(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給手段から供給される燃料と酸素含有ガスとの予混合気を燃焼室において圧縮して自着火燃焼させて、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であって、
エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えるとともに、
前記燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定して前記予混合気の当量比を設定する当量比設定手段と、前記自着火前の前記燃焼室の圧力を調整して、前記燃焼室における実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段とを備え、
前記動作状態検出手段が、前記動作状態としての前記エンジンの設定出力を検出する手段であり、
予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比との前記設定出力に関する関係に基づいて、前記当量比及び前記実圧縮比を制御するに、前記設定出力の増加に伴って、前記当量比を増加させると共に前記実圧縮比を減少させ、前記設定出力の減少に伴って、前記当量比を減少させると共に前記実圧縮比を増加させる制御手段を備える予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項２】
前記燃焼室に吸気される新気の温度を設定する新気温度設定手段を備え、
前記制御手段が、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比と前記新気の温度との前記動作状態に関する関係に基づいて、前記当量比設定手段及び前記実圧縮比設定手段及び前記新気温度設定手段を働かせて、前記当量比及び前記実圧縮比及び前記新気の温度を制御する請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項３】
前記実圧縮比設定手段が、吸気弁を吸気行程後の下死点時期よりも早く若しくは遅く閉じ、前記下死点時期と前記吸気弁の閉時期との差を調整することによって、前記燃焼室に吸気される新気の量を設定して前記実圧縮比を設定する手段である請求項１又は２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、燃料供給手段から供給される燃料と酸素含有ガスとの予混合気を燃焼室において圧縮して自着火燃焼させて、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。
【０００２】
【従来の技術】
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。この種の予混合圧縮自着火エンジンは、ディーゼルエンジンのパティキュレートを防止する目的で開発されたものであって、研究開発の端緒についたところである。着火形式は、ディーゼルエンジンと同様に、断熱圧縮を利用した自然着火形式であるが、圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、火花点火式のエンジンのように空気（酸素含有ガスの一例）と燃料の予混合気を燃焼室に形成し、その予混合気を断熱圧縮して自然着火燃焼させ、クランク軸の回転を続ける。
この手法をガスエンジンに適用すれば、圧縮比を増大させると共に超希薄な予混合気を圧縮自着火させ、高熱効率及び低ＮＯｘが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、予混合気を断熱圧縮によって昇温させ自着火させるので、エンジンの起動からの経過時間、エンジンの周囲環境（温度、湿度等）、若しくはエンジン出力等のエンジン動作状態が変化した場合、吸気路や燃焼室の壁面温度が変化するので、予混合気の自着火タイミングが変化したり、自着火が発生しなくなり、エンジンの熱効率低下若しくはエンジンの運転停止の原因となる。
エンジンの動作状態としての起動からの経過時間が変化する場合、言換えればエンジンの暖機状態が変化する場合、特に、エンジンの起動時においては、吸気路及び燃焼室の壁面温度が低く、予混合気を自着火するのに必要な温度に達するまで断熱圧縮することができない。よって、予混合圧縮自着火エンジンを起動するに、エンジンを何らかの手法によって暖機し予混合気を圧縮自着火させながら起動することは困難であるので、従来の予混合圧縮自着火エンジンは、エンジンを火花点火エンジンとして起動して充分に暖機した後、若しくは何らかの暖機手段によってエンジンを充分に暖機した後に、予混合気を圧縮自着火させる運転を行う必要があり、エンジンが複雑化する上に、スムーズな起動運転を実現できなかった。
また、エンジンの動作状態としてのエンジンの出力を変更する場合、燃焼室に吸気する予混合気の当量比を変化させるのであるが、当量比を広く変化させ出力設定範囲を拡大しながら、定格負荷から部分負荷に渡って高い熱効率を維持するための有効な技術は無かった。
従って、本発明は、上記問題点を解消し、高熱効率且つ低ＮＯｘの予混合圧縮自着火エンジンにおいて、エンジンの動作状態が変化しても高い図示熱効率を維持することができる技術を得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項１に記載したごとく、エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えるとともに、
前記燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定して前記予混合気の当量比を設定する当量比設定手段と、前記自着火前の前記燃焼室の圧力を調整して、前記燃焼室における実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段とを備え、
前記動作状態検出手段が、前記動作状態としての前記エンジンの設定出力を検出する手段であり、
予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比との前記設定出力に関する関係に基づいて、前記当量比及び前記実圧縮比を制御するに、前記設定出力の増加に伴って、前記当量比を増加させると共に前記実圧縮比を減少させ、前記設定出力の減少に伴って、前記当量比を減少させると共に前記実圧縮比を増加させる制御手段を備えることを特徴とする。
【０００５】
〔作用効果〕
本構成のごとく、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、前記動作状態検出手段によって、燃焼室における圧縮自着火のタイミング、エンジンの起動からの経過時間、エンジンの周囲環境（温度、湿度等）、若しくはエンジンの設定出力等のエンジンの動作状態を検出可能であると共に、前記当量比設定手段によって、例えば燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定して、予混合気の当量比を設定可能、且つ、前記実圧縮比設定手段によって、例えば圧縮行程における吸気弁の閉タイミングを変化させ調整する、若しくは新気の過給圧を調整して、自着火前の燃焼室の圧力を調整し、燃焼室における実圧縮比を設定可能に構成されている。
そして、前記制御手段によって、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比との前記動作状態に関する関係、即ち予め実験等によって求めて記憶しておいた、検出される動作状態に対して常に高い図示熱効率を実現することができる当量比及び圧縮比の夫々の値の関係に基づいて、当量比及び実圧縮比を制御するので、動作状態が変化しても常に高い図示熱効率を維持することができる。詳しくは、エンジン動作状態が、燃焼室において予混合気を自着火させ難い状態である場合、言換えれば燃焼室において予混合気を断熱圧縮しても自着火が好ましい時点より遅れて発生する、若しくは自着火が発生しない状態である場合、実圧縮比を高い側に調整すると共に、実圧縮比の増加に伴って発生するノッキング等を回避するために、予混合気の当量比を低い側に調整することで、エンジンを好ましい状態で運転して、高い熱効率を維持することができる。
さらに、エンジンの設定出力、言換えれば要求されるエンジンの出力は、手動で、若しくはエンジンのクランク軸にかかる負荷を検出して設定されるのであるが、本構成のごとく、動作状態検出手段を、前記設定出力を検出する手段として構成し、制御手段によって、その検出された設定出力に基づいて、当量比と実圧縮比を制御して、エンジンの出力を変更しながら、前記エンジンの熱効率を好ましいものに維持することができる。
即ち、前記制御手段によって、前記予め記憶している当量比及び実圧縮比のその設定出力に関する関係、即ち、熱効率を高く維持するための当量比と実圧縮比の関係に基づいて、エンジンの設定出力を増加させるに、当量比を増加させながら、実圧縮比を減少させ、逆にエンジンの設定出力を減少させるに、当量比を減少させながら、実圧縮比を増加させる。
よって、出力を大幅に変更しても、ノッキング等を回避してエンジンの熱効率を常に高いものに維持することができる予混合圧縮自着火エンジンを実現することができる。
【００１０】
〔構成２〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項２に記載したごとく、上記構成１の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記燃焼室に吸気される新気の温度を設定する新気温度設定手段を備え、
前記制御手段が、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比と前記新気の温度との前記動作状態に関する関係に基づいて、前記当量比設定手段及び前記実圧縮比設定手段及び前記新気温度設定手段を働かせて、前記当量比及び前記実圧縮比及び前記新気の温度を制御することを特徴とする。
【００１１】
〔作用効果〕
本構成のごとく、制御手段を、前記当量比と前記実圧縮比とを制御すると共に、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比と前記新気の温度との前記動作状態に関する関係に基づいて、前記新気温度設定手段を働かせて燃焼室に吸気される新気の温度を制御するように構成することができる。詳しくは、エンジンの出力を変化させる場合、予混合気の当量比を高い側に設定するのであるが、その時にエンジン動作状態としてはノッキング等が発生しやすい状態となる。そこで、その当量比増加と合わせて実圧縮比及び新気の温度を制御するのであるが、具体的には、出力増加に伴って、実圧縮比を減少させると共に、前記新気の温度を減少させ、ノッキングを回避することができる。よって、出力等を大幅に変更しても常に高い熱効率を維持することができる予混合圧縮自着火エンジンを実現することができる。
【００１２】
〔構成３〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記実圧縮比設定手段が、吸気弁を吸気行程後の下死点時期よりも早く若しくは遅く閉じ、前記下死点時期と前記吸気弁の閉時期との差を調整することによって、前記燃焼室に吸気される新気の量を設定して前記実圧縮比を設定する手段であることを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
本構成のごとく、例えば、吸気行程において開状態となっている吸気弁を下死点時期よりも早く若しくは遅く閉状態とする所謂ミラーサイクル方式で運転することで、その吸気弁の閉時期における燃焼室の容積分しか新規を吸気できないので、下死点時点で閉状態したときよりも実圧縮比は小さくなる。即ち、下死点時期と吸気弁の閉時期の差を調整することにより、燃焼室に吸気される新気の量を調整することができ、これにより実圧縮比を任意に調整することができる。よって、この実圧縮比設定手段を働かせることで、実圧縮比を任意に設定することができ、このような簡単な構成で、動作状態が変化しても常に高い図示熱効率を維持することができる本発明の予混合圧縮自着火エンジンを実現することができる。
【００１４】
【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１００に関する実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、予混合圧縮自着火エンジン１００は、過給機１７によって加圧され吸気路１１に流通する空気に、燃料ノズル８によって燃料としての天然ガス系都市ガスを供給して予混合気を形成し、形成された予混合気を、吸気弁１を介してシリンダ３内に形成された燃焼室７に供給し、燃焼室７において予混合気を圧縮して自着火燃焼させて、ピストン４の往復運動を、連結棒５を介してクランク軸６の回転として出力するものである。また、燃焼後の排ガスは、燃焼室７から排気弁２を介して排気路１２へ排出される。
【００１５】
さらに、本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００は、燃料ノズル８から供給される燃料の供給量を調整する制御弁９と、クランク軸６の回転数を検出するクランク角センサ１０とを備えており、夫々が制御装置２０に接続されている。制御装置２０は、クランク角センサ１０の出力信号によって検出されるクランク軸６の回転数から、吸気される空気量を算出することができる。よって、制御装置２０、その算出される空気量に基づいて燃料の供給量を決定し、制御弁９を働かせて決定された供給量の燃料を吸気路１１の空気に供給し、形成される予混合気の当量比を設定することができる。このように、制御弁９を働かせて予混合気の当量比を設定する手段を当量比設定手段Ａと呼ぶ。
【００１６】
また、吸気弁１及び排気弁２は開閉タイミング設定機構１９に接続され、任意のタイミングで開閉動作可能となっている。
そこで、本発明に係る予混合圧縮自着火エンジン１００の吸気弁１の開閉状態は、図２に示すように、下死点よりも遅れて閉になるタイミングを有し、吸気弁１が下死点時期から閉になる時間Ｔを設定可能となっている。このことにより、吸気行程において燃焼室７に一旦吸気した予混合気の内、圧縮行程において時間Ｔの間に動いたピストン４の軌跡分の予混合気を、吸気路１３側に吹き戻すことが可能である。これによって、燃焼室７に吸気する予混合気は、吸気弁１が閉状態となるタイミングの燃焼室７の容積分に相当し、この時間Ｔを調整することで燃焼室７に吸気される予混合気の量を調整することができ、よって、実圧縮比を調整することができる。このように、吸気弁１の下死点よりも遅い閉時期を調整することによって実圧縮比を調整する手段を実圧縮比設定手段Ｂと呼ぶ。
【００１７】
また、エンジン１００には、燃焼室７の内圧を検出するための内圧センサ２１が備えられている。内圧センサ２１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２０に送られる。従って、制御装置２０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燃焼室７の内圧がどのような状態にあるかの情報を得て、実際の圧縮自着火のタイミングである燃焼室７の内圧が設定値を越えるタイミングを検出することができる。また、内圧センサ２１のように、エンジンの動作状態としての自着火タイミングを検出する手段を動作状態検出手段Ｃと呼ぶ。
【００１８】
制御装置２０には、エンジン１００の一動作サイクル内における実際の圧縮自着火のタイミング情報（実際は、各クランク角において燃焼室７の内圧が設定値に対して、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２０は、内部に記憶手段２００を備えており、実際の圧縮自着火のタイミングの好ましい圧縮自着火のタイミングに対する早遅情報（動作状態の一例）に対して、好ましい圧縮自着火タイミングに維持するための当量比及び実圧縮比の関係を記憶手段２００に記憶しており、実際の圧縮自着火のタイミングを検出しながら記憶しているその関係に基づいて、前記当量比設定手段Ａ及び前記実圧縮比設定手段Ｂを働かせて、予混合気の当量比及び実圧縮比を制御し、熱効率が高い状態に維持しながら、エンジン１００を運転することができ、このように、予め記憶している実際の圧縮自着火のタイミングの好ましい圧縮自着火のタイミングに対する早遅情報に対する当量比及び実圧縮比の関係に基づいて、当量比及び実圧縮比を制御する手段を制御手段Ｄと呼ぶ。
【００１９】
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、前記動作状態検出手段Ｃとしての内圧センサ２１の代わりに、例えば、制御装置２０に設けられたタイマ２０１によって検出されるエンジンの起動からの経過時間（動作状態の一例）、吸気路１１に設けられた温度センサ１５によって検出される吸気路１１内の温度、排気路１２に設けられた温度センサ１６によって検出される排気路１２内の温度、エンジンの周囲温度若しくは湿度等（動作状態の一例）２２等の変化に対して、当量比及び圧縮比を適切に制御し、好ましい運転状態を得ることが好ましい場合もある。
上記のタイマ２０１によって検出される運転開始からの経過時間が短く、エンジンが充分に暖機されていないとき、吸気路１１の温度若しくは排気路１２の温度が低いとき、又は前記エンジン周囲温度が低いとき、前記エンジン周囲湿度が高いときにおいて、燃焼室７における自着火のタイミングは好ましい自着火タイミングよりも遅い若しくは自着火が起こらない状態となる。
そこで、制御手段Ｄによって、そのような動作状態を検出した場合に、実圧縮比設定手段Ｂを働かせて実圧縮比を高い側に調整すると共に、実圧縮比の増加に伴って発生するノッキング等を回避するために、当量比設定手段Ａを働かせて予混合気の当量比を低い側に調整することで、エンジンを好ましい状態で運転して、高い熱効率を維持することができる
特にエンジン起動運転においては、運転開始時に当量比を低く設定すると共に実圧縮比を高く設定してエンジンの運転を開始し、エンジンの暖機が進行するに連れて、当量比を増加させながら実圧縮比を減少させ、定格運転に移行することができ、起動運転時においても常に高い熱効率を維持することができる。
【００２０】
次に、本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００において、出力を変化させる場合の制御手段Ｄの構成について以下に説明する。
制御装置２０の記憶手段２００には、前記当量比と前記実圧縮比との出力所謂図示有効圧（動作状態の一例）に関する関係が記憶されている。
この関係は、図３に示すように、予め実験等で求められた実圧縮比及び当量比に対する出力所謂図示有効圧の関係により、夫々の出力値に対して最も図示熱効率を高く維持することができる当量比及び実圧縮比の値である。
【００２１】
そして、予混合圧縮自着火エンジン１００は、動作状態検出手段Ｃとして、制御装置２０に入力される出力設定指令の設定出力を検出して、予混合圧縮自着火エンジン１００の出力を設定する。
即ち、記憶手段２００に記憶されている上記の当量比及び実圧縮比の好ましい値に基づいて、当量比設定手段Ａ及び実圧縮比設定手段Ｂを働かせて当量比及び実圧縮比を連続的若しくは段階的に調整し、例えば、当量比が０．２０から０．２７程度の値であるときは実圧縮比を１９、当量比が０．２７から０．３２程度の値であるときは実圧縮比を１８、当量比が０．３２から０．４０程度の値であるときは実圧縮比を１７と調整して、図示有効圧を０．２７ＭＰａから０．６８ＭＰａまで変化させ、最小値に対して２倍以上変化幅で出力を変化させることができ、図４からもわかるように、ほとんどの当量比において図示熱効率を４５％程度に維持させることができる。これは、当量比に対して圧縮比を好ましい値に設定することで、図示有効圧力の上昇の増加率を、ノッキングの発生限界以下、且つ燃焼室７において予混合気を完全に自着火に至らせることができる温度以上に設定することができ、図示熱効率を高く維持できるからである。このように制御手段Ｄは、記憶手段２００において記憶されているそれぞれの動作状態としての設定出力に対する相関関係に基づいて当量比及び実圧縮比を調整して出力を設定するように構成されている。
なお、図３及び４に示すデータは、新気の温度、即ち温度センサ１５による検出温度が１５０℃、過給機７による過給圧、即ち吸気路１１に設けられた圧力計１８の検出圧力が７５ｋＰａ、クランク軸６の回転数が１２００ｒｐｍの条件におけるものである。
【００２２】
また、予混合圧縮自着火エンジン１００は、エンジン１００は、吸気路１１における過給機１７の下流側に、クーリングタワー（図示せず）によって空冷された冷却水と吸気路１１に流通する新気との熱交換を行う熱交換器１３を備え、過給機１７によって加圧されて昇温した新気を冷却することができる。さらに、熱交換器１３を流通する冷却水の流量を調整する制御弁１４を備えており、制御装置２０は、温度センサ１５の検出信号に基づいて、制御弁１４の開度を制御して、吸気路１１内の空気の温度を設定することができ、結果、燃焼室７に供給される予混合気（新気）の温度を設定することができる。このように、燃焼室７に供給される新気の冷却量を調整して、新気の温度を設定する手段を新気温度設定手段Ｅと呼ぶ。
【００２３】
そして、記憶手段２００は、圧力計１８によって検出された新気の圧力に対応した、当量比と実圧縮比と新気温度との出力に関する関係を記憶している。即ち、圧力計１８によって検出された吸気の圧力に対して、熱効率を高く維持できる好ましい新気の温度を上記新気温度設定手段Ｅで設定して、その設定された新気温度と前記新気の圧力に対する当量比及び実圧縮比の出力所謂図示有効圧に関する予め記憶しておいた関係に基づいて、当量比及び実圧縮比を設定する。
よって、例えばクランク軸６の回転数が変化して、排気路１２内を流通する排ガスの速度が変化し、過給機１７のタービン（図示せず）の回転数が変化することで吸気の圧力が変化しても、その圧力と新規の温度にあった好ましい値に当量比及び実圧縮比を設定することができ、それぞれ図示熱効率を高いものに維持しながら出力等を変化させて設定することができる。
【００２４】
〔別実施の形態〕
〈１〉  本発明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。
【００２５】
〈２〉  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良いが、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。
【００２６】
〈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。
【００２７】
〈４〉  上記の実施の形態において、燃焼室７で圧縮自着火燃焼する予混合気を、吸気路１１において形成する構成を示したが、別に、燃料を燃焼室７に直接噴射する燃料噴射弁を備え、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燃料を噴射して燃焼室に予混合気を形成し、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。
【００２８】
〈５〉  上記の実施の形態で、実圧縮比設定手段Ｂを、吸気弁１を下死点よりも遅い時期に閉状態とし、吸気弁１が下死点時期から閉になる時間Ｔを設定することで、実圧縮比を設定するように構成したが、別に、実圧縮比設定手段Ｂを、図５に示すように、吸気弁１を下死点よりも早い時期に閉状態とし、吸気弁１が閉状態となってから下死点時期になるまでの時間Ｔを設定することで、実圧縮比を設定するように構成することもできる。
また、実圧縮比設定手段Ｂを、吸気路に設けられたロータリーバルブ若しくはバタフライバルブ等の絞り弁によって構成することもできる。即ち、その絞り弁の開度を変更して、空気若しくは予混合気の新気が燃焼室に吸気されるときの圧損を変更し、自着火前の燃焼室の圧力を調整して、燃焼室における実圧縮比を設定することができる。詳しくは、絞り弁の開度を減少側に設定することで、吸気路の新気が燃焼室に吸気されるときの圧損が増加し、実圧縮比を減少側に設定することができる。
【００２９】
〈６〉  上記の実施の形態で説明した予混合圧縮自着火エンジン１００において、過給機１７の過給状態を検出するに吸気路１１の圧力を検出する圧力計１８を設けたが、別に、過給機１７の回転数を検出して過給状態を検出することもできる。この場合は、記憶手段２００には、過給機１７のそれぞれの回転数に対応した当量比及び吸気の温度の設定値を記憶させることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの実施の形態を示す概略構成図
【図２】予混合圧縮自着火エンジンの吸気弁の開閉状態とピストンの位置を示す図
【図３】予混合圧縮自着火エンジンの当量比及び実圧縮比に対する図示平均有効圧を示すグラフ図
【図４】予混合圧縮自着火エンジンの当量比及び実圧縮比に対する図示熱効率を示すグラフ図
【図５】予混合圧縮自着火エンジンの吸気弁の開閉状態とピストンの位置を示す図
【符号の説明】
１      吸気弁
２      排気弁
４      ピストン
６      クランク軸
７      燃焼室
８      燃料ノズル（燃料供給手段）
１７    過給機
１８    圧力計
１９    開閉タイミング設定機構
２１    内圧センサ
１００  予混合圧縮自着火エンジン
Ａ      当量比設定手段
Ｂ      実圧縮比設定手段
Ｃ      動作状態検出手段
Ｄ      制御手段
Ｅ      新気温度設定手段
【図１】
0004225672.tif 000002
【図２】
0004225672.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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