JP2001221075A - 予混合圧縮自着火エンジン - Google Patents
予混合圧縮自着火エンジンInfo
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
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Abstract
料と酸素含有ガスとの予混合気を燃焼室7において圧縮
して自着火燃焼させて、クランク軸6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、高い図示熱
効率を維持した状態での出力の設定範囲を拡大する技術
を得ることを目的とする。 【解決手段】 燃料供給手段8から供給される燃料の供
給量を設定して予混合気の当量比を設定する当量比設定
手段Aと、燃焼室7に供給される給気の温度を設定する
給気温度設定手段Bとを備え、予め記憶している当量比
と給気の温度との出力に関する関係に基づいて、当量比
設定手段A及び給気温度設定手段Bを働かせて、当量比
及び給気の温度を調整し、出力を設定する出力設定手段
Cを備える。
Description
供給される燃料と酸素含有ガスとの予混合気を燃焼室に
おいて圧縮して自着火燃焼させて、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。
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。この種の予混合圧縮自着火エンジンは、ディーゼル
エンジンのパティキュレートを防止する目的で開発され
たものであって、研究開発の端緒についたところであ
る。着火形式は、ディーゼルエンジンと同様に、断熱圧
縮を利用した自然着火形式であるが、圧縮空気中に燃料
を噴射するのではなく、主には、火花点火式のエンジン
のように空気(酸素含有ガスの一例)と燃料の予混合気
を燃焼室に形成し、その予混合気を圧縮して自然着火燃
焼させ、クランク軸の回転を続ける。この手法をガスエ
ンジンに適用すれば、圧縮比を増大させると共に超希薄
な予混合気を圧縮自着火させ、高効率及び低NOxが可
能となる。
着火エンジンにおいて、予混合気を圧縮自着火させるの
で、出力を変化させるために予混合気の当量比を大幅に
変化させると、安定した圧縮自着火燃焼を得ることがで
きなくなる。例えば、当量比を増加させすぎて燃焼室に
おける図示有効圧力が上昇しすぎると、燃焼室における
圧力波の伝播速度が音速を超えて衝撃音等が発生する所
謂ノッキングが発生してしまう。また逆に、当量比を低
下させすぎて燃焼室における図示有効圧が低下しすぎる
と、予混合気を完全に自着火に至らせることができず予
混合気を完全燃焼させることができないために図示熱効
率が低下してしまう。よって従来の予混合圧縮自着火エ
ンジンにおいては高い効率を維持したまま運転を継続す
ることは困難であり、例えば過給圧1.25kg/cm
2 、給気の温度130℃の運転状態における図示熱効率
を50%程度で維持した状態での当量比の設定幅は高々
0.31から0.34程度であり、ほとんど出力を変化
させることができなかった。従って、本発明は、上記問
題点を解消し、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高
い図示熱効率を維持した状態での出力の設定範囲を拡大
する技術を得ることを目的とする。
予混合圧縮自着火エンジンの特徴・作用・効果は次の通
りである。
燃料の供給量を設定して前記予混合気の当量比を設定す
る当量比設定手段と、前記燃焼室に供給される給気の温
度を設定する給気温度設定手段とを備え、予め記憶して
いる前記当量比と前記給気の温度との出力に関する関係
に基づいて、前記当量比設定手段及び前記給気温度設定
手段を働かせて、前記当量比及び前記給気の温度を調整
し、出力を設定する出力設定手段を備える。
エンジンは、燃料供給手段から供給される燃料の供給量
を設定して予混合気の当量比を設定する当量比設定手段
と、例えば、給気と冷却水との熱交換により給気を冷却
すると共に、冷却水の温度と流量の少なくとも何れかを
調整して給気の温度を設定するように構成された熱交換
器のように、燃焼室に供給される給気の温度を設定する
給気温度設定手段とを備えており、当量比及び給気の温
度を設定自在に構成されている。さらに、本発明の予混
合圧縮自着火エンジンは、クランク軸からの出力を設定
するに、予め記憶している前記当量比と前記給気の温度
との出力に関する関係、即ち予め実験等で求めて記憶し
ておいた、設定する出力に対して高い図示熱効率を実現
することができる当量比及び給気の温度の夫々の値を予
め実験等で求め記憶しておき、その記憶された値に基づ
いて当量比及び給気の温度を調整するので、常に高い図
示熱効率を維持しながら、出力を大きな設定幅で設定す
ることができる。例えば、図示熱効率を50%程度に維
持した状態で、出力所謂燃焼室の図示有効圧を最低値に
対して2倍以上幅で変化させることができる。よって、
本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、出力を
変化させて設定するに、例えば従来のエンジンのように
給気路に設けられた絞り弁の開度調整等を行う必要がな
く、ポンピングロスを抑制することができ、さらに、高
効率且つ低NOxな予混合圧縮自着火エンジンにおいて
出力の可変範囲を大幅に拡大することができる。
エンジンの特徴・作用・効果は次の通りである。
合圧縮自着火エンジンにおいて、前記出力設定手段が、
前記出力を増加させるに、予め記憶している関係に基づ
いて、前記当量比を増加させると共に、前記前記給気の
温度を減少させ、前記出力を減少させるに、予め記憶し
ている関係に基づいて、前記当量比を減少させると共
に、前記前記給気の温度を増加させる。
ンジンにおいて、出力を増加させるために当量比のみを
増加させると、燃焼室においてノッキング等が発生して
しまうが、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、本構
成のごとく、出力設定手段において、出力を増加させる
場合は、当量比を連続的若しくは段階的に増加させると
共に、その当量比に対して好ましい給気の温度になるよ
うに、給気の温度を連続的若しくは段階的に減少させる
ので、結果、当量比を増加による燃焼室の図示有効圧の
上昇率を、給気の温度を低下することで緩慢な状態とし
て、ノッキングの発生を抑制することができる。また、
出力を低下させる場合においても、当量比の減少と共
に、給気の温度を増加させることで、ノッキングを回避
しながら高い図示熱効率を維持した運転を実現すること
ができる。よって、超低NOxを実現する予混合圧縮自
着火エンジンにおいて、高い図示熱効率を維持したまま
で出力の設定範囲を拡大することができる。
エンジンの特徴・作用・効果は次の通りである。
の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記給気を過給
する過給機を備えるとともに、前記過給機の過給状態を
検出する過給状態検出手段を備え、前記出力設定手段
が、予め記憶している前記検出される過給状態における
前記当量比と前記給気の温度との出力に関する関係に基
づいて、前記当量比設定手段及び前記給気温度設定手段
を働かせて、前記当量比及び前記給気の温度を調整し、
出力を設定する。
備えた予混合圧縮自着火エンジンにおいては、過給機に
おける過給状態が変化すると、前記当量比と前記給気の
温度との出力に関する関係、即ち、設定する出力に対し
て高い図示熱効率を実現する当量比及び給気の温度の値
が若干変化する。よって、本発明の予混合圧縮自着火エ
ンジンの出力設定手段は、その過給状態として過給機の
下流側の給気の圧力若しくは過給機のブロアの回転数等
を検出して過給状態を検出する過給状態検出手段を備え
ており、予め記憶している前記検出される過給状態にお
ける前記当量比と前記給気の温度との出力に関する関係
に基づいて、当量比及び給気の温度を調整し、出力を設
定することができる。よって、過給機を備えた予混合圧
縮自着火エンジンにおいて過給状態が変化した場合にお
いてもその過給状態における当量比及び給気の温度を高
い図示熱効率に維持するものに設定して、出力を変更す
ることができる。
エンジンの特徴・作用・効果は次の通りである。
燃料の供給量を設定して前記予混合気の当量比を設定す
る当量比設定手段と、前記燃焼室に供給される給気の温
度を設定する給気温度設定手段と、ノッキングを検出す
るノッキング検出手段とを備え、前記ノッキング検出手
段の検出結果に基づいて、前記当量比設定手段及び前記
給気温度設定手段を働かせて、前記当量比及び前記給気
の温度を調整し、出力を設定する出力設定手段を備え
る。
エンジンは、燃料供給手段から供給される燃料の供給量
を設定して予混合気の当量比を設定する当量比設定手段
と、例えば、給気と冷却水との熱交換により給気を冷却
すると共に、冷却水の温度と流量の少なくとも何れかを
調整して給気の温度を設定するように構成された給気冷
却装置のように、燃焼室に供給される給気の温度を設定
する給気温度設定手段とを備えており、当量比及び給気
の温度を設定自在に構成されており、さらに、ノッキン
グ検出手段を備え、ノッキングの発生を検出することが
できる。また、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、
出力設定手段において、クランク軸からの出力を設定す
るに、当量比を増加若しくは減少させるのであるが、そ
れと同時に、ノッキング検出手段の検出結果に基づい
て、給気の温度を調整することができ、常にノッキング
を回避しながら当量比を調整して、出力を設定すること
ができ、高い図示熱効率を維持したままで、出力を変化
させることができる。よって、本発明の予混合圧縮自着
火エンジンにおいては、出力を変化させて設定するに、
例えば従来のエンジンのように給気路に設けられた絞り
弁の開度調整等を行う必要がなく、ポンピングロスを抑
制することができ、さらに、高効率且つ低NOxな予混
合圧縮自着火エンジンにおいて出力の可変範囲を大幅に
拡大することができる。
テムの特徴・作用・効果は次の通りである。
合圧縮自着火エンジンにおいて、 前記出力設定手段
が、出力を設定するに、前記当量比を調節しながら、前
記給気の温度を、前記ノッキングの発生限界以下に調整
する。
予混合圧縮自着火エンジンの出力設定手段においては、
例えば、出力を増加させる場合は、当量比を増加させる
のであるが、当量比の増加によって発生するノッキング
をノッキング検出手段によって検出した場合は、給気温
度設定手段を働かせて、給気の温度を所定量低下させ、
燃焼室の圧力上昇率を緩慢にすることでノッキングを回
避することができ、さらに当量比を増加させることがで
きる。また、逆に、出力を低下させる場合は、先ず、給
気の温度を上昇させ、ノッキング検出手段によってノッ
キングが検出されたときに、当量比を所定量低下させ、
ノッキングを回避しながら図示熱効率を高く維持して出
力を低下させることができる。よって、本発明の予混合
圧縮自着火エンジンは、簡単な構成で、高い図示熱効率
を維持して出力を変化させて設定することができる。
エンジン100に関する実施の形態を図面に基づいて説
明する。図1に示すように、予混合圧縮自着火エンジン
100は、過給機17によって加圧され給気路11に流
通する空気(酸素含有ガスの一例)に、燃料ノズル8
(燃料供給手段の一例)によって燃料としての天然ガス
系都市ガスを供給して予混合気を形成し、形成された予
混合気を給気弁1を介してシリンダ3内に形成された燃
焼室7に供給し、燃焼室7において予混合気を圧縮して
自着火燃焼させて、ピストン4の往復運動を連結棒5を
介してクランク軸6の回転として出力するものである。
また、燃焼後の排ガスは、燃焼室7から排気弁2を介し
て排気路12へ排出される。
ン100は、燃料ノズル8から供給される燃料の供給量
を調整する制御弁9と、クランク軸6の回転数を検出す
るクランク軸回転数検出センサ10とを備えており、夫
々が制御手段20に接続されている。制御装置20は、
クランク軸回転数検出センサ10の出力信号によって、
給気される空気量を算出することができる。よって、制
御手段20、その算出される空気量に基づいて燃料の供
給量を決定し、制御弁9を働かせて決定された供給量の
燃料を給気路11の空気に供給し、形成される予混合気
の当量比を設定することができる。このように、制御弁
9を働かせて予混合気の当量比を設定する手段を当量比
設定手段Aと呼ぶ。
1における過給機17の下流側に、クーリングタワー1
6によって空冷された冷却水と給気路11に流通する空
気との熱交換を行う熱交換器13を備えており、過給機
17によって加圧されて昇温した空気を冷却することが
できる。さらに、熱交換気13を流通する冷却水の流量
を調整する制御弁14と、熱交換器13の下流側の空気
の温度を検出する温度センサ15を備えており、制御装
置20は、温度センサ15の検出信号に基づいて、制御
弁14の開度を制御して、給気路11内の空気の温度を
設定することができ、結果、燃焼室7に供給される予混
合気(給気)の温度を設定することができる。このよう
に、燃焼室7に供給される空気の冷却量を調整して、給
気の温度を設定する手段を給気温度設定手段Bと呼ぶ。
100において、出力を設定する出力設定手段Cについ
て以下に説明する。制御装置20には、記憶手段200
が設けられており、記憶手段200には、前記当量比と
前記給気の温度との出力所謂図示有効圧に関する関係が
記憶されている。この関係は、図2(イ)に示すよう
に、予め実験等で求められた給気の温度及び当量比に対
する出力所謂図示有効圧の関係により、夫々の出力値に
対して最も図示熱効率を高く維持することができる当量
比及び給気の温度の値である。よって、制御装置20は
外部から入力された出力設定指令等に従って予混合圧縮
自着火エンジン100の出力を設定するのであるが、記
憶手段200に記憶されている上記の当量比及び給気の
温度の好ましい値に基づいて、当量比設定手段A及び給
気温度設定手段Bを働かせて当量比及び給気の温度を連
続的若しくは段階的に調整し、例えば、当量比が0.2
0から0.26程度の値であるときは給気の温度を15
0℃、当量比が0.26から0.32程度の値であると
きは給気の温度を140℃、当量比が0.32から0.
34程度の値であるときは給気の温度を130℃と調整
して、図示有効圧を0.47MPaから1.0MPaま
で変化させ、最小値に対して2倍以上変化幅で出力を変
化させることができ、図2(ロ)からもわかるように、
ほとんどの当量比において図示熱効率を50%以上に維
持させることができる。これは、当量比に対して給気の
温度を好ましい値に設定することで、図示有効圧力の上
昇の増加率を、ノッキングの発生限界以下且つ、燃焼室
7において予混合気を完全に自着火に至らせることがで
きる温度以上に設定することで、図示熱効率を高く維持
できるからである。このように、記憶手段200におい
て記憶されているそれぞれの出力に対する相関関係に基
づいて当量比及び給気の温度を調整して出力を設定する
手段を出力設定手段Cと呼ぶ。なお、図2に示すデータ
は、給気の圧力が1.25kg/cm2 のときのデータ
である。
は、給気路11内の圧力を検出して制御装置20に出力
する圧力計18(過給状態検出手段の一例)を備えてお
り、さらに、記憶手段200はそれぞれの給気圧に対応
した当量比と給気の温度との出力に関する関係を記憶し
ている。即ち、圧力計18によって検出された給気の圧
力が1.0kg/cm2 のときは、図3(イ)に示すよ
うに、給気圧が1.0kg/cm2 において、給気の温
度及び当量比の出力所謂図示有効圧に関する関係を予め
実験等で求めて記憶した好ましい当量比と給気の温度と
の関係により当量比及び給気の温度を設定し、さらに、
圧力計18によって検出された給気の圧力が0.75k
g/cm2 のときは、図4(イ)に示すように、給気圧
が0.75kg/cm2 において、給気の温度及び当量
比の出力所謂図示有効圧に関する関係を予め実験等で求
めて記憶した好ましい当量比と給気の温度との関係によ
り当量比及び給気の温度を設定する。よって、例えばク
ランク軸6の回転数が変化して、排気路12内を流通す
る排ガスの速度が変化し、過給機17のタービン(図示
せず。)の回転数が変化することで給気の圧力が変化し
ても、その圧力にあった好ましい値に当量比及び給気の
温度を設定することができ、図3(ロ)、図4(ロ)か
らもわかるように、それぞれ図示熱効率を高いものに維
持しながら出力を変化させて設定することができる。
0に記憶されている当量比及び給気の温度の出力に関す
る関係に基づいて当量比及び給気の温度を調整して出力
を設定するように構成された出力設定手段Cについて説
明したが、出力設定手段Cの別の構成について以下に説
明する。即ち、図1に示す予混合圧縮自着火エンジン1
00に、燃焼室7で発生するノッキングを検出し、制御
装置20に出力するノッキングセンサ21を設ける。ま
た、制御装置20は、出力設定手段Cとして、当量比を
増加若しくは減少させると同時に、ノッキングセンサ2
1の検出結果に基づいて、給気の温度を調整するように
構成されており、常にノッキングを回避しながら当量比
を調整して、出力を設定することができる。例えば、出
力を増加させる場合は、当量比設定手段Aを働かせて当
量比を増加させるのであるが、当量比の増加によって発
生するノッキングをノッキングセンサ21によって検出
した場合は、給気温度設定手段Bを働かせて、給気の温
度を所定量低下させ、燃焼室の圧力上昇率を緩慢にする
ことでノッキングを回避することができ、一層当量比を
増加させることができる。また、逆に、出力を低下させ
る場合は、先ず、給気温度設定手段Bを働かせて、給気
の温度を上昇させ、ノッキング検出手段によってノッキ
ングが検出されたときに、当量比設定手段Aを働かせて
当量比を所定量低下させ、ノッキングを回避しながら図
示熱効率を高く維持して出力を低下させることができる
のである。
た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。
は、燃料とこの燃料の燃焼のための酸素を含有するガス
とを混合すれば良いが、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。
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。
室7で圧縮自着火燃焼する予混合気を、給気路11にお
いて形成する構成を示したが、別に、燃料を燃焼室7に
直接噴射する燃料噴射弁を備え、空気のみを吸気し、吸
気行程若しくは圧縮行程初期において燃料を噴射して燃
焼室に予混合気を形成し、この予混合気を圧縮して自着
火させるように構成することもできる。
縮自着火エンジン100において、過給機17の過給状
態を検出するに給気路11の圧力を検出する圧力計18
を設けたが、別に、過給機17の回転数を検出して過給
状態を検出することもできる。この場合は、記憶手段2
00には、過給機17のそれぞれの回転数に対応した当
量比及び給気の温度の設定値を記憶させることが好まし
い。
の形態を示す概略構成図
度及び当量比の関係を示すグラフ図
及び当量比の関係を示すグラフ図
度及び当量比の関係を示すグラフ図
Claims (5)
- 【請求項1】 燃料供給手段から供給される燃料と酸素
含有ガスとの予混合気を燃焼室において圧縮して自着火
燃焼させて、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自
着火エンジンであって、 前記燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定し
て前記予混合気の当量比を設定する当量比設定手段と、 前記燃焼室に供給される給気の温度を設定する給気温度
設定手段とを備え、 予め記憶している前記当量比と前記給気の温度との出力
に関する関係に基づいて、前記当量比設定手段及び前記
給気温度設定手段を働かせて、前記当量比及び前記給気
の温度を調整し、出力を設定する出力設定手段を備えた
予混合圧縮自着火エンジン。 - 【請求項2】 前記出力設定手段が、前記出力を増加さ
せるに、予め記憶している関係に基づいて、前記当量比
を増加させると共に、前記前記給気の温度を減少させ、
前記出力を減少させるに、予め記憶している関係に基づ
いて、前記当量比を減少させると共に、前記前記給気の
温度を増加させる請求項1に記載の予混合圧縮自着火エ
ンジン。 - 【請求項3】 前記給気を過給する過給機を備えるとと
もに、前記過給機の過給状態を検出する過給状態検出手
段を備え、 前記出力設定手段が、予め記憶している前記検出される
過給状態における前記当量比と前記給気の温度との出力
に関する関係に基づいて、前記当量比設定手段及び前記
給気温度設定手段を働かせて、前記当量比及び前記給気
の温度を調整し、出力を設定する請求項1または2に記
載の予混合圧縮自着火エンジン。 - 【請求項4】 燃料供給手段から供給される燃料と酸素
含有ガスとの予混合気を燃焼室において圧縮して自着火
燃焼させて、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自
着火エンジンであって、 前記燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定し
て前記予混合気の当量比を設定する当量比設定手段と、 前記燃焼室に供給される給気の温度を設定する給気温度
設定手段と、 ノッキングを検出するノッキング検出手段とを備え、 前記ノッキング検出手段の検出結果に基づいて、前記当
量比設定手段及び前記給気温度設定手段を働かせて、前
記当量比及び前記給気の温度を調整し、出力を設定する
出力設定手段を備えた予混合圧縮自着火エンジン。 - 【請求項5】 前記出力設定手段が、出力を設定する
に、前記当量比を調節しながら、前記給気の温度を、前
記ノッキングの発生限界以下に調整する請求項4に記載
の予混合圧縮自着火エンジン。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000031947A JP4504494B2 (ja) | 2000-02-09 | 2000-02-09 | 予混合圧縮自着火エンジン |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2000031947A Expired - Fee Related JP4504494B2 (ja) | 2000-02-09 | 2000-02-09 | 予混合圧縮自着火エンジン |
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