(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-17
(45)【発行日】2022-10-25
(54)【発明の名称】ディーゼルエンジン
(51)【国際特許分類】
F02D 19/08 20060101AFI20221018BHJP
F02B 37/18 20060101ALI20221018BHJP
F02B 43/04 20060101ALI20221018BHJP
F02D 41/04 20060101ALI20221018BHJP
F02M 25/00 20060101ALI20221018BHJP
F02M 67/14 20060101ALI20221018BHJP
【ＦＩ】
F02D19/08 C
F02B37/18 Z
F02B43/04
F02D41/04
F02M25/00 F
F02M25/00 R
F02M25/00 S
F02M67/14
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022504561
(86)(22)【出願日】2022-01-20
(86)【国際出願番号】 JP2022001944
【審査請求日】2022-01-24
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000004123
【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002963
【氏名又は名称】弁理士法人ＭＴＳ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】清水 明
(72)【発明者】
【氏名】桑原 隆晃
【審査官】戸田 耕太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１４８１９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／１３６１５１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００２－００４９１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０２７８６１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｄ １９／０８
Ｆ０２Ｂ ３７／１８
Ｆ０２Ｂ ４３／０４
Ｆ０２Ｄ ４１／０４
Ｆ０２Ｍ ２５／００
Ｆ０２Ｍ ６７／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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に投入される燃料油とガス状のアンモニアと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、アンモニアを含む燃料全体に対するアンモニアの熱量比率である アンモニア混合比率を互いに異なる複数の値に設定可能な設定手段と、
給気圧力を、 前記設定手段で設定される前記アンモニア混合比率の値に対応付けられた前記投入手段で投入される燃料油及びアンモニアの総和における空気過剰率値と、所定の負荷率とに基づいて決定される給気圧力値となるように制御する制御手段を有し、
前記設定手段で設定される前記アンモニア混合比率の値は、１５％以上８５％以下の間で設定されるものであって、
前記制御手段は、
前記設定手段で設定される前記複数の値の内、第１の値として前記アンモニア混合比率の値が１５％以上２５％以下の値に設定された場合には、前記給気圧力を、前記空気過剰率値を燃料油のみによる運転時の空気過剰率値に対して１．０から１．５低くする値として対応付けられた第１の空気過剰率値と前記所定の負荷率とに基づいて決定される前記給気圧力値となるように制御し、
前記設定手段で設定される前記複数の値の内、前記第１の値とは異なる第２の値として前記アンモニア混合比率の値が６５％以上の値に設定された場合には、前記給気圧力を、前記空気過剰率値を１．０以下の値として対応付けられた第２の空気過剰率値と前記所定の負荷率とに基づいて決定される前記給気圧力値となるように制御 することを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項2】
前記制御手段は、
前記設定手段で設定される前記アンモニア混合比率の値が、前記第１の値から前記第２の値として前記第１の値よりアンモニア混合比率が高い値に変更された場合、前記給気圧力を、前記第１の前記空気過剰率値から、前記第１の前記空気過剰率値よりも小さい値として対応付けられた第２の前記空気過剰率値と前記所定の負荷率とに基づいて決定される前記給気圧力値となるように制御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。
【請求項3】
前記給気圧力の制御は、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１又は２に記載のディーゼルエンジン。
【請求項4】
前記アンモニアの投入は、燃焼室入側の給気ポートに対してアンモニアを噴射することにより行う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。
【請求項5】
前記アンモニアの投入は、燃焼室内にアンモニアを直接噴射することにより行う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。
【請求項6】
前記設定手段により設定されたアンモニア混合比率の値に基づき、燃料油の流量及びアンモニアの流量をそれぞれ制御する流量制御手段と、前記流量制御手段で調整された燃料油の流量及びアンモニアの流量をそれぞれ演算又は検出する流量演算手段と、
前記流量演算手段の演算結果からアンモニアの混合比率を演算する混合比率演算手段と、
前記設定手段で設定されたアンモニア混合比率の値もしくは前記混合比率演算手段で演算して得られた前記アンモニア混合比率の値のいずれかに対応する空気過剰率値を出力する空気過剰率出力手段と、
負荷率を検出する負荷率検出手段と、
空気過剰率毎に、前記負荷検出手段で検出される負荷率と前記負荷率に対応する給気圧力の値を対応付けたテーブルを複数有するテーブル記憶手段と、
前記空気過剰率出力手段から出力される空気過剰率値に基づき前記テーブル記憶手段の中から選択されるテーブルを用いて、前記負荷率検出手段で検出された負荷率に対応する給気圧力の値を決定する給気圧力決定手段と、
前記給気圧力決定手段で決定した給気圧力の値になるように空気量を制御する手段と、
を備え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。
【請求項7】
前記テーブル記憶手段に記憶されるテーブルは、空気過剰率値毎に任意の負荷率に対して対応する給気圧力の値を決定可能な曲線データに対応する値を記憶したものであることを特徴とする請求項６に記載のディーゼルエンジン。
【請求項8】
前記テーブル記憶手段に記憶されるテーブルは、空気過剰率値毎に所定の負荷率に対して対応する給気圧力の値を決定可能なルックアップテーブルであることを特徴とする請求項６に記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
これを解決するために、アンモニアの一部を触媒など用いて改質、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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
更に、特許文献３には、燃焼室内空間で中心部より壁面側のアンモニア濃度が高くなるように調整することで水素等を混焼させることなく好適にＣＯ2を削減可能なディーゼルエンジンが記載されており、アンモニアの投入量を所定比率に調整すること、具体的には、熱量比で燃料油の供給量の１５％以上２５％以下とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特許第５３１５４９３号公報
【文献】特許第５３１０９４５号公報
【文献】特許第６７０２４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
近年、脱炭素がますます叫ばれており、よりアンモニア比率の高い燃料、例えばアンモニアを含む燃料全体に対するアンモニアの熱量比率が５０％以上、更には８０％もの燃料の混合比率を使ったディーゼルエンジンが期待される。
【0009】
しかし、これには課題がある。例えば特許文献３記載の発明で上記のようにアンモニアの熱量比率（ここではアンモニア混合比率という）を高めていくと、未燃アンモニア排出が増加するという問題があり、また、アンモニア混合比率を高めていくと排ガスＮＯx値と未燃アンモニア排出とはトレードオフの関係で変化するため、両者を低く抑えるためには何等かの条件調整が必要となる可能性があることが分かってきた。
【0010】
そして、このような条件設定は、アンモニア混合比率を可変に設定可能なディーゼルエンジンの場合、さらに困難を極める。
【0011】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、アンモニア混合比率を広い範囲で調整可能としつつ、排ガスＮＯx値と未燃アンモニアの両方を低く抑え、ＣＯ2を削減することができるディーゼルエンジンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するため本発明の第１の形態は、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に投入される燃料油とガス状のアンモニアと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、アンモニアを含む燃料全体に対するアンモニアの熱量比率であるアンモニア混合比率を互いに異なる複数の値に設定可能な設定手段と、給気圧力を、前記設定手段で設定される前記アンモニア混合比率の値に対応付けられた前記投入手段で投入される燃料油及びアンモニアの総和における空気過剰率値と、所定の負荷率とに基づいて決定される給気圧力値となるように制御する制御手段を有し、前記設定手段で設定される前記アンモニア混合比率の値は、１５％以上８５％以下の間で設定されるものであって、前記制御手段は、前記設定手段で設定される前記複数の値の内、第１の値として前記アンモニア混合比率の値が１５％以上２５％以下の値に設定された場合には、前記給気圧力を、前記空気過剰率値を燃料油のみによる運転時の空気過剰率値に対して１．０から１．５低くする値として対応付けられた第１の空気過剰率値と前記所定の負荷率とに基づいて決定される前記給気圧力値となるように制御し、前記設定手段で設定される前記複数の値の内、前記第１の値とは異なる第２の値として前記アンモニア混合比率の値が６５％以上の値に設定された場合には、前記給気圧力を、前記空気過剰率値を１．０以下の値として対応付けられた第２の空気過剰率値と前記所定の負荷率とに基づいて決定される前記給気圧力値となるように制御することを特徴とするものである。
【0013】
これにより、アンモニア混合比率の広い範囲で排ガスＮＯx値を抑えつつ、未燃アンモニアを減少させてＣＯ2を削減することができる。
【0015】
好ましくは第２の形態として、前記第１の形態において、前記制御手段は、前記設定手段で設定される前記アンモニア混合比率の値が、前記第１の値から前記第２の値として前記第１の値よりアンモニア混合比率が高い値に変更された場合、前記給気圧力を、前記第１の前記空気過剰率値から、前記第１の前記空気過剰率値よりも小さい値として対応付けられた第２の前記空気過剰率値と前記所定の負荷率とに基づいて決定される前記給気圧力値となるように制御するようにしても良い。
【0018】
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、前記給気圧力の制御は、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。
【0019】
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、前記アンモニアの投入は、燃焼室入側の給気ポートに対してアンモニアを噴射することにより行うようにしても良い。
【0020】
また好ましくは第５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、前記アンモニアの投入は、燃焼室内にアンモニアを直接噴射することにより行うようにしても良い。
【0021】
また、本発明の第６の形態によれば、前記第１乃至第５の形態のいずれかにおいて、前記設定手段により設定されたアンモニア混合比率の値に基づき、燃料油の流量及びアンモニアの流量をそれぞれ制御する流量制御手段と、前記流量制御手段で調整された燃料油の流量及びアンモニアの流量をそれぞれ演算又は検出する流量演算手段と、前記流量演算手段の演算結果からアンモニアの混合比率を演算する混合比率演算手段と、前記設定手段で設定されたアンモニア混合比率の値もしくは前記混合比率演算手段で演算して得られた前記アンモニア混合比率の値のいずれかに対応する空気過剰率値を出力する空気過剰率出力手段と、負荷率を検出する負荷率検出手段と、空気過剰率毎に、前記負荷検出手段で検出される負荷率と前記負荷率に対応する給気圧力の値を対応付けたテーブルを複数有するテーブル記憶手段と、前記空気過剰率出力手段から出力される空気過剰率値に基づき前記テーブル記憶手段の中から選択されるテーブルを用いて、前記負荷率検出手段で検出された負荷率に対応する給気圧力の値を決定する給気圧力決定手段と、前記給気圧力決定手段で決定した給気圧力の値になるように空気量を制御する手段と、を備えるものである。
【0022】
また好ましくは第７の形態として、前記第６の形態において、前記テーブル記憶手段に記憶されるテーブルは、空気過剰率値毎に任意の負荷率に対して対応する給気圧力の値を決定可能な曲線データに対応する値を記憶したものであるようにしても良い。
【0023】
また好ましくは第８の形態として、前記第６の形態において、前記テーブル記憶手段に記憶されるテーブルは、空気過剰率値毎に所定の負荷率に対して対応する給気圧力の値を決定可能なルックアップテーブルであるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】アンモニア混合比率が２０％の時と８０％の時の混合気の状態を比較して示す図
【図2】発明者の実験の結果得られたデータの例を示す図
【図4】アンモニア混合比率が２０％の時と８０％の時の空気過剰率の違いにおける混合気の状態を示す図
【図5】本発明の第１実施形態の全体構成を示す断面図
【図6】同じくエンジン燃焼室周辺を拡大して示す断面図
【図7A】同じく給気ポートにアンモニアガスを噴射するためのスペーサ周辺の構成を示す拡大斜視図
【図7B】同じくスペーサ形状を示す拡大斜視図
【図7C】同じくガス弁の構成を示す拡大斜視図
【図8】同じくアンモニア噴射タイミングの例を示す図
【図9】同じく制御手順を示す流れ図
【図10】同じく空気過剰率と負荷率から給気圧力を決める方法の説明図
【図11】本発明の第２実施形態における旋回流の発生例を示す拡大斜視図
【図12】本発明の第３実施形態の全体構成を示す断面図
【図13】本発明の第４実施形態のエンジン燃焼室周辺を示す断面図
【図14A】同じくアンモニア供給系統を斜め上から見た斜視図
【図14B】同じくアンモニア供給系統を斜め下から見た斜視図
【図15】同じくアンモニア噴射穴の配置例を示す平面図
【発明を実施するための形態】
【0025】
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。
【0026】
アンモニアを含む燃料ディーゼルエンジンにおいて、未燃アンモニアの排出を極力抑えるためには、アンモニアと空気の混合気を、アンモニアを点火源である油燃焼の行われる高温部になるべく集中させる必要がある。この点、特許文献３記載の発明では、高温部となる燃焼室壁面付近にアンモニアが集中するようにしている。
【0027】
しかしながら、このような方法では、アンモニア混合比率をさらに高めていった場合に未燃アンモニアの排出を抑制することは難しい。なぜなら図１に示すようにアンモニア混合比率が高まっていくと、アンモニア分布が変化してくるからである。図１左側はアンモニア混合比率２０％の場合のアンモニア分布を示しているが、この場合、高温部が壁面付近に集中し、その壁面付近に＋７０％の層状にアンモニアを集中させることが可能であり、これにより未燃アンモニアの排出を抑制できる。
【0028】
ところが図１右側のようにアンモニア混合比率をさらに高い混合比率、ここではアンモニア混合比率８０％の場合を示しているが、その場合、比率増加によりアンモニアの層状度が減少して均一混合気に近くなっている。
【0029】
このことはアンモニアを高温部である壁面に集中させる割合が減少することを意味しており、その結果、未燃アンモニアが多く残る結果となる。
【0030】
つまり、アンモニア混合比率を増加させることで層状度が減少したアンモニアを含む燃料を用いる場合には、点火源となる燃料油を正常に燃焼させつつ、燃焼室の壁面部だけではなく燃焼室全体を高温化、つまりアンモニアと空気の混合気を熱分解促進に有効な温度レベル（約１５００℃～約２０００℃）に置くために適正な空気過剰率に調整する必要がある。
【0031】
本発明では、そのような燃料のアンモニア混合比率に適合した空気過剰率を実施例から検証した。以下にその実施例、比較例を説明する。
【0032】
なお、実施例、比較例共、対象となるディーゼルエンジンは、アンモニアを図６のように給気ポートに噴射する形式か、図１３のようにアンモニアをエンジン燃焼室内に直接噴射する形式のいずれかであり、それぞれ以下の装置条件でアンモニア混合比率を変化させた場合の投入したアンモニアに対する未燃アンモニアの割合をシュミレーションし、図２のように評価した。
【0033】
数値解析の装置条件としてはシリンダ径４００ｍｍ、ストローク５００ｍｍ、行程容積６２．８Ｌ、圧縮比１４．５、回転数６００ｒｐｍ、４ストロークエンジンの給排気系、燃焼室をモデル化し解析を実施した。
【0034】
又、シュミレーションではアンモニア混合比率、空気過剰率、アンモニア投入時期、期間、投入位置、油燃料噴射量、噴射時期、噴射圧力、アンモニアと空気予混合気の層状度、等のパラメータを変更し実施し、出力として、図示効率、未燃ＮＨ3、ＮＯｘ、ＣＯ，ＴＨＣ、ＰＭ、Ｐｍａｘ（燃焼最高圧力）、等を算出した。
【0035】
なお算出される値の評価基準は、ＮＯｘはＩＭＯ海洋ＮＯｘ規制 ＴｉｅｒIIレベルに基づき、濃度９００ｐｐｍ以下を、未燃アンモニア比率については、内閣府国家プロジェクトである戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）の課題名「エネルギーキャリア」、研究開発テーマ「アンモニア直接燃焼」における目標値である５％以下を◎（優）とし、それに準ずるレベルであるＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍ以下、未燃アンモニア比率７％以下を〇（良）、これにも満たないものは×（不可）とした。
【0036】
なおＣＯ2については、アンモニアは燃料として用いる場合、炭素（Ｃ）を含まないカーボンフリーであるため、重油との混合比率に相当するＣＯ2削減効果が得られるので、ここでの評価値算出は割愛した。つまりアンモニアを熱量比８０％で重油と混焼させた場合、８０％のＣＯ2削減となり、アンモニア混合比率を高めれば高めるほどＣＯ2削減効果が増大するためである。
【0037】
＜参考例、実施例１～１５＞
（参考例）上記装置条件の下、燃料として重油１００％、すなわちアンモニアを混合させない燃料とし、燃料油の噴射時期を上死点ＴＤＣに対して－９．５、空気過剰率を３．２となるように給気圧力を設定し、その時のＮＯｘ濃度、未燃アンモニア比率を算出した。その結果は図２の表のとおりであった。
（参考例）上記装置条件の下、燃料として重油１００％、すなわちアンモニアを混合させない燃料とし、燃料油の噴射時期を上死点ＴＤＣに対して－９．５、空気過剰率を３．２となるように給気圧力を設定し、その時のＮＯｘ濃度、未燃アンモニア比率を算出した。その結果は図２の表のとおりであった。
【0038】
（実施例１～３）上記参考例と同一の装置条件の下、燃料として重油８０％、アンモニア２０％とし、アンモニア熱量混合比率２０％に調製した燃料を実施例１、３では図６に示す給気ポートに噴射する形式で投入、実施例２では図１３に示す燃焼室に直接噴射する形式で投入した。各実施例の燃料油の噴射時期を上死点ＴＤＣに対して、実施例１：－１９．５、実施例２：－１９．０、実施例３：－１８．０でそれぞれ噴射し、空気過剰率を２．０となるように給気圧力を設定し、参考例と同様の方法でＮＯｘ濃度、未燃アンモニア比率を算出した。その結果は図２の実施例１～３の通りであった。
【0039】
（実施例４～６）上記参考例と同一の装置条件の下、燃料として重油５０％、アンモニア５０％とし、アンモニア熱量混合比率５０％に調製した燃料を実施例４～６いずれも図６に示す給気ポートに噴射する形式で投入した。各実施例の燃料油の噴射時期を上死点ＴＤＣに対して、実施例４：－２１．５、実施例５：－１９．０、実施例６：－１７．５でそれぞれ噴射し、空気過剰率を実施例１～３より下げた１．６となるように給気圧力を設定し、参考例と同様の方法でＮＯｘ濃度、未燃アンモニア比率を算出した。その結果は図２の実施例４～６の通りであった。
【0040】
（実施例７～９）上記参考例と同一の装置条件の下、燃料として重油４０％、アンモニア６０％とし、アンモニア熱量混合比率６０％に調製した燃料を上述した実施例４～６と同様、いずれも図６に示す給気ポートに噴射する形式で投入した。各実施例の燃料油の噴射時期を上死点ＴＤＣに対して、実施例７：－１９．０、実施例８：－１６．０、実施例９：－１３．０でそれぞれ噴射し、空気過剰率を実施例４～６より下げて実施例７：１．１、実施例８：１．２、実施例９：１．３となるように給気圧力を設定し、参考例と同様の方法でＮＯｘ濃度、未燃アンモニア比率を算出した。その結果は図２の実施例７～９の通りであった。
【0041】
（実施例１０～１２）上記参考例と同一の装置条件の下、燃料として重油３０％、アンモニア７０％とし、アンモニア熱量混合比率７０％に調製した燃料を上述した実施例４～６と同様、いずれも図６に示す給気ポートに噴射する形式で投入した。各実施例の燃料油の噴射時期を上死点ＴＤＣに対して、実施例１０：－１６．５、実施例１１：－１６．０、実施例１２：－１５．０でそれぞれ噴射し、空気過剰率を実施例７～９より更に下げて実施例１０：１．０、実施例１１：０．９、実施例１２：１．０となるように給気圧力を設定し同様の方法でＮＯｘ濃度、未燃アンモニア比率を算出した。その結果は図２の実施例１０～１２の通りであった。
【0042】
（実施例１３～１５）上記参考例と同一の装置条件の下、燃料として重油２０％、アンモニア８０％とし、アンモニア熱量混合比率８０％に調製した燃料を上述した実施例４～６と同様、いずれも図６に示す給気ポートに噴射する形式で投入した。各実施例の燃料油の噴射時期を上死点ＴＤＣに対して、実施例１３：－１７．０、実施例１４：－１６．０、実施例１５：－１５．０でそれぞれ噴射し、空気過剰率を実施例１０～１２より更に下げて実施例１３～１５は全て０．８となるように給気圧力を設定し同様の方法でＮＯｘ濃度、未燃アンモニア比率を算出した。その結果は図２の実施例１０～１２の通りであった。
【0043】
ちなみに、上記実施例１～６のようにアンモニアを含む燃料として、アンモニアの熱量混合比率を２０％、５０％に変更した場合でも、空気過剰率を２．０で固定とした場合、アンモニア混合比率２０％では未燃ＮＨ3が０．７％、ＮＯｘが８９０ｐｐｍとなるのに対し、アンモニア混合比率５０％では、未燃ＮＨ3が２３％と上記評価基準を大きく下回る形となり、これではたとえＮＯｘは３５０ｐｐｍ程度まで低減できたとしてもエンジンを運転することはできない。
【0044】
発明者がシュミレーションした実施例１～１５により得られた図２に基づきＮＯx値を９００ｐｐｍ以下とするための、アンモニアと燃料油の混合比率に対する空気過剰率λの最適条件を図３に示す。図３の縦軸に空気過剰率λ、横軸にアンモニア熱量比混合比率を示す。
【0045】
これによれば、アンモニアの燃焼は、図３に示すように、アンモニア混合比率５０％程度までは燃料油が正常に燃焼する範疇で、燃焼場を高温にすべく空気過剰率は徐々に下げることが望ましい。
【0046】
但し、アンモニア混合比率が５０％を超える範囲より、９５％以上の燃焼率を得るためには、アンモニアと空気の混合気を１５００℃～２０００℃レベルの高温環境に置いて、アンモニアの熱分解反応を優先させることが必要となり、アンモニア混合比率が６５％以上では図４に示すように、空気過剰率を例えば１．０以下の過濃側とし、燃料油の点火及びその後の燃料油、アンモニアの燃焼による燃焼室温度を高温とする必要があることが分かった。
【0047】
これは、すべてのアンモニアが完全燃焼である次式
４ＮＨ3＋３Ｏ2＝２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
を辿らず、素反応式上、中間生成物で留まるものでも、発熱反応によりエネルギは取り出せるためと考えられアンモニアが前式のように完全にすべて反応しなくても、熱分解反応で分解してアンモニアとして留まらず未燃アンモニアとならないことが推定される。つまり、アンモニアと燃料油との混合比率を可変とし、その比率に最適な空気過剰率になるよう制御を行うが、アンモニア混合比率を高めるほど空気過剰率を下げ、特にアンモニア混合比率が６５％以上のものにおいては、通常は燃料油を完全燃焼させるのに必要な空気過剰率１．０より下げる、即ちアンモニアの熱分解反応の促進を優先させるために空気過剰率を１．０以下とすることが未燃アンモニアを抑制するためには必要な条件となる。
４ＮＨ3＋３Ｏ2＝２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
を辿らず、素反応式上、中間生成物で留まるものでも、発熱反応によりエネルギは取り出せるためと考えられアンモニアが前式のように完全にすべて反応しなくても、熱分解反応で分解してアンモニアとして留まらず未燃アンモニアとならないことが推定される。つまり、アンモニアと燃料油との混合比率を可変とし、その比率に最適な空気過剰率になるよう制御を行うが、アンモニア混合比率を高めるほど空気過剰率を下げ、特にアンモニア混合比率が６５％以上のものにおいては、通常は燃料油を完全燃焼させるのに必要な空気過剰率１．０より下げる、即ちアンモニアの熱分解反応の促進を優先させるために空気過剰率を１．０以下とすることが未燃アンモニアを抑制するためには必要な条件となる。
【0048】
なお、これは、燃焼室形状や流動条件により若干差が出ると考えられ、この曲線関係には例えばアンモニア混合比率に±５％程度の幅を持たせることが望ましいが、この曲線に沿った空気過剰率の制御を行うことが燃焼率９５％以上を得るために好ましい。
【0049】
制御の手法としては、従来の燃焼では排ガス中残存Ｏ2濃度の監視で、空気過剰率の制御を行うことが可能であったが、本発明の燃焼方法ではアンモニアは熱分解の中間生成物で留まらせるので、理論的な排ガス中残存Ｏ2濃度にはならない。例えば空気過剰率０．８での燃焼においても、残存Ｏ2は存在する。
【0050】
これより、必要な空気量を給気圧力値として割り出し、例えば過給機の排気バイパス量の制御により必要な給気圧力に調整することができる。
【0051】
本発明が対象とするディーゼルエンジンは、図５に示す如く、シリンダ１０と、該シリンダ１０内を上下動するピストン１２と、前記シリンダ１０の上部に装着されるシリンダヘッド１４と、該シリンダヘッド１４に装着され、ピストン１２上部のエンジン燃焼室１０Ａ内に給気を供給するための給気弁１６と、エンジン燃焼室１０Ａから燃焼後の排ガスを排出するための排気弁１８と、前記シリンダヘッド１４に給気を供給するための給気管２０と、前記シリンダヘッド１４から排ガスを排出するための排気管２２と、エンジン燃焼室１０Ａ内に燃料油を噴射するための燃料噴射弁２４と、該燃料噴射弁２４に燃料油を供給するための燃料油ライン３０を構成する、燃料油タンク３２、燃料供給ポンプ３４及び電磁弁３６と、該電磁弁３６を開閉するための燃料油噴射制御装置３８と、前記給気管２０に給気を供給すると共に前記排気管２２からの排ガスが排出される給排気系６０を構成する、給気ライン６２、排ガスにより回転される排気タービン６４Ａにより、該給気ライン６２に供給される空気を圧縮するための給気タービン６４Ｂを備えた過給機６４及び前記排気管２２から過給機６４の排気タービン６４Ａに供給される排ガスをバイパスライン６７を介してバイパスする量を調整するための排気バイパス弁６８と、を主に備えている。
【0052】
前記ディーゼルエンジンには、更に、アンモニアを燃焼させるためのアンモニアライン８０が設けられている。このアンモニアライン８０には、アンモニアタンク８２と、アンモニアガス遮断弁８４と、アンモニアガス調圧弁８６と、前記給気管２０内の給気ポート２０Ａにアンモニアガスを噴射するためのアンモニアガス噴射弁（以下、単にガス弁とも称する）８８と、アンモニアガス弁制御装置９０が備えられている。
【0053】
そして、前記燃料油ライン３０の燃料油噴射制御装置３８、前記給排気系６０の排気バイパス弁６８、及び前記アンモニアライン８０のアンモニアガス弁制御装置９０は、統括制御装置１００によって制御されている。
【0054】
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９０、前記排気バイパス弁６８、前記統括制御装置１００により制御手段が構成される。
【0055】
前記ガス弁８８は、図５に示した本発明の第１実施形態では、図６に詳細に示す如く、機械式または電子制御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ガス噴射弁８８から給気管２０内の給気ポート２０Ａ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などの燃料油を点火源として混合燃焼させる。
【0056】
図７Ａに示す如く、前記給気管２０と前記シリンダヘッド１４の間にはガス弁８８を取り付けるためのスペーサ９２が設けられている。このスペーサ９２には、図７Ｂに示す如く、ガス弁取付穴９２Ａと、ガス弁８８から噴射されたアンモニアが直接給気ポート２０Ａ内に噴射されないようにするための干渉板９２Ｂが設けられている。従来のディーゼルエンジンでは給気ポート内に残留したアンモニアと空気の混合気が排気行程において燃焼室内の未燃ＮＨ3と合算され排出され得るが、本実施例では、ガス弁より給気ポートにＮＨ3を供給する機構に干渉板９２Ｂを設けているため、ＮＨ3を給気ポートに極力残留させないようにしている。これにより、未燃ＮＨ3は概ね燃焼行程において発生するものに限定される。
【0057】
前記ガス弁８８は、図７Ｃに示す如く、電磁弁８８Ａにより開閉されている。
【0058】
アンモニアは、アンモニアタンク８２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８６でガス圧が調整され、ガス弁８８で流量調整され、図８に例示する所定の給気タイミング内にて開弁期間調整されエンジンに供給される。
【0059】
本実施形態では、更に、前記燃料油ライン３０の途中に配設された油流量計１０２と、該油流量計１０２の出力に基いて燃料油流量を演算する油流量演算器１０４と、前記アンモニアライン８０の途中に配設されたアンモニア流量計１０６と、該アンモニア流量計１０６の出力に基いてアンモニア流量を演算するアンモニア流量演算器１０８と、前記油流量演算器１０４で演算された燃料油流量及び前記アンモニア流量演算器１０８で演算されたアンモニア流量からアンモニア混合比率を演算するアンモニア混合比率演算器１１０と、該アンモニア混合比率演算器１１０の出力に基いて必要な給気圧力を演算し、給気管２０の途中に配設された給気圧力センサ１２２で検出される給気圧力が目標値となるように前記排気バイパス弁６８を制御する給気圧力演算器１２０とを備えている。
【0060】
前記統括制御装置１００は、予め設定されたアンモニア混合比率の設定比率値とアンモニア混合比率演算器１１０による演算比率値を比較して、所定範囲外であれば燃料油噴射制御装置３８とアンモニアガス弁制御装置９０により燃料油流量及び／又はアンモニア流量をフィードバック制御して、実際の比率（実比率と称する）が設定比率の所定範囲内に収まるようにする。
【0061】
以下、図９を参照して制御手順を説明する。
【0062】
まずステップ１０００で統括制御装置１００にアンモニア混合比率の目標値（設定比率）を設定し、この設定比率に対応する燃料油流量、アンモニア流量をそれぞれ算出すると共に、エンジン負荷を検出し、ガス弁８８と燃料噴射弁２４の制御を行う。なお設定するアンモニア混合比率は変更可能に構成されている。
【0063】
次いでステップ１１００で、燃料流量、即ち燃料油とアンモニアの流量を検出する。ここで、燃料油の流量は油流量計１０２の出力から検出し、アンモニアの流量はアンモニア流量計１０６の出力から検出する。
【0064】
ステップ１１００で検出された燃料油とアンモニアの流量からステップ１２００でアンモニア混合比率を算定する。
【0065】
ステップ１２００で演算して得られたアンモニア混合比率値の実際の値（実比率）と、最初の設定で設定したアンモニア混合比率値（設定比率）とをステップ１２１０で比較し、所定範囲内であれば演算した実比率をステップ１３００で用いる。一方、所定範囲を超える差が生じているようであれば、ステップ１２２０で再度燃料油流量とアンモニア流量を所定範囲内に収めるようにフィードバック制御する。例えば検出した燃料油流量とアンモニア流量が設定したアンモニア７０％、燃料油３０％などのアンモニア混合比率となるような調整を行う。なお、ステップ１２１０で所定範囲内と判断された場合、燃料油流量とアンモニア流量の更なる調整は不要のため、最初に設定したアンモニア混合比率値（設定比率）を用いても良いが、実測演算値（実比率）の方がより正確と考えられるため、演算比率値（実比率）の方がより好ましい。
【0066】
次いでステップ１３００に進み、その時の負荷率に応じて、図１０のような関係を用いて、ステップ１２００で算定されるか、ステップ１０００で設定された、その時のアンモニア混合比率（実比率又は設定比率）に対応する空気過剰率λに必要な給気圧力を設定する。例えば負荷率がａの場合で空気過剰率λが１．０の場合、必要な給気圧力はｂとなる。なお、図中に矢印Ａで示す如く、負荷率上昇に伴い、同一空気過剰率λをとる場合、必要な給気圧力は上昇する。一方、空気量減、空気過剰率λ減に伴い、図中に矢印Ｂで示す如く、必要な給気圧力は下降する。制御に必要な図１０のようなデータは、予めテーブルとして給気圧力演算器１２０に記憶しておくことができる。なおここで記憶されるテーブルは、空気過剰率毎に任意の負荷率に対して対応する給気圧力を決定可能な曲線データを記憶するものであっても良いし、空気過剰率毎に所定の負荷率に対して対応する給気圧力を決定可能な数値をＬＵＴ(ルックアップテーブル)の形で記憶しておくものであっても良い。前者の場合、曲線データであるため、任意の負荷率に対して対応する空気過剰率を決定することができる点で好ましく、後者はある程度決められた離散的な負荷率に対して対応する空気過剰率を記憶手段の記憶容量を節約しながら決定できる点で好ましい。
【0067】
そして、ステップ１４００に進み、排気バイパス弁６８の開度を制御して、給気圧力センサ１２２で検出される給気圧力が設定値となるように調整する。
【0068】
最終的な設定出力、回転数維持のガバニングは、アンモニア混合比率の低い時には燃料油流量の調整にて、またアンモニア混合比率の高い時にはアンモニア流量の調整にて行い、どちらの燃料にて最終ガバニングするかは任意に設定することができる。
【0069】
なお、前記第１実施形態においては、給気管２０に直交する方向からアンモニアガスを噴射していたが、図１１に示す第２実施形態のように、給気ポート２０Ａへアンモニアガスを噴射する際に給気管２０と平行な方向からアンモニアガスを噴射して、エンジン燃焼室１０Ａ内に旋回流Ｃを発生強化させるようにして、給気ポート２０Ａ内へのアンモニア残留を削減することができる。
【0070】
また、前記第１実施形態では、燃料油とアンモニアの流量を油流量計１０２とアンモニア流量計１０６を用いて、それぞれ直接検出していたが、図１２に示す第３実施形態のように、油流量演算器１０４で燃料油噴射制御装置３８の出力の燃料噴射信号を積算して燃料油流量を計算したり、アンモニアライン８０に設けたアンモニアの圧力を検出するアンモニア圧力センサ１３０及びアンモニア温度センサ１３２と、アンモニアガス弁制御装置９０から入力されるガス弁８８の開度に応じてアンモニア流量演算器１０８でアンモニア流量を演算してもよい。
【0071】
この第３実施形態によれば、流量計を設けることなく燃料油流量とアンモニア流量を演算することができる。なお、いずれか一方のラインに第１実施形態と同様の流量計１０２又は１０６を設けて、一方の流量を直接検出するように構成することも可能である。
【0072】
また、前記実施形態においては、いずれもアンモニアガスが給気ポート２０Ａに供給されていたが、アンモニアガスをエンジン燃焼室１０Ａに供給する方法はこれに限定されず、特許文献３と同様の図１３に示す第４実施形態のように、アンモニアライン８０の出側に図１４Ａ、図１４Ｂに示すようなパイプ２００、逆止弁２０２、コネクタ２０４を設けて、エンジン燃焼室１０Ａの内側壁面側の複数個所（実施形態では図１５に示す２箇所）に形成したアンモニア噴射穴２０６から気化したアンモニアガスをエンジン燃焼室１０Ａ内に直接投入することもできる。
【0073】
本実施形態のガス弁８８は各シリンダ１０に装備され、該ガス弁８８により制御されるアンモニアは、図１４Ａ、図１４Ｂに示すパイプ２００で分配され、コネクタ２０４を通って複数の噴射穴２０６に送られる。該コネクタ２０４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２０２が設けられている。
【0074】
なお、前記実施形態においては、本発明が重油を燃料とする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。燃料油ライン、アンモニアライン、給排気系の構成も実施形態に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【0075】
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。
【符号の説明】
【0076】
１０…シリンダ
１０Ａ…エンジン燃焼室
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
２０Ａ…給気ポート
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
６０…給排気系
６２…給気ライン
６４…過給機
６４Ａ…排気タービン
６４Ｂ…給気タービン
６６…排気ライン
６８…排気バイパス弁
８０…アンモニアライン
８２…アンモニアタンク
８４…ガス遮断弁
８６…ガス調圧弁
８８…ガス弁（アンモニア噴射弁）
９０…アンモニアガス弁制御装置
１００…統括制御装置
１０２…油流量計
１０４…油流量演算器
１０６…アンモニア流量計
１０８…アンモニア流量演算器
１１０…アンモニア混合比率演算器
１２０…給気圧力演算器
１２２…給気圧力センサ
１３０…アンモニア圧力センサ
１３２…アンモニア温度センサ
１０Ａ…エンジン燃焼室
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
２０Ａ…給気ポート
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
６０…給排気系
６２…給気ライン
６４…過給機
６４Ａ…排気タービン
６４Ｂ…給気タービン
６６…排気ライン
６８…排気バイパス弁
８０…アンモニアライン
８２…アンモニアタンク
８４…ガス遮断弁
８６…ガス調圧弁
８８…ガス弁（アンモニア噴射弁）
９０…アンモニアガス弁制御装置
１００…統括制御装置
１０２…油流量計
１０４…油流量演算器
１０６…アンモニア流量計
１０８…アンモニア流量演算器
１１０…アンモニア混合比率演算器
１２０…給気圧力演算器
１２２…給気圧力センサ
１３０…アンモニア圧力センサ
１３２…アンモニア温度センサ
【要約】
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に投入される燃料油とガス状のアンモニアと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、複数の異なるアンモニア混合比率値を設定可能な設定手段と、前記設定手段で設定される前記アンモニア混合比率値に基づいて、前記投入手段で投入される燃料油及びアンモニアの総和における空気過剰率値を調整する制御手段を有する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】