(57)【要約】内燃機関システム１は、内燃機関２と、内燃機関２から提供される排気ガスＧを利用して、圧縮空気Ａ１を排出する過給機３と、圧縮空気Ａ１及び燃料Ｆ２の発熱反応によって得られる第１圧縮混合気Ｐ１を排出する改質器４と、圧縮空気Ａ１ａ及び第１圧縮混合気Ｐ１を混合して得られる第２圧縮混合気Ｐ２を排出する圧縮混合気生成器６と、を備える。圧縮混合気生成器６は、過給機３から圧縮空気Ａ１ａを受けると共に改質器４から第１圧縮混合気Ｐ１を受けて、第２圧縮混合気Ｐ２を排出する合流部１６と、合流部１６に提供する圧縮空気Ａ１ａの流量と改質器４に提供する圧縮空気Ａ１ｂの流量との比率を調整する流量比率調整部１７と、を有する。
2020158273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関から提供される排気ガスを利用して、圧縮空気を排出する過給機と、
前記圧縮空気及び燃料の発熱反応によって得られる第１圧縮混合気を排出する改質器と、
前記圧縮空気及び前記第１圧縮混合気を混合して得られる第２圧縮混合気を排出する圧縮混合気生成部と、を備え、
前記圧縮混合気生成部は、
前記過給機から前記圧縮空気を受ける流量比率調整部と、
前記流量比率調整部から前記圧縮空気を受けると共に前記改質器から前記第１圧縮混合気を受けて、前記第２圧縮混合気を排出する合流部と、を有し、
前記流量比率調整部は、前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量と前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量との比率を調整する、内燃機関システム。
【請求項２】
前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間に配置されて、前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間を流れる前記第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、
前記温度取得部から出力される情報に基づいて、前記流量比率調整部を制御する制御部と、をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記流量比率調整部は、
前記過給機から前記圧縮空気を受ける分岐部と、
前記分岐部及び前記合流部に接続されて、前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量を制御する第１バルブと、
前記分岐部及び前記改質器に接続されて、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を制御する第２バルブと、を有する、請求項１又は２に記載の内燃機関システム。
【請求項４】
前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間に配置されて、前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間を流れる前記第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、
前記温度取得部から出力される情報に基づいて、前記流量比率調整部を制御する制御部と、
前記制御部は、前記混合気の温度が目標温度よりも高いとき、前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させ、前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させる、請求項３に記載の内燃機関システム。
【請求項５】
前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間に配置されて、前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間を流れる前記第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、
前記温度取得部から出力される情報に基づいて、前記過給機を制御する制御部と、をさらに備え、
前記過給機は、
前記排気ガスを受けて動力を発生させるタービンと、
前記動力を受けて前記圧縮空気を排出するコンプレッサと、
前記内燃機関を前記タービンに接続する経路と前記タービンの排出部とを短絡するバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられたウェイストゲートバルブと、を有し、
前記制御部は、前記混合気の温度に基づいて、前記ウェイストゲートバルブを制御する、請求項２又は３に記載の内燃機関システム。
【請求項６】
前記流量比率調整部は、
前記過給機から前記圧縮空気を受ける分岐部と、前記分岐部及び前記合流部に接続されて、前記合流部に提供される前記圧縮空気の流量を制御する第１バルブと、
前記分岐部及び前記改質器に接続されて、前記改質器に提供される前記圧縮空気の流量を制御する第２バルブと、を有し、
前記制御部は、
前記混合気の温度が目標温度よりも高いとき、前記バイパス経路に流れる前記排気ガスの流量を増加させ、前記第１バルブから前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量を増加させると共に前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させ、
前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、前記バイパス経路に流れる前記排気ガスの流量を減少させ、前記第１バルブから前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量を減少させると共に前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させる、請求項５に記載の内燃機関システム。
【請求項７】
前記内燃機関と前記流量比率調整部との間には、サージタンクが設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
【請求項８】
内燃機関と、前記内燃機関から提供される排気ガスを利用して圧縮空気を排出する過給機と、前記圧縮空気を利用して前記内燃機関に提供される混合気のための第１圧縮混合気を生成する改質器と、を備える内燃機関システムの制御方法であって、
前記混合気の温度を得る第１工程と、
前記混合気の温度と目標温度とを比較する第２工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも高いとき、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させる第３工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させる第４工程と、を有する内燃機関システムの制御方法。
【請求項９】
前記内燃機関システムは、前記内燃機関と前記改質器との間に設けられたサージタンクを含む、請求項８に記載の内燃機関システムの制御方法。
【請求項１０】
内燃機関と、前記内燃機関から提供される排気ガスを利用して圧縮空気を排出すると共に前記排気ガスの一部を分流する機構を有する過給機と、前記圧縮空気を利用して第１圧縮混合気を生成する改質器と、前記圧縮空気と前記第１圧縮混合気とを利用して前記内燃機関に提供される混合気のための第２圧縮混合気を生成する圧縮混合気生成部と、を備える内燃機関システムの制御方法であって、
前記混合気の温度を得る第１工程と、
前記混合気の温度と目標温度とを比較する第２工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも高いとき、分流される前記排気ガスの流量を増加させ、前記圧縮混合気生成部に提供する前記圧縮空気の流量を増加させると共に、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させる制御を行う第５工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、分流される前記排気ガスの流量を減少させ、前記圧縮混合気生成部に提供する前記圧縮空気の流量を減少させると共に、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させる制御を行う第６工程と、を有する請求項８に記載の内燃機関システムの制御方法。
【請求項１１】
前記内燃機関システムは、前記内燃機関と前記圧縮混合気生成部との間に設けられたサージタンクを含む、請求項１０に記載の内燃機関システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関システム及び内燃機関システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
理論空燃比よりも燃料が薄い混合気を内燃機関に提供する。そして、当該混合気を内燃機関において燃焼させる。その結果、燃焼時の火炎温度が低下するので、排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させることが可能である。このような燃焼状態を希薄燃焼（リーンバーン）という。一方、自動車等で使用される三元触媒は、リーンバーンで排出される酸素を多く含んだ排気ガス中において使用されるとき、窒素酸化物の除去能力が低下する。その結果、リーンバーンのメリットを得るためには、安定して運転を行うことが難しい領域まで希薄化を進める必要がある。燃料が希薄になると、燃焼速度が低下する。つまり、燃料と空気とを含む混合気への着火性が悪化する。着火性の悪化に伴って、特にレシプロ機関では熱効率が低下する。これを補うために混合気に水素を添加することにより、燃焼速度を増加させる場合がある。水素は、いわゆる燃料改質器によって生成される。燃料改質器は、内燃機関に提供される燃料の一部から触媒によって水素を取り出す。例えば、特許文献１は、改質器において生成した水素と、空気と、燃料とをキャブレタにおいて混合する。混合気は、内燃機関に提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許４０３３１３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
リーンバーンでは燃焼速度の低下に起因して、失火が生じる可能性がある。従って、内燃機関への燃料の供給条件は、精密に調整する必要がある。燃焼速度等の燃焼の特性は、内燃機関に供給される混合気の温度の影響を受ける。この理由のため、混合気の温度は、一定の範囲内に保つことが望ましい。一般的な内燃機関は、外気を取り込んで運転する。そこで、外気の温度変化の影響を軽減することにより、リーンバーンを安定的に継続することが可能なシステムが求められる。【０００５】
本開示は、リーンバーンを安定的に継続することが可能な内燃機関システム及び内燃機関システムの制御方法を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一形態である内燃機関システムは、内燃機関と、内燃機関から提供される排気ガスを利用して、圧縮空気を排出する過給機と、圧縮空気及び燃料の発熱反応によって得られる第１圧縮混合気を排出する改質器と、圧縮空気及び第１圧縮混合気を混合して得られる第２圧縮混合気を排出する圧縮混合気生成部と、を備える。圧縮混合気生成部は、過給機から圧縮空気を受ける流量比率調整部と、流量比率調整部から圧縮空気を受けると共に改質器から第１圧縮混合気を受けて、第２圧縮混合気を排出する合流部と、を有する。流量比率調整部は、合流部に提供する圧縮空気の流量と改質器に提供する圧縮空気の流量との比率を調整する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の内燃機関システム及び内燃機関システムの制御方法によれば、リーンバーンを安定的に継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係る内燃機関システムを示す図である。
【図２】図２は、図１の制御部が行う制御フローを示す図である。
【図３】図３は、変形例に係る内燃機関システムを示す図である。
【図４】図４は、図３の制御部が行う制御フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の一形態である内燃機関システムは、内燃機関と、内燃機関から提供される排気ガスを利用して、圧縮空気を排出する過給機と、圧縮空気及び燃料の発熱反応によって得られる第１圧縮混合気を排出する改質器と、圧縮空気及び第１圧縮混合気を混合して得られる第２圧縮混合気を排出する圧縮混合気生成部と、を備える。圧縮混合気生成部は、過給機から圧縮空気を受ける流量比率調整部と、流量比率調整部から圧縮空気を受けると共に改質器から第１圧縮混合気を受けて、第２圧縮混合気を排出する合流部と、を有する。流量比率調整部は、合流部に提供する圧縮空気の流量と改質器に提供する圧縮空気の流量との比率を調整する。
【００１０】
改質器は、発熱反応によって燃料から水素を発生させる。発生した熱は、過給機から提供される圧縮空気に移動する。流量比率調整部は、合流部に提供する圧縮空気の流量と改質器に提供する圧縮空気の流量との比率を調整する。改質器に提供する圧縮空気の流量の制御によって、改質器から排出される第１圧縮混合気の温度が制御される。その結果、第１圧縮混合気と圧縮空気とが混合された第２圧縮混合気の温度も制御することができる。従って、理想的なリーンバーンを達成するための温度に制御された混合気を内燃機関に提供することが可能である。その結果、内燃機関において良好な燃焼状態が実現される。つまり、本開示の内燃機関システムは、リーンバーンを安定的に継続することができる。
【００１１】
上記の内燃機関システムは、圧縮混合気生成部と内燃機関との間に配置されて、圧縮混合気生成部と内燃機関との間を流れる第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、温度取得部から出力される情報に基づいて、流量比率調整部を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、内燃機関に提供される混合気の温度を目標温度に近づけることが可能になる。従って、内燃機関に提供される混合気の温度を好適に制御することができる。
【００１２】
上記の内燃機関システムにおいて、流量比率調整部は、過給機から圧縮空気を受ける分岐部と、分岐部及び合流部に接続されて、合流部に提供する圧縮空気の流量を制御する第１バルブと、分岐部及び改質器に接続されて、改質器に提供する圧縮空気の流量を制御する第２バルブと、を有してもよい。この構成によれば、混合気の温度をより好適に制御することができる。
【００１３】
上記の内燃機関システムは、圧縮混合気生成部と内燃機関との間に配置されて、圧縮混合気生成部と内燃機関との間を流れる第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、温度取得部から出力される情報に基づいて、流量比率調整部を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。制御部は、混合気の温度が目標温度よりも高いとき、第２バルブから改質器に提供する圧縮空気の流量を減少させてもよい。制御部は、混合気の温度が目標温度よりも低いとき、第２バルブから改質器に提供する圧縮空気の流量を増加させてもよい。この制御によれば、内燃機関に提供される混合気の温度をさらに好適に制御することができる。
【００１４】
上記の内燃機関システムは、圧縮混合気生成部と内燃機関との間に配置されて、圧縮混合気生成部と内燃機関との間を流れる第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、温度取得部から出力される情報に基づいて、過給機を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。過給機は、排気ガスを受けて動力を発生させるタービンと、動力を受けて圧縮空気を排出するコンプレッサと、内燃機関をタービンに接続する経路とタービンの排出部とを短絡するバイパス経路と、バイパス経路に設けられたウェイストゲートバルブと、を有してもよい。制御部は、混合気の温度に基づいて、ウェイストゲートバルブを制御してもよい。バイパス経路に流れる排気ガスの流量は、タービンの出力に影響を及ぼす。タービンの出力は、コンプレッサの圧力比に影響を及ぼす。コンプレッサの圧力比は、コンプレッサから排出される圧縮空気の温度に影響を及ぼす。従って、バイパス流路に流れる排気ガスの流量をゲートバルブによって制御することにより、圧縮空気の温度を制御することができる。その結果、内燃機関に提供される混合気の温度を所定の温度に制御することができる。
【００１５】
上記の内燃機関システムにおいて、流量比率調整部は、過給機から圧縮空気を受ける分岐部と、分岐部及び合流部に接続されて、合流部に提供される圧縮空気の流量を制御する第１バルブと、分岐部及び改質器に接続されて、改質器に提供される圧縮空気の流量を制御する第２バルブと、を有してもよい。制御部は、混合気の温度が目標温度よりも高いとき、バイパス経路に流れる排気ガスの流量を増加させ、第１バルブから合流部に提供する圧縮空気の流量を増加させると共に第２バルブから改質器に提供する圧縮空気の流量を増加させてもよい。制御部は、混合気の温度が目標温度よりも低いとき、バイパス経路に流れる排気ガスの流量を減少させ、第１バルブから合流部に提供する圧縮空気の流量を減少させると共に第２バルブから改質器に提供する圧縮空気の流量を減少させてもよい。この制御によれば、内燃機関に提供される混合気の温度をより好適に制御することができる。
【００１６】
上記の内燃機関システムにおいて、内燃機関と流量比率調整部との間には、サージタンクが設けられていてもよい。この構成によれば、内燃機関から受ける圧力変動の影響を抑制することができる。
【００１７】
本開示の別の形態は、内燃機関システムの制御方法である。内燃機関システムは、内燃機関と、内燃機関から提供される排気ガスを利用して圧縮空気を排出する過給機と、圧縮空気を利用して内燃機関に提供される混合気のための第１圧縮混合気を生成する改質器と、を備える。内燃機関システムの制御方法は、混合気の温度を得る第１工程と、混合気の温度と目標温度とを比較する第２工程と、第２工程の結果、混合気の温度が目標温度よりも高いとき、改質器に提供する圧縮空気の流量を減少させる第３工程と、第２工程の結果、混合気の温度が目標温度よりも低いとき、改質器に提供する圧縮空気の流量を増加させる第４工程と、を有してもよい。
【００１８】
上記の制御方法によれば、理想的なリーンバーンを達成するための温度に制御された混合気を内燃機関に提供することが可能である。従って、内燃機関において良好な燃焼状態が実現される。つまり、本開示の内燃機関システムの制御方法は、リーンバーンを安定的に継続することができる。
【００１９】
上記の内燃機関システムは、内燃機関と改質器との間に設けられたサージタンクを含んでもよい。
【００２０】
本開示のさらに別の形態は、内燃機関システムの制御方法である。内燃機関システムは、内燃機関と、内燃機関から提供される排気ガスを利用して圧縮空気を排出すると共に排気ガスの一部を分流する機構を有する過給機と、圧縮空気を利用して第１圧縮混合気を生成する改質器と、圧縮空気と第１圧縮混合気とを利用して内燃機関に提供される混合気のための第２圧縮混合気を生成する圧縮混合気生成部と、を備える。内燃機関システムの制御方法は、混合気の温度を得る第１工程と、混合気の温度と目標温度とを比較する第２工程と、第２工程の結果、混合気の温度が目標温度よりも高いとき、分流される排気ガスの流量を増加させ、圧縮混合気生成部に提供する圧縮空気の流量を増加させると共に、改質器に提供する圧縮空気の流量を増加させる制御を行う第５工程と、第２工程の結果、混合気の温度が目標温度よりも低いとき、分流される排気ガスの流量を減少させ、圧縮混合気生成部に提供する圧縮空気の流量を減少させると共に、改質器に提供する圧縮空気の流量を減少させる制御を行う第６工程と、を有する。これらの工程によれば、バイパス流路に流れる排気ガスの流量をゲートバルブによって制御する。その結果、圧縮空気の温度を制御することができる。従って、内燃機関に提供される混合気の温度を所定の温度に制御することができる。
【００２１】
上記の内燃機関システムは、内燃機関と圧縮混合気生成部との間に設けられたサージタンクを含んでもよい。
【００２２】
以下、添付図面を参照しながら本開示の内燃機関システム及び内燃機関システムの制御方法を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
図１に示す内燃機関システム１は、発電機の動力源として用いられる。また、内燃機関システム１は、移動体の動力源として用いられる。移動体として、例えば、車両及び船舶が例示できる。内燃機関システム１から動力を受ける対象は、特に限定されない。
【００２４】
内燃機関システム１は、内燃機関２と、過給機３と、改質器４と、圧縮混合気生成器６（圧縮混合気生成部）と、コントローラ７（制御部）と、を有する。なお、内燃機関システム１は、その他の構成部品を含んでもよい。
【００２５】
過給機３は、内燃機関２の排気ガスＧａによって動作する。過給機３から排出される圧縮空気Ａ１の一部（圧縮空気Ａ１ｂ）は、改質器４に提供される。その結果、空気と水素とを含む第１圧縮混合気Ｐ１が構成される。第１圧縮混合気Ｐ１は、後述する混合気生成部１９において燃料Ｆ１と混合される。第１圧縮混合気Ｐ１と燃料Ｆ１とを含む気体は、混合気Ｍである。混合気Ｍは、内燃機関２に提供される。
【００２６】
混合気生成部１９は、混合気Ｍを排出する。混合気Ｍの空気と燃料ガスとの比率は、理論空燃比よりも薄い。つまり、混合気Ｍを燃焼させると、リーンバーンを生じる。混合気Ｍは、改質器４で生成された水素を含んでいる。従って、水素を含む混合気Ｍは、空気と燃料ガスとの比率がリーンバーンを生じさせる比率であっても、良好な燃焼状態を実現できる。
【００２７】
良好な燃焼状態を実現するためには、混合気Ｍの温度も重要である。つまり、混合気Ｍにおける各成分の比率及び混合気Ｍの温度は、良好な燃焼状態を実現するために、所定の条件を満たすように制御される。本開示の内燃機関システム１は、混合気Ｍの温度を調整するためのヒータ及び冷却器といった熱制御要素を備えない。内燃機関システム１は、熱制御要素を備えることなく所定の温度に制御された混合気Ｍを提供する。以下、内燃機関システム１の詳細について説明する。
【００２８】
内燃機関２は、内燃機関入口２ａと、内燃機関出口２ｂと、を有する。内燃機関入口２ａは、混合気Ｍを受け入れる。内燃機関入口２ａは、いくつかの構成部品を介して、圧縮混合気生成器６に接続されている。内燃機関出口２ｂは、排気ガスＧａを排出する。内燃機関出口２ｂは、過給機３に接続されている。
【００２９】
過給機３は、タービン８と、コンプレッサ９と、を有する。タービン８は、タービン入口８ａと、タービン出口８ｂと、を有する。タービン入口８ａは、内燃機関出口２ｂに接続されている。タービン８は、タービン入口８ａから排気ガスＧａを受け入れる。タービン８は、コンプレッサ９を駆動するための動力を発生させる。排気ガスＧｂは、タービン出口８ｂから排出される。コンプレッサ９は、コンプレッサ入口９ａと、コンプレッサ出口９ｂと、を有する。コンプレッサ出口９ｂは、圧縮混合気生成器６に接続されている。コンプレッサ９は、コンプレッサ入口９ａから大気圧の空気Ａ２を受け入れる。コンプレッサ９は、タービン８から提供された動力を利用して、当該空気Ａ２を圧縮する。圧縮空気Ａ１は、コンプレッサ出口９ｂから排出される。
【００３０】
改質器４は、第１改質器入口４ａと、第２改質器入口４ｂと、改質器出口４ｃと、を有する。第１改質器入口４ａは、圧縮混合気生成器６に接続されている。第２改質器入口４ｂは、燃料供給部１１に接続されている。改質器出口４ｃは、圧縮混合気生成器６に接続されている。改質器４は、第１改質器入口４ａから圧縮空気Ａ１ｂを受け入れる。改質器４は、第２改質器入口４ｂから燃料Ｆ２を受け入れる。改質器４は、圧縮空気Ａ１ｂと燃料Ｆ２とを互いに反応させる。その結果、水素が発生する。具体的には、改質器４は、触媒によって、圧縮空気Ａ１ｂ中の酸素と、燃料Ｆ２とを反応させる。この反応の結果、一酸化炭素と水素とが生成される。この反応は、発熱反応である。改質器４は、改質器出口４ｃから第１圧縮混合気Ｐ１を排出する。第１圧縮混合気Ｐ１は、圧縮空気と水素とを含む。なお、改質器４は、発熱反応により水素を生成可能な装置を適宜用いてよい。
【００３１】
圧縮混合気生成器６は、第１生成器入口６ａと、第１生成器出口６ｂと、第２生成器入口６ｃと、第２生成器出口６ｄと、を有する。第１生成器入口６ａは、コンプレッサ出口９ｂに接続されている。第１生成器出口６ｂは、第１改質器入口４ａに接続されている。第２生成器入口６ｃは、改質器出口４ｃに接続されている。第２生成器出口６ｄは、いくつかの部品を介して、内燃機関入口２ａに接続されている。
【００３２】
圧縮混合気生成器６は、第１生成器入口６ａから圧縮空気Ａ１を受け入れる。圧縮混合気生成器６は、第１生成器出口６ｂから圧縮空気Ａ１ｂを排出する。圧縮混合気生成器６は、第２生成器入口６ｃから第１圧縮混合気Ｐ１を受け入れる。圧縮混合気生成器６は、第２生成器出口６ｄから第２圧縮混合気Ｐ２を排出する。
【００３３】
圧縮混合気生成器６は、分岐部１２と、第１バルブ１３と、第２バルブ１４と、合流部１６と、を有する。分岐部１２は、第１生成器入口６ａに接続されている。分岐部１２は、第１バルブ１３の上流側に接続されている。分岐部１２は、第２バルブ１４の上流側に接続されている。第１バルブ１３は、分岐部１２に接続されている。第１バルブ１３は、合流部１６に接続されている。第２バルブ１４は、分岐部１２に接続されている。第２バルブ１４は、第１生成器出口６ｂに接続されている。合流部１６は、第１バルブ１３に接続されている。合流部１６は、第２生成器入口６ｃに接続されている。合流部１６は、第２生成器出口６ｄに接続されている。
【００３４】
分岐部１２は、圧縮空気Ａ１を第１バルブ１３及び第２バルブ１４に振り分ける。第１バルブ１３は、分岐部１２から合流部１６へ流れる圧縮空気Ａ１ａの流量を制御する。第２バルブ１４は、分岐部１２から第１生成器出口６ｂへ流れる圧縮空気Ａ１ｂの流量を制御する。第２バルブ１４は、改質器４に提供される圧縮空気Ａ１ｂの流量を制御する。第１バルブ１３及び第２バルブ１４は、合流部１６に提供する圧縮空気Ａ１ａの流量と改質器４に提供する圧縮空気Ａ１ｂの流量との比率を調整する。分岐部１２、第１バルブ１３及び第２バルブ１４は、流量比率調整部１７である。合流部１６は、第２生成器入口６ｃから受け入れた第１圧縮混合気Ｐ１と、第１バルブ１３を介して分岐部１２から提供された一部の圧縮空気Ａ１ａと、を混合する。
【００３５】
内燃機関システム１は、サージタンク１８と、混合気生成部１９と、温度センサ２１と、を有する。サージタンク１８、混合気生成部１９及び温度センサ２１は、圧縮混合気生成器６と内燃機関２との間に配置されている。図１に示す例では、圧縮混合気生成器６から内燃機関２へ向かう方向に沿って、サージタンク１８、混合気生成部１９及び温度センサ２１の順に配置されている。サージタンク１８は、内燃機関２における圧力変動の影響が上流側に伝わることを抑制する。換言するとサージタンク１８は、内燃機関２における圧力変動の影響が圧縮混合気生成器６に伝わることを抑制する。なお、サージタンク１８は、必要に応じて設けてよい。サージタンク１８は、省略してもよい。混合気生成部１９は、第２圧縮混合気Ｐ２と、燃料Ｆ１と、を受け入れる。混合気生成部１９は、混合気Ｍを生成する。温度センサ２１は、混合気Ｍのガス温度（Ｔｉｎ）を得る。温度センサ２１は、内燃機関入口２ａに流入するガスのガス温度（Ｔｉｎ）を得る。
【００３６】
内燃機関システム１は、コントローラ７を有する。コントローラ７は、内燃機関入口２ａに提供される混合気Ｍのガス温度（Ｔｉｎ）を目標温度（Ｔｔｒ）に制御する。この制御には、第１態様と、第２態様と、を含む。第１態様は、ガス温度（Ｔｉｎ）を目標温度（Ｔｔｒ）に維持する。第２態様は、ガス温度（Ｔｉｎ）を目標温度（Ｔｔｒ）に近づける。ガス温度（Ｔｉｎ）は、圧縮混合気生成器６の動作によって制御される。コントローラ７は、圧縮混合気生成器６の動作を制御する。その結果、目標温度（Ｔｔｒ）である混合気Ｍが生成される。
【００３７】
コントローラ７は、温度情報に基づいて、制御信号を生成する。制御信号は、圧縮混合気生成器６を制御するためのものである。コントローラ７は、機能的な構成要素として、温度取得部７ａと、温度比較部７ｂと、制御信号生成部７ｃと、を有する。これらの構成要素については、後述するコントローラ７によって行われる制御において詳細に説明する。
【００３８】
コントローラ７は、圧縮空気Ａ１ａの流量を制御する。圧縮空気Ａ１ａは、分岐部１２から合流部１６に提供される。コントローラ７は、第１バルブ１３の開度を調整することによって、圧縮空気Ａ１ａの流量を制御する。コントローラ７は、圧縮空気Ａ１ｂの流量を制御する。圧縮空気Ａ１ｂは、分岐部１２から改質器４に提供される。コントローラ７は、第２バルブ１４の開度を調整することによって、圧縮空気Ａ１ｂの流量を制御する。コントローラ７は、第１バルブ１３に提供する制御信号φ１と、第２バルブ１４に提供する制御信号φ２と、を生成する。コントローラ７は、制御信号φ１を第１バルブ１３に提供する。コントローラ７は、制御信号φ２を第２バルブ１４に提供する。コントローラ７の具体的な動作は、後述する。
【００３９】
コントローラ７は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ：中央処理装置）等の任意の好適なプロセッサや、処理ごとに特化した専用のプロセッサ（例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ））を備える。コントローラ７は、処理実行のために、適宜、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）を備えてもよい。
【００４０】
内燃機関システム１の制御方法は、コントローラ７によって実行される。以下、コントローラ７によって行われる制御について、図２に示すフロー図を参照しながら、詳細に説明する。
【００４１】
コントローラ７は、ガス温度（Ｔｉｎ）を得る（工程Ｓ１：第１工程）。工程Ｓ１は、温度センサ２１及び温度取得部７ａによって行われる。
【００４２】
次に、コントローラ７は、ガス温度（Ｔｉｎ）を目標温度（Ｔｔｒ）と比較する（工程Ｓ２：第２工程）。工程Ｓ２は、温度比較部７ｂによって行われる。工程Ｓ２では、ガス温度（Ｔｉｎ）が目標温度（Ｔｔｒ）より高いか否かを判定する。工程Ｓ２では、ガス温度（Ｔｉｎ）が目標温度（Ｔｔｒ）より低いか否かを判定してもよい。
【００４３】
ガス温度（Ｔｉｎ）が目標温度（Ｔｔｒ）より高いとき（工程Ｓ２：ＹＥＳ）、コントローラ７は、ガス温度（Ｔｉｎ）を下げるように、圧縮混合気生成器６を制御する。ガス温度（Ｔｉｎ）は、改質器４から排出される第１圧縮混合気Ｐ１の温度（Ｔ２）により制御できる。第１圧縮混合気Ｐ１の温度（Ｔ２）は、圧縮空気Ａ１ａの温度（Ｔ１）よりも高い（Ｔ２＞Ｔ１）。圧縮空気Ａ１ａは、分岐部１２から第１バルブ１３を介して合流部１６に流れる。
【００４４】
第１圧縮混合気Ｐ１の温度（Ｔ２）は、改質器４に提供される圧縮空気Ａ１ｂの流量により制御できる。コントローラ７は、圧縮空気Ａ１ｂの流量を減少させる（第３工程）。圧縮空気Ａ１ｂは、改質器４に提供される。具体的には、コントローラ７は、第２バルブ１４の開度を下げる（工程Ｓ３）。圧縮混合気生成器６から排出される第２圧縮混合気Ｐ２の流量及び圧力は、所定の条件を維持する必要がある。改質器４に提供される圧縮空気Ａ１ｂの流量を減少させたとき、当該条件を維持するために、コントローラ７は、圧縮空気Ａ１ａの流量を増大させる。圧縮空気Ａ１ａは、分岐部１２から合流部１６に提供される。具体的には、コントローラ７は、第１バルブの開度を上げる（工程Ｓ４）。つまり、第３工程は、工程Ｓ３及び工程Ｓ４を含む。
【００４５】
一方、ガス温度（Ｔｉｎ）が目標温度（Ｔｔｒ）より低いとき（工程Ｓ２：ＮＯ）、コントローラ７は、ガス温度（Ｔｉｎ）を上げるように、圧縮混合気生成器６を制御する。コントローラ７は、圧縮空気Ａ１ｂの流量を増大させる（第４工程）。圧縮空気Ａ１ｂは、改質器４に提供される。具体的には、コントローラ７は、第２バルブ１４の開度を上げる（工程Ｓ５）。さらに、コントローラ７は、分岐部１２から合流部１６に提供される圧縮空気Ａ１ａの流量を減少させる。具体的には、コントローラ７は、第１バルブの開度を下げる（工程Ｓ６）。つまり、第４工程は、工程Ｓ５及び工程Ｓ６を含む。
【００４６】
分岐部１２から合流部１６に至る２つの経路において、第１バルブ１３を含む経路の圧力損失は、第２バルブ１４を含む経路の圧力損失よりも大きい。つまり、総合的な圧力損失は、所定の状態を維持する。この設定によれば、圧縮空気Ａ１ａの圧力と、第１圧縮混合気Ｐ１の圧力と、の圧力差を小さくすることができる。圧縮空気Ａ１ａは、第１バルブ１３から提供されている。第１圧縮混合気Ｐ１は、改質器４から提供されている。従って、合流部１６において、圧縮空気Ａ１ａと第１圧縮混合気Ｐ１とを好適に合流させることができる。
【００４７】
次に、コントローラ７は、再び工程Ｓ１を実行する。つまり、コントローラ７は、内燃機関システム１の動作中において、上記の制御を繰り返し実行する。
【００４８】
以下、本開示に係る内燃機関システム１の作用効果について説明する。
【００４９】
改質器４は、発熱反応によって燃料Ｆ２から水素を発生させる。発生した熱は、過給機３から提供される圧縮空気Ａ１ｂに移動する。改質器４に提供する圧縮空気Ａ１ｂの流量を制御することによって、改質器４から排出される第１圧縮混合気Ｐ１の温度（Ｔ１）が制御される。その結果、第１圧縮混合気Ｐ１と圧縮空気Ａ１ａとが混合された第２圧縮混合気Ｐ２の温度（Ｔ３）も制御することができる。従って、理想的なリーンバーンを達成するための温度に制御された混合気Ｍが内燃機関２に提供される。従って、内燃機関２において良好な燃焼状態が実現される。その結果、排気ガスの特性を改善することができる。
【００５０】
内燃機関システム１は、ガス温度（Ｔｉｎ）を制御するために、冷却装置又は加熱装置を準備する必要がない。従って、内燃機関システム１の構成を簡易にすることができる。また、当該制御は、ガス温度（Ｔｉｎ）の代わりに、排気ガス温度を用いてもよい。当該制御は、排気ガス中の酸素濃度情報を用いてもよい。酸素濃度情報を用いた制御によれば、失火を検知することができる。その結果、安定した運転に寄与する制御を実現できる。
【００５１】
本開示に係る内燃機関システム１は、内燃機関２に要求される出力が比較的一定である装置に適用してよい。その場合、空気流量の変動は、小さい。従って、より良好な制御が可能となる。例えば、発電機は、出力の変動が小さく、定常運転を行う。内燃機関システム１は、発電機に対して好適に利用できる。また、始動時に定常状態まで混合気温度が連続的に変化する装置がある。本開示に係る内燃機関システム１は、始動と停止を繰り返すような装置、例えば、非常用発電機等に好適に利用できる。
【００５２】
以上、本開示の内燃機関システム及び内燃機関システムの制御方法について説明したが、上記実施形態に限定されない。本開示の内燃機関システム及び内燃機関システムの制御方法は様々な形態で実施してよい。
【００５３】
図３に示すように、変形例に係る内燃機関システム１Ａは、過給機３に代えて過給機３Ａを有する。コントローラ７は、制御信号φ１、φ２に加えて、さらに制御信号φ３を出力する。内燃機関システム１Ａのその他の構成は、内燃機関システム１と同じである。それらの構成は、詳細な説明を省略する。
【００５４】
過給機３Ａは、いわゆるウェエイストゲートバルブ（以下「ウェイストゲートバルブ２２」という）を有する。ウェイストゲートバルブ２２は、バイパス経路２３に設けられている。バイパス経路２３は、内燃機関２の排気ガスＧａの一部をタービン８に流入させない。バイパス経路２３は、排気ガスＧａの一部をタービン出口８ｂに導く。ウェイストゲートバルブ２２及びバイパス経路２３は、排気ガスＧａの一部を分流する。この構成によれば、タービン８に提供される排気ガスＧａの流量を制御することができる。従って、タービン８が発生させる動力と、コンプレッサ９が要求する動力と、のバランスを調整することができる。過給機３Ａを備えた内燃機関システム１Ａは、いわゆる立ち上がり特性を重視する装置（例えば、車両）に対しても利用できる。
【００５５】
バイパス経路２３の一端は、上流分岐部２４に接続されている。上流分岐部２４は、内燃機関出口２ｂとタービン入口８ａとを接続する経路に設けられている。バイパス経路２３の他端は、下流分岐部２７に接続されている。下流分岐部２７は、タービン出口８ｂに接続された排出経路２６（排出部）に設けられている。ウェイストゲートバルブ２２は、バイパス経路２３において、上流分岐部２４と下流分岐部２７との間に接続されている。ウェイストゲートバルブ２２は、排気ガスＧｃの流量を制御する。排気ガスＧｃは、上流分岐部２４から下流分岐部２７に流れる。ウェイストゲートバルブ２２の制御は、コントローラ７から提供される制御信号φ３に基づく。
【００５６】
コントローラ７は、ガス温度（Ｔｉｎ）に基づいて、ウェイストゲートバルブ２２の開度を制御する。例えば、図４に示すように、ガス温度（Ｔｉｎ）が目標温度（Ｔｔｒ）よりも高い場合（工程Ｓ２：ＹＥＳ）、コントローラ７は、分流される排気ガスＧｃの流量を増加させる。さらに、コントローラ７は、圧縮混合気生成器６の合流部１６に提供する圧縮空気Ａ１ａの流量を増加させる。そのうえ、コントローラ７は、改質器４に提供する圧縮空気Ａ１ｂの流量を増加させる。これら３つの制御は、第５工程を構成する。具体的には、コントローラ７は、ウェイストゲートバルブ２２の開度を上げる（工程Ｓ６）。ウェイストゲートバルブ２２の開度が上がると、より多くの排気ガスＧがバイパス経路２３に流れる。そして、タービン８へ提供される排気ガスＧａの流量は、減少する。その結果、タービン８において生じる動力が減少する。つまり、コンプレッサ９における圧力比は、減少する。従って、コンプレッサ出口９ｂから排出される圧縮空気Ａ１の温度は、下がる。なお、この場合において、混合気Ｍを所定の圧力に維持するため、第１バルブ１３の開度及び第２バルブ１４の開度を上げてもよい（工程Ｓ７）。つまり、第５工程は、工程Ｓ６及び工程Ｓ７を含む。
【００５７】
一方、ガス温度（Ｔｉｎ）が目標温度（Ｔｔｒ）よりも低い場合、コントローラ７は、分流される排気ガスＧｃの流量を減少させる。さらに、コントローラ７は、圧縮混合気生成器６の合流部１６に提供する圧縮空気Ａ１ａの流量を減少させる。そのうえ、コントローラ７は、改質器４に提供する圧縮空気Ａ１ｂの流量を減少させる。これら３つの制御は、第６工程を構成する。具体的には、コントローラ７は、ウェイストゲートバルブ２２の開度を下げる（工程Ｓ８）。ウェイストゲートバルブ２２の開度が下がると、より多くの排気ガスＧａがタービン８に流れる。その結果、タービン８において生じる動力が増加する。そして、コンプレッサ９における圧力比が高まる。従って、コンプレッサ出口９ｂから排出される圧縮空気Ａ１の温度が上がる。なお、この場合において、混合気Ｍを所定の圧力に維持するため、第１バルブ１３の開度及び第２バルブ１４の開度を下げてもよい（工程Ｓ９）。つまり、第６工程は、工程Ｓ８及び工程Ｓ９を含む。
【００５８】
第１バルブ１３は、過給機３と分岐部１２に接続されてもよい。第２バルブ１４は改質器４と合流部１６に接続されてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａ  内燃機関システム
２  内燃機関
２ａ  内燃機関入口
２ｂ  内燃機関出口
３，３Ａ  過給機
４  改質器
４ａ  第１改質器入口
４ｂ  第２改質器入口
４ｃ  改質器出口
６  圧縮混合気生成器（圧縮混合気生成部）
６ａ  第１生成器入口
６ｂ  第１生成器出口
６ｃ  第２生成器入口
６ｄ  第２生成器出口
７  コントローラ（制御部）
７ａ  温度取得部
７ｂ  温度比較部
７ｃ  制御信号生成部
８  タービン
８ａ  タービン入口
８ｂ  タービン出口
９  コンプレッサ
９ａ  コンプレッサ入口
９ｂ  コンプレッサ出口
１１  燃料供給部
１２  分岐部
１３  第１バルブ
１４  第２バルブ
１６  合流部
１７  流量比率調整部
１８  サージタンク
１９  混合気生成部
２１  温度センサ（温度取得部）
２２  ウェイストゲートバルブ
２３  バイパス経路
２４  上流分岐部
２６  排出経路
２７  下流分岐部
Ａ１，Ａ１ａ，Ａ１ｂ  圧縮空気
Ａ２  空気
Ｆ１，Ｆ２  燃料
Ｇ，Ｇａ  排気ガス
Ｐ１  第１圧縮混合気
Ｐ２  第２圧縮混合気
Ｍ  混合気
φ１，φ２，φ３  制御信号
【図１】
2020158273.tif 000003
【図２】
2020158273.tif 000004
【図３】
2020158273.tif 000005
【図４】
2020158273.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和3年7月9日(2021.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関から提供される排気ガスを利用して、圧縮空気を排出する過給機と、
前記圧縮空気及び燃料の発熱反応によって得られる第１圧縮混合気を排出する改質器と、
前記圧縮空気及び前記第１圧縮混合気を混合して得られる第２圧縮混合気を排出する圧縮混合気生成部と、を備え、
前記圧縮混合気生成部は、
前記過給機から前記圧縮空気を受ける流量比率調整部と、
前記流量比率調整部から前記圧縮空気を受けると共に前記改質器から前記第１圧縮混合気を受けて、前記第２圧縮混合気を排出する合流部と、を有し、
前記流量比率調整部は、前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量と前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量との比率を調整する、内燃機関システム。
【請求項２】
前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間に配置されて、前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間を流れる前記第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、
前記温度取得部から出力される情報に基づいて、前記流量比率調整部を制御する制御部と、をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記流量比率調整部は、
前記過給機から前記圧縮空気を受ける分岐部と、
前記分岐部及び前記合流部に接続されて、前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量を制御する第１バルブと、
前記分岐部及び前記改質器に接続されて、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を制御する第２バルブと、を有する、請求項１又は２に記載の内燃機関システム。
【請求項４】
前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間に配置されて、前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間を流れる前記第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、
前記温度取得部から出力される情報に基づいて、前記流量比率調整部を制御する制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記混合気の温度が目標温度よりも高いとき、前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させ、前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させる、請求項３に記載の内燃機関システム。
【請求項５】
前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間に配置されて、前記圧縮混合気生成部と前記内燃機関との間を流れる前記第２圧縮混合気を含む混合気の温度を得る温度取得部と、
前記温度取得部から出力される情報に基づいて、前記過給機を制御する制御部と、をさらに備え、
前記過給機は、
前記排気ガスを受けて動力を発生させるタービンと、
前記動力を受けて前記圧縮空気を排出するコンプレッサと、
前記内燃機関を前記タービンに接続する経路と前記タービンの排出部とを短絡するバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられたウェイストゲートバルブと、を有し、
前記制御部は、前記混合気の温度に基づいて、前記ウェイストゲートバルブを制御する、請求項２又は３に記載の内燃機関システム。
【請求項６】
前記流量比率調整部は、
前記過給機から前記圧縮空気を受ける分岐部と、前記分岐部及び前記合流部に接続されて、前記合流部に提供される前記圧縮空気の流量を制御する第１バルブと、
前記分岐部及び前記改質器に接続されて、前記改質器に提供される前記圧縮空気の流量を制御する第２バルブと、を有し、
前記制御部は、
前記混合気の温度が目標温度よりも高いとき、前記バイパス経路に流れる前記排気ガスの流量を増加させ、前記第１バルブから前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量を増加させると共に前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させ、
前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、前記バイパス経路に流れる前記排気ガスの流量を減少させ、前記第１バルブから前記合流部に提供する前記圧縮空気の流量を減少させると共に前記第２バルブから前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させる、請求項５に記載の内燃機関システム。
【請求項７】
前記内燃機関と前記流量比率調整部との間には、サージタンクが設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
【請求項８】
内燃機関と、前記内燃機関から提供される排気ガスを利用して圧縮空気を排出する過給機と、前記圧縮空気を利用して前記内燃機関に提供される混合気のための第１圧縮混合気を生成する改質器と、を備える内燃機関システムの制御方法であって、
前記混合気の温度を得る第１工程と、
前記混合気の温度と目標温度とを比較する第２工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも高いとき、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させる第３工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させる第４工程と、を有する内燃機関システムの制御方法。
【請求項９】
前記内燃機関システムは、前記内燃機関と前記改質器との間に設けられたサージタンクを含む、請求項８に記載の内燃機関システムの制御方法。
【請求項１０】
内燃機関と、前記内燃機関から提供される排気ガスを利用して圧縮空気を排出すると共に前記排気ガスの一部を分流する機構を有する過給機と、前記圧縮空気を利用して第１圧縮混合気を生成する改質器と、前記圧縮空気と前記第１圧縮混合気とを利用して前記内燃機関に提供される混合気のための第２圧縮混合気を生成する圧縮混合気生成部と、を備える内燃機関システムの制御方法であって、
前記混合気の温度を得る第１工程と、
前記混合気の温度と目標温度とを比較する第２工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも高いとき、分流される前記排気ガスの流量を増加させ、前記圧縮混合気生成部に提供する前記圧縮空気の流量を増加させると共に、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を増加させる制御を行う第５工程と、
前記第２工程の結果、前記混合気の温度が前記目標温度よりも低いとき、分流される前記排気ガスの流量を減少させ、前記圧縮混合気生成部に提供する前記圧縮空気の流量を減少させると共に、前記改質器に提供する前記圧縮空気の流量を減少させる制御を行う第６工程と、を有する請求項８に記載の内燃機関システムの制御方法。
【請求項１１】
前記内燃機関システムは、前記内燃機関と前記圧縮混合気生成部との間に設けられたサージタンクを含む、請求項１０に記載の内燃機関システムの制御方法。
【国際調査報告】
2020158273.tif 000007
2020158273.tif 000008
2020158273.tif 000009
2020158273.tif 000010
2020158273.tif 000011
2020158273.tif 000012