特開 2023-124826 二酸化炭素回収のための方法及び大型２ストロークユニフロー掃気内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023124826

(43)【公開日】2023-09-06

(54)【発明の名称】二酸化炭素回収のための方法及び大型２ストロークユニフロー掃気内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/02 20060101AFI20230830BHJP

   F02B 75/00 20060101ALI20230830BHJP

   F02M 26/20 20160101ALI20230830BHJP

   F02M 26/34 20160101ALI20230830BHJP

   F02B 33/44 20060101ALI20230830BHJP

   F02D 21/08 20060101ALI20230830BHJP

   F02B 37/04 20060101ALI20230830BHJP

   F02D 19/06 20060101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

F01N3/02 101G

F02B75/00 B

F01N3/02 101J

F02M26/20

F02M26/34

F02B33/44 A

F02D21/08 311B

F02B37/04 C

F02B37/04 B

F02D19/06 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023021285

(22)【出願日】2023-02-15

(31)【優先権主張番号】PA202270068

(32)【優先日】2022-02-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DK

(71)【出願人】

【識別番号】597061332

【氏名又は名称】エムエーエヌ・エナジー・ソリューションズ・フィリアル・アフ・エムエーエヌ・エナジー・ソリューションズ・エスイー・ティスクランド

(74)【代理人】

【識別番号】100127188

【弁理士】

【氏名又は名称】川守田 光紀

(72)【発明者】

【氏名】キエントルプ ニールス

【テーマコード（参考）】

3G005

3G062

3G091

3G092

【Ｆターム（参考）】

3G005DA02

3G005DA04

3G005EA04

3G005EA16

3G005EA19

3G005EA20

3G005EA23

3G005FA35

3G062AA01

3G062AA02

3G062AA05

3G062GA09

3G091AA10

3G091AA11

3G091AA15

3G091AA18

3G091AA21

3G091BA13

3G091BA36

3G091FB02

3G091HB05

3G091HB06

3G092AA01

3G092AA02

3G092AA03

3G092AA17

3G092AA18

3G092AB04

3G092AB05

3G092AB07

3G092AB08

3G092AC10

3G092DB03

3G092DB04

3G092DB05

3G092DC09

3G092FA15

3G092HA15Z

3G092HD01X

3G092HD07Z

(57)【要約】      （修正有）

【課題】大型２ストロークターボ過給式ユニフロー掃気内燃機関で排ガスから二酸化炭素を分離、回収すること。
【解決手段】燃焼室に炭素系燃料を供給することと、燃焼室内で炭素系燃料を燃焼させ、二酸化炭素を含む燃焼ガスを発生させることと、燃焼ガスの一部を再循環させ他の一部を排ガスとして排出することと、少なくとも４０質量％、好ましくは４０から５５質量％の再循環燃焼ガスを含む、加圧掃気ガスを燃焼室に供給することと、二酸化炭素分離プロセスで排ガスから二酸化炭素を分離することと、分離した二酸化炭素を貯蔵ユニット（８０）に貯蔵することを含む。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クロスヘッド式大型２ストロークターボ過給式ユニフロー掃気内燃機関であって、
シリンダライナと、シリンダライナ内で往復するように構成されるピストンと、シリンダカバーとによってそれぞれ画定される複数の燃焼室と；
前記燃焼室に掃気ガスを導入するための掃気ポートであって、前記シリンダライナに配される掃気ポートと；
前記シリンダカバーに配され、排気弁により制御される排気排出口と；
前記燃焼室に炭素系燃料を供給するように構成される燃料系と；
を備え、
前記燃焼室は、前記炭素系燃料を燃焼させ、二酸化炭素を含む燃焼ガスを発生させるように構成され、
前記燃焼室は、前記掃気ポートを介して掃気受けに接続されると共に、前記排ガス出口を介して燃焼ガス受けに接続され、
前記機関は更に、前記燃焼室から排出される燃焼ガスの一部を前記掃気受けに再循環させるように構成される排気再循環系を備え、
前記排気再循環系は、前記掃気受けへの燃焼ガスの流れを補助するためのブロワを有し、
前記機関は更に、前記燃焼室から発生した燃焼ガスの他の部分を排ガスとして排出するように構成される排気系を備え、
前記排気系は、ターボ過給システムのタービンであって排ガスによって駆動されるタービンを有し、
前記機関は更に、前記ターボ過給システムのコンプレッサを有する空気取り入れシステムを備え、前記コンプレッサは加圧された掃気空気を前記掃気受けに供給するように構成され、
前記排気系は、二酸化炭素分離装置と、該二酸化炭素分離装置の出口に接続された二酸化炭素貯蔵システムとを有し、
前記二酸化炭素分離装置は、排ガスを受け取ると共に、該排ガス中の二酸化炭素の少なくとも一部を、好ましくは該二酸化炭素を液化及び／又は固化することにより、前記排ガスから分離し、分離した二酸化炭素を前記二酸化炭素貯蔵ユニットに搬送するように構成される、
機関。

【請求項2】

掃気ガス中の再循環燃焼ガスの質量比率を少なくとも４０％、好ましくは４０％から５５％に調整するように構成された制御部を備える、請求項１に記載の機関。

【請求項3】

前記制御部は、前記掃気ガス中の再循環燃焼ガスの割合を調整するために前記ブロワの回転数を制御するように構成される、請求項２に記載の機関。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載の機関であって、燃焼ガス－水冷器、好ましくは燃焼ガス－海水冷却器を備え、前記燃焼ガス－水冷器は、好ましくは、前記機関からの燃焼ガスの流れが再循環される部分と排気される他の部分とに分けられる位置の上流に配置される、機関。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載の機関であって、燃焼ガス－冷却媒体熱交換器と、冷却設備とを備え、前記冷却設備は、前記燃焼ガス－冷却媒体熱交換器を通して冷却媒体を循環させるように構成され、前記燃焼ガス－媒体熱交換器は、好ましくは、前記機関からの燃焼ガスの流れが再循環される部分と排気される他の部分とに分けられる位置の下流に配置される、機関。

【請求項6】

前記タービンの下流に、排ガス中の二酸化炭素を液化及び／又は固化するために排ガスを冷却する冷却器を備える、請求項１から５のいずれかに記載の機関。

【請求項7】

請求項１から６のいずれかに記載の機関であって、前記制御部は、排ガスが前記タービンの下流で大気圧に達したときの前記排ガスの温度が－８２℃以下となるように前記機関の運転を制御するように構成される、機関。

【請求項8】

前記タービンは、前記コンプレッサを駆動するために機械的に結合されており、好ましくは電気駆動モータによって補助される、請求項１から７のいずれかに記載の機関。

【請求項9】

前記コンプレッサは電気駆動モータによって駆動され、前記タービンは電気発電機又はオルタネータを駆動する、請求項１から７のいずれかに記載の機関。

【請求項10】

複数の燃焼室を有する大型２ストロークターボ過給式ユニフロー掃気内燃機関を運転する方法であって、
前記燃焼室に炭素系燃料を供給することと；
前記燃焼室内で前記炭素系燃料を燃焼させ、二酸化炭素を含む燃焼ガスを発生させることと；
前記燃焼ガスの一部を再循環させ、前記燃焼ガスの他の一部を排ガスとして排出することと；
少なくとも４０質量％、好ましくは４０から５５質量％の再循環燃焼ガスを含む、加圧された掃気ガスを前記燃焼室に供給することと；
二酸化炭素分離プロセスで排ガスから二酸化炭素を分離することと；
分離した二酸化炭素を貯蔵ユニットに貯蔵することと；
を含む、方法。

【請求項11】

排ガスを１つ以上の冷却及び膨張プロセスにかけ、それによって、タービンの下流で二酸化炭素を液化及び／又は固化させることを含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

液体又は固体の形態の二酸化炭素を前記貯蔵ユニットに貯蔵することを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

排気再循環系のブロワの速度を制御し、加圧された掃気ガス中の再循環燃焼ガスの割合を調整することを含む、請求項１０から１２のいずれかに記載の方法。

【請求項14】

前記膨張プロセスの少なくとも一部はタービンにおいて行われる、

【請求項15】

請求項１０から１４のいずれかに記載の方法であって、前記機関は、燃焼ガス－水冷器、好ましくは排ガス－海水冷却器を有し、前記燃焼ガス－水冷器は、好ましくは、前記機関からの燃焼ガスの流れが再循環される部分と排気される他の部分とに分けられる位置の上流に配置され、前記方法は、前記燃焼ガス－水冷器で燃焼ガスを、好ましくは４０℃以下、より好ましくは３１℃以下の温度に冷却することを含む、方法。

【請求項16】

請求項１０から１５のいずれかに記載の方法であって、前記機関は、燃焼ガス－冷却媒体熱交換器を、好ましくは、前記機関からの燃焼ガスの流れが再循環される部分と排気される他の部分とに分けられる位置の下流に備えると共に、冷却設備を備え、前記冷却設備は、前記燃焼ガス－冷却媒体熱交換器を通して冷却媒体を循環させ、排ガスを、好ましくは－１０℃以下に、より好ましくは－１５℃以下に冷却するように構成される、方法。

【請求項17】

前記機関は、前記タービンの下流に、排ガス中の二酸化炭素を液化及び／又は固化するために排ガスを更に冷却する冷却器であって、好ましくは大気圧で－８０℃以下の温度まで冷却する冷却器を備える、請求項１０から１６のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書の開示事項は、大型２ストローク内燃機関、特に、炭素系燃料（気体又は液体燃料）で動作する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に関し、また、二酸化炭素排出量を削減するためにこのタイプの機関を運転する方法に関する。

【背景】

【0002】

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は、例えば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。この大型２ストロークディーゼル機関のサイズは巨大である。サイズが巨大であることだけが理由ではないが、この大型２ストロークディーゼル機関は、他の内燃機関とは異なる構造を有する。例えば、排気弁の重量は４００ｋｇに達することもあり、ピストンの直径も１００ｃｍに達することがある。運転中における燃焼室の最大圧力は、典型的には数百ｂａｒにもなる。このような高い圧力レベルとピストンサイズから生まれる力は莫大なものである。

【0003】

大型２ストロークターボ内燃機関は、液体燃料（例：燃料油、船舶用ディーゼル、重油、エタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ））又はガス燃料（例：天然ガス（ＬＮＧ）、石油ガス（ＬＰＧ）、メタノール又はエタン）で運転される。

【0004】

ガス燃料で動作するエンジンは、オットーサイクルに従って動作してもよい。オットーサイクルでは、ガス燃料は、シリンダライナの長手方向中央付近又はシリンダカバーに配される燃料弁から導入される。このタイプのエンジンにおいて、ガス燃料は、ピストンの（下死点から上死点への）上昇ストロークの途中であって、排気弁が閉じるかなり前に、シリンダ内に導入される。エンジンは、燃焼室内においてガス燃料と掃気空気との混合物を圧縮し、圧縮された混合気を上死点（ＴＤＣ）又はその付近で、（例えば液体燃料噴射のような）点火手段によってタイミングを計って点火する。

【0005】

液体燃料で運転されるエンジンや、高圧噴射のガス燃料で運転されるエンジンは、ピストンがＴＤＣに近い位置、つまり燃焼室内の圧縮圧力が最大又はそれに近いときに、気体又は液体の燃料を噴射する。つまりこれらのエンジンは、ディーゼルサイクル、すなわち圧縮着火で運転される。

【0006】

既知の大型２ストロークターボ過給式ユニフロー掃気内燃機関で使用される液体燃料及びガス燃料は、一般に炭素を含んでいる。すなわちこれらは炭素系燃料であり、その燃焼により二酸化炭素が発生する。発生した二酸化炭素は大気中に排出される。二酸化炭素の排出は、一般に、環境に弊害をもたらすと考えられており、最小化又は回避されるべきであると考えられている。

【0007】

ＫＲ２０１８００７２５５２は、複数のシリンダを備える大型２ストロークターボ過給式ユニフロー掃気内燃機関を開示している。この機関において、前記シリンダは各々掃気ポートと、掃気弁と、個別排気弁を介してシリンダに接続された排ガス収容部と、ターボ過給機と、前記排ガス収容部の出口と前記ターボ過給機のタービンとを接続する排ガス導管と、前記タービンによって駆動される、前記ターボ過給機のコンプレッサと、前記コンプレッサの出口と前記掃気収容部の入口とを接続する掃気導管とを備える。掃気導管１１は掃気クーラを有し、個別掃気ポートを介して掃気収容部がシリンダに接続される。機関は更に、排ガスの一部をシリンダに再循環させるための排ガス再循環導管を備え、この再循環導管は、再循環された排ガスを強制的にシリンダに戻すためのブロワ又はコンプレッサと、掃気冷却器の上流の掃気導管からターボ過給機のタービンに高温掃気の一部を輸送してシリンダをバイパスさせるためのシリンダバイパス管と、ボイラとを有する。この機関は、ボイラを介してシリンダからの排ガスの少なくとも第１部分を輸送するように構成され

【摘要】

【0008】

上述の課題を解決するか又は少なくとも緩和する、エンジン及び方法を提供することが目的の一つである。

【0009】

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、従属請求項や発明の詳細な説明、図面から明らかになるだろう。

【0010】

第１の捉え方によれば、次のような、クロスヘッド式大型２ストロークターボ過給式ユニフロー掃気内燃機関が提供される。この機関は、
シリンダライナと、シリンダライナ内で往復するように構成されるピストンと、シリンダカバーとによってそれぞれ画定される複数の燃焼室と；
前記燃焼室に掃気ガスを導入するための掃気ポートであって、前記シリンダライナに配される掃気ポートと；
前記シリンダカバーに配され、排気弁により制御される排ガス出口と；
前記燃焼室に炭素系燃料を供給するように構成される燃料系と；
を備え、
前記燃焼室は、前記炭素系燃料を燃焼させ、二酸化炭素を含む燃焼ガスを発生させるように構成され、
前記燃焼室は、前記掃気ポートを介して掃気受けに接続されると共に、前記排ガス出口を介して燃焼ガス受けに接続され、
前記機関は更に、前記燃焼室から排出される燃焼ガスの一部を前記掃気受けに再循環させるように構成される排気再循環系を備え、
前記排気再循環系は、前記掃気受けへの燃焼ガスの流れを補助するためのブロワを有し、
前記機関は更に、前記燃焼室から発生した燃焼ガスの他の部分を排ガスとして排出するように構成される排気系を備え、
前記排気系は、ターボ過給システムのタービンであって排ガスによって駆動されるタービンを有し、
前記機関は更に、前記ターボ過給システムのコンプレッサを有する空気取り入れシステムを備え、前記コンプレッサは加圧された掃気空気を前記掃気受けに供給するように構成され、
前記排気系は、二酸化炭素分離装置と、該二酸化炭素分離装置の出口に接続された二酸化炭素貯蔵システムとを有し、
前記二酸化炭素分離装置は、排ガスを受け取ると共に、該排ガス中の二酸化炭素の少なくとも一部を、好ましくは該二酸化炭素を固化及び／又は液化することにより、前記排ガスから分離し、分離した二酸化炭素を前記二酸化炭素貯蔵ユニットに搬送するように構成される。

【0011】

燃焼ガス再循環で機関を運転することにより、排ガス中の二酸化炭素濃度が高まり、排ガスからの二酸化炭素の分離をより効果的に行うことができる。また、排ガスから二酸化炭素を分離し、二酸化炭素を貯蔵することにより、機関による二酸化炭素の排出量を削減することができる。

【0012】

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、掃気ガス中の再循環燃焼ガスの質量比率を少なくとも４０％、好ましくは４０％から５５％に調整するように構成された制御部を備える。

【0013】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記制御部は、前記掃気ガス中の再循環燃焼ガスの割合を調整するために前記ブロワの回転数を制御するように構成される。

【0014】

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、燃焼ガス－水冷器、好ましくは燃焼ガス－海水冷却器を有し、前記燃焼ガス－水冷器は、好ましくは、前記機関からの燃焼ガスの流れが再循環される部分と排気される他の部分とに分けられる位置の上流に配置される。

【0015】

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、燃焼ガス－冷却媒体熱交換器と、冷却設備とを備え、前記冷却設備は、前記燃焼ガス－冷却媒体熱交換器を通して冷却媒体を循環させるように構成される。前記燃焼ガス－媒体熱交換器は、好ましくは、前記機関からの燃焼ガスの流れが再循環される部分と排気される他の部分とに分けられる位置の下流に配置される。

【0016】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記燃焼ガス－冷却媒体熱交換器は前記冷却設備に接続されている。

【0017】

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、前記タービンの下流に、排ガス中の二酸化炭素を固化するために排ガスを冷却する冷却器を備える。

【0018】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記冷却器は前記冷却設備に接続されている。

【0019】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記制御部は、前記タービンの下流で大気圧に達したときの前記排ガスの温度が－８２℃以下となるように前記機関の動作を制御して、前記排ガス中の二酸化炭素を固化するように構成される。

【0020】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記タービンは、前記コンプレッサを駆動するために機械的に結合されている。前記コンプレッサは好ましくは電気駆動モータによって補助される。前記タービンが排ガスに十分な膨張を与え、それによって十分な冷却を行うために、前記タービンがコンプレッサの動作に十分なエネルギーを供給しない動作条件が存在する。これらの動作条件では、電気駆動モータによってターボ過給システムに追加のエネルギーが加えられる必要がある。

【0021】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記コンプレッサは電気駆動モータによって駆動され、前記タービンは電気発電機又はオルタネータを駆動する。ターボ過給システムのこのセットアップでは、ターボ過給システムによって必要とされ得る追加のエネルギーは、コンプレッサを駆動する電気駆動モータによっても、前記機関によって駆動される電気発電機又はオルタネータの形態でありうる外部の電力源からも、前記機関に関連する発電機セットによっても、供給されることができる。

【0022】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記機関はオットーサイクルによって運転され、ガス燃料は、ピストンが下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＴＤＣ）までストロークする間に、燃料弁から前記燃焼室に導入される。

【0023】

前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記機関はディーゼルサイクルで運転され、ピストンが上死点（ＴＤＣ）に近づいたときに、気体又は液体の燃料が燃料弁から前記燃焼室に噴射される。

【0024】

第２の捉え方によれば、次のような、複数の燃焼室を有する大型２ストロークターボ過給式ユニフロー掃気内燃機関を運転する方法が提供される。この方法は、
前記燃焼室に炭素系燃料を供給することと；
前記燃焼室内で前記炭素系燃料を燃焼させ、二酸化炭素を含む燃焼ガスを発生させることと；
前記燃焼ガスの一部を再循環させ、前記燃焼ガスの他の一部を排ガスとして排出することと；
少なくとも４０質量％、好ましくは４０から５５質量％の再循環燃焼ガスを含む、加圧された掃気ガスを前記燃焼室に供給することと；
二酸化炭素分離プロセスで排ガスから二酸化炭素を分離することと；
分離した二酸化炭素を貯蔵ユニットに貯蔵することと；
を含む。

【0025】

高い燃焼ガス再循環比で機関を運転することにより、排ガス中の二酸化炭素濃度が高まり、排ガスからの二酸化炭素の分離を容易にすることができる。また、排ガスから二酸化炭素を分離し、二酸化炭素を貯蔵することにより、機関による二酸化炭素の排出量を回避するか、少なくとも削減することができる。

【0026】

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、排ガス中の二酸化炭素の少なくとも一部を固化（凍結）させることを含む。二酸化炭素を凍結させることにより、排ガス中の他の成分から二酸化炭素を比較的簡単に分離することができるようになる。固化した形で二酸化炭素を貯蔵することは、場所をとらず、加圧する必要のない容器で行うことができる。

【0027】

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、排ガスを１つ以上の冷却及び膨張プロセスにかけ、それによって、タービンの下流で二酸化炭素を固化及び／又は液化させることを含む。

【0028】

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、液体又は固体の形態の二酸化炭素を貯蔵ユニットで貯蔵することを含む。

【0029】

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、排気再循環系のブロワの速度を制御し、加圧された掃気ガス中の再循環された燃焼ガスの割合を調整することを含む。

【0030】

前記第２の捉え方の実装形態の一例において、膨張プロセスの少なくとも一部はタービンで行われる。

【0031】

前記第２の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は、燃焼ガス－水冷器、好ましくは排ガス－海水冷却器を有し、前記燃焼ガス－水冷器は、好ましくは、前記機関からの燃焼ガスの流れが再循環される部分と排気される他の部分とに分けられる位置の上流に配置される。そして前記方法は、前記燃焼ガス－水冷器で燃焼ガスを、好ましくは４０℃以下、より好ましくは３１℃以下の温度に冷却することを含む。

【0032】

前記第２の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は、排ガス－冷却媒体熱交換器と、冷却設備とを備え、前記冷却設備は、前記排ガス－冷却媒体熱交換器を介して冷却媒体を好ましくは－１０℃以下、より好ましくは－１５℃以下の温度に循環させるように構成される。

【0033】

前記第２の捉え方の実装形態の一例において、排ガス中の固まった水分（氷）は、重力分離や遠心分離などの方法で排ガスから分離され、貯蔵又は廃棄される。

【0034】

前記第２の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は、前記タービンの下流に、排ガス中の二酸化炭素を固化するために排ガスを更に（好ましくは大気圧で－８０℃以下の温度まで）冷却する冷却器を備える。

【0035】

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、コンプレッサで空気を圧縮し、燃焼ガスと圧縮空気を混合して掃気ガスを得ることを含む。

【0036】

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、燃焼ガスと圧縮空気を混合する前に、再循環された燃焼ガスをブロワーコンプレッサで加圧することを含む。

【0037】

これらの側面及び他の側面は、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。

【図面の簡単な説明】

【0038】

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、実装例を詳細に説明する。

【図1】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の正面図である。

【図2】図１の大型２ストローク機関の側面図である。

【図3】ある実施形態に従う、図１の大型２ストローク機関の略図表現である。

【図4】別の実施形態に従う、図１の大型２ストローク機関の略図表現である。

【図5】更に別の実施形態に従う、図１の大型２ストローク機関の略図表現である。

【詳細説明】

【0039】

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。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の実施例を描いている。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１は正面図、図２は側面図である。図３は、ある実施形態に従う図１，２のターボ過給式大型低速２ストロークディーゼル機関を、その吸気系及び排気系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４本のシリンダを有する。ターボ過給式大型低速２ストローク内燃機関は、直列に配された４本から１４本のシリンダを有することがある。これらのシリンダはエンジンフレーム１１に担持されるシリンダライナを有する。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。

【0040】

この実施例における機関は、２ストロークユニフロー掃気機関であり、シリンダライナ１の下部領域に掃気ポート１８が設けられる。シリンダライナ１の上部のシリンダカバー２２には中央排気弁４が配される。掃気ガスは、ピストンが掃気ポート１８より下にある時に、掃気受け２から各シリンダライナ１の掃気ポート１８へと導かれる。ガス燃料（例えばメタノール、石油ガス又はＬＰＧ、天然ガスＬＮＧ、又はエタン）は、ピストンがその上昇運動中（ＢＤＣからＴＤＣまで）、ピストンが燃料弁３０（ガス導入弁）を通過する前に電子制御部６０の制御下でガス燃料弁３０から導入され、及び／又は液体燃料（例えば燃料油）はピストン１０がＴＤＣ又はその近くにあるときに液体燃料弁５０から高圧（好ましくは３００ｂａｒ以上）で噴射される。前者の場合、ガス燃料は比較的低い圧力で導入され、３０ｂａｒ未満、好ましくは２５ｂａｒ、より好ましくは２０ｂａｒ未満で導入される。燃料弁３０は、好ましくはシリンダライナの円周上に等間隔に分布するように配される。また好ましくは、シリンダライナの長手方向の中央付近に配される。ガス燃料の導入は、圧縮圧力が比較的低い時に行われる。つまり、ピストンがＴＤＣに達するときの圧縮圧力に比べればずっと低いときに行われるので、比較的低い圧力で導入することが可能となる。。

【0041】

シリンダライナ１内のピストン１０は、ガス燃料と掃気ガスの混合気を圧縮し（ＴＤＣでの液体燃料噴射のみによる動作の場合は掃気ガスを圧縮し）する。そしてＴＤＣ又はその付近で、好ましくシリンダカバー２２に配置される液体燃料弁５０からの高圧の液体燃料の噴射により、着火が引き起こされる。ＴＤＣ又はその付近で液体燃料噴射のみの場合は、圧縮により着火が引き起こされる。その後燃焼が起こり、二酸化炭素を含む燃焼ガスが発生する。

【0042】

排気弁４が開かれると、燃焼ガスは、シリンダ１に関連する燃焼ガスダクトを通って燃焼ガス受け３に流入し、燃焼ガス－水冷器６５を含む燃焼ガス導管１９を経由して先へ流れる。燃焼ガス－水冷器６５は、機関が船舶に設置されている場合、海水で動作する。燃焼ガス－水冷器６５の活動は制御部４０によって制御され、燃焼ガスを、燃焼ガス－水冷器６５の入口における４２５から４７５℃の温度から、燃焼ガス－水冷器６５の出口において４０℃未満、好ましくは３５未満、最も好ましくは３１℃未満の温度まで冷却するように制御される。好ましくは水冷器６５への燃焼ガスの下流の位置で、燃焼ガスの流れは、燃焼ガス再循環系６０に流れる部分と、排気系に流れる別の部分とに分割される。以下に更に説明するように、燃焼ガス再循環系６０は掃気系に接続する。燃焼ガス再循環系６０は、掃気系に接続する導管を有し、燃焼ガスを洗浄するための（好ましくは水作動の）スクラバー７０を有してもよい。燃焼ガス再循環系６０はまた、燃焼ガスを燃焼ガスシステム６０を通して掃気系に強制的に送るためのブロワ７５を有する。ブロワ７５は、好ましくは電気駆動モータ７６によって駆動される。ブロワ７５の動作は制御部４０によって制御される。実施形態によっては、制御部４０は、ブロワ７５の動作を調整することによって、掃気ガス中の燃焼ガス比（質量比）を調整する。実施形態によっては、制御部４０は、掃気ガス中の燃焼ガス比（質量比）が４０％以上になるように調整するように構成されており、好ましくは４５％以上、最も好ましくは４０から５５％になるように調整するように構成されている。なお燃焼ガス比とは、機関に誘導される全ガス質量のうち、燃焼ガスの質量が占める割合のことである。

【0043】

排気系は排気導管６３を有する。排気導管６３は排ガス－冷却媒体熱交換器６６を有し、ターボ過給機５のタービン６につながっている。排ガス－冷却媒体熱交換器６６は冷却設備６８に接続されている。冷却設備６０は、冷却媒体を燃焼ガス－冷却媒体熱交換器６８を通して循環させ、冷却媒体熱交換器６６の出口で排ガスを－１０℃以下、より好ましくは－１５℃以下の温度に冷却するように構成されている。これにより、排ガス中の水分は固化され（氷又は雪となる）、重力式又は遠心式で分離され、ドレン６４から除去される。冷却媒体（冷媒）は、冷却媒体熱交換器６６の冷却媒体入口において、－２０から－３０℃の範囲の温度を有していてもよい。好適な冷却媒体（冷媒）は、例えば、アンモニア、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、及び産業用冷却設備用の他の既知の冷却媒体である。冷却媒体熱交換器６６の動作は、冷却媒体熱交換器６６の出口における排ガスの温度が所望の温度となるように制御部４０により制御される。

【0044】

冷却媒体熱交換器６６の出口から、排ガスはタービン６の入口へと流れる。タービン６の出口では、排ガスは、タービン６での膨張により、その温度が周囲圧（大気圧）においてマイナス８０℃以下（好ましくはマイナス８２℃以下）に下げられている。このような条件下では、排ガス中の二酸化炭素は固化（凍結）する。固化した二酸化炭素は、例えば重力式又は遠心式の分離プロセスによって分離される。分離された固体の二酸化炭素は貯蔵ユニット８０に貯蔵される。残りの排ガスは、二酸化炭素を含まないか、あるいは僅かな量の二酸化炭素しか含まず、排出口２１から大気中に流出させられる。

【0045】

この実施形態では、機関は、排ガス中の二酸化炭素を固化するために排ガスを更に冷却するために、タービン６の下流に冷却器６９を有する。冷却器６９は排ガスを、大気圧において好ましくは－８０℃以下の温度まで冷却する。本実施形態では、固体の二酸化炭素は、冷却器６９内、冷却器６９の出口、又は冷却器６９のすぐ下流で、例えば重力式又は遠心式プロセスによって分離される。分離された固体の二酸化炭素は二酸化炭素ユニット８０に貯蔵される。二酸化炭素貯蔵ユニット８０に貯蔵された二酸化炭素は、その後、分離した二酸化炭素を貯蔵するためのより恒久的な手段に貯蔵されることができる。

【0046】

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。タービン６がコンプレッサ７を駆動するのに十分な力を提供しない場合、ターボ過給機５は電気駆動モータ７７によって補助される。

【0047】

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の掃気空気は、掃気空気を冷却するためのインタークーラー１４を通過する。

【0048】

インタークーラー１４の上流（図示されている）又は下流（図示せず）のいずれかで、燃焼ガス再循環系６０は掃気導管１３に接続される。再循環された燃焼ガスはこの位置で掃気空気と混合され、掃気ガスが形成される。制御部４０は、掃気ガスが４０～５５質量％の燃焼ガスを含むように構成される。

【0049】

冷却された掃気空気又は掃気ガスは、電気モータ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空気を供給することができるので、補助ブロワ１６は、逆止弁１５によってバイパスされる。

【0050】

制御部４０（電子制御ユニット）は、制御部の機能を果たすためのプロセッサ及び他のハードウェアからなる複数の相互接続された電子ユニットで構成されてもよい。制御部４０は、概して機関の動作を制御し、例えばガス燃料導入（量とタイミング）、液体燃料噴射（量とタイミング）、排気弁４の開閉（タイミングとリフト量）、再循環燃焼ガス比及び各種冷却器の動作に対する制御を統括する。ここで制御部４０には、機関の運転状態を知らせるセンサからの各種信号が入力されるようになっている。これらの信号には、それぞれ機関負荷、機関回転数、ブロワ回転数、掃気温度、様々な場所の燃焼ガス温度、様々な場所の排ガス温度を表す信号が含まれてもよい。また、掃気系の圧力、燃焼室内の圧力、排ガス系の圧力、燃焼ガス再循環系における圧力を示す信号が含まれてもよい。機関は好ましくは、燃焼室毎に、排気弁タイミングの個別制御を可能とする可変タイミング排気弁作動システムを備える。制御部４０は、燃料弁３０、液体燃料弁５０、排気弁アクチュエータ、角度位置センサ、圧力センサに、信号線又は無線接続を介して接続されている。角度位置センサは、クランクシャフトの角度を検出しクランクシャフトの位置を表す信号を生成する。圧力センサは、好ましくはシリンダカバー２２内に、代替的にはシリンダライナ１内に配され、燃焼室内の圧力を表す信号を生成する。

【0051】

エンジンのサイズに応じて、シリンダライナ１は様々な大きさに作られる。典型的な大きさとしては、シリンダボアの直径が２５０ｍｍから１０００ｍｍであり、それに対応する全長が１０００ｍｍから４５００ｍｍである。

【0052】

シリンダライナ１はシリンダフレーム２３に載置され、シリンダライナ１の上にはシリンダカバー２２が設置される。シリンダライナ１とシリンダカバー２２とは、その間からガスの漏出が生じないようにされている。ピストン１０は、下死点（ＢＤＣ）と上死点（ＴＤＣ）の間を往復するように構成されている。これら２つの位置は、クランクシャフト８の回転角度で１８０度離れている。シリンダライナ１には、周方向に分散配置された複数のシリンダ潤滑孔が設けられる。これらのシリンダ潤滑孔はシリンダ潤滑ラインに接続されている。シリンダ潤滑ラインは、ピストン１０がシリンダ潤滑孔２５を通過するときにシリンダ潤滑油を供給する。続いてピストン１０の（図示されていない）ピストンリングが、シリンダライナの走行面（内面）全体にシリンダ潤滑油を行き渡らせる。

【0053】

シリンダカバー２２には、典型的には１気筒あたり複数の、好ましくは３つ又は４つの液体燃料弁５０が取り付けられ、液体燃料の供給源（図示せず）に接続されている。液体燃料弁５０は、好ましくは、排気弁４の周囲、特に、シリンダカバー２２の（排気弁４によって制御される）中央出口（開口部）の周囲に配置される。液体燃料の噴射タイミング及び噴射量は、制御部４０によって制御される。液体燃料弁５０は、機関がガス燃料モードで運転されている場合、少量の点火液（パイロット）を噴射するためにのみ使用される。機関が液体燃料モードで運転されている場合には、実際に使用されている機関負荷で機関を運転するために必要な量の液体燃料が液体燃料弁５０から噴射される。シリンダカバー２２には、前室（プリチャンバ）が設けられていてもよい（図示されていない）。また、液体燃料弁５０の先端部、典型的には１つ又は複数のノズル穴を有するノズルが設けられた先端部が、パイロットオイル（点火液）が前室に注入され霧化するように配置されている。前室は確実な点火を支援する。実施形態によっては、前室は二重前室、すなわち直列に繋がった２つの前室である。

【0054】

燃料弁３０はシリンダライナ１（又はシリンダカバー２２）に装備される。燃料弁３０は、シリンダライナ１の内面と実質的に同じ面に位置するノズルを有する。また燃料弁３０の後端はシリンダライナ１の外壁から飛び出ている。通常、各シリンダライナ１には、１つ又は２つ、場合によっては３つ又は４つもの燃料弁３０が、シリンダライナ１の周方向に分散して（好ましくは周方向に等間隔に分散して）配されている。本実施例において、燃料弁３０は、シリンダライナ１の長手方向のちょうど中央部に配されている。燃料弁３０は、ガス燃料４０（例えばメタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、エタン又はアンモニア）の加圧源に接続されている。すなわち燃料弁３０に供給されるときに、燃料は気体相である。ガス燃料は、ピストン１０のＢＤＣからＴＤＣへのストロークの間に導入されるので、ガス燃料の供給源の圧力は、シリンダライナ１内に存在する圧力より高ければよい。典型的には、２０ｂａｒ未満の圧力が、燃料弁３０に送られるガス燃料にとって十分である。燃料弁３０は制御部４０に接続される。制御部４０は、燃料弁３０の開閉タイミング及び開弁時間を決定する。

【0055】

実施形態によっては、点火用の液体燃料は、重油、船舶用ディーゼル油、重油、エタノール、又はジメチルエーテル（ＤＭＥ）である。

【0056】

ガス運転モードは、機関の幾つかの運転モードのうちの１つでありうる。他のモードには、機関の動作に必要な燃料のすべてが液体燃料弁５０を通じて液体形態で供給される、液体燃料運転モードが含まれることができる。ガス燃料運転モードにおいて、機関は、ＢＤＣからＴＤＣまでのピストンストローク中に比較的低い圧力で導入されるガス燃料を主燃料として運転される。すなわち、機関に供給されるエネルギーの主要部分はそのようなガス燃料により供給される。一方、ガス燃料に比較すると、液体燃料は少量しか用いられず、機関に供給されるエネルギー量に比較的小さな寄与しかしない。液体燃料の目的は所定のタイミングで点火することにある。すなわち液体燃料は点火液として機能する。

【0057】

このように、本実施形態の機関は、液体燃料のみで運転されるモードと、ほぼガス燃料のみで運転されるモードとを有する、二元燃料機関とすることができる。

【0058】

この機関の動作は、燃焼室に炭素系燃料（液体燃料及び／又はガス燃料）を供給することと；前記燃焼室内で前記炭素系燃料を燃焼させ、二酸化炭素を含む燃焼ガスを発生させることと；前記燃焼ガスの一部を再循環させ、前記燃焼ガスの他の一部を排ガスとして排出することと；少なくとも４０質量％、好ましくは４０から５５質量％の再循環燃焼ガスを含む、加圧された掃気ガスを前記燃焼室に供給することと；二酸化炭素分離プロセスで排ガスから二酸化炭素を分離することと；分離した二酸化炭素を貯蔵ユニット８０に貯蔵することと；
を含む。

【0059】

この過程において、排ガスは冷却及び膨張プロセスを受け、タービン６の出口又はタービン６の下流の冷却器６９において、排ガス中の二酸化炭素が固化（凍結）される。凍結した二酸化炭素は、例えば重力分離プロセス又は遠心分離プロセスで分離され、その後、貯蔵ユニット８０に固体の状態で貯蔵される。実施形態によっては、貯蔵ユニット８０は、熱的に絶縁された、非加圧の容器又はタンクである。

【0060】

制御部４０は、加圧された掃気ガス中の再循環燃焼ガスの割合を調節するために、排気再循環系６０のブロワ７５の速度を制御する。好ましくは４０質量％の割合に調節する。これは、燃焼ガス中の二酸化炭素の濃度を増加させるためである。実施形態によっては、制御部４０は、燃焼ガス再循環なしで運転する場合と比較して、燃焼ガス中の二酸化炭素濃度が少なくとも２倍になるように再循環燃焼ガス比を調整するように構成される。

【0061】

排ガスの膨張過程の少なくとも一部はタービン６で行われる。この膨張過程によって、排ガスの温度と圧力が大きく低下し、好ましくは大気圧で－８２度以下の温度まで低下する。それによって排ガス中の二酸化炭素が固化される。

【0062】

図４は、機関の別の実施形態を示している。この実施形態において、既に説明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、以前に使用したものと同じ符号を付している。この実施形態の機関及びその動作は先の実施形態とほぼ同じであり、従って、先の実施形態との相違点のみを詳細に説明する。

【0063】

この実施形態において、コンプレッサ７は電気駆動モータ７８によって駆動される。タービン６は電気発電機又はオルタネータ７９を駆動する。ターボ過給システムのこのセットアップでは、ターボ過給システムによって必要とされ得る追加のエネルギーは、コンプレッサ７を駆動する電気駆動モータ７８によって供給される。ここで電気駆動モータ７８は電力源によって給電されるが、この電力源は、機関によって駆動される電気発電機又はオルタネータの形態であってもよい。また電気駆動モータ７８は、機関に搭載される発電システムによって給電されてもよい。

【0064】

この実施形態では、機関は（ディーゼル原理に従って動作する）圧縮着火機関として示されており、（気体又は液体の）炭素系燃料は、ピストン１０がＴＤＣ又はその付近にあるときに高圧で噴射される。図示の機関は、シリンダライナ１０に前室（プレチャンバ）も燃料導入弁３０も必要としない。しかし本実施形態による機関は、ピストン１０のＢＤＣからＴＤＣへのストローク中にガス燃料を導入するオットー原理に従って動作させることも可能である。

【0065】

本実施形態では、制御部４０は、タービン６の出口の条件（すなわち圧力及び温度）が、排ガス中の二酸化炭素を固化させ、固化した二酸化炭素をタービン６の出口で重力分離又は遠心分離処理により分離して二酸化炭素貯蔵ユニット８０に貯蔵するように、機関を運転するよう構成されている。

【0066】

図５は、機関の別の実施形態を示している。この実施形態において、既に説明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、以前に使用したものと同じ符号を付している。この実施形態の機関及びその動作は先の実施形態とほぼ同じであり、従って、先の実施形態との相違点のみを詳細に説明する。

【0067】

本実施形態において、機関は、オットー原理に従って動作するガス導入機関として示されているが、本実施形態は、ディーゼル原理に従って動作する高圧燃料噴射機関でも同様に機能しうることは理解されたい。

【0068】

本実施形態では、タービン６の出口における排ガスの温度を通常よりも低くするための対策は、施されていない。従って、燃焼ガス－水冷器は不要であり、冷却設備に接続された排ガス－冷却媒体冷却器も不要である。従って、排ガスの温度は従来通りであり、１８０℃から２５０℃の温度範囲となる。

【0069】

タービン６の下流側では、二酸化炭素分離ユニット８８が排ガスから二酸化炭素を分離し、分離した二酸化炭素を二酸化炭素容器８０に貯蔵する。

【0070】

この実施形態では、二酸化炭素分離ユニット８８は、排ガスを乾燥させ、排ガスを圧縮し、その後、排ガスを１つ以上の冷却ループに供して排ガス中の二酸化炭素を液化又は固化する膨張プロセスを行い、その後、液体又は固体の排気二酸化炭素を分離して、液体又は固体の二酸化炭素貯蔵ユニット８０に貯蔵する。

【0071】

別の実施形態（図面に示されていない）では、二酸化炭素分離ユニット８８は、二酸化炭素吸収器（例えば吸収溶媒を使用）を使用して、排ガスから二酸化炭素を分離する。この二酸化炭素分離ユニット８８は、再生器、例えばアミン再生器に動作可能に接続される。再生器は、吸収溶媒から二酸化炭素を取り出すために、蒸気を使用してもよい。

【0072】

発明の様々な捉え方や実装形態が、いくつかの実施例と共に説明されてきた。上記の実施形態は、様々な方法で組み合わせることができる。また、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。特許請求の範囲に記載されるいくつかの要素の機能は、単一のプロセッサやコントローラー、その他のユニットによって遂行されてもよい。いくつかの事項が別々の従属請求項に記載されていても、これらを組み合わせて実施することを排除するものではなく、組み合わせて実施して利益を得ることができる。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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【外国語明細書】