(57)【要約】【課題】この発明は、吸気加熱手段や火花点火手段などの補助装置を設けることなく始動が可能であって且つ始動後はポンピングロスを低減した運転が可能である圧縮着火エンジン及びその運転制御方法を提供することを課題とする。【解決手段】エンジン燃焼室の吸気口及び排気口はそれぞれ吸気バルブ及び排気バルブによって開閉され、本エンジンはこれら吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを変更するための可変バルブ機構を有している。まずエンジン始動時には、スタータＯＮから可変バルブ機構により吸気バルブのみを上死点位置より遅開きする吸気加熱運転を行う。そして、スタータがＯＦＦになった時点、すなわちアイドリング状態の開始寸前に、可変バルブ機構を動作させて吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始し、排気バルブを上死点位置より早閉じにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタータＯＮから吸気バルブのみ遅開きする或いは排気バルブのみ早閉じする吸気加熱運転を行い、
スタータＯＦＦ時点に基づいて定められた所定の時点、若しくはスタータＯＦＦより前の時点に、前記吸気加熱運転から、それよりポンピングロスの少ない低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始する、
ことを特徴とする圧縮着火エンジン。
【請求項２】
前記運転切り替えは、スタータＯＦＦ時点に開始されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項３】
前記運転切り替えは、エンジンの全気筒に関して１燃焼サイクルが完了した時点、又は、それから所定時間経過時点に開始されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項４】
前記運転切り替えは、スタータＯＦＦより前の時点であってスタータＯＮから所定時間経過時点に開始されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項５】
前記運転切り替えは、排気温度が所定温度に達した時点、又は、エンジンの回転数が所定回転数に達した時点に開始されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項６】
前記低ロスＥＧＲ運転では、排気バルブを早閉じし且つ吸気バルブを遅開きする内部ＥＧＲが行われることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項７】
前記運転切り替えは、徐々に行われ、所定の移行期間をもって完了することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項８】
スタータＯＮから吸気バルブのみ遅開きする或いは排気バルブのみ早閉じする吸気加熱運転を行い、
スタータＯＦＦ時点に基づいて定められた所定の時点、若しくはスタータＯＦＦより前の時点に、前記吸気加熱運転から、それよりポンピングロスの少ない低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始する、
ことを特徴とする圧縮着火エンジンの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮着火エンジン及びその運転制御方法に関し、特にそのバルブ開閉タイミングの設定による制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮着火エンジンに関しては、従来より、排気バルブを早閉じして高温排気ガスを燃焼室内に残留させ、いわゆる内部ＥＧＲを行って、圧縮着火を行う方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２７６３９５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのような方法では、エンジンの始動時には未だ高温の排気ガスが得られていないため、始動時だけは専用の加熱装置が必要であったり、火花点火での始動が必要であったりしていた。また、上記特許文献１に記載の技術では、エンジン始動後のアイドリング期間中に吸気バルブのみを遅開きしているため、ポンピングロスの増大による燃費の悪化が懸念されている。
この発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、吸気加熱手段や火花点火手段などの補助装置を設けることなく始動が可能であって、且つ、始動後はポンピングロスを低減した運転が可能である、圧縮着火エンジン及びその運転制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、この発明に係る圧縮着火エンジンは、スタータＯＮから吸気バルブのみ遅開きする或いは排気バルブのみ早閉じする吸気加熱運転を行い、スタータＯＦＦ時点に基づいて定められた所定の時点、若しくはスタータＯＦＦより前の時点に、吸気加熱運転から、それよりポンピングロスの少ない低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始することを特徴とする。
前記運転切り替えは、スタータＯＦＦ時点に開始してもよく、エンジンの全気筒に関して１燃焼サイクルが完了した時点又はそれから所定時間経過時点に開始してもよく、また、スタータＯＦＦより前の時点であってスタータＯＮから所定時間経過時点に開始してもよく、さらに、排気温度が所定温度に達した時点又はエンジンの回転数が所定回転数に達した時点に開始してもよい。
また、低ロスＥＧＲ運転では、排気バルブを早閉じし且つ吸気バルブを遅開きする内部ＥＧＲが行われることが好ましい。
さらに、運転切り替えは、徐々に行われ、所定の移行期間をもって完了してもよい。
また、同目的を達成するための本発明に係る圧縮着火エンジンの運転制御方法は、スタータＯＮから吸気バルブのみ遅開きする或いは排気バルブのみ早閉じする吸気加熱運転を行い、スタータＯＦＦ時点に基づいて定められた所定の時点、若しくはスタータＯＦＦより前の時点に、前記吸気加熱運転から、それよりポンピングロスの少ない低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始する、ことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１を参照して、この発明の実施の形態１に係る圧縮着火エンジンの運転制御方法を説明する。本実施の形態の圧縮着火エンジンは、ガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）等に使用されているものである。エンジン燃焼室には吸気口及び排気口を介して吸気通路及び排気通路が連通され、吸気口及び排気口はそれぞれ吸気バルブ（ＩＶ）及び排気バルブ（ＥＶ）によって開閉される。また、本圧縮着火エンジンには、これら吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを変更するための可変バルブ機構が設けられている。また、燃料としては天然ガスが使用され、この天然ガスは吸気通路を介して燃焼室に供給される。
【０００７】
このような圧縮着火エンジンにおいて、まずエンジン始動時には、スタータＯＮから、図１（ａ）に示されるように、可変バルブ機構により吸気バルブのみを上死点位置より遅開きする吸気加熱運転を行う。これにより、燃焼室内が負圧になったところで吸気が始まり、吸気は勢い良く燃焼室内に流れ込んで断熱圧縮効果により効率よく加熱され、その結果、圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【０００８】
そして、スタータがＯＦＦになった時点、すなわち、アイドリング状態の開始寸前に、可変バルブ機構を動作させて吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを変更して吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始する。また、本実施の形態では、上述の吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えは、切り替え開始時に一瞬でなされるのではなく、徐々に運転状態の移行が進み、所定の移行期間をもって完了される。すなわち、スタータＯＦＦ時点から排気バルブが徐々に上死点位置より早閉じになり、所定の移行期間を経た後に、図１（ｂ）に示されるような早閉じ状態に落ち着く。排気バルブが早閉じし且つ吸気バルブが遅開きする状態になると、膨張（爆発）行程で生じた高温排気ガスが、排気行程において完全には排出されず、燃焼室内に残留する。そして、そのように残留した高温排気ガスが続く吸気行程で燃焼室内に吸入された吸気を暖め、内部ＥＧＲ効果を得ることができる。また、この低ロスＥＧＲ運転では、吸気バルブが遅開きするだけでなく排気バルブが早閉じしているため、図１（ａ）の吸気加熱運転よりもポンピングロスを低減することが可能となっている。
【０００９】
このように本実施の形態では、高温排気ガスが生成されていないスタータＯＮ直後のエンジン始動時からでも、吸気加熱手段や火花点火手段などの補助装置を用いる必要なく圧縮着火燃焼を行うことができ、尚且つ、アイドリング状態を含む通常運転時には内部ＥＧＲを行いながら、吸気バルブのみの遅開きに伴うポンピングロスも低減することが可能となる。したがって、エンジン使用全領域で圧縮着火燃焼を行うことができる。また、このような補助装置を設けない分だけ、エンジン全体のコストを低く抑えられると共に、エンジン全体の重量も低減することが可能である。さらに、ポンピングロス低減によって、燃費向上を図ることもできる。
【００１０】
実施の形態２．
次に、図２を参照して本発明の実施の形態２に係る圧縮着火エンジンの運転制御方法を説明する。この実施の形態２は、吸気加熱運転として、実施の形態１のように吸気バルブを遅開きすることに代えて、図２（ａ）に示されるように、排気バルブを早閉じするものである。すなわち、まず、可変バルブ機構で排気バルブを早閉じするように設定しておきスタータがＯＮされると、ピストンが上死点に達する手前で排気バルブが早閉じするため、燃焼室内の既存空気が圧縮され高温になったところで吸気が開始され、この高温の空気と吸気が混合されることにより吸気が効率よく加熱される。その結果、高温排気ガスが発生していないスタータＯＮ直後のエンジン始動時から圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。そして、一度圧縮着火燃焼が起こると、膨張（爆発）行程で生じた高温排気ガスは、排気バルブの早閉じによって排気行程には完全に排出されず、燃焼室内に残留し、かかる残留した高温排気ガスが続く吸気行程で燃焼室内に吸入された吸気を暖め、内部ＥＧＲ効果を得ることができるようになる。
【００１１】
ここで、図２（ａ）に示す吸気加熱運転は内部ＥＧＲ効果を得られてはいるものの、吸気バルブの開弁時期は通常と同様にピストン上死点付近であるためポンピングロスが若干存在する。そこで、本実施の形態２においても、スタータがＯＦＦになった時点、すなわち、アイドリング状態の開始寸前に、実施の形態１と同様に、可変バルブ機構を動作させて吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを変更して吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始する。また、本実施の形態でも、上述の吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えは、切り替え開始時に一瞬でなされるのではなく、徐々に運転状態の移行が進み、所定の移行期間をもって完了される。すなわち、スタータＯＦＦ時点から吸気バルブが徐々に上死点位置より遅開きになり、所定の移行期間を経た後に、図２（ｂ）に示されるような遅開き状態に落ち着く。このように排気バルブが早閉じし且つ吸気バルブが遅開きする状態では、負のオーバーラップにより内部ＥＧＲ効果が得られると共に、排気バルブが早閉じするだけでなく吸気バルブが遅開きしているため、図２（ａ）の吸気加熱運転よりもポンピングロスも低減することが可能となっている。
【００１２】
このようにしても、高温排気ガスが生成されていないスタータＯＮ直後のエンジン始動時から、吸気加熱手段や火花点火手段などの補助装置を用いる必要なく圧縮着火燃焼を行うことができ、尚且つ、アイドリング状態を含む通常運転時には内部ＥＧＲを行いながら、排気バルブのみの早閉じに伴うポンピングロスも低減することが可能となり、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００１３】
次に、図３に基づいて上記実施の形態１及び２の各運転時のポンピングロスについて説明する。実施の形態１における吸気加熱運転では、図３の（ａ）に斜線で示されるポンピングロスが生じており、すなわち、排気バルブが閉じた後、吸気バルブが開くまでの間、ピストンの下降動作により燃焼室内で減圧及び容積増加が進行しポンピングロスが大きくなっている。また、実施の形態２における吸気加熱運転では、図３の（ｂ）に斜線で示されるポンピングロスが生じており、すなわち、排気バルブが閉じた後、吸気バルブが開くまで間、ピストンの上昇動作により燃焼室内で加圧及び容積減少が進行し、やはりポンピングロスが大きくなっている。これに対して、実施の形態１及び２における低ロスＥＧＲ運転では、ポンピングロスは、図３の（ｃ）に斜線で示される状態に留まっており、図３の（ａ）及び（ｂ）の吸気加熱運転よりも大幅に小さくなっていることが分かる。
【００１４】
なお、本発明はさらに以下のような改変を施して実施することも可能である。まず、上述の実施の形態１及び２では、スタータがＯＦＦになった時点から低ロスＥＧＲ運転として、排気バルブを早閉じし且つ吸気バルブを遅開きする内部ＥＧＲを行ったが、その代わりに、排気バルブを吸気行程中に開弁させることによるＥＧＲを行うなど、ＥＧＲ効果を得る他の形態の運転を行うようにしてもよい。この場合の制御として、実施の形態１における低ロスＥＧＲ運転時には、吸気バルブを遅開きから通常の上死点付近での開弁に移行し、実施の形態２における低ロスＥＧＲ運転時には、排気バルブを早閉じから通常の上死点付近での閉弁に移行する。
【００１５】
また、上述の実施の形態１及び２では、スタータＯＦＦ時点に可変バルブ機構が吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始するようにしていたが、この代わりに、スタータＯＦＦから所定時間経過時点に運転切り替えを開始するようにしてもよい。
【００１６】
さらに、本発明において、吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えは、上述のようにスタータＯＦＦ時点、又は、スタータＯＦＦ時点から所定時間経過時点に開始する態様には限定されず、スタータＯＦＦより前の時点であれば、例えば以下のような時点で切り替えを開始してもよい。すなわち、エンジンの全気筒に関して１燃焼サイクル（吸気行程、圧縮行程、膨張（爆発）行程、排気行程）が完了した時点に運転切り替えを開始するようにしてもよい。また、全気筒に関して１燃焼サイクルが完了した時から所定時間経過時点に開始するようにしてもよい。また、スタータＯＦＦより前の時点であって、スタータＯＮから所定時間経過時点に開始するようにしてもよい。また、燃焼室からテールパイプの間の排気通路の任意位置に排気ガスの温度を検出する温度検出手段を設け、この温度検出手段により検出された排気温度が所定温度に達した時点で運転切り替えを開始するようにしてもよい。さらに、エンジンの回転数を検出する回転数検出手段を設け、この回転数検出手段により検出されたエンジンの回転数が所定回転数に達した時点で、運転切り替えを開始するようにしてもよい。
【００１７】
また、上述の実施の形態１及び２では、吸気加熱運転から低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えは、徐々に運転状態の移行が進み、所定の移行期間をもって完了されるようになっていたが、この代わりに、切り替え開始時に一瞬で完了されるようにしてもよい。
【００１８】
また、上述の実施の形態では、燃料として天然ガスを使用していたが、その代わりに、都市ガス及びプロパンガス等のガス燃料をそのまま使用することができる。また、本発明の圧縮着火エンジンは、ガソリンや軽油などを燃料として実施してもよい。さらに、エンジンの気筒の数は４気筒に限られず、６気筒や８気筒でもよく、その形式も直列型だけでなくＶ型や水平対向型などでもよく、特に限定されるものではない。
可変バルブ機構としては、油圧式や電動式のものが考えられる。また、それ以外にも、温度によって形状が変化する形状記憶合金やワックスを使用してバルブの開閉時期を可変とすることも考えられる。
また、油圧式の可変バルブ機構を使用する際には、例えば、アキュムレータ（畜圧器）を使用したり、あるいは油圧を可変バルブ機構に集中させたりして、始動時の油圧が上昇しにくい状態をカバーすることも考えられる。
また、本発明は、空気に燃料を混合して形成した混合気を燃焼室内でピストンにより圧縮して圧縮着火燃焼を行うエンジン（予混合圧縮着火エンジン）に適用できることはもちろん、ピストンにより圧縮された気体に燃料を直接噴射して圧縮着火燃焼を行うエンジンにも適用することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、スタータＯＮから吸気バルブのみ遅開きする或いは排気バルブのみ早閉じする吸気加熱運転を行い、アイドリング開始前に、吸気加熱運転から、それよりポンピングロスの少ない低ロスＥＧＲ運転への運転切り替えを開始するようにしたので、吸気加熱手段や火花点火手段などの補助装置を設けることなく始動が可能であって、且つ、始動後はポンピングロスを低減した運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る圧縮着火エンジンの運転制御方法の吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２に関する吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。
【図３】本発明に関する吸気加熱運転及び低ロスＥＧＲ運転についてのポンピングロスを示すＰ−Ｖ線図である。
【符号の説明】
ＩＶＯ  吸気バルブの開弁時、ＩＶＣ  吸気バルブの閉弁時、ＥＶＯ  排気バルブの開弁時、ＥＶＣ  排気バルブの閉弁時。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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