JP2021071253A - 燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器での着火性を向上させることができる燃焼システムを提供する。【解決手段】エンジンシステム１は、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１３と、改質ガスに含まれる水素を燃焼させるアンモニアエンジン２と、改質器１３からアンモニアエンジン２に向けて改質ガスが流れるメイン改質ガス流路１８と、メイン改質ガス流路１８をバイパスするように改質器１３とアンモニアエンジン２とを接続し、改質器１３からアンモニアエンジン２に向けて改質ガスが流れるバイパス改質ガス流路２５と、バイパス改質ガス流路２５に配設され、改質ガスに含まれる水分を吸湿する吸湿材２６と、メイン改質ガス流路１８に配設されたメイン開閉バルブ２０と、バイパス改質ガス流路２５における吸湿材２６よりも上流側及び下流側に配設されたバイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼システムに関する。

燃焼システムとしては、例えば特許文献１に記載されているような内燃機関が知られている。特許文献１に記載の内燃機関は、機関本体と、この機関本体の燃焼室に接続された機関吸気通路及び機関排気通路と、水素を発生させる水素発生装置と、この水素発生装置により生成された水素を燃料として燃焼室に供給する水素供給機とを備えている。水素発生装置は、気体のアンモニアを触媒により分解して水素を生成する分解器と、この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、機関吸気通路と接続され、分解器に空気を供給する空気供給管と、機関吸気通路と接続され、分解器で生成された水素を含む気体が流出する流出管とを有している。水素供給機は、機関吸気通路の内部に向かって水素を噴射する燃料噴射弁を有している。

特再公表２０１２−９０７３９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、分解器では、水素と共に水分（Ｈ_２Ｏ）が生成されることがある。燃焼器である機関本体における着火時に、機関本体の燃焼室に水分が入り込むと、着火性が低下し、場合によっては着火されない可能性もある。

本発明の目的は、燃焼器での着火性を向上させることができる燃焼システムを提供することである。

本発明の一態様に係る燃焼システムは、酸化性ガスを用いて燃料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と、改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、改質器に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、改質器により生成された改質ガスに含まれる水素を燃焼させる燃焼器と、改質器と燃焼器とを接続し、改質器から燃焼器に向けて改質ガスが流れるメイン改質ガス流路と、メイン改質ガス流路をバイパスするように改質器と燃焼器とを接続し、改質器から燃焼器に向けて改質ガスが流れるバイパス改質ガス流路と、バイパス改質ガス流路に配設され、改質ガスに含まれる水分を吸湿する吸湿材と、メイン改質ガス流路に配設された第１開閉バルブと、バイパス改質ガス流路における吸湿材よりも上流側に配設された第２開閉バルブと、バイパス改質ガス流路における吸湿材よりも下流側に配設された第３開閉バルブと、改質器の起動時に、第１開閉バルブを閉じるように制御すると共に、第２開閉バルブ及び第３開閉バルブを開くように制御する第１制御部と、第１制御部による制御処理が実行された後、燃焼器において着火が行われたかどうかを判定する着火判定部と、着火判定部により燃焼器において着火が行われたと判定されると、第２開閉バルブを閉じるように制御すると共に、第１開閉バルブを開くように制御する第２制御部とを備える。

このような燃焼システムにおいては、改質器の起動時に、第１開閉バルブを閉じるように制御すると共に、第２開閉バルブ及び第３開閉バルブを開くように制御することにより、改質器により生成された改質ガスは、バイパス改質ガス流路を流れて燃焼器に供給される。このとき、改質ガスに含まれる水分は、吸湿材に吸湿されるため、燃焼器には供給されない。このため、燃焼器において着火が起きやすくなる。そして、燃焼器において着火が行われると、第２開閉バルブを閉じるように制御すると共に、第１開閉バルブを開くように制御することにより、改質器により生成された改質ガスは、メイン改質ガス流路を流れて燃焼器に供給される。吸湿材に吸湿された水分は、気化された状態で吸湿材から取り除かれ、着火後の燃焼器に供給される。以上のように、燃焼器において着火が行われる前に、改質ガスに含まれる水分が燃焼器に入り込むことが防止される。これにより、燃焼器での着火性が向上する。

また、燃焼器において着火が行われると、改質器により生成された改質ガスがメイン改質ガス流路を流れるため、改質ガスが吸湿材を通ることで発生する圧力損失の増大が抑制される。さらに、吸湿材に吸湿された水分が気化されて吸湿材から取り除かれるため、吸湿材を繰り返し使用することが可能となる。従って、吸湿材の体格を小型化することができる。

燃焼システムは、吸湿材を加熱するヒータ部と、着火判定部により燃焼器において着火が行われたと判定されると、吸湿材を加熱するようにヒータ部を制御する第３制御部とを更に備えてもよい。このような構成では、燃焼器において着火が行われると、ヒータ部により吸湿材が加熱される。このため、吸湿材に吸湿された水分は、直ちに気化されて吸湿材から取り除かれる。従って、吸湿材を短時間で乾燥させることができる。

燃焼システムは、吸湿材に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判定する気化判定部と、気化判定部により吸湿材に吸湿された水分の気化が終了したと判定されると、吸湿材の加熱を停止させるようにヒータ部を制御する第４制御部とを更に備えてもよい。このような構成では、吸湿材に吸湿された水分の気化が終了すると、ヒータ部による吸湿材の加熱が停止するため、省電力化を図ることができる。

燃焼システムは、吸湿材に吸湿された水分量が予め決められた規定量以上であるかどうかを判定する吸湿判定部を更に備え、第３制御部は、着火判定部により燃焼器において着火が行われたと判定されると共に、吸湿判定部により吸湿材に吸湿された水分量が規定量以上であると判定されると、吸湿材を加熱するようにヒータ部を制御してもよい。このような構成では、燃焼器において着火が行われても、吸湿材に吸湿された水分量が規定量よりも少ないときは、ヒータ部による吸湿材の加熱が行われない。従って、ヒータ部を頻繁に使用しなくて済むため、更なる省電力化を図ることができる。また、吸湿材に吸湿された水分量が規定量に達するまで、吸湿材を有効利用することができる。

吸湿判定部は、改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスの流量と改質器の運転時間とに基づいて、吸湿材に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうかを判定してもよい。このような構成では、センサを使用すること無く、吸湿材に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうかを安価に判定することができる。

燃焼システムは、吸湿材に吸湿された水分を検出する水分センサを更に備え、吸湿判定部は、水分センサの検出値に基づいて、吸湿材に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうかを判定し、気化判定部は、水分センサの検出値に基づいて、吸湿材に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判定してもよい。このような構成では、水分センサによって吸湿材に吸湿された水分が検出されるため、計算処理を行うことなく、吸湿材に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうか、及び吸湿材に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを正確に判定することができる。また、１つの水分センサが兼用して使用されるため、センサのコストを抑えることができる。

燃焼システムは、燃焼器の温度を検出する温度センサを更に備え、着火判定部は、温度センサの検出値に基づいて、燃焼器において着火が行われたかどうかを判定してもよい。このような構成では、温度センサにより燃焼器の温度が検出されるので、燃焼器において着火が行われたかどうかを容易に判定することができる。

本発明によれば、燃焼器での着火性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼システムとしての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要部を制御系の機能ブロックと共に示す構成図である。 図２に示された制御ユニット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。 本発明の他の実施形態に係る燃焼システムとしてのエンジンシステムの要部を制御系の機能ブロックと共に示す構成図である。 図４に示された制御ユニット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、本発明の一実施形態に係る燃焼システムとしてのエンジンシステムを示す概略構成図である。図２は、図１に示されたエンジンシステムの要部を制御系の機能ブロックと共に示す構成図である。図１及び図２において、本実施形態の燃焼システムであるエンジンシステム１は、例えばエンジン式の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、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（ＮＨ_３）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の内部には、燃焼室（図示せず）が設けられている。アンモニアエンジン２は、燃料ガスであるアンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を水素と共に燃焼させる燃焼器である。これにより、アンモニアエンジン２の燃焼室において、アンモニアガスが燃焼しやすくなる。

吸気通路３は、アンモニアエンジン２に接続されている。吸気通路３は、アンモニアエンジン２の燃焼室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。吸気通路３は、吸気管（配管）により構成されている。

排気通路４は、アンモニアエンジン２に接続されている。排気通路４は、アンモニアエンジン２の燃焼室から発生した排気ガスが流れる通路である。排気通路４は、排気管（配管）により構成されている。排気通路４には、排気ガスに含まれる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、排気通路４に残留するアンモニアを酸化して除去する三元触媒、及び排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアにより窒素（Ｎ_２）に還元するＳＣＲ触媒（選択式還元触媒）等が使用される。

メインインジェクタ５は、アンモニアエンジン２に向けてアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。メインインジェクタ５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との間にアンモニアガスを噴射する。なお、メインインジェクタ５の数としては、複数であってもよい。この場合には、各メインインジェクタ５は、アンモニアエンジン２の燃焼室にアンモニアガスを直接噴射する。

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、アンモニアエンジン２に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。

また、エンジンシステム１は、アンモニアタンク１１と、気化器１２と、改質器１３と、空気流路１４と、改質スロットルバルブ１５と、改質インジェクタ１６と、電気ヒータ１７と、メイン改質ガス流路１８と、改質ガスクーラ１９と、メイン開閉バルブ２０とを備えている。

アンモニアタンク１１は、アンモニアを液体状態で貯蔵する。つまり、アンモニアタンク１１は、液体アンモニアを貯蔵する。気化器１２は、アンモニアタンク１１に貯蔵された液体アンモニアを気化させてアンモニアガスを生成する。

改質器１３は、酸化性ガスである空気を用いて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ＡＴＲ（Autothermal Reformer）式の改質器である。改質器１３は、例えばハニカム構造の担体１３ａを有している。担体１３ａには、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒１３ｂが塗布されている。改質触媒１３ｂ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１３ｂは、例えばＡＴＲ式アンモニア改質触媒である。なお、改質器１３は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒と、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒とを有していてもよい。

空気流路１４は、吸気通路３と改質器１３とを接続している。具体的には、空気流路１４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。空気流路１４の他端は、改質器１３に接続されている。空気流路１４は、改質器１３に供給される空気が流れる流路である。空気流路１４は、配管により構成されている。

改質スロットルバルブ１５は、空気流路１４に配設されている。改質スロットルバルブ１５は、改質器１３に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。

改質インジェクタ１６は、上記のメインインジェクタ５と共に気化器１２とアンモニアガス流路２１を介して接続されている。アンモニアガス流路２１は、気化器１２により生成されたアンモニアガスが流れる流路である。改質インジェクタ１６は、改質器１３に向けてアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。具体的は、改質インジェクタ１６は、空気流路１４における改質スロットルバルブ１５と改質器１３との間にアンモニアガスを噴射する。従って、空気流路１４における改質スロットルバルブ１５と改質器１３との間の部分には、空気及びアンモニアガスが流れることとなる。

空気流路１４及び改質スロットルバルブ１５は、改質器１３に空気を供給する空気供給部２２（酸化性ガス供給部）を構成している。アンモニアタンク１１、気化器１２、アンモニアガス流路２１、改質インジェクタ１６及び空気流路１４は、改質器１３にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部２３（燃料ガス供給部）を構成している。

電気ヒータ１７は、改質器１３に供給されるアンモニアガスを加熱することにより、改質器１３を加熱する。電気ヒータ１７により加熱されたアンモニアガスの熱が改質器１３に伝達されることで、改質器１３が加熱される。なお、電気ヒータ１７は、改質器１３を直接加熱してもよい。改質器１３及び電気ヒータ１７は、例えば円筒状の筐体２４内に収容されている。

メイン改質ガス流路１８は、改質器１３とアンモニアエンジン２とを接続している。具体的には、メイン改質ガス流路１８の一端は、改質器１３に接続されている。メイン改質ガス流路１８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。メイン改質ガス流路１８は、改質器１３により生成された改質ガスがアンモニアエンジン２に向けて流れる流路である。メイン改質ガス流路１８は、配管により構成されている。

改質ガスクーラ１９は、メイン改質ガス流路１８に配設されている。改質ガスクーラ１９は、アンモニアエンジン２に供給される改質ガスを冷却する。

メイン開閉バルブ２０は、メイン改質ガス流路１８における改質器１３と改質ガスクーラ１９との間に配設されている。メイン開閉バルブ２０は、メイン改質ガス流路１８を開閉する第１開閉バルブである。

また、エンジンシステム１は、バイパス改質ガス流路２５と、吸湿材２６と、電気ヒータ２７と、バイパス上流開閉バルブ２８と、バイパス下流開閉バルブ２９とを備えている。

バイパス改質ガス流路２５は、メイン改質ガス流路１８をバイパスするように改質器１３とアンモニアエンジン２とを接続している。具体的には、バイパス改質ガス流路２５の一端は、メイン改質ガス流路１８における改質器１３とメイン開閉バルブ２０との間の部分に分岐接続されている。バイパス改質ガス流路２５の他端は、メイン改質ガス流路１８におけるメイン開閉バルブ２０と改質ガスクーラ１９との間の部分に分岐接続されている。バイパス改質ガス流路２５は、改質器１３からアンモニアエンジン２に向けて改質ガスが流れる流路である。バイパス改質ガス流路２５は、配管により構成されている。

吸湿材２６は、バイパス改質ガス流路２５の途中に配設されている。吸湿材２６は、バイパス改質ガス流路２５を構成する配管内に収容されている。吸湿材２６は、バイパス改質ガス流路２５を流れる改質ガスに含まれる水分を吸湿する。具体的には、吸湿材２６は、改質ガスに含まれる水分を吸収または吸着する。吸湿材２６としては、例えばスポンジ等が使用される。

電気ヒータ２７は、バイパス改質ガス流路２５における吸湿材２６の周囲に配置されている。電気ヒータ２７は、バイパス改質ガス流路２５を構成する配管における吸湿材２６が収容された領域の外側に配置されている。電気ヒータ２７は、吸湿材２６を加熱するヒータ部である。

バイパス上流開閉バルブ２８は、バイパス改質ガス流路２５における吸湿材２６よりも上流側（改質器１３側）に配設されている。バイパス上流開閉バルブ２８は、バイパス改質ガス流路２５を開閉する第２開閉バルブである。

バイパス下流開閉バルブ２９は、バイパス改質ガス流路２５における吸湿材２６よりも下流側（アンモニアエンジン２側）に配設されている。バイパス下流開閉バルブ２９は、バイパス改質ガス流路２５を開閉する第３開閉バルブである。

また、エンジンシステム１は、イグニッションスイッチ３１（ＩＧスイッチ）と、温度センサ３２と、温度センサ３３と、制御ユニット３４とを備えている。

イグニッションスイッチ３１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。イグニッションスイッチ３１は、改質器１３の起動を指示するためのスイッチでもある。

温度センサ３２は、改質器１３の温度を検出する。温度センサ３２は、例えば改質器１３の改質触媒１３ｂの温度を検出する。温度センサ３３は、アンモニアエンジン２の燃焼室の温度を検出する。

制御ユニット３４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。制御ユニット３４は、イグニッションスイッチ３１の操作信号と温度センサ３２，３３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１５、改質インジェクタ１６、電気ヒータ１７、メイン開閉バルブ２０、電気ヒータ２７、バイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９を制御する。

制御ユニット３４は、第１制御部３５と、着火判定部３６と、第２制御部３７と、吸湿判定部３８と、第３制御部３９と、気化判定部４０と、第４制御部４１とを有している。

第１制御部３５は、改質器１３の起動時に、メイン開閉バルブ２０を閉じるように制御すると共に、バイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９を開くように制御する。

着火判定部３６は、第１制御部３５による制御処理が実行された後、温度センサ３３の検出値に基づいて、アンモニアエンジン２において着火が行われたかどうかを判定する。

第２制御部３７は、着火判定部３６によりアンモニアエンジン２において着火が行われたと判定されると、バイパス上流開閉バルブ２８を閉じるように制御すると共に、メイン開閉バルブ２０を開くように制御する。

吸湿判定部３８は、改質器１３の運転条件及び運転時間に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分量が予め決められた規定量以上であるかどうかを判定する。

第３制御部３９は、着火判定部３６によりアンモニアエンジン２において着火が行われたと判定されると共に、吸湿判定部３８により吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であると判定されると、吸湿材２６を加熱するように電気ヒータ２７を制御する。

気化判定部４０は、改質器１３の運転時間に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判定する。

第４制御部４１は、気化判定部４０により吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したと判定されると、吸湿材２６の加熱を停止させるように電気ヒータ２７を制御する。

図３は、制御ユニット３４により実行される制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。なお、図３では、メイン開閉バルブ２０、電気ヒータ２７、バイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９の制御処理のみが示されている。また、本処理の実行前は、メイン開閉バルブ２０、バイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９は、何れも閉状態となっている。

図３において、制御ユニット３４は、まずイグニッションスイッチ３１の操作信号に基づいて、改質器１３の起動が指示されたかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。

制御ユニット３４は、改質器１３の起動が指示されたと判断したときは、バイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９を開くように制御する（手順Ｓ１０２）。これにより、改質器１３により生成された改質ガスは、バイパス改質ガス流路２５を流れてアンモニアエンジン２に供給される。このとき、改質ガスに含まれる水分は、吸湿材２６に吸湿される。

続いて、制御ユニット３４は、温度センサ３３の検出値を取得する（手順Ｓ１０３）。続いて、制御ユニット３４は、温度センサ３３の検出値に基づいて、アンモニアエンジン２において着火が行われたかどうかを判断する（手順Ｓ１０４）。制御ユニット３４は、アンモニアエンジン２において着火が行われていないと判断したときは、手順Ｓ１０３，Ｓ１０４を再度実行する。

制御ユニット３４は、アンモニアエンジン２において着火が行われたと判断したときは、バイパス上流開閉バルブ２８を閉じるように制御すると共に、メイン開閉バルブ２０を開くように制御する（手順Ｓ１０５）。これにより、改質器１３により生成された改質ガスは、メイン改質ガス流路１８を流れてアンモニアエンジン２に供給される。

続いて、制御ユニット３４は、改質器１３の運転条件及び運転時間に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分量が予め決められた規定量以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０６）。

このとき、制御ユニット３４は、改質器１３の運転条件から、改質器１３で生成される水分量を算出する。具体的には、改質器１３の運転条件は、改質器１３に供給されるアンモニアガス及び空気の流量である。改質器１３に供給されるアンモニアガスの流量は、改質インジェクタ１６の開度で決まる。改質器１３に供給される空気の流量は、改質スロットルバルブ１５の開度で決まる。そして、制御ユニット３４は、改質器１３の運転条件及び運転時間から、改質器１３で生成される水分のトータル量を算出する。改質器１３の運転時間は、改質器１３の起動が開始してからの時間である。

制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上でないと判断したときは、バイパス下流開閉バルブ２９を閉じるように制御し（手順Ｓ１１０）、本処理を終了する。

制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であると判断したときは、電気ヒータ２７をＯＮ制御する（手順Ｓ１０７）。すると、電気ヒータ２７により吸湿材２６が加熱されるため、吸湿材２６に吸湿された水分が気化される。気化された水分（水蒸気）は、バイパス改質ガス流路２５を流れてアンモニアエンジン２に供給される。

続いて、制御ユニット３４は、電気ヒータ２７をＯＮ制御してからの経過時間に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判断する（手順Ｓ１０８）。制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了していないと判断したときは、手順Ｓ１０８を再度実行する。

制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したと判断したときは、電気ヒータ２７をＯＦＦ制御する（手順Ｓ１０９）。すると、電気ヒータ２７による吸湿材２６の加熱が停止する。そして、制御ユニット３４は、バイパス下流開閉バルブ２９を閉じるように制御し（手順Ｓ１１０）、本処理を終了する。

ここで、第１制御部３５は、上記の手順Ｓ１０１，Ｓ１０２を実行する。着火判定部３６は、上記の手順Ｓ１０３，Ｓ１０４を実行する。第２制御部３７は、上記の手順Ｓ１０５，Ｓ１１０を実行する。吸湿判定部３８は、上記の手順Ｓ１０６を実行する。第３制御部３９は、上記の手順Ｓ１０７を実行する。気化判定部４０は、上記の手順Ｓ１０８を実行する。第４制御部４１は、上記の手順Ｓ１０９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３１がＯＮ操作されることで、改質器１３の起動が指示されると、電気ヒータ１７が通電される。そして、改質インジェクタ１６が開弁することで、改質インジェクタ１６からアンモニアガスが噴射し、改質器１３にアンモニアガスが供給される。このとき、電気ヒータ１７で発生した熱によってアンモニアガスが加熱され、暖められたアンモニアガスの熱が改質器１３に伝達されるため、改質器１３が昇温する。そして、改質スロットルバルブ１５が開弁することで、改質器１３に空気が供給される。

改質器１３の温度が規定温度に達すると、電気ヒータ１７の通電が停止するが、改質器１３の改質触媒１３ｂによってアンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱によって改質器１３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、窒素及び水分を含む燃焼ガスが生成される。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ

そして、改質器１３の温度が改質可能な温度に達すると、改質器１３の改質触媒１３ｂ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。このとき、改質ガスには、水分（Ｈ_２Ｏ）も含まれる。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２−Ｑ

改質器１３の起動が開始された直後は、バイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９が開弁する。このため、改質器１３により生成された改質ガスは、バイパス改質ガス流路２５を流れてアンモニアエンジン２の燃焼室に供給される。

このとき、改質ガスに含まれる水分は、吸湿材２６に吸湿される。なお、改質ガスに含まれる水分は、バイパス改質ガス流路２５の長さによっては途中で冷やされて液体となることがある。改質ガスに含まれる水分が吸湿材２６に吸湿されることで、改質ガスから水分が除去される。このため、アンモニアエンジン２の燃焼室に水分が入り込むことはない。従って、スタータモータ（図示せず）によりアンモニアエンジン２が始動すると、燃焼室において改質ガス中の水素が着火して燃焼するようになる。

アンモニアエンジン２において着火が行われると、バイパス上流開閉バルブ２８が閉弁すると共に、メイン開閉バルブ２０が開弁する。このため、改質器１３により生成された改質ガスは、バイパス改質ガス流路２５を流れずにメイン改質ガス流路１８を流れてアンモニアエンジン２に供給されるようになる。このとき、改質インジェクタ１６により改質器１３に供給されるアンモニアガスの流量が増加すると共に、改質スロットルバルブ１５により改質器１３に供給される空気の流量が増加する。従って、改質器１３から出力される改質ガスの流量が増加する。そして、アンモニアエンジン２において、燃焼が継続される。

また、改質ガスがバイパス改質ガス流路２５を流れているときに、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量に達すると、電気ヒータ２７が通電される。すると、電気ヒータ２７により吸湿材２６が加熱されるため、吸湿材２６に吸湿された水分が気化され、吸湿材２６から水分が取り除かれる。吸湿材２６から取り除かれた水分は、バイパス改質ガス流路２５を流れてアンモニアエンジン２に供給される。アンモニアエンジン２において着火が行われた後は、アンモニアエンジン２に水分が入り込んでも問題はない。

その後、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了することで、吸湿材２６が乾燥状態になると、電気ヒータ２７の通電が停止する。そして、バイパス下流開閉バルブ２９が閉弁する。

その後、メインスロットルバルブ６及びメインインジェクタ５が開弁することで、アンモニアエンジン２の燃焼室に空気が供給されると共に、メインインジェクタ５からアンモニアガスが噴射し、アンモニアエンジン２の燃焼室にアンモニアガスが供給される。これにより、燃焼室において、アンモニアガスが水素と共に燃焼する。

以上のように本実施形態にあっては、改質器１３の起動時に、メイン開閉バルブ２０を閉じるように制御すると共に、バイパス上流開閉バルブ２８及びバイパス下流開閉バルブ２９を開くように制御することにより、改質器１３により生成された改質ガスは、バイパス改質ガス流路２５を流れてアンモニアエンジン２に供給される。このとき、改質ガスに含まれる水分は、吸湿材２６に吸湿されるため、アンモニアエンジン２には供給されない。このため、アンモニアエンジン２において着火が起きやすくなる。そして、アンモニアエンジン２において着火が行われると、バイパス上流開閉バルブ２８を閉じるように制御すると共に、メイン開閉バルブ２０を開くように制御することにより、改質器１３により生成された改質ガスは、メイン改質ガス流路１８を流れてアンモニアエンジン２に供給される。吸湿材２６に吸湿された水分は、気化された状態で吸湿材２６から取り除かれ、着火後のアンモニアエンジン２に供給される。以上のように、アンモニアエンジン２において着火が行われる前に、改質ガスに含まれる水分がアンモニアエンジン２に入り込むことが防止される。これにより、アンモニアエンジン２での着火性が向上する。その結果、アンモニアエンジン２での燃焼性が向上する。

また、アンモニアエンジン２において着火が行われると、改質器１３により生成された改質ガスがメイン改質ガス流路１８を流れるため、改質ガスが吸湿材２６を通ることで発生する圧力損失の増大が抑制される。さらに、吸湿材２６に吸湿された水分が気化されて吸湿材２６から取り除かれるため、吸湿材２６を繰り返し使用することが可能となる。従って、吸湿材２６の体格を小型化することができる。

また、本実施形態では、アンモニアエンジン２において着火が行われると、電気ヒータ２７により吸湿材２６が加熱される。このため、吸湿材２６に吸湿された水分は、直ちに気化されて吸湿材２６から取り除かれる。従って、吸湿材２６を短時間で乾燥させることができる。

また、本実施形態では、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了すると、電気ヒータ２７による吸湿材２６の加熱が停止するため、省電力化を図ることができる。

また、本実施形態では、アンモニアエンジン２において着火が行われると共に、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であると、吸湿材２６を加熱するように電気ヒータ２７が制御される。このため、アンモニアエンジン２において着火が行われても、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量よりも少ないときは、電気ヒータ２７により吸湿材２６が加熱されない。従って、電気ヒータ２７を頻繁に使用しなくて済むため、更なる省電力化を図ることができる。また、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量に達するまで、吸湿材２６を有効利用することができる。

また、本実施形態では、改質器１３に供給されるアンモニアガス及び空気の流量と改質器１３の運転時間とに基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうかを判定することにより、センサを使用すること無く、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうかを安価に判定することができる。

また、本実施形態では、温度センサ３３によりアンモニアエンジン２の温度が検出されるので、アンモニアエンジン２において着火が行われたかどうかを容易に判定することができる。

図４は、本発明の他の実施形態に係る燃焼システムとしてのエンジンシステムの要部を制御系の機能ブロックと共に示す構成図である。図４において、本実施形態の燃焼システムであるエンジンシステム１は、水分センサ５０を備えている。水分センサ５０は、吸湿材２６に吸湿された水分を検出する。水分センサ５０は、吸湿材２６における水分の有無及び水分量等を検出する。

エンジンシステム１は、上記の実施形態における吸湿判定部３８及び気化判定部４０に代えて、吸湿判定部３８Ａ及び気化判定部４０Ａを備えている。吸湿判定部３８Ａは、水分センサ５０の検出値に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうかを判定する。気化判定部４０Ａは、水分センサ５０の検出値に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判定する。

図５は、図４に示された制御ユニット３４により実行される制御処理の手順の詳細を示すフローチャートであり、図３に対応している。

図５において、制御ユニット３４は、図３に示されるフローチャートにおける上記の手順Ｓ１０１〜Ｓ１０５を実行した後、水分センサ５０の検出値を取得する（手順Ｓ１２１）。そして、制御ユニット３４は、水分センサ５０の検出値に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１２２）。

制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上でないと判断したときは、図３に示されるフローチャートと同様に、手順Ｓ１１０を実行する。制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であると判断したときは、図３に示されるフローチャートと同様に、電気ヒータ２７をＯＮ制御する（手順Ｓ１０７）。

続いて、制御ユニット３４は、水分センサ５０の検出値を取得する（手順Ｓ１２３）。そして、制御ユニット３４は、水分センサ５０の検出値に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判断する（手順Ｓ１２４）。制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了していないと判断したときは、手順Ｓ１２３，Ｓ１２４を再度実行する。制御ユニット３４は、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したと判断したときは、図３に示されるフローチャートと同様に、手順Ｓ１０９，Ｓ１１０を順次実行する。

ここで、吸湿判定部３８Ａは、上記の手順Ｓ１２１，Ｓ１２２を実行する。気化判定部４０Ａは、上記の手順Ｓ１２３，Ｓ１２４を実行する。

このような本実施形態では、水分センサ５０により吸湿材２６に吸湿された水分が検出されるため、計算処理を行うことなく、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であるかどうか、及び吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを正確に判定することができる。また、１つの水分センサ５０が兼用して使用されるため、センサのコストを抑えることができる。

なお、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、改質器１３の運転条件または水分センサ５０の検出値に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分量が把握されているが、特にその形態には限られず、例えば吸湿材２６の上流側（前側）及び下流側（後側）の圧力をそれぞれ圧力センサにより計測し、吸湿材２６の前後の圧力差から吸湿材２６に吸湿された水分量を把握してもよい。

また、上記実施形態では、改質器１３の運転時間または水分センサ５０の検出値に基づいて、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したかどうかが判定されているが、特にその形態には限られず、例えば吸湿材２６に熱電対等の温度センサを配置し、吸湿材２６の温度が規定値に達したときに、吸湿材２６に吸湿された水分の気化が終了したと判定してもよい。

また、上記実施形態では、アンモニアエンジン２において着火が行われると共に、吸湿材２６に吸湿された水分量が規定量以上であるときに、電気ヒータ２７により吸湿材２６を加熱することにより、吸湿材２６に吸湿された水分を気化させているが、特にその形態には限られず、アンモニアエンジン２において着火が行われると、吸湿材２６に吸湿された水分量にかかわらず、電気ヒータ２７により吸湿材２６を加熱してもよい。この場合には、吸湿材２６の体格を更に小型化することができる。

また、上記実施形態では、電気ヒータ２７により吸湿材２６を加熱することにより、吸湿材２６に吸湿された水分を気化させているが、吸湿材２６に吸湿された水分を気化させる方法としては、特に電気ヒータ２７には限られない。例えば、吸湿材２６をアンモニアエンジン２の燃焼室の近くに設置し、燃焼室の排熱を利用して、吸湿材２６に吸湿された水分を気化させてもよい。また、改質器１３から出力される改質ガスの温度は上昇するため、改質ガスの熱によって吸湿材２６に吸湿された水分を成り行きで気化させてもよい。

また、上記実施形態では、バイパス改質ガス流路２５がメイン改質ガス流路１８に分岐接続されているが、特にその形態には限られず、バイパス改質ガス流路２５をアンモニアエンジン２に直接接続してもよい。この場合には、吸湿材２６から取り除かれた水分は、アンモニアエンジン２に直接供給される。

また、上記実施形態は、アンモニアエンジン２を備えたエンジンシステム１であるが、本発明は、特にエンジンシステム１には限られず、例えばガスタービン等のような燃焼器を備えた燃焼システムであれば、適用可能である。

また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスが使用されているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用した燃焼システムにも適用可能である。

また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気が使用されているが、本発明は、酸化性ガスとして酸素を使用した燃焼システムにも適用可能である。

１…エンジンシステム（燃焼システム）、２…アンモニアエンジン（燃焼器）、１３…改質器、１８…メイン改質ガス流路、２０…メイン開閉バルブ（第１開閉バルブ）、２２…空気供給部（酸化性ガス供給部）、２３…アンモニアガス供給部（燃料ガス供給部）、２５…バイパス改質ガス流路、２６…吸湿材、２７…電気ヒータ（ヒータ部）、２８…バイパス上流開閉バルブ（第２開閉バルブ）、２９…バイパス下流開閉バルブ（第３開閉バルブ）、３３…温度センサ、３５…第１制御部、３６…着火判定部、３７…第２制御部、３８，３８Ａ…吸湿判定部、３９…第３制御部、４０，４０Ａ…気化判定部、４１…第４制御部、５０…水分センサ。

Claims (7)

1. 酸化性ガスを用いて燃料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と、
   前記改質器に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記改質器に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
   前記改質器により生成された前記改質ガスに含まれる水素を燃焼させる燃焼器と、
   前記改質器と前記燃焼器とを接続し、前記改質器から前記燃焼器に向けて前記改質ガスが流れるメイン改質ガス流路と、
   前記メイン改質ガス流路をバイパスするように前記改質器と前記燃焼器とを接続し、前記改質器から前記燃焼器に向けて前記改質ガスが流れるバイパス改質ガス流路と、
   前記バイパス改質ガス流路に配設され、前記改質ガスに含まれる水分を吸湿する吸湿材と、
   前記メイン改質ガス流路に配設された第１開閉バルブと、
   前記バイパス改質ガス流路における前記吸湿材よりも上流側に配設された第２開閉バルブと、
   前記バイパス改質ガス流路における前記吸湿材よりも下流側に配設された第３開閉バルブと、
   前記改質器の起動時に、前記第１開閉バルブを閉じるように制御すると共に、前記第２開閉バルブ及び前記第３開閉バルブを開くように制御する第１制御部と、
   前記第１制御部による制御処理が実行された後、前記燃焼器において着火が行われたかどうかを判定する着火判定部と、
   前記着火判定部により前記燃焼器において着火が行われたと判定されると、前記第２開閉バルブを閉じるように制御すると共に、前記第１開閉バルブを開くように制御する第２制御部とを備える燃焼システム。
2. 前記吸湿材を加熱するヒータ部と、
   前記着火判定部により前記燃焼器において着火が行われたと判定されると、前記吸湿材を加熱するように前記ヒータ部を制御する第３制御部とを更に備える請求項１記載の燃焼システム。
3. 前記吸湿材に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判定する気化判定部と、
   前記気化判定部により前記吸湿材に吸湿された水分の気化が終了したと判定されると、前記吸湿材の加熱を停止させるように前記ヒータ部を制御する第４制御部とを更に備える請求項２記載の燃焼システム。
4. 前記吸湿材に吸湿された水分量が予め決められた規定量以上であるかどうかを判定する吸湿判定部を更に備え、
   前記第３制御部は、前記着火判定部により前記燃焼器において着火が行われたと判定されると共に、前記吸湿判定部により前記吸湿材に吸湿された水分量が前記規定量以上であると判定されると、前記吸湿材を加熱するように前記ヒータ部を制御する請求項３記載の燃焼システム。
5. 前記吸湿判定部は、前記改質器に供給される前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの流量と前記改質器の運転時間とに基づいて、前記吸湿材に吸湿された水分量が前記規定量以上であるかどうかを判定する請求項４記載の燃焼システム。
6. 前記吸湿材に吸湿された水分を検出する水分センサを更に備え、
   前記吸湿判定部は、前記水分センサの検出値に基づいて、前記吸湿材に吸湿された水分量が前記規定量以上であるかどうかを判定し、
   前記気化判定部は、前記水分センサの検出値に基づいて、前記吸湿材に吸湿された水分の気化が終了したかどうかを判定する請求項４記載の燃焼システム。
7. 前記燃焼器の温度を検出する温度センサを更に備え、
   前記着火判定部は、前記温度センサの検出値に基づいて、前記燃焼器において着火が行われたかどうかを判定する請求項１〜６の何れか一項記載の燃焼システム。

Images