(57)【要約】【課題】改質気筒及び通常気筒への燃料供給状態を特定の状態にすることにより、熱効率及び排ガス性状を改善し得るエンジンシステムを提供する。【解決手段】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における空気過剰率を、改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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する制御装置５０を備える。【選択図】図１
2020067066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼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、
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、
前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くエンジンシステムにおいて、
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、改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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する制御装置を備えるエンジンシステム。
【請求項２】
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を少なくとも１つ備えた改質エンジンを有すると共に、燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する通常気筒を備える外部出力エンジンを備え、
前記通常気筒へ導かれる燃料を供給する第３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、
前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成されたエンジンシステムにおいて、
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、改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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３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する制御装置を備えるエンジンシステム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記通常気筒から排出される排ガスのＮＯｘ濃度を低下させる場合に、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御を実行する請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
給気温度を計測する給気温度計測手段を備え、
前記制御装置は、前記給気温度計測手段にて計測される給気温度が、前記通常気筒から排出される排ガスのＮＯｘ濃度を低下させる判定を行うＮＯｘ低下判定閾値を超える場合に、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御を実行する請求項３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記制御装置は、熱効率を向上させる場合に、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御を実行する請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記通常気筒における筒内圧力を計測する筒内圧力計測手段を備え、
前記制御装置は、前記燃料比低下制御において、前記筒内圧力計測手段により計測された筒内圧力の変動係数が前記通常気筒での燃焼が安定している場合の前記変動係数の範囲である安定燃焼範囲に維持できる下限燃料比まで、前記燃料比を低下させる請求項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、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御による前記燃料比を０．０以上０．５０以下に制御する請求項１〜６の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項８】
前記燃料は、メタンを主成分とする炭化水素ガスであり、
前記空気過剰率変動制御は、前記通常気筒と前記改質気筒との総空気過剰率を１．０以上１．５以下に調整すると共に、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０．５５以上０．９５以下の範囲で変動制御する請求項１〜７の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項９】
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を少なくとも一つ備え、当該改質気筒とは別に通常気筒を備え、
前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部を備え、
前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成されているエンジンシステムにおいて、
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、改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する制御装置を備えるエンジンシステム。
【請求項１０】
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を少なくとも１つ備えた改質エンジンを有すると共に、当該改質気筒とは別に通常気筒を備える外部出力エンジンを有し、
前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部を備え、
前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成されたエンジンシステムにおいて、
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、改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する制御装置を備えるエンジンシステム。
【請求項１１】
前記制御装置は、起動時に、前記改質ガス運転に先立って、前記改質気筒での出力を一時的に高くする改質気筒高出力運転を実行する請求項９又は１０に記載のエンジンシステム。
【請求項１２】
前記空気過剰率変動制御では、前記通常気筒と前記改質気筒との総空気過剰率を１以上１．５以下の範囲で変動制御する請求項９〜１１の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１３】
前記改質気筒から排出される改質ガスが通流する改質ガス通流路に、改質ガスを冷却するインタークーラを備えると共に、前記インタークーラによる冷却により生じる凝縮水を改質ガス通流路から排出する凝縮水排出部を備える請求項１〜１２の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項１４】
前記改質気筒へ導かれる燃焼用空気のみを過給する過給機構を備える請求項１又は９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、燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼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部分酸化反応させて前記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、少なくとも前記通常気筒へ導かれる前記燃料を供給する第１燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる前記燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くエンジンシステム、
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前記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１つ備えた改質エンジンを有すると共に、前記燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する通常気筒を備える外部出力エンジンを備え、前記通常気筒へ導かれる前記燃料を供給する第３燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる前記燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、前記改質気筒にて改質された前記改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成されたエンジンシステム、
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を少なくとも一つ備え、当該改質気筒とは別に通常気筒を備え、前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部を備え、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を備えるエンジンシステム、
及び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を少なくとも１つ備えた改質エンジンを有すると共に、当該改質気筒とは別に通常気筒を備える外部出力エンジンを有し、前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部を備え、前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成された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し、燃焼の安定性を改善できる。
特許文献１に開示の技術では、改質気筒の回転数を変更することで、改質気筒での空気過剰率を維持しながらも、１サイクルあたりでの通常気筒への改質ガスの供給量を制御することが開示されている。
【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】
上記特許文献１に示すようなエンジンシステムでは、１サイクルあたりで通常気筒への改質ガスの供給量を変更する点については開示があるものの、改質気筒及び通常気筒への燃料供給状態が、エンジンシステムの熱効率や排ガス性状にどのように影響するかについては開示がなく、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、改質気筒及び通常気筒への燃料供給状態を特定の状態にすることにより、熱効率及び排ガス性状を改善す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、
燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼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部分酸化反応させて前記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、
少なくとも前記通常気筒へ導かれる前記燃料を供給する第１燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる前記燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、
前記改質気筒にて改質された前記改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くエンジンシステムであって、その特徴構成は、
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、前記改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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する制御装置を備える点にある。
【０００７】
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
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前記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１つ備えた改質エンジンを有すると共に、前記燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する通常気筒を備える外部出力エンジンを備え、
前記通常気筒へ導かれる前記燃料を供給する第３燃料供給部と、前記改質気筒へ導かれる前記燃料を供給する第２燃料供給部とを各別に備え、
前記改質気筒にて改質された前記改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成されたエンジンシステムであって、その特徴構成は、
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、前記改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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３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する制御装置を備える点にある。
【０００８】
本発明の発明者らは、検討を進めることにより、総燃料供給量一定の下、改質気筒からの改質ガスを通常気筒へ導くように構成されたエンジンシステムにおいて、すべての改質気筒への燃料供給量に対するすべての通常気筒への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することで、図２に示すように、燃料比を低下するほど、通常気筒からの排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができると共に、熱効率（図示熱効率及び正味熱効率）の向上を図ることができるという知見を見出した。
説明を追加すると、燃料比を低下するほど、通常気筒での燃焼熱量が低下するため、排ガスのＮＯｘ濃度が高くなる空気過剰率が１近傍（例えば、１．０以上１．５以下の値）での燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生が低下できると考えられる。
一方、熱効率の向上については、燃料比が低下するほど、改質気筒の出力に対する通常気筒での出力の比である出力比が大きくなるため、一のエンジンに改質気筒と通常気筒との双方を有する場合には機械損失が大きくなるものの、燃料比が低下するほど、改質気筒での混合気の空気過剰率が１より小さい側へ以降することで、改質ガス中の水素等の燃焼促進性ガスの割合が増え、通常気筒での燃焼が促進され、また、燃焼効率を向上できるため、熱効率を向上できると考えられる。
【０００９】
しかしながら、改質気筒への燃料供給量に対する通常気筒への燃料供給量の比である燃料比を単純に低下するのみでは、特に通常気筒での図示平均有効圧の変動係数（ＣＯＶ  ｏｆ  ＩＭＥＰ）が増大し、燃焼の安定性が低下し、失火等が発生してストールする危険性が高まる。
そこで、本発明にあっては、改質気筒における空気過剰率を改質ガスが生成する所定の範囲で変動制御している。つまり、改質気筒における空気過剰率を一定の値に固定するのではなく、所定の範囲で変動制御することにより、各気筒における図示平均有効圧の変動係数を低い値に維持でき、安定した燃焼を維持しながらも、低ＮＯｘ化及び熱効率の向上を良好に図ることができる。
【００１０】
特に、改質気筒を有する改質エンジンとは別に、通常気筒を有する外部出力エンジンを備える場合には、改質気筒での出力に対する通常気筒での出力の比である出力比が大きい場合であっても、出力比由来の機械損失が発生しないため、より一層、熱効率の向上を見込むことができる。
【００１１】
エンジンシステムとしては、
前記制御装置は、前記通常気筒から排出される排ガスのＮＯｘ濃度を低下させる場合に、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御を実行することが好ましい。
特に、給気温度を計測する給気温度計測手段を備え、
前記制御装置は、前記給気温度計測手段にて計測される給気温度が、前記通常気筒から排出される排ガスのＮＯｘ濃度を低下させる判定を行うＮＯｘ低下判定閾値を超える場合に、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御を実行することが好ましい。
【００１２】
上記特徴構成によれば、制御装置は、例えば、給気温度が上昇し、燃焼室における燃焼のピーク温度が上昇し、それに伴うサーマルＮＯｘの発生量が高くなる可能性が高い場合に、改質気筒での空気過剰率変動制御を実行すると共に、燃料比低下制御を実行することで、ＮＯｘの発生量を抑制できる。
【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、熱効率を向上させる場合に、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御を実行する点にある。
【００１４】
上述したように、制御装置が、空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行する場合には、改質気筒での出力に対する通常気筒での出力の比である出力比が大きくなるため、エンジンの振動が大きくなり、それに伴うエンジンの損傷が発生する虞がある。
上記特徴構成によれば、熱効率を向上する場合にのみ、空気過剰率変動制御を実行している状態で燃料比低下制御を実行するから、エンジンに損傷が発生する虞を低下しつつも、必要な場合には、効率向上を図ることができる制御が実現できる。
【００１５】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記通常気筒における筒内圧力を計測する筒内圧力計測手段を備え、
前記制御装置は、前記燃料比低下制御において、前記筒内圧力計測手段により計測された筒内圧力の変動係数が前記通常気筒での燃焼が安定している場合の前記変動係数の範囲である安定燃焼範囲に維持できる下限燃料比まで、前記燃料比を低下させる点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、制御装置は、改質気筒への燃料供給量に対する通常気筒への燃料供給量の比である燃料比を低下するのに際し、通常気筒での図示平均有効圧の変動係数が、その燃焼室での燃焼の安定が維持できる範囲となるように、燃料比を低下するから、エンジンのストールを好適に防止しながらも、低ＮＯｘ化及び熱効率の向上を図ることができる制御を実現できる。
【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、前記空気過剰率変動制御を実行している状態で、前記燃料比低下制御による前記燃料比を０．０以上０．５０以下に制御する点にある。
【００１８】
制御装置は、エンジンの燃焼状態が安定している場合には、改質気筒への燃料供給量に対する通常気筒への燃料供給量の比である燃料比を０．０以上０．５０以下とすることが好ましい。
本発明の発明者らは、後述する試験結果により、燃料比を０．０以上０．５０以下に制御することで、燃料比を０．５０を超える値に制御する場合に比べ、図２のグラフ図に示すように、熱効率を最大まで高めることができると共に、ＮＯｘ濃度を零近傍まで抑制できることを確認している。
【００１９】
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
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を少なくとも一つ備え、当該改質気筒とは別に通常気筒を備え、
前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部を備え、
前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成されているエンジンシステムであって、その特徴構成は、
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、前記改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する制御装置を備える点にある。
【００２０】
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
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を少なくとも１つ備えた改質エンジンを有すると共に、当該改質気筒とは別に通常気筒を備える外部出力エンジンを有し、
前記改質気筒へ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部を備え、
前記改質気筒にて改質された前記改質ガスを、少なくとも前記通常気筒へ導くように構成されたエンジンシステムであって、その特徴構成は、
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、前記改質ガスを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動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改質ガスのみを導く改質ガス運転を実行する制御装置を備える点にある。
【００２１】
これまで説明してきたように、本発明の発明者らは、検討を進めることにより、改質気筒からの改質ガスを通常気筒へ導くように構成されたエンジンシステムにおいて、すべての改質気筒への燃料供給量に対するすべての通常気筒への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することで、図２に示すように、燃料比を低下するほど、通常気筒からの排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができると共に、熱効率（図示熱効率及び正味熱効率）の向上を図ることができるという知見を見出した。
上記特徴構成においては、上記知見に基づいて、通常気筒へ燃料を供給する燃料供給機構を省略して構成の簡素化を図ったシステムを採用し、通常気筒へ前記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、燃料比が零の状態で燃料供給を実行して、エンジンを良好に運転することができると共に、低ＮＯｘ化を図りつつ、熱効率の向上を図ることができる。
【００２２】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記燃料は、メタンを主成分とする炭化水素ガスであり、
前記空気過剰率変動制御は、前記通常気筒と前記改質気筒との総空気過剰率を１．０以上１．５以下に調整すると共に、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０．５５以上０．９５以下の範囲で変動制御する点にある。
【００２３】
例えば、燃料としてメタンを主成分とする炭化水素ガスを用いる場合、空気過剰率変動制御として、通常気筒と改質気筒との総空気過剰率を１．０以上１．５以下に調整すると共に、第２燃料供給部による燃料供給量を調整して改質気筒における空気過剰率を０．５５以上０．９５以下の範囲で変動制御している状態で、燃料比低下制御を実行することで、各気筒での燃焼を比較的安定させながらも、通常気筒からの排ガスのＮＯｘ濃度を目標値（自主基準として定める目標値で例えば、１５０ｐｐｍ）以下に維持しつつ、エンジンシステム全体としての効率の最大化を図ることができる。
【００２４】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、起動時に、前記改質ガス運転に先立って、前記改質気筒での出力を一時的に高くする改質気筒高出力運転を実行する点にある。
【００２５】
上記特徴構成の如く、通常気筒へ直接燃料を供給しない構成にあっては、起動時は、セルモータによるアシスト運転をする構成が考えられるが、例えば、改質気筒へ導かれる新気の流量を増加することで、改質気筒の出力の一時的な増大を図ることで、起動時のエンジンシステムの安定性をより向上させることができる。
【００２６】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記空気過剰率変動制御では、前記通常気筒と前記改質気筒との総空気過剰率を１以上１．５以下の範囲で変動制御する点にある。
【００２７】
空気過剰率変動制御として、通常気筒と改質気筒との総空気過剰率を１．０以上１．５以下に調整することで、各気筒での燃焼を比較的安定させながらも、これまで説明してきたエンジンシステムの奏する作用効果を良好に発揮することができる。
【００２８】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質気筒から排出される改質ガスが通流する改質ガス通流路に、改質ガスを冷却するインタークーラを備えると共に、前記インタークーラによる冷却により生じる凝縮水を改質ガス通流路から排出する凝縮水排出部を備える点にある。
【００２９】
上記特徴構成によれば、改質気筒にて生成された改質ガスを冷却するインタークーラを備えることで、冷却された改質ガスを受け入れる通常気筒での燃焼ピーク温度を低下させ、サーマルＮＯｘの発生量を低下できる。
更に、凝縮水排出部が、インタークーラの冷却により生じる凝縮水を改質ガス通流路から外部へ良好に排出して、当該改質ガス通流路の内壁の凝縮水による腐食を防止できる。
【００３０】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質気筒へ導かれる燃焼用空気のみを過給する過給機構を備える点にある。
【００３１】
本発明の発明者らは、後述の〔発明を実施するための形態〕にて詳述するように、特に、本発明の如く燃料比低減制御を実行して燃料比を低下させる状況においては、通常気筒と改質気筒との双方へ導かれる燃焼用空気を過給する場合に比して、改質気筒へ導かれる燃焼用空気のみを過給することで、エンジンシステム全体としての負荷、即ち、通常気筒と改質気筒とを合わせた全体の負荷を高くすることができることを化学計算により確かめている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図
【図２】第１実施形態に係るエンジンシステムにおいて、空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行した場合における熱効率、通常気筒からの排ガスのＮＯｘ濃度、通常気筒からの排ガス温度の変化を示すグラフ図
【図３】第１実施形態に係るエンジンシステムにおいて、空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行した場合における通常気筒及び改質気筒での図示平均有効圧の変動係数の変化を示すグラフ図
【図４】第２実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図
【図５】従来のエンジンシステムの制御方法において、改質気筒と通常気筒とを合わせた空気過剰率を１．０以上０．５以下に維持しつつ、改質気筒での空気過剰率を一定（０．７５）に維持した状態で、改質気筒への燃料供給量に対する通常気筒への燃料供給量の比である燃料比を変更させた場合における熱効率の変化、及び通常気筒からの排ガスのＮＯｘ濃度の変化を示すグラフ図
【図６】従来のエンジンシステムの制御方法で燃料比を２．０に固定した場合において、熱効率、ＮＯｘ濃度、及び通常気筒からの排ガス温度の変化を示すグラフ図
【図７】従来のエンジンシステムの制御方法で燃料比を０．５に固定した場合において、熱効率、ＮＯｘ濃度、及び通常気筒からの排ガス温度の変化を示すグラフ図
【図８】別実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図
【図９】別実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図
【図１０】改質気筒の空気過剰率と改質気筒のＣＯＶ  ｏｆ  ＩＭＥＰとの関係を示すグラフ図
【図１１】改質気筒の空気過剰率とシステム全体での熱勘定との関係を示すグラフ図
【図１２】燃料比毎における総空気過剰率と正味熱効率との関係を示すグラフ図
【図１３】燃料比毎における総空気過剰率と図示熱効率との関係を示すグラフ図
【図１４】総空気過剰率とシステム全体の熱勘定との関係を示すグラフ図
【図１５】改質気筒の空気過剰率が一定（０．６４）の場合における総空気過剰率と熱効率との関係を示すグラフ図
【図１６】改質気筒の空気過剰率が一定（０．６４）の場合における総空気過剰率と通常気筒のＣＯＶ  ｏｆ  ＩＭＥＰとの関係を示すグラフ図
【図１７】総空気過剰率とシステム全体での熱勘定との関係を示すグラフ図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施形態に係るエンジンシステム１００、２００は、改質気筒及び通常気筒への燃料供給状態を適切に制御することにより、熱効率及び排ガス性状を改善し得るものである。以下、当該エンジンシステム１００、２００について、図面に基づいて説明する。
【００３４】
〔第１実施形態〕
第１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（当該第１実施形態では通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみへ導く）ものである。
【００３５】
以下、図１に基づいて、第１実施形態に係るエンジンシステム１００について説明する。
当該第１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（当該第１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（当該第１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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
過給機３０（過給機構の一例）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、当該第１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。
【００４１】
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、当該第１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、当該第１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。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。
【００４２】
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。
すべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、及び改質気筒４０ｄには、運転状態検出部４１として、筒内圧力を検出する筒内圧力センサ（筒内圧力計測手段の一例）が設けられており、制御装置５０は、当該筒内圧力センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。また、制御装置５０は、給気温度を計測する給気温度センサ（図示せず：給気温度計測手段の一例）の計測結果を取得可能に構成されており、当該給気温度センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。
【００４３】
さて、当該実施形態に係るエンジンシステム１００は、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと改質気筒４０ｄとを備えたエンジンシステムにおいて、熱効率を向上させると共に排ガス性状を改善させるべく、以下の制御を実行する。
制御装置５０は、第２燃料供給部としての第２燃料流量制御弁１５による燃料供給量を調整して改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を、改質ガスＫを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動制御を実行している状態で、第２燃料供給部としての第２燃料流量制御弁１５によるすべての改質気筒４０ｄ（当該第１実施形態では１気筒）への総燃料供給量に対する第１燃料供給部としての第１燃料流量制御弁１３によるすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ（当該第１実施形態では３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する。
【００４４】
尚、空気過剰率変動制御では、燃料としてメタンを主成分とする炭化水素ガスを用いる場合、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと改質気筒４０ｄとの総空気過剰率を１．０以上１．５以下に調整すると共に、第２燃料供給部としての第２燃料流量制御弁１５による燃料供給量を調整して改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を０．５５以上０．９５以下（より好ましくは、０．６０以上０．９０以下）の範囲で変動制御することが好ましい。
これにより、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃから排出される排ガスＥのＮＯｘ濃度を目標値（自主基準として定める目標値で例えば、１５０ｐｐｍ）以下に維持すると共にシステム全体の効率の最大化を図ることができる。
【００４５】
ここで、これまでの発明者らの研究により、改質気筒の空気過剰率を小さくすることで、燃焼促進性ガス（Ｈ２、ＣＯ）の割合が増え高効率化することが明らかになってきている。メタンを主成分とする都市ガスでは、改質気筒の空気過剰率は０．９５以下とした。
一方で、改質気筒の空気過剰率をどこまで小さくすることが好ましいかについて明らかでない中、メタンが主な成分の都市ガスにおいて、行った試験結果について以下に説明する。
尚、行った試験は、試験の都合上、通常気筒が２気筒で、改質気筒が１気筒のエンジンを用いて取得している。
【００４６】
図１０は、通常気筒と改質気筒との総空気過剰率を１．０に制御しつつ、改質気筒の空気過剰率を徐々に低減した場合の試験結果を示すものである。
ここで、図１０から、改質気筒の空気過剰率を小さくし過ぎると、燃焼の不安定度が高くなることが判る。更に、空気過剰率を小さくすると失火し運転できないことが試験から明らかになっている。更に、図１１に示すように、改質気筒の空気過剰率を小さくすると、わずかながら正味熱効率も下がることが判っている。以上の試験結果より、改質気筒の空気過剰率の下限は０．５５とした。
【００４７】
通常気筒と改質気筒との総空気過剰率は、１．０未満の場合に未燃損失が急増することは明らかであるので、１．０以上に設定する。
一方、総空気過剰率の上限について、図１２〜１４に基づいて説明する。図１２〜１４の試験は、総燃料流量を一定に制御の下、燃料比及び総空気過剰率を変化させた場合の試験である。
図１２に示すように、燃料比が０の場合の正味熱効率から、正味熱効率は、総空気過剰率が大凡１．１で最も高い値を示すことがわかる。更に、通常気筒の燃料比が高くなるにつれ、正味熱効率のピークは、総空気過剰率が大凡１．２へシフトする。即ち、当該試験結果から、正味熱効率を高くする観点からは、総空気過剰率は、燃料比に応じて制御することが好ましいといえる。
これに対し、図示熱効率は、図１３に示すように、総空気過剰率が大きいほど高くなっていることがわかる。総空気過剰率が大きくなるに従って、図示熱効率が高くなるが正味熱効率が低くなる理由のひとつは、図１４に示すように機械損失の増加によるものである。従って、機械効率が向上した場合、総空気過剰率１．２２より高い空気過剰率で運転することが好ましくなる。これにより、メタンを主成分とする都市ガスでは、総空気過剰率を１．５以下とする。
【００４８】
図２、３は、制御装置５０が上述の空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行した場合の結果を示すグラフ図であり、図２は、熱効率（図示熱効率、正味熱効率）、通常気筒からの排ガスのＮＯｘ濃度、通常気筒からの排ガス温度の変化を示すグラフ図であり、図３は、通常気筒及び改質気筒における図示平均有効圧（筒内圧力の一例）の変動係数の変化を示すグラフ図である。
尚、図２、３の試験データは、試験の都合上、通常気筒が２気筒で、改質気筒が１気筒のエンジンを用いて取得している。
図２の試験結果から判明するように、燃料比を２．０から０．０へ向けて徐々に低下するに従って、図示熱効率及び正味熱効率が向上していると共に、ＮＯｘ濃度が低下していることがわかる。尚、ＮＯｘ濃度に関しては、燃料比が０．５未満では、２５ｐｐｍ以下に抑制することができており、図２に示す目標値（自主基準として定める目標値で例えば、１５０ｐｐｍ）を大幅に下回っていることがわかる。また、通常気筒からの排ガスの温度も燃料比の低下に伴って低下していることから、燃料比の低下に伴ってサーマルＮＯｘの発生量が低下していると考えられる。
更に、図３の試験結果から判明するように、燃料比を２．０から０．０へ向けて徐々に低下しても、図示平均有効圧の変動係数は、すべての気筒において、２．５未満の十分に小さい値を示しており、安定した燃焼を実現できていると言える。
【００４９】
〔従来技術における試験結果〕
これに対し、以下に従来技術の制御を用いた場合の試験結果を図５〜７に示す。尚、図５〜７の試験データは、図２、３に示した試験データと同様に、通常気筒が２気筒で、改質気筒が１気筒のエンジンを用いて取得している。
図５は、従来のエンジンシステムの制御方法において、改質気筒と通常気筒とを合わせた空気過剰率を量論近傍に維持しつつ改質気筒での空気過剰率を一定（０．７５）に維持した状態で、１気筒の改質気筒への総燃料供給量に対する２気筒の通常気筒に対する総燃料供給量の比である燃料比を２．０から０．０へ向けて徐々に低下させた場合における熱効率の変化、及び通常気筒からの排ガスのＮＯｘ濃度の変化を示すグラフ図である。
当該試験の如く、改質気筒の空気過剰率を一定（０．７５）に維持した場合、燃料比が０．５０を下回ったあたりで、通常気筒での図示平均有効圧の変動係数が４を超える程度に燃焼が不安定となり、それより燃料比を低下することが困難となった。
このことから、熱効率の向上及び低ＮＯｘ化の効果を発揮するべく、燃料比を十分に低下させるためには、本実施形態の空気過剰率変動制御を行うことが必要であると考えられる。
次に、図６に、従来のエンジンシステムの制御方法で、燃料比を２．０に固定した場合において、熱効率、ＮＯｘ濃度、及び通常気筒からの排ガス温度の変化を示すグラフ図を示し、図７に、従来のエンジンシステムの制御方法で、燃料比を０．５に固定した場合において、熱効率、ＮＯｘ濃度、及び通常気筒からの排ガス温度の変化を示すグラフ図を示す。
図６、７の何れにおいても、改質気筒の空気過剰率の低下に伴って、熱効率については図示熱効率及び正味熱効率に上昇傾向はみられず、またＮＯｘ濃度は上昇してしまっている。このことから、熱効率の向上及び低ＮＯｘ化を図るためには、本実施形態の燃料比低下制御が必要であると考えられる。
【００５０】
以上の知見により、当該実施形態に係る制御装置５０は、例えば、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと改質気筒４０ｄとの出力差に起因する機械損失を許容して、熱効率の向上を優先する場合、空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行する。
【００５１】
尚、図５は、改質気筒での空気過剰率を固定している場合であるが、この場合、燃料比を１．０にしているときに、正味熱効率が最大（２５．２４％）となっている。これは、ＮＯｘ低減が必要ない場合（目標値に対して裕度が有る場合）、通常気筒へも燃料供給したほうが機械損失を低減でき、全体での熱効率向上が見込めることを意味している。
【００５２】
また、制御装置５０は、例えば、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと改質気筒４０ｄとの出力差に起因する機械損失を許容して、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃから排出される排ガスへのＮＯｘ濃度を低下させる場合、空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行する。
例えば、給気温度が上昇し、各気筒での燃焼ピーク温度が上昇するときには、サーマルＮＯｘの発生量が増加する傾向にある。そこで、制御装置５０は、給気温度センサ（図示せず）により計測される給気温度がＮＯｘ低下判定閾値（例えば、８０℃程度の温度）を超える場合、空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行する。
これにより、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃから排出される排ガスのＮＯｘ濃度の上昇が予想される環境において、良好にＮＯｘ濃度の抑制を図ることができる。
【００５３】
尚、当該実施形態のエンジンシステム１００にあっては、改質ガス通流路２８に、改質ガスＫを冷却するインタークーラ４２を備えると共に、当該インタークーラ４２による冷却により生じる凝縮水を改質ガス通流路２８から排出する凝縮水排出部（図示せず）を備えている。当該構成により、改質ガスＫを降温でき、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの燃焼ピーク温度を低下でき、サーマルＮＯｘの発生量を低下できる。また、凝縮水排出部から、インタークーラ４２にて凝縮した凝縮水を、改質ガス通流路２８の内部から外部へ排出でき、凝縮水による改質ガス通流路２８内壁の腐食を防止することができる。
【００５４】
さて、燃料比低下制御に関し、説明を追加すると、制御装置５０は、空気過剰率変動制御を実行している状態で、燃料比低下制御を実行する際に、運転状態検出部４１としての筒内圧力センサにより計測された通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの図示平均有効圧（筒内圧力の一例）の変動係数が、通常気筒での燃焼が安定している場合の変動係数の範囲である安定燃焼範囲（例えば、０．０以上３．０以下の範囲）に維持できる下限燃料比まで燃料比を低下させる。
上述の図２、３に示す試験データからは、燃料比低下制御では、燃料比を０に近づけるほど、熱効率の向上と低ＮＯｘ化を見込むことができる。しかしながら、燃料ガスの熱量の変動等の様々な外的要因により、燃料比を０に近づけていく場合に、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの燃焼が不安定になる場合がある。
このような場合には、制御装置５０は、燃料比を上述の下限燃料比まで低下させる形態で、燃料比低下制御を実行する。
【００５５】
さて、当該第１実施形態に係るエンジンシステム１００にあっては、過給機３０が、改質気筒４０ｄへ導かれる燃焼用空気Ａのみを過給する構成を示したが、当該構成をとる理由を以下で説明する。
以下では、通常気筒が３気筒で、改質気筒が１気筒であり、燃料はメタンを主成分とする炭化水素ガスである場合における化学計算を行った例を示す。前提条件として、改質気筒の空気過剰率を０．６とし、通常気筒での空気比（ｍｏｌ／ｍｏｌ）を１０．７４とし、無過給で各気筒に入る物質量を１００．８ｍｏｌとする。尚、当該計算例においては、小数点３以下を四捨五入している。また、燃料比低減制御において燃料比は零に制御されているものとする。
まず、無過給の場合についての計算結果を示す。
改質気筒の燃料割合１００％で、無過給において改質気筒で最も改質ガスを生成する場合、燃料、燃焼用空気、燃料と燃焼用空気と混合気の合計の物質量は、以下の〔表１〕のようになる。ここで、上記前提条件の場合、改質気筒の排ガス量は、改質気筒へ流入する混合気の大凡１．１２倍になることが、実験と詳細化学計算により判明しており、改質ガスの物質量は、１１３．２７ｍｏｌとなり、当該改質ガスを、３つの通常気筒へ送り、不足している空気を追加して量論燃焼すると、以下の〔表２〕のようになる。尚、上述の前提条件にて示すように、燃料比が零のため、ここでは、通常気筒へ直接燃料は供給されない。〔表２〕から判明するように、各気筒へ無過給で流入可能な物質量１００．８ｍｏｌに対し、各通常気筒への流入混合気量は、５７．１５ｍｏｌとなり、通常気筒では、体積的に不足が生じることになる。
【００５６】
そこで、改質気筒のみを過給する場合、以下の〔表３〕に示すように、改質気筒に１７７．７８ｍｏｌの混合気が過給されるとする。当該値は、過給圧を通常の給気圧の大凡２倍であるとした場合に想定される値である。当該改質気筒にて生成された改質ガスを、３つの通常気筒へ送り、無過給で不足している空気を追加すると、〔表４〕に示すように、通常気筒で最も改質ガスを含んで燃焼することができ、最大負荷に対応した出力を発揮できる。
【００５７】
一方、通常気筒に導かれる燃焼用空気を過給する場合、上記前提条件の空気比を通常気筒にて実現するべく、改質気筒に１９１．７ｍｏｌより多い過給を行う必要があり、また各気筒それぞれに過給器を具備するなどと構成が複雑になるため、当該実施形態では、改質気筒へ導かれる燃焼用空気のみを過給しているのである。
【００５８】
【表１】
2020067066.tif 000003
【００５９】
【表２】
2020067066.tif 000004
【００６０】
【表３】
2020067066.tif 000005
【００６１】
【表４】
2020067066.tif 000006
【００６２】
〔第２実施形態〕
上記第１実施形態に係るエンジンシステム１００にあっては、単一の多気筒エンジンにおいて、改質気筒４０ｄにて改質された改質ガスＫを通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導く構成例を示した。
当該第２実施形態に係るエンジンシステム２００は、図４に示すように、混合気Ｍを改質して改質ガスＫを生成するための改質気筒４０ｄを有する改質エンジン２００ａに加えて、改質エンジン２００ａにて生成された改質ガスＫが導かれる通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを有する外部出力エンジン２００ｂを備えて構成されている。
【００６３】
尚、当該エンジンシステム２００は、外部出力エンジン２００ｂの運転状態を検出する運転状態検出部８１としての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外部出力エンジン２００ｂ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。即ち、当該第２実施形態に係るエンジンシステム２００にあっては、改質エンジン２００ａではなく外部出力エンジン２００ｂの運転状態を積極的に検出するように構成されている。
第２実施形態に係るエンジンシステム２００における改質エンジン２００ａでは、第１実施形態に係るエンジンシステム１００における通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃを、非改質気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃとし、通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃを、非改質気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃとする。
更に、当該第２実施形態に係るエンジンシステム２００では、改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫを、改質エンジン２００ａの給気本管２０に戻さない構成、即ち、非改質気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及びそれらが連結される非改質気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃには、改質ガスＫが導かれない構成とする。
更に、当該第２実施形態に係るエンジンシステム２００では、第１燃料供給部にて供給される燃料Ｆは、非改質気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに加え、改質気筒４０ｄへも導く構成とする。
当該第２実施形態に係るエンジンシステム２００における改質エンジン２００ａは、以上の点を除き、上述した第１実施形態に係るエンジンシステム１００と実質的に同一の構成をしており、同一の制御を実行する。
以下、上記第１実施形態に係るエンジンシステム２００と異なる構成及び制御に重点をおいて説明することとし、同一の構成及び制御については、その詳細な説明を省略することがある。
【００６４】
外部出力エンジン２００ｂは、図４に示すように、給気本管７０から通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ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８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室から排気弁（図示せず）を介して排気路に押し出され、外部へ排出される。
【００６５】
給気本管７０には、燃焼用空気Ａを浄化するエアクリーナ７１、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６４、開度調整により通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄへの混合気Ｍの給気量を調整可能なスロットル弁７３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７０において、ミキサ６４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、スロットル弁７３を介して所定の流量に調整され、通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室へ導入される。
【００６６】
ミキサ６４に燃料Ｆを導く第３燃料供給路６１には、ミキサ６４の上流側の給気本管７０における燃焼用空気Ａの圧力と第３燃料供給路６１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６２、ミキサ６４を介して通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室へ供給される燃料Ｆの供給量を調整する第３燃料流量制御弁６３が設けられている。
つまり、第３燃料供給路６１、ミキサ６４、及び第３燃料流量制御弁６３が、第３燃料供給部として機能する。
【００６７】
外部出力エンジン２００ｂのエンジン本体８０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部８１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おり、制御装置５０は、当該回転数センサにて計測されるエンジン回転数を目標回転数に維持するべく、当該回転数センサの計測結果に基づいてスロットル弁７３の開度を制御する。
更に、外部出力エンジン２００ｂのエンジン本体８０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部８１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２燃料流量制御弁１５、第３燃料流量制御弁６３、通常気筒用スロットル弁２３、及びスロットル弁７３の開度を制御する。
すべての通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄには、運転状態検出部８１として、筒内圧力を検出する筒内圧力センサが設けられており、制御装置５０は、当該筒内圧力センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。また、制御装置５０は、給気温度（外部出力エンジン２００ｂの給気温度、又は改質エンジン２００ａの給気温度）を計測する給気温度センサ（図示せず）の計測結果を取得可能に構成されており、当該給気温度センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。
【００６８】
給気本管７０は、スロットル弁７３の下流側において、通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄへ混合気Ｍを導く複数の給気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄに接続されている。
当該給気本管７０でスロットル弁７３の下流側で、複数の給気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの上流側には、改質エンジン２００ａの改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫを通流する改質ガス通流路２８が連通接続されている。当該構成により、上述の給気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄのすべてに対して、改質ガスＫが大凡同一流量で通流することになる。
【００６９】
以上の如く構成されたエンジンシステム２００にあっては、熱効率を向上させると共に排ガス性状を改善させるべく、以下の制御を実行する。
制御装置５０は、第２燃料供給部としての第２燃料流量制御弁１５による燃料供給量を調整して改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を、改質ガスＫを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動制御を実行している状態で、第２燃料供給部としての第２燃料流量制御弁１５によるすべての改質気筒４０ｄ（当該第２実施形態では１気筒）への総燃料供給量に対する第３燃料供給部としての第３燃料流量制御弁６３によるすべての通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ（当該第２実施形態では４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する。
尚、空気過剰率変動制御及び燃料比低下制御の詳細については、上記第１実施形態に係るエンジンシステム１００と同一であるので、ここではその詳細な説明は割愛する。
【００７０】
〔第３実施形態〕
第３実施形態に係るエンジンシステム１００は、図８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を少なくとも１つ備え、当該改質気筒４０ｄとは別に通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃを備え、改質気筒４０ｄへ導かれる燃料を供給する第２燃料供給部を備え、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（当該第３実施形態では通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみへ導く）ものである。
【００７１】
以下、図１に基づいて、第３実施形態に係るエンジンシステム１００について説明する。
当該第３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（当該第３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（当該第３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。
【００７２】
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。
【００７３】
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が設けられている。
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。
給気本管２０からエアクリーナ２１の下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。
【００７４】
過給機３０（過給機構の一例）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、当該第３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。
【００７５】
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、当該第３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、当該第３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。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。
【００７６】
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。
すべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、及び改質気筒４０ｄには、運転状態検出部４１として、筒内圧力を検出する筒内圧力センサ（筒内圧力計測手段の一例）が設けられており、制御装置５０は、当該筒内圧力センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。また、制御装置５０は、給気温度を計測する給気温度センサ（図示せず：給気温度計測手段の一例）の計測結果を取得可能に構成されており、当該給気温度センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。
【００７７】
さて、当該実施形態に係るエンジンシステム１００は、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと改質気筒４０ｄとを備えたエンジンシステムにおいて、熱効率を向上させると共に排ガス性状を改善させるべく、以下の制御を実行する。
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における空気過剰率を、改質ガスＫを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動制御を実行している状態で、通常気筒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。即ち、当該第３実施形態においては、第２燃料供給部としての第２燃料流量制御弁１５によるすべての改質気筒４０ｄ（当該第１実施形態では１気筒）への総燃料供給量に対するすべての通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ（当該第３実施形態では３気筒）への総燃料供給量の比である燃料比を零に維持された状態で、改質ガス運転が実行されることになる。
ただし、起動時にあっては、エンジンの運転を安定させるため、セルモータによるアシストを行うと共に、制御装置５０は、改質ガス運転に先立って、改質気筒４０ｄでの出力を一時的に高くする改質気筒高出力運転を実行することが好ましい。
【００７８】
尚、空気過剰率変動制御では、燃料としてメタンを主成分とする炭化水素ガスを用いる場合、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと改質気筒４０ｄとの総空気過剰率を１．０以上１．５以下に調整すると共に、改質気筒４０ｄにおける空気過剰率を０．５５以上０．９５以下（より好ましくは、０．６０以上０．９０以下）の範囲で変動制御することが好ましい。
これにより、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃから排出される排ガスＥのＮＯｘ濃度を目標値（自主基準として定める目標値で例えば、１５０ｐｐｍ）以下に維持すると共にシステム全体の効率の最大化を図ることができる。
【００７９】
通常気筒と改質気筒との総空気過剰率は、１．０未満の場合に未燃損失が急増することは明らかであるので、１．０以上に設定する。
一方、総空気過剰率の上限について、図１５〜１７に基づいて説明する。図１５〜１７の試験は、総燃料流量を一定で燃料比を零に制御の下、改質気筒の燃料量及び空気過剰率を一定に維持して、総空気過剰率を変化させた場合の試験である。
図１５に示すように、燃料比が０の場合、図示熱効率のピークは、総空気過剰率が１．３３のときである。しかしながら、当該試験は、試験設備の都合により、総空気過剰率が１．３未満のデータをは取得できておらず、現状の試験データの傾向から、図示熱効率のピークは１．３未満にあると考えられる。
一方、図１６に示す試験結果から、総空気過剰率が大きくなるにつれ、通常気筒でのＣＯＶ  ｏｆ  ＩＭＥＰの値が高くなっていることが判明している。更に、図１７に示す試験結果から、総空気過剰率の増加に伴い、機械損失と未燃損失は増加しているものの、ポンプ損失と冷却損失の低減が望める。従って、今後、一般的なエンジン技術の改良による燃焼改善により、更なる正味熱効率の改善が期待される。
以上より、総空気過剰率の上限は、１．５に設定している。
【００８０】
図２、３は、上述の燃料比を低下させる制御を実行した場合の結果を示すグラフ図であり、図２は、熱効率（図示熱効率、正味熱効率）、通常気筒からの排ガスのＮＯｘ濃度、通常気筒からの排ガス温度の変化を示すグラフ図であり、図３は、通常気筒及び改質気筒における図示平均有効圧（筒内圧力の一例）の変動係数の変化を示すグラフ図である。
尚、図２、３の試験データは、試験の都合上、通常気筒が２気筒で、改質気筒が１気筒のエンジンを用いて取得している。当該試験では、燃料比が零の値が、当該実施形態に係るエンジンシステム１００での結果に対応する。
図２の試験結果から判明するように、燃料比が零の場合は、他の燃料比に比べて、図示熱効率及び正味熱効率が高い値を示していると共に、ＮＯｘ濃度が低いことがわかる。尚、ＮＯｘ濃度に関しては、図２に示す目標値（自主基準として定める目標値で例えば、１５０ｐｐｍ）を大幅に下回っていることがわかる。
更に、図３の試験結果から判明するように、燃料比が零の場合であっても、図示平均有効圧の変動係数は、すべての気筒において、２．５未満の十分に小さい値を示しており、安定した燃焼を実現できていると言える。
【００８１】
尚、当該実施形態のエンジンシステム１００にあっては、改質ガス通流路２８に、改質ガスＫを冷却するインタークーラ４２を備えると共に、当該インタークーラ４２による冷却により生じる凝縮水を改質ガス通流路２８から排出する凝縮水排出部（図示せず）を備えている。当該構成により、改質ガスＫを降温でき、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの燃焼ピーク温度を低下でき、サーマルＮＯｘの発生量を低下できる。また、凝縮水排出部から、インタークーラ４２にて凝縮した凝縮水を、改質ガス通流路２８の内部から外部へ排出でき、凝縮水による改質ガス通流路２８内壁の腐食を防止することができる。
【００８２】
〔第４実施形態〕
上記第３実施形態に係るエンジンシステム１００にあっては、単一の多気筒エンジンにおいて、改質気筒４０ｄにて改質された改質ガスＫを通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導く構成例を示した。
当該第４実施形態に係るエンジンシステム２００は、図９に示すように、混合気Ｍを改質して改質ガスＫを生成するための改質気筒４０ｄを有する改質エンジン２００ａに加えて、改質エンジン２００ａにて生成された改質ガスＫが導かれる通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを有する外部出力エンジン２００ｂを備えて構成されている。
【００８３】
尚、当該エンジンシステム２００は、外部出力エンジン２００ｂの運転状態を検出する運転状態検出部８１としての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外部出力エンジン２００ｂ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。即ち、当該第４実施形態に係るエンジンシステム２００にあっては、改質エンジン２００ａではなく外部出力エンジン２００ｂの運転状態を積極的に検出するように構成されている。
第４実施形態に係るエンジンシステム２００における改質エンジン２００ａでは、第３実施形態に係るエンジンシステム１００における通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃを、非改質気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃとし、通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃを、非改質気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃとする。
更に、当該第４実施形態に係るエンジンシステム２００では、改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫを、改質エンジン２００ａの給気本管２０に戻さない構成、即ち、非改質気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及びそれらが連結される非改質気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃには、改質ガスＫが導かれない構成とする。
更に、当該第４実施形態に係るエンジンシステム２００では、第１燃料供給部にて供給される燃料Ｆは、非改質気筒４０ａ、４０ｂ，４０ｃに加え、改質気筒４０ｄへも導く構成とする。
当該第４実施形態に係るエンジンシステム２００における改質エンジン２００ａは、以上の点を除き、上述した第３実施形態に係るエンジンシステム１００と実質的に同一の構成をしており、同一の制御を実行する。
以下、上記第３実施形態に係るエンジンシステム２００と異なる構成及び制御に重点をおいて説明することとし、同一の構成及び制御については、その詳細な説明を省略することがある。
【００８４】
外部出力エンジン２００ｂは、図９に示すように、給気本管７０から通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ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８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室から排気弁（図示せず）を介して排気路に押し出され、外部へ排出される。
【００８５】
給気本管７０には、燃焼用空気Ａを浄化するエアクリーナ７１が設けられている。
外部出力エンジン２００ｂのエンジン本体８０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部８１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おり、制御装置５０は、当該回転数センサにて計測されるエンジン回転数を目標回転数に維持するべく、当該回転数センサの計測結果に基づいてスロットル弁７３の開度を制御する。
更に、外部出力エンジン２００ｂのエンジン本体８０の回転軸（図示せず）には、運転状態検出部８１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２燃料流量制御弁１５、通常気筒用スロットル弁２３、及びスロットル弁７３の開度を制御する。
すべての通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄには、運転状態検出部８１として、筒内圧力を検出する筒内圧力センサが設けられており、制御装置５０は、当該筒内圧力センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。また、制御装置５０は、給気温度（外部出力エンジン２００ｂの給気温度、又は改質エンジン２００ａの給気温度）を計測する給気温度センサ（図示せず）の計測結果を取得可能に構成されており、当該給気温度センサの計測結果に基づいて、後述する各種制御を実行する。
【００８６】
給気本管７０は、スロットル弁７３の下流側において、通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄへ混合気Ｍを導く複数の給気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄに接続されている。
当該給気本管７０でスロットル弁７３の下流側で、複数の給気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの上流側には、改質エンジン２００ａの改質気筒４０ｄにて生成された改質ガスＫを通流する改質ガス通流路２８が連通接続されている。当該構成により、上述の給気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄのすべてに対して、改質ガスＫが大凡同一流量で通流することになる。
【００８７】
以上の如く構成されたエンジンシステム２００にあっては、熱効率を向上させると共に排ガス性状を改善させるべく、以下の制御を実行する。
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における空気過剰率を、改質ガスＫを生成する所定の範囲で変動制御する空気過剰率変動制御を実行している状態で、通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ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制御装置５０を備える。即ち、当該第４実施形態においては、上記第３実施形態にて説明した燃料比が零に維持された状態で、改質ガス運転が実行されることになる。
尚、詳細な構成及び制御については、上記第３実施形態及び別実施形態と同一であるので、その説明を割愛する。
【００８８】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、排ガスへのＮＯｘ濃度を低下させる場合として、給気温度や触媒温度が、排ガスへのＮＯｘ濃度が高くなる虞があるＮＯｘ低下判定閾値を超える場合であることを例として説明した。
他の構成として、排ガスのＮＯｘ濃度を直接測定するＮＯｘセンサを備え、当該ＮＯｘセンサの出力が、所定値（例えば、１００ｐｐｍ）を超えた場合を、「排ガスへのＮＯｘ濃度を低下させる場合」としても構わない。
また、ＮＯｘ濃度を低下させる判断は、排ガス温度（排気路の触媒入口温度）に基づいて実行しても構わない。
【００８９】
（２）上記第１〜４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。
ただし、第２、４実施形態に係るエンジンシステム２００にあっては、改質エンジン２００ａは、改質ガスＫの生成用のエンジンであるので、改質気筒４０ｄの数は、多いほうが好ましい。ただし、改質エンジン２００ａは、その軸出力を取り出して発電等に用いる構成としても良い。
また、第４実施形態に係るエンジンシステム２００にあっては、改質エンジン２００ａを改質気筒のみの構成としても構わない。当該構成を採用する場合、改質気筒４０ｄへ新気を供給する改質気筒用給気支管２０ｄには、ベンチュリー式のミキサ１６、当該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、当該第２燃料供給路２９において燃料Ｆの流量を制御する第２燃料流量制御弁１５の何れも、設ける必要がない。
改質気筒には、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が適切に働くことにより、燃料が供給され、改質ガスＫが生成されることになる。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２燃料供給部として機能する。
また、当該構成を採用する場合には、エンジン２００ａからの改質ガスＫはすべて外部出力エンジン２００ｂへ導かれるため、過給機３０は設けない構成が採用される。
【００９０】
（３）上記第３実施形態は、改質気筒４０ｄの排気ポートに接続される改質ガス通流路２８は、給気本管２０に接続される構成を有すると共に、改質ガスＫを、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみに導く例を示した。
しかしながら、例えば、改質ガス通流路２８は、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと改質気筒４０ｄとの双方に新気を供給する通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃの夫々に接続される構成を採用しても構わない。
また、例えば、改質ガス通流路２８は、改質気筒４０ｄの排気ポートと、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１つ以上に接続される構成を採用しても構わない。
【００９１】
（４）上記第１〜４実施形態では、エンジンシステム１００、２００が過給機３０を備える例を示したが、別に、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、上記第１〜４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、上記第１〜４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。
【００９２】
（５）上記第２、４実施形態においては、単一の改質エンジン２００ａと単一の外部出力エンジン２００ｂとを備える構成例を示したが、改質エンジン２００ａを複数備える構成や、外部出力エンジン２００ｂを複数備える構成を採用することもできる。
【００９３】
（６）上記第２、４実施形態において、制御装置５０は、単一の制御装置として示しているが、改質エンジン２００ａ用の制御装置と、外部出力エンジン２００ｂの制御装置とを、各別に備えることも可能である。
【００９４】
（７）上記第２実施形態においては、改質ガス通流路２８が、給気本管７０に接続される構成例を示した。しかしながら、当該改質ガス通流路２８は、給気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの少なくとも１つ以上に接続される構成、即ち、通常気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの少なくとも１つ以上に改質ガスＫが導かれる構成を採用しても構わない。
【００９５】
（８）上記第１〜４実施形態にあっては、エンジンの回転軸のトルクを直接測定する構成例を示したが、当該構成に替えて、例えば、スロットル開度やブースト圧などから回転軸のトルクを推定するトルク推定手段を備える構成を採用しても構わない。
【００９６】
（９）上記第１〜４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。
【００９７】
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】
【００９８】
本発明のエンジンシステムは、改質気筒及び通常気筒への燃料供給状態を特定の状態にすることにより、熱効率及び排ガス性状を改善し得るエンジンシステムとして、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１１      ：第１燃料供給路
１２      ：差圧レギュレータ
１３      ：第１燃料流量制御弁
１５      ：第２燃料流量制御弁
１６      ：ミキサ
２２      ：インタークーラ
２９      ：第２燃料供給路
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ：通常気筒
４０ｄ    ：改質気筒
４２      ：インタークーラ
５０      ：制御装置
６１      ：第３燃料供給路
６２      ：差圧レギュレータ
６３      ：第３燃料流量制御弁
６４      ：ミキサ
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ：通常気筒
１００    ：エンジンシステム
２００    ：エンジンシステム
２００ａ  ：改質エンジン
２００ｂ  ：外部出力エンジン
Ａ        ：燃焼用空気
Ｅ        ：排ガス
Ｆ        ：燃料
Ｋ        ：改質ガス
Ｍ        ：混合気
【図１】
2020067066.tif 000007
【図２】
2020067066.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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