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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】P2023031377
(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
F02D 19/12 20060101ALI20230302BHJP
F02M 21/02 20060101ALI20230302BHJP
【ＦＩ】
F02D19/02 C
F02D19/12 A
F02M21/02 K
F02M21/02 G
F02M21/02 301Q
F02D19/02 F
F02D19/02 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021136816
(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）】
3G092AA01
3G092AB15
3G092AB17
3G092CA03
3G092FA24
(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、改質気筒の空気過剰率を一定に維持している状態であっても、部分酸化反応の促進度合いを制御して、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整し、エンジンの正味熱効率を向上する。
【解決手段】改質気筒４０ｄに給気される混合気に対して水を噴射可能な水噴射手段を備え、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、制御装置５０は、空気過剰率制御を実行している状態で、改質気筒４０ｄに給気される混合気への水噴射手段による水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行して、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調整する。
【選択図】図１
【解決手段】改質気筒４０ｄに給気される混合気に対して水を噴射可能な水噴射手段を備え、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、制御装置５０は、空気過剰率制御を実行している状態で、改質気筒４０ｄに給気される混合気への水噴射手段による水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行して、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調整する。
【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、
前記改質気筒又は前記改質気筒に接続される給気路又は前記改質気筒に接続される排気路に対して水を噴射可能な水噴射手段を備え、
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、
前記制御装置は、前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記改質気筒に給気される前記混合気への前記水噴射手段による水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行して、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整するエンジンシステム。
前記改質気筒又は前記改質気筒に接続される給気路又は前記改質気筒に接続される排気路に対して水を噴射可能な水噴射手段を備え、
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、
前記制御装置は、前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記改質気筒に給気される前記混合気への前記水噴射手段による水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行して、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整するエンジンシステム。
【請求項2】
前記制御装置は、前記水噴射状態制御において、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、前記水噴射手段による水噴射量を増加させて下記の〔式１〕に示される水性ガスシフト反応を促進する請求項１に記載のエンジンシステム。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ 〔式１〕
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ 〔式１〕
【請求項3】
前記制御装置は、前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、前記空気過剰率制御で空気過剰率の減少に伴って前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度が増加する範囲において、前記改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、前記水噴射状態制御での前記水噴射手段による水噴射量を増加させる請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項4】
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、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、前記水噴射状態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、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、前記水噴射状態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】
前記制御装置は、前記燃料比低下制御における前記燃料比の低下に伴って、前記水噴射状態制御にて前記水噴射手段による水噴射量を増加させる請求項４に記載のエンジンシステム。
【請求項6】
前記水噴射手段が、前記改質気筒のシリンダヘッド、又は前記改質気筒へ少なくとも前記燃焼用空気を導く給気ポート、又は前記改質気筒から前記改質ガスを排出する排気路の何れか一つに貫設されている請求項１～５の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項7】
前記制御装置は、前記水噴射状態制御を実行している状態で、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１～６の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項8】
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１～７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。
上記特許文献１に開示の技術では、主にエンジンの出力に寄与する通常気筒の出力に応じて、改質気筒の気筒数を変更することで、改質ガスの生成量を制御する点が示されている。
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。
上記特許文献１に開示の技術では、主にエンジンの出力に寄与する通常気筒の出力に応じて、改質気筒の気筒数を変更することで、改質ガスの生成量を制御する点が示されている。
【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】
燃焼促進性ガスとしての水素は、他の燃焼促進性ガスとしての一酸化炭素に比べて、燃焼速度が速く、通常気筒の燃焼室での火花伝播速度を上昇させて正味熱効率の向上に寄与度が高いと考えられている。
上記特許文献１に示すようなエンジンシステムでは、通常気筒の出力に応じて、改質気筒の気筒数を変更して、改質ガスの生成量自体を制御する点については開示があるものの、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を制御する点については開示も示唆もされておらず、改善の余地があった。
上記特許文献１に示すようなエンジンシステムでは、通常気筒の出力に応じて、改質気筒の気筒数を変更して、改質ガスの生成量自体を制御する点については開示があるものの、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を制御する点については開示も示唆もされておらず、改善の余地があった。
【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、改質気筒で部分酸化反応の促進度合いを制御して、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整し、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。
【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、
前記改質気筒又は前記改質気筒に接続される給気路又は前記改質気筒に接続される排気路対して水を噴射可能な水噴射手段を備え、
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、
前記制御装置は、前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記改質気筒に給気される前記混合気への前記水噴射手段による水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行して、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整する点にある。
前記改質気筒又は前記改質気筒に接続される給気路又は前記改質気筒に接続される排気路対して水を噴射可能な水噴射手段を備え、
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、
前記制御装置は、前記空気過剰率制御を実行している状態で、前記改質気筒に給気される前記混合気への前記水噴射手段による水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行して、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整する点にある。
【0007】
本発明の発明者らは、鋭意研究した結果、図３に示すように、上述の空気過剰率制御を実行した場合、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するという知見を得た。
更に、図４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では、λαで示される空気過剰率範囲に含まれる値）まで減少させ、当該燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化炭素の濃度が上昇するに伴って、エンジンの正味熱効率が向上する傾向があることも実験により確認した。
これらの結果及び燃焼促進性ガスとしての水素が一酸化炭素に比して、燃焼速度が速いことを鑑みると、改質ガスにおける水素濃度を向上させると、エンジンの正味熱効率を更に向上できることが見込まれる。
尚、当該実験において、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。
更に、図４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では、λαで示される空気過剰率範囲に含まれる値）まで減少させ、当該燃焼促進性ガスとしての水素及び一酸化炭素の濃度が上昇するに伴って、エンジンの正味熱効率が向上する傾向があることも実験により確認した。
これらの結果及び燃焼促進性ガスとしての水素が一酸化炭素に比して、燃焼速度が速いことを鑑みると、改質ガスにおける水素濃度を向上させると、エンジンの正味熱効率を更に向上できることが見込まれる。
尚、当該実験において、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。
【0008】
そこで、発明者らは、改質気筒の燃焼室において過濃混合気が部分酸化反応している領域に噴射する水の量を変化させた場合で、部分酸化反応を含む種々の反応に関する発熱プロファイルを固定したときに、改質ガスにおける水素の濃度の変化をシミュレーションにより導出した。ここで、当該シミュレーションは、燃焼室での空気過剰率を０．５として実行した。
図５のシミュレーション結果から、噴射する水の重量絶対湿度を増加させるのに従って、改質ガスにおける水素の濃度が向上する可能性があることがわかる。尚、図５において、水素濃度としてのα１に対するα２の割合（α２／α１）は、１．４０程度となっている。
図５のシミュレーション結果から、噴射する水の重量絶対湿度を増加させるのに従って、改質ガスにおける水素の濃度が向上する可能性があることがわかる。尚、図５において、水素濃度としてのα１に対するα２の割合（α２／α１）は、１．４０程度となっている。
【0009】
更に、発明者らは、改質気筒へ導かれる混合気へ水を噴霧する水噴射インジェクタの開弁期間と改質ガスにおける水素・一酸化炭素の濃度（ｖｏｌ％）との関係を示す実験を行った。当該実験の条件は、機関回転速度を８００ｒｐｍ、改質気筒の点火時期を上死点前４２°、通常気筒の点火時期を上死点前２０°、改質気筒の空気過剰率を０．６２とした。
図６に示すように、実験によっても、水噴射量が増加（水噴射インジェクタの開弁期間が増加）するのに従って、改質ガスにおける水素濃度が増加することがわかる。一方で、水噴射量が増加（水噴射インジェクタの開弁期間が増加）するのに従って、改質ガスにおける一酸化炭素の濃度は減少している。これは、水の噴射量の増加に伴って〔式１〕水性ガスシフト反応が進んでいるためだと考えられる。
更に、図７に示すように、水の噴射量が増加（水噴射インジェクタの開弁期間が増加）するのに従って、エンジンの正味熱効率は向上しているが、改質気筒の燃焼変動率（ＣＯＶ）は増加しており燃焼の安定性は低下していることがわかる。
また、水の噴射量が多すぎる場合（図６、７では水噴射インジェクタの開弁時間が９００μｓｅｃを超える場合）、改質ガスにおける水素の濃度は低下し、改質気筒の正味熱効率も低下する。
因みに、図６において、水素濃度としてのβ１に対するβ２の割合（β２／β１）は、０．９６０程度となっており、一酸化炭素濃度としてのγ１に対するγ２の割合（γ２／γ１）は、１．０３程度となっており、図７において、正味熱効率としてのη１に対するη２の割合（η２／η１）は、１．０５程度となっており、燃焼変動率（ＣＯＶ）としてのＣ１に対するＣ２の割合（Ｃ２／Ｃ１）は、５．０５程度となっている。
図６に示すように、実験によっても、水噴射量が増加（水噴射インジェクタの開弁期間が増加）するのに従って、改質ガスにおける水素濃度が増加することがわかる。一方で、水噴射量が増加（水噴射インジェクタの開弁期間が増加）するのに従って、改質ガスにおける一酸化炭素の濃度は減少している。これは、水の噴射量の増加に伴って〔式１〕水性ガスシフト反応が進んでいるためだと考えられる。
更に、図７に示すように、水の噴射量が増加（水噴射インジェクタの開弁期間が増加）するのに従って、エンジンの正味熱効率は向上しているが、改質気筒の燃焼変動率（ＣＯＶ）は増加しており燃焼の安定性は低下していることがわかる。
また、水の噴射量が多すぎる場合（図６、７では水噴射インジェクタの開弁時間が９００μｓｅｃを超える場合）、改質ガスにおける水素の濃度は低下し、改質気筒の正味熱効率も低下する。
因みに、図６において、水素濃度としてのβ１に対するβ２の割合（β２／β１）は、０．９６０程度となっており、一酸化炭素濃度としてのγ１に対するγ２の割合（γ２／γ１）は、１．０３程度となっており、図７において、正味熱効率としてのη１に対するη２の割合（η２／η１）は、１．０５程度となっており、燃焼変動率（ＣＯＶ）としてのＣ１に対するＣ２の割合（Ｃ２／Ｃ１）は、５．０５程度となっている。
【0010】
これらの結果を踏まえ、発明者らは、上記特徴構成の如く、空気過剰率制御を実行している状態で、改質気筒又は改質気筒に接続される給気路又は改質気筒に接続される排気路に対する水噴射手段による水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行することで、部分酸化反応の促進度合いを制御して、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整可能なエンジンシステムを完成するに至った。
結果、改質気筒での燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を向上させ、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。
結果、改質気筒での燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を向上させ、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。
【0011】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記水噴射状態制御において、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、前記水噴射手段による水噴射量を増加させて下記の〔式１〕に示される水性ガスシフト反応を促進する点にある。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ 〔式１〕
前記制御装置は、前記水噴射状態制御において、前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、前記水噴射手段による水噴射量を増加させて下記の〔式１〕に示される水性ガスシフト反応を促進する点にある。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ 〔式１〕
【0012】
上記特徴構成によれば、制御装置は、水噴射状態制御において、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、水噴射手段による水噴射量を増加させて、〔式１〕に示される水性ガスシフト反応を促進することで、改質ガス中の一酸化炭素を水素へ置換する形態で、水素の濃度を増加させることができる。
【0013】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、前記空気過剰率制御で空気過剰率の減少に伴って前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度が増加する範囲において、前記改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、前記水噴射状態制御での前記水噴射手段による水噴射量を増加させる点にある。
前記制御装置は、前記燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、前記空気過剰率制御で空気過剰率の減少に伴って前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガスの濃度が増加する範囲において、前記改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、前記水噴射状態制御での前記水噴射手段による水噴射量を増加させる点にある。
【0014】
上記特徴構成によれば、制御装置は、燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、空気過剰率制御で空気過剰率の減少に伴って改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度が増加する範囲において、改質気筒における空気過剰率を減少させるに伴って、水噴射状態制御での水噴射手段による水噴射量を増加させるから、例えば、空気過剰率の減少に伴う一酸化炭素の増加に合わせて水噴射量を増加させ、水性ガスシフト反応を良好に行わせることで、改質ガスにおける水素の濃度を増加させることができる。
更には、空気過剰率制御でのピーク空気過剰率における改質ガスの水素の濃度を向上し、エンジンの正味熱効率のピークを押し上げ得る。
更には、空気過剰率制御でのピーク空気過剰率における改質ガスの水素の濃度を向上し、エンジンの正味熱効率のピークを押し上げ得る。
【0015】
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、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、前記水噴射状態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、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、前記水噴射状態制御を実行する点にある。
【0016】
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、エンジン全体の正味熱効率を向上できることを見出している。
上記特徴構成によれば、燃料比低下制御に基づくエンジンの正味熱効率の向上に加え、水噴射状態制御を実行して改質ガスにおける水素の濃度を向上させることで、エンジンの正味熱効率の向上を図ることができるから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。
上記特徴構成によれば、燃料比低下制御に基づくエンジンの正味熱効率の向上に加え、水噴射状態制御を実行して改質ガスにおける水素の濃度を向上させることで、エンジンの正味熱効率の向上を図ることができるから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。
【0017】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記燃料比低下制御における前記燃料比の低下に伴って、前記水噴射状態制御にて前記水噴射手段による水噴射量を増加させる点にある。
前記制御装置は、前記燃料比低下制御における前記燃料比の低下に伴って、前記水噴射状態制御にて前記水噴射手段による水噴射量を増加させる点にある。
【0018】
上記特徴構成によれば、エンジンの出力をある程度維持している状態で、燃料比低下制御により燃料比を低下させる場合に、燃料比の低下による改質ガスにおける一酸化炭素の絶対量の増加に伴って、水噴射手段による水噴射量を増加させることができるから、例えば、一酸化炭素の増加に追従する形で水噴射量を増加させて、水性ガスシフト反応により、改質ガスにおける一酸化炭素を効果的に水素に置換できる。
【0019】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記水噴射手段が、前記改質気筒のシリンダヘッド、又は前記改質気筒へ少なくとも前記燃焼用空気を導く給気ポート、又は前記改質気筒から前記改質ガスを排出する排気路の何れか一つに貫設されている点にある。
前記水噴射手段が、前記改質気筒のシリンダヘッド、又は前記改質気筒へ少なくとも前記燃焼用空気を導く給気ポート、又は前記改質気筒から前記改質ガスを排出する排気路の何れか一つに貫設されている点にある。
【0020】
上記特徴構成によれば、水性ガスシフト反応を起こす混合気又は改質ガスへ水を良好に含有させることができ、水性ガスシフト反応を効果的に促進することができる。
【0021】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記水噴射状態制御を実行している状態で、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、前記水噴射状態制御を実行している状態で、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。
【0022】
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）の濃度を増加することで、エンジン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、水噴射状態制御の実行により、改質ガスにおける水素の濃度を増加させて、正味熱効率の向上を図ることができるから、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。
【0023】
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。
【0024】
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良好に発揮する。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【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】改質気筒で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（ｖｏｌ％）を示すグラフ図である。
【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。
【図5】改質気筒への水噴射量と改質ガスにおける水素の濃度（ｖｏｌ％）をシミュレーションにより導出したグラフ図である。
【図6】改質気筒への水噴射インジェクタの開弁期間と改質ガスにおける水素・一酸化炭素の濃度（ｖｏｌ％）との関係を示す実験結果のグラフ図である。
【図7】改質気筒への水噴射インジェクタの開弁期間とエンジン全体での正味熱効率及び改質気筒の燃焼変動率を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
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、改質気筒で部分酸化反応の促進度合いを制御して、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整可能し、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。
【0027】
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（新気）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２〕にて示される水蒸気改質や、上述した〔式
１〕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２〕にて示される水蒸気改質や、上述した〔式
１〕にて示される水性ガスシフト反応も進行する。
【0028】
ＣＨ４＋Ｈ２０→ＣＯ＋３Ｈ２ 〔式２〕
【0029】
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。
【0030】
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）を介して給気した混合気Ｍ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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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Ｎにおいて、混合気Ｍ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及び一酸化炭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、発明者らは、水素及び一酸化炭素は、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（例えば、図３ではλαで示す空気過剰率領域）に、その発生量のピークがあるという知見を得た。
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Ｍを燃焼させるべく、改質気筒４０ｄへ混合気Ｍ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における空気過剰率を改質ガス生成される所定の範囲、即ち、改質気筒４０ｄへの混合気Ｍ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Ｎにおいて、混合気Ｍ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及び一酸化炭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、発明者らは、水素及び一酸化炭素は、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（例えば、図３ではλαで示す空気過剰率領域）に、その発生量のピークがあるという知見を得た。
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Ｍを燃焼させるべく、改質気筒４０ｄへ混合気Ｍ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における空気過剰率を改質ガス生成される所定の範囲、即ち、改質気筒４０ｄへの混合気Ｍ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。
【0036】
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。
【0037】
さて、当該実施形態に係るエンジンシステム１００は、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度を調整するべく、以下の構成を備える。
【0038】
即ち、改質気筒４０ｄは、図２に示すように、改質気筒４０ｄに給気される混合気Ｍに対して水を噴射可能な水噴射手段として、給水源からの水を通流可能な給水路６６と、当該給水路６６に水を圧送可能な圧送ポンプ６０と、圧送ポンプ６０の下流側で給水路６６を間欠的に開閉可能な開閉弁６７と、当該開閉弁６７にて間欠的に供給される水を改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎ内に噴射可能な水噴射ノズル６１とを備えており、制御装置５０は、燃焼室Ｎへの水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行可能に構成されている。
当該水噴射ノズル６１は、そのノズル先端が、改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎに対して露出する形態で、改質気筒４０ｄのシリンダヘッド６２に対して貫設されている。
当該改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎには、図２に示すように、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とが設けられている。水噴射ノズル６１が改質気筒４０ｄへ水を噴射するタイミングは、上述した水性ガスシフト反応が起きる前の時点から反応が進行可能な時点であれば、給気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の何れで行われても構わない。
当該水噴射ノズル６１は、そのノズル先端が、改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎに対して露出する形態で、改質気筒４０ｄのシリンダヘッド６２に対して貫設されている。
当該改質気筒４０ｄの燃焼室Ｎには、図２に示すように、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とが設けられている。水噴射ノズル６１が改質気筒４０ｄへ水を噴射するタイミングは、上述した水性ガスシフト反応が起きる前の時点から反応が進行可能な時点であれば、給気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の何れで行われても構わない。
【0039】
更に、水噴射状態制御について説明を加えると、制御装置５０は、上述の空気過剰率制御を実行している状態で、燃焼室Ｎへの水の噴射状態を制御する水噴射状態制御を実行して、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調整する。より詳細には、制御装置５０は、水噴射状態制御において、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増加させる場合に、水噴射手段として間欠制御される開閉弁６７の開放時間を増加させる形態で、水噴射量を増加させて下記の〔式１〕に示される水性ガスシフト反応を促進する。
【0040】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ 〔式１〕
【0041】
当該水性ガスシフト反応を促進させる場合、改質ガス中に含まれる燃焼促進性ガスとしての一酸化炭素量が多いほど、多くの水の供給が必要となる。
そこで、制御装置５０は、燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を減少させるに伴って、水噴射状態制御での水噴射量を増加させる。
そこで、制御装置５０は、燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を増加させる場合に、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を減少させるに伴って、水噴射状態制御での水噴射量を増加させる。
【0042】
尚、このとき、図３に示すように、空気過剰率制御において、改質ガスＫにおける一酸化炭素の濃度（ｖｏｌ％）は、所定の空気過剰率の範囲（例えば、図３でλαで示す範囲）において極大値をとるため、制御装置５０は、空気過剰率制御で空気過剰率の減少に伴って改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度が増加する範囲（図３の例では、空気過剰率λが、０．５５≦λ＜１程度の範囲）において、上述の通り、空気過剰率減少に伴って水噴射量を増加させる。
ここで、空気過剰率制御で空気過剰率の減少に伴って改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度が増加しているか否かの判定は、例えば、制御装置５０が、空気過剰率を減少させたときに、改質ガス通流路２８に設けられる一酸化炭素濃度センサ（図示せず）にて計測される一酸化炭素の濃度（ｖｏｌ％）の変化量が増加しているか否かで判断することができる。
ここで、空気過剰率制御で空気過剰率の減少に伴って改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度が増加しているか否かの判定は、例えば、制御装置５０が、空気過剰率を減少させたときに、改質ガス通流路２８に設けられる一酸化炭素濃度センサ（図示せず）にて計測される一酸化炭素の濃度（ｖｏｌ％）の変化量が増加しているか否かで判断することができる。
【0043】
当該制御を実行することにより、改質ガスＫにおける一酸化炭素の濃度（ｖｏｌ％）が多いほど、水性シフトガス反応により生成する水素の生成量を増加させることができ、当該水素の増加に伴う、エンジン本体４０での正味熱効率の向上を見込むことができる。
因みに、図示は省略するが、当該実施形態においては、改質気筒４０ｄについても、点火プラグによる火花点火が実行される。
尚、水噴射状態制御では、例えば、改質気筒４０ｄの筒内圧力を検出する筒内圧力センサ（図示せず）の検出結果から導出される改質気筒４０ｄの燃焼変動率（ＣＯＶ）が一定以上となった場合に、水噴霧を停止する。
因みに、図示は省略するが、当該実施形態においては、改質気筒４０ｄについても、点火プラグによる火花点火が実行される。
尚、水噴射状態制御では、例えば、改質気筒４０ｄの筒内圧力を検出する筒内圧力センサ（図示せず）の検出結果から導出される改質気筒４０ｄの燃焼変動率（ＣＯＶ）が一定以上となった場合に、水噴霧を停止する。
【0044】
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において上述の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、水噴射状態制御を実行する。
更には、制御装置５０は、燃料比低下制御における燃料比の低下に伴って、水噴射状態制御にて水噴射量を増加させる。
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において上述の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、水噴射状態制御を実行する。
更には、制御装置５０は、燃料比低下制御における燃料比の低下に伴って、水噴射状態制御にて水噴射量を増加させる。
【0045】
燃料比低減制御を実行すれば、エンジン本体４０での出力を維持しようとするときには、改質気筒４０ｄで生成される改質ガスＫは増加する傾向にあり、改質気筒４０ｄでの空気過剰率が一定で改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度に変化がない場合、改質ガスＫにおける一酸化炭素の絶対量は増加することになる。
上述の制御により、燃料比の低下による改質ガスＫにおける一酸化炭素の絶対量の増加に伴って水噴射量を増加させるから、例えば、一酸化炭素の増加に追従する形で水噴射量を増加させて、水性ガスシフト反応により、改質ガスＫに含まれる一酸化炭素を効果的に水素に置換できる。
上述の制御により、燃料比の低下による改質ガスＫにおける一酸化炭素の絶対量の増加に伴って水噴射量を増加させるから、例えば、一酸化炭素の増加に追従する形で水噴射量を増加させて、水性ガスシフト反応により、改質ガスＫに含まれる一酸化炭素を効果的に水素に置換できる。
【0046】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、水噴射ノズル６１は、改質気筒４０ｄのシリンダヘッド６２に貫設される構成例を示したが、例えば、改質気筒用給気支管２０ｄが改質気筒４０ｄへ接続される改質気筒給気ポート２０ｅ（改質気筒用給気支管２０ｄ）に設けられる構成を採用しても構わない。
水噴射ノズル６１の水噴射のタイミングは、いつでも構わないが、当該構成の場合、好ましくは給気行程、即ち給気弁６３の開放が開始する開放開始時点から給気弁６３の開放が終了する開放終了時点までになる。当該水噴射のタイミングは、噴射位置、噴射圧力及び噴射ノズルの仕様等により異なる。
また、式１に示す水性ガスシフト反応は発熱反応であり、低温ほど生成物側に平衡がよる、即ち、水素が生成され易くなるため、水噴射ノズル６１は、改質ガス通流路２８が改質気筒４０ｄへ接続される排気ポート２８ａ（排気路２８）に設けられる構成を採用しても構わない。
水噴射ノズル６１の水噴射のタイミングは、いつでも構わないが、この場合、好ましくは排気行程、即ち、排気弁６４の開放が開始する開放開始時点から給気弁６３の開放が終了する開放終了時点までになる。当該水噴射のタイミングは、噴射位置、噴射圧力及び噴射ノズルの仕様等により異なる。
（１）上記実施形態では、水噴射ノズル６１は、改質気筒４０ｄのシリンダヘッド６２に貫設される構成例を示したが、例えば、改質気筒用給気支管２０ｄが改質気筒４０ｄへ接続される改質気筒給気ポート２０ｅ（改質気筒用給気支管２０ｄ）に設けられる構成を採用しても構わない。
水噴射ノズル６１の水噴射のタイミングは、いつでも構わないが、当該構成の場合、好ましくは給気行程、即ち給気弁６３の開放が開始する開放開始時点から給気弁６３の開放が終了する開放終了時点までになる。当該水噴射のタイミングは、噴射位置、噴射圧力及び噴射ノズルの仕様等により異なる。
また、式１に示す水性ガスシフト反応は発熱反応であり、低温ほど生成物側に平衡がよる、即ち、水素が生成され易くなるため、水噴射ノズル６１は、改質ガス通流路２８が改質気筒４０ｄへ接続される排気ポート２８ａ（排気路２８）に設けられる構成を採用しても構わない。
水噴射ノズル６１の水噴射のタイミングは、いつでも構わないが、この場合、好ましくは排気行程、即ち、排気弁６４の開放が開始する開放開始時点から給気弁６３の開放が終了する開放終了時点までになる。当該水噴射のタイミングは、噴射位置、噴射圧力及び噴射ノズルの仕様等により異なる。
【0047】
（２）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。
【0048】
（３）上記実施形態では、一の、エンジン本体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。
【0049】
（４）制御装置５０は、燃料比低減制御において、水噴射状態制御を実行している状態で、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。
【0050】
（５）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に混合気Ｍ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。
【0051】
（６）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。
【0052】
（７）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。
【0053】
（８）上記実施形態では、改質気筒４０ｄは、点火プラグ（図示せず）を備え、混合気を火花点火する構成例を示したが、改質気筒４０ｄにおいて点火プラグを設けず、混合気を自着火燃焼する構成を採用しても構わない。
【0054】
（９）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。
【0055】
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】
【0056】
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、改質気筒で部分酸化反応の促進度合いを制御して、改質ガスにおける燃焼促進性ガスとしての水素の濃度を調整し、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】
【0057】
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
６０ ：圧送ポンプ
６１ ：水噴射ノズル
６２ ：シリンダヘッド
６６ ：給水路
６７ ：開閉弁
１００ ：エンジンシステム
Ａ ：燃焼用空気
Ｅ ：排ガス
Ｆ ：燃料
Ｋ ：改質ガス
Ｍ ：混合気
Ｎ ：燃焼室
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
６０ ：圧送ポンプ
６１ ：水噴射ノズル
６２ ：シリンダヘッド
６６ ：給水路
６７ ：開閉弁
１００ ：エンジンシステム
Ａ ：燃焼用空気
Ｅ ：排ガス
Ｆ ：燃料
Ｋ ：改質ガス
Ｍ ：混合気
Ｎ ：燃焼室
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】