WO2020183522A1 - ディーゼルエンジン - Google Patents

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combustion
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清水　明
隆晃 桑原
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Definitions

  • the present invention relates to a diesel engine and does not contain carbon (C), which has not been conventionally used as a fuel and is particularly suitable for use in a marine diesel engine whose main fuel is fuel oil such as heavy oil or light oil.
  • a diesel engine that burns carbon-free ammonia NH 3 and is particularly effective in reducing carbon dioxide CO 2, which is a greenhouse gas.
  • ammonia When ammonia is burned, it is carbon-free and does not generate CO 2 , so combustion in internal combustion engines, especially diesel engines, has been attempted.
  • the ignition temperature of ammonia is 651 ° C, which is higher than that of heavy oil, for example, 250 to 380 ° C, and it is flame-retardant. Therefore, the combustion rate is poor, and 20% or more of the input ammonia is discharged as unburned content. It was the current situation.
  • Patent Document 1 in order to burn high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air, urea water is supplied as a raw material for hydrogen-rich ammonia to generate high-temperature ammonia from the urea water, and a part of the ammonia is hydrogen.
  • a carbon-free power unit is constructed by adding high-temperature hydrogen-rich gas to nitrogen. That is, it relates to a hydrogen-rich ammonia production reactor that produces high-temperature ammonia from urea water and adds a part of ammonia to hydrogen and nitrogen to generate high-temperature hydrogen-rich gas.
  • Patent Document 2 ammonia is reformed to generate a reformed gas containing hydrogen, and the reformed gas is supplied to the combustion chamber of the ammonia combustion internal combustion engine in addition to ammonia.
  • An object of the present invention is to provide a diesel engine having a relatively simple configuration, which increases the combustion rate of ammonia and reduces CO 2 .
  • a combustion chamber and a fuel input means for charging fuel oil as an ignition source and gaseous ammonia into the combustion chamber, and the fuel input means in the combustion chamber.
  • a diesel engine in which an ammonia premixer is formed and mixed and burned, and the ammonia concentration on the inner side wall surface side of the combustion chamber is higher than that in the center of the combustion chamber. It has a control means for controlling the formation of the fuel.
  • control means may be adjusted so that the excess air ratio is lower than the excess air ratio during operation using only fuel oil.
  • the combustion chamber has a cylinder head, the cylinder head is provided with an ammonia supply path, and the combustion chamber is provided from the center of the combustion chamber.
  • a plurality of ammonia injection holes may be provided on the inner side wall surface side of the cylinder, and the vaporized ammonia may be controlled to be introduced into the combustion chamber in the air supply stroke.
  • a gas valve for adjusting the input amount of ammonia and a fuel injection valve for adjusting the supply amount of fuel oil are provided, and the control thereof is provided.
  • the means may control at least one of the gas valve and the fuel injection valve.
  • the amount of ammonia input is adjusted so as to be 15% or more and 25% or less of the fuel oil supply amount in terms of calorific value ratio. Is also good.
  • the deviation of the ammonia concentration on the side wall surface on the side of the combustion chamber with respect to the average concentration in the combustion chamber may be 70% or more.
  • the excess air ratio may be adjusted to be 0.5 to 1.0 higher than the excess air ratio during operation using only fuel oil. ..
  • the adjustment of the excess air rate may be performed by adjusting the amount of air by the adjusting means provided in the exhaust bypass of the supercharger. good.
  • Cross-sectional view showing the arrangement of check valves as well
  • Cross-sectional view showing the configuration of the check valve as well.
  • Top view showing the arrangement of ammonia injection holes
  • the figure which also shows the ammonia injection timing Similarly, a diagram showing an example of layered degree distribution in the combustion chamber.
  • an ammonia injection valve 26 which is a gas valve
  • an air supply pipe 20 and mix it with engine air supply to obtain ammonia-.
  • An analytical approach was examined to create an air premixture (also simply referred to as a premixture) and use a fuel oil such as heavy oil or light oil, which is the main fuel injected from the fuel injection valve 24, as an ignition source for mixed combustion.
  • 10 is a cylinder
  • 12 is a piston
  • 14 is a cylinder head
  • 16 is an air supply valve
  • 18 is an exhaust valve
  • 22 is an exhaust pipe.
  • Ammonia was supplied to the air supply pipe 20 in a gaseous state at a calorific value ratio of 20%, and the ammonia premixture was burned by injecting the main fuel oil (heavy oil or light oil) from the fuel injection valve 24.
  • Exhaust gas characteristics, efficiency, and the degree of influence of unburned ammonia were investigated using the concentration distribution of premixed ammonia, main fuel oil injection pressure, injection pattern, and excess air ratio as parameters. The survey results are shown in Table 1.
  • the high-temperature combustion temperature varies depending on the specifications of the diesel engine and the environmental temperature, but it is sufficiently higher than the ignition temperature of ammonia and the combustion rate rises.
  • a combustion temperature of about 1500 K is used. It points to.
  • FIG. 2 shows the change in combustion temperature distribution due to the change in the excess air ratio ⁇
  • FIG. 3 shows a comparison of the in-cylinder pressure by changing the excess air ratio ⁇
  • FIG. 4 shows a comparison of the in-cylinder pressure with the crank angle deg of
  • the air supply pipe 20 in front of the cylinder head 14 shown in FIG. 1 is equipped with an ammonia injection valve 26, which is a gas valve, to supply ammonia to generate an ammonia-air premixture.
  • an ammonia injection valve 26 which is a gas valve, to supply ammonia to generate an ammonia-air premixture.
  • ammonia is supplied to a diesel engine mainly composed of fuel oil by controlling the flow rate at the same time as air by a gas valve, and the main combustion of fuel oil combustion is performed to control the ammonia concentration on the inner wall surface of the cylinder where the combustion temperature becomes high. It is over-concentrated to improve combustion efficiency.
  • the layered degree of ammonia (degree of concentration difference, bias) has an extreme deviation of 70% or more in the high temperature part of the diesel main combustion region. This cannot be achieved by installing a gas mixer in front of the combustion chamber as in the normal premixture generation, or by charging ammonia in the vicinity of each cylinder air supply pipe 20 as shown in FIG.
  • ammonia lines 40 are provided in the cylinder head 14 on the inner side wall surface side of the combustion chamber from the center of the combustion chamber.
  • Ammonia vaporized from the ammonia injection holes 52 formed at the locations (two locations illustrated in FIGS. 8 and 9 in this embodiment) is introduced in the air supply stroke to achieve a layered degree of 70% or more, which was not possible with the conventional method. doing.
  • the positions where a plurality of ammonia injection holes are formed here are those located within a distance range of 70% to 90% when the distance from the center of the combustion chamber to the inner side wall surface of the combustion chamber is 100%. Is preferable.
  • the ammonia line 40 includes an ammonia tank 42, a gas shutoff valve 44, a gas pressure regulating valve 46, a gas valve 48, a pipe 49, a check valve 50, a connector 51, and an ammonia injection hole 52. Has been done.
  • reference numeral 30 denotes a fuel oil line including a fuel oil tank 32, a fuel supply pump 34, and a solenoid valve 36.
  • 60 is an exhaust bypass provided in an intake line 62, a supercharger 64 having an intake turbine 64B rotated by an exhaust turbine 64A, an exhaust line 66, and a bypass line 67 connecting the front and rear of the exhaust turbine 64A in the middle.
  • It is an air supply / exhaust system including a valve 68.
  • the solenoid valve 36 is controlled by the fuel oil injection control device 38, the gas valve 48 is controlled by the ammonia gas valve control device 54, and the fuel oil injection control device 38, the ammonia gas valve control device 54, and the exhaust bypass
  • the valve 68 is controlled by the integrated control device 70.
  • control means is composed of the fuel oil injection control device 38, the ammonia gas valve control device 54, the exhaust bypass valve 68, and the integrated control device 70.
  • Ammonia is stored in the ammonia tank 42 in a liquid state, but is vaporized and supplied in a gaseous state.
  • the gas pressure is adjusted by the gas pressure regulating valve 46, the flow rate is adjusted to a specified calorific value ratio (around 20%) by the gas valve 48, and the gas pressure is supplied to the engine at a predetermined air supply timing illustrated in FIG.
  • a gas valve 48 is provided in each cylinder 10, and ammonia controlled by the gas valve 48 is distributed by a pipe 49 shown in FIG. 8 and sent to a plurality of injection holes 52 through a connector 51.
  • a check valve 50 is provided in the portion of the connector 51 so that the combustion gas does not flow back during combustion.
  • the check valve 50 is a double poppet check valve having two poppets 50A and 50B.
  • the reason why the double poppet is used is to prevent the seal portion from being worn and leaking due to long-term use.
  • FIG. 12 (A) as an example of the poppet 50A, holes 50C are formed on the side surfaces of the poppets 50A and 50B, and are shown in FIG. 12 (C) when NH 3 is applied as shown in FIG. 12 (B).
  • Poppets 50A and 50B move to the left and right in the figure to prevent backflow of NH 3 as in the case of non-return. That is, when NH 3 is applied as shown in FIG. 12 (B), the poppets 50A and 50B are pushed by the NH 3 pressure and move to the right in the figure until they hit the stopper 50D, so that they pass through the gap with the seat portion 50E and NH. 3 flows to the right.
  • the poppets 50A and 50B are pushed to the left by the in-cylinder pressure, and are seated on the seat portion 50E and sealed.
  • check valve since a double poppet check valve is used, the occurrence of leaks can be reliably prevented.
  • the type of check valve is not limited to this.
  • ammonia introduced from the ammonia injection hole 52 in the air supply stroke can have a layered degree of 70% or more on the wall surface.
  • the number of ammonia injection holes 52 is not limited to 2, and may be, for example, 4 or 6 shown by a broken line in FIG.
  • the flow rate of the diesel main fuel is adjusted to a specified calorific value ratio (around 80%) by the fuel oil injection control device 38, and is injected from the fuel injection valve 24 at a specified timing.
  • the excess air ratio ⁇ is adjusted to a specified value by adjusting the exhaust passage amount by the exhaust bypass valve 68 provided on the exhaust turbine 64A side of the turbocharger 64. That is, in order to reduce the air and make the excess air ratio ⁇ excessively concentrated, the exhaust bypass 68 is closed and the rotation speed of the intake turbine 64B is lowered to reduce the amount of air.
  • the stratification of the premixture is set to be around -70% in the central portion and around + 70% in the wall surface portion from the average value of the ammonia-air premixture concentration.
  • the combustion temperature becomes high on the wall surface, and by concentrating ammonia in this vicinity, the ammonia combustion rate increases.
  • the mechanical fuel injection device was used in the above embodiment, it is also possible to use an electron injection type common rail fuel injection device.
  • the configuration of the ammonia line and the intake / exhaust system is not limited to the embodiment.
  • the present invention has been used for a diesel engine for ships, but the application of the present invention is not limited to this, and a diesel engine using light oil as a fuel or a compression such as a diesel engine
  • a diesel engine using light oil as a fuel or a compression such as a diesel engine
  • engines that combine ignition and spark ignition such as gasoline engines.

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Abstract

アンモニアの燃焼率を高めて未燃アンモニアを減少させ、ＣＯ2削減を図る。　燃焼室と、前記燃焼室内に点火源となる燃料油とガス状のアンモニアとを投入する燃料投入手段とを有し、前記燃料投入手段により前記燃焼室内でアンモニア予混合気を形成して混合燃焼させるディーゼルエンジンであって、前記燃焼室内で、前記燃焼室の中心部よりも前記燃焼室の内側側壁面側のアンモニア濃度が濃くなるようなアンモニア予混合気を形成するよう制御する制御手段を有すると共に、前記制御手段は、燃料油のみによる運転時の空気過剰率より低い空気過剰率となるように調整する。

Description

ディーゼルエンジン
　本発明は、ディーゼルエンジンに係り、特に、重油や軽油等の燃料油を主燃料とする船舶用ディーゼルエンジンに用いるのに好適な、従来、燃料として使用されなかった、炭素（Ｃ）を含まないカーボンフリーであるアンモニアＮＨ3を燃焼させ、温室効果ガスである二酸化炭素ＣＯ2削減に特に有効なディーゼルエンジンに関する。
　アンモニアは燃焼させた場合、カーボンフリーであり、ＣＯ2の発生を伴わないため、内燃機関、特にディーゼルエンジンでの燃焼が試みられてきた。しかし、アンモニアは着火温度が例えば重油の２５０～３８０℃に比べて６５１℃と高く、難燃性であるため、燃焼率が悪く、投入アンモニアの２０％以上が未燃分として排出されるのが現状であった。
　これを解決するために、アンモニアの一部を触媒などを用いて改質、水素とし、これをアンモニアと同時に燃焼室に投入し、燃焼性に優れる水素を着火源としてアンモニア燃焼効率を上げる試みがなされている。
　例えば、特許文献１では、高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気を燃焼させるため、水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給し、尿素水から高温のアンモニアを生成すると共に、アンモニアの一部を水素と窒素に添加して、高温の水素リッチガスを生成することによりカーボンフリー動力装置を構成している。つまり尿素水から高温のアンモニアを生成すると共に、アンモニアの一部を水素と窒素に添加して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクタに関するものである。
　また、特許文献２では、アンモニアを改質して水素を含む改質ガスを生成し、アンモニアに加え改質ガスをアンモニア燃焼内燃機関の燃焼室内に供給するようにしている。
特許第５３１５４９３号公報 特許第５３１０９４５号公報
　本発明の目的は、比較的簡単な構成でアンモニアの燃焼率を高めてＣＯ2を削減するディーゼルエンジンを提供するものである。
　本発明の一つの形態によれば、燃焼室と、前記燃焼室内に点火源となる燃料油とガス状のアンモニアとを投入する燃料投入手段とを有し、前記燃料投入手段により前記燃焼室内でアンモニア予混合気を形成して混合燃焼させるディーゼルエンジンであって、前記燃焼室内で、前記燃焼室の中心部よりも前記燃焼室の内側側壁面側のアンモニア濃度が濃くなるようなアンモニア予混合気を形成するよう制御する制御手段を有するものである。
　これにより、特殊な触媒を用いた水素への改質装置等を具備してアンモニアを水素等と混焼させる必要がなく、簡単な構成でアンモニアの燃焼率を高めてＣＯ2を削減するディーゼルエンジンを提供できる。
　好ましくは、第２の形態として前記制御手段は、燃料油のみによる運転時の空気過剰率より低い空気過剰率となるように調整しても良い。
　また好ましくは第３の形態として、前記第１又は第２の形態において前記燃焼室にはシリンダヘッドを有し、前記シリンダヘッドにはアンモニア供給経路を設けると共に、前記燃焼室中心部より前記燃焼室の内側側壁面側の複数個所にアンモニア噴射穴を備え、気化したアンモニアを給気行程で燃焼室内に投入するよう制御しても良い。
　また好ましくは第４の形態として、前記第１乃至第３の形態のいずれかにおいて、アンモニアの投入量を調整するガス弁と、燃料油の供給量を調整する燃料噴射弁とを備え、前記制御手段は前記ガス弁及び前記燃料噴射弁のいずれか少なくとも一方を制御しても良い。
　また好ましくは第５の形態として、前記第１乃至第４の形態のいずれかにおいて、アンモニアの投入量は、熱量比で燃料油の供給量の１５％以上２５％以下となるように調整しても良い。
　また好ましくは第６の形態として、前記第１乃至第５の形態のいずれかにおいて、前記燃焼室内の平均濃度に対する前記燃焼室内側側壁面でのアンモニア濃度の片寄りを７０％以上としても良い。
　また好ましくは第７の形態として、前記第２の形態において、前記空気過剰率は、燃料油のみによる運転時の空気過剰率に対して、０．５～１．０高めるよう調整しても良い。
　また好ましくは第８の形態として、前記第２又は第７の形態において、前記空気過剰率の調整は、過給機の排気バイパスに設けられた調整手段による空気量の調整により行うようにしても良い。
発明者らが実験に用いたディーゼルエンジンのシリンダヘッド周辺の概略構成を示す断面図 発明者らの実験による空気過剰率変更による燃焼温度分布の変化を示す図 同じく空気過剰率λ＝２．０、１．７での温度分布と筒内圧を比較して示す図 同じく空気過剰率変更による筒内圧を比較して示す図 同じくアンモニアの層状度を比較して示す図 同じくアンモニアの層状度による筒内圧、熱発生率を比較して示す図 本発明の実施形態の全体構成を示す断面図 同じくアンモニア供給系統を示す斜視図 同じく逆止弁の配置を示す断面図 同じく逆止弁の構成を示す断面図 同じくアンモニア噴射穴の配置を示す平面図 同じくアンモニア噴射タイミングを示す図 同じく燃焼室内の層状度分布の例を示す図
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
　発明者らは、図１に示す如く、機械式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、アンモニアをガス弁であるアンモニア噴射弁２６から給気管２０に噴霧し、エンジン給気と混合させてアンモニア－空気予混合気（単に予混合気とも称する）を作り、燃料噴射弁２４から噴射した主燃料である重油や軽油等の燃料油を点火源として混合燃焼させる手法を解析的なアプローチで検討した。
　図１において、１０はシリンダ、１２はピストン、１４はシリンダヘッド、１６は給気弁、１８は排気弁、２２は排気管である。
　具体的には、実機ベース（ボア×ストローク＝４００ｍｍ×５００ｍｍ、４ストローク）の燃焼室をモデル化し、燃焼シミュレーションを実施した。給気管２０へガス態でアンモニアを熱量比２０％供給し、燃料噴射弁２４からの主燃料油（重油又は軽油）噴射によりアンモニア予混合気の燃焼を行うものとした。予混合気アンモニアの濃度分布、主燃料油噴射圧力、噴射パターン、空気過剰率をパラメータに、排ガス特性、効率、未燃アンモニアの影響度を調査した。調査結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　アンモニアが供給されず、重油１００％運転（ｃａｓｅ１）となった場合と同等の空気過剰率λ＝３．２において、アンモニアＮＨ3を熱量比で２０％投入した場合（ｃａｓｅ４）、未燃アンモニアは３７％と約６０％の燃焼率に留まった。ここで、λ＝２．５と過濃側に調整した場合（ｃａｓｅ５）において計算を実施し、未燃アンモニア２７％と約１０％燃焼率が改善することを確認した。これは、燃焼温度の高温化に伴い、図２に示す如く、アンモニア予混合気の燃焼範囲が広がったことによるものと考えられる。これより、空気過剰率λを低減させ、未燃アンモニア量の減少率及び諸性能の変化を把握するため、λ＝３．２（ｃａｓｅ４）、λ＝２．５（ｃａｓｅ５）、λ＝２．０（ｃａｓｅ５－１）、λ＝１．７（ｃａｓｅ５－２）における計算を行った。計算条件としては、予混合気を均一濃度とし、主燃料油噴射時期は９．５ｄｅｇ ＢＴＤＣに固定した。
　なお高温の燃焼温度としては、そのディーゼルエンジンの仕様や環境温度などによっても変動するが、アンモニアの着火温度よりも十分高く、燃焼率が上がる温度、一つの目安として、例えば１５００Ｋ程度の燃焼温度を指すものである。
　結果として、ｃａｓｅ５－１でλ＝２．０とリッチ（燃料過濃）側に調整することにより、未燃アンモニアが２１％に減少することがわかった。また、効率、ＮＯxは共にλ＝２．０～３．２の範囲では大きな変化はみられなかった。
　しかし、ｃａｓｅ５－２でλ＝１．７までリッチ側に調整した場合、空気量不足及び圧縮圧力の低下により急激な燃焼遅れを生じ、燃焼最高圧力は２．５ＭＰａ低下し、それに伴い効率は７％悪化した。ただし、燃焼温度は高温を維持し、未燃アンモニアは２２％とλ＝２．０とほぼ同等となった。また、燃焼最高温度はλ＝２．０（ｃａｓｅ５－１）より７０℃高く長時間維持されるため、ＮＯx値が４００ｐｐｍほど高くなっている。更に、効率低下分、未燃アンモニア量は同等であるが、ＣＯ2の削減率も１５％程度悪化している。これより、２０％アンモニア混合燃焼では、λ＝２．０前後が最適であるとの結果が得られた。
　空気過剰率λ変更による燃焼温度分布の変化を図２に、λ＝２．０（ｃａｓｅ５－１）、λ＝１．７（ｃａｓｅ５－２）での温度分布と筒内圧比較を横軸にエンジンのクランク角度ｄｅｇ、縦軸に筒内圧を取った図３に、空気過剰率λ変更による筒内圧比較を図４に示す。
　次に、燃料噴射時期の影響を調べた。
　同一燃料噴射時期において空気過剰率λを変更した場合、λを下げるに従い圧縮圧力が低下するため、主燃料噴射時期を同一とした場合、燃焼最高圧力も低下傾向となる。効率を維持し、燃焼温度を維持するために、λに合わせた（空気量もしくは給気圧力）燃料噴射時期に調整する必要がある。λ＝２．５、噴射時期１７．５ｄｅｇ ＢＴＤＣとλ＝２．０、噴射時期１９．５ｄｅｇ ＢＴＤＣの比較を行った。燃焼最高圧力は１ＭＰ程度差はあるものの、通常ディーゼルと同等値となり、後者調整の場合、熱発生率より良好な燃焼が得られているのがわかる。それに伴い未燃アンモニアも１１．５％と半減した。これより、燃料噴射時期を各燃焼条件に合わせ調整し、燃焼最高圧力を基本仕様ディーゼルと同等に維持することが望ましいことがわかった。
　次に、アンモニア層状度の影響について調べた。
　主燃料油噴射による燃焼において、シリンダ内壁面（以下、単に壁面とも称する）近傍で燃焼温度が上昇するので、難燃性であるアンモニア－空気予混合気において、壁面付近でのアンモニア濃度を上昇させることが未燃アンモニア減少に有効ではないか、と推定した。そこで、その有効性を検証するため、表２に示す如く、シリンダ燃焼室中心部と壁面部の濃度差（層状度と称する）を±２０％（ｃａｓｅ８－１）、±７０％（直線濃度傾斜：ｃａｓｅ８－４）及び±８０％（燃焼室トップ希薄：ｃａｓｅ８－５）の３つの場合において燃料計算を実施した。なお、計算において、λ＝２．０、燃料噴射時期１９．５、ＢＴＤＣは共通とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　層状度±２０％のｃａｓｅ８－１では、未燃アンモニアは１１．５％で均一混合気と比較して減少はほとんどみられなかったが、層状度±７０％まで上げた場合（ｃａｓｅ８－４）は、未燃アンモニア６．２％と大幅な改善効果が得られた。また、層状度±８０％のｃａｓｅ８－５では、未燃アンモニア量は±７０％条件のｃａｓｅ８－４とほぼ同等であったが、燃焼効率が若干良好となり、効率で１．７％ポイント向上した。その他排ガス成分では、ｃａｓｅ８－４、ｃａｓｅ８－５共に亜酸化窒素Ｎ2Ｏを１１５ｐｐｍ、粒子状物質ＰＭは０．００５ｇ／ＫＷｈと特にＰＭの大幅な低減を示した。
　λ＝２．０におけるアンモニア層状度による筒内圧、熱発生率を横軸をエンジンクランク角度ｄｅｇとして図６に比較して示す。
　アンモニア－空気予混合気の生成は、均一予混合気を得るには、図１に示したシリンダヘッド１４前の給気管２０にガス弁であるアンモニア噴射弁２６を装備してアンモニアを供給し、それにより給気管２０内にて混合を行い、より均一な状態にて給気弁１６を通しシリンダ１０へ供給する手法がとられる。
　しかしながら、このような従来の予混合気生成手法では、たとえノズル付きガス弁でスワールを形成しても予混合気の不均一度（層状度）形成は２０％前後が限度であり、燃焼室高温部で燃焼させるべきアンモニアの量が不十分で、未燃アンモニアが１０～２０％程度残っていた。
　本発明は、燃料油を主体とするディーゼルエンジンにアンモニアをガス弁により空気と同時に流量制御して供給し、燃料油燃焼の主燃焼が行われ、燃焼温度が高くなるシリンダ内壁面においてアンモニア濃度を過濃とし、燃焼効率を向上させる。
　アンモニアの層状度（濃度差の度合、片寄り）は、ディーゼル主燃焼域の高温部において、７０％以上と極端な偏差をつける。これは、通常の予混合気生成のように燃焼室手前にてガスミキサーを設置したり、または、図１に示したように各シリンダ給気管２０近傍でのアンモニア投入では成立させることができない。
　そこで、本実施形態は、アンモニア燃焼ディーゼルエンジンにおいて、図７に示す如く、シリンダヘッド１４にアンモニア供給経路（アンモニアラインと称する）４０を設け、燃焼室中心部より燃焼室の内側側壁面側の複数個所（本実施形態では図８及び図９に例示する２個所）に形成したアンモニア噴射穴５２より気化したアンモニアを給気行程において投入し、従来方式ではできなかった７０％以上の層状度を実現している。
　なおここでいうアンモニア噴射穴が複数個所形成される位置としては、燃焼室中心から燃焼室の内側側壁面までの距離を１００％としたとき、７０％～９０％の距離範囲内に位置するものが好ましい。
　また併せて、燃焼温度を高温とするため、空気過剰率を従来値よりΔλ＝０．５～１．０過濃とする。
　前記アンモニアライン４０は、アンモニアタンク４２と、ガス遮断弁４４と、ガス調圧弁４６と、ガス弁４８と、パイプ４９と、逆止弁５０と、コネクタ５１と、アンモニア噴射穴５２を含んで構成されている。
　図において、３０は、燃料油タンク３２、燃料供給ポンプ３４、電磁弁３６を含む燃料油ラインである。また、６０は、吸気ライン６２、排気タービン６４Ａにより回転される吸気タービン６４Ｂを備えた過給機６４、排気ライン６６、その途中の排気タービン６４Ａの前後を結ぶバイパスライン６７に設けられた排気バイパス弁６８を含む給排気系である。
　前記電磁弁３６は、燃料油噴射制御装置３８により制御され、前記ガス弁４８はアンモニアガス弁制御装置５４により制御され、前記燃料油噴射制御装置３８、前記アンモニアガス弁制御装置５４及び前記排気バイパス弁６８は、統括制御装置７０により制御される。
　ここで、前記燃料油噴射制御装置３８、前記アンモニアガス弁制御装置５４、前記排気バイパス弁６８、前記統括制御装置７０により制御手段が構成される。
　アンモニアは、アンモニアタンク４２に液状で貯留されるが、気化され、ガス態にて供給される。ガス調圧弁４６でガス圧が調整され、ガス弁４８で規定の熱量比（２０％前後）に流量調整され、図１０に例示する所定の給気タイミングでエンジンに供給される。ガス弁４８は各シリンダ１０に装備され、該ガス弁４８により制御されるアンモニアは、図８に示すパイプ４９で分配され、コネクタ５１を通って複数の噴射穴５２に送られる。該コネクタ５１の部分には、燃焼時に燃焼ガスが逆流しないように逆止弁５０が設けられている。
　該逆止弁５０は、図１１に詳細に示す如く、２つのポペット５０Ａ、５０Ｂを有するダブルポペットの逆止弁とされている。ここで、ダブルポペットとしているのは、長期使用においてシール部に摩耗が生じ、リークが発生する可能性があるので、これを防ぐためである。
　図１２（Ａ）にポペット５０Ａの例を示す如く、各ポペット５０Ａ、５０Ｂの側面には穴５０Ｃが開けられており、図１２（Ｂ）に示すＮＨ3投入時、図１２（Ｃ）に示す逆止時のように、ポペット５０Ａ、５０Ｂが図の左右に動いてＮＨ3の逆流を防止する。即ち、図１２（Ｂ）に示すＮＨ3投入時は、ＮＨ3圧力に押されてポペット５０Ａ、５０Ｂが、ストッパー５０Ｄに当たるまで図の右方向に動くので、シート部５０Ｅとの隙間を通り、ＮＨ3が右方向に流れる。一方、図１２（Ｃ）に示す逆止時は、筒内圧力によりポペット５０Ａ、５０Ｂは左方向に押され、シート部５０Ｅに着座してシールされる。
　本実施形態では、ダブルポペットの逆止弁を用いているのでリークの発生を確実に防止できる。なお、逆止弁の種類はこれに限定されない。
　以上のようにして、アンモニア噴射穴５２から給気行程で投入されたアンモニアは、壁面にて層状度７０％以上となることが可能となる。なお、アンモニア噴射穴５２の数は２に限定されず、例えば図９に破線で示した４、又は６等とすることができる。
　ディーゼル主燃料は、燃料油噴射制御装置３８により規定の熱量比（８０％前後）に流量調整され、燃料噴射弁２４より規定のタイミングで噴射される。
　空気過剰率λは、過給機６４の排気タービン６４Ａ側に設けられた排気バイパス弁６８により排気通過量を調整し、規定の値に調整する。即ち、空気を減らして空気過剰率λを過濃とするには、排気バイパス６８を閉じ気味として吸気タービン６４Ｂの回転数を下げ、空気量を減らす。
　予混合気の層状度は、図１３に例示する如く、アンモニア－空気予混合気濃度平均値より中心部－７０％前後、壁面部＋７０％前後となるようにする。
　燃焼温度は壁面部において高温となり、この付近にアンモニアを集中させることにより、アンモニア燃焼率が上がる。
　なお、前記実施形態においては、機械式燃料噴射装置を用いていたが、電子噴射式のコモンレール燃料噴射装置を用いることも可能である。アンモニアラインや吸排気系の構成も実施形態に限定されない。
　また、前記実施形態においては、本発明が船舶用のディーゼルエンジンに用いられていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、軽油を燃料とするディーゼルエンジンや、ディーゼルエンジンのような圧縮着火と、ガソリンエンジンのような火花着火を組み合わせたエンジンにも同様に適用できる。
　アンモニアを輸送するアンモニアタンカーのエンジンとして用いるのに特に有効であるが、適用対象はこれに限定されない。
　１０…シリンダ
　１２…ピストン
　１４…シリンダヘッド
　１６…給気弁
　１８…排気弁
　２０…給気管
　２２…排気管
　２４…燃焼噴射弁
　３０…燃料油ライン
　３２…燃料油タンク
　３４…燃料供給ポンプ
　３６…電磁弁
　３８…燃料油噴射制御装置
　４０…アンモニアライン
　４２…アンモニアタンク
　４４…ガス遮断弁
　４６…ガス調圧弁
　４８…ガス弁
　５０…逆止弁
　５２…アンモニア噴射穴
　５４…アンモニアガス弁制御装置
　６０…給排気系
　６２…吸気ライン
　６４…過給機
　６６…排気ライン
　６８…排気バイパス弁
　７０…統括制御装置

Claims (8)

  1. 　燃焼室と、前記燃焼室内に点火源となる燃料油とガス状のアンモニアとを投入する燃料投入手段とを有し、前記燃料投入手段により前記燃焼室内でアンモニア予混合気を形成して混合燃焼させるディーゼルエンジンであって、
    　前記燃焼室内で、前記燃焼室の中心部よりも前記燃焼室の内側側壁面側のアンモニア濃度が濃くなるようなアンモニア予混合気を形成するよう制御する制御手段を有することを特徴とするディーゼルエンジン。
  2. 　前記制御手段は、燃料油のみによる運転時の空気過剰率より低い空気過剰率となるように調整することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン
  3. 　前記燃焼室にはシリンダヘッドを有し、前記シリンダヘッドにはアンモニア供給経路を設けると共に、前記燃焼室中心部より前記燃焼室の内側側壁面側の複数個所にアンモニア噴射穴を備え、気化したアンモニアを給気行程で燃焼室内に投入するよう制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
  4. 　アンモニアの投入量を調整するガス弁と、燃料油の供給量を調整する燃料噴射弁とを備え、前記制御手段は前記ガス弁及び前記燃料噴射弁のいずれか少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のディーゼルエンジン。
  5. 　アンモニアの投入量は、熱量比で燃料油の供給量の１５％以上２５％以下となるように調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のディーゼルエンジン。
  6. 　前記燃焼室内の平均濃度に対する前記燃焼室内側側壁面でのアンモニア濃度の片寄りを７０％以上としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のディーゼルエンジン。
  7. 　前記空気過剰率は、燃料油のみによる運転時の空気過剰率に対して、０．５～１．０高めるよう調整することを特徴とする請求項２に記載のアンモニア燃焼ディーゼルエンジン。
  8. 　前記空気過剰率の調整は、過給機の排気バイパスに設けられた調整手段による空気量の調整により行うことを特徴とする請求項２又は７に記載のディーゼルエンジン。
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