JP2009097420A - 内燃機関の燃料改質装置及びエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良い燃料改質性能を長時間持続させる。
【解決手段】燃料改質装置１６は、改質前の燃料ガスが供給されキャビティ３４ａ内で所定の周波数のマイクロ波が共振する共振容器３４と、キャビティ３４ａ内で共振する周波数のマイクロ波を発生させる電磁波発生電源３１と、電磁波発生電源３１で発生したマイクロ波をキャビティ３４ａ内へ放射する電磁波放射器３５と、キャビティ３４ａ内に配置された放電用電極３６とを備え、放電用電極３６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ことで発生するプラズマ放電によりキャビティ３４ａ内に供給された燃料ガスを改質する。放電用電極３６は、プラズマ放電の連続的な発生に対する耐熱性を有する耐熱電極により構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、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、及びそれを備えるエンジンシステムに関する。

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に開示されている。例えば、特許文献１においては、高周波電界発生装置により圧縮行程中にシリンダ内に高周波電場を形成してシリンダ内の混合気を誘電加熱することで、シリンダ内の燃料を改質している。

また、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。例えば、特許文献４によるプラズマ装置は、所定のマイクロ波帯域を発生するマイクロ波発振装置と、所定のマイクロ波帯域を共振するマイクロ波共振空洞（キャビティ）と、キャビティ内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射アンテナ（電極）と、キャビティ内の気体に対し部分放電して気体をプラズマ化するプラズマ着火用電極と、を備え、マイクロ波放射アンテナは、プラズマ着火用電極によるプラズマ生成領域に、マイクロ波による強電界場を形成する。

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

特許文献１では、燃料を改質するためにシリンダ内に電界を付与しているので、燃料が電界にさらされる時間が短い。さらに、シリンダ内に電界を付与しているものの、シリンダ内でプラズマ放電を発生させてはいない。そのため、燃料の改質割合を増大させることが困難であり、燃料改質性能を向上させることが困難である。

シリンダ内で燃焼させる燃料ガスの改質割合を増大させるためには、プラズマ放電を利用して燃料ガスを改質することが望ましい。ただし、改質した燃料ガスをシリンダ内で持続的に燃焼させるためには、電磁波（マイクロ波）をプラズマ容器内に持続的に供給してプラズマ放電を連続的に発生させる必要がある。特許文献４では、プラズマ放電を発生させるためのプラズマ着火用電極に点火プラグを用いているため、マイクロ波をキャビティ内に持続的に供給してプラズマ放電を連続的に発生させると、キャビティ内に挿入された点火プラグの中心電極と接地電極が高温となって溶損し、点火プラグの溶損後は、プラズマ放電を発生できなくなる。また、特許文献４では、マイクロ波放射アンテナ（電極）をキャビティ内に挿入しているため、マイクロ波をキャビティ内に持続的に供給してプラズマ放電を連続的に発生させると、キャビティ内に挿入されたマイクロ波放射アンテナが高温となって溶損し、マイクロ波放射アンテナの溶損後は、マイクロ波をキャビティ内に供給できなくなる。そのため、特許文献４では、電磁波（マイクロ波）をプラズマ容器内に持続的に供給してプラズマ放電を連続的に発生させることが困難である。したがって、特許文献４のプラズマ装置を利用して燃料ガスを改質しても、効率の良い燃料改質性能を長時間持続させることが困難である。

本発明は、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場合に、効率の良い燃料改質性能を長時間持続させることを目的とする。

本発明に係る内燃機関の燃料改質装置及びエンジンシステムは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

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、放電用電極は、プラズマ放電の連続的な発生に対する耐熱性を有する耐熱電極であることを要旨とする。

本発明の一態様では、放電用電極は、タングステン、導電性セラミック、及びカーボンのいずれか１つ以上を含んで構成されてい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、共振容器内へ突出して配置され、電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ放射する電磁波放射器と、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、電磁波放射器は、プラズマ放電の連続的な発生に対する耐熱性を有する耐熱放射器であることを要旨とする。

本発明の一態様では、電磁波放射器は、タングステン、導電性セラミック、及びカーボンのいずれか１つ以上を含んで構成されてい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、電磁波伝搬手段は、電磁波の放射される開口部が共振容器内に臨んで配置された導波管を含み、さらに、前記開口部には、導波管内から共振容器内への電磁波の透過を許容するとともに、共振容器内から導波管内への燃料ガスの流出を遮断する絶縁材が設けられていることを要旨とする。

本発明の一態様では、共振容器内には、改質前の燃料ガスとしてアンモニアガスが供給され、前記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することが好適である。

また、本発明に係るエンジンシステムは、燃料ガスを改質する燃料改質装置を備え、燃料改質装置からの改質燃料ガスをシリンダ内で燃焼させるエンジンシステムであって、前記燃料改質装置が、本発明に係る内燃機関の燃料改質装置であることを要旨とする。

本発明によれば、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場合に、効率の良い燃料改質性能を長時間持続させることができる。

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内燃機関の燃料改質装置を備えるエンジンシステムの概略構成を示す図であり、内燃機関の燃料としてアンモニアを使用するエンジンシステムに適用した例を示す。アンモニアタンク１２内にはアンモニア（ＮＨ₃）が蓄えられている。アンモニアは、例えば１ＭＰａ程度の圧力で液体の状態でアンモニアタンク１２内に蓄圧されている。アンモニアタンク１２内に蓄圧されたアンモニアは、減圧弁１４で例えば０．５ＭＰａ程度の圧力に減圧されてから燃料改質装置１６に供給されることで、気体の状態で燃料改質装置１６に供給される。燃料改質装置１６は、減圧弁１４からのアンモニアガス（燃料ガス）の少なくとも一部を水素（Ｈ₂）ガスに改質する。燃料改質装置１６の具体的構成例については後述する。

燃料改質装置１６からのアンモニアガス及び水素ガスは、燃料レール２１を介してインジェクタ２２に供給される。吸気管２０内に臨むインジェクタ２２は、燃料改質装置１６（燃料レール２１）からのアンモニアガス及び水素ガスを吸気管２０内に噴射する。インジェクタ２２から噴射されたアンモニアガス及び水素ガスは、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、燃料ガス（アンモニア及び水素ガス）と空気との混合気をシリンダ１１内で燃焼させることで動力を発生する。燃焼後の排出ガスは、排気行程にてシリンダ１１内から排気管内へ排出される。

図１は、アンモニアガス及び水素ガスを吸気管２０内に噴射する例を示しているが、インジェクタ２２をシリンダ１１内に臨ませてアンモニアガス及び水素ガスをシリンダ１１内に直接噴射することもできる。また、点火栓の火花放電によりシリンダ１１内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ることもできるし、シリンダ１１内の燃料ガス（アンモニアガス及び水素ガス）を圧縮自着火により燃焼させることもできる。

シリンダ１１内で燃焼させる燃料ガスを改質する燃料改質装置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。マイクロ波制御器２８は、電池２７から供給される電力により動作し、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、減圧弁１４と連通する燃料ガス流入口３８と、燃料レール２１と連通する燃料ガス流出口３９が設けられており、減圧弁１４からのアンモニアガス（改質前の燃料ガス）は、燃料ガス流入口３８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、燃料ガス流出口３９を通って燃料レール２１へ供給される。

次に、図２に示す燃料改質装置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内へのマイクロ波エネルギの供給量に応じて、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、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量が０Ｊである（プラズマ放電を発生させない）場合は、キャビティ３４ａ内のガス組成が図１１（Ａ）に示す割合であるのに対して、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量が約１ｋＪである場合は、キャビティ３４ａ内のアンモニアガスの一部が水素ガスに改質されることで、キャビティ３４ａ内のガス組成が図１１（Ｂ）に示す割合となる。そして、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量が約３ｋＪである場合は、キャビティ３４ａ内のアンモニアガスの大部分が水素ガスに改質されることで、キャビティ３４ａ内のガス組成が図１１（Ｃ）に示す割合となる。このように、マイクロ波制御器２８は、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量を増大させることで、プラズマ放電が発生する領域を広げることができ、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合を増大させることができる。

アンモニアは、ガソリン等の炭化水素系燃料や水素と比較して燃焼速度が遅く燃えにくい物質であるが、アンモニアガスだけでなく水素ガスもシリンダ１１内にて燃焼させることで、アンモニアガスの燃焼を促進させることができる。アンモニアガスを水素ガスに分解する割合（分解率）を変化させながらアンモニアガス（及び水素ガス）を定容燃焼させた場合のガス圧力を調べた結果を図１２に示す。図１２に示すように、アンモニアガスの分解率を増大させることで、燃料の燃焼速度を増大させることができ、燃焼による圧力を増大させることができる。

内燃機関１０の負荷（トルク）が低い運転条件では、内燃機関１０の負荷が高い運転条件と比較して、シリンダ内圧力が減少するため、燃焼速度が低下して燃焼変動が生じやすくなる。そのため、マイクロ波制御器２８は、図１１に示すように、内燃機関１０の負荷（トルク）の減少に対してキャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量を増大させて、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合を増大させることが好ましい。これによって、内燃機関１０の負荷が変化しても、内燃機関１０の燃焼変動（トルク変動）を抑えた安定な運転を行うことができる。

また、アンモニアは、燃焼速度を低下させる性質がある一方、ノッキングのような急激な燃焼を抑制する効果もある。ノッキングは特に低速高負荷の運転条件で問題となるため、こうした運転条件においては、マイクロ波制御器２８は、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量を減少させて、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合を減少させることが好ましい。これによって、ノッキングの発生を抑制することができ、熱効率を向上させることができる。

本実施形態では、マイクロ波共振を利用してプラズマ放電を発生させてアンモニアガスを水素ガスに改質（分解）することで、アンモニアガスの分解率を増大させることが可能となり、燃料改質性能を向上させることができる。さらに、内燃機関の排出ガスの熱を利用して燃料ガスを改質する場合と比較して、燃料ガスの温度上昇を抑えることができるので、シリンダ１１内への燃料ガスの充填効率を高めることができる。

改質後の燃料ガス（水素ガス）をシリンダ１１内で持続的に燃焼させるためには、マイクロ波をキャビティ３４ａ内に持続的に供給してプラズマ放電を連続的に発生させる必要がある。ただし、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を連続的に発生させると、放電用電極３６の温度が大幅に上昇する。例えば、プラズマ放電を１０秒程度連続的に発生させると放電用電極３６の温度が８００℃程度まで上昇することが、本願発明者の実験により明らかになった。放電用電極３６の温度が耐熱温度を超えると放電用電極３６が溶損し、放電用電極３６が溶損するとプラズマ放電を発生できなくなり、アンモニアガスを水素ガスに改質できなくなる。

そこで、本実施形態では、放電用電極３６を、プラズマ放電の連続的な発生に対する耐熱性を有する耐熱電極により構成する。ここでの放電用電極３６の材料としては、例えばタングステンを用いることができる。また、放電用電極３６の材料として、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）等の導電性セラミックを用いることもできるし、カーボン（カーボンファイバ）を用いることもできる。さらに、放電用電極３６の材料として、これらの材料の複数を組み合わせて用いることもできる。タングステンの耐熱温度は３３００℃程度であり、炭化珪素の耐熱温度は２０００℃程度であり、カーボンの耐熱温度は３５００℃程度である。放電用電極３６にその耐熱温度がプラズマ放電を連続的に発生させたときの温度よりも高い耐熱電極を用いることで、プラズマ放電の連続的な発生により放電用電極３６の温度が上昇しても、放電用電極３６の溶損を防ぐことができ、放電用電極３６の耐久性を向上させることができる。そのため、プラズマ放電の連続的な発生を継続して行うことができ、改質後の水素ガスをシリンダ１１内で持続的に燃焼させることができる。したがって、効率の良い燃料改質性能を長時間持続させることができる。

また、マイクロ波をキャビティ３４ａ内に持続的に供給してプラズマ放電を連続的に発生させると、電磁波放射器（電極）３５の温度が大幅に上昇する。例えば、プラズマ放電を１０秒程度連続的に発生させると電磁波放射器３５の温度が６５０℃程度まで上昇することが、本願発明者の実験により明らかになった。電磁波放射器３５の温度が耐熱温度を超えると電磁波放射器３５が溶損し、電磁波放射器３５が溶損するとマイクロ波をキャビティ３４ａ内に供給できなくなり、アンモニアガスを水素ガスに改質できなくなる。

そこで、本実施形態では、電磁波放射器３５を、プラズマ放電の連続的な発生に対する耐熱性を有する耐熱放射器により構成する。ここでの電磁波放射器３５の材料としては、例えばタングステンを用いることができる。また、電磁波放射器３５の材料として、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）等の導電性セラミックを用いることもできるし、カーボン（カーボンファイバ）を用いることもできる。さらに、電磁波放射器３５の材料として、これらの材料の複数を組み合わせて用いることもできる。電磁波放射器３５にその耐熱温度がプラズマ放電を連続的に発生させたときの温度よりも高い耐熱放射器を用いることで、プラズマ放電の連続的な発生により電磁波放射器３５の温度が上昇しても、電磁波放射器３５の溶損を防ぐことができ、電磁波放射器３５の耐久性を向上させることができる。そのため、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の持続的な供給を維持することができ、改質後の水素ガスをシリンダ１１内で持続的に燃焼させることができる。したがって、効率の良い燃料改質性能を長時間持続させることができる。

以下、燃料改質装置１６の他の構成例について説明する。図１３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。

次に、図１３に示す燃料改質装置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１４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１４（Ａ）は同軸系における電界と磁界の配置を示し、図１４（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１３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１３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１５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１６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１３に示す構成例によれば、電磁波放射器をキャビティ３４ａ内へ突出させることなく、マイクロ波をキャビティ３４ａ内に供給することができる。そのため、プラズマ放電を連続的に発生させても、電磁波放射器の溶損を招くことなくキャビティ３４ａ内へのマイクロ波の持続的な供給を維持することができ、改質後の水素ガスをシリンダ１１内で持続的に燃焼させることができる。したがって、効率の良い燃料改質性能を長時間持続させることができる。

なお、導波管３２を介してマイクロ波をキャビティ３４ａの側面３４ｄから供給する場合は、図１７に示すように、放電用電極３６（耐熱電極）をキャビティ３４ａの上面３４ｃ及び下面３４ｂの両方から突出させることもできる。図１７に示す構成例によれば、ＴＭ０１０モードにおける電界強度が高くなる位置に配置する放電用電極３６の数を増やすことができるので、プラズマ放電が発生する領域をさらに広げることができる。その結果、アンモニアガスの分解率をさらに増大させることが可能となり、燃料改質性能をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、放電用電極３６に、図１８に示す沿面プラグを用いることも可能である。また、図１９に示すように、放電用電極３６に、接地電極を無くしたもしくは小さくしたプラグを用いることも可能である。

以上の実施形態の説明では、燃料改質装置１６でアンモニアガスを水素ガスに改質する場合について説明した。ただし、本実施形態では、燃料改質装置１６で改質する燃料ガスとして他の種類のガスを用いることも可能である。例えば、燃料改質装置１６では、炭化水素系燃料ガスの少なくとも一部を水素ガスに改質することもできる。ここでの炭化水素系燃料ガスとしては、例えば、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスを用いることもできるし、メタン（ＣＨ₄）ガスを用いることもできるし、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）ガスを用いることもできる。

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内燃機関の燃料改質装置を備えるエンジンシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料改質装置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。 キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量を変化させた場合におけるキャビティ３４ａ内のガス組成の一例を示す図である。 アンモニアガスの分解率を変化させながら定容燃焼させた場合のガス圧力を調べた結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料改質装置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。 本発明の実施形態に係る内燃機関の燃料改質装置の他の概略構成を示す図である。 沿面プラグの概略構成を示す図である。 接地電極を無くしたもしくは小さくしたプラグの概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 内燃機関、１１ シリンダ、１２ アンモニアタンク、１４ 減圧弁、１６ 燃料改質装置、２０ 吸気管、２１ 燃料レール、２２ インジェクタ、２８ マイクロ波制御器、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 燃料ガス流入口、３９ 燃料ガス流出口。

Claims (7)

1. 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、
   放電用電極は、プラズマ放電の連続的な発生に対する耐熱性を有する耐熱電極である、内燃機関の燃料改質装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の燃料改質装置であって、
   放電用電極は、タングステン、導電性セラミック、及びカーボンのいずれか１つ以上を含んで構成されている、内燃機関の燃料改質装置。
3. 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、
   共振容器内へ突出して配置され、電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ放射する電磁波放射器と、
   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、
   電磁波放射器は、プラズマ放電の連続的な発生に対する耐熱性を有する耐熱放射器である、内燃機関の燃料改質装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の燃料改質装置であって、
   電磁波放射器は、タングステン、導電性セラミック、及びカーボンのいずれか１つ以上を含んで構成されている、内燃機関の燃料改質装置。
5. 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、
   電磁波伝搬手段は、電磁波の放射される開口部が共振容器内に臨んで配置された導波管を含み、
   さらに、前記開口部には、導波管内から共振容器内への電磁波の透過を許容するとともに、共振容器内から導波管内への燃料ガスの流出を遮断する絶縁材が設けられている、内燃機関の燃料改質装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の内燃機関の燃料改質装置であって、
   共振容器内には、改質前の燃料ガスとしてアンモニアガスが供給され、
   前記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する、内燃機関の燃料改質装置。
7. 燃料ガスを改質する燃料改質装置を備え、燃料改質装置からの改質燃料ガスをシリンダ内で燃焼させるエンジンシステムであって、
   前記燃料改質装置が、請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関の燃料改質装置である、エンジンシステム。

Images