KR20180122714A - 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 개질 기통 (2) 에 있어서 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이르는 시점에 있어서의 연료 개질실 (23) 의 가스 온도가, 연료 개질실 (23) 내의 당량비에 따라 설정되는 수트 발생 하한 온도 이상이 되는 것으로 추정된 경우, 연료 개질실 (23) 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 반응 가스 온도 조정 동작을 실행한다. 또한, 흡기 밸브 (26) 의 폐쇄 타이밍을 변경하여 연료 개질실 (23) 의 유효 압축비를 낮게 한다.

Description

내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법
본 발명은 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 연료 개질 장치로서 기능하는 것이 가능한 연료 개질 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 연료 개질 기통과 출력 기통을 구비한 내연 기관이 알려져 있다 (예를 들어 특허문헌 1). 이 종류의 내연 기관은, 연료 개질 기통에 있어서 연료를 개질한다. 그리고, 그 개질 후의 연료 (이하, 개질 연료라고 한다) 를 출력 기통에 있어서 연소시킴으로써 기관 출력을 얻는다.
구체적으로는, 연료 개질 기통에 경유나 중유 등의 연료를 공급하고, 이 연료 개질 기통 내에 있어서 당량비가 높은 혼합기를 단열 압축한다. 이에 의해, 고온 고압의 환경하에서 연료가 개질되어, 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 안티노크성이 높은 개질 연료 (고옥탄가 연료) 가 생성된다. 그리고, 이 개질 연료를 공기와 함께 출력 기통에 공급하고, 이 출력 기통 내에 있어서 희박 혼합기의 연소 (균일 희박 연소) 가 실시됨으로써 기관 출력이 얻어진다.
이 종류의 내연 기관에 의하면, 출력 기통 내에 있어서 균일 희박 연소가 실시되기 때문에, NOx 배출량의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 안티노크성이 높은 연료의 연소가 실시되기 때문에, 노킹이 억제됨과 함께 디젤 마이크로 파일럿 착화 (출력 기통 내에 미량의 연료를 공급하는 것에 의한 개질 연료의 착화) 에 의해 최적의 시기에서의 연소를 실현할 수 있으므로, 연소 효율의 향상을 도모할 수도 있다.
일본 공개특허공보 2014-136978호
이와 같이 연료 개질 기통에 있어서 개질 연료를 생성하는 경우, 이 연료 개질 기통 내의 당량비를 높게 하여, 산화 반응 (연소) 을 억제하면서 개질 반응이 실시되도록 하고 있다.
또한, 연료 개질 기통 내에 공급되는 연료의 양은, 기관 부하에 따라 변경된다. 요컨대, 내연 기관의 저부하 운전시에는, 연료 개질 기통 내에 공급되는 연료의 양은 적어진다. 이와 같이 연료 개질 기통 내로의 연료 공급량이 적어진 경우, 이 연료 개질 기통 내의 당량비가 (저하하여) 1 에 가까워질 가능성이 있다. 이와 같은 상황에서는, 연료 개질 기통 내에서의 연료의 산화 반응량 (연소량) 이 많아지고, 발생 열량이 많아져 연료 개질 기통 내의 온도 (반응 가스 온도) 가 높아지게 된다.
도 4 는, 세로축을 연료 개질 기통 내의 당량비로 하고, 가로축을 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도로 한 경우에 있어서의, 개질 반응 가능역, 개질 반응 불능역, 및, 개질 반응 가능역 내에 있어서의 수트 (탄소 입자) 의 생성역을 나타내고 있다. 요컨대, 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 수트 생성역에 있는 상황에서는, 생성된 개질 연료 중에 비교적 다량의 수트가 존재하게 된다.
내연 기관의 중부하 운전시나 고부하 운전시 (연료 개질 기통 내의 당량비가 비교적 높은 운전역) 로서, 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 도면 중의 점 A (개질 반응 가능역 내에 있어서 수트 생성역으로부터 벗어난 점) 에 있는 상태로부터, 기관 부하가 저하하고, 연료 개질 기통 내의 당량비가 1 에 가까워진 경우에는, 전술한 바와 같이, 산화 반응량의 증대에 수반하여 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도가 높아진다 (도 4 에 있어서의 화살표 I 를 참조). 그리고, 이 때의 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 점 B (수트 생성역 내의 점) 의 상태가 된 경우에는, 생성된 개질 연료 중에 비교적 다량의 수트가 포함되는 상황이 되고, 이 수트가 출력 기통을 향하여 도출되게 된다.
이와 같은 수트가 도출되는 상황에서는, 출력 기통에서의 개질 연료의 연소에 악영향을 주거나, 이 출력 기통 내에서 수트를 처리할 수 없는 경우에는, 대기 중으로 수트가 방출되어 버릴 가능성이 있다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 연료 개질 기통 및 출력 기통을 구비한 내연 기관에 대하여, 연료 개질 기통에서의 수트의 발생을 억제하는 것이 가능한 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해결 수단은, 연료 개질 장치로서 기능하는 것이 가능한 연료 개질 기통과, 이 연료 개질 기통에서 생성된 개질 연료가 공급되어 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 장치를 전제로 한다. 그리고, 이 내연 기관의 제어 장치는, 연료 개질시에 있어서의 상기 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 이 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 의해 규정되는 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비에 따라 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하는 반응 가스 온도 조정부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 특정 사항에 의해, 반응 가스 온도 조정부에 의해, 연료 개질 기통 내의 당량비에 따른 반응 가스 온도의 조정이 실시되고, 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되게 된다. 이 때문에, 연료 개질 기통에서의 수트의 발생을 억제하면서 개질 연료를 생성할 수 있다. 그 결과, 수트가 원인으로 출력 기통에서의 개질 연료의 연소에 악영향을 주거나, 대기 중으로 수트가 방출되게 하거나 하는 것이 억제된다.
또한, 상기 반응 가스 온도 조정부는, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비가 저하하여 1 에 가까워진 것에 수반하는 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량을 변경하도록 되어 있고, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비가 1 에 가까워질수록, 상기 제어량을 크게 하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 연료 개질 기통 내의 당량비가 저하하여 1 에 가까워질수록, 연료 개질 기통 내에서의 연료의 산화 반응량이 많아지고, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도는 높아진다. 이 때문에, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 상기 수트 생성역에 들어갈 가능성이 높아진다. 본 해결 수단에서는, 연료 개질 기통 내의 당량비가 1 에 가까워질수록 상기 제어량 (연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량) 을 크게 하여, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하도록 하고 있다. 이에 의해, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록 하고 있다. 그 결과, 연료 개질 기통에서의 수트의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 반응 가스 온도 조정부는, 상기 출력 기통으로부터 배출된 배기 가스의 상기 연료 개질 기통 내로의 환류량 및 이 환류되는 배기 가스의 온도 중 적어도 일방을 조정함으로써, 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응 가스 온도 조정부는, 상기 연료 개질 기통의 유효 압축비를 조정함으로써, 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하도록 구성되어 있어도 된다.
이와 같이, 출력 기통으로부터 배출된 배기 가스의 연료 개질 기통 내로의 환류량, 이 환류되는 배기 가스의 온도, 및, 연료 개질 기통의 유효 압축비의 어느 것을 조정해도 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하는 것이 가능하다. 그리고, 이 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 조정에 의해, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록 하고, 이에 의해, 연료 개질 기통에서의 수트의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량이 제어 가능 범위의 한계치에 이르러도, 상기 연료 개질시에 있어서의 상기 연료 개질 기통의 당량비 및 반응 가스 온도가 상기 수트 생성역에 있는 것으로 추정된 경우에는, 상기 연료 개질 기통에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 상기 반응 가스 온도 조정부에 의한 제어에서는 수트의 억제가 불가능한 것으로 판단된 것에 수반하여, 연료 개질 기통에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하게 된다. 예를 들어, 연료 개질 기통 내로의 연료 공급을 정지한다. 이에 의해, 수트의 발생원인 연료가 없어짐으로써, 연료 개질 기통에서의 수트의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 전술한 각 해결 수단에 관련된 내연 기관의 제어 장치에 의해 실시되는 내연 기관의 제어 방법도 본 발명의 기술적 사상의 범주이다. 요컨대, 연료 개질 장치로서 기능하는 것이 가능한 연료 개질 기통과, 이 연료 개질 기통에서 생성된 개질 연료가 공급되어 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 방법을 전제로 한다. 그리고, 이 내연 기관의 제어 방법은, 연료 개질시에 있어서의 상기 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 이 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 의해 규정되는 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비에 따라 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하는 것을 특징으로 한다.
이 제어 방법에 의해서도, 전술한 바와 같이, 연료 개질 기통에서의 수트의 발생을 억제하면서 개질 연료를 생성할 수 있다. 그 결과, 수트가 원인으로 출력 기통에서의 개질 연료의 연소에 악영향을 주거나, 대기 중으로 수트가 방출되게 하거나 하는 것이 억제된다.
본 발명에서는, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록, 연료 개질 기통 내의 당량비에 따라 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하도록 하고 있다. 이 때문에, 연료 개질 기통에서의 수트의 발생을 억제하면서 개질 연료를 생성할 수 있다. 그 결과, 수트가 원인으로 출력 기통에서의 개질 연료의 연소에 악영향을 주거나, 대기 중으로 수트가 방출되게 하거나 하는 것을 억제할 수 있다.
도 1 은 실시형태에 관련된 내연 기관의 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 내연 기관의 제어계의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 은 당량비 및 압축단 가스 온도와, 개질 반응 가능역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4 는 연료 개질실 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 따른, 개질 반응 가능역, 개질 반응 불능역, 및, 개질 반응 가능역 내에 있어서의 수트의 생성역을 나타내는 도면이다.
도 5 는 냉각수 온도에 따른 수정 폴리트로프수의 연산 로직을 나타내는 블록도이다.
도 6 은 당량비에 따른 수정 폴리트로프수의 연산 로직을 나타내는 블록도이다.
도 7 은 연료 개질실 내의 당량비, 반응 가스 온도 및 수트 발생량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8 은 내연 기관의 제어 순서를 나타내는 플로우 차트도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 선박용의 내연 기관에 본 발명을 적용한 경우에 대하여 설명한다.
-내연 기관의 시스템 구성-
도 1 은 본 실시형태에 관련된 내연 기관의 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
이 도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 은, 연료 개질 기통 (2) 및 출력 기통 (3) 을 구비하고 있다. 또한, 이 내연 기관 (1) 은, 상기 연료 개질 기통 (2) 이나 상기 출력 기통 (3) 에 대하여, 가스의 공급 (도입) 또는 가스의 배출 (도출) 을 실시하기 위한 배관계로서, 흡기계 (4), 개질 연료 공급계 (5), 배기계 (6), EGR 계 (7), 및, 출력 기통 바이패스계 (8) 를 구비하고 있다.
(연료 개질 기통 및 출력 기통)
연료 개질 기통 (2) 및 출력 기통 (3) 은, 모두 레시프로케이팅형으로 구성되어 있다. 구체적으로, 각 기통 (2, 3) 은, 실린더 블록 (도시 생략) 에 형성된 실린더 보어 (21, 31) 내에 피스톤 (22, 32) 이 자유롭게 왕복동 가능하도록 수용되어 구성되어 있다. 연료 개질 기통 (2) 에서는, 실린더 보어 (21), 피스톤 (22), 도시하지 않은 실린더 헤드에 의해 연료 개질실 (23) 이 형성되어 있다. 출력 기통 (3) 에서는, 실린더 보어 (31), 피스톤 (32), 도시하지 않은 실린더 헤드에 의해 연소실 (33) 이 형성되어 있다.
본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 은, 실린더 블록에 4 개의 기통이 구비되고, 그 중의 1 개의 기통이 연료 개질 기통 (2) 으로서 구성되어 있고, 다른 3 개의 기통이 출력 기통 (3) 으로서 구성되어 있다. 그리고, 연료 개질 기통 (2) 에서 생성된 개질 연료가 각 출력 기통 (3) 각각에 공급되는 구성으로 되어 있다. 각 기통 (2, 3) 의 수는 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실린더 블록에 6 개의 기통이 구비되고, 그 중의 2 개의 기통이 연료 개질 기통 (2) 으로서 구성되어 있고, 다른 4 개의 기통이 출력 기통 (3) 으로서 구성되어 있어도 된다.
각 기통 (2, 3) 의 피스톤 (22, 32) 은 각각 커넥팅 로드 (24, 34) 를 개재하여 크랭크 샤프트 (11) 에 연결되어 있다. 이에 의해, 피스톤 (22, 32) 의 왕복 운동과 크랭크 샤프트 (11) 의 회전 운동 사이에서 운동이 변환되도록 되어 있다. 크랭크 샤프트 (11) 는, 클러치 기구 (도시 생략) 를 개재하여 선박의 스크루축에 연결 가능하게 되어 있다. 연료 개질 기통 (2) 의 피스톤 (22) 과 출력 기통 (3) 의 피스톤 (32) 은 상기 커넥팅 로드 (24, 34) 및 크랭크 샤프트 (11) 를 개재하여 서로 연결되어 있다. 이 때문에, 이들 기통 (2, 3) 사이에서의 동력 전달이나, 이들 기통 (2, 3) 으로부터 출력된 동력의 스크루축으로의 전달 등이 가능하게 되어 있다.
연료 개질 기통 (2) 에는, 연료 개질실 (23) 에 개질 전의 연료로서 예를 들어 경유 등의 연료를 공급하는 인젝터 (25) 가 구비되어 있다. 이 연료 개질실 (23) 에서는, 인젝터 (25) 로부터 연료가 공급됨으로써, 당량비가 높은 혼합기가 단열 압축된다. 이에 의해, 고온 고압의 환경하에서 연료가 개질되어, 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 안티노크성이 높은 개질 연료가 생성된다.
출력 기통 (3) 에는, 연소실 (33) 에 예를 들어 경유 등의 연료를 공급하는 인젝터 (35) 가 구비되어 있다. 이 연소실 (33) 에서는, 상기 연료 개질 기통 (2) 에서 생성된 개질 연료가 공기와 함께 공급되고, 이 연소실 (33) 에서 희박 혼합기의 희박 예혼합 연소가 실시된다. 이에 의해, 피스톤 (32) 의 왕복동에 수반하여 크랭크 샤프트 (11) 가 회전하여, 기관 출력이 얻어진다.
(흡기계)
흡기계 (4) 는, 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 및 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 각각에 공기 (신기(新氣)) 를 도입하는 것이다.
이 흡기계 (4) 는, 메인 흡기 통로 (41), 이 메인 흡기 통로 (41) 가 2 계통으로 분기되어 이루어지는 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 를 구비하고 있다. 메인 흡기 통로 (41) 에는, 터보 차저 (12) 의 컴프레서 휠 (12a) 이 구비되어 있다. 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 는 연료 개질 기통 (2) 의 흡기 포트에 연통되어 있다. 이 흡기 포트와 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 사이에는 흡기 밸브 (26) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다. 또한, 이 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에는 개도 조정 가능한 흡기량 조정 밸브 (45) 가 구비되어 있다. 출력 기통 흡기 통로 (43) 는 출력 기통 (3) 의 흡기 포트에 연통되어 있다. 이 흡기 포트와 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 사이에는 흡기 밸브 (36) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다. 또한, 이 출력 기통 흡기 통로 (43) 에는 흡기 냉각기 (인터 쿨러) (44) 가 구비되어 있다.
(개질 연료 공급계)
개질 연료 공급계 (5) 는, 상기 연료 개질 기통 (2) 에서 생성된 개질 연료를 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 을 향하여 공급하는 것이다.
이 개질 연료 공급계 (5) 는 개질 연료 공급 통로 (51) 를 구비하고 있다. 이 개질 연료 공급 통로 (51) 에는 개질 연료 냉각기 (52) 가 구비되어 있다. 개질 연료 공급 통로 (51) 의 상류단은 연료 개질 기통 (2) 의 배기 포트에 연통되어 있다. 이 배기 포트와 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 사이에는 배기 밸브 (27) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다. 또한, 개질 연료 공급 통로 (51) 의 하류단은 출력 기통 흡기 통로 (43) 에 연통되어 있다. 이 개질 연료 공급 통로 (51) 와 출력 기통 흡기 통로 (43) 의 연통 부분에는 믹서 (53) 가 형성되어 있다. 이 때문에, 연료 개질 기통 (2) 에서 생성된 개질 연료는, 이 믹서 (53) 에 있어서, 출력 기통 흡기 통로 (43) 를 흐르는 공기와 혼합되어 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에 공급되게 된다.
(배기계)
배기계 (6) 는, 상기 출력 기통 (3) 에서 발생한 배기 가스를 배출하는 것이다. 이 배기계 (6) 는 배기 통로 (61) 를 구비하고 있다. 이 배기 통로 (61) 에는, 터보 차저 (12) 의 터빈 휠 (12b) 이 구비되어 있다. 배기 통로 (61) 는 출력 기통 (3) 의 배기 포트에 연통되어 있다. 이 배기 포트와 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 사이에는 배기 밸브 (37) 가 개폐 가능하게 배치 형성되어 있다.
(EGR 계)
EGR 계 (7) 는, 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 와 출력 기통 EGR 계 (7B) 를 구비하고 있다.
연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 는, 상기 배기 통로 (61) 를 흐르는 배기 가스의 일부를 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 을 향하여 공급하는 것이다. 이 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 는 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 를 구비하고 있다. 이 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 는, 상류단이 배기 통로 (61) 에, 하류단이 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 있어서의 흡기량 조정 밸브 (45) 의 하류측에 각각 연통되어 있다. 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 에는 EGR 가스 냉각기 (72) 가 구비되어 있다. 또한, 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 에 있어서의 EGR 가스 냉각기 (72) 보다 하류측 (연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 측) 에는 EGR 가스량 조정 밸브 (73) 가 구비되어 있다. 또한, 이 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 에는, EGR 가스 냉각기 (72) 를 바이패스하여 EGR 가스를 흘리기 위한 쿨러 바이패스 통로 (74) 가 형성되어 있다. 이 쿨러 바이패스 통로 (74) 에는 바이패스량 조정 밸브 (75) 가 구비되어 있다.
한편, 출력 기통 EGR 계 (7B) 는, 상기 배기 통로 (61) 를 흐르는 배기 가스의 일부를 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 로 되돌리는 것이다. 이 출력 기통 EGR 계 (7B) 는 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 구비하고 있다. 이 출력 기통 EGR 통로 (76) 는, 상류단이 배기 통로 (61) 에, 하류단이 출력 기통 흡기 통로 (43) 에 있어서의 믹서 (53) 의 하류측에 각각 연통되어 있다. 출력 기통 EGR 통로 (76) 에는 EGR 가스 냉각기 (77) 가 구비되어 있다. 또한, 출력 기통 EGR 통로 (76) 에 있어서의 EGR 가스 냉각기 (77) 보다 하류측 (출력 기통 흡기 통로 (43) 측) 에는 EGR 가스량 조정 밸브 (78) 가 구비되어 있다.
(출력 기통 바이패스계)
출력 기통 바이패스계 (8) 는, 상기 연료 개질 기통 (2) 으로부터 배출된 가스를 출력 기통 (3) 에 공급하지 않고 (출력 기통 (3) 을 바이패스시켜), 상기 배기 통로 (61) 에 도입하기 위한 것이다. 이 출력 기통 바이패스계 (8) 는 출력 기통 바이패스 통로 (81) 를 구비하고 있다. 이 출력 기통 바이패스 통로 (81) 는, 상류단이 개질 연료 공급 통로 (51) 에 있어서의 개질 연료 냉각기 (52) 의 상류측에, 하류단이 출력 기통 EGR 통로 (76) 에 있어서의 EGR 가스 냉각기 (77) 의 상류측 (배기 통로 (61) 측) 에 각각 연통되어 있다. 또한, 이 출력 기통 바이패스 통로 (81) 에는 바이패스량 조정 밸브 (82) 가 구비되어 있다.
또한, 전술한 각 계에 구비되어 있는 냉각기 (44, 52, 72, 77) 는, 가스를 냉각시키기 위한 냉열원으로서, 엔진 냉각수 또는 해수 등이 사용된다. 또한, 이들 냉각기 (44, 52, 72, 77) 는 공랭식의 것이어도 된다.
-내연 기관의 제어계-
도 2 는, 내연 기관 (1) 의 제어계의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 내연 기관 (1) 에는, 이 내연 기관 (1) 에 구비된 각종 액추에이터를 제어하기 위한 제어 장치에 상당하는 ECU (Electronic Control Unit) (100) 가 구비되어 있다. 이 ECU (100) 는, CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory) 및 백업 RAM 등을 구비하고 있다.
ROM 에는, 각종 제어 프로그램이나, 그것들 각종 제어 프로그램을 실행할 때에 참조되는 맵 등이 기억되어 있다. CPU 는, ROM 에 기억된 각종 제어 프로그램이나 맵에 기초하여 연산 처리를 실행한다. 또한, RAM 은 CPU 에서의 연산 결과나 각 센서로부터 입력된 데이터 등을 일시적으로 기억하는 메모리이다. 또한, 백업 RAM 은 시스템 정지시 등에 있어서 보존해야 할 데이터 등을 기억하는 불휘발성의 메모리이다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 내연 기관 (1) 에는, 흡기 유량 센서 (101), 흡입 가스 압력 센서 (102), 흡입 가스 온도 센서 (103), 흡입 가스 O2 센서 (104), 배기 압력 센서 (105), 수온 센서 (106) 등이 구비되어 있다.
흡기 유량 센서 (101) 는, 상기 메인 흡기 통로 (41) 를 흐르는 흡기 (공기) 의 유량에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
흡입 가스 압력 센서 (102) 는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 를 흐르는 흡입 가스의 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 대한 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 의 연통 부분보다 하류측의 흡입 가스 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
흡입 가스 온도 센서 (103) 는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 를 흐르는 흡입 가스의 온도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 대한 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 의 연통 부분보다 하류측의 흡입 가스 온도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
흡입 가스 O2 센서 (104) 는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 를 흐르는 흡입 가스 중의 산소 농도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 대한 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 의 연통 부분보다 하류측의 흡입 가스 중 산소 농도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
배기 압력 센서 (105) 는, 상기 배기 통로 (61) 를 흐르는 배기의 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 배기 통로 (61) 에 대한 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 의 연통 부분보다 상류측의 배기 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
수온 센서 (106) 는, 실린더 블록에 형성된 냉각수 통로 (13) 내를 흐르는 냉각수의 온도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 연료 개질 기통 (2) 의 주위에 형성되어 있는 냉각수 통로 (13) 내를 흐르는 냉각수의 온도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
또한, ECU (100) 에는, 상기 각 인젝터 (25, 35), 각 조정 밸브 (45, 73, 75, 78, 82) 등이 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 연료 개질 기통 (2) 의 흡기 밸브 (26) 및 배기 밸브 (27) 각각에는 가변동 밸브 장치 (28, 29) 가 구비되어 있고, 각 밸브 (26, 27) 의 개폐 타이밍을 조정하는 것이 가능하게 되어 있다. ECU (100) 는, 이 가변동 밸브 장치 (28, 29) 에도 전기적으로 접속되어 있다. ECU (100) 는, 상기한 각종 센서 (101 ∼ 106) 의 출력 신호 등에 기초하여, 상기 각 인젝터 (25, 35) 의 연료 분사 제어 (인젝터 (25, 35) 의 개폐 제어), 각 조정 밸브 (45, 73, 75, 78, 82) 의 개폐 제어 (가스 유량 제어), 및, 가변동 밸브 장치 (28, 29) 에 의한 각 밸브 (26, 27) 의 개폐 타이밍 제어를 실시한다.
-내연 기관의 기본 동작-
다음으로, 전술한 바와 같이 구성된 내연 기관 (1) 의 기본 동작에 대하여 설명한다.
내연 기관 (1) 의 난기가 완료되어 있는 상태 (연료 개질실 (23) 에서의 연료의 개질 반응이 가능하게 되어 있는 상태) 에서의 기본 동작으로서, 메인 흡기 통로 (41) 에 도입되는 공기는, 터보 차저 (12) 의 컴프레서 휠 (12a) 에 의해 가압된다. 그리고, 이 공기는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 로 분류된다. 이 때, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 를 흐르는 흡기의 유량은 흡기량 조정 밸브 (45) 에 의해 조정된다. 또한, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에는, 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 를 흐른 EGR 가스가 도입된다. 이 때, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 도입되는 EGR 가스량은 EGR 가스량 조정 밸브 (73) 에 의해 조정된다. 또한, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 도입되는 EGR 가스의 온도는 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도에 따라 EGR 가스 냉각기 (72) 를 바이패스하는 EGR 가스량에 의해 조정된다. 이에 의해, 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 에는, 공기 및 EGR 가스가 도입되게 된다. 이 때, 흡기량 조정 밸브 (45) 의 개도에 의해 조정되는 흡기의 유량, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도에 의해 조정되는 EGR 가스의 유량, 및, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도에 의해 조정되는 EGR 가스의 온도는, 연료 개질실 (23) 에서의 당량비를 높게 설정하고, 또한, 연료의 개질을 양호하게 실시할 수 있는 연료 개질실 (23) 의 가스 온도를 확보할 수 있도록 조정된다. 구체적으로는, 흡기량 조정 밸브 (45), EGR 가스량 조정 밸브 (73) 및 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도는, 후술하는 바와 같이 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 에 연료가 공급되었을 때에 있어서의 연료 개질실 (23) 에서의 당량비를 예를 들어 2.5 이상 (바람직하게는 4.0 이상) 으로 설정하고, 또한 연료 개질실 (23) 의 가스 온도가 개질 반응 가능 온도의 하한치 이상의 값이 되도록, 미리 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 작성된 개도 설정 맵에 따라 설정된다.
이와 같이 하여 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 에, 공기 및 EGR 가스가 도입된 상태로, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 에 연료가 공급된다. 이 인젝터 (25) 로부터의 연료 공급량은, 기본적으로는 기관 요구 출력에 따라 설정된다. 구체적으로는, 인젝터 (25) 에 공급되고 있는 연료 압력에 따라 목표로 하는 연료 공급량이 얻어지도록, 인젝터 (25) 의 밸브 열림 기간이 설정된다. 또한, 이 때의 인젝터 (25) 의 밸브 열림 타이밍은, 연료 개질 기통 (2) 의 흡기 행정이 종료될 때까지의 동안에 상기 목표로 하는 연료 공급량의 분사가 완료되도록 설정되는 것이 바람직하지만, 피스톤 (22) 이 압축 상사점 부근에 도달하기 전에 혼합기가 균일하게 혼합 가능한 경우에는, 압축 행정 도중까지 연료 분사 기간이 계속되어도 된다. 이에 의해, 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이를 때까지, 연료 개질실 (23) 에 있어서 균질의 혼합기 (당량비가 높은 혼합기) 가 생성되게 된다.
피스톤 (22) 이 압축 상사점을 향하여 이동하는 동안에, 연료 개질실 (23) 의 압력 및 온도가 상승하고, 이 연료 개질실 (23) 에서는, 당량비가 높은 혼합기 (예를 들어 4.0 이상의 당량비의 혼합기) 가 단열 압축된다. 이에 의해, 고온 고압의 환경하에서, 연료의 탈수소 반응, 부분 산화 반응, 수증기 개질 반응, 열 해리 반응이 실시되고, 연료가 개질되어, 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 안티노크성이 높은 개질 연료가 생성된다.
연료 개질실 (23) 로부터 배출된 개질 연료는, 개질 연료 공급 통로 (51) 를 흐를 때에 개질 연료 냉각기 (52) 에 있어서 냉각된다. 이 냉각에 의해, 출력 기통 흡기 통로 (43) 나 연소실 (33) 에서의 개질 연료의 과조 (過早) 착화가 억제된다. 그리고, 이 냉각된 개질 연료는, 믹서 (53) 에 있어서, 출력 기통 흡기 통로 (43) 를 흐르는 공기와 혼합되어, 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에 공급된다. 또한, 필요에 따라, EGR 가스량 조정 밸브 (78) 가 개방되어, 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거쳐 EGR 가스가 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에 도입된다.
이와 같이 하여, 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에는, 공기, 개질 연료, EGR 가스가 각각 도입되고, 이 연소실 (33) 내의 당량비가 0.1 ∼ 0.8 정도로 조정된다.
출력 기통 (3) 에서는, 압축 행정에 있어서, 희박 혼합 가스의 단열 압축이 실시되고, 피스톤 (32) 이 압축 상사점에 이른 시점에서, 인젝터 (35) 로부터 미량의 연료 분사가 실시된다. 이에 의해, 연소실 (33) 내의 혼합기가 착화되고, 희박 예혼합 연소가 실시된다. 또한, 인젝터 (35) 로부터의 연료 분사를 실시하지 않아도 연소실 (33) 의 혼합기가 자착화 (예혼합 압축 자착화) 되는 경우에는, 이 인젝터 (35) 로부터의 연료 분사는 반드시 필요한 것은 아니다.
상기 연소에 의해, 피스톤 (32) 이 왕복동하고, 크랭크 샤프트 (11) 가 회전함으로써 기관 출력이 얻어진다. 이 기관 출력은 상기 스크루축에 전달된다. 또한, 이 기관 출력의 일부는, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 피스톤 (22) 의 왕복동의 구동원으로서 사용된다.
또한, 이 내연 기관 (1) 의 냉간 시동시에는, 도시하지 않은 스타터에 의해 크랭크 샤프트 (11) 가 회전 (크랭킹) 되어, 연료 개질 기통 (2) 및 출력 기통 (3) 각각의 인젝터 (25, 35) 로부터 소정량의 연료 분사가 실시된다. 이 때의 연료 분사는, 연료 개질실 (23) 및 연소실 (33) 각각에 있어서의 당량비가 1 미만의 값이 되도록 설정된다. 이에 의해, 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 및 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 에서는, 각각 압축 착화 연소가 실시된다. 그리고, 연료 개질 기통 (2) 의 난기가 진행되어, 개질 반응이 가능한 온도에 이르면, 전술한 개질 연료의 생성 동작 (연료 개질 운전) 으로 전환되게 된다. 이와 같이, 연료 개질 기통 (2) 은, 출력 기통 (3) 과 동일하게 기관 출력을 얻기 위한 기통으로서 기능하는 것이 가능하고, 또한, 전술한 바와 같이 연료 개질 장치로서 기능하는 것이 가능하게 되어 있다.
또한, 내연 기관 (1) 의 긴급 정지시 등으로서, 출력 기통 (3) 으로의 개질 연료의 공급을 정지시킬 때에는, 바이패스량 조정 밸브 (82) 가 개방된다. 이에 의해, 개질 연료는, 출력 기통 바이패스 통로 (81) 를 거쳐 배기 통로 (61) 에 도입되게 되어, 출력 기통 (3) 으로의 개질 연료의 공급은 정지된다.
이 내연 기관 (1) 에 의하면, 출력 기통 (3) 내에 있어서 희박 혼합기의 연소 (균일 희박 연소) 가 실시되기 때문에, NOx 배출량의 저감을 도모할 수 있다. 이에 의해, 배기 가스를 정화하기 위한 후 처리 장치를 불필요 또는 그 용량을 대폭으로 소형화하는 것이 가능하다. 또한, 안티노크성이 높은 연료의 연소가 실시되기 때문에, 노킹이 억제됨과 함께 디젤 마이크로 파일럿 착화에 의해 최적의 시기에서의 연소를 실현할 수 있으므로, 연소 효율의 향상을 도모할 수도 있다.
-개질 반응 가능역-
다음으로, 연료 개질 기통 (2) 의 연료 개질실 (23) 에 있어서 개질 반응을 가능하게 하기 위한 조건에 대하여 설명한다. 이 개질 반응을 가능하게 하기 위해서는, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 혼합기의 당량비 및 연료 개질실 (23) 의 온도 (가스 온도) 가 모두, 개질 반응을 가능하게 하는 범위 내에 있는 것이 필요하다. 또한, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 혼합기의 당량비에 따라, 연료가 개질 반응을 실시하는 데에 필요한 가스 온도는 상이하고, 개질 반응을 가능하게 하기 위해서는, 혼합기의 당량비에 따른 연료 개질실 (23) 의 온도 (개질 반응을 가능하게 하는 최저 온도 이상의 온도) 가 필요하게 된다.
도 3 은, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 혼합기의 당량비 (가로축), 및, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이른 시점에서의 연료 개질실 (23) 내의 가스 온도 (이하, 압축단 가스 온도라고 한다 ; 세로축) 와, 개질 반응 가능역의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 개질실 (23) 에 있어서 개질 반응을 가능하게 하기 위해서는, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 혼합기의 당량비로서 소정치 이상 (예를 들어 2 이상) 의 당량비가 필요하고, 또한 그 당량비가 높을수록, 개질 반응을 실시하기 위해서 필요한 압축단 가스 온도는 높아지고 있다. 요컨대, 연료 개질실 (23) 에 있어서 개질 반응을 실시하기 위해서는, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 혼합기의 당량비가 높을수록, 압축단 가스 온도를 높게 할 필요가 있다.
-연료 개질 운전의 제어-
다음으로, 본 실시형태의 특징인 연료 개질 운전의 제어에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 개질 연료를 생성하는 경우, 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 높게 하여, 산화 반응 (연소) 을 억제하면서 개질 반응이 실시되도록 하고 있다. 또한, 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료의 양은, 기관 부하에 따라 변경된다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 저부하 운전시에는, 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료의 양은 적어진다. 이와 같이 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량이 적어진 경우, 이 연료 개질실 (23) 내의 당량비가 (저하하여) 1 에 가까워질 가능성이 있다. 이와 같은 상황에서는, 연료 개질실 (23) 내에서의 연료의 산화 반응량 (연소량) 이 많아지고, 발생 열량이 많아져 연료 개질실 (23) 내의 온도 (반응 가스 온도) 가 높아지게 된다.
도 4 를 사용하여 전술한 바와 같이, 내연 기관 (1) 의 중부하 운전시나 고부하 운전시로서, 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 도면 중의 점 A 에 있는 상태로부터, 기관 부하가 저하하여, 연료 개질실 (23) 내의 당량비가 1 에 가까워진 경우에는, 산화 반응량의 증대에 수반하여 연료 개질실 (23) 내의 반응 가스 온도가 높아진다 (도 4 에 있어서의 화살표 I 를 참조). 그리고, 이 때의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 점 B (수트 생성역 내의 점) 의 상태가 된 경우에는, 생성된 개질 연료 중에 비교적 다량의 수트가 포함되는 상황이 되고, 이 수트가 출력 기통 (3) 을 향하여 도출되게 된다. 이와 같은 수트가 도출되는 상황에서는, 연소실 (33) 에서의 개질 연료의 연소에 악영향을 주거나, 연소실 (33) 내에서 수트를 처리할 수 없는 경우에는, 대기 중으로 수트가 방출되게 될 가능성이 있다.
본 실시형태는, 이 점을 감안하여, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 이 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 의해 규정되는 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록, 연료 개질실 (23) 내의 당량비에 따라 연료 개질실 (23) 내의 반응 가스 온도를 조정하도록 하고 있다.
구체적으로는, 연료 개질실 (23) 내에 있어서의 혼합기의 당량비에 따라 수트 발생 하한 온도를 설정해 둔다. 이 수트 발생 하한 온도는, 혼합기의 당량비별로 설정되는 것으로서, 그 당량비에 있어서 수트가 발생하는 반응 가스 온도의 하한치이다.
그리고, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이르는 시점에 있어서의 연료 개질실 (23) 의 가스 온도 (압축단 가스 온도) 가, 상기 수트 발생 하한 온도 이상이 되는 것으로 추정된 경우, 요컨대, 개질 반응시에 있어서의 반응 가스 온도 (상기 압축단 가스 온도에 상당) 가, 현재의 당량비에 있어서는 수트 생성역에 들어가는 것으로 추정된 경우에는, 이 연료 개질실 (23) 의 반응 가스 온도의 상승 (전술한, 연료 개질실 (23) 내의 당량비가 1 에 가까워진 것에서 기인하는 반응 가스 온도의 상승) 을 억제하기 위한 반응 가스 온도 조정 동작을 실행하고, 이에 의해, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록 하고 있다. 이하, 구체적으로 설명한다.
본 실시형태에 있어서의 연료 개질 운전의 제어에서는, 추정되는 실제의 압축단 가스 온도와, 상기 수트 발생 하한 온도를 비교한다.
그리고, 실제의 압축단 가스 온도가 수트 발생 하한 온도 미만인 것으로 추정된 경우에는, 그 사이클 (또는 다음회의 사이클) 에 있어서, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 실행한다 (반응 가스 온도 조정 동작을 실행하지 않고, 연료 개질 운전을 실행한다). 요컨대, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료의 공급 (상기 개질 반응을 실시하기 위하여 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 높게 설정하는 연료의 공급) 을 실행한다.
한편, 실제의 압축단 가스 온도가 수트 발생 하한 온도 이상인 것으로 추정된 경우에는, 그 사이클 (또는 다음회의 사이클) 에 있어서, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 실행하면서도, 연료 개질실 (23) 의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 반응 가스 온도 조정 동작을 실행한다.
이하, 실제의 압축단 가스 온도의 산출 동작 (추정 동작), 수트 발생 하한 온도 (당량비에 따라 설정된 수트 발생 하한 온도) 의 설정 동작, 및, 이들 실제의 압축단 가스 온도 및 수트 발생 하한 온도를 이용한 연료 개질 운전의 제어에 대하여 순서대로 설명한다.
(압축단 가스 온도의 산출 동작)
먼저, 실제의 압축단 가스 온도의 산출 동작 (추정 동작) 에 대하여 설명한다.
연료 개질실 (23) 에서의 실제의 압축단 가스 온도는 이하의 식 (1) 에 의해 산출 (추정) 하는 것이 가능하다.
Figure pct00001
이 식 (1) 에 있어서, TTDC 는 압축단 가스 온도이고, Tini 는 압축 전의 가스 온도 즉 흡입 가스 온도이고, ε 는 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비이고, κ 는 연료 개질실 (23) 내의 흡입 가스의 폴리트로프수이고, Creact 는 연료 개질실 (23) 에서의 개질 반응 (특히 부분 산화 반응) 에 수반하는 온도 상승분 (피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이른 시점에서의 개질 반응에 의한 온도 상승분) 을 고려한 보정 계수이다.
이하, 식 (1) 에 있어서의 각 파라미터의 산출에 대하여 설명한다.
(흡입 가스 온도 Tini)
흡입 가스 온도 Tini 는 상기 흡입 가스 온도 센서 (103) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된다. 여기서 산출되는 흡입 가스 온도 Tini 는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 에 대한 연료 개질 기통 EGR 통로 (71) 의 연통 부분보다 하류측의 흡입 가스 온도이다.
또한, 흡입 가스 온도 Tini 로는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 를 흐르는 흡입 가스의 온도 대신에, 연료 개질 기통 (2) 의 흡기 포트를 흐르는 흡입 가스의 온도를 채용하도록 해도 된다. 또는, 피스톤 (22) 이 흡입 하사점에 이른 시점에서의 연료 개질실 (23) 내의 가스 온도나, 흡기 밸브 (26) 가 밸브 닫힘한 시점에서의 연료 개질실 (23) 내의 가스 온도를 검출 또는 추정하고, 이것을 흡입 가스 온도 Tini 로서 채용하도록 해도 된다.
(연료 개질 기통의 유효 압축비 ε)
연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비 ε 는, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 흡기 밸브 (26) 가 밸브 닫힘한 시점에서의 연료 개질실 (23) 의 용적과, 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이른 시점에서의 연료 개질실 (23) 의 용적의 비로서 산출된다. 또한, 이 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비 ε 는, 피스톤 (22) 이 하사점에 있는 시점에서의 연료 개질실 (23) 의 용적과 피스톤 (22) 이 상사점에 있는 시점에서의 연료 개질실 (23) 의 용적의 비 (겉보기의 압축비) 에 의해 간이적으로 구하도록 해도 된다.
(폴리트로프수 κ)
폴리트로프수 κ 는, 연료 개질실 (23) 내에서의 가스의 압축 행정에 있어서의 정압 비열과 정적 비열의 비로 정의된다. 흡입 가스의 전체량이 공기이고, 실린더 벽면으로의 열 유출이 없는 경우에는 κ = 1.4 정도가 된다. 그러나, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 흡입 가스의 실제의 폴리트로프수는, 전체량이 공기인 경우나 열 유출이 없는 경우와는 상이하기 때문에, 이하와 같은 수정이 실시된다.
이하에 서술하는 냉각수 온도에 따른 폴리트로프수의 수정, 가스 조성에 따른 폴리트로프수의 수정 및 당량비에 따른 폴리트로프수의 수정은, 어느 1 개를 실시하여 상기 식 (1) 의 폴리트로프수 κ 에 적용하도록 해도 되고, 2 개 이상을 조합하여 수정을 실시하여 상기 식 (1) 의 폴리트로프수 κ 에 적용하도록 해도 된다.
· 냉각수 온도에 따른 폴리트로프수의 수정
상기 폴리트로프수 κ 는 열 손실량에 따라 변화한다. 전술한 바와 같이 실린더 블록에는 냉각수 통로 (13) 가 형성되어 있고, 이 냉각수 통로 (13) 를 흐르는 냉각수를 향한 열 유출이 존재하고 있다. 이 때문에, 상기 수온 센서 (106) 로부터의 출력에 기초하여 냉각수의 온도를 산출함으로써, 열 손실량을 예측하는 것이 가능하다. 또는, 냉각수 온도와 열 손실량의 관계를 미리 파악해 둠으로써, 이 냉각수 온도로부터 열 손실량을 추정하는 것이 가능하다.
도 5 는, 이 냉각수 온도에 따른 수정 폴리트로프수의 연산 로직을 나타내는 블록도이다. 이 도 5 에 나타내는 바와 같이, 수온 센서 (106) 로부터의 출력에 기초하여 산출된 냉각수의 온도로부터, 폴리트로프수의 저하량 Δκ 를 구하고, 이것을 공기의 폴리트로프수로부터 감산함으로써, 냉각수 온도에 따른 (열 손실량에 따른) 수정 폴리트로프수를 구할 수 있다.
· 가스 조성에 따른 폴리트로프수의 수정
연료 개질실 (23) 내의 가스 조성에 의해서도 폴리트로프수 κ 는 변화한다. 요컨대, 흡입 가스의 전체량이 공기인 경우, 흡입 가스의 대부분은 2 원자 분자이기 때문에, 폴리트로프수 κ 는 「1.4」 정도가 된다. 이에 반하여, 흡입 가스 중에 기연 (旣燃) 가스 (CO2 나 H2O) 나 연료가 함유되어 있으면, 상기 2 원자 분자의 비율이 저하함으로써, 폴리트로프수 κ 도 저하하게 된다.
이 때문에, 상기 흡입 가스 O2 센서 (104) 로부터의 출력 신호에 기초하여, 흡입 가스 중의 산소의 몰분율을 기초로, 흡입 가스 중의 이산화탄소의 몰분율을 계산하고, 각 가스 성분의 몰분율에 기초하여 폴리트로프수를 추정한다.
예를 들어, 먼저, 이하의 식 (2) 에 의해 흡입 가스의 정압 몰비열을 구한다.
Figure pct00002
이 식 (2) 에 있어서, Cp _intake 는 흡입 가스의 정압 몰비열이고, Ψi 는 각 가스 성분 각각의 몰분율이고, Cp _i 는 각 가스 성분 각각의 정압 몰비열이다. 각 가스 성분 각각의 몰분율 Ψi, 각 가스 성분 각각의 정압 몰비열 Cp _i 는, 연료의 종류 및 연료 개질실 (23) 내의 당량비 (현재의 당량비) 등에 따라 결정되는 것으로, 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 작성된 맵 (상기 ROM 에 기억된 맵) 에 따라 구하는 것이 가능하다.
이에 의해, 이하의 식 (3) 에 의해, 흡입 가스의 폴리트로프수 κ 를 산출할 수 있다.
Figure pct00003
이와 같이 하여 가스 조성에 따른 수정 폴리트로프수를 구할 수 있다.
· 당량비에 따른 폴리트로프수의 수정
또한, 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 추정하고, 이 당량비로부터 폴리트로프수 κ 를 보정 연산하는 것도 가능하다.
도 6 은, 이 당량비에 따른 수정 폴리트로프수의 연산 로직을 나타내는 블록도이다. 이 도 6 에 나타내는 바와 같이, 당량비로부터, 폴리트로프수의 저하량 Δκ 를 구하고, 이것을 공기의 폴리트로프수로부터 감산함으로써, 당량비에 따른 수정 폴리트로프수를 구할 수 있다.
이 경우에 있어서의 당량비의 산출 수법으로는, 상기 흡기 유량 센서 (101) 로부터의 출력 신호에 기초하여 흡기의 유량을 산출한다. 또한, 흡입 가스 압력 센서 (102) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된 흡입 가스의 압력과, 배기 압력 센서 (105) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된 배기의 압력의 차로부터 EGR 가스량 (연료 개질 기통 (2) 에 도입되는 EGR 가스량) 을 산출한다. 그리고, 상기 흡기의 유량, 상기 EGR 가스량, 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량 (인젝터 (25) 에 대한 분사 지령치로부터 구해지는 연료 공급량) 으로부터 당량비를 산출한다. 또한, EGR 가스량을 고려하지 않은 경우에는, 흡기 유량 센서 (101) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된 흡기의 유량과, 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량의 비로부터 당량비를 산출하도록 해도 된다.
(개질 반응에 수반하는 온도 상승분의 보정 계수 Creact)
개질 반응에 수반하는 온도 상승분의 보정 계수 Creact 는, 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이르기 전에 개질 반응이 개시된 경우, 부분 산화 반응에 의한 가스 온도의 상승분만큼 압축단 가스 온도를 보정하기 위한 것이다. 이 때문에, 전술한 바와 같이, 연료 개질실 (23) 내의 당량비가 1 에 가까워진 경우에는, 연료 개질실 (23) 내의 산화 반응량의 증대에 수반하여, 이 보정 계수 Creact 는 큰 값으로서 구해지게 된다. 요컨대, 이 보정 계수 Creact 는, 도 4 에 있어서의 화살표의 기울기 (당량비의 변화에 대한 반응 가스 온도의 변화의 비율) 를 나타내는 값이 된다.
이 보정 계수 Creact 는, 연료 개질실 (23) 내의 온도 (반응장의 온도), 연료 개질실 (23) 내의 산소 농도, 연료 개질실 (23) 내의 연료 농도 등을 파라미터로 하여 산출할 수 있다. 또한, 이 보정 계수 Creact 는, 운전 조건에 대한 개질 반응의 개시 시기나 부분 산화 반응에 의한 발열량을 실험 등에 의해 구해 둠으로써, 이 온도 상승분 보정 계수 Creact 를 상기 ROM 에 기억시켜 두고, 실제의 운전 조건에 따른 온도 상승분 보정 계수 Creact 를 판독함으로써 구할 수도 있다.
또한, 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이른 시점에서 아직 개질 반응이 개시되지 않은 경우나, 피스톤 (22) 이 압축 상사점에 이른 시점에서의 개질 반응에 의한 발열량이 비교적 적은 경우에는, 이 온도 상승분 보정 계수 Creact 를 「1」 로 설정하여 식 (1) 에 적용시키도록 해도 된다.
(수트 발생 하한 온도의 설정 동작)
다음으로, 상기 수트 발생 하한 온도의 설정 동작에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 수트 발생 하한 온도는, 혼합기의 당량비 등에 따라 설정된다. 요컨대, 도 4 로부터도 분명한 바와 같이, 혼합기의 당량비가 상이하면, 수트 발생 하한 온도 (도 4 에 있어서의 수트 생성역의 저온측의 경계치) 도 상이한 값이 된다.
이 수트 발생 하한 온도는, 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 파라미터로 하여 구하는 것이 가능하다. 도 7 은, 연료 개질실 (23) 내의 당량비, 연료 개질실 (23) 내의 반응 가스 온도, 및, 수트 발생량의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료 개질실 (23) 내의 당량비가 불변이어도, 연료 개질실 (23) 내의 반응 가스 온도가 어느 값 이상인 경우에 수트의 발생량이 급속히 많아진다. 이 온도 (수트의 발생량이 급속히 많아지는 온도) 가 상기 수트 발생 하한 온도이다. 이 수트 발생 하한 온도는, 연료 개질실 (23) 내의 당량비가 낮을수록, 낮아지고 있다. 이와 같이, 수트 발생 하한 온도는, 연료 개질실 (23) 내의 당량비에 따른 값으로서, 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 작성된 맵 (상기 ROM 에 기억된 맵) 이나 연산식에 의해 구하는 것이 가능하다.
이와 같이, 수트 발생 하한 온도는, 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 의해 규정되는 수트 생성역의 하한 온도에 상당하는 것으로 되어 있다.
(반응 가스 온도 조정 동작)
전술한 연료 개질실 (23) 의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 반응 가스 온도 조정 동작으로는, 이하에 서술하는 2 종류의 동작을 들 수 있다. 실제의 압축단 가스 온도가, 수트 발생 하한 온도 이상이고 수트 생성역에 있는 것으로 추정된 경우에는, 이들 반응 가스 온도 조정 동작 중의 적어도 1 개가 선택되어 실행되게 된다. 이하, 각 반응 가스 온도 조정 동작에 대하여 설명한다.
· 제 1 조정 동작
먼저, 제 1 조정 동작에 대하여 설명한다. 이 제 1 조정 동작은, 연료 개질 기통 EGR 계 (7A) 를 거쳐 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 유량 및 온도를 조정함으로써 반응 가스 온도를 조정하는 것이다.
이 제 1 조정 동작에서는, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 및 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 조정한다.
예를 들어, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 크게 함으로써 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 양 (본 발명에서 말하는, 출력 기통으로부터 배출된 배기 가스의 연료 개질 기통 내로의 환류량) 을 많게 한다. 이에 의해, 연료 개질실 (23) 에 도입되는 불활성 가스가 증량되게 되어, 동일한 연료 공급량이어도 당량비를 높일 수 있다. 또한, 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 양을 많게 함으로써, 연료 개질실 (23) 에 도입되는 3 원자 분자 (CO2, H2O) 의 양이 증가하고, 이에 의해, 흡입 가스의 폴리트로프수 κ 가 저하하고, 상기 압축단 가스 온도 TTDC 가 저하하게 된다.
또한, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 작게 하는 (EGR 가스 냉각기 (72) 를 흐르는 EGR 가스의 양을 많게 하는) 것에 의해 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 온도 (본 발명에서 말하는, 출력 기통으로부터 배출되고 연료 개질 기통 내로 환류되는 배기 가스의 온도) 를 낮게 한다.
이와 같이 하여, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록 한다. 요컨대, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 크게 할수록 (본 발명에서 말하는, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량을 크게 할수록), EGR 가스의 양이 많아짐으로써 반응 가스 온도는 낮아진다. 또한, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 작게 할수록 (본 발명에서 말하는, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량을 크게 할수록), EGR 가스의 온도가 낮아짐으로써 반응 가스 온도는 낮아진다. 이에 의해, 연료 개질실 (23) 에서의 수트의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 이 제 1 조정 동작에서는, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도 조정 및 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도 조정 중 일방만을 실시하도록 해도 된다. 요컨대, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 변경하지 않고, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 크게 함으로써 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 양을 많게 한다. 또는, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 변경하지 않고, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 작게 함으로써 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 온도를 낮게 한다.
· 제 2 조정 동작
다음으로, 제 2 조정 동작에 대하여 설명한다. 이 제 2 조정 동작은, 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 낮게 함으로써 반응 가스 온도를 조정하는 것이다.
이 제 2 조정 동작에서는, 상기 흡기 밸브 (26) 의 닫힘 타이밍을 지각측으로 보정한다. 요컨대, 피스톤 (22) 이 흡입 하사점에 이른 타이밍보다 지각측에서 흡기 밸브 (26) 를 폐쇄시키고, 이에 의해 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 낮게 한다. 이 경우, 흡기 밸브 (26) 의 폐쇄 타이밍을 지각측으로 이행시킬수록 (본 발명에서 말하는, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량을 크게 할수록), 연료 개질 기통 (2) 의 압축단 가스 온도는 낮아진다. 또한, 피스톤 (22) 이 흡입 하사점에 이르는 타이밍보다 진각측에서 흡기 밸브 (26) 를 폐쇄시키고, 이에 의해 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 낮게 하도록 해도 된다. 이 경우, 흡기 밸브 (26) 의 폐쇄 타이밍을 진각측으로 이행시킬수록 (본 발명에서 말하는, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량을 크게 할수록), 연료 개질 기통 (2) 의 압축단 가스 온도는 낮아진다.
이에 의해, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록 한다. 이 제 2 조정 동작에 의해서도, 연료 개질실 (23) 에서의 수트의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 이 제 2 조정 동작의 변형예로서, 상기 배기 밸브 (27) 의 열림 타이밍을 진각측으로 보정하도록 해도 된다. 요컨대, 연료 개질 기통 (2) 의 압축 행정의 도중에 배기 밸브 (27) 를 개방시키는 것에 의해 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 낮게 하는 것이다.
(연료 개질 운전의 제어)
다음으로, 상기 압축단 가스 온도 및 수트 발생 하한 온도를 이용한 연료 개질 운전의 제어에 대하여 설명한다.
도 8 은, 내연 기관 (1) 의 제어 순서를 나타내는 플로우 차트도이다.
먼저, 스텝 ST1 에 있어서, 내연 기관 (1) 에 있어서의 각종 정보의 취득이 실시된다. 여기서 취득되는 정보로는, 예를 들어, 상기 각종 센서 (101 ∼ 106) 의 출력 신호 등을 들 수 있다. 또한, 현재의 제어에 있어서의 흡기 밸브 (26) 의 밸브 닫힘 타이밍의 정보 (연료 개질 기통 (2) 의 현재의 유효 압축비를 산출하기 위한 정보), 연료의 종류의 정보 (수정 폴리트로프수를 산출하기 위한 정보) 등도 취득된다.
그 후, 스텝 ST2 로 이동하여, 상기 식 (1) 에 의해 압축단 가스 온도 TTDC 의 산출 (추정) 을 실시한다. 요컨대, 전술한 흡입 가스 온도 Tini 의 산출, 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비 ε 의 산출, 폴리트로프수 κ 의 산출, 개질 반응에 수반하는 온도 상승분의 보정 계수 Creact 의 산출이 실시되고, 이들을 상기 식 (1) 에 적용시키는 것에 의해 압축단 가스 온도 TTDC 의 산출을 실시한다. 또한, 흡기 밸브 (26) 의 밸브 닫힘 타이밍이 고정되어 있는 경우에는, 유효 압축비 ε 의 산출을 실시할 필요는 없고, 이 유효 압축비 ε 는 고정치가 된다.
이와 같이 하여 압축단 가스 온도 TTDC 의 산출을 실시한 후, 스텝 ST3 으로 이동하여, 상기 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 의 산출 (추정) 을 실시한다. 이 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 은, 전술한 바와 같이, 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 작성된 맵이나 연산식 (연료 개질실 (23) 내의 당량비에 따라 수트 발생 하한 온도 Tsoot_Lim 을 설정하기 위한 맵이나 연산식) 에 의해, 연료 개질실 (23) 내의 당량비에 따른 값으로서 구해진다.
그 후, 스텝 ST4 로 이동하여, 상기 압축단 가스 온도 TTDC 와 상기 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 의 비교에 의해, 수트가 발생하는 운전 영역에 있는지 여부의 판정을 실시한다. 요컨대, 현재의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 압축단 가스 온도 TTDC 가 상기 수트 생성역에 있는지 여부의 판정을 실시한다. 구체적으로는, 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 이상의 값이 되어 있는지 여부의 판정을 실시한다.
여기서는, 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 미만의 값이 되어 있는 경우에는 수트가 발생하는 운전 영역에는 없는 것으로 판정하고, 스텝 ST4 에서 NO 판정된다. 한편, 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot_Lim 이상의 값이 되어 있는 경우에는 수트가 발생하는 운전 영역에 있는 것으로 판정하고, 스텝 ST4 에서 YES 판정된다.
스텝 ST4 에서 NO 판정된 경우에는, 상기 반응 가스 온도 조정 동작을 실행할 필요가 없는 (반응 가스 온도 조정 동작을 실행하지 않아도 수트가 발생하는 경우가 없거나, 또는, 수트의 발생량은 적은) 것으로 하여, 반응 가스 온도 조정 동작을 실행하지 않고, 전술한 연료 개질 운전을 계속한다.
한편, 스텝 ST4 에서 YES 판정된 경우에는, 스텝 ST5 로 이동하여, 상기 반응 가스 온도 조정 동작을 실행한다. 이 스텝 ST5 에서는, 전술한 제 1 조정 동작 및 제 2 조정 동작 중 적어도 1 개의 조정 동작이 실행된다. 여기서 선택되는 조정 동작은, 내연 기관 (1) 의 운전 상태나 각종 온도 등을 파라미터로 하여 실험이나 시뮬레이션에 의해 미리 결정된 것이 되어 있다.
제 1 조정 동작이 실행되는 경우에는, 전술한 바와 같이, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 크게 함으로써 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 양을 많게 한다. 또한, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 작게 하는 (EGR 가스 냉각기 (72) 를 흐르는 EGR 가스의 양을 많게 하는) 것에 의해 연료 개질실 (23) 에 도입되는 EGR 가스의 온도를 낮게 한다. 이에 의해, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록 한다.
한편, 제 2 조정 동작이 실행되는 경우에는, 전술한 바와 같이, 피스톤 (22) 이 흡입 하사점에 이른 타이밍보다 지각측에서 흡기 밸브 (26) 를 폐쇄시키고, 이에 의해 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 낮게 한다. 또는, 피스톤 (22) 이 흡입 하사점에 이르는 타이밍보다 진각측에서 흡기 밸브 (26) 를 폐쇄시키고, 이에 의해 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 낮게 한다.
예를 들어, 상기 압축단 가스 온도 TTDC 및 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 이 산출된 시점에서, 이번회의 사이클에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 이미 확정되어 있는 경우 (상기 EGR 가스량, EGR 가스 온도, 유효 압축비가 확정되어 있는 경우) 에는, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 다음회의 사이클에 있어서 상기 반응 가스 온도 조정 동작이 실행되게 된다. 또한, 이번회의 사이클에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 확정되기 전에, 상기 압축단 가스 온도 TTDC 및 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 이 산출 (추정) 되고, 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 이상의 값이 되는 것이 사전에 판정된 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 이번회의 사이클에 있어서 상기 반응 가스 온도 조정 동작이 실행되게 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 상기 반응 가스 온도 조정 동작에 의해 조정되는 반응 가스 온도는, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되는 것이면 되지만, 바람직하게는, 내연 기관 (1) 의 운전 상태 등에 따라 요구되는 개질 연료의 가스 조성이 얻어지는 반응 가스 온도를 목표 온도로 하여 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 동일한 당량비여도, 압축단 가스 온도를 높게 설정한 경우에는, 안티노크성이 높은 개질 연료인 수소, 일산화탄소, 메탄의 농도를 높일 수 있고, 압축단 가스 온도를 낮게 설정한 경우에는, 안티노크성이 낮은 (착화성이 높은) 개질 연료인 에탄 등의 농도를 높일 수 있다. 이 때문에, 반응 가스 온도를, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되는 것으로 하면서도, 요구되는 개질 연료의 가스 조성이 얻어지는 것이 되도록 반응 가스 온도 조정 동작을 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여 반응 가스 온도 조정 동작이 실행된 상태로, 스텝 ST6 으로 이동하여, 이 반응 가스 온도 조정 동작에 있어서의 액추에이터의 제어량이 한계치에 이르러 있는지 여부를 판정한다. 요컨대, 상기 제 1 조정 동작이 실행되는 경우에 있어서는, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 크게 하는 한계치, 즉, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도는 전개, 또는, 이 이상 개도를 크게 해도 EGR 가스량이 증가하지 않는 한계 개도가 되어 있는지 여부를 판정한다. 또한, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 작게 하는 한계치, 즉, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도는 영이 되어 있는지 여부를 판정한다. 요컨대, 이 제 1 조정 동작에서는, 이 이상, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제할 수 없는 상태가 되어 있는지 여부를 판정한다.
또한, 상기 제 2 조정 동작이 실행되는 경우에 있어서는, 흡기 밸브 (26) 를 폐쇄시키는 타이밍 (지각측의 타이밍 또는 진각측의 타이밍) 이 한계치가 되어 있는지 여부를 판정한다. 요컨대, 이 제 2 조정 동작에서는, 이 이상, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제할 수 없는 상태가 되어 있는지 여부를 판정한다.
반응 가스 온도 조정 동작에 있어서의 액추에이터의 제어량이 한계치에 이르러 있지 않고, 스텝 ST6 에서 NO 판정된 경우에는, 반응 가스 온도 조정 동작을 계속시키기 위하여, 그대로 리턴된다.
다음 회의 루틴에 있어서, 아직, 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 이상의 값이 되어 있고, 스텝 ST4 에서 YES 판정된 경우에는, 스텝 ST5 로 이동하여, 상기 반응 가스 온도 조정 동작을 계속함과 함께, 반응 가스 온도 조정 동작에 있어서의 액추에이터의 제어량의 가산 처리가 실시된다. 요컨대, 제 1 조정 동작이 실행되고 있는 경우에는, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 더욱 크게 한다. 또한, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 더욱 작게 한다. 또한, 이 경우, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도 및 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도 중 일방만을 더욱 변경하도록 해도 된다. 또한, 제 2 조정 동작이 실행되고 있는 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 더욱 낮게 하도록, 흡기 밸브 (26) 의 폐쇄 타이밍을 변경한다.
그리고, 반응 가스 온도 조정 동작에 있어서의 액추에이터의 제어량이 한계치에 이르러 있지 않은 것을 조건으로 (스텝 ST6 에서 NO 판정되어 있는 것을 조건으로), 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 미만의 값이 될 때까지, 이 동작이 반복된다. 이에 의해, 연료 개질실 (23) 의 반응 가스 온도가 저하해 가고, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 된다.
한편, 반응 가스 온도 조정 동작에 있어서의 액추에이터의 제어량이 한계치에 이르러, 스텝 ST6 에서 YES 판정된 경우 (본 발명에서 말하는, 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량이 제어 가능 범위의 한계치에 이르러도, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 수트 생성역에 있는 것으로 추정된 경우) 에는, 스텝 ST7 로 이동하여, 연료 개질 운전을 비실행으로 한다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 운전 모드로는 연료 개질 운전 비실행 모드가 된다. 이 연료 개질 운전 비실행 모드에서는, 연료 개질실 (23) 로의 연료의 공급을 정지한다. 요컨대, 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 미만의 값이 될 때까지, 연료 개질실 (23) 로의 연료의 공급을 정지한다. 이 경우, 출력 기통 (3) 의 인젝터 (35) 로부터는 기관 요구 출력에 따른 양의 연료 분사가 실시된다. 이에 의해, 출력 기통 (3) 으로부터 기관 출력이 얻어지게 된다. 또한, 압축단 가스 온도 TTDC 가 수트 발생 하한 온도 Tsoot _ Lim 미만의 값이 되어, 통상적인 연료 개질 운전으로 복귀한 경우에는, 상기 반응 가스 온도 조정 동작에 있어서의 액추에이터의 제어량도 해제되고, 이들 액추에이터도 통상적인 제어로 복귀되게 된다.
이와 같은 동작이 실시되기 때문에, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 내연 기관 (1) 의 중부하 운전시나 고부하 운전시이고, 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 도면 중의 점 A 에 있는 상태로부터, 기관 부하가 저하하여, 연료 개질실 (23) 내의 당량비가 1 에 가까워진 경우여도, 연료 개질실 (23) 내의 반응 가스 온도의 상승량은 비교적 적고, 이 당량비의 변화에 수반하는 반응 가스 온도의 변화는, 예를 들어 도 4 에 있어서의 화살표 II 에 나타내는 바와 같이 된다. 이 때문에, 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역인 점 C 의 상태가 되고, 생성된 개질 연료 중에 수트가 포함되지 않은 상태를 얻을 수 있다. 또는, 생성된 개질 연료 중의 수트가 미량인 상태를 얻을 수 있다.
상기의 제어 동작에 의해, 스텝 ST4 및 스텝 ST5 의 동작이, 본 발명에서 말하는 「반응 가스 온도 조정부에 의한 동작으로서, 연료 개질시에 있어서의 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 이 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 의해 규정되는 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록, 연료 개질 기통 내의 당량비에 따라 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하는 동작」 에 상당한다.
이와 같은 연료 개질 운전의 제어는, 상기 ECU (100) 에 의해 실행된다. 이 때문에, 이 ECU (100) 에 있어서의, 이 제어를 실행하는 기능 부분이 본 발명에서 말하는 제어 장치에 상당한다. 또한, 이 ECU (100) 에 의해 실행되는 제어의 방법이 본 발명에서 말하는 제어 방법에 상당한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 상기 반응 가스 온도 조정 동작에 의해, 연료 개질실 (23) 내의 당량비에 따른 반응 가스 온도의 조정이 실시되고, 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록 하고 있다. 이 때문에, 연료 개질실 (23) 에서의 수트의 발생을 억제하면서 개질 연료를 생성할 수 있다. 그 결과, 수트가 원인으로 출력 기통 (3) 에서의 개질 연료의 연소에 악영향을 주거나, 대기 중으로 수트가 방출되게 되는 것을 억제할 수 있다.
-다른 실시형태-
또한, 상기 실시형태는, 모든 점에서 예시이고, 한정적인 해석의 근거가 되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는, 상기한 실시형태에 의해서만 해석되는 것이 아니고, 특허 청구의 범위의 기재에 기초하여 획정된다. 또한, 본 발명의 기술적 범위에는, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.
예를 들어, 상기 실시형태에서는, 선박용의 내연 기관 (1) 에 본 발명을 적용한 경우에 대하여 설명했지만, 그 밖의 용도 (예를 들어 발전기, 차량 등) 의 내연 기관에 대해서도 본 발명은 적용이 가능하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 각 기통 (2, 3) 에 구비되는 인젝터 (25, 35) 로는 기통 내에 직접적으로 연료를 분사하는 직분식의 것이었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 각 인젝터 (25, 35) 의 양방 또는 일방을 포트 분사식의 것으로 해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 연료 개질실 (23) 에 공급하는 연료를 경유로 하고 있었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 중유나 가솔린 등을 연료로 하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 연료 개질 기통 (2) 과 출력 기통 (3) 이 동일 회전 속도로 운전하는 것이었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 각 기통 (2, 3) 사이 (각 기통 (2, 3) 사이의 크랭크 샤프트 (11)) 에 감속기를 개재시켜, 연료 개질 기통 (2) 의 회전 속도가 출력 기통 (3) 의 회전 속도보다 저속도가 되는 구성으로 해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 출력 기통 (3) 에서 얻어지는 기관 출력의 일부를 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 피스톤 (22) 의 왕복동의 구동원으로서 사용하고 있었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 연료 개질 기통 (2) 의 구동원을 개별적으로 형성하도록 해도 된다. 예를 들어, 연료 개질 기통 (2) 과 출력 기통 (3) 을 분리하고 (크랭크 샤프트 (11) 로 연결하지 않고), 연료 개질 기통 (2) 의 피스톤 (22) 을 전동 모터 등에 의해 왕복동시키도록 해도 된다.
또한, 본 발명은, 그 주지 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 다른 다양한 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상기 서술한 각 실시형태나 각 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허 청구의 범위에 의해 나타내는 것으로서, 명세서 본문에는 전혀 구속되지 않는다. 또한, 특허 청구의 범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
이 출원은, 일본에서 2016년 7월 14일에 출원된 특원 2016-139575호에 기초하는 우선권을 청구한다. 그 내용은 여기에 언급함으로써, 본 출원에 받아들여지는 것이다. 또한, 본 명세서에 인용된 문헌은, 여기에 언급함으로써, 그 전부가 구체적으로 받아들여지는 것이다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 연료 개질 기통과 출력 기통을 구비한 내연 기관의 제어에 적용 가능하다.
1 내연 기관
2 연료 개질 기통 (연료 개질 장치)
21, 31 실린더 보어
22, 32 피스톤
26 흡기 밸브
3 출력 기통
73 EGR 가스량 조정 밸브
75 바이패스량 조정 밸브
100 ECU

Claims (6)

  1. 연료 개질 장치로서 기능하는 것이 가능한 연료 개질 기통과, 이 연료 개질 기통에서 생성된 개질 연료가 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 장치에 있어서,
    연료 개질시에 있어서의 상기 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 이 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 의해 규정되는 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비에 따라 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하는 반응 가스 온도 조정부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스 온도 조정부는, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비가 저하하여 1 에 가까워진 것에 수반하는 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량을 변경하도록 되어 있고, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비가 1 에 가까워질수록, 상기 제어량을 크게 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응 가스 온도 조정부는, 상기 출력 기통으로부터 배출된 배기 가스의 상기 연료 개질 기통 내로의 환류량 및 이 환류되는 배기 가스의 온도 중 적어도 일방을 조정함으로써, 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응 가스 온도 조정부는, 상기 연료 개질 기통의 유효 압축비를 조정함으로써, 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도의 상승을 억제하기 위한 제어의 제어량이 제어 가능 범위의 한계치에 이르러도, 상기 연료 개질시에 있어서의 상기 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가 상기 수트 생성역에 있는 것으로 추정된 경우에는, 상기 연료 개질 기통에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  6. 연료 개질 장치로서 기능하는 것이 가능한 연료 개질 기통과, 이 연료 개질 기통에서 생성된 개질 연료가 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 방법으로서,
    연료 개질시에 있어서의 상기 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도가, 이 연료 개질 기통 내의 당량비 및 반응 가스 온도에 의해 규정되는 수트 생성역을 벗어난 개질 반응 가능역이 되도록, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비에 따라 상기 연료 개질 기통 내의 반응 가스 온도를 조정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
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