JP2018009531A - 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 - Google Patents

内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料改質気筒および出力気筒を備えた内燃機関に対し、燃料改質気筒でのスートの発生を抑制する。【解決手段】燃料改質気筒２においてピストン２２が圧縮上死点に達する時点における燃料改質室２３のガス温度が、燃料改質室２３内の当量比に応じて設定されるスート発生下限温度以上になると推定された場合、燃料改質室２３内の反応ガス温度の上昇を抑制するための反応ガス温度調整動作を実行する。例えば、燃料改質室２３に還流されるＥＧＲガス量の減量およびＥＧＲガス量の低温化を図る。また、吸気バルブ２６の閉鎖タイミングを変更して燃料改質室２３の有効圧縮比を低くする。これにより、燃料改質室２３でのスートの発生を抑制しながら改質燃料を生成することができる。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法に係る。特に、本発明は、燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒を備えた内燃機関に適用される制御装置および制御方法に関する。
従来、燃料改質気筒と出力気筒とを備えた内燃機関が知られている（例えば特許文献１）。この種の内燃機関は、燃料改質気筒において燃料を改質する。そして、その改質後の燃料（以下、改質燃料という）を出力気筒において燃焼させることによって機関出力を得る。
具体的には、燃料改質気筒に軽油や重油等の燃料を供給し、この燃料改質気筒内において当量比の高い混合気を断熱圧縮する。これにより、高温高圧の環境下で燃料が改質し、水素、一酸化炭素、メタン等のアンチノック性の高い改質燃料（高オクタン価燃料）が生成される。そして、この改質燃料を空気と共に出力気筒に供給し、この出力気筒内において希薄混合気の燃焼（均一希薄燃焼）が行われることにより機関出力が得られる。
この種の内燃機関によれば、出力気筒内において均一希薄燃焼が行われるため、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。また、アンチノック性の高い燃料の燃焼が行われるため、ノッキングが抑制されると共にディーゼルマイクロパイロット着火（出力気筒内に微量の燃料を供給することによる改質燃料の着火）により最適な時期での燃焼が実現できることから、燃焼効率の向上を図ることもできる。
特開２０１４−１３６９７８号公報
このように燃料改質気筒において改質燃料を生成する場合、この燃料改質気筒内の当量比を高くして、酸化反応（燃焼）を抑制しながら改質反応が行われるようにしている。
また、燃料改質気筒内に供給される燃料の量は、機関負荷に応じて変更される。つまり、内燃機関の低負荷運転時には、燃料改質気筒内に供給される燃料の量は少なくなる。このように燃料改質気筒内への燃料供給量が少なくなった場合、この燃料改質気筒内の当量比が（低下して）１に近づく可能性がある。このような状況では、燃料改質気筒内での燃料の酸化反応量（燃焼量）が多くなり、発生熱量が多くなって燃料改質気筒内の温度（反応ガス温度）が高くなってしまう。
図４は、縦軸を燃料改質気筒内の当量比とし、横軸を燃料改質気筒内の反応ガス温度とした場合における、改質反応可能域、改質反応不能域、および、改質反応可能域内におけるスート（炭素粒子）の生成域を示している。つまり、燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度がスート生成域にある状況では、生成された改質燃料中に比較的多量のスートが存在することになる。
内燃機関の中負荷運転時や高負荷運転時（燃料改質気筒内の当量比が比較的高い運転域）であって、燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が図中の点Ａ（改質反応可能域内においてスート生成域から外れた点）にある状態から、機関負荷が低下し、燃料改質気筒内の当量比が１に近づいた場合には、前述した如く、酸化反応量の増大に伴い燃料改質気筒内の反応ガス温度が高くなる（図４における矢印Ｉを参照）。そして、この際の燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が点Ｂ（スート生成域内の点）の状態となった場合には、生成された改質燃料中に比較的多量のスートが含まれる状況となり、このスートが出力気筒に向けて導出されてしまうことになる。
このようなスートが導出される状況では、出力気筒での改質燃料の燃焼に悪影響を与えたり、この出力気筒内でスートが処理できない場合には、大気中にスートが放出されてしまう可能性がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料改質気筒および出力気筒を備えた内燃機関に対し、燃料改質気筒でのスートの発生を抑制することが可能な内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法を提供することにある。
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒で生成された改質燃料が供給され当該改質燃料の燃焼によって機関出力を得る出力気筒とを備えた内燃機関に適用される制御装置を前提とする。そして、この内燃機関の制御装置は、燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、前記燃料改質気筒内の当量比に応じて前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整する反応ガス温度調整部を備えていることを特徴とする。
この特定事項により、反応ガス温度調整部によって、燃料改質気筒内の当量比に応じた反応ガス温度の調整が行われ、燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域とされることになる。このため、燃料改質気筒でのスートの発生を抑制しながら改質燃料を生成することができる。その結果、スートが原因で出力気筒での改質燃料の燃焼に悪影響を与えたり、大気中にスートが放出されてしまったりすることが抑制される。
また、前記反応ガス温度調整部は、前記燃料改質気筒内の当量比が低下して１に近づいたことに伴う前記燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量を変更するようになっており、前記燃料改質気筒内の当量比が１に近づくほど、前記制御量を大きくするよう構成されていることが好ましい。
前述した如く、燃料改質気筒内の当量比が低下して１に近づくほど、燃料改質気筒内での燃料の酸化反応量が多くなり、燃料改質気筒内の反応ガス温度は高くなる。このため、燃料改質時における燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、前記スート生成域に入る可能性が高くなる。本解決手段では、燃料改質気筒内の当量比が１に近づくほど前記制御量（燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量）を大きくして、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するようにしている。これにより、燃料改質時における燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域となるようにしている。その結果、燃料改質気筒でのスートの発生を抑制することができる。
また、前記反応ガス温度調整部は、前記出力気筒から排出された排気ガスの前記燃料改質気筒内への還流量およびこの還流される排気ガスの温度のうち少なくとも一方を調整することによって、前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整するよう構成されていることが好ましい。
また、前記反応ガス温度調整部は、前記燃料改質気筒の有効圧縮比を調整することによって、前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整するよう構成されていてもよい。
このように、出力気筒から排出された排気ガスの燃料改質気筒内への還流量、この還流される排気ガスの温度、および、燃料改質気筒の有効圧縮比の何れを調整しても燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整することが可能である。そして、この燃料改質気筒内の反応ガス温度の調整により、燃料改質時における燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度がスート生成域を外れた改質反応可能域となるようにし、これによって、燃料改質気筒でのスートの発生を抑制することができる。
また、前記燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量が制御可能範囲の限界値に達しても、前記燃料改質時における前記燃料改質気筒の当量比および反応ガス温度が前記スート生成域にあると推定された場合には、前記燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とすることが好ましい。
これによれば、前記反応ガス温度調整部による制御ではスートの抑制ができないと判断されたことに伴い、燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とすることになる。例えば、燃料改質気筒内への燃料供給を停止する。これにより、スートの発生源である燃料が無くなることで、燃料改質気筒でのスートの発生を防止することができる。
また、前述した各解決手段に係る内燃機関の制御装置によって実施される内燃機関の制御方法も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒で生成された改質燃料が供給され当該改質燃料の燃焼によって機関出力を得る出力気筒とを備えた内燃機関に適用される制御方法を前提とする。そして、この内燃機関の制御方法は、燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、前記燃料改質気筒内の当量比に応じて前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整することを特徴とする。
この制御方法によっても、前述したように、燃料改質気筒でのスートの発生を抑制しながら改質燃料を生成することができる。その結果、スートが原因で出力気筒での改質燃料の燃焼に悪影響を与えたり、大気中にスートが放出されてしまったりすることが抑制される。
本発明では、燃料改質時における燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度がスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、燃料改質気筒内の当量比に応じて燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整するようにしている。このため、燃料改質気筒でのスートの発生を抑制しながら改質燃料を生成することができる。その結果、スートが原因で出力気筒での改質燃料の燃焼に悪影響を与えたり、大気中にスートが放出されてしまったりすることを抑制できる。
実施形態に係る内燃機関のシステム構成を示す図である。 内燃機関の制御系の概略構成を示す図である。 当量比および圧縮端ガス温度と、改質反応可能域との関係を示す図である。 燃料改質室内の当量比および反応ガス温度に応じた、改質反応可能域、改質反応不能域、および、改質反応可能域内におけるスートの生成域を示す図である。 冷却水温度に応じた修正ポリトロープ数の演算ロジックを示すブロック図である。 当量比に応じた修正ポリトロープ数の演算ロジックを示すブロック図である。 燃料改質室内の当量比、反応ガス温度およびスート発生量の関係を示す図である。 内燃機関の制御手順を示すフローチャート図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、船舶用の内燃機関に本発明を適用した場合について説明する。
−内燃機関のシステム構成−
図１は本実施形態に係る内燃機関のシステム構成を示す図である。
この図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関１は、燃料改質気筒２および出力気筒３を備えている。また、この内燃機関１は、前記燃料改質気筒２や前記出力気筒３に対し、ガスの供給（導入）またはガスの排出（導出）を行うための配管系として、吸気系４、改質燃料供給系５、排気系６、ＥＧＲ系７、および、出力気筒バイパス系８を備えている。
（燃料改質気筒および出力気筒）
燃料改質気筒２および出力気筒３は、共にレシプロ型で構成されている。具体的に、各気筒２，３は、シリンダブロック（図示省略）に形成されたシリンダボア２１，３１内にピストン２２，３２が往復動自在に収容されて構成されている。燃料改質気筒２では、シリンダボア２１、ピストン２２、図示しないシリンダヘッドによって燃料改質室２３が形成されている。出力気筒３では、シリンダボア３１、ピストン３２、図示しないシリンダヘッドによって燃焼室３３が形成されている。
本実施形態に係る内燃機関１は、シリンダブロックに４つの気筒が備えられ、そのうちの１つの気筒が燃料改質気筒２として構成されており、他の３つの気筒が出力気筒３として構成されている。そして、燃料改質気筒２で生成された改質燃料が各出力気筒３それぞれに供給される構成となっている。各気筒２，３の数はこれに限定されるものではない。例えば、シリンダブロックに６つの気筒が備えられ、そのうちの２つの気筒が燃料改質気筒２として構成されており、他の４つの気筒が出力気筒３として構成されていてもよい。
各気筒２，３のピストン２２，３２はそれぞれコネクティングロッド２４，３４を介してクランクシャフト１１に連結されている。これにより、ピストン２２，３２の往復運動とクランクシャフト１１の回転運動との間で運動が変換されるようになっている。クランクシャフト１１は、クラッチ機構（図示省略）を介して船舶のスクリュー軸に連結可能となっている。燃料改質気筒２のピストン２２と出力気筒３のピストン３２とは前記コネクティングロッド２４，３４およびクランクシャフト１１を介して互いに連結されている。このため、これら気筒２，３間での動力伝達や、これら気筒２，３から出力された動力のスクリュー軸への伝達等が可能となっている。
燃料改質気筒２には、燃料改質室２３に改質前の燃料として例えば軽油等の燃料を供給するインジェクタ２５が備えられている。この燃料改質室２３では、インジェクタ２５から燃料が供給されることにより、当量比の高い混合気が断熱圧縮される。これにより、高温高圧の環境下で燃料が改質し、水素、一酸化炭素、メタン等のアンチノック性の高い改質燃料が生成される。
出力気筒３には、燃焼室３３に例えば軽油等の燃料を供給するインジェクタ３５が備えられている。この燃焼室３３では、前記燃料改質気筒２で生成された改質燃料が空気と共に供給され、この燃焼室３３で希薄混合気の希薄予混合燃焼が行われる。これにより、ピストン３２の往復動に伴ってクランクシャフト１１が回転し、機関出力が得られる。
（吸気系）
吸気系４は、燃料改質気筒２の燃料改質室２３および出力気筒３の燃焼室３３それぞれに空気（新気）を導入するものである。
この吸気系４は、メイン吸気通路４１、このメイン吸気通路４１が２系統に分岐されて成る燃料改質気筒吸気通路４２および出力気筒吸気通路４３を備えている。メイン吸気通路４１には、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール１２ａが備えられている。燃料改質気筒吸気通路４２は燃料改質気筒２の吸気ポートに連通している。この吸気ポートと燃料改質気筒２の燃料改質室２３との間には吸気バルブ２６が開閉可能に配設されている。また、この燃料改質気筒吸気通路４２には開度調整可能な吸気量調整弁４５が備えられている。出力気筒吸気通路４３は出力気筒３の吸気ポートに連通している。この吸気ポートと出力気筒３の燃焼室３３との間には吸気バルブ３６が開閉可能に配設されている。また、この出力気筒吸気通路４３には吸気冷却器（インタクーラ）４４が備えられている。
（改質燃料供給系）
改質燃料供給系５は、前記燃料改質気筒２で生成された改質燃料を出力気筒３の燃焼室３３に向けて供給するものである。
この改質燃料供給系５は改質燃料供給通路５１を備えている。この改質燃料供給通路５１には改質燃料冷却器５２が備えられている。改質燃料供給通路５１の上流端は燃料改質気筒２の排気ポートに連通している。この排気ポートと燃料改質気筒２の燃料改質室２３との間には排気バルブ２７が開閉可能に配設されている。また、改質燃料供給通路５１の下流端は出力気筒吸気通路４３に連通している。この改質燃料供給通路５１と出力気筒吸気通路４３との連通部分にはミキサ５３が設けられている。このため、燃料改質気筒２で生成された改質燃料は、このミキサ５３において、出力気筒吸気通路４３を流れる空気と混合されて出力気筒３の燃焼室３３に供給されることになる。
（排気系）
排気系６は、前記出力気筒３で発生した排気ガスを排出するものである。この排気系６は排気通路６１を備えている。この排気通路６１には、ターボチャージャ１２のタービンホイール１２ｂが備えられている。排気通路６１は出力気筒３の排気ポートに連通している。この排気ポートと出力気筒３の燃焼室３３との間には排気バルブ３７が開閉可能に配設されている。
（ＥＧＲ系）
ＥＧＲ系７は、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａと出力気筒ＥＧＲ系７Ｂとを備えている。
燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａは、前記排気通路６１を流れる排気ガスの一部を燃料改質気筒２の燃料改質室２３に向けて供給するものである。この燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａは燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１を備えている。この燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１は、上流端が排気通路６１に、下流端が燃料改質気筒吸気通路４２における吸気量調整弁４５の下流側にそれぞれ連通されている。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１にはＥＧＲガス冷却器７２が備えられている。また、燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１におけるＥＧＲガス冷却器７２よりも下流側（燃料改質気筒吸気通路４２側）にはＥＧＲガス量調整弁７３が備えられている。また、この燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａには、ＥＧＲガス冷却器７２をバイパスしてＥＧＲガスを流すためのクーラバイパス通路７４が設けられている。このクーラバイパス通路７４にはバイパス量調整弁７５が備えられている。
一方、出力気筒ＥＧＲ系７Ｂは、前記排気通路６１を流れる排気ガスの一部を出力気筒３の燃焼室３３に戻すものである。この出力気筒ＥＧＲ系７Ｂは出力気筒ＥＧＲ通路７６を備えている。この出力気筒ＥＧＲ通路７６は、上流端が排気通路６１に、下流端が出力気筒吸気通路４３におけるミキサ５３の下流側にそれぞれ連通されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６にはＥＧＲガス冷却器７７が備えられている。また、出力気筒ＥＧＲ通路７６におけるＥＧＲガス冷却器７７よりも下流側（出力気筒吸気通路４３側）にはＥＧＲガス量調整弁７８が備えられている。
（出力気筒バイパス系）
出力気筒バイパス系８は、前記燃料改質気筒２から排出されたガスを出力気筒３に供給することなく（出力気筒３をバイパスさせて）、前記排気通路６１に導入するためのものである。この出力気筒バイパス系８は出力気筒バイパス通路８１を備えている。この出力気筒バイパス通路８１は、上流端が改質燃料供給通路５１における改質燃料冷却器５２の上流側に、下流端が出力気筒ＥＧＲ通路７６におけるＥＧＲガス冷却器７７の上流側（排気通路６１側）にそれぞれ連通されている。また、この出力気筒バイパス通路８１にはバイパス量調整弁８２が備えられている。
なお、前述した各系に備えられている冷却器４４，５２，７２，７７は、ガスを冷却するための冷熱源として、エンジン冷却水または海水等が使用される。また、これら冷却器４４，５２，７２，７７は空冷式のものであってもよい。
−内燃機関の制御系−
図２は、内燃機関１の制御系の概略構成を示す図である。内燃機関１には、この内燃機関１に備えられた各種アクチュエータを制御するための制御装置に相当するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１００が備えられている。このＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）およびバックアップＲＡＭ等を備えている。
ＲＯＭには、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭはＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。また、バックアップＲＡＭはシステム停止時等において保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
図２に示すように、内燃機関１には、吸気流量センサ１０１、吸入ガス圧力センサ１０２、吸入ガス温度センサ１０３、吸入ガスＯ２センサ１０４、排気圧力センサ１０５、水温センサ１０６等が備えられている。
吸気流量センサ１０１は、前記メイン吸気通路４１を流れる吸気（空気）の流量に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。
吸入ガス圧力センサ１０２は、燃料改質気筒吸気通路４２を流れる吸入ガスの圧力に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、燃料改質気筒吸気通路４２に対する燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の連通部分よりも下流側の吸入ガス圧力に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。
吸入ガス温度センサ１０３は、燃料改質気筒吸気通路４２を流れる吸入ガスの温度に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、燃料改質気筒吸気通路４２に対する燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の連通部分よりも下流側の吸入ガス温度に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。
吸入ガスＯ２センサ１０４は、燃料改質気筒吸気通路４２を流れる吸入ガス中の酸素濃度に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、燃料改質気筒吸気通路４２に対する燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の連通部分よりも下流側の吸入ガス中酸素濃度に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。
排気圧力センサ１０５は、前記排気通路６１を流れる排気の圧力に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、排気通路６１に対する燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の連通部分よりも上流側の排気圧力に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。
水温センサ１０６は、シリンダブロックに形成された冷却水通路１３内を流れる冷却水の温度に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、燃料改質気筒２の周囲に形成されている冷却水通路１３内を流れる冷却水の温度に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。
また、ＥＣＵ１００には、前記各インジェクタ２５，３５、各調整弁４５，７３，７５，７８，８２等が電気的に接続されている。また、燃料改質気筒２の吸気バルブ２６および排気バルブ２７それぞれには可変動弁装置２８，２９が備えられており、各バルブ２６，２７の開閉タイミングを調整することが可能となっている。ＥＣＵ１００は、この可変動弁装置２８，２９にも電気的に接続されている。ＥＣＵ１００は、前記した各種センサ１０１〜１０６の出力信号等に基づいて、前記各インジェクタ２５，３５の燃料噴射制御（インジェクタ２５，３５の開閉制御）、各調整弁４５，７３，７５，７８，８２の開閉制御（ガス流量制御）、および、可変動弁装置２８，２９による各バルブ２６，２７の開閉タイミング制御を行う。
−内燃機関の基本動作−
次に、前述の如く構成された内燃機関１の基本動作について説明する。
内燃機関１の暖機が完了している状態（燃料改質室２３での燃料の改質反応が可能となっている状態）での基本動作として、メイン吸気通路４１に導入される空気は、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール１２ａによって加圧される。そして、この空気は、燃料改質気筒吸気通路４２および出力気筒吸気通路４３に分流される。この際、燃料改質気筒吸気通路４２を流れる吸気の流量は吸気量調整弁４５によって調整される。また、燃料改質気筒吸気通路４２には、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａを流れたＥＧＲガスが導入される。この際、燃料改質気筒吸気通路４２に導入されるＥＧＲガス量はＥＧＲガス量調整弁７３によって調整される。また、燃料改質気筒吸気通路４２に導入されるＥＧＲガスの温度はバイパス量調整弁７５の開度に応じてＥＧＲガス冷却器７２をバイパスするＥＧＲガス量によって調整される。これにより、燃料改質気筒２の燃料改質室２３には、空気およびＥＧＲガスが導入されることになる。この際、吸気量調整弁４５の開度によって調整される吸気の流量、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度によって調整されるＥＧＲガスの流量、および、バイパス量調整弁７５の開度によって調整されるＥＧＲガスの温度は、燃料改質室２３での当量比を高く設定し、また、燃料の改質を良好に行うことができる燃料改質室２３のガス温度が確保できるように調整される。具体的には、吸気量調整弁４５、ＥＧＲガス量調整弁７３およびバイパス量調整弁７５の開度は、後述するようにインジェクタ２５から燃料改質室２３に燃料が供給された際における燃料改質室２３での当量比を例えば２．５以上（好ましくは４．０以上）に設定し、且つ燃料改質室２３のガス温度が改質反応可能温度の下限値以上の値となるように、予め実験やシミュレーションに基づいて作成された開度設定マップに従って設定される。
このようにして燃料改質気筒２の燃料改質室２３に、空気およびＥＧＲガスが導入された状態で、インジェクタ２５から燃料改質室２３に燃料が供給される。このインジェクタ２５からの燃料供給量は、基本的には機関要求出力に応じて設定される。具体的には、インジェクタ２５に供給されている燃料圧力に応じ、目標とする燃料供給量が得られるように、インジェクタ２５の開弁期間が設定される。また、この際のインジェクタ２５の開弁タイミングは、燃料改質気筒２の吸気行程が終了するまでの間に前記目標とする燃料供給量の噴射が完了するように設定されることが望ましいが、ピストン２２が圧縮上死点付近に到達する前に混合気が均一に混合可能である場合には、圧縮行程途中まで燃料噴射期間が継続されてもよい。これにより、ピストン２２が圧縮上死点に達するまでに、燃料改質室２３において均質な混合気（当量比の高い混合気）が生成されることになる。
ピストン２２が圧縮上死点に向かって移動する間に、燃料改質室２３の圧力および温度が上昇し、この燃料改質室２３では、当量比の高い混合気（例えば４．０以上の当量比の混合気）が断熱圧縮される。これにより、高温高圧の環境下で、燃料の脱水素反応、部分酸化反応、水蒸気改質反応、熱解離反応が行われて、燃料が改質され、水素、一酸化炭素、メタン等のアンチノック性の高い改質燃料が生成される。
燃料改質室２３から排出された改質燃料は、改質燃料供給通路５１を流れる際に改質燃料冷却器５２において冷却される。この冷却により、出力気筒吸気通路４３や燃焼室３３での改質燃料の過早着火が抑制される。そして、この冷却された改質燃料は、ミキサ５３において、出力気筒吸気通路４３を流れる空気と混合され、出力気筒３の燃焼室３３に供給される。また、必要に応じて、ＥＧＲガス量調整弁７８が開放され、出力気筒ＥＧＲ通路７６を経てＥＧＲガスが出力気筒３の燃焼室３３に導入される。
このようにして、出力気筒３の燃焼室３３には、空気、改質燃料、ＥＧＲガスがそれぞれ導入され、この燃焼室３３内の当量比が０．１〜０．８程度に調整される。
出力気筒３では、圧縮行程において、希薄混合ガスの断熱圧縮が行われ、ピストン３２が圧縮上死点に達した時点で、インジェクタ３５から微量の燃料噴射が行われる。これにより、燃焼室３３内の混合気が着火し、希薄予混合燃焼が行われる。なお、インジェクタ３５からの燃料噴射を行わなくても燃焼室３３の混合気が自着火（予混合圧縮自着火）する場合には、このインジェクタ３５からの燃料噴射は必ずしも必要ない。
前記燃焼によって、ピストン３２が往復動し、クランクシャフト１１が回転することで機関出力が得られる。この機関出力は前記スクリュー軸に伝達される。また、この機関出力の一部は、燃料改質気筒２におけるピストン２２の往復動の駆動源として使用される。
また、この内燃機関１の冷間始動時には、図示しないスタータによってクランクシャフト１１が回転（クランキング）され、燃料改質気筒２および出力気筒３それぞれのインジェクタ２５，３５から所定量の燃料噴射が行われる。この際の燃料噴射は、燃料改質室２３および燃焼室３３それぞれにおける当量比が１未満の値となるように設定される。これにより、燃料改質気筒２の燃料改質室２３および出力気筒３の燃焼室３３では、それぞれ圧縮着火燃焼が行われる。そして、燃料改質気筒２の暖機が進み、改質反応が可能な温度に達すると、前述した改質燃料の生成動作（燃料改質運転）に切り替えられることになる。このように、燃料改質気筒２は、出力気筒３と同様に機関出力を得るための気筒として機能することが可能であり、また、前述したように燃料改質装置として機能することが可能となっている。
なお、内燃機関１の緊急停止時等であって、出力気筒３への改質燃料の供給を停止させる際には、バイパス量調整弁８２が開放される。これにより、改質燃料は、出力気筒バイパス通路８１を経て排気通路６１に導入されることになり、出力気筒３への改質燃料の供給は停止される。
この内燃機関１によれば、出力気筒３内において希薄混合気の燃焼（均一希薄燃焼）が行われるため、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。これにより、排気ガスを浄化するための後処理装置を不要またはその容量を大幅に小型化することが可能である。また、アンチノック性の高い燃料の燃焼が行われるため、ノッキングが抑制されると共にディーゼルマイクロパイロット着火により最適な時期での燃焼が実現できることから、燃焼効率の向上を図ることもできる。
−改質反応可能域−
次に、燃料改質気筒２の燃料改質室２３において改質反応を可能にするための条件について説明する。この改質反応を可能にするためには、燃料改質室２３における混合気の当量比および燃料改質室２３の温度（ガス温度）が共に、改質反応を可能にする範囲内にあることが必要である。また、燃料改質室２３における混合気の当量比に応じて、燃料が改質反応を行うのに必要なガス温度は異なっており、改質反応を可能にするためには、混合気の当量比に応じた燃料改質室２３の温度（改質反応を可能にする最低温度以上の温度）が必要となる。
図３は、燃料改質室２３における混合気の当量比（横軸）、および、燃料改質気筒２においてピストン２２が圧縮上死点に達した時点での燃料改質室２３内のガス温度（以下、圧縮端ガス温度という；縦軸）と、改質反応可能域との関係を示す図である。この図３に示すように、燃料改質室２３において改質反応を可能にするためには、燃料改質室２３における混合気の当量比として所定値以上（例えば２以上）の当量比が必要であり、且つその当量比が高いほど、改質反応を行うために必要な圧縮端ガス温度は高くなっている。つまり、燃料改質室２３において改質反応を行うためには、燃料改質室２３における混合気の当量比が高いほど、圧縮端ガス温度を高くする必要がある。
−燃料改質運転の制御−
次に、本実施形態の特徴である燃料改質運転の制御について説明する。前述したように、燃料改質気筒２において改質燃料を生成する場合、燃料改質室２３内の当量比を高くして、酸化反応（燃焼）を抑制しながら改質反応が行われるようにしている。また、燃料改質室２３に供給される燃料の量は、機関負荷に応じて変更される。つまり、内燃機関１の低負荷運転時には、燃料改質室２３に供給される燃料の量は少なくなる。このように燃料改質室２３への燃料供給量が少なくなった場合、この燃料改質室２３内の当量比が（低下して）１に近づく可能性がある。このような状況では、燃料改質室２３内での燃料の酸化反応量（燃焼量）が多くなり、発生熱量が多くなって燃料改質室２３内の温度（反応ガス温度）が高くなってしまう。
図４を用いて前述したように、内燃機関１の中負荷運転時や高負荷運転時であって、燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が図中の点Ａにある状態から、機関負荷が低下し、燃料改質室２３内の当量比が１に近づいた場合には、酸化反応量の増大に伴い燃料改質室２３内の反応ガス温度が高くなる（図４における矢印Ｉを参照）。そして、この際の燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が点Ｂ（スート生成域内の点）の状態となった場合には、生成された改質燃料中に比較的多量のスートが含まれる状況となり、このスートが出力気筒３に向けて導出されてしまうことになる。このようなスートが導出される状況では、燃焼室３３での改質燃料の燃焼に悪影響を与えたり、燃焼室３３内でスートが処理できない場合には、大気中にスートが放出されてしまう可能性がある。
本実施形態は、この点に鑑み、燃料改質時における燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、燃料改質室２３内の当量比に応じて燃料改質室２３内の反応ガス温度を調整するようにしている。
具体的には、燃料改質室２３内における混合気の当量比に応じてスート発生下限温度を設定しておく。このスート発生下限温度は、混合気の当量比毎に設定されるものであって、その当量比においてスートが発生する反応ガス温度の下限値である。
そして、燃料改質気筒２においてピストン２２が圧縮上死点に達する時点における燃料改質室２３のガス温度（圧縮端ガス温度）が、前記スート発生下限温度以上になると推定された場合、つまり、改質反応時における反応ガス温度（前記圧縮端ガス温度に相当）が、現在の当量比にあってはスート生成域に入ると推定された場合には、この燃料改質室２３の反応ガス温度の上昇（前述した、燃料改質室２３内の当量比が１に近づいたことに起因する反応ガス温度の上昇）を抑制するための反応ガス温度調整動作を実行し、これによって、燃料改質時における燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域となるようにしている。以下、具体的に説明する。
本実施形態における燃料改質運転の制御では、推定される実際の圧縮端ガス温度と、前記スート発生下限温度とを比較する。
そして、実際の圧縮端ガス温度がスート発生下限温度未満であると推定された場合には、そのサイクル（または次回のサイクル）において、燃料改質気筒２での燃料改質運転を実行する（反応ガス温度調整動作を実行することなく、燃料改質運転を実行する）。つまり、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料の供給（前記改質反応を行うべく燃料改質室２３内の当量比を高く設定する燃料の供給）を実行する。
一方、実際の圧縮端ガス温度がスート発生下限温度以上であると推定された場合には、そのサイクル（または次回のサイクル）において、燃料改質気筒２での燃料改質運転を実行しながらも、燃料改質室２３の反応ガス温度の上昇を抑制するための反応ガス温度調整動作を実行する。
以下、実際の圧縮端ガス温度の算出動作（推定動作）、スート発生下限温度（当量比に応じて設定されたスート発生下限温度）の設定動作、および、これら実際の圧縮端ガス温度およびスート発生下限温度を利用した燃料改質運転の制御について順に説明する。
（圧縮端ガス温度の算出動作）
先ず、実際の圧縮端ガス温度の算出動作（推定動作）について説明する。
燃料改質室２３での実際の圧縮端ガス温度は以下の式（１）によって算出（推定）することが可能である。
Figure 2018009531
この式（１）において、ＴＴＤＣは圧縮端ガス温度であり、Ｔｉｎｉは圧縮前のガス温度すなわち吸入ガス温度であり、εは燃料改質気筒２の有効圧縮比であり、κは燃料改質室２３内の吸入ガスのポリトロープ数であり、Ｃｒｅａｃｔは燃料改質室２３での改質反応（特に部分酸化反応）に伴う温度上昇分（ピストン２２が圧縮上死点に達した時点での改質反応による温度上昇分）を考慮した補正係数である。
以下、式（１）における各パラメータの算出について説明する。
（吸入ガス温度Ｔｉｎｉ）
吸入ガス温度Ｔｉｎｉは前記吸入ガス温度センサ１０３からの出力信号に基づいて算出される。ここで算出される吸入ガス温度Ｔｉｎｉは、燃料改質気筒吸気通路４２に対する燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の連通部分よりも下流側の吸入ガス温度である。
また、吸入ガス温度Ｔｉｎｉとしては、燃料改質気筒吸気通路４２を流れる吸入ガスの温度に代えて、燃料改質気筒２の吸気ポートを流れる吸入ガスの温度を採用するようにしてもよい。または、ピストン２２が吸入下死点に達した時点での燃料改質室２３内のガス温度や、吸気バルブ２６が閉弁した時点での燃料改質室２３内のガス温度を検出または推定し、これを吸入ガス温度Ｔｉｎｉとして採用するようにしてもよい。
（燃料改質気筒の有効圧縮比ε）
燃料改質気筒２の有効圧縮比εは、燃料改質気筒２における吸気バルブ２６が閉弁した時点での燃料改質室２３の容積と、ピストン２２が圧縮上死点に達した時点での燃料改質室２３の容積との比として算出される。なお、この燃料改質気筒２の有効圧縮比εは、ピストン２２が下死点にある時点での燃料改質室２３の容積とピストン２２が上死点にある時点での燃料改質室２３の容積との比（見かけの圧縮比）によって簡易的に求めるようにしてもよい。
（ポリトロープ数κ）
ポリトロープ数κは、燃料改質室２３内でのガスの圧縮行程における定圧比熱と定積比熱との比で定義される。吸入ガスの全量が空気であり、シリンダ壁面への熱流出が無い場合にはκ＝１．４程度となる。しかしながら、燃料改質室２３における吸入ガスの実際のポリトロープ数は、全量が空気である場合や熱流出が無い場合とは異なっているので、以下のような修正が行われる。
以下に述べる冷却水温度に応じたポリトロープ数の修正、ガス組成に応じたポリトロープ数の修正および当量比に応じたポリトロープ数の修正は、何れか一つを行って前記式（１）のポリトロープ数κに適用するようにしてもよいし、２つ以上を組み合わせて修正を行って前記式（１）のポリトロープ数κに適用するようにしてもよい。
・冷却水温度に応じたポリトロープ数の修正
前記ポリトロープ数κは熱損失量に応じて変化する。前述したようにシリンダブロックには冷却水通路１３が形成されており、この冷却水通路１３を流れる冷却水に向けての熱流出が存在している。このため、前記水温センサ１０６からの出力に基づいて冷却水の温度を算出することで、熱損失量を予測することが可能である。または、冷却水温度と熱損失量との関係を予め把握しておくことで、この冷却水温度から熱損失量を推定することが可能である。
図５は、この冷却水温度に応じた修正ポリトロープ数の演算ロジックを示すブロック図である。この図５に示すように、水温センサ１０６からの出力に基づいて算出された冷却水の温度から、ポリトロープ数の低下量Δκを求め、これを空気のポリトロープ数から減算することによって、冷却水温度に応じた（熱損失量に応じた）修正ポリトロープ数を求めることができる。
・ガス組成に応じたポリトロープ数の修正
燃料改質室２３内のガス組成によってもポリトロープ数κは変化する。つまり、吸入ガスの全量が空気である場合、吸入ガスの大部分は２原子分子であるため、ポリトロープ数κは「１．４」程度となる。これに対し、吸入ガス中に既燃ガス（ＣＯ２やＨ２Ｏ）や燃料が含まれていると、前記２原子分子の割合が低下することで、ポリトロープ数κも低下することになる。
このため、前記吸入ガスＯ２センサ１０４からの出力信号に基づき、吸入ガス中の酸素のモル分率を基に、吸入ガス中の二酸化炭素のモル分率を計算し、各ガス成分のモル分率に基づいてポリトロープ数を推定する。
例えば、先ず、以下の式（２）によって吸入ガスの定圧モル比熱を求める。
Figure 2018009531
この式（２）において、Ｃｐ＿ｉｎｔａｋｅは吸入ガスの定圧モル比熱であり、Ψｉは各ガス成分それぞれのモル分率であり、Ｃｐ＿ｉは各ガス成分それぞれの定圧モル比熱である。各ガス成分それぞれのモル分率Ψｉ、各ガス成分それぞれの定圧モル比熱Ｃｐ＿ｉは、燃料の種類および燃料改質室２３内の当量比（現在の当量比）等に応じて決定されるものであり、実験やシミュレーションに基づいて作成されたマップ（前記ＲＯＭに記憶されたマップ）に従って求めることが可能である。
これにより、以下の式（３）によって、吸入ガスのポリトロープ数κを算出することができる。
Figure 2018009531
このようにしてガス組成に応じた修正ポリトロープ数を求めることができる。
・当量比に応じたポリトロープ数の修正
また、燃料改質室２３内の当量比を推定し、この当量比からポリトロープ数κを補正演算することも可能である。
図６は、この当量比に応じた修正ポリトロープ数の演算ロジックを示すブロック図である。この図６に示すように、当量比から、ポリトロープ数の低下量Δκを求め、これを空気のポリトロープ数から減算することによって、当量比に応じた修正ポリトロープ数を求めることができる。
この場合における当量比の算出手法としては、前記吸気流量センサ１０１からの出力信号に基づいて吸気の流量を算出する。また、吸入ガス圧力センサ１０２からの出力信号に基づいて算出された吸入ガスの圧力と、排気圧力センサ１０５からの出力信号に基づいて算出された排気の圧力との差からＥＧＲガス量（燃料改質気筒２に導入されるＥＧＲガス量）を算出する。そして、前記吸気の流量、前記ＥＧＲガス量、燃料改質室２３への燃料供給量（インジェクタ２５に対する噴射指令値から求められる燃料供給量）から当量比を算出する。また、ＥＧＲガス量を考慮しない場合には、吸気流量センサ１０１からの出力信号に基づいて算出された吸気の流量と、燃料改質室２３への燃料供給量との比から当量比を算出するようにしてもよい。
（改質反応に伴う温度上昇分の補正係数Ｃｒｅａｃｔ）
改質反応に伴う温度上昇分の補正係数Ｃｒｅａｃｔは、ピストン２２が圧縮上死点に達する前に改質反応が開始された場合、部分酸化反応によるガス温度の上昇分だけ圧縮端ガス温度を補正するためのものである。このため、前述したように、燃料改質室２３内の当量比が１に近づいた場合には、燃料改質室２３内の酸化反応量の増大に伴い、この補正係数Ｃｒｅａｃｔは大きな値として求められることになる。つまり、この補正係数Ｃｒｅａｃｔは、図４における矢印の傾き（当量比の変化に対する反応ガス温度の変化の割合）を表す値となる。
この補正係数Ｃｒｅａｃｔは、燃料改質室２３内の温度（反応場の温度）、燃料改質室２３内の酸素濃度、燃料改質室２３内の燃料濃度等をパラメータとして算出することができる。また、この補正係数Ｃｒｅａｃｔは、運転条件に対する改質反応の開始時期や部分酸化反応による発熱量を実験等によって求めておくことで、この温度上昇分補正係数Ｃｒｅａｃｔを前記ＲＯＭに記憶させておき、実際の運転条件に応じた温度上昇分補正係数Ｃｒｅａｃｔを読み出すことで求めることもできる。
なお、ピストン２２が圧縮上死点に達した時点で未だ改質反応が開始されない場合や、ピストン２２が圧縮上死点に達した時点での改質反応による発熱量が比較的少ない場合には、この温度上昇分補正係数Ｃｒｅａｃｔを「１」に設定して式（１）に当て嵌めるようにしてもよい。
（スート発生下限温度の設定動作）
次に、前記スート発生下限温度の設定動作について説明する。前述したように、スート発生下限温度は、混合気の当量比等に応じて設定される。つまり、図４からも明らかなように、混合気の当量比が異なれば、スート発生下限温度（図４におけるスート生成域の低温側の境界値）も異なった値となる。
このスート発生下限温度は、燃料改質室２３内の当量比をパラメータとして求めることが可能である。図７は、燃料改質室２３内の当量比、燃料改質室２３内の反応ガス温度、および、スート発生量の関係を示す図である。この図７に示すように、燃料改質室２３内の当量比が不変であっても、燃料改質室２３内の反応ガス温度がある値以上であった場合にスートの発生量が急速に多くなる。この温度（スートの発生量が急速に多くなる温度）が前記スート発生下限温度である。このスート発生下限温度は、燃料改質室２３内の当量比が低いほど、低くなっている。このように、スート発生下限温度は、燃料改質室２３内の当量比に応じた値として、実験やシミュレーションに基づいて作成されたマップ（前記ＲＯＭに記憶されたマップ）や演算式によって求めることが可能である。
このように、スート発生下限温度は、燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域の下限温度に相当するものとなっている。
（反応ガス温度調整動作）
前述した燃料改質室２３の反応ガス温度の上昇を抑制するための反応ガス温度調整動作としては、以下に述べる２種類の動作が挙げられる。実際の圧縮端ガス温度が、スート発生下限温度以上であってスート生成域にあると推定された場合には、これら反応ガス温度調整動作のうちの少なくとも一つが選択されて実行されることになる。以下、各反応ガス温度調整動作について説明する。
・第１調整動作
先ず、第１調整動作について説明する。この第１調整動作は、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａを経て燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの流量および温度を調整することによって反応ガス温度を調整するものである。
この第１調整動作では、ＥＧＲガス量調整弁７３およびバイパス量調整弁７５の開度を調整する。
例えば、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を大きくすることで燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの量（本発明でいう、出力気筒から排出された排気ガスの燃料改質気筒内への還流量）を多くする。これにより、燃料改質室２３に導入される不活性ガスが増量されることになり、同じ燃料供給量であっても当量比を高めることができる。また、燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの量を多くすることで、燃料改質室２３に導入される３原子分子（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）の量が増え、これによって、吸入ガスのポリトロープ数κが低下し、前記圧縮端ガス温度ＴＴＤＣが低下することになる。
また、バイパス量調整弁７５の開度を小さくする（ＥＧＲガス冷却器７２を流れるＥＧＲガスの量を多くする）ことで燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの温度（本発明でいう、出力気筒から排出され燃料改質気筒内へ還流される排気ガスの温度）を低くする。
このようにして、燃料改質時における燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域となるようにする。つまり、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を大きくするほど（本発明でいう、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量を大きくするほど）、ＥＧＲガスの量が多くなることで反応ガス温度は低くなる。また、バイパス量調整弁７５の開度を小さくするほど（本発明でいう、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量を大きくするほど）、ＥＧＲガスの温度が低くなることで反応ガス温度は低くなる。これにより、燃料改質室２３でのスートの発生を抑制することができる。
なお、この第１調整動作では、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度調整およびバイパス量調整弁７５の開度調整のうち一方のみを行うようにしてもよい。つまり、バイパス量調整弁７５の開度を変更することなく、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を大きくするすることで燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの量を多くする。または、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を変更することなく、バイパス量調整弁７５の開度小さくすることで燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの温度を低くする。
・第２調整動作
次に、第２調整動作について説明する。この第２調整動作は、燃料改質気筒２の有効圧縮比を低くすることによって反応ガス温度を調整するものである。
この第２調整動作では、前記吸気バルブ２６の閉タイミングを遅角側に補正する。つまり、ピストン２２が吸入下死点に達したタイミングよりも遅角側で吸気バルブ２６を閉鎖させ、これによって燃料改質気筒２の有効圧縮比を低くする。この場合、吸気バルブ２６の閉鎖タイミングを遅角側に移行させるほど（本発明でいう、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量を大きくするほど）、燃料改質気筒２の圧縮端ガス温度は低くなる。また、ピストン２２が吸入下死点に達するタイミングよりも進角側で吸気バルブ２６を閉鎖させ、これによって燃料改質気筒２の有効圧縮比を低くするようにしてもよい。この場合、吸気バルブ２６の閉鎖タイミングを進角側に移行させるほど（本発明でいう、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量を大きくするほど）、燃料改質気筒２の圧縮端ガス温度は低くなる。
これにより、燃料改質時における燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域となるようにする。この第２調整動作によっても、燃料改質室２３でのスートの発生を抑制することができる。
なお、この第２調整動作の変形例として、前記排気バルブ２７の開タイミングを進角側に補正するようにしてもよい。つまり、燃料改質気筒２の圧縮行程の途中で排気バルブ２７を開放させることによって燃料改質気筒２の有効圧縮比を低くするものである。
（燃料改質運転の制御）
次に、前記圧縮端ガス温度およびスート発生下限温度を利用した燃料改質運転の制御について説明する。
図８は、内燃機関１の制御手順を示すフローチャート図である。
先ず、ステップＳＴ１において、内燃機関１における各種情報の取得が行われる。ここで取得される情報としては、例えば、前記各種センサ１０１〜１０６の出力信号等が挙げられる。また、現在の制御における吸気バルブ２６の閉弁タイミングの情報（燃料改質気筒２の現在の有効圧縮比を算出するための情報）、燃料の種類の情報（修正ポリトロープ数を算出するための情報）等も取得される。
その後、ステップＳＴ２に移り、前記式（１）によって圧縮端ガス温度ＴＴＤＣの算出（推定）を行う。つまり、前述した吸入ガス温度Ｔｉｎｉの算出、燃料改質気筒２の有効圧縮比εの算出、ポリトロープ数κの算出、改質反応に伴う温度上昇分の補正係数Ｃｒｅａｃｔの算出が行われ、これらを前記式（１）に当て嵌めることによって圧縮端ガス温度ＴＴＤＣの算出を行う。なお、吸気バルブ２６の閉弁タイミングが固定されている場合には、有効圧縮比εの算出を行う必要はなく、この有効圧縮比εは固定値となる。
このようにして圧縮端ガス温度ＴＴＤＣの算出を行った後、ステップＳＴ３に移り、前記スート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍの算出（推定）を行う。このスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍは、前述したように、実験やシミュレーションに基づいて作成されたマップや演算式（燃料改質室２３内の当量比に応じてスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍを設定するためのマップや演算式）によって、燃料改質室２３内の当量比に応じた値として求められる。
その後、ステップＳＴ４に移り、前記圧縮端ガス温度ＴＴＤＣと前記スート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍとの比較によって、スートが発生する運転領域にあるか否かの判定を行う。つまり、現在の燃料改質室２３内の当量比および圧縮端ガス温度ＴＴＤＣが前記スート生成域にあるか否かの判定を行う。具体的には、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ以上の値となっているか否かの判定を行う。
ここでは、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ未満の値となっている場合にはスートが発生する運転領域にはないと判定し、ステップＳＴ４でＮＯ判定される。一方、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ以上の値となっている場合にはスートが発生する運転領域にあると判定し、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定される。
ステップＳＴ４でＮＯ判定された場合には、前記反応ガス温度調整動作を実行する必要はない（反応ガス温度調整動作を実行しなくてもスートが発生することはない、または、スートの発生量は僅かである）として、反応ガス温度調整動作を実行することなく、前述した燃料改質運転を継続する。
一方、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ５に移り、前記反応ガス温度調整動作を実行する。このステップＳＴ５では、前述した第１調整動作および第２調整動作のうち少なくとも一つの調整動作が実行される。ここで選択される調整動作は、内燃機関１の運転状態や各種温度等をパラメータとして実験やシミュレーションによって予め決められたものとなっている。
第１調整動作が実行される場合には、前述したように、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を大きくすることで燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの量を多くする。また、バイパス量調整弁７５の開度を小さくする（ＥＧＲガス冷却器７２を流れるＥＧＲガスの量を多くする）ことで燃料改質室２３に導入されるＥＧＲガスの温度を低くする。これにより、燃料改質時における燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域となるようにする。
一方、第２調整動作が実行される場合には、前述したように、ピストン２２が吸入下死点に達したタイミングよりも遅角側で吸気バルブ２６を閉鎖させ、これによって燃料改質気筒２の有効圧縮比を低くする。または、ピストン２２が吸入下死点に達するタイミングよりも進角側で吸気バルブ２６を閉鎖させ、これによって燃料改質気筒２の有効圧縮比を低くする。
例えば、前記圧縮端ガス温度ＴＴＤＣおよびスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍが算出された時点で、今回のサイクルにおける燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が既に確定している場合（前記ＥＧＲガス量、ＥＧＲガス温度、有効圧縮比が確定している場合）には、燃料改質気筒２における次回のサイクルにおいて前記反応ガス温度調整動作が実行されることになる。また、今回のサイクルにおける燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が確定する前に、前記圧縮端ガス温度ＴＴＤＣおよびスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍが算出（推定）され、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ以上の値となることが事前に判定ができた場合には、燃料改質気筒２における今回のサイクルにおいて前記反応ガス温度調整動作が実行されることになる。
また、本実施形態にあっては、前記反応ガス温度調整動作によって調整される反応ガス温度は、スート生成域を外れた改質反応可能域となるものであればよいが、好ましくは、内燃機関１の運転状態などに応じて要求される改質燃料のガス組成が得られる反応ガス温度を目標温度として調整することが好ましい。例えば、同一の当量比であっても、圧縮端ガス温度を高く設定した場合には、アンチノック性の高い改質燃料である水素、一酸化炭素、メタンの濃度を高めることができ、圧縮端ガス温度を低く設定した場合には、アンチノック性の低い（着火性の高い）改質燃料であるエタン等の濃度を高めることができる。このため、反応ガス温度を、スート生成域を外れた改質反応可能域となるものとしながらも、要求される改質燃料のガス組成が得られるものとなるように反応ガス温度調整動作を行うことが好ましい。
このようにして反応ガス温度調整動作が実行された状態で、ステップＳＴ６に移り、この反応ガス温度調整動作におけるアクチュエータの制御量が限界値に達しているか否かを判定する。つまり、前記第１調整動作が実行される場合にあっては、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を大きくする限界値、即ち、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度は全開、または、これ以上開度を大きくしてもＥＧＲガス量が増加しない限界開度となっているか否かを判定する。また、バイパス量調整弁７５の開度を小さくする限界値、即ち、バイパス量調整弁７５の開度は零となっているか否かを判定する。つまり、この第１調整動作では、これ以上、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制することができない状態となっているか否かを判定する。
また、前記第２調整動作が実行される場合にあっては、吸気バルブ２６を閉鎖させるタイミング（遅角側のタイミングまたは遅角側のタイミング）が限界値となっているか否かを判定する。つまり、この第２調整動作では、これ以上、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制することができない状態となっているか否かを判定する。
反応ガス温度調整動作におけるアクチュエータの制御量が限界値に達しておらず、ステップＳＴ６でＮＯ判定された場合には、反応ガス温度調整動作を継続させるべく、そのままリターンされる。
次回のルーチンにおいて、未だ、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ以上の値となっており、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ５に移り、前記反応ガス温度調整動作を継続すると共に、反応ガス温度調整動作におけるアクチュエータの制御量の加算処理が行われる。つまり、第１調整動作が実行されている場合には、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を更に大きくする。また、バイパス量調整弁７５の開度を更に小さくする。なお、この場合、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度およびバイパス量調整弁７５の開度のうち一方のみを更に変更するようにしてもよい。また、第２調整動作が実行されている場合には、燃料改質気筒２の有効圧縮比を更に低くするように、吸気バルブ２６の閉鎖タイミングを変更する。
そして、反応ガス温度調整動作におけるアクチュエータの制御量が限界値に達していないことを条件に（ステップＳＴ６でＮＯ判定されていることを条件に）、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ未満の値となるまで、この動作が繰り返される。これにより、燃料改質室２３の反応ガス温度が低下していき、燃料改質時における燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度がスート生成域を外れた改質反応可能域となる。
一方、反応ガス温度調整動作におけるアクチュエータの制御量が限界値に達し、ステップＳＴ６でＹＥＳ判定された場合（本発明でいう、燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量が制御可能範囲の限界値に達しても、燃料改質時における燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度がスート生成域にあると推定された場合）には、ステップＳＴ７に移り、燃料改質運転を非実行とする。つまり、内燃機関１の運転モードとしては燃料改質運転非実行モードとなる。この燃料改質運転非実行モードでは、燃料改質室２３への燃料の供給を停止する。つまり、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ未満の値になるまで、燃料改質室２３への燃料の供給を停止する。この場合、出力気筒３のインジェクタ３５からは機関要求出力に応じた量の燃料噴射が行われる。これにより、出力気筒３から機関出力が得られることになる。なお、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣがスート発生下限温度Ｔｓｏｏｔ＿Ｌｉｍ未満の値となって、通常の燃料改質運転に復帰した場合には、前記反応ガス温度調整動作におけるアクチュエータの制御量も解除され、これらアクチュエータも通常の制御に復帰されることになる。
このような動作が行われるため、図４に示すように、内燃機関１の中負荷運転時や高負荷運転時であって、燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が図中の点Ａにある状態から、機関負荷が低下し、燃料改質室２３内の当量比が１に近づいた場合であっても、燃料改質室２３内の反応ガス温度の上昇量は比較的少なく、この当量比の変化に伴う反応ガス温度の変化は、例えば図４における矢印IIに示すようになる。このため、燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域である点Ｃの状態となり、生成された改質燃料中にスートが含まれない状態を得ることができる。または、生成された改質燃料中のスートが微量である状態を得ることができる。
前記の制御動作により、ステップＳＴ４およびステップＳＴ５の動作が、本発明でいう「反応ガス温度調整部による動作であって、燃料改質時における燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、燃料改質気筒内の当量比に応じて燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整する動作」に相当する。
このような燃料改質運転の制御は、前記ＥＣＵ１００によって実行される。このため、このＥＣＵ１００における、この制御を実行する機能部分が本発明でいう制御装置に相当する。また、このＥＣＵ１００により実行される制御の方法が本発明でいう制御方法に相当する。
以上説明したように、本実施形態では、前記反応ガス温度調整動作によって、燃料改質室２３内の当量比に応じた反応ガス温度の調整が行われ、燃料改質室２３内の当量比および反応ガス温度が、スート生成域を外れた改質反応可能域とされるようにしている。このため、燃料改質室２３でのスートの発生を抑制しながら改質燃料を生成することができる。その結果、スートが原因で出力気筒３での改質燃料の燃焼に悪影響を与えたり、大気中にスートが放出されてしまったりすることを抑制できる。
−他の実施形態−
なお、前記実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、前記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、前記実施形態では、船舶用の内燃機関１に本発明を適用した場合について説明したが、その他の用途（例えば発電機、車両等）の内燃機関に対しても本発明は適用が可能である。
また、前記実施形態では、各気筒２，３に備えられるインジェクタ２５，３５としては気筒内に直接的に燃料を噴射する直噴式のものであった。本発明はこれに限らず、各インジェクタ２５，３５の両方または一方をポート噴射式のものとしてもよい。
また、前記実施形態では、燃料改質室２３に供給する燃料を軽油としていた。本発明はこれに限らず、重油やガソリン等を燃料とすることも可能である。
また、前記実施形態では、燃料改質気筒２と出力気筒３とが同一回転速度で運転するものであった。本発明はこれに限らず、各気筒２，３の間（各気筒２，３間のクランクシャフト１１）に減速機を介在させ、燃料改質気筒２の回転速度が出力気筒３の回転速度よりも低速度となる構成としてもよい。
また、前記実施形態では、出力気筒３で得られる機関出力の一部を燃料改質気筒２におけるピストン２２の往復動の駆動源として使用していた。本発明はこれに限らず、燃料改質気筒２の駆動源を個別に設けるようにしてもよい。例えば、燃料改質気筒２と出力気筒３とを切り離し（クランクシャフト１１で連結することなく）、燃料改質気筒２のピストン２２を電動モータ等によって往復動させるようにしてもよい。
本発明は、燃料改質気筒と出力気筒とを備えた内燃機関の制御に適用可能である。
１ 内燃機関
２ 燃料改質気筒（燃料改質装置）
２１，３１ シリンダボア
２２，３２ ピストン
２６ 吸気バルブ
３ 出力気筒
７３ ＥＧＲガス量調整弁
７５ バイパス量調整弁
１００ ＥＣＵ

Claims (6)

  1. 燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒で生成された改質燃料が供給され当該改質燃料の燃焼によって機関出力を得る出力気筒とを備えた内燃機関に適用される制御装置において、
    燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、前記燃料改質気筒内の当量比に応じて前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整する反応ガス温度調整部を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
    前記反応ガス温度調整部は、前記燃料改質気筒内の当量比が低下して１に近づいたことに伴う前記燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量を変更するようになっており、前記燃料改質気筒内の当量比が１に近づくほど、前記制御量を大きくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  3. 請求項１または２記載の内燃機関の制御装置において、
    前記反応ガス温度調整部は、前記出力気筒から排出された排気ガスの前記燃料改質気筒内への還流量およびこの還流される排気ガスの温度のうち少なくとも一方を調整することによって、前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  4. 請求項１または２記載の内燃機関の制御装置において、
    前記反応ガス温度調整部は、前記燃料改質気筒の有効圧縮比を調整することによって、前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  5. 請求項２記載の内燃機関の制御装置において、
    前記燃料改質気筒内の反応ガス温度の上昇を抑制するための制御の制御量が制御可能範囲の限界値に達しても、前記燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が前記スート生成域にあると推定された場合には、前記燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒で生成された改質燃料が供給され当該改質燃料の燃焼によって機関出力を得る出力気筒とを備えた内燃機関に適用される制御方法であって、
    燃料改質時における前記燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度が、この燃料改質気筒内の当量比および反応ガス温度によって規定されるスート生成域を外れた改質反応可能域となるように、前記燃料改質気筒内の当量比に応じて前記燃料改質気筒内の反応ガス温度を調整することを特徴とする内燃機関の制御方法。
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