JP2019056324A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】改質燃料により生成された希薄混合気の正常な燃焼を広い運転範囲で実現することができる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１は、内燃機関１の運転状態を検出する運転状態検出部１０１〜１０８と、炭化水素を含む液体燃料が投入され、投入された液体燃料よりもオクタン価が高い改質燃料を生成する燃料改質部２と、燃料改質部２により生成される改質燃料の組成を調整する改質燃料組成調整部２８、７３、７５と、運転状態検出部１０１〜１０８によって検出された運転状態に応じて改質燃料組成調整部２８、７３、７５を制御することにより、改質燃料の組成を調整する制御装置１００と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、炭化水素を含む液体燃料から該液体燃料よりもオクタン価が高い改質燃料を生成する燃料改質部を備えた内燃機関に関する。
従来から、改質触媒により改質した着火性の低い改質燃料を空気と共に予混合してシリンダ内に吸気すると共に、着火性の高い燃料（軽油等）を供給して着火させる燃焼方式（デュアルフューエル燃焼）が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。また、液体燃料を改質して着火性の低い（オクタン価の高い）改質燃料を生成して予混合するためのレジプロ型の燃料改質気筒を備え、改質された改質燃料を含む混合気を吸入して燃焼させることにより機関出力を得る出力気筒を備えた内燃機関も知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
上記特許文献２に記載された内燃機関では、燃料改質気筒に軽油、ガソリン、重油等の炭化水素を含む液体燃料を供給し、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液体燃料が改質され、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等のアンチノック性の高い改質燃料、すなわち、オクタン価の高いガス性の改質燃料が生成される。そして、この改質燃料を空気と共に予混合して希薄予混合気を形成して出力気筒に供給し、該希薄予混合気が供給された出力気筒において燃焼（均一希薄予混合燃焼）を実行して機関出力を得る。
上記した出力気筒において良好な均一希薄予混合燃焼を実現するためには、出力気筒に改質燃料を含む希薄予混合気を吸入した後、圧縮上死点近傍の着火時期で改質燃料よりも着火性の高い燃料（例えば軽油）をパイロット燃料として噴射する。これにより、着火性の低い改質燃料による希薄予混合気の良好な着火が図られ、最適な時期での燃焼を実現することができる。
上記したデュアルフューエル燃焼によれば、出力気筒において均一希薄予混合燃焼が行われるため、ＮＯｘの排出量を低減すると共に、スート（煤）排出量の低減を図ることができる。さらに、アンチノック性の高い改質燃料を燃料として燃焼させるため、ノッキングを抑制することができ、着火用の燃料を所定のタイミングで噴射することにより最適な時期での燃焼を実現できることから燃焼効率の向上を図ることも可能となる。
特開２０１６−０７０１３１号公報 特開２０１４−１３６９７８号公報
上記したように、出力気筒に対して改質燃料を含む希薄予混合気を供給し着火燃料を噴射して着火させる場合、以下のような問題点が見出された。
内燃機関の負荷が低い運転状態では、出力気筒における当量比は低く設定される。当量比が低い場合、混合気が希薄になりすぎるために、圧縮上死点近傍で着火性の高い燃料を噴射しても、火炎が良好に伝播せず失火が発生する可能性が大きくなる。また、失火に至らない場合であっても、希薄化に伴う燃焼ガス温度の低下によって未燃の炭化水素（ＨＣ）が増加し、熱効率が悪化する。さらに、改質燃料に多く含まれるメタン（ＣＨ４）は、温暖化係数が二酸化炭素に比して格段に多く、環境に対する影響も懸念される。
また、内燃機関の負荷が高い運転状態においては、改質燃料に対してアンチノック性がより要求されるため、アンチノック性の高い成分である、例えば水素、一酸化炭素、メタン等が改質燃料により多く含まれることが望まれる。しかし、水素、一酸化炭素は、メタン等に比べてモルあたりの発熱量が低く、内燃機関が高負荷状態である場合に所望の出力が得られないおそれがある。
さらに、内燃機関が高負荷状態にある状況で水素が大量に出力気筒に投入されると、温度が上昇した出力気筒内において、引火点の低い水素が過早着火（プレイグニッション）を起こしたり、出力気筒内においてノッキングを起こしたりする問題がある。
本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、改質燃料により生成された希薄混合気の正常な燃焼を広い運転範囲で実現することができる内燃機関を提供することにある。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出部と、炭化水素を含む液体燃料が投入され、投入された前記液体燃料よりもオクタン価が高い改質燃料を生成する燃料改質部と、前記燃料改質部により生成される前記改質燃料の組成を調整する改質燃料組成調整部と、前記運転状態検出部によって検出された運転状態に応じて前記改質燃料組成調整部を制御することにより、前記改質燃料の組成を調整する制御装置と、を備える内燃機関が提供される。
前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が低いときに前記改質燃料中に含まれる水素の割合を、前記内燃機関の負荷が高いときに前記改質燃料中に含まれる水素の割合に比べて多くなるように前記改質燃料組成調整部を制御することが好ましい。また、前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が低いときに前記改質燃料中に含まれる一酸化炭素の割合を、前記内燃機関の負荷が高いときに前記改質燃料中に含まれる一酸化炭素の割合に比べて多くなるように前記改質燃料組成調整部を制御することが好ましい。さらに、前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときに前記改質燃料中に含まれるメタンの割合を、前記内燃機関の負荷が低いときに前記改質燃料中に含まれるメタンの割合に比べて多くなるように前記改質燃料組成調整部を制御することが好ましい。
前記制御装置は、前記運転状態検出部により検出された運転状態に基づいて前記内燃機関が出力すべき要求出力を算出する要求出力演算部を備え、前記制御装置は、前記要求出力と前記燃料改質部における改質効率とにより前記改質燃料の目標発熱量を演算し、前記目標発熱量に基づき、目標とする改質燃料の組成を決定するように構成することができる。
前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときに前記燃料改質部に導入される混合気の当量比を、前記内燃機関の負荷が低いときに前記燃料改質部に導入される混合気の当量比よりも高くなるように前記改質燃料組成調整部を制御するように構成することができる。
前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときに前記燃料改質部に導入される吸入ガスの温度を、前記内燃機関の負荷が低いときに前記燃料改質部に導入される吸入ガスの温度よりも高くなるように前記改質燃料組成調整部を制御するように構成することができる。
前記燃料改質部は、シリンダ内でピストンが往復動する改質気筒を備えたレシプロ型機構で構成されており、前記改質燃料組成調整部は、前記燃料改質部の前記改質気筒における有効圧縮比、吸入ガス温度、当量比、回転速度、の少なくともいずれかを制御するように構成することができる。
前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときの前記改質気筒の有効圧縮比を、前記内燃機関の負荷が低いときの前記改質気筒の有効圧縮比よりも高くなるように前記改質燃料組成調整部を制御するように構成することができる。
本発明によれば、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出部と、炭化水素を含む液体燃料が投入され、投入された前記液体燃料よりもオクタン価が高い改質燃料を生成する燃料改質部と、前記燃料改質部により生成される前記改質燃料の組成を調整する改質燃料組成調整部と、前記運転状態検出部によって検出された運転状態に応じて前記改質燃料組成調整部を制御することにより、前記改質燃料の組成を調整する制御装置を備えた内燃機関が提供される。これにより、改質燃料により生成された希薄混合気の正常な燃焼を広い運転範囲で実現することができる内燃機関が提供される。
本発明に基づき構成された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。 図１に示す内燃機関の制御系の概略構成を示す図である。 圧縮端ガス温度と改質燃料中の各ガス成分濃度との関係を示す図である。 目標圧縮端ガス温度を演算する演算ロジックを示すブロック図である。 図４に示す演算ロジックにおいて目標改質ガス発熱量を演算する具体的な演算手順を示すブロック図である。 図４に示す演算ロジックにおいて、要求ガス組成演算を実行する際の具体的な演算手順を示すブロック図である。 当量比を調整すべく、ＥＧＲガス量調整弁の開度を決定する演算ロジックを示すブロック図である。 吸入ガス温度を調整すべく、バイパス量調整弁の開度を決定する演算ロジックを示すブロック図である。 有効圧縮比を調整すべく、可変動弁装置の制御量を決定する演算ロジックを示すブロック図である。
以下、本発明に基づいて構成された実施形態に係る内燃機関について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１には、本実施形態に係る内燃機関１のシステム構成の概略が示されている。内燃機関１は、例えば、定置式の発電機に適用されるものであり、燃料改質部を構成する燃料改質気筒２および出力気筒３を備えている。この内燃機関１は、前記した燃料改質気筒２および出力気筒３に対して、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によって配管系が構成されている。
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。より具体的には、燃料改質気筒２および出力気筒３は、それぞれに図示しないシリンダブロック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に供給される構成となっている。燃料改質気筒２および出力気筒３の気筒数は必ずしもこれに限定されず、例えば、シリンダブロックに６つの気筒が備えられている場合は、２つの気筒を燃料改質気筒２とし、他の４つの気筒を出力気筒３として構成されていてもよい。燃料改質気筒２の数は出力気筒３の数よりも少ないことが好ましい。
燃料改質気筒２のピストン２２、および出力気筒３のピストン３２は、それぞれコネクティングロッド２４、３４を介して図中一点鎖線で示すクランクシャフト１１に連結されている。クランクシャフト１１は、図示しないクラッチ機構等を介して図示しない発電機に連結されている。
燃料改質気筒２には、燃料改質室２３に改質前の燃料、例えば軽油等を供給するインジェクタ２５が配設されている。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ピストン２２によって圧縮されることにより、高温高圧の環境下で断熱圧縮される。これにより燃料が改質され、水素、一酸化炭素、メタン等を含むアンチノック性の高い改質燃料が生成される。この燃料改質室２３に供給される燃料は、炭化水素を少なくとも含む他の液体燃料（ガソリン、重油等）であってもよい。この燃料改質気筒２が、燃料改質部となる。なお、本実施形態では、燃料改質部を燃料改質気筒２とした例を示すが、内燃機関１は、必ずしも燃料改質気筒２を備えたものに限定されない。燃料を改質するための構成としては、触媒反応により液体燃料をアンチノック性の高い燃料に改質する改質器も広くしられており、上記した燃料改質気筒２に代えて、燃料改質部として燃料改質触媒を使用してもよい。
出力気筒３には、上記したように、燃焼室３３が形成されており、燃焼室３３内に着火用燃料（例えば軽油等）を供給するインジェクタ３５が配設されている。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て均一予混合気を形成し、ピストン３２によって圧縮される。そして、圧縮上死点近傍でインジェクタ３５から微量の着火用燃料が噴射され、該着火用燃料を点火源とした伝播火炎燃焼が行われる。これにより、ピストン３２の往復動がクランクシャフト１１の回転運動に変換され、機関出力が得られる。
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（外気）を導入する。この吸気系４は、メイン吸気通路４１と、メイン吸気通路４１から分岐して燃料改質気筒２に空気を導入する燃料改質気筒吸気通路４２と、メイン吸気通路４１から出力気筒３に空気を導入する出力気筒吸気通路４３とを備えている。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の吸気ポートに接続されている。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、このメイン吸気通路４１から分岐された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３の吸気通路４３は、出力気筒３の吸気ポートに接続されている。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、出力気筒吸気通路４３には、吸気冷却器（インタークーラ）４４が備えられている。
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。
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の排気ポートに接続されている。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に接続されている。この改質燃料供給通路５１と出力気筒吸気通路４３との接続部分にはミキサ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６は、前記出力気筒３で燃料が燃焼することにより発生した排気ガスを内燃機関１の外部に排出するものである。排気系６は排気通路６１を備えている。排気通路６１には、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂが備えられている。排気通路６１は出力気筒３の排気ポートに接続されている。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が設けられている。
ＥＧＲ系７は、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａと、出力気筒ＥＧＲ系７Ｂとにより構成されている。
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に供給するためのものである。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。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の上流端は、排気通路６１に接続されている。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の下流端は、燃料改質気筒吸気通路４２に配設された吸気量調整弁４５の下流側に接続されている。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１にはＥＧＲガスクーラ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ガスクーラ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。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１には、ＥＧＲガスクーラ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。クーラバイパス通路７４には、バイパス量を調整するバイパス量調整弁７５が備えられている。
出力気筒ＥＧＲ系７Ｂは、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に還流させる出力気筒ＥＧＲ通路７６を備えている。出力気筒ＥＧＲ通路７６の上流端は排気通路６１に接続されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６の下流端は、出力気筒吸気通路４３に配設されたミキサ５３の下流側に接続されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６にはＥＧＲガスクーラ７７が配設されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６のＥＧＲガスクーラ７７の下流側（出力気筒３側）にはＥＧＲガス量調整弁７８が配設されている。
出力気筒バイパス系８は、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。出力気筒バイパス通路８１の上流端は、改質燃料供給通路５１に配設された改質燃料冷却器５２の上流側に接続されている。出力気筒バイパス通路８１の下流端は、出力気筒ＥＧＲ通路７６におけるＥＧＲガスクーラ７７の上流側（排気通路６１側）に接続されている。また、出力気筒ＥＧＲ通路８１には、バイパス量調整弁８２が備えられている。
本実施形態の上記した吸気冷却器４４、改質燃料冷却器５２、ＥＧＲガスクーラ７２、７７は、内燃機関１の冷却水によって冷却される。なお、吸気冷却器４４、改質燃料冷却器５２、ＥＧＲガスクーラ７２、７７は内燃機関１の冷却水によって冷却されることに限定されず、空冷式や他の冷熱源を用いて冷却するように構成してもよい。
図１に基づいて構成を説明した内燃機関１の制御系について、図２を参照しながら説明する。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、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、コンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、制御プログラム、および各種の制御マップ等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、検出した検出値、演算結果等を一時的に格納するための読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、入力インターフェース、および出力インターフェース等を備えている（詳細についての図示は省略する。）。
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、回転速度センサ１０７、およびアクセルレバー開度センサ１０８等が備えられている。各センサ１０１０〜１０８は、ＥＣＵ１００に電気的に接続されている。各センサ１０１〜１０８は、内燃機関１の運転状態を検出する運転状態検出部として機能する。
吸気流量センサ１０１は、メイン吸気通路４１を流れる吸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、吸入圧力センサ１０２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の接続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を流れる吸入ガス温度に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、吸入ガス温度センサ１０３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の接続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、吸入ガスＯ２センサ１０４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の接続部分よりも下流側の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。
排気圧力センサ１０５は、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、排気圧力センサ１０５は、排気通路６１に対する燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の接続部分よりも上流側の排気圧力に応じた信号を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、水温センサ１０６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。
回転速度センサ１０７は、内燃機関１の回転速度を検出するものであり、出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、回転速度センサ１０７は、クランクシャフト１１によって駆動される図示しない燃料圧送ポンプのカムシャフトの回転速度を検出するように配設され、クランクシャフト１１の回転速度に比例する燃料圧送ポンプの回転速度信号をＥＣＵ１００に送信する。
アクセルレバー開度センサ１０８は、内燃機関１に要求される要求負荷率を検出するものであり、出力信号をＥＣＵ１００に送信する。具体的には、アクセルレバー開度センサ１０８は、内燃機関１に接続された発電機の運転状態により変化する負荷信号に基づき駆動されるアクセルレバーの開度を検出し、アクセルレバーの開度信号を要求負荷率としてＥＣＵ１００に送信する。
ＥＣＵ１００には、上記した各センサの他に、前記インジェクタ２５、３５、前記各調整弁４５、７３、７５、７８、８２等も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、排気バルブ２７それぞれには、可変動弁装置２８、２９が備えられている。可変動弁装置２８、２９は、それぞれ吸気バルブ２６、および排気バルブ２７の開閉タイミングを自在に変更することが可能に構成されている。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１０１〜１０８の出力信号に基づいて、前記各インジェクタ２５、３５の噴射開始時期、および終了時期を調整する燃料噴射制御、各調整弁４５、７３、７５、７８、８２等の開閉制御、ならびに、可変動弁装置２８、２９による吸気バルブ２６、および排気バルブ２７の開閉タイミング制御を行う。
図１、２を参照しながら、上記内燃機関１の基本動作について、以下に説明する。
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ガスクーラ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での当量比を調整しつつ、燃料改質室２３において燃料の改質が良好に行われるガス温度にな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での当量比が所定の値（例えば２．５以上、好ましくは４．０以上）になるように、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制御される。当該制御は、例えば、予め実験やシミュレーション等に基づいて作成された開度設定マップに基づいて行うことができる。なお、ＥＧＲガス量調整弁７３、バイパス量調整弁７５の制御については、追って詳述する。
上記したように、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、内燃機関１の回転速度センサ１０７（回転速度）、アクセルバー開度センサ１０８の出力（要求負荷率）により演算される機関の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に供給される燃料の圧力に応じ、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の開弁期間は、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に応じた噴射が完了するように設定される。なお、インジェクタ２５の開弁期間はこれに限定されず、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が形成される期間であればよい。また、インジェクタ２５は、燃料改質室２３に直接燃料を供給する形態に限定されず、例えば、燃料改質気筒吸気通路４２の吸入ガスＯ２センサ１０４と吸気バルブ２６の間に設置してもよい。
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、上記した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、熱解離反応等が行われて、燃料が改質され、水素、一酸化炭素、メタン等を含むアンチノック性の高い改質燃料が生成される。なお、本実施形態においては、液体燃料が改質された改質燃料はガス状であることから、以下においては、改質燃料を「改質ガス」と称することがある。
燃料改質室２３から排出された改質ガスは、改質燃料供給通路５１を流れる際に、改質燃料冷却器５２によって冷却される。この冷却により、改質ガスの密度が上がると共に出力気筒吸気通路４３や燃焼室３３での改質ガスの過早着火が抑制される。そして、この冷却された改質ガスは、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ＥＧＲ通路７６を経て導入されるＥＧＲガスと共に出力気筒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、改質ガス、ＥＧＲガスがそれぞれ導入され、燃焼室３３内の当量比が所望の値になるように調整される。
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から着火性の高い微量の燃料噴射が行われる。これにより、燃焼室３３内で圧縮された予混合気が着火し、希薄予混合燃焼が行われる。なお、インジェクタ３５からの微量な燃料の噴射を行わなくても、燃焼室３３の予混合気が所望のタイミングで着火し得る場合は、インジェクタ３５からの燃料の噴射は必ずしも行わなくても良い。
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を得ることができる。この機関出力は、前記発電機等に伝達されると共に、その一部は前記燃料改質気筒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。
なお、内燃機関１の緊急停止時等において出力気筒３への改質燃料の供給を停止させる際には、燃料改質気筒２のインジェクタ２５からの燃料の噴射を停止すると共に、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が停止され、内燃機関１を速やかに停止させることができる。
この内燃機関１によれば、出力気筒３内において均一希薄予混合燃焼が行われるため、ＮＯｘ排出量、スート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（パティキュレートフィルタ、ＮＯｘ触媒等）を不要、または、その容量を大幅に縮小することが可能になる。そして、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、前述したような軽油等を噴射するディーゼルパイロット着火により最適な時期での燃焼を実現することができることから燃焼効率の向上も図ることができる。
本実施形態の内燃機関１は、さらに、前記燃料改質気筒２により生成される改質ガスの組成を調整する改質燃料組成調整部を備え、運転状態に応じて、前記改質燃料組成調整部を制御し、燃焼室３３に投入される改質燃料の組成を調整するようにしている。前記改質燃料組成調整部は、例えば、燃料改質気筒２に導入する混合気の当量比を調整するための構成、燃料改質気筒２で形成される混合気の温度を調整するための構成、燃料改質気筒２の有効圧縮比を調整するための構成等のうちの一部、または全部を含む。以下に、改質燃料組成調整部、およびその制御装置の作用について詳細に説明する。
まず、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。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、および、混合気の温度が共に改質反応を可能にする範囲内にあることが前提となる。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混合気の温度は異なっており、その当量比が高い程、改質反応を行うために必要な混合気の温度は高くなっている。ここでいう「混合気の温度」とは、燃料改質気筒２に導入された空気、ＥＧＲガス、およびインジェクタ２５から噴射された燃料によって形成された混合気が、ピストン２２によって改質気筒内の容積が最も小さくなった状態における混合気の温度であり、以下、この温度を「圧縮端ガス温度」と称する。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程、圧縮端ガス温度を高くする必要がある。
次に、圧縮端ガス温度に応じて生成される改質燃料中の各ガス成分の濃度について説明する。図３は、ある当量比において、圧縮端ガス温度（横軸）と改質燃料中の各ガス成分の濃度（縦軸）との関係を実験によって計測した結果を示した図である。
図中点線は、圧縮端ガス温度と生成された改質燃料中の水素濃度との関係を示している。図から理解されるように、生成された改質燃料中の水素は、圧縮端ガス温度が高いほど、その濃度が高くなる。また、圧縮端ガス温度が比較的低い領域や比較的高い領域にあっては、圧縮端ガス温度の上昇量に対する水素濃度の上昇量は少なくなっている。
図中一点鎖線は、圧縮端ガス温度と生成された改質燃料中の一酸化炭素濃度との関係を示している。図から理解されるように、生成された改質燃料中の一酸化炭素は、圧縮端ガス温度が高いほど、その濃度が高くなる。また、圧縮端ガス温度の上昇量に対して一酸化炭素の上昇量が少なくなる温度帯が数箇所存在している。つまり、圧縮端ガス温度端ガス温度の上昇に伴う一酸化炭素濃度の変化には複数の変曲点が存在している。
図中実線は、圧縮端ガス温度と生成された改質燃料中のメタン濃度との関係を示している。図から理解されるように、生成された改質燃料中のメタンは、圧縮端ガス温度が所定値Ａ以下の範囲では、圧縮端ガス温度が高いほど、その濃度は高くなる。しかし、圧縮端ガス温度が所定値Ａを超える範囲では、圧縮端ガス温度が高いほど、その濃度は低くなる。つまり、圧縮端ガス温度の上昇に伴うメタン濃度の変化には、極大値が存在している。これは、圧縮端ガス温度が所定値Ａを超えると、圧縮端ガス温度の上昇に伴い、改質燃料中のメタンの分解や部分酸化反応が進行して、これによって水素、一酸化炭素等が生成されることによるものと推察される。
このように、改質燃料中のアンチノック性が高い各ガス成分の濃度は、圧縮端ガス温度に依存するものとなっている。また、燃料改質気筒２内の当量比が異なれば、圧縮端ガス温度が同一であっても、各ガス成分の濃度の変化特性も変化することが確認されている。このため、燃料改質気筒２内の当量比に応じて図３に示すような特性を把握することで、燃料改質時における燃料改質気筒２内の圧縮端ガス温度を適宜調整し、各ガス成分の濃度割合を調整することが可能であることが理解される。図３に示すような圧縮端ガス温度と各ガス成分濃度との関係は、燃料改質気筒２内の当量比毎に、ＥＣＵ１００に記憶しておくことができる。
次に、上記した圧縮端ガス温度の調整を実現すべく、目標圧縮端ガス温度を演算する手順について説明する。
図４は、目標圧縮端ガス温度の演算ロジックを示すブロック図である。目標圧縮端ガス温度の演算は、ＥＣＵ１００が行うことができる。この図４に示すように、まず、上記した運転状態検出部によって検出される出力気筒３の回転速度および要求負荷率といった運転状態から、改質ガスによる目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑを目標改質ガス発熱量演算部１２１において演算する。この目標改質ガス発熱量演算部１２１における目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑの演算手順については、図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、まず、出力気筒３の回転速度と要求負荷率とに基づき、要求出力演算部１２１ａにて機関の要求出力Ｐを算出する。また、これと並行して出力気筒３の回転速度、および要求負荷率をパラメータとする出力気筒熱効率マップ１２１ｂを参照して出力気筒３の熱効率ηｔｈｐを求める。次いで、前述した内燃機関１の基本動作により決定される燃料改質気筒２の当量比と、吸入ガス温度とをパラメータとする燃料改質気筒２の改質効率マップ１２１ｃから、燃料改質気筒２の改質効率ηｔｈｒを求める。出力気筒３の熱効率ηｔｈｐと、燃料改質気筒２の改質効率ηｔｈｒとを乗算することで、その時の運転状態における内燃機関全体の熱効率ηｔｈが算出される。次いで、内燃機関全体の熱効率ηｔｈと燃料流量Ｇｆｕｅｌとを乗算し、その結果で前記機関の要求出力Ｐを割ることで、目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑが演算される。なお、出力気筒熱効率マップ１２１ｂおよび改質効率マップ１２１ｃは、予め実験等により作成してＥＣＵ１００に記憶しておくことができる。
図４に戻り説明を続ける。上記したように、目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑが演算されたならば、この目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑを達成するのに必要な燃料改質気筒２に供給する燃料流量を供給燃料量計算部１２２において計算する。この燃料改質気筒２に投入される燃料流量は、基本的には機関要求出力に応じて設定されるものであり、ＥＣＵ１００に記憶されたマップ等を参照することで決定される。
そして、それらの情報を基に、出力気筒３での着火性を検証する。ここでは、着火性指標演算部１２３で、前記運転状態における代表的な着火性指標が演算される。この着火性指標は、高負荷であるほど高い値として演算され、要求負荷率だけでなく、出力気筒３における当量比や、運転状態検出部によって検出される環境条件（冷却水温度、吸入ガス温度）等も考慮して決定される。上記した目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑ、燃料改質気筒２に投入される燃料流量、および着火性指標の演算は、ＥＣＵ１００が行うことができる。
上記したように、供給燃料量計算部１２２において前記燃料流量が算出されたならば、これを基に、出力気筒３において過早着火等の異常燃焼を起こさず、且つ、内燃機関が出力すべき目標出力（要求出力）を得ることが可能な改質ガスのガス組成（要求ガス組成）を要求ガス組成演算部１２０において演算する。より具体的に言えば、内燃機関１の負荷が低い場合は、内燃機関１の負荷が高い場合に比べ、改質ガス中に含まれる水素、および／または一酸化炭素の割合が多くなるように改質ガスのガス組成が設定される。内燃機関１の負荷が高い場合は、内燃機関１の負荷が低い場合に比べ、改質ガス中に含まれるメタンの割合が多くなるように改質ガスのガス組成が設定される。
ここで、内燃機関１の負荷が低い状態とは、マイクロパイロット着火後の燃焼速度が小さく、未燃ガスが排出されやすい運転状態で内燃機関１が運転されている状態であり、内燃機関１の負荷が高い状態とは、マイクロパイロット着火前や着火直後に急激な燃焼が発生しやすい運転条件で内燃機関１が運転されている状態である。内燃機関１において、負荷が低いときの運転条件を第一運転条件、負荷が高いときの運転条件を第二運転条件とすると、第一運転条件におけるマイクロパイロット着火後の燃焼速度は、第二運転条件におけるマイクロパイロット着火後の燃焼速度よりも小さい。特に限定されるものではないが、内燃機関１の出力でいうところの負荷率で表現すると、例えば、希薄混合気の当量比が０．５以下、且つ内燃機関１の出力が定格出力の５０％以下の状態を内燃機関１の負荷が低い状態、当該状態以外を内燃機関１の負荷が高い状態ということもできる。ただし、本実施形態における内燃機関１の負荷の高低は、主として着火後の燃焼速度の大小で判断されるものであり、負荷率のみで判断されるものではない。
上記したように、改質ガスの組成は、内燃機関１の負荷に応じて設定される。内燃機関１の運転条件が上記第一運転条件である場合の改質ガス中の水素の割合は、内燃機関１の運転条件が上記第二運転条件である場合の改質ガス中の水素の割合よりも多くなるように設定される。また、内燃機関１の運転条件が上記第一運転条件である場合の改質ガス中の一酸化炭素の割合は、内燃機関１の運転条件が上記第二運転条件である場合の改質ガス中の一酸化炭素の割合よりも多くなるように設定される。さらに、内燃機関１の運転条件が上記第二運転条件である場合の改質ガス中のメタンの割合は、内燃機関１の運転条件が上記第一運転条件である場合の改質ガス中のメタンの割合よりも多くなるように設定される。
上記したデータを基に、前記要求ガス組成演算部１２０において燃料改質気筒２の出口における要求ガス組成が演算される。図６を参照しながら、この要求ガス組成演算部１２０における要求ガス組成の具体的な演算手順について説明する。なお、この要求ガス組成の演算は、ＥＣＵ１００が行うことができる。
図６に示すように、要求ガス組成演算部１２０は、目標水素濃度マップ１２０ａ、目標一酸化炭素濃度マップ１２０ｂ、目標メタン濃度マップ１２０ｃを参照することによって各ガス組成を設定する。これらの各マップ１２０ａ〜１２０ｃは、出力気筒３の回転速度センサ１０７から検出される回転速度、アクセルレバー開度センサ１０８から検出される要求負荷率をパラメータとする２次元マップである。例えば、目標水素濃度マップ１２０ａは、要求負荷率が低い場合は、高い場合に比べ、改質燃料中に含まれる水素の割合が多くなるように、出力気筒３の回転速度が速い場合は、遅い場合に比べ、改質燃料中に含まれる水素の割合が多くなるように規定される。また、目標一酸化炭素濃度マップ１２０ｂは、要求負荷率が低い場合は、高い場合に比べ、改質燃料中に含まれる一酸化炭素の割合が多くなるように、出力気筒３の回転速度が速い場合は、遅い場合に比べ、改質燃料中に含まれる一酸化炭素の割合が多くなるよう規定される。さらに、目標メタン濃度マップ１２０ｃは、要求負荷率が高い場合は、低い場合に比べ、改質燃料中に含まれるメタンの割合が多くなるように、出力気筒３の回転速度が速い場合は、遅い場合に比べ、改質燃料中に含まれるメタンの割合が少なくなるように規定される。なお、各マップ１２０ａ〜１２０ｃは、出力気筒３の実験性能等を基に決定されるものであり、各マップ１２０ａ〜１２０ｃは、予めＥＣＵ１００に記憶しておくことができる。
図６に示す各マップ１２０ａ〜１２０ｃに基づき各ガス成分の目標濃度が演算されたならば、演算された目標濃度は、ガス成分毎に暫定目標濃度として発熱量演算部１２０ｄに出力される。発熱量演算部１２０ｄは、各ガス成分が暫定目標濃度で出力気筒３に供給された場合の発熱量を演算する。この発熱量演算部１２０ｄには、前述した供給燃料量計算部１２２において計算された燃料流量が投入される。発熱量演算部１２０ｄは、この燃料流量と、各ガス成分の前記暫定目標濃度Ψｉに基づき想定される演算発熱量（Ｈｔｏｔ＿ｃａｌ）を演算する。この演算発熱量は、各ガス成分の暫定目標濃度Ψｉと燃料流量とを目標モル流量Ｎｉに変換し、以下の式（１）によって求めることができる。なお、Ｈｉは、各ガス成分ｉの発熱量を示している。
上記した演算発熱量Ｈｔｏｔ＿ｃａｌが、上記した目標改質ガス発熱量演算部１２１で演算した目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑと一致、あるいは無視できる程度に両者の偏差が少ない場合は、供給燃料計算部１２２で計算された燃料流量をそのまま燃料改質気筒２に投入される燃料流量とする。しかし、前記偏差が大きい場合は、前記偏差を少なくすべく補正演算部１２０ｅに基づき補正演算を実施することが望ましい。この補正演算部１２０ｅが実施する具体的な補正演算について、以下に説明する。
まず、補正演算部１２０ｅが実施する補正演算の具体例として、以下の式（２）に基づいて演算する補正演算１について説明する。補正演算１では、燃料流量に対する補正値を算出する。
式（２）に記載されているように、補正演算１では、上記した内燃機関全体の熱効率ηｔｈと、目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑおよび式（１）により演算された演算発熱量Ｈｔｏｔ＿ｃａｌの偏差とを乗算して得た値で、上記要求出力演算部１２１ａにより算出された要求出力Ｐを割り算する。これにより、燃料流量補正値Ｇｆｕｅｌ＿ｃｏｒを得ることができる。この燃料流量補正値Ｇｆｕｅｌ＿ｃｏｒを燃料流量に付加することで、演算発熱量Ｈｔｏｔ＿ｃａｌを、目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑに近づけ、もしくは一致させることができる。
さらに、上記補正演算の具体的な例として、以下の式（３）、式（４）に基づき演算する補正演算２について説明する。補正演算２では、改質ガス中の各ガス成分の濃度に対する補正値を算出する。
補正演算２では、まず、式（３）を用いて、演算発熱量Ｈｔｏｔ＿ｃａｌを、目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑと演算発熱量Ｈｔｏｔ＿ｃａｌとの偏差に基づいて算出される燃焼熱偏差ΔＨｔｏｔで割り算し、改質ガス総モル数補正値ΔＮｔｏｔを求める。次に、この改質ガス総モル数補正値ΔＮｔｏｔに基づき、各ガス成分（水素、一酸化炭素、メタン）の基準モル濃度補正値Ψｉ＿ｒｅｆを取得する。なお、この基準モル濃度補正値Ψｉ＿ｒｅｆは、予めＥＣＵ１００に記憶した標準補正化学種濃度マップにより求めることができる。そして、この基準モル濃度補正値Ψｉ＿ｒｅｆを基に、改質ガス総モル数補正値ΔＮｔｏｔを構成する各ガス成分のモル数補正値ΔＮｉを求める。ｉは、改質ガスを構成する各ガス成分の化学種を示すものである。式（４）に示すように、各ガス成分のモル数補正値ΔＮｉの総和が、改質ガス総モル数補正値ΔＮｔｏｔである。なお、実際には、ガス組成の変化等により誤差が発生する。よって、ガス成分毎に調整係数αｉを予め定めておき、ΔＮｉ＝αｉ・Ｎｉ＿ｒｅｆとなるように上記式（４）を満たすＮｉ＿ｒｅｆを算出し、このＮｉ＿ｒｅｆをモル数補正値として、図６において算出した各ガス成分の暫定目標濃度を調整して補正を行う。このようにすることによっても、演算発熱量Ｈｔｏｔ＿ｃａｌを、目標改質ガス発熱量Ｈｔｏｔ＿ｒｅｑに近づけ、もしくは一致させることができる。
図４に戻り説明を続けると、要求ガス組成を達成しながら、出力気筒３における出力を満足し得る改質ガス量を供給する必要があることから、改質気筒目標当量比演算部１２４において、改質燃料の総発熱量を考慮して目標とすべき当量比が演算される。この際、供給燃料量計算部１２２において計算された燃料改質気筒２への燃料流量に基づき、改質ガス質量流量演算部１２５において、改質ガスの質量流量が演算される。そして、この改質燃料の質量流量に対して、各ガス成分の目標濃度を乗算することで、各ガス成分それぞれの質量流量が算出され、これに基づいて、改質ガスの総発熱量を考慮した燃料改質気筒２の目標当量比が演算されることになる。なお、ここまで、各ガス成分の目標濃度を演算するに際し、水素、一酸化炭素、メタンの目標濃度について求めることを説明したが、目標濃度を求めるガス成分は、水素、一酸化炭素、メタンに限定されるものではなく、さらに、改質ガスに含まれる他のガス成分Ｘ（例えばエタン等）の目標濃度を求めてもよい。
このようにして、目標当量比が演算されたならば、前記各ガス成分の最終目標濃度、および燃料改質気筒２の目標当量比に応じた目標圧縮端ガス温度が目標圧縮端ガス温度演算部１２６において演算される。この目標圧縮端ガス温度を決定する際には、前述した図３に示す圧縮端ガス温度に応じた各ガス成分濃度の割合が参照される。前述したように、当量比に応じて圧縮端ガス温度を変化させることで、各ガス成分の濃度割合を所望の割合に調整することができる。目標圧縮端ガス温度演算部１２６は、目標当量比に対応する圧縮端ガス温度と各ガス成分濃度との関係（図３を参照。）を参照し、各ガス成分の最終目標濃度を達成し得る目標圧縮端ガス温度を決定する。
前述したように目標圧縮端ガス温度が演算されたならば、ＥＣＵ１００は、実際の内燃機関１の圧縮端ガス温度を目標圧縮端ガス温度にするための制御を実施する。燃料改質室２３での圧縮端ガス温度を目標圧縮端ガス温度に調整するためには、現在の圧縮端ガス温度を算出し、この現在の圧縮端ガス温度と目標圧縮端ガス温度との偏差に応じた温度調節動作を行う必要がある。この温度調節動作を実施することにより、圧縮端ガス温度を目標圧縮端ガス温度にすることができれば、改質燃料の組成を所望の目標組成、すなわち、各ガス成分の濃度を目標の濃度とすることができる。よって、この温度調節動作を具体的に行うための構成が、改質燃料組成調整部に相当する。
ここでは、圧縮端ガス温度を目標圧縮端ガス温度に調整するに当たり必要となる、実際の圧縮端ガス温度を算出するための手順について説明する。
燃料改質室２３での実際の圧縮端ガス温度は以下の式（５）によって算出（推定）することができる。
この式（５）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の温度であり、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κ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）による温度上昇分を考慮した補正係数である。
以下、式（５）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、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の容積の比として算出される。なお、後述する圧縮端ガス温度の制御を、有効圧縮比の制御により実施しない場合は、燃料改質気筒２の有効圧縮比εを、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の容積の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ない場合には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κは、全量が空気である場合や熱流出がない場合とは異なっているため、以下の如く適宜修正が行われる。
・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する。このため、前記冷却水センサ１０６からの出力に基づいて冷却水の温度を算出する。冷却水温度は熱損失を生じさせるパラメータでありことから、冷却水温度をパラメータとする空気のポリトロープ数κから減算すべき修正ポリトロープ数Δκを求めるマップを予め実験やシミュレーション等によって定めておく。これにより、冷却水温度に応じた修正ポリトロープ数Δκ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κ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。上記したように、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程度である。これに対し、吸入ガス中に既燃ガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）や燃料（本実施形態では改質ガス）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κを推定する。
ポリトロープ数κを推定するに当たり、まず、以下の式（６）によって吸入ガスの定圧モル比熱を求める。
上記式（６）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内の演算時点で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に従って求めることができる。
これにより、以下の式（７）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。
・当量比に応じたポリトロープ数κ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。
まず、現在の運転状態に応じた当量比を算出する。当量比を算出するには、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から出力信号に基づいて算出された排気の圧力との差から燃料改質気筒２に還流されるＥＧＲガス量を算出する。そして、前記吸気の流量、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改質気筒供給量）から当量比を算出する。
上記したように当量比が算出されたならば、この当量比から、ポリトロープ数κの低下量Δκ、すなわち修正ポリトロープ数Δκを求める。修正ポリトロープ数Δκは、当量比に応じた修正ポリトロープ数Δκを予め実験やシミュレーション等によって求めマップにして記憶しておき、そのマップを参照することで求めることができる。このようにして、修正ポリトロープ数Δκを求めたならば、空気のポリトロープ数κ（１．４程度）から減算することによって当量比に応じたポリトロープ数κを演算することができる。
（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が圧縮端ガス温度上死点に達する前に改質反応開始された場合、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。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に記憶しておき、実際の運転条件に応じた温度上昇分補正係数Ｃｒｅａｃｔ
を読み出すことができる。
以上のようにして、吸入ガス温度Ｔｉｎｉ、燃料改質気筒の有効圧縮比ε、ポリトロープ数κ、改質反応に伴う温度上昇分の補正係数Ｃｒｅａｃｔが求められることにより、制御装置であるＥＣＵ１００において記憶されている上記式（５）に基づいて、圧縮端ガス温度を算出する動作が行われる。なお、圧縮端ガス温度の算出については、上記した実施形態に限定されず、他の方法によって算出することもできる。具体的には、燃料改質気筒２内に圧力センサを設置し、圧力センサの値に基づいて圧縮端ガス温度を算出するようにしてもよい。
以上のようにして、目標圧縮端ガス温度と、現在の圧縮端ガス温度が算出されることに基づき、現在の圧縮端ガス温度を目標圧縮端ガス温度に近づくように調整する。圧縮端ガス温度を調整する制御について以下に説明する。圧縮端ガス温度を制御する具体的な制御としては、燃料改質気筒２の当量比を調整することによる圧縮端ガス温度の制御、燃料改質気筒２に吸入される吸入ガスの温度を調整することによる圧縮端ガス温度の制御、および／または燃料改質気筒の有効圧縮比を調整することによる圧縮端ガス温度の制御が挙げられる。
（当量比を調整することによる圧縮端ガス温度の制御）
まず、当量比を調整することにより圧縮端ガス温度を調整する制御について説明する。当量比を調整することによる圧縮端ガス温度を制御する際、要求される出力を満たすために、燃料改質室２３に供給される燃料供給量を変更することは好ましくない。よって、当量比を調整することにより圧縮端ガス温度を調整する場合は、燃料改質気筒２に供給される燃料以外の吸入ガスの割合を変化させて、酸素濃度を変化させることにより圧縮端ガス温度を調整する。
前述したように、圧縮端ガス温度は、ポリトロープ数κによって変化することが分かっている。上記したように、燃料改質室２３に供給されるＥＧＲガス（既燃ガス）量を調整することでポリトロープ数κを調整することが可能である。よって、ＥＧＲガス量を調整することで、燃料改質室２３での酸素濃度を調整、すなわち当量比を調整し、燃料改質室２３での改質反応における部分酸化反応量を変化させ、圧縮端ガス温度を調整することができる。このように、ポリトロープ数κを変更すべく、当量比を調整することで、圧縮端ガス温度を調整するのである。
図７は、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を決定する演算ロジックを示すブロック図である。この図７に示すように、前記吸入ガスＯ２センサ１０４からの出力信号に基づいて算出された吸入ガス中の酸素濃度に基づいて吸入ガス組成演算部１５０が吸入ガスの組成を演算し、この吸入ガスの組成から吸入ガスのポリトロープ数κを求める。また、実測された吸入ガス温度と、現在の有効圧縮比と、前記ポリトロープ数κとに基づき、圧縮端ガス温度演算部１５１が、現在の圧縮端ガス温度を演算する。そして、この現在の圧縮端ガス温度と目標圧縮端ガス温度との偏差に基づいて、目標ポリトロープ数演算部１５２が目標ポリトロープ数を演算する。そして、この目標ポリトロープ数に基づいて、目標Ｏ２濃度演算部１５３が目標Ｏ２濃度を演算する。そして、この演算結果である目標Ｏ２濃度に応じた出力信号をＥＧＲガス量調整弁７３に出力する。この目標Ｏ２濃度とＥＧＲガス量目標調整弁７３の開度との関係は、予め実験やシミュレーションによって求められており、この関係から前記出力に応じたＥＧＲガス量調整弁７３の開度が設定されることになる。
このようなロジックによって、ＥＧＲガス量を調整することで当量比を変更して圧縮端ガス温度の制御が行われる。この際、内燃機関の負荷が高い場合には当量比が高くなるように制御される。すなわち、混合気中の酸素量を減らすべく、ＥＧＲガス量が多くなるように調整され、ポリトロープ数κが修正される。これにより、圧縮端ガス温度が調整される。調整されるＥＧＲガス量と、それに応じた圧縮端ガス温度の変化量については予め実験、シミュレーション等により求めておき、どの程度ＥＧＲガス量を調整するかが決定される。以上のようなロジックにより圧縮端ガス温度の制御が行われる。
（吸入ガス温度を調整することによる圧縮端ガス温度の制御）
燃料改質気筒２に導入される吸入ガスの温度を調整する際に寄与するパラメータは、ＥＧＲガスの温度である。このＥＧＲガスの温度による圧縮端ガス温度の制御は、前記バイパス量調整弁７５の開度を制御することで行われる。具体的には、ＥＧＲガスクーラ７２をバイパスするＥＧＲガス量を調整し、これによって燃料改質気筒吸気通路４２に導入されるＥＧＲガスの温度を調整するものである。
図８は、バイパス量調整弁７５の開度を決定する演算ロジックを示すブロック図である。この図８に示すように、目標圧縮端ガス温度に基づいて、目標吸入ガス温度演算部１３０が目標吸入ガス温度を演算する。そして、吸入ガス温度センサ１０３によって実測された実測吸入ガス温度と目標吸入ガス温度との偏差に基づいて、目標クーラバイパス流量演算部１３１が前記ＥＧＲガスクーラ７２をバイパスさせるＥＧＲガスの流量を演算する。そして、このＥＧＲガスクーラ７２をバイパスさせるＥＧＲガスの流量に基づいて、目標バイパス量調整弁開度演算部１３２がバイパス量調整弁７５の目標開度を演算する。このＥＧＲガスの流量（ＥＧＲガスクーラ７２をバイパスさせるＥＧＲガスの流量）とバイパス量調整弁７５の開度との関係は、予め実験やシミュレーションによって求められており、この関係から、バイパス量調整弁７５の目標開度が演算される。そして、この演算結果である目標開度に応じた出力信号をバイパス量調整弁７５に出力する。このような制御が実行されることにより、結果として、内燃機関の負荷が高い場合には、低い場合に比して燃料改質気筒２に導入される吸入ガスの温度が高くなるように制御される。以上のような演算ロジックにより圧縮端ガス温度の制御が行われる。
なお、前述の実施形態では、バイパス量調整弁７５の開度を制御することにより吸入ガスの温度を調整したが、これに限定されず、バイパス量調整弁７５の開度を一定に維持し、ＥＧＲガスクーラ７２を流れる冷熱源（内燃機関の冷却水）の温度や流量を調整することによっても、ＥＧＲガスの温度を調整することが可能である。
（燃料改質気筒の有効圧縮比を調整することによる圧縮端ガス温度の制御）
次に、燃料改質気筒の有効圧縮比の変更による圧縮端ガス温度の制御について説明する。この有効圧縮比の変更による圧縮端ガス温度の制御は、燃料改質気筒２に備えられた可変動源装置２８によって吸気バルブ２６の開閉タイミングを調整することで実現される。つまり、上記した式（５）の有効圧縮比εを直接調整することによって圧縮端ガス温度を調整するものである。なお、可変動弁装置２８としては、従来から知られているカムの位相を変更する方式のもの、カムリフトを変更する方式のもの、或いは電磁駆動式のバルブ装置等を採用することができ、可変動弁装置の構成に限定されない。
図９は、可変動弁装置２８の制御量を決定する演算ロジックを示すブロック図である。図９に示すように、実測された実測吸入ガス温度と現在の有効圧縮比とに基づき、圧縮端ガス温度演算部１４０が、現在の圧縮端ガス温度を演算する。そして、この現在の圧縮端ガス温度と目標圧縮端ガス温度との偏差に基づいて、目標有効圧縮比演算部１４１が目標有効圧縮比を演算する。そして、この目標有効圧縮比に基づいて、目標可変動弁装置制御量演算部１４２が可変動弁装置２８の開閉タイミングを演算する。そして、この演算結果である制御量に応じた出力信号を可変動弁装置２８に出力する。例えば、現在の圧縮端ガス温度が目標圧縮端ガス温度よりも低く、有効圧縮比を高める必要がある場合には、可変動弁装置２８による吸気バルブ２６の開閉タイミングをピストン２２の下死点側に移行させる。逆に、現在の圧縮端ガス温度が目標圧縮端ガス温度よりも高く有効圧縮比を低くする必要がある場合には、可変動弁装置２８による吸気バルブ２６の閉弁タイミングをピストン２２の上死点側に移行させる。以上のような演算ロジックにより圧縮端ガス温度の制御が行われる。
上記した、圧縮端ガス温度を制御する各手段、すなわち、当量比を調整することによる圧縮端ガス温度の制御、吸入ガス温度を調整することによる圧縮端ガス温度の制御、改質気筒の有効圧縮比を調整することによる圧縮端ガス温度の制御が実行されることで、実際の圧縮端ガス温度が、目標圧縮端ガス温度になるように調整することが可能である。これにより、燃料改質部を構成する燃料改質気筒２により生成される改質燃料の組成、すなわり、改質ガスを構成する各ガス成分濃度が、目標のガス成分濃度に調整される。
前述した当量比を調整するための構成であるＥＧＲガス量調整弁７３、吸入ガス温度を調整するための構成であるバイパス量調整弁７５、および改質気筒の有効圧縮比を調整するための構成である可変動弁装置２８の少なくとも1つが「改質燃料組成調整部」を構成する。そして、当量比を調整すること、吸入ガス温度を調整すること、および改質気筒の有効圧縮比を調整すること、の少なくとも１つを実行することにより、圧縮端ガス温度を制御することが、改質燃料の組成を調整するために「改質燃料組成調整部を制御する」ことを構成する。しかし、改質燃料組成調整部の制御は、上記した実施形態に限定されない。より具体的にいえば、燃料改質気筒２における圧縮端ガス温度が、上記式（５）によって算出されることからも理解されるように、上記式（５）のパラメータの値を変更すれば圧縮端ガス温度を調整することが可能である。すなわち、改質燃料組成調整部を制御するとは、式（５）のいずれかのパラメータの値を変更すること、とすることができる。例えば、燃料改質気筒２が出力気筒３から独立して構成されている場合、或いは、出力気筒３から回転させられるクランクシャフト１１と、燃料改質気筒２を回転させるクランクシャフトが変速機等により連結され、変速比が自在に変更できるように構成されている場合は、燃料改質気筒２のピストン２２を駆動する軸の回転速度を自在に調整することが可能となり、燃料改質気筒２の回転速度を調整することで、燃料改質室２３に導入される吸入ガス、および供給される燃料により構成される混合気からの熱流出量を変化させることができる。式（５）の説明で述べたように、燃料改質室２３における熱流出量を変化させることで、ポリトロープ数κが変化するため、圧縮端ガス温度も変化させることが可能である。
上述した実施形態は、単なる実施例を提示したにすぎず、種々の形態が想定される。
上述の実施形態では、炭化水素を含む液体燃料が投入され、投入された液体燃料よりもオクタン価が高い改質燃料を生成する燃料改質部として、レシプロ型の燃料改質気筒を備えた内燃機関の例を示したが、本発明はこれに限定されず、改質器として周知の改質触媒を採用するものであってもよい。改質触媒としては、例えば、Ｐｔ／ＣｅＯ２等の既知の材料を用いたものを使用することができる。このような改質触媒を採用する場合は、改質触媒の上流側に配設されたインジェクタから改質する燃料を供給すると共に、水蒸気を含んだ排気ガスが供給される。このような改質触媒を採用した場合に改質ガスの組成を変化させる場合も、吸入されるガスの温度や、当量比等を変化させることで、各ガスの成分濃度を調整することが可能である。
上記した実施形態の説明では、本発明を定置式の発電機に適用される内燃機関として説明したが、本発明はこれに限定されず、舶用、車両用等、他の用途に適用されることを除外しない。
１：内燃機関
２：燃料改質気筒
３：出力気筒
４：吸気系
５：改質燃料供給系
６：排気系
７：ＥＧＲ系
８：出力気筒バイパス系
１１：クランクシャフト
２１、３１：シリンダボア
２２、３２：ピストン
１００：ＥＣＵ
１２０：要求ガス組成演算部
１３０：目標吸入ガス温度演算部
１４０：圧縮端ガス温度演算部
１５０：吸入ガス組成演算部

Claims (9)

  1. 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出部と、
    炭化水素を含む液体燃料が投入され、投入された前記液体燃料よりもオクタン価が高い改質燃料を生成する燃料改質部と、
    前記燃料改質部により生成される前記改質燃料の組成を調整する改質燃料組成調整部と、
    前記運転状態検出部によって検出された運転状態に応じて前記改質燃料組成調整部を制御することにより、前記改質燃料の組成を調整する制御装置と、
    を備える内燃機関。
  2. 前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が低いときに前記改質燃料中に含まれる水素の割合を、前記内燃機関の負荷が高いときに前記改質燃料中に含まれる水素の割合に比べて多くなるように前記改質燃料組成調整部を制御する、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が低いときに前記改質燃料中に含まれる一酸化炭素の割合を、前記内燃機関の負荷が高いときに前記改質燃料中に含まれる一酸化炭素の割合に比べて多くなるように前記改質燃料組成調整部を制御する、請求項１、又は２に記載の内燃機関。
  4. 前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときに前記改質燃料中に含まれるメタンの割合を、前記内燃機関の負荷が低いときに前記改質燃料中に含まれるメタンの割合に比べて多くなるように前記改質燃料組成調整部を制御する、請求項１乃至３のいずれかに記載された内燃機関。
  5. 前記制御装置は、前記運転状態検出部により検出された運転状態に基づいて前記内燃機関が出力すべき要求出力を算出する要求出力演算部を備え、
    前記制御装置は、前記要求出力と前記燃料改質部における改質効率とにより前記改質燃料の目標発熱量を演算し、前記目標発熱量に基づき、目標とする改質燃料の組成を決定する、請求項１乃至４のいずれかに記載された内燃機関。
  6. 前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときに前記燃料改質部に導入される混合気の当量比を、前記内燃機関の負荷が低いときに前記燃料改質部に導入される混合気の当量比よりも高くなるように前記改質燃料組成調整部を制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載された内燃機関。
  7. 前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときに前記燃料改質部に導入される吸入ガスの温度を、前記内燃機関の負荷が低いときに前記燃料改質部に導入される吸入ガスの温度よりも高くなるように前記改質燃料組成調整部を制御する、請求項１乃至７のいずれかに記載された内燃機関。
  8. 前記燃料改質部は、シリンダ内でピストンが往復動する改質気筒を備えたレシプロ型機構で構成されており、
    前記改質燃料組成調整部は、前記改質気筒における有効圧縮比、吸入ガス温度、当量比、および回転速度、の少なくとも１つを調整する、請求項１乃至７のいずれかに記載された内燃機関。
  9. 前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が高いときの前記改質気筒の有効圧縮比を、前記内燃機関の負荷が低いときの前記改質気筒の有効圧縮比よりも高くなるように前記改質燃料組成調整部を制御する、請求項８に記載された内燃機関。
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