(57)【要約】【課題】難燃性の燃料の燃焼を安定して継続させるうる燃焼装置の提供。【解決手段】本発明に係る燃料の燃焼装置２は、燃焼筒４と、前記燃焼筒４の中に混合気体燃料を旋回気流として送り込む燃料投入器６と、前記燃焼筒４内に点火部３２を備える点火器１０と、前記燃焼筒４内に検出部４０を備えるイオン検出器１２と、前記イオン検出器１２の検出結果により燃料の混合比を調整しうる制御器１４とを備える。好ましくは、燃料はアンモニアである。好ましくは、前記検出部４０は前記点火部３２の近傍に位置している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼筒と、前記燃焼筒の中に混合気体燃料を旋回気流として送り込む燃料投入器と、前記燃焼筒内に点火部を備える点火器と、前記燃焼筒内に検出部を備えるイオン検出器と、前記イオン検出器の検出結果により前記混合気体燃料の混合比を調整しうる制御器とを備える燃料の燃焼装置。
【請求項２】
前記燃料がアンモニアである請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記検出部が、前記点火部の近傍に位置している請求項１又は２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記検出部が、前記点火部と共通である請求項１又は２に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記点火部が放電極及び第一接地電極を備えており、前記検出部が印加電極及び第二接地電極を備えており、前記第一接地電極と第二接地電極とが共通である請求項１から４のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記点火部が、前記燃焼筒内で前記混合気体燃料が滞留する領域に位置している請求項１から５のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記燃焼筒が、筒状の胴部とこの胴部の端に被せられた下蓋部とを備えており、
前記下蓋部に、前記混合気体燃料が送り込まれる投入口が設けられており、
前記点火部及び検出部が、前記下蓋部に配置されている請求項６に記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記検出部が、前記下蓋部及び前記胴部に配置されている請求項７に記載の燃焼装置。
【請求項９】
前記投入口が環状を呈しており、
前記点火部及び検出部が、前記投入口に囲まれた前記下蓋部の領域に配置されている請求項７又は８に記載の燃焼装置。
【請求項１０】
前記投入口が円形を呈しており、
前記点火部及び検出部が、前記下蓋部において投入口の周囲に配置されている請求項７又は８に記載の燃焼装置。
【請求項１１】
前記点火部が１又は複数存在しており、少なくとも一つの前記点火部が、前記燃焼筒内で前記混合気体燃料が滞留していない領域に位置している請求項１から１０のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項１２】
前記点火部が、前記下蓋部及び前記胴部に配置されている請求項１１に記載の燃焼装置。
【請求項１３】
燃料を連続して燃焼させる燃焼ステップを備え、
前記燃焼ステップでは、燃焼筒の中に混合気体燃料を旋回気流として送り込みつつ前記混合気体燃料に点火し、この燃焼で発生したイオンを検出し、この検出結果により前記混合気体燃料の混合比を調整する、燃料の燃焼方法。
【請求項１４】
前記燃焼ステップの前に、前記混合気体燃料の燃焼状態を表すパラメータとイオンの検出結果との相関を計測してイオン検出結果の基準範囲を設定するステップをさらに備え、
前記混合気体燃料の混合比の調整においては、イオン検出結果が前記基準範囲に入るように調整される、請求項１３に記載の燃料の燃焼方法。
【請求項１５】
前記混合気体燃料の燃焼状態を表すパラメータが、燃焼時の酸化物の排出量を含む請求項１４に記載の燃料の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料の燃焼装置に関する。詳細には、アンモニア等の難燃性の燃料の燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の排出量削減の要求の高まりに伴い、炭素系の燃料に代わる燃料として、アンモニアへの期待が高まっている。アンモニアは炭素を含まないため、燃焼しても二酸化炭素を排出しない。アンモニアは既に肥料として多く使用されており、安価でありかつ安定供給も可能である。アンモニアは液化圧力がＬＰＧと同等で、室温で液体貯蔵が可能である。アンモニアは、炭素系の燃料の代替燃料として、多くの利点を有している。
【０００３】
一方で、アンモニアは難燃性である。炭素系の燃料の点火エネルギーが８０ｍＪから１２０ｍＪ程度であるのに対して、アンモニアには、４００ｍＪから６００ｍＪ程度の点火エネルギーが必要となる。また、アンモニアの層流燃焼速度は、炭素系の燃料の層流燃焼速度に対して７倍程度遅い。この難燃性のアンモニアを燃料とした内燃機関についての検討が、特開２０１０−１５９７０５公報で報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５９７０５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アンモニア燃料等の難燃性燃料を燃焼させる場合には、現在広く使用されている炭素系の燃料を燃焼させる場合と比べて、初期着火の困難性や燃焼の安定化の困難性等、なお多くの課題が残されている。特に、難燃性燃料を用いた燃焼装置を各種の分野で実用化させるには、安定した燃焼を継続させることが重要な課題となる。
【０００６】
本発明の目的は、難燃性の燃料の燃焼を安定して継続させうる燃焼装置の提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料の燃焼装置は、燃焼筒と、前記燃焼筒の中に混合気体燃料を旋回気流として送り込む燃料投入器と、前記燃焼筒内に点火部を備える点火器と、前記燃焼筒内に検出部を備えるイオン検出器と、前記イオン検出器の検出結果により前記混合気体燃料の混合比を調整しうる制御器とを備える。
【０００８】
好ましくは、前記燃料はアンモニアである。
【０００９】
好ましくは、前記検出部は前記点火部の近傍に位置している。前記検出部が、前記点火部と共通であってもよい。
【００１０】
好ましくは、前記点火部が放電極及び第一接地電極を備えており、前記検出部が印加電極及び第二接地電極を備えており、この第一接地電極と第二接地電極とが共通である。
【００１１】
好ましくは、前記点火部は、前記燃焼筒内で前記混合気体燃料が滞留する領域に位置している。
【００１２】
好ましくは、前記燃焼筒は筒状の胴部とこの胴部の端に被せられた下蓋部とを備えており、前記下蓋部に前記混合気体燃料が送り込まれる投入口が設けられており、前記点火部及び検出部は前記下蓋部に配置されている。
【００１３】
好ましくは、前記検出部は前記下蓋部及び前記胴部に配置されている。
【００１４】
好ましくは、前記投入口が環状を呈しており、前記点火部及び検出部は、前記投入口に囲まれた前記下蓋部の領域に配置されている。
【００１５】
前記投入口が円形を呈しており、前記点火部及び検出部は、前記下蓋部において投入口の周囲に配置されていてもよい。
【００１６】
前記点火部が１又は複数存在しており、少なくとも一つの前記点火部が、前記燃焼筒内で前記混合気体燃料が滞留していない領域に位置している。
【００１７】
好ましくは、前記点火部は前記下蓋部及び前記胴部に配置されている。
【００１８】
本発明に係る燃料の燃焼方法は、燃料を連続して燃焼させる燃焼ステップを備える。前記燃焼ステップでは、燃焼筒の中に燃料を含む混合気体燃料を旋回気流として送り込みつつ前記混合気体燃料に点火し、この燃焼で発生したイオンを検出し、この検出結果により前記燃料の混合比を調整する。
【００１９】
好ましくは、この燃焼方法は、前記燃焼ステップの前に、前記燃料の燃焼状態を表すパラメータとイオンの検出結果との相関を計測してイオン検出結果の基準範囲を設定するステップをさらに備える。前記燃料の混合比の調整においては、イオン検出結果が前記基準範囲に入るように調整される。
【００２０】
好ましくは、前記燃料の燃焼状態を表すパラメータは、燃焼時の酸化物の排出量を含む。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る燃料の燃焼装置は、燃焼筒内にイオン電流検出器を配備させているので、燃焼筒内へ導入された混合気体燃料の燃焼状態を把握することが可能となる。また、同装置は、混合気体燃料の空燃比を調整する制御器をも備えているので、把握した燃焼状態に基づく適正な空燃比制御が可能となる。
【００２２】
この燃焼装置では、混合気体燃料を旋回気流として燃焼筒に送り込むため、燃焼筒内において、旋回気流の本流よりも流れが遅く渦巻き状となった「混合気体が滞留する領域」が発生する。この滞留領域に点火器及びイオン検出器が配置される場合、この燃焼装置では、効果的にエネルギー供給される領域の燃焼状態がイオン電流に反映されるので、火炎核の状態を把握することが可能となる。また、同装置は、混合気体燃料の空燃比を調整する制御器を備えているので、火炎核の状態に基づく空燃比制御を実現できる。
【００２３】
また、当該滞留領域から離れた領域に点火器及びイオン検出器が配置される場合、この燃焼装置は、比較的高速で流動する領域の燃焼状態がイオン電流に反映されるので、燃焼の安定具合を把握することが可能となる。また、同装置は、混合気体燃料の空燃比を調整する制御器を備えているので、燃焼の安定化に資する空燃比制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃焼装置が示された概念図である。
【図２】図２は、図１の燃焼装置の一部を上方から見た図である。
【図３】図３は、図１の燃焼装置の一部が示された接続図である。
【図４】図４は、図１の燃焼装置のイオン検出回路の例が示された回路図である。
【図５】図５は、図１の燃焼装置で燃料を燃焼させたときの、混合比と、イオン電流及び酸化物の排出量との関係が示されたグラフである。
【図６】図６は、図１の燃焼装置で燃料を燃焼させたときの、燃料の流量と、イオン電流との関係が示されたグラフである。
【図７】図７は、本発明の他の実施形態に係る燃焼装置が示された概念図である。
【図８】図８は、本発明のさらに他の実施形態に係る燃焼装置の一部を上方から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料の燃焼装置２が示された概念図である。この図では、装置の一部は断面で表されている。この燃焼装置２は、燃焼筒４、燃料投入器６、燃料混合器８、点火器１０、イオン検出器１２及び制御器１４を備えている。この明細書では、図１の矢印Ｘが示す方向がこの燃焼装置２の下方とされ、この逆の方向が上方とされる。燃料投入器６が位置する方向が、下方である。
【００２７】
燃焼筒４は、筒状を呈している。この実施形態では、燃焼筒４は円筒状である。図１では、燃焼筒４は、その断面が示されている。燃焼筒４は、胴部１６、下蓋部１８及び上蓋部２０を備える。胴部１６は燃焼筒４の側面を形成する。胴部１６は上下方向に延びている。下蓋部１８は、胴部１６の下端に被せられている。下蓋部１８に、投入口２２が設けられている。燃料を含む混合気体（混合気体燃料）がこの投入口２２から送り込まれる。図２は、下蓋部１８を上方から下方に向けて見た図である。図で示されるように、この実施形態では、投入口２２は円環状を呈している。上蓋部２０は胴部１６の上端に被せられている。上蓋部２０の中央に、炎が噴出する出力口２３が設けられている。この実施形態では、燃焼筒４の材料は耐熱ガラスである。
【００２８】
図１に示されるように、燃料投入器６は燃焼筒４の下蓋部１８の下側に位置する。燃料投入器６は、筐体２４及びスワラー２６を備える。筐体２４は下方から見たとき、環状を呈する。筐体２４の内部は空洞となっている。スワラー２６は、筐体２４の内部に位置する。スワラー２６は、投入口２２の下方に位置する。図２では、投入口２２を通して、その下側に位置するスワラー２６が見えている。スワラー２６は、複数の傾斜した羽根を備える。筐体２４内に送り込まれた混合気体燃料は、スワラー２６を通過することで、回転渦（スワール流）を伴う気流（旋回気流）となる。混合気体燃料が旋回気流として、燃焼筒４に送り込まれる。スワラー２６の材料は、典型的にはスチールである。
【００２９】
図示されないが、燃料投入器６が、スワラー２６を回転させる駆動部をさらに備えていてもよい。スワラー２６が回転することで、混合気体燃料を旋回気流として、燃焼筒４に送り込んでもよい。
【００３０】
燃料混合器８は、燃料タンク２８とバルブ３０とを備えている。この実施形態では、燃料混合器８は、第一バルブ３０ａ及び第二バルブ３０ｂを有している。燃料タンク２８には、この燃焼装置２の主燃料となる難燃性の燃料が格納される。この実施形態では、燃料タンク２８には、液化されたアンモニアが格納されている。この液化アンモニアは、気化されて燃料投入器６に送られる。燃料タンク２８には、第一バルブ３０ａが接続されている。第一バルブ３０ａは、混合気体燃料中の燃料の量を調整する。第二バルブ３０ｂは、混合気体燃料中の空気の量を調整する。
【００３１】
この燃料混合器８が、副燃料を格納した燃料タンク及びこれと接続される第三バルブをさらに備えていてもよい。このとき、この燃料混合器８では、二種類の燃料と、空気とが混合される。この副燃料は、主燃料よりも燃焼性が高い。すなわち、副燃料の点火エネルギーは主燃料の点火エネルギーより小さく、副燃料の層流燃焼速度は主燃料の層流燃焼速度より大きい。燃焼性の高い副燃料を混合することで、混合気体燃料への着火が容易となる。典型的な副燃料として、メタンが例示される。この燃焼装置２が、三つ以上の燃料タンクを備えていてもよい。
【００３２】
図３は、点火器１０、イオン検出器１２及び制御器１４の接続が示された、接続図である。
【００３３】
点火器１０は、混合気体燃料に点火する。図３で示されるように、点火器１０は、点火部３２と、電圧発生部とを備えている。図１には、これらのうち、点火部３２が示されている。図１では、二つの点火部３２が示されている。
【００３４】
点火部３２は、「混合気体燃料が滞留する領域」に配置されている。図１には混合気体燃料の旋回気流の流れが矢印で示されている。投入口２２から流れ込んだ旋回気流の主流（図２の太い点線）は、旋回しながら燃焼筒４の内周面に沿うように広がりつつ上方に進む。この主流が流れる部分は気圧が低くなるため、燃焼筒４の中央部分の混合気体燃料は、この流れにより引っ張られる。中央部分では、渦巻き流（図２の細い点線）が生じる。この渦巻き流が生じる領域が、「混合気体燃料が滞留する領域（滞留領域）」である。この滞留領域では、旋回気流の主流より速度が遅い気流が連続的に流れ込む。この部分では、混合気体燃料は渦巻き状となりながら、全体として旋回気流の主流より遅い速度で、下方から上方に流れる。滞留領域では、混合気体燃料は渦巻き流となっているため、混合気体燃料は、繰り返し点火部３２に導かれる。混合気体燃料は、繰り返し点火部３２の近辺を通過する。
【００３５】
典型的な滞留領域として、環状の投入口２２に囲まれた下蓋部１８の領域３８の近傍３９ａが挙げられる。同様に、投入口２２の外側の近傍３９ｂも、滞留領域である。図１に示されるように、燃焼筒４の上下方向の中央において、主流の内側３９ｃにも滞留領域が存在する。これらの滞留領域は、例えば色のついた煙を、混合気体燃料と同じ速度で燃焼筒４内に投入することで、調べることができる。滞留領域は、シミュレーションで調べることも可能である。
【００３６】
この実施形態では、点火部３２は、下蓋部１８に位置している。点火部３２は、燃焼筒４の内部に位置している。複数の点火部３２が、環状の投入口２２に囲まれた下蓋部１８の領域３８に配置されている。これらの点火部３２は、滞留領域に位置している。図２に示されるように、この実施形態では、投入口２２に囲まれた領域３８は、円形である。図２ではイオン検出器１２で隠れて見えないが、これらのイオン検出器１２の下側において、複数の点火部３２が、この領域３８の同心円上に配置されている。これらの点火部３２は、投入口２２に囲まれた領域３８の同心円上に、一つの円を形成するように配置されている。点火部３２が、この領域３８の同心円上に、多重の円を形成するように配置されていてもよい。点火部３２を並べる位置は、投入口２２に囲まれた領域３８の同心円上に限られない。複数の点火部３２が、この領域３８において渦巻き状に配置されていてもよい。点火部３２の数は一つでもよい。
【００３７】
この点火部３２が位置する下蓋部１８は、混合気体燃料の流れの上流側に位置する。この燃焼装置２では、燃料を十分に燃焼させるため、点火部３２は混合気体燃料の流れの上流側に位置している。点火部３２の点火させる位置（点火部３２の先端）と投入口２２との上下方向の距離は、胴部１６の上下方向の長さの５０％以下、さらには２５％以下が好ましい。
【００３８】
図１で示されるように、この実施形態では、点火部３２は放電極３４及び第一接地電極３６を備えている。放電極３４及び第一接地電極３６は、棒を折り曲げた鉤状である。放電極３４及び第一接地電極３６は、下蓋部１８から内部に突出している。図示されないが、下蓋部１８には接地された端子が設けられている。第一接地電極３６は、この端子と接触することで、接地されている。放電極３４は、電圧発生部と電気的に接続されている。放電極３４には、電圧発生部から高電圧が印加される。これにより、放電極３４の先端と第一接地電極３６の先端との間に火花が発生する。これにより、混合気体燃料に点火される。この点火部３２は、点火プラグである。点火部３２が、点火プラグでなくてもよい。点火部３２が、プラズマジェット点火栓から構成されていてもよい。
【００３９】
電圧発生部は、制御器１４からの信号により、高電圧を発生する。図示されないが、電圧発生部は、一次コイル及び二次コイルを内蔵している。一次コイルの電流の切断及び導通を繰り返すことで、二次コイル側に断続的に高電圧が発生する。
【００４０】
イオン検出器１２は、燃焼筒４内のイオンを検出する。図３で示されるように、イオン検出器１２は、検出部４０と検出回路部とを備える。図１及び２には、これらのうち、検出部４０が示されている。この実施形態では、検出部４０には、鉤型の検出部４０ａ及び環型の検出部４０ｂが存在する。
【００４１】
図１及び２に示されるように、鉤型の検出部４０ａは、下蓋部１８に位置している。図２に示されるように、複数の検出部４０ａが、投入口２２に囲まれた領域３８の同心円上に配置されている。それぞれの鉤型の検出部４０ａは、印加電極４２及び第二接地電極４４を備えている。鉤型の検出部４０ａの印加電極４２及び第二接地電極４４は、棒を折り曲げた鉤状である。この印加電極４２及び第二接地電極４４は、下蓋部１８から内部に突出している。図１の実施形態では、第二接地電極４４は、第一接地電極３６と共通である。第二接地電極４４は、第一接地電極３６と共通でなくてもよい。印加電極４２は、検出回路部と電気的に接続されている。
【００４２】
図示されないが、印加電極４２が、点火部３２の放電極３４と共通であってもよい。印加電極４２が放電極３４と共通であり、第二接地電極４４が第一接地電極３６と共通であってもよい。すなわち、検出部４０ａと点火部３２とが共通であってもよい。さらに検出回路部と電圧発生部とが一体となった回路が使用されていてもよい。この場合、各々の点火器が、放電による点火及びイオン検出を行う。
【００４３】
環型の検出部４０ｂは、胴部１６に位置している。図１には、二つの環型の検出部４０ｂが示されている。それぞれの環型の検出部４０ｂは、印加電極４２及び第二接地電極４４を備えている。この印加電極４２及び第二接地電極４４は、円環状である。この印加電極４２及び第二接地電極４４は、円筒状の胴部１６の内面に貼り付けられている。この印加電極４２は、検出回路部と電気的に接続されている。図示されないが、胴部１６には接地された端子が設けられている。第二接地電極４４は、この端子と接触することで、接地されている。
【００４４】
図４には、イオン検出器１２の回路例が示されている。図４で示されるように、検出回路部は、電源Ｅ、抵抗Ｒ及び電圧計測部よりなる。電源Ｅは、抵抗Ｒを通して、検出部４０の印加電極４２に電圧を印加する。この実施例では、負の電圧が印加されている。例えばこの電源Ｅの電圧は、−２００Ｖである。検出部４０の周辺にイオンが存在するときは、このイオンが印加電極４２に引きせられ、電流（イオン電流）が流れる。存在するイオンが多いほど、大きなイオン電流が流れる。電圧計測部は、イオン電流により抵抗Ｒの両端に発生した電位差を検知し増幅する。電圧計測部は、イオン電流に比例した電圧を検出する。この電圧から、イオン電流が得られる。このイオン検出器１２では、イオンの検出結果として、イオン電流が得られる。
【００４５】
電源Ｅが、印加電極４２に正の電圧を印加してもよい。例えば電源Ｅの電圧が、２００Ｖとされてもよい。検出部４０の周辺にイオンと共に発生した電子が存在するとき、この電子が印加電極４２に引きせられてイオン電流が流れる。存在するイオンが多いほど、すなわち、電子が多いほど、大きなイオン電流が流れる。抵抗Ｒの両端の電圧を計測することで、イオン電流が計測される。
【００４６】
イオンは、電子より重い。イオンは、電子より動きにくい。印加電極４２に負の電圧を印加したとき、印加電極４２の近傍のイオンが引き寄せられる。この方法は、印加電極４２の近傍のイオンの量を検出するのに適している。電子は動き易いため、印加電極４２に正の電圧を印加したとき、負の電圧を印加したときより、広い範囲から電子が引き寄せられる。この方法は、印加電極４２の周辺のより広い範囲のイオンの量を検出するのに適している。印加電極４２に正負のいずれの電圧を付加するかは、燃焼装置の用途や設計思想等により、適宜選択される。
【００４７】
検出回路部の構成は、図４に限られない。電圧測定部と抵抗が、電源と印加電極４２との間において、電源と並列に設けられていてもよい。図４の電源Ｅの代わりに、容量とこの容量に電荷を充電する、充電回路を有していてもよい。この構成では、この容量と印加電極４２との間で電流が流れる。また、検出回路部と点火器１０の電圧発生部とが、一体として構成されていてもよい。例えば、電圧発生部が高電圧を放電極３４に印加するとき、電圧発生部が同時に検出回路部の容量を充電してもよい。
【００４８】
制御器１４は、点火器１０、イオン検出器１２及び燃料混合器８と接続している。図１の符号Ｐは点火器１０との接続線を表し、符号Ｉはイオン検出器１２との接続線を表す。図３で示されるように、制御器１４は、イオン解析部、バルブ制御部、点火制御部を備えている。全てのイオン検出器１２からの検出結果は、イオン解析部で解析される。この結果から、バルブ制御部は、燃料混合器８のバルブ３０を制御する。これにより、燃料の混合比が変更される。イオン解析部での解析結果から、点火制御部は、それぞれの点火器１０の点火のタイミングを制御する。点火器１０の点火タイミングが調整される。
【００４９】
制御器１４は、典型的にはマイクロコンピュータで実現される。この場合、図３のイオン解析部、バルブ制御部及び点火制御部の回路は、別々に存在しない。マイクロコンピュータとソフトウエアにより、これらの機能が実現されている。制御器１４が、イオン解析部、バルブ制御部及び点火制御部用の専用の回路を有していてもよい。
【００５０】
図１−４で示された装置を使用した燃焼においては、燃焼の開始時に、制御器１４により第一バルブ３０ａ及び第二バルブ３０ｂが開かれて、燃料と空気の混合気体が、所定の流速で燃料投入器６に送られる。この実施形態では、アンモニアと空気との混合気体燃料が、燃料投入器６に送られる。混合気体燃料は、燃料投入器６のスワラー２６を通過し、旋回気流として燃焼筒４内に送られる。制御器１４により点火器１０が駆動され、混合気体燃料に点火される。このとき、複数の点火器１０が同時に駆動される。これにより、混合気体燃料が燃焼する。イオン検出器１２は、この燃焼により発生した燃焼筒４内のイオンを、イオン電流として検出する。
【００５１】
この発明に係る燃焼方法は、
（１）イオン電流の基準範囲を設定する基準範囲設定ステップ
及び
（２）燃料を継続して燃焼させる燃焼ステップ
を備える。
【００５２】
上記（１）のステップでは、イオン電流と、燃焼状態を示すパラメータとの相関が計測される。図５の直線ａは、所定の混合気体燃料の流速の下での、燃料（アンモニア）と空気との混合比（空燃比λ）と、イオン電流Ｉｚとの関係（λ−Ｉｚ関数と称される）が示されている。図５は、空燃比λが高いほど、イオン電流Ｉｚが大きくなることを示している。図５の曲線ｄは、このときの空燃比λと燃料が燃焼したときに排出される酸化物（窒素酸化物ＮＯｘ）の量との関係を表す。窒素酸化物の量は、特定の空燃比λでピークを有する。このときの空燃比λの値から、空燃比λが高くなるほど、又は低くなるほど、窒素酸化物の量は減少する。上記（１）のステップでは、λ−Ｉｚ関数を表すデータがマップデータとして取得される。このマップデータは、燃焼筒内の温度及び圧力により、複数取得される。さらに、安定した燃焼の継続性、燃費効率、酸化物の排出量を考慮して、イオン電流の基準範囲が設定される。図５には、この基準範囲の例が示されている。これらのマップデータ及び基準範囲は、制御部の図示されないメモリ回路に格納される。
【００５３】
上記（２）のステップでは、混合気体燃料が連続的に燃焼筒４に送られつつ、点火器１０が一定時間間隔で駆動される。これにより、混合気体燃料が連続して燃焼する。イオン検出器１２は、このときの燃焼筒４内のイオンを、イオン電流として検出する。制御器１４は、検出されたイオン電流と上記のλ−Ｉｚ関数とから、空燃比λを特定する。制御器１４は、イオン電流が上記（１）で設定された基準範囲となるように、第一バルブ３０ａ及び第二バルブ３０を調整する。イオン電流が上記（１）で設定された基準範囲となるように、空燃比λが調整される。
【００５４】
上記の実施形態では、空燃比λの特定に、所定の混合気体燃料の流速の下でのλ−Ｉｚ関数（即ち、直線ａ）を使用した。実際には混合気体燃料の流速は変化しうる。この燃焼方法の他の実施形態として、より正確に空燃比λが特定できるように、流速変動による補正処理を実施してもよい。以下では、この方法について説明される。
【００５５】
図６は、基準となる空燃比λにおける、流速ｖとイオン電流Ｉｚとの関係（ｖ−Ｉｚ関数と称される）を示す。図６で示されるように、流速ｖが大きくなるほど、イオン電流Ｉｚは大きくなる傾向を示す。この実施形態では、上記（１）の工程において、このｖ−Ｉｚ関数もマップデータとして取得される。図５では、基準の空燃比λにおけるｖ−Ｉｚ関数のみが示されているが、複数の空燃比λに対して、このマップデータが取得される。これらのマップデータは、制御部のメモリ回路に格納される。
【００５６】
図５の破線ｂは、流速が早くなった高速状態でのλ−Ｉｚ関数を示す。破線ｃは、流速が遅くなった低速状態でのλ−Ｉｚ関数を示す。上記（１）の工程において、これらのデータもマップデータとして取得される。これらのマップデータは、制御部のメモリ回路に格納される。図５では、三種類の流速でのλ−Ｉｚ関数が示されているが、より多くの流速で、λ−Ｉｚ関数が取得されてもよい。
【００５７】
この実施形態では、上記（２）のステップでの空燃比λの特定において、制御部１４は、イオン検出器１２による検出結果から、ｖ−Ｉｚ関数のマップデータを用いて、流速ｖを特定する。このとき、この処理の前の処理で特定された空熱比λでのマップデータが使用される。これにより、制御部１４は、例えば燃焼状態が高速状態であると特定する。このとき制御部１４は、図５の高速状態のλ−Ｉｚ関数から、空燃比λを特定する。なお、次に図６のマップデータを使用するときは、この空燃比λにおけるマップデータが使用される。これを用いて流速ｖが特定される。この処理が繰り返される。
【００５８】
以下では、本発明の作用効果が説明される。
【００５９】
本発明に係る燃料の燃焼装置２では、燃料を含む混合気体燃料が旋回気流として燃焼筒４に送り込まれる。この混合気体燃料では、渦巻き状の流れとなって、全体として旋回気流の主流より遅い速度で流れる部分が存在する。この燃焼装置２では、層流燃焼速度が遅い難燃性の燃料を燃焼させることができる。
【００６０】
本燃焼装置２の点火器１０の点火部３２は、燃焼筒４内で混合気体燃料が滞留する領域に位置している。この滞留領域には、旋回気流の本流よりも遅い速度の渦巻き状の混合気体燃料が、連続的に流れ込む。このため、混合気体燃料は、繰り返し点火部３２に導かれる。混合気体燃料は、繰り返し点火部３２の近辺を通過する。これにより、点火部３２は、混合気体燃料に大きなエネルギーを与えることができる。この装置では、点火エネルギーが高い燃料に対しても、点火に十分なエネルギーを与えることができる。
【００６１】
この燃焼装置２は、燃焼筒４内にイオン器１２の検出部４０を備える。この検出部４０が燃焼により発生したイオンを検出することで、混合気体燃料の燃焼状態が把握できる。この燃焼装置２は、検出結果から、燃料の混合比を調整する制御器１４を備えるため、把握した燃焼状態に基づく適正な空燃比制御が可能となる。これは、安定した燃焼の継続に寄与する。この燃焼装置では、難燃性燃料の燃焼を、安定して継続させることができる。
【００６２】
図１で示されるように、点火部３２の近傍に位置する検出部４０が存在するのが好ましい。この点火部３２は、滞留領域に位置する。この点火部３２の近傍の検出部４０では、検出したイオン電流に、効果的にエネルギー供給される領域の燃焼状態が反映されるので、火炎核の状態を把握することが可能となる。この装置では、火炎核の状態に基づく空燃比制御及び点火器６０の点火タイミングの制御が実現されうる。この燃焼装置２では、安定して効率的に難燃性の燃料を燃焼させることができる。
【００６３】
燃料の混合比は、生成される酸化物の量に影響を及ぼす。燃料の混合比の調整は、酸化物の生成の低減に寄与しうる。この燃焼装置２では、難燃性の燃料の安定した燃焼を継続させつつ、酸化物の排出が抑えられうる。
【００６４】
この装置を使用した燃焼方法では、燃料の燃焼状態を表すパラメータとイオン電流との相関を計測してイオン電流の基準範囲を設定するステップを備える。燃料を継続して燃焼させるステップにおいて、イオン検出器１２で検出されたイオン電流値をこの基準範囲とすることで、適正な燃焼状態を維持し続けることができる。
【００６５】
燃焼状態を表すパラメータは、排出される酸化物の量を含むことが好ましい。これにより、酸化物の排出をより効果的に抑えた燃焼が実現されうる。この燃焼方法では、安定して難燃性の燃料を燃焼させつつ、酸化物の排出が抑えられうる。
【００６６】
点火部３２が放電極３４及び第一接地電極３６を備え、検出部４０が印加電極４２及び第二接地電極４４を備えているとき、第一接地電極３６と第二接地電極４４とが共通とされるのが好ましい。このようにすることで、これらの接地電極が効率的な燃焼の妨げとなることが抑えられている。
【００６７】
図１で示されるように、胴部１６の内面において、下蓋部１８側からその反対側に向けて配置される検出部４０が存在するのが好ましい。このようにすることで、燃料の投入口２２から上方の位置での燃焼状態が検出できる。これは、適正な燃料の混合比の設定及び点火器１０の点火タイミングの設定に寄与する。この燃焼装置２では、安定して効率的に難燃性の燃料を燃焼させつつ、酸化物の排出が抑えられうる。
【００６８】
前述のとおり、点火部３２は、下蓋部１８の、環状の投入口２２に囲まれた領域３８に配置されているのが好ましい。環状の投入口２２の内側では、混合気体燃料の流れは滞留している。この領域３８に点火器１０の点火部３２を配置することで、渦巻き流となっている混合気体燃料は、繰り返し点火部３２に導かれる。混合気体燃料は、繰り返し点火部３２の近辺を通過する。このため、この装置２では、難燃性の燃料に対しても、点火に十分なエネルギーを与えることができる。しかも、これらの点火部３２は、混合気体燃料の流れの上流に位置している。これらにより、難燃性の燃料に対しても、安定した点火及び燃焼が実現される。
【００６９】
前述のとおり、点火部３２は、投入口２２に囲まれた領域３８が円形であるとき、この領域３８の同心円上に配置されているのが好ましい。このようにすることで、投入口２２の周囲で均一に混合気体燃料に点火することができる。これにより、安定して混合気体燃料に点火ができる。
【００７０】
図示されないが、この燃焼装置２が、燃焼筒４内の温度を測定する温度センサを有していてもよい。この温度センサは、制御器１４と接続しており、温度の測定結果は、制御器１４に送られる。一般に燃料は、燃焼筒４内の温度が高くなれば燃え易くなる。アンモニアも温度が高くなると燃焼性が向上し、排出される窒素酸化物ＮＯｘの量は減少する。この燃焼装置２では、温度の測定結果に基づいて、制御器１４が燃料の混合比を調整する。温度の測定結果に基づいて、制御器１４が点火器１０の点火タイミングを制御する。これらは、安定した燃焼の継続に寄与する。この燃焼装置２では、安定した燃焼を継続することができる。
【００７１】
図示されないが、この燃焼装置２が、燃焼筒４内の圧力を測定する圧力センサを有していてもよい。この圧力センサは、制御器１４と接続しており、圧力の測定結果は、制御器１４に送られる。一般に燃料は、燃焼筒４内の圧力が高くなれば燃え易くなる。アンモニアも圧力が高くなると燃焼性が向上し、排出される窒素酸化物ＮＯｘの量も減少する。この燃焼装置２では、圧力の測定結果に基づいて、制御器１４が燃料の混合比を調整する。圧力の測定結果に基づいて、制御器１４が点火器１０の点火タイミングを制御する。これらは、安定した燃焼の継続に寄与する。この燃焼装置２では、安定した燃焼を継続することができる。
【００７２】
図示されないが、この燃焼装置２が、スワラー２６の羽根の角度を制御する駆動機構を有していてもよい。この駆動機構は、制御器１４と接続している。制御器１４は、駆動機構を通してこの羽根の角度を制御することで、旋回気流のスワール比を調整する。上記のイオン電流、温度及び圧力の測定結果に基づいて、制御器１４が羽根の角度を調整する。これらは、安定した燃焼の継続に寄与する。この燃焼装置２では、安定した燃焼を継続することができる。
【００７３】
図７は、本発明の他の実施形態に係る燃料の燃焼装置５２が示された概念図である。この図では、装置の一部は断面で表されている。この燃焼装置５２は、燃焼筒５４、燃料投入器５６、燃料混合器５８、点火器６０、イオン検出器６２及び制御器６４を備えている。この実施形態では、燃焼筒５４の材質はスチールである。この燃焼装置５２の燃料投入器５６、燃料混合器５８及び制御器６４は、図１の燃焼装置２のこれらの機器と同じである。図７の矢印Ｘが示す方向がこの燃焼装置５２の下方とされ、この逆の方向が上方とされる。
【００７４】
点火器６０は、点火部６６と電圧発生部を備えている。図７には、このうち点火部６６が示されている。図７に示されるように、この実施形態では、点火部６６は、下蓋部６８及び胴部７０に位置している。下蓋部６８及び胴部７０に、複数の点火部６６が位置している。下蓋部６８に位置する点火部６６は、図１の点火部３２と同様に、滞留領域に位置している。胴部７０に位置する点火部６６の中には、混合気体燃料が滞留しない領域に位置する点火部６６が存在する。例えば、旋回気流の主流が流れる場所に位置する点火部６６が存在する。この実施形態では、滞留領域に位置している点火部６６と、滞留領域から離れた領域に位置している点火部６６とが混在する。図示されないが、この実施形態の電圧発生部は、図３の電圧発生部と同じである。
【００７５】
下蓋部６８に位置する点火部６６は、放電極７２及び第一接地電極７４を備えている。この第一接地電極７４は、接地された下蓋部６８と接触することで、接地されている。放電極７２の構成は、図１の放電極３４と同じである。
【００７６】
胴部７０に位置する点火部６６は、下蓋部６８側からその反対側に向けて、並べられている。それぞれの点火部６６は、放電極７２及び第一接地電極７４を備えている。放電極７２及び第一接地電極７４は、棒を折り曲げた鉤状である。胴部７０に位置する点火部６６の放電極７２及び第一接地電極７４は、胴部７０の内面から、内部に突出している。第一接地電極７４は、接地された胴部７０と接触することで、接地されている。放電極７２は、電圧発生部と電気的に接続している。放電極７２には、電圧発生部から高電圧が印加される。これにより、放電極７２の先端と第一接地電極７４の先端との間に火花が発生する。これにより、混合気体燃料に点火される。
【００７７】
イオン検出器６２は、検出部７６と検出回路部とを備えている。図７には、このうち検出部７６が示されている。図７に示されるように、検出部７６は、下蓋部６８及び胴部７０に位置している。下蓋部６８及び胴部７０に、複数の検出部７６が位置している。この実施形態では、全ての検出部７６は鉤型である。下蓋部６８に位置する検出部７６の構成は、図１の検出部４０と同じである。図示されないが、この実施形態の検出回路部は、図４の検出回路部と同じである。
【００７８】
胴部７０に位置する検出部７６は、下蓋部６８側からその反対側に向けて、並べられている。それぞれの検出部７６は、印加電極７８及び第二接地電極８０を備えている。印加電極７８及び第二接地電極８０は、棒を折り曲げた鉤状である。胴部７０に位置する印加電極７８及び第二接地電極８０は、胴部７０の内面から内部に突出している。この検出部７６は、胴部７０に位置する点火部６６の近傍に位置している。図７の実施形態では、この第二接地電極８０は、胴部７０に位置する点火部６６の第一接地電極７４と共通である。第二接地電極８０は、第一接地電極７４と共通でなくてもよい。印加電極７８は、検出回路部と電気的に接続している。
【００７９】
本燃焼装置５２では、点火器６０の点火部６６は、下蓋部６８に加えて胴部７０に位置する。これらの点火部６６は、下蓋部６８側からその反対側に向けて、並べられている。この燃焼装置５２では、胴部７０の中央及び上方においても、燃料に点火することができる。この燃焼装置５２では、燃焼筒５４の全体でバランスよく燃料を燃焼させることができる。これにより、難燃性の燃料に対しても、安定した点火及び燃焼が実現される。
【００８０】
この燃焼装置５２では、イオン検出器６２の検出部７６は、下蓋部６８の点火部６６の近傍及び胴部７０の点火部６６の近傍に位置している。すなわち、検出部７６は、滞留領域に位置する点火部６６の近傍、及び滞留領域から離れた領域に位置する点火部６６の近傍に、位置している。滞留領域に位置する点火部６６の近傍の検出部７６では、検出したイオン電流に、効果的にエネルギー供給される領域の燃焼状態が反映されるので、火炎核の状態を把握することが可能となる。この装置では、火炎核の状態に基づく空燃比制御及び点火器６０の点火タイミングの制御が実現されうる。これは、安定した火炎核の形成に寄与する。この燃焼装置５２では、安定した燃焼を継続することができる。
【００８１】
滞留領域から離れた領域に位置する点火部６６の近傍の検出部７６では、検出したイオン電流に、燃料が比較的高速で流動する領域の燃焼状態が反映されるので、燃焼の安定具合を把握することが可能となる。この装置では、燃焼の安定具合に基づく空燃比制御及び点火器６０の点火タイミングの制御が実現されうる。これは、燃焼の安定化に寄与する。
【００８２】
図示されないが、この燃焼装置５２が、燃焼筒５４内の下蓋部側からその反対側に向けて並べられた複数の温度センサを有していてもよい。これらの温度センサは、燃焼筒５４内の温度の分布を計測する。この燃焼装置５２では、これらの温度の測定結果に基づいて、制御器６４が、それぞれの点火器６０の点火タイミングを制御する。点火部６６が位置する場所に応じて、適切な点火器６０の点火タイミングが実現されうる。これらは、安定した燃焼の継続に寄与する。この燃焼装置５２では、安定した燃焼を継続することができる。
【００８３】
図示されないが、この燃焼装置５２が、燃焼筒５４内の下蓋部側からその反対側に向けて並べられた複数の圧力センサを有していてもよい。これらの圧力センサは、燃焼筒５４内の圧力の分布を計測する。この燃焼装置５２では、これらの圧力の測定結果に基づいて、制御器６４が、それぞれの点火器６０の点火タイミングを制御する。点火部６６が位置する場所に応じて、適切な点火器６０の点火タイミングが実現されうる。これらは、安定した燃焼の継続に寄与する。この燃焼装置５２では、安定した燃焼を継続することができる。
【００８４】
図８は、本発明のさらに他の実施形態に係る燃料の燃焼装置９２の下蓋部９４を、上方から下方に向けて見た図である。この燃焼装置９２は、下蓋部９４、燃料投入器９６、点火器及びイオン検出器９８を除いて、図１及び図２の燃焼装置２と同じである。
【００８５】
図８で示されるように、この燃焼装置９２の下蓋部９４には、投入口１００が設けられている。燃料を含む混合気体燃料がこの投入口１００から送り込まれる。この実施形態では、投入口１００は円形を呈している。
【００８６】
燃料投入器９６は、燃焼筒の下蓋部９４の下側に位置する。燃料投入器９６は、スワラー１０２を備える。図８では、投入口１００を通して、その下側に位置するスワラー１０２が見えている。混合気体燃料は、スワラー１０２を通過することで、旋回気流となる。混合気体燃料は、旋回気流として燃焼筒に送り込まれる。スワラー１０２の材料は、典型的にはスチールである。
【００８７】
図８では検出部１０４に隠れて見えていないが、複数の点火部が、検出部１０４の下側に位置している。複数の点火部が、下蓋部９４において、円形の投入口１００の周囲を囲むように配置されている。投入口１００の周囲は、滞留領域である。滞留領域には、旋回気流の本流よりも遅い速度の渦巻き状の混合気体燃料が、連続的に流れ込む。このため、混合気体燃料は、繰り返し点火部に導かれる。混合気体燃料は、繰り返し点火部の近辺を通過する。これにより、点火部３２は、混合気体燃料に大きなエネルギーを与えることができる。この装置では、点火エネルギーが高い燃料に対しても、点火に十分なエネルギーを与えることができる。
【００８８】
この実施形態では、複数の点火部が、円形の投入口１００の同心円上に配置されている。これらの点火部は、投入口１００の同心円上に、一つの円を形成するように配置されている。このようにすることで、投入口１００の周囲で均一に混合気体燃料に点火することができる。これにより、安定して混合気体燃料に点火ができる。
【００８９】
図示されないが、これらの点火部が、投入口１００の同心円上に、多重の円を形成するように配置されてもよい。これらの点火部が、投入口１００の周囲を囲むように、渦巻き状に配置されてもよい。このようにすることで、投入口１００の周囲で均一に混合気体燃料に点火することができる。これにより、安定して混合気体燃料に点火ができる。
【００９０】
イオン検出器９８の検出部１０４は、下蓋部９４に配置されている。この検出部１０４は、鉤型である。図８で示されるように、検出部１０４は円形の投入口１００の同心円上に配置されている。検出部１０４は、点火部の近傍に位置している。この検出部１０４では、検出したイオン電流に、効果的にエネルギー供給される領域の燃焼状態が反映されるので、火炎核の状態を把握することが可能となる。この装置では、火炎核の状態に基づく空燃比制御及び点火器の点火タイミングの制御が実現されうる。
【００９１】
以上の実施形態で示された燃焼装置では、燃料が連続して燃焼装置に送られた。この燃焼装置は、自動車等の内燃機関に適用することもできる。この場合、燃焼筒内への燃料の送り込み及びこの燃料への点火を一つのサイクルとして、これが繰り返される。
【００９２】
以上説明されたとおり、本発明によれば、難燃性の燃料の燃焼を安定して継続させうる燃焼装置が実現できる。このことから、本発明の優位性は明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上説明された燃料の燃焼装置は、種々の機器に使用される。
【符号の説明】
【００９４】
２、５２、９２・・・燃焼装置
４、５４・・・燃焼筒
６、５６・・・燃料投入器
８、５８・・・燃料混合器
１０、６０・・・点火器
１２、６２、９８・・・イオン検出器
１４、６４・・・制御器
１６、７０・・・胴部
１８、６８、９４・・・下蓋部
２０・・・底部
２２、１００・・・投入口
２４・・・筐体
２６、１０２・・・スワラー
２８・・・燃料タンク
３０・・・バルブ
３０ａ・・・第一バルブ
３０ｂ・・・第二バルブ
３２、６６・・・点火部
３４、７２・・・放電極
３６、７４・・・第一接地電極
３８・・・投入口に囲まれた領域
４０、７６・・・検出部
４０ａ・・・鉤型の検出部
４０ｂ・・・環型の検出部
４２、７８、１０４・・・印加電極
４４、８０・・・第二接地電極
【図１】
2019184179.tif 000003
【図２】
2019184179.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019184179.tif 000008
【図７】
2019184179.tif 000009
【図８】
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