(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、燃焼室５に形成された混合気を設定点火時期に点火する点火手段１３を備えたエンジン１００であって、環境条件の変化による効率低下を抑制しながら、排ガス性状の改善を実現することができる火花点火式のエンジン１００を提供する点にある。【解決手段】  燃焼室５から排出された排ガスの性状を検出する排ガス性状検出手段１８と、排ガス性状検出手段の検出結果に基づいて設定点火時期を補正する点火時期補正手段３２とを備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に形成された混合気を設定点火時期に点火する点火手段を備えたエンジンであって、
前記燃焼室から排出された排ガスの性状を検出する排ガス性状検出手段と、
前記排ガス性状検出手段の検出結果に基づいて前記設定点火時期を補正する点火時期補正手段とを備えたエンジン。
【請求項２】
エンジン出力の減少に伴って前記設定点火時期を遅角化する形態で、前記設定点火時期を決定する点火時期決定手段を備えた請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記排ガス性状検出手段が、排ガス中の窒素酸化物濃度、排ガス中の酸素濃度、排ガス中の一酸化炭素濃度、又は、排ガスの温度を前記排ガスの性状として検出する手段であり、
前記点火時期補正手段が、前記排ガス中の窒素酸化物濃度の増加、前記排ガス中の一酸化炭素濃度の減少、又は、前記排ガスの温度の上昇に伴って前記設定点火時期を遅角側に補正するように構成されている請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
一の前記燃焼室に対して複数の前記点火手段を配置して多点点火式に構成されている請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項５】
燃焼室に形成された混合気を点火する点火手段と、前記燃焼室から排出された排ガスの性状を検出する排ガス性状検出手段とを備えたエンジンにおいて、前記排ガス性状検出手段の検出結果に基づいて前記点火手段の点火時期を制御することを特徴とするエンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に形成された混合気を設定点火時期に点火する点火手段を備えたエンジン及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室に形成された混合気を所定の設定点火時期に点火する点火プラグ（点火手段）を備えたエンジンの所謂火花点火式のエンジンにおいて、排ガス中の窒素酸化物濃度を低減する方法等の排ガス性状の改善方法として、設定点火時期を排ガス性状が改善するような適正な時期に設定する方法がある（例えば、特許文献１を参照。）。
具体的には、エンジン出力等の減少に伴って設定点火時期が遅角化する形態で設定点火時期を設定することで、燃焼圧力及び温度を低下させて、排ガス中の窒素酸化物濃度を低減させることができる。
【０００３】
ガスヒートポンプ等の熱源システムで使用される火花点火式のエンジンは、部分出力運転（定格出力運転よりも小さい出力での運転）時での運転時間が長く、部分出力運転時における高効率化が望まれる。そこで、火花点火式のエンジンにおいて、部分出力運転時におけるポンピングロスを低減し高効率化を図る方法として、部分出力運転時には燃料が空気に対して希薄な希薄混合気を燃焼させる希薄燃焼運転に移行する方法がある（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３０９９８６号公報
【特許文献２】特開２００３−１８４６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述のような排ガス中の窒素酸化物濃度を低減のための設定点火時期の遅角化は、燃焼の遅れ等により、効率低下を招く場合がある。
特に、熱源システムで使用される火花点火式のエンジンは、設置場所の気温や湿度等の環境条件が様々であり、環境条件が変化した場合でも充分に排ガス中の窒素酸化物濃度が規制値以下となるように、点火時期を充分に遅角化すると、大幅な効率低下を招く場合がある。
【０００６】
特に、部分出力運転時に希薄燃焼運転に移行するように構成された火花点火式のエンジンにおいては、設定点火時期を遅角化することで、その希薄混合気の燃焼状態が非常に不安定になり、大幅な効率低下を招く場合がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、環境条件の変化による効率低下を抑制しながら、排ガス性状の改善を実現することができる火花点火式のエンジンを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、燃焼室に形成された混合気を設定点火時期に点火する点火手段を備えたエンジンであって、その第１特徴構成は、前記燃焼室から排出された排ガスの性状を検出する排ガス性状検出手段と、
前記排ガス性状検出手段の検出結果に基づいて前記設定点火時期を補正する点火時期補正手段とを備えた点にある。
【０００９】
また、上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの制御方法は、上記第１特徴構成のエンジンにより実行され、燃焼室に形成された混合気を点火する点火手段と、前記燃焼室から排出された排ガスの性状を検出する排ガス性状検出手段とを備えたエンジンにおいて、前記排ガス性状検出手段の検出結果に基づいて前記点火手段の点火時期を制御することを特徴とする。
【００１０】
上記第１特徴構成によれば、上記点火時期補正手段により、上記排ガス性状検出手段の検出結果に基づいて設定点火時期を補正することで、例えば設定点火時期が標準的な環境条件に合わせて適切に設定されており、実際の設置場所の環境条件が標準的なものと異なる場合においても、その環境条件の差による排ガス性状の悪化を改善する程度に、設定点火時期を適切に補正して、効率低下を最小限に抑制することができる。
従って、本発明により、環境条件の変化による効率低下を抑制しながら、排ガス性状の改善を実現することができる火花点火式のエンジンを提供することができた。
【００１１】
本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、エンジン出力の減少に伴って前記設定点火時期を遅角化する形態で、前記設定点火時期を決定する点火時期決定手段を備えた点にある。
【００１２】
上記第２特徴構成によれば、上記点火時期決定手段により、例えばエンジン出力やエンジン回転数等に対して適切な設定点火時期を規定する点火時期テーブルを参照して、エンジン回転数の検出により認識したエンジン出力の減少に伴って設定点火時期を遅角化する形態で、設定点火時期を決定することで、エンジン出力が減少して例えば部分出力運転を行った場合には、設定点火時期を遅角化することで、燃焼圧力及び温度を低下させて、排ガス中の窒素酸化物濃度等を低減させ排ガス性状を改善することができ、逆にエンジン出力が増加して例えば定格運転を行った場合には、設定点火時期を進角化することで燃焼の遅れを改善し効率を向上することができる。
そして、上記点火時期補正手段により、このように決定した設定点火時期を排ガス性状に基づいて適切に補正することで、設定点火時期の補正幅を小さくして、効率低下を一層抑制することができる。
【００１３】
本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、前記排ガス性状検出手段が、排ガス中の窒素酸化物濃度、排ガス中の酸素濃度、排ガス中の一酸化炭素濃度、又は、排ガスの温度を前記排ガスの性状として検出する手段であり、
前記点火時期補正手段が、前記排ガス中の窒素酸化物濃度の増加、前記排ガス中の一酸化炭素濃度の減少、又は、前記排ガスの温度の上昇に伴って前記設定点火時期を遅角側に補正するように構成されている点にある。
【００１４】
排ガス中の窒素酸化物濃度は、その窒素酸化物濃度そのものを検出することができるが、その窒素酸化物濃度の増減と同様に増減する排ガス中の酸素濃度、その窒素酸化物濃度の増減と同様に昇降する排ガスの温度、又は、その窒素酸化物濃度とトレードオフの関係で増減する排ガス中の一酸化炭素濃度から推定することもできる。
そこで、上記第３特徴構成によれば、上記排ガス性状検出手段は、排ガス中の窒素酸化物濃度の他、排ガス中の一酸化炭素濃度、又は、排ガスの温度を排ガスの性状として検出するように構成することができ、そして、上記点火時期補正手段が、排ガス中の一酸化炭素濃度の減少、又は、排ガスの温度の上昇というように、排ガス性状が排ガス中の窒素酸化物が増加する傾向にある場合には、その窒素酸化物の増加傾向に伴って設定点火時期を遅角側に補正して、排ガス中の窒素酸化物濃度等を低減させ排ガス性状を改善し、逆に、排ガス中の一酸化炭素濃度の増加、又は、排ガスの温度の低下というように、排ガス性状が排ガス中の窒素酸化物が減少する傾向にある場合には、その窒素酸化物の減少傾向に伴って設定点火時期を進角側に補正して、燃焼の遅れを改善し効率を向上することができる。
【００１５】
本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、一の前記燃焼室に対して複数の前記点火手段を配置して多点点火式に構成されている点にある。
【００１６】
上記第４特徴構成によれば、一の燃焼室に対して複数の点火手段を配置して、希薄混合気を多点で点火する運転所謂多点点火運転を行うことで、部分出力運転時において設定点火時期の遅角化を行っても、希薄混合気を安定して燃焼させて効率低下を一層抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係るエンジンの実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すエンジン１００は、シリンダ９と、シリンダ９の上部に連結されたシリンダヘッド１２とを有し、シリンダ９内には、連結棒７を介しクランク軸８に連結されたピストン６が往復移動自在に収容されている。そして、ピストン６の頂面と、シリンダ９の内面と、シリンダヘッド１２の下面とによって燃焼室５が形成されている。
そして、燃焼室５には、吸気路１及び排気路３が開口され、燃焼室５の吸気路１側には吸気弁２が、燃焼室５の排気路３側には排気弁４が設けられている。また、シリンダヘッド１２には下面の略中央を挟んで２つの点火プラグ１３（点火手段の一例）が対称的に配設されている。
【００１８】
エンジン１００の吸気路１には、吸気路１を流通する空気Ａに、天然ガスである燃料Ｇを供給して混合気を形成するミキサ１０と、吸気路１の流路断面積を調整可能なスロットルバルブ１５とが上流側から順に配置されている。
【００１９】
エンジン１００の排気路３には、燃焼室５から排気路３に排出された排ガスＥの性状を検出する排ガス性状検出手段１８が設けられている。この排ガス性状検出手段１８は、排ガス性状としての排ガスＥ中の窒素酸化物濃度を検出するＮＯｘセンサ１８ａ、排ガス性状としての排ガスＥ中の酸素濃度を検出するＯ２センサ１８ｂ、排ガス性状としての排ガスＥ中の一酸化炭素濃度を検出するＣＯセンサ１８ｃ、又は、排ガス性状としての排ガスＥの温度を検出する温度センサ１８ｄなどから構成されている。
【００２０】
クランク軸８には、そのクランク角を検出するクランク角センサ２３が設けられており、そのクランク角センサ２３で検出したクランク角の単位時間当りの変化状態からエンジン回転数が認識される。
【００２１】
エンジン１００の各種制御は、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）３０によって行われる。そのため、各種センサの出力信号がＥＣＵ３０に入力され、ＥＣＵ３０ではこれら入力された信号に基づいて各種制御の演算を行うように構成されている。
【００２２】
具体的に、ＥＣＵ３０は、要求されるエンジン出力に対してスロットルバルブ１５を作動させて、燃焼室５への混合気の吸気量を調整してエンジン出力を調整するように構成されている。
また、エンジン出力は、クランク軸８にかかるトルクが一定である場合には、クランク角センサ２３の検出結果から認識したエンジン回転数から認識することができる。
【００２３】
また、ＥＣＵ３０は、Ｏ２センサ１８ｂにより検出された排ガスＥ中の酸素濃度が所定値となるように、ミキサ１０における燃料Ｇの供給量を制御することで、ミキサ１０において形成される混合気の当量比を、そのときのエンジン出力に合った適切な当量比に設定するように構成されている。
具体的に、ＥＣＵ３０は、混合気の当量比を、定格出力運転時には理論当量比程度に設定し、一方、部分出力運転時には定格出力運転時よりも小さい例えば０．６程度に設定することで、部分出力運転時において、燃料Ｇが空気Ａに対して希薄な希薄混合気を燃焼させる希薄燃焼運転に移行して、ポンピングロスを低減し高効率化を図るように構成されている。
【００２４】
ＥＣＵ３０は、点火プラグ１３に接続されたイグナイタ１４に点火制御信号を出力して、作動させる点火プラグ１３の数や点火プラグ１３の設定点火時期を調整可能に構成されている。
【００２５】
また、ＥＣＵ３０は、上記作動させる点火プラグ１３の数を、そのときのエンジン出力に合った適切な数に設定するように構成されている。
具体的に、ＥＣＵ３０は、定格出力運転時において作動させる点火プラグ１３の数を１個として、定格出力運転時におけるノッキングの回避を図ると共に、部分出力運転時において作動させる点火プラグ１３の数を２個として希薄混合気を多点で点火する運転所謂多点点火運転を行うことで、希薄混合気を安定して燃焼させ、効率向上を図るように構成されている。
【００２６】
また、ＥＣＵ３０は、点火プラグ１３による設定点火時期を、そのときのエンジン出力に合った適切なものに決定する点火時期決定手段３１として機能するように構成されている。
【００２７】
具体的に、点火時期決定手段３１は、予め実験的又は経験的に求められたエンジン回転数に対して適切な設定点火時期を規定する点火時期テーブルを備え、その点火時期テーブルを参照して、クランク角センサ２３の検出結果から認識したエンジン回転数が減少してエンジン出力が減少するほど、点火プラグ１３の設定点火時期を遅角化する形態で、設定点火時期を決定することで、定格出力運転時においては設定点火時期を比較的進角側に決定して高効率化を図りながら、部分出力運転時においては設定点火時期を比較的遅角側に決定して排ガスＥ中の窒素酸化物濃度を低減させることができる。
【００２８】
更に、ＥＣＵ３０は、排ガス性状検出手段１８の検出結果、即ち、ＮＯｘセンサ１８ａにより検出した排ガスＥ中の窒素酸化物濃度、Ｏ２センサ１８ｂにより検出した排ガスＥ中の酸素濃度、ＣＯセンサ１８ｃにより検出した排ガスＥ中の一酸化炭素濃度、又は、温度センサ１８ｄにより検出した排ガスＥの温度である排ガス性状に基づいて、点火プラグ１３の設定点火時期を補正する点火時期補正手段３２として機能するように構成されている。
具体的に、点火時期補正手段３２は、上記排ガス性状検出手段１８の検出結果から、排ガスＥ中の窒素酸化物濃度が増加し、例えば５０ｐｐｍ等に設定された閾値を超える傾向にあると認識した場合に、点火時期決定手段３１により決定した設定点火時期を、排ガスＥ中の窒素酸化物濃度が閾値以下となるまで遅角側に補正して排ガス性状を改善し、逆に、排ガスＥ中の窒素酸化物濃度が減少し、例えば５０ｐｐｍ等に設定された閾値を比較的大幅に下回る傾向にあると認識した場合に、点火時期決定手段３１により決定した設定点火時期を、排ガスＥ中の窒素酸化物濃度が閾値以下となる範囲内においてできるだけ進角側に補正して燃焼の遅れによる効率低下を抑制するように構成されている。
【００２９】
そして、点火時期補正手段３２により点火プラグ１３の設定点火時期を補正することで、環境条件の変化に拘わらず排ガスＥ中の窒素酸化物濃度を規制値以下に維持される。
また、点火時期補正手段３２の補正対象を点火時期決定手段３１により適切に決定された点火プラグ１３の設定点火時期とすることで、設定点火時期の補正幅ができるだけ小さくなり、効率低下が一層抑制される。
【００３０】
〔別実施の形態〕
（１）  上記実施の形態において、点火時期決定手段３１により、エンジン出力の減少に伴って設定点火時期を遅角化する形態で、設定点火時期を決定したが、別に、点火時期決定手段３１を省略して、設定点火時期を一定時期に設定しても構わない。
【００３１】
（２）  上記実施の形態において、排ガス性状検出手段１８としては、ＮＯｘセンサ１８ａ、Ｏ２センサ１８ｂ、ＣＯセンサ１８ｃ、及び、温度センサ１８ｄ以外の、排ガスＥ中の窒素酸化物濃度を推定可能な排ガス性状を検出可能なセンサで構成しても構わない。
【００３２】
（３）  上記実施の形態では、部分出力運転時において希薄混合気を安定して燃焼させるために点火プラグ１３を２個設けて多点点火運転を行うように構成したが、別に点火プラグ１３の数を１個としても構わない。
また、点火プラグ１３の数を複数個とする場合に、夫々の点火プラグ１３の点火時期を異なるものに設定しても構わない。
【００３３】
（４）  上記実施の形態において、燃料Ｇとして天然ガスを用いたが、燃料として、天然ガス以外の炭化水素系気体燃料、又はガソリン、軽油、重油、アルコール、水素等の燃料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態を示す概略構成図
【符号の説明】
【００３５】
１：吸気路
３：排気路
５：燃焼室
８：クランク軸
１０：ミキサ
１３：点火プラグ
１５：スロットルバルブ
１８：排ガス性状検出手段
３０：ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）
３１：点火時期決定手段
３２：点火時期補正手段
Ｅ：排ガス
【図１】
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