KR20180122717A - 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

기관 요구 출력 및 출력 기통 (3) 의 열 효율에 기초하여 개질 연료 요구 발열량 (출력 기통 요구 발열량) 을 산출한다. 개질 연료의 몰수, 개질 연료 중의 각 가스 성분의 몰분율, 개질 연료 중의 각 가스 성분의 발열량에 기초하여 개질 연료 추정 발열량을 산출한다. 개질 연료 요구 발열량으로부터 개질 연료 추정 발열량을 감산한 값이 부인 경우, 잉여 개질 연료가 발생하는 상태에 있는 것으로 하여, 연료 개질 운전을 비실행으로 한다. 예를 들어, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지한다.

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 공개 특허 공보 「특개 2014-136978호 공보」
그런데, 전술한 바와 같이, 연료 개질 기통에 있어서 개질 연료를 생성하기 위해서는, 이 연료 개질 기통 내의 당량비를 높게 하여 (산소량을 적게 하여), 산화 반응 (연소) 을 억제할 필요가 있다. 이 때문에, 개질 연료가 생성되는 상황에 있어서는, 연료 개질 기통 내는 연료 리치의 상태가 되어 있다. 그 결과, 개질 연료의 생성시에는, 이 연료 개질 기통 내의 연료량에 따라, 비교적 다량의 개질 연료가 생성되게 된다.
이와 같은 상황에서, 내연 기관의 저속 운전이나 저부하 운전이 실시되면, 출력 기통에 있어서 소비되는 (연소하는) 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통에 있어서 생성되게 될 가능성이 있다. 요컨대, 잉여의 개질 연료 (이하, 잉여 개질 연료라고 한다) 가 발생할 가능성이 있다.
이 잉여 개질 연료가 발생하는 상황에서는, 내연 기관의 열 효율이 저하하게 된다. 또한, 잉여 개질 연료는 출력 기통에서 소비되지 않기 때문에, 대기 중으로 방출될 가능성이 있다. 이 때문에, 잉여 개질 연료가 발생하는 것은, 환경 보호의 점에서도 바람직하지 않다.
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, 잉여 개질 연료의 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 운전에 의해 개질 연료의 생성이 가능한 연료 개질 장치와, 이 연료 개질 장치로 생성된 개질 연료가 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, 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 개질 운전 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 개질 연료 요구 발열량이란, 상기 소정 기간에 있어서, 출력 기통 내에서의 개질 연료의 연소에 의해 얻을 수 있는 발열량의 요구치이다. 또한, 상기 소정 기간으로는, 연료 개질 장치가 피스톤 크랭크 기구로 이루어지는 레시프로케이팅형의 연료 개질 기통으로 구성되어 있는 경우에는, 예를 들어, 그 연료 개질 기통의 1 사이클에 상당하는 기간이다.
이 특정 사항에 의해, 소정 기간에 있어서 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 개질 운전 제어부는, 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 한다. 이에 의해, 출력 기통에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 장치에 있어서 생성되게 되는 등의 것이 억제된다. 요컨대, 잉여 개질 연료의 발생이 억제된다. 이 때문에, 내연 기관의 열 효율의 저하를 억제할 수 있고, 또한, 개질 연료가 대기 중으로 방출되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량은, 적어도 상기 연료 개질 장치 내에 도입되는 가스량 및 상기 연료 개질 장치 내에 공급되는 연료량에 기초하여 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량은, 적어도 상기 연료 개질 장치로부터 도출되는 가스의 온도 및 그 가스의 압력에 기초하여 산출하도록 해도 된다.
이들 해결 수단에 의해, 연료 개질 장치에서의 개질 연료의 생성량 (연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량에 상당) 을 정확하게 산출하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 타이밍을 적정하게 얻는 것이 가능해진다.
또한, 상기 개질 운전 제어부는, 상기 출력 기통의 회전 속도 및 부하 각각이 소정의 임계치 미만일 때에 있어서만, 상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 상기 총발열량이, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는지 여부를 판정하고, 상기 총발열량이 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 출력 기통에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 장치에 있어서 생성되게 될 가능성이 높아지는 운전 영역, 요컨대, 잉여 개질 연료가 발생할 가능성이 높아지는 운전 영역 (출력 기통의 회전 속도 및 부하 각각이 소정의 임계치 미만인 운전 영역) 이 된 경우에만, 상기 총발열량이 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는지 여부의 판정 동작을 실시하게 된다. 요컨대, 상기 잉여 개질 연료가 발생할 가능성이 낮은 운전 영역에서는, 상기 판정 동작을 실시하지 않게 한다. 이에 의해, 쓸데없는 판정 동작의 실시를 회피할 수 있어, 제어 장치에 있어서의 연산 처리의 부담 경감을 도모할 수 있다.
또한, 상기 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 경우에는, 상기 연료 개질 장치 내로의 연료의 공급을 정지함과 함께, 상기 출력 기통에 대하여, 연료의 연소를 가능하게 하는 범위이고 당량비를 1 미만으로 하는 양의 연료 공급을 실시하는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 경우, 연료 개질 장치 내로의 연료의 공급을 정지함으로써, 연료 개질 장치에서의 개질 연료의 생성이 정지된다. 이 때문에, 잉여 개질 연료가 발생하는 경우가 없게 된다. 또한, 출력 기통에 대하여, 연료의 연소를 가능하게 하는 양의 연료 공급을 실시함으로써, 이 연료의 연소에 의한 기관 출력을 얻을 수 있다.
또한, 상기 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 경우에는, 상기 연료 개질 장치 및 상기 출력 기통 각각에 대하여, 연료의 연소를 가능하게 하는 범위이고 당량비를 1 미만으로 하는 양의 연료 공급을 실시하도록 해도 된다.
이에 의하면, 연료 개질 장치 내에 있어서 연료가 연소함으로써, 개질 연료는 생성되지 않는다. 또는, 개질 연료의 생성량은 작아진다. 그리고, 이 연료 개질 운전을 비실행으로 하고 있는 기간이어도, 연료 개질 장치 내에서의 연료의 연소에 의해 당해 연료 개질 장치의 온도 저하를 억제할 수 있다. 연료 개질 장치의 온도가 저하하여 연료 개질 장치 내의 가스 온도가 개질 운전 가능 온도 미만이 되어버리면, 연료 개질 운전이 재개된 경우에 개질 연료의 생성이 불능이 되어버릴 가능성이 있지만, 본 해결 수단에서는, 연료 개질 운전의 비실행시여도 연료 개질 장치의 온도를 높게 유지할 수 있다. 이 때문에, 연료 개질 운전이 재개된 경우에 개질 연료의 생성을 양호하게 실시할 수 있다.
상기 출력 기통은, 실린더 내에서 피스톤이 왕복동하는 레시프로케이팅형으로 구성되어 있고, 이 출력 기통 내로의 연료 공급 또는 불꽃 점화에 의해, 이 출력 기통 내에서의 개질 연료의 착화 시기를 제어하게 되어 있고, 상기 개질 운전 제어부는, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 총발열량으로부터, 상기 소정 기간에 있어서 상기 공급된 상기 착화 시기 제어용의 연료의 연소에 의해 발생하는 발열량을 감산한 값을, 상기 개질 연료 요구 발열량으로서 구하여, 상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
착화 시기를 제어하기 위한 연료가 출력 기통 내에 공급 (분사) 된 경우, 그 연료의 출력 기통 내에서의 연소에 의해 발생하는 발열량분만큼, 개질 연료 요구 발열량 (출력 기통 내에서의 개질 연료의 연소에 의해 얻을 수 있는 발열량의 요구치) 으로는 적어도 된다. 요컨대, 연료 개질 장치에서의 개질 연료의 생성량은 적어도 된다. 이 점을 고려하여, 본 해결 수단에서는, 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 총발열량으로부터, 상기 소정 기간에 있어서 상기 공급된 착화 시기 제어용의 연료의 연소에 의해 발생하는 발열량을 감산한 값을, 개질 연료 요구 발열량으로서 구한다. 그리고, 상기 소정 기간에 있어서 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에는, 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 하고 있다. 이에 의해, 출력 기통 내에서의 개질 연료의 착화 시기를 제어하면서도, 출력 기통에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 장치에 있어서 생성되게 되는 등이 억제되어, 잉여 개질 연료의 발생을 억제할 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 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, 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 것을 특징으로 한다.
이 제어 방법에 의해서도, 전술한 바와 같이, 출력 기통에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 장치에 있어서 생성되게 되는 등의 것이 억제된다. 이 때문에, 내연 기관의 열 효율의 저하를 억제할 수 있고, 또한, 개질 연료가 대기 중으로 방출되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에서는, 소정 기간에 있어서 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 출력 기통에서 요구되는 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 하고 있다. 이 때문에, 출력 기통에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 장치에 있어서 생성되게 되는 등의 것이 억제되어, 잉여 개질 연료의 발생이 억제된다. 그 결과, 내연 기관의 열 효율의 저하를 억제할 수 있고, 또한, 개질 연료가 대기 중으로 방출되는 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 개질 운전의 실행과 비실행을 전환하기 위한 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, 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.
(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 (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 (후술하는 바와 같이, 연료 개질실 (23) 내의 당량비에 따라 변화하는 개질 반응을 가능하게 하는 온도 범위의 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 (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 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 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 되고, 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 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.
-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 생성하기 위해서는, 연료 개질실 (23) 내의 혼합기의 당량비를 높게 하여 (산소량을 적게 하여), 산화 반응 (연소) 을 억제할 필요가 있다. 이 때문에, 개질 연료가 생성되는 상황에 있어서는, 연료 개질실 (23) 내는 연료 리치의 상태가 되어 있다. 그 결과, 개질 연료의 생성시에는, 이 연료 개질실 (23) 내의 연료량에 따라, 비교적 다량의 개질 연료가 생성되게 된다.
이와 같은 상황에서, 내연 기관 (1) 의 저속 운전이나 저부하 운전이 실시되면, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 (연소하는) 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성되어 버릴 가능성이 있다. 요컨대, 잉여 개질 연료가 발생할 가능성이 있다.
이 잉여 개질 연료가 발생하는 상황에서는, 내연 기관 (1) 의 열 효율이 저하하게 된다. 또한, 잉여 개질 연료는 출력 기통 (3) 에서 소비되지 않기 때문에, 대기 중으로 방출될 가능성이 있다. 이 때문에, 잉여 개질 연료가 발생하는 것은, 환경 보호의 점에서도 바람직하지 않다.
본 실시형태는, 이 점을 감안하여, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성되는 개질 연료의 양과, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 (연소하는) 개질 연료의 양을 밸런스시키도록, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 제어하도록 하고 있다. 구체적으로는, 소정 기간에 있어서 연료 개질 기통 (2) 에서 생성되는 개질 연료 (개질 연료의 전체량) 가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 출력 기통 (3) 에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량 (상기 소정 기간에 있어서, 출력 기통 (3) 내에서의 개질 연료의 연소에 의해 얻을 수 있는 발열량의 요구치) 보다 많아지는 것으로 추정된 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 하고 있다.
본 실시형태에 있어서의 연료 개질 운전의 제어에서는, 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클 (상기 소정 기간에 상당) 로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량의 추정치 (이하, 개질 연료 추정 발열량이라고 한다) 와, 이 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클에 상당하는 기간에 있어서, 출력 기통 (3) 에서 요구되는 개질 연료의 발열량의 추정치 (상기 개질 연료 요구 발열량) 를 비교한다. 예를 들어, 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클 중에 연소 행정을 맞이하는 출력 기통 (3) 이 1 개 뿐인 경우에는, 이 연소 행정을 맞이한 1 개의 출력 기통 (3) 에서 요구되는 개질 연료 요구 발열량과, 상기 개질 연료 추정 발열량을 비교한다. 또한, 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클 중에 연소 행정을 맞이하는 출력 기통 (3) 이 복수 존재하는 경우에는, 이 연소 행정을 맞이한 복수의 출력 기통 (3) 에서 요구되는 개질 연료 요구 발열량의 총열량과, 상기 개질 연료 추정 발열량을 비교한다.
그리고, 상기 개질 연료 추정 발열량이 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 금지 (비실행) 한다. 예를 들어, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지한다. 또는, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로, 개질 연료가 생성되지 않는 소정량의 연료 공급이 실시된다. 이 경우의 연료 공급량으로는, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 당량비가 1 미만의 값이 되도록 설정된다. 이에 의해, 연료 개질실 (23) 에서는, 희박 혼합기의 연소가 실시되고, 개질 연료는 생성되지 않게 된다. 또는, 개질 연료의 생성량은 약간이 된다.
또한, 이와 같이, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전이 금지 (비실행) 되어 있는 경우, 출력 기통 (3) 에서는, 기관 요구 출력이 얻어지도록, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급이 실시된다. 이 경우의 연소실 (33) 로의 연료 공급량으로는, 연소실 (33) 에 있어서의 당량비가 1 미만의 값이 되도록 설정된다. 이에 의해, 연소실 (33) 에서는, 희박 혼합기의 연소가 실시되어 내연 기관 (1) 의 기관 출력이 얻어지게 된다.
이하, 개질 연료 추정 발열량의 산출 동작 (추정 동작), 개질 연료 요구 발열량의 산출 동작 (추정 동작), 및, 이들 개질 연료 추정 발열량 및 개질 연료 요구 발열량을 이용한 연료 개질 운전의 제어에 대하여 순서대로 설명한다.
(개질 연료 추정 발열량의 산출 동작)
먼저, 상기 개질 연료 추정 발열량의 산출 동작 (추정 동작) 에 대하여 설명한다. 이 개질 연료 추정 발열량은, 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료량에 상관이 있다. 이 때문에, 간이적으로는, 이 연료량으로부터 개질 연료 추정 발열량을 구하는 것은 가능하다.
그러나, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 개질 반응은, 흡열 반응과 발열 반응의 복합적인 반응으로 되어 있다. 예를 들어, 연료 개질실 (23) 내의 열량 (예를 들어 EGR 가스로부터 얻어진 열량) 이 개질 연료의 내부 에너지로서 축적되는 경우가 있다. 이 경우, 이 내부 에너지분만큼, 개질 연료가 연소했을 때의 발열량은 많아진다. 이 때문에, 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료량과, 상기 개질 연료 추정 발열량은 반드시 일치하지는 않는다. 요컨대, 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료량으로부터만 개질 연료 추정 발열량을 정확하게 산출하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 이하의 식 (1) 과 같이, 생성되는 개질 연료의 상태량에 기초하여 개질 연료 추정 발열량을 산출하도록 하고 있다.
Figure pct00001
이 식 (1) 에 있어서, Qrfm 은 개질 연료 추정 발열량이고, nrfm 은 생성되는 개질 연료 (개질 가스) 의 몰수이고, Ψi 는 개질 연료 중의 각 가스 성분 (예를 들어, 수소, 일산화탄소, 메탄, 에탄 등) 의 개별의 몰분율이고, qi 는 개질 연료 중의 각 가스 성분의 개별의 발열량이다.
개질 연료의 몰수 nrfm 은 내연 기관 (1) 의 운전 조건 (특히, 연료 개질 기통 (2) 의 운전 조건) 에 따라 상이한 값이 된다. 이 때문에, 예를 들어 이하의 식 (2) 로부터 개질 연료의 몰수 nrfm 을 산출하는 것이 가능하다.
Figure pct00002
이 식 (2) 에 있어서, gair 는 연료 개질실 (23) 에 도입되는 가스량 (가스 질량) 이고, gfuel 은 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료량이고, Mrfm 은 개질 연료 (개질 가스) 의 몰 질량이다. 요컨대, 연료 개질실 (23) 에 도입되는 가스량 gair 및 연료 개질실 (23) 내의 혼합기의 당량비에 따라 개질 연료의 몰수 nrfm 은 결정되게 된다. 이 경우에, 상기 연료 개질실 (23) 에 도입되는 가스량 gair 는, 흡기 유량 센서 (101) 로부터의 출력 신호나, 흡기량 조정 밸브 (45) 의 개도 등에 기초하여 산출하는 것이 가능하다. 또한, 흡입 가스 압력 센서 (102) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출되는 흡입 가스의 압력, 및, 흡입 가스 온도 센서 (103) 로부터의 출력 신호에 기초하여 산출되는 흡입 가스의 온도로부터, 연료 개질실 (23) 에 도입되는 가스량 gair 를 산출하는 것도 가능하다. 또한, 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료량 gfuel 은, 인젝터 (25) 에 대한 분사 지령치로부터 구하는 것이 가능하다. 이와 같이 연료 개질실 (23) 에 도입되는 가스량 gair 이나 연료 개질실 (23) 에 공급되는 연료량 gfuel 로부터 개질 연료의 몰수 nrfm 이 산출되는 것으로부터, 상기 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 은, 이들을 파라미터로 하여 산출되게 된다 (본 발명에서 말하는, 소정 기간에 있어서 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 적어도 연료 개질 장치 내에 도입되는 가스량 및 연료 개질 장치 내에 공급되는 연료량에 기초하여 산출되는 것에 상당).
또한, 식 (2) 에 있어서의 우변의 분자는 개질 연료의 유량과 상관이 있다. 이 때문에, 연료 개질실 (23) 의 출구에 있어서의 가스 온도 및 가스 압력을 계측 (예를 들어 센서에 의해 계측) 함으로써, 개질 연료의 몰수 nrfm 을 산출할 수도 있다. 요컨대, 상기 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 은, 연료 개질실 (23) 의 출구에 있어서의 가스 온도 및 가스 압력을 파라미터로 하여 산출할 수도 있다 (본 발명에서 말하는, 소정 기간에 있어서 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 적어도 연료 개질 장치로부터 도출되는 가스의 온도 및 그 가스의 압력에 기초하여 산출되는 것에 상당).
또한, 개질 연료의 몰 질량 Mrfm 은, 예를 들어 이하의 식 (3) 에 의해 산출 (추정) 하는 것이 가능하다.
Figure pct00003
이 식 (3) 에 있어서, Ψi 는 전술한 바와 같이 개질 연료 중의 각 가스 성분의 개별의 몰분율이다. 또한, Mi 는 개질 연료 중의 각 가스 성분의 개별의 몰 질량이다.
상기 개질 연료 중의 각 가스 성분의 개별의 몰분율 Ψi 및 개질 연료 중의 각 가스 성분의 개별의 몰 질량 Mi 는, 연료의 종류, 연료 개질실 (23) 내의 당량비, 상기 압축단 가스 온도 등에 따라 결정되는 것으로, 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 작성된 맵 (상기 ROM 에 기억된 맵) 에 따라 구하는 것이 가능하다. 또한, 개질 연료 중의 각 가스 성분의 개별의 발열량 qi 는, 상기 각 가스 성분의 개별의 몰 질량 Mi 및 연료 개질실 (23) 에 도입되는 가스량 gair 등에 기초하여 산출하는 것이 가능하다.
(개질 연료 요구 발열량의 산출 동작)
다음으로, 상기 개질 연료 요구 발열량의 산출 동작 (추정 동작) 에 대하여 설명한다.
또한, 본 실시형태는, 상기 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 내에 공급되는 미량의 연료의 연소에 의한 발열량이 작은 경우로서, 이 발열량을 고려하지 않은 경우의 것이다. 또는, 이 인젝터 (35) 로부터의 연료의 공급이 실시되지 않는 경우 (전술한 바와 같이 연소실 (33) 의 혼합기가 예혼합 압축 자착화하는 경우) 의 것이다. 이 때문에, 연소실 (33) 내에서의 발열량의 대략 전체량이 개질 연료의 연소에 의한 것으로 취급하여 연료 개질 운전의 제어를 실시하도록 하고 있다 (인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 내에 공급되는 미량의 연료의 연소에 의한 발열량을 고려하는 경우에 대해서는 변형예에 있어서 후술한다).
이 때문에, 상기 개질 연료 요구 발열량은, 연소실 (33) 내에서의 요구 발열량 (이하, 출력 기통 요구 발열량이라고 한다) 에 대략 일치하게 된다. 이하에서는, 이 개질 연료 요구 발열량을 출력 기통 요구 발열량이라고 바꾸어 읽고 설명한다.
상기 출력 기통 요구 발열량은 이하의 식 (4) 에 의해 산출 (추정) 하는 것이 가능하다.
Figure pct00004
이 식 (4) 에 있어서, Qsupply 는 출력 기통 요구 발열량이고, η 는 출력 기통 (3) 의 열 효율이고, Pout 은 기관 요구 출력이다.
상기 출력 기통 (3) 의 열 효율 η 는 실험 또는 시뮬레이션에 의해 구해진다. 또한, 기관 요구 출력 Pout 은, 상기 스크루축에 요구되는 회전 속도 및 토크에 따라 산출된다. 이 때문에, 스크루축에 요구되는 회전 속도가 낮은 경우나, 요구되는 토크가 낮은 경우에는, 기관 요구 출력 Pout 도 낮은 값이 된다. 요컨대, 출력 기통 (3) 에 공급되는 개질 연료의 요구량은 적어진다. 즉, 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 는 적어진다. 또한, 이 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 는 내연 기관 (1) 에 탑재되어 있는 스피드 거버너의 목표치 등으로부터 산출하는 것도 가능하다.
(연료 개질 운전의 제어)
다음으로, 상기 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 및 상기 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 를 이용한 연료 개질 운전의 제어에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 이 출력 기통 요구 발열량 (개질 연료 요구 발열량) Qsupply 보다 많아지는 것으로 추정된 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 금지 (비실행) 하도록 하고 있다. 이 때문에, 이하의 식 (5) 에 의해, 이들 발열량의 차 (출력 기통 요구 발열량 Qsupply 로부터 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 을 감산한 값) ΔQ 를 구하고, 이 발열량의 차 ΔQ 가 부 (負) 의 값이 된 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 금지 (비실행) 하게 된다.
Figure pct00005
도 4 는, 연료 개질 운전의 실행과 비실행을 전환하기 위한 제어 순서를 나타내는 플로우 차트도이다. 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, 기관 회전 속도 (출력 기통 (3) 의 회전 속도) 가 소정의 임계치 α 이상인지 여부를 판정한다. 이 기관 회전 속도는, 도시하지 않은 크랭크 포지션 센서로부터의 출력 신호에 기초하여 산출된다. 또한, 상기 임계치 α 는, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 개질 연료량 (출력 기통 (3) 에서 요구되는 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량 (출력 기통 요구 발열량 Qsupply) 에 상당) 을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성될 가능성이 있는 기관 회전 속도 범위의 상한치로서, 실험 또는 시뮬레이션에 기초하여 설정되어 있다.
기관 회전 속도가 임계치 α 이상이고, 스텝 ST1 에서 YES 판정된 경우에는, 스텝 ST2 로 이동하여, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성될 가능성이 없거나, 또는, 그 가능성이 낮은 (잉여 개질 연료가 발생할 가능성이 없거나, 또는, 그 가능성이 낮은) 것으로 하여, 연료 개질 운전을 실행한다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 운전 모드로는 연료 개질 운전 모드가 된다. 이 연료 개질 운전 모드에서는, 상기 내연 기관 (1) 의 기본 동작에서 설명한 바와 같이, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료의 공급 (상기 개질 반응을 실시하기 위하여 연료 개질실 (23) 내의 당량비를 높게 설정하는 연료의 공급) 이 실행된다. 또한, 출력 기통 (3) 에서는, 개질 연료의 연소에 의해 기관 요구 출력이 얻어지게 된다.
한편, 기관 회전 속도가 임계치 α 미만이고, 스텝 ST1 에서 NO 판정된 경우에는, 스텝 ST3 으로 이동하여, 출력 기통 (3) 의 부하 (기관 부하) 가 소정의 임계치 β 이상인지 여부를 판정한다. 이 부하는, 상기 기관 요구 출력 Pout 에 기초하여 설정된다. 또한, 상기 임계치 β 는, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 개질 연료량 (출력 기통 (3) 에서 요구되는 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량 (출력 기통 요구 발열량 Qsupply) 에 상당) 을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성될 가능성이 있는 기관 부하 범위의 상한치로서, 실험 또는 시뮬레이션에 기초하여 설정되어 있다.
출력 기통 (3) 의 부하가 임계치 β 이상이고, 스텝 ST3 에서 YES 판정된 경우에는, 스텝 ST2 로 이동하여, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성될 가능성이 없거나, 또는, 그 가능성이 낮은 (잉여 개질 연료가 발생할 가능성이 없거나, 또는, 그 가능성이 낮은) 것으로 하여, 연료 개질 운전을 실행한다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 운전 모드로는 전술한 연료 개질 운전 모드가 된다.
한편, 출력 기통 (3) 의 부하가 임계치 β 미만이고, 스텝 ST3 에서 NO 판정된 경우에는, 스텝 ST4 로 이동하여, 상기 식 (5) 에 의해 상기 발열량의 차 ΔQ 를 산출한다. 요컨대, 상기 식 (4) 에 의해 산출된 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 로부터, 상기 식 (1) 에 의해 산출된 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 을 감산함으로써, 상기 발열량의 차 ΔQ 를 산출한다.
그 후, 스텝 ST5 로 이동하여, 이 발열량의 차 ΔQ 가 부의 값이 되어 있는지 여부를 판정한다. 요컨대, 상기 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 이 상기 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 보다 많아지는 상황에 있는지 여부를 판정한다.
발열량의 차 ΔQ 가 영 또는 정 (正) 의 값이 되어 있고, 스텝 ST5 에서 NO 판정된 경우에는, 스텝 ST2 로 이동하여, 잉여 개질 연료가 발생하는 상황으로는 되어 있지 않다고 하여, 연료 개질 운전을 실행한다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 운전 모드로는 전술한 연료 개질 운전 모드가 된다.
한편, 발열량의 차 ΔQ 가 부의 값이 되어 있고, 스텝 ST5 에서 YES 판정된 경우에는, 스텝 ST6 으로 이동하여, 잉여 개질 연료가 발생하는 상황에 있다고 하여, 연료 개질 운전을 비실행으로 한다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 운전 모드로는 연료 개질 운전 비실행 모드가 된다.
예를 들어, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 에, 연료 (개질 연료 생성용의 연료) 가 이미 공급되어 있는 경우 (상기 발열량의 차 ΔQ 가 부의 값이 되어 있는 것이 판정된 시점에서, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 에 연료가 이미 공급되어 있는 경우) 에는, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 다음 회의 사이클에 있어서 연료 개질 운전을 비실행으로 한다. 또한, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 에, 연료 (개질 연료 생성용의 연료) 가 아직 공급되어 있지 않은 경우 (개질 연료 추정 발열량 Qrfm 및 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 를 모두 추정 (연료 공급 전에 추정) 함으로써, 연료 공급 전에, 상기 발열량의 차 ΔQ 가 부의 값이 되어 있는 것이 판정된 경우) 에는, 연료 개질 기통 (2) 에 있어서의 이번 회의 사이클에 있어서 연료 개질 운전을 비실행으로 한다.
이와 같이 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 경우, 전술한 바와 같이, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로의 연료 공급을 정지한다. 또는, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로, 개질 연료가 생성되지 않는 소정량의 연료 공급이 실시된다. 이 경우의 연료 공급량으로는, 연료 개질실 (23) 에 있어서의 당량비가 1 미만의 값이 되도록 설정된다. 이에 의해, 연료 개질실 (23) 에서는, 희박 혼합기의 연소가 실시되고, 개질 연료는 생성되지 않게 된다. 또는, 개질 연료의 생성량은 약간이 된다.
또한, 이와 같이, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전이 금지 (비실행) 되어 있는 경우, 출력 기통 (3) 에서는, 기관 요구 출력이 얻어지도록, 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 로의 연료 공급이 실시된다. 이 경우의 연소실 (33) 로의 연료 공급량으로는, 연소실 (33) 에 있어서의 당량비가 1 미만의 값이 되도록 설정된다.
또한, 이 경우, 바이패스량 조정 밸브 (82) 가 개방된다. 이에 의해, 연료 개질실 (23) 로부터 배출된 가스는, 출력 기통 바이패스 통로 (81) 를 거쳐 배기 통로 (61) 에 배출되게 된다. 이에 의해, 연료 개질실 (23) 로부터 배출된 가스에 의해 출력 기통 (3) 에서의 연소가 악화되게 되는 등의 것을 억제할 수 있다.
이와 같이 하여 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전이 금지 (비실행) 된 경우, 연료 개질실 (23) 에서는 개질 연료의 생성이 실시되지 않기 때문에, 상기 식 (1) 에 의해 산출되는 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 은, 영, 또는, 연료 개질 운전이 실행되는 경우에 비하여 대폭 적어진다. 이 때문에, 다음 회의 루틴에서는, 기관 회전 속도 임계치 α 미만이고 (스텝 ST1 에서 NO 판정되고), 또한 출력 기통 (3) 의 부하 (기관 부하) 가 임계치 β 미만인 (스텝 ST3 에서 NO 판정된) 경우에는, 스텝 ST5 에서 NO 판정되게 되어, 연료 개질 운전을 실행한다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 운전 모드로는 연료 개질 운전 모드에 복귀되게 된다.
이상의 동작이 반복된다. 이에 의해, 상기 스텝 ST5, ST6 의 동작이, 본 발명에서 말하는 「개질 운전 제어부에 의한 동작으로서, 소정 기간에 있어서 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 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, 소정 기간 (예를 들어 1 사이클) 에 있어서 연료 개질 기통 (2) 에서 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량 (상기 개질 연료 추정 발열량 Qrfm) 이, 출력 기통 (3) 에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량 (상기 출력 기통 요구 발열량 Qsupply) 보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 하고 있다. 이에 의해, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성되게 되는 등의 것이 억제된다. 요컨대, 잉여 개질 연료의 발생이 억제된다. 이 때문에, 내연 기관 (1) 의 열 효율의 저하를 억제할 수 있고, 또한, 개질 연료가 대기 중으로 방출되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 출력 기통 (3) 에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성되어 버릴 가능성이 높아지는 운전 영역, 요컨대, 잉여 개질 연료가 발생할 가능성이 높아지는 운전 영역 (출력 기통 (3) 의 회전 속도 및 기관 부하 각각이 소정의 임계치 미만인 운전 영역) 이 된 경우에만 (상기 스텝 ST1 및 스텝 ST3 에서 모두 NO 판정된 경우에만), 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 이 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 보다 많아지는지 여부의 판정 동작을 실시하도록 하고 있다. 요컨대, 잉여 개질 연료가 발생할 가능성이 낮은 운전 영역에서는, 상기 판정 동작을 실시하지 않도록 하고 있다. 이 때문에, 쓸데없는 판정 동작의 실시를 회피할 수 있어, ECU (100) 에 있어서의 연산 처리의 부담 경감을 도모할 수 있다.
또한, 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 경우에, 인젝터 (25) 로부터 연료 개질실 (23) 로 소정량 (연료 개질실 (23) 에 있어서의 당량비가 1 미만의 값이 되는 양) 의 연료 공급을 실시한 경우에는, 전술한 바와 같이 연료 개질실 (23) 에서는 희박 혼합기의 연소가 실시되게 된다. 이에 의해, 연료 개질 운전을 비실행으로 하고 있는 기간이어도, 연료 개질실 (23) 내에서의 연료의 연소에 의해 연료 개질실 (23) 의 온도 저하를 억제할 수 있다. 연료 개질실 (23) 의 온도가 저하하여 이 연료 개질실 (23) 내의 가스 온도가 개질 운전 가능 온도 미만이 되어 버리면, 연료 개질 운전이 재개된 경우에 개질 연료의 생성이 불능이 되어 버릴 가능성이 있지만, 전술한 바와 같이 연료 개질실 (23) 에서의 연료의 연소를 실시하게 함으로써, 연료 개질 운전의 비실행시여도 연료 개질실 (23) 내의 가스 온도를 높게 유지할 수 있다. 이 때문에, 연료 개질 운전이 재개된 경우에, 개질 연료의 생성을 양호하게 실시할 수 있다.
-변형예-
다음으로, 변형예에 대하여 설명한다. 상기 실시형태에서는, 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 과 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 를 비교하여, 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 이 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 보다 많아지는 것으로 추정된 경우에, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 금지 (비실행) 하도록 하고 있었다.
본 변형예는, 인젝터 (35) 로부터 출력 기통 (3) 에 공급되는 미량의 연료 (피스톤 (32) 이 압축 상사점에 이른 시점에서 공급되는 미량의 연료 ; 착화 시기 제어용의 연료) 의 연소에 의한 발열량을 고려하여 연료 개질 운전의 제어를 실시하도록 한 것이다.
구체적으로는, 출력 기통 (3) 에서의 착화 시기를 제어하기 위한 상기 연료가 인젝터 (35) 로부터 연소실 (33) 에 분사된 경우, 그 연료의 연소실 (33) 에서의 연소에 의해 발생하는 발열량분만큼, 개질 연료 요구 발열량 (연소실 (33) 에서의 개질 연료의 연소에 의해 얻을 수 있는 발열량의 요구치) 으로는 적어도 된다. 요컨대, 연료 개질 기통 (2) 에서의 개질 연료의 생성량은 적어도 된다.
이 점을 고려하여, 본 변형예에서는, 상기 출력 기통 요구 발열량 Qsupply (출력 기통 (3) 에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 총발열량) 로부터, 상기 소정 기간에 있어서 상기 분사된 착화 시기 제어용의 연료의 연소에 의해 발생하는 발열량을 감산한 값을, 개질 연료 요구 발열량으로서 구한다. 그리고, 상기 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 이, 이 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에는, 연료 개질 기통 (2) 에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 하고 있다.
본 변형예의 경우, 상기 발열량의 차 ΔQ 는, 이하의 식 (6) 에 의해 산출되게 된다.
Figure pct00006
이 식 (6) 에 있어서, Qpilot 은 인젝터 (35) 로부터 분사되는 착화 시기 제어용의 연료의 연소에 의한 발열량으로서, 실험 또는 시뮬레이션에 기초하여 구해진다. 이 때문에, 본 변형예에서는, 출력 기통 요구 발열량 Qsupply 로부터 착화 시기 제어용의 연료의 연소에 의한 발열량 Qpilot 을 감산한 값 (Qsupply - Qpilot) 이 개질 연료 요구 발열량에 상당하게 된다.
그리고, 이 식 (6) 에 있어서 산출된 발열량의 차 ΔQ 가 영 또는 정의 값이 되어 있는 경우에는, 잉여 개질 연료가 발생하는 상황으로는 되어 있지 않은 것으로 하여, 연료 개질 운전을 실행한다. 요컨대, 내연 기관 (1) 의 운전 모드로는 전술한 연료 개질 운전 모드가 된다. 한편, 이 발열량의 차 ΔQ 가 부의 값이 되어 있는 경우에는, 잉여 개질 연료가 발생하는 상황에 있다고 하여, 연료 개질 운전을 비실행으로 한다.
그 밖의 구성 및 동작은 상기 실시형태의 것과 동일하다.
본 변형예에 의하면, 연소실 (33) 에서의 개질 연료의 착화 시기를 제어하면서도, 연소실 (33) 에 있어서 소비되는 개질 연료량을 초과하는 양의 개질 연료가 연료 개질 기통 (2) 에 있어서 생성되게 되는 등의 것이 억제되어, 잉여 개질 연료의 발생을 억제할 수 있다.
-다른 실시형태-
또한, 상기 실시형태 및 변형예는, 모든 점에서 예시이고, 한정적인 해석의 근거가 되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는, 상기한 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 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 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 실시형태에서는, 연료 개질실 (23) 에 공급하는 연료를 경유로 하고 있었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 중유나 가솔린 등을 연료로 하는 것도 가능하다.
또한, 상기 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 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 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, 연료 개질 촉매 내의 당량비나 온도 등에 기초하여 소정 기간에 있어서 연료 개질 촉매 내에서 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 출력 기통 (3) 에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에는, 연료 개질 촉매에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하게 (연료 개질 촉매 내부로의 연료 공급을 정지하게) 된다.
또한, 상기 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 실시형태 및 변형예에서는, 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 의 산출 기간 (본 발명에서 말하는 소정 기간) 을 연료 개질 기통 (2) 의 1 사이클로 하고 있었다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 연료 개질 기통 (2) 의 복수 사이클에 걸쳐 (복수 사이클에 걸친 기간에서) 생성되는 개질 연료를 대상으로 하여 개질 연료 추정 발열량 Qrfm 을 산출하도록 해도 된다. 이 경우, 상기 개질 연료 요구 발열량의 산출 기간도 거기에 따른 기간으로서 설정되게 된다.
또한, 상기 실시형태 및 변형예에 있어서의 출력 기통 (3) 은 불꽃 점화식의 것이어도 된다.
이 출원은, 2016년 7월 14일에 일본에서 출원된 특원 2016-139572에 기초하는 우선권을 청구한다. 여기에 언급함으로써, 그 모든 내용은 본 출원에 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
23 연료 개질실
25, 35 인젝터
3 출력 기통
33 연소실
100 ECU

Claims (8)

  1. 연료 개질 운전에 의해 개질 연료의 생성이 가능한 연료 개질 장치와, 이 연료 개질 장치로 생성된 개질 연료가 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 장치에 있어서,
    소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 개질 운전 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량은, 적어도 상기 연료 개질 장치 내에 도입되는 가스량 및 상기 연료 개질 장치 내에 공급되는 연료량에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량은, 적어도 상기 연료 개질 장치로부터 도출되는 가스의 온도 및 그 가스의 압력에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 개질 운전 제어부는, 상기 출력 기통의 회전 속도 및 부하 각각이 소정의 임계치 미만일 때에 있어서만, 상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 상기 총발열량이, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는지 여부를 판정하고, 상기 총발열량이 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 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 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 경우에는, 상기 연료 개질 장치 내로의 연료의 공급을 정지함과 함께, 상기 출력 기통에 대하여, 연료의 연소를 가능하게 하는 범위이고 당량비를 1 미만으로 하는 양의 연료 공급을 실시하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 개질 장치에서의 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 경우에는, 상기 연료 개질 장치 및 상기 출력 기통 각각에 대하여, 연료의 연소를 가능하게 하는 범위이고 당량비를 1 미만으로 하는 양의 연료 공급을 실시하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 기통은, 실린더 내에서 피스톤이 왕복동하는 레시프로케이팅형으로 구성되어 있고, 이 출력 기통 내로의 연료 공급 또는 불꽃 점화에 의해, 이 출력 기통 내에서의 개질 연료의 착화 시기를 제어하게 되어 있고,
    상기 개질 운전 제어부는, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 총발열량으로부터, 상기 소정 기간에 있어서 상기 공급된 상기 착화 시기 제어용의 연료의 연소에 의해 발생하는 발열량을 감산한 값을, 상기 개질 연료 요구 발열량으로서 구하여, 상기 소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 상기 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우에, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  8. 연료 개질 운전에 의해 개질 연료의 생성이 가능한 연료 개질 장치와, 이 연료 개질 장치로 생성된 개질 연료가 공급되고 당해 개질 연료의 연소에 의해 기관 출력을 얻는 출력 기통을 구비한 내연 기관에 적용되는 제어 방법으로서,
    소정 기간에 있어서 상기 연료 개질 장치로 생성되는 개질 연료가 연소했다고 가정했을 때의 총발열량이, 상기 출력 기통에서 요구되는 상기 소정 기간에서의 개질 연료 요구 발열량보다 많아지는 것으로 추정된 경우, 상기 연료 개질 장치에서의 상기 연료 개질 운전을 비실행으로 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
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