特許 7540330 デュアルフューエルエンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-19

(45)【発行日】2024-08-27

(54)【発明の名称】デュアルフューエルエンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/08 20060101AFI20240820BHJP

   F02D 41/30 20060101ALI20240820BHJP

   F02M 37/00 20060101ALI20240820BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20240820BHJP

   F02M 25/00 20060101ALI20240820BHJP

   F02M 25/10 20060101ALI20240820BHJP

【ＦＩ】

F02D19/08

F02D41/30

F02M37/00 341D

F02M37/00 341Z

F02M21/02 G

F02M21/02 L

F02M21/02 N

F02M25/00 F

F02M25/00 Z

F02M25/10 B

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020215229

(22)【出願日】2020-12-24

(65)【公開番号】P2022100937

(43)【公開日】2022-07-06

【審査請求日】2023-11-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】増田 裕

【審査官】家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１１／１３６１５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２１４９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２８８２４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１００４６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－１４４６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２２１０８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ２１／０２

Ｆ０２Ｂ ４３／００

Ｆ０２Ｄ １３／００ － ４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンモニア、水素、天然ガスおよび液体燃料からなる群から選択され、かつ、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を含む、少なくとも２種類の燃料を使用するデュアルフューエルエンジンと、
アンモニアまたは水素の少なくとも一方を使用する運転中に、前記デュアルフューエルエンジンの燃焼が異常か否かを判定し、前記デュアルフューエルエンジンの燃焼が異常であると判定された場合に、アンモニア、水素、天然ガスまたは液体燃料の少なくとも１つを追加して、燃料の配合または燃料の配合割合を変えるように、前記デュアルフューエルエンジンを制御する、制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、アンモニアのみを主燃料として使用する運転中に、デュアルフューエルエンジンに失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、水素を追加するように、前記デュアルフューエルエンジンを制御し、
前記制御装置は、水素を追加した後に、前記デュアルフューエルエンジンに失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、液体燃料または天然ガスを追加するように、前記デュアルフューエルエンジンを制御する、デュアルフューエルエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、デュアルフューエルエンジンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の燃料を使用するデュアルフューエルエンジンが知られている。例えば、特許文献１は、重油等の液体燃料を使用するディーゼルモードと、天然ガス等の気体燃料を主に使用するガスモードと、上記の液体燃料および気体燃料の双方を使用するアシストモードと、を備えるデュアルフューエルエンジンを開示している。このエンジンは、通常は、ガスモードで運転する。運転中に、回転速度に対するエンジンの負荷が閾値を超えると、エンジンはアシストモードを開始する。その後、エンジンの負荷が閾値よりも下がると、エンジンはガスモードに復帰する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－３８９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、地球環境を保護するために、二酸化炭素の排出の削減が一般的に要求されている。アンモニアおよび水素は、二酸化炭素を排出しない燃料として知られている。したがって、これらの燃料は、デュアルフューエルエンジンでも使用されることが望ましい。しかしながら、これらの燃料を使用するエンジンでは、ノッキング、失火、または、アンモニアスリップ等の燃焼異常が問題となり得る。

【0005】

本開示は、上記のような課題を考慮して、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を使用するデュアルフューエルエンジンにおいて、燃焼異常を低減することができる、デュアルフューエルエンジンシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、アンモニア、水素、天然ガスおよび液体燃料からなる群から選択され、かつ、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を含む、少なくとも２種類の燃料を使用するデュアルフューエルエンジンと、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を使用する運転中に、デュアルフューエルエンジンの燃焼が異常か否かを判定し、デュアルフューエルエンジンの燃焼が異常であると判定された場合に、アンモニア、水素、天然ガスまたは液体燃料の少なくとも１つを追加して、燃料の配合または燃料の配合割合を変えるように、デュアルフューエルエンジンを制御する、制御装置と、を備え、制御装置は、アンモニアのみを主燃料として使用する運転中に、デュアルフューエルエンジンに失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、水素を追加するように、デュアルフューエルエンジンを制御し、制御装置は、水素を追加した後に、デュアルフューエルエンジンに失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、液体燃料または天然ガスを追加するように、デュアルフューエルエンジンを制御する、デュアルフューエルエンジンシステムである。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を使用するデュアルフューエルエンジンにおいて、燃焼異常を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態に係るデュアルフューエルエンジンシステムの概略的な断面図である。

【図2】図２は、図１のデュアルフューエルエンジンシステムで使用される燃料のパターンを示す。

【図3】図３は、図１のデュアルフューエルエンジンシステムの動作の一例を示すフローチャートである。

【図4】図４は、図１のデュアルフューエルエンジンシステムの動作の他の例を示すフローチャートである。

【図5】図５は、図４に続く動作を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示される寸法、材料、および、具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能および構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0013】

図１は、実施形態に係るデュアルフューエルエンジンシステム１００の概略的な断面図である。本実施形態では、デュアルフューエルエンジンシステム（以下、本開示において単に「システム」とも称され得る）１００は、船舶に適用される。システム１００は、例えば、デュアルフューエルエンジン（以下、本開示において単に「エンジン」とも称され得る）１０と、第１タンクＴ１と、第２タンクＴ２と、第３タンクＴ３と、制御装置５０と、を備える。なお、図１において、エンジン１０と各タンクとを接続する実線は、燃料の流れを示し、制御装置５０と各構成要素とを接続する破線は、これらの間の通信を示す。本実施形態では、エンジン１０は、２ストロークエンジンである。他の実施形態では、エンジン１０は、４ストロークエンジンであってもよい。

【0014】

エンジン１０は、例えば、シリンダ１と、ピストン２と、ピストンロッド３と、シリンダカバー４と、排気弁箱５と、排気弁６と、駆動装置７と、掃気溜８と、シリンダジャケット９と、第１噴射口Ｒ１と、第２噴射口Ｒ２と、圧力センサＳ１と、ノックセンサＳ２と、アンモニアセンサＳ３と、を有する。

【0015】

シリンダ１内に、ピストン２が配置される。ピストン２は、シリンダ１内を往復移動する。ピストン２には、ピストンロッド３の第１端部（図１において上端部）が連結される。ピストンロッド３の第２端部（図１において下端部）には、不図示のクロスヘッドが連結される。クロスヘッドは、連接棒等を介してクランクシャフトに連結される（不図示）。ピストン２の往復移動が、クランクシャフトの回転運動に変換される。

【0016】

シリンダカバー４が、シリンダ１の第１端部（図１において上端部）を閉じる。シリンダカバー４には、排気弁箱５の一部が挿入され、ピストン２と対向する。燃焼室１１が、シリンダ１と、シリンダカバー４と、排気弁箱５と、ピストン２と、によって画定される。排気弁箱５は、排気ポート５ａを含む。排気ポート５ａは、燃焼室１１に開口する。

【0017】

シリンダカバー４に、第１噴射口Ｒ１および第２噴射口Ｒ２が設けられる。第１噴射口Ｒ１からは、気体燃料（アンモニア、水素、または、天然ガスの少なくとも１つ）が燃焼室１１内に噴射される。第２噴射口Ｒ２からは、液体燃料が燃焼室１１内に噴射される（燃料について詳しくは後述）。

【0018】

シリンダカバー４に、圧力センサＳ１が設けられる。圧力センサＳ１は、燃焼室１１内の圧力を測定する。圧力センサＳ１は、有線または無線で制御装置５０と通信可能に接続されており、測定された圧力データを制御装置５０に送信する。

【0019】

シリンダカバー４に、ノックセンサＳ２が設けられる。例えば、ノックセンサＳ２は、振動センサであり、シリンダカバー４の振動を測定する。ノックセンサＳ２は、ノッキングによって発生するシリンダカバー４の振動を検出することができる。ノックセンサＳ２は、有線または無線で制御装置５０と通信可能に接続されており、測定された振動データを制御装置５０に送信する。他の実施形態では、ノッキングは、圧力センサＳ１によって検出されてもよい。ノッキングが発生すると、燃焼室１１内の圧力が振動する。この振動を測定することによって、ノッキングを検出することができる。この場合、ノックセンサＳ２は、設けられなくてもよい。

【0020】

排気弁箱５には、排気弁６が設けられる。排気弁６は、排気ポート５ａを開閉するように燃焼室１１内に配置される。排気弁６は、駆動装置７に連結される。駆動装置７は、排気弁箱５に設けられる。駆動装置７は、排気弁６を、ピストン２の往復移動と平行な方向に移動させる。排気弁６がピストン２に向かって移動すると、排気ポート５ａが開かれる。排気弁６が排気弁箱５に向かって移動すると、排気ポート５ａが閉じられる。

【0021】

排気弁箱５には、排気管１２が接続される。排気ポート５ａは、燃焼室１１と排気管１２とを接続する。排気管１２には、アンモニアセンサＳ３が設けられる。アンモニアは毒性を有するため、アンモニアが外部に放出されることを防止すべく、アンモニアセンサＳ３が、排気管１２中の排気ガスにおけるアンモニアの濃度を測定する。燃焼室１１に未燃のアンモニアが残り、排気管１２に排気されると（アンモニアスリップ）、アンモニアセンサＳ３によってアンモニアが検出される。アンモニアセンサＳ３は、有線または無線で制御装置５０と通信可能に接続されており、測定されたアンモニアの濃度のデータを制御装置５０に送信する。

【0022】

シリンダ１の下端は、シリンダジャケット９で囲繞される。シリンダジャケット９の内部には、掃気室９ａが形成される。掃気室９ａは、掃気溜８に接続される。掃気溜８には、活性ガス（例えば、空気（例えば、外気））が導入される。掃気溜８内の活性ガスは、掃気室９ａに導入される。シリンダ１の下部には、複数の掃気ポート１ａが設けられる。掃気ポート１ａは、シリンダ１を内側から外側まで貫通する孔である。複数の掃気ポート１ａは、シリンダ１の周方向に離隔して形成される。

【0023】

上記のようなエンジン１０において、ピストン２が下死点（図１において掃気ポート１ａより下方の位置）に移動すると、掃気室９ａとシリンダ１との間の差圧によって、掃気ポート１ａからシリンダ１内に活性ガスが吸入される。続いて、ピストン２が下死点から上死点に向かって移動すると、活性ガスがピストン２によって圧縮される。圧縮された活性ガスに対して、第１噴射口Ｒ１および第２噴射口Ｒ２からそれぞれ気体燃料および液体燃料が噴射される。液体燃料は、高温高圧下で気化され着火される。液体燃料の着火によって、気体燃料も着火されて燃焼する。ピストン２は、燃焼による膨張圧によって下死点に向かって移動する。排気ポート５ａが開かれ、シリンダ１内の燃焼後の排気ガスが、排気ポート５ａを介して排気管１２に排気される。排気ガスは更に、不図示の浄化装置等のいくつかの構成要素を介して、外部に放出される。排気後、排気ポート５ａが閉じられる。

【0024】

制御装置５０は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）を含む。制御装置５０は、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、および、記憶装置（ハードディスク、プログラム等が格納されたＲＯＭ、および、ワークエリアとしてのＲＡＭ等）等の構成要素を含み、システム１００を制御する。制御装置５０は、他の構成要素を更に含んでもよい（例えば、液晶ディスプレイまたはタッチパネル等の表示装置、および、キーボード、ボタンまたはタッチパネル等の入力装置）。

【0025】

上記のように、制御装置５０は、圧力センサＳ１、ノックセンサＳ２およびアンモニアセンサＳ３と通信可能に接続されており、それぞれ、圧力データ、振動データおよびアンモニアの濃度のデータを受信する。制御装置５０は、これらのデータに基づいて、エンジン１０の運転中に、エンジン１０の燃焼が異常か否か（すなわち、失火（燃料が燃焼しない現象）、ノッキング、または、アンモニアスリップが発生したか否か）を判定し、判定結果に基づいて、エンジン１０で使用される燃料を制御する（詳しくは後述）。

【0026】

例えば、燃焼室１１において失火が発生する場合、燃焼室１１内の圧力が通常時の圧力よりも低下する。例えば、制御装置５０の記憶装置は、ピストン２の各位置における容積Ｖと、各容積Ｖに対する圧力と、の関係を示すＰＶ線図を記憶していてもよい。制御装置５０は、圧力センサＳ１からの圧力データおよびＰＶ線図に基づいて、燃焼室１１において失火が発生したか否かを判定してもよい。

【0027】

燃焼室１１においてノッキングが発生する場合、燃焼室１１を画定する構成要素が通常時の振動よりも大きく振動する。例えば、制御装置５０の記憶装置は、ノッキングが発生したか否かを判定するための閾値を記憶していてもよい。制御装置５０は、ノックセンサＳ２からの振動データおよび閾値に基づいて、燃焼室１１においてノッキングが発生したか否かを判定してもよい。

【0028】

排気管１２においてアンモニアスリップが発生する場合、排気管１２中を流れる排ガス中のアンモニアの濃度が通常時の濃度よりも増加する。例えば、制御装置５０の記憶装置は、アンモニアスリップが発生したか否かを判定するための閾値を記憶していてもよい。制御装置５０は、アンモニアセンサＳ３からの濃度のデータおよび閾値に基づいて、排気管１２においてアンモニアスリップが発生したか否かを判定してもよい。

【0029】

上記のようなノッキング、失火およびアンモニアスリップは、例えば、エンジン１０の出力が増加若しくは低下するとき、または、外気温が変化するときに発生し得る。制御装置５０は、これら失火、ノッキング、または、アンモニアスリップが発生した場合に、エンジン１０で使用される燃料を制御する。

【0030】

続いて、エンジン１０において使用される燃料について詳細に説明する。

【0031】

本実施形態では、エンジン１０は、アンモニア、水素、天然ガスおよび液体燃料を使用する。

【0032】

具体的には、第１タンクＴ１は、アンモニアを貯留する。第１タンクＴ１は、配管Ｌ１によって第１噴射口Ｒ１に接続される。例えば、エンジン１０は、配管Ｌ１上に、バルブＶ１および増圧器Ｐ１を有する。また、例えば、エンジン１０は、バルブ（例えば、三方弁）Ｖ１１および触媒Ｃを有する。例えば、触媒Ｃは、バルブＶ１１を介して配管Ｌ１に並列に接続される。触媒Ｃは、不図示の加熱手段（例えば、ヒータ等）によって加熱される。触媒Ｃは、例えばルテニウム、アルミナなどである。アンモニアを高温化で触媒Ｃを通すことによって、アンモニアから水素を製造することができる。一般的に、液体の水素は、常圧下において超低温（２０Ｋ程度）で輸送される必要がある一方で、液体のアンモニアは、０．９ＭＰａ程度の圧力下において常温（２９３Ｋ程度）で輸送可能である。本実施形態では、システム１００は、上記のように、アンモニアを水素のキャリアとして使用する。したがって、システム１００では、高額な冷却設備無しに、船舶上において水素を容易に入手することができる。バルブＶ１、増圧器Ｐ１およびバルブＶ１１は、有線または無線で制御装置５０と通信可能に接続されており、制御装置５０によって制御される。

【0033】

第２タンクＴ２は、天然ガス（例えば、ＬＮＧ）を貯留する。第２タンクＴ２は、配管Ｌ２によって第１噴射口Ｒ１に接続される。例えば、エンジン１０は、配管Ｌ２上に、バルブＶ２および増圧器Ｐ２を有する。バルブＶ２および増圧器Ｐ２は、有線または無線で制御装置５０と通信可能に接続されており、制御装置５０によって制御される。

【0034】

以上のような構成によれば、第１噴射口Ｒ１からは、アンモニア、水素または天然ガスの少なくとも１つが、制御装置５０によって制御された量で噴射される。

【0035】

第３タンクＴ３は、液体燃料（例えば、重油、軽油またはバイオ燃料等）を貯留する。第３タンクＴ３は、配管Ｌ３によって第２噴射口Ｒ２に接続される。例えば、エンジン１０は、配管Ｌ３上に、バルブＶ３およびポンプＰ３を有する。バルブＶ３およびポンプＰ３は、有線または無線で制御装置５０と通信可能に接続されており、制御装置５０によって制御される。

【0036】

以上のような構成によれば、第２噴射口Ｒ２からは、液体燃料が、制御装置５０によって制御された量で噴射される。

【0037】

図２は、図１のデュアルフューエルエンジンシステムで使用される燃料のパターンＰＴ１～ＰＴ１０を示す。エンジン１０は、上記の燃料のうち、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を主燃料として使用する（図２のパターンＰＴ１を除く）。制御装置５０は、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を使用する運転中に、エンジン１０の燃焼が異常と判定された場合に、アンモニア、水素、天然ガスまたは液体燃料の少なくとも１つを追加して、燃料の配合（または、配合の割合）を変えるように、エンジン１０を制御する。なお、本開示において、「燃料の配合を変える」とは、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を主燃料として使用する場合に、主燃料として使用されていない燃料を追加することを意味し得る。また、本開示において、「燃料の配合の割合を変える」とは、アンモニアおよび水素の混合ガスを主燃料として使用する場合に、燃料の組み合わせを維持しつつ、アンモニアまたは水素のいずれかの割合を増加させることを意味し得る。なお、本実施形態では、パターンＰＴ１～ＰＴ１０の全てにおいて、着火用に所定の少量の液体燃料が使用される。

【0038】

[パターンＰＴ１：液体燃料]
パターンＰＴ１では、液体燃料のみが使用される。船舶は、エンジンの始動時および停止時に、液体燃料が使用されなければならないことを定める法律を有する。したがって、パターンＰＴ１は、例えば、エンジン１０の始動時および停止時に使用される。また、例えば、エンジン１０が他のパターンＰＴ２～ＰＴ１０で運転中に良好に動作しないときに、燃料は、パターンＰＴ１に切り替えられてもよい。

【0039】

[パターンＰＴ２：アンモニア]
パターンＰＴ２では、アンモニアが主に使用される。例えば、パターンＰＴ２は、エンジン１０が安定し、エンジン１０の出力が変化しないときに使用される。

【0040】

[パターンＰＴ３～ＰＴ７：アンモニア＋水素、天然ガスまたは液体燃料の少なくとも１つ]
パターンＰＴ３～ＰＴ７では、アンモニアに加えて、水素、天然ガスまたは液体燃料の少なくとも１つが使用される。一般的に、アンモニアは燃焼しにくいため、失火に繋がり得る。燃焼室１１において失火が発生すると、未燃のアンモニアが排気管１２に排出される（アンモニアスリップ）。したがって、例えば、上記のパターンＰＴ２によるエンジン１０の運転中に、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合、アンモニアよりも燃えやすい燃料を追加すべく、燃料は、以下のパターンＰＴ３～ＰＴ７のいずれかに切り替えられてもよい。

【0041】

パターンＰＴ３では、アンモニアに加えて、液体燃料が使用される。すなわち、パターンＰＴ３では、着火用の所定の少量の液体燃料に加えて、更なる液体燃料が追加される。液体燃料によって、燃焼が安定する。

【0042】

パターンＰＴ４では、アンモニアに加えて、天然ガスが使用される。天然ガスによって、燃焼が安定する。

【0043】

パターンＰＴ５では、アンモニアに加えて、水素が使用される。上記のように、アンモニアは、燃焼しにくく、失火およびアンモニアスリップに繋がり得る。対照的に、水素は、燃焼しやすく、ノッキングに繋がり得る。このように、アンモニアおよび水素は相反する特性を有する。したがって、アンモニアに加えて、水素を使用することによって、安定した燃焼を可能にし得る。

【0044】

上記のパターンＰＴ５に関して、例えば、アンモニアを主に使用するパターンＰＴ２によるエンジン１０の運転中に、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、アンモニアよりも燃えやすい水素を追加すべく、燃料は、パターンＰＴ２からパターンＰＴ５に切り替えられてもよい。

【0045】

また、例えば、水素を主に使用するパターンＰＴ８（後述）によるエンジン１０の運転中に、ノッキングが発生したと判定された場合に、水素よりも燃えにくいアンモニアを追加すべく、燃料は、パターンＰＴ８からパターンＰＴ５に切り替えられてもよい。

【0046】

また、例えば、パターンＰＴ５は、上記のようにパターンＰＴ２，ＰＴ８から切り替えられること無く、直接的に使用されてもよい。具体的には、エンジン１０が安定し、エンジン１０の出力が変化しないときに、エンジン１０は、所定の割合のアンモニアおよび水素の混合ガスを使用して、パターンＰＴ５で運転されてもよい。この場合に、パターンＰＴ５によるエンジン１０の運転中に、失火またはアンモニアスリップが発生した場合には、アンモニアよりも燃えやすい水素を追加してもよい。対照的に、パターンＰＴ５によるエンジン１０の運転中に、ノッキングが発生した場合に、水素よりも燃えにくいアンモニアを追加してもよい。

【0047】

パターンＰＴ６では、アンモニアに加えて、水素および液体燃料が使用される。例えば、エンジン１０が上記のパターンＰＴ２，ＰＴ８からパターンＰＴ５に切り替えられた後に、ノッキング、失火またはアンモニアスリップが発生し続ける場合に、燃焼を安定させるべく液体燃料を追加するために、燃料は、パターンＰＴ５からパターンＰＴ６に更に切り替えられてもよい。

【0048】

パターンＰＴ７では、アンモニアに加えて、水素および天然ガスが使用される。上記のパターンＰＴ６と同様に、例えば、エンジン１０がパターンＰＴ２，ＰＴ８からパターンＰＴ５に切り替えられた後に、ノッキング、失火またはアンモニアスリップが発生し続ける場合に、燃焼を安定させるべく天然ガスを追加するために、燃料は、パターンＰＴ５からパターンＰＴ７に更に切り替えられてもよい。

【0049】

[パターンＰＴ８：水素]
パターンＰＴ８では、水素が主に使用される。例えば、パターンＰＴ８は、エンジン１０が安定し、エンジン１０の出力が変化しないときに使用される。

【0050】

[パターンＰＴ９，ＰＴ１０：水素＋天然ガスまたは液体燃料]
パターンＰＴ９，ＰＴ１０では、水素に加えて、天然ガスまたは液体燃料が使用される。上記のように、水素は、燃焼しやすく、ノッキングに繋がり得る。したがって、例えば、水素を使用する上記のパターンＰＴ８によるエンジン１０の運転中に、ノッキングが発生したと判定される場合、燃焼を安定させるために天然ガスまたは液体燃料を追加すべく、燃料は、パターンＰＴ８から以下のパターンＰＴ９，ＰＴ１０のいずれかに切り替えられてもよい。

【0051】

パターンＰＴ９では、水素に加えて、液体燃料が使用される。すなわち、パターンＰＴ９では、着火用の所定の少量の液体燃料に加えて、更なる液体燃料が追加される。液体燃料によって、燃焼が安定する。

【0052】

パターンＰＴ１０では、水素に加えて、天然ガスが使用される。天然ガスによって、燃焼が安定する。

【0053】

以上のような各パターンにおける各燃料の量は、各燃料から得られるエネルギーの合計が、エンジン１０に要求される出力と等しくなるように、制御装置５０によって決定される。例えば、アンモニアを使用する運転中に液体燃料が追加される場合に、液体燃料の追加によってエネルギーの合計がエンジン１０に要求される出力よりも大きくなるときには、制御装置５０は、アンモニアの使用を減らすように、エンジン１０を制御する。なお、燃料の組み合わせは、上記のパターンＰＴ１～ＰＴ１０に限定されず、他の組み合わせが使用されてもよい。

【0054】

続いて、システム１００の動作の例について説明する。

【0055】

図３は、図１のデュアルフューエルエンジンシステム１００の動作の一例を示すフローチャートである。図３の例では、システム１００は、アンモニアを主に使用し、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された場合に、液体燃料を追加する（パターンＰＴ２→パターンＰＴ３）。例えば、図３の動作は、エンジン１０が安定し、パターンＰＴ２で運転を開始すると、開始されてもよい。

【0056】

制御装置５０は、燃焼室１１においてノッキングが発生したか否かを判定する（ステップＳ１００）。具体的には、制御装置５０は、ノックセンサＳ２からの振動データおよび記憶装置に記憶された閾値に基づいて、エンジン１０でノッキングが発生したか否かを判定してもよい。

【0057】

ステップＳ１００において、燃焼室１１においてノッキングが発生していない（ＮＯ）と判定される場合、制御装置５０は、燃焼室１１において失火が発生したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御装置５０は、圧力センサＳ１からの圧力データおよび記憶装置に記憶されたＰＶ線図に基づいて、燃焼室１１において失火が発生したか否かを判定してもよい。

【0058】

ステップＳ１０２において、燃焼室１１において失火が発生していない（ＮＯ）と判定される場合、制御装置５０は、排気管１２においてアンモニアスリップが発生したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。具体的には、制御装置５０は、アンモニアセンサＳ３からの濃度のデータおよび記憶装置に記憶された閾値に基づいて、排気管１２においてアンモニアスリップが発生したか否かを判定してもよい。

【0059】

ステップＳ１０４において、排気管１２においてアンモニアスリップが発生していない（ＮＯ）と判定される場合、制御装置５０は、ステップＳ１００に戻る。

【0060】

ステップＳ１００において、燃焼室１１においてノッキングが発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、ステップＳ１０２において、燃焼室１１において失火が発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、および、ステップＳ１０４において、排気管１２においてアンモニアスリップが発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、制御装置５０は、液体燃料を追加するように、エンジン１０を制御し（ステップＳ１０６）、ステップＳ１００に戻る。

【0061】

制御装置５０は、例えば、任意の指令を受信するまで上記の動作を繰り返してもよい（例えば、燃料を切り替えるための指令（例えば、燃料をパターンＰＴ２に戻すための指令）、または、エンジン１０を停止させるための指令等）。例えば、上記の動作は、所定のインターバルで繰り返されてもよい（例えば、百～数百ミリ秒、一～数秒、十～数十秒、または、一～数分）。指令は、例えば、制御装置５０の入力装置を介して、船舶のオペレータによって入力されてもよい。代替的に、制御装置５０は、例えば、エンジン１０の出力が再び安定したと判定される場合に、燃料をパターンＰＴ２に自動的に戻してもよい。上記のように、ノッキング、失火およびアンモニアスリップは、エンジン１０の出力が増加若しくは低下するときに発生し得るため、エンジン１０の出力が再び安定したと判定される場合には、燃料は、制御装置５０によってパターンＰＴ２に自動的に戻されてもよい。

【0062】

図３の例では、システム１００は、アンモニアを主に使用し、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された場合に、液体燃料を追加する（パターンＰＴ２→パターンＰＴ３）。しかしながら、他の例では、システム１００は、水素を主に使用してもよい（パターンＰＴ８→パターンＰＴ９）。

【0063】

また、他の例では、システム１００は、アンモニアおよび水素の混合ガスを主に使用してもよい（パターンＰＴ５→パターンＰＴ６）。この場合に、システム１００は、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された際に、液体燃料を追加する代わりに、アンモニアまたは水素を追加してもよい（パターンＰＴ５→パターンＰＴ５）。例えば、ノッキングが発生した場合には、アンモニアを追加してもよい。この場合、ステップＳ１０６において、液体燃料の代わりに、アンモニアが追加される。対照的に、失火またはアンモニアスリップが発生した場合には、水素を追加してもよい。この場合、ステップＳ１０６において、液体燃料の代わりに、水素が追加される。

【0064】

また、他の例では、システム１００は、アンモニアを主に使用し、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された場合に、水素を追加してもよい（パターンＰＴ２→パターンＰＴ５）。この場合、ステップＳ１０６において、液体燃料の代わりに、水素が追加される。

【0065】

また、他の例では、システム１００は、アンモニア（または、水素）を主に使用し、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された場合に、天然ガスを追加してもよい（パターンＰＴ２（または、パターンＰＴ８）→パターンＰＴ１０）。この場合、ステップＳ１０６において、液体燃料の代わりに、天然ガスが追加される。

【0066】

図４は、図１のデュアルフューエルエンジンシステム１００の動作の他の例を示すフローチャートである。図４の例では、システム１００は、アンモニアを主に使用し、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された場合に、水素および液体燃料を段階的に追加する（パターンＰＴ２→パターンＰＴ５→パターンＰＴ６）。例えば、図４の動作は、エンジン１０が安定しパターンＰＴ２で運転を開始すると、開始されてもよい。

【0067】

ステップＳ２００～Ｓ２０４は、それぞれ、上記のステップＳ１００～Ｓ１０４と同様であってもよい。

【0068】

ステップＳ２００において、燃焼室１１においてノッキングが発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、ステップＳ２０２において、燃焼室１１において失火が発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、および、ステップＳ２０４において、排気管１２においてアンモニアスリップが発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、制御装置５０は、水素を追加するように、エンジン１０を制御する（ステップＳ２０６）。

【0069】

続いて、制御装置５０は、所定量以上の水素を追加したか否かを判定する（ステップＳ２０８）。ステップＳ２０８において、所定量以上の水素を追加していない（ＮＯ）と判定された場合、制御装置５０は、ステップＳ２００に戻る。上記の所定量は、制御装置５０の記憶装置に記憶されていてもよい。

【0070】

図５は、図４に続く動作を示す。上記のステップＳ２０８において、所定量以上の水素を追加した（ＹＥＳ）と判定された場合、制御装置５０は、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０～Ｓ２１４は、それぞれ、上記のステップＳ１００～Ｓ１０４と同様であってもよい。

【0071】

ステップＳ２１０において、燃焼室１１においてノッキングが発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、ステップＳ２１２において、燃焼室１１において失火が発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、および、ステップＳ２１４において、排気管１２においてアンモニアスリップが発生した（ＹＥＳ）と判定される場合、制御装置５０は、水素に代えて、液体燃料を追加するように、エンジン１０を制御し（ステップＳ２１６）、ステップＳ２１０に戻る。

【0072】

制御装置５０は、図３の例と同様に、例えば、任意の指令を受信するまで上記の動作を繰り返してもよい。また、図３の例と同様に、制御装置５０は、例えば、エンジン１０の出力が再び安定したと判定される場合に、燃料をパターンＰＴ２に自動的に戻してもよい。

【0073】

図４の例では、システム１００は、アンモニアを主に使用し、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された場合に、水素および液体燃料を段階的に追加する（パターンＰＴ２→パターンＰＴ５→パターンＰＴ６）。しかしながら、他の例では、システム１００は、水素を主に使用してもよい（パターンＰＴ８→パターンＰＴ５→パターンＰＴ６）。この場合、図４のステップＳ２０６において、水素の代わりに、アンモニアが追加される。

【0074】

また、他の例では、システム１００は、アンモニアおよび水素の混合ガスを主に使用してもよい（パターンＰＴ５→パターンＰＴ５→パターンＰＴ６）。例えば、ノッキングが発生した場合には、図４のステップＳ２０６において、アンモニアを追加してもよい。対照的に、失火またはアンモニアスリップが発生した場合には、図４のステップＳ２０６に示されるとおりに、水素を追加してもよい。

【0075】

また、他の例では、システム１００は、アンモニア（または、水素）を主に使用し、エンジン１０の燃焼が異常であると判定された場合に、図５のステップＳ２１６において、液体燃料の代わりに、天然ガスを追加してもよい（パターンＰＴ２（または、パターンＰＴ８）→パターンＰＴ５→パターンＰＴ７）。

【0076】

以上のような実施形態に係るシステム１００は、アンモニア、水素、天然ガスおよび液体を使用するエンジン１０と、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を使用する運転中に（パターンＰＴ２，ＰＴ５，ＰＴ８）、ノッキング、失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、これらのいずれかが発生したと判定された場合に、アンモニア、水素、天然ガスまたは液体燃料の少なくとも１つを追加して（パターンＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５，ＰＴ６，ＰＴ７，ＰＴ９，ＰＴ１０）、燃料の配合または燃料の配合割合を変えるように、エンジン１０を制御する、制御装置５０と、を備える。したがって、システム１００では、エンジン１０の燃焼が安定するように、燃料が調整される。よって、エンジン１０の燃焼異常を低減することができる。

【0077】

また、制御装置５０は、アンモニアを使用する運転中に（パターンＰＴ２，ＰＴ５）、エンジン１０に失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、液体燃料を追加するように（パターンＰＴ３，ＰＴ６）、エンジン１０を制御してもよい。この場合、失火またはアンモニアスリップを低減することができる。

【0078】

また、制御装置５０は、アンモニアを使用する運転中に（パターンＰＴ２，ＰＴ５）、エンジン１０に失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、水素を追加するように（パターンＰＴ５）、エンジン１０を制御してもよい。この場合にも、失火またはアンモニアスリップを低減することができる。

【0079】

また、上記の場合に、制御装置５０は、水素を追加した後に（パターンＰＴ５）、エンジン１０に失火またはアンモニアスリップが発生したか否かを判定し、失火またはアンモニアスリップが発生したと判定された場合に、液体燃料を追加するように（パターンＰＴ６）、エンジン１０を制御してもよい。この場合、失火またはアンモニアリップをより確実に低減することができる。

【0080】

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範囲において、様々な変更または修正に想到し得ることは明らかであり、それらについても本開示の技術的範囲に属すると理解される。

【0081】

例えば、上記の実施形態では、システム１００は、船舶に適用される。しかしながら、他の実施形態では、システム１００は、他の装置または施設に適用されてもよい（例えば、定置型の発電システムまたは非常用電源等）。例えば、システム１００が定置型の発電システムに適用される場合、システム１００は、アンモニアを貯留する第１タンクＴ１に代えて、水素を貯留するタンクを備えてもよい。この場合、水素は、例えば、風力発電等を使用して生成されてもよい。アンモニアは、周知のハーバーボッシュ法によって、水素から生成されることができる。

【0082】

上記の実施形態では、エンジン１０は、アンモニア、水素、天然ガスおよび液体燃料の全てを使用可能である。しかしながら、他の実施形態では、エンジン１０は、アンモニア、水素、天然ガスおよび液体燃料からなる群から選択され、かつ、アンモニアまたは水素の少なくとも一方を含む、少なくとも２種類の燃料を使用してもよい。例えば、システム１００は、第２タンクＴ２を備えなくてもよく、天然ガスを使用しなくてもよい。また、例えば、システム１００は、第３タンクＴ３を備えなくてもよく、液体燃料を使用しなくてもよい（但し、システム１００が船舶に適用される場合を除く）。また、例えば、システム１００は、アンモニアまたは水素のいずれか一方のみを使用してもよい。

【0083】

上記の実施形態では、着火手段として、液体燃料が使用される。しかしながら、他の実施形態では、着火手段として、スパークプラグが使用されてもよい。

【0084】

上記の実施形態では、第１噴射口Ｒ１は、気体燃料を活性ガスに直接噴射すべく、シリンダカバー４に設けられる。しかしながら、他の実施形態では、第１噴射口Ｒ１は、気体燃料を活性ガスに予混合すべく、エンジン１０の他の位置に設けられてもよい。この場合、第１噴射口Ｒ１は、例えば、シリンダ１においてシリンダジャケット９よりも若干上方の位置に設けられてもよい。

【0085】

上記の実施形態では、アンモニア、水素および天然ガスは、同一の第１噴射口Ｒ１から噴射される。しかしながら、他の実施形態では、アンモニアおよび水素用の噴射口と、天然ガス用の別の噴射口と、が独立して設けられてもよい。この場合、例えば、一方の噴射口が予混合に使用されてもよく、他方の噴射口が直接噴射に使用されてもよい。

【0086】

本開示は、燃料として二酸化酸素を排出しないアンモニアおよび水素の使用を促進するので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」および目標１３「気候変動とその影響に立ち向かうため、緊急対策を取る」に貢献することができる。

【符号の説明】

【0087】

１０ デュアルフューエルエンジン
５０ 制御装置
１００ デュアルフューエルエンジンシステム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】