(57)【要約】【課題】従来のシリンダー上部に排気弁を設置したエンジンでは、その構造上、外部から供給した尿素水を、エンジン内部でアンモニアに熱分解して、エンジン内で脱硝機能を得るのは、熱分解のための所要時間の確保や、生成したアンモニア成分のシリンダー１ｂ内での残留場所を確保できないので、事実上不可能である。【解決手段】従来、エンジンのシリンダーの頂部に設置されていた排気弁に代えて、シリンダー１ｂの頂部に給気弁９を設置して、シリンダー１ｂ内に尿素水を供給し、エンジン内部の熱で分解して、アンモニア成分を生成させる。また、生成したンもニア成分は、給気弁９からシリンダー１ｂ内に供給する給気に旋回力を付与してシリンダー内に残留させる燃焼ガス中に、この生成したアンモニア成分を一時残留させて、次の圧縮燃焼行程で脱硝成分として使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダー１ｂの上部に給気弁９を設け、燃料の燃焼のための空気と燃焼ガスの掃気のための空気（以下、これらを総称して給気という）を、この給気弁９から供給し、燃焼後はこの燃焼ガスや燃焼残渣物を、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａからシリンダー１ｂの外に排出するエンジンにおいて、給気ダクト７の内部に設置した尿素水供給弁１６ｃより、適度な濃度に希釈した尿素水をこの給気に混入させてシリンダー１ｂの内部に供給し、この尿素水がシリンダー１ｂの内部で熱により分解して発生するアンモニア成分を使用して、燃焼ガスのＮＯｘを還元することを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記の給気弁９よりシリンダー１ｂの内部に給気を供給する時に、給気弁９の弁傘上を含む給気弁９の上流側風路に設置した旋回付与羽根９ａの羽根角度を調節することにより、給気の旋回流の強さを適度な値に調節して、前記で発生したアンモニア成分を、シリンダー１ｂ内の残留燃焼ガス中に残留させることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、エンジンの上部に設置した給気弁９から、シリンダー１ｂ内に、適度に希釈した尿素水を供給して、内部脱硝（以下、内部ＳＣＲという）を行うエンジンの構造と制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  エンジンの排気ガス中に含まれる有害物質のうち、ＮＯｘの処理が重要になっている。一部には重油に代えて天然ガスを燃料に使用し、更に天然ガスを予混合燃焼方式による希薄燃焼を行い、エンジンからのＮＯｘの排出を低減することが行われている。また、電子制御エンジンに代表されるように、燃焼方法の改善や、エマルジョン燃料の使用や、シリンダー内への水噴射などの研究開発も行われている。【０００３】  石油燃料とりわけ舶用低速エンジンのように低質な重油を使用するエンジンでは、前記の燃焼方式の改善だけでは環境規制値を満足できない場合が多く、燃焼ガス還流装置（ＥＧＲ）や脱硝装置（ＳＣＲ）をエンジン外部に設置して、排気ガスの処理を行っている場合も多い。しかし、エンジンの内部で、燃焼ガス中のＮＯｘ成分を脱硝する方法は、従来はまだ存在していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ／２０１４／１０３３３７  Ａ１
【特許文献２】ＷＯ／２０１４／１０４３２９  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来の２ストロークエンジンでは、シリンダーの下部に設けた掃気孔より給気を供給して、シリンダー頂部に設置した排気弁より燃焼ガスを排出する方式（以下、頂部排気弁方式という）を採用しているが、この方式ではシリンダー内に尿素水を供給しても、熱分解してアンモニア成分を生成する反応時間が十分確保できないことや、シリンダー１ｂ内で熱分解により発生させたアンモニア成分を、次の燃焼行程までシリンダー内に留め置く方法がないことより、現状では舶用大型エンジン分野では実現されていない。【０００６】  また、従来の頂上排気弁方式で、燃料に天然ガスなどを使用した予混合燃焼を行う場合は、エンジン行程に同期して、燃焼用の空気や予混合燃焼させる天然ガスなどの燃料を、シリンダー内にタイムリーに供給する必要があるので、更にシリンダー１ｂ内での排気ガス処理機能の制御が付加されると、制御機構が非常に複雑になり運用が非常に難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  そこで、本発明は、従来の頂部排気弁方式を、シリンダー頂部に給気弁９を設置する方式（以下、頂部給気弁方式という）に変更して、これらの問題を解決する。即ち、本発明では、従来とは逆方向に、シリンダー１ｂの頂部に設けた給気弁９により、シリンダー１ｂの上部から下部に給気を流す。そして、給気弁９よりシリンダー１ｂに給気を供給する時に、この給気に旋回力を付与してシリンダー１ｂ内に燃焼ガスを必要量だけ残留させることにより、この問題を解決する。
【発明の効果】
【０００８】  本発明によれば、給気弁９が開弁している時に、給気弁９の上流側から適度な濃度に希釈した尿素水を尿素水供給弁１６ｂからシリンダー１ｂ内に供給し、この尿素水を、燃料の燃焼により概ね摂氏３５０〜４５０度程度に加熱されている給気弁９やその付近の燃焼室壁の熱により、アンモニア成分に熱分解し、ＮＯｘの還元に使用できる。【０００９】  本発明により、尿素水を熱によりアンモニア成分に分解する過程で触媒を使用するのであれば、エンジンの新造時に、燃焼室を構成するシリンダーヘッド１ａの内面や、ピストンクラウン２ａの頂上面や、給気弁９の弁傘下面にバナジュームを溶射などで付着させて、ＮＯｘ還元触媒とすることができる。また、その後のエンジン運用において、燃料中に含まれていたバナジューム成分がピストンヘッド２ａ表面など燃焼室内の表面に付着すれば、この触媒として活用できる。【００１０】  本発明によれば、給気弁９からシリンダー１ｂ内に供給される給気に付与する旋回力を使用して、シリンダー１ｂの内部で給気の旋回流が燃焼ガス１６ｄを取り囲むようにして燃焼ガス１６ｄを残留できるので、この残留させる燃焼ガス中に、前記で発生させたアンモニア成分を混入されて、次の圧縮燃焼行程まで保存できる。【００１１】  前記で発生したアンモニア成分の大部分は、前記の残留燃焼ガス中に混入させておき、次の燃焼行程で発生する概ね最高摂氏９５０度程度の燃焼ガス中のＮＯｘの還元に使用される。なお、この一部のアンモニアは、燃料中の硫黄が燃焼して発生するシリンダー１ｂ内の酸性物質を中和して、低温腐食を防止する副次的な機能も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】  実施形態を示すシリンダー１ｂ内部の断面図で、旋回付与羽根９ａの羽根角度を大きくして、給気に強い旋回力を与えている場合を示す。
【図２】  実施形態を示すシリンダー１ｂ内部の断面図で、旋回付与羽根９ａの羽根角度を０（ゼロ）にして、給気に旋回力を与えない状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】  以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１４】  給気は、給気弁９よりシリンダー１ｂの上部から下部の方向に流れ、燃焼ガスは排気孔８ａからシリンダー１ｂの外に排出する構造である。なお、図１および図２には詳しい記載を省略してあるが、ピストンクラウンやピストンスカートなど、排気孔８ａを管制するに必要な機能の部品が排気孔８ａの開閉を自動的に行い、排気ガスがシリンダー１ｂ側に逆流することはない。
【００１５】  エンジンの掃気給気行程で、給気弁９の開弁によりシリンダー１ｂ内に供給される給気は、旋回付与羽根９ａにより旋回力が与えられ、給気弁９の弁傘上部に沿って旋回しながらシリンダー１ｂに流れ込む。その後、この給気はシリンダー１ｂの内壁に沿って旋回しながら下降するが、この旋回力と燃焼ガス１６ｄと給気の比重差により、燃焼ガス１６ｄは旋回する給気に囲まれてシリンダー１ｂの中心側に残留する。この状態のイメージを図１に示す。説明の便宜上、図１では給気の旋回方向は、上方から見て右回りに記入してあるが左回りでもよい。
【００１６】  給気に混入して給気弁９よりシリンダー１ｂ内に供給された尿素水は、直ちに、給気弁９や燃焼室内の高温部位に触れて熱分解し、アンモニア成分を生成する。生成されたアンモニア成分は、シリンダー１ｂ内に付近の給気と混合されるが、このアンモニア成分を含む給気は、アンモニア成分を含まない給気より格段に比重が小さいので、給気の旋回力によりシリンダー中心側に集められ、シリンダー１ｂ内に残留する。残留したアンモニア成分は、次のエンジン行程で圧縮され、その後の燃料の燃焼で生じた高温の燃焼ガス中のＮＯｘと反応して、このＮＯｘの還元に使用される。
【００１７】  前記により生成されたアンモニア成分の一部は、シリンダー１ｂ内の給気に混じって、エンジンの排気系統より大気に漏洩することが有り得るが、エンジンから排出される多量の燃焼ガス量に比べれば僅かの量であり、運用上その漏洩は問題にならないし、アンモニア自身、環境負荷の極めて小さい物質なので、環境面への影響もない。
【００１８】  旋回付与羽根９ａの羽根角度は、必要に応じて羽根角度調節装置５７により調節する。この羽根角度が０（ゼロ）の状態では、給気に旋回力が与えられないので、シリンダー１ｂ内の燃焼ガスは給気と容易に混合され、給気に押されてほぼ一様な断面でシリンダー１ｂの下方に流れるので、シリンダー１ｂ内に残留する燃焼ガス１６ｄは僅かとなる。この旋回付与羽根９ａの羽根角度を０（ゼロ）にした場合の燃焼ガスの残留イメージを図２に示す。旋回付与羽根９ａは、羽根角調節装置５７により調節する必要がなければ、旋回付与羽根９ａは、その羽根角度を適当な位置に固定し、この調整装置５７は設置しなくてもよい。
【００１９】  上記の給気はシリンダー１ｂの内壁に沿って旋回しながら流れて、燃焼ガス１６ｄを冷却して排気孔８ａからシリンダー１ｂの外に排出される。排気孔８ａには給気の旋回方向と同じ方向に捩じれ角を付けた方が給気流れの抵抗が減るので望ましい。図１および図２では説明の便宜上、排気孔８ａは左右１箇所として記載してあるが、排気面積の必要に応じてシリンダー１ｂ上に何個でも、また何段でも設置してよい。
【符号の説明】
【００２０】  １ａ        シリンダーヘッド
１ｂ        シリンダー
２ａ        ピストン
７          給気ダクト
８          排気ダクト
８ａ        排気孔
８ｍ        排気管
９          給気弁
９ａ        旋回付与羽根
１６ａ        尿素水タンク
１６ｂ        尿素水ポンプ
１６ｃ        尿素水供給弁
１６ｄ        残留燃焼ガス
５７          羽根角度調節装置
【図１】
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【図２】
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