JP2001271671A - 予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、気筒１内に形成される燃焼室２に
おいて、燃料ｇ１と酸素含有ガスａの混合気を圧縮して
自己着火させる圧縮自着火運転を行う予混合圧縮自着火
エンジン１００において、起動運転をスムーズに行うこ
とができる起動運転方法を確立することを目的とする。 【解決手段】 予混合圧縮自着火エンジン１００を複数
の気筒１ａ，１ｂを設けた多気筒エンジンとして構成
し、複数の気筒１ａ，１ｂ内に形成される夫々の燃焼室
２ａ，２ｂにおいて、酸素含有ガスａを圧縮し圧縮され
た酸素含有ガスａに燃料ｇ２を噴射して自己着火させる
噴射着火運転を行って、予混合圧縮自着火エンジン１０
０の運転を開始する強制運転工程（ｓｔ１）と、噴射着
火運転を行う夫々の燃焼室２ａ，２ｂの一部ずつを、圧
縮自着火運転に移行させる移行工程（ｓｔ２）とを順に
実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気筒内に形成され
る燃焼室において、燃料と酸素含有ガスの混合気を圧縮
して自己着火させる圧縮自着火運転を行う予混合圧縮自
着火エンジンの起動運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。予混合圧縮自着火エンジンは、ディーゼルエンジン
と同様に、断熱圧縮を利用した自己着火を行うものであ
るが、燃焼室の圧縮空気中に燃料を噴射して自己着火さ
せるのではなく、主には、火花着火エンジンのように燃
料と空気（酸素含有ガスの一例）の混合気を燃焼室に形
成し、燃焼室においてその混合気をピストンによって圧
縮することで燃料の発火点まで昇温させて自己着火させ
る圧縮自着火運転（以下、圧縮自着火運転と呼ぶ。）を
行って燃料を燃焼させる。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混合気を
圧縮自着火させて燃焼させ、高効率及び低ＮＯｘ運転が
可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】予混合圧縮自着火エン
ジンでは、着火形式が上記圧縮自着火形式であるので、
例えば運転開始時において燃焼室温及び燃焼室壁温があ
る一定の温度に達していない場合、混合気の圧縮自着火
は確実には起こらない。また、この種の予混合圧縮自着
火エンジンの起動運転については、従来有効な技術が確
立されていない。

【０００４】また、従来の起動運転方法として、専らク
ランク軸を他の動力機等で回転させて定格回転速度に維
持しながら、燃焼室に吸気される混合気若しくは空気を
ヒータ等によって加熱することにより圧縮自着火運転に
移行する方法を挙げることができるが、例えば、予混合
圧縮自着火エンジンを発電機の駆動源として利用する場
合、他の動力機等を利用することができないので、何ら
かの別の起動運転方法を取らなければならない。また、
発電機を誘導発電機とし、インバータを利用して誘導発
電機を誘導モータとして働かせて起動させ、インバータ
から無効電力を供給しつつそのまま発電に移行する方法
（特開平７−２３１５７０号公報）があるが、インバー
タ及び誘導発電機を合わせた発電ロスが大きくなり、さ
らに起動に必要な電力が用意できない場合は利用できな
い。

【０００５】従って、本発明の目的は、上記問題点を解
消し、予混合圧縮自着火エンジンの起動運転をスムーズ
に行うことができる技術を提供するところにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】〔構成１〕本発明に係る
予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法、請求項１に
記載したごとく、前記予混合圧縮自着火エンジンを複数
の前記気筒を設けた多気筒エンジンとして構成し、前記
複数の気筒内に形成される夫々の燃焼室において、圧縮
された混合気に火花を発生して着火する火花着火運転、
若しくは酸素含有ガスを圧縮し圧縮された酸素含有ガス
に燃料を噴射して自己着火させる噴射着火運転を行っ
て、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始する強
制運転工程と、前記火花着火運転若しくは前記噴射着火
運転を行う前記夫々の燃焼室の一部ずつを、前記圧縮自
着火運転に移行させる移行工程とを順に実行することを
特徴とする。

【０００７】〔作用効果〕予混合圧縮自着火エンジン
は、着火形式が上記予混合圧縮自着火形式であるので、
着火時期を急激に変更することができず、このままでは
火花着火形式等で自在に着火時期をコントロールできる
従来のエンジンのように、セルモータ等でクランク軸を
回転させて低い回転速度で立ち上げ、速やかに定格回転
速度に移行することは極めて困難であった。そこで、本
発明者らは、予混合圧縮自着火エンジンの起動方法にお
いて、先ず、燃焼室において混合気を圧縮して火花着火
燃焼させる火花着火運転（以下、火花着火運転と呼
ぶ。）、若しくは空気若しくは混合気（酸素含有ガス）
を圧縮して圧縮され高温の空気若しくは混合気に燃料を
噴射して自己着火燃焼させる噴射自着火運転（以下、噴
射着火運転と呼ぶ。）で燃料を燃焼させ、予混合圧縮自
着火エンジンの運転を開始させる強制運転工程を実行
し、所定の暖機運転の後に圧縮自着火運転に移行する方
法を思案した。しかし、この手法において、予混合圧縮
自着火エンジンの着火形式が上述のように予め決定しづ
らい圧縮自着火形式であるので、移行時に安定して燃料
を圧縮自着火運転で燃焼させることは困難であり、少な
くとも一定時間定格速度で他の動力源等によって強制的
にクランク軸を回転させると共に、好ましいクランク角
で自己着火するように、給気温度の調整等を行う必要が
有り、上記移行時に火花着火運転若しくは噴射着火運転
から圧縮自着火運転へ瞬時に切り換えることは極めて困
難であった。

【０００８】そこで、本構成のごとく、予混合圧縮自着
火エンジンを複数の気筒を有する多気筒型のエンジンと
して構成し、前記予混合圧縮自着火エンジンを起動させ
るに、先ず、上記強制運転工程を行い、予混合圧縮自着
火エンジンにおいて複数の気筒の暖機を行う。夫々の燃
焼室において混合気を圧縮自着火して燃焼させる圧縮自
着火運転を行うことができるまで暖機が進んだら、次に
前記移行工程を実行する。このような暖機完了の確認
は、温度センサ等でシリンダ温度若しくは排ガス温度若
しくは冷却水温度を検出したり、予め実験等で求めてお
いた暖機が完了するまでの必要時間の経過をタイマー等
で検出することで行うことができる。

【０００９】移行工程においては、例えば、複数の気筒
の全て若しくは一部の暖機が完了してから、充分に暖機
された１つずつ若しくは所定のグループずつを、火花着
火運転若しくは噴射着火運転から圧縮自着火運転に移行
させる。すると、この移行工程初期において、圧縮自着
火運転に移行直後の気筒は不安定な運転状態であるが、
移行前の安定した運転状態である火花着火運転若しくは
噴射着火運転の気筒によって、移行直後気筒が安定した
圧縮自着火運転となるまで、クランク軸の回転を維持す
ることができる。よって、移行工程後期において、安定
した圧縮自着火運転を行う気筒によりクランク軸の回転
を維持しながら、未だ移行されていない１つ若しくは１
グループの気筒を圧縮自着火運転に移行させて安定した
ものにすることができ、すべての気筒において圧縮自着
火運転を行うことができる。尚、圧縮自着火運転が安定
して行われるかは、燃焼室において圧縮自着火の時期が
安定してＴＤＣ付近にきているかを検出することで確認
でき、着火時期の検出は、クランク角センサ等でクラン
ク軸の回転角度を検出しながら圧力センサ等で燃焼室の
圧力を検出することで容易に行える。従って、予混合圧
縮自着火エンジンにおいてスムーズな起動運転を実現す
ることができる。

【００１０】〔構成２〕本発明に係る予混合圧縮自着火
エンジンの起動運転方法は、請求項２に記載したごと
く、上記構成１の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転
方法の構成に加えて、前記予混合圧縮自着火エンジン
が、系統側電力線に接続されて発電を行う発電機の駆動
源であり、前記系統側電力線に接続する前に、前記強制
運転工程を行い、前記系統側電力線に接続した後に、前
記移行工程を行うことを特徴とする。

【００１１】〔作用効果〕本構成のごとく、系統側電力
線に接続されて発電を行う発電機の駆動源として予混合
圧縮自着火エンジンを利用する場合、強制運転工程を系
統側電力線に接続する前に実行して、セルモータ等でク
ランク軸を回転させて低い回転速度で立ち上げ速やかに
所定の回転速度に移行させ、系統側電力線の周波数に対
応した所定の回転速度に到達した後に、系統側電力線に
接続させて系統側からの同期化力によりクランク軸の回
転速度を一定に維持させた状態で、移行工程を実行する
ことができるので、移行工程において移行直後の不安定
な運転状態の気筒が存在してもクランク軸を一定回転速
度に維持させる事が容易であり、また、有効電力を自由
に変更することができるので、移行工程の操作が容易に
なる。従って、発電機の駆動源とした予混合圧縮自着火
エンジンを簡単な構成でスムーズに起動させることがで
きる。

【００１２】〔構成３〕本発明に係る予混合圧縮自着火
エンジンの起動運転方法は、請求項３に記載したごと
く、上記構成１または２の予混合圧縮自着火エンジンの
起動運転方法の構成に加えて、前記予混合圧縮自着火エ
ンジンを、前記夫々の燃焼室における給気温度を各別に
設定可能、前記夫々の燃焼室における当量比を各別に設
定可能に構成し、前記夫々の燃焼室において、前記火花
着火運転時若しくは前記噴射着火運転時の給気温度を、
前記圧縮自着火運転時の給気温度よりも低く設定すると
共に、前記火花着火運転時若しくは前記噴射着火運転時
の当量比を、前記圧縮自着火運転時の当量比よりも高く
設定することを特徴とする。

【００１３】〔作用効果〕例えば予混合圧縮自着火エン
ジンにおいて、火花着火運転若しくは噴射自着火運転を
行う強制運転工程を実行する場合、当量比を燃焼範囲内
の例えば１．０〜０．６に設定することで安定した運転
状態を得ることができ、給気温度を低く設定してノッキ
ングを防止することができる。一方、圧縮自着火運転に
おいては、当量比を０．４以下の希薄状態に設定するこ
とで、高効率且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。そこ
で本構成のごとく、火花着火運転若しくは噴射着火運転
における給気温度を、圧縮自着火運転における給気温度
よりも低く設定すると共に、火花着火運転若しくは噴射
着火運転における当量比を、圧縮自着火運転における当
量比よりも高く設定し、移行時において当量比及び給気
温度の上記諸条件を切り換えるように構成することで、
起動時においてノッキングを回避しながら安定した火花
着火運転若しくは噴射着火運転で予混合圧縮自着火エン
ジンを立ち上げて、充分に暖機された気筒の１つずつ若
しくは所定のグループずつを、上記諸条件を切り換えて
圧縮自着火運転に移行させて、高効率及び低ＮＯｘの定
格運転に移行することができる。従って、安定した状態
で予混合圧縮自着火エンジンを立ち上げスムーズに定格
運転に移行することができる。尚、上記のように火花着
火運転若しくは噴射着火運転における当量比を燃焼範囲
内に設定するのは、燃料を火炎伝播させて燃焼させる為
であるが、このような燃焼範囲の当量比は、燃料の種類
によって決まっており、例えば燃焼範囲の当量比の値
は、燃料が天然ガス系都市ガスの場合は０．５〜１．８
５であり、燃料がガソリンの場合は０．５８〜３．７で
あり、燃料が水素の場合は０．０９９〜７．１４であ
る。

【００１４】〔構成４〕本発明に係る予混合圧縮自着火
エンジンの起動運転方法は、請求項４に記載したごと
く、上記構成１から３の何れかの予混合圧縮自着火エン
ジンの起動運転方法の構成に加えて、前記火花着火運転
時の前記火花の発生時期、若しくは前記噴射着火運転時
の前記燃料の噴射の時期を、クランク角で１０°ＡＴＤ
Ｃ以降４０°ＡＴＤＣ以前に設定することを特徴とす
る。

【００１５】〔作用効果〕予混合圧縮自着火エンジン
は、混合気を圧縮自着火させる着火形式であるために、
ＢＤＣ（下死点）での気筒内容積と、ＴＤＣ（上死点）
における気筒内容積との比である圧縮比は例えば２１程
度と高く設定されている。このような予混合圧縮自着火
エンジンにおいて火花着火運転若しくは噴射着火運転で
運転を行う場合は、当量比が燃焼範囲内であるために、
ＴＤＣ付近で上記火花を発生させる若しくは燃料を噴射
すると、平均有効圧力がノッキング限界を越えノッキン
グが発生する虞がある。そこで、本構成のごとく、強制
運転工程において、火花着火運転で予混合圧縮自着火エ
ンジンの運転を開始する場合は火花発生の時期を、噴射
着火運転で予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始する
場合は燃料の噴射の時期を、クランク角でＴＤＣ（上死
点）よりも遅い１０°ＡＴＤＣ以降に設定することで、
強制運転工程において、気筒内の圧力がＴＤＣよりも低
下したときに燃料を燃焼させることができるので、平均
有効圧力をノッキング限界以下に設定してノッキングを
回避しながら強制運転工程を行うことができる。また、
上記火花発生若しくは燃料噴射の時期をクランク角で４
０°ＡＴＤＣ以前に設定することで、クランク軸の回転
を維持して暖機運転を充分にできる程度の平均有効圧力
を発生させて強制運転工程を行うことができる。従っ
て、スムーズな起動運転を実現することができる予混合
圧縮自着火エンジンにおいて、強制運転工程を行うに、
火花着火運転若しくは噴射着火運転における運転状態を
好ましいものに維持することができる。

【００１６】〔構成５〕本発明に係る予混合圧縮自着火
エンジンの起動運転方法は、請求項５に記載したごと
く、上記構成１から４の何れかの予混合圧縮自着火エン
ジンの起動運転方法の構成に加えて、前記予混合圧縮自
着火エンジンが、天然ガス系都市ガスを燃料とするエン
ジンであることを特徴とする。

【００１７】〔作用効果〕このような予混合圧縮自着火
エンジンにおいては、予め形成された混合気を圧縮して
自着火燃焼させる圧縮自着火形式であるので、燃料を高
圧噴射する必要が無く、例えば給気路若しくは圧縮行程
初期の気筒内に燃料を定圧で供給する構成を採用するこ
とができるので、本構成のごとく、燃料として、気体燃
料である天然ガス系都市ガスを簡単な構成で利用して、
高効率且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。また、この
ような天然ガス系都市ガスを利用する場合、火花着火運
転若しくは噴射自着火運転で運転する起動運転時におい
て安定的に燃焼させる当量比は１．０から０．６程度の
範囲内であり、一方、移行後の圧縮自着火運転で運転す
る定格運転における当量比は０．４から０．３以下程度
の希薄状態に設定することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明に係る予混合圧縮自着火エ
ンジン１００の起動運転方法の実施の形態を、図面に基
づいて説明する。

【００１９】〔予混合圧縮自着火エンジン〕予混合圧縮
自着火エンジン１００は、後に説明する本手法を実施す
るために、２つの気筒１ａ，１ｂを設けた多気筒エンジ
ンとして構成されており、夫々の気筒１ａ，１ｂにおい
て、給気路１０ａ，１０ｂに給気弁１６ａ，１６ｂと排
気路１８ａ，１８ｂに排気弁１７ａ，１７ｂと設けら
れ、気筒１ａ，１ｂと共に燃焼室２ａ，２ｂを形成する
ピストン３ａ，３ｂとが設けられている。ピストン３
ａ，３ｂは連結棒４ａ，４ｂに回転自由に接続されてお
り、ピストン３ａ，３ｂの往復動は連結棒４ａ，４ｂに
よって１つのクランク軸５の回転運動として得られ、こ
のような構成は通常の多気筒エンジンと変わるところが
無い。

【００２０】また、予混合圧縮自着火エンジン１００
は、空気ａを過給機のタービン６によって加圧して給気
路１０に送ると共に、給気路１０から分岐した夫々の給
気路１０ａ，１０ｂに設けられたミキサ１１ａ，１１ｂ
において、天然ガス系都市ガスの燃料ｇ１を空気ａに供
給して混合気を形成し、夫々の燃焼室２ａ，２ｂにおい
てその混合気をピストン３ａ，３ｂによって圧縮するこ
とで燃料ｇ１の発火点まで昇温させて自己着火させる圧
縮自着火運転を行って燃料を燃焼させるエンジンであ
る。また、夫々のミキサ１１ａ，１１ｂに供給する燃料
ｇ１は、制御装置２０によって制御される流量調整弁１
３ａ，１３ｂによって流量を制御され、夫々の燃焼室２
ａ，２ｂに給気される混合気の当量比を各別に制御する
ことができる。

【００２１】また、このような圧縮自着火運転におい
て、給気の温度即ち燃焼室２に供給される空気ａの温度
が変化すると圧縮自着火のタイミングが変化し、例えば
給気温度が高くなると圧縮自着火のタイミングは速くな
り、給気温度が低くなると圧縮自着火のタイミングは遅
くなるので、給気温度を好ましいものに制御する必要が
有る。そこで、予混合圧縮自着火エンジン１００におい
ては、給気路１０に、タービン６によって加圧され昇温
した空気ａを冷却水との熱交換によって冷却するアフタ
ークーラ７が設けられており、制御装置２０は、上記圧
縮自着火運転において、燃焼室２内の圧力を検出する圧
力センサ１４ａ，１４ｂと、クランク軸の回転角度を検
出するクランク角センサ１５の検出結果に基づいて、実
際の上記圧縮自着火のタイミングを検出し、その圧縮自
着火のタイミングが例えばＴＤＣ付近と好ましいものに
なるように、温度センサ９によって空気ａの温度を検出
しながらアフタークーラ７に流通する冷却水の流量を調
整する流量調整弁８を制御して、燃焼室２に供給される
空気ａの温度を制御するように構成されている。

【００２２】このような予混合圧縮自着火エンジン１０
０は、上述のように、燃焼室２において混合気を圧縮し
て自着火する圧縮自着火運転を行って燃料ｇ１を燃焼さ
せるものであるため、例えば圧縮比を２１程度と高く設
定することができるため高効率であり、さらに混合気の
当量比を例えば火炎伝播下限以下と希薄状態で燃焼させ
ることができるため低ＮＯｘを実現することができる。
しかし、このような予混合圧縮自着火エンジンは、起動
時の未だ気筒１等が暖機されていない起動運転時におい
て、混合気を燃焼室２において圧縮しても充分に昇温さ
せることができないので、圧縮自着火のタイミングが変
化したり、混合気を圧縮自着火させることができず、安
定して圧縮自着火運転を行うことができない。よって、
エンジン１００を充分に暖機した後に上記の圧縮自着火
運転を行う必要がある。

【００２３】そこで、本手法においては、予混合圧縮自
着火エンジン１００を充分に暖機運転を行い、すべての
気筒１において圧縮自着火運転を行う定格運転にスムー
ズに移行して、予混合圧縮自着火エンジンを起動させる
ことができ、その特徴構成について以下に説明する。

【００２４】〔実施例１〕次に、本発明の予混合圧縮自
着火エンジンの起動運転方法の第１の実施の形態を以下
に説明する。まず、予混合圧縮自着火エンジン１００
は、夫々の燃焼室２ａ，２ｂに、軽油である燃料ｇ２を
直接高圧噴射する噴射ノズル１２ａ，１２ｂを備え、燃
焼室２において都市ガスである燃料ｇ１と空気ａとの混
合気を圧縮し、燃料ｇ２を噴射ノズル１２から燃焼室２
の圧縮された混合気に噴射して自己着火させる噴射着火
運転可能に構成されている。

【００２５】本手法において、図２に示すように、ま
ず、運転開始指令が制御装置２０に入力され、制御装置
２０は予混合圧縮自着火エンジン１００を起動運転させ
る。制御装置２０は、入力される運転開始指令に基づい
て、予混合圧縮自着火エンジン１００を起動させるので
あるが、先ず、後述の強制運転工程（ｓｔ１）を実行す
る。即ち、強制運転工程（ｓｔ１）を実行するに、制御
装置２０は、クランク軸５をセルモータ（図示せず）等
で回転させて、ミキサ１１ａ，１１ｂにおいて生成され
る混合気を燃焼室２ａ，２ｂに給気すると共に、夫々の
燃料噴射ノズル１２ａ，１２ｂを働かせて、夫々の燃焼
室２ａ，２ｂにおいて圧縮され昇温した混合気に燃料ｇ
２を噴射して自己着火させる噴射着火運転を行う。この
ような噴射着火運転は、燃料ｇ２を噴射するタイミング
で着火のタイミングを調整することができるので、運転
状態は安定したものとなり、クランク軸５の回転を維持
して夫々の気筒１ａ，２ｂ等を暖機することができる。

【００２６】次に、制御装置２０は、気筒１の温度２
１、気筒１を冷却する冷却水温度２２、若しくは排ガス
温度２３を検出したり、または予め実験等で求めておい
た暖機が完了するまでの必要時間の経過２４をタイマー
等で検出することで、暖機が充分に行われたことを確認
した後に、噴射着火運転の夫々の燃焼室２ａ，２ｂの一
つずつを、圧縮自着火運転に移行させる移行工程（ｓｔ
２）を行う。即ち、移行工程（ｓｔ２）において、制御
装置２０は、先ず、燃焼室２ｂにおいて噴射着火運転を
維持してクランク軸５の回転を維持したまま、燃焼室１
ａにおいて燃料噴射ノズル１２ａの燃料ｇ２の噴射量を
減少させると共に、燃料ｇ２の噴射時期を１０°ＡＴＤ
Ｃ程度に遅らせ、同時に、ミキサ１１ａにおける燃料ｇ
１の供給量を増加させる。さらに、燃料ｇ１の都市ガス
の発火点は燃料ｇ２の軽油よりも高いので、ミキサ１１
ａにおいて供給される燃料ｇ１と空気ａの混合気がＴＤ
Ｃ付近で圧縮自着火するように、流量調整弁８の開度を
絞ってアフタークーラ７の冷却能力を低下させ空気ａの
温度を増加させる。

【００２７】すると、燃焼室２ａの圧力の変化状態は、
初期においては、図３の（イ）に示すように、ミキサ１
１ａにおいて供給された燃料ｇ１がＴＤＣ付近で圧縮自
着火せずに、燃料ｇ２が１０°ＡＴＤＣ程度で噴射され
た燃料が着火する状態であるが、ミキサ１１ａからの燃
料ｇ１の供給量を増加させていくと徐々に、図３（ロ）
に示すように、ミキサ１１ａにおいて供給された燃料ｇ
１が燃焼室２ａにおいて圧縮自着火し、さらに燃料ｇ２
が１０°ＡＴＤＣ程度で噴射され着火する状態となる。
このような、圧縮自着火の検出は、圧力センサ１４ａに
よってＴＤＣ付近の圧力上昇を検出することで行うこと
ができ、制御装置２０は、圧力センサ１４ａにおいて圧
縮自着火を検出したとき、好ましいタイミングで圧縮自
着火が発生するように、流量調整弁８を制御して燃焼室
２に供給される空気ａの温度を制御し、連続して圧縮自
着火を検出した時点で、燃焼室１ｂの噴射着火運転から
圧縮自着火運転への移行制御を行う。即ち、この時点で
は、燃焼室２ａにおいては圧縮自着火運転を、燃焼室２
ｂにおいては噴射着火運転を行っているのであるが、次
に、制御装置２０は、燃焼室２ａと同様に、燃焼室２ｂ
を噴射着火運転から圧縮自着火運転に移行させ、すべて
の燃焼室１ａ，２ａにおいて圧縮自着火運転を行う定格
運転に移行する。また燃焼室２ｂを圧縮自着火運転に移
行するときは、燃焼室１ａにおいて安定した圧縮自着火
運転が行われているので、クランク軸５の回転は安定し
て維持されている。

【００２８】〔実施例２〕次に、本発明の予混合圧縮自
着火エンジンの起動運転方法の第２の実施の形態を以下
に説明する。図４の予混合圧縮自着火エンジン１００
は、上記の第１の実施の形態と同様の構成については説
明を省略するが、夫々の給気路１０ａ，１０ｂのミキサ
１１ａ，１１ｂの上流側にアフタークーラ７ａ，７ｂを
設け、アフタークーラ７ａ，７ｂに流通する冷却水の流
量を調整する流量調整弁８ａ，８ｂを調整して、夫々の
燃焼室２ａ，２ｂに供給される空気ａの温度を調整する
ように構成されている。

【００２９】また、給気路１０と夫々の給気路１０ａ，
１０ｂのミキサ１１ａ，１１ｂの下流側とを接続する副
給気路２９ａ，２９ｂと、その副給気路２９ａ，２９ｂ
の夫々に制御装置２０によって制御される開閉弁２８
ａ，２８ｂとが夫々設けられており、夫々の開閉弁２８
ａ，２８ｂを開閉動作によって、燃焼室２に給気される
空気ａの量を増減させることができる。さらに、夫々の
燃焼室２ａ，２ｂには、燃焼室２内に火花を発生させる
点火プラグ２７ａ，２７ｂが設けられている。この点火
プラグ２７ａ，２７ｂには、希薄混合気を着火させるに
充分な容量を有しているものを使用する。よって、予混
合圧縮自着火エンジン１００は、夫々の燃焼室２ａ，２
ｂにおいて、混合気を圧縮し、点火プラグ２７によって
火花を発生して着火する火花着火運転可能に構成されて
いる。

【００３０】次に、このような予混合圧縮自着火エンジ
ン１００において、本手法によって起動運転を行う場合
について、以下に説明する。先ず、強制運転工程（ｓｔ
１）において、制御装置２０は、クランク軸５をセルモ
ータ （図示せず）等で回転させて、燃焼室２ａ，２ｂ
において火花着火運転を行う。この火花着火運転におい
ては、開閉弁２８を閉状態として燃焼室２に供給される
空気ａの量を低下させるとともに、流量調整弁８ａ，８
ｂの開度を大きく設定してアフタークーラ７ａ，７ｂに
おいて給気温度を充分に低下させ、ノッキングを回避し
ている。このような火花着火運転は、点火プラグ２７の
火花発生タイミングを調整することで着火タイミングを
調整することができるので、安定した運転状態であり、
クランク軸５の回転を維持して夫々の気筒１ａ，２ｂ等
を暖機することができる。

【００３１】次に、制御装置２０は、上記の第１の実施
の形態と同様の方法で、暖機が充分に行われたことを確
認した後に、火花着火運転の夫々の燃焼室２ａ，２ｂの
一つずつを、圧縮自着火運転に移行させる移行工程（ｓ
ｔ２）を行う。即ち、移行工程（ｓｔ２）において、制
御装置２０は、先ず、燃焼室２ｂにおいては火花着火運
転を維持してクランク軸５の回転を維持したまま、一方
の点火プラグ２７ａによる火花着火のタイミングを５°
ＡＴＤＣ程度に遅らせ、同時に、開閉弁２８ａの開度を
増加させ、さらに、流量調整弁８ａ，の開度を徐々に小
さくして給気温度を大きくする。すると、初期において
は、燃焼室２ａにおいて燃料ｇ１がＴＤＣ付近で圧縮自
着火せずに８°ＡＴＤＣ程度で火花着火する状態となる
が、徐々に、燃料ｇ１が圧縮自着火するようになり、安
定した圧縮自着火を検出した時点で、次の制御を行う。
この時点で、燃焼室２ａにおいては圧縮自着火運転を、
燃焼室２ｂにおいては火花着火運転を行っているのであ
るが、次に、制御装置２０は、燃焼室２ａと同様に、燃
焼室２ｂを火花着火運転から圧縮自着火運転に移行さ
せ、すべての燃焼室１ａ，２ａにおいて圧縮自着火運転
を行う定格運転に移行することができる。また燃焼室２
ｂを圧縮自着火運転に移行するときは、燃焼室１ａにお
いて安定した圧縮自着火運転が行われているので、クラ
ンク軸５の回転は安定して維持されている。

【００３２】また、上記の第２の実施の形態において、
点火着火運転よりも圧縮自着火運転において燃焼室２に
供給される空気ａの量を点火着火運転に対して多くする
ために、点火着火運転時には副給気路２９に設けた開閉
弁２８を閉状態として、圧縮自着火運転時に開状態とす
る構成を説明したが、別に、副給気路と燃焼室とを給気
弁１６とは別の副給気弁を介して直接接続し、その副給
気弁を、点火着火運転時には閉状態として、圧縮自着火
運転時に開状態とするように構成することもできる。

【００３３】〔実施例３〕次に、本発明の予混合圧縮自
着火エンジンの起動運転方法の第３の実施の形態を以下
に説明する。図５の予混合圧縮自着火エンジン１００
は、上記の第２の実施の形態で説明した副給気路２９
ａ，２９ｂ及び開閉弁２８ａ，２８ｂの代わりに、吸気
路１０ａ，１０ｂにおいてミキサ１１ａ，１１ｂの下流
側に開度調整可能なスロットル３０ａ，３０ｂとが設け
られており、制御装置２０による夫々のスロットル３０
ａ，３０ｂの開度調整によって、燃焼室２に給気される
混合気の量を増減させることができる。

【００３４】また、この予混合圧縮自着火エンジン１０
０は、電力系統５７に連系して発電を行う発電機５１の
駆動源である。詳しくは、クランク軸５が励磁装置５２
及び発電機５１に接続され、励磁装置５２から接続端子
５３を介して発電機５１の回転子に励磁電流が送られ
る。また、ＡＶＲ（自動電圧調整装置）５４は励磁装置
５２と電磁的に結合されており、制御装置２０によりＡ
ＶＲ５４を調整し、励磁装置５２の界磁電流を調整して
発電機５１によって発電される電力の電圧を調整するよ
うに構成されている。また、発電機５１は、発電機側電
力線５８に接続され、さらに遮断自動閉そく装置５６を
介して系統側電力線５７に接続されており、発電機側電
力線の電圧を検出する電圧トランスデューサ５４と、系
統側電力線５７の電圧及び電流を検出するワットトラン
スデューサ５５とが設けられ、夫々の出力信号が、制御
装置２０に送られる。

【００３５】次に、このような予混合圧縮自着火エンジ
ン１００において、本手法によって起動運転を行う場合
について、以下に説明する。先ず、強制運転工程（ｓｔ
１）において、制御装置２０は、クランク軸５をセルモ
ータ （図示せず）等で回転させて、燃焼室２ａ，２ｂ
において火花着火運転を行う。尚、このときは、系統側
電力線５７と発電機側電力線５８は未だ接続されていな
い。この火花着火運転においては、スロットル３０ａ，
３０ｂをある程度絞った状態で、燃焼室２ａ，２ｂに供
給される混合気の量を低下させるとともに、流量調整弁
８ａ，８ｂの開度を大きく設定してアフタークーラ７
ａ，７ｂにおいて給気温度を充分に低下させ、ノッキン
グを回避しながら、夫々の気筒１ａ，２ｂ等を暖機す
る。

【００３６】また、強制運転工程（ｓｔ１）において、
制御装置２０は、電圧トランスデューサ５４によって発
電機側電力線５８の電圧及び周波数を検出し、所定の周
波数になるように、スロットル３０ａ，３０ｂを調整し
てクランク軸５の回転数を調整し、さらに所定の電圧に
なるようにＡＶＲ５４を調整する。さらに、発電機側電
力線５８の電圧及び周波数が、ワットトランスデューサ
５５によって検出される系統側電力線５８の電圧及び周
波数と一致するように、ＡＶＲ５４とスロットル３０
ａ，３０ｂを調整し、夫々が一致した段階で、次の工程
を実行する。

【００３７】次に、制御装置２０は、上記の第１及び２
の実施の形態と同様の方法で、火花着火運転の夫々の燃
焼室２ａ，２ｂの一つずつを、圧縮自着火運転に移行さ
せる移行工程（ｓｔ２）を行うのであるが、その前に、
遮断自動閉そく装置５６を働かせて、発電機側電力線５
８と系統側電力線５７を接続する。接続後は電圧及び周
波数は一定となり、クランク軸５の回転速度を一定の回
転速度に維持させることができる。その後に、上記移行
工程（ｓｔ２）を実行し、制御装置２０は、先ず、燃焼
室２ｂにおいては火花着火運転を維持したまま、スロッ
トル３０ａを開き、流量調整弁８ａ，の開度を徐々に小
さくして給気温度を大きくし、さらに、出力が大きくな
りすぎないように、流量調整弁１３ａを絞って燃焼室２
ａに供給される混合気の空気比を上昇させ、燃焼室２ａ
を圧縮自着火運転に移行させる。この時点で、燃焼室２
ａにおいては圧縮自着火運転を、燃焼室２ｂにおいては
火花着火運転を行っているのであるが、次に、制御装置
２０は、燃焼室２ａと同様に、燃焼室２ｂを火花着火運
転から圧縮自着火運転に移行させ、すべての燃焼室１
ａ，２ａにおいて圧縮自着火運転を行う定格運転に移行
することができる。また、この移行行程（ｓｔ２）を行
う間は、電力系統からの同期化力により、クランク軸５
の回転速度を一定の保つことができるので、安定して強
制着火運転から圧縮自着火運転に移行することができ
る。また、定格運転において、スロットル３０を調整す
ることで有効電力を、ＡＶＲ５４を調整することで無効
電力を調整することができる。

【００３８】〔別実施の形態〕 〈１〉 上記の実施の形態において、予混合圧縮自着火
エンジンの安定的な運転を確保するために、移行工程時
に、クランク軸にある程度の電力負荷等の負荷を与えて
おくことができる。

【００３９】〈２〉 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、天然ガス、ガソリン、プロ
パン、メタノール、水素、軽油等、任意の炭化水素系燃
料を使用することができる。

【００４０】〈３〉 この燃料の燃焼のための酸素含有
ガスとしては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。

【００４１】〈４〉 上記の実施の形態においては、圧
縮自着火運転を行う場合、燃料と空気との混合気を給気
路のミキサにおいて形成する構成を説明したが、燃焼室
に燃料及び空気を別々に、例えば、給気路から空気のみ
を給気すると共に、圧縮行程初期の燃焼室に燃料を直接
噴射して混合気を形成し、その予混合気を圧縮自着火さ
せる圧縮自着火運転を行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における予混合圧縮
自着火エンジンの構成を示す概略図

【図２】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転
方法を説明するフローチャート

【図３】移行工程時の燃焼室の圧力変化を示すグラフ図

【図４】本発明の第２の実施の形態における予混合圧縮
自着火エンジンの構成を示す概略図

【図５】本発明の第３の実施の形態における予混合圧縮
自着火エンジンの構成を示す概略図

【符号の説明】

１ 気筒 ２ 燃焼室 ３ ピストン ４ 連結棒 ５ クランク軸 ６ タービン ７ アフタークーラ ８ 流量調整弁 ９ 温度センサ １０ 給気路 １１ ミキサ １２ 燃料噴射ノズル １３ 流量調整弁 １４ 圧力センサ １５ クランク角センサ １６ 給気弁 １７ 排気弁 １８ 排気路 ２０ 制御装置 ２７ 点火プラグ ５１ 発電機 ５７ 系統側電力線 １００ 予混合圧縮自着火エンジン ｇ 燃料 ａ 空気

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/06 Ｆ０２Ｄ 29/06 Ａ 41/02 ３５１ 41/02 ３５１ 41/40 41/40 Ｄ Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｌ Ｆ０２Ｎ 17/08 Ｆ０２Ｎ 17/08 Ｈ Ｆターム(参考） 3G023 AA08 AB00 AB01 AB05 AC01 AC04 AC06 AC07 AC09 AG05 3G092 AA00 AA01 AB03 AB08 AC08 BA04 BB06 EA17 FA16 FA17 FA31 HA04Z HC01Z HD01Z HE08Z 3G093 AA16 AB00 BA20 CA01 DA02 DA04 DB23 EA04 3G301 HA00 HA01 HA06 HA22 HA24 HA27 JA00 JA22 JA25 KA01 MA01 MA18 NE23 PA10Z PC01Z PD11Z PE08Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気筒内に形成される燃焼室において、燃
   料と酸素含有ガスの混合気を圧縮して自己着火させる圧
   縮自着火運転を行う予混合圧縮自着火エンジンの起動運
   転方法であって、 前記予混合圧縮自着火エンジンを複数の前記気筒を設け
   た多気筒エンジンとして構成し、 前記複数の気筒内に形成される夫々の燃焼室において、
   圧縮された混合気に火花を発生して着火する火花着火運
   転、若しくは酸素含有ガスを圧縮し圧縮された酸素含有
   ガスに燃料を噴射して自己着火させる噴射着火運転を行
   って、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始する
   強制運転工程と、 前記火花着火運転若しくは前記噴射着火運転を行う前記
   夫々の燃焼室の一部ずつを、前記圧縮自着火運転に移行
   させる移行工程とを順に実行する予混合圧縮自着火エン
   ジンの起動運転方法。
2. 【請求項２】 前記予混合圧縮自着火エンジンが、系統
   側電力線に接続されて発電を行う発電機の駆動源であ
   り、 前記系統側電力線に接続する前に、前記強制運転工程を
   行い、前記系統側電力線に接続した後に、前記移行工程
   を行う請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジンの起
   動運転方法。
3. 【請求項３】 前記予混合圧縮自着火エンジンを、前記
   夫々の燃焼室における給気温度を各別に設定可能、前記
   夫々の燃焼室における当量比を各別に設定可能に構成
   し、 前記夫々の燃焼室において、前記火花着火運転時若しく
   は前記噴射着火運転時の給気温度を、前記圧縮自着火運
   転時の給気温度よりも低く設定すると共に、前記火花着
   火運転時若しくは前記噴射着火運転時の当量比を、前記
   圧縮自着火運転時の当量比よりも高く設定する請求項１
   又は２に記載の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方
   法。
4. 【請求項４】 前記火花着火運転時の前記火花の発生時
   期、若しくは前記噴射着火運転時の前記燃料の噴射の時
   期を、クランク角で１０°ＡＴＤＣ以降４０°ＡＴＤＣ
   以前に設定する請求項１から３の何れか１項に記載の予
   混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。
5. 【請求項５】 前記予混合圧縮自着火エンジンが、天然
   ガス系都市ガスを燃料とするエンジンである請求項１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の
   起動運転方法。