JP2009097422A - 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】燃料ガスの改質割合を精度よく制御する。
【解決手段】燃料改質器１６は、流入したアンモニアガス（燃料ガス）の少なくとも一部を改質して水素ガスを生成する。圧力センサ６２は、燃料改質器１６での改質前のガス圧力Ｐ１を検出し、圧力センサ６４は、燃料改質器１６での改質後のガス圧力Ｐ２を検出する。制御装置２８は、圧力比Ｐ２／Ｐ１または圧力差Ｐ２−Ｐ１に基づいて燃料改質器１６でのアンモニアガスの改質割合を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダ内で燃焼させる燃料を改質する内燃機関の燃料改質装置及び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、燃焼後の排気ガスの熱を利用してアンモニアガス（燃料ガス）を分解して水素ガスを生成し、この水素ガスを副燃焼室内に導入して初期燃焼を行わせている。アンモニアはガソリン等の石油系燃料と比較して燃焼速度が遅く燃えにくい性質を有するが、特許文献１では、アンモニアガスだけでなく水素ガスも燃焼させることで、燃焼室内のアンモニアガスの燃焼を促進させている。

特開平５−３３２１５２号公報 特開２０００−２７４２４９号公報 特開２００６−５２６８８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

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、内燃機関の燃焼変動を抑えた安定な運転を行うためには、燃料ガスの改質割合（改質後の燃料ガス組成）を精度よく制御できることが望ましい。そして、燃料ガスの改質割合を精度よく制御するためには、燃料ガスの改質割合をリアルタイムで検出できることが望ましい。ガス組成の測定には、一般的にはガスクロマトグラフが用いられる。しかし、ガスクロマトグラフでは、ガス組成の測定に早くても十数秒程度の時間を要するため、燃料ガスの改質割合をリアルタイムで検出することは困難である。

本発明は、燃料ガスの改質割合を精度よく制御することができる内燃機関の燃料改質装置及びエンジンシステムを提供す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、アンモニアガスが流入し、該流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成する改質器と、改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する改質制御部と、を備え、改質器から流出するアンモニアガス及び水素ガスを燃料として内燃機関へ供給する内燃機関の燃料改質装置であって、改質器での改質後のガス圧力と改質器での改質前のガス圧力との圧力比または圧力差を取得する圧力取得部を備え、改質制御部は、圧力取得部で取得された圧力比または圧力差に基づいて改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御することを要旨とする。

本発明の一態様では、改質器は、アンモニアガスが流入する容器であって、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流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成し、改質制御部は、圧力取得部で取得された圧力比または圧力差に基づいて共振容器内へ供給する電磁波の電力を制御することで改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御す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、アンモニアガスが流入し、該流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成する改質器と、改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する改質制御部と、を備え、改質器から流出するアンモニアガス及び水素ガスを燃料として内燃機関へ供給する内燃機関の燃料改質装置であって、改質器から流出するガス流量と改質器に流入するガス流量との流量比または流量差を取得する流量取得部を備え、改質制御部は、流量取得部で取得された流量比または流量差に基づいて改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御することを要旨とする。

本発明の一態様では、改質器は、アンモニアガスが流入する容器であって、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流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成し、改質制御部は、流量取得部で取得された流量比または流量差に基づいて共振容器内へ供給する電磁波の電力を制御することで改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御することが好適である。

本発明の一態様では、改質器は、共振容器内に電磁波をパルス供給するものであ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、本発明に係る内燃機関の燃料改質装置を備え、改質器から流出するアンモニアガス及び水素ガスを燃料としてシリンダ内で燃料させることを要旨とする。

本発明によれば、燃料ガス（アンモニアガス）の改質割合をリアルタイムで精度よく把握することができるので、燃料ガスの改質割合を精度よく制御することができる。

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。本実施形態に係るエンジンシステムでは、内燃機関の燃料としてアンモニアを使用する。アンモニアタンク（アンモニア貯蔵装置）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、アンモニアタンク１２と燃料改質器１６との間に設けられた減圧弁（減圧装置）１４で例えば０．５ＭＰａ程度の圧力に減圧されることで気化し、減圧弁１４からの気化したアンモニアガスが燃料改質器１６に流入する。このように、アンモニアタンク１２からのアンモニアは、ガス状態で燃料改質器１６に供給される。燃料改質器１６は、流入したアンモニアガス（燃料ガス）の少なくとも一部を改質（分解）して水素（Ｈ₂）ガスを生成する。燃料改質器１６の具体的構成例については後述する。

燃料改質器１６から流出した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、燃料改質器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（アンモニアガス及び水素ガス）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。このように、燃料改質器１６から流出したアンモニアガス及び水素ガスは、燃料として内燃機関１０へ供給される。

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。

圧力センサ６２は、燃料改質器１６に流入するガス圧力Ｐ１を検出することで、燃料改質器１６での改質前のガス圧力Ｐ１を検出する。圧力センサ６４は、燃料改質器１６から流出するガス圧力Ｐ２を検出することで、燃料改質器１６での改質後のガス圧力Ｐ２を検出する。圧力センサ６２，６４で検出されたガス圧力Ｐ１，Ｐ２は、制御装置２８に入力される。制御装置２８は、電池２７から供給される電力により動作し、圧力センサ６２，６４で検出されたガス圧力Ｐ１，Ｐ２に基づいて燃料改質器１６でのアンモニアガスの改質割合（アンモニアガスが水素ガスに分解される割合）を目標改質割合に一致させるように制御する。ここでの制御の詳細については後述する。

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。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。そのため、制御装置２８は、電磁波発生電源３１で発生させるマイクロ波の電力を制御してキャビティ３４ａ内に供給されるマイクロ波の電力を制御することで、プラズマ放電が発生する領域を制御することができ、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合を制御することができる。

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、制御装置２８は、内燃機関１０の負荷（トルク）の減少に対してアンモニアガスの目標改質割合を増大させることが好ましい。つまり、制御装置２８は、図１１に示すように、内燃機関１０の負荷の減少に対して電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へ供給するマイクロ波の電力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、内燃機関１０の始動時（冷間始動時）等、混合気温度が低いときは、圧縮温度が低く、燃焼速度を上げることが困難となる。そのため、マイクロ波制御器２８は、内燃機関１０の冷間始動時等、冷却水温度が低いときは、キャビティ３４ａ内へ供給するマイクロ波の電力を増大させることで、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、燃料の燃焼速度の低下を抑えて内燃機関１０の安定な始動を行うことができ、内燃機関１０の始動性を向上させることができる。

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、制御装置２８は、キャビティ３４ａ内へ供給するマイクロ波の電力を減少させることで、プラズマ放電が発生する領域を狭め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。

ただし、アンモニアガスの改質割合は、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力が同じであっても、キャビティ３４ａ内の雰囲気温度や、電磁波放射器３５の消耗度合いや、放電用電極３６の消耗度合いに応じて変動する。アンモニアガスの改質割合が目標改質割合からずれてくると、燃焼変動やノッキングが生じやすくなる。そこで、本実施形態では、アンモニアガスの改質割合をリアルタイムで推定し、この推定したアンモニアガスの改質割合が目標改質割合に一致するように、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力を制御する。以下、そのための構成例について説明する。

制御装置２８は、例えば図１３に示す機能ブロックを含んで構成することができる。圧力比演算部７２は、圧力センサ６４で検出された改質後のガス圧力Ｐ２と圧力センサ６２で検出された改質前のガス圧力Ｐ１との圧力比Ｐ２／Ｐ１を演算する。改質割合推定部７４は、圧力比演算部７２で演算された圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいてアンモニアガスの改質割合を推定する。改質制御部７６は、改質割合推定部７４で推定されたアンモニアガスの改質割合が目標改質割合に一致するように、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力を制御することで、アンモニアガスの改質割合を制御する。例えば、推定されたアンモニアガスの改質割合が目標改質割合よりも低いときは、目標改質割合とアンモニアガスの改質割合との偏差に応じた分、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力を増大させる。一方、推定されたアンモニアガスの改質割合が目標改質割合よりも高いときは、アンモニアガスの改質割合と目標改質割合との偏差に応じた分、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力を減少させる。

キャビティ３４ａ内でアンモニアガスが水素ガスと窒素（Ｎ₂）ガスに分解される反応は、以下の（１）式で表される。

２ＮＨ₃→３Ｈ₂＋Ｎ₂ （１）

（１）式から、キャビティ３４ａ内では、アンモニアガスの分解に伴ってガス全体のモル数が変化し、アンモニアガスの分解率が高いほどガス全体のモル数が大きくなる。そのため、アンモニアガスの改質に伴って、改質後のガス圧力（キャビティ３４ａから流出するガス圧力）Ｐ２は改質前のガス圧力（キャビティ３４ａに流入するガス圧力）Ｐ１よりも高くなり、アンモニアガスの改質割合が高いほど圧力比Ｐ２／Ｐ１の値が大きくなる。したがって、改質割合推定部７４では、圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいてアンモニアガスの改質割合をリアルタイムで推定することができる。その際には、例えば図１４に示すように、圧力比Ｐ２／Ｐ１とアンモニアガスの改質割合との関係を表す特性マップを予め作成して制御装置２８内の記憶装置に記憶しておく。改質割合推定部７４は、この記憶された特性マップにおいて、与えられた圧力比Ｐ２／Ｐ１に対応するアンモニアガスの改質割合を算出する。

このように、本実施形態では、改質後のガス圧力Ｐ２と改質前のガス圧力Ｐ１との圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいてアンモニアガスの改質割合をリアルタイムで精度よく把握することができる。そして、圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいてキャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力を制御してアンモニアガスの改質割合を制御することで、アンモニアガスの改質割合を精度よく制御することができる。その結果、内燃機関１０のノッキングや燃焼変動（トルク変動）を抑えた安定な運転を行うことができる。さらに、アンモニアガスの改質割合の時間変化率が大きい場合であっても、アンモニアガスの改質割合をリアルタイムで精度よく把握することができ、アンモニアガスの改質割合を精度よく制御することができる。

なお、減圧弁１４が燃料改質器１６（キャビティ３４ａ内）へ供給するガス圧力を所定の一定圧力Ｐ１に調整するレギュレータ機能を有している場合は、圧力センサ６２を省略することも可能である。また、圧力センサ６４は、キャビティ３４ａ内のガス圧力を検出することによっても、燃料改質器１６での改質後のガス圧力Ｐ２を検出することができる。

また、アンモニアガスの改質割合が高いほど、燃料改質器１６での改質後のガス圧力Ｐ２と燃料改質器１６での改質前のガス圧力Ｐ１との圧力差Ｐ２−Ｐ１の値が大きくなるため、圧力比Ｐ２／Ｐ１に代わりに圧力差Ｐ２−Ｐ１を用いることもできる。算出した圧力差Ｐ２−Ｐ１に基づいてアンモニアガスの改質割合を推定して制御することによっても、アンモニアガスの改質割合をリアルタイムで把握しながら精度よく制御することができる。

また、アンモニアガスの改質に伴って、キャビティ３４ａから流出するガス流量Ｇ２はキャビティ３４ａに流入するガス流量Ｇ１よりも多くなり、アンモニアガスの改質割合が高いほど流量比Ｇ２／Ｇ１の値が大きくなる。したがって、改質割合推定部７４では、流量比Ｇ２／Ｇ１に基づいてもアンモニアガスの改質割合をリアルタイムで推定することができる。その場合の構成例を図１５に示す。流量センサ８２は、燃料改質器１６（キャビティ３４ａ内）に流入するガス流量Ｇ１を検出する。流量センサ８４は、燃料改質器１６（キャビティ３４ａ内）から流出するガス流量Ｇ２を検出する。流量比演算部７３は、流量センサ８４で検出されたガス流量Ｇ２と流量センサ８２で検出されたガス流量Ｇ１との流量比Ｇ２／Ｇ１を演算する。改質割合推定部７４は、流量比演算部７３で演算された流量比Ｇ２／Ｇ１に基づいてアンモニアガスの改質割合を推定する。その際には、流量比Ｇ２／Ｇ１とアンモニアガスの改質割合との関係を表す特性マップを予め作成して制御装置２８内の記憶装置に記憶しておく。改質割合推定部７４は、この記憶された特性マップにおいて、与えられた流量比Ｇ２／Ｇ１に対応するアンモニアガスの改質割合を算出する。このように、流量比Ｇ２／Ｇ１に基づいてキャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力を制御してアンモニアガスの改質割合を制御することによっても、アンモニアガスの改質割合をリアルタイムで把握しながら精度よく制御することができる。なお、流量比Ｇ２／Ｇ１の代わりに流量差Ｇ２−Ｇ１を用いることもでき、算出した流量差Ｇ２−Ｇ１に基づいてアンモニアガスの改質割合を推定して制御することもできる。

また、本実施形態では、電磁波発生電源３１でパルス状のマイクロ波（電磁波）を発生させることで、キャビティ３４ａ内へマイクロ波をパルス供給することもできる。マイクロ波をパルス供給する場合（図１６のＡに示す場合）は、マイクロ波を連続供給する場合（図１６のＢに示す場合）と比較して、時間平均電力が同一あっても、図１７に示すように、プラズマ放電が発生する領域４４を広げることができる。ここで、図１７（Ａ）はマイクロ波をパルス供給する場合のプラズマ放電が発生する領域４４を示し、図１７（Ｂ）はマイクロ波を連続供給する場合のプラズマ放電が発生する領域４４を示す。このように、マイクロ波をパルス供給して大きな電力を間欠的に加えることで、より少ない消費電力でアンモニアガスとプラズマとの接触体積を増大させることができ、アンモニアガスの改質割合を効率よく増大させることが可能となる。なお、キャビティ３４ａ内へマイクロ波をパルス供給する場合は、制御装置２８は、電磁波発生電源３１で発生させるマイクロ波パルスのピーク値及びデューティ比のいずれか１つ以上を制御することで、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波の供給電力を制御することができる。

以下、燃料改質器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。

次に、図１８に示す燃料改質器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。

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。 制御装置２８の構成例を示す機能ブロック図である。 アンモニアの改質割合と圧力比Ｐ２／Ｐ１との関係を表す特性マップの一例を示す図である。 制御装置２８の他の構成例を示す機能ブロック図である。 キャビティ３４ａ内へ供給するマイクロ波の波形の一例を示す図である。 キャビティ３４ａ内においてプラズマ放電が発生する領域４４の一例を示す図である。 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。

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 燃料改質器、２０ 吸気管、２１ 燃料レール、２２ インジェクタ、２８ 制御装置、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、６２，６４ 圧力センサ、７２ 圧力比演算部、７３ 流量比演算部、７４ 改質割合推定部、７６ 改質制御部、８２，８４ 流量センサ。

Claims (6)

1. アンモニアガスが流入し、該流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成する改質器と、
   改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する改質制御部と、
   を備え、
   改質器から流出するアンモニアガス及び水素ガスを燃料として内燃機関へ供給する内燃機関の燃料改質装置であって、
   改質器での改質後のガス圧力と改質器での改質前のガス圧力との圧力比または圧力差を取得する圧力取得部を備え、
   改質制御部は、圧力取得部で取得された圧力比または圧力差に基づいて改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する、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、
   改質器は、
   アンモニアガスが流入する容器であって、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流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成し、
   改質制御部は、圧力取得部で取得された圧力比または圧力差に基づいて共振容器内へ供給する電磁波の電力を制御することで改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する、内燃機関の燃料改質装置。
3. アンモニアガスが流入し、該流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成する改質器と、
   改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する改質制御部と、
   を備え、
   改質器から流出するアンモニアガス及び水素ガスを燃料として内燃機関へ供給する内燃機関の燃料改質装置であって、
   改質器から流出するガス流量と改質器に流入するガス流量との流量比または流量差を取得する流量取得部を備え、
   改質制御部は、流量取得部で取得された流量比または流量差に基づいて改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する、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、
   改質器は、
   アンモニアガスが流入する容器であって、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流入したアンモニアガスの少なくとも一部を改質して水素ガスを生成し、
   改質制御部は、流量取得部で取得された流量比または流量差に基づいて共振容器内へ供給する電磁波の電力を制御することで改質器でのアンモニアガスの改質割合を制御する、内燃機関の燃料改質装置。
5. 請求項２または４に記載の内燃機関の燃料改質装置であって、
   改質器は、共振容器内に電磁波をパルス供給するものである、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を備え、改質器から流出するアンモニアガス及び水素ガスを燃料としてシリンダ内で燃料させる、エンジンシステム。

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