(57)【要約】【課題】本発明は、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火エンジンの起動運転において、燃焼室において混合気を火花点火する火花点火運転を行った後に予混合圧縮着火運転に移行する際に、燃焼室における混合気の当量比を大幅に低下させる必要がなく、安定した運転状態を維持することができる起動運転の技術を実現することを目的とする。【解決手段】火花点火運転を実行した後に、排ガス再循環量を増加させる移行操作を行って、予混合圧縮着火運転を開始する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室において混合気を火花点火可能、及び、排ガス再循環量を調整可能に構成された予混合圧縮着火エンジンの起動運転時において、
前記燃焼室において混合気を火花点火する火花点火運転を実行した後に、前記排ガス再循環量を増加させる移行操作を行って、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を開始する予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法。
【請求項２】
燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグと、排ガス再循環量を調整可能な排ガス再循環量調整手段とを備え、
起動運転時において、前記点火プラグを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する火花点火運転を実行した後に、前記再循環量調整手段を働かせて前記排ガス再循環量を増加させる移行操作を行って、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を開始する起動運転制御を実行する制御手段を備えた予混合圧縮着火エンジン。
【請求項３】
火花点火停止状態の前記点火プラグの電極間におけるイオン電流の発生状態に基づいて、前記燃焼室における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段を備え、
前記制御手段が、前記移行操作において、前記点火プラグを火花点火停止状態として前記燃焼状態検出手段により前記燃焼状態を検出し、前記検出した燃焼状態に基づいて、前記予混合圧縮着火運転への移行完了を判定する請求項２に記載の予混合圧縮着火エンジン。
【請求項４】
前記排ガス再循環量調整手段が、排気弁の閉時期の上死点に対する進角量の調整により、前記燃焼室に残留する排ガス量を調整して、前記排ガス再循環量を調整可能なバルブタイミング可変機構で構成されている請求項２又は３に記載の予混合圧縮着火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火エンジンの起動時において、燃焼室において混合気を火花点火する火花点火運転を実行した後に予混合圧縮着火運転に移行する起動運転技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を希薄状態で高圧縮して自己着火燃焼させることで高効率化及び低ＮＯｘ化を実現可能なエンジンとして、燃料の自己着火を積極的に利用する予混合圧縮着火エンジンがある。
かかる予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンの様に圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンの様に空気と燃料との混合気を燃焼室に供給し、その混合気を高圧縮し混合気の発火点まで昇温させて、自己着火燃焼させるように構成されている。また、このような予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンの様に燃料を高圧縮して燃焼室に噴射する必要がないので、天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。
【０００３】
また、予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室において混合気を圧縮することで発火点まで昇温させて自己着火させる所謂予混合圧縮着火運転を行うので、シリンダ等の温度が比較的低く、エンジンが未だ暖機されていない起動時等においては、混合気を圧縮しても十分に発火点まで昇温させることができず、失火等の発生により安定した予混合圧縮着火運転を維持することができないことがある。
【０００４】
そこで、予混合圧縮着火エンジンの起動運転において、起動・暖機を良好に行うために、燃焼室に点火プラグを設け、エンジンが未暖機状態の期間には、過給機の過給圧可変機構により過給圧を低下させると共に、燃焼室に火花点火可能な当量比の混合気を供給し、燃焼室において混合気を点火プラグにより火花点火する所謂火花点火運転を行い、エンジンの暖機が完了した後に、過給圧を上昇させたり新気の加熱を開始したりして、燃焼室に形成される混合気の温度を上昇させて、前述の予混合圧縮着火運転に移行する場合がある（例えば、特許文献１−３参照。）。
ところで、火花点火運転と予混合圧縮着火運転との違いは、前者では、ノッキングを防止する為、燃焼室に形成される混合気温度を低くする必要があるのに対し、後者では、自己着火を促す為、高い混合気温度を必要とすることであるが、圧縮着火によっても温度が高すぎると過早着火となり、やはりうまく運転できない場合がある。また、予混合圧縮着火運転と火花点火運転では、必要当量比も異なる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１４０６８１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２７１６７１号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２０４８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の従来技術では、火花点火運転を行う際には、燃焼室において火花点火される混合気の当量比を、理論当量比付近の火花点火可能範囲内とする必要があるが、予混合圧縮着火運転を行う際には、過早着火によるノッキングの回避のために、自己着火する混合気の当量比を、上記火花点火範囲内よりも小さい希薄範囲内とする必要があった。よって、上記火花点火運転から上記予混合圧縮着火運転に移行する際に、燃焼室において混合気の自己着火が開始されると同時に、上記当量比を急激に低下させる必要があるが、初期の自己着火は安定したものでないので、当量比の急激な低下により混合気が自己着火しなくなり、運転を維持することができなくなることがある。
尚、燃焼室における当量比とは、理論空燃比を、燃焼室に形成される混合気の空燃比で割ったもので、それが１より小さい場合は空気過剰、１より大きい場合は燃料過剰である。
【０００７】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、予混合圧縮着火エンジンにおいて、火花点火運転を行った後に予混合圧縮着火運転に移行する際に、燃焼室における混合気の当量比を大幅に低下させる必要がなく、安定した運転状態を維持することができる起動運転の技術を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法は、燃焼室において混合気を火花点火可能、及び、排ガス再循環量を調整可能に構成された予混合圧縮着火エンジンの起動運転時において、
前記燃焼室において混合気を火花点火する火花点火運転を実行した後に、前記排ガス再循環量を増加させる移行操作を行って、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を開始する点を特徴とする。
【０００９】
また、上記予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法を実行可能に構成され、上記目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火の第一特徴構成は、燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグと、排ガス再循環量を調整可能な排ガス再循環量調整手段とを備え、
起動運転時において、前記点火プラグを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する火花点火運転を実行した後に、前記再循環量調整手段を働かせて前記排ガス再循環量を増加させる移行操作を行って、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を開始する起動運転制御を実行する制御手段を備えた点にある。
【００１０】
本願発明者らは、予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環させ、その排ガス再循環量を新気に対して５０％程度と高くすることで、燃焼室における混合気の当量比が例えば火花点火可能範囲付近であっても、燃焼室における自己着火後の燃焼を緩慢にして、ノッキングを回避した安定運転を維持することができることを見出し、それを、予混合圧縮着火エンジンの起動運転技術に応用し、本発明を完成した。
【００１１】
即ち、本発明に係る予混合圧縮着火エンジン及びその起動運転方法によれば、予混合圧縮着火エンジンの起動時において火花点火運転を行った後に予混合圧縮着火運転に移行する際に、燃焼室における混合気の当量比を大幅に低下させる必要がなく、安定した運転状態を維持して、予混合圧縮着火運転に移行することができる。
【００１２】
詳しくは、上記制御手段により、先ず、上記火花点火運転を実行してエンジンを暖機し、暖機が完了したと判断した時に、上記移行操作を実行する。そして、その移行操作において、燃焼室に形成される混合気温度が徐々に上昇されて、燃焼室における混合気の自己着火を誘起しながら、燃焼室へ再循環される排ガスの再循環量を上記混合気温度上昇に合わせて増加して、燃焼室における混合気の燃焼状態を徐々に緩慢な状態とする。すると、上記移行操作において、燃焼室における混合気の当量比が火花点火可能範囲付近であっても、ノッキングを回避して安定運転を維持したまま、予混合圧縮着火運転に移行することができる。
【００１３】
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、火花点火停止状態の前記点火プラグの電極間におけるイオン電流の発生状態に基づいて、前記燃焼室における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段を備え、
前記制御手段が、前記移行操作において、前記点火プラグを火花点火停止状態として前記燃焼状態検出手段により前記燃焼状態を検出し、前記検出した燃焼状態に基づいて、前記予混合圧縮着火運転への移行完了を判定する点にある。
【００１４】
即ち、上記第二特徴構成によれば、上記燃焼状態検出手段により、燃焼室に設けられた点火プラグを火花点火停止状態において所謂イオンプローブとして利用して、電位差を与えた点火プラグの電極間に火炎が到達することで発生するイオン電流の発生状態に基づいて、燃焼室における燃焼状態を検出することができる。そして、上記制御手段により、予混合圧縮着火エンジンを、火花点火運転後の移行操作において、点火プラグを一旦火花点火停止状態として、上記燃焼状態検出手段により燃焼室における混合気の自己着火が安定して発生しているか否かを検出し、自己着火が安定していると検出した場合には、予混合圧縮着火運転への移行完了を判定して、速やかに予混合圧縮着火運転に移行することができ、逆に、自己着火が安定していないと検出した場合には、再度点火プラグを火花点火状態として、自己着火が安定するまで混合気の燃焼を維持することができる。
【００１５】
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第三特徴構成は、上記第一又は第二特徴構成に加えて、前記排ガス再循環量調整手段が、排気弁の閉時期の上死点に対する進角量の調整により、前記燃焼室に残留する排ガス量を調整して、前記排ガス再循環量を調整可能なバルブタイミング可変機構で構成されている点にある。
【００１６】
即ち、上記第三特徴構成によれば、バルブタイミング可変機構により、排気行程における排気弁の閉時期を上死点よりも進角した時期（言い換えれば、上死点よりも早い時期）とすることで、燃焼室の高温の排ガス（燃焼ガス）の一部が、排気路に排出されずに燃焼室に残留し、その残留した排ガスが次の給気行程において燃焼室に給気される新気と混合し、所謂排ガス再循環を行うことができる。
よって、上記バルブタイミング可変機構により、排気弁の閉時期の上死点に対する進角量を調整することにより、燃焼室に残留する排ガス量を調整して、前記排ガス再循環量を調整することができ、バルブタイミング可変機構を、排ガス再循環量調整手段として機能させることができる。
更に、上記バルブタイミング可変機構を、排ガス再循環量調整手段として機能させて、予混合圧縮着火エンジンの火花点火運転後の移行操作において、上記排気弁の閉時期の上死点に対する進角量を徐々に増加させて、新気への高温排ガスの再循環量を増加させることで、同時に、燃焼室に形成される混合気温度を上昇させて、燃焼室における混合気の自己着火を誘起させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１に示す予混合圧縮着火エンジン１００には、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に給気弁７を介して接続された給気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。
【００１９】
ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸（図示せず）の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。
【００２０】
給気路１２を流通する空気Ａ（新気）は、適宜過給機等により過給された後に、後述のアフタークーラ１５を通過し、ミキサ１８において天然ガス系都市ガスの燃料Ｇが供給されて混合気となり、燃焼室２に給気される。
【００２１】
そして、予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室２に給気された混合気を、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気が自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料を燃焼させるように構成されている。
【００２２】
予混合圧縮着火エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０が設けられ、ＥＣＵ３０は、予混合圧縮着火エンジンの起動運転制御等の各種制御を行うように構成されている。
【００２３】
給気路１２に設けられたアフタークーラ１５は、シリンダ５等を冷却して高温となった冷却水、又は、燃焼室２から排出された高温の排ガス等の温媒体Ｄとの熱交換により、給気路１２を流通する空気Ａを加熱可能に構成されている。
更に、温媒体量調整弁１６は、アフタークーラ１５への温媒体Ｄの供給量を調整して、給気路１２を流通する空気Ａの温度を調整し、燃焼室２に形成される混合気温度を調整可能な混合気温度調整手段Ｘとして機能する。
そして、ＥＣＵ３０は、給気路１２の給気弁７近傍に設けられた温度センサ２４の検出結果に基づいて、温媒体量調整弁１６によりアフタークーラ１５への温媒体Ｄの供給量を調整して、給気路１２を流通する新気の温度が所定の目標温度となるように制御する。
【００２４】
また、ミキサ１８に供給される燃料Ｇは、燃料量調整弁１９により流量調整可能に構成されている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば、排気路１３に設けられ、排ガスの酸素濃度を検出可能な酸素センサ２５の検出結果に基づいて、燃料Ｇの供給量を調整して、燃焼室２における混合気の当量比を所定の目標当量比となるように制御する。
【００２５】
予混合圧縮着火エンジン１００には、排ガス再循環量調整手段Ｙとして、排気路１３と給気路１２とを接続し、排気路１３の排ガスを給気路１２に再循環させるためのＥＧＲ流路２１と、その排ガスの再循環量を調整するためのＥＧＲ量調整弁２２とが設けられている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば、クランク軸の回転数により認識可能な燃焼室２への吸入新気量に基づいて、ＥＧＲ量調整弁２２の開度を調整して、新気に対する排ガスの再循環率を所定の再循環率となるように制御する。
【００２６】
また、予混合圧縮着火エンジン１００には、燃焼室２に給気された混合気を火花点火可能な点火プラグ２６が設けられ、ＥＣＵ３０は、上記点火プラグ２６による点火の開始及び停止、更には、点火時期の制御を行う。
【００２７】
更に、予混合圧縮着火エンジン１００には、火花点火停止状態とされた点火プラグ２６の電極間におけるイオン電流の発生状態に基づいて、燃焼室２における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段２７を備え、ＥＣＵ３０は、点火プラグ２６を一旦火花点火停止状態とし、上記燃焼状態検出手段２７の検出結果により、燃焼室２において混合気が安定して自己着火している否かを認識することができる。
【００２８】
このような予混合圧縮着火エンジン１００は、前述のように、燃焼室２において混合気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燃料Ｇ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るため高効率であり、さらに混合気の当量比を例えば火炎伝播下限以下と希薄状態で燃焼させることができるため低ＮＯｘを実現することができる。
【００２９】
しかし、このような予混合圧縮着火エンジン１００は、起動運転時の未だ十分に暖機されていない時には、混合気を燃焼室２において圧縮しても充分に昇温させることができないので、自己着火のタイミングが変化したり、混合気を自己着火させたりすることができず、安定して予混合圧縮着火運転を行うことができない場合がある。
【００３０】
そこで、予混合圧縮着火エンジン１００のＥＣＵ３０は、上記起動運転時において、燃焼室２において混合気を点火プラグ２６により火花点火する火花点火運転を実行し、暖機が完了してから、所定の移行操作を行って、燃焼室２において混合気を安定して自己着火させる予混合圧縮着火運転を開始する起動運転方法を実行する制御手段Ｚとして機能する。
【００３１】
次に、上記予混合圧縮着火エンジン１００の起動運転方法の詳細について、図２に基づいて説明する。
尚、図２は、予混合圧縮着火エンジン１００の起動運転時における、排ガス再循環率、新気温度、及び、当量比の時間経過に対する変化状態を示す図である。
【００３２】
上記ＥＣＵ３０は、上記火花点火運転から上記予混合圧縮着火運転への移行操作として、温媒体量調整弁１６を働かせて燃焼室２に給気される新気温度を上昇させながら、ＥＧＲ量調整弁２２を働かせて、新気に対する排ガス再循環量を増加させる移行操作を実行する。
【００３３】
即ち、ＥＣＵ３０は、予混合圧縮着火エンジン１００の起動運転時において、先ず、点火プラグ２６を働かせて燃焼室２の混合気を火花点火する火花点火運転を実行するに、ＥＧＲ量調整弁２２により排ガス再循環量を調整して、排ガス再循環率を所定の排ガス再循環率Ｅｂ（％）に設定すると共に、温媒体量調整弁１６によりアフタークーラ１５への温媒体の供給量を調整して、新気温度を所定の新気温度Ｔｃ（℃）に設定し、燃料量調整弁１９によりミキサ１８への燃料供給量を調整して、燃焼室２に給気される混合気の当量比を所定の当量比φａに設定する。尚、本実施形態において、火花点火運転時において設定される排ガス再循環率Ｅｂ（％）は０又はその近傍とされ、新気温度Ｔｃ（℃）は上記アフタークーラ１５に温媒体を供給していないときの大気温度に近い比較的低い値とされ、当量比φａは、燃焼室２において火花点火可能な１又はその近傍の火花点火可能範囲内とされている。
【００３４】
次に、ＥＣＵ３０は、上記火花点火運転を実行し、例えば、エンジン冷却水温度が上昇して所定の温度に到達したとき、又は、シリンダ５の温度が上昇して所定の温度に到達したときに、暖機が完了したと判断し、次の移行操作を実行する。
この移行操作においては、予混合圧縮着火エンジン１００の排ガス再循環率がＥｂ（％）から所定のＥａ（％）（例えば、５０％）に徐々に上昇され、更に、新気温度がＴｃ（℃）から所定のＴａ（℃）に徐々に上昇される。
すると、この移行操作中においては、新気温度が徐々に上昇されて、燃焼室２における混合気の自己着火が誘起されながら、燃焼室２への排ガスの再循環率が上記新気温度上昇に合わせて増加して、燃焼室２における混合気の燃焼状態が徐々に緩慢な状態とされる。よって、上記移行操作において、燃焼室２における混合気の当量比が比較的燃料が多い火花点火可能範囲付近であっても、ノッキングを回避して安定運転を維持することができる。また、移行操作において、ＥＣＵ３０は、点火プラグ２６を１又は数サイクルの間の火花点火停止状態として、前述の燃焼状態検出手段２７の検出結果により、燃焼室２において混合気が安定して自己着火している状態であると判断したときに、前述の予混合圧縮着火運転が開始したと判断することができる。また、上記点火プラグ２６は、上記予混合圧縮着火運転が開始したと判断した時点で完全に停止しても構わないが、上記予混合圧縮着火運転が開始したと判断した後の例えば一定時間経過まで働かせておいても構わない。
【００３５】
尚、上記移行操作において、燃焼室２における当量比は、上記排ガス再循環率の上昇に伴って、φａからφｂに低下させても構わない。
【００３６】
また、上記ＥＣＵ３０は、上記予混合圧縮着火運転に移行した後に、下記の新気温度低下操作及び当量比低下操作を実行するように構成されている。
即ち、ＥＣＵ３０は、先ず、排ガス再循環率を、ノッキングセンサ３１でノッキングが検出されるまで低下させた後に、新気温度を所定量低下させるという新気温度低下操作を例えば新気温度が所定の温度Ｔｂ（℃）となるまで繰り返し実行する。更に、ＥＣＵ３０は、排ガス再循環率を、ノッキングセンサ３１でノッキングが検出されるまで低下させた後に、当量比を所定量低下させるという当量比低下操作を例えば当量比が所定の当量比φｃとなるまで繰り返し実行する。
このような新気温度低下操作及び当量比低下操作を行うことで、失火等を回避して安定した運転状態を維持しながら、新気温度が比較的低くても希薄混合気を自己着火させることができる予混合圧縮着火運転を実行することができ、更なる高効率化且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００３７】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３８】
〈１〉上記実施の形態では、排ガス再循環量調整手段ＹとしてのＥＧＲ流路２１及びＥＧＲ量調整弁２２を設けると共に、混合気温度調整手段Ｘとしてのアフタークーラ１５の温媒体量調整弁１６により新気の温度を調整したが、別に、上記排ガス再循環量調整手段Ｙ及び混合気温度調整手段Ｘを、バルブタイミング可変機構２８で構成することもできる。
即ち、バルブタイミング可変機構２８は、少なくとも排気弁８の開閉時期を調整可能に構成され、その排気弁８の閉時期の上死点に対する進角量の調整により、燃焼室２に残留する高温の排ガス量を調整し、前記排ガス再循環量及び前記混合気温度を調整することができる。そして、ＥＣＵ３０は、予混合圧縮着火エンジン１００の火花点火運転から予混合圧縮着火運転への移行操作において、上記排気弁８の閉時期の上死点に対する進角量を徐々に増加させていくことで、簡単に、前記新気温度を上昇させながら、前記排ガス再循環量を増加させることができる。
【００３９】
また、混合気温度調整手段Ｘを、過給機の動力を調整して、又は、給気路１２に設けたバルブ開度を調整して、新気の圧縮端温度を調整することにより、燃焼室２に形成される混合気の温度を調整するように構成しても構わない。
【００４０】
〈２〉上記実施の形態では、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンを単気筒型に構成した例を説明したが、別に、多気筒型の予混合圧縮着火エンジンに対しても本発明を実施することができる。
また、多気筒型の予混合圧縮着火エンジンにおいては、複数の気筒の一部ずつを順に、前記火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に移行操作を介して移行させることが好ましい。即ち、一部の気筒の移行操作時において、移行前又は移行してから一定時間経過して安定した運転状態を維持している他の気筒により、移行操作中の気筒の運転状態が安定するまで、クランク軸の回転を安定したものに維持して、全ての気筒をスムーズに予混合圧縮着火運転に移行させることがでできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの実施の形態を示す概略構成図
【図２】予混合圧縮着火エンジンの起動運転時における各種状態の変化傾向を示す図
【符号の説明】
２：燃焼室
７：給気弁
８：排気弁
１２：給気路
１３：排気路
１５：アフタークーラ
１６：温媒体量調整弁
１８：ミキサ
１９：燃料量調整弁
２１：ＥＧＲ流路
２２：ＥＧＲ量調整弁
２６：点火プラグ
２７：燃焼状態検出手段
２８：バルブタイミング可変機構
３０：エンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）
１００：予混合圧縮着火エンジン
Ａ：空気（新気）
Ｇ：燃料
Ｅ：排ガス
Ｈ：温媒体
Ｘ：混合気温度調整手段
Ｙ：排ガス再循環量調整手段
Ｚ：制御手段
【図１】
2004263663.tif 000003
【図２】
2004263663.tif 000004