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JP7610838B2 - Ammonia co-firing method, ammonia co-firing engine and ship equipped with the same - Google Patents
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Description

本発明は、アンモニア混焼方法、アンモニア混焼エンジン及びそれを搭載した船舶に関する。 The present invention relates to an ammonia co-fuel combustion method, an ammonia co-fuel combustion engine, and a ship equipped with the same.

温室効果ガス(GHG)の排出量の削減のために、船型の改良や運航方法の改善などが採用されている。舶用機関においては、代替燃料の利用によるGHG削減技術が検討されている。代替燃料としては、カーボンフリー燃料である水素やアンモニア(NH)の利用が挙げられる。アンモニアは、燃焼しても二酸化炭素(CO)を排出せず、大気圧下において容易に液化させることができるので貯蔵・運搬が容易である。この様なアンモニアの性質に着目し、燃料として利用する研究開発が実施されている。 In order to reduce greenhouse gas (GHG) emissions, improvements to ship shapes and navigation methods have been adopted. For marine engines, GHG reduction technologies using alternative fuels are being considered. Examples of alternative fuels include the use of carbon-free fuels such as hydrogen and ammonia (NH 3 ). Ammonia does not emit carbon dioxide (CO 2 ) when burned, and can be easily liquefied under atmospheric pressure, making it easy to store and transport. Focusing on these properties of ammonia, research and development is being conducted on its use as fuel.

燃焼室内において中心部よりも内壁面側のアンモニア濃度が濃くなるようなアンモニア予混合気を形成するように制御することでアンモニアの燃焼率を高める技術が開示されている(特許文献1)。また、尿素水を利用して内燃機関の排出ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する場合に、尿素水を有効利用して内燃機関の燃焼効率を向上させる技術が開示されている(特許文献2)。 A technology has been disclosed that increases the combustion rate of ammonia by controlling the formation of an ammonia premixture in a combustion chamber in which the ammonia concentration is higher on the inner wall surface side than in the center (Patent Document 1). In addition, a technology has been disclosed that effectively uses urea water to improve the combustion efficiency of an internal combustion engine when using urea water to purify nitrogen oxides contained in the exhaust gas of the internal combustion engine (Patent Document 2).

また、アンモニア燃焼内燃機関において、燃焼室内にアンモニアとアンモニア以外の高燃焼性物質を供給可能とした構成が開示されている(特許文献3,4)。燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときに燃焼室に供給された混合気が燃焼し易くなるように運転パラメータを制御する構成が開示されている。これにより、アンモニアによる補助燃料(高燃焼性物質)の燃焼性の低下を抑制している。また、内燃機関に供給される全燃料中に占めるアンモニアの割合が高いときには低いときに比べて非アンモニア燃料の噴射時期を進角する。これにより、燃焼室内での混合気を適切に燃焼させるようにしている。 In addition, a configuration has been disclosed in which ammonia and highly combustible substances other than ammonia can be supplied to the combustion chamber in an ammonia-burning internal combustion engine (Patent Documents 3 and 4). A configuration has been disclosed in which operating parameters are controlled so that the mixture supplied to the combustion chamber becomes more combustible when the amount of ammonia supplied to the combustion chamber increases or when the ratio of ammonia supplied to the total amount of ammonia and highly combustible substances supplied to the combustion chamber increases. This suppresses the decrease in combustibility of the auxiliary fuel (highly combustible substance) caused by ammonia. In addition, when the ratio of ammonia in the total fuel supplied to the internal combustion engine is high, the injection timing of the non-ammonia fuel is advanced compared to when it is low. This allows the mixture in the combustion chamber to be burned appropriately.

また、燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と機関排気通路内に配置されている窒素酸化物選択還元触媒とを備えることによって、窒素酸化物の浄化性能に優れた排気浄化装置を備えるアンモニア燃焼用の内燃機関に関する技術が開示されている(特許文献5)。 In addition, a technology has been disclosed for an internal combustion engine for burning ammonia, which is equipped with an exhaust purification device that has excellent nitrogen oxide purification performance by including an ammonia feeder that supplies ammonia to the combustion chamber and a nitrogen oxide selective reduction catalyst that is arranged in the engine exhaust passage (Patent Document 5).

特開2020-148198号公報JP 2020-148198 A 特開2009-97419号公報JP 2009-97419 A 国際公開第2011/136151号International Publication No. 2011/136151 国際公開第2011/132604号International Publication No. 2011/132604 特開2014-211155号公報JP 2014-211155 A

上記のように、アンモニアを燃料とした内燃機関に関する技術が開発されているが、アンモニアの供給量が増えると排気ガスに含まれるアンモニアや地球温暖化係数の高い亜酸化窒素(NO)が大気汚染を引き起こすおそれがある。そこで、アンモニア混焼エンジンにおいて、排気ガス中に含まれるアンモニアや亜酸化窒素を低減させることが必要である。 As described above, technology related to internal combustion engines that use ammonia as fuel has been developed, but if the amount of ammonia supplied increases, the ammonia and nitrous oxide (N 2 O), which have a high global warming potential, contained in the exhaust gas may cause air pollution. Therefore, it is necessary to reduce the ammonia and nitrous oxide contained in the exhaust gas in ammonia co-firing engines.

本願発明は、排気ガスの性状を向上させたアンモニア混焼エンジンを提供することを目的とする。 The objective of this invention is to provide an ammonia co-fuel engine with improved exhaust gas properties.

請求項1に対応したアンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法は、アンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、前記エンジンの燃焼室に前記アンモニアと空気と前記液体燃料とを供給し圧縮着火により着火させて混焼するに当たり、前記燃焼室への前記液体燃料の供給タイミングを前記アンモニアと前記空気の供給開始タイミングより遅くするとともに、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が大きくなるにつれて前記液体燃料の前記供給タイミングを早め、前記液体燃料の前記供給タイミングとしての進角を前記エンジンの上死点(TDC)に対して、前記エンジンの燃焼位相を遅らせることが可能な-40°を超え-55°以下の範囲で設定することを特徴とする。 An ammonia co-firing method in an engine that co-firing ammonia and liquid fuel according to claim 1 is an ammonia co-firing method in an engine that co-firing ammonia and liquid fuel, which is characterized in that, when supplying the ammonia, air, and the liquid fuel to a combustion chamber of the engine and igniting them by compression ignition to co-firing them, a supply timing of the liquid fuel to the combustion chamber is made later than a supply start timing of the ammonia and the air, and the supply timing of the liquid fuel is advanced as a ratio of the supply amount of the ammonia to the total supply amount of the liquid fuel and the ammonia becomes larger , and an advance angle as the supply timing of the liquid fuel is set in a range of more than -40° and not more than -55° with respect to a top dead center (TDC) of the engine, in which the combustion phase of the engine can be retarded .

ここで、前記液体燃料の供給は、多段噴射により供給することが好適である。 Here, it is preferable that the liquid fuel is supplied by multi-stage injection.

また、前記液体燃料が軽油であることが好適である。 It is also preferable that the liquid fuel is diesel.

また、前記アンモニアと前記空気を予め混合して前記燃焼室に供給することが好適である。 It is also preferable to premix the ammonia and the air before supplying them to the combustion chamber.

また、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が1%以上95%以下の範囲であることが好適である。 It is also preferable that the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of the liquid fuel and the ammonia supplied is in the range of 1% to 95%.

また、前記燃焼室から排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を、前記アンモニアを用いて選択的触媒還元システムで浄化することが好適である。 It is also preferable to purify nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas discharged from the combustion chamber using the ammonia in a selective catalytic reduction system.

また、前記燃焼室における前記アンモニアと前記液体燃料との混焼時にスリップした前記アンモニアを利用して、前記窒素酸化物(NOx)を還元することが好適である。 It is also preferable to use the ammonia that slips during the co-combustion of the ammonia and the liquid fuel in the combustion chamber to reduce the nitrogen oxides (NOx).

請求項に対応したアンモニアを混焼する圧縮着火式のアンモニア混焼エンジンは、燃焼室と、前記燃焼室に前記アンモニアを供給するアンモニア供給手段と、前記燃焼室に空気を供給する給気手段と、前記燃焼室に液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率を設定する燃料比率設定手段と、前記燃料比率設定手段の比率の設定に応じて前記液体燃料供給手段による前記液体燃料の供給タイミングを制御する供給タイミング制御手段を備え、前記燃焼室への前記液体燃料の供給タイミングを前記アンモニアと前記空気の供給開始タイミングより遅くするとともに、前記燃料比率設定手段によって設定された前記アンモニアの供給量の比率が大きくなるにつれて前記供給タイミング制御手段によって前記液体燃料の前記供給タイミングを早め、前記液体燃料の前記供給タイミングとしての進角を前記エンジンの上死点(TDC)に対して、前記エンジンの燃焼位相を遅らせることが可能な-40°を超え-55°以下の範囲で設定する制御を行うことを特徴とする。 A compression ignition type ammonia co-fuel engine that co-fuels ammonia according to claim 8 includes a combustion chamber, an ammonia supply means that supplies the ammonia to the combustion chamber, an air supply means that supplies air to the combustion chamber, a liquid fuel supply means that supplies liquid fuel to the combustion chamber, a fuel ratio setting means that sets a ratio of the supply amount of the ammonia to a total supply amount of the liquid fuel and the ammonia, and a supply timing control means that controls the supply timing of the liquid fuel by the liquid fuel supply means according to the ratio setting of the fuel ratio setting means, and is characterized in that the supply timing of the liquid fuel to the combustion chamber is delayed from the supply start timing of the ammonia and the air, and the supply timing of the liquid fuel is advanced by the supply timing control means as the ratio of the supply amount of the ammonia set by the fuel ratio setting means becomes larger, and the advance angle as the supply timing of the liquid fuel is set in a range of more than -40° and not more than -55° with respect to the top dead center (TDC) of the engine, in which the combustion phase of the engine can be delayed .

ここで、前記供給タイミング制御手段は、前記液体燃料供給手段による前記液体燃料の供給を多段噴射する制御を行うことが好適である。 Here, it is preferable that the supply timing control means controls the supply of the liquid fuel by the liquid fuel supply means to inject the liquid fuel in multiple stages.

また、前記液体燃料が軽油であることが好適である。 It is also preferable that the liquid fuel is diesel.

また、前記アンモニアを前記給気手段の給気経路に噴射し、予め前記アンモニアと前記空気を混合して前記燃焼室に供給することが好適である。 It is also preferable to inject the ammonia into the air supply path of the air supply means, and to mix the ammonia with the air before supplying it to the combustion chamber.

また、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が1%以上95%以下の範囲であることが好適である。 It is also preferable that the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of the liquid fuel and the ammonia supplied is in the range of 1% to 95%.

また、前記アンモニアを用いて前記燃焼室から排出される排気ガス中のNOxを浄化する選択的触媒還元システムを前記排気ガスの排気経路に備えることが好適である。 It is also preferable to provide a selective catalytic reduction system in the exhaust path of the exhaust gas, which uses the ammonia to purify NOx in the exhaust gas discharged from the combustion chamber.

また、前記選択的触媒還元システムで利用される前記アンモニアの供給を制御するアンモニア供給制御手段を備えることが好適である。 It is also preferable to have an ammonia supply control means for controlling the supply of the ammonia used in the selective catalytic reduction system.

また、上記アンモニア混焼エンジンを搭載していることを特徴とするアンモニア混焼エンジンを搭載した船舶とすることが好適である。 It is also preferable that the ship be equipped with an ammonia co-fuel engine, characterized by being equipped with the above-mentioned ammonia co-fuel engine.

請求項1に対応したアンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法は、アンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、前記エンジンの燃焼室に前記アンモニアと空気と前記液体燃料とを供給し圧縮着火により着火させて混焼するに当たり、前記燃焼室への前記液体燃料の供給タイミングを前記アンモニアと前記空気の供給開始タイミングより遅くするとともに、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が大きくなるにつれて前記液体燃料の前記供給タイミングを早め、前記液体燃料の前記供給タイミングとしての進角を前記エンジンの上死点(TDC)に対して、前記エンジンの燃焼位相を遅らせることが可能な-40°を超え-55°以下の範囲で設定することによって、アンモニアのスリップや亜酸化窒素等の窒素酸化物(NOx)を低減させ、排気ガスの性状を向上させることができる。また、アンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法における燃焼を安定に維持しつつ、排気ガスの性状を向上させることができる。 The ammonia co-firing method in an engine that co-firings ammonia and liquid fuel according to claim 1 is an ammonia co-firing method in an engine that co-firings ammonia and liquid fuel, in which the ammonia, air, and liquid fuel are supplied to a combustion chamber of the engine and ignited by compression ignition to co-firing the ammonia, the timing of supplying the liquid fuel to the combustion chamber is delayed from the timing of starting supply of the ammonia and the air, and the timing of supplying the liquid fuel is advanced as the ratio of the amount of supply of the ammonia to the total amount of supply of the liquid fuel and the ammonia increases, and the advance angle as the timing of supplying the liquid fuel is set in a range of more than -40° and less than -55° with respect to the top dead center (TDC) of the engine, which allows the combustion phase of the engine to be delayed , thereby reducing ammonia slip and nitrogen oxides (NOx) such as nitrous oxide, and improving the properties of the exhaust gas. In addition, the properties of the exhaust gas can be improved while maintaining stable combustion in the ammonia co-firing method in an engine that co-firing ammonia and liquid fuel.

ここで、前記液体燃料の供給は、多段噴射により供給することによって、単噴射に比べて排気ガスの性状をより向上させることができる。 Here, the liquid fuel is supplied by multi-stage injection, which can improve the properties of the exhaust gas more than with a single injection.

また、前記液体燃料が軽油であることによって、一般的な軽油を燃料としてアンモニア混焼方法において排気ガスの性状を向上させることができる。また、前記アンモニアと前記空気を予め混合して前記燃焼室に供給することによって、排気ガスの性状を向上させることができる。 In addition, by using diesel as the liquid fuel, the properties of the exhaust gas can be improved in the ammonia co-firing method using general diesel as fuel. In addition, by pre-mixing the ammonia and the air and supplying them to the combustion chamber, the properties of the exhaust gas can be improved.

また、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が1%以上95%以下の範囲であることによって、アンモニアの混焼率を高めながら排気ガスの性状をより向上させることができる。 In addition, by setting the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of the liquid fuel and the ammonia supplied in the range of 1% to 95%, it is possible to increase the ammonia co-firing rate while further improving the properties of the exhaust gas.

また、前記燃焼室から排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を、前記アンモニアを用いて選択的触媒還元システムで浄化することによって、アンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法において燃焼に用いられる前記アンモニアを利用して排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を低減することができる。さらに、前記アンモニアの供給源や供給系統を共通化することによって、システムを簡素化することができる。 In addition, by purifying the nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas discharged from the combustion chamber with a selective catalytic reduction system using the ammonia, it is possible to reduce the nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas by utilizing the ammonia used for combustion in an ammonia co-combustion method in an engine that co-combustes ammonia and liquid fuel. Furthermore, by sharing the ammonia supply source and supply system, the system can be simplified.

また、前記燃焼室における前記アンモニアと前記液体燃料との混焼時にスリップしたアンモニアを利用して、前記窒素酸化物(NOx)を還元することによって、同一の供給源から供給された排気ガス中に含まれる前記アンモニアを利用して排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を低減することができる。 In addition, by using the ammonia that slips during the co-combustion of the ammonia and the liquid fuel in the combustion chamber to reduce the nitrogen oxides (NOx), it is possible to reduce the nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas by using the ammonia contained in the exhaust gas supplied from the same supply source.

請求項に対応するアンモニアを混焼する圧縮着火式のアンモニア混焼エンジンは、燃焼室と、前記燃焼室に前記アンモニアを供給するアンモニア供給手段と、前記燃焼室に空気を供給する給気手段と、前記燃焼室に液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率を設定する燃料比率設定手段と、前記燃料比率設定手段の比率の設定に応じて前記液体燃料供給手段による前記液体燃料の供給タイミングを制御する供給タイミング制御手段を備え、前記燃焼室への前記液体燃料の供給タイミングを前記アンモニアと前記空気の供給開始タイミングより遅くするとともに、前記燃料比率設定手段によって設定された前記アンモニアの供給量の比率が大きくなるにつれて前記供給タイミング制御手段によって前記液体燃料の前記供給タイミングを早め、前記液体燃料の前記供給タイミングとしての進角を前記エンジンの上死点(TDC)に対して、前記エンジンの燃焼位相を遅らせることが可能な-40°を超え-55°以下の範囲で設定する制御を行うことによって、アンモニアのスリップや亜酸化窒素等の窒素酸化物(NOx)を低減させ、排気ガスの性状を向上させることができる。また、アンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法における燃焼を安定に維持しつつ、排気ガスの性状を向上させることができる。 A compression ignition type ammonia co-fuel engine that co-fuels ammonia, which corresponds to claim 8 , includes a combustion chamber, an ammonia supply means for supplying the ammonia to the combustion chamber, an air supply means for supplying air to the combustion chamber, a liquid fuel supply means for supplying liquid fuel to the combustion chamber, a fuel ratio setting means for setting a ratio of the supply amount of the ammonia to the total supply amount of the liquid fuel and the ammonia, and a supply timing control means for controlling the supply timing of the liquid fuel by the liquid fuel supply means according to the ratio setting of the fuel ratio setting means, and the supply timing of the liquid fuel to the combustion chamber is delayed from the supply start timing of the ammonia and the air, and the supply timing control means advances the supply timing of the liquid fuel as the ratio of the supply amount of the ammonia set by the fuel ratio setting means becomes larger, and the advance angle as the supply timing of the liquid fuel is set in a range of more than -40° and not more than -55° with respect to the top dead center (TDC) of the engine, which makes it possible to retard the combustion phase of the engine, thereby reducing ammonia slip and nitrogen oxides (NOx) such as nitrous oxide, and improving the properties of the exhaust gas. In addition, it is possible to maintain stable combustion in an engine that combusts ammonia and liquid fuel in an ammonia co-combustion method while improving the properties of exhaust gas.

ここで、前記供給タイミング制御手段は、前記液体燃料供給手段による前記液体燃料の供給を多段噴射する制御を行うことによって、単噴射に比べて排気ガスの性状をより向上させることができる。 Here, the supply timing control means controls the supply of the liquid fuel by the liquid fuel supply means to inject the liquid fuel in multiple stages, thereby improving the properties of the exhaust gas compared to a single injection.

また、前記液体燃料が軽油であることによって、一般的な軽油を燃料としてアンモニア混焼エンジンにおいて排気ガスの性状を向上させることができる。また、前記アンモニアを前記給気手段の給気経路に噴射し、予め前記アンモニアと前記空気を混合して前記燃焼室に供給することによって、排気ガスの性状を向上させることができる。 In addition, by using diesel as the liquid fuel, the properties of the exhaust gas can be improved in an ammonia co-fuel engine using general diesel as fuel. In addition, by injecting the ammonia into the air intake path of the air intake means and mixing the ammonia and the air in advance before supplying them to the combustion chamber, the properties of the exhaust gas can be improved.

また、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が1%以上95%以下の範囲であることによって、アンモニアの混焼率を高めながら排気ガスの性状をより向上させることができる。 In addition, by setting the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of the liquid fuel and the ammonia supplied in the range of 1% to 95%, it is possible to increase the ammonia co-firing rate while further improving the properties of the exhaust gas.

また、前記アンモニアを用いて前記燃焼室から排出される排気ガス中のNOxを浄化する選択的触媒還元システムを前記排気ガスの排気経路に備えることによって、アンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼エンジンにおいて燃焼に用いられる前記アンモニアを利用して排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を低減することができる。さらに、前記アンモニアの供給源や供給系統を共通化することによって、システムを簡素化することができる。 In addition, by providing a selective catalytic reduction system in the exhaust path of the exhaust gas that uses the ammonia to purify NOx in the exhaust gas discharged from the combustion chamber, it is possible to reduce nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas by utilizing the ammonia used for combustion in an ammonia-mixed combustion engine that mixes ammonia and liquid fuel. Furthermore, the system can be simplified by sharing the ammonia supply source and supply system.

また、前記選択的触媒還元システムで利用される前記アンモニアの供給を制御するアンモニア供給制御手段を備えることによって、排気ガス中に含まれる前記アンモニアを利用して排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を低減することができる。 In addition, by providing an ammonia supply control means for controlling the supply of the ammonia used in the selective catalytic reduction system, the ammonia contained in the exhaust gas can be used to reduce nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas.

また、上記アンモニア混焼エンジンを搭載していることを特徴とするアンモニア混焼エンジンを搭載した船舶とすることによって、排気ガスの性状を向上させた船舶を実現することができる。 In addition, by making a ship equipped with an ammonia-mixed combustion engine, which is characterized by being equipped with the above-mentioned ammonia-mixed combustion engine, it is possible to realize a ship with improved exhaust gas properties.

本発明の実施の形態におけるアンモニア混焼エンジンの構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of an ammonia-mixed combustion engine according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるアンモニア混焼試験における条件を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing conditions in an ammonia co-firing test in an embodiment of the present invention. 未燃アンモニア等の排出量の削減試験の結果を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the results of a test for reducing emissions of unburned ammonia, etc. 未燃アンモニア等の排出量の削減試験における燃焼の履歴を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a combustion history in a test for reducing emissions of unburned ammonia, etc. 未燃アンモニア等の排出量の削減試験における燃焼の履歴を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a combustion history in a test for reducing emissions of unburned ammonia, etc. 液体燃料の噴射のタイミングに対して正規化累積熱放出が所定値となるクランク角度の関係を示す図である。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the timing of liquid fuel injection and the crank angle at which the normalized cumulative heat release reaches a predetermined value. 軽油のパイロット噴射量の影響確認試験の結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the results of a test to confirm the effect of the pilot injection amount of diesel. 軽油のパイロット噴射量の影響確認試験における燃焼の履歴を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a combustion history in a test to confirm the effect of a pilot injection amount of diesel. アンモニア供給量の影響確認試験の結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the results of a test to confirm the effect of an ammonia supply amount. アンモニア供給量の影響確認試験における燃焼の履歴を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a combustion history in a test to confirm the effect of an ammonia supply amount. アンモニア供給量の影響確認試験における燃焼の履歴を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a combustion history in a test to confirm the effect of an ammonia supply amount. 液体燃料の多段噴射の影響確認試験の結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the results of an effect confirmation test of multi-stage injection of liquid fuel. 液体燃料の多段噴射の影響確認試験の結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the results of an effect confirmation test of multi-stage injection of liquid fuel. 液体燃料の多段噴射の影響確認試験の結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the results of an effect confirmation test of multi-stage injection of liquid fuel.

本発明の実施の形態におけるアンモニア混焼エンジン100は、図1に示すように、ピストン10、シリンダ12、燃焼室14、吸気経路16、吸気弁18、排気経路20、排気弁22、燃焼用アンモニア供給手段24、圧力調整器26、液体燃料供給手段28、高圧ポンプ30、選択的触媒還元(SCR:Selective Catalytic Reduction)システム32、還元用アンモニア供給手段34及び制御装置36を含んで構成される。なお、アンモニア混焼エンジン100は、船舶に搭載されプロペラを駆動する主機用エンジン、又は補機用エンジンとして機能することが好適である。 As shown in FIG. 1, the ammonia-mixed combustion engine 100 according to the embodiment of the present invention includes a piston 10, a cylinder 12, a combustion chamber 14, an intake path 16, an intake valve 18, an exhaust path 20, an exhaust valve 22, ammonia supply means for combustion 24, a pressure regulator 26, a liquid fuel supply means 28, a high-pressure pump 30, a selective catalytic reduction (SCR) system 32, ammonia supply means for reduction 34, and a control device 36. The ammonia-mixed combustion engine 100 is preferably mounted on a ship and functions as a main engine for driving a propeller, or as an auxiliary engine.

アンモニア混焼エンジン100の各気筒では、ピストン10とシリンダ12とで燃焼室14が構成される。すなわち、シリンダ12は、シリンダブロックとシリンダヘッドを組み合わせて構成され、シリンダブロックのボア内でピストン10が往復運動可能となるように配置され、ピストン10に対向してボアを囲うようにシリンダヘッドが結合される。ピストン10及びシリンダ12により囲まれた空間が燃焼室14となる。 In each cylinder of the ammonia co-fuel engine 100, the piston 10 and cylinder 12 form a combustion chamber 14. That is, the cylinder 12 is formed by combining a cylinder block and a cylinder head, and the piston 10 is arranged so that it can reciprocate within the bore of the cylinder block, and the cylinder head is connected to face the piston 10 and surround the bore. The space surrounded by the piston 10 and the cylinder 12 forms the combustion chamber 14.

アンモニア混焼エンジン100の各気筒には、吸気経路16及び排気経路20が設けられる。吸気経路16には、吸気弁18が設けられる。排気経路20には、排気弁22が設けられる。気筒には、ピストン10の動きに応じたクランク軸の回転角位置を検出するクランク角センサ(図示しない)が設けられており、制御装置36によって検出した回転角位置に応じて吸気弁18及び排気弁22を開閉させる制御が行われる。すなわち、クランク軸の回転角位置に応じて吸気弁18を開閉させ、気筒への吸気のタイミングが制御される。また、クランク軸の回転角位置に応じて排気弁22を開閉させ、気筒からの排気が制御される。 Each cylinder of the ammonia co-fuel engine 100 is provided with an intake path 16 and an exhaust path 20. An intake valve 18 is provided in the intake path 16. An exhaust valve 22 is provided in the exhaust path 20. A crank angle sensor (not shown) that detects the rotational angle position of the crankshaft according to the movement of the piston 10 is provided in each cylinder, and the intake valve 18 and the exhaust valve 22 are controlled to open and close according to the rotational angle position detected by the control device 36. That is, the intake valve 18 is opened and closed according to the rotational angle position of the crankshaft, and the timing of intake into the cylinder is controlled. In addition, the exhaust valve 22 is opened and closed according to the rotational angle position of the crankshaft, and the exhaust from the cylinder is controlled.

また、吸気経路16には、燃焼用アンモニア供給手段24が設けられる。燃焼用アンモニア供給手段24には、圧力調整器26を介してアンモニア(NH)のボンベ102が接続される。ボンベ102には、液化されたアンモニアが貯蔵されている。燃焼用アンモニア供給手段24は、流量計及び噴射弁を備え、圧力調整器26によって圧力制御されたアンモニアの供給を受けて、吸気経路16内にアンモニアを設定された流量及び空気との混合比となるように噴射させる。圧力調整器26によるアンモニアの圧力の制御や燃焼用アンモニア供給手段24から供給されるアンモニア供給流量の制御は、後述する制御装置36の燃料比率設定手段36aによって行われる。なお、燃焼用アンモニア供給手段24は、吸気経路16以外にシリンダ12に直接アンモニアを供給するように構成することもできる。 Further, the intake passage 16 is provided with a combustion ammonia supply means 24. A cylinder 102 of ammonia (NH 3 ) is connected to the combustion ammonia supply means 24 via a pressure regulator 26. Liquefied ammonia is stored in the cylinder 102. The combustion ammonia supply means 24 includes a flowmeter and an injection valve, and receives ammonia whose pressure is controlled by the pressure regulator 26, and injects the ammonia into the intake passage 16 so as to achieve a set flow rate and a mixture ratio with air. The pressure regulator 26 controls the pressure of the ammonia and the ammonia supply flow rate supplied from the combustion ammonia supply means 24, and this is performed by a fuel ratio setting means 36a of the control device 36, which will be described later. The combustion ammonia supply means 24 can also be configured to supply ammonia directly to the cylinder 12 in addition to the intake passage 16.

このように、吸気経路16に対してアンモニアを噴射することによって、供給されたアンモニアに酸化剤となる空気を混合して燃焼室14へ供給することができる。なお、アンモニアは液体としてではなく気体としても供給が可能である。また、空気の代わりに、酸素富化空気や純酸素等の他の酸化剤を用いてもよい。また、他の補助燃料、例えば水素(H)、天然ガス、LPG等を加えてもよい。燃焼室14へのアンモニアと空気の混合気の供給は、アンモニア混焼エンジン100における吸気行程と共に行われ、例えば、後述する液体燃料のパイロット噴射より前から開始される。 In this way, by injecting ammonia into the intake passage 16, the supplied ammonia can be mixed with air as an oxidizer and supplied to the combustion chamber 14. Ammonia can be supplied not only as a liquid but also as a gas. Also, other oxidizers such as oxygen-enriched air or pure oxygen may be used instead of air. Also, other auxiliary fuels such as hydrogen (H 2 ), natural gas, LPG, etc. may be added. The supply of the mixture of ammonia and air to the combustion chamber 14 is performed together with the intake stroke in the ammonia co-fuel engine 100, and is started, for example, before the pilot injection of liquid fuel described below.

また、アンモニア混焼エンジン100の各気筒には、液体燃料供給手段28と高圧ポンプ30が設けられる。液体燃料供給手段28は、電子式燃料噴射弁を備え、高圧ポンプ30によって加圧された液体燃料の供給を受けて、燃焼室14内に液体燃料を噴射させる。液体燃料は、例えば、軽油、重油、プロパン等とすることができる。高圧ポンプ30による液体燃料の加圧は、液体燃料が軽油である場合、100MPa程度とすることが好適である。液体燃料供給手段28から供給される液体燃料の供給量の制御は、後述する制御装置36の燃料比率設定手段36aによって行われる。また、液体燃料供給手段28による液体燃料の噴射のタイミングの制御は、後述する制御装置36の供給タイミング制御手段36bによって行われる。例えば、アンモニア混焼エンジン100の圧縮行程において上死点(TDC)より前のタイミングにおいて液体燃料のパイロット噴射が行われる。 Each cylinder of the ammonia-mixed combustion engine 100 is provided with a liquid fuel supply means 28 and a high-pressure pump 30. The liquid fuel supply means 28 is equipped with an electronic fuel injection valve, and receives liquid fuel pressurized by the high-pressure pump 30 and injects the liquid fuel into the combustion chamber 14. The liquid fuel can be, for example, diesel, heavy oil, propane, etc. When the liquid fuel is diesel, it is preferable to pressurize the liquid fuel by the high-pressure pump 30 to about 100 MPa. The amount of liquid fuel supplied from the liquid fuel supply means 28 is controlled by a fuel ratio setting means 36a of the control device 36 described later. The timing of the injection of the liquid fuel by the liquid fuel supply means 28 is controlled by a supply timing control means 36b of the control device 36 described later. For example, pilot injection of liquid fuel is performed at a timing before the top dead center (TDC) during the compression stroke of the ammonia-mixed combustion engine 100.

アンモニア混焼エンジン100には、SCRシステム32が設けられる。SCRシステム32は、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を低減させるための後処理を行う。SCRシステム32は、触媒の作用を利用して排気ガスに含まれるアンモニアによって窒素酸化物を窒素(N)と水(HO)に還元して、排気ガスに含まれる窒素酸化物の排出量を抑制する。 The ammonia co-fuel engine 100 is provided with an SCR system 32. The SCR system 32 performs post-treatment to reduce nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas. The SCR system 32 utilizes the action of a catalyst to reduce nitrogen oxides to nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O) using ammonia contained in the exhaust gas, thereby suppressing the emission of nitrogen oxides contained in the exhaust gas.

また、アンモニア混焼エンジン100は、還元用アンモニア供給手段34を備える。還元用アンモニア供給手段34は、供給弁を備え、SCRシステム32における窒素参加物の還元反応を促進させるために排気経路20内にアンモニアを供給する。還元用アンモニア供給手段34によるアンモニアの供給の制御は、制御装置36のアンモニア供給制御手段36cによって行われる。 The ammonia co-fuel engine 100 also includes a reduction ammonia supply means 34. The reduction ammonia supply means 34 includes a supply valve and supplies ammonia into the exhaust path 20 to promote the reduction reaction of the nitrogen oxide in the SCR system 32. The supply of ammonia by the reduction ammonia supply means 34 is controlled by an ammonia supply control means 36c of the control device 36.

本実施の形態におけるアンモニア混焼エンジン100では、燃料として用いられるアンモニアとSCRシステム32における還元反応に用いられるアンモニアの供給源や供給系統の少なくとも一部を共通とすることによってシステムを簡素化することができる。 In the ammonia co-fuel engine 100 of this embodiment, the system can be simplified by sharing at least a portion of the supply source and supply system for the ammonia used as fuel and the ammonia used in the reduction reaction in the SCR system 32.

なお、アンモニア混焼エンジン100に供給される燃料として用いられるアンモニアを増量し、未燃状態のスリップしたアンモニアとして選択的触媒還元システム32に供給し、窒素酸化物の還元に用いることもできる。この場合、微妙な比率制御を必要とするため、排気経路20にアンモニアの検出手段を設け、制御装置36の供給タイミング制御手段36bでアンモニアの供給量を精密に制御することが好適である。 The amount of ammonia used as fuel supplied to the ammonia-mixed combustion engine 100 can be increased and supplied to the selective catalytic reduction system 32 as unburned slipped ammonia for use in reducing nitrogen oxides. In this case, delicate ratio control is required, so it is preferable to provide an ammonia detection means in the exhaust path 20 and precisely control the amount of ammonia supplied by the supply timing control means 36b of the control device 36.

制御装置36は、アンモニア混焼エンジン100における制御を行う。制御装置36は、例えば、プログラム可能なコンピュータ及びアンモニア混焼エンジン100の各部へ送られる信号を生成するための信号生成回路を含んで構成される。制御装置36は、燃料比率設定手段36a、供給タイミング制御手段36b及びアンモニア供給制御手段36cとして機能する。 The control device 36 controls the ammonia-mixed combustion engine 100. The control device 36 includes, for example, a programmable computer and a signal generating circuit for generating signals sent to each part of the ammonia-mixed combustion engine 100. The control device 36 functions as a fuel ratio setting means 36a, a supply timing control means 36b, and an ammonia supply control means 36c.

燃料比率設定手段36aは、アンモニア混焼エンジン100において、アンモニア及び液体燃料の総供給量に対するアンモニアの供給量の比率を制御する手段である。すなわち、燃料比率設定手段36aによって、燃料として使用されるアンモニアの供給量と液体燃料の供給量の比率が調整され、これによってアンモニア及び液体燃料の総供給量に対するアンモニアの供給量の比率が所望の値に制御される。なお、アンモニア及び液体燃料の総供給量に対するアンモニアの供給量の比率は、予め一定値に設定してもよいし、アンモニア混焼エンジン100の運転状態に応じて設定してもよい。例えば、アンモニア及び液体燃料の総供給量に対するアンモニアの供給量の比率は、アンモニア供給量や液体燃料供給量を検出するセンサを設けて、当該センサの出力値に応じて設定するようにしてもよい。また、アンモニア混焼エンジン100にかかる負荷に応じてアンモニアの供給量の比率を制御してもよい。例えば、負荷が急に増大した場合は、発熱量の大きく燃焼速度も速い軽油の比率を増すように制御すればよい。 The fuel ratio setting means 36a is a means for controlling the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of ammonia and liquid fuel supplied in the ammonia-mixed combustion engine 100. That is, the fuel ratio setting means 36a adjusts the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of ammonia and liquid fuel supplied, thereby controlling the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of ammonia and liquid fuel to a desired value. The ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of ammonia and liquid fuel supplied may be set to a constant value in advance, or may be set according to the operating state of the ammonia-mixed combustion engine 100. For example, the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of ammonia and liquid fuel supplied may be set according to the output value of a sensor that detects the amount of ammonia supplied or the amount of liquid fuel supplied. The ratio of the amount of ammonia supplied may also be controlled according to the load on the ammonia-mixed combustion engine 100. For example, when the load suddenly increases, the ratio of diesel, which has a large heat value and a fast combustion speed, may be increased.

供給タイミング制御手段36bは、燃焼用アンモニア供給手段24によるアンモニアの供給開始タイミング及び供給期間、液体燃料供給手段28による液体燃料の供給開始タイミング及び供給期間を制御する手段である。供給タイミング制御手段36bは、燃料比率設定手段36aによって設定されたアンモニア及び液体燃料の総供給量に対するアンモニアの供給量の比率に応じてアンモニアの供給開始タイミング及び供給期間並びに液体燃料の供給開始タイミング及び供給期間を調整する。 The supply timing control means 36b is a means for controlling the timing and duration of ammonia supply by the combustion ammonia supply means 24, and the timing and duration of liquid fuel supply by the liquid fuel supply means 28. The supply timing control means 36b adjusts the timing and duration of ammonia supply and the timing and duration of liquid fuel supply according to the ratio of the amount of ammonia supply to the total amount of ammonia and liquid fuel supply set by the fuel ratio setting means 36a.

アンモニア供給制御手段36cは、SCRシステム32へのアンモニアの供給を制御する手段である。アンモニア供給制御手段36cは、アンモニア混焼エンジン100の排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)の量に応じて還元用アンモニア供給手段34を制御して、SCRシステム32へのアンモニアの供給量を調整する。 The ammonia supply control means 36c is a means for controlling the supply of ammonia to the SCR system 32. The ammonia supply control means 36c controls the reducing ammonia supply means 34 according to the amount of nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas of the ammonia co-fuel engine 100, and adjusts the amount of ammonia supplied to the SCR system 32.

[アンモニアと軽油の混合燃焼試験]
以下、アンモニア混焼エンジン100を用いたアンモニアと軽油の混合燃焼試験について説明する。図2は、試験に使用したアンモニア混焼エンジン100の主要諸元を示す。
[Ammonia and diesel mixed combustion test]
Hereinafter, a description will be given of a test of mixed combustion of ammonia and diesel using the ammonia mixed combustion engine 100. Fig. 2 shows main specifications of the ammonia mixed combustion engine 100 used in the test.

アンモニアは、ボンベ102において約40℃に保温されて液化された状態で取り出され、圧力調整器26によって0.3MPaに減圧された後,吸気経路16の燃焼室14の入口付近に設置された燃焼用アンモニア供給手段24の噴射弁(ガスインジェクタ:110764 QUANTUM)に供給した。噴射弁の前にはアンモニアの圧力脈動を抑制するためにバッファーシリンダを設けた。アンモニアの凝縮を防ぐために供給配管は264K以上の温度に維持した。噴射弁の開弁時間を調整することで、アンモニアの供給量を調整した。試験では、液体燃料として軽油を使用した。軽油は、高圧ポンプ30により燃料蓄圧器内に100MPaに加圧されて供給され、液体燃料供給手段28の電子制御噴射弁により所望のクランク角度において燃焼室14内に噴射した。 The ammonia was taken out in a liquefied state in a cylinder 102, kept at about 40°C, and decompressed to 0.3 MPa by a pressure regulator 26, and then supplied to an injection valve (gas injector: 110764 QUANTUM) of the combustion ammonia supply means 24 installed near the inlet of the combustion chamber 14 of the intake path 16. A buffer cylinder was provided in front of the injection valve to suppress ammonia pressure pulsation. The supply pipe was maintained at a temperature of 264 K or higher to prevent ammonia condensation. The amount of ammonia supplied was adjusted by adjusting the opening time of the injection valve. In the test, diesel was used as the liquid fuel. The diesel was pressurized to 100 MPa by a high-pressure pump 30 and supplied into the fuel accumulator, and was injected into the combustion chamber 14 at the desired crank angle by an electronically controlled injection valve of the liquid fuel supply means 28.

試験中は、アンモニア混焼エンジン100に接続された電気式負荷装置によって設定した回転速度に保たれるようにトルクを自動で制御した。アンモニア混焼エンジン100の筒内圧力は、圧電式圧力計(GH14P AVL)とチャージアンプ(FI PIEZO AVL)を用いてクランク角度0.5°毎に50サイクル分を取得し、その平均を測定データとした。排気ガス成分について、トータルハイドロカーボン(THC)はFID式の分析器(600HFID CAI)で測定した。一酸化窒素(CO)、二酸化炭素(CO)、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO)、アンモニア(NH)及び水(HO)等のTHC以外のガスはFTIR式排気ガス分析器(FAST2200 岩田電業)を用いて測定した。ガス分析器は、高温の複数成分を同時にサンプリングして測定した。サンプリングラインとサンプリングフィルタは191℃に加熱し、水を含む排気ガス中のアンモニアを正確に検出することができた。FTIR式排気ガス分析器のアンモニア濃度の定量に使用している検量線は3000ppmまで測定できるが、参考として3000ppmを大幅に超えるアンモニア濃度も測定した。また、排気ガス中のスモークはスモークメータ(GSM-3 司測研)により汚染度を測定した。 During the test, the torque was automatically controlled so that the rotation speed was kept at the set value by an electric load device connected to the ammonia-mixed combustion engine 100. The pressure inside the cylinder of the ammonia-mixed combustion engine 100 was obtained for 50 cycles at every 0.5° crank angle using a piezoelectric pressure gauge (GH14P AVL) and a charge amplifier (FI PIEZO AVL), and the average was used as the measurement data. Regarding the exhaust gas components, total hydrocarbons (THC) were measured using an FID analyzer (600HFID CAI). Gases other than THC, such as nitric oxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), ammonia (NH 3 ), and water (H 2 O), were measured using an FTIR exhaust gas analyzer (FAST2200 Iwata Denko). The gas analyzer simultaneously sampled and measured multiple high-temperature components. The sampling line and sampling filter were heated to 191°C, and ammonia in exhaust gas containing water was accurately detected. The calibration curve used to quantify ammonia concentration in the FTIR exhaust gas analyzer can measure up to 3000 ppm, but for reference, ammonia concentrations far exceeding 3000 ppm were also measured. The level of smoke pollution in the exhaust gas was measured using a smoke meter (GSM-3, Tsukasa Sokuken).

<未燃アンモニア等の排出量の削減試験>
アンモニアと軽油を混合して燃料として用いたアンモニア混焼エンジン100を運転したときの二酸化炭素(CO)、一酸化窒素(CO)、ハイドロカーボン(HC)、窒素酸化物(NOx)、亜酸化窒素(NO)、未燃アンモニア(NH)の排出量について試験を行った。
<Tests to reduce emissions of unburned ammonia, etc.>
Tests were conducted on the emissions of carbon dioxide (CO 2 ), nitric oxide (CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx), nitrous oxide (N 2 O), and unburned ammonia (NH 3 ) when an ammonia co-firing engine 100 was operated using a mixture of ammonia and diesel as fuel.

試験において、液体燃料である軽油を液体燃料供給手段28から噴射させた。軽油の噴射は、吸気行程においてアンモニアを燃焼室14に供給開始した後、圧縮行程にて上死点(TDC)へ到達する前にパイロット噴射として行った。すなわち、アンモニアと空気の混合気の供給開始タイミングは、軽油のパイロット噴射の開始タイミングより前とした。 In the test, diesel, which is a liquid fuel, was injected from the liquid fuel supply means 28. The diesel was injected as a pilot injection after the supply of ammonia to the combustion chamber 14 started during the intake stroke and before the top dead center (TDC) was reached during the compression stroke. In other words, the timing at which the supply of the ammonia-air mixture started was set to precede the timing at which the pilot injection of diesel started.

軽油のパイロット噴射量、アンモニア供給流量及びエンジン回転数は、それぞれ24mg、45L/min及び1500rpmで一定に保った。また、軽油とアンモニアの総供給量に対するアンモニア供給量の比率は約45%に維持した。軽油のパイロット噴射のタイミングは、エンジンの上死点前(BTDC)においてクランク角度で5°の間隔で-10°から-65°まで変化させた(マイナスの角度は上死点前であることを意味する)。試験中において、アンモニア混焼エンジン100における燃焼は安定しており、平均有効圧力の変動は1.5%未満であった。なお、軽油のパイロット噴射を上死点前(BTDC)の-70°としたときに負荷と速度が不安定となったために-65°までに制限した。 The pilot injection amount of diesel, the ammonia supply flow rate, and the engine speed were kept constant at 24 mg, 45 L/min, and 1500 rpm, respectively. The ratio of the ammonia supply amount to the total supply amount of diesel and ammonia was maintained at approximately 45%. The timing of the pilot injection of diesel was varied from -10° to -65° before top dead center (BTDC) of the engine at intervals of 5° in crank angle (negative angles mean before top dead center). During the test, combustion in the ammonia co-fuel engine 100 was stable, and the fluctuation of the mean effective pressure was less than 1.5%. Note that the pilot injection of diesel was limited to -65° before top dead center (BTDC) because the load and speed became unstable when the pilot injection was set to -70°.

図3は、軽油のパイロット噴射のタイミングの変化に対する正味熱効率、アンモニア供給量の比率及び各種ガスの排出量を示す。正味熱効率は、アンモニアと軽油の総低位発熱量に対する制動出力の比である。なお、図3において、窒素酸化物(NOx)の排出濃度は、NOとNOの合計を示している。また、未燃アンモニア(NH)比は、供給されたアンモニア(NH)の量に対する放出されたアンモニア(NH)の量の比率を示す。 Figure 3 shows the net thermal efficiency, the ratio of the ammonia supply amount, and the amount of exhaust of various gases with respect to the change in the timing of the pilot injection of diesel. The net thermal efficiency is the ratio of the braking output to the total lower heating value of ammonia and diesel. In Figure 3, the concentration of nitrogen oxides (NOx) indicates the sum of NO and NO2 . Also, the unburned ammonia ( NH3 ) ratio indicates the ratio of the amount of ammonia ( NH3 ) released to the amount of ammonia ( NH3 ) supplied.

軽油のパイロット噴射のタイミングが上死点(TDC)に対して-25°を超えて進むと、一酸化窒素(CO)、亜酸化窒素(NO)、未燃アンモニア(NH)の排出量に減少傾向が生じた。したがって、一酸化窒素(CO)、亜酸化窒素(NO)、未燃アンモニア(NH)の排出量を低減するためには軽油のパイロット噴射のタイミングを上死点(TDC)に対して-25°より進めることが好適である。一方、アンモニア混焼エンジン100を安定的に運転するためには軽油のパイロット噴射のタイミングを上死点(TDC)に対して-70°より遅らせることが好適である。すなわち、軽油のパイロット噴射のタイミングは、上死点(TDC)に対して-25°から-70°の範囲に設定することが好適である。 When the timing of the pilot injection of diesel fuel advances beyond -25° relative to the top dead center (TDC), the amount of emissions of nitric oxide (CO), nitrous oxide (N 2 O), and unburned ammonia (NH 3 ) tends to decrease. Therefore, in order to reduce the amount of emissions of nitric oxide (CO), nitrous oxide (N 2 O), and unburned ammonia (NH 3 ), it is preferable to advance the timing of the pilot injection of diesel fuel beyond -25° relative to the top dead center (TDC). On the other hand, in order to stably operate the ammonia co-fuel engine 100, it is preferable to delay the timing of the pilot injection of diesel fuel beyond -70° relative to the top dead center (TDC). In other words, it is preferable to set the timing of the pilot injection of diesel fuel in the range of -25° to -70° relative to the top dead center (TDC).

特に、軽油のパイロット噴射のタイミングが-30°から-65°の範囲において一酸化窒素(CO)、亜酸化窒素(NO)、未燃アンモニア(NH)の排出量は劇的に減少した。さらに、軽油のパイロット噴射のタイミングが-40°から-55°の範囲において一酸化窒素(CO)、亜酸化窒素(NO)、未燃アンモニア(NH)の排出量はより顕著に減少した。 In particular, when the timing of the pilot injection of diesel was in the range of -30° to -65°, the emissions of nitric oxide (CO), nitrous oxide (N 2 O), and unburned ammonia (NH 3 ) were dramatically reduced. Furthermore, when the timing of the pilot injection of diesel was in the range of -40° to -55°, the emissions of nitric oxide (CO), nitrous oxide (N 2 O), and unburned ammonia (NH 3 ) were more significantly reduced.

一方、軽油のパイロット噴射のタイミングが-30°から-45°の範囲において窒素酸化物(NOx)はピークに達した。さらに、-30°から軽油のパイロット噴射のタイミングを早めるにつれて、一酸化窒素(CO)とハイドロカーボン(HC)の排出量は増加傾向を示した。軽油のパイロット噴射のタイミングが-50°を超えると、窒素酸化物(NOx)と一酸化窒素(CO)の排出量が徐々に減少し、ハイドロカーボン(HC)の排出量が増加した。これらの変化は、アンモニア混焼エンジン100における燃焼温度が低いことと、噴射された軽油が燃焼室の壁に衝突することの組み合わせが原因と推察される。 On the other hand, nitrogen oxides (NOx) peaked when the timing of the pilot injection of diesel was in the range of -30° to -45°. Furthermore, as the timing of the pilot injection of diesel was advanced from -30°, the emissions of nitric oxide (CO) and hydrocarbons (HC) tended to increase. When the timing of the pilot injection of diesel exceeded -50°, the emissions of nitrogen oxides (NOx) and nitric oxide (CO) gradually decreased, while the emissions of hydrocarbons (HC) increased. These changes are presumably due to a combination of the low combustion temperature in the ammonia co-fuel engine 100 and the collision of the injected diesel with the wall of the combustion chamber.

図4及び図5は、軽油のパイロット噴射のタイミングを-10°から-60°まで変化させたときのアンモニア混焼エンジン100のシリンダ12内の圧力、熱放出率及び正規化された累積熱放出、軽油のパイロット噴射のタイミングを示す噴射信号の履歴を示す。図4及び図5に示すように、軽油のパイロット噴射のタイミングが-40°までは燃焼位相を早め、対照的に-40°を超えると燃焼位相を遅らせる。 Figures 4 and 5 show the history of the pressure in the cylinder 12 of the ammonia co-fuel engine 100, the heat release rate and normalized cumulative heat release, and the injection signal indicating the timing of the pilot injection of diesel when the timing of the pilot injection of diesel is changed from -10° to -60°. As shown in Figures 4 and 5, the combustion phase is advanced up to the timing of the pilot injection of diesel of -40°, and in contrast, the combustion phase is delayed when the timing of the pilot injection of diesel exceeds -40°.

図6は、軽油のパイロット噴射のタイミングで正規化累積熱放出が10%、50%及び90%の達するときのクランク角度を示す。図6において、正規化累積熱放出が10%、50%及び90%に達するときのクランク角度はそれぞれCA10、CA50及びCA90として示す。図6から、正規化累積熱放出が10%、50%及び90%のいずれの場合においても軽油のパイロット噴射のタイミングが-40°において燃焼段階が変化した。すなわち、軽油のパイロット噴射のタイミングが-10°から-40°においてはタイミングが早まるにつれて正規化累積熱放出が10%、50%及び90%に達するときのクランク角度は早まる傾向を示した。これに対して、軽油のパイロット噴射のタイミングが-40°から-65°においてはタイミングが早まるにつれて正規化累積熱放出が10%、50%及び90%に達するときのクランク角度は遅れてくる傾向を示した。軽油のパイロット噴射のタイミングが-10°から-30°に早められるにつれて正規化累積熱放出が10%及び90%となるクランク角度の差は短縮された。その後、軽油のパイロット噴射のタイミングが-30°よりさらに早められるにつれて正規化累積熱放出が10%及び90%となるクランク角度の差は増大した。すなわち、軽油のパイロット噴射のタイミングは燃焼位相に対する影響は進角から遅角に変化した。 Figure 6 shows the crank angle when the normalized cumulative heat release reaches 10%, 50% and 90% at the timing of pilot injection of diesel. In Figure 6, the crank angles when the normalized cumulative heat release reaches 10%, 50% and 90% are shown as CA10, CA50 and CA90, respectively. From Figure 6, the combustion stage changed when the timing of pilot injection of diesel is -40° in all cases where the normalized cumulative heat release is 10%, 50% and 90%. That is, when the timing of pilot injection of diesel is -10° to -40°, the crank angle when the normalized cumulative heat release reaches 10%, 50% and 90% tends to be advanced as the timing is advanced. On the other hand, when the timing of pilot injection of diesel is -40° to -65°, the crank angle when the normalized cumulative heat release reaches 10%, 50% and 90% tends to be delayed as the timing is advanced. As the timing of the pilot injection of diesel fuel was advanced from -10° to -30°, the difference in crank angles at which the normalized cumulative heat release was 10% and 90% was reduced. Then, as the timing of the pilot injection of diesel fuel was advanced beyond -30°, the difference in crank angles at which the normalized cumulative heat release was 10% and 90% increased. In other words, the effect of the pilot injection timing of diesel fuel on the combustion phase changed from advanced to retarded.

上死点(TDC)より早期に軽油をパイロット噴射させることによって、アンモニア(NH)及び空気の混合気と軽油との混合に対して多くの時間が利用できる。したがって、燃焼室14内において混合気がより均一になる。これによって、燃焼モードは、従来のディーゼル燃焼(CDC)から部分予混合圧縮点火着火(PPCI)燃焼に移行したと推察される。 By pilot-injecting diesel fuel earlier than top dead center (TDC), more time is available for the diesel fuel to mix with the ammonia (NH 3 ) and air mixture, thus making the mixture more homogeneous in the combustion chamber 14. This presumably shifts the combustion mode from conventional diesel combustion (CDC) to partial homogeneous charge compression ignition (PPCI) combustion.

燃焼モードがディーゼル燃焼(CDC)から部分予混合圧縮点火着火(PPCI)に移行すると、より長い着火遅延時間中に非反応性のアンモニア(NH)と空気の混合気と噴射された軽油はより多く混合される。軽油の着火前ではOH種が生成され、アンモニア(NH)と反応し、アンモニア(NH)の分解が促進される。アンモニア(NH)が分解された後も燃焼室14が高温状態にある場合、亜酸化窒素(NO)は熱分解される。すなわち、非反応性のアンモニア(NH)と空気の混合物に軽油を混合してアンモニア(NH)の分解を加速させることで、未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出を削減することができると推察される。 When the combustion mode shifts from diesel combustion (CDC) to partial homogeneous charge compression ignition (PPCI), the mixture of non-reactive ammonia (NH 3 ) and air and the injected diesel fuel are mixed more during the longer ignition delay time. Before the diesel fuel is ignited, OH species are generated and react with ammonia (NH 3 ), accelerating the decomposition of ammonia (NH 3 ). If the combustion chamber 14 is still in a high temperature state after the ammonia (NH 3 ) is decomposed, nitrous oxide (N 2 O) is thermally decomposed. In other words, it is presumed that the emission of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) can be reduced by mixing diesel fuel into the mixture of non-reactive ammonia (NH 3 ) and air to accelerate the decomposition of ammonia (NH 3 ).

燃焼モードが部分予混合圧縮点火着火(PPCI)に移行すると、未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量は減少するが、図3に示したように、軽油のパイロット噴射のタイミングを早めると正味熱効率の低下が見られた。軽油のパイロット噴射のタイミングを早めると、正規化累積熱放出が50%となるクランク角(CA50)は上死点(TDC)よりも前になる。これが、正味熱効率が低下する主な理由であると推察される。 When the combustion mode is shifted to partial homogeneous charge compression ignition (PPCI), the amount of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) emissions decreases, but as shown in Figure 3, when the timing of the pilot injection of diesel is advanced, the net thermal efficiency decreases. When the timing of the pilot injection of diesel is advanced, the crank angle (CA50) at which the normalized cumulative heat release is 50% is moved before the top dead center (TDC). This is presumably the main reason for the decrease in net thermal efficiency.

<軽油のパイロット噴射量の影響確認試験>
アンモニアと軽油を混合して燃料として用いたアンモニア混焼エンジン100を運転したときの部分予混合圧縮点火着火(PPCI)燃焼における軽油のパイロット噴射量の影響を確認する試験を行った。試験において、エンジン回転数、軽油のパイロット噴射のタイミング及びアンモニア供給流量はそれぞれ1500rpm、-50°及び46L/minに維持しつつ、軽油のパイロット噴射量を変化させた。試験中において、アンモニア混焼エンジン100における燃焼は安定しており、平均有効圧力の変動は1.2%未満であった。
<Test to confirm the effect of pilot fuel injection amount>
A test was conducted to confirm the effect of the pilot injection amount of diesel on partial homogenous charge compression ignition (PPCI) combustion when an ammonia-mixed combustion engine 100 using a mixture of ammonia and diesel as fuel was operated. In the test, the engine speed, the timing of the pilot injection of diesel and the ammonia supply flow rate were maintained at 1500 rpm, -50° and 46 L/min, respectively, while the pilot injection amount of diesel was changed. During the test, the combustion in the ammonia-mixed combustion engine 100 was stable, and the fluctuation of the mean effective pressure was less than 1.2%.

図7は、軽油のパイロット噴射量を17.8mg~22.8mgまで変化させたときの正味熱効率、アンモニア供給量の比率及び各種ガスの排出量を示す。この軽油のパイロット噴射量は、軽油とアンモニアの総供給量に対するアンモニアの供給量の比率に換算すると45%~51%に相当する。また、図8は、軽油のパイロット噴射量を変化させたときのアンモニア混焼エンジン100のシリンダ12内の圧力、熱放出率及び正規化された累積熱放出、軽油のパイロット噴射のタイミングを示す噴射信号の履歴を示す。 Figure 7 shows the net thermal efficiency, the ratio of the ammonia supply amount, and the amount of emissions of various gases when the pilot injection amount of diesel is changed from 17.8 mg to 22.8 mg. This pilot injection amount of diesel corresponds to 45% to 51% when converted into the ratio of the ammonia supply amount to the total supply amount of diesel and ammonia. Also, Figure 8 shows the pressure in the cylinder 12 of the ammonia co-fuel engine 100, the heat release rate and normalized cumulative heat release, and the history of the injection signal indicating the timing of the pilot injection of diesel when the pilot injection amount of diesel is changed.

図7に示すように、噴射された軽油の量が増加するにつれて正味熱効率は低下した。軽油の噴射量が増加するにつれて、二酸化炭素(CO)の排出量は増加し、一酸化窒素(CO)及びハイドロカーボン(HC)の排出量も僅かに増加した。図7及び図8に示されるように、窒素酸化物(NOx)の排出量とシリンダ12内の圧力のピークの傾向には相関関係がみられた。また、図7に示すように、軽油のパイロット噴射量が増加するにつれて一酸化窒素(CO)とハイドロカーボン(HC)の排出量は増加する傾向を示した。また、軽油のパイロット噴射量が増加するにつれて未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量は減少する傾向を示した。ただし、軽油のパイロット噴射量が19.7mgを超えると、未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量の減少傾向は小さくなった。これらの結果は、アンモニア(NH)の部分予混合圧縮点火着火(PPCI)燃焼において軽油が液体燃料として有効であることを示している。 As shown in FIG. 7, the net thermal efficiency decreased as the amount of injected diesel increased. As the injection amount of diesel increased, the amount of carbon dioxide (CO 2 ) emissions increased, and the amount of nitrogen oxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions also increased slightly. As shown in FIG. 7 and FIG. 8, there was a correlation between the amount of nitrogen oxide (NOx) emissions and the tendency of the peak pressure in the cylinder 12. Also, as shown in FIG. 7, as the pilot injection amount of diesel increased, the amount of nitrogen oxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions tended to increase. Also, as the pilot injection amount of diesel increased, the amount of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) emissions tended to decrease. However, when the pilot injection amount of diesel exceeded 19.7 mg, the decreasing tendency of the amount of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) emissions became smaller. These results indicate that diesel is effective as a liquid fuel in partial homogeneous charge compression ignition (PPCI) combustion of ammonia (NH 3 ).

<アンモニア供給量の影響確認試験>
アンモニアと軽油を混合して燃料として用いたアンモニア混焼エンジン100を運転したときのアンモニア供給流量の影響を確認する試験を行った。上死点前(BTDC)の-45°と-60°の2つのタイミングにおいて軽油のパイロット噴射を行った場合について、エンジン回転数を1500rpm、軽油のパイロット噴射量を21mgで一定に保ちながらアンモニア供給量を変更した。アンモニア供給量は、軽油とアンモニアの総供給量に対するアンモニアの供給量の比率に換算して38%~58%の範囲で変化させた。試験中において、アンモニア混焼エンジン100における燃焼は安定しており、平均有効圧力の変動は1.4%未満であった。平均有効圧力の変動は、アンモニア供給流量が増加するにつれて約1%に減少する傾向がみられた。
<Test to confirm the effect of ammonia supply amount>
A test was conducted to confirm the effect of the ammonia supply flow rate when the ammonia-mixed combustion engine 100 using a mixture of ammonia and diesel as fuel was operated. In the case where pilot injection of diesel was performed at two timings, −45° and −60° before top dead center (BTDC), the engine speed was kept constant at 1500 rpm, and the pilot injection amount of diesel was kept constant at 21 mg, while the ammonia supply amount was changed. The ammonia supply amount was changed in the range of 38% to 58% in terms of the ratio of the ammonia supply amount to the total supply amount of diesel and ammonia. During the test, the combustion in the ammonia-mixed combustion engine 100 was stable, and the fluctuation of the mean effective pressure was less than 1.4%. The fluctuation of the mean effective pressure tended to decrease to about 1% as the ammonia supply flow rate increased.

図9は、アンモニア供給流量に対する正味熱効率、アンモニア供給量の比率及び各種ガスの排出量を示す。図10及び図11は、それぞれ上死点前(BTDC)の-45°と-60°の2つのタイミングにおいて軽油のパイロット噴射を行った場合にアンモニア供給流量を変化させたときのアンモニア混焼エンジン100のシリンダ12内の圧力、熱放出率及び正規化された累積熱放出、軽油のパイロット噴射のタイミングを示す噴射信号の履歴を示す。 Figure 9 shows the net thermal efficiency, the ratio of the ammonia supply amount, and the amount of exhaust of various gases with respect to the ammonia supply flow rate. Figures 10 and 11 show the pressure in the cylinder 12 of the ammonia co-fuel engine 100, the heat release rate and normalized cumulative heat release, and the history of the injection signal indicating the timing of the pilot injection of diesel when the ammonia supply flow rate is changed when pilot injection of diesel is performed at two timings, -45° and -60° before top dead center (BTDC), respectively.

上記のように、アンモニア混焼エンジン100において、軽油等の液体燃料をアンモニアに混合させて燃焼させることによって未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量を減少させることができた。すなわち、軽油とアンモニアの総供給量に対するアンモニアの供給量の比率に換算して1%以上95%以下の範囲で未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量を減少させることができる。特に、軽油とアンモニアの総供給量に対するアンモニアの供給量の比率に換算して30%以上70%以下の範囲で未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量の減少は顕著であり、45%以上60%以下の範囲でより顕著である。 As described above, in the ammonia-mixed combustion engine 100, the amount of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) emissions can be reduced by mixing ammonia with liquid fuel such as diesel and burning it. That is, the amount of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) emissions can be reduced in a range of 1% to 95% in terms of the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of diesel and ammonia supplied. In particular, the reduction in the amount of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) emissions is remarkable in a range of 30% to 70% in terms of the ratio of the amount of ammonia supplied to the total amount of diesel and ammonia supplied, and is more remarkable in a range of 45% to 60%.

ただし、図9に示すように、アンモニア供給流量の比率が増加すると、軽油のパイロット噴射のタイミングに関係なく、正味熱効率、窒素酸化物(NOx)及び未燃アンモニア(NH)の増加がみられた。窒素酸化物(NOx)の排出量の増加は、アンモニア(NH)の窒素原子と給気中の窒素原子の酸化に起因する可能性があるが、窒素酸化物(NOx)の発生源を特定することは困難であった。また、図10及び図11に示すように、燃焼位相はアンモニア供給流量の比率の増加に伴って遅角し、上死点(TDC)に近づいた。また、アンモニア供給流量の比率の増加に伴って、正味熱効率は高くなり、シリンダ12内の圧力のピークも高くなった。 However, as shown in Figure 9, when the ratio of the ammonia feed flow rate increased, the net thermal efficiency, nitrogen oxides (NOx) and unburned ammonia (NH 3 ) increased regardless of the timing of the pilot injection of diesel. The increase in the amount of nitrogen oxides (NOx) emissions may be due to the oxidation of nitrogen atoms in ammonia (NH 3 ) and nitrogen atoms in the intake air, but it was difficult to identify the source of the nitrogen oxides (NOx). Also, as shown in Figures 10 and 11, the combustion phase was retarded and approached top dead center (TDC) as the ratio of the ammonia feed flow rate increased. Also, as the ratio of the ammonia feed flow rate increased, the net thermal efficiency and the peak pressure in the cylinder 12 became higher.

軽油のパイロット噴射のタイミングを-45°とした場合、アンモニア供給流量の比率の増加とともに一酸化窒素(CO)の排出量は増加した。また、軽油のパイロット噴射のタイミングを-60°とした場合、アンモニア供給流量の比率の増加に対して一酸化窒素(CO)の排出量は略一定値を維持した。アンモニア供給流量の比率が約46%未満の範囲では、軽油のパイロット噴射のタイミングを-60°とするより-45°とした場合の方が一酸化窒素(CO)の排出量は小さくなった。一方、アンモニア供給流量の比率が約46%以上の範囲では、軽油のパイロット噴射のタイミングを-45°とするより-60°とした場合の方が一酸化窒素(CO)の排出量は小さくなった。このことから、一酸化窒素(CO)の排出量の低減の観点から、軽油とアンモニアの総供給量に対するアンモニアの供給量の比率が大きくなるにつれて軽油の供給タイミングを早めることが好適である。 When the timing of the pilot injection of diesel was set to -45°, the amount of nitric oxide (CO) emissions increased with an increase in the ratio of the ammonia supply flow rate. When the timing of the pilot injection of diesel was set to -60°, the amount of nitric oxide (CO) emissions remained approximately constant with an increase in the ratio of the ammonia supply flow rate. In the range where the ratio of the ammonia supply flow rate was less than about 46%, the amount of nitric oxide (CO) emissions was smaller when the timing of the pilot injection of diesel was set to -45° than when it was set to -60°. On the other hand, in the range where the ratio of the ammonia supply flow rate was about 46% or more, the amount of nitric oxide (CO) emissions was smaller when the timing of the pilot injection of diesel was set to -60° than when it was set to -45°. From this, from the viewpoint of reducing the amount of nitric oxide (CO) emissions, it is preferable to advance the timing of the supply of diesel as the ratio of the amount of ammonia supply to the total amount of diesel and ammonia supply increases.

軽油のパイロット噴射のタイミングの変化に対してハイドロカーボン(HC)の排出量は比較的変化が小さかった。これには、一酸化窒素(CO)とハイドロカーボン(HC)の排出を生じさせる不完全燃焼が関わっていると推察される。 There was relatively little change in hydrocarbon (HC) emissions when the timing of the pilot injection of diesel was changed. This is presumably related to incomplete combustion, which produces nitric oxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions.

図10及び図11に示されているように、シリンダ12内の最大圧力は、軽油のパイロット噴射のタイミングを-60°とした場合より-45°とした場合に高くなった。また、燃焼室14の温度はアンモニア供給流量の比率の増加とともに上昇した。図9に示すように、軽油のパイロット噴射のタイミングを-45°にした場合において一酸化窒素(CO)の排出量がアンモニア供給流量の比率と共に増加したのは、高温での二酸化炭素(CO)の熱解離によって引き起こされた可能性がある。対照的に、軽油のパイロット噴射のタイミングを-60°にした場合において、アンモニア供給流量の比率の変化に伴う一酸化窒素(CO)の排出量の変化は比較的小さかった。 As shown in Figures 10 and 11, the maximum pressure in the cylinder 12 was higher when the pilot injection timing of diesel was set at -45° than when it was set at -60°. Also, the temperature of the combustion chamber 14 increased with increasing ammonia feed flow rate. As shown in Figure 9, the increase in nitric oxide (CO) emissions with the ammonia feed flow rate when the pilot injection timing of diesel was set at -45° may be caused by thermal dissociation of carbon dioxide (CO 2 ) at high temperatures. In contrast, the change in nitric oxide (CO) emissions with the change in ammonia feed flow rate when the pilot injection timing of diesel was set at -60° was relatively small.

軽油を-60°のタイミングでパイロット噴射した場合において、アンモニア供給流量の比率が小さい範囲において亜酸化窒素(NO)の増加がみられた。これは、図11に示すように、シリンダ12内の圧力が比較的低く、燃焼温度が低くなったことが原因であると推察される。 When diesel was pilot-injected at -60°, an increase in nitrous oxide (N 2 O) was observed in the range where the ratio of the ammonia supply flow rate was small. This is presumably due to the fact that the pressure in the cylinder 12 was relatively low, resulting in a low combustion temperature, as shown in Figure 11.

また、図10及び図11に示すように、アンモニア供給流量の比率の増加に伴って、軽油のパイロット噴射のタイミングを-45°及び-60°にしたいずれの場合においても燃焼の着火タイミングは遅れる傾向を示した。軽油のパイロット噴射のタイミングを-60°とした場合においてアンモニア供給流量が65L/minであるときに正味熱効率は32%に達した。これは、アンモニアを供給せず、軽油のみで運転を行ったときの正味熱効率が34%であったに近い値であった。 As shown in Figures 10 and 11, the ignition timing of combustion tended to be delayed with an increase in the ratio of the ammonia supply flow rate, whether the timing of the pilot injection of diesel was set to -45° or -60°. When the timing of the pilot injection of diesel was set to -60° and the ammonia supply flow rate was 65 L/min, the net thermal efficiency reached 32%. This was close to the net thermal efficiency of 34% when the engine was operated using only diesel without supplying ammonia.

<液体燃料の多段噴射の影響確認試験>
アンモニアと軽油を混合して燃料として用いたアンモニア混焼エンジン100を運転したときの軽油のパイロット噴射を多段階にしたときの影響を確認する試験を行った。試験において、軽油のパイロット噴射における総噴射量、アンモニア供給流量及びエンジン回転数は、それぞれ24mg、約48L/min及び1500rpmで一定に保った。また、軽油とアンモニアの総供給量に対するアンモニア供給量の比率は約45%に維持した。軽油のパイロット噴射のタイミングは、単噴射の場合にはエンジンの上死点前(BTDC)においてクランク角度で5°の間隔で-10°から-65°まで変化させた。また、軽油のパイロット噴射のタイミングは、2段階噴射の場合にはエンジンの上死点前(BTDC)においてクランク角度で5°の間隔でメイン噴射を-45°から-65°まで変化させ、それぞれについてサブ噴射を-35°から55°まで変化させた。すなわち、クランク角度においてメイン噴射に対して-5°だけ前においてサブ噴射を行った。以下の説明では、2段階噴射についてはメイン噴射のタイミングを用いて説明を行う。
<Test to confirm the effect of multiple liquid fuel injection>
A test was conducted to confirm the influence of multi-stage pilot injection of diesel fuel when an ammonia-fueled engine 100 using a mixture of ammonia and diesel fuel was operated. In the test, the total injection amount, ammonia supply flow rate, and engine speed in the pilot injection of diesel fuel were kept constant at 24 mg, about 48 L/min, and 1500 rpm, respectively. The ratio of the ammonia supply amount to the total supply amount of diesel fuel and ammonia was maintained at about 45%. In the case of single injection, the timing of the pilot injection of diesel fuel was changed from -10° to -65° at intervals of 5° in crank angle before the top dead center (BTDC) of the engine. In the case of two-stage injection, the timing of the pilot injection of diesel fuel was changed from -45° to -65° at intervals of 5° in crank angle before the top dead center (BTDC) of the engine, and the sub-injection was changed from -35° to 55° for each. That is, the sub-injection was performed at -5° before the main injection in crank angle. In the following description, two-stage injection will be described using the timing of main injection.

図12から図14は、軽油のパイロット噴射のタイミングに対する正味熱効率、アンモニア供給量の比率及び各種ガスの排出量を示す。図12~図14において、丸印は軽油のパイロット噴射を単噴射で行った場合、三角印は軽油のパイロット噴射を2段階噴射で行った場合を示している。 Figures 12 to 14 show the net thermal efficiency, the ratio of ammonia supply, and the amount of emissions of various gases relative to the timing of pilot injection of diesel. In Figures 12 to 14, circles indicate the case where pilot injection of diesel was performed as a single injection, and triangles indicate the case where pilot injection of diesel was performed as a two-stage injection.

軽油のパイロット噴射のタイミングを-10°から-65°に変化させた場合、単噴射における一酸化窒素(CO)の排出量は、増加傾向を示し、-45°においてピークを示した後に減少傾向を示した。これに対して、2段階噴射における一酸化窒素(CO)の排出量は、増加傾向を示したが、いずれのタイミングにおいても単噴射よりも一酸化窒素(CO)の排出量は低減された。 When the timing of the pilot injection of diesel was changed from -10° to -65°, the amount of nitric oxide (CO) emissions from single injection showed an increasing trend, peaked at -45°, and then showed a decreasing trend. In contrast, the amount of nitric oxide (CO) emissions from two-stage injection showed an increasing trend, but the amount of nitric oxide (CO) emissions was lower than that of single injection at all timings.

また、軽油のパイロット噴射のタイミングを-10°から-65°に変化させた場合、未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量は、減少傾向を示し、特に-30°より進角させたときに排出量は急激に低下した。ただし、未燃アンモニア(NH)と亜酸化窒素(NO)の排出量は、いずれのタイミングにおいても単噴射と2段階噴射とで大きな差はなかった。 In addition, when the timing of the pilot injection of diesel was changed from -10° to -65°, the emissions of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) showed a decreasing trend, and the emissions dropped sharply especially when the injection timing was advanced from -30°. However, there was no significant difference in the emissions of unburned ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) between single injection and two-stage injection at any timing.

また、軽油のパイロット噴射のタイミングを-10°から-65°に変化させた場合、窒素酸化物(NOx)は、増加傾向を示し、-45°においてピークを示した後に減少傾向を示した。また、軽油のパイロット噴射のタイミングを-10°から-65°に変化させた場合、ハイドロカーボン(THC)の排出量は、増加傾向を示した。ただし、単噴射に対して2段階噴射において窒素酸化物(NOx)とハイドロカーボン(THC)の排出量は同程度又は低減された。 When the timing of the pilot injection of diesel was changed from -10° to -65°, nitrogen oxides (NOx) tended to increase, peaked at -45°, and then tended to decrease. When the timing of the pilot injection of diesel was changed from -10° to -65°, hydrocarbon (THC) emissions tended to increase. However, nitrogen oxides (NOx) and hydrocarbon (THC) emissions were the same or reduced in two-stage injection compared to single injection.

以上のように、軽油のパイロット噴射において、多段噴射とすることによって単噴射のときよりも各種ガスの排出量は同程度又は低減することができる。 As described above, by using multiple injections in pilot injection of diesel, the amount of emissions of various gases can be kept at the same level or reduced compared to single injection.

本発明は、船舶の主機や補機としての発電機等の動力を必要とする装置のみならず、陸舶産業全体のアンモニア混焼エンジンに広く適用することができる。 The present invention can be widely applied not only to devices that require power, such as generators as main engines and auxiliary engines for ships, but also to ammonia co-fuel engines throughout the land and marine industries.

10 ピストン、12 シリンダ、14 燃焼室、16 吸気経路、18 吸気弁、20 排気経路、22 排気弁、24 燃焼用アンモニア供給手段、26 圧力調整器、28 液体燃料供給手段、30 高圧ポンプ、32 SCRシステム、34 還元用アンモニア供給手段、36 制御装置、36a 燃料比率設定手段、36b 供給タイミング制御手段、36c アンモニア供給制御手段、100 アンモニア混焼エンジン、102 ボンベ。 10 piston, 12 cylinder, 14 combustion chamber, 16 intake path, 18 intake valve, 20 exhaust path, 22 exhaust valve, 24 combustion ammonia supply means, 26 pressure regulator, 28 liquid fuel supply means, 30 high pressure pump, 32 SCR system, 34 reduction ammonia supply means, 36 control device, 36a fuel ratio setting means, 36b supply timing control means, 36c ammonia supply control means, 100 ammonia co-fuel engine, 102 cylinder.

Claims (15)

アンモニアと液体燃料を混焼するエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、
前記エンジンの燃焼室に前記アンモニアと空気と前記液体燃料とを供給し圧縮着火により着火させて混焼するに当たり、前記燃焼室への前記液体燃料の供給タイミングを前記アンモニアと前記空気の供給開始タイミングより遅くするとともに、前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が大きくなるにつれて前記液体燃料の前記供給タイミングを早め、前記液体燃料の前記供給タイミングとしての進角を前記エンジンの上死点(TDC)に対して、前記エンジンの燃焼位相を遅らせることが可能な-40°を超え-55°以下の範囲で設定することを特徴とするエンジンにおけるアンモニア混焼方法。
An ammonia co-firing method in an engine that co-firing ammonia and liquid fuel, comprising:
A method for co-firing ammonia in an engine, comprising: supplying the ammonia, air, and liquid fuel to a combustion chamber of the engine and igniting the ammonia, air, and liquid fuel by compression ignition to co-firing the ammonia, the method comprising: delaying a supply timing of the liquid fuel to the combustion chamber relative to a supply start timing of the ammonia and the air; and advancing the supply timing of the liquid fuel as a ratio of a supply amount of the ammonia to a total supply amount of the liquid fuel and the ammonia becomes larger; and setting an advance angle as the supply timing of the liquid fuel in a range of more than -40° and not more than -55° with respect to a top dead center (TDC) of the engine, which makes it possible to retard a combustion phase of the engine .
請求項1に記載のエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、前記液体燃料の供給は、多段噴射により供給することを特徴とするエンジンにおけるアンモニア混焼方法。 The method for co-firing ammonia in an engine according to claim 1, characterized in that the liquid fuel is supplied by multi-stage injection. 請求項1又は請求項2に記載のエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、前記液体燃料が軽油であることを特徴とするエンジンにおけるアンモニア混焼方法。 The method for co-firing ammonia in an engine according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid fuel is diesel. 請求項1~3のいずれか1項に記載のエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、前記アンモニアと前記空気を予め混合して前記燃焼室に供給することを特徴とするエンジンにおけるアンモニア混焼方法。 The method for co-firing ammonia in an engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ammonia and the air are pre-mixed and supplied to the combustion chamber. 請求項1~のいずれか1項に記載のエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、
前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が1%以上95%以下の範囲であることを特徴とするエンジンにおけるアンモニア混焼方法。
The method for co-firing ammonia in an engine according to any one of claims 1 to 4 ,
A method for co-firing ammonia in an engine, wherein a ratio of a supply amount of the ammonia to a total supply amount of the liquid fuel and the ammonia is in a range of 1% to 95%.
請求項1~のいずれか1項に記載のエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、
前記燃焼室から排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を、前記アンモニアを用いて選択的触媒還元システムで浄化することを特徴とするエンジンにおけるアンモニア混焼方法。
The method for co-firing ammonia in an engine according to any one of claims 1 to 5 ,
A method for co-firing ammonia in an engine, comprising purifying nitrogen oxides (NOx) in exhaust gas discharged from the combustion chamber using the ammonia in a selective catalytic reduction system.
請求項に記載のエンジンにおけるアンモニア混焼方法であって、
前記燃焼室における前記アンモニアと前記液体燃料との混焼時にスリップしたアンモニアを利用して、前記窒素酸化物(NOx)を還元することを特徴とするエンジンにおけるアンモニア混焼方法。
The method for co-firing ammonia in an engine according to claim 6 ,
A method for co-firing ammonia in an engine, comprising: reducing the nitrogen oxides (NOx) by utilizing ammonia that has slipped during co-firing of the ammonia and the liquid fuel in the combustion chamber.
アンモニアを混焼する圧縮着火式のアンモニア混焼エンジンあって、
燃焼室と、
前記燃焼室に前記アンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
前記燃焼室に空気を供給する給気手段と、
前記燃焼室に液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、
前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率を設定する燃料比率設定手段と、
前記燃料比率設定手段の比率の設定に応じて前記液体燃料供給手段による前記液体燃料の供給タイミングを制御する供給タイミング制御手段を備え、
前記燃焼室への前記液体燃料の供給タイミングを前記アンモニアと前記空気の供給開始タイミングより遅くするとともに、前記燃料比率設定手段によって設定された前記アンモニアの供給量の比率が大きくなるにつれて前記供給タイミング制御手段によって前記液体燃料の前記供給タイミングを早め、前記液体燃料の前記供給タイミングとしての進角を前記エンジンの上死点(TDC)に対して、前記エンジンの燃焼位相を遅らせることが可能な-40°を超え-55°以下の範囲で設定する制御を行うことを特徴とするアンモニア混焼エンジン。
There is a compression ignition type ammonia co-combustion engine that co-combusts ammonia.
A combustion chamber;
an ammonia supply means for supplying the ammonia to the combustion chamber;
an air supply means for supplying air to the combustion chamber;
A liquid fuel supply means for supplying liquid fuel to the combustion chamber;
a fuel ratio setting means for setting a ratio of a supply amount of the ammonia to a total supply amount of the liquid fuel and the ammonia;
a supply timing control means for controlling a supply timing of the liquid fuel by the liquid fuel supply means in accordance with the ratio set by the fuel ratio setting means,
An ammonia-mixed combustion engine, characterized in that a supply timing of the liquid fuel to the combustion chamber is made later than a supply start timing of the ammonia and the air, and the supply timing of the liquid fuel is advanced by the supply timing control means as the ratio of the supply amount of the ammonia set by the fuel ratio setting means becomes larger, and an advance angle as the supply timing of the liquid fuel is set in a range of more than -40° and not more than -55° with respect to a top dead center (TDC) of the engine, which makes it possible to retard a combustion phase of the engine.
請求項に記載のアンモニア混焼エンジンであって、
前記供給タイミング制御手段は、前記液体燃料供給手段による前記液体燃料の供給を多段噴射する制御を行うことを特徴とするアンモニア混焼エンジン。
The ammonia co-fuel engine according to claim 8 ,
The ammonia-mixed combustion engine, wherein the supply timing control means controls the supply of the liquid fuel by the liquid fuel supply means to be injected in multiple stages.
請求項又は請求項に記載のアンモニア混焼エンジンであって、前記液体燃料が軽油であることを特徴とするアンモニア混焼エンジン。 10. The ammonia-mixed combustion engine according to claim 8 or claim 9 , wherein the liquid fuel is diesel. 請求項10のいずれか1項に記載のアンモニア混焼エンジンであって、
前記アンモニアを前記給気手段の給気経路に噴射し、予め前記アンモニアと前記空気を混合して前記燃焼室に供給することを特徴とするアンモニア混焼エンジン。
The ammonia co-fuel engine according to any one of claims 8 to 10 ,
An ammonia-mixed combustion engine, comprising: injecting the ammonia into an intake passage of the intake means; and mixing the ammonia and the air in advance and supplying the resulting mixture to the combustion chamber.
請求項11のいずれか1項に記載のアンモニア混焼エンジンであって、
前記液体燃料と前記アンモニアの総供給量に対する前記アンモニアの供給量の比率が1%以上95%以下の範囲であることを特徴とするアンモニア混焼エンジン。
The ammonia co-fuel engine according to any one of claims 8 to 11 ,
1. An ammonia co-fuel engine, wherein a ratio of a supply amount of the ammonia to a total supply amount of the liquid fuel and the ammonia is in a range of 1% or more and 95% or less.
請求項12のいずれか1項に記載のアンモニア混焼エンジンであって、
前記アンモニアを用いて前記燃焼室から排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を浄化する選択的触媒還元システムを前記排気ガスの排気経路に備えることを特徴とするアンモニア混焼エンジン。
The ammonia co-fuel engine according to any one of claims 8 to 12 ,
An ammonia co-fuel engine, comprising a selective catalytic reduction system in an exhaust path for the exhaust gas, the selective catalytic reduction system using the ammonia to purify nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas discharged from the combustion chamber.
請求項13に記載のアンモニア混焼エンジンであって、前記選択的触媒還元システムで利用される前記アンモニアの供給を制御するアンモニア供給制御手段を備えることを特徴とするアンモニア混焼エンジン。 14. The ammonia co-fuel engine according to claim 13 , further comprising an ammonia supply control means for controlling the supply of the ammonia used in the selective catalytic reduction system. 請求項14のいずれか1項に記載のアンモニア混焼エンジンを搭載していることを特徴とするアンモニア混焼エンジンを搭載した船舶。 A ship equipped with an ammonia-mixed combustion engine, comprising the ammonia-mixed combustion engine according to any one of claims 8 to 14 .
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