A (ja) * 2003-07-22 2005-02-17 Hino Motors Ltd 液化ガスエンジンの燃料供給装置
JP2012076561A (ja) * 2010-09-30 2012-04-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 舶用燃料供給システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017016628A1 (de) * 2015-07-27 2017-02-02 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brenngasversorgungseinrichtung zur bereitstellung eines brenngases und brennkraftmaschine

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Publication number Publication date
KR101698113B1 (ko) 2017-01-19
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