特許 7298535 エンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-19

(45)【発行日】2023-06-27

(54)【発明の名称】エンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/08 20060101AFI20230620BHJP

   F02D 19/02 20060101ALI20230620BHJP

   F02M 27/02 20060101ALI20230620BHJP

   C01B 3/04 20060101ALI20230620BHJP

【ＦＩ】

F02D19/08 Z

F02D19/08 B

F02D19/02 A

F02M27/02 Z

C01B3/04 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020078186

(22)【出願日】2020-04-27

(65)【公開番号】P2021173232

(43)【公開日】2021-11-01

【審査請求日】2022-07-14

(73)【特許権者】

【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】本間 隆行

(72)【発明者】

【氏名】竹内 秀隆

【審査官】北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２１１１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１０５８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７８６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３８５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１８５６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２５００４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｄ １９／０８

Ｆ０２Ｄ １９／０２

Ｆ０２Ｍ ２７／０２

Ｃ０１Ｂ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
前記エンジンから発生した排気ガスが流れる排気通路と、
前記エンジンに向けてアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁と、
前記吸気通路に配設され、前記エンジンに供給される前記空気の流量を制御する空気流量制御弁と、
前記アンモニアを貯蔵するアンモニアタンクと、
前記アンモニアを燃焼させて発生した熱を利用して前記アンモニアを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前記空気が流れる空気流路と、
前記改質器に前記アンモニアを供給するアンモニア供給部と、
前記空気流路に配設され、前記改質器に供給される前記空気の流量を調整する空気流量調整部と、
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、
前記アンモニアタンク内の前記アンモニアの残量を検知する残量検知部と、
前記アンモニア噴射弁、前記空気流量制御弁、前記アンモニア供給部及び前記空気流量調整部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記残量検知部により検知された前記アンモニアタンク内の前記アンモニアの残量が予め決められた規定量以下であるときに、前記改質器に供給される前記空気の流量を減少させるように前記空気流量調整部を制御するエンジンシステム。

【請求項2】

前記残量検知部は、前記アンモニアタンク内の前記アンモニアの残圧を検出する圧力センサを有し、前記アンモニアの残圧から前記アンモニアの残量を検知する請求項１記載のエンジンシステム。

【請求項3】

前記改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、
前記制御部は、前記改質器に供給される前記空気の流量を減少させるように前記空気流量調整部を制御した後、前記温度検出部により検出された前記改質器の温度が予め決められた規定温度以下になると、前記アンモニア噴射弁及び前記空気流量制御弁を閉じるように制御すると共に、前記改質器への前記アンモニア及び前記空気の供給を停止させるように前記アンモニア供給部及び前記空気流量調整部を制御する請求項１または２記載のエンジンシステム。

【請求項4】

前記残量検知部により検知された前記アンモニアタンク内の前記アンモニアの残量が前記規定量以下であるときに、前記アンモニアの残量が空に近い状態である旨を報知する報知部を更に備える請求項１～３の何れか一項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、この機関本体の燃焼室に接続された機関吸気通路及び機関排気通路と、機関吸気通路の内部に配置されたスロットル弁と、機関吸気通路に向かって気体のアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁と、液体のアンモニアを貯留するタンクと、液体のアンモニアを加熱して気化させる蒸発器と、気体のアンモニアを触媒により分解して水素を生成する分解器と、機関吸気通路と接続され、分解器に空気を供給する空気供給管と、機関吸気通路と接続され、分解器で生成された水素を含む気体が流出する流出管と、気体のアンモニアを蒸発器からアンモニア噴射弁に供給するアンモニア供給管とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－２１１１５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記従来技術においては、タンク内のアンモニアが空の状態になると、燃料切れによりエンジンが停止してしまう。このとき、燃料であるアンモニアの不足によって改質器の内部が酸化雰囲気に晒されやすくなるため、特に高温時に改質器の触媒の酸化劣化が進んでしまう。

【0005】

本発明の目的は、燃料切れによる改質器の触媒の酸化劣化を防止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】

本発明の一態様に係るエンジンシステムは、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、エンジンから発生した排気ガスが流れる排気通路と、エンジンに向けてアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁と、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空気流量制御弁と、アンモニアを貯蔵するアンモニアタンクと、アンモニアを燃焼させて発生した熱を利用してアンモニアを水素に分解する触媒を有し、アンモニア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、改質器にアンモニアを供給するアンモニア供給部と、空気流路に配設され、改質器に供給される空気の流量を調整する空気流量調整部と、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、アンモニアタンク内のアンモニアの残量を検知する残量検知部と、アンモニア噴射弁、空気流量制御弁、アンモニア供給部及び空気流量調整部を制御する制御部とを備え、制御部は、残量検知部により検知されたアンモニアタンク内のアンモニアの残量が予め決められた規定量以下であるときに、改質器に供給される空気の流量を減少させるように空気流量調整部を制御する。

【0007】

このようなエンジンシステムにおいては、改質器及びエンジンにそれぞれアンモニア及び空気が供給されると、改質器によってアンモニアが改質されて水素を含有した改質ガスが生成され、エンジンに改質ガスが供給される。そして、エンジンにおいて、アンモニアが改質ガス中の水素と共に燃焼する。エンジンの燃焼動作時には、アンモニアが消費されるため、アンモニアタンク内のアンモニアの残量が徐々に少なくなる。そこで、残量検知部によってアンモニアタンク内のアンモニアの残量が検知される。このとき、アンモニアタンク内のアンモニアの残量が規定量以下であるときは、改質器に供給される空気の流量が減少するように空気流量調整部が制御される。このため、改質器の内部が酸化雰囲気に晒されにくくなる。また、改質器に供給される空気の流量が減少することで、改質器におけるアンモニアの燃焼の促進が抑えられるため、改質器の温度上昇が抑制される。以上により、燃料切れによって改質器の触媒の酸化劣化が進むことが防止される。

【0008】

残量検知部は、アンモニアタンク内のアンモニアの残圧を検出する圧力センサを有し、アンモニアの残圧からアンモニアの残量を検知してもよい。このような構成では、圧力センサを使用することにより、アンモニアタンク内のアンモニアの残量を簡単に且つ安価に検知することができる。

【0009】

エンジンシステムは、改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、制御部は、改質器に供給される空気の流量を減少させるように空気流量調整部を制御した後、温度検出部により検出された改質器の温度が予め決められた規定温度以下になると、アンモニア噴射弁及び空気流量制御弁を閉じるように制御すると共に、改質器へのアンモニア及び空気の供給を停止させるようにアンモニア供給部及び空気流量調整部を制御してもよい。このような構成では、改質器の温度が規定温度以下になると、改質器へのアンモニア及び空気の供給が停止するため、改質器による改質ガスの生成が停止する。また、エンジンへのアンモニア、空気及び改質ガスの供給も停止するため、エンジンが停止するようになる。

【0010】

エンジンシステムは、残量検知部により検知されたアンモニアタンク内のアンモニアの残量が規定量以下であるときに、アンモニアの残量が空に近い状態である旨を報知する報知部を更に備えてもよい。このような構成では、車両の運転者は、報知部によってアンモニアタンク内のアンモニアの残量が僅かであることを知り、手動運転により車両を安全な場所に移動させることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、燃料切れによる改質器の触媒の酸化劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】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2】図１に示されたエンジンシステムの制御系の構成を示すブロック図である。

【図3】図２に示された制御ユニットにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。

【図4】アンモニアガス及び空気の供給流量と改質触媒の温度との関係を状態毎に比較して示すグラフである。

【図5】図１に示された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】

【0013】

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。

【0014】

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、エンジン式の車両１０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、複数（ここでは４つ）の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。

【0015】

アンモニアエンジン２は、アンモニア（ＮＨ_３）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は、例えば４気筒エンジンであり、４つの燃焼室２ａを有している。燃焼室２ａには、アンモニアと共に水素（Ｈ_２）が供給される。これにより、燃焼室２ａにおいてアンモニアに水素が混合されるため、アンモニアが燃焼しやすくなる。

【0016】

吸気通路３は、燃焼室２ａに接続されている。吸気通路３は、燃焼室２ａに供給される空気が流れる通路である。吸気通路３には、空気に含まれる塵及び埃等の異物を除去するエアクリーナ７が配設されている。

【0017】

排気通路４は、燃焼室２ａに接続されている。排気通路４は、燃焼室２ａから発生した排気ガスが流れる通路である。排気通路４には、排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気浄化触媒８が配設されている。

【0018】

メインインジェクタ５は、燃焼室２ａに向けてアンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を噴射する電磁式のアンモニア噴射弁である。メインインジェクタ５は、後述する気化器１２とアンモニアガス流路９を介して接続されている。アンモニアガス流路９は、アンモニアガスが流れる流路である。メインインジェクタ５は、アンモニアエンジン２に取り付けられている。

【0019】

メインスロットルバルブ６は、吸気通路３におけるエアクリーナ７とアンモニアエンジン２との間に配設されている。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空気流量制御弁である。

【0020】

また、エンジンシステム１は、アンモニアタンク１１と、気化器１２と、改質器１３と、空気流路１４と、改質スロットルバルブ１５と、改質インジェクタ１６と、電気ヒータ１７と、改質ガス流路１８と、改質ガスクーラ１９と、ストップバルブ２０とを備えている。

【0021】

アンモニアタンク１１は、アンモニアを液体状態で貯蔵するタンクである。つまり、アンモニアタンク１１は、液体アンモニアを貯蔵する。気化器１２は、アンモニアタンク１１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。

【0022】

改質器１３は、アンモニアガスを改質して、水素を含有した改質ガスを生成する。改質器１３は、例えばハニカム構造の担体１３ａと、この担体１３ａに塗布された改質触媒１３ｂとを有している。

【0023】

改質触媒１３ｂ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水素に分解する触媒である。改質触媒１３ｂは、アンモニアガスを水素に分解する機能に加え、アンモニアガスを燃焼させる機能も有している。改質触媒１３ｂは、例えばＡＴＲ（Autothermal Reformer）式アンモニア改質触媒である。改質触媒１３ｂ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。

【0024】

空気流路１４は、吸気通路３と改質器１３とを接続している。具体的には、空気流路１４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との間の部分に分岐接続されている。空気流路１４の他端は、改質器１３に接続されている。空気流路１４は、改質器１３に供給される空気が流れる流路である。

【0025】

改質スロットルバルブ１５は、空気流路１４に配設されている。改質スロットルバルブ１５は、改質器１３に供給される空気の流量を調整する電磁式の空気流量調整部である。

【0026】

改質インジェクタ１６は、気化器１２とアンモニアガス流路２１を介して接続されている。アンモニアガス流路２１は、気化器１２により生成されたアンモニアガスが流れる流路である。改質インジェクタ１６は、改質器１３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。具体的には、改質インジェクタ１６は、空気流路１４における改質スロットルバルブ１５と改質器１３との間にアンモニアガスを噴射する。従って、空気流路１４における改質スロットルバルブ１５と改質器１３との間の部分には、空気及びアンモニアガスが流れることとなる。改質インジェクタ１６は、改質器１３にアンモニアガスを供給するアンモニア供給部を構成している。

【0027】

アンモニアガス流路２１には、減圧弁２３が配設されている。減圧弁２３は、アンモニアエンジン２及び改質器１３に供給されるアンモニアガスを減圧して、アンモニアガスの圧力を所定圧に保持する。

【0028】

電気ヒータ１７は、改質器１３に供給されるアンモニアガスを加熱することにより、改質器１３を昇温させる。電気ヒータ１７は、空気流路１４に配設された発熱体２４と、この発熱体２４を通電するヒータ電源２５とを有している。発熱体２４は、例えばハニカム構造を呈している。電気ヒータ１７により加熱されたアンモニアガスの熱が改質器１３に伝達されることで、改質器１３が昇温する。なお、電気ヒータ１７は、改質器１３を直接加熱することにより、改質器１３を昇温させてもよい。

【0029】

改質ガス流路１８は、改質器１３と吸気通路３とを接続している。具体的には、改質ガス流路１８の一端は、改質器１３に接続されている。改質ガス流路１８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との間の部分に分岐接続されている。改質ガス流路１８は、改質器１３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。

【0030】

改質ガスクーラ１９は、改質ガス流路１８に配設されている。改質ガスクーラ１９は、アンモニアエンジン２に供給される改質ガスを冷却する。これにより、メインスロットルバルブ６等の吸気系部品が熱により損傷することが防止される。また、改質ガスの体積膨張が抑制されるため、空気がアンモニアエンジン２の燃焼室２ａに十分に吸入されやすくなる。

【0031】

ストップバルブ２０は、改質ガス流路１８における改質ガスクーラ１９と吸気通路３との間に配設されている。ストップバルブ２０は、改質ガス流路１８を開閉する電磁式の開閉弁である。

【0032】

また、エンジンシステム１は、圧力センサ２７と、温度センサ２８と、表示器２９と、制御ユニット３０とを備えている。

【0033】

圧力センサ２７は、アンモニアタンク１１内の圧力を検出するセンサである。具体的には、圧力センサ２７は、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残圧を検出する。

【0034】

温度センサ２８は、改質器１３の温度を検出する温度検出部である。温度センサ２８は、例えば改質器１３の改質触媒１３ｂの温度を検出する。

【0035】

表示器２９は、エンジンシステム１の各部の状態を表示する。表示器２９は、例えばエンジンシステム１の各部の状態を音声と共に画面表示する。

【0036】

制御ユニット３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。制御ユニット３０は、圧力センサ２７及び温度センサ２８の検出値等に基づいて、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１５、改質インジェクタ１６、ストップバルブ２０、ヒータ電源２５及び表示器２９を制御する。

【0037】

制御ユニット３０は、図２に示されるように、残量判定部３１と、表示制御部３２と、バルブ制御部３３とを有している。

【0038】

残量判定部３１は、圧力センサ２７の検出値に基づいて、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であるかどうかを判定することにより、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態、つまり燃料切れに近い状態であるかどうかを判定する。残量判定部３１は、圧力センサ２７と協働して、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量を検知する残量検知部を構成している。

【0039】

表示制御部３２は、残量判定部３１によりアンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態であると判定されたときに、液体アンモニアの残量が空に近い状態である旨を報知させるように表示器２９を制御する。表示制御部３２は、表示器２９と協働して、残量判定部３１により検知されたアンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であるときに、液体アンモニアの残量が空に近い状態である旨を報知する報知部を構成している。

【0040】

バルブ制御部３３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１５、改質インジェクタ１６及びストップバルブ２０を制御する制御部を構成している。

【0041】

バルブ制御部３３は、残量判定部３１により検知されたアンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であるときに、改質器１３に供給される空気の流量を減少させるように改質スロットルバルブ１５を制御し、その後温度センサ２８により検出された改質器１３の温度が規定温度以下になると、メインインジェクタ５、改質インジェクタ１６、メインスロットルバルブ６及び改質スロットルバルブ１５を閉じるように制御する。改質インジェクタ１６を閉じると、改質器１３へのアンモニアガスの供給が停止する。改質スロットルバルブ１５を閉じると、改質器１３への空気の供給が停止する。

【0042】

図３は、制御ユニット３０により実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。本処理は、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運転時に実行される。なお、定常運転時には、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１５、改質インジェクタ１６及びストップバルブ２０は、開状態となっている。

【0043】

図３において、制御ユニット３０は、まず圧力センサ２７の検出値を取得する（手順Ｓ１０１）。続いて、制御ユニット３０は、圧力センサ２７の検出値に基づいて、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が予め決められた規定量以下であるかどうかを判定する（手順Ｓ１０２）。

【0044】

アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が少なくなると、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残圧が低下する。このため、アンモニアタンク１１内における液体アンモニアの残量と液体アンモニアの残圧との関係を予め実験等により求め、マップデータとしてメモリに記憶しておく。

【0045】

そして、制御ユニット３０は、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残圧が予め決められた規定圧以下であるかどうかを判断し、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残圧が規定圧以下であると判断したときに、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であると判定する。制御ユニット３０は、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下でないと判断したときは、手順Ｓ１０１を再度実行する。

【0046】

制御ユニット３０は、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であると判断したときは、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態である旨を表示器２９に表示させるように表示器２９を制御する（手順Ｓ１０３）。このとき、表示器２９は、液体アンモニアの残量が空に近い状態であることがすぐに分かる画面表示に加えて、例えば「自動クールダウン→停止します」といった案内表示を行ってもよい。

【0047】

そして、制御ユニット３０は、改質スロットルバルブ１５の開度が小さくなるように改質スロットルバルブ１５を制御する（手順Ｓ１０４）。これにより、改質器１３に供給される空気の流量が減少する。このとき、空気の供給流量は、改質器１３の温度が改質触媒１３ｂの酸化劣化が発生する酸化劣化温度域の下限温度Ｔ_Ｌ（図４参照）よりも低くなるように設定される。また、空気の供給流量は、例えばアンモニアガスの供給流量よりも少なくなるように設定される（図４参照）。

【0048】

続いて、制御ユニット３０は、温度センサ２８の検出値を取得する（手順Ｓ１０５）。そして、制御ユニット３０は、温度センサ２８の検出値に基づいて、改質器１３の温度が予め決められた規定温度以下であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０６）。規定温度は、例えば酸化劣化温度域よりも低い温度である。制御ユニット３０は、改質器１３の温度が規定温度以下でないと判断したときは、手順Ｓ１０５を再度実行する。

【0049】

制御ユニット３０は、改質器１３の温度が規定温度以下であると判断したときは、メインインジェクタ５及び改質インジェクタ１６を閉じるように制御する（手順Ｓ１０７）。これにより、アンモニアエンジン２及び改質器１３へのアンモニアガスの供給が停止する。

【0050】

続いて、制御ユニット３０は、改質スロットルバルブ１５及びストップバルブ２０を閉じるように制御する（手順Ｓ１０８）。これにより、改質器１３への空気の供給が停止する。続いて、制御ユニット３０は、メインスロットルバルブ６を閉じるように制御する（手順Ｓ１０９）。これにより、アンモニアエンジン２への空気の供給が停止する。手順Ｓ１０８，Ｓ１０９は、例えば手順Ｓ１０７の直後に実行される。なお、手順Ｓ１０７～Ｓ１０９は、同時に実行されてもよい。

【0051】

ここで、残量判定部３１は、手順Ｓ１０１，Ｓ１０２を実行する。表示制御部３２は、手順Ｓ１０３を実行する。バルブ制御部３３は、手順Ｓ１０４～Ｓ１０９を実行する。

【0052】

以上において、エンジンシステム１が起動されると、電気ヒータ１７の発熱体２４が発熱する。そして、改質インジェクタ１６が開弁することで、改質インジェクタ１６からアンモニアガスが噴射し、改質器１３にアンモニアガスが供給される。このとき、発熱体２４の熱によってアンモニアガスが加熱され、暖められたアンモニアガスの熱が改質器１３に伝達されるため、改質器１３が昇温する。そして、改質スロットルバルブ１５が開弁することで、改質器１３に空気が供給される。このとき、アンモニアガスの供給流量は、空気の供給流量よりも多い（図４参照）。

【0053】

次いで、メインスロットルバルブ６及びメインインジェクタ５が開弁することで、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａに空気が供給されると共に、メインインジェクタ５からアンモニアガスが噴射し、アンモニアエンジン２の燃焼室２ａにアンモニアガスが供給される。

【0054】

改質器１３の温度が燃焼可能温度に達すると、改質器１３の改質触媒１３ｂによってアンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱によって改質器１３が更に昇温する。具体的には、下記式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応（酸化反応）することで、アンモニアの燃焼反応が起こる。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ

【0055】

そして、改質器１３の温度が改質可能温度に達すると、改質器１３の改質触媒１３ｂによってアンモニアガスの改質が開始され、水素を含有した改質ガスが生成される。具体的には、下記式のように、アンモニアの燃焼熱によってアンモニアが水素と窒素とに分解される改質反応が起こり、水素及び窒素を含む改質ガスが生成される。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２－Ｑ

【0056】

改質ガスは、改質ガス流路１８を流れてアンモニアエンジン２の燃焼室２ａに供給される。これにより、燃焼室２ａ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ようになる。以上により、エンジンシステム１は、改質器１３の暖気が完了した後の定常運転となる。

【0057】

そのような定常運転時には、アンモニアガスが消費されるため、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が徐々に少なくなる。そして、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態になると、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態である旨が表示器２９に画面表示される。すると、車両１０の運転者は、表示器２９の画面表示を見て、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態であることを知り、手動運転により車両１０を安全な場所へ移動させることができる。

【0058】

また、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態になると、改質器１３に供給される空気の流量が減少する。このため、後述するように、改質器１３の改質触媒１３ｂの温度上昇が抑えられる。ただし、改質器１３には空気が供給され続けるため、改質器１３による改質動作が継続される。

【0059】

その後、改質器１３の温度が規定温度以下になると、メインインジェクタ５及び改質インジェクタ１６が閉弁することで、アンモニアエンジン２及び改質器１３へのアンモニアガスの供給が停止すると共に、メインスロットルバルブ６及び改質スロットルバルブ１５が閉弁することで、アンモニアエンジン２及び改質器１３への空気の供給が停止する。これにより、アンモニアエンジン２が惰性で数回転してから完全に停止する。

【0060】

ここで、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が足りている状態にある正常時には、図４（ａ）に示されるように、改質器１３に供給されるアンモニアガス及び空気の流量は一定である。なお、図４において、実線Ｐが改質器１３に供給されるアンモニアガスの流量を示し、破線Ｑが改質器１３に供給される空気の流量を示している。このとき、発熱反応であるアンモニアの燃焼反応と吸熱反応であるアンモニアの改質反応とが平衡状態となっている。このため、改質触媒１３ｂの温度（図４中の実線Ｒ参照）は、酸化劣化温度域の下限温度Ｔ_Ｌ（前述）よりも低い温度で一定となる。

【0061】

アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態となる異常時には、図４（ｂ）に示されるように、改質器１３に供給されるアンモニアガスの流量が減少する。従って、アンモニアの改質反応が抑制されるため、発熱反応と吸熱反応との熱バランスが崩れ、発熱反応が吸熱反応に比べて促進される。その結果、改質触媒１３ｂの温度が上昇する。

【0062】

このとき、改質器１３に供給されるアンモニアガスの流量が改質器１３に供給される空気の流量よりも少なくなると、改質器１３の内部が酸素雰囲気に晒されやすくなる。このため、改質触媒１３ｂの温度が酸化劣化温度域に達すると、改質触媒１３ｂの酸化劣化が進んでしまう。

【0063】

そのような不具合に対し、図４（ｃ）に示されるように、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が空に近い状態となったときに、改質器１３に供給される空気の流量を減少させると、改質器１３の内部が酸素雰囲気に晒されにくくなる。また、改質器１３に供給される空気の流量を減少させることにより、改質触媒１３ｂの燃焼反応の促進が抑えられる。従って、発熱反応と吸熱反応との熱バランスが均等になり、改質触媒１３ｂの温度上昇が抑えられるため、改質触媒１３ｂの温度が酸化劣化温度域に達することが防止される。従って、改質器１３の内部が僅かに酸素雰囲気に晒されても、改質触媒１３ｂの酸化劣化の進行が抑制される。

【0064】

以上のように本実施形態にあっては、改質器１３及びアンモニアエンジン２にそれぞれアンモニアガス及び空気が供給されると、改質器１３によってアンモニアガスが改質されて水素を含有した改質ガスが生成され、アンモニアエンジン２に改質ガスが供給される。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。アンモニアエンジン２の燃焼動作時には、アンモニアガスが消費されるため、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が徐々に少なくなる。そこで、圧力センサ２７及び残量判定部３１によって、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が検知される。このとき、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であるときは、改質器１３に供給される空気の流量が減少するように改質スロットルバルブ１５が制御される。このため、改質器１３の内部が酸化雰囲気に晒されにくくなる。また、改質器１３に供給される空気の流量が減少することで、改質器１３におけるアンモニアガスの燃焼の促進が抑えられるため、改質器１３の温度上昇が抑制される。以上により、燃料切れによって改質器１３の改質触媒１３ｂの酸化劣化が進むことが防止される。

【0065】

また、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であると検知されても、改質器１３による改質ガスの生成が規定時間継続されるように改質スロットルバルブ１５及び改質インジェクタ１６が制御される。従って、アンモニアエンジン２への改質ガスの供給が継続されるため、アンモニアエンジン２の燃焼動作が継続される。このため、アンモニアエンジン２が停止するまでの間に車両１０を安全な場所に移動させることが可能となる。これにより、燃料切れになりそうな状況でも、安全な場所でアンモニアエンジン２を停止させることができる。

【0066】

また、本実施形態では、圧力センサ２７により検出されたアンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残圧から、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が検知される。このように圧力センサ２７を使用することにより、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量を簡単に且つ安価に検知することができる。

【0067】

また、本実施形態では、改質器１３の温度が規定温度以下になると、改質器１３へのアンモニアガス及び空気の供給が停止するため、改質器１３による改質ガスの生成が停止する。また、アンモニアエンジン２へのアンモニアガス、空気及び改質ガスの供給も停止するため、アンモニアエンジン２が停止するようになる。

【0068】

また、本実施形態では、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が規定量以下であるときは、液体アンモニアの残量が空に近い状態である旨が報知される。従って、車両１０の運転者は、表示器２９によってアンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量が僅かであることを知り、手動運転により車両１０を安全な場所に確実に移動させることができる。

【0069】

図５は、図１に示されたエンジンシステム１の変形例を示す概略構成図である。図５において、本変形例のエンジンシステム１は、上記の実施形態における構成に加え、流量計３５を備えている。流量計３５は、アンモニアガス流路２１を流れるアンモニアガスの流量を計測する。流量計３５は、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量を検知する残量検知部の一部を構成する。

【0070】

このような流量計３５を使用することにより、アンモニアタンク１１内の液体アンモニアの残量を精度良く検知することができる。また、アンモニアガス流路２１、気化器１２及び減圧弁２３といったアンモニアガスの供給系の異常を検知することもできる。

【0071】

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、温度センサ２８により改質器１３の温度が直接検出されているが、特にその形態には限られず、改質器１３の出口から出力された改質ガスの温度を温度センサ２８で計測し、その計測値から改質器１３の温度を推定することで、改質器１３の温度を検出してもよい。

【0072】

また、上記実施形態では、改質器１３の温度が規定温度以下になったときに、アンモニアエンジン２が停止するようにメインインジェクタ５、改質インジェクタ１６、メインスロットルバルブ６、改質スロットルバルブ１５及びストップバルブ２０が閉制御されているが、特にそのような形態には限られない。例えば、アンモニアガスの流量、空気の流量、時間及び室温等から改質器１３の温度を推定することも可能であるため、改質スロットルバルブ１５の開度を小さくするように変更してからの経過時間に基づいて、アンモニアエンジン２が停止するようにメインインジェクタ５、改質インジェクタ１６、メインスロットルバルブ６、改質スロットルバルブ１５及びストップバルブ２０を閉制御してもよい。

【0073】

また、上記実施形態では、改質器１３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１３ｂ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１３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有していてもよい。

【0074】

また、上記実施形態では、アンモニアエンジン２の各燃焼室２ａにアンモニアガスを噴射する複数のメインインジェクタ５がアンモニアエンジン２に取り付けられているが、メインインジェクタ５の数としては、１つであってもよい。この場合には、メインインジェクタ５は、吸気通路３にアンモニアガスを噴射するように配置されていてもよい。

【0075】

また、上記実施形態では、改質器１３に供給される空気が流れる空気流路１４が吸気通路３に分岐接続されているが、特にその形態には限られず、アンモニアエンジン２と接続された吸気通路３とは異なる経路から空気流路１４に空気が供給されてもよい。この場合には、吸気通路３の脈動の影響を受けることを防止できる。

【0076】

また、上記実施形態では、アンモニアガス流路２１に、改質器１３に向けてアンモニアガスを噴射する改質インジェクタ１６が接続されているが、特にその形態には限られず、例えば改質インジェクタ１６に代えて、流量調整弁を用いてもよい。この場合には、アンモニアガス流路２１を空気流路１４に接続すると共に、アンモニアガス流路２１に流量調整弁を配設する。流量調整弁を用いることにより、アンモニアガスを改質器１３に連続供給することができる。この場合、流量調整弁は、アンモニア供給部を構成する。

【0077】

また、上記実施形態では、吸気通路３にメインスロットルバルブ６が配設され、空気流路１４に改質スロットルバルブ１５が配設されているが、特にそのようなスロットルバルブには限られず、例えばマスフローコントローラを使用してもよい。この場合、空気流路１４に配設されたマスフローコントローラは、空気流量調整部を構成する。また、空気流量調整部は、圧縮機やポンプ等であってもよい。

【0078】

また、上記実施形態では、アンモニアエンジン２及び改質器１３に供給される燃料として、気体のアンモニアガスが使用されているが、特にそれには限られず、液体のアンモニアを使用してもよい。この場合には、気化器１２が不要となる。

【0079】

また、上記実施形態のエンジンシステム１は、エンジン式の車両１０に搭載されているが、本発明は、例えばハイリッド式の車両にも適用可能である。また、本発明は、特に車両には限られず、例えば定置式の発電機等にも適用可能である。

【符号の説明】

【0080】

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、４…排気通路、５…メインインジェクタ（アンモニア噴射弁）、６…メインスロットルバルブ（空気流量制御弁）、１３…改質器、１３ｂ…改質触媒（触媒）、１４…空気流路、１５…改質スロットルバルブ（空気流量調整部）、１６…改質インジェクタ（アンモニア供給部）、１８…改質ガス流路、２７…圧力センサ（残量検知部）、２８…温度センサ（温度検出部）、２９…表示器（報知部）、３１…残量判定部（残量検知部）、３２…表示制御部（報知部）、３３…バルブ制御部（制御部）、３５…流量計（残量検知部）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】