JP2020159241A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】改質部の触媒の酸化劣化を防止すると共に、改質部をすり抜ける未燃燃料の量を低減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、エンジン本体７から発生した排気ガスが流れる排気通路４と、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１４と、改質器１４に供給される空気が流れる空気流路１５と、改質器１４にアンモニアガスを供給する改質燃料供給部２０と、エンジン本体７から発生した排気ガスを貯留する排気タンク２１と、排気通路４と排気タンク２１とを接続し、排気タンク２１に貯留される排気ガスが流れる第１排気ガス流路２２と、排気タンク２１と改質器１４とを接続し、改質器１４に供給される排気ガスが流れる第２排気ガス流路２３と、改質器１４に供給される排気ガスを加熱する電気ヒータ２７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

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、アンモニア及び水素を燃料としたエンジンと、液体のアンモニアを気化する蒸発器と、この蒸発器により気化されたアンモニアを分解して水素を生成する分解器と、蒸発器から分解器に気体のアンモニアを供給するアンモニア供給管と、分解器に空気を供給する流入管と、分解器で生成された水素が流れる流出管と、エンジンの吸気通路の内部に向かってアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁と、エンジンの吸気通路の内部に向かって水素を噴射する水素噴射弁と、エンジンの排気通路に接続された排気管に連結されたＮＯｘ選択還元触媒とを備えている。

特開２０１４−２１１１５５号公報

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、エンジンの始動時に、アンモニア（燃料）及び空気を分解器（改質部）に供給すると、分解器の触媒が酸化劣化することがある。また、そのような分解器の触媒の酸化劣化を防止するために、アンモニアのみを分解器に供給するか、もしくはアンモニアを空気に対してリッチの状態で分解器に供給すると、分解器の暖気が完了するまでに、多くの未燃アンモニアが分解器をすり抜けてしまう。このため、エンジンの排気系に未燃アンモニアの後処理を行うための装置が必要となる。

本発明の目的は、改質部の触媒の酸化劣化を防止すると共に、改質部をすり抜ける未燃燃料の量を低減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。

本発明の一態様に係るエンジンシステムは、エンジン本体を有するエンジンと、エンジン本体に供給される空気が流れる吸気通路と、エンジン本体から発生した排気ガスが流れる排気通路と、エンジン本体に燃料を供給する第１燃料供給部と、吸気流路に配設され、エンジン本体に供給される空気の流量を制御する第１スロットルバルブと、燃料を水素に分解する改質触媒を有し、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部と、改質部に供給される空気が流れる空気流路と、改質部に燃料を供給する第２燃料供給部と、空気通路に配設され、改質部に供給される空気の流量を制御する第２スロットルバルブと、改質部により生成された改質ガスがエンジン本体に向けて流れる改質ガス流路と、エンジン本体から発生した排気ガスを貯留する排気タンクと、排気通路と排気タンクとを接続し、排気タンクに貯留される排気ガスが流れる第１排気ガス流路と、排気タンクと改質部とを接続し、改質部に供給される排気ガスが流れる第２排気ガス流路と、第１排気ガス流路を開閉する第１開閉バルブと、第２排気ガス流路を開閉する第２開閉バルブと、改質部に供給される排気ガスを加熱するヒータ部と、第１燃料供給部、第１スロットルバルブ、第２燃料供給部、第２スロットルバルブ、第１開閉バルブ、第２開閉バルブ及びヒータ部を制御する制御ユニットとを備え、制御ユニットは、排気タンクに貯留された排気ガスを改質部に供給するように第２開閉バルブを制御すると共に、改質部に供給される排気ガスを加熱するようにヒータ部を制御する第１制御処理を実行する第１制御部と、第１制御処理を実行した後、改質部への排気ガスの供給を停止するように第２開閉バルブを制御すると共に、改質部に燃料及び空気を供給するように第２燃料供給部及び第２スロットルバルブを制御する第２制御処理を実行する第２制御部と、第２制御処理を実行した後、エンジン本体に燃料及び空気を供給するように第１燃料供給部及び第１スロットルバルブを制御すると共に、排気ガスを排気タンクに貯留するように第１開閉バルブを制御する第３制御処理を実行する第３制御部とを有する。

このようなエンジンシステムにおいて、エンジンの始動時には、まず排気タンクに貯留された排気ガスが改質部に供給されると共に、改質部に供給される排気ガスがヒータ部により加熱される。すると、ヒータ部により暖められた排気ガスが改質部に供給されるため、排気ガスの熱により改質部が昇温する。その後、改質部への排気ガスの供給が停止すると共に、改質部に燃料及び空気が供給されると、改質部において燃料が燃焼するため、燃焼熱により改質部が更に昇温する。このため、改質部により改質ガスが生成され、その改質ガスがエンジン本体に供給される。その後、エンジン本体に燃料及び空気が供給されると、エンジン本体において燃料が改質ガスと共に燃焼するため、エンジン本体から排気ガスが発生し、その排気ガスが排気タンクに貯留される。このようにエンジンの始動直後は、排気タンクに貯留された排気ガスのみが改質部に供給され、燃料及び空気は改質部に供給されない。これにより、改質部の改質触媒の酸化劣化が防止されると共に、改質部をすり抜ける未燃燃料の量が低減される。

第１排気ガス流路には、排気通路を流れる排気ガスを吸引するポンプが配設されていてもよい。このような構成では、排気通路を流れる排気ガスをポンプにより吸引することにより、排気タンクに排気ガスを簡単に且つ確実に貯留することができる。

エンジンは、ターボ過給機を有し、ターボ過給機は、排気通路に配設されたタービンと、吸気通路に配設されたコンプレッサとを有し、第１排気ガス流路の一端は、排気通路におけるエンジン本体とタービンとの間の部分に接続されていてもよい。このような構成では、排気通路におけるエンジン本体とタービンとの間の圧力は高いため、排気通路から排気タンクに排気ガスが流れる。従って、特に排気ガスを吸引するポンプを使用しなくても、排気タンクに排気ガスを貯留することができる。

第１排気ガス流路には、排気通路側から排気タンク側への排気ガスの流れのみを許容する逆止弁が配設されていてもよい。このような構成では、排気通路におけるエンジン本体とタービンとの間の圧力が変動しても、排気タンクから排気通路への排気ガスの逆流が防止される。

エンジンシステムは、改質部の温度を検出する温度検出部を更に備え、第２制御部は、温度検出部により検出された改質部の温度が予め定められた第１規定温度以上になると、第２制御処理を実行してもよい。このような構成では、改質部の温度を検出することにより、改質部において燃焼が可能となるタイミングで改質部に燃料及び空気を供給することができる。

第３制御部は、温度検出部により検出された改質部の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度以上になると、第３制御処理を実行してもよい。このような構成では、改質部の温度を検出することにより、改質部において燃料の改質が安定化するタイミングでエンジン本体に燃料及び空気を供給して、エンジン本体から排気ガスを発生させることができる。

エンジンは、燃料としてアンモニアを使用するアンモニアエンジンであってもよい。エンジン本体においてアンモニアに水素が混合されると、アンモニアが燃焼しやすくなる。そこで、本発明のエンジンシステムをアンモニアエンジンに適用することが効果的である。この場合には、改質部をすり抜ける未燃エンモニアの量が低減される。

本発明によれば、改質部の触媒の酸化劣化を防止すると共に、改質部をすり抜ける未燃燃料の量を低減することができる。

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１に示されたエンジンシステムの動作を示すタイミングチャートである。 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５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６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。

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。

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。

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自然吸気エンジンである。アンモニアエンジン２は、例えば４気筒のエンジン本体７を有している。エンジン本体７は、特に図示はしないが、シリンダブロック、ピストン及びシリンダヘッド等からなっている。エンジン本体７には、アンモニアと共に水素（Ｈ_２）が供給される（後述）。

吸気通路３は、エンジン本体７に接続されている。吸気通路３は、エンジン本体７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８が配設されている。

排気通路４は、エンジン本体７に接続されている。排気通路４は、エンジン本体７の燃焼室（図示せず）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窒素酸化物（ＮＯｘ）及びアンモニア等の有害物質を除去する排気浄化触媒９が配設されている。排気浄化触媒９としては、例えば三元触媒またはＳＣＲ（SelectiveCatalytic Reduction）触媒等が用いられる。

メインインジェクタ５は、エンジン本体７に向けて燃料であるアンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を噴射する電磁式の燃料噴射弁である。具体的には、メインインジェクタ５は、吸気通路３またはエンジン本体７の燃焼室（図示せず）にアンモニアガスを噴射する。メインインジェクタ５は、後述する気化器１３とアンモニア流路１０を介して接続されている。アンモニア流路１０は、アンモニアガスが流れる流路である。気化器１３、アンモニア流路１０及びメインインジェクタ５は、エンジン本体７にアンモニアガスを供給するメイン燃料供給部１１（第１燃料供給部）を構成している。

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８とエンジン本体７との間に配設されている。メインスロットルバルブ６は、エンジン本体７に供給される空気の流量を制御する第１スロットルバルブである。メインスロットルバルブ６としては、電磁式の流量制御弁が使用される。

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

アンモニアタンク１２は、アンモニアを液体状態で貯蔵するタンクである。気化器１３は、アンモニアタンク１２に貯蔵された液体状態のアンモニアを気化させて、アンモニアガスを生成する。

改質器１４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部である。改質器１４は、例えばハニカム構造を呈する担体１４ａを有している。担体１４ａには、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒１４ｂが塗布されている。改質触媒１４ｂ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１４ｂとしては、例えばルテニウム、パラジウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。

空気流路１５は、吸気通路３と改質器１４とを接続している。具体的には、空気流路１５の一端は、吸気通路３におけるエアクリーナ８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１５の他端は、改質器１４に接続されている。空気流路１５は、改質器１４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１６は、空気流路１５に配設されている。改質スロットルバルブ１６は、改質器１４に供給される空気の流量を制御する第２スロットルバルブである。改質スロットルバルブ１６としては、電磁式の流量制御弁が使用される。

改質インジェクタ１７は、気化器１３とアンモニア流路１０を介して接続されている。改質インジェクタ１７は、改質器１４に向けて燃料であるアンモニアガスを噴射する電磁式の燃料噴射弁である。具体的は、改質インジェクタ１７は、空気流路１５における改質スロットルバルブ１６と改質器１４との間にアンモニアガスを噴射する。気化器１３、アンモニア流路１０及び改質インジェクタ１７は、改質器１４にアンモニアガスを供給する改質燃料供給部２０（第２燃料供給部）を構成している。

改質ガス流路１８は、改質器１４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１４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とエンジン本体７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１４により生成された改質ガスがエンジン本体７に向けて流れる流路である。

クーラ１９は、改質ガス流路１８に配設されている。クーラ１９は、エンジン本体７に供給される改質ガスを冷却する。クーラ１９は、例えば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。クーラ１９により改質ガスを冷却することにより、改質ガスの体積膨張が抑制されるため、空気がエンジン本体７の燃焼室に吸入されやすくなる。

また、エンジンシステム１は、排気タンク２１と、第１排気ガス流路２２と、第２排気ガス流路２３と、第１開閉バルブ２４と、第２開閉バルブ２５と、ポンプ２６と、電気ヒータ２７とを備えている。

排気タンク２１は、エンジン本体７から発生した排気ガスを貯留するバッファタンクである。排気タンク２１には、酸素（Ｏ_２）が含まれていない状態または微少の酸素が含まれた状態の排気ガスが溜められる。

第１排気ガス流路２２は、排気通路４と排気タンク２１とを接続している。第１排気ガス流路２２の一端は、排気通路４におけるエンジン本体７と排気浄化触媒９との間、または排気浄化触媒９の下流の部分に分岐接続されている。第１排気ガス流路２２は、排気タンク２１に貯留される排気ガスが流れる流路である。

第２排気ガス流路２３は、排気タンク２１と改質器１４とを接続している。なお、第２排気ガス流路２３の一端は、空気流路１５に分岐接続されていてもよい。第２排気ガス流路２３は、改質器１４に供給される排気ガスが流れる流路である。

第１開閉バルブ２４は、第１排気ガス流路２２に配設されている。第１開閉バルブ２４は、第１排気ガス流路２２を開閉するバルブである。第１開閉バルブ２４としては、電磁式のＯＮ／ＯＦＦ弁が使用される。

第２開閉バルブ２５は、第２排気ガス流路２３に配設されている。第２開閉バルブ２５は、第２排気ガス流路２３を開閉するバルブである。第２開閉バルブ２５としては、電磁式のＯＮ／ＯＦＦ弁が使用される。

ポンプ２６は、第１排気ガス流路２２に配設されている。具体的には、ポンプ２６は、第１排気ガス流路２２における排気通路４と第１開閉バルブ２４との間に配設されている。ポンプ２６は、排気通路４を流れる排気ガスを排気タンク２１側に吸引する。

電気ヒータ２７は、改質器１４に供給される排気ガスを加熱するヒータ部である。電気ヒータ２７は、第２排気ガス流路２３に配設された発熱体２８と、この発熱体２８を通電する電源２９とを有している。具体的には、発熱体２８は、第２排気ガス流路２３における第２開閉バルブ２５と改質器１４との間に配設されている。発熱体２８は、例えばハニカム構造を呈している。

また、エンジンシステム１は、スタータモータ３０と、温度センサ３１と、制御ユニット３２とを備えている。

スタータモータ３０は、アンモニアエンジン２を始動させるモータである。温度センサ３１は、改質器１４の温度を検出する温度検出部である。温度センサ３１は、例えば改質器１４の改質触媒１４ｂの上流側端部の温度を検出する。

制御ユニット３２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３２には、イグニッションスイッチ３３（ＩＧスイッチ）が接続されている。イグニッションスイッチ３３は、車両の運転者がアンモニアエンジン２の始動及び停止を指示するための手動操作スイッチである。

制御ユニット３２は、図２に示されるように、イグニッションスイッチ３３の操作信号と温度センサ３１の検出値とに基づいて、メイン燃料供給部１１の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１６、改質燃料供給部２０の改質インジェクタ１７、第１開閉バルブ２４、第２開閉バルブ２５、ポンプ２６、電気ヒータ２７の電源２９及びスタータモータ３０を制御する。

制御ユニット３２は、第１制御部３４と、第２制御部３５と、第３制御部３６とを有している。第１制御部３４、第２制御部３５及び第３制御部３６は、アンモニアエンジン２の始動時に制御処理を実行する。

第１制御部３４は、排気タンク２１に貯留された排気ガスを改質器１４に供給するように第２開閉バルブ２５を制御すると共に、改質器１４に供給される排気ガスを加熱するように電気ヒータ２７の電源２９を制御する第１制御処理を実行する。

第２制御部３５は、第１制御処理を実行した後、改質器１４への排気ガスの供給を停止するように第２開閉バルブ２５を制御すると共に、改質器１４にアンモニアガス及び空気を供給するように改質燃料供給部２０の改質インジェクタ１７及び改質スロットルバルブ１６を制御する第２制御処理を実行する。第２制御部３５は、温度センサ３１により検出された改質器１４の温度が予め定められた第１規定温度（後述）以上になると、第２制御処理を実行する。

第３制御部３６は、第２制御処理を実行した後、エンジン本体７に空気及びアンモニアガスを供給するようにメインスロットルバルブ６及びメイン燃料供給部１１のメインインジェクタ５を制御すると共に、排気ガスを排気タンク２１に貯留するように第１開閉バルブ２４を制御する第３制御処理を実行する。第３制御部３６は、温度センサ３１により検出された改質器１４の温度が第１規定温度よりも高い第２規定温度（後述）以上になると、第３制御処理を実行する。

図３は、制御ユニット３２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１６、改質インジェクタ１７、第１開閉バルブ２４及び第２開閉バルブ２５は、閉じた状態となっている。

図３において、制御ユニット３２は、まずイグニッションスイッチ３３の操作信号に基づいて、イグニッションスイッチ３３がＯＮ操作されたかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。

制御ユニット３２は、イグニッションスイッチ３３がＯＮ操作されたと判断したときは、電気ヒータ２７の発熱体２８を通電するように電源２９を制御する（手順Ｓ１０２）。これにより、発熱体２８が発熱するようになる。また、制御ユニット３２は、第２開閉バルブ２５を開くように制御する（手順Ｓ１０３）。これにより、排気タンク２１から改質器１４に排気ガスが供給される。このとき、発熱体２８により排気ガスが加熱されるため、排気ガスの熱により改質器１４が昇温する。

続いて、制御ユニット３２は、温度センサ３１の検出値に基づいて、改質器１４の温度が第１規定温度Ｔ１以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０４）。第１規定温度Ｔ１は、アンモニアガスの燃焼が可能となる温度であり、例えば２００℃程度である。制御ユニット３２は、改質器１４の温度が第１規定温度Ｔ１以上であると判断したときは、発熱体２８の通電を停止させるように電源２９を制御する（手順Ｓ１０５）。そして、制御ユニット３２は、第２開閉バルブ２５を閉じるように制御する（手順Ｓ１０６）。

続いて、制御ユニット３２は、改質スロットルバルブ１６を開くように制御すると共に、改質インジェクタ１７を開くように制御する（手順Ｓ１０７）。これにより、改質器１４に空気が供給されると共に、改質インジェクタ１７からアンモニアガスが噴射し、改質器１４にアンモニアガスが供給される。従って、改質器１４においてアンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱により改質器１４が更に昇温する。そして、改質器１４がアンモニアガスの改質が可能となる温度（例えば３００℃〜４００℃程度）まで昇温すると、改質器１４におい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。

続いて、制御ユニット３２は、温度センサ３１の検出値に基づいて、改質器１４の温度が第２規定温度Ｔ２以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０８）。第２規定温度Ｔ２は、改質器１４によるアンモニアガスの改質が安定化するような温度であり、例えば５００℃〜６００℃程度である。制御ユニット３２は、改質器１４の温度が第２規定温度Ｔ２以上であると判断したときは、ポンプ２６を作動させるように制御する（手順Ｓ１０９）。また、制御ユニット３２は、第１開閉バルブ２４を開くように制御する（手順Ｓ１１０）。

続いて、制御ユニット３２は、アンモニアエンジン２をクランキングさせるようにスタータモータ３０を制御する（手順Ｓ１１１）。これにより、アンモニアエンジン２が始動する。そして、制御ユニット３２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Ｓ１１２）。これにより、エンジン本体７に空気が供給される。そして、制御ユニット３２は、メインインジェクタ５を開くように制御する（手順Ｓ１１３）。これにより、メインインジェクタ５からアンモニアガスが噴射し、エンジン本体７にアンモニアガスが供給される。

続いて、制御ユニット３２は、メインインジェクタ５を開くように制御してから所定時間が経過したかどうかを判断する（手順Ｓ１１４）。所定時間は、例えば排気タンク２１内に排気ガスが充満するような時間であり、予め実験または計算等により定められている。制御ユニット３２は、所定時間が経過したと判断したときは、第１開閉バルブ２４を閉じるように制御する（手順Ｓ１１５）。また、制御ユニット３２は、ポンプ２６の作動を停止させるようにポンプ２６を制御する（手順Ｓ１１６）。

ここで、第１制御部３４は、手順Ｓ１０１〜Ｓ１０３を実行する。第２制御部３５は、手順Ｓ１０４〜Ｓ１０７を実行する。第３制御部３６は、手順Ｓ１０８〜Ｓ１１６を実行する。

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３３がＯＮ操作されると、電気ヒータ２７の発熱体２８が通電され（図４（ａ）参照）、発熱体２８が発熱する。また、第２開閉バルブ２５が開弁し（図４（ｂ）参照）、排気タンク２１に貯留された排気ガスが第２排気ガス流路２３を通って改質器１４に供給される。このとき、発熱体２８の熱により排気ガスが加熱される。そして、暖められた排気ガスの熱により改質器１４が加熱されるため、改質器１４が昇温する（図４（ｇ）参照）。

改質器１４の温度が第１規定温度Ｔ１に達すると、発熱体２８の通電が停止する（図４（ａ）参照）。また、第２開閉バルブ２５が閉弁し（図４（ｂ）参照）、排気タンク２１から改質器１４への排気ガスの供給が停止する。そして、改質スロットルバルブ１６が開弁し（図４（ｃ）参照）、改質器１４に空気が供給される。また、改質インジェクタ１７が開弁し（図４（ｄ）参照）、改質インジェクタ１７からアンモニアガスが噴射するため、改質器１４にアンモニアガスが供給される。

すると、改質器１４の改質触媒１４ｂによってアンモニアガスが着火して燃焼し、その燃焼熱により改質器１４が更に昇温する（図４（ｇ）参照）。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り、燃焼熱が発生する。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ

そして、改質器１４の改質触媒１４ｂ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

ただし、アンモニアガスの改質開始直後は、アンモニアガスの改質率が低いため、改質器１４をすり抜ける未燃アンモニアガスの量が増加する（図４（ｈ）参照）。その後、改質器１４により水素がリッチな状態の改質ガスが生成されると、アンモニアガスの改質率が高くなるため、改質器１４をすり抜ける未燃アンモニアガスの量が減少する（図４（ｈ）参照）。

改質器１４の温度が第２規定温度Ｔ２に達すると、ポンプ２６が作動する（図４（ｅ）参照）と共に、第１開閉バルブ２４が開弁する（図４（ｆ）参照）。そして、スタータモータ３０によりアンモニアエンジン２が始動する。

そして、メインスロットルバルブ６が開弁し、エンジン本体７に空気が供給される。これにより、エンジン本体７の燃焼室において改質ガスが燃焼する。そして、メインインジェクタ５が開弁し、メインインジェクタ５からアンモニアガスが噴射するため、エンジン本体７にアンモニアガスが供給される。これにより、エンジン本体７の燃焼室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。このとき、エンジン本体７の燃焼室において燃焼による排気ガスが発生し、その排気ガスが第１排気ガス流路２２を通って排気タンク２１に溜められる。

そして、所定時間が経過すると、第１開閉バルブ２４が閉弁する（図４（ｆ）参照）と共に、ポンプ２６の作動が停止する（図４（ｅ）参照）。これにより、排気タンク２１への排気ガスの貯留が終了する。以上により、エンジンシステム１は、改質器１４の暖気が完了した後の定常動作となる。

以上のように本実施形態にあっては、アンモニアエンジン２の始動時には、まず排気タンク２１に貯留された排気ガスが改質器１４に供給されると共に、改質器１４に供給される排気ガスが電気ヒータ２７により加熱される。すると、電気ヒータ２７により暖められた排気ガスが改質器１４に供給されるため、排気ガスの熱により改質器１４が昇温する。その後、改質器１４への排気ガスの供給が停止すると共に、改質器１４にアンモニアガス及び空気が供給されると、改質器１４においてアンモニアガスが燃焼するため、燃焼熱により改質器１４が更に昇温する。このため、改質器１４により改質ガスが生成され、その改質ガスがエンジン本体７に供給される。その後、エンジン本体７に空気及びアンモニアガスが供給されると、エンジン本体７においてアンモニアガスが改質ガスと共に燃焼するため、エンジン本体７から排気ガスが発生し、その排気ガスが排気タンク２１に貯留される。このようにアンモニアエンジン２の始動直後は、排気タンク２１に貯留された排気ガスのみが改質器１４に供給され、アンモニアガス及び空気は改質器１４に供給されない。これにより、改質器１４の改質触媒１４ｂの酸化劣化が防止されると共に、改質器１４をすり抜ける未燃アンモニアの量が低減される。このように改質器１４をすり抜ける未燃アンモニアの量が低減されるため、アンモニアガスの後処理を行う装置の体格を小さくすることが可能となる。

また、排気タンク２１から改質器１４に供給される排気ガスの量を多くすることで、電気ヒータ２７により暖められる排気ガスの熱量が増加する。従って、改質器１４の起動時間を短縮することができる。

また、本実施形態では、排気通路４を流れる排気ガスをポンプ２６により吸引することにより、排気タンク２１に排気ガスを簡単に且つ確実に貯留することができる。

また、本実施形態では、改質器１４の温度を検出することにより、改質器１４において燃焼が可能となるタイミングで改質器１４にアンモニアガス及び空気を供給することができる。

また、本実施形態では、改質器１４の温度を検出することにより、改質器１４においてアンモニアガスの改質が安定化するタイミングでエンジン本体７に空気を供給して、エンジン本体７から排気ガスを発生させることができる。

図５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５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実施形態におけるアンモニアエンジン２に代えて、ターボ式のアンモニアエンジン２Ａを備えている。アンモニアエンジン２Ａは、上記のエンジン本体７と、ターボ過給機４０とを有している。

ターボ過給機４０は、排気通路４に配設されたタービン４１と、吸気通路３に配設されたコンプレッサ４２と、タービン４１とコンプレッサ４２とを連結するタービンシャフト４３とを有している。

エンジン本体７から排出された排気ガスがタービン４１に導入されると、排気ガスのエネルギー（排気エネルギー）によってタービン４１が回転する。そして、タービン４１の回転がタービンシャフト４３を介してコンプレッサ４２に伝達されてコンプレッサ４２が回転し、その回転によって圧縮された空気がエンジン本体７に供給される。

また、エンジンシステム１Ａは、上記の排気タンク２１、第１排気ガス流路２２、第２排気ガス流路２３、第１開閉バルブ２４、第２開閉バルブ２５及び電気ヒータ２７を備えている。第１排気ガス流路２２の一端は、排気通路４におけるエンジン本体７とタービン４１との間の部分に接続されている。

第１排気ガス流路２２には、逆止弁４４が配設されている。具体的には、逆止弁４４は、第１排気ガス流路２２における排気通路４と第１開閉バルブ２４との間に配設されている。逆止弁４４は、排気通路４側から排気タンク２１側への排気ガスの流れのみを許容する。

ここで、排気通路４におけるエンジン本体７とタービン４１との間の圧力は、排気タンク２１の圧力に比べて高い。このため、上記のポンプ２６を使用しなくても、排気通路４から排気タンク２１に排気ガスが流れる。

また、エンジンシステム１Ａは、上記の制御ユニット３２に代えて、制御ユニット３２Ａを備えている。制御ユニット３２Ａは、図６に示されるように、イグニッションスイッチ３３の操作信号と温度センサ３１の検出値とに基づいて、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１６、改質インジェクタ１７、第１開閉バルブ２４、第２開閉バルブ２５、電源２９及びスタータモータ３０を制御する。制御ユニット３２Ａは、上記の第１制御部３４、第２制御部３５及び第３制御部３６を有している。

図７は、制御ユニット３２Ａ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７において、制御ユニット３２Ａは、手順Ｓ１０１〜Ｓ１０８を順次実行する。制御ユニット３２Ａは、手順Ｓ１０８において改質器１４の温度が第２規定温度Ｔ２以上であると判断したときは、第１開閉バルブ２４を閉じるように制御する（手順Ｓ１１０）。

そして、制御ユニット３２Ａは、手順Ｓ１１１〜Ｓ１１４を順次実行する。制御ユニット３２Ａは、手順Ｓ１１４において所定時間が経過したと判断したときは、第１開閉バルブ２４を閉じるように制御する（手順Ｓ１１５）。

ここで、第１制御部３４は、手順Ｓ１０１〜Ｓ１０３を実行する。第２制御部３５は、手順Ｓ１０４〜Ｓ１０７を実行する。第３制御部３６は、手順Ｓ１０８〜Ｓ１１５を実行する。

以上のような本実施形態においても、アンモニアエンジン２Ａの始動直後は、排気タンク２１に貯留された排気ガスのみが改質器１４に供給され、アンモニアガス及び空気は改質器１４に供給されない。これにより、改質器１４の改質触媒１４ｂの酸化劣化が防止されると共に、改質器１４をすり抜ける未燃アンモニアの量が低減される。

また、本実施形態では、排気通路４におけるエンジン本体７とタービン４１との間の圧力は高いため、排気通路４から排気タンク２１に排気ガスが流れる。従って、特に排気ガスを吸引するポンプを使用しなくても、排気タンク２１に排気ガスを貯留することができる。

また、本実施形態では、第１排気ガス流路２２には、排気通路４側から排気タンク２１側への排気ガスの流れのみを許容する逆止弁４４が配設されている。従って、排気通路４におけるエンジン本体７とタービン４１との間の圧力が変動しても、排気タンク２１から排気通路４への排気ガスの逆流が防止される。

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、第１開閉バルブ２４及び第２開閉バルブ２５がＯＮ／ＯＦＦ弁であるが、第１開閉バルブ２４及び第２開閉バルブ２５としては、特にＯＮ／ＯＦＦ弁には限られず、排気ガスの流量を制御する流量制御弁等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、温度センサ３１の検出値に基づいて、第２開閉バルブ２５を閉じるタイミングと第１開閉バルブ２４を開くタイミングとが制御されているが、特にその形態には限られない。例えば排気ガスの流量、時間及び室温等から改質器１４の温度を推定することが可能であるため、第２開閉バルブ２５を開いてからの時間に基づいて、第２開閉バルブ２５を閉じるタイミングを制御してもよい。また、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１４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１６及び改質インジェクタ１７を開いてからの時間に基づいて、第１開閉バルブ２４を開くタイミングを制御してもよい。

また、上記実施形態では、改質燃料供給部２０は、改質器１４に向けてアンモニアガスを噴射する改質インジェクタ１７を有しているが、特にその形態には限られず、例えば改質インジェクタ１７に代えて、流量調整弁を用いてもよい。この場合には、アンモニア流路１０を空気流路１５に接続すると共に、アンモニア流路１０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１４に連続供給することができる。

また、上記実施形態では、改質ガス流路１８の他端が吸気通路３に接続されているが、特にその形態には限られず、例えば改質ガス流路１８の他端に、アンモニアエンジン２のエンジン本体７または吸気通路３に向けて改質ガスを噴射するインジェクタを設けてもよい。

また、上記実施形態のエンジンシステム１，１Ａは、燃料としてアンモニアを使用するアンモニアエンジン２，２Ａを備えているが、本発明は、特にアンモニアエンジンには限られず、水素を含有した改質ガスを必要とするエンジンであれば適用可能である。

１，１Ａ…エンジンシステム、２，２Ａ…アンモニアエンジン（エンジン）、３…吸気通路、４…排気通路、６…メインスロットルバルブ（第１スロットルバルブ）、７…エンジン本体、１１…メイン燃料供給部（第１燃料供給部）、１４…改質器（改質部）、１４ｂ…改質触媒、１５…空気流路、１６…改質スロットルバルブ（第２スロットルバルブ）、１８…改質ガス流路、２０…改質燃料供給部（第１燃料供給部）、２１…排気タンク、２２…第１排気ガス流路、２３…第２排気ガス流路、２４…第１開閉バルブ、２５…第２開閉バルブ、２６…ポンプ、２７…電気ヒータ（ヒータ部）、３１…温度センサ（温度検出部）、３４…第１制御部、３５…第２制御部、３６…第３制御部、４０…ターボ過給機、４１…タービン、４２…コンプレッサ、４４…逆止弁。

Claims (7)

1. エンジン本体を有するエンジンと、
   前記エンジン本体に供給される空気が流れる吸気通路と、
   前記エンジン本体から発生した排気ガスが流れる排気通路と、
   前記エンジン本体に燃料を供給する第１燃料供給部と、
   前記吸気通路に配設され、前記エンジン本体に供給される前記空気の流量を制御する第１スロットルバルブと、
   前記燃料を水素に分解する改質触媒を有し、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部と、
   前記改質部に供給される前記空気が流れる空気流路と、
   前記改質部に前記燃料を供給する第２燃料供給部と、
   前記空気流路に配設され、前記改質部に供給される前記空気の流量を制御する第２スロットルバルブと、
   前記改質部により生成された前記改質ガスが前記エンジン本体に向けて流れる改質ガス流路と、
   前記エンジン本体から発生した前記排気ガスを貯留する排気タンクと、
   前記排気通路と前記排気タンクとを接続し、前記排気タンクに貯留される前記排気ガスが流れる第１排気ガス流路と、
   前記排気タンクと前記改質部とを接続し、前記改質部に供給される前記排気ガスが流れる第２排気ガス流路と、
   前記第１排気ガス流路を開閉する第１開閉バルブと、
   前記第２排気ガス流路を開閉する第２開閉バルブと、
   前記改質部に供給される前記排気ガスを加熱するヒータ部と、
   前記第１燃料供給部、前記第１スロットルバルブ、前記第２燃料供給部、前記第２スロットルバルブ、前記第１開閉バルブ、前記第２開閉バルブ及び前記ヒータ部を制御する制御ユニットとを備え、
   前記制御ユニットは、
   前記排気タンクに貯留された前記排気ガスを前記改質部に供給するように前記第２開閉バルブを制御すると共に、前記改質部に供給される前記排気ガスを加熱するように前記ヒータ部を制御する第１制御処理を実行する第１制御部と、
   前記第１制御処理を実行した後、前記改質部への前記排気ガスの供給を停止するように前記第２開閉バルブを制御すると共に、前記改質部に前記燃料及び前記空気を供給するように前記第２燃料供給部及び前記第２スロットルバルブを制御する第２制御処理を実行する第２制御部と、
   前記第２制御処理を実行した後、前記エンジン本体に前記燃料及び前記空気を供給するように前記第１燃料供給部及び前記第１スロットルバルブを制御すると共に、前記排気ガスを前記排気タンクに貯留するように前記第１開閉バルブを制御する第３制御処理を実行する第３制御部とを有するエンジンシステム。
2. 前記第１排気ガス流路には、前記排気通路を流れる前記排気ガスを吸引するポンプが配設されている請求項１記載のエンジンシステム。
3. 前記エンジンは、ターボ過給機を有し、
   前記ターボ過給機は、前記排気通路に配設されたタービンと、前記吸気通路に配設されたコンプレッサとを有し、
   前記第１排気ガス流路の一端は、前記排気通路における前記エンジン本体と前記タービンとの間の部分に接続されている請求項１記載のエンジンシステム。
4. 前記第１排気ガス流路には、前記排気通路側から前記排気タンク側への前記排気ガスの流れのみを許容する逆止弁が配設されている請求項３記載のエンジンシステム。
5. 前記改質部の温度を検出する温度検出部を更に備え、
   前記第２制御部は、前記温度検出部により検出された前記改質部の温度が予め定められた第１規定温度以上になると、前記第２制御処理を実行する請求項１〜４の何れか一項記載のエンジンシステム。
6. 前記第３制御部は、前記温度検出部により検出された前記改質部の温度が前記第１規定温度よりも高い第２規定温度以上になると、前記第３制御処理を実行する請求項５記載のエンジンシステム。
7. 前記エンジンは、前記燃料としてアンモニアを使用するアンモニアエンジンである請求項１〜６の何れか一項記載のエンジンシステム。

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