WO2023234110A1 - 燃焼器及びアンモニアエンジンシステム - Google Patents

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WO2023234110A1
WO2023234110A1 PCT/JP2023/019065 JP2023019065W WO2023234110A1 WO 2023234110 A1 WO2023234110 A1 WO 2023234110A1 JP 2023019065 W JP2023019065 W JP 2023019065W WO 2023234110 A1 WO2023234110 A1 WO 2023234110A1
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WO
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housing
positive electrode
ammonia
gas
negative electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/019065
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English (en)
French (fr)
Inventor
秀明 鈴木
Original Assignee
株式会社豊田自動織機
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/02—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/08—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/02—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by arrangements for starting the operation, e.g. for heating the catalytic material to operating temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q3/00—Igniters using electrically-produced sparks

Definitions

  • the present disclosure relates to combustors and ammonia engine systems.
  • the combustor described in Patent Document 1 includes a cylindrical casing, an introduction section, and a spark plug.
  • a first end of the housing is open and a second end of the housing is closed.
  • fuel mixed with oxidizing gas and combustion gas generated by combustion of the fuel flow Inside the casing, fuel mixed with oxidizing gas and combustion gas generated by combustion of the fuel flow.
  • the inlet introduces the fuel and oxidizing gas into the housing such that a tubular flow is generated within the housing.
  • the spark plug is disposed at the second end within the housing. A flame is generated within the housing by igniting the combustion gas by the spark plug. Combustion gases are exhausted from the first end of the housing.
  • a combustor has an open first end and a closed second end, and includes fuel mixed with an oxidizing gas and combustion gas generated by combustion of the fuel.
  • a cylindrical casing configured to allow the fuel to flow therethrough; and at least one casing configured to introduce the fuel and the oxidizing gas into the casing such that a tubular flow is generated within the casing.
  • at least one inlet configured such that the tubular flow creates a negative pressure region in a portion within the housing; and at least one inlet disposed at the second end within the housing and configured to provide a positive electrode and a positive electrode.
  • the spark plug includes a negative electrode, and an ignition unit configured to generate a spark between the positive electrode and the negative electrode.
  • the positive electrode and the negative electrode are such that the distance between the positive electrode and the negative electrode is such that a flame generated between the positive electrode and the negative electrode by the spark is formed only in the negative pressure region. They are respectively arranged at positions that are shorter than the distance between them and the inner circumferential surface of the housing.
  • An ammonia engine system includes the above combustor, a reforming catalyst configured to be warmed up by the combustion gas, and a reforming catalyst configured to be supplied with hydrogen discharged from the reforming catalyst. and an ammonia engine configured to.
  • the distance between the positive electrode and the negative electrode is a distance that allows the ammonia engine to be started within a required starting time for a vehicle in which the ammonia engine system is mounted.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a combustor, a spark plug, and an ignition unit of the ammonia engine system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line 4-4 in FIG. 3.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of the combustor of FIG. 2.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the radial position of the casing of the combustor of FIG. 2 and the pressure inside the casing. It is a graph showing the time required to start the ammonia engines of Examples and Comparative Examples.
  • the ammonia engine system 10 includes an ammonia engine 11.
  • the ammonia engine system 10 of this embodiment is mounted on an engine-type vehicle 50.
  • the ammonia engine 11 uses ammonia (NH 3 ) gas as fuel.
  • a combustion chamber 11a is formed inside the ammonia engine 11.
  • the ammonia engine system 10 includes an intake flow path 12, an air cleaner 19, a main injector 14, and a main throttle valve 15. Air is introduced from the intake flow path 12 into the combustion chamber 11a.
  • the air cleaner 19 removes foreign matter such as dirt and dust contained in the air. Air cleaner 19 is provided at the end of intake flow path 12 . Air from which foreign matter has been removed by the air cleaner 19 flows into the intake flow path 12 .
  • the main injector 14 is, for example, an electromagnetic injection valve. Ammonia gas is supplied to the main injector 14 from an ammonia gas supply section (not shown). The main injector 14 supplies ammonia gas to the intake flow path 12 by injecting the ammonia gas into the intake flow path 12 . Ammonia gas supplied from the main injector 14 to the intake passage 12 is introduced into the combustion chamber 11a together with the air flowing through the intake passage 12.
  • the main throttle valve 15 is provided in the intake flow path 12 on the upstream side of a location where ammonia gas is supplied from the main injector 14.
  • the main throttle valve 15 is, for example, an electromagnetic flow control valve that can adjust the opening degree of the intake flow path 12.
  • Ammonia engine system 10 includes an exhaust flow path 13 and an exhaust catalyst unit 16. Exhaust gas generated in the combustion chamber 11a is introduced into the exhaust flow path 13 from the combustion chamber 11a.
  • the exhaust catalyst unit 16 is provided in the exhaust flow path 13.
  • the exhaust catalyst unit 16 includes a three-way catalyst 17 and an SCR catalyst 18.
  • the three-way catalyst 17 removes ammonia gas from the exhaust gas by oxidizing the ammonia gas remaining in the exhaust gas flowing through the exhaust flow path 13 .
  • the three-way catalyst 17 is activated by the heat of the exhaust gas.
  • the SCR catalyst 18 is provided downstream of the three-way catalyst 17 in the exhaust flow path 13.
  • the SCR catalyst 18 is a selective reduction catalyst.
  • the SCR catalyst 18 reduces nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas flowing through the exhaust flow path 13 to nitrogen (N 2 ) using ammonia. Further, the SCR catalyst 18 collects and removes ammonia that has passed through the three-way catalyst 17.
  • NOx nitrogen oxides
  • the ammonia engine system 10 has a reformer 23.
  • the reformer 23 has a box-shaped housing section 23a with a space formed inside.
  • a reforming catalyst 23b is provided inside the housing portion 23a.
  • the ammonia engine system 10 includes the reforming catalyst 23b.
  • a carrier having a honeycomb structure (not shown) may be provided inside the accommodating portion 23a. By applying the reforming catalyst 23b to this carrier, the reforming catalyst 23b may be provided inside the housing portion 23a.
  • the reforming catalyst 23b has a function of decomposing ammonia into hydrogen and a function of burning ammonia.
  • the reforming catalyst 23b is, for example, an ATR (Autothermal Reformer) type ammonia reforming catalyst.
  • the reformer 23 generates hydrogen-containing reformed gas by reforming ammonia gas using a reforming catalyst 23b.
  • the ammonia engine system 10 includes a reformed gas flow path 31, a cooler 32, and a stop valve 33.
  • One end of the reformed gas flow path 31 is connected to the reformer 23.
  • the other end of the reformed gas flow path 31 is connected to the intake flow path 12 downstream of the main throttle valve 15 .
  • the reformed gas generated by the reformer 23 is introduced into the reformed gas passage 31, and the reformed gas is introduced from the reformed gas passage 31 into the intake passage 12.
  • the cooler 32 cools the reformed gas flowing through the reformed gas flow path 31.
  • the cooler 32 cools the reformed gas by, for example, exchanging heat between the cooling water flowing inside the cooler 32 and the reformed gas.
  • the reformed gas cooled by the cooler 32 is introduced into the intake flow path 12 through the reformed gas flow path 31 . Thereby, damage to intake system components such as the main throttle valve 15 due to the heat of the reformed gas can be suppressed. Since volumetric expansion of the reformed gas is suppressed as the reformed gas is cooled, gas easily flows into the combustion chamber 11a from the intake flow path 12.
  • the stop valve 33 is provided downstream of the cooler 32 in the reformed gas flow path 31 .
  • the stop valve 33 is, for example, an on-off valve that opens and closes the reformed gas passage 31.
  • Ammonia engine system 10 includes a first air flow path 24a, a first injector 25, and a first throttle valve 26.
  • One end of the first air flow path 24 a is connected to the upstream side of the main throttle valve 15 in the intake flow path 12 .
  • the other end of the first air flow path 24a is connected to the reformer 23.
  • a portion of the air introduced into the intake flow path 12 via the air cleaner 19 is introduced into the first air flow path 24a.
  • Air is introduced into the reformer 23 from the first air flow path 24a.
  • the first injector 25 is, for example, an electromagnetic injection valve. Ammonia gas is supplied to the first injector 25 from an ammonia gas supply section (not shown). The first injector 25 supplies ammonia gas to the first air flow path 24a by injecting the ammonia gas into the first air flow path 24a. The ammonia gas supplied from the first injector 25 to the first air passage 24a is introduced into the reformer 23 together with the air flowing through the first air passage 24a.
  • the first throttle valve 26 is provided in the first air flow path 24a on the upstream side of a location where ammonia gas is supplied from the first injector 25.
  • the first throttle valve 26 is, for example, an electromagnetic flow control valve that can adjust the opening degree of the first air flow path 24a.
  • the ammonia engine system 10 includes a second air flow path 24b, a chamber 27, a second injector 28, a second throttle valve 29, and a combustor 40.
  • One end of the second air flow path 24b is connected to the upstream side of the first throttle valve 26 in the first air flow path 24a.
  • the other end of the second air flow path 24b is connected to the chamber 27.
  • a portion of the air flowing through the first air flow path 24a is introduced into the second air flow path 24b.
  • the chamber 27 is box-shaped and has a space inside. Air is introduced into the internal space of the chamber 27 from the second air flow path 24b.
  • the second injector 28 is, for example, an electromagnetic injection valve.
  • Ammonia gas is supplied to the second injector 28 from an ammonia gas supply section (not shown).
  • the second injector 28 supplies ammonia gas to the interior space of the chamber 27 by injecting the ammonia gas into the interior space of the chamber 27 .
  • the air introduced into the chamber 27 from the second air flow path 24b and the ammonia gas supplied to the chamber 27 from the second injector 28 are mixed inside the chamber 27.
  • ammonia gas mixed with air is generated inside the chamber 27.
  • ammonia gas corresponds to fuel
  • air corresponds to oxidizing gas.
  • Ammonia gas mixed with air is introduced into the combustor 40 from the chamber 27.
  • the second throttle valve 29 is provided in the second air flow path 24b.
  • the second throttle valve 29 is, for example, an electromagnetic flow control valve that can adjust the opening degree of the second air flow path 24b.
  • the combustor 40 generates combustion gas by burning ammonia gas, which is a fuel. Combustion gas generated by combustor 40 is introduced into reformer 23.
  • Ammonia engine system 10 includes a temperature sensor 35, an ignition switch 36, and a control unit 37. Temperature sensor 35 detects the temperature of reformer 23. When the ignition switch 36 is operated by the driver of the vehicle 50, the ignition switch 36 outputs an operation signal to the control unit 37.
  • the control unit 37 includes a CPU, RAM, ROM, input/output interface, and the like.
  • the control unit 37 performs various controls based on, for example, the detected value of the temperature sensor 35 and the operation signal of the ignition switch 36.
  • the control unit 37 controls the main injector 14, the main throttle valve 15, the first injector 25, the first throttle valve 26, the second injector 28, the second throttle valve 29, the stop valve 33, and the like.
  • the control unit 37 executes starting control to start the ammonia engine 11.
  • the control unit 37 performs starting control on the condition that the ignition switch 36 is determined to have been turned on based on the operation signal of the ignition switch 36 .
  • the control unit 37 injects ammonia gas from the first injector 25 and the second injector 28.
  • the control unit 37 opens the first throttle valve 26, the second throttle valve 29, and the stop valve 33.
  • the control unit 37 starts the ammonia engine 11 by controlling a starter motor (not shown) to crank the ammonia engine 11.
  • the control unit 37 injects ammonia gas from the main injector 14 and opens the main throttle valve 15.
  • the control unit 37 determines whether the temperature of the reformer 23 is equal to or higher than a specified temperature based on the detected value of the temperature sensor 35.
  • the specified temperature is a temperature at which ammonia gas can be combusted, and is, for example, about 200°C.
  • the control unit 37 stops the injection of ammonia gas from the second injector 28 and closes the second throttle valve 29. As a result, the introduction of air and ammonia gas from the chamber 27 to the combustor 40 is stopped. By stopping the combustion of ammonia gas in the combustor 40, the introduction of combustion gas from the combustor 40 to the reformer 23 is stopped. In this way, the starting control by the control unit 37 is completed.
  • control unit 37 may adjust the opening degree of the main throttle valve 15 or change the injection timing of the main injector 14.
  • the control unit 37 may adjust the amount of air introduced into the reformer 23 from the first air flow path 24a as appropriate by adjusting the opening degree of the first throttle valve 26.
  • the control unit 37 may change the injection timing of the first injector 25 as appropriate.
  • the control unit 37 executes stop control to stop the ammonia engine 11.
  • the control unit 37 performs stop control on the condition that the ignition switch 36 is determined to have been turned off based on the operation signal of the ignition switch 36 .
  • the control unit 37 stops the injection of ammonia gas from the main injector 14 and the first injector 25. In the stop control, the control unit 37 closes the main throttle valve 15, the first throttle valve 26, and the stop valve 33. As a result, the ammonia engine 11 is stopped.
  • Air and ammonia gas are introduced into the reformer 23 from the first air flow path 24a, and combustion gas is introduced into the reformer 23 from the combustor 40.
  • the reforming catalyst 23b is warmed up by the combustion gas.
  • an ammonia combustion reaction occurs in the reformer 23 in which ammonia gas and oxygen in the air chemically react as shown in Equation 1 below.
  • the reformer 23 Through the reforming reaction, the reformer 23 generates reformed gas containing hydrogen and nitrogen.
  • the reformed gas is discharged from the reforming catalyst 23b. That is, hydrogen contained in the reformed gas is discharged from the reforming catalyst 23b.
  • the reformed gas is introduced into the reformed gas passage 31 from the reformer 23 and then introduced into the intake passage 12 via the reformed gas passage 31.
  • the reformed gas introduced from the reformed gas passage 31 into the intake passage 12 is supplied from the intake passage 12 to the combustion chamber 11a of the ammonia engine 11. That is, the ammonia engine 11 is supplied with hydrogen discharged from the reforming catalyst 23b.
  • the reformed gas is supplied to the combustion chamber 11a together with the ammonia gas supplied from the main injector 14 to the intake passage 12 and the air in the intake passage 12. Since ammonia gas and hydrogen in the reformed gas are mixed in the combustion chamber 11a, the ammonia gas is easily combusted in the combustion chamber 11a. In the combustion chamber 11a, ammonia gas is combusted together with hydrogen in the reformed gas.
  • the ammonia engine 11 is started by burning ammonia gas together with hydrogen in the combustion chamber 11a.
  • the combustor 40 has a cylindrical housing 41.
  • the first end 41a of the housing 41 is open.
  • a closing wall 42 is provided at the second end 41b of the housing 41.
  • the closing wall 42 is, for example, disc-shaped.
  • the closing wall 42 closes off the second end 41b of the housing 41. As a result, the second end 41b of the housing 41 is closed.
  • the housing 41 and the closing wall 42 are made of a conductive metal material.
  • the conductive metal material is, for example, stainless steel.
  • the combustor 40 has four introduction parts 43.
  • the introduction part 43 is, for example, tubular and has a flow path 43a inside.
  • One end of the introduction section 43 is connected to the chamber 27, and the other end of the introduction section 43 is connected to the housing 41.
  • each of the four introduction parts 43 is connected to the housing 41 such that the flow path 43a extends in the tangential direction of the inner peripheral surface 41d of the housing 41.
  • the introduction part 43 may be formed integrally with the housing 41.
  • the introduction part 43 may be formed separately from the housing 41 and may be fixed to the housing 41.
  • the flow path 43a of the introduction part 43 communicates with the inside of the casing 41 via an introduction hole 41c formed in the casing 41.
  • the housing 41 has four introduction holes 41c formed therein.
  • the introduction hole 41c is formed, for example, in the middle portion of the housing 41 in the direction in which the axis L of the housing 41 extends.
  • the four introduction holes 41c are spaced apart from each other at equal intervals in the circumferential direction of the housing 41.
  • Ammonia gas mixed with air is introduced from the inside of the chamber 27 into the flow path 43a of the introduction section 43.
  • the ammonia gas mixed with air flows through the flow path 43a and is then introduced into the housing 41 from the flow path 43a.
  • the introduction section 43 introduces ammonia gas, which is a fuel, and air, which is an oxidizing gas, into the housing 41. Since the introduction part 43 is connected to the case 41 so that the flow path 43a extends in the tangential direction of the inner circumferential surface 41d of the case 41, the ammonia gas and air introduced into the case 41 from the introduction part 43 flows in the circumferential direction of the housing 41 along the inner peripheral surface 41d of the housing 41.
  • the combustor 40 has a spark plug 44.
  • the spark plug 44 is arranged at the second end 41b within the housing 41.
  • the spark plug 44 includes a positive electrode 45 and a negative electrode 46.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 are separated from each other in the radial direction of the housing 41.
  • the positive electrode 45 is attached to the housing 41 via an insulating member 47 so as to penetrate the closing wall 42 .
  • the insulating member 47 is made of an insulating material having pressure resistance and heat resistance, such as ceramic.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 have, for example, a cylindrical shape, and extend in the direction in which the axis L of the housing 41 extends.
  • the tip 45a of the positive electrode 45 in the direction in which the axis L of the housing 41 extends is located inside the housing 41. Specifically, in the direction in which the axis L of the casing 41 extends, a part of the positive electrode 45 including the tip 45a is arranged inside the casing 41, and the other part of the positive electrode 45 is arranged outside the casing 41. ing. In the direction in which the axis L of the housing 41 extends, the tip portion 45a of the positive electrode 45 is located between the introduction hole 41c of the housing 41 and the closing wall 42.
  • the positive electrode 45 is provided inside the housing 41, for example, on the axis L of the housing 41.
  • the negative electrode 46 is provided inside the housing 41, for example, at a position offset from the axis L of the housing 41 in the radial direction of the housing 41, and at a position away from the inner circumferential surface 41d of the housing 41. There is.
  • the combustor 40 has an ignition unit 51.
  • Ignition unit 51 includes an igniter 52 and a power source 53.
  • the power source 53 turns on and off the igniter 52 .
  • the on and off operations of the igniter 52 by the power source 53 may be controlled by the control unit 37. In the starting control, the igniter 52 may be turned on by the power source 53.
  • the igniter 52 is connected to the positive electrode 45 via an electric wire 54.
  • the igniter 52 supplies a pulse voltage to the positive electrode 45 via the electric wire 54.
  • the flow of ammonia gas and air from the opening of the introduction hole 41c in the inner circumferential surface 41d toward the second end 41b of the housing 41 is schematically shown in FIG. 4 by a broken line arrow as a gas flow F2.
  • the gas flow F2 occurs near the inner peripheral surface 41d of the housing 41.
  • the ammonia gas and air that flowed toward the second end 41b of the casing 41 as the gas flow F2 are turned back by the closing wall 42 and flow toward the first end 41a of the casing 41.
  • the flow of ammonia gas and air from the second end 41b to the first end 41a of the housing 41 is schematically shown as a gas flow F3 in FIG. 4 by broken arrows.
  • the gas flow F3 occurs in the central portion of the housing 41 in the radial direction of the housing 41.
  • a negative pressure region A1 is generated in a portion of the casing 41 of the combustor 40.
  • the negative pressure region A1 is generated by the tubular flow F1 flowing along the inner peripheral surface 41d of the housing 41.
  • the negative pressure area A1 is an area including the center of the housing 41 in the radial direction of the housing 41.
  • the axis L of the housing 41 becomes the center of negative pressure in the negative pressure area A1.
  • a region between the negative pressure area A1 and the inner circumferential surface 41d of the housing 41 in the radial direction of the housing 41 is a positive pressure area A2.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the radial position of the housing 41 and the pressure inside the housing 41.
  • the horizontal axis in FIG. 6 indicates the radial position of the housing 41 in the cross section of the housing 41 along the axis L.
  • the position where the value on the horizontal axis is 0 (zero) is on the axis L of the housing 41.
  • a range larger than 0 (zero) indicates a position on one side of the axis L in the radial direction of the housing 41
  • a range smaller than 0 (zero) indicates a position on one side of the axis L in the radial direction of the housing 41. Indicates the position of the other side.
  • the vertical axis in FIG. 6 indicates the pressure inside the housing 41.
  • a range larger than 0 (zero) indicates that the pressure inside the housing 41 is positive pressure
  • a range smaller than 0 (zero) indicates that the pressure inside the housing 41 is negative pressure. show. As shown in FIG.
  • the central portion of the housing 41 in the radial direction is under negative pressure.
  • the other parts of the casing 41 are under positive pressure. It is clear from the graph of FIG. 6 that a negative pressure area A1 and a positive pressure area A2 are generated inside the housing 41.
  • the spark P1 ignites the ammonia gas
  • the ammonia gas is combusted and a flame P2 is generated.
  • the flame P2 is schematically shown in FIG. 5 by dotted hatching. Flame P2 is generated between positive electrode 45 and negative electrode 46 by spark P1. Note that the spark P1 occurs in the region where the distance between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is the shortest. Therefore, the flame P2 also occurs in the region where the distance between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is the shortest. In this embodiment, the region where the distance between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is the shortest is the region between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 in the radial direction of the housing 41.
  • combustion gas is generated inside the housing 41.
  • Combustion gas is introduced into the reformer 23 from the first end 41a of the housing 41.
  • the flame P2 grows from the second end 41b of the housing 41 toward the first end 41a due to the gas flow F3 of ammonia gas and air generated in the negative pressure region A1.
  • the growth of the flame P2 promotes the generation of combustion gas by combustion of ammonia gas within the casing 41.
  • the flame P2 approaches the inner peripheral surface 41d of the housing 41 as it approaches the first end 41a of the housing 41. In the vicinity of the inner peripheral surface 41d of the housing 41, the flame P2 grows along the tubular flow F1 inside the housing 41.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 are each arranged at a position where the distance L1 between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is shorter than the distance L2 between the positive electrode 45 and the inner peripheral surface 41d of the housing 41. .
  • the distance L1 is the shortest distance between the positive electrode 45 and the negative electrode 46.
  • the distance L2 is the shortest distance between the positive electrode 45 and the inner peripheral surface 41d of the housing 41.
  • the distances L1 and L2 in this embodiment are distances in the radial direction of the housing 41.
  • Discharge from the positive electrode 45 is performed on the negative electrode 46 and the inner circumferential surface 41d of the housing 41, whichever has the shorter distance from the positive electrode 45. Since the distance L1 between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is shorter than the distance L2 between the positive electrode 45 and the inner peripheral surface 41d of the housing 41, discharge occurs between the positive electrode 45 and the negative electrode 46. As a result, a spark P1 is generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 are each arranged so that a flame P2 generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 by the spark P1 is formed only in the negative pressure region A1. Specifically, in the area between the positive electrode 45 and the negative electrode 46, a generation area of the flame P2 having a width of the distance L1 is located within the negative pressure area A1.
  • the combustion gas generated in the combustor 40 is introduced into the reformer 23, thereby warming up the reforming catalyst 23b. If a large amount of combustion gas can be generated early in the combustor 40, the reforming catalyst 23b can be warmed up quickly. Therefore, the reformer 23 can quickly generate reformed gas containing hydrogen. Furthermore, since the reformed gas can be introduced from the reformer 23 into the combustion chamber 11a of the ammonia engine 11 through the reformed gas passage 31 and the intake passage 12 at an early stage, the ammonia engine 11 can be started at an early stage. .
  • the distance L1 between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 in this embodiment is a distance that allows the ammonia engine 11 to be started within the required starting time for the vehicle 50 in which the ammonia engine system 10 is mounted.
  • the distance L1 between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is, for example, larger than the minimum distance necessary for the flame P2 to be generated when the spark P1 ignites the ammonia gas.
  • the time T required for starting was measured.
  • the time T is the time from when the ignition switch 36 is turned on until the starting of the ammonia engine 11 is completed.
  • Starting of the ammonia engine 11 is completed when ammonia gas starts to burn together with hydrogen in the combustion chamber 11a.
  • the distance L1 between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 in the example was 5 mm
  • the distance L2 between the positive electrode 45 and the inner peripheral surface 41d of the housing 41 in the comparative example was 15 mm.
  • the time T was measured multiple times for each example and comparative example under conditions where the excess air ratio ⁇ was around 1.1.
  • the excess air ratio ⁇ is a value obtained by dividing the mass of air actually supplied by the theoretically required minimum mass of air.
  • the measured values of the example are shown at point E1
  • the measured values of the comparative example are shown at point E2.
  • the time T in the example tended to be shorter than the time T in the comparative example. From this experimental result, the example in which the discharge occurs between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is more effective at starting the ammonia engine 11 than the comparative example in which the discharge occurs between the positive electrode 45 and the inner peripheral surface 41d of the housing 41. It is clear that this time T tends to be short.
  • FIG. 5 shows, as a comparative example, a case in which discharge is performed between the positive electrode 45 and the inner circumferential surface 41d of the housing 41.
  • the flame P3 in the comparative example is generated between the positive electrode 45 and the inner circumferential surface 41d of the housing 41. Therefore, the flame P3 immediately after generation in the comparative example is formed in the negative pressure area A1 and the positive pressure area A2.
  • a portion of the flame P3 formed in the positive pressure region A2 receives a gas flow F2, which is a flow of ammonia gas and air flowing near the inner circumferential surface 41d of the housing 41 toward the second end 41b.
  • the flame P3 in the comparative example flows toward the axis L of the casing 41, which is the center of the negative pressure in the negative pressure region A1, as shown by the flame flow F5 indicated by the white arrow of the two-dot chain line.
  • the flame P3 grows from the second end 41b of the housing 41 toward the first end 41a due to the gas flow F3, which is a flow of ammonia gas and air generated in the negative pressure region A1.
  • the flame P3 in the comparative example is difficult to grow from the second end 41b to the first end 41a of the casing 41.
  • a flame P2 is generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46.
  • the flame P2 immediately after generation flows toward the axis L of the casing 41, which is the center of the negative pressure in the negative pressure region A1, as shown by flame flow F4.
  • the flame P2 grows from the second end 41b of the housing 41 toward the first end 41a due to the gas flow F3, which is a flow of ammonia gas and air generated in the negative pressure region A1.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 are respectively arranged so that a flame P2 generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 by the spark P1 is formed only in the negative pressure region A1.
  • the flame P2 generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is affected by the gas flow F2, which is the flow of ammonia gas and air toward the second end 41b flowing near the inner peripheral surface 41d of the housing 41. Hard to accept. Therefore, the flame P2 generated in this embodiment grows more easily from the second end 41b to the first end 41a of the housing 41 than the flame P3 generated in the comparative example.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 are respectively arranged so that the flame P2 generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 by the spark P1 is formed only in the negative pressure region A1. Therefore, compared to the case where the flame P3 is generated between the positive electrode 45 and the inner peripheral surface 41d of the housing 41, the flame P2 grows earlier from the second end 41b of the housing 41 toward the first end 41a. do. Therefore, a large amount of combustion gas can be generated quickly in the combustor 40.
  • the reforming catalyst 23b is warmed up by the combustion gas generated in the combustor 40. By quickly generating a large amount of combustion gas in the combustor 40, the reforming catalyst 23b can be warmed up quickly. Therefore, hydrogen can be generated early in the reforming catalyst 23b. Furthermore, since hydrogen can be discharged from the reforming catalyst 23b to the ammonia engine 11 at an early stage, the ammonia engine 11 can be started at an early stage.
  • the distance L1 between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 may be equal to the minimum distance necessary for the flame P2 to be generated as the spark P1 ignites the ammonia gas.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 may be located apart from each other in a direction intersecting the radial direction of the housing 41. In this case, flame P2 may be generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 in a direction intersecting the radial direction of the housing 41. Also in this case, the positive electrode 45 and the negative electrode 46 are respectively arranged so that the flame P2 generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is formed only in the negative pressure region A1.
  • the position of the positive electrode 45 inside the casing 41 may be shifted from the axis L of the casing 41.
  • the positive electrode 45 and the negative electrode 46 are respectively arranged so that the flame P2 generated between the positive electrode 45 and the negative electrode 46 is formed only in the negative pressure region A1, the positive electrode 45 inside the housing 41 And the position of the negative electrode 46 can be changed as appropriate.
  • the introduction section 43 is not limited to one that introduces ammonia gas mixed with air into the housing 41.
  • some of the introduction parts 43 among the plurality of introduction parts 43 introduce only ammonia gas into the casing 41, and other introduction parts 43 introduce only air into the casing 41. good.
  • the introduction section 43 may be any device that introduces ammonia gas and air into the casing 41 so that the tubular flow F1 is generated within the casing 41.
  • the number of introduction parts 43 that the combustor 40 has may be three or less, or five or more. In short, the combustor 40 only needs to have at least one introduction section 43.
  • the expression “at least one” used in this specification means “one or more” of the desired options.
  • the expression “at least one” as used herein means “only one option” or “both of the two options” if the number of options is two.
  • the expression “at least one” as used herein means “only one option” or “any combination of two or more options” if there are three or more options. means.
  • the main injector 14 may be one that directly injects ammonia gas into the combustion chamber 11a.
  • the combustor 40 and the ammonia engine system 10 may use fuel other than ammonia gas.
  • the combustor 40 and the ammonia engine system 10 can use, for example, hydrocarbon gas or the like as fuel.
  • the combustor 40 and the ammonia engine system 10 may use oxygen as the oxidizing gas.
  • the ammonia engine system 10 is also applicable to a hybrid vehicle 50.

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Abstract

燃焼器（４０）は、開放された第１端と閉塞された第２端（４１ｂ）とを有する筐体（４１）と、筐体（４１）内に管状流（Ｆ１）が発生するように燃料及び酸化性ガスを筐体（４１）内に導入する導入部と、第２端（４１ｂ）に配置される点火プラグ（４４）と、点火プラグ（４４）の正極（４５）と負極（４６）との間に火花（Ｐ１）を生じさせる着火ユニットと、を有する。正極（４５）と負極（４６）とは、火花（Ｐ１）によってそれらの間に生じる火炎（Ｐ２）が筐体（４１）内の一部分に生じる負圧領域（Ａ１）のみに形成されるように、それらの間の距離（Ｌ１）が、正極（４５）と筐体（４１）の内周面（４１ｄ）との間の距離（Ｌ２）よりも短くなる位置に、それぞれ配設されている。

Description

燃焼器及びアンモニアエンジンシステム
　本開示は、燃焼器及びアンモニアエンジンシステムに関する。
　特許文献１に記載の燃焼器は、円管状の筐体と、導入部と、点火プラグと、を有する。筐体の第１端が開放されると共に筐体の第２端が閉塞されている。筐体の内部では、酸化性ガスが混合された燃料、及びその燃料が燃焼することで生成される燃焼ガスが流れる。導入部は、筐体内に管状流が発生するように、筐体内に燃料及び酸化性ガスを導入する。点火プラグは、筐体内における第２端に配置されている。点火プラグによって燃焼ガスが点火されることにより、筐体内に火炎が生成される。燃焼ガスは、筐体の第１端から排出される。
特開２００４－９３１１４号公報
　燃焼器から多量の燃焼ガスを早期に排出させるために、火炎が生成されてから早期に多量の燃焼ガスを燃焼器にて生成することが望まれていた。
　本開示の一態様に係る燃焼器は、解放された第１端と閉塞された第２端とを有し、酸化性ガスが混合された燃料及び当該燃料が燃焼することで生成される燃焼ガスが内部を流れるように構成される円管状の筐体と、前記筐体内に管状流が発生するように、前記燃料及び前記酸化性ガスを前記筐体内に導入するように構成される少なくとも１つの導入部であって、前記管状流が前記筐体内の一部に負圧領域を生じさせるように構成される、少なくとも１つの導入部と、前記筐体内における前記第２端に配置され、正極と負極とを備える点火プラグと、前記正極と前記負極との間に火花を生じさせるように構成される着火ユニットと、を有する。前記正極と前記負極とは、前記火花によって前記正極と前記負極との間に生じる火炎が前記負圧領域のみに形成されるように、前記正極と前記負極との間の距離が、前記正極と前記筐体の内周面との間の距離よりも短くなる位置に、それぞれ配設されている。
　本開示の一態様に係るアンモニアエンジンシステムは、上記の燃焼器と、前記燃焼ガスによって暖機されるように構成される改質触媒と、前記改質触媒から排出される水素が供給されるように構成されるアンモニアエンジンと、を有する。前記正極と前記負極との間の距離は、前記アンモニアエンジンシステムが搭載される車両で要求される始動時間内に前記アンモニアエンジンを始動可能な距離である。
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。 図１のアンモニアエンジンシステムの燃焼器、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。 図３の４－４線における断面図である。 図２の燃焼器の一部を拡大して示す断面図である。 図２の燃焼器の筐体の径方向の位置と筐体内の圧力との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例のアンモニアエンジンの始動にかかる時間を示すグラフである。
　以下、燃焼器及びアンモニアエンジンシステムの一実施形態について図１～図７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（ＮＨ３）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、図示されていない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（Ｎ２）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、図示されていない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、図示されていない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、箱状であり、内部に空間が形成される。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、図示されていない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。本実施形態において、アンモニアガスが燃料に相当し、空気が酸化性ガスに相当する。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、燃料であるアンモニアガスを燃焼させることにより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、制御ユニット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は制御ユニット３７に操作信号を出力する。制御ユニット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。
　制御ユニット３７は、例えば、温度センサ３５の検出値とイグニッションスイッチ３６の操作信号と、に基づいて、各種制御を行う。制御ユニット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、及びストップバルブ３３等を制御する。
　＜制御ユニットによる制御＞
　制御ユニット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。制御ユニット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、制御ユニット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。制御ユニット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。続いて、始動制御において、制御ユニット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図示されていない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、制御ユニット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、制御ユニット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。制御ユニット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。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。こうして制御ユニット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、制御ユニット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。制御ユニット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。制御ユニット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。
　制御ユニット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。制御ユニット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、制御ユニット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、制御ユニット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。
　＜改質器での燃焼反応＞
　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。
　ＮＨ３＋３／４Ｏ２→３／２Ｈ２Ｏ＋１／２Ｎ２＋Ｑ…（式１）
 
　アンモニアの燃焼反応によって、改質器２３は、水分（Ｈ２Ｏ）及び窒素（Ｎ２）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（Ｈ２）と窒素とに分解される改質反応が改質器２３にて起こる。
　ＮＨ３→３／２Ｈ２＋１／２Ｎ２－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。制御ユニット３７による始動制御の開始後において、燃焼室１１ａにてアンモニアガスが水素と共に燃焼することにより、アンモニアエンジン１１が始動する。
　＜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。これにより、筐体４１の第２端４１ｂが閉塞されている。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は、例えば、ステンレス鋼である。
　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を有する。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。
　導入部４３の流路４３ａは、筐体４１に形成された導入孔４１ｃを介して筐体４１の内部と連通している。筐体４１には４つの導入孔４１ｃが形成されている。導入孔４１ｃは、例えば、筐体４１の軸線Ｌの延びる方向における筐体４１の中間部分に形成されている。４つの導入孔４１ｃは、筐体４１の周方向において互いに等間隔をもって離れている。
　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。こうして導入部４３は、筐体４１内に燃料であるアンモニアガス及び酸化性ガスである空気を導入する。筐体４１の内周面４１ｄの接線方向に流路４３ａが延びるように導入部４３が筐体４１に接続されているため、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は、筐体４１の内周面４１ｄに沿って筐体４１の周方向に流れる。
　図２に示すように、燃焼器４０は点火プラグ４４を有する。点火プラグ４４は、筐体４１内における第２端４１ｂに配置されている。点火プラグ４４は、正極４５と負極４６とを備える。正極４５と負極４６とは、筐体４１の径方向において互いに離れている。正極４５は、例えば、閉塞壁４２を貫通するように絶縁部材４７を介して筐体４１に取り付けられている。絶縁部材４７は、例えばセラミック等、耐圧性及び耐熱性を有する絶縁材料からなる。
　正極４５及び負極４６は、例えば円柱状であり、筐体４１の軸線Ｌの延びる方向に延びている。筐体４１の軸線Ｌの延びる方向における正極４５の先端部４５ａは、筐体４１の内部に位置している。詳細には、筐体４１の軸線Ｌの延びる方向において、先端部４５ａを含む正極４５の一部は筐体４１の内部に配置され、正極４５のその他の部分は筐体４１の外部に配置されている。筐体４１の軸線Ｌの延びる方向において、正極４５の先端部４５ａは、筐体４１の導入孔４１ｃと閉塞壁４２との間に位置している。
　正極４５は、筐体４１の内部において、例えば筐体４１の軸線Ｌ上に設けられている。負極４６は、筐体４１の内部において、例えば筐体４１の軸線Ｌから筐体４１の径方向にずれた位置であって、且つ筐体４１の内周面４１ｄから離れた位置に設けられている。
　燃焼器４０は、着火ユニット５１を有する。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。電源５３によるイグナイタ５２のオン操作及びオフ操作は、制御ユニット３７によって制御されてもよい。始動制御において、電源５３によるイグナイタ５２のオン操作が行われてもよい。イグナイタ５２は電線５４を介して正極４５と接続されている。イグナイタ５２は、電線５４を介して正極４５にパルス電圧を供給する。
　＜燃焼器でのアンモニアガス及び空気の流れ＞
　図４に示すように、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、空気が混合されたアンモニアガスの管状流Ｆ１が筐体４１の内部に発生する。言い換えると、導入部４３は、筐体４１内に管状流Ｆ１が発生するように、筐体４１内にアンモニアガス及び空気を導入する。空気が混合されたアンモニアガスが筐体４１の内部を流れる。
　アンモニアガス及び空気は、管状流Ｆ１をなすように筐体４１内を流れつつ、内周面４１ｄにおける導入孔４１ｃの開口から筐体４１の第１端４１ａ及び第２端４１ｂの各々に向かって流れる。内周面４１ｄにおける導入孔４１ｃの開口から筐体４１の第２端４１ｂに向かうアンモニアガス及び空気の流れを、ガス流れＦ２として図４に破線の矢印で模式的に示している。ガス流れＦ２は、筐体４１の内周面４１ｄの付近にて生じる。
　ガス流れＦ２として筐体４１の第２端４１ｂに向かって流れたアンモニアガス及び空気は、閉塞壁４２によって折り返されて、筐体４１の第１端４１ａに向かって流れる。こうして筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａに向かうアンモニアガス及び空気の流れを、ガス流れＦ３として図４に破線の矢印で模式的に示している。ガス流れＦ３は、筐体４１の径方向における筐体４１の中央部分にて生じる。
　＜負圧領域＞
　図５に示すように、燃焼器４０における筐体４１内の一部分には負圧領域Ａ１が生じる。負圧領域Ａ１は、筐体４１の内周面４１ｄに沿って流れる管状流Ｆ１によって生じる。詳細には、負圧領域Ａ１は、筐体４１の径方向における筐体４１の中央を含む領域である。例えば、筐体４１の軸線Ｌが負圧領域Ａ１での負圧の中心となる。筐体４１の内部の空間のうち、筐体４１の径方向における負圧領域Ａ１と筐体４１の内周面４１ｄとの間の領域は正圧領域Ａ２となっている。
　図６は、筐体４１の径方向の位置と筐体４１内の圧力との関係を示すグラフである。図６の横軸は、軸線Ｌに沿った筐体４１の断面における筐体４１の径方向の位置を示している。横軸での数値が０（ゼロ）である位置は、筐体４１の軸線Ｌ上を示す。横軸のうち、０（ゼロ）より大きい範囲は、筐体４１の径方向において軸線Ｌより一方側の位置を示し、０（ゼロ）より小さい範囲は、筐体４１の径方向において軸線Ｌより他方側の位置を示す。横軸のうち、０（ゼロ）より大きい範囲では、横軸の数値が大きいほど筐体４１の内周面４１ｄに近い位置を示す。横軸のうち、０（ゼロ）より小さい範囲では、横軸の数値が小さいほど筐体４１の内周面４１ｄに近い位置を示す。図６の縦軸は、筐体４１内の圧力を示している。縦軸のうち、０（ゼロ）より大きい範囲は、筐体４１内の圧力が正圧であることを示し、０（ゼロ）より小さい範囲は筐体４１内の圧力が負圧であることを示す。図６に示すように、筐体４１の径方向における中央部分は負圧となっている。それ以外の筐体４１の部分は正圧となっている。この図６のグラフからも、筐体４１の内部に負圧領域Ａ１及び正圧領域Ａ２が生じることが明らかである。
　＜アンモニアガスの燃焼＞
　図２及び図４に示すように、イグナイタ５２から正極４５に高電圧が印加されると、正極４５と負極４６との間に放電が生じることにより、正極４５と負極４６との間に火花Ｐ１が生じる。すなわち、着火ユニット５１は、正極４５と負極４６との間に火花Ｐ１を生じさせる。火花Ｐ１は、筐体４１の内部のアンモニアガスに着火する。筐体４１の内部のアンモニアガスに着火したタイミングで、電源５３によるイグナイタ５２のオフ操作が行われてもよい。
　図５に示すように、火花Ｐ１がアンモニアガスに着火すると、アンモニアガスが燃焼して火炎Ｐ２が生じる。火炎Ｐ２は、図５にドットハッチで模式的に示す。火炎Ｐ２は、火花Ｐ１によって正極４５と負極４６との間に生じる。なお、火花Ｐ１は、正極４５と負極４６との距離が最も短い領域で生じる。そのため、火炎Ｐ２も、正極４５と負極４６との距離が最も短い領域で生じる。本実施形態において、正極４５と負極４６との距離が最も短い領域とは、筐体４１の径方向における正極４５と負極４６との間の領域である。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。筐体４１の内部には、燃料であるアンモニアガスが燃焼することで生成される燃焼ガスが流れる。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。
　生成直後の火炎Ｐ２は、図５に実線の矢印で示す火炎流れＦ４のように、負圧領域Ａ１での負圧の中心である筐体４１の軸線Ｌに近づくように流れる。負圧領域Ａ１にて生じるアンモニアガス及び空気のガス流れＦ３によって、火炎Ｐ２は筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａに向けて成長する。火炎Ｐ２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。火炎Ｐ２は、筐体４１の第１端４１ａに近づくほど、筐体４１の内周面４１ｄに近づく。筐体４１の内周面４１ｄの付近においては、火炎Ｐ２は、筐体４１内の管状流Ｆ１に沿う形で成長する。
　＜正極及び負極の位置＞
　正極４５と負極４６とは、正極４５と負極４６との間の距離Ｌ１が、正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間の距離Ｌ２よりも短くなる位置にそれぞれ配設されている。距離Ｌ１は、正極４５と負極４６との間の最短距離である。距離Ｌ２は、正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間の最短距離である。本実施形態における距離Ｌ１，Ｌ２は筐体４１の径方向における距離である。
　正極４５からの放電は、負極４６及び筐体４１の内周面４１ｄのうちで、正極４５との間の距離が短い方を対象に行われる。正極４５と負極４６との間の距離Ｌ１が正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間の距離Ｌ２よりも短いため、正極４５と負極４６との間で放電が生じる。これにより、正極４５と負極４６との間に火花Ｐ１が生じる。
　正極４５と負極４６とは、火花Ｐ１によって正極４５と負極４６との間に生じる火炎Ｐ２が負圧領域Ａ１のみに形成されるように、それぞれ配設されている。詳細には、正極４５と負極４６との間の領域のうち、距離Ｌ１の幅を有する火炎Ｐ２の生成領域が負圧領域Ａ１内に位置している。
　＜正極と負極との距離と始動時間との関係＞
　正極４５と負極４６との距離Ｌ１が大きいほど、生成直後の火炎Ｐ２の大きさは大きくなる。火炎Ｐ２が負圧領域Ａ１のみに形成されるように正極４５及び負極４６が配設されている条件下において、生成直後の火炎Ｐ２の大きさが大きいほど、火炎Ｐ２が筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａへと早期に成長する。そのため、燃焼器４０にて多量の燃焼ガスを早期に生成できる。
　図１に示すように、燃焼器４０にて発生した燃焼ガスが改質器２３に導入されることにより、改質触媒２３ｂは暖機される。燃焼器４０にて多量の燃焼ガスを早期に生成できると、改質触媒２３ｂを早期に暖機できる。そのため、改質器２３によって水素を含む改質ガスを早期に生成できる。さらに、改質器２３から改質ガス流路３１及び吸気流路１２を介してアンモニアエンジン１１の燃焼室１１ａに改質ガスを早期に導入できるため、アンモニアエンジン１１を早期に始動させることができる。このように、火炎Ｐ２が負圧領域Ａ１のみに形成されるように正極４５及び負極４６が配設されている条件下において、正極４５と負極４６との距離Ｌ１が大きいほど、アンモニアエンジン１１の始動時間を短縮できる。本実施形態の正極４５と負極４６との距離Ｌ１は、アンモニアエンジンシステム１０が搭載される車両５０で要求される始動時間内にアンモニアエンジン１１を始動可能な距離である。正極４５と負極４６との距離Ｌ１は、例えば、アンモニアガスへの火花Ｐ１の着火に伴って火炎Ｐ２が生成されるのに必要な最低限の距離よりも大きい。
　図７に示すように、正極４５と負極４６との間で放電を行う実施例と、正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間で放電を行う比較例とで、アンモニアエンジン１１の始動にかかる時間Ｔを計測した。ここで、時間Ｔは、イグニッションスイッチ３６がオン操作されてからアンモニアエンジン１１の始動が完了するまでの時間である。アンモニアエンジン１１の始動は、燃焼室１１ａにてアンモニアガスが水素と共に燃焼を開始した時点で完了する。この計測において、実施例での正極４５と負極４６との距離Ｌ１は５ｍｍとし、比較例での正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間の距離Ｌ２は１５ｍｍとした。空気過剰率λが１．１付近の条件下にて、実施例と比較例とで複数回ずつ時間Ｔを計測した。空気過剰率λとは、実際に供給された空気の質量を理論上必要な最少空気質量で除した値である。図７において、実施例の計測値は点Ｅ１で示し、比較例の計測値は点Ｅ２で示す。点Ｅ１，Ｅ２にて示すように、実施例での時間Ｔは比較例での時間Ｔよりも短い傾向を示した。この実験結果から、正極４５と負極４６との間で放電を行う実施例では、正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間で放電を行う比較例よりも、アンモニアエンジン１１の始動にかかる時間Ｔが短い傾向にあることが明らかである。
　［作用］
　次に、本実施形態における作用について説明する。
　図５に、仮に正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間にて放電が行われる場合を比較例として示す。図５に二点鎖線で示すように、比較例における火炎Ｐ３は正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間に生じる。そのため、比較例における生成直後の火炎Ｐ３は、負圧領域Ａ１及び正圧領域Ａ２に形成される。火炎Ｐ３のうち、正圧領域Ａ２に形成される部分は、筐体４１の内周面４１ｄ付近を流れる第２端４１ｂに向けたアンモニアガス及び空気の流れである、ガス流れＦ２を受ける。比較例における火炎Ｐ３は、二点鎖線の白抜き矢印で示す火炎流れＦ５で示すように、負圧領域Ａ１での負圧の中心である筐体４１の軸線Ｌに近づくように流れる。負圧領域Ａ１にて生じるアンモニアガス及び空気の流れであるガス流れＦ３によって、火炎Ｐ３は筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａに向けて成長する。しかしながら、上記のように火炎Ｐ３の一部がガス流れＦ２の影響を受けるため、比較例における火炎Ｐ３は筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａに向けて成長しにくい。
　本実施形態においては正極４５と負極４６との間に火炎Ｐ２が生じる。生成直後の火炎Ｐ２は、火炎流れＦ４で示すように、負圧領域Ａ１での負圧の中心である筐体４１の軸線Ｌに近づくように流れる。負圧領域Ａ１にて生じるアンモニアガス及び空気の流れであるガス流れＦ３によって、火炎Ｐ２は筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａに向けて成長する。ここで、正極４５と負極４６とは、火花Ｐ１によって正極４５と負極４６との間に生じる火炎Ｐ２が負圧領域Ａ１のみに形成されるように、それぞれ配設されている。そのため、正極４５と負極４６との間に生じた火炎Ｐ２は、筐体４１の内周面４１ｄ付近を流れる第２端４１ｂに向けたアンモニアガス及び空気の流れである、ガス流れＦ２の影響を受けにくい。したがって、本実施形態において生じる火炎Ｐ２は、比較例において生じる火炎Ｐ３よりも、筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａに向けて成長しやすい。
　［効果］
　上記実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）正極４５と負極４６とは、火花Ｐ１によって正極４５と負極４６との間に生じる火炎Ｐ２が負圧領域Ａ１のみに形成されるように、それぞれ配設されている。そのため、正極４５と筐体４１の内周面４１ｄとの間に火炎Ｐ３が生じる場合と比較して、火炎Ｐ２は筐体４１の第２端４１ｂから第１端４１ａに向けてより早期に成長する。したがって、燃焼器４０にて多量の燃焼ガスを早期に生成できる。
　（２）燃焼器４０にて発生した燃焼ガスによって改質触媒２３ｂは暖機される。燃焼器４０にて多量の燃焼ガスを早期に生成することにより、改質触媒２３ｂを早期に暖機できる。そのため、改質触媒２３ｂにて水素を早期に生成できる。さらに、改質触媒２３ｂからアンモニアエンジン１１に水素を早期に排出できるため、アンモニアエンジン１１を早期に始動させることができる。
　［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。
　○　正極４５と負極４６との距離Ｌ１は、アンモニアガスへの火花Ｐ１の着火に伴って火炎Ｐ２が生成されるのに必要な最低限の距離と等しくてもよい。
　○　正極４５と負極４６とは、筐体４１の径方向に対して交差する方向において互いに離れて位置してもよい。この場合、筐体４１の径方向に対して交差する方向における正極４５と負極４６との間に火炎Ｐ２が生じてもよい。この場合も、正極４５と負極４６との間に生じる火炎Ｐ２が負圧領域Ａ１のみに形成されるように、正極４５と負極４６とがそれぞれ配設されている。
　○　筐体４１の内部における正極４５の位置は、筐体４１の軸線Ｌ上からずれた位置であってもよい。要するに、正極４５と負極４６との間に生じる火炎Ｐ２が負圧領域Ａ１のみに形成されるように、正極４５と負極４６とがそれぞれ配設されていれば、筐体４１の内部における正極４５及び負極４６の位置は適宜変更可能である。
　○　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。要するに、導入部４３は、筐体４１内に管状流Ｆ１が発生するように、筐体４１内にアンモニアガス及び空気を導入するものであればよい。
　○　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。
　○　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。
　○　燃焼器４０及びアンモニアエンジンシステム１０は、燃料としてアンモニアガス以外を使用するものであってもよい。例えば、燃焼器４０及びアンモニアエンジンシステム１０は、例えば炭化水素ガス等を燃料として使用可能である。
　○　燃焼器４０及びアンモニアエンジンシステム１０は、酸化性ガスとして酸素を使用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。

Claims (2)

  1. 　開放された第１端と閉塞された第２端とを有し、酸化性ガスが混合された燃料及び当該燃料が燃焼することで生成される燃焼ガスが内部を流れるように構成される円管状の筐体と、
    　前記筐体内に管状流が発生するように、前記燃料及び前記酸化性ガスを前記筐体内に導入するように構成される少なくとも１つの導入部であって、前記管状流が前記筐体内の一部に負圧領域を生じさせるように構成される、少なくとも１つの導入部と、
    　前記筐体内における前記第２端に配置され、正極と負極とを備える点火プラグと、
    　前記正極と前記負極との間に火花を生じさせるように構成される着火ユニットと、を有する燃焼器であって、
    　前記正極と前記負極とは、前記火花によって前記正極と前記負極との間に生じる火炎が前記負圧領域のみに形成されるように、前記正極と前記負極との間の距離が、前記正極と前記筐体の内周面との間の距離よりも短くなる位置に、それぞれ配設されている、燃焼器。
  2. 　請求項１に記載の燃焼器と、
    　前記燃焼ガスによって暖機されるように構成される改質触媒と、
    　前記改質触媒から排出される水素が供給されるように構成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、
    　前記正極と前記負極との間の距離は、前記アンモニアエンジンシステムが搭載される車両で要求される始動時間内に前記アンモニアエンジンを始動可能な距離である、アンモニアエンジンシステム。
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