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日本マリンエンジニアリング学会 第59回 特別基金講演
DIESEL UNITED, LTD.
IHI Corporation
寺本 潤廣瀬 孝行梅本 義幸増田 裕山田 剛
2ストローク予混合燃焼式
デュアルフューエル・エンジンの開発
2015年3月13日
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背景
・NOX低減(IMO3次規制)
・SOX低減(燃料油中のS分規制)
・GHG(温室効果ガス)低減
IMO規制の動向
出展:DNV
2014年1月現在,規制が決定されている海域
将来規制される可能性がある海域 出展:DNV
2014年1月現在,規制が決定されている海域
将来規制される可能性がある海域
舶用機関に関するIMO規制動向
02468
10121416
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
NO
x [g
/kw
h]
ECA内
ECA外
0%
1%
2%
3%
4%
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
S c
onte
nt
of Fuel [
%]
ECA内
ECA外
-35%
-30%
-25%
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
CO
2 R
edu
ction [
%]
現在
ECA (Emission Control Area)
80%削減
3次規制
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背景
2ストローク予混合燃焼式デュアルフューエルエンジン
デュアルフューエルエンジンへの要求
・2ストローク (信頼性の観点から)
・低圧予混合燃焼方式 (安全性の観点から)
デュアルフューエルエンジンの現状
・大部分が4ストローク
・2ストロークでは拡散燃焼方式がすでに実用化
大出力,高効率化が技術的に困難 部品点数が多い ⇒ 信頼性に難あり
高圧ガス供給 ⇒ 安全上の懸念 再液化装置が必要 エンジン単体でNOx3次規制クリアできない
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各方式の動作原理
クランク軸 1回転目 クランク軸 2回転目
予混合気
圧縮行程
排気
吸入新気
排気行程
2ス
トロ
ーク
予混
合燃
焼方
式 排気
吸入新気
掃気行程 膨張行程
排気
燃焼
排気
燃料ガス低圧噴射
吸入新気
予混合気
2ス
トロ
ーク
拡散
燃焼
方式 排気
吸入新気
排気行程
排気
吸入新気
掃気行程 膨張行程
排気排気
吸入新気
燃料ガス高圧噴射&燃焼
圧縮行程
吸入新気
4スト
ロー
ク
吸気行程
排気
排気
圧縮行程 膨張行程燃焼排気行程
排気予混合気
吸気
・燃料ガスを重油燃焼と同様の高圧噴射(拡散燃焼)
・パイロット油を噴霧し,着火
・予混合気を燃焼(予混合燃焼)
・パイロット油を噴霧し着火
・燃料ガスを 低圧噴射し掃気と混合・排気行程と予混合気形成を同時に実施
・排気行程と吸気行程は同時に行なわない→不正着火のリスクが低い
本開発機関
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予混合方式での懸念事項
2ストローク型予混合燃焼方式の場合・・・
予混合気
排気弁閉直前
排気
燃料ガス噴射開始直後
吸入新気
予混合気 予混合気
圧縮行程
・予混合気と高温既燃ガスとの接触による予混合気の不正着火
・掃気期間中に予混合気がそのまま流出することによるメタンスリップ
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予混合方式での懸念事項
6
予混合気
圧縮行程
排気
吸入新気
排気行程
排気
吸入新気
掃気行程 膨張行程
排気
燃焼
排気
燃料ガス低圧噴射
吸入新気
予混合気
バッファ層(空気層)を設け,既燃ガスとの接触を回避
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本コンセプトの実現可能性検討
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燃料ガス噴射終了時期
上死点 燃料
ガス
濃度
濃い
薄い
8
実現可能性の評価
高温の既燃ガスは残留していない吹き抜けは発生していない
2ストローク型予混合燃焼方式の実現可能性あり
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供試機関
Gas header
【電子制御】・パイロット油噴射期間・パイロット油噴射時期・排気弁 開/閉 時期
燃料ガス噴射ノズル
掃気ポート
LNG<1[MPa]
#7シリンダのみ
をガスエンジン仕様に改造
Engine Type DU-Wärtsilä7RT-flex50B
Bore x Stroke φ500 x 2050 [mm]
Rated Power 11620[kW]
Rated Speed 124[rpm]
Turbocharger ABB TPL73 x 2
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-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Crank Angle [deg.CA ATDC]
Cyl
inde
r P
ress
ure
81%L of MCR40%L of MCR15%L of MCR
5[MPa]
10
燃焼挙動
ノッキング の発生はなし
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NOxの排出レベル
0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%
出力 [%L]
NO
X
III次規制目標値
(I次規制から80%低減)
ディーゼルエンジン
(6RT-flex 50B TierⅠ)
ディーゼルエンジン(6RT-flex 50B TierⅡ)
高圧噴射式ガスエンジン
予混合方式(試験結果)
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燃焼挙動
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Crank Angle [deg.CA ATDC]
Cyl
inde
r P
ress
ure
81%L of MCR40%L of MCR15%L of MCR
5[MPa]
: Predicted Ignition Timing
: Measured Ignition Timing
高出力時に 過早着火 が発生
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過早着火の発生原因の把握
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筒内可視化光学系
High Speed Camera
Endoscope
Assemblyof Visualization
WindowPiston
Liner Wall
Visualization Area
Straight View (0[deg.])
エンドスコープと高速度カメラを用いて筒内を直接撮影
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筒内可視化画像
(a) 注油率 = 1[g/(kW・h)]
(b) 注油率 = 0.3 [g/(kW・h)]
Visualization Area
Liner Wall
Piston top
-9.0 -8.0 -6.0 -2.0 +2.0[deg.CA ATDC]
+8.0
-3.0 -1.0 +1.0 +5.0 +7.0[deg.CA ATDC]
シリンダ潤滑油が 過早着火源
パイロット油噴射なし,燃料ガス噴射なし
シリンダ潤滑油を減らすと 輝炎発光(強度&数)が低減
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過早着火要因の推定
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= 燃焼室出口に設けたA/Fセンサから求めた当量比= トラップ空気量と燃料ガス流量をもとに算出した当量比
Local∅Overall∅
Local∅Overall∅
= 燃料ガスと空気の混合度合いを表す指標(1.0で完全に混合)
高負荷になるにつれ混合度合いが悪化
局所的に過濃予混合気が存在
逆に低負荷では過濃予混合気部分を形成し失火状態を回避
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1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
Temperature at TDC
Excess Air Ra
tio [‐]
Normal Pre-mixture Combustio
Weak Pre-mixture Combustion
No Ignition of Pre-mixture
Ignition of Pre‐mixtureNo Ignition of Pre‐mixture
4‐stroke Gas Eengine Operating Area
Pmax‐Pcomp < 1MPa
17
雰囲気条件と過早着火挙動の関係
予混合気の希薄化(混合促進)による過早着火低減の可能性あり
基礎燃焼試験結果
過早着火
過早着火の影響低減可能
通常燃焼が不安定
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予混合気の混合改善による
過早着火低減効果の実証
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予混合気の混合改善手法
Liner inj. Scv. Inj.
Fuel
Gas
Con
cent
ratio
n
Lean
Rich
Flammablerange
@ -10[deg.CAATDC]
Cylinder Liner
Gas Nozzles
GasValves
Scavenging Ports
掃気ポートガス噴射によって予混合気の混合改善が可能
CFD解析結果掃気ポートガス噴射装置
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供試機関
#6シリンダのみ
をガスエンジン仕様に改造
掃気ポートガス噴射装置
Piston
Exhaust Valve
Liner
Engine Type DU-Wärtsilä6RT-flex50B
Bore x Stroke φ500 x 2050 [mm]
Rated Power 9960[kW]
Rated Speed 124[rpm]
Turbocharger ABB A175 VTG x 1
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燃焼挙動
燃料ガスの混合促進によって過早着火を低減
Around 80%L of MCR
Good Gas MixingPoor Gas Mixing
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大口径機関での実現性検討
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W6X72DFテストエンジン
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機関型式 W6X72DF気筒数 6Cyl.ボア x ストローク 720mm x 3,086mm定格出力 19,350kW定格回転数 89rpm平均有効圧力 1.73MPa
テストエンジンW6X72DFで実証試験を実施
エンジン諸元
エンジン全景
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ガス噴射システム
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ライナ噴射方式 掃気ポート噴射方式
ライナ噴射および掃気ポート噴射両方の燃料ガス噴射システムを装備
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燃料ガスの着火方式
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パイロット噴射方式
パイロット油噴射弁
予燃焼室
パイロットジェット
パイロット噴霧
・パイロット噴射量低減→ 低NOx
・少量パイロット噴射でも強力な着火力を維持→ 安定着火
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まとめ
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まとめ
27
1. 2ストローク型予混合燃焼式デュアルフューエルエンジンが
実現できることをエンジン試験によって実証した.
2. 燃料ガスの混合促進によって,希薄予混合気を形成できれば,過
早着火を低減できることが,エンジン試験によって明らかになった.
X72DFテストエンジンを用いて
WinG&D社(旧Wartsila Switzerland社)
と共同開発を実施中
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謝辞
28
本研究開発の一部は,国土交通省および日本海事協会の「平成26年度次世代海洋環境技術開発費補助金」事業の
支援を得て実施したものです.エンジン試験にご協力いただいた船主様および関係機関の方々に対し
感謝の意を表します.
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ご清聴ありがとうございました
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