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JP7750271B2 - power plant - Google Patents
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JP7750271B2 - power plant - Google Patents

power plant

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JP7750271B2 JP2023144254A JP2023144254A JP7750271B2 JP 7750271 B2 JP7750271 B2 JP 7750271B2 JP 2023144254 A JP2023144254 A JP 2023144254A JP 2023144254 A JP2023144254 A JP 2023144254A JP 7750271 B2 JP7750271 B2 JP 7750271B2
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Description

本発明は、水素を主燃料とする内燃機関を備えた動力装置に関する。 The present invention relates to a power plant equipped with an internal combustion engine that uses hydrogen as its primary fuel.

水素を燃料する火花点火型の内燃機関が知られている。下記特許文献1には、水素を燃料として動作する際に、燃料の当量比を化学量論的組成よりも空気過剰であるリーン状態で動作して,異常燃焼を抑制する内燃機関が示されている。下記非特許文献1には、水素を燃料とするエンジンにアンモニアを供給することで、燃焼を緩慢とすることができることが記載されている。下記特許文献2には、燃料を改質した水素や一酸化炭素を用いて、燃焼器の排気中の窒素酸化物からアンモニアを生成し、生成したアンモニアを排気と共に吸気に再循環させる技術が示されている。 Spark-ignition internal combustion engines that use hydrogen as fuel are known. Patent Document 1 below describes an internal combustion engine that operates in a lean state, where the fuel equivalence ratio is greater than the stoichiometric composition and there is an excess of air when using hydrogen as fuel, to suppress abnormal combustion. Non-Patent Document 1 below describes that supplying ammonia to a hydrogen-fueled engine can slow combustion. Patent Document 2 below describes a technology that uses hydrogen and carbon monoxide reformed from fuel to produce ammonia from nitrogen oxides in the exhaust gas from the combustor, and recirculates the produced ammonia together with the exhaust gas into the intake air.

特開2016-156304号公報JP 2016-156304 A 特許第7153327号公報Patent No. 7153327

グー シン(Gu Xin) 外5名、「リーンバーン条件下における水素燃料エンジンの燃焼およびエミッション特性に及ぼすアンモニア添加の影響(Effect of ammonia addition on combustion and emission characteristics of hydrogen-fueled engine under lean-burn condition)」、International Journal of Hydrogen Energy 47 (2022) 9762-9774頁、[on line]、2022年2月8日、エルゼビア リミテッド(Elsevier Ltd)、[令和5年8月24日検索]、インターネット<URL:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319922000544>Gu Xin and five others, "Effect of ammonia addition on combustion and emission characteristics of hydrogen-fueled engine under lean-burn condition," International Journal of Hydrogen Energy 47 (2022) pp. 9762-9774, [online], February 8, 2022, Elsevier Ltd, [Retrieved August 24, 2023], Internet <URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319922000544>

水素を燃料とする内燃機関においては、点火プラグによる着火前に燃料が自着火するプレイグニッション等の異常燃焼が起きやすい。燃料の当量比をリーンとすると、混合気の着火性や燃焼性が低下するため、異常燃焼を抑制することができる。しかし、リーン状態、つまり空気過剰の状態では、燃焼により発生した窒素酸化物を効率的に浄化することが難しい。 Internal combustion engines that use hydrogen as fuel are prone to abnormal combustion, such as pre-ignition, in which fuel spontaneously ignites before being ignited by the spark plug. Setting the fuel equivalence ratio to lean reduces the ignition and combustibility of the mixture, thereby suppressing abnormal combustion. However, in a lean condition, i.e., in a state with excess air, it is difficult to efficiently purify the nitrogen oxides generated by combustion.

本発明は、水素を主燃料とする内燃機関を備えた動力装置において、内燃機関の異常燃焼を抑制することと、内燃機関の排気中の窒素酸化物を効率良く浄化することとの少なくとも1つを目的とする。 The present invention aims to at least one of suppressing abnormal combustion in an internal combustion engine that uses hydrogen as its main fuel, and efficiently purifying nitrogen oxides in the exhaust gas from the internal combustion engine, in a power plant equipped with such an internal combustion engine.

本発明に係る動力装置は、水素を含有する混合気を燃焼させて動力を得る内燃機関と、内燃機関の排気の一部と水素が導入され、排気中の窒素酸化物と水素を反応させてアンモニアを生成する改質器とを備え、内燃機関は、改質器によって生成されたアンモニアを気筒内に直接噴射するアンモニア噴射弁を有する。 The power plant of the present invention comprises an internal combustion engine that generates power by burning an air-fuel mixture containing hydrogen, and a reformer that receives a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine and hydrogen and reacts the nitrogen oxides in the exhaust gas with the hydrogen to produce ammonia. The internal combustion engine has an ammonia injector that directly injects the ammonia produced by the reformer into the cylinders.

難燃性であるアンモニアを気筒内に供給することで水素の異常燃焼を抑制することができる。 By supplying ammonia, which is flame-retardant, into the cylinder, abnormal hydrogen combustion can be suppressed.

上記の動力装置において、改質器によって生成されたアンモニアを含むガスから水および窒素の少なくとも一方を分離する分離器を備えるようにしてよく、分離器によって、水および窒素の少なくとも一方が分離されたアンモニアを含むガスがアンモニア噴射弁に送られる。アンモニアの濃度が高いアンモニア含有ガスを供給することができ、またガスの量が減少することで、ガスを圧縮する仕事を低減することができる。 The above-mentioned power plant may be provided with a separator that separates at least one of water and nitrogen from the ammonia-containing gas produced by the reformer, and the ammonia-containing gas from which at least one of water and nitrogen has been separated by the separator is sent to the ammonia injector. This allows for the supply of ammonia-containing gas with a high concentration of ammonia, and by reducing the amount of gas, the work required to compress the gas can be reduced.

上記の動力装置において、改質器によって生成されたアンモニアを含むガスを冷やして水を凝縮させる改質後凝縮器を備えるようにしてよく、改質後凝縮器によって凝縮した水に溶けたアンモニアがアンモニア水としてアンモニア噴射弁に送られる。液体を昇圧するため、気体を圧縮する場合に比べて昇圧のための仕事を低減することができる。また、液体の水が気筒内に供給されるので、水の気化熱によって気筒内の冷却が期待できる。 The above-mentioned power plant may be equipped with a post-reforming condenser that cools the ammonia-containing gas produced by the reformer to condense the water, and the ammonia dissolved in the water condensed by the post-reforming condenser is sent to the ammonia injector as ammonia water. Because a liquid is pressurized, the work required for pressurization can be reduced compared to when a gas is compressed. In addition, because liquid water is supplied to the cylinder, the heat of vaporization of the water can be expected to cool the inside of the cylinder.

上記の動力装置において、内燃機関の排気の一部を冷やして水を凝縮させて分離する改質前凝縮器を備えるようにしてよく、水を凝縮・分離した後の排気が改質器に送られる。排気から水を除くことにより、改質器の効率を高めることができる。さらに、改質器によって水分離後の排気から生成されたアンモニアを含むガスから窒素を分離する分離器を備えるようにしてよく、水および窒素が分離されたアンモニアを含むガスがアンモニア噴射弁に送られる。アンモニアの濃度が高いアンモニア含有ガスを供給することができ、またガスの量が減少することで、ガスを圧縮する仕事を低減することができる。 The above-mentioned power plant may be equipped with a pre-reformer condenser that cools a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine to condense and separate water, and the exhaust gas after condensing and separating the water is sent to the reformer. By removing water from the exhaust gas, the efficiency of the reformer can be increased. Furthermore, a separator may be equipped that separates nitrogen from the ammonia-containing gas produced from the exhaust gas after water separation by the reformer, and the ammonia-containing gas from which the water and nitrogen have been separated is sent to the ammonia injector. Ammonia-containing gas with a high concentration of ammonia can be supplied, and the reduced amount of gas reduces the work required to compress the gas.

上記の動力装置において、アンモニア噴射弁は、気筒内の高温部分に向けてアンモニアを噴射するようにしてよい。高温部分を起点とする異常燃焼の発生を抑制することができる。 In the above power plant, the ammonia injector may inject ammonia toward high-temperature areas within the cylinder. This can suppress the occurrence of abnormal combustion originating from high-temperature areas.

上記の動力装置において、アンモニア噴射弁は、点火プラグに向けてアンモニアを噴射するようにしてよい。点火プラグを起点とする異常燃焼の発生を抑制することができる。 In the above power plant, the ammonia injector may inject ammonia toward the spark plug. This can suppress the occurrence of abnormal combustion originating from the spark plug.

上記の動力装置において、内燃機関の排気を浄化する酸化還元触媒装置を備えるようにしてよい。異常燃焼が抑制されることで、気筒内ガスの組成を化学量論的組成とすることができ、排気が化学量論的組成のときに未燃燃料と窒素酸化物を同時に浄化する酸化還元触媒装置を使用することができる。 The above-mentioned power plant may be equipped with an oxidation-reduction catalyst device that purifies the exhaust gas from the internal combustion engine. By suppressing abnormal combustion, the composition of the gas in the cylinder can be made stoichiometric, and when the exhaust gas has a stoichiometric composition, an oxidation-reduction catalyst device can be used that simultaneously purifies unburned fuel and nitrogen oxides.

上記の動力装置において、改質器に導入される水素は、燃料用の水素を流用したものであってよい。窒素酸化物をアンモニアに還元するための物質を別途用意する必要がなくなる。 In the above-mentioned power plant, the hydrogen introduced into the reformer may be hydrogen used for fuel. This eliminates the need to prepare a separate substance for reducing nitrogen oxides to ammonia.

難燃性であるアンモニアを気筒に供給することで水素の異常燃焼を抑制することができる。異常燃焼が抑制されることで、気筒内物質の組成を化学量論的組成とすることが可能になり、この場合、酸化還元触媒を用いて未燃燃料および窒素酸化物を同時に浄化できる。 By supplying ammonia, which is flame-retardant, to the cylinder, abnormal hydrogen combustion can be suppressed. By suppressing abnormal combustion, the composition of substances in the cylinder can be made stoichiometric, and in this case, unburned fuel and nitrogen oxides can be simultaneously purified using an oxidation-reduction catalyst.

本発明に係る動力装置の一例を模式的に示す図である。1 is a diagram schematically illustrating an example of a power plant according to the present invention. 本発明に係る動力装置の他の例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically illustrating another example of a power plant according to the present invention. 本発明に係る動力装置の更に他の例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically illustrating still another example of a power plant according to the present invention. 本発明に係る動力装置の更に他の例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically illustrating still another example of a power plant according to the present invention. 本発明に係る動力装置の更に他の例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically illustrating still another example of a power plant according to the present invention.

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図1は、動力装置10の構成を模式的に示す図である。動力装置10は、水素を主燃料とする火花点火機関である内燃機関12を備える。内燃機関12は、概略円筒形の気筒14を画定する機関本体16を有する。気筒14内には、気筒14の中心軸線に沿って往復運動するピストン(不図示)が配置され、ピストンの運動が、コネクティングロッドを介して内燃機関の出力軸であるクランク軸に伝わる。この内燃機関12は、直列に配置された4つの気筒14を有する、いわゆる直列4気筒機関である。気筒数および気筒配列は、これに限らず、例えば気筒数が2,3,6,8等であってよく、気筒配列がV型の機関であってもよい。各気筒14には、燃料と空気が混合した混合気に点火するため点火プラグ18が配置されている。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the configuration of a power plant 10. The power plant 10 includes an internal combustion engine 12, a spark-ignition engine that uses hydrogen as its primary fuel. The internal combustion engine 12 has an engine body 16 that defines roughly cylindrical cylinders 14. Pistons (not shown) that reciprocate along the central axes of the cylinders 14 are disposed within the cylinders 14, and the movement of the pistons is transmitted to the crankshaft, which is the output shaft of the internal combustion engine, via connecting rods. This internal combustion engine 12 is a so-called in-line four-cylinder engine, having four cylinders 14 arranged in series. The number and arrangement of cylinders are not limited to this, and the number of cylinders may be 2, 3, 6, or 8, for example, or the engine may have a V-shaped cylinder arrangement. Each cylinder 14 is provided with a spark plug 18 for igniting the fuel-air mixture.

内燃機関12は、気筒14に供給される空気、すなわち吸気の流路となる吸気流路を構成する吸気管20および吸気マニホルド22を含む。吸気管20には、吸気の流路を調整するためのスロットル弁24が設けられている。吸気管20のスロットル弁24より下流の部分には、吸気の流量を検出する吸気量センサ25が設けられている。吸気マニホルド22は、吸気管20に接続された吸気流路と、この吸気流路から4つに枝分かれした吸気流路を有する。枝分かれした4つの流路のそれぞれは、機関本体16に形成されて4つの気筒14にそれぞれつながる4つの吸気ポートに接続されている。吸気マニホルド22の4つに枝分かれした流路には、それぞれ主燃料である水素を流路中に噴射する水素噴射弁26が設けられている。水素噴射弁26から噴射される水素は、水素タンク28から供給される。 The internal combustion engine 12 includes an intake pipe 20 and an intake manifold 22 that form an intake flow path through which air is supplied to the cylinders 14, i.e., the intake air. The intake pipe 20 is provided with a throttle valve 24 for adjusting the intake flow path. An intake air flow sensor 25 for detecting the intake air flow rate is provided downstream of the throttle valve 24 in the intake pipe 20. The intake manifold 22 has an intake flow path connected to the intake pipe 20 and four intake flow paths branching from this intake flow path. Each of the four branched flow paths is connected to four intake ports formed in the engine body 16 and connected to the four cylinders 14, respectively. Each of the four branched flow paths of the intake manifold 22 is provided with a hydrogen injector 26 that injects hydrogen, the main fuel, into the flow path. The hydrogen injected from the hydrogen injector 26 is supplied from a hydrogen tank 28.

内燃機関12は、気筒14から排出される空気、すなわち排気の流路となる排気流路を構成する排気マニホルド30および排気管32を含む。排気マニホルド30は、機関本体16に形成された4つの排気ポートとそれぞれ接続する4つの排気流路と、この4つの排気流路を1つに合流させて排気管32に接続する排気流路を有する。4つの排気ポートは、4つの気筒14にそれぞれつながり気筒14内から排気マニホルド30に排気を案内する。 The internal combustion engine 12 includes an exhaust manifold 30 and an exhaust pipe 32 that form an exhaust flow path for air discharged from the cylinders 14, i.e., the exhaust gas. The exhaust manifold 30 has four exhaust flow paths that connect to four exhaust ports formed in the engine body 16, respectively, and an exhaust flow path that merges these four exhaust flow paths into one and connects to the exhaust pipe 32. The four exhaust ports are connected to the four cylinders 14, respectively, and guide exhaust gas from inside the cylinders 14 to the exhaust manifold 30.

動力装置10は、内燃機関12の排気中の未燃の水素を酸化し、かつ気筒14内の燃焼により生成された窒素酸化物を還元する酸化還元触媒装置34を備えている。酸化還元触媒装置34は、排気管32の途中に設けられている。酸化還元触媒装置34の触媒は、例えばガソリンを燃料とする内燃機関に用いられている三元触媒を使用することができる。排気管32の、酸化還元触媒装置34より上流側の部分に空気過剰率センサ36が設けられている。空気過剰率センサ36は、排気中の酸素濃度を検出するセンサであり、この酸素濃度に基づき燃料に対する空気過剰率が算出される。空気過剰率に基づき、気筒14内の物質の組成が化学量論的組成となるように、気筒14に供給される燃料の量が制御される。気筒14に供給される空気の量は、吸気量センサ25により検出することができ、検出された空気量に対応した燃料が気筒14に供給される。燃料は、水素噴射弁26から噴射される水素と、後述するアンモニア噴射弁38から噴射されるアンモニアである。水素噴射弁26とアンモニア噴射弁38を制御することで燃料の供給量が制御される。気筒14内の物質の組成を化学量論的組成とすることで、酸化還元触媒装置34によって排気中の水素と窒素酸化物を同時に浄化することができる。リーン条件にて窒素酸化物を浄化する場合、選択還元触媒や窒素酸化物吸蔵還元触媒を使用するが、気筒内物質の組成を化学量論的組成とし、酸化還元触媒を使用することで、窒素酸化物の浄化効率を高めることができる。 The power plant 10 includes a redox catalyst device 34 that oxidizes unburned hydrogen in the exhaust gas of the internal combustion engine 12 and reduces nitrogen oxides produced by combustion in the cylinders 14. The redox catalyst device 34 is located in the exhaust pipe 32. The catalyst in the redox catalyst device 34 may be, for example, a three-way catalyst used in gasoline-fueled internal combustion engines. An air excess ratio sensor 36 is located in the exhaust pipe 32 upstream of the redox catalyst device 34. The air excess ratio sensor 36 detects the oxygen concentration in the exhaust gas, and the air excess ratio relative to the fuel is calculated based on this oxygen concentration. Based on the air excess ratio, the amount of fuel supplied to the cylinders 14 is controlled so that the composition of substances in the cylinders 14 is stoichiometric. The amount of air supplied to the cylinders 14 can be detected by the intake air volume sensor 25, and fuel corresponding to the detected air volume is supplied to the cylinders 14. The fuel consists of hydrogen injected from the hydrogen injector 26 and ammonia injected from the ammonia injector 38, described below. The amount of fuel supplied is controlled by controlling the hydrogen injector 26 and the ammonia injector 38. By maintaining a stoichiometric composition of materials in the cylinder 14, the oxidation-reduction catalyst device 34 can simultaneously purify hydrogen and nitrogen oxides in the exhaust. When purifying nitrogen oxides under lean conditions, a selective reduction catalyst or nitrogen oxide storage reduction catalyst is used, but by maintaining a stoichiometric composition of materials in the cylinder and using an oxidation-reduction catalyst, the efficiency of purifying nitrogen oxides can be improved.

動力装置10は、内燃機関12の排気中の窒素酸化物を水素と反応させアンモニアに改質し、改質したアンモニアを気筒14内に供給するアンモニア供給系を含む。アンモニア供給系は、排気管32から分岐された分岐管40によって排気が供給される改質器42を含む。分岐管40には、排気管32から分岐管40に流れる排気の流量を調整する流量調整弁43が設けられている。改質器42には、水素供給弁44から水素が供給される。この水素は、主燃料である水素を流用したものとすることができる。改質器42では、排気中の窒素酸化物と、供給された水素とが触媒により反応してアンモニアが生成される。反応式を次に示す。
2NO+5H2 → 2NH3+2H2
The power plant 10 includes an ammonia supply system that reacts nitrogen oxides in the exhaust gas of the internal combustion engine 12 with hydrogen to reform them into ammonia and supplies the reformed ammonia into the cylinders 14. The ammonia supply system includes a reformer 42 to which exhaust gas is supplied via a branch pipe 40 branching off from the exhaust pipe 32. The branch pipe 40 is provided with a flow control valve 43 that adjusts the flow rate of exhaust gas flowing from the exhaust pipe 32 to the branch pipe 40. Hydrogen is supplied to the reformer 42 from a hydrogen supply valve 44. This hydrogen can be hydrogen that is diverted from the main fuel. In the reformer 42, the nitrogen oxides in the exhaust gas react with the supplied hydrogen in the presence of a catalyst to produce ammonia. The reaction formula is shown below.
2NO+5H 2 → 2NH 3 +2H 2 O

生成されたアンモニアを含むガス(以下、アンモニア含有ガスと記す。)がコンプレッサ46で圧縮されて、各気筒14に設けられたアンモニア噴射弁38に送られる。アンモニア噴射弁38から、アンモニア含有ガスが気筒14内に直接噴射される。動力装置10は、改質器42から送り出されたアンモニア含有ガスをそのままの組成で、つまり直接、気筒14に供給する。アンモニア含有ガスは、気筒14内の高温の部分に向けて噴射されてよい。高温の部位は、経験的に、実験的に、または気筒内燃焼モデルを用いた数値計算により定めることができる。高温の部位は例えば点火プラグである。 The generated gas containing ammonia (hereinafter referred to as ammonia-containing gas) is compressed by a compressor 46 and sent to an ammonia injector 38 provided in each cylinder 14. The ammonia-containing gas is directly injected from the ammonia injector 38 into the cylinder 14. The power plant 10 supplies the ammonia-containing gas delivered from the reformer 42 to the cylinder 14 with its original composition, that is, directly. The ammonia-containing gas may be injected toward a high-temperature portion within the cylinder 14. The high-temperature portion can be determined empirically, experimentally, or by numerical calculation using an in-cylinder combustion model. The high-temperature portion is, for example, a spark plug.

アンモニアは水素に比べて難燃性であり、気筒14にアンモニアを供給することにより、水素の異常燃焼を抑制することができる。特に、アンモニアを、異常燃焼の起点となる、気筒14内の高温の部位に向けて噴射することで、少ない量のアンモニアで効率的に異常燃焼を抑制することができる。 Ammonia is less flammable than hydrogen, and supplying ammonia to the cylinder 14 can suppress abnormal hydrogen combustion. In particular, by injecting ammonia toward high-temperature areas within the cylinder 14, which are the starting points for abnormal combustion, abnormal combustion can be suppressed efficiently with a small amount of ammonia.

図2は、本発明の第2の実施形態である動力装置50の構成を模式的に示す図である。前述の動力装置10の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。動力装置50は、改質器42において生成されたアンモニアを含むガスから、水(水蒸気)および窒素の少なくとも一方を分離する分離器52を備える。水の分離は、アンモニアと水の一方が透過可能で、他方は透過できない分離膜を利用して行われる。窒素の分離も、アンモニアと窒素の一方が透過可能で、他方は透過できない分離膜を利用して行われる。アンモニアと水を分離する分離膜は、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどでできたものを使用できる。アンモニアと窒素を分離する分離膜は、例えば、ポリイミドやシリコンなどでできたものを使用できる。分離された水および窒素は、大気に放出される。水と窒素が除かれたアンモニア含有ガスは、コンプレッサ46によって圧縮され、アンモニア噴射弁38に送られる。動力装置50は、改質器42から送り出されたアンモニア含有ガスを分離器52を介して気筒14に供給する。 Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of a power plant 50 according to a second embodiment of the present invention. Components identical to those of the power plant 10 described above are designated by the same reference numerals, and their description will be omitted. The power plant 50 includes a separator 52 that separates at least one of water (water vapor) and nitrogen from the ammonia-containing gas produced in the reformer 42. Water separation is achieved using a separation membrane that allows permeation of either ammonia or water but not the other. Nitrogen separation is also achieved using a separation membrane that allows permeation of either ammonia or nitrogen but not the other. Separation membranes that separate ammonia and water can be made of, for example, polyethylene or polypropylene. Separation membranes that separate ammonia and nitrogen can be made of, for example, polyimide or silicon. The separated water and nitrogen are released into the atmosphere. The ammonia-containing gas from which water and nitrogen have been removed is compressed by a compressor 46 and sent to the ammonia injector 38. The power plant 50 supplies the ammonia-containing gas delivered from the reformer 42 to the cylinder 14 via the separator 52.

水と窒素の少なくとも一方を除いたことで、コンプレッサ46が圧縮するガスの量が減少し、アンモニア含有ガスを圧縮する仕事を低減できる。また、アンモニアの濃度が高いガスを気筒14に供給することができる。 By eliminating at least one of water and nitrogen, the amount of gas compressed by the compressor 46 is reduced, reducing the work required to compress the ammonia-containing gas. Furthermore, gas with a high ammonia concentration can be supplied to the cylinder 14.

図3は、本発明の第3の実施形態である動力装置60の構成を模式的に示す図である。前述の動力装置10の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。動力装置60は、改質器42において生成されたアンモニアを含むガスを冷却し、このガス中の水(水蒸気)を凝縮させる改質後凝縮器62を備える。アンモニアは、水溶性であり、凝縮した水に溶けアンモニア水となる。窒素は、水にはほぼ溶けないので、気体の状態が維持され、アンモニア水と分離され、大気に放出される。アンモニア水は、ポンプ64によって昇圧され、アンモニア噴射弁66に送られる。アンモニア噴射弁66は、液体を噴射するのに適した構造を有する。気筒14内では、アンモニア水は蒸発して、水蒸気と気体のアンモニアとなる。動力装置60は、改質器42から送り出されたアンモニア含有ガスを改質後凝縮器62を介し、ここでアンモニア水とした後、気筒14に供給する。 Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a power plant 60 according to a third embodiment of the present invention. Components identical to those of the power plant 10 described above are designated by the same reference numerals and will not be described further. The power plant 60 includes a post-reforming condenser 62 that cools the ammonia-containing gas produced in the reformer 42 and condenses the water (water vapor) in the gas. Ammonia is water-soluble and dissolves in the condensed water to form ammonia water. Nitrogen, being virtually insoluble in water, remains in a gaseous state, is separated from the ammonia water, and is released into the atmosphere. The ammonia water is pressurized by a pump 64 and sent to an ammonia injector 66. The ammonia injector 66 has a structure suitable for injecting a liquid. Within the cylinder 14, the ammonia water evaporates to form water vapor and ammonia gas. The power plant 60 converts the ammonia-containing gas delivered from the reformer 42 into ammonia water via the post-reforming condenser 62, which then supplies the ammonia water to the cylinder 14.

気体ではなく液体として昇圧するため、昇圧のための仕事が小さくなる。また、水が液体として気筒14内に供給されるため、蒸発する際、気化熱によって気筒14内、特に燃焼室が冷却される。気筒14内が冷却されて温度が下がることで、水素の着火性や燃焼性が低下し、異常燃焼の発生を抑制することができる。 Because the water is pressurized as a liquid rather than a gas, the work required to pressurize it is reduced. Furthermore, because the water is supplied to the cylinder 14 as a liquid, the heat of vaporization cools the inside of the cylinder 14, particularly the combustion chamber, as it evaporates. Cooling the inside of the cylinder 14 and lowering the temperature reduces the ignition and combustibility of the hydrogen, making it possible to suppress abnormal combustion.

図4は、本発明の第4の実施形態である動力装置70の構成を模式的に示す図である。前述の動力装置10の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。動力装置70は、改質器42に送られる以前の排気を冷却し、排気中の水(水蒸気)を凝縮させる改質前凝縮器72を備える。改質前凝縮器72で凝縮された水は分離され放出される。水が分離された後の排気が改質器42に送られる。動力装置70は、改質器42にて、または改質器42に送られる以前に排気を加熱する加熱器74を備えてよい。加熱器74によって改質前凝縮器72で冷やされた排気の温度を高めることで、改質器42の触媒の効率を高めることができる。動力装置70は、改質器42から送り出されたアンモニア含有ガスをそのままの組成で、つまり直接、気筒14に供給する。改質器42に送られる以前の排気から水を分離することで、窒素酸化物の濃度が高まり、改質器42における改質効率を高めることができる。 Figure 4 is a schematic diagram showing the configuration of a power unit 70 according to a fourth embodiment of the present invention. Components identical to those of the power unit 10 described above are assigned the same reference numerals, and their description will be omitted. The power unit 70 includes a pre-reformer condenser 72 that cools the exhaust gas before it is sent to the reformer 42 and condenses the water (water vapor) in the exhaust gas. The water condensed in the pre-reformer condenser 72 is separated and released. The exhaust gas from which the water has been separated is sent to the reformer 42. The power unit 70 may include a heater 74 that heats the exhaust gas in the reformer 42 or before it is sent to the reformer 42. By using the heater 74 to increase the temperature of the exhaust gas cooled in the pre-reformer condenser 72, the efficiency of the catalyst in the reformer 42 can be improved. The power unit 70 supplies the ammonia-containing gas sent from the reformer 42 to the cylinders 14 with its original composition, i.e., directly. By separating water from the exhaust gas before it is sent to the reformer 42, the concentration of nitrogen oxides increases, improving the reforming efficiency in the reformer 42.

図5は。本発明の第4の実施形態である動力装置80の構成を模式的に示す図である。前述の動力装置10の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。動力装置80は、改質器42に送られる以前の排気を冷却し、排気中の水(水蒸気)を凝縮させる改質前凝縮器82を備える。改質前凝縮器82で凝縮された水は分離され放出される。水が分離された後の排気が改質器42に送られる。動力装置80は、改質器42にて、または改質器42に送られる以前に排気を加熱する加熱器84を備えてよい。加熱器84によって改質前凝縮器82で冷やされた排気の温度を高めることで、改質器42の触媒の効率を高めることができる。 Figure 5 is a schematic diagram showing the configuration of a power plant 80 according to a fourth embodiment of the present invention. Components that are the same as those of the power plant 10 described above are assigned the same reference numerals, and their description will be omitted. The power plant 80 includes a pre-reformer condenser 82 that cools the exhaust gas before it is sent to the reformer 42 and condenses the water (water vapor) in the exhaust gas. The water condensed in the pre-reformer condenser 82 is separated and released. The exhaust gas from which the water has been separated is sent to the reformer 42. The power plant 80 may include a heater 84 that heats the exhaust gas in the reformer 42 or before it is sent to the reformer 42. By using the heater 84 to increase the temperature of the exhaust gas cooled in the pre-reformer condenser 82, the efficiency of the catalyst in the reformer 42 can be improved.

動力装置80は、改質器42において生成されたアンモニアを含むガスから、窒素を分離する分離器86を備える。窒素の分離は、アンモニアと窒素の一方が透過可能で、他方は透過できない分離膜を利用して行われる。分離された窒素は、大気に放出される。改質前凝縮器82で水が除かれ、分離器86で窒素が除かれたアンモニア含有ガスは、コンプレッサ46によって圧縮され、アンモニア噴射弁38に送られる。動力装置80は、改質器42から送り出されたアンモニア含有ガスを分離器86を介して気筒14に供給する。 The power unit 80 is equipped with a separator 86 that separates nitrogen from the ammonia-containing gas produced in the reformer 42. Nitrogen separation is performed using a separation membrane that allows the passage of one of ammonia and nitrogen but not the other. The separated nitrogen is released into the atmosphere. The ammonia-containing gas, from which water has been removed in the pre-reforming condenser 82 and from which nitrogen has been removed in the separator 86, is compressed by the compressor 46 and sent to the ammonia injector 38. The power unit 80 supplies the ammonia-containing gas sent from the reformer 42 to the cylinder 14 via the separator 86.

水と窒素を除いたことで、コンプレッサ46の、アンモニア含有ガスを圧縮する仕事を低減できる。また、アンモニアの濃度が高いガスを気筒14に供給することができる。 By eliminating water and nitrogen, the work of the compressor 46 to compress the ammonia-containing gas can be reduced. Furthermore, gas with a high ammonia concentration can be supplied to the cylinder 14.

上述した動力装置10,50,60,70,80は、車両に搭載され、この車両を駆動する動力装置であってよい。また、酸化還元触媒装置34を、窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に代替してもよい。 The above-described power units 10, 50, 60, 70, and 80 may be power units mounted on a vehicle and used to drive the vehicle. Furthermore, the oxidation-reduction catalyst device 34 may be replaced with an exhaust purification device that purifies nitrogen oxides.

<付記>
[1]
水素を含有する混合気を燃焼させて動力を得る内燃機関と、
前記内燃機関の排気の一部と水素が導入され、前記排気中の窒素酸化物と前記水素を反応させてアンモニアを生成する改質器と、
を備え、
前記内燃機関は、前記改質器によって生成されたアンモニアを気筒内に直接噴射するアンモニア噴射弁を有する、
動力装置。
[2]
上記[1]項に記載の動力装置であって、
前記改質器によって生成されたアンモニアを含むガスから水および窒素の少なくとも一方を分離する分離器を備え、水および窒素の少なくとも一方が分離されたアンモニアを含むガスが前記アンモニア噴射弁に送られる、
動力装置。
[3]
上記[1]項に記載の動力装置であって、
前記改質器によって生成されたアンモニアを含むガスを冷やして水を凝縮させる改質後凝縮器を備え、凝縮した水に溶けたアンモニアがアンモニア水として前記アンモニア噴射弁に送られる、
動力装置。
[4]
上記[1]項に記載の動力装置であって、
前記内燃機関の排気の一部を冷やして水を凝縮させて分離する改質前凝縮器を備え、水を凝縮・分離した後の排気が前記改質器に送られる、
動力装置。
[5]
上記[4]項に記載の動力装置であって、
前記改質器によって生成されたアンモニアを含むガスから窒素を分離する分離器を備え、水および窒素が分離されたアンモニアを含むガスが前記アンモニア噴射弁に送られる、
動力装置。
[6]
上記[1]項から[5]項のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記アンモニア噴射弁は、前記気筒内の高温部分に向けてアンモニアを噴射する、動力装置。
[7]
上記[1]項から[5]項のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記アンモニア噴射弁は、点火プラグに向けてアンモニアを噴射する、動力装置。
[8]
上記[1]項から[7]項のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記内燃機関の排気を浄化する酸化還元触媒装置を備える動力装置。
[9]
上記[1]項から[8]項のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記改質器に導入される水素は、燃料用の水素が流用されたものである、動力装置。
[10]
上記[1]項から[9]項のいずれか1項に記載の動力装置であって、当該動力装置は車両に搭載され、当該車両を駆動する動力装置。
[11]
上記[1]項に記載の動力装置であって、
前記内燃機関の排気の一部を冷やして水を凝縮させて分離する改質前凝縮器であって、水を凝縮・分離した後の排気が前記改質器に送られる、改質前凝縮器と、
前記改質器によって生成されたアンモニアを含むガスから、窒素を分離する分離器と、を備え、
水および窒素が分離されたアンモニアを含むガスが前記アンモニア噴射弁に送られる、
動力装置。
<Additional Notes>
[1]
an internal combustion engine that obtains power by burning a mixture containing hydrogen;
a reformer into which a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine and hydrogen are introduced and which reacts the nitrogen oxides in the exhaust gas with the hydrogen to produce ammonia;
Equipped with
the internal combustion engine has an ammonia injector that directly injects the ammonia generated by the reformer into a cylinder,
Power plant.
[2]
The power plant according to the above item [1],
a separator that separates at least one of water and nitrogen from the ammonia-containing gas produced by the reformer, and the ammonia-containing gas from which at least one of water and nitrogen has been separated is sent to the ammonia injector.
Power plant.
[3]
The power plant according to the above item [1],
a post-reforming condenser that cools the ammonia-containing gas produced by the reformer and condenses the water, and the ammonia dissolved in the condensed water is sent to the ammonia injector as ammonia water;
Power plant.
[4]
The power plant according to the above item [1],
a pre-reformer condenser that cools a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine to condense and separate water, and the exhaust gas after condensing and separating the water is sent to the reformer;
Power plant.
[5]
The power plant according to the above item [4],
a separator that separates nitrogen from the gas containing ammonia produced by the reformer, and the gas containing ammonia from which water and nitrogen have been separated is sent to the ammonia injector.
Power plant.
[6]
The power plant according to any one of the above items [1] to [5], wherein the ammonia injector injects ammonia toward a high-temperature portion inside the cylinder.
[7]
The power plant according to any one of the above items [1] to [5], wherein the ammonia injector injects ammonia toward an ignition plug.
[8]
The power plant according to any one of the above items [1] to [7], further comprising an oxidation-reduction catalyst device that purifies exhaust gas from the internal combustion engine.
[9]
The power plant according to any one of the above items [1] to [8], wherein the hydrogen introduced into the reformer is hydrogen that is used as fuel.
[10]
The power plant according to any one of the above items [1] to [9], wherein the power plant is mounted on a vehicle and drives the vehicle.
[11]
The power plant according to the above item [1],
a pre-reformer condenser that cools a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine to condense and separate water, and the exhaust gas after condensing and separating the water is sent to the reformer;
a separator that separates nitrogen from the ammonia-containing gas produced by the reformer;
The gas containing ammonia from which water and nitrogen have been separated is sent to the ammonia injector.
Power plant.

10,50,60,70,80 動力装置、12 内燃機関、14 気筒、18 点火プラグ、26 水素噴射弁、34 酸化還元触媒装置、38 アンモニア噴射弁、42 改質器、44 水素供給弁、46 コンプレッサ、52,86 分離器、62 改質後凝縮器、64 ポンプ、66 アンモニア噴射弁、72,82 改質前凝縮器、74,84 加熱器。 10, 50, 60, 70, 80 Power unit, 12 Internal combustion engine, 14 Cylinder, 18 Spark plug, 26 Hydrogen injector, 34 Redox catalyst device, 38 Ammonia injector, 42 Reformer, 44 Hydrogen supply valve, 46 Compressor, 52, 86 Separator, 62 Post-reforming condenser, 64 Pump, 66 Ammonia injector, 72, 82 Pre-reforming condenser, 74, 84 Heater.

Claims (9)

水素を含有する混合気を燃焼させて動力を得る内燃機関と、
前記内燃機関の排気の一部と水素が導入され、前記排気中の窒素酸化物と前記水素を反応させてアンモニアを生成する改質器と、
を備え、
前記内燃機関は、前記改質器によって生成されたアンモニアを気筒内に直接噴射するアンモニア噴射弁を有する、
動力装置。
an internal combustion engine that obtains power by burning a mixture containing hydrogen;
a reformer into which a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine and hydrogen are introduced and which reacts the nitrogen oxides in the exhaust gas with the hydrogen to produce ammonia;
Equipped with
the internal combustion engine has an ammonia injector that directly injects the ammonia generated by the reformer into a cylinder,
Power plant.
請求項1に記載の動力装置であって、
前記改質器によって生成されたアンモニアを含むガスから水および窒素の少なくとも一方を分離する分離器を備え、水および窒素の少なくとも一方が分離されたアンモニアを含むガスが前記アンモニア噴射弁に送られる、
動力装置。
2. The power plant of claim 1,
a separator that separates at least one of water and nitrogen from the ammonia-containing gas produced by the reformer, and the ammonia-containing gas from which at least one of water and nitrogen has been separated is sent to the ammonia injector.
Power plant.
請求項1に記載の動力装置であって、
前記改質器によって生成されたアンモニアを含むガスを冷やして水を凝縮させる改質後凝縮器を備え、凝縮した水に溶けたアンモニアがアンモニア水として前記アンモニア噴射弁に送られる、
動力装置。
2. The power plant of claim 1,
a post-reforming condenser that cools the ammonia-containing gas produced by the reformer and condenses the water, and the ammonia dissolved in the condensed water is sent to the ammonia injector as ammonia water;
Power plant.
請求項1に記載の動力装置であって、
前記内燃機関の排気の一部を冷やして水を凝縮させて分離する改質前凝縮器を備え、水を凝縮・分離した後の排気が前記改質器に送られる、
動力装置。
2. The power plant of claim 1,
a pre-reformer condenser that cools a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine to condense and separate water, and the exhaust gas after condensing and separating the water is sent to the reformer;
Power plant.
請求項4に記載の動力装置であって、
前記改質器によって生成されたアンモニアを含むガスから窒素を分離する分離器を備え、水および窒素が分離されたアンモニアを含むガスが前記アンモニア噴射弁に送られる、
動力装置。
5. The power plant according to claim 4,
a separator that separates nitrogen from the gas containing ammonia produced by the reformer, and the gas containing ammonia from which water and nitrogen have been separated is sent to the ammonia injector.
Power plant.
請求項1から5のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記アンモニア噴射弁は、前記気筒内の高温部分に向けてアンモニアを噴射する、動力装置。 The power plant described in any one of claims 1 to 5, wherein the ammonia injector injects ammonia toward a high-temperature portion within the cylinder. 請求項1から5のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記アンモニア噴射弁は、点火プラグに向けてアンモニアを噴射する、動力装置。 The power plant according to any one of claims 1 to 5, wherein the ammonia injector injects ammonia toward an ignition plug. 請求項1から5のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記内燃機関の排気を浄化する酸化還元触媒装置を備える動力装置。 The power plant according to any one of claims 1 to 5, comprising an oxidation-reduction catalyst device that purifies exhaust gas from the internal combustion engine. 請求項1から5のいずれか1項に記載の動力装置であって、前記改質器に導入される水素は、燃料用の水素が流用されたものである、動力装置。

6. The power plant according to claim 1, wherein the hydrogen introduced into the reformer is hydrogen used as fuel.

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