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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】P2023031379
(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 21/02 20060101ALI20230302BHJP
【ＦＩ】
F02D19/02 C
F02D19/02 F
F02M21/02 K
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021136818
(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
3G092CA03
3G092FA24
(57)【要約】
【課題】過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成する改質気筒を有するものであって、エンジンの給気温度や給気湿度等の外的環境が変動した場合にも、改質気筒と通常気筒とを含む全体での正味熱効率を極大点近傍に維持する。
【解決手段】改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫにおける任意のガス成分の濃度であるガス成分濃度を測定する改質ガス成分濃度測定部Ｓと、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、空気過剰率制御において、改質ガス成分濃度測定部Ｓにて測定されたガス成分濃度に基づいて、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を制御する。
【選択図】図１
【解決手段】改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫにおける任意のガス成分の濃度であるガス成分濃度を測定する改質ガス成分濃度測定部Ｓと、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、空気過剰率制御において、改質ガス成分濃度測定部Ｓにて測定されたガス成分濃度に基づいて、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を制御する。
【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、
前記改質気筒にて生成された前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガス及び未燃炭化水素のうちの少なくとも一つのガス成分の濃度であるガス成分濃度を測定する改質ガス成分濃度測定部と、
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において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御するエンジンシステム。
前記改質気筒にて生成された前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガス及び未燃炭化水素のうちの少なくとも一つのガス成分の濃度であるガス成分濃度を測定する改質ガス成分濃度測定部と、
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において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御するエンジンシステム。
【請求項2】
前記改質ガス成分濃度測定部として、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、前記空気過剰率制御において、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、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する請求項１に記載のエンジンシステム。
前記制御装置は、前記空気過剰率制御において、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、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項3】
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御する請求項２に記載のエンジンシステム。
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御する請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項4】
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する請求項２に記載のエンジンシステム。
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項5】
前記改質ガス成分濃度測定部として、前記改質ガスにおける前記未燃炭化水素の濃度を測定する未燃炭化水素濃度測定部を備え、
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御、又は前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御又は前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記未燃炭化水素濃度測定部にて測定される前記未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に前記基準空気過剰率を増加制御し、前記未燃炭化水素の前記濃度変化量の絶対値が所定の前記判定濃度変化量以下の場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する請求項１に記載のエンジンシステム。
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御、又は前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御又は前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記未燃炭化水素濃度測定部にて測定される前記未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に前記基準空気過剰率を増加制御し、前記未燃炭化水素の前記濃度変化量の絶対値が所定の前記判定濃度変化量以下の場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項6】
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前記空気過剰率を、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、
前記空気過剰率制御において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する請求項１～５の何れか一項に記載のエンジンシステム。
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前記空気過剰率を、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、
前記空気過剰率制御において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する請求項１～５の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項7】
前記制御装置は、前記空気過剰率制御において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御している状態で、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。
一方で、従来、エンジンを所望の熱効率にて運転するべく、排気路を通流する排ガスの酸素濃度を計測するラムダセンサを有し、当該ラムダセンサの出力を用いて、燃焼室での空気過剰率が所定の空気過剰率となるよう制御するエンジンシステムが知られている（特許文献２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。
一方で、従来、エンジンを所望の熱効率にて運転するべく、排気路を通流する排ガスの酸素濃度を計測するラムダセンサを有し、当該ラムダセンサの出力を用いて、燃焼室での空気過剰率が所定の空気過剰率となるよう制御するエンジンシステムが知られている（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－９４９３０号公報
【特許文献2】特開２００７－２７８０７０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において、エンジンを所望の熱効率で運転するには、例えば、上記特許文献２に開示の技術の如く、複数の気筒からの燃焼排ガスが通流する排気路にラムダセンサを設け、当該ラムダセンサの計測結果に基づいて、エンジンの運転を制御する構成が考えられる。しかしながら、上記特許文献１に開示のエンジンシステムにおいては、改質気筒では燃焼促進性ガスを含む改質ガスを生成するため、空気過剰率が１より小さく設定されており、当該改質気筒からの改質ガスをラムダセンサにて計測しても、雰囲気の温度や湿度の変化に伴う改質ガスとしての水素等の濃度の変化を的確に捉えることが難しく、当該値に基づいてエンジンの運転を制御することが困難であった。このため、上記特許文献１に開示のエンジンシステムを、高い熱効率で運転するための新たな技術の開発が望まれていた。
特に、上述の如く、改質気筒を備えたエンジンシステムにおいて、エンジンの給気温度や給気湿度等の外的環境が変動した場合にも、エンジンの熱効率を高い値に維持する技術については、開示も示唆もされておらず改善の余地があった。
特に、上述の如く、改質気筒を備えたエンジンシステムにおいて、エンジンの給気温度や給気湿度等の外的環境が変動した場合にも、エンジンの熱効率を高い値に維持する技術については、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、過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成する改質気筒を有するものであって、エンジンの給気温度や給気湿度等の外的環境が変動した場合にも、改質気筒と通常気筒とを含む全体での正味熱効率を極大点近傍に維持可能なエンジンシステムを提供する。
【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、
前記改質気筒にて生成された前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガス及び未燃炭化水素のうちの少なくとも一つのガス成分の濃度であるガス成分濃度を測定する改質ガス成分濃度測定部と、
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において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する点にある。
前記改質気筒にて生成された前記改質ガスにおける前記燃焼促進性ガス及び未燃炭化水素のうちの少なくとも一つのガス成分の濃度であるガス成分濃度を測定する改質ガス成分濃度測定部と、
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において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する点にある。
【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（図３では、λαで示される範囲に含まれる値）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炭素の濃度が徐々に減少するという知見を得た。
更に、図５に示すように、改質気筒を含むエンジンの正味熱効率は、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という知見を得た。
即ち、図３、５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。
尚、当該実験では、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。
更に、図５に示すように、改質気筒を含むエンジンの正味熱効率は、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という知見を得た。
即ち、図３、５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。
尚、当該実験では、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。
【0008】
上記特徴構成によれば、制御装置は、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において、改質ガス成分濃度測定部にて測定されたガス成分濃度に基づいて、改質気筒における空気過剰率を制御するから、例えば、制御装置は、エンジンの正味熱効率と高い相関を有すると推定される改質ガス成分濃度（例えば、水素、一酸化炭素等の濃度）が高くなるようフィードバック制御することで、エンジンの正味熱効率を、改質気筒での空気過剰率の制御による極大点に維持しながら運転し得る。
特に、当該制御は、給気温度や給気湿度等のエンジンの外的環境が変化した場合であっても、当該外的環境の変化を反映した改質ガス成分濃度に基づいた制御を実行して、エンジンの正味熱効率を極大点に維持することができるから、エンジンの外的環境の変化に強い制御となる。
特に、当該制御は、給気温度や給気湿度等のエンジンの外的環境が変化した場合であっても、当該外的環境の変化を反映した改質ガス成分濃度に基づいた制御を実行して、エンジンの正味熱効率を極大点に維持することができるから、エンジンの外的環境の変化に強い制御となる。
【0009】
以上より、過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成する改質気筒を有するものであって、エンジンの給気温度や給気湿度等の外的環境が変動した場合にも、改質気筒と通常気筒とを含む全体での正味熱効率を極大点近傍に維持する制御を実行可能なエンジンシステムを提供できる。
【0010】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質ガス成分濃度測定部として、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、前記空気過剰率制御において、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、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する点にある。
前記改質ガス成分濃度測定部として、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、前記空気過剰率制御において、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、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する点にある。
【0011】
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、図３、５に示すように、改質ガスにおける燃焼促進性ガスの濃度を増加させ、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での正味熱効率を極大点で運転し得る。
【0012】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御する点にある。
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御する点にある。
【0013】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する点にある。
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記燃焼促進性ガス濃度測定部にて測定される前記燃焼促進性ガスの濃度変化量が正である場合に、前記基準空気過剰率を増加制御し、前記燃焼促進性ガスの前記濃度変化量が負である場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する点にある。
【0014】
上記特徴構成の如く、基準空気過剰率から判定変化量の空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御、又は基準空気過剰率から判定変化量の空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行することで、実行時点において空気過剰率を変動させたときの燃焼促進性ガスの濃度変化傾向が把握できるから、当該濃度変化傾向に基づいて基準空気過剰率を変更することで、当該基準空気過剰率を、燃焼促進性ガスの濃度を最大化するピーク空気過剰率に近づけることができる。
そして、空気過剰率減少制御又は空気過剰率増加制御を、所定時間毎に連続して実行することで、基準空気過剰率を、燃焼促進性ガスの濃度を最大化するピーク空気過剰率に維持することができ、これにより、エンジンの正味熱効率を極大化する運転を継続できる。
そして、空気過剰率減少制御又は空気過剰率増加制御を、所定時間毎に連続して実行することで、基準空気過剰率を、燃焼促進性ガスの濃度を最大化するピーク空気過剰率に維持することができ、これにより、エンジンの正味熱効率を極大化する運転を継続できる。
【0015】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質ガス成分濃度測定部として、前記改質ガスにおける前記未燃炭化水素の濃度を測定する未燃炭化水素濃度測定部を備え、
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御、又は前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御又は前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記未燃炭化水素濃度測定部にて測定される前記未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に前記基準空気過剰率を増加制御し、前記未燃炭化水素の前記濃度変化量の絶対値が所定の前記判定濃度変化量以下の場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する点にある。
前記改質ガス成分濃度測定部として、前記改質ガスにおける前記未燃炭化水素の濃度を測定する未燃炭化水素濃度測定部を備え、
前記空気過剰率制御は、前記改質気筒の前記空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、
前記制御装置は、前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御、又は前記基準空気過剰率から所定の判定変化量の前記空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、
前記制御装置は、前記空気過剰率減少制御又は前記空気過剰率増加制御を実行する前後での前記未燃炭化水素濃度測定部にて測定される前記未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に前記基準空気過剰率を増加制御し、前記未燃炭化水素の前記濃度変化量の絶対値が所定の前記判定濃度変化量以下の場合に、前記基準空気過剰率を減少制御する点にある。
【0016】
発明者らは、図４に示すように、空気過剰率制御により、改質気筒の空気過剰率を変動させた場合、空気過剰率が減少するのに従って、改質ガスにおける未燃炭化水素の濃度が徐々に増加し、特に、図５も併せると、改質ガスにおける未燃炭化水素の濃度は、エンジンの正味熱効率が最大化する空気過剰率よりも小さい側にて、その濃度変化率（空気過剰率の変化に対する未燃炭化水素の濃度変化量）が大きく増大していることがわかる。
当該知見に基づく上記特徴構成によれば、制御装置が、制御装置は、空気過剰率減少制御又は空気過剰率増加制御を実行する前後での未燃炭化水素濃度測定部にて測定される未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に基準空気過剰率を増加制御し、未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量以下の場合に、基準空気過剰率を減少制御することで、所定の判定変化量だけ空気過剰率を変化させたときの所定の判定濃度変化量を適切に設定することで、基準空気過剰率を、エンジンの正味熱効率を極大化する空気過剰率に設定することができる。
当該知見に基づく上記特徴構成によれば、制御装置が、制御装置は、空気過剰率減少制御又は空気過剰率増加制御を実行する前後での未燃炭化水素濃度測定部にて測定される未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に基準空気過剰率を増加制御し、未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量以下の場合に、基準空気過剰率を減少制御することで、所定の判定変化量だけ空気過剰率を変化させたときの所定の判定濃度変化量を適切に設定することで、基準空気過剰率を、エンジンの正味熱効率を極大化する空気過剰率に設定することができる。
【0017】
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前記空気過剰率を、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、
前記空気過剰率制御において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する点にある。
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前記空気過剰率を、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、
前記空気過剰率制御において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御する点にある。
【0018】
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、改質ガス成分濃度測定部にて測定されたガス成分濃度に基づく改質気筒における空気過剰率の制御により、正味熱効率の向上を図り得るので、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、改質ガス成分濃度測定部にて測定されたガス成分濃度に基づく改質気筒における空気過剰率の制御により、正味熱効率の向上を図り得るので、より一層のエンジンの正味熱効率の向上を期待できる。
【0019】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記空気過剰率制御において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御している状態で、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、前記空気過剰率制御において、前記改質ガス成分濃度測定部にて測定された前記ガス成分濃度に基づいて、前記改質気筒における前記空気過剰率を制御している状態で、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。
【0020】
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、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、エンジンの正味熱効率を向上できることに加え、改質ガス成分濃度測定部にて測定されたガス成分濃度に基づく改質気筒における空気過剰率の制御を実行することによっても、エンジン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。
【0021】
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。
【0022】
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】
【0023】
【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】正味熱効率の極大点追従制御の制御を示すフロー図である。
【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改質ガスにおける未燃炭化水素・メタンの濃度を示すグラフ図である。
【図5】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】
【0024】
本発明の実施形態に係るエンジンシステム１００は、過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成する改質気筒を有するものであって、エンジンの給気温度や給気湿度等の外的環境が変動した場合にも、改質気筒と通常気筒とを含む全体での正味熱効率を極大点近傍に維持可能なものに関する。
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。
【0025】
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とを含む新気（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。
【0026】
ＣＨ４＋Ｈ２０→ＣＯ＋３Ｈ２・・・〔式１〕
【0027】
ＣＯ＋Ｈ２０→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・〔式２〕
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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Ａ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、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が改質ガスＫが生成される所定の範囲となるように、即ち、改質気筒４０ｄでの混合気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、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が改質ガスＫが生成される所定の範囲となるように、即ち、改質気筒４０ｄでの混合気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。
【0035】
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。
【0036】
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４０ｄ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で示される範囲に含まれる値）まで減少させるのに従って、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炭素の濃度が徐々に上昇し、ピーク空気過剰率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炭素の濃度が徐々に減少するという知見を得た。
更に、図５に示すように、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という知見を得た。
即ち、図３、５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。
更に、図５に示すように、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という知見を得た。
即ち、図３、５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。
【0037】
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極大点近傍に維持するべく、以下の構成を備えている。
当該エンジンシステム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（改質ガス成分濃度測定部、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ものであり、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極大点に維持するものである。
当該エンジンシステム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（改質ガス成分濃度測定部、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ものであり、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極大点に維持するものである。
【0038】
以下、当該制御の具体的制御の流れに関し、図２の制御フローに基づいて説明を追加する。当該制御は、改質気筒４０ｄの空気過剰率を、改質ガスＫにおける水素の濃度が最大となる値に維持して、エンジン本体４０の正味熱効率の極大点に維持するものである。
【0039】
当該制御では、エンジン本体４０が所定の目標出力で運転されている場合において、制御装置５０は、まず、改質気筒４０ｄの空気過剰率を任意に設定可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものとする。
制御装置５０は、まずもって、第２燃料供給部を制御して改質気筒４０ｄの空気過剰率を所定の任意の基準空気過剰率（当該ステップでは、例えば、１未満の最大値（例えば、０．９５））に設定する（＃０１）。
制御装置５０は、まずもって、第２燃料供給部を制御して改質気筒４０ｄの空気過剰率を所定の任意の基準空気過剰率（当該ステップでは、例えば、１未満の最大値（例えば、０．９５））に設定する（＃０１）。
【0040】
制御装置５０は、改質気筒４０ｄの空気過剰率が、当該基準空気過剰率に設定されている時点、即ち、後述する空気過剰率減少制御が実行される前の時点において、水素センサＳにて水素（燃焼促進性ガスの一例）の濃度λＣ１を測定し記憶する。（＃０２）。
次に、制御装置５０は、基準空気過剰率に設定される改質気筒４０ｄの空気過剰率を、所定の判定変化量λＪ（例えば、０．０５程度の値）だけ減少する空気過剰率減少制御を実行し（＃０３）、当該空気過剰率減少制御の後の時点において、水素センサＳにて水素（燃焼促進性ガスの一例）の濃度λＣ２を測定し記憶する（＃０４）。
次に、制御装置５０は、基準空気過剰率に設定される改質気筒４０ｄの空気過剰率を、所定の判定変化量λＪ（例えば、０．０５程度の値）だけ減少する空気過剰率減少制御を実行し（＃０３）、当該空気過剰率減少制御の後の時点において、水素センサＳにて水素（燃焼促進性ガスの一例）の濃度λＣ２を測定し記憶する（＃０４）。
【0041】
次に、制御装置５０は、空気過剰率減少制御を実行する前後での水素の濃度変化量が負である場合（λＣ２-λＣ１＜０：＃０５）、基準空気過剰率を減少制御量Δλ（例えば、０．０５程度の値）だけ増加し（＃０６）、空気過剰率減少制御を実行する前後での水素の濃度変化量が正である場合（λＣ２-λＣ１＞０：＃０７）、基準空気過剰率を減少制御量Δλ（例えば、０．０５程度の値）だけ減少する（＃０８）。
【0042】
ここで、減少制御量Δλ（絶対値）は、上述の所定の判定変化量λＪ（絶対値）以下に設定される。
【0043】
＃０２～＃０８の処理を所定の時間毎に連続して実行することにより、改質ガスＫにおける水素濃度が最大となるよう、改質気筒４０ｄの空気過剰率（基準空気過剰率）が制御され、当該改質気筒４０ｄでの空気過剰率制御に基づくエンジン本体４０の全体での正味熱効率を最大点に維持することができる。
【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、水素センサＳにて測定される水素濃度に基づいて、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、水素センサＳにて測定された水素濃度に基づく改質気筒４０ｄにおける空気過剰率の制御により、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。
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、水素センサＳにて測定される水素濃度に基づいて、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、水素センサＳにて測定された水素濃度に基づく改質気筒４０ｄにおける空気過剰率の制御により、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。
【0045】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、改質ガス成分濃度測定部として、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。更には、改質ガス成分濃度測定部として、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度ではなく、メタン等の未燃炭化水素の濃度を測定する未燃炭化水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、一酸化炭素センサ、未燃炭化水素センサのうち、複数を備える構成を採用しても構わない。
（１）上記実施形態では、改質ガス成分濃度測定部として、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。更には、改質ガス成分濃度測定部として、改質ガスＫにおける燃焼促進性ガスの濃度ではなく、メタン等の未燃炭化水素の濃度を測定する未燃炭化水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、一酸化炭素センサ、未燃炭化水素センサのうち、複数を備える構成を採用しても構わない。
【0046】
（２）上記実施形態において、エンジン本体４０の正味熱効率の極大点に維持する制御に関し、制御装置５０は、基準空気過剰率に設定される改質気筒４０ｄの空気過剰率を、所定の判定変化量λＪ（例えば、０．０５程度の値）だけ減少する空気過剰率減少制御を実行する構成例を示したが、空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行する構成であっても、本発明の目的を良好に達成できる。
即ち、制御装置５０は、基準空気過剰率から所定の判定変化量の空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、制御装置５０は、空気過剰率増加制御を実行する前後での水素センサＳにて測定される水素の濃度変化量が正である場合に、基準空気過剰率を増加制御し、水素の濃度変化量が負である場合に、基準空気過剰率を減少制御する構成であっても構わない。
即ち、制御装置５０は、基準空気過剰率から所定の判定変化量の空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成され、制御装置５０は、空気過剰率増加制御を実行する前後での水素センサＳにて測定される水素の濃度変化量が正である場合に、基準空気過剰率を増加制御し、水素の濃度変化量が負である場合に、基準空気過剰率を減少制御する構成であっても構わない。
【0047】
（３）上記実施形態において、改質ガス成分濃度測定部として、メタン等の未燃炭化水素の濃度を測定する未燃炭化水素センサ（未燃炭化水素濃度測定部の一例：図示せず）を備える場合、エンジン本体４０の正味熱効率を極大点に維持するべく、上記実施形態の正味熱効率の極大点制御に替えて、以下の制御を実行することが好ましい。
即ち、空気過剰率制御は、改質気筒４０ｄの空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、制御装置５０は、基準空気過剰率から、所定の判定変化量の空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御、又は所定の判定変化量の空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成される。
そして、制御装置５０は、空気過剰率減少制御又は空気過剰率増加制御を実行する前後での未燃炭化水素濃度センサにて測定される未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に基準空気過剰率を増加制御し、未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量以下の場合に、基準空気過剰率を減少制御する。
当該制御は、発明者らが、未燃炭化水素センサにより計測される改質ガスＫにおける未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が、図４、５に示されるように、エンジン本体４０の正味熱効率が最大点近傍になる付近において、急激に大きくなることに鑑みて、完成したものである。
即ち、空気過剰率制御は、改質気筒４０ｄの空気過剰率を、任意に変更可能な基準空気過剰率に追従する形態で制御するものであり、制御装置５０は、基準空気過剰率から、所定の判定変化量の空気過剰率を減少する空気過剰率減少制御、又は所定の判定変化量の空気過剰率を増加する空気過剰率増加制御を実行可能に構成される。
そして、制御装置５０は、空気過剰率減少制御又は空気過剰率増加制御を実行する前後での未燃炭化水素濃度センサにて測定される未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量を超えている場合に基準空気過剰率を増加制御し、未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が所定の判定濃度変化量以下の場合に、基準空気過剰率を減少制御する。
当該制御は、発明者らが、未燃炭化水素センサにより計測される改質ガスＫにおける未燃炭化水素の濃度変化量の絶対値が、図４、５に示されるように、エンジン本体４０の正味熱効率が最大点近傍になる付近において、急激に大きくなることに鑑みて、完成したものである。
【0048】
（４）上記実施形態において、改質ガス成分濃度測定部としての水素センサＳは、改質ガス通流路２８の改質気筒４０ｄの出口に設けられるものとしたが、改質ガス通流路２８に改質ガスＫの改質を促進する触媒（図示せず）を設ける場合、水素センサＳは当該触媒の下流側に設けることが好ましい。
【0049】
（５）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。
【0050】
（６）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。
【0051】
（７）制御装置５０は、燃料比低減制御において、酸素含有ガス供給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。
【0052】
（８）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。
【0053】
（９）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。
【0054】
（１０）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。
【0055】
（１１）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の噴射量を調整して空気過剰率を制御できる。
【0056】
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】
【0057】
本発明のエンジンシステムは、過濃混合気を部分酸化反応させて改質ガスを生成する改質気筒を有するものであって、エンジンの給気温度や給気湿度等の外的環境が変動した場合にも、改質気筒と通常気筒とを含む全体での正味熱効率を極大点近傍に維持可能なものとして、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【0058】
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
Ｓ ：水素センサ
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
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
Ｓ ：水素センサ
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】