JP2009097419A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排出ガスに含まれる窒素酸化物を尿素水を利用して浄化する場合に、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。
【解決手段】改質器１５は、尿素水タンク１２からの尿素水を基にアンモニアを生成し、改質器１６は、改質器１５で生成されたアンモニアを基に水素を生成する。還元触媒３０は、改質器１５で生成されたアンモニアを利用してシリンダ１１内からの排出ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する。改質器１５で生成されたアンモニア及び改質器１６で生成された水素は、燃料用アンモニア供給管２６を通って吸気管２０内へ供給される。シリンダ１１内では、インジェクタ２２から噴射されたガソリンとともに、燃料用アンモニア供給管２６を通って供給されたアンモニア及び水素を燃焼させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質装置を備えるエンジンシステムに関する。

内燃機関の排出ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ還元浄化システムの還元剤供給源として、尿素水が用いられている。このＮＯｘ還元浄化システムでは、尿素水は高温下でアンモニアに分解され、このアンモニアが窒素酸化物を浄化するための還元触媒へ供給される。窒素酸化物を含む排出ガスとアンモニアとの混合気が還元触媒を通過すると、以下の（１）、（２）式に示す化学反応で窒素酸化物を窒素と水に分解することができる。

４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ （１）
２ＮＯ₂＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→３Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ （２）

また、内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料を改質する技術が下記特許文献１〜３に開示されており、プラズマ容器内でプラズマ放電を発生させるプラズマ装置が下記特許文献４〜６に開示されている。

特開２０００−２７４２４９号公報 特開２００６−５２６８８号公報 特開平５−３３２１５２号公報 特開２００７−１１３５７０号公報 特開２００７−２９８６２号公報 特開２００７−１７２０４４号公報 米国特許出願公開第２００７／９５０５３号明細書 米国特許出願公開第２００６／２０１１３９号明細書

従来、尿素水はＮＯｘ還元浄化システムの還元剤供給源としてのみ使用されていた。内燃機関の排気浄化性能ばかりでなく、内燃機関のノック抑制等、燃焼効率を向上させるためには、尿素水を有効利用できることが望ましい。

また、内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料を改質する場合は、改質燃料の内燃機関への供給量を内燃機関の運転条件に応じて変化できることが望ましい。そのためには、内燃機関へ供給する改質燃料の必要量が変動しても、必要量の燃料を効率よく改質して内燃機関へ供給することが要求される。

本発明は、内燃機関の排出ガスに含まれる窒素酸化物を尿素水を利用して浄化する場合に、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ことを目的の１つとする。また、本発明は、内燃機関へ供給する改質燃料の必要量が変動しても、必要量の燃料を効率よく改質して内燃機関へ供給することを目的の１つとする。

本発明に係るエンジンシステムは、上述した目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るエンジンシステムは、主燃料を内燃機関の吸気管内またはシリンダ内へ噴射する主燃料噴射装置と、尿素水を基にアンモニアを生成する第１の改質器と、第１の改質器で生成されたアンモニアを利用してシリンダ内からの燃焼後の排出ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排気浄化装置と、第１の改質器で生成されたアンモニアを吸気管内またはシリンダ内へ供給するアンモニア供給装置と、を備え、シリンダ内で主燃料とともにアンモニアを燃焼させることを要旨とする。

本発明によれば、尿素水を基に生成したアンモニアを、窒素酸化物の浄化に利用するだけでなく、吸気管内またはシリンダ内へ供給してシリンダ内で主燃料とともに燃焼させることで、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ことができる。

本発明の一態様では、第１の改質器で生成されたアンモニアを基に水素を生成する第２の改質器を備え、アンモニア供給装置は、第１の改質器で生成されたアンモニアとともに第２の改質器で生成された水素を吸気管内またはシリンダ内へ供給するものであり、シリンダ内で主燃料とともにアンモニア及び水素を燃焼させることが好適である。

本発明の一態様では、第２の改質器は、アンモニアガスが供給される容器であって、その内部で所定の周波数の電磁波が共振する共振容器と、共振容器内で共振する周波数の電磁波を発生させる電磁波発生源と、電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ伝搬させる電磁波伝搬手段と、共振容器内に配置された電極であって、該電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高める放電用電極と、を備え、放電用電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高めることで発生するプラズマ放電により共振容器内に供給されたアンモニアガスを水素ガスに改質し、プラズマ放電により改質した水素ガスを共振容器外へ流出させる流出管であって、放電用電極との距離を変化させることができるように移動可能な状態で支持された非導電性の流出管と、電磁波発生源から共振容器内に供給される電磁波の電力に応じて放電用電極と流出管との距離を変化させるように流出管を駆動する流出管駆動装置と、をさらに備えることが好適である。この態様では、流出管駆動装置は、電磁波発生源から共振容器内に供給される電磁波の電力の増大に対して放電用電極と流出管との距離を増大させるように流出管を駆動することが好適である。

本発明の一態様では、主燃料は、炭化水素系燃料であることが好適である。

また、本発明に係る内燃機関の燃料改質装置は、内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料ガスを改質する燃料改質装置であって、改質前の燃料ガスが供給される容器であって、その内部で所定の周波数の電磁波が共振する共振容器と、共振容器内で共振する周波数の電磁波を発生させる電磁波発生源と、電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ伝搬させる電磁波伝搬手段と、共振容器内に配置された電極であって、該電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高める放電用電極と、を備え、放電用電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高めることで発生するプラズマ放電により共振容器内に供給された燃料ガスを改質し、プラズマ放電により改質した燃料ガスを共振容器外へ流出させる流出管であって、放電用電極との距離を変化させることができるように移動可能な状態で支持された非導電性の流出管と、電磁波発生源から共振容器内に供給される電磁波の電力に応じて放電用電極と流出管との距離を変化させるように流出管を駆動する流出管駆動装置と、をさらに備える、ことを要旨とする。

本発明によれば、電磁波発生源から共振容器内に供給される電磁波の電力に応じて放電用電極と流出管との距離を変化させることで、内燃機関へ供給する改質燃料の必要量が変動しても、必要量の燃料を効率よく改質して内燃機関へ供給することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図であり、内燃機関１０が火花点火式内燃機関である例を示す。内燃機関１０の吸気管２０内に臨むインジェクタ（主燃料噴射装置）２２は、主燃料を吸気管２０内へ噴射する。ここでの主燃料としては、例えばガソリン（炭化水素系燃料）を用いることができる。インジェクタ２２から噴射されたガソリン（主燃料）は、吸気行程にて空気とともにシリンダ１１内に導入される。内燃機関１０は、点火栓１９の火花放電によりシリンダ１１内の燃料と空気との混合気に点火することで、シリンダ１１内の混合気を火炎伝播燃焼させて動力を発生する。燃焼後の排出ガスは、排気行程にてシリンダ１１内から排気管２１内へ排出され、排気浄化装置として設けられた還元触媒３０で浄化される。燃焼後の排出ガスには窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれており、窒素酸化物が還元触媒（ＮＯｘ浄化触媒）３０で窒素（Ｎ₂）に還元されることにより浄化される。

尿素水タンク１２内には、尿素が溶解された尿素水が貯溜されている。尿素水タンク１２内に貯溜された尿素水は、改質器１５に供給される。改質器１５は、尿素水タンク１２からの尿素水を基にアンモニア（ＮＨ₃）を生成する。ここでは、例えばシリンダ１１内からの排出ガスの熱エネルギを利用して、尿素水を高温下でアンモニアガスに分解して改質することができる。その場合は、改質器１５を排気管２１に内蔵することも可能である。改質器１６は、改質器１５で生成されたアンモニアガスの少なくとも一部を水素（Ｈ₂）ガスに改質する。改質器１６の具体的構成例については後述する。

改質器１５で生成されたアンモニアガスを還元触媒３０に供給するために、改質器１６（あるいは改質器１５）と排気管２１とを繋ぐ排気浄化用アンモニア供給管２５が設けられている。排気浄化用アンモニア供給管２５には制御弁２７が設けられており、制御装置４０により制御弁２７の開度を制御することで、改質器１６から還元触媒３０へのアンモニアガス（及び水素ガス）の供給量を制御することができる。窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスとアンモニアとの混合気が還元触媒３０を通過すると、前述の（１）、（２）式に示す化学反応で窒素酸化物を窒素と水に分解することができる。このように、還元触媒３０では、アンモニアを利用した脱硝によりシリンダ１１内からの排出ガスに含まれる窒素酸化物を浄化することができる。

本実施形態では、改質器１５で生成されたアンモニアガスを吸気管２０内に供給するために、改質器１６と吸気管２０内とを繋ぐ燃料用アンモニア供給管２６が設けられている。改質器１６内の残留アンモニアガスが燃料用アンモニア供給管２６内を通って吸気管２０内に供給されることで、吸気管２０内にてアンモニアガスがガソリンに添加され、その結果、シリンダ１１内ではガソリン（主燃料）とともにアンモニアガスも燃焼させる。さらに、改質器１６ではアンモニアガスから水素ガスが生成されるため、生成された水素ガスが残留アンモニアガスとともに燃料用アンモニア供給管２６内を通って吸気管２０内に供給されることで、吸気管２０内にて水素ガスがアンモニアガスとともにガソリンに添加される。その結果、シリンダ１１内では、ガソリンとともにアンモニアガス及び水素ガスも燃焼させる。燃料用アンモニア供給管２６には制御弁２８が設けられており、制御装置４０により制御弁２８の開度を制御することで、吸気管２０内へのアンモニアガス及び水素ガスの供給量（ガソリンへのアンモニアガス及び水素ガスの添加量）を制御することができる。このように、本実施形態では、改質器１５で生成されたアンモニアガスを、窒素酸化物の浄化（還元）に用いるだけでなく、シリンダ１１内で燃焼させる燃料ガスとしても用いる。さらに、改質器１５で生成されたアンモニアガスから生成された水素ガスも、シリンダ１１内で燃焼させる燃料ガスとして用いる。

シリンダ１１内で燃焼させる燃料ガスを改質する改質器１６の構成例を図２に示す。電磁波発生電源３１は、例えば固体素子やマグネトロンや進行波増幅管により構成することができ、電磁波（例えばマイクロ波）を発生、増幅させる役割を果たす。制御装置４０は、電磁波発生電源３１が発生するマイクロ波のゲイン及びパルス幅のいずれか１つ以上を制御することで、その出力（電力）を制御する。電磁波発生電源３１は、アンモニアガスを改質する場合にマイクロ波を発生し、発生したマイクロ波は、電磁波伝送路として設けられた同軸ケーブル３７を伝搬する。同軸ケーブル３７の端部には、共振容器３４内に臨む電磁波放射器（電極）３５が接続されており、同軸ケーブル３７を伝搬したマイクロ波は、電磁波放射器３５から共振容器３４内に放射される。このように、同軸ケーブル３７及び電磁波放射器３５が、電磁波発生電源３１で発生したマイクロ波を共振容器３４内へ伝搬させる役割を果たす。

共振容器３４は、金属等の導電材料により構成されており、その内部にキャビティ３４ａが形成されている。キャビティ３４ａでは、所定の周波数のマイクロ波（電磁波）が所定の共振モードで共振する。電磁波発生電源３１は、キャビティ３４ａで共振する周波数のマイクロ波を発生させることで、キャビティ３４ａ内へ突出する電磁波放射器３５から放射されたマイクロ波が、キャビティ３４ａ内で共振する。マイクロ波がキャビティ３４ａ内で共振している状態では、マイクロ波のエネルギ反射が少なく、マイクロ波のエネルギのほとんどが共振容器３４内に蓄えられる。共振容器３４には、改質器１５と接続された燃料ガス流入管３８と、燃料用アンモニア供給管２６と接続された燃料ガス流出管３９が設けられており、改質器１５からのアンモニアガス（改質器１６による改質前の燃料ガス）は、燃料ガス流入管３８内を通ってキャビティ３４ａ内に供給される。

共振容器３４には、放電用電極３６がキャビティ３４ａ内へ突出して設けられている。ここでの放電用電極３６は、その近傍にてキャビティ３４ａ内のマイクロ波の電界強度を局所的に高める役割を果たす。すなわち、電磁波放射器３５から放射されたマイクロ波はキャビティ３４ａ内を満たすが、放電用電極３６の近傍では、放電用電極３６とキャビティ３４ａ内の空間の透磁率の違いから、キャビティ３４ａ内のマイクロ波の平均電界の数十倍から数百倍程度の高電界を得ることができる。その結果、放電用電極３６の近傍において、マイクロ波供給に伴ってキャビティ３４ａ内の空間中に電流が流れるブレークダウンが発生する。そして、それが起点となって、キャビティ３４ａ内の広い範囲でプラズマ放電が発生することで、キャビティ３４ａ内に供給されたアンモニアガスを水素ガスと窒素（Ｎ₂）ガスに分解する（改質する）ことができる。キャビティ３４ａ内の残留アンモニアガス及び水素ガス（改質後の燃料ガス）は、燃料ガス流出管３９内を通って共振容器３４外へ流出して、燃料用アンモニア供給管２６内へ供給される。なお、図２に示す例では、燃料ガス流入管３８と放電用電極３６を一体化しているが、燃料ガス流入管３８と放電用電極３６を別体とすることもできる。

燃料ガス流出管３９は、共振容器３４の側面３４ｄに配置され、非導電材料により構成されている。ここでの非導電材料として、例えば石英ガラス等のセラミックを用いることができる。そして、非導電性の燃料ガス流出管３９は、放電用電極３６との距離を変化させることができるように、キャビティ３４ａ半径方向（図２の左右方向）に沿って移動可能な状態でアクチュエータ４２に支持されている。アクチュエータ（流出管駆動装置）４２は、燃料ガス流出管３９をキャビティ３４ａ半径方向に沿って駆動することで、放電用電極３６と燃料ガス流出管３９との距離を変化させることができる。アクチュエータ４２の駆動制御は、制御装置４０により行われる。

次に、図２に示す改質器１６において、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるための好適な構成例について説明する。ただし、以下に説明するマイクロ波の周波数（波長）、共振容器３４（キャビティ３４ａ）の寸法については一例であり、この例に限定されるものではない。そして、以下に説明する条件を必ずしも満たさなくても、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させることができる。

キャビティ３４ａ内におけるマイクロ波の共振周波数は、共振容器３４（キャビティ３４ａ）の形状、大きさ、導電率等に依存する。ここで、図３に示すようにキャビティ３４ａの形状を円柱形状、キャビティ３４ａの直径Ｄを９０ｍｍとし、キャビティ３４ａの高さＨを変化させた場合の共振モードを調べた結果を図４に示す。例えば高さＨが２０ｍｍの場合は、２〜７ＧＨｚの間に、約２．５ＧＨｚ（ＴＭ０１０モード）、約４．１ＧＨｚ（ＴＭ１１０モード）、約５．４ＧＨｚ（ＴＭ２１０モード）、約５．８ＧＨｚ（ＴＭ０２０モード）、約６．７ＧＨｚ（ＴＭ３１０モード）の５種類の共振モードが存在する。また、高さＨが９０ｍｍの場合は、２〜７ＧＨｚの間の共振モードの数が高さＨが２０ｍｍの場合よりも増加し、その共振周波数が高さＨによって変化しない共振モード（例えばＴＭ０１０モード等）と高さＨによって共振周波数が変化する共振モード（例えばＴＥ１１１モード、ＴＭ０１１モード等）が存在する。そして、キャビティ３４ａ内に発生する共振の強さ（蓄積エネルギの大きさ）は、図５に示すように、共振モードの種類により異なる。図５は、高さＨが９０ｍｍの場合におけるＳパラメータの周波数特性を示し、そのレベルが低いほど蓄積エネルギが大きいことを表す。

キャビティ３４ａ内には、共振モードの種類に応じた電界分布が形成される。例えば、ＴＭ０１０モードにおいては、図６（Ａ）に示す電界分布が形成され、ＴＭ０１１モードにおいては、図６（Ｂ）に示す電界分布が形成される。キャビティ３４ａの直径Ｄが９０ｍｍの場合は、２．５ＧＨｚ近傍のＴＭ０１０モードが最も低次の共振モードとなる。ＴＭ０１０モードの電界分布は、図６（Ａ）に示すように、キャビティ３４ａの径方向において中央部が最も高く、周囲部（径方向外側）へ向かうほど低くなるという単調な分布であるため、共振モードの設定が容易となる。そこで、本実施形態では、ＴＭ０１０モードによるマイクロ波共振を利用してキャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させる。その場合は、キャビティ３４ａの直径Ｄが９０ｍｍであるのに対して、共振が発生するマイクロ波の周波数が約２．５ＧＨｚ（波長が約１２０ｍｍ）となり、キャビティ３４ａの直径Ｄがマイクロ波の波長の約３／４倍となる。

キャビティ３４ａ内でＴＭ０１０モードによるマイクロ波共振を効率よく発生させるためには、電磁波放射器３５については、キャビティ３４ａ内における電界強度が高くなる位置に配置することが好ましい。そして、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるためには、放電用電極３６については、キャビティ３４ａ内における電界強度が高くなる位置に配置することが好ましい。ＴＭ０１０モードにおいては、図６（Ａ）に示すようにキャビティ３４ａの径方向における中央部で電界強度が最も高くなるため、キャビティ３４ａの径方向における中央部へ電磁波放射器３５及び放電用電極３６を突出させることが好ましい。図２に示す例では、キャビティ３４ａの下面３４ｂから電磁波放射器３５を突出させ、キャビティ３４ａの上面３４ｃから放電用電極３６を突出させており、電磁波放射器３５と放電用電極３６がキャビティ３４ａ高さ方向において対向配置されている。電磁波放射器３５及び放電用電極３６をキャビティ３４ａの径方向における中央部へ突出させた場合の電界分布（ＴＭ０１０モード）を図７に示す。図７に示すように、電磁波放射器３５の近傍及び放電用電極３６の近傍にて電界強度が局所的に高くなる。

ただし、電磁波放射器３５や放電用電極３６をキャビティ３４ａ内へ突出させると、キャビティ３４ａにおける共振周波数が変化する。電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さ（挿入長さ）をそれぞれ変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を図８に示す。そして、電磁波放射器３５や放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さを変化させると、結合度も変化する。ここでの結合度は、キャビティ３４ａ内への入射エネルギの指標を表し、結合度のレベルが低いキャビティ３４ａ内への入射エネルギが大きいことを表す。例えば、−１０ｄＢの結合度は供給エネルギの９０％が入射可能であり、−２０ｄＢの結合度は供給エネルギの９９％が入射可能であることを表す。電磁波放射器３５及び放電用電極３６の突出長さをそれぞれ変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を図９に示す。さらに、電磁波放射器３５や放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さを変化させると、キャビティ３４ａ内（放電用電極３６近傍）における最大電界強度も変化する。電磁波放射器３５及び放電用電極３６の突出長さをそれぞれ変化させた場合における最大電界強度の変化を調べた結果を図１０に示す。図１０に示すように、放電用電極３６の突出長さが２０ｍｍで電磁波放射器３５の突出長さが９ｍｍである場合に、キャビティ３４ａ内における最大電界強度が最も高くなる。

キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるためには、結合度のレベルが低く且つ放電用電極３６近傍における最大電界強度が高くなるように、電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さを設定することが好ましい。例えば、電磁波発生電源３１で発生させるマイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚ（市販マグネトロンの発振周波数）に設定し、キャビティ３４ａにおける共振周波数を約２．４５ＧＨｚに設定する条件では、電磁波放射器３５の突出長さを３．５ｍｍ、放電用電極３６の突出長さを１０ｍｍに設定することで、図９，１０に示すように、結合度を−２０ｄＢ以下にする（供給エネルギの９９％以上を入射する）ことができるとともに、１Ｗ供給時においてその最大電界強度を３００００Ｖ／ｍ程度まで高めることができる。

電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へマイクロ波を供給して、放電用電極３６によりキャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させることで、キャビティ３４ａ内に供給されたアンモニアガスが水素ガスに改質される。その際には、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内に供給されるマイクロ波の電力に応じて、プラズマ放電が発生する領域が変化し、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合も変化する。例えば、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力が小さいときは、図１１に示すように、プラズマ放電が発生する領域４４は放電用電極３６近傍のみの狭い領域となり、その狭い領域４４でアンモニアガスが水素ガスに改質される。そのため、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合は低くなる。一方、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力が大きいときは、図１２に示すように、プラズマ放電が発生する領域４４は広い領域となり、その広い領域４４でアンモニアガスが水素ガスに改質される。そのため、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合は高くなる。

本実施形態では、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内に供給されるマイクロ波の電力に応じて、燃料ガス流出管３９と放電用電極３６との距離を変化させるように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動する。例えば、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力が小さい（アンモニアガスの改質割合が低い）ときは、図１１に示すように、燃料ガス流出管３９のキャビティ３４ａ内への突出長さを長くして放電用電極３６との距離を短くするように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動する。これによって、放電用電極３６近傍の狭い領域４４にて生成された少量の水素ガス（改質後の燃料ガス）を、燃料ガス流出管３９を介して効率よく吸気管２０内へ供給することができる。その際には、キャビティ３４ａ内へ突出する燃料ガス流出管３９が非導電性であるため、キャビティ３４ａにおける共振周波数の変化を招くこともない。一方、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力が大きい（アンモニアガスの改質割合が高い）ときは、図１２に示すように、燃料ガス流出管３９のキャビティ３４ａ内への突出長さを短くして放電用電極３６との距離を長くするように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動する。これによって、キャビティ３４ａ内の広い領域４４にて生成された多量の水素ガス（改質後の燃料ガス）を、燃料ガス流出管３９を介して効率よく吸気管２０内へ供給することができる。その際には、キャビティ３４ａ内の広い領域４４にて発生したプラズマの熱が燃料ガス流出管３９に伝わるのを抑止することができるので、熱損失を低減してプラズマ発生効率の低下を抑制することができる。このように、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内に供給されるマイクロ波の電力の増大に対して燃料ガス流出管３９と放電用電極３６との距離を増大させるように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動することで、内燃機関１０（吸気管２０内）へ供給する水素ガス（改質後の燃料ガス）の必要量が変動しても、必要量の水素ガスを効率よく生成して内燃機関１０へ供給することができる。

以上説明した本実施形態では、改質器１５で尿素水を基に生成したアンモニアを、還元触媒３０へ供給して窒素酸化物の浄化に利用するだけでなく、燃料用アンモニア供給管２６を介して吸気管２０内へ供給してガソリン（主燃料）に添加することで、燃料全体のオクタン価を高めることができる。燃料全体のオクタン価が高まることで、火花点火式内燃機関ではノックが生じにくくなり、より高い効率で運転を行うことができる。このように、本実施形態によれば、窒素酸化物の浄化に用いられる尿素水を有効利用して、排気浄化性能ばかりでなく、内燃機関１０の燃焼効率も向上させることができる。

さらに、本実施形態では、改質器１６でアンモニア（尿素水）を基に生成した水素を、燃料用アンモニア供給管２６を介して吸気管２０内へ供給してガソリン（主燃料）に添加することで、燃料全体のオクタン価を高めるだけでなく、燃料全体の燃焼速度も高めることができる。燃料全体の燃焼速度が高まることで、ノックがさらに生じにくくなり、内燃機関１０の燃焼効率をさらに向上させることができる。

なお、ガソリンの発火温度は４００℃程度であり、アンモニアの発火温度は６５１℃程度であるため、ガソリンとアンモニアとの混合燃料を使用する場合は、図１３（Ａ）に示すように、アンモニアの流量比率が増大するほど燃料全体の発火温度（オクタン価）が高くなる。燃料全体の発火温度（オクタン価）が高まると、ノックが起き難くなる。一方、ガソリンの燃焼速度は４２ｃｍ／ｓ程度であり、アンモニアの燃焼速度は８ｃｍ／ｓ程度であるため、ガソリンとアンモニアとの混合燃料を使用する場合は、図１３（Ｂ）に示すように、アンモニアの流量比率が増大するほど燃料全体の燃焼速度が低くなる。火花点火式内燃機関において、燃料全体の燃焼速度が低くなると、ノックが起きやすくなるとともに、燃焼変動が起きやすくなる。そのため、燃料全体の発火温度（オクタン価）を高めるためにアンモニアの流量比率を高くしすぎると、燃焼速度が低下することで却ってノックが起きやすくなるとともに燃焼変動が起きやすくなる。

発火温度及び燃焼速度の両方を考慮したノックの起き難さは、図１３（Ｃ）に示す特性となる。図１３（Ｃ）に示す特性から、燃料全体の燃焼速度の低下を抑えてノックを起き難くするためには、アンモニアの流量比率を０．５以下にすることが好ましい。さらに、燃料全体の発火温度（オクタン価）を高めてノックを起き難くするためには、アンモニアの流量比率を０．３以上且つ０．５以下にすることが好ましい。さらに、図１３（Ｃ）に示す特性から、燃料全体の発火温度（オクタン価）を高めつつ燃焼速度の低下を抑えてノックを最も起き難くするためには、アンモニアの流量比率を０．４（あるいはほぼ０．４）にすることが好ましい。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

図１４は、内燃機関１０が圧縮着火式内燃機関である例を示す。シリンダ１１内に臨むインジェクタ２２は、主燃料として軽油（炭化水素系燃料）をシリンダ１１内へ直接噴射する。図１４に示す圧縮着火式内燃機関の構成例では、特に予混合圧縮着火燃焼を用いる場合、改質器１５で生成されたアンモニアガス（及び改質器１６で生成された水素ガス）の吸気管２０内へ供給量（吸気への添加量）を制御することで、着火時期制御が可能となる。その結果、内燃機関１０の燃焼効率を向上させることができ、より高い負荷での運転が可能となる。

また、図１５は、内燃機関１０が過給エンジンである例を示す。改質器１５で生成されたアンモニアガス及び改質器１６で生成された水素ガスは、燃料用アンモニア供給管２６を通って過給器（ターボチャージャー）４８のコンプレッサの入口側へ供給される。

また、図１６，１７に示す構成例では、吸気管２０は、シリンダ１１内に吸気を供給するためのストレートポート２０−２と、シリンダ１１内の周囲部に吸気のスワール流を形成するための螺旋状のヘリカルポート２０−１と、を含んで構成されている。改質器１５で生成されたアンモニアガス（及び改質器１６で生成された水素ガス）は、燃料用アンモニア供給管２６を通ってヘリカルポート２０−１内へ供給されることで、ヘリカルポート２０−１内からシリンダ１１内に流入してシリンダ１１内の周囲部にスワール流を形成する。インジェクタ２２が噴射する主燃料（ガソリン）については、ストレートポート２０−２内及びヘリカルポート２０−１内の両方へ噴射することもできるし、ストレートポート２０−２内のみへ噴射することもできる。この構成例では、図１７に示すように、シリンダ１１内の周囲部に、アンモニアガス（及び水素ガス）の濃度が高い領域、すなわち改質燃料ガスの濃度が高い領域５０が形成される。そのため、シリンダ１１内における燃料のオクタン価は、シリンダ１１内の周囲部（改質燃料ガスの濃度が高い領域５０）の方がシリンダ１１内の中央部よりも高くなる。したがって、より少ない改質燃料ガスの供給量で燃焼後期におけるノックの発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、主燃料として、ガソリンや軽油等の炭化水素系燃料以外の燃料を用いることも可能であり、例えばエタノール等のアルコール系燃料を用いることもできる。また、本実施形態では、改質器１５で生成されたアンモニアガス（及び改質器１６で生成された水素ガス）を、燃料用アンモニア供給管２６を介してシリンダ１１内に臨むインジェクタへ供給し、このインジェクタからアンモニアガス（及び水素ガス）をシリンダ１１内へ直接噴射することもできる。

以下、改質器１６の他の構成例について説明する。図１８に示す構成例では、電磁波発生電源３１で発生したマイクロ波は、電磁波伝送路として設けられた導波管３２内を伝搬する。導波管３２の端部には、開口部３２ａが共振容器３４内に臨んで配置されており、導波管３２内を伝搬したマイクロ波は、この開口部３２ａから共振容器３４内に放射される。このように、導波管３２が、電磁波発生電源３１で発生したマイクロ波を共振容器３４内へ伝搬させる役割を果たし、導波管３２の開口部３２ａが、マイクロ波を共振容器３４内へ放射する電磁波放射器として機能する。導波管３２の開口部３２ａには、導波管３２内からキャビティ３４ａ内へのマイクロ波の透過を許容するとともに、キャビティ３４ａ内から導波管３２内への燃料ガスの流出を遮断する絶縁体３３が設けられている。ここでの絶縁体３３としては、例えば誘電率の低いセラミック等の誘電体を用いることができる。

非導電性の燃料ガス流出管３９は、共振容器３４の下面３４ｂに配置され、キャビティ３４ａ高さ方向（図１８の上下方向）において放電用電極３６（燃料ガス流入管３８）と対向している。そして、燃料ガス流出管３９は、放電用電極３６との距離を変化させることができるように、キャビティ３４ａ高さ方向に沿って移動可能な状態でアクチュエータ４２に支持されている。アクチュエータ４２は、燃料ガス流出管３９をキャビティ３４ａ高さ方向に沿って駆動することで、放電用電極３６と燃料ガス流出管３９との距離を変化させることができる。

次に、図１８に示す改質器１６において、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるための好適な構成例について説明する。ただし、以下に説明するマイクロ波の周波数（波長）、共振容器３４（キャビティ３４ａ）の寸法については一例であり、この例に限定されるものではない。そして、以下に説明する条件を必ずしも満たさなくても、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させることができる。

図１９に示すように、同軸系と導波管系とでは電界と磁界の配置が異なる。ここで、図１９（Ａ）は同軸系における電界と磁界の配置を示し、図１９（Ｂ）は導波管系における電界と磁界の配置を示す。そのため、マイクロ波を導波管３２を介してキャビティ３４ａ内に供給する場合は、ＴＭ０１０モードによるマイクロ波共振を効率よく発生させるために、図１８に示すように、導波管３２の開口部３２ａをキャビティ３４ａの側面３４ｄに臨ませる、すなわちマイクロ波をキャビティ３４ａの側面３４ｄから供給することが好ましい。

また、開口部３２ａの大きさを変化させると、キャビティ３４ａにおける共振周波数及び結合度が変化する。開口部３２ａの幅（キャビティ３４ａの径方向及び高さ方向と垂直な方向の長さ、図１８の図面と垂直な方向の長さ）を変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を図２０に示し、開口部３２ａの幅を変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を図２１に示す。キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるためには、結合度のレベルが低くなるように開口部３２ａの大きさ（幅）を調整することが好ましい。

図１８に示す改質器１６においても、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内に供給されるマイクロ波の電力に応じて、燃料ガス流出管３９と放電用電極３６との距離を変化させるように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動する。例えば、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力が小さい（アンモニアガスの改質割合が低い）ときは、図２２に示すように、燃料ガス流出管３９のキャビティ３４ａ内への突出長さを長くして放電用電極３６との距離を短くするように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動することで、放電用電極３６近傍の狭い領域４４にて生成された少量の水素ガスを、燃料ガス流出管３９を介して効率よく吸気管２０内へ供給することができる。一方、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力が大きい（アンモニアガスの改質割合が高い）ときは、図２３に示すように、燃料ガス流出管３９のキャビティ３４ａ内への突出長さを短くして放電用電極３６との距離を長くするように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動することで、キャビティ３４ａ内の広い領域４４にて生成された多量の水素ガスを、燃料ガス流出管３９を介して効率よく吸気管２０内へ供給することができる。このように、図１８に示す改質器１６においても、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内に供給されるマイクロ波の電力の増大に対して燃料ガス流出管３９と放電用電極３６との距離を増大させるように、燃料ガス流出管３９をアクチュエータ４２により駆動することで、内燃機関１０（吸気管２０内）へ供給する水素ガス（改質後の燃料ガス）の必要量が変動しても、必要量の水素ガスを効率よく生成して内燃機関１０へ供給することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図である。 改質器１６の概略構成を示す図である。 キャビティ３４ａの形状の一例を示す図である。 キャビティ３４ａの高さＨを変化させた場合の共振モードを調べた結果を示す図である。 Ｓパラメータの周波数特性の一例を示す図である。 ＴＭ０１０モード及びＴＭ０１１モードにおける電界分布の一例を示す図である。 電磁波放射器３５及び放電用電極３６をキャビティ３４ａの径方向における中央部へ突出させた場合の電界分布の一例を示す図である。 電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さをそれぞれ変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を示す図である。 電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さをそれぞれ変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を示す図である。 電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さをそれぞれ変化させた場合における最大電界強度の変化を調べた結果を示す図である。 改質器１６の動作を説明する図である。 改質器１６の動作を説明する図である。 ガソリンとアンモニアの混合燃料において、アンモニア比率に対する発火温度及び燃焼速度の特性を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。 改質器１６の他の概略構成を示す図である。 同軸系と導波管系における電界と磁界の配置を示す図である。 開口部３２ａの幅を変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を示す図である。 開口部３２ａの幅を変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を示す図である。 改質器１６の他の動作を説明する図である。 改質器１６の他の動作を説明する図である。

符号の説明

１０ 内燃機関、１１ シリンダ、１２ 尿素水タンク、１５，１６ 改質器、１９ 点火栓、２０ 吸気管、２１ 排気管、２２ インジェクタ、２５ 排気浄化用アンモニア供給管、２６ 燃料用アンモニア供給管、２７，２８ 制御弁、３０ 還元触媒、３１ 電磁波発生電源、３２ 導波管、３３ 絶縁体、３４ 共振容器、３４ａ キャビティ、３５ 電磁波放射器、３６ 放電用電極、３７ 同軸ケーブル、３８ 燃料ガス流入管、３９ 燃料ガス流出管、４０ 制御装置、４２ アクチュエータ、４８ 過給器。

Claims (6)

1. 主燃料を内燃機関の吸気管内またはシリンダ内へ噴射する主燃料噴射装置と、
   尿素水を基にアンモニアを生成する第１の改質器と、
   第１の改質器で生成されたアンモニアを利用してシリンダ内からの燃焼後の排出ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排気浄化装置と、
   第１の改質器で生成されたアンモニアを吸気管内またはシリンダ内へ供給するアンモニア供給装置と、
   を備え、
   シリンダ内で主燃料とともにアンモニアを燃焼させる、エンジンシステム。
2. 請求項１に記載のエンジンシステムであって、
   第１の改質器で生成されたアンモニアを基に水素を生成する第２の改質器を備え、
   アンモニア供給装置は、第１の改質器で生成されたアンモニアとともに第２の改質器で生成された水素を吸気管内またはシリンダ内へ供給するものであり、
   シリンダ内で主燃料とともにアンモニア及び水素を燃焼させる、エンジンシステム。
3. 請求項２に記載のエンジンシステムであって、
   第２の改質器は、
   アンモニアガスが供給される容器であって、その内部で所定の周波数の電磁波が共振する共振容器と、
   共振容器内で共振する周波数の電磁波を発生させる電磁波発生源と、
   電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ伝搬させる電磁波伝搬手段と、
   共振容器内に配置された電極であって、該電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高める放電用電極と、
   を備え、
   放電用電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高めることで発生するプラズマ放電により共振容器内に供給されたアンモニアガスを水素ガスに改質し、
   プラズマ放電により改質した水素ガスを共振容器外へ流出させる流出管であって、放電用電極との距離を変化させることができるように移動可能な状態で支持された非導電性の流出管と、
   電磁波発生源から共振容器内に供給される電磁波の電力に応じて放電用電極と流出管との距離を変化させるように流出管を駆動する流出管駆動装置と、
   をさらに備える、エンジンシステム。
4. 請求項３に記載のエンジンシステムであって、
   流出管駆動装置は、電磁波発生源から共振容器内に供給される電磁波の電力の増大に対して放電用電極と流出管との距離を増大させるように流出管を駆動する、エンジンシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載のエンジンシステムであって、
   主燃料は、炭化水素系燃料である、エンジンシステム。
6. 内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料ガスを改質する燃料改質装置であって、
   改質前の燃料ガスが供給される容器であって、その内部で所定の周波数の電磁波が共振する共振容器と、
   共振容器内で共振する周波数の電磁波を発生させる電磁波発生源と、
   電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ伝搬させる電磁波伝搬手段と、
   共振容器内に配置された電極であって、該電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高める放電用電極と、
   を備え、
   放電用電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高めることで発生するプラズマ放電により共振容器内に供給された燃料ガスを改質し、
   プラズマ放電により改質した燃料ガスを共振容器外へ流出させる流出管であって、放電用電極との距離を変化させることができるように移動可能な状態で支持された非導電性の流出管と、
   電磁波発生源から共振容器内に供給される電磁波の電力に応じて放電用電極と流出管との距離を変化させるように流出管を駆動する流出管駆動装置と、
   をさらに備える、内燃機関の燃料改質装置。

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