(57)【要約】【課題】予混合圧縮自着火式ガスエンジンの機関性能・効率を高めて高出力化を達成するとともに、低燃費化をはかる。【解決手段】各燃焼室１１に供給する混合気に排気ガスを混合するＥＧＲ管４と、エンジン１の回転速度の変動から各気筒のトルクを求めるトルク演算手段（電磁ピックアップ１３等）と、各気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力センサ１４を設け、前記トルクの演算値に基づいてガスインジェクタ２７を制御して各気筒の燃焼室１１への燃料ガスのガス供給量を制御するとともに、筒内圧力の検出値に基づいて前記混合気に混合するＥＧＲ量を制御することで、各気筒間におけるトルクを均等に制御した上で、各気筒の最高筒内圧力を許容値以下に抑える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を有し、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を前記複数の気筒の各燃焼室にそれぞれ供給して、その各燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、各燃焼室に供給する混合気に排気ガスを混合するＥＧＲ手段と、エンジン回転速度の変動から各気筒のトルクを求めるトルク演算手段と、各気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段とを備え、前記トルクの演算値に基づいて各気筒の燃焼室への燃料ガスのガス供給量を制御するとともに、前記筒内圧力の検出値に基づいて前記混合気に混合するＥＧＲ量を制御するように構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火式ガスエンジン。
【請求項２】
燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、排気管及び吸気管にそれぞれ熱交換器を設け、それら排気管の熱交換器と吸気管の熱交換器との間において熱媒体を循環させることにより前記混合気を加熱するように構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火式ガスエンジン。
【請求項３】
燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、排気管に配置されたタービンと吸気管に配置されたコンプレッサからなる過給機が設けられているとともに、その過給機のコンプレッサの入口に排気ガスを戻すＥＧＲ流路が形成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火式ガスエンジン。
【請求項４】
前記過給機のタービンの上流側の排気管を静圧配管とするとともに、そのタービン上流側の排気管内に酸化触媒を設けたことを特徴とする請求項３記載の予混合圧縮自着火式ガスエンジン。
【請求項５】
燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、排気弁をピストンがＴＤＣに達する前に閉じることにより、未燃のＨＣとホルムアルデヒドを燃焼室内に閉じ込めるように構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火式ガスエンジン。
【請求項６】
燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、前記燃焼室に連通する吸気管に燃料ガスを噴射するガスインジェクタを備え、失火が発生している場合、吸気弁閉時期の直前に前記ガスインジェクタから燃料ガスを噴射するように構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火式ガスエンジン。
【請求項７】
燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、前記燃焼室に連通する吸気管に燃料ガスを噴射するガスインジェクタを備え、ノッキングが発生している場合、吸気弁開時期の直前に前記ガスインジェクタから燃料ガスを噴射するように構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火式ガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は予混合圧縮自着火式ガスエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスエンジン等の内燃機関の空気過剰率と排出ＮＯX量の関係を図１４に示す。
【０００３】
図１４に示すように、火花点火式の内燃機関（単室式）では、一般に運転されている範囲つまり空気過剰率が１．５〜１．６程度の範囲ではＮＯXの排出量が結構高い。排出ＮＯXを抑えるには空気過剰率を高くすればよいが、単室式の内燃機関の場合、空気過剰率が１．８程度になると火花点火による着火を行うことができない。また、空気過剰率を高くして排出ＮＯX量を抑える方式として副室式の内燃機関があるが、この場合でも、空気過剰率が２．３程度を超えると火花点火による着火が不可になる。このように、火花点火式の内燃機関では、空気過剰率が２．３程度以下の範囲（０．８〜２．３の範囲）でなければ燃焼（運転）を行うことができない。
【０００４】
また、火花点火式の内燃機関においては、図１５に示すように、ＮＯXと熱効率（図示効率）とがトレードオフの関係にあり、ＮＯXを低減させようとすると、熱効率も下がるという特性がある。このような特性が現れる理由は、火花点火式の内燃機関では、火炎を１点から伝播させるため、ＮＯXを低減するために燃料ガスを薄くした場合（空気過剰率を高くした場合）、燃焼速度が低くなって図示効率が上がらず、運転性能が悪くなることによる。
【０００５】
一方、ガスエンジン等の内燃機関として、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に高温で吸入して圧縮することにより自着火させる予混合圧縮自着火式（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）の内燃機関がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この予混合圧縮自着火式の内燃機関は、燃焼室内の複数点で火種が発生するので、燃焼速度が速くて燃焼室の全域にわたって均一な燃焼を得ることができる。従って、ＮＯXと熱効率（図示効率）との間においてトレードオフの関係がなく、高い熱効率を維持しながら排出ＮＯXを少量に抑えることができるという利点がある（図１４参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４０５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、予混合圧縮自着火式のガスエンジンにおいては、前記したように燃焼室内での燃焼速度が極めて速いため、トルクを高めるために燃料ガスの供給量を多くすると筒内圧力も上昇し、筒内圧力が高くなり過ぎるとエンジンが破損する場合がある。
【０００８】
一方、最高筒内圧力を許容値（安全値）以下に抑えるために、供給ガス量を制御して燃焼速度を低くすると、燃料ガスの供給量が不足してトルク不足となり、気筒間の出力のばらつきが大きくなって機関性能が低下するという課題がある。
【０００９】
また、予混合圧縮自着火式のガスエンジンでは、図１４に示すように、未燃（燃え残り）のＨＣ（ハイドロカーボン）の排出量が多いという欠点があり、そのＨＣ量を少なくすることも予混合圧縮自着火式ガスエンジンの１つの課題である。
【００１０】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、機関性能・効率が良好で高出力化を達成することでき、しかも燃費が良好な予混合圧縮自着火式ガスエンジンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、複数の気筒を有し、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を前記複数の気筒の各燃焼室にそれぞれ供給して、その各燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、各燃焼室に供給する混合気に排気ガスを混合するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）手段と、エンジン回転速度の変動から各気筒のトルクを求めるトルク演算手段と、各気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段とを備え、前記トルクの演算値に基づいて各気筒の燃焼室への燃料ガスのガス供給量を制御するとともに、前記筒内圧力の検出値に基づいて前記混合気に混合するＥＧＲ量を制御するように構成されていることによって特徴づけられる。
【００１２】
この発明によれば、各気筒のトルク検出値に基づいて、燃焼室へのガス供給量を各気筒ごとにそれぞれ個別に制御するので、トルク不足にならずに済み、各気筒間のトルクのばらつきを小さくすることができる。その結果、機関性能が向上する。さらに、各気筒の筒内圧力を検出し、その筒内圧力の検出値に基づいて混合気に混合するＥＧＲ量を制御しているので、前記したようなトルク制御を行っても筒内圧力が高くなり過ぎることを防止できる。すなわち、燃焼室に供給する混合気へのＥＧＲ量を多くすると、燃焼室内での燃焼速度が緩やかになるので、各気筒間におけるトルクを均等に制御した上で、各気筒の最高筒内圧力を許容値（安全値）以下に抑えることが可能になる。
【００１３】
本発明は、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、排気管及び吸気管にそれぞれ熱交換器を設け、それら排気管の熱交換器と吸気管の熱交換器との間において熱媒体（例えばオイル）を循環させることにより前記混合気を加熱するように構成されていることによって特徴づけられる。
【００１４】
この発明によれば、高温の排気ガスの排熱を利用して、混合気を高温に加熱することができるので、混合気を予混合圧縮自着火が成立する温度（以下、「ＨＣＣＩ成立温度」という）に短時間で加熱することができる。
【００１５】
本発明は、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、排気管に配置されたタービンと吸気管に配置されたコンプレッサからなる過給機が設けられているとともに、その過給機のコンプレッサの入口に排気ガスを戻すＥＧＲ流路が形成されていることによって特徴づけられる。
【００１６】
この発明によれば、過給機のコンプレッサ入口にホットＥＧＲを戻して混合気温度を上昇させ、さらに混合気を過給機にて過給圧縮した後に燃焼室内で圧縮するので、混合気をＨＣＣＩ成立温度に効率良く加熱することができ、例えばラジエータ冷却水や排気ガスから排熱回収して混合気を加熱する場合に比べて、エンジンの総合効率を高めることができる。
【００１７】
この発明において、過給機のコンプレッサの出口側に小型の冷却器（インタークーラ）を設けて、混合気温度を制御するようにすれば、各燃焼室内での燃焼速度を遅くすることができ、筒内圧力が高くなり過ぎることを防止できる。
【００１８】
この発明において、過給機のタービンの上流側の排気管を静圧配管とするとともに、そのタービン上流側の排気管内に酸化触媒を設けておいてもよい。このような構成を採用すると、酸化触媒においてＣＯ及びＨＣを転換（酸化）する際に生じる熱にて排気ガスが加熱されるので、過給機のタービンに流入する排気ガスのエネルギを高めることができる結果、過給機圧縮後の混合気温度を更に高めることができる。しかも、酸化触媒をタービンの上流側の排気管つまり圧力の高い側の管内に配置しているので、触媒層の圧力が高くなり触媒の転換率が向上する（図１３（ａ）参照）。さらに、タービン上流側の高温の排気ガスにて酸化触媒が加熱されて触媒層温度が上昇するので（図１３（ｂ）参照）、触媒の転換率が更に向上するという利点もある。
【００１９】
なお、この発明に用いる酸化触媒としては、コージライトまたはメタル担体の触媒を挙げることができるが、触媒による圧力損失増大と触媒の脱落（脱落片の発生）を防止する点を考慮すると、現状ではメタル担体の触媒を使用することが好ましい。
【００２０】
本発明は、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、排気弁をピストンがＴＤＣ（上死点：Ｔｏｐ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｒｅ）に達する前に閉じることにより、未燃のＨＣとホルムアルデヒドを燃焼室内に閉じ込めるように構成されていることを特徴している。
【００２１】
このように、ホルムアルデヒドを燃焼室内に閉じ込めておくことにより、ＨＣＣＩ成立温度が低下する。その理由を以下に述べる。
【００２２】
まず、ホルムアルデヒドは、メタンと低温酸化反応する物質（ＯＨラジカル）であり、高温・高圧下で吸熱反応が生じる燃焼場の近くで発生する。ガスエンジンの場合、ピストンとライナーの間隙においてホルムアルデヒドが発生しており、従って、ガスエンジンにおいて排気弁の閉時期をＴＤＣよりも早くして、未燃のＨＣとホルムアルデヒドをシリンダ内に閉じ込めることにより、メタンの低温酸化反応が促進されて自己着火温度が低下するので、ＨＣＣＩ成立温度を低くすることができる（図５参照）。そして、このように比較的低い混合気温度での圧縮自着火を実現することにより、機関出力を高めることができる。さらに、未燃のＨＣを燃焼室内に閉じ込めることにより、ＨＣの無駄な排出を抑えることができ、燃料消費効率を高めることができる。
【００２３】
本発明は、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、前記燃焼室に連通する吸気管に燃料ガスを噴射するガスインジェクタを設け、失火が発生している場合、吸気弁閉時期の直前に前記ガスインジェクタから燃料ガスを噴射するように構成されていることを特徴としている。このように、吸気弁閉時期の直前にガス噴射を行うと混合気が層状化するので、運転範囲が広がって失火限界が広がる。
【００２４】
本発明は、燃料ガスと空気とを予め混合した混合気を燃焼室に供給し、その燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式のガスエンジンにおいて、前記燃焼室に連通する吸気管に燃料ガスを噴射するガスインジェクタを設け、ノッキングが発生している場合、吸気弁開時期の直前に前記ガスインジェクタから燃料ガスを噴射するように構成されていることを特徴としている。このように、吸気弁開時期の直前にガス噴射を行うと混合気が均一な状態となるのでノッキング限界が広がる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、エンジンの回転変動から各気筒のトルクを求め、そのトルクの演算値に基づいて各気筒間のトルクが均等となるように燃焼室へのガス供給量を制御するとともに、各気筒の筒内圧力の検出値に基づいてＥＧＲ量を制御して燃焼速度を低下させているので、各気筒間におけるトルクを均等に制御した上で、各気筒の最高筒内圧力を許容値（安全値）以下に抑えることが可能になる。
【００２６】
本発明によれば、排気管及び吸気管にそれぞれ熱交換器を設け、それら排気管の熱交換器と吸気管の熱交換器との間において熱媒体を循環させることにより混合気を加熱するように構成しているので、混合気を高温に加熱することが可能となり、混合気をＨＣＣＩ成立温度に短時間で加熱することができる。
【００２７】
本発明によれば、排気管に配置されたタービンと吸気管に配置されたコンプレッサからなる過給機を設けるとともに、その過給機のコンプレッサの入口にホットＥＧＲを戻して混合気温度を高め、さらに混合気を過給機圧縮した後に燃焼室内で圧縮するように構成しているので、混合気をＨＣＣＩ成立温度に効率良く加熱することができ、
本発明によれば、排気弁の閉時期をＴＤＣよりも早くして、未燃のＨＣとホルムアルデヒドを燃焼室内に閉じ込めるように構成しているので、メタンの低温酸化反応が促進されて自己着火温度が低減する。これにより、ＨＣＣＩ成立温度を低くすることが可能となり、機関出力を高めることができる。
【００２８】
本発明によれば、前記燃焼室に連通する吸気管に燃料ガスを噴射するガスインジェクタを設け、燃焼状態に失火が発生している場合は、吸気弁閉時期の直前にガス噴射を行うことにより混合気を層状化し、燃焼状態にノッキングが発生している場合は、吸気弁開時期の直前にガス噴射を行うことにより混合気を均一化しているので、失火限界及びノッキング限界が広がって運転可能な範囲が広がる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
＜実施形態１＞
図１は本発明の実施形態の構成図である。
【００３１】
エンジン１は、例えば４気筒エンジンであって、各気筒に形成される燃焼室１１に吸気管２及び排気管３がそれぞれ吸気ポート及び排気ポート（いずれも図示せず）を介して接続されている。
【００３２】
エンジン１には、筒内圧力センサ１４及びノッキングセンサ１５が各気筒ごとに設けられている。また、エンジン１には電磁ピックアップ１３が設けられている。電磁ピックアップ１３は、エンジン回転速度を検出するためのもので、エンジン１のクランク軸の回転角に応じた個数のパルスを出力する。この電磁ピックアップ１３の出力、及び、前記した筒内圧力センサ１４、ノッキングセンサ１５の各出力はコントローラ５に導かれる。
【００３３】
エンジン１には点火プラグ１２が各気筒ごとに設けられている。予混合圧縮自着火（以下「ＨＣＣＩ」という）による運転では点火プラグ１２は不要であるが、ＨＣＣＩ式のエンジンでは、［エンジンの始動運転（暖気運転）］→［ＨＣＣＩによる運転］→［停止時の運転］という順序で運転が行われるため、その始動運転及び停止時の運転つまり火花点火による運転時などに点火プラグ１２が使用される。
【００３４】
吸気管２には、上流側からエアフィルタ２１、スロットル２２及びヒータ２３がこの順で配置されている。また、吸気管２には、ヒータ２３の下流側に燃料ガス供給管２０が接続されている。
【００３５】
燃料ガス供給管２０には、レギュレータ２６及びガスインジェクタ２７が接続されている。ガスインジェクタ２７はエンジン１の各気筒の吸気ポート（図示せず）にそれぞれ設けられており、各ガスインジェクタ２７をコントローラ５にて制御することにより、各気筒の燃焼室１１への燃料ガスＧのガス供給量を調整することができる。
【００３６】
ヒータ２３は、エアフィルタ２１にて浄化された空気Ａを加熱して混合気（空気Ａ＋燃料ガスＧ）の温度を高くするための熱交換器であって、内部に熱媒体流路（図示せず）が形成されており、その熱媒体流路に高温の温水（例えばラジエータ冷却水）を循環配管６を通じて供給することにより、エアフィルタ２１からの空気Ａを高温に加熱することができる。循環配管６には制御バルブ２５が接続されており、その制御バルブ２５の開度をコントローラ５にて制御することにより混合気の燃焼室１１への吸気温度を調整することができる。
【００３７】
ヒータ２３の下流側でガスインジェクタ２７と燃焼室１１との間に、燃焼室１１に供給する混合気の温度を検出する吸気温度センサ２４が設けられている。吸気温度センサ２４の出力はコントローラ５に入力される。
【００３８】
排気管３には、排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯの濃度を低下するための酸化触媒３１が設けられている。また、排気管３にはリーンバーンセンサ３２が設けられている。リーンバーンセンサ３２は空気過剰率を検出するセンサであり、その検出出力はコントローラ５に入力される。
【００３９】
排気管３と吸気管２との間にＥＧＲ管４が接続されている。ＥＧＲ管４は各気筒ごとに配置されており、一端（後端）が排気管３（各気筒の排気ポート）に接続され、他端（先端）が吸気管２（各気筒の吸気ポート）にそれぞれ接続されている。各ＥＧＲ管４には、制御バルブ４１、クーラ４２及びＥＧＲ温度センサ４３が接続されている。制御バルブ４１の開度はコントローラ５にて後述する動作で制御される。ＥＧＲ温度センサ４３の出力はコントローラ５に入力される。
【００４０】
次に、コントローラ５の制御動作について説明する。
【００４１】
コントローラ５は、前記したエンジンの始動・停止時の各運転（火花点火運転）時において、点火プラグ１２への通電制御（火花点火運転制御）や空気過剰率・圧縮比・混合気温度の制御などのエンジン運転に関する各部の制御を行う。また、コントローラ５は、［始動運転］→［ＨＣＣＩによる運転］の移行時及び［ＨＣＣＩによる運転］→［停止時の運転］の移行時において、空気過剰率・圧縮比・混合気温度の制御などのエンジン運転に関する各部の制御を行う。
【００４２】
これらの制御を簡単に説明すると、まず、エンジン１をセルモータ（図示せず）にて始動するとともに、各気筒の点火プラグ１２に通電を行って火花点火でエンジン１を始動運転させて暖気運転を行う（循環配管６の制御バルブ２５は全開）。この暖気運転においてヒータ２３に循環するラジエータ冷却水の温度が上昇し、これに伴って各燃焼室１１への混合気の吸気温度が上昇する。次に、混合気の吸気温度がＨＣＣＩ成立温度に達していることが吸気温度センサ２４にて検出された時点で、吸気弁１６（図３参照）の閉時期を前進（進角）させて圧縮比を高くするとともに、各ガスインジェクタ２７を調整して空気過剰率を高くする。この圧縮比及び空気過剰率の切換により自然着火（圧縮自着火）が発生し、そのＨＣＣＩによる燃焼状態が正常であることがノッキングセンサ１５などで検出された時点で点火プラグ１２への通電を停止し、火花点火による着火をＯＦＦにする。
【００４３】
一方、ＨＣＣＩ運転中にエンジン１を停止するときには、点火プラグ１２に通電を行って火花点火をＯＮにするとともに、混合気の吸気温度を制御する制御バルブ２５を全閉としてヒータ２３による混合気の加熱を停止する。このような操作により混合気の吸気温度が下がり始める。次に、進角状態にある吸気弁１６の閉時期を後退させて遅角状態にするとともに、各気筒のガスインジェクタ２７を調整して空気過剰率を低くする。このようにすると、燃焼室１１に供給された混合気は、点火プラグ１２による火花点火で着火されるようになり、その火花点火による着火が正常な状態となった後に、エンジン回転数を下げてエンジン１を停止する。
【００４４】
次に、本発明の特徴部分に関する制御について説明する。
【００４５】
コントローラ５は、ＨＣＣＩによる運転状態のときに、各気筒のトルクの演算、各気筒の燃焼室への燃料ガスの供給量制御、及び、混合気に混合するＥＧＲの混合量制御（ＥＧＲ量制御）を実行する。その各演算・制御の詳細を以下に説明する。
【００４６】
−気筒トルクの演算−
まず、図２に示すように、エンジン回転速度の変動は、燃焼変動（気筒内圧力の変動）と相関関係にあり、エンジン回転速度の変動値を検出することにより、各気筒間における燃焼変動つまり各気筒間におけるトルクの変動を求めることができる。このような点を利用して、この実施形態では、エンジン１に配置した電磁ピックアップ１３の出力パルスに基づいてエンジン回転速度の変動値を演算し、その回転速度の変動値から各気筒のトルクを推定する。
【００４７】
−ガス供給量制御及びＥＧＲ量制御−
前記したトルクの演算値（推定値）に基づいて、各気筒のガスインジェクタ２７を制御して、全ての気筒のトルクが均等となるように各燃焼室１１への燃料ガスＧのガス供給量を調整する。このようなガス供給量制御と同時にＥＧＲ量制御を行う。
【００４８】
ＥＧＲ量制御は、各気筒ごとに設けた筒内圧力センサ１４にて筒内圧力を検出し、その各筒内圧力の検出値と予め設定した筒内最高圧力の設定値とを比較し、筒内圧力の検出値が筒内最高圧力の設定値を超えないように、ＥＧＲ管４の制御バルブ４１の開度を制御（例えばＰＩ制御）するという動作で行う。このＥＧＲ量制御は各気筒ごとにそれぞれ個別に行う。なお、ＥＧＲ温度は、ＥＧＲ温度センサ４３の検出値に基づいてクーラ４２の制御バルブ（図示せず）を制御することにより一定に保持される。
【００４９】
以上説明したように、この実施形態によれば、各気筒のトルクの推定値に基づいて、各気筒の燃焼室１１へのガス供給量を各気筒ごとにそれぞれ個別に制御しているので、トルク不足が発生することがなく、各気筒間のトルクのばらつきを小さくすることができる。しかも、各気筒の筒内圧力を検出し、その筒内圧力の検出値に基づいて混合気に混合するＥＧＲ量を制御しているので、各気筒間におけるトルクを均等に制御した上で、各気筒の最高筒内圧力を許容値（安全値）以下に抑えることが可能になる。
【００５０】
次に、ＨＣＣＩによる運転状態のときの吸気弁・排気弁の開閉時期及びガス噴射時期に関する制御の例について説明する。
【００５１】
−排気弁閉時期の制御（ホルムアルデヒドの閉じ込め）−
まず、ＨＣＣＩ式のガスエンジンにおいて、高出力化を達成するには、ＨＣＣＩ成立温度を低くすることが有効であり、その方法の１つとして、メタンの低温酸化反応を促進する物質であるホルムアルデヒド（ＯＨラジカル）を混合気に含ませる方法が考えられる。
【００５２】
一方、ＨＣＣＩが発生しているときには、排気中に微量のホルムアルデヒドが含まれていることがわかっている。そのホルムアルデヒドは、通常は、図３（ａ）に示すように、シリンダライナ１００とピストン１０との隙間で発生し、排気行程で排気弁１７が開いた時点では燃焼室１１内に留まっており、ピストン１０の上昇に伴って燃焼室１１の上方部に捲り揚げられ燃焼室１１内に漂う（図３（ｂ））。そして、ピストン１０がＴＤＣに到達する直前で排気弁１７の近くに凝縮された後に、排気弁１７を通じてホルムアルデヒドが塊となって燃焼室１１の外部に排出される（図３（ｃ））。
【００５３】
この例では、以上のようにして排出されるホルムアルデヒドを、燃焼室１１内に閉じ込めて混合気に含ませることにより、ＨＣＣＩ成立温度を下げようとするものであり、その具体的な手段として、図４に示すように、排気弁１７の閉時期をピストン１０のＴＤＣ（クランク軸角＝３６０度）よりも早くする（例えばクランク軸角＝３００度で排気弁１７を閉じる）ことによって、未燃のＨＣとホルムアルデヒドを燃焼室１１内に閉じ込めるという構成を採用する。
【００５４】
このようにしてホルムアルデヒドの閉じ込めを行うことにより、メタンの低温酸化反応が促進されてＨＣＣＩ成立温度を低くすることができるので（図５参照）、機関出力を高めることができる。また、未燃のＨＣを燃焼室１１内に閉じ込めることにより、ＨＣの無駄な排出を抑えることができ、燃料消費効率を高めることができる。
【００５５】
−ガス噴射時期の制御（失火・ノッキング限界の拡大）−
まず、図１６に示すように、火花点火式単室式の内燃機関では、運転可能な領域が空気過剰率で０．９〜１．７の範囲であるのに対し、ＨＣＣＩ式の内燃機関では、運転可能な領域が２．５〜３．０（空気過剰率）と狭い範囲であるため、安定な運転状態を維持することが難しいという欠点がある。
【００５６】
一方、ＨＣＣＩ式の内燃機関（ガスエンジン）において、燃料ガスＧの噴射時期を制御すると、混合気の層状化と均一化を制御することが可能である。具体的には、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ピストンのＴＤＣ（燃焼行程）の近く（吸気弁閉時期の近く）で燃料ガスＧを噴射すると、混合気が層状化（燃料分布に濃淡がある状態）して、ＮＯXが高くなるとともに、失火が発生し難くなる。これに対し、吸気弁開時期の近くで燃料ガスＧを噴射すると混合気が均一化されて、ＮＯXが低くなるとともに熱効率が高くなる（ノッキングが発生し難くなる）。
【００５７】
この例では、そのような点を利用して、ＨＣＣＩ式ガスエンジンの運転可能範囲を広げようとするものであり、その具体的な構成を以下に説明する。
【００５８】
（失火限界の拡大）
図１に示したエンジン１において、失火が発生している場合は、吸気弁閉時期の直前にガスインジェクタ２７を開いて燃料ガスＧを燃焼室１１に噴射する。このように、吸気弁閉時期の直前にガス噴射を行うと、前記したように混合気が層状化するので運転範囲が広がって失火限界を広がる。
【００５９】
なお、失火の判定には、前記した電磁ピックアップ１３の出力パルスに基づく回転速度変動から０．５次の振幅を検出することで判定するという方法（例えば特開平１１−２２９９５２号公報「希薄燃焼ガス機関」に記載の判定方法）を利用すればよい。
【００６０】
（ノッキング限界の拡大）
図１に示したエンジン１において、ノッキングが発生している場合は、吸気弁開時期の直前にガスインジェクタ２７を開いて燃料ガスＧを燃焼室１１に噴射する。このように、吸気弁開時期の直前にガス噴射を行うと、前記したように混合気が均一な状態となるので、運転範囲が広がってノッキング限界が広がる。
【００６１】
なお、ノッキングの判定は、各気筒に設置したノッキングセンサ（加速度ピックアップ）１５の出力に基づいて行ってもよいし、あるいは、特開平１０−２０５３８号公報（ノッキング検出方法）または特開平１０−２０５３８７号公報（ノッキング判定方法）に記載されている方法を利用してノッキングを判定するようにしてもよい。
【００６２】
以上のように、ガス噴射時期を制御することにより、失火限界及びノッキング限界が広がるので、ＨＣＣＩ式ガスエンジンにおいて良好な運転が可能になる範囲を広げることができる。
【００６３】
＜実施形態２＞
前記した＜実施形態１＞では、ラジエータ冷却水（高温水）を用いて混合気を加熱しているが、この実施形態では、排気ガスの排熱を利用して混合気の加熱を行う点に特徴がある。その具体的な構成を図７を参照しながら説明する。
【００６４】
この例では、吸入管２のスロットル２２とガスインジェクタ２７との間に熱交換器６１を設けているとともに、排気管３に熱交換器６２を設けている。これら吸気管２側の熱交換器６１と排気管３側の熱交換器６２とは循環配管６０にて接続されており、各熱交換器６１，６２に形成されている熱媒体流路（図示せず）に熱媒体であるオイルを流すことができる。循環配管６０にはオイルの流量を制御する制御バルブ６３が接続されている。
【００６５】
この実施形態によれば、排気管３側の熱交換器６２にて排気ガスの排熱を回収してオイルを加熱し、その加熱オイルを吸気管２側の熱交換器６１に導いて、燃焼室１１に供給する混合気を高温に加熱するので、混合気をＨＣＣＩ成立温度に短時間で加熱することができる。
【００６６】
＜実施形態３＞
図８は本発明の別の実施形態の要部構成を示す図である。
【００６７】
この実施形態は、過給機７を設けて燃焼室１１に供給する混合気をＨＣＣＩ成立温度に効率良く加熱するように構成した点に特徴がある。その具体的な構成を以下に説明する。
【００６８】
図８に示すように、燃焼室１１に連通する排気管３に過給機７のタービン７１が配置されており、その過給機７のコンプレッサ７２が燃焼室１１に連通する吸気管２に配置されている。また、コンプレッサ７２の上流側の吸気管２に小型のインタークーラ８が設けられている。インタークーラ８の熱媒体配管８０には制御バルブ８１が接続されており、その制御バルブ８１の開度を調整することにより、燃焼室１１に供給する混合気の温度を制御することができる。
【００６９】
排気管３と吸気管２との間にはＥＧＲ管４が接続されている。ＥＧＲ管４は、排気ガスの一部を吸気管２に還流するための配管であって、一端（後端）が排気管３のタービン７１の下流側（出口側）に接続され、他端（先端）が吸気管２のコンプレッサ７２の上流側（入口側）に接続されている。ＥＧＲ管４にはＥＧＲ量を制御する制御バルブ４１が接続されている。制御バルブ４１の開度はコントローラ５にて制御される。なお、以上の過給機７及びＥＧＲ４の配置などの構成の他は、前記した＜実施形態１＞と基本的に同じ構成である。
【００７０】
この実施形態によれば、過給機７のコンプレッサ７２の入口にホットＥＧＲを戻しているので、図９に示すように混合気温度が上昇する。さらに、ホットＥＧＲを還流した混合気を過給機７のコンプレッサ７２にて圧縮しているので混合気温度が上昇し、その過給機圧縮後の混合気を燃焼室１１内で圧縮すると、圧縮端温度（ピストンがＴＤＣに達したときの温度）がＨＣＣＩ成立温度に達することになる（図１０及び図１１）。このように、ホットＥＧＲを戻した混合気を過給機圧縮することにより、図１に示したようなヒータ２３を用いることなく、混合気温度（圧縮端温度）をＨＣＣＩ成立温度にまで上昇させることができる。なお、無過給エンジン（Ｎ／Ａ）の場合、図１１に示すように、圧縮端温度はＨＣＣＩ成立温度に達しないので、混合気をヒータ等により加熱してＨＣＣＩ成立温度まで上昇させる必要がある。
【００７１】
また、この実施形態では、過給機７のコンプレッサ７２の出口側に小型のインタークーラ８を設けて混合気温度を制御するように構成しているので、燃焼室１１での燃焼速度を制御することが可能となり、筒内圧力が高くなり過ぎることを防止できる。
【００７２】
図１２は、過給機７を設ける場合の配管系統の一例を示す図である。
【００７３】
図１２の構成では、各気筒の排気ポート１３０・・１３０を１本の排気管１０３に接続するとともに、その排気管１０３の直径を太くすることにより、排気管１０３を圧力コンバータとして機能させて、過給機７のタービン７１の上流側の排気管１０３内を静圧状態にする点、及び、そのタービン７１の上流側の排気管１０３内に酸化触媒１３１を配置している点に特徴がある。
【００７４】
このような構成を採用すると、酸化触媒１３１においてＣＯ及びＨＣを転換（酸化）する際に生じる熱にて排気ガスが加熱されるので、過給機７のタービン７１に流入する排気ガスのエネルギを高めることが可能となり、過給後の混合気温度を更に高めることができる。
【００７５】
しかも、酸化触媒１３１をタービン７１の上流側の排気管１０３つまり圧力の高い側の管内に配置しているので、触媒層圧力が高くなり触媒の転換率が向上する（図１３（ａ）参照）。さらに、タービン上流側の高温の排気ガスにて酸化触媒１３１が加熱されて触媒層温度が上昇するので（図１３（ｂ）参照）、触媒の転換率がより一層向上するという利点もある。
【００７６】
なお、この例において、各気筒の吸気ポート１２０・・１２０についても、排気側と同様に、１本の吸気管１０２に接続されており、その吸気管１０２にインタークーラ８が設けられている。
【００７７】
ここで、酸化触媒１３１としては、コージライトまたはメタル担体の触媒を挙げることができるが、触媒による圧力損失増大と触媒の脱落（脱落片の発生）を防止することが可能である点を考慮すると、メタル担体の触媒を使用することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、予混合圧縮自着火式ガスエンジンにおいて機関性能・効率を高めて高出力化を実現するのに有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施形態の構成図である。
【図２】ガスエンジンにおいて回転速度変動と燃焼変動との相関関係を示すグラフである。
【図３】ガスエンジンにおいてＨＣ及びホルムアルデヒドの排出過程を模式的に示す図である。
【図４】排気弁の閉時期を示すグラフである。
【図５】ホルムアルデヒド濃度とＨＣＣＩ成立温度との関係を示すグラフである。
【図６】ガス噴射時期とＮＯX・熱効率との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態の構成図である。
【図８】本発明の別の実施形態の構成図である。
【図９】ＥＧＲ混合割合と混合気温度との関係を示すグラフである。
【図１０】吸気温度と圧縮端温度との関係を示すグラフである。
【図１１】吸気温度と圧縮端温度との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の別の実施形態の構成図である。
【図１３】触媒層圧力・温度と転換率との関係を示すグラフである。
【図１４】内燃機関の空気過剰率と排出ＮＯX量・ＨＣ量との関係を示すグラフである。
【図１５】内燃機関の排出ＮＯX量と図示効率との関係を示すグラフである。
【図１６】内燃機関の空気過剰率とノッキング限界との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８０】
１  エンジン
１１  燃焼室
１２  点火プラグ
１３  電磁ピックアップ
１４  筒内圧力センサ
１５  ノッキングセンサ
１６  吸気弁
１７  排気弁
２，１０２  吸気管
２０  燃料ガス供給管
２１  エアフィルタ
２２  スロットル
２３  ヒータ
２４  吸気温度センサ
２５  制御バルブ
２６  レギュレータ
２７  ガスインジェクタ
３，１０３  排気管
３１，１３１  酸化触媒
３２  リーンバーンセンサ
４  ＥＧＲ管
４１  制御バルブ
４２  クーラ
４３  ＥＧＲ温度センサ
５  コントローラ
６，６０  循環配管
６１  熱交換器（吸気管側）
６２  熱交換器（排気管側）
６３  制御バルブ
７  過給機
７１  タービン
７２  コンプレッサ
８  インタークーラ
８１  制御バルブ
Ａ  空気
Ｇ  燃料ガス
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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