JP2000282904A - 予混合圧縮自着火エンジンとその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ３内
に給気するとともに、前記シリンダ３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９軸の回転を
維持する予混合圧縮自着火エンジン１００において、簡
単な構造で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を目的とする。 【解決手段】 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Ａを備えるとともに、圧縮自着火前のシリンダ内
の圧力を変更可能な構造を有し、前記圧縮自着火前のシ
リンダ内の圧力を変更して圧縮比を設定する圧縮比設定
手段Ｂを備え、前記圧縮自着火タイミング検出手段Ａ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、
前記圧縮比設定手段Ｂを働かせて、前記圧縮自着火のタ
イミングを制御する制御手段Ｃを備えたことを特徴とす
る。

Description

【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、ピストン内に給気するとともに、このピ
ストン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、自着火
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（自着火時期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。また、自着火のタイミングを制御
するために、シリンダ内に給気される前の予混合気の温
度を制御する方法が考えられるが、そのためには、予混
合気の温度を変更する装置を別に設ける必要がある。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、簡単な構造で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
ダ内に給気するとともに、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、且つ前記圧縮自着火前の前記シリンダ内の圧力を変
更して、圧縮比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、前記圧縮自着火前
の前記シリンダ内の圧力を調整して、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、給気、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、圧縮自着火前の前記シリンダ内の圧力を調整可能な
構造とし、上記検出された圧縮自着火のタイミングに基
づいて、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を調整するこ
とで、圧縮による発熱量、即ち圧縮自着火前のシリンダ
内温度を調整することができる。そして、圧縮自着火前
のシリンダ内温度に対応して、圧縮自着火のタイミング
も変更でき、例えば、シリンダ内の圧力を高くして、圧
縮自着火前のシリンダ内温度を高くすると、圧縮自着火
のタイミングは早くなる。このように、検出される自着
火のタイミングによって、圧縮自着火前のシリンダ内圧
力を変化させ、シリンダ内温度を変化させることによ
り、結果的に、自着火のタイミングを望ましいものとす
ることもできる。

【０００６】このような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
ンダ内に給気するとともに、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、前記圧縮自着火前の前記シリンダ内の圧力を変
更可能な構造を有し、前記圧縮自着火前のシリンダ内の
圧力を変更して圧縮比を設定する圧縮比設定手段を備
え、前記圧縮自着火タイミング検出手段によって検出さ
れた前記圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記圧縮
比設定手段を働かせて、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、圧縮比設定手段に
より、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を変更して、圧
縮比を調整可能な構造となっている。従って、この圧縮
比設定手段により、圧縮比を任意に設定するすること
で、圧縮による発熱量を調整することができる為、圧縮
自着火前のシリンダ内の温度は任意に変化させることが
できる。

【０００７】前記予混合圧縮自着火エンジンにおいて、
請求項３に記載されているように、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、前記圧縮自着火前のシリン
ダ内の圧力を増加させて圧縮比を増加側に制御し、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、
前記圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を減少させて圧縮
比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、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れに対し
ては、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を増加させて圧
縮比を増加側に制御し、実際の圧縮自着火のタイミング
の早まりに対しては、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力
を減少させて圧縮比を減少側に制御することで、予混合
気の圧縮比に対応する圧縮自着火前のシリンダ内の温度
を、理想的な圧縮自着火のタイミングを維持する温度に
制御することができる。

【０００８】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圧縮自着火前のシリン
ダ内の圧力を適切に調整して、好ましい動作状態を得る
ことが好ましい場合もある。この場合は以下の構成を採
用することができる。即ち、燃料と燃焼用酸素含有ガス
とをシリンダ内に給気するとともに、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４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、
前記圧縮自着火前の前記シリンダ内の圧力を変更可能な
構造を有し、前記圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を変
更して圧縮比を設定する圧縮比設定手段を備え、前記動
作条件検出手段によって検出された前記動作条件に基づ
いて、前記圧縮比設定手段を働かせて、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。一方、これまで説明して
きた例と同様に、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を変
更可能な構造を有し、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力
を変更して圧縮比を設定する圧縮比設定手段が備えられ
る。従って、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、前記圧縮比設定手段
を働かせて、圧縮比を調整して、圧縮後の温度を変化さ
せある。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、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、圧縮自着火前
のシリンダ内の圧力、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、圧縮自着火前のシリンダ内
の圧力を制御し、圧縮比を変化させることで、圧縮自着
火前のシリンダ温度を任意に変化させる。このように、
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、好ましい運転状態を確保できる。

【０００９】これらの予混合圧縮自着火エンジンにおい
て、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を任意に変化させ
るためには、請求項５に記載されているように、前記圧
縮比設定手段は、給気弁を給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給気弁
の閉時期との差を調整することによって、前記シリンダ
内に給気される予混合気の量を設定して圧縮比を設定す
る手段であることが好ましい。例えば、給気弁を下死点
よりも遅らせて閉にすると、下死点付近で閉したときよ
りもシリンダ内に給気される予混合気は少なくなり、圧
縮比は小さくなる。即ち、下死点時期と給気弁の閉時期
の差を調整することにより、シリンダ内に給気される予
混合気の量を調整することができ、これにより圧縮比を
任意に調整することができる。よって、この圧縮比設定
手段を働かせることで、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圧縮自着火前のシリンダ
内温度を調整することができる。

【００１０】また、圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を
任意に変化させる別の構成としては、請求項６に記載さ
れているように、前記シリンダ内に給気される予混合気
を加圧する過給機を備えるとともに、前記圧縮比設定手
段は前記過給機によって加圧する予混合気の圧力を設定
する給気圧設定手段とすることで可能である。さらに、
このような本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、請求
項７に記載されているように、前記給気圧設定手段が、
前記過給機のタービンの回転数を設定して、前記過給機
によって加圧された予混合気の圧力を設定する手段であ
ることができる。またさらに、このような本発明の予混
合圧縮自着火エンジンは、請求項８に記載されているよ
うに、前記給気圧設定手段が、前記過給機によって加圧
された予混合気の圧力を外部へ逃がして、前記過給機に
よって加圧された予混合気の圧力を設定する前記圧力設
定弁であることもできる。

【００１１】この場合、給気圧設定手段として、例え
ば、過給機の排気側の流路に備えられたタービンの上流
側と下流側を流通させるバイパス流路を備え、そのバイ
パス流路を流通する排気（排ガス）の量を調整するよう
に構成することで、タービンの回転数を設定するように
構成することができ、タービンと連結されたブロアによ
って圧縮される予混合気の圧力を設定することができ
る。さらにまた、過給機の給気側のブロアの上流側と下
流側を流通させるバイパス流路を備え、過給機によって
過給された予混合気の圧力を上記圧力設定弁によってバ
イパス流路を介して過給機上流側に逃がすように構成す
ることで、過給機によって加圧された予混合気の圧力を
設定するように構成することができる。これにより、シ
リンダに給気される予混合気の圧力を任意に設定するこ
とができ、この給気圧設定手段を働かせることで、圧縮
自着火前の予混合気の圧力を任意に設定することがで
き、圧縮自着火前のシリンダ内の温度を調整することが
できる。

【００１２】また、これらのような本発明の予混合圧縮
自着火エンジンは、請求項９に記載されているように、
前記設定された圧縮比に基づいて、前記シリンダに給気
される予混合気の当量比を設定する当量比設定手段を備
えることが好ましい。本発明において、圧縮自着火のタ
イミングを制御する為に、圧縮比設定手段によって圧縮
自着火前のシリンダ内の圧力を変更して圧縮比を設定す
るが、上記圧縮比を変化させると、シリンダ内に供給さ
れる予混合気の量が変化し、当量比を一定にすると、燃
焼する燃料の量が変化するので、結果出力が変化してし
まう。このような場合、上記の当量比設定手段によっ
て、設定された圧縮比に基づいて、当量比を設定するこ
とで、例えば、圧縮比を高く設定した場合においては，
当量比を小さくし、圧縮比を低くした場合においては、
当量比を大きくし、常にシリンダ内に供給される燃料の
量を一定にすることで、出力を安定させることができ、
また、当量比を変化させても圧縮自着火のタイミングは
変化しないので、安定した運転状態を維持することがで
きる。また、圧縮比を変化することによって発生するエ
ンジンの出力の変化状態を直接検出し、当量比設定手段
を、直接出力の変化状態に基づいて働かせることもでき
る。

【００１３】

【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、可変開閉タイミングの給気弁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。また、給気弁１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。この構成により、予混
合気は、給気路１３、給気弁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。エンジンの動作サイクル
は、給気行程、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。

【００１４】図２、３は、本発明に係るエンジンの１サ
イクルの給気弁１と排気弁２の開閉動作とピストン３の
位置を示している。通常、前記給気行程においては、給
気弁１が開状態とされて、予混合気の給気が行われる。
圧縮行程においては、給気弁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り、予混
合気の温度上昇が起こる。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、圧縮行程における温度上昇によって予
混合気が自然発火することで、上死点の近傍にピストン
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３内の空間を増加する方向に移動する行程であ
る。この増加が完了する状態におけるピストン４の位置
が下死点と呼ばれる。この行程にあっても、給気弁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内の排気が排出される。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、自着火が、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。しかし、本発明に係るエンジンの給気弁１は、
開閉タイミング設定機構１９によって開閉動作のタイミ
ングを任意に設定可能であり、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、給気弁が下
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、給気行程においてシリンダ内に一旦給
気した予混合気を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給気路１３側に吹き戻
すことが可能である。これによって、シリンダ内に給気
する予混合気は給気弁１が閉するタイミングのシリンダ
内の空間分に相当し、この時間Ｔを調整することでシリ
ンダ内に給気される予混合気の量を調整することがで
き、よって、圧縮比を調整することができる。このよう
に、給気弁１の下死点よりも遅い閉時期を調整すること
によって圧縮比を調整する手段を圧縮比設定手段Ｂと呼
ぶ。

【００１５】また、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圧縮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９の角度
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９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、圧縮自着火のタイミングが
特定される。

【００１６】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圧縮自着
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、圧縮自着火検出手段Ａによって検出された実際
の圧縮自着火のタイミング（シリンダ内圧が前記設定値
を越えるシリンダ角）と、前記好ましい圧縮自着火のタ
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、実際の圧縮自着火のタイミングが
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圧縮自
着火のタイミングの遅れ若しくは早まりに対する、圧縮
比の関係に基づいて、排気行程において給気弁１を閉状
態にするタイミングを決定し、圧縮比設定手段Ｂを働か
せ、開閉タイミング設定機構１９により、圧縮行程にお
いて給気弁１を開状態にする時間Ｔを有しながら給気弁
１を開閉させる。このように、圧縮自着火タイミング手
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、圧縮比設
定手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前のシリンダ３内に給気
される予混合気の量を調整して圧縮比を制御する手段を
制御手段Ｃと呼ぶ。この制御手段Ｃにより、圧縮自着火
前のシリンダ３内は所定の圧縮比となり、好ましい状態
で圧縮自着火する温度になることで、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。

【００１７】これまでの構成は、給気弁１を圧縮行程に
おいて閉するものであったが、図３に示すように、給気
弁を給気行程の途中で閉する、即ち下死点よりも早く閉
することでも本発明の目的は達成できる。この場合、予
混合気は給気弁１が閉するまでの間しか予混合気を給気
することができないため、給気弁１が下死点時期に対し
て給気弁１の閉時期の早まりの時間Ｔを調整すること
で、シリンダ内に給気される予混合気の量を調整するこ
とができ、圧縮比を調整することができる。よってこれ
まで説明してきたものと同様に、制御手段Ｃによって圧
縮自着火のタイミングを適切なものとすることができ
る。

【００１８】〔実施例２〕これまで述べてきた予混合圧
縮自着火エンジンの実施の形態は、給気弁の閉時期を調
整することで圧縮自着火前の圧力、即ち圧縮比を制御
し、圧縮自着火のタイミングを制御するものであった
が、シリンダ内に給気される予混合気の圧力を変化させ
ることでも可能であり、この場合は以下のように構成す
る。即ち、図４に示す予混合圧縮自着火エンジン２００
の給気弁１は給気行程において、排気弁２は排気行程に
おいて開状態であり従来と同様であり、下記に述べる特
徴構成以外は図１に示すエンジン１００と同様である、
即ち、エンジン２００の特徴構成は、予混合気を圧縮す
る過給機２０を備え、過給機２０は、排気の運動エネル
ギーによってタービン２０ｂを回転させ、タービン２０
ｂと連結したブロア２０ａにおいて予混合気を加圧する
構成となっている。さらに、排気路１４において、ター
ビン２０ｂの上流側と下流側を流通可能とするバイパス
流路２１が備えられ、バイパス流路２１には、流通する
排気の流量を設定可能な流調制御弁２２が備えられ、こ
の流調制御弁２２は制御装置１２の出力信号によって制
御可能となっている。この構成により、流調制御弁２２
においてバイパス流路２１を流通する排気の量を変化さ
せることで、タービン２０ｂに流通する排気の量を変化
させ、タービンの回転数を変化させることが可能とな
り、結果、ブロア２０ｂにおける予混合気の加圧量を変
化させることができる、このように、制御装置１２の出
力信号に基づいて予混合気の圧力を変化させ設定する手
段を給気圧設定手段Ｂ'と呼ぶ。この給気圧設定手段Ｂ'
はシリンダ３内に給気される予混合気の圧力を設定可能
である為、結果、圧縮自着火前の予混合気の圧力を設定
し圧縮比を設定でき、前述の圧縮比設定手段Ｂと同様に
圧縮自着火前の予混合気の温度を設定することができ
る。よって、図１のエンジン１００と同様に、圧縮自着
火タイミング手段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、給気圧設定手段Ｂ'を働かせ、圧縮自着火前のシ
リンダ３内の圧力を調整して圧縮比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、圧縮自着火前
のシリンダ３内は所定の圧縮比となり、好ましい状態で
圧縮自着火する温度になることで、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。

【００１９】これまで説明した実施例において、制御装
置１２には、上記のような圧力センサ及びクランク角セ
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、圧縮比設定手段Ｂ又はＢ'を働かせ、
圧縮比を制御することで、圧縮自着火前のシリンダ内温
度を制御し、圧縮自着火の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、圧縮比設定手段Ｂ又はＢ'を働
かせ、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、圧縮比を減少側に制御し、
エンジン負荷が減少する場合に、圧縮比を増加側に制御
することができる。結果、エンジン負荷に対しても本願
の圧縮自着火エンジンは良好に対応することができる。
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
度が上昇する場合に、圧縮比を減少側に制御し、環境温
度が下降する場合に、圧縮比を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、圧縮自着
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、負荷センサや環境温度センサのよう
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。

【００２０】〔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、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。 （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） 上記の実施の形態例において、圧縮自着火のタ
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、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。 （ニ） 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
に対しては圧縮比を増加させ、環境湿度の降下に対して
は圧縮比を減少させる。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圧縮比を比較的増加させ
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、初期における圧縮比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圧縮比を増加させ、空気比の下降に
対しては圧縮比を減少させる。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。 （ホ） 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。 （ヘ） 上記の実施の形態例においては、燃料と燃焼用
酸素含有ガスとの混合気である予混合気をシリンダ内に
給気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。 （ト） 上記の実施例２において、図４に示すように排
気路１４側にバイパス流路２１を設けて、シリンダに給
気される予混合気の圧力を調整する構成を示したが、図
４の２点鎖線で示すように、給気路１３に備えられた過
給機２０のブロア２０ａの上流側と下流側を流通させる
バイパス流路２３を設け、バイパス流路２３に流通する
予混合気の量を流調制御弁２４によって調整することで
も、シリンダ内に給気される予混合気の量を調整するこ
とが可能である。また、流量制御弁２４を圧力設定弁と
し、吸気路１３の予混合気を過給機２０のブロア２０ａ
の上流側に逃がして、その上流側へ逃がす量を設定する
ことで、吸気路１３の予混合気の圧力を調整するように
構成することもできる。

【００２１】（チ） 上記の実施の形態において、圧縮
自着火タイミングを制御する為に、圧縮自着火前のシリ
ンダ３内の圧力を変更して圧縮比を制御しているが、圧
縮自着火前のシリンダ３内の圧力、例えば図４に示す構
成の場合は吸気路１３の圧力を変化させると、シリンダ
３内に供給される予混合気の量が変化し、結果、シリン
ダ内で燃焼する燃料の量が変化する場合がある。しか
し、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、例えば図４
に示す予混合圧縮自着火エンジンにおいて、出力を安定
させながら自着火のタイミングを好ましいものとするこ
とができ、その構成を図５に示す。図５に示す予混合圧
縮自着火エンジン３００は、ブロア２０ａに空気のみを
供給し、吸気路１３において燃料を供給するように構成
されている。さらに、給気路１３の圧力を検出する圧力
センサ３０と、吸気路１３に供給する燃料の量を設定す
る流量調整弁３１とを制御装置２０に接続して設け、そ
の他は図４に示す予混合圧縮自着火エンジンと変わると
ころはなく、過給機２０によって加圧される予混合気の
圧力を制御して圧縮自着火タイミングを制御することが
できる。さらに、吸気路１３の圧力を変化させること
で、シリンダ３内に供給される燃料の量が変化して出力
が変化することを抑制する為に、制御装置２０は、圧力
センサ３０の検出結果に基づいて、流量調整弁３１を調
整し、吸気路１３内の空気に供給する燃料の量を調整し
て、吸気路１３の圧力が高くなったときは、予混合気の
当量比を低く設定し、逆に圧力が低くなったときは、予
混合気の当量比を高く設定することにより、１サイクル
においてシリンダ３の供給される燃料の量を一定にする
ことができ、出力を安定させることができる。

【００２２】

【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、排気弁若しくは給気弁の開閉タイミングを制
御するだけで、予混合圧縮自着火エンジンを実現するこ
とができる。

【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の給気弁及び
排気弁の開閉状態とピストンの位置を示す図

【図３】本願の予混合圧縮自着火エンジンの給気弁及び
排気弁の開閉状態とピストンの位置を示す図

【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】

１ 給気弁 ２ 排気弁 ３ シリンダ ９ クランク軸 １２ 制御装置 １３ 給気路 １４ 排気路 ２０ 過給機 ２１ バイパス流路 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 圧縮比設定手段 Ｂ’ 給気圧設定手段 Ｃ 制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/02 ３７０ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３７０ ３８０ ３８０Ａ Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｌ 25/00 25/00 Ｓ Ｋ (72)発明者 佐古 孝弘 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 浅田 昭治 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 守家 浩二 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 中井 俊作 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 3G092 AA02 AA11 AA12 AA18 AB06 FA16 FA18 FA24 HA14X HB05X HC01X 3G301 HA02 HA19 HA22 JA02 JA22 JA24 LA07 PB02A PC01A PC08A PE10A

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ
   内に給気するとともに、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、且つ前記圧縮自着火前の前記シリンダ
   内の圧力を変更して、圧縮比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
   記圧縮自着火前の前記シリンダ内の圧力を調整して、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。
2. 【請求項２】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ
   内に給気するとともに、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、 前記圧縮自着火前の前記シリンダ内の圧力を変更可能な
   構造を有し、前記圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を変
   更して圧縮比を設定する圧縮比設定手段を備え、 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
   前記圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記圧縮比設
   定手段を働かせて、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。
3. 【請求項３】 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、前記圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を増加させて
   圧縮比を増加側に制御し、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、前記圧縮自着火前のシリ
   ンダ内の圧力を減少させて圧縮比を減少側に制御する請
   求項２記載の予混合圧縮自着火エンジン。
4. 【請求項４】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ
   内に給気するとともに、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、 前記圧縮自着火前の前記シリンダ内の圧力を変更可能な
   構造を有し、前記圧縮自着火前のシリンダ内の圧力を変
   更して圧縮比を設定する圧縮比設定手段を備え、 前記動作条件検出手段によって検出された前記動作条件
   に基づいて、前記圧縮比設定手段を働かせて、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。
5. 【請求項５】 前記圧縮比設定手段は、給気弁を給気行
   程後の下死点時期よりも早く若しくは遅く閉じ、前記下
   死点時期と前記給気弁の閉時期との差を調整することに
   よって、前記シリンダ内に給気される予混合気の量を設
   定して圧縮比を設定する手段である請求項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。
6. 【請求項６】 前記シリンダ内に給気される予混合気を
   加圧する過給機を備えるとともに、前記圧縮比設定手段
   は前記過給機によって加圧された予混合気の圧力を設定
   する給気圧設定手段である請求項２から４の何れか１項
   に記載の予混合自着火エンジン。
7. 【請求項７】 前記給気圧設定手段が、前記過給機のタ
   ービンの回転数を設定して、前記過給機によって加圧さ
   れた予混合気の圧力を設定する手段である請求項６に記
   載の予混合圧縮自着火エンジン。
8. 【請求項８】 前記給気圧設定手段が、前記過給機によ
   って加圧された予混合気の圧力を外部へ逃がして、前記
   過給機によって加圧された予混合気の圧力を設定する前
   記圧力設定弁である請求項６に記載の予混合圧縮自着火
   エンジン。
9. 【請求項９】 前記設定された圧縮比に基づいて、前記
   シリンダに給気される予混合気の当量比を設定する当量
   比設定手段を備えた請求項２から８の何れか１項に記載
   の予混合圧縮自着火エンジン。