WO2016035735A1

WO2016035735A1 - エンジン

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Publication number: WO2016035735A1
Application number: PCT/JP2015/074602
Authority: WO
Inventors: 豪朝井
Original assignee: ヤンマー株式会社
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2016-03-10
Also published as: EP3190287A4; EP3190287A1; US9982608B2; EP3190287B1; US20170284315A1; CN106687679A; CN106687679B

Abstract

　出力用気筒２の出力に応じて改質燃料を供給することができる燃料改質装置である改質用気筒１５を備えたエンジン１の提供を目的とする。　燃料を燃焼させる出力用気筒２とピストン１８の往復動作によって燃料を改質する燃料改質装置である改質用気筒１５とを備えたエンジン１であって、一つの改質用気筒１５に供給される燃料量ｇｆと吸引ガス量ｇｉとを維持しつつ、出力用気筒２の出力に応じて全ての出力用気筒２に供給される改質燃料量Ｇｆを変更する。

Description

エンジン

　本発明はエンジンに関する。詳しくは燃料改質装置を備えたエンジンに関する。

　従来、液体燃料に吸気や排気を予め混合して加圧することで改質したガス燃料を供給する予混合エンジンが知られている。予混合エンジンは、液体燃料を希薄状態で燃焼可能なガス燃料に改質して燃焼させることで低スモーク化および低ＮＯｘ化を実現するものである。例えば、特許文献１に記載の如くである。

　特許文献１に記載のエンジンは、複数の気筒のうち一の気筒を燃料改質装置である改質用気筒とし、液体燃料と吸気や排気とを混合して圧縮することで燃料を改質している。改質燃料は、所定の吸入ガス温度、組成、圧縮比、当量比においてのみ生成される。従って、エンジンは、出力用気筒２の出力に応じて改質燃料の当量比を変更したり、吸入ガス量を変更して改質燃料の生産量を減量したりすることができない。このため、エンジンは、出力用気筒２の出力に応じた改質用燃料量を供給することができず適切な燃料量で運転できない場合があった。

特開２００７－３３２８９１号公報

　本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、出力用気筒の出力に応じて改質燃料を供給することができる燃料改質装置を備えたエンジンの提供を目的とする。

　即ち、本発明においては、燃料を燃焼させる出力用気筒とピストンの往復動作によって燃料を改質する改質用気筒とを備えたエンジンであって、一の改質用気筒に供給される燃料量と吸引ガス量とを維持しつつ出力用気筒の出力に応じて出力用気筒に供給される改質燃料量を変更するものである。

　本発明においては、前記改質用気筒から排出される改質された燃料の温度に基づいて前記改質用気筒の圧縮比と膨張比とのうち少なくとも一つを変更するものである。

　本発明においては、前記改質用気筒に前記ピストンの往復動作によってその容積が変化する膨張室と、容積が一定の反応室と、が構成され、前記膨張室と前記反応室とが連通されているものである。

　本発明においては、前記改質気筒に、外部からの吸気を供給する吸気管と出力用気筒からの排気を供給するＥＧＲ管とが接続され、前記改質用気筒に供給される吸気と排気との混合気に燃料を供給する燃料噴射装置と供給される燃料量および混合気量に基づいて添加剤を供給する添加剤噴射装置と、が設けられるものである。

　本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

　即ち、本発明においては、改質用気筒から排出される気筒当たりの改質燃料量および改質燃料の当量比を維持しつつ、出力用気筒に供給する改質燃料量が変更される。これにより、出力用気筒の出力に応じて改質燃料を供給することができる。

本発明に係るエンジンの一実施形態の構成を示す概略図。本発明に係るエンジンの一実施形態における出力用気筒と改質用気筒との構成を示す概略図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置を示す側面断面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置の部分拡大平面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置の油圧シリンダが突出していない場合の部分拡大側面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における制御構成を概略図。（ａ）本発明に係るエンジンの一実施形態における一方のカムのクランク角度と吸気弁の開閉時期との関係を示した図（ｂ）クランク角度と吸気弁のバルブリフトとの関係を示した図。本発明に係るエンジンの一実施形態における改質用気筒のクランク位置における反応室内の状態を表すグラフを示す図。本発明に係る別実施形態の可変動弁装置における油圧シリンダが突出していない場合の部分拡大側面図。本発明に係る別実施形態の可変動弁装置における油圧シリンダが突出している場合の部分拡大側面図。本発明に係る別実施形態の可変動弁装置における一方のカムのプロファイルに従った吸気弁の開閉時期を示した図。（ａ）クランク角度と吸気弁の開閉時期との関係を示した図。（ｂ）クランク角度と吸気弁のバルブリフトとの関係を示した図。本発明に係る別実施形態の可変動弁装置における他方のカムのプロファイルに従った吸気弁の開閉時期を示した図。（ａ）クランク角度と吸気弁の開閉時期との関係を示した図。（ｂ）クランク角度と吸気弁のバルブリフトとの関係を示した図。本発明に係る別実施形態の可変動弁装置における改質用気筒のクランク位置における反応室内の状態を表すグラフを示す図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒の構成を示す概略図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒における添加剤の量を算出する制御構成を示す概略図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒における改質用気筒のクランク位置における反応室内の状態を表すグラフを示す図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒の構成を示す概略図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒のピストンに反応室を配置した実施形態の構成を示す概略図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒のシリンダブロックに反応室を配置した実施形態の構成を示す概略図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒のクランク位置と燃料噴射時期との関係を表すグラフを示す図。本発明に係る別実施形態の改質用気筒における反応室での給気の流れを示す概略図。

　以下に、図１から図８を用いて、本発明に係るエンジンの一実施形態であるエンジン１について説明する。

　図１と図２とに示すように、エンジン１は、軽油若しくは重油を燃料とする４気筒のディーゼルエンジンである。エンジン１は、主に４つの出力用気筒２、過給機１４、燃料改質装置である３つの改質用気筒１５、吸気用インタークーラー３３、改質燃料用インタークーラー３４、ＥＧＲガス用インタークーラー３５、可変動弁装置３６（図３参照）および制御装置であるＥＣＵ６０を具備する。なお、本実施形態において、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたがこれに限定するものではない。

　図２に示すように、出力用気筒２は、燃料の燃焼により動力を発生させて出力軸に伝達するものである。出力用気筒２は、４つの気筒から構成されている。出力用気筒２は、気筒毎に出力用シリンダ３、出力用ピストン４および出力用コンロッド５、および副燃料噴射装置６を具備する。

　出力用気筒２は、出力用シリンダ３の内部に出力用ピストン４が摺動自在に内装されている。出力用シリンダ３は、一側が図示しないシリンダヘッドによって閉塞され、他側が開放するように構成されている。出力用ピストン４は、出力用コンロッド５によって出力軸である出力用クランク軸７に連結されている。出力用気筒２の圧縮比は、早期着火や失火の発生を考慮して１３以上（例えば１３～１８程度）に設定されている。

　出力用クランク軸７には、出力用クランク角検出センサ８が設けられている。出力用気筒２には、出力用シリンダ３の内壁と出力用ピストン４の端面とから燃焼室９が構成されている。出力用気筒２は、燃焼室９に燃料を噴射可能な副燃料噴射装置６が設けられている。副燃料噴射装置６は、ホールタイプのノズルを有するインジェクタから構成されている。出力用気筒２には、出力用吸気弁１０を介して吸気管１１が接続され、出力用排気弁１２を介して排気管１３が接続されている。なお、本実施形態において、出力用気筒２は、単数であっても複数であってもよい。

　図１と図２とに示すように、過給機１４は、外気を断熱圧縮して出力用気筒２の燃焼室９に供給するものである。過給機１４は、タービン１４ａとコンプレッサー１４ｂとを具備する。タービン１４ａには、排気管１３が接続され、燃焼室９からの排気が供給可能に構成されている。コンプレッサー１４ｂには、吸気管１１が接続され、外気を吸引して吸気として燃焼室９に供給可能に構成されている。つまり、過給機１４は、排気の圧力をタービン１４ａによって回転動力に変換してコンプレッサー１４ｂに伝達し、コンプレッサー１４ｂによって外気を吸引し、断熱圧縮可能に構成されている。

　燃料改質装置である改質用気筒１５は、軽油等の高級炭化水素燃料を低級炭化水素燃料（例えばメタン）に改質し、過早着火を抑制するものである。燃料改質装置である改質用気筒１５は、３つの気筒から構成されている（図１参照）。改質用気筒１５は、吸気と排気（ＥＧＲガス）との混合気（以下、単に「給気」と記す）に燃料を噴射したものを断熱圧縮することで燃料を改質する。改質用気筒１５は、改質用シリンダヘッド１６、改質用シリンダ１７、改質用ピストン１８、改質用コンロッド１９、主燃料噴射装置２０等を具備する。

　図２に示すように、改質用気筒１５は、改質用シリンダ１７の一側が改質用シリンダヘッド１６によって閉塞され、内部に改質用ピストン１８が摺動自在に内装されている。改質用ピストン１８は、改質用コンロッド１９によって改質用クランク軸２１に連結されている。改質用クランク軸２１には、改質用クランク角検出センサ２２が設けられる。改質用気筒１５の改質用ピストン１８は、後述の改質用気筒変速装置５９を介して出力用クランク軸７と連動連結されている。改質用ピストン１８は、出力用クランク軸７から改質用クランク軸２１に伝達される動力によって往復動作可能に構成されている。なお、本実施形態において、改質用気筒１５は、出力用クランク軸７からの動力が伝達されている構成としたがこれに限定されているものではなく、独立した動力源からの動力でもよい。また、改質用気筒１５は、出力用気筒２毎にあってもよく、複数の出力用気筒２に対して１つであってもよい。また、出力用気筒２と改質用気筒１５とを兼用することも可能である。

　改質用気筒１５には、改質用シリンダヘッド１６、改質用シリンダ１７および改質用ピストン１８の端面とから反応室２３が構成されている。反応室２３は、改質用ピストン１８の往復動作によりその容積が変化するように構成されている。反応室２３は、その容積の変化により給気と燃料とを断熱圧縮するものである。反応室２３の圧縮比は、１５以上（例えば１５～２０程度）に設定されている。反応室２３の容積（改質用気筒１５の排気量）は、一つの出力用気筒２の排気量よりも小さく構成されている。

　主燃料噴射装置２０は、反応室２３の内部に燃料を供給するものである。主燃料噴射装置２０は、改質用シリンダヘッド１６に設けられている。主燃料噴射装置２０は、反応室２３の内部に燃料を任意の時期に任意の量で供給可能に構成されている。主燃料噴射装置２０は、ピントル型ノズル、スワールインジェクタ、エアアシストインジェクタ等のノズルから構成されている。

　各改質用気筒１５には、改質用吸気弁２４を介して供給管２５が接続されている。供給管２５には、吸気管１１から吸気の一部が供給可能に構成されている。また、供給管２５は、ＥＧＲ管２８を介して排気管１３に接続されている。つまり、供給管２５には、出力用気筒２の燃焼室９からの排気の一部がＥＧＲ管２８を通じてＥＧＲガスとして供給可能に構成されている。従って、各改質用気筒１５の反応室２３には、供給管２５から吸気とＥＧＲガスとの混合気（以下、単に「給気」と記す）とが供給可能に構成されている。

　各改質用気筒１５には、改質用排気弁２６を介して排出管２７が接続されている。排出管２７は、ミキサー２７ａを介して供給管２５よりも下流側の吸気管１１に接続されている。また、各改質用気筒１５は、改質された低級炭化水素燃料（以下、単に「改質燃料」と記す）が反応室２３から排出管２７を介して吸気管１１に排出可能に構成されている。また、排出管２７には、後述の改質燃料用インタークーラー３４よりも上流側に改質燃料温度センサ２９が設けられている。改質燃料温度センサ２９は、改質用気筒１５から排出された直後の改質燃料の温度を検出する。なお、本実施形態において、燃料改質装置は、３つの改質用気筒１５から構成されているがこれに限定されるものではなく、単数または複数の改質用気筒１５から構成されていればよい。

　吸気管１１には、供給管２５の接続位置よりも下流側であって、排出管２７の接続位置よりも上流側に第１吸気調量弁３０が設けられる。第１吸気調量弁３０は、出力用吸気流量Ａ１を変更するものである。第１吸気調量弁３０は、電磁式流量制御弁から構成されている。第１吸気調量弁３０は、後述の制御装置であるＥＣＵ６０からの信号を取得して第１吸気調量弁３０の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第１吸気調量弁３０を電磁式流量制御弁から構成しているが、出力用吸気流量Ａ１を変更することができるものであればよい。

　供給管２５には、ＥＧＲ管２８の接続位置よりも上流側に第２吸気調量弁３１が設けられる。第２吸気調量弁３１は、改質用吸気流量Ａ２を変更するものである。第２吸気調量弁３１は、電磁式流量制御弁から構成されている。第２吸気調量弁３１は、後述のＥＣＵ６０からの信号を取得して第２吸気調量弁３１の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第２吸気調量弁３１を電磁式流量制御弁から構成しているが、改質用吸気流量Ａ２を変更することができるものであればよい。

　ＥＧＲ管２８には、ＥＧＲガス調量弁３２が設けられる。ＥＧＲガス調量弁３２は、ＥＧＲガス流量Ａ３を変更するものである。ＥＧＲガス調量弁３２は、電磁式流量制御弁から構成されている。ＥＧＲガス調量弁３２は、後述のＥＣＵ６０からの信号を取得してＥＧＲガス調量弁３２の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、ＥＧＲガス調量弁３２を電磁式流量制御弁から構成しているが、ＥＧＲガス流量Ａ３を変更することができるものであればよい。

　このように構成することで、エンジン１は、吸気と各改質用気筒１５の反応室２３から排出されている改質燃料との混合比を第１吸気調量弁３０によって変更可能に構成されている。また、エンジン１は、反応室２３に供給されている吸気とＥＧＲガスとの混合比を第２吸気調量弁３１とＥＧＲガス調量弁３２とによって変更可能に構成されている。

　吸気用インタークーラー３３、改質燃料用インタークーラー３４およびＥＧＲガス用インタークーラー３５は、気体を冷却するものである。吸気用インタークーラー３３は、吸気管１１に設けられる。吸気用インタークーラー３３は、コンプレッサー１４ｂで断熱圧縮された吸気を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー３４は、排出管２７に設けられる。改質燃料用インタークーラー３４は、各改質用気筒１５の反応室２３から排出されている改質燃料を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー３４は、空気または水を冷却媒体とする放熱器または熱交換器から構成されている。ＥＧＲガス用インタークーラー３５は、ＥＧＲ管２８に設けられる。ＥＧＲガス用インタークーラー３５は、燃料の燃焼により加熱された排気を冷却可能に構成されている。

　図３から図５に示すように、可変動弁装置３６は、改質用吸気弁２４および改質用排気弁２６をそれぞれ所定の時期に開閉するためのものである。可変動弁装置３６は、改質用吸気弁２４を開閉するための機構として、スイングアーム軸３７、第１スイングアーム３８、第２スイングアーム４１、プッシュロッド４３、弁腕４４、カム軸４５、吸気用切換手段４８（図５参照）等を具備し、改質用クランク軸２１の回転運動に連動して駆動されて、改質用吸気弁２４を開閉する。さらに、可変動弁装置３６は、改質用排気弁２６を開閉するための機構として、第３スイングアーム５５、第４スイングアーム５６、排気用切換手段５７等を具備し（図５参照）、改質用クランク軸２１の回転運動に連動して駆動されて改質用排気弁２６を開閉する。なお、第３スイングアーム５５、第４スイングアーム５６、排気用切換手段５７等は、第１スイングアーム３８、第２スイングアーム４１、吸気用切換手段４８と同様の構成であるため具体的な説明を省略する。

　図４と図５とに示すように、スイングアーム軸３７は、改質用クランク軸２１の軸方向（以下、改質用クランク軸２１の軸方向を「前後方向」と定義して説明する。）と平行に横架される。

　第１スイングアーム３８は、略直方体状に形成される部材である。第１スイングアーム３８の長手方向の一端は、スイングアーム軸３７によって揺動可能に支持されている。第１スイングアーム３８の長手方向の他端下部には、第１カムローラ３９が回転自在に支持されている。第１スイングアーム３８の他端上面には、上向きに凹む半球面状の凹部が形成されたロッド支持部材４０が取り付けられる。

　第２スイングアーム４１は、略直方体状に形成される部材である。第２スイングアーム４１の長手方向の一端は、第１スイングアーム３８と隣接してスイングアーム軸３７によって揺動可能に支持されている。つまり、第２スイングアーム４１は、第１スイングアーム３８と隣接した状態で、スイングアーム軸３７に揺動可能に支持される。第２スイングアーム４１の長手方向の他端下部には、第二カムローラ４２が回転自在に支持されている。

　図３に示すように、プッシュロッド４３は、略円柱状の部材であり、第１スイングアーム３８と弁腕４４とを連動連結するものである。プッシュロッド４３の下端は、半球面状に形成されて、第１スイングアーム３８のロッド支持部材４０の凹部に揺動可能に嵌められる。プッシュロッド４３の上端は弁腕４４の一端に揺動可能に嵌められる。

　弁腕４４は、プッシュロッド４３と吸気連結部材２４ａとを連結するものである。弁腕４４は、前後方向に横架される弁腕軸４４ａに揺動可能に支持される。弁腕４４の一端はプッシュロッド４３の上端に連結され、他端は吸気連結部材２４ａに連結される。

　図３と図５に示すように、カム軸４５は、第１スイングアーム３８および第２スイングアーム４１の長手方向の他端下方において、前後方向に延長して配置される。カム軸４５は、改質用クランク軸２１にギヤ等を介して連動連結され、改質用クランク軸２１が回転することにより回転する。カム軸４５には、第１カム４６および第２カム４７が軸方向（前後方向）に所定間隔を隔てて形成される。第１カム４６と第２カム４７とは、異なるプロファイルになるように構成されている。第１カム４６は、第１スイングアーム３８の第１カムローラ３９にその下方から当接するようにカム軸４５上に配置される。第２カム４７は、第２スイングアーム４１の第２カムローラ４２にその下方から当接するようにカム軸４５上に配置される。

　また、カム軸４５上には改質用排気弁２６用の第３カム５３および第４カム５４が形成される。第４カム５４は、第３カム５３とプロファイルの異なるように構成されている。改質用排気弁２６用の第３スイングアーム５５および第４スイングアーム５６は、プッシュロッド４３および弁腕４４を介して改質用排気弁２６の上端に配置される排気連結部材に連結される。

　第１スイングアーム３８が反カム軸４５側へと揺動した場合、第１スイングアーム３８のロッド支持部材４０に嵌められているプッシュロッド４３、弁腕４４、および吸気連結部材２４ａを介して改質用吸気弁２４が開弁される（図３参照）。同様にして、改質用排気弁２６用の第３スイングアーム５５が反カム軸４５側へと揺動した場合、第３スイングアーム５５のロッド支持部材に嵌められているプッシュロッド４３および弁腕４４を介して改質用排気弁２６が開弁される（図３参照）。

　図５に示すように、吸気用切換手段４８は、第１スイングアーム３８および第２スイングアーム４１の動作状態、ひいては改質用吸気弁２４の開閉時期を切り換えるものである。吸気用切換手段４８は、油圧ポンプ４９、吸気弁用電磁切換弁５０、油圧ピストン５１、受け部材５２等を具備し、これらの部材やスイングアーム軸３７および第１スイングアーム３８に形成される油路により構成される。

　吸気弁用電磁切換弁５０は、制御信号を受信した場合に油圧ピストン５１に供給される作動油の流路を切り換える弁である。油圧ポンプ４９により圧送された作動油は、吸気弁用電磁切換弁５０を介して第１スイングアーム３８の油圧ピストン５１に供給される。

　油圧ピストン５１は、第１スイングアーム３８に配置される油圧アクチュエータである。油圧ピストン５１は、半球面状の底部を有し、その底部がカム軸４５側に移動自在に構成されている。油圧ピストン５１は、吸気弁用電磁切換弁５０による作動油の流路の切り換えにより底部がカム軸４５側に突出するように構成されている。

　図４と図５とに示すように、受け部材５２は、第２スイングアーム４１のカム軸４５側の側面に取り付けられる板状の部材である。受け部材５２は、第２スイングアーム４１から第１スイングアーム３８のカム軸４５側の側面まで延出される。受け部材５２の延出端部は、底面視において第１スイングアーム３８の油圧ピストン５１に重複して対向するように配置される。受け部材５２は、第２スイングアーム４１の可動範囲において第１スイングアームと接触しないように構成されている。また、受け部材５２は、油圧ピストン５１の底部が突出した場合にその底部が当接するように構成されている。

　同様にして、図５に示すように、排気用切換手段５７は、第３スイングアーム５５および第４スイングアーム５６の動作状態、ひいては改質用排気弁２６の開閉時期を切り換えるものである。排気用切換手段５７は、油圧ポンプ４９、排気弁用電磁切換弁５８、油圧ピストン５１および受け部材５２等を具備し、これらの部材やスイングアーム軸３７および第３スイングアーム５５に形成される油路により構成される。

　排気弁用電磁切換弁５８は、制御信号を受信した場合に油圧ピストン５１に供給される作動油の流路を切り換える弁である。油圧ポンプ４９により圧送された作動油は、排気弁用電磁切換弁５８を介して第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１に供給される。

　図２に示すように、改質用気筒変速装置５９は、改質用気筒回転速度Ｎｒを変更するものである。改質用気筒変速装置５９は、入力側に出力用クランク軸７が接続され、出力側に改質用クランク軸２１が接続される。改質用気筒変速装置５９は、エンジン１の目標回転速度Ｎｐで回転する出力用クランク軸７からの動力を任意の改質用気筒回転速度Ｎｒで改質用クランク軸２１に伝達する。つまり、改質用気筒変速装置５９は、出力用気筒２が目標回転速度Ｎｐで回転している状態で改質用気筒１５の回転速度を任意の改質用気筒回転速度Ｎｒで回転可能に構成されている。なお、改質用気筒変速装置５９は、入力側の回転速度に対して出力側の回転装度を任意に変更できるギヤ式の有段変速装置やベルト式または油圧式の無段変速装置等であればよい。

　図２に示すように、制御装置であるＥＣＵ６０は、エンジン１を制御するものである。具体的には、ＥＣＵ６０は、副燃料噴射装置６、主燃料噴射装置２０、第１吸気調量弁３０、第２吸気調量弁３１、ＥＧＲガス調量弁３２、吸気弁用電磁切換弁５０、排気弁用電磁切換弁５８等を制御する。ＥＣＵ６０には、エンジン１の制御を行うための種々のプログラムやデータが格納されている。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続されている構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

　図６に示すように、ＥＣＵ６０は、燃料の噴射制御を行うための種々のプログラムや、エンジン１の目標回転速度Ｎｐおよび目標出力Ｗｔに基づいて主燃料噴射量Ｑｍを算出するための主燃料噴射量マップＭ１、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて出力用気筒２の燃焼室９に供給する出力用吸気流量Ａ１を算出するための吸気流量マップＭ２、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて改質用気筒１５の反応室２３に供給する改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とを算出するための混合気流量マップＭ３、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて燃焼室９に噴射されている着火用の副燃料噴射量Ｑｓを算出するための副燃料噴射量マップＭ４等を記憶する。

　図２に示すように、ＥＣＵ６０は、副燃料噴射装置６に接続され、副燃料噴射装置６の燃料噴射を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、主燃料噴射装置２０に接続され、主燃料噴射装置２０の燃料噴射を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、改質燃料温度センサ２９に接続され、改質燃料温度センサ２９が検出する改質燃料の温度を取得することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、第１吸気調量弁３０に接続され、第１吸気調量弁３０の開閉を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、第２吸気調量弁３１に接続され、第２吸気調量弁３１の開閉を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、ＥＧＲガス調量弁３２に接続され、ＥＧＲガス調量弁３２の開閉を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、出力用クランク角検出センサ８に接続され、出力用クランク角検出センサ８が検出する出力用クランク軸角度θ１を取得することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、改質用クランク角検出センサ２２に接続され、改質用クランク角検出センサ２２が検出する改質用クランク軸角度θ２を取得することが可能である。

　図５に示すように、ＥＣＵ６０は、吸気弁用電磁切換弁５０に接続され、吸気弁用電磁切換弁５０を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、排気弁用電磁切換弁５８に接続され、排気弁用電磁切換弁５８を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、改質用気筒変速装置５９（図２参照）に接続され、改質用気筒変速装置５９を制御することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、図示しない冷却水温度センサに接続され、冷却水温度センサが検出する冷却水の温度を取得することが可能である。

　以下では、本発明の一実施形態に係るエンジン１の各部の動作態様について説明する。

　始めに、エンジン１における吸気および排気の経路について説明する。
　図２に示すように、過給機１４のコンプレッサー１４ｂによって吸引された外気は、吸気として断熱圧縮された状態で吸気管１１に排出される。吸気は、吸気用インタークーラー３３で冷却された後、吸気管１１を介して出力用気筒２の燃焼室９に供給される。吸気の一部は、吸気管１１に接続されている供給管２５、改質用吸気弁２４を介して改質用気筒１５の反応室２３に供給される。

　出力用気筒２の燃焼室９からの排気は、排気管１３を介して過給機１４のタービン１４ａを回転させた後、外部に排出される。排気の一部は、ＥＧＲ管２８およびＥＧＲ管２８が接続されている供給管２５を介してＥＧＲガスとして改質用気筒１５の反応室２３に供給される。

　反応室２３に供給された給気（吸気とＥＧＲガス）は、反応室２３内に噴射された燃料とともに改質用ピストン１８によって断熱圧縮される。給気と改質燃料とは、改質用ピストン１８の移動により断熱膨張する。そして、給気と改質燃料とは、改質用ピストン１８の移動による圧縮により反応室２３から排出され、改質用排気弁２６、排出管２７を介して吸気管１１に還流して燃焼室９に供給される。

　次に、ＥＣＵ６０における各種所定量の算出について説明する。図６に示すように、ＥＣＵ６０は、図示しない操作具の操作量等から定まるエンジン１の目標回転速度Ｎｐおよび目標出力Ｗｔに基づいて主燃料噴射量マップＭ１から主燃料噴射量Ｑｍを算出する。

　ＥＣＵ６０は、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて吸気流量マップＭ２から出力用気筒２の燃焼室９に供給する出力用吸気流量Ａ１を算出する。

　ＥＣＵ６０は、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて混合気流量マップＭ３から改質用気筒１５の反応室２３に供給する改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とを算出する。

　ＥＣＵ６０は、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて副燃料噴射量マップＭ４から出力用気筒２の燃焼室９に供給される着火用燃料の副燃料噴射量Ｑｓを算出する。

　ＥＣＵ６０は、出力用クランク角検出センサ８が検出する出力用クランク軸角度θ１、改質用クランク角検出センサ２２が検出する改質用クランク軸角度θ２を取得し、出力用気筒２および改質用気筒１５の行程を算出する。

　次に、上記の如く構成した可変動弁装置３６の動作態様について説明する。なお、吸気弁２４における可変動弁装置３６の動作態様と排気弁２６における可変動弁装置３６の動作態とは同様の態様であるため排気弁２６における可変動弁装置３６の動作態様についての具体的な説明を省略する。

　図７に示すように、第１カム４６（図５参照）は、改質用気筒１５の一サイクルにおける全行程において第１スイングアーム３８が最もカム軸４５側に揺動した状態を維持するようにカムプロファイルが構成されている。つまり、第１カム４６は、改質用気筒１５の一サイクルにおける全行程において改質用吸気弁２４が閉弁した状態を維持するようにカムプロファイルが構成されている。第２カム４７（図５参照）は、出力用気筒２の行程に応じて第２スイングアーム４１が揺動するようにカムプロファイルが構成されている。具体的には、第２カム４７のプロファイルは、改質用ピストン１８の吸引行程における上死点（以下、「吸気上死点」と記す）Ｔよりも早い時期（Ｓ１）に改質用吸気弁２４の開弁を開始し、改質用ピストン１８の吸気上死点Ｔにおいて改質用吸気弁２４のバルブリフトが最大になるように設定されている。つまり、第２カム４７は、改質用吸気弁２４が出力用気筒２の行程に応じて開閉するようにカムプロファイルが構成されている。

　図５に示すように、ＥＣＵ６０が油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させないように可変動弁装置３６の吸気弁用電磁切換弁５０を制御している場合、第１スイングアーム３８は、第１カム４６のプロファイルに従ってスイングアーム軸３７を支点として揺動する。第２スイングアーム４１は、第２カム４７のプロファイルに従ってスイングアーム軸３７を支点として揺動する。

　第１カム４６および第２カム４７が白抜き矢印の方向に更に回転すると、第１スイングアーム３８は、第１カム４６のプロファイルに従って最もカム軸４５側に揺動した状態を維持する。一方、第２スイングアーム４１は、第２カム４７のプロファイルに従って反カム軸４５側へと揺動する。この際、第１スイングアーム３８のカム軸４５側面の凹み部分には、反カム軸４５側へと揺動した第２スイングアーム４１の受け部材５２が入り込む。このため、第１スイングアーム３８は、受け部材５２が接触することがなく最もカム軸４５側に揺動した状態が維持される。つまり、改質用ピストン１８の改質用吸気弁２４は、閉弁した状態を維持する。従って、改質用吸気弁２４の開閉時期は、第２スイングアーム４１の動作にかかわらず、第１スイングアーム３８の動作によって決定される。

　第１スイングアーム３８は、油圧ピストン５１が第２スイングアーム４１の受け部材５２に当接することで、第２スイングアーム４１に支持された状態になる。このため、第１カム４６および第２カム４７が白抜き矢印の方向に更に回転すると、第１スイングアーム３８は、第１カム４６のプロファイルに従わず、受け部材５２が取り付けられている第２スイングアーム４１に従って揺動する。このため、第２スイングアーム４１が第２カム４７のプロファイルに従ってカム軸４５側へと揺動すると、第１スイングアーム３８もカム軸４５側へと揺動する。つまり、改質用ピストン１８の改質用吸気弁２４は、第２カム４７のプロファイルに従って閉弁される。第１スイングアーム３８が反カム軸４５側へと揺動した場合、改質用吸気弁２４は、第２カム４７のプロファイルに従って開弁される（図２参照）。従って、改質用吸気弁２４の開閉時期は、第２スイングアーム４１の動作よって決定される。

　また、ＥＣＵ６０は、可変動弁装置３６によって改質用吸気弁２４の開閉時期を切り換える動作態様と同様にして、可変動弁装置３６の排気弁用電磁切換弁５８を切り換えて改質用排気弁２６の開閉時期を変更することができる。ここで、第３スイングアーム５５を揺動させる第３カム５３は、改質用排気弁２６が閉弁した状態を維持するようにカムプロファイルが構成されている。

　図５に示すように、ＥＣＵ６０が第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させないように可変動弁装置３６の排気弁用電磁切換弁５８を制御している場合、第３スイングアーム５５と第４スイングアーム５６とは、互いに独立して揺動している。つまり、第３スイングアーム５５は、第３カム５３のプロファイルに従って最もカム軸４５側に揺動した状態を維持する。一方、第４スイングアーム５６は、第４カム５４のプロファイルに従って動作する。つまり、改質用排気弁２６の開閉時期は、第４スイングアーム５６の動作にかかわらず、第３スイングアーム５５の動作によって決定される。

　ＥＣＵ６０が第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させるように可変動弁装置３６の排気弁用電磁切換弁５８を制御している場合、第３スイングアーム５５は、油圧ピストン５１が第４スイングアーム５６の受け部材５２に当接することで、第４スイングアーム５６に支持された状態になる。つまり、第３スイングアーム５５は、第３カム５３のプロファイルに従わず、受け部材５２が取り付けられている第４スイングアーム５６の揺動に従って揺動する。これにより、第３スイングアーム５５の動作にかかわらず、第４スイングアーム５６の動作が改質用排気弁２６の開閉時期を決定する。なお、本実施形態において、圧縮比と膨張比との制御は、油圧ピストン５１によるカムの切り替えによって実施しているがこれに限定されるものではなく、例えばオーバヘッドカム式の可変動弁機構等によって圧縮比と膨張比とを変更できる機構であればよい。

　次に、図８を用いて改質用気筒１５における燃料の改質の態様について説明する。

　図８に示すように、改質用気筒１５の吸引行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。このため、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が低下する。また、改質用気筒１５の吸引行程において、改質用気筒１５は、反応室２３に給気と排気とを供給するため改質用吸気弁２４が開弁するように構成されている。ＥＣＵ６０は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５の行程が吸引行程の間（例えば改質用ピストン１８が下死点付近のとき）に低下した内部圧力を利用して改質用気筒１５の反応室２３に算出した改質用吸気流量Ａ２だけ吸気が供給されるように第２吸気調量弁３１の開閉を制御する。合わせてＥＣＵ６０は、改質用気筒１５の反応室２３に算出したＥＧＲガス流量Ａ３だけＥＧＲガスが供給されるようにＥＧＲガス調量弁３２の開閉を制御する。これにより、反応室２３には、燃料を改質するために適した酸素濃度で給気が供給される（図８における給気吸引）。

　改質用気筒１５の圧縮行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。これにより、反応室２３に供給された給気は、改質用ピストン１８によって断熱圧縮される。改質用気筒１５は、給気を断熱圧縮することで、反応室２３の内部を高温、高圧の状態にする。

　改質用気筒１５の圧縮行程において、ＥＣＵ６０は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５の反応室２３に算出した主燃料噴射量Ｑｍだけ燃料が供給されるように主燃料噴射装置２０を制御する。これにより、改質用気筒１５は、高温、高圧の状態の反応室２３の内部に燃料が噴射される（図８における燃料噴射）。反応室２３には、反応室２３に供給されている給気を用いて低級炭化水素燃料に改質させるために必要な当量比の燃料が供給される。

　反応室２３の内部に噴射された燃料は、噴射された燃料の拡散と、高温、高圧の反応室２３内で給気と急速に混合（予混合）されて蒸発する。給気と予混合された燃料は、改質用ピストン１８が上死点付近に到達し、反応室２３の内部が最も高温、高圧の状態になると改質反応が開始される。

　改質用気筒１５の膨張行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が減少する。改質燃料は、反応室２３の容積の増大に伴って断熱膨張される。これにより、改質燃料は、冷却されて圧力が低下した状態になることで改質反応が停止する（図８における改質停止）。

　改質用気筒１５の排出行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。このため、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。また、改質用気筒１５の排出行程において、改質用気筒１５は、反応室２３から改質燃料を排出するため改質用排気弁２６が開弁するように構成されている。従って、改質燃料は、反応室２３から改質用排気弁２６を通じて排出され、排出管２７を介して吸気管１１に還流される（図８における燃料排出）。

　改質燃料は、給気の熱量のうち改質時の吸熱分解反応に用いられなかった残留熱量によって高温の燃料ガスとして排出管２７に供給されている。排出管２７に供給された高温の改質燃料は、排出管２７の改質燃料用インタークーラー３４によって冷却されている。これにより、出力用気筒２における早期の自己着火が抑制されている。改質燃料用インタークーラー３４によって冷却された改質燃料は、ミキサー２７ａを介して吸気管１１に供給されている。

　次に、出力用気筒２に供給される燃料と改質用気筒１５で改質される燃料とのマスバランスの制御について説明する。

　１サイクルで各出力用気筒２に供給される改質燃料の合計である改質燃料量Ｇｆは、出力用気筒２の当量比である出力側当量比φｐ、出力側吸気量Ｇａｉｒ、出力用気筒数Ｋｐ、エンジン１の目標回転速度でもある出力用気筒の目標回転速度Ｎｐおよび出力側理論混合比αｐから以下に示す数１に基づいて算出される。

　また、一つの改質用気筒１５に供給される燃料量ｇｆは、改質用気筒１５の当量比である改質側当量比φｒ、ＥＧＲ率ψｅｇｒ、一気筒当たりの改質側吸引ガス量ｇｉおよび改質側理論混合比αｒから以下に示す数２に基づいて算出される。

　一方、改質燃料量Ｇｆは、改質用気筒１５に供給される燃料量ｇｆ、燃料と給気とが供給されている改質用気筒数Ｋｒおよび改質用気筒回転速度Ｎｒから以下に示す数３に基づいても算出される。

　従って、数３に数１と数２を適用することで、燃料と給気とが供給されている改質用気筒数Ｋｒと改質用気筒回転速度Ｎｒとの積および出力用気筒数Ｋｐと出力用気筒の目標回転速度Ｎｐとの積の関係が以下の数４で表される。つまり、出力用気筒２に供給される燃料と改質用気筒１５で改質される燃料とのマスバランスは、出力用気筒２と改質用気筒１５とにおける回転速度と気筒数との積で表される。

　ＥＣＵ６０は、図示しない操作具の操作量等から定まるエンジン１の目標回転速度Ｎｐおよび目標出力Ｗｔに基づいて主燃料噴射量マップＭ１から算出した主燃料噴射量Ｑｍ、出力用気筒数Ｋｐ、第１吸気調量弁３０および第２吸気調量弁３１の開度から出力側当量比φｐ、出力側吸気量Ｇａｉｒおよび出力側理論混合比αｐを算出する。同様にして、改質側当量比φｒ、ＥＧＲ率ψｅｇｒ、一気筒当たりの改質側吸引ガス量ｇｉおよび改質側理論混合比αｒを算出する。

　ＥＣＵ６０は、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Ｋｒを最小に設定し、算出した出力側当量比φｐ、出力側吸気量Ｇａｉｒ、出力側理論混合比αｐ、改質側当量比φｒ、ＥＧＲ率ψｅｇｒ、改質側吸引ガス量ｇｉおよび改質側理論混合比αｒから数４に基づいて改質用気筒回転速度Ｎｒを算出し、改質用気筒変速装置５９を制御する。

　ＥＣＵ６０は、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Ｋｒを最小に設定した状態において、改質用気筒変速装置５９の制御では数４を満たさないと判断した場合、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Ｋｒを増加させるように、第１吸気調量弁３０、第２吸気調量弁３１およびＥＧＲガス調量弁３２の開度を制御し、燃料と給気との供給を開始する改質用気筒数Ｋｒに対応する主燃料噴射装置２０、吸気弁用電磁切換弁５０および排気弁用電磁切換弁５８を制御する。そして、ＥＣＵ６０は、新たに設定した改質用気筒数Ｋｒから数４に基づいて改質用気筒回転速度Ｎｒを算出し、改質用気筒変速装置５９を制御する。

　具体的には、ＥＣＵ６０は、燃料が供給されていない一の改質用気筒１５に燃料が供給されるように主燃料噴射装置２０を制御する。合わせて、ＥＣＵ６０は、給気が供給されていない一の改質用気筒１５に対応する第１スイングアーム３８が第２カム４７のプロファイルに従って揺動し、第３スイングアーム５５が第４カム５４のプロファイルに従って揺動するように吸気弁用電磁切換弁５０と排気弁用電磁切換弁５８とを制御する。ＥＣＵ６０は、燃料と給気とを供給している改質用気筒数Ｋｒを新たに設定し、算出した出力側当量比φｐ、出力側吸気量Ｇａｉｒ、出力側理論混合比αｐ、改質側当量比φｒ、ＥＧＲ率ψｅｇｒ、改質側吸引ガス量ｇｉおよび改質側理論混合比αｒから数４に基づいて改質用気筒回転速度Ｎｒを算出し、改質用気筒変速装置５９を制御する。

　以上の如く、エンジン１のＥＣＵ６０は、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Ｋｒを所定の値に設定し、数４を満たすように改質用気筒変速装置５９を制御する。ＥＣＵ６０は、改質用気筒変速装置５９の制御では数４を満たさないと判断した場合、燃料と給気とを供給する改質用気筒数Ｋｒを増加または減少させるように、第１吸気調量弁３０、第２吸気調量弁３１およびＥＧＲガス調量弁３２の開度、燃料と給気との供給を開始または停止する改質用気筒数Ｋｒに対応する主燃料噴射装置２０、吸気弁用電磁切換弁５０および排気弁用電磁切換弁５８を制御する。そして、ＥＣＵ６０は、新たな改質用気筒数Ｋｒから数４に基づいて改質用気筒回転速度Ｎｒを算出し、改質用気筒変速装置５９を制御する。この結果、エンジン１は、一つの改質用気筒１５から排出される気筒当たりの改質燃料量および改質燃料の当量比を維持しつつ、出力用気筒２に供給する改質燃料量が変更される。つまり、エンジン１は、出力用気筒２の出力が変動しても、改質用気筒１５で改質される燃料と出力用気筒２に供給される燃料とのマスバランスが保たれる。これにより、出力用気筒２の出力に応じて改質燃料を供給することができる。

　なお、本実施形態において、エンジン１は、改質用気筒１５の改質用気筒回転速度Ｎｒと改質用気筒数Ｋｒとを変更することで改質燃料量を制御するように構成されているがこれに限定されるものではない。例えば、エンジン１は、改質用気筒変速装置５９を制御することにより改質用気筒回転速度Ｎｒを変更して改質用気筒１５から排出される気筒当たりの改質燃料量および改質燃料の当量比を維持しつつ、出力用気筒２に供給する改質燃料量を変更するように構成してもよい。また、エンジン１は、可変動弁装置３６を制御することにより改質用吸気弁２４および改質用排気弁２６の開閉を制御することにより改質用気筒数Ｋｒを変更して改質用気筒１５から排出される気筒当たりの改質燃料量および改質燃料の当量比を維持しつつ、出力用気筒２に供給する改質燃料量を変更するように構成してもよい。

　次に、図９から図１３を用いて、別実施形態の可変動弁装置３６ａの動作態様について説明する。

　図９に示すように、ＥＣＵ６０が油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させないように可変動弁装置３６ａの吸気弁用電磁切換弁５０を制御している場合、第１スイングアーム３８の第１カムローラ３９は、第１カム４６ａと当接しながら回転する。つまり、第１スイングアーム３８は、第１カム４６ａのプロファイルに従ってスイングアーム軸３７を支点として揺動する。第２スイングアーム４１の第２カムローラ４２は、第２カム４７ａと当接しながら回転する。つまり、第２スイングアーム４１は第２カム４７ａのプロファイルに従ってスイングアーム軸３７を支点として揺動する。この際、第１スイングアーム３８と第２スイングアーム４１とは、互いに独立して揺動している。

　第１スイングアーム３８と第２スイングアーム４１とは、第１カム４６ａと第２カム４７ａとが白抜き矢印の方向に回転すると、それぞれのカムのプロファイルに応じて同時に反カム軸４５側へと揺動する。第１スイングアーム３８が反カム軸４５側へと揺動した場合、第１スイングアーム３８のロッド支持部材４０に嵌められているプッシュロッド４３、弁腕４４、および吸気連結部材２４ａを介して改質用吸気弁２４が開弁される（図３参照）。

　第１カム４６ａおよび第２カム４７ａが白抜き矢印の方向に更に回転すると、第１カム４６ａのプロファイルに従って第１スイングアーム３８が第２スイングアーム４１よりも先にカム軸４５側へと揺動する。この際、第１スイングアーム３８はそのカム軸４５側面の凹み部分により反カム軸４５側へと揺動したままの第２スイングアーム４１の受け部材５２と接触せずに済み、この受け部材５２によりカム軸４５側への揺動を阻害されない。第１スイングアーム３８がカム軸４５側へと揺動した後、第２カム４７ａのプロファイルに従って第２スイングアーム４１がカム軸４５側へと揺動する。第１スイングアーム３８が下方へと揺動した場合、改質用吸気弁２４が閉弁される（図３参照）。つまり、第１スイングアーム３８と第２スイングアーム４１とは個別に動作して、第２スイングアーム４１の動作にかかわらず、第１スイングアーム３８の動作が改質用吸気弁２４の開閉時期を決定する。

　図１１に示すように、第１カム４６ａのプロファイルは、改質用ピストン１８の吸気工程における上死点（以下、「吸気上死点」と記す）Ｔよりも早い時期（Ｓ１）に改質用吸気弁２４の開弁を開始し、改質用ピストン１８の吸気上死点Ｔにおいて改質用吸気弁２４のバルブリフトが最大になるように設定されている。また、第１カム４６ａのプロファイルは、改質用ピストン１８の吸気工程における下死点（以下、「吸気下死点」と記す）Ｂよりも早い時期に改質用吸気弁２４の閉弁を開始し、改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂよりも早い時期（Ｓ２）に改質用吸気弁２４が完全に閉弁するように設定されている。つまり、第１カム４６ａは、後述する第２カム４７ａによる改質用吸気弁２４の開閉時期よりも早い時期に改質用吸気弁２４の開閉を行うように構成されている。

　図１０に示すように、ＥＣＵ６０が油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させるように可変動弁装置３６ａの吸気弁用電磁切換弁５０を制御している場合、油圧ピストン５１に供給されている作動油によってその底部がカム軸４５側に向かって押圧される。作動油によって押圧された油圧ピストン５１は、カム軸４５側へと摺動して第１スイングアーム３８のカム軸４５側面から突出する。油圧ピストン５１は、その底部が第２スイングアーム４１に取り付けられた受け部材５２に当接する。

　第１スイングアーム３８は、油圧ピストン５１が第２スイングアーム４１の受け部材５２に当接することで、第２スイングアーム４１に支持された状態になる。このため、第１スイングアーム３８は、第１カム４６ａのプロファイルに従わず、受け部材５２が取り付けられている第２スイングアーム４１に従って揺動する。すなわち、第２スイングアーム４１が第２カム４７ａのプロファイルに従ってカム軸４５側へと揺動すると、第１スイングアーム３８もカム軸４５側へと揺動する。第１スイングアーム３８がカム軸４５側へと揺動した場合、改質用吸気弁２４が閉弁される（図３参照）。つまり、改質用吸気弁２４の閉弁時には、第１スイングアーム３８が第２スイングアーム４１と一体的に動作して、第２スイングアーム４１の動作が改質用吸気弁２４の開閉時期を決定する。

　図１２に示すように、第２カム４７ａのプロファイルは、改質用ピストン１８の吸気上死点Ｔよりも早い時期（Ｓ１）に改質用吸気弁２４の開弁を開始し、改質用ピストン１８の吸気上死点Ｔにおいて改質用吸気弁２４のバルブリフトが最大になるように設定されている。また、改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂ近傍で改質用吸気弁２４の閉弁を開始し、その後（Ｓ３）に改質用吸気弁２４が完全に閉弁するように設定される。つまり、第２カム４７ａは、前述した第１カム４６ａによる改質用吸気弁２４の開閉時期よりも遅い時期に改質用吸気弁２４の開閉を行うように構成されている。なお、本実施形態においては改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂ近傍で改質用吸気弁２４の閉弁を開始するものとしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂにおいて改質用吸気弁２４の閉弁を開始する構成とすることも可能である。

　また、ＥＣＵ６０は、可変動弁装置３６ａによって改質用吸気弁２４の開閉時期を切り換える動作態様と同様にして、可変動弁装置３６ａの排気弁用電磁切換弁５８を切り換えて改質用排気弁２６の開閉時期を変更することができる。ここで、第３スイングアーム５５を揺動させる第３カム５３ａは、第４スイングアーム５６を揺動させる第４カム５４ａによる改質用排気弁２６の開閉時期よりも早い時期に改質用排気弁２６の開閉を行うように構成されている。

　図９に示すように、ＥＣＵ６０が第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させないように可変動弁装置３６ａの排気弁用電磁切換弁５８を制御している場合、第３スイングアーム５５と第４スイングアーム５６とは、互いに独立して揺動している。つまり、第３スイングアーム５５は、第３カム５３ａのプロファイルに従って動作し、第４スイングアーム５６は、第４カム５４ａのプロファイルに従って動作する。これにより、第４スイングアーム５６の動作にかかわらず、第３スイングアーム５５の動作が改質用排気弁２６の開閉時期を決定する。

　図１０に示すように、ＥＣＵ６０が第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させるように可変動弁装置３６ａの排気弁用電磁切換弁５８を制御している場合、第３スイングアーム５５は、油圧ピストン５１が第４スイングアーム５６の受け部材５２に当接することで、第４スイングアーム５６に支持された状態になる。つまり、第３スイングアーム５５は、第３カム５３ａのプロファイルに従わず、受け部材５２が取り付けられている第４スイングアーム５６の揺動に従って揺動する。これにより、第３スイングアーム５５の動作にかかわらず、第４スイングアーム５６の動作が改質用排気弁２６の開閉時期を決定する。なお、本実施形態において、圧縮比と膨張比との制御は、油圧ピストン５１によるカムの切り替えによって実施しているがこれに限定されるものではなく、例えばオーバヘッドカム式の可変動弁機構等によって圧縮比と膨張比とを変更できる機構であればよい。

　次に、改質用気筒１５における圧縮比と膨張比との制御態様について説明する。

　ＥＣＵ６０は、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高いと判断した場合、改質用吸気弁２４を開閉する第１スイングアーム３８が第１カム４６ａのプロファイルに従って揺動するように吸気用切換手段４８の吸気弁用電磁切換弁５０を制御する（図１１参照）。つまり、ＥＣＵ６０は、改質用気筒１５に供給される給気が少なくなるように吸気弁用電磁切換弁５０を制御する。これにより、改質用気筒１５は、実質的な圧縮比が小さくなり、改質用気筒１５によって断熱圧縮された改質燃料の温度上昇が抑制される。

　また、ＥＣＵ６０は、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高いと判断した場合、改質用排気弁２６を開閉する第３スイングアーム５５が第４カム５４ａのプロファイルに従って揺動するように排気用切換手段５７の排気弁用電磁切換弁５８を制御する（図１２参照）。つまり、ＥＣＵ６０は、改質用気筒１５が下死点付近にある時期に改質燃料が排出されるように排気弁用電磁切換弁５８を制御する。これにより、改質用気筒１５の実質的な膨張比は大きくなり、改質用気筒１５によって断熱膨張された改質燃料の温度低下が促進される。

　さらに、ＥＣＵ６０は、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高いと判断した場合、改質用吸気弁２４を開閉する第１スイングアーム３８が第１カム４６ａのプロファイルに従って揺動するように吸気用切換手段４８の吸気弁用電磁切換弁５０を制御し（図１１参照）、改質用排気弁２６を開閉する第３スイングアーム５５が第４カム５４ａのプロファイルに従って揺動するように排気用切換手段５７の排気弁用電磁切換弁５８を制御してもよい（図１２参照）。これにより、改質用気筒１５は、実質的な圧縮比が小さくなるとともに実質的な膨張比が大きくなる。

　ＥＣＵ６０は、図示しない冷却水センサからから取得したエンジン１の冷却水温度Ｔｗが下限値Ｔｌ以下、またはエンジンの始動開始から所定時間以内であると判断した場合、改質燃料温度センサ２９からから取得した改質燃料温度Ｔｆに関わらず改質用吸気弁２４を開閉する第１スイングアーム３８が第２カム４７ａのプロファイルに従って揺動するように吸気用切換手段４８の吸気弁用電磁切換弁５０を制御する（図１２参照）。つまり、ＥＣＵ６０は、改質用気筒１５に供給される給気が多くなるように吸気弁用電磁切換弁５０を制御する。これにより、改質用気筒１５の実質的な圧縮比は大きくなり、改質用気筒１５によって断熱圧縮された際の圧力、温度が上昇し、燃料の改質反応が促進される。

　以上の如く、出力用気筒２と改質用ピストン１８の往復動作によって燃料を改質する改質用気筒１５とを備えたエンジン１において、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて可変動弁装置３６ａを用いて改質用吸気弁２４と改質用排気弁２６との開閉時期のうち少なくとも１つを変更する。改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高い場合、エンジン１は、改質用気筒１５の実質的な膨張比が大きくなったり実質的な圧縮比が小さくなったりすることで、改質された燃料の温度が一定の範囲内に維持される。これにより、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる。

　また、エンジン１は、冷却水センサからから取得した冷却水温度Ｔｗが所定値以下、またはエンジン１の始動開始から所定時間以内であると判断した場合、改質燃料温度Ｔｆに関わらず可変動弁装置３６ａを用いて改質用吸気弁２４の開閉時期を変更する。つまり、エンジン１は、改質用気筒１５の実質的な圧縮比が大きくなることでエンジン１や外気が低温であっても燃料の改質が確実に行われる。これにより、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる。

　以下に、図１４から図１６を用いて、本発明のエンジンに係る別実施形態である改質用気筒１５ａについて説明する。

　燃料改質装置である改質用気筒１５ａは、軽油等の高級炭化水素燃料を低級炭化水素燃料（例えばメタン）に改質し、過早着火を抑制するものである。改質用気筒１５ａは、吸気と排気（ＥＧＲガス）との混合気（以下、単に「給気」と記す）に燃料を噴射したものを断熱圧縮することで燃料を改質する。改質用気筒１５ａは、改質用シリンダヘッド１６、改質用シリンダ１７、改質用ピストン１８、改質用コンロッド１９、主燃料噴射装置２０および添加剤噴射装置６１を具備する。

　添加剤噴射装置６１は、反応室２３の内部に添加剤である水を供給するものである。添加剤噴射装置６１は、改質用シリンダヘッド１６に設けられている。添加剤噴射装置６１は、反応室２３の内部に添加剤である水を任意の時期に任意の量で供給可能に構成されている。添加剤噴射装置６１は、図示しない添加剤噴射ポンプを介して添加剤貯留タンク６２に接続されている。添加剤貯留タンク６２には、添加剤残量センサ６２ａが設けられている。添加剤噴射装置６１は、ピントル型ノズル、スワールインジェクタ、エアアシストインジェクタ等のノズルから構成されている。なお、本実施形態において、添加剤噴射装置６１は、改質用シリンダヘッド１６から反応室２３の内部に向けて設けられているがこれに限定するものではなく、供給管２５の内部に水を噴射するように設けてもよい。また、吸気管１１には、供給管２５の接続位置よりも上流側に吸気検出センサ１１ａが設けられている。吸気検出センサ１１ａは、外気の総吸入流量である吸気流量Ａ０と吸気の絶対湿度Ｈとを検出する。

　制御装置であるＥＣＵ６０は、エンジン１を制御するものである。具体的には、ＥＣＵ６０は、副燃料噴射装置６、主燃料噴射装置２０、添加剤噴射装置６１、第１吸気調量弁３０、第２吸気調量弁３１、ＥＧＲガス調量弁３２等を制御する。ＥＣＵ６０には、エンジン１の制御を行うための種々のプログラムやデータが格納されている。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続されている構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

　図６に示すように、ＥＣＵ６０は、燃料の噴射制御を行うための種々のプログラムや、使用される燃料における単位燃料当たりの熱分解反応を最も促進できる添加剤（本実施形態では水）の量、エンジン１の目標回転速度Ｎｐおよび目標出力Ｗｔに基づいて主燃料噴射量Ｑｍを算出するための主燃料噴射量ＱｍマップＭ１、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて出力用気筒２の燃焼室９に供給する出力用吸気流量Ａ１を算出するための吸気流量マップＭ２、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて改質用気筒１５ａの反応室２３に供給する改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とを算出するための混合気流量マップＭ３、目標回転速度Ｎｐおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて燃焼室９に噴射されている着火用の副燃料噴射量Ｑｓを算出するための副燃料噴射量マップＭ４等を記憶する。

　ＥＣＵ６０は、吸気検出センサ１１ａに接続され、吸気検出センサ１１ａが検出する吸気流量Ａ０と吸気の絶対湿度Ｈとを取得することが可能である。

　ＥＣＵ６０は、添加剤残量センサ６２ａに接続され、添加剤残量センサ６２ａが検出する添加剤貯留タンク６２の添加剤の残量についての信号を取得することが可能である。

　以下では、図１４から図１６を用いて、本発明の一実施形態に係るエンジン１の各部の動作態様について説明する。

　始めに、エンジン１における吸気および排気の経路について説明する。
　図１４に示すように、過給機１４のコンプレッサー１４ｂによって吸引された外気は、吸気として断熱圧縮された状態で吸気管１１に排出される。吸気は、吸気用インタークーラー３３で冷却された後、吸気管１１を介して出力用気筒２の燃焼室９に供給される。吸気の一部は、吸気管１１に接続されている供給管２５、改質用吸気弁２４を介して改質用気筒１５ａの反応室２３に供給される。

　出力用気筒２の燃焼室９からの排気は、排気管１３を介して過給機１４のタービン１４ａを回転させた後、外部に排出される。排気の一部は、ＥＧＲ管２８およびＥＧＲ管２８が接続されている供給管２５を介してＥＧＲガスとして改質用気筒１５ａの反応室２３に供給される。

　反応室２３に供給された給気（吸気とＥＧＲガス）は、反応室２３内に噴射された燃料と添加剤である水とともに改質用ピストン１８によって断熱圧縮される。給気と改質燃料とは、改質用ピストン１８の移動により断熱膨張する。そして、給気と改質燃料とは、改質用ピストン１８の移動による圧縮により反応室２３から排出され、改質用排気弁２６、排出管２７を介して吸気管１１に還流して燃焼室９に供給される。

　また、図１５に示すように、ＥＣＵ６０は、主燃料噴射量Ｑｍおよび使用される単位燃料当たりの改質反応を最も促進できる添加剤（本実施形態では水）の量Ｗｂに基づいて、改質用気筒１５に主燃料噴射量Ｑｍだけ供給された燃料の改質反応を最も促進させる水の水量Ｗｓｕを算出する。

　ＥＣＵ６０は、主燃料噴射量Ｑｍおよび改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とに基づく排気の還流率ψから改質用気筒１５の反応室２３に供給されるＥＧＲガスに含まれる水分量Ｗｅｘを算出する。

　ＥＣＵ６０は、改質用吸気流量Ａ２および吸気検出センサ１１ａが検出する絶対湿度Ｈから改質用気筒１５ａの反応室２３に供給する吸気に含まれる水分量Ｗｉｎを算出する。

　ＥＣＵ６０は、主燃料噴射量Ｑｍだけ供給された燃料の改質反応を最も促進させる水の水分量Ｗｓｕ、ＥＧＲガスに含まれる水分量Ｗｅｘおよび反応室２３に供給する吸気に含まれる水分量Ｗｉｎから反応室２３に添加剤噴射装置６１を介して供給する水量Ｗａｄを以下に示す数１に基づいて算出する。

　次に、図１６を用いて改質用気筒１５における燃料の改質の態様について説明する。

　図１６に示すように、改質用気筒１５ａの吸引行程において、改質用気筒１５ａは、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。このため、改質用気筒１５ａの反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が低下する。また、改質用気筒１５ａの吸引行程において、改質用気筒１５ａは、反応室２３に給気と排気とを供給するためが開弁するように構成されている。ＥＣＵ６０は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５ａの行程が吸引行程の間（例えば改質用ピストン１８が下死点付近のとき）、に低下した内部圧力を利用して改質用気筒１５ａの反応室２３に算出した改質用吸気流量Ａ２だけ吸気が供給されるように第２吸気調量弁３１の開閉を制御する。合わせてＥＣＵ６０は、改質用気筒１５ａの反応室２３に算出したＥＧＲガス流量Ａ３だけＥＧＲガスが供給されるようにＥＧＲガス調量弁３２の開閉を制御する。これにより、反応室２３には、燃料を改質するために適した酸素濃度で給気が供給される（図１６における給気吸引）。

　改質用気筒１５ａの圧縮行程において、改質用気筒１５ａは、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５ａの反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。これにより、反応室２３に供給された給気は、改質用ピストン１８によって断熱圧縮される。改質用気筒１５ａは、給気を断熱圧縮することで、反応室２３の内部を高温、高圧の状態にする。

　改質用気筒１５ａの圧縮行程において、ＥＣＵ６０は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５の反応室２３に算出した主燃料噴射量Ｑｍだけ燃料が供給されるように主燃料噴射装置２０を制御する。これにより、改質用気筒１５ａは、高温、高圧の状態の反応室２３の内部に燃料が噴射される（図１６における燃料供給）。反応室２３には、反応室２３に供給されている給気を用いて低級炭化水素燃料に改質させるために必要な当量比の燃料が供給される。

　さらに、ＥＣＵ６０は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５ａの反応室２３に上述の数１に基づいて算出した水量Ｗａｄだけ添加剤である水が供給されるように添加剤噴射装置６１を制御する。

　反応室２３の内部に噴射された燃料は、噴射された燃料の拡散と、高温、高圧の反応室２３内で給気と急速に混合（予混合）されて蒸発する。給気と予混合された燃料は、改質用ピストン１８が上死点付近に到達し、反応室２３の内部が最も高温、高圧の状態になると改質反応が開始される（図１６における薄墨領域）。この際、高級炭化水素からなる燃料は、添加剤として添加された水によって改質反応が促進される。高級炭化水素は、高温、高圧の状態において水と反応して以下の化１に示すように一酸化炭素と水素、もしくは化２に示すように二酸化炭素と水素に改質される。改質反応により生成された水素は、高級炭化水素から炭素を分離させて低級炭化水素への改質を促進する。

　改質用気筒１５ａの膨張行程において、改質用気筒１５ａは、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５ａの反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が減少する。改質燃料は、反応室２３の容積の増大に伴って断熱膨張される。これにより、改質燃料は、冷却されて圧力が低下した状態になることで改質反応が停止する（図１６における改質停止）。

　改質用気筒１５ａの排出行程において、改質用気筒１５ａは、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。このため、改質用気筒１５ａの反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。また、改質用気筒１５ａの排出行程において、改質用気筒１５ａは、反応室２３から改質燃料を排出するため改質用排気弁２６が開弁するように構成されている。従って、改質燃料は、反応室２３から改質用排気弁２６を通じて排出され、排出管２７を介して吸気管１１に還流される（図１６における燃料排出）。

　ＥＣＵ６０は、添加剤残量センサ６２ａから取得した信号から添加剤貯留タンク６２の添加剤である水の残量が基準値未満であると判断した場合、副燃料噴射装置６、主燃料噴射装置２０、第２吸気調量弁３１およびＥＧＲガス調量弁３２のうち一つまたは複数を制御して、副燃料噴射量Ｑｓ、主燃料噴射量Ｑｍ、改質用吸気流量Ａ２および排気の還流率ψのうち少なくとも一つを増減させる。例えば、絶対湿度Ｈが高い場合、ＥＣＵ６０は、第２吸気調量弁３１の開度を大きくし、ＥＧＲガス調量弁３２の開度を小さくするように制御することで改質用吸気流量Ａ２を増加させる。これにより、反応室２３に供給されるべき水分量Ｗｓｕは、数１に基づいて吸気に含まれる水分量Ｗｉｎの割合が増加し、添加剤噴射装置６１を介して反応室２３に供給される水量Ｗａｄが減少する。

　以上の如く、給気に燃料が供給される改質用気筒１５ａを具備するエンジン１において、改質用気筒１５ａに供給される燃料量および給気量に基づいて添加剤である水が添加剤噴射装置６１から供給される。エンジン１のＥＣＵ６０は、改質用気筒１５ａに供給された主燃料噴射量Ｑｍの燃料の改質反応を最も促進させる水の水量Ｗｓｕ、吸気に含まれる水分量ＷｉｎおよびＥＧＲガスに含まれる水分量Ｗｅｘを算出し、改質用気筒１５ａ内に水量Ｗｓｕの水が存在するために必要な水量Ｗａｄの水が添加剤噴射装置６１から供給されるように制御する。このように構成することで、本発明に係るエンジン１は、その運転状態や運転環境によって変動する給気に含まれる水分量を考慮して添加剤噴射装置６１から供給される水量が変更される。これにより、エンジン１は、改質反応を促進するために添加剤噴射装置６１から適切な量の添加剤である水を供給することができる。

　また、エンジン１は、添加剤貯留タンク６２の貯留量が基準値未満になった場合、ＥＣＵ６０は、副燃料噴射装置６、主燃料噴射装置２０、第２吸気調量弁３１およびＥＧＲガス調量弁３２のうち一つまたは複数を制御して、副燃料噴射量Ｑｓ、主燃料噴射量Ｑｍ、改質用吸気流量Ａ２および排気の還流率ψのうち少なくとも一つを増減させる。このように構成することで、吸気や排気に含まれる水分の活用により添加剤噴射装置６１から供給しなければならない水量Ｗａｄが抑制される。これにより、改質反応を促進するために適切な量の添加剤を供給することができる。

　以下に、図１７から図２１を用いて、本発明のエンジンに係る別実施形態である改質用気筒１５ｂについて説明する。

　燃料改質装置である改質用気筒１５ｂは、軽油等の燃料を低級炭化水素燃料（例えばメタン）に改質し、過早着火を抑制するものである。改質用気筒１５ｂは、吸気と排気（ＥＧＲガス）との混合気に燃料を噴射したものを断熱圧縮することで燃料を改質する。改質用気筒１５ｂは、改質用シリンダヘッド１６、改質用シリンダ１７、改質用ピストン１８、改質用コンロッド１９、反応室６４及び主燃料噴射装置２０を具備する。

　改質用気筒１５ｂには、改質用シリンダヘッド１６、改質用シリンダ１７および改質用ピストン１８の端面とから膨張室６３が構成されている。従って、膨張室６３は、改質用ピストン１８の往復動作によりその容積が変化するように構成されている。膨張室６３は、その容積の変化により給気と燃料とを断熱圧縮するものである。

　さらに、改質用気筒１５ｂには、改質用シリンダヘッド１６に反応室６４が形成されている。反応室６４は、給気と燃料とを予混合し、改質反応を起させる空間である。改質用シリンダヘッド１６の反応室６４は、略球形に形成されている。なお、反応室６４の形状は、略球形に限定するものではなく、楕円形など渦流を発生させることができる形状であればよい。反応室６４には、主燃料噴射装置２０が設けられている。主燃料噴射装置２０は、反応室６４の内部にのみ燃料を噴射するように構成されている。従って、主燃料噴射装置２０は、噴射した燃料が連通孔６５を通じて膨張室６３の内部に到達しない位置に設けられている。主燃料噴射装置２０は、ピントル型ノズル、スワールインジェクタ、エアアシストインジェクタ等のノズルから構成されている。

　改質用シリンダヘッド１６には、膨張室６３と反応室６４とをつなぐ連通孔２５が形成されている。連通孔６５は、反応室６４の一方に偏った位置に開口し、その軸線が反応室６４の中心を通過しないように構成されている。これにより、改質用気筒１５ｂは、膨張室６３から連通孔６５を通じて反応室６４に流入した気体が反応室６４の内部で旋回して渦流を発生させるように構成されている。また、連通孔６５は、改質用ピストン１８の端面に対向するように形成されている。これにより、膨張室６３と反応室６４とは、改質用ピストン１８の上死点の位置に関わらず連通状態が維持される。つまり、改質用気筒１５ｂは、改質用ピストン１８の上死点位置を任意に設定することができる。なお、本実施形態において、連通孔６５は一つとしたがこれに限定されるものではなく、反応室６４の内部に渦流を発生させるものであれば複数あってもよい。

　改質用気筒１５ｂの圧縮率は、熱損失を考慮して１５以上（例えば１５～２０程度）に設定されている。また、改質用気筒１５ｂは、改質用ピストン１８が上死点の位置にあり、膨張室６３の容積が最も小さくなった際の膨張室６３に対する反応室６４の容積比が３：７以上になるように構成されている。これにより、改質用気筒１５ｂは、反応室６４で改質された燃料が膨張室６３で断熱膨張される際に改質燃料が膨張室６３に残留している未反応の給気中の酸素によって酸化される量を抑制することができる。

　本実施形態において、反応室６４は改質用シリンダヘッド１６に形成されているがこれに限定されるものではない。例えば、図１８に示すように、改質用ピストン１８の内部に反応室６４を形成してもよい。改質用ピストン１８の反応室６４は、略球形に形成されている。改質用ピストン１８には、膨張室６３と反応室６４とをつなぐ連通孔６５が形成されている。連通孔６５は、反応室６４の一方に偏った位置に開口し、その軸線が反応室６４の中心を通過しないように構成されている。これにより、改質用気筒１５ｂは、膨張室６３から反応室６４に流入した気体が反応室６４の内部で旋回して渦流を発生させるように構成されている。この実施形態において、主燃料噴射装置２０は改質用シリンダヘッド１６に設けられている。主燃料噴射装置２０は、改質用ピストン１８に形成されている連通孔６５を介して反応室６４の内部に燃料を噴射するように構成されている。これにより、改質用気筒１５ｂは、往復動作する改質用ピストン１８に反応室６４が形成されていても反応室６４の内部で給気と燃料とを予混合することができる。

　また、図１９に示すように、改質用シリンダ１７が形成されているシリンダブロック６６に反応室６４を形成してもよい。シリンダブロック６６の反応室６４は、略球形に形成されている。シリンダブロック６６には、膨張室６３と反応室６４とをつなぐ連通孔６５が形成されている。連通孔６５は、反応室６４の一方に偏った位置に開口し、その軸線が反応室６４の中心を通過しないように構成されている。これにより、改質用気筒１５ｂは、膨張室６３から反応室６４に流入した気体が反応室６４の内部で旋回して渦流を発生させるように構成されている。この実施形態において、主燃料噴射装置２０は、反応室６４に設けられている。

　図１７に示すように、改質用気筒１５ｂには、改質用吸気弁２４を介して供給管２５が接続され、改質用排気弁２６を介して排出管２７が接続されている。排出管２７は、吸気管１１に接続されている。つまり、供給管２５には、吸気管１１から吸気の一部が供給可能に構成されている。また、供給管２５は、ＥＧＲ管２８を介して排気管１３に接続されている。つまり、供給管２５には、出力用気筒２の燃焼室９からの排気の一部がＥＧＲ管２８を通じてＥＧＲガスとして供給可能に構成されている。従って、改質用気筒１５ｂの膨張室６３には、供給管２５から吸気とＥＧＲガスとの混合気（以下、単に「給気」と記す）とが供給可能に構成されている。排出管２７は、ミキサー２７ａを介して供給管２５よりも下流側の吸気管１１に接続されている。また、改質用気筒１５ｂは、混合気が改質された低級炭化水素燃料（以下、単に「改質燃料」と記す）が膨張室６３から排出管２７を介して吸気管１１に排出可能に構成されている。

　吸気管１１には、供給管２５の接続位置よりも下流側であって、排出管２７の接続位置よりも上流側に第１吸気調量弁３０が設けられる。第１吸気調量弁３０は、電磁式流量制御弁から構成されている。第１吸気調量弁３０は、後述の制御装置であるＥＣＵ６０からの信号を取得して第１吸気調量弁３０の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第１吸気調量弁３０を電磁式流量制御弁から構成しているが、吸気の流量を変更することができるものであればよい。

　供給管２５には、ＥＧＲ管２８の接続位置よりも上流側に第２吸気調量弁３１が設けられる。第２吸気調量弁３１は、電磁式流量制御弁から構成されている。第２吸気調量弁３１は、後述のＥＣＵ６０からの信号を取得して第２吸気調量弁３１の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第２吸気調量弁３１を電磁式流量制御弁から構成しているが、吸気の流量を変更することができるものであればよい。

　ＥＧＲ管２８には、ＥＧＲガス調量弁３２が設けられる。ＥＧＲガス調量弁３２は、電磁式流量制御弁から構成されている。ＥＧＲガス調量弁３２は、後述のＥＣＵ６０からの信号を取得してＥＧＲガス調量弁３２の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、ＥＧＲガス調量弁３２を電磁式流量制御弁から構成しているが、ＥＧＲガスの流量を変更することができるものであればよい。

　このように構成することで、エンジン１は、吸気と改質用気筒１５ｂの膨張室６３から排出されている改質燃料との混合比を第１吸気調量弁３０によって変更可能に構成されている。また、エンジン１は、膨張室６３に供給されている吸気とＥＧＲガスとの混合比を第２吸気調量弁３１とＥＧＲガス調量弁３２とによって変更可能に構成されている。

　吸気用インタークーラー３３、改質燃料用インタークーラー３４及びＥＧＲガス用インタークーラー３５は、気体を冷却するものである。吸気用インタークーラー３３は、吸気管１１に設けられる。吸気用インタークーラー３３は、コンプレッサー１４ｂで断熱圧縮された吸気を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー３４は、排出管２７に設けられる。改質燃料用インタークーラー３４は、改質用気筒１５の膨張室６３から排出されている改質燃料を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー３４は、空気又は水を冷却媒体とする放熱器又は熱交換器から構成されている。ＥＧＲガス用インタークーラー３５は、ＥＧＲ管２８に設けられる。ＥＧＲガス用インタークーラー３５は、燃料の燃焼により加熱された排気を冷却可能に構成されている。

　制御装置であるＥＣＵ６０は、エンジン１を制御するものである。具体的には、ＥＣＵ６０は、副燃料噴射装置６、主燃料噴射装置２０、第１吸気調量弁３０、第２吸気調量弁３１、ＥＧＲガス調量弁３２等を制御する。ＥＣＵ６０には、エンジン１の制御を行うための種々のプログラムやデータが格納されている。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続されている構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

　図６に示すように、ＥＣＵ６０は、燃料の噴射制御を行うための種々のプログラムや、エンジン１の目標回転速度Ｎｐ及び目標出力Ｗｔに基づいて主燃料噴射量Ｑｍを算出するための主燃料噴射量マップＭ１、目標回転速度Ｎｐ及び主燃料噴射量Ｑｍに基づいて出力用気筒２の燃焼室９に供給する出力用吸気流量Ａ１を算出するための吸気流量マップＭ２、目標回転速度Ｎｐ及び主燃料噴射量Ｑｍに基づいて改質用気筒１５の膨張室６３に供給する改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とを算出するための混合気流量マップＭ３、目標回転速度Ｎｐ及び主燃料噴射量Ｑｍに基づいて燃焼室９に噴射されている着火用燃料の副燃料噴射量Ｑｓを算出するための副燃料噴射量マップＭ４等を記憶する。

　以下では、本発明の第一実施形態に係るエンジン１の各部の動作態様について説明する。

　始めに、エンジン１における吸気及び排気の経路について説明する。
　図１７に示すように、過給機１４のコンプレッサー１４ｂによって吸引された外気は、吸気として断熱圧縮された状態で吸気管１１に排出される。吸気は、吸気用インタークーラー３３で冷却された後、吸気管１１を介して出力用気筒２の燃焼室９に供給される。吸気の一部は、吸気管１１に接続されている供給管２５、改質用吸気弁２４を介して改質用気筒１５ｂの膨張室６３に供給される。

　出力用気筒２の燃焼室９からの排気は、排気管１３を介して過給機１４のタービン１４ａを回転させた後、外部に排出される。排気の一部は、ＥＧＲ管２８及びＥＧＲ管２８が接続されている供給管２５を介してＥＧＲガスとして改質用気筒１５ｂの膨張室６３に供給される。

　膨張室６３に供給された給気（吸気とＥＧＲガス）は、連通孔６５を通じて反応室６４に供給される。反応室６４内で給気とともに改質された燃料は、改質用ピストン１８の移動による吸引により反応室６４から膨張室６３に排出される。改質用ピストン１８の移動による圧縮により膨張室６３から排出された改質燃料は、改質用排気弁２６、排出管２７を介して吸気管１１に還流して燃焼室９に供給される。

　次に、ＥＣＵ６０における各種所定量の算出について説明する。図６に示すように、ＥＣＵ６０は、図示しない操作具の操作量等から定まるエンジン１の目標回転速度Ｎｐ及び目標出力Ｗｔに基づいて燃料噴射量マップＭ１から主燃料噴射量Ｑｍを算出する。

　ＥＣＵ６０は、目標回転速度Ｎｐ及び主燃料噴射量Ｑｍに基づいて吸気流量マップＭ２から出力用気筒２の燃焼室９に供給する出力用吸気流量Ａ１を算出する。

　ＥＣＵ６０は、目標回転速度Ｎｐ及び主燃料噴射量Ｑｍに基づいて混合気流量マップＭ３から改質用気筒１５ｂの膨張室６３に供給する改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とを算出する。

　ＥＣＵ６０は、目標回転速度Ｎｐ及び主燃料噴射量Ｑｍに基づいて副燃料噴射量マップＭ４から出力用気筒２の燃焼室９に噴射されている着火用燃料の副燃料噴射量Ｑｓを算出する。

　ＥＣＵ６０は、出力用クランク角検出センサー８が検出する出力用クランク軸角度θ１、改質用クランク角検出センサー２２が検出する改質用クランク軸角度θ２を取得し、出力用気筒２及び改質用気筒１５ｂの行程を算出する。

　次に、図２０と図２１とを用いて改質用気筒１５における燃料の改質の態様について説明する。

　図２０に示すように、改質用気筒１５ｂの吸引行程において、改質用気筒１５ｂは、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５ｂの膨張室６３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が低下する。また、改質用気筒１５ｂの吸引行程において、改質用気筒１５ｂは、給気を供給するため改質用吸気弁２４が開弁するように構成されている。従って、ＥＣＵ６０は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５ｂの行程が吸引行程の間（例えば改質用ピストン１８が下死点付近のとき）、に改質用気筒１５ｂの膨張室６３に算出した改質用吸気流量Ａ２だけ吸気が供給されるように第２吸気調量弁３１の開閉を制御する。合わせてＥＣＵ６０は、改質用気筒１５ｂの膨張室６３に算出したＥＧＲガス流量Ａ３だけＥＧＲガスが供給されるようにＥＧＲガス調量弁３２の開閉を制御する。これにより、膨張室６３には、燃料を改質するために適した酸素濃度で給気（吸気とＥＧＲガスと）が吸引される（図２０における給気吸引）。

　改質用気筒１５ｂの圧縮行程において、改質用気筒１５ｂは、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５ｂの膨張室６３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。これにより、膨張室６３に供給された給気は、改質用ピストン１８によって断熱圧縮される。そして、図２１に示すように、断熱圧縮された膨張室６３の内部の給気は、連通孔６５を通じて反応室６４の内部に高速で流入される（図２０における給気流入）。この際、給気は、反応室６４と連通孔６５の位置関係から反応室６４の内部で高速の渦流を形成する。改質用気筒１５ｂは、給気を断熱圧縮することで、反応室６４の内部を高温、高圧の状態にする。

　図２０に示すように、改質用気筒１５ｂの圧縮行程において、ＥＣＵ６０は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５ｂの反応室６４に算出した主燃料噴射量Ｑｍだけ燃料が供給されるように主燃料噴射装置２０を制御する。これにより、改質用気筒１５ｂは、高温、高圧の状態で高速の渦流が発生している反応室６４の内部に燃料が噴射される（図２０における燃料噴射）。反応室６４には、膨張室６３に供給されている吸気の改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガスのＥＧＲガス流量Ａ３とを用いて低級炭化水素燃料に改質させるために必要な当量比の燃料が供給される。

　反応室６４の内部に噴射された燃料は、噴射された燃料の拡散と、高温、高圧の反応室６４の状態および高速の渦流の流れとの相乗効果によって給気と急速に混合（予混合）され、蒸発する。反応室６４の内部に噴射された燃料の一部は、反応室６４の内壁に付着するが、膨張室６３の改質用ピストン１８のように反応室６４の内壁を摺動するものがない。従って、反応室６４の内壁に付着した燃料は、高温、高圧の状態で高速の渦流にさらされることで蒸発し、給気と混合される。

　給気と予混合された燃料は、改質用ピストン１８が上死点付近に到達した際、すなわち、給気と燃料とが最も高温、高圧の状態で燃料の改質反応が開始される（図２０における燃料改質）。この際、反応室６４の内部圧力は、改質反応が進行することにより膨張室６３の内部圧力よりも低くなるため、給気と燃料の混合気が膨張室６３に流入することがない。

　改質用気筒１５ｂの膨張行程において、改質用気筒１５ｂは、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５ｂの膨張室６３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が減少する。これにより、反応室６４の改質燃料は、膨張室６３に移動する（図２０における燃料流出）。また、反応室６４から膨張室６３に流出した改質燃料は、膨張室６３の容積の増大に伴って断熱膨張される。これにより、改質燃料は、断熱膨張により冷却され、圧力が低下した状態になることで改質反応が停止する（図２０における改質停止）。

　改質用気筒１５ｂの排出行程において、改質用気筒１５ｂは、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５ｂの膨張室６３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。また、改質用気筒１５ｂの排出行程において、改質用気筒１５ｂは、膨張室６３から改質燃料を排出するため改質用排気弁２６が開弁するように構成されている。従って、改質燃料は、膨張室６３から改質用排気弁２６を通じて排出され、排出管２７を介して吸気管１１に還流される（図２０における燃料排出）。

　以上の如く、改質用気筒１５ｂにおいては、給気の断熱圧縮と燃料の改質とが異なる空間で行われる。改質用気筒１５ｂの反応室６４は、膨張室６３の改質用ピストン１８のように内壁を摺動するものがないので改質用ピストン１８に掻き落とされることなく全ての燃料が改質される。具体的には、反応室６４において所定酸素濃度の給気中に噴射された所定量の燃料は、反応室６４の内部の高温、高圧の状態における高速の渦流の作用によって全て改質用気筒１５ｂの圧縮行程で吸熱分解されてガス化した低級炭化水素燃料に改質される。つまり、改質用気筒１５ｂにおいて、供給された改質用吸気流量Ａ２、ＥＧＲガス流量Ａ３及び主燃料噴射量Ｑｍが過不足なく改質燃料の生成に用いられている。また、改質用気筒１５ｂは、改質用ピストン１８の上死点位置が任意に決定されるので、膨張室６３の内部に残留する給気量が減少し、断熱膨張時の改質燃料の酸化が抑制される。これにより、噴射された燃料と給気とを急速に過不足なく予混合することができる。

　本発明は、燃料改質装置を備えたエンジンに利用可能である。

　　１　　エンジン
　　２　　出力用気筒
　１１　　吸気管
　１５　　改質用気筒
　１５ａ　改質用気筒
　１５ｂ　改質用気筒
　１７　　改質用シリンダ
　１８　　改質用ピストン
　２０　　主燃料噴射装置
　２３　　反応室
　２８　　ＥＧＲ管
　３６ａ　可変動弁装置
　６１　　添加剤噴射装置
　６３　　膨張室
　６４　　反応室
　ｇｆ　　改質用気筒に供給される燃料量
　ｇｉ　　改質用気筒の吸引ガス量
　Ｇｆ　　改質燃料量

Claims

　燃料を燃焼させる出力用気筒とピストンの往復動作によって燃料を改質する改質用気筒とを備えたエンジンであって、
　一の改質用気筒に供給される燃料量と吸引ガス量とを維持しつつ出力用気筒の出力に応じて出力用気筒に供給される改質燃料量を変更するエンジン。
　前記改質用気筒から排出される改質された燃料の温度に基づいて前記改質用気筒の圧縮比と膨張比とのうち少なくとも一つを変更する請求項１に記載のエンジン。
　前記改質用気筒に前記ピストンの往復動作によってその容積が変化する膨張室と、容積が一定の反応室と、が構成され、前記膨張室と前記反応室とが連通されている請求項１に記載のエンジン。
　前記改質気筒に、外部からの吸気を供給する吸気管と出力用気筒からの排気を供給するＥＧＲ管とが接続され、前記改質用気筒に供給される吸気と排気との混合気に燃料を供給する燃料噴射装置と供給される燃料量および混合気量に基づいて添加剤を供給する添加剤噴射装置と、が設けられる請求項１に記載のエンジン。