(57)【要約】【課題】本発明は、燃焼室１０に吸気された予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、簡単な構成で、自己着火タイミングを適正なものとし、更に、ノッキングを回避しつつ広い出力調整範囲で運転することを目的とする。【解決手段】燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段Ａと、圧縮行程において燃焼室１０に直接燃料を供給し、燃焼室１０の一部に、予混合気よりも当量比が大きい濃混合気からなる濃領域１０ｂを形成する燃料供給手段Ｂと、燃焼状態検出手段Ａの検出結果に基づいて、燃料供給手段Ｂによる燃料供給条件を制御する制御手段Ｃとを備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に吸気された予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であって、
燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼室に直接燃料を供給し、前記燃焼室の一部に、前記予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と、
前記燃焼状態検出手段の検出結果に基づいて、前記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とを備えた予混合圧縮着火エンジン。
【請求項２】
前記燃料供給手段が、前記燃焼室の天井面に沿って前記濃領域を形成するように、前記燃焼室に前記燃料を供給する手段である請求項１に記載の予混合圧縮着火エンジン。
【請求項３】
前記燃料供給手段が、前記燃焼室の天井面に形成された燃料供給口と、前記燃料供給口の前記燃焼室側を覆う弁体と、前記弁体を作動して前記燃料供給口を開閉する作動部とからなる請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火エンジン。
【請求項４】
燃焼室に吸気された予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の制御方法であって、
前記燃焼室に直接燃料を供給して、前記燃焼室の一部に、前記予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ように構成し、
前記燃焼室に直接供給される燃料の供給条件を、前記燃焼室における自己着火タイミングが適正なものになるように制御する予混合圧縮着火エンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に吸気された予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関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記予混合圧縮着火エンジンは、元々、燃料噴射ディーゼルのパティキュレートを防止する目的で考え出されたものであるが、ディーゼルエンジンのように燃焼室で圧縮された高圧空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、吸気行程において燃焼室に混合気若しくは空気等の新気を吸気して燃焼室内に混合気を形成し、圧縮行程において燃焼室に形成された混合気を圧縮着火させ、膨張行程において燃焼させ、排気行程において燃焼室の排ガスを排気路に排出するように構成され、圧縮比を増加させて効率の向上が可能であると共に、燃料を希薄状態で燃焼させ低ＮＯｘ化が可能となる。
特に、燃料が天然ガス等の気体燃料のエンジンを構成する場合、ディーゼルエンジンとして構成して気体燃料を高圧で噴射することが困難であるため、予混合圧縮着火エンジンとして構成して混合気を圧縮着火して燃焼させるほうが容易である。
【０００３】
上記予混合圧縮自着火エンジンを実現するための大きな課題の一つは、着火時期の制御である。
ＳＩエンジンでは、火花点火時期によって、燃料噴射ディーゼルでは燃料噴射時期によって着火時期を制御できるが、予混合圧縮自着火エンジンの場合、そのままでは（着火時間の制御を適正に行わないと）、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わり運転を継続できなくなる。
【０００４】
そこで、予混合圧縮着火エンジンにおいて、その自己着火タイミングを適正なものに制御する技術として、主に用いられる天然ガス等の主燃料と、その燃料よりも着火性が高いｎ−ブタン等のコントロール燃料とを準備し、主燃料とコントロール燃料とを混合したものを、燃焼室に供給すると共に、上記コントロール燃料の燃焼室への供給量を調整することで、燃焼室における予混合気の自己着火タイミングを制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２７４２８５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１の予混合圧縮着火エンジンでは、自己着火タイミングを適正なものにするために、主燃料以外に、別の上記コントロール燃料が必要であり、更に、主燃料を改質してコントロール燃料を得るように構成する場合には、エンジン構成が煩雑となりコスト高の要因となる。
【０００７】
更に、予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室に吸気される予混合気は、燃焼室において多点着火するので、予混合気の当量比を増加させ出力を増加させようとすると、ノッキングが発生しやすくなる。
【０００８】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、簡単な構成で、自己着火タイミングを適正なものとし、更に、ノッキングを回避しつつ広い出力調整範囲で運転可能な予混合圧縮着火エンジンを実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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エンジンの第一特徴構成は、燃焼室に吸気された予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であって、
燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼室に直接燃料を供給し、前記燃焼室の一部に、前記予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と、
前記燃焼状態検出手段の検出結果に基づいて、前記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とを備えた点にある。
【００１０】
また、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの制御方法は、前記燃焼室に直接燃料を供給して、前記燃焼室の一部に、前記予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ように構成し、
前記燃焼室に直接供給される燃料の供給条件を、前記燃焼室における自己着火タイミングが適正なものになるように制御する点ことを特徴とする。
【００１１】
即ち、本発明に係る予混合圧縮着火エンジン及びその制御方法によれば、燃焼室において、吸気路から吸気された燃料が希薄な予混合気が、上記濃領域以外の希薄領域に渡って分布し、上記燃料供給手段により吸気行程の後期又は圧縮行程の前期等に直接供給された燃料により形成された燃料が濃い濃混合気が、例えばシリンダ軸心を中心に形成された濃領域に分布する。そして、燃焼室においてその予混合気と濃混合気とを高圧縮すると、先ず、濃領域における濃混合気が、それよりも当量比が小さい予混合気よりも早く自己着火を開始し、次に、その周囲の希薄領域における予混合気が、上記濃混合気の自己着火に続いて自己着火を開始する。よって、燃焼室に直接供給する燃料の供給量又はタイミング等の供給条件を調整して、燃焼室における上記濃領域の状態を調整することで、燃焼室における自己着火タイミングを調整することができる。
【００１２】
従って、上記燃焼状態検出手段により、実際の自己着火タイミング、ノッキングの発生、失火等のエンジンの燃焼状態を検出すると共に、上記制御手段により、検出された燃焼状態に基づいて、上記燃料供給手段による燃焼室への燃料供給条件を制御することにより、燃焼室における自己着火タイミングを上記燃焼状態に対して適正なものとすることができる。
【００１３】
また、燃焼室における濃領域の濃混合気は、予混合気よりも早く着火し始めるものの、酸素が少なくなることにより燃焼が中断又は緩慢になり、その後、上記予混合気の燃焼等が進行して燃焼室の拡散が進行すると共に燃焼室の温度及び圧力が上昇するにつれて、濃混合気の燃焼が再度進行する、所謂２段燃焼が行われることになる。即ち、本発明においては、上記燃料供給手段により、燃焼室に上記濃領域を形成することで、２段燃焼を実現することができるので、燃焼室における最高到達圧力の上昇を抑制することができるので、出力を高く設定してもノッキングを良好に抑制することができる。
【００１４】
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、前記燃料供給手段が、前記燃焼室の天井面に沿って前記濃領域を形成するように、前記燃焼室に前記燃料を供給する手段である点にある。
【００１５】
即ち、上記第二特徴構成によれば、上記燃料供給手段により、燃料をピストンの動作による影響が少ない燃焼室の天井面に沿って供給して、燃焼室の天井面に沿って前記濃領域を形成することで、圧縮行程中において安定して燃焼室の天井面に維持することができ、その濃領域の濃混合気の自己着火タイミングを安定させることができる。
【００１６】
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、前記燃料供給手段が、前記燃焼室の天井面に形成された燃料供給口と、前記燃料供給口の前記燃焼室側を覆う弁体と、前記弁体を作動して前記燃料供給口を開閉する作動部とからなる点にある。
【００１７】
即ち、上記第三特徴構成によれば、燃焼室の天井面に形成された燃料供給口から燃焼室に供給された燃料を、燃焼供給口を覆う上記弁体に沿わせて、良好に燃焼室の天井面に沿わせて供給することができ、更に、上記作動部により、弁体の開閉タイミングを調整して、燃焼室へ直接供給される燃料の供給条件を容易に調整することができる。
【００１８】
【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１００の実施の形態を図１に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示す予混合圧縮着火エンジン１００には、シリンダ３の内面とピストン４の頂面とで規定される燃焼室１０と、燃焼室１０に吸気弁１を介して接続された吸気路１３と、燃焼室１０に排気弁２を介して接続された排気路１４とが設けられている。
【００２０】
ピストン４は連結棒８に揺動自在に連結されており、ピストン４の往復動は連結棒８によって１つのクランク軸９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ない。
【００２１】
吸気路１３に配置されたミキサ２１において、例えば過給機によって加圧され吸気路１３を流通する空気に、燃料供給路１５に供給された天然ガス系都市ガスの燃料を供給して、吸気路１３に予混合気が形成され、その予混合気が燃焼室１０に吸気される。
【００２２】
そして、予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室１０に吸気された予混合気を、ピストン４の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、予混合気を自己着火させて燃焼させるように構成されている。
【００２３】
ミキサ２１は、コンピュータからなる制御装置４０からの信号により、燃料供給量を調整して、燃焼室１０に吸気される予混合気の当量比を調整可能に構成されている。
【００２４】
このような予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室１０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予混合気を燃焼させるため、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、更に予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。
【００２５】
予混合圧縮着火エンジン１００には、燃焼室１０の圧力を測定することにより燃焼状態としての実際の自己着火タイミングを検出可能な圧力センサ１７、燃焼状態としてのノッキングの発生を検出可能なノッキングセンサ１８、クランク軸９の回転角度を測定することにより燃焼状態としてのクランク軸９の回転数を検出可能なクランク角センサ１９等が、燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段Ａとして設けられている。
【００２６】
また、予混合圧縮着火エンジン１００には、上記ミキサ２１とは別に、燃焼室１０に直接燃料を供給する燃料供給手段Ｂが設けられ、燃料供給手段Ｂは、吸気行程の後期又は圧縮行程の前期に、燃焼室１０の天井面に沿って燃料を供給して、燃焼室１０の天井面に沿った領域を、上記ミキサ２１により生成され吸気される予混合気よりも当量比が大きい濃混合気からなる濃領域１０ｂとするように構成されている。
【００２７】
詳しくは、上記燃料供給手段Ｂは、燃料供給路１５に接続され燃焼室１０の天井面の略中央部に開口する燃料供給口３１と、上記燃料供給口３１の燃焼室１０側を覆うように配置された弁体３２と、その弁体３２を作動して上記燃料供給口３１を開閉自在なアクチュエータからなる作動部３３とで構成され、燃燃料供給口３１から、燃料を、燃焼供給口３１を覆う上記弁体３２の上面に沿わせて、良好に燃焼室１０の天井面に沿わせて供給することができ、更に、上記作動部３３は、制御装置４０からの信号により、弁体３１の開閉タイミング（例えば、開状態に維持する時間間隔）を調整して、燃焼室１０への燃料供給量又はその供給タイミングである供給条件を容易に調整することができる。
【００２８】
予混合圧縮着火エンジン１００の燃焼室１０においては、吸気路１３から吸気され上記濃領域１０ｂ以外の全体に渡って分布する予混合気からなる希薄領域１０ａと、燃料供給手段Ｂにより直接供給された燃料により燃焼室１０の天井面に沿ってシリンダ軸心を中心に均一に分布する濃混合気からなる濃領域１０ｂとが、存在することになる。そして、圧縮行程の終了時に、濃領域１０ｂにおける濃混合気が、それよりも当量比が小さい希薄領域１０ａにおける予混合気よりも早く自己着火を開始し、次に、希薄領域１０ａの予混合気が、上記濃混合気の自己着火に続いて自己着火を開始する。よって、上記燃料供給手段Ｂが燃焼室１０に直接供給する燃料の供給量又はその供給タイミングである供給条件を調整して、上記濃領域１０ｂに供給される燃料量やその燃料の混合時間等の上記濃領域１０ｂの状態をを調整することで、予混合圧縮着火エンジン１００の自己着火タイミングを調整することができる。即ち、燃焼室１０に直接供給される燃料量を増加させることにより自己着火タイミングを進角側に調整することができ、逆に、燃焼室１０に直接供給される燃料量を減少させることにより自己着火タイミングを遅角側に調整することができる。また、燃焼室１０への燃料の供給タイミングを早めることで、燃料の混合時間が増加して、燃焼室１０ｂにおいて上記濃領域１０ｂが占める割合を減少させ、自己着火タイミングを遅角側に調整することができ、逆に、燃焼室１０への燃料の供給タイミングを遅めることで、燃料の混合時間が減少して、燃焼室１０ｂにおいて上記濃領域１０ｂが占める割合を増加させ、自己着火タイミングを進角側に調整することができる。
【００２９】
また、燃焼室１０における濃領域１０ｂの濃混合気は、希薄領域１０ａの予混合気よりも早く着火し始めるものの、酸素が少なくなることにより燃焼が中断又は緩慢になり、その後、上記希薄領域１０ａの予混合気の燃焼等が進行して燃焼室の拡散が進行するにつれて、濃混合気の燃焼が再度進行する、所謂２段燃焼が行われることになる。即ち、予混合圧縮着火エンジン１００は、燃料供給手段Ｂにより、燃焼室１０に上記濃領域１０ｂを形成することで、２段燃焼を実現して、燃焼室１０における最高到達圧力の上昇を抑制することができ、よって、出力を高く設定してもノッキングを良好に抑制することができる。
【００３０】
また、予混合圧縮着火エンジン１００の制御装置４０は、上記燃焼状態検出手段Ａの検出結果に基づいて、上記燃料供給手段Ｂにより燃焼室１０への燃料の供給量又は供給タイミング等の供給条件を制御する制御手段Ｃとして機能するように構成されている。
【００３１】
即ち、圧力センサ１７で検出された実際の自己着火タイミングが、適切な自着火タイミングでない場合には、上記制御手段Ｃは、圧力センサ１７で検出された実際の自己着火タイミングが適切な自着火タイミングとなるように、上記燃料供給手段Ｂにより燃焼室１０の濃領域１０ｂに供給される燃料の供給条件を制御する。
【００３２】
また、制御手段Ｃは、ノッキングセンサ１８の検出結果によりノッキングの発生を認識した場合には、上記燃料供給手段Ｂにより燃焼室１０の濃領域１０ｂに供給される燃料量を減少させ、又は、上記燃料供給手段Ｂによる燃料室１０への燃料供給タイミングを早めて、自己着火タイミングを遅角側に調整することにより、ノッキングを回避することができる。
【００３３】
また、制御手段Ｃは、クランク角センサ１９により検出されるクランク軸９の回転数や出力のトルク変動、又は、圧力センサ１７の検出結果により、燃焼室１０における失火の発生を認識した場合には、上記燃料供給手段Ｂにより燃焼室１０の濃領域１０ｂに供給される燃料量を増加させ、又は、上記燃料供給手段Ｂによる燃料室１０への燃料供給タイミングを遅めて、自己着火タイミングを進角側に調整することにより、失火を回避することができる。
【００３４】
〔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。
〈１〉  上記実施の形態で説明した予混合圧縮着火エンジン１００の燃料供給手段Ｂは、図２に示すように構成することもできる。
即ち、図２に示す予混合圧縮着火エンジン１００の燃料供給手段Ｂは、燃料供給路１５から分岐する流路１６に開閉弁３５を備えると共に、流路１６の一端側の燃料供給口３１を覆うようにリード弁３４を備える。そして、制御装置４０により、開閉弁３５を開状態とし、更に、流路１６の圧力が燃焼室１０の圧力を上回るときには、上記リード弁３４は燃焼室１０側に起伏して、燃料供給口３１が開状態となり、燃焼室１０の天井面に沿って燃料を供給することができる。
【００３５】
〈２〉  上記実施の形態で説明した予混合圧縮着火エンジン１００においては、燃焼室１０の天井面を平面状として、濃領域１０ｂを燃焼室１０の天井面全体に渡って形成するように構成したが、例えば、燃焼室１０の中央部に凹部を設けると共に、燃料供給手段Ｂによりその凹部内に燃料を供給することにより、凹部内に上記濃領域１０ｂを形成するように構成することもできる。また、このように燃焼室１０の天井面に形成された凹部内に濃領域１０ｂを形成することで、燃焼室１０に直接供給した燃料を凹部内に保持し、濃領域１０ｂを安定して形成することができる。
【００３６】
〈３〉  本願発明の予混合圧縮着火エンジンにおいては、天然ガス、ガソリン、メタノール、水素、軽油等の任意の炭化水素系燃料を使用することができる。
【００３７】
〈４〉  予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃料の燃焼のための酸素含有ガスとしては、空気を用いるのが一般的であるが、空気の代わりに、酸素成分含有割合が空気に対して高い酸素富化ガス等を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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別の実施の形態を示す概略構成図
【符号の説明】
１０：燃焼室
１０ｂ：濃領域
１０ａ：希薄領域
１７：圧力センサ
１８：ノッキングセンサ
１９：クランク角センサ
２１：ミキサ
３１：燃料供給口
３２：弁体
３３：作動部
３４：リード弁
３５：開閉弁
４０：制御装置
１００：予混合圧縮着火エンジン
Ａ：燃焼状態検出手段
Ｂ：燃料供給手段
Ｃ：制御手段
【図１】
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【図２】
2004263665.tif 000004