(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記燃焼室に吸気される酸素含有ガス又は混合気を加熱量調整を伴って加熱可能な加熱手段と、
前記燃焼室への前記燃料の流量を調整可能な燃料流量調整手段と、
ノッキングを検出するノッキング検出手段とを備え、
起動時において、前記加熱手段により加熱された混合気を前記燃焼室において圧縮して自着火させる強制着火運転の後に、前記加熱手段の加熱量調整により前記燃焼室に形成される混合気の温度を所定の低下量づつ低下させる毎に、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されるまで、前記燃料流量調整手段により前記燃料の流量を増加させる移行運転を行なう移行運転手段を備えた予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項２】
前記移行運転手段が、前記移行運転を行なうに、前記混合気の温度を所定量低下させるステップと、前記燃料の流量を前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されるまで増加させるステップと、前記燃料の供給量を所定量減少させてノッキングを回避するステップとを、順番に前記混合気の温度が所定の下限界温度になるまで繰り返すように構成されている請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項３】
前記燃焼室における前記自着火の発生を判定する自着火判定手段を備え、
前記強制着火運転において、前記自着火判定手段により前記自着火が発生したことを判定するまで前記燃料の流量を所定の増加割合で増加させる強制自着火運転手段を備えた請求項１又は２に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項４】
前記加熱手段が、吸気路の酸素の一部を利用してバーナ用燃料を燃焼させて新気を加熱することで、前記混合気を加熱するバーナ装置である請求項１から３の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項５】
燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法であって、
起動時において、加熱された前記混合気を前記燃焼室において圧縮して自着火させる強制着火運転の後に、前記燃焼室に形成される混合気の温度を所定の低下量づつ低下させる毎に、ノッキングが検出されるまで、前記燃焼室へ供給する燃料の流量を増加させる移行運転を行なう予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンに関し、特に、このような予混合圧縮自着火エンジンの安定して起動させるための起動運転技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の予混合圧縮自着火エンジンは、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して燃焼させるのではなく、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自着火させ、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、燃料が天然ガス系都市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、予混合圧縮自着火エンジンとして構成して混合気を圧縮自着火して燃焼させるほうが容易である。
【０００３】
このような予混合圧縮自着火エンジンでは、圧縮による温度上昇によって燃料の自己着火を用いて燃料を燃焼させるので、起動運転時において燃焼室の壁温等がある一定の温度に達していないと、混合気を安定して自着火させることが困難となる。このため、起動運転時に予混合圧縮自着火エンジンを安定して運転するためには、ある一定時間の暖機運転を行って前記燃焼室の壁温等を昇温する必要がある。
そこで、このような問題を解決するための予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法として、吸気路に設けたバーナ装置で生成された加熱ガスに燃料を供給して加熱予混合気を形成し、その加熱予混合気を燃焼室で圧縮自着火させる強制自着火運転を行なうことにより、燃焼室の壁面を充分に加熱する暖機運転方法がある（特開２００１−２２１０７４号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、燃焼室に吸気する混合気の温度が低いほど、燃焼室への充填効率が向上すると共に、混合気の当量比のノッキング限界値が向上するので、効率及び出力を向上させることができる。
そこで、前述の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の強制着火運転において、加熱混合気が燃焼室において安定して自着火燃焼するようになった後に、燃焼室に吸気される混合気の温度をできるだけ低くして定常運転を行なうことが好ましいが、予混合圧縮自着火エンジンにおいてむやみに混合気の温度を低下させると、燃焼室において混合気の自着火が発生しない所謂失火が起こり燃焼室における混合気の燃焼状態が不安定となり問題である。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、簡単な構成で、強制着火運転から高効率且つ高出力の定常運転にスムーズに移行することができる起動運転技術を提供する点にある。
【０００６】
【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自着火エンジンの第一特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記燃焼室に吸気される酸素含有ガス又は混合気を加熱量調整を伴って加熱可能な加熱手段と、
前記燃焼室への前記燃料の流量を調整可能な燃料流量調整手段と、
ノッキングを検出するノッキング検出手段とを備え、
起動時において、前記加熱手段により加熱された混合気を前記燃焼室において圧縮して自着火させる強制着火運転の後に、前記加熱手段の加熱量調整により前記燃焼室に形成される混合気の温度を所定の低下量づつ低下させる毎に、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されるまで、前記燃料流量調整手段により前記燃料の流量を増加させる移行運転を行なう移行運転手段を備えた点にある。
【０００７】
即ち、本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの上記第一の特徴構成によれば、例えば、加熱手段により吸気路を流通する空気（酸素含有ガス）又は混合気である新気を加熱すると共に、モータ又は他のエンジン等の駆動源によりクランク軸の回転を維持して、燃焼室に加熱された加熱混合気を形成し、燃焼室においてその加熱混合気を圧縮する強制自着火運転を行なって、加熱混合気を燃焼室で安定して自着火させることができるようになった後に、移行運転手段により移行運転を行なうものであって、その移行運転手段は、混合気の温度及び燃料の流量を適切なものに設定して、混合気の温度をできるだけ低くして、高効率且つ高出力を実現して、定常運転に移行することができる。
【０００８】
詳しくは、強制自着火運転において加熱手段により加熱された加熱混合気を燃焼室で安定して自着火させることができるようになった後に、移行運転手段は、移行運転において、加熱手段の加熱量を低下させて混合気の温度を低下させるのであるが、混合気の温度を大幅に低下させるのではなく、失火を回避することができる程度の所定の低下量づつ低下させる。そして、移行運転手段は、移行運転において、上記のように混合気の温度を所定量づつ低下させる毎に、ノッキング検出手段によりノッキングが検出されるまで、燃料流量調整手段により燃焼の流量を、ノッキング限界付近まで増加させることができる。
【０００９】
よって、このような移行運転を行なうことで、混合気の当量比を高効率なノッキング限界付近に維持したまま、混合気の温度をできるだけ低下させることができるので、燃焼状態を安定したものに維持したまま高効率且つ高出力の定常運転にスムーズに移行することができる。
【００１０】
同第二特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載した如く、上記第一の特徴構成に加えて、前記移行運転手段が、前記移行運転を行なうに、前記混合気の温度を所定量低下させるステップと、前記燃料の流量を前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されるまで増加させるステップと、前記燃料の供給量を所定量減少させてノッキングを回避するステップとを、順番に前記混合気の温度が所定の下限界温度になるまで繰り返すように構成されている点にある。
【００１１】
即ち、上記第二の特徴構成によれば、移行運転手段が、移行運転において、上記の各ステップを順に実行し、さらに、それらのステップを混合気の温度が所定の下限界温度となるまで繰り返し実行することで、簡単に、燃焼室に吸気される混合気の温度をできるだけ低下させ、且つ当量比をできるだけ増加させて、高効率且つ高出力の定常運転に移行することができる。
【００１２】
同第三特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載した如く、上記第一又は二の特徴構成に加えて、前記燃焼室における前記自着火の発生を判定する自着火判定手段を備え、
前記強制着火運転において、前記自着火判定手段により前記自着火が発生したことを判定するまで前記燃料の流量を所定の増加割合で増加させる強制自着火運転手段を備えた点にある。
【００１３】
即ち、上記第三の特徴構成によれば、吸気路を流通する新気を加熱するなどして燃焼室に供給される混合気を加熱可能な加熱手段を働かせながら、モータ又は他のエンジン等の駆動源によりクランク軸の回転を維持することで、燃焼室において加熱混合気を圧縮する強制自着火運転時において、強制自着火運転手段により、自着火判定手段の判定結果に基づいて燃料流量調整手段を働かせて、燃焼室において安定した自着火が発生するように燃料の流量を設定することができる。
【００１４】
詳しくは、強制自着火手段により、強制自着火運転において、燃焼室へ供給される燃料の流量を設定するに、強制自着火運転開始時に設定された過早発火を防止することができる程度の比較的小さい燃料の初期流量に対して、自着火判定手段で自着火が発生したことを判定するまで、燃料流量調整手段により、連続的又は段階的に燃料の流量を増加させることで、燃焼室において自着火が殆ど発生しない強制自着火運転開始時から時間が経過するにつれて、スムーズに燃焼室において自着火が発生するようになる。
そして、燃焼室において自着火が発生したときには、そのときに設定した燃料の流量を保持し、さらに、一旦自着火が発生した燃焼室において再度失火が発生したときには、一層燃料の流量を増加することで、燃焼室において安定して自着火を発生させることができる。
よって、このような強制自着火運転を行なうことで、燃焼室において加熱混合気を安定且つスムーズに自着火させることができ、例えば、燃焼室の壁温等の状態を、迅速且つスムーズに、移行運転を開始することができる。
【００１５】
同第四特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項４に記載した如く、上記第一から三の何れかの特徴構成に加えて、前記加熱手段が、吸気路の酸素の一部を利用してバーナ用燃料を燃焼させて新気を加熱することで、前記混合気を加熱するバーナ装置である点にある。
【００１６】
即ち、上記第四の特徴構成によれば、加熱手段としてのバーナ装置は、吸気路に噴出したバーナ用燃料を新気に含まれる酸素の一部を利用して燃焼させ、この燃焼排ガスを新気に混入させることで新気を加熱し、この新気により形成される混合気を加熱することができる。
また、バーナ装置は、吸気路の新気に含まれる酸素の一部を利用してバーナ用燃料を燃焼させるので、燃焼室においては、残部の酸素を利用して、燃料が圧縮自着火燃焼することになる。
よって、加熱手段をバーナ装置により簡単に構成することができる。
【００１７】
また、加熱手段をバーナ装置として構成する場合は、バーナ装置を、バーナ用燃料を間欠的に燃焼させるパルスバーナ、若しくはバーナ燃料を互いに衝突するように噴出して燃焼させるインパクトバーナとして構成することができる。
このようなパルスバーナ及びインパクトバーナは、燃焼量を変化させる幅（ＴＤＲ）が、通常の例えばブンゼンバーナと比べて広いので、最適な燃焼量を得ることが容易であり、好都合である。パルスバーナは、バーナ用燃料を間欠的に燃焼させるため、その間欠燃焼時間を変化させることによって広いＴＤＲを取ることができる。インパクトバーナはバーナ用燃料を複数のノズルから噴出して互いに衝突させることにより、その衝突部に渦を発生させ、保炎を容易に行うことができるため、広いＴＤＲを取ることができる。
【００１８】
この目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項５に記載した如く、燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法であって、
起動時において、加熱された前記混合気を前記燃焼室において圧縮して自着火させる強制着火運転の後に、前記燃焼室に形成される混合気の温度を所定の低下量づつ低下させる毎に、ノッキングが検出されるまで、前記燃焼室へ供給する燃料の流量を増加させる移行運転を行なう点にある。
【００１９】
即ち、本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法は、上記第一から四の何れかの特徴構成を有する予混合圧縮自着火エンジンにより実行することができ、上記第二の特徴構成と同様の作用効果を発揮することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の予混合圧縮自着火エンジン１に関する実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す予混合圧縮自着火エンジン１は、吸気弁５及び排気弁６を備えたシリンダ７と、このシリンダ７内に収納されるピストン８を備えて構成されている。
このシリンダ７とピストン８との間に形成されている空間が、燃焼室９である。ピストン８は連結棒１０によってクランク軸１１に接続されており、ピストン８の往復動は連結棒１０によってクランク軸１１の回転運動として得られる。この構成により、吸気路１２の混合気は吸気弁５を介し燃焼室９内へ吸気され、圧縮、膨張行程を経た後、排ガスＥが排気弁６を介して排気路１３側へ排気される。
【００２１】
また、予混合圧縮自着火エンジン１は、ミキサ１５を備えており、ミキサ１５は、上流側から供給される空気Ａに、天然ガスであるエンジン用燃料Ｇを遮断弁２１及びＭＦＣ（マスフローコントローラ）２０を介して供給することで、吸気路１２に混合気を形成するように構成されている。
【００２２】
ＭＦＣ２０は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２２によって制御され、空気Ａへのエンジン用燃料Ｇの流量、即ち燃焼室９へのエンジン用燃料Ｇの流量を調整可能な燃料流量調整手段として機能する。
また、ＥＣＵ２０は、クランク軸１１の回転角度即ちクランク角を検出可能なクランク角センサＳ１の出力信号から、燃焼室９への空気Ａの流量を推測し、その空気Ａの流量に基づいてＭＦＣ２０を働かせて、吸気路１２に形成される混合気の当量比を設定可能に構成されている。
なお、ミキサ１５により形成された混合気は、吸気路１２から燃焼室９に吸気される。
【００２３】
予混合圧縮自着火エンジン１の動作サイクルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を経て一サイクルを完了する４サイクルエンジンとして構成されている。
通常、４サイクルエンジンは、前記吸気行程においては、吸気弁５のみが開状態とされて、吸気路１２内の混合気の吸気が行われる。圧縮行程においては、吸気弁５及び排気弁６が共に閉状態とされピストン８が燃焼室９の容積を減少させる方向に移動し、燃焼室９内において混合気の圧縮が起こる。この圧縮が完了する状態におけるピストン８の位置が、上死点と呼ばれ、予混合圧縮自着火エンジン１における混合気の圧縮自着火は、この位置の近傍にピストン８があるタイミングで起こる。膨張行程は、燃焼によって発生する高圧ガスによりピストン８が燃焼室９の容積を増加させる方向に移動する行程である。この行程にあっても、吸気弁５及び排気弁６が共に閉状態とされる。さらに、排気行程においては、排気弁６のみが開状態とされ、ピストン８の燃焼室９内空間を減少させる方向への移動に伴って燃焼室９内の排ガスＥが排出される。
基本的に予混合圧縮自着火エンジン１も、着火形式が、予混合気を圧縮して、この断熱圧縮に伴って発生される熱による予混合気の自然着火である以外、他のエンジンと変わるところはない。
【００２４】
さらに、予混合圧縮自着火エンジン１は、加熱手段３としてバーナ装置１４を備えており、このバーナ装置１４の詳細について図２に基づいて説明する。
バーナ装置１４は、バーナ用燃料Ｇを互いに衝突するように噴出して燃焼させて、保炎を強化するように構成されており、このことによって燃焼量の変化割合（ＴＤＲ）を大きく取ることができるインパクトバーナである。
バーナ装置１４は、両端が絞られたバーナ燃焼室４９を規定し、両端に流入口４５と排出口４４とを有する筒体４３と、流入口４５の外周部にフランジ４２と、排出口４４の外周部にフランジ４１とを備えており、フランジ４２が内燃機関１において空気Ａが流入する側に接続され、フランジ４１がミキサ１５及び予混合圧縮自着火エンジン１側に接続されている。
【００２５】
さらに、バーナ装置１４は、ＥＣＵ２２によって制御されるＭＦＣ１９を介してバーナ用燃料Ｇをバーナ燃焼室４９に導くための管部材４６と、管部材４６のバーナ燃焼室４９における端部にバーナノズル４６ａと、バーナノズル４６ａの噴出方向の近傍に火花を発生するスパークロット４８とを備えている。そして、ＥＣＵ２２によって、ＭＦＣ１９を働かせてバーナ用燃料Ｇをバーナノズル４６に設けられた複数の噴孔（図示せず）からバーナ燃焼室４９に互いに衝突させながら噴出させるのと共に、スパークロット４８を働かせてこの噴出したバーナ用燃料Ｇを着火することで、バーナ燃焼室４９においてコンパクトな炎で燃焼させることができる。このバーナ装置１４により、吸気路１２を流通する空気Ａに含有される酸素の一部を利用してバーナ用燃料Ｇを燃焼させ、この高温の燃焼排ガスが混入され昇温した空気Ａを排出口４４から吸気路１２に排出することができる。また、このようなインパクトバーナは、通常のバーナ例えばブンゼンバーナと比べて保炎性がよく、燃焼量を変化できる幅（ＴＤＲ）が大きいため、最適な燃焼量を取ることが容易である。
また、バーナ燃焼室４９には、フレームロット４７が備えられ、バーナ燃焼室４９における火炎を検出して、ＥＣＵ２２に出力し、バーナ装置１４が正常に運転されているかを確認することができる。
【００２６】
さらに、本実施形態の予混合圧縮自着火エンジン１には、吸気路１２における吸気弁５付近の温度（吸気温度）を検出する温度センサＴ１、排気路１７における排気弁６付近の温度（排気温度）を検出する温度センサＴ２、吸気路１２におけるミキサ１５出口付近の温度（吸気温度）を検出する温度センサＴ３、燃焼室９の壁部の温度（燃焼室温度）を検出する温度センサＴ４、冷却水ジャケット１８から排出される冷却水の温度（冷却水温度）を検出する温度センサＴ５等の温度センサが適宜設けられ、さらに、吸気路１２の圧力（吸気圧力の一例）を検出する圧力センサＰ１、燃焼室９の圧力（燃焼室圧力）を検出する圧力センサＰ２等の圧力センサが適宜設けられる。
また、シリンダ７には振動レベルを検出することによりノッキング強度を検出可能なノッキングセンサＮ１が設けられている。
また、これらのセンサの検出結果はＥＣＵ２２に入力される。
【００２７】
次に、このように構成された予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転について説明する。
尚、本実施形態の予混合圧縮自着火エンジン１の仕様は、シリンダ７のボア径が１１０ｍｍ、ピストン８のストロークが１０６ｍｍ、圧縮比が１８となっており、定常運転において、大気圧程度で当量比０．３程度の混合気を圧縮自着火燃焼させ、回転数１２００ｐｐｍ程度でクランク軸１１を回転させるように構成されている。
尚、図３は、本実施形態の予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転させたときに計測した、クランク軸１１の回転数、バーナ用燃焼Ｇの流量、吸気温度、排気温度、エンジン用燃料の流量、正味出力、正味熱効率の変化状態を示すグラフ図である。
【００２８】
先ず、予混合圧縮自着火エンジン１の運転を開始する前に、ＥＣＵ２２に運転開始指令が入力される。しかし、その時点において予混合圧縮自着火エンジン１の特に燃焼室壁９ａは未だ低温であり、定常運転と同様に常温の予混合気を供給しても、完全に圧縮自着火させることができない。
【００２９】
そこで、本発明の予混合圧縮自着火エンジン１においては、ＥＣＵ２２は、運転開始指令が入力された後に、例えばクランク軸１１をセルモータ２３により１２００ｒｐｍ程度で回転させるモータリングを行なった後に、バーナ装置１４を働かせて、ミキサ１５においてエンジン用燃料Ｇを供給しない状態で、燃焼室９側に高温の燃焼排ガスを供給して、予混合圧縮自着火エンジン１を暖機する暖機運転を行なう。
このような暖機運転は、温度センサＴ３により検知される吸気温度が所定の目標値に昇温するまで行われる。
【００３０】
また、この暖機運転において、ＥＣＵ２２は、温度センサＴ３により検出された吸気温度が、目標値に到達するまで、ＭＦＣ１９を働かせて、前記バーナ装置１４における燃焼量、即ちバーナ装置１４へのバーナ用燃料Ｇの流量を所定の増加割合で増加させることで、予混合圧縮自着火エンジン１の暖機を迅速に完了させることができ、さらに、吸気温度が目標値に到達した後はバーナ用燃料Ｇの流量を所定の減少割合で減少させる。
【００３１】
詳しくは、ＥＣＵ２２は、暖機運転開始時に、ＭＦＣ１９を働かせて、バーナ用燃料Ｇの流量を比較的小さい初期流量としての例えば２．０Ｌ／ｍｉｎに設定する。そして、吸気温度が目標値としての例えば２１０℃未満の場合には、上記バーナ用燃料Ｇの流量を例えば０．０１Ｌ／ｍｉｎづつ増加させ、吸気温度が目標値以上の場合には、上記バーナ用燃料Ｇの流量を例えば０．０５Ｌ／ｍｉｎづつ減少させる。
【００３２】
尚、暖機運転において、本実施形態において、バーナ装置１４は、バーナ用燃料Ｇを、吸気路１２内の酸素の一部を利用して当量比０．１〜０．２程度の範囲内で燃焼させるように構成されており、吸気温度の目標値は２１０℃程度に設定され、実際の吸気温度は５０℃程度から２５０℃程度となる。
【００３３】
ＥＣＵ２２は、暖機運転を行なって吸気温度が目標値に到達した後に、セルモータ２３によるクランク軸１１の回転及び加熱手段３による空気Ａの加熱を維持したまま、ＭＦＣ２０によりミキサ１５におけるエンジン用燃料Ｇの供給を開始して、燃焼室９に加熱された加熱混合気を吸気させる強制自着火運転を行なう強制自着火運転手段２４として機能し、その強制自着火運転について次に説明する。
【００３４】
即ち、ＥＣＵ２２は、強制自着火運転において、バーナ装置１４を運転したまま、ＭＦＣ２０を働かせてミキサ１５にエンジン用燃料Ｇを供給して、吸気路１２の燃焼排ガスが混入されて昇温した空気Ａにエンジン用燃料Ｇを供給して、吸気路１２に例えば当量比０．３程度の加熱された加熱混合気を形成する。なお、当量比０．３程度のときのエンジン用燃料Ｇの流量は１７．０Ｌ／ｍｉｎ程度となる。
【００３５】
そして、その加熱混合気は吸気路１２から燃焼室９に吸気される。尚、このときに、ＥＣＵ２２は、温度センサＴ３等で混合気の温度を検出しながら、バーナ装置１４における燃焼量を設定して、燃焼室９に吸気される混合気の温度を、２００℃〜２５０℃程度の範囲内に設定する。
【００３６】
この強制自着火運転において、ＥＣＵ２２は、燃焼室９における自着火の発生を判定する自着火判定手段２３として機能するように構成されている。
詳しくは、自着火判定手段２３は、例えば、５〜２０秒間隔、好ましくは１０〜１５秒間隔の所定の判定時間間隔毎に、温度センサＴ２で検出された排気温度、圧力センサＰ２で検出された燃焼室圧力、及びノッキングセンサＮ１で検出された振動レベルを取り込み、それらが所定の設定値以上となったときに、燃焼室９において加熱混合気が自着火したと判断し、それら排気温度及び燃焼室圧力及び振動レベルの何れか１つが設定値以下の場合には、燃焼室９において加熱混合気が自着火していないと判断するように構成されている。
【００３７】
なお、この自着火判定手段２３は、上記排気温度を用いて自着火の発生を判定するように構成する以外に、以下のように構成することもできる。
即ち、自着火判定手段２３は、温度センサＴ１，Ｔ３で検出される加熱混合気の温度が燃焼室９において自着火するに充分な温度以上となった場合に、燃焼室９において自着火が発生したと推定するように構成することができる。また、自着火判定手段２３は、温度センサＴ４で検出される燃焼室９の壁部９ａの温度又は温度センサＴ５で検出される冷却水の温度が、燃焼室９において自着火が発生したと推定される設定値以上となった場合に、燃焼室９において自着火が発生したと判断するように構成することができる。また、自着火判定手段２３は、ノッキングセンサＮ１で検出される振動レベルが燃焼室９において自着火が発生したと推定される設定値以上となった場合に、燃焼室９において自着火が発生したと判断するように構成することができる。
【００３８】
また、排気路１３に排出された排ガスＥの運動エネルギを利用して吸気路１２の空気Ａを過給するターボ式過給機２５を備える場合において、このターボ式過給機の運転状態は、運転開始時からの経過、言い換えれば暖機の経過に伴って、起動初期から徐々に過給圧を増加させるような状態となるので、自着火判定手段２３を、圧力センサＰ１で検出される吸気圧力が燃焼室９において自着火するに充分な圧力以上となった場合に、燃焼室９において自着火が発生したと推定するように構成することができる。
また、自着火判定手段２３は、それらのセンサの検出結果を総合的に監視して、燃焼室９において自着火が発生しているかを判定することもできる。
【００３９】
さらに、ＥＣＵ２２は、上記のような強制自着火運転を行なうと共に、この強制自着火運転において、自着火判定手段２３の判定結果に基づいてＭＦＣ２０を働かせてエンジン用燃料Ｇの流量設定を行なう強制自着火運転手段２４として機能するように構成されている。
【００４０】
即ち、強制自着火運転手段２４は、燃料流量設定を行なうに、自着火判定手段２３により自着火が発生したことを判定するまでエンジン用燃料Ｇの流量を、所定の増加割合で増加させるように構成される。
詳しくは、強制自着火運転手段２４は、強制自着火運転開始時に、ＭＦＣ２０を働かせて、エンジン用燃料Ｇの流量を燃焼室９において加熱混合気の過早発火を防止することができる程度の比較的小さい初期流量として、例えば２．０Ｌ／ｍｉｎに設定する。
【００４１】
そして、強制自着火運転手段２４は、所定の判定時間間隔（５〜２０秒間隔、好ましくは１０〜１５秒間隔）毎に自着火の発生を判定する自着火判定手段２３において自着火が発生しなかったと判断したときには、上記エンジン用燃料Ｇの流量を例えば０．５Ｌ／ｍｉｎづつ増加させ、自着火判定手段２３において自着火が発生したと判断したときには、上記エンジン用燃料Ｇの流量の増加を停止することで、燃焼室９において安定して自着火を発生させることができる。
従って、このような強制自着火運転手段２４により、強制自着火運転時において、過早発火及び失火を抑制しながら、燃焼室９において加熱混合気を安定且つスムーズに自着火させることができる。
【００４２】
また、強制自着火運転において、バーナ装置１４へのバーナ用燃料Ｇの流量は、吸気温度に基づいて調整されているので、自着火が発生して、エンジンの暖機が進むにつれ自動的に減少する。
また、このバーナ装置１４へのバーナ用燃料Ｇの流量が、所定値以下となったときには、このバーナ装置１４へのバーナ用燃料Ｇの供給を停止するように構成しても構わない。
【００４３】
また、ＥＣＵ２２は、上記のような強制自着火運転において自着火が発生した以降において、ノッキングセンサＮ１によりノッキングが発生したことを検出したときに、ＭＦＣ２０によりエンジン用燃料Ｇを所定の減少量減少させてノッキングを回避するように構成されており、このような構成により、図３に示すように、自着火が開始された後に、エンジン用燃料Ｇの流量が若干低下することがある。
【００４４】
自着火判定手段２３は、燃焼室９において例えば１００秒間等の所定時間連続して自着火が発生した場合に、燃焼室９において自着火が安定して発生していると判断するように構成されており、ＥＣＵ２２は、このように自着火判定手段２３により、燃焼室９において自着火が安定して発生していると判断した後に、次の移行運転を行なう移行運転手段２５として機能し、この移行運転について次に説明する。
【００４５】
即ち、ＥＣＵ２２の移行運転手段２５は、移行運転において、ＭＦＣ１９を働かせてバーナ用燃料Ｇの流量を減少させて、吸気温度を徐々に低下させると共に、ノッキングセンサＮ１によりノッキング検出を行ないながら、ＭＦＣ２０を働かせてエンジン用燃料Ｇの流量をノッキング限界以下で徐々に増加させることで、燃焼室９に吸気する混合気の当量比を高効率なノッキング限界付近に維持したまま、混合気の温度をできるだけ低下させ、燃焼状態を安定したものにして、高効率且つ高出力の定常運転にスムーズに移行させるように構成されている。
【００４６】
詳しくは、図５（イ）に示す予混合圧縮自着火エンジンにおける吸気温度と当量比とに対するノッキング発生領域及び不安定燃焼領域の状態、及び、図５（ロ）に示す予混合圧縮自着火エンジンにおける吸気温度と図示効率とに対するノッキング発生領域及び不安定燃焼領域の状態のように、移行運転開始時（図５において、「×」を付して示されている。）において、燃焼室９へは２００℃程度の比較的高温の混合気が吸気されているので、当量比及び図示効率が比較的低い状態となっている。
【００４７】
そして、移行運転手段２５は、吸気される混合気の温度（吸気温度）をできるだけ低くして、燃焼室９への充填効率を向上させると共に、混合気の当量比のノッキング上限界を向上させることで効率及び出力を向上させる。
【００４８】
詳しくは、移行運転手段２５は、図４に示すように、移行運転において、先ず、バーナ用燃料Ｇを減少させて吸気温度の目標値を例えば５℃程度の所定の低下量低下させる（＃１０１）。
【００４９】
次に、移行運転手段２５は、温度センサＴ３により吸気温度が目標値になったかを判定し（＃１０２）、吸気温度が目標値になった時点で、ＭＦＣ２０を働かせてエンジン用燃料Ｇの流量を、例えば５秒周期で０．０３Ｌ／ｍｉｎ程度の所定の増加量づつ増加させる（＃１０４）。
【００５０】
そして、移行運転手段２５は、エンジン用燃料Ｇを所定の増加量づつ増加させる毎に、ノッキングセンサ１により、ノッキングが発生しているかを判定し（＃１０４）、ノッキングが発生していると判断したとき（図５において、「◆」を付して示されている。）には、エンジン用燃料Ｇを例えば０．３ｌ／ｍｉｎ程度の所定の減少量減少させて（＃１０６）、ノッキングを回避した後に、吸気温度の目標値が例えば１８０℃程度の所定の下限界値より大きいかを判定し（＃１０６）、吸気温度が下限界値となるまで、上記＃１０１から＃１０５の工程を繰り返し行ない、後に、次の定常運転が行われる。
尚、移行運転において、上記のエンジン用燃料Ｇの増加量、及びノッキング回避のためのエンジン用燃料Ｇ減少量、及び温度の低下量は、適宜設定することが可能であり、例えば、移行運転初期の吸気温度及び当量比に対する安定運転領域が広い時期には、吸気温度の低下量及びエンジン用燃料Ｇの減少量を大き目に設定すると共に、吸気温度が目標値に近くなる移行運転後期の吸気温度及び当量比に対する安定運転領域が狭い時期には、それらを小さ目に設定しても構わない。
【００５１】
このように移行運転手段２５により行われる移行運転が終了した（図５において、「○」を付して示されている。）後に、定常運転を行なうことで、ノッキングを回避できる限界付近において、できるだけ吸気温度が低く、エンジン用燃料Ｇの流量、即ち燃焼室９で自着火燃焼する混合気の当量比が大きくして、高効率な運転状態を実現することができ、図３及び図５（ロ）においても、出力及び効率が移行運転から定常運転にかけて高くなる様子が確認できる。
【００５２】
また、強制自着火運転、移行運転、定常運転において、バーナ装置１４で生成される燃焼排ガスを燃焼室９に吸気される混合気に混入させることは、排ガスを再循環させて燃焼室９における燃焼速度を緩慢にするＥＧＲと同様の低ＮＯｘ化の効果を得ることができるが、移行運転及び定常運転にかけてバーナ用燃料Ｇの流量低下により混合気への燃焼排ガスの混入量が低下するので、その燃焼排ガスの低下分に相当する排ガスを、ＥＧＲ流路を介して排気路１３から燃焼室９に再循環させるか、排気弁６の閉時期を進角化して燃焼室９に残留させるように構成することが好ましい。
【００５３】
〔別実施の形態〕
〈１〉  本願の予混合圧縮自着火エンジンに使用できるエンジン用燃料及びバーナ用燃料としては、都市ガスが好適であるが、ガソリン、プロパン、メタノール、水素等、任意の燃料を使用することができる。
【００５４】
〈２〉  燃焼室に形成される混合気は、エンジン用燃料とこのエンジン用燃料が燃焼するための酸素を含有する酸素含有ガスを混合したものであり、例えば、酸素含有ガスとして空気を使用することが一般的である。
【００５５】
〈３〉  上記の実施の形態例においては、所謂、４サイクルエンジンに関連して説明したが、本願は、２サイクルエンジンにおいても適応可能である。
【００５６】
〈４〉  上記の実施の形態において、ミキサ１５は、吸気路１２に流通する空気Ａにエンジン用燃料Ｇを噴射して混合気を形成する燃料噴射弁としても構わない。また、燃焼室９に混合気を形成するに、吸気路１２に混合気を形成するのではなく、燃焼室９にエンジン用燃料Ｇを直接噴射する燃料噴射弁を備え、吸気路１２からは空気のみを吸気し、吸気行程若しくは圧縮行程初期においてエンジン用燃料Ｇを噴射して燃焼室に混合気を形成し、この予混合気を圧縮して自着火させるように構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す予混合圧縮自着火エンジンの概略構成図
【図２】図１に示す予混合圧縮自着火エンジンに設けられたバーナ装置の拡大断面図
【図３】本実施形態の予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転させたときの各種変化状態を示すグラフ図
【図４】移行運転の流れを示すフロー図
【図５】吸気温度と当量比及び図示効率とに対するノッキング発生領域及び不安定燃焼領域の状態を示すグラフ図
【符号の説明】
１：予混合圧縮自着火エンジン
３：加熱手段
４：開閉タイミング可変機構
５：吸気弁
６：排気弁
７：シリンダ
８：ピストン
９：燃焼室
９ａ：燃焼室壁
１０：連結棒
１１：クランク軸
１２：吸気路
１３：排気路
１４：バーナ装置
２２：ＥＣＵ
２３：自着火判定手段
２４：制御手段
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５：温度センサ
Ｐ１，Ｐ２：圧力センサ
Ｎ１：ノッキングセンサ
Ｓ１：クランク角センサ
Ａ：空気
Ｇ：燃料
Ｅ：排ガス
【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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