JP2021139344A - アンモニアエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】より広い運転範囲で効率的に稼働できるアンモニアエンジンを提供する。【解決手段】アンモニアエンジンは、第一気筒及び第二気筒を有するエンジン本体と、第一気筒及び第二気筒にそれぞれ空気を供給する空気供給部と、第一気筒及び第二気筒のそれぞれアンモニアを供給するアンモニア供給部と、アンモニア供給部による第二気筒へのアンモニアの供給量が第一気筒へアンモニアの供給量よりも大きくなるように調整するアンモニア量調整部と、第二気筒で生じた排気ガスを第一気筒へ供給する排気ガス供給部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、アンモニアエンジンに関する。
ＣＯ２削減や、余剰エネルギーの有効活用を目的として、アンモニアを燃料として利用するエンジン（アンモニアエンジン）に関する研究開発が広く行われている（例えば下記特許文献１）。ここで、既存のガソリンエンジンをベースとしてアンモニアエンジンでは、燃料をアンモニア１００％とすると、低〜中程度の負荷時に失火してしまうことが知られている。そこで、クラッキング反応器を含む触媒装置を用いて、アンモニアの一部を水素に変換する技術が提唱されている。これにより、燃焼速度と着火性が改善し、安定的な運転が実現できるとされている。
特開２０１２−２５５４２０号公報
しかしながら、上記のような触媒装置を設けた場合、コストの増加につながるとともに、触媒自体の劣化に伴うメンテナンス性の低下が懸念される。また、触媒反応を促すために燃料の一部を触媒温度の上昇に使用する必要もあることから、熱効率の低下も招く虞がある。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より広い運転範囲で効率的に稼働できるアンモニアエンジンを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係るアンモニアエンジンは、第一気筒及び第二気筒を有するエンジン本体と、前記第一気筒及び前記第二気筒にそれぞれ空気を供給する空気供給部と、前記第一気筒及び前記第二気筒のそれぞれアンモニアを供給するアンモニア供給部と、前記アンモニア供給部による前記第二気筒へのアンモニアの供給量が前記第一気筒へアンモニアの供給量よりも大きくなるように調整するアンモニア量調整部と、前記第二気筒で生じた排気ガスを前記第一気筒へ供給する排気ガス供給部と、を備える。
本開示によれば、より広い運転範囲で効率的に稼働できるアンモニアエンジンを提供することができる。
本開示の第一実施形態に係るアンモニアエンジンの構成を示す模式図である。 本開示の第二実施形態に係るアンモニアエンジンの構成を示す模式図である。 本開示の第三実施形態に係るエンジン本体の構成を示す模式図である。
＜第一実施形態＞
（アンモニアエンジンの構成）
以下、本開示の第一実施形態に係るアンモニアエンジン１００について、図１を参照して説明する。同図に示すように、アンモニアエンジン１００は、エンジン本体１と、空気供給部２と、アンモニア供給部３と、アンモニア量調整部４と、排気ガス供給部５と、ターボチャージャ６と、触媒装置７と、エアクーラ８と、アンモニア供給源Ｔと、を備えている。アンモニア供給源Ｔから供給されたアンモニアに空気を混合してエンジン本体１で燃焼させることで、アンモニアエンジン１００は車両等の駆動源として用いられる。
（エンジン本体の構成）
エンジン本体１は、シリンダブロック１０と、第一気筒１１と、第二気筒１２と、を有している。シリンダブロック１０は、第一気筒１１及び第二気筒１２のピストンを収容する。これらピストンはシリンダブロック１０の内部で進退動する。詳しくは後述するが、第一気筒１１と第二気筒１２とでは、供給される燃料（アンモニア）と空気の比率（燃空比）が異なっている。また、第二気筒１２の圧縮比は、第一気筒１１の圧縮比よりも高くなるように設定されている。一例として、第一気筒１１の圧縮比は１０〜１５とされる一方で、第二気筒１２の圧縮比は３０程度に設定される。図１の例では、エンジン本体１は、５つの第一気筒１１と、１つの第二気筒１２を有している。
（ターボチャージャ、空気供給部の構成）
空気供給部２は、ターボチャージャ６を介して外部から取り込んだ空気を、エンジン本体１の第一気筒１１、及び第二気筒１２にそれぞれ空気を供給する。ターボチャージャ６は、タービン６１と、コンプレッサ６２と、を有している。タービン６１は、エンジン本体１の排気ガスによって回転駆動する。タービン６１は、エンジン本体１で発生した排気ガスを導く排気ライン２５（後述）に接続されている。コンプレッサ６２はタービン６１と同軸に接続されている。タービン６１の回転に伴ってコンプレッサ６２が回転駆動し、外部の空気を圧縮して高圧空気を生成する。この高圧空気は、空気供給部２を通じてエンジン本体１に供給される。
空気供給部２は、第一空気ライン２１と、第二空気ライン２２と、第三空気ライン２３と、吸気ライン２４と、排気ライン２５と、を有している。第一空気ライン２１の一端は、コンプレッサ６２の吐出側に接続されている。第一空気ライン２１の他端には、エアクーラ８が接続されている。第一空気ライン２１を通じてコンプレッサ６２から導かれた高温の空気は、エアクーラ８を通過することで冷却される。エアクーラ８は、外部から供給された冷媒と空気とを熱交換させることで、空気を冷却する熱交換器である。
エアクーラ８の下流側には、第二空気ライン２２の一端が接続されている。第二空気ライン２２の他端は、吸気ライン２４に接続されている。吸気ライン２４は、第二空気ライン２２から導かれた空気を５つの第一気筒１１に向けて分配する。また、それぞれの第一気筒１１で生じた排気ガスは、排気ライン２５を通じてタービン６１に供給される。タービン６１の吐出側には、触媒装置７が接続されている。触媒装置７を通過することで、脱硝・酸化された排気ガスが外部に排出される。
第三空気ライン２３は、エアクーラ８の下流側と、第二気筒１２とを接続している。
（アンモニア供給部の構成）
アンモニア供給部３は、第一気筒１１、及び第二気筒１２のそれぞれアンモニアを供給する。アンモニア供給部３は、第一アンモニアライン３１と、第二アンモニアライン３２と、を有している。第一アンモニアライン３１は、アンモニア供給源Ｔと、第二空気ライン２２とを接続している。第二アンモニアライン３２は、アンモニア供給源Ｔと、第三空気ライン２３とを接続している。つまり、第二空気ライン２２、及び第三空気ライン２３を通じて、空気とアンモニアの混合気が第一気筒１１、及び第二気筒１２にそれぞれ供給される。なお、詳しくは図示しないが、第二気筒１２内では、アンモニア、空気、及びこれらの混合気がそれぞれ層をなすように（成層化するように）、アンモニアを供給するノズルの位置、形状が調整されていることが望ましい。これにより、アンモニアの可燃範囲となる混合器が局所的に存在することになるため、アンモニアの供給量が過剰であっても着火させることが可能となる。
（アンモニア量調整部の構成）
アンモニア量調整部４は、上記のアンモニア供給部３によるアンモニアの供給量を調整する。アンモニア量調整部４は、第一アンモニアライン３１上に設けられた第一弁Ｖ１と、第二アンモニアライン３２に設けられた第二弁Ｖ２と、を有している。第一弁Ｖ１、及び第二弁Ｖ２は、それぞれ開度を調整することでアンモニアの流量を変化させることが可能な流量調整弁であることが望ましい。第二弁Ｖ２の開度は、第一弁Ｖ１の開度よりも大きくなるように設定されている。つまり、アンモニア量調整部４は、第二気筒１２への１気筒当たりのアンモニアの供給量が、第一気筒１１への１気筒当たりのアンモニアの供給量よりも大きくなるように調整する。これにより、第二気筒１２では、第一気筒１１に比べて燃料リッチ（アンモニアリッチ）な燃焼サイクルが生じる。より具体的には、第一気筒１１では当量比以下となるようにアンモニアが供給される一方で、第二気筒１２では当量比を超えるようにアンモニアが供給される。なお、第一気筒１１の当量比を１とすることがより望ましい。この場合、排気ガスの流路に、比較的に安価な三元触媒を用いることが可能となり、その結果、ＮＯｘ排出量を低減することが可能となる。
（排気ガス供給部の構成）
排気ガスライン５（排気ガス供給部）は、第二気筒１２と、第二空気ライン２２における第一アンモニアライン３１の他端よりもエアクーラ８側の位置とを接続している。排気ガスライン５を通じて、第二気筒１２で生じた排気ガスが第一気筒１１に供給される。ここで、上述のように第二気筒１２では、当量比を超えるアンモニアが供給されている。このため、第二気筒１２では未燃分のアンモニア成分が発生する。この未燃分は、エンジン本体１の熱によって水素に変化する。つまり、排気ガスライン５を通じて第一気筒１１に供給される排気ガスにはこの水素が含まれている。
（作用効果）
ガソリンエンジンをベースとするアンモニアエンジンでは、燃料をアンモニア１００％とすると、低〜中程度の負荷時に失火してしまうことが知られている。そこで、クラッキング反応器を用いて、アンモニアの一部を水素に変換する技術が提唱されている。これにより、燃焼速度と着火性が改善し、安定的な運転が実現できるとされている。
しかしながら、上記のようなクラッキング反応器を積極的に用いる場合、コストの増加につながるとともに、触媒自体の劣化に伴うメンテナンス性の低下が懸念される。また、触媒反応を促すために燃料の一部を触媒温度の上昇に使用する必要もあることから、熱効率の低下も招く虞がある。
そこで、本実施形態に係るアンモニアエンジン１００では、第二気筒１２へのアンモニアの供給量が第一気筒１１へのアンモニアの供給量よりも大きく設定されている。これにより、第二気筒１２では余剰なアンモニアが未燃分として残る。この余剰なアンモニアは、エンジン本体１の熱によって水素に変化する。つまり、第二気筒１２で発生する排気ガスには水素が含まれている。排気ガスライン５を通じてこの排気ガスを第一気筒１１に供給することで、当該第一気筒１１ではアンモニアと水素の混合気を燃料として用いることができる。これにより、上述のクラッキング反応器を省略できるか、又は当該クラッキング反応器に要求される処理容量を小さく抑えることができる。その結果、アンモニアエンジン１００をより広い運転範囲で効率的に稼働させることができる。
さらに、上記構成によれば、第二気筒１２へのアンモニアの供給量が当量比を超える量であることから、アンモニアの未燃分を安定的に発生させることができる。これにより、第一気筒１１に供給される排気ガスに、常態的に水素が含まれた状態とすることができる。その結果、より安定的にアンモニアエンジン１００を運転することができる。
加えて、上記構成によれば、第二気筒１２の圧縮比が高いことから、ディーゼルエンジンのように、アンモニアを圧縮によって自然着火させることができる。これにより、例えば点火プラグ等の補器を用いないか、又は点火プラグの数を削減したり、性能要件を緩和したりすることができる。その結果、アンモニアエンジン１００の信頼性やメンテナンス性を向上させることができる。
＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態に係るアンモニアエンジン１００ｂについて、図２を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。アンモニアエンジン１００ｂでは、空気供給部２ｂの構成が第一実施形態とは異なっている。空気供給部２ｂは、上述の第三空気ライン２３を有しないとともに、大気圧ライン２６を有している。大気圧ライン２６は、コンプレッサ６２の吸気側から分岐して、第二気筒１２に接続されている。この大気圧ライン２６を通じて、ターボチャージャ６を介さずに空気が第二気筒１２に導かれる。
上記構成によれば、大気圧ライン２６を通じて、大気圧の空気が第二気筒１２に供給される。第二気筒１２では、圧縮による自然着火によって、アンモニアと空気の混合気が燃焼する。このように、第二気筒１２では大気圧の空気を用いてアンモニアを燃焼させることから、当該第二気筒１２の最大圧力を低く抑えることができる。これにより、アンモニアエンジン１００ｂの信頼性をさらに向上させることができる。
＜第三実施形態＞
続いて、本開示の第三実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るエンジン本体１ｃは、第一気筒１１を駆動する第一クランクシャフトＳ１と、第二気筒１２を駆動する第二クランクシャフトＳ２と、これら第一クランクシャフトＳ１及び第二クランクシャフトＳ２の間に設けられた減速機９と、をさらに有している。減速機９は、第二クランクシャフトＳ２が第一クランクシャフトＳ１よりも低速で回転するように、その減速比が設定されている。
上記構成によれば、第一クランクシャフトＳ１と第二クランクシャフトＳ２との間に減速機が設けられ、第二クランクシャフトＳ２は第一クランクシャフトＳ１よりも低速で回転する。これにより、第二気筒１２では第一気筒１１よりも燃焼サイクルが低速で進行する。このため、第二気筒１２での燃焼によって生じたガスの滞留時間を長く確保することができる。その結果、当該第二気筒１２で生じる余剰アンモニアから水素への変化をより安定的に促すことができる。したがって、エンジン本体１ｃをより安定的かつ効率的に稼働することができる。
（その他の実施形態）
以上、本開示の各実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や回収を施すことが可能である。例えば、上記の各実施形態では、第二気筒１２で生じた余剰アンモニアに基づく水素のみを第一気筒１１に供給する例について説明した。しかしながら、水素のアンモニア供給源はこれに限定されず、例えばクラッキング反応器を併用して、当該クラッキング反応器で生成した水素を第一気筒１１に供給する構成を採ることも可能である。また、上記の各実施形態では、エンジン本体１が、５つの第一気筒１１と１つの第二気筒１２を有する例について説明した。しかしながら、これら第一気筒１１及び第二気筒１２の数は設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。
＜付記＞
各実施形態に記載のアンモニアエンジン１００は、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様に係るアンモニアエンジン１００は、第一気筒１１及び第二気筒１２を有するエンジン本体１と、前記第一気筒１１及び前記第二気筒１２にそれぞれ空気を供給する空気供給部２と、前記第一気筒１１及び前記第二気筒１２のそれぞれアンモニアを供給するアンモニア供給部３と、前記アンモニア供給部３による前記第二気筒１２への一気筒当たりのアンモニアの供給量が前記第一気筒１１への一気筒当たりのアンモニアの供給量よりも大きくなるように調整するアンモニア量調整部４と、前記第二気筒１２で生じた排気ガスを前記第一気筒１１へ供給する排気ガス供給部５と、を備える。
上記構成によれば、第二気筒１２へのアンモニアの供給量が第一気筒１１へのアンモニアの供給量よりも大きいことから、第二気筒１２では余剰なアンモニアが未燃分として残る。この余剰なアンモニアは、エンジン本体１の熱によって水素に変化する。排気ガス供給部５がこの排気ガスを第一気筒１１に供給することで、当該第一気筒１１ではアンモニアと水素の混合気を燃料として用いることができる。
（２）第２の態様に係るアンモニアエンジン１００では、前記アンモニア量調整部４は、前記第二気筒１２への一気筒当たりのアンモニアの供給量が当量比を超える量となるように調整するとともに、前記第一気筒１１への一気筒当たりのアンモニアの供給量が当量比以下の量となるように調整する。
上記構成によれば、第二気筒１２へのアンモニアの供給量が当量比を超える量であることから、アンモニアの未燃分を安定的に発生させることができる。
（３）第３の態様に係るアンモニアエンジン１００では、前記第二気筒１２の圧縮比は、前記第一気筒１１の圧縮比よりも高く設定されている。
上記構成によれば、第二気筒１２の圧縮比が高いことから、アンモニアを圧縮によって自然着火させることができる。
（４）第４の態様に係るアンモニアエンジン１００では、前記空気供給部２は、前記第二気筒１２に大気圧の空気を供給するように構成されている。
上記構成によれば、第二気筒１２では大気圧の空気を用いてアンモニアを燃焼させることから、当該第二気筒１２の最大圧力を低く抑えることができる。
（５）第５の態様に係るアンモニアエンジン１００では、前記エンジン本体１ｃは、前記第一気筒１１を駆動する第一クランクシャフトＳ１と、前記第二気筒１２を駆動する第二クランクシャフトＳ２と、前記第一クランクシャフトＳ１と前記第二クランクシャフトＳ２との間に設けられた減速機９と、をさらに有し、前記第二クランクシャフトＳ２は、前記第一クランクシャフトＳ１よりも低速で回転するように構成されている。
上記構成によれば、第二クランクシャフトＳ２は第一クランクシャフトＳ１よりも低速で回転する。これにより、第二気筒１２では第一気筒１１よりも燃焼サイクルが低速で進行する。このため、第二気筒１２で生じる余剰アンモニアから水素への変化をより安定的に促すことができる。
（６）第６の態様に係るアンモニアエンジン１００において、前記第二気筒１２内では、アンモニア、空気、及びこれらの混合気がそれぞれ層をなすように、アンモニアを供給するノズルの位置、形状が設定されている。
上記構成によれば、アンモニアの可燃範囲となる混合器が局所的に存在することになるため、アンモニアの供給量が過剰であっても着火させることが可能となる。
（７）第７の態様に係るアンモニアエンジン１００では、前記第二気筒１２におけるアンモニアと空気の当量比が１とされている。
上記構成によれば、排気ガスの流路に、比較的に安価な三元触媒を用いることが可能となり、その結果、ＮＯｘ排出量を低減することが可能となる。
（８）第８の態様に係るアンモニアエンジン１００では、前記第二気筒１２の圧縮比は、アンモニアが自然発火する圧縮比よりも高く設定されている。
上記構成によれば、アンモニアを圧縮によって自然着火させることができる。これにより、例えば点火プラグ等の補器を用いないか、又は点火プラグの数を削減したり、性能要件を緩和したりすることができる。その結果、アンモニアエンジン１００の信頼性やメンテナンス性を向上させることができる。
１００，１００ｂ アンモニアエンジン
１，１ｃ エンジン本体
２ 空気供給部
３ アンモニア供給部
４ アンモニア量調整部
５ 排気ガスライン（排気ガス供給部）
６ ターボチャージャ
７ 触媒装置
８ エアクーラ
９ 減速機
１０ シリンダブロック
１１ 第一気筒
１２ 第二気筒
２１ 第一空気ライン
２２ 第二空気ライン
２３ 第三空気ライン
２４ 吸気ライン
２５ 排気ライン
３１ 第一アンモニアライン
３２ 第二アンモニアライン
６１ タービン
６２ コンプレッサ
Ｓ１ 第一クランクシャフト
Ｓ２ 第二クランクシャフト
Ｔ アンモニア供給源
Ｖ１ 第一弁
Ｖ２ 第二弁

Claims (8)

  1. 第一気筒及び第二気筒を有するエンジン本体と、
    前記第一気筒及び前記第二気筒にそれぞれ空気を供給する空気供給部と、
    前記第一気筒及び前記第二気筒のそれぞれアンモニアを供給するアンモニア供給部と、
    前記アンモニア供給部による前記第二気筒への一気筒当たりのアンモニアの供給量が前記第一気筒への一気筒当たりのアンモニアの供給量よりも大きくなるように調整するアンモニア量調整部と、
    前記第二気筒で生じた排気ガスを前記第一気筒へ供給する排気ガス供給部と、
    を備えるアンモニアエンジン。
  2. 前記アンモニア量調整部は、前記第二気筒への一気筒当たりのアンモニアの供給量が当量比を超える量となるように調整するとともに、前記第一気筒への一気筒当たりのアンモニアの供給量が当量比以下の量となるように調整する請求項１に記載のアンモニアエンジン。
  3. 前記第二気筒の圧縮比は、前記第一気筒の圧縮比よりも高く設定されている請求項１又は２に記載のアンモニアエンジン。
  4. 前記空気供給部は、前記第二気筒に大気圧の空気を供給するように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載のアンモニアエンジン。
  5. 前記エンジン本体は、
    前記第一気筒を駆動する第一クランクシャフトと、
    前記第二気筒を駆動する第二クランクシャフトと、
    前記第一クランクシャフトと前記第二クランクシャフトとの間に設けられた減速機と、
    をさらに有し、
    前記第二クランクシャフトは、前記第一クランクシャフトよりも低速で回転するように構成されている請求項１から４のいずれか一項に記載のアンモニアエンジン。
  6. 前記第二気筒内では、アンモニア、空気、及びこれらの混合気がそれぞれ層をなすように、アンモニアを供給するノズルの位置、形状が設定されている請求項１から５のいずれか一項に記載のアンモニアエンジン。
  7. 前記第二気筒におけるアンモニアと空気の当量比が１とされている請求項１から６のいずれか一項に記載のアンモニアエンジン。
  8. 前記第二気筒の圧縮比は、アンモニアが自然発火する圧縮比よりも高く設定されている請求項１から７のいずれか一項に記載のアンモニアエンジン。
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