JP6323909B2

JP6323909B2 - エンジン

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Publication number: JP6323909B2
Application number: JP2014197368A
Authority: JP
Inventors: 豪朝井
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2018-05-16
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Also published as: JP2016070101A

Description

本発明はエンジンに関する。詳しくは燃料改質装置を備えたエンジンに関する。

従来、液体燃料に吸気や排気を予め混合して加圧することで改質したガス燃料を供給する予混合エンジンが知られている。予混合エンジンは、液体燃料を希薄状態で燃焼可能なガス燃料に改質して燃焼させることで低スモーク化および低ＮＯｘ化を実現するものである。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１に記載のエンジンは、複数の気筒のうち一の気筒を燃料改質装置である改質用気筒とし、液体燃料と吸気や排気とを混合して圧縮することで燃料を改質している。改質後の燃料は、改質反応の熱によって高温状態であるためインタークーラーによって冷却される。しかし、特許文献に記載の技術では、運転条件によって改質後の燃料が非常に高温になりインタークーラーで十分に冷却できない場合、体積効率の悪化によりエンジンの出力が低下する可能性があった。

特開２００７−３３２８９１号公報

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる燃料改質装置を備えたエンジンの提供を目的とする。

即ち、本発明においては、出力用気筒とピストンの往復動作によって燃料を改質する改質用気筒とを備えたエンジンであって、改質用気筒から排出される改質された燃料の温度に基づいて改質用気筒の圧縮比と膨張比とのうち少なくとも一つを変更するものである。

本発明においては、前記改質用気筒の吸気弁の開閉時期と排気弁の開閉時期とを変更可能な可変動弁装置を備え、改質された燃料の温度が基準値以上の場合、前記圧縮比を小さくする吸気弁の開閉時期の変更と前記膨張比を大きくする排気弁の開閉時期の変更とのうち少なくとも一つの変更を行うものである。

本発明においては、エンジンの冷却水温度が所定値以下の場合、又はエンジンが始動されてから所定時間以内の場合、改質された燃料の温度に関わらず前記圧縮比を大きくするように吸気弁の開閉時期を変更するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

即ち、本発明においては、断熱圧縮による温度上昇を抑制することで改質された燃料の温度が一定の範囲内に維持される。これにより、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる。

本発明においては、吸気時期と排気時期とを変更して断熱圧縮による温度上昇を抑制することで改質された燃料の温度が一定の範囲内に維持される。これにより、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる。

本発明においては、エンジンや外気が低温であっても燃料の改質が確実に行われる。これにより、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる。

本発明に係るエンジンの一実施形態の構成を示す概略図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置を示す側面断面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置の部分拡大平面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置の油圧シリンダが突出していない場合の部分拡大側面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における可変動弁装置の油圧シリンダが突出している場合の部分拡大側面図。本発明に係るエンジンの一実施形態における制御構成を概略図。本発明に係るエンジンの一実施形態における一方のカムのプロファイルに従った吸気弁の開閉時期を示した図。（ａ）クランク角度と吸気弁の開閉時期との関係を示した図。（ｂ）クランク角度と吸気弁のバルブリフトとの関係を示した図。本発明に係るエンジンの一実施形態における他方のカムのプロファイルに従った吸気弁の開閉時期を示した図。（ａ）クランク角度と吸気弁の開閉時期との関係を示した図。（ｂ）クランク角度と吸気弁のバルブリフトとの関係を示した図。本発明に係るエンジンの一実施形態における改質用気筒のクランク位置における反応室内の状態を表すグラフを示す図。

以下に、図１から図４を用いて、本発明に係るエンジンの第一実施形態であるエンジン１について説明する。

図１に示すように、エンジン１は、軽油若しくは重油を燃料とするディーゼルエンジンである。エンジン１は、主に出力用気筒２、過給機１４、燃料改質装置である改質用気筒１５、吸気用インタークーラー３３、改質燃料用インタークーラー３４、ＥＧＲガス用インタークーラー３５、可変動弁装置３６および制御装置であるＥＣＵ５９を具備する。なお、本実施形態において、エンジン１をディーゼルエンジンとしたがこれに限定するものではない。

出力用気筒２は、燃料の燃焼により動力を発生させて出力軸に伝達するものである。出力用気筒２は、出力用シリンダ３、出力用ピストン４および出力用コンロッド５、および副燃料噴射装置６を具備する。

出力用気筒２は、出力用シリンダ３の内部に出力用ピストン４が摺動自在に内装されている。出力用シリンダ３は、一側が図示しないシリンダヘッドによって閉塞され、他側が開放するように構成されている。開放出力用ピストン４は、出力用コンロッド５によって出力軸である出力用クランク軸７に連結されている。出力用気筒２の圧縮率は、早期着火や失火の発生を考慮して１３以上（例えば１３〜１８程度）に設定されている。

出力用クランク軸７には、出力用クランク角検出センサ８が設けられている。出力用気筒２には、出力用シリンダ３の内壁と出力用ピストン４の端面とから燃焼室９が構成されている。出力用気筒２は、燃焼室９に燃料を噴射可能な副燃料噴射装置６が設けられている。副燃料噴射装置６は、ホールタイプのノズルを有するインジェクタから構成されている。出力用気筒２には、出力用吸気弁１０を介して吸気管１１が接続され、出力用排気弁１２を介して排気管１３が接続されている。なお、本実施形態において、出力用気筒２は、単数であっても複数であってもよい。

過給機１４は、外気を断熱圧縮して出力用気筒２の燃焼室９に供給するものである。過給機１４は、タービン１４ａとコンプレッサー１４ｂとを具備する。タービン１４ａには、排気管１３が接続され、燃焼室９からの排気が供給可能に構成されている。コンプレッサー１４ｂには、吸気管１１が接続され、外気を吸引して吸気として燃焼室９に供給可能に構成されている。つまり、過給機１４は、排気の圧力をタービン１４ａによって回転動力に変換してコンプレッサー１４ｂに伝達し、コンプレッサー１４ｂによって外気を吸引し、断熱圧縮可能に構成されている。

燃料改質装置である改質用気筒１５は、軽油等の高級炭化水素燃料を低級炭化水素燃料（例えばメタン）に改質し、過早着火を抑制するものである。改質用気筒１５は、吸気と排気（ＥＧＲガス）との混合気（以下、単に「給気」と記す）に燃料を噴射したものを断熱圧縮することで燃料を改質する。改質用気筒１５は、改質用シリンダヘッド１６、改質用シリンダ１７、改質用ピストン１８、改質用コンロッド１９、主燃料噴射装置２０等を具備する。

改質用気筒１５は、改質用シリンダ１７の一側が改質用シリンダヘッド１６によって閉塞され、内部に改質用ピストン１８が摺動自在に内装されている。改質用ピストン１８は、改質用コンロッド１９によって改質用クランク軸２１に連結されている。改質用クランク軸２１には、改質用クランク角検出センサ２２が設けられる。改質用気筒１５の改質用ピストン１８は、出力用クランク軸７と連動連結されている改質用クランク軸２１からの動力によって往復動作可能に構成されている。なお、本実施形態において、改質用気筒１５は、出力用クランク軸７からの動力が伝達されている構成としたがこれに限定されているものではなく、独立した動力源からの動力でもよい。また、改質用気筒１５は、出力用気筒２毎にあってもよく、複数の出力用気筒２に対して１つであってもよい。また、出力用気筒２と改質用気筒１５とを兼用することも可能である。

改質用気筒１５には、改質用シリンダヘッド１６、改質用シリンダ１７および改質用ピストン１８の端面とから反応室２３が構成されている。反応室２３は、改質用ピストン１８の往復動作によりその容積が変化するように構成されている。反応室２３は、その容積の変化により給気と燃料とを断熱圧縮するものである。反応室２３の圧縮率は、熱損失を考慮して１５以上（例えば１５〜２０程度）に設定されている。

主燃料噴射装置２０は、反応室２３の内部に燃料を供給するものである。主燃料噴射装置２０は、改質用シリンダヘッド１６に設けられている。主燃料噴射装置２０は、反応室２３の内部に燃料を任意の時期に任意の量で供給可能に構成されている。主燃料噴射装置２０は、ピントル型ノズル、スワールインジェクタ、エアアシストインジェクタ等のノズルから構成されている。

改質用気筒１５には、改質用吸気弁２４を介して供給管２５が接続されている。供給管２５には、吸気管１１から吸気の一部が供給可能に構成されている。また、供給管２５は、ＥＧＲ管２８を介して排気管１３に接続されている。つまり、供給管２５には、出力用気筒２の燃焼室９からの排気の一部がＥＧＲ管２８を通じてＥＧＲガスとして供給可能に構成されている。従って、改質用気筒１５の反応室２３には、供給管２５から吸気とＥＧＲガスとの混合気（以下、単に「給気」と記す）とが供給可能に構成されている。

改質用気筒１５には、改質用排気弁２６を介して排出管２７が接続されている。排出管２７は、ミキサー２７ａを介して供給管２５よりも下流側の吸気管１１に接続されている。また、改質用気筒１５は、改質された低級炭化水素燃料（以下、単に「改質燃料」と記す）が反応室２３から排出管２７を介して吸気管１１に排出可能に構成されている。また、排出管２７には、後述の改質燃料用インタークーラー３４よりも上流側に改質燃料温度センサ２９が設けられている。改質燃料温度センサ２９は、改質用気筒１５から排出された直後の改質燃料の温度を検出する。

吸気管１１には、供給管２５の接続位置よりも下流側であって、排出管２７の接続位置よりも上流側に第１吸気調量弁３０が設けられる。第１吸気調量弁３０は、出力用吸気流量Ａ１を変更するものである。第１吸気調量弁３０は、電磁式流量制御弁から構成されている。第１吸気調量弁３０は、後述の制御装置であるＥＣＵ５９からの信号を取得して第１吸気調量弁３０の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第１吸気調量弁３０を電磁式流量制御弁から構成しているが、出力用吸気流量Ａ１を変更することができるものであればよい。

供給管２５には、ＥＧＲ管２８の接続位置よりも上流側に第２吸気調量弁３１が設けられる。第２吸気調量弁３１は、改質用吸気流量Ａ２を変更するものである。第２吸気調量弁３１は、電磁式流量制御弁から構成されている。第２吸気調量弁３１は、後述のＥＣＵ５９からの信号を取得して第２吸気調量弁３１の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、第２吸気調量弁３１を電磁式流量制御弁から構成しているが、改質用吸気流量Ａ２を変更することができるものであればよい。

ＥＧＲ管２８には、ＥＧＲガス調量弁３２が設けられる。ＥＧＲガス調量弁３２は、ＥＧＲガス流量Ａ３を変更するものである。ＥＧＲガス調量弁３２は、電磁式流量制御弁から構成されている。ＥＧＲガス調量弁３２は、後述のＥＣＵ５９からの信号を取得してＥＧＲガス調量弁３２の開度を変更することができる。なお、本実施形態において、ＥＧＲガス調量弁３２を電磁式流量制御弁から構成しているが、ＥＧＲガス流量Ａ３を変更することができるものであればよい。

このように構成することで、エンジン１は、吸気と改質用気筒１５の反応室２３から排出されている改質燃料との混合比を第１吸気調量弁３０によって変更可能に構成されている。また、エンジン１は、反応室２３に供給されている吸気とＥＧＲガスとの混合比を第２吸気調量弁３１とＥＧＲガス調量弁３２とによって変更可能に構成されている。

吸気用インタークーラー３３、改質燃料用インタークーラー３４およびＥＧＲガス用インタークーラー３５は、気体を冷却するものである。吸気用インタークーラー３３は、吸気管１１に設けられる。吸気用インタークーラー３３は、コンプレッサー１４ｂで断熱圧縮された吸気を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー３４は、排出管２７に設けられる。改質燃料用インタークーラー３４は、改質用気筒１５の反応室２３から排出されている改質燃料を冷却可能に構成されている。改質燃料用インタークーラー３４は、空気または水を冷却媒体とする放熱器または熱交換器から構成されている。ＥＧＲガス用インタークーラー３５は、ＥＧＲ管２８に設けられる。ＥＧＲガス用インタークーラー３５は、燃料の燃焼により加熱された排気を冷却可能に構成されている。

図２から図４に示すように、可変動弁装置３６は、吸気弁２４および排気弁２６をそれぞれ所定の時期に開閉するためのものである。可変動弁装置３６は、吸気弁２４を開閉するための機構として、スイングアーム軸３７、第１スイングアーム３８、第２スイングアーム４１、プッシュロッド４３、弁腕４４、カム軸４５、吸気用切換手段４８（図４参照）等を具備し、改質用クランク軸２１の回転運動に連動して駆動されて、吸気弁２４を開閉する。さらに、可変動弁装置３６は、排気弁２６を開閉するための機構として、第３スイングアーム５５、第４スイングアーム５６、排気用切換手段５７等を具備し（図４参照）、改質用クランク軸２１の回転運動に連動して駆動されて排気弁２６を開閉する。なお、第３スイングアーム５５、第４スイングアーム５６、排気用切換手段５７等は、第１スイングアーム３８、第２スイングアーム４１、吸気用切換手段４８と同様の構成であるため重複する部分は同一の符号を付して具体的な説明を省略する。

図３と図４とに示すように、スイングアーム軸３７は、改質用クランク軸２１の軸方向（以下、改質用クランク軸２１の軸方向を「前後方向」と定義して説明する。）と平行に横架される。

第１スイングアーム３８は、略直方体状に形成される部材である。第１スイングアーム３８の長手方向の一端は、スイングアーム軸３７によって揺動可能に支持されている。第１スイングアーム３８の長手方向の他端下部には、第１カムローラ３９が回転自在に支持されている。第１スイングアーム３８の他端上面には、上向きに凹む半球面状の凹部が形成されたロッド支持部材４０が取り付けられる。

第２スイングアーム４１は、略直方体状に形成される部材である。第２スイングアーム４１の長手方向の一端は、第１スイングアーム３８と隣接してスイングアーム軸３７によって揺動可能に支持されている。つまり、第２スイングアーム４１は、第１スイングアーム３８と隣接した状態で、スイングアーム軸３７に揺動可能に支持される。第２スイングアーム４１の長手方向の他端下部には、第二カムローラ４２が回転自在に支持されている。

図２に示すように、プッシュロッド４３は、略円柱状の部材であり、第１スイングアーム３８と弁腕４４とを連動連結するものである。プッシュロッド４３の下端は、半球面状に形成されて、第１スイングアーム３８のロッド支持部材４０の凹部に揺動可能に嵌められる。プッシュロッド４３の上端は弁腕４４の一端に揺動可能に嵌められる。

弁腕４４は、プッシュロッド４３と吸気連結部材２４ａとを連結するものである。弁腕４４は、前後方向に横架される弁腕軸４１ａに揺動可能に支持される。弁腕４４の一端はプッシュロッド４３の上端に連結され、他端は吸気連結部材２４ａに連結される。

図２と図４に示すように、カム軸４５は、第１スイングアーム３８および第２スイングアーム４１の長手方向の他端下方において、前後方向に延長して配置される。カム軸４５は、改質用クランク軸２１にギヤ等を介して連動連結され、改質用クランク軸２１が回転することにより回転する。カム軸４５には、第１カム４６および第２カム４７が軸方向（前後方向）に所定間隔を隔てて形成される。第２カム４７は、第１カム４６とプロファイルの異なるように構成されている。第１カム４６は、第１スイングアーム３８の第１カムローラ３９にその下方から当接するようにカム軸４５上に配置される。第２カム４７は、第２スイングアーム４１の第二カムローラ４２にその下方から当接するようにカム軸４５上に配置される。

また、カム軸４５上には排気弁２６用の第３カム５３および第４カム５４が形成される。第４カム５４は、第３カム５３とプロファイルの異なるように構成されている。図示せぬ排気弁２６用の第３スイングアーム５５および第４スイングアーム５６は、図示せぬプッシュロッドおよび弁腕を介して排気弁２６の上端に配置される排気連結部材に連結される。

図４に示すように、吸気用切換手段４８は、第１スイングアーム３８および第２スイングアーム４１の動作状態、ひいては吸気弁２４の開閉時期を切り換えるものである。吸気用切換手段４８は、油圧ポンプ４９、吸気弁用電磁切換弁５０、油圧ピストン５１、受け部材５２等を具備し、これらの部材やスイングアーム軸３７および第１スイングアーム３８に形成される油路により構成される。

吸気弁用電磁切換弁５０は、制御信号を受信した場合に油圧ピストン５１に供給される作動油の流路を切り換える弁である。油圧ポンプ４９により圧送された作動油は、吸気弁用電磁切換弁５０を介して第１スイングアーム３８の油圧ピストン５１に供給される。

油圧ピストン５１は、第１スイングアーム３８に配置される油圧アクチュエータである。油圧ピストン５１は、半球面状の底部を有し、その底部がカム軸４５側に移動自在に構成されている。油圧ピストン５１は、吸気弁用電磁切換弁５０による作動油の流路の切り換えにより底部がカム軸４５側に突出するように構成されている。

図３と図４とに示すように、受け部材５２は、第２スイングアーム４１のカム軸４５側の側面に取り付けられる板状の部材である。受け部材５２は、第２スイングアーム４１から第１スイングアーム３８のカム軸４５側の側面まで延出される。受け部材５２の延出端部は、底面視において第１スイングアーム３８の油圧ピストン５１に重複して対向するように配置される。受け部材５２は、第２スイングアーム４１の可動範囲において第１スイングアームと接触しないように構成されている。また、受け部材５２は、油圧ピストン５１の底部が突出した場合にその底部が当接するように構成されている。

同様にして、図４に示すように、排気用切換手段５７は、第３スイングアーム５５および第４スイングアーム５６の動作状態、ひいては排気弁２６の開閉時期を切り換えるものである。排気用切換手段５７は、油圧ポンプ４９、排気弁用電磁切換弁５８、油圧ピストン５１および受け部材５２等を具備し、これらの部材やスイングアーム軸３７および第３スイングアーム５５に形成される油路により構成される。

排気弁用電磁切換弁５８は、制御信号を受信した場合に油圧ピストン５１に供給される作動油の流路を切り換える弁である。油圧ポンプ４９により圧送された作動油は、排気弁用電磁切換弁５８を介して第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１に供給される。

図１と図４とに示すように、制御装置であるＥＣＵ５９は、エンジン１を制御するものである。具体的には、ＥＣＵ５９は、副燃料噴射装置６、主燃料噴射装置２０、第１吸気調量弁３０、第２吸気調量弁３１、ＥＧＲガス調量弁３２、吸気弁用電磁切換弁５０、排気弁用電磁切換弁５８等を制御する。ＥＣＵ５９には、エンジン１の制御を行うための種々のプログラムやデータが格納されている。ＥＣＵ５９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続されている構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

ＥＣＵ５９は、燃料の噴射制御を行うための種々のプログラムや、エンジン１の目標回転数Ｎｔおよび目標出力Ｗｔに基づいて主燃料噴射量Ｑｍを算出するための主燃料噴射量ＱｍマップＭ１、目標回転数Ｎｔおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて出力用気筒２の燃焼室９に供給する出力用吸気流量Ａ１を算出するための吸気流量マップＭ２、目標回転数Ｎｔおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて改質用気筒１５の反応室２３に供給する改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とを算出するための混合気流量マップＭ３、目標回転数Ｎｔおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて燃焼室９に噴射されている着火用の副燃料噴射量Ｑｓを算出するための副燃料噴射量マップＭ４等を記憶する。

図１に示すように、ＥＣＵ５９は、副燃料噴射装置６に接続され、副燃料噴射装置６の燃料噴射を制御することが可能である。

ＥＣＵ５９は、主燃料噴射装置２０に接続され、主燃料噴射装置２０の燃料噴射を制御することが可能である。

ＥＣＵ５９は、改質燃料温度センサ２９に接続され、改質燃料温度センサ２９が検出する改質燃料の温度を取得することが可能である。

ＥＣＵ５９は、第１吸気調量弁３０に接続され、第１吸気調量弁３０の開閉を制御することが可能である。

ＥＣＵ５９は、第２吸気調量弁３１に接続され、第２吸気調量弁３１の開閉を制御することが可能である。

ＥＣＵ５９は、ＥＧＲガス調量弁３２に接続され、ＥＧＲガス調量弁３２の開閉を制御することが可能である。

ＥＣＵ５９は、出力用クランク角検出センサ８に接続され、出力用クランク角検出センサ８が検出する出力用クランク軸角度θ１を取得することが可能である。

ＥＣＵ５９は、改質用クランク角検出センサ２２に接続され、改質用クランク角検出センサ２２が検出する改質用クランク軸角度θ２を取得することが可能である。

図４に示すように、ＥＣＵ５９は、吸気弁用電磁切換弁５０に接続され、吸気弁用電磁切換弁５０を制御することが可能である。

ＥＣＵ５９は、排気弁用電磁切換弁５８に接続され、排気弁用電磁切換弁５８を制御することが可能である。

ＥＣＵ５９は、図示しない冷却水温度センサに接続され、冷却水温度センサが検出する冷却水の温度を取得することが可能である。

以下では、図１から図８を用いて、本発明の一実施形態に係るエンジン１の各部の動作態様について説明する。

始めに、エンジン１における吸気および排気の経路について説明する。
図１に示すように、過給機１４のコンプレッサー１４ｂによって吸引された外気は、吸気として断熱圧縮された状態で吸気管１１に排出される。吸気は、吸気用インタークーラー３３で冷却された後、吸気管１１を介して出力用気筒２の燃焼室９に供給される。吸気の一部は、吸気管１１に接続されている供給管２５、改質用吸気弁２４を介して改質用気筒１５の反応室２３に供給される。

出力用気筒２の燃焼室９からの排気は、排気管１３を介して過給機１４のタービン１４ａを回転させた後、外部に排出される。排気の一部は、ＥＧＲ管２８およびＥＧＲ管２８が接続されている供給管２５を介してＥＧＲガスとして改質用気筒１５の反応室２３に供給される。

反応室２３に供給された給気（吸気とＥＧＲガス）は、反応室２３内に噴射された燃料とともに改質用ピストン１８によって断熱圧縮される。給気と改質燃料とは、改質用ピストン１８の移動により断熱膨張する。そして、給気と改質燃料とは、改質用ピストン１８の移動による圧縮により反応室２３から排出され、改質用排気弁２６、排出管２７を介して吸気管１１に還流して燃焼室９に供給される。

次に、ＥＣＵ５９における各種所定量の算出について説明する。図６に示すように、ＥＣＵ５９は、図示しない操作具の操作量等から定まるエンジン１の目標回転数Ｎｔおよび目標出力Ｗｔに基づいて燃料噴射量マップＭ１から主燃料噴射量Ｑｍを算出する。

ＥＣＵ５９は、目標回転数Ｎｔおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて吸気流量マップＭ２から出力用気筒２の燃焼室９に供給する出力用吸気流量Ａ１を算出する。

ＥＣＵ５９は、目標回転数Ｎｔおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて混合気流量マップＭ３から改質用気筒１５の反応室２３に供給する改質用吸気流量Ａ２とＥＧＲガス流量Ａ３とを算出する。

ＥＣＵ５９は、目標回転数Ｎｔおよび主燃料噴射量Ｑｍに基づいて着火用燃料噴射量マップＭ４から出力用気筒２の燃焼室９に供給される着火用燃料の副燃料噴射量Ｑｓを算出する。

ＥＣＵ５９は、出力用クランク角検出センサ８が検出する出力用クランク軸角度θ１、改質用クランク角検出センサ２２が検出する改質用クランク軸角度θ２を取得し、出力用気筒２および改質用気筒１５の行程を算出する。

次に、図２、図４、図５、図７および図８を用いて、上記の如く構成した可変動弁装置３６の動作態様について説明する。なお、吸気弁２４における可変動弁装置３６の動作態様と排気弁２６における可変動弁装置３６の動作態とは同様の態様であるため排気弁２６における可変動弁装置３６の動作態様についての具体的な説明を省略する。

図４に示すように、ＥＣＵ５９が油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させないように可変動弁装置３６の吸気弁用電磁切換弁５０を制御している場合、第１スイングアーム３８の第１カムローラ３９は、第１カム４６と当接しながら回転する。つまり、第１スイングアーム３８は、第１カム４６のプロファイルに従ってスイングアーム軸３７を支点として揺動する。第２スイングアーム４１の第２カムローラ４２は、第２カム４７と当接しながら回転する。つまり、第２スイングアーム４１は第２カム４７のプロファイルに従ってスイングアーム軸３７を支点として揺動する。この際、第１スイングアーム３８と第２スイングアーム４１とは、互いに独立して揺動している。

第１スイングアーム３８と第２スイングアーム４１とは、第１カム４６と第２カム４７とが白抜き矢印の方向に回転すると、それぞれのカムのプロファイルに応じて同時に反カム軸４５側へと揺動する。第１スイングアーム３８が反カム軸４５側へと揺動した場合、第１スイングアーム３８のロッド支持部材４０に嵌められているプッシュロッド４３、弁腕４４、および吸気連結部材２４ａを介して吸気弁２４が開弁される（図２参照）。

第１カム４６および第２カム４７が白抜き矢印の方向に更に回転すると、第１カム４６のプロファイルに従って第１スイングアーム３８が第２スイングアーム４１よりも先にカム軸４５側へと揺動する。この際、第１スイングアーム３８はそのカム軸４５側面の凹み部分により反カム軸４５側へと揺動したままの第２スイングアーム４１の受け部材５２と接触せずに済み、この受け部材５２によりカム軸４５側への揺動を阻害されない。第１スイングアーム３８がカム軸４５側へと揺動した後、第２カム４７のプロファイルに従って第２スイングアーム４１がカム軸４５側へと揺動する。第１スイングアーム３８が下方へと揺動した場合、吸気弁２４が閉弁される（図２参照）。つまり、第１スイングアーム３８と第２スイングアーム４１とは個別に動作して、第２スイングアーム４１の動作にかかわらず、第１スイングアーム３８の動作が吸気弁２４の開閉時期を決定する。

図７に示すように、第１カム４６のプロファイルは、改質用ピストン１８の吸気工程における上死点（以下、「吸気上死点」と記す）Ｔよりも早い時期（Ｓ１）に吸気弁２４の開弁を開始し、改質用ピストン１８の吸気上死点Ｔにおいて吸気弁２４のバルブリフトが最大になるように設定されている。また、第１カム４６のプロファイルは、改質用ピストン１８の吸気工程における下死点（以下、「吸気下死点」と記す）Ｂよりも早い時期に吸気弁２４の閉弁を開始し、改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂよりも早い時期（Ｓ２）に吸気弁２４が完全に閉弁するように設定されている。つまり、第１カム４６は、後述する第２カム４７による吸気弁２４の開閉時期よりも早い時期に吸気弁２４の開閉を行うように構成されている。

図５に示すように、ＥＣＵ５９が油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させるように可変動弁装置３６の吸気弁用電磁切換弁５０を制御している場合、油圧ピストン５１に供給されている作動油によってその底部がカム軸４５側に向かって押圧される。作動油によって押圧された油圧ピストン５１は、カム軸４５側へと摺動して第１スイングアーム３８のカム軸４５側面から突出する。油圧ピストン５１は、その底部が第２スイングアーム４１に取り付けられた受け部材５２に当接する。

第１スイングアーム３８は、油圧ピストン５１が第２スイングアーム４１の受け部材５２に当接することで、第２スイングアーム４１に支持された状態になる。このため、第１スイングアーム３８は、第１カム４６のプロファイルに従わず、受け部材５２が取り付けられている第２スイングアーム４１に従って揺動する。すなわち、第２スイングアーム４１が第２カム４７のプロファイルに従ってカム軸４５側へと揺動すると、第１スイングアーム３８もカム軸４５側へと揺動する。第１スイングアーム３８がカム軸４５側へと揺動した場合、吸気弁２４が閉弁される（図２参照）。つまり、吸気弁２４の閉弁時には、第１スイングアーム３８が第２スイングアーム４１と一体的に動作して、第２スイングアーム４１の動作が吸気弁２４の開閉時期を決定する。

図８に示すように、第２カム４７のプロファイルは、改質用ピストン１８の吸気上死点Ｔよりも早い時期（Ｓ１）に吸気弁２４の開弁を開始し、改質用ピストン１８の吸気上死点Ｔにおいて吸気弁２４のバルブリフトが最大になるように設定されている。また、改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂ近傍で吸気弁２４の閉弁を開始し、その後（Ｓ３）に吸気弁２４が完全に閉弁するように設定される。つまり、第２カム４７は、前述した第１カム４６による吸気弁２４の開閉時期よりも遅い時期に吸気弁２４の開閉を行うように構成されている。なお、本実施形態においては改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂ近傍で吸気弁２４の閉弁を開始するものとしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、改質用ピストン１８の吸気下死点Ｂにおいて吸気弁２４の閉弁を開始する構成とすることも可能である。

また、ＥＣＵ５９は、可変動弁装置３６によって吸気弁２４の開閉時期を切り換える動作態様と同様にして、可変動弁装置３６の排気弁用電磁切換弁５８を切り換えて排気弁２６の開閉時期を変更することができる。ここで、第３スイングアーム５５を揺動させる第３カム５３は、第４スイングアーム５６を揺動させる第４カム５４による排気弁２６の開閉時期よりも早い時期に排気弁２６の開閉を行うように構成されている。

図４に示すように、ＥＣＵ５９が第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させないように可変動弁装置３６の排気弁用電磁切換弁５８を制御している場合、第３スイングアーム５５と第４スイングアーム５６とは、互いに独立して揺動している。つまり、第３スイングアーム５５は、第３カム５３のプロファイルに従って動作し、第４スイングアーム５６は、第４カム５４のプロファイルに従って動作する。これにより、第４スイングアーム５６の動作にかかわらず、第３スイングアーム５５の動作が排気弁２６の開閉時期を決定する。

図５に示すように、ＥＣＵ５９が第３スイングアーム５５の油圧ピストン５１の底部をカム軸４５側に突出させるように可変動弁装置３６の排気弁用電磁切換弁５８を制御している場合、第３スイングアーム５５は、油圧ピストン５１が第４スイングアーム５６の受け部材５２に当接することで、第４スイングアーム５６に支持された状態になる。つまり、第３スイングアーム５５は、第３カム５３のプロファイルに従わず、受け部材５２が取り付けられている第４スイングアーム５６の揺動に従って揺動する。これにより、第３スイングアーム５５の動作にかかわらず、第４スイングアーム５６の動作が排気弁２６の開閉時期を決定する。なお、本実施形態において、圧縮比と膨張比との制御は、油圧ピストン５１によるカムの切り替えによって実施しているがこれに限定されるものではなく、例えばオーバヘッドカム式の可変動弁機構等によって圧縮比と膨張比とを変更できる機構であればよい。

次に、図９を用いて改質用気筒１５における燃料の改質の態様について説明する。

図９に示すように、改質用気筒１５の吸引行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。このため、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が低下する。また、改質用気筒１５の吸引行程において、改質用気筒１５は、反応室２３に給気と排気とを供給するため吸気弁２４が開弁するように構成されている。ＥＣＵ５９は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５の行程が吸引行程の間（例えば改質用ピストン１８が下死点付近のとき）、に低下した内部圧力を利用して改質用気筒１５の反応室２３に算出した改質用吸気流量Ａ２だけ吸気が供給されるように第２吸気調量弁３１の開閉を制御する。合わせてＥＣＵ５９は、改質用気筒１５の反応室２３に算出したＥＧＲガス流量Ａ３だけＥＧＲガスが供給されるようにＥＧＲガス調量弁３２の開閉を制御する。これにより、反応室２３には、燃料を改質するために適した酸素濃度で給気が供給される（図９における給気吸引）。

改質用気筒１５の圧縮行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。これにより、反応室２３に供給された給気は、改質用ピストン１８によって断熱圧縮される。改質用気筒１５は、給気を断熱圧縮することで、反応室２３の内部を高温、高圧の状態にする。

改質用気筒１５の圧縮行程において、ＥＣＵ５９は、取得した改質用クランク軸角度θ２に基づいて、改質用気筒１５の反応室２３に算出した主燃料噴射量Ｑｍだけ燃料が供給されるように主燃料噴射装置２０を制御する。これにより、改質用気筒１５は、高温、高圧の状態の反応室２３の内部に燃料が噴射される（図９における燃料噴射）。反応室２３には、反応室２３に供給されている給気を用いて低級炭化水素燃料に改質させるために必要な当量比の燃料が供給される。

反応室２３の内部に噴射された燃料は、噴射された燃料の拡散と、高温、高圧の反応室２３内で給気と急速に混合（予混合）されて蒸発する。給気と予混合された燃料は、改質用ピストン１８が上死点付近に到達し、反応室２３の内部が最も高温、高圧の状態になると改質反応が開始される（図９における薄墨領域）。

改質用気筒１５の膨張行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が上死点から下死点にむかって移動する。つまり、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が増大することによって内部圧力が減少する。改質燃料は、反応室２３の容積の増大に伴って断熱膨張される。これにより、改質燃料は、冷却されて圧力が低下した状態になることで改質反応が停止する（図９における改質停止）。

改質用気筒１５の排出行程において、改質用気筒１５は、改質用ピストン１８が下死点から上死点にむかって移動する。このため、改質用気筒１５の反応室２３は、改質用ピストン１８の移動により容積が減少することによって内部圧力が増大する。また、改質用気筒１５の排出行程において、改質用気筒１５は、反応室２３から改質燃料を排出するため改質用排気弁２６が開弁するように構成されている。従って、改質燃料は、反応室２３から改質用排気弁２６を通じて排出され、排出管２７を介して吸気管１１に還流される（図９における燃料排出）。

改質燃料は、給気の熱量のうち改質時の吸熱分解反応に用いられなかった残留熱量によって高温の燃料ガスとして排出管２７に供給されている。排出管２７に供給された高温の改質燃料は、排出管２７の改質燃料用インタークーラー３４によって冷却されている。これにより、出力用気筒２における早期の自己着火が抑制されている。改質燃料用インタークーラー３４によって冷却された改質燃料は、ミキサー２７ａを介して吸気管１１に供給されている。

次に、改質用気筒１５における圧縮比と膨張比との制御態様について説明する。

ＥＣＵ５９は、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高いと判断した場合、吸気弁２４を開閉する第１スイングアーム３８が第１カム４６のプロファイルに従って揺動するように吸気用切換手段４８の吸気弁用電磁切換弁５０を制御する（図７参照）。つまり、ＥＣＵ５９は、改質用気筒１５に供給される給気が少なくなるように吸気弁用電磁切換弁５０を制御する。これにより、改質用気筒１５は、実質的な圧縮比が小さくなり、改質用気筒１５によって断熱圧縮された改質燃料の温度上昇が抑制される。

また、ＥＣＵ５９は、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高いと判断した場合、排気弁２６を開閉する第３スイングアーム５５が第４カム５４のプロファイルに従って揺動するように排気用切換手段５７の排気弁用電磁切換弁５８を制御する（図８参照）。つまり、ＥＣＵ５９は、改質用気筒１５が下死点付近にある時期に改質燃料が排出されるように排気弁用電磁切換弁５８を制御する。これにより、改質用気筒１５の実質的な膨張比は大きくなり、改質用気筒１５によって断熱膨張された改質燃料の温度低下が促進される。

さらに、ＥＣＵ５９は、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高いと判断した場合、吸気弁２４を開閉する第１スイングアーム３８が第１カム４６のプロファイルに従って揺動するように吸気用切換手段４８の吸気弁用電磁切換弁５０を制御し（図７参照）、排気弁２６を開閉する第３スイングアーム５５が第４カム５４のプロファイルに従って揺動するように排気用切換手段５７の排気弁用電磁切換弁５８を制御してもよい（図８参照）。これにより、改質用気筒１５は、実質的な圧縮比が小さくなるとともに実質的な膨張比が大きくなる。

ＥＣＵ５９は、図示しない冷却水センサからから取得したエンジン１の冷却水温度Ｔｗが下限値Ｔｌ以下、またはエンジンの始動開始から所定時間以内であると判断した場合、改質燃料温度センサ２９からから取得した改質燃料温度Ｔｆに関わらず吸気弁２４を開閉する第１スイングアーム３８が第２カム４７のプロファイルに従って揺動するように吸気用切換手段４８の吸気弁用電磁切換弁５０を制御する（図８参照）。つまり、ＥＣＵ５９は、改質用気筒１５に供給される給気が多くなるように吸気弁用電磁切換弁５０を制御する。これにより、改質用気筒１５の実質的な圧縮比は大きくなり、改質用気筒１５によって断熱圧縮された際の圧力、温度が上昇し、燃料の改質反応が促進される。

以上の如く、出力用気筒２と改質用ピストン１８の往復動作によって燃料を改質する改質用気筒１５とを備えたエンジン１において、改質燃料温度センサ２９からから取得した信号に基づいて可変動弁装置３６を用いて吸気弁２４と排気弁２６との開閉時期のうち少なくとも１つを変更する。改質燃料温度Ｔｆが上限値Ｔｕよりも高い場合、エンジン１は、改質用気筒１５の実質的な膨張比が大きくなったり実質的な圧縮比が小さくなったりすることで、改質された燃料の温度が一定の範囲内に維持される。これにより、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる。

また、エンジン１は、冷却水センサからから取得した冷却水温度Ｔｗが所定値以下、またはエンジン１の始動開始から所定時間以内であると判断した場合、改質燃料温度Ｔｆに関わらず可変動弁装置３６を用いて吸気弁２４の開閉時期を変更する。つまり、エンジン１は、改質用気筒１５の実質的な圧縮比が大きくなることでエンジン１や外気が低温であっても燃料の改質が確実に行われる。これにより、運転条件によらず改質燃料を安定した状態で供給することによりエンジン出力の低下を防止することができる。

１エンジン
２出力用気筒
１５改質用気筒
１８改質用ピストン
３６可変動弁装置

Claims

出力用気筒とピストンの往復動作によって燃料を改質する改質用気筒とを備えたエンジンであって、
改質用気筒から排出される改質された燃料の温度に基づいて改質用気筒の圧縮比と膨張比とのうち少なくとも一つを変更するエンジン。
前記改質用気筒の吸気弁の開閉時期と排気弁の開閉時期とを変更可能な可変動弁装置を備え、
改質された燃料の温度が基準値以上の場合、前記圧縮比を小さくする吸気弁の開閉時期の変更と前記膨張比を大きくする排気弁の開閉時期の変更とのうち少なくとも一つの変更を行う請求項１に記載のエンジン。
エンジンの冷却水温度が所定値以下の場合、又はエンジンが始動されてから所定時間以内の場合、改質された燃料の温度に関わらず前記圧縮比を大きくするように吸気弁の開閉時期を変更する請求項２に記載のエンジン。