WO2019059014A1 - 内燃機関 - Google Patents

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WO2019059014A1
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豪 朝井
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Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine provided with a fuel reformer that produces a reformed fuel having a higher octane number than a liquid fuel from a liquid fuel containing hydrocarbons.
  • a fuel reforming cylinder of a repro-type mechanism for reforming a liquid fuel to produce a reformed fuel with a low ignitability (high octane rating) is provided with an air-fuel mixture containing the reformed reformed fuel.
  • an internal combustion engine provided with an output cylinder for obtaining an engine output by intake and combustion (see, for example, Patent Document 1).
  • an internal combustion engine is known in which a low ignition reformed fuel reformed by a reforming catalyst is premixed with air and taken into a cylinder and this premixed air is burned (for example, Patent Document 2) , See 3).
  • a liquid fuel containing hydrocarbons such as light oil, gasoline, heavy oil and the like is supplied to a fuel reforming cylinder to adiabatically compress an air-fuel mixture having a high equivalent ratio in the fuel reforming cylinder.
  • This makes it possible to use a highly antiknocked reformed fuel such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), etc. from liquid fuel under a high temperature and high pressure environment, ie, a gas having a high octane rating. Reformed fuel is produced.
  • the reformed fuel is premixed with air to form lean premixed air, which is supplied to the output cylinder, and combustion of lean premixed air in the output cylinder to which the lean premixed air is supplied (uniform lean premixed Combustion) to obtain the engine output.
  • ignition timing near compression top dead center is better than reformed fuel after intake of lean premixed air containing reformed fuel.
  • a fuel with high ignitability for example, light oil
  • pilot fuel dual fuel engine
  • pre-ignition Etc. pre-ignition Etc.
  • the temperature of the reforming catalyst is catalytically initiated in order to reform gasoline or higher hydrocarbon fuel such as light oil. It is necessary to raise the temperature (depending on the catalyst but, for example, 600 K or more), and it is not easy to maintain a stable catalytic reaction temperature from the start of operation of the internal combustion engine. Furthermore, in order to enhance the reforming efficiency of the reforming catalyst, it is necessary to minimize the oxygen concentration in the gas introduced to the reforming catalyst.
  • the reforming efficiency In the case of taking in from the exhaust gas discharged from the output cylinder which is carrying out, the reforming efficiency must be deteriorated.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned facts, and its main technical problem is to provide an internal combustion engine capable of realizing normal combustion of lean premixed air generated by a reformed fuel in a wide operating range. It is.
  • an internal combustion engine comprising a fuel reforming section for producing a reformed fuel having a higher octane number than a liquid fuel and introducing the reformed fuel into an output cylinder.
  • the fuel reforming unit includes a first fuel reformer including a reciprocating mechanism in which a piston reciprocates in a cylinder, a second fuel reformer including a reforming catalyst, the first fuel reformer, and And a reformed gas passage connected to a second fuel reformer, wherein the first reformed gas discharged from the first fuel reformer passes through the reformed gas passage and the second reformed gas is released.
  • An internal combustion engine is provided, which is introduced into the
  • the fuel reforming unit further includes an auxiliary air introduction passage in the reformed gas passage for introducing at least one of outside air and exhaust exhausted from the output cylinder as auxiliary air.
  • the fuel reformer adjusts the temperature of the introduced gas introduced into the second fuel reformer, and the introduced gas temperature detection device that detects the temperature of the introduced gas introduced into the second fuel reformer.
  • the system may further include an introduced gas temperature adjustment mechanism, and a control device that controls the introduced gas temperature adjustment mechanism based on the introduced gas temperature detected by the introduced gas temperature detection device.
  • the introduced gas temperature control mechanism includes a first reformed gas temperature control mechanism that adjusts the temperature of the first reformed gas, and the control device is configured to adjust the first reformed gas based on the detected introduced gas temperature.
  • the quality gas temperature adjusting mechanism By controlling the quality gas temperature adjusting mechanism, the introduced gas can be adjusted to have a predetermined temperature.
  • the introduced gas temperature control mechanism includes: a first heat exchanger disposed in the reformed gas passage; and an exhaust gas communication passage which causes exhaust gas discharged from the output cylinder to the first heat exchanger to flow. And an exhaust gas flow control valve for adjusting the flow amount of the exhaust gas flowing through the exhaust gas communication passage, and the control device controls the exhaust gas flow control valve to control the temperature of the introduced gas. It can be configured to adjust.
  • the fuel reforming unit may be configured to further include an equivalent ratio adjusting mechanism that supplies fuel to the reformed gas passage to adjust an equivalent ratio of introduced gas introduced to the second fuel reformer. it can.
  • the fuel reforming unit may further include a water supply mechanism for supplying water to the reformed gas passage.
  • the fuel reformer further includes a second heat exchanger through which an introduced gas introduced to the first fuel reformer and a second reformed gas discharged from the second fuel reformer flow. be able to.
  • the present invention is an internal combustion engine provided with a fuel reformer for producing a reformed fuel having a higher octane number than the liquid fuel from a liquid fuel and introducing the reformed fuel into an output cylinder, wherein the fuel reformer is a piston in a cylinder
  • a first fuel reformer including a reciprocating type mechanism in which the motor reciprocates, a second fuel reformer including a reforming catalyst, and a modification for connecting the first fuel reformer and the second fuel reformer
  • a quality gas passage wherein a first reformed gas discharged from the first fuel reformer is introduced into the second reformer through the reformed gas passage.
  • FIG. 10 is a partial excerpt view of an internal combustion engine showing an arrangement configuration of a first heat exchanger in another modification of the introduced gas temperature control mechanism shown in FIG. 1;
  • FIG. 6 is a partial excerpt view of an internal combustion engine showing an arrangement configuration of an equivalent ratio adjustment mechanism and a water supply mechanism in a modification of the embodiment shown in FIG. 1.
  • FIG. 14 is a partial excerpt view of an internal combustion engine showing an arrangement configuration of second heat exchangers in another modification of the introduced gas temperature control mechanism shown in FIG.
  • FIG. 1 An outline of a configuration of a control system including an internal combustion engine 1 according to the present embodiment and an ECU 100 that is a control device of the internal combustion engine 1 is shown in FIG. 1.
  • the internal combustion engine 1 is applied to, for example, a stationary generator, and includes a fuel reformer 2 and an output cylinder 3.
  • a piping system is constituted by the fuel reforming unit 2, an intake system 4 for the output cylinder 3, a reforming fuel supply system 5, an exhaust system 6, and an EGR system 7.
  • the fuel reformer 2 includes a fuel reformer cylinder 2A, a fuel reformer catalyst 2B, and a first reformed gas passage for introducing a first reformed gas discharged from the fuel reformer cylinder 2A into the fuel reformer catalyst 2B. It has 51 and.
  • the fuel reforming cylinder 2A constitutes a first fuel reformer.
  • the fuel reforming catalyst 2B is included in the second fuel reformer.
  • the fuel reforming cylinder 2A includes a reciprocating mechanism in which a piston 22 reciprocates in a cylinder 21 formed in a cylinder block (not shown).
  • a fuel reforming chamber 23 is formed by the cylinder bore 21, the piston 22, and a cylinder head not shown.
  • the fuel reforming cylinder 2A is provided with an injector 25 for supplying a fuel containing a large amount of high-grade hydrocarbon, such as light oil, to the fuel reforming chamber 23.
  • a fuel containing a large amount of high-grade hydrocarbon such as light oil
  • fuel reforming chamber 23 fuel is supplied from the injector 25 and is adiabatically compressed by the piston 22 under a high temperature and high pressure environment. As a result, the fuel is reformed, and a highly antiknocked reformed fuel (first reformed gas) containing hydrogen, carbon monoxide, methane and the like is generated.
  • the fuel supplied to the fuel reforming chamber 23 may be another liquid fuel (gasoline, heavy oil, etc.) containing hydrocarbon.
  • the injector 25 is not limited to the mode in which the fuel is directly supplied to the fuel reforming chamber 23 as described above, and for example, is disposed in the fuel reforming cylinder intake passage 42 for introducing air to the fuel reforming cylinder 2A. Fuel may be supplied.
  • the fuel reforming catalyst 2B can employ a known fuel reforming catalyst. For example, one using a material such as Pt / CeO 2 can be used. When such a catalyst is employed, it is possible to adjust the component concentration of each gas by changing the temperature of the gas to be sucked, the equivalence ratio, and the like.
  • the fuel reforming catalyst 2B the first reformed gas reformed and discharged by the fuel reforming cylinder 2A is introduced.
  • the first reformed gas containing higher hydrocarbons remaining without being reformed by the fuel reforming cylinder 2A is reformed. This action will be described in detail later.
  • the output cylinder 3 is of the reciprocating type as the fuel reforming cylinder 2A. Specifically, the output cylinder 3 is configured such that the piston 32 is accommodated in a cylinder bore 31 formed in a cylinder block (not shown) so as to be capable of reciprocating. In the output cylinder 3, a combustion chamber 33 is formed by a cylinder bore 31, a piston 32, and a cylinder head (not shown).
  • the internal combustion engine 1 for example, four cylinders are provided in a cylinder block, one of which is configured as a fuel reforming cylinder 2A, and the other three cylinders are configured as an output cylinder 3 (Only one cylinder is shown in the figure). Then, the first reformed gas generated by the fuel reforming cylinder 2A is introduced into the fuel reforming catalyst 2B through the first reformed gas passage 51, and the fuel reforming catalyst 2B further performs the reforming reaction. It is generated to generate a second reformed gas. Then, the second reformed gas is supplied to each of the output cylinders 3 together with the air.
  • the number of fuel reforming cylinders 2A and the number of output cylinders 3 are not necessarily limited thereto.
  • the cylinder block when the cylinder block is equipped with six cylinders, two cylinders are designated as fuel reforming cylinders 2 and the other four Two cylinders may be configured as the output cylinder 3.
  • the number of fuel reforming cylinders 2A is preferably smaller than the number of output cylinders 3.
  • the piston 22 of the fuel reforming cylinder 2A and the piston 32 of the output cylinder 3 are connected to a crankshaft 11 indicated by an alternate long and short dash line in the drawing via connecting rods 24 and 34, respectively.
  • the crankshaft 11 is connected to a generator (not shown) via a clutch mechanism (not shown) and the like.
  • the combustion chamber 33 is formed in the output cylinder 3, and the injector 35 for supplying the ignition fuel (for example, light oil or the like) is disposed in the combustion chamber 33.
  • the first reformed gas generated by the fuel reforming cylinder 2 is supplied together with air and EGR gas to be described later to form a uniform lean premixed gas, which is compressed by the piston 32.
  • a small amount of ignition fuel is injected from the injector 35 near the compression top dead center, and propagation flame combustion is performed using the ignition fuel as an ignition source.
  • the reciprocation of the piston 32 is converted to the rotational movement of the crankshaft 11, and the engine output is obtained.
  • the intake system 4 introduces air (outside air) to the fuel reformer 2 and the output cylinder 3 respectively.
  • the intake system 4 includes a main intake passage 41, a fuel reformed cylinder intake passage 42 branching from the main intake passage 41 and introducing air to the fuel reformed cylinder 2A, and air from the main intake passage 41 to the output cylinder 3. It has an output cylinder intake passage 43 to be introduced and a fuel reforming catalyst intake passage 46 to introduce outside air to the fuel reforming catalyst 2B.
  • the main intake passage 41 is provided with a compressor wheel 12 a of the turbocharger 12.
  • the fuel reformed cylinder intake passage 42 is connected to the intake port of the fuel reformed cylinder 2A.
  • An intake valve 26 is disposed between the intake port and the fuel reforming chamber 23 of the fuel reforming cylinder 2 so as to be able to open and close. Further, the fuel reformed cylinder intake passage 42 is provided with an intake amount adjustment valve 45 whose opening degree can be adjusted.
  • the output cylinder intake passage 43 is connected to the intake port of the output cylinder 3.
  • An intake valve 36 is disposed between the intake port and the combustion chamber 33 of the output cylinder 3 so as to be able to open and close. Further, an intake cooler (intercooler) 44 is provided in the output cylinder intake passage 43.
  • the reformed fuel supply system 5 includes a fuel reforming cylinder 2A and a fuel reforming catalyst 2B provided in the fuel reformer 2.
  • the reformed fuel generated by the fuel reformer 2 is used as a combustion chamber of the output cylinder 3 It will be supplied towards 33.
  • the reformed fuel supply system 5 further includes a first reformed gas passage 51 and a second reformed gas passage 52.
  • the first reformed gas passage 51 is for introducing a gas containing the first reformed gas discharged from the fuel reforming cylinder 2A into the fuel reforming catalyst 2B.
  • the upstream end of the first reformed gas passage 51 is connected to the exhaust port of the fuel reforming cylinder 2A, and the downstream end of the first reformed gas passage 51 is connected to the inlet of the fuel reforming catalyst 2B.
  • the second reformed gas passage 52 is for introducing a gas containing the second reformed gas discharged from the outlet of the fuel reforming catalyst 2B into the output cylinder intake passage 43.
  • a reformed fuel cooler 53 is provided on the downstream side of the fuel reforming catalyst 2B in the second reformed gas passage 52.
  • a mixer (not shown) is provided at the connection between the second reformed gas passage 52 and the output cylinder intake passage 43. Therefore, the reformed gas generated in the fuel reforming unit 2 is mixed with the air flowing through the output cylinder intake passage 43 in this mixer and supplied to the combustion chamber 33 of the output cylinder 3.
  • the exhaust system 6 includes an exhaust passage 61 for discharging the exhaust gas generated by the combustion of the fuel in the output cylinder 3 to the outside of the internal combustion engine 1.
  • the exhaust passage 6 is provided with a turbine 12 b of the turbocharger 12.
  • the exhaust passage 61 is connected to the exhaust port of the output cylinder 3.
  • An exhaust valve 37 is provided between the exhaust port and the combustion chamber 33 of the output cylinder 3.
  • the EGR system 7 is a pipeline for introducing the exhaust gas discharged from the output cylinder 3 into the fuel reforming unit 2 and the output cylinder 3 and is constituted by a fuel reforming unit EGR system 7A and an output cylinder EGR system 7B. ing.
  • the fuel reforming unit EGR system 7A includes a fuel reforming unit EGR passage 71 that supplies exhaust gas to the fuel reforming unit 2.
  • the upstream end of the fuel reformed cylinder EGR passage 71 is connected to the exhaust passage 61.
  • the fuel reforming cylinder EGR passage 71 includes a fuel reforming cylinder EGR passage 72 for introducing exhaust gas to the fuel reforming cylinder 2A, and a fuel reforming catalyst EGR passage 73 for introducing exhaust gas to the fuel reforming catalyst 2B. Bifurcated.
  • the fuel reformed cylinder EGR passage 72 is provided with a fuel reformed cylinder EGR gas amount adjustment valve 74. Further, the fuel reforming catalyst EGR passage 73 is provided with a fuel reforming catalyst EGR gas amount adjusting valve 75. Although illustration is omitted, an EGR gas cooler may be appropriately disposed in any of the fuel reforming cylinder portion EGR system 7A.
  • the output cylinder EGR system 7 ⁇ / b> B includes an output cylinder EGR passage 76 that returns part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 61 to the combustion chamber 33 of the output cylinder 3.
  • the upstream end of the output cylinder EGR passage 76 is connected to the exhaust passage 61.
  • the downstream end of the output cylinder EGR passage 76 is connected to the downstream side of the mixer disposed in the output cylinder intake passage 43.
  • An EGR gas cooler 77 is disposed in the output cylinder EGR passage 76.
  • An output cylinder EGR gas amount adjustment valve 78 is disposed on the downstream side (the output cylinder 3 side) of the EGR gas cooler 77 of the output cylinder EGR passage 76.
  • the intake system 4 is provided with the fuel reforming catalyst intake passage 46 connecting the main intake passage 41 and the fuel reforming catalyst EGR passage 73 and introducing the outside air into the fuel reforming catalyst EGR passage 73. It is done. Specifically, the upstream end of the fuel reforming catalyst intake passage 46 is connected to the downstream side of the compressor wheel 12 a in the main intake passage 41 and to the upstream side of the branch portion branched to the fuel reforming cylinder intake passage 42 Be done. The downstream end of the fuel reforming catalyst intake passage 46 is connected to the downstream side of the fuel reforming catalyst EGR gas amount adjustment valve 75 in the fuel reforming catalyst EGR passage 73. Further, on the fuel reforming catalyst intake passage 46, an outside air introduction amount adjusting valve 47 is disposed for adjusting the amount of outside air introduced into the fuel reforming catalyst EGR passage 73 via the fuel reforming catalyst intake passage 46. It is done.
  • the above-described intake air cooler 44, the reforming fuel cooler 53, and the EGR gas cooler 77 of the present embodiment are cooled by the cooling water of the internal combustion engine 1.
  • the intake air cooler 44, the reformed fuel cooler 53, and the EGR gas cooler 77 are not limited to being cooled by the cooling water of the internal combustion engine 1, and may be configured to be cooled using an air cooling type or another cold heat source. May be
  • the control system of the internal combustion engine 1 will be further described with reference to FIG.
  • the schematic configuration of the control system of the internal combustion engine 1 is shown using dotted lines in the figure.
  • the internal combustion engine 1 is provided with an ECU (Electronic Control Unit) 100.
  • the ECU 100 corresponds to a control device that controls various actuators provided in the internal combustion engine 1.
  • the ECU 100 is constituted by a computer, and executes a central processing unit (CPU) that performs arithmetic processing according to the control program, a read only memory (ROM) that stores the control program, various control maps, etc.
  • a read / write random access memory (RAM) for temporarily storing calculation results and the like, an input interface, an output interface, and the like are provided (illustration of the details is omitted).
  • the injectors 25 and 35, the adjusting valves 45, 47, 74, 75, 78, and the like are electrically connected to the ECU 100.
  • variable valve devices 28 and 29 are provided for each of the intake valve 26 and the exhaust valve 27 of the fuel reforming cylinder 2 so that the opening and closing timings of the intake valve 26 and the exhaust valve 27 can be freely changed. Is configured.
  • the ECU 100 is electrically connected to the variable valve devices 28 and 29.
  • an intake flow rate sensor In the internal combustion engine 1, an intake flow rate sensor, an intake gas pressure sensor, an intake gas temperature sensor, an intake gas O2 sensor, an exhaust pressure sensor, a water temperature sensor for the internal combustion engine 1, a rotational speed sensor for the internal combustion engine 1, and an accelerator lever opening sensor Etc. (not shown).
  • Each sensor functions as an operating state detection unit that detects the operating state of the internal combustion engine 1.
  • Each sensor is connected to the ECU 100, and transmits an output signal to the ECU 100 at predetermined time intervals.
  • the ECU 100 controls fuel injection control to adjust the injection start timing and end timing of each of the injectors 25 and 35 based on the output signal of each sensor described above, and opens and closes the adjustment valves 45, 47, 74, 75, 78, etc. Control and timing control of the intake valve 26 and the exhaust valve 27 by the variable valve devices 28 and 29 are performed.
  • the air introduced into the main intake passage 41 is pressurized by the compressor wheel 12 a of the turbocharger 12. Then, this air is diverted to the fuel reforming cylinder intake passage 42, the output cylinder intake passage 43, the fuel reforming catalyst intake passage 46, and the like. At this time, the flow rate of intake air flowing through the fuel reforming cylinder intake passage 42 is adjusted by the intake amount adjustment valve 45, and the flow rate of the outside air flowing into the fuel reforming catalyst intake passage 46 is adjusted by the outside air introduction amount adjustment valve 47. Further, the EGR gas flowing through the fuel reformed cylinder EGR system 7A is introduced into the fuel reformed cylinder intake passage 42.
  • the amount of EGR gas introduced into the fuel reformed cylinder intake passage 42 is adjusted by the EGR gas amount adjustment valve 74.
  • the air and the EGR gas are introduced into the fuel reforming chamber 23 of the fuel reforming cylinder 2A.
  • the flow rate of intake air adjusted by the opening degree of the intake amount adjustment valve 45 and the flow rate of EGR gas adjusted by the opening degree of the EGR gas amount adjustment valve 74 adjust the equivalence ratio in the fuel reforming chamber 23 Meanwhile, the fuel reforming chamber 23 is adjusted so that fuel reforming can be performed well.
  • the equivalent ratio of the fuel reforming chamber 23 is set at a predetermined opening ratio of the intake amount adjusting valve 45 and the EGR gas amount adjusting valve 74. It is controlled to be a value (for example, 2.5 or more, preferably 4.0 or more). The said control can be performed based on the opening degree setting map previously created based on experiment, simulation, etc., for example.
  • the EGR gas cooler is disposed on the fuel reforming unit EGR passage 71 to enable temperature control, the gas temperature of the fuel reforming chamber 23 is a value equal to or higher than the lower limit value of the reforming reactionable temperature.
  • the EGR gas flow rate of this EGR gas cooler may be controlled so that
  • the fuel is supplied from the injector 25 to the fuel reforming chamber 23 in a state where the air and the EGR gas are introduced into the fuel reforming chamber 23 of the fuel reforming cylinder 2A.
  • the fuel supply amount from the injector 25 is set according to the required output of the engine which is calculated based on the operating condition of the internal combustion engine 1. Specifically, in accordance with the pressure of the fuel supplied to the injector 25, the valve opening period of the injector 25 is set so as to obtain the target fuel supply amount. Further, the valve opening period of the injector 25 at this time is set such that the injection according to the target fuel supply amount is completed until the intake stroke of the fuel reforming cylinder 2A is completed.
  • the opening period of the injector 25 is not limited to this, and it may be a period in which a homogeneous mixture is formed in the fuel reforming chamber 23 before the piston 22 reaches compression top dead center. Further, when the injector 25 is disposed in the fuel reforming cylinder intake passage 42, the fuel injected from the injector 25 enters the fuel reforming chamber 23 within the valve opening period of the intake valve 26 of the fuel reforming cylinder 2. The opening period of the injector 25 is set so as to be introduced.
  • the first reformed gas generated in the fuel reforming chamber 23 is discharged through the exhaust valve 27 of the fuel reforming cylinder 2A and introduced into the fuel reforming catalyst 2B through the first reformed gas passage 51. .
  • the fuel reforming catalyst 2B reforms higher hydrocarbons that can not be reformed by the fuel reforming cylinder 2A into lower hydrocarbons, or in the first reformed gas reformed by the fuel reforming cylinder 2A. Is further reformed to adjust the desired gas component in the output cylinder 3 to produce a second reformed gas.
  • the second reformed gas discharged from the fuel reforming catalyst 2 B flows through the second reformed gas passage 52 and is cooled by the reformed fuel cooler 53.
  • the cooled second reformed gas is mixed with the air flowing through the output cylinder intake passage 43 and introduced into the combustion chamber 33 of the output cylinder 3 together with the EGR gas introduced through the output cylinder EGR passage 76.
  • the air, the second reformed gas, and the EGR gas are introduced into the combustion chamber 33 of the output cylinder 3, and the equivalent ratio in the combustion chamber 33 is adjusted to a desired value.
  • adiabatic compression of lean premixed air is performed in the compression stroke, and when the piston 32 reaches compression top dead center, a small amount of fuel injection with high ignitability is performed from the injector 35. Thereby, the premixed gas compressed in the combustion chamber 33 is ignited, and lean premixed combustion is performed. If the premixed air in the combustion chamber 33 can be ignited at a desired timing without injecting a small amount of fuel from the injector 35, the injection of fuel from the injector 35 may not necessarily be performed.
  • the piston 32 reciprocates, and the crankshaft 11 rotates to obtain an engine output.
  • the engine output is transmitted to the generator and the like, and a part thereof is used as a driving source of the reciprocating motion of the piston 22 in the fuel reforming cylinder 2A.
  • this internal combustion engine 1 uniform lean premixed combustion is performed in the output cylinder 3, so that the amount of NOx emissions and soot emissions can be reduced.
  • This makes it possible to eliminate the need for a post-treatment device (particulate filter, NOx catalyst, etc.) for purifying the exhaust gas, or to reduce the capacity thereof significantly.
  • a post-treatment device particle filter, NOx catalyst, etc.
  • knocking is suppressed, and combustion can be realized at an optimal time by diesel pilot ignition that injects light oil etc. as described above. Can also be improved.
  • the fuel reforming unit 2 is configured such that the first reformed gas discharged from the fuel reforming cylinder 2A is introduced to the fuel reforming catalyst 2B via the first reformed gas passage 51.
  • a fuel mixture is reformed by forming a fuel mixture with a high equivalence ratio in the fuel reforming cylinder 2A, and all of the input fuel can not be pyrolyzed, and a part is a high-grade hydrocarbon fuel. Even when the fuel is discharged from the fuel reforming cylinder 2A together with the first reformed gas, it is further reformed by the fuel reforming catalyst 2B in the latter stage.
  • the fuel reforming catalyst 2B can reform high-grade hydrocarbons that could not be reformed in the fuel reforming cylinder 2A at the front stage.
  • the fuel reforming catalyst 2B generally needs to be raised to a predetermined temperature in order to cause the reforming reaction.
  • the internal combustion engine 1 according to the present embodiment has a configuration in which the fuel reforming cylinder 2A and the fuel reforming catalyst 2B communicate with each other in the first reforming gas passage 51 and cooperate with each other.
  • the high temperature first reformed gas discharged from the fuel reforming cylinder 2A is supplied to the fuel reforming catalyst 2B, and the temperature of the fuel reforming catalyst 2B is rapidly raised. Therefore, after the operation of the internal combustion engine 1 is started, it is possible to cause the reforming reaction in the fuel reforming catalyst 2B to occur promptly.
  • the internal combustion engine 1 of the present embodiment further has a configuration for introducing auxiliary air into the first reformed gas passage 51.
  • the air-fuel mixture in a state where the equivalence ratio is high that is, the fuel-rich premixed gas is reacted to generate a first reformed gas.
  • the reaction in the fuel reforming catalyst 2B may be endothermic in many cases, which may lower the temperature of the reaction site. .
  • the reforming reaction in the fuel reforming catalyst 2B becomes limited.
  • auxiliary air is introduced into the first reformed gas flowing through the first reformed gas passage 51 in order to promote the partial oxidation reaction which is an exothermic reaction while raising the temperature of the reaction site.
  • An example of the partial oxidation reaction caused by introducing the auxiliary air is shown in the following formula (1).
  • One means for realizing the introduction of the auxiliary air is to use the fuel reforming catalyst intake passage 46 shown in FIG.
  • the specific introduction amount of the outside air is adjusted by controlling the opening degree of the outside air introduction amount adjustment valve 47.
  • the opening degree of the outside air introduction amount adjusting valve 47 is controlled based on a map in which the opening degree corresponding to the operating state created by experiment, simulation or the like is set.
  • the above-described fuel reforming catalyst EGR passage 73 can be utilized as another means for realizing the introduction of the auxiliary air.
  • the exhaust gas discharged from the output cylinder 3 contains a large amount of oxygen.
  • a part of the exhaust gas is introduced into the first reformed gas passage 51 as the EGR gas by the exhaust passage 61, the fuel reforming cylinder EGR passage 71, and the fuel reforming catalyst EGR passage 73, and used as auxiliary air. it can.
  • the amount of EGR gas introduced is adjusted by controlling the opening degree of the fuel reforming catalyst EGR gas amount adjustment valve 75.
  • the opening degree of the outside air introduction amount adjusting valve 47 is controlled based on a map in which the opening degree corresponding to the operating state created by experiment, simulation or the like is set.
  • the present invention is not limited to the use of either the means utilizing the fuel reforming catalyst intake passage 46 or the means utilizing the fuel reforming catalyst EGR passage 73, but the combination of both realizes the introduction of auxiliary air.
  • an introduced gas temperature detection device 101 for detecting the temperature of the introduced gas introduced to the fuel reforming catalyst 2B and an introduced gas temperature control mechanism for adjusting the temperature of the introduced gas are provided.
  • the ECU 100 controls the introduced gas temperature control mechanism based on the introduced gas temperature detected by the introduced gas temperature detection device 101.
  • the introduced gas temperature control mechanism described above includes a fuel reforming unit EGR passage 711, an EGR gas cooler 71A, and a fuel reforming catalyst EGR gas amount control valve 75 ′.
  • the upstream end of the fuel reforming unit EGR passage 711 is connected to the exhaust passage 61.
  • the downstream end of the fuel reforming unit EGR passage 711 is connected to the first reformed gas passage 51.
  • the EGR gas cooler 71 ⁇ / b> A and the fuel reforming catalyst EGR gas amount adjusting valve 75 ′ are disposed on the fuel reforming unit EGR passage 711.
  • the exhaust gas discharged from the output cylinder 3 has a high temperature of about 400 K to 800 K depending on the operating state
  • the exhaust gas is introduced into the first reformed gas passage 51 via the fuel reforming unit EGR passage 711
  • the ECU 100 controls the fuel so that the temperature of the introduced gas introduced to the fuel reforming catalyst 2B becomes a predetermined target temperature set according to the operating state, based on the temperature detected by the introduced gas temperature detection device 101.
  • the opening degree of the reforming catalyst EGR gas amount adjustment valve 75 ' is feedback-controlled.
  • the above-described EGR gas cooler 71A is not an essential component. However, the higher the temperature of the EGR gas introduced into the first reformed gas passage 51, the better.
  • the gas cooler 71A be disposed in the fuel reforming unit EGR passage 711.
  • the fuel reforming unit EGR passage 711 and the fuel reforming catalyst EGR gas amount adjusting valve 75 ′ do not necessarily have to be newly set, and the fuel reforming unit EGR passage 71 shown in FIG. 1, the fuel reforming catalyst EGR
  • the gas amount adjustment valve 75 can also be used as the fuel reformer EGR passage and the fuel reforming catalyst EGR gas amount adjustment valve, respectively.
  • the introduced gas temperature control mechanism can include a first reformed gas temperature control mechanism that adjusts the temperature of the first reformed gas discharged from the fuel reformer cylinder 2A.
  • a first reformed gas temperature control mechanism that adjusts the temperature of the first reformed gas discharged from the fuel reformer cylinder 2A.
  • the first embodiment of the first reformed gas temperature control mechanism includes a fuel reformed cylinder EGR passage 72 shown in FIG.
  • the temperature (inlet temperature) of the gas introduced into the inlet of the fuel reforming cylinder 2A can be increased by the fuel reforming cylinder EGR passage 72.
  • the fuel reformed cylinder EGR gas amount adjustment valve 74 is used together with the fuel reformed cylinder EGR passage 72 in order to raise the inlet temperature of the fuel reformed cylinder 2A.
  • the gas introduced into the fuel reforming cylinder 2A is subjected to the fuel reforming cylinder EGR passage 72
  • the inlet temperature of the fuel reforming cylinder 2A is raised by introducing the EGR gas via the valve.
  • the degree of temperature rise of the first reformed gas can be adjusted by controlling the EGR gas pressure control valve 74. That is, if the EGR gas amount is adjusted by the control of the EGR gas amount adjusting valve 74, the inlet temperature of the fuel reforming cylinder 2A is adjusted, and as a result, the temperature of the first reformed gas is adjusted.
  • the second embodiment of the first reformed gas temperature control mechanism includes a variable valve device 28.
  • the variable compression valve device 28 can adjust the effective compression ratio of the fuel reforming cylinder 2A.
  • the effective compression ratio of the fuel reforming cylinder 2A is the volume of the fuel reforming chamber 23 when the intake valve 26 is closed in the fuel reforming cylinder 2A and the fuel when the piston 22 reaches compression top dead center It is calculated as the ratio of the volume of the reforming chamber 23.
  • the compression end gas temperature of the fuel reforming cylinder 2A can be adjusted.
  • the “compressed end gas temperature” is the temperature of the mixture in the state where the mixture formed by the fuel injected from the injector 25 has the smallest volume in the reforming cylinder by the piston 22.
  • the effective compression ratio is adjusted by adjusting the open / close timing of the intake valve 26 by the variable valve device 28.
  • the compression end gas temperature can be raised by adjusting the effective compression ratio to be high, and the compression end gas temperature can be lowered by lowering the effective compression ratio.
  • the reforming reaction can be promoted by raising the compression end gas temperature, and as a result, the first reformed gas temperature can be raised, and the first reforming gas temperature can be lowered by lowering the compression end gas temperature.
  • the variable valve device 28 can adopt a conventionally known method of changing the cam phase, a method of changing the cam lift, or an electromagnetically driven valve device, etc. It is not limited to the type of valve device.
  • the third embodiment of the first reformed gas temperature control mechanism includes a variable valve device 29.
  • the variable valve device 29 can adjust the expansion ratio of the fuel reforming cylinder 2A. Specifically, the expansion ratio can be adjusted by adjusting the open / close timing of the exhaust valve 27 by the variable valve device 29.
  • the expansion ratio of the fuel reforming cylinder 2A has a volume when the exhaust valve 27 is opened in the expansion stroke of the fuel reforming cylinder 2A, and when the piston 22 of the fuel reforming chamber 23 reaches compression top dead center It is calculated as a ratio to the volume of the fuel reforming chamber 23.
  • the first reforming gas temperature control mechanism described above is feedback-controlled based on the introduced gas temperature detected by the introduced gas temperature detection device 101. Parameters such as a feedback gain at the time of feedback control are appropriately set by experiment, simulation or the like.
  • the introduced gas temperature control mechanism distributes the exhaust gas discharged from the output cylinder 3 to the first heat exchanger 200 and the first heat exchanger 200 disposed in the first reformed gas passage 51.
  • Fuel reformer EGR passage 71 an exhaust gas flow control valve 71B for adjusting the flow amount of the exhaust gas flowing through the fuel reformer EGR passage 71, and an introduced gas introduced to the fuel reforming catalyst 2B.
  • an introduced gas temperature detection device 101 for detecting a temperature.
  • the fuel reforming unit EGR passage 71 is connected to the fuel reforming cylinder EGR passage 72 and the fuel reforming catalyst EGR passage 73.
  • high temperature exhaust gas is introduced into the first heat exchanger 200 from the exhaust passage 61 via the fuel reforming unit EGR passage 71.
  • the first heat exchanger 200 transfers the heat of the exhaust gas to the first reformed gas passing through the first reformed gas passage 51 to raise the temperature of the first reformed gas.
  • the exhaust gas flowing through the first heat exchanger 200 can be increased by increasing the opening degree of the exhaust gas flow control valve 71B.
  • the opening degree of the exhaust gas flow control valve 71B described above is preferably feedback-controlled based on the introduced gas temperature detected by the introduced gas temperature detection device 101.
  • the fuel reforming unit EGR passage 71 in the present embodiment corresponds to an “exhaust gas communication passage”.
  • the fuel reforming unit 2 is provided with an equivalence ratio adjusting mechanism for supplying fuel to the first reformed gas passage 51 to adjust the equivalence ratio of the gas introduced to the fuel reforming catalyst 2B.
  • the equivalence ratio adjustment mechanism includes an additional fuel injector 110.
  • the additional fuel injector 110 is provided in the first reformed gas passage 51. The amount of fuel supplied from the additional fuel injector 110 is controlled based on a control signal of the ECU 100.
  • the first reforming gas can not be reformed in the fuel reforming cylinder 2A.
  • fuel containing higher hydrocarbons may remain. This becomes noticeable during high load operation where it is necessary to supply a large amount of fuel to the output cylinder 3. Therefore, of the fuel to be supplied to the fuel reforming unit 2 calculated according to the operating state of the engine, the amount of fuel supplied from the injector 25 of the fuel reforming cylinder 2A into the fuel reforming chamber 23 is The amount of fuel that can be reformed well in the reforming cylinder 2A is limited.
  • the remaining fuel obtained by subtracting the amount of fuel supplied into the fuel reforming chamber 23 from the amount of fuel to be supplied to the fuel reforming unit 2 is injected from the additional fuel injector 110.
  • the first reformed gas containing the fuel added by the additional fuel injector 110 and the higher hydrocarbons which can not be reformed by the fuel reforming cylinder 2A is reformed by the fuel reforming catalyst 2B. As a result, a good quality and sufficient amount of fuel gas can be supplied to the output cylinder 3.
  • the additional fuel injection injector 110 adjusts the equivalent ratio of the gas introduced to the fuel reforming catalyst 2B by additionally supplying the fuel to the first reformed gas passage 51.
  • the main reforming gas components H 2 , CO, and lower grade in the second reforming gas discharged by the fuel reforming catalyst 2 B The ratio of hydrocarbons (methane, etc.) can be adjusted arbitrarily.
  • a water supply mechanism constituted of a water injection injector 120 at the inlet of the fuel reforming catalyst 2B of the first reformed gas passage 51 Install. Then, a predetermined amount of water is supplied from the water injector 120 to the fuel reforming catalyst 2B based on the reformed gas component ratio required according to the operating state.
  • a water tank (not shown) may be added to the internal combustion engine 1 to periodically replenish water, but the exhaust gas cooling device may be installed on the path of the exhaust passage 61. It is preferable to arrange the condensed water collection mechanism which takes out the water vapor contained in exhaust gas by arranging. If this condensed water is stored in a water tank, the need to supply water can be eliminated.
  • the fuel reformer 2 performs a second heat exchange in which the introduced gas introduced into the fuel reformer cylinder 2A and the second reformed gas discharged from the fuel reformer catalyst 2B flow.
  • Vessel 300 is provided. The second heat exchanger 300 heats the gas introduced into the fuel reforming cylinder 2A while cooling the second reformed gas by heat exchange between the introduced gas and the second reformed gas.
  • the reaction in the fuel reforming catalyst 2B is performed at high temperature (600 K or more), in the embodiment shown in FIG. 1, the second reforming gas discharged from the fuel reforming catalyst 2B is reformed It is cooled by the gas cooler 53.
  • the second reformed gas is cooled while raising the temperature of the gas introduced into the fuel reforming cylinder 2A using the thermal energy of the second reformed gas.
  • the heat of the second reformed gas is supplied to the gas introduced into the fuel reforming cylinder 2A to raise the temperature, whereby the compression end gas temperature of the fuel reforming cylinder 2A is increased. It is possible to increase, and even with a high equivalent ratio, high reforming efficiency can be obtained. Furthermore, the heat of reaction of the fuel reforming catalyst 2B is recovered, which contributes to the improvement of the overall system efficiency of the internal combustion engine 1.
  • each modification was explained separately, but it is not limited that each is independently provided in internal combustion engine 1, and it may be constituted so that each modification may be equipped simultaneously.
  • the first reformed gas temperature adjustment mechanism a mechanism that adjusts the inlet temperature of the fuel reforming cylinder 2A, a mechanism that adjusts the effective compression ratio of the fuel reforming cylinder 2A, and an expansion ratio of the fuel reforming cylinder 2A
  • the mechanism for adjusting is described individually, it is possible to adjust the temperature of the first reformed gas by combining these as appropriate.
  • the additional fuel injector 110 is disposed to the first reformed gas passage 51 described above to supply the additional fuel to the fuel reforming catalyst 2B, and the water injector to the first reformed gas passage 51
  • the arrangement of 120 is provided to supply water to the fuel reforming catalyst 2B, it is of course possible to arrange them simultaneously.
  • first heat exchanger 200 and the second heat exchanger 300 described above can be simultaneously configured, and are not limited to being separately provided.
  • the internal combustion engine 1 of the embodiment described above has been described as an internal combustion engine applied to a stationary generator, the present invention is not limited to this, and may be applied to other applications such as marine and vehicles. Including.

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Abstract

改質燃料により生成された希薄予混合気の正常な燃焼を広い運転範囲で実現することができる内燃機関を提供する。液体燃料から前記液体燃料よりもオクタン価の高い改質燃料を生成し出力気筒に導入する燃料改質部（２）を備えた内燃機関（１）であって、燃料改質部（２）は、シリンダ（２１）内でピストン（２２）が往復動するレシプロ型機構を含む第一燃料改質器（２Ａ）と、改質触媒を含む第二燃料改質器（２Ｂ）と、第一燃料改質器（２Ａ）と第二燃料改質器（２Ｂ）とを接続する改質ガス通路（５１）と、を備え、第一燃料改質器（２Ａ）から排出される第一改質ガスが、改質ガス通路（５１）を介して前記第二燃料改質器（２Ｂ）に導入される。

Description

内燃機関
　本発明は、炭化水素を含む液体燃料をから液体燃料よりもオクタン価が高い改質燃料を生成する燃料改質部を備えた内燃機関に関する。
　従来から、液体燃料を改質して着火性の低い（オクタン価の高い）改質燃料を生成するためのレジプロ型機構の燃料改質気筒を備え、改質された改質燃料を含む混合気を吸入して燃焼させることにより機関出力を得る出力気筒を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。また、改質触媒により改質した着火性の低い改質燃料を空気と共に予混合してシリンダ内に吸気すると共に、この予混合気を燃焼させる内燃機関が知られている（例えば、特許文献２、３を参照。）。
　上記特許文献１に記載された内燃機関では、燃料改質気筒に軽油、ガソリン、重油等の炭化水素を含む液体燃料を供給し、燃料改質気筒内において当量比の高い混合気を断熱圧縮する。これにより、高温高圧の環境下で液体燃料から、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等のアンチノック性の高い改質燃料、すなわち、オクタン価の高いガス性の改質燃料が生成される。そして、この改質燃料を空気と共に予混合して希薄予混合気を形成して出力気筒に供給し、該希薄予混合気が供給された出力気筒において希薄予混合気の燃焼（均一希薄予混合燃焼）を実行して機関出力を得る。
　上記した出力気筒において良好な均一希薄予混合燃焼を実現するためには、出力気筒に改質燃料を含む希薄予混合気を吸入した後、圧縮上死点近傍の着火時期で改質燃料よりも着火性の高い燃料（例えば軽油）をパイロット燃料として噴射する（デュアルフューエル機関）。これにより、着火性の低い改質燃料による希薄予混合気の良好な着火が図られ、最適な時期での燃焼を実現することができる。
　上記したデュアルフューエル機関によれば、出力気筒において均一希薄予混合燃焼が行われるため、ＮＯｘの排出量を低減すると共に、スート（煤）排出量の低減を図ることができる。さらに、アンチノック性の高い改質燃料を燃料として燃焼させるため、ノッキングを抑制することができ、着火用の燃料を噴射することにより最適な時期での燃焼を実現できることから燃焼効率の向上を図ることも可能となる。
特開２０１４－１３６９７８号公報 特開２０１５－０４０５０６号公報 特開２００３－２９３８６７号公報
　上記したように、出力気筒に対して改質燃料を含む希薄予混合気を供給して着火させる場合、以下のような問題点が見出された。
　上記した特許文献１に記載された内燃機関では、燃料改質気筒に対して改質反応（部分酸化反応等）に必要な酸素のみを供給して高い当量比の過濃予混合気を形成する。この燃料改質気筒にて高温高圧の環境下において断熱圧縮し、高級炭化水素をアンチノック性の高い低級炭化水素に熱分解して改質燃料を得る。ここで、燃料改質気筒に高い当量比の混合気を形成して改質させた場合、投入された燃料の全てが熱分解しきれずに、一部が高級炭化水素燃料としてそのまま改質燃料と共に燃料改質気筒から排出される場合がある。この高級炭化水素燃料が改質燃料と共に排出され、出力気筒に導入されると、高級炭化水素は着火性が高いことから、内燃機関が高負荷運転状態である場合は、過早着火（プレイグニッション）等の意図しない異常燃焼を引き起こし、内燃機関を損傷させる原因となる可能性がある。
　また、上記した特許文献２、３に記載された改質触媒を用いた燃焼方法では、ガソリンや、軽油のような高級炭化水素燃料を改質するために、改質触媒の温度を触媒反応開始温度（触媒によって異なるが、例えば６００Ｋ以上。）まで高める必要があり、内燃機関の運転開始時から安定した触媒反応温度に維持することは容易ではない。さらに、改質触媒における改質効率を高めるためには、改質触媒に導入するガス中の酸素濃度は必要最低限に抑える必要がある。しかし、改質触媒を流通するガス流量をある程度確保しながら、改質触媒に導入するガス中の酸素濃度を抑えることは容易ではなく、改質触媒に導入するガスを、外気や、リーンバーン燃焼を実施している出力気筒から排出される排気ガスから取り込む場合は、改質効率が悪化せざるを得ない。
　本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、改質燃料により生成された希薄予混合気の正常な燃焼を広い運転範囲で実現することができる内燃機関を提供することにある。
　上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、液体燃料から前記液体燃料よりもオクタン価の高い改質燃料を生成し出力気筒に導入する燃料改質部を備えた内燃機関であって、前記燃料改質部は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型機構を含む第一燃料改質器と、改質触媒を含む第二燃料改質器と、前記第一燃料改質器と前記第二燃料改質器とを接続する改質ガス通路と、を備え、前記第一燃料改質器から排出される第一改質ガスが、前記改質ガス通路を介して前記第二改質器に導入される、内燃機関が提供される。
　前記燃料改質部は、前記改質ガス通路に、外気、および前記出力気筒から排出された排気の少なくとも一方を補助空気として導入する補助空気導入通路をさらに備えることが好ましい。
　前記燃料改質部は、前記第二燃料改質器に導入される導入ガスの温度を検出する導入ガス温度検出装置と、前記第二燃料改質器に導入される導入ガスの温度を調整する導入ガス温度調整機構と、前記導入ガス温度検出装置により検出された前記導入ガス温度に基づいて、前記導入ガス温度調整機構を制御する制御装置と、をさらに備えることができる。
　前記導入ガス温度調整機構は、前記第一改質ガスの温度を調整する第一改質ガス温度調整機構を備え、前記制御装置は、検出された前記導入ガス温度に基づいて、前記第一改質ガス温度調整機構を制御することにより前記導入ガスが所定の温度となるように調整する　ように構成することができる。
　前記導入ガス温度調整機構は、前記改質ガス通路に配設される第一熱交換器と、前記第一熱交換器に前記出力気筒から排出される排気ガスを流通させる排気ガス連通路と、前記排気ガス連通路を流通する排気ガスの流通量を調整する排気ガス流通量調整弁と、を備え、前記制御装置は、前記排気ガス流通量調整弁を制御することにより前記導入ガスの温度を調整するように構成することができる。
　前記燃料改質部は、前記改質ガス通路に燃料を供給して前記第二燃料改質器に導入される導入ガスの当量比を調整する当量比調整機構をさらに備えるように構成することができる。
　前記燃料改質部は、前記改質ガス通路に水を供給する水供給機構をさらに備えることができる。
　前記燃料改質部は、前記第一燃料改質器へ導入される導入ガスと、前記第二燃料改質器から排出される第二改質ガスとが流通する第二熱交換器をさらに備えることができる。
　本発明は、液体燃料から前記液体燃料よりもオクタン価の高い改質燃料を生成し出力気筒に導入する燃料改質部を備えた内燃機関であって、前記燃料改質部は、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型機構を含む第一燃料改質器と、改質触媒を含む第二燃料改質器と、前記第一燃料改質器と前記第二燃料改質器とを接続する改質ガス通路と、を備え、前記第一燃料改質器から排出される第一改質ガスが、前記改質ガス通路を介して前記第二改質器に導入されるように構成される。これにより、改質燃料により生成された希薄予混合気の正常な燃焼を広い運転範囲で実現することができる内燃機関が提供される。
本発明に基づき構成された実施形態に係る内燃機関のシステム構成の概略を示す図である。 図１に示す実施形態の導入ガス温度調整機構の変形例を説明するために示す内燃機関の一部抜粋図である。 図１に示す導入ガス温度調整機構の他の変形例における第一熱交換器の配置構成を示す内燃機関の一部抜粋図である。 図１に示す実施形態の変形例における当量比調整機構、及び水供給機構の配置構成を示す内燃機関の一部抜粋図である。 図１に示す導入ガス温度調整機構の他の変形例における第二熱交換器の配置構成を示す内燃機関の一部抜粋図である。
　以下、本発明に基づいて構成された実施形態に係る内燃機関について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１には、本実施形態に係る内燃機関１、および内燃機関１の制御装置であるＥＣＵ１００を含む制御系の構成の概略が示されている。内燃機関１は、例えば、定置式の発電機に適用されるものであり、燃料改質部２、および出力気筒３を備えている。この内燃機関１は、前記した燃料改質部２、出力気筒３に対する吸気系４、改質燃料供給系５、排気系６、およびＥＧＲ系７によって配管系が構成されている。
　燃料改質部２は、燃料改質気筒２Ａ、および燃料改質触媒２Ｂと、燃料改質気筒２Ａから排出される第一改質ガスを燃料改質触媒２Ｂに導入する第一改質ガス通路５１とを備えている。燃料改質気筒２Ａは、第一燃料改質器を構成する。燃料改質触媒２Ｂは、第二燃料改質器に含まれる。
　燃料改質気筒２Ａは、図示しないシリンダブロックに形成されたシリンダ２１内でピストン２２が往復動するレシプロ型機構を含む。燃料改質気筒２Ａでは、シリンダボア２１、ピストン２２、図示しないシリンダヘッドによって燃料改質室２３が形成されている。
　燃料改質気筒２Ａには、燃料改質室２３に高級炭化水素を多く含む燃料、例えば軽油を供給するインジェクタ２５が配設されている。この燃料改質室２３では、インジェクタ２５から燃料が供給され、ピストン２２によって高温高圧の環境下で断熱圧縮される。これにより燃料が改質され、水素、一酸化炭素、メタン等を含むアンチノック性の高い改質燃料（第一改質ガス）が生成される。この燃料改質室２３に供給される燃料は、炭化水素を含む他の液体燃料（ガソリン、重油等）であってもよい。なお、インジェクタ２５は、上記のように燃料改質室２３に直接燃料を供給する形態に限定されず、例えば、燃料改質気筒２Ａに空気を導入する燃料改質気筒吸気通路４２に配設されて燃料を供給するものであってもよい。
　燃料形質触媒２Ｂは、周知の燃料改質触媒を採用することができる。例えば、Ｐｔ／ＣｅＯ２等の材料を用いたものを使用することができる。このような触媒を採用する場合は、吸入されるガスの温度や、当量比等を変化させることで、各ガスの成分濃度を調整することが可能である。燃料改質触媒２Ｂでは、燃料改質気筒２Ａで改質され排出された第一改質ガスが導入される。燃料改質触媒２Ｂでは、燃料改質気筒２Ａで改質しきれずに残った高級炭化水素を含む第一改質ガスを改質する。この作用については、追って詳述する。
　出力気筒３は、燃料改質気筒２Ａと同様にレシプロ型で構成されている。具体的には、出力気筒３は図示しないシリンダブロックに形成されたシリンダボア３１内にピストン３２が往復動自在に収容されて構成されている。出力気筒３には、シリンダボア３１、ピストン３２、図示しないシリンダヘッドによって燃焼室３３が形成されている。
　本実施形態に係る内燃機関１は、例えば、シリンダブロックに４つの気筒が備えられ、そのうちの１つの気筒が燃料改質気筒２Ａとして構成されており、他の３つの気筒が出力気筒３として構成されている（図では１気筒のみ示している。）。そして、燃料改質気筒２Ａで生成された第一改質ガスが、第一改質ガス通路５１を介して燃料改質触媒２Ｂに導入され、この燃料改質触媒２Ｂにてさらに改質反応が生起されて第二改質ガスが生成される。そして、第二改質ガスが空気と共に各出力気筒３それぞれに供給される構成となっている。燃料改質気筒２Ａ、出力気筒３の気筒数は必ずしもこれに限定されず、例えば、シリンダブロックに６つの気筒が備えられている場合は、２つの気筒を燃料改質気筒２とし、他の４つの気筒を出力気筒３として構成されていてもよい。燃料改質気筒２Ａの数は、出力気筒３の数よりも少ないことが好ましい。
　燃料改質気筒２Ａのピストン２２、および出力気筒３のピストン３２は、それぞれコネクティングロッド２４、３４を介して図中一点鎖線で示すクランクシャフト１１に連結されている。クランクシャフト１１は、図示しないクラッチ機構等を介して図示しない発電機に連結されている。
　出力気筒３には、上記したように、燃焼室３３が形成されており、燃焼室３３内に着火用燃料（例えば軽油等）を供給するインジェクタ３５が配設されている。この燃焼室３３では、前記燃料改質気筒２で生成された第一改質ガスが空気、後述するＥＧＲガスと共に供給されて均一希薄予混合気を形成し、ピストン３２によって圧縮される。そして、圧縮上死点近傍でインジェクタ３５から微量の着火用燃料が噴射され、該着火用燃料を点火源とした伝播火炎燃焼が行われる。これにより、ピストン３２の往復動がクランクシャフト１１の回転運動に変換され、機関出力が得られる。
　吸気系４は、燃料改質部２、および出力気筒３それぞれに空気（外気）を導入する。この吸気系４は、メイン吸気通路４１と、メイン吸気通路４１から分岐して燃料改質気筒２Ａに空気を導入する燃料改質気筒吸気通路４２と、メイン吸気通路４１から出力気筒３に空気を導入する出力気筒吸気通路４３と、燃料改質触媒２Ｂに外気を導入する燃料改質触媒吸気通路４６とを備えている。メイン吸気通路４１には、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール１２ａが備えられている。燃料改質気筒吸気通路４２は、燃料改質気筒２Ａの吸気ポートに接続されている。この吸気ポートと燃料改質気筒２の燃料改質室２３との間には吸気バルブ２６が開閉可能に配設されている。また、この燃料改質気筒吸気通路４２には、開度調整可能な吸気量調整弁４５が備えられている。出力気筒吸気通路４３は、出力気筒３の吸気ポートに接続されている。この吸気ポートと出力気筒３の燃焼室３３との間には、吸気バルブ３６が開閉可能に配設されている。また、出力気筒吸気通路４３には、吸気冷却器（インタークーラ）４４が備えられている。
　改質燃料供給系５は、燃料改質部２に備えられる燃料改質気筒２Ａ、および燃料改質触媒２Ｂを含み、燃料改質部２で生成された改質燃料を出力気筒３の燃焼室３３に向けて供給するものである。
　改質燃料供給系５は、さらに、第一改質ガス通路５１、および第二改質ガス通路５２を含んでいる。この第一改質ガス通路５１は、燃料改質気筒２Ａから排出される第一改質ガスを含むガスを燃料改質触媒２Ｂに導入するものである。第一改質ガス通路５１の上流端は燃料改質気筒２Ａの排気ポートに接続されており、第一改質ガス通路５１の下流端は、燃料改質触媒２Ｂの入り口に接続されている。第二改質ガス通路５２は、燃料改質触媒２Ｂの出口から排出される第二改質ガスを含むガスを出力気筒吸気通路４３に導入するものである。第二改質ガス通路５２における燃料改質触媒２Ｂの下流側には、改質燃料冷却器５３が備えられている。この第二改質ガス通路５２と出力気筒吸気通路４３との接続部には図示しないミキサが設けられている。このため、燃料改質部２で生成された改質ガスは、このミキサにおいて出力気筒吸気通路４３を流れる空気と混合されて出力気筒３の燃焼室３３に供給されることになる。
　排気系６は、前記出力気筒３で燃料が燃焼することにより発生した排気ガスを内燃機関１の外部に排出する排気通路６１を備えている。排気通路６には、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂが備えられている。排気通路６１は出力気筒３の排気ポートに接続されている。この排気ポートと出力気筒３の燃焼室３３との間には排気バルブ３７が設けられている。
　ＥＧＲ系７は、出力気筒３か排出される排気ガスを燃料改質部２、出力気筒３に導入する配管路であり、燃料改質部ＥＧＲ系７Ａと、出力気筒ＥＧＲ系７Ｂとにより構成されている。
　燃料改質部ＥＧＲ系７Ａは、燃料改質部２に排気ガスを供給する燃料改質部ＥＧＲ通路７１を備えている。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１の上流端は、排気通路６１に接続されている。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１は、燃料改質気筒２Ａ側に排気ガスを導入する燃料改質気筒ＥＧＲ通路７２と、燃料改質触媒２Ｂ側に排気ガスを導入する燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３とに分岐している。
　燃料改質気筒ＥＧＲ通路７２には、燃料改質気筒ＥＧＲガス量調整弁７４が備えられている。さらに、燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３には、燃料改質触媒ＥＧＲガス量調整弁７５が備えられている。なお、図示は省略するが、燃料改質気筒部ＥＧＲ系７Ａのいずれかに、適宜ＥＧＲガスクーラが配設されていても良い。
　出力気筒ＥＧＲ系７Ｂは、排気通路６１を流れる排気ガスの一部を出力気筒３の燃焼室３３に還流させる出力気筒ＥＧＲ通路７６を備えている。出力気筒ＥＧＲ通路７６の上流端は排気通路６１に接続されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６の下流端は、出力気筒吸気通路４３に配設された前記ミキサの下流側に接続されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６にはＥＧＲガスクーラ７７が配設されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６のＥＧＲガスクーラ７７の下流側（出力気筒３側）には出力気筒ＥＧＲガス量調整弁７８が配設されている。
　上記したように、吸気系４には、メイン吸気通路４１と、燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３とを接続し、外気を燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３に導入する燃料改質触媒吸気通路４６が設けられている。具体的には、燃料改質触媒吸気通路４６の上流端は、メイン吸気通路４１におけるコンプレッサホイール１２ａの下流側であって、燃料改質気筒吸気通路４２に分岐する分岐部よりも上流側に接続される。燃料改質触媒吸気通路４６の下流端は、燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３における燃料改質触媒ＥＧＲガス量調整弁７５の下流側に接続される。また、燃料改質触媒吸気通路４６上には、燃料改質触媒吸気通路４６を介して燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３に導入する外気導入量を調整するための外気導入量調整弁４７が配設されている。
　本実施形態の上記した吸気冷却器４４、改質燃料冷却器５３、ＥＧＲガスクーラ７７は、内燃機関１の冷却水によって冷却される。なお、吸気冷却器４４、改質燃料冷却器５３、ＥＧＲガスクーラ７７は内燃機関１の冷却水によって冷却されることに限定されず、空冷式や他の冷熱源を用いて冷却するように構成してもよい。
　図１を参照しながら、内燃機関１の制御系についてさらに説明する。内燃機関１の制御系の概略構成は、図中に点線を用いて示している。内燃機関１には、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１００が備えられている。このＥＣＵ１００は、内燃機関１に備えられた各種アクチュエータを制御する制御装置に相当する。ＥＣＵ１００は、コンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、制御プログラム、および各種の制御マップ等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、検出した検出値、演算結果等を一時的に格納するための読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、入力インターフェース、および出力インターフェース等を備えている（詳細についての図示は省略する。）。
　ＥＣＵ１００には、前記インジェクタ２５、３５、前記各調整弁４５、４７、７４、７５、７８等が電気的に接続されている。また、燃料改質気筒２の吸気バルブ２６、排気バルブ２７それぞれには、可変動弁装置２８、２９が備えられており、吸気バルブ２６、排気バルブ２７の開閉タイミングを自在に変更することが可能に構成されている。ＥＣＵ１００は、この可変動弁装置２８、２９に電気的に接続されている。
　内燃機関１には、吸気流量センサ、吸入ガス圧力センサ、吸入ガス温度センサ、吸入ガスＯ２センサ、排気圧力センサ、内燃機関１の水温センサ、内燃機関１の回転速度センサ、およびアクセルレバー開度センサ等（図示は省略する。）を備えている。各センサは、内燃機関１の運転状態を検出する運転状態検出部として機能する。各センサはＥＣＵ１００に接続されており、所定時間間隔で出力信号をＥＣＵ１００に送信する。
　ＥＣＵ１００は、前記した各センサの出力信号に基づいて、前記各インジェクタ２５、３５の噴射開始時期、および終了時期を調整する燃料噴射制御、各調整弁４５、４７、７４、７５、７８等の開閉制御、ならびに可変動弁装置２８、２９による吸気バルブ２６、および排気バルブ２７の開閉タイミング制御等を行う。
　図１を参照しながら、本実施形態における内燃機関１の動作について、以下に説明する。
　メイン吸気通路４１に導入される空気は、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール１２ａによって加圧される。そして、この空気は、燃料改質気筒吸気通路４２、出力気筒吸気通路４３、燃料改質触媒吸気通路４６等に分流される。この際、燃料改質気筒吸気通路４２を流れる吸気の流量は吸気量調整弁４５によって、燃料改質触媒吸気通路４６に流れる外気の流量は外気導入量調整弁４７によって調整される。また、燃料改質気筒吸気通路４２には、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａを流れたＥＧＲガスが導入される。この際、燃料改質気筒吸気通路４２に導入されるＥＧＲガス量はＥＧＲガス量調整弁７４によって調整される。これにより、燃料改質気筒２Ａの燃料改質室２３には、空気およびＥＧＲガスが導入されることになる。この際、吸気量調整弁４５の開度によって調整される吸気の流量、ＥＧＲガス量調整弁７４の開度によって調整されるＥＧＲガスの流量は、燃料改質室２３での当量比を調整しつつ、燃料改質室２３において燃料の改質が良好に行われるように調整される。具体的には、吸気量調整弁４５、ＥＧＲガス量調整弁７４の開度は、インジェクタ２５から燃料改質室２３に燃料が供給された際における燃料改質室２３での当量比が所定の値（例えば２．５以上、好ましくは４．０以上）になるように制御される。当該制御は、例えば、予め実験やシミュレーション等に基づいて作成された開度設定マップに基づき行うことができる。なお、燃料改質部ＥＧＲ通路７１上にＥＧＲガスクーラを配設し、温度制御を可能に構成している場合は、燃料改質室２３のガス温度が改質反応可能温度の下限値以上の値となるよう、このＥＧＲガスクーラのＥＧＲガス流通量を制御してもよい。
　上記したように、燃料改質気筒２Ａの燃料改質室２３に、空気およびＥＧＲガスが導入された状態で、インジェクタ２５から燃料改質室２３に燃料が供給される。このインジェクタ２５からの燃料供給量は、内燃機関１運転状態に基づいて演算される機関の要求出力に応じて設定される。具体的には、インジェクタ２５に供給される燃料の圧力に応じ、目標とする燃料供給量が得られるように、インジェクタ２５の開弁期間が設定される。また、この際のインジェクタ２５の開弁期間は、燃料改質気筒２Ａの吸気行程が終了するまでの間に前記目標とする燃料供給量に応じた噴射が完了するように設定される。なお、インジェクタ２５の開弁期間はこれに限定されず、ピストン２２が圧縮上死点に達するまでに、燃料改質室２３において均質な混合気が形成される期間であればよい。また、インジェクタ２５が燃料改質気筒吸気通路４２に配設されている場合は、インジェクタ２５から噴射された燃料が燃料改質気筒２の吸気バルブ２６の開弁期間内に燃料改質室２３に導入されるように、インジェクタ２５の開弁期間が設定される。
　ピストン２２が圧縮上死点に向かって移動する間に、燃料改質室２３の圧力、および温度が上昇し、この燃料改質室２３では、上記した混合気が断熱圧縮される。これにより、高温高圧の環境下で、燃料の脱水素反応、部分酸化反応、水蒸気改質反応、熱解離反応等が行われて、燃料が改質され、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等を含むアンチノック性の高い改質燃料が生成される。なお、本実施形態においては、液体燃料が改質された改質燃料はガス状であることから、以下においては、改質燃料を「改質ガス」と称することがある。
　燃料改質室２３で生成された第一改質ガスは、燃料改質気筒２Ａの排気弁２７を介して排出され、第一改質ガス通路５１を介して燃料改質触媒２Ｂに導入される。燃料改質触媒２Ｂは、燃料改質気筒２Ａで改質しきれなかった高級炭化水素を低級炭化水素へと改質し、あるいは、燃料改質気筒２Ａにおいて改質された第一改質ガス中の生成物を、さらに出力気筒３において望まれるガス成分に調整するように改質して第二改質ガスを生成する。
　燃料改質触媒２Ｂから排出された第二改質ガスは、第二改質ガス通路５２を流れ、改質燃料冷却器５３によって冷却される。この冷却により、改質ガスの密度を上げると共に出力気筒吸気通路４３や燃焼室３３における第二改質ガスの過早着火が抑制される。そして、この冷却された第二改質ガスは、出力気筒吸気通路４３を流れる空気と混合され、出力気筒ＥＧＲ通路７６を経て導入されるＥＧＲガスと共に出力気筒３の燃焼室３３に導入される。
　このようにして、出力気筒３の燃焼室３３には、空気、第二改質ガス、およびＥＧＲガスが導入され、燃焼室３３内の当量比が所望の値になるように調整される。
　出力気筒３では、圧縮行程において希薄予混合気の断熱圧縮が行われ、ピストン３２が圧縮上死点に達した時点で、インジェクタ３５から着火性の高い微量の燃料噴射が行われる。これにより、燃焼室３３内で圧縮された予混合気が着火し、希薄予混合燃焼が行われる。なお、インジェクタ３５からの微量な燃料の噴射を行わなくても、燃焼室３３の予混合気が所望のタイミングで着火し得る場合は、インジェクタ３５からの燃料の噴射は必ずしも行わなくても良い。
　前記燃焼によって、ピストン３２が往復動し、クランクシャフト１１が回転することで機関出力を得ることができる。この機関出力は、前記発電機等に伝達されると共に、その一部は前記燃料改質気筒２Ａにおけるピストン２２の往復動の駆動源として使用される。
　この内燃機関１によれば、出力気筒３内において均一希薄予混合燃焼が行われるため、ＮＯｘ排出量、スート排出量の低減を図ることができる。これにより、排気ガスを浄化するための後処理装置（パティキュレートフィルタ、ＮＯｘ触媒等）を不要、または、その容量を大幅に縮小することが可能になる。そして、アンチノック性の高い燃料の燃焼が行われるため、ノッキングが抑制されると共に、前述したような軽油等を噴射するディーゼルパイロット着火により最適な時期での燃焼を実現することができることから燃焼効率の向上も図ることができる。
　燃料改質部２は、燃料改質気筒２Ａから排出される第一改質ガスが、第一改質ガス通路５１を介して燃料改質触媒２Ｂに導入されるように構成されている。これにより、燃料改質気筒２Ａにおいて高い当量比の混合気を形成して燃料を改質させた場合であって、投入された燃料の全てが熱分解しきれずに、一部が高級炭化水素燃料として第一改質ガスと共に燃料改質気筒２Ａから排出される場合であっても、後段の燃料改質触媒２Ｂによってさらに改質される。すなわち、燃料改質触媒２Ｂにより、前段の燃料改質気筒２Ａにおいて改質しきれなかった高級炭化水素を改質することが可能である。上述したように、燃料改質触媒２Ｂは、一般的に改質反応を生起するために所定の温度に高める必要がある。この点、本実施形態に係る内燃機関１は、燃料改質気筒２Ａと、燃料改質触媒２Ｂとを第一改質ガス通路５１で連通して協働させる構成を取っている。これにより、燃料改質気筒２Ａから排出される高温状態の第一改質ガスが燃料改質触媒２Ｂに供給され、燃料改質触媒２Ｂが速やかに昇温される。よって、内燃機関１の運転を開始した後、速やかに燃料改質触媒２Ｂにおける改質反応を生起させることができる。
　本実施形態の内燃機関１は、さらに、第一改質ガス通路５１に対して、補助空気を導入する構成を備える。燃料改質気筒２Ａでは、当量比が高い状態の混合気、すなわち、燃料過濃予混合気を反応させて第一改質ガスを生成する。このような反応により第一改質ガスを生成した場合、第一改質ガス中には殆ど酸素が存在しない状態となる。そのような第一改質ガスがそのまま燃料改質触媒２Ｂに投入されると、燃料改質触媒２Ｂ内における反応が吸熱反応である場合が多いため、反応場の温度を低下させる可能性がある。反応場の温度が低下した場合、燃料改質触媒２Ｂにおける改質反応が限定的になる。ここで、本実施形態では、反応場の温度を上げながら、発熱反応である部分酸化反応を促進すべく、第一改質ガス通路５１を流れる第一改質ガスに補助空気を導入する。補助空気を導入することで生起される部分酸化反応の例を以下の式（１）に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記式（１）から理解されるように、第一改質ガスに補助空気を導入し酸素を付加することで、第一改質ガスに含まれるメタン（ＣＨ４）から、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）を生成することができる。このような反応を促進することで、出力気筒３の燃料改質気筒室３３に投入される改質ガスのガス成分の濃度割合を調整することが可能になる。
　補助空気の導入を実現する一つの手段として、図１に示す燃料改質触媒吸気通路４６を利用することが挙げられる。上記した燃料改質触媒吸気通路４６を利用することにより、第一改質ガス通路５１に対し、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール１２ａによって加圧された外気（補助空気）を効率よく導入することが可能である。外気の具体的な導入量は、外気導入量調整弁４７の開度を制御することで調整される。外気導入量調整弁４７の開度は、実験、シミュレーション等により作成される運転状態に応じた開度を設定したマップに基づき制御される。
　また、補助空気の導入を実現する他の手段として、上述した燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３を利用することができる。特に、出力気筒３において、混合気に酸素が過剰に含まれる均一希薄予混合燃焼（リーンバーン燃焼）を実施している場合は、出力気筒３から排出される排気ガスに酸素が多く含まれている。その排気ガスの一部を、排気通路６１、燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１、および燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３により、ＥＧＲガスとして第一改質ガス通路５１に導入し、補助空気とすることができる。このＥＧＲガスの導入量は、燃料改質触媒ＥＧＲガス量調量弁７５の開度を制御することで調整される。外気導入量調整弁４７の開度は、実験、シミュレーション等により作成される運転状態に応じた開度を設定したマップに基づき制御される。
　なお、上記した燃料改質触媒吸気通路４６を利用する手段、燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３を利用する手段のいずれかのみを利用することに限定されず、両方を組み合わせて補助空気の導入を実現してもよい。その場合、燃料改質触媒吸気通路４６を利用する手段では、外気が導入されるため、比較的温度が低い補助空気となり、燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３を利用する手段では、出力気筒３にて燃焼された後の排気ガスを利用するため、比較的温度が高い補助空気となる。したがって、燃料改質触媒２Ｂの温度状態に応じて、両者からの供給割合を修正することで、燃料改質触媒２Ｂの温度状態を良好に制御することが可能になる。
　本発明は、上記した実施形態に限定されず、本発明の技術的範囲に含まれる限り、種々の変形例を想定することができる。以下に各変形例について説明する。
　上記した実施形態の燃料改質触媒２Ｂで改質反応を良好に維持するためには、燃料改質触媒２Ｂに担持された触媒の温度を、所定の温度範囲に維持することが好ましい。そこで、図２に示すように、燃料改質触媒２Ｂに導入される導入ガスの温度を検出する導入ガス温度検出装置１０１と、この導入ガスの温度を調整する導入ガス温度調整機構とを設ける。ＥＣＵ１００は、導入ガス温度検出装置１０１によって検出される導入ガス温度に基づき導入ガス温度調整機構を制御する。
　上記した導入ガス温度調整機構は、例えば、図２に示すように、燃料改質部ＥＧＲ通路７１１と、ＥＧＲガスクーラ７１Ａと、燃料改質触媒ＥＧＲガス量調量弁７５’とを備える。燃料改質部ＥＧＲ通路７１１の上流端は、排気通路６１に接続される。燃料改質部ＥＧＲ通路７１１の下流端は、第一改質ガス通路５１に接続される。ＥＧＲガスクーラ７１Ａと、燃料改質触媒ＥＧＲガス量調量弁７５’は、燃料改質部ＥＧＲ通路７１１上に配設される。
　出力気筒３から排出される排気ガスは、運転状態に応じて４００Ｋ～８００Ｋ程度の高温であることから、燃料改質部ＥＧＲ通路７１１を介して第一改質ガス通路５１に排気ガスを導入することで燃料改質触媒２Ｂの入口温度を上げることができる。ＥＣＵ１００は、導入ガス温度検出装置１０１によって検出された温度に基づいて、燃料改質触媒２Ｂに導入される導入ガスの温度が運転状態に応じて設定される所定の目標温度になるように、燃料改質触媒ＥＧＲガス量調量弁７５’の開度をフィードバック制御する。上記したＥＧＲガスクーラ７１Ａは必須の構成ではない。ただし、第一改質ガス通路５１に導入されるＥＧＲガスの温度は高ければ高いほど良いというわけではなく、好ましい温度範囲があるため、ＥＧＲガス温度を適切な温度範囲に調整するために、ＥＧＲガスクーラ７１Ａが燃料改質部ＥＧＲ通路７１１に配設されていることが好ましい。燃料改質部ＥＧＲ通路７１１、および燃料改質触媒ＥＧＲガス量調量弁７５’は、必ずしも新たに設定する必要はなく、図１に示した燃料改質部ＥＧＲ通路７１、燃料改質触媒ＥＧＲガス量調量弁７５を、それぞれ燃料改質部ＥＧＲ通路、および燃料改質触媒ＥＧＲガス量調量弁として利用することもできる。
　導入ガス温度調整機構は、燃料改質気筒２Ａから排出される第一改質ガスの温度を調整する第一改質ガス温度調整機構を備えることができる。第一改質ガス温度調整機構の具体的な実施形態について以下に説明する。
　第一改質ガス温度調整機構の第一の実施形態は、図１に示す燃料改質気筒ＥＧＲ通路７２を含む。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７２により、燃料改質気筒２Ａの入口に導入されるガスの温度（入口温度）を高くすることができる。具体的には、燃料改質気筒２Ａの入口温度を高くするために、燃料改質気筒ＥＧＲ通路７２とともに、燃料改質気筒ＥＧＲガス量調整弁７４を使用する。上記したように、出力気筒３から排出される排気ガスは、運転状態に応じて４００Ｋ～８００Ｋ程度と高温であることから、燃料改質気筒２Ａに導入されるガスに燃料改質気筒ＥＧＲ通路７２を介してＥＧＲガスを導入することで、燃料改質気筒２Ａの入口温度が昇温される。その結果として、燃料改質気筒２Ａから排出される第一改質ガスの温度を昇温することができる。第一改質ガスの昇温の程度は、ＥＧＲガス調量弁７４を制御することによって調整することができる。すなわち、ＥＧＲガス量調整弁７４の制御によってＥＧＲガス量を調整すれば、燃料改質気筒２Ａの入口温度が調整され、その結果、第一改質ガスの温度が調整される。
　第一改質ガス温度調整機構の第二の実施形態は、可変動弁装置２８を含む。可変動弁装置２８により、燃料改質気筒２Ａの有効圧縮比を調整することができる。燃料改質気筒２Ａの有効圧縮比は、燃料改質気筒２Ａにおける吸気バルブ２６が閉弁した時点での燃料改質室２３の容積と、ピストン２２が圧縮上死点に達した時点での燃料改質室２３の容積の比として算出される。
　上記有効圧縮比を変更することで、燃料改質気筒２Ａの圧縮端ガス温度を調整することができる。「圧縮端ガス温度」とは、インジェクタ２５から噴射された燃料によって形成された混合気が、ピストン２２によって改質気筒内の容積が最も小さくなった状態における混合気の温度である。
　具体的には、上記可変動弁装置２８によって吸気バルブ２６の開閉タイミングを調整することで有効圧縮比が調整される。有効圧縮比が高くなるように調整することで圧縮端ガス温度を高くすることができ、有効圧縮比を低くすることで圧縮端ガス温度を低くすることができる。圧縮端ガス温度を高くすることで改質反応を促進し、結果として第一改質ガス温度を上昇させることができ、圧縮端ガス温度を低くすることで第一改質ガス温度を低下させることができる。なお、可変動弁装置２８は、従来から知られているカムの位相を変更する方式のもの、カムリフトを変更する方式のもの、或いは電磁駆動式のバルブ装置等を採用することができ、可変動弁装置の形式に限定されない。
　第一改質ガス温度調整機構の第三の実施形態は、可変動弁装置２９を含む。可変動弁装置２９により、燃料改質気筒２Ａの膨張比を調整することができる。具体的には、可変動弁装置２９によって排気バルブ２７の開閉タイミングを調整することで、膨張比を調整することができる。燃料改質気筒２Ａの膨張比は、燃料改質気筒２Ａにおける膨張行程において排気バルブ２７が開弁した時点での容積と、燃料改質室２３のピストン２２が圧縮上死点に達した時点での燃料改質室２３の容積との比として算出される。したがって、膨張行程における排気バルブ２７の開弁時期を早めることで膨張比を低く、排気バルブ２７の開弁時期を膨張行程における下死点に近づけることで膨張比を高くすることができる。そして、膨張比を低くすることで、燃料改質気筒２Ａから排出される第一改質ガスの温度を高めることができ、膨張比を高くすることで、第一改質ガスの温度を低下させることができる。
　上記した第一改質ガス温度調整機構は、導入ガス温度検出装置１０１によって検出される導入ガス温度に基づいてフィードバック制御されることが好ましい。フィードバック制御される際のフィードバックゲイン等のパラメータは、実験、シミュレーション等により適宜設定される。
　上記した導入ガス温度調整機構の他の実施態様を、図３を参照しながら説明する。この実施態様に係る導入ガス温度調整機構は、第一改質ガス通路５１に配設される第一熱交換器２００と、第一熱交換器２００に出力気筒３から排出される排気ガスを流通させる燃料改質部ＥＧＲ通路７１と、前記燃料改質部ＥＧＲ通路７１を流通する排気ガスの流通量を調整する排気ガス流通量調整弁７１Ｂと、燃料改質触媒２Ｂに導入される導入ガスの温度を検出する導入ガス温度検出装置１０１とを備える。図１に示すように、燃料改質部ＥＧＲ通路７１は、燃料改質気筒ＥＧＲ通路７２、および燃料改質触媒ＥＧＲ通路７３に接続されている。
　図３に示すように、第一熱交換器２００には、排気通路６１から燃料改質部ＥＧＲ通路７１を介して高温の排気ガスが導入される。第一熱交換器２００は、第一改質ガス通路５１を通過する第一改質ガスに排気ガスの熱を伝えて、第一改質ガスを昇温する。排気ガス流通量調整弁７１Ｂの開度を大きくすることで、第一熱交換器２００を流通する排気ガスを増加させることができる。第一熱交換器２００を流通する排気ガスを増加させることで、第一改質ガス通路５１を通過する第一改質ガスの温度をより高くすることができる。上記した排気ガス流通量調整弁７１Ｂの開度は、導入ガス温度検出装置１０１によって検出される導入ガス温度に基づいてフィードバック制御されることが好ましい。フィードバック制御される際のフィードバックゲイン等のパラメータは、実験、シミュレーション等により適宜設定される。この構成によれば、燃料改質気筒２Ａから排出される第一改質ガスのガス成分になんら影響を与えることなく、第一改質ガスの温度を調整することができる。なお、本実施形態における燃料改質部ＥＧＲ通路７１は、「排気ガス連通路」に相当する。
　本発明は、上記した変形例に限定されず、さらに種々の変形例を含むことができる。以下に、その他の変形例について説明する。
　図４に示す変形例では、燃料改質部２は、第一改質ガス通路５１に燃料を供給して燃料改質触媒２Ｂに導入されるガスの当量比を調整する当量比調整機構を備える。当量比調整機構は、追加燃料噴射インジェクタ１１０を含む。追加燃料噴射インジェクタ１１０は、第一改質ガス通路５１に設けられている。追加燃料噴射インジェクタ１１０から供給される燃料量は、ＥＣＵ１００の制御信号に基づき制御される。
　例えば、機関の高負荷時において、出力気筒３に供給されるべき燃料ガスの全てを燃料改質気筒２Ａのみでは生成できない場合がある。この場合、追加燃料噴射インジェクタ１１０によって燃料改質触媒２Ｂに燃料を追加供給することで、出力気筒３に供給されるべき燃料ガスの不足分を補うことができる。
　また、上述したように、燃料改質気筒２Ａに当量比が高い過濃混合気を導入して改質反応を生起しても、燃料改質気筒２Ａにおいて改質しきれずに第一改質ガスに高級炭化水素を含む燃料が残存してしまう場合がある。これは、出力気筒３に多くの燃料量を供給する必要がある高負荷運転時に顕著になる。そこで、機関の運転状態に応じて算出される燃料改質部２に供給されるべき燃料のうち、燃料改質気筒２Ａのインジェクタ２５から燃料改質室２３内に供給される燃料量を、燃料改質気筒２Ａにおいて燃料が良好に改質し得る燃料量にとどめる。そして、燃料改質部２に供給されるべき燃料量から燃料改質室２３内に供給される燃料量を引いた残りの燃料を、追加燃料噴射インジェクタ１１０から噴射する。追加燃料噴射インジェクタ１１０によって追加された燃料、および燃料改質気筒２Ａで改質しきれなかった高級炭化水素を含む第一改質ガスは、燃料改質触媒２Ｂによって改質される。これにより、良質かつ十分な量の燃料ガスを出力気筒３に供給することができる。
　このように、追加燃料噴射インジェクタ１１０は、第一改質ガス通路５１に燃料を追加して供給することで、燃料改質触媒２Ｂに導入されるガスの当量比を調整する。
　図４を参照しながら、更に別の変形例について説明する。燃料改質触媒２Ｂでは、以下の式（２）で示されるように、炭素数の異なる種々の炭化水素をＨ２、ＣＯに変換する水蒸気改質反応が生起される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、燃料改質触媒２Ｂの改質反応によりＣＯとＨ２との比率を変化させる反応として、以下の式（３）で示す水性ガスシフト反応がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上記した式（２）、（３）で示す改質反応を適宜組み合わせることで、燃料改質触媒２Ｂによって排出される第二改質ガス中の主要改質ガス成分であるＨ２、ＣＯ、低級炭化水素（メタン等）の比率を任意に調整することができる。
　上記した式（２）、（３）で示す改質反応を実現する手段として、第一改質ガス通路５１の燃料改質触媒２Ｂの入口部に水噴射インジェクタ１２０から構成される水供給機構を設置する。そして、運転状態に応じて要求される改質ガス成分割合に基づいて、水噴射インジェクタ１２０から、所定の水を燃料改質触媒２Ｂに対して供給する。
　上記した水噴射インジェクタ１２０から水を噴射する場合、内燃機関１に図示しない水タンクを付加して定期的に水を補給することとしても良いが、排気通路６１の経路上に排気ガス冷却装置を配設することにより、排気ガス中に含まれる水蒸気を取り出す凝縮水収集機構を配設することが好ましい。この凝縮水を水タンクに貯留するようにすれば水を補給する必要をなくすことができる。
　図５を参照しながら、さらに別の変形例について説明する。図５に示す変形例では、燃料改質部２は、燃料改質気筒２Ａに導入される導入ガスと、燃料改質触媒２Ｂから排出される第二改質ガスとが流通する第二熱交換器３００を備える。第二熱交換器３００は、導入ガスと第二改質ガスとの熱交換により、第二改質ガスを冷却しつつ燃料改質気筒２Ａに導入されるガスの昇温を行う。
　上記したように、燃料改質触媒２Ｂにおける反応は高温下（６００Ｋ以上）で行われることから、図１に示す実施形態では、燃料改質触媒２Ｂから排出される第二改質ガスを改質ガス冷却器５３によって冷却している。本変形例は、第二改質ガスが有する熱エネルギーを用いて、燃料改質気筒２Ａに導入されるガスを昇温しつつ、第二改質ガスを冷却するようにしたものである。
　上記第二熱交換器３００によれば、第二改質ガスの熱を燃料改質気筒２Ａに導入されるガスに供給して昇温することで、燃料改質気筒２Ａの圧縮端ガス温度を上昇させることができ、高い当量比であっても高い改質効率を得ることができる。さらに、燃料改質触媒２Ｂの反応熱を熱回収していることにもなり、内燃機関１のシステム全体の効率向上に貢献する。
　上述した実施形態では、各変形例を個別に説明したが、それぞれが独立して内燃機関１に備えられることに限定されず、各変形例が同時に備えられるように構成してもよい。
　例えば、第一改質ガス温度調整機構の例として、燃料改質気筒２Ａの入口温度を調整する機構、燃料改質気筒２Ａの有効圧縮比を調整する機構、および燃料改質気筒２Ａの膨張比を調整する機構、を、それぞれ個別に説明したが、これらを適宜組み合わせて、第一改質ガスの温度を調整することができる。
　また、上記した第一改質ガス通路５１に対して追加燃料噴射インジェクタ１１０を配設して燃料改質触媒２Ｂに追加燃料を供給する構成、第一改質ガス通路５１に対して水噴射インジェクタ１２０を配設して燃料改質触媒２Ｂに水を供給する構成をそれぞれ説明したが、これらを同時に配設することももちろん可能である。
　さらに、上記した第一熱交換器２００、第二熱交換器３００についても同時に構成することが可能であり、個別に備えることに限定されない。
　上記した実施形態の内燃機関１は、定置式の発電機に適用される内燃機関として説明したが、本発明はこれに限定されず、舶用、車両用等、他の用途に適用されることを含む。
１：内燃機関
２：燃料改質部
２Ａ：燃料改質気筒（第一燃料改質器）
２Ｂ：燃料改質触媒（第二燃料改質器）
３：出力気筒
４：吸気系
５：改質燃料供給系
６：排気系
７：ＥＧＲ系
１１：クランクシャフト
２１、３１：シリンダ
２２、３２：ピストン
４１：メイン吸気通路
４２：燃料改質気筒吸気通路
４３：出力気筒吸気通路
４４：吸気冷却器
４６：燃料改質触媒吸気通路（補助空気導入通路）
４７：外気導入量調整弁
５１：第一改質ガス通路（改質ガス通路）
７１：燃料改質部ＥＧＲ通路（排気ガス連通路）
７３：燃料改質触媒ＥＧＲ通路（補助空気導入通路）
７４：ＥＧＲガス量調整弁
７５：燃料改質触媒ＥＧＲガス量調整弁
１００：ＥＣＵ
１０１：導入ガス温度検出装置
１１０：追加燃料噴射インジェクタ
１２０：水噴射インジェクタ（水供給機構）
２００：第一熱交換器
３００：第二熱交換器

Claims (8)

  1. 　液体燃料から前記液体燃料よりもオクタン価の高い改質燃料を生成し出力気筒に導入する燃料改質部を備えた内燃機関であって、
    　前記燃料改質部は、
    　シリンダ内でピストンが往復動するレシプロ型機構を含む第一燃料改質器と、
    　改質触媒を含む第二燃料改質器と、
    　前記第一燃料改質器と前記第二燃料改質器とを接続する改質ガス通路と、
    　を備え、
    　前記第一燃料改質器から排出される第一改質ガスが、前記改質ガス通路を介して前記第二改質器に導入される、内燃機関。
  2. 　前記燃料改質部は、
    　前記改質ガス通路に、外気、および前記出力気筒から排出された排気の少なくとも一方を補助空気として導入する補助空気導入通路をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 　前記燃料改質部は、
    　前記第二燃料改質器に導入される導入ガスの温度を検出する導入ガス温度検出装置と、
    　前記第二燃料改質器に導入される導入ガスの温度を調整する導入ガス温度調整機構と、
    　前記導入ガス温度検出装置により検出された前記導入ガス温度に基づいて、前記導入ガス温度調整機構を制御する制御装置と、をさらに備える、請求項２に記載の内燃機関。
  4. 　前記導入ガス温度調整機構は、
    　前記第一改質ガスの温度を調整する第一改質ガス温度調整機構を備え、
    　前記制御装置は、
    　検出された前記導入ガス温度に基づいて、前記第一改質ガス温度調整機構を制御することにより前記導入ガスが所定の温度となるように調整する、請求項３に記載の内燃機関。
  5. 　前記導入ガス温度調整機構は、
    　前記改質ガス通路に配設される第一熱交換器と、
    　前記第一熱交換器に前記出力気筒から排出される排気ガスを流通させる排気ガス連通路と、
    　前記排気ガス連通路を流通する排気ガスの流通量を調整する排気ガス流通量調整弁と、を備え、
    　前記制御装置は、
    　前記排気ガス流通量調整弁を制御することにより前記導入ガスの温度を調整する、請求項３に記載の内燃機関。
  6. 　前記燃料改質部は、
    　前記改質ガス通路に燃料を供給して前記第二燃料改質器に導入される導入ガスの当量比を調整する当量比調整機構をさらに備える、請求項１乃至５のいずれかに記載された内燃機関。
  7. 　前記燃料改質部は、
    　前記改質ガス通路に水を供給する水供給機構をさらに備える、請求項１乃至６のいずれかに記載された内燃機関。
  8. 　前記燃料改質部は、
    　前記第一燃料改質器へ導入される導入ガスと、前記第二燃料改質器から排出される第二改質ガスとが流通する第二熱交換器をさらに備える、請求項１乃至７のいずれかに記載された内燃機関。
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