JP2020159259A - エンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンの始動時に燃料が排出されることを防止できるエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジンシステム１は、燃焼室２ａを有するアンモニアエンジン２と、燃焼室２ａに供給される空気が流れる吸気通路３と、燃焼室２ａから発生した排気ガスが流れる排気通路４と、アンモニアガスを改質して水素を含有した改質ガスを生成する改質器２１と、改質器２１に供給される空気が流れるガス供給流路１３と、改質器２１をバイパスするようにガス供給流路１３及び排気通路４に接続され、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスを改質器２１の上流側に循環させるバイパス流路１８と、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスをバイパス流路１８に流さない通常位置１９ａと改質器２１をすり抜けたアンモニアガスをバイパス流路１８に流す循環位置１９ｂとを切り換える切換バルブ１９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。
従来のエンジンシステムとしては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載のエンジンシステムは、アンモニア及び水素を燃料としたエンジンと、液体のアンモニアを気化する蒸発器と、この蒸発器により気化されたアンモニアを分解して水素を生成する分解器と、蒸発器から分解器に気体のアンモニアを供給するアンモニア供給管と、分解器に空気を供給する流入管と、分解器で生成された水素が流れる流出管と、エンジンの吸気通路の内部に向かってアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁と、エンジンの吸気通路の内部に向かって水素を噴射する水素噴射弁と、エンジンの排気通路に接続された排気管に連結されたＮＯｘ選択還元触媒とを備えている。
特開２０１４−２１１１５５号公報
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、エンジンの始動時には、分解器の暖気が完了するまで、分解器においてアンモニア（燃料）が安定して燃焼されない。また、分解器の暖気時には、分解器の触媒の異常酸化を防止するために、アンモニアのみを分解器に供給するか、もしくはアンモニアを空気に対してリッチの状態で分解器に供給する必要がある。従って、分解器の暖気が完了するまでは、アンモニアが分解器をすり抜けるため、結果的にエンジンからアンモニアが排出されてしまう。このため、エンジンの排気系にアンモニアの後処理を行うための装置が必要となる。
本発明の目的は、エンジンの始動時に燃料が排出されることを防止できるエンジンシステムを提供することである。
本発明の一態様に係るエンジンシステムは、燃焼室を有するエンジンと、燃焼室に供給される空気が流れる吸気通路と、燃焼室から発生した排気ガスが流れる排気通路と、燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気通路に配設され、燃焼室に供給される空気の流量を制御する第１スロットルバルブと、燃料を改質して水素を含有した改質ガスを生成する改質部と、改質部に供給される空気が流れるガス供給流路と、改質部に燃料を供給する燃料供給部と、ガス供給流路に配設され、改質部に供給される空気の流量を制御する第２スロットルバルブと、改質部により生成された改質ガスが燃焼室に向かって流れる改質ガス流路と、改質部をバイパスするようにガス供給流路に一端が接続され、改質部をすり抜けた燃料を改質部の上流側に循環させるバイパス流路と、改質部をすり抜けた燃料をバイパス流路に流さない通常位置と改質部をすり抜けた燃料をバイパス流路に流す循環位置とを切り換える切換バルブと、燃料噴射弁、第１スロットルバルブ、燃料供給部、第２スロットルバルブ及び切換バルブを制御する制御部とを備え、制御部は、切換バルブを循環位置に切り換えた状態で、改質部に燃料及び空気を供給するように燃料供給部及び第２スロットルバルブを制御する第１制御処理を実行した後、切換バルブを循環位置から通常位置に切り換えるように制御すると共に、燃焼室に空気及び燃料を供給するように第１スロットルバルブ及び燃料噴射弁を制御する第２制御処理を実行する。
このようなエンジンシステムにおいて、エンジンの始動時には、切換バルブを循環位置に切り換えた状態で、改質部に燃料及び空気を供給するように燃料供給部及び第２スロットルバルブを制御する第１制御処理が実行される。すると、改質部において燃料が燃焼するため、燃焼熱により改質部が昇温する。しかし、改質部が改質可能な温度に達するまでは、改質部において水素を含有した改質ガスが生成されず、燃料が改質部をすり抜ける。そして、改質部をすり抜けた燃料は、バイパス流路を流れて改質部の上流側に戻る。このように燃料が改質部をすり抜けても、その燃料はバイパス流路を循環するようになる。これにより、エンジンの始動時に燃料が排出されることが防止される。
バイパス流路の一端は、ガス供給流路に接続され、バイパス流路の他端は、排気通路に接続されており、切換バルブは、排気通路に配設されており、通常位置は、排気通路を開くと共にバイパス流路を閉じる位置であり、循環位置は、排気通路を閉じると共にバイパス流路を開く位置であり、制御部は、第１制御処理を実行するときは、エンジンをクランキングさせるように制御してもよい。このような構成では、エンジンをクランキングさせることにより、吸気通路及び排気通路にガス流れが形成されるため、改質部をすり抜けた燃料がエンジンを通ってバイパス流路を循環するようになる。この場合には、例えばエンジンのＥＧＲ（排気再循環）システムを応用することで、バイパス流路及び切換バルブを容易に実現することができる。また、ガス流れを形成するための装置を別途備えなくて済む。
エンジンシステムは、改質部の温度を検出する温度検出部を更に備え、改質部は、燃料を水素に分解する改質触媒を有し、制御部は、第１制御処理を実行するときは、改質部に燃料を供給するように燃料供給部を制御し、その後温度検出部により検出された改質部の温度が予め定められた第１規定温度以上になると、改質部に燃料及び空気を供給するように燃料供給部及び第２スロットルバルブを制御してもよい。このような構成では、エンジンの始動直後は、燃料のみが改質部に供給され、空気は改質部に供給されないので、改質触媒の酸化劣化を防止することができる。
制御部は、第２制御処理を実行するときは、温度検出部により検出された改質部の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度以上になると、切換バルブを循環位置から通常位置に切り換えるように制御すると共に、燃焼室に空気及び燃料を供給するように第１スロットルバルブ及び燃料噴射弁を制御してもよい。このような構成では、温度検出部の検出値に基づいて、切換バルブを循環位置から通常位置に切り換えるタイミングを容易に判断することができる。
バイパス流路の一端は、ガス供給流路に接続され、バイパス流路の他端は、改質ガス流路に接続されており、切換バルブは、改質ガス流路に配設されており、通常位置は、改質ガス流路を開くと共にバイパス流路を閉じる位置であり、循環位置は、改質ガス流路を閉じると共にバイパス流路を開く位置であり、バイパス流路には、改質部をすり抜けた燃料を吸引するポンプが配設されていてもよい。このような構成では、ポンプを作動させることにより、改質ガス流路にガス流れが形成されるため、改質部をすり抜けた燃料がバイパス流路を循環するようになる。この場合には、バイパス流路を短くして、改質部をすり抜けた燃料を早く改質部の上流側に戻すことができる。従って、燃焼開始後の燃料を早く暖めることができる。
エンジンシステムは、改質部の温度を検出する温度検出部を更に備え、改質部は、燃料を水素に分解する改質触媒を有し、制御部は、第１制御処理を実行するときは、改質部に燃料を供給するように燃料供給部を制御し、その後温度検出部により検出された改質部の温度が予め定められた第１規定温度以上になると、改質部に燃料及び空気を供給するように燃料供給部及び第２スロットルバルブを制御してもよい。このような構成では、エンジンの始動直後は、燃料のみが改質部に供給され、空気は改質部に供給されないので、改質触媒の酸化劣化を防止することができる。
制御部は、第２制御処理を実行するときは、温度検出部により検出された改質部の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度以上になると、切換バルブを循環位置から通常位置に切り換えるように制御すると共に、燃焼室に空気及び燃料を供給するように第１スロットルバルブ及び燃料噴射弁を制御してもよい。このような構成では、温度検出部の検出値に基づいて、切換バルブを循環位置から通常位置に切り換えるタイミングを容易に判断することができる。
エンジンは、燃料としてアンモニアを使用するアンモニアエンジンであってもよい。エンジンの燃焼室において、アンモニアに水素が混合されると、アンモニアが燃焼しやすくなる。そこで、本発明のエンジンシステムをアンモニアエンジンに適用することが効果的である。この場合には、エンモニアエンジンの始動時にエンモニアが排出されることが防止される。
本発明によれば、エンジンの始動時に燃料が排出されることを防止できる。
本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムを示す概略構成図である。 図１に示されたエンジンシステムの制御系の構成を示すブロック図である。 図２に示されたコントローラにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るエンジンシステムを示す概略構成図である。 図４に示されたエンジンシステムの制御系の構成を示すブロック図である。 図５に示されたコントローラにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムを示す概略構成図である。図１において、本実施形態のエンジンシステム１は、車両に搭載されている。エンジンシステム１は、アンモニアエンジン２と、吸気通路３と、排気通路４と、複数（ここでは４つ）のメインインジェクタ５と、メインスロットルバルブ６とを備えている。
アンモニアエンジン２は、アンモニア（ＮＨ３）を燃料として使用するエンジンである。アンモニアエンジン２は、ここでは４気筒エンジンであり、４つの燃焼室２ａを有している。各燃焼室２ａには、アンモニアと共に水素が供給される（後述）。
吸気通路３は、アンモニアエンジン２の各燃焼室２ａに接続されている。吸気通路３は、各燃焼室２ａに供給される空気が流れる通路である。吸気通路３には、空気に含まれる塵及び埃等の異物を除去するエアクリーナ７が配設されている。
排気通路４は、アンモニアエンジン２の各燃焼室２ａに接続されている。排気通路４は、各燃焼室２ａから発生した排気ガスが流れる通路である。排気通路４には、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）及びアンモニア等の有害物質を除去する排気浄化触媒８が配設されている。排気浄化触媒８としては、例えば三元触媒またはＳＣＲ（SelectiveCatalytic Reduction）触媒等が用いられる。
メインインジェクタ５は、燃焼室２ａに向けて燃料であるアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を噴射する電磁式の燃料噴射弁である。各メインインジェクタ５は、後述する気化器１１とアンモニア流路９を介して接続されている。
メインスロットルバルブ６は、吸気通路３におけるエアクリーナ７とアンモニアエンジン２との間に配設されている。メインスロットルバルブ６は、各燃焼室２ａに供給される空気の流量を制御する電磁式の第１スロットルバルブである。
また、エンジンシステム１は、アンモニアタンク１０と、気化器１１と、改質装置１２と、ガス供給流路１３と、改質スロットルバルブ１４と、改質インジェクタ１５と、改質ガス流路１６と、クーラ１７と、バイパス流路１８と、切換バルブ１９とを備えている。
アンモニアタンク１０は、アンモニアを液体状態で貯蔵するタンクである。気化器１１は、アンモニアタンク１０に貯蔵された液体状態のアンモニアを気化させて、アンモニアガスを生成する。
改質装置１２は、電気ヒータ２０と、改質器２１と、電気ヒータ２０及び改質器２１を収容する円筒状の筐体２２とを有している。電気ヒータ２０は、筐体２２内における改質器２１よりも上流側（メインインジェクタ５側）に配置されている。電気ヒータ２０は、改質器２１に供給されるアンモニアガスを加熱する。電気ヒータ２０は、例えばハニカム構造を呈する発熱体を有し、通電により発熱する。電気ヒータ２０内をアンモニアガスが流通することで、電気ヒータ２０の熱によりアンモニアガスが加熱される。
改質器２１は、電気ヒータ２０により加熱されたアンモニアガスを改質して、水素を含有した改質ガスを生成する改質部である。改質器２１は、例えばハニカム構造を呈する担体２１ａを有している。担体２１ａには、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒２１ｂが塗布されている。改質触媒２１ｂは、アンモニアガスを水素に分解する機能に加え、アンモニアガスを燃焼させる機能も有している。改質触媒２１ｂとしては、例えばルテニウム、パラジウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。
ガス供給流路１３は、吸気通路３と改質器２１とを接続している。具体的には、ガス供給流路１３の一端は、吸気通路３におけるエアクリーナ７とメインスロットルバルブ６との間の部分に分岐接続されている。ガス供給流路１３の他端は、改質器２１に接続されている。ガス供給流路１３は、改質器２１に供給される空気及びアンモニアガスが流れる流路である。
改質スロットルバルブ１４は、ガス供給流路１３に配設されている。改質スロットルバルブ１４は、改質器２１に供給される空気の流量を制御する電磁式の第２スロットルバルブである。
改質インジェクタ１５は、気化器１１とアンモニア流路２３を介して接続されている。改質インジェクタ１５は、改質器２１に向けて燃料であるアンモニアガスを噴射する電磁式の燃料噴射弁である。具体的は、改質インジェクタ１５は、ガス供給流路１３における改質スロットルバルブ１４と改質装置１２との間にアンモニアガスを噴射する。アンモニアタンク１０、気化器１１、アンモニア流路２３及び改質インジェクタ１５は、改質器２１にアンモニアガスを供給する燃料供給部２４を構成している。
改質ガス流路１６は、改質器２１と吸気通路３とを接続している。具体的には、改質ガス流路１６の一端は、改質器２１に接続されている。改質ガス流路１６の他端は、吸気通路３におけるメインスロットルバルブ６とアンモニアエンジン２との間の部分に分岐接続されている。改質ガス流路１６は、改質器２１により生成された改質ガスがアンモニアエンジン２の燃焼室２ａに向かって流れる流路である。
クーラ１７は、改質ガス流路１６に配設されている。クーラ１７は、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａに供給される改質ガスを冷却する。クーラ１７は、例えばエンジン冷却水との熱交換によって改質ガスを冷却する。クーラ１７により改質ガスを冷却することにより、改質ガスの体積膨張が抑制されるため、改質ガスが燃焼室２ａに入りやすくなる。
バイパス流路１８は、改質装置１２及びアンモニアエンジン２をバイパスするようにガス供給流路１３及び排気通路４に接続されている。バイパス流路１８は、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスを改質器２１の上流側に循環させる流路である。
バイパス流路１８の一端は、ガス供給流路１３における改質スロットルバルブ１４と改質装置１２との間の部分に分岐接続されている。より具体的には、バイパス流路１８の一端は、ガス供給流路１３における改質インジェクタ１５と改質装置１２との間の部分に分岐接続されている。バイパス流路１８の他端は、排気通路４に切換バルブ１９を介して分岐接続されている。具体的には、バイパス流路１８の他端は、排気通路４におけるアンモニアエンジン２と排気浄化触媒８との間の部分に切換バルブ１９を介して分岐接続されている。
切換バルブ１９は、排気通路４におけるバイパス流路１８との分岐部に配設されている。切換バルブ１９は、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスをバイパス流路１８に流さない通常位置１９ａと、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスをバイパス流路１８に流す循環位置１９ｂとを切り換える。通常位置１９ａは、排気通路４を開くと共にバイパス流路１８を閉じる位置である。循環位置１９ｂは、排気通路４を閉じると共にバイパス流路１８を開く位置である。切換バルブ１９としては、例えば電磁式の三方弁が使用される。
また、エンジンシステム１は、スタータモータ２５と、温度センサ２６と、コントローラ２８とを備えている。
スタータモータ２５は、アンモニアエンジン２を始動させるモータである。温度センサ２６は、改質器２１の温度を検出する温度検出部である。温度センサ２６は、例えば改質器２１の改質触媒２１ｂの温度を検出する。
コントローラ２８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。コントローラ２８には、イグニッションスイッチ２９（ＩＧスイッチ）が接続されている。イグニッションスイッチ２９は、車両の運転者がアンモニアエンジン２の始動及び停止を指示するための手動操作スイッチである。
コントローラ２８は、図２に示されるように、イグニッションスイッチ２９の操作信号と温度センサ２６の検出値とに基づいて、メインインジェクタ５、メインスロットルバルブ６、改質スロットルバルブ１４、改質インジェクタ１５、電気ヒータ２０、切換バルブ１９及びスタータモータ２５を制御する制御部である。
コントローラ２８は、第１制御処理部３０と、第２制御処理部３１とを有している。第１制御処理部３０及び第２制御処理部３１は、アンモニアエンジン２の始動時に制御処理を実行する。
第１制御処理部３０は、切換バルブ１９を循環位置１９ｂに切り換えた状態で、改質器２１にアンモニアガス及び空気を供給するように改質インジェクタ１５及び改質スロットルバルブ１４を制御する第１制御処理を実行する。
第１制御処理部３０は、第１制御処理を実行するときは、アンモニアエンジン２をクランキングさせるようにスタータモータ２５を制御する。また、第１制御処理部３０は、第１制御処理を実行するときは、改質器２１にアンモニアガスを供給するように改質インジェクタ１５を制御し、その後温度センサ２６により検出された改質器２１の温度が予め定められた第１規定温度（後述）以上になると、改質器２１にアンモニアガス及び空気を供給するように改質インジェクタ１５及び改質スロットルバルブ１４を制御する。
第２制御処理部３１は、第１制御処理部を実行した後、切換バルブ１９を循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるように制御すると共に、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａに空気及びアンモニアガスを供給するようにメインスロットルバルブ６及びメインインジェクタ５を制御する第２制御処理を実行する。
第２制御処理部３１は、第２制御処理を実行するときは、温度センサ２６により検出された改質器２１の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度（後述）以上になると、切換バルブ１９を循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるように制御すると共に、燃焼室２ａに空気及びアンモニアガスを供給するようにメインスロットルバルブ６及びメインインジェクタ５を制御する。
図３は、コントローラ２８により実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。本処理の実行前には、メインインジェクタ５、メインスロットルバルブ６、改質スロットルバルブ１４及び改質インジェクタ１５は、閉じた状態となっている。切換バルブ１９は、通常位置１９ａから循環位置１９ｂに切り換えられた状態となっている。
図３において、コントローラ２８は、まずイグニッションスイッチ２９の操作信号に基づいて、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されたかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。
コントローラ２８は、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されたと判断したときは、アンモニアエンジン２をクランキングさせるようにスタータモータ２５を制御する（手順Ｓ１０２）。これにより、アンモニアエンジン２が始動する。そして、コントローラ２８は、電気ヒータ２０を通電するように制御する（手順Ｓ１０３）。これにより、電気ヒータ２０が発熱する。
続いて、コントローラ２８は、改質インジェクタ１５からアンモニアガスを噴射させるように改質インジェクタ１５を制御する（手順Ｓ１０４）。これにより、アンモニアガスが改質器２１に供給される。このとき、電気ヒータ２０によりアンモニアガスが加熱されるため、アンモニアガスの熱により改質器２１が昇温する。
続いて、コントローラ２８は、温度センサ２６の検出値に基づいて、改質器２１の温度が第１規定温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０５）。第１規定温度は、アンモニアガスの燃焼が可能となる温度であり、例えば２００℃程度である。コントローラ２８は、改質器２１の温度が第１規定温度以上であると判断したときは、電気ヒータ２０の通電を停止するように電気ヒータ２０を制御する（手順Ｓ１０６）。
そして、コントローラ２８は、改質スロットルバルブ１４を開くように制御する（手順Ｓ１０７）。これにより、改質器２１に空気が供給されるため、改質器２１においてアンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱により改質器２１が更に昇温する。そして、改質器２１がアンモニアガスの改質が可能となる温度（例えば３００℃〜４００℃程度）まで昇温すると、改質器２１においてアンモニアガスの改質が開始され、水素を含有した改質ガスが生成される。
続いて、コントローラ２８は、温度センサ２６の検出値に基づいて、改質器２１の温度が第２規定温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０８）。第２規定温度は、アンモニアエンジン２においてアンモニアガスを安定的に燃焼させることが可能な量の水素が生成されるような温度であり、例えば５００℃〜６００℃程度である。
コントローラ２８は、改質器２１の温度が第２規定温度以上であると判断したときは、切換バルブ１９を循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるように制御する（手順Ｓ１０９）。
続いて、コントローラ２８は、メインスロットルバルブ６を開くように制御する（手順Ｓ１１０）。これにより、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａに空気が供給される。そして、コントローラ２８は、メインインジェクタ５からアンモニアガスを噴射させるようにメインインジェクタ５を制御する（手順Ｓ１１１）。これにより、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａにアンモニアガスが供給される。
ここで、第１制御処理部３０は、手順Ｓ１０１〜Ｓ１０７を実行する。第２制御処理部３１は、手順Ｓ１０８〜Ｓ１１１を実行する。
以上のようなエンジンシステム１において、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されると、スタータモータ２５によりアンモニアエンジン２が始動する。そして、電気ヒータ２０が通電されるため、電気ヒータ２０が発熱する。
次いで、改質インジェクタ１５からガス供給流路１３にアンモニアガスが噴射し、アンモニアガスが改質器２１に供給される。このとき、電気ヒータ２０によりアンモニアガスが加熱される。そして、暖められたアンモニアガスの熱によって改質器２１が加熱されるため、改質器２１が昇温する。
ここで、改質器２１の温度が第１規定温度に達する前は、改質器２１によりアンモニアガスが改質されず、アンモニアガスが改質器２１をすり抜けてアンモニアエンジン２に供給される。このとき、アンモニアエンジン２は始動されているため、アンモニアガスがアンモニアエンジン２を通って排気通路４に流れるが、切換バルブ１９は循環位置１９ｂにある。このため、アンモニアエンジン２を通り抜けたアンモニアガスは、バイパス流路１８を流れてガス供給流路１３に戻り、排気浄化触媒８に流れることは殆どない。
改質器２１の温度が第１規定温度に達すると、電気ヒータ２０の通電が停止するため、電気ヒータ２０によるアンモニアガスの加熱が終了する。そして、改質スロットルバルブ１４が開弁し、改質器２１に空気が供給される。すると、改質器２１の改質触媒２１ｂによってアンモニアガスが着火して燃焼し、その燃焼熱により改質器２１が更に昇温する。具体的には、下記式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応（酸化反応）することで、アンモニアの燃焼反応が起こり、燃焼熱が発生する。
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋Ｑ
そして、改質器２１がアンモニアガスの改質が可能となる温度に達すると、改質器２１の改質触媒２１ｂによってアンモニアガスの改質が開始され、水素を含有した改質ガスが生成される。具体的には、下記式のように、アンモニアの燃焼熱によってアンモニアが水素と窒素とに分解される改質反応が起こり、水素及び窒素を含む改質ガスが生成される。 ＮＨ３→３／２Ｈ２＋１／２Ｎ２−Ｑ
ただし、アンモニアガスの改質率が低く、改質器２１をすり抜けるアンモニアガスの量が多い状態では、上述したように改質器２１及びアンモニアエンジン２をすり抜けたアンモニアガスがバイパス流路１８を循環する。
改質器２１において水素がリッチな状態の改質ガスが生成され、改質器２１の温度が第２規定温度に達すると、切換バルブ１９が循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えられる。
次いで、メインスロットルバルブ６が開弁し、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａに空気が供給される。すると、燃焼室２ａにおいて改質ガスが燃焼する。そして、メインインジェクタ５から燃焼室２ａにアンモニアガスが噴射する。これにより、燃焼室２ａにおいてアンモニアガスが改質ガス中の水素と共に燃焼するようになる。従って、エンジンシステム１は、改質器２１の暖気が完了した後の定常動作となる。
以上のように本実施形態にあっては、アンモニアエンジン２の始動時には、切換バルブ１９を循環位置１９ｂに切り換えた状態で、改質器２１にアンモニアガス及び空気を供給するように燃料供給部２４の改質インジェクタ１５及び改質スロットルバルブ１４を制御する第１制御処理が実行される。すると、改質器２１においてアンモニアガスが燃焼するため、燃焼熱により改質器２１が昇温する。しかし、改質器２１が改質可能な温度に達するまでは、改質器２１において水素を含有した改質ガスが生成されず、アンモニアガスが改質器２１をすり抜ける。そして、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスは、バイパス流路１８を流れて改質器２１の上流側に戻る。このようにアンモニアガスが改質器２１をすり抜けても、そのアンモニアガスはバイパス流路１８を循環するようになる。これにより、アンモニアエンジン２の始動時にアンモニアガスが排出されることが防止される。その結果、エンジンシステム１の外部に排出されるアンモニアガスの後処理が不要となるため、後処理装置としての排気浄化触媒８の体格を小さくすることができる。また、他の後処理装置としてアンモニアを吸着する吸着器等を備える必要がなくなる。
また、本実施形態では、バイパス流路１８の一端は、ガス供給流路１３に接続され、バイパス流路１８の他端は、排気通路４に接続されており、第１制御処理を実行するときは、アンモニアエンジン２がクランキングするように制御される。このようにアンモニアエンジン２をクランキングさせることにより、吸気通路３及び排気通路４にガス流れが形成されるため、改質器２１をすり抜けてアンモニアエンジン２を通ったアンモニアガスがバイパス流路１８を循環するようになる。この場合には、例えばエンジンのＥＧＲ（排気再循環）システムを応用することで、バイパス流路１８及び切換バルブ１９を容易に実現することができる。また、ガス流れを形成するための装置を別途備えなくて済む。
また、本実施形態では、アンモニアエンジン２の始動直後は、アンモニアガスのみが改質器２１に供給され、空気は改質器２１に供給されないので、改質器２１の改質触媒２１ｂの酸化劣化を防止することができる。
また、本実施形態では、温度センサ２６の検出値に基づいて、切換バルブ１９を循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるタイミングを容易に判断することができる。
図４は、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステムを示す概略構成図である。図４において、本実施形態のエンジンシステム１Ａは、上記の第１実施形態におけるバイパス流路１８及び切換バルブ１９に代えて、バイパス流路１８Ａ及び切換バルブ１９Ａを備えている。
バイパス流路１８Ａは、改質装置１２をバイパスするようにガス供給流路１３及び改質ガス流路１６に接続されている。バイパス流路１８Ａは、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスを改質器２１の上流側に循環させる流路である。
バイパス流路１８Ａの一端は、上記のバイパス流路１８と同様に、ガス供給流路１３における改質スロットルバルブ１４と改質装置１２との間の部分に分岐接続されている。バイパス流路１８Ａの他端は、改質ガス流路１６に切換バルブ１９Ａを介して分岐接続されている。具体的には、バイパス流路１８Ａの他端は、改質ガス流路１６における改質器２１とクーラ１７との間の部分に切換バルブ１９Ａを介して分岐接続されている。
バイパス流路１８Ａには、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスを改質器２１の上流側に吸引するポンプ４０が配設されている。
切換バルブ１９Ａは、改質ガス流路１６におけるバイパス流路１８Ａとの分岐部に配設されている。切換バルブ１９Ａは、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスをバイパス流路１８Ａに流さない通常位置１９ａと、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスをバイパス流路１８Ａに流す循環位置１９ｂとを切り換える。通常位置１９ａは、改質ガス流路１６を開くと共にバイパス流路１８Ａを閉じる位置である。循環位置１９ｂは、改質ガス流路１６を閉じると共にバイパス流路１８Ａを開く位置である。
また、エンジンシステム１Ａは、上記の第１実施形態におけるコントローラ２８に代えて、コントローラ２８Ａを備えている。コントローラ２８Ａは、図５に示されるように、イグニッションスイッチ２９の操作信号と温度センサ２６の検出値とに基づいて、メインインジェクタ５、メインスロットルバルブ６、改質スロットルバルブ１４、改質インジェクタ１５、電気ヒータ２０、切換バルブ１９、スタータモータ２５及びポンプ４０を制御する。
コントローラ２８Ａは、第１制御処理部３０Ａと、第２制御処理部３１Ａを有している。第１制御処理部３０Ａ及び第２制御処理部３１Ａは、アンモニアエンジン２の始動時に制御処理を実行する。
第１制御処理部３０Ａは、切換バルブ１９Ａを循環位置１９ｂに切り換えた状態で、改質器２１にアンモニアガス及び空気を供給するように改質インジェクタ１５及び改質スロットルバルブ１４を制御する第１制御処理を実行する。
第１制御処理部３０Ａは、第１制御処理を実行するときは、改質器２１にアンモニアガスを供給するように改質インジェクタ１５を制御し、その後温度センサ２６により検出された改質器２１の温度が予め定められた第１規定温度以上になると、改質器２１にアンモニアガス及び空気を供給するように改質インジェクタ１５及び改質スロットルバルブ１４を制御する。
第２制御処理部３１Ａは、第１制御処理部を実行した後、切換バルブ１９Ａを循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるように制御すると共に、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａに空気及びアンモニアガスを供給するようにメインスロットルバルブ６及びメインインジェクタ５を制御する第２制御処理を実行する。
第２制御処理部３１Ａは、第２制御処理を実行するときは、温度センサ２６により検出された改質器２１の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度以上になると、切換バルブ１９Ａを循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるように制御すると共に、燃焼室２ａに空気及びアンモニアガスを供給するようにメインスロットルバルブ６及びメインインジェクタ５を制御する。
図６は、コントローラ２８Ａにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。本処理の実行前には、メインインジェクタ５、メインスロットルバルブ６、改質スロットルバルブ１４及び改質インジェクタ１５は、閉じた状態となっている。切換バルブ１９Ａは、通常位置１９ａから循環位置１９ｂに切り換えられた状態となっている。
図６において、コントローラ２８Ａは、まずイグニッションスイッチ２９の操作信号に基づいて、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されたかどうかを判断する（手順Ｓ１２１）。
コントローラ２８Ａは、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されたと判断したときは、ポンプ４０を作動させるように制御する（手順Ｓ１２２）。また、コントローラ２８Ａは、電気ヒータ２０を通電するように制御する（手順Ｓ１２３）。これにより、電気ヒータ２０が発熱する。
続いて、コントローラ２８Ａは、改質インジェクタ１５からアンモニアガスを噴射させるように改質インジェクタ１５を制御する（手順Ｓ１２４）。これにより、アンモニアガスが改質器２１に供給される。このとき、電気ヒータ２０によりアンモニアガスが加熱されるため、アンモニアガスの熱により改質器２１が昇温する。
続いて、コントローラ２８Ａは、温度センサ２６の検出値に基づいて、改質器２１の温度が第１規定温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１２５）。コントローラ２８Ａは、改質器２１の温度が第１規定温度以上であると判断したときは、電気ヒータ２０の通電を停止するように電気ヒータ２０を制御する（手順Ｓ１２６）。
そして、コントローラ２８Ａは、改質スロットルバルブ１４を開くように制御する（手順Ｓ１２７）。これにより、改質器２１に空気が供給されるため、改質器２１においてアンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱により改質器２１が更に昇温する。そして、改質器２１がアンモニアガスの改質が可能となる温度まで昇温すると、改質器２１においてアンモニアガスの改質が開始され、水素を含有した改質ガスが生成される。
続いて、コントローラ２８Ａは、温度センサ２６の検出値に基づいて、改質器２１の温度が第２規定温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１２８）。コントローラ２８Ａは、改質器２１の温度が第２規定温度以上であると判断したときは、ポンプ４０の作動を停止するようにポンプ４０を制御する（手順Ｓ１２９）。そして、コントローラ２８Ａは、切換バルブ１９Ａを循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるように制御する（手順Ｓ１３０）。
続いて、コントローラ２８Ａは、アンモニアエンジン２をクランキングさせるようにスタータモータ２５を制御する（手順Ｓ１３１）。これにより、アンモニアエンジン２が始動する。そして、コントローラ２８Ａは、メインスロットルバルブ６を開くように制御する（手順Ｓ１３２）。これにより、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａに空気が供給される。そして、コントローラ２８Ａは、メインインジェクタ５からアンモニアガスを噴射させるようにメインインジェクタ５を制御する（手順Ｓ１３３）。これにより、燃焼室２ａにアンモニアガスが供給される。
ここで、第１制御処理部３０Ａは、手順Ｓ１２１〜Ｓ１２７を実行する。第２制御処理部３１Ａは、手順Ｓ１２８〜Ｓ１３３を実行する。
以上のようなエンジンシステム１Ａにおいて、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されると、ポンプ４０が作動する。また、電気ヒータ２０が通電されるため、電気ヒータ２０が発熱する。
次いで、改質インジェクタ１５からガス供給流路１３にアンモニアガスが噴射し、アンモニアガスが改質器２１に供給される。このとき、電気ヒータ２０によりアンモニアガスが加熱される。そして、暖められたアンモニアガスの熱によって改質器２１が加熱されるため、改質器２１が昇温する。
ここで、改質器２１の温度が第１規定温度に達する前は、改質器２１によりアンモニアガスが改質されず、アンモニアガスが改質器２１をすり抜ける。このとき、切換バルブ１９Ａは、循環位置１９ｂにある。このため、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスは、バイパス流路１８Ａを流れてガス供給流路１３に戻り、アンモニアエンジン２に供給されることはない。
改質器２１の温度が第１規定温度に達すると、電気ヒータ２０の通電が停止するため、電気ヒータ２０によるアンモニアガスの加熱が終了する。そして、改質スロットルバルブ１４が開弁し、改質器２１に空気が供給される。すると、改質器２１の改質触媒２１ｂによってアンモニアガスが着火して燃焼し、その燃焼熱により改質器２１が更に昇温する。
そして、改質器２１がアンモニアガスの改質が可能となる温度に達すると、改質器２１の改質触媒２１ｂによってアンモニアガスの改質が開始され、水素を含有した改質ガスが生成される。ただし、アンモニアガスの改質率が低く、改質器２１をすり抜けるアンモニアガスの量が多い状態では、上述したように改質器２１をすり抜けたアンモニアガスがバイパス流路１８Ａを循環する。
改質器２１において水素がリッチな状態の改質ガスが生成され、改質器２１の温度が第２規定温度に達すると、ポンプ４０の作動が停止し、切換バルブ１９Ａが循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えられる。これにより、改質ガスがアンモニアエンジン２の燃焼室２ａに供給される。そして、スタータモータ２５によりアンモニアエンジン２が始動する。
次いで、メインスロットルバルブ６が開弁し、燃焼室２ａに空気が供給される。すると、燃焼室２ａにおいて改質ガスが燃焼する。そして、メインインジェクタ５から燃焼室２ａにアンモニアガスが噴射する。これにより、燃焼室２ａにおいてアンモニアガスが改質ガス中の水素と共に燃焼するようになる。
以上のように本実施形態においては、上記の第１実施形態と同様に、アンモニアガスが改質器２１をすり抜けても、そのアンモニアガスはバイパス流路１８Ａを循環するようになる。これにより、アンモニアエンジン２の始動時にアンモニアガスが排出されることが防止される。
また、本実施形態では、バイパス流路１８Ａの一端は、ガス供給流路１３に接続され、バイパス流路１８Ａの他端は、改質ガス流路１６に接続されており、バイパス流路１８Ａには、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスを吸引するポンプ４０が配設されている。このようなポンプ４０を作動させることにより、改質ガス流路１６にガス流れが形成されるため、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスがバイパス流路１８Ａを循環するようになる。この場合には、バイパス流路１８Ａを短くして、改質器２１をすり抜けたアンモニアガスを早く改質器２１の上流側に戻すことができる。従って、燃焼開始後のアンモニアガスを早く暖めることができる。
なお、本実施形態では、バイパス流路１８Ａの他端は、改質ガス流路１６における改質器２１とクーラ１７との間の部分に接続されているが、バイパス流路１８Ａの他端の接続箇所としては、特にそれには限られず、改質ガス流路１６におけるクーラ１７と吸気通路３の間の部分であってもよい。この場合には、クーラ１７の電源を必要に応じてＯＮ／ＯＦＦさせてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、温度センサ２６の検出値に基づいて、改質スロットルバルブ１４を開くタイミングが制御されているが、特にその形態には限られない。例えばアンモニアガスの流量、空気の流量、時間及び室温等から改質器２１の温度を推定することが可能であるため、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されてからの時間に基づいて、改質スロットルバルブ１４を開くタイミングを制御してもよい。同様に、イグニッションスイッチ２９がＯＮ操作されてからの時間に基づいて、切換バルブ１９を循環位置１９ｂから通常位置１９ａに切り換えるタイミングを制御してもよい。
また、上記実施形態では、バイパス流路１８，１８Ａの一端は、ガス供給流路１３における改質インジェクタ１５と改質装置１２との間の部分に接続されているが、特にその形態には限られない。例えば改質インジェクタ１５の耐熱性が高い場合には、バイパス流路１８，１８Ａの一端は、ガス供給流路１３における改質スロットルバルブ１４と改質インジェクタ１５との間の部分に接続されていてもよい。
また、上記実施形態では、まずアンモニアガスのみが改質器２１に供給され、その後にアンモニアガス及び空気が改質器２１に供給されているが、特にその形態には限られず、最初からアンモニアガス及び空気を同時に改質器２１に供給してもよい。
また、上記実施形態では、電気ヒータ２０によりアンモニアガスが加熱され、電気ヒータ２０により暖められたアンモニアガスの熱によって改質器２１が加熱されているが、特にその形態には限られず、電気ヒータ２０により改質器２１を直接加熱してもよい。
また、上記実施形態では、改質器２１に向けてアンモニアガスを噴射する改質インジェクタ１５が備えられているが、特にその形態には限られず、例えば改質インジェクタ１５に代えて、流量調整弁を用いてもよい。この場合には、アンモニア流路２３をガス供給流路１３に接続すると共に、アンモニア流路２３に流量調整弁を配設する。流量調整弁を用いることにより、アンモニアガスを改質器２１に連続供給することができる。
また、上記実施形態では、改質ガス流路１６の他端が吸気通路３に接続されているが、特にその形態には限られず、例えば改質ガス流路１６の他端に、アンモニアエンジン２または吸気通路３に向けて改質ガスを噴射するインジェクタを設けてもよい。
また、上記実施形態のエンジンシステム１，１Ａは、燃料としてアンモニアを使用するアンモニアエンジン２を備えているが、本発明は、特にアンモニアエンジンには限られず、水素を含有した改質ガスを必要とするエンジンであれば適用可能である。
１，１Ａ…エンジンシステム、２…アンモニアエンジン（エンジン）、２ａ…燃焼室、３…吸気通路、４…排気通路、５…メインインジェクタ（燃料噴射弁）、６…メインスロットルバルブ（第１スロットルバルブ）、１３…ガス供給流路、１４…改質スロットルバルブ（第２スロットルバルブ）、１６…改質ガス流路、１８，１８Ａ…バイパス流路、１９，１９Ａ…切換バルブ、１９ａ…通常位置、１９ｂ…循環位置、２１…改質器（改質部）、２１ｂ…改質触媒、２４…燃料供給部、２５…スタータモータ、２６…温度センサ（温度検出部）、２８，２８Ａ…コントローラ（制御部）、３０，３０Ａ…第１制御処理部、３１，３１Ａ…第２制御処理部、４０…ポンプ。

Claims (8)

  1. 燃焼室を有するエンジンと、
    前記燃焼室に供給される空気が流れる吸気通路と、
    前記燃焼室から発生した排気ガスが流れる排気通路と、
    前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    前記吸気通路に配設され、前記燃焼室に供給される前記空気の流量を制御する第１スロットルバルブと、
    前記燃料を改質して水素を含有した改質ガスを生成する改質部と、
    前記改質部に供給される前記空気が流れるガス供給流路と、
    前記改質部に前記燃料を供給する燃料供給部と、
    前記ガス供給流路に配設され、前記改質部に供給される前記空気の流量を制御する第２スロットルバルブと、
    前記改質部により生成された前記改質ガスが前記燃焼室に向かって流れる改質ガス流路と、
    前記改質部をバイパスするように前記ガス供給流路に一端が接続され、前記改質部をすり抜けた前記燃料を前記改質部の上流側に循環させるバイパス流路と、
    前記改質部をすり抜けた前記燃料を前記バイパス流路に流さない通常位置と前記改質部をすり抜けた前記燃料を前記バイパス流路に流す循環位置とを切り換える切換バルブと、
    前記燃料噴射弁、前記第１スロットルバルブ、前記燃料供給部、前記第２スロットルバルブ及び前記切換バルブを制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記切換バルブを前記循環位置に切り換えた状態で、前記改質部に前記燃料及び前記空気を供給するように前記燃料供給部及び前記第２スロットルバルブを制御する第１制御処理を実行した後、前記切換バルブを前記循環位置から前記通常位置に切り換えるように制御すると共に、前記燃焼室に前記空気及び前記燃料を供給するように前記第１スロットルバルブ及び前記燃料噴射弁を制御する第２制御処理を実行するエンジンシステム。
  2. 前記バイパス流路の一端は、前記ガス供給流路に接続され、
    前記バイパス流路の他端は、前記排気通路に接続されており、
    前記切換バルブは、前記排気通路に配設されており、
    前記通常位置は、前記排気通路を開くと共に前記バイパス流路を閉じる位置であり、
    前記循環位置は、前記排気通路を閉じると共に前記バイパス流路を開く位置であり、
    前記制御部は、前記第１制御処理を実行するときは、前記エンジンをクランキングさせるように制御する請求項１記載のエンジンシステム。
  3. 前記改質部の温度を検出する温度検出部を更に備え、
    前記改質部は、前記燃料を水素に分解する改質触媒を有し、
    前記制御部は、前記第１制御処理を実行するときは、前記改質部に前記燃料を供給するように前記燃料供給部を制御し、その後前記温度検出部により検出された前記改質部の温度が予め定められた第１規定温度以上になると、前記改質部に前記燃料及び前記空気を供給するように前記燃料供給部及び前記第２スロットルバルブを制御する請求項２記載のエンジンシステム。
  4. 前記制御部は、前記第２制御処理を実行するときは、前記温度検出部により検出された前記改質部の温度が前記第１規定温度よりも高い第２規定温度以上になると、前記切換バルブを前記循環位置から前記通常位置に切り換えるように制御すると共に、前記燃焼室に前記空気及び前記燃料を供給するように前記第１スロットルバルブ及び前記燃料噴射弁を制御する請求項３記載のエンジンシステム。
  5. 前記バイパス流路の一端は、前記ガス供給流路に接続され、
    前記バイパス流路の他端は、前記改質ガス流路に接続されており、
    前記切換バルブは、前記改質ガス流路に配設されており、
    前記通常位置は、前記改質ガス流路を開くと共に前記バイパス流路を閉じる位置であり、
    前記循環位置は、前記改質ガス流路を閉じると共に前記バイパス流路を開く位置であり、
    前記バイパス流路には、前記改質部をすり抜けた前記燃料を吸引するポンプが配設されている請求項１記載のエンジンシステム。
  6. 前記改質部の温度を検出する温度検出部を更に備え、
    前記改質部は、前記燃料を水素に分解する改質触媒を有し、
    前記制御部は、前記第１制御処理を実行するときは、前記改質部に前記燃料を供給するように前記燃料供給部を制御し、その後前記温度検出部により検出された前記改質部の温度が予め定められた第１規定温度以上になると、前記改質部に前記燃料及び前記空気を供給するように前記燃料供給部及び前記第２スロットルバルブを制御する請求項５記載のエンジンシステム。
  7. 前記制御部は、前記第２制御処理を実行するときは、前記温度検出部により検出された前記改質部の温度が前記第１規定温度よりも高い第２規定温度以上になると、前記切換バルブを前記循環位置から前記通常位置に切り換えるように制御すると共に、前記燃焼室に前記空気及び前記燃料を供給するように前記第１スロットルバルブ及び前記燃料噴射弁を制御する請求項６記載のエンジンシステム。
  8. 前記エンジンは、前記燃料としてアンモニアを使用するアンモニアエンジンである請求項１〜７の何れか一項記載のエンジンシステム。
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