JP6323911B2

JP6323911B2 - エンジン

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Publication number: JP6323911B2
Application number: JP2014233173A
Authority: JP
Inventors: 豪朝井
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-11-17
Also published as: JP2016094930A

Description

本発明はエンジンに関する。詳しくは燃料改質装置を備えたエンジンに関する。

従来、液体燃料に吸気や排気を予め混合して加圧することで改質したガス燃料を供給する予混合エンジンが知られている。予混合エンジンは、液体燃料を希薄状態で燃焼可能なガス燃料に改質して燃焼させることで低スモーク化および低ＮＯｘ化を実現するものである。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１に記載のエンジンは、複数の気筒のうち一の気筒を燃料改質装置である改質用気筒とし、液体燃料と吸気や排気とを混合して圧縮することで燃料を改質している。改質燃料は、所定の吸入ガス温度、組成、圧縮比、当量比においてのみ生成される。従って、エンジンは、出力用気筒２の出力に応じて改質燃料の当量比を変更したり、吸入ガス量を変更して改質燃料の生産量を減量したりすることができない。このため、エンジンは、出力用気筒２の出力に応じた改質用燃料量を供給することができず適切な燃料量で運転できない場合があった。

特開２００７−３３２８９１号公報

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、出力用気筒の出力に応じて改質燃料を供給することができる燃料改質装置を備えたエンジンの提供を目的とする。

即ち、本発明においては、燃料を燃焼させる出力用気筒と燃料を改質する改質用気筒とを備えたエンジンであって、一の改質用気筒に供給される燃料量と吸引ガス量とを維持しつつ出力用気筒の出力に応じて出力用気筒に供給される改質燃料量を変更するものである。

本発明においては、前記改質用気筒が複数設けられ、前記出力用気筒の出力に応じて燃料が供給される改質用気筒の気筒数を変更するものである。

本発明においては、記出力用気筒の出力に応じて前記改質用気筒の回転速度を変更するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

即ち、本発明においては、改質用気筒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、出力用気筒に供給する改質燃料量が変更される。これにより、出力用気筒の出力に応じて改質燃料を供給することができる。

本発明に係るエンジンの一実施形態の構成を示す概略図。本発明に係るエンジンの一実施形態における出力用気筒と改質用気筒との構成を示す概略図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置を示す側面断面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置の油圧シリンダが突出していない場合の部分拡大側面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における制御構成を概略図。（ａ）本発明に係るエンジンの一実施形態における一方のカムのクランク角度と吸気弁の開閉時期との関係を示した図（ｂ）クランク角度と吸気弁のバルブリフトとの関係を示した図。本発明に係るエンジンの一実施形態における改質用気筒のクランク位置における反応室内の状態を表すグラフを示す図。

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。

１エンジン
２出力用気筒
１５改質用気筒
ｇｆ改質用気筒に供給される燃料量
ｇｉ改質用気筒の吸引ガス量
Ｇｆ改質燃料量

Claims

燃料を燃焼させる出力用気筒と燃料を改質する改質用気筒とを備えたエンジンであって、
一の改質用気筒に供給される燃料量と吸引ガス量とを維持しつつ出力用気筒の出力に応じて出力用気筒に供給される改質燃料量を変更するエンジン。
前記改質用気筒が複数設けられ、
前記出力用気筒の出力に応じて燃料が供給される改質用気筒の気筒数を変更する請求項１に記載のエンジン。
前記出力用気筒の出力に応じて前記改質用気筒の回転速度を変更する請求項１または請求項２に記載のエンジン。