JP6362334B2 - アンモニアエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、アンモニアを燃料とするアンモニアエンジンに関する。
近年、地球温暖化防止などの環境保全の観点から、再生可能な燃料を用いたエンジンとして、アンモニアを燃料としたアンモニアエンジンが着目されている。しかし、このアンモニアエンジンでは、燃料であるアンモニアが難燃性であるため、アンモニアを燃え易くするための工夫が必要になる。このため、従来のアンモニアエンジンは、燃焼室に複数の点火プラグを配置し、これらの点火プラグによって複数の箇所で火花を発生させることによって、アンモニアを容易に燃焼させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−１５９７０５号公報
しかしながら、この種のアンモニアエンジンにあっては、燃焼室内に供給されたアンモニアの燃焼効率が依然として低いため、未だ実用化されていないのが現状である。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃焼効率を向上させることができるアンモニアエンジンを提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明のアンモニアエンジンは、シリンダの燃焼室内にアンモニアが燃料として供給されるアンモニアエンジンであって、アンモニアを前記燃焼室内に直接供給するアンモニア供給装置と、アンモニアと金属水素化物とを反応させて高圧の水素ガスを発生させる水素ガス生成装置と、前記水素ガス生成装置により発生した前記高圧の水素ガスを前記燃焼室内に直接供給する水素ガス供給装置と、を備え、前記水素ガス供給装置は、前記高圧の水素ガスを噴射する第１の噴射部を有し、前記第１の噴射部は、前記燃焼室内で火花を発生させる点火部の近傍において、当該点火部により発生した火花に向けて前記高圧の水素ガスを噴射するように配置されており、前記アンモニア供給装置は、アンモニアを噴射する第２の噴射部を有し、前記第２の噴射部は、前記第１の噴射部よりも前記点火部から離れて配置され、且つ前記第１の噴射部から噴射された高圧の水素ガスに向けてアンモニアを噴射しないように配置されていることを特徴とする。
本発明のアンモニアエンジンによれば、水素ガス生成装置により発生した高圧の水素ガスを、高圧下の燃焼室内に供給することができるため、燃焼室内のアンモニアは可燃性ガスである水素ガスとともに燃焼することで、アンモニアの燃焼効率を向上させることができる。
また、点火部の近傍においてアンモニアを水素ガスとともに燃焼させることができるため、水素ガスを燃焼室に充満させる必要がない。その結果、アンモニアの燃焼に必要な水素ガスの供給量を低減することができる。
前記水素ガス生成装置で発生させる水素ガスの圧力は、前記シリンダのピストンが圧縮上死点に達したときの前記燃焼室内の圧力以上に設定されているのが好ましい。
この場合、シリンダのピストンが圧縮上死点に達するときに燃焼室内に水素ガスを供給することができるため、ポンピングロスを効果的に低減することができ、アンモニアエンジンの熱効率を向上させることができる。
前記水素ガス生成装置は、前記燃焼室内に供給するアンモニアを利用して高圧の水素ガスを発生させるのが好ましい。
この場合、高圧の水素ガスを生成するための専用のアンモニアを別途用意する必要がないので、エンジン全体の構成を簡素化することができる。
本発明のアンモニアエンジンによれば、燃焼効率を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係るアンモニアエンジンの構成を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るアンモニアエンジンの構成を示す模式図である。図１において、本実施形態のアンモニアエンジンは、液体アンモニアを燃料とするエンジン本体１と、液体アンモニアを貯留するタンク２と、液体アンモニアを用いて高圧の水素ガスを発生させる水素ガス生成装置３と、生成された高圧の水素ガスをエンジン本体１に供給する水素ガス供給装置４とを備えている。
エンジン本体１は、内部に燃焼室１１ａを有するシリンダ１１と、燃焼室１１ａ内に液体アンモニアを供給するアンモニア供給装置１２と、燃焼室１１ａ内に空気を供給する吸気装置１３と、燃焼室１１ａ内で火花を発生させる点火装置１４と、燃焼室１１ａ内から燃焼後の排気ガスを排出する排気装置１５とを備えている。
シリンダ１１は、筒状のシリンダライナ１１ｂと、シリンダライナ１１ｂの上部開口を覆うシリンダヘッド１１ｃと、シリンダライナ１１ｂ内に往復動可能に設けられたピストン１１ｄと、ピストン１１ｄに連結されたクランク１１ｅとを有している。シリンダライナ１１ｂとシリンダヘッド１１ｃとピストン１１ｄとによって囲まれた空間が燃焼室１１ａとされている。したがって、燃焼室１１ａは、ピストン１１ｄが図中上側に移動することで、高圧状態に圧縮されるようになっている。また、この燃焼室１１ａで液体アンモニアを燃焼させてピストン１１ｄを往復動させることで、クランク１１ｅを回転運動させる駆動力が伝達されるようになっている。
点火装置１４は、例えば点火プラグからなり、シリンダヘッド１１ｃの略中央部において先端部を燃焼室１１ａ内に配置させた状態で固定されている。点火装置１４の先端部には、燃焼室１１ａ内の上側中央部で火花を発生させる点火部１４ａが設けられている。
アンモニア供給装置１２は、例えばインジェクタからなり、シリンダヘッド１１ｃにおいて先端部を燃焼室１１ａ内に配置させた状態で固定されている。アンモニア供給装置１２の先端部には、燃焼室１１ａ内に液体アンモニアを噴射する噴射部１２ａが設けられている。なお、アンモニア供給装置１２は、噴射部１２ａを燃焼室１１ａ内に配置させた状態でシリンダヘッド１１ｃに固定されているが、これに代えて、又はこれに加えて、噴射部１２ａを吸気管１３ａ内に配置させた状態で当該吸気管１３ａに固定されていても良い。
吸気装置１３は、一端部がシリンダヘッド１１ｃに固定された吸気管１３ａと、吸気管１３ａ内に設けられた吸気弁１３ｂとを備えている。吸気弁１３ｂは、図示しない駆動手段により開閉されるようになっており、吸気弁１３ｂを開放することで吸気管１３ａ内と燃焼室１１ａとが連通し、吸気管１３ａから燃焼室１１ａ内に空気が供給されるようになっている。
排気装置１５は、一端部がシリンダヘッド１１ｃに固定された排気管１５ａと、排気管１５ａ内に設けられた排気弁１５ｂとを備えている。排気弁１５ｂは、図示しない駆動手段により開閉されるようになっており、排気弁１５ｂを開放することで排気弁１５ｂ内と燃焼室１１ａとが連通し、燃焼室１１ａ内の燃焼後の排気ガスが排気弁１５ｂから排出されるようになっている。
水素ガス生成装置３は、従来の水素ガス製造方法（例えば、特開２０１０−２６５１３８号公報）を用いたものであり、液体アンモニアと金属水素化物とを反応させて高圧の水素ガスを発生させるものである。水素ガス生成装置３は、反応容器３ａと、この反応容器３ａに粉末状の金属水素化物を補給する補給装置３ｂとを有している。
反応容器３ａは、耐圧性能の高い容器からなり、その内部には補給装置３ｂから多量の金属水素化物が充填される。また、反応容器３ａの内部には、タンク２内の液体アンモニアが導入される。すなわち、水素ガス生成装置３は、エンジン本体１の燃焼室１１ａ内に供給される液体アンモニアを、反応容器３ａの導入する液体アンモニアとして利用している。
反応容器３ａ内では、多量の金属水素化物（ＭＨ）と液体アンモニア（ＮＨ3）とが反応することで、下記化学式に示すように、高圧の水素ガスが発生する。
ＭＨ（固体）＋ＮＨ3（液体）→ＭＮＨ2（固体）＋Ｈ2（気体）
ここで、Ｍは、一価の軽金属元素である。
上記反応は、アンモニアが液体状態を維持する温度領域、つまりアンモニアの融点以上かつ沸点以下の温度領域で行われる。なお、常圧におけるアンモニアの融点は−７７．７℃、沸点は−３３．４℃であるので、常圧下における前記温度領域は、−７７．７℃〜−３３．４℃となる。しかし、上記反応に用いる液体アンモニアは、エンジン本体１の燃焼室１１ａにも導入されるため、常圧下の温度領域ではアンモニアの温度が低過ぎて、エンジンの燃焼効率が低下することになる。そこで、本実施形態では、アンモニアが液体状態を維持する温度領域が常温付近となるように、反応容器３ａ内の圧力を高めている。具体的には、アンモニアは、８ａｔｍの圧力件下では常温付近である２０℃で液化するので、反応容器３ａ内の圧力は、８ａｔｍ以上に設定されている。
上記反応に用いられる金属水素化物としては、例えば、一価の軽金属元素の金属水素化物である水素化リチウム（ＬｉＨ）、水素化ナトリウム（ＮａＨ）、又は水素化カリウム（ＫＨ）を好適に用いることができる。上記反応では、全ての金属水素化物が液体アンモニアと反応することで水素ガスが発生するようになっている。したがって、反応容器３ａ内に充填される金属水素化物の量を調節することにより、発生させる水素ガスの圧力を設定することができる。本実施形態では、発生させる水素ガスの圧力は、シリンダ１１のピストン１１ｄが圧縮上死点（ＴＤＣ：Top Dead Center）に達したときの燃焼室１１ａ内の圧力以上となるように設定されている。
水素ガス供給装置４は、例えばインジェクタからなり、シリンダヘッド１１ｃの略中央部において先端部を燃焼室１１ａ内に配置させた状態で固定されている。水素ガス供給装置４の先端部には、点火部１４ａの近傍に配置された噴射部４ａが設けられている。噴射部４ａは、水素ガス生成装置３で発生した高圧の水素ガスを、点火部１４ａにより発生した火花に向けて噴射するようになっている。
以上、本実施形態のアンモニアエンジンによれば、水素ガス生成装置３により発生した高圧の水素ガスを、高圧下の燃焼室１１ａ内に供給することができるため、燃焼室１１ａ内の液体アンモニアは可燃性ガスである水素ガスとともに燃焼することで、液体アンモニアの燃焼効率を向上させることができる。
水素ガス供給装置４は、点火部１４ａの近傍に配置された噴射部４ａから当該点火部１４ａで発生した火花に向けて高圧の水素ガスを噴射するため、点火部１４ａの近傍において液体アンモニアを水素ガスとともに燃焼させることができる。これにより、水素ガスを燃焼室１１ａに充満させる必要がないので、液体アンモニアの燃焼に必要な水素ガスの供給量を低減することができる。
また、水素ガス生成装置３において発生させる水素ガスの圧力は、シリンダ１１のピストン１１ｄが圧縮上死点に達したときの燃焼室１１ａ内の圧力以上に設定されているため、シリンダ１１のピストン１１ｄが圧縮上死点に達するときに燃焼室１１ａ内に水素ガスを供給することができる。これにより、ポンピングロスを効果的に低減することができ、アンモニアエンジンの熱効率を向上させることができる。
また、水素ガス生成装置３は、シリンダ１１の燃焼室１１ａ内に供給する液体アンモニアを利用して高圧の水素ガスを発生させているため、高圧の水素ガスを生成するための専用の液体アンモニアを別途用意する必要がない。これにより、エンジン全体の構成を簡素化することができる。
上述の実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更は本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、上述の実施形態における水素ガス生成装置３は、エンジン本体１の燃焼室１１ａ内に供給される液体アンモニアを利用しているが、専用の液体アンモニアを用いるようにしても良い。また、エンジン本体１のアンモニア供給装置１２は、シリンダ１１に設けられているが、吸気管１３ａに設けられていても良い。また、上記実施形態のアンモニアエンジンは、液体アンモニアを燃料としているが、気体アンモニアを燃料としても良い。
３ 水素ガス生成装置
４ 水素ガス供給装置
４ａ 噴射部
１１ シリンダ
１１ａ 燃焼室
１１ｄ ピストン
１４ａ 点火部

Claims (3)

  1. シリンダの燃焼室内にアンモニアが燃料として供給されるアンモニアエンジンであって、
    アンモニアを前記燃焼室内に直接供給するアンモニア供給装置と、
    アンモニアと金属水素化物とを反応させて高圧の水素ガスを発生させる水素ガス生成装置と、
    前記水素ガス生成装置により発生した前記高圧の水素ガスを前記燃焼室内に直接供給する水素ガス供給装置と、を備え、
    前記水素ガス供給装置は、前記高圧の水素ガスを噴射する第１の噴射部を有し、
    前記第１の噴射部は、前記燃焼室内で火花を発生させる点火部の近傍において、当該点火部により発生した火花に向けて前記高圧の水素ガスを噴射するように配置されており、
    前記アンモニア供給装置は、アンモニアを噴射する第２の噴射部を有し、
    前記第２の噴射部は、前記第１の噴射部よりも前記点火部から離れて配置され、且つ前記第１の噴射部から噴射された高圧の水素ガスに向けてアンモニアを噴射しないように配置されていることを特徴とするアンモニアエンジン。
  2. 前記水素ガス生成装置で発生させる水素ガスの圧力は、前記シリンダのピストンが圧縮上死点に達したときの前記燃焼室内の圧力以上に設定されている請求項１に記載のアンモニアエンジン。
  3. 前記水素ガス生成装置は、前記燃焼室内に供給するアンモニアを利用して高圧の水素ガスを発生させる請求項１又は２に記載のアンモニアエンジン。
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