(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ内に吸気するとともに、前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、
エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出可能、且つ、前記燃料となる原料ガスを改質して、前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を得る改質装置を設けて、前記改質装置から得られた前記コントロール燃料をシリンダ内に供給可能な構造とし、
燃焼に伴って発生する排ガスを熱源として前記改質装置に供給して、前記改質装置が、供給される前記排ガスを使用して前記燃料の改質を行い、
前記改質装置に供給する排ガス量を調整可能な構造とし、
前記検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記コントロール燃料の供給量を制御するに、前記改質装置に供給する排ガス量を制御し、前記圧縮自着火のタイミングを制御する予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
【請求項２】
燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ内に吸気するとともに、前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンであって、
エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出する圧縮自着火タイミング検出手段を備えるとともに、
前記燃料となる原料ガスを改質して、前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を得る改質装置と、
前記改質装置から得られた前記コントロール燃料を前記シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段とを備え、
燃焼に伴って発生する排ガスを熱源として前記改質装置に供給する排ガス供給機構を備え、
前記改質装置が、供給される前記排ガスを使用して前記燃料の改質を行うように構成されており、
前記排ガス供給機構が、前記改質装置に供給する排ガス量を調整する排ガス量調整手段を有し、
前記圧縮自着火タイミング検出手段によって検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記コントロール燃料供給手段を働かせて前記コントロール燃料の供給量を制御するに、前記排ガス量調整手段を働かせ、前記改質装置に供給する排ガス量を制御し、前記圧縮自着火のタイミングを制御する制御手段を備えた予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項３】
燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ内に吸気するとともに、前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンであって、
エンジンの動作条件を検出する動作条件検出手段を備えるとともに、
前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備え、
前記動作条件検出手段によって検出された動作条件に基づいて、前記コントロール燃料供給手段を働かせて前記コントロール燃料の供給量を制御し、前記圧縮自着火のタイミングを制御する制御手段を備えた予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項４】
前記燃料が天然ガスを主成分とした燃料であり、前記改質装置が前記天然ガスを改質して、ｎ−ブタン、水素を前記コントロール燃料として得る天然ガス改質装置である請求項２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】
燃焼に伴って発生する排ガスを導入し、前記排ガス中の未燃成分を燃焼させる排ガス燃焼手段を備え、
前記排ガス供給機構が、前記排ガス燃焼手段から排出された排ガスを熱源として前記改質装置に供給するものである請求項２から４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６】
前記排ガス燃焼手段が、前記排ガス中の未燃成分を接触酸化させて燃焼させる酸化触媒部である請求項５に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と燃焼用酸素含有ガスとを、シリンダ内に吸気するとともに、このシリンダ内において予混合気を圧縮自着火させてクランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンに関するものであり、このようなエンジンにおいて、好ましい運転状態を維持する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、大きく、火花点火エンジン（オットーサイクルエンジン）と、圧縮空気中に液体燃料を噴射するディーゼルエンジンに分けられるが、都市ガスを燃料とするガスエンジンでは、従来型のディーゼルエンジンの場合、噴射燃料の圧縮動力が大きく、機構も複雑になる為、圧倒的多数は、火花点火エンジン（以下ＳＩエンジンと記す）とされる。
ＳＩエンジンは、シリンダへ空気（燃焼用酸素含有ガスの一例）と燃料の予混合気を送り込み、シリンダで圧縮した後、スパークプラグで強制着火する。
ところで、エンジンは、圧縮比を増大させる程効率が増大することが分かっているが、ＳＩエンジンでは、圧縮比を増大させると、ノッキングが発生し、その為、通常、圧縮比は１０程度に抑えられる。ノッキングとは、火花点火された燃焼波が、シリンダ全域に拡がる前に、未燃部が自然燃焼して、衝撃波を発生する現象であり、この自然着火条件の成立は、温度依存性が極めて高い。
また、圧縮比を増大させると、ノッキングが発生し易くなるのは、圧縮比増大とともに、未燃部の温度が増大するためである。
【０００３】
最近、自然着火を積極的に利用する予混合圧縮自着火エンジンのコンセプトが話題になっている。これは、元々、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、圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、ＳＩエンジンの様に空気と燃料の予混合気をシリンダに供給し、圧縮によって自然着火させ、回転を続ける。
この手法をガスエンジンに適用すれば、ノッキングの問題を避けつつ、圧縮比を増大させ、高い効率を得ることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記予混合圧縮自着火エンジンを実現するための大きな課題の一つは、着火時期の制御である。
ＳＩエンジンでは、火花点火時期によって、燃料噴射ディーゼルでは燃料噴射時期によって着火時期を制御できるが、予混合圧縮自着火エンジンの場合、そのままでは（着火時間の制御を適正に行わないと）、起動からの経過時間、エンジン負荷、空気比等の変化により、自着火の起こるタイミングが変わり運転を継続できなくなる。
従って、本発明の目的は、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、その自着火タイミングを適性なものとすることができる技術を得ることにある。
【０００５】
【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よる、燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ内に吸気するとともに、前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンの制御方法の特徴手段は、請求項１に記載されているように、エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出可能、且つ前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料をシリンダ内に供給可能な構造とし、
前記検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記コントロール燃料の供給量を制御し、前記圧縮自着火のタイミングを制御することにある。
エンジンの動作制御にあっては、圧縮自着火のタイミングが重要である。従って、まず、エンジンの動作サイクル中における圧縮自着火の実際のタイミングを検出する。即ち、エンジンは、吸気、圧縮、膨張、排気行程を経て動作することから、このような行程を経る時間軸上で、どのタイミングで自着火が発生しているかを検出する。実際上は、このような自着火は、圧縮行程の最終段階、若しくは膨張行程の初期の段階において、発生することが好ましい。
このような検出は、例えば、シリンダ内の内圧若しくは温度の変化を、クランク軸の回転角と関連付けて検出することにより、行うことができる。
そして、本願にあっては、予混合気より着火性が高いコントロール燃料をシリンダ内に供給可能な構造とし、検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、コントロール燃料の供給量を制御することで、シリンダ内の予混合気の着火性を変化させることができ、結果的に圧縮自着火のタイミングを制御することができる。即ち、予混合気に供給するコントロール燃料の供給量に対して、自着火のタイミングを早めることができ、コントロール燃料の供給量を制御することで、例えば、好ましい圧縮自着火を実現することができる。
【０００６】
以上が、圧縮自着火のタンミングの制御方法に関するものであるが、このような予混合圧縮自着火エンジンは、請求項２に記載されているように、以下のように構成することが好ましい。
即ち、燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ内に吸気するとともに、前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンを構成するに、
エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出する圧縮自着火タイミング検出手段を備えるとともに、
前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備え、
前記圧縮自着火タイミング検出手段によって検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記コントロール燃料供給手段を働かせて前記コントロール燃料の供給量を制御し、前記圧縮自着火のタイミングを制御する制御手段を備える。
この予混合圧縮自着火エンジンにあっては、圧縮自着火タイミング検出手段により、エンジン動作サイクル内における経時的な圧縮自着火のタイミングが検出される。一方、予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備えている。
さて、本願エンジンには、制御手段が備えられ、この制御手段により前記圧縮自着火タイミング検出手段によって検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記コントロール燃料供給手段を働かせて、シリンダ内の予混合気の着火性を変化させる。結果、圧縮自着火のタイミングを変更、制御することができ、例えば、これを好ましい状態とすることができる。
例えば、前記制御手段が、前記圧縮自着火タイミング検出手段により検出される情報に従って、圧縮自着火が起こるべきクランク軸角度タイミングに対する、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、
前記実際の圧縮自着火のタイミングに遅れがある場合に、前記シリンダ内に供給される前記コントロール燃料の供給量を増加側に制御し、
前記実際の圧縮自着火のタイミングに早まりがある場合に、前記シリンダ内に供給される前記コントロール燃料の供給量を減少側に制御することが好ましい。
一般に、予混合圧縮自着火エンジンにおいては、クランク軸の回転角との関係で、圧縮自着火のタイミングとして好ましいタイミングが特定される。即ち、ピストンが上死点にあるタイミングの近傍に、圧縮自着火のタイミングが来ていることが好ましく、このような理想的なタイミングは、エンジンの仕様、動作状態が特定されると、ほぼ一意的に決まる。これが、圧縮自着火が起こるべきクランク軸回転角度タイミングである。よって、このような情報を予め求めておき、制御手段により、このタイミングに対して、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを、検出することが可能であり、これを、好ましいタイミングに持っていこうとすると、制御手段による制御を働かせて、シリンダ内に供給されるコントロール燃料の供給量を増加側に制御したり、コントロール燃料の供給量を減少側に制御することにより、好ましいタイミングとすることができる。
【０００７】
さて、予混合圧縮自着火エンジンは上記の構成でほぼ好ましい運転状態を確保できるが、自着火のタイミングは、例えば、エンジンの運転開始からの経過時間、エンジン負荷、空気比、あるいは環境温湿度気圧等の動作条件の変化に対して直接自着火のタイミングを適切に設定してエンジンの運転状態を良好なものに維持することが好ましい場合がある。この場合は以下の構成を採用することができる。
このような動作条件の変化に対して、コントロール燃料の供給量を適切に調整して、好ましい動作状態を得ようとする提案が以下のものである。
【０００８】
即ち、燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ内に吸気するとともに、前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンを構成するに、請求項３に記載されているように、エンジンの動作条件を検出する動作条件検出手段を備えるとともに、
前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備え、
前記動作条件検出手段によって検出された動作条件に基づいて、前記コントロール燃料供給手段を働かせて前記コントロール燃料の供給量を制御し、前記圧縮自着火のタイミングを制御する制御手段を備える。
この構成にあっては、動作条件検出手段により、自着火タイミングに影響を及ぼすと考えられる動作条件が検出される。このような動作条件とは、先に示したような、エンジンの運転開始からの経過時間、エンジン負荷、空気比、あるいは環境温湿度気圧等である。
【０００９】
一方、これまで説明してきた例と同様に、予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備えていることにより、コントロール燃料をシリンダ内に供給することが可能となっている。
そして、制御手段は、前記動作条件検出手段によって検出された動作条件に基づいて、前記前記コントロール燃料供給手段を働かせてコントロール燃料の供給量を制御し、前記圧縮自着火のタイミングを制御することができる。即ち、制御手段には、例えば、動作条件に従った、あるいはこのような動作条件の変化傾向に対応して、コントロール燃料の供給量の設定あるいはその変化傾向を設定するための情報が予め収納されており、このような予め得られている規範情報に従って、コントロール燃料のシリンダ内への供給量を制御する。
詳しくは、例えば、エンジン負荷が大きい若しくは環境温度が高い若しくは環境湿度が高い場合においては、圧縮自着火のタイミングが早くなるので、コントロール燃料の供給量を減少側に制御して、圧縮自着火タイミングを遅らせる側に制御し、エンジン負荷が小さい若しくは環境温度が低い若しくは環境湿度が低い場合においては、圧縮自着火のタイミングが遅くなるので、コントロール燃料の供給量を増加側に制御して、圧縮自着火タイミングを早める側に制御する。
このようにすることで、動作条件に適合して、あるいは動作条件の変化に対応して、コントロール燃料の供給量の制御を伴って、好ましい運転状態を確保できる。
【００１０】
これらの予混合圧縮自着火エンジンにおいて、請求項１乃至２に記載されているように、前記燃料となる原料ガスを改質して、前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を得る改質装置を備え、
前記コントロール燃料供給手段は、前記改質装置から得られた前記コントロール燃料をシリンダ内に供給するように構成されている。
この構成において、燃料となる原料ガスを改質して、予混合気より着火性が高いコントロール燃料を得る改質装置を備えることで、燃料からコントロール燃料を得ることができる。コントロール燃料供給手段によって、燃料から得たコントロール燃料のシリンダ内への供給量を制御することができ、圧縮自着火のタイミングを制御することができる。
【００１１】
さらに、請求項４に記載されているように、前記燃料が天然ガスを主成分とした燃料であり、前記改質装置が前記天然ガスを改質して、ｎ−ブタン、水素を前記コントロール燃料として得る天然ガス改質装置であることが好ましい。
天然ガスを主成分とするエンジンに対して、コントロール燃料としてｎ−ブタン、水素を使用することができる。例えば、ｎ−ブタンは天然ガス中に２％程度含まれており、天然ガスを圧力スイング法（ＰＳＡ法）や加熱再生法（ＴＳＡ法）というような改質方法によって改質し、コントロール燃料としてのｎ−ブタンを得ることができる。この場合、前記天然ガス改質装置をこのような改質方法を用いた改質装置とすることで、天然ガスからｎ−ブタンを得ることができ、これをコントロール燃料としてコントロール燃料供給手段によってシリンダへの供給量を制御し、圧縮自着火のタイミングを制御することができる。また、コントロール燃料として水素を利用する場合、ニッケル等の触媒を用いて、反応温度５００〜９００℃程度で天然ガス中の炭化水素と水蒸気とを反応させる水蒸気改質方法によってコントロール燃料としての水素を得ることができる。
【００１２】
このような予混合圧縮自着火エンジンの構成において、請求項１乃至２に記載されているように、燃焼に伴って発生する排ガスを熱源として前記改質装置に供給する排ガス供給機構を備え、
前記改質装置が、供給される前記排ガスを使用して前記燃料の改質を行うように構成されている。
例えば、コントロールガスとしてｎ−ブタンを利用する場合、前述のＰＳＡ法やＴＳＡ法の改質方法は、それぞれ吸着剤を使用して、吸着・脱離によって物質を改質する方法であり、ＰＳＡ法は、吸着過程では常温加圧下で操業して比吸着成分を吸着し、脱離過程では大気圧又はそれ以下に減圧して比吸着成分を脱離させる方法であり、ＴＳＡ法は、吸着過程では低温下で操業して比吸着成分を吸着し、脱離過程では、加熱して比吸着成分を脱離する方法である。このような改質方法を採用するためには、改質装置において、加熱することが必要であり、本発明の圧縮自着火エンジンにおいては、排ガスの熱エネルギーを用いて、加熱することができる。
また、例えば、コントロールガスとして水素を利用する場合、水素を得るための水蒸気改質方法において、排ガスの熱エネルギを、水蒸気改質のための水蒸気を生成するための熱源として利用したり、水蒸気と天然ガスとの反応熱として利用することができる。
【００１３】
さらに、このような予混合圧縮自着火エンジンにおいて、請求項１乃至２に記載されているように、前記排ガス供給機構が、前記改質装置に供給する排ガス量を調整する排ガス量調整手段を有し、
前記制御手段が、前記コントロール燃料の供給量を制御するに、前記排ガス量調整手段を働かせ、前記改質装置に供給する排ガス量を制御することができる。
このように、改質装置に熱源として供給する排ガスの供給量を変化させると、改質装置の改質能力が変化し、結果、改質装置によって生成されるコントロール燃料の量が変化する。
よって、制御手段は、予混合気に供給するコントロール燃料の供給量を制御する為に、改質装置の熱源としての排ガスの供給量を制御するができ、簡単な構成で、本発明の好ましいタイミングで圧縮自着火を行うことができる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
【００１４】
さらに、このような予混合圧縮自着火エンジンにおいて、請求項５に記載されているように、燃焼に伴って発生する排ガスを導入し、前記排ガス中の未燃成分を燃焼させる排ガス燃焼手段を備え、
前記排ガス供給機構が、前記排ガス燃焼手段から排出された排ガスを熱源として前記改質装置に供給するものであることが好ましい。
予混合圧縮自着火エンジンにおいて、予混合気を圧縮自着火するために、排ガス中に未燃成分が多く存在することがあるが、排ガス燃焼手段により、その未燃成分を燃焼させることで、排出する排ガス中の未燃成分を低下させることができるが、このように排ガスの未燃成分を燃焼させた場合、その燃焼後の排ガスは高温となっている。
また、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、予混合気を希薄状態で圧縮自着火させるので、排出される排ガスの温度は、通常のエンジンと比べて低温であり、４００℃程度である。
よって、改質装置に充分な熱源を供給する為には、上記の排ガス燃焼手段によって再燃焼し、例えば８００℃程度に昇温した排ガスを利用することが好ましく、上記の構成を採用することで、本願の好ましい自着火タイミングを維持することができる予混合圧縮自着火エンジンにおいて、改質装置の改質能力を充分発揮させて、効率よくコントロール燃料を生成することができ、排ガスの未燃成分の低下にも実現できる。
【００１５】
さらに、このような予混合圧縮自着火エンジンにおいて、請求項６に記載されているように、前記排ガス燃焼手段が、前記排ガス中の未燃成分を接触酸化させて燃焼させる酸化触媒部であることができる。
即ち、このような排ガス燃焼手段は、上記のように酸化触媒による接触燃焼を行うように構成することができ、充分に排ガス中の未燃成分を燃焼させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本願の予混合圧縮自着火エンジン１００の構造を図１に基づいて説明する。
エンジン１００は、吸入弁１及び排気弁２を備えたシリンダ３と、このシリンダ３内に収納されるピストン４を備えたエンジン本体５を備えて構成されている。ピストン４は連接棒８によってクランク軸９に接続されており、ピストン４の往復動に従ってクランク軸９に回転出力を得られる。この構成により、予混合気は、吸気路１３、吸気弁１を介し、シリンダ３内へ導かれ、圧縮・膨張行程を経た後、排気弁２、排気路１４を介して排気側へ排気される。
一方、吸気路１３において、コントロール燃料２１を吸気路１３に供給可能なコントロール燃料供給装置を備えている。この構成により、シリンダ３内へ供給される予混合気にコントロール燃料２１を混合することができる。
【００１７】
エンジンの動作サイクルは、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。
通常、前記吸気行程においては、吸入弁１のみが開状態とされて、予混合気の吸入が行われる。圧縮行程においては、吸入弁１及び排気弁２が共に閉状態とされピストン４がシリンダ３内空間を減少させる方向に移動し、シリンダ３内のガスの圧縮が起こる。この圧縮が完了する状態におけるピストン４の位置が、上死点と呼ばれ、本願における圧縮自着火は、この位置の近傍にピストン４があるタイミングで起こることが好ましい。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４がシリンダ内空間を増加する方向に移動する行程である。この行程にあっても、吸入弁１及び排気弁２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２のみが開状態とされ、ピストン４のシリンダ３内空間を減少させる方向への移動に伴ってシリンダ３内の排ガスが排出される。
以上の行程は、４サイクルエンジンが普通に備える行程であり、基本的に予混合圧縮自着火エンジンも、着火が、圧縮に伴って発生される熱によって起こる以外、他のエンジンと変わるところはない。
【００１８】
以下  本願の特徴構成に関して説明する。
図１に示すエンジン１００には、シリンダ３内の内圧を検出するための内圧センサ１０が備えられるとともに、クランク軸９の角度を検出するためのクランク角センサ１１が備えられている。内圧センサ１０からの出力情報は予め設定されている設定値と比較され、その比較結果、及び検出されたクランク角が、エンジンに備えられる制御装置１２に送られる。従って、制御装置１２においては、各時点において、クランク角と設定値に対してシリンダ内の内圧がどのような状態にあるかの情報を得ることができる。シリンダ内圧が設定値を越えるタイミングが実際の自着火のタイミングである。このように、エンジンの動作サイクルにおける圧縮自着火のタンミングを検出する手段を、圧縮自着火タイミング検出手段Ａと呼ぶ。
ここで、この圧縮自着火タイミング検出手段Ａにおいては、クランク軸角度が動作サイクルの時間軸に代わる情報として認識され、クランク軸角がどの角度にあるタイミングで、圧縮自着火が起こったかを検出して、自着火のタイミングが特定される。
【００１９】
一方、前述のコントロール燃料供給装置２２に関して説明すると、コントロール燃料供給装置２２は予混合気よりも着火性の高いコントロール燃料２１として例えばｎ−ブタンを備えており、流路２３を介して吸気路１３にコントロール燃料２１を供給できるように構成されている。コントロール燃料２１の供給量は設定可能であり、制御装置１２の出力信号に基づいて、所定量のコントロール燃料２１を予混合気に供給する。
このように、予混合気に供給され得るコントロール燃料２１の量を設定し、予混合気に供給する手段をコントロール燃料供給手段Ｂと呼ぶ。
【００２０】
コントロール燃料２１を含んだ予混合気は、コントロール燃料２１が予混合気よりも着火性が高いことから、コントロール燃料２１の量を調整することで、着火性を変更することができる。即ち、コントロール燃料２１を増やすと、着火性が高くなり、圧縮自着火のタイミングが早くなる。このことを利用して、予混合気に供給されるコントロール燃料２１の量を調整することで、圧縮自着火のタイミングを調整することができるのである。
【００２１】
上記構成により、制御装置１２には、エンジン１００の一動作サイクル内における実際の自着火のタイミング情報（実際は、各クランク角においてシリンダ内圧力が設定値に対して、これを越えたクランク角情報）が、入力される。
一方、この制御装置１２は、内部に記憶手段１２０を備えており、運転条件に対応して、圧縮自着火が起こるべきタイミング（特定のクランク角）情報を備えている。このような好ましい自着火のタイミングは、エンジンの仕様が固定されている場合、経験的に判明しており、予め記憶しておくことができる。
そして、制御装置１２内では、エンジン動作時における、圧縮自着火タイミング検出手段Ａによって検出された実際の自着火タイミング（シリンダ内圧が前記設定値を越えるシリンダ角）と、前記好ましい自着火のタイミング（好ましいシリンダ角）との、比較を行う。このようにすることで、実際の自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを判断する。この結果に基づいて、制御装置１２にあっては、予め記憶させておいたコントロール燃料２１の予混合気に対する供給量を決定し、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、コントロール燃料供給装置２２によりコントロール燃料２１を圧縮自着火前の予混合気に供給する。
【００２２】
このように、圧縮自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従って、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前の予混合気に供給するコントロール燃料２１の量を制御する手段を制御手段Ｃと呼び、この制御手段Ｃにより、予混合気の着火性が好ましい状態で圧縮自着火するものとなり、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとすることができる。
【００２３】
さて、制御装置１２には、上記のような内圧センサ１０及びクランク角センサ１１からの検出情報の他に、エンジンに係る負荷情報、及びエンジンの周囲環境の温湿度情報が入力されるようにシステムが構成されていてもよく、これらの入力情報に基づいて、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、予混合気に供給するコントロール燃料２１の量を制御、即ち、予混合気の着火性を制御し、自着火タイミングの制御を行うこともできる。この構成に関して、以下に説明する。
エンジン負荷に関しては、エンジンの必要回転数等をモニターするエンジン負荷検出センサ１７（手段の一例）が備えられる構成が採用されており、検出される負荷の変動に対して制御装置１２は、エンジン負荷検出手段１７により検出されるエンジン負荷が増大する場合にはコントロール燃料２１の供給量を減少側に制御して、圧縮自着火前の予混合気の着火性を低め、エンジン負荷が減少する場合にはコントロール燃料２１の供給量を増加側に制御して、圧縮自着火前の予混合気の着火性を高めることができる。
結果、エンジン負荷に対しても本願の自着火エンジンは良好に対応できる。
さらに環境温度に関しては、環境温度を検出する温度センサ１８（環境温度検出手段の一例）が備えられており、この環境温度検出手段１８により検出される環境温度が上昇する場合は、予混合気に供給されるコントロール燃料２１を減少側に制御し、環境温度が下降する場合は、増加側に制御することができる。
結果、環境温度等の変動に対しても、自着火のタイミングを好ましいタイミングに設定することができる。
ここで、負荷センサ１７や環境温度センサ１８のような、エンジンの動作条件を検出する手段を、動作条件検出手段Ｄと称する。
【００２４】
〔実施例２〕
以下に、別の実施の形態として、図２に天然ガスを主成分とした都市ガスを主燃料とし、その都市ガスを改質し、コントロール燃料としてｎ−ブタンを得るエンジン１００の構成を示す。
本実施例において、主燃料として、メタンを８８％程度、ｎ−ブタンを２％程度含有する都市ガスである１３Ａを使用する。
ｎ−ブタンは都市ガスよりも着火性が高く、ｎ−ブタンを上述のコントロール燃料として都市ガスに供給することで圧縮自着火のタイミングを変更することができる。
エンジン１００は、吸気路１３より分岐して流路２５から供給される都市ガスと空気の予混合気を改質してｎ−ブタンを得る改質装置３０を備える。改質装置３０は、都市ガスを前述のＴＳＡ法によって改質する装置であり、吸着・脱離の熱源としてシリンダ３から排出される排ガスを排気路１４を介して供給可能となっている。即ち、吸気路１３から分岐し流路２５を介して改質装置３０に供給された予混合気から、排ガスの熱を利用したＴＳＡ法によってｎ−ブタンを改質し、ｎ−ブタンを流路３０へ送り、ｎ−ブタンを抽出された予混合気は流路２６を介し吸気路１３に戻される。
これらの構成により、排ガスのエネルギーを利用して、予混合気よりｎ−ブタンを抽出することができ、一種類の燃料から常時シリンダ３内に供給される主燃料と自着火タイミングを変更することができるコントロール燃料としてｎ−ブタンを得ることができる。
抽出されたｎ−ブタンは流路２７を介してコントロール燃料供給装置３１に供給され、コントロール燃料供給装置３１に一時的に貯蔵される。コントロール燃料供給装置３１は貯蔵しているｎ−ブタンをコントロール燃料として、流路２８を介して吸気路１３に供給可能であり、制御装置１２からの出力信号に基づいて、供給量の調節を伴って、ｎ−ブタンを吸気路１３に供給する。このように、予混合気に供給され得るコントロール燃料の量を設定し、予混合気に供給する手段をコントロール燃料供給手段Ｂと呼ぶ。
このような構成によって、前述の実施例と同様に、制御手段Ｃは、圧縮自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従って、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、都市ガスと空気の予混合気に供給するｎ−ブタンの量を制御し、予混合気の着火性が好ましい状態で圧縮自着火させ、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとすることができる。
【００２５】
〔実施例３〕
さらに、以下に、別の実施の形態として、図３に天然ガスを主成分とした都市ガスを主燃料とし、都市ガスと空気の予混合気にｎ−ブタンを吸着・脱離可能な改質装置３３を吸気路１３に備えたエンジン１００の構成を示す。
改質装置３３は予混合気に含まれるｎ−ブタンをＴＳＡ法によって吸着・脱離可能であり、熱源として排ガスを利用できる。図３（イ）、（ロ）に示すように、排気路１４内の排ガスは切換弁３７によって改質装置３３に供給される流路３６と大気に排出される流路３５に切り換えられ、切換弁３７は制御装置１２の出力信号によって切り換えられる。
図３（イ）に示すように、切換弁３７によって排ガスが流路３５に導かれ、改質装置３３に排ガスを供給していないとき、即ち常温時は、改質装置３３は都市ガスに含まれるｎ−ブタンを吸着する。次に、図３（ロ）に示すように、切換弁３７によって排ガスが流路３６に導かれ、改質装置３３に排ガスを供給するとき、即ち加熱時は、改質装置３３は前に吸着したｎ−ブタンを脱離する。
これらの構成で、切替弁３７の切換により、吸気路１３内のｎ−ブタンを吸着・脱離可能となり、このように、コントロール燃料として予混合気中の着火性能が高い成分を吸着・脱離により、分離・供給を行う手段をコントロール燃料供給手段Ｂと呼ぶ。
このことにより、図３（イ）に示すように、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、ｎ−ブタンを吸着すると、シリンダ３内に供給される予混合気の着火性は低くなり、結果、圧縮自着火のタイミングは遅くでき、図３（ロ）に示すように、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、ｎ−ブタンを脱離すると、シリンダ３内に供給される予混合気の着火性は高くなり、結果、圧縮自着火のタイミングは早くできる。
よって、前述の実施例及び別実施例と同様に、制御手段Ｃは、圧縮自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従って、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、切換弁３７を切り換え、都市ガスと空気の予混合気にコントロール燃料としてｎ−ブタンを供給し、予混合気の着火性を向上させ、圧縮自着火のタイミングを早めることができ、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとすることができる。
【００２６】
〔実施例４〕
さらに、排ガスの熱を利用して燃料を改質しコントロール燃料を得る改質装置３３を備えた予混合圧縮自着火エンジン１００において、別の実施の形態について、図４に基づいて説明する。
【００２７】
図４に示す予混合圧縮自着火エンジン１００は、前述の実施例と同様に、天然ガス系都市ガスの燃料を改質して、コントロール燃料としての都市ガスよりも着火性が良いｎ−ブタンを生成することができる改質装置３３を備えており、流路４２に流通する燃料の一部を改質装置３３に供給し、残部を流路４３によって、改質装置３３の下流側に合流させるように構成されており、後に説明するが、改質装置３３に供給する熱源としての排ガスの供給量を変化させることによって、改質装置３３のｎ−ブタンを生成する能力が変化し、結果、流路４４内の燃料に含まれているｎ−ブタンの量が変化するように構成されており、流路４４内の燃料は流路４１の空気と混合されてシリンダ３内に吸気される。
この改質装置３３のように、シリンダに吸気される予混合気に、都市ガスを改質して生成したｎ−ブタンをコントロール燃料として供給し、熱源としての排ガスの供給量を変化させることで、このコントロール燃料の供給量を変化させることができる手段をコントロール燃料供給手段Ｂと呼ぶ。
【００２８】
また、排気路１４に、排ガス中の未燃成分を接触酸化させて燃焼させる酸化触媒部４０を備えており、酸化触媒部４０は、シリンダ３から排出される４００℃程度の排ガスを、酸化触媒によって再燃焼させて、再燃焼によって８００℃程度と高温になった排ガスを排出するように構成されており、後に説明する切換弁３７及び流路３６を介してこの高温の排ガスを改質装置３３に熱源として供給することができるので、改質装置３０は効率よく燃料を改質して、コントロール燃焼としてのｎ−ブタンを生成することができる。
【００２９】
また、切換弁３７は、酸化触媒部４０から排出された排ガスを、流路３６と流路３５とへ分割して流し、流路３６へ流す排ガス量を制御装置１２によって制御され、残りの排ガスを流路３５に流すように構成されている。
【００３０】
よって、制御装置１２は、上記の実施の形態と同様に、エンジン動作時における、圧縮自着火タイミング検出手段Ａによって検出された実際の自着火タイミング（シリンダ内圧が前記設定値を越えるシリンダ角）と、前記好ましい自着火のタイミング（好ましいシリンダ角）との、比較を行い、このようにすることで、実際の自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを判断し、この結果に基づいて、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、即ち、切換弁３７を制御して、自着火のタイミングが早める場合は、改質装置３３に熱源として供給される高温の排ガスの供給量を増加させ、改質装置３３が生成するｎ−ブタンの量を増加させ、逆に自着火タイミングを遅める場合は、改質装置３３に供給される高温の排ガスの供給量を減少させる。
【００３１】
このように、上記実施例における制御手段Ｃと同様に、圧縮自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従って、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前の予混合気に供給するｎ−ブタンの量を制御する制御手段Ｃを備え、この制御手段Ｃにより、予混合気の着火性が好ましい状態で圧縮自着火するものとなり、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとすることができる。
【００３２】
また、上記実施例における動作条件検出手段Ｄと同様に、エンジン負荷に関しても、エンジン負荷検出手段によって検出される負荷の変動に対して制御装置１２は、エンジン負荷が増大する場合にはｎ−ブタンの供給量を減少側に制御するべく、切換弁３７を制御して、改質装置３３に供給する排ガス量を減少させて、圧縮自着火前の予混合気の着火性を低め、エンジン負荷が減少する場合にはｎ−ブタンの供給量を増加側に制御するべく、改質装置３３に供給する排ガス量を増加させて、圧縮自着火前の予混合気の着火性を高めることができる。
結果、エンジン負荷に対しても本願の自着火エンジンは良好に対応できる。
さらに環境温度に関しても、環境温度検出手段１８により検出される環境温度が上昇する場合は、予混合気に供給されるｎ−ブタンを減少側に制御するべく、切換弁３７を制御して、改質装置３３に供給する排ガス量を減少させて、環境温度が下降する場合は、改質装置３３に供給する排ガス量を増加させて、圧縮自着火前の予混合気の着火性を高めることができる。
結果、環境温度等の変動に対しても、自着火のタイミングを好ましいタイミングに設定することができる。
ここで、負荷センサ１７や環境温度センサ１８のような、エンジンの動作条件を検出する手段を、動作条件検出手段Ｄと称する。
【００３３】
さらに、改質装置３３へ供給されず、流路３５に流通する排ガスは、上述のように高温であるために、この高温の排ガスを温水若しくは水蒸気生成用の熱交換器４５の熱源として利用することもできる。
【００３４】
〔実施例５〕
さらに、排ガスの熱を利用して燃料を改質しコントロール燃料を得る改質装置３３を備えた予混合圧縮自着火エンジン１００において、図５に基づいて説明する。
【００３５】
図５に示す予混合圧縮自着火エンジン１００は、天然ガス系都市ガスの燃料を水蒸気改質して、コントロール燃料としての都市ガスよりも着火性が良い水素を生成することができる改質装置５０を備えており、改質装置５０は、ニッケル等の触媒を用いて、反応温度５００〜９００℃程度で燃料中の炭化水素と水蒸気とを反応させる水蒸気改質方法によってコントロール燃料としての水素を得るように構成されている。
また、改質装置５０に供給される水蒸気は、排ガス中の未燃成分を接触酸化させて燃焼させる酸化触媒部４０から排出される高温の排ガスを熱源とする熱交換器５１において水を蒸発させて生成される。尚、この熱交換器５１において生成された水蒸気は、一部を改質装置５０で利用し、残部をコジェネレーションシステム等に利用することができる。
【００３６】
さらに、前述の実施の形態４と同様に、切換弁３７によって、熱交換器５１から排出された排ガスを、流路３６と流路３５とへ分割して流し、流路３６へ流す排ガス量を制御装置１２によって制御して、改質装置５０に供給する熱源としての排ガスの供給量を変化させることによって、改質装置５０の水素を生成する能力が変化させ、結果、流路４４内の燃料に含まれているコントロール燃料としての水素の量を変化させることができ、この改質装置５０のように、シリンダに吸気される予混合気に、都市ガスを改質して生成した水素をコントロール燃料として供給し、熱源としての排ガスの供給量を変化させることで、このコントロール燃料の供給量を変化させることができる手段をコントロール燃料供給手段Ｂと呼ぶ。
【００３７】
よって、制御装置１２は、上記の実施の形態と同様に、エンジン動作時における、圧縮自着火タイミング検出手段Ａによって実際の自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを判断し、この結果に基づいて、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、即ち、切換弁３７を制御して、自着火のタイミングが早める場合は、改質装置５０に熱源として供給される高温の排ガスの供給量を増加させ、改質装置３３が生成する水素の量を増加させ、逆に自着火タイミングを遅める場合は、改質装置３３に供給される高温の排ガスの供給量を減少させる。
即ち、上記実施例における制御手段Ｃと同様に、圧縮自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従って、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前の予混合気に供給する水素の量を制御する制御手段Ｃを備え、この制御手段Ｃにより、予混合気の着火性が好ましい状態で圧縮自着火するものとなり、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとすることができる。
【００３８】
また、上記実施例における動作条件検出手段Ｄと同様に、エンジンの動作条件であるエンジン負荷及び環境温度に関しても、予混合気に供給するに関しても、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前の予混合気に供給する水素の量を制御し、自着火のタイミングを好ましいタイミングに設定することができる。
【００３９】
〔別実施の形態例〕
（イ）  本願の予混合圧縮自着火エンジンに使用できる燃料としては、都市ガス等が好適であるが、ガソリン、プロパン、メタノール等、任意の炭化水素系燃料を使用することができる。
（ロ）  予混合気を生成するにあたっては、燃料とこの燃料の燃焼のための酸素を含有するガスとを混合すればよいが、例えば、燃焼用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。しかしながら、このようなガスとしては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高い酸素富化ガス等を使用することが可能である。
（ハ）  上記の別実施の形態例において、主燃料として都市ガスを使用し、コントロール燃料としてｎ−ブタン及び水素を使用した例を示したが、主燃料として使用される燃料に含まれている成分のうち、着火性の高い成分をコントロール燃料として使用、そのコントロール燃料を主燃料から改質可能であれば本発明に係るエンジンを構成することができる。
（ニ）  上記の実施の形態例において、自着火のタイミングの検出にあたっては、シリンダ内圧が所定の設定値を越えるタイミングとして捕らえたが、このようなタイミングの検出は、温度、振動を基準とする、さらに、自着火の発光を検出するフォトセンサによる方法もあり、さらに、ノッキングセンサをシリンダに取りつけておいて、このセンサの信号から検出するようにしてもよい。
さらに、動作サイクルにおけるタイミングの特定は、クランク軸角との関係で特定したが、時間軸において、このタイミングを特定してもよい。
（ホ）  上記の実施の形態例においては、エンジンの動作条件として、エンジン負荷、環境温度の場合を主に説明したが、これら、自着火に影響を与える動作条件としては、環境湿度、環境気圧、起動からの経過時間、空気比、過給圧、燃料ガス組成等もある。従って、これらの状態を検出するセンサを設け、このセンサの出力に従って制御をすることが好ましい。
例えば、環境湿度の上昇に対してはコントロール燃料の供給量を増加させ、環境湿度の降下に対してはコントロール燃料の供給量を減少させる。
起動からの経過時間に関しては、この経過時間が短い場合はコントロール燃料の供給量を比較的増加させて維持し、経過時間が所定の定常運転時間に達した段階で、初期におけるコントロール燃料の供給量より減少側に調整するように構成することが好ましい。
また、空気比に関しては、空気比の上昇に対してはコントロール燃料の供給量を増加させ、空気比の下降に対してはコントロール燃料の供給量を減少させる。ここで、空気比は、圧縮自着火エンジンの場合２〜６の範囲内に設定されることが多く、この程度の範囲における上昇・下降の変化に対応する。
（ヘ）  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。
（ト）  上記の別実施の形態例においては、改質装置の熱源として排ガスを利用したが、もちろん、別の手段、即ち電熱ヒーターやバーナ等で加熱することができるが、排ガスによって水を蒸発させ、その水蒸気を利用することができる。
（チ）  上記の実施の形態例においては、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気である予混合気をシリンダ内に吸入する構造のものを示したが、燃料及び燃焼酸素含有ガスを別々に、例えば、圧縮行程の初期段階でシリンダ内に供給して、予混合気を形成して、これを圧縮・自着火する構造のものにおいても、本願の発明は適応できる。この場合は燃料の流路若しくはシリンダ内にコントロール燃料供給手段を設けることで可能である。
【００４０】
【発明の効果】
従って、上記手法によりコストをあまりかけずに、予混合圧縮自着火エンジンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の予混合圧縮自着火エンジンシステムの構成を示す図
【図２】本願の予混合圧縮自着火エンジンシステムの構成を示す部分図
【図３】本願の予混合圧縮自着火エンジンシステムの構成を示す部分図
【図４】本願の予混合圧縮自着火エンジンシステムの構成を示す図
【図５】本願の予混合圧縮自着火エンジンシステムの構成を示す図
【符号の説明】
３      シリンダ
９      クランク軸
１２    制御装置
２１    コントロール燃料
２２    コントロール燃料供給装置
３０    改質装置
１００  圧縮自着火エンジン
Ａ      圧縮自着火タイミング検出手段
Ｂ      コントロール燃料供給手段
Ｃ      制御手段
【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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