JP2001090540A - 予混合圧縮自着火エンジンとその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、吸気路１３の燃焼用酸素含有ガス
ａを燃焼室１１に吸気すると共に、燃焼用酸素含有ガス
ａに燃料ｇを供給し、燃焼室１１において予混合気を圧
縮して自着火させ、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において、エンジンの動作状態に基
づいてノッキングを抑制することで、特に、高出力運転
等を行っても、ノッキングを発生させること無く、好ま
しい運転状態を維持する技術を得ることを目的とする。 【解決手段】 エンジンの動作状態を検出する動作状態
検出手段Ｃを備えると共に、燃焼室の自着火時点におけ
る予混合気の、燃料ｇの燃焼用酸素含有ガスａに対する
拡散状態を調整する拡散状態調整手段Ａを備え、動作状
態検出手段Ｃによって検出された動作状態に基づいて、
拡散状態調整手段Ａを働かせ、拡散状態を制御する制御
手段Ｂ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、吸気路の酸素含有
ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃
料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自
着火させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着
火エンジン及びその運転方法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。

【０００３】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、上死点付近の
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燃焼させ、回転を続ける。こ
の手法をガスエンジンに適用すれば、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】一般的に、エンジンの
出力を調整する方法として、絞り弁等の開度を調整し、
吸気圧力を変化させて吸入される予混合気量を調整する
方法や、空気量を一定に保ち、燃料の供給量を変化させ
て空気比を調整する方法がある。しかし、前述の予混合
圧縮自着火エンジンにおいて、高出力を得る為に、例え
ば前者の方法で、吸気圧を増加させると、圧縮後の予混
合気の圧力が増加し、着火時期が早くなり、また、後者
の方法で、空気比を下げて理論空気比に近づけると、燃
焼速度が早くなり、着火後の急激な圧力伝播の発生の原
因となるので、どちらの方法を取っても、ノッキング発
生の原因となり、好ましい運転状態に維持することは困
難となる。特に、高出力を得る為に、予混合気の量を増
加させたり、空気比を下げて理論空気比に近づけると、
着火時期が早くなったり、燃焼速度が増大するので、ノ
ッキング発生の原因となり、出力等を大幅に変化させる
ことは困難であった。よって、本発明は、予混合圧縮自
着火エンジンにおいて、動作状態にあわせてノッキング
を抑制することで、特に、高出力運転等を行っても、ノ
ッキングを発生させること無く、好ましい運転状態を維
持する技術を得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るための本発明による、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室
に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、
前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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
運転方法の特徴構成は、請求項１に記載されているよう
に、前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼
室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前
記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造と
し、前記検出された動作状態に基づいて、前記酸素含有
ガスに対する拡散状態を調整し、前記予混合気の燃焼状
態を調整する。

【０００６】圧縮自着火エンジンは、圧縮による予混合
気の自然着火を利用するもので、着火状態は多数の部分
で着火する多点着火である。このような多点着火におい
て、圧縮自着火直後に、予混合気の圧縮自着火燃焼によ
って発生する圧力波が燃焼室の未燃焼部に急激に伝播
し、この急激な圧力波によってノッキングが発生する虞
がある。一般的に、燃料の燃焼速度は、空気比が１の理
論空気比付近を最高値とし、空気比が希薄側になるほど
急激に減少するので、特に、エンジンの出力を上げる為
に、空気比を下げて理論空気比に近づけると、予混合気
の燃焼速度は増加し、ノッキングが発生しやすい状態と
なる。

【０００７】通常、燃焼室に空気比が希薄側の燃料と空
気を供給する際に、その燃焼室において、空気比が均一
である場合と、不均一な場合は、不均一な場合のほう
が、その淡部における燃焼速度の急激な低下により、全
体的な燃焼速度は低下する。そこで、本発明において
は、エンジンの動作状態に合わせて、このようなノッキ
ングを抑制する為に、ノッキング発生状態や、エンジン
の出力若しくは予混合気の空気比等の動作条件に基づい
て、自着火時点の予混合気の燃焼速度を調整し、ノッキ
ングを回避することができる。即ち、本発明において、
ノッキングが発生しやすい動作状態においては、自着火
時点の予混合気において、前記燃料の前記酸素含有ガス
に対する拡散を抑制し、予混合気を不均一な混合状態と
し、自着火時点の燃焼室において、空気比が低い部分
（濃部）と高い部分（淡部）が存在するように吸気する
ことができるので、圧縮行程において、予混合気は、ま
ず最初に濃部において着火し、その火炎が、隣接してい
る淡部に伝播することとなるが、その自着火直後の燃焼
速度は、均一な拡散状態のときに比べて低下しており、
結果、ノッキングを抑制することができる。また、ノッ
キングが発生しない動作状態においては、自着火時点の
予混合気において、前記燃料の前記酸素含有ガスに対す
る拡散を促進し、予混合気を均一な混合状態とすること
ができるので、自着火時点の燃料の拡散が促進され、燃
料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上すること
ができる。よって、予混合圧縮自着火エンジンにおい
て、ノッキングを回避しつつ、例えば出力を大幅に変化
させることができる。

【０００８】以上が、予混合圧縮自着火エンジンの運転
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、吸気路の酸素
含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガス
に燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮し
て自着火させ、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、前記エンジンの動作状態を検
出する動作状態検出手段を備えると共に、前記燃焼室の
前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸
素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡散状態調整手
段を備え、前記動作状態検出手段によって検出された動
作状態に基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前
記酸素含有ガスに対する拡散状態を制御する制御手段を
備える。

【０００９】このように構成することで、上記に示した
本願の手法において、動作状態に合わせてノッキングを
回避することができるので、例えば、空気比を１．０か
ら５．０まで変化させて出力を大幅に変化させ、その出
力範囲において良好な運転状態を維持することができる
予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。

【００１０】更に、上記の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、前記動作状
態検出手段が前記予混合気の空気比を検出するものであ
り、前記制御手段が、前記検出された空気比が低いとき
に、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制
し、前記検出された空気比が高いときに、前記拡散状態
調整手段を働かせ、前記拡散を促進する手段であること
ができる。

【００１１】このように、出力を変化させる為に、予混
合気の空気比を変化させるエンジンにおいて、その空気
比に基づいて、自着火時点の燃料の拡散状態を変化させ
ることができ、本願手法によって、出力を変化させるべ
く、空気比を変化させても、ノッキングが発生を抑制す
る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。たとえば、空気比が４．０から５．０の場
合の低出力運転時には、自着火時点の燃料の拡散状態を
促進し、空気比が１．０から４．０の場合の高出力運転
時には、自着火時点の燃料の拡散状態を抑制するように
制御することで、空気比を１．０から５．０まで変化さ
せてもノッキングを抑制しつつ、好ましい運転状態を維
持する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。

【００１２】また、上記の構成とは別に、請求項４に記
載されているように、前記動作状態検出手段が前記エン
ジンの負荷を検出するものであり、前記制御手段が、前
記検出された負荷が低いときに、前記拡散状態調整手段
を働かせ、前記拡散を促進し、前記検出された負荷が高
いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を
抑制する手段であることもできる。

【００１３】エンジンの負荷を検出する為に、例えば、
クランク軸のトルク及び回転数等を検出し、この検出結
果に基づいて、例えば吸気する予混合気の燃料の拡散状
態を調整することができる。即ち、検出された負荷が小
さい時は、ノッキングは比較的起こりにくい状態である
ので、拡散状態を促進するように制御して、熱効率の向
上を図り、負荷が大きくなり、ノッキングが発生しやす
い動作条件となったときに、拡散状態を抑制するように
制御して、着火後の燃焼速度を低下させることによっ
て、ノッキングを回避することができ、エンジンの負荷
に合わせて出力等を大幅に変化させてもノッキングが発
生しない予混合圧縮自着火エンジンを構成することがで
きる。

【００１４】さらにまた、上記の構成とは別に、請求項
５に記載されているように、前記動作状態検出手段が前
記エンジンのノッキングを検出する手段であり、前記制
御手段が、前記検出されたノッキングに基づいて、前記
拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制する手段で
あることができる。

【００１５】このように、直接ノッキングを検出するノ
ッキングセンサ等によってエンジンのノッキングを検出
し、ノッキングが発生したときに、自着火時点の燃料の
拡散状態を抑制するように制御することで、例えば、環
境等の変化によってノッキングが発生しやすい状態とな
っても、ノッキングを回避して、運転状態を好ましい状
態とすることができる。

【００１６】また、これまでの予混合気圧縮自着火エン
ジンの拡散状態調整手段は、以下のように構成すること
ができる。即ち、請求項６に記載されているように、前
記拡散状態調整手段が、前記燃料が前記酸素含有ガスに
供給されてから、前記燃焼室に吸気されるまでの空間の
容積を調整する手段である。

【００１７】即ち、自着火時点の燃料の拡散状態を促進
する場合は、予混合気が燃焼室に流入するまでの吸気路
における空間の容積を大きくして、吸気路において燃料
の拡散が促進されるように構成し、自着火時点の燃料の
拡散状態を抑制する場合は、予混合気が燃焼室に流入す
るまでの空間の容積をできるだけ小さくして、吸気路に
おいて拡散が促進されないように構成する。このこと
で、予混合気の混合状態を調整することができ、ノッキ
ングが発生しやすい動作条件において、混合状態を不均
一にしてノッキングを抑制することができる。

【００１８】また、このような拡散状態調整手段を、請
求項７に記載されているように構成することもできる。
即ち、前記拡散状態調整手段が、前記燃料が前記酸素含
有ガスに供給されてから、前記燃焼室に吸気されるまで
の距離を調整する手段である。

【００１９】即ち、着火時点の予混合気において、燃料
の拡散を促進する場合は、予混合気が燃焼室に流入する
までの距離を長くして、吸気路において拡散が促進され
るように構成し、燃料の拡散を抑制する場合は、予混合
気が燃焼室に流入するまでの距離を短くして、吸気路に
おいて拡散が促進されないように構成する。このことで
も、着火時点の燃料の拡散状態を調整し、着火直後の予
混合気の燃焼速度を調整することができるので、ノッキ
ングを抑制しつつ出力等を大幅に変化させることができ
る。このような予混合圧縮自着火エンジンは、例えば、
吸気路に燃料を供給するミキサ等を備え、このミキサの
下流側の吸気路の長さをジャバラや２重管等で変化可能
な構造とし、この長さを変化させることで、燃料の拡散
状態を調整することも可能である。

【００２０】また、これらの予混合圧縮自着火エンジン
は、以下のように構成することができる。即ち、請求項
８に記載されているように、前記吸気路の酸素含有ガス
に前記燃料を供給する第１燃料供給手段を備えると共
に、前記燃焼室の酸素含有ガスに前記燃料を供給する第
２燃料供給手段を備え、前記拡散状態調整手段が、前記
酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記
第１燃料供給手段より前記燃料を供給し、前記酸素含有
ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記第２燃料
供給手段より前記燃焼を供給する手段である。

【００２１】このように、例えば、混合器等の第１燃料
供給手段を吸気路において、燃焼室から離れた位置に設
け、さらに、第２燃料供給手段を、この第１燃料供給手
段よりも燃焼室に近い位置として、例えば、燃焼室に燃
料を噴射する燃料噴射弁を設け、この燃料の供給を切り
換えることで、着火時点の予混合気における燃料の拡散
状態が調整される構成を採用することができる。

【００２２】また、この予混合圧縮自着火エンジンとは
別に、以下のように構成することもできる。即ち、請求
項９に記載されているように、前記吸気路の酸素含有ガ
スに前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気路に
おいて、前記燃料供給手段の下流側の流路を第１流路
と、前記第１流路よりも距離が短い第２流路とに切り換
える切換手段とを備え、前記拡散状態調整手段が、前記
酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、切換
手段を働かせ、前記予混合気を前記第１流路を流通させ
て前記燃焼室に吸気し、前記酸素含有ガスに対する拡散
状態を抑制する場合は、切換手段を働かせ、前記予混合
気を前記第２流路を流通させて前記燃焼室に吸気する手
段である。

【００２３】このように、燃料が酸素含有ガスに供給さ
れてから、燃焼室に吸入されるまでの流路を切り換え、
この切り換えられる流路の長さを異なるものとすること
で、燃焼室に吸入される予混合気における燃料の拡散状
態を調整することができ、本願手法によって、動作状態
に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転
状態を維持することができる。

【００２４】また、拡散状態調整手段として、例えば、
吸気路の酸素含有ガスに燃料を噴射する燃料噴射弁を備
えた場合は、酸素含有ガスの流れ方向に対する燃料噴射
方向を変化させるように構成することもでき、燃料と酸
素含有ガスの衝突状態が変化させることで、燃料を流れ
方向に沿って噴射すると、燃料の拡散が抑制され、燃料
を流れ方向と逆の方向に噴射すると、燃料の拡散が促成
されることになり、燃料の拡散状態を調整することがで
きる。

【００２５】また、これらの予混合圧縮自着火エンジン
とは別に、拡散状態調整手段を以下のように構成するこ
ともできる。即ち、請求項１０に記載されているよう
に、前記吸気路に過給機を備え、前記吸気路の前記過給
機の上流側に前記燃料を供給する第１燃料供給手段を備
えると共に、前記吸気路の前記過給機の下流側に前記燃
料を供給する第２燃料供給手段を備え、前記拡散状態調
整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進す
る場合は、前記第１燃料供給手段より前記燃料を供給
し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合
は、前記第２燃料供給手段より前記燃焼を供給する手段
である。

【００２６】このように、吸気路において燃料を供給す
る位置を過給機の上流側と下流側に切り換えることによ
って、例えば過給機の上流側の第１燃料供給手段におい
て燃料を供給した場合は、混合気が過給機のブロアによ
って拡散されて、結果拡散を促進した混合気を燃焼室に
供給することができ、過給機の下流側の第２燃料供給手
段において燃料を供給した場合は、混合気がそのまま燃
焼室に供給されるので、上記の上流側に供給する場合と
比べて拡散が抑制された状態となる。よって、本願手法
によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化
させ、好ましい運転状態を維持することができる。

【００２７】さらに、これらの予混合圧縮自着火エンジ
ンとは別に、拡散状態調整手段を以下のように構成する
こともできる。即ち、請求項１１に記載されているよう
に、不燃性且つ予混合気に噴霧されて前記圧縮自着火前
に蒸発する液体を、前記燃焼室に供給される予混合気に
噴霧する液体噴霧手段を備え、前記拡散状態調整手段
が、前記液体噴霧手段を働かせ、前記液体の噴霧状態を
調整し、前記拡散状態を調整する手段である。

【００２８】このように、例えば、吸気路の吸気弁の手
前若しくは燃焼室に、前記液体噴霧手段を備えて、燃焼
室に供給される予混合気に液体を噴霧し、予混合気が圧
縮自着火されるまでに、この液体を蒸発させることで、
予混合気に乱れを生じさせることができる。よって、拡
散状態調整手段において、上記液体の噴霧状態として、
例えば噴霧量や噴霧時期等を変化させると、予混合気の
液体の霧の状態が変化し、結果、予混合気における燃料
の拡散状態が変化させることができる。よって、制御手
段によって、上記拡散状態調整手段を、動作状態に基づ
いて調整するように構成することで、例えば出力を大幅
に変化させ、その出力範囲において良好な運転状態を維
持する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。

【００２９】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１２に記載されているように、前記
拡散調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を
促進する場合は、前記液体噴霧手段を働かせないで、前
記予混合気を燃焼室に供給し、前記酸素含有ガスに対す
る拡散状態を抑制する場合は、前記液体噴霧手段を働か
せて、前記圧縮自着火前の予混合気において前記噴霧さ
れた液体を蒸発させることが好ましい。

【００３０】このように、拡散状態調整手段において、
燃料の拡散状態を調整するに、燃料の拡散を抑制する場
合のみ液体を噴霧するように構成することができ、簡単
に本願の予混合圧縮自着火エンジンを構成することがで
きる。

【００３１】また、このような液体噴霧手段の液体噴霧
を、燃焼室で直接行う場合、圧縮行程において、吸気弁
が閉状態となって圧縮行程が開始されてからクランク軸
角が上死点前３０°の時点までに、液体を噴霧するよう
に構成するのが好ましく、吸気弁が閉じてから液体を噴
霧することで、噴霧下液体のすべてを燃焼室に閉じ込
め、充分に燃料の拡散を抑制することができ、さらに、
クランク軸角が上死点前３０°の時点までに液体を噴霧
することで、燃焼室が未だ低圧なので、液体を低圧で噴
霧することができる。よって、簡単にこのような液体噴
霧手段を構成し、例えば高出力域において燃料の拡散を
効率よく抑制してノッキングを防止することで、出力範
囲の広い予混合圧縮自着火エンジンを実現することがで
きる。

【００３２】

【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕本願の予混合圧
縮自着火エンジン１００の構造を図１及び図２に基づい
て説明する。エンジン１００は、吸気弁１及び排気弁２
とを備えたシリンダ３と、このシリンダ３内に収納され
るピストン４を備えて構成されている。ピストン４の往
復動は連結棒８によってクランク軸（図示せず）の回転
運動として得られる。また、吸気弁１側において吸気路
１３に接続され、排気弁２において排気路１４に接続さ
れる。

【００３３】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、吸気弁１のみが
開状態とされて、例えば予混合気の吸気が行われる。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が燃焼室１１空間を減少させる方向に
移動し、燃焼室１１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、圧縮自着火エンジンにおける予混合気の圧縮自着
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。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のみが開状態とされ、ピストン４の燃焼
室１１空間を減少させる方向への移動に伴って燃焼室１
１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、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。

【００３４】このような、予混合圧縮自着火エンジン１
００は、断熱圧縮による予混合気の自然着火を利用する
ものであるので、燃焼室１１の着火状態は多数の点で着
火する多点着火である。このような多点着火において、
圧縮自着火直後に、火炎が燃焼室１１の未燃焼部に急激
に伝播することでノッキングが発生し、エンジン損傷等
の問題を起こすことがある。特に、高出力を得る為に、
空気比を例えば４．０以下程度に下げて、理論空気量に
近づけると、予混合気の燃焼速度が増加し、このよう
な、急激な燃焼伝播が起こりやすい。

【００３５】そこで、本発明のエンジン１００において
は、このようなノッキング発生時の諸問題を抑制するた
めに、図１に示すように、吸気路１３の燃焼室から充分
に遠い部分に備えられ、吸気路１３に流通する空気ａに
燃料ｇを噴射することができる燃料噴射弁５１と、図２
に示すように、燃焼室１１の天井部に設けられて燃焼室
に直接燃料ｇを噴射することができる燃料噴射弁５２と
を備え、それぞれの燃料噴射弁５１、５２は切換弁５０
に接続され、流量調整弁５３によって流量を調節された
燃料ｇを、切換弁５０によって切り換えて供給される構
成となっている。結果、図１に示すように、燃料噴射弁
５１によって噴射された燃料ｇと吸気路１３の空気ａと
は、吸気路１３を流通する間に充分に混合され、燃焼室
１１に吸気されるときは、ほぼ均一な混合状態となり、
自着火時点に予混合気において、燃料が充分に拡散した
状態となる。また、図２に示すように、燃料噴射弁５２
によって直接燃焼室１１に噴射された燃料ｇは、燃焼室
の空気ａと充分に混合することなく、圧縮行程を経て自
着火するので、自着火時の燃料ｇと空気ａの混合状態は
不均一な状態となり、自着火時点の予混合気においても
燃料の拡散を抑制した状態となる。このように、図１及
び図２の状態を、切換弁５０によって切り換えて、自着
火時点の予混合気における燃料の拡散状態を調整する手
段を拡散状態調整手段Ａと呼ぶ。

【００３６】所定量の燃料と空気を混合した予混合気の
燃焼速度は、燃料が空気に対して充分に拡散した場合に
最高値となり、燃料の拡散が不充分になるほど燃焼速度
が低下する。それは、予混合気において、空気比が１の
理論空気比付近において燃焼速度が最大になり、空気比
が理論空気量から離れるほど燃焼速度が低下し、特に希
薄側になるほど燃焼速度は急激に低下するからである。

【００３７】そこで本発明のエンジン１００は、制御装
置２０によって、エンジンの動作状態にあわせて、拡散
状態調整手段Ａを働かせて、自着火時の予混合気の燃焼
速度を調整することができる。即ち、制御装置２０に
は、例えば、エンジンの必要出力や必要回転数等の設定
条件１６が入力され、その設定条件１６に基づいて、エ
ンジンに供給するべく予混合気の空気比λを検知するこ
とができる。この空気比λと現状の回転数から算出でき
る空気量から、供給する燃料ｇの量を決定し、その決定
された燃料ｇの量に基づいて流量調整弁５３を働かせ
て、燃料ｇの供給量を設定する。さらに、制御装置２０
は、ノッキングの発生が比較的少ない前記空気比λが
４．０以上の時に、図１のように、燃料噴射弁５１によ
って燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が均一に拡散
した状態の予混合気を供給するように制御することで、
自着火時点の燃料ｇの拡散が促進され、燃料と酸素含有
ガスの接触を強め、熱効率を向上することができ、ま
た、ノッキングが発生しやすい空気比λが４．０未満の
ときに、図２のように、燃料噴射弁５２によって燃料ｇ
を噴射して、燃焼室１１に燃料が充分に拡散していない
状態の予混合気を供給するように制御することで、自着
火時点の予混合気において燃料の拡散が抑制され、その
自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、急激な圧
力伝播を抑制でき、ノッキングの発生を抑制することが
できる。よって、空気比を例えば１．０から５．０程度
の範囲内で変化させてもノッキングが発生しない予混合
圧縮自着火エンジン１００を構成することができるので
ある。このように、エンジンの動作状態としての空気比
に基づいて、拡散状態調整手段Ａを働かせて、自着火時
点の燃料ｇの拡散状態を調整する手段を制御手段Ｂと呼
び、設定条件１６によって、吸気される予混合気の空気
比λを検出する手段を動作状態検出手段Ｃと呼ぶ。

【００３８】〔実施の形態２〕次に、本発明の別の実施
の形態として、図３及び図４に示す、予混合圧縮自着火
エンジン２００について説明する。エンジン２００は、
吸気系の構成以外は、上記の実施の形態１と同様である
ので省略するが、吸気路１１３から供給される空気ａ
に、燃料噴射弁１５１によって燃料を噴射され、その予
混合気は、ダンパ１１０によって、燃焼室１１に迂回し
て流入する第１流路１１４と、直接燃焼室１１に流入す
る第２流路１１５とに切り換えられて燃焼室１１に吸気
される。このようにダンパ１１０によって、予混合気が
流通する流路を変更することで、予混合気が燃焼室１１
までに通る流路の距離及び容積を変更することができる
ことになり、結果、図４に示すように、ダンパ１１０を
切り換えて、予混合気を第１流路１１４に流通させる場
合は、燃料ｇの拡散は促進され、燃料の拡散状態が均一
になった予混合気３を燃焼室１１に吸気することがで
き、図３に示すように、ダンパ１１０を切り換えて、予
混合気を流路１１５に流通させる場合は、燃料ｇの拡散
は抑制され、予混合気は充分に混合されずに不均一のま
ま燃焼室１１に吸気されることになる。このようにダン
パ１１０を切り換えて、予混合気が燃焼室１１に流入す
るまでの流路の距離及び容積を変化させ、予混合気の混
合状態を設定する手段を拡散状態調整手段Ａ’と呼ぶ。

【００３９】結果、上記の実施の形態１と同様に、制御
手段２０は、例えば、空気比が１．５から４．０の場合
は、予混合気の混合状態を不均一にするべく、ダンパ１
１０を切り換えて、エンジン２００を図３に示す状態と
し、予混合気を第２流路１１５側に流通させることで、
自着火時点の予混合気における燃料の拡散を抑制した状
態とし、自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、
ノッキングを抑制することができ、空気比が４．０以上
のノッキングの発生がほとんど無い場合に、エンジン２
００を図４に示す状態とし、第１流路１１４に予混合気
を流通させて、燃料ｇの拡散を促進させ、燃焼後の燃焼
効率の向上を図ることができる。このように、エンジン
の動作状態としての空気比に基づいて、拡散状態調整手
段Ａ’を働かせて、混合状態を設定する手段を制御手段
Ｂ’と呼ぶ。

【００４０】〔実施の形態３〕次に、本発明の別の実施
の形態として、図５及び図６に示す、予混合圧縮自着火
エンジン３００について説明する。エンジン３００は、
吸気系の構成以外は、上記の実施の形態１と同様である
ので省略するが、排気路２１４の排ガスの運動エネルギ
を利用して回転するタービン２２０ｂと、それと同期し
て回転して吸気路２１３に供給される空気ａを加圧する
ブロア２２０ａを有する過給機２２０を備えている。さ
らに、吸気路２１３において、過給機２２０の上流側に
燃料ｇを供給する燃料噴射弁２５１と、過給機２２０の
下流側に燃料ｇを供給する燃料噴射弁２５２とを備えて
おり、それぞれの燃料噴射弁２５１、２５２は切換弁２
５０に接続され、流量調整弁２５３によって流量を調節
された燃料ｇを、切換弁２５０によって切り換えて供給
される構成となっている。

【００４１】結果、図５に示すように、燃料噴射弁２５
１によって噴射された燃料ｇと吸気路１３の空気ａと
は、ブロア２２０ａを流通することで充分に混合され、
燃焼室１１に吸気されるときは、ほぼ均一な混合状態と
なり、自着火時点に予混合気において、燃料が充分に拡
散した状態となる。また、図６に示すように、燃料噴射
弁２５２によってブロア２２０ａの下流側に供給された
燃料ｇは、そのまま燃焼室１１に吸気されるので、燃料
ｇと空気ａとが充分に混合されずに不均一のまま燃焼室
１１に吸気されることになる。このように、図５及び図
６の状態を、切換弁２５０によって切り換えて、自着火
時点の予混合気における燃料の拡散状態を調整する手段
を拡散状態調整手段Ａ”と呼ぶ。

【００４２】結果、上記の実施の形態１と同様に、制御
装置２０によって、エンジンの負荷が小さく、流量調整
弁２５３を調整して、ノッキングの発生が比較的少ない
空気比が４．０以上の予混合気を燃焼室に供給するとき
に、図５のように、燃料噴射弁２５１によって燃料ｇを
噴射して、ブロア２２０ａによって燃料ｇの拡散を促進
することで、自着火時点の燃料ｇの拡散が促進され、燃
料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上すること
ができる。また、エンジンの負荷が大きく、ノッキング
が発生しやすい空気比が４．０未満の予混合気を燃焼室
に供給するときに、図６のように、燃料噴射弁２５２に
よって燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が充分に拡
散していない状態の予混合気を供給するように制御する
ことで、自着火時点の予混合気において燃料の拡散が抑
制され、その自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下さ
せ、急激な圧力伝播を抑制でき、ノッキングの発生を抑
制することができる。このように、エンジンの動作状態
としての空気比に基づいて、拡散状態調整手段Ａ’を働
かせて、混合状態を設定する手段を制御手段Ｂ”と呼
ぶ。

【００４３】〔実施の形態４〕次に、本発明の別の実施
の形態として、図７に示す、予混合圧縮自着火エンジン
４００について説明する。上記の実施の形態と同様であ
る構造についての説明は省略するが、エンジン４００
は、吸気路１３から供給される空気ａに燃料ｇを供給す
る燃料噴射弁５１を１つだけ備えており、この燃料噴射
弁５１によって供給された燃料ｇは、空気ａとほぼ均一
に混合されて燃焼室１１に供給される。

【００４４】さらに、エンジン４００は、圧縮行程初期
の吸気弁１が閉状態となってからクランク角が上死点前
３０°までに、燃焼室１１に水ｗを噴霧する水噴霧弁３
２０を備えている。このように、燃焼室１１に水ｗを噴
霧することで、燃焼室に噴霧された水ｗは不燃性である
為に、燃焼室において燃焼することはなく、さらに圧縮
行程において周囲が昇温することで蒸発するので、燃焼
室においてこの蒸発した水蒸気が存在する部分において
燃料ｇがほとんど存在しない状態、即ち圧縮自着火前の
予混合気において燃料ｇの拡散が抑制された状態とな
り、この水ｗの噴霧量や噴霧時期を切り換えることによ
って、上記燃料の拡散状態を調整することができる。こ
のように水噴霧弁３２０によって、水ｗを噴霧状態を切
り換えることで、予混合気の拡散状態を設定する手段を
拡散状態調整手段Ａ”’と呼ぶ。

【００４５】よって、制御装置２０は、上記の実施の形
態と同様に、例えば、空気比を低く設定して、出力を上
げる場合は、予混合気の混合状態を不均一にするべく、
水噴霧３２０により、燃焼室１１に水ｗを噴霧し、予混
合気内で水ｗの霧を蒸発させることで、自着火時点の予
混合気における燃料の拡散を抑制した状態とすることが
でき、自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、ノ
ッキングを抑制することができる。また、空気比を高く
設定して出力を下げる場合は、水ｗを噴霧する事なく、
燃料ｇの拡散が促進された状態で圧縮自着火させ、燃焼
後の燃焼効率の向上を図ることができる。このように、
エンジンの動作状態としての空気比に基づいて、拡散状
態調整手段Ａ”’を働かせて、混合状態を設定する手段
を制御手段Ｂ”’と呼ぶ。

【００４６】また、本実施の形態において、不燃性且つ
予混合気に噴霧されて圧縮自着火前に蒸発する液体とし
て水ｗを利用した構成を示したが、本願はこのような液
体を水に限定するものではなく、このような液体として
水の代わりに、フロンなども利用することができる。さ
らに、このような燃料の拡散を抑制するために、燃焼室
に水ｗを噴霧する構成を示したが、別に、吸気路に、水
等の液体を噴霧しても構わず、また、吸気路において
も、より燃焼室に近い部位で液体を噴霧するほうが、そ
の液体の蒸発による燃料の拡散抑制効果を発揮しやす
い。

【００４７】〔別実施の形態〕 （イ） 上記の実施の形態において、拡散状態調整手段
Ａ，Ａ’，Ａ''，Ａ'''を設定するに、空気比λをエン
ジンの動作状態として検出する構成を説明したが、動作
状態をノッキングの発生状態１７とし、例えば、エンジ
ンのノッキングを検出するノッキングセンサを備え、ノ
ッキングが発生した場合に、拡散状態調整手段Ａ，
Ａ’，Ａ''，Ａ'''を働かせ、自着火時点の予混合気に
おける燃料ｇの拡散を抑制し、ノッキングを回避するよ
うに制御装置２０において制御することもできる。ま
た、別に、動作状態をエンジンの負荷情報１５とし、エ
ンジンの負荷を検出するし、その負荷に基づいて、拡散
状態調整手段Ａ，Ａ’，Ａ''，Ａ'''を働かせることも
でき、負荷が上昇し、ノッキングが発生しやすい状態に
なったときに、自着火時点の燃料ｇの拡散を抑制し、ノ
ッキングを回避するように制御装置２０において制御す
ることもできる。

【００４８】（ロ） 本願の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、任意の炭化水素系燃料を使用する
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。

【発明の効果】従って、上記手法により、圧縮自着火エ
ンジンにおいて、簡単な構造で圧縮自着火燃焼によって
発生する圧力波の衝撃的な伝播を緩和し、エンジンの動
作状態を良好なものに維持したままエンジンの出力等を
大幅に変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの実施の形
態を示す図

【図２】図１に示すエンジンにおいて別の状態を示す図

【図３】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの別の実施
の形態を示す図

【図４】図３に示すエンジンにおいて別の状態を示す図

【図５】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの別の実施
の形態を示す図

【図６】図５に示すエンジンにおいて別の状態を示す図

【図７】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの別の実施
の形態を示す図

【符号の説明】

１ 吸気弁 ２ 排気弁 ３ シリンダ ４ ピストン ５ 燃料噴射弁 ８ 連結棒 １１ 燃焼室 １３ 吸気路 １４ 排気路 １００ エンジン

───────────────────────────────────────────────────── 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 43/00 Ｆ０２Ｍ 43/00 69/00 69/00 ３２０Ｆ ３５０Ｋ ３５０Ｑ ３５０Ｂ (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 西垣 雅司 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 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） 3G023 AA02 AA06 AB00 AB05 AC02 AC04 AC05 AC07 AG00 3G066 AA00 AB02 AB04 AB05 AB08 AD07 BA16 CC31 CD25 CD26 CE21 DA00 DA04 DC00 DC01 DC24 3G092 AA00 AA05 AA06 AB02 AB05 AB07 AB17 AB18 BB01 BB06 DC00 DE00S DE01S DE04S EA11 3G301 HA00 HA22 HA23 JA01 JA22 LB01 LB11 LC01 MA00 MA03 NE00 PA17A PC08A PG00A

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気す
   ると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼
   室において予混合気を圧縮して自着火させ、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運転方法
   であって、 前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼室の
   前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸
   素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造とし、 前記検出された動作状態に基づいて、前記酸素含有ガス
   に対する拡散状態を調整し、前記予混合気の燃焼状態を
   調整する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。
2. 【請求項２】 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気す
   ると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼
   室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、 前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を
   備えると共に、 前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記
   燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡
   散状態調整手段を備え、 前記動作状態検出手段によって検出された動作状態に基
   づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記酸素含有
   ガスに対する拡散状態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】 前記動作状態検出手段が前記予混合気の
   空気比を検出するものであり、 前記制御手段が、前記検出された空気比が低いときに、
   前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制し、前
   記検出された空気比が高いときに、前記拡散状態調整手
   段を働かせ、前記拡散を促進する手段である請求項２に
   記載の予混合圧縮自着火エンジン。
4. 【請求項４】 前記動作状態検出手段が前記エンジンの
   負荷を検出するものであり、 前記制御手段が、前記検出された負荷が低いときに、前
   記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を促進し、前記
   検出された負荷が高いときに、前記拡散状態調整手段を
   働かせ、前記拡散を抑制する手段である請求項２に記載
   の予混合圧縮自着火エンジン。
5. 【請求項５】 前記動作状態検出手段が前記エンジンの
   ノッキングを検出する手段であり、 前記制御手段が、前記検出されたノッキングに基づい
   て、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制す
   る手段である請求項２に記載の予混合圧縮自着火エンジ
   ン。
6. 【請求項６】 前記拡散状態調整手段が、前記燃料が前
   記酸素含有ガスに供給されてから、前記燃焼室に吸気さ
   れるまでの空間の容積を調整する手段である請求項２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。
7. 【請求項７】 前記拡散状態調整手段が、前記燃料が前
   記酸素含有ガスに供給されてから、前記燃焼室に吸気さ
   れるまでの距離を調整する手段である請求項２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。
8. 【請求項８】 前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料を
   供給する第１燃料供給手段を備えると共に、前記燃焼室
   の酸素含有ガスに前記燃料を供給する第２燃料供給手段
   を備え、 前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡
   散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前
   記燃料を供給し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を
   抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃焼を
   供給する手段である請求項２から７の何れか１項に記載
   の予混合圧縮自着火エンジン。
9. 【請求項９】 前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料を
   供給する燃料供給手段と、前記吸気路において、前記燃
   料供給手段の下流側の流路を第１流路と、前記第１流路
   よりも距離が短い第２流路とに切り換える切換手段とを
   備え、 前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡
   散状態を促進する場合は、切換手段を働かせ、前記予混
   合気を前記第１流路を流通させて前記燃焼室に吸気し、
   前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、
   切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第２流路を流通
   させて前記燃焼室に吸気する手段である請求項２から７
   の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
10. 【請求項１０】 前記吸気路に過給機を備え、 前記吸気路の前記過給機の上流側に前記燃料を供給する
    第１燃料供給手段を備えると共に、前記吸気路の前記過
    給機の下流側に前記燃料を供給する第２燃料供給手段を
    備え、 前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡
    散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前
    記燃料を供給し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を
    抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃焼を
    供給する手段である請求項２から７の何れか１項に記載
    の予混合圧縮自着火エンジン。
11. 【請求項１１】 不燃性且つ予混合気に噴霧されて前記
    圧縮自着火前に蒸発する液体を、前記燃焼室に供給され
    る予混合気に噴霧する液体噴霧手段を備え、 前記拡散状態調整手段が、前記液体噴霧手段を働かせ、
    前記液体の噴霧状態を調整し、前記拡散状態を調整する
    手段である請求項２から７の何れか１項に記載の予混合
    圧縮自着火エンジン。
12. 【請求項１２】 前記拡散調整手段が、前記酸素含有ガ
    スに対する拡散状態を促進する場合は、前記液体噴霧手
    段を働かせないで、前記予混合気を燃焼室に供給し、 前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、
    前記液体噴霧手段を働かせて、前記圧縮自着火前の予混
    合気において前記噴霧された液体を蒸発させる請求項１
    １に記載の予混合圧縮自着火エンジン。