(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気路から燃焼室に新気を吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記新気を加熱可能な加熱手段と、
排ガス再循環率を調整可能な排ガス再循環率調整手段と、
入力された運転開始指令に基づいて運転を開始するに、前記加熱手段により前記燃焼室に吸気される前記新気を暖機温度に加熱すると共に前記排ガス再循環率調整手段により前記排ガス再循環率を第１設定値に設定する第１運転と、前記加熱手段の加熱量を低下させると共に前記排ガス再循環率調整手段により前記排ガス再循環率を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転とを記載の順に行う起動運転手段とを備えた予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項２】
前記排ガス再循環率調整手段が、前記燃焼室に設けられた排気弁の閉時期調整により、前記燃料室における排ガス残留率を調整して、前記排ガス再循環率を調整する手段である請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項３】
吸気路から燃焼室に新気を吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記新気を加熱可能な加熱手段と、
前記燃焼室の実圧縮比を調整可能な実圧縮比調整手段と、
入力された運転開始指令に基づいて運転を開始するに、前記加熱手段により前記燃焼室に吸気される前記新気を暖機温度に加熱すると共に前記実圧縮比調整手段により前記実圧縮比を第１設定値に設定する第１運転と、前記加熱手段の加熱量を低下させると共に前記実圧縮比調整手段により前記実圧縮比を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転とを記載の順に行う起動運転手段とを備えた予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項４】
前記実圧縮比調整手段が、前記燃焼室に設けられた吸気弁の閉時期調整により、圧縮ストロークを調整して、前記実圧縮比を調整する手段である請求項３に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
【請求項５】
前記予混合圧縮自着火エンジンの運転状態を検知する運転状態検知手段を備え、
前記起動運転手段が、前記運転状態検知手段により前記第２運転が実施可能な前記運転状態を検知したときに、前記第１運転を前記第２運転に切り換える手段である請求項１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】
前記加熱手段が、前記吸気路において、前記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、前記新気を加熱するバーナ装置である請求項１から５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７】
前記起動運転手段が、前記第２運転を行った後に、前記第２運転を行って前記第２設定値に設定された設定対象を、前記第２設定値よりも小さい第３設定値に減少させる第３運転を行う手段である請求項１から６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８】
吸気路から燃焼室に新気を吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンにおいて、入力された運転開始指令に基づいて前記予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始させる起動運転方法であって、
前記新気を暖機温度に加熱すると共に排ガス再循環率を第１設定値に設定する第１運転を行って前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第１運転工程を実行し、
後に、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転状態の検知結果に基づいて、第１運転を、前記新気に対する加熱量を低下させると共に前記排ガス再循環率を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転に切り換えて、前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第２運転工程を実行する予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。
【請求項９】
吸気路から燃焼室に新気を吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンを、入力された運転開始指令に基づいて起動させる起動運転方法であって、
前記新気を暖機温度に加熱すると共に前記燃焼室の実圧縮比を第１設定値に設定する第１運転を行って前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第１運転工程を実行し、
後に、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転状態の検知結果に基づいて、前記第１運転を、前記新気に対する加熱量を低下させると共に前記実圧縮比を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転に切り換えて、前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第２運転工程を実行する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、吸気路から燃焼室に新気を吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮自着火させて燃焼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起動させる技術に関する。
【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も開発が進められている。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様に空気（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、圧縮によっ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、高い効率を得ることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この種の予混合圧縮自着火エンジンとしては、起動運転時に燃焼室温及び燃焼室壁温を昇温させる有効な暖機技術がなく、久しく要望されていた。
予混合圧縮自着火エンジンでは、断熱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が、燃焼室温及び燃焼室壁温がある一定の温度に達していないとこの自己着火は確実に起こらない。このため、起動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温及び燃焼室壁温を昇温させる必要がある。ところが、上述した従来の予混合圧縮自着火エンジンを備えた内燃機関によれば、有効な暖機技術がないため、スムーズな予混合圧縮自着火エンジンの起動を行うことができなかった。
【０００４】
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の起動をスムーズに行うことができる技術を提供するところにある。
【０００５】
【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、前記新気を加熱可能な加熱手段と、
排ガス再循環率を調整可能な排ガス再循環率調整手段と、
入力された運転開始指令に基づいて運転を開始するに、前記加熱手段により前記燃焼室に吸気される前記新気を暖機温度に加熱すると共に前記排ガス再循環率調整手段により前記排ガス再循環率を第１設定値に設定する第１運転と、前記加熱手段の加熱量を低下させると共に前記排ガス再循環率調整手段により前記排ガス再循環率を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転とを記載の順に行う起動運転手段とを備えたことを特徴とする。
また、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、請求項８に記載したごとく、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始させる起動運転方法であって、
前記新気を暖機温度に加熱すると共に排ガス再循環率を第１設定値に設定する第１運転を行って前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第１運転工程を実行し、
後に、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転状態の検知結果に基づいて、第１運転を、前記新気に対する加熱量を低下させると共に前記排ガス再循環率を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転に切り換えて、前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第２運転工程を実行することを特徴とする。
尚、本願における排ガス再循環率とは、１サイクルにおいて新気に再循環される排ガス量の燃焼室容量に対する割合である。
【０００６】
〔作用効果〕
即ち、本構成の予混合圧縮自着火エンジンは、入力された運転開始指令に基づいてエンジンの運転を開始するものであって、運転を開始するに、前記起動運転手段が働き、前記加熱手段及び前記排ガス再循環率調整手段を適切に働いて、スムーズに運転を開始するものである。
詳しくは、起動運転手段は、起動運転初期において、加熱手段により、予混合圧縮自着火エンジンにおける燃焼室温及び燃焼室壁温がある一定の温度に達していない状態でも、燃焼室において混合気が圧縮自着火することができるように、新気を暖機温度に加熱して燃焼室に形成される混合気を例えば５０℃から２５０℃程度に昇温させる第１運転を行って、燃焼室において、昇温された混合気を圧縮自着火させて燃焼させる第１運転工程を行う。そして、起動運転手段は、起動運転後期において、燃焼室温及び燃焼室壁温が、例えば加熱手段を停止させたりして加熱手段の加熱量を低下させたときでも、燃焼室で混合気を圧縮自着火させることができる程度に昇温されたときに、前記第１運転を前記第２運転に切り換え、加熱手段の加熱量が低下され温度低下した混合気を圧縮自着火させて燃焼させる第２運転工程を行う。
【０００７】
しかし、起動運転手段が第１運転から第２運転に切り換えるときに、単に加熱手段の加熱量を低下させると、燃焼室に形成される混合気の温度が急に低下するので、第２運転を開始した直後において混合気を充分に圧縮自着火させることができない場合があり、予混合圧縮自着火エンジンの運転状態が急変し、失火や運転停止の原因となる。そこで、本構成の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、新気に高温の排ガスを再循環させると共に、その排ガス再循環率を調整可能な排ガス再循環率調整手段が設けられており、さらに、起動運転手段は、前記第１運転を行って第１運転工程を行うときには、排ガス再循環率を小さめの第１設定値に設定して、後に加熱手段の加熱量を低下させて前記第２運転を行って第２運転工程を行うときには、排ガス再循環率を、前記加熱量の低下を補って混合気の温度を適当なものに維持することができる程度の第２設定値に切り換えるように構成されている。
このように構成することで、起動運転手段が、加熱手段の加熱量を低下させて第２運転を開始するときに、加熱手段の加熱量低下による混合気の温度低下を、排ガス再循環率の増加により緩和することで、充分に混合気を圧縮自着火させることができ、切り換え時の失火や運転停止を防止することができる。
よって、簡単な構成で第１運転工程から第２運転工程への切り換えをスムーズに行って運転を開始することができる予混合圧縮自着火エンジン及びその起動運転方法を実現できる。
【０００８】
〔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、前記排ガス再循環率調整手段が、前記燃焼室に設けられた排気弁の閉時期調整により、前記燃料室における排ガス残留率を調整して、前記排ガス再循環率を調整する手段であることを特徴とする。
【０００９】
〔作用効果〕
エンジンは、排気行程において排気弁の閉時期を上死点に対して進角させることで、排気弁が閉となった以降に排気路に排出されるはずであった排ガスの一部を燃焼室に残留させ、次の吸気行程においてこの残留した排ガスを新気に再循環させる排ガス再循環を行うことができる。
そして、本構成の予混合圧縮自着火エンジンの排ガス再循環率調整手段を、上死点に対して進角して閉じられる排気弁の閉時期を調整して、新気に再循環される排ガスの燃焼室における残留率、即ち排ガス再循環率を調整するように構成することができる。このように構成した排ガス再循環率調整手段は、簡単な構成で実現できるうえに、排ガス再循環率を変化させるときに、排気弁の閉時期を調整した次の吸気行程における排ガス再循環率を調整可能であるため、瞬時に排ガス再循環率を変更可能であるので、本構成の予混合圧縮自着火エンジンにおいて起動運転手段が第１運転から第２運転に切り換えるときに、加熱手段の新気に対する加熱量低下に追従させて、排ガス再循環率を第１設定値から第２設定値に変化させることができ、排ガス再循環率変化の遅れによる動作不良等を防止することができる。
【００１０】
また、逆に、エンジンは、排気行程において排気弁の閉時期を上死点に対して遅角させることで、排気路に排出された排ガスの一部を、吸気行程初期に再度燃焼室に吸気して、吸気行程においてその吸気した排ガスを新気に再循環させる排ガス再循環を行うことができ、排ガス再循環率調整手段を、上死点に対して遅角して閉じられる排気弁の閉時期を調整して排ガス再循環率を調整するように構成することができるが、このように構成した場合は、排気路内の脈動等により燃焼室に再度吸気する排ガスの量を正確に調整することが困難となるので、、排気弁の閉時期を上死点に対して進角させるように構成して、排ガスを残留させて排ガス再循環を行うほうが好ましい。
【００１１】
〔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、前記新気を加熱可能な加熱手段と、
前記燃焼室の実圧縮比を調整可能な実圧縮比調整手段と、
入力された運転開始指令に基づいて運転を開始するに、前記加熱手段により前記燃焼室に吸気される前記新気を暖機温度に加熱すると共に前記実圧縮比調整手段により前記実圧縮比を第１設定値に設定する第１運転と、前記加熱手段の加熱量を低下させると共に前記実圧縮比調整手段により前記実圧縮比を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転とを記載の順に行う起動運転手段とを備えたことを特徴とする。
また、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、請求項９に記載したごとく、予混合圧縮自着火エンジンを、入力された運転開始指令に基づいて起動させる起動運転方法であって、
前記新気を暖機温度に加熱すると共に前記燃焼室の実圧縮比を第１設定値に設定する第１運転を行って前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第１運転工程を実行し、
後に、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転状態の検知結果に基づいて、前記第１運転を、前記新気に対する加熱量を低下させると共に前記実圧縮比を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に設定する第２運転に切り換えて、前記予混合圧縮自着火エンジンを運転する第２運転工程を実行することを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
即ち、本構成の予混合圧縮自着火エンジンは、前述の構成と同様に、入力された運転開始指令に基づいて運転を開始するものであって、運転を開始するに、前記起動運転手段が働き、前記加熱手段及び前記実圧縮比調整手段を適切に働いて、スムーズに運転を開始するものである。
詳しくは、起動運転手段は、起動運転初期において、加熱手段により新気を暖機温度に加熱する第１運転を行って第１運転工程工程を行い、起動運転後期において、加熱手段による新気に対する加熱量を低下させる前記第２運転に切り換えて第２運転工程を行う。
しかし、起動運転手段が第１運転から第２運転に切り換えるときに、単に加熱手段の加熱量を低下させると、燃焼室に形成される混合気の温度が急に低下するので、第２運転を開始した直後において混合気を充分に圧縮自着火させることができない場合があり、予混合圧縮自着火エンジンの運転状態が急変し、失火や運転停止の原因となる。そこで、本構成の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、実圧縮比調整手段が設けられており、さらに、起動運転手段は、前記第１運転を行って第１運転工程を行うときには、燃焼室の実圧縮比を小さめの第１設定値に設定して、後に加熱手段の加熱量を低下させて前記第２運転を行って第２運転工程を行うときには、実圧縮比を、前記加熱量の低下を補って混合気を圧縮自着火させることができる程度の第２設定値に切り換えるように構成されている。
このように構成することで、起動運転手段が、加熱手段の加熱量を低下させて第２運転を開始するときに、加熱手段の加熱量低下により圧縮自着火し難い温度に低下した混合気を、実圧縮比の増加により充分に圧縮自着火させることができ、切り換え時の失火や運転停止を防止することができる。
よって、簡単な構成で第１運転工程から第２運転工程への切り換えをスムーズに行って運転を開始することができる予混合圧縮自着火エンジン及びその起動運転方法を実現できる。
【００１３】
〔構成４〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項４に記載したごとく、上記構成３の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記実圧縮比調整手段が、前記燃焼室に設けられた吸気弁の閉時期調整により、圧縮ストロークを調整して、前記実圧縮比を調整する手段であることを特徴とする。
【００１４】
〔作用効果〕
エンジンは、吸気弁の閉時期を下死点に対して遅角又は進角させることで、ピストンは、その吸気弁が閉となった位置から上死点までの圧縮ストロークにおいてでしか混合気を圧縮することができなくなる。
そして、本構成の予混合圧縮自着火エンジンの実圧縮比調整手段を、下死点に対して遅角又は進角して閉じられる吸気弁の閉時期を調整して、ピストンの下死点から上死点までの全ストロークに対する前記圧縮ストローク率を調整して、実際の実圧縮比を調整するように構成することができる。このように構成した実圧縮比調整手段は、簡単な構成で実現できるうえに、過給機等と違って、実圧縮比を瞬時に変更可能であるため、本構成の予混合圧縮自着火エンジンにおいて起動運転手段が第１運転から第２運転に切り換えるときに、加熱手段の新気に対する加熱量低下に追従させて、実圧縮比を第１設定値から第２設定値に変化させることができ、実圧縮比の変化の遅れによる動作不良等を防止することができる。
【００１５】
〔構成５〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項５に記載したごとく、上記構成１から４の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転状態を検知する運転状態検知手段を備え、
前記起動運転手段が、前記運転状態検知手段により前記第２運転が実施可能な前記運転状態を検知したときに、前記第１運転を前記第２運転に切り換えることを特徴とする。
【００１６】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転手段は、前記第１運転を行って第１運転工程を行った後に、前記第１運転を前記第２運転に切り換えて前記通常運転を行うのであるが、この第１運転から前記第２運転へ切り換えるタイミングを適正に判断することが重要である。
そこで、本構成の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、前記運転状態検知手段を設けることで、前記予混合圧縮自着火エンジンにおける燃焼室内温度、新気の温度若しくは圧力、排ガスの温度等の運転状態を検知することができ、さらに、起動運転手段は、第１運転を行って第１運転工程を行っているときに、この運転状態検知手段により検知された運転状態が、次に第２運転に切り換えても燃焼室において混合気を圧縮自着火させることができる程度となったことを検知したときに、前記第２運転への切り換えが可能と判断して、第２運転を行い第２運転工程を行う。
よって、簡単な構成で第１運転工程から第２運転工程への切り換えを一層スムーズに行って運転を開始することができる予混合圧縮自着火エンジンを提供できる。
【００１７】
〔構成６〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項６に記載したごとく、上記構成１から５の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記加熱手段が、前記吸気路において、前記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、前記新気を加熱するバーナ装置であることを特徴とする。
【００１８】
〔作用効果〕
上記のように、加熱手段として、吸気路において、バーナ用燃料を噴出させて燃焼させるバーナ装置を備え、この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して新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、加熱手段を簡単に構成することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
〔構成７〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項７に記載したごとく、上記構成１から６の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記起動運転手段が、前記第２運転を行った後に、前記第２運転を行って前記第２設定値に設定された設定対象を、前記第２設定値よりも小さい第３設定値に減少させる第３運転を行う手段であることを特徴とする。
【００２１】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、起動運転手段により第１運転を行って第１運転工程を行った後に、第２運転を行って第２運転工程を行うのであるが、第２運転に切り換えた後においても、予混合圧縮自着火エンジンの暖機が徐々に進行し、そのままだと、燃焼室において混合気が過早着火してノッキング等が発生する虞がある。
そこで、本構成のごとく、起動運転手段により、前記第２運転を行った後に、前記第３運転を行い、暖機の進行につれて、排ガス再循環率又は実圧縮比の設定対象を前記第２設定値から前記第３設定値まで連続的又は段階的に低下させることで、第２運転工程において暖機の進行が止まり安定して運転されるまでに、暖機の進行状態に合わせて排ガス再循環率又は実圧縮比を好ましいものに設定して、エンジンを安定して運転することができる。
尚、第３設定値は、エンジンが完全に暖機されたときにおける排ガス再循環率又は実圧縮比の値である。
【００２２】
【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。
本願における予混合圧縮自着火エンジン１は、燃焼室９に吸気される新気を加熱可能な加熱手段３と、加熱手段３を働かせて、吸気弁６及び排気弁５の開閉時期を調整可能な開閉タイミング可変機構４を備えており、加熱手段３及び開閉タイミング可変機構４は夫々制御装置２２により制御される。
【００２３】
前記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内の新気としての混合気は吸気弁５を介し燃焼室９内へ吸気され、圧縮、膨張行程を経た後、排ガスが排気弁６を介して排気路１３側へ排気される。
【００２４】
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、天然ガスである燃料Ｇを遮断弁２１及び流量調整弁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ことができ、制御装置２２によって流量調整弁２０を制御することで、形成される混合気の空燃比を調整するように構成されている。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。
【００２５】
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。
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。
【００２６】
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１及び図２に基づいて説明する。
図２に示すように、バーナ装置１４は、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。
【００２７】
さらに、バーナ装置１４は、制御装置２２によって制御される流量調整弁１９を介して燃料Ｇをバーナ燃焼室４９に導くための配管部材４６と、配管部材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、制御装置２２によって、流量調整弁１９を働かせて燃料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、制御装置２２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。
【００２８】
さらに、予混合圧縮自着火エンジン１は、制御装置２２に設けられた排ガス再循環率調整手段２２ｂ又は実圧縮比調整手段２２ｃにより制御される開閉タイミング可変機構４を備えており、その制御方法について説明する。
排ガス再循環率調整手段２２ｂは、燃焼室９に吸気される混合気に再循環される排ガスの排ガス再循環率を調整するためのものであり、燃焼室９に設けられた排気弁５の閉時期調整により、燃料室９における排ガス残留率を調整して、排ガス再循環率を調整する手段である。
即ち、予混合圧縮自着火エンジン１の排気行程において、排気弁５の閉時期を、上死点に対して進角させることで、排気弁５が閉となった以降に排気路に排出されるはずであった排ガスの一部を燃焼室９に残留させ、次の吸気行程においてこの残留した排ガスを新気に再循環させることができ、排ガス再循環率調整手段２２ｂは、このように上死点に対して進角して閉じられる排気弁５の閉時期を調整して、排ガスの燃焼室９における残留率、即ち排ガス再循環率を調整するように構成されている。
【００２９】
実圧縮比調整手段２２ｃは、燃焼室９の実際の実圧縮比を調整するためのものであり、燃焼室９に設けられた吸気弁６の閉時期調整により、ピストン８の全ストロークに対する圧縮ストローク率を調整して、実圧縮比を調整する手段である。
即ち、吸気弁６の閉時期を、下死点に対して遅角又は進角させることで、ピストン８は、その吸気弁６が閉となった位置から上死点までの圧縮ストロークにおいてでしか混合気を圧縮することができなくなり、実圧縮比調整手段２２ｃは、このように下死点に対して遅角又は進角して閉じられる吸気弁６の閉時期を調整して、ピストン８の下死点から上死点までの全ストロークに対する圧縮ストローク率を調整して、実際の実圧縮比を調整するように構成されている。
【００３０】
さらに、予混合圧縮自着火エンジン１の制御装置２２には、予混合圧縮自着火エンジン１の運転を開始するための起動運転手段２２ａが設けられており、この起動運転手段２２ａは、加熱手段３と、排ガス再循環率調整手段２２ｂ及び実圧縮比調整手段２２ｃの少なくとも一方とを制御して、予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転を行うように構成されている。
【００３１】
〔実施例１〕
次に、起動運転手段２２ａにより排ガス再循環率調整手段２２ｂを制御する場合における予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転方法について、その流れに沿って説明する。
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、制御装置２２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。
【００３２】
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、制御装置２２の起動運転手段２２ａが、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５００〜１２００ｒｐｍ程度で回転させながら、バーナ装置１４を働かせて、ミキサ１５及び燃焼室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。このような暖機は、温度センサ１６により検知される吸気路１２内の温度、即ち吸気路１２を流通する温度が所定の値に昇温するまで行われ、たとえば１分程度行われる。尚、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程度で燃焼させるように構成され、吸気路１２内の燃焼排ガスが混入された空気Ａの温度は２００℃から２５０℃程度となる。
【００３３】
次に、制御装置２２の起動運転手段２２ａは、加熱手段３により混合気を暖機温度に加熱すると共に排ガス再循環率調整手段２２ｂにより排ガス再循環率を第１排ガス再循環率（第１設定値）に設定する第１運転を行う。
即ち、起動運転手段２２ａは、第１運転において加熱手段３により混合気を暖機温度に加熱するに、バーナ装置１４を運転したまま、流量調整弁２０を働かせてミキサ１５に燃料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程度の加熱された混合気を形成する。そして、その加熱された混合気は吸気路１２から燃焼室９に吸気される。尚、このときに、起動運転手段２２ａは、温度センサ１６等で混合気の温度を検出しながら、バーナ装置１４における燃焼量を制御して、燃焼室９に吸気される混合気の温度を、５０℃〜２５０℃程度、好ましくは１５０℃〜２００℃程度の範囲内の暖機温度に設定する。
さらに、起動運転手段２２ａは、排ガス再循環率調整手段２２ｂにより排ガス再循環率を第１排ガス再循環率に設定するに、排ガス再循環率調整手段２２ｂにより排気弁５の閉時期を調整して、燃焼室９に残留する排ガスの割合、言換えれば排ガス再循環率を第１排ガス再循環率としての例えば６％程度に設定する。
このように起動運転手段２２ａにより第１運転を行うことで、燃焼室９には加熱された混合気が供給されるので、燃焼室壁９ａが未だ低温状態であっても、燃焼室９においてこの混合気を圧縮自着火燃焼させることができ、クランク軸１１の回転を維持しながら、予混合圧縮自着火エンジン１の暖機運転を行うことができ、このような工程を第１運転工程と呼ぶ。
【００３４】
次に、制御装置２２の起動運転手段２２ａは、加熱手段３の加熱量を低下させると共に排ガス再循環率調整手段２２ｂにより排ガス再循環率を第１排ガス再循環率よりも大きい第２排ガス再循環率（第２設定値）に設定する第２運転を行う。
即ち、起動運転手段２２ａは、第２運転において加熱手段３の加熱量を低下させるに、バーナ装置１４の燃焼量を、バーナ装置１４が停止するまで徐々に低下させる。すると、吸気路１２内の混合気の温度は徐々に低下する。
そこで、起動運転手段２２ａは、排ガス再循環率調整手段２２ｂにより排ガス再循環率を第１排ガス再循環率よりも大きい第２排ガス再循環率に設定するに、排ガス再循環率調整手段２２ｂにより排気弁５の閉時期を調整して、排ガス再循環率を第１排ガス再循環率から第２排ガス再循環率としての例えば２０％〜３０％程度まで徐々に増加させる。
このように起動運転手段２２ａにより第１運転の後に第２運転を行うことで、吸気路１２から燃焼室９に吸気される混合気の温度が低下しても、排ガス再循環率を増加させて燃焼室９において混合気に再循環させる高温の排ガス量を増加させることで、燃焼室９においてこの混合気を圧縮自着火燃焼させることができ、バーナ装置１４を停止した状態である予混合圧縮自着火エンジン１の定常運転にスムーズに移行することができ、このような工程を第２運転工程と呼ぶ。
また、本実施の形態においては、加熱手段３をバーナ装置１４として構成し、燃焼室９に吸気される混合気に高温の燃焼排ガスを混入させることで混合気を加熱しているので、上記の第１運転工程においては、第２運転工程における排ガス再循環と同様に、混合気には排ガスが混入されていることになり、この排ガスの混入率は、上記の第２運転工程と同様の２０％〜３０％程度とされる。よって、上記の第１運転工程から第２運転工程に切り換えても、混合気に供給される排ガスの割合は、ほぼ一定に保たれていることになり、このことによっても燃焼室９における燃焼状態を安定させることができている。
【００３５】
このように予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転手段２２ａは、第１運転を行って第１運転工程を行っているときに、燃焼室壁９ａ等が充分に暖機され、第２運転を行って第２運転工程を行っても、燃焼室において混合気を圧縮自着火させることができる程度の予混合圧縮自着火エンジン１の運転状態を検知したときに、第１運転を第２運転に切り換える。
即ち、予混合圧縮自着火エンジン１の排気路１３には、燃焼室９から排出される排ガスの温度を検知する温度センサ１７（運転状態検知手段の一例）が設けられ、温度センサ１７は、予混合圧縮自着火エンジン１の運転状態としての排ガス温度を検知して、その検知結果を制御装置２２に出力するように構成されている。
そして、起動運転手段２２ａは、温度センサ１７により検知される排ガスの温度が低い場合は、燃焼室壁９ａの温度等が未だ低温であり第２運転を行っても燃焼室９において充分に混合気を圧縮自着火燃焼させることができないと判断し第１運転を続行し、排ガス温度が例えば２５０℃程度の所定の値になった時点で、第２運転に切り換えて、第２運転工程を開始するのである。
【００３６】
上記のように第２運転工程を開始した予混合圧縮自着火エンジン１においては、その後においても暖機が進行する場合があり、本実施形態の起動運転手段２２ａは、この暖機の進行に合わせて、排ガス再循環率調整手段２２ｂを調整することができる。
即ち、起動運転手段２２ａは、第２運転を行った後に、第２排ガス再循環率に設定されている排ガス再循環率を、予混合圧縮自着火エンジン１が完全に暖機されたときにおける排ガス再循環率である第３排ガス再循環率（第３設定値）まで減少させる第３運転を行い、予混合圧縮自着火エンジン１の運転状態を安定したものとすることができる。
【００３７】
〔実施例２〕
次に、起動運転手段２２ａにより実圧縮比調整手段２２ｃを制御する場合における予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転方法について、その流れに沿って説明する。
本発明の予混合圧縮自着火エンジン１においては、運転開始指令が入力された後に、上記の実施例１と同様に、例えばクランク軸１１をセルモータ２３により回転させながら、バーナ装置１４を働かせて、燃焼排ガスを燃焼室９に供給して予混合圧縮自着火エンジン１を暖機する。
【００３８】
そして、制御装置２２の起動運転手段２２ａは、加熱手段３により混合気を暖機温度に加熱すると共に実圧縮比調整手段２２ｃにより実圧縮比を第１実圧縮比（第１設定値）に設定する第１運転を行う。
即ち、起動運転手段２２ａは、上記の実施例１と同様に、第１運転において加熱手段３により燃焼室９に吸気される混合気を暖機温度に加熱する。さらに、起動運転手段２２ａは、実圧縮比調整手段２２ｃにより実圧縮比を第１実圧縮比に設定するに、実圧縮比調整手段２２ｃにより吸気弁６の閉時期を調整しピストン８の圧縮ストロークを調整して、実圧縮比を第１実圧縮比に調整する。また、本実施例においては、第１実圧縮比は、吸気弁６を下死点位置に対して充分遅く閉じることで、ピストン８が全ストロークにおいて圧縮するときの圧縮比に対して低くめに設定される。
このように起動運転手段２２ａにより第１運転を行うことで、予混合圧縮自着火エンジン１の暖機運転を行うことができ、このような工程を第１運転工程と呼ぶ。
【００３９】
次に、制御装置２２の起動運転手段２２ａは、上記の実施例１と同様に、第１運転を行って第１運転工程を行っているときに、温度センサ１７により検知される排ガス温度が例えば２５０℃程度の所定の値になった時点で、加熱手段３の加熱量を低下させると共に実圧縮比調整手段２２ｃにより実圧縮比を第１実圧縮比よりも大きい第２実圧縮比（第２設定値）に設定する第２運転を行う。
即ち、起動運転手段２２ａは、第２運転において加熱手段３の加熱量を低下させるに、バーナ装置１４の燃焼量を、バーナ装置１４が停止するまで徐々に低下させる。すると、吸気路１２内の混合気の温度は徐々に低下する。
そこで、起動運転手段２２ａは、実圧縮比調整手段２２ｃにより実圧縮比を第１実圧縮比よりも大きい第２実圧縮比に設定するに、実圧縮比調整手段２２ｃにより吸気弁５の閉時期を調整して、実圧縮比を第１実圧縮比から、第２実圧縮比としての、ピストン８が全ストロークにおいて圧縮するときの圧縮比程度まで徐々に増加させる。
このように起動運転手段２２ａにより第１運転の後に第２運転を行うことで、吸気路１２から燃焼室９に吸気される混合気の温度が低下しても、実圧縮比を増加させて燃焼室９の混合気を充分に圧縮することで、燃焼室９においてこの混合気を圧縮自着火燃焼させることができ、バーナ装置１４を停止した状態である予混合圧縮自着火エンジン１の第２運転工程にスムーズに移行することができ、このような工程を第２運転工程と呼ぶ。
【００４０】
また、この実施例２においても、起動運転手段２２ａは、第２運転を行った後に、第２実圧縮比に設定されている実圧縮比を、予混合圧縮自着火エンジン１が完全に暖機されたときにおける実圧縮比である第３実圧縮比（第３設定値）まで減少させる第３運転を行い、予混合圧縮自着火エンジン１の運転状態を安定したものとすることができる。
【００４１】
〔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。
【００４２】
〈２〉  燃焼室に形成される混合気は、燃料とこの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。
【００４３】
〈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。
【００４４】
〈４〉  上記の実施の形態において、燃焼室９に混合気を形成するに、ミキサ１５において空気Ａと燃料Ｇとを混合して、吸気路１２に形成された混合気を燃焼室９に吸気する構成を示したが、別に、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備え、吸気路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燃料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。
【００４５】
〈５〉  上記の実施の形態において、排気路１３に排出された排ガスの運動エネルギを利用して吸気路１２の新気を過給するターボ式過給機を備える場合においては、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、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転手段を、このターボ式過給機の過給圧の増加をも考慮して、加熱手段３による新気の加熱量、排ガス再循環率調整手段２２ａにより設定される排ガス再循環率、又は実圧縮比調整手段２２ｃにより設定される実圧縮比等を、予混合圧縮自着火エンジン１の運転状態が安定したものとなるように、制御するように構成することが好ましい。
【００４６】
〈６〉  なお、運転状態検出手段としては、排ガスの温度を検知する温度センサ１７の他に、燃焼室９内の圧力を検出する圧力センサや、燃焼室壁９ａの温度を検出する温度センサや、シリンダ７等を冷却するための冷却水温度を検出する温度センサ等や、ターボ式過給機を設けた場合は、新気の温度若しくは圧力を検出するセンサ等とすることができる。そして、起動運転手段は、第１運転により第１運転工程を行っているときに、これらのセンサにより検出された予混合圧縮自着火エンジンの運転状態が、第２運転に切り換えて第２運転工程を行うことができる状態となった時点で、第２運転に切り換えて第２運転工程を行うように構成される。
【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
【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
１６    温度センサ
１７    温度センサ（動作状態検出手段）
２２    制御装置
２２ａ  起動運転手段
２２ｂ  排ガス再循環率調整手段
２２ｃ  実圧縮比調整手段
【図１】
0004289800.tif 000002
【図２】
0004289800.tif 000003