WO2010079846A1 - アンモニア燃焼内燃機関 - Google Patents

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Abstract

内燃機関において、燃焼室（５）内に供給されたアンモニアが燃焼室（５）に配置された点火装置によって点火される。この点火装置としてプラズマジェットを放出する少くとも一つのプラズマジェット点火栓（６）又はスパークを発生する複数の点火栓（６'）が用いられる。

Description

アンモニア燃焼内燃機関
　本発明はアンモニア燃焼内燃機関に関する。
　従来より内燃機関では燃料として主に化石燃料が用いられている。しかしながらこの場合、燃料を燃焼させると地球の温暖化を進行させるＣＯ２が発生する。これに対しアンモニアを燃焼させるとＣＯ２が全く発生せず、従ってＣＯ２が発生しないように燃料としてアンモニアを用いた内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。
　しかしながらアンモニアは化石燃料に比べて燃焼しずらく、従って燃料としてアンモニアを用いた場合にはアンモニアを燃焼しやすくするための何らかの工夫が必要となる。そこで上述の内燃機関では排気熱を利用してアンモニアから水素を生成すると共に生成された水素を水素吸蔵合金に貯留させ、アンモニアから生成された水素又は水素吸蔵合金に貯留された水素を副燃焼室内に供給し、副燃焼室内の水素を点火栓により燃焼させ、それにより燃焼室内のアンモニアガスを燃焼させるようにしている。
特開平５−３３２１５２号公報
　しかしながら水素吸蔵合金を用いると重量が重たくなるという問題があるばかりでなく、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる制御と吸蔵された水素を水素吸蔵合金から放出させる制御を行う必要があるために水素を処理するためのシステムが複雑になるという問題がある。
　そこで本発明では、燃焼室内に供給されたアンモニアを燃焼室に配置された点火装置によって点火するようにしたアンモニア燃焼内燃機関において、点火装置としてプラズマジェットを放出する少くとも一つのプラズマジェット点火栓又はスパークを発生する複数の点火栓を用いている。
　プラズマジェットを放出するプラズマジェット点火栓を用いた場合には点火火炎核の表面積が大きくなるためにアンモニアは容易に燃焼せしめられ、スパークを発生する複数の点火栓を用いた場合には点火火炎核が複数の箇所で生成されるためにアンモニアは容易に燃焼せしめられる。
　図１は内燃機関の全体図である。
　図２はプラズマジェット点火栓の先端部の側面断面図である。
　図３は点火エネルギＥを示す図である。
　図４はシリンダヘッドの底面図である。
　図５は内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
　図６は点火エネルギＥを示す図である。
　図７は内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
　図１を参照すると、１は内燃機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火装置、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、各吸気枝管１１には夫々対応する吸気ポート８内に向けて液状アンモニアを噴射するための液状アンモニア噴射弁１３が配置される。この液状アンモニア噴射弁１３へは燃料タンク１４から液状アンモニアが供給される。
　サージタンク１２は吸気ダクト１５を介してエアクリーナ１６に連結され、吸気ダクト１５内にはアクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１９とが配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド２０を介してアンモニア吸着材２１に連結され、アンモニア吸着材２１は排気管２２を介して排気ガス中に含まれるアンモニアを浄化しうるアンモニア浄化触媒２３に連結される。
　燃料タンク１４内は０．８ＭＰａから１．０ＭＰａ程度の高圧の液状アンモニアで満たされており、この燃料タンク１４内には燃料供給ポンプ２４が配置されている。この燃料供給ポンプ２４の吐出口は吐出圧が一定以上になると液状アンモニアを燃料タンク１４内に返戻するリリーフ弁２５、機関運転時には開弁しており、機関が停止すると閉弁せしめられる遮断弁２６および液状アンモニア供給管２７を介して液状アンモニア噴射弁１３に連結されている。
　燃料タンク１４内の圧力が０．８ＭＰａから１．０ＭＰａ程度の高圧のときには燃料供給ポンプ２４の作動は停止せしめられており、このとき燃料タンク１４内の液状アンモニアは燃料タンク１４内の圧力によって液状アンモニア噴射弁１３に供給される。一方、例えば外気温が低くなって燃料タンク１４内の圧力が低下したときには燃料供給ポンプ２４によって液状アンモニアが液状アンモニア噴射弁１３に供給される。なお、燃料タンク１４には燃料タンク１４内の圧力を検出するための圧力センサ２８と、燃料タンク１４内の液状アンモニアの温度を検出するための温度センサ２９とが取付けられている。
　電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１９の出力信号、圧力センサ２８の出力信号および温度センサ２９の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は点火装置６の点火回路３９に接続されており、更に出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して液状アンモニア供給弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１７、燃料供給ポンプ２４および遮断弁２６に接続されている。
　図１は点火装置６としてプラズマジェット点火栓を用いた場合を示しており、図２はこのプラズマジェット点火栓６の先端部の構造の一例を示している。図２に示される例ではプラズマジェット点火栓６は、燃焼室５内に連通する放電室５０と、放電室５０の奥部に配置された中心電極５１と、放電室５０および中心電極５１を包囲する絶縁体５２と、絶縁体５２を包囲する導電性ケーシング５３と、放電室５０の開口端周りに配置された接地電極５４とを具備している。中心電極５１と接地電極５４間に高電圧を印加し、それにより中心電極５１と接地電極５４間に気中放電を生じさせると放電室５０内には高温高圧のプラズマガスが生成され、その結果放電室５０から燃焼室５内にこのプラズマガスからなるプラズマジェット５５が噴出する。
　さて、機関運転時には液状アンモニアが液状アンモニア供給弁１３から各気筒の吸気ポート８内に噴射される。このとき液体アンモニア噴射弁１３から噴射された液状アンモニアは噴射されるや否や減圧沸騰して気化する。ところで液状アンモニアの気化潜熱は、例えばガソリンの４倍の気化潜熱であって極めて大きく、従って液体アンモニアが気化すると燃焼室５内に供給される吸入空気の温度がかなり低下する。その結果、燃焼室５内に供給される吸入空気の密度が高くなり、体積効率が高められるので機関出力が向上せしめられることになる。なお、このように液状アンモニアを噴射するようにした場合にはガス状アンモニアを噴射するようにした場合に必要となる気化器を設ける必要がないという利点もある。
　吸気ポート８内で気化したアンモニアはガス状アンモニアの形で燃焼室５内に供給され、燃焼室５内に供給されたガス状アンモニアは圧縮行程の後半にプラズマジェット点火栓６から噴出するプラズマジェット５５によって着火される。図２からわかるようにプラズマジェット５５の外表面積、即ち点火火炎核の表面積はかなり大きいので燃焼室５内のガス状アンモニアはプラズマジェット５５の外表面上の無数の点において着火され、斯くして本来着火しずらいアンモニアも容易に着火されることになる。
　また、アンモニアは火炎伝播速度が遅く、従って燃料としてガソリンを用いた場合に比べて最適な点火時期は進角側となる。また、この最適な点火時期は機関回転数が高くなるほど進角側となるので機関高回転時にアンモニアを着火しうる時期に点火しうるか否かが問題となる。しかしながらプラズマジェット点火栓６を用いるとガス状アンモニア全体の燃焼時期が短かくなり、斯くして機関高回転時においてもガス状アンモニアを良好に着火し良好に燃焼しうる時期に点火を行うことができるようになる。
　ガス状アンモニアが完全燃焼せしめられると理論的にはＮ２とＨ２Ｏになり、ＣＯ２は全く発生しない。しかしながら実際には未燃のアンモニアが残存し、斯くして燃焼室５からは未燃アンモニアが排出される。従って機関排気通路内には排気ガス中に含まれる未燃アンモニアを浄化しうるアンモニア浄化触媒２３が配置されている。
　しかしながら機関の始動時等、アンモニア浄化触媒２３の温度が低いためにアンモニア浄化触媒２３が活性化していないときには機関から排出された未燃アンモニアを浄化することができない。そこで本発明による実施例では排気ガス中に含まれるアンモニアを吸着可能であって温度上昇すると吸着したアンモニアを放出するアンモニア吸着材２１がアンモニア浄化触媒２３上流の機関排気通路内に配置されている。
　従って本発明による実施例では機関の始動時等、アンモニア浄化触媒２３が活性化していないときには機関から排出された未燃アンモニアはＮＯＸ吸着材２１に吸着される。次いでＮＯＸ吸着材２１およびアンモニア浄化触媒２３の温度が上昇するとＮＯＸ吸着材２１から吸着されているアンモニアが放出される。ＮＯＸ吸着材２１の温度が吸着されているＮＯＸの放出を開始する温度まで上昇する頃にはアンモニア浄化触媒２３は既に活性化しており、従ってＮＯＸ吸着材２１から放出されたアンモニアはアンモニア浄化触媒２３によって浄化される。このようにアンモニア浄化触媒２３の上流にＮＯＸ吸着材２１を配置すると機関始動時から機関が停止されるまでの間、機関から排出された未燃アンモニアを浄化することができる。
　このアンモニア浄化触媒２３はアンモニアを酸化しうる酸化触媒およびアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるＮＯＸを選択的に還元可能なＮＯＸ選択還元触媒のいずれか一方又は双方からなる。アンモニア浄化触媒２３が酸化触媒からなる場合には機関から排出された未燃アンモニアが酸化触媒において酸化され、斯くして未燃アンモニアが大気中に排出されるのが阻止される。
　一方、アンモニアが燃焼せしめられた場合でもＮＯＸが生成され、従って機関から排出される排気ガス中にはＮＯＸが含まれている。また、排気ガス中には未燃アンモニアが含まれているのでアンモニア浄化触媒２３としてＮＯＸ選択還元触媒を用いると排気ガス中のＮＯＸはＮＯＸ選択還元触媒において排気ガス中の未燃アンモニアにより還元され、このとき未燃アンモニアは酸化される。即ち、ＮＯＸ選択還元触媒を用いると排気ガス中のＮＯＸおよび未燃アンモニアの双方を浄化することができ、従ってＮＯＸ選択還元触媒はアンモニア燃焼内燃機関の排気浄化触媒として極めて適していると言える。
　ところで燃焼室５内のガス状アンモニアを良好に着火させるには点火時におけるガス状アンモニアの温度が低いほど大きな点火エネルギが必要となる。即ち、点火エネルギは機関の運転状態に応じて制御することが好ましい。そこで本発明による実施例では図３（Ａ）に示されるように機関負荷Ｌが低下するほど点火エネルギＥが増大せしめられ、図３（Ｂ）に示されるように機関回転数Ｎが高くなるほど点火エネルギＥが増大せしめられる。
　即ち、機関負荷Ｌが低下するほどスロットル弁１８の開度が小さくされるので燃焼室５内の圧縮端圧力は機関負荷Ｌが低下するほど低くなる。従って点火の行われる圧縮行程末期における燃焼室５内のガス状アンモニアの温度は機関負荷Ｌが低下するほど低くなり、斯くして図３（Ａ）に示されるように点火装置６の点火エネルギＥは機関負荷Ｌが低下すると増大せしめられる。
　一方、点火時期は機関回転数Ｎが高くなるほど早められ、従って点火が行われるときの燃焼室５内の圧力は機関回転数Ｎが高くなるほど低くなる。従って点火が行われるときの燃焼室５内のガス状アンモニアの温度は機関回転数Ｎが高くなるほど低くなり、斯くして図３（Ｂ）に示されるように点火装置６の点火エネルギＥは機関回転数Ｎが高くなると増大せしめられる。なお、図１に示される実施例ではプラズマジェット点火栓６による点火エネルギは点火回路３９によりプラズマジェット点火栓６の放電電流値を制御することによって制御される。
　一方、燃焼室５内のガス状アンモニアは点火エネルギが高いほど着火しやすくなる。従って図４（Ａ）に示される例では複数のプラズマジェット点火栓６が燃焼室５内に配置されている。また、スパークを発生する点火栓を用いた場合でも点火栓を複数設ければガス状アンモニアは複数の点において着火されることになり、斯くして本来着火しずらいアンモニアも容易に着火されることになる。従って図４（Ｂ）に示される例ではスパークを発生する複数の点火栓６’が燃焼室５内に配置されている。
　即ち、本発明では燃焼室５内に供給されたアンモニアを燃焼室５に配置された点火装置６によって点火するようにしており、この場合図１、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示されるように点火装置としてプラズマジェットを放出する少くとも一つのプラズマジェット点火栓６又はスパークを発生する複数の点火栓６’が用いられている。
　ところで図１に示されるように供給燃料として液状アンモニアを用いると機関温度が低いとき、特に機関の低温始動時に液状アンモニアの気化が不十分となり、その結果未燃アンモニアの排出量が増大する危険性がある。そこで図５に示す実施例では液状アンモニア供給弁１３に加え、吸入空気中にガス状アンモニアを供給するためのガス状アンモニア供給装置が設けられている。
　即ち、図５を参照すると、このガス状アンモニア供給装置は、液状アンモニアを気化させるためのアンモニア気化装置６０と、気化したガス状アンモニアを貯留しておくためのアンモニアガスタンク６１とを具備しており、アンモニアガスタンク６１内のガス状アンモニアが吸入空気中に供給される。図５に示されるようにアンモニア気化装置６０は流量を制御するための制御弁６２を介して液状アンモニア噴射弁１３と遮断弁２６間の液状アンモニア供給管２７に連結されており、従って液状アンモニアが制御弁６２を介してアンモニア気化装置６０内に供給される。
　アンモニア気化装置６０は排気ガス熱を利用して液状アンモニアの気化を促進しうるように機関排気通路内又は機関排気通路に隣接して、例えばアンモニア浄化触媒２３に隣接して配置されており、更にこのアンモニア気化装置６０は排気ガス温が低いときでも液状アンモニアを気化しうるように電気ヒータ６３を備えている。アンモニア気化装置６０内で気化せしめられたアンモニアは供給管６４を介してアンモニアガスタンク６１内に供給され、斯くしてアンモニアガスタンク６１内はガス状アンモニアによって満たされることになる。
　図５に示されるようにアンモニアガスタンク６１にはアンモニアガスタンク６１内の圧力および温度を夫々検出するためのガス圧センサ６５とガス温センサ６６が取付けられており、アンモニアガスタンク６１内のガス圧が予め定められている目標ガス圧となるように制御弁６２が制御される。図５に示される実施例ではサージタンク１２内にガス状アンモニア噴射弁６７が配置されており、このガス状アンモニア噴射弁６７にアンモニアガスタンク６１内のガス状アンモニアが供給管６８を介して供給される。従ってこの実施例では必要に応じてガス状アンモニア噴射弁６７からガス状アンモニアがサージタンク１２内に噴射される。
　液状アンモニア噴射弁１３およびガス状アンモニア噴射弁６７のいずれか一方又は双方からアンモニアを噴射するか否か、および液状アンモニア噴射弁１３およびガス状アンモニア噴射弁６７の双方から噴射した場合のアンモニア噴射割合は機関の運転状態に応じて定められる。例えば、機関の低温始動時にはガス状アンモニア噴射弁６７のみからアンモニアが噴射され、機関温度が上昇してくると液状アンモニア噴射弁１３からもアンモニアの噴射が開始される。また、高出力が要求される高負荷運転時には液状アンモニア噴射弁１３のみからアンモニアが噴射される。
　ところで液状アンモニアが噴射されると液状アンモニアの気化潜熱により吸入空気温が低下し、従ってアンモニアは着火しずらくなる。従って本発明による実施例では吸入空気中に液状アンモニアおよびガス状アンモニアが供給される場合には液状アンモニアの気化潜熱による吸入空気温の低下を考えて、吸入空気中に供給される液状アンモニアの量と吸入空気中に供給されるガス状アンモニアの量との比率に応じ点火装置６の点火エネルギが変更せしめられる。
　この場合、良好な着火を確保するには液状アンモニアの割合が多くなるほど点火エネルギを増大することが好ましく、従って本発明による実施例では図６に示されるように吸入空気中に供給される全アンモニアの量に対する液状アンモニアの量の割合が増大するほど点火装置６の点火エネルギＥが増大せしめられる。
　また、ガス状アンモニア噴射弁６７は、図５に示されるようにサージタンク１２内に配置する代りに、図７（Ａ）に示されるように各気筒の吸気ポート８に対して夫々配置することもできるし、図７（Ｂ）に示されるように各気筒５の燃焼室５内に夫々配置することもできる。
　５…燃焼室
　６…プラズマジェット点火栓
　７…吸気弁
　８…吸気ポート
　１３…液状アンモニア噴射弁
　１４…燃料タンク
　２１…アンモニア吸着材
　２３…アンモニア浄化触媒

Claims (10)

  1. 　燃焼室内に供給されたアンモニアを燃焼室に配置された点火装置によって点火するようにしたアンモニア燃焼内燃機関において、上記点火装置としてプラズマジェットを放出する少くとも一つのプラズマジェット点火栓又はスパークを発生する複数の点火栓を用いたアンモニア燃焼内燃機関。
  2. 　上記点火装置の点火エネルギは機関負荷が低下すると増大せしめられる請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  3. 　上記点火装置の点火エネルギは機関回転数が高くなると増大せしめられる請求項１又は２に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  4. 　機関排気通路内に排気ガス中に含まれるアンモニアを浄化しうるアンモニア浄化触媒を配置し、排気ガス中に含まれるアンモニアを吸着可能であって温度上昇すると吸着したアンモニアを放出するアンモニア吸着材を該アンモニア浄化触媒上流の機関排気通路内に配置した請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  5. 　上記アンモニア浄化触媒がアンモニアを酸化しうる酸化触媒およびアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるＮＯＸを選択的に還元可能なＮＯＸ選択還元触媒のいずれか一方又は双方からなる請求項４に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  6. 　吸入空気中に液状アンモニアを供給するようにした請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  7. 　吸入空気中に液状アンモニアを供給するための液状アンモニア噴射弁に加え、吸入空気中にガス状アンモニアを供給するためのガス状アンモニア供給装置を具備した請求項６に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  8. 　上記ガス状アンモニア供給装置が液状アンモニアを気化させるためのアンモニア気化装置と、気化したガス状アンモニアを貯留しておくためのアンモニアガスタンクとを具備しており、アンモニアガスタンク内のガス状アンモニアが吸入空気中に供給される請求項７に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  9. 　吸入空気中に供給される液状アンモニアの量と吸入空気中に供給されるガス状アンモニアの量との比率に応じて上記点火装置の点火エネルギが変更せしめられる請求項７に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
  10. 　吸入空気中に供給される全アンモニアの量に対する液状アンモニアの量の割合が増大するほど上記点火装置の点火エネルギが増大せしめられる請求項９に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
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