JP 2021-161921 A 2021.10.11(57)【要約】【課題】アンモニア燃焼エンジンにおいて効率良くアンモニアを燃焼させる。
【解決手段】アンモニア分解触媒１４ａを用いてアンモニアを分解したアンモニア分解ガスを、アンモニア分解ガスに含まれる水素の当量比が所定の下限値以上となるように調節した後に主燃焼室２２に噴出孔を介して連通した副燃焼室２４に供給し、燃料過剰条件下で点火して燃焼させ、未燃水素の混じる過濃燃焼ガスを噴出孔から噴流トーチ火炎として主燃焼室２２に噴出させ、噴流トーチ火炎による未燃水素の燃焼により主燃焼室２２に供給されたアンモニアと空気の予混合気体を、点火して燃焼させる。
【選択図】図１

(2)JP 2021-161921 A 2021.10.11【特許請求の範囲】【請求項１】
アンモニアを燃焼するエンジンにおける燃焼方法であって、アンモニア分解触媒を用いてアンモニアを分解したアンモニア分解ガスを、前記アンモニア分解ガスに含まれる水素の空気に対する当量比が所定の下限値以上となるように調節して前記エンジンの主燃焼室に噴出孔を介して連通した副燃焼室に供給し、燃料過剰条件下で点火して燃焼させ、未燃水素の混じる過濃燃焼ガスを前記噴出孔から噴流トーチ火炎として前記主燃焼室に噴出させ、前記噴流トーチ火炎による前記未燃水素の燃焼により前記主燃焼室に供給されたアンモニアと空気の予混合気体を、点火して燃焼させることを特徴とするアンモニア燃焼方法。
【請求項２】
前記当量比の前記所定の下限値を１．４より高い値としたことを特徴とする請求項１に記載のアンモニア燃焼方法。
【請求項３】
前記当量比の上限値を７．２以下にしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンモニア燃焼方法。
【請求項４】
前記エンジンの負荷に応じて前記当量比を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼方法。
【請求項５】
前記エンジンの負荷に応じて前記アンモニア分解ガスに点火するタイミングを変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼方法。
【請求項６】
前記アンモニア分解ガスを生成するためのアンモニアと、空気との予混合気体を得るためのアンモニアを同一のアンモニア供給源から供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼方法。
【請求項７】
前 記 ア ン モ ニ ア 分 解 ガ ス を 生 成 す る に 当 り 、 ア ン モ ニ ア 及 び /又 は 前 記 ア ン モ ニ ア 分 解
触媒を加熱することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼方法。
【請求項８】
前記加熱を前記エンジンの始動以前から行うことを特徴とする請求項７に記載のアンモニア燃焼方法。
【請求項９】
アンモニアを燃焼するアンモニア燃焼エンジンあって、主燃焼室と、前記主燃焼室に噴出孔を介して連通した副燃焼室と、前記副燃焼室へアンモニア分解触媒を用いてアンモニアを分解したアンモニア分解ガスを供給するアンモニア分解ガス供給手段と、前記アンモニア分解ガスに含まれる水素の空気に対する当量比を所定の下限値以上に調節する当量比調節手段と、前記当量比調節手段において当量比を調節して前記副燃焼室に供給された前記アンモニ
ア分解ガスに含まれる前記水素に点火をする点火手段と、前記主燃焼室へアンモニアと空気の予混合気体を供給する予混合気体供給手段とを備え、前記副燃焼室で燃焼させた未燃水素の混じる過濃燃焼ガスを前記噴出孔から噴流トーチ火炎として前記主燃焼室に噴出させ、前記噴流トーチ火炎による前記未燃水素の燃焼により前記主燃焼室に供給された前記アンモニアと空気の予混合気体を燃焼させることを特徴とするアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１０】1020304050(3)JP 2021-161921 A 2021.10.11

前記当量比調節手段が、前記当量比を前記所定の下限値を１．４より高い値に調節することを特徴とする請求項９に記載のアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１１】
前記当量比調節手段が、前記当量比の上限値７．２以下に調節することを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１２】
前記当量比調節手段が、前記エンジンの負荷に応じて前記当量比を変更することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１３】
前記点火手段が、前記エンジンの負荷に応じて前記アンモニア分解ガスを点火するタイミングを変更することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１４】
アンモニア供給源を備え、前記アンモニア分解ガスを生成するためのアンモニアと、空気との予混合気体を得るためのアンモニアを同一の前記アンモニア供給源から供給することを特徴とする請求項９〜
１３のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１５】
前記アンモニア分解ガスを生成するに当り、アンモニア及び／又は前記アンモニア分解触媒を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１６】
前記加熱手段が加熱制御部を有し、設定に応じて前記加熱を前記エンジンの始動以前から行うことを特徴とする請求項１５に記載のアンモニア燃焼エンジン。
【請求項１７】
請求項９〜１６のいずれか１項に記載のアンモニア燃焼エンジンを搭載しことを特徴とするアンモニア燃焼エンジンを搭載した船舶。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
本発明は、アンモニア燃焼方法、アンモニア燃焼エンジン及びそれを搭載した船舶に関する。
【背景技術】【０００２】
舶用産業では、国際海事機関（ＩＭＯ）の「温室効果ガス（ＧＨＧ）削減戦略」を達成できるエンジン用の燃料として、カーボンフリー燃料であるアンモニアの利用が注目されている。しかしながら、アンモニアは燃焼速度が遅く、着火し難い等の燃焼が困難な性質があるため、エンジン燃料として用いる場合には、強力な燃焼手法を採用する必要がある。
【０００３】
アンモニアを燃焼させるエンジンにおいて、加熱によってアンモニアを分解させて得られた水素ガスを副燃焼室へ供給し、副燃焼室に供給された点火性のよい水素ガスを利用して主燃焼室に供給されたアンモニアガスを効果的に燃焼させる構成が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、シリンダの燃焼室内にアンモニアガスを分解するための触媒部材を配置し、燃料として供給されたアンモニアガスを分解して水素ガスを得てアンモニアガスを燃焼させる構成が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】

1020304050

(4)JP 2021-161921 A 2021.10.11【特許文献】【０００５】【特許文献１】特開平５−３３２１５２号公報【特許文献２】国際特許公開ＷＯ２０１３／１７２１４１号パンフレット【発明の概要】【発明が解決しようとする課題】【０００６】
ところで、特許文献１に記載の技術は、アンモニアガスを加熱して得られる水素ガスと窒素ガスを副燃焼室に導いて点火させる構成であるため、水素ガスの点火性が良いといえども副燃焼室には空気が十分供給されず着火が遅れアンモニアガスを十分に燃焼させることはできないおそれがある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術は、アンモニアガスと空気を混合した混合ガスを燃焼室内に固定的に設けた触媒部材で分解して水素ガスと窒素ガスを得ているため、水素ガスの燃焼に適した空気が得られず、エンジンの過渡的な状況に適応できないおそれがある。
【０００８】
アンモニアは難燃性のため、アンモニアを効率良く分解し、得られた水素を副燃焼室にて燃焼させる構成においても主燃焼室においてアンモニアをより効率的に燃焼させる技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】【０００９】
請求項１に対応したアンモニアを燃焼するエンジンにおける燃焼方法は、アンモニア分解触媒を用いてアンモニアを分解したアンモニア分解ガスを、前記アンモニア分解ガスに含まれる水素の空気に対する当量比が所定の下限値以上となるように調節して前記エンジンの主燃焼室に噴出孔を介して連通した副燃焼室に供給し、燃料過剰条件下で点火して燃焼させ、未燃水素の混じる過濃燃焼ガスを噴流トーチ火炎として前記噴出孔から前記主燃焼室に噴出させ、前記噴流トーチ火炎による前記未燃水素の燃焼により前記主燃焼室に供給されたアンモニアと空気の予混合気体を、点火して燃焼させることを特徴とする。
【００１０】
なお、水素の空気に対する当量比とは、アンモニア分解ガスに含まれる水素と空気から定まる当量比のことである。
【００１１】
ここで、前記当量比の前記所定の下限値を１．４より高い値とすることが好適である。
また、前記当量比の上限値を７．２以下にすることが好適である。
【００１２】
また、前記エンジンの負荷に応じて前記当量比を変更することが好適である。また、前記エンジンの負荷に応じて前記アンモニア分解ガスに点火するタイミングを変更することが好適である。
【００１３】
また、前記アンモニア分解ガスを生成するためのアンモニアと、空気との予混合気体を得るためのアンモニアを同一のアンモニア供給源から供給することが好適である。
【００１４】ま た 、 前 記 ア ン モ ニ ア 分 解 ガ ス を 生 成 す る に 当 り 、 ア ン モ ニ ア 及 び /又 は 前 記 ア ン モ ニ
ア分解触媒を加熱することが好適である。
【００１５】
また、前記加熱を前記エンジンの始動以前から行うことが好適である。
【００１６】
請求項９に対応したアンモニアを燃焼するアンモニア燃焼エンジンは、主燃焼室と、前記主燃焼室に噴出孔を介して連通した副燃焼室と、前記副燃焼室へアンモニア分解触媒を用いてアンモニアを分解したアンモニア分解ガスを供給するアンモニア分解ガス供給手段

1020304050

(5)JP 2021-161921 A 2021.10.11と、前記アンモニア分解ガスに含まれる水素の空気に対する当量比を所定の下限値以上に調節する当量比調節手段と、前記当量比調節手段において当量比を調節して前記副燃焼室に供給された前記アンモニア分解ガスに含まれる前記水素に点火をする点火手段と、前記主燃焼室へアンモニアと空気の予混合気体を供給する予混合気体供給手段とを備え、前記副燃焼室で燃焼させた未燃水素の混じる過濃燃焼ガスを噴流トーチ火炎として前記噴出孔から前記主燃焼室に噴出させ、前記噴流トーチ火炎による前記未燃水素の燃焼により前記主燃焼室に供給された前記アンモニアと空気の予混合気体を燃焼させることを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記当量比調節手段が、前記当量比を前記所定の下限値１．４より高い値に調節することが好適である。また、前記当量比調節手段が、前記当量比の上限値を７．２以下に調節することが好適である。
【００１８】
また、前記当量比調節手段が、前記エンジンの負荷に応じて前記当量比を変更することが好適である。
【００１９】
また、前記点火手段が、前記エンジンの負荷に応じて前記アンモニア分解ガスを点火するタイミングを変更することが好適である。
【００２０】
また、アンモニア供給源を備え、前記アンモニア分解ガスを生成するためのアンモニアと、空気との予混合気体を得るためのアンモニアを同一の前記アンモニア供給源から供給することが好適である。
【００２１】
また、前記アンモニア分解ガスを生成するに当り、アンモニア及び／又は前記アンモニア分解触媒を加熱する加熱手段を備えることが好適である。
【００２２】
また、前記加熱手段が加熱制御部を有し、設定に応じて前記加熱を前記エンジンの始動以前から行うことが好適である。
【００２３】
また、上記アンモニア燃焼エンジンを搭載したことを特徴とするアンモニア燃焼エンジンを搭載した船舶とすることが好適である。
【発明の効果】【００２４】
請求項１に対応したアンモニアを燃焼するエンジンにおける燃焼方法によれば、アンモニア分解触媒を用いてアンモニアを分解したアンモニア分解ガスを、前記アンモニア分解ガスに含まれる水素の空気に対する当量比が所定の下限値以上となるように調節して前記エンジンの主燃焼室に噴出孔を介して連通した副燃焼室に供給し、燃料過剰条件下で点火して燃焼させ、未燃水素の混じる過濃燃焼ガスを噴流トーチ火炎として前記噴出孔から前記主燃焼室に噴出させ、前記噴流トーチ火炎による前記未燃水素の燃焼により前記主燃焼室に供給されたアンモニアと空気の予混合気体を、点火して燃焼させることによって、アンモニアを燃焼するエンジンにおいて効率良くアンモニアを燃焼させることができる。すなわち水素の空気に対する当量比を調節するものであるため、水素の燃焼に必要な空気量が確実に確保できる。また、当量比を所定の下限値以上としているため、副燃焼室で完全に水素を燃焼させずに未燃水素の混じる過濃燃焼ガスの噴流トーチ火炎として主燃焼室に噴出させることが可能となる。
【００２５】
ここで、前記当量比の前記所定の下限値を１．４より高い値とすることによって、副燃焼室での燃焼において残留した水素を主燃焼室へ噴出でき、主燃焼室におけるアンモニアの着火と燃焼の伝播を補助することができる。
【００２６】1020304050(6)JP 2021-161921 A 2021.10.11

また、前記当量比の上限値を７．２以下にすることによって、水素の可燃限界以下で水素を副燃焼室で確実に燃焼させることができる。
【００２７】
また、前記エンジンの負荷に応じて前記当量比を変更することによって、副燃焼室での水素の燃焼をエンジンの負荷に応じて適切な条件で行うことができる。
【００２８】
また、前記エンジンの負荷に応じて前記アンモニア分解ガスに点火するタイミングを変更することによって、副燃焼室でのアンモニア分解ガスに含まれる水素の燃焼をエンジンの負荷に応じて適切なタイミングで行うことができる。
【００２９】
また、前記アンモニア分解ガスを生成するためのアンモニアと、空気との予混合気体を得るためのアンモニアを同一のアンモニア供給源から供給することによって、アンモニア供給源の配置空間を小さくすることができる。
【００３０】ま た 、 前 記 ア ン モ ニ ア 分 解 ガ ス を 生 成 す る に 当 り 、 ア ン モ ニ ア 及 び /又 は 前 記 ア ン モ ニ
ア分解触媒を加熱することによって、アンモニアを効果的に水素を含んだアンモニア分解ガスへ分解することができる。
【００３１】
また、前記加熱を前記エンジンの始動以前から行うことによって、アンモニア分解ガスを迅速に生成しエンジンの始動を安定的に行うことができる。
【００３２】
請求項９に対応したアンモニアを燃焼するアンモニア燃焼エンジンによれば、主燃焼室と、前記主燃焼室に噴出孔を介して連通した副燃焼室と、前記副燃焼室へアンモニア分解触媒を用いてアンモニアを分解したアンモニア分解ガスを供給するアンモニア分解ガス供給手段と、前記アンモニア分解ガスに含まれる水素の空気に対する当量比を所定の下限値以上に調節する当量比調節手段と、前記当量比調節手段において当量比を調節して前記副燃焼室に供給された前記アンモニア分解ガスに含まれる前記水素に点火をする点火手段と、前記主燃焼室へアンモニアと空気の予混合気体を供給する予混合気体供給手段とを備え、前記副燃焼室で燃焼させた未燃水素の混じる過濃燃焼ガスを噴流トーチ火炎として前記噴出孔から前記主燃焼室に噴出させ、前記噴流トーチ火炎による前記未燃水素の燃焼により前記主燃焼室に供給された前記アンモニアと空気の予混合気体を燃焼させることによって、アンモニアを燃焼するエンジンにおいて効率良くアンモニアを燃焼させることができる。すなわち水素の空気に対する当量比を当量比調節手段で調節するものであるため、水素の燃焼に必要な空気量が確実に確保できる。また、当量比を所定の下限値以上に調節しているため、副燃焼室で完全に水素を燃焼させずに未燃水素の混じる過濃燃焼ガスの噴流トーチ火炎として主燃焼室に噴出させることが可能となる。
【００３３】
ここで、前記当量比調節手段が、前記当量比を前記所定の下限値１．４より高い値に調節することによって、副燃焼室での燃焼において残留した水素を主燃焼室へ噴出でき、主燃焼室におけるアンモニアの着火と燃焼の伝播を補助することができる。
【００３４】
また、前記当量比調節手段が、前記当量比の上限値７．２以下に調節することによって、水素の可燃限界以下で水素を副燃焼室で確実に燃焼させることができる。
【００３５】
また、前記当量比調節手段が、前記エンジンの負荷に応じて前記当量比を変更することによって、副燃焼室での水素の燃焼をエンジンの負荷に応じて適切な条件で行うことができる。
【００３６】
また、前記点火手段が、前記エンジンの負荷に応じて前記アンモニア分解ガスを点火するタイミングを変更することによって、副燃焼室でのアンモニア分解ガスに含まれる水素1020304050(7)JP 2021-161921 A 2021.10.11の燃焼をエンジンの負荷に応じて適切なタイミングで行うことができる。
【００３７】
また、アンモニア供給源を備え、前記アンモニア分解ガスを生成するためのアンモニアと、空気との予混合気体を得るためのアンモニアを同一の前記アンモニア供給源から供給することによって、アンモニア供給源の配置空間を小さくすることができる。
【００３８】
また、前記アンモニア分解ガスを生成するに当り、アンモニア及び／又は前記アンモニア分解触媒を加熱する加熱手段を備えることによって、アンモニアを効果的に水素を含んだアンモニア分解ガスへ分解することができる。
【００３９】
また、前記加熱手段が加熱制御部を有し、設定に応じて前記加熱を前記エンジンの始動以前から行うことによって、アンモニア分解ガスを迅速に生成しエンジンの始動を安定的に行うことができる。
【００４０】
また、上記アンモニア燃焼エンジンを搭載したことを特徴とするアンモニア燃焼エンジンを搭載した船舶とすることによって、船舶におけるアンモニアを利用した運航が可能となる。
【図面の簡単な説明】【００４１】【図１】本発明の実施の形態におけるアンモニア燃焼エンジンの構成図である。
【図２】燃料の性状を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における主燃焼室及び副燃焼室の燃焼を説明する図である。
【発明を実施するための形態】【００４２】
本発明の実施の形態におけるアンモニア燃焼エンジン１００は、図１に示すように、アンモニア供給源１０、予混合気体供給手段１２、アンモニア分解ガス供給手段１４、当量
比調節手段１６、ピストン１８、シリンダ２０、主燃焼室２２、副燃焼室２４、点火手段
２６、点火制御手段２８及びエンジン負荷検出手段３０を含んで構成される。
【００４３】
なお、アンモニア燃焼エンジン１００は、アンモニア供給源１０を含まずに、主燃焼室２２、副燃焼室２４、アンモニア分解ガス供給手段１４、当量比調節手段１６、点火手段２６、予混合気体供給手段１２をもって構成することもできる。また、アンモニア供給源
１０、予混合気体供給手段１２、アンモニア分解ガス供給手段１４、当量比調節手段１６、点火制御手段２８等を統合的に制御するエンジン制御手段を含んで構成することもできる。
【００４４】
アンモニア燃焼エンジン１００の適用範囲は、特に限定されるものでなく、例えば、船舶に搭載される主機としてのエンジン、補機としての発電機に動力を与えるエンジン等とすることができる。
【００４５】
アンモニア燃焼エンジン１００は、アンモニア供給源１０から主燃焼室２２へ供給されるアンモニア及び副燃焼室２４へ供給されるアンモニア分解ガスを燃焼させることでピストン１８に動力を与えるエンジンである。
【００４６】
アンモニア供給源１０は、燃料となるアンモニア（ＮＨ３）を蓄えておくタンク、予混合気体供給手段１２及びアンモニア分解ガス供給手段１４へ供給するためのポンプ等を含んで構成される。アンモニア燃焼エンジン１００では、予混合気体供給手段１２及びアンモニア分解ガス供給手段１４に対して同一のアンモニア供給源１０からアンモニアを供給する構成としている。これによって、アンモニア供給源１０の配置空間を小さくすることができる。

1020304050

(8)JP 2021-161921 A 2021.10.11【００４７】
アンモニアの供給形態はアンモニアガスを直接供給する形態、液体アンモニアを気化させてアンモニアガスとして供給する形態、液体アンモニアを主燃焼室２２に高圧で噴射させ供給する形態等各種の形態を採用することができる。また、主燃焼室２２及び副燃焼室２４に供給するアンモニアを別系統で構成することもできる。
【００４８】
予混合気体供給手段１２は、アンモニア供給源１０から供給されたアンモニアに酸化剤となる空気を混合して主燃焼室２２へ供給する。空気の代わりに、酸素富化空気や純酸素等の他の酸化剤を用いてもよい。また、他の補助燃料、例えば水素（Ｈ２）、天然ガス、ＬＰＧ等を加えてもよい。
【００４９】
予混合気体供給手段１２は、アンモニアと空気との混合比を調節できる機構を備える。
例えば、ピストン１８の下降に伴うシリンダ２０の吸気時の空気流に対して燃料インジェクタでアンモニアを噴射することで、予混合気を形成する。また、予混合室に対してアンモニアのインジェクタと空気のインジェクタをそれぞれ設け、予混合室内の圧力並びに各インジェクタの圧力及び噴射時間に対する予混合室内の混合比との関係を予め調べてマップにしておき、現在の予混合室内の圧力に応じて目標とする混合比となるようにインジェクタの圧力及び噴射時間でアンモニアと空気を噴射させてもよい。また、予混合室に対してアンモニアの流量計と空気の流量計を設けて、目標とする混合比となるようにアンモニアの流量と空気の流量の比を調整してもよい。混合比の目標値は、例えば、後述するエンジン負荷検出手段３０によって検知されるアンモニア燃焼エンジン１００の出力トルクや回転速度に応じて設定される。
【００５０】
アンモニア分解ガス供給手段１４は、アンモニア供給源１０から供給されたアンモニアを分解して水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）を含むアンモニア分解ガスを生成する。アンモニ
ア分解ガス供給手段１４は、分解によって生じた水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）を含むアンモニア分解ガスを当量比調節手段１６へ供給する。なお、当量比調節手段１６へは分解されずに残存したアンモニアが含まれていてもよい。
【００５１】
アンモニアの分解方法は、アンモニア分解触媒１４ａを用いる方法を適用することができる。アンモニア分解触媒１４ａは、ルテニウム（Ｒｕ）系の触媒、例えば酸化アルミニウム担持酸化ルテニウム触媒（ＲｕＯ２／γ−Ａｌ２Ｏ３触媒）を用いることができる。
ただし、アンモニア分解触媒１４ａは、これに限定されるものではなく、他の触媒を適用してもよい。
【００５２】
アンモニア分解触媒１４ａによってアンモニアの高い分解率を得るためには４００℃から５００℃程度の加熱が必要である。そこで、アンモニア分解ガス供給手段１４には、アンモニア分解触媒１４ａを加熱するための加熱手段１４ｂを設けることが好適である。加熱手段１４ｂは、温調素子等を備えた加熱制御部１４ｃによって調整された温度でアンモニア分解触媒１４ａを加熱する。アンモニア分解触媒１４ａの加熱方法は、例えば、アンモニア燃焼エンジン１００からの排気ガスの熱を利用する方法、電気加熱を利用する方法が挙げられる。また、アンモニアに対して空気を供給して一部燃焼させることで加熱しながら触媒で反応させる自己熱分解触媒（ＡＴＣ：Ａｕｔｏ−Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｃｒａｃｋｅｒ）を用いてもよい。なお、加熱手段１４ｂは、これらの方法を組み合わせて構成してもよい。また、アンモニア供給源１０からアンモニアガスを供給する場合は、アンモニア供給源１０がアンモニア分解ガス供給手段１４を兼ねることになり、加熱手段１４ｂを廃することもできる。
【００５３】
なお、アンモニアの分解方法は、アンモニア分解触媒１４ａを用いる方法に限定されるものではなく、単なる加熱分解等の他の方法を適用してもよい。

1020304050(9)JP 2021-161921 A 2021.10.11【００５４】
また、燃焼には不要な窒素（Ｎ２）を除去するフィルタを当量比調節手段１６と副燃焼室２４との間の経路に設けてもよい。アンモニア分解ガスに含まれる窒素（Ｎ２）を除去することによって水素（Ｈ２）の濃度を高めることができる。これによって、副燃焼室２４におけるアンモニア分解ガスの燃焼をより活性化することができる可能性がある。
【００５５】
当量比調節手段１６は、アンモニア分解ガス供給手段１４から供給された水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）を含むアンモニア分解ガスに酸化剤となる空気を混合して副燃焼室２４へ供給する。空気の代わりに、酸素富化空気や純酸素等の他の酸化剤を用いてもよい。また、他の補助燃料、例えば天然ガス、ＬＰＧ等を加えてもよい。
【００５６】
当量比調節手段１６は、アンモニア分解ガスに含まれる水素（Ｈ２）の空気に対する当量比を調節できる機構を備える。当量比調節手段１６は、例えば、副燃焼室２４に対してアンモニア分解ガスを噴射するインジェクタと空気を噴射するインジェクタを含んでもよい。副燃焼室２４内の圧力並びに各インジェクタの圧力及び噴射時間に対する副燃焼室２４内の当量比との関係を予め調べてマップにしておき、現在の副燃焼室２４内の圧力に応じて目標とする混合比となるようにインジェクタの圧力及び噴射時間でアンモニア分解ガスと空気を噴射させればよい。
【００５７】
当量比調節手段１６を設けて水素（Ｈ２）の空気に対する当量比を調節するので、水素の燃焼に必要な空気量が確実に確保できる。なお、水素（Ｈ２）の空気に対する当量比とは、厳密には、アンモニア分解ガスに含まれる水素（Ｈ２）と空気から定まる当量比のことである。
【００５８】
また、副燃焼室２４に対してアンモニア分解ガスの流量計と空気の流量計を設けて、目標とする混合比となるようにアンモニア分解ガスの流量と空気の流量の比を調整してもよい。
【００５９】
図２は、燃料各種の着火温度、最小点火エネルギー、燃焼速度及び燃料過剰側の可燃限界当量比を示す。アンモニア分解ガスに含まれる水素（Ｈ２）は、着火温度が５００℃であり、天然ガスの５３７℃及びアンモニアの６５１℃に比べて低い温度で着火可能である。また、水素（Ｈ２）は、最小点火エネルギーが０．０１５ｍＪであり、天然ガスの０．
２９ｍＪ及びアンモニアの８．０ｍＪに比べて低い投入エネルギーで点火することができる 。 ま た 、 水 素 （ Ｈ ２ ） は 、 （ 層 流 ） 燃 焼 速 度 が ２ ９ １ ｃ ｍ /ｓ ｅ ｃ で あ り 、 天 然 ガ ス の３ ７ ｃ ｍ /ｓ ｅ ｃ 及 び ア ン モ ニ ア の ７ ｃ ｍ /ｓ ｅ ｃ に 比 べ て （ 層 流 ） 燃 焼 速 度 が 速 い た め 、他の燃料を着火させる上で好適である。
【００６０】
また、水素（Ｈ２）は、燃料過剰のときの可燃限界の上限となる当量比が７．２であり、天然ガスの２．５１及びアンモニアの１．４に比べて高い。すなわち、水素（Ｈ２）は、天然ガスやアンモニアに比べて、高い当量比の状態、すなわち高い燃料リッチの状態で燃焼させることができる。
【００６１】
ここで、副燃焼室２４へ供給する水素（Ｈ２）の当量比の下限値を天然ガスの当量比の上限値（２．５１）やアンモニアの当量比の上限値（１．４）よりも高くすることが好適である。このような高い当量比の水素（Ｈ２）の混合気を副燃焼室２４にて燃焼させると、副燃焼室２４から主燃焼室２２へ噴出される燃焼ガス中に残存する水素（Ｈ２）の量を天然ガスやアンモニアを用いて副燃焼室２４にて燃焼させたときよりも多くすることが可能となる。当量比を所定の下限値以上に調節することによって、副燃焼室２４で完全に水素（Ｈ２）を燃焼させずに未燃水素（Ｈ２）の混じる過濃燃焼ガスの噴流トーチ火炎として主燃焼室２２に噴出させることが可能となる。この残存水素（Ｈ２）は、主燃焼室２２1020304050

(10)JP 2021-161921 A 2021.10.11におけるアンモニアの燃焼を補助するので、主燃焼室２２におけるアンモニアの燃焼をより安定かつ活性に生じさせることができる。
【００６２】
なお、水素（Ｈ２）の当量比をアンモニアの可燃限界当量比より高い値、特に１．４９より高い値に調整することによって、副燃焼室２４で水素（Ｈ２）を優先的に燃焼させることができる。また、副燃焼室２４での燃焼において残留した水素を主燃焼室２２へ噴出でき、主燃焼室２２におけるアンモニアの着火と燃焼の伝播を補助することができる。
【００６３】
また、当量比の上限値を７．２以下に調節することが好適である。これによって、水素（Ｈ２）の可燃限界以下で水素（Ｈ２）を副燃焼室２４で確実に燃焼させることができる。
【００６４】
混合比の目標値は、例えば、後述するエンジン負荷検出手段３０によって検知されるア
ンモニア燃焼エンジン１００の出力トルクや回転速度に応じて必要とされる混合比を予め定めておき、当該マップを参照してアンモニア燃焼エンジン１００の目標出力トルクや目標回転速度に応じて設定すればよい。また、アンモニア分解ガスと空気の副燃焼室２４への供給のタイミングと量は、例えば、主燃焼室２２の混合気状態（圧量、温度、濃度）と筒内圧力の計測結果をもとに点火時の混合状態を推定して設定すればよい。
【００６５】
アンモニア燃焼エンジン１００の負荷に応じて当量比を変更することによって、副燃焼室２４での水素（Ｈ２）の燃焼をアンモニア燃焼エンジン１００の負荷に応じて適切な条件で行うことができる。
【００６６】
なお、アンモニア分解ガスと空気を予め混合した後に副燃焼室２４へ噴射する代わりに、副燃焼室２４に対してアンモニア分解ガスを噴射するインジェクタと空気を噴射するインジェクタを別々に設ける構成としてもよい。
【００６７】
また、副燃焼室２４内にアンモニア分解ガス供給手段１４を配置して、副燃焼室２４内にアンモニアと空気を供給した後にアンモニア分解ガス供給手段１４にてアンモニアを分解する構成としてもよい。
【００６８】
主燃焼室２２は、アンモニア燃焼エンジン１００において主燃料となるアンモニアを燃焼させて動力を生み出すための燃焼室である。主燃焼室２２は、ピストン１８とシリンダ２０との間に形成された空間である。主燃焼室２２内においてアンモニアと空気とを含む混合気を燃焼させることによってピストン１８に動力を与える。主燃焼室２２に供給されたアンモニアと空気を含む混合気は、図３に示すように、副燃焼室２４から噴出する高温及び高活性の噴流トーチ火炎Ｆによる未燃水素（Ｈ２）の燃焼によって点火される。
【００６９】
副燃焼室２４は、主燃焼室２２と噴出孔を介して連通された燃焼室である。副燃焼室２４の形状・大きさ及び噴出孔の孔径・数・方向等は適宜設定すればよい。副燃焼室２４には、例えば点火プラグ等の点火手段２６が設けられる。点火手段２６による点火のタイミングは点火制御手段２８によって制御される。副燃焼室２４には当量比調節手段１６からアンモニア分解ガスと空気の混合気が供給され、点火手段２６による点火によって燃焼が行われる。アンモニア分解ガスと空気の混合気の燃焼によって副燃焼室２４内の圧力が急激に上昇し、副燃焼室２４と主燃焼室２２とを連通する噴出孔を通して副燃焼室２４から主燃焼室２２へ向けて高温及び高活性の噴流が噴出される。
【００７０】
点火手段２６は、特に限定されるものではないが、火花点火、プラズマ点火、コロナ点火、レーザー点火等を適用することができる。
【００７１】

1020304050

(11)JP 2021-161921 A 2021.10.11

点火手段２６による点火のタイミングは、アンモニア燃焼エンジン１００の負荷に応じて調整することが好適である。例えば、エンジン負荷検出手段３０によってアンモニア燃焼エンジン１００の出力トルク及び回転数を計測し、当該出力トルク及び回転数に対して最適となる点火のタイミングを予めマップとしておき、当該マップを参照してエンジン負荷検出手段３０によって計測された出力トルク及び回転速度に応じた点火のタイミングに調整すればよい。
【００７２】
点火手段２６が、アンモニア燃焼エンジン１００の負荷に応じてアンモニア分解ガスを点火するタイミングを変更することによって、副燃焼室２４でのアンモニア分解ガスに含まれる水素（Ｈ２）の燃焼をアンモニア燃焼エンジン１００の負荷に応じて適切なタイミングで行うことができる。
【００７３】
また、主燃焼室２２の筒内圧力の測定結果に応じて点火のタイミングを調整してもよい。この場合、例えば、筒内圧力に対する燃焼特性を予め求めておき、実際に測定された筒内圧力から燃焼特性に応じて点火のタイミングを調整すればよい。
【００７４】
点火手段２６が、アンモニア燃焼エンジン１００の筒内圧力に応じてアンモニア分解ガスを点火するタイミングを変更することによって、副燃焼室２４でのアンモニア分解ガスに含まれる水素（Ｈ２）の燃焼をアンモニア燃焼エンジン１００の筒内圧力に応じて適切なタイミングで行うことができる。
【００７５】
また、アンモニア燃焼エンジン１００が発電機に接続されている場合、当該発電機の出力電力を測定し、その測定値に応じて点火のタイミングを調整してもよい。
【００７６】
点火手段２６が、アンモニア燃焼エンジン１００に接続されている発電機の出力電力に応じてアンモニア分解ガスを点火するタイミングを変更することによって、副燃焼室２４でのアンモニア分解ガスに含まれる水素（Ｈ２）の燃焼を発電機の出力電力に応じて適切なタイミングで行うことができる。
【００７７】
以上のように、アンモニア燃焼エンジン１００によれば、アンモニアを予め分解して得られたアンモニア分解ガスを副燃焼室２４において予燃焼させて、副燃焼室２４から主燃焼室２２へ未燃水素（Ｈ２）の混じる燃焼ガスを噴射させることで主燃焼室２２に供給されたアンモニアを点火及び燃焼させる。これによって、アンモニアの燃焼速度の遅さ、点火し難さ等を克服することができ、アンモニア燃焼エンジン１００における熱効率を向上し、運転を安定化させることができる。また、アンモニア燃焼エンジン１００から未燃焼の状態で排出されるアンモニアの量を低減させることができる。
【００７８】
また、アンモニアの着火性の悪さから、アンモニアのみを用いてアンモニア燃焼エンジン１００を安定的に始動させることは難しいが、副燃焼室２４を用いてアンモニア分解ガスを燃焼させることでアンモニア燃焼エンジン１００を安定的に始動させることができる。この場合、アンモニア燃焼エンジン１００の始動前からアンモニア分解ガス供給手段１４の加熱手段１４ｂを加熱してアンモニア分解ガスを生成しておくことが好適である。これによって、アンモニア分解ガスを迅速に生成しアンモニア燃焼エンジン１００の始動を安定的に行うことができる。
【産業上の利用可能性】【００７９】
本発明は、船舶の主機や補機としての発電機等の動力を必要とする装置のみならず、陸舶産業全体のアンモニア燃焼エンジンに広く適用することができる。
【符号の説明】【００８０】

1020304050

(12)JP 2021-161921 A 2021.10.11

１０ アンモニア供給源、１２ 予混合気体供給手段、１４ アンモニア分解ガス供給手段、１４ａ アンモニア分解触媒、１４ｂ 加熱手段、１４ｃ 加熱制御部、１６ 当量比調節手段、１８ ピストン、２０ シリンダ、２２ 主燃焼室、２４ 副燃焼室、２６ 点火手段、２８ 点火制御手段、３０ エンジン負荷検出手段、１００ アンモニア燃焼エンジン。

【図１】

【図２】

【図３】

(13)

JP 2021-161921 A 2021.10.11

̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶
フロントページの続き(51)Int.Cl.

ＦＩ

テーマコード（参考）Ｆ０２Ｍ 31/16(2006.01)

Ｆ０２Ｍ

21/02

Ｋ

Ｆ０２Ｐ

(2006.01)

Ｆ０２Ｍ

21/02

Ｕ

5/15

(72)発明者 早川

Ｆ０２Ｍ

31/16

Ｆ

Ｆ０２Ｄ

19/08

Ｚ

Ｆ０２Ｐ

5/15

Ｂ

晃弘

宮城県仙台市青葉区片平二丁目１番１号

国立大学法人Ｆターム(参考) 3G022 CA09

DA01

DA02 FA04

GA05

GA06

3G023 AA03

AB03

AC03 AC07

AC08

AD21

3G092 AA08

AB12

AB15 AB19AC10BA04

FA24GA03

HB01X

東北大学内GA08
BA09BB01

DE05S DE17S