JP2000274246A - 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
に少なくとも１つの吸気路１３より吸気する吸気行程
と、シリンダ３内において予混合気を圧縮自着火させる
圧縮・膨張行程と、圧縮、膨張行程後のシリンダ内の排
ガスを少なくとも１つの排気路１４に排出する排気行程
を有して、クランク軸９の回転を維持する予混合圧縮自
着火エンジン１００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圧縮自着
火のタイミングを検出可能、且つ排ガスの一部を、給気
弁１若しくは排気弁２の開閉タイミング制御により、圧
縮自着火前のシリンダ３内に給気可能な構造とし、検出
された圧縮自着火のタイミングに基づいて、圧縮自着火
前のシリンダ３内に給気される排ガスの量を制御し、圧
縮自着火のタイミングを制御す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、ピストン内に吸気するとともに、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、シリンダ内に吸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
ダ内に少なくとも１つの吸気路より吸気する吸気行程
と、前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させ
る圧縮・膨張行程と、前記圧縮、膨張行程後のシリンダ
内の排ガスを少なくとも１つの排気路に排出する排気行
程を有して、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、且つ前記排ガスの
一部を、吸気弁若しくは排気弁の開閉タイミング制御に
より、前記圧縮自着火前の前記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、前記圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排
ガスの量を制御し、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、排ガス（排気）
の一部を圧縮自着火前のシリンダ内に供給可能とし、上
記検出されたタイミングに基づいて、その排ガスが吸気
される量を制御することで、圧縮自着火前のシリンダ内
の温度を変化させることができる。このような圧縮自着
火前のシリンダ内の温度上昇に対して自着火のタイミン
グは早くなる為、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。この構成で、請求項２に記載されてい
るように、前記圧縮自着火前のシリンダ内に供給される
排ガスは、前記吸気行程において前記排気路よりシリン
ダ内に供給される排ガス、若しくは、前記排気行程にお
いて前記吸気路に排出され次の前記吸気行程においてシ
リンダ内に供給される排ガスとすることができ、これ
は、例えば、前記圧縮自着火のタイミングに基づいて、
シリンダに備えられた排気弁若しくは吸気弁のタイミン
グを制御する、即ち、吸気行程において排気弁を開状態
にするタイミングを制御する、若しくは排気行程におい
て吸気弁を閉状態にするタイミングを制御することで実
現する。よって、このように吸気弁若しくは排気弁の開
閉の制御を行うことで圧縮自着火のタイミングを制御す
ることができる。

【０００６】また、このような予混合圧縮自着火エンジ
ンの制御方法において、請求項３に記載されているよう
に、前記圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排ガス
は、排気行程終了時点において前記シリンダ内に残留す
る排ガスであることができる。例えば、排気行程におい
て、ピストンが上死点の位置に到達する前に、排気弁を
閉状態とすることで、この排気弁が閉状態となった以降
に排出されるはずであった排ガスはシリンダ内に残留す
ることとなり、次の吸気行程においてもこの排ガスはシ
リンダ内に存在し、圧縮自着火前のシリンダ内に排ガス
を供給可能となる。一方、このようにシリンダに排ガス
を残留させるように構成することで、燃焼後高温である
排ガスの熱損失を抑制し、排ガスの熱を有効に利用する
ことができ、次の吸気行程において吸気される予混合気
の温度をこの排ガスによって効率よく変化させることが
できる。よって、検出される圧縮自着火タイミングに基
づいて、この残留する排ガスの量を制御することで、圧
縮自着火前のシリンダ内の温度を制御することができ、
予混合圧縮自着火エンジンを好ましい圧縮自着火タイミ
ングで運転することができる。

【０００７】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４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少なくとも１つの吸気路よ
り吸気する吸気行程と、前記シリンダ内において予混合
気を圧縮自着火させる圧縮・膨張行程と、前記圧縮、膨
張行程後のシリンダ内の排ガスを少なくとも１つの排気
路に排出する排気行程を有して、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、前記排ガスの一部を、吸気弁若しくは排気弁の開閉
タイミング制御により、前記圧縮自着火前の前記シリン
ダ内に供給可能な構造を有し、前記シリンダ内に供給さ
れる排ガスの量を設定する排ガス供給量設定手段を備
え、前記圧縮自着火タイミング検出手段によって検出さ
れた圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記排ガス供
給量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、圧縮自着火前のシ
リンダ内に排ガスの一部を、吸気量制御を伴って供給可
能とし、その排ガスの吸気量を設定する排ガス供給量設
定手段が備えられる。従って、この排ガス供給量設定手
段により、圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排ガ
スの量を任意に設定することで、圧縮自着火前のシリン
ダ内の温度を任意に変化させることができる。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、前記排ガス供
給量設定手段を働かせて圧縮自着火前のシリンダ内に供
給される排ガスの量を制御し、圧縮自着火前のシリンダ
温度を任意に変化させる。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。

【０００８】前記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、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
る排ガスの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
供給される排ガスの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、実際の圧縮自着火
のタイミングの遅れに対しては、シリンダ内に供給され
る排ガスの量を増加側に制御し、実際の圧縮自着火のタ
イミングの早まりに対しては、シリンダ内に供給される
排ガスの量を減少側に制御することで、圧縮自着火前の
シリンダ内温度を、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。

【０００９】さて、予混合圧縮自着火エンジンの圧縮自
着火のタイミングは、動作条件（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）によって変化する。従って、本願
が目的とするように、圧縮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しよう
とすれば、このような動作条件の変化に対する対応も必
要となる。このような動作条件の変化に対して、前記圧
縮自着火前のシリンダ内に吸気される前記排ガスの吸気
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。即ち、燃料と燃焼用酸素含有
ガスとをシリンダ内に少なくとも１つの吸気路より吸気
される吸気行程と、前記シリンダ内において予混合気を
圧縮自着火させる圧縮・膨張行程と、前記圧縮、膨張行
程後のシリンダ内の排ガスを少なくとも１つの排気路に
排出する排気行程を有して、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を構成するに、請求項６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、前記排ガスの一部
を、吸気弁若しくは排気弁の開閉タイミング制御によ
り、前記圧縮自着火前の前記シリンダ内に供給可能な構
造を有し、前記シリンダ内に供給される排ガスの量を設
定する排ガス供給量設定手段を備え、前記動作条件検出
手段によって検出された動作条件に基づいて、前記排ガ
ス供給量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、圧縮自着火のタイミング
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、排ガスの一部を圧縮自着火前のシリン
ダ内に供給可能な構造とし、前記圧縮自着火前のシリン
ダ内に吸気される前記排ガスの吸気量を設定する排ガス
供給量設定手段が備えられる。従って、この排ガス供給
量設定手段により、圧縮自着火前のシリンダ内に供給さ
れる排ガスの量を任意に設定することで、圧縮自着火前
のシリンダ内の温度を任意に変化させることができる。
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、前記排ガス供給量設定手
段を働かせて圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排
ガスの量を制御し、圧縮自着火前のシリンダ温度を任意
に変化させる。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る。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に供給される排ガスの量の設定あ
るいはその変化傾向の設定をするための情報を予め収納
しておき、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に供給される排ガスの量
を制御し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、好ましい運転状態を確
保できる。これらのエンジンの構成で、請求項７に記載
されているように、前記圧縮自着火前のシリンダ内に供
給される排ガスは、前記吸気行程において前記排気路よ
りシリンダ内に供給される排ガス、若しくは、前記排気
行程において前記吸気路に排出され次の前記吸気行程に
おいてシリンダ内に供給される排ガスとすることが好ま
しい。この場合、請求項８に記載されているように、前
記排ガス供給量設定手段は、前記吸気路に設置した吸気
弁の前記排気行程中における開時間を設定する、若しく
は、前記排気路に設置した排気弁の前記吸気行程中にお
ける閉時間を設定する手段とすることができ、吸気弁若
しくは排気弁のタイミングを前記圧縮自着火のタイミン
グに基づいて制御することで実現する。即ち、吸気行程
において排気弁を閉状態にするタイミングを制御する、
若しくは排気行程において吸気弁を開状態にするタイミ
ングを制御することが可能であり、圧縮自着火のタイミ
ングを適切なタイミングに制御することができる。

【００１０】また、上記の予混合圧縮自着火エンジンと
は別に、排気行程において、一旦排気を吸気路若しくは
排気路に排出すること無く、シリンダ内に排ガスの一部
を供給することができる。即ち、請求項９に記載されて
いるように、前記排気路に設置した排気弁の閉タイミン
グを、前記排気行程終了時点よりも早く設定し、前記圧
縮自着火前のシリンダ内に供給される排ガスは、排気行
程終了時点において前記シリンダ内に残留する排ガスで
あることができる。このように、排気弁を、排気行程終
了時点、所謂ピストンが上死点に達する時点よりも早く
閉じることで、シリンダに排ガスを残留させることがで
き、燃焼後高温である排ガスの熱損失を低減し、排ガス
の熱を有効に利用することができ、次の吸気行程におい
て吸気される予混合気の温度をこの排ガスによって効率
よく変化させることができる。

【００１１】このような予混合圧縮自着火エンジンにお
いて、排気行程終了時点に残留する排ガスの量を設定す
る為には、以下のように構成することができる。即ち、
予混合圧縮自着火エンジンにおいて、請求項１０に記載
されているように、前記排ガス供給量設定手段は、前記
排気弁の閉タイミングを設定することにより、排気行程
終了時点において前記シリンダ内に残留する排ガスの量
を設定する。即ち、排気行程において、ピストンが上死
点の位置に到達する前に、排気弁を閉状態とすること
で、この排気弁が閉状態となった以降に排出されるはず
であった排ガスはシリンダ内に残留することとなり、例
えば、次の吸気行程において、ピストンが上死点にある
時点から吸気弁を開状態とした場合、このシリンダ内に
残留する排ガスは、吸気側へ流れるが、更にピストンが
下降すると、この排ガスと予混合気がシリンダ内に吸気
され、圧縮自着火前のシリンダ内に予混合気とともに排
ガスを供給可能となる。よって、制御手段を、検出され
た圧縮自着火タイミングに基づいて、排ガス供給量設定
手段を働かせ、この排気弁が閉状態となるタイミングを
制御し、圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排ガス
の量を制御するように構成することで、好ましいタイミ
ングで圧縮自着火させる予混合圧縮自着火エンジンを構
成することができる。

【００１２】また、このような予混合圧縮自着火エンジ
ンにおいて、請求項１１に記載されているように、前記
排ガス供給量設定手段は、前記排気弁の閉タイミング
と、前記吸気弁の開タイミングとを関係づけて設定し、
前記圧縮自着火前の前記シリンダ内に残留する排ガスの
量を設定することが好ましい。このように、排気行程終
了時点のピストンが上死点に来る時点に対して、排気弁
を速く閉じ、例えば、排気行程において排気弁が閉状態
である時間と同じ時間だけ吸気弁を遅く開くように構成
することで、吸気行程において、吸気弁が開いた瞬間
に、シリンダ内に残留している排ガスが、吸気路側へ流
れることが無く、排ガスの熱損失を抑制することができ
るので、吸気行程において吸気される予混合気の温度を
この高温の排ガスによって効率よく変化させることがで
き、少ない排ガスによって、圧縮自着火前のシリンダ内
の温度を変化させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】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１０
０は、可変開閉タイミングの吸気弁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、吸気弁１と排気弁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。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１
４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、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。

【００１４】図２、３は、本発明に係るエンジンの１サ
イクルの吸気弁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、前記吸気行程においては、吸
気弁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、吸気弁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、通常、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、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
るエンジンの吸気弁１と排気弁２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、排気行程において吸気
弁１が閉状態から開状態に移行する時間Ｔを有し、排気
行程において吸気弁１を介して吸気路１３に排ガスの一
部を排出し、排気行程においてその排ガスをシリンダ内
に吸気することや、図３に示すように、吸気行程におい
て排気弁２が開状態から閉状態に移行する時間Ｔを有
し、吸気行程においてシリンダ内に排ガスを吸気するこ
とが可能になっている。

【００１５】以下に、本発明に係るエンジンの特徴構成
の詳細を説明する。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】吸気弁１は図２に示すように、吸気行程中
の他に排気行程中のある時期に開状態になるタイミング
を有し、吸気行程が終了するまで開状態となっている。
即ち、排気行程において吸気弁１と排気弁２が同時に開
状態となるタイミングが存在するということになる。こ
の開状態となるタイミングは開閉タイミング設定機構１
９により設定可能で、排気行程における吸気弁１が開状
態の時間Ｔを所定の値に設定できる。吸気圧力が排気圧
力より小さくなる様に構成したエンジンにおいては、排
気行程中に吸気弁１を開状態にすると、排ガスは吸気弁
１と排気弁２の両方から排出されることになり、排気弁
２から排出された排ガスは排気路１４を介して排出され
るが、吸気弁１から排出された排ガスは、吸気路１３に
一旦排出される。次の吸気行程において、吸気弁１を介
し吸気路１３の排ガスと混合気がシリンダ３内に吸気さ
れる。混合気と排ガスを吸気したシリンダ３内の温度
は、排ガスが高温である為、混合気のみを吸気した場合
と比べて温度が高くなり、その温度上昇は吸気される排
ガス、即ち、排気行程において吸気路１３に排出した排
ガスの量に対応してシリンダ内温度は変化する。よっ
て、排気行程の吸気弁が開状態の時間Ｔに対して、圧縮
自着火前のシリンダ３内温度を変化させることが可能と
なり、このように、圧縮自着火前のシリンダ３内の温度
をコントロールするべく排気行程における吸気弁１が開
状態の時間Ｔを開閉タイミング設定機構１９で設定する
手段を排ガス供給量設定手段Ｂと呼ぶ。

【００１７】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排気行
程における吸気弁１が開状態の時間Ｔの関係に基づい
て、排気行程において吸気弁１を開状態にするタイミン
グを決定し、排ガス供給量設定手段Ｂを働かせ、開閉タ
イミング設定機構１９により、排気行程において吸気弁
１を開状態にするタイミングを有しながら吸気弁１及び
排気弁２を開閉させる。このように、圧縮自着火検出手
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、排ガス供
給量設定手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前のシリンダ内に
供給される排ガスの量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
内は所定量の排ガスが吸気され、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。

【００１８】これまでの構成は、吸気弁１を排気行程の
ある時期から吸気行程終了まで開状態にするものであっ
たが、図３に示すように、排気弁２を排気行程開始から
吸気行程のある時期まで開状態にすることでも本発明の
目的は達成できる。この場合、排気弁２を排気行程開始
から吸気行程のある時期まで開状態にし、吸気行程にお
いて吸気排気弁２が開状態から閉状態に移行する時間Ｔ
を設けることで、吸気行程において排ガスの一部がシリ
ンダ３内に吸気され、圧縮自着火前のシリンダ３内の温
度を変更することができる。この構成においても、圧縮
自着火検出手段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、排ガス供給量設定手段Ｂを働かせ、時間Ｔを制御
し、圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排ガスの量
を制御する手段を制御手段Ｃとし制御することで、本発
明における目的である、圧縮自着火のタイミングを制御
することができる、その制御手段Ｃはこれまで説明して
きたものと同様である。

【００１９】また、吸気行程において排気弁を開状態と
する時間Ｔ、若しくは排気行程において吸気弁を開状態
とする時間Ｔを、吸気行程若しくは排気行程の１行程の
時間に対して、７５％程度以下の範囲内において設定
し、この範囲内において時間Ｔを制御し、シリンダ内に
残留する排ガスの量を制御することが好ましく、圧縮自
着火前のシリンダ内に温度を、好ましいタイミングで自
着火する温度に制御することができる。

【００２０】さて、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、排ガス供給
量設定手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前のシリンダ内に供
給される排ガスの量を制御することで、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、排ガス供給量設定
手段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、時間Ｔを減少側
に制御し、エンジン負荷が減少する場合に、時間Ｔを増
加側に制御することがができる。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、時間Ｔを減少側に制御
し、環境温度が下降する場合に、時間Ｔ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。

【００２１】〔別実施の形態例〕 （イ） 上記の実施の形態において、排ガスの一部をシ
リンダ内に供給し圧縮自着火前のシリンダ３内の温度を
コントロールする為に、排気行程において、排ガスを一
旦シリンダ内から排気路若しくは吸気路に排出し、次の
吸気行程において、その排出した排ガスと予混合気とを
吸気する構成を説明したが、別に、シリンダ内の排ガス
の一部を、排気行程終了時点においてシリンダ内に残留
するように構成し、そのシリンダ内に残留した排ガスと
次に吸気される予混合気とを混合させ、圧縮自着火前の
シリンダ３内の温度をコントロールすることができる。
この場合は、図４に示すように、開閉タイミング設定機
構１９により、排気行程において、排気弁２をピストン
の位置が上死点になる前に閉じ、排気行程における排気
弁の閉タイミング以降の時間Ｔにおいては、シリンダ内
の排ガスを排気路１４側に排出しないように構成するこ
とができる。このようにシリンダ３内に残留する排ガス
は、次の吸気行程において、吸気弁１が開となった瞬間
に吸気路１３側に流れるが、ピストンの位置が更に降下
し、シリンダ内の空間が増大すれば、吸気路１３側の予
混合気と、排ガスがシリンダ３内に吸気され、このよう
にして、圧縮自着火前のシリンダ３内に排ガスの一部を
供給することができる。また、このように、排気弁２を
早く閉じる構成において、図５に示すように、排気行程
終了時点に対して排気弁２を早く閉じる時間Ｔと同じ時
間、吸気弁１を遅く開くように構成することもできる。
この様に、排気弁２を早く閉じ、且つ吸気弁１を遅く開
くことで、吸気弁１が開となった瞬間の吸気路１３とシ
リンダ３内に圧力をほぼ同じにすることができるので、
排気行程終了時点にシリンダ内に残留する排ガスを、吸
気行程において、吸気路１３側に流すこと無く、シリン
ダ３内に残留させ、排ガスの熱損失を最小限として、吸
気行程において吸気される予混合気の温度をこの高温の
排ガスによって効率よく変化させることができ、少ない
排ガスによって、圧縮自着火前のシリンダ３内の温度を
変化させることができる。また、排気弁を早く閉じてか
ら排気行程終了時点までの時間Ｔを、排気行程の行程時
間に対して、７５％程度以下の範囲内において設定し、
この範囲内において時間Ｔを制御し、シリンダ内に残留
する排ガスの量を制御することが好ましく、圧縮自着火
前のシリンダ内に温度を、好ましいタイミングで自着火
する温度に制御することができる。

【００２２】（ロ） 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。 （ハ） 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。 （ニ） 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。 （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
に対しては時間Ｔを増加させ、環境湿度の降下に対して
は時間Ｔ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時間Ｔ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、初期における時間Ｔ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時間Ｔを増加させ、空気比の下降に
対しては時間Ｔ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
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。 （チ） 上記の実施の形態例においては、好適な構成と
して、吸気行程と排気行程にまたがって吸気弁１若しく
は排気弁２を開状態にし、圧縮自着火前のシリンダ内に
排ガスの一部を吸気するものを示したが、吸気行程若し
くは排気行程におけるそれぞれの弁が開状態になる時間
Ｔを独自に設けることが可能で、例えば、排気行程にお
いて吸気弁を時間Ｔだけ開状態にすることや、吸気行程
において排気弁を時間Ｔだけ開状態することができる。
この構成も、本発明の目的を達成することができ、良好
な圧縮自着火のタイミングを有する圧縮自着火エンジン
を提供することができる。

【００２３】

【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、排気弁若しくは吸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吸気弁及び
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吸気弁及び
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の吸気弁及び
排気弁の開閉状態とピストンの位置を示す図

【図５】本願の予混合圧縮自着火エンジンの吸気弁及び
排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 ３ シリンダ ９ クランク軸 １２ 制御装置 １３ 吸気路 １４ 排気路 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 排ガス供給量設定手段 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 45/00 ３６８ Ｆ０２Ｄ 45/00 ３６８Ｓ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０Ｂ ５７０ ５７０Ｚ ５７０Ｄ ５７０Ｊ (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 藤本 洋 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） 3G023 AA18 AB05 AC01 AC06 AC07 3G062 AA00 AA10 BA09 ED03 FA06 GA00 GA11 GA14 GA18 3G084 AA00 BA20 BA23 DA00 EB06 FA00 FA02 FA12 FA14 FA21 FA23 FA25 FA26 FA37 FA38 3G092 AA11 AA17 AA18 AB02 AB05 AB07 AB08 AB09 DA03 EC09 FA21 HA04Z HA11Z HA13X HA13Z HA16Z HB05Z HC01Z HC02Z HC05Z HD07Z HE03Z 3G301 HA11 HA19 HA22 HA23 LA07 PA06Z PA10Z PA16Z PA17Z PB02Z PC01Z PC03Z PC08Z PD15Z PE03Z PE10A PE10Z

Claims (11)

【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
   内に少なくとも１つの吸気路より吸気する吸気行程と、
   前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させる圧
   縮・膨張行程と、前記圧縮、膨張行程後のシリンダ内の
   排ガスを少なくとも１つの排気路に排出する排気行程を
   有して、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、且つ前記排ガスの一部を、吸気弁若し
   くは排気弁の開閉タイミング制御により、前記圧縮自着
   火前の前記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
   記圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排ガスの量を
   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。
2. 【請求項２】 前記圧縮自着火前のシリンダ内に供給さ
   れる排ガスは、前記吸気行程において前記排気路よりシ
   リンダ内に供給される排ガス、若しくは、前記排気行程
   において前記吸気路に排出され次の前記吸気行程におい
   てシリンダ内に供給される排ガスである請求項１記載の
   予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
3. 【請求項３】 前記圧縮自着火前のシリンダ内に供給さ
   れる排ガスは、排気行程終了時点において前記シリンダ
   内に残留する排ガスである請求項１に記載の予混合圧縮
   自着火エンジンの制御方法。
4. 【請求項４】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ
   内に少なくとも１つの吸気路より吸気する吸気行程と、
   前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させる圧
   縮・膨張行程と、前記圧縮、膨張行程後のシリンダ内の
   排ガスを少なくとも１つの排気路に排出する排気行程を
   有して、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、 前記排ガスの一部を、吸気弁若しくは排気弁の開閉タイ
   ミング制御により、前記圧縮自着火前の前記シリンダ内
   に供給可能な構造を有し、前記シリンダ内に供給される
   排ガスの量を設定する排ガス供給量設定手段を備え、 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
   圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記排ガス供給量
   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排ガスの量を増加側に
   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排ガスの量を
   減少側に制御する請求項４記載の予混合圧縮自着火エン
   ジン。
6. 【請求項６】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ
   内に少なくとも１つの吸気路より吸気する吸気行程と、
   前記シリンダ内において予混合気を圧縮自着火させる圧
   縮・膨張行程と、前記圧縮、膨張行程後のシリンダ内の
   排ガスを少なくとも１つの排気路に排出する排気行程を
   有して、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、 前記排ガスの一部を、吸気弁若しくは排気弁の開閉タイ
   ミング制御により、前記圧縮自着火前の前記シリンダ内
   に供給可能な構造を有し、前記シリンダ内に供給される
   排ガスの量を設定する排ガス供給量設定手段を備え、 前記動作条件検出手段によって検出された動作条件に基
   づいて、前記排ガス供給量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。
7. 【請求項７】 前記圧縮自着火前のシリンダ内に供給さ
   れる排ガスは、前記吸気行程において前記排気路よりシ
   リンダ内に供給される排ガス、若しくは、前記排気行程
   において前記吸気路に排出され次の前記吸気行程におい
   てシリンダ内に供給される排ガスである請求項４から６
   のいずれかに記載の予混合圧縮自着火エンジン。
8. 【請求項８】 前記排ガス供給量設定手段は、前記吸気
   路に設置した吸気弁の前記排気行程中における開時間を
   設定する、若しくは、前記排気路に設置した排気弁の前
   記吸気行程中における閉時間を設定することにより前記
   圧縮自着火前の前記シリンダ内の排ガスの量を設定する
   請求項７に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
9. 【請求項９】 前記排気路に設置した排気弁の閉タイミ
   ングを、前記排気行程終了時点よりも早く設定し、 前記圧縮自着火前のシリンダ内に供給される排ガスは、
   排気行程終了時点において前記シリンダ内に残留する排
   ガスである請求項４から６のいずれかに記載の予混合圧
   縮自着火エンジン。
10. 【請求項１０】 前記排ガス供給量設定手段は、前記排
    気弁の閉タイミングを設定することにより、排気行程終
    了時点において前記シリンダ内に残留する排ガスの量を
    設定する請求項９に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
11. 【請求項１１】 前記排ガス供給量設定手段は、前記排
    気弁の閉タイミングと、前記吸気弁の開タイミングとを
    関係づけて設定し、前記圧縮自着火前の前記シリンダ内
    に残留する排ガスの量を設定する請求項１０に記載の予
    混合圧縮自着火エンジン。