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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023031376
(43)【公開日】2023-03-09
(54)【発明の名称】エンジンシステム
(51)【国際特許分類】
F02D 19/02 20060101AFI20230302BHJP
F02M 21/04 20060101ALI20230302BHJP
【ＦＩ】
F02D19/02 C
F02M21/04 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021136815
(22)【出願日】2021-08-25
(71)【出願人】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000003218
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】佐古 孝弘
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼島 良胤
(72)【発明者】
【氏名】薬師寺 新吾
(72)【発明者】
【氏名】前嶋 秀明
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 護
【テーマコード（参考）】
3G092
【Ｆターム（参考）】
3G092AA02
3G092AA18
3G092AB08
3G092FA24
3G092HB05Z
(57)【要約】
【課題】改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上しエンジンの正味熱効率を向上し得るエンジンシステムを提供する。
【解決手段】改質気筒４０ｄにおいて混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を改質ガスＫが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置５０を備える。
【選択図】図１
【解決手段】改質気筒４０ｄにおいて混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を改質ガスＫが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置５０を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の気筒のうち少なくとも一部を、燃料と燃焼用空気とを含む混合気の少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒として働かせ、複数の前記気筒の残部を、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスが導かれる通常気筒として働かせることが可能なエンジンシステムにおいて、
前記改質気筒において前記混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置を備えるエンジンシステム。
前記改質気筒において前記混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置を備えるエンジンシステム。
【請求項2】
前記制御装置は、前記改質気筒にて前記混合気を自着火燃焼するときの空気過剰率の範囲の下限である自着火下限値が、前記改質気筒にて前記混合気を火花点火するときの前記通常気筒での空気過剰率の範囲の下限である火花点火下限値よりも小さい値に設定される自着火範囲で、前記改質気筒における前記空気過剰率制御を実行する請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項3】
前記制御装置は、
前記自着火前の前記改質気筒における圧力を調整して前記改質気筒の実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段と、前記改質気筒に給気される新気の温度を調整する新気温度調整手段との少なくとも何れか一方を働かせて、前記改質気筒において前記混合気を自着火燃焼させる請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
前記自着火前の前記改質気筒における圧力を調整して前記改質気筒の実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段と、前記改質気筒に給気される新気の温度を調整する新気温度調整手段との少なくとも何れか一方を働かせて、前記改質気筒において前記混合気を自着火燃焼させる請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項4】
前記改質気筒からの前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度を測定する燃焼促進性ガス濃度測定部を備え、
前記制御装置は、前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定された前記燃焼促進性ガスの濃度が最大化するように、前記改質気筒において前記空気過剰率制御を実行する請求項１～３の何れか一項に記載のエンジンシステム。
前記制御装置は、前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定された前記燃焼促進性ガスの濃度が最大化するように、前記改質気筒において前記空気過剰率制御を実行する請求項１～３の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項5】
少なくとも前記通常気筒へ導かれる燃料を供給する第１燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、
前記制御装置は、前記第２燃料供給部による燃料供給量を調整して前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記第２燃料供給部によるすべての前記改質気筒への総燃料供給量に対する前記第１燃料供給部によるすべての前記通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、
前記改質気筒にて前記自着火燃焼をしている状態で、前記空気過剰率制御を実行する請求項１～４の何れか一項に記載のエンジンシステム。
前記制御装置は、前記第２燃料供給部による燃料供給量を調整して前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記第２燃料供給部によるすべての前記改質気筒への総燃料供給量に対する前記第１燃料供給部によるすべての前記通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、
前記改質気筒にて前記自着火燃焼をしている状態で、前記空気過剰率制御を実行する請求項１～４の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項6】
前記制御装置は、前記改質気筒にて前記自着火燃焼をしている状態で、前記空気過剰率制御を実行しているときに、前記通常気筒へ前記燃料として前記改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する請求項１～５の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項7】
複数の前記気筒として少なくとも１つの前記改質気筒を備える改質エンジンと、複数の前記気筒として前記通常気筒を備える外部出力エンジンとを備える請求項１～６の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の気筒のうち少なくとも一部を、燃料と燃焼用空気とを含む混合気の少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒として働かせ、複数の前記気筒の残部を、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスが導かれる通常気筒として働かせることが可能なエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、エンジンシステムとして、燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する燃焼室を有する通常気筒を少なくとも１つ備えると共に、混合気の少なくとも一部を燃焼室にて部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒を少なくとも一つ備え、改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも通常気筒へ導くものが知られている（特許文献１を参照）。
改質気筒では、例えば、メタンを主成分とする燃料を含む過濃混合気を部分酸化反応させることで、水素等の燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスを生成することができる。そして、当該改質ガスを通常気筒へ導くことで、例えば、通常気筒の燃焼室での火花伝播速度を上昇させ、失火や燃焼変動を低下できると共に、燃焼促進性ガスの燃焼による熱効率の向上が期待できる。
改質気筒では、例えば、メタンを主成分とする燃料を含む過濃混合気を部分酸化反応させることで、水素等の燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスを生成することができる。そして、当該改質ガスを通常気筒へ導くことで、例えば、通常気筒の燃焼室での火花伝播速度を上昇させ、失火や燃焼変動を低下できると共に、燃焼促進性ガスの燃焼による熱効率の向上が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－９４９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献１に開示のエンジンシステムでは、上述したように、通常気筒での燃焼促進性ガスの燃料により熱効率の向上が期待できるのであるが、例えば、改質気筒での燃焼状態を制御することにより、更なる熱効率の向上を図ることができる可能性があり、新たな技術の開発が望まれていた。
【0005】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上しエンジンの正味熱効率を向上し得るエンジンシステムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
複数の気筒のうち少なくとも一部を、燃料と燃焼用空気とを含む混合気の少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒として働かせ、複数の前記気筒の残部を、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスが導かれる通常気筒として働かせることが可能なエンジンシステムであって、その特徴構成は、
前記改質気筒において前記混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置を備える点にある。
複数の気筒のうち少なくとも一部を、燃料と燃焼用空気とを含む混合気の少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料よりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスへ改質する改質気筒として働かせ、複数の前記気筒の残部を、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスが導かれる通常気筒として働かせることが可能なエンジンシステムであって、その特徴構成は、
前記改質気筒において前記混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する制御装置を備える点にある。
【0007】
本発明の発明者らは、鋭意研究した結果、改質気筒において混合気に火花点火している状態で当該改質気筒の空気過剰率を制御した場合、図３（ａ１）（ａ２）に示すように、改質気筒の空気過剰率を１から所定のピーク空気過剰率（図３で、αに対応する空気過剰率）まで減少させるのに従って、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化炭素の濃度が徐々に上昇し、所定のピーク空気過剰率を超えて減少させると、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化窒素の濃度が徐々に減少するという知見を得た。
更に、図４に示すように、通常気筒及び改質気筒において混合気を火花点火する場合の改質気筒を含む正味熱効率は、改質気筒の空気過剰率を１から所定のピーク空気過剰率近傍まで減少させるのに従って徐々に上昇し、所定のピーク空気過剰率近傍を超えて減少させると徐々に減少することも判明した。
即ち、図３（ａ１）（ａ２）、図４に示される結果から、改質気筒において空気過剰率を変化させたときに、改質気筒を含むエンジンの正味熱効率は、改質気筒にて生成される燃焼促進性ガスの濃度と、正の相関を有すると推定される。
更に、図４に示すように、通常気筒及び改質気筒において混合気を火花点火する場合の改質気筒を含む正味熱効率は、改質気筒の空気過剰率を１から所定のピーク空気過剰率近傍まで減少させるのに従って徐々に上昇し、所定のピーク空気過剰率近傍を超えて減少させると徐々に減少することも判明した。
即ち、図３（ａ１）（ａ２）、図４に示される結果から、改質気筒において空気過剰率を変化させたときに、改質気筒を含むエンジンの正味熱効率は、改質気筒にて生成される燃焼促進性ガスの濃度と、正の相関を有すると推定される。
【0008】
ここで、図３（ａ１）（ａ２）に示すように、改質気筒の混合気に火花点火している状態で改質気筒の空気過剰率を制御することにより、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を制御する場合、当該燃焼促進性ガスの濃度は、所定のピーク空気過剰率まで空気過剰率を低下させるに伴って上昇するものの、所定のピーク過剰率を超えて空気過剰率を低下させると、改質気筒での過濃混合気を火花点火し難くなる等の理由により減少してしまう。
【0009】
このような状況において、本発明の発明者らは、改質気筒において混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、改質気筒における空気過剰率を改質ガスが生成される所定の範囲で制御する実験及びシミュレーションを試みた。尚、当該実験及びシミュレーションにおいて、通常気筒及び改質気筒のストロークボア比（ストローク／ボア）、排気量、機関回転速度は、通常のエンジンにて、一般的に用いられる値に調整した。
因みに、シミュレーションは、ＧＴ－Ｐｏｗｅｒ（Ｇａｍｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を用いて行った。
因みに、シミュレーションは、ＧＴ－Ｐｏｗｅｒ（Ｇａｍｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を用いて行った。
【0010】
図３（ｂ１）（ｂ２）の実験結果及び図３（ｃ１）（ｃ２）のシミュレーション結果に示されるように、改質気筒において混合気を火花点火により燃焼する場合と比較して、改質気筒において混合気を自着火燃焼する場合では、上述の混合気を火花点火する場合での所定のピーク空気過剰率（図３で、αに対応する空気過剰率）より低い空気過剰率で燃焼促進性ガスを生成できることが確認できた。また、所定のピーク空気過剰率より低い空気過剰率においても空気過剰率を低下させるのに従って燃焼促進性ガスの濃度が上昇する傾向がある空気過剰率の範囲があることを確認できた。
更には、改質気筒において混合気を自着火燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でβ１、β２）は、実験結果及びシミュレーション結果の何れにおいても、改質気筒において混合気を火花点火により燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でα）の２倍以上の値となっており、当該燃焼促進性ガスを含む改質ガスを通常気筒へ導くことにより、通常気筒での更なる正味熱効率の向上を図ることができる可能性がある。
更には、改質気筒において混合気を自着火燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でβ１、β２）は、実験結果及びシミュレーション結果の何れにおいても、改質気筒において混合気を火花点火により燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でα）の２倍以上の値となっており、当該燃焼促進性ガスを含む改質ガスを通常気筒へ導くことにより、通常気筒での更なる正味熱効率の向上を図ることができる可能性がある。
【0011】
因みに、発明者らは、実験結果等は省略するが、改質気筒において混合気を火花点火により燃焼する場合、改質気筒での空気過剰率は比較的高い空気過剰率（例えば、０．５≦λ＜１の範囲）であっても、燃焼促進性ガスを良好に生成できることを確認している。
【0012】
ここで、例えば、燃焼室にて混合気の自着火燃焼を行うエンジンシステムは、例えば、先行技術文献（特開２００２－２１６０８号公報）に示されるように、空気過剰率が１より十分に大きい希薄領域（当量比でいえば、０．２≦φ≦０．４）で運転することにより比熱比を向上させ正味熱効率を向上させると共に、実圧縮比を大きい値（１７以上１９以下）とすることで正味熱効率を向上させるものである。
これに対し、本発明は、改質気筒において空気過剰率が１より十分に小さい過濃領域で自着火燃焼することにより、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度の増加による通常気筒での正味熱効率向上を狙うものであるため、従来の自着火燃焼によるエンジンシステムとは全く異なる技術的思想に基づくものである。
即ち、本発明の発明者らは、従来技術の自着火燃焼を行うエンジンシステムでは十分に検討されることのなかった燃料過濃状態での燃焼室としての改質気筒において、例えば、圧縮比を上昇させる等の制御を実行することにより、自着火燃焼を実現することで、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度の向上を図るという技術思想を着想した。
そして、当該技術思想により、改質気筒において混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、改質気筒における空気過剰率を改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行するエンジンシステムを完成した。
これに対し、本発明は、改質気筒において空気過剰率が１より十分に小さい過濃領域で自着火燃焼することにより、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度の増加による通常気筒での正味熱効率向上を狙うものであるため、従来の自着火燃焼によるエンジンシステムとは全く異なる技術的思想に基づくものである。
即ち、本発明の発明者らは、従来技術の自着火燃焼を行うエンジンシステムでは十分に検討されることのなかった燃料過濃状態での燃焼室としての改質気筒において、例えば、圧縮比を上昇させる等の制御を実行することにより、自着火燃焼を実現することで、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度の向上を図るという技術思想を着想した。
そして、当該技術思想により、改質気筒において混合気を圧縮して自着火燃焼している状態で、改質気筒における空気過剰率を改質ガスが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行するエンジンシステムを完成した。
【0013】
以上より、改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上しエンジンの正味熱効率を向上し得るエンジンシステムを実現できる。
【0014】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記改質気筒にて前記混合気を自着火燃焼するときの空気過剰率の範囲の下限である自着火下限値が、前記改質気筒にて前記混合気を火花点火するときの前記通常気筒での空気過剰率の範囲の下限値よりも小さい値に設定される自着火範囲で、前記改質気筒における前記空気過剰率制御を実行する点にある。
前記制御装置は、前記改質気筒にて前記混合気を自着火燃焼するときの空気過剰率の範囲の下限である自着火下限値が、前記改質気筒にて前記混合気を火花点火するときの前記通常気筒での空気過剰率の範囲の下限値よりも小さい値に設定される自着火範囲で、前記改質気筒における前記空気過剰率制御を実行する点にある。
【0015】
上記特徴構成の如く、改質気筒にて混合気を自着火燃焼するときの空気過剰率の範囲の下限である自着火下限値が、改質気筒にて混合気を火花点火するときの通常気筒での空気過剰率の範囲の下限値よりも小さい値に設定される自着火範囲で、改質気筒における空気過剰率制御を実行する、即ち、改質気筒で混合気を自着火燃焼することにより、改質気筒での空気過剰率の下限限界を拡大することで、改質ガス中の燃焼促進性ガスの濃度を向上でき、エンジンの正味熱効率を向上し得る。
【0016】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、前記制御装置が、
前記自着火前の前記改質気筒における圧力を調整して前記改質気筒の実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段と、前記改質気筒に給気される新気の温度を調整する新気温度調整手段との少なくとも何れか一方を働かせて、前記改質気筒において前記混合気を自着火燃焼させる点にある。
前記自着火前の前記改質気筒における圧力を調整して前記改質気筒の実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段と、前記改質気筒に給気される新気の温度を調整する新気温度調整手段との少なくとも何れか一方を働かせて、前記改質気筒において前記混合気を自着火燃焼させる点にある。
【0017】
本発明の発明者らは、自着火前の改質気筒における圧力を調整して改質気筒の実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段と、改質気筒に給気される新気の温度を調整する新気温度調整手段との少なくとも何れか一方を働かせることで、空気過剰率が１よりも低い過濃領域において、改質気筒において混合気を自着火燃焼させて改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上できることを新たに見出した。
上記特徴構成により、改質気筒での空気過剰率の下限限界を拡大し、改質ガス中の燃焼促進性ガスの濃度を向上してエンジンの正味熱効率を向上し得る。
上記特徴構成により、改質気筒での空気過剰率の下限限界を拡大し、改質ガス中の燃焼促進性ガスの濃度を向上してエンジンの正味熱効率を向上し得る。
【0018】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質気筒からの前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度を測定する燃焼促進性ガス濃度測定部を備え、
前記制御装置は、前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定された前記燃焼促進性ガスの濃度が最大化するように、前記改質気筒において前記空気過剰率制御を実行する点にある。
前記改質気筒からの前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度を測定する燃焼促進性ガス濃度測定部を備え、
前記制御装置は、前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定された前記燃焼促進性ガスの濃度が最大化するように、前記改質気筒において前記空気過剰率制御を実行する点にある。
【0019】
上記特徴構成の如く、制御装置が、空気過剰率制御において、燃焼促進性ガス測定部にて測定された燃焼促進性ガスの濃度が最大化するように、改質気筒における空気過剰率を制御することで、改質気筒にて混合気を火花点火する場合の改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度（図３でα）よりも高い燃焼促進性ガスの濃度、即ち、改質気筒にて混合気を自着火燃焼する場合の燃焼促進性ガスの濃度（図３でβ１又はβ２）で改質ガスを生成でき、当該燃焼促進性ガスの濃度と正の相関を有する通常気筒の正味熱効率を最高点で運転し得る。
【0020】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
少なくとも前記通常気筒へ導かれる燃料を供給する第１燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、
前記制御装置は、前記第２燃料供給部による燃料供給量を調整して前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記第２燃料供給部によるすべての前記改質気筒への総燃料供給量に対する前記第１燃料供給部によるすべての前記通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、
前記改質気筒にて前記自着火燃焼をしている状態で、前記空気過剰率制御を実行する点にある。
少なくとも前記通常気筒へ導かれる燃料を供給する第１燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、
前記制御装置は、前記第２燃料供給部による燃料供給量を調整して前記改質気筒における空気過剰率を前記改質ガスが生成される所定の範囲で制御する前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記第２燃料供給部によるすべての前記改質気筒への総燃料供給量に対する前記第１燃料供給部によるすべての前記通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、
前記改質気筒にて前記自着火燃焼をしている状態で、前記空気過剰率制御を実行する点にある。
【0021】
本発明の発明者らは、改質気筒への総燃料供給量に対するすべての通常気筒への総燃料供給量の比である燃料比を低下する、即ち、通常気筒の燃料として改質ガス由来のものを増加することで、エンジンの正味熱効率を向上できることを見出している。
そこで、上記特徴構成によれば、燃料比低下制御に基づく正味熱効率の向上に加え、改質気筒にて自着火燃焼をしている状態で空気過剰率を制御することによる通常気筒の正味熱効率の向上の効果も期待できるから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。
そこで、上記特徴構成によれば、燃料比低下制御に基づく正味熱効率の向上に加え、改質気筒にて自着火燃焼をしている状態で空気過剰率を制御することによる通常気筒の正味熱効率の向上の効果も期待できるから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。
【0022】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記改質気筒にて前記自着火燃焼をしている状態で、前記空気過剰率制御を実行しているときに、前記通常気筒へ前記燃料として前記改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する点にある。
前記制御装置は、前記改質気筒にて前記自着火燃焼をしている状態で、前記空気過剰率制御を実行しているときに、前記通常気筒へ前記燃料として前記改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する点にある。
【0023】
上述したように、通常気筒の燃料として改質ガス（燃焼促進性ガス）の割合を増加することで、通常気筒での正味熱効率を向上できるので、上記特徴構成の如く、通常気筒へ燃料として改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行することで、正味熱効率を向上できることに加え、改質気筒にて自着火燃焼をしている状態で空気過剰率制御を実行することによっても、通常気筒での正味熱効率の向上を図り得るから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。
【0024】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
複数の前記気筒として少なくとも１つの前記改質気筒を備える改質エンジンと、複数の前記気筒として前記通常気筒を備える外部出力エンジンとを備える点にある。
複数の前記気筒として少なくとも１つの前記改質気筒を備える改質エンジンと、複数の前記気筒として前記通常気筒を備える外部出力エンジンとを備える点にある。
【0025】
本発明のエンジンシステムは、上記特徴構成の如く、改質気筒を備える改質エンジンと、当該改質気筒から改質ガスが導かれる通常気筒を備える外部出力エンジンとを各別に備える構成であっても、これまで説明してきた効果を好適に発揮する。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。
【図2】実施形態に係るエンジンシステムの改質気筒の概略図である。
【図3】改質気筒の空気過剰率毎の改質ガスにおける水素・一酸化炭素の濃度を示すグラフ図であり、（ａ１）（ａ２）は火花点火での実験結果、（ｂ１）（ｂ２）は自着火での実験結果、（ｃ１）（ｃ２）は自着火でのシミュレーション結果を夫々示すものである。
【図4】改質気筒での空気過剰率毎のエンジン全体での正味熱効率を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本発明の実施形態に係るエンジンシステム１００は、改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上しエンジンの正味熱効率を向上し得るものに関する。
以下、当該エンジンシステム１００について、図面に基づいて説明する。
以下、当該エンジンシステム１００について、図面に基づいて説明する。
【0028】
実施形態に係るエンジンシステム１００は、図１に示すように、エンジン本体４０に、都市ガス１３Ａ等（メタンを主成分とする炭化水素ガスの一例）の燃料Ｆと燃焼用空気Ａとを含む混合気Ｍを燃焼する通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、混合気Ｍの少なくとも一部を部分酸化反応させて燃料Ｆよりも燃焼速度の速い燃焼促進性ガスを含む改質ガスＫへ改質する改質気筒４０ｄとを備え、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれる燃料を供給する第１燃料供給部と、改質気筒４０ｄへ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、改質気筒４０ｄにて改質された改質ガスＫを、少なくとも通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導く（当該実施形態では通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみへ導く）ものである。
尚、改質気筒４０ｄでは、以下の〔式１〕にて示される水蒸気改質や、〔式２〕にて示される水性ガスシフト反応も進行する。
尚、改質気筒４０ｄでは、以下の〔式１〕にて示される水蒸気改質や、〔式２〕にて示される水性ガスシフト反応も進行する。
【0029】
ＣＨ４＋Ｈ２０→ＣＯ＋３Ｈ２・・・〔式１〕
【0030】
ＣＯ＋Ｈ２０→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・〔式２〕
【0031】
以下、図１に基づいて、実施形態に係るエンジンシステム１００について説明する。
当該実施形態のエンジンシステム１００は、ターボ過給式エンジンとして構成されており、少なくとも１つ以上（当該実施形態では３つ）の通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、少なくとも１つ以上（当該実施形態では１つ）の改質気筒４０ｄとを備えている。更には、エンジンの運転状態を検出するセンサ等の測定結果が入力され、その入力信号に基づいてターボ過給式エンジンの運転を制御するハードウェア群とソフトウェア群とから構成されているエンジンコントロールユニット（以下、制御装置５０と呼ぶ）を備えている。
当該実施形態のエンジンシステム１００は、ターボ過給式エンジンとして構成されており、少なくとも１つ以上（当該実施形態では３つ）の通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、少なくとも１つ以上（当該実施形態では１つ）の改質気筒４０ｄとを備えている。更には、エンジンの運転状態を検出するセンサ等の測定結果が入力され、その入力信号に基づいてターボ過給式エンジンの運転を制御するハードウェア群とソフトウェア群とから構成されているエンジンコントロールユニット（以下、制御装置５０と呼ぶ）を備えている。
【0032】
この種のエンジンシステム１００は、詳細な図示は省略するが、給気本管２０から通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室（図示せず）へ給気弁（図示せず）を介して給気した新気を、ピストンの上昇により圧縮した状態で点火プラグ（図示せず）にて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて回転軸（図示せず）から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した排ガスＥは、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室から排気弁（図示せず）を介して排気路２７に押し出され、外部へ排出される。
尚、詳細については後述するが、給気本管２０から供給される燃焼用空気Ａは、改質気筒用給気支管２０ｄを通じて改質気筒４０ｄにも供給され、改質気筒４０ｄでもピストンを押し下げて回転軸から回転動力を出力する。ただし、当該改質気筒４０ｄにて排ガスとして生成される改質ガスＫは、外部へ排出されることなく、そのすべてが改質ガス通流路２８を介して給気本管２０へ戻され、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれることとなる。
尚、詳細については後述するが、給気本管２０から供給される燃焼用空気Ａは、改質気筒用給気支管２０ｄを通じて改質気筒４０ｄにも供給され、改質気筒４０ｄでもピストンを押し下げて回転軸から回転動力を出力する。ただし、当該改質気筒４０ｄにて排ガスとして生成される改質ガスＫは、外部へ排出されることなく、そのすべてが改質ガス通流路２８を介して給気本管２０へ戻され、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれることとなる。
【0033】
給気本管２０には、燃焼用空気Ａを浄化するエアクリーナ２１、燃焼用空気Ａに燃料Ｆを適切な比率（空燃比）で混合するベンチュリー式のミキサ１４、開度調整により通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの混合気Ｍの給気量を調整可能な通常気筒用スロットル弁２３が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、給気本管２０において、ミキサ１４で燃料Ｆと燃焼用空気Ａとを混合して生成された混合気Ｍは、通常気筒用スロットル弁２３を介して所定の流量に調整されて、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室へ導入される。
即ち、給気本管２０において、ミキサ１４で燃料Ｆと燃焼用空気Ａとを混合して生成された混合気Ｍは、通常気筒用スロットル弁２３を介して所定の流量に調整されて、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室へ導入される。
【0034】
給気本管２０からミキサ１４の上流側で分岐する改質気筒用給気支管２０ｄには、燃焼用空気Ａを圧縮する過給機３０としてのコンプレッサ３１、当該コンプレッサ３１の昇圧により昇温した燃焼用空気Ａを冷却するインタークーラ２２、開度調整により改質気筒４０ｄへの混合気Ｍの給気量を調整可能な改質気筒用スロットル弁２５、燃焼用空気Ａに燃料Ｆを適切な比率（空燃比）で混合するベンチュリー式のミキサ１６が、その上流側から記載の順に設けられている。
【0035】
ミキサ１４に燃料Ｆを導く第１燃料供給路１１には、ミキサ１４の上流側の給気本管２０における燃焼用空気Ａの圧力と第１燃料供給路１１における燃料Ｆの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ１２、ミキサ１４を介して通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室へ供給される燃料Ｆの供給量を調整する第１燃料流量制御弁１３が設けられている。即ち、第１燃料供給路１１、差圧レギュレータ１２、ミキサ１４、及び第１燃料流量制御弁１３が、第１燃料供給部として機能する。
【0036】
過給機３０は、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに接続される排気路２７に設けられるタービン３２に、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃから排出される排ガスＥを供給し、タービン３２に連結される状態で改質気筒用給気支管２０ｄに設けられるコンプレッサ３１により、改質気筒４０ｄの燃焼室に給気される混合気Ｍを圧縮するターボ式の過給機３０として構成されている。即ち、当該過給機３０は、排気路２７を通流する排ガスＥの運動エネルギによりタービン３２を回転させ、当該タービン３２の回転力により改質気筒用給気支管２０ｄを通流する燃焼用空気Ａを圧縮して、改質気筒４０ｄの燃焼室へ供給する、所謂、過給を行う。
つまり、当該実施形態においては、過給機３０は、改質気筒４０ｄへ導かれる燃焼用空気Ａのみを過給する。
つまり、当該実施形態においては、過給機３０は、改質気筒４０ｄへ導かれる燃焼用空気Ａのみを過給する。
【0037】
給気本管２０は、エアクリーナ２１の下流側において、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの夫々へ燃焼用空気Ａ１を導く複数の通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃに接続される給気本管２０と、改質気筒４０ｄへ燃焼用空気Ａを導く改質気筒用給気支管２０ｄに分岐されている。
改質気筒４０ｄは、自身の燃焼室において、新気の一部を部分酸化反応させて、燃料Ｆ（例えば、メタン）よりも燃焼速度の速い水素等の燃焼促進性ガスを含む改質ガスＫを生成するように構成されている。ここで、水素は、メタン及び空気を混合して燃焼する場合、空気過剰率が１より小さい燃料過濃領域に、その発生量のピークがあることが知られている。
そこで、当該実施形態にあっては、改質気筒４０ｄの燃料室において燃料過濃状態で混合気を燃焼させるべく、改質気筒４０ｄへ新気を供給する改質気筒用給気支管２０ｄに、ベンチュリー式のミキサ１６を介する形態で燃料Ｆを供給する第２燃料供給路２９が接続されており、当該第２燃料供給路２９には、燃料Ｆの流量を制御する第２燃料流量制御弁１５が設けられている。第２燃料供給路２９の第２燃料流量制御弁１５の上流側には、燃料Ｆの供給圧を給気本管２０のコンプレッサ３１出口の過給圧まで昇圧するべく、圧縮機（図示せず）等が設けられている。
更に、改質気筒４０ｄには、改質気筒４０ｄにて改質された改質ガスＫを通流する改質ガス通流路２８が接続されており、当該改質ガス通流路２８の下流端が、給気本管２０の通常気筒用スロットル弁２３の下流側に接続されている。即ち、当該実施形態にあっては、改質ガスＫは、そのすべてが通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに導かれるように構成されている。
制御装置５０は、改質気筒４０ｄへの新気の空気過剰率が１より小さくなるように、第２燃料流量制御弁１５の開度を制御する空気過剰率変動制御を実行する。つまり、第２燃料供給路２９、ミキサ１６、及び第２燃料流量制御弁１５が、第２燃料供給部として機能する。
改質気筒４０ｄは、自身の燃焼室において、新気の一部を部分酸化反応させて、燃料Ｆ（例えば、メタン）よりも燃焼速度の速い水素等の燃焼促進性ガスを含む改質ガスＫを生成するように構成されている。ここで、水素は、メタン及び空気を混合して燃焼する場合、空気過剰率が１より小さい燃料過濃領域に、その発生量のピークがあることが知られている。
そこで、当該実施形態にあっては、改質気筒４０ｄの燃料室において燃料過濃状態で混合気を燃焼させるべく、改質気筒４０ｄへ新気を供給する改質気筒用給気支管２０ｄに、ベンチュリー式のミキサ１６を介する形態で燃料Ｆを供給する第２燃料供給路２９が接続されており、当該第２燃料供給路２９には、燃料Ｆの流量を制御する第２燃料流量制御弁１５が設けられている。第２燃料供給路２９の第２燃料流量制御弁１５の上流側には、燃料Ｆの供給圧を給気本管２０のコンプレッサ３１出口の過給圧まで昇圧するべく、圧縮機（図示せず）等が設けられている。
更に、改質気筒４０ｄには、改質気筒４０ｄにて改質された改質ガスＫを通流する改質ガス通流路２８が接続されており、当該改質ガス通流路２８の下流端が、給気本管２０の通常気筒用スロットル弁２３の下流側に接続されている。即ち、当該実施形態にあっては、改質ガスＫは、そのすべてが通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに導かれるように構成されている。
制御装置５０は、改質気筒４０ｄへの新気の空気過剰率が１より小さくなるように、第２燃料流量制御弁１５の開度を制御する空気過剰率変動制御を実行する。つまり、第２燃料供給路２９、ミキサ１６、及び第２燃料流量制御弁１５が、第２燃料供給部として機能する。
【0038】
エンジン本体４０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部４１として、回転軸（図示せず）の回転数を計測する回転数センサが設けられている。
更に、エンジン本体４０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部４１として、当該回転軸のトルクを計測するトルク計測センサが設けられており、制御装置５０は、例えば、回転数センサにて計測されるエンジン回転数と、トルク計測センサにて計測されるトルクに基づいて計算されるエンジン出力が、目標出力となるように、第１燃料流量制御弁１３、第２燃料流量制御弁１５、通常気筒用スロットル弁２３、並びに改質気筒用スロットル弁２５の開度を制御する。
更に、エンジン本体４０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部４１として、当該回転軸のトルクを計測するトルク計測センサが設けられており、制御装置５０は、例えば、回転数センサにて計測されるエンジン回転数と、トルク計測センサにて計測されるトルクに基づいて計算されるエンジン出力が、目標出力となるように、第１燃料流量制御弁１３、第２燃料流量制御弁１５、通常気筒用スロットル弁２３、並びに改質気筒用スロットル弁２５の開度を制御する。
【0039】
さて、図３（ａ１）（ａ２）に示すように、改質気筒４０ｄの混合気Ｍに火花点火している状態で改質気筒４０ｄの空気過剰率を制御する場合、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度は、所定のピーク空気過剰率（図３で、αに対応する空気過剰率）までは空気過剰率を低下させるに伴って上昇するものの、所定のピーク空気過剰率を超えて空気過剰率を低下させると、改質気筒４０ｄでの過濃混合気を火花点火し難くなる等の理由により減少してしまう。
【0040】
そこで、発明者らは、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを圧縮して自着火燃焼している状態で、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を改質ガスＫが生成される所定の範囲で制御する実験及びシミュレーションを試みた。
尚、当該実験及びシミュレーションにおいて、通常気筒及び改質気筒のストロークボア比（ストローク／ボア）、排気量、機関回転速度は、通常のエンジンにて、一般的に用いられる値に調整した。
因みに、シミュレーションは、ＧＴ－Ｐｏｗｅｒ（Ｇａｍｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を用いて行った。
尚、当該実験及びシミュレーションにおいて、通常気筒及び改質気筒のストロークボア比（ストローク／ボア）、排気量、機関回転速度は、通常のエンジンにて、一般的に用いられる値に調整した。
因みに、シミュレーションは、ＧＴ－Ｐｏｗｅｒ（Ｇａｍｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を用いて行った。
【0041】
図３（ｂ１）（ｂ２）の実験結果及び図３（ｃ１）（ｃ２）のシミュレーション結果に示されるように、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを火花点火する場合（図３（ａ１）（ａ２））と比較して、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを自着火燃焼する場合では、上述の所定のピーク空気過剰率（図３で、αに対応する空気過剰率）より低い空気過剰率で燃焼促進性ガスを生成できることを確認した。また、所定のピーク空気過剰率より低い空気過剰率においても空気過剰率を低下させるのに従って燃焼促進性ガスの濃度が上昇する傾向がある空気過剰率の範囲があることを確認できた。
更には、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを自着火燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でβ１、β２）は、実験結果及びシミュレーション結果の何れにおいても、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを火花点火により燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でα）の２倍以上の値となっており、当該燃焼促進性ガスを含む改質ガスＫを通常気筒へ導くことにより、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの更なる正味熱効率の向上を図ることができる可能性がある。
因みに、図３の実験結果において、β１／α＝２．２程度、β２／α＝２．８程度である。
更には、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを自着火燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でβ１、β２）は、実験結果及びシミュレーション結果の何れにおいても、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを火花点火により燃焼する場合の燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でα）の２倍以上の値となっており、当該燃焼促進性ガスを含む改質ガスＫを通常気筒へ導くことにより、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの更なる正味熱効率の向上を図ることができる可能性がある。
因みに、図３の実験結果において、β１／α＝２．２程度、β２／α＝２．８程度である。
【0042】
尚、混合気Ｍを自着火燃焼する場合の実験結果における燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でβ１）及び当該ピーク値における空気過剰率と、シミュレーション結果における燃焼促進性ガスとしての水素の濃度のピーク値（図３でβ２）及び当該ピーク値における空気過剰率とはズレがあるものの、上述した傾向は、両者において共通するものである。
【0043】
そこで、当該実施形態に係るエンジンシステム１００において、制御装置５０は、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを圧縮して自着火燃焼している状態で、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を改質ガスＫが生成される所定の範囲で制御する空気過剰率制御を実行する。
より詳細には、制御装置５０は、改質気筒４０ｄにて混合気Ｍを自着火燃焼するときの空気過剰率の範囲の下限である自着火下限値が、改質気筒４０ｄにて混合気を火花点火するときの通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの空気過剰率の範囲の下限値よりも小さい値に設定される自着火範囲で、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率制御を実行する。具体的には、自着火下限値は、０．２５以下の値に設定される。
より詳細には、制御装置５０は、改質気筒４０ｄにて混合気Ｍを自着火燃焼するときの空気過剰率の範囲の下限である自着火下限値が、改質気筒４０ｄにて混合気を火花点火するときの通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの空気過剰率の範囲の下限値よりも小さい値に設定される自着火範囲で、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率制御を実行する。具体的には、自着火下限値は、０．２５以下の値に設定される。
【0044】
図２に示すように、改質気筒４０ｄにて混合気の自着火燃焼を行うべく、改質気筒４０ｄには、改質気筒用給気支管２０ｄが接続される給気口２０ｆを開閉する給気弁６３と、改質ガス通流路２８が接続される排気口２８ｂを開閉する排気弁６４との開閉タイミングを設定する開閉タイミング設定機構６１が設けられている。
制御装置５０は、改質気筒４０ｄにて混合気Ｍを自着火燃焼する際には、開閉タイミング設定機構６１により、例えば圧縮行程における給気弁６３の閉タイミングを変化させて調整する、又は上述した過給機３０により新気の過給圧を調整する形で、自着火前の改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎの圧力を調整し、燃焼室Ｎにおける実圧縮比を自着火燃焼用実圧縮比に設定する。そして、当該制御装置５９、開閉タイミング設定機構６１、給気弁６３、過給機３０等が、実圧縮比設定手段として働く。
制御装置５０は、改質気筒４０ｄにて混合気Ｍを自着火燃焼する際には、開閉タイミング設定機構６１により、例えば圧縮行程における給気弁６３の閉タイミングを変化させて調整する、又は上述した過給機３０により新気の過給圧を調整する形で、自着火前の改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎの圧力を調整し、燃焼室Ｎにおける実圧縮比を自着火燃焼用実圧縮比に設定する。そして、当該制御装置５９、開閉タイミング設定機構６１、給気弁６３、過給機３０等が、実圧縮比設定手段として働く。
【0045】
ここで、図４に示すように、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを火花点火した場合の結果ではあるが、改質気筒４０ｄを含むエンジン本体４０の正味熱効率は、改質気筒４０ｄの空気過剰率を１からピーク空気過剰率近傍まで減少させるのに従って徐々に上昇し、ピーク空気過剰率近傍を超えて減少させると徐々に減少する。因みに、図４において、η１／η２＝１．１２程度である。
即ち、図４に示される結果から、改質気筒４０ｄにおいて空気過剰率を変化させたときに、改質気筒４０ｄを含むエンジン本体４０の正味熱効率は、改質気筒４０ｄにて生成される燃焼促進性ガスの濃度と、正の相関を有すると推定される。
即ち、図４に示される結果から、改質気筒４０ｄにおいて空気過剰率を変化させたときに、改質気筒４０ｄを含むエンジン本体４０の正味熱効率は、改質気筒４０ｄにて生成される燃焼促進性ガスの濃度と、正の相関を有すると推定される。
【0046】
更に、上述した図３（ｂ１）（ｂ２）（ｃ１）（ｃ２）の実験結果及びシミュレーション結果に示されるように、改質気筒４０ｄで混合気Ｍを自着火燃焼している状態で、当該改質気筒４０ｄでの空気過剰率を制御する空気過剰率制御を実行した場合、改質気筒４０ｄの空気過剰率を１から減少させるのに従って、水素の濃度のピーク値（図３でβ１、β２）を超えるまでは、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化窒素の濃度が徐々に上昇し、水素の濃度のピーク値（図３でβ１、β２）を超えて減少させると、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化窒素の濃度が徐々に減少する。
【0047】
そこで、当該実施形態に係るエンジンシステム１００は、改質気筒４０ｄと通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃとを含む全体での正味熱効率を最高点近傍に維持するべく、以下の構成を備えている。
即ち、エンジンシステム１００は、改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスである水素の濃度を測定する水素センサＳ（燃焼促進性ガス濃度測定部の一例）を改質ガス通流路２８で改質気筒４０ｄの出口に備え、制御装置５０が、空気過剰率制御において、水素センサＳにて測定された水素濃度に基づいて、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を制御する。
換言すると、当該制御装置５０は、空気過剰率制御において、水素センサＳにて測定された水素の濃度が最大化するように、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を制御する形態で、エンジン本体４０の正味熱効率を、改質気筒４０ｄの空気過剰率の制御による最高点に維持する。
即ち、エンジンシステム１００は、改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスである水素の濃度を測定する水素センサＳ（燃焼促進性ガス濃度測定部の一例）を改質ガス通流路２８で改質気筒４０ｄの出口に備え、制御装置５０が、空気過剰率制御において、水素センサＳにて測定された水素濃度に基づいて、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を制御する。
換言すると、当該制御装置５０は、空気過剰率制御において、水素センサＳにて測定された水素の濃度が最大化するように、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を制御する形態で、エンジン本体４０の正味熱効率を、改質気筒４０ｄの空気過剰率の制御による最高点に維持する。
【0048】
更に、本願の発明者らは、空気過剰率制御を実行している状態で、すべての改質気筒４０ｄへの総燃料供給量に対するすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御において、燃料比を低下するほどエンジン本体４０の正味熱効率が向上するという知見を得ている。
そこで、制御装置５０は、第２燃料供給部による燃料供給量を調整して改質気筒４０ｄにおいて空気過剰率制御を実行している状態で、第２燃料供給部によるすべての改質気筒４０ｄへの総燃料供給量に対する第１燃料供給部によるすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、改質気筒４０ｄにて混合気Ｍを自着火燃焼している状態で、改質気筒４０ｄの空気過剰率を制御する。
当該制御により、燃料比低下制御に基づく正味熱効率の向上に加え、改質気筒４０ｄにて混合気を自着火燃焼をしている状態で空気過剰率を制御することによる通常気筒の正味熱効率の向上の効果も期待できるから、より一層のエンジン本体４０の正味熱効率の向上を期待できる。
そこで、制御装置５０は、第２燃料供給部による燃料供給量を調整して改質気筒４０ｄにおいて空気過剰率制御を実行している状態で、第２燃料供給部によるすべての改質気筒４０ｄへの総燃料供給量に対する第１燃料供給部によるすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの総燃料供給量の比である燃料比を低下する燃料比低下制御を実行しているときに、改質気筒４０ｄにて混合気Ｍを自着火燃焼している状態で、改質気筒４０ｄの空気過剰率を制御する。
当該制御により、燃料比低下制御に基づく正味熱効率の向上に加え、改質気筒４０ｄにて混合気を自着火燃焼をしている状態で空気過剰率を制御することによる通常気筒の正味熱効率の向上の効果も期待できるから、より一層のエンジン本体４０の正味熱効率の向上を期待できる。
【0049】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態において、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、点火プラグ（図示せず）により混合気に火花点火するものであり、改質気筒４０ｄは混合気を自着火燃焼するものである構成を例示した。
しかしながら、当該通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、混合気を自着火燃焼するものとしても構わない。また、改質気筒４０ｄは、点火プラグ（図示せず）を備え、エンジンの起動・暖気時等で燃焼変動率が比較的高くなるタイミングでは、混合気を火花点火しても構わない。
（１）上記実施形態において、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、点火プラグ（図示せず）により混合気に火花点火するものであり、改質気筒４０ｄは混合気を自着火燃焼するものである構成を例示した。
しかしながら、当該通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、混合気を自着火燃焼するものとしても構わない。また、改質気筒４０ｄは、点火プラグ（図示せず）を備え、エンジンの起動・暖気時等で燃焼変動率が比較的高くなるタイミングでは、混合気を火花点火しても構わない。
【0050】
（２）改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを自着火燃焼を促す構成として、改質気筒４０ｄに給気される新気の温度を調整する新気温度調整手段を備え、当該新気温度調整手段により新気の温度を上昇させる構成を採用しても構わない。
当該新気温度調整手段は、例えば、排気路２７を通流する排ガスＥと改質気筒用給気支管２０ｄを通流する新気とを熱交換する熱交換器（図示せず）と、当該熱交換器へ導く排ガスＥの流量を調整する流量調整弁（図示せず）と、当該流量調整弁の開度を制御する制御装置５０から構成することができ、図示しない筒内圧力センサにて計測される筒内圧力から導出される改質気筒４０ｄの燃焼変動率（ＣＯＶ）が一定値以下となるように新気温度を昇温させる構成をとることができる。
当該新気温度調整手段は、例えば、排気路２７を通流する排ガスＥと改質気筒用給気支管２０ｄを通流する新気とを熱交換する熱交換器（図示せず）と、当該熱交換器へ導く排ガスＥの流量を調整する流量調整弁（図示せず）と、当該流量調整弁の開度を制御する制御装置５０から構成することができ、図示しない筒内圧力センサにて計測される筒内圧力から導出される改質気筒４０ｄの燃焼変動率（ＣＯＶ）が一定値以下となるように新気温度を昇温させる構成をとることができる。
【0051】
（３）上記実施形態では、燃焼促進性ガス濃度測定部として、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を測定する水素センサＳを備える構成例を示したが、燃焼促進性ガスとしての一酸化炭素の濃度を測定する一酸化炭素センサを備える構成を採用しても構わない。
また、水素センサ及び一酸化炭素センサの双方を備える構成を採用しても構わない。
また、水素センサ及び一酸化炭素センサの双方を備える構成を採用しても構わない。
【0052】
（４）上記実施形態において、通常気筒の数は、１つ以上であればいくつであっても構わないし、改質気筒の数も、１つ以上であればいくつであっても、本発明の機能を良好に発揮できる。
【0053】
（５）上記実施形態では、一のエンジン４０に対して、改質気筒４０ｄと、当該改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫが導かれる通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃとを設ける構成例を示した。
当該構成に変えて、図示は省略するが、少なくとも１の改質気筒を備える改質エンジンと、当該改質エンジンの改質気筒にて生成された改質ガスが導かれる通常気筒を有する外部出力エンジンとを備える構成を採用することができる。
当該構成にあっても、上記実施形態にて説明した制御装置５０が実行する各種制御を実行して、その効果を良好に発揮できる。
当該構成に変えて、図示は省略するが、少なくとも１の改質気筒を備える改質エンジンと、当該改質エンジンの改質気筒にて生成された改質ガスが導かれる通常気筒を有する外部出力エンジンとを備える構成を採用することができる。
当該構成にあっても、上記実施形態にて説明した制御装置５０が実行する各種制御を実行して、その効果を良好に発揮できる。
【0054】
（６）制御装置５０は、燃料比低減制御において、改質気筒４０ｄにおいて混合気Ｍを自着火燃焼している状態で、燃料比を零として通常気筒へ４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ燃料として改質ガスＫのみを導く改質ガス運転を実行することもできる。
この場合、第１燃料供給部としての第１燃料供給路１１、差圧レギュレータ１２、第１燃料流量制御弁１３、ミキサ１４は、省略することができる。
この場合、第１燃料供給部としての第１燃料供給路１１、差圧レギュレータ１２、第１燃料流量制御弁１３、ミキサ１４は、省略することができる。
【0055】
（７）改質ガス通流路２８は、改質気筒４０ｄの排気ポート２８ａと、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに新気を供給する通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃの少なくとも１つ以上に接続される構成を採用しても構わない。
【0056】
（８）上記実施形態では、エンジンシステム１００が過給機３０を備える例を示したが、当該過給機３０を備えない構成であっても、本発明の目的は良好に達成される。
尚、上述の如く、過給機３０を設けない構成にあっては、改質気筒用給気支管２０ｄは、過給圧まで昇圧されていないため、第２燃料供給部としてミキサ１６に供給される燃料Ｆの圧力を昇圧する必要がなく、昇圧のための圧縮機等を備えない簡易でコンパクトな構成にすることができる。ちなみに、この場合、ミキサ１６から改質気筒用給気支管２０ｄへ供給される燃料Ｆの圧力は、通常の給気圧力に設定される。
更に、上記実施形態では、過給機３０として、ターボ式のものを備える例を示したが、スーパーチャージャ式のものとしても構わない。
また、上記実施形態では、過給機３０として、単一のコンプレッサ３１と単一のタービン３２とを備える、所謂、一段過給の例を示したが、別に、二段以上の多段過給としても構わない。
尚、上述の如く、過給機３０を設けない構成にあっては、改質気筒用給気支管２０ｄは、過給圧まで昇圧されていないため、第２燃料供給部としてミキサ１６に供給される燃料Ｆの圧力を昇圧する必要がなく、昇圧のための圧縮機等を備えない簡易でコンパクトな構成にすることができる。ちなみに、この場合、ミキサ１６から改質気筒用給気支管２０ｄへ供給される燃料Ｆの圧力は、通常の給気圧力に設定される。
更に、上記実施形態では、過給機３０として、ターボ式のものを備える例を示したが、スーパーチャージャ式のものとしても構わない。
また、上記実施形態では、過給機３０として、単一のコンプレッサ３１と単一のタービン３２とを備える、所謂、一段過給の例を示したが、別に、二段以上の多段過給としても構わない。
【0057】
（９）上記実施形態にあっては、燃料Ｆは、都市ガス１３Ａとしたが、本発明の本質的意味からは、ガス燃料に限らずガソリン等の液体燃料であっても構わない。
【0058】
（１０）上記実施形態では、燃料Ｆは、ベンチュリー式にて供給される構成を示したが、改質気筒用給気支管２０ｄへ噴射する構成や、改質気筒４０ｄへ直接噴射する構成を採用することができる。この場合、燃料Ｆの噴射量等を調整して空気過剰率を制御できる。
【0059】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0060】
本発明のエンジンシステムは、改質気筒にて過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成可能な構成において、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を向上しエンジンの正味熱効率を向上し得るものとして、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【0061】
４０ ：エンジン本体
４０ａ ：通常気筒
４０ｂ ：通常気筒
４０ｃ ：通常気筒
４０ｄ ：改質気筒
５０ ：制御装置
６１ ：開閉タイミング設定機構
６３ ：給気弁
６４ ：排気弁
１００ ：エンジンシステム
Ｓ ：水素センサ
Ａ ：燃焼用空気
Ｆ ：燃料
Ｋ ：改質ガス
Ｍ ：混合気
４０ａ ：通常気筒
４０ｂ ：通常気筒
４０ｃ ：通常気筒
４０ｄ ：改質気筒
５０ ：制御装置
６１ ：開閉タイミング設定機構
６３ ：給気弁
６４ ：排気弁
１００ ：エンジンシステム
Ｓ ：水素センサ
Ａ ：燃焼用空気
Ｆ ：燃料
Ｋ ：改質ガス
Ｍ ：混合気
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】