特開 2023-48094 燃料導入ノズル

(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】P2023048094

(43)【公開日】2023-04-06

(54)【発明の名称】燃料導入ノズル

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/02 20060101AFI20230330BHJP

   F02M 26/22 20160101ALI20230330BHJP

   F02M 26/07 20160101ALI20230330BHJP

   F02D 19/02 20060101ALI20230330BHJP

   F02D 21/08 20060101ALI20230330BHJP

【ＦＩ】

F02M21/02 S

F02M21/02 N

F02M26/22

F02M26/07 301

F02D19/02 D

F02D21/08 311B

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022079844

(22)【出願日】2022-05-13

(31)【優先権主張番号】21199154.2

(32)【優先日】2021-09-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】515191442

【氏名又は名称】ヴィンタートゥール ガス アンド ディーゼル リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ドミニク シュナイター

(72)【発明者】

【氏名】フリドリン ウンフグ

【テーマコード（参考）】

3G062

3G092

【Ｆターム（参考）】

3G062EA10

3G062ED02

3G062ED06

3G062ED08

3G092AB06

3G092AB12

3G092AC10

3G092FA50

(57)【要約】

【課題】燃料導入ノズルを備える内燃機関１００、燃料導入ノズル、及び、内燃機関の燃焼室に燃料ガスを供給する方法、並びに、燃料導入ノズルの製造方法を提供すること。
【解決手段】内燃機関１００は、少なくとも１つのシリンダ１を有しており、すなわち、少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダ１を有する大型船舶エンジン、好ましくは、シリンダ１を有する低圧燃料ガス・エンジン又はデュアル・フューエル・エンジンである。内燃機関１００は、シリンダ壁２を通って低圧燃料流体をシリンダ１内に直接噴射するための少なくとも１つの燃料導入ノズル１０を有する。燃料導入ノズル１０は、燃料供給導管２１に流体接続された、又は接続可能な、少なくとも１つの燃料流体供給ライン１１と、不活性ガス供給導管２２に流体接続された、又は接続可能な、少なくとも１つの不活性ガス供給ライン１２とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのシリンダ（１）を有する内燃機関（１００）、すなわち、少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダ（１）を備えた大型船舶エンジン、好ましくは、シリンダ（１）を備えた低圧燃料ガス・エンジン又はデュアル・フューエル・エンジンであって、
シリンダ壁（２）を通って低圧燃料流体を前記シリンダ（１）内に直接噴射するための少なくとも１つの燃料流体導入ノズル（１０）を有する前記内燃機関（１００）において、
前記燃料導入ノズル（１０）が、
燃料供給導管（２１）に流体接続された、又は接続可能な、少なくとも１つの燃料流体供給ライン（１１）と、
不活性ガス供給導管（２２）に流体接続された、又は接続可能な、少なくとも１つの不活性ガス供給ライン（１２）と、
を備えることを特徴とする、内燃機関（１００）。

【請求項2】

前記少なくとも１つの不活性ガス供給導管（２２）のうちの少なくとも１つが、排気ガスを供給する供給導管であり、及び／又は、
前記少なくとも１つの不活性ガス供給導管（２２）のうちの少なくとも１つが、Ｎ_２、ＣＯ_２又はアルゴンを供給する供給導管である、請求項１に記載の内燃機関（１００）。

【請求項3】

前記内燃機関（１００）が、排気出口（２４）と空気取入口（２５）との間に配置されたＥＧＲ経路（２３）を有する排気ガス再循環のためのシステム（１）を備え、前記少なくとも１つの不活性ガス供給導管（２２）が前記ＥＧＲ経路（２３）に流体接続され、その結果、再循環排気ガスの一部は、前記流体燃料導入ノズル（１０）を介して前記シリンダ（１）内に導入可能である、請求項１又は２に記載の内燃機関（１００）。

【請求項4】

前記不活性ガス供給ライン（１１）は、前記不活性ガスが前記燃料流体供給ライン（１２）の周りを流れることができるように前記流体燃料導入ノズルに配置され、又は、前記燃料流体供給ライン（１２）は、燃料流体が前記不活性ガス供給ライン（１１）の周りを流れることができるように前記流体燃料導入ノズル（１０）に配置される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項5】

前記少なくとも１つの不活性ガス供給ライン（１２）の断面積が、前記少なくとも燃料流体供給ライン（１１）の断面積と等しいか、又は前記少なくとも燃料流体供給ライン（１１）の前記断面積よりも最大で７倍大きい、請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項6】

前記少なくとも１つの燃料流体供給ライン(１１)及び前記少なくとも１つの不活性ガス供給ライン（１２）が、前記燃料流体導入ノズル（１０）内で合流し、前記燃料流体導入ノズル（１０）が、好ましくは、１つの出口（１３）のみを備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項7】

前記燃料流体導入ノズル（１０）が、追加の冷却手段、好ましくは、冷却流体を導くための少なくとも１つの流路（１４）を備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項8】

前記内燃機関（１００）が、好ましくは、不活性ガス供給導管（２２）の上流に配置された不活性ガスを冷却するための冷却装置を備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項9】

燃料供給導管（２１）に接続可能な少なくとも１つの燃料流体供給ライン（１１）と、不活性ガス供給導管（２２）に接続可能な少なくとも１つの不活性ガス供給ライン（１２）とを備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）のシリンダ（１）用の燃料流体導入ノズル（１０）。

【請求項10】

前記燃料流体供給ライン（１１）が、液状流体の気化を可能にするように設計されている、請求項９に記載の燃料流体導入ノズル（１０）。

【請求項11】

請求項９又は１０に記載の燃料流体導入ノズル（１０）を使用して、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）の燃焼室（）に燃料流体を供給するための方法であって、燃料流体の導入中に、不活性ガスが前記シリンダ（１）内に導入され、前記燃料流体が前記不活性ガスを冷却し、前記燃料流体が、好ましくは気化し、より好ましくは前記燃料流体導入ノズル（１０）内で気化する、方法。

【請求項12】

再循環排気ガスの第１の一部が、不活性ガスとして、前記燃料導入ノズル（１０）の少なくとも１つの不活性ガス供給ライン（１２）に導かれ、再循環排気ガスの第２の一部が、前記内燃機関（１００）の空気取入口（２５）に導かれる、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記不活性ガスが、導入時に、少なくとも１５０℃～３５０℃冷却され、及び／又は前記燃料流体が１４０℃～１９０℃加熱される、請求項１１又は１２に記載の方法。

【請求項14】

前記燃料流体導入ノズル（４）が、３Ｄプリント工程によって製造されるか、又は、
前記燃料流体供給ライン（１１）及び前記少なくとも１つの不活性ガス供給ライン（１２）が、浸食法、レーザ法、穿孔、又はフライス加工によって、ノズル本体（１５）内に形成される、請求項９又は１０に記載の燃料流体導入ノズル（４）を製造する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料導入ノズルを備える内燃機関、燃料導入ノズル、及び、内燃機関の燃焼室に燃料ガスを供給する方法、並びに、燃料導入ノズルの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、大型の船舶用エンジン又は定置式エンジンのような内燃機関に関し、そのシリンダは、少なくとも２００ｍｍの内径を有する。エンジンは、好ましくは、２ストローク・エンジン又は２ストローク・クロスヘッド・エンジンである。エンジンは、ガス・エンジン、デュアル・フューエル・エンジン、又はマルチ・フューエル・エンジンであってもよい。このようなエンジンでは、液体燃料及び／又は気体燃料の燃焼が可能であり、自己着火又は強制点火も可能である。

【0003】

内燃機関という用語は、特にデュアル・フューエル・エンジン、第１の燃料の自己着火及び燃焼が第２の燃料のポジティブ点火に利用される大型エンジンを含む。

【0004】

内燃機関という用語はまた、点火プラグによって点火される純ガス・エンジンを含む。

【0005】

エンジンは、ピストンを有する少なくとも１つのシリンダを有する。ピストンは、クランク軸に接続される。ピストンは、エンジンの運転中に上死点（ＴＤＣ：ｔｏｐ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）と下死点（ＢＤＣ：ｂｏｔｔｏｍ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）との間で往復運動する。シリンダは、通常、吸気用の少なくとも１つの空気通路開口部であって、特にシリンダのライナに配置される空気取入口と、排気用の少なくとも１つの空気通路開口部であって、特にシリンダのカバーに配置された排気出口とを有する。

【0006】

空気取入口は、新鮮な空気及び排気ガスの混合物を掃気ガスとして吸入するために使用することができる。

【0007】

内燃機関は、縦型フラッシュ式２ストローク・エンジンであってもよい。

【0008】

エンジン回転数は、８００ＲＰＭ未満（４ストローク）が好ましく、低速エンジンの指定を示す２００ＲＰＭ未満（２ストローク）がより好ましい。

【0009】

燃料ガスは、液化天然ガス（ＬＮＧ：ｌｉｑｕｉｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ）、液化石油ガス（ＬＰＧ：ｌｉｑｕｉｄ ｐｅｔｒｏｌ ｇａｓ）、メタノール又はエタノールなどのようなガスであってもよい。要求に応じてさらに追加可能な燃料は、液化バイオガス（ＬＢＧ：Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｂｉｏｇａｓ）、生物燃料（例えば、藻類燃料又は海藻油）、水素又はアンモニア、及び合成燃料（例えば、パワー・トゥ・ガス又はパワー・トゥ・リキッドによって作られる）である。

【0010】

内燃機関は、ディーゼル油、船舶用ディーゼル油、重質燃料油、エマルション、又は、スラリーによって代替的に駆動することが可能である。

【0011】

大型船、特に商品を輸送する船は、通常、内燃機関によって、特にガス・エンジン及び／又はデュアル・フューエル・エンジン、ほとんどが２ストロークのクロスヘッド・エンジンによって動く。重質燃料油、船舶用ディーゼル油、ディーゼル又は他の液体のような液体燃料の場合だけでなく、ＬＮＧ、ＬＰＧ又はその他のような気体燃料の場合も、エンジンによって燃焼され、この燃焼過程から生じる排気は、国際海事機関第３次規制（ＩＭＯ Ｔｉｅｒ ＩＩＩ）などの現行の汚染物質の規則に適合させるために浄化する必要がある。

【0012】

排気ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）は、ディーゼル・エンジンでの窒素化合物（ＮＯｘ）の低減及びＴｉｅｒ ＩＩＩ規制を実現するためだけでなく、ガス又はデュアル・フューエル・エンジンでの過早着火及びノッキングを制御するための技術でもある。

【0013】

燃焼を安定化させるために、再循環排気ガスを冷却することが好都合である。例えば、欧州特許出願第２１１８４６８９．４号に開示されているように、内燃機関は、排気ガス冷却器を備えていてもよい。冷却器には、チューブ式とフィン式とがあり得る。排気ガスは、フィンに接触することができ、排気ガスからの熱は、チューブで導くことができる冷却媒体に伝達することができる。再循環排気ガスを十分に冷却するための適切な冷却器は、船舶に搭載するのが困難な可能性のある体積を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】欧州特許出願第２１１８４６８９．４号

【発明の概要】

【0015】

本発明の目的は、従来技術の欠点をなくすことであり、特に、内燃機関と、従来技術の解決策よりも経済的に内燃機関の燃焼室に燃料流体を供給する方法とを提供することである。

【0016】

この目的は、独立請求項に記載の内燃機関と、内燃機関を運転する方法とによって達成される。

【0017】

内燃機関は、少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダを有する。内燃機関は、大型船舶用エンジン又は定置式エンジンである。

【0018】

内燃機関は、低圧燃料ガス・エンジン又はデュアル・フューエル・エンジンであってもよい。したがって、エンジンは、ガス運転モードと、液体燃料運転モードとを含んでいてもよい。

【0019】

少なくとも１つのシリンダは、少なくとも１つの排気出口を有していてもよい。排出弁は、排気出口内に配置されていてもよい。内燃機関は、シリンダから排気ガスを排出するための排気出口を介してシリンダに接続された排気ガス・レシーバを含んでいてもよい。排気ガス・レシーバは、複数のシリンダから排気ガスを収集することができる。

【0020】

内燃機関は、さらに掃気ガス・レシーバを備えていてもよい。掃気ガスは、シリンダ壁内の掃気口を介してシリンダに入ることができる。掃気口は、シリンダの下部に配置することができ、長手方向のフラッシングを提供することができる。掃気口は、シリンダ・ライナと一体化されていてもよく、少なくとも１つの排気弁がシリンダ・ヘッドに配置されるとともに、ピストンの動きによって制御されてもよい。

【0021】

少なくとも１つのシリンダは、シリンダ壁を通って低圧燃料流体をシリンダ内に直接噴射するための少なくとも１つの燃料導入ノズルを有する。好ましくは、シリンダは、２つの燃料導入ノズルを備える。例えば、少なくとも１つの燃料導入ノズルは、シリンダ・ライナ内に配置される。

【0022】

燃料導入ノズルは、燃料供給導管に流体接続された、又は接続可能な、少なくとも１つの燃料流体供給ラインと、不活性ガス供給導管に流体接続された、又は接続可能な、少なくとも１つの不活性ガス供給ラインとを備える。

【0023】

燃料流体は、極低温液体、非極低温液体、又は非極低温ガスであってもよい。ＬＮＧなどの流体燃料は、通常、加圧容器に液体として貯蔵される。

【0024】

流体燃料は、極低温液体、非極低温液体の形態で、及び／又は非極低温ガスとして、燃料導入ノズルに、及び／又は燃料導入ノズル内に導かれ得る。燃料液体は、燃料導入ノズルに向かう途中で、及び／又は燃料導入ノズル内で、及び／又はシリンダ内で、気化する場合がある。

【0025】

燃料供給導管は、特に、液体天然ガス供給導管である。燃料供給導管はまた、例えば、周囲温度で、非極低温液体及び／又は非極低温ガスを導くための導管であってもよい。

【0026】

通常、燃料流体の温度は、周囲温度よりもはるかに低い。不活性ガスの温度は、周囲温度と等しいか、又は周囲温度よりも高い。燃料導入ノズルは、燃料導入ノズル内及び／又は燃料導入ノズルの前方で、燃料流体と不活性ガスとの間の熱交換を提供することができる。

【0027】

好ましくは、少なくとも１つの燃料導入ノズルは、空気取入口の上方及び排気弁の下方のシリンダ壁に配置される。

【0028】

空気取入口は、ハーフ・ストローク以下の高さに配置してもよい。空気取入口は、ハーフ・ストロークの高さよりもピストン・ストロークの下死点に近い高さに配置してもよい。

【0029】

長手方向フラッシュ式２ストローク・エンジンの場合、排気ガスとともに天然ガスを導入するために、シリンダ壁内、好ましくはシリンダ・ライナ内に燃料導入ノズルを配置することによって、燃料の質量分率がより高いシリンダ内の場所に、より高い質量分率の排気ガスを引き入れることが可能になる。これにより、反応プロセスを遅らせるために最も必要とされるシリンダ内に排気ガスを入れることができる。

【0030】

少なくとも１つの不活性ガス供給導管のうちの少なくとも１つは、排気ガスを供給する供給導管であってもよい。この場合、不活性ガス供給導管は、排気ガスの供給源、典型的には、ＥＧＲ経路に流体接続されている。

【0031】

さらに又は代わりに、少なくとも１つの不活性ガス供給導管のうちの少なくとも１つは、Ｎ_２、ＣＯ_２又はアルゴンを供給する供給導管であってもよい。この場合、不活性ガス供給導管は、Ｎ_２、ＣＯ_２又はアルゴンの供給源に流体接続している。

【0032】

燃料供給導管及び／又は不活性ガス供給導管は、調整可能な弁を備えることができる。内燃機関は、それぞれの弁を調節してそれぞれの流量を調節することにより、燃料及び／又は不活性ガスの量を制御するように構成することができる制御ユニットを備えていてもよい。燃料及び／又は不活性ガスは、燃焼サイクルの所定のクランク角の間のみ供給することができる。燃料の量と不活性ガスの量との比率は、エンジンの負荷及び他のエンジン・パラメータ、並びに周囲条件によって異なっていてもよい。

【0033】

内燃機関は、ＥＧＲ経路を有する排気ガス再循環のためのシステムを備えることができる。通常、排気ガス再循環システムのＥＧＲ経路は、シリンダの排気出口からシリンダの空気取入口に、例えば、掃気レシーバを通る掃気口につながる。

【0034】

少なくとも１つの不活性ガス供給導管は、ＥＧＲ経路に流体接続することができ、その結果、再循環排気ガスの一部は、燃料導入ノズルを通ってシリンダ内に導入可能である。

【0035】

内燃機関は、好ましくは、タービンと圧縮機とを有する少なくとも１つのターボチャージャをさらに備える。

【0036】

排気ガス再循環のためのシステムは、低圧システムであってもよく、再循環排気ガスは、ターボチャージャのタービンを通って導入可能である。再循環排気ガスは、ターボチャージャの圧縮機を介してシリンダの空気取入口に導入可能である。低圧のＥＧＲシステムでは、ターボチャージャは、ＥＧＲ経路に配置され、その結果、再循環排気ガスは、ターボチャージャを駆動するのに役立つ。

【0037】

シリンダの排気出口からシリンダの空気取入口につながるＥＧＲ経路は、ターボチャージャのタービンを含み、ターボチャージャの圧縮機も含み得る。通常、排気ガスは、新鮮な空気と混合されたターボチャージャによって、シリンダの空気取入口に導入可能である。したがって、ターボチャージャの圧縮機は、再循環される排気ガスと新鮮な空気とを吸い込む。

【0038】

通常、ＥＧＲ経路は、好ましくはターボチャージャのタービンの下流にある接合部を備え、そこから、排気ガスを、好ましくはターボチャージャの圧縮機へ、シリンダの空気取入口に向かって、又は、排気ガスの通風筒に向かって導くことができる。

【0039】

或いは、排気ガス再循環のためのシステムは、高圧システムであってもよく、排気ガスは、圧縮機を通ることなく、好ましくは、ターボチャージャのタービンを通ることなく、シリンダの空気取入口に導かれる。排気ガス送風機は、ＥＧＲ経路内に配置することができる。

【0040】

ＥＧＲ経路は、不活性ガス供給導管が一部の再循環排気ガスを流体燃料導入ノズルの不活性ガス供給ラインに導くためにメインのＥＧＲ経路から分岐するように、二股に分かれていてもよい。再循環排気ガスのさらなる一部は、空気取入口に導くことができる。

【0041】

ＥＧＲ経路は、排気ガス冷却器を備えていてもよく、デミスタを備えていてもよい。好ましくは、不活性ガス供給導管は、排気ガス冷却器の上流でＥＧＲ経路から分岐する。

【0042】

したがって、排気ガス冷却器を通って導かれる必要があるのは、再循環される排気ガスの全量ではない。排気ガス冷却器は、排気ガスの量が再循環される合計量よりも少ないように構成されていてもよい。

【0043】

不活性ガス供給導管は、燃料流体と同様の圧力まで、例えば、１０～１５バールまで不活性ガスを加圧するための圧縮機を含んでいてもよい。

【0044】

不活性ガスの供給は、燃料流体の圧力より低い圧力で流体燃料導入ノズルに供給することができる。この場合、供給量は、より多くなければならないが、それは、供給時間をより長くするか、又は供給断面をより大きくすることによって達成され得る。

【0045】

制御ユニットは、空気取入口へ再循環された排気ガスの量及び流体燃料導入ノズルへ導かれた排気ガスの量を制御するように構成されてもよい。その量は、不活性ガス供給導管に配置された弁を調節することにより、及び／又は、不活性ガス供給導管に配置された圧縮機の電力を調節することにより制御することができる。

【0046】

不活性ガス供給ラインは、不活性ガスが燃料流体供給ラインの周りを流れることができるように燃料導入ノズルに配置することができる。

【0047】

或いは、燃料流体供給ラインは、燃料流体が不活性ガス供給ラインの周りを流れることができるように流体燃料導入ノズルに配置することができる。

【0048】

中央の供給ラインは、同心円状に配置された複数の供給ラインによって、又は、環状及び同心円状に配置された１本の供給ラインによって囲まれていてもよい。

【0049】

燃料流体供給ライン及び不活性ガス供給ラインの配置によって、ノズル内での燃料と不活性ガスとの間の熱交換、及び、ノズルのちょうど外側のシリンダ内で起こり得る燃料と不活性ガスとの混合が促進される。

【0050】

少なくとも１つの燃料流体供給ライン、及び少なくとも１つの不活性ガス供給ラインは、燃料導入ノズル内で合流することができ、その結果、燃料流体及び不活性ガスは、ノズル内で混合される。燃料導入ノズルは、好ましくは、１つの出口のみを備える。

【0051】

少なくとも１つの不活性ガス供給ラインの断面積は、少なくとも燃料流体供給ラインの断面積と等しくてもよく、又は、少なくとも燃料流体供給ラインの断面積よりも最大で７倍大きくてもよい。

【0052】

この文脈では、断面積とは、供給ライン内の流れ方向に垂直な断面積、好ましくは、燃料導入ノズルの入口での断面積を意味している。

【0053】

導入された燃料流体及び不活性ガスの圧力が同様だと仮定すると、断面積の比率によって、燃料流体及び不活性ガスの量を適切な比率にして、混合物の目標温度を達成すること、特に燃焼を安定化させるシリンダ内の排気ガスの温度を達成することが確実になる。

【0054】

通常、燃料流体は加熱され、不活性ガスは、約４０℃の温度に冷却される。

【0055】

燃料導入ノズルは、追加の冷却手段、好ましくは、冷却流体を導くための少なくとも１つの流路を含んでいてもよい。

【0056】

流体燃料導入ノズルは、多孔ベンチュリ・ノズル、例えば、６孔ベンチュリ・ミキサであってもよく、燃料流体は主入口を通ってミキサに入り、排気ガスは、ベンチュリ・ミキサを通る燃料流体流れに対して９０度の角度でスロートに配置された導入孔を通って入る。導入孔は、スロートの最も狭い部分の周囲に等間隔に配置されてもよい。

【0057】

内燃機関は、好ましくは、不活性ガス供給導管の上流に配置された、不活性ガスを冷却するための冷却装置を備えていてもよい。冷却装置では、不活性ガス、例えば排気ガスは、燃料導入ノズルに到達する前及び流体燃料に接触する前に予冷してもよい。

【0058】

したがって、燃料と不活性ガスとの間の温度差は小さくなり、その結果、より多くの不活性ガスが燃料導入ノズルを通って導かれ、目標温度に到達することができる。空気取入口に導かれる排気ガスの量は、減少する。したがって、空気取入口に導かれる排気ガスを冷却するための排気ガス冷却器のサイズは、より小さいものが選ばれてもよい。

【0059】

冷却装置は、ＥＧＲ経路内に配置された排気ガス冷却器によって、又は、排気ガス冷却器の一部によって形成することができ、その結果、不活性ガス供給導管は、排気ガス冷却器の下流又は排気ガス冷却器の一部の下流でＥＧＲ経路から分岐する。

【0060】

本発明の目的はまた、上述した内燃機関のシリンダ用の燃料導入ノズルによって達成される。

【0061】

燃料導入ノズルは、燃料流体供給導管に接続可能な少なくとも１つの燃料流体供給ラインと、不活性ガス供給導管と接続可能な少なくとも１つの不活性ガス供給ラインとを備える。

【0062】

燃料流体供給ラインは、液体ガスの気化を可能にするように、又は促進するように設計され得る。燃料流体供給ラインは、フレア状であってもよい。

【0063】

燃料流体供給ライン及び不活性ガス供給ラインは、円形状の断面を有するボアとして形成することができる。燃料流体供給ラインの断面は、少なくとも燃料導入ノズルの入口側で、１０～４０ｍｍの直径、特に２０ｍｍ又は３８ｍｍの直径を有していてもよい。

【0064】

燃料流体供給ラインの断面とシリンダ当たりのストローク容積との比率は、０．３ｍｍ^２／ｄｍ^３～１．２ｍｍ^２／ｄｍ^３の間、好ましくは、０．４ｍｍ^２／ｄｍ^３～０．８ｍｍ^２／ｄｍ^３の間であってもよい。

【0065】

燃料流体供給ラインと同じ断面を有する不活性ガス供給ラインは、１つから７つあってもよい。

【0066】

燃料流体供給ラインの断面と等しい断面、又は燃料流体供給ラインの断面の最大で７倍の断面を有する不活性ガス供給ラインがさらに１つあってもよい。

【0067】

本発明の目的はまた、上述した燃料導入ノズルを使用して、上述した内燃機関の燃焼室に燃料流体を供給するための方法によって達成される。燃料流体の導入の間、排気ガス、Ｎ_２、ＣＯ_２又はアルゴンなどの不活性ガスは、シリンダ内に導入され、燃料流体は不活性ガスを冷却する。好ましくは、燃料流体は、より好ましくは燃料導入ノズル内で気化する。

【0068】

燃焼室の中身又は供給された燃料と不活性ガスとの混合物の点火性は、減少する。

【0069】

燃料流体及び不活性ガスは、同じ燃料導入ノズルによってシリンダ内に導入される。

【0070】

好ましくは、冷却される不活性ガスは、燃料流体との組み合わせでのみ流れる。したがって、燃料導入ノズルの閉まっている間の滞留時間によって、冷却効果が高まる可能性がある。

【0071】

不活性ガスは、ＥＧＲ経路から取り込むことができる。

【0072】

再循環排気ガスの第１の一部は、不活性ガスとして燃料導入ノズルの少なくとも１つの不活性ガス供給ラインに導くことができ、再循環排気ガスの第２の一部は、内燃機関の空気取入口に導くことができる。

【0073】

上述した内燃機関を運転するために、シリンダ内に再循環された排気の総量の第１の一部は、上述した燃料導入ノズルによって加えられたときに、燃料流体によって冷却することができ、再循環排気ガスの第２の一部は、排気ガス冷却器内で冷却することができる。

【0074】

不活性ガスは、導入の間、少なくとも１５０℃～３５０℃冷却することができる。

【0075】

排気ガスは、通常、約２４０℃～４６０℃を有し、特にシリンダを出るときは３７０℃の温度を有する。タービンを通過後、排気は、負荷やターボチャージャの効率によるが、なおも約２００℃～２８０℃の温度を有する。

【0076】

燃料流体は、導入の間、１２０℃～２３０℃、好ましくは１４０℃～１９０℃加熱されてもよい。

【0077】

極低温の燃料液は、約－１６２℃又はさらに低い温度を有していてもよく、非極低温の燃料ガスは、－１００℃の温度を有していてもよい。混合物の目標温度は、通常、２０℃～７０℃の間、例えば４０℃である。

【0078】

タービンの上流で分岐された再循環排気ガスを非極低温の燃料ガスによって冷却するとき、ほぼ等量の燃料ガス及び排気ガスが、例えば約４０℃の混合温度を達成するために、シリンダに導かれなければならない。

【0079】

タービンの下流で分岐された再循環排気ガスを極低温の燃料液によって冷却するとき、シリンダに導かれる排気ガスの量は、例えば約４０℃の混合温度を達成するために、極低温の燃料液の量のほぼ７倍でなければならない。

【0080】

排気ガス冷却器の電力は、排気ガスが燃料導入ノズルにどれだけ分岐されるかによって、５％～最大３５％まで削減することができる。したがって、より小さな排気ガス冷却器を使用することによって、船舶のエンジン・ルームを省スペース化することができる。

【0081】

本発明の目的はまた、上述した燃料導入ノズルを製造する方法によって達成され、燃料導入ノズルは、３Ｄプリント工程などの積層工程によって製造される。

【0082】

積層工程により、燃料流体と不活性ガスとの熱伝導及び混合を促進する複雑な幾何学的形状が可能になる。

【0083】

代わりに又はさらに、燃料流体供給ライン及び少なくとも１つの不活性ガス供給ラインは、浸食法、レーザ法、穿孔、又はフライス加工によって、ノズル本体内に形成される。

【0084】

以下では、本発明は、図面を用いて実施例でさらに説明される。同じ参照番号は、機能的に対応する特徴を示す。

【図面の簡単な説明】

【0085】

【図1】燃焼機関の第１の実例の概略図を示す。

【図2】燃料導入ノズルの第１の実例の概略図を断面図で示す。

【図3】燃料導入ノズルの第２の実例の概略図を断面図で示す。

【図4】燃料導入ノズルの第３の実例の概略図を断面図で示す。

【図5】燃焼機関の第２の実例の概略図を示す。

【図6】燃焼機関の第３の実例の概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0086】

図１は、ピストン３及び出口弁４を備えたシリンダ１を有する大型内燃機関１００の第１の実例の概略図を示す。内燃機関１００は、シリンダ壁２を通って、ここではシリンダ・ライナを通って、低圧燃料流体をシリンダ内に直接噴射するための燃料導入ノズル１０を備える。

【0087】

燃料導入ノズル１０は、燃料供給導管２１に流体接続した燃料流体供給ライン１１を備える。燃料供給導管は、燃料液容器３７（図４、５参照）に流体接続することができる。

【0088】

燃料導入ノズル１０は、不活性ガス供給導管２２に流体接続された不活性ガス供給ライン１２を備える。

【0089】

図２は、燃料導入ノズル１０の第１の実例の概略図を断面図で示す。燃料流体供給ライン１１は、液状流体の気化を促進するために出口１３に向かってフレア状になっている。

【0090】

燃料導入ノズル１０は、冷却流体を導くために、且つ、不活性ガスをさらに冷却するために、ノズル本体１５に配置された流路１４を備える。

【0091】

図３は、燃料導入ノズル１０の第２の実例の概略図を断面図で示す。

【0092】

燃料流体供給ライン１１及び不活性ガス供給ライン１２は、ノズル本体１５内で合流する。不活性ガス及び燃料流体は、燃料導入ノズル１０内で混ざる。

【0093】

燃料導入ノズル１０は、１つの出口１３のみを備える。

【0094】

図４は、燃料導入ノズル１０の第３の実例の概略図を断面図で示す。燃料導入ノズル１０は、６孔ベンチュリ・ミキサである。

【0095】

燃料流体は、中央パイプ１７の主入口１６を通ってミキサに入ることができる。排気は、ベンチュリ・ミキサを通る燃料流体流れ１８に対して９０度の角度で中央パイプ１７のスロート１９に配置された６つの導入孔１５を通って入ることができる。導入孔１５は、スロート１９の最も狭い部分の周囲に等間隔に配置される。

【0096】

図５は、シリンダ１を備える大型内燃機関１００の第２の実例の概略図を示す。

【0097】

内燃機関１００は、シリンダ１の排気出口２４と空気取入口２５との間に配置されたＥＧＲ経路２３を有する排気ガス再循環のためのシステムを備える。

【0098】

内燃機関１００は、タービン２７と圧縮機２８とを有するターボチャージャ２６を備える。

【0099】

排気ガス再循環のためのシステムは、低圧のシステムであり、再循環排気ガスは、ターボチャージャ２６の圧縮機２８を経由してシリンダ１の空気取入口２５に導入可能であり、排気ガスは新鮮な空気２９と混合され、再循環排気ガスの少なくとも一部は、ターボチャージャ２６のタービン２７を通って導入可能である。

【0100】

排気ガスの別の一部は、ターボチャージャ２６をバイパスすることができ、排気ウェイスト・ゲート・バルブ３１が開くときにタービン・バイパス３０を通って導かれる。

【0101】

再循環排気ガスの量は、ＥＧＲ経路２３と排気ガスの通風筒３３との間に配置された背圧弁３２を調節することによって制御することができる。

【0102】

排気ガスは、排気ガス・レシーバ３４内で収集される。ＥＧＲ経路２３は、排気ガス冷却器３５を備える。再循環排気ガス及び新鮮な空気は、掃気レシーバ３６に導かれる。

【0103】

排気ガスを燃料導入ノズル１０に導く不活性ガス供給導管２２は、タービン２７の下流で、且つ排気ガス冷却器３５の上流でＥＧＲ経路２３から分岐する。弁３９を調節することにより、ＥＧＲ経路２３から分岐した排気ガスの量は、制御することができる。

【0104】

不活性ガス供給導管２２は、燃料導入ノズル１０に導かれた排気ガスを加圧するための圧縮機３８を備える。

【0105】

燃料流体導管２１は、容器３７から燃料導入ノズル１０に燃料液を導く。

【0106】

制御ユニット４１は、不活性ガス供給導管２２内で弁３９を調節すること、及び燃料流体導管２１内で弁４０を調節することにより、燃料導入ノズル１０に導かれた燃料及び／又は不活性ガスの量と、その導入タイミングとを制御する。

【0107】

図６は、低圧排気ガス再循環を伴う第２の実例と同様の大型内燃機関１００の第３の実例の概略図を示す。

【0108】

この実例では、排気ガスを燃料導入ノズル１０に導くための不活性ガス供給導管２２は、タービン２７の上流でＥＧＲ経路２３から分岐する。

【0109】

この場合、ターボチャージャ２６の上流の排気ガスの圧力が３．５バールで、その圧力は、燃料導入ノズル１０内の燃料流体と同じ圧力に到達するために１０～１３バールに昇圧することができるので、不活性ガス供給導管２２には、なおも圧縮機３８が必要であり得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】