特開 2024-173383 アンモニアエンジンシステム

(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】P2024173383

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】アンモニアエンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/08 20060101AFI20241205BHJP

   C01B 3/04 20060101ALI20241205BHJP

   F02M 25/00 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

F02D19/08 Z

C01B3/04 B

F02M25/00 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023091761

(22)【出願日】2023-06-02

(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】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】神山 真巳

(72)【発明者】

【氏名】竹内 秀隆

(72)【発明者】

【氏名】下 俊久

【テーマコード（参考）】

3G092

【Ｆターム（参考）】

3G092AB09

3G092AB19

3G092DE01S

3G092DE02S

3G092FA31

(57)【要約】

【課題】アンモニアエンジンの始動を早期に行う。
【解決手段】アンモニアエンジンシステム１０は、アンモニアエンジン１１と、アンモニアエンジン１１に酸素を含む空気を供給する第１供給流路１２と、第１供給流路１２に設けられる第１調整弁１５と、改質器２３と、改質器２３に酸素を含む空気と共にアンモニアを供給する第２供給流路２４と、第２供給流路２４に供給される酸素を含む空気の量を調整する第２調整弁３３と、第１供給流路１２にアンモニアを供給する燃料インジェクタ１４と、改質器２３により生成された水素を第１供給流路１２に供給する第３供給流路３１と、空気よりも酸素濃度を高めた酸素富化空気を第１供給流路１２に供給する第１酸素富化膜５３と、アンモニアエンジン１１の始動時に、燃料インジェクタ１４から第１供給流路１２にアンモニアを供給するとともに、第１調整弁１５を開弁状態にする制御部３７と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料としてアンモニアを用いるアンモニアエンジンと、
前記アンモニアエンジンに酸素を含む空気を供給する第１供給流路と、
前記第１供給流路に設けられ、前記第１供給流路から前記アンモニアエンジンに供給される酸素を含む空気の量を調整する第１調整弁と、
アンモニアを改質して水素を生成する改質部と、前記改質部を昇温させる昇温部と、を有する改質器と、
前記改質器に酸素を含む空気と共にアンモニアを供給する第２供給流路と、
前記第２供給流路に供給される酸素を含む空気の量を調整する第２調整弁と、
前記第１供給流路にアンモニアを供給する供給部と、
前記改質器により生成された水素を前記第１供給流路に供給する第３供給流路と、
前記第１供給流路における前記第１調整弁よりも上流側に設けられ、空気よりも酸素濃度を高めた酸素富化空気を前記第１供給流路に供給する酸素富化膜と、
前記アンモニアエンジンの始動時に、前記供給部から前記第１供給流路にアンモニアを供給するとともに、前記第１調整弁を開弁状態にする制御部と、を備えることを特徴とするアンモニアエンジンシステム。

【請求項2】

前記制御部は、前記アンモニアエンジンの高負荷運転時に、前記アンモニアエンジンに供給される酸素の量が閾値以下となるように、前記第１調整弁及び前記第２調整弁を制御する、請求項１に記載のアンモニアエンジンシステム。

【請求項3】

前記制御部は、前記アンモニアエンジンの運転時に、前記アンモニアエンジンに供給されるアンモニア、酸素、及び水素の総量に対する前記アンモニアエンジンに供給される酸素の量の割合が２３％以上６０％以下となるように、前記第１調整弁及び前記第２調整弁を制御する、請求項１又は請求項２に記載のアンモニアエンジンシステム。

【請求項4】

前記アンモニアエンジンは、
空気が流れる第４供給流路と、
前記第１供給流路における前記酸素富化膜よりも下流側であって且つ前記第１調整弁よりも上流側に設けられる上流調整弁と、を備え、
前記第１供給流路のうち、前記上流調整弁よりも上流部分を上流流路とし、前記上流調整弁よりも下流部分を下流流路とすると、
前記制御部は、前記アンモニアエンジンの運転状態に応じて前記上流調整弁を調整することによって、前記上流流路から前記下流流路に流れる酸素富化空気の量と前記第４供給流路から前記下流流路に流れる空気の量とを調整する、請求項１又は請求項２に記載のアンモニアエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンモニアエンジンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載のアンモニアエンジンシステムは、燃料としてアンモニアを用いるアンモニアエンジンと、アンモニアエンジンに空気を供給する第１供給流路と、第１供給流路に設けられる第１調整弁と、改質器と、を備える。改質器は、アンモニアを改質して水素を生成する改質部と、改質部を昇温させる昇温部と、を有する。さらに、アンモニアエンジンシステムは、改質器に空気と共にアンモニアを供給する第２供給流路と、第２供給流路に設けられる第２調整弁と、第１供給流路にアンモニアを供給する供給部と、を備える。改質器にて生成された水素は、第１供給流路を介してアンモニアエンジンに供給される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１７３２３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

改質器による水素の生成は、昇温部によってアンモニアを水素に分解するために最適な温度にまで改質部が昇温されてから行われる。これにより、アンモニアエンジンの始動時に、改質器にて生成された水素をアンモニアエンジンに供給する場合、改質器にて生成された水素がアンモニアエンジンに供給されるまでに時間を要するため、アンモニアエンジンの始動が遅れるおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するアンモニアエンジンシステムは、燃料としてアンモニアを用いるアンモニアエンジンと、前記アンモニアエンジンに酸素を含む空気を供給する第１供給流路と、前記第１供給流路に設けられ、前記第１供給流路から前記アンモニアエンジンに供給される酸素を含む空気の量を調整する第１調整弁と、アンモニアを改質して水素を生成する改質部と、前記改質部を昇温させる昇温部と、を有する改質器と、前記改質器に酸素を含む空気と共にアンモニアを供給する第２供給流路と、前記第２供給流路に供給される酸素を含む空気の量を調整する第２調整弁と、前記第１供給流路にアンモニアを供給する供給部と、前記改質器により生成された水素を前記第１供給流路に供給する第３供給流路と、前記第１供給流路における前記第１調整弁よりも上流側に設けられ、空気よりも酸素濃度を高めた酸素富化空気を前記第１供給流路に供給する酸素富化膜と、前記アンモニアエンジンの始動時に、前記供給部から前記第１供給流路にアンモニアを供給するとともに、前記第１調整弁を開弁状態にする制御部と、を備えることを特徴とする。

【0006】

上記構成によれば、第１供給流路には、酸素富化膜によって空気よりも酸素濃度が高められた酸素富化空気が流入する。これにより、アンモニアエンジンの始動時に、改質器からアンモニアエンジンに供給される水素の量を減らしても、酸素濃度が高められた酸素富化空気を第１供給流路からアンモニアエンジンに供給できるため、アンモニアエンジンを始動させることができる。また、改質器による水素の生成は、昇温部によってアンモニアを水素に分解するために最適な温度にまでアンモニアエンジンの始動前から改質部が昇温された後に行われるため、改質器にて生成された水素がアンモニアエンジンに供給されるまでに時間を要する。制御部は、アンモニアエンジンの始動時に、供給部から第１供給流路にアンモニアを供給するとともに、第１調整弁を開弁状態にする。これにより、アンモニアエンジンの始動時に、第１供給流路からアンモニアエンジンに酸素を供給できる。したがって、アンモニアエンジンの始動時に、第１供給流路からアンモニアエンジンに酸素を供給せず、且つ改質器からアンモニアエンジンに水素を供給する場合と比較して、アンモニアエンジンの始動を早期に行える。

【0007】

アンモニアエンジンシステムにおいて、前記制御部は、前記アンモニアエンジンの高負荷運転時に、前記アンモニアエンジンに供給される酸素の量が閾値以下となるように、前記第１調整弁及び前記第２調整弁を制御してもよい。

【0008】

上記構成によれば、アンモニアエンジンに対する酸素の供給量が多くなるほど、アンモニアエンジンの燃焼温度は高くなる傾向にある。また、アンモニアエンジンに対する水素の供給量が多くなるほど、アンモニアエンジンの燃焼温度は高くなる傾向にはある。しかしながら、アンモニアエンジンへの水素の供給量に対する燃焼温度の上昇幅は、アンモニアエンジンへの酸素の供給量に対する燃焼温度の上昇幅よりも緩やかである。アンモニアエンジンの高負荷運転時には、アンモニアエンジンでの燃焼に伴う窒素酸化物の生成が懸念されるが、こうした場合に、アンモニアエンジンに供給される酸素の量を少なくすることで、アンモニアエンジンでの燃焼温度を下げられる。したがって、アンモニアエンジンでの燃焼に伴う窒素酸化物の生成を抑制できる。

【0009】

アンモニアエンジンシステムにおいて、前記制御部は、前記アンモニアエンジンの運転時に、前記アンモニアエンジンに供給されるアンモニア、酸素、及び水素の総量に対する前記アンモニアエンジンに供給される酸素の量の割合が２３％以上６０％以下となるように、前記第１調整弁及び前記第２調整弁を制御してもよい。

【0010】

アンモニアエンジンシステムにおいて、前記アンモニアエンジンは、空気が流れる第４供給流路と、前記第１供給流路における前記酸素富化膜よりも下流側であって且つ前記第１調整弁よりも上流側に設けられる上流調整弁と、を備え、前記第１供給流路のうち、前記上流調整弁よりも上流部分を上流流路とし、前記上流調整弁よりも下流部分を下流流路とすると、前記制御部は、前記アンモニアエンジンの運転状態に応じて前記上流調整弁を調整することによって、前記上流流路から前記下流流路に流れる酸素富化空気の量と前記第４供給流路から前記下流流路に流れる空気の量とを調整してもよい。

【0011】

上記構成によれば、酸素富化空気に加えて、酸素濃度が高められていない状態の空気をアンモニアエンジンに供給できるため、アンモニアエンジンの運転状態に応じてより適切な量の酸素をアンモニアエンジンに供給できる。

【発明の効果】

【0012】

この発明によれば、アンモニアエンジンの始動を早期に行える。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態におけるアンモニアエンジンシステムを示す模式図である。

【図2】図２は、酸素の割合とアンモニアエンジンの燃焼速度との関係を示すグラフである。

【図3】図３は、変更例におけるアンモニアエンジンシステムを示す模式図である。

【図4】図４は、変更例におけるアンモニアエンジンシステムを示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、アンモニアエンジンシステムを具体化した一実施形態について図面を参照して説明する。
＜アンモニアエンジンシステムの基本構成＞
図１に示すように、アンモニアエンジンシステム１０は、アンモニアエンジン１１と、第１供給流路１２と、を備えている。本実施形態におけるアンモニアエンジンシステム１０は、エンジン式の車両に搭載されている。アンモニアエンジン１１は、燃料としてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いる。アンモニアエンジン１１は、燃焼室１１ａを有している。アンモニアエンジン１１は、例えば４気筒エンジンであり、例えば４つの燃焼室１１ａを有する。

【0015】

第１供給流路１２は、アンモニアエンジン１１に酸素を含む空気を供給する流路である。第１供給流路１２は燃焼室１１ａに接続されている。第１供給流路１２を流れる酸素を含む空気は、燃焼室１１ａに供給される。

【0016】

アンモニアエンジンシステム１０は、排気流路１３を備えている。排気流路１３は、アンモニアエンジン１１から排気ガスが排出される流路である。排気流路１３は燃焼室１１ａに接続されている。燃焼室１１ａにて発生した排気ガスは、排気流路１３に排出された後、排気流路１３を流れる。

【0017】

アンモニアエンジンシステム１０は、排気触媒ユニット１６を備えている。排気触媒ユニット１６は、排気流路１３に設けられている。排気触媒ユニット１６は、三元触媒１７と、ＳＣＲ触媒１８と、を有している。なお、排気触媒ユニット１６は、三元触媒１７及びＳＣＲ触媒１８のどちらか一方のみを有していてもよい。

【0018】

三元触媒１７は、排気流路１３を流れる排気ガスに残留するアンモニアを酸化することにより、排気ガスからアンモニアを除去する。三元触媒１７は、排気ガスの熱によって活性化される。

【0019】

ＳＣＲ触媒１８は、排気流路１３における三元触媒１７よりも下流側に配置されている。ＳＣＲ触媒１８は、選択式還元触媒（Selective Catalytic Reduction）である。ＳＣＲ触媒１８は、排気流路１３を流れる排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアにより窒素（Ｎ_２）に還元する。さらに、ＳＣＲ触媒１８は、三元触媒１７を通過したアンモニアを捕集して除去する。

【0020】

アンモニアエンジンシステム１０は、アンモニアタンク２１と、気化器２２と、を備えている。アンモニアタンク２１は、液体状態のアンモニアである液体アンモニアを貯蔵する。気化器２２は、アンモニアタンク２１に貯蔵された液体アンモニアを気化させることにより、アンモニアガスを生成する。

【0021】

アンモニアエンジンシステム１０は、第１調整弁１５と、供給部としての燃料インジェクタ１４と、を備えている。燃料インジェクタ１４は、例えば電磁式の噴射弁である。燃料インジェクタ１４は、気化器２２と接続される。気化器２２から燃料インジェクタ１４にアンモニアガスが供給される。燃料インジェクタ１４は、第１供給流路１２にアンモニアガスを噴射することにより、第１供給流路１２にアンモニアを供給する。燃料インジェクタ１４から第１供給流路１２に供給されたアンモニアは、第１供給流路１２を流れる酸素と共に燃焼室１１ａに流入する。

【0022】

第１調整弁１５は、第１供給流路１２に設けられている。第１調整弁１５は、例えば電磁式の流量制御弁である。第１調整弁１５は、第１供給流路１２の開度を調整することにより、第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に供給される空気の量を調整する。これにより、第１調整弁１５は、第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に供給される酸素を含む空気の量を調整する。

【0023】

アンモニアエンジンシステム１０は、改質器２３を備えている。改質器２３は、アンモニアを改質して水素（Ｈ₂）を生成する改質部４２を有する。詳細には、改質部４２は、水素を含有した改質ガスを生成する。改質部４２は、例えば、改質触媒が塗布された図示しない担体を有する。担体は、例えばハニカム構造を有する。改質器２３に供給されたアンモニアが改質部４２を通過する際に、改質部４２にてアンモニアを改質して改質ガスを生成する。改質触媒は、アンモニアを水素に分解する機能に加えて、アンモニアを燃焼させる機能を有している。改質触媒は、例えばＡＴＲ（Autothermal Reformer）式アンモニア改質触媒である。

【0024】

改質器２３は、改質部４２を昇温させる昇温部４１を有する。昇温部４１は例えば電気ヒータである。昇温部４１は、改質部４２を昇温させることにより、改質部４２における改質触媒の温度を、アンモニアを水素に分解するために最適な温度に調整する。昇温部４１は、例えば、改質部４２の温度が規定温度未満であるときにのみ改質部４２を昇温させ、改質部４２の温度が規定温度以上であるときには改質部４２を昇温させない。昇温部４１が電気ヒータである場合、昇温部４１は、通電されることで改質部４２を昇温させるとともに、昇温部４１への通電が停止されることで改質部４２の昇温が停止される。

【0025】

改質部４２が規定温度以上になると、改質部４２におけるアンモニアの流れ方向の上流部分にて、アンモニアが燃焼する。改質部４２に供給されるアンモニアの一部は、上記の上流部分にて燃焼せずに、改質部４２におけるアンモニアの流れ方向の下流部分にまで至る。この下流部分において、アンモニアは改質触媒によって改質される。改質部４２での燃焼反応によって生じる燃焼熱により、改質部４２の温度は規定温度以上に維持される。これにより、改質部４２でのアンモニアの改質が継続される。

【0026】

アンモニアエンジンシステム１０は、第２供給流路２４を備えている。さらに、アンモニアエンジンシステム１０は、改質インジェクタ２７を備えている。改質インジェクタ２７は、例えば電磁式の噴射弁である。改質インジェクタ２７は、気化器２２と接続される。気化器２２から改質インジェクタ２７に、アンモニアガスが供給される。改質インジェクタ２７は、第２供給流路２４のうち、改質器２３よりも上流にアンモニアガスを噴射する。改質インジェクタ２７から第２供給流路２４に供給されたアンモニアガスは、第２供給流路２４を流れる空気と共に改質器２３に流入する。したがって、第２供給流路２４は、改質器２３に酸素を含む空気と共にアンモニアを供給する。

【0027】

昇温部４１は、第２供給流路２４から改質器２３に流入した空気及びアンモニアを加熱する。昇温部４１による加熱を受けて昇温した空気及びアンモニアは、改質部４２に供給される。これにより、改質部４２は昇温する。

【0028】

アンモニアエンジンシステム１０は、第３供給流路３１を備えている。第３供給流路３１は、改質器２３における改質部４２と第１供給流路１２とを接続している。詳細には、第３供給流路３１の一端は改質部４２に接続され、第３供給流路３１の他端は第１供給流路１２における第１調整弁１５より下流側に接続されている。第３供給流路３１は、改質部４２により生成された水素を含む改質ガスを第１供給流路１２に導入する流路である。言い換えると、第３供給流路３１は、改質器２３により生成された水素を第１供給流路１２に供給する。

【0029】

アンモニアエンジンシステム１０は、クーラ３２を備えている。クーラ３２は、第３供給流路３１に設けられている。クーラ３２は、第３供給流路３１を流れる改質ガスを冷却する。クーラ３２は、例えば、クーラ３２の内部を流れる冷却水と第３供給流路３１を流れる改質ガスとで熱交換させることにより、第３供給流路３１を流れる改質ガスを冷却する。クーラ３２によって冷却された改質ガスが、第３供給流路３１を通って第１供給流路１２に導入される。これにより、改質ガスの熱による第１調整弁１５等の吸気系部品の損傷を抑制できる。改質ガスの冷却に伴って改質ガスの体積膨張が抑制されるため、第１供給流路１２から燃焼室１１ａに空気が流入しやすくなっている。

【0030】

アンモニアエンジン１１は第２調整弁３３を備えている。第２調整弁３３は、第２供給流路２４に設けられている。第２調整弁３３は、例えば電磁式の流量制御弁である。第２調整弁３３は、第２供給流路２４の開度を調整する。これにより、第２調整弁３３は、第２供給流路２４に供給される酸素を含む空気の量を調整する。第２調整弁３３は、第２供給流路２４から改質器２３に供給される空気の量を調整する。

【0031】

アンモニアエンジンシステム１０は、第１エアクリーナ５１と、第２エアクリーナ５２と、を備えている。第１エアクリーナ５１及び第２エアクリーナ５２は、空気に含まれる塵及び埃等の異物を除去する。第１エアクリーナ５１は、第１供給流路１２の上流端に接続されている。これにより、第１エアクリーナ５１は、異物が除去された空気を第１供給流路１２に導入する。第２エアクリーナ５２は、第２供給流路２４の上流端に接続されている。これにより、第２エアクリーナ５２は、異物が除去された空気を第２供給流路２４に導入する。

【0032】

＜酸素富化膜＞
アンモニアエンジンシステム１０は、酸素富化膜としての第１酸素富化膜５３を備えている。第１酸素富化膜５３は、第１供給流路１２における調整弁としての第１調整弁１５よりも上流側に設けられている。詳細には、第１酸素富化膜５３は、第１供給流路１２のうち、第１エアクリーナ５１と第１調整弁１５との間に設けられている。第１エアクリーナ５１から第１供給流路１２に流入した空気は、第１酸素富化膜５３を介して第１供給流路１２における第１酸素富化膜５３よりも下流側に流れる。この際、第１供給流路１２を流れる空気は、第１酸素富化膜５３によって酸素濃度が高められる。したがって、第１酸素富化膜５３は、空気よりも酸素濃度を高めた酸素富化空気を第１供給流路１２に供給する。酸素富化空気は、第１供給流路１２を流れてアンモニアエンジン１１に供給される。

【0033】

アンモニアエンジンシステム１０は、第２酸素富化膜５４を備えている。第２酸素富化膜５４は、第２供給流路２４のうち、第２エアクリーナ５２と第２調整弁３３との間に設けられている。第２エアクリーナ５２から第２供給流路２４に流入した空気は、第２酸素富化膜５４を介して第２供給流路２４における第２酸素富化膜５４よりも下流側に流れる。この際、第２供給流路２４を流れる空気は、第２酸素富化膜５４によって酸素濃度が高められる。したがって、第２酸素富化膜５４は、空気よりも酸素濃度を高めた酸素富化空気を第２供給流路２４に供給する。酸素富化空気は、第２供給流路２４を流れて改質器２３に供給される。

【0034】

酸素富化膜としては、セラミック系、高分子系、グラフェン系があるが、常温で使用でき、酸素供給量の多いグラフェン系が好ましい。
＜アンモニアエンジンシステムの動作＞
第１調整弁１５が開弁されることにより、第１エアクリーナ５１及び第１酸素富化膜５３を介して酸素富化空気が第１供給流路１２に供給される。第２調整弁３３が開弁されることにより、第２エアクリーナ５２及び第２酸素富化膜５４を介して酸素富化空気が第２供給流路２４に供給される。

【0035】

燃料インジェクタ１４は、第１供給流路１２に向けてアンモニアガスを噴射する。これにより、アンモニアは、酸素富化空気と共に第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に供給される。改質インジェクタ２７は、第２供給流路２４に向けてアンモニアガスを噴射する。これにより、アンモニアは、酸素富化空気と共に第２供給流路２４から改質器２３に供給される。

【0036】

改質器２３においては、昇温部４１は、アンモニアエンジン１１の始動前に、改質部４２の昇温を開始する。これにより、昇温部４１は、改質器２３に供給された酸素富化空気及びアンモニアの昇温を行う。改質部４２における改質触媒の温度がアンモニアを水素に分解するために最適な温度まで昇温すると、改質部４２によるアンモニアの改質が開始される。これにより、改質部４２によって水素を含む改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、改質器２３から第３供給流路３１に供給された後、第３供給流路３１及び第１供給流路１２を介してアンモニアエンジン１１に供給される。

【0037】

燃焼室１１ａに空気が供給されているとき、燃焼室１１ａにおいて、アンモニアは空気中の酸素と共に燃焼する。燃焼室１１ａに改質ガスが供給されているとき、燃焼室１１ａにおいて、アンモニアは改質ガス中の水素と共に燃焼する。こうして、燃焼室１１ａにおいてアンモニアが燃焼する。

【0038】

＜制御部＞
アンモニアエンジンシステム１０は、制御部３７を備えている。制御部３７は、プロセッサと、記憶部と、を備える。プロセッサは、例えば、CPU（Central Processing Unit）、GPU（Graphics Processing Unit）、又はDSP（Digital Signal Processor）である。記憶部は、RAM（Random Access Memory）及びROM（Read Only Memory）を含む。記憶部は、処理をプロセッサに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部、すなわち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御部３７は、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）やFPGA（Field Programmable Gate Array）等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御部３７は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

【0039】

アンモニアエンジンシステム１０は、イグニッションスイッチ３５と、温度センサ３６と、を備えている。車両の運転者によってイグニッションスイッチ３５が操作されると、イグニッションスイッチ３５は制御部３７に操作信号を出力する。温度センサ３６は、改質部４２の温度に係る検出信号を制御部３７に出力する。

【0040】

＜制御部による制御＞
制御部３７は、例えば、イグニッションスイッチ３５の操作信号と温度センサ３６の検出信号とに基づいて、各種制御を行う。制御部３７は、第１調整弁１５、第２調整弁３３、燃料インジェクタ１４、改質インジェクタ２７、及び昇温部４１等を制御する。

【0041】

制御部３７は、例えば、第１調整弁１５自体の大きさや第１供給流路１２の流路断面積などに基づいて、第１調整弁１５の開度を調整する。こうして第１調整弁１５の開度を調整することで、制御部３７は、第１供給流路１２に供給される酸素を含む空気の量を調整する。また、制御部３７は、例えば、第２調整弁３３自体の大きさや第２供給流路２４の流路断面積などに基づいて、第２調整弁３３の開度を調整する。こうして第２調整弁３３の開度を調整することで、制御部３７は、第２供給流路２４に供給される酸素を含む空気の量を調整する。

【0042】

例えば、制御部３７は、アンモニアエンジン１１を停止させる停止制御を実行する。制御部３７は、イグニッションスイッチ３５の操作信号に基づいてイグニッションスイッチ３５がオフ操作されたと判断したことを条件に停止制御を行う。

【0043】

停止制御において、制御部３７は、燃料インジェクタ１４及び改質インジェクタ２７からのアンモニアガスの噴射を停止させるとともに、第１調整弁１５及び第２調整弁３３を閉弁状態にする。これにより、アンモニアエンジン１１が停止される。

【0044】

＜始動時の制御＞
制御部３７は、アンモニアエンジン１１を始動させる始動制御を実行する。制御部３７は、イグニッションスイッチ３５の操作信号に基づいてイグニッションスイッチ３５がオン操作されたと判断したことを条件に始動制御を行う。始動制御において、制御部３７は、改質インジェクタ２７からアンモニアガスを噴射しないとともに第２調整弁３３を閉弁状態にする。

【0045】

始動制御において、制御部３７は、アンモニアエンジン１１をクランキングさせるように不図示のスタータモータを制御することにより、アンモニアエンジン１１を始動させる。

【0046】

始動制御において、制御部３７は、燃料インジェクタ１４からアンモニアガスを噴射させるとともに、第１調整弁１５を開弁状態にする。すなわち、制御部３７は、アンモニアエンジン１１の始動時に、供給部としての燃料インジェクタ１４から第１供給流路１２にアンモニアを供給するとともに、第１調整弁１５を開弁状態にする。

【0047】

始動制御の実行中、第１供給流路１２から燃焼室１１ａに酸素富化空気と共にアンモニアが供給される。燃焼室１１ａにおいて、アンモニアは酸素と共に燃焼する。燃焼室１１ａにおいてアンモニアが燃焼した後、制御部３７は始動制御を終了させる。

【0048】

＜低負荷運転時の制御＞
制御部３７は、始動制御の終了後に、アンモニアエンジン１１の負荷に応じた制御を行う。アンモニアエンジン１１の低負荷運転時には、制御部３７は、燃料インジェクタ１４からアンモニアガスを噴射させるとともに第１調整弁１５を開弁状態にする。さらに、アンモニアエンジン１１の低負荷運転時に、制御部３７は、改質インジェクタ２７からアンモニアガスを噴射させるとともに第２調整弁３３を開弁状態にする。なお、低負荷運転時は、例えば、アクセルペダルの開度に急速な変化がない場合等、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量を調整しなくてもアンモニアエンジン１１からのＮＯｘ排出量が基準値以下となるときのアンモニアエンジン１１の運転時を指す。

【0049】

アンモニアエンジン１１の低負荷運転時に、制御部３７は、温度センサ３６の検出値に基づいて、改質部４２の温度が規定温度以上であるかどうかを判断する。規定温度とは、改質部４２によってアンモニアの燃焼が可能となる温度であり、例えば２００℃程度である。制御部３７は、改質部４２の温度が規定温度以上であると判断したときは、昇温部４１による改質部４２の昇温を停止させるように昇温部４１を制御する。改質部４２の昇温に伴って、改質部４２によって水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスが改質器２３から第３供給流路３１に流入する。

【0050】

アンモニアエンジン１１の低負荷運転時、第１供給流路１２から燃焼室１１ａに酸素富化空気と共に燃料インジェクタ１４からアンモニアが供給されるとともに、第３供給流路３１から燃焼室１１ａに改質ガスが供給される。燃焼室１１ａにおいて、アンモニアは酸素及び水素と共に燃焼する。

【0051】

アンモニアエンジン１１の低負荷運転時において、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度は適宜変更してもよい。アンモニアエンジン１１に供給されるアンモニア、酸素、及び水素の総量を総量Ｔともいう。例えば、アンモニアエンジン１１の低負荷運転時において、制御部３７は、第１調整弁１５の開度及び第２調整弁３３の開度を調整することにより、総量Ｔに対する酸素と水素の割合を調整してもよい。例えば、アンモニアエンジン１１の低負荷運転時において、制御部３７は、総量Ｔに対する酸素の割合を、総量Ｔに対する水素の割合よりも多くしてもよい。

【0052】

制御部３７は、例えば、アンモニアエンジン１１の回転数やトルクに応じて、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度を切り替えてもよい。これにより、アンモニアエンジン１１の低負荷運転時において、第１調整弁１５及び第２調整弁３３は、一方の開度が他方の開度よりも大きいときと、一方の開度が他方の開度よりも小さいときと、が切り替えられてもよい。なお、アンモニアエンジン１１の低負荷運転時において、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の一方の開度が他方の開度よりも大きい状態で、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度が調整されてもよい。要するに、アンモニアエンジン１１に供給されるアンモニアと酸素と水素の比率が好ましい比率となるように、制御部３７は、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度を調整していればよい。

【0053】

なお、例えば、第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に供給される酸素量と、第３供給流路３１からアンモニアエンジン１１に供給される水素量と、を制御部３７は推定あるいは検知してもよい。その結果に基づいて、制御部３７は、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度を調整してもよい。

【0054】

＜高負荷運転時の制御＞
アンモニアエンジン１１の高負荷運転時は、低負荷運転時と同様に、制御部３７は、燃料インジェクタ１４からアンモニアガスを噴射させるとともに第１調整弁１５を開弁状態にする。制御部３７は、改質インジェクタ２７からアンモニアガスを噴射させるとともに第２調整弁３３を開弁状態にする。なお、高負荷運転時は、例えば、アクセルペダルの開度が一定量である状態が継続された後に大きくなる場合に、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量を調整しないとアンモニアエンジン１１からのＮＯｘ排出量が基準値を超えるおそれのある運転時を指す。

【0055】

アンモニアエンジン１１の高負荷運転時において、総量Ｔに対する水素の割合は、アンモニアエンジン１１の始動時及び低負荷運転時よりも多くなる。そのため、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時において、総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量の割合Ｒは、アンモニアエンジン１１の始動時及び低負荷運転時よりも少なくなる。したがって、制御部３７は、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時に、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量が閾値以下となるように、第１調整弁１５及び第２調整弁３３を制御する。なお、閾値は、実験などによって予め設定された値である。閾値は、例えば、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量が閾値以下であるときに、アンモニアエンジン１１からのＮＯｘ排出量が基準値以下になる値に設定されている。閾値は、例えば、アンモニアエンジン１１の始動時にアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量よりも少ない値であって、且つアンモニアエンジン１１の低負荷運転時にアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量よりも少ない値に設定されている。

【0056】

例えば、制御部３７は、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時において、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量が閾値以下となるように、第１調整弁１５の開度と第２調整弁３３の開度とを調整する。これにより、例えば、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時において、制御部３７は、第１調整弁１５の開度及び第２調整弁３３の開度を調整することにより、総量Ｔに対する酸素と水素の割合を調整してもよい。例えば、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時において、制御部３７は、総量Ｔに対する水素の割合を、総量Ｔに対する酸素の割合よりも多くしてもよい。第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度を調整することで、制御部３７は、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量を閾値以下に調整する。アンモニアエンジン１１の高負荷運転時において、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度は適宜変更してもよい。例えば、アンモニアエンジン１１の回転数やトルクに応じて、第１調整弁１５及び第２調整弁３３の開度を切り替えてもよい。

【0057】

アンモニアエンジン１１の高負荷運転時では、低負荷運転時と同様に、第１供給流路１２から燃焼室１１ａに酸素富化空気と共にアンモニアが供給されるとともに、第３供給流路３１から燃焼室１１ａに改質ガスが供給される。燃焼室１１ａにおいて、アンモニアは酸素及び水素と共に燃焼する。

【0058】

＜アンモニアエンジンへの酸素の供給量＞
制御部３７は、アンモニアエンジン１１の運転時に総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量の割合Ｒが２３％以上６０％以下となるように、第１調整弁１５及び第２調整弁３３を制御する。詳細には、例えば、アンモニアエンジン１１の低負荷運転時の割合Ｒが、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時の割合Ｒよりも、上記の２３％以上６０％以下の範囲内で高くなるように、制御部３７は、第１調整弁１５及び第２調整弁３３を制御する。

【0059】

図２は、エンジン試験にて求められたものである。図２は、アンモニアエンジン１１が安定して運転できる条件下での、アンモニアエンジン１１の運転時における総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量の割合Ｒと、アンモニアエンジン１１の燃焼速度と、の関係を示す図である。図２においては、総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合毎に、割合Ｒと燃焼速度との関係を異なる線種で示している。なお、割合Ｒが２１％であるときは、酸素濃度が高めらない状態の空気が第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に供給されたと仮定した場合に相当する。また、割合Ｒが２１％である状況下において、アンモニアエンジン１１の運転時に要求される総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合は２０～５０％である。

【0060】

図２に示すように、総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合が５０％であるときであって、且つ割合Ｒが２１％であるとき、燃焼速度は第１燃焼速度ＳＰ１である。そして、総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合が０（ゼロ）％であるときに、第１燃焼速度ＳＰ１を実現させる場合、割合Ｒは５０％である。総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合が２０％であるときであって、且つ割合Ｒが２１％であるとき、燃焼速度は第２燃焼速度ＳＰ２である。そして、総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合が０（ゼロ）％であるときに、第２燃焼速度ＳＰ２を実現させる場合、割合Ｒは２７％である。

【0061】

したがって、総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合が０（ゼロ）％であるときに、割合Ｒを２７％以上５０％以下に調整することにより、アンモニアエンジン１１の運転時の要求を満たすことができる。なお、実際には、アンモニアエンジン１１の運転時には、総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される水素の量の割合が０（ゼロ）％ではないため、割合Ｒは上記の範囲よりも幅を持たせた２３％以上６０％以下が望ましい。制御部３７は、アンモニアエンジン１１の運転時に総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量の割合Ｒを２３％以上６０％以下に制御することにより、アンモニアエンジン１１の運転時の要求を満している。

【0062】

［実施形態の作用及び効果］
上記実施形態によれば以下の作用及び効果を得ることができる。
（１－１）第１供給流路１２には、酸素富化膜としての第１酸素富化膜５３によって空気よりも酸素濃度が高められた酸素富化空気が流入する。これにより、アンモニアエンジン１１の始動時に、改質器２３からアンモニアエンジン１１に供給される水素の量を減らしても、酸素濃度が高められた酸素富化空気を第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に供給できる。そのため、アンモニアエンジン１１を始動させることができる。また、改質器２３による水素の生成は、昇温部４１によってアンモニアを水素に分解するために最適な温度にまでアンモニアエンジン１１の始動前から改質部４２が昇温された後に行われる。そのため、改質器２３にて生成された水素がアンモニアエンジン１１に供給されるまでに時間を要する。制御部３７は、アンモニアエンジン１１の始動時に、供給部としての燃料インジェクタ１４から第１供給流路１２にアンモニアを供給するとともに、第１調整弁１５を開弁状態にする。これにより、アンモニアエンジン１１の始動時に、第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に酸素を供給できる。したがって、アンモニアエンジン１１の始動時に、第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に酸素を供給せず、且つ改質器２３からアンモニアエンジン１１に水素を供給する場合と比較して、アンモニアエンジン１１の始動を早期に行える。

【0063】

（１－２）制御部３７は、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時に、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量が閾値以下となるように、第１調整弁１５及び第２調整弁３３を制御する。アンモニアエンジン１１に対する酸素の供給量が多くなるほど、アンモニアエンジン１１の燃焼温度は高くなる傾向にある。また、アンモニアエンジン１１に対する水素の供給量が多くなるほど、アンモニアエンジン１１の燃焼温度は高くなる傾向にはある。しかしながら、アンモニアエンジン１１への水素の供給量に対する燃焼温度の上昇幅は、アンモニアエンジン１１への酸素の供給量に対する燃焼温度の上昇幅よりも緩やかである。アンモニアエンジン１１の高負荷運転時には、アンモニアエンジン１１での燃焼に伴う窒素酸化物の生成が懸念されるが、こうした場合に、アンモニアエンジン１１に供給される酸素の量を少なくすることで、アンモニアエンジン１１での燃焼温度を下げられる。したがって、アンモニアエンジン１１での燃焼に伴う窒素酸化物の生成を抑制できる。

【0064】

（１－３）第１供給流路１２からアンモニアエンジン１１に酸素を供給せず、且つ改質器２３からアンモニアエンジン１１に水素を供給する場合と比較して、改質器２３の体格を小さくできる。したがって、アンモニアエンジンシステム１０の体格を小さくできる。

【0065】

［変更例］
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施できる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施できる。

【0066】

○ 図３に示すように、アンモニアエンジン１１は、空気が流れる第４供給流路６２と、上流調整弁６３と、を備えてもよい。詳細には、第４供給流路６２の上流端には第３エアクリーナ６１が設けられている。第４供給流路６２には酸素富化膜が設けられていない。そのため、第３エアクリーナ６１を介して第４供給流路６２に流入した空気は、第４供給流路６２の下流端まで第４供給流路６２を流れる。第４供給流路６２の下流端は、第１供給流路１２における第１酸素富化膜５３と第１調整弁１５との間に接続されている。上流調整弁６３は、第１供給流路１２における第４供給流路６２の接続先に設けられている。これにより、上流調整弁６３は、第１供給流路１２における酸素富化膜としての第１酸素富化膜５３よりも下流側であって且つ第１調整弁１５よりも上流側に設けられる。第１供給流路１２のうち、上流調整弁６３よりも上流部分を上流流路１２ａとし、上流調整弁６３よりも下流部分を下流流路１２ｂとする。制御部３７は、アンモニアエンジン１１の運転状態に応じて上流調整弁６３を調整することによって、上流流路１２ａから下流流路１２ｂに流れる酸素富化空気の量と第４供給流路６２から下流流路１２ｂに流れる空気の量とを調整する。なお、制御部３７は、アンモニアエンジン１１の運転状態に応じて、上流流路１２ａと第４供給流路６２とで下流流路１２ｂに連通する流路を切り替えてもよい。この変更例によれば、以下の効果を得ることができる。

【0067】

（２－１）制御部３７は、アンモニアエンジン１１の運転状態に応じて上流調整弁６３を調整することによって、上流流路１２ａから下流流路１２ｂに流れる酸素富化空気の量と第４供給流路６２から下流流路１２ｂに流れる空気の量とを調整する。これにより、酸素富化空気に加えて、酸素濃度が高められていない状態の空気をアンモニアエンジン１１に供給できるため、アンモニアエンジン１１の運転状態に応じてより適切な量の酸素をアンモニアエンジン１１に供給できる。

【0068】

○ 図４に示すように、実施形態におけるアンモニアエンジンシステム１０から、第２供給流路２４、改質器２３、及び第３供給流路３１を省略してもよい。より詳細には、実施形態におけるアンモニアエンジンシステム１０から、さらに、第２エアクリーナ５２、第２酸素富化膜５４、第２調整弁３３、及びクーラ３２が省略されている。これにより、アンモニアエンジン１１には、改質器２３によって生成された水素は供給されず、第１供給流路１２から酸素富化空気が供給される。この変更例によれば、アンモニアエンジンシステム１０からアンモニアエンジン１１への水素の供給系を省略できるため、その分だけアンモニアエンジンシステム１０の体格を小さくできる。また、アンモニアタンク２１に貯留されるアンモニアを全てアンモニアエンジン１１への供給のために用いることができる。そのため、アンモニアタンク２１に貯留されるアンモニアの一部が改質器２３に供給される場合と比較して、改質部４２での燃焼反応に使用される分のアンモニアを削減できる分だけ、アンモニアタンク２１を小さくできる。したがって、アンモニアタンク２１の設置スペースを削減できる。

【0069】

○ アンモニアエンジン１１の運転時に、アンモニアエンジン１１に供給される総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量の割合Ｒが２３％未満となるように、制御部３７は第１調整弁１５及び第２調整弁３３を制御してもよい。アンモニアエンジン１１の運転時に、アンモニアエンジン１１に供給される総量Ｔに対するアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量の割合Ｒが６０％より高くなるように、制御部３７は第１調整弁１５及び第２調整弁３３を制御してもよい。

【0070】

○ 水素は単位発熱量が少ない性質を有するため、アンモニアエンジン１１に水素を供給する場合、水素によってアンモニアエンジン１１のトルクは大きくなり難い。その反面、アンモニアエンジン１１に水素を供給するとともにアンモニアエンジン１１に供給する酸素の量を増やすと、アンモニアエンジン１１のトルクは大きくなりやすい。そのため、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時に要求されるトルクに応じてアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量が、低負荷運転時よりも多くなるように、制御部３７は第１調整弁１５や第２調整弁３３の開度を調整してもよい。制御部３７は、第１調整弁１５や第２調整弁３３の開度を調整することで、アンモニアエンジン１１の運転状態に応じてアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量を調整してもよい。

【0071】

○ 制御部３７は、アンモニアエンジン１１の高負荷運転時にアンモニアエンジン１１に供給される酸素の量が閾値より多くなるように、第１調整弁１５及び第２調整弁３３を制御してもよい。

【0072】

○ 制御部３７は、アンモニアエンジン１１の始動時に、改質インジェクタ２７から第２供給流路２４にアンモニアを供給するとともに、第２調整弁３３を開弁状態にしてもよい。要するに、制御部３７は、アンモニアエンジン１１の始動時に、供給部としての燃料インジェクタ１４から第１供給流路１２にアンモニアを供給するとともに、第１調整弁１５を開弁状態にすればよい。

【0073】

○ 制御部３７は、アンモニアエンジン１１の運転条件、改質器２３への供給空気量、改質インジェクタ２７からの噴射量、昇温部４１への通電時間などから、改質部４２の温度が規定温度以上であるかどうかを判断してもよい。この場合、アンモニアエンジン１１から温度センサ３６を省略してもよい。

【0074】

○ 第２調整弁３３は、第３供給流路３１に設けられていてもよい。この変更例における第２調整弁３３は、第３供給流路３１の開度を調整することにより、第３供給流路３１を介して第２供給流路２４から改質器２３に供給される空気の量を調整する。これにより、この変更例における第２調整弁３３は、第２供給流路２４に供給される酸素を含む空気の量を調整する。

【0075】

○ アンモニアエンジンシステム１０は、燃料インジェクタ１４以外の供給部を備えていてもよい。この場合の供給部は、例えばミキサーである。また、アンモニアエンジンシステム１０は、改質インジェクタ２７にかえて、第２供給流路２４にアンモニアガスを噴射するミキサーを備えてもよい。

【0076】

○ アンモニアエンジンシステム１０から気化器２２を省略してもよい。この場合、アンモニアタンク２１は、燃料インジェクタ１４及び改質インジェクタ２７の各々に接続される。これにより、アンモニアタンク２１に貯蔵された液体アンモニアが、燃料インジェクタ１４及び改質インジェクタ２７に供給される。燃料インジェクタ１４及び改質インジェクタ２７は、液体アンモニアを噴射する。なお、この場合、アンモニアエンジンシステム１０は、燃料噴射用のポンプを有してもよい。燃料噴射用のポンプによってアンモニアタンク２１から燃料インジェクタ１４及び改質インジェクタ２７へと液体アンモニアが供給されてもよい。

【0077】

○ アンモニアエンジンシステム１０から第２酸素富化膜５４を省略してもよい。
○ 第１エアクリーナ５１と第２エアクリーナ５２にかえて、１つのエアクリーナをアンモニアエンジンシステム１０に設けてもよい。例えば、この場合のエアクリーナは、第１供給流路１２に設けられる。第２供給流路２４の上流端は、第１供給流路１２におけるエアクリーナと第１酸素富化膜５３との間に接続される。これにより、第１供給流路１２における第１酸素富化膜５３よりも下流側には、第１酸素富化膜５３によって酸素濃度が高められた酸素富化空気が流れる。第２供給流路２４には、第１酸素富化膜５３によって酸素濃度が高められていない空気が流れる。なお、第２供給流路２４の上流端は、第１供給流路１２における第１酸素富化膜５３と第１調整弁１５との間に接続されてもよい。

【符号の説明】

【0078】

Ｒ…割合、Ｔ…総量、１０…アンモニアエンジンシステム、１１…アンモニアエンジン、１２…第１供給流路、１２ａ…上流流路、１２ｂ…下流流路、１４…供給部としての燃料インジェクタ、１５…第１調整弁、２３…改質器、２４…第２供給流路、３１…第３供給流路、３３…第２調整弁、３７…制御部、４１…昇温部、４２…改質部、５３…酸素富化膜としての第１酸素富化膜、６２…第４供給流路、６３…上流調整弁。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】