特許 7537370 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】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】エンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/08 20060101AFI20240814BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20240814BHJP

   F02M 25/00 20060101ALI20240814BHJP

   F02M 27/02 20060101ALI20240814BHJP

   F02M 31/20 20060101ALI20240814BHJP

【ＦＩ】

F02D19/08 B

F02M21/02 G

F02M21/02 K

F02M25/00 F

F02M25/00 G

F02M27/02 U

F02M31/20 C

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021094141

(22)【出願日】2021-06-04

(65)【公開番号】P2022186094

(43)【公開日】2022-12-15

【審査請求日】2023-09-18

(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】久保 秀人

(72)【発明者】

【氏名】松本 祥平

(72)【発明者】

【氏名】中谷 規之介

【審査官】小関 峰夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１２２３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０２９０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１８５５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１１１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１３５０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１０９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１７２９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０９０７３９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｄ １９／０８

Ｆ０２Ｍ ２１／０２

Ｆ０２Ｍ ２５／００

Ｆ０２Ｍ ２７／０２

Ｆ０２Ｍ ３１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料が燃焼する燃焼室を有するエンジンと、
燃料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と、
前記改質器により生成された前記改質ガスが前記燃焼室に向けて流れる改質ガス流路と、
前記燃焼室に燃料を供給する第１燃料供給部と、
前記燃焼室に空気を供給する第１空気供給部と、
前記改質器に燃料を供給する第２燃料供給部と、
前記改質器に空気を供給する第２空気供給部と、
前記エンジンを冷却するエンジン冷却水が循環する冷却水循環流路と、
前記改質ガス流路に配設され、前記エンジン冷却水を利用して前記改質ガスを冷却するクーラとを備え、
前記第１燃料供給部は、前記燃焼室に向けて液体燃料を噴射する第１燃料噴射弁を有し、
前記第２燃料供給部は、前記改質器の上流側に配置され、液体燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、前記第２燃料噴射弁と前記改質器との間に配置され、前記エンジンに関する熱媒体を利用して、前記第２燃料噴射弁から噴射された液体燃料を加熱して気化させる熱交換器とを有し、
前記第２燃料噴射弁は、前記熱交換器に向けて液体燃料を噴射し、
前記冷却水循環流路は、前記エンジン冷却水が前記エンジン、前記クーラ及び前記熱交換器を前記エンジン、前記クーラ及び前記熱交換器の順に通るように循環し、
前記熱媒体は、前記エンジン冷却水であり、
前記熱交換器は、前記クーラにおいて暖められた前記エンジン冷却水の熱を利用して液体燃料を加熱するエンジンシステム。

【請求項2】

燃料が燃焼する燃焼室を有するエンジンと、
燃料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と、
前記改質器により生成された前記改質ガスが前記燃焼室に向けて流れる改質ガス流路と、
前記燃焼室に燃料を供給する第１燃料供給部と、
前記燃焼室に空気を供給する第１空気供給部と、
前記改質器に燃料を供給する第２燃料供給部と、
前記改質器に空気を供給する第２空気供給部とを備え、
前記第１燃料供給部は、前記燃焼室に向けて液体燃料を噴射する第１燃料噴射弁を有し、
前記第２燃料供給部は、前記改質器の上流側に配置され、液体燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、前記第２燃料噴射弁と前記改質器との間に配置され、前記エンジンに関する熱媒体を利用して、前記第２燃料噴射弁から噴射された液体燃料を加熱して気化させる熱交換器とを有し、
前記第２空気供給部は、前記改質器に供給される空気が流れる空気流路を有し、
前記熱交換器は、前記空気流路に配設されており、
前記第２燃料噴射弁は、前記熱交換器における空気が導入される空気導入部に向けて液体燃料を噴射する液体燃料を噴射するエンジンシステム。

【請求項3】

前記熱交換器は、前記改質器の上流側の手前位置に配置されている請求項１又は２記載のエンジンシステム。

【請求項4】

前記第１燃料供給部は、前記第１燃料噴射弁に供給される液体燃料が流れる燃料流路と、前記燃料流路に配設され、液体燃料にバブルを発生させるバブル発生器とを有する請求項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を有している。

【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】

しかしながら、上記従来技術においては、アンモニアの気化潜熱が大きいため、蒸発器の体格が大型になってしまう。また、液体のアンモニアが気化されると、アンモニアの体積が大きくなるため、アンモニア噴射弁及び分解器に気体のアンモニアを供給するための配管の径または数を増加せざるを得ない。その結果、エンジンシステムの大型化につながる。

【0005】

本発明の目的は、小型化を図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、燃料が燃焼する燃焼室を有するエンジンと、燃料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と、改質器により生成された改質ガスが燃焼室に向けて流れる改質ガス流路と、燃焼室に燃料を供給する第１燃料供給部と、燃焼室に空気を供給する第１空気供給部と、改質器に燃料を供給する第２燃料供給部と、改質器に空気を供給する第２空気供給部とを備え、第１燃料供給部は、燃焼室に向けて液体燃料を噴射する第１燃料噴射弁を有し、第２燃料供給部は、改質器の上流側に配置され、液体燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、第２燃料噴射弁と改質器との間に配置され、エンジンに関する熱媒体を利用して、第２燃料噴射弁から噴射された液体燃料を加熱して気化させる熱交換器とを有し、第２燃料噴射弁は、熱交換器に向けて液体燃料を噴射する。

【0007】

このようなエンジンシステムにおいては、第１燃料供給部の第１燃料噴射弁からエンジンの燃焼室に向けて液体燃料が噴射されることで、燃焼室に液体燃料が供給されると共に、第１空気供給部により燃焼室に空気が供給される。すると、燃焼室において液体燃料が燃焼し、エンジンの熱容量及び燃焼熱によって液体燃料が加熱されて気化する。一方、第２燃料供給部の第２燃料噴射弁から熱交換器に向けて液体燃料が噴射されることで、熱交換器に液体燃料が供給される。すると、熱交換器において、エンジンに関する熱媒体を利用して、液体燃料が加熱されて気化する。そして、燃料ガス（気体燃料）が改質器に供給される。また、第２空気供給部により改質器に空気が供給される。そして、改質器において、燃料ガスが改質されることにより、水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路を流れてエンジンの燃焼室に供給される。そして、燃焼室において、燃料ガスが改質ガス中の水素と共に燃焼する。

【0008】

このように第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁は、燃料ガスではなく液体燃料を噴射する。このため、第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁に供給される燃料を気化させる気化器が不要となる。また、燃料が液体状態で第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁に供給されるため、第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁に供給される燃料の体積が小さくなる。従って、燃料が流れる配管の径を小さくしたり、燃料が流れる配管の数を減少させることができる。以上により、エンジンシステムの小型化を図ることができる。

【0009】

熱交換器は、改質器の上流側の手前位置に配置されていてもよい。このような構成では、熱交換器から改質器までの距離が短くなるため、熱交換器により気化された燃料が改質器に達するまでの間で冷えにくくなる。

【0010】

エンジンシステムは、エンジンを冷却するエンジン冷却水が循環する冷却水循環流路と、改質ガス流路に配設され、エンジン冷却水を利用して改質ガスを冷却するクーラとを更に備え、冷却水循環流路は、エンジン冷却水がエンジン、クーラ及び熱交換器をエンジン、クーラ及び熱交換器の順に通るように循環し、熱媒体は、エンジン冷却水であり、熱交換器は、クーラにおいて暖められたエンジン冷却水の熱を利用して液体燃料を加熱してもよい。このような構成では、エンジン冷却水がクーラを流れることで、改質ガスとエンジン冷却水との熱交換が行われ、改質ガスが冷却される。そして、クーラにより暖められたエンジン冷却水が熱交換器を流れることで、第２燃料噴射弁から噴射された液体燃料とエンジン冷却水との熱交換が行われ、液体燃料が加熱されて気化する。このように既存のエンジン冷却水を熱媒体として利用することにより、液体燃料を簡素かつ安価な構成で気化させることができる。

【0011】

第２空気供給部は、改質器に供給される空気が流れる空気流路を有し、熱交換器は、空気流路に配設されており、第２燃料噴射弁は、熱交換器における空気が導入される空気導入部に向けて液体燃料を噴射してもよい。このような構成では、第２燃料噴射弁から熱交換器の空気導入部に向けて液体燃料が噴射されることで、燃料ガスが空気と混合して改質器に供給される。従って、改質器のガス導入部の数が必要最小限で済むため、改質器の構造を簡単化することができる。

【0012】

第１燃料供給部は、第１燃料噴射弁に供給される液体燃料が流れる燃料流路と、燃料流路に配設され、液体燃料にバブルを発生させるバブル発生器とを有してもよい。このような構成では、第１燃料噴射弁に供給される液体燃料に空気が混合されるため、液体燃料が気化されやすくなる。また、液体燃料に空気が含まれるため、液体燃料の燃焼性が良くなる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、エンジンシステムの小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【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に示されたアンモニアエンジンの断面図である。

【図3】図１に示されたマイクロバブル発生器の断面図である。

【図4】図１に示された熱交換器の断面図である。

【図5】図４のV－V線断面図である。

【図6】比較例としてのエンジンシステムを示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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では、難燃性のアンモニアの燃焼を促進させるため、アンモニアに水素（Ｈ_２）が混合される。アンモニアエンジン２は、例えば４気筒エンジンである。

【0018】

アンモニアエンジン２は、図２に示されるように、シリンダブロック７と、このシリンダブロック７の上面に固定されたシリンダヘッド８と、シリンダブロック７の内部に往復昇降可能に配置されたピストン９とを有している。また、アンモニアエンジン２は、アンモニアが水素と共に燃焼して排気ガスが発生する４つの燃焼室１０を有している。これらの燃焼室１０は、シリンダブロック７とシリンダヘッド８とピストン９とで囲まれる空間によって画成されている。なお、図２では、１気筒のみ示されている。

【0019】

シリンダヘッド８には、燃焼室１０と連通された吸気ポート１１及び排気ポート１２が設けられている。吸気ポート１１は、吸気弁（図示せず）により開閉される。排気ポート１２は、排気弁（図示せず）により開閉される。

【0020】

吸気流路３は、アンモニアエンジン２の吸気ポート１１と接続されている。吸気流路３は、アンモニアエンジン２の燃焼室１０に供給される空気が流れる配管である。吸気流路３には、空気に含まれる塵や埃等の異物を除去するエアクリーナ１３が配設されている。

【0021】

排気流路４は、アンモニアエンジン２の排気ポート１２と接続されている。排気流路４は、アンモニアエンジン２の燃焼室１０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、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質を除去する排気触媒１４が配設されている。排気触媒１４としては、例えば三元触媒及びＳＣＲ（SelectiveCatalytic Reduction）触媒等が用いられる。

【0022】

メインインジェクタ５は、図２に示されるように、アンモニアエンジン２の吸気ポート１１または燃焼室１０に液体アンモニアを噴射する。メインインジェクタ５は、アンモニアエンジン２の各気筒毎に配置されている。メインインジェクタ５は、シリンダヘッド８に取り付けられている。メインインジェクタ５は、アンモニアエンジン２の燃焼室１０に向けて液体アンモニア（液体燃料）を噴射する第１燃料噴射弁である。

【0023】

メインスロットルバルブ６は、吸気流路３におけるエアクリーナ１３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の燃焼室１０に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。

【0024】

吸気流路３及びメインスロットルバルブ６は、アンモニアエンジン２の燃焼室１０に空気を供給する第１空気供給部１５を構成している。

【0025】

また、エンジンシステム１は、アンモニアボンベ１６と、液ポンプ１７と、アンモニア流路１８と、デリバリパイプ１９と、マイクロバブル発生器２０とを備えている。

【0026】

アンモニアボンベ１６は、アンモニアを液体状態で貯蔵する。つまり、アンモニアボンベは、液体アンモニアを貯蔵する。液ポンプ１７は、アンモニアボンベ１６に貯蔵された液体アンモニアをメインインジェクタ５及び改質インジェクタ３２（後述）に向けて圧送する。

【0027】

アンモニア流路１８は、液ポンプ１７の吐出口と各メインインジェクタ５とをデリバリパイプ１９を介して接続する。アンモニア流路１８は、液ポンプ１７により圧送された液体アンモニアがメインインジェクタ５に向けて流れる燃料流路である。デリバリパイプ１９は、アンモニア流路１８を流れてきた液体アンモニアを各メインインジェクタ５に分配して供給する。

【0028】

マイクロバブル発生器２０は、アンモニア流路１８に配設されている。マイクロバブル発生器２０は、アンモニア流路１８を流れる液体アンモニアにマイクロバブルを発生させる。マイクロバブルは、例えば直径が１００μｍ以下の微細な気泡である。

【0029】

マイクロバブル発生器２０は、図３に示されるように、略円筒状の筐体２１を有している。筐体２１は、アンモニア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。

【0030】

筐体２１には、液体アンモニアが流れるアンモニア通路２２が設けられている。アンモニア通路２２は、筐体２１の軸方向に延びている。筐体２１の上流側端部には、アンモニア通路２２と連通する導入部２３が設けられている。導入部２３は、上流側から下流側に向かって徐々に径が小さくなるようなテーパ状を呈している。筐体２１の下流側端部には、アンモニア通路２２と連通する導出部２４が設けられている。導出部２４は、上流側から下流側に向かって徐々に径が大きくなるようなテーパ状を呈している。

【0031】

また、筐体２１には、大気と連通された吸気部２５と、この吸気部２５により吸入された空気をアンモニア通路２２に導く空気通路２６とが設けられている。吸気部２５は、筐体２１の側面に開口し、筐体２１の径方向に空気を吸入する。空気通路２６は、アンモニア通路２２の周囲に円環状に配置されている。また、空気通路２６は、筐体２１の軸方向の複数箇所において空気をアンモニア通路２２に導くように形成されている。

【0032】

このようなマイクロバブル発生器２０において、アンモニア流路１８を流れてきた液体アンモニアが導入部２３から導入されてアンモニア通路２２に供給されると共に、吸気部２５から吸入された空気が空気通路２６を通ってアンモニア通路２２に供給されることで、液体アンモニアに空気が混入する。そして、空気が含有された液体アンモニアは、導出部２４から導出されて、アンモニア流路１８を各メインインジェクタ５に向かって流れる。

【0033】

アンモニアボンベ１６、液ポンプ１７、アンモニア流路１８、デリバリパイプ１９、マイクロバブル発生器２０及び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１０に燃料であるアンモニアを供給する第１燃料供給部２７を構成している。

【0034】

また、エンジンシステム１は、改質器２８と、空気流路２９と、改質スロットルバルブ３０と、アンモニア流路３１と、改質インジェクタ３２と、熱交換器３３と、改質ガス流路３４と、クーラ３５と、ストップバルブ３６とを備えている。

【0035】

改質器２８は、円筒状の筐体３７と、この筐体３７内に収容された改質部３８及び電気ヒータ３９とを有している。筐体３７は、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。

【0036】

改質部３８は、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。改質部３８は、例えばハニカム構造の改質触媒３８ａを有している。改質触媒３８ａは、アンモニアを燃焼させると共に、アンモニアを水素に分解する触媒である。改質触媒３８ａは、例えばＡＴＲ（Autothermal Reformer）式アンモニア改質触媒である。改質触媒３８ａ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。

【0037】

電気ヒータ３９は、筐体３７内における改質部３８よりも上流側に配置されている。電気ヒータ３９は、改質部３８を加熱する。電気ヒータ３９は、電力が与えられると発熱し、その熱により改質部３８を加熱する。このとき、電気ヒータ３９で発生する熱は、筐体３７内を流れるガスを通じて改質部３８に伝わると共に筐体３７自体を通じて改質部３８に伝わる。

【0038】

空気流路２９は、吸気流路３と改質器２８とを接続している。空気流路２９の一端は、吸気流路３におけるエアクリーナ１３とメインスロットルバルブ６との間に接続されている。空気流路２９の他端は、改質器２８の筐体３７のガス導入部に接続されている。空気流路２９は、改質器２８に供給される空気が流れる流路である。改質スロットルバルブ３０は、空気流路２９に配設されている。改質スロットルバルブ３０は、改質器２８に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。

【0039】

空気流路２９及び改質スロットルバルブ３０は、改質器２８に空気を供給する第２空気供給部４０を構成している。

【0040】

アンモニア流路３１は、液ポンプ１７の吐出口と改質インジェクタ３２とを接続している。アンモニア流路３１は、液ポンプ１７により圧送された液体アンモニアが改質インジェクタ３２に向けて流れる燃料流路である。

【0041】

改質インジェクタ３２は、改質器２８の上流側に配置されている。改質インジェクタ３２は、熱交換器３３に向けて液体燃料である液体アンモニアを噴射する第２燃料噴射弁である。改質インジェクタ３２は、熱交換器３３に取り付けられている（図４参照）。

【0042】

熱交換器３３は、空気流路２９における改質スロットルバルブ３０と改質器２８との間に配設されている。また、熱交換器３３は、改質インジェクタ３２と改質器２８との間に配置されている。具体的には、熱交換器３３は、改質器２８の上流側の手前位置に配置されている。改質器２８の上流側の手前位置とは、改質スロットルバルブ３０と改質器２８とをつなぐ経路（ここでは空気流路２９）のうち改質スロットルバルブ３０よりも改質器２８に近い位置を指している。熱交換器３３と改質器２８との間の距離は、例えば２００ｍｍ以下である。

【0043】

熱交換器３３は、アンモニアエンジン２に関する熱媒体を利用して、改質インジェクタ３２から噴射された液体アンモニアを加熱して気化させる。アンモニアエンジン２に関する熱媒体としては、アンモニアエンジン２を冷却するエンジン冷却水が使用される。

【0044】

熱交換器３３は、図４及び図５に示されるように、筐体４１と、この筐体４１内に配置された複数本のガス供給管４２と、これらのガス供給管４２を筐体４１に支持する２枚の支持板４３と、筐体４１に取り付けられた冷却水導入管４４及び冷却水導出管４５とを有している。熱交換器３３は、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。筐体４１の上流側端部には、空気が導入される空気導入部４６が設けられている。筐体４１の下流側端部には、空気が導出される空気導出部４７が設けられている。

【0045】

筐体４１は、本体部４８と、この本体部４８の上流端に連結された連結体４９と、本体部４８の下流端に連結された連結体５０とを有している。本体部４８は、円筒状を有している。連結体４９は、上記の空気導入部４６と、本体部４８側から空気導入部４６側に向かって先細りとなるように形成されたテーパ部５１とを有している。連結体５０は、上記の空気導出部４７と、本体部４８側から空気導出部４７側に向かって先細りとなるように形成されたテーパ部５２とを有している。

【0046】

各ガス供給管４２は、筐体４１の軸方向に延びるように本体部４８内に収容されている。ガス供給管４２は、気化されたアンモニア（アンモニアガス）と空気とが流れる配管である。

【0047】

支持板４３は、ガス供給管４２と嵌合する複数の円孔部４３ａを有している。各ガス供給管４２の両端部は、支持板４３の円孔部４３ａにそれぞれ嵌入・固定されている。そして、各支持板４３は、連結体４９，５０を介して本体部４８の両端部にそれぞれ固定されている。本体部４８の両端部は、支持板４３によって各ガス供給管４２を除いて閉塞された状態となっている。従って、本体部４８内における各ガス供給管４２の外側の空間にアンモニアガス及び空気が流れ込むことが抑制される。

【0048】

冷却水導入管４４は、本体部４８の上流側端部の近傍に取り付けられている。冷却水導入管４４は、熱媒体であるエンジン冷却水を本体部４８内に導入する管路である。冷却水導出管４５は、本体部４８の下流側端部の近傍に取り付けられている。冷却水導出管４５は、エンジン冷却水を本体部４８内から導出する管路である。

【0049】

本体部４８内における各ガス供給管４２の外側の空間は、冷却水導入管４４から導入されたエンジン冷却水が冷却水導出管４５に向かって流れるエンジン冷却水通路５３を形成している。エンジン冷却水通路５３は、本体部４８、各支持板４３及び各ガス供給管４２によって画成されている。

【0050】

改質インジェクタ３２は、熱交換器３３の筐体４１に取り付けられている。改質インジェクタ３２は、筐体４１の連結体４９に直接または支持部材（図示せず）を介して固定されている。改質インジェクタ３２は、熱交換器３３の空気導入部４６に向けて液体アンモニアを噴射するように配置されている。

【0051】

このような熱交換器３３において、冷却水導入管４４から筐体４１の本体部４８内にエンジン冷却水が導入されると、エンジン冷却水がエンジン冷却水通路５３を流れて冷却水導出管４５から導出される。その状態で、改質インジェクタ３２から空気導入部４６に液体アンモニアが噴射されると、液体アンモニアが各ガス供給管４２内を空気導出部４７に向かって流れる。このとき、各ガス供給管４２内を流れる液体アンモニアとエンジン冷却水通路５３を流れるエンジン冷却水との熱交換が行われることで、液体アンモニアが加熱されて気化し、アンモニアガスが生成される。そして、アンモニアガスは、空気導入部４６から熱交換器３３の外部に導出され、空気流路２９を改質器２８に向かって流れる。

【0052】

図１に戻り、アンモニアボンベ１６、液ポンプ１７、アンモニア流路３１、改質インジェクタ３２及び熱交換器３３は、改質器２８に燃料であるアンモニアを供給する第２燃料供給部５４を構成している。

【0053】

改質ガス流路３４は、改質器２８と吸気流路３とを接続している。改質ガス流路３４の一端は、改質器２８の筐体３７のガス導出部に接続されている。改質ガス流路３４の他端は、吸気流路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３４は、改質部３８により生成された改質ガスがアンモニアエンジン２の燃焼室１０に向けて流れる流路である。

【0054】

クーラ３５は、改質ガス流路３４に配設されている。クーラ３５は、エンジン冷却水を利用して、改質ガス流路３４を流れる改質ガスを冷却する。クーラ３５は、改質ガスとエンジン冷却水との熱交換によって、改質ガスを冷却する。このようなクーラ３５を備えることにより、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１０に吸入されやすくなる。

【0055】

ストップバルブ３６は、改質ガス流路３４におけるクーラ３５よりも下流側に配設されている。ストップバルブ３６は、改質ガス流路３４を開閉する開閉弁である。

【0056】

また、エンジンシステム１は、エンジン冷却水が循環する冷却水循環流路５５を備えている。冷却水循環流路５５は、エンジン冷却水がアンモニアエンジン２、クーラ３５及び熱交換器３３をアンモニアエンジン２、クーラ３５及び熱交換器３３の順に通るように循環する。つまり、エンジン冷却水は、アンモニアエンジン２からクーラ３５及び熱交換器３３の順に流れてアンモニアエンジン２に戻る。

【0057】

このとき、アンモニアエンジン２から導出されたエンジン冷却水は、クーラ３５により改質ガスと熱交換されて暖められる。そして、暖められたエンジン冷却水は、熱交換器３３により液体アンモニアと熱交換されて冷やされる。そして、冷やされたエンジン冷却水によってアンモニアエンジン２が冷却される。

【0058】

ここで、アンモニアの気化に必要な熱量は、３８８Ｗ／ｍｏｌ_－ＮＨ３である。一方、下記の計算条件において、改質器２８により生成された改質ガスをクーラ３５で冷却する際に回収される熱量は、５０７Ｗ／ｍｏｌ_－ＮＨ３である。このため、熱交換器３３によるアンモニアの気化条件が成立する。
クーラ３５の入口におけるエンジン冷却水の温度＝８０℃
クーラ３５の入口における改質ガスの温度＝５００℃
クーラ３５の出口における改質ガスの温度＝１００℃
クーラ３５及び熱交換器３３のエンジン冷却水の流量＝１０Ｌ／ｍｉｎ
アンモニアの気化潜熱＝１３７２ｋＪ／ｋｇ_－ＮＨ３＝２３．３ｋＪ／ｍｏｌ_－ＮＨ３

【0059】

以上のようなエンジンシステム１において、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされると、アンモニアエンジン２の始動が開始され、エンジン冷却水が冷却水循環流路５５を循環する。また、改質器２８の電気ヒータ３９が通電されると共に、ストップバルブ３６が開弁する。

【0060】

そして、メインスロットルバルブ６が開弁することで、空気がアンモニアエンジン２の燃焼室１０に供給されると共に、メインインジェクタ５が開弁することで、液体アンモニアがアンモニアエンジン２の燃焼室１０に向けて噴射される。このとき、マイクロバブル発生器２０によって、メインインジェクタ５に供給される液体アンモニアにマイクロバブルが発生する。このため、メインインジェクタ５からは、空気が含有された液体アンモニアが噴射される。

【0061】

すると、アンモニアエンジン２の燃焼室１０において、液体アンモニアの燃焼が開始される。そして、アンモニアエンジン２の熱容量及び燃焼熱によって、メインインジェクタ５から噴射された液体アンモニアが加熱されて気化するようになる。このとき、液体アンモニアには空気が含まれているため、液体アンモニアが気化しやすい。

【0062】

また、改質スロットルバルブ３０が開弁することで、空気が熱交換器３３を通って改質器２８に供給されると共に、改質インジェクタ３２が開弁することで、液体アンモニアが熱交換器３３に噴射される。すると、熱交換器３３において、液体アンモニアとアンモニアエンジン２により暖められたエンジン冷却水との熱交換が行われることで、液体アンモニアが加熱されて気化する。

【0063】

そして、気化されたアンモニア（アンモニアガス）と空気との混合ガスが電気ヒータ３９を通って改質部３８に供給される。このとき、電気ヒータ３９により改質部３８が加熱されるため、改質部３８の温度が上昇する。

【0064】

そして、改質部３８の温度が活性化温度（燃焼可能温度）に達すると、改質触媒３８ａ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し、燃焼熱が発生する（発熱反応）。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ …（Ａ）

【0065】

すると、燃焼熱によって改質部３８の温度が更に上昇する。そして、改質部３８の温度が改質可能温度に達すると、改質触媒３８ａ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 …（Ｂ）

【0066】

改質ガスは、改質ガス流路３４をアンモニアエンジン２に向かって流れる。このとき、クーラ３５において、改質ガスとエンジン冷却水との熱交換が行われることで、改質ガスが冷却される。このため、冷やされた改質ガスが改質ガス流路３４及び吸気流路３を流れてアンモニアエンジン２の燃焼室１０に供給される。そして、燃焼室１０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。

【0067】

熱交換器３３では、改質インジェクタ３２から噴射された液体アンモニアとクーラ３５により暖められたエンジン冷却水との熱交換が行われることで、液体アンモニアが気化する。そして、上述したように、改質器２８においてアンモニアガスの燃焼及び改質が行われる。

【0068】

図６は、比較例としてのエンジンシステムを示す概略構成図である。図６において、本比較例のエンジンシステム１００は、４つのメインインジェクタ１０１と、４つの改質インジェクタ１０２とを備えている。メインインジェクタ１０１は、アンモニアエンジン２の燃焼室１０（図２参照）に向けてアンモニアガス（気体アンモニア）を噴射する。改質インジェクタ１０２は、改質器２８に向けてアンモニアガスを噴射する。

【0069】

また、エンジンシステム１００は、２つの気化器１０３と、２つの気化器１０４と、冷却水循環流路１０５とを備えている。気化器１０３，１０４は、液ポンプ１７により圧送された液体アンモニアを気化する。気化器１０３により生成されたアンモニアガスは、アンモニア流路１０６及びデリバリパイプ１０７を流れてメインインジェクタ１０１に供給される。気化器１０４により生成されたアンモニアガスは、アンモニア流路１０８を流れて改質インジェクタ１０２に供給される。

【0070】

冷却水循環流路１０５は、エンジン冷却水がアンモニアエンジン２、クーラ３５、各気化器１０３．１０４をアンモニアエンジン２、クーラ３５、各気化器１０３．１０４の順に通るように循環する。各気化器１０３，１０４は、冷却水循環流路１０５を流れるエンジン冷却水によって液体アンモニアを加熱して気化させる。

【0071】

このようなエンジンシステム１００においては、アンモニアの気化潜熱が大きいため、その分だけ気化器１０３，１０４の体格が大型になる。また、液体のアンモニアが気化されると膨張し、アンモニアの体積が大きくなるため、気化器１０３，１０４の数及びアンモニア流路１０６，１０８を構成する配管の数を増やしたり、気化器１０３，１０４の体格及びアンモニア流路１０６，１０８を構成する配管の径を大きくする必要がある。配管の数を増やすと、改質インジェクタ１０２の数の増加につながる。配管の径を大きくすると、改質インジェクタ１０２の大型化につながる。その結果、エンジンシステム１００が全体的に大型化してしまう。

【0072】

さらに、アンモニア流路１０８が長くなると、アンモニア流路１０８を流れるアンモニアガスが冷えて液化してしまう虞がある。この場合には、改質器２８においてアンモニアが改質されなくなる。

【0073】

そのような課題に対し、本実施形態では、第１燃料供給部２７のメインインジェクタ５からアンモニアエンジン２の燃焼室１０に向けて液体アンモニアが噴射されることで、燃焼室１０に液体アンモニアが供給されると共に、第１空気供給部１５により燃焼室１０に空気が供給される。すると、燃焼室１０において液体アンモニアが燃焼し、アンモニアエンジン２の熱容量及び燃焼熱によって液体アンモニアが加熱されて気化する。一方、第２燃料供給部５４の改質インジェクタ３２から熱交換器３３に向けて液体アンモニアが噴射されることで、熱交換器３３に液体アンモニアが供給される。すると、熱交換器３３において、エンジン冷却水を利用して、液体アンモニアが加熱されて気化する。そして、アンモニアガス（気体アンモニア）が改質器２８に供給される。また、第２空気供給部４０により改質器２８に空気が供給される。そして、改質器２８において、アンモニアガスが改質されることにより、水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路３４を流れてアンモニアエンジン２の燃焼室１０に供給される。そして、燃焼室１０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。

【0074】

このようにメインインジェクタ５及び改質インジェクタ３２は、アンモニアガスではなく液体アンモニアを噴射する。このため、メインインジェクタ５及び改質インジェクタ３２に供給されるアンモニアを気化させる気化器が不要となる。また、アンモニアが液体状態でメインインジェクタ５及び改質インジェクタ３２に供給されるため、メインインジェクタ５及び改質インジェクタ３２に供給されるアンモニアの体積が小さくなる。従って、アンモニアが流れる配管の径を小さくしたり、アンモニアが流れる配管の数を減少させることができる。以上により、エンジンシステム１の小型化を図ることができる。

【0075】

また、本実施形態では、熱交換器３３は、改質器２８の上流側の手前位置に配置されている。従って、熱交換器３３から改質器２８までの距離が短くなるため、熱交換器３３により気化されたアンモニアが改質器２８に達するまでの間で冷えにくくなる。これにより、アンモニアガスが液化して改質できなくなる等といった不具合の発生が防止される。

【0076】

また、本実施形態では、エンジン冷却水がクーラ３５を流れることで、改質ガスとエンジン冷却水との熱交換が行われ、改質ガスが冷却される。そして、クーラ３５により暖められたエンジン冷却水が熱交換器３３を流れることで、改質インジェクタ３２から噴射された液体アンモニアとエンジン冷却水との熱交換が行われ、液体アンモニアが加熱されて気化する。このように既存のエンジン冷却水を熱媒体として利用することで、液体アンモニアを簡素かつ安価な構成で気化させることができる。

【0077】

また、本実施形態では、改質インジェクタ３２から熱交換器３３の空気導入部４６に向けて液体アンモニアが噴射されることで、アンモニアガスが空気と混合して改質器２８に供給される。従って、改質器２８のガス導入部の数が必要最小限（ここでは１つ）で済むため、改質器２８の構造を簡単化することができる。

【0078】

また、本実施形態では、液体アンモニアにバブルを発生させるマイクロバブル発生器２０がアンモニア流路１８に配設されている。従って、メインインジェクタ５に供給される液体アンモニアに空気が混合されるため、液体アンモニアが気化されやすくなる。また、液体アンモニアに空気が含まれるため、液体アンモニアの燃焼性が良くなる。

【0079】

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、熱交換器３３は、アンモニアエンジン２を冷却するためのエンジン冷却水を利用して、改質インジェクタ３２から噴射された液体アンモニアを加熱して気化させているが、アンモニアエンジン２に関する熱媒体としては、特にエンジン冷却水には限られず、例えばアンモニアエンジン２の燃焼室１０で発生した排気ガス等を利用してもよい。

【0080】

また、上記実施形態では、改質インジェクタ３２が熱交換器３３に取り付けられているが、特にその形態には限られず、改質インジェクタ３２が熱交換器３３に向けて液体アンモニアを噴射するのであれば、改質インジェクタ３２が熱交換器３３から離れた位置に配置されていてもよい。

【0081】

また、上記実施形態では、熱交換器３３は、改質器２８に供給される空気が流れる空気流路２９に配設されており、改質インジェクタ３２は、熱交換器３３の空気導入部４６に向けて液体アンモニアを噴射しているが、特にそのような形態には限られない。例えば、熱交換器３３を空気流路２９とは別のルートに配置し、熱交換器３３により生成されたアンモニアガスを改質器２８または空気流路２９に導入することで、アンモニアガスと空気とを混合させてもよい。

【0082】

また、上記実施形態では、メインインジェクタ５に供給される液体アンモニアにマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生器２０が使用されているが、特にその形態には限られず、例えば直径が１００μｍよりも大きな気泡を発生させるバブル発生器を使用してもよい。

【0083】

また、改質インジェクタ３２に供給される液体アンモニアが流れるアンモニア流路３１にマイクロバブル発生器２０等のバブル発生器を配設することで、改質インジェクタ３２に供給される液体アンモニアにもバブルを発生させてもよい。この場合には、改質インジェクタ３２から噴射された液体アンモニアが気化されやすくなる。

【0084】

また、上記実施形態では、改質部３８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３８ａを有しているが、特にそのような形態には限られない。改質部３８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。

【0085】

また、上記実施形態では、燃料としてアンモニアが使用されているが、本発明は、気化潜熱が大きい燃料を使用するエンジンを備えたエンジンシステムであれば、適用可能である。

【符号の説明】

【0086】

１…エンジンシステム、２…アンモニアエンジン（エンジン）、５…メインインジェクタ（第１燃料噴射弁）、１０…燃焼室、１５…第１空気供給部、１８…アンモニア流路（燃料流路）、２０…マイクロバブル発生器（バブル発生器）、２７…第１燃料供給部、２８…改質器、２９…空気流路、３２…改質インジェクタ（第２燃料噴射弁）、３３…熱交換器、３４…改質ガス流路、３５…クーラ、４０…第２空気供給部、４６…空気導入部、５４…第２燃料供給部、５５…冷却水循環流路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】