KR20180122716A - 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법 - Google Patents

내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

엔진 정지 스위치 (120) 의 ON 조작에 의해 ECU (100) 가 기관 정지 지령을 받았을 때, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실로의 연료 공급을 정지하는 한편, 인젝터 (35) 로부터 연소실로의 연료 공급을 계속하고, 이 상태에서, 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정한다. 그리고, 이 추정량이 소정량에 이른 시점, 또는, 영이 된 시점에서, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급을 정지하여 내연 기관 (1) 을 정지시킨다.

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 장치를 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 연소시키는 것에 의해 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 있는 것으로부터, 연소 효율의 향상을 도모할 수도 있다.
일본 공개특허공보 2014-136978호
그런데, 이 종류의 내연 기관의 운전을 정지시킬 때, 지금까지는, 연료 개질 기통에서의 개질 연료의 생성과, 출력 기통의 구동을 동시에 정지시키게 된다. 요컨대, 연료 개질 기통 내로의 연료 (개질 연료 생성용의 연료) 의 공급과, 출력 기통 내로의 연료 (상기 디젤 마이크로 파일럿 착화를 위한 연료) 의 공급을 동시에 정지시킨다.
그러나, 이와 같이 하여 내연 기관의 운전을 정지시킨 경우, 그 정지 후에, 연료 개질 기통과 출력 기통 사이의 개질 연료 공급 경로 내에 개질 연료가 잔류하게 된다.
지금까지, 이 개질 연료 공급 경로 내에 잔류하는 개질 연료 (이하, 잔류 개질 연료라고 한다) 의 처리에 대해서는 특별히 고려되어 있지 않다. 이 때문에, 의도하지 않은 타이밍에서 잔류 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되어 버릴 경우가 있다. 또한, 잔류 개질 연료의 영향에 의해, 다음 회의 시동 초기시에 있어서의 출력 기통 내에서의 가스 조성이 적정한 상태로부터 크게 괴리하게 되는 경우가 있다. 시스템의 신뢰성을 높이기 위해서는, 이 잔류 개질 연료를 적절히 처리할 수 있도록 해 두는 것이 바람직한다.
이와 같은 상황은, 개질 연료를 연료 개질 기통에 의해 생성하는 내연 기관뿐만 아니라, 개질 연료를 연료 개질 촉매에 의해 생성하는 내연 기관에 있어서도 동일하게 발생할 가능성이 있다. 이하, 연료 개질 기통 및 연료 개질 촉매를 총칭하여 연료 개질 장치라고 부르는 것으로 한다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 연료 개질 장치 및 출력 기통을 구비한 내연 기관에 대하여, 연료 개질 장치와 출력 기통 사이의 개질 연료 공급 경로 내의 잔류 개질 연료를 적절히 처리하는 것이 가능한 내연 기관의 제어 장치 및 내연 기관의 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해결 수단은, 연료 개질 운전에 의해 개질 연료의 생성이 가능한 연료 개질 장치와, 이 연료 개질 장치로 생성된 개질 연료가 개질 연료 공급 경로를 거쳐 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 장치를 전제로 한다. 그리고, 이 내연 기관의 제어 장치는, 기관 정지 지령을 받았을 때 또는 기관 정지 후에 있어서, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 이 개질 연료 공급 경로로부터 개질 연료를 도출하여 처리하는 개질 연료 처리 동작을 실행하는 개질 연료 처리부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 특정 사항에 의해, 기관 정지 지령을 받았을 때 또는 기관 정지 후에 있어서, 개질 연료 처리부는, 개질 연료 공급 경로로부터 개질 연료를 도출하여 처리하는 개질 연료 처리 동작을 실행한다. 이 개질 연료 처리 동작은, 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지 실시된다. 이에 의해, 개질 연료 공급 경로 내에 개질 연료가 잔류하는 경우가 없게 된다. 또는, 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔류량이 대폭 감소하게 된다. 그 결과, 의도하지 않은 타이밍에서 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되게 되는 것이 억제된다. 또한, 내연 기관의 다음 회의 시동 초기시에 있어서의 출력 기통 내에서의 가스 조성이 적정한 상태로부터 크게 괴리되어 버리는 것이 억제된다.
또한, 상기 개질 연료 처리 동작으로는, 상기 기관 정지 지령을 받았을 때, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를, 상기 출력 기통에 도입하여 당해 출력 기통 내에서 연소시키는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료는 출력 기통 내에서의 연소에 의해 처리되어, 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되어 버리는 경우가 없게 된다.
또한, 내연 기관에는, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를, 상기 출력 기통을 바이패스하여 흘리는 배출 경로가 구비되어 있음과 함께 당해 배출 경로에는 산화 촉매가 구비되어 있는 한편, 경보를 발생하는 경보 수단이 구비되어 있다. 그리고, 상기 개질 연료 처리 동작으로는, 상기 기관 정지 후, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를 상기 배출 경로에 도입하고, 그 가스 온도가 소정 온도 이상인 경우에는 상기 산화 촉매에 의해 개질 연료를 산화·무해화한 후, 대기 중으로 배출함과 함께, 상기 경보 수단에 의한 경보를 실시하도록 해도 된다.
이에 의하면, 가스 온도가 소정치 이상 (산화 촉매의 활성 온도역의 하한치 이상) 인 경우에는, 미연의 연료 (개질 연료) 를 산화·제거할 수 있다. 또한, 경보 수단에 의한 경보를 실시함으로써, 작업자 등에게 주의를 환기시킬 수 있다.
또한, 내연 기관은, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료 성분의 농도, 또는, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 온도와 압력에 기초하여, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정하는 잔량 추정부를 구비하고 있다. 그리고, 상기 개질 연료 처리부는, 상기 잔량 추정부에서 추정된 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 상기 개질 연료 처리 동작을 실행하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 가스의 상태량을 센싱함으로써 개질 연료의 잔량을 정확하게 추정할 수 있다. 이 때문에, 개질 연료 처리 동작을 실행하는 기간을 적정하게 얻을 수 있다.
또한, 내연 기관은, 상기 연료 개질 운전이 개시된 후의 상기 연료 개질 장치에서의 개질 연료의 생성량의 적산치로부터, 상기 출력 기통에서의 개질 연료의 연소량의 적산치를 감산함으로써, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정하는 잔량 추정부를 구비하고 있다. 이 경우, 상기 개질 연료 처리부로는, 상기 잔량 추정부에서 추정된 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 상기 개질 연료 처리 동작을 실행하도록 구성되어 있어도 된다.
이에 의해서도, 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 정확하게 추정할 수 있고, 개질 연료 처리 동작을 실행하는 기간을 적정하게 얻을 수 있다.
또한, 상기 연료 개질 장치는, 실린더 내에서 피스톤이 왕복동하는 레시프로케이팅형의 연료 개질 기통으로 구성되어 있다. 이 경우, 상기 개질 연료 처리부는, 상기 기관 정지 지령을 받았을 때, 상기 연료 개질 기통 내로의 연료 공급을 정지함과 함께, 상기 출력 기통 내로의 연료 공급을 계속하여 당해 출력 기통의 구동을 계속시키는 상기 개질 연료 처리 동작을 실시한다. 그리고, 상기 개질 연료 처리 동작으로는, 상기 출력 기통의 구동을 계속시키기 위한 상기 출력 기통 내로의 연료 공급량이 소정량에 이를 때까지 실행되는 것이어도 된다.
이에 의하면, 개질 연료 처리 동작이 계속되어, 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 적어져 출력 기통 내에 도입되는 가스 중에 있어서의 개질 연료의 농도가 낮아져 감에 따라, 출력 기통의 구동을 계속시키기 위해서 출력 기통 내에 공급되는 연료는 증량되어 가게 된다. 요컨대, 출력 기통 내로의 연료 공급량을 인식함으로써, 개질 연료의 잔량을 추정할 수 있다. 따라서, 출력 기통 내로의 연료 공급량이 소정량에 이르렀을 때에는, 개질 연료의 잔량으로는 내연 기관의 정지를 허가할 수 있는 양이 되어 있고, 이 타이밍에서 내연 기관을 정지시키게 된다. 이와 같이, 출력 기통 내로의 연료 공급량을 인식함으로써, 개질 연료 처리 동작의 종료 시기를 적절히 결정할 수 있어, 제어의 간소화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 배출 경로에는 개폐 가능한 개폐 밸브가 구비되어 있고, 이 개폐 밸브는, 상기 연료 개질 운전에서는 폐쇄되고, 상기 개질 연료 처리 동작에서는 개방되는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 연료 개질 운전시에는 상기 개폐 밸브를 폐쇄해 둠으로써, 개질 연료의 일부가 출력 기통에 공급되지 않고 배출되게 되는 등의 상황을 회피할 수 있어, 연료 소비율의 개선을 도모할 수 있다.
또한, 상기 배출 경로에, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를, 상기 출력 기통을 바이패스시켜, 상기 산화 촉매를 거쳐 대기 중으로 강제 배출하기 위한 배출 수단을 구비시키도록 해도 된다.
이에 의하면, 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를 단시간 내에 대기 중으로 배출할 수 있어, 개질 연료 처리 동작의 필요 시간의 단축화를 도모할 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 운전에 의해 개질 연료의 생성이 가능한 연료 개질 장치와, 이 연료 개질 장치로 생성된 개질 연료가 개질 연료 공급 경로를 거쳐 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 방법을 전제로 한다. 그리고, 이 내연 기관의 제어 방법은, 기관 정지 지령을 받았을 때 또는 기관 정지 후에 있어서, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 이 개질 연료 공급 경로로부터 개질 연료를 도출하여 처리하는 개질 연료 처리 동작을 실행하는 것을 특징으로 한다.
이 제어 방법에 의해서도, 전술한 바와 같이, 의도하지 않은 타이밍에서 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되게 되는 것이 억제된다. 또한, 내연 기관의 다음 회의 시동 초기시에 있어서의 출력 기통 내에서의 가스 조성이 적정한 상태로부터 크게 괴리하게 되는 것이 억제된다.
본 발명에서는, 기관 정지 지령을 받았을 때 또는 기관 정지 후에 있어서, 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 이 개질 연료 공급 경로로부터 개질 연료를 도출하여 처리하는 개질 연료 처리 동작을 실행하도록 하고 있다. 이 때문에, 의도하지 않은 타이밍에서 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되어 버리는 것을 억제할 수 있다. 또한, 내연 기관의 다음 회의 시동 초기시에 있어서의 출력 기통 내에서의 가스 조성이 적정한 상태로부터 크게 괴리하게 되는 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 제 1 실시형태에 관련된 내연 기관의 정지시에 있어서의 엔진 정지 스위치 신호, 엔진 정지 지령 신호, 연료 개질 기통으로의 연료 공급량, 출력 기통으로의 연료 공급량, 개질 연료의 잔량 각각의 변화의 일례를 나타내는 타이밍 차트도이다.
도 5 는 제 2 실시형태에 있어서의 내연 기관의 일부의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 6 은 제 2 실시형태의 변형예에 있어서의 내연 기관의 일부의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
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, 본 발명에서 말하는 연료 개질 장치로서의 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 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(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. 또한, 터보 차저 (12) 의 터빈 휠 (12b) 의 하류측에는 산화 촉매 (300) 가 배치 형성되어 있고, 배기 통로 (61) 를 흐르는 가스의 온도가 소정치 이상 (산화 촉매 (300) 의 활성 온도역의 하한치 이상) 인 경우에는, 미연의 연료를 산화·제거할 수 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 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 (101a, 101b), 흡입 가스 압력 센서 (102), 흡입 가스 온도 센서 (103), 개질 가스 농도 센서 (104), 개질 가스 압력 센서 (105), 개질 가스 온도 센서 (106), 혼합기 압력 센서 (107), 크랭크 포지션 센서 (108), 배기 압력 센서 (109), 수온 센서 (110) 등이 구비되어 있다.
흡기 유량 센서 (101a) 는, 상기 메인 흡기 통로 (41) 를 흐르는 흡기 (공기) 의 유량에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
흡기 유량 센서 (101b) 는, 연료 개질 기통 흡기 통로 (42) 를 흐르는 흡입 가스의 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.
개질 가스 농도 센서 (104) 는, 개질 연료 공급 통로 (51) 를 흐르는 개질 연료 (개질 가스) 의 농도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 개질 연료 공급 통로 (51) 에 있어서의 개질 연료 냉각기 (52) 의 하류측의 개질 가스 농도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
개질 가스 압력 센서 (105) 는, 개질 연료 공급 통로 (51) 를 흐르는 개질 연료 (개질 가스) 의 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 개질 연료 공급 통로 (51) 에 있어서의 개질 연료 냉각기 (52) 의 하류측의 개질 가스 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
개질 가스 온도 센서 (106) 는, 개질 연료 공급 통로 (51) 를 흐르는 개질 연료 (개질 가스) 의 온도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 개질 연료 공급 통로 (51) 에 있어서의 개질 연료 냉각기 (52) 의 하류측의 개질 가스 온도에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
혼합기 압력 센서 (107) 는, 연소실 (33) 에 도입되는 혼합기의 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 출력 기통 흡기 통로 (43) 에 대한 출력 기통 EGR 통로 (76) 의 연통 부분보다 하류측의 혼합기 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
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.
배기 압력 센서 (109) 는, 상기 배기 통로 (61) 를 흐르는 배기의 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다. 구체적으로는, 배기 통로 (61) 에 대한 출력 기통 EGR 통로 (76) 의 연통 부분보다 상류측의 배기 압력에 따른 출력 신호를 ECU (100) 에 송신한다.
수온 센서 (110) 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, 엔진 정지 스위치 (120) 및 긴급 정지 스위치 (121) 가 전기적으로 접속되어 있다. 엔진 정지 스위치 (120) 는, 통상적인 엔진 정지시에 작업자에 의해 ON 조작되는 것이다. 이 엔진 정지 스위치 (120) 의 ON 조작에 수반하여 ECU (100) 에 기관 정지 지령 신호가 송신된다. 또한, 긴급 정지 스위치 (121) 는, 시스템에 이상이 발생한 경우 등에 있어서 작업자에 의해 ON 조작되는 것이다. 이 긴급 정지 스위치 (121) 의 ON 조작에 수반하여 ECU (100) 에 긴급 정지 지령 신호가 송신된다.
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. 또한, ECU (100) 에는, 경보 장치 (본 발명에서 말하는 경보 수단) (130) 가 접속되어 있다. 이 경보 장치 (130) 는, 내연 기관 (1) 이 긴급 정지되는 경우 (작업자에 의해 긴급 정지 스위치 (121) 가 ON 조작된 경우나, ECU (100) 가 자동 긴급 정지를 실행한 경우) 등에, 시스템의 오퍼레이터 화면 상에 경고 표시를 실시하거나, 음성에 의한 경보를 실시하는 것이다.
ECU (100) 는, 상기한 각종 센서 (101a ∼ 110) 로부터의 출력 신호 및 각 스위치 (120, 121) 로부터의 지령 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), 가변동 밸브 장치 (28, 29) 에 의한 각 밸브 (26, 27) 의 개폐 타이밍 제어, 경보 장치 (130) 에 의한 경보 동작을 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 착화되어, 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 연소 (통상 디젤 연소 상당의 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.
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 점에서, 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 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 높을 수록, 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 높을 수록, 압축단 가스 온도를 높게 할 필요가 있다.
-내연 기관 정지 제어-
다음으로, 본 실시형태의 특징인 내연 기관 정지 제어에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 내연 기관 (1) 을 정지시킬 때, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 연료의 생성과, 출력 기통 (3) 의 구동을 동시에 정지시키게 되면, 상기 개질 연료 공급 통로 (51) 나, 출력 기통 흡기 통로 (43) 에 있어서의 믹서 (53) 보다 하류측의 공간에 개질 연료가 잔류하게 된다. 이 경우, 의도하지 않은 타이밍에서 잔류 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되게 되는 경우가 있다. 또한, 잔류 개질 연료의 영향에 의해, 다음 회의 시동 초기시에 있어서의 연소실 (33) 내에서의 가스 조성이 적정한 상태 (예를 들어, 당량비를 1 미만의 값으로 하는 상태) 로부터 크게 괴리되어 버리는 경우가 있다. 시스템의 신뢰성을 높이기 위해서는, 이 잔류 개질 연료를 적절히 처리할 수 있도록 해 두는 것이 바람직하다.
본 실시형태는, 이 점을 감안하여, 상기 ECU (100) 가 기관 정지 지령을 받았을 때 (엔진 정지 스위치 (120) 의 ON 조작에 의해 기관 정지 지령 신호를 받았을 때) 또는 기관 정지 후 (예를 들어, 긴급 정지 스위치 (121) 의 ON 조작 등에 의해 내연 기관 (1) 이 긴급 정지된 후) 에 있어서, 개질 연료 공급 통로 (51) 나 출력 기통 흡기 통로 (43) (본 발명에서 말하는 개질 연료 공급 경로) 에 있어서의 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 이들 통로 (51, 43) 로부터 개질 연료를 도출하여 처리하는 개질 연료 처리 동작을 실행하도록 하고 있다.
이 개질 연료 처리 동작은, 상기 ECU (100) 에 있어서 실행된다. 이 때문에, 이 ECU (100) 에 있어서, 상기 개질 연료 처리 동작을 실시하는 기능 부분이, 본 발명에서 말하는 개질 연료 처리부가 되어 있다.
상기 개질 연료 처리 동작으로는, 상기 엔진 정지 스위치 (120) 의 ON 조작에 의해 ECU (100) 가 기관 정지 지령을 받았을 때에, 개질 연료 공급 통로 (51) 내나 출력 기통 흡기 통로 (43) 내의 개질 연료를, 연소실 (33) 에 도입하여, 이 연소실 (33) 내에서 연소시키는 것 (이하, 개질 연료 연소 처리라고 부른다) 을 들 수 있다.
또한, 상기 개질 연료 처리 동작으로는, 기관 정지 후 (예를 들어 내연 기관 (1) 의 긴급 정지 후), 개질 연료 공급 통로 (51) 내나 출력 기통 흡기 통로 (43) 내의 개질 연료를, 출력 기통 바이패스 통로 (81), 출력 기통 EGR 통로 (76) 및 배기 통로 (61) (이들 통로가 본 발명에서 말하는 배출 경로에 상당한다) 를 거쳐, 상기 산화 촉매 (300) 에 도입하고, 신기와 혼합한 후에, 개질 가스를 산화 제거한다. 또한, 이와 동시에, 상기 경보 장치 (130) 에 의한 경보 동작을 실시하는 것 (이하, 개질 연료 배출 처리라고 부른다) 도 들 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는, 산화 촉매 (300) 는 반드시 필수가 아니고, 산화 촉매 (300) 를 탑재하지 않는 내연 기관 (1) 인 경우에는, 개질 가스가 배기 통로 (61) 를 거쳐 대기 중으로 배출되게 된다.
이하, 이들 개질 연료 처리 동작에 대하여 순서대로 설명한다. 이하에서는, 상기 개질 연료 연소 처리가 실시되는 경우를 제 1 실시형태로서 설명하고, 상기 개질 연료 배출 처리가 실시되는 경우를 제 2 실시형태로서 설명한다.
-제 1 실시형태 (개질 연료 연소 처리)-
상기 개질 연료 연소 처리는, 엔진 정지 스위치 (120) 의 ON 조작에 의해 ECU (100) 가 기관 정지 지령을 받았을 때, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지하는 한편, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급을 계속하고, 이 상태에서, 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정한다. 그리고, 연소실 (33) 내에서의 개질 연료의 연소 (처리) 가 진행되어, 개질 연료의 잔량의 추정치가 소정량에 이른 시점, 또는, 영이 된 시점에서, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급을 정지하여 내연 기관 (1) 을 정지시킨다.
상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정하는 수법으로는, 이하의 제 1 추정 수법 내지 제 5 추정 수법을 들 수 있고, 어느 수법에 의해 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정하고, 이 추정된 개질 연료의 잔량이 소정량 이하에 이른 시점, 또는, 영이 된 시점에서 내연 기관 (1) 을 정지시킨다.
이하, 각 추정 수법에 대하여 설명한다.
(제 1 추정 수법)
제 1 추정 수법은, 개질 연료 (개질 가스) 고유의 가스 성분인 수소 (H2) 및 일산화탄소 (CO) 의 양을 추정하는 것이다.
구체적으로는, 상기 개질 가스 농도 센서 (104) 로부터의 출력 신호 등에 기초하여, 상기 통로 (51, 43) 내에 존재하는 가스 (개질 연료를 포함하는 가스) 중의 수소량 및 일산화탄소량을 추정한다. 이 추정 동작이, 본 발명에서 말하는 「개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료 성분의 농도에 기초하여 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정하는」 동작이다. 이 추정 동작은, 상기 ECU (100) 에 있어서 실행된다. 이 때문에, 이 ECU (100) 에 있어서, 상기 추정 동작을 실시하는 기능 부분이, 본 발명에서 말하는 잔량 추정부가 되어 있다.
그리고, 상기 수소량 및 일산화탄소량이 소정량으로 감소할 때까지, 상기 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급을 계속하여, 출력 기통 (3) 의 구동을 계속시킨다. 요컨대, 상기 통로 (51, 43) 내에 존재하는 가스 중의 수소량 및 일산화탄소량이 소정량으로 감소한 시점에서 상기 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급을 정지하여 내연 기관 (1) 을 정지시킨다.
연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 압축단 가스 온도에 따라, 개질 연료 중에 있어서의 수소 및 일산화탄소의 비율은 상이하다. 요컨대, 상기 통로 (51, 43) 내에 도출되어 있는 개질 연료 중에 있어서의 수소 및 일산화탄소의 비율은, 그 개질 연료가 생성되었을 때의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 압축단 가스 온도에 따라 상이하다. 또한, 개질 가스 농도에 따라, 그 개질 연료 중의 수소 및 일산화탄소의 총량은 변화한다. 이 점을 감안하여, 상기 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 압축단 가스 온도, 그리고, 개질 가스 농도와, 개질 연료 중에 있어서의 수소량 및 일산화탄소량의 관계를, 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 맵화하고, 이 맵을 상기 ROM 에 기억시켜 둔다. 그리고, 상기 각 센서로부터의 출력 신호 및 인젝터 (25) 에 대한 분사 지령치에 기초하여, 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지하기 전에 있어서의 연료 개질실 (23) 내의 당량비 및 압축단 가스 온도, 그리고, 현재의 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 개질 가스 농도를 상기 맵에 적용시키는 것에 의해, 상기 통로 (51, 43) 내에 존재하는 가스 중의 수소량 및 일산화탄소량을 구한다.
(제 2 추정 수법)
제 2 추정 수법은, 개질 연료 (개질 가스) 중의 산소 (O2) 량으로부터 개질 연료의 양을 추정하는 것이다.
구체적으로는, 개질 연료 공급 통로 (51) 에 산소 농도 센서를 형성해 두고, 이 산소 농도 센서로부터의 출력 신호 등에 기초하여, 상기 통로 (51, 43) 내에 존재하는 가스 (개질 연료를 포함하는 가스) 중의 산소량을 구한다. 예를 들어, 개질 연료 공급 통로 (51) 에 구비된 각 센서 (105, 106) 로부터의 출력 신호 (개질 연료 공급 통로 (51) 를 흐르는 가스량을 산출하기 위한 출력 신호) 및 산소 농도 센서로부터의 출력 신호 (개질 연료 공급 통로 (51) 를 흐르는 가스 중의 산소 농도를 산출하기 위한 출력 신호) 에 기초하여, 상기 통로 (51, 43) 내에 존재하는 가스 중의 산소량을 구한다.
개질 연료의 양이 많은 경우에는 산소량은 영 또는 적어져 있다. 이 때문에, 산소량을 구함으로써 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정할 수 있다. 예를 들어, 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 산소량과 개질 연료의 잔량의 관계를 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 맵화하고, 이 맵을 상기 ROM 에 기억시켜 둔다. 그리고, 상기 산소량을, 이 맵에 적용시키는 것에 의해, 상기 통로 (51, 43) 내에 존재하는 가스 중의 개질 연료량을 구한다. 그리고, 이 개질 연료량이 소정량까지 감소한 시점에서 내연 기관 (1) 을 정지시키게 된다.
또한, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 가 개방되어 있고, 연료 개질 기통 (2) 에 EGR 가스가 도입되어 있는 경우에는, 이 EGR 가스량의 분을 공제하여 산소량을 구할 필요가 있다. 이 EGR 가스량은, 각종 센서로부터의 출력 신호, EGR 가스량 조정 밸브 (73) 의 개도, 바이패스량 조정 밸브 (75) 의 개도 등에 기초하여 산출된다.
또한, 상기 산소량 대신에, 개질 연료 (개질 가스) 중의 이산화탄소 (CO2) 량에 의해서도, 상기와 동일하게 하여 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 개질 연료의 양을 추정하는 것이 가능하다.
(제 3 추정 수법)
제 3 추정 수법은, 개질 연료 공급 통로 (51) 내 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 내에 있어서의 온도 및 압력으로부터, 이들 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정하는 것이다. 이 추정 동작이, 본 발명에서 말하는 「개질 연료 공급 경로 내의 온도와 압력에 기초하여 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정하는」 동작이다. 이 추정 동작은, 상기 ECU (100) 에 있어서 실행된다. 이 때문에, 이 ECU (100) 에 있어서, 상기 추정 동작을 실시하는 기능 부분이, 본 발명에서 말하는 잔량 추정부가 되어 있다.
이 경우, 기체의 상태 방정식을 이용하여, 이하의 식 (1) 에 의해 개질 연료의 잔량을 산출할 수 있다.
Figure pct00001
이 식 (1) 에 있어서, Grfm_res 는 개질 연료의 잔량, P 는 상기 통로 (51, 43) 내의 압력, V 는 상기 통로 (51, 43) 내의 용적, R 은 가스 정수, T 는 상기 통로 (51, 43) 내의 온도이다.
상기 통로 (51, 43) 내의 압력 (P) 은 개질 가스 압력 센서 (105) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된다. 상기 통로 (51, 43) 내의 용적 (V) 은 불변이며 미리 구해져 있다 (내연 기관 (1) 의 설계 단계에서 구해져 있다). 가스 정수 (R) 는, 개질 연료의 가스 조성에 의해 결정된다. 상기 통로 (51, 43) 내의 온도 (T) 는 개질 가스 온도 센서 (106) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된다.
상기 통로 (51, 43) 는, 출력 기통 (3) 의 흡기측에 접속되어 있고, 이 출력 기통 (3) 에는, 상기 터보 차저 (12) 의 컴프레서 휠 (12a) 에 의해 과급되는 공기 (신기) 와, 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거쳐 도입되는 EGR 가스가 혼합되어 도입된다. 상기 통로 (51, 43) 내의 압력 (P) 은, 이들 공기 및 EGR 가스의 영향을 받기 때문에, 이들 영향을 고려하여 개질 연료의 잔량 Grfm_res 를 산출하는 것이 바람직하다.
(제 4 추정 수법)
제 4 추정 수법은, 상기 연료 개질 운전을 개시한 후의 개질 연료의 생성량의 적산치와, 출력 기통 (3) 에서 소비 (연소) 된 개질 연료의 양의 적산치를 비교하는 것에 의해 실시된다. 그리고, 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지한 후, 이들의 차가 소정량 이하, 또는, 영이 된 시점에서 내연 기관 (1) 을 정지시킨다.
상기 적산치의 차는, 이하의 식 (2) 에 의해 산출할 수 있다.
Figure pct00002
이 식 (2) 에 의한 추정 동작이, 본 발명에서 말하는 「연료 개질 운전이 개시된 후의 연료 개질 장치에서의 개질 연료의 생성량의 적산치로부터, 출력 기통에서의 개질 연료의 연소량의 적산치를 감산함으로써, 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정하는」 동작이다. 이 추정 동작은, 상기 ECU (100) 에 있어서 실행된다. 이 때문에, 이 ECU (100) 에 있어서, 상기 추정 동작을 실시하는 기능 부분이, 본 발명에서 말하는 잔량 추정부가 되어 있다.
이 식 (2) 에 있어서의 생성 개질 가스량은, 이하의 식 (3) 에 의해 산출할 수 있다.
Figure pct00003
이 식 (3) 에 있어서, Grfm_prod 는 생성 개질 가스량, Gin_rfm 은 연료 개질 기통 (2) 에 도입된 흡입 가스의 양, Gfuel_rfm 은 연료 개질 기통 (2) 에 공급된 연료의 양이다.
상기 연료 개질 기통 (2) 에 도입된 흡입 가스의 양 Gin_rfm 은, 흡기 유량 센서 (101b) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출할 수 있다. 또한, 이 흡입 가스의 양 Gin_rfm 은, 흡입 가스 압력 센서 (102) 및 흡입 가스 온도 센서 (103) 각각으로부터의 출력 신호에 기초하여 산출할 수도 있다. 또한, 연료 개질 기통 (2) 에 공급된 연료의 양 Gfuel_rfm 은, 인젝터 (25) 에 대한 분사 지령치로부터 구하는 것이 가능하다.
또한, 식 (2) 에 있어서의 소비 개질 가스량은, 이하의 식 (4) 에 의해 산출할 수 있다.
Figure pct00004
이 식 (4) 에 있어서, Grfm_cons 는 소비 개질 가스량, Gin_pow 는 출력 기통 (3) 에 도입된 흡입 가스의 양, Gin_EGR 은 출력 기통 (3) 에 도입된 EGR 가스량, Gair_pow 는 출력 기통 (3) 에 도입된 신기량이다.
이 식 (4) 에 있어서의 출력 기통 (3) 에 도입된 흡입 가스의 양 Gin_pow 는, 이하의 식 (5) 에 의해 산출할 수 있다.
Figure pct00005
이 식 (5) 에 있어서, Ne 는 기관 회전 속도, npow 는 출력 기통 (3) 의 기통수, Pin_pow 는 흡기압, Vcyl 은 출력 기통 (3) 의 행정 용적, Tin_pow 는 흡기 온도, C1 은 미리 설정된 보정 계수이다. 기관 회전 속도 Ne 는, 상기 크랭크 포지션 센서 (108) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된다. 흡기압 Pin_pow 는, 개질 가스 압력 센서 (105) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된다. 흡기 온도 Tin_pow 는, 개질 가스 온도 센서 (106) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된다. 출력 기통 (3) 의 기통수 npow 및 출력 기통 (3) 의 행정 용적 Vcyl 은, 내연 기관 (1) 의 설계 단계에서 결정된다. 상기 보정 계수 C1 은, 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 미리 설정되어 있다.
상기 식 (4) 의 EGR 가스량 Gin_EGR 은, 이하의 식 (6) 에 나타내는 바와 같이, 상기 배기 압력 센서 (109) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된 배기 압력 Pexh 와 출력 기통 (3) 의 상기 흡기압 Pin_pow 의 차와, EGR 가스의 온도 TEGR, EGR 가스량 조정 밸브 (78) 의 개도 AEGR 로부터 산출할 수 있다.
Figure pct00006
이 식 (6) 에 있어서, κ 는 연소실 (33) 에 도입되는 가스의 폴리트로프수이다. 또한, C2, C3 은 미리 설정된 보정 계수이다. 상기 폴리트로프수 κ 는, 가스의 전체량이 공기인 경우에는 1.4 가 되지만, 연소실 (33) 에 도입되는 가스에는, 개질 연료나 EGR 가스가 포함되기 때문에, 그 가스 조성에 의해 변화한다. 예를 들어, 기연 가스 (CO2 나 H2O) 나 개질 연료가 포함됨으로써, 2 원자 분자의 비율이 저하하고, 이에 의해 폴리트로프수 κ 는 저하한다. 이 폴리트로프수 κ 는 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 구해진다. 또한, 상기 보정 계수 C2, C3 은, 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 미리 설정되어 있다.
상기 식 (4) 에 있어서의 신기량 Gair_pow 는 내연 기관 (1) 전체의 흡입 공기량으로부터 연료 개질 기통 (2) 이 소비한 신기량 Gair_rfm 을 공제한 값이다. 따라서, 전술한 바와 같이 2 개 지점에 흡기 유량 센서 (101a, 101b) 를 배치 형성하고, 이들의 출력 신호로부터 구할 수 있다.
(제 5 추정 수법)
제 5 추정 수법은, 개질 연료 처리 동작 중 (개질 연료 연소 처리 중) 에 있어서의, 인젝터 (35) 로부터의 연료 공급량에 기초하여, 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정하는 것이다. 이하, 구체적으로 설명한다.
인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지하고, 또한 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급을 계속하는 개질 연료 처리 동작이 계속되고 있을 때, 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 적어져 가고, 연소실 (33) 에 도입되는 가스 중에 있어서의 개질 연료의 농도가 낮아져 간다. 이에 수반하여, 출력 기통 (3) 의 구동을 계속시키기 위해서 연소실 (33) 내에 공급되는 연료는 증량되어 가게 된다. 요컨대, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 내에 공급되는 연료의 양을 인식함으로써, 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정할 수 있다. 그리고, 연소실 (33) 내에 공급되는 연료의 양이 소정량에 이르렀을 때에는, 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 개질 연료의 잔량으로는 내연 기관 (1) 의 정지를 허가할 수 있는 양이 되어 있고, 이 타이밍에서 내연 기관 (1) 을 정지시키게 된다.
도 4 는, 내연 기관 (1) 의 정지시에 있어서의 엔진 정지 스위치 신호, 엔진 정지 지령 신호, 연료 개질 기통 (2) 으로의 연료 공급량, 출력 기통 (3) 으로의 연료 공급량, 개질 연료의 잔량 각각의 변화의 일례를 나타내는 타이밍 차트도이다.
이 도 4 에서는, 도면 중의 타이밍 (t1) 에서, 엔진 정지 스위치 (120) 의 ON 조작에 의해 ECU (100) 가 기관 정지 지령을 받고, 그에 수반하여, 연료 개질 기통 (2) 으로의 연료 공급량이 영이 되어 있다. 요컨대, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지하여, 개질 연료가 생성되지 않도록 하고 있다. 또한, 그에 수반하여, 개질 연료의 잔량은, 이 타이밍 (t1) 에서부터 서서히 감소하게 된다. 또한, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급은, 상기 디젤 마이크로 파일럿 착화를 위한 미량의 연료 공급이 계속되고 있다.
그리고, 타이밍 (t2) 에서는, 연소실 (33) 에 도입되는 개질 연료 (상기 통로 (51, 43) 내에 잔존하고 있는 개질 연료) 와 인젝터 (35) 로부터의 미량의 연료로는, 출력 기통 (3) 의 구동이 불능이 되기 때문에, 인젝터 (35) 로부터의 연료 공급량이 증량되게 된다. 이 타이밍 (t2) 이후 (타이밍 (t2) 부터 타이밍 (t3) 까지의 기간) 의 인젝터 (35) 로부터의 연료 공급량은, 개질 연료의 잔량이 적어지는 것에 수반하여, 점차 증량되어 간다. 예를 들어, 스피드 거버너를 이용한 제어에 의해 기관 회전 속도가 유지되도록, 인젝터 (35) 로부터의 연료 공급량이 증량되어 간다.
그리고, 타이밍 (t3) 에서는, 인젝터 (35) 로부터의 연료 공급량이 소정량 F1 에 이른 것에 의해, 상기 개질 연료의 잔량은 내연 기관 (1) 의 정지를 허가할 수 있는 양 F2 까지 감소한 것으로 판단하고, ECU (100) 는 엔진 정지 지령을 출력하고, 인젝터 (35) 에 대하여 연료 공급량의 지령치를 영으로 한다. 이에 의해, 연소실 (33) 에는 연료가 공급되지 않게 되어, 내연 기관 (1) 이 정지한다.
또한, 상기 엔진 정지 지령을 출력하는 상기 연료 공급량의 임계치 F1 및 개질 연료 잔량의 임계치 F2 는 각각 실행이나 시뮬레이션에 의해 미리 구해져, 상기 ROM 에 맵으로서 기억되어 있다.
또한, 상기 통로 (51, 43) 내에 잔존하는 개질 연료량을 영으로 한 후에 내연 기관 (1) 을 정지시키는 경우에는, 상기 개질 연료 처리 동작의 계속 중에 있어서의 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 저하율을 미리 구해 둔다. 그리고, 인젝터 (35) 로부터의 연료 공급량이 소정량 F1 에 이른 후 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료량이 영이 될 때까지의 필요 시간 (도 4 에 있어서의 시간 TA) 을 상기 저하율로부터 구하고, 이 필요 시간만큼, 내연 기관 (1) 의 정지를 대기시키도록 한다.
이 추정 수법을 이용한 경우, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 내에 공급되는 연료의 양을 인식함으로써, 개질 연료 처리 동작의 종료 시기를 적절히 결정할 수 있어, 제어의 간소화를 도모할 수 있게 된다.
본 실시형태에서는, 이상과 같은 추정 수법에 의해, 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정하고, 이 추정량이 소정량에 이른 시점, 또는, 이 추정량이 영에 이른 시점에서 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급을 정지하여 내연 기관 (1) 을 정지시키도록 하고 있다. 요컨대, 상기 엔진 정지 스위치 (120) 의 ON 조작에 의해 ECU (100) 가 기관 정지 지령을 받았을 때, 전술한 어느 추정 수법에 의해 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량을 추정해 가고, 이 추정량이 소정량에 이를 때까지는, 출력 기통 (3) 에서의 운전을 계속하여 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료를 소비해 간다. 그리고, 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료의 잔량이 소정량에 이른 시점, 또는, 이 추정량이 영에 이른 시점에서, 출력 기통 (3) 의 구동을 정지한다. 이에 의해, 내연 기관 (1) 이 정지된다. 또한, 이와 같이, 출력 기통 (3) 에서의 운전을 계속하고 있는 기간 중, 경보 장치 (130) 의 작동에 의해, 시스템의 오퍼레이터 화면 상에 경고 표시를 실시하거나, 음성에 의한 경보를 실시하거나 해도 된다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 상기 통로 (51, 43) 내에 개질 연료가 잔류하는 경우가 없게 되거나, 또는, 상기 통로 (51, 43) 내에 있어서의 개질 연료의 잔류량이 대폭 감소하게 되어, 의도하지 않은 타이밍에서 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되어 버리는 것이 억제된다. 또한, 내연 기관 (1) 의 다음 회의 시동 초기시에 있어서의 출력 기통 내에서의 가스 조성이 적정한 상태로부터 크게 괴리되어 버리는 것이 억제된다.
-제 2 실시형태 (개질 연료 배출 처리)-
다음으로, 개질 연료 배출 처리가 실시되는 경우에 대하여 설명한다. 이 개질 연료 배출 처리는, 시스템에 이상이 발생한 것에 의해, 긴급 정지 스위치 (121) 의 ON 조작이 실시되거나, ECU (100) 가 자동 긴급 정지를 실행하여, 내연 기관 (1) 이 강제적으로 정지된 후에, 개질 연료 공급 통로 (51) 내나 출력 기통 흡기 통로 (43) 내의 개질 연료를, 출력 기통 바이패스 통로 (81), 출력 기통 EGR 통로 (76), 배기 통로 (61) 및 산화 촉매 (300) 를 거쳐 대기 중으로 배출함과 함께, 상기 경보 장치 (130) 에 의한 경보 동작을 실시하는 것이다.
도 5 는, 이 개질 연료 배출 처리를 실시하는 내연 기관 (1) 의 일부의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 이 도 5 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 은, 출력 기통 EGR 통로 (76) 에 블로어 (본 발명에서 말하는 배출 수단) (150) 가 구비되어 있다. 이 블로어 (150) 는, 계 내에 잔류한 개질 가스를 신기와 혼합하고, 배기 통로 (61) 에 배치 형성한 상기 산화 촉매 (300) 에 공급하기 위한 것으로서, ECU (100) 로부터의 작동 지령 신호에 따라 작동하는 것이다.
개질 연료 배출 처리에서는, 상기 ECU (100) 에 의해, EGR 가스량 조정 밸브 (78) 및 바이패스량 조정 밸브 (82) 가 모두 개방 (전개) 됨과 함께, 블로어 (150) 가 작동된다. 이에 의해, 개질 연료 공급 통로 (51) 내에 잔존하고 있는 개질 연료는, 블로어 (150) 로부터 공급되는 신기와 혼합한 후에 출력 기통 바이패스 통로 (81) 및 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거쳐, 그 후, 배기 통로 (61) 로부터 산화 촉매 (300) 에 이르고, 가스 온도가 소정치 이상인 경우에는, 산화 촉매 (300) 내에서 산화 반응을 발생시켜 이산화탄소와 물로 변환되어, 대기 중으로 배출되게 된다. 또한, 출력 기통 흡기 통로 (43) 내에 잔존하고 있는 개질 연료는, 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거친 후, 동일하게 배기 통로 (61) 로부터 대기 중으로 배출되게 된다.
이와 같이 하여, 개질 연료 공급 통로 (51) 내 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 내에 잔존하고 있는 개질 연료가, 블로어 (150) 에 의해 강제적으로 대기 중으로 배출되기 때문에, 이들 개질 연료 공급 통로 (51) 내 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 내에 잔존하고 있는 개질 연료를 단시간 내에 배출할 수 있고, 개질 연료 처리 동작 (개질 연료 배출 처리) 의 필요 시간의 단축화를 도모할 수 있다. 또한, 산화 촉매 (300) 에 의해 개질 가스의 주성분인 수소, 일산화탄소, 메탄 등은 산화 제거되어 무해화할 수 있다. 이 개질 연료 배출 처리에서는, 상기 경보 장치 (130) 에 의한 경보 동작이 실시되기 때문에, 내연 기관 (1) 의 주위의 작업자 등에게 주의를 환기시킬 수 있다. 이 때문에, 의도하지 않은 타이밍에서 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되게 되는 등의 경우가 없게 된다.
또한, 상기 바이패스량 조정 밸브 (82) 는, 상기 연료 개질 운전에서는 폐쇄되고, 상기 개질 연료 배출 처리에서는 개방된다. 이 때문에, 연료 개질 운전시에, 개질 연료의 일부가, 출력 기통 (3) 에 공급되지 않고, 출력 기통 바이패스 통로 (81) 및 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거쳐 배출되게 되는 등의 상황을 회피할 수 있어, 연료 소비율의 개선을 도모할 수 있다.
(변형예)
다음으로, 제 2 실시형태의 변형예에 대하여 설명한다. 이 변형예는, 상기 개질 연료 배출 처리를 실시하는 내연 기관 (1) 의 변형예이다.
도 6 은, 본 변형예에 관련된 내연 기관 (1) 의 일부의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 이 도 6 에 나타내는 바와 같이, 본 변형예에 관련된 내연 기관 (1) 은, 개질 연료 공급 통로 (51) 에 있어서의 개질 연료 냉각기 (52) 와 믹서 (53) 사이, 및, 배기 통로 (61) 에 있어서의 출력 기통 EGR 통로 (76) 의 연통 부분보다 상류측 각각에는, 자유롭게 개폐 가능한 폐쇄 밸브 (161, 162) 가 구비되어 있다. 이들 폐쇄 밸브 (161, 162) 는 ECU (100) 로부터의 폐쇄 지령 신호에 의해 폐쇄 가능하게 되어 있다.
또한, 개질 연료 공급 통로 (51) 에 있어서의 개질 연료 냉각기 (52) 와 폐쇄 밸브 (161) 사이에는, 압송 유닛 (본 발명에서 말하는 배출 수단) (200) 이 접속되어 있다. 이 압송 유닛 (200) 은, 컴프레서 (201), 축압 탱크 (202), 및, 개폐 밸브 (203) 가 배관에 의해 접속된 구성으로 되어 있다. 이 구성에 의해, 개폐 밸브 (203) 가 폐쇄된 상태에서 컴프레서 (201) 가 작동함으로써 축압 탱크 (202) 내에 가스 (공기) 가 축압되고, 이 상태에서 개폐 밸브 (203) 가 개방되면, 축압 탱크 (202) 내의 가스가 개질 연료 공급 통로 (51) 를 향하여 압송되게 된다.
본 변형예에 있어서의 개질 연료 배출 처리에서는, 상기 ECU (100) 에 의해, EGR 가스량 조정 밸브 (78) 및 바이패스량 조정 밸브 (82) 가 모두 개방 (전개) 됨과 함께, 폐쇄 밸브 (162) 가 폐쇄되고, 컴프레서 (201) 의 작동에 의해 축압 탱크 (202) 내에 가스가 축압된 상태로 압송 유닛 (200) 의 개폐 밸브 (203) 가 개방된다. 이에 의해, 축압 탱크 (202) 내의 가스가 개질 연료 공급 통로 (51) 를 향하여 압송되고, 개질 연료 공급 통로 (51) 내에 잔존하고 있는 개질 연료는, 출력 기통 바이패스 통로 (81) 및 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거친 후, 배기 통로 (61) 로부터 대기 중으로 배출되게 (축압 탱크 (202) 로부터의 가스에 의해 밀려 나오게) 된다. 또한, 출력 기통 흡기 통로 (43) 내에 잔존하고 있는 개질 연료는, 출력 기통 EGR 통로 (76) 를 거친 후, 배기 통로 (61) 로부터 대기 중으로 배출되게 (축압 탱크 (202) 로부터의 가스에 의해 밀려 나오게) 된다.
이와 같이, 본 변형예에 있어서도, 개질 연료 공급 통로 (51) 내 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 내에 잔존하고 있는 개질 연료는, 강제적으로 배출 경로로 배출되기 때문에, 이들 개질 연료 공급 통로 (51) 내 및 출력 기통 흡기 통로 (43) 내에 잔존하고 있는 개질 연료를 단시간 내에 배출할 수 있고, 개질 연료 처리 동작 (개질 연료 배출 처리) 의 필요 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
또한, 이 개질 연료 배출 처리에서도, 상기 경보 장치 (130) 에 의한 경보 동작이 실시되기 때문에, 내연 기관 (1) 의 주위의 작업자 등에게 주의를 환기시킬 수 있다. 이 때문에, 의도하지 않은 타이밍에서 개질 연료가 시스템으로부터 대기 중으로 배출되게 되는 등의 경우가 없게 된다.
또한, 본 변형예에 있어서의 개질 연료 배출 처리에서는, 각 폐쇄 밸브 (161, 162) 를 모두 폐쇄하도록 해도 된다.
-다른 실시형태-
또한, 상기 각 실시형태 및 변형예는, 모든 점에서 예시이고, 한정적인 해석의 근거가 되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는, 상기한 각 실시형태 및 변형예에 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 각 실시형태 및 변형예에서는, 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 각 실시형태 및 변형예에서는, 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 각 실시형태 및 변형예에서는, 연료 개질실 (23) 에 공급하는 연료를 경유로 하고 있었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 중유나 가솔린 등을 연료로 하는 것도 가능하다.
또한, 상기 각 실시형태 및 변형예에서는, 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 각 실시형태 및 변형예에서는, 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, 상기 각 실시형태 및 변형예에서는, 개질 연료를 연료 개질 기통 (2) 에 의해 생성하는 내연 기관 (1) 에 본 발명을 적용한 경우에 대하여 설명하였다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 개질 연료를 연료 개질 촉매에 의해 생성하는 내연 기관에 대해서도 적용이 가능하다. 이 경우, 예를 들어, 연료 개질 촉매 내부의 당량비를 「1」 보다 약간 높게 설정하고, 배기 가스의 열량을 이용하여 연료 개질 촉매를 가온함으로써 개질 연료를 생성하고, 이 개질 연료를 출력 기통 (3) 에 공급하게 된다. 또한, 이 경우, 내연 기관 (1) 의 정지시에는, 연료 개질 촉매에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하게 (연료 개질 촉매 내부로의 연료 공급을 정지하게) 된다.
또한, 상기 각 실시형태 및 변형예에서는, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 내에 분사되는 미량의 연료 (착화 시기 제어용의 연료) 의 분사 타이밍으로는, 피스톤 (32) 이 압축 상사점에 이른 시점으로 하고 있었다. 본 발명은, 이것에 한정되지 않고, 피스톤 (32) 이 압축 상사점에 이르는 시점보다 진각측에서 인젝터 (35) 로부터 미량의 연료 분사를 실시하도록 해도 되고, 지각측에서 인젝터 (35) 로부터 미량의 연료 분사를 실시하도록 해도 된다.
또한, 상기 제 2 실시형태 및 그 변형예에서는, 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료를 블로어 (150) 나 압송 유닛 (200) 을 이용하여 강제적으로 배출하도록 하고 있었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 블로어 (150) 나 압송 유닛 (200) 을 형성하지 않고, 내연 기관 (1) 이 강제적으로 정지된 후, EGR 가스량 조정 밸브 (78) 및 바이패스량 조정 밸브 (82) 를 모두 개방함으로써, 상기 통로 (51, 43) 내의 개질 연료를 대기 중으로 배출하도록 해도 된다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 산화 촉매 (300) 는 반드시 필수는 아니기 때문에, 이 구성의 경우에 있어서도, 배기 통로 (61) 에 산화 촉매 (300) 를 배치 형성해도 되고, 이 산화 촉매 (300) 를 배치 형성하지 않아도 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 2016-139577호에 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 실린더 보어
22 피스톤
3 출력 기통
43 출력 기통 흡기 통로
51 개질 연료 공급 통로 (개질 연료 공급 경로)
61 배기 통로 (배출 경로)
76 출력 기통 EGR 통로
81 출력 기통 바이패스 통로 (배출 경로)
82 바이패스량 조정 밸브 (개폐 밸브)
100 ECU
104 개질 가스 농도 센서
105 개질 가스 압력 센서
106 개질 가스 온도 센서
120 엔진 정지 스위치
121 긴급 정지 스위치
130 경보 장치 (경보 수단)
300 산화 촉매

Claims (9)

  1. 연료 개질 운전에 의해 개질 연료의 생성이 가능한 연료 개질 장치와, 이 연료 개질 장치로 생성된 개질 연료가 개질 연료 공급 경로를 거쳐 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 장치에 있어서,
    기관 정지 지령을 받았을 때 또는 기관 정지 후에 있어서, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 이 개질 연료 공급 경로로부터 개질 연료를 도출하여 처리하는 개질 연료 처리 동작을 실행하는 개질 연료 처리부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 연료 처리 동작은, 상기 기관 정지 지령을 받았을 때, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를, 상기 출력 기통에 도입하여 당해 출력 기통 내에서 연소시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를, 상기 출력 기통을 바이패스하여 흘리는 배출 경로를 구비하고 있음과 함께 당해 배출 경로에는 산화 촉매가 구비되어 있는 한편, 경보를 발생하는 경보 수단이 구비되어 있고,
    상기 개질 연료 처리 동작은, 상기 기관 정지 후, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를 상기 배출 경로에 도입하고, 그 가스 온도가 소정 온도 이상인 경우에는 상기 산화 촉매에 의해 개질 연료를 산화·무해화한 후, 대기 중으로 배출함과 함께, 상기 경보 수단에 의한 경보를 실시하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료 성분의 농도, 또는, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 온도와 압력에 기초하여, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정하는 잔량 추정부를 구비하고 있고,
    상기 개질 연료 처리부는, 상기 잔량 추정부에서 추정된 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 상기 개질 연료 처리 동작을 실행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 개질 운전이 개시된 후의 상기 연료 개질 장치에서의 개질 연료의 생성량의 적산치로부터, 상기 출력 기통에서의 개질 연료의 연소량의 적산치를 감산함으로써, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량을 추정하는 잔량 추정부를 구비하고 있고,
    상기 개질 연료 처리부는, 상기 잔량 추정부에서 추정된 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 상기 개질 연료 처리 동작을 실행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 개질 장치는, 실린더 내에서 피스톤이 왕복동하는 레시프로케이팅형의 연료 개질 기통으로 구성되어 있고,
    상기 개질 연료 처리부는, 상기 기관 정지 지령을 받았을 때, 상기 연료 개질 기통 내로의 연료 공급을 정지함과 함께, 상기 출력 기통 내로의 연료 공급을 계속하여 당해 출력 기통의 구동을 계속시키는 상기 개질 연료 처리 동작을 실시하도록 되어 있고,
    상기 개질 연료 처리 동작은, 상기 출력 기통의 구동을 계속시키기 위한 상기 출력 기통 내로의 연료 공급량이 소정량에 이를 때까지 실행되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 배출 경로에는 개폐 가능한 개폐 밸브가 구비되어 있고, 이 개폐 밸브는, 상기 연료 개질 운전에서는 폐쇄되고, 상기 개질 연료 처리 동작에서는 개방되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  8. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 배출 경로에는, 상기 개질 연료 공급 경로 내의 개질 연료를, 상기 출력 기통을 바이패스시켜, 상기 산화 촉매를 거쳐 대기 중으로 강제 배출하기 위한 배출 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  9. 연료 개질 운전에 의해 개질 연료의 생성이 가능한 연료 개질 장치와, 이 연료 개질 장치로 생성된 개질 연료가 개질 연료 공급 경로를 거쳐 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 방법으로서,
    기관 정지 지령을 받았을 때 또는 기관 정지 후에 있어서, 상기 개질 연료 공급 경로 내에 있어서의 개질 연료의 잔량이 소정량 이하가 될 때까지, 이 개질 연료 공급 경로로부터 개질 연료를 도출하여 처리하는 개질 연료 처리 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
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