２ストロークエンジンおよび４ストロークエンジン
【課題】２ストロークエンジンにおいて圧縮仕事量を低減する。
【解決手段】２ストロークエンジン１は、掃気ポート２３および排気ポート２４が形成されたシリンダ２、シリンダ２内に設けられるピストン３、燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出する第１噴出部６１、および、吸気を加圧して掃気を生成する過給機５を備える。２ストロークエンジン１では、掃気ポート２３から燃焼室２０内への掃気の供給が開始されてから、ピストン３が次に上死点に到達するまでの間に、第１噴出部６１から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出される。これにより、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０内のガスの温度を低下させ、圧縮時における燃焼室２０内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。
【解決手段】２ストロークエンジン１は、掃気ポート２３および排気ポート２４が形成されたシリンダ２、シリンダ２内に設けられるピストン３、燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出する第１噴出部６１、および、吸気を加圧して掃気を生成する過給機５を備える。２ストロークエンジン１では、掃気ポート２３から燃焼室２０内への掃気の供給が開始されてから、ピストン３が次に上死点に到達するまでの間に、第１噴出部６１から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出される。これにより、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０内のガスの温度を低下させ、圧縮時における燃焼室２０内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機を有するエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アンモニアガスを燃焼させるエンジンが提案されており、例えば、特許文献１では、燃焼室からの排気の熱によりアンモニアガスを水素と窒素とに分解するとともに、燃焼室内に別途供給されたアンモニアガスを、上記水素ガスにより効果的に燃焼させる手法が開示されている。なお、特許文献２では、アンモニア燃焼内燃機関において、液状アンモニアを気筒の吸気ポート内に噴射することにより、液状アンモニアの気化潜熱を利用して、燃焼室内に供給される吸入空気の温度を低下させる手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３３２１５２号公報
【特許文献２】特開平２０１０−１５９７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、各種エンジンにおいてエネルギー効率を向上することが常に要求されており、シリンダおよびピストンを有するエンジンでは、圧縮行程における仕事量の低減が、エネルギー効率の向上に大きく寄与する。しかしながら、過給機が設けられるエンジンでは、過給機にて圧縮される高圧の空気がシリンダ内に供給されるため、圧縮仕事量が増大してしまう。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、エンジンにおいて圧縮仕事量を低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、２ストロークエンジンであって、シリンダと、前記シリンダ内に設けられるピストンと、吸気を加圧して掃気を生成する過給機と、前記シリンダに形成され、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記掃気を供給する掃気ポートと、前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートと、前記掃気ポートから前記燃焼室内への前記掃気の供給が開始されてから前記ピストンが次に上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部とを備える。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の２ストロークエンジンであって、前記掃気ポートおよび前記噴出部が前記シリンダの下部に設けられる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、アンモニアガスと共に窒素酸化物を還元する還元触媒をさらに備え、前記還元触媒が前記燃焼室から排出される排気の通路に設けられ、前記排気ポートから前記燃焼室内のガスを排出している間に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出される。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、前記排気ポートを閉じた後のみに、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出される。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、前記排気ポートを閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして前記燃焼室内に残留し、前記排気ポートを閉じた後に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出される。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、前記ピストンが前記上死点近傍に位置する際に、前記燃焼室内にアンモニアを含む流体を噴出して前記燃焼室内のガスの燃焼を行うもう１つの噴出部をさらに備える。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の２ストロークエンジンであって、前記噴出部が前記もう１つの噴出部を兼ねる。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、前記掃気が冷媒による冷却なしで前記過給機から前記掃気ポートに供給される。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、４ストロークエンジンであって、シリンダと、前記シリンダ内に設けられるピストンと、吸気を加圧して給気を生成する過給機と、前記シリンダに形成され、吸入行程において、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記給気を供給する給気ポートと、前記給気ポートから前記燃焼室内への前記給気の供給開始時から、圧縮行程において前記ピストンが上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部と、前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスが燃焼する爆発行程後の排気行程において、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートとを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、液状アンモニアの気化熱により燃焼室内のガスの温度を低下させ、圧縮時における燃焼室内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。
【００１６】
また、請求項２の発明では、掃気の流入時に直接掃気を冷却することにより、圧縮仕事量をより低減することができる。請求項５の発明では、排気中の窒素酸化物を低減しつつ圧縮仕事量を低減することができ、請求項７および８の発明では、２ストロークエンジンの構造を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態に係る２ストロークエンジンの構成を示す図である。
【図２】掃気ポート、排気ポートおよび第１噴出部の開閉動作のタイミングチャートである。
【図３】２ストロークエンジンの他の例の構成を示す図である。
【図４】掃気ポート、排気ポートおよび第１噴出部の開閉動作のタイミングチャートである。
【図５】掃気ポート、排気ポートおよび第１噴出部の開閉動作のタイミングチャートである。
【図６】２ストロークエンジンのさらに他の例の構成を示す図である。
【図７】２ストロークエンジンのさらに他の例の構成を示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る４ストロークエンジンの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る２ストロークエンジン１の構成を示す図である。図１の２ストロークエンジン１は、船舶用の内燃機関であり、アンモニアガスを主燃料とする。２ストロークエンジン１は、シリンダ２、および、シリンダ２内に設けられるピストン３を備え、ピストン３は、図１中の上下方向に移動可能である。なお、図１の上下方向は重力方向であるとは限らない。
【００１９】
シリンダ２は、円筒状のシリンダライナ２１、および、シリンダライナ２１の上部に取り付けられるシリンダカバー２２を有する。シリンダライナ２１の下端部近傍には、多数の貫通孔が周状に配列して形成され、これらの貫通孔の集合が、シリンダ２内に後述の掃気を供給する掃気ポート２３である。掃気ポート２３の周囲には、掃気室２３１が設けられており、掃気ポート２３は掃気室２３１を介して掃気管４１に連通する。
【００２０】
シリンダカバー２２には、シリンダ２内のガスをシリンダ２外に排出する排気ポート２４が形成され、排気ポート２４には、排気ポート２４を開閉する排気弁２５が設けられる。排気ポート２４からシリンダ２の外部に排出されるガス（以下、「排気」という。）は、排気路２４１を介して排気管４２へと導かれる。実際の２ストロークエンジン１では、複数のシリンダ２が併設されており、複数のシリンダ２が１つの掃気管４１および１つの排気管４２に接続される。
【００２１】
２ストロークエンジン１は、ターボチャージャである過給機５、および、海水等の冷媒により過給機５からの空気の冷却を行う空気冷却器４３をさらに備え、排気管４２内の排気は、過給機５のタービン５１に送り込まれる。タービン５１の回転に利用された排気は、窒素酸化物（ＮＯＸ）を還元するための還元触媒７を介して２ストロークエンジン１の外部に排出される。過給機５のコンプレッサ５２では、タービン５１にて発生する回転力を利用して、２ストロークエンジン１の外部から取り込んだ吸気（空気）が加圧される。加圧された空気（以下、「掃気」という。）は、空気冷却器４３にて冷却された後、掃気管４１内に供給される。このように、過給機５では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。
【００２２】
ピストン３は、シリンダライナ２１に挿入された厚い円板状のピストンクラウン３１、および、一端がピストンクラウン３１の下面に接続されるピストンロッド３２を有する。ピストンロッド３２の他端は、図示省略のクランク機構に接続される。図１の２ストロークエンジン１では、シリンダライナ２１、シリンダカバー２２、排気弁２５、および、ピストンクラウン３１の上面にて囲まれる空間が、アンモニアガスおよび空気を燃焼するための燃焼室２０である。
【００２３】
２ストロークエンジン１は、燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出する第１噴出部６１および第２噴出部６２をさらに備える。第１噴出部６１は、シリンダライナ２１の下部（すなわち、ピストン３が上死点から下死点に至る１ストロークにおいて、ピストンクラウン３１の上面が通過する範囲のうちの下半分）、より詳細には、掃気ポート２３の近傍に設けられ、第２噴出部６２はシリンダカバー２２に設けられる。第１噴出部６１および第２噴出部６２は液状アンモニアタンク６３に接続される。なお、第１噴出部６１は、シリンダライナ２１の内側面に形成された凹部内に収容されており、ピストンクラウン３１の移動を妨げることはない。
【００２４】
次に、２ストロークエンジン１の動作について説明する。図２は、掃気ポート２３、排気ポート２４および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングチャートである。２ストロークエンジン１では、図１中にて二点鎖線にて示すピストン３の位置が上死点であり、実線にて示すピストン３の位置が下死点であり、図２では、ピストン３が上死点に位置する際の時刻を「ＴＤＣ」と記し、下死点に位置する際の時刻を「ＢＤＣ」と記している（後述の図４および図５において同様）。なお、図２の横軸は、既述のクランク機構におけるクランク角と捉えることもできる。
【００２５】
２ストロークエンジン１において、ピストン３が上死点近傍に位置する際には、図１中にて二点鎖線にて示すように排気弁２５が上昇して排気ポート２４が閉じられており、燃焼室２０内のガス（後述するように、掃気およびアンモニアガス）が圧縮される。第２噴出部６２では、燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、気化したアンモニアが自着火して、燃焼室２０内のガスの燃焼（爆発）が生じる。これにより、ピストン３が押し下げられ、下死点に向かって移動する。なお、燃焼室２０内のガスは、必ずしも自着火する必要はなく、点火プラグ等を用いて燃焼室２０内のガスの着火が行われてもよい。
【００２６】
燃焼室２０内のガスの燃焼後、ピストン３が下死点に到達する前に、排気弁２５が下降して排気ポート２４が開かれる（図２の中段参照）。これにより、燃焼室２０内の燃焼済みガスの排出が開始される。燃焼室２０から排出されたガス（すなわち、排気）は、既述のように、排気路２４１および排気管４２を介して過給機５のタービン５１に送り込まれ、還元触媒７を通過して２ストロークエンジン１の外部に排出される。なお、２ストロークエンジン１では、クランク機構のクランクシャフトに接続されたカム機構により、排気弁２５の上昇および下降（排気ポート２４の開閉）が行われる。
【００２７】
ピストン３が下死点近傍まで移動し、ピストンクラウン３１の上面が掃気ポート２３の下方に位置すると、燃焼室２０と掃気室２３１とが連通する。すなわち、図２の上段に示すように、掃気ポート２３が開かれ、掃気室２３１内の掃気の燃焼室２０内への供給が開始される。続いて、図２の下段に示すように、第１噴出部６１からの液状アンモニアの噴出が開始される（すなわち、第１噴出部６１が開かれる。）。燃焼室２０内に噴出された液状アンモニアは直ぐに気化し、掃気中にガス状のアンモニア（アンモニアガス）が混入する。
【００２８】
このとき、液状アンモニアの気化熱（蒸発潜熱）により燃焼室２０内の掃気が冷却される。また、燃焼室２０内の掃気の一部、および、液状アンモニアが気化したアンモニアガスの一部は排気ポート２４へと直ぐに到達し、燃焼室２０から排出される。換言すると、掃気の一部およびアンモニアガスの一部が燃焼室２０を吹き抜ける。したがって、アンモニアガスを含む排気が、排気管４２およびタービン５１を経由して還元触媒７へと到達し、排気中の窒素酸化物がアンモニアガスおよび還元触媒７により還元される。
【００２９】
ピストン３は下死点を通過した後、上昇に転じ、その直後まで、第１噴出部６１からの液状アンモニアの噴出が継続される。第１噴出部６１における噴出の停止後（すなわち、第１噴出部６１が閉じられた後）、ピストンクラウン３１の上面が掃気ポート２３の上方に到達することにより、掃気ポート２３が閉じられ、燃焼室２０内への掃気の供給が停止される。続いて、排気ポート２４が排気弁２５により閉じられ、燃焼室２０が密閉される。ピストン３はさらに上昇して、燃焼室２０内の掃気およびアンモニアガスが圧縮され、ピストン３が上死点近傍に到達すると、第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、燃焼室２０内にて燃焼が生じる。２ストロークエンジン１では、上記動作が繰り返される。
【００３０】
以上に説明したように、図１の２ストロークエンジン１では、掃気ポート２３から燃焼室２０内への掃気の供給が開始されてから、ピストン３が次に上死点に到達するまで（すなわち、圧縮行程の完了時までであり、圧縮行程の完了時は含まない。）の間に、第１噴出部６１から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出される。これにより、２ストロークエンジン１では、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０内のガス（主に掃気）の温度を低下させ、圧縮時における燃焼室２０内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。その結果、２ストロークエンジン１においてエネルギー効率を向上することが実現される。
【００３１】
また、２ストロークエンジン１では、掃気ポート２３および第１噴出部６１がシリンダ２の下部に設けられ、掃気の燃焼室２０内への供給が開始された直後に、燃焼室２０内への液状アンモニアの噴出が開始される。これにより、掃気の流入時に直接掃気を冷却することができ、圧縮行程の初期より燃焼室２０内の圧力を低下させて、圧縮仕事量をより低減することができる。
【００３２】
さらに、２ストロークエンジン１では、アンモニアガスと共に窒素酸化物を還元する還元触媒７が燃焼室２０から排出される排気の通路に設けられ、排気ポート２４から燃焼室２０内のガスを排出している間に、第１噴出部６１により液状アンモニアが燃焼室２０内に噴出される。これにより、掃気の冷却に用いられたアンモニアガスを未燃焼の状態で還元触媒７へと導くことができ、還元触媒７および当該アンモニアガスにより排気中の窒素酸化物を適切に還元することができる。なお、２ストロークエンジン１における排気の通路は、排気路２４１から、排気が大気中に放出される部位までであり、還元触媒７は、排気の通路のいずれの部位に設けられてもよい。
【００３３】
図３は、２ストロークエンジンの他の例の構成を示す図である。図３の２ストロークエンジン１ａは、還元触媒７が省略される点を除き、図１の２ストロークエンジン１と同様であり、同様の構成に同符号を付している。図４は、２ストロークエンジン１ａにおける掃気ポート２３、排気ポート２４および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングチャートである。
【００３４】
本動作例では、掃気ポート２３および排気ポート２４の開閉動作のタイミングは、図２の動作例と同様であるが、第１噴出部６１の開閉動作のタイミングが相違する。具体的には、ピストン３が下死点から上昇して、掃気ポート２３および排気ポート２４が順に閉じられた後（図４の上段および中段参照）、図４の下段に示すように第１噴出部６１が開かれて、液状アンモニアが燃焼室２０内に一定時間噴出される。これにより、燃焼室２０が密閉された状態にて燃焼室２０内の掃気が冷却される。そして、ピストン３が上死点近傍に到達すると、第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、燃焼室２０内にて燃焼が生じる。このとき、２ストロークエンジン１ａでは、燃焼室２０内のアンモニアガスのほぼ全量が燃焼する。
【００３５】
以上のように、２ストロークエンジン１ａでは、排気ポート２４を閉じた後、ピストン３が次に上死点に到達するまでの間のみにおいて、第１噴出部６１により液状アンモニアが燃焼室２０内に噴出され、燃焼室２０内の掃気が冷却される。これにより、還元触媒７を省略した２ストロークエンジン１ａにおいて、第１噴出部６１から噴出された液状アンモニアが気化したガスが、燃焼室２０内における燃焼前に、燃焼室２０から排出される（すなわち、アンモニアガスが燃焼室２０を吹き抜ける）ことが防止される。その結果、燃焼室２０内の掃気の冷却により２ストロークエンジン１ａにおける圧縮仕事量を低減しつつ、アンモニアガスが２ストロークエンジン１ａの外部に排出されることを防止することができる。
【００３６】
なお、還元触媒を有する２ストロークエンジンにおいて、排気ポート２４を閉じた後のみに第１噴出部６１から液状アンモニアを噴出することにより、アンモニアガスが燃焼室２０を吹き抜けることが防止されてもよい。この場合、アンモニアや、その他の還元剤を還元触媒に供給する供給部が別途設けられる。
【００３７】
次に、図３の２ストロークエンジン１ａにおける他の動作例について説明する。図５は、他の動作例に係る掃気ポート２３、排気ポート２４および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングチャートである。
【００３８】
本動作例では、掃気ポート２３および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングは、図４の動作例と同様であるが、排気ポート２４の開閉動作のタイミングが相違する。具体的には、ピストン３が下死点を通過した後、図５の上段および中段に示すように、排気ポート２４が掃気ポート２３よりも先に閉じられる。このとき、２ストロークエンジン１ａでは、高温の燃焼済みガスの一部が残留ガスとして燃焼室２０内に残留する。掃気ポート２３が閉じられた後、図５の下段に示すように、第１噴出部６１から燃焼室２０内に液状アンモニアが一定時間噴出され、掃気および残留ガスを含む燃焼室２０内のガスが液状アンモニアの気化熱により冷却される。そして、ピストン３が上死点近傍に到達すると、第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、燃焼室２０内にて燃焼が生じる。
【００３９】
以上のように、２ストロークエンジン１ａでは、排気ポート２４を閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして燃焼室２０内に残留し、排気ポート２４を閉じた後に、掃気および残留ガスを含む燃焼室２０内に第１噴出部６１により液状アンモニアが噴出される。これにより、燃焼室２０内のガスの温度を低下させ、シリンダ２の熱負荷を低減しつつ圧縮時における燃焼室２０内の圧力を低くすることができる。また、燃焼時における燃焼室２０内のガスの酸素量を低下させることができる。その結果、圧縮仕事量を低減しつつ、排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【００４０】
本動作例における２ストロークエンジン１ａでは、排気ポート２４を閉じた後のみに第１噴出部６１から液状アンモニアを噴出するため、アンモニアガスの吹き抜けが防止されるが、図１の２ストロークエンジン１のように還元触媒７を設ける場合には、排気ポート２４を閉じる前にも、第１噴出部６１から液状アンモニアが噴出されてよい。
【００４１】
図６は、２ストロークエンジンのさらに他の例の構成を示す図であり、図６では、２ストロークエンジン１ｂの一部の構成のみを示している。図６の２ストロークエンジン１ｂは、第１噴出部６１が省略される点を除き、図１の２ストロークエンジン１と同様であり、同様の構成に同符号を付している。
【００４２】
図６の２ストロークエンジン１ｂでは、図１の第１噴出部６１による燃焼室２０内への液状アンモニアの噴出が、第２噴出部６２により実現される。すなわち、掃気ポート２３から燃焼室２０内への掃気の供給が開始された後、ピストン３が次に上死点に到達する前に、シリンダカバー２２に設けられる第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出される。
【００４３】
ここで、掃気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部がシリンダライナ２１（すなわち、シリンダ２の側部）に設けられる場合には、ピストンクラウン３１の上面が当該噴出部よりも上方に位置する際に、当該噴出部から燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出することができず、掃気冷却用の液状アンモニアの噴出可能な期間が大幅に制限される。
【００４４】
これに対し、図６の２ストロークエンジン１ｂでは、掃気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部（すなわち、第２噴出部６２）がシリンダカバー２２に設けられ、当該噴出部が常に燃焼室２０に面するため、掃気冷却用の液状アンモニアの噴出タイミングの自由度が高くなる。また、図６の２ストロークエンジン１ｂでは、燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出して燃焼室２０内のガスの燃焼を行う噴出部と、掃気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部とが同一の噴出部である、換言すると、掃気冷却用の噴出部が他方の噴出部を兼ねることにより、２ストロークエンジンの構造を簡素化することができる。
【００４５】
図１、図３および図６の２ストロークエンジン１，１ａ，１ｂでは、掃気冷却用の液状アンモニアの噴出により、燃焼室２０内にて掃気を冷却することが可能であるため、空気冷却器４３をコンパクト化することが可能であるが、２ストロークエンジンの設計によっては、図７に示す２ストロークエンジン１ｃのように、過給機５と掃気管４１との間において空気冷却器を省略することも可能である。図７の２ストロークエンジン１ｃでは、掃気が冷媒（すなわち、掃気の温度を下げるための熱媒体）による冷却なしで過給機５から、掃気管４１および掃気室２３１を介して掃気ポート２３に供給される。このように、空気冷却器を省略した２ストロークエンジン１ｃでは、エンジンの構造を簡素化することができる（後述の図８の４ストロークエンジン１ｄにおいて同様）。
【００４６】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る４ストロークエンジン１ｄの構成を示す図である。図８の４ストロークエンジン１ｄは、シリンダ２ｄ、シリンダ２ｄ内に設けられるピストン３ｄ、シリンダ２ｄに形成される給気ポート２３ｄおよび排気ポート２４ｄ、液状アンモニアタンク６３ｄに接続された噴出部６１ｄ、並びに、吸気を加圧して給気を生成する過給機５ｄを備える。
【００４７】
４ストロークエンジン１ｄでは、ピストン３ｄが上死点から下死点へと移動する吸入行程において、給気ポート２３ｄに設けられる弁を開くことにより、シリンダ２ｄおよびピストン３ｄの上面にて囲まれる空間である燃焼室２０ｄ内に過給機５ｄからの給気が供給される。続いて、給気ポート２３ｄを閉じた状態にて、ピストン３ｄが下死点から上死点へと移動することにより、燃焼室２０ｄ内の給気を圧縮する圧縮行程が行われる。実際には、直前の吸入行程における給気ポート２３ｄから燃焼室２０ｄ内への給気の供給開始時から、圧縮行程においてピストン３ｄが上死点に到達するまでの間に、噴出部６１ｄから燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアが噴出される。これにより、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０ｄ内の給気が冷却される。
【００４８】
噴出部６１ｄでは、ピストン３ｄが上死点近傍に位置する際に、燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアが再度噴出され、燃焼室２０ｄ内のアンモニアおよび給気を含むガスの燃焼が行われる。燃焼室２０ｄ内のガスの燃焼によりピストン３ｄが上死点から下死点へと移動する爆発行程の後、ピストン３ｄが下死点から上死点へと移動する排気行程が行われる。排気行程では、排気ポート２４ｄに設けられる弁を開くことにより、燃焼室２０ｄ内のガスが燃焼室２０ｄ外に排出される。シリンダ２ｄの外部に排出される排気は、過給機５ｄを経由して還元触媒７ｄに導かれ、還元触媒７ｄに別途供給されるアンモニアガスおよび還元触媒７ｄにより、排気中の窒素酸化物が還元される。
【００４９】
以上に説明したように、図８の４ストロークエンジン１ｄでは、給気ポート２３ｄから燃焼室２０ｄ内への給気の供給開始時から、圧縮行程においてピストン３ｄが上死点に到達するまで（すなわち、圧縮行程の完了時まで）の間に、噴出部６１ｄから燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアが噴出される。これにより、４ストロークエンジン１ｄでは、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０ｄ内のガス（主に給気）の温度を低下させ、圧縮行程時における燃焼室２０ｄ内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。その結果、４ストロークエンジン１ｄにおいてエネルギー効率を向上することが実現される。
【００５０】
図８の４ストロークエンジン１ｄにおいて、給気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部を噴出部６１ｄとは個別に設けることも可能である。この場合に、図１、図３および図７の２ストロークエンジン１，１ａ，１ｃと同様に、当該噴出部がシリンダ２ｄの側部に設けられてもよい。
【００５１】
また、４ストロークエンジン１ｄにおいて、排気ポート２４ｄが開いている期間と、給気ポート２３ｄが開いている期間とが部分的に重なっていてもよい。この場合に、排気ポート２４ｄおよび給気ポート２３ｄの双方が開いている間に、噴出部６１ｄにより液状アンモニアが燃焼室２０ｄ内に噴出されてもよく、これにより、給気冷却に用いられたアンモニアガスを未燃焼の状態にて還元触媒７ｄに導いて、当該アンモニアガスおよび還元触媒７ｄにより排気中の窒素酸化物を還元することができる。
【００５２】
一方、４ストロークエンジン１ｄにおいて、排気ポート２４ｄを閉じた後のみに、噴出部６１ｄが燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアを噴出する場合には、アンモニアガスが燃焼室２０ｄを吹き抜けることが防止される。この場合に、排気ポート２４ｄを閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして燃焼室２０ｄ内に残留していてもよく、これにより、排気中の窒素酸化物が低減される。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００５４】
２ストロークエンジンにおいて、例えば、第２噴出部６２から噴出される液状アンモニアに石油燃料等が混合されていてもよい。また、アンモニアガスや、気液混合状態のアンモニア、あるいは、これらのアンモニアと石油燃料等とを混合したものが第２噴出部６２から噴出されてもよい（４ストロークエンジンにおいて同様）。すなわち、上記２ストロークエンジンでは、ピストンが上死点近傍に位置する際に、第２噴出部６２からアンモニアを含む流体（アンモニアのみの流体であってもよい。）が噴出されることにより、燃焼室２０内のガスの燃焼が行われる。
【００５５】
また、容易に燃焼する燃料（例えば、水素ガスや軽油）を第２噴出部６２から噴出することにより燃焼室２０内にて燃焼を行わせ、これにより、第１噴出部６１からの液状アンモニアの噴出により燃焼室２０内に充填されたアンモニアガスの燃焼が確実に行われてもよい。さらに、上記燃料の噴出は、第２噴出部６２とは異なる他の噴出部により行われてもよく、この場合、ピストンが上死点近傍に位置する際に、第２噴出部６２から液状アンモニアが噴出されるとともに、当該他の噴出部から上記燃料が噴出される。既述のように、燃焼室２０内のガスの燃焼は、点火プラグ等を用いて行われてもよい。
【００５６】
上記実施の形態では、掃気（または、給気）冷却用の液状アンモニアが、噴出部から一定期間連続して噴出されるが、当該噴出部において当該期間内にて複数回の噴出動作が行われることにより、掃気を冷却しつつ燃焼室内にアンモニアガスが充填されてもよい。また、冷却用の液状アンモニアは、空気等と気液混合状態にて噴出されてもよい。
【００５７】
２ストロークエンジンにおいて、図１の掃気ポート２３と同様に、排気ポートをシリンダライナ２１（シリンダ２の側部）に設け、ピストン３の移動により、排気ポートの開閉が行われてもよい。また、図１の排気ポート２４と同様に、掃気ポートの開閉が弁により行われてもよい。
【００５８】
過給機５，５ｄは、燃焼室からの排気を利用して吸気を加圧するもの以外に、クランクシャフトから得られる動力により、吸気を加圧するもの等であってもよい。
【００５９】
上記実施の形態における２ストロークエンジンおよび４ストロークエンジンは、船舶以外に、自動車や発電用の原動機等、様々な用途に用いられてよい。
【００６０】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせられてよい。
【符号の説明】
【００６１】
１，１ａ〜１ｃ ２ストロークエンジン
１ｄ ４ストロークエンジン
２，２ｄ シリンダ
３，３ｄ ピストン
５，５ｄ 過給機
７，７ｄ 還元触媒
２０，２０ｄ 燃焼室
２３ 掃気ポート
２３ｄ 給気ポート
２４、２４ｄ 排気ポート
６１ 第１噴出部
６１ｄ 噴出部
６２ 第２噴出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機を有するエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アンモニアガスを燃焼させるエンジンが提案されており、例えば、特許文献１では、燃焼室からの排気の熱によりアンモニアガスを水素と窒素とに分解するとともに、燃焼室内に別途供給されたアンモニアガスを、上記水素ガスにより効果的に燃焼させる手法が開示されている。なお、特許文献２では、アンモニア燃焼内燃機関において、液状アンモニアを気筒の吸気ポート内に噴射することにより、液状アンモニアの気化潜熱を利用して、燃焼室内に供給される吸入空気の温度を低下させる手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３３２１５２号公報
【特許文献２】特開平２０１０−１５９７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、各種エンジンにおいてエネルギー効率を向上することが常に要求されており、シリンダおよびピストンを有するエンジンでは、圧縮行程における仕事量の低減が、エネルギー効率の向上に大きく寄与する。しかしながら、過給機が設けられるエンジンでは、過給機にて圧縮される高圧の空気がシリンダ内に供給されるため、圧縮仕事量が増大してしまう。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、エンジンにおいて圧縮仕事量を低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、２ストロークエンジンであって、シリンダと、前記シリンダ内に設けられるピストンと、吸気を加圧して掃気を生成する過給機と、前記シリンダに形成され、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記掃気を供給する掃気ポートと、前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートと、前記掃気ポートから前記燃焼室内への前記掃気の供給が開始されてから前記ピストンが次に上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部とを備える。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の２ストロークエンジンであって、前記掃気ポートおよび前記噴出部が前記シリンダの下部に設けられる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、アンモニアガスと共に窒素酸化物を還元する還元触媒をさらに備え、前記還元触媒が前記燃焼室から排出される排気の通路に設けられ、前記排気ポートから前記燃焼室内のガスを排出している間に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出される。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、前記排気ポートを閉じた後のみに、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出される。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、前記排気ポートを閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして前記燃焼室内に残留し、前記排気ポートを閉じた後に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出される。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、前記ピストンが前記上死点近傍に位置する際に、前記燃焼室内にアンモニアを含む流体を噴出して前記燃焼室内のガスの燃焼を行うもう１つの噴出部をさらに備える。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の２ストロークエンジンであって、前記噴出部が前記もう１つの噴出部を兼ねる。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、前記掃気が冷媒による冷却なしで前記過給機から前記掃気ポートに供給される。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、４ストロークエンジンであって、シリンダと、前記シリンダ内に設けられるピストンと、吸気を加圧して給気を生成する過給機と、前記シリンダに形成され、吸入行程において、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記給気を供給する給気ポートと、前記給気ポートから前記燃焼室内への前記給気の供給開始時から、圧縮行程において前記ピストンが上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部と、前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスが燃焼する爆発行程後の排気行程において、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートとを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、液状アンモニアの気化熱により燃焼室内のガスの温度を低下させ、圧縮時における燃焼室内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。
【００１６】
また、請求項２の発明では、掃気の流入時に直接掃気を冷却することにより、圧縮仕事量をより低減することができる。請求項５の発明では、排気中の窒素酸化物を低減しつつ圧縮仕事量を低減することができ、請求項７および８の発明では、２ストロークエンジンの構造を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態に係る２ストロークエンジンの構成を示す図である。
【図２】掃気ポート、排気ポートおよび第１噴出部の開閉動作のタイミングチャートである。
【図３】２ストロークエンジンの他の例の構成を示す図である。
【図４】掃気ポート、排気ポートおよび第１噴出部の開閉動作のタイミングチャートである。
【図５】掃気ポート、排気ポートおよび第１噴出部の開閉動作のタイミングチャートである。
【図６】２ストロークエンジンのさらに他の例の構成を示す図である。
【図７】２ストロークエンジンのさらに他の例の構成を示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る４ストロークエンジンの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る２ストロークエンジン１の構成を示す図である。図１の２ストロークエンジン１は、船舶用の内燃機関であり、アンモニアガスを主燃料とする。２ストロークエンジン１は、シリンダ２、および、シリンダ２内に設けられるピストン３を備え、ピストン３は、図１中の上下方向に移動可能である。なお、図１の上下方向は重力方向であるとは限らない。
【００１９】
シリンダ２は、円筒状のシリンダライナ２１、および、シリンダライナ２１の上部に取り付けられるシリンダカバー２２を有する。シリンダライナ２１の下端部近傍には、多数の貫通孔が周状に配列して形成され、これらの貫通孔の集合が、シリンダ２内に後述の掃気を供給する掃気ポート２３である。掃気ポート２３の周囲には、掃気室２３１が設けられており、掃気ポート２３は掃気室２３１を介して掃気管４１に連通する。
【００２０】
シリンダカバー２２には、シリンダ２内のガスをシリンダ２外に排出する排気ポート２４が形成され、排気ポート２４には、排気ポート２４を開閉する排気弁２５が設けられる。排気ポート２４からシリンダ２の外部に排出されるガス（以下、「排気」という。）は、排気路２４１を介して排気管４２へと導かれる。実際の２ストロークエンジン１では、複数のシリンダ２が併設されており、複数のシリンダ２が１つの掃気管４１および１つの排気管４２に接続される。
【００２１】
２ストロークエンジン１は、ターボチャージャである過給機５、および、海水等の冷媒により過給機５からの空気の冷却を行う空気冷却器４３をさらに備え、排気管４２内の排気は、過給機５のタービン５１に送り込まれる。タービン５１の回転に利用された排気は、窒素酸化物（ＮＯＸ）を還元するための還元触媒７を介して２ストロークエンジン１の外部に排出される。過給機５のコンプレッサ５２では、タービン５１にて発生する回転力を利用して、２ストロークエンジン１の外部から取り込んだ吸気（空気）が加圧される。加圧された空気（以下、「掃気」という。）は、空気冷却器４３にて冷却された後、掃気管４１内に供給される。このように、過給機５では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。
【００２２】
ピストン３は、シリンダライナ２１に挿入された厚い円板状のピストンクラウン３１、および、一端がピストンクラウン３１の下面に接続されるピストンロッド３２を有する。ピストンロッド３２の他端は、図示省略のクランク機構に接続される。図１の２ストロークエンジン１では、シリンダライナ２１、シリンダカバー２２、排気弁２５、および、ピストンクラウン３１の上面にて囲まれる空間が、アンモニアガスおよび空気を燃焼するための燃焼室２０である。
【００２３】
２ストロークエンジン１は、燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出する第１噴出部６１および第２噴出部６２をさらに備える。第１噴出部６１は、シリンダライナ２１の下部（すなわち、ピストン３が上死点から下死点に至る１ストロークにおいて、ピストンクラウン３１の上面が通過する範囲のうちの下半分）、より詳細には、掃気ポート２３の近傍に設けられ、第２噴出部６２はシリンダカバー２２に設けられる。第１噴出部６１および第２噴出部６２は液状アンモニアタンク６３に接続される。なお、第１噴出部６１は、シリンダライナ２１の内側面に形成された凹部内に収容されており、ピストンクラウン３１の移動を妨げることはない。
【００２４】
次に、２ストロークエンジン１の動作について説明する。図２は、掃気ポート２３、排気ポート２４および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングチャートである。２ストロークエンジン１では、図１中にて二点鎖線にて示すピストン３の位置が上死点であり、実線にて示すピストン３の位置が下死点であり、図２では、ピストン３が上死点に位置する際の時刻を「ＴＤＣ」と記し、下死点に位置する際の時刻を「ＢＤＣ」と記している（後述の図４および図５において同様）。なお、図２の横軸は、既述のクランク機構におけるクランク角と捉えることもできる。
【００２５】
２ストロークエンジン１において、ピストン３が上死点近傍に位置する際には、図１中にて二点鎖線にて示すように排気弁２５が上昇して排気ポート２４が閉じられており、燃焼室２０内のガス（後述するように、掃気およびアンモニアガス）が圧縮される。第２噴出部６２では、燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、気化したアンモニアが自着火して、燃焼室２０内のガスの燃焼（爆発）が生じる。これにより、ピストン３が押し下げられ、下死点に向かって移動する。なお、燃焼室２０内のガスは、必ずしも自着火する必要はなく、点火プラグ等を用いて燃焼室２０内のガスの着火が行われてもよい。
【００２６】
燃焼室２０内のガスの燃焼後、ピストン３が下死点に到達する前に、排気弁２５が下降して排気ポート２４が開かれる（図２の中段参照）。これにより、燃焼室２０内の燃焼済みガスの排出が開始される。燃焼室２０から排出されたガス（すなわち、排気）は、既述のように、排気路２４１および排気管４２を介して過給機５のタービン５１に送り込まれ、還元触媒７を通過して２ストロークエンジン１の外部に排出される。なお、２ストロークエンジン１では、クランク機構のクランクシャフトに接続されたカム機構により、排気弁２５の上昇および下降（排気ポート２４の開閉）が行われる。
【００２７】
ピストン３が下死点近傍まで移動し、ピストンクラウン３１の上面が掃気ポート２３の下方に位置すると、燃焼室２０と掃気室２３１とが連通する。すなわち、図２の上段に示すように、掃気ポート２３が開かれ、掃気室２３１内の掃気の燃焼室２０内への供給が開始される。続いて、図２の下段に示すように、第１噴出部６１からの液状アンモニアの噴出が開始される（すなわち、第１噴出部６１が開かれる。）。燃焼室２０内に噴出された液状アンモニアは直ぐに気化し、掃気中にガス状のアンモニア（アンモニアガス）が混入する。
【００２８】
このとき、液状アンモニアの気化熱（蒸発潜熱）により燃焼室２０内の掃気が冷却される。また、燃焼室２０内の掃気の一部、および、液状アンモニアが気化したアンモニアガスの一部は排気ポート２４へと直ぐに到達し、燃焼室２０から排出される。換言すると、掃気の一部およびアンモニアガスの一部が燃焼室２０を吹き抜ける。したがって、アンモニアガスを含む排気が、排気管４２およびタービン５１を経由して還元触媒７へと到達し、排気中の窒素酸化物がアンモニアガスおよび還元触媒７により還元される。
【００２９】
ピストン３は下死点を通過した後、上昇に転じ、その直後まで、第１噴出部６１からの液状アンモニアの噴出が継続される。第１噴出部６１における噴出の停止後（すなわち、第１噴出部６１が閉じられた後）、ピストンクラウン３１の上面が掃気ポート２３の上方に到達することにより、掃気ポート２３が閉じられ、燃焼室２０内への掃気の供給が停止される。続いて、排気ポート２４が排気弁２５により閉じられ、燃焼室２０が密閉される。ピストン３はさらに上昇して、燃焼室２０内の掃気およびアンモニアガスが圧縮され、ピストン３が上死点近傍に到達すると、第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、燃焼室２０内にて燃焼が生じる。２ストロークエンジン１では、上記動作が繰り返される。
【００３０】
以上に説明したように、図１の２ストロークエンジン１では、掃気ポート２３から燃焼室２０内への掃気の供給が開始されてから、ピストン３が次に上死点に到達するまで（すなわち、圧縮行程の完了時までであり、圧縮行程の完了時は含まない。）の間に、第１噴出部６１から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出される。これにより、２ストロークエンジン１では、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０内のガス（主に掃気）の温度を低下させ、圧縮時における燃焼室２０内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。その結果、２ストロークエンジン１においてエネルギー効率を向上することが実現される。
【００３１】
また、２ストロークエンジン１では、掃気ポート２３および第１噴出部６１がシリンダ２の下部に設けられ、掃気の燃焼室２０内への供給が開始された直後に、燃焼室２０内への液状アンモニアの噴出が開始される。これにより、掃気の流入時に直接掃気を冷却することができ、圧縮行程の初期より燃焼室２０内の圧力を低下させて、圧縮仕事量をより低減することができる。
【００３２】
さらに、２ストロークエンジン１では、アンモニアガスと共に窒素酸化物を還元する還元触媒７が燃焼室２０から排出される排気の通路に設けられ、排気ポート２４から燃焼室２０内のガスを排出している間に、第１噴出部６１により液状アンモニアが燃焼室２０内に噴出される。これにより、掃気の冷却に用いられたアンモニアガスを未燃焼の状態で還元触媒７へと導くことができ、還元触媒７および当該アンモニアガスにより排気中の窒素酸化物を適切に還元することができる。なお、２ストロークエンジン１における排気の通路は、排気路２４１から、排気が大気中に放出される部位までであり、還元触媒７は、排気の通路のいずれの部位に設けられてもよい。
【００３３】
図３は、２ストロークエンジンの他の例の構成を示す図である。図３の２ストロークエンジン１ａは、還元触媒７が省略される点を除き、図１の２ストロークエンジン１と同様であり、同様の構成に同符号を付している。図４は、２ストロークエンジン１ａにおける掃気ポート２３、排気ポート２４および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングチャートである。
【００３４】
本動作例では、掃気ポート２３および排気ポート２４の開閉動作のタイミングは、図２の動作例と同様であるが、第１噴出部６１の開閉動作のタイミングが相違する。具体的には、ピストン３が下死点から上昇して、掃気ポート２３および排気ポート２４が順に閉じられた後（図４の上段および中段参照）、図４の下段に示すように第１噴出部６１が開かれて、液状アンモニアが燃焼室２０内に一定時間噴出される。これにより、燃焼室２０が密閉された状態にて燃焼室２０内の掃気が冷却される。そして、ピストン３が上死点近傍に到達すると、第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、燃焼室２０内にて燃焼が生じる。このとき、２ストロークエンジン１ａでは、燃焼室２０内のアンモニアガスのほぼ全量が燃焼する。
【００３５】
以上のように、２ストロークエンジン１ａでは、排気ポート２４を閉じた後、ピストン３が次に上死点に到達するまでの間のみにおいて、第１噴出部６１により液状アンモニアが燃焼室２０内に噴出され、燃焼室２０内の掃気が冷却される。これにより、還元触媒７を省略した２ストロークエンジン１ａにおいて、第１噴出部６１から噴出された液状アンモニアが気化したガスが、燃焼室２０内における燃焼前に、燃焼室２０から排出される（すなわち、アンモニアガスが燃焼室２０を吹き抜ける）ことが防止される。その結果、燃焼室２０内の掃気の冷却により２ストロークエンジン１ａにおける圧縮仕事量を低減しつつ、アンモニアガスが２ストロークエンジン１ａの外部に排出されることを防止することができる。
【００３６】
なお、還元触媒を有する２ストロークエンジンにおいて、排気ポート２４を閉じた後のみに第１噴出部６１から液状アンモニアを噴出することにより、アンモニアガスが燃焼室２０を吹き抜けることが防止されてもよい。この場合、アンモニアや、その他の還元剤を還元触媒に供給する供給部が別途設けられる。
【００３７】
次に、図３の２ストロークエンジン１ａにおける他の動作例について説明する。図５は、他の動作例に係る掃気ポート２３、排気ポート２４および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングチャートである。
【００３８】
本動作例では、掃気ポート２３および第１噴出部６１の開閉動作のタイミングは、図４の動作例と同様であるが、排気ポート２４の開閉動作のタイミングが相違する。具体的には、ピストン３が下死点を通過した後、図５の上段および中段に示すように、排気ポート２４が掃気ポート２３よりも先に閉じられる。このとき、２ストロークエンジン１ａでは、高温の燃焼済みガスの一部が残留ガスとして燃焼室２０内に残留する。掃気ポート２３が閉じられた後、図５の下段に示すように、第１噴出部６１から燃焼室２０内に液状アンモニアが一定時間噴出され、掃気および残留ガスを含む燃焼室２０内のガスが液状アンモニアの気化熱により冷却される。そして、ピストン３が上死点近傍に到達すると、第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出され、燃焼室２０内にて燃焼が生じる。
【００３９】
以上のように、２ストロークエンジン１ａでは、排気ポート２４を閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして燃焼室２０内に残留し、排気ポート２４を閉じた後に、掃気および残留ガスを含む燃焼室２０内に第１噴出部６１により液状アンモニアが噴出される。これにより、燃焼室２０内のガスの温度を低下させ、シリンダ２の熱負荷を低減しつつ圧縮時における燃焼室２０内の圧力を低くすることができる。また、燃焼時における燃焼室２０内のガスの酸素量を低下させることができる。その結果、圧縮仕事量を低減しつつ、排気中の窒素酸化物を低減することができる。
【００４０】
本動作例における２ストロークエンジン１ａでは、排気ポート２４を閉じた後のみに第１噴出部６１から液状アンモニアを噴出するため、アンモニアガスの吹き抜けが防止されるが、図１の２ストロークエンジン１のように還元触媒７を設ける場合には、排気ポート２４を閉じる前にも、第１噴出部６１から液状アンモニアが噴出されてよい。
【００４１】
図６は、２ストロークエンジンのさらに他の例の構成を示す図であり、図６では、２ストロークエンジン１ｂの一部の構成のみを示している。図６の２ストロークエンジン１ｂは、第１噴出部６１が省略される点を除き、図１の２ストロークエンジン１と同様であり、同様の構成に同符号を付している。
【００４２】
図６の２ストロークエンジン１ｂでは、図１の第１噴出部６１による燃焼室２０内への液状アンモニアの噴出が、第２噴出部６２により実現される。すなわち、掃気ポート２３から燃焼室２０内への掃気の供給が開始された後、ピストン３が次に上死点に到達する前に、シリンダカバー２２に設けられる第２噴出部６２から燃焼室２０内に液状アンモニアが噴出される。
【００４３】
ここで、掃気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部がシリンダライナ２１（すなわち、シリンダ２の側部）に設けられる場合には、ピストンクラウン３１の上面が当該噴出部よりも上方に位置する際に、当該噴出部から燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出することができず、掃気冷却用の液状アンモニアの噴出可能な期間が大幅に制限される。
【００４４】
これに対し、図６の２ストロークエンジン１ｂでは、掃気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部（すなわち、第２噴出部６２）がシリンダカバー２２に設けられ、当該噴出部が常に燃焼室２０に面するため、掃気冷却用の液状アンモニアの噴出タイミングの自由度が高くなる。また、図６の２ストロークエンジン１ｂでは、燃焼室２０内に液状アンモニアを噴出して燃焼室２０内のガスの燃焼を行う噴出部と、掃気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部とが同一の噴出部である、換言すると、掃気冷却用の噴出部が他方の噴出部を兼ねることにより、２ストロークエンジンの構造を簡素化することができる。
【００４５】
図１、図３および図６の２ストロークエンジン１，１ａ，１ｂでは、掃気冷却用の液状アンモニアの噴出により、燃焼室２０内にて掃気を冷却することが可能であるため、空気冷却器４３をコンパクト化することが可能であるが、２ストロークエンジンの設計によっては、図７に示す２ストロークエンジン１ｃのように、過給機５と掃気管４１との間において空気冷却器を省略することも可能である。図７の２ストロークエンジン１ｃでは、掃気が冷媒（すなわち、掃気の温度を下げるための熱媒体）による冷却なしで過給機５から、掃気管４１および掃気室２３１を介して掃気ポート２３に供給される。このように、空気冷却器を省略した２ストロークエンジン１ｃでは、エンジンの構造を簡素化することができる（後述の図８の４ストロークエンジン１ｄにおいて同様）。
【００４６】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る４ストロークエンジン１ｄの構成を示す図である。図８の４ストロークエンジン１ｄは、シリンダ２ｄ、シリンダ２ｄ内に設けられるピストン３ｄ、シリンダ２ｄに形成される給気ポート２３ｄおよび排気ポート２４ｄ、液状アンモニアタンク６３ｄに接続された噴出部６１ｄ、並びに、吸気を加圧して給気を生成する過給機５ｄを備える。
【００４７】
４ストロークエンジン１ｄでは、ピストン３ｄが上死点から下死点へと移動する吸入行程において、給気ポート２３ｄに設けられる弁を開くことにより、シリンダ２ｄおよびピストン３ｄの上面にて囲まれる空間である燃焼室２０ｄ内に過給機５ｄからの給気が供給される。続いて、給気ポート２３ｄを閉じた状態にて、ピストン３ｄが下死点から上死点へと移動することにより、燃焼室２０ｄ内の給気を圧縮する圧縮行程が行われる。実際には、直前の吸入行程における給気ポート２３ｄから燃焼室２０ｄ内への給気の供給開始時から、圧縮行程においてピストン３ｄが上死点に到達するまでの間に、噴出部６１ｄから燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアが噴出される。これにより、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０ｄ内の給気が冷却される。
【００４８】
噴出部６１ｄでは、ピストン３ｄが上死点近傍に位置する際に、燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアが再度噴出され、燃焼室２０ｄ内のアンモニアおよび給気を含むガスの燃焼が行われる。燃焼室２０ｄ内のガスの燃焼によりピストン３ｄが上死点から下死点へと移動する爆発行程の後、ピストン３ｄが下死点から上死点へと移動する排気行程が行われる。排気行程では、排気ポート２４ｄに設けられる弁を開くことにより、燃焼室２０ｄ内のガスが燃焼室２０ｄ外に排出される。シリンダ２ｄの外部に排出される排気は、過給機５ｄを経由して還元触媒７ｄに導かれ、還元触媒７ｄに別途供給されるアンモニアガスおよび還元触媒７ｄにより、排気中の窒素酸化物が還元される。
【００４９】
以上に説明したように、図８の４ストロークエンジン１ｄでは、給気ポート２３ｄから燃焼室２０ｄ内への給気の供給開始時から、圧縮行程においてピストン３ｄが上死点に到達するまで（すなわち、圧縮行程の完了時まで）の間に、噴出部６１ｄから燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアが噴出される。これにより、４ストロークエンジン１ｄでは、液状アンモニアの気化熱により燃焼室２０ｄ内のガス（主に給気）の温度を低下させ、圧縮行程時における燃焼室２０ｄ内の圧力を低くし、圧縮仕事量を低減することができる。その結果、４ストロークエンジン１ｄにおいてエネルギー効率を向上することが実現される。
【００５０】
図８の４ストロークエンジン１ｄにおいて、給気冷却用の液状アンモニアを噴出する噴出部を噴出部６１ｄとは個別に設けることも可能である。この場合に、図１、図３および図７の２ストロークエンジン１，１ａ，１ｃと同様に、当該噴出部がシリンダ２ｄの側部に設けられてもよい。
【００５１】
また、４ストロークエンジン１ｄにおいて、排気ポート２４ｄが開いている期間と、給気ポート２３ｄが開いている期間とが部分的に重なっていてもよい。この場合に、排気ポート２４ｄおよび給気ポート２３ｄの双方が開いている間に、噴出部６１ｄにより液状アンモニアが燃焼室２０ｄ内に噴出されてもよく、これにより、給気冷却に用いられたアンモニアガスを未燃焼の状態にて還元触媒７ｄに導いて、当該アンモニアガスおよび還元触媒７ｄにより排気中の窒素酸化物を還元することができる。
【００５２】
一方、４ストロークエンジン１ｄにおいて、排気ポート２４ｄを閉じた後のみに、噴出部６１ｄが燃焼室２０ｄ内に液状アンモニアを噴出する場合には、アンモニアガスが燃焼室２０ｄを吹き抜けることが防止される。この場合に、排気ポート２４ｄを閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして燃焼室２０ｄ内に残留していてもよく、これにより、排気中の窒素酸化物が低減される。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００５４】
２ストロークエンジンにおいて、例えば、第２噴出部６２から噴出される液状アンモニアに石油燃料等が混合されていてもよい。また、アンモニアガスや、気液混合状態のアンモニア、あるいは、これらのアンモニアと石油燃料等とを混合したものが第２噴出部６２から噴出されてもよい（４ストロークエンジンにおいて同様）。すなわち、上記２ストロークエンジンでは、ピストンが上死点近傍に位置する際に、第２噴出部６２からアンモニアを含む流体（アンモニアのみの流体であってもよい。）が噴出されることにより、燃焼室２０内のガスの燃焼が行われる。
【００５５】
また、容易に燃焼する燃料（例えば、水素ガスや軽油）を第２噴出部６２から噴出することにより燃焼室２０内にて燃焼を行わせ、これにより、第１噴出部６１からの液状アンモニアの噴出により燃焼室２０内に充填されたアンモニアガスの燃焼が確実に行われてもよい。さらに、上記燃料の噴出は、第２噴出部６２とは異なる他の噴出部により行われてもよく、この場合、ピストンが上死点近傍に位置する際に、第２噴出部６２から液状アンモニアが噴出されるとともに、当該他の噴出部から上記燃料が噴出される。既述のように、燃焼室２０内のガスの燃焼は、点火プラグ等を用いて行われてもよい。
【００５６】
上記実施の形態では、掃気（または、給気）冷却用の液状アンモニアが、噴出部から一定期間連続して噴出されるが、当該噴出部において当該期間内にて複数回の噴出動作が行われることにより、掃気を冷却しつつ燃焼室内にアンモニアガスが充填されてもよい。また、冷却用の液状アンモニアは、空気等と気液混合状態にて噴出されてもよい。
【００５７】
２ストロークエンジンにおいて、図１の掃気ポート２３と同様に、排気ポートをシリンダライナ２１（シリンダ２の側部）に設け、ピストン３の移動により、排気ポートの開閉が行われてもよい。また、図１の排気ポート２４と同様に、掃気ポートの開閉が弁により行われてもよい。
【００５８】
過給機５，５ｄは、燃焼室からの排気を利用して吸気を加圧するもの以外に、クランクシャフトから得られる動力により、吸気を加圧するもの等であってもよい。
【００５９】
上記実施の形態における２ストロークエンジンおよび４ストロークエンジンは、船舶以外に、自動車や発電用の原動機等、様々な用途に用いられてよい。
【００６０】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせられてよい。
【符号の説明】
【００６１】
１，１ａ〜１ｃ ２ストロークエンジン
１ｄ ４ストロークエンジン
２，２ｄ シリンダ
３，３ｄ ピストン
５，５ｄ 過給機
７，７ｄ 還元触媒
２０，２０ｄ 燃焼室
２３ 掃気ポート
２３ｄ 給気ポート
２４、２４ｄ 排気ポート
６１ 第１噴出部
６１ｄ 噴出部
６２ 第２噴出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２ストロークエンジンであって、
シリンダと、
前記シリンダ内に設けられるピストンと、
吸気を加圧して掃気を生成する過給機と、
前記シリンダに形成され、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記掃気を供給する掃気ポートと、
前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートと、
前記掃気ポートから前記燃焼室内への前記掃気の供給が開始されてから前記ピストンが次に上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部と、
を備えることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の２ストロークエンジンであって、
前記掃気ポートおよび前記噴出部が前記シリンダの下部に設けられることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、
アンモニアガスと共に窒素酸化物を還元する還元触媒をさらに備え、
前記還元触媒が前記燃焼室から排出される排気の通路に設けられ、
前記排気ポートから前記燃焼室内のガスを排出している間に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項４】
請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、
前記排気ポートを閉じた後のみに、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、
前記排気ポートを閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして前記燃焼室内に残留し、前記排気ポートを閉じた後に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、
前記ピストンが前記上死点近傍に位置する際に、前記燃焼室内にアンモニアを含む流体を噴出して前記燃焼室内のガスの燃焼を行うもう１つの噴出部をさらに備えることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項７】
請求項６に記載の２ストロークエンジンであって、
前記噴出部が前記もう１つの噴出部を兼ねることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、
前記掃気が冷媒による冷却なしで前記過給機から前記掃気ポートに供給されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項９】
４ストロークエンジンであって、
シリンダと、
前記シリンダ内に設けられるピストンと、
吸気を加圧して給気を生成する過給機と、
前記シリンダに形成され、吸入行程において、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記給気を供給する給気ポートと、
前記給気ポートから前記燃焼室内への前記給気の供給開始時から、圧縮行程において前記ピストンが上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部と、
前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスが燃焼する爆発行程後の排気行程において、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートと、
を備えることを特徴とする４ストロークエンジン。
【請求項１】
２ストロークエンジンであって、
シリンダと、
前記シリンダ内に設けられるピストンと、
吸気を加圧して掃気を生成する過給機と、
前記シリンダに形成され、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記掃気を供給する掃気ポートと、
前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートと、
前記掃気ポートから前記燃焼室内への前記掃気の供給が開始されてから前記ピストンが次に上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部と、
を備えることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の２ストロークエンジンであって、
前記掃気ポートおよび前記噴出部が前記シリンダの下部に設けられることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、
アンモニアガスと共に窒素酸化物を還元する還元触媒をさらに備え、
前記還元触媒が前記燃焼室から排出される排気の通路に設けられ、
前記排気ポートから前記燃焼室内のガスを排出している間に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項４】
請求項１または２に記載の２ストロークエンジンであって、
前記排気ポートを閉じた後のみに、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、
前記排気ポートを閉じる時に、燃焼済みガスの一部が残留ガスとして前記燃焼室内に残留し、前記排気ポートを閉じた後に、前記噴出部により前記液状アンモニアが前記燃焼室内に噴出されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、
前記ピストンが前記上死点近傍に位置する際に、前記燃焼室内にアンモニアを含む流体を噴出して前記燃焼室内のガスの燃焼を行うもう１つの噴出部をさらに備えることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項７】
請求項６に記載の２ストロークエンジンであって、
前記噴出部が前記もう１つの噴出部を兼ねることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の２ストロークエンジンであって、
前記掃気が冷媒による冷却なしで前記過給機から前記掃気ポートに供給されることを特徴とする２ストロークエンジン。
【請求項９】
４ストロークエンジンであって、
シリンダと、
前記シリンダ内に設けられるピストンと、
吸気を加圧して給気を生成する過給機と、
前記シリンダに形成され、吸入行程において、前記シリンダおよび前記ピストンの上面にて囲まれる空間である燃焼室内に前記過給機からの前記給気を供給する給気ポートと、
前記給気ポートから前記燃焼室内への前記給気の供給開始時から、圧縮行程において前記ピストンが上死点に到達するまでの間に、前記燃焼室内に液状アンモニアを噴出する噴出部と、
前記シリンダに形成され、前記燃焼室内のガスが燃焼する爆発行程後の排気行程において、前記燃焼室内のガスを前記燃焼室外に排出する排気ポートと、
を備えることを特徴とする４ストロークエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２２４２３（Ｐ２０１２−１２２４２３Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７４５４７（Ｐ２０１０−２７４５４７）
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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