JP2022029148A - 混合気供給装置、改質システム及びエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】精密かつ複雑な制御を不要としつつ、エゼクタの下流側の圧力が変動しても、燃料ガス及び酸化性ガスの混合比を一定に保つことができる混合気供給装置、改質システム及びエンジンシステムを提供する。【解決手段】混合気供給装置５０は、アンモニアガスと空気とを混合し、アンモニアガスと空気との混合ガスを排出するエゼクタ２０と、エゼクタ２０にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部３４と、エゼクタ２０に空気を供給する空気供給部３５と、エゼクタ２０から排出された混合ガスが流れる改質用混合ガス流路２４と、改質用混合ガス流路２４の圧力を一定圧に保持するように調整するリリーフ弁２５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、混合気供給装置、改質システム及び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、エンジンと、このエンジンの吸気通路に配設されたスロットル弁と、改質用燃料ガスが通る主流路と酸素含有ガス（酸化性ガス）としての改質用空気が通る副流路とを有し、改質用燃料ガスと改質用空気とを混合するエゼクタと、改質用燃料ガスを高圧で充填する燃料タンクと、この燃料タンク内に充填された改質用燃料ガスをエゼクタに向けて噴射するインジェクタと、エゼクタに改質用空気を供給する空気導入路と、この空気導入路を流れる改質用空気の流量を制御する改質用空気制御弁と、エゼクタで混合された改質用燃料ガスと改質用空気とを改質触媒上で反応させることで、改質用燃料ガスを改質して水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質器とを備えている。改質器で生成された改質ガスは、吸気通路の空気と混合してエンジンに供給される。エンジンは、水素ガスを含む改質ガスを燃焼させることで、動力を発生する。

特開２０１５－１０５８１号公報

上記従来技術においては、エゼクタの下流側に位置するエンジンの吸気圧変動に対して、エゼクタから改質器に供給される改質用燃料ガス及び改質用空気の混合比の変動を抑制するように、エゼクタに吸引される改質用空気の流量が改質用空気制御弁により制御される。しかし、改質用燃料ガス及び改質用空気の混合比を一定に保つためには、エンジンの吸気圧変動に対して、改質用空気制御弁の開度をこまめに制御する必要がある。

本発明の目的は、精密かつ複雑な制御を不要としつつ、エゼクタの下流側の圧力が変動しても、燃料ガス及び酸化性ガスの混合比を一定に保つことができる混合気供給装置、改質システム及び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混合気供給装置は、燃料ガスと酸化性ガスとを混合し、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスを排出するエゼクタと、エゼクタに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、エゼクタに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、エゼクタから排出された混合ガスが流れる混合ガス流路と、混合ガス流路の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁とを備える。

このような混合気供給装置においては、エゼクタに燃料ガス及び酸化性ガスが供給されると、エゼクタにおいて燃料ガス及び酸化性ガスが混合される。そして、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスがエゼクタから排出され、その混合ガスが混合ガス流路を流れる。このとき、圧力調整弁によって、混合ガス流路の圧力が一定圧に保持されるように調整される。従って、エゼクタの下流側の圧力が変動しても、エゼクタの上流側及び下流側の差圧が一定圧に保たれるため、燃料ガス及び酸化性ガスの混合比が一定に保たれる。このように圧力調整弁を用いて混合ガス流路の圧力を一定圧に保持することにより、エゼクタに供給される酸化性ガスの流量等の精密かつ複雑な制御が不要となる。

圧力調整弁は、混合ガス流路の圧力が設定圧以上になると開くリリーフ弁であってもよい。このような構成では、混合ガス流路の圧力が設定圧に保たれるため、混合ガス流路の圧力を一定圧に保持する調整を簡単かつ確実に行うことができる。

酸化性ガス供給部は、エゼクタに向けて酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、酸化性ガス流路に配設され、エゼクタ側への酸化性ガスの流れのみを許容する逆止弁とを有してもよい。このような構成では、エゼクタ内の圧力上昇によってエゼクタから酸化性ガスが逆流することが防止される。

本発明の他の態様に係る改質システムは、燃料ガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、改質器により生成された改質ガスが流れる改質ガス流路と、燃料ガスと酸化性ガスとを混合し、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスを排出するエゼクタと、改質器及びエゼクタに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、改質器及びエゼクタに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、エゼクタから排出された混合ガスが改質器に向けて流れる改質用混合ガス流路と、改質用混合ガス流路の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁とを備える。

このような改質システムにおいては、改質器に燃料ガス及び酸化性ガスが供給されると、改質器において燃料ガスの燃焼及び改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路を流れて、水素を利用する装置に供給される。また、エゼクタに燃料ガス及び酸化性ガスが導入されると、エゼクタにおいて燃料ガス及び酸化性ガスが混合される。そして、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスがエゼクタから排出され、その混合ガスが改質用混合ガス流路を改質器に向けて流れる。このとき、圧力調整弁によって、改質用混合ガス流路の圧力が一定圧に保持されるように調整される。従って、エゼクタの下流側の圧力が変動しても、エゼクタの上流側及び下流側の差圧が一定に保たれるため、燃料ガス及び酸化性ガスの混合比が一定圧に保たれる。このように圧力調整弁を用いて改質用混合ガス流路の圧力を一定圧に保持することにより、エゼクタに供給される空気の流量等の精密かつ複雑な制御が不要となる。

改質システムは、改質器を加熱するための燃焼ガスを発生させる燃焼器と、エゼクタから排出された混合ガスが燃焼器に向けて流れる燃焼用混合ガス流路と、燃焼用混合ガス流路を開閉する開閉弁とを更に備え、改質器は、燃焼器により発生した燃焼ガスの熱を利用して、燃料ガスを改質してもよい。このような構成では、開閉弁によって燃焼用混合ガス流路を開くと、エゼクタから排出された混合ガスが燃焼用混合ガス流路を燃焼器に向けて流れる。そして、燃焼器において混合ガス中の燃料ガスが着火して燃焼し、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが改質器に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器が加熱される。このように燃焼器により発生した高温の燃焼ガスの熱が改質器で利用されるため、改質器において燃料ガスが着火するまでの時間が短くなる。これにより、改質器の起動時間が短縮される。

燃焼器は、円管状の筐体と、筐体に設けられ、混合ガスを筐体の内部に管状流が発生するように導入するガス導入部と、筐体に取り付けられ、ガス導入部より筐体の内部に導入された混合ガス中の燃料ガスを着火させる点火部とを有してもよい。このような構成では、エゼクタから排出された混合ガスがガス導入部より筐体の内部に導入される。そして、点火部が点火することで、混合ガス中の燃料ガスが着火して燃焼する。このとき、混合ガスは、筐体の内部に管状流が発生するように導入される。従って、混合ガスが管状流となっている状態で混合ガス中の燃料ガスが着火して管状火炎が形成されるため、燃焼ガスが改質器に向かって旋回して流れる。従って、改質器において燃料ガスの燃焼が安定して行われる。

燃料ガス供給部は、改質器に供給される燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガス流量制御弁と、エゼクタに供給される燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガス流量制御弁とを有し、酸化性ガス供給部は、改質器に供給される酸化性ガスの流量を制御する第１酸化性ガス流量制御弁と、エゼクタに供給される酸化性ガスの流量を制御する第２酸化性ガス流量制御弁とを有してもよい。このような構成では、エゼクタ及び改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスの全流量及び混合比を広い範囲で且つ任意に調整することができる。

本発明の更に他の態様に係るエンジンシステムは、エンジンと、エンジンに供給される空気が流れる吸気通路と、エンジンで発生した排気ガスが流れる排気通路と、エンジンに向けて燃料ガスを噴射する燃料噴射弁と、吸気通路に配設され、エンジンに供給される空気の流量を制御する主空気流量制御弁と、燃料ガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、改質器により生成された改質ガスがエンジンに向けて流れる改質ガス流路と、燃料ガスと空気とを混合し、燃料ガスと空気との混合ガスを排出するエゼクタと、改質器及びエゼクタに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、改質器及びエゼクタに空気を供給する空気供給部と、エゼクタから排出された混合ガスが改質器に向けて流れる改質用混合ガス流路と、改質用混合ガス流路の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁とを備える。

このようなエンジンシステムにおいては、エンジンの始動時に、エンジンに燃料ガス及び空気が供給されると共に、改質器及びエゼクタに燃料ガス及び空気が供給される。改質器に燃料ガス及び空気が供給されると、改質器において燃料ガスの燃焼及び改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路を流れてエンジンに供給される。そして、エンジンにおいて、燃料ガスが改質ガス中の水素と共に燃焼する。また、エゼクタに燃料ガス及び空気が導入されると、エゼクタにおいて燃料ガス及び空気が混合される。そして、燃料ガスと空気との混合ガスがエゼクタから排出され、その混合ガスが改質用混合ガス流路を改質器に向けて流れる。このとき、圧力調整弁によって、改質用混合ガス流路の圧力が一定圧に保持されるように調整される。従って、エゼクタの下流側であるエンジンの吸気圧が変動しても、エゼクタの上流側及び下流側の差圧が一定に保たれるため、燃料ガス及び空気の混合比が一定圧に保たれる。このように圧力調整弁を用いて改質用混合ガス流路の圧力を一定圧に保持することにより、エゼクタに供給される空気の流量等の精密かつ複雑な制御が不要となる。

本発明によれば、精密かつ複雑な制御を不要としつつ、エゼクタの下流側の圧力が変動しても、燃料ガス及び酸化性ガスの混合比を一定に保つことができる。

本発明の一実施形態に係る混合気供給装置を備えたエンジンシステムを示す概略構成図である。 図１に示された燃焼器の断面図である。 図１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。

図１は、本発明の一実施形態に係る混合気供給装置を備えた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、アンモニアエンジン２と、吸気通路３と、排気通路４と、インジェクタ５と、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、アンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を燃料ガスとして使用するエンジンである。アンモニアエンジン２では、アンモニアガスを燃焼しやすくするため、アンモニアガスに水素が混合される。

吸気通路３は、アンモニアエンジン２の燃焼室（図示せず）に供給される大気圧の空気（酸化性ガス）が流れる通路である。排気通路４は、アンモニアエンジン２の燃焼室で発生した排気ガスが流れる通路である。

インジェクタ５は、アンモニアエンジン２の燃焼室に向けてアンモニアガスを噴射する電磁式の燃料噴射弁である。インジェクタ５は、例えば燃焼室毎に複数配置されている。スロットルバルブ６は、吸気通路３に配設されている。スロットルバルブ６は、アンモニアエンジン２の燃焼室に供給される空気の流量を制御する電磁式の主空気流量制御弁である。

また、エンジンシステム１は、アンモニアタンク８と、気化器９と、改質器１０と、アンモニアバルブ１１，１２と、空気バルブ１３と、改質ガス流路１４とを備えている。

アンモニアタンク８は、アンモニアを液体状態で貯蔵する高圧タンクである。つまり、アンモニアタンク８は、液体アンモニアを高圧で貯蔵する。気化器９は、アンモニア流路１５を介してアンモニアタンク８と接続されている。アンモニア流路１５は、液体アンモニアが気化器９に向けて流れる流路である。

気化器９は、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。気化器９は、アンモニア流路１６を介してインジェクタ５と接続されている。アンモニア流路１６は、インジェクタ５に供給されるアンモニアガスが流れる流路である。

アンモニアバルブ１１は、アンモニア流路１５に配設されている。アンモニアバルブ１１は、アンモニア流路１５を流れる液体アンモニアの流量を制御する電磁式の流量制御弁である。

改質器１０は、アンモニア流路１７を介して気化器９と接続されている。アンモニア流路１７は、改質器１０に供給されるアンモニアガスが流れる流路である。改質器１０は、アンモニアガスを燃焼させて発生した熱を利用してアンモニアガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する。改質器１０は、改質触媒１０ａを有している。

改質触媒１０ａ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１０ａは、例えばＡＴＲ（Autothermal Reformer）式アンモニア改質触媒である。改質触媒１０ａとしては、例えばコバルト系触媒、ロジウム系触媒、ルテニウム系触媒またはパラジウム系触媒等が使用される。

アンモニアバルブ１２は、アンモニア流路１７に配設されている。アンモニアバルブ１２は、アンモニア流路１７を流れるアンモニアガスの流量を制御する電磁式の流量制御弁である。

また、改質器１０は、空気流路１８を介して吸気通路３と接続されている。空気流路１８の一端は、改質器１０の入口部に接続されている。空気流路１８の他端は、吸気通路３におけるスロットルバルブ６とアンモニアエンジン２との間の部分に接続されている。空気流路１８は、改質器１０に供給される空気が流れる流路である。

空気バルブ１３は、空気流路１８に配設されている。空気バルブ１３は、空気流路１８を流れる空気の流量を制御する電磁式の流量制御弁である。

改質ガス流路１４は、改質器１０とアンモニアエンジン２とを接続している。改質ガス流路１４の一端は、改質器１０の出口部に接続されている。改質ガス流路１４の他端は、吸気通路３におけるスロットルバルブ６とアンモニアエンジン２との間の部分に接続されている。改質ガス流路１４は、改質器１０により生成された改質ガスがアンモニアエンジン２の燃焼室に向けて流れる流路である。

また、エンジンシステム１は、エゼクタ２０と、燃焼器２１と、燃焼用混合ガス流路２２と、開閉弁２３と、改質用混合ガス流路２４と、リリーフ弁２５とを備えている。

エゼクタ２０は、アンモニアガスと空気とを混合し、アンモニアガスと空気との混合ガスを排出する。エゼクタ２０は、アンモニアガスが流れる主路２６と、空気が流れる副路２７とを有している。主路２６の途中には、絞り部２９が設けられている。また、エゼクタ２０は、アンモニアガスが導入される入口部２０ａと、混合ガスが排出される出口部２０ｂとを有している。入口部２０ａは、主路２６の一端部である。出口部２０ｂは、主路２６の他端部である。

エゼクタ２０において、アンモニアガスが入口部２０ａから主路２６に導入されると共に、空気が副路２７に導入される。このとき、絞り部２９により生じる負圧によって、空気が副路２７から主路２６に吸引されて、アンモニアガスと空気とが混合する。アンモニアガスと空気との混合ガスは、主路２６を通って出口部２０ｂから排出される。

エゼクタ２０の入口部２０ａ（主路２６）は、アンモニア流路２８を介して気化器９と接続されている。アンモニア流路２８は、気化器９からエゼクタ２０に向けてアンモニアガスが流れる流路である。エゼクタ２０の副路２７は、空気流路３０を介して吸気通路３と接続されている。空気流路３０は、吸気通路３におけるスロットルバルブ６とアンモニアエンジン２との間の部分に接続されている。空気流路３０は、吸気通路３からエゼクタ２０に向けて空気が流れる流路（酸化性ガス流路）である。

空気流路３０には、逆止弁３１及び空気バルブ３２が配設されている。逆止弁３１は、吸気通路３側からエゼクタ２０側への空気の流れのみを許容し、エゼクタ２０側から吸気通路３側への空気の流れを遮断するバルブである。空気バルブ３２は、空気流路３０における逆止弁３１よりも上流側に配設されている。空気バルブ３２は、空気流路３０を流れる空気の流量を制御する電磁式の流量制御弁である。

ここで、アンモニアタンク８、気化器９、アンモニア流路１５，１７，２８及びアンモニアバルブ１１，１２は、改質器１０及びエゼクタ２０にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部３４（燃料ガス供給部）を構成している。アンモニアバルブ１１，１２は、改質器１０に供給されるアンモニアガスの流量を制御する第１燃料ガス流量制御弁に相当する。アンモニアバルブ１１は、エゼクタ２０に供給されるアンモニアガスの流量を制御する第２燃料ガス流量制御弁に相当する。

空気流路１８，３０、空気バルブ１３，３２及び逆止弁３１は、改質器１０及びエゼクタ２０に空気を供給する空気供給部３５（酸化性ガス供給部）を構成している。空気バルブ１３，３２は、改質器１０に供給される空気の流量を制御する第１空気流量制御弁（第１酸化性ガス流量制御弁）に相当する。空気バルブ３２は、エゼクタ２０に供給される空気の流量を制御する第２空気流量制御弁（第２酸化性ガス流量制御弁）に相当する。

燃焼器２１は、改質器１０に供給される燃焼ガスを発生させる管状火炎バーナである。改質器１０は、燃焼器２１により発生した燃焼ガスの熱を利用して、アンモニアガスの燃焼及び改質を行う。

燃焼器２１は、燃焼ガス流路３７を介して改質器１０の入口部と接続されている。燃焼ガス流路３７は、燃焼器２１により発生した燃焼ガスが改質器１０に向けて流れる流路である。燃焼ガス流路３７には、上記のアンモニア流路１７及び空気流路１８が接続されている。空気流路１８は、燃焼ガス流路３７におけるアンモニア流路１７よりも下流側（改質器１０側）に接続されている。

燃焼器２１は、図２に示されるように、円管状の筐体４０と、この筐体４０に設けられた複数（ここでは４つ）のガス導入部４１と、筐体４０に取り付けられた点火部４２（図１参照）とを有している。筐体４０は、燃焼ガス流路３７を形成する配管と一体化されていてもよい。

各ガス導入部４１は、エゼクタ２０から排出されたアンモニアガスと空気との混合ガスを筐体４０の内部に管状流が発生するように導入する。具体的には、各ガス導入部４１は、混合ガスを筐体４０の内部に筐体４０の内周面４０ａの接線方向に導入する。点火部４２は、ガス導入部４１より筐体４０の内部に導入された混合ガス中のアンモニアガスを着火させる。点火部４２は、例えばグロープラグまたはスパークプラグ等である。

燃焼用混合ガス流路２２は、エゼクタ２０の出口部２０ｂと燃焼器２１の各ガス導入部４１とを接続している。燃焼用混合ガス流路２２は、エゼクタ２０から排出された混合ガスが燃焼器２１に向けて流れる流路である。

開閉弁２３は、燃焼用混合ガス流路２２に配設されている。開閉弁２３は、燃焼用混合ガス流路２２を開閉する電磁式のＯＮ／ＯＦＦ弁である。なお、開閉弁２３としては、電磁式の流量制御弁を用いてもよい。

改質用混合ガス流路２４は、エゼクタ２０の出口部２０ｂと改質器１０とを接続している。具体的には、改質用混合ガス流路２４の一端は、燃焼用混合ガス流路２２におけるエゼクタ２０と開閉弁２３との間の部分に接続されている。改質用混合ガス流路２４の他端は、アンモニア流路１７におけるアンモニアバルブ１２よりも下流側（改質器１０側）の部分に接続されている。改質用混合ガス流路２４は、エゼクタ２０から排出された混合ガスが改質器１０に向けて流れる流路である。

リリーフ弁２５は、改質用混合ガス流路２４に配設されている。リリーフ弁２５は、改質用混合ガス流路２４の圧力が設定圧以上になると開くバルブである。リリーフ弁２５は、改質用混合ガス流路２４の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁である。例えば、エゼクタ２０の入口側の圧力が２００ｋＰａであり、エゼクタ２０の入口側及び出口側の差圧の要求値が５０ｋＰａである場合には、リリーフ弁２５の設定圧は１５０ｋＰａに設定される。改質用混合ガス流路２４の圧力がリリーフ弁２５の設定圧を超えることで、リリーフ弁２５が開くと、混合ガスがアンモニア流路１７に流れる。

以上において、アンモニアタンク８、気化器９、アンモニア流路１５、アンモニアバルブ１１、エゼクタ２０、アンモニア流路２８、空気流路３０、逆止弁３１、空気バルブ３２、燃焼用混合ガス流路２２、改質用混合ガス流路２４及びリリーフ弁２５は、混合気供給装置５０を構成している。

混合気供給装置５０は、アンモニアガスと空気との混合ガスを、改質器１０に供給すると共に、改質器１０、改質ガス流路１４及び吸気通路３を介してアンモニアエンジン２に供給する。

また、エンジンシステム１は、温度センサ４５と、コントローラ４６とを備えている。温度センサ４５は、改質器１０の温度を検出するセンサである。温度センサ４５は、例えば改質器１０の改質触媒１０ａの温度を検出してもよいし、改質器１０に供給されるアンモニアガスの温度を検出してもよい。

コントローラ４６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４６は、アンモニアエンジン２の始動時に、温度センサ４５の検出値に基づいてインジェクタ５、スロットルバルブ６、アンモニアバルブ１１，１２、空気バルブ１３，３２、開閉弁２３及び燃焼器２１の点火部４２を制御する。

図３は、コントローラ４６により実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。本処理は、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ操作されると、実行される。なお、本処理の実行前は、インジェクタ５、スロットルバルブ６、アンモニアバルブ１１，１２、空気バルブ１３，３２及び開閉弁２３は、閉状態となっている。

図３において、コントローラ４６は、まずインジェクタ５及びスロットルバルブ６を開くように制御する（手順Ｓ１０１）。また、コントローラ４６は、アンモニアバルブ１１，１２及び空気バルブ１３，３２を開くように制御する（手順Ｓ１０２）。このとき、コントローラ４６は、エゼクタ２０に供給されるアンモニアガス及び空気の流量が適切な混合比となるようにアンモニアバルブ１１及び空気バルブ３２の開度を制御する。

また、コントローラ４６は、開閉弁２３を開くように制御する（手順Ｓ１０３）。そして、コントローラ４６は、燃焼器２１の点火部４２を点火させるように制御する（手順Ｓ１０４）。

続いて、コントローラ４６は、温度センサ４５の検出値を取得する（手順Ｓ１０５）。そして、コントローラ４６は、温度センサ４５の検出値に基づいて、改質器１０の温度が規定温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０６）。規定温度は、例えば改質器１０の改質触媒１０ａによりアンモニアガスの燃焼が可能となる燃焼可能温度である。規定温度は、改質器１０の改質触媒１０ａによりアンモニアガスの改質が可能となる改質可能温度でもよい。

コントローラ４６は、改質器１０の温度が規定温度以上でないと判断したときは、手順Ｓ１０５を再度実行する。コントローラ４６は、改質器１０の温度が規定温度以上であると判断したときは、開閉弁２３を閉じるように制御する（手順Ｓ１０７）。また、コントローラ４６は、燃焼器２１の点火部４２の点火を停止させるように制御する（手順Ｓ１０８）。

続いて、コントローラ４６は、インジェクタ５及びスロットルバルブ６の開度を調整するような制御を行う（手順Ｓ１０９）。このとき、コントローラ４６は、アンモニアエンジン２に供給されるアンモニアガス及び空気の流量が適切な混合比となるようにインジェクタ５及びスロットルバルブ６の開度を制御する。

また、コントローラ４６は、アンモニアバルブ１２及び空気バルブ１３の開度を調整するような制御を行う（手順Ｓ１１０）。このとき、コントローラ４６は、改質器１０に供給されるアンモニアガス及び空気の流量が適切な混合比となるようにアンモニアバルブ１２及び空気バルブ１３の開度を制御する。なお、コントローラ４６は、アンモニアバルブ１２及び空気バルブ１３の開度に加え、アンモニアバルブ１１及び空気バルブ３２の開度も制御してもよい。

以上において、混合気供給装置５０、改質器１０、アンモニア流路１７、アンモニアバルブ１２、空気流路１８、空気バルブ１３、改質ガス流路１４、燃焼器２１、燃焼ガス流路３７、開閉弁２３、温度センサ４５及びコントローラ４６の一部処理（図３の手順Ｓ１０２～Ｓ１０８，Ｓ１１０）は、改質システム６０を構成している。

以上のような混合気供給装置５０及び改質システム６０を備えたエンジンシステム１において、アンモニアエンジン２の始動が指示されると、インジェクタ５、スロットルバルブ６、アンモニアバルブ１１，１２、空気バルブ１３，３２及び開閉弁２３が開弁する。すると、アンモニアエンジン２の燃焼室（図示せず）、改質器１０及びエゼクタ２０にアンモニアガス及び空気が供給される。

アンモニアガス及び空気がエゼクタ２０に導入されると、エゼクタ２０においてアンモニアガス及び空気の混合ガスが発生し、エゼクタ２０から混合ガスが排出される。混合ガスは、燃焼用混合ガス流路２２を流れて燃焼器２１に供給され、ガス導入部４１より筐体４０の内部に導入される。このとき、混合ガスは、筐体４０の内部に筐体４０の内周面４０ａの接線方向に導入されるため、筐体４０の内部において管状流となる。

その状態で、燃焼器２１の点火部４２が点火することで、混合ガス中のアンモニアガスが着火して管状火炎が形成され、アンモニアガスが燃焼する。具体的には、下記式のように、アンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、高温の燃焼ガスが発生する（発熱反応）。燃焼ガスは、燃焼ガス流路３７を改質器１０に向かって旋回して流れる。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ …（Ａ）

燃焼ガスが改質器１０に供給されると、燃焼ガスの熱により改質器１０が直接加熱される。また、燃焼ガスの熱によりアンモニアガス及び空気が加熱され、そのアンモニアガス及び空気の熱によっても改質器１０が加熱される。このため、改質器１０の温度が上昇する。

そして、改質器１０の温度が燃焼可能温度に達すると、改質器１０の改質触媒１０ａによりアンモニアガスが燃焼する。すると、上記（Ａ）式の発熱反応が起こり、改質器１０において燃焼ガスが生成される。そして、その燃焼ガスの熱によって改質器１０の温度が更に上昇する。つまり、改質器１０は、自律燃焼動作を行うようになる。そして、開閉弁２３が閉弁することで、燃焼器２１への混合ガスの供給が停止する。

その後、改質器１０の温度が改質可能温度に達すると、改質器１０の改質触媒１０ａによりアンモニアガスが改質される。具体的には、下記式のように、アンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路１４及び吸気通路３を流れてアンモニアエンジン２の燃焼室に供給される。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２ …（Ｂ）

そして、インジェクタ５、スロットルバルブ６、アンモニアバルブ１２及び空気バルブ１３の開度が調整されることで、適切な流量のアンモニアガス及び空気がアンモニアエンジン２の燃焼室及び改質器１０に供給される。これにより、アンモニアエンジン２は、アンモニアガスが改質ガス中の水素と共に燃焼する定常状態に移行する。

ところで、アンモニアエンジン２の定常状態では、アンモニアエンジン２の負荷等の運転条件に応じてアンモニアエンジン２の吸気圧が変動する。アンモニアエンジン２の吸気圧が変動すると、改質器１０に供給されるアンモニアガス及び空気の流量の混合比が変動し、改質器１０の改質性能が変わってしまう。

そのような課題に対し、本実施形態では、アンモニアエンジン２の始動時に、アンモニアエンジン２にアンモニアガス及び空気が供給されると共に、改質器１０及びエゼクタ２０にアンモニアガス及び空気が供給される。改質器１０にアンモニアガス及び空気が供給されると、改質器１０においてアンモニアガスの燃焼及び改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路１４を流れてアンモニアエンジンに供給される。そして、アンモニアエンジン２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。また、エゼクタ２０にアンモニアガス及び空気が供給されると、エゼクタ２０においてアンモニアガス及び空気が混合される。そして、アンモニアガスと空気との混合ガスがエゼクタ２０から排出され、その混合ガスが改質用混合ガス流路２４を改質器１０に向けて流れる。このとき、リリーフ弁２５によって、改質用混合ガス流路２４の圧力が一定圧に保持されるように調整される。従って、エゼクタ２０の下流側であるアンモニアエンジン２の吸気圧が変動しても、エゼクタ２０の上流側及び下流側の差圧が一定に保たれるため、アンモニアガス及び空気の混合比が一定圧に保たれる。このようにリリーフ弁２５を用いて改質用混合ガス流路２４の圧力を一定圧に保持することにより、エゼクタ２０に供給される空気の流量等の精密かつ複雑な制御が不要となる。これにより、例えばエゼクタ２０に供給される空気の流量をこまめに制御することなく、改質器１０の改質性能の変化を抑制することができる。

また、本実施形態では、改質用混合ガス流路２４の圧力が設定圧以上になると開くリリーフ弁２５を用いることにより、改質用混合ガス流路２４の圧力が設定圧に保たれるため、改質用混合ガス流路２４の圧力を一定圧に保持する調整を簡単かつ確実に行うことができる。

また、本実施形態では、エゼクタ２０に向けて空気が流れる空気流路３０に、エゼクタ２０側への空気の流れのみを許容する逆止弁３１が配設されているので、エゼクタ２０内の圧力上昇によってエゼクタ２０から空気が逆流することが防止される。

また、本実施形態では、アンモニアエンジン２の始動時に、開閉弁２３によって燃焼用混合ガス流路２２を開くと、エゼクタ２０から排出された混合ガスが燃焼用混合ガス流路２２を燃焼器２１に向けて流れる。そして、燃焼器２１において混合ガス中のアンモニアガスが着火して燃焼し、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが改質器１０に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器１０が加熱される。このように燃焼器２１により発生した高温の燃焼ガスの熱が改質器１０で利用されるため、改質器１０においてアンモニアガスが着火するまでの時間が短くなる。これにより、改質器１０の起動時間が短縮される。

また、本実施形態では、エゼクタ２０から排出された混合ガスが燃焼器２１に供給される際には、混合ガスがガス導入部４１より円管状の筐体４０の内部に導入される。そして、点火部４２が点火することで、混合ガス中のアンモニアガスが着火して燃焼する。このとき、混合ガスは、筐体４０の内部に管状流が発生するように導入される。従って、混合ガスが管状流となっている状態で混合ガス中のアンモニアガスが着火して管状火炎が形成されるため、燃焼ガスが改質器１０に向かって旋回して流れる。従って、改質器１０においてアンモニアガスの燃焼が安定して行われる。

また、本実施形態では、アンモニアバルブ１１，１２及び空気バルブ１３，３２を制御することにより、エゼクタ２０及び改質器１０に供給されるアンモニアガス及び空気の全流量及び混合比を広い範囲で且つ任意に調整することができる。例えば、エゼクタ２０から燃焼器２１には酸素過剰率が高い混合ガスが供給される場合でも、アンモニアバルブ１２の開度を大きくすることで、改質器１０にアンモニアがリッチの混合ガスを供給することができる。

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、改質用混合ガス流路２４の圧力が設定圧以上になると開くリリーフ弁２５が具備されているが、改質用混合ガス流路２４の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁としては、特にリリーフ弁２５には限られず、例えば減圧弁、シーケンス弁、カウンタバランス弁、アンロード弁、ブレーキ弁またはバランシング弁等を使用してもよい。

また、上記実施形態では、温度センサ４５により検出された改質器１０の温度に基づいて各種バルブ等が制御されているが、特に温度センサ４５を使用しなくてもよく、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１０の温度を推定してもよい。また、改質器１０の温度の代わりに、改質器１０により生成された改質ガス中の水素濃度を検出し、改質ガス中の水素濃度に基づいて各種バルブ等を制御してもよい。

また、上記実施形態では、燃焼器２１において、ガス導入部４１は、アンモニアガス及び空気が混合された混合ガスを筐体４０の内部に管状流が発生するように筐体４０の内周面４０ａの接線方向に導入しているが、特にそのような形態には限られない。ガス導入部４１は、例えば混合ガスを筐体４０の内部に筐体４０の径方向に導入してもよい。つまり、燃焼器２１は、改質器１０に供給される燃焼ガスを発生させるのであれば、管状火炎バーナでなくてもよい。

また、上記実施形態では、燃焼器２１により発生した燃焼ガスの熱によって改質器１０の改質触媒１０ａが加熱されることで、改質器１０の燃焼及び改質が行われているが、特にそのような形態には限られない。例えば、電気ヒータ等により改質器１０の改質触媒１０ａを直接加熱してもよいし、或いは電気ヒータ等によりアンモニアガスを加熱し、そのアンモニアガスの熱により改質器１０の改質触媒１０ａを加熱してもよい。また、改質触媒として、加熱しなくても燃焼及び改質が可能な触媒を使用する場合には、特に燃焼器及び電気ヒータ等を具備しなくてもよい。

また、上記実施形態では、改質器１０は、アンモニアを燃焼させる機能とアンモニアを水素に分解する機能とを併せ持った改質触媒１０ａを有しているが、特にそのような形態には限られない。改質器１０は、アンモニアを燃焼させる燃焼触媒と、アンモニアを水素に分解する改質触媒とを別々に有していてもよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ５は、アンモニアエンジン２の燃焼室毎に複数配置されているが、インジェクタ５の数としては、１つであってもよい。この場合には、インジェクタ５は、吸気通路３にアンモニアガスを噴射するように配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、アンモニアバルブ１２は、アンモニア流路１７に配設された流量制御弁であるが、アンモニアバルブ１２としては、特にその形態には限られず、例えば燃焼ガス流路３７にアンモニアガスを噴射するインジェクタであってもよい。

また、上記実施形態では、空気流路１８に流量制御弁である空気バルブ１３が配設されているが、特にその形態には限られず、例えばマスフローコントローラ、圧縮機またはポンプ等を用いて、改質器１０に空気を供給してもよい。

また、上記実施形態では、改質器１０及びエゼクタ２０に供給される空気の流量を制御する空気バルブ１３，３２が具備されているが、特にその形態には限られず、スロットルバルブ６によって改質器１０及びエゼクタ２０に供給される空気の流量を調整することができれば、空気バルブ１３，３２の一方または両方は無くてもよい。

また、上記実施形態では、改質器１０及びエゼクタ２０に供給される空気がそれぞれ流れる空気流路１８，３０は、吸気通路３におけるスロットルバルブ６よりも下流側の部分から分岐されているが、特にその形態には限られず、空気流路１８，３０は、吸気通路３におけるスロットルバルブ６よりも上流側の部分から分岐されていてもよい。

また、上記実施形態は、エゼクタ２０の下流側がアンモニア流路１７、改質器１０、改質ガス流路１４及び吸気通路３を介してアンモニアエンジン２と接続されたエンジンシステム１であるが、本発明は、例えばエゼクタ２０の下流側が改質器１０を介さずに吸気通路３を介してアンモニアエンジン２と接続されたエンジンシステム等にも適用可能である。

また、本発明は、アンモニアガスと空気との混合ガスを供給する混合気供給装置を備えていれば、エンジンシステム以外のシステム等にも適用可能である。例えば、本発明は、改質ガスに含まれる水素を利用する水素利用装置として、アンモニアタービンや、水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池等を備えたシステム等にも適用可能である。この場合、酸化性ガスとしては、空気ではなく酸素を使用してもよい。

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混合気供給装置、改質システム及びエンジンシステムにも適用可能である。

１…エンジンシステム、２…アンモニアエンジン（エンジン）、３…吸気通路、４…排気通路、５…インジェクタ（燃料噴射弁）、６…スロットルバルブ（主空気流量制御弁）、１０…改質器、１１…アンモニアバルブ（第１燃料ガス流量制御弁、第２燃料ガス流量制御弁）、１２…アンモニアバルブ（第１燃料ガス流量制御弁）、１３…空気バルブ（第１空気流量制御弁）、１４…改質ガス流路、２０…エゼクタ、２１…燃焼器、２２…燃焼用混合ガス流路（混合ガス流路）、２３…開閉弁、２４…改質用混合ガス流路（混合ガス流路）、２５…リリーフ弁（圧力調整弁）、３０…空気流路（酸化性ガス流路）、３１…逆止弁、３２…空気バルブ（第１酸化性ガス流量制御弁、第２酸化性ガス流量制御弁）、３４…アンモニアガス供給部（燃料ガス供給部）、３５…空気供給部（酸化性ガス供給部）、４０…筐体、４１…ガス導入部、４２…点火部、５０…混合気供給装置、６０…改質システム。

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化性ガスとを混合し、前記燃料ガスと前記酸化性ガスとの混合ガスを排出するエゼクタと、
   前記エゼクタに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記エゼクタに前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
   前記エゼクタから排出された前記混合ガスが流れる混合ガス流路と、
   前記混合ガス流路の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁とを備える混合気供給装置。
2. 前記圧力調整弁は、前記混合ガス流路の圧力が設定圧以上になると開くリリーフ弁である請求項１記載の混合気供給装置。
3. 前記酸化性ガス供給部は、前記エゼクタに向けて前記酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、前記酸化性ガス流路に配設され、前記エゼクタ側への前記酸化性ガスの流れのみを許容する逆止弁とを有する請求項１または２記載の混合気供給装置。
4. 燃料ガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器により生成された前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
   前記燃料ガスと酸化性ガスとを混合し、前記燃料ガスと前記酸化性ガスとの混合ガスを排出するエゼクタと、
   前記改質器及び前記エゼクタに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記改質器及び前記エゼクタに前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
   前記エゼクタから排出された前記混合ガスが前記改質器に向けて流れる改質用混合ガス流路と、
   前記改質用混合ガス流路の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁とを備える改質システム。
5. 前記改質器を加熱するための燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
   前記エゼクタから排出された前記混合ガスが前記燃焼器に向けて流れる燃焼用混合ガス流路と、
   前記燃焼用混合ガス流路を開閉する開閉弁とを更に備え、
   前記改質器は、前記燃焼器により発生した前記燃焼ガスの熱を利用して、前記燃料ガスを改質する請求項４記載の改質システム。
6. 前記燃焼器は、円管状の筐体と、前記筐体に設けられ、前記混合ガスを前記筐体の内部に管状流が発生するように導入するガス導入部と、前記筐体に取り付けられ、前記ガス導入部より前記筐体の内部に導入された前記混合ガス中の燃料ガスを着火させる点火部とを有する請求項５記載の改質システム。
7. 前記燃料ガス供給部は、前記改質器に供給される前記燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガス流量制御弁と、前記エゼクタに供給される前記燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガス流量制御弁とを有し、
   前記酸化性ガス供給部は、前記改質器に供給される前記酸化性ガスの流量を制御する第１酸化性ガス流量制御弁と、前記エゼクタに供給される前記酸化性ガスの流量を制御する第２酸化性ガス流量制御弁とを有する請求項４～６の何れか一項記載の改質システム。
8. エンジンと、
   前記エンジンに供給される空気が流れる吸気通路と、
   前記エンジンで発生した排気ガスが流れる排気通路と、
   前記エンジンに向けて燃料ガスを噴射する燃料噴射弁と、
   前記吸気通路に配設され、前記エンジンに供給される前記空気の流量を制御する主空気流量制御弁と、
   前記燃料ガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器により生成された前記改質ガスが前記エンジンに向けて流れる改質ガス流路と、
   前記燃料ガスと前記空気とを混合し、前記燃料ガスと前記空気との混合ガスを排出するエゼクタと、
   前記改質器及び前記エゼクタに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記改質器及び前記エゼクタに前記空気を供給する空気供給部と、
   前記エゼクタから排出された前記混合ガスが前記改質器に向けて流れる改質用混合ガス流路と、
   前記改質用混合ガス流路の圧力を一定圧に保持するように調整する圧力調整弁とを備えるエンジンシステム。

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