(57)【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一つ備えると共に、混合気の少なくとも一部を不完全燃焼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、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、
前記通常気筒及び前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する吸気本管において混合気を圧縮するコンプレッサを有する過給機を備え、
前記吸気本管において前記コンプレッサの上流側に燃料を供給する燃料供給部を備え、
前記吸気本管から分岐され前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する改質気筒用吸気支管へ燃料を供給する第１エジェクタ装置と、前記吸気本管から分岐され前記通常気筒へ導かれる混合気を通流する通常気筒用吸気支管へ燃焼用空気を供給する第２エジェクタ装置とのうち、何れか一方から成るエジェクタ機構を備え、
前記エジェクタ機構と前記燃料供給部とを働かせて、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定し、且つ前記通常気筒での混合気の空気過剰率を前記改質気筒での混合気の空気過剰率よりも高く設定する空気過剰率制御手段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不完全燃焼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た改質エンジンを有するエンジンシステムにおいて、
燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する外部出力気筒を備えた外部出力エンジンを備え、
前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記外部出力気筒へ導くように構成され、
前記改質気筒以外の前記改質エンジンの気筒である通常気筒及び前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する吸気本管において混合気を圧縮するコンプレッサを有する過給機を備え、
前記吸気本管において前記コンプレッサの上流側に燃料を供給する燃料供給部を備え、
前記吸気本管から分岐され前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する改質気筒用吸気支管へ燃料を供給する第１エジェクタ装置と、前記吸気本管から分岐され前記通常気筒へ導かれる混合気を通流する通常気筒用吸気支管へ燃焼用空気を供給する第２エジェクタ装置とのうち、何れか一方から成るエジェクタ機構を備え、
前記エジェクタ機構と前記燃料供給部とを働かせて、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定し、且つ前記通常気筒での混合気の空気過剰率を前記改質気筒での混合気の空気過剰率よりも高く設定する空気過剰率制御手段を備えるエンジンシステム。
【請求項３】
前記第２エジェクタ装置は、前記通常気筒用吸気支管の上流側から供給される混合気を下流側へ噴射するノズルと、当該ノズルから噴射された混合気を受け入れて前記通常気筒用吸気支管の下流側へ分散供給するディフューザと、前記ノズルと前記ディフューザとの間で燃焼用空気供給管から供給される燃焼用空気を吸引する吸引口と、前記燃焼用空気供給管を通流する燃焼用空気の流量を制御する燃焼用空気流量制御弁とを備え、
前記空気過剰率制御手段は、前記燃料供給部を制御する形態で、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定する請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記エジェクタ機構は、前記第１エジェクタ装置のみから構成されている請求項１又は２の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記第１エジェクタ装置は、前記改質気筒用吸気支管の上流側から供給される混合気を下流側へ噴射するノズルと、当該ノズルから噴射された混合気を受け入れて前記改質気筒用吸気支管の下流側へ分散供給するディフューザと、前記ノズルと前記ディフューザとの間で燃料供給管から供給される燃料を吸引する吸引口と、前記燃料供給管を通流する燃料の流量を調整する燃料流量制御弁とを備え、
前記空気過剰率制御手段は、前記燃料流量制御弁の開度を制御する形態で、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定する請求項４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燃焼室を有する通常気筒を少なくとも一つ備えると共に、混合気を燃焼室にて燃焼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、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、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不完全燃焼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た改質エンジンを有するエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多気筒エンジンにおいて、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不完全燃焼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エンジンが知られている（特許文献１を参照）。尚、当該エンジンにおいては、改質気筒へ供給される混合気を燃料過濃状態に設定するべく、通常、改質気筒へ混合気を導く改質気筒用吸気管へ燃料を追加供給する燃料噴射手段を備えた構成が採用されている。
改質気筒において、例えば、メタンを主成分とする燃料を含む過濃混合気を不完全燃焼させることで、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、エンジンが低負荷域で回転数が低く安定性が十分に確保し難い場合に、通常気筒の燃焼室での火花伝播速度を上昇させ、燃焼の安定性を改善できることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許公開第２００９／０３０８０７０号明細書
【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に開示の多気筒型エンジンでは、燃焼安定性の改善等を目的として、複数の気筒のうち一部の気筒を、混合気を改質ガスへ改質する改質気筒とする。このため、複数の気筒のすべてを通常気筒とする場合に比べ、出力域によっては、その出力が低くなる場合がある。このため、通常気筒及び改質気筒の双方へ過給した混合気を供給する過給機を備える構成を採用し、出力を補うことが１つの選択肢として考えられる。
過給機を備えた構成においては、改質気筒へ導かれる混合気の圧力が、過給機のコンプレッサ出口の過給圧（例えば、５０ｋＰａ〜２００ｋＰａ程度）まで昇圧するため、改質気筒用吸気支管にて燃料を追加供給する燃料噴射手段による燃料噴射圧は、当該過給圧よりも高くする必要がある。しかしながら、特に、一般の家庭に備えられるような小型のコジェネレーションシステムやガスヒートポンプシステムなどの原動機用として用いられる小型のエンジンでは、経済性や設置スペースの関係で、燃料供給手段たとえば燃料噴射弁から噴射する燃料を昇圧する圧縮機等の昇圧装置を備えることはできなかった。このため、上述した改質気筒を有する多気筒型エンジンにおいて、コンプレッサにて過給圧まで昇圧した混合気が通流する通常気筒用吸気支管に対し、圧縮機等の昇圧装置を用いない構成で、改質気筒用吸気支管へ燃料を追加するものは知られていなかった。
【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、通常気筒と当該通常気筒へ供給する改質ガスを生成する改質気筒との双方を少なくとも１つ以上備え、過給機を備える構成において、簡易な構成を維持しつつも、改質気筒へ通常気筒よりも空気過剰率の低い混合気を供給可能なエンジンシステムを提供することにある。
【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一つ備えると共に、混合気の少なくとも一部を不完全燃焼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、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であって、その特徴構成は、
前記通常気筒及び前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する吸気本管において混合気を圧縮するコンプレッサを有する過給機を備え、
前記吸気本管において前記コンプレッサの上流側に燃料を供給する燃料供給部を備え、
前記吸気本管から分岐され前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する改質気筒用吸気支管へ燃料を供給する第１エジェクタ装置と、前記吸気本管から分岐され前記通常気筒へ導かれる混合気を通流する通常気筒用吸気支管へ燃焼用空気を供給する第２エジェクタ装置とのうち、何れか一方から成るエジェクタ機構を備え、
前記エジェクタ機構と前記燃料供給部とを働かせて、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定し、且つ前記通常気筒での混合気の空気過剰率を前記改質気筒での混合気の空気過剰率よりも高く設定する空気過剰率制御手段を備える点にある。
【０００７】
上記特徴構成によれば、吸気本管から分岐され改質気筒へ導かれる混合気を通流する改質気筒用吸気支管へ燃料を供給する第１エジェクタ装置と、吸気本管から分岐され通常気筒へ導かれる混合気を通流する通常気筒用吸気支管へ燃焼用空気を供給する第２エジェクタ装置とのうち、少なくとも何れか一方から成るエジェクタ機構を備えているから、エジェクタ機構として第１エジェクタ装置を採用する場合には、コンプレッサにて過給圧まで昇圧した混合気が通流する改質気筒用吸気支管に対し、燃料を吸引する形態で良好に供給でき、エジェクタ機構として第２エジェクタ装置を採用する場合には、コンプレッサにて過給圧まで昇圧した混合気が通流する通常気筒用吸気支管に対し、燃焼用空気を吸引する形態で良好に供給できる。
これにより、特に、一般の家庭に備えられるような小型のコジェネレーションシステムやガスヒートポンプシステムの原動機用として用いられる小型の多気筒型のエンジンで、出力を過給機にて補う構成を採用している場合に、燃料又は燃焼用空気を過給圧まで昇圧して供給するための圧縮機等を設けない比較的簡易な構成を維持しながらも、過給機としてのコンプレッサが設けられる吸気本管の下流側に、燃料又は燃焼用空気を良好に供給できる。
結果、空気過剰率制御手段は、エジェクタ機構と燃料供給部とを働かせて、改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定し、且つ通常気筒での混合気の空気過剰率を改質気筒での混合気の空気過剰率よりも高く設定でき、改質気筒にて良好に改質ガスを生成しながらも、生成した改質ガスを通常気筒へ導いて、通常気筒での燃焼安定性を改善する等の効果を良好に発揮できる。
【０００８】
本発明のエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記エジェクタ機構は、前記第１エジェクタ装置のみから構成されている点にある。
【０００９】
上記特徴構成によれば、エジェクタ機構は、吸気本管から分岐され改質気筒へ導かれる混合気を通流する改質気筒用吸気支管へ燃料を供給する第１エジェクタ装置から構成している。これにより、例えば、エジェクタ機構を、吸気本管から分岐され通常気筒へ導かれる混合気を通流する通常気筒用吸気支管へ燃焼用空気を供給する第２エジェクタ装置から構成する場合に比べ、エジェクタ機構を介して吸気支管へ吸引供給する流体（燃料又は燃焼用空気）の流量を少なくでき、当該エジェクタ機構での圧力損失を低減できる。
【００１０】
本発明のエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記第１エジェクタ装置は、前記改質気筒用吸気支管の上流側から供給される混合気を下流側へ噴射するノズルと、当該ノズルから噴射された混合気を受け入れて前記改質気筒用吸気支管の下流側へ分散供給するディフューザと、ノズルとディフューザとの間で燃料供給管から供給される燃料を吸引する吸引口と、前記燃料供給管を通流する燃料の流量を調整する燃料流量制御弁とを備え、
前記空気過剰率制御手段は、前記燃料流量制御弁の開度を制御する形態で、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定する点にある。
【００１１】
上記特徴構成によれば、第１エジェクタ装置は、ノズルとディフューザと吸引口に加えて、吸引口に接続される燃料供給管を通流する燃料の流量を調整する燃料流量制御弁を備え、当該燃料流量制御弁の開度を制御するという比較的簡易な構成により、改質気筒への混合気の空気過剰率を調整できる。これにより、改質気筒にて生成される改質ガスに含まれる燃焼促進性ガスの含有量を比較的簡単に制御することができる。
結果、通常気筒へ供給される燃焼促進性ガスの供給量も制御することができる。これにより、例えば、通常気筒において、失火等が発生している場合には、燃焼促進性ガスの供給量を増加することで、通常気筒の燃焼室での火炎伝搬速度を速めて、燃焼の安定性を向上でき、通常気筒において、ノッキングが発生している場合には、燃焼促進性ガスの供給量を増加あるいは減少することで、ノッキングの発生を抑制できる。
【００１２】
本発明のエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記第２エジェクタ装置は、前記通常気筒用吸気支管の上流側から供給される混合気を下流側へ噴射するノズルと、当該ノズルから噴射された混合気を受け入れて前記通常気筒用吸気支管の下流側へ分散供給するディフューザと、前記ノズルと前記ディフューザとの間で燃焼用空気供給管から供給される燃焼用空気を吸引する吸引口と、前記燃焼用空気供給管を通流する燃焼用空気の流量を制御する燃焼用空気流量制御弁とを備え、
前記空気過剰率制御手段は、前記燃料供給部を制御する形態で、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定する点にある。 
【００１３】
上記特徴構成によれば、第２エジェクタ装置は、ノズルとディフューザと吸引口に加えて、吸引口に接続される燃焼用空気供給管を通流する燃焼用空気の流量を調整する燃焼用空気流量制御弁を備え、当該燃焼用空気流量制御弁の開度を制御するという比較的簡易な構成により、通常気筒に導かれる混合気の空気過剰率を例えば１以上として、通常気筒での熱効率を高めることができる。
一方、空気過剰率制御手段は、吸気本管へ燃料を供給する燃料供給部を制御する形態で、改質気筒へ導かれる混合気の空気過剰率を、通常気筒へ導かれる混合気の空気過剰率とは別に調整できる。これにより、改質気筒にて生成される改質ガスに含まれる燃焼促進性ガスの含有量を制御できる。
結果、通常気筒へ供給される燃焼促進性ガスの供給量も制御することができる。これにより、例えば、通常気筒において、失火等が発生している場合には、燃焼促進性ガスの供給量を増加することで、通常気筒の燃焼室での火炎伝搬速度を速めて、燃焼の安定性を向上でき、通常気筒において、ノッキングが発生している場合には、燃焼促進性ガスの供給量を増加あるいは減少することで、ノッキングの発生を抑制できる。
【００１４】
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不完全燃焼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た改質エンジンを有するエンジンシステムであって、その特徴構成は、
燃料と燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する外部出力気筒を備えた外部出力エンジンを備え、
前記改質気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも前記外部出力気筒へ導くように構成され、
前記改質気筒以外の前記改質エンジンの気筒である通常気筒及び前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する吸気本管において混合気を圧縮するコンプレッサを有する過給機を備え、
前記吸気本管において前記コンプレッサの上流側に燃料を供給する燃料供給部を備え、
前記吸気本管から分岐され前記改質気筒へ導かれる混合気を通流する改質気筒用吸気支管へ燃料を供給する第１エジェクタ装置と、前記吸気本管から分岐され前記通常気筒へ導かれる混合気を通流する通常気筒用吸気支管へ燃焼用空気を供給する第２エジェクタ装置とのうち、何れか一方から成るエジェクタ機構を備え、
前記エジェクタ機構と前記燃料供給部とを働かせて、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定し、且つ前記通常気筒での混合気の空気過剰率を前記改質気筒での混合気の空気過剰率よりも高く設定する空気過剰率制御手段を備える点にある。
【００１５】
即ち、本発明のエンジンシステムとしては、改質ガスを生成するための改質エンジンとは別に、外部出力用の外部出力エンジンを備える構成をも権利範囲に含むものである。
改質エンジンと外部出力エンジンとを備えるエンジンシステムであっても、これまで説明してきたエジェクタ機構及び燃料供給部を働かせて、改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定し、且つ通常気筒での混合気の空気過剰率を改質気筒での混合気の空気過剰率よりも高く設定する空気過剰率制御を、良好に実行できる。
【００１６】
即ち、改質エンジンと外部出力エンジンとを備えるエンジンシステムは、
前記第２エジェクタ装置が、前記通常気筒用吸気支管の上流側から供給される混合気を下流側へ噴射するノズルと、当該ノズルから噴射された混合気を受け入れて前記通常気筒用吸気支管の下流側へ分散供給するディフューザと、前記ノズルと前記ディフューザとの間で燃焼用空気供給管から供給される燃焼用空気を吸引する吸引口と、前記燃焼用空気供給管を通流する燃焼用空気の流量を制御する燃焼用空気流量制御弁とを備え、
前記空気過剰率制御手段は、前記燃料供給部を制御する形態で、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定する点を、更なる特徴構成としている。
【００１７】
また、改質エンジンと外部出力エンジンとを備えるエンジンシステムは、
前記エジェクタ機構は、前記第１エジェクタ装置のみから構成されている点を、更なる特徴構成としている。
【００１８】
また、改質エンジンと外部出力エンジンとを備えるエンジンシステムは、
前記第１エジェクタ装置が、前記改質気筒用吸気支管の上流側から供給される混合気を下流側へ噴射するノズルと、当該ノズルから噴射された混合気を受け入れて前記改質気筒用吸気支管の下流側へ分散供給するディフューザと、前記ノズルと前記ディフューザとの間で燃料供給管から供給される燃料を吸引する吸引口と、前記燃料供給管を通流する燃料の流量を調整する燃料流量制御弁とを備え、
前記空気過剰率制御手段は、前記燃料流量制御弁の開度を制御する形態で、前記改質気筒での混合気の空気過剰率を１より小さく設定する点を、更なる特徴構成としている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図
【図２】第２実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図
【図３】第３実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図
【図４】別実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図
【図５】別実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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不完全燃焼させて燃料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、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へ導くエンジンシステムに関するものであり、更に、過給機を備える構成において、簡易な構成を維持しつつも、改質気筒４０ｄへ通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃよりも空気過剰率の低い混合気Ｍを供給可能なエンジンシステムに関するものである。
【００２１】
〔第１実施形態〕
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。
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。
【００２２】
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、吸気本管２０から通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室（図示せず）へ吸気弁（図示せず）を介して吸気した新気を、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４０ａ、４０ｂ、４０ｃの燃焼室から排気弁（図示せず）を介して排気路２７（排気本管の一例）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、吸気本管２０から供給される新気は、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を介して吸気本管２０へ戻され、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、及び改質気筒４０ｄへ導かれることとなる。
【００２３】
吸気本管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、及びミキサ１４にて混合された混合気Ｍ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混合気Ｍを冷却するインタークーラ２２、開度調整により通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び改質気筒４０ｄへの混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットル弁２３が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、吸気本管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、過給機３０としてのコンプレッサ３１にて圧縮された後に、インタークーラ２２にて冷却され、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、及び改質気筒４０ｄの燃焼室へ導入される。
【００２４】
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の上流側の吸気本管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及び改質気筒４０ｄ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、燃料供給部として機能する。
【００２５】
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吸気本管２０に設けられるコンプレッサ３１により、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び改質気筒４０ｄの燃焼室に吸気される混合気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の回転力により吸気本管２０を通流する新気としての混合気Ｍを圧縮して、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び改質気筒４０ｄの燃焼室へ供給する、所謂、過給を行う。
【００２６】
エンジン本体４０の回転軸（図示せず）には、当該回転軸（図示せず）の回転数を計測する回転数センサ（図示せず）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２３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、当該回転軸のトルクを計測するトルク計測センサ（図示せず）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やスロットル弁２３の開度を制御する。
【００２７】
吸気本管２０は、スロットル弁２３の下流側において、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの夫々へ混合気Ｍを導く複数の通常気筒用吸気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃに接続されると共に、改質気筒４０ｄへ混合気Ｍを導く改質気筒用吸気支管２０ｄに接続されている。
改質気筒４０ｄは、自身の燃焼室において、新気を不完全燃焼させて、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（「燃焼の基礎と応用（共立出版株式会社）」の第２章を参照）。
【００２８】
尚、通常のエンジンにあっては、熱効率を高める観点から、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれる混合気Ｍの空気過剰率は１より大きい値（例えば、１．０〜１．６程度の値）に設定されており、当該第１実施形態に係るエンジンシステム１００にあっても、ミキサ１４にて混合された混合気Ｍの空気過剰率は、１より大きい値となるように、制御装置５０が、第１燃料流量制御弁１３の開度を制御している。
このような状態において、改質気筒４０ｄへ導かれる混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい値にする場合、改質気筒用吸気支管２０ｄに燃料Ｆを追加で供給する必要があり、過給圧（例えば、５０〜２００ｋＰａ程度の圧力）の混合気Ｍが通流する改質気筒用吸気支管２０ｄに燃料Ｆを追加するためには、圧縮機（図示せず）等で過給圧まで昇圧した燃料Ｆを供給する必要がある。
しかしながら、本発明のエンジンシステム１００は、家庭用のコジェネレーションシステムに適用する小型のものであるため、圧縮機を設けることはできない。
そこで、当該第１実施形態のエンジンシステム１００にあっては、改質気筒用吸気支管２０ｄに、上流側から供給される混合気Ｍを下流側へ噴射するノズル２４ａと、当該ノズル２４ａから噴射された混合気を受け入れるディフューザ２４ｂと、ノズル２４ａとディフューザ２４ｂとの間で燃料供給管２９から供給され燃料Ｆを吸引する吸引口２４ｃと、燃料供給管２９を通流する燃料Ｆの流量を制御する第２燃料流量制御弁２５（燃料流量制御弁の一例）とを有する第１エジェクタ装置２４（エジェクタ機構の一例）を備えている。
当該第１エジェクタ装置２４を備えることにより、圧縮機等を設けることのない簡易な構成を維持しつつ、改質気筒用吸気支管２０ｄへ、燃料供給管２９から燃料Ｆを引き込む形態で、改質気筒４０ｄへ導かれる混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい値に設定できる。
【００２９】
つまり、制御装置５０は、第１燃料流量制御弁１３の弁開度と第２燃料流量制御弁２５の弁開度との双方を制御する形態で、改質気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さく設定し、且つ通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの混合気Ｍの空気過剰率を改質気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率よりも高く設定する空気過剰率制御手段として機能する。
尚、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、制御装置５０は、第２燃料流量制御弁２５の開度を制御することにより、改質気筒４０ｄへ導かれる混合気Ｍの空気過剰率を制御する。
【００３０】
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、吸気本管２０のスロットル弁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及び改質気筒４０ｄに導かれるように構成されている。
【００３１】
〔第２実施形態〕
第２実施形態に係るエンジンシステム１００にあっては、図２に示すように、第１実施形態に係るエンジンシステム１００に対して、エジェクタ機構の配置箇所、エジェクタ機構により供給するガスが異なると共に、それに伴う制御が異なる。そこで、以下では、第１実施形態と異なる構成を重点的に説明し、それ以外の構成については、説明を割愛することがある。
【００３２】
第２実施形態に係るエンジンシステム１００にあっては、改質気筒用吸気支管２０ｄには、第１実施形態でいうところの第１エジェクタ装置を備えず、通常気筒用吸気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃに第２エジェクタ装置２４（エジェクタ機構の一例）を備える。
詳しくは、当該第２実施形態では、吸気支管は、通常気筒用吸気支管２０ａと通常気筒用吸気支管２０ｂと通常気筒用吸気支管２０ｃと、それらの上流側に接続され、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれる混合気Ｍのすべてを通流する上流側通常気筒用吸気支管３３とから成っている。
第２エジェクタ装置２４は、当該第２実施形態に係るエンジンシステム１００にあっては、当該上流側通常気筒用吸気支管３３に設けられている。
つまり、第２エジェクタ装置２４は、上流側通常気筒用吸気支管３３の上流側から供給される混合気Ｍを下流側へ噴射するノズル２４ａと、当該ノズル２４ａから噴射された混合気Ｍを受け入れて上流側通常気筒用吸気支管３３の下流側へ分散供給するディフューザ２４ｂと、ノズル２４ａとディフューザ２４ｂとの間で燃焼用空気供給管２９から供給される燃焼用空気Ａを吸引する吸引口２４ｃと、燃焼用空気供給管２９を通流する燃焼用空気Ａの流量を制御する燃焼用空気流量制御弁２５とを備えている。
【００３３】
当該構成にあっては、制御装置５０（空気過剰率制御手段の一例）は、改質気筒４０ｄに導かれる混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい値にすべく、第１燃料流量制御弁１３の開度を制御する。
これに加えて、制御装置５０は、例えば、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの熱効率を高く維持すべく、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに導かれる混合気Ｍの空気過剰率を、１より大きい値となるように、燃焼用空気流量制御弁２５の開度を制御する。
【００３４】
〔第３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３実施形態に係るエンジンシステム２００は、図３に示すように、改質気筒４０ｄにて混合気Ｍを改質して改質ガスＫを生成するための改質エンジン２００ａに加えて、改質エンジン２００ａにて生成された改質ガスＫが導かれる外部出力エンジン２００ｂを備えて構成されている。尚、当該エンジンシステム２００には、改質エンジン２００ａ及び外部出力エンジン２００ｂ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。
【００３５】
第３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、第１実施形態に係るエンジンシステム１００における運転状態検出部４１を設けず、運転状態を判定する制御を実行しない点、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の吸気本管２０に戻していない点を除き、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１００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。
【００３６】
外部出力エンジン２００ｂは、図３に示すように、吸気本管７０から複数の気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ（外部出力気筒の一例）の燃焼室（図示せず）へ吸気弁（図示せず）を介して吸気した新気を、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、複数の気筒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。
【００３７】
吸気本管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、開度調整により複数の気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄへの混合気Ｍの吸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、吸気本管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て、複数の気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室へ導入される。
【００３８】
ミキサ６４に燃料Ｆを導く第２燃料供給路６１には、ミキサ６４の上流側の吸気本管７０における燃焼用空気Ａの圧力と第２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を介して複数の気筒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。
【００３９】
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、当該回転軸の回転数を計測する回転数センサ（図示せず）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、エンジン本体８０の回転軸には、当該回転軸のトルクを計測するトルク計測センサ（図示せず）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３燃料流量制御弁６３やスロットル弁７３の開度を制御する。
【００４０】
吸気本管７０は、スロットル弁７３の下流側において、複数の気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄへ混合気Ｍを導く複数の吸気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄに接続されている。
当該吸気本管７０においてスロットル弁７３の下流側で複数の吸気支管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、上述の吸気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄのすべてに対して、改質ガスＫが略均等に通流することになる。
以上の如く構成されたエンジンシステム２００にあっては、改質エンジン２００ａにおいて、第１実施形態にて説明した空気過剰率制御手段が第１エジェクタ装置２４及び燃料供給部を働かせて第１実施形態と同一の制御を実行することで、外部出力エンジン２００ｂの運転状態毎に発生する異常燃焼や、燃焼の不安定を改善することが可能となる。
【００４１】
〔別実施形態〕
（１）上記第１、２実施形態では、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃを３つとし、改質気筒４０ｄの数を１つとした。しかしながら、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。
また、上記第３実施形態でも同様に、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３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、改質気筒の数は、多いほうが好ましい。また、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。
【００４２】
（２）上記実施形態は、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、吸気本管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と改質気筒４０ｄとの双方に導く例を示した。
しかしながら、例えば、改質ガス通流路２８は、改質気筒４０ｄの排気ポートと、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみに新気を供給する通常気筒用吸気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃの夫々に接続される構成を採用しても構わない。
これにより、改質ガスＫを改質気筒４０ｄに導くことなく、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみに導くことができ、より一層の熱効率の向上が期待できる。
【００４３】
（３）上記第２実施形態において、第２エジェクタ装置２４は、通常気筒用吸気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃの夫々に、備える構成を採用しても構わない。
【００４４】
（４）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。
第１実施形態を例にして説明を追加すると、図１に示す過給機３０に替えて、図４に示すように、吸気本管２０にコンプレッサ９０を設けると共に、クランク軸の出力の一部が伝達されてコンプレッサ９０を駆動する動力伝達手段９１とを備える構成を採用しても構わない。
【００４５】
（５）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。
第１実施形態を例にして説明を追加すると、図１に示す過給機３０に替えて、図５に示すように、排気路２７に、排ガスＥの流れ方向で、第２タービン３２ｂ、第１タービン３２ａを記載の順に備えると共に、吸気本管２０に、混合気Ｍの流れ方向で、第１タービン３２ａに連結される第１コンプレッサ３１ａと、第２タービン３２ｂに連結される第２コンプレッサ３１ｂとを記載の順に備える構成を採用しても構わない。
【００４６】
（６）上記第３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。
【００４７】
（７）上記第３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。
【００４８】
（８）上記第３実施形態において、外部出力エンジン２００ｂは、多気筒エンジンとして構成しているが、別に、単気筒であってもあっても構わない。
【００４９】
（８）上記第３実施形態においては、改質ガス通流路２８が、吸気本管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、吸気支管７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの少なくとも１つ以上に接続される構成、即ち、複数の気筒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。
【００５０】
（９）上記第３実施形態に示したエンジンシステム２００の如く、上記第２実施形態に示したエンジンシステム１００を改質エンジンとし、当該改質エンジンとは別に外部出力用の外部出力エンジンを備える構成を採用しても構わない。
【００５１】
（１０）上記第１、２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。
【００５２】
（１１）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】
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】
【００５４】
本発明のエンジンシステムは、通常気筒と当該通常気筒へ供給する改質ガスを生成する改質気筒との双方を少なくとも１つ以上備え、過給機を備える構成において、簡易な構成を維持しつつも、改質気筒へ通常気筒よりも空気過剰率の低い混合気を供給可能な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】
【００５５】
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
１４      ：ミキサ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：通常気筒用吸気支管
２０ｄ    ：改質気筒用吸気支管
２４      ：第１エジェクタ装置、第２エジェクタ装置
２４ａ    ：ノズル
２４ｂ    ：ディフューザ
２４ｃ    ：吸引口
２５      ：燃焼用空気流量制御弁、第２燃料流量制御弁
２７      ：排気路
２９      ：燃焼用空気供給管、燃料供給管
３０      ：過給機
３１      ：コンプレッサ
３２      ：タービン
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ：通常気筒
４０ｄ    ：改質気筒
５０      ：制御装置
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ：外部出力気筒
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】
0006615004.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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