JP2023031378A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質気筒での燃焼状態を制御して、エンジンの正味熱効率を向上し得るエンジンシステムを提供する。【解決手段】改質気筒４０ｄは、新気が給気される主室Ｎ１と主室Ｎ１に連通路７１を介して連通する副室Ｎ２とからなる燃焼室Ｎと、酸素含有ガスＢを主室Ｎ１を介することなく副室Ｎ２に供給する酸素含有ガス供給部とを備え、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を改質ガスＫが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置５０を備え、制御装置５０は、空気過剰率制御を実行している状態で、酸素含有ガス供給部にて副室Ｎ２に酸素含有ガスＢを供給する酸素含有ガス供給制御を実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の気筒のうち少なくとも一部を、燃料と燃焼用空気とを含む混合気の少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒として働かせ、複数の前記気筒の残部を、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスが導かれる通常気筒として働かせることが可能なエンジンシステムに関する。

従来、エンジンシステムとして、燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する燃焼室を有する通常気筒を少なくとも１つ備えると共に、混合気の少なくとも一部を燃焼室にて部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒を少なくとも一つ備え、改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも通常気筒へ導くものが知られている（特許文献１を参照）。
改質気筒では、例えば、メタンを主成分とする燃料を含む過濃混合気を部分酸化反応させることで、水素等の燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスを生成することができる。そして、当該改質ガスを通常気筒へ導くことで、例えば、通常気筒の燃焼室での火花伝播速度を上昇させ、失火や燃焼変動を低下できると共に、燃焼促進性ガスの燃焼による熱効率の向上が期待できる。
上記特許文献１に開示の技術では、主にエンジンの出力に寄与する通常気筒の出力に応じて、改質気筒の気筒数を変更する制御が示されている。

特開２０１６－９４９３０号公報

上記特許文献１に示すようなエンジンシステムでは、通常気筒の出力に応じて、改質気筒の気筒数を変更する制御については開示があるものの、改質気筒での燃焼状態を制御する点や、更には、改質気筒の空気過剰率を制御する点については、開示も示唆もされておらず改善の余地があった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質気筒での燃焼状態を制御して、エンジンの正味熱効率を向上し得るエンジンシステムを提供する点にある。

上記目的を達成するためのエンジンシステムは、複数の気筒のうち少なくとも一部を、燃料と燃焼用空気とを含む混合気の少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒として働かせ、複数の前記気筒の残部を、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスが導かれる通常気筒として働かせることが可能なエンジンシステムであって、その特徴構成は、
前記改質気筒は、新気が給気される主室と前記主室に連通路を介して連通する副室とからなる燃焼室と、酸素含有ガスを前記主室を介することなく前記副室に供給する酸素含有ガス供給部とを備え、
前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記酸素含有ガス供給部にて前記副室に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給制御を実行する点にある。

本発明の発明者らは、図３に示すように、上述の空気過剰率制御を実行した場合、改質気筒の空気過剰率を１から所定のピーク空気過剰率（図３では、λαで示される範囲に含まれる値）まで減少させるのに従って、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化炭素の濃度が徐々に上昇するという知見を得た。
更に、図４に示すように、改質気筒の空気過剰率を１から所定のピーク空気過剰率まで減少させ、当該燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化炭素の濃度が上昇するに伴って、エンジンの正味熱効率が向上する傾向があることも実験により確認した。
これらの結果から、改質気筒において燃焼促進性ガスの濃度が極大化する空気過剰率の下限限界を拡大すれば、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上させ、エンジンの正味熱効率を改善できる可能性がある。
当該改質気筒における空気過剰率の下限限界は、改質気筒での酸素不足による失火により決定されている可能性が高い。

上記特徴構成によれば、改質気筒に、主室と副室とからなる燃焼室と、燃焼室に酸素含有ガスを主室を介することなく副室に供給する酸素含有ガス供給部とを備えた構成において、制御装置が、空気過剰率制御を実行している状態で、酸素含有ガス供給部にて副室に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給制御を実行するから、改質気筒の主室と副室でのトータルでの空気過剰率を低くした場合であっても、副室での空気過剰率を、改質気筒のトータルでの空気過剰率よりも高くして副室にて混合気を良好に点火でき、副室から主室へ連通路を介して火炎ジェットを噴射し、当該火炎ジェットにより主室内の低い空気過剰率の混合気を着火できるから、改質気筒での失火を抑制できる。
即ち、本発明によれば、図３に示す燃焼促進性ガスの濃度を極大化する空気過剰率、及びエンジンの正味熱効率を極大化する空気過剰率を低下させることができ、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度の増加を図り得ると共に、それに伴いエンジンの正味熱効率の向上を図り得る。
結果、改質気筒における燃焼状態を制御し、改質気筒における空気過剰率の下限限界を拡大させて、エンジンの正味熱効率を向上し得るエンジンシステムを実現できる。

尚、当該実験では、通常気筒及び改質気筒のストロークボア比（ストローク／ボア）、排気量、機関回転速度は、通常のエンジンにて一般的に用いられる値に調整した。

エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度を増加させる場合に、前記空気過剰率制御において前記改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、前記酸素含有ガス供給制御において前記副室に供給される前記酸素含有ガスの供給量を増加させる点にある。

空気過剰率制御において、改質気筒での空気過剰率を減少させるに伴って、改質気筒で酸素不足による失火が起き易くなるが、上記特徴構成の如く、空気過剰率制御において改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、副室への酸素含有ガスの供給量を増加させることで、副室での空気過剰率の低下を抑制して失火の発生を防止しつつ、当該副室からの火炎ジェットにより、主室での過濃混合気に良好に着火することができる。結果、主室での空気過剰率を低く保ちつつ、副室からの火炎ジェットにより失火を防ぐ形態で、改質気筒のトータルでの空気過剰率の下限の拡大を良好に図ることができる。
また、上記特徴構成によれば、改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、副室への酸素含有ガスの供給量を増加させるので、酸素含有ガスが供給過多となることを防止して、改質気筒のトータルでの空気過剰率の上昇を抑制でき、改質気筒にて生成される改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度の低下を抑制できる。

エンジンシステムの更なる特徴構成は、
少なくとも前記通常気筒へ導かれる燃料を供給する第１燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、
前記制御装置は、前記第２燃料供給部による燃料供給量を調整して前記改質気筒における空気過剰率を、前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記第２燃料供給部によるすべての前記改質気筒への総燃料供給量に対する前記第１燃料供給部によるすべての前記通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、前記酸素含有ガス供給制御を実行する点にある。

本発明の発明者らは、改質気筒への総燃料供給量に対するすべての通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する、即ち、通常気筒の燃料として改質ガス由来のものを増加することで、エンジン全体の正味熱効率を向上できることを見出している。
上記特徴構成によれば、燃料比低下制御に基づくエンジンの正味熱効率の向上に加え、酸素含有ガス供給制御によるエンジンの正味熱効率の向上を図ることができるから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。

エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記燃料比低下制御における前記燃料比の低下に伴って、前記酸素含有ガス供給制御において前記副室に供給される前記酸素含有ガスの供給量を増加させる点にある。

例えば、エンジンの出力を略一定に維持している状態で、燃料比低減制御を実行する場合には、改質気筒への燃料供給量が増加するときには、改質気筒の空気過剰率を減少することになるが、上記特徴構成の如く、燃料比の低下に伴って副室へ供給される酸素含有ガスの供給量を増加させることで、改質気筒の副室での空気過剰率の低下を抑制して失火を防止できる。即ち、燃料比を低下させ、改質気筒の主室と副室のトータルでの空気過剰率が低くなるような場合でも失火を抑制でき、エンジンの正味熱効率の向上を図り得るエンジンシステムを実現できる。

エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、少なくとも前記改質気筒の前記燃焼室に前記混合気を給気する給気行程において、前記酸素含有ガス供給制御により前記主室を介することなく前記副室に前記酸素含有ガスを供給する点にある。

上記特徴構成の如く、少なくとも給気行程において、酸素含有ガス供給制御により酸素含有ガスを副室に供給することで、点火時点より前に、副室において過濃混合気を酸素含有ガスにより希薄化して、良好に点火することができる。

エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記酸素含有ガス供給制御を実行している状態で、前記通常気筒へ前記燃料として前記改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する点にある。

上述したように、通常気筒へ導かれる燃料としての改質ガス（燃焼促進性ガス）の割合を増加することで、エンジンの正味熱効率を向上できるので、上記特徴構成の如く、通常気筒へ燃料として改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行することで、エンジンの正味熱効率を向上できることに加え、酸素含有ガス供給制御の実行によっても正味熱効率の向上を図ることができるから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。

エンジンシステムの更なる特徴構成は、
複数の前記気筒として少なくとも１つの前記改質気筒を備える改質エンジンと、複数の前記気筒として前記通常気筒を備える外部出力エンジンとを備える点にある。

本発明のエンジンシステムは、上記特徴構成の如く、改質気筒を備える改質エンジンと、当該改質気筒から改質ガスが導かれる通常気筒を備える外部出力エンジンとを各別に備える構成であっても、これまで説明してきた効果を好適に発揮する。

実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。 実施形態に係るエンジンシステムの改質気筒の概略図である。 改質気筒での空気過剰率毎の改質ガスにおける水素・一酸化炭素の濃度を示すグラフ図である。 改質気筒での空気過剰率毎のエンジン全体での正味熱効率を示すグラフ図である。

本発明の実施形態に係るエンジンシステム１００は、改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質気筒での燃焼状態を制御して、エンジンの正味熱効率を向上し得るものに関する。
以下、当該エンジンシステム１００について、図面に基づいて説明する。

実施形態に係るエンジンシステム１００は、図１に示すように、エンジン本体４０に、都市ガス１３Ａ等（メタンを主成分とする炭化水素ガスの一例）の燃料Ｆと燃焼用空気Ａとを含む新気（混合気Ｍ）を燃焼する通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、混合気Ｍの少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料Ｆよりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスＫへ改質する改質気筒４０ｄとを備え、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれる燃料を供給する第１燃料供給部と、改質気筒４０ｄへ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、改質気筒４０ｄにて改質された改質ガスＫを、少なくとも通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導く（当該実施形態では通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみへ導く）ものである。
尚、改質気筒４０ｄでは、以下の〔式１〕にて示される水蒸気改質や、〔式２〕にて示される水性ガスシフト反応も進行する。

ＣＨ_４＋Ｈ_２０→ＣＯ＋３Ｈ_２・・・〔式１〕

ＣＯ＋Ｈ_２０→ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・・〔式２〕

以下、図１に基づいて、実施形態に係るエンジンシステム１００について説明する。
当該実施形態のエンジンシステム１００は、ターボ過給式エンジンとして構成されており、少なくとも１つ以上（当該実施形態では３つ）の通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、少なくとも１つ以上（当該実施形態では１つ）の改質気筒４０ｄとを備えている。更には、エンジンの運転状態を検出するセンサ等の測定結果が入力され、その入力信号に基づいてターボ過給式エンジンの運転を制御するハードウェア群とソフトウェア群とから構成されているエンジンコントロールユニット（以下、制御装置５０と呼ぶ）を備えている。

この種のエンジンシステム１００は、詳細な図示は省略するが、給気本管２０から通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室（図示せず）へ給気弁（図示せず）を介して給気した混合気Ｍを、ピストンの上昇により圧縮した状態で点火プラグ（図示せず）にて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて回転軸（図示せず）から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した排ガスＥは、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室から排気弁（図示せず）を介して排気路２７に押し出され、外部へ排出される。
尚、詳細については後述するが、給気本管２０から供給される燃焼用空気Ａは、改質気筒用給気支管２０ｄを通じて改質気筒４０ｄにも供給され、改質気筒４０ｄでもピストンを押し下げて回転軸から回転動力を出力する。ただし、当該改質気筒４０ｄにて排ガスとして生成される改質ガスＫは、外部へ排出されることなく、そのすべてが改質ガス通流路２８を介して給気本管２０へ戻され、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれることとなる。

給気本管２０には、燃焼用空気Ａを浄化するエアクリーナ２１、燃焼用空気Ａに燃料Ｆを適切な比率（空燃比）で混合するベンチュリー式のミキサ１４、開度調整により通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの混合気Ｍの給気量を調整可能な通常気筒用スロットル弁２３が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、給気本管２０において、ミキサ１４で燃料Ｆと燃焼用空気Ａとを混合して生成された混合気Ｍは、通常気筒用スロットル弁２３を介して所定の流量に調整されて、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室へ導入される。

給気本管２０からミキサ１４の上流側で分岐する改質気筒用給気支管２０ｄには、燃焼用空気Ａを圧縮する過給機３０としてのコンプレッサ３１、当該コンプレッサ３１の昇圧により昇温した燃焼用空気Ａを冷却するインタークーラ２２、開度調整により改質気筒４０ｄへの混合気Ｍの給気量を調整可能な改質気筒用スロットル弁２５、燃焼用空気Ａに燃料Ｆを適切な比率（空燃比）で混合するベンチュリー式のミキサ１６が、その上流側から記載の順に設けられている。

ミキサ１４に燃料Ｆを導く第１燃料供給路１１には、ミキサ１４の上流側の給気本管２０における燃焼用空気Ａの圧力と第１燃料供給路１１における燃料Ｆの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ１２、ミキサ１４を介して通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室へ供給される燃料Ｆの供給量を調整する第１燃料流量制御弁１３が設けられている。即ち、第１燃料供給路１１、差圧レギュレータ１２、ミキサ１４、及び第１燃料流量制御弁１３が、第１燃料供給部として機能する。

過給機３０は、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに接続される排気路２７に設けられるタービン３２に、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃから排出される排ガスＥを供給し、タービン３２に連結される状態で改質気筒用給気支管２０ｄに設けられるコンプレッサ３１により、改質気筒４０ｄの燃焼室に給気される混合気Ｍを圧縮するターボ式の過給機３０として構成されている。即ち、当該過給機３０は、排気路２７を通流する排ガスＥの運動エネルギによりタービン３２を回転させ、当該タービン３２の回転力により改質気筒用給気支管２０ｄを通流する燃焼用空気Ａを圧縮して、改質気筒４０ｄの燃焼室へ供給する、所謂、過給を行う。
つまり、当該実施形態においては、過給機３０は、改質気筒４０ｄへ導かれる燃焼用空気Ａのみを過給する。

給気本管２０は、エアクリーナ２１の下流側において、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの夫々へ燃焼用空気Ａを導く複数の通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃに接続される給気本管２０と、改質気筒４０ｄへ燃焼用空気Ａを導く改質気筒用給気支管２０ｄに分岐されている。
改質気筒４０ｄは、自身の燃焼室Ｎにおいて、混合気Ｍの一部を部分酸化反応させて、燃料Ｆ（例えば、メタン）よりも燃焼速度の速い水素及び一酸化炭素等の燃焼促進性ガスを含む改質ガスＫを生成するように構成されている。ここで、水素及び一酸化炭素は、メタン及び空気を混合して燃焼する場合、空気過剰率が１より小さい燃料過濃領域（例えば、図３ではλαで示す空気過剰率領域）に、その発生量のピークがあることが知られている。
そこで、当該実施形態にあっては、改質気筒４０ｄの燃料室において燃料過濃状態で混合気Ｍを燃焼させるべく、改質気筒４０ｄへ混合気Ｍを供給する改質気筒用給気支管２０ｄに、ベンチュリー式のミキサ１６を介する形態で燃料Ｆを供給する第２燃料供給路２９が接続されており、当該第２燃料供給路２９には、燃料Ｆの流量を制御する第２燃料流量制御弁１５が設けられている。第２燃料供給路２９の第２燃料流量制御弁１５の上流側には、燃料Ｆの供給圧を給気本管２０のコンプレッサ３１出口の過給圧まで昇圧するべく、圧縮機（図示せず）等が設けられている。
更に、改質気筒４０ｄには、改質気筒４０ｄにて改質された改質ガスＫを通流する改質ガス通流路２８が接続されており、当該改質ガス通流路２８の下流端が、給気本管２０の通常気筒用スロットル弁２３の下流側に接続されている。即ち、当該実施形態にあっては、改質ガスＫは、そのすべてが通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに導かれるように構成されている。
制御装置５０は、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率が改質ガスＫが生成される所定の範囲となるように、即ち、改質気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率が１より小さくなるように、第２燃料流量制御弁１５の開度を制御する空気過剰率制御を実行する。つまり、第２燃料供給路２９、ミキサ１６、及び第２燃料流量制御弁１５が、第２燃料供給部として機能する。

エンジン本体４０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部４１として、回転軸（図示せず）の回転数を計測する回転数センサが設けられている。
更に、エンジン本体４０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部４１として、当該回転軸のトルクを計測するトルク計測センサが設けられており、制御装置５０は、例えば、回転数センサにて計測されるエンジン回転数と、トルク計測センサにて計測されるトルクに基づいて計算されるエンジン出力が、目標出力となるように、第１燃料流量制御弁１３、第２燃料流量制御弁１５、通常気筒用スロットル弁２３、並びに改質気筒用スロットル弁２５の開度を制御する。

さて、本発明の発明者らは、図３に示すように、上述の空気過剰率制御を実行した場合、改質気筒４０ｄの空気過剰率を１から所定のピーク空気過剰率（図３では、λαで示される範囲に含まれる値）まで減少させるのに従って、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化炭素の濃度が徐々に上昇するという知見を得た。
更に、図４に示すように、改質気筒４０ｄの空気過剰率を１から所定のピーク空気過剰率まで減少させ、当該燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化炭素の濃度が上昇するに伴って、エンジン本体４０の正味熱効率が向上する傾向があることも実験により確認した。
これらの結果から、改質気筒４０ｄにおいて燃焼促進性ガスの濃度が極大化する空気過剰率の下限限界を拡大すれば、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上させ、エンジン本体４０の正味熱効率を改善できる可能性がある。

そこで、当該実施形態に係るエンジンシステム１００は、改質気筒４０ｄにおいて燃焼促進性ガスの濃度が極大化する空気過剰率の下限限界を拡大するべく、以下の構成を備える。
改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎには、図２に示すように、改質気筒用給気支管２０ｄが接続される給気口２０ｆを開閉する給気弁６３と、改質ガス通流路２８が接続される排気口２８ｂを開閉する排気弁６４とが備えられ、混合気Ｍが給気される主室Ｎ１と主室Ｎ１に連通路７１を介して連通する副室Ｎ２とからなる燃焼室Ｎと、酸素含有ガスを主室Ｎ１を介することなく副室Ｎ２に供給する酸素含有ガス供給部とを備え、制御装置５０は、上述の空気過剰率制御を実行している状態で、酸素含有ガス供給部にて副室Ｎ２に酸素含有ガスＢ（例えば、燃焼用空気）を供給する酸素含有ガス供給制御を実行する。

説明を追加すると、改質気筒４０ｄには、点火プラグ７３の中心電極７６と接地電極７７との間の点火点Ｐを覆い内部に副室Ｎ２が形成されるプラグカバー７５がシリンダヘッド６２に螺合する形態で設けられている。当該プラグカバー７５は、自身に形成される複数の連通路７１を主室Ｎ１に位置する形態で配設され、当該連通路７１により副室Ｎ２と主室Ｎ１とが連通接続されている。

プラグカバー７５には、一端が酸素含有ガスＢを通流する酸素含有ガス通流路８０に連通接続すると共に他端が副室Ｎ２に連通接続する貫通流路８４が形成されており、当該貫通流路８４には、ボール弁８１と、当該ボール弁８１が着座する着座部８２と、当該ボール弁８１を酸素含有ガスの流れ方向で上流側へ付勢するコイルバネ８３とが設けられている。
酸素含有ガス通流路８０にて供給される酸素含有ガスＢは、改質気筒４０ｄへコンプレッサ３１にて過給された過給圧で供給される混合気Ｍより高い圧力（酸素含有ガス供給圧力）まで圧縮機（図示せず）により昇圧されている。
また、コイルバネ８３の付勢力は、副室Ｎ２内の圧力が酸素含有ガス供給圧力よりも所定圧力以上高くなったときに、ボール弁８１が開放するよう設定されている。

これにより、改質気筒４０ｄの副室Ｎ２には、少なくとも改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎに混合気Ｍが給気される給気行程、及び改質気筒４０ｄから改質ガスＫが改質ガス通流路２８へ排出されて燃焼室Ｎの圧力が低下する排気行程にて、酸素含有ガスＢが供給される。
即ち、酸素含有ガス通流路８０、貫通流路８４、ボール弁８１、着座部８２、コイルバネ８３が、酸素含有ガス供給部として機能する。

当該構成により、改質気筒４０ｄの主室Ｎ１と副室Ｎ２のトータルでの空気過剰率を低下させた場合でも、副室Ｎ２にて混合気Ｍへ良好に点火でき、当該副室Ｎ２から主室Ｎ１への火炎ジェットにより、主室Ｎ１での燃焼を安定させることができるから、主室Ｎ１での空気過剰率の下限限界を拡大して、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上できると共に、エンジン本体４０の正味熱効率を向上し得る。

上述したように、改質気筒４０ｄの空気過剰率を減少させると、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度が向上し、エンジン本体４０の正味熱効率を向上し得るのであるが、空気過剰率を減少するのに従って、改質気筒４０ｄの混合気Ｍが過濃となり失火が生じ易くなると考えられる。
そこで、制御装置５０は、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度を増加させる場合に、空気過剰率制御において改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を減少させるに伴って、酸素含有ガス供給制御において主室Ｎ１を介することなく副室Ｎ２へ供給される酸素含有ガスＢの供給量を増加させる。
より詳細には、制御装置５０は、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度を増加させる場合に、空気過剰率制御において改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を減少させるに伴って、酸素含有ガス通流路８０へ酸素含有ガスＢを圧送する圧縮機（図示せず）の吐出圧を上昇させる形態で、副室Ｎ２へ供給される酸素含有ガスＢの供給量を増加させる。

これにより、副室Ｎ２での空気過剰率の低下を抑制して失火の発生を防止しつつ、当該副室Ｎ２からの火炎ジェットにより、主室Ｎ１での過濃混合気に良好に着火することができる。結果、主室Ｎ１での空気過剰率を低く保ちつつ、副室Ｎ２からの火炎ジェットにより失火を防ぐ形態で、改質気筒４０ｄのトータルでの空気過剰率の下限の拡大を良好に図ることができる。
また、当該制御により、改質気筒４０ｄでの空気過剰率が比較的高い場合には、副室Ｎ２へ酸素含有ガスＢが供給され過ぎることを防止でき、改質気筒４０ｄのトータルでの空気過剰率が上昇し過ぎることを抑制できるから、改質気筒４０ｄにて生成される改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度の低下を抑制できる。尚、当該酸素含有ガス供給制御を実行している場合でも、空気過剰率制御により改質気筒４０ｄの全体での空気過剰率は上述した範囲に制御される。

更に、本願の発明者らは、空気過剰率制御を実行している状態で、すべての改質気筒４０ｄへの総燃料供給量に対するすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御において、燃料比を低下するほどエンジン本体４０の正味熱効率が向上するという知見を得ている。
そこで、制御装置５０は、第２燃料供給部による燃料供給量を調整して改質気筒４０ｄにおいて空気過剰率制御を実行している状態で、第２燃料供給部によるすべての改質気筒４０ｄへの総燃料供給量に対する第１燃料供給部によるすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、酸素含有ガス供給制御を実行する。
更には、制御装置５０は、燃料比低下制御における燃料比の低下に伴って、酸素含有ガス供給制御において主室Ｎ１を介することなく副室Ｎ２へ供給される酸素含有ガスＢの供給量を増加させる。

エンジンの出力を略一定に維持している状態で、燃料比低減制御を実行する場合には、改質気筒４０ｄへの燃料供給量が増加し、改質気筒４０ｄの空気過剰率が減少することになるが、上記制御の如く、燃料比の低下に伴って酸素含有ガス供給制御において主室Ｎ１を介することなく副室Ｎ２へ供給される酸素含有ガスＢの供給量を増加させることで、改質気筒４０ｄの副室Ｎ２での空気過剰率の低下を抑制して失火を防止できる。即ち、燃料比を低下させ、改質気筒４０ｄの主室Ｎ１と副室Ｎ２のトータルでの空気過剰率が低くなるような場合でも失火を抑制でき、エンジン本体４０の正味熱効率の向上を図り得るエンジンシステムを実現できる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態において、制御装置５０は、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度を増加させる場合に、空気過剰率制御において改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を減少させるに伴って、酸素含有ガス供給制御において主室Ｎ１を介することなく副室Ｎ２へ供給される酸素含有ガスＢの供給量を増加させる構成を示したが、改質気筒４０ｄの空気過剰率に関わらず、副室Ｎ２へ供給される酸素含有ガスＢの供給量を一定に保つ制御を実行しても構わない。

（２）上記実施形態では、酸素含有ガス供給部として、酸素含有ガス通流路８０、貫通流路８４、ボール弁８１、着座部８２、コイルバネ８３が備えられる構成例を示した。
当該酸素含有ガス供給部としては、図示は省略するが、酸素含有ガスＢを圧送する圧縮機と、圧縮された酸素含有ガスＢを通流する酸素含有ガス通流路と、当該酸素含有ガスＢを制御装置からの制御信号に基づいて開閉制御する電磁弁とを備えると共に、酸素含有ガス通流路と副室と繋ぐ貫通流路とをプラグカバーに設けられる構成を採用しても構わない。

（３）上記特徴構成において、制御装置５０は、第２燃料供給部による燃料供給量を調整して改質気筒４０ｄにおいて空気過剰率制御を実行している状態で、第２燃料供給部によるすべての改質気筒４０ｄへの総燃料供給量に対する第１燃料供給部によるすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、燃料比低下制御における燃料比の低下に伴って、酸素含有ガス供給制御において主室Ｎ１を介することなく副室Ｎ２へ供給される酸素含有ガスＢの供給量を増加させる構成例を示したが、制御装置５０は、燃料比の低下に関わらず、酸素含有ガスＢの供給量を一定としても構わない。

（４）上記実施形態において、酸素含有ガスＢは、空気である例を示したが、酸素富化ガスや純酸素であっても構わない。

（５）上記実施形態において、通常気筒の数は、１つ以上であればいくつであっても構わないし、改質気筒の数も、１つ以上であればいくつであっても、本発明の機能を良好に発揮できる。

（６）上記実施形態では、一のエンジン本体４０に対して、改質気筒４０ｄと、当該改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫが導かれる通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃとを設ける構成例を示した。
当該構成に変えて、図示は省略するが、少なくとも１の改質気筒を備える改質エンジンと、当該改質エンジンの改質気筒にて生成された改質ガスが導かれる通常気筒を有する外部出力エンジンとを備える構成を採用することができる。
当該構成にあっても、制御装置５０が上述した各種制御を実行して、その効果を良好に発揮できる。

（７）制御装置５０は、燃料比低減制御において、酸素含有ガス供給制御を実行している状態で、燃料比を零として通常気筒へ４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ燃料として改質ガスＫのみを導く改質ガス運転を実行することもできる。
この場合、第１燃料供給部としての第１燃料供給路１１、差圧レギュレータ１２、第１燃料流量制御弁１３、ミキサ１４は、省略することができる。

（８）改質ガス通流路２８は、改質気筒４０ｄの排気ポート２８ａと、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに混合気Ｍを供給する通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃの少なくとも１つ以上に接続される構成を採用しても構わない。

（９）上記実施形態では、エンジンシステム１００が過給機３０を備える例を示したが、当該過給機３０を備えない構成であっても、本発明の目的は良好に達成される。
尚、上述の如く、過給機３０を設けない構成にあっては、改質気筒用給気支管２０ｄは、過給圧まで昇圧されていないため、第２燃料供給部としてミキサ１６に供給される燃料Ｆの圧力を昇圧する必要がなく、昇圧のための圧縮機等を備えない簡易でコンパクトな構成にすることができる。ちなみに、この場合、ミキサ１６から改質気筒用給気支管２０ｄへ供給される燃料Ｆの圧力は、通常の給気圧力に設定される。
更に、上記実施形態では、過給機３０として、ターボ式のものを備える例を示したが、スーパーチャージャ式のものとしても構わない。
また、上記実施形態では、過給機３０として、単一のコンプレッサ３１と単一のタービン３２とを備える、所謂、一段過給の例を示したが、別に、二段以上の多段過給としても構わない。

（１０）上記実施形態にあっては、燃料Ｆは、都市ガス１３Ａとしたが、本発明の本質的意味からは、ガス燃料に限らずガソリン等の液体燃料であっても構わない。

（１１）上記実施形態では、燃料Ｆは、ベンチュリー式にて供給される構成を示したが、改質気筒用給気支管２０ｄへ噴射する構成や、改質気筒４０ｄへ直接噴射する構成を採用することができる。この場合、燃料Ｆの噴射量等を調整して空気過剰率を制御できる。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明のエンジンシステムは、改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質気筒での燃焼状態を制御して、エンジンの正味熱効率を向上し得るものとして、有効に利用可能である。

４０ ：エンジン本体
４０ａ ：通常気筒
４０ｂ ：通常気筒
４０ｃ ：通常気筒
４０ｄ ：改質気筒
５０ ：制御装置
６２ ：シリンダヘッド
７１ ：連通路
８０ ：酸素含有ガス通流路
８１ ：ボール弁
８２ ：着座部
８３ ：コイルバネ
８４ ：貫通流路
１００ ：エンジンシステム
Ａ、Ｂ ：酸素含有ガス
Ｆ ：燃料
Ｋ ：改質ガス
Ｍ ：混合気
Ｎ ：燃焼室
Ｎ１ ：主室
Ｎ２ ：副室
Ｐ ：点火点

Claims (7)

1. 複数の気筒のうち少なくとも一部を、燃料と燃焼用空気とを含む混合気の少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒として働かせ、複数の前記気筒の残部を、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスが導かれる通常気筒として働かせることが可能なエンジンシステムにおいて、
   前記改質気筒は、新気が給気される主室と前記主室に連通路を介して連通する副室とからなる燃焼室と、酸素含有ガスを前記主室を介することなく前記副室に供給する酸素含有ガス供給部とを備え、
   前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記酸素含有ガス供給部にて前記副室に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給制御を実行するエンジンシステム。
2. 前記制御装置は、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度を増加させる場合に、前記空気過剰率制御において前記改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、前記酸素含有ガス供給制御において前記副室に供給される前記酸素含有ガスの供給量を増加させる請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 少なくとも前記通常気筒へ導かれる燃料を供給する第１燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、
   前記制御装置は、前記第２燃料供給部による燃料供給量を調整して前記改質気筒における空気過剰率を、前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記第２燃料供給部によるすべての前記改質気筒への総燃料供給量に対する前記第１燃料供給部によるすべての前記通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、前記酸素含有ガス供給制御を実行する請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
4. 前記制御装置は、前記燃料比低下制御における前記燃料比の低下に伴って、前記酸素含有ガス供給制御において前記副室に供給される前記酸素含有ガスの供給量を増加させる請求項３に記載のエンジンシステム。
5. 前記制御装置は、少なくとも前記改質気筒の前記燃焼室に前記混合気を給気する給気行程において、前記酸素含有ガス供給制御により前記主室を介することなく前記副室に前記酸素含有ガスを供給する請求項１～４の何れか一項に記載のエンジンシステム。
6. 前記制御装置は、前記酸素含有ガス供給制御を実行している状態で、前記通常気筒へ前記燃料として前記改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する請求項１～５の何れか一項に記載のエンジンシステム。
7. 複数の前記気筒として少なくとも１つの前記改質気筒を備える改質エンジンと、複数の前記気筒として前記通常気筒を備える外部出力エンジンとを備える請求項１～６の何れか一項に記載のエンジンシステム。

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