(57)【要約】【課題】予混合圧縮着火式エンジン１において、高出力領域においても、ノッキングの発生やサイクル変動の悪化を十分に抑制できる適切な目標燃焼時期範囲を拡大して、燃焼時期制御のロバスト性を向上することができる技術を提供する。【解決手段】燃焼室１０における予混合気Ｍのエタンの含有率を調整可能なエタン含有率調整手段Ｘを備え、予混合気Ｍの当量比を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行すると共に、検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件を調整する燃焼時期制御を実行する運転制御手段５２が、出力制御によるエンジン出力の増加に伴ってエタン含有率調整手段Ｘによりエタンの含有率を増加させるエタン含有率制御を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室において新気と主燃料との予混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火燃焼を行い、
燃焼室における予混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出処理を実行する燃焼時期検出手段と、
燃焼室に対する燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行すると共に、燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件を調整する燃焼時期制御を実行する運転制御手段とを備えた予混合圧縮着火式エンジンであって、
燃焼室における予混合気のエタンの含有率を調整可能なエタン含有率調整手段を備え、
前記運転制御手段が、前記出力制御によるエンジン出力の増加に伴って前記エタン含有率調整手段によりエタンの含有率を増加させるエタン含有率制御を実行する予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項２】
複数の燃焼室を配置した多気筒型に構成され、
前記運転制御手段が、燃焼時期制御において、複数の燃焼室の夫々の燃焼時期を一斉に調整する全体燃焼時期制御と、複数の燃焼室の夫々の燃焼時期を個別に調整する個別燃焼時期制御とを実行する請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項３】
前記エタン含有率調整手段が、燃焼室に対して添加量調整を伴ってエタンを添加可能なエタン添加手段である請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項４】
前記主燃料がメタンを主成分とする天然ガスである請求項１〜３の何れか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項５】
燃焼室において新気と主燃料との予混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火燃焼を行う予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
燃焼室における予混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出処理を実行し、
燃焼室に対する燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行すると共に、燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件を調整する燃焼時期制御を実行する予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法であって、
燃焼室における予混合気のエタンの含有率を調整可能なエタン含有率調整手段を設け、
前記出力制御によるエンジン出力の増加に伴って前記エタン含有率調整手段によりエタンの含有率を増加させるエタン含有率制御を実行する予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室において新気と主燃料との予混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火燃焼を行い、
燃焼室における予混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出処理を実行する燃焼時期検出手段と、
燃焼室に対する燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行すると共に、燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件を調整する燃焼時期制御を実行する運転制御手段とを備えた予混合圧縮着火式エンジン及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低公害且つ高効率を実現し得るエンジンとして、空気と主燃料とを予め混合した予混合気を燃焼室に投入し、その予混合気をピストンの断熱圧縮により自己着火させて燃焼させる所謂予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼を行う予混合圧縮着火式エンジンが知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
かかる予混合圧縮着火式エンジンは、圧縮比を増加させて効率の向上が可能であると共に、主燃料を希薄状態で燃焼させ低ＮＯｘ化が可能となり、特に、高圧噴射が困難でディーゼルエンジン用主燃料としては不向きな天然ガス系都市ガス等の気体主燃料を用いても、容易に予混合気を圧縮着火させて燃焼させることができるというメリットを有する。
【０００３】
予混合圧縮着火式エンジンでは、安定した運転を維持し更には効率を向上させるために、燃焼室において予混合気を上死点近傍の適切な時期に自己着火させることが重要である。しかしながら、予混合圧縮着火式エンジンの自己着火の時期は、火花点火時期を能動的に決定できる火花点火式エンジンとは異なり、予混合気の温度、圧力、濃度、成分等のわずかな外乱により変動する。
そのため、上記特許文献１及び２に記載の予混合圧縮着火式エンジンは、燃焼室に供給されるメタンを主成分とする天然ガス等の主燃料とは別に、当該主燃料よりも発火点が低い軽油やブタンなどの補助燃料を、添加量制御を伴って添加することで、燃焼時期を目標燃焼時期範囲内に維持するように構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０５７４７０号公報
【特許文献２】特開２０００−２７４２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期の制御では、何れも、主燃料よりも発火点の低い補助燃料を利用していたが、特に燃焼室に対する燃料供給量の増加を伴ってエンジン出力が非常に高くなる高出力領域においては、発火点が低い補助燃料の添加量を調整した場合でも、ノッキングの発生や失火等によるサイクル変動の悪化を十分に抑制できる目標燃焼時期範囲がごく狭い範囲に制限されてしまい、結果、燃焼時期がわずかな外乱により容易に目標燃焼時期から外れてしまうというように、燃焼時期制御のロバスト性が低くなるという問題があった。
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、高出力領域でもノッキングの発生やサイクル変動の悪化を十分に抑制できる適切な目標燃焼時期範囲を拡大して、燃焼時期制御のロバスト性を向上することができる技術を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンは、
燃焼室において新気と主燃料との予混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火燃焼を行い、
燃焼室における予混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出処理を実行する燃焼時期検出手段と、
燃焼室に対する燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行すると共に、燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件を調整する燃焼時期制御を実行する運転制御手段とを備えた予混合圧縮着火式エンジンであって、
その特徴構成は、
燃焼室における予混合気のエタンの含有率を調整可能なエタン含有率調整手段を備え、
前記運転制御手段が、前記出力制御によるエンジン出力の増加に伴って前記エタン含有率調整手段によりエタンの含有率を増加させるエタン含有率制御を実行する点にある。
【０００７】
本発明の発明者らは、鋭意研究により、炭化水素のうち、エタンが、プロパンやブタンなどの他の炭化水素と比較して、炭素数が小さく発火点が高いものの、予混合圧縮着火式エンジンにおけるノッキングの発生やサイクル変動の悪化のメカニズムに関して、予混合気のエタンの含有率が大きく関連することを発見し、本発明を完成するに至った。
即ち、詳細については実施の形態の欄で説明するが、出力制御による燃焼室に対する燃料供給量の増加によるエンジン出力の増加に伴って、エタン含有率調整手段により予混合気のエタンの含有率を増加させることで、燃焼時期の早期化によるノッキングの発生と燃焼時期の遅延化による失火等によるサイクル変動の悪化とが共に抑制される。
よって、燃焼室に対する燃料供給量を増加させる高出力領域において、目標燃焼時期範囲のノッキング発生の限界として設定される早期側の限界値を更に早期側に拡大すると共に、目標燃焼時期範囲のサイクル変動の限界として設定される遅延側の限界値を更に遅延側に拡大することができる。
従って、本発明により、燃焼室に対する燃料供給量を増加させる高出力領域でもノッキングの発生やサイクル変動の悪化を十分に抑制できる適切な目標燃焼時期範囲を拡大して、燃焼時期制御のロバスト性を向上することができる予混合圧縮着火式エンジンを提供することができる。
【０００８】
本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンの更なる特徴構成は、
複数の燃焼室を配置した多気筒型に構成され、
前記運転制御手段が、燃焼時期制御において、複数の燃焼室の夫々の燃焼時期を一斉に調整する全体燃焼時期制御と、複数の燃焼室の夫々の燃焼時期を個別に調整する個別燃焼時期制御とを実行する点にある。
【０００９】
本特徴構成によれば、本発明に係る予混合圧縮自着火式エンジンを多気筒型に構成する場合において、燃焼時期制御において、全体燃焼時期制御と個別燃焼時期制御との両方を実行することで、複数の燃焼室の夫々の燃焼時期を、高精度且つ迅速に目標燃焼時期範囲内に調整することができる。
即ち、複数の燃焼室の夫々の燃焼時期が、エタン含有率制御によるエタンの含有率の調整により目標燃焼時期範囲から乖離した場合において、先ずは、上記全体燃焼時期制御により全ての燃焼時期を目標燃焼時期範囲に近いものに調整し、次に、上記個別燃焼時期制御により夫々の燃焼時期を個別に目標燃焼時期範囲内に調整することができる。
【００１０】
本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンの更なる特徴構成は、
前記エタン含有率調整手段が、燃焼室に対して添加量調整を伴ってエタンを添加可能なエタン添加手段である点にある。
【００１１】
本特徴構成によれば、上記エタン添加手段により、燃焼室に対してエタンを添加すると共にその添加量を調整する形態で、燃焼室における混合気のエタンの含有率を調整することができる。
【００１２】
本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンの更なる特徴構成は、
前記主燃料がメタンを主成分とする天然ガスである点にある。
【００１３】
本特徴構成によれば、エタンは、メタンに対して発火点が低い上に、高出力領域におけるノッキングの発生及びサイクル変動の悪化に対する抑制効果が高いことから、燃焼室に供給される主燃料がそのメタンを主成分とする天然ガスの場合には、上記エタン含有率制御において、燃焼室における混合気のエタンの含有率を調整するだけで、目標燃焼時期範囲を拡大することができ、燃焼時期制御のロバスト性を向上することができる。
【００１４】
また、この目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法は、
燃焼室において新気と主燃料との予混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火燃焼を行う予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
燃焼室における予混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出処理を実行し、
燃焼室に対する燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行すると共に、燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件を調整する燃焼時期制御を実行する予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法であって、
その特徴構成は、
燃焼室における予混合気のエタンの含有率を調整可能なエタン含有率調整手段を設け、
前記出力制御によるエンジン出力の増加に伴って前記エタン含有率調整手段によりエタンの含有率を増加させるエタン含有率制御を実行する点にある。
【００１５】
本特徴構成によれば、本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンが実行するものと同じ燃焼時期検出処理、出力制御、燃焼時期制御、及びエタン含有率制御が実行されるので、本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンと同様に、燃焼室に対する燃料供給量を増加させる高出力領域でもノッキングの発生やサイクル変動の悪化を十分に抑制できる適切な目標燃焼時期範囲を拡大して、燃焼時期制御のロバスト性を向上することができる予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】予混合圧縮着火式エンジンの概略構成図
【図２】予混合気の当量比が０．６０のときの燃焼時期に対するノッキング強度とサイクル変動係数との推移を示すグラフ図
【図３】予混合気の当量比が０．５５のときの燃焼時期に対するノッキング強度とサイクル変動係数との推移を示すグラフ図
【図４】予混合気の当量比が０．５０のときの燃焼時期に対するノッキング強度とサイクル変動係数との推移を示すグラフ図
【図５】予混合気の当量比が０．４５のときの燃焼時期に対するノッキング強度とサイクル変動係数との推移を示すグラフ図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１に示す予混合圧縮着火式エンジン（以下、単に「エンジン」と略称する。）１は、複数の燃焼室１０を配置した多気筒型に構成さている。夫々の燃焼室１０は、詳細な図示は省略するが、シリンダの内面と、シリンダの上部に連結されたシリンダヘッドの下面と、シリンダ内において連結棒を介しクランク軸６に連結されて往復移動自在に収容されたピストンの頂面とで形成されている。
そして、燃焼室１０には、吸気路２１及び排気路３１が開口され、燃焼室１０の吸気路２１側には吸気弁（図示せず）が、燃焼室１０の排気路３１側には排気弁（図示せず）が設けられている。
【００１８】
エンジン１の吸気路２１には、吸気路２１を流通する空気に、外部から供給されたメタンを主成分とする天然ガス系都市ガスである主燃料を、主燃料供給弁２４による供給量調整を伴って混合して、予混合気Ｍを形成するミキサ２３が設けられている。また、吸気路２１におけるミキサ２３の下流側には、開度調整により燃焼室１０への予混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットルバルブ２２が設けられている。また、吸気路２１におけるスロットルバルブ２２の下流側には、燃焼室１０へ吸気される予混合気Ｍを比較的高温（例えば８０℃）のエンジン冷却水との熱交換により加熱する熱交換器２５が設けられている。そして、この熱交換器２５を通過した予混合気Ｍが、夫々の燃焼室１０に分配されて吸気される。
【００１９】
そして、吸気路２１の吸気弁を開動作させた状態でピストンが上死点から下降することにより、吸気路２１から燃焼室１０に予混合気Ｍを吸気する吸気行程が行われ、次に、吸気路２１の吸気弁を閉動作させた状態でピストンが上昇することにより、燃焼室１０の予混合気Ｍを圧縮する圧縮行程が行われる。
この圧縮行程の後期では、予混合気Ｍが断熱圧縮により昇温して、主燃料の酸化反応が進み、温度が連鎖分岐反応の発生する主燃料の着火温度まで上昇すると、自己着火が発生し予混合気Ｍが燃焼する、所謂ＨＣＣＩ燃焼が行われる。
そして、圧縮行程に続く膨張行程では、予混合気Ｍの燃焼に伴う燃焼室１０の容積増加によりピストン４が降下し、それに続く排気行程では、排気弁３０を開動作させた状態でピストン４が上昇することにより、燃焼室１０の排ガスＥが排気路３１に排出される。
このようにして、エンジン１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の順に各行程を行う一連の動作を繰り返し行うように構成されている。
【００２０】
また、吸気路２１に設けられた熱交換器２５へのエンジン冷却水の供給量を調整可能な冷却水供給量調整弁２６が設けられている。この冷却水供給量調整弁２６は、熱交換器２５への冷却水の供給量を調整して熱交換器２５の予混合気Ｍに対する加熱能力を調整することで、複数の燃焼室１０に新気として吸気される予混合気Ｍの温度である吸気温度を調整する吸気温度調整手段として機能する。
更に、この冷却水供給量調整弁２６により、燃焼室１０へ吸気される予混合気Ｍの温度を調整することで、複数の燃焼室１０において圧縮時の予混合気Ｍの温度が一斉に変化するので、結果、複数の燃焼室１０における予混合気Ｍの燃焼時期を一斉に調整することができる。
即ち、冷却水供給量調整弁２６により調整される予混合気Ｍの温度は、燃焼室１０における予混合気Ｍの燃焼位相に影響を与える運転条件であることから、この冷却水供給量調整弁２６は、その運転条件を変化させて、燃焼室１０における予混合気Ｍの燃焼時期を調整可能な燃焼時期調整手段であると言える。更に、この冷却水供給量調整弁２６は、全ての燃焼室１０に分配して吸気される予混合気Ｍの温度を調整して、全ての燃焼室１０の燃焼時期を一斉に調整する全体燃焼時期調整手段Ｙ１として機能することになる。
【００２１】
エンジン１には、一般的なＨＣＣＩ式エンジンと同様に、各種センサとして、燃焼室１０の圧力である筒内圧を計測する筒内圧センサ８や、クランク軸６の角度であるクランク角を計測するクランク角センサ７等が設けられている。
【００２２】
夫々の燃焼室１０には、火花を発生可能な点火プラグ１１が設けられており、この点火プラグ１１は、ＥＣＵ５０が制御する点火回路１２により電圧が印加されることで、燃焼室１０にて圧縮された予混合気Ｍ中で火花を発生させて、予混合気Ｍの自着火を誘発（アシスト）することができる。
また、この火花発生時期は、燃焼室１０における予混合気Ｍの燃焼位相に影響を与える運転条件であることから、この点火回路１２は、その運転条件を変化させて、燃焼室１０における予混合気Ｍの燃焼時期を調整可能な燃焼時期調整手段であると言える。更に、この点火回路１２は、複数の燃焼室１０の夫々に設けられた点火プラグ１１による火花発生時期を個別に調整して、複数の燃焼室１０の夫々における予混合気Ｍの燃焼時期を個別に調整する個別燃焼時期調整手段Ｙ２として機能することになる。
【００２３】
エンジン１の各種制御は、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）５０によって行われ、かかるＥＣＵ５０は、所定のコンピュータープログラムを実行することにより、燃焼室１０における予混合気Ｍの燃焼時期を検出する燃焼時期検出処理を実行する燃焼時期検出手段５１、予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件である吸気温度を調整して燃焼時期検出手段５１で検出される燃焼時期を所定の目標燃焼時期範囲内に維持する燃焼時期制御等を実行する運転制御手段５２として機能する。
【００２４】
更に、運転制御手段５２は、上記燃焼時期制御と同時に、酸素センサ（図示省略）で検出された排ガスＥの酸素濃度に基づいて主燃料供給弁２４の開度を制御することによって、ミキサ２３で生成される予混合気Ｍの当量比（空燃比）をＨＣＣＩ燃焼に適した燃料リーンな所望の目標当量比に維持する空燃比制御や、クランク角センサ７の検出結果から求められるクランク軸６の回転速度が所望の回転速度に維持されるようにスロットルバルブ２２の開度を制御する回転速度維持制御などの各種制御を実行するように構成されている。
そして、運転制御手段５２は、上記空燃比制御における目標空燃比を所定の設定範囲内において変化させて燃焼室１０で自己着火燃焼する予混合気Ｍの当量比を調整する形態で、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行する。即ち、予混合気Ｍの当量比を増加させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が増加して、エンジン出力が上昇し、逆に、予混合気Ｍの当量比を減少させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が減少して、エンジン出力が低下する。
尚、エンジン出力を制御するにあたり、予混合気Ｍの当量比は一定にして、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの予混合気Ｍの供給量（即ち吸気量）を調整する形態で、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの燃料供給量を調整しても構わない。
【００２５】
上記燃焼時期検出手段５１が実行する燃焼時期検出処理では、クランク角センサ７で検出されるクランク角を参照しながら筒内圧センサ８で検出された筒内圧の変化状態を分析して、燃焼質量割合５０％時期（５０％の主燃料の燃焼が完了した時期）や熱発生率の重心時期又は最大熱発生時期などの燃焼時期に関する状況を求め、かかる状況から予混合気Ｍの燃焼時期を検出する。
【００２６】
以上がエンジン１の基本構成であるが、更に、エンジン１は、上記出力制御による予混合気Ｍの当量比増加を伴ってエンジン出力が非常に高くなる高出力領域でもノッキングの発生やサイクル変動の悪化を十分に抑制できる適切な目標燃焼時期範囲を拡大して、燃焼時期制御のロバスト性を向上するために、燃焼室１０における予混合気Ｍのエタンの含有率を調整可能なエタン含有率調整手段Ｘを備えると共に、運転制御手段５２が、出力制御によるエンジン出力の増加に伴ってエタン含有率調整手段Ｘによりエタンの含有率を増加させるエタン含有率制御を実行するように構成されている。
以下、その詳細構成について説明を加える。
【００２７】
本実施形態のエンジン１においては、ＥＣＵ５０が機能する運転制御手段５２は、燃焼時期制御を実行するにあたり、燃焼時期検出手段５１で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように燃焼時期調整手段Ｙ１、Ｙ２を制御する。
具体的に、燃焼時期検出手段５１で検出された複数の燃焼室１０における夫々の燃焼時期が、上死点近傍の目標燃焼時期範囲（例えば、６°ＡＴＤＣ〜１０°ＡＴＤＣの範囲）に対して進角側に乖離した場合には、全体燃焼時期調整手段Ｙ１として機能する冷却水供給量調整弁２６の開度を縮小させて、複数の燃焼室１０に吸気される予混合気Ｍの温度を低下させる。すると、予混合気Ｍの温度低下により、複数の燃焼室１０における夫々の燃焼時期が一斉に遅角側に移行して上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。
逆に、燃焼時期検出手段５１で検出された複数の燃焼室１０における夫々の燃焼時期が、上記目標燃焼時期範囲に対して遅角側に乖離した場合には、冷却水供給量調整弁２６の開度を拡大させて、複数の燃焼室１０に吸気される予混合気Ｍの温度を上昇させる。すると、予混合気Ｍの温度上昇により、複数の燃焼室１０における夫々の燃焼時期が一斉に進角側に移行して上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。
また、上記全体燃焼時期調整手段Ｙ１により複数の燃焼室１０における夫々の燃焼時期を調整しても、一部の燃焼室１０における燃焼時期が目標燃焼時期範囲内に復帰しない場合には、当該一部の燃焼室１０に対してのみ、個別燃焼時期調整手段Ｙ２として機能する点火回路１２を制御して点火プラグ１１の火花発生時期を調整することで、燃焼時期を目標燃焼時期範囲内に復帰させる。
【００２８】
エタン含有率調整手段Ｘは、燃焼室１０に対して添加量調整を伴ってエタンを添加可能なエタン添加部（エタン添加手段の一例）６０で構成されている。
具体的に、天然ガスの蒸留過程などで得られたエタンが可搬式の高圧ガス容器６３に加圧状態で蓄えられており、このエタン添加部６０は、その高圧ガス容器６３に貯留されているエタンを、ミキサ２３に供給される主燃料に対して、エタン添加量調整弁６１による添加量調整を伴って混合するように構成されている。
【００２９】
そして、運転制御手段５２は、出力制御によるエンジン出力の増加に伴ってエタン含有率調整手段Ｘにより予混合気Ｍにおけるエタンの含有率を増加させるエタン含有率制御を実行するように構成されている。
即ち、後述するように、予混合気Ｍの当量比を増加させる高出力領域では、エタン含有率調整手段Ｘにより予混合気Ｍのエタンの含有率を増加させれば、燃焼時期の早期化によるノッキングの発生と、燃焼時期の遅延化による失火等によるサイクル変動の悪化が抑制される。以下に、その理由について説明を加える。
【００３０】
図２〜図５に、主燃料としてのメタン（ＣＨ4）と空気との予混合気Ｍとして、エタン（Ｃ2Ｈ6）を含有するもの（図にて丸印で示される）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）を含有するもの（図にて三角印で示される）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ4Ｈ10）を含有するもの（四角印で示される）、イソブタン（ｉｓｏ−Ｃ4Ｈ10）を含有するもの（図にて菱印で示される）の夫々について、燃焼時期（ＣＡ５０）を変化させた場合のノッキング強度（ＫＩ、図にて白抜き印で示される）と、図示平均有効圧力の所定サイクル数における変動を示すサイクル変動係数（ＣＯＶ  ｏｆ  ＩＭＥＰ、図にて黒塗り印で示される）との推移に関する実験データを示す。ここで燃焼時期は、１サイクル毎に燃焼室へ供給される燃料の発熱量の合計である総投入発熱量に対するその時期までの筒内熱発生量の割合である投入基準燃焼割合が５０％に達した投入基準燃焼割合５０％時期（ＣＡ５０）を示す。
また、図２には、予混合気の当量比φが０．６０のときのデータを示し、図３には、予混合気の当量比φが０．５５のときのデータを示し、図４には、予混合気の当量比φが０．５０のときのデータを示し、図５には、予混合気の当量比φが０．４５のときの実験データを示す。
【００３１】
かかる図２〜図５の白抜き印で示すノッキング強度の推移から判るように、エンジン出力を増加させるべく予混合気の当量比φが０．４５（図５参照）、０．５０（図４参照）、０．５５（図３参照）、０．６０（図２参照）と増加する場合、エタンを含有した予混合気（ＣＨ4／Ｃ2Ｈ6）を利用した場合（白抜きの丸印）の方が、それ以外の炭化水素を含有した予混合気（ＣＨ4／Ｃ3Ｈ8、ＣＨ4／ｎ−Ｃ4Ｈ10、ＣＨ4／ｉｓｏ−Ｃ4Ｈ10）を利用した場合（白抜きの三角印、四角印、及び菱印）と比べて、燃焼時期の早期化に伴うノッキング強度の上昇が抑制されている。
よって、本実施形態のごとく、出力制御による予混合気の当量比の増加によるエンジン出力の増加に伴って、エタン含有率調整手段Ｘにより予混合気のエタンの含有率を増加させることで、燃焼時期の早期化によるノッキングの発生が抑制されるので、ノッキングの発生を十分に抑制できる目標燃焼時期範囲を早期化側に拡大することができる。
【００３２】
更に、図２〜図５の黒塗り印で示すサイクル変動の推移から判るように、エンジン出力を増加させるべく予混合気の当量比φが０．４５（図５参照）、０．５０（図４参照）、０．５５（図３参照）、０．６０（図２参照）と増加する場合、エタンを含有した予混合気（ＣＨ4／Ｃ2Ｈ6）を利用した場合（黒塗りの丸印）の方が、それ以外の炭化水素を含有した予混合気（ＣＨ4／Ｃ3Ｈ8、ＣＨ4／ｎ−Ｃ4Ｈ10、ＣＨ4／ｉｓｏ−Ｃ4Ｈ10）を利用した場合（黒塗りの三角印、四角印、及び菱印）と比べて、燃焼時期の遅延化に伴うサイクル変動の悪化（上昇）が抑制されている。
よって、本実施形態のごとく、出力制御による予混合気の当量比の増加によるエンジン出力の増加に伴って、エタン含有率調整手段Ｘにより予混合気のエタンの含有率を増加させることで、燃焼時期の遅延化による失火等によるサイクル変動の悪化が抑制されるので、サイクル変動の悪化を十分に抑制できる目標燃焼時期範囲を遅延化側に拡大することができる。
よって、運転制御手段５２が実行するエタン含有率制御により、高出力域における予混合気Ｍのエタンの含有率を、低出力域よりも増加させることで、ノッキングの発生とサイクル変動の悪化を抑制できる目標燃焼時期範囲が拡大され、燃焼時期制御のロバスト性が向上されることになる。
【００３３】
具体的に、エタン含有率制御では、エンジン出力が高出力領域となったときのエタン添加量調整弁６１の開度を、エンジン出力が高出力領域よりも低い低出力領域となったときのエタン添加量調整弁６１の開度よりも拡大させて、エンジン出力の増加に伴って予混合気Ｍのエタンの含有率を増加させる。
すると、高出力領域におけるノッキングの発生とサイクル変動の悪化を抑制できる目標燃焼時期範囲が、エタンの含有率を増加させない場合と比較して拡大されることになるので、燃焼時期制御において実際の燃焼時期を容易に目標燃焼時期範囲内に維持できるようになる。
【００３４】
また、エンジン１には、主燃料供給弁２４を通流する主燃料の流量を計測する主燃料供給量センサ３５、及び、エタン添加量調整弁６１を通流するエタンの流量を計測するエタン供給量センサ３６等が設けられている。
そして、燃焼時期検出手段５１が実行する燃焼時期検出処理では、下記［数１］の数式に示すように、クランク角θにより燃焼室１０の容積Ｖを求め、圧縮行程及び膨張行程における容積変化（ｄＶ／ｄθ）と筒内圧変化（ｄＰ／ｄθ）とから、燃焼室１０における熱発生速度（ｄＱ／ｄθ）を求める。
そして、その熱発生速度（ｄＱ／ｄθ）を、その時点のクランク角θまでの燃焼過程において積分する形態で、上記筒内熱発生量Ｑを逐次取得する。
【００３５】
【数１】
2015074983.tif 000003
【００３６】
同時に、燃焼時期検出手段５１は、クランク角センサ７で検出されるクランク角θを参照しながら、主燃料供給量センサ３５及びエタン供給量センサ３６で計測される燃焼室１０への主燃料及びエタンの夫々の供給量を１サイクル毎に積算して、当該夫々の供給量の１サイクル毎の合計である総供給量を算出し、その総供給量に主燃料及びエタンの夫々の単位発熱量を乗算し、それらを足し合わせる形態で、１サイクル毎に燃焼室１０へ供給される予混合気Ｍにおける主燃料及びエタンの発熱量の合計である総投入発熱量Ｑｉを導出することができる。
そして、燃焼時期検出手段５１は、総投入発熱量に対するその時期までの筒内熱発生量の割合である投入基準燃焼割合が、５０％等の所定の設定燃焼割合に達した時期である投入基準燃焼時期を燃焼時期として検出する。
【００３７】
〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
【００３８】
（１）上記実施形態では、エタン含有率調整手段Ｘを、燃焼室１０に対して添加量調整を伴ってエタンを添加可能なエタン添加部６０として構成したが、例えば、エタン含有率調整手段Ｘを、燃焼室１０に供給される主燃料から分離量調整を伴ってエタンを分離することで、燃焼室における混合気のエタンの含有率の調整を行っても構わない。
【００３９】
（２）上記実施形態では、エタン添加部６０は、高圧ガス容器６３に蓄えられたエタンを添加するように構成したが、主燃料即ち天然ガスの一部を取り出し、その天然ガスから、公知の酸化カップリング法（例えば特開平０５−０７０３７２号公報参照）や、膜分離法及び加圧凝縮法などの精製法（例えば特開２００９−１６７４１１号公報参照）などによりエタンを分離して、エタン添加部６０に供給するように構成しても構わない。
また、主燃料以外の原料を外部から供給し、その原料を合成してエタンを得るように構成しても構わない。尚、この場合、原料としてのエチレンの水素化反応によりエタンを得ることができ、更に、そのエチレンをエタノールの脱水処理により得ることもできる。
また、エタン添加部６０から供給されるエタンは、必ずしもエタン１００％でなくてもよく、例えば主燃料よりもエタンの濃度が高く、それを燃焼室１０に添加することで当該燃焼室１０における混合気のエタンの含有率を上昇せる程度にエタンを含むものであればよい。
【００４０】
（３）上記実施形態では、主燃料を、エタンよりも発火点が高いメタンを主成分とする天然ガスとしたが、天然ガス以外に、ガソリンや軽油などの他の炭化水素系燃料を主燃料としても構わない。
尚、エタンよりも発火点が低い炭化水素を主成分とする燃料を主燃料とした場合には、そのエタン添加量調整弁６１の開度を漸次拡大してエタンの添加量を増加させた場合に、上記燃焼時期制御において、燃焼時期の遅角側の変移を防止するべく、冷却水供給量調整弁２６の開度が漸次拡大されて、予混合気Ｍの温度が上昇側に調整されることになる。また、この場合において、予混合気Ｍの温度の上昇側の限度は、冷却水供給量調整弁２６の開度を全開とした時点となり、例えば８０℃程度となる。
【００４１】
（４）上記実施形態では、複数の燃焼室１０に新気として吸気される予混合気Ｍの温度を調整するにあたり、熱交換器２５において比較的高温のエンジン冷却水との熱交換により予混合気Ｍを加熱し、その加熱量を調整するように構成したが、例えば予混合気Ｍの温度が例えば過給などにより比較的高温である場合には、その混合気を比較的低温の冷却水との熱交換により冷却し、その冷却量を調整するように構成しても構わない。
【００４２】
（５）上記実施形態では、複数の燃焼室１０の夫々の燃焼時期を一斉に調整可能な全体燃焼時期調整手段Ｙ１として、吸気路２１に設けられた熱交換器２５へのエンジン冷却水の供給量を調整可能な冷却水供給量調整弁２６のように、複数の燃焼室１０に新気として吸気される予混合気Ｍの温度を調整する吸気温度調整手段を設けたが、別の構成で複数の燃焼室１０の夫々の燃焼時期を一斉に調整しても構わない。例えば、全体燃焼時期調整手段Ｙ１としては、複数の燃焼室に新気として吸気される混合気の圧力を調整する新気圧力調整手段、複数の燃焼室に対する排ガスの還流率（ＥＧＲ率）を調整するＥＧＲ率調整手段、同混合気の当量比を調整する当量比調整手段、複数の燃焼室における有効圧縮比を調整する有効圧縮比調整手段などを採用することができる。尚、夫々の手段はその目的に応じて公知の構成を採用することができる。
また、この全体燃焼時期調整手段Ｙ１は適宜省略しても構わない。
【００４３】
（６）上記実施形態では、複数の燃焼室１０の夫々の燃焼時期を個別に調整可能な個別燃焼時期調整手段Ｙ２として、複数の燃焼室１０の夫々に設けられた点火プラグ１１による火花発生時期を個別に調整する点火回路１２を設けたが、別の構成で複数の燃焼室１０の夫々の燃焼時期を個別に調整しても構わない。例えば、個別燃焼時期調整手段Ｙ２としては、複数の燃焼室の夫々の吸気ポートに配置した主燃料噴射弁を採用することができる。即ち、夫々の主燃料噴射弁により夫々の吸気ポートにおける主燃料噴射量を個別に調整して、複数の燃焼室における混合気の当量比を個別に調整することで、複数の燃焼室の夫々の燃焼時期を個別に調整することができる。
また、この個別燃焼時期調整手段Ｙ２は適宜省略しても構わない。
【００４４】
（７）上記実施形態では、１サイクル毎に燃焼室１０へ供給される予混合気Ｍにおける主燃料及びエタンの発熱量の合計である総投入発熱量Ｑｉを導出するために、主燃料供給量センサ３５及びエタン供給量センサ３６で１サイクル毎の燃焼室１０への主燃料及びエタンの夫々の供給量を計測したが、主燃料供給弁２４及びエタン添加量調整弁６１の開度、スロットルバルブ２２の開度、エンジン回転数及び負荷等の情報から、１サイクル毎の燃焼室１０への主燃料及びエタンの供給量を間接的に求めるように構成しても構わない。
【００４５】
（８）上記実施形態では、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンを、多気筒型に構成したが、当然単気筒型に構成しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、燃焼室において新気と主燃料との予混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火燃焼を行い、燃焼室における予混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出処理を実行する燃焼時期検出手段と、予混合気の当量比を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行すると共に、燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期範囲内に維持されるように予混合気の燃焼位相に影響を与える所定の運転条件を調整する燃焼時期制御を実行する運転制御手段とを備えた予混合圧縮着火式エンジン及びその運転制御方法として好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１        ：エンジン
１０      ：燃焼室
５１      ：燃焼時期検出手段
５２      ：運転制御手段
６０      ：エタン添加部
６１      ：エタン添加量調整弁
Ｍ        ：予混合気
Ｘ        ：エタン含有率調整手段
Ｙ１      ：全体燃焼時期調整手段（燃焼時期調整手段）
Ｙ２      ：個別燃焼時期調整手段（燃焼時期調整手段）
【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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