JP2023176462A - アンモニアエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアエンジンを好適に運転する。
【解決手段】アンモニアエンジンシステム１０は、空気が混合されたアンモニアを燃焼することで燃焼ガスを生成する燃焼器４０と、燃焼ガスによって暖機される改質触媒２３ｂと、改質触媒２３ｂから排出される水素が供給されるアンモニアエンジン１１と、燃焼器４０に供給される空気の量及びアンモニアの量を変動させる制御部３７と、を有する。制御部３７は、燃焼器４０に供給される空気量を、燃焼器４０に供給されるアンモニアを理論上全て燃焼させるために必要な最小空気量で除した値である空気過剰率が、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値で、かつ、１．１より大きい値となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニアエンジンシステムに関する。

空気が混合されたアンモニアを燃焼することで燃焼ガスを生成する燃焼器が知られている。こうした燃焼器におけるアンモニアへの着火特性は、非特許文献１に記載のように、燃焼器での空気過剰率が１．１であるときに燃焼器でのアンモニアへの着火に必要なエネルギーが最小になる傾向があることが知られている。そのため、燃焼器でのアンモニアの燃焼効率を高めるためには、燃焼器での空気過剰率を１．１に制御することが最適とされていた。

今橋裕、村井隆一、堀司、赤松史光、「管状火炎バーナを用いたアンモニア/空気予混合気の着火特性」、日本機械学会熱工学コンファレンス２０２０講義論文集

燃焼器で生成された燃焼ガスによって暖機される改質触媒と、改質触媒から排出される水素が供給されるアンモニアエンジンと、を有するアンモニアエンジンシステムに、燃焼器を採用することが考えられている。この場合、アンモニアエンジンの回転数のばらつきに起因して、燃焼器に実際に供給される空気の量が変動する。アンモニアエンジンのエンジン回転数が想定の回転数より低くなると、燃焼器に供給される空気の量が減るために、燃焼器の実際の空気過剰率が燃焼器に供給されるアンモニアを燃焼可能な値を下回ることで、アンモニアエンジンの運転に支障が生じるおそれがある。

上記課題を解決するためのアンモニアシステムは、空気が混合されたアンモニアを燃焼することで燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスによって暖機される改質触媒と、前記改質触媒から排出される水素が供給されるアンモニアエンジンと、を有するアンモニアエンジンシステムであって、前記燃焼器に供給される前記空気の量及び前記アンモニアの量の少なくとも一方を変動させる制御部を有し、前記制御部は、前記燃焼器に供給される空気量を、前記燃焼器に供給される前記アンモニアを理論上全て燃焼させるために必要な最小空気量で除した値である空気過剰率が、前記燃焼器に供給される前記アンモニアを燃焼可能な値で、かつ、１．１より大きい値となるように制御する、ことを特徴とする。

上記構成によれば、アンモニアエンジンの回転数のばらつきにより、燃焼器への実際の空気供給量が制御部による制御目標値としての燃焼器への空気供給量よりも少なくなっても、燃焼器にてアンモニアを燃焼できる。したがって、燃焼器にて生成された燃焼ガスによって改質触媒が暖機されるとともに、暖機された改質触媒から排出された水素がアンモニアエンジンに供給されることにより、アンモニアエンジンを好適に運転できる。

アンモニアシステムにおいて、前記制御部は、前記空気過剰率が、前記燃焼器に供給される前記アンモニアを燃焼可能な値のうちの最大値よりも１．１に近い値となるように制御してもよい。

上記構成によれば、空気過剰率が１．１よりも、燃焼器に供給されるアンモニアを燃焼可能な値のうちの最大値に近い値となるように制御される場合と比較して、燃焼器でのアンモニアガスの燃焼効率を高められる。

この発明によれば、アンモニアエンジンを好適に運転できる。

実施形態におけるアンモニアエンジンシステムの模式図である。 燃焼器、点火プラグ、及び着火ユニットを示す模式図である。 図２の３－３線における断面図である。 空気過剰率の計測結果を示すグラフである。

以下、アンモニアエンジンシステムを具体化した一実施形態について図１～図４を用いて説明する。
＜アンモニアエンジンシステムの概略構成＞
図１に示すように、アンモニアエンジンシステム１０は、アンモニアエンジン１１を有する。本実施形態のアンモニアエンジンシステム１０は、エンジン式の車両５０に搭載されている。アンモニアエンジン１１は、燃料としてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いる。アンモニアエンジン１１の内部には燃焼室１１ａが形成されている。

アンモニアエンジンシステム１０は、吸気流路１２と、エアクリーナ１９と、メインインジェクタ１４と、メインスロットルバルブ１５と、を有する。吸気流路１２から燃焼室１１ａに空気が導入される。エアクリーナ１９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１９は、吸気流路１２の端部に設けられている。エアクリーナ１９によって異物が除去された空気が吸気流路１２に流入する。

メインインジェクタ１４は、例えば電磁式の噴射弁である。メインインジェクタ１４に、不図示のアンモニアガス供給部からアンモニアガスが供給される。メインインジェクタ１４は、吸気流路１２内にアンモニアガスを噴射することにより、吸気流路１２にアンモニアガスを供給する。メインインジェクタ１４から吸気流路１２に供給されたアンモニアガスは、吸気流路１２を流れる空気と共に燃焼室１１ａに導入される。

メインスロットルバルブ１５は、吸気流路１２のうち、メインインジェクタ１４からアンモニアガスが供給される箇所よりも上流側に設けられている。メインスロットルバルブ１５は、例えば吸気流路１２の開度を調整可能な電磁式の流量制御弁である。

アンモニアエンジンシステム１０は、排気流路１３と、排気触媒ユニット１６と、を有する。排気流路１３には、燃焼室１１ａで発生した排ガスが燃焼室１１ａから導入される。排気触媒ユニット１６は、排気流路１３に設けられている。排気触媒ユニット１６は、三元触媒１７と、ＳＣＲ触媒１８と、を有している。三元触媒１７は、排気流路１３を流れる排ガスに残留するアンモニアガスを酸化することにより、排ガスからアンモニアガスを除去する。三元触媒１７は、排ガスの熱によって活性化される。ＳＣＲ触媒１８は、排気流路１３における三元触媒１７よりも下流側に設けられている。ＳＣＲ触媒１８は、選択式還元触媒（Selective Catalytic Reduction）である。ＳＣＲ触媒１８は、排気流路１３を流れる排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。さらに、ＳＣＲ触媒１８は、三元触媒１７を通過したアンモニアを捕集して除去する。

アンモニアエンジンシステム１０は、改質器２３を有する。改質器２３は、内部に空間が形成された箱状の収容部２３ａを有している。収容部２３ａの内部には、改質触媒２３ｂが設けられている。言い換えると、アンモニアエンジンシステム１０は、改質触媒２３ｂを有している。収容部２３ａの内部には、例えば、不図示のハニカム構造の担体が設けられてもよい。この担体に改質触媒２３ｂが塗布されることにより、改質触媒２３ｂが収容部２３ａの内部に設けられてもよい。改質触媒２３ｂは、アンモニアを水素に分解する機能と、アンモニアを燃焼させる機能と、を有している。改質触媒２３ｂは、例えばＡＴＲ（Autothermal Reformer）式アンモニア改質触媒である。改質器２３は、改質触媒２３ｂによっ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。

アンモニアエンジンシステム１０は、改質ガス流路３１と、クーラ３２と、ストップバルブ３３と、を備えている。改質ガス流路３１の一端は、改質器２３に接続されている。改質ガス流路３１の他端は、吸気流路１２におけるメインスロットルバルブ１５より下流側に接続されている。改質器２３により生成された改質ガスが改質ガス流路３１に導入されるとともに、改質ガス流路３１から吸気流路１２に改質ガスが導入される。

クーラ３２は、改質ガス流路３１を流れる改質ガスを冷却する。クーラ３２は、例えばクーラ３２の内部を流れる冷却水と改質ガスとで熱交換させることにより改質ガスを冷却する。クーラ３２によって冷却された改質ガスが、改質ガス流路３１を通って吸気流路１２に導入される。これにより、改質ガスの熱によるメインスロットルバルブ１５等の吸気系部品の損傷を抑制できる。改質ガスの冷却に伴って改質ガスの体積膨張が抑制されるため、吸気流路１２から燃焼室１１ａにガスが流入しやすくなっている。

ストップバルブ３３は、改質ガス流路３１におけるクーラ３２よりも下流側に設けられている。ストップバルブ３３は、例えば、改質ガス流路３１を開閉する開閉弁である。
アンモニアエンジンシステム１０は、第１空気流路２４ａと、第１インジェクタ２５と、第１スロットルバルブ２６と、を有する。第１空気流路２４ａの一端は、吸気流路１２におけるメインスロットルバルブ１５よりも上流側に接続されている。第１空気流路２４ａの他端は、改質器２３に接続されている。エアクリーナ１９を介して吸気流路１２に導入された空気の一部が第１空気流路２４ａに導入される。第１空気流路２４ａから改質器２３へ空気が導入される。

第１インジェクタ２５は、例えば電磁式の噴射弁である。第１インジェクタ２５には、不図示のアンモニアガス供給部からアンモニアガスが供給される。第１インジェクタ２５は、第１空気流路２４ａ内にアンモニアガスを噴射することにより、第１空気流路２４ａにアンモニアガスを供給する。第１インジェクタ２５から第１空気流路２４ａに供給されたアンモニアガスは、第１空気流路２４ａを流れる空気と共に改質器２３に導入される。

第１スロットルバルブ２６は、第１空気流路２４ａのうち、第１インジェクタ２５からアンモニアガスが供給される箇所よりも上流側に設けられている。第１スロットルバルブ２６は、例えば第１空気流路２４ａの開度を調整可能な電磁式の流量制御弁である。

アンモニアエンジンシステム１０は、第２空気流路２４ｂと、チャンバ２７と、第２インジェクタ２８と、第２スロットルバルブ２９と、燃焼器４０と、を有する。第２空気流路２４ｂの一端は、第１空気流路２４ａにおける第１スロットルバルブ２６よりも上流側に接続されている。第２空気流路２４ｂの他端は、チャンバ２７に接続されている。第１空気流路２４ａを流れる空気の一部が第２空気流路２４ｂに導入される。チャンバ２７は、内部に空間が形成された箱状である。第２空気流路２４ｂからチャンバ２７の内部の空間へ空気が導入される。

第２インジェクタ２８は、例えば電磁式の噴射弁である。第２インジェクタ２８には、不図示のアンモニアガス供給部からアンモニアガスが供給される。第２インジェクタ２８は、チャンバ２７の内部の空間にアンモニアガスを噴射することにより、チャンバ２７の内部の空間にアンモニアガスを供給する。第２空気流路２４ｂからチャンバ２７に導入された空気と、第２インジェクタ２８からチャンバ２７に供給されたアンモニアガスと、がチャンバ２７の内部で混合される。これにより、チャンバ２７の内部には、空気が混合されたアンモニアガスが生成される。空気が混合されたアンモニアガスは、チャンバ２７から燃焼器４０に導入される。

第２スロットルバルブ２９は、第２空気流路２４ｂに設けられている。第２スロットルバルブ２９は、例えば第２空気流路２４ｂの開度を調整可能な電磁式の流量制御弁である。

燃焼器４０は、空気が混合されたアンモニアを燃焼することで燃焼ガスを生成する。燃焼器４０によって生成された燃焼ガスは、改質器２３に導入される。
アンモニアエンジンシステム１０は、温度センサ３５と、イグニッションスイッチ３６と、制御部３７と、を備えている。温度センサ３５は、改質器２３の温度を検出する。車両５０の運転者によってイグニッションスイッチ３６が操作されると、イグニッションスイッチ３６は操作信号を出力する。

＜燃焼器の詳細＞
図２に示すように、燃焼器４０は、円管状の筐体４１を有する。筐体４１の第１端４１ａは開放されている。筐体４１の第２端４１ｂには閉塞壁４２が設けられている。閉塞壁４２は例えば円板状である。閉塞壁４２は、筐体４１の第２端４１ｂを閉塞している。筐体４１及び閉塞壁４２は、導電性を有する金属材料からなる。導電性を有する金属材料としては、例えば、ステンレス鋼が挙げられる。

図３に示すように、燃焼器４０は、４つの導入部４３を有する。導入部４３は、例えば管状であるとともに内部に流路４３ａが形成されている。導入部４３の一端はチャンバ２７に接続され、導入部４３の他端は筐体４１に接続されている。筐体４１の軸線Ｌに直交する断面において、４つの導入部４３の各々は、流路４３ａが筐体４１の内周面４１ｄの接線方向に延びるように筐体４１に接続されている。導入部４３は、筐体４１と一体に形成されていてもよい。導入部４３は、筐体４１とは別体に形成され、かつ筐体４１に固定されていてもよい。

チャンバ２７の内部から導入部４３の流路４３ａに、空気が混合されたアンモニアガスが導入される。空気が混合されたアンモニアガスは、流路４３ａを流れた後、流路４３ａから筐体４１の内部に導入される。導入部４３から筐体４１の内部に導入されたアンモニアガス及び空気が筐体４１の内周面４１ｄに沿って筐体４１の周方向に流れることにより、筐体４１の内面に沿って流れる管状流Ｆ１が発生する。

図２に示すように、燃焼器４０は、点火プラグ４４と、着火ユニット５１と、を有する。点火プラグ４４は、筐体４１内における第２端４１ｂ側に配置されている。着火ユニット５１は、イグナイタ５２と電源５３とを有する。電源５３は、イグナイタ５２のオン操作及びオフ操作を行う。イグナイタ５２は電線５４を介して点火プラグ４４と接続されている。イグナイタ５２は、電線５４を介して点火プラグ４４にパルス電圧を供給する。

イグナイタ５２から点火プラグ４４に高電圧が印加されると、点火プラグ４４によって筐体４１の内部のアンモニアガスに着火することにより、アンモニアガスが燃焼して火炎が生じる。アンモニアガスが燃焼すると、筐体４１の内部に燃焼ガスが生成される。火炎は、筐体４１内で成長する。火炎の成長によって筐体４１内でのアンモニアガスの燃焼による燃焼ガスの生成が促進される。燃焼ガスは、筐体４１の第１端４１ａから改質器２３に導入される。

＜改質器での燃焼反応＞
図１に示すように、第１空気流路２４ａから改質器２３に空気及びアンモニアガスが導入されるとともに、燃焼器４０から改質器２３に燃焼ガスが導入される。改質触媒２３ｂは燃焼ガスによって暖機される。これにより、下記の式１のようにアンモニアガスと空気中の酸素とが化学反応するアンモニアの燃焼反応が改質器２３にて起こる。

ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→３／２Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｎ_２＋Ｑ…（式１）

アンモニアの燃焼反応によって、改質器２３は、水分（Ｈ_２Ｏ）及び窒素（Ｎ_２）を含む混合ガスを生成する。アンモニアの燃焼反応に伴って生じる燃焼熱により、改質器２３が昇温する。

＜改質器での改質反応＞
改質器２３の温度が改質可能な温度に達すると、改質触媒２３ｂによるアンモニアガスの改質が開始される。上記改質可能な温度とは、例えば３００℃～４００℃程度である。アンモニアガスの改質においては、具体的には、下記の式２のように、燃焼熱によってアンモニアが水素（Ｈ_２）と窒素とに分解される改質反応が改質器２３にて起こる。

ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２－Ｑ…（式２）

改質反応によって、改質器２３は、水素及び窒素を含有した改質ガスを生成する。改質ガスは、改質触媒２３ｂから排出される。すなわち、改質ガスに含有される水素は、改質触媒２３ｂから排出される。改質ガスは、改質器２３から改質ガス流路３１に導入された後、改質ガス流路３１を介して吸気流路１２に導入される。

＜改質ガスの燃焼室への供給＞
改質ガス流路３１から吸気流路１２に導入された改質ガスは、吸気流路１２からアンモニアエンジン１１の燃焼室１１ａに供給される。すなわち、アンモニアエンジン１１には、改質触媒２３ｂから排出される水素が供給される。改質ガスは、メインインジェクタ１４から吸気流路１２に供給されたアンモニアガス及び吸気流路１２中の空気と共に燃焼室１１ａに供給される。アンモニアガスと改質ガス中の水素とが燃焼室１１ａにて混合されるため、燃焼室１１ａにてアンモニアガスが燃焼しやすくなる。燃焼室１１ａにおいて、アンモニアガスは改質ガス中の水素と共に燃焼する。

＜制御部＞
制御部３７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。制御部３７は、例えば、温度センサ３５の検出値及びイグニッションスイッチ３６の操作信号に基づいて、各種制御を行う。制御部３７は、メインインジェクタ１４、メインスロットルバルブ１５、第１インジェクタ２５、第１スロットルバルブ２６、第２インジェクタ２８、第２スロットルバルブ２９、ストップバルブ３３、及び電源５３等を制御する。

＜制御部による制御＞
制御部３７は、アンモニアエンジン１１を始動させる始動制御を実行する。制御部３７は、イグニッションスイッチ３６の操作信号に基づいてイグニッションスイッチ３６がオン操作されたと判断したことを条件に始動制御を行う。

始動制御において、制御部３７は、第１インジェクタ２５及び第２インジェクタ２８からアンモニアガスを噴射させる。制御部３７は、第１スロットルバルブ２６、第２スロットルバルブ２９、及びストップバルブ３３を開弁させる。制御部３７が電源５３を制御することにより、電源５３によってイグナイタ５２がオン操作される。始動制御において、制御部３７は、アンモニアエンジン１１をクランキングさせるように不図示のスタータモータを制御することにより、アンモニアエンジン１１を始動させる。さらに、始動制御において、制御部３７は、メインインジェクタ１４からアンモニアガスを噴射させるとともに、メインスロットルバルブ１５を開弁させる。

始動制御において、制御部３７は、温度センサ３５の検出値に基づいて、改質器２３の温度が規定温度以上であるかどうかを判断する。規定温度とは、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。制御部３７は、改質器２３の温度が規定温度以上であると判断したときは、第２インジェクタ２８からのアンモニアガスの噴射を停止させるとともに、第２スロットルバルブ２９を閉弁させる。これにより、チャンバ２７から燃焼器４０へ供給される空気及びアンモニアガスの導入が停止される。制御部３７が電源５３を制御することにより、電源５３によってイグナイタ５２がオフ操作される。燃焼器４０でのアンモニアガスの燃焼が停止することにより、燃焼器４０から改質器２３への燃焼ガスの導入が停止される。こうして制御部３７による始動制御が終了される。

始動制御の終了後からアンモニアエンジン１１が停止されるまでの間、制御部３７は、メインスロットルバルブ１５の開度の調整や、メインインジェクタ１４の噴射タイミングの変更を行ってもよい。制御部３７は、第１スロットルバルブ２６の開度を調整することにより、第１空気流路２４ａから改質器２３に導入される空気量を適宜調整してもよい。制御部３７は、第１インジェクタ２５の噴射タイミングを適宜変更してもよい。

制御部３７は、アンモニアエンジン１１を停止させる停止制御を実行する。制御部３７は、イグニッションスイッチ３６の操作信号に基づいてイグニッションスイッチ３６がオフ操作されたと判断したことを条件に停止制御を行う。

停止制御において、制御部３７は、メインインジェクタ１４及び第１インジェクタ２５からのアンモニアガスの噴射を停止させる。停止制御において、制御部３７は、メインスロットルバルブ１５、第１スロットルバルブ２６、及びストップバルブ３３を閉弁させる。これにより、アンモニアエンジン１１が停止される。

＜燃焼器に供給される空気の量及びアンモニアの量の制御＞
制御部３７は、燃焼器４０に供給される空気の量及びアンモニアの量の両方を変動させる。燃焼器４０に供給される空気量を空気供給量Ａ１という。燃焼器４０に供給されるアンモニア量をアンモニア供給量Ａ２という。空気供給量Ａ１及びアンモニア供給量Ａ２の各々は、制御部３７による制御目標値である。始動制御において、制御部３７は、第２スロットルバルブ２９の開度を制御することによって空気供給量Ａ１を変動させる。制御部３７は、第２インジェクタ２８からのアンモニアガスの噴射量を制御することによってアンモニア供給量Ａ２を変動させる。

制御部３７は、目標値λｔに設定された空気過剰率λを用いて制御する。空気過剰率λは、燃焼器４０に供給される空気量である空気供給量Ａ１を、燃焼器４０に供給されるアンモニアを理論上全て燃焼させるために必要な最小空気量Ａｍｉｎで除した値である。最小空気量Ａｍｉｎは、空気供給量Ａ１が同じ値である条件下で、アンモニア供給量Ａ２が多いほど大きい値を示す。

目標値λｔは、１．１より大きい値に設定されている。ここで、燃焼器４０で実現される空気過剰率を実空気過剰率λａという。実空気過剰率λａは、燃焼器４０に実際に供給される空気量である実空気供給量Ａ３を最小空気量Ａｍｉｎで除した値である。燃焼器４０におけるアンモニアガスへの着火特性は、実空気過剰率λａが１．１であるときにアンモニアガスへの着火に必要なエネルギーが最小になる傾向がある。実空気過剰率λａが１．１である場合に燃焼器４０でのアンモニアガスの燃焼効率が最もよくなる。

目標値λｔは、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値に設定されている。燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値とは、最小値λｍｉｎ以上であって、かつ最大値λｍａｘ以下にある値である。１．１に対する最小値λｍｉｎの差分は、最大値λｍａｘに対する１．１の差分よりも小さくなっている。さらに、目標値λｔは、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値のうちの最大値λｍａｘよりも１．１に近い値に設定されている。詳細には、目標値λｔに対する１．１の差分が最大値λｍａｘに対する目標値λｔの差分よりも小さくなるように、目標値λｔは設定されている。最小値λｍｉｎ及び最大値λｍａｘは、燃焼器４０でのアンモニアの燃焼に伴って生じる燃焼量Ｃに応じて変動する値である。最小値λｍｉｎ及び最大値λｍａｘは、実空気過剰率λａが最小値λｍｉｎ以上でありかつ最大値λｍａｘ以下であるときに、燃焼器４０に供給されるアンモニアが燃焼可能である値であり、実験によって予め設定された実験値である。

燃焼器４０に供給されるアンモニアが燃焼されれば、燃焼器４０から改質触媒２３ｂに燃焼ガスが供給されることにより、改質触媒２３ｂが暖機される。暖機された改質触媒２３ｂから水素を含んだ改質ガスが排出され、この改質ガスがアンモニアエンジン１１に供給されることにより、アンモニアエンジン１１が始動する。したがって、最小値λｍｉｎ及び最大値λｍａｘは、実空気過剰率λａが最小値λｍｉｎ以上でありかつ最大値λｍａｘ以下であるときに、アンモニアエンジン１１が始動可能な値でもある。

上記の目標値λｔに設定された空気過剰率λを用いて制御することにより、制御部３７は、空気過剰率λが、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値で、かつ１．１より大きい値となるように制御する。制御部３７は、空気過剰率λが、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値のうちの最大値λｍａｘよりも１．１に近い値となるように制御する。

＜実空気過剰率の計測結果＞
図４に示すように、アンモニアエンジンシステム１０に搭載された燃焼器４０において、空気過剰率λに制御した際の実空気過剰率λａを計測した。この計測は、空気過剰率λと実空気過剰率λａとが等しい値であると仮定したときに、燃焼器４０にて所定量の燃焼量Ｃを生じさせる空気過剰率λを用いて行った。範囲Ｔ内にある互いに異なる複数の空気過剰率λの各々において、実空気過剰率λａの測定を行った。範囲Ｔは、最小値λｍｉｎと最大値λｍａｘとの間にあって、かつ１．１より大きい実空気過剰率λａの値の範囲とした。図４に、測定された実空気過剰率λａを測定値Ｐとして図４に白色の丸で示している。なお参考までに、図４には実施形態での空気過剰率λの目標値λｔの一例を黒色の丸で示している。

燃焼器４０に実際に供給される空気量である実空気供給量Ａ３は、アンモニアエンジン１１のエンジン回転数に応じて変動する。アンモニアエンジン１１のエンジン回転数が想定の回転数からずれると、制御部３７による制御目標値である空気供給量Ａ１から実空気供給量Ａ３がずれる。アンモニアエンジン１１のエンジン回転数が想定の回転数よりも低くなると、制御部３７による制御目標値である空気供給量Ａ１よりも実空気供給量Ａ３が少なくなることにより、空気過剰率λよりも実空気過剰率λａが小さくなる。

図４に示すように、測定された全ての測定値Ｐの実空気過剰率λａは、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値である最小値λｍｉｎ以上であり且つ最大値λｍａｘ以下であった。したがって、空気過剰率λを燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値で、かつ、１．１より大きい値となるように制御することにより、実空気過剰率λａが燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値となることが図４の測定結果から確認できた。

［作用及び効果］
上記実施形態によれば、以下の作用及び効果を得ることができる。
（１）制御部３７は、燃焼器４０に供給される空気量である空気供給量Ａ１を最小空気量Ａｍｉｎで除した値である空気過剰率λが、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値で、かつ、１．１より大きい値となるように制御する。アンモニアエンジン１１の回転数のばらつきにより、燃焼器４０への実際の空気供給量である実空気供給量Ａ３が制御部３７による制御目標値としての燃焼器４０への空気供給量である空気供給量Ａ１よりも少なくなっても、燃焼器４０にてアンモニアを燃焼できる。したがって、燃焼器４０にて生成された燃焼ガスによって改質触媒２３ｂが暖機されるとともに、暖機された改質触媒２３ｂから排出された水素がアンモニアエンジン１１に供給されることにより、アンモニアエンジン１１を好適に運転できる。

（２）制御部３７は、空気過剰率λが、燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値のうちの最大値λｍａｘよりも１．１に近い値となるように制御する。そのため、空気過剰率λが１．１よりも最大値λｍａｘに近い値となるように制御される場合と比較して、燃焼器４０でのアンモニアガスの燃焼効率を高められる。

［変更例］
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 導入部４３は、空気が混合されたアンモニアガスを筐体４１内に導入するものに限らない。例えば、複数の導入部４３のうち、一部の導入部４３がアンモニアガスのみを筐体４１内に導入し、その他の導入部４３が空気のみを筐体４１内に導入するものであってもよい。

○ 燃焼器４０が有する導入部４３は、３つ以下であってもよいし、５つ以上であってもよい。要するに、燃焼器４０は、少なくとも１つの導入部４３を有していればよい。なお、本明細書において使用される「少なくとも１つ」という表現は、所望の選択肢の「１つ以上」を意味する。一例として、本明細書において使用される「少なくとも１つ」という表現は、選択肢の数が２つであれば「１つの選択肢のみ」または「２つの選択肢の双方」を意味する。他の例として、本明細書において使用される「少なくとも１つ」という表現は、選択肢の数が３つ以上であれば「１つの選択肢のみ」または「２つ以上の任意の選択肢の組み合わせ」を意味する。

○ 制御部３７は、空気過剰率λが、１．１よりも燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値のうちの最大値λｍａｘに近い値となるように制御してもよい。制御部３７は、空気過剰率λが、最大値λｍａｘと１．１との中間の値となるように制御してもよい。

○ 制御部３７は、燃焼器４０に供給される空気の量である空気供給量Ａ１と、燃焼器４０に供給されるアンモニアの量であるアンモニア供給量Ａ２と、の一方のみを変動させてもよい。要するに、制御部３７は、空気供給量Ａ１及びアンモニア供給量Ａ２の少なくとも一方を変動させるものであればよい。この場合でも、制御部３７は、空気供給量Ａ１及びアンモニア供給量Ａ２の一方のみを変動させることにより、空気過剰率λが燃焼器４０に供給されるアンモニアを燃焼可能な値で、かつ、１．１より大きい値となるように制御することができる。

○ 燃焼器４０は、空気が混合されたアンモニアを燃焼することで燃焼ガスを生成するものであれば、上記実施形態での形態に限らない。例えば、燃焼器４０の筐体４１は、円筒以外の形状の筒状であってもよい。例えば、燃焼器４０の導入部４３は、筐体４１の軸線Ｌに直交する断面において、流路４３ａが筐体４１の内周面４１ｄの接線方向以外の方向に延びるように筐体４１に接続されていてもよい。

○ メインインジェクタ１４は、燃焼室１１ａにアンモニアガスを直接噴射するものであってもよい。
○ アンモニアエンジンシステム１０は、ハイブリッド式の車両５０にも適用可能である。

λ…空気過剰率、λｍａｘ…（空気過剰率の）最大値、Ａ１…空気供給量、Ａ２…アンモニア供給量、Ａｍｉｎ…最小空気量、１０…アンモニアエンジンシステム、１１…アンモニアエンジン、２３ｂ…改質触媒、３７…制御部、４０…燃焼器。

Claims (2)

1. 空気が混合されたアンモニアを燃焼することで燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって暖機される改質触媒と、
   前記改質触媒から排出される水素が供給されるアンモニアエンジンと、を有するアンモニアエンジンシステムであって、
   前記燃焼器に供給される前記空気の量及び前記アンモニアの量の少なくとも一方を変動させる制御部を有し、
   前記制御部は、前記燃焼器に供給される空気量を、前記燃焼器に供給される前記アンモニアを理論上全て燃焼させるために必要な最小空気量で除した値である空気過剰率が、前記燃焼器に供給される前記アンモニアを燃焼可能な値で、かつ、１．１より大きい値となるように制御する、ことを特徴とするアンモニアエンジンシステム。
2. 前記制御部は、前記空気過剰率が、前記燃焼器に供給される前記アンモニアを燃焼可能な値のうちの最大値よりも１．１に近い値となるように制御する、請求項１に記載のアンモニアエンジンシステム。

Images