JP6639342B2 - 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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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排出量の低減およびスート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
ところで、前記燃料改質気筒内で燃料の改質反応を行うためには、この燃料改質気筒内のガス温度が所定温度(改質反応を可能にする温度)に達している必要がある。例えば、燃料改質気筒がピストンクランク機構で成るレシプロ型である場合、ピストンが圧縮上死点に達した時点での燃料改質気筒内のガス温度が前記所定温度に達している必要がある。つまり、この時点において、燃料改質気筒内のガス温度が前記所定温度に達していない場合には、燃料改質気筒内での燃料の改質反応が不能になったり、改質反応が十分に行われなくなったりする。例えば、内燃機関の冷間始動直後や、外気温度が低い環境下や、高地等である場合には、このような状況を招きやすくなる。
改質反応が不能になると、アンチノック性の低い燃料が出力気筒に供給されることになり、この出力気筒でのノッキングの発生が懸念される状況になってしまう。また、沸点の高い燃料を使用した場合は、改質気筒出口で再凝縮し、燃焼に寄与せず排出される可能性もある。
このような状況は、改質燃料を燃料改質気筒によって生成する内燃機関ばかりでなく、改質燃料を燃料改質触媒によって生成する内燃機関においても同様に生じる可能性がある。以下、燃料改質気筒および燃料改質触媒を総称して燃料改質装置と呼ぶこととする。
本発明の発明者は、前記の点に鑑み、燃料改質装置内のガス温度が改質反応を可能にする温度に達していない場合に、改質されていない燃料が燃料改質装置から出力気筒に供給されてしまうといった状況を回避し、且つ早期に改質反応を開始させることができる手段について考察した。
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、燃料改質装置および出力気筒を備えた内燃機関に対し、燃料改質装置内のガス温度が改質反応を可能にする温度に達していない場合に、改質されていない燃料が燃料改質装置から出力気筒に供給されてしまうといった状況を回避することができ、且つ早期に改質反応を開始させることができる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、燃料改質運転によって改質燃料の生成が可能な燃料改質装置と、この燃料改質装置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、前記燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行させる改質運転制御部を備えている。また、前記燃料改質装置は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型の燃料改質気筒で構成されており、前記改質運転制御部は、前記燃料改質気筒において前記ピストンが圧縮上死点に達する時点における前記燃料改質気筒内のガス温度が、前記改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質気筒内のガス温度を上昇させるために前記燃料改質気筒の前記昇温運転を実行させるよう構成されていることを特徴とする。
この特定事項により、燃料改質装置内のガス温度が、改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、改質運転制御部は、燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とする。これにより、前記ガス温度が低いことに起因して改質されていない燃料が燃料改質装置から出力気筒に供給されてしまうといった状況を回避できる。また、改質運転制御部は、燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転(燃料改質装置の予熱運転)を実行させる。これにより、燃料改質装置の温度を早期に上昇させることが可能となって、燃料改質運転を早期に開始させることができる。つまり、改質燃料を利用することでNOx排出量の低減およびスート排出量の低減を図ることが可能な内燃機関の運転を早期に開始させることができる。
一般に、ピストンが圧縮上死点に達する時点において燃料改質気筒内のガスは最も圧縮された状態となり、この時点のガス温度は1サイクル中において最も高くなる。このため、このピストンが圧縮上死点に達する時点における燃料改質気筒内のガス温度が、改質運転許可下限ガス温度に達するか否かを判定することで、そのサイクルにおいて燃料の改質反応が可能であるか否かを正確に判断することができる。その結果、燃料改質気筒での昇温運転を実行すべきか否かを正確に判断することが可能になる。
また、他の解決手段としては、燃料改質運転によって改質燃料の生成が可能な燃料改質装置と、この燃料改質装置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、前記燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行させる改質運転制御部を備えている。また、前記燃料改質装置の出口通路と前記出力気筒の排気通路とを連通させる出力気筒バイパス通路が備えられていると共に、この出力気筒バイパス通路にはバイパス量調整弁が備えられており、前記昇温運転では前記バイパス量調整弁を開放する一方、前記昇温運転が終了して前記燃料改質装置での燃料改質運転が開始されると前記バイパス量調整弁を閉鎖することを特徴とする。
これによれば、昇温運転ではバイパス量調整弁を開放することにより、燃料改質装置から導出されたガスは、出力気筒に供給されることなく、出力気筒の排気通路に排出されることになる。または、燃料改質装置から導出されたガスが出力気筒に供給される量は僅かとなる。このため、昇温運転中に、燃料改質装置からの排気ガスが出力気筒に供給されて出力気筒での燃焼が悪化してしまうといったことを抑制できる。また、燃料改質装置内のガス温度が改質運転許可下限ガス温度に達するなどして、燃料改質装置での改質反応が可能な状況になると、昇温運転が終了して燃料改質装置での燃料改質運転が開始される。これに伴い、バイパス量調整弁が閉鎖される。これにより、燃料改質装置から導出された改質燃料が出力気筒に供給されることになり、改質燃料を利用した出力気筒での燃焼が開始されることになる。
また、前記燃料改質装置の入口通路と前記出力気筒の排気通路とを連通させるEGR通路が備えられ、このEGR通路には、EGRガスを冷却する冷却器が備えられていると共にこの冷却器をバイパスする冷却器バイパス通路が接続されており、前記昇温運転では前記出力気筒の前記排気通路を流れる排気ガスの一部を、前記冷却器バイパス通路を経て前記燃料改質装置の前記入口通路に導入することが好ましい。
これによれば、昇温運転では、出力気筒の排気通路を流れる高温の排気ガスの一部が、冷却器バイパス通路を流れることで、冷却器によって冷却されることなしに、燃料改質装置の入口通路に導入されることになる。つまり、高温の排気ガスによって燃料改質装置が昇温されることになる。これにより、燃料改質装置での燃料改質運転を早期に開始させることができる。
また、前記出力気筒は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型で構成されており、前記昇温運転では、前記出力気筒の膨張行程から排気行程に亘る所定期間において、この出力気筒内に排気昇温用の燃料供給を行うことが好ましい。
これによれば、排気昇温用の燃料が出力気筒の排気通路内等で燃焼することにより、排気ガスの温度が上昇する。その結果、前記冷却器バイパス通路を流れて燃料改質装置の入口通路に導入されるガスの温度を高くすることができ、燃料改質装置の昇温効果を大きく得ることができる。これにより、燃料改質装置での燃料改質運転をいっそう早期に開始させることができる。また、前記排気昇温用の燃料供給は、出力気筒の膨張行程から排気行程に亘る所定期間において行われるため、出力気筒からの出力を大きく変動させてしまうことはない。
また、前記昇温運転では、前記燃料改質装置内での燃料の燃焼を可能にする範囲であって前記燃料改質装置内の当量比を1未満とする燃料量を、前記燃料改質装置内に供給することが好ましい。
これによれば、燃料改質装置内での燃料の燃焼によって燃料改質装置の昇温が促進され、比較的短時間のうちに、燃料改質装置内のガス温度が改質運転許可下限ガス温度に達することになる。このため、燃料改質運転を早期に開始させることが可能となる。
また、前記改質運転制御部は、前記昇温運転中に前記燃料改質装置内のガス温度が前記改質運転許可下限ガス温度に達した際、または、前記昇温運転中に前記燃料改質装置内への供給熱量が所定量に達した際に、前記昇温運転を終了し、前記燃料改質装置での燃料改質運転を実行させるよう構成されていることが好ましい。
昇温運転中に燃料改質装置内のガス温度が改質運転許可下限ガス温度に達した際や、昇温運転中に燃料改質装置内への供給熱量が所定量に達した際(昇温運転の終了条件が成立した際)には、燃料改質装置内での燃料の改質反応が可能な状態となっている。このため、前記条件が成立した際には、昇温運転を終了し、燃料改質装置での燃料改質運転を実行させる。これにより、燃料改質運転の開始タイミングを適切に得ることができる。
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、燃料改質運転によって改質燃料の生成が可能な燃料改質装置と、この燃料改質装置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、前記燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行する。また、前記燃料改質装置は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型の燃料改質気筒で構成されており、前記燃料改質気筒において前記ピストンが圧縮上死点に達する時点における前記燃料改質気筒内のガス温度が、前記改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質気筒内のガス温度を上昇させるために前記燃料改質気筒の前記昇温運転を実行させることを特徴とする。
また、前記燃料改質装置の出口通路と前記出力気筒の排気通路とを連通させる出力気筒バイパス通路が備えられていると共に、この出力気筒バイパス通路にはバイパス量調整弁が備えられており、前記昇温運転では前記バイパス量調整弁が開放される一方、前記昇温運転が終了して前記燃料改質装置での燃料改質運転が開始されると前記バイパス量調整弁が閉鎖され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、前記ガス温度が低いことに起因して改質されていない燃料が燃料改質装置から出力気筒に供給されてしまうといった状況を回避できる。また、燃料改質装置の温度を早期に上昇させることが可能となって、燃料改質運転を早期に開始させることができる。
本発明では、燃料改質装置内のガス温度が、改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行させるようにしている。このため、ガス温度が低いことに起因して改質されていない燃料が燃料改質装置から出力気筒に供給されてしまうといった状況を回避できる。また、燃料改質装置の温度を早期に上昇させることが可能となって、燃料改質運転を早期に開始させることができる。
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。 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。 改質運転許可下限ガス温度の演算ロジックを示すブロック図である。 内燃機関の運転モードを切り替えるため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、本発明でいう燃料改質装置としての燃料改質気筒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(本発明でいう燃料改質装置の入口通路)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(本発明でいう燃料改質装置の出口通路)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(本発明でいう出力気筒の排気通路)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(本発明でいう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(本発明でいう冷却器バイパス通路)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O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O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のガス温度が後述する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。
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排出量の低減および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。つまり、混合気の当量比に応じて、改質反応を可能にするための圧縮端ガス温度(以下、改質反応可能温度という場合もある)には下限値が存在している。このため、混合気の当量比に応じた改質反応可能温度の下限値よりも圧縮端ガス温度が低い場合には、インジェクタ25から燃料改質室23に燃料を供給したとしても、燃料改質室23での燃料の改質反応が不能になったり、改質反応が十分に行われなくなったりする。例えば、内燃機関1の冷間始動直後や、外気温度が低い環境下や、高地等である場合には、このような状況を招きやすくなる。
そして、改質反応が不能になると、アンチノック性の低い燃料(前記軽油等)が出力気筒3に供給されることになり、この出力気筒3でのノッキングの発生が懸念される状況になってしまう。
本実施形態は、この点に鑑み、混合気の当量比に応じた前記改質反応可能温度の下限値に基づいて改質運転許可下限ガス温度を設定しておく。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、この改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合には、燃料改質気筒2での燃料改質運転を非実行とするようにしている。また、この際、燃料改質室23の温度(例えば燃料改質室23のボア壁面温度)を上昇させる昇温運転(燃料改質気筒2の予熱運転)を実行するようにしている。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、前記改質運転許可下限ガス温度とを比較する。
そして、実際の圧縮端ガス温度が改質運転許可下限ガス温度以上であると推定された場合には、そ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許可(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改質運転許可下限ガス温度未満であると推定された場合には、そ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禁止(非実行)する。このように燃料改質気筒2での燃料改質運転を禁止する場合、燃料改質気筒2の温度を上昇させる昇温運転を実行させる。この昇温運転については後述する。
以下、実際の圧縮端ガス温度の算出動作(推定動作)、改質運転許可下限ガス温度(改質反応可能温度の下限値に基づいて設定される改質運転許可下限ガス温度)の設定動作、および、これら実際の圧縮端ガス温度および改質運転許可下限ガス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 0006639342
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4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4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。冷却水温度とポリトロープ数の低下量Δκ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いる。
・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(COやHO)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O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 0006639342
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、Ψ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。
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 0006639342
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5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5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。当量比とポリトロープ数の低下量Δκ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いる。
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。
(改質運転許可下限ガス温度の設定動作)
次に、前記改質運転許可下限ガス温度(本実施形態では改質反応可能温度の下限値に略一致)の設定動作について説明する。前述したように、改質運転許可下限ガス温度は、混合気の当量比等に応じて設定される。つまり、図3からも明らかなように混合気の当量比が高いほど改質反応可能温度の下限値は高くなるので、改質運転許可下限ガス温度としても、燃料改質室23内の混合気の当量比が高いほど高い値として設定される。また、改質反応可能温度の下限値は、混合気の当量比だけでなく、燃料の種類によっても変動する。例えば、燃料中の炭素と水素との比が異なれば燃料の反応性は大きく変化する。また、燃料分子中に酸素原子を含有する含酸素燃料等の場合も、その量に応じて燃料の反応性は大きく変化する。このため、改質運転許可下限ガス温度も、燃料の種類に応じて設定される。
図6は、改質運転許可下限ガス温度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、混合気の当量比から、改質運転許可下限ガス温度のベース値Tminを求め、これに燃料の種類に基づく補正ファクタを乗算することで、前記改質運転許可下限ガス温度のベース値Tminを補正し、これによって、混合気の当量比および燃料の種類に応じた改質運転許可下限ガス温度Tmin_corを求める。
混合気の当量比と改質運転許可下限ガス温度のベース値Tmin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いる。具体的に、この混合気の当量比と改質運転許可下限ガス温度のベース値Tminとの関係としては、図3からも解るように混合気の当量比が高いほど前記ベース値Tminは高い値として求められる。その結果、前記改質運転許可下限ガス温度Tmin_corは、燃料改質室23の当量比が高いほど高い値として求められることになる。
また、前述したように、改質反応可能温度の下限値は燃料の種類によっても変動するので、この燃料の種類に応じた改質運転許可下限ガス温度のベース値Tminの補正を行うために、この改質運転許可下限ガス温度のベース値Tminに、燃料の種類に基づく補正ファクタを乗算し、使用する燃料の種類に応じた改質運転許可下限ガス温度Tmin_corを求めるようにしている。この燃料の種類に基づく補正ファクタの値としては、予め実験やシミュレーションによって、燃料の種類と補正ファクタの値との関係を把握しておく。そして、使用する燃料の種類に応じた補正ファクタの値を、図6の演算ロジックに適用する。なお、前記燃料の種類に基づく補正ファクタの値としては、図示しない燃料タンクに給油される燃料の種類に応じて予めECU100に入力されている。
(昇温運転)
前述した燃料改質気筒2の温度を上昇させる昇温運転としては、以下に述べる4種類の昇温運転が挙げられる。圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_corに達しないと推定された場合には、これら昇温運転のうちの一つが選択されて実行されることになる。以下、各昇温運転について説明する。
・第1昇温運転
先ず、第1昇温運転について説明する。この第1昇温運転は、出力気筒3から排出された高温の排気ガスを利用して燃料改質気筒2を昇温させるものである。
この第1昇温運転では、バイパス量調整弁82、EGRガス量調整弁73およびバイパス量調整弁75を共に開放する。例えば、これら調整弁82,73,75を共に全開とする。
これにより、燃料改質室23から排出されたガスは、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、燃料改質室23から排出されたガスが燃焼室33に導入されることはない。または、燃料改質室23から排出されたガスが燃焼室33に導入される量は僅かである。
前述したように、昇温運転時には燃料改質気筒2での燃料改質運転は非実行とされる。例えば、インジェクタ25から燃料改質室23への燃料供給が停止される。一方、出力気筒3では、機関要求出力が得られるように、インジェクタ35から燃焼室33への燃料供給が行われる。この場合の燃焼室33への燃料供給量としては、燃焼室33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、燃焼室33では、通常ディーゼル燃焼相当の燃焼が行われて内燃機関1の機関出力が得られることになる。そして、この燃焼室33で発生した排気ガスが排気通路61に排出される。
そして、排気通路61を流れている排気ガスの一部は、排気通路61から燃料改質気筒EGR通路71へ流れ込む。この排気ガスは、その大部分がEGRガス冷却器72をバイパスして(クーラバイパス通路74を流れて)、つまり、EGRガス冷却器72によって冷却されることなしに、燃料改質気筒吸気通路42を経て燃料改質気筒2の燃料改質室23に導入されることになる。このようにして、比較的高温度のEGRガスが燃料改質室23に導入されることで、この燃料改質室23のボア壁面が昇温されることになる。
また、この第1昇温運転では、燃料改質室23から排出されたガス(出力気筒3から排出されて燃料改質気筒EGR系7Aを経た排気ガス(EGRガス)を含むガス)が燃焼室33に導入されることがない。または、燃料改質室23から排出されたガスが燃焼室33に導入される量は僅かである。このため、この第1昇温運転中に、燃料改質気筒2の排気が燃料改質室23から燃焼室33に供給されて出力気筒3での燃焼が悪化してしまうといったことを抑制できる。
なお、この第1昇温運転が終了すると(例えば、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_corに達するなどして第1昇温運転が終了すると)バイパス量調整弁82は閉鎖される。これは、第1昇温運転の終了に伴って燃料改質室23での改質燃料の生成が開始されるので、この改質燃料を燃焼室33に供給するためである。
・第2昇温運転
次に、第2昇温運転について説明する。この第2昇温運転は、前記第1昇温運転での動作に加えて、出力気筒3から排出される排気ガスの温度上昇を図るものである。
この第2昇温運転では、出力気筒3の膨張行程から排気行程に亘る所定期間(例えば、圧縮上死点後(ATDC)150°〜200°の期間)において、この出力気筒3の燃焼室33内に排気昇温用の燃料供給が行われる。これにより、この排気昇温用の燃料が排気通路61内で燃焼するなどして、排気通路61を流れる排気ガスの温度が上昇する。この際における排気昇温用の燃料の噴射量(噴射期間によって決定される噴射量)は、実験的に求められた排気ガスの昇温必要量に応じて実験またはシミュレーションによって設定されている。
その結果、燃料改質気筒EGR通路71、クーラバイパス通路74および燃料改質気筒吸気通路42を経て燃料改質気筒2の燃料改質室23に導入されるEGRガスの温度を高めることができ、燃料改質室23のボア壁面が効果的に昇温されることになる。
また、この第2昇温運転では、出力気筒3の膨張行程から排気行程に亘る所定期間において排気昇温用の燃料供給が行われるため、出力気筒3の出力を大きく変動させてしまうことがない。
なお、この第2昇温運転においては、排気通路61に図示しないインジェクタを備えさせ、このインジェクタから供給された燃料を排気通路61内で燃焼させることによって排気ガスの温度上昇を図るようにしてもよい。
・第3昇温運転
次に、第3昇温運転について説明する。この第3昇温運転は、前記第2昇温運転での動作に加えて、燃料改質室23での混合気の燃焼によって、この燃料改質室23の昇温を図るものである。
この第3昇温運転では、インジェクタ25から燃料改質室23への燃料供給が行われる。この燃料供給は、燃料改質室23における当量比が1未満の値となるように行われる。これにより、燃料改質室23では、希薄混合気の燃焼が行われる。そして、この燃料改質室23で発生した排気ガスが、出力気筒バイパス通路81を経て排気通路61に排出されることになる。このように燃料改質室23での混合気の燃焼が行われることで、燃料改質室23のボア壁面が効果的に昇温されることになる。
この第3昇温運転の場合、燃料改質室23での混合気の燃焼に起因して機関出力が発生することになる。このため、出力気筒3において、インジェクタ35から燃焼室33に供給する燃料量や燃料供給タイミングを調整し、この出力気筒3で得られる機関出力と燃料改質気筒2で得られる機関出力とを合算した総機関出力が機関要求出力に一致するようにしておく必要がある。
なお、出力気筒3は機関出力を得るためのものであり、燃料改質気筒2は主に改質燃料を生成するためのものである。このため、これらの構成は互いに異なっており、一般的には、燃料改質気筒2の燃焼性能は出力気筒3の燃焼性能に比べて低くなっている。例えば、燃料改質気筒2への燃料供給量を出力気筒3への燃料供給量と同等とした場合、燃料消費率が悪化したり、燃料改質気筒2からの排気中におけるNOx量やスモーク量が多くなったりする可能性がある。このため、燃料改質気筒2の昇温を図りながらも、内燃機関1全体としての性能が大きく損なわれないように各気筒2,3での燃料噴射量は決定される。例えば、燃料改質気筒2への燃料供給量は、出力気筒3への燃料供給量よりも少なく設定される。
・第4昇温運転
次に、第4昇温運転について説明する。この第4昇温運転では、バイパス量調整弁82が開放される。また、EGRガス量調整弁73およびバイパス量調整弁75は共に閉鎖状態とされる。また、前記第3昇温運転の場合と同様にインジェクタ25から燃料改質室23への燃料供給が行われる。この燃料供給は、前記第3昇温運転の場合と同様に、燃料改質室23における当量比が1未満の値となるように行われる。これにより、燃料改質室23では、希薄混合気の燃焼が行われる。そして、この燃料改質室23で発生した排気ガスが、出力気筒バイパス通路81を経て排気通路61に排出されることになる。この第4昇温運転においても、燃料改質室23での混合気の燃焼が行われることで、燃料改質室23のボア壁面が効果的に昇温されることになる。
(燃料改質運転の制御)
次に、前記圧縮端ガス温度TTDCおよび改質運転許可下限ガス温度Tmin_corを利用した燃料改質運転の制御について説明する。
図7は、内燃機関1の運転モードを切り替えるため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の運転モードが始動モード中であるか否かを判定する。この始動モードは、内燃機関1の始動直後に実施されるモードである。つまり、起動スイッチがON操作される等して内燃機関1が起動された場合には始動モードとなり、所定時間だけ、この始動モードが継続される。
内燃機関1の運転モードが始動モード中である場合にはステップST1でYES判定され、ステップST2に移って始動モードでの運転が継続される。
具体的に、この始動モードでは、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、燃料改質室23および燃焼室33では、それぞれ燃焼が行われる。前記スタータによるクランキングは、各気筒2,3それぞれが自立運転可能となるまで継続される。各気筒2,3それぞれで自立運転が行われる状況になると始動モードは終了する。
なお、この始動モードとしては、燃料改質気筒2のインジェクタ25からは燃料噴射が行われず、出力気筒3のインジェクタ35のみから燃焼室33に燃料噴射が行われるものであってもよい。この場合、出力気筒3の自立運転が可能になった時点で始動モードは終了する。
内燃機関1の運転モードが始動モードではなく、ステップST1でNO判定された場合には、ステップST3に移り、内燃機関1の運転モードが停止モード中であるか否かを判定する。この停止モードは、内燃機関1が停止される際に実施されるモードである。つまり、停止スイッチがON操作される等して内燃機関1に停止指示がなされた場合には停止モードとなり、ステップST3でYES判定され、ステップST4に移って停止モードでの運転が行われる。
具体的に、この停止モードでは、燃料改質気筒2のインジェクタ25からの燃料噴射が停止される。これにより、燃料改質室23での燃料の改質反応も停止し、燃焼室33への改質燃料の供給が停止されることで内燃機関1が停止されることになる。
このように、運転モードが始動モードである場合や停止モードである場合には、圧縮端ガス温度TTDCに関わらず、燃料改質気筒2での燃料改質運転を非実行とするようにしている。
内燃機関1が停止モードではなく、ステップST3でNO判定された場合には、ステップST5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ST6に移り、この圧縮端ガス温度TTDCと前記改質運転許可下限ガス温度Tmin_corとの比較によって、改質反応が可能であるか否かの判定を行う。具体的には、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_cor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が改質運転許可下限ガス温度Tmin_cor以上の値となっている場合には改質反応が可能であると判定し、ステップST6でYES判定される。一方、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_cor未満の値である場合には改質反応が不能であると判定し、ステップST6でNO判定される。
改質反応が可能であり、ステップST6でYES判定された場合には、ステップST7において燃料改質運転を実行する。つまり、内燃機関1の運転モードとしては燃料改質運転モードとなる。この燃料改質運転モードでは、前記内燃機関1の基本動作で説明したように、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)が実行される。
一方、改質反応が不能であり、ステップST6でNO判定された場合には、ステップST8において燃料改質気筒昇温モードの運転を実行する。このステップST8では、前述した第1〜第4の昇温運転のうちの一つの昇温運転が選択される。ここで選択される昇温運転は、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昇温運転が選択された場合には、図中に(1)で示すように、バイパス量調整弁82の開放(ステップST9)、EGRガス量調整弁73およびバイパス量調整弁75の開放(ステップST10)が行われることになる。これにより、前述したように、燃料改質室23から排出されたガス(出力気筒3から排出されて燃料改質気筒EGR系7Aを経た排気ガス(EGRガス)を含むガス)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、この燃料改質室23から排出されたガスが燃焼室33に導入されることはない。または、燃料改質室23から排出されたガスが燃焼室33に導入される量は僅かである。また、前述したように、排気通路61を流れている排気ガスの一部が、排気通路61から燃料改質気筒EGR通路71へ流れ込み、EGRガス冷却器72によって冷却されることなしに、燃料改質気筒吸気通路42を経て燃料改質気筒2の燃料改質室23に導入される。つまり、比較的高温度のEGRガスが燃料改質室23に導入されることで、この燃料改質室23のボア壁面が昇温されることになる。
また、第2昇温運転が選択された場合には、図中に(2)で示すように、バイパス量調整弁82の開放(ステップST9)、EGRガス量調整弁73およびバイパス量調整弁75の開放(ステップST10)、排気昇温用燃料供給動作として、出力気筒3の膨張行程から排気行程に亘る所定期間において、この出力気筒3の燃焼室33内に排気昇温用の燃料供給(ステップST11)が行われる。これにより、前述したように、排気昇温用の燃料が排気通路61内で燃焼するなどして、排気通路61を流れる排気ガスの温度が上昇する。その結果、燃料改質気筒EGR通路71、クーラバイパス通路74および燃料改質気筒吸気通路42を経て燃料改質気筒2の燃料改質室23に導入されるEGRガスの温度を高めることができ、燃料改質室23のボア壁面が効果的に昇温されることになる。
また、第3昇温運転が選択された場合、図中に(3)で示すように、バイパス量調整弁82の開放(ステップST9)、EGRガス量調整弁73およびバイパス量調整弁75の開放(ステップST10)、前記排気昇温用燃料の供給(ステップST11)、燃料改質気筒昇温用燃料供給動作として、インジェクタ25から燃料改質室23への燃料供給(ステップST12)が行われる。これにより、前述したように、燃料改質室23では、希薄混合気の燃焼が行われる。このように燃料改質室23での混合気の燃焼が行われることで、燃料改質室23のボア壁面が効果的に昇温されることになる。
また、第4昇温運転が選択された場合、図中に(4)で示すように、バイパス量調整弁82の開放(ステップST9)、前記燃料改質気筒昇温用燃料供給動作として、インジェクタ25から燃料改質室23への燃料供給(ステップST12)が行われる。これにより、前述したように、燃料改質室23では、希薄混合気の燃焼が行われる。このように燃料改質室23での混合気の燃焼が行われることで、燃料改質室23のボア壁面が効果的に昇温されることになる。
このような動作が繰り返されることにより、例えば始動モードが解除されたとしても、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_corに達していない場合には燃料改質気筒昇温モードとなって、燃料改質運転を非実行とすると共に、何れかの昇温運転が実行される。また、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_corに達したことで燃料改質運転が実行された場合(燃料改質運転モードとなった場合)であっても、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_cor未満に低下した場合には前記燃料改質気筒昇温モードとなる。
前記ステップST6〜ステップST12の動作が、本発明でいう「改質運転制御部による動作であって、燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行させる動作」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、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、混合気の当量比等に応じて設定される改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合には、燃料改質気筒2での燃料改質運転を非実行とすると共に、燃料改質気筒2の温度を上昇させる昇温運転を実行させるようにしている。これにより、前記ガス温度(圧縮端ガス温度)が低いことに起因して改質されていない燃料が燃料改質気筒2から出力気筒3に供給されてしまうといった状況を回避できる。このため、アンチノック性の低い燃料が出力気筒に供給されることはなくなり、出力気筒3でのノッキングの発生を回避することができる。また、燃料改質気筒2の温度を早期に上昇させることが可能となって、燃料改質運転を早期に開始させることができる。つまり、改質燃料を利用することでNOx排出量の低減およびスート排出量の低減を図ることが可能な内燃機関1の運転を早期に開始させることができる。
また、本実施形態では、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_corに達しないと推定された場合に、燃料改質気筒2での燃料改質運転を非実行とすると共に、燃料改質室23の温度を上昇させる昇温運転を実行するようにしている。このため、そのサイクルにおいて燃料の改質反応が可能であるか否かを正確に判断することができる。その結果、燃料改質気筒2での昇温運転を実行すべきか否かを正確に判断することが可能になる。
−変形例−
次に、変形例について説明する。前記実施形態では、圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_corに達した時点で昇温運転を終了させるようにしていた。本変形例では、昇温運転中において、燃料改質室23に供給した総熱量が所定値に達した時点で昇温運転を終了させるようにしたものである。以下、具体的に説明する。
燃料改質室23に供給した総熱量は以下の式(4)によって算出(推定)することができる。
Figure 0006639342
この式(4)において、Qtotは燃料改質室23に供給した総熱量、Ggas_inは燃料改質室23に導入されたガスの流量の積算値、Cνは燃料改質室23での反応ガスの定積比熱、Tinは燃料改質室23の入口温度、Tambは周囲空気温度または始動時吸気温度、LHVは燃料の低位発熱量、Gfuelは燃料改質室23への積算燃料供給量、Ccorは総熱量の補正値である。
前記ガスの流量の積算値Ggas_inは、吸気流量センサ101からの出力信号や、吸気量調整弁45の開度等に基づいて算出することが可能である。前記反応ガスの定積比熱Cνは、インジェクタ25から供給される燃料の組成(燃料の種類)、および、燃料改質室23の当量比等に基づいて算出することが可能である。前記燃料改質室23の入口温度Tinは、吸入ガス温度センサ103からの出力信号に基づいて算出することが可能である。周囲空気温度または始動時吸気温度Tambは図示しない外気温度センサからの出力信号に基づいて算出することが可能である。低位発熱量LHVは燃料の組成(燃料の種類)に基づいて算出することが可能である。燃料改質室23への積算燃料供給量Gfuelは、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を積算することによって算出することが可能である。総熱量の補正値Ccorは、燃料改質室23のシリンダ壁面への熱流出等に応じた補正分であって、水温センサ106からの出力に基づいて算出される冷却水の温度等に基づいて与えられるものである。
この式(4)の右辺における第1項は燃料改質室23へのEGRガスの導入による熱エネルギ供給分である。また、第2項はインジェクタ25から燃料改質室23へ供給された燃料の燃焼による熱エネルギ供給分である。また、第3項は燃料改質室23のシリンダ壁面への熱流出等に応じた補正分である。
このようにして算出された総熱量が、予め設定された所定値に達した時点で昇温運転を終了させる(燃料改質気筒昇温モードから燃料改質運転モードに移行させる)ようにしている。前記所定値(総熱量の閾値)は、燃料改質気筒2の圧縮端ガス温度TTDCが改質運転許可下限ガス温度Tmin_corに達する総熱量として、実験やシミュレーションによって予め設定されて前記ROMに記憶されている。
本変形例によっても、前記実施形態の場合と同様に、燃料改質運転を早期に開始させることができ、改質燃料を利用することでNOx排出量の低減およびスート排出量の低減を図ることが可能な内燃機関1の運転を早期に開始させることができる。
−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。
また、前記実施形態では、圧縮端ガス温度TTDCと改質運転許可下限ガス温度Tmin_corとの比較によって、改質反応が可能であるか否かの判定を行うようにしていた。本発明はこれに限らず、例えば、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吸入ガス温度Tiniのみによって改質反応が可能であるか否かを判定することが可能であれば、この吸入ガス温度Tiniのみに基づいて、燃料改質気筒2での燃料改質運転を非実行とする(吸入ガス温度Tiniが所定値未満である場合に燃料改質運転を非実行とする)ようにしてもよい。
また、前記実施形態では、改質運転許可下限ガス温度Tmin_corを、改質反応可能温度の下限値に略一致させていた。本発明はこれに限らず、改質運転許可下限ガス温度Tmin_corを、改質反応可能温度の下限値よりも所定値だけ高い温度に設定するようにしてもよい。これによれば、圧縮端ガス温度TTDCが十分に高くなった状態で燃料改質運転非実行モードから燃料改質運転モードに移行させることができ、燃料改質気筒2での燃料の改質反応の信頼性をいっそう高めることができる。
また、前記実施形態では、改質燃料を燃料改質気筒2によって生成する内燃機関1に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、改質燃料を燃料改質触媒によって生成する内燃機関に対しても適用が可能である。この場合、燃料改質触媒に温度センサを設けることで、燃料改質触媒の内部温度が改質運転許可下限ガス温度(改質反応可能温度の下限値)に達しているか否かを判定し、達していない場合には昇温運転を実行することになる。この際の昇温運転としては、前述した第1昇温運転の場合と同様に、出力気筒3から排出された高温の排気ガスを利用して燃料改質触媒を昇温させたり、前述した第2昇温運転の場合と同様に、出力気筒3から排出される排気ガスの温度を上昇させたりすることが挙げられる。
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
3 出力気筒
42 燃料改質気筒吸気通路(燃料改質装置の入口通路)
51 改質燃料供給通路(燃料改質装置の出口通路)
61 排気通路(出力気筒の排気通路)
71 燃料改質気筒EGR通路(EGR通路)
72 EGRガス冷却器(冷却器)
74 クーラバイパス通路(冷却器バイパス通路)
81 出力気筒バイパス通路
82 バイパス量調整弁
100 ECU

Claims (8)

  1. 燃料改質運転によって改質燃料の生成が可能な燃料改質装置と、この燃料改質装置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、
    前記燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行させる改質運転制御部を備え
    前記燃料改質装置は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型の燃料改質気筒で構成されており、
    前記改質運転制御部は、前記燃料改質気筒において前記ピストンが圧縮上死点に達する時点における前記燃料改質気筒内のガス温度が、前記改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質気筒内のガス温度を上昇させるために前記燃料改質気筒の前記昇温運転を実行させ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。
  2. 燃料改質運転によって改質燃料の生成が可能な燃料改質装置と、この燃料改質装置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、
    前記燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行させる改質運転制御部を備え、
    前記燃料改質装置の出口通路と前記出力気筒の排気通路とを連通させる出力気筒バイパス通路が備えられていると共に、この出力気筒バイパス通路にはバイパス量調整弁が備えられており、
    前記昇温運転では前記バイパス量調整弁が開放される一方、前記昇温運転が終了して前記燃料改質装置での燃料改質運転が開始されると前記バイパス量調整弁が閉鎖され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、
    前記燃料改質装置の入口通路と前記出力気筒の排気通路とを連通させるEGR通路が備えられ、このEGR通路には、EGRガスを冷却する冷却器が備えられていると共にこの冷却器をバイパスする冷却器バイパス通路が接続されており、
    前記昇温運転では前記出力気筒の前記排気通路を流れる排気ガスの一部が、前記冷却器バイパス通路を経て前記燃料改質装置の前記入口通路に導入されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  4. 請求項3記載の内燃機関の制御装置において、
    前記出力気筒は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型で構成されており、
    前記昇温運転では、前記出力気筒の膨張行程から排気行程に亘る所定期間において、この出力気筒内に排気昇温用の燃料供給が行われることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  5. 請求項1または2記載の内燃機関の制御装置において、
    前記昇温運転では、前記燃料改質装置内での燃料の燃焼を可能にする範囲であって前記燃料改質装置内の当量比を1未満とする燃料量を、前記燃料改質装置内に供給することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 請求項1〜5のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
    前記改質運転制御部は、前記昇温運転中に前記燃料改質装置内のガス温度が前記改質運転許可下限ガス温度に達した際、または、前記昇温運転中に前記燃料改質装置内への供給熱量が所定量に達した際に、前記昇温運転を終了し、前記燃料改質装置での燃料改質運転を実行させ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。
  7. 燃料改質運転によって改質燃料の生成が可能な燃料改質装置と、この燃料改質装置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、
    前記燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行し、
    前記燃料改質装置は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型の燃料改質気筒で構成されており、
    前記燃料改質気筒において前記ピストンが圧縮上死点に達する時点における前記燃料改質気筒内のガス温度が、前記改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質気筒での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質気筒内のガス温度を上昇させるために前記燃料改質気筒の前記昇温運転を実行させることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  8. 燃料改質運転によって改質燃料の生成が可能な燃料改質装置と、この燃料改質装置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、
    前記燃料改質装置内のガス温度が、改質反応可能温度の下限値に基づいて設定された改質運転許可下限ガス温度に達しないと推定された場合、前記燃料改質装置での燃料改質運転を非実行とし、この燃料改質装置の温度を上昇させる昇温運転を実行し、
    前記燃料改質装置の出口通路と前記出力気筒の排気通路とを連通させる出力気筒バイパス通路が備えられていると共に、この出力気筒バイパス通路にはバイパス量調整弁が備えられており、
    前記昇温運転では前記バイパス量調整弁が開放される一方、前記昇温運転が終了して前記燃料改質装置での燃料改質運転が開始されると前記バイパス量調整弁が閉鎖されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6669602B2 (ja) * 2016-07-14 2020-03-18 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法
JP6639344B2 (ja) * 2016-07-14 2020-02-05 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法
JP6639341B2 (ja) * 2016-07-14 2020-02-05 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法
JP6789907B2 (ja) * 2017-09-21 2020-11-25 ヤンマーパワーテクノロジー株式会社 内燃機関
WO2020241604A1 (ja) * 2019-05-29 2020-12-03 株式会社豊田自動織機 エンジンシステム

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS529712A (en) * 1975-07-15 1977-01-25 Nissan Motor Co Ltd Gas engine
JP2004263562A (ja) * 2003-01-14 2004-09-24 Yanmar Co Ltd 予混合圧縮自着火式内燃機関の制御方法
JP4251321B2 (ja) * 2003-01-28 2009-04-08 トヨタ自動車株式会社 内燃機関および内燃機関の運転方法
JP2006022724A (ja) * 2004-07-08 2006-01-26 Toyota Motor Corp 内燃機関の制御装置
WO2006052993A2 (en) * 2004-11-08 2006-05-18 Southwest Research Institute Secondary engine providing exhaust-gas to egr system
US20080314022A1 (en) 2007-06-19 2008-12-25 Eaton Corporation Strategy for scheduling LNT regeneration
JP2009097425A (ja) * 2007-10-17 2009-05-07 Toyota Motor Corp 燃料改質装置
JP4274279B2 (ja) * 2007-11-02 2009-06-03 トヨタ自動車株式会社 内燃機関
JP4888444B2 (ja) * 2008-06-19 2012-02-29 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
JP5817248B2 (ja) * 2011-06-24 2015-11-18 日産自動車株式会社 改質ガス還流装置
JP2013092137A (ja) * 2011-10-27 2013-05-16 Honda Motor Co Ltd 内燃機関の制御装置
JP2013113204A (ja) * 2011-11-29 2013-06-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd エンジンの排気浄化システム
US9268587B2 (en) 2012-04-13 2016-02-23 Empire Technology Development Llc Determining destination cloud system requirements
CN107882645B (zh) * 2012-06-28 2021-04-13 康明斯有限公司 用于控制专用egr发动机的技术
JP6036208B2 (ja) * 2012-11-19 2016-11-30 日産自動車株式会社 多気筒内燃機関
JP5972180B2 (ja) 2013-01-15 2016-08-17 ヤンマー株式会社 エンジン
WO2016035735A1 (ja) * 2014-09-05 2016-03-10 ヤンマー株式会社 エンジン
JP6323911B2 (ja) * 2014-11-17 2018-05-16 ヤンマー株式会社 エンジン
JP6584346B2 (ja) * 2015-03-03 2019-10-02 大阪瓦斯株式会社 エンジンシステム
JP6639343B2 (ja) * 2016-07-14 2020-02-05 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法
JP6639341B2 (ja) * 2016-07-14 2020-02-05 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法
JP6669602B2 (ja) * 2016-07-14 2020-03-18 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法
JP6607831B2 (ja) * 2016-07-14 2019-11-20 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法
JP6639345B2 (ja) * 2016-07-14 2020-02-05 ヤンマー株式会社 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法

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