JP2000274285A - 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】 本発明は、燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシ
リンダ３内に吸気するとともに、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、クランク軸９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正なものと
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、予混合気より着火性が高いコン
トロール燃料２１をシリンダ３内に供給するコントロー
ル燃料供給手段Ｂを備え、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、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせてコントロ
ール燃料２１の供給量を制御し、圧縮自着火のタイミン
グを制御する制御手段Ｃを備える。

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、シリンダ内に吸気するとともに、このシ
リンダ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、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（着火時間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。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、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
ダ内に吸気するとともに、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、且つ前記予混合気より着火性が高いコントロール燃
料を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、前記コントロール
燃料の供給量を制御し、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、予混合気
より着火性が高いコントロール燃料をシリンダ内に供給
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、コントロール燃料の供給量を制御すること
で、シリンダ内の予混合気の着火性を変化させることが
でき、結果的に圧縮自着火のタイミングを制御すること
ができる。即ち、予混合気に供給するコントロール燃料
の供給量に対して、自着火のタイミングを早めることが
でき、コントロール燃料の供給量を制御することで、例
えば、好ましい圧縮自着火を実現することができる。

【０００６】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吸気するとともに、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、前記予混合気より着火性
が高いコントロール燃料を前記シリンダ内に供給するコ
ントロール燃料供給手段を備え、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、前記コントロール燃料供給手段を働かせ
て前記コントロール燃料の供給量を制御し、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、
予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリ
ンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備えてい
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、
前記コントロール燃料供給手段を働かせて、シリンダ内
の予混合気の着火性を変化させる。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。例えば、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
に供給される前記コントロール燃料の供給量を増加側に
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前記コントロ
ール燃料の供給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、シリンダ内に供給される
コントロール燃料の供給量を増加側に制御したり、コン
トロール燃料の供給量を減少側に制御することにより、
好ましいタイミングとすることができる。

【０００７】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
することが好ましい場合がある。この場合は以下の構成
を採用することができる。このような動作条件の変化に
対して、コントロール燃料の供給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。

【０００８】即ち、燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリ
ンダ内に吸気するとともに、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３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、前記予混
合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリンダ
内に供給するコントロール燃料供給手段を備え、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、前記コントロール燃料供給手段を働かせて前記コン
トロール燃料の供給量を制御し、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。

【０００９】一方、これまで説明してきた例と同様に、
予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記シリ
ンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備えてい
ることにより、コントロール燃料をシリンダ内に供給す
ることが可能となっている。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、前記前記コントロール燃料供給手段を働かせてコン
トロール燃料の供給量を制御し、前記圧縮自着火のタイ
ミングを制御することができる。即ち、制御手段には、
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、コントロール燃料の供給量の
設定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、コントロール燃料のシリンダ内への供給量を
制御する。詳しくは、例えば、エンジン負荷が大きい若
しくは環境温度が高い若しくは環境湿度が高い場合にお
いては、圧縮自着火のタイミングが早くなるので、コン
トロール燃料の供給量を減少側に制御して、圧縮自着火
タイミングを遅らせる側に制御し、エンジン負荷が小さ
い若しくは環境温度が低い若しくは環境湿度が低い場合
においては、圧縮自着火のタイミングが遅くなるので、
コントロール燃料の供給量を増加側に制御して、圧縮自
着火タイミングを早める側に制御する。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、コントロール燃料の供給量の制御を伴っ
て、好ましい運転状態を確保できる。

【００１０】これらの予混合圧縮自着火エンジンにおい
て、請求項４に記載されているように、前記燃料となる
原料ガスを改質して、前記予混合気より着火性が高いコ
ントロール燃料を得る改質装置を備え、前記コントロー
ル燃料供給手段は、前記改質装置から得られた前記コン
トロール燃料をシリンダ内に供給するように構成されて
いることが好ましい。この構成において、燃料となる原
料ガスを改質して、予混合気より着火性が高いコントロ
ール燃料を得る改質装置を備えることで、燃料からコン
トロール燃料を得ることができる。コントロール燃料供
給手段によって、燃料から得たコントロール燃料のシリ
ンダ内への供給量を制御することができ、圧縮自着火の
タイミングを制御することができる。

【００１１】さらに、請求項５に記載されているよう
に、前記燃料が天然ガスを主成分とした燃料であり、前
記改質装置が前記天然ガスを改質して、ｎ−ブタン、水
素を前記コントロール燃料として得る天然ガス改質装置
であることが好ましい。天然ガスを主成分とするエンジ
ンに対して、コントロール燃料としてｎ−ブタン、水素
を使用することができる。例えば、ｎ−ブタンは天然ガ
ス中に２％程度含まれており、天然ガスを圧力スイング
法（ＰＳＡ法）や加熱再生法（ＴＳＡ法）というような
改質方法によって改質し、コントロール燃料としてのｎ
−ブタンを得ることができる。この場合、前記天然ガス
改質装置をこのような改質方法を用いた改質装置とする
ことで、天然ガスからｎ−ブタンを得ることができ、こ
れをコントロール燃料としてコントロール燃料供給手段
によってシリンダへの供給量を制御し、圧縮自着火のタ
イミングを制御することができる。また、コントロール
燃料として水素を利用する場合、ニッケル等の触媒を用
いて、反応温度５００〜９００℃程度で天然ガス中の炭
化水素と水蒸気とを反応させる水蒸気改質方法によって
コントロール燃料としての水素を得ることができる。

【００１２】このような予混合圧縮自着火エンジンの構
成において、請求項６に記載されているように、燃焼に
伴って発生する排ガスを熱源として前記改質装置に供給
する排ガス供給機構を備え、前記改質装置が、供給され
る前記排ガスを使用して前記燃料の改質を行うように構
成されていることが好ましい。例えば、コントロールガ
スとしてｎ−ブタンを利用する場合、前述のＰＳＡ法や
ＴＳＡ法の改質方法は、それぞれ吸着剤を使用して、吸
着・脱離によって物質を改質する方法であり、ＰＳＡ法
は、吸着過程では常温加圧下で操業して比吸着成分を吸
着し、脱離過程では大気圧又はそれ以下に減圧して比吸
着成分を脱離させる方法であり、ＴＳＡ法は、吸着過程
では低温下で操業して比吸着成分を吸着し、脱離過程で
は、加熱して比吸着成分を脱離する方法である。このよ
うな改質方法を採用するためには、改質装置において、
加熱することが必要であり、本発明の圧縮自着火エンジ
ンにおいては、排ガスの熱エネルギーを用いて、加熱す
ることができる。また、例えば、コントロールガスとし
て水素を利用する場合、水素を得るための水蒸気改質方
法において、排ガスの熱エネルギを、水蒸気改質のため
の水蒸気を生成するための熱源として利用したり、水蒸
気と天然ガスとの反応熱として利用することができる。

【００１３】さらに、このような予混合圧縮自着火エン
ジンにおいて、請求項７に記載されているように、前記
排ガス供給機構が、前記改質装置に供給する排ガス量を
調整する排ガス量調整手段を有し、前記制御手段が、前
記コントロール燃料の供給量を制御するに、前記排ガス
量調整手段を働かせ、前記改質装置に供給する排ガス量
を制御することができる。このように、改質装置に熱源
として供給する排ガスの供給量を変化させると、改質装
置の改質能力が変化し、結果、改質装置によって生成さ
れるコントロール燃料の量が変化する。よって、制御手
段は、予混合気に供給するコントロール燃料の供給量を
制御する為に、改質装置の熱源としての排ガスの供給量
を制御するができ、簡単な構成で、本発明の好ましいタ
イミングで圧縮自着火を行うことができる予混合圧縮自
着火エンジンを構成することができる。

【００１４】さらに、このような予混合圧縮自着火エン
ジンにおいて、請求項８に記載されているように、燃焼
に伴って発生する排ガスを導入し、前記排ガス中の未燃
成分を燃焼させる排ガス燃焼手段を備え、前記排ガス供
給機構が、前記排ガス燃焼手段から排出された排ガスを
熱源として前記改質装置に供給するものであることが好
ましい。予混合圧縮自着火エンジンにおいて、予混合気
を圧縮自着火するために、排ガス中に未燃成分が多く存
在することがあるが、排ガス燃焼手段により、その未燃
成分を燃焼させることで、排出する排ガス中の未燃成分
を低下させることができるが、このように排ガスの未燃
成分を燃焼させた場合、その燃焼後の排ガスは高温とな
っている。また、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、
予混合気を希薄状態で圧縮自着火させるので、排出され
る排ガスの温度は、通常のエンジンと比べて低温であ
り、４００℃程度である。よって、改質装置に充分な熱
源を供給する為には、上記の排ガス燃焼手段によって再
燃焼し、例えば８００℃程度に昇温した排ガスを利用す
ることが好ましく、上記の構成を採用することで、本願
の好ましい自着火タイミングを維持することができる予
混合圧縮自着火エンジンにおいて、改質装置の改質能力
を充分発揮させて、効率よくコントロール燃料を生成す
ることができ、排ガスの未燃成分の低下にも実現でき
る。

【００１５】さらに、このような予混合圧縮自着火エン
ジンにおいて、請求項９に記載されているように、前記
排ガス燃焼手段が、前記排ガス中の未燃成分を接触酸化
させて燃焼させる酸化触媒部であることができる。即
ち、このような排ガス燃焼手段は、上記のように酸化触
媒による接触燃焼を行うように構成することができ、充
分に排ガス中の未燃成分を燃焼させることができる。

【００１６】

【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、吸入弁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。この構成により、予混合気は、吸気路１
３、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１４を介して排気側
へ排気される。一方、吸気路１３において、コントロー
ル燃料２１を吸気路１３に供給可能なコントロール燃料
供給装置を備えている。この構成により、シリンダ３内
へ供給される予混合気にコントロール燃料２１を混合す
ることができる。

【００１７】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。通常、前記吸気行程においては、吸入弁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、吸入弁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がシリンダ内空間を増加する方向に移動する行程であ
る。この行程にあっても、吸入弁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のみが開状態とされ、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、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。

【００１８】以下 本願の特徴構成に関して説明する。
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、クランク軸角がどの角度に
あるタイミングで、圧縮自着火が起こったかを検出し
て、自着火のタイミングが特定される。

【００１９】一方、前述のコントロール燃料供給装置２
２に関して説明すると、コントロール燃料供給装置２２
は予混合気よりも着火性の高いコントロール燃料２１と
して例えばｎ−ブタンを備えており、流路２３を介して
吸気路１３にコントロール燃料２１を供給できるように
構成されている。コントロール燃料２１の供給量は設定
可能であり、制御装置１２の出力信号に基づいて、所定
量のコントロール燃料２１を予混合気に供給する。この
ように、予混合気に供給され得るコントロール燃料２１
の量を設定し、予混合気に供給する手段をコントロール
燃料供給手段Ｂと呼ぶ。

【００２０】コントロール燃料２１を含んだ予混合気
は、コントロール燃料２１が予混合気よりも着火性が高
いことから、コントロール燃料２１の量を調整すること
で、着火性を変更することができる。即ち、コントロー
ル燃料２１を増やすと、着火性が高くなり、圧縮自着火
のタイミングが早くなる。このことを利用して、予混合
気に供給されるコントロール燃料２１の量を調整するこ
とで、圧縮自着火のタイミングを調整することができる
のである。

【００２１】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、圧縮自着火タイミング検出手段Ａによって検出され
た実際の自着火タイミング（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、実際の自着火のタイミングの遅れ若し
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コントロール燃
料２１の予混合気に対する供給量を決定し、コントロー
ル燃料供給手段Ｂを働かせ、コントロール燃料供給装置
２２によりコントロール燃料２１を圧縮自着火前の予混
合気に供給する。

【００２２】このように、圧縮自着火タイミング検出手
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、コントロ
ール燃料供給手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前の予混合気
に供給するコントロール燃料２１の量を制御する手段を
制御手段Ｃと呼び、この制御手段Ｃにより、予混合気の
着火性が好ましい状態で圧縮自着火するものとなり、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。

【００２３】さて、制御装置１２には、上記のような内
圧センサ１０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、コント
ロール燃料供給手段Ｂを働かせ、予混合気に供給するコ
ントロール燃料２１の量を制御、即ち、予混合気の着火
性を制御し、自着火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、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はコントロール燃
料２１の供給量を減少側に制御して、圧縮自着火前の予
混合気の着火性を低め、エンジン負荷が減少する場合に
はコントロール燃料２１の供給量を増加側に制御して、
圧縮自着火前の予混合気の着火性を高めることができ
る。結果、エンジン負荷に対しても本願の自着火エンジ
ンは良好に対応できる。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は、予混合気に
供給されるコントロール燃料２１を減少側に制御し、環
境温度が下降する場合は、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、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１７や環境温度センサ１８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。

【００２４】〔実施例２〕以下に、別の実施の形態とし
て、図２に天然ガスを主成分とした都市ガスを主燃料と
し、その都市ガスを改質し、コントロール燃料としてｎ
−ブタンを得るエンジン１００の構成を示す。本実施例
において、主燃料として、メタンを８８％程度、ｎ−ブ
タンを２％程度含有する都市ガスである１３Ａを使用す
る。ｎ−ブタンは都市ガスよりも着火性が高く、ｎ−ブ
タンを上述のコントロール燃料として都市ガスに供給す
ることで圧縮自着火のタイミングを変更することができ
る。エンジン１００は、吸気路１３より分岐して流路２
５から供給される都市ガスと空気の予混合気を改質して
ｎ−ブタンを得る改質装置３０を備える。改質装置３０
は、都市ガスを前述のＴＳＡ法によって改質する装置で
あり、吸着・脱離の熱源としてシリンダ３から排出され
る排ガスを排気路１４を介して供給可能となっている。
即ち、吸気路１３から分岐し流路２５を介して改質装置
３０に供給された予混合気から、排ガスの熱を利用した
ＴＳＡ法によってｎ−ブタンを改質し、ｎ−ブタンを流
路３０へ送り、ｎ−ブタンを抽出された予混合気は流路
２６を介し吸気路１３に戻される。これらの構成によ
り、排ガスのエネルギーを利用して、予混合気よりｎ−
ブタンを抽出することができ、一種類の燃料から常時シ
リンダ３内に供給される主燃料と自着火タイミングを変
更することができるコントロール燃料としてｎ−ブタン
を得ることができる。抽出されたｎ−ブタンは流路２７
を介してコントロール燃料供給装置３１に供給され、コ
ントロール燃料供給装置３１に一時的に貯蔵される。コ
ントロール燃料供給装置３１は貯蔵しているｎ−ブタン
をコントロール燃料として、流路２８を介して吸気路１
３に供給可能であり、制御装置１２からの出力信号に基
づいて、供給量の調節を伴って、ｎ−ブタンを吸気路１
３に供給する。このように、予混合気に供給され得るコ
ントロール燃料の量を設定し、予混合気に供給する手段
をコントロール燃料供給手段Ｂと呼ぶ。このような構成
によって、前述の実施例と同様に、制御手段Ｃは、圧縮
自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従
って、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、都市ガス
と空気の予混合気に供給するｎ−ブタンの量を制御し、
予混合気の着火性が好ましい状態で圧縮自着火させ、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。

【００２５】〔実施例３〕さらに、以下に、別の実施の
形態として、図３に天然ガスを主成分とした都市ガスを
主燃料とし、都市ガスと空気の予混合気にｎ−ブタンを
吸着・脱離可能な改質装置３３を吸気路１３に備えたエ
ンジン１００の構成を示す。改質装置３３は予混合気に
含まれるｎ−ブタンをＴＳＡ法によって吸着・脱離可能
であり、熱源として排ガスを利用できる。図３（イ）、
（ロ）に示すように、排気路１４内の排ガスは切換弁３
７によって改質装置３３に供給される流路３６と大気に
排出される流路３５に切り換えられ、切換弁３７は制御
装置１２の出力信号によって切り換えらる。図３（イ）
に示すように、切換弁３７によって排ガスが流路３５に
導かれ、改質装置３３に排ガスを供給していないとき、
即ち常温時は、改質装置３３は都市ガスに含まれるｎ−
ブタンを吸着する。次に、図３（ロ）に示すように、切
換弁３７によって排ガスが流路３６に導かれ、改質装置
３３に排ガスを供給するとき、即ち加熱時は、改質装置
３３は前に吸着したｎ−ブタンを脱離する。これらの構
成で、切替弁３７の切換により、吸気路１３内のｎ−ブ
タンを吸着・脱離可能となり、このように、コントロー
ル燃料として予混合気中の着火性能が高い成分を吸着・
脱離により、分離・供給を行う手段をコントロール燃料
供給手段Ｂと呼ぶ。このことにより、図３（イ）に示す
ように、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、ｎ−ブ
タンを吸着すると、シリンダ３内に供給される予混合気
の着火性は低くなり、結果、圧縮自着火のタイミングは
遅くでき、図３（ロ）に示すように、コントロール燃料
供給手段Ｂを働かせ、ｎ−ブタンを脱離すると、シリン
ダ３内に供給される予混合気の着火性は高くなり、結
果、圧縮自着火のタイミングは早くできる。よって、前
述の実施例及び別実施例と同様に、制御手段Ｃは、圧縮
自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従
って、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、切換弁３
７を切り換え、都市ガスと空気の予混合気にコントロー
ル燃料としてｎ−ブタンを供給し、予混合気の着火性を
向上させ、圧縮自着火のタイミングを早めることがで
き、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとする
ことができる。

【００２６】〔実施例４〕さらに、排ガスの熱を利用し
て燃料を改質しコントロール燃料を得る改質装置３３を
備えた予混合圧縮自着火エンジン１００において、別の
実施の形態について、図４に基づいて説明する。

【００２７】図４に示す予混合圧縮自着火エンジン１０
０は、前述の実施例と同様に、天然ガス系都市ガスの燃
料を改質して、コントロール燃料としての都市ガスより
も着火性が良いｎ−ブタンを生成することができる改質
装置３３を備えており、流路４２に流通する燃料の一部
を改質装置３３に供給し、残部を流路４３によって、改
質装置３３の下流側に合流させるように構成されてお
り、後に説明するが、改質装置３３に供給する熱源とし
ての排ガスの供給量を変化させることによって、改質装
置３３のｎ−ブタンを生成する能力が変化し、結果、流
路４４内の燃料に含まれているｎ−ブタンの量が変化す
るように構成されており、流路４４内の燃料は流路４１
の空気と混合されてシリンダ３内に吸気される。この改
質装置３３のように、シリンダに吸気される予混合気
に、都市ガスを改質して生成したｎ−ブタンをコントロ
ール燃料として供給し、熱源としての排ガスの供給量を
変化させることで、このコントロール燃料の供給量を変
化させることができる手段をコントロール燃料供給手段
Ｂと呼ぶ。

【００２８】また、排気路１４に、排ガス中の未燃成分
を接触酸化させて燃焼させる酸化触媒部４０を備えてお
り、酸化触媒部４０は、シリンダ３から排出される４０
０℃程度の排ガスを、酸化触媒によって再燃焼させて、
再燃焼によって８００℃程度と高温になった排ガスを排
出するように構成されており、後に説明する切換弁３７
及び流路３６を介してこの高温の排ガスを改質装置３３
に熱源として供給することができるので、改質装置３０
は効率よく燃料を改質して、コントロール燃焼としての
ｎ−ブタンを生成することができる。

【００２９】また、切換弁３７は、酸化触媒部４０から
排出された排ガスを、流路３６と流路３５とへ分割して
流し、流路３６へ流す排ガス量を制御装置１２によって
制御され、残りの排ガスを流路３５に流すように構成さ
れている。

【００３０】よって、制御装置１２は、上記の実施の形
態と同様に、エンジン動作時における、圧縮自着火タイ
ミング検出手段Ａによって検出された実際の自着火タイ
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、前記好ましい自着火のタイミング（好ましいシ
リンダ角）との、比較を行い、このようにすることで、
実際の自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを判断
し、この結果に基づいて、コントロール燃料供給手段Ｂ
を働かせ、即ち、切換弁３７を制御して、自着火のタイ
ミングが早める場合は、改質装置３３に熱源として供給
される高温の排ガスの供給量を増加させ、改質装置３３
が生成するｎ−ブタンの量を増加させ、逆に自着火タイ
ミングを遅める場合は、改質装置３３に供給される高温
の排ガスの供給量を減少させる。

【００３１】このように、上記実施例における制御手段
Ｃと同様に、圧縮自着火タイミング検出手段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、コントロール燃料供給
手段Ｂを働かせ、圧縮自着火前の予混合気に供給するｎ
−ブタンの量を制御する制御手段Ｃを備え、この制御手
段Ｃにより、予混合気の着火性が好ましい状態で圧縮自
着火するものとなり、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。

【００３２】また、上記実施例における動作条件検出手
段Ｄと同様に、エンジン負荷に関しても、エンジン負荷
検出手段によって検出される負荷の変動に対して制御装
置１２は、エンジン負荷が増大する場合にはｎ−ブタン
の供給量を減少側に制御するべく、切換弁３７を制御し
て、改質装置３３に供給する排ガス量を減少させて、圧
縮自着火前の予混合気の着火性を低め、エンジン負荷が
減少する場合にはｎ−ブタンの供給量を増加側に制御す
るべく、改質装置３３に供給する排ガス量を増加させ
て、圧縮自着火前の予混合気の着火性を高めることがで
きる。結果、エンジン負荷に対しても本願の自着火エン
ジンは良好に対応できる。さらに環境温度に関しても、
環境温度検出手段１８により検出される環境温度が上昇
する場合は、予混合気に供給されるｎ−ブタンを減少側
に制御するべく、切換弁３７を制御して、改質装置３３
に供給する排ガス量を減少させて、環境温度が下降する
場合は、改質装置３３に供給する排ガス量を増加させ
て、圧縮自着火前の予混合気の着火性を高めることがで
きる。結果、環境温度等の変動に対しても、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１７や環境温度センサ１８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。

【００３３】さらに、改質装置３３へ供給されず、流路
３５に流通する排ガスは、上述のように高温であるため
に、この高温の排ガスを温水若しくは水蒸気生成用の熱
交換器４５の熱源として利用することもできる。

【００３４】〔実施例５〕さらに、排ガスの熱を利用し
て燃料を改質しコントロール燃料を得る改質装置３３を
備えた予混合圧縮自着火エンジン１００において、図５
に基づいて説明する。

【００３５】図５に示す予混合圧縮自着火エンジン１０
０は、天然ガス系都市ガスの燃料を水蒸気改質して、コ
ントロール燃料としての都市ガスよりも着火性が良い水
素を生成することができる改質装置５０を備えており、
改質装置５０は、ニッケル等の触媒を用いて、反応温度
５００〜９００℃程度で燃料中の炭化水素と水蒸気とを
反応させる水蒸気改質方法によってコントロール燃料と
しての水素を得るように構成されている。また、改質装
置５０に供給される水蒸気は、排ガス中の未燃成分を接
触酸化させて燃焼させる酸化触媒部４０から排出される
高温の排ガスを熱源とする熱交換器５１において水を蒸
発させて生成される。尚、この熱交換器５１において生
成された水蒸気は、一部を改質装置５０で利用し、残部
をコジェネレーションシステム等に利用することができ
る。

【００３６】さらに、前述の実施の形態４と同様に、切
換弁３７によって、熱交換器５１から排出された排ガス
を、流路３６と流路３５とへ分割して流し、流路３６へ
流す排ガス量を制御装置１２によって制御して、改質装
置５０に供給する熱源としての排ガスの供給量を変化さ
せることによって、改質装置５０の水素を生成する能力
が変化させ、結果、流路４４内の燃料に含まれているコ
ントロール燃料としての水素の量を変化させるこがで
き、この改質装置５０のように、シリンダに吸気される
予混合気に、都市ガスを改質して生成した水素をコント
ロール燃料として供給し、熱源としての排ガスの供給量
を変化させることで、このコントロール燃料の供給量を
変化させることができる手段をコントロール燃料供給手
段Ｂと呼ぶ。

【００３７】よって、制御装置１２は、上記の実施の形
態と同様に、エンジン動作時における、圧縮自着火タイ
ミング検出手段Ａによって実際の自着火のタイミングの
遅れ若しくは早まりを判断し、この結果に基づいて、コ
ントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、即ち、切換弁３７
を制御して、自着火のタイミングが早める場合は、改質
装置５０に熱源として供給される高温の排ガスの供給量
を増加させ、改質装置３３が生成する水素の量を増加さ
せ、逆に自着火タイミングを遅める場合は、改質装置３
３に供給される高温の排ガスの供給量を減少させる。即
ち、上記実施例における制御手段Ｃと同様に、圧縮自着
火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従っ
て、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、圧縮自着火
前の予混合気に供給する水素の量を制御する制御手段Ｃ
を備え、この制御手段Ｃにより、予混合気の着火性が好
ましい状態で圧縮自着火するものとなり、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。

【００３８】また、上記実施例における動作条件検出手
段Ｄと同様に、エンジンの動作条件であるエンジン負荷
及び環境温度に関しても、予混合気に供給するに関して
も、コントロール燃料供給手段Ｂを働かせ、圧縮自着火
前の予混合気に供給する水素の量を制御し、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。

【００３９】〔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、メタノール等、任意の炭化水素系燃料を使用
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） 上記の別実施の形態例において、主燃料として
都市ガスを使用し、コントロール燃料としてｎ−ブタン
及び水素を使用した例を示したが、主燃料として使用さ
れる燃料に含まれている成分のうち、着火性の高い成分
をコントロール燃料として使用、そのコントロール燃料
を主燃料から改質可能であれば本発明に係るエンジンを
構成することができる。 （ニ） 上記の実施の形態例において、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、このようなタイ
ミングの検出は、温度、振動を基準とする、さらに、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
に対してはコントロール燃料の供給量を増加させ、環境
湿度の降下に対してはコントロール燃料の供給量を減少
させる。起動からの経過時間に関しては、この経過時間
が短い場合はコントロール燃料の供給量を比較的増加さ
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、初期におけるコントロール燃料の供給量より減少
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コントロール
燃料の供給量を増加させ、空気比の下降に対してはコン
トロール燃料の供給量を減少させる。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） 上記の別実施の形態例においては、改質装置の
熱源として排ガスを利用したが、もちろん、別の手段、
即ち電熱ヒーターやバーナ等で加熱することができる
が、排ガスによって水を蒸発させ、その水蒸気を利用す
ることができる。 （チ） 上記の実施の形態例においては、燃料と燃焼用
酸素含有ガスとの予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。この場合は燃料の流路若しくはシリンダ内にコント
ロール燃料供給手段を設けることで可能である。

【００４０】

【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、予混合圧縮自着火エンジンを実現できる。

【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システムの構
成を示す部分図

【図３】本願の予混合圧縮自着火エンジンシステムの構
成を示す部分図

【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】

３ シリンダ ９ クランク軸 １２ 制御装置 ２１ コントロール燃料 ２２ コントロール燃料供給装置 ３０ 改質装置 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 コントロール燃料供給手段 Ｃ 制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 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

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
   内に吸気するとともに、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、且つ前記予混合気より着火性が高いコ
   ントロール燃料を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
   記コントロール燃料の供給量を制御し、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】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ
   内に吸気するとともに、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、 前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記
   シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備
   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、前記コントロール
   燃料供給手段を働かせて前記コントロール燃料の供給量
   を制御し、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】 燃料と燃焼用酸素含有ガスとをシリンダ
   内に吸気するとともに、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、 前記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を前記
   シリンダ内に供給するコントロール燃料供給手段を備
   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、前記コントロール燃料供給手段を働かせて前記
   コントロール燃料の供給量を制御し、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。
4. 【請求項４】 前記燃料となる原料ガスを改質して、前
   記予混合気より着火性が高いコントロール燃料を得る改
   質装置を備え、 前記コントロール燃料供給手段は、前記改質装置から得
   られた前記コントロール燃料をシリンダ内に供給するよ
   うに構成されている請求項２又は３に記載の予混合圧縮
   自着火エンジン。
5. 【請求項５】 前記燃料が天然ガスを主成分とした燃料
   であり、前記改質装置が前記天然ガスを改質して、ｎ−
   ブタン、水素を前記コントロール燃料として得る天然ガ
   ス改質装置である請求項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】 燃焼に伴って発生する排ガスを熱源とし
   て前記改質装置に供給する排ガス供給機構を備え、 前記改質装置が、供給される前記排ガスを使用して前記
   燃料の改質を行うように構成されている請求項４又は５
   に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
7. 【請求項７】 前記排ガス供給機構が、前記改質装置に
   供給する排ガス量を調整する排ガス量調整手段を有し、 前記制御手段が、前記コントロール燃料の供給量を制御
   するに、前記排ガス量調整手段を働かせ、前記改質装置
   に供給する排ガス量を制御する請求項６に記載の予混合
   圧縮自着火エンジン。
8. 【請求項８】 燃焼に伴って発生する排ガスを導入し、
   前記排ガス中の未燃成分を燃焼させる排ガス燃焼手段を
   備え、 前記排ガス供給機構が、前記排ガス燃焼手段から排出さ
   れた排ガスを熱源として前記改質装置に供給するもので
   ある請求項６又は７に記載の予混合圧縮自着火エンジ
   ン。
9. 【請求項９】 前記排ガス燃焼手段が、前記排ガス中の
   未燃成分を接触酸化させて燃焼させる酸化触媒部である
   請求項８に記載の予混合圧縮自着火エンジン。