KR20240089322A - 왕복 엔진 시스템, 왕복 엔진의 운전 방법 - Google Patents

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테츠야 타가이
유타카 마시마
유타카 마스다
타카유키 히로세
켄타 미야우치
코키 아이바
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가부시키가이샤 아이에이치아이 겐도키
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Abstract

왕복 엔진 시스템은, 연소실을 형성하는 실린더와, 상기 실린더 내를 왕복 이동하는 피스톤과, 상기 실린더에 기체의 암모니아를 공급하여 공기와 예혼합시키는 암모니아 연료 공급 장치와, 상기 실린더 내에 상기 암모니아를 착화시키는 액체 보조 연료를 공급하는 액체 보조 연료 공급 장치를 가지는 왕복 엔진과, 상기 실린더 내의 압축단 온도가 상기 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상인 상태에서, 상기 암모니아와 상기 액체 보조 연료에 의한 혼소(混燒) 운전을 행하는 제어 장치를 구비한다.

Description

왕복 엔진 시스템, 왕복 엔진의 운전 방법
본 발명은, 왕복 엔진 시스템, 왕복 엔진의 운전 방법에 관한 것이다.
본원은, 2021년 11월 16일에, 일본에 출원된 일본 특원 2021-186474호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
최근, 지구 온난화 대책으로서 온실 효과 가스인 이산화탄소(CO2)의 배출을 삭감할 것이 요구되고 있다. 암모니아(NH3)는, 연소시에 이산화탄소를 발생하지 않는 새로운 연료로서 주목받고 있다.
암모니아를 연료로서 이용하는 왕복 엔진에 대해서는, 이하와 같이 특허 출원되어 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 제6702475호 공보 [특허 문헌 2] 일본 특허 제4919922호 공보
암모니아를 연료로서 이용하는 경우, 종래부터 사용되고 있는 연료인 중유, 경유, 가솔린, 천연가스 등에 비해 연소되기 어려운 점이 문제가 된다.
특허 문헌 1에는, 왕복 엔진에서, 기체 상태의 암모니아를 공기와 예혼합하여 실린더 내에서 압축하고, 연소실 내에서 연료 분사 밸브로부터 중유 등의 연료유를 분사하여 착화(着火)시킴으로써 연료유를 점화원으로 하여 암모니아와 혼합 연소시키는 것이 기재되어 있다. 여기서, 암모니아와 중유의 비율에 대해, 열량비로 중유 80%에 대해 암모니아를 20%로 하는 예가 기재되어 있다. 연료 전체에 대한 암모니아의 비율이 불과 20%에 머무르는 것은, 암모니아가 연소되기 어려워 암모니아의 비율을 적게 할 수 밖에 없기 때문이다. 이 경우, 이산화탄소의 배출 삭감의 효과는 한정적이 된다.
특허 문헌 2에는, 왕복 엔진에서, 암모니아와 조연(助燃) 연료를 흡입기관 내에 분사하고, 암모니아 및 조연 연료와 공기와의 혼합기체에, 점화 플러그의 불꽃 방전에 의해 점화하는 것이 기재되어 있다. 또, 특허 문헌 2에는, 내연기관의 회전 속도의 감소에 대해 암모니아의 사용 비율을 증가시키거나, 혹은 내연기관의 부하 증대에 대해 암모니아의 사용 비율을 증가시키는 것이 기재되어 있다. 여기서 특허 문헌 2에는, 연료 전체에 대한 암모니아의 비율이 몇 %인지에 대해서는 명시되어 있지 않지만, 암모니아의 비율을 늘리는 것이 용이하지 않다는 것을 이해할 수 있다.
본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 암모니아를 연료로서 이용하는 왕복 엔진에서, 이산화탄소의 배출 삭감 효과를 더욱 크게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 관한 왕복 엔진 시스템은, 연소실을 형성하는 실린더와, 상기 실린더 내를 왕복 이동하는 피스톤과, 상기 실린더에 기체의 암모니아를 공급하여 공기와 예혼합시키는 암모니아 연료 공급 장치와, 상기 실린더 내에 상기 암모니아를 착화시키는 액체 보조 연료를 공급하는 액체 보조 연료 공급 장치를 가지는 왕복 엔진과, 상기 실린더 내의 압축단 온도가 상기 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상인 상태에서, 상기 암모니아와 상기 액체 보조 연료에 의한 혼소(混燒) 운전을 행하는 제어 장치를 구비한다.
왕복 엔진 시스템은, 암모니아를 연료로서 이용하는 경우, 종래부터 사용되고 있는 연료에 비해 연소하기 어려운 점이 문제가 된다. 종래에는, 암모니아 단독으로 연소를 개시시키기 어렵기 때문에 보조 연료와의 혼소가 시도되어 왔다. 또, 종래의 연구나 특허 출원의 예에서는, 보조 연료의 종류의 선택이나, 보조 연료의 혼소 비율을 늘림으로써 암모니아의 연소를 확보하는 시도가 이루어져 왔다.
본원 발명자들은, 면밀히 연구한 결과, 왕복 엔진에서 암모니아를 기체 상태에서 공기와 예혼합하고, 실린더 내에서 혼합기체를 압축한 상태에서 액체 보조 연료를 실린더 내에 분사하여 착화시킴으로써 기체 암모니아와 공기의 혼합기체에 점화하는 혼소 운전을 행하는 것이 최적이라는 결론에 도달했다. 또, 본원 발명자들은, 실린더 내에서 혼합기체를 압축하면 피스톤으로부터의 일이 열로 바뀜으로써 실린더 내의 혼합기체의 온도는 상승하는데, 피스톤이 상사점에 도달할 때의 혼합기체의 온도인 압축단 온도를, 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상으로 함으로써 암모니아의 양호한 연소가 가능하다는 것을 알아내었다. 이로써, 암모니아와 액체 보조 연료의 비율에 대해, 종래보다 암모니아의 비율을 늘릴 수 있어 암모니아를 연료로서 이용하는 왕복 엔진에서, 이산화탄소의 배출 삭감의 효과를 더욱 크게 할 수 있다.
여기서, 액체 보조 연료로서는, 소정의 압축단 온도에서 자(自)착화를 하는 액체 연료가 사용 가능하고, 일반적으로 디젤 엔진에서 이용되는 연료, 구체적으로는 중유, 경유, 식물유 등을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 소정 온도가 750K여도 좋다.
암모니아의 착화 온도는, 약 652℃(925K)이며, 경유의 약 247℃(520K), 천연가스의 주성분인 메탄의 537℃(810K)에 비해 100℃ 이상 높다. 종래의 연구나 특허 출원의 예에서는, 혼합기체의 압축단 온도는 충분히 높지 않다. 따라서, 액체 보조 연료를 실린더 내에 분사하여 착화시킨 경우, 액체 보조 연료의 연소에 의한 화염에 가까운 곳에 존재하는 암모니아의 혼합기체는 화염의 고온에 노출되어 연소되는데, 화염에서 멀어진 혼합기체는 충분히 연소되지 않는다. 한편, 본원 발명자들의 지견에 기초하여 압축단 온도를 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상, 구체적으로는 750K 이상으로 하면, 기체 암모니아와 공기의 혼합기체가 암모니아의 착화 온도에 가까운 온도로 연소실 내에 압축되어 유지된 상태가 된다. 따라서 적당량의 액체 보조 연료가 착화됨으로써 암모니아의 혼합기체에 점화가 이루어지면, 암모니아의 연소에 의한 화염은 연소실 내에 전파되고 연소실 내의 전체에 걸쳐 혼합기체가 연소된다.
압축단 온도의 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도는, 구체적으로는 750K 이상이지만, 실린더의 크기, 엔진의 회전 속도, 운전 상태 등의 조건에 따라 변경될 수 있다. 또, 후술하는 발명을 실시하기 위한 형태에서는, 왕복 엔진으로서 4스트로크의 엔진을 예로 들어 설명하였으나, 2스트로크의 엔진에 대해서도 동일한 원리가 적용된다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 실린더의 1개당 행정 용적이 5000cc 이상이며, 또한 상기 왕복 엔진의 정격 회전 속도가 1200rpm 이하여도 좋다.
실린더 내의 혼합기체의 피스톤에 의한 압축이 이상적인 단열 압축이라면, 압축비에 따라 혼합기체의 압축단 온도가 상승한다. 그러나 실제로는, 연소실의 내면으로 열이 빠져나가기 때문에, 압축단 온도는 이상적인 단열 압축의 경우보다 낮아진다. 연소실의 내면을 형성하는 실린더, 실린더 헤드, 피스톤은 각각 열용량을 가지며, 또한 냉각수나 윤활유에 의해 냉각되기 때문에, 압축단 온도가 낮아지는 요인이 된다. 연소실에서 빠져나가는 열의 양은 연소실 내면의 면적과 상관이 있으며, 연소실에서 발생하는 열의 양은 연소실의 용적과 상관이 있기 때문에, 제곱 세제곱의 법칙의 관계가 된다. 압축단 온도를 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상으로 하기 위해서는, 연소실을 크게 하는 것이 효과적이다. 구체적으로는, 하나의 실린더당 행정 용적을 5000cc 이상으로 한다. 또, 연소 행정에서 암모니아의 연소에 필요한 시간을 확보하기 위해 왕복 엔진의 정격회전 속도를 1200rpm 이하로 한다. 일반적으로 천연가스의 혼합기체를 연소하는 왕복 엔진에서는, 압축비를 13∼14 정도로 설정하는 예가 많은데, 암모니아의 혼합기체를 연소하는 왕복 엔진의 경우에는, 압축비를 보다 높게 15 이상으로 설정하는 것이, 압축단 온도를 올리는 점에서 보다 바람직하다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서, 상기 왕복 엔진의 출력 증대에 따라 연료 전체에 대한 상기 암모니아의 혼소율을 증대시키고, 상기 암모니아의 최대 혼소율은 열량비로 80% 이상으로 해도 좋다.
왕복 엔진의 실제 운전에서는, 출력을 올렸다 내렸다 할 필요가 있다. 왕복 엔진의 출력이 작은 경우에는, 실린더 내에서 연료가 연소함에 따른 온도 상승은 작아지고 연소실 내면의 온도는 저하되어 압축단 온도도 저하되는 경향이 된다. 또, 왕복 엔진의 출력이 큰 경우에는, 상기 출력이 작은 경우와 반대의 경향이 된다. 따라서, 암모니아의 혼합기체의 연소를 확보하기 위해, 출력이 작은 경우에는 연료 전체에 대한 암모니아의 혼소율을 작게 하고, 출력의 증대에 따라 암모니아의 혼소율을 증대시킨다. 또, 최대 출력 부근에서의 암모니아의 최대 혼소율을 열량비로 80% 이상으로 함으로써 충분한 이산화탄소의 배출 삭감의 효과를 얻는다. 상술한 제어 장치의 처리를 다른 표현으로 하면, 혼소 운전에서 압축단 온도의 상승에 따라 연료 전체에 대한 암모니아의 혼소율을 증대시키고, 암모니아의 최대 혼소율은 열량비로 80% 이상으로 하는 것이다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서 상기 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 0.5 이상 또한 1.0 이하로 해도 좋다.
암모니아를 연료로서 이용하는 경우에는, 아산화질소(N2O)의 발생이 문제시되고 있다. 아산화질소는 온실 효과 가스 중 하나로서, 아산화질소의 발생이 많으면 암모니아를 연료로 함에 따른 이산화탄소 삭감의 효과를 상쇄하게 된다. 본원 발명자들은 연구 결과, 아산화질소의 발생에는, 공기에 대한 연료 전체의 당량비(암모니아의 당량비와 액체 보조 연료의 당량비의 합계)가 관계되는 것을 알아내었다. 보다 구체적으로는, 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 0.5 미만이면, 당량비가 낮아질수록 아산화질소의 발생이 급격하게 증가한다는 것을 알아내었다. 따라서, 혼소 운전에서는, 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 0.5 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 1.0 이상으로 한 경우에는, 연료의 연소에 필요한 공기가 부족하기 때문에, 연료가 미연(未燃) 성분으로서 배출된다. 이 경우, 암모니아는 액체 보조 연료에 비해 연소되기 어렵기 때문에, 주로 암모니아가 미연 성분으로서 배출된다. 따라서, 혼소 운전에서는, 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 1.0 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 소정 값 미만이 되는 운전 영역에서는, 상기 암모니아의 혼소율을 제로로 하고 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행해도 좋다.
왕복 엔진에서는, 출력을 조정하기 위해 연료의 공급량을 조정하는 수법이 일반적으로 이용된다. 여기서, 이른바 린번(lean-burn) 엔진에서는, 공기에 대한 연료의 당량비를 1 부근으로 고정하지 않고 보다 낮은 당량비로 운전을 행한다. 이 린번 엔진에서는, 출력을 낮추기 위해 연료의 공급량을 낮추는 경우, 공기 공급량의 감소 비율보다 연료 공급량의 감소 비율이 커져 당량비가 낮아지는 경향이 있다. 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전을 행하는 엔진에서, 출력을 낮추기 위해 연료 전체의 공급량을 낮춘 경우, 발생하는 열의 양이 작아지기 때문에 암모니아는 잘 연소되지 않게 된다. 또, 당량비가 낮아져 소정치 미만, 구체적으로는 0.5 미만이 되는 영역에서는, 상술한 아산화질소의 증가 문제가 발생한다. 그래서, 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 소정치 미만이 되는 운전 영역에서는, 암모니아의 혼소율을 제로로 하고 액체 보조 연료만으로 운전을 행한다. 이로써, 미연 암모니아의 발생 및 아산화질소의 발생을 방지한다. 당량비가 소정치 미만이 되는 운전 영역은, 엔진의 구체적인 조건에 따라 다르지만, 예로서 아이들링이나, 아이들링에 가까운 저출력 운전을 들 수 있다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 압축단 온도가 상기 소정 온도보다 낮은 운전 영역에서, 상기 압축단 온도를 올리는 제어를 행해도 좋다.
왕복 엔진의 기동 후 당분간은 연소실 내면의 온도가 낮은 상태이기 때문에, 압축단 온도가 상승하기 어렵다. 또, 왕복 엔진 기동 후의 출력이 낮아 연료의 공급량이 적은 상태에서는 열의 발생이 작기 때문에, 압축단 온도가 상승하기 어렵다. 이러한 운전 영역에서, 암모니아의 공급을 개시하여 액체 보조 연료와의 혼소를 행하면, 미연 암모니아의 발생이 증가할 가능성이 있다. 그래서 압축단 온도가 낮은 운전 영역에서는, 압축단 온도를 올리는 제어를 행한다. 압축단 온도를 올리는 제어로서는, 과급기(過給機)의 컴프레서 하류에 마련되는 에어 쿨러에서의 냉각 온도의 목표치를 올리는 제어, 과급기의 컴프레서 하류 또는 상류에서 공기를 가열하는 제어, 왕복 엔진의 유효 압축비를 올리는 제어, 등을 들 수 있다. 특히, 왕복 엔진의 기동 후나 왕복 엔진의 출력이 낮은 상태에서부터 왕복 엔진의 출력을 상승시킬 때, 기체 암모니아의 공급 개시에 앞서, 이 압축단 온도를 올리는 제어를 하는 것이 효과적이다. 또, 왕복 엔진의 출력이 낮은 영역에서도 암모니아의 혼소를 가능하게 하기 위해 상술한 제어를 행할 수도 있다.
상기 압축단 온도를 올리는 제어는, 상기 왕복 엔진의 흡기를 가열하는 제어여도 좋다.
상술한 압축단 온도를 올리는 제어로서는, 왕복 엔진의 흡기로(吸氣路)에서, 과급기의 컴프레서 하류 또는 상류에, 흡기(이하, "급기"라고도 한다.)를 가열하는 장치를 마련하고, 이로써 흡기를 가열하는 제어를 하는 것이 효과적이다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 컴프레서와 터빈을 가지며 상기 왕복 엔진에 과급을 행하는 과급기를 더 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 컴프레서의 하류에서의 흡기 온도가 소정 온도보다 낮은 운전 영역에서, 흡기를 가열하는 제어를 행해도 좋다.
압축단 온도를 지배하는 요소로서 왕복 엔진이 흡입하는 바깥 공기(外氣)의 온도, 과급기의 컴프레서에서의 압축 일(compression work)에 의한 온도 상승, 왕복 엔진의 실린더에서의 압축 일에 의한 온도 상승을 들 수 있다. 여기서, 왕복 엔진의 실린더에서의 압축비는, 미리 원하는 값으로 정해지는 설계치로서, 가변 밸브 타이밍 등 가변 기구를 이용하는 경우에도, 용적비로서 파악할 수 있다. 한편, 과급기의 컴프레서에서의 압축비는, 왕복 엔진의 운전 상황에 의존한다. 또, 바깥 공기의 온도는, 환경조건에 의존한다. 여기서, 컴프레서의 하류에서의 흡기 온도는, 바깥 공기의 온도와 컴프레서의 압축비의 영향을 합한 것으로 보아, 이것을 판단 재료로 하여 흡기를 가열하는 제어를 행하는 것이 효과적이다. 예를 들면, 왕복 엔진의 출력이 낮은 운전 상황에서는, 컴프레서의 압축 일에 의한 흡기의 온도 상승이 적기 때문에, 컴프레서의 하류에서의 흡기 온도가, 적절한 압축단 온도를 얻는데 필요한 온도(예를 들면 50℃에 도달하지 않는 운전 영역이 생긴다. 이것은, 바깥 공기의 온도가 낮은 경우에 더욱 현저하다. 그래서 제어 장치는, 컴프레서의 하류에서의 흡기 온도가 소정 온도보다 낮은 운전 영역에서, 적절한 압축단 온도를 얻기 위해 흡기를 가열하는 제어를 행한다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서 상기 액체 보조 연료의 공급량을 일정하게 하여 상기 암모니아의 공급량을 조속(調速) 제어해도 좋다.
혼소 운전에서는, 액체 보조 연료의 공급량을 일정하게 하여 기체 암모니아의 공급량을 조속 제어하는 제어 수법이 간단하고 쉽고 효과적이다. 상술한 바와 같이, 혼소 운전에서는, 출력의 증대에 따라 연료 전체에 대한 암모니아의 혼소율을 증대시키는 것이 효과적이다. 또 왕복 엔진의 운전에서는, 왕복 엔진이 목표의 회전 속도가 되도록 연료의 공급량을 증감시키는 조속 제어가 필요하다. 액체 보조 연료의 공급량을, 왕복 엔진의 출력이 낮은 상태를 유지하는데 필요한 공급량으로 일정하게 하고, 출력 증대의 요구에 따라 기체 암모니아의 공급량을 조속 제어하면, 이들 2가지 요구가 동시에 충족된다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서, 상기 액체 보조 연료의 공급량을 맵 제어하고 상기 암모니아의 공급량을 조속 제어해도 좋다.
보다 고도의 제어 수법으로서, 액체 보조 연료의 공급량을 운전 조건에 따라 맵 제어하고, 기체 암모니아의 공급량을 조속 제어하는 것이 더욱 효과적이다. 왕복 엔진의 기동 후 당분간, 또는 왕복 엔진의 출력이 낮고 연료의 공급량이 적은 상태를 계속한 상태에서는, 연소실의 내면 온도가 낮은 상태이므로 암모니아가 연소되기 어렵다. 그래서 이러한 상태에서는, 액체 보조 연료의 공급량을 늘리는 것이 바람직하다. 한편, 왕복 엔진이 운전을 계속하는 상태, 특히, 왕복 엔진의 출력이 높고 연료의 공급량이 많은 상태에서는, 연소실의 내면 온도가 높은 상태이므로 암모니아가 연소되기 쉽다. 그래서 이러한 상태에서는, 액체 보조 연료의 공급량을 줄이고 대신에 암모니아의 공급량을 늘리는 것이 바람직하다. 그래서 액체 보조 연료의 공급량을 출력, 운전 시간, 왕복 엔진 각 부의 온도 측정치 등의 운전 조건에 따라 맵 제어하고, 그것을 베이스로 하여 기체 암모니아의 공급량을 조속 제어하면, 더욱 왕복 엔진의 운전 상태에 대응한 제어가 가능해진다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 컴프레서와 터빈을 가지며 상기 왕복 엔진에 과급을 행하는 과급기와, 상기 컴프레서와 상기 왕복 엔진을 연결하는 흡기로와, 상기 왕복 엔진과 상기 터빈을 연결하는 배기로와, 상기 흡기로와 상기 배기로를 연결하는 개폐식의 제1 합선로 및 상기 흡기로와 상기 터빈의 하류를 연결하는 개폐식의 제2 합선로 중 적어도 하나를 더 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 왕복 엔진의 배기 온도에 따라 상기 제1 합선로 및 상기 제2 합선로 중 적어도 하나의 개폐 제어를 행해도 좋다.
기체의 암모니아를 액체 보조 연료와 혼소시켜 엔진을 운전할 때에는, 연료 전체의 당량비가 종래의 디젤 엔진이나 천연가스 등의 연료를 이용한 가스 엔진의 경우에 비해 높다. 따라서, 중·고부하에서는, 터빈 입구에서의 배기 온도가 터빈의 허용 온도를 초과할 가능성이 있다. 따라서 중·고부하에서는, 컴프레서 출구의 공기를 터빈 입구로 바이패스시켜 터빈에 유입되는 배기의 온도를 낮춤과 아울러, 후술하는 촉매 입구의 배기 온도도 적절히 한다. 한편, 저부하가 되면 과급기가 충분히 작용하지 않기 때문에, 컴프레서 출구의 압력에 비해 터빈 입구의 압력이 높아져 터빈 입구에서 컴프레서 출구로 배기가 역류될 우려가 있다. 따라서 저부하에서는, 컴프레서 출구의 공기를 터빈의 하류(촉매 입구)로 바이패스시킴으로써 촉매에 흐르는 배기의 온도를 적절한 온도로 한다. 여기서, 제1 합선로 및 제2 합선로 중 어느 하나의 개폐 제어의 구체적인 예로서는, 예를 들면 터빈 입구, 촉매 입구에 온도 센서를 마련하고, 그 측정치에 기초하여 제1 합선로 및 제2 합선로 중 어느 하나를 개폐해도 좋다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 왕복 엔진의 흡기측에 공기량을 제한하는 스로틀 밸브를 더 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 공기에 대한 상기 암모니아의 당량비가 상기 혼소 운전을 가능하게 하는 범위에 들어가도록 상기 스로틀 밸브의 개방도를 제어해도 좋다.
기체 암모니아를 액체 보조 연료와 혼소시켜 엔진을 운전하고 있을 때에는, 기체 암모니아의 공기에 대한 당량비를 일정한 범위 내에서 유지할 필요가 있다. 이 당량비의 유지는, 전술한 아산화질소, 미연 암모니아나 기타 질소산화물 등 배기가스 성분의 발생이나 연소 안정성과 관계되어 있다. 그러나, 저부하 운전시에는, 필요한 암모니아의 절대량이 적어 과급기가 충분히 작용하지 않는 자연 흡기 상태에서도 공기량이 많기 때문에, 기체 암모니아의 당량비가 목표 범위보다 낮아져 버린다. 따라서 흡기 입구에 스로틀 밸브를 마련하여 흡기량을 줄임으로써 암모니아의 당량비를, 혼소 운전이 가능해지는 목표의 범위 내로 유지한다. 목표 범위가 되는 암모니아의 당량비는 0.4∼0.8로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 암모니아의 혼소율이 80%인 경우에는, 액체 보조 연료를 포함한 연료 전체의 당량비로 환산하면 0.5∼1.0이 되고, 전술한 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 0.5 이상 및 1.0 이하로 하는 것과도 정합된다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 압축단 온도가 상기 소정 온도가 될 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 압축단 온도가 상기 소정 온도에 도달한 후에, 상기 혼소 운전을 행해도 좋다.
암모니아는 연소되기 어렵기 때문에, 왕복 엔진이 정지되어 엔진이 차가워진 상태에서, 암모니아를 연료로서 연소시키기는 어렵다. 따라서, 액체 보조 연료만으로 기동하여 압축단 온도가 소정치가 될 때까지 액체 보조 연료만으로 운전을 행한다. 그리고, 압축단 온도가 소정치에 도달한 후에, 액체 보조 연료와 기체 암모니아에 의한 혼소 운전을 행한다. 압축단 온도는, 연소실 내에 센서를 마련하여 온도를 측정해도 좋다. 또, 압축단 온도는, 왕복 엔진의 설계치 및 각 부의 온도 측정치나 운전 조건으로부터 추정치로서 구해도 좋다. 또, 압축단 온도로서 실측치나 추정치를 구하여 제어하지 않고, 미리 압축단 온도가 소정치로 일정한 여유를 두고 도달하는 조건을 설정해도 좋다. 그리고, 그 조건에 도달한 후에 액체 보조 연료와 기체 암모니아에 의한 혼소 운전을 개시해도 좋다.
상술한 제어 장치의 처리를 다른 표현으로 하면, 압축단 온도가 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상이 되지 않는 운전 영역에서는, 기체 암모니아의 공급을 제로로 하고 액체 보조 연료만으로 운전을 행하는 것이다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 왕복 엔진이 소정 출력에 도달할 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 왕복 엔진이 소정 출력에 도달한 후에 상기 혼소 운전을 행해도 좋다.
상기 압축단 온도가 소정치로 일정한 여유를 두고 도달하는 조건의 일례로서, 제어 장치는, 먼저 액체 보조 연료만으로 기동하고, 소정 출력에 도달할 때까지 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 이어서 소정 출력에 도달한 후에, 액체 보조 연료와 기체 암모니아에 의한 혼소 운전을 행해도 좋다. 출력과 압축단 온도는, 상관관계가 있기 때문에, 제어 파라미터로서 출력을 기준으로 이용하는 것이 간단하고 쉽고 실용적이다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 액체 보조 연료의 분사량을 증가시켜 상기 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 소정치에 도달한 후에 상기 액체 보조 연료와 상기 암모니아에 의한 혼소 운전을 행해도 좋다.
전술한 바와 같이, 아산화질소의 발생 억제 관점에서는, 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 0.5 이상으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 액체 보조 연료만으로 기동하고, 액체 보조 연료의 분사량을 증가시켜 출력을 증가시키고, 당량비가 소정치에 도달한 후에 기체 암모니아의 공급을 개시하여 혼소 운전을 행하는 것이 바람직하다. 또, 액체 보조 연료의 분사량을 증가시킬 때에는, 급기압의 제어를 행하여 급기량을 컨트롤하고, 당량비를 보다 정확하게 제어하도록 해도 좋다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 왕복 엔진의 배기가스의 온도가 소정 온도에 도달할 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 배기가스의 온도가 소정 온도에 도달한 후에, 상기 액체 보조 연료와 상기 암모니아에 의한 혼소 운전을 행해도 좋다.
혼소 운전을 개시하기 위한 조건으로서 왕복 엔진의 배기가스 온도를 센서에 의해 측정한다. 그리고, 센서의 측정치가 미리 실험 등에 의해 정해 둔 소정 온도까지 상승한 것을 조건으로 하여 혼소 운전을 개시한다. 이로써 암모니아의 양호한 연소를 기대할 수 있다. 또, 후술하는 바와 같이 배기가스를 처리하는 촉매 처리 장치를 이용하는 경우에는, 배기가스의 온도가, 촉매가 기능하는 처리 온도에 도달한 후에 혼소 운전을 개시함으로써, 혼소 운전에 의해 발생하는 질소산화물(NOx), 아산화질소, 미연 암모니아를 처리할 수 있다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 실린더의 배기로의 하류에 마련되며, 상기 실린더로부터 배기되는 배기가스를, 촉매를 이용하여 처리하는 촉매 처리 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 촉매 처리 장치의 온도가, 촉매가 기능하는 처리 온도에 도달할 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 촉매 처리 장치의 온도가 상기 처리 온도에 도달한 후에, 상기 혼소 운전을 행해도 좋다.
배기가스를 처리하는 촉매 처리 장치를 이용하는 경우에는, 이 촉매 처리 장치의 온도를 센서에 의해 측정한다. 그리고, 센서의 측정치가, 촉매가 기능하는 처리 온도까지 높아진 것을 조건으로서 혼소 운전을 개시한다. 이로써 혼소 운전에 의해 생기는 질소산화물(NOx), 아산화질소, 미연 암모니아의 처리를 양호하게 행할 수 있다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 촉매 처리 장치를 가열하는 가열 장치를 구비하고 상기 제어 장치는, 상기 촉매 처리 장치의 온도가, 상기 처리 온도에 도달하도록, 상기 가열 장치에 의해 상기 촉매 처리 장치를 가열해도 좋다.
액체 보조 연료만으로 왕복 엔진을 기동하면, 액체 보조 연료의 연소에 의한 배기가스로 촉매 처리 장치가 가열된다. 그러나, 촉매 처리 장치의 온도를 촉매가 기능하는 처리 온도로 하기 위해서는, 액체 보조 연료의 공급량을 증가시켜 출력을 증가시킨 상태를 당분간 유지하고, 고온의 배기가스로 촉매 처리 장치를 가열할 필요가 있다. 여기서 가열 장치에 의해 촉매 처리 장치를 가열하면, 보다 단시간에 촉매가 기능하는 처리 온도가 되어, 혼소 운전을 개시할 수 있다. 가열 장치로서는, 전력에 의한 히터나, 연료를 연소시킴으로써 가열하는 장치를 이용할 수 있다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 왕복 엔진은, 직접적 또는 간접적으로 프로펠러를 구동하는 선박용 엔진이며, 상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시키고, 이어서 상기 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 상기 암모니아의 공급량을 증가시켜도 좋다.
왕복 엔진이 직접적 또는 간접적으로 프로펠러를 구동하는 선박용 엔진인 경우에는, 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시키고, 이어서 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 기체 암모니아의 공급량을 증가시키도록 해도 좋다. 상술한 바와 같이, 왕복 엔진의 출력이 작은 경우에는 발생하는 열의 양이 작아지기 때문에, 암모니아는 연소되기 어렵다. 따라서, 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시켜, 발생하는 열의 양을 늘리고 왕복 엔진 본체나 냉각수의 온도가 높아진 상태로 한다. 이 상태에서, 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 기체 암모니아의 공급량을 증가시키면, 미연 암모니아의 배출 증가를 억제하면서 혼소 운전을 행할 수 있다. 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴에 따른 출력의 증가는, 회전 속도 또는 출력이 정격에 도달할 때까지 행해도 좋고, 정격 미만인 중간의 적당한 출력까지 행해도 좋다.
여기서, 왕복 엔진이 직접적으로 프로펠러를 구동한다는 것은, 왕복 엔진의 출력축이 필요에 의해 감속기 등을 통해 기계적으로 프로펠러를 구동하는 것을 포함한다. 왕복 엔진이 간접적으로 프로펠러를 구동한다는 것은, 왕복 엔진이 발전기를 구동하여 얻어진 전력에 의해 모터로 프로펠러를 구동하는 것을 포함한다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 왕복 엔진은, 발전기를 구동하는 발전 엔진이며, 상기 제어 장치는, 부하 투입시에 상기 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시키고, 이어서 상기 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 상기 암모니아의 공급량을 증가시켜도 좋다.
왕복 엔진이 발전기를 구동하는 발전 엔진인 경우에는, 부하 투입시에는 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시키고, 이어서 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 기체 암모니아의 공급량을 증가시키도록 해도 좋다. 특히, 발전에 이용되는 발전 엔진의 경우에는, 전력 계통상의 부하를 몇회로 나누어 단계적으로 발전기에 접속하는 부하 투입의 조작이 필요해진다. 부하 투입시에는 짧은 시간에 출력을 증가시킬 필요가 있지만, 암모니아의 공급량을 짧은 시간에 증가시키면 미연 암모니아가 증가할 염려가 있다. 부하 투입시에는 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시키고, 이어서 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 기체 암모니아의 공급량을 증가시키면, 미연 암모니아의 증가를 억제하면서 큰 부하의 투입이 가능해진다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 왕복 엔진은, 상기 혼소 운전을 행하는 혼소 운전 모드와, 상기 암모니아를 공급하지 않고 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하는 디젤 운전 모드를 가져도 좋다.
왕복 엔진은, 혼소 운전을 행하는 혼소 운전 모드에 추가하여, 기체 암모니아를 공급하지 않고 액체 보조 연료만으로 필요한 출력을 계속해서 출력하는 디젤 운전 모드를 가질 수 있다. 선박용 엔진에서는, 운전의 여유도를 확보하기 위해, 기체 암모니아를 사용한 운전 외에 액체 보조 연료만에 의한 운전 요청이 있다. 또, 발전 엔진에서도, 비상시 운전 계속성의 관점 등에서 액체 보조 연료만으로 운전을 행하는 요청이 있다. 혼소 운전시에 액체 보조 연료를 분사하는 연료 분사 장치로서는, 커먼 레일 방식의 연료 분사 장치를 이용하면, 분사 타이밍이나 분사 회수의 컨트롤면에서 유리하다. 이 커먼 레일 방식의 연료 분사 장치에 추가하여 기계적인 연료 분사 밸브 장치도 구비함으로써, 액체 보조 연료만으로 운전할 수 있게 된다. 또, 커먼 레일 방식의 연료 분사 장치를 분사량이 더욱 큰 범위에 대응 가능한 것으로 함으로써, 하나의 연료 분사 장치에 의해 혼소 운전 모드와 디젤 운전 모드 모두의 운전에 대응해도 좋다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 왕복 엔진의 흡기측에 추가되는 공기를 공급하는 공기 공급 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전 모드에서 상기 디젤 운전 모드로 전환할 때에, 상기 공기 공급 장치로부터 일시적으로 공기를 공급시켜도 좋다.
혼소 운전 모드와 디젤 운전 모드 모두에서 운전이 가능한 왕복 엔진 시스템에서는, 혼소 운전 모드에서의 운전을 유지함에 있어서 어떤 문제가 발생한 경우에, 단시간에 디젤 운전 모드로 전환할 필요가 있다. 어떤 문제란, 예를 들면, 예상을 벗어난 큰 부하 변동이 발생한 경우나 왕복 엔진 시스템에 이상 징조가 발생한 경우 등이다. 기체 암모니아와 액체 보조 연료를 혼소시켜 엔진을 운전할 때에는, 동일 부하에서 액체 보조 연료 단독으로 운전할 때에 비해 과급기의 운전점이 대폭 다르다. 과급기의 운전점은, 액체 보조 연료 단독으로 운전하고 있을 때가 공기의 풍량 및 과급압이 대폭 높다. 한편, 왕복 엔진에서 기체 암모니아를 혼소시켜 운전하는 경우에는, 배기 바이패스로에 마련된 밸브를 열어 과급기의 운전점을 낮추고, 흡기 바이패스로에 마련된 밸브를 활용하여 일정한 공기량을 내보낸다. 따라서, 연료를 기체 암모니아 연료에서 액체 연료로 순시(瞬時)에 전환한 경우에는, 공기량의 부족으로 인해 스모크의 배출, 기관 출력의 저하나 기관 회전수의 저하가 염려된다. 그래서 흡기 바이패스로나 배기 바이패스로에 마련된 밸브를 닫아 과급기의 회전수가 상승할 때까지 공기량의 부족을 보충하기 위해 공기 공급 장치로부터 추가 공기를 공급하여, 액체 보조 연료의 연소에 필요한 공기량을 확보한다. 공기 공급 장치로서는, 예를 들면 공기를 충전한 에어 탱크를 이용하는 것이 간단하고 쉽고, 또 전기식 블로어 등을 이용해도 좋다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 컴프레서 또는 터빈에 가변 기구를 구비한 가변 용량형 과급기를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전 모드에서 상기 과급기의 용량을 제어함으로써 상기 과급기의 회전 속도를 과급에 필요한 속도보다 높게 유지하고, 상기 혼소 운전 모드에서 상기 디젤 운전 모드로 전환할 때에 상기 과급기의 용량을 제어함으로써 보다 많은 공기를 공급시켜도 좋다.
상술한 바와 같이, 연료를 기체 암모니아 연료에서 액체 연료로 순시에 전환한 경우에는, 공기량의 부족이 발생한다. 그래서 컴프레서 또는 터빈에 가변 기구를 구비한 가변 용량형 과급기를 이용한다. 가변 용량형 과급기로서는, 컴프레서 측에서 흡입구에 쐐기형 가동 베인(날개)을 마련하고, 가동 베인의 각도를 바꿈으로써 임펠러에 흡입되는 공기량을 조정하는 것이 있다(인렛 가이드 베인, IGV). 또, 가변 용량형 과급기로서는, 터빈 측에서 배기가스를 불어넣는 노즐 부분에 가동 베인을 마련하는 것 등이 있다. 예를 들면 IGV의 경우, 혼소 운전에서 가동 베인을 그 때의 운전 상태에서의 최적치보다 조인 상태로 제어함으로써 과급기의 회전 속도를 필요보다 높게 유지한다. 그리고, 혼소 운전 모드에서 디젤 운전 모드로 전환할 때에, 일시적으로 가동 베인을 개방함으로써 과급기의 회전 에너지를 공기량으로 변환하여 일시적으로 큰 공기량을 확보한다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 실린더의 배기로의 하류에 마련되며, 상기 실린더로부터 배기되는 배기가스를, 촉매를 이용하여 처리하는 촉매 처리 장치를 구비하고, 상기 암모니아 연료 공급 장치는, 상기 혼소 운전에서 상기 암모니아의 일부를 환원제로서 상기 촉매 처리 장치에 공급해도 좋다.
암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전에서는, 종래의 디젤 엔진에서도 문제가 되었던 질소산화물(NOx)의 발생에 추가하여, 아산화질소, 미연 암모니아의 발생 우려가 있다. 이들에 대해서는, 엔진 단독 대응은 곤란하다. 따라서, 질소산화물, 아산화질소를 처리하는 선택 환원 촉매 및 미연 암모니아를 처리하는 산화 촉매, 또는, 환원 촉매와 산화 촉매 모두의 기능을 발휘하는 산화 환원 촉매를 구비하면 좋다. 여기서, 미연 암모니아는, 선택 환원 촉매 또는 산화 환원 촉매에서, 질소산화물 및 아산화질소로부터 산소를 빼앗는 환원제로서 작용하기 때문에, 배기가스 중의 이들의 발생 비율을 고려할 필요가 있다. 질소산화물 및 아산화질소의 발생량보다 미연 암모니아의 발생량 비율이 큰 경우에는, 대부분의 질소산화물 및 아산화질소는 미연 암모니아에 의해 환원되어 무해해진다. 또, 질소산화물 및 아산화질소를 환원하지 않고 남겨진 미연 암모니아는, 산화 촉매 또는 산화 환원 촉매에서 배기가스 중의 산소에 의해 산화되어 무해해진다. 한편, 질소산화물 및 아산화질소의 발생량보다 미연 암모니아의 발생량 비율이 작은 경우에는, 완전히 환원되지 않은 질소산화물 및 아산화질소가 배출된다. 그래서 선택 환원 촉매 또는 산화 환원 촉매의 상류에 기체 암모니아를 공급한다. 이로써 암모니아의 발생량의 비율이 작은 경우에도 암모니아의 부족을 보충할 수 있다. 또, 공급하는 기체 암모니아로서 암모니아 공급 장치로부터 왕복 엔진에 연료로서 공급되는 기체 암모니아의 계통에 분기(分岐)를 마련하고, 연료로서의 암모니아 일부를 유용(流用)하여 촉매에 공급한다. 이로써 암모니아의 저장 설비와 보급 작업의 공통화를 꾀할 수 있다. 여기에서 배기로 중에는 NOx 센서, 암모니아 센서 등의 센서를 마련하고, 측정되는 배기의 성분에 따라 기체 암모니아의 공급량을 조정하는 것이 바람직하다.
상기 왕복 엔진 시스템에서는, 상기 암모니아 연료 공급 장치는, 또한 상기 액체 보조 연료만으로 운전할 때에도, 상기 암모니아의 일부를 환원제로서 상기 촉매 처리 장치에 공급해도 좋다.
상술한 바와 같이, 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전에서는, 암모니아의 공급량을 제로로 하고 액체 보조 연료만으로 운전하는 상태가 생긴다. 또, 기체 암모니아를 공급하지 않고 액체 보조 연료만으로 필요한 출력을 계속해서 출력하는 디젤 운전 모드의 요청도 있다. 한편, 암모니아를 연료로 하는 왕복 엔진에서는 압축단 온도를 올릴 필요가 있기 때문에, 액체 보조 연료만으로 운전할 경우, 종래의 디젤 엔진보다 NOx의 발생이 증가할 가능성이 있다. 그래서 왕복 엔진에 액체 보조 연료만 공급되는 운전 상태에서, 기체 암모니아를 선택 환원 촉매 또는 산화 환원 촉매의 상류에 공급함으로써 NOx를 처리한다. 여기서, 액체 보조 연료만 공급되는 운전일 때에는, 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전일 때보다 기체 암모니아의 공급량을 증가시키는 것이 바람직하다. 그것은, 액체 보조 연료만 공급되는 운전일 때에는 미연 암모니아의 발생이 없기 때문에, 그만큼을 기체 암모니아의 공급량을 늘림으로써 보충할 필요가 있기 때문이다.
본 발명의 일 형태에 관한 왕복 엔진의 운전 방법은, 연소실을 형성하는 실린더와, 상기 실린더 내를 왕복 이동하는 피스톤과, 상기 실린더에 기체의 암모니아를 공급하여 공기와 예혼합시키는 암모니아 연료 공급 장치와, 상기 실린더 내에 상기 암모니아를 착화시키는 액체 보조 연료를 공급하는 액체 보조 연료 공급 장치를 가지는 왕복 엔진의 운전 방법으로서, 상기 실린더 내의 압축단 온도가 상기 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상인 상태에서, 상기 암모니아와 상기 액체 보조 연료에 의한 혼소 운전을 행한다.
본원 발명자들은, 면밀히 연구한 결과, 왕복 엔진에서 암모니아를 기체 상태에서 공기와 예혼합하고, 실린더 내에서 혼합기체를 압축한 상태에서 액체 보조 연료를 실린더 내에 분사하여 착화시킴으로써 기체 암모니아와 공기의 혼합기체에 점화하는 혼소 운전을 행하는 것이 최적이라는 결론에 도달했다. 또한 본원 발명자들은, 실린더 내에서 혼합기체를 압축하면 피스톤으로부터의 일이 열로 바뀜으로써 실린더 내의 혼합기체의 온도는 상승하는데, 피스톤이 상사점에 도달할 때의 혼합기체의 온도인 압축단 온도를, 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상으로 함으로써 암모니아의 양호한 연소가 가능하다는 것을 알아내었다. 이로써, 암모니아와 액체 보조 연료의 비율에 대해, 열량비로 암모니아를 예를 들면 80% 이상으로 할 수 있게 되어, 암모니아를 연료로서 이용하는 왕복 엔진에서, 이산화탄소의 배출 삭감 효과를 더욱 크게 할 수 있다.
상기 본 발명의 일 형태에 따르면, 암모니아를 연료로서 이용하는 왕복 엔진에서, 이산화탄소의 배출 삭감 효과를 더욱 크게 할 수 있다.
[도 1] 일실시 형태에 관한 왕복 엔진 시스템의 구성도이다.
[도 2] 일실시 형태에 관한 왕복 엔진의 디젤 운전 모드의 동작을 설명하는 설명도이다.
[도 3] 일실시 형태에 관한 왕복 엔진의 혼소 운전 모드의 동작을 설명하는 설명도이다.
[도 4] 일실시 형태에 관한 왕복 엔진 시스템의 급배기 계통의 구성도이다.
[도 5] 일실시 형태에 관한 왕복 엔진 시스템의 급배기 계통의 변형예를 도시한 구성도이다.
[도 6] 일실시 형태에 관한 촉매 처리 장치의 구성도이다.
[도 7] 일실시 형태에 관한 실린더 내의 압축단 온도와 액체 보조 연료의 분사 타이밍을 기준으로 한, 기체 암모니아와 공기의 혼합기체의 연소 지연과의 관계를 도시한 그래프이다.
[도 8] 일실시 형태에 관한 기체 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전에서의 연료 전체의 당량비와 배기가스 중의 N2O, 미연 NH3의 관계를 도시한 그래프이다.
[도 9] 일실시 형태에 관한 왕복 엔진이 선박용 엔진인 경우의 동작을 설명하는 설명도이다.
[도 10] 일실시 형태에 관한 왕복 엔진이 발전기를 구동하는 발전 엔진의 동작을 설명하는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은, 일실시 형태에 관한 왕복 엔진 시스템(1)의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 왕복 엔진 시스템(1)은, 왕복 엔진(2)과, 왕복 엔진(2)의 제어 장치(3)를 구비하고 있다. 도 1에 도시한 왕복 엔진(2)은, 직접적 또는 간접적으로 프로펠러를 구동하는 선박용 엔진이다. 왕복 엔진(2)은, 후술하는 바와 같이 발전기를 구동하는 발전 엔진이어도 좋다.
왕복 엔진(2)은, 연소실(10)을 형성하는 실린더(11)와, 실린더(11) 내를 왕복 이동하는 피스톤(12)과, 피스톤(12)에 연결된 크랭크축(13)과, 크랭크축(13)의 회전을 검출하는 회전 검출 센서(14)와, 크랭크축(13)의 토크를 검출하는 토크 검출 센서(15)를 구비하고 있다. 크랭크축(13)은, 예를 들면, 선박 프로펠러의 회전축에 연결되어 있다.
실린더(11)의 실린더 헤드에는, 흡기로(20)와 배기로(30)가 접속되어 있다. 또, 실린더 헤드에는, 흡기로(20)를 개폐하는 흡기 밸브(21)와, 배기로(30)를 개폐하는 배기 밸브(31)가 설치되어 있다. 또, 실린더 헤드에는, 연소실(10)에 액체 보조 연료를 분사하는 액체 연료 분사 밸브(53) 및 착화 장치(55)가 설치되어 있다. 착화 장치(55)는, 예를 들면, 마이크로 파일럿유 분사 밸브로서, 후술하는 혼연(混燃) 운전 모드에서 사용된다.
흡기로(20)는, 연소용 공기를 압축하는 컴프레서(22)와, 컴프레서(22)의 하류측에 설치된 에어 쿨러(23)와, 에어 쿨러(23)보다 하류측에 설치된 연료 가스 분사 밸브(43)를 구비하고 있다. 연료 가스 분사 밸브(43)는, 흡기로(20)의 내부에, 연료가 되는 기체 암모니아를 분사한다. 기체 암모니아는, 흡기로(20)에서, 압축 공기와 예혼합되어 혼합기체가 되고 실린더 내에 공급된다.
에어 쿨러(23)는, 냉수로 공기를 냉각시키는 기능뿐 아니라, 온수나 히터 등에 의해 공기를 가열하는 기능을 가지는 공기 냉각기겸 가열 장치로 해도 좋다. 또 필요에 따라 흡기로(20)에서의 컴프레서(22)의 상류측에 공기 가열 장치(24)를 설치해도 좋다. 공기 가열 장치(24)는, 예를 들면, 왕복 엔진(2)과 열교환한 냉매를 열원으로서 이용하는 냉각 가열 계통(25)을 가지면 좋다.
배기로(30)는, 연소실(10)로부터 배출된 배기가스에 의해 회전하는 터빈(33)과, 터빈(33)의 하류측에 설치되어 배기가스에 포함되는 물질을 처리하는 촉매 처리 장치(60)를 구비하고 있다. 터빈(33)의 회전축은, 후술하는 도 4에 도시한 바와 같이, 컴프레서(22)에 접속되어 있으며, 배기가스를 회전원으로 하여 컴프레서(22)를 회전시킨다. 즉, 터빈(33) 및 컴프레서(22)는 과급기(4)를 구성하고 있다.
도 1로 돌아와, 촉매 처리 장치(60)는 암모니아와 액체 보조 연료의 연소에 의해 발생하는 질소산화물(NOx), 아산화질소, 미연 암모니아 등의 특정 물질을, 촉매를 이용하여 처리한다. 촉매 처리 장치(60)에는, 해당 특정 물질을 검출하는 검출 센서(61)가 부착되어 있다.
왕복 엔진(2)은, 실린더(11) 내에 암모니아를 공급하는 암모니아 연료 공급 장치(40)와, 실린더(11) 내에, 암모니아를 착화시키는 액체 보조 연료를 공급하는 액체 보조 연료 공급 장치(50)를 구비하고 있다. 암모니아 연료 공급 장치(40)는, 암모니아 탱크(41)와 기화 장치(42)와 연료 가스 분사 밸브(43)를 구비하고 있다.
암모니아 탱크(41)는, 액체 암모니아를 수용하고 있다. 기화 장치(42)는, 암모니아 탱크(41)로부터 배출된 액체 암모니아를 기화하여 기체 암모니아를 생성한다. 여기서, 기화 장치(42)는, 기체 암모니아를 가압하는 가압 펌프를 포함해도 좋다. 기화 장치(42)는, 암모니아 공급로(44)를 통해 연료 가스 분사 밸브(43)에 접속되어 있다. 암모니아 공급로(44)는, 레귤레이터(44a)와, 레귤레이터(44a)의 하류측에 설치된 압력 센서(44b)를 구비하고 있다.
또, 암모니아 공급로(44)는, 레귤레이터(44a)의 상류측에서 분기된 암모니아 제2 공급로(45)를 구비하고 있다. 암모니아 제2 공급로(45)는, 상술한 촉매 처리 장치(60)와 접속되어 있다. 암모니아 제2 공급로(45)는, 레귤레이터(45a)와, 레귤레이터(45a)의 하류측에 설치된 압력 센서(45b)를 구비하고 있다.
액체 보조 연료 공급 장치(50)는, 액체 보조 연료 탱크(51)와 제1 액체 연료 공급 펌프(52)와 액체 연료 분사 밸브(53)와 제2 액체 연료 공급 펌프(54)와 착화 장치(55)를 구비하고 있다. 액체 보조 연료 탱크(51)는, 액체 보조 연료를 수용하고 있다. 제1 액체 연료 공급 펌프(52)는, 액체 보조 연료 탱크(51)에 수용된 액체 보조 연료를 액체 연료 분사 밸브(53)에 공급한다.
액체 연료 분사 밸브(53)는, 예를 들면, 후술하는 디젤 운전 모드에서 사용하는 기계식 연료 분사 장치이다. 제2 액체 연료 공급 펌프(54)는, 액체 보조 연료 탱크(51)에 수용된 액체 보조 연료를 착화 장치(55)에 공급한다. 착화 장치(55)는, 예를 들면, 후술하는 혼소 운전 모드에서 사용하는 커먼 레일식 연료 분사 장치이다.
상기 구성의 왕복 엔진(2)은, 암모니아와 액체 보조 연료에 의한 혼소 운전을 행하는 혼소 운전 모드와, 암모니아를 공급하지 않고 액체 보조 연료만으로 운전을 행하는 디젤 운전 모드를 가진다.
도 2는, 일실시 형태에 관한 왕복 엔진의 디젤 운전 모드의 동작을 설명하는 설명도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 디젤 운전 모드일 때에는, 액체 연료 분사 밸브(53)로부터 중유 등의 액체 보조 연료를 연소실(10)에 분사시켜 피스톤(12)으로 압축된 압축 공기 중에서 착화·연소시킨다. 이 때, 연료 가스 분사 밸브(43)는 정지되어 있다.
도 3은, 일실시 형태에 관한 왕복 엔진(2)의 혼소 운전 모드의 동작을 설명하는 설명도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 혼소 운전 모드일 때에는, 연료 가스 분사 밸브(43)로부터 기체 암모니아를 흡기로(20) 내에 분사시켜, 연소실(10) 앞에서 공기와 예혼합시킨다. 다음으로 착화 장치(55)로부터 착화용 액체 보조 연료를 연소실(10)에 분사시켜, 피스톤(12)으로 압축된 혼합기체를 착화·연소시킨다. 이 때, 액체 연료 분사 밸브(53)는 정지되어 있다.
도 4는, 일실시 형태에 관한 왕복 엔진 시스템(1)의 흡배기 계통의 구성도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 왕복 엔진 시스템(1)의 흡배기 계통은, 부하(L)와, 왕복 엔진(2)과, 과급기(4)와, 에어 쿨러(23)와, 압력 센서(26)와, 회전 검출 센서(14)와, 토크 검출 센서(15)와, 제1 구동부(70)와, 제1 유량 조정 밸브(71)와, 제2 구동부(80)와, 제2 유량 조정 밸브(81)와, 흡기로(20)와, 흡기 바이패스로(20a)와, 배기로(30)와, 배기 바이패스로(30a)와, 제어 장치(3)를 구비하고 있다.
부하(L)란, 엔진의 회전을 방해하는 부하이다. 부하(L)는, 예를 들면, 왕복 엔진 시스템(1)이 선박에 탑재되는 경우, 프로펠러 등을 구동시킬 때의 기계적 부하를 포함한다. 또, 부하(L)는, 예를 들면, 왕복 엔진 시스템(1)이 차량에 탑재되는 경우, 클러치, 기어, 스로틀 밸브, 차바퀴 등을 구동시킬 때의 기계적 부하를 포함한다. 또, 부하(L)는, 예를 들면, 왕복 엔진 시스템(1)이 발전용으로 이용되는 경우, 발전기 등을 구동시킬 때의 전기적 및 기계적 부하를 포함한다.
왕복 엔진(2)은, 예를 들면, 복수의 실린더(11)(연소실)를 구비한다. 과급기(4)에 의해 압축되어 공급되는 공기는, 흡기로(20)를 통해 에어 쿨러(23)에 보내지고, 그 후, 왕복 엔진(2)에 보내진다.
왕복 엔진(2)은, 과급기(4)에 의해 압축되어 공급된 공기를 각 실린더(11) 내에서 연소시켜 내부의 피스톤(12)을 왕복 운동시킨다. 왕복 엔진(2)은, 실린더(11) 내의 피스톤(12)의 왕복 운동을, 미도시된 커넥팅 로드 및 크랭크축(13)에 의해 회전운동으로 바꾼다. 이로써 왕복 엔진(2)은, 이 회전운동에 기초한 에너지를 부하(L)에게 주어 부하(L)를 구동시킨다.
과급기(4)는, 상술한 바와 같이, 컴프레서(22)와 터빈(33)을 구비하고 있다. 컴프레서(22)는, 터빈(33)의 회전에 따라 외부로부터 공기를 취입하고, 취입한 공기의 압력을 대기압 이상으로 압축한다. 그리고 컴프레서(22)는, 압축한 공기를, 흡기로(20)를 통해 왕복 엔진(2)에 공급한다. 터빈(33)은, 왕복 엔진(2) 내에서 연소된 배기가스를 집어넣고, 취입한 배기가스의 양에 따라 회전한다. 그리고, 터빈(33)은, 회전의 구동원으로서 이용한 배기가스를 외부에 배기한다.
에어 쿨러(23)는, 과급기(4)로부터 왕복 엔진(2)에 공기를 공급하기 위한 흡기로(20)의 일부에 마련된다. 에어 쿨러(23)는, 미도시된 공급로를 통해 외부로부터 소정 압력으로 공급되는 냉각수에 의해, 흡기로(20)의 내부를 통과하는 공기를 냉각시킨다. 냉각수는, 예를 들면, 공업용수, 해수, 순환 냉각수이다.
압력 센서(26)는, 예를 들면, 에어 쿨러(23)의 하류측 흡기로(20)에 마련되어 에어 쿨러(23)에 의해 냉각된 공기의 압력(예를 들면 단위[Pa])을 측정한다.
회전 검출 센서(14)는, 예를 들면, 크랭크축(13)의 회전축의 회전 속도를 검출한다. 회전 검출 센서(14)는, 회전축의 회전수나 회전 각속도를 검출해도 좋다.
토크 검출 센서(15)는, 예를 들면, 크랭크축(13)의 회전축의 비틀림량(예를 들면 변위량)을 검출하고, 이 비틀림량과 회전축의 반경에 기초하여 토크를 도출한다. 회전 검출 센서(14) 및 토크 검출 센서(15) 중 하나 또는 모두는, 축마력계 등의 비틀림 검출 센서여도 좋고, 와전류식 전기 동력계여도 좋다.
제1 구동부(70) 및 제2 구동부(80)는, 예를 들면, 전자식이나 유압식, 공기압식 등의 액츄에이터이다. 제1 구동부(70) 및 제2 구동부(80) 각각은, 제어 장치(3)에 의해 제어되어 구동한다. 제1 구동부(70)는, 제1 유량 조정 밸브(71)를 구동하여 제1 유량 조정 밸브(71)의 밸브 개방도를 조정한다. 제2 구동부(80)는, 제2 유량 조정 밸브(81)를 구동하여 제2 유량 조정 밸브(81)의 밸브 개방도를 조정한다.
흡기 바이패스로(20a)는, 흡기로(20)의 일부에 마련되며, 흡기로(20) 내부를 통과하는 공기의 일부를 과급기(4)의 컴프레서(22)에 공급하여 순환시킨다. 도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들면, 흡기 바이패스로(20a)는, 에어 쿨러(23)의 상류측의 흡기로(20)에 마련된다. 흡기 바이패스로(20a)는, 에어 쿨러(23)의 하류측의 흡기로(20)에 마련되어도 좋다. 이 경우, 흡기 바이패스로(20a)는, 에어 쿨러(23)에 의해 냉각된 공기의 일부를 과급기(4)의 컴프레서(22)에 공급하여 순환시킨다.
배기 바이패스로(30a)는, 배기로(30)의 일부에 마련되어, 배기로(30) 내부를 통과하는 배기가스의 일부를, 과급기(4)의 터빈(33)을 거치지 않고 외부에 배기한다.
제1 유량 조정 밸브(71)는, 흡기 바이패스로(20a)에 마련되며, 흡기 바이패스로(20a)를 통해 컴프레서(22)에 순환하는 공기의 유량을 조정한다. 제1 유량 조정 밸브(71)는, 예를 들면, 컴프레서(22)로부터 공급되는 공기를, 밸브 개방도에 따른 분량으로 에어 쿨러(23)측을 향한 흡기로(20)와 흡기 바이패스로(20a)로 분류한다. 제1 유량 조정 밸브(71)가 완전 개방인 경우(밸브 개방도가 "1"인 경우), 컴프레서(22)로부터 공급된 공기는, 에어 쿨러(23)측을 향한 흡기로(20)와 흡기 바이패스로(20a)로 분류된다. 또, 제1 유량 조정 밸브(71)가 닫혀 있는 경우(밸브 개방도가 "0"인 경우), 컴프레서(22)로부터 공급되는 공기는, 에어 쿨러(23)측을 향한 흡기로(20)에만 전량 흐른다.
제2 유량 조정 밸브(81)는, 배기 바이패스로(30a)에 마련되며, 배기 바이패스로(30a)를 통해 외부에 배기하는 배기가스의 유량을 조정한다. 제2 유량 조정 밸브(81)는, 예를 들면, 왕복 엔진(2)으로부터 배출되는 배기가스를, 밸브 개방도에 따른 분량으로 과급기(4)측을 향한 배기로(30)와 배기 바이패스로(30a)로 분류한다. 예를 들면, 밸브가 완전 개방인 경우(밸브 개방도가 "1"인 경우), 왕복 엔진(2)으로부터 배출되는 배기가스는, 과급기(4)측을 향한 배기로(30)와 배기 바이패스로(30a)로 분류된다. 또, 밸브가 닫혀 있는 경우(밸브 개방도가 "0"인 경우), 왕복 엔진(2)으로부터 배출되는 배기가스는, 과급기(4)측을 향한 배기로(30)에만 전량 흐른다.
제어 장치(3)는, 예를 들면, 제1 제어부(110)와, 제2 제어부(120)와, 그 공통부와, 기억부(미도시)를 구비한다. 공통부란, 제1 제어부(110) 및 제2 제어부(120)와 다른 제3 제어부로서, 자신이 행하는 처리 일부 또는 전부는, 제1 제어부(110) 또는 제2 제어부(120)에 의해 행해져도 좋다.
상술한 제1 제어부(110), 제2 제어부(120) 및 공통부(제3 제어부) 중 어느 하나 또는 모두는, 예를 들면 CPU(Central Processing Unit) 등의 프로세서가, 기억부에 기억된 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 또, 제1 제어부(110) 및 제2 제어부(120) 중 하나 또는 모두는 LSI(Large Scale Integration), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 또는 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 등의 하드웨어에 의해 실현되어도 좋다.
기억부는, 예를 들면, HDD(Hard Disc Drive), 플래쉬 메모리, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), ROM(Read Only Memory), 또는 RAM(Random Access Memory) 등에 의해 실현된다. 기억부에는 펌웨어나 프로세서가 실행하는 프로그램 등이 기억된다.
제어 장치(3)의 공통부에서는, 예를 들면, 회전 검출 센서(14)에 의해 검출된 회전 속도와, 토크 검출 센서(15)에 의해 검출된 토크에 기초하여 현시점에서의 부하에 대한 출력(일량 [kW])을 도출하고, 이 현시점에서의 출력과, 미리 기억부에 기억시켜둔 정격 출력에 기초하여 부하율을 도출한다. 부하율은, 예를 들면, 현시점에서의 출력을 정격 출력으로 나눔으로써 도출된다. 부하율을 도출하는 처리에 대해서는, 제1 제어부(110) 또는 제2 제어부(120)가 행해도 좋다.
제1 제어부(110)는, 공통부에 의해 산출된 왕복 엔진(2)의 부하율에 기초한 급기압 목표치와, 압력 센서(26)에 의해 측정된 급기 압력에 기초하여, 제1 유량 조정 밸브(71)의 밸브 개방도를 조정하는 제1 구동부(70)를 제어한다.
제1 제어부(110)는, 도출한 부하율과 미리 기억부에 기억시켜둔 급기압 목표치 도출 정보를 이용하여, 피드백 제어시에 목표로 하는 흡기로(20) 내의 압력(이하, 급기압 목표치라고 칭한다)를 도출한다. 급기압 목표치 도출 정보란, 미리 정해진 부하율 및 급기압 목표치의 관계를 나타낸 정보이다. 이 정보는, 예를 들면, 맵이나 함수로서 미리 기억부에 기억되어 있다.
제2 제어부(120)는, 기억부에 미리 기억시켜둔 밸브 개방도 정보와, 제1 제어부(110)에 의해 도출된 부하율에 기초하여 제2 유량 조정 밸브(81)의 밸브 개방도를 조정하는 제2 구동부(80)를 제어한다. 이로써 제2 제어부(120)는, 가동중인 내연 기관의 부하율에 기초하여 과급기(4)의 회전 속도를 제어하게 된다.
밸브 개방도 정보란, 미리 정해진 부하율과, 배기로(30) 내의 압력이 이상치가 되도록 설정된 제2 유량 조정 밸브(81)의 밸브 개방도와의 관계를 나타낸 정보이다. 배기로(30) 내의 압력의 이상치는, 예를 들면, 각 부하율에서의 제1 유량 조정 밸브(71)의 밸브 개방도가 소정치를 유지한 상태, 또는 소정치를 초과하지 않는 상태에서, 흡기로(20) 내의 압력을 급기압 목표치에 유지할 수 있도록 조정된 배기로(30) 내의 압력이다. 이 밸브 개방도 정보는, 예를 들면, 맵이나 함수로서 미리 기억부에 기억되어 있다.
도 5는, 일실시 형태에 관한 왕복 엔진 시스템(1)의 흡배기 계통의 변형예를 도시한 구성도이다. 도 5에 도시한 흡배기 계통은, 상술한 도 4에 도시한 흡배기 계통에서, 부가적 혹은 치환적으로 더 실시 가능한 구성을 도시한다. 또, 도 5에서는, 도 4에서 설명한 것과 동일한 구성에 대해서는 같은 번호를 부여하였다. 이하에서는, 같은 번호를 부여한 구성에 대한 설명을 생략한다.
왕복 엔진 시스템(1)은, 컴프레서(22)와 터빈(33)을 가지며 왕복 엔진(2)에 과급(過給)을 행하는 과급기(4)와, 컴프레서(22)와 왕복 엔진(2)을 연결하는 흡기로(20)와, 왕복 엔진(2)과 터빈(33)을 연결하는 배기로(30)를 구비한다.
흡기로(20)의 에어 쿨러(23)의 상류측과 배기로(30)의 터빈(33)의 상류측은, 합선로(96, 97, 98)를 통해 합선된다(제1 합선로). 합선로(96)와 합선로(97) 사이에는 제1 합선 밸브(91)가, 합선로(97)와 합선로(98) 사이에는 제2 합선 밸브(92)가 각각 마련되어 있다. 합선로(97)에는 분기가 마련되어 있으며 그 분기에는 제3 합선 밸브(93)를 개재하여 합선로(99)의 일단이 접속되고, 합선로(99)의 타단은 터빈(33)의 하류에서 배기로(30)에 접속되어 있다. 흡기로(20)와 터빈의 하류는, 합선로(96, 97, 99)를 통해 합선된다(제2 합선로). 배기로(30)의 더 하류에는, 후술하는 촉매 처리 장치(60)가 마련되어 있다. 배기로(30)의 터빈(33)의 입구, 촉매 처리 장치(60)의 입구 및 촉매 처리 장치(60)에는, 각각 온도 센서(66, 67, 68)가 마련되어 있다. 또, 촉매 처리 장치(60)에는, 필요에 따라 촉매 처리 장치(60)를 가열하는 히터(69)가 마련되어 있다.
기체의 암모니아를 액체 보조 연료와 혼소시켜 엔진을 운전할 때에는, 연료 전체의 당량비가 종래의 디젤 엔진이나 천연가스 등의 연료를 이용한 가스 엔진의 경우에 비해 높기 때문에, 중·고부하로는 터빈(33)의 입구에서의 배기 온도가 터빈(33)의 허용 온도를 초과할 가능성이 있다. 따라서, 중·고부하에서는 컴프레서(22)의 출구의 공기를 터빈(33)의 입구로 제1 합선로에 의해 바이패스시켜 터빈(33)에 유입되는 배기의 온도를 낮춤과 아울러, 촉매 처리 장치(60)의 입구의 배기 온도도 적절히 한다. 제1 합선로에 의해 바이패스를 행할 때에는, 제3 합선 밸브(93)는 닫히고, 제1 합선 밸브(91) 및 제2 합선 밸브(92)는 열려 제어 장치(3)에 의해 개방도가 조정된다.
한편, 저부하가 되면 과급기(4)가 충분히 작동하지 않기 때문에 컴프레서(22)의 출구 압력에 비해 터빈(33)의 입구 압력이 높아져 터빈(33)의 입구로부터 컴프레서(22)의 출구로 배기가 역류할 우려가 있다. 따라서, 저부하에서는 컴프레서(22)의 출구의 공기를 터빈(33)의 하류(촉매 입구)로 제2 합선로에 의해 바이패스시킴으로써 촉매 처리 장치(60)에 흐르는 배기의 온도를 적절한 온도로 한다. 제2 합선로에 의해 바이패스를 행할 때에는, 제2 합선 밸브(92)는 닫히고 제1 합선 밸브(91) 및 제3 합선 밸브(93)는 열려 제어 장치(3)에 의해 개방도가 조정된다. 또 필요에 따라, 제1 합선 밸브(91)를 닫고 제2 합선 밸브(92) 및 제3 합선 밸브(93)를 열어 제어 장치(3)에 의해 개방도를 조정함으로써, 전술한 제2 유량 조정 밸브(81)와 마찬가지의 구성이 되어, 배기 바이패스로(30a)로서 터빈(33)에 공급하는 배기가스의 양을 제어할 수도 있다.
왕복 엔진 시스템(1)은, 왕복 엔진(2)의 흡기측에 공기량을 제한하는 스로틀 밸브(94)를 구비한다. 본 실시 형태에서는, #1∼#6의 6개의 실린더(11) 각각의 입구에 스로틀 밸브(94)가 마련되어 있다. 제어 장치(3)는, 공기에 대한 암모니아의 당량비가, 암모니아와 액체 보조 연료에 의한 혼소 운전을 가능하게 하는 범위에 들어가도록 스로틀 밸브(94)의 개방도를 제어한다.
기체 암모니아를 액체 보조 연료와 혼소시켜 엔진을 운전할 때에는, 전술한 아산화질소, 미연 암모니아나 기타 질소산화물 등의 배기가스 성분이나 연소 안정성과의 관계상, 기체 암모니아의 공기에 대한 당량비를 일정한 범위 내로 유지할 필요가 있다. 그러나, 저부하 운전시에는 필요한 암모니아의 절대량이 적기 때문에, 과급기(4)가 작동하지 않는 자연 흡기 상태에서도 기체 암모니아의 당량비가 목표 범위보다 낮아져 버린다. 따라서, 흡기 입구에 스로틀 밸브(94)를 마련하여 흡기량을 줄임으로써 암모니아의 당량비를, 혼소 운전이 가능해지는 목표의 범위 내로 유지한다. 여기서, 목표 범위가 되는 암모니아의 당량비는 0.4∼0.8로 한다.
본 실시 형태에서는 #1∼#6의 6개의 실린더(11) 각각의 입구에 스로틀 밸브(94)를 마련하였으나, 흡기로(20)가 각 실린더를 향해 분기되기 전의, 에어 쿨러(23)의 출구 혹은 입구 부근의 흡기로(20)로 1개의 스로틀 밸브(94)를 마련해도 좋다.
왕복 엔진 시스템(1)은, 왕복 엔진(2)의 흡기측, 구체적으로는 흡기로(20)의 컴프레서(22)의 출구 부근에 접속된, 추가되는 공기를 공급하는 공기 공급 장치인 에어 탱크 장치(95)를 구비한다. 제어 장치(3)는, 혼소 운전 모드에서 디젤 운전 모드로 전환할 때에, 에어 탱크 장치(95)로부터 일시적으로 공기를 공급한다.
혼소 운전 모드와 디젤 운전 모드 모두에서 운전이 가능한 왕복 엔진 시스템(1)에서는, 혼소 운전 모드에서의 운전을 유지하는데 어떠한 문제가 생긴 경우에 단시간에 디젤 운전 모드로 전환할 필요가 있는 경우가 있다. 이 경우, 공기량의 부족에 의해 스모크의 배출, 기관 출력의 저하나 기관 회전수의 저하가 염려된다. 그래서 흡기 바이패스로(20a)나 배기 바이패스로(30a)에 마련된 밸브를 닫아 과급기(4)의 회전수가 상승할 때까지의 동안에, 공기량의 부족을 보충하기 위해 에어 탱크 장치(95)로부터 추가되는 공기를 공급하여 액체 보조 연료의 연소에 필요한 공기량을 확보한다.
또 에어 탱크 장치(95)를 이용하지 않는 다른 예로서, 과급기(4)의 컴프레서(22)의 흡입구에 쐐기형의 가동 베인(날개)을 마련하고, 가동 베인의 각도를 바꿈으로써 임펠러에 흡입되는 공기량을 조정하는 가변 용량형의 것(IGV)을 이용해도 좋다. 제어 장치(3)는, 혼소 운전 모드에서, 가동 베인을 그 때의 혼소 운전의 운전 상태에서의 최적의 각도보다 조인 상태로 제어함으로써 과급기의 회전 속도를 필요보다 높게 유지한다. 그리고 제어 장치(3)는, 혼소 운전 모드에서 디젤 운전 모드로 전환할 때에, 일시적으로 가동 베인을 여는 제어를 행한다. 이로써 과급기의 회전 에너지가 공기량으로 변환되어 일시적으로 큰 공기량을 확보한다. 디젤 운전 모드로의 변환 종료 후에는, 제어 장치(3)는 가동 베인을 디젤 운전에 적합한 각도로 하는 제어를 행한다.
도 6은, 일실시 형태에 관한 촉매 처리 장치(60)의 구성도이다.
도 6의 (a)에 도시한 촉매 처리 장치(60)는, 왕복 엔진(2)로부터 배출된 배기가스를 처리하는 선택 환원 촉매조(62)와, 선택 환원 촉매조(62)로부터 배출된 배기가스를 더 처리하는 산화 촉매조(63)를 구비하고 있다. 선택 환원 촉매조(62)의 상류측에는, 암모니아 제2 공급로(45)를 거쳐 왕복 엔진(2)에 연료로서 공급되는 기체 암모니아의 일부가 분기되어 유도되고, 미도시된 분사 노즐로부터 배기가스 중에 분사된다. 선택 환원 촉매조(62)의 하류측 및 산화 촉매조(63)의 하류측 중 적어도 한쪽에는, NOx 센서, 암모니아 센서 등의 검출 센서(61)가 마련되고, 측정되는 배기가스 중의 성분에 따라 기체 암모니아의 공급량이 조정된다.
암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전에서는, 엔진의 배기가스 중에, 질소산화물(NOx)에 추가하여 아산화질소, 미연 암모니아가 발생한다. 이 미연 암모니아는, 선택 환원 촉매조(62)에서, 질소산화물 및 아산화질소로부터 산소를 빼앗는 환원제로서 작용한다. 미연 암모니아의 발생 비율이, 질소산화물 및 아산화질소의 발생 비율에 대해 부족한 경우, 부족분의 기체 암모니아가 암모니아 제2 공급로(45)의 분사 노즐로부터 배기가스 중에 분사된다.
질소산화물 및 아산화질소의 대부분은, 선택 환원 촉매조(62)에서 환원되어 무해화된다. 또, 기체 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전에서는, 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 0.5 이상 1.0 이하로 하는 것이 바람직하고, 실제 운전의 대부분은 당량비가 1.0 미만인 린번 영역에서 이루어진다. 따라서, 배기가스 중에는 일정 비율의 산소가 포함되어 있다. 미연 암모니아의 발생 비율이, 질소산화물 및 아산화질소의 발생 비율에 비해 많은 경우 등 배기가스 중에 잉여의 암모니아가 남는 경우에는, 하류측 산화 촉매조(63)에서, 암모니아는 배기가스 중의 산소로 산화되어 무해화된다.
도 6의 (b)에 도시한 예에서는, 도 6의 (a)에 도시한 예의 왕복 엔진(2)과 선택 환원 촉매조(62) 사이에 산화 촉매조(64)가 더 마련되어 있다. 이와 같이 하면, 왕복 엔진(2) 직후의 산화 촉매조(64)에 의해, 배기가스 중의 미연 탄화수소나 일산화탄소를 보다 효과적으로 처리할 수 있다.
도 6의 (c)에 도시한 예에서는, 왕복 엔진(2)의 하류측에 산화 환원 촉매조(65)가 마련되어 있다. 산화 환원 촉매조(65)는, 질소산화물 및 아산화질소의 암모니아에 의한 환원 반응과 암모니아의 배기가스 중의 산소에 의한 산화 반응 모두를 촉진한다. 이 예에서도, 질소산화물 및 아산화질소의 암모니아에 의한 환원과 암모니아의 배기가스 중의 산소에 의한 산화의 효과를 얻을 수 있다.
상기 구성의 왕복 엔진 시스템(1)은, 실린더(11) 내의 압축단 온도가 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상인 상태에서, 암모니아와 액체 보조 연료에 의한 혼소 운전을 행하는 것을 특징으로 한다.
이하의 도 7 및 도 8은, 상술한 왕복 엔진(2)의 실린더(11) 부분만을 재현한 급속 압축 팽창 장치를 이용하여 행한, 기체 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 시험의 결과를 도시한다.
도 7은, 일실시 형태에 관한 실린더(11) 내의 압축단 온도와 액체 보조 연료의 분사 타이밍을 기준으로 한, 기체 암모니아와 공기의 혼합기체의 연소 지연과의 관계를 도시한 그래프이다.
동 도면에서, 점선은 급기 압력 0.1Mpa, 압축단 압력 2.6Mpa인 경우의 압축단 온도에 대한 연소 지연(점화 지연)의 측정치를, 일점쇄선은 급기 압력 0.2MPa, 압축단 압력 5.3Mpa인 경우의 측정치를 각각 나타낸다. 어느 쪽이든 압축단 온도가 750K 미만이면 연소 지연이 커지고, 특히 전자의 급기 압력이 낮은 조건에서 연소 지연이 현저해지는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 압축단 온도가 암모니아 혼합기체의 연소에 지배적인 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
도 8은, 일실시 형태에 관한 기체 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전에서의 연료 전체의 당량비와 배기가스 중의 N2O(실선), 미연 NH3(점선)의 관계를 도시한 그래프이다. 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 0.5 미만이면, 당량비가 낮아질수록 아산화질소의 발생이 급격하게 증가한다. 또, 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 1.0 이상으로 한 경우에는, 연료의 연소에 필요한 공기가 부족하기 때문에, 연료가 미연 성분으로서 배출된다. 이 경우, 암모니아는 액체 보조 연료에 비해 연소되기 어렵기 때문에, 주로 암모니아가 미연 성분으로서 배출된다는 것을 알 수 있다.
도 1에 도시한 왕복 엔진(2)(실제 기기용 열형(列形) 엔진)과 그 예비 실험에 사용한 예비 시험용 단기통 엔진의 사양은 이하와 같다.
(1) 예비 시험용 단기통 엔진
실린더수 1
보어× 스트로크 180×200mm
실린더당 행정 용적 5089cc
정격 회전 속도 1000∼1200rpm
(2) 실제 기기용 열형 엔진
실린더수 6
보어× 스트로크 280×390mm
실린더당 행정 용적 24014cc
정격 회전 속도 750∼800rpm
계속해서, 상기 구성의 왕복 엔진 시스템(1)의 동작(왕복 엔진(2)의 운전 방법)에 대해 설명하기로 한다. 이하의 동작은, 제어 장치(3)가 주체가 되어 제어를 행한다.
본 실시 형태의 왕복 엔진 시스템(1)은, 암모니아를 연료로서 사용한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연료로서 사용되는 암모니아는, 가압되어 액체 상태로 암모니아 탱크(41) 내에 저장되고, 기화 장치(42)에 의해 기화되어 기체 암모니아가 된다. 기체 암모니아는, 레귤레이터(44a)로 압력이 제어되고 연료 가스 분사 밸브(43)(전자 밸브)를 통해 흡기로(20) 중에 공급된다. 또, 기체 암모니아의 일부는 분기되어 레귤레이터(45a)로 압력이 제어되어 촉매 처리 장치(60)에 공급된다.
액체 보조 연료는, 액체 연료 분사 밸브(53) 및 착화 장치(55)에 의해 연소실(10) 내에 분사된다. 액체 연료 분사 밸브(53)는, 예를 들면, 기계식 연료 분사 장치이고, 착화 장치(55)는, 예를 들면, 커먼 레일식 연료 분사 장치이다. 기체 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전 모드에서는, 연료 분사 타이밍의 조정이 용이한 커먼 레일식 연료 분사 장치(착화 장치(55))가 주로 사용되지만, 보조적으로 기계식 연료 분사 장치(액체 연료 분사 밸브(53))를 이용해도 좋다. 또, 커먼 레일식 연료 분사 장치(착화 장치(55))에 의해 다단 분사를 행함으로써 암모니아의 연소성을 향상시키는 효과가 있다.
액체 보조 연료만으로 디젤 운전하는 모드에서는, 기계식 연료 분사 장치(액체 연료 분사 밸브(53))가 주로 사용된다. 액체 보조 연료로서는, 중유, 경유를 일반적으로 사용할 수 있다. 여기서 사용하는 액체 보조 연료로서는, 라이프 사이클로 이산화탄소의 발생이 방지되는 바이오 연료 등의 CO2프리의 대체 연료를 이용해도 좋다. 이 경우에는, 암모니아 이용의 효과와 아울러 거의 100%의 이산화탄소 배출 삭감이 가능해진다.
흡기 밸브(21)의 동(動)밸브 장치로서는, 가변 밸브 타이밍 기구를 가지는 동밸브 장치를 사용하면 좋다. 이로써 흡기 밸브(21)가 닫히는 타이밍을 급기 행정에서의 피스톤(12)의 하사점 타이밍보다 빠르게 하고(조기 폐쇄), 또는 하사점 타이밍보다 늦게 함(지연 폐쇄)으로써 유효 압축비를 가변할 수 있다. 예를 들면, 왕복 엔진(2)의 시동시나 출력이 낮은 운전 상태에서는, 유효 압축비를 높게 함으로써 압축단 온도를 올릴 수 있고, 보다 빠른 타이밍으로, 액체 보조 연료만의 운전에서, 기체 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전으로 이행할 수 있다. 또, 출력이 높은 운전 상태에서는 유효 압축비를 낮게 함으로써 실린더(11)내 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하고, 또 미러 사이클화에 의한 효율 향상 효과를 얻을 수 있다.
흡기로(20)에는, 과급기(4)의 컴프레서(22)의 하류측에 에어 쿨러(23)가 마련된다. 이 에어 쿨러(23)는 냉수로 흡기를 냉각시키는 기능뿐 아니라, 온수나 히터 등에 의해 흡기를 가열하는 기능을 가지는 공기 냉각기겸 가열 장치로 해도 좋다. 또 필요에 따라 컴프레서의 상류측에 흡입하는 공기를 가열하는 공기 가열 장치(24)를 구비해도 좋다. 공기 가열 장치(24)는, 왕복 엔진(2)과 열교환한 냉각수를 열원으로서 이용하는 냉각 가열 계통(25)을 가지고 있다. 왕복 엔진(2)의 시동시나 출력이 낮은 운전 상태에서는, 에어 쿨러(23) 또는 공기 가열 장치(24)에 의해 흡기를 가열함으로써 압축단 온도를 올릴 수 있어, 보다 빠른 타이밍으로 액체 보조 연료만의 운전에서, 기체 암모니아와 액체 보조 연료의 혼소 운전으로 이행할 수 있다. 또, 흡기로(20)에서 컴프레서(22)의 하류측이 되는 위치, 보다 구체적으로는 에어 쿨러(23)의 출구 부근에 미도시된 온도 센서를 마련해도 좋다. 이 온도 센서에 의해 측정되는 흡기의 온도가 소정 온도보다 낮아지는 운전 영역에서, 에어 쿨러(23) 또는 공기 가열 장치(24)가 흡기를 가열해도 좋다.
도 9는, 일실시 형태에 관한 왕복 엔진(2)이 선박용 엔진인 경우의 동작을 설명하는 설명도이다. 여기에서는, 왕복 엔진(2)이 고정 피치 프로펠러를 직접적으로 구동하는 경우를 대표예로서 설명하기로 한다. 왕복 엔진(2)이 가변 피치 프로펠러를 구동하는 경우에도 프로펠러 피치에 의해 출력, 연료 공급량을 나타내는 선이 상하로 시프트하는 것 외에는 도 9와 동일하다. 또, 왕복 엔진(2)이 발전기를 구동하여 얻어진 전력에 의해 모터로 프로펠러를 구동하는 경우, 왕복 엔진(2)의 회전 속도가 일정한 상태로 발전량을 올렸다 내렸다 하는 경우도 있다. 이 경우에는 후술하는 발전기를 구동하는 발전 엔진의 예에 준한 운전이 되는데, 엔진의 회전 속도를 올렸다 내렸다 하면서 발전량을 올렸다 내렸다 하는 경우에는, 본 실시예에 준한 운전이 된다.
도 9의 횡축은, 시간의 경과, 종축의 (a)는 왕복 엔진(2)의 회전 속도, (b)는 왕복 엔진(2)의 출력, (c) 및 (d)는 연료 공급량의 예를 나타낸다. 도 9에 도시한 예에서는, T0에서 왕복 엔진(2)이 시동되어 T1까지 아이들링 상태의 일정한 회전 속도로 왕복 엔진(2)이 운전된다. 이전의 왕복 엔진(2)의 출력은 제로인데, 아이들링을 유지하기 위해 일정량의 연료가 공급된다. 왕복 엔진(2)은 조속 제어되고 있으며, 왕복 엔진(2)의 회전 속도가 목표 회전 속도가 되도록 연료의 공급량이 조속 제어된다. T1에서 선박의 추진이 개시되어 T2에서 정격의 회전 속도가 될 때까지 왕복 엔진(2)의 목표 회전 속도가 서서히 상승하면, 조속 제어의 기능에 의해 연료의 공급량이 서서히 증가하여 왕복 엔진(2)의 출력이 서서히 증가하고, T2에서 정격출력에 도달한다. 프로펠러의 피치가 일정한 경우, 출력과 회전 속도의 관계는, 출력이 회전 속도의 약 세제곱에 비례하는, 이른바 선박용 세제곱 곡선에 따른 관계가 된다.
도 9의 (c)는, 속력의 증가가 비교적 느린 경우, 혹은 왕복 엔진(2)의 하나의 실린더(11)당 행정 용적이 비교적 큰 경우에 적합한 연료 공급 제어의 예이다. 왕복 엔진(2) 시동 후의 아이들링 상태에서는, 거의 일정량의 액체 보조 연료가 공급된다. 아이들링 운전을 적당한 시간 행하여 왕복 엔진(2)의 온도가 상승하여 고온 상태가 되고, 압축단 온도가 소정 온도 이상이 된 단계에서, 디젤 운전 모드에서 혼소 운전 모드로 전환되어 기체 암모니아의 조속 제어에 의한 공급이 개시된다. 액체 보조 연료의 공급량이 일정해져 목표 회전 속도가 서서히 상승하면, 조속 제어의 작용에 의해 기체 암모니아의 공급량이 서서히 증가한다. 회전 속도 및 출력이 정격에 도달한 상태에서는, 암모니아의 혼소율은 열량비로 80% 이상이 된다.
도 9의 (d)는, 속력의 증가가 비교적 빠른 경우, 혹은 왕복 엔진(2)의 하나의 실린더(11)당 행정 용적이 비교적 작은 경우에 적합한 연료 공급 제어의 예이다. 아이들링 운전 후, 압축단 온도가 소정 온도 이상이 되지 않는 상태에서는, 액체 보조 연료의 공급량이 조속 제어되어 목표 회전 속도가 서서히 상승하면, 조속 제어의 기능에 의해 액체 보조 연료의 공급량이 서서히 증가한다. 이 예에서는, 회전 속도 및 출력이 정격에 도달할 때까지 액체 보조 연료만으로 운전이 되고 있다. 출력이 증가하여 왕복 엔진(2)의 온도가 상승하고, 압축단 온도가 소정 온도 이상이 된 단계에서, 디젤 운전 모드에서 혼소 운전 모드로 전환되어 기체 암모니아의 조속 제어에 의한 공급이 개시된다. 기체 암모니아의 공급 개시 후, 액체 보조 연료의 공급량은 서서히 감소하고, 조속 제어의 기능에 의해 기체 암모니아의 공급량이 증가한다. 최종적으로 암모니아의 혼소율은 열량비로 80% 이상이 된다.
이 예에서는, 왕복 엔진(2)의 회전 속도 및 출력이 정격에 도달할 때까지 액체 보조 연료만으로 운전이 되고 있다. 그러나 예를 들면 도 9의 (d) 중에 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 압축단 온도가 소정 온도 이상이 될 수 있는 적당한 출력, 예를 들면 50%의 출력까지 액체 보조 연료만으로 운전하고, 그 단계에서 기체 암모니아의 공급을 개시해도 좋다. 그 경우에는, 도 9의 (d)에서 일점쇄선 위의 빗금친 영역도 암모니아의 공급 영역이 된다. 이 경우에도, 기체 암모니아의 공급 개시 후, 액체 보조 연료의 공급량은 서서히 감소하고, 조속 제어의 기능에 의해 기체 암모니아의 공급량이 증가한다. 액체 보조 연료의 공급량을 운전 조건에 따라 맵 제어하고, 기체 암모니아의 공급량을 조속 제어하면, 다양한 패턴에서의 적절한 제어가 가능해진다.
도 10은, 일실시 형태에 관한 왕복 엔진(2)이 발전기를 구동하는 발전 엔진의 동작을 설명하는 설명도이다. 여기에서는 전형적인 예로서 육상에서 발전 엔진에 의해 발전기를 구동하여 전력 계통에 전력을 공급하는 경우를 대표예로서 설명하는데, 선박에서 발전을 하는 경우에도, 왕복 엔진(2)의 회전 속도가 일정한 상태에서 발전량을 올렸다 내렸다 하는 경우, 이 예에 준한 것이 된다.
도 10에 도시한 예에서는, T0에서 왕복 엔진(2)이 시동되어 T1까지 아이들링 상태의 일정한 회전 속도로 왕복 엔진(2)이 운전된다. 왕복 엔진(2)은 조속 제어되고 있으며, 왕복 엔진(2)의 회전 속도가 목표 회전 속도가 되도록 연료의 공급량이 조속 제어된다. 다음으로, 왕복 엔진(2)의 회전 속도의 목표치가 상승하고, T2에서, 왕복 엔진(2)의 회전 속도가 발전 주파수에 따른 정격의 회전 속도에 도달한다. 그동안 왕복 엔진(2)의 출력은 제로이지만, 회전을 유지하기 위해 일정량의 연료가 공급된다. T3에서 발전기에 대해 최초의 부하 투입이 이루어진다. 부하 투입이 이루어지면, 회전 속도를 유지하기 위해 연료의 공급량은 단시간에 증가한다. 또한 T4에서 2번째 부하 투입이 이루어져 연료의 공급량이 재차 증가하고, 왕복 엔진(2)은 정격 출력에 도달한다. 부하 투입의 회수는 2회로는 한정되지 않으며, 보다 많은 회수로 나누어 이루어지는 경우도 있으며, 또 1회뿐인 경우도 있다.
여기서, 부하 투입시에는 단시간에 연료의 공급량을 증가시킬 필요가 있지만, 특히 왕복 엔진(2)의 온도가 충분히 상승하지 않아서, 압축단 온도가 충분히 상승하지 않는 경우에는, 기체 암모니아의 공급량을 단시간에 증가시키면 기체 암모니아가 충분히 연소되지 않아 미연 암모니아가 증가할 우려가 있다.
도 10의 (c)의 예에서는, 왕복 엔진(2)이 기동 직후에 온도가 충분히 상승하지 않는 상태에서 행해지는 경우가 많고, 1회째 부하 투입까지는 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 이어서 액체 보조 연료의 공급량을 서서히 일정값까지 낮춰 기체 암모니아의 공급량을 조속 제어 기능에 의해 서서히 증가시킨다. 1회째 부하 투입 후, 당분간 시간이 경과하고, 왕복 엔진(2)의 온도가 상승한 상태에서 2번째 부하 투입을 행하는데, 이 때에는 압축단 온도가 충분히 상승하기 때문에, 기체 암모니아의 공급량을 늘림으로써 부하 투입에 대응한다. 최종적으로 암모니아의 혼소율은 열량비로 80% 이상이 된다.
도 10의 (d)의 예는, 보다 단시간에 부하 투입을 완료하는 경우나, 왕복 엔진(2)의 하나의 실린더(11)당 행정 용적이 비교적 작은 경우의 연료 공급 제어의 예이다. 이 예에서는, 복수의 부하 투입이 종료될 때까지 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 이어서 액체 보조 연료의 공급량을 서서히 일정값까지 낮추고 기체 암모니아의 공급량을 조속 제어 기능에 의해 서서히 증가시킨다. 최종적으로 암모니아의 혼소율은 열량비로 80% 이상이 된다.
액체 보조 연료만으로 왕복 엔진(2)을 기동한 후, 액체 보조 연료와 암모니아에 의한 혼소 운전을 개시하기 위한 조건으로서, 상술한 압축단 온도, 왕복 엔진(2)의 출력, 공기에 대한 연료 전체의 당량비뿐 아니라, 필요에 따라 다른 조건을 이용해도 좋다. 도 5에 도시한 바와 같이, 배기로(30)의 촉매 처리 장치(60)의 입구에는 온도 센서(67)가 마련된다. 제어 장치(3)는, 액체 보조 연료만으로 왕복 엔진(2)을 기동하고, 온도 센서(67)에 의해 측정되는 배기가스의 온도가 소정 온도에 도달할 때까지 액체 보조 연료에 의한 운전을 계속한다. 이 소정 온도는, 촉매가 기능하기 위한 배기가스의 온도로서 미리 실험에 의해 구해진다. 제어 장치(3)는, 배기가스의 온도가 소정 온도에 도달하면, 액체 보조 연료와 암모니아에 의한 혼소 운전을 개시한다.
또, 도 5에 도시한 바와 같이, 촉매 처리 장치(60)에는, 촉매 처리 장치(60)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(68)가 마련된다. 제어 장치(3)는, 액체 보조 연료만으로 왕복 엔진(2)을 기동하고, 온도 센서(68)에 의해 측정되는 촉매 처리 장치(60)의 온도가 소정 온도에 도달할 때까지 액체 보조 연료에 의한 운전을 계속한다. 이 소정 온도는, 촉매가 기능하는 처리 온도로서 미리 실험에 의해 구해진다. 제어 장치(3)는, 촉매 처리 장치(60)의 온도가 상기 처리 온도에 도달하면, 액체 보조 연료와 암모니아에 의한 혼소 운전을 개시한다.
또, 도 5에 도시한 바와 같이, 촉매 처리 장치(60)는, 촉매 처리 장치(60)를 가열하는 히터(69)를 구비한다. 제어 장치(3)는, 촉매 처리 장치(60)의 온도가 상기 처리 온도에 도달할 때까지 히터(69)에 의해 촉매 처리 장치(60)를 가열한다. 제어 장치(3)는, 촉매 처리 장치(60)의 온도가 상기 처리 온도에 도달하면, 액체 보조 연료와 암모니아에 의한 혼소 운전을 개시한다. 혼소 운전을 개시하여 촉매 처리 장치(60)의 온도가 소정 온도를 유지할 수 있는 상태가 되면, 제어 장치(3)는 히터(69)에 의한 가열을 종료한다. 또, 제어 장치(3)는, 온도 센서(68)에 의한 촉매 처리 장치(60)의 온도 측정을 계속하고, 촉매 처리 장치(60)의 온도가 소정 온도를 밑도는 경우에는, 히터(69)에 의한 가열을 재개한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 기재하여 설명하였으나, 이들은 본 발명의 예시적인 것이며, 한정하는 것으로서 고려되어야 하는 것은 아니라고 이해해야 한다. 추가, 생략, 치환 및 그 외의 변경은, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 바람직한 실시 형태로서 4스트로크의 엔진을 예에 들어 설명하였으나, 2스트로크의 엔진에 대해서도 동일한 원리가 적용된다. 또, 실린더 내의 압축단 온도에 대해 실제 측정은 반드시 필요한 것은 아니며, 왕복 엔진의 설계치 및 운전 상태로부터 합리적으로 추측할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 전술한 설명에 의해 한정되어 있다고 간주되어서는 안되며, 특허 청구 범위에 의해 제한되어 있다.
1 …왕복 엔진 시스템
2 …왕복 엔진
3 …제어 장치
4 …과급기
10 …연소실
11 …실린더
12 …피스톤
20 …흡기로
30 …배기로
40 …암모니아 연료 공급 장치
50 …액체 보조 연료 공급 장치
60 …촉매 처리 장치
94 …스로틀 밸브
95 …에어 탱크 장치(공기 공급 장치)
96, 97, 98 …합선로(제1 합선로)
96, 97, 99 …합선로(제2 합선로)

Claims (27)

  1. 연소실을 형성하는 실린더와,
    상기 실린더 내를 왕복 이동하는 피스톤과,
    상기 실린더에 기체의 암모니아를 공급하여 공기와 예혼합시키는 암모니아 연료 공급 장치와,
    상기 실린더 내에 상기 암모니아를 착화시키는 액체 보조 연료를 공급하는 액체 보조 연료 공급 장치를 가지는 왕복 엔진과,
    상기 실린더 내의 압축단 온도가 상기 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상인 상태에서, 상기 암모니아와 상기 액체 보조 연료에 의한 혼소(混燒) 운전을 행하는 제어 장치를 구비한, 왕복 엔진 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정 온도가 750K인, 왕복 엔진 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 실린더의 1개당 행정 용적이 5000cc 이상이며, 또한 상기 왕복 엔진의 정격 회전 속도가 1200rpm 이하인, 왕복 엔진 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서, 상기 왕복 엔진의 출력 증대에 따라 연료 전체에 대한 상기 암모니아의 혼소율을 증대시키고,
    상기 암모니아의 최대 혼소율은 열량비로 80% 이상으로 하는, 왕복 엔진 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서 상기 공기에 대한 연료 전체의 당량비를 0.5 이상 또한 1.0 이하로 하는, 왕복 엔진 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 소정 값 미만이 되는 운전 영역에서는, 상기 암모니아의 혼소율을 제로로 하고 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하는, 왕복 엔진 시스템.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 압축단 온도가 상기 소정 온도보다 낮은 운전 영역에서, 상기 압축단 온도를 올리는 제어를 하는, 왕복 엔진 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 압축단 온도를 올리는 제어는, 상기 왕복 엔진의 흡기를 가열하는 제어인, 왕복 엔진 시스템.
  9. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    컴프레서와 터빈을 가지며 상기 왕복 엔진에 과급을 행하는 과급기를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 컴프레서의 하류에서의 흡기 온도가 소정 온도보다 낮은 운전 영역에서, 흡기를 가열하는 제어를 하는, 왕복 엔진 시스템.
  10. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서 상기 액체 보조 연료의 공급량을 일정하게 하고, 상기 암모니아의 공급량을 조속(調速) 제어하는, 왕복 엔진 시스템.
  11. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전에서 상기 액체 보조 연료의 공급량을 맵 제어하고, 상기 암모니아의 공급량을 조속 제어하는, 왕복 엔진 시스템.
  12. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    컴프레서와 터빈을 가지며 상기 왕복 엔진에 과급을 행하는 과급기와,
    상기 컴프레서와 상기 왕복 엔진을 연결하는 흡기로와,
    상기 왕복 엔진과 상기 터빈을 연결하는 배기로와,
    상기 흡기로와 상기 배기로를 연결하는 개폐식의 제1 합선로, 및 상기 흡기로와 상기 터빈의 하류를 연결하는 개폐식의 제2 합선로 중 적어도 하나를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는 상기 왕복 엔진의 배기 온도에 따라 상기 제1 합선로 및 상기 제2 합선로 중 적어도 하나의 개폐 제어를 행하는, 왕복 엔진 시스템.
  13. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 왕복 엔진의 흡기측에 공기량을 제한하는 스로틀 밸브를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 공기에 대한 상기 암모니아의 당량비가 상기 혼소 운전을 가능하게 하는 범위에 들어가도록 상기 스로틀 밸브의 개방도를 제어하는, 왕복 엔진 시스템.
  14. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 압축단 온도가 상기 소정 온도가 될 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 압축단 온도가 상기 소정 온도에 도달한 후에, 상기 혼소 운전을 행하는, 왕복 엔진 시스템.
  15. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 왕복 엔진이 소정 출력에 도달할 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 왕복 엔진이 소정 출력에 도달한 후에 상기 혼소 운전을 행하는, 왕복 엔진 시스템.
  16. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 액체 보조 연료의 분사량을 증가시켜 상기 공기에 대한 연료 전체의 당량비가 소정치에 도달한 후에 상기 혼소 운전을 행하는, 왕복 엔진 시스템.
  17. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 왕복 엔진의 배기가스의 온도가 소정 온도에 도달할 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 배기가스의 온도가 소정 온도에 도달한 후에 상기 혼소 운전을 행하는, 왕복 엔진 시스템.
  18. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더의 배기로의 하류에 마련되며, 상기 실린더로부터 배기되는 배기가스를, 촉매를 이용하여 처리하는 촉매 처리 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료만으로 상기 왕복 엔진을 기동하고, 상기 촉매 처리 장치의 온도가, 상기 촉매가 기능하는 처리 온도에 도달할 때까지 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하고, 상기 촉매 처리 장치의 온도가 상기 처리 온도에 도달한 후에 상기 혼소 운전을 행하는, 왕복 엔진 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 촉매 처리 장치를 가열하는 가열 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 촉매 처리 장치의 온도가, 상기 처리 온도에 도달하도록, 상기 가열 장치에 의해 상기 촉매 처리 장치를 가열하는, 왕복 엔진 시스템.
  20. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 왕복 엔진은, 직접적 또는 간접적으로 프로펠러를 구동하는 선박용 엔진이며,
    상기 제어 장치는, 상기 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시키고, 이어서 상기 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 상기 암모니아의 공급량을 증가시키는, 왕복 엔진 시스템.
  21. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 왕복 엔진은, 발전기를 구동하는 발전 엔진이며,
    상기 제어 장치는, 부하 투입시에 상기 액체 보조 연료의 공급량을 증가시킴으로써 출력을 증가시키고, 이어서 상기 액체 보조 연료의 공급량을 감소시키면서 상기 암모니아의 공급량을 증가시키는, 왕복 엔진 시스템.
  22. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 왕복 엔진은, 상기 혼소 운전을 행하는 혼소 운전 모드와, 상기 암모니아를 공급하지 않고 상기 액체 보조 연료만으로 운전을 행하는 디젤 운전 모드를 가지는, 왕복 엔진 시스템.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 왕복 엔진의 흡기측에 추가되는 공기를 공급하는 공기 공급 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전 모드에서 상기 디젤 운전 모드로 전환할 때에, 상기 공기 공급 장치로부터 일시적으로 공기를 공급시키는, 왕복 엔진 시스템.
  24. 청구항 22에 있어서,
    컴프레서 또는 터빈에 가변 기구를 구비한 가변 용량형 과급기를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 혼소 운전 모드에서 상기 과급기의 용량을 제어함으로써 상기 과급기의 회전 속도를 과급에 필요한 속도보다 높게 유지하고, 상기 혼소 운전 모드에서 상기 디젤 운전 모드로 전환할 때에 상기 과급기의 용량을 제어함으로써 보다 많은 공기를 공급시키는, 왕복 엔진 시스템.
  25. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더의 배기로의 하류에 마련되며, 상기 실린더로부터 배기되는 배기가스를, 촉매를 이용하여 처리하는 촉매 처리 장치를 구비하고,
    상기 암모니아 연료 공급 장치는, 상기 혼소 운전에서 상기 암모니아의 일부를, 환원제로서 상기 촉매 처리 장치에 공급하는, 왕복 엔진 시스템.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 암모니아 연료 공급 장치는, 또한 상기 액체 보조 연료만으로 운전할 때에도, 상기 암모니아의 일부를 환원제로서 상기 촉매 처리 장치에 공급하는, 왕복 엔진 시스템.
  27. 연소실을 형성하는 실린더와,
    상기 실린더 내를 왕복 이동하는 피스톤과,
    상기 실린더에 기체의 암모니아를 공급하여 공기와 예혼합시키는 암모니아 연료 공급 장치와,
    상기 실린더 내에 상기 암모니아를 착화시키는 액체 보조 연료를 공급하는 액체 보조 연료 공급 장치를 가지는 왕복 엔진의 운전 방법으로서,
    상기 실린더 내의 압축단 온도가 상기 암모니아의 연소 지연이 발생하지 않는 소정 온도 이상인 상태에서, 상기 암모니아와 상기 액체 보조 연료에 의한 혼소 운전을 행하는, 왕복 엔진의 운전 방법.
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