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JP7663474B2 - Engine System - Google Patents

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JP7663474B2
JP7663474B2 JP2021171444A JP2021171444A JP7663474B2 JP 7663474 B2 JP7663474 B2 JP 7663474B2 JP 2021171444 A JP2021171444 A JP 2021171444A JP 2021171444 A JP2021171444 A JP 2021171444A JP 7663474 B2 JP7663474 B2 JP 7663474B2
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秀隆 竹内
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Toyota Industries Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。 The present invention relates to an engine system.

従来のエンジンシステムとしては、例えば特許文献1に記載されているような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、この機関本体の各気筒の吸気ポートに接続された吸気枝管と、機関本体の各機関吸気通路に向かってアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁と、液体のアンモニアから水素を生成する水素発生装置と、機関本体の各機関吸気通路に向かって水素を噴射する水素噴射弁とを備えている。水素発生装置は、液体のアンモニアが貯留されたタンクと、液体のアンモニアを加熱して気化させる蒸発器と、この蒸発器で生成された気体のアンモニアの一部がアンモニア噴射弁に向けて流れる供給管と、蒸発器で生成された気体のアンモニアを分解する分解器と、この分解器に供給される空気が流れる流入管と、分解器により生成された水素が水素噴射弁に向けて流れる供給管と、分解器の触媒を加熱する電気ヒータとを有している。 As a conventional engine system, for example, a technology such as that described in Patent Document 1 is known. The engine system described in Patent Document 1 includes an engine body, an intake branch pipe connected to the intake port of each cylinder of the engine body, an ammonia injector that injects ammonia toward each engine intake passage of the engine body, a hydrogen generating device that generates hydrogen from liquid ammonia, and a hydrogen injector that injects hydrogen toward each engine intake passage of the engine body. The hydrogen generating device includes a tank in which liquid ammonia is stored, an evaporator that heats and vaporizes the liquid ammonia, a supply pipe through which a portion of the gaseous ammonia generated by the evaporator flows toward the ammonia injector, a cracker that decomposes the gaseous ammonia generated by the evaporator, an inlet pipe through which air supplied to the cracker flows, a supply pipe through which hydrogen generated by the cracker flows toward the hydrogen injector, and an electric heater that heats the catalyst of the cracker.

特開2014-211155号公報JP 2014-211155 A

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、電気ヒータにより分解器の触媒が加熱されることで、触媒の温度が上昇する。そして、触媒の温度が改質可能温度(活性温度)に到達すると、分解器により水素が生成される。そして、機関本体(エンジン)内において、アンモニアが水素と混合して燃焼する。このように分解器の触媒の温度が活性温度に到するまでに時間がかかるため、分解器から水素が発生するまでに長い時間を要する。その結果、エンジンの始動時間が長くなってしまう。 However, the above conventional technology has the following problems. That is, the catalyst in the cracker is heated by an electric heater, and the temperature of the catalyst rises. Then, when the temperature of the catalyst reaches a reformable temperature (activation temperature), hydrogen is generated by the cracker. Then, in the engine body, ammonia is mixed with hydrogen and burned. Because it takes time for the temperature of the cracker catalyst to reach the activation temperature, it takes a long time for hydrogen to be generated from the cracker. As a result, the engine start-up time is long.

本発明の目的は、エンジンの始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。 The object of the present invention is to provide an engine system that can shorten the engine start time.

本発明の一態様に係るエンジンシステムは、燃料が水素と共に燃焼するエンジンと、エンジンに供給される空気が流れる吸気通路と、吸気通路に配設され、エンジンに供給される空気の流量を制御する第1流量制御弁と、エンジンに燃料を供給する第1燃料供給弁と、燃料を水素に分解する触媒を有し、燃料を改質して水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、改質器に供給される空気が流れる空気流路と、空気流路に配設され、改質器に供給される空気の流量を制御する第2流量制御弁と、改質器に燃料を供給する第2燃料供給弁と、改質器により生成された改質ガスがエンジンに向けて流れる改質ガス流路と、改質器と接続され、触媒を加熱するための燃焼ガスを発生させる燃焼器と、空気流路と燃焼器とを接続し、燃焼器に供給される空気が流れる分岐流路と、燃焼器に燃料を供給する第3燃料供給弁と、エンジンの始動時に、第1流量制御弁、第1燃料供給弁、第2流量制御弁、第2燃料供給弁及び第3燃料供給弁を制御する始動制御部とを備え、始動制御部は、燃焼器に燃料が供給されると共に燃焼器において空燃比がリッチの状態で燃料が燃焼するように第3燃料供給弁を制御する。 An engine system according to one aspect of the present invention includes an engine in which fuel is burned together with hydrogen, an intake passage through which air supplied to the engine flows, a first flow control valve disposed in the intake passage and controlling the flow rate of the air supplied to the engine, a first fuel supply valve that supplies fuel to the engine, a reformer having a catalyst that decomposes fuel into hydrogen and that reforms the fuel to produce a reformed gas containing hydrogen, an air flow path through which air supplied to the reformer flows, a second flow control valve disposed in the air flow path and controlling the flow rate of the air supplied to the reformer, a second fuel supply valve that supplies fuel to the reformer, and a fuel supply valve for the reformer. The engine includes a reformed gas flow path through which the reformed gas generated by the reformer flows toward the engine, a combustor connected to the reformer and generating combustion gas for heating the catalyst, a branch flow path connecting the air flow path and the combustor and through which air supplied to the combustor flows, a third fuel supply valve that supplies fuel to the combustor, and a start-up control unit that controls the first flow control valve, the first fuel supply valve, the second flow control valve, the second fuel supply valve, and the third fuel supply valve when the engine is started. The start-up control unit controls the third fuel supply valve so that fuel is supplied to the combustor and the fuel is burned in the combustor with a rich air-fuel ratio.

このようなエンジンシステムにおいては、まず空気が空気流路から分岐流路を流れて燃焼器に供給されると共に、第3燃料供給弁により燃焼器に燃料が供給されることで、燃焼器において燃料が燃焼する。このとき、燃焼器において空燃比がリッチの状態で燃料が燃焼するように第3燃料供給弁を制御することにより、燃料の熱分解が生じ、水素が生成される。燃焼器により生成された水素は、改質器及び改質ガス流路を流れてエンジンに供給される。その後、燃焼器で発生した燃焼ガスによって改質器の触媒が加熱されることで、触媒の温度が上昇すると共に、第2燃料供給弁及び第2流量制御弁により改質器に燃料及び空気が供給される。そして、触媒の温度が改質可能温度(活性温度)に到達すると、改質器において水素を含む改質ガスが生成され、改質ガスが改質ガス流路を流れてエンジンに供給される。また、第1燃料供給弁及び第1流量制御弁によりエンジンに燃料及び空気が供給されることで、エンジンにおいて燃料が水素と混合して燃焼する。このように改質器により水素を生成する前に、燃焼器により水素を生成することにより、エンジンの始動に必要な水素量が早く得られることになる。これにより、エンジンの始動時間が短縮される。 In such an engine system, air first flows from the air flow path through a branch flow path and is supplied to the combustor, and fuel is supplied to the combustor by the third fuel supply valve, whereby the fuel is burned in the combustor. At this time, by controlling the third fuel supply valve so that the fuel is burned in the combustor with a rich air-fuel ratio, thermal decomposition of the fuel occurs and hydrogen is generated. The hydrogen generated by the combustor flows through the reformer and the reformed gas flow path and is supplied to the engine. Then, the catalyst of the reformer is heated by the combustion gas generated in the combustor, so that the temperature of the catalyst rises, and fuel and air are supplied to the reformer by the second fuel supply valve and the second flow control valve. Then, when the temperature of the catalyst reaches a reformable temperature (activation temperature), a reformed gas containing hydrogen is generated in the reformer, and the reformed gas flows through the reformed gas flow path and is supplied to the engine. In addition, fuel and air are supplied to the engine by the first fuel supply valve and the first flow control valve, whereby the fuel is mixed with hydrogen and burned in the engine. By producing hydrogen in the combustor before producing it in the reformer in this way, the amount of hydrogen needed to start the engine can be obtained more quickly, which shortens the engine start-up time.

始動制御部は、燃焼器に燃料が供給されると共に燃焼器において空燃比がリッチの状態で燃料が燃焼するように第3燃料供給弁を制御している間は、改質器に供給される空気の流量が規定値以下となるように第2流量制御弁を制御し、その後改質器に供給される空気の流量が規定値よりも多くなるように第2流量制御弁を制御してもよい。 The start-up control unit may control the second flow control valve so that the flow rate of air supplied to the reformer is equal to or less than a specified value while fuel is being supplied to the combustor and the third fuel supply valve is being controlled so that the fuel is burned in the combustor with a rich air-fuel ratio, and then control the second flow control valve so that the flow rate of air supplied to the reformer is greater than the specified value.

このような構成では、燃焼器において空燃比がリッチの状態で燃料が燃焼している間は、改質器に供給される空気の流量が抑えられるため、燃焼ガスにより改質器の触媒の温度が上昇しても、燃焼器により生成された水素が改質器において燃焼されにくい。従って、燃焼器により生成された水素が消費されにくくなるため、エンジンの始動時間が更に短縮される。 In this configuration, while fuel is being burned in the combustor with a rich air-fuel ratio, the flow rate of air supplied to the reformer is suppressed, so even if the temperature of the reformer catalyst rises due to the combustion gas, the hydrogen generated by the combustor is less likely to be burned in the reformer. As a result, the hydrogen generated by the combustor is less likely to be consumed, further shortening the engine start-up time.

始動制御部は、燃焼器に燃料が供給されると共に燃焼器において空燃比がリッチの状態で燃料が燃焼するように第3燃料供給弁を制御した後、燃焼器への燃料の供給が停止するように第3燃料供給弁を制御してもよい。 The start control unit may control the third fuel supply valve so that fuel is supplied to the combustor and the fuel is burned in the combustor with a rich air-fuel ratio, and then control the third fuel supply valve so that the supply of fuel to the combustor is stopped.

このような構成では、燃焼器で発生した燃焼ガスによって改質器の触媒が所望温度まで昇温した後は、第3燃料供給弁が閉弁されるため、第3燃料供給弁から燃焼器に燃料を無駄に供給することが防止される。 In this configuration, after the reformer catalyst is heated to the desired temperature by the combustion gas generated in the combustor, the third fuel supply valve is closed, preventing the third fuel supply valve from wasting fuel to the combustor.

エンジンシステムは、分岐流路に配設され、改質器に供給される空気の流量を制御する第3流量制御弁を更に備え、分岐流路は、空気流路における第2流量制御弁よりも上流側と燃焼器とを接続し、始動制御部は、燃焼器に燃料及び空気が供給されると共に燃焼器において空燃比がリッチの状態で燃料が燃焼するように第3燃料供給弁及び第3流量制御弁を制御した後、燃焼器への燃料及び空気の供給が停止するように第3燃料供給弁及び第3流量制御弁を制御してもよい。 The engine system may further include a third flow control valve disposed in the branch passage and controlling the flow rate of air supplied to the reformer, the branch passage connecting the upstream side of the second flow control valve in the air passage to the combustor, and the starting control unit may control the third fuel supply valve and the third flow control valve so that fuel and air are supplied to the combustor and fuel is burned in the combustor with a rich air-fuel ratio, and then control the third fuel supply valve and the third flow control valve so that the supply of fuel and air to the combustor is stopped.

このような構成では、第3流量制御弁によって燃焼器に供給される空気の流量を細かく制御することができる。従って、従って、燃焼器において空燃比をリッチの状態とする制御動作を容易に行うことができる。 In this configuration, the flow rate of air supplied to the combustor can be precisely controlled by the third flow control valve. Therefore, it is easy to perform a control operation to make the air-fuel ratio rich in the combustor.

始動制御部は、燃焼器に燃料が供給されると共に燃焼器において空燃比がリッチの状態で燃料が燃焼するように第3燃料供給弁の制御を開始してから規定時間が経過したかどうかを判断し、規定時間が経過したときに、燃焼器への燃料の供給が停止するように第3燃料供給弁を制御してもよい。 The start control unit may determine whether a specified time has elapsed since fuel is supplied to the combustor and control of the third fuel supply valve is started so that the fuel is burned in the combustor with a rich air-fuel ratio, and when the specified time has elapsed, control the third fuel supply valve so that the supply of fuel to the combustor is stopped.

このような構成では、特にセンサ等を使用しなくても、燃焼器で発生した燃焼ガスによって改質器の触媒が所望温度まで昇温したときに、第3燃料供給弁を閉弁することができる。 In this configuration, the third fuel supply valve can be closed when the reformer catalyst is heated to the desired temperature by the combustion gas generated in the combustor, without the need for a sensor or the like.

本発明によれば、エンジンの始動時間を短縮することができる。 The present invention can reduce engine start-up time.

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。1 is a schematic configuration diagram showing an engine system according to an embodiment of the present invention. 図1に示されたコントローラにより実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a procedure of a control process executed by a controller shown in FIG. 1 . 空燃比とH生成量、NO生成量及びNH残存量との関係の一例を示すグラフである。1 is a graph showing an example of the relationship between the air-fuel ratio and the amount of H2 produced, the amount of NO produced, and the amount of remaining NH3. 図1に示されたエンジンシステムの動作を示すタイミング図である。FIG. 2 is a timing diagram illustrating the operation of the engine system shown in FIG. 1 . 燃焼器において空燃比がリーン及びリッチの状態でアンモニアガスが燃焼する場合に、燃焼ガス及び水素が発生するタイミングを比較して示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a comparison of the timing at which combustion gas and hydrogen are generated when ammonia gas is burned in a combustor with a lean air-fuel ratio and a rich air-fuel ratio. 燃焼器において空燃比がリーン及びリッチの状態でアンモニアガスが燃焼する場合に、燃焼ガスの温度及びアンモニアエンジンの回転数の時間変化を比較して示すグラフである。1 is a graph showing a comparison of changes over time in the temperature of combustion gas and the rotation speed of an ammonia engine when ammonia gas is burned in a combustor with a lean and rich air-fuel ratio.

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。 The following describes an embodiment of the present invention in detail with reference to the drawings.

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、車両(図示せず)に搭載されている。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、メインインジェクタ5と、メインスロットルバルブ6とを備えている。 Figure 1 is a schematic diagram showing an engine system according to one embodiment of the present invention. In Figure 1, the engine system 1 of this embodiment is mounted on a vehicle (not shown). The engine system 1 includes an ammonia engine 2, an intake passage 3, an exhaust passage 4, a main injector 5, and a main throttle valve 6.

アンモニアエンジン2は、アンモニアガス(NHガス)を燃料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、難燃性のアンモニアガスを燃焼しやすくするため、助燃材としての水素(H)がアンモニアガスに混合される。アンモニアエンジン2は、アンモニアガスが水素と共に燃焼して排気ガスが発生する燃焼室(図示せず)を有している。アンモニアエンジン2は、例えば4気筒エンジンである。 The ammonia engine 2 is an engine that uses ammonia gas ( NH3 gas) as fuel. In the ammonia engine 2, hydrogen ( H2 ) is mixed with the ammonia gas as a combustion improver to facilitate combustion of the flame-retardant ammonia gas. The ammonia engine 2 has a combustion chamber (not shown) in which the ammonia gas is burned together with the hydrogen to generate exhaust gas. The ammonia engine 2 is, for example, a four-cylinder engine.

吸気通路3は、アンモニアエンジン2の燃焼室と接続されている。吸気通路3は、アンモニアエンジン2に供給される空気が流れる通路である。なお、吸気通路3には、空気中に含まれる塵や埃等の異物を除去するエアクリーナ7が配設されている。 The intake passage 3 is connected to the combustion chamber of the ammonia engine 2. The intake passage 3 is a passage through which air supplied to the ammonia engine 2 flows. An air cleaner 7 is disposed in the intake passage 3 to remove foreign matter such as dust and dirt contained in the air.

排気通路4は、アンモニアエンジン2の燃焼室と接続されている。排気通路4は、アンモニアエンジン2で発生した排気ガスが流れる通路である。排気通路4には、排気ガス中に含まれる有害成分である一酸化炭素(CO)、未燃の炭化水素(HC)及び窒素酸化物(NOx)を浄化する三元触媒8と、排気ガス中に含まれるNOxを除去するSCR触媒9とが配設されている。 The exhaust passage 4 is connected to the combustion chamber of the ammonia engine 2. The exhaust passage 4 is a passage through which the exhaust gas generated by the ammonia engine 2 flows. The exhaust passage 4 is provided with a three-way catalyst 8 that purifies the harmful components contained in the exhaust gas, such as carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC), and nitrogen oxides (NOx), and an SCR catalyst 9 that removes NOx contained in the exhaust gas.

メインインジェクタ5は、アンモニアエンジン2の燃焼室に向けてアンモニアガスを噴射する電磁式の燃料噴射弁である。メインインジェクタ5は、アンモニアエンジン2にアンモニアガスを供給する第1燃料供給弁を構成している。メインインジェクタ5は、アンモニアエンジン2の気筒の数だけ有している。 The main injector 5 is an electromagnetic fuel injection valve that injects ammonia gas into the combustion chamber of the ammonia engine 2. The main injector 5 constitutes a first fuel supply valve that supplies ammonia gas to the ammonia engine 2. There are as many main injectors 5 as there are cylinders in the ammonia engine 2.

メインスロットルバルブ6は、吸気通路3に配設されている。メインスロットルバルブ6は、アンモニアエンジン2に供給される空気の流量を制御する電磁式の第1流量制御弁である。 The main throttle valve 6 is disposed in the intake passage 3. The main throttle valve 6 is an electromagnetic first flow control valve that controls the flow rate of air supplied to the ammonia engine 2.

また、エンジンシステム1は、アンモニアボンベ10と、気化器11と、改質器12と、空気流路13と、改質スロットルバルブ14と、改質インジェクタ15と、改質ガス流路16と、クーラ17と、流量調整弁18とを備えている。 The engine system 1 also includes an ammonia cylinder 10, a carburetor 11, a reformer 12, an air passage 13, a reforming throttle valve 14, a reforming injector 15, a reformed gas passage 16, a cooler 17, and a flow control valve 18.

アンモニアボンベ10は、アンモニアを液体状態で貯蔵する容器である。つまり、アンモニアボンベ10は、液体アンモニアを貯蔵する。 The ammonia cylinder 10 is a container that stores ammonia in a liquid state. In other words, the ammonia cylinder 10 stores liquid ammonia.

気化器11は、アンモニアボンベ10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11で発生したアンモニアガスは、アンモニア流路19を流れてメインインジェクタ5に供給されると共に、アンモニア流路20を流れて改質インジェクタ15に供給される。 The vaporizer 11 vaporizes the liquid ammonia stored in the ammonia cylinder 10 to generate ammonia gas. The ammonia gas generated in the vaporizer 11 flows through the ammonia flow path 19 and is supplied to the main injector 5, and also flows through the ammonia flow path 20 and is supplied to the reforming injector 15.

改質器12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12は、円筒状の筐体21と、この筐体21内に収容された改質触媒22とを有している。筐体21は、アンモニアガスに対して耐腐食性を有するステンレス鋼等の金属材料で形成されている。 The reformer 12 produces a reformed gas containing hydrogen by reforming ammonia gas using heat generated by burning the ammonia gas. The reformer 12 has a cylindrical housing 21 and a reforming catalyst 22 housed in the housing 21. The housing 21 is made of a metal material such as stainless steel that is resistant to corrosion by ammonia gas.

改質触媒22は、例えばハニカム構造を呈している。改質触媒22は、アンモニアガスを燃焼させると共に、アンモニアガスを水素に分解する触媒である。改質触媒22は、例えばATR(Autothermal Reformer)式アンモニア改質触媒である。改質触媒22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。 The reforming catalyst 22 has, for example, a honeycomb structure. The reforming catalyst 22 is a catalyst that burns ammonia gas and decomposes the ammonia gas into hydrogen. The reforming catalyst 22 is, for example, an ATR (Autothermal Reformer) type ammonia reforming catalyst. As the reforming catalyst 22, for example, a cobalt-based catalyst, a rhodium-based catalyst, a ruthenium-based catalyst, or a palladium-based catalyst is used.

空気流路13は、吸気通路3と改質器12とを接続している。空気流路13の一端は、吸気通路3におけるエアクリーナ7とメインスロットルバルブ6との間に分岐して接続されている。空気流路13の他端は、改質器12の筐体21の入口部に接続されている。空気流路13は、改質器12に供給される空気が流れる流路である。 The air flow path 13 connects the intake passage 3 and the reformer 12. One end of the air flow path 13 branches off and is connected between the air cleaner 7 and the main throttle valve 6 in the intake passage 3. The other end of the air flow path 13 is connected to the inlet of the housing 21 of the reformer 12. The air flow path 13 is a flow path through which air supplied to the reformer 12 flows.

改質スロットルバルブ14は、空気流路13に配設されている。改質スロットルバルブ14は、改質器12に供給される空気の流量を制御する電磁式の第2流量制御弁である。 The reforming throttle valve 14 is disposed in the air flow path 13. The reforming throttle valve 14 is an electromagnetic second flow control valve that controls the flow rate of air supplied to the reformer 12.

改質インジェクタ15は、空気流路13にアンモニアガスを噴射する電磁式の燃料噴射弁である。改質インジェクタ15は、空気流路13における改質スロットルバルブ14と改質器12との間にアンモニアガスを噴射する。改質インジェクタ15は、改質器12にアンモニアガスを供給する第2燃料供給弁を構成している。改質インジェクタ15の数としては、複数(ここでは2つ)でもよいし、或いは1つでもよい。 The reforming injector 15 is an electromagnetic fuel injection valve that injects ammonia gas into the air flow path 13. The reforming injector 15 injects ammonia gas between the reforming throttle valve 14 and the reformer 12 in the air flow path 13. The reforming injector 15 constitutes a second fuel supply valve that supplies ammonia gas to the reformer 12. The number of reforming injectors 15 may be multiple (two in this case) or may be one.

改質ガス流路16は、改質器12と吸気通路3とを接続している。改質ガス流路16の一端は、改質器12の筐体21の出口部に接続されている。改質ガス流路16の他端は、吸気通路3におけるメインスロットルバルブ6とアンモニアエンジン2との間に接続されている。改質ガス流路16は、改質器12により生成された改質ガスがアンモニアエンジン2に向けて流れる流路である。 The reformed gas flow passage 16 connects the reformer 12 and the intake passage 3. One end of the reformed gas flow passage 16 is connected to the outlet of the housing 21 of the reformer 12. The other end of the reformed gas flow passage 16 is connected between the main throttle valve 6 and the ammonia engine 2 in the intake passage 3. The reformed gas flow passage 16 is a flow passage through which the reformed gas generated by the reformer 12 flows toward the ammonia engine 2.

クーラ17は、改質ガス流路16に配設されている。クーラ17は、例えばアンモニアエンジン2を冷却するエンジン冷却水を用いて、改質ガス流路16を流れる改質ガスを冷却する。 The cooler 17 is disposed in the reformed gas flow passage 16. The cooler 17 cools the reformed gas flowing through the reformed gas flow passage 16, for example, by using engine cooling water that cools the ammonia engine 2.

流量調整弁18は、改質ガス流路16におけるクーラ17よりも下流側に配設されている。流量調整弁18は、アンモニアエンジン2に供給される改質ガスの流量を調整する電磁弁である。なお、流量調整弁18に代えて、開閉弁(ON/OFF弁)を使用してもよい。 The flow rate control valve 18 is disposed downstream of the cooler 17 in the reformed gas flow passage 16. The flow rate control valve 18 is an electromagnetic valve that adjusts the flow rate of the reformed gas supplied to the ammonia engine 2. Note that an opening/closing valve (ON/OFF valve) may be used instead of the flow rate control valve 18.

また、エンジンシステム1は、燃焼器30と、分岐流路31と、燃焼スロットルバルブ32と、燃焼インジェクタ33とを備えている。 The engine system 1 also includes a combustor 30, a branch passage 31, a combustion throttle valve 32, and a combustion injector 33.

燃焼器30は、改質器12と接続されている。燃焼器30は、改質器12の改質触媒22を加熱するための燃焼ガスを発生させる。燃焼器30は、例えばアンモニアガスを旋回流の状態で着火・燃焼させる管状火炎バーナである。 The combustor 30 is connected to the reformer 12. The combustor 30 generates combustion gas for heating the reforming catalyst 22 of the reformer 12. The combustor 30 is, for example, a tubular flame burner that ignites and burns ammonia gas in a swirling flow state.

燃焼器30は、円筒状の筐体34と、点火プラグ35とを有している。筐体34は、改質器12の筐体21の上流側部分と連結部36を介して連結されている。筐体34及び連結部36は、筐体21と同じ材料で形成されている。連結部36は、筐体34の下流側部分に設けられている。点火プラグ35は、筐体34内においてアンモニアガスを着火させる。点火プラグ35は、筐体34の上流側端部に配置されている。 The combustor 30 has a cylindrical housing 34 and an ignition plug 35. The housing 34 is connected to the upstream portion of the housing 21 of the reformer 12 via a connecting portion 36. The housing 34 and the connecting portion 36 are made of the same material as the housing 21. The connecting portion 36 is provided in the downstream portion of the housing 34. The ignition plug 35 ignites ammonia gas in the housing 34. The ignition plug 35 is located at the upstream end of the housing 34.

分岐流路31は、空気流路13と燃焼器30とを接続している。分岐流路31の一端は、空気流路13における改質スロットルバルブ14よりも上流側に分岐して接続されている。分岐流路31の他端は、燃焼器30の筐体34の上流側部分に接続されている。分岐流路31は、燃焼器30に供給される空気が流れる流路である。 The branch flow passage 31 connects the air flow passage 13 and the combustor 30. One end of the branch flow passage 31 branches off and is connected to the air flow passage 13 upstream of the reforming throttle valve 14. The other end of the branch flow passage 31 is connected to the upstream portion of the housing 34 of the combustor 30. The branch flow passage 31 is a flow passage through which air supplied to the combustor 30 flows.

燃焼スロットルバルブ32は、分岐流路31に配設されている。燃焼スロットルバルブ32は、燃焼器30に供給される空気の流量を制御する電磁式の第3流量制御弁である。 The combustion throttle valve 32 is disposed in the branch passage 31. The combustion throttle valve 32 is an electromagnetic third flow control valve that controls the flow rate of air supplied to the combustor 30.

燃焼インジェクタ33は、アンモニア流路37を介してアンモニア流路19と接続されている。アンモニア流路37は、気化器11で発生したアンモニアガスが流れる流路である。 The combustion injector 33 is connected to the ammonia flow path 19 via the ammonia flow path 37. The ammonia flow path 37 is a flow path through which the ammonia gas generated in the vaporizer 11 flows.

燃焼インジェクタ33は、分岐流路31にアンモニアガスを噴射する電磁式の燃料噴射弁である。燃焼インジェクタ33は、分岐流路31における燃焼スロットルバルブ32と燃焼器30との間にアンモニアガスを噴射する。燃焼インジェクタ33は、燃焼器30にアンモニアガスを供給する第3燃料供給弁を構成している。燃焼インジェクタ33の数としては、複数(ここでは2つ)でもよいし、或いは1つでもよい。 The combustion injector 33 is an electromagnetic fuel injection valve that injects ammonia gas into the branch flow passage 31. The combustion injector 33 injects ammonia gas between the combustion throttle valve 32 and the combustor 30 in the branch flow passage 31. The combustion injector 33 constitutes a third fuel supply valve that supplies ammonia gas to the combustor 30. The number of combustion injectors 33 may be multiple (two in this case) or may be one.

また、エンジンシステム1は、コントローラ40を備えている。コントローラ40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。コントローラ40は、アンモニアエンジン2の始動時に、メインインジェクタ5、メインスロットルバルブ6、改質スロットルバルブ14、改質インジェクタ15、流量調整弁18、燃焼スロットルバルブ32、燃焼インジェクタ33及び燃焼器30の点火プラグ35を制御する始動制御部を構成している。 The engine system 1 also includes a controller 40. The controller 40 is composed of a CPU, RAM, ROM, an input/output interface, and the like. The controller 40 constitutes a start control unit that controls the main injector 5, the main throttle valve 6, the reforming throttle valve 14, the reforming injector 15, the flow control valve 18, the combustion throttle valve 32, the combustion injector 33, and the spark plug 35 of the combustor 30 when the ammonia engine 2 is started.

コントローラ40は、燃焼器30にアンモニアガスが供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33を制御する。 The controller 40 controls the combustion injector 33 so that ammonia gas is supplied to the combustor 30 and combusted in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio.

このとき、コントローラ40は、燃焼器30にアンモニアガス及び空気が供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33及び燃焼スロットルバルブ32を制御し、その後燃焼器30へのアンモニアガス及び空気の供給が停止するように燃焼インジェクタ33及び燃焼スロットルバルブ32を制御する。 At this time, the controller 40 controls the combustion injector 33 and the combustion throttle valve 32 so that ammonia gas and air are supplied to the combustor 30 and the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, and then controls the combustion injector 33 and the combustion throttle valve 32 so that the supply of ammonia gas and air to the combustor 30 is stopped.

また、コントローラ40は、燃焼器30にアンモニアガスが供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33を制御している間は、改質器12に供給される空気の流量が規定値以下となるように改質スロットルバルブ14を制御し、その後改質器12に供給される空気の流量が規定値よりも多くなるように改質スロットルバルブ14を制御する。 In addition, while the controller 40 is controlling the combustion injector 33 so that ammonia gas is supplied to the combustor 30 and the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, the controller 40 controls the reforming throttle valve 14 so that the flow rate of air supplied to the reformer 12 is equal to or less than a specified value, and then controls the reforming throttle valve 14 so that the flow rate of air supplied to the reformer 12 is greater than the specified value.

具体的には、コントローラ40は、燃焼器30にアンモニアガスが供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33を制御している間は、改質器12に供給される空気の流量がゼロとなるように改質スロットルバルブ14を制御し、その後改質器12に空気が供給されるように改質スロットルバルブ14を制御する。 Specifically, while the controller 40 controls the combustion injector 33 so that ammonia gas is supplied to the combustor 30 and the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, it controls the reforming throttle valve 14 so that the flow rate of air supplied to the reformer 12 is zero, and then controls the reforming throttle valve 14 so that air is supplied to the reformer 12.

図2は、コントローラ40により実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。本処理は、車両の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。 Figure 2 is a flowchart showing the steps of the control process executed by the controller 40. This process is executed when the vehicle ignition switch (not shown) is turned ON.

本処理の実行前には、メインインジェクタ5、メインスロットルバルブ6、改質スロットルバルブ14、改質インジェクタ15、流量調整弁18、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33は、何れも閉じた状態となっている。 Before this process is executed, the main injector 5, main throttle valve 6, reforming throttle valve 14, reforming injector 15, flow control valve 18, combustion throttle valve 32, and combustion injector 33 are all closed.

図2において、コントローラ40は、まず流量調整弁18を開くように制御する(手順S101)。また、コントローラ40は、メインスロットルバルブ6を開くように制御する(手順S102)。これにより、アンモニアエンジン2に空気が供給される。また、コントローラ40は、改質インジェクタ15を開くように制御する(手順S103)。これにより、改質器12にアンモニアガスが供給される。 In FIG. 2, the controller 40 first controls the flow rate control valve 18 to open (step S101). The controller 40 also controls the main throttle valve 6 to open (step S102). This causes air to be supplied to the ammonia engine 2. The controller 40 also controls the reforming injector 15 to open (step S103). This causes ammonia gas to be supplied to the reformer 12.

また、コントローラ40は、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を開くように制御する(手順S104)。これにより、燃焼器30に空気及びアンモニアガスが供給される。 The controller 40 also controls the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 to open (step S104). This allows air and ammonia gas to be supplied to the combustor 30.

このとき、コントローラ40は、燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を制御する。空燃比がリッチの状態とは、図3に示されるように、理論空燃比(ストイキ:λ=1.0)よりもアンモニアガスの比率が多い状態である。なお、空燃比がリーンの状態とは、理論空燃比よりもアンモニアガスの比率が少ない状態である。 At this time, the controller 40 controls the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 so that the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio. A rich air-fuel ratio is a state in which the ratio of ammonia gas is higher than the theoretical air-fuel ratio (stoichiometric: λ = 1.0), as shown in Figure 3. A lean air-fuel ratio is a state in which the ratio of ammonia gas is lower than the theoretical air-fuel ratio.

図3に示されるグラフにおいて、横軸は空燃比(λ)を示し、縦軸はガス量を示している。実線PはH生成量を示し、破線QはNO生成量を示し、1点鎖線Rは未燃のNH残存量を示している。理論空燃比よりもリッチ側では、H生成量がNO生成量よりも多くなると共に、未燃のNH残存量が急激に増えている。なお、図3は、常温及び常圧下においてアンモニアガスを燃焼させる場合の計算値を示している。 In the graph shown in Figure 3, the horizontal axis indicates the air-fuel ratio (λ) and the vertical axis indicates the amount of gas. The solid line P indicates the amount of H2 produced, the dashed line Q indicates the amount of NO produced, and the dashed line R indicates the amount of unburned NH3 remaining. On the rich side of the theoretical air-fuel ratio, the amount of H2 produced becomes greater than the amount of NO produced, and the amount of unburned NH3 remaining increases rapidly. Note that Figure 3 shows calculated values when ammonia gas is burned at normal temperature and pressure.

そして、コントローラ40は、燃焼器30の点火プラグ35をON制御する(手順S105)。これにより、燃焼器30においてアンモニアガスが着火して燃焼することで、燃焼ガスが発生し、燃焼ガスにより改質器12の改質触媒22が加熱される。 Then, the controller 40 controls the ignition plug 35 of the combustor 30 to be ON (step S105). As a result, the ammonia gas is ignited and burned in the combustor 30, generating combustion gas, which heats the reforming catalyst 22 of the reformer 12.

その後、コントローラ40は、手順S104で燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を開くように制御してから規定時間が経過したかどうかを判断する(手順S106)。規定時間は、例えば改質器12の改質触媒22が燃焼可能温度に達する時間であり、実験等により予め設定されている。燃焼可能温度は、改質触媒22によりアンモニアガスの燃焼が可能となる温度である。 Then, the controller 40 determines whether a specified time has elapsed since the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 were controlled to open in step S104 (step S106). The specified time is, for example, the time it takes for the reforming catalyst 22 of the reformer 12 to reach a combustible temperature, and is set in advance through experiments, etc. The combustible temperature is the temperature at which the reforming catalyst 22 can combust ammonia gas.

コントローラ40は、規定時間が経過したと判断したときは、燃焼器30の点火プラグ35をOFF制御する(手順S107)。これにより、燃焼器30において燃焼ガスの発生が停止する。 When the controller 40 determines that the specified time has elapsed, it controls the ignition plug 35 of the combustor 30 to be turned OFF (step S107). This stops the generation of combustion gas in the combustor 30.

そして、コントローラ40は、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を閉じるように制御する(手順S108)。これにより、燃焼器30への空気及びアンモニアガスの供給が停止する。 Then, the controller 40 controls the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 to close (step S108). This stops the supply of air and ammonia gas to the combustor 30.

また、コントローラ40は、改質スロットルバルブ14を開くように制御する(手順S109)。これにより、改質器12に空気が供給される。そして、コントローラ40は、メインインジェクタ5を開くように制御する(手順S110)。これにより、アンモニアエンジン2にアンモニアガスが供給される。 The controller 40 also controls the reforming throttle valve 14 to open (step S109). This causes air to be supplied to the reformer 12. The controller 40 then controls the main injector 5 to open (step S110). This causes ammonia gas to be supplied to the ammonia engine 2.

以上のようなエンジンシステム1において、車両のイグニッションスイッチ(図示せず)がON操作されると、流量調整弁18が規定の開度で開弁する(図4(a)参照)。 In the engine system 1 described above, when the vehicle ignition switch (not shown) is turned ON, the flow control valve 18 opens to a specified degree (see FIG. 4(a)).

そして、メインスロットルバルブ6が規定の開度で開弁する(図4(b)参照)ことで、アンモニアエンジン2に空気が供給される。また、改質インジェクタ15から規定値のアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ15が開弁する(図4(h)参照)ことで、改質器12にアンモニアガスが供給される。 Then, the main throttle valve 6 opens to a specified degree (see FIG. 4(b)), and air is supplied to the ammonia engine 2. The reforming injector 15 also opens to inject a specified amount of ammonia gas (see FIG. 4(h)), and ammonia gas is supplied to the reformer 12.

また、燃焼スロットルバルブ32が規定の開度で開弁する(図4(d)参照)と共に、燃焼インジェクタ33から規定値のアンモニアガスが噴射されるように燃焼インジェクタ33が開弁する(図4(e)参照)ことで、燃焼器30に空気及びアンモニアガスが供給される。このとき、燃焼器30において空燃比がリッチの状態となるように燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33が開弁する。 In addition, the combustion throttle valve 32 opens to a specified degree (see FIG. 4(d)), and the combustion injector 33 opens so that a specified amount of ammonia gas is injected from the combustion injector 33 (see FIG. 4(e)), thereby supplying air and ammonia gas to the combustor 30. At this time, the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 open so that the air-fuel ratio in the combustor 30 becomes rich.

また、燃焼器30の点火プラグ35がONする(図4(f)参照)ことで、アンモニアガスが着火して燃焼する。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、高温の燃焼ガスが生成される(発熱反応)。
NH+3/4O→1/2N+3/2HO …(A)
In addition, when the ignition plug 35 of the combustor 30 is turned on (see FIG. 4(f)), the ammonia gas is ignited and combusted. Specifically, as shown in the following formula, ammonia reacts with oxygen in the air to generate high-temperature combustion gas (exothermic reaction).
NH3 +3/ 4O2 →1/ 2N2 +3/ 2H2O ...(A)

燃焼ガスは、燃焼器30から連結部36を通って改質器12に供給される。そして、燃焼ガスの熱によって改質器12の改質触媒22が加熱されることで、改質触媒22の温度が上昇する。そして、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33が開弁してから規定時間Tが経過すると、改質触媒22の温度が燃焼可能温度に達する。 The combustion gas is supplied from the combustor 30 through the connection 36 to the reformer 12. The heat of the combustion gas heats the reforming catalyst 22 in the reformer 12, causing the temperature of the reforming catalyst 22 to rise. Then, when a specified time T has elapsed since the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 were opened, the temperature of the reforming catalyst 22 reaches a combustible temperature.

改質触媒22の温度が燃焼可能温度に達すると、点火プラグ35がОFFする(図4(f)参照)。また、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33が閉弁する(図4(d),(e)参照)ことで、燃焼器30への空気及びアンモニアガスの供給が停止する。これにより、燃焼器30におけるアンモニアガスの燃焼が終了する。 When the temperature of the reforming catalyst 22 reaches a combustion temperature, the spark plug 35 is turned OFF (see FIG. 4(f)). In addition, the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 are closed (see FIG. 4(d) and (e)), and the supply of air and ammonia gas to the combustor 30 is stopped. This ends the combustion of ammonia gas in the combustor 30.

そして、改質スロットルバルブ14が規定の開度で開弁する(図4(g)参照)ことで、改質器12に空気が供給される。すると、改質触媒22によりアンモニアガスが燃焼することで、上記(A)式の発熱反応が起こり、改質触媒22の自己熱によって改質触媒22の温度が更に上昇する。そして、改質触媒22の温度が活性温度(改質可能温度)に達すると、改質触媒22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)、水素を含む改質ガスが生成される。
NH→3/2H+1/2N …(B)
Then, the reforming throttle valve 14 opens to a specified degree (see FIG. 4(g)), and air is supplied to the reformer 12. Then, the reforming catalyst 22 burns the ammonia gas, causing the exothermic reaction of formula (A) above, and the temperature of the reforming catalyst 22 further rises due to its own heat. Then, when the temperature of the reforming catalyst 22 reaches its activation temperature (reformable temperature), the ammonia gas is reformed by the reforming catalyst 22. Specifically, as shown in the following formula, a decomposition reaction of ammonia occurs (endothermic reaction), and a reformed gas containing hydrogen is produced.
NH 3 → 3/2H 2 + 1/2N 2 …(B)

改質ガスは、改質ガス流路16及び吸気通路3を流れてアンモニアエンジン2に供給される。また、メインインジェクタ5から規定値のアンモニアガスが噴射されるようにメインインジェクタ5が開弁する(図4(c)参照)ことで、アンモニアエンジン2にアンモニアガスが供給される。そして、アンモニアエンジン2において、アンモニアガスが改質ガス中の水素と共に燃焼する。これにより、アンモニアエンジン2の始動動作が完了し、定常状態に移行する。 The reformed gas flows through the reformed gas flow passage 16 and the intake passage 3 and is supplied to the ammonia engine 2. The main injector 5 opens so that a specified amount of ammonia gas is injected from the main injector 5 (see FIG. 4(c)), and ammonia gas is supplied to the ammonia engine 2. Then, in the ammonia engine 2, the ammonia gas is combusted together with the hydrogen in the reformed gas. This completes the start-up operation of the ammonia engine 2 and transitions to a steady state.

ここで、燃焼器30において空燃比がリーンの状態(図3参照)でアンモニアガスが燃焼する場合には、図5(a)に示されるように、燃焼ガスが発生するが、アンモニアの熱分解が起きにくいため、水素が生成されにくい。このため、改質器12の改質触媒22の温度が活性温度に達するまでは、水素が生成されない。 When ammonia gas is burned in the combustor 30 with a lean air-fuel ratio (see FIG. 3), combustion gas is generated as shown in FIG. 5(a), but hydrogen is not easily produced because thermal decomposition of ammonia is unlikely to occur. Therefore, hydrogen is not produced until the temperature of the reforming catalyst 22 in the reformer 12 reaches the activation temperature.

従って、改質触媒22の温度が活性温度に達した後の時間t1において、改質器12により水素が生成され始める。改質器12により生成された水素は、改質ガス流路16及び吸気通路3を流れてアンモニアエンジン2に供給される。そして、その後の時間t2において、アンモニアエンジン2の始動に必要な水素量に到達する。 Therefore, at time t1 after the temperature of the reforming catalyst 22 reaches the activation temperature, hydrogen begins to be generated by the reformer 12. The hydrogen generated by the reformer 12 flows through the reformed gas flow passage 16 and the intake passage 3 and is supplied to the ammonia engine 2. Then, at a later time t2, the amount of hydrogen required to start the ammonia engine 2 is reached.

一方、燃焼器30において空燃比がリッチの状態(図3参照)でアンモニアガスが燃焼する場合には、図5(b)に示されるように、時間t0において、燃焼ガスが発生すると共に、アンモニアガスの熱分解により水素が生成される。燃焼器30により生成された水素は、改質器12、改質ガス流路16及び吸気通路3を流れてアンモニアエンジン2に供給される。 On the other hand, when ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio (see FIG. 3), as shown in FIG. 5(b), at time t0, combustion gas is generated and hydrogen is produced by thermal decomposition of the ammonia gas. The hydrogen produced by the combustor 30 flows through the reformer 12, the reformed gas passage 16, and the intake passage 3 and is supplied to the ammonia engine 2.

その後、燃焼器30においてアンモニアガスの燃焼は完了するが、改質触媒22の温度が活性温度に達した後の時間t1において、改質器12により水素が生成され始める。改質器12により生成された水素は、改質ガス流路16及び吸気通路3を流れてアンモニアエンジン2に供給される。そして、上記の時間t2よりも早い時間t*において、アンモニアエンジン2の始動に必要な水素量に到達する。 After that, the combustion of the ammonia gas is completed in the combustor 30, but at time t1 after the temperature of the reforming catalyst 22 reaches the activation temperature, hydrogen begins to be generated by the reformer 12. The hydrogen generated by the reformer 12 flows through the reformed gas flow passage 16 and the intake passage 3 and is supplied to the ammonia engine 2. Then, at time t*, which is earlier than the above-mentioned time t2, the amount of hydrogen required to start the ammonia engine 2 is reached.

このように燃焼器30により水素が生成された後、改質器12により水素が生成されるため、アンモニアエンジン2の始動に必要な水素量が早く得られる。これにより、アンモニアエンジン2の始動時間が短縮される(図5中の時間t2→t*参照)。 In this way, hydrogen is generated by the combustor 30, and then hydrogen is generated by the reformer 12, so the amount of hydrogen required to start the ammonia engine 2 is obtained quickly. This shortens the start-up time of the ammonia engine 2 (see time t2 → t* in Figure 5).

図6は、燃焼器30において空燃比がリーン及びリッチの状態でアンモニアガスが燃焼する場合に、燃焼ガスの温度及びアンモニアエンジン2の回転数の時間変化を比較して示すグラフである。 Figure 6 is a graph comparing the changes over time in the temperature of the combustion gas and the rotation speed of the ammonia engine 2 when ammonia gas is burned in the combustor 30 with a lean and rich air-fuel ratio.

図6(a)は、燃焼器30において空燃比がリーン(λ=1.13)の状態でアンモニアガスを燃焼させた場合の実験データである。図6(a)において、破線Maは燃焼ガスの温度を示し、実線Naはアンモニアエンジン2の回転数を示している。時間taは、アンモニアエンジン2において最初の燃焼(初爆)が起きた時間である。 Figure 6(a) shows experimental data when ammonia gas is burned in the combustor 30 with a lean air-fuel ratio (λ = 1.13). In Figure 6(a), the dashed line Ma indicates the temperature of the combustion gas, and the solid line Na indicates the rotation speed of the ammonia engine 2. The time ta is the time when the first combustion (initial explosion) occurs in the ammonia engine 2.

図6(b)は、燃焼器30において空燃比がリッチ(λ=0.84)の状態でアンモニアガスを燃焼させた場合の実験データである。図6(b)において、破線Mbは燃焼ガスの温度を示し、実線Nbはアンモニアエンジン2の回転数を示している。時間tbは、アンモニアエンジン2において最初の燃焼(初爆)が起きた時間である。 Figure 6(b) shows experimental data when ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio (λ = 0.84). In Figure 6(b), the dashed line Mb indicates the temperature of the combustion gas, and the solid line Nb indicates the rotation speed of the ammonia engine 2. Time tb is the time when the first combustion (initial explosion) occurs in the ammonia engine 2.

図6から分かるように、燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスを燃焼させた場合には、燃焼器30において空燃比がリーンの状態でアンモニアガスを燃焼させた場合に比べて、アンモニアエンジン2の初爆タイミングが(ta-tb)秒だけ早くなっている。 As can be seen from FIG. 6, when ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, the initial explosion timing of the ammonia engine 2 is (ta-tb) seconds earlier than when ammonia gas is burned in the combustor 30 with a lean air-fuel ratio.

以上のように本実施形態によれば、まず空気が空気流路13から分岐流路31を流れて燃焼器30に供給されると共に、燃焼インジェクタ33により燃焼器30にアンモニアガスが供給されることで、燃焼器30においてアンモニアガスが燃焼する。このとき、燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33を制御することにより、アンモニアガスの熱分解が生じ、水素が生成される。燃焼器30により生成された水素は、改質器12及び改質ガス流路16を流れてアンモニアエンジン2に供給される。その後、燃焼器30で発生した燃焼ガスによって改質器12の改質触媒22が加熱されることで、改質触媒22の温度が上昇すると共に、改質インジェクタ15及び改質スロットルバルブ14により改質器12にアンモニアガス及び空気が供給される。そして、改質触媒22の温度が改質可能温度(活性温度)に到達すると、改質器12において水素を含む改質ガスが生成され、改質ガスが改質ガス流路16を流れてアンモニアエンジン2に供給される。また、メインインジェクタ5及びメインスロットルバルブ6によりアンモニアエンジン2にアンモニアガス及び空気が供給されることで、アンモニアエンジン2においてアンモニアガスが水素と混合して燃焼する。このように改質器12により水素を生成する前に、燃焼器30により水素を生成することにより、アンモニアエンジン2の始動に必要な水素量が早く得られることになる。これにより、アンモニアエンジン2の始動時間が短縮される。 As described above, according to this embodiment, air first flows from the air flow path 13 through the branch flow path 31 and is supplied to the combustor 30, and ammonia gas is supplied to the combustor 30 by the combustion injector 33, so that the ammonia gas is burned in the combustor 30. At this time, by controlling the combustion injector 33 so that the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, thermal decomposition of the ammonia gas occurs and hydrogen is generated. The hydrogen generated by the combustor 30 flows through the reformer 12 and the reformed gas flow path 16 and is supplied to the ammonia engine 2. Then, the reforming catalyst 22 of the reformer 12 is heated by the combustion gas generated in the combustor 30, so that the temperature of the reforming catalyst 22 increases, and ammonia gas and air are supplied to the reformer 12 by the reforming injector 15 and the reforming throttle valve 14. When the temperature of the reforming catalyst 22 reaches a reformable temperature (activation temperature), a reformed gas containing hydrogen is generated in the reformer 12, and the reformed gas flows through the reformed gas flow passage 16 and is supplied to the ammonia engine 2. In addition, ammonia gas and air are supplied to the ammonia engine 2 by the main injector 5 and the main throttle valve 6, and the ammonia gas is mixed with hydrogen and combusted in the ammonia engine 2. By generating hydrogen in the combustor 30 before generating hydrogen in this way by the reformer 12, the amount of hydrogen required to start the ammonia engine 2 can be obtained quickly. This shortens the start-up time of the ammonia engine 2.

また、本実施形態では、燃焼器30にアンモニアガスが供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33を制御している間は、改質器12に供給される空気の流量が規定値以下となるように改質スロットルバルブ14が制御され、その後改質器12に供給される空気の流量が規定値よりも多くなるように改質スロットルバルブ14が制御される。この場合には、燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼している間は、改質器12に供給される空気の流量が抑えられるため、燃焼ガスにより改質器12の改質触媒22の温度が上昇しても、燃焼器30により生成された水素が改質器12において燃焼されにくい。従って、燃焼器30により生成された水素が消費されにくくなるため、アンモニアエンジン2の始動時間が更に短縮される。 In addition, in this embodiment, while ammonia gas is supplied to the combustor 30 and the combustion injector 33 is controlled so that the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, the reforming throttle valve 14 is controlled so that the flow rate of air supplied to the reformer 12 is equal to or less than a specified value, and then the reforming throttle valve 14 is controlled so that the flow rate of air supplied to the reformer 12 is greater than the specified value. In this case, while ammonia gas is burning in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, the flow rate of air supplied to the reformer 12 is suppressed, so that even if the temperature of the reforming catalyst 22 of the reformer 12 rises due to the combustion gas, the hydrogen generated by the combustor 30 is less likely to be burned in the reformer 12. Therefore, the hydrogen generated by the combustor 30 is less likely to be consumed, and the start-up time of the ammonia engine 2 is further shortened.

また、本実施形態では、燃焼器30にアンモニアガスが供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33が制御された後、燃焼器30へのアンモニアガスの供給が停止するように燃焼インジェクタ33が制御される。この場合には、燃焼器30で発生した燃焼ガスによって改質器12の改質触媒22が所望温度まで昇温した後は、燃焼インジェクタ33が閉弁されるため、燃焼インジェクタ33から燃焼器30にアンモニアガスを無駄に供給することが防止される。 In addition, in this embodiment, ammonia gas is supplied to the combustor 30 and the combustion injector 33 is controlled so that the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, and then the combustion injector 33 is controlled so that the supply of ammonia gas to the combustor 30 is stopped. In this case, after the reforming catalyst 22 of the reformer 12 is heated to the desired temperature by the combustion gas generated in the combustor 30, the combustion injector 33 is closed, thereby preventing the unnecessary supply of ammonia gas from the combustion injector 33 to the combustor 30.

また、本実施形態では、燃焼器30にアンモニアガス及び空気が供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33及び燃焼スロットルバルブ32が制御された後、燃焼器30へのアンモニアガス及び空気の供給が停止するように燃焼インジェクタ33及び燃焼スロットルバルブ32が制御される。この場合には、燃焼スロットルバルブ32によって燃焼器30に供給される空気の流量を細かく制御することができる。従って、燃焼器30において空燃比をリッチの状態とする制御動作を容易に行うことができる。 In addition, in this embodiment, ammonia gas and air are supplied to the combustor 30, and the combustion injector 33 and the combustion throttle valve 32 are controlled so that the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio. Then, the combustion injector 33 and the combustion throttle valve 32 are controlled so that the supply of ammonia gas and air to the combustor 30 is stopped. In this case, the flow rate of air supplied to the combustor 30 by the combustion throttle valve 32 can be precisely controlled. Therefore, the control operation to make the air-fuel ratio rich in the combustor 30 can be easily performed.

また、本実施形態では、燃焼器30にアンモニアガスが供給されると共に燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼インジェクタ33の制御を開始してから規定時間が経過したかどうかが判断され、規定時間が経過したときに、燃焼器30への燃料の供給が停止するように燃焼インジェクタ33が制御される。この場合には、特にセンサ等を使用しなくても、燃焼器30で発生した燃焼ガスによって改質器12の改質触媒22が所望温度まで昇温したときに、燃焼インジェクタ33を閉弁することができる。 In addition, in this embodiment, ammonia gas is supplied to the combustor 30, and a determination is made as to whether a specified time has elapsed since control of the combustion injector 33 was started so that the ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio. When the specified time has elapsed, the combustion injector 33 is controlled so that the supply of fuel to the combustor 30 is stopped. In this case, even without using a sensor or the like, the combustion injector 33 can be closed when the reforming catalyst 22 of the reformer 12 is heated to a desired temperature by the combustion gas generated in the combustor 30.

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、燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼する間は、改質器12に供給される空気の流量がゼロとなり、その後改質器12に空気が供給されているが、特にそのような形態には限られない。燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼する間は、改質器12に少量の空気を供給し、その後改質器12に供給される空気の流量を増加させてもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, while ammonia gas is combusted in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, the flow rate of air supplied to the reformer 12 is zero, and then air is supplied to the reformer 12, but the present invention is not limited to such a form. While ammonia gas is combusted in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, a small amount of air may be supplied to the reformer 12, and then the flow rate of air supplied to the reformer 12 may be increased.

また、上記実施形態では、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を開くように制御してから規定時間が経過した後、改質器12により水素を含む改質ガスが生成されるときに、メインインジェクタ5が開弁されることで、アンモニアエンジン2にアンモニアガスが供給されているが、特にそのような形態には限られない。例えば、燃焼器30により水素が生成されるときに、メインインジェクタ5を開弁してもよい。 In the above embodiment, ammonia gas is supplied to the ammonia engine 2 by opening the main injector 5 when reformed gas containing hydrogen is generated by the reformer 12 after a specified time has elapsed since the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 were controlled to open, but this is not limited to a particular form. For example, the main injector 5 may be opened when hydrogen is generated by the combustor 30.

また、上記実施形態では、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を開くように制御してから規定時間が経過したときに、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33が閉弁されているが、特にそのような形態には限られない。燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33が開くように制御された後、温度センサ等によって改質器12の温度が規定温度(例えば燃焼可能温度)に達したことが検出されたときに、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を閉弁してもよい。 In addition, in the above embodiment, the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 are closed when a specified time has elapsed since the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 were controlled to open, but this is not particularly limited to such an embodiment. After the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 are controlled to open, the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 may be closed when a temperature sensor or the like detects that the temperature of the reformer 12 has reached a specified temperature (e.g., a combustible temperature).

また、上記実施形態では、燃焼器30において空燃比がリッチの状態でアンモニアガスが燃焼するように燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33が開弁された後、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33が閉弁されているが、特にそのような形態には限られない。例えば、改質器12により改質ガスが生成された後も、燃焼スロットルバルブ32及び燃焼インジェクタ33を開弁したままとしてもよい。 In addition, in the above embodiment, the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 are opened so that ammonia gas is burned in the combustor 30 with a rich air-fuel ratio, and then the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 are closed, but this is not limited to a particular form. For example, the combustion throttle valve 32 and the combustion injector 33 may remain open even after the reformed gas is generated by the reformer 12.

また、上記実施形態では、空気流路13と燃焼器30とを接続する分岐流路31に燃焼スロットルバルブ32が配設されているが、そのような燃焼スロットルバルブ32は特に無くてもよい。 In addition, in the above embodiment, a combustion throttle valve 32 is provided in the branch passage 31 that connects the air passage 13 and the combustor 30, but such a combustion throttle valve 32 does not necessarily have to be provided.

また、上記実施形態では、改質器12は、アンモニアガスを燃焼させる機能とアンモニアガスを水素に分解する機能とを併せ持った改質触媒22を有しているが、特にそのような形態には限られない。改質器12は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒と、アンモニアガス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。 In the above embodiment, the reformer 12 has a reforming catalyst 22 that has both the function of burning ammonia gas and the function of decomposing ammonia gas into hydrogen, but is not limited to such a form. The reformer 12 may have a combustion catalyst that burns ammonia gas and a reforming catalyst that decomposes ammonia gas into hydrogen separately.

また、上記実施形態では、燃焼器30は、アンモニアガスを旋回流の状態で着火させる管状火炎バーナであるが、アンモニアガスを着火して燃焼させるのであれば、燃焼器30としては、特に管状火炎バーナには限られない。 In addition, in the above embodiment, the combustor 30 is a tubular flame burner that ignites ammonia gas in a swirling flow state, but as long as the ammonia gas is ignited and burned, the combustor 30 is not limited to a tubular flame burner.

また、上記実施形態では、燃料としてアンモニアガスが使用されているが、本発明は、燃料として炭化水素等を使用するエンジンシステムにも適用可能である。 In addition, in the above embodiment, ammonia gas is used as the fuel, but the present invention can also be applied to engine systems that use hydrocarbons or the like as fuel.

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、5…メインインジェクタ(第1燃料供給弁)、6…メインスロットルバルブ(第1流量制御弁)、12…改質器、13…空気流路、14…改質スロットルバルブ(第2流量制御弁)、15…改質インジェクタ(第2燃料供給弁)、16…改質ガス流路、22…改質触媒(触媒)、30…燃焼器、31…分岐流路、32…燃焼スロットルバルブ(第3流量制御弁)、33…燃焼インジェクタ(第3燃料供給弁)、40…コントローラ(始動制御部)。 1...engine system, 2...ammonia engine (engine), 3...intake passage, 5...main injector (first fuel supply valve), 6...main throttle valve (first flow control valve), 12...reformer, 13...air flow path, 14...reforming throttle valve (second flow control valve), 15...reforming injector (second fuel supply valve), 16...reformed gas flow path, 22...reforming catalyst (catalyst), 30...combustor, 31...branch flow path, 32...combustion throttle valve (third flow control valve), 33...combustion injector (third fuel supply valve), 40...controller (start control unit).

Claims (5)

アンモニアが水素と共に燃焼するエンジンと、
前記エンジンに供給される空気が流れる吸気通路と、
前記吸気通路に配設され、前記エンジンに供給される空気の流量を制御する第1流量制御弁と、
前記エンジンに前記アンモニアを供給する第1燃料供給弁と、
前記アンモニアを前記水素に分解する触媒を有し、前記アンモニアを改質して前記水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給される空気が流れる空気流路と、
前記空気流路に配設され、前記改質器に供給される空気の流量を制御する第2流量制御弁と、
前記改質器に前記アンモニアを供給する第2燃料供給弁と、
前記改質器により生成された前記改質ガスが前記エンジンに向けて流れる改質ガス流路と、
前記改質器と接続され、前記触媒を加熱するための燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
前記空気流路と前記燃焼器とを接続し、前記燃焼器に供給される空気が流れる分岐流路と、
前記燃焼器に前記アンモニアを供給する第3燃料供給弁と、
前記エンジンの始動時に、前記第1流量制御弁、前記第1燃料供給弁、前記第2流量制御弁、前記第2燃料供給弁及び前記第3燃料供給弁を制御する始動制御部とを備え、
前記始動制御部は、前記燃焼器に前記アンモニアが供給されると共に前記燃焼器において空燃比がリッチの状態で前記アンモニアが燃焼するように前記第3燃料供給弁を制御するエンジンシステム。
An engine in which ammonia is burned together with hydrogen;
an intake passage through which air supplied to the engine flows;
a first flow control valve disposed in the intake passage and configured to control a flow rate of air supplied to the engine;
a first fuel supply valve that supplies the ammonia to the engine;
a reformer having a catalyst for decomposing the ammonia into the hydrogen and for reforming the ammonia to generate a reformed gas containing the hydrogen;
an air flow path through which air supplied to the reformer flows;
a second flow control valve disposed in the air flow passage and configured to control a flow rate of air supplied to the reformer;
a second fuel supply valve that supplies the ammonia to the reformer;
a reformed gas flow path through which the reformed gas generated by the reformer flows toward the engine;
a combustor connected to the reformer and configured to generate a combustion gas for heating the catalyst;
a branch flow passage connecting the air flow passage and the combustor, through which air supplied to the combustor flows;
a third fuel supply valve for supplying the ammonia to the combustor;
a start control unit that controls the first flow control valve, the first fuel supply valve, the second flow control valve, the second fuel supply valve, and the third fuel supply valve at a start of the engine,
The engine system, wherein the starting control unit controls the third fuel supply valve so that the ammonia is supplied to the combustor and the ammonia is burned in the combustor in a rich air-fuel ratio state.
前記始動制御部は、前記燃焼器に前記アンモニアが供給されると共に前記燃焼器において前記空燃比がリッチの状態で前記アンモニアが燃焼するように前記第3燃料供給弁を制御している間は、前記改質器に供給される空気の流量が規定値以下となるように前記第2流量制御弁を制御する請求項1記載のエンジンシステム。 2. The engine system according to claim 1, wherein the starting control unit controls the second flow control valve so that a flow rate of air supplied to the reformer is equal to or less than a specified value while the ammonia is supplied to the combustor and the third fuel supply valve is controlled so that the ammonia is burned in the combustor in a state where the air-fuel ratio is rich. 前記始動制御部は、前記燃焼器に前記アンモニアが供給されると共に前記燃焼器において前記空燃比がリッチの状態で前記アンモニアが燃焼するように前記第3燃料供給弁を制御した後、前記燃焼器への前記アンモニアの供給が停止するように前記第3燃料供給弁を制御する請求項1または2記載のエンジンシステム。 3. The engine system according to claim 1, wherein the starting control unit controls the third fuel supply valve so that the ammonia is supplied to the combustor and the ammonia is burned in the combustor in a state where the air-fuel ratio is rich, and then controls the third fuel supply valve so that supply of the ammonia to the combustor is stopped. 前記分岐流路に配設され、前記改質器に供給される空気の流量を制御する第3流量制御弁を更に備え、
前記分岐流路は、前記空気流路における前記第2流量制御弁よりも上流側と前記燃焼器とを接続し、
前記始動制御部は、前記燃焼器に前記アンモニア及び前記空気が供給されると共に前記燃焼器において前記空燃比がリッチの状態で前記アンモニアが燃焼するように前記第3燃料供給弁及び前記第3流量制御弁を制御した後、前記燃焼器への前記アンモニア及び前記空気の供給が停止するように前記第3燃料供給弁及び前記第3流量制御弁を制御する請求項3記載のエンジンシステム。
a third flow control valve arranged in the branch passage and configured to control a flow rate of air supplied to the reformer;
the branch passage connects a portion of the air passage upstream of the second flow control valve to the combustor,
4. The engine system according to claim 3, wherein the starting control unit controls the third fuel supply valve and the third flow control valve so that the ammonia and the air are supplied to the combustor and the ammonia is burned in the combustor in a state where the air-fuel ratio is rich, and then controls the third fuel supply valve and the third flow control valve so that supply of the ammonia and the air to the combustor is stopped.
前記始動制御部は、前記燃焼器に前記アンモニアが供給されると共に前記燃焼器において前記空燃比がリッチの状態で前記アンモニアが燃焼するように前記第3燃料供給弁の制御を開始してから規定時間が経過したかどうかを判断し、前記規定時間が経過したときに、前記燃焼器への前記アンモニアの供給が停止するように前記第3燃料供給弁を制御する請求項3または4記載のエンジンシステム。 5. The engine system according to claim 3 or 4, wherein the starting control unit determines whether or not a specified time has elapsed since starting control of the third fuel supply valve so that the ammonia is supplied to the combustor and the ammonia is burned in the combustor in a state where the air-fuel ratio is rich, and controls the third fuel supply valve so that supply of the ammonia to the combustor is stopped when the specified time has elapsed.
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