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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


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


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


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


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


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


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


本コンセプトの実現可能性検討


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


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


-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


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)


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


過早着火の発生原因の把握


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


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


過早着火要因の推定

16

= 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


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


予混合気の混合改善による

過早着火低減効果の実証


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


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


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


大口径機関での実現性検討


W6X72DFテストエンジン

23

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


ガス噴射システム

24

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


燃料ガスの着火方式

25

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


まとめ


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


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．


ご清聴ありがとうございました

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