JP4853451B2

JP4853451B2 - エンジンシステム

Info

Publication number: JP4853451B2
Application number: JP2007269581A
Authority: JP
Inventors: 雅夫木下; 健二福井; 昭則斎藤; 徳彦中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: JP2009097421A

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料を改質するエンジンシステムに関する。

内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料を改質する技術が下記特許文献１〜３に開示されている。例えば、特許文献１においては、燃焼後の排気ガスの熱を利用してアンモニアガス（燃料ガス）を分解して水素ガスを生成し、この水素ガスを副燃焼室内に導入して初期燃焼を行わせている。アンモニアはガソリン等の石油系燃料と比較して燃焼速度が遅く燃えにくい性質を有するが、特許文献１では、アンモニアガスだけでなく水素ガスも燃焼させることで、燃焼室内のアンモニアガスの燃焼を促進させている。

特開平５−３３２１５２号公報特開２０００−２７４２４９号公報特開２００６−５２６８８号公報特開２００７−１１３５７０号公報特開２００７−２９８６２号公報特開２００７−１７２０４４号公報米国特許出願公開第２００７／９５０５３号明細書米国特許出願公開第２００６／２０１１３９号明細書

内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料を燃料改質器で改質するエンジンシステムにおいては、内燃機関の運転条件によっては、改質後の燃料の噴射量を増大させるとともに改質前の燃料の噴射量を減少させることが望ましい場合がある。例えば、アンモニアを燃料改質器で改質して水素を生成するエンジンシステムにおいては、内燃機関の始動時や低負荷運転時には、改質後の水素の噴射量を増大させるとともに改質前のアンモニアの噴射量を減少させることで、燃料の燃焼速度を増大させて内燃機関の燃焼変動（トルク変動）を抑えることが望ましい。しかし、燃料改質器から供給される改質後の燃料には改質前の燃料も混合しているため、改質後の燃料の噴射量を増大させると、改質後の燃料に混合している改質前の燃料の噴射量も増大することになる。その結果、内燃機関の燃焼制御の自由度に制約が生じる。内燃機関の燃焼制御の自由度を高めるためには、改質前の燃料と改質後の燃料とを別系統で内燃機関に供給できることが望ましい。

本発明は、内燃機関のシリンダ内で燃焼させる燃料を改質するエンジンシステムにおいて、内燃機関の燃焼制御の自由度を高めることを目的とする。

本発明に係るエンジンシステムは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るエンジンシステムは、アンモニアを蓄えるアンモニア貯蔵装置と、アンモニア貯蔵装置からのアンモニアがガス状態で供給され、該供給されたアンモニアガスを部分的に改質して水素ガスを生成する改質器と、改質器からのアンモニアガス及び水素ガスが供給され、該供給されたアンモニアガス及び水素ガスを加圧してアンモニアガスを液化することで水素ガスから分離する分離器と、分離器で水素ガスから分離されたアンモニアを内燃機関の吸気管内またはシリンダ内へ噴射するアンモニア噴射装置と、分離器でアンモニアから分離された水素ガスを吸気管内またはシリンダ内へ噴射する水素噴射装置と、を備えることを要旨とする。

本発明の一態様では、アンモニア貯蔵装置は、アンモニアを液体の状態で蓄えるものであり、アンモニア貯蔵装置と改質器との間に、アンモニア貯蔵装置からのアンモニアを減圧することで気化する減圧装置が設けられており、分離器は、改質器からのアンモニアガス及び水素ガスが供給された圧力容器内にアンモニア貯蔵装置からのアンモニアを供給することで、圧力容器内のアンモニアガス及び水素ガスを加圧してアンモニアガスを液化することが好適である。

本発明の一態様では、分離器は、改質器から供給されたアンモニアガス及び水素ガスを圧縮する圧縮機を含むことが好適である。

本発明の一態様では、改質器は、アンモニア貯蔵装置からのアンモニアがガス状態で供給される容器であって、その内部で所定の周波数の電磁波が共振する共振容器と、共振容器内で共振する周波数の電磁波を発生させる電磁波発生源と、電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ伝搬させる電磁波伝搬手段と、共振容器内に配置された電極であって、該電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高める放電用電極と、を備え、放電用電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高めることで発生するプラズマ放電により共振容器内に供給されたアンモニアガスを部分的に改質して水素ガスを生成することが好適である。

本発明の一態様では、水素噴射装置は、分離器でアンモニアから分離された水素ガスをシリンダ内へ噴射する水素噴射弁を含み、水素噴射弁におけるシリンダ内に臨む先端部には、噴射した水素ガスが供給され、噴射孔を介してシリンダ内と連通するキャビティ部が設けられていることが好適である。

また、本発明に係るエンジンシステムは、炭化水素系燃料を蓄える燃料貯蔵装置と、燃料貯蔵装置からの炭化水素系燃料がガス状態で供給され、該供給された炭化水素系燃料ガスを部分的に改質して水素ガスを生成する改質器と、改質器からの炭化水素系燃料ガス及び水素ガスが供給され、該供給された炭化水素系燃料ガス及び水素ガスを加圧して炭化水素系燃料ガスを液化することで水素ガスから分離する分離器と、分離器で水素ガスから分離された炭化水素系燃料を内燃機関の吸気管内またはシリンダ内へ噴射する燃料噴射装置と、分離器で炭化水素系燃料から分離された水素ガスを吸気管内またはシリンダ内へ噴射する水素噴射装置と、を備えることを要旨とする。

本発明の一態様では、炭化水素系燃料は、プロパン、メタン、及びエタンのいずれか１つ以上を含むことが好適である。

本発明によれば、改質前の燃料（アンモニアまたは炭化水素系燃料）と改質後の燃料（水素ガス）とを互いに分離することができるので、改質前の燃料と改質後の燃料とを別系統で内燃機関に供給することができる。その結果、内燃機関の燃焼制御の自由度を高めることができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図であり、内燃機関の燃料としてアンモニアを使用するエンジンシステムに適用した例を示す。アンモニアタンク（アンモニア貯蔵装置）１２内にはアンモニア（ＮＨ₃）が蓄えられている。アンモニアは、例えば１ＭＰａ程度の圧力で液体の状態でアンモニアタンク１２内に蓄圧されている。アンモニアタンク１２内に蓄圧されたアンモニアは、アンモニアタンク１２と燃料改質器１６との間に設けられた減圧弁（減圧装置）１４で例えば０．５ＭＰａ程度の圧力に減圧されることで気化し、この気化したアンモニアガスが燃料改質器１６に供給される。このように、アンモニアタンク１２からのアンモニアは、ガス状態で燃料改質器１６に供給される。燃料改質器１６は、減圧弁１４からのアンモニアガス（燃料ガス）を部分的に改質（分解）して水素（Ｈ₂）ガスを生成する。燃料改質器１６では、アンモニアガスの少なくとも一部が水素ガスと窒素（Ｎ₂）ガスに分解される。燃料改質器１６の具体的構成例については後述する。

ガスコンプレッサ（圧縮機）７４は、燃料改質器１６からのアンモニアガスと水素ガス（及び窒素ガス）を圧縮する。ここでは、燃料改質器１６からのアンモニアガスと水素ガスを例えば１ＭＰａ以上の圧力に加圧することで、アンモニアガスと水素ガスのうちアンモニアガスのみを液化する。ここでは、水素ガス（及び窒素ガス）はガス状態を保つ。このアンモニアガスの液化によって、アンモニアガスを水素ガス（及び窒素ガス）から分離することができる。このように、ガスコンプレッサ７４を含んでアンモニアを水素ガス（及び窒素ガス）から分離する気液分離器を構成することができる。

アンモニア蓄圧器７６は、ガスコンプレッサ７４で水素ガス（及び窒素ガス）から分離されたアンモニアを蓄圧する。吸気管２０内に臨むアンモニアインジェクタ（アンモニア噴射装置）２２は、アンモニア蓄圧器７６に蓄圧された（水素ガスから分離された）アンモニアを吸気管２０内に噴射する。ガス蓄圧器７８は、ガスコンプレッサ７４でアンモニアから分離された水素ガス（及び窒素ガス）を蓄圧する。吸気管２０内に臨む水素インジェクタ（水素噴射装置）７２は、ガス蓄圧器７８に蓄圧された（アンモニアから分離された）水素ガス（及び窒素ガス）を吸気管２０内に噴射する。アンモニアインジェクタ２２から噴射されたアンモニアと水素インジェクタ７２から噴射された水素ガスは、吸気行程にて空気とともにシリンダ１１内に導入される。内燃機関１０は、燃料（アンモニア及び水素）と空気との混合気をシリンダ１１内で燃焼させることで動力を発生する。燃焼後の排出ガスは、排気行程にてシリンダ１１内から排気管２１内へ排出される。

シリンダ１１内で燃焼させる燃料ガスを改質する燃料改質器１６の構成例を図２に示す。電磁波発生電源３１は、例えば固体素子やマグネトロンや進行波増幅管により構成することができ、電磁波（例えばマイクロ波）を発生、増幅させる役割を果たす。マイクロ波制御器２８は、電池２７から供給される電力により動作し、電磁波発生電源３１が発生するマイクロ波のゲイン及びパルス幅のいずれか１つ以上を制御することで、その出力を制御する。電磁波発生電源３１は、アンモニアガスを改質する場合にマイクロ波を発生し、発生したマイクロ波は、電磁波伝送路として設けられた同軸ケーブル３７を伝搬する。同軸ケーブル３７の端部には、共振容器３４内に臨む電磁波放射器（電極）３５が接続されており、同軸ケーブル３７を伝搬したマイクロ波は、電磁波放射器３５から共振容器３４内に放射される。このように、同軸ケーブル３７及び電磁波放射器３５が、電磁波発生電源３１で発生したマイクロ波を共振容器３４内へ伝搬させる役割を果たす。

共振容器３４は、金属等の導電材料により構成されており、その内部にキャビティ３４ａが形成されている。キャビティ３４ａでは、所定の周波数のマイクロ波（電磁波）が所定の共振モードで共振する。電磁波発生電源３１は、キャビティ３４ａで共振する周波数のマイクロ波を発生させることで、キャビティ３４ａ内へ突出する電磁波放射器３５から放射されたマイクロ波が、キャビティ３４ａ内で共振する。マイクロ波がキャビティ３４ａ内で共振している状態では、マイクロ波のエネルギ反射が少なく、マイクロ波のエネルギのほとんどが共振容器３４内に蓄えられる。共振容器３４には、減圧弁１４と連通する燃料ガス流入口３８と、ガスコンプレッサ７４と連通する燃料ガス流出口３９が設けられており、減圧弁１４からのアンモニアガス（改質前の燃料ガス）は、燃料ガス流入口３８を通ってキャビティ３４ａ内に供給される。

共振容器３４には、放電用電極３６がキャビティ３４ａ内へ突出して設けられている。ここでの放電用電極３６は、その近傍にてキャビティ３４ａ内のマイクロ波の電界強度を局所的に高める役割を果たす。すなわち、電磁波放射器３５から放射されたマイクロ波はキャビティ３４ａ内を満たすが、放電用電極３６の近傍では、放電用電極３６とキャビティ３４ａ内の空間の透磁率の違いから、キャビティ３４ａ内のマイクロ波の平均電界の数十倍から数百倍程度の高電界を得ることができる。その結果、放電用電極３６の近傍において、マイクロ波供給に伴ってキャビティ３４ａ内の空間中に電流が流れるブレークダウンが発生する。そして、それが起点となって、キャビティ３４ａ内の広い範囲でプラズマ放電が発生することで、キャビティ３４ａ内に供給されたアンモニアガスを水素ガスと窒素ガスに分解する（改質する）ことができる。キャビティ３４ａ内の残留アンモニアガス及び水素ガス（改質後の燃料ガス）は、燃料ガス流出口３９を通ってガスコンプレッサ７４へ供給される。

次に、図２に示す燃料改質器１６において、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるための好適な構成例について説明する。ただし、以下に説明するマイクロ波の周波数（波長）、共振容器３４（キャビティ３４ａ）の寸法については一例であり、この例に限定されるものではない。そして、以下に説明する条件を必ずしも満たさなくても、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させることができる。

キャビティ３４ａ内におけるマイクロ波の共振周波数は、共振容器３４（キャビティ３４ａ）の形状、大きさ、導電率等に依存する。ここで、図３に示すようにキャビティ３４ａの形状を円柱形状、キャビティ３４ａの直径Ｄを９０ｍｍとし、キャビティ３４ａの高さＨを変化させた場合の共振モードを調べた結果を図４に示す。例えば高さＨが２０ｍｍの場合は、２〜７ＧＨｚの間に、約２．５ＧＨｚ（ＴＭ０１０モード）、約４．１ＧＨｚ（ＴＭ１１０モード）、約５．４ＧＨｚ（ＴＭ２１０モード）、約５．８ＧＨｚ（ＴＭ０２０モード）、約６．７ＧＨｚ（ＴＭ３１０モード）の５種類の共振モードが存在する。また、高さＨが９０ｍｍの場合は、２〜７ＧＨｚの間の共振モードの数が高さＨが２０ｍｍの場合よりも増加し、その共振周波数が高さＨによって変化しない共振モード（例えばＴＭ０１０モード等）と高さＨによって共振周波数が変化する共振モード（例えばＴＥ１１１モード、ＴＭ０１１モード等）が存在する。そして、キャビティ３４ａ内に発生する共振の強さ（蓄積エネルギの大きさ）は、図５に示すように、共振モードの種類により異なる。図５は、高さＨが９０ｍｍの場合におけるＳパラメータの周波数特性を示し、そのレベルが低いほど蓄積エネルギが大きいことを表す。

キャビティ３４ａ内には、共振モードの種類に応じた電界分布が形成される。例えば、ＴＭ０１０モードにおいては、図６（Ａ）に示す電界分布が形成され、ＴＭ０１１モードにおいては、図６（Ｂ）に示す電界分布が形成される。キャビティ３４ａの直径Ｄが９０ｍｍの場合は、２．５ＧＨｚ近傍のＴＭ０１０モードが最も低次の共振モードとなる。ＴＭ０１０モードの電界分布は、図６（Ａ）に示すように、キャビティ３４ａの径方向において中央部が最も高く、周囲部（径方向外側）へ向かうほど低くなるという単調な分布であるため、共振モードの設定が容易となる。そこで、本実施形態では、ＴＭ０１０モードによるマイクロ波共振を利用してキャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させる。その場合は、キャビティ３４ａの直径Ｄが９０ｍｍであるのに対して、共振が発生するマイクロ波の周波数が約２．５ＧＨｚ（波長が約１２０ｍｍ）となり、キャビティ３４ａの直径Ｄがマイクロ波の波長の約３／４倍となる。

キャビティ３４ａ内でＴＭ０１０モードによるマイクロ波共振を効率よく発生させるためには、電磁波放射器３５については、キャビティ３４ａ内における電界強度が高くなる位置に配置することが好ましい。そして、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるためには、放電用電極３６については、キャビティ３４ａ内における電界強度が高くなる位置に配置することが好ましい。ＴＭ０１０モードにおいては、図６（Ａ）に示すようにキャビティ３４ａの径方向における中央部で電界強度が最も高くなるため、キャビティ３４ａの径方向における中央部へ電磁波放射器３５及び放電用電極３６を突出させることが好ましい。図２に示す例では、キャビティ３４ａの下面３４ｂから電磁波放射器３５を突出させ、キャビティ３４ａの上面３４ｃから放電用電極３６を突出させており、電磁波放射器３５と放電用電極３６がキャビティ３４ａ高さ方向において対向配置されている。電磁波放射器３５及び放電用電極３６をキャビティ３４ａの径方向における中央部へ突出させた場合の電界分布（ＴＭ０１０モード）を図７に示す。図７に示すように、電磁波放射器３５の近傍及び放電用電極３６の近傍にて電界強度が局所的に高くなる。

ただし、電磁波放射器３５や放電用電極３６をキャビティ３４ａ内へ突出させると、キャビティ３４ａにおける共振周波数が変化する。電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さ（挿入長さ）をそれぞれ変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を図８に示す。そして、電磁波放射器３５や放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さを変化させると、結合度も変化する。ここでの結合度は、キャビティ３４ａ内への入射エネルギの指標を表し、結合度のレベルが低いキャビティ３４ａ内への入射エネルギが大きいことを表す。例えば、−１０ｄＢの結合度は供給エネルギの９０％が入射可能であり、−２０ｄＢの結合度は供給エネルギの９９％が入射可能であることを表す。電磁波放射器３５及び放電用電極３６の突出長さをそれぞれ変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を図９に示す。さらに、電磁波放射器３５や放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さを変化させると、キャビティ３４ａ内（放電用電極３６近傍）における最大電界強度も変化する。電磁波放射器３５及び放電用電極３６の突出長さをそれぞれ変化させた場合における最大電界強度の変化を調べた結果を図１０に示す。図１０に示すように、放電用電極３６の突出長さが２０ｍｍで電磁波放射器３５の突出長さが９ｍｍである場合に、キャビティ３４ａ内における最大電界強度が最も高くなる。

キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるためには、結合度のレベルが低く且つ放電用電極３６近傍における最大電界強度が高くなるように、電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さを設定することが好ましい。例えば、電磁波発生電源３１で発生させるマイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚ（市販マグネトロンの発振周波数）に設定し、キャビティ３４ａにおける共振周波数を約２．４５ＧＨｚに設定する条件では、電磁波放射器３５の突出長さを３．５ｍｍ、放電用電極３６の突出長さを１０ｍｍに設定することで、図９，１０に示すように、結合度を−２０ｄＢ以下にする（供給エネルギの９９％以上を入射する）ことができるとともに、１Ｗ供給時においてその最大電界強度を３００００Ｖ／ｍ程度まで高めることができる。

電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へマイクロ波を供給して、放電用電極３６によりキャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させることで、キャビティ３４ａ内に供給されたアンモニアガスが水素ガスに改質される。その際には、電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量に応じて、プラズマ放電が発生する領域が変化し、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合も変化する。例えば、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量が０Ｊである（プラズマ放電を発生させない）場合は、キャビティ３４ａ内のガス組成が図１１（Ａ）に示す割合であるのに対して、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量が約１ｋＪである場合は、キャビティ３４ａ内のアンモニアガスの一部が水素ガスに改質されることで、キャビティ３４ａ内のガス組成が図１１（Ｂ）に示す割合となる。そして、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量が約３ｋＪである場合は、キャビティ３４ａ内のアンモニアガスの大部分が水素ガスに改質されることで、キャビティ３４ａ内のガス組成が図１１（Ｃ）に示す割合となる。そのため、マイクロ波制御器２８は、電磁波発生電源３１で発生させるマイクロ波の電力を制御してキャビティ３４ａ内に供給されるマイクロ波の電力を制御することで、プラズマ放電が発生する領域を制御することができ、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合を制御することができる。

アンモニアは、ガソリン等の炭化水素系燃料や水素と比較して燃焼速度が遅く燃えにくい物質であるが、アンモニアだけでなく水素ガスもシリンダ１１内にて燃焼させることで、アンモニアの燃焼を促進させることができる。アンモニアガスを水素ガスに分解する割合（分解率）を変化させながらアンモニアガス（及び水素ガス）を定容燃焼させた場合のガス圧力を調べた結果を図１２に示す。図１２に示すように、アンモニアガスの分解率を増大させることで、燃料の燃焼速度を増大させることができ、燃焼による圧力を増大させることができる。

内燃機関１０の負荷（トルク）が低い運転条件では、内燃機関１０の負荷が高い運転条件と比較して、シリンダ内圧力が減少するため、燃焼速度が低下して燃焼変動が生じやすくなる。そのため、マイクロ波制御器２８は、図１１に示すように、内燃機関１０の負荷の減少に対して電磁波発生電源３１からキャビティ３４ａ内へ供給するマイクロ波の電力を増大させることで、プラズマ放電が発生する領域を広げてアンモニアガスが水素ガスに改質される割合を増大させることが好ましい。そして、内燃機関１０の負荷の減少に対して、水素インジェクタ７２からの水素ガスの噴射量を増大させるとともに、アンモニアインジェクタ２２からのアンモニアの噴射量を減少させることが好ましい。これによって、内燃機関１０の負荷が変化しても、内燃機関１０の燃焼変動（トルク変動）を抑えた安定な運転を行うことができる。

また、内燃機関１０の始動時（冷間始動時）等、混合気温度が低いときは、圧縮温度が低く、燃焼速度を上げることが困難となる。そのため、マイクロ波制御器２８は、内燃機関１０の冷間始動時等、冷却水温度が低いときは、キャビティ３４ａ内へ供給するマイクロ波の電力を増大させることで、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合を増大させることが好ましい。さらに、アンモニアインジェクタ２２からのアンモニアの噴射を停止させるとともに、水素インジェクタ７２から水素ガスを噴射することが好ましい。これによって、燃料の燃焼速度の低下を抑えて内燃機関１０の安定な始動を行うことができ、内燃機関１０の始動性を向上させることができる。

また、アンモニアは、燃焼速度を低下させる性質がある一方、ノッキングのような急激な燃焼を抑制する効果もある。ノッキングは特に低速高負荷の運転条件で問題となるため、こうした運転条件においては、マイクロ波制御器２８は、キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量を減少させて、アンモニアガスが水素ガスに改質される割合を減少させることが好ましい。さらに、水素インジェクタ７２からの水素ガスの噴射量を減少させるとともに、アンモニアインジェクタ２２からのアンモニアの噴射量を増大させることが好ましい。これによって、ノッキングの発生を抑制することができ、熱効率を向上させることができる。

以上説明した本実施形態では、マイクロ波共振を利用してプラズマ放電を発生させてアンモニアガスを水素ガスに改質（分解）することで、アンモニアガスの分解率を増大させることが可能となり、燃料改質性能を向上させることができる。さらに、内燃機関の排出ガスの熱を利用して燃料ガスを改質する場合と比較して、燃料ガスの温度上昇を抑えることができるので、シリンダ１１内への燃料ガスの充填効率を高めることができる。

さらに、本実施形態では、燃料改質器１６からのアンモニアガスと水素ガスをガスコンプレッサ７４で加圧してアンモニアガスを液化することで、アンモニア（改質前の燃料）と水素ガス（改質後の燃料）とを互いに分離することができるので、アンモニアと水素ガスとを別系統で噴射することができる。例えば、内燃機関１０の負荷（トルク）が低い運転条件では、水素ガスの噴射量を増大させるとともにアンモニアの噴射量を減少させることが好ましいが、水素インジェクタ７２からは、アンモニアから分離された（アンモニアが混合していない）水素ガスを噴射することができるので、アンモニアの噴射量を増大させることなく水素ガスの噴射量を増大させることができる。したがって、内燃機関１０の燃焼変動（トルク変動）を抑える性能をさらに向上させることができる。また、内燃機関１０の冷間始動時等、冷却水温度が低いときは、アンモニアの噴射を停止させて水素ガスを噴射することが好ましいが、水素インジェクタ７２からは、アンモニアを噴射することなく水素ガスを噴射することができる。したがって、内燃機関１０の始動性をさらに向上させることができる。また、内燃機関１０の低速高負荷の運転条件では、水素ガスの噴射量を減少させるとともにアンモニアの噴射量を減少させることが好ましいが、アンモニアインジェクタ２２からは、水素ガスから分離された（水素ガスが混合していない）アンモニアを噴射することができるので、水素ガスの噴射量を増大させることなくアンモニアの噴射量を増大させることができる。したがって、ノッキングの発生を抑える性能をさらに向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料改質器１６からのアンモニア（改質前の燃料）と水素ガス（改質後の燃料）とを互いに分離して別系統で噴射することができるので、内燃機関１０の燃焼制御の自由度を高めることができる。

本実施形態では、例えば図１３に示すように、シリンダ１１内に臨む水素インジェクタ７２から水素ガス（及び窒素ガス）をシリンダ１１内に直接噴射することもできる。図１３に示す例では、水素インジェクタ７２が点火栓（図示せず）に近接して配置されている。図１３に示す構成例によれば、水素インジェクタ７２からは、アンモニアから分離された（アンモニアが混合していない）水素ガスをシリンダ１１内に直接噴射することができるので、水素ガスを点火栓近傍に高濃度に集めることが可能となり、より希薄な混合気に着火することができる。

また、図１４，１５に示す構成例では、図１３に示す構成例と比較して、シリンダ１１内の周囲部に臨む水素インジェクタ（水素噴射弁）７３がさらに設けられており、ガスコンプレッサ７４でアンモニアから分離された水素ガス（及び窒素ガス）をシリンダ１１内へ向けて噴射する。ここで、図１５は、図１４のＡ部の拡大図を示す。水素インジェクタ７３におけるシリンダ１１内に臨む先端部には、噴射した水素ガスが供給される小キャビティ７３ａが形成されており、小キャビティ７３ａは噴射孔７３ｂを介してシリンダ１１内と連通している。図１４，１５に示す構成例によれば、水素インジェクタ７３から水素ガスを噴射することで、小キャビティ７３ａ内は水素濃度が高くなるため、燃焼時にその圧力が上昇する。その結果、既燃ガスがシリンダ１１内に噴出し、その際のシリンダ１１内流れの乱れにより、燃焼後半時の燃焼を促進させることができる。また、未燃アンモニアの排出を抑制することができる。なお、水素インジェクタ７３がシリンダ１１内に臨む位置は、必ずしもシリンダ１１内の周囲部である必要はない。

また、本実施形態では、アンモニアインジェクタ２２についても、シリンダ１１内に臨ませて、アンモニアインジェクタ２２からアンモニアをシリンダ１１内に直接噴射することもできる。

次に、燃料改質器１６からのアンモニアと水素ガスとを互いに分離する他の構成例について説明する。図１６に示す構成例では、アンモニアタンク１２内にアンモニアが例えば２ＭＰａ程度の圧力で液体の状態で蓄圧されている。燃料改質器１６からのアンモニアガスと水素ガス（及び窒素ガス）は、燃料改質器１６と圧力容器８０との間に設けられた開閉動作可能な遮断バルブ８１が開いているときに圧力容器８０内に供給される。そして、燃料改質器１６をバイパスしてアンモニアタンク１２と圧力容器８０とを繋ぐバイパス管８５が設けられており、バイパス管８５には開閉動作可能な遮断バルブ８２が設けられている。さらに、圧力容器８０とアンモニア蓄圧器７６との間に開閉動作可能な遮断バルブ８３が設けられ、圧力容器８０と水素インジェクタ７２との間に開閉動作可能な遮断バルブ８４が設けられている。各遮断バルブ８１〜８４の開閉制御は制御装置により行うことができる。

次に、図１６に示す構成例において、燃料改質器１６からのアンモニアと水素ガスとを互いに分離する動作について説明する。まず図１７に示すように、遮断バルブ８２，８３，８４を閉じた状態で遮断バルブ８１を開けることで、燃料改質器１６からのアンモニアガスと水素ガス（及び窒素ガス）が圧力容器８０内に供給される。次に図１８に示すように、遮断バルブ８１を閉じて遮断バルブ８２を開ける（遮断バルブ８３，８４は閉じた状態）ことで、燃料改質器１６から圧力容器８０へのアンモニアガスと水素ガスの供給が停止されるとともに、アンモニアタンク１２からの液体のアンモニアがバイパス管８５内を通って圧力容器８０内に供給される。これによって、圧力容器８０内のアンモニアガスと水素ガス（及び窒素ガス）が加圧される。ここでは、圧力容器８０内のアンモニアガスと水素ガスを例えば１ＭＰａ以上の圧力に加圧することで、アンモニアガスと水素ガスのうちアンモニアガスのみを液化する。ここでは、水素ガス（及び窒素ガス）はガス状態を保つ。このアンモニアガスの液化によって、アンモニアガスを水素ガス（及び窒素ガス）から分離することができる。次に図１９に示すように、遮断バルブ８２を閉じて遮断バルブ８３，８４を開ける（遮断バルブ８１は閉じた状態）ことで、水素ガスから分離されたアンモニアがアンモニア蓄圧器７６（アンモニアインジェクタ２２）へ供給されるとともに、アンモニアから分離された水素ガス（及び窒素ガス）が水素インジェクタ７２へ供給される。以上説明した各遮断バルブ８１〜８４の開閉動作を繰り返すことによって、燃料改質器１６からのアンモニアと水素ガスとを互いに分離することができる。

以下、燃料改質器１６の他の構成例について説明する。図２０に示す構成例では、電磁波発生電源３１で発生したマイクロ波は、電磁波伝送路として設けられた導波管３２内を伝搬する。導波管３２の端部には、開口部３２ａが共振容器３４内に臨んで配置されており、導波管３２内を伝搬したマイクロ波は、この開口部３２ａから共振容器３４内に放射される。このように、導波管３２が、電磁波発生電源３１で発生したマイクロ波を共振容器３４内へ伝搬させる役割を果たし、導波管３２の開口部３２ａが、マイクロ波を共振容器３４内へ放射する電磁波放射器として機能する。導波管３２の開口部３２ａには、導波管３２内からキャビティ３４ａ内へのマイクロ波の透過を許容するとともに、キャビティ３４ａ内から導波管３２内への燃料ガスの流出を遮断する絶縁体３３が設けられている。ここでの絶縁体３３としては、例えば誘電率の低いセラミック等の誘電体を用いることができる。

次に、図２０に示す燃料改質器１６において、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるための好適な構成例について説明する。ただし、以下に説明するマイクロ波の周波数（波長）、共振容器３４（キャビティ３４ａ）の寸法については一例であり、この例に限定されるものではない。そして、以下に説明する条件を必ずしも満たさなくても、キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を発生させることができる。

図２１に示すように、同軸系と導波管系とでは電界と磁界の配置が異なる。ここで、図２１（Ａ）は同軸系における電界と磁界の配置を示し、図２１（Ｂ）は導波管系における電界と磁界の配置を示す。そのため、マイクロ波を導波管３２を介してキャビティ３４ａ内に供給する場合は、ＴＭ０１０モードによるマイクロ波共振を効率よく発生させるために、図２０に示すように、導波管３２の開口部３２ａをキャビティ３４ａの側面３４ｄに臨ませる、すなわちマイクロ波をキャビティ３４ａの側面３４ｄから供給することが好ましい。

また、開口部３２ａの大きさを変化させると、キャビティ３４ａにおける共振周波数及び結合度が変化する。開口部３２ａの幅（キャビティ３４ａの径方向及び高さ方向と垂直な方向の長さ、図２０の図面と垂直な方向の長さ）を変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を図２２に示し、開口部３２ａの幅を変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を図２３に示す。キャビティ３４ａ内でプラズマ放電を効率よく発生させるためには、結合度のレベルが低くなるように開口部３２ａの大きさ（幅）を調整することが好ましい。

以上の実施形態の説明では、燃料改質器１６でアンモニアガスを水素ガスに改質する場合について説明した。ただし、本実施形態では、燃料改質器１６で改質する燃料ガスとして他の種類のガスを用いることも可能である。例えば、燃料改質器１６では、供給された炭化水素系燃料ガスを部分的に改質して水素ガスを生成することもできる。ここでの炭化水素系燃料としては、例えば、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）を用いることもできるし、メタン（ＣＨ₄）を用いることもできるし、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）を用いることもできるし、これらの複数を組み合わせて用いることもできる。その場合は、炭化水素系燃料を蓄える燃料タンク（燃料貯蔵装置）をアンモニアタンク１２の代わりに設け、炭化水素系燃料を吸気管２０内またはシリンダ１１内へ噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）をアンモニアインジェクタ２２の代わりに設ける。そして、その場合の動作については、以上の実施形態の説明において、「アンモニア」を「炭化水素系燃料」に置き換えたものを考えればよい。例えば、プロパンガスについては０．８ＭＰａ以上の圧力に加圧することで液化するため、ガスコンプレッサ７４（あるいは圧力容器８０）では、燃料改質器１６から供給されたプロパンガスと水素ガス（及び窒素ガス）を０．８ＭＰａ以上の圧力に加圧することで、プロパンガスを液化して水素ガス（及び窒素ガス）から分離することが可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図である。燃料改質器１６の概略構成を示す図である。キャビティ３４ａの形状の一例を示す図である。キャビティ３４ａの高さＨを変化させた場合の共振モードを調べた結果を示す図である。Ｓパラメータの周波数特性の一例を示す図である。ＴＭ０１０モード及びＴＭ０１１モードにおける電界分布の一例を示す図である。電磁波放射器３５及び放電用電極３６をキャビティ３４ａの径方向における中央部へ突出させた場合の電界分布の一例を示す図である。電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さをそれぞれ変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を示す図である。電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さをそれぞれ変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を示す図である。電磁波放射器３５及び放電用電極３６のキャビティ３４ａ内への突出長さをそれぞれ変化させた場合における最大電界強度の変化を調べた結果を示す図である。キャビティ３４ａ内へのマイクロ波エネルギの供給量を変化させた場合におけるキャビティ３４ａ内のガス組成の一例を示す図である。アンモニアガスの分解率を変化させながら定容燃焼させた場合のガス圧力を調べた結果を示す図である。本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成における動作を説明する図である。本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成における動作を説明する図である。本発明の実施形態に係るエンジンシステムの他の概略構成における動作を説明する図である。燃料改質器１６の他の概略構成を示す図である。同軸系と導波管系における電界と磁界の配置を示す図である。開口部３２ａの幅を変化させた場合における共振周波数の変化を調べた結果を示す図である。開口部３２ａの幅を変化させた場合における結合度の変化を調べた結果を示す図である。

符号の説明

１０内燃機関、１１シリンダ、１２アンモニアタンク、１４減圧弁、１６燃料改質器、２０吸気管、２１排気管、２２アンモニアインジェクタ、２８マイクロ波制御器、３１電磁波発生電源、３２導波管、３３絶縁体、３４共振容器、３４ａキャビティ、３５電磁波放射器、３６放電用電極、３７同軸ケーブル、３８燃料ガス流入口、３９燃料ガス流出口、７２，７３水素インジェクタ、７３ａ小キャビティ、７３ｂ噴射孔、７４ガスコンプレッサ、７６アンモニア蓄圧器、７８ガス蓄圧器、８０圧力容器、８１，８２，８３，８４遮断バルブ、８５バイパス管。

Claims

アンモニアを蓄えるアンモニア貯蔵装置と、
アンモニア貯蔵装置からのアンモニアがガス状態で供給され、該供給されたアンモニアガスを部分的に改質して水素ガスを生成する改質器と、
改質器からのアンモニアガス及び水素ガスが供給され、該供給されたアンモニアガス及び水素ガスを加圧してアンモニアガスを液化することで水素ガスから分離する分離器と、
分離器で水素ガスから分離されたアンモニアを内燃機関の吸気管内またはシリンダ内へ噴射するアンモニア噴射装置と、
分離器でアンモニアから分離された水素ガスを吸気管内またはシリンダ内へ噴射する水素噴射装置と、
を備える、エンジンシステム。
請求項１に記載のエンジンシステムであって、
アンモニア貯蔵装置は、アンモニアを液体の状態で蓄えるものであり、
アンモニア貯蔵装置と改質器との間に、アンモニア貯蔵装置からのアンモニアを減圧することで気化する減圧装置が設けられており、
分離器は、改質器からのアンモニアガス及び水素ガスが供給された圧力容器内にアンモニア貯蔵装置からのアンモニアを供給することで、圧力容器内のアンモニアガス及び水素ガスを加圧してアンモニアガスを液化する、エンジンシステム。
請求項１に記載のエンジンシステムであって、
分離器は、改質器から供給されたアンモニアガス及び水素ガスを圧縮する圧縮機を含む、エンジンシステム。
請求項１〜３のいずれか１に記載のエンジンシステムであって、
改質器は、
アンモニア貯蔵装置からのアンモニアがガス状態で供給される容器であって、その内部で所定の周波数の電磁波が共振する共振容器と、
共振容器内で共振する周波数の電磁波を発生させる電磁波発生源と、
電磁波発生源で発生した電磁波を共振容器内へ伝搬させる電磁波伝搬手段と、
共振容器内に配置された電極であって、該電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高める放電用電極と、
を備え、
放電用電極近傍にて共振容器内の電磁波の電界強度を局所的に高めることで発生するプラズマ放電により共振容器内に供給されたアンモニアガスを部分的に改質して水素ガスを生成する、エンジンシステム。
請求項１〜４のいずれか１に記載のエンジンシステムであって、
水素噴射装置は、分離器でアンモニアから分離された水素ガスをシリンダ内へ噴射する水素噴射弁を含み、
水素噴射弁におけるシリンダ内に臨む先端部には、噴射した水素ガスが供給され、噴射孔を介してシリンダ内と連通するキャビティ部が設けられている、エンジンシステム。
炭化水素系燃料を蓄える燃料貯蔵装置と、
燃料貯蔵装置からの炭化水素系燃料がガス状態で供給され、該供給された炭化水素系燃料ガスを部分的に改質して水素ガスを生成する改質器と、
改質器からの炭化水素系燃料ガス及び水素ガスが供給され、該供給された炭化水素系燃料ガス及び水素ガスを加圧して炭化水素系燃料ガスを液化することで水素ガスから分離する分離器と、
分離器で水素ガスから分離された炭化水素系燃料を内燃機関の吸気管内またはシリンダ内へ噴射する燃料噴射装置と、
分離器で炭化水素系燃料から分離された水素ガスを吸気管内またはシリンダ内へ噴射する水素噴射装置と、
を備える、エンジンシステム。
請求項６に記載のエンジンシステムであって、
炭化水素系燃料は、プロパン、メタン、及びエタンのいずれか１つ以上を含む、エンジンシステム。