JP6669602B2 - 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、燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒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
このように燃料改質気筒において改質燃料を生成する場合、この燃料改質気筒内の当量比を高くすることにより、改質燃料への変換効率を高めることができる。
しかしながら、燃料改質気筒内の当量比を高くすることは、この燃料改質気筒内での酸化反応量（燃焼量）を減少させることになる。この酸化反応はトルクに寄与するものであることから、前記当量比を高くして酸化反応量を減少させることは、燃料改質気筒で発生するトルク（出力）を小さくすることに繋がる。そして、燃料改質気筒内での改質反応は吸熱反応を伴うものであることから、運転条件によっては、燃料改質気筒からのトルクが負の値となる場合がある。つまり、出力気筒からのトルクによって燃料改質気筒が駆動される状態となる場合がある。
このような運転状態にあっては、負荷等に応じた機関要求出力を満たしながらも燃料改質気筒を駆動させる必要があるため、それに応じたトルクが出力気筒から出力されていることが必要である。
また、燃料改質気筒における改質反応は、燃料改質気筒内の当量比とガス温度（特に、ピストンが圧縮上死点に達した時点での圧縮端ガス温度）とに依存する。そして、前記当量比が（低下して）１に近づく場合には、酸化反応量が増大することで燃料改質気筒で発生するトルクが正の値となる。また、このトルクの大きさは、前記当量比だけでなく前記ガス温度等の温度条件によっても変動する。
このため、このような運転状態にあっては、内燃機関全体の出力（燃料改質気筒からの出力と出力気筒からの出力との和）が機関要求出力となるように、出力気筒から出力されるトルクを調整することが必要である。
これまで、燃料改質気筒および出力気筒を備えた内燃機関において、燃料改質気筒の運転状態に応じて出力気筒の出力を調整する具体的な手法については提案されていない。
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、燃料改質気筒および出力気筒を備えた内燃機関に対し、燃料改質気筒の運転状態に応じて出力気筒の出力を調整することにより、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることが可能な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、燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒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、前記燃料改質気筒と前記出力気筒とが互いに動力伝達可能に連結され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、前記燃料改質気筒からの出力を求め、この燃料改質気筒からの出力と前記出力気筒からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように、前記出力気筒からの出力を調整する出力調整動作を行う出力調整部を備えており、前記各気筒は、それぞれ気筒内に燃料を供給するインジェクタを備えており、前記出力調整部は、前記機関要求出力が増大する過渡運転時、前記出力気筒内への前記インジェクタからの燃料供給量を増量して、この出力気筒からの出力を増大させることにより、この出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致するようにし、その後、前記出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致する状態を維持するように、前記燃料改質気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を増量し、且つ前記出力気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を減量す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、出力調整部は、燃料改質気筒からの出力が負の値であった場合、つまり、出力気筒からの出力によって燃料改質気筒が駆動される状況である場合には、その分（燃料改質気筒の駆動に要する出力分）だけ出力気筒からの出力を増加させる。逆に、出力調整部は、燃料改質気筒からの出力が正の値であった場合、つまり、燃料改質気筒からの出力が機関出力に寄与する状況である場合には、その分（燃料改質気筒の出力分）だけ出力気筒からの出力を減少させる。これにより、燃料改質気筒からの出力と出力気筒からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させることができる。このため、燃料改質気筒の運転状態に関わりなく、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることができる。また、機関要求出力が増大する過渡運転時、燃料改質気筒内への燃料供給量を増量することで（改質燃料の生成量を増量することで）出力気筒からの出力を増大させた場合には、運転の安定性に支障を来す可能性がある。このため、本解決手段では、機関要求出力が増大する過渡運転時、出力気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を増量して、この出力気筒からの出力を増大させることにより、出力気筒からの出力と燃料改質気筒からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するようにする。これにより、運転の安定性を維持しながら、機関要求出力に一致または略一致する機関出力を得ることができる。また、その後、燃料改質気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を増量し、且つ出力気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を減量することにより、出力気筒の出力を得るための熱源を、出力気筒内に直接的に供給される燃料（インジェクタからの燃料）から、改質燃料（燃料改質気筒から供給される改質燃料）に遷移させていく。これにより、出力気筒からの出力と燃料改質気筒からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させながら、改質燃料を使用した運転状態へ移行させることができる。
また、前記出力気筒が複数備えられた内燃機関に対し、前記出力調整部は、前記機関要求出力から、前記燃料改質気筒からの出力を減算し、その減算結果の値を前記出力気筒の気筒数で除算することによって各出力気筒それぞれの目標出力を決定し、この決定した目標出力が得られるように前記出力調整動作を行うよう構成されていることが好ましい。
これによれば、燃料改質気筒からの出力が正の値であった場合には、この値が機関要求出力から減算されることで各出力気筒の目標出力としては比較的小さな値として決定される。一方、燃料改質気筒からの出力が負の値であった場合には、この値が機関要求出力から減算される（絶対値としては加算される）ことで各出力気筒の目標出力としては比較的大きな値として決定される。このため、何れにおいても、出力気筒からの出力と燃料改質気筒からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させることができる。
また、前記燃料改質気筒からの出力は、この燃料改質気筒の筒内圧力および燃料改質気筒の回転速度に基づいて求められる、または、前記燃料改質気筒で改質反応が行われる際の燃料改質気筒の回転速度に基づいて求められることが好ましい。
内燃機関におけるこれらの状態量によって燃料改質気筒からの出力を求めることで、この燃料改質気筒からの出力を高い精度で求めることが可能となる。その結果、出力気筒からの出力の調整を高い精度で行うことが可能になる。
また、前記燃料改質気筒からの出力が、この燃料改質気筒での改質反応が正常に行われていると仮定した場合の出力に比べて所定量以上下回った場合に、前記改質反応を促進するための改質反応促進動作を行う改質反応促進部を備えていることが好ましい。
例えば、燃料改質気筒内への燃料供給量を制御することで、出力気筒からの出力と燃料改質気筒からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させる場合に、燃料改質気筒での改質反応が正常に行われていなければ、前記出力の和を機関要求出力に一致させることが困難になる。このため、改質反応が正常に行われていることが好ましい。本解決手段では、燃料改質気筒からの出力が、この燃料改質気筒での改質反応が正常に行われていると仮定した場合の出力に比べて所定量以上下回った場合には、燃料改質気筒での改質反応が正常に行われていないと推定して、改質反応を促進するための改質反応促進動作を行うようにしている。このため、出力気筒からの出力と燃料改質気筒からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させる制御を良好に行うことが可能になる。
前記改質反応促進部による前記改質反応促進動作としては、前記燃料改質気筒内の当量比を１に近付ける、または、前記燃料改質気筒内のガス温度を上昇させるものであることが好ましい。
燃料改質気筒内の当量比を１に近付けることにより、燃料改質気筒内での酸化反応量が増大し、燃料改質気筒からの出力が上昇する。また、燃料改質気筒内のガス温度を上昇させることにより、燃料改質気筒内のガス状態としては改質反応が可能な状態となり、この改質反応に伴い、燃料改質気筒からの出力が上昇する。これにより、出力気筒からの出力と燃料改質気筒からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させる制御を良好に行うことが可能になる。
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、燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒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、前記燃料改質気筒と前記出力気筒とが互いに動力伝達可能に連結され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、前記燃料改質気筒からの出力を求め、この燃料改質気筒からの出力と前記出力気筒からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように、前記出力気筒からの出力を調整する出力調整動作を行うと共に、前記各気筒は、それぞれ気筒内に燃料を供給するインジェクタを備えており、前記出力調整動作において、前記機関要求出力が増大する過渡運転時、前記出力気筒内への前記インジェクタからの燃料供給量を増量して、この出力気筒からの出力を増大させることにより、この出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致するようにし、その後、前記出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致する状態を維持するように、前記燃料改質気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を増量し、且つ前記出力気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を減量す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、燃料改質気筒からの出力と出力気筒からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させることができ、燃料改質気筒の運転状態に関わりなく、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることができる。
本発明では、燃料改質気筒からの出力と出力気筒からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように、出力気筒からの出力を調整する出力調整動作を行うようにしている。このため、燃料改質気筒の運転状態に関わりなく、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることができる。
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。 過渡運転時の出力調整動作における機関要求出力、出力気筒への燃料供給量、出力気筒の正味出力、燃料改質気筒への燃料供給量、燃料改質気筒の正味出力それぞれの変化の一例を示すタイミングチャート図である。 出力調整動作の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、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Ｏ２センサ１０４、排気圧力センサ１０５、水温センサ１０６、筒内圧センサ１０７、クランクポジションセンサ１０８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、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。
筒内圧センサ１０７は、燃料改質室２３に臨んで配設され、この燃料改質室２３内の圧力に応じた出力信号をＥＣＵ１００に送信する。この燃料改質室２３内の圧力は、燃料改質室２３の図示出力（燃料改質室２３内での反応に起因する図示出力）の算出に利用することができる。
クランクポジションセンサ１０８は、例えば電磁ピックアップで構成されており、クランクシャフト１１または図示しないフライホイールに一体回転可能に設けられた図示しないＮｅロータの回転位置に応じたパルス信号をＥＣＵ１００に出力する。
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１０１〜１０８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、燃料改質気筒２からのトルクが負の値となっている場合、出力気筒３からの出力の一部は、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。
また、この内燃機関１の冷間始動時には、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、燃料改質気筒２の燃料改質室２３および出力気筒３の燃焼室３３では、それぞれ圧縮着火燃焼（通常ディーゼル燃焼相当の燃焼）が行われる。そして、燃料改質気筒２の暖機が進み、改質反応が可能な温度に達すると、前述した改質燃料の生成動作（燃料改質運転）に切り替えられることになる。このように、燃料改質気筒２は、出力気筒３と同様に機関出力を得るための気筒として機能することが可能であり、また、前述したように燃料改質装置として機能することが可能となっている。
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。
−出力気筒の出力調整動作−
次に、本実施形態の特徴である出力気筒３の出力調整動作について説明する。前述したように、燃料改質室２３において改質燃料を生成する場合、この燃料改質室２３内の当量比を高くすることにより、改質燃料への変換効率を高めることができる。しかしながら、燃料改質室２３内の当量比を高くすることは、この燃料改質室２３内での酸化反応量（燃焼量）を減少させることになる。この酸化反応はトルクに寄与するものであることから、前記当量比を高くして酸化反応量を減少させることは、燃料改質気筒２で発生するトルク（出力）を小さくすることに繋がる。そして、燃料改質室２３内での改質反応は吸熱反応を伴うものであることから、運転条件によっては、燃料改質気筒２からのトルクが負の値となる場合がある。つまり、出力気筒３からのトルクによって燃料改質気筒３が駆動（ピストン２２が往復動）される状態となる場合がある。このような運転状態にあっては、負荷等に応じた機関要求出力を満たしながらも燃料改質気筒２を駆動させる必要があるため、それに応じたトルクが出力気筒３から出力されていることが必要である。
また、燃料改質気筒２における改質反応は、図３を用いて前述したように、燃料改質気筒２内の当量比とガス温度（特に、圧縮端ガス温度）とに依存する。そして、前記当量比が（低下して）１に近づく場合には、酸化反応量が増大することで燃料改質気筒２で発生するトルクが正の値となる。また、このトルクの大きさは、前記当量比だけでなく前記ガス温度等の温度条件によっても変動する。このため、このような運転状態にあっては、内燃機関全体の出力（燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和）が機関要求出力となるように、出力気筒３から出力されるトルクを調整することが必要である。
本実施形態は、この点に鑑み、燃料改質気筒２からの出力（より具体的には後述する燃料改質気筒２からの正味出力）を求め、この燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力（より具体的には後述する出力気筒３からの正味出力）との和が機関要求出力に一致または略一致するように、出力気筒３からの出力を調整する出力調整動作を行うようにしている。この出力調整動作は、前記ＥＣＵ１００において実行される。このため、このＥＣＵ１００において、前記出力調整動作を行う機能部分が、本発明でいう出力調整部となっている。
この出力調整動作は、内燃機関１の定常運転時だけでなく過渡運転時においても行われる。以下、これら運転時における出力調整動作の概要について説明する。
（定常運転時の出力調整動作）
定常運転時の出力調整動作としては、燃料改質気筒２の出力算出動作、出力気筒３の目標出力算出動作が順に行われる。以下、各動作について説明する。
・燃料改質気筒の出力算出動作
先ず、燃料改質気筒２の出力算出動作について説明する。この燃料改質気筒２の出力算出動作は、燃料改質気筒２の正味出力を算出するものである。この正味出力は、燃料改質気筒２の１サイクル当たりの仕事量の積算値であって、燃料改質気筒２の図示出力から、この燃料改質気筒２の駆動に伴う機械損失分を減算することで得られる。
燃料改質気筒２の図示出力は、前記筒内圧センサ１０７からの出力信号およびクランクポジションセンサ１０８からの出力信号に基づいて算出することが可能である（本発明でいう、燃料改質気筒からの出力を、この燃料改質気筒の筒内圧力および燃料改質気筒の回転速度に基づいて求めることに相当）。
つまり、筒内圧センサ１０７からの出力信号に基づいて燃料改質室２３内の圧力を算出する。また、クランクポジションセンサ１０８からの出力信号に基づいて燃料改質気筒２のピストン位置を求める。そして、このピストン位置から燃料改質室２３の容積を幾何学的に算出する。このようにして燃料改質室２３内の圧力および燃料改質室２３の容積を所定時間毎にサンプリングしていき、これらサンプリング値を公知のＰ−Ｖ線図に当て嵌めることによって燃料改質気筒２の１サイクル当たりの図示出力を算出することができる。
また、前記燃料改質室２３内の圧力および燃料改質室２３の容積の各サンプリング値に応じて燃料改質気筒２の図示出力を抽出するマップを前記ＲＯＭに記憶させておき、このマップに前記各サンプリング値を当て嵌めていくことで燃料改質気筒２の１サイクル当たりの図示出力を求めるようにしてもよい。
また、燃料改質気筒２の駆動に伴う機械損失は、燃料改質気筒２の回転速度および燃料改質気筒２の温度に応じて求めることができる。具体的には、燃料改質気筒２の回転速度が高いほど、各摺動部分の摩擦抵抗が増大して機械損失は大きくなる。また、燃料改質気筒２の温度が低いほど、例えば潤滑油の粘度が高くなる等して機械損失は大きくなる。前記燃料改質気筒２の回転速度は、前記クランクポジションセンサ１０８からの出力信号に基づいて算出することが可能である。また、燃料改質気筒２の温度としては、水温センサ１０６からの出力信号に基づいて算出された冷却水温度や、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た吸入ガス温度等を適用することが可能である。このため、燃料改質気筒２の回転速度および燃料改質気筒２の温度（例えば冷却水温度）と機械損失との関係を実験またはシミュレーションによって求めておき、現在の燃料改質気筒２の回転速度および燃料改質気筒２の温度から機械損失を求め、それに応じた出力の損失分を前記図示出力から減算することで、燃料改質気筒２の正味出力を算出することができる。
また、燃料改質気筒２の正味出力を算出する手法としては、前述したものには限らず、燃料改質気筒２の改質反応時におけるクランクシャフト１１の回転速度（回転角速度）に基づいて算出することも可能である（本発明でいう、燃料改質気筒からの出力を、この燃料改質気筒で改質反応が行われる際の燃料改質気筒の回転速度に基づいて求めることに相当）。つまり、燃料改質気筒２の正味出力が大きいほど改質反応時におけるクランクシャフト１１の回転速度は高くなるので、この関係を利用して、燃料改質気筒２の正味出力を算出するものである。例えば、燃料改質気筒２のピストン２２が圧縮上死点から下死点に達するまでの間（クランク角度で１８０°の期間）でのクランクシャフト１１の平均回転速度（燃料改質気筒２のピストン２２が圧縮上死点から下死点に達するまでに要する時間をクランクポジションセンサ１０８からの出力信号に基づいて算出し、これをクランクシャフト１１の回転速度に換算することで求める）と、燃料改質気筒２の正味出力との関係を実験またはシミュレーションによって求めておき、今回の燃料改質気筒２の改質反応時におけるクランクシャフト１１の回転速度から燃料改質気筒２の正味出力を求めるものである。
更に、燃料改質気筒２の正味出力を算出する他の手法としては、クランクシャフト１１に公知のトルクセンサを設けておき、燃料改質気筒２の改質反応時においてクランクシャフト１１に発生しているトルクをトルクセンサによって検出することも挙げられる。
・出力気筒の目標出力算出動作
次に、出力気筒３の目標出力算出動作について説明する。前述したように、本実施形態では、燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように、出力気筒３からの出力を調整するようにしている。このため、出力気筒３の目標出力（出力気筒３の１気筒当たりが出力すべき正味出力）としては、以下の式（１）によって機関要求出力を規定し、この式（１）を以下の式（２）に変換することによって算出することができる。
Figure 0006669602
Figure 0006669602
これら式（１），（２）において、Ｐｏｕｔは機関要求出力、ｎｐｏｗｃｙｌは出力気筒３の気筒数、Ｐｐｏｗｃｙｌは出力気筒３の１気筒当たりの正味出力、ｎｒｆｍｃｙｌは燃料改質気筒２の気筒数、Ｐｒｆｍｃｙｌは燃料改質気筒２の１気筒当たりの正味出力である。前記燃料改質気筒２の１気筒当たりの正味出力Ｐｒｆｍｃｙｌは、前述した燃料改質気筒２の出力算出動作によって求められる。
式（２）における出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌが、出力気筒３の１気筒当たりの目標出力に相当することになる。このように、出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌは、機関要求出力Ｐｏｕｔから、燃料改質気筒２の正味出力（ｎｒｆｍｃｙｌ・Ｐｒｆｍｃｙｌ）を減算し、その減算結果の値を出力気筒３の気筒数ｎｐｏｗｃｙｌで除算することによって決定されることになる。
前述したように、燃料改質気筒２の１気筒当たりの正味出力Ｐｒｆｍｃｙｌは負の値となる場合がある。この場合、式（２）で算出される出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌとしては、燃料改質気筒２の１気筒当たりの正味出力Ｐｒｆｍｃｙｌが零である場合や正の値である場合に比べて大きな値として算出されることになる。つまり、出力気筒３が燃料改質気筒２の駆動源として機能する分だけ、この出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌ（出力気筒３の１気筒当たりの目標出力）は大きな値として算出されることになる。
このようにして出力気筒３の１気筒当たりの正味出力（出力気筒３の１気筒当たりが出力すべき正味出力；目標出力）Ｐｐｏｗｃｙｌが算出され、この正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌが得られるように燃料供給量の制御が行われる。
この出力気筒３の正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌを得るための燃料供給量の制御としては、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量を制御する場合と、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を制御する場合とが挙げられる。
インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量を制御する場合には、出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌとインジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量との関係が、予め実験またはシミュレーションによって求められて前記ＲＯＭにマップとして格納されている。そして、このマップを参照して、出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌ（出力気筒３の１気筒当たりの目標出力）から出力気筒３に供給する燃料量を求めることになる。これにより、燃料改質気筒２の運転状態に関わりなく、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることができる。
また、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を制御する場合には、出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌと改質燃料の生成量との関係、および、この改質燃料の生成量と燃料改質気筒２に供給する燃料量との関係が、予め実験またはシミュレーションによってそれぞれ求められて前記ＲＯＭにマップとして格納されている。そして、これらマップを参照して、出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌ（出力気筒３の１気筒当たりの目標出力）から燃料改質気筒２に供給する燃料量を求めることになる。これによっても、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることができる。
この場合、出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌを変化（増加または減少）させるに当たって、燃料改質気筒２に供給する燃料を変化（増量または減量）することになる。つまり、この供給燃料の変化に伴い、燃料改質気筒２の１気筒当たりの正味出力Ｐｒｆｍｃｙｌも変化する可能性がある。このため、この供給燃料の変化に伴って変化する燃料改質気筒２の１気筒当たりの正味出力Ｐｒｆｍｃｙｌを、前述した燃料改質気筒の出力算出動作によって求め、この値を前記式（２）に反映させながら出力気筒３の１気筒当たりの正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌを算出していくことで、この正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌが適正値（機関要求出力を得るための正味出力Ｐｐｏｗｃｙｌ）に収束していくことになる。
（過渡運転時の出力調整動作）
次に、過渡運転時の出力調整動作について説明する。機関負荷の増大や機関負荷の遮断等によって機関要求出力が変化した場合（前記機関要求出力Ｐｏｕｔが変化した場合）、それに応じて燃料改質気筒２の正味出力を急速に変化させると、内燃機関１の回転速度の急変を招くなどして運転の安定性に支障を来す可能性がある。このため、本実施形態では、過渡運転時、例えば、機関要求出力の上昇時には、先ず、インジェクタ３５から各出力気筒３の燃焼室３３への燃料供給量を増量して、出力気筒３の正味出力を、前記機関要求出力の上昇分だけ増加させる。その後、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を徐々に増量させると共に、インジェクタ３５から各燃焼室３３への燃料供給量を徐々に減量していく。つまり、燃料改質室２３での改質燃料の生成量を徐々に増量させながら、各燃焼室３３内に直接的に供給される燃料の量を減量していく。これにより、出力気筒３の正味出力（機関要求出力の変化に応じた正味出力；燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させるための正味出力）を得ながら、この出力気筒３の正味出力を得るための熱源を、インジェクタ３５により供給される燃料から、燃料改質室２３から供給される改質燃料に遷移させていく。
この過渡運転時の出力調整動作の理解を容易にするために、各気筒への燃料供給量および各気筒の正味出力の変化の一例について図４を用いて説明する。
この図４は、過渡運転時の出力調整動作における機関要求出力、出力気筒３への燃料供給量、出力気筒３の正味出力、燃料改質気筒２への燃料供給量、燃料改質気筒２の正味出力それぞれの変化の一例を示すタイミングチャート図である。また、この図４における出力気筒３の正味出力は、各出力気筒３の正味出力の合算値を表している。
この図４では、図中のタイミングｔ１で機関要求出力が急速に増大し、図中のタイミングｔ３で機関要求出力が急速に減少する（タイミングｔ１の前の状態に戻る）過渡運転時を表している。
図中のタイミングｔ１に達する前の定常運転状態では、出力気筒３の正味出力および燃料改質気筒２の正味出力が共に正の値となっており、これら正味出力の和が機関要求出力に一致するように制御される。つまり、図中の正味出力Ｐ２，Ｐ３の和が機関要求出力Ｐ１に一致するように制御される。この際、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給動作としては、前記微量の燃料供給が行われている。また、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給動作としては、前記機関要求出力（定常運転状態での機関要求出力）に応じた量の燃料供給が行われている。ここでのインジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量は、前述した定常運転時の出力調整動作で説明した式（２）で求められた出力気筒３の正味出力（出力気筒３の目標出力）に基づいて調整される。この場合、出力気筒３の正味出力Ｐ２は、機関要求出力Ｐ１対して、燃料改質気筒２の正味出力Ｐ３分だけ小さくなる。
図中のタイミングｔ１で機関要求出力が急速に増大した際、それに応じて出力気筒３の正味出力を急速に変化させることになるが、この場合、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量を増量して出力気筒３の正味出力を増大させ、この出力気筒３の正味出力と燃料改質気筒２の正味出力との和が機関要求出力に一致するように制御される。これにより、機関要求出力の変化に応じた出力気筒３の正味出力を得ながらも、運転の安定性を確保する。
その後、このタイミングｔ１からタイミングｔ２の期間に亘り、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を徐々に増量させると共に、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量を徐々に減量していく。つまり、燃料改質室２３での改質燃料の生成量を徐々に増量させながら、燃焼室３３内に直接的に供給される燃料の量を減量していく。これにより、出力気筒３の正味出力（機関要求出力の変化に応じた正味出力；燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させるための正味出力）を得ながら、この出力気筒３の正味出力を得るための熱源を、インジェクタ３５により供給される燃料から、燃料改質室２３から供給される改質燃料に遷移させていく。この際、各インジェクタ２５，３５からの燃料供給量の単位時間当たりの変化量は一定とされ、出力気筒３の正味出力と燃料改質気筒２の正味出力との和が機関要求出力に一致する状態が維持されるように制御される。
タイミングｔ２では、出力気筒３の正味出力は正の値となっているのに対し、燃料改質気筒２の正味出力は負の値となっている。この際においても、これら正味出力の和が機関要求出力に一致するように制御される。つまり、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給動作としては、前記微量の燃料供給が行われている。また、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給動作としては、前記機関要求出力（変化後の機関要求出力）に応じた量の燃料供給が行われている。これにより、図中の正味出力Ｐ５とＰ６との差が機関要求出力Ｐ４に一致するように制御される。このため、出力気筒３の正味出力Ｐ５は、機関要求出力Ｐ４に対して、燃料改質気筒２の正味出力Ｐ６分だけ大きくなる。
図中のタイミングｔ３で機関要求出力が急速に減少した際、それに応じて出力気筒３の正味出力を急速に変化させることになるが、この場合、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量としては前記の微量を維持しながら、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を一旦零に設定する。これにより、改質燃料供給系５に残存している改質燃料を燃焼室３３へ導入することにより、出力気筒３の正味出力を、変化後の機関要求出力に応じた値まで徐々に変化させる。
その後、タイミングｔ４からタイミングｔ５の期間に亘り、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給を開始して改質燃料の生成を再開させ、この改質燃料を燃焼室３３へ供給して、この改質燃料の燃焼によって前記出力気筒３の正味出力が得られるようにする。この際、インジェクタ２５からの燃料供給量の単位時間当たりの変化量は一定に制御される。
その後、タイミングｔ５以降の動作では、機関要求出力に応じた燃料量がインジェクタ２５から燃料改質室２３へ供給されることになる。このタイミングｔ５以降の動作では、前述したタイミングｔ１に達する前の定常運転状態の場合と同様に、図中の正味出力Ｐ８，Ｐ９の和が機関要求出力Ｐ７に一致している。
−出力気筒の出力調整動作−
次に、前述した出力気筒３の出力調整動作の手順について、図５のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートは、内燃機関１の始動後、例えば、燃料改質気筒２の１サイクル毎にＥＣＵ１００において実行される。
先ず、ステップＳＴ１において、内燃機関１が定常運転中であるか否かを判定する。この判定では、前記機関負荷の変動量が、予め設定された負荷変動閾値よりも大きいか否かを判定する。例えば、船舶のスロットル開度の変化量が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する。
機関負荷の変動量が負荷変動閾値以下であって、内燃機関１が定常運転中であると判定（ステップＳＴ１でＹＥＳ判定）された場合には、ステップＳＴ２に移り、前述した式（２）を使用して、出力気筒３の目標出力（出力気筒３が出力すべき正味出力）を算出する。つまり、前述した燃料改質気筒２の出力算出動作および出力気筒３の目標出力算出動作を行う。
その後、ステップＳＴ３に移り、この出力気筒３の目標出力が得られるように（出力気筒３の正味出力と燃料改質気筒２の正味出力との和が機関要求出力に一致するように）出力気筒３への燃料供給量が制御される。または、前述したように、燃料改質気筒２への燃料供給量が制御される。前述したように、式（２）で算出される出力気筒３の目標出力は、燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように決定されたものである。このため、この燃料供給量の制御が行われることで、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることができる。
一方、機関負荷の変動量が負荷変動閾値を超えており、内燃機関１が過渡運転中であると判定（ステップＳＴ１でＮＯ判定）された場合には、ステップＳＴ４に移り、機関負荷の変動は機関要求出力が上昇するものであるか否かを判定する。より具体的には、例えば船舶のスロットル開度が大きくなって機関負荷が大きくなったか否かを判定する。
機関負荷の変動は機関要求出力が上昇するものであり、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ５に移り、インジェクタ３５から出力気筒３に供給される燃料を増量する。つまり、図４におけるタイミングｔ１での燃料供給動作を実行する。即ち、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量を増量して出力気筒３の正味出力を増大させ、この出力気筒３の正味出力と燃料改質気筒２の正味出力との和が機関要求出力に一致するように制御される。
その後、ステップＳＴ６に移り、インジェクタ２５から燃料改質気筒２に供給される燃料を増量していくと共に、インジェクタ３５から出力気筒３に供給される燃料を減量していく。つまり、図４におけるタイミングｔ１からタイミングｔ２の期間に亘る燃料供給動作を実行する。即ち、出力気筒３の正味出力を得るための熱源を、インジェクタ３５により供給される燃料から、燃料改質室２３から供給される改質燃料に遷移させていく。
このような燃料供給動作を開始した後、ステップＳＴ７に移り、インジェクタ３５から出力気筒３に供給される燃料の供給量が所定量α以下に達したか否かを判定する。この所定量αは前述した燃焼室３３内の混合気を着火させるための微量の燃料供給量に相当する。
インジェクタ３５から出力気筒３に供給される燃料の供給量が所定量α以下に達しておらず（所定量αを超えており）、ステップＳＴ７でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ６に戻り、インジェクタ２５から燃料改質気筒２に供給される燃料を更に増量すると共に、インジェクタ３５から出力気筒３に供給される燃料を更に減量する。
そして、インジェクタ３５から出力気筒３に供給される燃料の供給量が所定量α以下に達し、ステップＳＴ７でＹＥＳ判定された場合には、現在の燃料供給量を支持した状態でリターンされる。この状態が、図４におけるタイミングｔ２からタイミングｔ３の期間の状態に相当する。
ステップＳＴ４においてＮＯ判定された場合、つまり、機関負荷の変動は機関要求出力が下降するものであると判定された場合には、ステップＳＴ８に移り、インジェクタ２５から燃料改質気筒２に供給される燃料を零に設定する。つまり、図４におけるタイミングｔ３での燃料供給動作を実行する。
このようにして燃料改質気筒２に供給される燃料を零に設定した時点から、ステップＳＴ９で、前記ＥＣＵ１００に予め格納されたタイマのカウントを開始する。このタイマは、例えば、改質燃料供給系５に残存している改質燃料の略全量が燃焼室３３へ導入されるまでの時間が経過した時点でカウントを終了する（タイムアップする）ものである。この時間は、予め実験またはシミュレーションによって設定されている。例えば、図４におけるタイミングｔ３からタイミングｔ４までの期間に相当する。
ステップＳＴ１０では、このタイマのカウントが終了したか否か（改質燃料供給系５に残存している改質燃料の略全量が燃焼室３３へ導入されたか否か）を判定する。未だ、タイマのカウントが終了していない場合には、タイマのカウントを継続させる。
一方、タイマのカウントが終了し、ステップＳＴ１０でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ１１に移り、インジェクタ２５から燃料改質気筒２への燃料供給を開始させる。つまり、現在の機関要求出力に応じた量の燃料が燃料改質室２３に供給されるようにインジェクタ２５を制御する。即ち、図４におけるタイミングｔ４での燃料供給動作を実行する。
以上の動作が繰り返されることにより、ステップＳＴ２およびステップＳＴ３の動作、ステップＳＴ５およびステップＳＴ６の動作、ステップＳＴ１１の動作が、本発明でいう「出力調整部による動作であって、燃料改質気筒からの出力を求め、この燃料改質気筒からの出力と出力気筒からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように、出力気筒からの出力を調整する出力調整動作」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からの出力が負の値であった場合、つまり、出力気筒３からの出力によって燃料改質気筒２が駆動される状況である場合には、その分（燃料改質気筒２の駆動に要する出力分）だけ出力気筒３からの出力が増加することになる。逆に、燃料改質気筒２からの出力が正の値であった場合、つまり、燃料改質気筒２からの出力が機関要求出力に寄与する状況である場合には、その分（燃料改質気筒２の出力分）だけ出力気筒３からの出力が減少することになる。これにより、燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和を機関要求出力に一致または略一致させることができる。その結果、燃料改質気筒２の運転状態に関わりなく、機関要求出力近傍の値として機関出力を安定的に得ることができる。
−燃料改質気筒の制御−
上述した出力調整動作が行われる場合、燃料改質気筒２にあっては、改質反応が正常に行われていることが好ましい。例えば、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を制御することで、燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和を機関要求出力に一致させる場合に、燃料改質気筒２おいて改質反応が正常に行われていなければ、前記出力の和を機関要求出力に一致させることが困難になる。このため、前記改質反応が正常に行われていることが好ましい。
そこで、本実施形態では、燃料改質気筒２での改質反応が正常に行われているか否かを判断し、この改質反応が正常に行われていないと推定された場合には、改質反応を正常に行わせるための制御（本発明でいう改質反応促進動作）を実行するようにしている。この改質反応促進動作は、前記ＥＣＵ１００において実行される。このため、このＥＣＵ１００において、前記改質反応促進動作を行う機能部分が、本発明でいう改質反応促進部となっている。
改質反応が正常に行われているか否かの判断としては、先ず、燃料改質気筒２での改質反応時における期待出力（改質反応が正常に行われていると仮定した場合の出力）を予め設定しておき、この期待出力と実際の出力（以下、実出力という）とを比較する。そして、実出力が期待出力を下回っており、その差が所定値以上である場合には、燃料改質気筒２での改質反応が良好に行われていないと判断する。
具体的には、燃料改質気筒２の期待出力を以下の式（３）によって算出する。
Figure 0006669602
この式（３）において、Ｐｅｐｔは燃料改質気筒２の期待出力、Ψｉは吸入ガスの組成に基づく変数（例えば各ガス成分それぞれのモル分率）、ｇｉｎは燃料改質室２３に導入される吸入ガス量、ｇｆｕｅｌは燃料改質室２３に供給される燃料量である。つまり、この式（３）は、吸入ガス量等を変数とする演算式であって、実験またはシミュレーションに基づいて作成されたものである。
また、予め要素試験等によって各要因の影響度合いを把握しておき、マップ等に基づいて燃料改質気筒２の期待出力Ｐｅｐｔを求めるようにしてもよい。
そして、前記燃料改質気筒２の期待出力Ｐｅｐｔと前記燃料改質気筒２の実出力（前記正味出力に相当）Ｐｒｆｍｃｙｌとを比較するに際し、これらの測定誤差を考慮し、これらの差が所定値以上である場合には、燃料改質気筒２での改質反応が良好に行われていないと判断するようにする。
具体的には、期待出力下限値Ｐｅｐｔ＿Ｌｏｗを予め設定しておき、燃料改質気筒２の実出力Ｐｒｆｍｃｙｌが前記期待出力下限値Ｐｅｐｔ＿Ｌｏｗを下回った場合に、燃料改質気筒２での改質反応が良好に行われていないと判断する。
また、期待出力下限値Ｐｅｐｔ＿Ｌｏｗとしては、期待出力Ｐｅｐｔから所定量だけ下回った値として設定してもよいし（以下の式（４）を参照）、内燃機関１の運転状態から算出するようにしてもよい（以下の式（５）を参照）。
Figure 0006669602
Figure 0006669602
このようにして、燃料改質気筒２での改質反応が良好に行われていないと判断された場合、この改質反応を良好に行わせるための手段としては、圧縮端ガス温度の上昇、および、燃料改質室２３内の当量比の低下が挙げられる。つまり、前述したように、燃料改質気筒２における改質反応は、燃料改質気筒２内の当量比と圧縮端ガス温度とに依存することから、これらパラメータが、改質反応が良好に行われる方向に調整する。
燃料改質室２３での実際の圧縮端ガス温度は以下の式（６）によって算出（推定）することが可能である。
Figure 0006669602
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り、Ｃｒｅａｃｔは燃料改質室２３での改質反応（特に部分酸化反応）に伴う温度上昇分（ピストン２２が圧縮上死点に達した時点での改質反応による温度上昇分）を考慮した補正係数である。
この式（６）におけるパラメータを、圧縮端ガス温度ＴＴＤＣを上昇させるように補正することで、改質反応が良好に行われる方向に調整する。例えば、バイパス量調整弁７５の開度を大きくし、ＥＧＲガス冷却器７２をバイパスするＥＧＲガス量を増量し、圧縮前のガス温度Ｔｉｎｉを高くする。また、可変動弁装置２８の制御によって吸気バルブ２６の閉弁タイミングを下死点側に移行させ、燃料改質気筒２の有効圧縮比を高くする。また、冷却水温度や燃料改質室２３内の当量比を変化させて前記吸入ガスのポリトロープ数κを大きくする。また、燃料改質室２３内の酸素濃度を高くすることで、改質反応に伴う温度上昇分Ｃｒｅａｃｔを多くする。
また、吸気量調整弁４５の開度を大きくすると共に、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度を小さくし、燃料改質室２３内の酸素量を増量させることによって燃料改質室２３内の当量比を１に近づける。また、バイパス量調整弁７５の開度を小さくし、ＥＧＲガス冷却器７２をバイパスするＥＧＲガス量を減量し、燃料改質室２３内に導入される吸入ガスの温度を下げることで酸素の充填効率を高めて、燃料改質室２３内の当量比を１に近づける。
これらの動作によって改質反応の改善を図る。これにより、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を制御することで、燃料改質気筒２からの出力と出力気筒３からの出力との和を機関要求出力に一致させるといった前記制御が良好に行われることになる。
−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、機関要求出力が急速に増大した過渡運転時には、一旦、出力気筒３の正味出力を急速に変化させ、その直後から、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を徐々に増量させると共に、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量を徐々に減量させるようにしていた。本発明はこれに限らず、前記出力気筒３の正味出力を急速に変化させた後、所定時間だけその状態を維持し、その後、インジェクタ２５から燃料改質室２３への燃料供給量を徐々に増量させると共に、インジェクタ３５から燃焼室３３への燃料供給量を徐々に減量させるようにしてもよい。
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）
３ 出力気筒
２５，３５ インジェクタ
１００ ＥＣＵ
１０７ 筒内圧センサ
１０８ クランクポジションセンサ

Claims (6)

  1. 燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒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、前記燃料改質気筒と前記出力気筒とが互いに動力伝達可能に連結された内燃機関に適用される制御装置において、
    前記燃料改質気筒からの出力を求め、この燃料改質気筒からの出力と前記出力気筒からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように、前記出力気筒からの出力を調整する出力調整動作を行う出力調整部を備えており、
    前記各気筒は、それぞれ気筒内に燃料を供給するインジェクタを備えており、
    前記出力調整部は、前記機関要求出力が増大する過渡運転時、前記出力気筒内への前記インジェクタからの燃料供給量を増量して、この出力気筒からの出力を増大させることにより、この出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致するようにし、その後、前記出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致する状態を維持するように、前記燃料改質気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を増量し、且つ前記出力気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を減量す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. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
    前記出力気筒は複数備えられており、
    前記出力調整部は、前記機関要求出力から、前記燃料改質気筒からの出力を減算し、その減算結果の値を前記出力気筒の気筒数で除算することによって各出力気筒それぞれの目標出力を決定し、この決定した目標出力が得られるように前記出力調整動作を行う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。
  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、
    前記燃料改質気筒からの出力は、この燃料改質気筒の筒内圧力および燃料改質気筒の回転速度に基づいて求められる、または、前記燃料改質気筒で改質反応が行われる際の燃料改質気筒の回転速度に基づいて求められることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  4. 請求項１、２または３記載の内燃機関の制御装置において、
    前記燃料改質気筒からの出力が、この燃料改質気筒での改質反応が正常に行われていると仮定した場合の出力に比べて所定量以上下回った場合に、前記改質反応を促進するための改質反応促進動作を行う改質反応促進部を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  5. 請求項４記載の内燃機関の制御装置において、
    前記改質反応促進部による前記改質反応促進動作は、前記燃料改質気筒内の当量比を１に近付ける、または、前記燃料改質気筒内のガス温度を上昇させるものであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 燃料改質装置として機能することが可能な燃料改質気筒と、この燃料改質気筒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、前記燃料改質気筒と前記出力気筒とが互いに動力伝達可能に連結された内燃機関に適用される制御方法であって、
    前記燃料改質気筒からの出力を求め、この燃料改質気筒からの出力と前記出力気筒からの出力との和が機関要求出力に一致または略一致するように、前記出力気筒からの出力を調整する出力調整動作を行うと共に、前記各気筒は、それぞれ気筒内に燃料を供給するインジェクタを備えており、前記出力調整動作において、前記機関要求出力が増大する過渡運転時、前記出力気筒内への前記インジェクタからの燃料供給量を増量して、この出力気筒からの出力を増大させることにより、この出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致するようにし、その後、前記出力気筒からの出力と前記燃料改質気筒からの出力との和が前記機関要求出力に一致または略一致する状態を維持するように、前記燃料改質気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を増量し、且つ前記出力気筒内へのインジェクタからの燃料供給量を減量することを特徴とする内燃機関の制御方法。
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