KR20180122715A - 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 개질 기통 (2) 의 통내 압력 및 회전 속도에 기초하여 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력을 구한다. 이 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치하도록, 출력 기통 (3) 으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 동작을 실시한다. 이 출력 조정 동작에서는, 정상 운전시에는, 연소실 (33) 로의 연료 공급량의 제어, 또는, 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량의 제어가 실시된다. 기관 요구 출력이 상승하는 과도 운전시에는, 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 증량하여 출력 기통 (3) 의 출력을 증가시킨다. 그 후, 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 서서히 증량함과 함께 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 서서히 감량하고, 열원을 연료로부터 개질 연료로 천이시켜 간다.

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 저감 및 수트 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 함으로써, 개질 연료로의 변환 효율을 높일 수 있다.
그러나, 연료 개질 기통 내의 당량비를 높게 하는 것은, 이 연료 개질 기통 내에서의 산화 반응량 (연소량) 을 감소시키게 된다. 이 산화 반응은 토크에 기여하는 것인 점에서, 상기 당량비를 높게 하여 산화 반응량을 감소시키는 것은, 연료 개질 기통에서 발생하는 토크 (출력) 를 작게 하는 것으로 연결된다. 그리고, 연료 개질 기통 내에서의 개질 반응은 흡열 반응을 수반하는 것인 점에서, 운전 조건에 따라서는, 연료 개질 기통으로부터의 토크가 부 (負) 의 값이 되는 경우가 있다. 요컨대, 출력 기통으로부터의 토크에 의해 연료 개질 기통이 구동되는 상태가 되는 경우가 있다.
이와 같은 운전 상태에 있어서는, 부하 등에 따른 기관 요구 출력을 만족하면서도 연료 개질 기통을 구동시킬 필요가 있기 때문에, 거기에 따른 토크가 출력 기통으로부터 출력되어 있을 필요가 있다.
또한, 연료 개질 기통에 있어서의 개질 반응은, 연료 개질 기통 내의 당량비와 가스 온도 (특히, 피스톤이 압축 상사점에 이른 시점에서의 압축단 가스 온도) 에 의존한다. 그리고, 상기 당량비가 (저하하여) 1 에 가까워지는 경우에는, 산화 반응량이 증대함으로써 연료 개질 기통에서 발생하는 토크가 정 (正) 의 값이 된다. 또한, 이 토크의 크기는, 상기 당량비 뿐만 아니라 상기 가스 온도 등의 온도 조건에 따라서도 변동한다.
이 때문에, 이와 같은 운전 상태에 있어서는, 내연 기관 전체의 출력 (연료 개질 기통으로부터의 출력과 출력 기통으로부터의 출력의 합) 이 기관 요구 출력이 되도록, 출력 기통으로부터 출력되는 토크를 조정할 필요가 있다.
지금까지, 연료 개질 기통 및 출력 기통을 구비한 내연 기관에 있어서, 연료 개질 기통의 운전 상태에 따라 출력 기통의 출력을 조정하는 구체적인 수법에 대해서는 제안되어 있지 않다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 연료 개질 기통 및 출력 기통을 구비한 내연 기관에 대하여, 연료 개질 기통의 운전 상태에 따라 출력 기통의 출력을 조정함으로써, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻는 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 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비하고, 상기 연료 개질 기통과 상기 출력 기통이 서로 동력 전달 가능하게 연결된 내연 기관에 적용되는 제어 장치를 전제로 한다. 그리고, 이 내연 기관의 제어 장치는, 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력을 구하고, 이 연료 개질 기통으로부터의 출력과 상기 출력 기통으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 상기 출력 기통으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 동작을 실시하는 출력 조정부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 특정 사항에 의해, 출력 조정부는, 연료 개질 기통으로부터의 출력이 부의 값인 경우, 요컨대, 출력 기통으로부터의 출력에 의해 연료 개질 기통이 구동되는 상황인 경우에는, 그 분 (연료 개질 기통의 구동에 필요로 하는 출력분) 만큼 출력 기통으로부터의 출력을 증가시킨다. 반대로, 출력 조정부는, 연료 개질 기통으로부터의 출력이 정의 값인 경우, 요컨대, 연료 개질 기통으로부터의 출력이 기관 출력에 기여하는 상황인 경우에는, 그 분 (연료 개질 기통의 출력분) 만큼 출력 기통으로부터의 출력을 감소시킨다. 이에 의해, 연료 개질 기통으로부터의 출력과 출력 기통으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시킬 수 있다. 이 때문에, 연료 개질 기통의 운전 상태에 관계없이, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻을 수 있다.
또한, 상기 출력 기통이 복수 구비된 내연 기관에 대하여, 상기 출력 조정부는, 상기 기관 요구 출력으로부터, 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력을 감산하고, 그 감산 결과의 값을 상기 출력 기통의 기통수로 제산함으로써 각 출력 기통 각각의 목표 출력을 결정하고, 이 결정한 목표 출력이 얻어지도록 상기 출력 조정 동작을 실시하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 연료 개질 기통으로부터의 출력이 정의 값인 경우에는, 이 값이 기관 요구 출력으로부터 감산됨으로써 각 출력 기통의 목표 출력으로는 비교적 작은 값으로서 결정된다. 한편, 연료 개질 기통으로부터의 출력이 부의 값인 경우에는, 이 값이 기관 요구 출력으로부터 감산됨 (절대치로는 가산됨) 으로써 각 출력 기통의 목표 출력으로는 비교적 큰 값으로서 결정된다. 이 때문에, 어느 것에 있어서도, 출력 기통으로부터의 출력과 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시킬 수 있다.
또한, 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력은, 이 연료 개질 기통의 통내 압력 및 연료 개질 기통의 회전 속도에 기초하여 구해지거나, 또는, 상기 연료 개질 기통에서 개질 반응이 실시될 때의 연료 개질 기통의 회전 속도에 기초하여 구해지는 것이 바람직하다.
내연 기관에 있어서의 이들 상태량에 의해 연료 개질 기통으로부터의 출력을 구함으로써, 이 연료 개질 기통으로부터의 출력을 높은 정밀도로 구하는 것이 가능해진다. 그 결과, 출력 기통으로부터의 출력의 조정을 높은 정밀도로 실시하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 각 기통은, 각각 기통 내에 연료를 공급하는 인젝터를 구비하고 있다. 또한, 상기 출력 조정부는, 상기 기관 요구 출력이 증대하는 과도 운전시, 상기 출력 기통 내로의 상기 인젝터로부터의 연료 공급량을 증량하여, 이 출력 기통으로부터의 출력을 증대시킴으로써, 이 출력 기통으로부터의 출력과 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합이 상기 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록 하고, 그 후, 상기 출력 기통으로부터의 출력과 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합이 상기 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하는 상태를 유지하도록, 상기 연료 개질 기통 내로의 인젝터로부터의 연료 공급량을 서서히 증량하고, 또한 상기 출력 기통 내로의 인젝터로부터의 연료 공급량을 서서히 감량하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
기관 요구 출력이 증대하는 과도 운전시, 연료 개질 기통 내로의 연료 공급량을 증량함으로써 (개질 연료의 생성량을 증량함으로써) 출력 기통으로부터의 출력을 증대시킨 경우에는, 운전의 안정성에 지장을 초래할 가능성이 있다. 이 때문에, 본 해결 수단에서는, 기관 요구 출력이 증대하는 과도 운전시, 출력 기통 내로의 인젝터로부터의 연료 공급량을 증량하여, 이 출력 기통으로부터의 출력을 증대시킴으로써, 출력 기통으로부터의 출력과 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록 한다. 이에 의해, 운전의 안정성을 유지하면서, 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하는 기관 출력을 얻을 수 있다. 또한, 그 후, 연료 개질 기통 내로의 인젝터로부터의 연료 공급량을 서서히 증량하고, 또한 출력 기통 내로의 인젝터로부터의 연료 공급량을 서서히 감량함으로써, 출력 기통의 출력을 얻기 위한 열원을, 출력 기통 내에 직접적으로 공급되는 연료 (인젝터로부터의 연료) 로부터, 개질 연료 (연료 개질 기통으로부터 공급되는 개질 연료) 로 천이시켜 간다. 이에 의해, 출력 기통으로부터의 출력과 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시키면서, 개질 연료를 사용한 운전 상태로 이행시킬 수 있다.
또한, 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력이, 이 연료 개질 기통에서의 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있다고 가정한 경우의 출력에 비하여 소정량 이상 하회한 경우에, 상기 개질 반응을 촉진시키기 위한 개질 반응 촉진 동작을 실시하는 개질 반응 촉진부를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
예를 들어, 연료 개질 기통 내로의 연료 공급량을 제어함으로써, 출력 기통으로부터의 출력과 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시키는 경우에, 연료 개질 기통에서의 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있지 않으면, 상기 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치시키는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있는 것이 바람직하다. 본 해결 수단에서는, 연료 개질 기통으로부터의 출력이, 이 연료 개질 기통에서의 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있다고 가정한 경우의 출력에 비하여 소정량 이상 하회한 경우에는, 연료 개질 기통에서의 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있지 않은 것으로 추정하여, 개질 반응을 촉진시키기 위한 개질 반응 촉진 동작을 실시하도록 하고 있다. 이 때문에, 출력 기통으로부터의 출력과 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시키는 제어를 양호하게 실시하는 것이 가능해진다.
상기 개질 반응 촉진부에 의한 상기 개질 반응 촉진 동작으로는, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비를 1 에 가깝게 하거나, 또는, 상기 연료 개질 기통 내의 가스 온도를 상승시키는 것이 바람직하다.
연료 개질 기통 내의 당량비를 1 에 가깝게 함으로써, 연료 개질 기통 내에서의 산화 반응량이 증대하여, 연료 개질 기통으로부터의 출력이 상승한다. 또한, 연료 개질 기통 내의 가스 온도를 상승시킴으로써, 연료 개질 기통 내의 가스 상태로는 개질 반응이 가능한 상태가 되고, 이 개질 반응에 수반하여, 연료 개질 기통으로부터의 출력이 상승한다. 이에 의해, 출력 기통으로부터의 출력과 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시키는 제어를 양호하게 실시하는 것이 가능해진다.
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 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비하고, 상기 연료 개질 기통과 상기 출력 기통이 서로 동력 전달 가능하게 연결된 내연 기관에 적용되는 제어 방법을 전제로 한다. 그리고, 이 내연 기관의 제어 방법은, 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력을 구하고, 이 연료 개질 기통으로부터의 출력과 상기 출력 기통으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 상기 출력 기통으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 동작을 실시하는 것을 특징으로 한다.
이 제어 방법에 의해서도, 전술한 바와 같이, 연료 개질 기통으로부터의 출력과 출력 기통으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시킬 수 있고, 연료 개질 기통의 운전 상태에 관계없이, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻을 수 있다.
본 발명에서는, 연료 개질 기통으로부터의 출력과 출력 기통으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 출력 기통으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 동작을 실시하도록 하고 있다. 이 때문에, 연료 개질 기통의 운전 상태에 관계없이, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻을 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 과도 운전시의 출력 조정 동작에 있어서의 기관 요구 출력, 출력 기통으로의 연료 공급량, 출력 기통의 정미 (正味) 출력, 연료 개질 기통으로의 연료 공급량, 연료 개질 기통의 정미 출력 각각의 변화의 일례를 나타내는 타이밍 차트도이다.
도 5 는 출력 조정 동작의 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 통하여 크랭크 샤프트 (11) 에 연결되어 있다. 이에 의해, 피스톤 (22, 32) 의 왕복 운동과 크랭크 샤프트 (11) 의 회전 운동 사이에서 운동이 변환되게 되어 있다. 크랭크 샤프트 (11) 는, 클러치 기구 (도시 생략) 를 통하여 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 통하여 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 개질하고, 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) 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) 에 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 공냉식의 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), 통내압 센서 (107), 크랭크 포지션 센서 (108) 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.
통내압 센서 (107) 는, 연료 개질실 (23) 에 면하여 배치 형성되고, 이 연료 개질실 (23) 내의 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 이 연료 개질실 (23) 내의 압력은, 연료 개질실 (23) 의 도시 출력 (연료 개질실 (23) 내에서의 반응에서 기인하는 도시 출력) 의 산출에 이용할 수 있다.
크랭크 포지션 센서 (108) 는, 예를 들어 전자 픽업으로 구성되어 있고, 크랭크 샤프트 (11) 또는 도시하지 않은 플라이 휠에 일체 회전 가능하게 형성된 도시하지 않은 Ne 로터의 회전 위치에 따른 펄스 신호를 ECU (100) 에 출력한다.
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 ∼ 108) 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) 에 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 실시되어, 연료가 개질되고, 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 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 개방되고, 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 착화하고, 희박 예혼합 연소가 실시된다. 또한, 인젝터 (35) 로부터의 연료 분사를 실시하지 않아도 연소실 (33) 의 혼합기가 자착화 (예혼합 압축 자착화) 하는 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, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 토크가 부의 값이 되어 있는 경우, 출력 기통 (3) 으로부터의 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 연소 (통상 디젤 연소 상당한 연소) 가 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 저감 및 수트 배출량의 저감을 도모할 수 있다. 이에 의해, 배기 가스를 정화하기 위한 후 처리 장치를 불필요 또는 그 용량을 대폭 소형화하는 것이 가능하다. 또한, 안티노크성이 높은 연료의 연소가 실시되기 때문에, 노킹이 억제됨과 함께 디젤 마이크로 파일럿 착화에 의해 최적의 시기에서의 연소를 실현할 수 있는 것으로부터, 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 있을 필요가 있다. 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 필요하다.
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.
-출력 기통의 출력 조정 동작-
다음으로, 본 실시형태의 특징인 출력 기통 (3) 의 출력 조정 동작에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 연료 개질실 (23) 에 있어서 개질 연료를 생성하는 경우, 이 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 높게 함으로써, 개질 연료로의 변환 효율을 높일 수 있다. 그러나, 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 높게 하는 것은, 이 연료 개질실 (23) 내에서의 산화 반응량 (연소량) 을 감소시키게 된다. 이 산화 반응은 토크에 기여하는 것인 점에서, 상기 당량비를 높게 하여 산화 반응량을 감소시키는 것은, 연료 개질 기통 (2) 에서 발생하는 토크 (출력) 를 작게 하는 것으로 연결된다. 그리고, 연료 개질실 (23) 내에서의 개질 반응은 흡열 반응을 수반하는 것인 점에서, 운전 조건에 따라서는, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 토크가 부의 값이 되는 경우가 있다. 요컨대, 출력 기통 (3) 으로부터의 토크에 의해 연료 개질 기통 (3) 이 구동 (피스톤 (22) 이 왕복동) 되는 상태가 되는 경우가 있다. 이와 같은 운전 상태에 있어서는, 부하 등에 따른 기관 요구 출력을 만족하면서도 연료 개질 기통 (2) 을 구동시킬 필요가 있기 때문에, 거기에 따른 토크가 출력 기통 (3) 으로부터 출력되어 있을 필요가 있다.
또한, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 개질 반응은, 도 3 을 사용하여 전술한 바와 같이, 연료 개질 기통 (2) 내의 당량비와 가스 온도 (특히, 압축단 가스 온도) 에 의존한다. 그리고, 상기 당량비가 (저하하여) 1 에 가까워지는 경우에는, 산화 반응량이 증대함으로써 연료 개질 기통 (2) 에서 발생하는 토크가 정의 값이 된다. 또한, 이 토크의 크기는, 상기 당량비 뿐만 아니라 상기 가스 온도 등의 온도 조건에 따라서도 변동한다. 이 때문에, 이와 같은 운전 상태에 있어서는, 내연 기관 전체의 출력 (연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합) 이 기관 요구 출력이 되도록, 출력 기통 (3) 으로부터 출력되는 토크를 조정할 필요가 있다.
본 실시형태는, 이 점을 감안하여, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력 (보다 구체적으로는 후술하는 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 정미 출력) 을 구하고, 이 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력 (보다 구체적으로는 후술하는 출력 기통 (3) 으로부터의 정미 출력) 의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 출력 기통 (3) 으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 동작을 실시하도록 하고 있다. 이 출력 조정 동작은, 상기 ECU (100) 에 있어서 실행된다. 이 때문에, 이 ECU (100) 에 있어서, 상기 출력 조정 동작을 실시하는 기능 부분이, 본 발명에서 말하는 출력 조정부가 되어 있다.
이 출력 조정 동작은, 내연 기관 (1) 의 정상 운전시뿐만 아니라 과도 운전시에 있어서도 실시된다. 이하, 이들 운전시에 있어서의 출력 조정 동작의 개요에 대하여 설명한다.
(정상 운전시의 출력 조정 동작)
정상 운전시의 출력 조정 동작으로는, 연료 개질 기통 (2) 의 출력 산출 동작, 출력 기통 (3) 의 목표 출력 산출 동작이 순서대로 실시된다. 이하, 각 동작에 대하여 설명한다.
· 연료 개질 기통의 출력 산출 동작
먼저, 연료 개질 기통 (2) 의 출력 산출 동작에 대하여 설명한다. 이 연료 개질 기통 (2) 의 출력 산출 동작은, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력을 산출하는 것이다. 이 정미 출력은, 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클 당의 작업량의 적산치로서, 연료 개질 기통 (2) 의 도시 출력으로부터, 이 연료 개질 기통 (2) 의 구동에 수반하는 기계 손실분을 감산함으로써 얻어진다.
연료 개질 기통 (2) 의 도시 출력은, 상기 통내압 센서 (107) 로부터의 출력 신호 및 크랭크 포지션 센서 (108) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출하는 것이 가능하다 (본 발명에서 말하는, 연료 개질 기통으로부터의 출력을, 이 연료 개질 기통의 통내 압력 및 연료 개질 기통의 회전 속도에 기초하여 구하는 것에 상당).
요컨대, 통내압 센서 (107) 로부터의 출력 신호에 기초하여 연료 개질실 (23) 내의 압력을 산출한다. 또한, 크랭크 포지션 센서 (108) 로부터의 출력 신호에 기초하여 연료 개질 기통 (2) 의 피스톤 위치를 구한다. 그리고, 이 피스톤 위치로부터 연료 개질실 (23) 의 용적을 기하학적으로 산출한다. 이와 같이 하여 연료 개질실 (23) 내의 압력 및 연료 개질실 (23) 의 용적을 소정 시간마다 샘플링해 가고, 이들 샘플링치를 공지된 P-V 선도에 적용시키는 것에 의해 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클 당의 도시 출력을 산출할 수 있다.
또한, 상기 연료 개질실 (23) 내의 압력 및 연료 개질실 (23) 의 용적의 각 샘플링치에 따라 연료 개질 기통 (2) 의 도시 출력을 추출하는 맵을 상기 ROM 에 기억시켜 두고, 이 맵에 상기 각 샘플링치를 적용시켜 감으로써 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클 당의 도시 출력을 구하도록 해도 된다.
또한, 연료 개질 기통 (2) 의 구동에 수반하는 기계 손실은, 연료 개질 기통 (2) 의 회전 속도 및 연료 개질 기통 (2) 의 온도에 따라 구할 수 있다. 구체적으로는, 연료 개질 기통 (2) 의 회전 속도가 높을수록, 각 슬라이딩 부분의 마찰 저항이 증대하여 기계 손실은 커진다. 또한, 연료 개질 기통 (2) 의 온도가 낮을수록, 예를 들어 윤활유의 점도가 높아지는 등 하여 기계 손실은 커진다. 상기 연료 개질 기통 (2) 의 회전 속도는, 상기 크랭크 포지션 센서 (108) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출하는 것이 가능하다. 또한, 연료 개질 기통 (2) 의 온도로는, 수온 센서 (106) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된 냉각수 온도나, 흡입 가스 온도 센서 (103) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된 흡입 가스 온도 등을 적용하는 것이 가능하다. 이 때문에, 연료 개질 기통 (2) 의 회전 속도 및 연료 개질 기통 (2) 의 온도 (예를 들어 냉각수 온도) 와 기계 손실의 관계를 실험 또는 시뮬레이션에 의해 구해 두고, 현재의 연료 개질 기통 (2) 의 회전 속도 및 연료 개질 기통 (2) 의 온도로부터 기계 손실을 구하고, 거기에 따른 출력의 손실분을 상기 도시 출력으로부터 감산함으로써, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력을 산출할 수 있다.
또한, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력을 산출하는 수법으로는, 전술한 것에 한정하지는 않고, 연료 개질 기통 (2) 의 개질 반응시에 있어서의 크랭크 샤프트 (11) 의 회전 속도 (회전각 속도) 에 기초하여 산출하는 것도 가능하다 (본 발명에서 말하는, 연료 개질 기통으로부터의 출력을, 이 연료 개질 기통에서 개질 반응이 실시될 때의 연료 개질 기통의 회전 속도에 기초하여 구하는 것에 상당). 요컨대, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력이 클수록 개질 반응시에 있어서의 크랭크 샤프트 (11) 의 회전 속도는 높아지기 때문에, 이 관계를 이용하여, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력을 산출하는 것이다. 예를 들어, 연료 개질 기통 (2) 의 피스톤 (22) 이 압축 상사점으로부터 하사점에 이를 때까지의 동안 (크랭크 각도로 180°의 기간) 에서의 크랭크 샤프트 (11) 의 평균 회전 속도 (연료 개질 기통 (2) 의 피스톤 (22) 이 압축 상사점으로부터 하사점에 이를 때까지 필요로 하는 시간을 크랭크 포지션 센서 (108) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출하고, 이것을 크랭크 샤프트 (11) 의 회전 속도로 환산함으로써 구한다) 와, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력의 관계를 실험 또는 시뮬레이션에 의해 구해 두고, 이번 회의 연료 개질 기통 (2) 의 개질 반응시에 있어서의 크랭크 샤프트 (11) 의 회전 속도로부터 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력을 구하는 것이다.
또한, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력을 산출하는 다른 수법으로는, 크랭크 샤프트 (11) 에 공지된 토크 센서를 형성해 두고, 연료 개질 기통 (2) 의 개질 반응시에 있어서 크랭크 샤프트 (11) 에 발생하고 있는 토크를 토크 센서에 의해 검출하는 것도 들 수 있다.
· 출력 기통의 목표 출력 산출 동작
다음으로, 출력 기통 (3) 의 목표 출력 산출 동작에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 출력 기통 (3) 으로부터의 출력을 조정하도록 하고 있다. 이 때문에, 출력 기통 (3) 의 목표 출력 (출력 기통 (3) 의 1 기통 당이 출력해야 하는 정미 출력) 으로는, 이하의 식 (1) 에 의해 기관 요구 출력을 규정하고, 이 식 (1) 을 이하의 식 (2) 로 변환하는 것에 의해 산출할 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
이들 식 (1), (2) 에 있어서, Pout 은 기관 요구 출력, npowcyl 은 출력 기통 (3) 의 기통수, Ppowcyl 은 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력, nrfmcyl 은 연료 개질 기통 (2) 의 기통수, Prfmcyl 은 연료 개질 기통 (2) 의 1 기통 당의 정미 출력이다. 상기 연료 개질 기통 (2) 의 1 기통 당의 정미 출력 Prfmcyl 은, 전술한 연료 개질 기통 (2) 의 출력 산출 동작에 의해 구해진다.
식 (2) 에 있어서의 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl 이, 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 목표 출력에 상당하게 된다. 이와 같이, 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl 은, 기관 요구 출력 Pout 으로부터, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력 (nrfmcyl · Prfmcyl) 을 감산하고, 그 감산 결과의 값을 출력 기통 (3) 의 기통수 npowcyl 로 제산함으로써 결정되게 된다.
전술한 바와 같이, 연료 개질 기통 (2) 의 1 기통 당의 정미 출력 Prfmcyl 은 부의 값이 되는 경우가 있다. 이 경우, 식 (2) 에서 산출되는 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl 로는, 연료 개질 기통 (2) 의 1 기통 당의 정미 출력 Prfmcyl 이 영인 경우나 정의 값인 경우에 비하여 큰 값으로서 산출되게 된다. 요컨대, 출력 기통 (3) 이 연료 개질 기통 (2) 의 구동원으로서 기능하는 분만큼, 이 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl (출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 목표 출력) 은 큰 값으로서 산출되게 된다.
이와 같이 하여 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 (출력 기통 (3) 의 1 기통 당이 출력해야 하는 정미 출력 ; 목표 출력) Ppowcyl 이 산출되고, 이 정미 출력 Ppowcyl 이 얻어지도록 연료 공급량의 제어가 실시된다.
이 출력 기통 (3) 의 정미 출력 Ppowcyl 을 얻기 위한 연료 공급량의 제어로는, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 제어하는 경우와, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 제어하는 경우를 들 수 있다.
인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 제어하는 경우에는, 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl 과 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량의 관계가, 미리 실험 또는 시뮬레이션에 의해 구해져 상기 ROM 에 맵으로서 격납되어 있다. 그리고, 이 맵을 참조하여, 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl (출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 목표 출력) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급하는 연료량을 구하게 된다. 이에 의해, 연료 개질 기통 (2) 의 운전 상태에 관계없이, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻을 수 있다.
또한, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 제어하는 경우에는, 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl 과 개질 연료의 생성량의 관계, 및, 이 개질 연료의 생성량과 연료 개질 기통 (2) 에 공급하는 연료량의 관계가, 미리 실험 또는 시뮬레이션에 의해 각각 구해져 상기 ROM 에 맵으로서 격납되어 있다. 그리고, 이들 맵을 참조하여, 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl (출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 목표 출력) 로부터 연료 개질 기통 (2) 에 공급하는 연료량을 구하게 된다. 이에 의해서도, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻을 수 있다.
이 경우, 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl 을 변화 (증가 또는 감소) 시키는 데에 있어서, 연료 개질 기통 (2) 에 공급하는 연료를 변화 (증량 또는 감량) 하게 된다. 요컨대, 이 공급 연료의 변화에 수반하여, 연료 개질 기통 (2) 의 1 기통 당의 정미 출력 Prfmcyl 도 변화할 가능성이 있다. 이 때문에, 이 공급 연료의 변화에 수반하여 변화하는 연료 개질 기통 (2) 의 1 기통 당의 정미 출력 Prfmcyl 을, 전술한 연료 개질 기통의 출력 산출 동작에 의해 구하고, 이 값을 상기 식 (2) 에 반영시키면서 출력 기통 (3) 의 1 기통 당의 정미 출력 Ppowcyl 을 산출해 감으로써, 이 정미 출력 Ppowcyl 이 적정치 (기관 요구 출력을 얻기 위한 정미 출력 Ppowcyl) 에 수속해 가게 된다.
(과도 운전시의 출력 조정 동작)
다음으로, 과도 운전시의 출력 조정 동작에 대하여 설명한다. 기관 부하의 증대나 기관 부하의 차단 등에 의해 기관 요구 출력이 변화한 경우 (상기 기관 요구 출력 Pout 이 변화한 경우), 그에 따라 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력을 급속히 변화시키면, 내연 기관 (1) 의 회전 속도의 급변을 초래하는 등으로 운전의 안정성에 지장을 초래할 가능성이 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 과도 운전시, 예를 들어, 기관 요구 출력의 상승시에는, 먼저, 인젝터 (35) 로부터 각 출력 기통 (3) 의 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 증량하여, 출력 기통 (3) 의 정미 출력을, 상기 기관 요구 출력의 상승분만큼 증가시킨다. 그 후, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 서서히 증량시킴과 함께, 인젝터 (35) 로부터 각 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 서서히 감량해 간다. 요컨대, 연료 개질실 (23) 에서의 개질 연료의 생성량을 서서히 증량시키면서, 각 연소실 (33) 내에 직접적으로 공급되는 연료의 양을 감량해 간다. 이에 의해, 출력 기통 (3) 의 정미 출력 (기관 요구 출력의 변화에 따른 정미 출력 ; 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시키기 위한 정미 출력) 을 얻으면서, 이 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 얻기 위한 열원을, 인젝터 (35) 에 의해 공급되는 연료로부터, 연료 개질실 (23) 로부터 공급되는 개질 연료로 천이시켜 간다.
이 과도 운전시의 출력 조정 동작의 이해를 용이하게 하기 위해서, 각 기통으로의 연료 공급량 및 각 기통의 정미 출력의 변화의 일례에 대하여 도 4 를 사용하여 설명한다.
이 도 4 는, 과도 운전시의 출력 조정 동작에 있어서의 기관 요구 출력, 출력 기통 (3) 으로의 연료 공급량, 출력 기통 (3) 의 정미 출력, 연료 개질 기통 (2) 으로의 연료 공급량, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력 각각의 변화의 일례를 나타내는 타이밍 차트도이다. 또한, 이 도 4 에 있어서의 출력 기통 (3) 의 정미 출력은, 각 출력 기통 (3) 의 정미 출력의 합산치를 나타내고 있다.
이 도 4 에서는, 도면 중의 타이밍 (t1) 에서 기관 요구 출력이 급속히 증대하고, 도면 중의 타이밍 (t3) 에서 기관 요구 출력이 급속히 감소하는 (타이밍 (t1) 의 전 상태로 돌아가는) 과도 운전시를 나타내고 있다.
도면 중의 타이밍 (t1) 에 이르기 전의 정상 운전 상태에서는, 출력 기통 (3) 의 정미 출력 및 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력이 모두 정의 값이 되어 있고, 이들 정미 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치하도록 제어된다. 요컨대, 도면 중의 정미 출력 (P2, P3) 의 합이 기관 요구 출력 (P1) 에 일치하도록 제어된다. 이 때, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급 동작으로는, 상기 미량의 연료 공급이 실시되고 있다. 또한, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급 동작으로는, 상기 기관 요구 출력 (정상 운전 상태에서의 기관 요구 출력) 에 따른 양의 연료 공급이 실시되고 있다. 여기서의 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량은, 전술한 정상 운전시의 출력 조정 동작에서 설명한 식 (2) 에서 구해진 출력 기통 (3) 의 정미 출력 (출력 기통 (3) 의 목표 출력) 에 기초하여 조정된다. 이 경우, 출력 기통 (3) 의 정미 출력 (P2) 은, 기관 요구 출력 (P1) 대하여, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력 (P3) 분만큼 작아진다.
도면 중의 타이밍 (t1) 에서 기관 요구 출력이 급속히 증대했을 때, 그에 따라 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 급속히 변화시키게 되는데, 이 경우, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 증량하여 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 증대시켜, 이 출력 기통 (3) 의 정미 출력과 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치하도록 제어된다. 이에 의해, 기관 요구 출력의 변화에 따른 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 얻으면서도, 운전의 안정성을 확보한다.
그 후, 이 타이밍 (t1) 으로부터 타이밍 (t2) 의 기간에 걸쳐, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 서서히 증량시킴과 함께, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 서서히 감량해 간다. 요컨대, 연료 개질실 (23) 에서의 개질 연료의 생성량을 서서히 증량시키면서, 연소실 (33) 내에 직접적으로 공급되는 연료의 양을 감량해 간다. 이에 의해, 출력 기통 (3) 의 정미 출력 (기관 요구 출력의 변화에 따른 정미 출력 ; 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시키기 위한 정미 출력) 을 얻으면서, 이 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 얻기 위한 열원을, 인젝터 (35) 에 의해 공급되는 연료로부터, 연료 개질실 (23) 로부터 공급되는 개질 연료로 천이시켜 간다. 이 때, 각 인젝터 (25, 35) 로부터의 연료 공급량의 단위 시간 당의 변화량은 일정해지고, 출력 기통 (3) 의 정미 출력과 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치하는 상태가 유지되도록 제어된다.
타이밍 (t2) 에서는, 출력 기통 (3) 의 정미 출력은 정의 값이 되어 있는 데에 반하여, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력은 부의 값이 되어 있다. 이 때에 있어서도, 이들 정미 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치하도록 제어된다. 요컨대, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급 동작으로는, 상기 미량의 연료 공급이 실시되고 있다. 또한, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급 동작으로는, 상기 기관 요구 출력 (변화 후의 기관 요구 출력) 에 따른 양의 연료 공급이 실시되고 있다. 이에 의해, 도면 중의 정미 출력 (P5) 과 (P6) 의 차가 기관 요구 출력 (P4) 에 일치하도록 제어된다. 이 때문에, 출력 기통 (3) 의 정미 출력 (P5) 은, 기관 요구 출력 (P4) 에 대하여, 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력 (P6) 분만큼 커진다.
도면 중의 타이밍 (t3) 에서 기관 요구 출력이 급속히 감소했을 때, 그에 따라 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 급속히 변화시키게 되는데, 이 경우, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량으로는 상기의 미량을 유지하면서, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 일단 영으로 설정한다. 이에 의해, 개질 연료 공급계 (5) 에 잔존하고 있는 개질 연료를 연소실 (33) 에 도입함으로써, 출력 기통 (3) 의 정미 출력을, 변화 후의 기관 요구 출력에 따른 값까지 서서히 변화시킨다.
그 후, 타이밍 (t4) 으로부터 타이밍 (t5) 의 기간에 걸쳐, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 개시하여 개질 연료의 생성을 재개시키고, 이 개질 연료를 연소실 (33) 에 공급하여, 이 개질 연료의 연소에 의해 상기 출력 기통 (3) 의 정미 출력이 얻어지도록 한다. 이 때, 인젝터 (25) 로부터의 연료 공급량의 단위 시간 당의 변화량은 일정하게 제어된다.
그 후, 타이밍 (t5) 이후의 동작에서는, 기관 요구 출력에 따른 연료량이 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 에 공급되게 된다. 이 타이밍 (t5) 이후의 동작에서는, 전술한 타이밍 (t1) 에 이르기 전의 정상 운전 상태의 경우와 동일하게, 도면 중의 정미 출력 (P8, P9) 의 합이 기관 요구 출력 (P7) 에 일치하고 있다.
-출력 기통의 출력 조정 동작-
다음으로, 전술한 출력 기통 (3) 의 출력 조정 동작의 순서에 대하여, 도 5 의 플로우 차트를 따라 설명한다. 이 플로우 차트는, 내연 기관 (1) 의 시동 후, 예를 들어, 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클마다 ECU (100) 에 있어서 실행된다.
먼저, 스텝 ST1 에 있어서, 내연 기관 (1) 이 정상 운전 중인지 여부를 판정한다. 이 판정에서는, 상기 기관 부하의 변동량이, 미리 설정된 부하 변동 임계치보다 큰지 여부를 판정한다. 예를 들어, 선박의 스로틀 개도의 변화량이 소정의 임계치보다 큰지 여부를 판정한다.
기관 부하의 변동량이 부하 변동 임계치 이하이고, 내연 기관 (1) 이 정상 운전 중인 것으로 판정 (스텝 ST1 에서 YES 판정) 된 경우에는, 스텝 ST2 로 이동하여, 전술한 식 (2) 를 사용하여, 출력 기통 (3) 의 목표 출력 (출력 기통 (3) 이 출력해야 하는 정미 출력) 을 산출한다. 요컨대, 전술한 연료 개질 기통 (2) 의 출력 산출 동작 및 출력 기통 (3) 의 목표 출력 산출 동작을 실시한다.
그 후, 스텝 ST3 으로 이동하여, 이 출력 기통 (3) 의 목표 출력이 얻어지도록 (출력 기통 (3) 의 정미 출력과 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치하도록) 출력 기통 (3) 으로의 연료 공급량이 제어된다. 또는, 전술한 바와 같이, 연료 개질 기통 (2) 으로의 연료 공급량이 제어된다. 전술한 바와 같이, 식 (2) 로 산출되는 출력 기통 (3) 의 목표 출력은, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록 결정된 것이다. 이 때문에, 이 연료 공급량의 제어가 실시됨으로써, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻을 수 있다.
한편, 기관 부하의 변동량이 부하 변동 임계치를 초과하고 있고, 내연 기관 (1) 이 과도 운전 중인 것으로 판정 (스텝 ST1 에서 NO 판정) 된 경우에는, 스텝 ST4 로 이동하여, 기관 부하의 변동은 기관 요구 출력이 상승하는 것인지 여부를 판정한다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 선박의 스로틀 개도가 커져 기관 부하가 커졌는지 여부를 판정한다.
기관 부하의 변동은 기관 요구 출력이 상승하는 것이고, 스텝 ST4 에서 YES 판정된 경우에는, 스텝 ST5 로 이동하여, 인젝터 (35) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급되는 연료를 증량한다. 요컨대, 도 4 에 있어서의 타이밍 (t1) 에서의 연료 공급 동작을 실행한다. 즉, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 증량하여 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 증대시켜, 이 출력 기통 (3) 의 정미 출력과 연료 개질 기통 (2) 의 정미 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치하도록 제어된다.
그 후, 스텝 ST6 으로 이동하여, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질 기통 (2) 에 공급되는 연료를 증량해 감과 함께, 인젝터 (35) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급되는 연료를 감량해 간다. 요컨대, 도 4 에 있어서의 타이밍 (t1) 으로부터 타이밍 (t2) 의 기간에 걸친 연료 공급 동작을 실행한다. 즉, 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 얻기 위한 열원을, 인젝터 (35) 에 의해 공급되는 연료로부터, 연료 개질실 (23) 로부터 공급되는 개질 연료로 천이시켜 간다.
이와 같은 연료 공급 동작을 개시한 후, 스텝 ST7 로 이동하여, 인젝터 (35) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급되는 연료의 공급량이 소정량 α 이하에 이르렀는지 여부를 판정한다. 이 소정량 α 는 전술한 연소실 (33) 내의 혼합기를 착화시키기 위한 미량의 연료 공급량에 상당한다.
인젝터 (35) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급되는 연료의 공급량이 소정량 α 이하에 이르러 있지 않고 (소정량 α 를 초과하고 있고), 스텝 ST7 에서 NO 판정된 경우에는, 스텝 ST6 으로 돌아가, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질 기통 (2) 에 공급되는 연료를 더욱 증량함과 함께, 인젝터 (35) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급되는 연료를 더욱 감량한다.
그리고, 인젝터 (35) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급되는 연료의 공급량이 소정량 α 이하에 이르고, 스텝 ST7 에서 YES 판정된 경우에는, 현재의 연료 공급량을 지지한 상태로 리턴된다. 이 상태가, 도 4 에 있어서의 타이밍 (t2) 으로부터 타이밍 (t3) 의 기간의 상태에 상당한다.
스텝 ST4 에 있어서 NO 판정된 경우, 요컨대, 기관 부하의 변동은 기관 요구 출력이 하강하는 것인 것으로 판정된 경우에는, 스텝 ST8 로 이동하여, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질 기통 (2) 에 공급되는 연료를 영으로 설정한다. 요컨대, 도 4 에 있어서의 타이밍 (t3) 에서의 연료 공급 동작을 실행한다.
이와 같이 하여 연료 개질 기통 (2) 에 공급되는 연료를 영으로 설정한 시점으로부터, 스텝 ST9 에서, 상기 ECU (100) 에 미리 격납된 타이머의 카운트를 개시한다. 이 타이머는, 예를 들어, 개질 연료 공급계 (5) 에 잔존하고 있는 개질 연료의 대략 전체량이 연소실 (33) 에 도입될 때까지의 시간이 경과한 시점에서 카운트를 종료하는 (타임 업하는) 것이다. 이 시간은, 미리 실험 또는 시뮬레이션에 의해 설정되어 있다. 예를 들어, 도 4 에 있어서의 타이밍 (t3) 부터 타이밍 (t4) 까지의 기간에 상당한다.
스텝 ST10 에서는, 이 타이머의 카운트가 종료되었는지 여부 (개질 연료 공급계 (5) 에 잔존하고 있는 개질 연료의 대략 전체량이 연소실 (33) 에 도입되었는지 여부) 를 판정한다. 아직, 타이머의 카운트가 종료되어 있지 않은 경우에는, 타이머의 카운트를 계속시킨다.
한편, 타이머의 카운트가 종료되어, 스텝 ST10 에서 YES 판정된 경우에는, 스텝 ST11 로 이동하여, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질 기통 (2) 으로의 연료 공급을 개시시킨다. 요컨대, 현재의 기관 요구 출력에 따른 양의 연료가 연료 개질실 (23) 에 공급되도록 인젝터 (25) 를 제어한다. 즉, 도 4 에 있어서의 타이밍 (t4) 에서의 연료 공급 동작을 실행한다.
이상의 동작이 반복됨으로써, 스텝 ST2 및 스텝 ST3 의 동작, 스텝 ST5 및 스텝 ST6 의 동작, 스텝 ST11 의 동작이, 본 발명에서 말하는 「출력 조정부에 의한 동작으로서, 연료 개질 기통으로부터의 출력을 구하고, 이 연료 개질 기통으로부터의 출력과 출력 기통으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 출력 기통으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 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, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력이 부의 값인 경우, 요컨대, 출력 기통 (3) 으로부터의 출력에 의해 연료 개질 기통 (2) 이 구동되는 상황인 경우에는, 그 분 (연료 개질 기통 (2) 의 구동에 필요로 하는 출력분) 만큼 출력 기통 (3) 으로부터의 출력이 증가하게 된다. 반대로, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력이 정의 값인 경우, 요컨대, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력이 기관 요구 출력에 기여하는 상황인 경우에는, 그 분 (연료 개질 기통 (2) 의 출력분) 만큼 출력 기통 (3) 으로부터의 출력이 감소하게 된다. 이에 의해, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치시킬 수 있다. 그 결과, 연료 개질 기통 (2) 의 운전 상태에 관계없이, 기관 요구 출력 근방의 값으로서 기관 출력을 안정적으로 얻을 수 있다.
-연료 개질 기통의 제어-
상기 서술한 출력 조정 동작이 실시되는 경우, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서는, 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 제어함으로써, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치시키는 경우에, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있지 않으면, 상기 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치시키는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 상기 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있는 것이 바람직하다.
그래서, 본 실시형태에서는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있는지 여부를 판단하고, 이 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있지 않은 것으로 추정된 경우에는, 개질 반응을 정상적으로 실시하게 하기 위한 제어 (본 발명에서 말하는 개질 반응 촉진 동작) 를 실행하도록 하고 있다. 이 개질 반응 촉진 동작은, 상기 ECU (100) 에 있어서 실행된다. 이 때문에, 이 ECU (100) 에 있어서, 상기 개질 반응 촉진 동작을 실시하는 기능 부분이, 본 발명에서 말하는 개질 반응 촉진부가 되어 있다.
개질 반응이 정상적으로 실시되고 있는지 여부의 판단으로는, 먼저, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 반응시에 있어서의 기대 출력 (개질 반응이 정상적으로 실시되고 있다고 가정한 경우의 출력) 을 미리 설정해 두고, 이 기대 출력과 실제의 출력 (이하, 실출력이라고 한다) 을 비교한다. 그리고, 실출력이 기대 출력을 하회하고 있고, 그 차가 소정치 이상인 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 반응이 양호하게 실시되고 있지 않은 것으로 판단한다.
구체적으로는, 연료 개질 기통 (2) 의 기대 출력을 이하의 식 (3) 에 의해 산출한다.
Figure pct00003
이 식 (3) 에 있어서, Pept 는 연료 개질 기통 (2) 의 기대 출력, Ψi 는 흡입 가스의 조성에 기초하는 변수 (예를 들어 각 가스 성분 각각의 몰분율), gin 은 연료 개질실 (23) 에 도입되는 흡입 가스량, gfuel 은 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료량이다. 요컨대, 이 식 (3) 은, 흡입 가스량 등을 변수로 하는 연산식으로서, 실험 또는 시뮬레이션에 기초하여 작성된 것이다.
또한, 미리 요소 시험 등에 의해 각 요인의 영향 정도를 파악해 두고, 맵 등에 기초하여 연료 개질 기통 (2) 의 기대 출력 Pept 를 구하도록 해도 된다.
그리고, 상기 연료 개질 기통 (2) 의 기대 출력 Pept 와 상기 연료 개질 기통 (2) 의 실출력 (상기 정미 출력에 상당) Prfmcyl 을 비교하는 데에 있어서, 이들의 측정 오차를 고려하여, 이들 차가 소정치 이상인 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 반응이 양호하게 실시되고 있지 않은 것으로 판단하도록 한다.
구체적으로는, 기대 출력 하한치 Pept_Low 를 미리 설정해 두고, 연료 개질 기통 (2) 의 실출력 Prfmcyl 이 상기 기대 출력 하한치 Pept_Low 를 하회한 경우에, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 반응이 양호하게 실시되고 있지 않은 것으로 판단한다.
또한, 기대 출력 하한치 Pept_Low 로는, 기대 출력 Pept 로부터 소정량만큼 하회한 값으로서 설정해도 되고 (이하의 식 (4) 를 참조), 내연 기관 (1) 의 운전 상태로부터 산출하도록 해도 된다 (이하의 식 (5) 를 참조).
Figure pct00004
Figure pct00005
이와 같이 하여, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 반응이 양호하게 실시되고 있지 않은 것으로 판단된 경우, 이 개질 반응을 양호하게 실시하게 하기 위한 수단으로는, 압축단 가스 온도의 상승, 및, 연료 개질실 (23) 내의 당량비의 저하를 들 수 있다. 요컨대, 전술한 바와 같이, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 개질 반응은, 연료 개질 기통 (2) 내의 당량비와 압축단 가스 온도에 의존하는 점에서, 이들 파라미터가, 개질 반응이 양호하게 실시되는 방향으로 조정한다.
연료 개질실 (23) 에서의 실제의 압축단 가스 온도는 이하의 식 (6) 에 의해 산출 (추정) 하는 것이 가능하다.
Figure pct00006
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.
이 식 (6) 에 있어서의 파라미터를, 압축단 가스 온도 TTDC 를 상승시키도록 보정함으로써, 개질 반응이 양호하게 실시되는 방향으로 조정한다. 예를 들어, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 크게 하고, EGR 가스 냉각기 (72) 를 바이패스하는 EGR 가스량을 증량하고, 압축 전의 가스 온도 Tini 를 높게 한다. 또한, 가변동 밸브 장치 (28) 의 제어에 의해 흡기 밸브 (26) 의 밸브 닫힘 타이밍을 하사점측으로 이행시켜, 연료 개질 기통 (2) 의 유효 압축비를 높게 한다. 또한, 냉각수 온도나 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 변화시켜 상기 흡입 가스의 폴리트로프수 κ 를 크게 한다. 또한, 연료 개질실 (23) 내의 산소 농도를 높게 함으로써, 개질 반응에 수반하는 온도 상승분 Creact 를 많게 한다.
또한, 흡기량 조정 밸브 (45) 의 개도를 크게 함과 함께, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도를 작게 하고, 연료 개질실 (23) 내의 산소량을 증량시키는 것에 의해 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 1 에 접근시킨다. 또한, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도를 작게 하고, EGR 가스 냉각기 (72) 를 바이패스하는 EGR 가스량을 감량하고, 연료 개질실 (23) 내에 도입되는 흡입 가스의 온도를 낮춤으로써 산소의 충전 효율을 높여, 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 1 에 접근시킨다.
이들 동작에 의해 개질 반응의 개선을 도모한다. 이에 의해, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 제어함으로써, 연료 개질 기통 (2) 으로부터의 출력과 출력 기통 (3) 으로부터의 출력의 합을 기관 요구 출력에 일치시키는 등의 상기 제어가 양호하게 실시되게 된다.
-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, 기관 요구 출력이 급속히 증대한 과도 운전시에는, 일단, 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 급속히 변화시키고, 그 직후부터, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 서서히 증량시킴과 함께, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 서서히 감량시키도록 하고 있었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 상기 출력 기통 (3) 의 정미 출력을 급속히 변화시킨 후, 소정 시간만큼 그 상태를 유지하고, 그 후, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급량을 서서히 증량시킴과 함께, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급량을 서서히 감량시키도록 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 2016-139576호에 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)
3 출력 기통
25, 35 인젝터
100 ECU
107 통내압 센서
108 크랭크 포지션 센서

Claims (7)

  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 구비하고, 상기 연료 개질 기통과 상기 출력 기통이 서로 동력 전달 가능하게 연결된 내연 기관에 적용되는 제어 장치에 있어서,
    상기 연료 개질 기통으로부터의 출력을 구하고, 이 연료 개질 기통으로부터의 출력과 상기 출력 기통으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 상기 출력 기통으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 동작을 실시하는 출력 조정부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 기통은 복수 구비되어 있고,
    상기 출력 조정부는, 상기 기관 요구 출력으로부터, 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력을 감산하고, 그 감산 결과의 값을 상기 출력 기통의 기통수로 제산함으로써 각 출력 기통 각각의 목표 출력을 결정하고, 이 결정한 목표 출력이 얻어지도록 상기 출력 조정 동작을 실시하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 개질 기통으로부터의 출력은, 이 연료 개질 기통의 통내 압력 및 연료 개질 기통의 회전 속도에 기초하여 구해지거나, 또는, 상기 연료 개질 기통에서 개질 반응이 실시될 때의 연료 개질 기통의 회전 속도에 기초하여 구해지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 각 기통은, 각각 기통 내에 연료를 공급하는 인젝터를 구비하고 있고,
    상기 출력 조정부는, 상기 기관 요구 출력이 증대하는 과도 운전시, 상기 출력 기통 내로의 상기 인젝터로부터의 연료 공급량을 증량하여, 이 출력 기통으로부터의 출력을 증대시킴으로써, 이 출력 기통으로부터의 출력과 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합이 상기 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록 하고, 그 후, 상기 출력 기통으로부터의 출력과 상기 연료 개질 기통으로부터의 출력의 합이 상기 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하는 상태를 유지하도록, 상기 연료 개질 기통 내로의 인젝터로부터의 연료 공급량을 서서히 증량하고, 또한 상기 출력 기통 내로의 인젝터로부터의 연료 공급량을 서서히 감량하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 개질 기통으로부터의 출력이, 이 연료 개질 기통에서의 개질 반응이 정상적으로 실시되고 있다고 가정한 경우의 출력에 비하여 소정량 이상 하회한 경우에, 상기 개질 반응을 촉진시키기 위한 개질 반응 촉진 동작을 실시하는 개질 반응 촉진부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개질 반응 촉진부에 의한 상기 개질 반응 촉진 동작은, 상기 연료 개질 기통 내의 당량비를 1 에 가깝게 하거나, 또는, 상기 연료 개질 기통 내의 가스 온도를 상승시키는 것인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  7. 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 구비하고, 상기 연료 개질 기통과 상기 출력 기통이 서로 동력 전달 가능하게 연결된 내연 기관에 적용되는 제어 방법으로서,
    상기 연료 개질 기통으로부터의 출력을 구하고, 이 연료 개질 기통으로부터의 출력과 상기 출력 기통으로부터의 출력의 합이 기관 요구 출력에 일치 또는 대략 일치하도록, 상기 출력 기통으로부터의 출력을 조정하는 출력 조정 동작을 실시하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
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