以下に、図1から図4および図5を用いて、本発明に係るエンジンの一実施形態であるエンジン1について説明する。
図1と図2とに示すように、エンジン1は、軽油若しくは重油を燃料とする4気筒のディーゼルエンジンである。エンジン1は、主に4つの出力用気筒2、過給機14、燃料改質装置である3つの改質用気筒15、吸気用インタークーラー33、改質燃料用インタークーラー34、EGRガス用インタークーラー35、可変動弁装置36および制御装置であるECU60を具備する。なお、本実施形態において、エンジン1を4気筒のディーゼルエンジンとしたがこれに限定するものではない。
図2に示すように、出力用気筒2は、燃料の燃焼により動力を発生させて出力軸に伝達するものである。出力用気筒2は、4つの気筒から構成されている。出力用気筒2は、気筒毎に出力用シリンダ3、出力用ピストン4および出力用コンロッド5、および副燃料噴射装置6を具備する。
出力用気筒2は、出力用シリンダ3の内部に出力用ピストン4が摺動自在に内装されている。出力用シリンダ3は、一側が図示しないシリンダヘッドによって閉塞され、他側が開放するように構成されている。出力用ピストン4は、出力用コンロッド5によって出力軸である出力用クランク軸7に連結されている。出力用気筒2の圧縮比は、早期着火や失火の発生を考慮して13以上(例えば13〜18程度)に設定されている。
出力用クランク軸7には、出力用クランク角検出センサ8が設けられている。出力用気筒2には、出力用シリンダ3の内壁と出力用ピストン4の端面とから燃焼室9が構成されている。出力用気筒2は、燃焼室9に燃料を噴射可能な副燃料噴射装置6が設けられている。副燃料噴射装置6は、ホールタイプのノズルを有するインジェクタから構成されている。出力用気筒2には、出力用吸気弁10を介して吸気管11が接続され、出力用排気弁12を介して排気管13が接続されている。なお、本実施形態において、出力用気筒2は、単数であっても複数であってもよい。
図1と図2とに示すように、過給機14は、外気を断熱圧縮して出力用気筒2の燃焼室9に供給するものである。過給機14は、タービン14aとコンプレッサー14bとを具備する。タービン14aには、排気管13が接続され、燃焼室9からの排気が供給可能に構成されている。コンプレッサー14bには、吸気管11が接続され、外気を吸引して吸気として燃焼室9に供給可能に構成されている。つまり、過給機14は、排気の圧力をタービン14aによって回転動力に変換してコンプレッサー14bに伝達し、コンプレッサー14bによって外気を吸引し、断熱圧縮可能に構成されている。
燃料改質装置である改質用気筒15は、軽油等の高級炭化水素燃料を低級炭化水素燃料(例えばメタン)に改質し、過早着火を抑制するものである。燃料改質装置である改質用気筒15は、3つの気筒から構成されている(図1参照)。改質用気筒15は、吸気と排気(EGRガス)との混合気(以下、単に「給気」と記す)に燃料を噴射したものを断熱圧縮することで燃料を改質する。改質用気筒15は、改質用シリンダヘッド16、改質用シリンダ17、改質用ピストン18、改質用コンロッド19、主燃料噴射装置20等を具備する。
図2に示すように、改質用気筒15は、改質用シリンダ17の一側が改質用シリンダヘッド16によって閉塞され、内部に改質用ピストン18が摺動自在に内装されている。改質用ピストン18は、改質用コンロッド19によって改質用クランク軸21に連結されている。改質用クランク軸21には、改質用クランク角検出センサ22が設けられる。改質用気筒15の改質用ピストン18は、後述の改質用気筒変速装置59を介して出力用クランク軸7と連動連結されている。改質用ピストン18は、出力用クランク軸7から改質用クランク軸21に伝達される動力によって往復動作可能に構成されている。なお、本実施形態において、改質用気筒15は、出力用クランク軸7からの動力が伝達されている構成としたがこれに限定されているものではなく、独立した動力源からの動力でもよい。また、改質用気筒15は、出力用気筒2毎にあってもよく、複数の出力用気筒2に対して1つであってもよい。また、出力用気筒2と改質用気筒15とを兼用することも可能である。
改質用気筒15には、改質用シリンダヘッド16、改質用シリンダ17および改質用ピストン18の端面とから反応室23が構成されている。反応室23は、改質用ピストン18の往復動作によりその容積が変化するように構成されている。反応室23は、その容積の変化により給気と燃料とを断熱圧縮するものである。反応室23の圧縮比は、15以上(例えば15〜20程度)に設定されている。反応室23の容積(改質用気筒15の排気量)は、一つの出力用気筒2の排気量よりも小さく構成されている。
主燃料噴射装置20は、反応室23の内部に燃料を供給するものである。主燃料噴射装置20は、改質用シリンダヘッド16に設けられている。主燃料噴射装置20は、反応室23の内部に燃料を任意の時期に任意の量で供給可能に構成されている。主燃料噴射装置20は、ピントル型ノズル、スワールインジェクタ、エアアシストインジェクタ等のノズルから構成されている。
各改質用気筒15には、改質用吸気弁24を介して供給管25が接続されている。供給管25には、吸気管11から吸気の一部が供給可能に構成されている。また、供給管25は、EGR管28を介して排気管13に接続されている。つまり、供給管25には、出力用気筒2の燃焼室9からの排気の一部がEGR管28を通じてEGRガスとして供給可能に構成されている。従って、各改質用気筒15の反応室23には、供給管25から吸気とEGRガスとの混合気(以下、単に「給気」と記す)とが供給可能に構成されている。
各改質用気筒15には、改質用排気弁26を介して排出管27が接続されている。排出管27は、ミキサー27aを介して供給管25よりも下流側の吸気管11に接続されている。また、各改質用気筒15は、改質された低級炭化水素燃料(以下、単に「改質燃料」と記す)が反応室23から排出管27を介して吸気管11に排出可能に構成されている。また、排出管27には、後述の改質燃料用インタークーラー34よりも上流側に改質燃料温度センサ29が設けられている。改質燃料温度センサ29は、改質用気筒15から排出された直後の改質燃料の温度を検出する。なお、本実施形態において、燃料改質装置は、3つの改質用気筒15から構成されているがこれに限定されるものではなく、単数または複数の改質用気筒15から構成されていればよい。
吸気管11には、供給管25の接続位置よりも下流側であって、排出管27の接続位置よりも上流側に第1吸気調量弁30が設けられる。第1吸気調量弁30は、出力用吸気流量A1を変更するものである。第1吸気調量弁30は、電磁式流量制御弁から構成されている。第1吸気調量弁30は、後述の制御装置であるECU60からの信号を取得して第1吸気調量弁30の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第1吸気調量弁30を電磁式流量制御弁から構成しているが、出力用吸気流量A1を変更することができるものであればよい。
供給管25には、EGR管28の接続位置よりも上流側に第2吸気調量弁31が設けられる。第2吸気調量弁31は、改質用吸気流量A2を変更するものである。第2吸気調量弁31は、電磁式流量制御弁から構成されている。第2吸気調量弁31は、後述のECU60からの信号を取得して第2吸気調量弁31の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第2吸気調量弁31を電磁式流量制御弁から構成しているが、改質用吸気流量A2を変更することができるものであればよい。
EGR管28には、EGRガス調量弁32が設けられる。EGRガス調量弁32は、EGRガス流量A3を変更するものである。EGRガス調量弁32は、電磁式流量制御弁から構成されている。EGRガス調量弁32は、後述のECU60からの信号を取得してEGRガス調量弁32の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、EGRガス調量弁32を電磁式流量制御弁から構成しているが、EGRガス流量A3を変更することができるものであればよい。
このように構成することで、エンジン1は、吸気と各改質用気筒15の反応室23から排出されている改質燃料との混合比を第1吸気調量弁30によって変更可能に構成されている。また、エンジン1は、反応室23に供給されている吸気とEGRガスとの混合比を第2吸気調量弁31とEGRガス調量弁32とによって変更可能に構成されている。
吸気用インタークーラー33、改質燃料用インタークーラー34およびEGRガス用インタークーラー35は、気体を冷却するものである。吸気用インタークーラー33は、吸気管11に設けられる。吸気用インタークーラー33は、コンプレッサー14bで断熱圧縮された吸気を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー34は、排出管27に設けられる。改質燃料用インタークーラー34は、各改質用気筒15の反応室23から排出されている改質燃料を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー34は、空気または水を冷却媒体とする放熱器または熱交換器から構成されている。EGRガス用インタークーラー35は、EGR管28に設けられる。EGRガス用インタークーラー35は、燃料の燃焼により加熱された排気を冷却可能に構成されている。
図3と図4とに示すように、可変動弁装置36は、改質用吸気弁24および改質用排気弁26をそれぞれ所定の時期に開閉するためのものである。可変動弁装置36は、改質用吸気弁24を開閉するための機構として、スイングアーム軸37、第1スイングアーム38、第2スイングアーム41、プッシュロッド43、弁腕44、カム軸45、吸気用切換手段48(図4参照)等を具備し、改質用クランク軸21の回転運動に連動して駆動されて、改質用吸気弁24を開閉する。さらに、可変動弁装置36は、改質用排気弁26を開閉するための機構として、第3スイングアーム55、第4スイングアーム56、排気用切換手段57等を具備し(図4参照)、改質用クランク軸21の回転運動に連動して駆動されて改質用排気弁26を開閉する。なお、第3スイングアーム55、第4スイングアーム56、排気用切換手段57等は、第1スイングアーム38、第2スイングアーム41、吸気用切換手段48と同様の構成であるため具体的な説明を省略する。
図4に示すように、スイングアーム軸37は、改質用クランク軸21の軸方向(以下、改質用クランク軸21の軸方向を「前後方向」と定義して説明する。)と平行に横架される。
第1スイングアーム38は、スイングアーム軸37によって揺動可能に支持されている。第1スイングアーム38の他端下部には、第1カムローラ39が回転自在に支持されている。第1スイングアーム38の他端上面には、ロッド支持部材40が取り付けられる。
第2スイングアーム41の長手方向の一端は、第1スイングアーム38と隣接してスイングアーム軸37によって揺動可能に支持されている。第2スイングアーム41の他端下部には、第2カムローラ42が回転自在に支持されている。
図3に示すように、第1スイングアーム38と弁腕44とは、プッシュロッド43によって連動連結さえている。プッシュロッド43の下端は、第1スイングアーム38のロッド支持部材40の凹部に揺動可能に嵌められる。プッシュロッド43の上端は弁腕44の一端に揺動可能に嵌められる。
弁腕44は、プッシュロッド43と吸気連結部材24aとを連結するものである。弁腕44は、前後方向に横架される弁腕軸44aに揺動可能に支持される。弁腕44の一端はプッシュロッド43の上端に連結され、他端は吸気連結部材24aに連結される。
図3と図4に示すように、カム軸45は、第1スイングアーム38および第2スイングアーム41の長手方向の他端下方において、前後方向に延長して配置される。カム軸45は、改質用クランク軸21にギヤ等を介して連動連結され、改質用クランク軸21が回転することにより回転する。カム軸45には、第1カム46および第2カム47が軸方向(前後方向)に所定間隔を隔てて形成される。第1カム46と第2カム47とは、異なるプロファイルになるように構成されている。第1カム46は、第1スイングアーム38の第1カムローラ39に当接するようにカム軸45上に配置される。第2カム47は、第2スイングアーム41の第2カムローラ42に当接するようにカム軸45上に配置される。
また、カム軸45上には改質用排気弁26用の第3カム53および第4カム54が形成される。第4カム54は、第3カム53とプロファイルの異なるように構成されている。改質用排気弁26用の第3スイングアーム55および第4スイングアーム56は、プッシュロッド43および弁腕44を介して改質用排気弁26の上端に配置される排気連結部材に連結される。
第1スイングアーム38が反カム軸45側へと揺動した場合、第1スイングアーム38のロッド支持部材40に嵌められているプッシュロッド43、弁腕44、および吸気連結部材24aを介して改質用吸気弁24が開弁される(図3参照)。同様にして、改質用排気弁26用の第3スイングアーム55が反カム軸45側へと揺動した場合、第3スイングアーム55のロッド支持部材に嵌められているプッシュロッド43および弁腕44を介して改質用排気弁26が開弁される(図3参照)。
図4に示すように、吸気用切換手段48は、第1スイングアーム38および第2スイングアーム41の動作状態、ひいては改質用吸気弁24の開閉時期を切り換えるものである。吸気用切換手段48は、油圧ポンプ49、吸気弁用電磁切換弁50、油圧ピストン51、受け部材52等を具備し、これらの部材やスイングアーム軸37および第1スイングアーム38に形成される油路により構成される。
吸気弁用電磁切換弁50は、制御信号を受信した場合に油圧ピストン51に供給される作動油の流路を切り換える弁である。油圧ポンプ49により圧送された作動油は、吸気弁用電磁切換弁50を介して第1スイングアーム38の油圧ピストン51に供給される。
油圧ピストン51は、第1スイングアーム38に配置される油圧アクチュエータである。油圧ピストン51は、油圧ピストン51は、吸気弁用電磁切換弁50による作動油の流路の切り換えにより底部がカム軸45側に突出するように構成されている。
図4に示すように、受け部材52は、第2スイングアーム41のカム軸45側の側面に取り付けられる板状の部材である。受け部材52は、第2スイングアーム41から第1スイングアーム38のカム軸45側の側面まで延出される。受け部材52は、油圧ピストン51の底部が突出した場合にその底部が当接するように構成されている。
同様にして、図4に示すように、排気用切換手段57は、第3スイングアーム55および第4スイングアーム56の動作状態、ひいては改質用排気弁26の開閉時期を切り換えるものである。排気用切換手段57は、油圧ポンプ49、排気弁用電磁切換弁58、油圧ピストン51および受け部材52等を具備し、これらの部材やスイングアーム軸37および第3スイングアーム55に形成される油路により構成される。
排気弁用電磁切換弁58は、制御信号を受信した場合に油圧ピストン51に供給される作動油の流路を切り換える弁である。油圧ポンプ49により圧送された作動油は、排気弁用電磁切換弁58を介して第3スイングアーム55の油圧ピストン51に供給される。
図2に示すように、改質用気筒変速装置59は、改質用気筒回転速度Nrを変更するものである。改質用気筒変速装置59は、入力側に出力用クランク軸7が接続され、出力側に改質用クランク軸21が接続される。改質用気筒変速装置59は、エンジン1の目標回転速度Npで回転する出力用クランク軸7からの動力を任意の改質用気筒回転速度Nrで改質用クランク軸21に伝達する。つまり、改質用気筒変速装置59は、出力用気筒2が目標回転速度Npで回転している状態で改質用気筒15の回転速度を任意の改質用気筒回転速度Nrで回転可能に構成されている。なお、改質用気筒変速装置59は、入力側の回転速度に対して出力側の回転装度を任意に変更できるギヤ式の有段変速装置やベルト式または油圧式の無段変速装置等であればよい。
図2に示すように、制御装置であるECU60は、エンジン1を制御するものである。具体的には、ECU60は、副燃料噴射装置6、主燃料噴射装置20、第1吸気調量弁30、第2吸気調量弁31、EGRガス調量弁32、吸気弁用電磁切換弁50、排気弁用電磁切換弁58等を制御する。ECU60には、エンジン1の制御を行うための種々のプログラムやデータが格納されている。ECU60は、CPU、ROM、RAM、HDD等がバスで接続されている構成であってもよく、あるいはワンチップのLSI等からなる構成であってもよい。
図5に示すように、ECU60は、燃料の噴射制御を行うための種々のプログラムや、エンジン1の目標回転速度Npおよび目標出力Wtに基づいて主燃料噴射量Qmを算出するための主燃料噴射量マップM1、目標回転速度Npおよび主燃料噴射量Qmに基づいて出力用気筒2の燃焼室9に供給する出力用吸気流量A1を算出するための吸気流量マップM2、目標回転速度Npおよび主燃料噴射量Qmに基づいて改質用気筒15の反応室23に供給する改質用吸気流量A2とEGRガス流量A3とを算出するための混合気流量マップM3、目標回転速度Npおよび主燃料噴射量Qmに基づいて燃焼室9に噴射されている着火用の副燃料噴射量Qsを算出するための副燃料噴射量マップM4等を記憶する。
図2に示すように、ECU60は、副燃料噴射装置6に接続され、副燃料噴射装置6の燃料噴射を制御することが可能である。
ECU60は、主燃料噴射装置20に接続され、主燃料噴射装置20の燃料噴射を制御することが可能である。
ECU60は、改質燃料温度センサ29に接続され、改質燃料温度センサ29が検出する改質燃料の温度を取得することが可能である。
ECU60は、第1吸気調量弁30に接続され、第1吸気調量弁30の開閉を制御することが可能である。
ECU60は、第2吸気調量弁31に接続され、第2吸気調量弁31の開閉を制御することが可能である。
ECU60は、EGRガス調量弁32に接続され、EGRガス調量弁32の開閉を制御することが可能である。
ECU60は、出力用クランク角検出センサ8に接続され、出力用クランク角検出センサ8が検出する出力用クランク軸角度θ1を取得することが可能である。
ECU60は、改質用クランク角検出センサ22に接続され、改質用クランク角検出センサ22が検出する改質用クランク軸角度θ2を取得することが可能である。
図4に示すように、ECU60は、吸気弁用電磁切換弁50に接続され、吸気弁用電磁切換弁50を制御することが可能である。
ECU60は、排気弁用電磁切換弁58に接続され、排気弁用電磁切換弁58を制御することが可能である。
ECU60は、改質用気筒変速装置59に接続され、改質用気筒変速装置59を制御することが可能である。
以下では、図2から図4、図6および図7を用いて、本発明の一実施形態に係るエンジン1の各部の動作態様について説明する。
始めに、エンジン1における吸気および排気の経路について説明する。
図2に示すように、過給機14のコンプレッサー14bによって吸引された外気は、吸気として断熱圧縮された状態で吸気管11に排出される。吸気は、吸気用インタークーラー33で冷却された後、吸気管11を介して出力用気筒2の燃焼室9に供給される。吸気の一部は、吸気管11に接続されている供給管25、改質用吸気弁24を介して改質用気筒15の反応室23に供給される。
出力用気筒2の燃焼室9からの排気は、排気管13を介して過給機14のタービン14aを回転させた後、外部に排出される。排気の一部は、EGR管28およびEGR管28が接続されている供給管25を介してEGRガスとして改質用気筒15の反応室23に供給される。
反応室23に供給された給気(吸気とEGRガス)は、反応室23内に噴射された燃料とともに改質用ピストン18によって断熱圧縮される。給気と改質燃料とは、改質用ピストン18の移動により断熱膨張する。そして、給気と改質燃料とは、改質用ピストン18の移動による圧縮により反応室23から排出され、改質用排気弁26、排出管27を介して吸気管11に還流して燃焼室9に供給される。
次に、ECU60における各種所定量の算出について説明する。図5に示すように、ECU60は、図示しない操作具の操作量等から定まるエンジン1の目標回転速度Npおよび目標出力Wtに基づいて主燃料噴射量マップM1から主燃料噴射量Qmを算出する。
ECU60は、目標回転速度Npおよび主燃料噴射量Qmに基づいて吸気流量マップM2から出力用気筒2の燃焼室9に供給する出力用吸気流量A1を算出する。
ECU60は、目標回転速度Npおよび主燃料噴射量Qmに基づいて混合気流量マップM3から改質用気筒15の反応室23に供給する改質用吸気流量A2とEGRガス流量A3とを算出する。
ECU60は、目標回転速度Npおよび主燃料噴射量Qmに基づいて副燃料噴射量マップM4から出力用気筒2の燃焼室9に供給される着火用燃料の副燃料噴射量Qsを算出する。
ECU60は、出力用クランク角検出センサ8が検出する出力用クランク軸角度θ1、改質用クランク角検出センサ22が検出する改質用クランク軸角度θ2を取得し、出力用気筒2および改質用気筒15の行程を算出する。
次に、図3、図4および図6を用いて、上記の如く構成した可変動弁装置36の動作態様について説明する。なお、改質用吸気弁24における可変動弁装置36の動作態様と改質用排気弁26における可変動弁装置36の動作態とは同様の態様であるため改質用排気弁26における可変動弁装置36の動作態様についての具体的な説明を省略する。
図6に示すように、第1カム46は、改質用気筒15の一サイクルにおける全行程において第1スイングアーム38が最もカム軸45側に揺動した状態を維持するようにカムプロファイルが構成されている。つまり、第1カム46は、改質用気筒15の一サイクルにおける全行程において改質用吸気弁24が閉弁した状態を維持するようにカムプロファイルが構成されている。第2カム47は、出力用気筒2の行程に応じて第2スイングアーム41が揺動するようにカムプロファイルが構成されている。具体的には、第2カム47のプロファイルは、改質用ピストン18の吸引行程における上死点(以下、「吸気上死点」と記す)Tよりも早い時期(S1)に改質用吸気弁24の開弁を開始し、改質用ピストン18の吸気上死点Tにおいて改質用吸気弁24のバルブリフトが最大になるように設定されている。つまり、第2カム47は、改質用吸気弁24が出力用気筒2の行程に応じて開閉するようにカムプロファイルが構成されている。
図4に示すように、ECU60が油圧ピストン51の底部をカム軸45側に突出させないように可変動弁装置36の吸気弁用電磁切換弁50を制御している場合、第1スイングアーム38は、第1カム46のプロファイルに従ってスイングアーム軸37を支点として揺動する。第2スイングアーム41は、第2カム47のプロファイルに従ってスイングアーム軸37を支点として揺動する。
第1カム46および第2カム47が白抜き矢印の方向に更に回転すると、第1スイングアーム38は、第1カム46のプロファイルに従って最もカム軸45側に揺動した状態を維持する。一方、第2スイングアーム41は、第2カム47のプロファイルに従って反カム軸45側へと揺動する。この際、第1スイングアーム38のカム軸45側面の凹み部分には、反カム軸45側へと揺動した第2スイングアーム41の受け部材52が入り込む。このため、第1スイングアーム38は、受け部材52が接触することがなく最もカム軸45側に揺動した状態が維持される。つまり、改質用ピストン18の改質用吸気弁24は、閉弁した状態を維持する。従って、改質用吸気弁24の開閉時期は、第2スイングアーム41の動作にかかわらず、第1スイングアーム38の動作によって決定される。
第1スイングアーム38は、油圧ピストン51が第2スイングアーム41の受け部材52に当接することで、第2スイングアーム41に支持された状態になる。このため、第1カム46および第2カム47が白抜き矢印の方向に更に回転すると、第1スイングアーム38は、第1カム46のプロファイルに従わず、受け部材52が取り付けられている第2スイングアーム41に従って揺動する。このため、第2スイングアーム41が第2カム47のプロファイルに従ってカム軸45側へと揺動すると、第1スイングアーム38もカム軸45側へと揺動する。つまり、改質用ピストン18の改質用吸気弁24は、第2カム47のプロファイルに従って閉弁される。第1スイングアーム38が反カム軸45側へと揺動した場合、改質用吸気弁24は、第2カム47のプロファイルに従って開弁される(図2参照)。従って、改質用吸気弁24の開閉時期は、第2スイングアーム41の動作よって決定される。
また、ECU60は、可変動弁装置36によって改質用吸気弁24の開閉時期を切り換える動作態様と同様にして、可変動弁装置36の排気弁用電磁切換弁58を切り換えて改質用排気弁26の開閉時期を変更することができる。ここで、第3スイングアーム55を揺動させる第3カム53は、改質用排気弁26が閉弁した状態を維持するようにカムプロファイルが構成されている。
図4に示すように、ECU60が第3スイングアーム55の油圧ピストン51の底部をカム軸45側に突出させないように可変動弁装置36の排気弁用電磁切換弁58を制御している場合、第3スイングアーム55と第4スイングアーム56とは、互いに独立して揺動している。つまり、第3スイングアーム55は、第3カム53のプロファイルに従って最もカム軸45側に揺動した状態を維持する。一方、第4スイングアーム56は、第4カム54のプロファイルに従って動作する。つまり、改質用排気弁26の開閉時期は、第4スイングアーム56の動作にかかわらず、第3スイングアーム55の動作によって決定される。
ECU60が第3スイングアーム55の油圧ピストン51の底部をカム軸45側に突出させるように可変動弁装置36の排気弁用電磁切換弁58を制御している場合、第3スイングアーム55は、油圧ピストン51が第4スイングアーム56の受け部材52に当接することで、第4スイングアーム56に支持された状態になる。つまり、第3スイングアーム55は、第3カム53のプロファイルに従わず、受け部材52が取り付けられている第4スイングアーム56の揺動に従って揺動する。これにより、第3スイングアーム55の動作にかかわらず、第4スイングアーム56の動作が改質用排気弁26の開閉時期を決定する。なお、本実施形態において、圧縮比と膨張比との制御は、油圧ピストン51によるカムの切り替えによって実施しているがこれに限定されるものではなく、例えばオーバヘッドカム式の可変動弁機構等によって圧縮比と膨張比とを変更できる機構であればよい。
次に、図7を用いて改質用気筒15における燃料の改質の態様について説明する。
図7に示すように、改質用気筒15の吸引行程において、改質用気筒15は、改質用ピストン18が上死点から下死点にむかって移動する。このため、改質用気筒15の反応室23は、改質用ピストン18の移動により容積が増大することによって内部圧力が低下する。また、改質用気筒15の吸引行程において、改質用気筒15は、反応室23に給気と排気とを供給するため改質用吸気弁24が開弁するように構成されている。ECU60は、取得した改質用クランク軸角度θ2に基づいて、改質用気筒15の行程が吸引行程の間(例えば改質用ピストン18が下死点付近のとき)に低下した内部圧力を利用して改質用気筒15の反応室23に算出した改質用吸気流量A2だけ吸気が供給されるように第2吸気調量弁31の開閉を制御する。合わせてECU60は、改質用気筒15の反応室23に算出したEGRガス流量A3だけEGRガスが供給されるようにEGRガス調量弁32の開閉を制御する。これにより、反応室23には、燃料を改質するために適した酸素濃度で給気が供給される(図7における給気吸引)。
改質用気筒15の圧縮行程において、改質用気筒15は、改質用ピストン18が下死点から上死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒15の反応室23は、改質用ピストン18の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。これにより、反応室23に供給された給気は、改質用ピストン18によって断熱圧縮される。改質用気筒15は、給気を断熱圧縮することで、反応室23の内部を高温、高圧の状態にする。
改質用気筒15の圧縮行程において、ECU60は、取得した改質用クランク軸角度θ2に基づいて、改質用気筒15の反応室23に算出した主燃料噴射量Qmだけ燃料が供給されるように主燃料噴射装置20を制御する。これにより、改質用気筒15は、高温、高圧の状態の反応室23の内部に燃料が噴射される(図7における燃料噴射)。反応室23には、反応室23に供給されている給気を用いて低級炭化水素燃料に改質させるために必要な当量比の燃料が供給される。
反応室23の内部に噴射された燃料は、噴射された燃料の拡散と、高温、高圧の反応室23内で給気と急速に混合(予混合)されて蒸発する。給気と予混合された燃料は、改質用ピストン18が上死点付近に到達し、反応室23の内部が最も高温、高圧の状態になると改質反応が開始される。
改質用気筒15の膨張行程において、改質用気筒15は、改質用ピストン18が上死点から下死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒15の反応室23は、改質用ピストン18の移動により容積が増大することによって内部圧力が減少する。改質燃料は、反応室23の容積の増大に伴って断熱膨張される。これにより、改質燃料は、冷却されて圧力が低下した状態になることで改質反応が停止する(図7における改質停止)。
改質用気筒15の排出行程において、改質用気筒15は、改質用ピストン18が下死点から上死点にむかって移動する。このため、改質用気筒15の反応室23は、改質用ピストン18の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。また、改質用気筒15の排出行程において、改質用気筒15は、反応室23から改質燃料を排出するため改質用排気弁26が開弁するように構成されている。従って、改質燃料は、反応室23から改質用排気弁26を通じて排出され、排出管27を介して吸気管11に還流される(図7における燃料排出)。
改質燃料は、給気の熱量のうち改質時の吸熱分解反応に用いられなかった残留熱量によって高温の燃料ガスとして排出管27に供給されている。排出管27に供給された高温の改質燃料は、排出管27の改質燃料用インタークーラー34によって冷却されている。これにより、出力用気筒2における早期の自己着火が抑制されている。改質燃料用インタークーラー34によって冷却された改質燃料は、ミキサー27aを介して吸気管11に供給されている。
次に、出力用気筒2に供給される燃料と改質用気筒15で改質される燃料とのマスバランスの制御について説明する。
1サイクルで各出力用気筒2に供給される改質燃料の合計である改質燃料量Gfは、出力用気筒2の当量比である出力側当量比φp、出力側吸気量Gair、出力用気筒数Kp、エンジン1の目標回転速度でもある出力用気筒の目標回転速度Npおよび出力側理論混合比αpから以下に示す数1に基づいて算出される。
また、一つの改質用気筒15に供給される燃料量gfは、改質用気筒15の当量比である改質側当量比φr、EGR率ψegr、一気筒当たりの改質側吸引ガス量giおよび改質側理論混合比αrから以下に示す数2に基づいて算出される。
一方、改質燃料量Gfは、改質用気筒15に供給される燃料量gf、燃料と給気とが供給されている改質用気筒数Krおよび改質用気筒回転速度Nrから以下に示す数3に基づいても算出される。
従って、数3に数1と数2を適用することで、燃料と給気とが供給されている改質用気筒数Krと改質用気筒回転速度Nrとの積および出力用気筒数Kpと出力用気筒の目標回転速度Npとの積の関係が以下の数4で表される。つまり、出力用気筒2に供給される燃料と改質用気筒15で改質される燃料とのマスバランスは、出力用気筒2と改質用気筒15とにおける回転速度と気筒数との積で表される。
ECU60は、図示しない操作具の操作量等から定まるエンジン1の目標回転速度Npおよび目標出力Wtに基づいて主燃料噴射量マップM1から算出した主燃料噴射量Qm、出力用気筒数Kp、第1吸気調量弁30および第2吸気調量弁31の開度から出力側当量比φp、出力側吸気量Gairおよび出力側理論混合比αpを算出する。同様にして、改質側当量比φr、EGR率ψegr、一気筒当たりの改質側吸引ガス量giおよび改質側理論混合比αrを算出する。
ECU60は、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Krを最小に設定し、算出した出力側当量比φp、出力側吸気量Gair、出力側理論混合比αp、改質側当量比φr、EGR率ψegr、改質側吸引ガス量giおよび改質側理論混合比αrから数4に基づいて改質用気筒回転速度Nrを算出し、改質用気筒変速装置59を制御する。
ECU60は、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Krを最小に設定した状態において、改質用気筒変速装置59の制御では数4を満たさないと判断した場合、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Krを増加させるように、第1吸気調量弁30、第2吸気調量弁31およびEGRガス調量弁32の開度を制御し、燃料と給気との供給を開始する改質用気筒数Krに対応する主燃料噴射装置20、吸気弁用電磁切換弁50および排気弁用電磁切換弁58を制御する。そして、ECU60は、新たに設定した改質用気筒数Krから数4に基づいて改質用気筒回転速度Nrを算出し、改質用気筒変速装置59を制御する。
具体的には、ECU60は、燃料が供給されていない一の改質用気筒15に燃料が供給されるように主燃料噴射装置20を制御する。合わせて、ECU60は、給気が供給されていない一の改質用気筒15に対応する第1スイングアーム38が第2カム47のプロファイルに従って揺動し、第3スイングアーム55が第4カム54のプロファイルに従って揺動するように吸気弁用電磁切換弁50と排気弁用電磁切換弁58とを制御する。ECU60は、燃料と給気とを供給している改質用気筒数Krを新たに設定し、算出した出力側当量比φp、出力側吸気量Gair、出力側理論混合比αp、改質側当量比φr、EGR率ψegr、改質側吸引ガス量giおよび改質側理論混合比αrから数4に基づいて改質用気筒回転速度Nrを算出し、改質用気筒変速装置59を制御する。
以上の如く、エンジン1のECU60は、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Krを所定の値に設定し、数4を満たすように改質用気筒変速装置59を制御する。ECU60は、改質用気筒変速装置59の制御では数4を満たさないと判断した場合、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Krを増加または減少させるように、第1吸気調量弁30、第2吸気調量弁31およびEGRガス調量弁32の開度、燃料と給気との供給を開始または停止する改質用気筒数Krに対応する主燃料噴射装置20、吸気弁用電磁切換弁50および排気弁用電磁切換弁58を制御する。そして、ECU60は、新たな改質用気筒数Krから数4に基づいて改質用気筒回転速度Nrを算出し、改質用気筒変速装置59を制御する。この結果、エンジン1は、一つの改質用気筒15から排出される気筒当たりの改質燃料量および改質燃料の当量比を維持しつつ、出力用気筒2に供給する改質燃料量が変更される。つまり、エンジン1は、出力用気筒2の出力が変動しても、改質用気筒15で改質される燃料と出力用気筒2に供給される燃料とのマスバランスが保たれる。これにより、出力用気筒2の出力に応じて改質燃料を供給することができる。
なお、本実施形態において、エンジン1は、改質用気筒15の改質用気筒回転速度Nrと改質用気筒数Krとを変更することで改質燃料量を制御するように構成されているがこれに限定されるものではない。例えば、エンジン1は、改質用気筒変速装置59を制御することにより改質用気筒回転速度Nrを変更して改質用気筒15から排出される気筒当たりの改質燃料量および改質燃料の当量比を維持しつつ、出力用気筒2に供給する改質燃料量を変更するように構成してもよい。また、エンジン1は、可変動弁装置36を制御することにより改質用吸気弁24および改質用排気弁26の開閉を制御することにより改質用気筒数Krを変更して改質用気筒15から排出される気筒当たりの改質燃料量および改質燃料の当量比を維持しつつ、出力用気筒2に供給する改質燃料量を変更するように構成してもよい。