(57)【要約】【課題】エンジンの破損や耐久性低下を起こさずに多量の燃料を供給して出力向上と効率向上をはかる予混合圧縮自着火機関の提供。【構成】燃料ガスと吸入空気とを予め混合させた予混合気を圧縮・自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関において、機関の燃焼室に連通する複数の吸気ポートの１つに混合気（Ｇｐ）を加熱させる加熱装置（ＨＣ）が設けられ、前記燃焼室に運転状態を検出するセンサ（５）が設けられ、該センサ（５）は信号線（５ａ）を介して制御装置（Ｃ／Ｕ）に接続され、その制御装置（Ｃ／Ｕ）と前記加熱装置（ＨＣ）は制御線（２０Ｃａ）で接続されて構成されている。【選択図】図１
2007040311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと吸入空気とを予め混合させた予混合気を圧縮・自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関において、機関の燃焼室に連通する複数の吸気ポートの１つに混合気を加熱させる加熱装置が設けられ、前記燃焼室に運転状態を検出するセンサが設けられ、該センサは信号線を介して制御装置に接続され、その制御装置と前記加熱装置は制御線で接続されて構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火機関。
【請求項２】
燃料ガスと吸入空気とを予め混合させた予混合気を圧縮・自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関において、機関の燃焼室に連通する複数の吸気ポートの１つに排気ガスを還流させる還流管が合流しており、前記燃焼室に運転状態を検出するセンサが設けられ、該センサは信号線を介して制御装置に接続され、その制御装置と前記還流管に装着された還流制御弁とは制御線で接続されて構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと加熱した吸入空気を予め混合させた希薄予混合気を高圧縮比のピストンで自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に従来の予混合圧縮自着火機関１Ａを示す。外気温度で吸入された吸入空気Ａｉｒが吸気加熱装置Ｈｐで加熱されて加熱空気Ａｈとなり、混合器Ｍｘで燃料ガスＦｇと混合され、予混合気Ｇｐとなる。
予混合気Ｇｐは、エンジンＥｎの燃焼室ＣｖでピストンＰｉによって高圧となり自着火して燃焼し、排気ガスＥｇとなって排出される。
【０００３】
この燃焼過程で、燃焼室Ｃｖ内の圧力ｐ（縦軸）とクランク角θ（横軸）を示す図６において、ノック状燃焼で曲線Ｋで示されており、燃焼時の筒内圧力も非常に高く、機関がは損する恐れが存在する。なお、ＴＤＣは、上死点を示している。
一般に従来の予混合圧縮自着火機関１Ａでは、予混合気Ｇｐの燃料比率が少ない希薄予混合気で安定な燃焼の曲線Ｎによって運転している。そして燃焼室Ｃｖ内における燃料分布の濃度格差が大きい、または予混合気の温度分布の温度格差が大きいほど、この安定な燃焼Ｎに移行する。
【０００４】
これに対して、燃焼室Ｃｖ内における燃料分布の濃度格差が少ない均一濃度、または予混合気の温度分布の温度格差が少ない均一温度の場合には、燃焼時における筒内圧力が高圧で機関破損を引き起こすノック状燃焼の曲線Ｋになる。
図６における線Ｕｐは、燃焼室Ｃｖ内の許容圧力を示したもので、予混合気圧縮自着火機関１Ａでは、安定な燃焼曲線Ｎの最大圧力Ｎｐは許容圧力線Ｕｐに対して充分低く設定しなければならないが、実際はＮｐが許容圧力線Ｕｐに近い状態での燃焼が起こっていることが多い。その理由は、予混合気Ｇｐの燃焼室Ｃｖ内の温度格差、濃度格差を定常的に維持することが困難なことによっている。
【０００５】
また、分割された吸気ポートを用い燃焼室内の熱分布を変えることができる旨の記載があり、複数の吸気ポートの１つに混合気を加熱する加熱装置を設けることが示唆される従来技術があるが（特許文献１）、この加熱装置は制御が行われず燃焼状況に対応せず、十分な効果が期待できない。
【０００６】
自己点火４サイクルエンジンにおいて、部分負荷運転において外部ＥＧＲ管から第１吸込み手段を介してやって来る大量の燃焼ガスを燃焼室の中へ導入し、第２吸込み手段を介して新鮮な空気と燃料との混合物を導入し、燃焼室の中で燃焼室の中で燃焼ガスと混合物との層状化をもたらすようにする従来技術があるが（特許文献２）、燃焼状況に対応して前記燃焼ガスを導入されていない。
【０００７】
煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室内のＥＧＲガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室内のＥＧＲガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行うようにし、ＥＧＲガス通路に設けたＥＧＲ制御弁でＥＧＲガス量を制御して、スモークの発生を防止する内燃機関が開示され従来技術があるが（特許文献３）、ノック燃焼を防止していない。
【特許文献１】国際公開第９８／０７９７３号
【特許文献２】特開平１１−１８２２４６号公報
【特許文献３】特開２０００−６４８８４号公報
【０００８】
したがって、他の型式のエンジンに近づくための同気筒容量での出力向上、燃焼効率の向上に必要な燃料供給増加がノック状燃焼を起こさず、エンジンＥｎの破損や耐久性低下を効果的に防止する技術が必要であった。
今回提案の本発明では、燃焼室内での温度格差（勾配）を大きくして均一性を避ける手段や、ＥＧＲガス濃度勾配を生じさせる手段によって所定の燃焼状態を得る技術の提供をするものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、エンジンの破損や耐久性低下を起こさずに多量の燃料を供給して出力向上と効率向上をはかる予混合圧縮自着火機関の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の予混合圧縮自着火機関は、燃料ガスと吸入空気とを予め混合させた予混合気を圧縮・自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関において、機関の燃焼室に連通する複数の吸気ポートの１つに混合気を加熱させる加熱装置が設けられ、前記燃焼室に運転状態を検出するセンサが設けられ、該センサは信号線を介して制御装置に接続され、その制御装置と前記加熱装置は制御線で接続されて構成されている。
【００１１】
上記において、加熱装置は電熱加熱ヒータを用いても良いし、或いは、排気ガスとの熱交換器その他を用いた構成でも良い。
上記のように機関の各気筒ごとに設けられた複数の吸気ポートのうちのそれぞれの１つのみに加熱装置が装着される。その結果、気筒内では温度が均一にならず温度勾配が形成され、燃焼に時間遅れを生じさせて瞬間燃焼を防いで最大圧とノック状の異常燃焼を低く抑制する。
【００１２】
上記した本発明の予混合圧縮自着火機関の運転方法としては、燃料ガスと吸入空気とを予め混合させた予混合気を圧縮・自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関の運転方法において、高出力化を必要とする状況か否かを判定する運転状況判定工程と、異常燃焼圧予防の要否を判定する高燃焼圧予防判定工程と、該高燃焼圧予防判定工程により高燃焼圧を予防する必要があると判定された際に、一つの吸気ポートに設けられた加熱装置を作動させるヒータ加熱工程と、異常燃焼を検知判定するノック発生判定工程と、ノック発生判定工程により異常燃焼と判定された場合に燃料の減少調整をする燃料供給減少工程、とを含むのが好ましい。
【００１３】
上記の構成によって、高燃焼圧を予防する必要がある場合には燃焼室内の温度分布を不均一性を増大させて温度勾配（温度の偏差）を生じさせ、燃焼圧のピーク発生を抑制し、上述した運転方法による制御作用にて、燃料供給量の増加による最大圧を管理し抑制している。
【００１４】
また、本発明の予混合圧縮自着火機関は、燃料ガスと吸入空気とを予め混合させた予混合気を圧縮・自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関において、機関の燃焼室に連通する複数の吸気ポートの１つに排気ガスを還流させる還流管が合流しており、前記燃焼室に運転状態を検出するセンサが設けられ、該センサは信号線を介して制御装置に接続され、その制御装置と前記還流管に装着された還流制御弁とは制御線で接続されて構成されている。
【００１５】
上記のように機関の各気筒ごとに設けられた複数の吸気ポートの１つのみに排気還流管（ＥＧＲ管）が合流しているので、高熱を保有し且つ自着火促進剤としても作用する排気還流ガス（ＥＧＲガス）は特定の吸気ポートから燃焼室内に流入する。その結果、燃焼室（気筒）内では温度及びＥＧＲガス濃度が均一にならず、温度勾配及びＥＧＲガス濃度勾配が形成され、燃焼に時間遅れを生じ、瞬間的な燃焼が阻止され、最大燃焼圧を低く抑制することが出来る。
【００１６】
上記構成の予混合圧縮自着火機関の運転方法は、燃料ガスと吸入空気とを予め混合させた予混合気を圧縮・自着火させて運転する予混合圧縮自着火機関の運転方法において、高出力化を必要とする状況か否かを判定する運転状況判定工程と、異常燃焼圧予防の要否を判定する高燃焼圧予防判定工程と、該判定工程で異常燃焼圧の予防が必要と判定された場合に、一つの吸気ポートを介して燃焼室内へ供給されるＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲ量調整工程と、異常燃焼を検知判定するノック発生判定工程と、ノック発生判定工程で異常燃焼を検知した際に燃料の減少調整をする燃料供給減少工程、とを含むのが好ましい。
【００１７】
上記の構成によって、燃焼室内の温度分布とＥＧＲガス濃度分布を不均一にして、温度勾配及びＥＧＲガス濃度勾配を生じさせ、燃焼のピーク発生を抑制し、燃料供給量の増加による最大燃焼圧の上昇を管理・抑制している。
【００１８】
なお、前記「運転状態を検出するセンサ」は、燃焼圧力を直接に計測するセンサでも良いし、燃焼圧力によって生じるイオン電流を検出するイオンプローブであっても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
（１）  本発明によれば、機関の燃焼室内で予混合気の温度が均一でなく、温度勾配をもって分布されるので自着火燃焼が緩慢化される。したがって、ノック等の異常燃焼や過大な筒内圧力の発生による機関の破損の懸念がなくなり、必要に応じて機関の破損を回避し、供給燃料を増加させて、出力増加をはかることができる。
（２）  また、機関の燃焼室内で温度勾配及びＥＧＲガス濃度勾配を生じさせ、燃焼のピーク発生を抑制し、燃料供給量の増加による最大燃焼圧の上昇を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】
【００２０】
以下図面を参照して、本発明の予混合圧縮着火機関の実施形態を説明する。
第１の実施形態を示す図１において、予混合圧縮自着火機関Ａ３の１筒を示すエンジンＥｎに、本例では燃焼室に第１の吸気弁７と第２の吸気弁８の２ヶの吸気弁と、第１の排気弁１１と第２の排気弁１２の２ヶの排気弁が設けられている。
【００２１】
第１の吸気弁７と第２の吸気弁８はそれぞれ第１及び第２の吸気ポート２Ｃ及び３Ｃを介して吸気ダクト１Ｃに統合接続されていて、その吸気ダクト１Ｃから予混合気Ｇｐが吸入されるようになっている。
【００２２】
第１の排気弁１１と第２の排気弁１２はそれぞれ第１及び第２の排気ポート１３及び１４を介して排気ダクト１５に統合接続されていて、その排気ダクト１５から図示しないマフラーを介して排気されるようになっている。
【００２３】
第２の吸気ポート３Ｃに予混合気Ｇｐを加熱させる加熱装置ＨＣが装着されている。加熱装置ＨＣは、電熱ヒータ加熱でもその他の公知の加熱手段でもよい。  エンジンＥｎに、燃焼室の燃焼圧を計測する圧力センサ５が取り付けられ、信号線５ａで制御装置２０に接続されている。
【００２４】
制御装置２０は、圧力センサ５からの圧力データを受信して正常燃焼圧か、ノッキングのような異常燃焼圧なのかを区分し、かつ制御線２０Ｃａを介して燃加熱装置ＨＣの作動を自動制御する機能を有している。
【００２５】
上記構成の作用を、図５のフローチャートによる作用ステップで説明する。
ステップＳ１１において、高出力を出す必要があるか否かを圧力センサ５の圧力信号その他から検討する（運転状況判定工程）。エンジン出力を大にする必要があれば、ステップＳ１２に行く。
【００２６】
ステップＳ１２では、エンジンＥｎへの燃料供給量を増加させる。例えば予混合気Ｇｐの供給量の増加または、及び燃料濃度の濃い予混合気を供給する（燃料供給増加工程）。次いでステップＳ１２に行く。
【００２７】
ステップＳ１３では、現在の運転状況がノッキング発生懸念状態か、あるいはエンジン破損懸念状態にあるかを判定する（高燃焼圧予防判定工程）。懸念がＹＥＳであれば、ステップＳ１４に行く。ＮＯであれば、ステップＳ１５に行く。
【００２８】
ステップＳ１４では、加熱装置ＨＣに通電し第２の吸気ポート３Ｃを加熱して、吸気される予混合気Ｇｐを昇温させる（ヒータ加熱工程）。そして、第１の吸気ポート２Ｃからの低温予混合気との温度差によって燃焼室内の温度を不均一にしてノック等の異常燃焼をなくし滑らかな燃焼をさせる。次いでステップＳ１５に行く。
【００２９】
ステップＳ１５では、ノック発生状態かを判定する。圧力センサ５の検出信号によって制御装置２０Ｃで判定する（ノック発生判定工程）。ノック発生がなければステップＳ１７に行く。ノック発生の懸念状態であれば、ステップＳ１６でエンジンＥｎへの燃料供給量を減少させる（燃料供給減少工程）。そして、ノック状態を避ける。次いで、ステップＳ１７に行く。
【００３０】
ステップＳ１７では、必要時に供給燃料を増加し、出力増加をさせる制御を継続するかを判断する。制御継続であれば、ステップＳ１１に戻る。
上記のように、エンジン出力増加が必要の場合あるいはノック回避が必要な 場合は、加熱装置ＨＣによる第２の吸気ポート３Ｃを流れる予混合気の加熱によって予混合気の温度を不均一にして異常燃焼を回避させる。
【００３１】
図３は第２の実施形態を示している。前出の実施形態と異なる部分を主にして構成及び作用を説明する。
第１の吸気弁７と第２の吸気弁８はそれぞれ第１及び第２の吸気ポート２Ｅ及び３Ｅを介して吸気ダクト１Ｅに統合接続されていて、その吸気ダクト１Ｅから予混合気Ｇｐが吸入されるようになっている。
【００３２】
第１の吸気ポート２Ｅに排気ガスＧｅを還流（ＥＧＲ）させる還流管２５が還流制御弁２７を伴って取り付けられている。
【００３３】
エンジンＥｎに、燃焼室の燃焼圧を計測する圧力センサ５が取り付けられ、信号線５ａで制御装置２０Ｅに接続されている。
制御装置２０Ｅは、圧力センサ５からの圧力データを受信して正常燃焼圧か、ノッキングのような異常燃焼圧なのかを区分し、かつ制御線２０Ｅａを介して還流制御弁２７の作動を自動制御する機能を有している。
【００３４】
上記構成の作用を、図４のフローチャートによる作用ステップで説明する。
ステップＳ３１において、高出力を出す必要があるか否かを圧力センサ５の圧力信号その他から検討する（運転状況判定工程）。エンジン出力を大にする必要があれば、ステップＳ３２に行く。
【００３５】
ステップＳ３２では、エンジンＥｎへの燃料供給量を増加させる。例えば予混合気Ｇｐの供給量の増加または、及び燃料濃度の濃い予混合気を供給する（燃料供給増加工程）。次いでステップＳ３３に行く。
ステップＳ３３では、現在の運転状況がノッキング発生懸念状態か、あるいはエンジン破損懸念状態にあるかを判定する（高燃焼圧予防判定工程）。懸念がＹＥＳであれば、ステップＳ３４に行く。ＮＯであれば、ステップＳ３５に行く。
【００３６】
ステップＳ３４では、還流制御弁２７の弁開度を大にして第１の吸気ポート２Ｅから供給される予混合気Ｇｐの温度を上げて燃焼室内温度を不均一にさせる（ＥＧＲ弁開度増加工程）。
そして、第１の吸気ポート２Ｅからの高温予混合気と第２の吸気ポート３Ｅからの低温予混合気の温度差によって燃焼室内の温度を不均一にしてノック等の異常燃焼をなくし滑らかな燃焼をさせる。次いでステップＳ２５に行く。
【００３７】
ステップＳ３５では、ノック発生状態かを判定する。圧力センサ５の検出信号によって制御装置２０Ｅで判定する（ノック発生判定工程）。ノック発生がなければステップＳ３７に行く。ノック発生の懸念状態であれば、ステップＳ３６でエンジンＥｎへの燃料供給量を減少させる（燃料供給減少工程）。そして、ノック状態を避ける。次いで、ステップＳ３７に行く。
【００３８】
ステップＳ３７では、必要時に供給燃料を増加し、出力増加をさせる制御を継続するかを判断する。制御継続であれば、ステップＳ３１に戻る。
【００３９】
上記のように、エンジン出力増加が必要の場合あるいはノック回避が必要な 場合は、第１の吸気ポート２Ｅによる還流によって燃焼室内の予混合気の温度を不均一にして異常燃焼を回避させる。
上記構成の作用は、前出の図２６のフローチャートとステップはすべて同様であり、出力増を要するときには自着火抑制剤のＣＯ２またはＮ２を、例えば燃焼室上部から注入して、燃焼室に垂直方向に自着火に差異を生じさせ、急激な燃焼を避けている。
【００４０】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態で、吸気ポートの１つに加熱装置を設けた装置構成図。
【図２】図１の第２の実施形態の作用を示すフローチャート図。
【図３】本発明の第２の実施形態で、吸気ポートの１つに排気還流管をつなげた装置構成図。
【図４】図２の第４の実施形態の作用を示すフローチャート図。
【図５】従来の予混合気圧縮自着火機関を示す構成図。
【図６】従来の予混合気圧縮自着火機関の、燃焼室内圧力ｐ（縦軸）とクランク角θ（横軸）の関係を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
Ｅｎ・・エンジン
Ｆｇ・・燃料
Ｇｐ・・予混合気
Ｇａ・・吸入空気（新気）
１・・・吸気ダクト
２・・・第１の吸気ポート
３・・・第２の吸気ポート
５・・・圧力センサ
５ａ・・信号線
６・・・インジェクタ
７・・・第１の吸気弁
８・・・第２の吸気弁
１１・・第１の排気弁
１２・・第２の排気弁
１３・・第１の排気ポート
１４・・第２の排気ポート
１５・・排気ダクト
２０・・制御装置
２０ａ・・制御線
【図１】
2007040311.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007040311.tif 000007
【図６】
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