特開 2024-164933 エンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024164933

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】エンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/02 20060101AFI20241121BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20241121BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20241121BHJP

   F02M 27/02 20060101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

F02D19/02 C

F02M21/02 K

F02D45/00 362

F02D45/00 364

F02M27/02 Z

F02D45/00 360A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080672

(22)【出願日】2023-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124062

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 敬史

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】松本 祥平

(72)【発明者】

【氏名】田中 悠翔

【テーマコード（参考）】

3G092

3G384

【Ｆターム（参考）】

3G092AA01

3G092AB19

3G092BA02

3G092BA03

3G092BB06

3G092DE14

3G092DE17

3G092DF03

3G092EA02

3G092FA20

3G092HA05

3G092HA11

3G092HB02

3G092HE01

3G092HE08

3G384AA01

3G384AA14

3G384BA03

3G384BA18

3G384EB02

3G384FA08

3G384FA16

3G384FA26

3G384FA28

3G384FA56

(57)【要約】

【課題】改質器の触媒の劣化を抑制することができるエンジンシステムを提供する。
【解決手段】エンジンシステム１は、アンモニアガスを改質する改質器２５と、改質器２５に供給される空気の流量を制御する改質スロットルバルブ２７と、改質器２５に向けてアンモニアガスを間欠的に噴射する改質インジェクタ３０と、改質ガスがアンモニアエンジン２のシリンダ１０内に向けて流れる下流側改質流路３３と、改質スロットルバルブ２７及び改質インジェクタ３０を制御するコントローラ４２とを備え、コントローラ４２は、シリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じてアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダと前記シリンダ内に配置されたピストンとを複数ずつ有し、燃料が水素と共に燃焼するエンジンと、
前記シリンダ内に供給される空気が流れる吸気流路と、
前記吸気流路に配設され、前記シリンダ内に供給される空気の流量を制御する第１流量制御弁と、
前記シリンダ内に向けて燃料を間欠的に噴射する第１燃料噴射弁と、
前記燃料を前記水素に分解する触媒を有し、前記燃料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上流側改質流路と、
前記改質器により生成された改質ガスが前記シリンダ内に向けて流れる下流側改質流路と、
前記上流側改質流路または前記下流側改質流路に配設され、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、
前記改質器に向けて燃料を間欠的に噴射する第２燃料噴射弁と、
前記第１流量制御弁、前記第１燃料噴射弁、前記第２流量制御弁及び前記第２燃料噴射弁を制御する制御部とを備え、
前記エンジンは、前記複数のシリンダ毎に、前記シリンダ内に空気が吸入される行程を含む複数の行程を順番に実施し、
前記制御部は、前記シリンダ内に空気が吸入される行程が開始されてから次の前記シリンダ内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間において、吸気期間の開始から前記シリンダ内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により前記改質器に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて前記第２燃料噴射弁から燃料が噴射されるように前記第２燃料噴射弁を制御するエンジンシステム。

【請求項2】

前記シリンダ内への吸気圧を検出する吸気圧検出部を更に備え、
前記制御部は、前記吸気圧検出部により検出された吸気圧に基づいて、前記タイミングを求め、当該タイミングに応じて前記第２燃料噴射弁から燃料が噴射されるように前記第２燃料噴射弁を制御する請求項１記載のエンジンシステム。

【請求項3】

前記エンジンの状態を検出するエンジン状態検出部を更に備え、
前記制御部は、前記エンジン状態検出部により検出されたエンジンの状態に基づいて、前記タイミングを求め、当該タイミングに応じて前記第２燃料噴射弁から燃料が噴射されるように前記第２燃料噴射弁を制御する請求項１記載のエンジンシステム。

【請求項4】

前記エンジン状態検出部は、前記エンジンの状態として、前記エンジンの回転数及び負荷の少なくとも一方を検出し、
前記制御部は、前記エンジンの回転数及び負荷の少なくとも一方に基づいて、前記タイミングを求める請求項３記載のエンジンシステム。

【請求項5】

液体の燃料を気化させる気化器と、
前記気化器により気化された燃料が前記第１燃料噴射弁及び前記第２燃料噴射弁に向けて流れる燃料流路と、
前記燃料流路内の圧力を前記第２燃料噴射弁の上流圧として検出する第１圧力検出部と、
前記上流側改質流路内の圧力を前記第２燃料噴射弁の下流圧として検出する第２圧力検出部とを更に備え、
前記制御部は、前記第２燃料噴射弁の上流圧と前記第２燃料噴射弁の下流圧との圧力差が所定値以上であるときは、前記第２燃料噴射弁の上流圧と前記第２燃料噴射弁の下流圧との圧力差が前記所定値よりも低いときに比べて、前記第２燃料噴射弁からの燃料の噴射時間が短くなるように前記第２燃料噴射弁を制御する請求項１記載のエンジンシステム。

【請求項6】

液体の燃料を気化させる気化器と、
前記気化器により気化された燃料が前記第１燃料噴射弁及び前記第２燃料噴射弁に向けて流れる燃料流路と、
環境温度または前記エンジンを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出部とを更に備え、
前記制御部は、前記環境温度または前記冷却水の温度が所定値以上であるときは、前記環境温度または前記冷却水の温度が前記所定値よりも低いときに比べて、前記第２燃料噴射弁からの燃料の噴射時間が短くなるように前記第２燃料噴射弁を制御する請求項１記載のエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

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に、改質器により燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガスを生成し、その改質ガスをエンジンで燃焼させる技術が知られている。特許文献１に記載のエンジンシステムは、改質器と、この改質器の上流側に配置され、主流路及び副流路を有するエゼクタと、エンジンの吸気通路とエゼクタの副流路とを接続する空気導入路と、この空気導入路の途中に設けられ、改質用空気の流量を制御する改質用空気制御弁と、エゼクタの主流路に臨んで配置され、エゼクタ内に改質用燃料ガスを噴射するインジェクタとを備えている。エンジンの吸気圧変化に対して、エゼクタから改質器に供給される改質用空気と改質用燃料ガスとの混合比率の変動を抑制するように、改質用空気制御弁の開度が制御される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－１０５８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記従来技術のような改質器を備えたエンジンシステムでは、エンジン内のピストンの上下運動により、改質器を含む改質流路に吸気脈動が発生するため、改質器に供給される空気の流量が変動する。また、インジェクタは、エンジンの回転数に応じて間欠的に燃料を噴射している。これらにより、改質器に供給される燃料及び空気は時間的に一様な状態ではないため、改質器における空燃比（Ａ／Ｆ）が時間的に一様でない状態（ムラがある状態）となる。このような空燃比のムラによって改質器の触媒反応も時間的に一様ではなく、空燃比が必要以上に高い状態では、改質器の一時的な過昇温が生じることで、改質器の触媒が劣化することがある。

【0005】

本発明の目的は、改質器の触媒の劣化を抑制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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本発明の一態様に係るエンジンシステムは、シリンダとシリンダ内に配置されたピストンとを複数ずつ有し、燃料が水素と共に燃焼するエンジンと、シリンダ内に供給される空気が流れる吸気流路と、吸気流路に配設され、シリンダ内に供給される空気の流量を制御する第１流量制御弁と、シリンダ内に向けて燃料を間欠的に噴射する第１燃料噴射弁と、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上流側改質流路と、改質器により生成された改質ガスがシリンダ内に向けて流れる下流側改質流路と、上流側改質流路または下流側改質流路に配設され、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、改質器に向けて燃料を間欠的に噴射する第２燃料噴射弁と、第１流量制御弁、第１燃料噴射弁、第２流量制御弁及び第２燃料噴射弁を制御する制御部とを備え、エンジンは、複数のシリンダ毎に、シリンダ内に空気が吸入される行程を含む複数の行程を順番に実施し、制御部は、シリンダ内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間において、吸気期間の開始からシリンダ内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて第２燃料噴射弁から燃料が噴射されるように第２燃料噴射弁を制御する。

【0007】

このようなエンジンシステムにおいては、改質器に燃料及び空気が供給されることで、改質器において水素を含む改質ガスが生成され、改質ガスがエンジンのシリンダ内に供給される。また、エンジンのシリンダ内に燃料及び空気が供給されることで、シリンダ内において燃料が水素と混合して燃焼する。エンジンでは、複数のシリンダ毎に、シリンダ内に空気が吸入される行程を含む複数の行程が順番に実施される。このとき、シリンダ内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間において、吸気期間の開始からシリンダ内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて第２燃料噴射弁から燃料が噴射される。このため、改質器に吸気脈動が発生することで、改質器に供給される空気の流量が変動しても、改質器における時間的な空燃比のムラが低減される。これにより、改質器の過昇温が抑えられるため、改質器の触媒の劣化が抑制される。

【0008】

（２）上記の（１）において、エンジンシステムは、シリンダ内への吸気圧を検出する吸気圧検出部を更に備え、制御部は、吸気圧検出部により検出された吸気圧に基づいて、タイミングを求め、当該タイミングに応じて第２燃料噴射弁から燃料が噴射されるように第２燃料噴射弁を制御してもよい。

【0009】

ピストンが下降すると、シリンダ内に負圧が発生し、シリンダ内に空気が吸入される。このとき、シリンダ内の負圧が高いほど、空気がシリンダ内に吸入されやすく、空気がシリンダ内に迅速に吸入される。そこで、シリンダ内への吸気圧に基づいて、吸気期間の開始からシリンダ内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求め、そのタイミングに応じて第２燃料噴射弁から燃料を噴射することにより、シリンダ内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間において、シリンダ内への吸気圧に応じた適切なタイミングで第２燃料噴射弁から燃料が噴射される。このため、改質器における時間的な空燃比のムラが更に低減される。従って、改質器の過昇温が更に抑えられるため、改質器の触媒の劣化が一層抑制される。

【0010】

（３）上記の（１）において、エンジンシステムは、エンジンの状態を検出するエンジン状態検出部を更に備え、制御部は、エンジン状態検出部により検出されたエンジンの状態に基づいて、タイミングを求め、当該タイミングに応じて第２燃料噴射弁から燃料が噴射されるように第２燃料噴射弁を制御してもよい。

【0011】

上述したように、シリンダ内の負圧が高いほど、空気がシリンダ内に吸入されやすく、空気がシリンダ内に迅速に吸入されるが、エンジンの状態によってシリンダ内の負圧が変わってくる。そこで、エンジンの状態に基づいて、吸気期間の開始からシリンダ内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求め、そのタイミングに応じて第２燃料噴射弁から燃料を噴射することにより、エンジンの状態に応じた適切なタイミングで第２燃料噴射弁から燃料が噴射される。このため、改質器における時間的な空燃比のムラが更に低減される。従って、改質器の過昇温が更に抑えられるため、改質器の触媒の劣化が一層抑制される。

【0012】

（４）上記の（２）において、エンジン状態検出部は、エンジンの状態として、エンジンの回転数及び負荷の少なくとも一方を検出し、制御部は、エンジンの回転数及び負荷の少なくとも一方に基づいて、タイミングを求めてもよい。

【0013】

このような構成では、エンジンの状態として、エンジンの回転数及び負荷の少なくとも一方を検出することにより、エンジンの回転数及び負荷の少なくとも一方に応じた適切なタイミングで第２燃料噴射弁から燃料が噴射される。

【0014】

（５）上記の（１）～（４）の何れかにおいて、エンジンシステムは、液体の燃料を気化させる気化器と、気化器により気化された燃料が第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁に向けて流れる燃料流路と、燃料流路内の圧力を第２燃料噴射弁の上流圧として検出する第１圧力検出部と、上流側改質流路内の圧力を第２燃料噴射弁の下流圧として検出する第２圧力検出部とを更に備え、制御部は、第２燃料噴射弁の上流圧と第２燃料噴射弁の下流圧との圧力差が所定値以上であるときは、第２燃料噴射弁の上流圧と第２燃料噴射弁の下流圧との圧力差が所定値よりも低いときに比べて、第２燃料噴射弁からの燃料の噴射時間が短くなるように第２燃料噴射弁を制御してもよい。

【0015】

第２燃料噴射弁からの燃料の噴射量は、第２燃料噴射弁の上流圧及び下流圧によって変化する。第２燃料噴射弁の上流圧と第２燃料噴射弁の下流圧との圧力差が大きいほど、第２燃料噴射弁からの燃料の噴射量が多くなる。そこで、第２燃料噴射弁の上流圧と第２燃料噴射弁の下流圧との圧力差が所定値以上であるときは、第２燃料噴射弁の上流圧と第２燃料噴射弁の下流圧との圧力差が所定値よりも低いときに比べて、第２燃料噴射弁からの燃料の噴射時間を短くすることにより、第２燃料噴射弁の上流圧及び下流圧に関わらず、第２燃料噴射弁からの燃料の噴射量が一定に近づくようになる。従って、エンジンの始動直後等のようなエンジンの状態に応じて、第２燃料噴射弁から燃料が適切に噴射される。

【0016】

（６）上記の（１）～（４）の何れかにおいて、エンジンシステムは、液体の燃料を気化させる気化器と、気化器により気化された燃料が第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁に向けて流れる燃料流路と、環境温度またはエンジンを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出部とを更に備え、制御部は、環境温度または冷却水の温度が所定値以上であるときは、環境温度または冷却水の温度が所定値よりも低いときに比べて、第２燃料噴射弁からの燃料の噴射時間が短くなるように第２燃料噴射弁を制御してもよい。

【0017】

第２燃料噴射弁からの燃料の噴射量は、燃料流路内の圧力によって変化する。燃料流路内の圧力が高くなるほど、燃料噴射弁からの燃料の噴射量が多くなる。燃料流路内の圧力は、気化器の気化能力によって変化する。気化器の気化能力は、環境温度によって変化する。また、気化器がエンジンを冷却する冷却水を利用して液体の燃料を気化させる場合には、冷却水の温度によっても気化器の気化能力が変化する。環境温度または冷却水の温度が高くなるほど、気化器の気化能力が高くなるため、燃料流路内の圧力が高くなる。そこで、環境温度または冷却水の温度が所定値以上であるときは、環境温度または冷却水の温度が所定値よりも低いときに比べて、第２燃料噴射弁からの燃料の噴射時間を短くすることにより、環境温度または冷却水の温度に関わらず、第２燃料噴射弁からの燃料の噴射量が一定に近づくようになる。従って、エンジンの始動直後や高温環境下または低温環境下等のようなエンジンの状態に応じて、第２燃料噴射弁から燃料が適切に噴射される。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、改質器の触媒の劣化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１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2】アンモニアエンジンの断面図である。

【図3】アンモニアエンジンの１サイクルの行程を示す概念図である。

【図4】図１に示されたバルブ制御部により実行される改質インジェクタ制御処理の手順を示すフローチャートである。

【図5】図１に示されたアンモニアエンジンの動作を示すタイミング図である。

【図6】比較例におけるアンモニアエンジンの動作を示すタイミング図である。

【図7】本発明の第２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8】図７に示されたバルブ制御部により実行される改質インジェクタ制御処理の手順を示すフローチャートである。

【図9】本発明の第３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10】図９に示されたバルブ制御部により実行される改質インジェクタ制御処理の手順を示すフローチャートである。

【図11】本発明の第４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12】図１１に示された噴射時間決定部により実行される噴射時間決定処理の手順を示すフローチャートである。

【図13】本発明の第５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14】図１３に示された噴射時間決定部により実行される噴射時間決定処理の手順を示すフローチャートである。

【図15】本発明の第５実施形態に係るエンジンシステムの変形例を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

【0021】

図１は、本発明の第１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、吸気流路３と、排気流路４と、メインスロットルバルブ５と、メインインジェクタ６とを備えている。

【0022】

アンモニアエンジン２は、アンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を燃料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_２）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、例えば４ストローク式の４気筒エンジンである。

【0023】

アンモニアエンジン２は、図２及び図３に示されるように、４つのシリンダ１０（シリンダ１０Ａ～１０Ｄとする）と、各シリンダ１０内に往復移動可能に配置された４つのピストン１１と、各ピストン１１とクランクシャフト１２とをそれぞれ連結する４つのコンロッド１３とを有している。

【0024】

各シリンダ１０は、シリンダブロック１４に設けられている。シリンダブロック１４の上部には、シリンダヘッド１５が取り付けられている。シリンダ１０、シリンダヘッド１５及びピストン１１により画成される空間は、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１６となっている。つまり、アンモニアエンジン２は、４つの燃焼室１６を有している。

【0025】

シリンダヘッド１５には、各燃焼室１６とそれぞれ連通する吸気ポート１７及び排気ポート１８が４つずつ設けられている。吸気ポート１７は、吸気弁１９により開閉される。排気ポート１８は、排気弁２０により開閉される。また、シリンダヘッド１５には、点火プラグ２１が取り付けられている。点火プラグ２１は、アンモニアガスと空気との混合気に点火して、アンモニアガスを着火させる。

【0026】

シリンダ１０Ａ～１０Ｄは、一方向に並んで配置されている。シリンダ１０Ａは、１番気筒である。シリンダ１０Ｂは、２番気筒である。シリンダ１０Ｃは、３番気筒である。シリンダ１０Ｄは、４番気筒である。

【0027】

吸気流路３は、アンモニアエンジン２の各燃焼室１６（各シリンダ１０内）と接続されている。吸気流路３は、各燃焼室１６に供給される空気が流れる流路である。吸気流路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。

【0028】

排気流路４は、アンモニアエンジン２の各燃焼室１６と接続されている。排気流路４は、各燃焼室１６で発生した排気ガスが流れる流路である。排気流路４には、特に図示はしないが、排気ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを浄化する三元触媒と、排気ガス中に含まれるＮＯｘを除去するＳＣＲ触媒とが配設されている。

【0029】

メインスロットルバルブ５は、吸気流路３に配設されている。メインスロットルバルブ５は、アンモニアエンジン２の各燃焼室１６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。

【0030】

メインインジェクタ６の数は、アンモニアエンジン２の気筒数と同じ４つである。これらのメインインジェクタ６は、アンモニアエンジン２の各燃焼室１６に向けてアンモニアガスを間欠的に噴射する電磁式の第１燃料噴射弁である。各メインインジェクタ６は、アンモニアエンジン２の各吸気ポート１７にそれぞれアンモニアガスを噴射してもよいし、吸気流路３におけるアンモニアエンジン２の近傍にアンモニアガスを噴射してもよい。メインインジェクタ６は、ニードルバルブを開く時間を変えることで、アンモニアガスの噴射量を調整することができる。

【0031】

また、エンジンシステム１は、エンジンＥＣＵ８を備えている。エンジンＥＣＵ８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。エンジンＥＣＵ８は、アンモニアエンジン２を制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）である。

【0032】

具体的には、エンジンＥＣＵ８は、特に図示はしないが、イグニッションスイッチがＯＮ操作されると、スタータを始動させるように制御する。また、エンジンＥＣＵ８は、図３に示されるように、スタータの始動後、吸気行程、圧縮行程、膨張行程（燃焼行程）及び排気行程という４つの行程を１サイクルとして実施するようにアンモニアエンジン２の吸気弁１９、排気弁２０及び点火プラグ２１を制御する。

【0033】

吸気行程は、ピストン１１が下がり、アンモニアガスと空気との混合気をシリンダ１０内に吸い込む行程である。圧縮行程は、ピストン１１が上死点まで上がり、混合気を圧縮する行程である。膨張行程は、点火された混合気が燃焼し、燃焼ガスが膨張してピストン１１が下死点まで押し下げられる行程である。排気行程は、慣性によりピストン１１が上がり、燃焼ガスをシリンダ１０の外へ押し出す行程である。つまり、１サイクルでは、ピストン１１がシリンダ１０内を２往復して、クランクシャフト１２が２回転する。

【0034】

エンジンＥＣＵ８は、吸気行程において吸気弁１９を開くように制御する。エンジンＥＣＵ８は、膨張行程において点火プラグ２１を点火させるように制御する。エンジンＥＣＵ８は、排気行程において排気弁２０を開くように制御する。

【0035】

このとき、エンジンＥＣＵ８は、図３に示されるように、シリンダ１０Ａ（１番気筒）、シリンダ１０Ｃ（３番気筒）、シリンダ１０Ｄ（４番気筒）及びシリンダ１０Ｂ（２番気筒）の順番で４つの行程を実施するように吸気弁１９、排気弁２０及び点火プラグ２１を制御する。つまり、４つの行程は、４つのシリンダ１０毎に順番に実施される。従って、シリンダ１０Ａの吸気行程の終了後にシリンダ１０Ｃの吸気行程が実施され、シリンダ１０Ｃの吸気行程の終了後にシリンダ１０Ｄの吸気行程が実施され、シリンダ１０Ｄの吸気行程の終了後にシリンダ１０Ｂの吸気行程が実施され、シリンダ１０Ｂの吸気行程の終了後にシリンダ１０Ａの吸気行程が再度実施される（図５（ａ）参照）。圧縮行程、膨張行程及び排気行程についても同様である。

【0036】

また、エンジンシステム１は、改質器２５と、上流側改質流路２６と、改質スロットルバルブ２７と、アンモニアボンベ２８と、気化器２９と、改質インジェクタ３０と、アンモニア流路３１，３２と、下流側改質流路３３と、クーラ３４とを備えている。

【0037】

改質器２５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２５は、円筒状の筐体３５と、この筐体３５内に収容された改質触媒３６及び電気ヒータ３７とを有している。筐体３５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で形成されている。

【0038】

改質触媒３６は、例えばハニカム構造を有している。改質触媒３６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３６は、例えばＡＴＲ（Autothermal Reformer）式アンモニア改質触媒である。改質触媒３６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。

【0039】

電気ヒータ３７は、筐体３５内における改質触媒３６よりも上流側に配置されている。電気ヒータ３７は、改質触媒３６に供給されるアンモニアガス及び空気を加熱することにより、改質触媒３６をアンモニアガス及び空気を通して加熱（暖気）する。

【0040】

上流側改質流路２６は、吸気流路３と改質器２５とを接続している。上流側改質流路２６の一端は、吸気流路３におけるエアクリーナ７とメインスロットルバルブ５との間に接続されている。上流側改質流路２６の他端は、改質器２５の筐体３５の入口部に接続されている。上流側改質流路２６は、改質器２５に供給される空気が流れる流路である。

【0041】

改質スロットルバルブ２７は、上流側改質流路２６に配設されている。改質スロットルバルブ２７は、改質器２５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。

【0042】

アンモニアボンベ２８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２８は、液体アンモニアを貯蔵する。

【0043】

気化器２９は、アンモニア流路３８を介してアンモニアボンベ２８と接続されている。アンモニア流路３８は、アンモニアボンベ２８に貯蔵された液体アンモニアが流れる流路である。気化器２９は、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。

【0044】

改質インジェクタ３０は、改質器２５に向けてアンモニアガスを間欠的に噴射する電磁式の第２燃料噴射弁である。改質インジェクタ３０は、上流側改質流路２６にアンモニアガスを噴射する。具体的には、改質インジェクタ３０は、上流側改質流路２６における改質スロットルバルブ２７と改質器２５との間にアンモニアガスを噴射する。このため、上流側改質流路２６には、アンモニアガスも改質器２５に向けて流れる。改質インジェクタ３０は、メインインジェクタ６と同様に、ニードルバルブを開く時間を変えることで、アンモニアガスの噴射量を調整することができる。

【0045】

アンモニア流路３１は、気化器２９と各メインインジェクタ６とを接続している。アンモニア流路３１は、気化器２９により生成されたアンモニアガスが各メインインジェクタ６に向けて流れる燃料流路である。

【0046】

アンモニア流路３２は、気化器２９と改質インジェクタ３０とを接続している。アンモニア流路３２の一端は、アンモニア流路３１に分岐接続されている。アンモニア流路３２は、気化器２９により生成されたアンモニアガスが改質インジェクタ３０に向けて流れる燃料流路である。

【0047】

下流側改質流路３３は、改質器２５と吸気流路３とを接続している。下流側改質流路３３の一端は、改質器２５の筐体３５の出口部に接続されている。下流側改質流路３３の他端は、吸気流路３におけるメインスロットルバルブ５とアンモニアエンジン２との間に接続されている。下流側改質流路３３は、改質器２５により生成された改質ガスがアンモニアエンジン２の各燃焼室１６（各シリンダ１０内）に向けて流れる流路である。

【0048】

クーラ３４は、下流側改質流路３３に配設されている。クーラ３４は、下流側改質流路３３を流れる改質ガスを冷却する。

【0049】

また、エンジンシステム１は、回転数センサ４０と、マップメモリ４１と、コントローラ４２（制御部）とを備えている。

【0050】

回転数センサ４０は、アンモニアエンジン２の回転数（エンジン回転数）を検出するセンサである。エンジン回転数は、１分間当たりのアンモニアエンジン２の回転数である。

【0051】

マップメモリ４１は、エンジン回転数と改質インジェクタ３０の噴射周期との関係を表した噴射周期マップデータを記憶する記憶部である。噴射周期マップデータは、実験またはシミュレーション等により予め取得されている。

【0052】

噴射周期マップデータは、改質インジェクタ３０の噴射周期がアンモニアエンジン２の吸気行程の実施周期と等しくなるように設定されている（図５（ａ），（ｂ）参照）。この場合には、アンモニアエンジン２の各シリンダ１０の吸気行程の実施中に、改質インジェクタ３０からアンモニアガスが１回噴射される。つまり、シリンダ１０の吸気行程が開始されてから次のシリンダ１０の吸気行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、改質インジェクタ３０からアンモニアガスが１回噴射される。

【0053】

コントローラ４２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４２は、噴射周期決定部４３と、バルブ制御部４４とを有している。コントローラ４２は、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ操作されると実行される。コントローラ４２には、エンジンＥＣＵ８からアンモニアエンジン２に出力される制御信号が入力される。

【0054】

噴射周期決定部４３は、回転数センサ４０により検出されたエンジン回転数に基づいて、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射周期を決定する。具体的には、噴射周期決定部４３は、マップメモリ４１に記憶された噴射周期マップデータから、回転数センサ４０により検出されたエンジン回転数に応じた噴射周期を決定する。

【0055】

バルブ制御部４４は、アンモニアエンジン２の各燃焼室１６に所望流量のアンモニアガス及び空気が供給されるようにメインインジェクタ６及びメインスロットルバルブ５を制御すると共に、改質器２５に所望流量のアンモニアガス及び空気が供給されるように改質インジェクタ３０及び改質スロットルバルブ２７を制御する。

【0056】

このとき、バルブ制御部４４は、噴射周期決定部４３により決定された噴射周期で、改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。バルブ制御部４４は、シリンダ１０の吸気行程が開始されてから次のシリンダ１０の吸気行程が開始されるまでの吸気期間Ｔ、つまりシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、改質インジェクタ３０からアンモニアガスが１回噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0057】

また、バルブ制御部４４は、シリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、吸気期間Ｔの開始からシリンダ１０内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動（後述）により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。なお、改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるとは、理想的には空気流量の最大時を中心とし、幅がτである噴射であるが、例えば、少なくとも空気流量の最大時に噴射していればよい。

【0058】

図４は、バルブ制御部４４により実行される改質インジェクタ制御処理の手順を示すフローチャートである。

【0059】

図４において、バルブ制御部４４は、まずエンジンＥＣＵ８からアンモニアエンジン２の吸気弁１９に開弁制御信号が出力されたかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。開弁制御信号は、吸気弁１９を開くための制御信号である。

【0060】

バルブ制御部４４は、エンジンＥＣＵ８から吸気弁１９に開弁制御信号が出力されたと判断したときは、開弁制御信号が出力されてから規定時間が経過したかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。

【0061】

規定時間は、吸気脈動（後述）により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングで、改質インジェクタ３０から噴射されたアンモニアガスが改質器２５に供給されるように、予め設定された時間である。例えば、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が最大量となるタイミングで、改質インジェクタ３０から噴射されたアンモニアガスが改質器２５に供給されるように、規定時間が設定されている。規定時間は、改質インジェクタ３０から改質器２５までの距離によるアンモニアガスの到達時間の遅れ分を考慮して、実験またはシミュレーション等により定められている。また、吸気期間Ｔに対して一定の割合、すなわち吸気期間Ｔのｎ倍（０＜ｎ＜１）を規定時間としてもよい。

【0062】

バルブ制御部４４は、開弁制御信号が出力されてから規定時間が経過したと判断したときは、改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する（手順Ｓ１０３）。

【0063】

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、スタータ（図示せず）がОＮすることで、アンモニアエンジン２がクランキングされる。そして、改質インジェクタ３０、改質スロットルバルブ２７、メインインジェクタ６及びメインスロットルバルブ５が開弁する。すると、改質器２５及び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。

【0064】

改質器２５にアンモニアガス及び空気が供給されると、電気ヒータ３７によりアンモニアガス及び空気が加熱される。従って、アンモニアガス及び空気の熱により改質触媒３６が加熱されるため、改質触媒３６の温度が上昇する。そして、改質触媒３６の温度が活性化温度（燃焼可能温度）に達すると、改質触媒３６によりアンモニアガスが燃焼する。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する（発熱反応）。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ１（発熱） …（Ａ）

【0065】

すると、アンモニアガスの燃焼熱（改質触媒３６の自己熱）によって改質触媒３６の温度が更に上昇する。そして、改質触媒３６の温度が反応温度（改質可能温度）に達すると、改質触媒３６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→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２－Ｑ２（吸熱） …（Ｂ）

【0066】

改質ガスは、下流側改質流路３３及び吸気流路３を流れてアンモニアエンジン２に供給される。そして、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定常状態に移行する。

【0067】

ここで、アンモニアエンジン２の吸気行程では、図５（ａ）に示されるように、アンモニアエンジン２内のピストン１１の上下運動により、改質器２５内のガス圧及びガス流量が変動する吸気脈動が発生する。具体的には、ピストン１１が下降することで、アンモニアエンジン２の燃焼室１６に負圧が発生し、燃焼室１６に空気が吸入される。このとき、燃焼室１６の負圧は、吸気流路３及び下流側改質流路３３を通って改質器２５に伝播する。このため、吸気行程の開始直後には、改質器２５に供給される空気の流量が増加する。

【0068】

このため、図５（ｂ）に示されるように、シリンダ１０の吸気行程が開始されてから次のシリンダ１０の吸気行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射される。なお、コントローラ４２は、吸気弁１９の動作（すなわち開弁制御信号）により吸気期間Ｔの開始を把握することができ、エンジン回転数に対応して（すなわち噴射周期マップデータによって）吸気期間Ｔの長さを把握することができる。そして、コントローラ４２は、吸気期間Ｔの開始と上述の規定時間とから、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングを把握することができる。

【0069】

ところで、図６（ａ），（ｂ）に示されるように、シリンダ１０の吸気行程が開始されてから次のシリンダ１０の吸気行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、改質器２５に供給される空気の流量が相対的に少ないタイミング（図６では吸気期間Ｔの中央）で改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射される場合には、以下の問題点が発生する。

【0070】

即ち、改質器２５に供給される空気の流量が少ないタイミングで改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されると、図６（ｃ）に示されるように、改質器２５における空燃比（Ａ／Ｆ）が時間的に一様ではなく、空燃比のムラＤが発生した状態となる。空燃比は、アンモニアガスと空気との流量比である。このような空燃比のムラＤによって、改質器２５の改質触媒３６の反応も時間的に一様ではなくなる。吸気行程の開始直後に、アンモニアガスの流量に対して空気の流量が必要以上に多くなると、改質器２５の一時的な過昇温が生じることで、改質器２５の改質触媒３６が劣化してしまう。

【0071】

一方、本実施形態では、図５（ａ），（ｂ）に示されるように、シリンダ１０の吸気行程が開始されてから次のシリンダ１０の吸気行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射される。この場合には、図５（ｃ）に示されるように、図６に示される比較例に比べて、改質器２５における空燃比の時間的なムラＤが小さくなる。

【0072】

以上のように本実施形態によれば、改質器２５にアンモニアガス及び空気が供給されることで、改質器２５において水素を含む改質ガスが生成され、改質ガスがアンモニアエンジン２のシリンダ１０内に供給される。また、アンモニアエンジン２のシリンダ１０内にアンモニアガス及び空気が供給されることで、シリンダ１０内においてアンモニアガスが水素と混合して燃焼する。アンモニアエンジン２では、複数のシリンダ１０毎に、シリンダ１０内に空気が吸入される行程を含む複数の行程が順番に実施される。このとき、シリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、吸気期間Ｔの開始からシリンダ１０内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射される。このため、改質器２５に吸気脈動が発生することで、改質器２５に供給される空気の流量が変動しても、改質器２５における時間的な空燃比のムラが低減される。これにより、改質器２５の過昇温が抑えられるため、改質器２５の改質触媒３６の劣化が抑制される。その結果、改質触媒３６の耐久性が向上する。

【0073】

図７は、本発明の第２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７において、本実施形態のエンジンシステム１Ａは、上記の第１実施形態の構成に加え、吸気圧センサ６１と、マップメモリ６２とを備えている。

【0074】

吸気圧センサ６１は、アンモニアエンジン２のシリンダ１０内への吸気圧を検出する吸気圧検出部である。吸気圧センサ６１は、吸気流路３におけるメインスロットルバルブ５とアンモニアエンジン２との間の圧力を吸気圧として検出する。

【0075】

マップメモリ６２は、シリンダ１０内への吸気圧と改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射タイミングとの関係を表した噴射タイミングマップデータを記憶する記憶部である。噴射タイミングマップデータは、シリンダ１０内への吸気圧が負圧である場合、吸気圧が低くなる（負圧が高くなる）ほど噴射タイミングが段階的または連続的に早くなるように設定されている。噴射タイミングマップデータは、実験またはシミュレーション等により予め取得されている。

【0076】

また、エンジンシステム１Ａは、上記の第１実施形態におけるコントローラ４２に代えて、コントローラ４２Ａを備えている。コントローラ４２Ａは、上記の噴射周期決定部４３と、バルブ制御部４４Ａとを有している。

【0077】

バルブ制御部４４Ａは、上記の第１実施形態と同様に、シリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、吸気期間Ｔの開始からシリンダ１０内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0078】

このとき、バルブ制御部４４Ａは、吸気圧センサ６１により検出された吸気圧と噴射タイミングマップデータとに基づいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求め、当該タイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0079】

図８は、バルブ制御部４４Ａにより実行される改質インジェクタ制御処理の手順を示すフローチャートであり、図４に対応している。

【0080】

図８において、バルブ制御部４４Ａは、まず上記の手順Ｓ１０１を実行し、エンジンＥＣＵ８から吸気弁１９に開弁制御信号が出力されたと判断したときは、吸気圧センサ６１の検出値を取得する（手順Ｓ１１１）。

【0081】

そして、バルブ制御部４４Ａは、マップメモリ６２に記憶された噴射タイミングマップデータを用いて、シリンダ１０内への吸気圧に応じた噴射タイミングを決定する（手順Ｓ１１２）。続いて、バルブ制御部４４Ａは、決定された噴射タイミングで改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する（手順Ｓ１１３）。

【0082】

アンモニアエンジン２の吸気行程では、上述したように、シリンダ１０内の負圧が高いほど、空気がシリンダ１０内に吸入されやすく、空気がシリンダ１０内に迅速に吸入される。

【0083】

そこで、本実施形態では、アンモニアエンジン２のシリンダ１０内への吸気圧に基づいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求め、そのタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスを噴射することにより、シリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、シリンダ１０内への吸気圧に応じた適切なタイミングで改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射される。このため、改質器２５における時間的な空燃比のムラが更に低減される。従って、改質器２５の過昇温が更に抑えられるため、改質器２５の改質触媒３６の劣化が一層抑制される。

【0084】

なお、本実施形態では、マップメモリ６２に記憶された噴射タイミングマップデータを用いて、シリンダ１０内への吸気圧に応じた噴射タイミングが求められているが、特にそのような形態には限られない。例えば、吸気圧センサ６１により検出されたシリンダ１０内への吸気圧に基づいて時間差分等を算出し、吸気圧に応じた噴射タイミングを計算して求めてもよい。

【0085】

図９は、本発明の第３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９において、本実施形態のエンジンシステム１Ｂは、上記の第１実施形態の構成に加え、アクセルセンサ６５と、マップメモリ６６とを備えている。

【0086】

アクセルセンサ６５は、アクセル（図示せず）の開度をエンジン負荷として検出する。上記の回転数センサ４０及びアクセルセンサ６５は、アンモニアエンジン２の状態を検出するエンジン状態検出部を構成している。

【0087】

マップメモリ６６は、エンジン回転数及びエンジン負荷と改質インジェクタ３０の噴射タイミングとの関係を表した噴射タイミングマップデータを記憶する記憶部である。噴射タイミングマップデータは、エンジン回転数が高くなるほど吸気流速が大きくなるため、改質インジェクタ３０の噴射タイミングが段階的または連続的に早くなるように設定されている。また、噴射タイミングマップデータは、エンジン負荷が大きくなるほど吸気流速が大きくなるため、改質インジェクタ３０の噴射タイミングが段階的または連続的に早くなるように設定されている。噴射タイミングマップデータは、実験またはシミュレーション等により予め取得されている。

【0088】

また、エンジンシステム１Ｂは、上記の第１実施形態におけるコントローラ４２に代えて、コントローラ４２Ｂを備えている。コントローラ４２Ｂは、上記の噴射周期決定部４３と、バルブ制御部４４Ｂとを有している。

【0089】

バルブ制御部４４Ｂは、上記の第１実施形態と同様に、シリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されてから次のシリンダ１０内に空気が吸入される行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、吸気期間Ｔの開始からシリンダ１０内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0090】

このとき、バルブ制御部４４Ｂは、回転数センサ４０により検出されたエンジン回転数とアクセルセンサ６５により検出されたエンジン負荷と噴射タイミングマップデータとに基づいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求め、当該タイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0091】

図１０は、バルブ制御部４４Ｂにより実行される改質インジェクタ制御処理の手順を示すフローチャートであり、図４に対応している。

【0092】

図１０において、バルブ制御部４４Ｂは、まず上記の手順Ｓ１０１を実行し、エンジンＥＣＵ８から吸気弁１９に開弁制御信号が出力されたと判断したときは、回転数センサ４０及びアクセルセンサ６５の検出値を取得する（手順Ｓ１２１）。

【0093】

そして、バルブ制御部４４Ｂは、マップメモリ６６に記憶された噴射タイミングマップデータを用いて、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じた噴射タイミングを決定する（手順Ｓ１２２）。続いて、バルブ制御部４４Ｂは、決定された噴射タイミングで改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する（手順Ｓ１２３）。

【0094】

上述したように、シリンダ１０内の負圧が高いほど、空気がシリンダ１０内に吸入されやすく、空気がシリンダ１０内に迅速に吸入されるが、アンモニアエンジン２の状態によってシリンダ１０内の負圧が変わってくる。

【0095】

そこで、本実施形態では、アンモニアエンジン２の状態に基づいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求め、そのタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスを噴射することにより、アンモニアエンジン２の状態に応じた適切なタイミングで改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射される。このため、改質器２５における時間的な空燃比のムラが更に低減される。従って、改質器２５の過昇温が更に抑えられるため、改質器２５の改質触媒３６の劣化が一層抑制される。

【0096】

また、本実施形態では、アンモニアエンジン２の状態として、エンジン回転数及びエンジン負荷を検出することにより、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じた適切なタイミングで改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射される。

【0097】

なお、本実施形態では、マップメモリ６６に記憶された噴射タイミングマップデータを用いて、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じた噴射タイミングが求められているが、特にそのような形態には限られない。例えば、回転数センサ４０により検出されたエンジン回転数とアクセルセンサ６５により検出されたエンジン負荷とに基づいて、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じた噴射タイミングを計算して求めてもよい。

【0098】

また、本実施形態では、エンジン回転数及びエンジン負荷の両方に基づいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングが求められているが、特にそのような形態には限られない。回転数センサ４０により検出されたエンジン回転数のみに基づいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求めてもよいし、或いはアクセルセンサ６５により検出されたエンジン負荷のみに基づいて、吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングを求めてもよい。

【0099】

図１１は、本発明の第４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１１において、本実施形態のエンジンシステム１Ｃは、上記の第１実施形態の構成に加え、上流側圧力センサ５１と、下流側圧力センサ５２とを備えている。

【0100】

上流側圧力センサ５１は、アンモニア流路３２内の圧力を改質インジェクタ３０の上流圧として検出する第１圧力検出部である。下流側圧力センサ５２は、上流側改質流路２６内の圧力を改質インジェクタ３０の下流圧として検出する第２圧力検出部である。下流側圧力センサ５２は、上流側改質流路２６内における改質インジェクタ３０と改質器２５との間の圧力を検出する。

【0101】

また、エンジンシステム１Ｃは、上記の第１実施形態におけるコントローラ４２に代えて、コントローラ４２Ｃを備えている。コントローラ４２Ｃは、上記の噴射周期決定部４３と、噴射時間決定部４５と、バルブ制御部４４Ｃとを有している。

【0102】

噴射時間決定部４５は、上流側圧力センサ５１により検出された改質インジェクタ３０の上流圧と下流側圧力センサ５２により検出された改質インジェクタ３０の下流圧とに基づいて、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射時間τ（図５参照）を決定する。

【0103】

図１２は、噴射時間決定部４５により実行される噴射時間決定処理の手順を示すフローチャートである。図１２において、噴射時間決定部４５は、まず上流側圧力センサ５１及び下流側圧力センサ５２の検出値を取得する（手順Ｓ１３１）。

【0104】

続いて、噴射時間決定部４５は、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差を算出する（手順Ｓ１３２）。そして、噴射時間決定部４５は、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が圧力閾値以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１３３）。圧力閾値は、予め定められた所定値である。

【0105】

噴射時間決定部４５は、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が圧力閾値以上であると判断したときは、噴射時間τとして短噴射時間を選択する（手順Ｓ１３４）。短噴射時間は、予め定められた時間である。

【0106】

噴射時間決定部４５は、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が圧力閾値以上でないと判断したときは、噴射時間τとして長噴射時間を選択する（手順Ｓ１３５）。長噴射時間は、予め定められた時間であり、短噴射時間よりも長い。

【0107】

図１１に戻り、バルブ制御部４４Ｃは、上記の第１実施形態と同様に、シリンダ１０の吸気行程が開始されてから次のシリンダ１０の吸気行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、シリンダ１０内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0108】

このとき、バルブ制御部４４Ｃは、噴射周期決定部４３により決定された噴射周期で、噴射時間決定部４５により決定された噴射時間τだけ改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。つまり、バルブ制御部４４Ｃは、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が圧力閾値以上であるときは、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が圧力閾値よりも低いときに比べて、アンモニアガスの噴射時間τが短くなるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0109】

噴射時間τが一定の場合、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射量は、改質インジェクタ３０の上流圧及び下流圧によって変化する。具体的には、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が大きいほど、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射量が多くなる。

【0110】

そこで、本実施形態では、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が圧力閾値以上であるときは、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が圧力閾値よりも低いときに比べて、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射時間を短くすることにより、改質インジェクタ３０の上流圧及び下流圧に関わらず、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射量が一定に近づくようになる。従って、アンモニアエンジン２の始動直後等のようなアンモニアエンジン２の状態に応じて、改質インジェクタ３０からアンモニアガスが適切に噴射される。

【0111】

なお、本実施形態では、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射時間τとして、長噴射時間及び短噴射時間の何れかが選択されているが、特にそのような形態には限られない。例えば、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が大きくなるにつれて、アンモニアガスの噴射時間τを段階的または連続的に短くしてもよい。この場合にも、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が所定値以上であるときは、改質インジェクタ３０の上流圧と改質インジェクタ３０の下流圧との圧力差が所定値よりも低いときに比べて、アンモニアガスの噴射時間τが短くなるといえる。

【0112】

図１３は、本発明の第５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１３において、本実施形態のエンジンシステム１Ｄは、上記の第１実施形態の構成に加え、温度センサ５５を備えている。温度センサ５５は、環境温度を検出する温度検出部である。環境温度は、外気温に相当する。

【0113】

また、エンジンシステム１Ｄは、上記の第１実施形態におけるコントローラ４２に代えて、コントローラ４２Ｄを備えている。コントローラ４２Ｄは、上記の噴射周期決定部４３と、噴射時間決定部４６と、バルブ制御部４４Ｄとを有している。

【0114】

噴射時間決定部４６は、温度センサ５５により検出された環境温度に基づいて、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射時間τ（図５参照）を決定する。

【0115】

図１４は、噴射時間決定部４６により実行される噴射時間決定処理の手順を示すフローチャートである。図１４において、噴射時間決定部４６は、まず温度センサ５５の検出値を取得する（手順Ｓ１４１）。続いて、噴射時間決定部４６は、環境温度が温度閾値以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１４２）。温度閾値は、予め定められた所定値である。

【0116】

噴射時間決定部４６は、環境温度が温度閾値以上であると判断したときは、噴射時間τとして短噴射時間を選択する（手順Ｓ１４３）。短噴射時間は、予め定められた時間である。

【0117】

噴射時間決定部４６は、環境温度が温度閾値以上でないと判断したときは、噴射時間τとして長噴射時間を選択する（手順Ｓ１４４）。長噴射時間は、予め定められた時間であり、短噴射時間よりも長い。

【0118】

図１３に戻り、バルブ制御部４４Ｄは、上記の第１実施形態と同様に、シリンダ１０の吸気行程が開始されてから次のシリンダ１０の吸気行程が開始されるまでの吸気期間Ｔにおいて、シリンダ１０内に空気が吸入される行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングに応じて改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0119】

このとき、バルブ制御部４４Ｄは、噴射周期決定部４３により決定された噴射周期で、噴射時間決定部４６により決定された噴射時間τだけ改質インジェクタ３０からアンモニアガスが噴射されるように改質インジェクタ３０を制御する。つまり、バルブ制御部４４Ｃは、環境温度が温度閾値以上であるときは、環境温度が温度閾値よりも低いときに比べて、アンモニアガスの噴射時間τが短くなるように改質インジェクタ３０を制御する。

【0120】

噴射時間τが一定の場合、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射量は、アンモニア流路３２内の圧力によって変化する。アンモニア流路３２内の圧力が高くなるほど、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射量が多くなる。アンモニア流路３２内の圧力は、気化器２９の気化能力によって変化する。具体的には、気化器２９の気化能力は、環境温度によって変化する。環境温度が高くなるほど、気化器２９の気化能力が高くなるため、アンモニア流路３２内の圧力が高くなる。

【0121】

そこで、本実施形態では、環境温度が温度閾値以上であるときは、環境温度が温度閾値よりも低いときに比べて、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射時間を短くすることにより、環境温度に関わらず、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射量が一定に近づくようになる。従って、アンモニアエンジン２の始動直後や高温環境下または低温環境下等のようなアンモニアエンジン２の状態に応じて、改質インジェクタ３０からアンモニアガスが適切に噴射される。

【0122】

図１５は、本発明の第５実施形態に係るエンジンシステムの変形例を示す概略構成図である。図１５において、本実施形態のエンジンシステム１Ｄは、上記の第５実施形態における温度センサ５５に代えて、温度センサ５６を備えている。温度センサ５６は、アンモニアエンジン２を冷却するための冷却水の温度を検出する温度検出部である。

【0123】

アンモニアエンジン２及び気化器２９には、冷却水が流れる循環流路５７が接続されている。循環流路５７は、クーラ２４にも接続されていてもよい。循環流路５７には、ポンプ５８が配設されている。ポンプ５８は、循環流路５７において冷却水を一方向に循環させる。気化器２９は、アンモニアエンジン２により暖められた冷却水を利用して熱交換を行うことにより、液体のアンモニアを気化させる。

【0124】

このような気化器２９の気化能力は、冷却水の温度によっても変化する。具体的には、アンモニアエンジン２の始動直後は、冷却水の温度が低いため、気化器２９の気化能力が低い。従って、アンモニア流路３２内の圧力（改質インジェクタ３０の上流圧）が低い。その後、冷却水の温度が高くなると、気化器２９の気化能力が高くなるため、アンモニア流路３２内の圧力が高くなる。

【0125】

そこで、本変形例では、アンモニアエンジン２を冷却するための冷却水の温度が温度閾値以上であるときは、冷却水の温度が温度閾値よりも低いときに比べて、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射時間を短くすることにより、冷却水の温度に関わらず、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射量が一定に近づくようになる。

【0126】

なお、本実施形態及び変形例でも、改質インジェクタ３０からのアンモニアガスの噴射時間τとして、長噴射時間及び短噴射時間の何れかが選択されているが、特にそのような形態には限られない。例えば、環境温度または冷却水の温度が高くなるにつれて、アンモニアガスの噴射時間τを段階的または連続的に短くしてもよい。この場合にも、環境温度または冷却水の温度が所定値以上であるときは、環境温度または冷却水の温度が所定値よりも低いときに比べて、アンモニアガスの噴射時間τが短くなるといえる。

【0127】

以上、本発明の実施形態について幾つか説明してきたが、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、エンジンＥＣＵ８からアンモニアエンジン２の吸気弁１９に出力される開弁制御信号に基づいて、アンモニアエンジン２の吸気行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングになるかどうかが判定されているが、特にそのような形態には限られない。例えば、吸気流路３におけるエアクリーナ７の下流側に、吸気流路３を流れる空気の流量を検出するエアフローメータを配設し、エアフローメータの検出値に基づいて、アンモニアエンジン２の吸気行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングになるかどうかを判定してもよい。

【0128】

また、エンジンＥＣＵ８からの開弁制御信号及びエアフローメータの検出値等を用いずに、例えば上記の第２実施形態のような吸気圧センサ６１の検出値に基づいて、アンモニアエンジン２の吸気行程に起因して発生する吸気脈動により改質器２５に供給される空気の流量が多くなるタイミングになるかどうかを判定してもよい。

【0129】

また、上記実施形態では、改質器２５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３６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２５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。

【0130】

また、上記実施形態では、改質器２５には、エアクリーナ７が配設された吸気流路３と上流側改質流路２６とを通じて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。改質器２５には、エアクリーナ７とは異なるエアクリーナを介して、周囲の空気が直接供給されてもよい。

【0131】

また、上記実施形態では、アンモニアエンジン２は４気筒エンジンであるが、アンモニアエンジン２としては、特にそれには限られず、複数組のシリンダ１０及びピストン１１を有する多気筒エンジンであればよい。

【0132】

また、上記実施形態では、アンモニアエンジン２は、４ストローク式のエンジンであるが、アンモニアエンジン２としては、特にそれには限られず、２ストローク式のエンジン等であってもよい。２ストローク式のアンモニアエンジン２では、吸気・圧縮行程及び燃焼・排気行程という２つの行程で１サイクルとされる。この場合、シリンダ１０内への空気の吸入は、吸気・圧縮行程で実施される。

【0133】

また、上記実施形態では、改質スロットルバルブ２７は上流側改質流路２６に配置されているが、特にそれには限られず、改質スロットルバルブ２７を下流側改質流路３３に配置してもよい。

【0134】

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。

【符号の説明】

【0135】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…エンジンシステム、２…アンモニアエンジン（エンジン）、３…吸気流路、５…メインスロットルバルブ（第１流量制御弁）、６…メインインジェクタ（第１燃料噴射弁）、１０…シリンダ、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…シリンダ、１１…ピストン、２５…改質器、２６…上流側改質流路、２７…改質スロットルバルブ（第２流量制御弁）、２９…気化器、３０…改質インジェクタ（第２燃料噴射弁）、３１，３２…アンモニア流路（燃料流路）、３３…下流側改質流路、３６…改質触媒（触媒）、４０…回転数センサ（エンジン状態検出部）、４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ…コントローラ（制御部）、５１…上流側圧力センサ（第１圧力検出部）、５２…下流側圧力センサ（第２圧力検出部）、５５…温度センサ（温度検出部）、５６…温度センサ（温度検出部）、６１…吸気圧センサ（吸気圧検出部）、６５…アクセルセンサ（エンジン状態検出部）、Ｔ…吸気期間、τ…噴射時間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】