特開 2023-160748 大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関及びその動作方法

(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】P2023160748

(43)【公開日】2023-11-02

(54)【発明の名称】大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関及びその動作方法

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/08 20060101AFI20231026BHJP

   F02D 41/40 20060101ALI20231026BHJP

   F02D 19/06 20060101ALI20231026BHJP

【ＦＩ】

F02D19/08 Z

F02D41/40

F02D19/06 Z

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023061063

(22)【出願日】2023-04-05

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-07-11

(31)【優先権主張番号】PA202200371

(32)【優先日】2022-04-22

(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】ラスムセン ニールス フヴィットフェルト

【テーマコード（参考）】

3G092

3G301

【Ｆターム（参考）】

3G092AA02

3G092AA03

3G092AA06

3G092AA18

3G092AB03

3G092AB19

3G092AC10

3G092BB01

3G092HB01

3G301HA02

3G301HA03

3G301HA04

3G301HA11

3G301HA24

3G301LB11

3G301MA11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を提供する。
【解決手段】シリンダライナと、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、往復ピストンとシリンダカバーとの間においてシリンダ内に形成される燃焼室と、シリンダカバー又はシリンダライナに配される少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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、シリンダカバー又はシリンダライナに配される少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと、を備え、点火液システムが、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、点火液を燃焼室内に供給するように構成される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の捉え方によれば、機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関であって、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、
前記点火液システムが、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、機関。

【請求項2】

前記点火液システムは、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９５％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の機関。

【請求項3】

前記点火液システムは、機関低速時のクランク角２度からフルレート機関回転時のクランク角２０度まで増大する噴射持続時間で点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の機関。

【請求項4】

前記点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項5】

前記点火液システムは、噴射持続時間の間、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項6】

前記点火液システムが断続的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め２回から１０回、好ましくは５回に定められているか、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定される、請求項５に記載の機関。

【請求項7】

前記点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の最大回転数に必要な量の５～５０％、好ましくは１５～４０％、最も好ましくは２５～３５％の範囲の量で点火液を前記燃焼室内に供給するよう構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項8】

前記アンモニア燃料システムが、機関の全速動作に必要な燃料量の少なくとも６０％、好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは少なくとも９５％の量のアンモニアを燃焼室に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項9】

機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を動作させる方法であって、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、前記点火液が、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、方法。

【請求項10】

前記点火液は、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９５％の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと点火液（例えば燃料油）の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関に関する。この機関は、シリンダライナ及び前記シリンダライナ内の往復ピストンを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダを覆うシリンダカバーと；前記シリンダ内において、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；を備える。

【発明の背景】

【0002】

大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関は、通常、コンテナ船などの大型外航船や発電所の原動機として使用される。このタイプのエンジンは、重油や燃料油で運転されることが非常に多い。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。

【0003】

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（ＣＯ２）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、ＣＯ２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ＣＯ２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。このためガス状炭化水素燃料は、液体の炭化水素燃料よりもＣＯ２排出量が少ない。しかし、ガス状炭化水素燃料は、取り扱いや貯蔵が難しく、コストもかかる。ＣＯ２排出量を削減するために、炭化水素以外の燃料の研究が進められている。

【0004】

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）によって得られる製品である。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排出量は事実上ゼロであり、ＣＯ２やＳＯｘ、粒子状物質、未燃焼炭化水素を排出することはない。現在、アンモニアは内燃機関の燃料として非常に高い関心を集めている。その主な理由は、太陽、風、波エネルギーなどの再生可能エネルギー源からの電力を使用して気候にやさしい方法で製造できること、またアンモニアの燃焼自体が二酸化炭素などの温室効果ガスを含まないためである。

【0005】

ＷＯ２０２０／２５２５１８Ａ１には、冒頭で述べたタイプの大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関が記載されている。

【0006】

内燃機関の燃料としてアンモニアを使用する場合、ピストンの圧縮行程でアンモニア燃料を比較的低い圧力で導入するオットー原理で動作させる場合と、ピストンが上死点（ＴＤＣ）に近づいたときにアンモニア燃料を高圧で燃焼室に噴射するディーゼル原理で動作させる場合がある。ピストンサイクルのアンモニア燃料噴射・燃焼段階では、燃焼室の圧縮・膨張と燃焼により、シリンダ圧力が劇的に変化する。

【0007】

アンモニアは、小型の火花点火内燃機関において、小規模にテストされ使用されてきた。しかし、圧縮着火内燃機関ではまだ大規模な使用はされていない。

【0008】

アンモニアを燃料として用いるにはいくつかの技術的課題がある。課題の一つは、典型的な炭化水素燃料に比べて低い出力密度である。これは、非常に多くの量の燃料が噴射されなければならないことに繋がり、従って大きな流量に繋がる。そのような大きな流量は火炎消化を生じうる。すなわち、噴射イベントの非常に初期に着火が生じたとしても、後続の大きな流量やそれに伴う高速の燃料ジェットが炎を消火してしまう（吹き消してしまう）。別の課題は、液体の炭化水素燃料に比して、アンモニアは着火性（燃えやすさ）が低いことである。更なる課題はアンモニアの大きな気化冷却であり、これは噴射時に燃料を冷やしてしまう。従って多くの着火エネルギーを必要とする。強い気化冷却のため、燃料室の温度が高いことは、安定燃焼のための必須条件である。これらの技術的課題は、圧縮着火機関でアンモニアを主燃料として使うことを強く妨げてきた。

【0009】

２種類の燃料で動作可能な内燃機関は、通常二元燃料機関と呼ばれる。二元燃料機関の２つの異なる燃料は、通常、圧縮着火可能な重油やディーゼルなどの燃料油と、例えばアンモニア、メタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、エタンなどの気体燃料とからなり、これらは全て、例えばパイロット燃料油の形で、点火液を加える必要がある。したがって、アンモニアと燃料油で動作する二元燃料機関の既存の技術的解決策のコンセプトは、機関が燃料油だけで最大定格で動作するか、アンモニア燃料の点火のために最小限のパイロット燃料油を用いるものの、アンモニア燃料だけで最大定格で動作するというものである。既存のコンセプトには、燃料油でのフルレート分量の供給に最適化された燃料油噴射システムと、アンモニアでのフルレート運転に最適化されたアンモニア燃料システムと、（例えば前室へのパイロット燃料油噴射による）最小限のパイロット燃料油によるアンモニア点火に適したパイロット燃料油システムとが必要である。また、既知の二元燃料機関のあるものは、パイロット燃料油噴射にもフルレート燃料油噴射システムを使用する。ここで、パイロット燃料油の分量は、ガス燃料で動作する場合、フルレート分量の１．５－５％の範囲にある。

【0010】

しかし、既存のアンモニアと燃料油の二元燃料機関には、燃料油のパイロット噴射システムを有するため、複雑であるという問題がある。また、二元燃料コンセプトでは、アンモニア燃料運転中は、燃料油噴射システムをフルレート動作しない。このため、アンモニア燃料走行時にフルレート燃料油噴射システムの噴射弁のノズル孔にデポジットが発生し、アンモニア動作から燃料油動作に切り替えたときに、フルレート燃料油噴射システムが正常に作動しないおそれがある。さらに、アンモニアの層流火炎速度は、多くの炭化水素の火炎速度のほぼ１０分の１であるため、低い乱流レベルでも火炎の消火／消滅が起こり得る。このため、公知の重油／ガス二元燃料機関に利用されるフルレート燃料油噴射システムを使用してアンモニアの燃焼を維持することは困難であり、燃焼室に導入されるアンモニア燃料の全部を確実に着火・燃焼させることは難しい。パイロット燃料油噴射システムにおける燃料油の噴射時間は、典型的にはクランク角で約１度であり、これではアンモニアの着火を確保するだけで、全てのアンモニア燃料の完全燃焼を保証することはできない。

【発明の概要】

【0011】

本発明の目的は、冒頭に述べた種類の大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関であって、上記の課題が少なくとも大幅に低減された機関を提供することである。

【0012】

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、従属請求項や明細書、図面から明らかになるだろう。

【0013】

第１の捉え方によれば、機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関が提供される。この機関は、
・ シリンダライナ及び前記シリンダライナ内の往復ピストンを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダを覆うシリンダカバーと；
・ 前記シリンダ内において、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、前記点火液システムが、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする。

【0014】

アンモニア燃料の燃焼時間は、機関の実際の回転数に応じて、機関制御システムによって決定される。

【0015】

既知のやり方に比べて長い時間にわたって内燃機関のシリンダの燃焼室に点火液を噴射することにより、アンモニアのより完全な燃焼が達成される。さらに、フルレート燃料油噴射装置を使うことができるため、パイロット燃料油噴射システムを省略することができ、従って、かなりのコスト削減と、シリンダカバーに燃料噴射弁を設置するためのより良いスペースが提供される。また、アンモニアと点火液（燃料油等）の二元燃料動作時にも、燃料油噴射装置を稼動させておくため、燃料油噴射装置がクリーンな状態を維持することができ、アンモニア二元燃料動作から燃料油動作への切り替えに備えることができる。

【0016】

アンモニアのより高い燃焼率、好ましくは完全な燃焼率を得るために、前記点火液システムは、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９５％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されてもよい。

【0017】

前記点火液システムは、機関低速時のクランク角２度からフルレート機関回転時のクランク角２０度まで増大する噴射持続時間で点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されてもよい。本明細書において、機関低速時とは、可能な限り低い機関速度として定義される。

【0018】

実施形態によっては、前記点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよいし、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよい。前記点火液システムが間欠的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め２回から１０回、好ましくは５回に定められていてもよく、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定されてもよい。

【0019】

前記点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の全速動作に必要な量の５～５０％、好ましくは１５～４０％、最も好ましくは２５～３５％の範囲の量で点火液を燃焼室内に供給するよう構成されていてもよい。

【0020】

前記アンモニア燃料システムが、機関の全速動作に必要な燃料量の少なくとも６０％、好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは少なくとも９５％の量のアンモニアを燃焼室に供給するように構成されてもよい。アンモニア燃料システムのサイズを小さくすることに応じてコストが削減される。

【0021】

実施形態によっては、前記アンモニア燃料弁は、開口部によって燃焼室に接続されているプレチャンバに接続されていてもよい。このようなプレチャンバを介してアンモニア燃料を燃焼室に噴射することによって、燃料が開口部から燃焼室に入る前に燃料の大幅な減速が生じ、更にプレチャンバは予熱室として機能することができる。このため、前記開口部から燃焼室に入る際に燃料速度は減少し、燃焼室に入る際に燃料温度は上昇する。それによって、圧縮着火内燃機関にアンモニアを燃料として用いることに関連する上述の課題が少なくとも部分的には解決される。

【0022】

本発明のそのような実施形態では、前記機関は、点火液弁がプレチャンバに関連付けられ、前記点火液弁は、ノズル孔を有する点火液ノズルを有し、前記点火液弁は、加圧された点火液のソースに組み合わされてもよい。これによって、プリチャンバ内で点火液がアンモニアに混合され、アンモニアの着火の信頼性が向上する。点火液を高圧でプリチャンバに噴射することにより、点火液がアンモニア中によく分散することが担保され、点火液とアンモニアの混合物が燃焼室に入る際に既にこれらがよく混合していることが担保される。

【0023】

プリチャンバは、シリンダカバーの挿入物の形態を有してもよい。このため、プリチャンバや、プリチャンバと燃焼室との間の開口部にダメージが生じた場合、挿入物を交換するだけでプリチャンバを簡単に置き換えることができ、そのためにシリンダカバー全体に対して修理・加工を行う必要がない。

【0024】

また、前記プリチャンバはアンモニア燃料弁と共に単一のユニットを形成してもよい。この単一ユニットは、シリンダカバーに配される挿入物である。従って、プリチャンバとアンモニア燃料弁を単一の操作でシリンダカバーに取り付けることができる。

【0025】

第２の捉え方によれば、機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を動作させ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を有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダを覆うシリンダと；
・ 前記シリンダ内において、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、前記方法は、前記点火液が、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0026】

以下、図面に示される例示的な実施形態を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。

【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を正面方向から見た概観を示す。

【図2】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3】図１の大型２ストローク機関の略図表現を示す。

【詳細説明】

【0027】

以下の詳細説明では、本発明による圧縮着火式内燃機関を、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を参照して説明する。ただし内燃機関は他のタイプであってもよいことは理解されたい。

【0028】

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。この実施形態において、機関は直列に６本のシリンダ１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本から１４本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。

【0029】

この実施形態の機関は２ストロークユニフロー式圧縮着火型二元エンジンである。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、アンモニア又はアンモニア系燃料と、燃料油などの点火液の両方で動作する少なくとも１つの動作モードを有する。この機関は更に、従来燃料、例えば燃料油船舶用ディーゼル）や重油で動作する少なくとも１つの従来燃料モードを有していてもよい。

【0030】

機関の動作中、掃気空気は掃気受け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、掃気空気を圧縮する。シリンダライナ１内の燃焼室には、シリンダカバー２２に配置された燃料弁５０を通じて燃料が噴射される。噴射される燃料にはアンモニアと点火液が含まれる。アンモニアはアンモニア燃料供給装置３０から、点火液は点火燃料供給装置４０から、それぞれ供給される。アンモニアの噴射は、ピストン１０がＴＤＣに向かうストローク中に比較的低い圧力で行われる場合と、ＴＤＣ又はその近傍で高圧で行われる場合とがある。点火液の噴射は常にＴＤＣ又はその近傍で高圧で行われる。燃料の噴射に続いて燃焼が生じ、排気が生成される。

【0031】

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、それぞれ特定の１種類の燃料、アンモニア及びこの場合点火液のみを噴射するように構成されてもよい。そのような場合、アンモニアを燃焼室に噴射するための２つ以上の燃料弁５０と、例えば従来燃料の形態の点火液を燃焼室に噴射するための２つ以上の燃料弁５０が設けられることになる。従ってそのような場合、機関は４つ以上の燃料弁５０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同時に噴射しうるように構成されている場合（例えばアンモニアと従来燃料を予め混合して噴射するように構成されているか、アンモニアと従来燃料をそれぞれ別のノズル孔から噴射す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。

【0032】

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、他の形態の点火促進剤であってもよい。本機関は二元燃料機関であるので、点火液、例えば燃料油（船舶用ディーゼル）、又は重油などの従来燃料のみで運転される従来燃料モードでも動作することができる。

【0033】

実施形態によっては、シリンダライナに沿ってアンモニア燃料導入弁が配される。アンモニア燃料導入弁は、ピストン１０がＢＤＣからＴＤＣに向かう途中であってアンモニア燃料導入弁を通過する前に、シリンダライナ内にアンモニア燃料を比較的低圧で導入する。そしてピストン１０は、掃気空気と燃料の混合物を圧縮する。ＴＤＣ又はその近辺の所定のタイミングで点火が行われる。この点火は点火液の噴射等によって行われる。アンモニア燃料導入弁を有する実施例では、アンモニア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がアンモニア燃料を送達するために必要な圧力はかなり低くて済み、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。

【0034】

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）３８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。

【0035】

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。

【0036】

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、ターボ過給機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、ターボ過給機のコンプレッサ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。

【0037】

アンモニアは、実質的に安定した圧力及び温度でアンモニア弁５０に供給される。液相でアンモニア弁５０に供給されてもよいし、気相でアンモニア弁５０に供給されてもよい。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。

【0038】

本発明によれば、点火液は、既知のやり方に比べて長い時間にわたって内燃機関のシリンダの燃焼室に噴射され、それによって、アンモニアのより完全な燃焼が達成される。既知の手法によれば、点火液は、約１度のクランク角にわたって噴射される。これは、アンモニア燃料の燃焼持続時間の５－１０％に相当する。これに対して、本発明によれば、点火液システム４０は、決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間で点火液を燃焼室内に供給するように構成される。

【0039】

アンモニアをより完全に燃焼させることに加えて、本発明による追加の利点は、点火液の噴射にフルレート燃料油噴射システムを使用することができるということである。なぜなら、使用されるべき点火液の必要量のためである。このことは、パイロット燃料油噴射システムを省略することができることを意味し、従って、かなりのコスト削減と、シリンダカバーに燃料噴射弁を設置するためのより良いスペースが提供される。また、機関の全動作モードにおいて、燃料油噴射装置が作動し続けるため、クリーンな状態を保つことができる。

【0040】

アンモニアと点火液を同時に燃焼させる機関の動作によっても可能な限りＣＯ２を発生させないという観点から、点火液の量は、アンモニアの燃焼を損なわない範囲でできるだけ少なくする必要がある。しかし、状況によっては、アンモニアを完全に燃焼させるために、点火液をアンモニア燃料の燃焼時間の少なくとも５０％、あるいは少なくとも８０％、あるいは少なくとも９５％の噴射時間、燃焼室内に噴射する必要がある。また、点火液は、アンモニア燃料の燃焼時間の１００％の噴射時間、燃焼室に噴射されることも可能である。

【0041】

点火液システム４０が点火液を燃焼室内に供給する噴射持続時間は、機関低速時のクランク角約２度からフルレート機関回転時のクランク角約２０度まで増加しうる。

【0042】

実施形態によって、点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよいし、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成されてもよい。点火液システムが間欠的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め２回から１０回、好ましくは５回に定められていてもよく、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定されてもよい。

【0043】

点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の最大回転数（最大速度）に必要な量の５～５０％、好ましくは１５～４０％、最も好ましくは２５～３５％の範囲の量で点火液を燃焼室内に供給するよう構成されていてもよい。

【0044】

アンモニア燃料システムは、少なくとも６０％、好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは少なくとも９５％の量のアンモニアを燃焼室に供給するように構成されてもよい。アンモニア燃料システムのサイズを小さくすることで、それに応じてコストが削減される。

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2023-06-07

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関であって、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、
前記点火液システムが、機関速度及び／又はクランク角に応じて決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、機関。

【請求項2】

前記点火液システムは、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９５％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の機関。

【請求項3】

前記点火液システムは、２度から２０度までのいずれかのクランク角に対応する噴射持続時間で点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の機関。

【請求項4】

前記点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項5】

前記点火液システムは、噴射持続時間の間、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項6】

前記点火液システムが断続的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め２回から１０回、好ましくは５回に定められているか、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定される、請求項５に記載の機関。

【請求項7】

前記点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の最大回転数に必要な量の５～５０％、好ましくは１５～４０％、最も好ましくは２５～３５％の範囲の量で点火液を前記燃焼室内に供給するよう構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項8】

前記アンモニア燃料システムが、機関の全速動作に必要な燃料量の少なくとも６０％、好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは少なくとも９５％の量のアンモニアを前記燃焼室に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項9】

機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を動作させる方法であって、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、前記点火液が、機関速度及び／又はクランク角に応じて決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、方法。

【請求項10】

前記点火液は、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９５％の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【手続補正書】

【提出日】2023-06-22

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関であって、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、
前記点火液システムが、機関速度に応じて決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、機関。

【請求項2】

前記点火液システムは、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９５％の噴射持続時間、点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の機関。

【請求項3】

前記点火液システムは、２度から２０度までのいずれかのクランク角に対応する噴射持続時間で点火液を前記燃焼室内に供給するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の機関。

【請求項4】

前記点火液システムは、噴射持続時間の間、連続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項5】

前記点火液システムは、噴射持続時間の間、断続的に点火液を燃焼室内に供給するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項6】

前記点火液システムが断続的に噴射するように構成されている場合、噴射回数は、予め２回から１０回、好ましくは５回に定められているか、あるいは、燃焼性能、ひいてはアンモニアの燃焼を示すシリンダ圧などの複数の異なる機関動作パラメータを監視する制御システムによって可変に決定される、請求項５に記載の機関。

【請求項7】

前記点火液システムは、燃料油などの点火液のみで動作する場合の最大回転数に必要な量の５～５０％、好ましくは１５～４０％、最も好ましくは２５～３５％の範囲の量で点火液を前記燃焼室内に供給するよう構成される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項8】

前記アンモニア燃料システムが、機関の全速動作に必要な燃料量の少なくとも６０％、好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは少なくとも９５％の量のアンモニアを前記燃焼室に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の機関。

【請求項9】

機関内で燃焼させる燃料として、アンモニアと、燃料油等の点火液の両方を用いて動作する少なくとも１つの動作モードを有する大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関を動作させる方法であって、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少なくとも１つのアンモニア燃料弁に、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；
・ 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少なくとも１つの点火液弁に、加圧された点火液を供給するように構成される点火液システムと；
を備え、前記点火液が、機関速度に応じて決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも２０％の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、方法。

【請求項10】

前記点火液は、前記決定されたアンモニア燃料燃焼持続時間の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９５％の噴射持続時間、前記燃焼室内に供給されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【外国語明細書】