JP2000213384A

JP2000213384A - 圧縮自着火エンジン

Info

Publication number: JP2000213384A
Application number: JP11017370A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimoto; 洋藤本; Shojiro Matsumura; 章二朗松村; Takao Fujiwaka; 貴生藤若; Yuji Nakamura; 裕司中村; Koji Moriya; 浩二守家; Shoji Asada; 昭治浅田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料と燃焼用酸素含有ガスの混合気である給
気をシリンダ内に給気するとともに、前記シリンダ内に
おいて給気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の
回転を維持する圧縮自着火エンジンにおいて、簡単な構
造でその圧縮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】給気系流路と排気系流路を備え、排気系
流路内を流通する排気のエネルギーを利用して給気系流
路に流通する給気を圧縮する前段過給機６と後段過給機
５とを、給気系流路において前段過給機６を後段過給機
５の上流側として直列に接続して備えるとともに、給気
系流路の後段過給機５とシリンダ３の間の給気系下流側
流路１１に給気を冷却する後段冷却器７を備え、排気系
流路の後段過給機５の上流側の排気の一部を、給気系流
路の前段過給機６と後段過給機５の間の給気系中間流路
１２へ還流するＥＧＲ手段Ａを備えることを特徴とす
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、噴射燃料がガス体である
為、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。エンジンの理論熱効率ηは、圧縮比をε、比熱
比をκとしたとき、

【数１】であるので、効率を上げるためには、圧縮比εを高く設
定する必要がある。しかし、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。このことに対し、こ
のノッキング現象のメカニズムを逆手に取り、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。これは、空気と燃料の予混合気であ
る給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。この手法によると、ノッキングの問
題を避けつつ、圧縮比を例えば１６以上に増大させ、高
い効率を得ることが可能となる。また、給気の自然着火
は温度依存性が極めて高く、給気全体がほぼ一斉に着火
するので、高温滞留時間に依存するＮＯｘ発生レベルを
極めて低く抑えることが可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】さて、上記圧縮自着火
エンジンは、効率改善等の目的で、通常のエンジンに比
較して極めて高い空気比を用いることが多い。したがっ
て、給気中に含まれる燃料量が小さく、通常のエンジン
と同等の出力を得ようとすれば、エンジンのシリンダ内
容積を大きくするか、シリンダへ供給する給気の圧力を
高める必要がある。しかし、前者の方法においては、エ
ンジンの製造コストがかさんでしまう。よって、後者の
方法を採用することが多いが、この場合は、比較的小さ
なシリンダ内容積に高密度の給気を供給する必要がある
ので、過給機によって給気を高い圧縮比で加圧する必要
があり、高い圧縮比で過給機を用いると、過給機の効率
が低下し、逆にエンジンの燃費が低下するという問題が
あった。又、過給機の吐出圧力が高くなると燃料を過給
機の入口側に供給せざるを得ず、供給燃料の持つ圧力が
無駄となるのみならず、都市ガス燃料とするエンジンの
場合は、主成分であるメタンの比熱が空気に比較して大
きい為、過給機の性能を大幅に低下させてしまう問題が
あった。特に、排気圧力が小さいガスエンジンにおい
て、排気再循環（ＥＧＲ）を行うにあたり、効率よく給
気系に排気を還流させるためには、図４に示すように、
エンジンから排出されて加圧状態の排気の一部を過給機
５０のタービン５０ｂを通さずに、タービン５０ｂの上
流側の流路１４０からＥＧＲ流路１１５を介して、給気
系において低圧状態である過給機上流側の流路１２０へ
還流させる方法を取らざるを得ない。しかし、この方法
では、過給機の駆動源の一部が無駄となり、過給機の圧
縮効率が低下し、燃焼効率を十分に上げることはできな
かった。さらには、排気に含まれる水蒸気による燃焼効
率の低下や、給気の昇温による過給機の体積効率の低下
を防ぐために、ＥＧＲ流路１１５に冷却器１１６を設
け、給気系へ還流させる排気を冷却して水蒸気を取り除
く構造となっており、複雑な構造となっていた。又、タ
ービンの下流側の流路に絞りを設けて、その手前からＥ
ＧＲ用の排気を取り出す方法もあるが、タービンの下流
側の低圧領域の圧損も、やはり、タービンの効率を低下
させ、又、冷却器を大きくする必要がある。また、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。火花点火エンジンでは、
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）、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。よって、本発明は、このよ
うな事情を鑑みて、さらに燃焼効率を向上させ、燃費の
改善を実現できるとともに、給気の着火のタイミングを
適正なものに維持できる圧縮自着火エンジンを提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明における、燃料と燃焼用酸素含有ガスの混合気
である給気をシリンダ内に給気するとともに、前記シリ
ンダ内において給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圧縮自着火エンジンの特徴は、
請求項１に記載されているように、給気をシリンダ内に
供給する給気系流路と、シリンダからの排気を外部へ排
出する排気系流路を備え、前記排気系流路内を流通する
排気のエネルギーを利用して前記給気系流路に流通する
給気を圧縮する前段過給機と後段過給機とを、前記給気
系流路において前記前段過給機を前記後段過給機の上流
側として直列に接続して備えるとともに、前記給気系流
路の前記後段過給機と前記シリンダの間の給気系下流側
流路に給気を冷却する後段冷却器を備え、前記排気系流
路の前記後段過給機の上流側の排気の一部を、前記給気
系流路の前記前段過給機と前記後段過給機の間の給気系
中間流路へ還流するＥＧＲ手段を備えたことにある。圧
縮自着火エンジンにおいて、さらに燃費の改善を実現す
るために圧縮比を高く設定すると、給気の圧縮自着火の
タイミングが早くなり、過早発火によるノッキングを発
生しやすくなる。又、燃焼速度が早過ぎて、最大筒内圧
が高くなりすぎたり、振動を誘発することもある。これ
らを抑制する為には、給気系流路に排気の一部を還流さ
せて、給気の酸素濃度を低下させるＥＧＲ方式が考えら
れる。このＥＧＲ方式を効率よく行うために、本発明に
係る圧縮自着火エンジンは、２つの過給機とＥＧＲ手段
を備えている。即ち、ＥＧＲ手段によって、排気の一部
は前段過給機の下流側の給気系中間流路に還流される。
給気系中間流路内の給気は前段過給機によってある程度
圧縮されており、よって、排気のエネルギーが過給機の
上流側へ逃げてしまうことが無く、排気を給気系流路に
還流しても、給気の圧縮効率を維持することができるの
である。よって、給気系に排気を還流することで給気の
酸素濃度を低下させノッキングの発生を抑制することが
できる。また、給気系下流側流路に後段冷却器を備え、
シリンダに供給される給気を冷却することで、高効率な
給気の過給が行える。

【０００５】また、圧縮自着火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、このような圧縮自着火エンジンは、請求項２に記載
されているように構成することが好ましい。即ち、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ＥＧＲ手段が、前記還流する排気を前記給気
系中間流路における前記前段冷却器の上流側と下流側
に、分配して還流するとともに、前記分配する排気の割
合を設定可能な排気分配手段を備え、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、前記排気分配手段を働かせて、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。
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、排気工程を経て動作することから、こ
のような工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、圧縮工程の最終段階、若しくは膨張工程の初
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、Ｅ
ＧＲ手段を、還流する排気を分配して給気系中間流路に
おける前段冷却器の上流側と下流側に還流する構造と
し、その分配する排気の割合を設定可能な排気分配手段
を備えている。このことにより、上記検出された圧縮自
着火のタイミングに基づいて、前段冷却器の上流側と下
流側に還流させるそれぞれの排気の量の割合を設定し
て、前段冷却器の上流側に還流されて前段冷却器を流通
する排気の量を設定できるので、結果、シリンダに供給
される給気の温度を変化させることができる。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
のタイミングも変化させることができ、例えば、前段冷
却器の上流側に還流する排気の量を減らし、給気の温度
を高くすると、圧縮自着火のタイミングは早くなり、逆
に、前段冷却器の上流側に還流する排気の量を増やし、
給気の温度を低くすると、圧縮自着火のタイミングは遅
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、還流される排気の冷却量を調整して、給気の温
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】圧縮自着火エンジンにおいて、給気の着火
タイミングは給気温度に依存し、給気が比較的低温にな
る起動時において、圧縮による給気の自然着火のみでエ
ンジンを動作させることは困難である。このような起動
時の運転状態を良好なものにするために、本願に係る圧
縮自着火エンジンは請求項３に記載されているように、
前記給気系流路若しくは前記排気系流路において前記後
段過給機を迂回して流通させるバイパス流路と、前記バ
イパス流路に設けた開閉弁とを備え、前記シリンダ内の
給気に火花点火可能な点火機構又は、液体噴射により点
火可能な点火機構を備え、前記点火機構を働かせて点火
動作を行いながら運転を継続する第１運転状態と、前記
点火機構を停止し、圧縮自着火により運転を継続する第
２運転状態との間で、選択可能に構成され、前記第１運
転状態において、前記開閉弁を開状態にし、前記後段過
給機を無負荷状態にし、前記第２動作状態において、前
記開閉弁を閉状態にする第２制御手段を備えることが好
ましい。即ち、エンジンの起動にあたっては、例えば火
花点火による運転を行い、起動暖機運転状態（第１運転
状態）を維持する。強制点火による起動は、エンジンが
暖機されていない状態に合っても、比較的容易に、通常
の起動手法により運転を維持することができる。しかし
ながら、前記第２運転状態での空気比は通常のエンジン
に比較して極めて高い場合が多く、このような高い空気
比で第１運転状態を継続することは困難である。一方、
第２運転状態と同じ圧力で、空気比を低くして第１運転
状態を継続すると、エンジンが過負荷になってしまう。
そこで、この構成にあたっては、バイパス流路に設けた
開閉弁を開状態にし、バイパス流路に給気若しくは排気
を流通させて、後段過給機による給気の圧縮を行わない
状態とし、給気は前段過給機のみにより圧縮する構成と
なっており、通常の２つの過給機で圧縮する場合よりも
給気を低圧でシリンダ内に供給することができる。結
果、第１運転状態において、低い適切な空気比でエンジ
ンの過負荷を避けつつ起動暖機運転を行うことができ
る。

【０００７】さらに、起動暖機運転時のノッキングの発
生をより抑制するためには、上記のように給気の圧縮比
を下げるとともに、給気の温度を通常よりも低くする構
成とすることができる。即ち、請求項４に記載されてい
るように、前記給気系流路に設けた冷却器の冷却用媒体
を冷凍機にて冷却可能な構造とし、前記第１動作状態に
おいては、前記冷却用媒体を前記冷凍機で冷却し、前記
第２動作状態においては、前記冷却用媒体を前記冷凍機
で冷却しないように構成する。この構成によって、起動
暖機運転時においては、冷凍機によって、例えば、冷却
用媒体として氷点以上８℃以下の冷却水を冷却器に供給
し、給気をより一層低温にし、起動暖機運転後の第２運
転状態においては、冷却水を冷凍機で冷却しないで、基
準温度の冷却水をクーリングタワーから直接冷却器に供
給するように構成することで、給気の着火性が低下し、
ノッキングをより一層回避することができる。ここで、
基準とは、エンジンが定格運転状態（第２運転状態）
で、圧縮自着火で運転される場合が基準であることを示
している。コージェネレーションにおいては、空調用冷
凍機を併設する場合が多いので、その空調用冷凍機を使
用して冷却水温度を下げることができる。一方、圧縮自
着火エンジンでは、給気圧力が高い為、通常、過給機の
吐出側に燃料を供給することは困難であり、又、過給機
の入口側に入れると、給気の圧力を無駄にするのみなら
ず、燃料の比熱の為、過給機の性能を落としてしまう。
しかし、本願にあっては、請求項５に記載されているよ
うに、前記給気系中間流路に、前記燃料を供給する燃料
供給手段を備え、前記前段過給機の吐出圧力を前記燃料
供給手段の燃料供給圧力よりも低く設定することができ
る。即ち、前段過給機と後段過給機の間の給気系中間流
路に燃料を供給することで、このような悪影響は緩和さ
れる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本願の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、
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を備えている。給気を
圧縮する後段過給機５及び前段過給機６は、それぞれ互
いに連結されているブロア部５ａ、６ａとタービン部５
ｂ、６ｂを備えており、ブロア部５ａの下流側の給気系
下流側流路１１と、ブロア部６ａとブロア部５ａの間の
給気系中間流路１２にそれぞれ後段冷却器７及び前段冷
却器８を備えている。更に、給気系中間流路１２に燃料
を供給する燃料供給手段２１を備えており、ブロア部６
ａによって圧縮された空気に燃料を供給し、その混合気
を給気とする構成となっている。また、シリンダ３から
排出した排気は排気系上流側流路１４、タービン部５
ｂ、排気系中間流路１３及びタービン部６ｂを順に流通
し、それぞれのタービンを回転させた後、外部へ排出さ
れる。この構成により、シリンダ３より排出される排気
により燃料と空気の給気の混合気である給気を２段階に
圧縮することが可能となっている。

【０００９】この、定格運転時の給気系流路における給
気の圧縮状態を図２に示す圧力−体積線図にて説明す
る。図２からもわかるように、２つの後段過給機５及び
前段過給機６により２段式の過給を行っており、それぞ
れの前段過給機５及び後段過給機６の下流側に後段冷却
器７及び前段冷却器８を設けている。即ち、前段過給機
６によって、給気をａからｂに加圧し、前段冷却器８
の冷却によって給気の体積をｂからｃに減少させ、
その後、後段過給機５によってｃからｄに加圧し、
後段冷却器７の冷却によって給気の体積をｄからｅに
減少させる。よって、給気圧縮の総仕事量はａｂｃ
ｄｅ０に示す面積となり、図３に示す従来の過給機及
び冷却器をそれぞれ１つづつ備えた構成の場合の総仕事
量であるａｂｅ０の面積に対して、ｂｂｄｃの面
積分小さくなり、本願の構成の総仕事量は従来と比べて
小さく設定できる。更に、燃料をブロア部６ａの下流側
の燃料供給手段２１で空気と混合させるので、ブロア部
６ａは空気を圧縮するだけでよく、これによっても過給
機の効率を向上することができる。また、圧縮自着火エ
ンジンにおいて給気の圧縮比を増加させエンジンの効率
を増大させるためには、過給機によって給気を高い圧縮
比で圧縮する必要がある。しかし、１つの過給機のみを
備えた構成の場合は、過給機の圧縮比を大きく設定する
必要があり、圧縮効率が低下し不利であったが、本発明
に係るエンジン１００の構成の場合は、それぞれの過給
機の圧縮比を小さく設定できるので、過給機の圧縮効率
を維持しつつ結果的に高圧縮された給気を得ることがで
き、圧縮自着火エンジンを高効率で実現することができ
るのである。

【００１０】更に、本発明に係る圧縮自着火エンジン１
００は、図１に示すように、排気系上流側流路１４の排
気の一部を導くＥＧＲ流路１５とそのＥＧＲ流路の排気
を給気系中間流路１２の前段冷却器８の上流側と下流側
に分配してその分配率を設定可能な三方制御弁１６を備
えており、シリンダ３から排出される排気の一部を給気
系へ還流するとともに、その還流される排気のうち前段
冷却器８に供給される排気の量を設定することができ
る。この構成によって、過給機の駆動源である排気圧の
エネルギーを給気系のブロア部６ａの上流側に逃がすこ
とを防ぎ、排気を給気系へ還流しても、給気の圧縮効率
を維持することができるのである。このように、給気系
に還流する排気を前段冷却器８の上流側と下流側に分配
しその分配する割合を設定する手段を排気分配手段Ａと
呼ぶ。よって、定格運転時において、シリンダ３から排
出した排気は高温であるため、この排気分配手段Ａを働
かせ、給気系に還流する排気のうち前段冷却器８に供給
される排気の量を設定することによって、シリンダ３に
給気される給気の温度を変化させることができ、前段冷
却器８の上流側に還流する排気の量を減らし、給気の温
度を高くすると、圧縮自着火のタイミングは早くなり、
逆に、前段冷却器８の上流側に還流する排気の量を増や
し、給気の温度を低くすると、圧縮自着火のタイミング
は遅くなる。このように、検出される自着火のタイミン
グによって、還流される排気の冷却量を調整して、給気
の温度を変化させることにより、結果的に、定格運転時
における圧縮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。又、前段冷却器８の上流側及び下流側の
どちら側に排気の一部を供給しても、結果的に給気系に
還流される排気の量は変わらないので、給気の燃焼速度
の緩和効果を維持することができる。

【００１１】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１７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１０が備えられている。内圧センサ
１７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Ｂと呼ぶ。ここで、この圧縮自着火
タイミング検出手段Ｂ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。

【００１２】上記構成により、制御装置２０には、定格
運転時のエンジン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２０は、内部に記憶手段１２０を備えており、定格
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２０内では、
定格運転時において、圧縮自着火タイミング検出手段Ｂ
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２０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、給気温度の関係に基づいて、給気
系に還流する排気の前段冷却器８の上流側と下流側に分
配する割合を決定し、排気分配手段Ａを働かせ、三方制
御弁１６により、給気系に還流する排気を前段冷却器８
の上流側と下流側に決定した割合で分配して還流するこ
とで、給気温度を変化させ、圧縮自着火のタイミングを
好ましいものとする。このように、圧縮自着火タイミン
グ検出手段Ｂ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、
排気分配手段Ａを働かせ、給気の温度を制御する手段を
制御手段Ｃと呼ぶ。この制御手段Ｃにより、シリンダ３
に吸気される給気の温度は好ましい状態で圧縮自着火す
る温度にすることができ、圧縮自着火のタイミングを適
切なタイミングとする定格運転を実現することができ
る。

【００１３】これまでは、本願に係る圧縮自着火エンジ
ンの定格運転時の動作状態における圧縮自着火タイミン
グの制御方法について説明してきたが、以下に、本願に
係る圧縮自着火エンジンの起動暖機運転の状態を説明す
る。即ち、本願に係る圧縮自着火エンジン１００は、図
１に示すように、起動暖機運転時に給気を強制着火する
点火プラグ２２を備えるとともに、後段過給機５のター
ビン部５ｂを排気が迂回するバイパス流路２４と、その
バイパス流路２４に開閉弁２３を備えている。制御装置
２０は、起動暖機運転時に、点火プラグ２２を働かせ給
気を強制着火させるとともに、開閉弁２３を開状態とす
る。このことで、排気はバイパス流路２４に流通し、タ
ービン部５ｂを回転させることができなくなり、結果、
過給機５は不動作状態となる。よって、給気は、過給機
６のみで圧縮されることとなり、過給機５が動作状態に
ある定格運転時よりも、給気の圧縮比を低く設定でき、
ノッキングを回避しつつ、エンジンの起動暖機運転状態
を好適なものに維持することができる。このように、エ
ンジンの起動暖機運転時に点火プラグ２２を働かせ、開
閉弁２３を開状態とし、ノッキングを回避しつつ、定格
運転に移行するように制御する手段を第２制御手段Ｄと
呼ぶ。

【００１４】さらに、起動暖機運転時のノッキングを回
避するために、前段冷却器８若しくは後段冷却器７の代
わりに、図３に示す冷却器３０備えることができる。即
ち、冷却器３０は、冷却用媒体として冷却水を使用して
おり、その冷却水の流路に、冷却水を空冷するクーリン
グタワー３２と、冷却水を８℃以下にする冷凍機３１が
並列に配設されており、制御装置２０によって制御され
る切換弁３３によって冷却水の流路を切り換えることが
できる。制御装置２０は、切換弁３３を働かせ、起動暖
機運転時には冷却水を冷凍機３１に流通させ、定格運転
時には冷却水をクーリングタワー３２に流通させる。こ
の構成により、起動暖機運転時の給気の温度は定格運転
時の給気の基準温度よりも低くなり、給気の燃焼性が低
下することでノッキングを抑制することができる。この
ように、冷却器に供給する冷却水の温度を切り換える手
段を冷媒温度設定手段Ｅと呼ぶ。

【００１５】〔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、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、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。（ホ）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、圧縮工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。（ヘ）上記の実施の形態例においては、給気系へ還
流する排気を冷却器８の上流側と下流側に分配するため
に三方制御弁１６を使用したが、この三方制御弁１６の
代わりに、開閉弁を２個並列に接続しても可能であり、
それぞれの開閉弁の開度を制御することでも分配量を制
御することができる。（ト）上記の実施の形態例においては、排気系上流側
流路１４の排気の一部を給気系中間流路１２へ還流する
ＥＧＲ流路１５について説明したが、ＥＧＲ流路１５の
代わりに、図１の２点鎖線に示すように、ＥＧＲ流路１
５ａを使用し、排気系中間流路１３の排気の一部を給気
系中間流路１２へ還流することができ、この場合は、給
気系中間流路１２内の圧力を排気系中間流路１３の圧力
より小さくなるように、それぞれの過給機５、６の圧縮
比を設定することで可能となり、本発明に係る圧縮自着
火エンジンを構成することができる。（チ）上記の実施の形態例においては、過給機５のタ
ービン部５ｂの上流側と下流側を流通させるバイパス流
路２４とそのバイパス流路２４に備えた開閉弁２３によ
って、過給機５による給気の圧縮をなくす構成を説明し
たが、ブロア部５ａの上流側と下流側を流通させるバイ
パス流路１２４とそのバイパス流路１２４に備えた開閉
弁１２３によっても可能であり、この場合は、給気をブ
ロア部５ａを通さずにシリンダ内に供給することができ
るため、結果的に過給機５による給気の圧縮は無くな
る。

【００１６】

【発明の効果】燃焼効率を向上させ、燃費の改善を実現
できるとともに、安定した運転状態を維持しながら起動
し、定格運転する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】本発明に係る圧縮自着火エンジンの構成を示す
図

【図２】本発明に係る圧縮自着火エンジンの過給機にお
ける給気の圧力と体積の関係を示す図

【図３】本発明に係る圧縮自着火エンジンの冷却器の別
実施の形態例を示す図

【図４】従来の圧縮自着火エンジンのＥＧＲ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４ピストン５前段過給機６後段過給機７後段過給機８前段冷却器１１給気系下流側流路１２給気系中間流路１３排気系中間流路１４排気系上流側流路１５ＥＧＲ流路１６三方制御弁１７内圧センサ２０制御装置２１燃料供給手段１００エンジンＡ排気分配手段Ｂ圧縮自着火タイミング検出手段Ｃ制御手段Ｄ第２制御手段Ｅ冷媒温度設定手段

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０１Ｂ (72)発明者藤若貴生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)発明者中村裕司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Ｆターム(参考） 3G005 DA02 DA06 EA14 EA23 EA25 FA05 FA22 FA37 GB01 GB18 GB27 GC07 HA12 HA13 JA13 JA22 JA51 3G023 AA02 AA06 AB06 AC01 AC07 AF03 AG00 AG03 3G062 AA01 AA05 CA02 DA02 EA10 ED01 ED05 ED10 FA11 GA12 GA21 3G092 AA01 AA02 AA05 AA17 AA18 AB08 AC08 BA08 DB05 DC09 DC10 DC12 DF01 DF02 DF09 EA28 EA29 FA02 FA16 GA02 HA04X HC01X HC01Z HD07X HD07Z HE03Z 3G301 HA01 HA02 HA11 HA13 HA22 JA02 JA22 KA05 LB03 PA10A PC01A PC01Z PD15A PD15Z PE03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と燃焼用酸素含有ガスの混合気であ
る給気をシリンダ内に給気するとともに、前記シリンダ
内において給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圧縮自着火エンジンであって、給気をシリンダ内に供給する給気系流路と、シリンダか
らの排気を外部へ排出する排気系流路を備え、前記排気系流路内を流通する排気のエネルギーを利用し
て前記給気系流路に流通する給気を圧縮する前段過給機
と後段過給機とを、前記給気系流路において前記前段過
給機を前記後段過給機の上流側として直列に接続して備
えるとともに、前記給気系流路の前記後段過給機と前記
シリンダの間の給気系下流側流路に給気を冷却する後段
冷却器を備え、前記排気系流路の前記後段過給機の上流側の排気の一部
を、前記給気系流路の前記前段過給機と前記後段過給機
の間の給気系中間流路へ還流するＥＧＲ手段を備えた圧
縮自着火エンジン。
【請求項２】前記給気系中間流路に給気を冷却する前
段冷却器を備え、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ＥＧＲ手段が、前記還流する排気を前記給気系中間
流路における前記前段冷却器の上流側と下流側に、分配
して還流するとともに、前記分配する排気の割合を設定可能な排気分配手段を備
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、前記排気分配手段
を働かせて、前記圧縮自着火のタイミングを制御する制
御手段を備えた請求項１記載の圧縮自着火エンジン。
【請求項３】前記給気系流路若しくは前記排気系流路
において前記後段過給機を迂回して流通させるバイパス
流路と、前記バイパス流路に設けた開閉弁とを備え、前記シリンダ内の給気に火花点火可能な点火機構又は、
液体噴射により点火可能な点火機構を備え、前記点火機構を働かせて点火動作を行いながら運転を継
続する第１運転状態と、前記点火機構を停止し、圧縮自
着火により運転を継続する第２運転状態との間で、選択
可能に構成され、前記第１運転状態において、前記開閉弁を開状態にし、
前記後段過給機を無負荷状態にし、前記第２動作状態に
おいて、前記開閉弁を閉状態にする第２制御手段を備え
た請求項１又は２に記載の圧縮自着火エンジン。
【請求項４】前記給気系流路に設けた冷却器の冷却用
媒体を冷凍機にて冷却可能な構造とし、前記第１動作状態においては、前記冷却用媒体を前記冷
凍機で冷却し、前記第２動作状態においては、前記冷却
用媒体を前記冷凍機で冷却しないように構成する請求項
３に記載の圧縮自着火エンジン。
【請求項５】前記給気系中間流路に、前記燃料を供給
する燃料供給手段を備え、前記前段過給機の吐出圧力を
前記燃料供給手段の燃料供給圧力よりも低く設定する請
求項１から４の何れか１項に記載の圧縮自着火エンジ
ン。