(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステムであって、
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、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御する着火性制御手段を備えるエンジンシステム。
【請求項２】
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる通常気筒を少なくとも一つ有すると共に、混合気を形成する燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジンを備えたエンジンシステムであって、
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部を前記第１燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御する着火性制御手段を備えるエンジンシステム。
【請求項３】
前記通常気筒での着火時期を検出する着火時期検出手段を備え、
前記着火性制御手段は、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも遅角化している場合に、前記通常気筒での着火性を向上させ、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも進角化している場合に、着火性を低減させる請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスを通流すると共に前記触媒が設けられる触媒流路と、前記触媒流路を通流する前記燃焼ガスに前記触媒をバイパスさせる触媒バイパス路と、前記触媒流路を通流する前記燃焼ガスの流量と前記触媒バイパス路を通流する前記燃焼ガスの流量との流量比を制御する流量比制御弁とを備え、
前記着火性制御手段は、前記水性ガスシフト反応制御において、前記流量比制御弁の開度を制御する形態で、前記触媒を通流させて前記水性ガスシフト反応させる前記改質ガスの流量を制御するシフト反応制御手段として働く請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記改質ガス再循環運転状態は、前記通常気筒へ前記燃焼ガスを再循環しない場合の前記通常気筒での混合気の着火性を基準着火性としたときに、前記基準着火性よりも低い着火性の前記改質ガスを再循環させる準高着火性改質ガス再循環運転状態と、前記基準着火性と同一の着火性の前記改質ガスを再循環させる基準着火性改質ガス再循環運転状態と、前記基準着火性よりも高い着火性の前記改質ガスを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態と、を含むものであり、
前記シフト反応制御手段は、少なくとも前記準高着火性改質ガス再循環運転状態と前記基準着火性改質ガス再循環運転状態とにあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零とし、前記高着火性改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零より大きい範囲で制御する形態で、前記水性ガスシフト反応制御を実行する請求項４に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスを通流すると共に前記触媒が設けられる触媒流路を備え、
前記着火性制御手段は、前記改質ガス再循環運転状態にて設定される前記再循環気筒での空気過剰率に関わらず、前記燃焼ガスの全量を前記触媒へ通流する請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステムの制御方法であって、
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、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御するエンジンシステムの制御方法。
【請求項８】
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる通常気筒を少なくとも一つ有すると共に、混合気を形成する燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジンを備えたエンジンシステムの制御方法であって、
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部を前記第１燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御するエンジンシステムの制御方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステム、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、多気筒エンジンにおいて、燃料ガス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燃焼させ部分酸化反応させて、燃料ガスよりも燃焼速度の速いガスを含む改質ガスへ改質する再循環気筒を少なくとも１つ備え、再循環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）。
例えば、メタンを主成分とする燃料ガスを含む過濃混合気を燃焼させ部分酸化反応させることで、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含む燃焼速度の速い改質ガスを生成できる。燃焼速度の速い水素等を含む改質ガスを通常気筒へ導くことで、水素等の高い燃焼速度により、希薄限界、ＥＧＲ限界が拡大し、熱効率が向上する。
【０００３】
一方で、燃焼室に給気された燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジンにおいては、燃料ガスの燃焼速度よりも、着火性が重要になる。
説明を追加すると、例えば、ＳＩエンジンでは、火花点火により着火時期を制御できるが、予混合圧縮着火エンジンでは、起動からの経過時間、エンジン負荷、空気比等の変化により、自着火の起こるタイミングが変化し、運転が継続できなくなる場合がある。
そこで、特許文献２に開示の技術にあっては、予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃焼室の一部に、混合気よりも当量比が大きい濃混合気からなる濃領域を形成する燃料供給手段を備えると共に、燃焼状態検出手段の検出結果に基づいて、当該燃料供給手段による燃料の供給条件を制御する制御手段を備えている。
そして、燃焼室での燃焼状態により、燃焼室に形成される濃領域の形成状態を変化させることで、予混合圧縮着火エンジンの着火時期を制御し、運転範囲の拡大を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３０８０７０号明細書
【特許文献２】特開２００４−２６３６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献２に開示の技術では、ある程度の着火時期の制御はできるものの、その効果は限定的であり改善の余地があった。
【０００６】
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、比較的簡易な構成を維持しながらも、着火性の制御を良好に行うことができると共に、その運転範囲を拡大することができるエンジンシステム、及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステムであって、その特徴構成は、
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、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御する着火性制御手段を備える点にある。 
【０００８】
上記目的を達成するためのエンジンシステムの制御方法は、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステムの制御方法であって、その特徴構成は、
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、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御する点にある。 
【０００９】
図２に、縦軸を筒内ガス温度とし、横軸をクランク角度として、予混合圧縮着火エンジンの通常の予混合圧縮着火運転状態（図２で実線）と改質ガス再循環運転状態（ここでは、通常気筒へ燃焼ガスを再循環しない場合の通常気筒での混合気の着火性である基準着火性よりも高い着火性の改質ガスを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態を意味するものとする：図２で一点鎖線）とにおいて、詳細化学反応計算により導出した、クランク角度に応じて筒内ガス温度の変化のグラフ図を示す。因みに、図２では、温度変化が変曲する点（図２にプロット）を着火点と定義し、当該着火点での筒内ガス温度を着火温度とする。
尚、図２の二点鎖線は、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気の空気過剰率を１以上として再循環気筒から燃焼ガスとして改質ガスよりも着火性の低い燃焼排ガスを再循環させる排ガス再循環運転状態を示したものである。
本願の発明者らは、鋭意検討した結果、図２の詳細化学反応計算の結果に示すように、圧縮・膨張行程において、通常の予混合圧縮着火エンジンの予混合圧縮着火運転状態における着火温度に対して、改質ガス再循環運転状態における着火温度を低く（着火性を高く）できることを見出した。因みに、当該詳細化学反応計算は、圧縮比を２６、当量比を０．３、改質ガスに含まれる水素濃度を８％、給気量に対する改質ガス又は燃焼排ガスの再循環量の割合を２０％とした場合の計算結果である。また、発明者らは、後に示す実験結果においても、同様の傾向が示されることを確認している。
更に、発明者らは、上述した改質ガスには、一酸化炭素と水とが含まれており、当該一酸化炭素と水とを、触媒にて以下の〔式１〕に示す水性ガスシフト反応させることにより、改質ガスに含まれる水素の濃度を、以下の〔表１〕に示すように増加させることができることを化学平衡計算により明らかにした。
因みに、当該化学平衡計算は、当量比が１．５の混合気を燃焼室で燃焼させた場合で、排ガスの温度が４７７℃という条件で行ったものであり、各種気体の含有割合は水分を含まないドライベースのものである。
【００１０】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2・・・〔式１〕
【００１１】
【表１】
0006700885.tif 000002
【００１２】
即ち、発明者らは、上記詳細化学反応計算、及び化学平衡計算により、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる燃焼ガスとしての改質ガスを再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、改質ガス再循環運転状態にあるときに、再循環気筒にて生成される改質ガスの少なくとも一部を触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されている本発明を完成した。
当該発明により、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率の制御にて、改質ガスに含まれる高着火性ガスの含有割合を調整する形態で、着火性を制御でき、運転範囲の拡大を図ることができる。更に、当該発明にあっては、水性ガスシフト反応制御をも実行することができるから、改質ガスに含まれる高着火性ガスのうち水素の含有割合を調整する形態で、着火性を制御でき、より一層の運転範囲の拡大を図ることができる。
尚、当該明細書においては、燃焼室にて混合気が着火し易いことを、着火性が高いと表現し、燃焼室にて混合気が着火し難いことを、着火性が低いと表現することとする。
また、当該明細書においては、燃焼ガスは、改質ガスと燃焼排ガスとの双方を含む概念であるとする。
更に、上記特徴構成によれば、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御の実行により、改質ガスに対する、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含む高着火性ガスの含有割合を変更して、着火性をより細やかに制御でき、更に、改質ガス再循環運転状態における水性ガスシフト反応制御を実行することで、改質ガスにおける高着火性ガスとしての水素の含有割合を変更して、着火性をより細やかに制御できる。
【００１３】
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる通常気筒を少なくとも一つ有すると共に、混合気を形成する燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジンを備えたエンジンシステムであって、その特徴構成は、
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部を前記第１燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御する着火性制御手段を備える点にある。 
【００１４】
上記目的を達成するためのエンジンシステムの制御方法は、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる通常気筒を少なくとも一つ有すると共に、混合気を形成する燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジンを備えたエンジンシステムの制御方法であって、その特徴構成は、
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給部を前記第１燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御されており、
前記改質ガス再循環運転状態において、前記水性ガスシフト反応制御を実行することなく前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御を所定の空気過剰率に維持している状態で実行する制御とを各別に実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御する点にある。 
【００１５】
即ち、本発明のエンジンシステム及びその制御方法としては、外部出力を行うための通常気筒を有する予混合圧縮着火エンジンとは別に、改質ガスと燃焼排ガスとを含む燃焼ガスを生成するための再循環気筒を有する補助エンジンを備えるものをも権利範囲に含むものである。
【００１８】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記通常気筒での着火時期を検出する着火時期検出手段を備え、
前記着火性制御手段は、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも遅角化している場合に、前記通常気筒での着火性を向上させ、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも進角化している場合に、着火性を低減させる点にある。
【００１９】
本願に係る発明にあっては、通常気筒での着火時期を検出する着火時期検出手段を備え、着火性制御手段が、着火時期検出手段にて検出される着火時期が目標着火時期よりも遅角化している場合に、通常気筒での着火性を向上させ、着火時期検出手段にて検出される着火時期が目標着火時期よりも進角化している場合に、着火性を低減させることが好ましい。
上記特徴構成を備えることにより、着火時期を目標着火時期に制御する形態で、通常気筒の着火性をより適切な値に設定することができる。
【００２０】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスを通流すると共に前記触媒が設けられる触媒流路と、前記触媒流路を通流する前記燃焼ガスに前記触媒をバイパスさせる触媒バイパス路と、前記触媒流路を通流する前記燃焼ガスの流量と前記触媒バイパス路を通流する前記燃焼ガスの流量との流量比を制御する流量比制御弁とを備え、
前記着火性制御手段は、前記水性ガスシフト反応制御において、前記流量比制御弁の開度を制御する形態で、前記触媒を通流させて前記水性ガスシフト反応させる前記改質ガスの流量を制御するシフト反応制御手段として働く点にある。
【００２１】
上記特徴構成によれば、再循環気筒にて生成された改質ガスのうち、水性ガスシフト反応が行われる触媒を通流する流量を制御できる。
これにより、例えば、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の含有割合の目標値が、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御にて調整できる範囲の場合（例えば、改質ガスに対する水素の含有割合が０％以上８％程度以下の場合）には、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御を実行することで、改質ガスに対する水素の含有割合を制御できるから、改質ガスの全量を触媒バイパス路に通流させる形態で、触媒の劣化を抑制できる。
一方、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の含有割合の目標値が、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御にて調整できる範囲を超える場合（例えば、改質ガスに対する水素の含有割合が８％を超える場合）には、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御を実行すると共に、触媒に改質ガスを通過させて水性ガスシフト反応を行わせることで、改質ガスに対する水素の含有割合を、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御にて調整できる上限値よりも高い値に調整できる。
これにより、触媒の劣化を抑制しながらも、運転範囲のより一層の拡大を実現できる。
【００２２】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質ガス再循環運転状態は、前記通常気筒へ前記燃焼ガスを再循環しない場合の前記通常気筒での混合気の着火性を基準着火性としたときに、前記基準着火性よりも低い着火性の前記改質ガスを再循環させる準高着火性改質ガス再循環運転状態と、前記基準着火性と同一の着火性の前記改質ガスを再循環させる基準着火性改質ガス再循環運転状態と、前記基準着火性よりも高い着火性の前記改質ガスを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態と、を含むものであり、
前記シフト反応制御手段は、少なくとも前記準高着火性改質ガス再循環運転状態と前記基準着火性改質ガス再循環運転状態とにあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零とし、前記高着火性改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零より大きい範囲で制御する形態で、前記水性ガスシフト反応制御を実行する点にある。
【００２３】
上記特徴構成によれば、例えば、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度をそれほど高くする必要がないときには、改質ガス再循環運転状態として準高着火性改質ガス再循環運転状態及び基準着火性改質ガス再循環運転状態として、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を所望の値に制御しながらも、触媒に通流する改質ガスの流量を零とすることで、触媒の劣化を防ぐことができる。
更に、例えば、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を改質ガス再循環運転状態で生成可能な水素の濃度よりも高くする必要があるときには、触媒を通流する改質ガスの流量を零より大きい範囲で制御することで、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を十分に高くすることができる。
尚、触媒への改質ガスの通流は、高着火性改質ガス再循環運転状態において、設定される空気過剰率が再循環気筒で失火が起きない範囲で最小の空気過剰率であるときに、行うことが好ましい。
また、排ガス再循環運転状態にない場合（再循環気筒の空気過剰率が１以上に設定される場合）には、触媒保護の観点から、触媒を通流する改質ガスの流量を零に維持することが好ましい。
【００２４】
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスを通流すると共に前記触媒が設けられる触媒流路を備え、
前記着火性制御手段は、前記改質ガス再循環運転状態にて設定される前記再循環気筒での空気過剰率に関わらず、前記燃焼ガスの全量を前記触媒へ通流する点にある。
【００２５】
上記構成を採用することで、例えば、触媒をバイパスするバイパス路や触媒を通流する改質ガスの流量を制御する制御弁を備えない簡易な構成を採用しながらも、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を、零から十分に高い値（例えば、１２．４％程度）の広い範囲で、好適に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【図２】詳細化学反応計算による予混合圧縮着火運転状態と、排ガス再循環運転状態と、改質ガス再循環運転状態の夫々における着火温度を示すグラフ図
【図３】通常の予混合圧縮着火運転状態（基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応）における運転可能範囲を示すグラフ図
【図４】排ガス再循環運転状態における運転可能範囲を示すグラフ図
【図５】高着火性改質ガス再循環運転状態における運転可能範囲を示すグラフ図
【図６】運転可能範囲の低負荷側限界（左側限界）をＣＯＶ  ｏｆ  ＩＭＥＰ＝５％とし、運転可能範囲の高負荷側限界（右側限界）をＫＩ＝１００ｋＰａとした場合に、排ガス再循環運転状態と高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態との夫々の運転可能範囲を重畳表示した場合のグラフ図
【図７】運転可能範囲の低負荷側限界（左側限界）をηｉ＝４０％とし、運転可能範囲の高負荷側限界（右側限界）をＮＯｘ＝５０ｐｐｍとした場合に、排ガス再循環運転状態と高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態との夫々の運転可能範囲を重畳表示した場合のグラフ図
【図８】改質ガスに対する、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含む高着火性ガスの含有割合の混合気の当量比依存性を示すグラフ図
【図９】第１実施形態及び第２実施形態において、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素濃度の当量比依存性を示すグラフ図
【図１０】各給気温度における着火時期の改質ガスに含まれる水素濃度依存性を示すグラフ図
【図１１】第２実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【図１２】別実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【図１３】別実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係るエンジンシステム１００、及びその制御方法は、図１に示すように、燃焼室に給気された燃料ガスＦ（例えば、都市ガス１３Ａ）と燃焼用空気Ａとの混合気Ｍを圧縮着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジン本体４０に、混合気Ｍを燃焼する通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、混合気Ｍを含む混合気を点火プラグ（図示せず）により火花点火して燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガス（後述する改質ガスＫ、燃焼排ガスＥを含む概念）を通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ再循環可能な再循環気筒４０ｄとを備えたエンジンにおいて、比較的簡易な構成を維持しながらも、着火性の制御を良好に行うことができると共に、その運転可能範囲を拡大できるエンジンシステム、及びその制御方法に関するものである。
【００２８】
〔第１実施形態〕
以下、図１〜１０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実施形態に係るエンジンシステム１００は、ターボ過給式の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）の再循環気筒４０ｄとを備えている。更には、着火時期や燃焼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】
当該エンジンシステム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て発火点まで昇温させることで、混合気Ｍを自己着火させて燃焼・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燃焼排ガス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。ちなみに、当該エンジンシステム１００は、予混合圧縮着火エンジン本体４０の回転軸に発電機（図示せず）を連結して発電する、所謂、コジェネレーションシステムとして構成されている。
当該予混合圧縮着火エンジン本体４０は、燃焼室に混合気Ｍを圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行って混合気Ｍを燃焼させるため、例えば、圧縮比を２１程度と高く設定することができ高効率であり、更に混合気Ｍの空気過剰率を、例えば、火花伝播下限以下の希薄状態で燃焼させることができるため低ＮＯｘを実現できる。
【００３０】
尚、給気本管２０から供給される混合気Ｍは再循環気筒４０ｄにも供給され、当該再循環気筒４０ｄは、詳細については後述するが、混合気Ｍを点火プラグにより火花点火して燃焼・膨張させ、ピストンを押し下げて回転軸から回転動力を出力する。そして、当該再循環気筒４０ｄにて燃焼ガスとして生成される改質ガスＫ又は燃焼排ガスＥは、その全量が通常気筒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に燃料ガス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及び再循環気筒４０ｄへの混合気Ｍの給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、給気本管２０において、ミキサ１４で都市ガス等の燃料ガス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、及び再循環気筒４０ｄの燃焼室へ導入される。
【００３２】
ミキサ１４に燃料ガスＦを導く第１燃料ガス供給路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燃料ガス供給路１１における燃料ガス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及び再循環気筒４０ｄの燃焼室へ供給される燃料ガス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燃料ガス供給路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、少なくとも通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ燃料ガスを供給する第１燃料ガス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に設けられる排気タービン３２に、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃから排出される燃焼排ガスＥを供給し、排気タービン３２に連結される状態で給気本管２０に設けられるコンプレッサ３１により、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び再循環気筒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を通流する燃焼排ガスＥの運動エネルギにより排気タービン３２を回転させ、当該排気タービン３２の回転力により給気本管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及び再循環気筒４０ｄの燃焼室へ供給する、所謂、過給を行う。
【００３４】
予混合圧縮着火エンジン本体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、予混合圧縮着火エンジン本体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。
更に、予混合圧縮着火エンジン本体４０には、燃焼室での燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段として、例えば５ｋＨｚから２５ｋＨｚまでの特定周波数帯域の振動の強度をノッキング関連値として検出可能なノックセンサ（図示せず）が設けられており、制御装置５０は、ノックセンサが検出する振動の強度がノッキング判定閾値（例えば、１００ｋＰａ）以上である場合に、ノッキングが発生していると判定する。
また、予混合圧縮着火エンジン本体４０には、燃焼室内の圧力を測定する筒内圧力センサ４１（着火時期検出手段の一例）を備え、着火時期判定部５２としての制御装置５０は、当該筒内圧力センサ４１にて測定される圧力が着火判定圧力を超えた時を着火時期として判定する。
【００３５】
また、予混合圧縮着火エンジン本体４０の排気路２７には、排気路２７で排気タービン３２の上流側を通流する燃焼排ガスＥの温度を検出する温度センサＳ２が設けられており、制御装置５０は、当該温度センサＳ２にて検出される燃焼排ガス温度が失火判定閾値以下となる場合に、失火が発生していると判定する。
尚、失火とは、着火していてもトルクの変動が大きい状態（燃焼変動が大きい状態）も含むものとする。
【００３６】
給気本管２０は、スロットル弁２３の下流側において、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ混合気Ｍを導く第１給気支管２０ｘと、再循環気筒４０ｄへ混合気Ｍを導く第２給気支管２０ｄとに分岐されている。更に、第１給気支管２０ｘは、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給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃに接続されている。
【００３７】
再循環気筒４０ｄへ新気を供給する第２給気支管２０ｄには、ベンチュリー式のミキサ１６を介する形態で燃料ガスＦを供給する第２燃料ガス供給路２９が接続されており、当該第２燃料ガス供給路２９には、都市ガス１３Ａ等の燃料ガス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燃料ガス供給路２９の第２燃料流量制御弁１５の上流側には、燃料ガス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。
尚、詳細については後述するが、当該第１実施形態にあっては、再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気Ａに含まれる酸素に対する燃料ガスＦの供給比率を制御する形態の一例として、制御装置５０が、第２燃料流量制御弁１５の開度を制御する形態で、再循環気筒４０ｄへ供給される混合気Ｍの空気過剰率を調整可能に構成されている。つまり、第２燃料ガス供給路２９、ミキサ１６、及び第２燃料流量制御弁１５が、第２燃料ガス供給部として機能する。これにより、再循環気筒４０ｄからは、再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さくするときには、再循環気筒４０ｄにて混合気Ｍの少なくとも一部が燃焼して部分酸化反応して、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含み、燃料ガスＦよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる改質ガスＫが生成され、第２燃料流量制御弁１５を閉止して燃料ガスＦを供給しないときには、改質ガスＫがほぼ含まれない燃焼排ガスＥが排出されることになる。
【００３８】
再循環気筒４０ｄには、再循環気筒４０ｄからの燃焼ガスとしての改質ガスＫ又は燃焼排ガスＥを通流する燃焼ガス通流路２８が接続されており、当該燃焼ガス通流路２８には、その下流側が第１給気支管２０ｘに接続される流路部位と、その下流側が排気路２７に接続される流路部位とが、三方切換弁９０を介して設けられている。そして、制御装置５０は、当該三方切換弁９０の開度状態を切り換える形態で、再循環気筒４０ｄからの燃焼ガスを通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ戻す状態と、再循環気筒４０ｄからの燃焼ガスを排気路２７へ戻す状態とを切り換え可能に構成されている。ちなみに、当該第１実施形態にあっては、燃焼ガスは、すべて通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ戻すように、三方切換弁９０が切り換え制御される。
尚、燃焼ガス通流路２８の第１給気支管２０ｘに接続される流路部位には、燃焼ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ９１が設けられており、当該ＥＧＲクーラ９１では、燃焼ガスが第１給気支管２０ｘの新気に混合されたときに結露しない温度まで、燃焼ガスを冷却する。
【００３９】
更に、第１給気支管２０ｘで、燃焼ガス通流路２８が接続される部位の下流側には、第１給気支管２０ｘを通流する混合気Ｍの温度を測定する温度センサＳ１が設けられており、当該温度センサＳ１により測定される温度は、着火性制御手段５１としての制御装置５０が、着火時期を制御する際に用いられる。
【００４０】
燃焼ガス通流路２８で下流側が第１給気支管２０ｘに接続される流路部位（触媒流路の一例）で、ＥＧＲクーラ９１の上流側の流路部位（ＥＧＲクーラ９１と再循環気筒４０ｄとの間の流路部位：より具体的にはＥＧＲクーラ９１と三方切換弁９０との間の流路部位）には、改質ガスＫの少なくとも一部を以下の〔式１〕に示す水性ガスシフト反応させる触媒９２を備えている。当該触媒９２としては、酸化鉄、酸化クロム、酸化銅、酸化亜鉛などが例示されるが、水性ガスシフト反応させるものであれば、どのようなものでも適用できる。
【００４１】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2・・・〔式１〕
【００４２】
更に、燃焼ガス通流路２８で下流側が第１給気支管２０ｘに接続される流路部位（触媒流路）を通流する燃焼ガスに触媒９２をバイパスさせる触媒バイパス路９４を備えると共に、燃焼ガス通流路２８で下流側が第１給気支管２０ｘに接続される流路部位を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路９４を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する流量比制御弁９３を備えている。流量比制御弁９３は、触媒バイパス路９４にてバイパスされる触媒流路の開度を制御して触媒流路を通流する燃焼ガスの流量を制御する流量制御弁として設けられている。より具体的には、燃焼ガス通流路２８で下流側が第１給気支管２０ｘに接続される流路部位で、触媒９２の上流側の流路部位（触媒９２と再循環気筒４０ｄとの間の流路部位：より具体的には触媒９２と三方切換弁９０との間の流路部位）に設けられており、当該流路部位にて開度を制御する形態で、触媒９２を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路９４を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する。
【００４３】
尚、各運転状態の詳細は後述するが、図２に、縦軸を筒内ガス温度とし、横軸をクランク角度として、予混合圧縮着火エンジンの通常の予混合圧縮着火運転状態と、改質ガス再循環運転状態（ここでは、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ燃焼ガスを再循環しない場合の通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの混合気の着火性である基準着火性よりも高い着火性の改質ガスを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態を意味するものとする：図２で一点鎖線）と、改質ガスよりも着火性の低い燃焼排ガスを再循環させる排ガス再循環運転状態との夫々において、詳細化反応計算により導出した、クランク角度に応じて筒内ガス温度の変化のグラフ図を示す。因みに、図２では、温度変化が変曲する点（図２にプロット）を着火点と定義し、当該着火点での筒内ガス温度を着火温度とする。
さて、本願の発明者らは、鋭意検討した結果、図２の詳細化学反応計算の結果に示すように、圧縮・膨張行程において、通常の予混合圧縮着火エンジンの予混合圧縮着火運転状態における着火温度に対して、排ガス再循環運転状態における着火温度を高く（着火性を低く）できると共に、改質ガス再循環運転状態における着火温度を低く（着火性を高く）できるという新たな知見を得た。因みに、当該詳細化学反応計算は、圧縮比を２６、当量比を０．３、改質ガスＫに含まれる水素濃度を８％、給気量に対する改質ガスＫ又は燃焼排ガスＥの再循環量の割合を２０％とした場合の計算結果である。
【００４４】
そこで、当該第１実施形態に係るエンジンシステム１００及びその制御方法にあっては、上述の知見に基づき、制御装置５０が、再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さくする制御の一例として、第２燃料ガス供給部としての第２燃料流量制御弁１５の開度を特定の開度として再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さくして、混合気Ｍの少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて、水素、一酸化炭素、及びアセチレン等を含み、燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる燃焼ガスとしての改質ガスＫを再循環気筒４０ｄにて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態と、再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１以上として再循環気筒４０ｄから燃焼ガスとして改質ガスＫよりも着火性の低い燃焼排ガスＥを再循環させる排ガス再循環運転状態とを切り換え制御する。
【００４５】
更に、制御装置５０は、改質ガス再循環運転状態に切り換えているときに、再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御の一例として、第２燃料流量制御弁１５の開度を調整して、再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する形態で、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの着火性を制御する着火性制御手段としても機能する。
【００４６】
因みに、当該第１実施形態にあっては、着火性制御手段５１としての制御装置５０は、上述した空気過剰率制御に加え、改質ガス再循環運転状態において改質ガスＫの少なくとも一部を触媒９２へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するシフト反応制御手段として働くように構成されている。ただし、当該第１実施形態にあっては、改質ガス再循環運転状態において設定される空気過剰率が再循環気筒４０ｄで失火が起きない範囲で最小の空気過剰率である下限空気過剰率（当該第１実施形態では、図９において一点鎖線で示すように、当量比が１．５のとき）であるときに、触媒９２に改質ガスＫを通流させるように制御される。
そこで、以下の説明においては、再循環気筒４０ｄでの混合気の空気過剰率が下限空気過剰率よりも大きい場合で、触媒９２に改質ガスＫを通流させない場合の制御について、まず説明する。
【００４７】
制御装置５０は、再循環状態を、着火性が高い改質ガス再循環運転状態と、着火性が低い排ガス再循環運転状態とで切り換えると共に、改質ガス再循環運転状態に切り換えているときに、第２燃料流量制御弁１５の開度を調整して、再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御することで、エンジンシステム１００の着火性を良好に制御する。
【００４８】
ちなみに、図８に、排ガス再循環運転状態（図８で、通常ＥＧＲ）と、改質ガス再循環運転状態（図８で、改質ＥＧＲ）との双方において、燃焼ガス（改質ガスＫ及び燃焼排ガスＥを含む）に含まれる水素、一酸化炭素、及び炭化水素（アセチレン含む）の混合割合を示す。ちなみに、当該データは、トルクが最大となる点火時期で、１．３６ｋＪ／ｃｙｃｌｅで運転したときに、再循環気筒のみから排出される燃焼ガスの実測データである。
図８に示すように、排ガス再循環運転状態（図８で、通常ＥＧＲ）では、水素等の高着火性ガスの燃焼ガスに対する割合は、ほぼ零であるが、改質ガス再循環運転状態（図８で、改質ＥＧＲ）で、当量比を１から増加（空気過剰率を１から減少）させるに従って、水素等の高着火性ガスの燃焼ガスに対する割合は、徐々に増加していることがわかる。因みに、当量比が１．５を超える場合には、再循環気筒で失火が発生するようになる。エンジンの運転状態や給気温度等の外部環境にもよるが、本発明のエンジンシステム１００における改質ガス再循環運転状態における再循環気筒での当量比は、１より大きく１．５以下（空気過剰率は、０．６７以上で１未満）であると言える。
尚、図８のグラフ図にあっては、排ガス再循環運転状態（図８で、通常ＥＧＲ）は、当量比が１．０の場合を指しているが、本発明にあっては、当量比が１．０未満（空気過剰率が１より大きい）のものも含むものとする。
【００４９】
更に、当該第１実施形態にあっては、制御装置５０は、第２燃料流量制御弁１５の開度を調整して、再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気Ａに含まれる酸素に対する燃料ガスＦの供給比率を制御する形態で再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御することで、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ燃焼ガスを再循環しない場合（上述した三方切換弁９０にて燃焼ガスを排気路２７の側へ導く制御を実行する場合）の通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの混合気Ｍの着火性を基準着火性としたときに、基準着火性よりも高い着火性の改質ガスＫを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性と同一の着火性の改質ガスＫを再循環させる基準着火性改質ガス再循環運転状態とを、改質ガス再循環運転状態として実行可能に構成されている。
即ち、制御装置５０（再循環状態切換手段の一例）は、第２燃料流量制御弁１５の開度を連続的に調整する制御のみにより、再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で、再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御することで、高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性改質ガス再循環運転状態と、排ガス再循環運転状態とを切り換え制御するように構成されている。
因みに、制御装置５０は、基準着火性改質ガス再循環運転状態では、改質ガスＫにおいて、高着火性ガスによる着火性を向上させる効果と、比較的比熱の高い二酸化炭素や水蒸気等による着火性を低減させる効果とがバランスする程度に、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスの割合を制御するように、第２燃料流量制御弁１５の開度を調整する。
【００５０】
説明を追加すると、制御装置５０は、着火性を向上させる場合、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。尚、制御装置５０は、切り換え時点での運転状態が、再循環する燃焼ガスの着火性が最も高い高着火性改質ガス再循環運転状態である場合、切り換え制御を行わない。
【００５１】
一方で、制御装置５０は、着火性を低下させる場合、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。尚、制御装置５０は、切り換え時点での運転状態が、再循環する燃焼ガスの着火性が最も低い排ガス再循環運転状態である場合、切り換え制御を行わない。
【００５２】
次に、当該第１実施形態に係るエンジンシステム１００、及び制御方法により、得られる運転可能範囲についての実験に関し、図３〜７に基づいて説明する。
当該実験は、これまで説明してきたエンジンシステム１００において、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを切り換えたときの運転可能範囲を確認するものであり、ボア×ストロークが１０４ｍｍ×１０８ｍｍ、排気量が１００２ｃｍ3、圧縮比が２４、燃焼室形状がドッグディッシュタイプ、回転数が１２００ｍｉｎ-1のエンジンを、以下の〔表２〕に示す条件で運転するものである。
ちなみに、当該エンジンにあっては、通常気筒の数を５とし、再循環気筒の数を１とし、改質ガス再循環運転状態及び排ガス再循環運転状態において、再循環気筒からの燃焼ガスは、すべて、通常気筒へ再循環する条件とした。
【００５３】
【表２】
0006700885.tif 000003
【００５４】
図３〜５には、以上の条件において、縦軸を給気温度とし、横軸を図示平均有効圧（以下、ＩＭＥＰと略称する場合がある）とした場合において、左側限界（低負荷側の限界：鎖線で図示）を図示平均有効圧の変動係数が５％となるときとし、右側限界（高負荷側の限界：二点鎖線で図示）をノッキング強度（以下、ＫＩと略称する場合がある）が１００ｋＰａとなるときとしたときの運転可能範囲を、図示している。ここで、図３〜５の等高線の数値は、図示熱効率を示すものであり、一点鎖線は、ＮＯｘ濃度が５０ｐｐｍとなるときを示している。
更に、図３は、通常の予混合圧縮着火運転状態のときの運転可能範囲（基準着火性改質ガス再循環運転状態のときの運転可能範囲に対応）であり、図４は、排ガス再循環運転状態のときの運転可能範囲であり、図５は、高着火性改質ガス再循環運転状態のときの運転可能範囲である。
因みに、図６は、高着火性改質ガス再循環運転状態と通常の予混合圧縮着火運転状態（基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応）と排ガス再循環運転状態の夫々の運転可能範囲を重ね合わせて表示したものであり、実線で囲まれている領域が通常の予混合圧縮着火運転状態（基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応）の運転可能範囲であり、一点鎖線で囲まれている領域が排ガス再循環運転状態の運転可能範囲であり、二点鎖線で囲まれている領域が高着火性改質ガス再循環運転状態の運転可能範囲である。
【００５５】
図３〜５に示されるように、図４に示す排ガス再循環運転状態における運転可能範囲は、図３に示される通常の予混合圧縮着火運転状態（基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応）における運転可能範囲に対し、高負荷側（グラフ図で右側）にシフトしており、着火性を低減していることがわかる。一方、図５に示す高着火性改質ガス再循環運転状態における運転可能範囲は、図３に示される通常の予混合圧縮着火運転状態（基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応）における運転可能範囲に対し、低負荷側（グラフ図で左側）にシフトしており、着火性を向上していることがわかる。
従って、図６に示すように、基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態と高着火性改質ガス再循環運転状態とを切り換え可能とした場合の運転可能範囲は、図３に示す通常の予混合圧縮着火運転状態の運転可能範囲に比べて、２倍程度に拡大できていることがわかる。
【００５６】
因みに、図７は、縦軸を給気温度とし、横軸をＩＭＥＰとした場合において、左側限界（低負荷側の限界：２点鎖線のうち最も左側の線で図示）を図示熱効率が４０％となるときとし、右側限界（高負荷側の限界：一点鎖線のうち最も左側の線で図示）をＮＯｘ濃度が５０ｐｐｍとなるときとしたときの高着火性改質ガス再循環運転状態と通常の予混合圧縮着火運転状態（基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応）と排ガス再循環運転状態の夫々の運転可能範囲を重ね合わせたものを図示している。
このような定義における運転可能範囲であっても、高着火性改質ガス再循環運転状態と通常の予混合圧縮着火運転状態（基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応）と排ガス再循環運転状態の夫々の運転可能範囲を重ね合わせた運転可能範囲は、通常の予混合圧縮着火運転状態における運転可能範囲に比べ、拡大していることがわかる。
【００５７】
以上の実験結果が示すように、当該第１実施形態に係るエンジンシステム１００、及びその制御方法にあっては、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態とを含む改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態との切り換え制御により、運転可能範囲を大幅に拡大できる。
運転可能範囲を適切に拡大する観点から、制御装置５０が、ノックセンサ（図示せず）にて検出される振動の強度がノッキング判定閾値以上となる毎に、着火性を低減する必要があると判断し、制御装置５０が、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。
【００５８】
更には、制御装置５０は、燃焼排ガスＥの温度を検出する温度センサＳ２の温度に基づいて失火が発生していると判定する毎に、着火性を向上する必要があると判断し、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。
【００５９】
以上の如く、着火性制御手段５１としての制御装置５０は、改質ガス再循環状態と排ガス再循環運転状態との切り換え、特に、改質ガス再循環運転状態において再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御を実行することで、図９に示すように、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を制御する形態で、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃでの着火性を制御している。
更に、当該第１実施形態にあっては、着火性制御手段５１としての制御装置５０は、改質ガス再循環運転状態にあるときで、再循環気筒４０ｄの空気過剰率が下限空気過剰率（図９で、当量比１．５）に設定されているときに、触媒９２へ改質ガスＫの少なくとも一部を通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するシフト反応制御手段として働く。
説明を追加すると、図９に一点鎖線で示すように、当該シフト反応制御手段としての制御装置５０は、流量比制御弁９３の開度を制御し、触媒９２を通過する改質ガスＫの流量を増加する形態で、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を増加させ、触媒９２を通過する改質ガスＫの流量を低減する形態で、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を低減させる。
【００６０】
当該構成を採用することにより、流量比制御弁９３の開度を制御して触媒９２を通流する改質ガスＫの流量と触媒バイパス路９４を通流する改質ガスＫの流量との比を制御する形態で、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を制御することができる。
図９に一点鎖線で示すように、再循環気筒４０ｄの空気過剰率を下限空気過剰率に設定している状態で、上述の水性ガスシフト反応制御を実行することにより、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに導かれる改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度は、８％程度から１２％程度の範囲で、制御することができる。上述したように、発明者らは、化学平衡計算により、水性ガスシフト反応により、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を、ドライベースで、７．４％から１２．４％まで増加させることができることを確認している。このように、水性ガスシフト反応制御をも実行することにより、予混合圧縮着火エンジンの運転範囲の更なる拡大を図ることができる。
【００６１】
ここで、着火性制御手段５１としての制御装置５０は、着火性制御として通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの着火時期を目標着火時期（例えば、１０°ＡＴＤＣ）となるように制御する。
通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの着火時期は、図１０に示すように、給気温度、及び通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれる混合気Ｍの水素濃度に基づいて変化する。具体的には、着火時期は、給気温度の上昇に伴って早くなり、水素濃度の上昇に伴って早くなる傾向にある。そして、着火時期が、進角限界（５°ＡＴＤＣ）よりも早くなるとノッキングが発生し、遅角限界（１５°ＡＴＤＣ）よりも遅くなると失火が発生することとなる。
そこで、当該第１実施形態においては、着火時期判定部５２が、筒内圧力センサ４１にて測定される圧力が着火判定圧力を超えた時（例えば、クランク角度検出手段（図示せず）にて検出されるクランク角度）を着火時期として判定し、着火性制御手段５１としての制御装置５０は、判定された着火時期が通常着火時期よりも早いときには、上述した空気過剰率制御及び水性ガスシフト反応制御の何れか一方により、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を低下させ、判定された着火時期が通常着火時期よりも遅いときには、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を上昇させる形態で、着火時期が目標着火時期となるように制御する。
【００６２】
〔第２実施形態〕
当該第２実施形態に係るエンジンシステム２００は、図１１に示すように、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの混合気Ｍを圧縮着火させ燃焼させる通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを有すると共に、混合気Ｍを形成する燃料ガスＦを供給する第１燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジン２００ｂを備えるのに加えて、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとを点火プラグ（図示せず）により火花点火して燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを予混合圧縮着火エンジン２００ｂの通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄへ再循環可能な再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを有すると共に、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄへ導かれる燃料ガスＦを供給する第２燃料ガス供給部を第１燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジン２００ａを備えるものに関する。
【００６３】
エンジンシステム２００に係る予混合圧縮着火エンジン２００ｂは、再循環気筒、燃焼ガス通流路、及び過給機３０を備えていない点以外は、第１実施形態に示した予混合圧縮着火エンジンと変わるところがない。そこで、以下の説明にあっては、上記第１実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンと同一の構成及び制御については、説明を割愛する場合がある。
説明を追加すると、エンジンシステム２００に係る予混合圧縮着火エンジン２００ｂは給気本管２０から通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ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て発火点まで昇温させることで、混合気Ｍを自己着火させて燃焼・膨張させることで、予混合圧縮着火エンジン２００ｂの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燃焼排ガスＥは、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ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。ちなみに、当該エンジンシステム２００において予混合圧縮着火エンジン２００ｂは、回転軸に発電機（図示せず）を連結して発電する、所謂、コジェネレーションシステムとして構成されている。
【００６４】
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に燃料ガス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、４０ｄへの混合気Ｍの給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、給気本管２０において、ミキサ１４で都市ガス等の燃料ガス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２３を介して所定の流量に調整されて、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの燃焼室へ導入される。
【００６５】
ミキサ１４に燃料ガスＦを導く第１燃料ガス供給路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燃料ガス供給路１１における燃料ガス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、４０ｄの燃焼室へ供給される燃料ガス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燃料ガス供給路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燃料ガス供給部として機能する。
制御装置５０は、第１燃料流量制御弁１３の開度を調整する形態で、混合気Ｍの空気過剰率を１より大きく設定して、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの各燃焼室にて希薄燃焼するように、燃料ガスの供給量を制御する。
【００６６】
更に、予混合圧縮着火エンジン２００ｂには、ノッキング強度をノッキング関連値として検出するノックセンサ（図示せず）が設けられており、制御装置５０が、当該ノックセンサにて検出されるノッキング強度がノッキング判定閾値以上となる場合に、ノッキングが発生していると判定する。
また、予混合圧縮着火エンジン２００ｂには、燃焼室内の圧力を測定する筒内圧力センサ４１（着火時期検出手段の一例）を備え、着火時期判定部５２としての制御装置５０は、当該筒内圧力センサ８１にて測定される圧力が着火判定圧力を超えた時を着火時期として判定する。
【００６７】
また、予混合圧縮着火エンジン２００ｂの排気路２７には、燃焼室での燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段として、排気路２７を通流する燃焼排ガスＥの温度を検出する温度センサＳ２が設けられており、制御装置５０は、当該温度センサＳ２にて検出される燃焼排ガス温度が失火判定閾値以下となる場合に、失火が発生していると判定する。
【００６８】
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、上述した予混合圧縮着火エンジン２００ｂの通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの夫々に対し、燃焼ガス（改質ガスＫ及び燃焼排ガスＥを含む）を再循環（供給）する火花点火式の補助エンジン２００ａを備えている。
当該火花点火式の補助エンジン２００ａは、給気本管７０から再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室（図示せず）へ給気弁（図示せず）を介して給気した混合気Ｍを点火プラグ（図示せず）により火花点火させて燃焼・膨張させることで、火花点火式の補助エンジン本体８０の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燃焼ガス（改質ガスＫ及び燃焼排ガスＥを含む）は、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室から排気弁（図示せず）を介して燃焼ガス通流路２８に押し出される。
【００６９】
燃焼ガス通流路２８には、その下流側が予混合圧縮着火エンジン２００ｂの給気本管２０に接続される流路部位と、その下流側が予混合圧縮着火エンジン２００ｂの排気路２７に接続される流路部位とが、三方切換弁９０を介して設けられている。
ちなみに、当該第２実施形態にあっては、燃焼ガスはすべて、燃焼ガス通流路２８の予混合圧縮着火エンジン２００ｂの給気本管２０に接続される流路部位へ戻すように、三方切換弁９０が切り換え制御される。
尚、燃焼ガス通流路２８の予混合圧縮着火エンジン２００ｂの給気本管２０に接続される流路部位には、燃焼ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ９１が設けられている。
更に、給気本管２０で、燃焼ガス通流路２８が接続される部位の下流側には、予混合圧縮着火エンジン２００ｂの給気本管２０を通流する混合気Ｍの温度を測定する温度センサＳ１が設けられており、当該温度センサＳ１により測定される温度は、着火性制御手段５１としての制御装置５０が、着火時期を制御する際に用いられる。
【００７０】
燃焼ガス通流路２８で下流側が給気本管２０に接続される流路部位（触媒流路の一例）で、ＥＧＲクーラ９１の上流側の流路部位（ＥＧＲクーラ９１と再循環気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄとの間の流路部位：より具体的には三方切換弁９０と再循環気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄとの間の流路部位）には、改質ガスＫの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒９２を備えている。
更に、燃焼ガス通流路２８で下流側が給気本管２０に接続される流路部位（触媒流路）を通流する燃焼ガスに触媒９２をバイパスさせる触媒バイパス路９４を備えると共に、燃焼ガス通流路２８で下流側が給気本管２０に接続される流路部位を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路９４を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する流量比制御弁９３を備えている。流量比制御弁９３は、触媒バイパス路９４にてバイパスされる触媒流路の開度を制御して触媒流路を通流する燃焼ガスの流量を制御する流量制御弁として設けられている。より具体的には、燃焼ガス通流路２８で下流側が給気本管２０に接続される流路部位で、触媒９２の上流側の流路部位（触媒９２と再循環気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄとの間の流路部位）に設けられており、当該流路部位にて開度を制御する形態で、触媒９２を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路９４を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する。
【００７１】
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に燃料ガス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、開度調整により再循環気筒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で都市ガス等の燃料ガス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、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室へ導入される。
【００７２】
ミキサ６４に燃料ガスＦを導く第２燃料ガス供給路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２燃料ガス供給路６１における燃料ガスＦの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ６２、ミキサ６４を介して再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの燃焼室へ供給される燃料ガスＦの供給量を調整する第２燃料流量制御弁６３が設けられている。即ち、第２燃料ガス供給路６１、差圧レギュレータ６２、ミキサ６４、及び第２燃料流量制御弁６３が、第２燃料ガス供給部として機能する。
【００７３】
制御装置５０が、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さくする制御の一例として、第２燃料ガス供給部としての第２燃料流量制御弁６３の開度を特定の開度として再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さくして、混合気Ｍの少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含み、燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる燃焼ガスとしての改質ガスＫを再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄにて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態と、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１以上として再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄから改質ガスＫよりも着火性の低い燃焼排ガスＥを再循環させる排ガス再循環運転状態とを切り換え制御する。
更に、制御装置５０は、第２燃料流量制御弁６３の開度を調整して、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御することで、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄへ燃焼ガスを再循環しない場合（上述した三方切換弁９０にて燃焼ガスを排気路２７の側へ導く制御を実行する場合）の通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄでの混合気Ｍの着火性を基準着火性としたときに、基準着火性よりも高い着火性の改質ガスＫを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性と同一の着火性の改質ガスＫを再循環させる基準着火性改質ガス再循環運転状態とを、改質ガス再循環運転状態として実行可能に構成されている。
即ち、制御装置５０は、第２燃料流量制御弁６３の開度を連続的に調整する制御のみにより、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御することで、高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性改質ガス再循環運転状態と、排ガス再循環運転状態とを切り換え制御するように構成されている。
【００７４】
また、制御装置５０は、着火性制御手段５１として、改質ガス再循環状態と排ガス再循環運転状態との切り換え、特に、改質ガス再循環運転状態において再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する空気過剰率制御を実行することで、図９に一点鎖線で示すように、改質ガスＫに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を制御する形態で、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄでの着火性を制御している。
更に、着火性制御手段５１としての制御装置５０は、改質ガス再循環運転状態にあるときで、再循環気筒８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄの空気過剰率が下限空気過剰率（図９で、当量比１．５）に設定されているときに、触媒９２へ改質ガスＫの少なくとも一部を通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するシフト反応制御手段として働く。
【００７５】
以上の構成を採用することにより、着火性制御手段５１としての制御装置５０が、上記第１実施形態と同様の制御を実行することで、エンジンシステム２００の運転可能範囲を拡大するように、着火性の制御が適切に実行されることとなる。
【００７６】
〔別実施形態〕
（１）上記第１、２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、再循環気筒の数も、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。
【００７７】
（２）上記第１実施形態は、再循環気筒４０ｄの排気ポートに接続される燃焼ガス通流路２８は、給気本管２０に接続される構成を有すると共に、燃焼ガス（改質ガスＫ及び燃焼排ガスＥを含む）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、燃焼ガス通流路２８は、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃに加えて、再循環気筒４０ｄにも燃焼ガス（改質ガスＫ及び燃焼排ガスＥを含む）を導く構成を採用しても構わない。
【００７８】
（３）上記第１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、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。また、上記第２実施形態では、エンジンシステム２００の予混合圧縮着火エンジン２００ｂが、その出力を補うべく、過給機を備える構成を採用しても構わない。
【００７９】
（４）上記第２実施形態においては、単一の補助エンジン２００ａと単一の予混合圧縮着火エンジン２００ｂとを備える構成例を示したが、補助エンジン２００ａを複数備える構成や、予混合圧縮着火エンジン２００ｂを複数備える構成を採用することもできる。
また、補助エンジン２００ａは、回転軸に発電機（図示せず）を連結して発電する、所謂、コジェネレーションシステムとして構成しても構わない。
【００８０】
（５）上記第１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と単一の排気タービン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。
【００８１】
（６）上記第１実施形態において、再循環気筒４０ｄにて生成された燃焼ガスとしての改質ガスＫ又は燃焼排ガスＥを、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び再循環気筒４０ｄに戻すことなく、排気路２７で排気タービン３２の上流側へ戻す構成例を示した。しかしながら、別に排気路２７で排気タービン３２の下流側に戻すように構成しても構わない。
【００８２】
（７）上記第１、２実施形態では、制御装置５０は、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを切り換え制御する例を示した。
しかしながら、制御装置５０は、第２燃料流量制御弁の開度を調整して、再循環気筒での燃焼用空気Ａに含まれる酸素に対する燃料ガスＦの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御することで、通常気筒へ燃焼ガスを再循環しない場合の通常気筒での混合気Ｍの着火性を基準着火性としたときに、改質ガス再循環運転状態として、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態とに加え、基準着火性よりも低い着火性の改質ガスＫを再循環させる準高着火性改質ガス再循環運転状態を、実行可能に構成しても構わない。
即ち、制御装置５０は、第２燃料流量制御弁１５の開度を連続的に調整する制御のみにより、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御することで、高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性改質ガス再循環運転状態と、準高着火性改質ガス再循環運転状態と、排ガス再循環運転状態とを切り換え制御するように構成しても構わない。
【００８３】
（８）上記第１、２実施形態では、燃焼状態を検出する手段として、ノックセンサ、排ガスの温度を検出する温度センサＳ２を備える例を示した。
他の例では、燃焼排ガスＥのＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘセンサ（図示せず）を備えても構わない。
即ち、通常気筒からの燃焼排ガスＥが通過する排気路にＮＯｘセンサを備え、制御装置５０が、ＮＯｘセンサにて検出されるＮＯｘ濃度がＮＯｘ判定閾値（例えば、５０ｐｐｍ）以上となる毎に、着火性を低減する必要があると判断し、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。尚、制御装置５０は、切り換え時点での運転状態が、再循環する燃焼ガスの着火性が最も低い排ガス再循環運転状態である場合、切り換え制御を行わない。
【００８４】
（９）上記第１実施形態において、第１燃料ガス供給部として、図１に示すように、スロットル弁２３の上流側の給気本管２０に対して燃料ガスＦを混合するように、第１燃料ガス供給路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を備える構成例を示した。
しかしながら、図１２に示すように、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃの夫々に燃焼用空気を導く複数の通常気筒用給気支管２０ａ、２０ｂ、２０ｃの夫々に各別に燃料ガスＦを供給するように、第１燃料ガス供給部としての第１燃料ガス供給路１１、ミキサ１４、及び第１燃料流量制御弁１３を備えるように構成しても構わない。
【００８５】
（１０）再循環気筒での燃焼用空気Ａに含まれる酸素に対する燃料ガスＦの供給比率を制御する形態の他の構成例につき、第１実施形態及び第２実施形態の変形例を以下に示す。因みに、第１実施形態でも第２実施形態でも実質的な構成及び制御形態は同様であるので、以下では、第１実施形態を例に、説明する。
上記第１実施形態において、再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気Ａに含まれる酸素に対する燃料ガスＦの供給比率を制御する形態で再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する一例として、第２燃料ガス供給部としての第２燃料流量制御弁１５の開度を特定の一定開度として再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する構成例を示した。
再循環気筒４０ｄでの燃焼用空気Ａに含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する他の例としては、第２燃料ガス供給部としての第２燃料流量制御弁１５の開度を特定の一定開度に維持した状態で、再循環気筒４０ｄへ燃焼用空気Ａを導く第２給気支管２０ｄにスロットル弁（図示せず）を設け、当該スロットル弁の開度を制御するように構成しても構わない。
あるいは、再循環気筒４０ｄのＥＧＲ率をバルブタイミングの制御や、再循環気筒４０ｄからの燃焼ガスを通流する燃焼ガス通流路２８に設けられる排気絞り弁（図示せず）の開度の制御により、再循環気筒４０ｄでの混合気Ｍの空気過剰率を１より小さい範囲で制御する。
【００８６】
（１１）燃焼状態を検出する手段について、説明を追加する。
上記実施形態において、ノッキング検出手段は、ノッキング強度を検出するノックセンサを備え、当該ノックセンサにて検出されるノッキング強度（振動の強度）に基づいて、着火性を低減するか否かを判定する例を示した。他の構成として、ノッキング頻度を検出する構成を採用し、ノッキング頻度に基づいて、着火性を低減するか否かを判定しても構わない。
また、筒内圧力センサにて筒内圧力を検出し、当該筒内圧力センサにて検出される筒内圧力に基づいて、ノッキングを検出することもできる。即ち、筒内圧力センサにて検出される筒内圧力に基づいて、着火性を低減するか否かを判定するように構成しても構わない。
また、失火を検出する手段の他の例としては、筒内イオン電流センサを備える構成があり、当該筒内イオン電流センサにて検出される筒内の着火炎のイオン電流に基づいて、失火を検出することができる。
また、ノッキングを検出する手段、失火を検出する手段及びＮＯｘセンサは、単体で備える構成を採用しても構わないし、組み合わせて備える構成を採用しても構わない。
【００８７】
（１２）上記第１実施形態では、触媒バイパス路９４及び流量比制御弁９３を備える構成例を示したが、図１３に示すように、当該触媒バイパス路９４及び流量比制御弁９３を備えない構成を採用しても構わない。
具体的には、再循環気筒４０ｄから通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ導かれる燃焼ガス（改質ガスＫ）を通流する燃焼ガス通流路２８（触媒流路の一例）に触媒９２を備え、着火性制御手段５１としての制御装置５０は、燃焼ガスの空気過剰率がいずれの値にある場合にも、燃焼ガス（改質ガスＫ）の全量を触媒９２へ導くように構成されている。
当該構成により、通常気筒４０ａ、４０ｂ、４０ｃへ再循環される改質ガスＫの水素濃度は、図９にて実線で示されるように、再循環気筒４０ｄへ導かれる混合気Ｍの当量比φ（空気過剰率の逆数）を１から１．５までの間で変化させた時に、当量比φに対して正の相関を有する状態で、零から１２％程度まで変化させることができる。
【００８８】
（１３）上記実施形態にあっては、制御装置５０は、排ガス再循環状態を実行するように構成している例を示した。しかしながら、本願にあっては、排ガス再循環状態を実行しないものも権利範囲に含むものとする。
【００８９】
（１４）上記第１実施形態にあっては、制御装置５０は、改質ガス再循環運転状態において設定される空気過剰率が再循環気筒４０ｄで失火が起きない範囲で最小の空気過剰率である下限空気過剰率（当該第１実施形態では、図９において一点鎖線で示すように、当量比が１．５のとき）であるときに、触媒９２に改質ガスＫを通流させる形態で、水性ガスシフト反応制御を実行する構成例を示した。
しかしながら、制御装置５０は、下限空気過剰率よりも大きい空気過剰率において、水性ガスシフト反応制御を実行しても構わない。
例えば、制御装置５０は、準高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とにおいて、流量比制御弁９３の開度を制御する形態で、触媒９２に通流する改質ガスＫの流量を零とし、高着火性改質ガス再循環運転状態において、流量比制御弁９３の開度を制御する形態で、触媒９２に通流する改質ガスＫの流量を零より大きい値に制御するように構成しても構わない。
当該制御は、触媒バイパス路９４及び流量比制御弁９３を備える他の実施形態においても好適に実行できる。
【００９０】
（１５）上記実施形態にあっては、着火時期検出手段として、筒内圧力センサ４１を備える例を示した。
当該着火時期検出手段としては、予混合圧縮着火エンジン本体４０の燃焼室内に設けられ、燃焼室内の自着火炎によるイオン電流を検出するイオンプロ―ブ、予混合圧縮着火エンジン本体４０に設けられ、エンジン本体の機関振動により着火を検出する加速度計を、好適に採用することができる。
【００９１】
（１６）上記第１実施形態にあっては、着火時期の制御に関し、着火性制御手段５１としての制御装置５０による空気過剰率制御及び水性ガスシフト反応制御を実行することにより、着火時期を目標着火時期に制御する構成例を示した。
本願にあっては、上記構成に加えて、制御装置５０が、インタークーラ２２による給気温度制御により、着火時期を制御する構成をも権利範囲に含むものである。
具体的には、制御装置５０は、着火時期判定部５２により判定された着火時期が、目標着火時期よりも早いときには、温度センサＳ１により測定される給気温度に基づいてインタークーラ２２による給気の冷却度合を高め、着火時期が目標着火時期よりも遅いときには、温度センサＳ１により測定される給気温度に基づいてインタークーラ２２による給気の冷却度合を低める形態で、着火時期を目標着火時期に制御する構成をも含むものである。
【００９２】
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】
【００９３】
本発明のエンジンシステム、及びその制御方法は、比較的簡易な構成を維持しながらも、着火性の制御を良好に行うことができると共に、その運転範囲を大幅に拡大することができるエンジンシステム、及びその制御方法として、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１１      ：第１燃料ガス供給路
１３      ：第１燃料流量制御弁
１５      ：第２燃料流量制御弁
２８      ：燃焼ガス通流路
２９      ：第２燃料ガス供給路
４０      ：予混合圧縮着火エンジン本体
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ：通常気筒
４０ｄ    ：再循環気筒
５０      ：制御装置
５１      ：着火性制御手段
５２      ：着火時期判定部
６１      ：第２燃料ガス供給路
６３      ：第２燃料流量制御弁
８０      ：補助エンジン本体
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ：再循環気筒
９０      ：三方切換弁
９２      ：触媒
９３      ：流量比制御弁
９４      ：触媒バイパス路
９１      ：ＥＧＲクーラ
１００    ：エンジンシステム
２００    ：エンジンシステム
２００ａ  ：補助エンジン
２００ｂ  ：予混合圧縮着火エンジン
Ａ        ：燃焼用空気
Ｅ        ：燃焼排ガス
Ｆ        ：燃料ガス
Ｋ        ：改質ガス
【図１】
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【図２】
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【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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