JP7351270B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、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、機関本体と、この機関本体の燃焼室に接続された吸気経路及び排気経路と、吸気経路に設けられ、燃焼室に導入される空気の量を調整するスロットルと、機関本体の燃焼室に対して燃料となるアンモニアを供給する燃料供給部と、燃焼室内のアンモニアに着火してアンモニアを燃焼させる点火プラグとを備えている。燃料供給部は、アンモニアを貯留する燃料タンクと、この燃料タンク内のアンモニアを気化させる蒸発器と、この蒸発器により気化されたアンモニアを燃焼室に向けて供給する第１供給部と、蒸発器により気化されたアンモニアを加熱して分解することで、水素ガスを生成するアンモニア改質器と、このアンモニア改質器により生成された水素を燃焼室に向けて供給する第２供給部とを有している。

特開２０１９－１７８６２３号公報

上記従来技術においては、アンモニア改質器の起動時に、アンモニア改質器の触媒によりアンモニアと酸素とが反応することで、アンモニアが着火して燃焼する。しかし、アンモニアの着火までに時間がかかると、アンモニア改質器の起動時間が長くなってしまう。

本発明の目的は、改質器の起動時間を短縮することができる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エンジンシステムは、シリンダ内に往復移動可能に配置されたピストンを有するエンジンと、シリンダ内に供給される空気が流れる吸気通路と、シリンダ内で発生した排気ガスが流れる排気通路と、シリンダ内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、シリンダ内に供給される空気の流量を制御する流量制御弁と、ピストンを往復移動させるスタータと、燃料ガスを燃焼させて発生した熱を利用して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、改質器に燃料ガスを供給する燃料供給部と、改質器に空気を供給する空気供給部と、改質器により生成された改質ガスがシリンダ内に向けて流れる改質ガス流路と、改質器に供給される燃焼ガスを発生させる燃焼器と、排気通路と燃焼器とを接続し、シリンダ内において燃料ガス及び空気が混合された起動用ガスが燃焼器に向けて流れる起動用ガス流路と、起動用ガス流路における起動用ガスの流れを調整する起動用ガス調整部と、エンジンの始動時に、シリンダ内に燃料ガス及び空気が導入されると共にシリンダ内から起動用ガスが排出されるようにスタータ、燃料噴射弁及び流量制御弁を制御し、起動用ガスが燃焼器に供給されるように起動用ガス調整部を制御し、起動用ガス中の燃料ガスが着火するように燃焼器を制御する第１制御部と、第１制御部による制御処理の実行と同時に又は第１制御部による制御処理が実行された後、改質器に燃料ガス及び空気が供給されるように燃料供給部及び空気供給部を制御する第２制御部と、第１制御部及び第２制御部による制御処理が実行された後、燃焼器への起動用ガスの供給が停止するように起動用ガス調整部を制御する第３制御部とを備える。

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、シリンダ内に配置されたピストンの往復移動によって、シリンダ内に燃料ガス及び空気が導入されると共に、シリンダ内から燃料ガス及び空気が混合された起動用ガスが排出される。そして、起動用ガス調整部によって起動用ガスが起動用ガス流路を流れて燃焼器に供給され、燃焼器において起動用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。また、改質器に燃料ガス及び空気が供給される。そして、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。その後、燃焼器への起動用ガスの供給が停止する。改質器により生成された改質ガスは、改質ガス流路を流れてエンジンのシリンダ内に供給される。そして、シリンダ内において、燃料ガスが改質ガス中の水素と共に燃焼する。このように燃焼器によって燃料ガスを燃焼させて発生した高温の燃焼ガスの熱を利用して、改質器において燃料ガスの燃焼及び改質が行われるため、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。

また、シリンダ内に燃料ガス及び空気が導入されると共に、シリンダ内から燃料ガス及び空気が混合された起動用ガスが排出され、起動用ガスが燃焼器に供給される。このように起動用ガスを燃焼器に供給するためにエンジンのシリンダ内に供給される燃料ガス及び空気を使用することにより、燃焼器に燃料ガス及び空気を供給するための燃焼器専用のガス供給部が不要となる。また、ピストンにより起動用ガスがシリンダ内から押し出されて燃焼器に供給されるため、起動用ガスの流れが安定化し、起動用ガス中の燃料ガスの燃焼が安定して行われる。

エンジンシステムは、排気通路と吸気通路とを接続し、排気ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路に向けて流れるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブとを更に備え、起動用ガス流路は、ＥＧＲ通路におけるＥＧＲバルブよりも上流側と燃焼器とを接続することにより、排気通路と燃焼器とをＥＧＲ通路を介して接続し、起動用ガス調整部は、起動用ガス流路を開閉するバルブであり、第１制御部は、バルブを開くように制御し、第３制御部は、バルブを閉じるように制御してもよい。このような構成では、既存のＥＧＲ装置を利用して、エンジンのシリンダ内から燃焼器に起動用ガスが供給されるため、起動用ガス調整部を簡単な構成で実現することができる。

エンジンシステムは、改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、第３制御部は、温度検出部により検出された改質器の温度が予め決められた第１規定温度以上であるときに、燃焼器への起動用ガスの供給が停止するように起動用ガス調整部を制御してもよい。このような構成では、改質器の温度が第１規定温度以上になると、エンジンのシリンダ内から燃焼器への起動用ガスの供給が停止する。従って、起動用ガスが燃焼器に無駄に供給されることが防止される。

第１規定温度は、改質器により燃料ガスの改質が可能となる改質可能温度よりも高い温度であってもよい。このような構成では、改質器により改質ガスが生成された後も、一定時間は起動用ガスがエンジンのシリンダ内から燃焼器に供給され続けることになる。このため、改質ガスが起動用ガスと共にシリンダ内から燃焼器に供給される。従って、燃焼器において、改質ガス中の水素が起動用ガス中の燃料ガスと共に燃焼されるため、起動用ガス中の燃料ガスが燃焼されやすくなる。これにより、改質器の起動時間が更に短縮される。

エンジンシステムは、温度検出部により検出された改質器の温度に基づいて起動用ガス中の燃料ガスが着火したかどうかを判断し、起動用ガス中の燃料ガスが着火したときに、シリンダ内への燃料ガスの導入が停止するように燃料噴射弁を制御し、その後温度検出部により検出された改質器の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度以上であるときに、シリンダ内に燃料ガスが再び導入されるように燃料噴射弁を制御する第４制御部を更に備えてもよい。このような構成では、起動用ガス中の燃料ガスが着火すると、エンジンのシリンダ内への燃料ガスの導入が一旦停止する。このため、燃料ガスが無駄に消費されることが防止される。

燃焼器は、円管状の筐体と、起動用ガスを筐体の内部に管状流が発生するように導入する起動用ガス導入部と、筐体に取り付けられ、起動用ガス導入部より筐体の内部に導入された起動用ガス中の燃料ガスを着火させる点火部とを有し、第１制御部は、点火部を点火させるように制御してもよい。このような構成では、起動用ガスが起動用ガス導入部より円管状の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、起動用ガス中の燃料ガスが着火して燃焼する。このとき、起動用ガスは、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、起動用ガスが管状流となっている状態で起動用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。

本発明によれば、改質器の起動時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンシステムを示す概略構成図である。 図１に示されたアンモニアエンジンの概念図である。 図１に示された燃焼器の断面図である。 図１に示されたエンジンシステムの制御系構成図である。 図４に示された主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。 図５に示された制御処理が実行されるときのエンジンシステムの動作を示すタイミング図である。 図１に示された主コントローラにより実行される制御処理手順の変形例を示すフローチャートである。 図７に示された制御処理が実行されるときのエンジンシステムの動作を示すタイミング図である。 図６に示されたエンジンシステムの動作の変形例を示すタイミング図である。 図６に示されたエンジンシステムの動作の他の変形例を示すタイミング図である。

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、アンモニアに水素が混合される。アンモニアエンジン２は、例えば４気筒エンジンである。

アンモニアエンジン２は、図２に示されるように、４つのシリンダ７（シリンダ７Ａ～７Ｄとする）と、各シリンダ７内に往復移動可能にそれぞれ配置された４つのピストン８と、各ピストン８とクランクシャフト（図示せず）とをそれぞれ連結する４つのコンロッド９とを有している。なお、シリンダ７内におけるピストン８よりもシリンダヘッド（図示せず）側の空間は、アンモニアガスの燃焼が行われる燃焼室７ａである。

また、アンモニアエンジン２は、各燃焼室７ａと連通された吸気孔１０及び排気孔１１を有している。吸気孔１０は、電磁式の吸気弁１２（図４参照）により開閉される。排気孔１１は、電磁式の排気弁１３（図４参照）により開閉される。

また、アンモニアエンジン２は、点火装置１４を有している。点火装置１４は、各燃焼室７ａに供給されたアンモニアガスを着火させる。点火装置１４は、例えばシリンダ７毎に設けられたスパークプラグ等である。

吸気通路３は、吸気孔１０に接続されている。吸気通路３は、各燃焼室７ａに供給される空気が流れる通路である。排気通路４は、排気孔１１に接続されている。排気通路４は、各燃焼室７ａ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、各燃焼室７ａに向けて燃料ガスである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、シリンダ７毎に設けられている。ここで、インジェクタ５によりアンモニアエンジン２の燃焼室７ａに直接供給されるアンモニアガスを主アンモニアガスとする。

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、各燃焼室７ａに供給さ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、アンモニアエンジン２の燃焼室７ａに直接供給される空気を主空気とする。

また、エンジンシステム１は、アンモニアタンク１５と、気化器１６と、改質器１７と、アンモニア流路１８と、アンモニアバルブ１９と、空気流路２０と、空気バルブ２１と、改質ガス流路２２とを備えている。

アンモニアタンク１５は、アンモニアを液体状態で貯蔵するタンクである。つまり、アンモニアタンク１５は、液体アンモニアを貯蔵する。気化器１６は、アンモニアタンク１５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。気化器１６は、アンモニア流路２３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２３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。

改質器１７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１７は、改質触媒１７ａを有している。改質触媒１７ａ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１７ａは、例えばＡＴＲ（Autothermal Reformer）式アンモニア改質触媒である。改質触媒１７ａ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。

アンモニア流路１８は、気化器１６と改質器１７とを接続している。アンモニア流路１８は、改質器１７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１９は、アンモニア流路１８に配設されている。アンモニアバルブ１９は、改質器１７に供給さ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。

アンモニアタンク１５、気化器１６、アンモニア流路１８及びアンモニアバルブ１９は、改質器１７にアンモニアガスを供給する燃料供給部２６を構成している。ここで、改質器１７に供給されるアンモニアガスを改質用アンモニアガスとする。

空気流路２０は、吸気通路３と改質器１７とを接続している。空気流路２０は、改質器１７に供給される空気が流れる流路である。空気バルブ２１は、空気流路２０に配設されている。空気バルブ２１は、改質器１７に供給される空気の流量を制御する電磁式の流量制御弁である。空気流路２０及び空気バルブ２１は、改質器１７に空気を供給する空気供給部２７を構成している。ここで、改質器１７に供給される空気を改質用空気とする。

改質ガス流路２２は、改質器１７と吸気通路３とを接続している。改質ガス流路２２は、改質器１７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７ａに向けて流れる流路である。

また、エンジンシステム１は、燃焼器２８を備えている。燃焼器２８は、改質器１７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。

燃焼器２８は、燃焼ガス流路２９を介して改質器１７と接続されている。燃焼ガス流路２９は、燃焼器２８により発生した燃焼ガスが改質器１７に向けて流れる流路である。燃焼ガス流路２９には、上記のアンモニア流路１８及び空気流路２０が接続されている。空気流路２０は、燃焼ガス流路２９におけるアンモニア流路１８よりも下流側（改質器１７側）に接続されている。

燃焼器２８は、図３に示されるように、円管状の筐体３０と、この筐体３０に設けられた複数（ここでは４つ）の起動用ガス導入部３１と、筐体３０に取り付けられた点火部３２（図４参照）とを有している。筐体３０は、燃焼ガス流路２９を形成する配管と一体化されていてもよい。

起動用ガス導入部３１は、燃焼ガスを発生させるための起動用ガスを筐体３０の内部に管状流が発生するように導入する。具体的には、起動用ガス導入部３１は、起動用ガスを筐体３０の内部に筐体３０の内周面３０ａの接線方向に導入する。起動用ガスは、アンモニアガス及び空気を含むガスである。なお、起動用ガスは、アンモニアガス及び空気以外のガスが僅かに含まれていてもよい。

点火部３２は、起動用ガス導入部３１より筐体３０の内部に導入された起動用ガス中のアンモニアガスを着火させる。点火部３２は、筐体３０の先端部に固定されている。点火部３２は、例えばグロープラグまたはスパークプラグ等である。

また、エンジンシステム１は、ＥＧＲ装置３５と、起動用ガス流路３６と、起動用バルブ３７とを備えている。

ＥＧＲ装置３５は、アンモニアエンジン２の各燃焼室７ａで発生した排気ガスの一部をＥＧＲガス（排気再循環ガス）として還流させる。ＥＧＲ装置３５は、排気通路４と吸気通路３とを接続するＥＧＲ通路３８と、このＥＧＲ通路３８に配設されたＥＧＲバルブ３９及びＥＧＲクーラ４０とを有している。

ＥＧＲ通路３８は、ＥＧＲガスが排気通路４から吸気通路３に向けて流れる通路である。ＥＧＲバルブ３９は、ＥＧＲ通路３８を流れるＥＧＲガスの流量を調整する電磁式の流量調整弁である。ＥＧＲクーラ４０は、ＥＧＲ通路３８を流れるＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲバルブ３９は、ＥＧＲ通路３８におけるＥＧＲクーラ４０よりも下流側に配設されている。

起動用ガス流路３６は、排気通路４と燃焼器２８とを接続している。具体的には、起動用ガス流路３６の一端は、ＥＧＲ通路３８におけるＥＧＲクーラ４０とＥＧＲバルブ３９との間に接続されている。つまり、起動用ガス流路３６の一端は、ＥＧＲ通路３８におけるＥＧＲバルブ３９よりも上流側の部分に接続されている。起動用ガス流路３６の他端は、燃焼器２８の各起動用ガス導入部３１に接続されている。起動用ガス流路３６は、アンモニアエンジン２の燃焼室７ａにおいてアンモニアガス及び空気が混合された起動用ガスが燃焼器２８に向けて流れる流路である。

起動用バルブ３７は、起動用ガス流路３６に配設されている。起動用バルブ３７は、起動用ガス流路３６を開閉する電磁式の開閉弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）である。起動用バルブ３７は、起動用ガス流路３６における起動用ガスの流れを調整する起動用ガス調整部を構成している。なお、起動用バルブ３７は、流量調整弁であってもよい。

また、エンジンシステム１は、スタータ４１と、温度センサ４２と、エンジンＥＣＵ４３と、主コントローラ４４とを備えている。

スタータ４１は、アンモニアエンジン２を始動するモータである。スタータ４１は、アンモニアエンジン２のクランクシャフト（図示せず）を回転させることにより、各シリンダ７内に配置されたピストン８をコンロッド９を介して往復移動させる。

温度センサ４２は、改質器１７の温度を検出する温度検出部である。温度センサ４２は、例えば改質器１７の改質触媒１７ａの温度を検出してもよいし、改質器１７に供給される改質用アンモニアガスの温度を検出してもよい。

エンジンＥＣＵ４３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。エンジンＥＣＵ４３は、アンモニアエンジン２を制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）である。

具体的には、エンジンＥＣＵ４３は、図４に示されるように、吸気行程、圧縮行程、膨張行程（燃焼行程）及び排気行程という４つの行程で１サイクルとなるようにアンモニアエンジン２の吸気弁１２、排気弁１３及び点火装置１４を制御する。エンジンＥＣＵ４３は、吸気行程において吸気弁１２を開くように制御する。エンジンＥＣＵ４３は、膨張行程において点火装置１４を点火させるように制御する。エンジンＥＣＵ４３は、排気行程において排気弁１３を開くように制御する。

このとき、エンジンＥＣＵ４３は、図２に示されるように、シリンダ７Ａ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｂの順番で主アンモニアガスを燃焼させるように吸気弁１２、排気弁１３及び点火装置１４を制御する。

主コントローラ４４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。主コントローラ４４は、図４に示されるように、イグニッションスイッチ（図示せず）の操作信号に基づいて、吸気弁１２、排気弁１３及び点火装置１４を制御するための制御信号をエンジンＥＣＵ４３に出力する。また、主コントローラ４４は、イグニッションスイッチ（図示せず）の操作信号と温度センサ４２の検出値とに基づいて、インジェクタ５、スロットルバルブ６、スタータ４１、燃料供給部２６のアンモニアバルブ１９、空気供給部２７の空気バルブ２１、燃焼器２８の点火部３２、起動用バルブ３７及びＥＧＲバルブ３９を制御する。

主コントローラ４４は、第１制御部４５と、第２制御部４６と、第３制御部４７と、第４制御部４８とを有している。

第１制御部４５は、アンモニアエンジン２の始動時に、シリンダ７内に主アンモニアガス及び主空気が導入されると共にシリンダ７内から主アンモニアガス及び主空気が混合された起動用ガスが排出されるようにスタータ４１、インジェクタ５及びスロットルバルブ６を制御する。また、第１制御部４５は、起動用ガスが燃焼器２８に供給されるように起動用バルブ３７を制御すると共に、起動用ガス中の主アンモニアが着火するように点火部３３を制御する。

第２制御部４６は、第１制御部４５による制御処理の実行と同時に、改質器１７に改質用アンモニアガス及び改質用空気が供給されるようにアンモニアバルブ１９及び空気バルブ２１を制御する。なお、ここでいう同時とは、特に完全な同時だけには限られない。例えば、第１制御部４５による制御処理が実行されるタイミングよりも僅かに前に実行される場合も含まれる。

第３制御部４７は、第１制御部４５及び第２制御部４６による制御処理が実行された後、燃焼器２８への起動用ガスの供給が停止するように起動用バルブ３７を制御する。第３制御部４７は、温度センサ４２により検出された改質器１７の温度が予め決められた第１規定温度以上であるときに、燃焼器２８への起動用ガスの供給が停止するように起動用バルブ３７を制御する。

第４制御部４８は、温度センサ４２により検出された改質器１７の温度に基づいて起動用ガス中の主アンモニアガスが着火したかどうかを判断し、起動用ガス中の主アンモニアガスが着火したときに、シリンダ７内への主アンモニアガスの導入が停止するようにインジェクタ５を制御する。そして、第４制御部４８は、温度センサ４２により検出された改質器１７の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度以上であるときに、シリンダ７内に主アンモニアガスが再び導入されるようにインジェクタ５を制御する。

図５は、主コントローラ４４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１９、空気バルブ２１、起動用バルブ３７及びＥＧＲバルブ３９は、閉状態となっている。

図５において、主コントローラ４４は、まずスタータ４１を回転駆動させる（手順Ｓ１０１）。すると、アンモニアエンジン２において、クランクシャフト（図示せず）が回転して各ピストン８が往復移動する。また、主コントローラ４４は、起動用バルブ３７を開くように制御する（手順Ｓ１０２）。

また、主コントローラ４４は、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Ｓ１０３）。すると、アンモニアエンジン２の各シリンダ７内に主アンモニアガス及び主空気が導入される。そして、主アンモニアガス及び主空気が混合された起動用ガスがシリンダ７内から排出される。そして、起動用ガスは、起動用ガス流路３６を流れて燃焼器２８に供給される。なお、主コントローラ４４は、吸気弁１２が開くタイミングに合わせて、インジェクタ５を間欠的に開くように制御してもよい。

続いて、主コントローラ４４は、燃焼器２８の点火部３２を点火させるように制御する（手順Ｓ１０４）。すると、燃焼器２８において起動用ガス中の主アンモニアガスが着火する。

続いて、主コントローラ４４は、アンモニアバルブ１９及び空気バルブ２１を開くように制御する（手順Ｓ１０５）。すると、改質器１７に改質用アンモニアガス及び改質用空気が供給される。

続いて、主コントローラ４４は、温度センサ４２の検出値を取得する（手順Ｓ１０６）。そして、主コントローラ４４は、温度センサ４２の検出値に基づいて、起動用ガス中の主アンモニアガスの燃焼が開始されたかどうかを判断する（手順Ｓ１０７）。このとき、主コントローラ４４は、例えば改質器１７の温度が所定温度だけ上昇したときに、起動用ガス中の主アンモニアガスの燃焼が開始されたと判断する。

主コントローラ４４は、起動用ガス中の主アンモニアガスの燃焼が開始されていないと判断したときは、手順Ｓ１０６を再度実行する。主コントローラ４４は、起動用ガス中の主アンモニアガスの燃焼が開始されたと判断したときは、燃焼器２８の点火部３２の点火を停止させるように制御する（手順Ｓ１０８）。

続いて、主コントローラ４４は、温度センサ４２の検出値を取得する（手順Ｓ１０９）。そして、主コントローラ４４は、温度センサ４２の検出値に基づいて、改質器１７の温度が予め決められた規定温度Ｔ１以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１１０）。規定温度Ｔ１は、改質器１７の改質触媒１７ａ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ある。ここでは、改質可能温度である規定温度Ｔ１が、上記の第１規定温度に相当する。

主コントローラ４４は、改質器１７の温度が規定温度Ｔ１以上でないと判断したときは、手順Ｓ１０９を再度実行する。主コントローラ４４は、改質器１７の温度が規定温度Ｔ１以上であると判断したときは、インジェクタ５を閉じるように制御する（手順Ｓ１１１）。すると、アンモニアエンジン２の各シリンダ７内への主アンモニアガスの供給が停止する。また、主コントローラ４４は、起動用バルブ３７を閉じるように制御する（手順Ｓ１１２）。

続いて、主コントローラ４４は、温度センサ４２の検出値を取得する（手順Ｓ１１３）。そして、主コントローラ４４は、温度センサ４２の検出値に基づいて、改質器１７の温度が予め決められた規定温度Ｔ２以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１１４）。規定温度Ｔ２は、規定温度Ｔ１よりも高い温度である。規定温度Ｔ２は、例えば改質器１７により生成される水素の量がアンモニアエンジン２による主アンモニアガスの燃焼に適した量Ｎ（図６参照）となるような温度であり、上記の第２規定温度に相当する。

主コントローラ４４は、改質器１７の温度が規定温度Ｔ２以上でないと判断したときは、手順Ｓ１１３を再度実行する。主コントローラ４４は、改質器１７の温度が規定温度Ｔ２以上であると判断したときは、インジェクタ５を開くように制御する（手順Ｓ１１５）。すると、アンモニアエンジン２の各シリンダ７内に主アンモニアガスが供給される。

そして、主コントローラ４４は、点火装置１４を点火させるような制御信号をエンジンＥＣＵ４３に送出する（手順Ｓ１１６）。すると、点火装置１４の点火が可能となる。その後、主コントローラ４４は、アンモニアエンジン２の始動完了後に、スタータ４１の回転を停止させるように制御する（手順Ｓ１１７）。

以上において、第１制御部４５は、手順Ｓ１０１～Ｓ１０４を実行する。第２制御部４６は、手順Ｓ１０５を実行する。第３制御部４７は、手順Ｓ１０９，Ｓ１１０，Ｓ１１２を実行する。第４制御部４８は、手順Ｓ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１１１，Ｓ１１３～Ｓ１１５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（図示せず）がＯＮ操作されると、図６（ａ）に示されるように、スタータ４１が回転駆動する。すると、アンモニアエンジン２において、クランクシャフト（図示せず）が回転し、ピストン８がコンロッド９を介して往復移動する。

また、図６（ｅ）に示されるように、起動用バルブ３７が開弁する。また、図６（ｂ），（ｃ）に示されるように、インジェクタ５及びスロットルバルブ６が開弁することで、アンモニアエンジン２の燃焼室７ａに主アンモニアガス及び主空気が供給される。

また、図６（ｇ），（ｈ）に示されるように、アンモニアバルブ１９及び空気バルブ２１が開弁することで、改質用アンモニアガス及び改質用空気が改質器１７に供給される。そして、改質用アンモニアガス及び改質用空気は、改質器１７、改質ガス流路２２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７ａに供給される。

このとき、アンモニアエンジン２の吸気行程において、ピストン８により主アンモニアガス、主空気、改質用アンモニアガス及び改質用空気が燃焼室７ａに吸入される。そして、アンモニアエンジン２の圧縮行程及び膨張行程において、燃焼室７ａの主アンモニアガス及び改質用アンモニアガスと主空気及び改質用空気とが混合される。そして、アンモニアエンジン２の排気行程において、主アンモニアガス及び改質用アンモニアガスと主空気及び改質用空気とが混合された起動用ガスがピストン８により燃焼室７ａから押し出されて排出される。

各シリンダ７は、上述したように同じタイミングで異なる行程を実施する。例えば図２に示されるように、シリンダ７Ｂにおいて排気行程が実施されることで、アンモニアガス及び空気が混合された起動用ガスが燃焼室７ａから押し出されるときに、シリンダ７Ｄにおいて吸気行程が実施されることで、アンモニアガス及び空気が燃焼室７ａに吸入される。

燃焼室７ａから排出された起動用ガスは、排気通路４、ＥＧＲ通路３８及び起動用ガス流路３６を流れて燃焼器２８に供給される。起動用ガスは、燃焼器２８において起動用ガス導入部３１より筐体３０の内部に導入される。このとき、起動用ガスは、筐体３０の内部に筐体３０の内周面３０ａの接線方向に導入されるため、筐体３０の内部において管状流となる。

また、図６（ｆ）に示されるように、燃焼器２８の点火部３２が点火することで、起動用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し始める。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２９を改質器１７に向かって旋回して流れる。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ …（Ａ）

このとき、ピストン８の往復移動動作によって、アンモニアエンジン２はポンプとして機能する状態となる。このようなアンモニアエンジン２のポンプ作用によって、アンモニアエンジン２、排気通路４、ＥＧＲ通路３８、起動用ガス流路３６、燃焼器２８、燃焼ガス流路２９、改質器１７、改質ガス流路２２及び吸気通路３をガスが循環するようになる。

高温の燃焼ガスが改質器１７に供給されると、燃焼ガスの熱により改質器１７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１７が加熱される。このため、図６（ｉ）に示されるように、改質器１７の温度が上昇し始める。すると、図６（ｆ）に示されるように、燃焼器２８の点火部３２の点火が停止する。

その後、改質器１７の温度が燃焼可能温度に達すると、改質器１７の改質触媒１７ａ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１７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１７の温度が更に上昇する。つまり、改質器１７は、自律燃焼動作を行うようになる。

その後、改質器１７の温度が改質可能温度である規定温度Ｔ１に達すると、改質器１７の改質触媒１７ａ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）、図６（ｊ）に示されるように、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２２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７ａに供給される。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２ …（Ｂ）

また、改質器１７の温度が改質可能温度に達すると、図６（ｂ）に示されるように、インジェクタ５が閉弁することで、アンモニアエンジン２の燃焼室７ａへの主アンモニアガスの供給が停止する。また、図６（ｅ）に示されるように、起動用バルブ３７が閉弁することで、燃焼器２８への起動用ガスの供給が停止する。

その後、改質器１７の温度が規定温度Ｔ２に達すると、図６（ｂ）に示されるように、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７ａに主アンモニアガスが再び供給される。このとき、インジェクタ５及びスロットルバルブ６の開度が調整されることで、適切な量の主アンモニアガス及び主空気が燃焼室７ａに供給される。そして、点火装置１４が点火することで、主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。

以上のように本実施形態にあっては、アンモニアエンジン２の始動時に、シリンダ７内に配置されたピストン８の往復移動によって、シリンダ７内に主アンモニアガス及び主空気が導入されると共に、シリンダ７内から主アンモニアガス及び主空気が混合された起動用ガスが排出される。そして、起動用バルブ３７によって起動用ガスが起動用ガス流路３６を流れて燃焼器２８に供給され、燃焼器２８において起動用ガス中の主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１７に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器１７が加熱される。また、改質器１７に改質用アンモニアガス及び改質用空気が供給される。そして、改質器１７において、改質用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。その後、燃焼器２８への起動用ガスの供給が停止する。改質器１７により生成された改質ガスは、改質ガス流路２２を流れてアンモニアエンジン２のシリンダ７内に供給される。そして、シリンダ７内において、主アンモニアガスが改質ガス中の水素と共に燃焼する。このように燃焼器２８によって主アンモニアガスを燃焼させて発生した高温の燃焼ガスの熱を利用して、改質器１７において改質用アンモニアガスの燃焼及び改質が行われるため、改質用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１７の起動時間が短縮される。

また、シリンダ７内に主アンモニアガス及び主空気が導入されると共に、シリンダ７内から主アンモニアガス及び主空気が混合された起動用ガスが排出され、起動用ガスが燃焼器２８に供給される。このように起動用ガスを燃焼器２８に供給するためにアンモニアエンジン２のシリンダ７内に供給される主アンモニアガス及び主空気を使用することにより、燃焼器２８にアンモニアガス及び空気を供給するための燃焼器専用のガス供給部が不要となる。また、ピストン８により起動用ガスがシリンダ７内から押し出されて燃焼器２８に供給されるため、起動用ガスの流れが安定化し、起動用ガス中の主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、起動用ガス流路３６は、ＥＧＲ通路３８におけるＥＧＲバルブ３９よりも上流側と燃焼器２８とを接続することにより、排気通路４と燃焼器２８とをＥＧＲ通路３８を介して接続し、起動用バルブ３７は、起動用ガス流路３６を開閉する。このため、既存のＥＧＲ装置３５を利用して、アンモニアエンジン２のシリンダ７内から燃焼器２８に起動用ガスが供給されるため、起動用ガス流路３６における起動用ガスの流れを調整する起動用ガス調整部を簡単な構成で実現することができる。

また、本実施形態では、改質器１７の温度が規定温度Ｔ１以上になると、アンモニアエンジン２から燃焼器２８への起動用ガスの供給が停止する。従って、起動用ガスが燃焼器２８に無駄に供給されることが防止される。

また、本実施形態では、起動用ガス中の主アンモニアガスが着火すると、アンモニアエンジン２のシリンダ７内への主アンモニアガスの供給が一旦停止する。このため、主アンモニアガスが無駄に消費されることが防止される。

また、本実施形態では、燃焼器２８において、起動用ガスが起動用ガス導入部３１より管状の筐体３０の内部に導入される。そして、点火部３２が点火することで、起動用ガス中の主アンモニアが着火して燃焼する。このとき、起動用ガスは、筐体３０の内部に管状流が発生するように導入される。従って、起動用ガスが管状流となっている状態で起動用ガス中の主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１７に向かって旋回して流れる。従って、改質器１７において改質用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、アンモニアエンジン２の始動時に、インジェクタ５によりアンモニアエンジン２のシリンダ７内に導入された主アンモニアガスは、燃焼器２８に供給されて燃焼されるため、アンモニアエンジン２から排気通路４の下流側への主アンモニアガスのすり抜け量が低減される。

図７は、主コントローラ４４により実行される制御処理手順の変形例を示すフローチャートであり、図５に対応している。

図７において、主コントローラ４４は、上記の手順Ｓ１０１～Ｓ１１１を実行した後、温度センサ４２の検出値を取得する（手順Ｓ１２０）。そして、主コントローラ４４は、温度センサ４２の検出値に基づいて、改質器１７の温度が予め決められた規定温度Ｔ３以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１２１）。規定温度Ｔ３は、図８に示されるように、改質可能温度に相当する規定温度Ｔ１よりも高く且つ規定温度Ｔ２よりも低い温度である。ここでは、規定温度Ｔ１ではなく規定温度Ｔ３が、上記の第１規定温度に相当する。

主コントローラ４４は、改質器１７の温度が規定温度Ｔ３以上でないと判断したときは、手順Ｓ１２０を再度実行する。主コントローラ４４は、改質器１７の温度が規定温度Ｔ３以上であると判断したときは、起動用バルブ３７を閉じるように制御する（手順Ｓ１１２）。そして、主コントローラ４４は、上記の手順Ｓ１１３～Ｓ１１８を実行する。

このような本実施形態では、改質器１７により改質ガスが生成された後も、一定時間は起動用ガスがアンモニアエンジン２のシリンダ７内から燃焼器２８に供給され続けることになる。このため、改質ガスが起動用ガスと共にシリンダ７内から燃焼器２８に供給される。従って、燃焼器２８において、改質ガス中の水素が起動用ガス中の主アンモニアガスと共に燃焼されるため、起動用ガス中の主アンモニアガスが燃焼されやすくなる。これにより、改質器１７の起動時間が更に短縮される。

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１７の温度が規定温度Ｔ１以上になると、インジェクタ５が一旦閉じるように制御されているが、特にそのような形態には限られない。例えば図９に示されるように、燃焼器２８において起動用ガス中の主アンモニアガス及び改質用アンモニアガスが着火して燃焼することで、改質器１７の温度が上昇した始めた後に、インジェクタ５を一旦閉じるように制御してもよい（図９（ｂ）参照）。この場合には、インジェクタ５が一旦閉弁した後は、改質用アンモニアガスがアンモニアエンジン２を通して燃焼器２８に供給されることで、改質用アンモニアガスのみが燃焼器２８において燃焼する。

また、上記実施形態では、改質器１７の温度が規定温度Ｔ１に達したときに、起動用バルブ３７が閉じるように制御されているが、特にその形態には限られず、改質器１７の温度が上昇した始めた後、改質器１７の温度が燃焼可能温度に達していれば、インジェクタ５を一旦閉じるように制御すると共に、起動用バルブ３７を閉じるように制御してもよい（図９（ｅ）参照）。

また、上記実施形態では、スタータ４１が回転駆動されると、インジェクタ５及びスロットルバルブ６が開くように制御されると共に、アンモニアバルブ１９及び空気バルブ２１が開くように制御されているが、特にそのような形態には限られない。例えば図１０に示されるように、インジェクタ５によりアンモニアエンジン２の燃焼室７ａに供給された主アンモニアガスが燃焼器２８において燃焼し始めるまでに、アンモニアバルブ１９及び空気バルブ２１を開くように制御すればよい（図１０（ｇ），（ｈ）参照）。この場合、主コントローラ４４の第２制御部４６は、第１制御部４５による制御処理が実行された後、改質器１７に改質用アンモニアガス及び改質用空気が供給されるようにアンモニアバルブ１９及び空気バルブ２１を制御する。

また、本実施形態では、ＥＧＲ通路３８と燃焼器２８とを接続した起動用ガス流路３６に開閉弁である起動用バルブ３７が配設されているが、特にその形態には限られず、例えば排気通路４に三方弁を配設し、その三方弁と燃焼器２８とを起動用ガス流路３６で接続してもよい。

また、上記実施形態では、燃焼器２８において、起動用ガス導入部３１は、アンモニアガス及び空気を含む起動用ガスを筐体３０の内部に管状流が発生するように筐体３０の内周面３０ａ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。起動用ガス導入部３１は、例えば起動用ガスを筐体３０の内部に筐体３０の径方向に導入してもよい。つまり、燃焼器２８は、改質器１７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、温度センサ４２により検出された改質器１７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４２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１７の温度を推定してもよい。また、改質器１７の温度の代わりに、改質器１７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、改質器１７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１７ａを有しているが、特にその形態には限られない。改質器１７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７ａ毎に複数有しているが、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に主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１９は、アンモニア流路１８に配設された流量制御弁であるが、アンモニアバルブ１９の構成としては、特にその形態には限られず、例えば燃焼ガス流路２９に改質用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２０に流量制御弁である空気バルブ２１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１７に改質用空気を供給してもよい。

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（流量制御弁）、７…シリンダ、８…ピストン、１７…改質器、２６…燃料供給部、２７…空気供給部、２８…燃焼器、３０…筐体、３１…起動用ガス導入部、３２…点火部、３６…起動用ガス流路、３７…起動用バルブ、３８…ＥＧＲ通路、３９…ＥＧＲバルブ（起動用ガス調整部）、４１…スタータ、４２…温度センサ（温度検出部）、４５…第１制御部、４６…第２制御部、４７…第３制御部、４８…第４制御部、Ｔ１…規定温度（改質可能温度、第１規定温度）、Ｔ２…規定温度（第２規定温度）、Ｔ３…規定温度（第１規定温度）。

Claims (6)

1. シリンダ内に往復移動可能に配置されたピストンを有するエンジンと、
   前記シリンダ内に供給される空気が流れる吸気通路と、
   前記シリンダ内で発生した排気ガスが流れる排気通路と、
   前記シリンダ内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、前記シリンダ内に供給される前記空気の流量を制御する流量制御弁と、
   前記ピストンを往復移動させるスタータと、
   前記燃料ガスを燃焼させて発生した熱を利用して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、
   前記改質器に前記燃料ガスを供給する燃料供給部と、
   前記改質器に前記空気を供給する空気供給部と、
   前記改質器により生成された前記改質ガスが前記シリンダ内に向けて流れる改質ガス流路と、
   前記改質器に供給される燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
   前記排気通路と前記燃焼器とを接続し、前記シリンダ内において前記燃料ガス及び前記空気が混合された起動用ガスが前記燃焼器に向けて流れる起動用ガス流路と、
   前記起動用ガス流路における前記起動用ガスの流れを調整する起動用ガス調整部と、
   前記エンジンの始動時に、前記シリンダ内に前記燃料ガス及び前記空気が導入されると共に前記シリンダ内から前記起動用ガスが排出されるように前記スタータ、前記燃料噴射弁及び前記流量制御弁を制御し、前記起動用ガスが前記燃焼器に供給されるように前記起動用ガス調整部を制御し、前記起動用ガス中の燃料ガスが着火するように前記燃焼器を制御する第１制御部と、
   前記第１制御部による制御処理の実行と同時に又は前記第１制御部による制御処理が実行された後、前記改質器に前記燃料ガス及び前記空気が供給されるように前記燃料供給部及び前記空気供給部を制御する第２制御部と、
   前記第１制御部及び前記第２制御部による制御処理が実行された後、前記燃焼器への前記起動用ガスの供給が停止するように前記起動用ガス調整部を制御する第３制御部とを備えるエンジンシステム。
2. 前記排気通路と前記吸気通路とを接続し、前記排気ガスの一部がＥＧＲガスとして前記吸気通路に向けて流れるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路を流れる前記ＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブとを更に備え、
   前記起動用ガス流路は、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲバルブよりも上流側と前記燃焼器とを接続することにより、前記排気通路と前記燃焼器とを前記ＥＧＲ通路を介して接続し、
   前記起動用ガス調整部は、前記起動用ガス流路を開閉するバルブであり、
   前記第１制御部は、前記バルブを開くように制御し、
   前記第３制御部は、前記バルブを閉じるように制御する請求項１記載のエンジンシステム。
3. 前記改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、
   前記第３制御部は、前記温度検出部により検出された前記改質器の温度が予め決められた第１規定温度以上であるときに、前記燃焼器への前記起動用ガスの供給が停止するように前記起動用ガス調整部を制御する請求項１または２記載のエンジンシステム。
4. 前記第１規定温度は、前記改質器により前記燃料ガスの改質が可能となる改質可能温度よりも高い温度である請求項３記載のエンジンシステム。
5. 前記温度検出部により検出された前記改質器の温度に基づいて前記起動用ガス中の燃料ガスが着火したかどうかを判断し、前記起動用ガス中の燃料ガスが着火したときに、前記シリンダ内への前記燃料ガスの導入が停止するように前記燃料噴射弁を制御し、その後前記温度検出部により検出された前記改質器の温度が前記第１規定温度よりも高い第２規定温度以上であるときに、前記シリンダ内に前記燃料ガスが再び導入されるように前記燃料噴射弁を制御する第４制御部を更に備える請求項４記載のエンジンシステム。
6. 前記燃焼器は、円管状の筐体と、前記起動用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起動用ガス導入部と、前記筐体に取り付けられ、前記起動用ガス導入部より前記筐体の内部に導入された前記起動用ガス中の燃料ガスを着火させる点火部とを有し、
   前記第１制御部は、前記点火部を点火させるように制御する請求項１～５の何れか一項記載のエンジンシステム。

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