JP7750271B2 - 動力装置 - Google Patents

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。

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。

特開２０１６－１５６３０４号公報 特許第７１５３３２７号公報

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＞

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係る動力装置の一例を模式的に示す図である。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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＋２Ｈ₂Ｏ

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

Claims (9)

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. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。