JP7663474B2 - Engine System - Google Patents
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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
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.
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
アンモニアエンジン2は、アンモニアガス(NH3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(H2)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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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H2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NH3残存量を示している。理論空燃比よりもリッチ側では、H2生成量がNO生成量よりも多くなると共に、未燃のNH3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
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
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
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
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
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
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
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
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)。
NH3+3/4O2→1/2N2+3/2H2O …(A)
In addition, when the ignition plug 35 of the
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
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
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。
NH3→3/2H2+1/2N2 …(B)
Then, the reforming throttle valve 14 opens to a specified degree (see FIG. 4(g)), and air is supplied to the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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.
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