JP2002242726A

JP2002242726A - 予混合圧縮自着火機関

Info

Publication number: JP2002242726A
Application number: JP2001036442A
Authority: JP
Inventors: Teruhiro Sakurai; 井輝浩桜; Toshiji Amano; 野寿二天; Tomohito Morimoto; 本智史森; Yasuharu Kawabata; 端康晴川
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-08-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ノック等の異常燃焼による筒内圧の急激な上
昇による機関の損傷を伴うこと無く、出力を向上して、
効率を改善することが出来る予混合圧縮自着火機関の提
供。【解決手段】空気（Ａｉｒ）及び燃料（Ｆｇ）を気筒
（３ａ）内へ供給し、気筒（３ａ）内の空気（Ａｉｒ）
及び燃料（Ｆｇ）の混合気（Ｇｐ）を圧縮して自着火せ
しめる予混合圧縮自着火機関において、気筒（３ａ）内
の燃焼を緩慢化する様に構成されていると共に、燃料の
供給量を増加する制御を行なう様に構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気及び燃料を気
筒内へ供給し、気筒内の空気及び燃料の混合気を圧縮し
て自着火せしめる予混合圧縮自着火機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０に示す従来の予混合圧縮自着火機
関１１Ａでは、ミキサＭｘで空気Ａｉｒと燃料ガスＦｇ
が混合され、そのままの状態で燃焼室Ｃｖに導かれ、高
圧縮自着火燃焼するので、着火時期や燃焼状態を制御す
るディーゼルエンジンやガソリンエンジンと異なり、着
火時期、筒内圧力、着火期間等は、供給された混合気の
供給温度、圧力、燃料供給量の僅かな差異により変動し
て所期の燃焼状態に制御することが困難である。

【０００３】図１１は、縦軸に燃焼室内圧力ｐを、横軸
にクランク角θをとって燃焼過程を示したもので、曲線
Ｎは所期の燃焼状態を、曲線Ｋはノック等の異常燃焼状
態を示している。従来の予混合圧縮自着火機関１１Ａで
は、着火、燃焼を制御していないので曲線Ｋの発生を抑
制することが困難であった。

【０００４】したがって、例えば図１１における燃焼圧
力の許容値Ｕｐに対し、所期の定常燃焼曲線Ｎの最大値
Ｎｐをきわめて低く設定をする必要があった。仮に、許
容値Ｕｐに対して曲線Ｋが頻繁に発生すれば、機関損傷
または寿命減少にいたっていた。

【０００５】かかる予混合圧縮自着火機関においても、
効率の向上の要請があり、そのために出力向上の必要が
ある。しかし、出力向上に伴い、曲線Ｋのような所謂
「燃焼が激しい」状態による圧力上昇により燃焼圧力の
許容値Ｕｐを越えて機関損傷の恐れが増大するという問
題が生じる。

【０００６】ここで、（排気ガス還流システムを採用し
ている場合には）還流ガス（ＥＧＲガス）、不活性ガ
ス、低温の混合気を気筒内に投入すると、燃焼が緩慢化
するので、筒内圧力が減圧され、機関損傷を免れる。し
かしながら、燃焼が緩慢化すると、出力が低下して効率
低下をもたらし、上述した効率向上という要請に応える
ことが出来ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、機関の損
傷を伴うこと無く、出力を向上して、効率を改善するこ
とが出来る予混合圧縮自着火機関の提供を目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の予混合圧縮自着
火機関は、空気（Ａｉｒ）及び燃料（Ｆｇ）を気筒（３
ａ）内へ供給し、気筒（３ａ）内の空気（Ａｉｒ）及び
燃料（Ｆｇ）の混合気（Ｇｐ）を圧縮して自着火せしめ
る予混合圧縮自着火機関において、気筒（３ａ）内の燃
焼を緩慢化する様に構成されていると共に、燃料の供給
量を増加する制御を行なう様に構成されている（請求項
１）。ここで、気筒（３ａ）内の各種燃焼パラメータに
ついて、不均一な分布を生ぜしめ、以って、より一層の
燃焼の緩慢化を実現することが好ましい。

【０００９】本発明の実施に際して、還流ガス（ＥＧＲ
ガス）供給ライン（１１）上に燃料供給機構（８）を有
するのが好ましい（請求項２）。ここで、気筒（３ａ）
内に不均一なＥＧＲガス分布が発生する様に構成してい
るのが好ましい。

【００１０】また、気筒（３ａ）内に燃料（Ｆｇ）及び
空気（Ａｉｒ）の混合気（Ｇｐ）を供給する吸気系（５
Ａ）に、不活性ガス（Ｎｇ）を供給する機構（８Ａ）を
有しているのが好ましい（請求項３）。この場合におい
ても、気筒（３ａ）内の不活性ガス分布が不均一となる
様に構成することが好ましい。

【００１１】さらに、気筒（３ａ）に供給される空気
（Ａｉｒ）及び燃料（Ｆｇ）の混合気（Ｇｐ）を冷却す
る予混合気冷却手段（３２）を設け、該予混合気冷却手
段（３２）を設けた吸気系（６Ｅ）を介して気筒（３
ａ）に供給される燃料供給量を増加する様に構成されて
いるのが好ましい（請求項４）。そして、気筒（３ａ）
内の温度分布が不均一となる様に構成することが好まし
い。具体的には、例えば、複数ポート（５、６）を持つ
予混合圧縮自着火機関であれば、一方のポート（６）か
らの予混合気（Ｇｐ）を冷却して、冷却した側のポート
（６）から付加的燃料（ｆ）を投入する様に構成するこ
とが好ましい。

【００１２】ここで、予混合気冷却手段としては、例え
ば、冷却水が流過する熱交換器（３２）、ペルチエ・ク
ーラ（３２Ｇ）等を用いることが出来る。前記予混合気
冷却手段が熱交換器（３２）である場合には、冷却水
（Ｗｃ）の流量を制御する流量制御バルブ（３７）の開
度を制御することにより、予混合温度が制御される。一
方、前記混合気温度調節手段がペルチエ・クーラ（３２
Ｇ）である場合には、ペルチエ・クーラ（３２Ｇ）への
通電量を制御することにより、予混合温度が制御され
る。

【００１３】上述した構成を具備する本発明の複数気筒
を有する予混合圧縮自着火機関において、燃料（Ｆｇ）
を供給するための手段としては、ミキサ（Ｍｘ）或いは
インジェクタ（８）を用いることが好ましい。ここで当
該ミキサ（Ｍｘ）は、燃料（Ｆｇ）（例えば、都市ガス
その他の燃料ガス）供給管（２）及びそこに介装された
開閉弁（Ｖ２）と組み合わされて１つのユニットを構成
しており、燃料供給量の制御は当該開閉弁（Ｖ２）の開
度を制御することにより行なわれるのが好ましい。

【００１４】実施に際しては、複数の気筒に連通するマ
ニホルド（Ｉｍ）（の分岐点）上流にミキサ（Ｍｘ）
（又は大型インジェクタ）を設けて、且つ、燃料供給量
を正確に制御する（偏差を補正する）ために各分配管
（５１、５２、・・）毎にミキサまたはインジェクタを
更に設けるのが好ましい。或いは、マニホルド（Ｉｍ）
（の分岐点）上流のミキサ（Ｍｘ）を省略し、各分配管
（５１、５２、・・）毎に設けられたミキサ又はインジ
ェクタのみで、燃料供給量の制御を行っても良い。な
お、前記インジェクタは、燃料ガス噴射量で燃料供給量
を調節している。

【００１５】本発明の運転制御方法は、複数気筒を有す
る予混合圧縮自着火機関の運転制御方法において、各気
筒（３１ａ、３２ａ、・・）の燃焼状態を検出する工程
と、制御パラメータと燃焼状態との特性マップに基づい
て各気筒（３１ａ、３２ａ、・・）の燃焼状態の検出結
果から当該制御パラメータを制御する工程、とを有する
ことを特徴としている（請求項５）。

【００１６】また本発明の運転制御方法は、複数気筒を
有する予混合圧縮自着火機関の運転制御方法において、
各気筒（３１ａ、３２ａ、・・）の燃焼状態を検出する
工程と、制御パラメータと燃焼状態との特性マップに基
づいて複数気筒中の代表気筒（３１ａ）における燃焼状
態の検出結果から当該代表気筒（３１ａ）の制御パラメ
ータを制御する工程と、その他の気筒と代表気筒（３１
ａ）との燃焼状態における偏差を決定する工程と、当該
偏差が低減する様に制御パラメータを制御する工程、と
を有することを特徴としている（請求項６）。

【００１７】上述した各気筒の燃焼状態を検出する手段
としては、例えば、圧力センサ（１６）、加速度センサ
（１７）、ロードワッシャ（１８）を用いるのが好まし
い。

【００１８】上述した様な構成を具備する本発明によれ
ば、付加的燃料供給による出力向上が生じても、燃焼状
態が緩慢化されているので、機関損傷を生じる恐れが無
い。

【００１９】ここで、発明者等は種々研究の結果、燃焼
状態を制御するパラメータである燃焼パラメータ（温
度、ＥＧＲ量、その他）が気筒（３ａ）内で不均一であ
れば、燃焼がより一層緩慢化することを見出した。従っ
て、上述した構成を有する本発明の予混合圧縮自着火機
関においても、当該不均一が生じ易い様な構成とするの
が好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の予
混合圧縮自着火機関の実施形態を説明する。第１の実施
形態を示す図１において、吸入空気Ａｉｒを導入する吸
気管４に開閉弁Ｖ２を介装した燃料管２で構成されるミ
キサＭｘが連結され、その吸気管４は分配管として分岐
部４ａで分岐する第１及び第２の吸気ポート５、６に連
結されている。

【００２１】なお、空気と燃料ガスを混合するための手
段として、ミキサＭｘに替えて流量制御が可能な大型イ
ンジェクタを吸気管４に取りつけてもよい。

【００２２】第１及び第２の吸気ポート５、６は、機関
本体３の気筒３ａに図示しない吸気弁を介して連通され
ている。

【００２３】気筒３ａに図示しない排気弁を介して排気
ポート１３及び１４が連通され、これらが排気管１２で
結合され、図示しない排気マニホールド、マフラ等を介
して外部に連通されるよう構成されている。図１におい
て、排気管１２には弁１２ｖが介装されている。この弁
１２ｖは、排気管１２を流過する排気ガスの高温に対し
て耐性が有り、且つ、正確に動作するタイプの弁である
ことが望ましい。

【００２４】気筒３ａに筒内圧を検出する圧力センサ１
６、気筒３ａの振動加速度を検出する加速度センサ１７
及び応力を検出するロードワッシャ１８が装着され、そ
れぞれが多重信号線２１によって制御装置１５に接続さ
れている。

【００２５】排気管１２に還流ガス（ＥＧＲ）供給ライ
ンである還流管１１が分岐して設けられ、還流管１１は
還流弁１１ｖを介装して第１の吸気ポート５に連通され
ている。還流弁１１ｖは、制御線２３によって制御装置
１５に連通されている。

【００２６】還流管１１の還流弁１１ｖと第１の吸気ポ
ート５との間に付加燃料の燃料供給機構であるインジェ
クタ８が取りつけられ、インジェクタ８は電磁弁９を介
して図示しない燃料供給源に連通されている。電磁弁９
は、制御線２２によって制御装置１５に連通されてい
る。

【００２７】制御装置１５は、機関本体３の出力および
燃焼状態を前記圧力センサ１６、加速度センサ１７及び
ロードワッシャ１８からの出力信号を受信し、予め内蔵
してあるこの機関本体３に固有な性能特性マップを参照
して、所期の燃焼状態とするようにＥＧＲガス量を制御
しまたインジェクタ８からの付加燃料を制御する機能を
有して構成されている。

【００２８】なお、図示ではＥＧＲガスを第１吸気ポー
ト５に還流させているが、気筒内の混合気濃度が不均一
分布になる前提で、第１及び第２吸気ポート５、６の両
方に還流させてもよい。

【００２９】上記構成の予混合圧縮自着火機関１の作用
を説明する。吸気管４に導入された吸入空気Ａｉｒは、
ミキサＭｘで燃料管２からの燃料ガスＦｇと混合されて
予混合気Ｇｐとなり、第1及び第2の吸気ポート５及び６
を介して気筒３ａに導かれる。この段階の混合気Ｇｐ
は、空気Ａｉｒと燃料Ｆｇとの混合が均一な濃度状態に
形成されている。即ち、不安定燃焼の懸念を有した混合
気となっている。

【００３０】まず、特性マップによって予め設定された
量のＥＧＲガスを排気管１２から還流管１１と還流弁１
１ｖ介して、第１の吸気ポート５に還流させる。

【００３１】ＥＧＲガスの供給によって、気筒３ａ内の
燃料分布は不均一となり、また、ＥＧＲガスの緩慢燃焼
効果とあいまってノック等の異常燃焼を生じない緩慢燃
焼となる。

【００３２】一方、インジェクタ８から付加燃料ｆを供
給して、出力増加をはかる。この結果、緩慢燃焼による
出力減少を補いかつ、異常燃焼のない安定な燃焼と定常
な出力増加が得られる。

【００３３】上記の燃焼状態を圧力センサ１６、加速度
センサ１７及びロードワッシャ１８からの出力信号で確
認し、燃焼状態、出力等が所期の状態にない場合は、制
御装置１５からの制御信号によって還流弁１１ｖの開度
制御によりＥＧＲガスの量を操作して緩慢燃焼をさせる
とともに、電磁弁９の開閉制御による付加燃料の噴射供
給量を制御する。

【００３４】このようにして、ＥＧＲガスの供給による
緩慢燃焼によって、気筒本体３の損傷を生じさせること
なく出力増加ができる。

【００３５】第２の実施形態を示す図２は、予混合気Ｇ
ｐとは別にＮ２等の不活性ガスを供給して気筒内での燃
焼をばらつかせて緩慢燃焼をさせる形態を示している。
図１と異なる部分を主体として構成及び作用を説明す
る。

【００３６】図２において、ミキサＭｘを経由した混合
気Ｇｐが導かれる吸気系の１部を構成する吸気管４は、
分岐部４ａで分岐する第１及び第２の吸気ポート５Ａ、
６Ａに連結されている。吸気系の１部を構成する第１及
び第２の吸気ポート５Ａ、６Ａは、気筒本体３の気筒３
ａに図示しない吸気弁を介して連通されている。

【００３７】気筒３ａに図示しない排気弁を介して排気
ポート１３及び１４が連通され、これらが排気管１２Ａ
で結合され、図示しない排気マニホールド、マフラ等を
介して外部に連通されるよう構成されている。

【００３８】気筒３ａに筒内圧を検出する圧力センサ１
６、気筒３ａの振動加速度を検出する加速度センサ１７
及び応力を検出するロードワッシャ１８が装着され、そ
れぞれが多重信号線２１によって制御装置１５Ａに接続
されている。

【００３９】第1の吸気ポート５Ａに、不活性ガス供給
機構としてのインジェクタ８Ａが取りつけられ、インジ
ェクタ８Ａに図示しない不活性ガス供給源に接続された
管１０Ａが制御弁９Ａを伴って連通されている。制御弁
９Ａは、制御線２２Ａによって制御装置１５Ａに連通さ
れている。

【００４０】なお、図示の例では不活性ガス供給機構が
第１の吸気ポート５Ａに取りつけられているが、不活性
ガスが不均一分布になる前提で、第１及び第２の吸気ポ
ート５Ａ、６Ａの両方に連通されていてもよいし、気筒
３ａに直接にインジェクタ８が直接に取りつけられても
よいし、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。

【００４１】制御装置１５Ａは、気筒本体３の出力およ
び燃焼状態を前記圧力センサ１６、加速度センサ１７及
びロードワッシャ１８からの出力信号を受信し、予め内
蔵してあるこの機関本体３に固有な性能特性マップを参
照して、所期の燃焼状態とするように不活性ガスＮｇの
供給を制御し、また燃料ガスの供給を制御する機能を有
して構成されている。

【００４２】上記構成の予混合圧縮自着火機関１Ａの作
用を説明する。ミキサで混合された予混合気Ｇｐは、第
１及び第２の吸気ポート５Ａ及び６Ａを介して気筒３ａ
に導かれる。この段階の混合気Ｇｐは、空気Ａｉｒと燃
料Ｆｇとの混合が均一な状態に形成されている。即ち、
不安定燃焼の懸念を有した混合気となっている。

【００４３】まず、特性マップによって予め設定された
不活性ガスＮｇを、管１０Ａからインジェクタ８Ａによ
って第１吸気ポート５Ａに供給する。そして、気筒３ａ
内での燃焼をばらつかせて緩慢燃焼をさせ、ノック等の
異常燃焼を生じさせないようにする。

【００４４】緩慢燃焼による出力減少を補い、さらに出
力増加をはかるためにはミキサＭｘの開閉弁Ｖ２の開度
を広げて燃料ガスＦｇの供給量を増加させる。

【００４５】上記の燃焼状態を圧力センサ１６、加速度
センサ１７及びロードワッシャ１８からの出力信号で確
認し、燃焼状態、出力等が所期の状態にない場合は、制
御装置１５Ａからの制御信号によって制御弁９の開度制
御をして不活性ガスＮの供給量を制御して緩慢燃焼をさ
せるとともに、開閉弁Ｖ２の開度調整をして出力の制御
操作をする。

【００４６】第３の実施形態を示す図３は、予混合気Ｇ
ｐとは別に不活性ガスに付加燃料を供給して気筒内での
燃焼をばらつかせ緩慢燃焼をさせるとともに、出力増加
をはかる別の形態を示している。図１、２と異なる部分
を主体として構成及び作用を説明する。

【００４７】図３において、ミキサＭｘを経由した混合
気Ｇｐが導かれる吸気管４は、分岐部４ａで分岐する第
１及び第２の吸気ポート５Ａ、６Ａに連結されている。
第１及び第２の吸気ポート５Ａ、６Ａは、機関本体３の
気筒３ａに図示しない吸気弁を介して連通されている。

【００４８】気筒３ａに、図示しない排気弁を介して排
気ポート１３及び１４が連通され、これらが排気管１２
Ａで結合され、図示しない排気マニホールド、マフラ等
を介して外部に連通されるよう構成されている。

【００４９】気筒３ａに、筒内圧を検出する圧力センサ
１６、気筒３ａの振動加速度を検出する加速度センサ１
７及び応力を検出するロードワッシャ１８が装着され、
それぞれが多重信号線２１Ｂによって制御装置１５Ｂに
接続されている。

【００５０】第１吸気ポート５Ａに、不活性ガス供給機
構としてのインジェクタ８Ａが取りつけられ、インジェ
クタ８Ａに制御弁３１を伴った管３０が図示しない不活
性供給源に連通されている。制御弁３１は、制御線２２
によって制御装置１５Ｂに連通されている。

【００５１】なお、図示の例では不活性ガス供給機構が
第１の吸気ポート５Ａに連通するインジェクタ８Ａで構
成されているが、不活性ガスが不均一になる前提で、第
１及び第２の吸気ポート５Ａと６Ａの両方に取りつけら
れてもよいし、気筒３ａに直接にインジェクタ８Ａが取
りつけられてもよいし、あるいはこれらの組み合わせで
あってもよい。

【００５２】管３０に、付加燃料ｆを供給する管２０Ｂ
が弁１９Ｂを伴って取りつけられ、管２０Ｂは図示のな
い付加燃料供給源に連通されている。

【００５３】制御装置１５Ｂは、気筒本体３の出力およ
び燃焼状態を前記圧力センサ１６、加速度センサ１７及
びロードワッシャ１８からの出力信号を受信し、予め内
蔵してあるこの機関本体３に固有な性能特性マップを参
照して、所期の燃焼状態とするように不活性ガスＮｇの
供給を制御し、また、付加燃料ガスｆの供給量を制御す
る機能を有して構成されている。

【００５４】上記構成の予混合圧縮自着火機関１Ｂの作
用を説明する。ミキサで混合された予混合気Ｇｐは、第
１及び第２の吸気ポート５Ａ及び６Ａを介して気筒３ａ
に導かれる。この段階の混合気Ｇｐは、空気Ａｉｒと燃
料Ｆｇとの混合が均一な状態に形成されている。即ち、
不安定燃焼の懸念を有した混合気となっている。

【００５５】まず、特性マップによって予め設定された
不活性ガスＮｇを、管３０からインジェクタ８Ａによっ
て第１吸気ポート５Ａに供給する。そして、気筒３ａ内
での燃焼をばらつかせて緩慢燃焼をさせ、ノック等の異
常燃焼を生じさせないようにする。

【００５６】緩慢燃焼による出力減少を補い、さらに出
力増加をはかるために弁１９Ｂの開度を広げて付加燃料
ガスｆの供給量を増加させる。

【００５７】上記の燃焼状態を圧力センサ１６、加速度
センサ１７及びロードワッシャ１８からの出力信号で確
認し、燃焼状態、出力等が所期の状態にない場合は、制
御装置１５Ｂからの制御信号によって制御弁３０Ｂの開
度制御により不活性ガスＮｇの供給量を制御して緩慢燃
焼をさせるとともに、制御弁１９Ｂの開度調整をして出
力の制御操作をする。

【００５８】第４の実施形態を示す図４は、混合気Ｇｐ
の一部を冷却して温度分布を不均一にし燃焼を緩慢化さ
せ、また付加燃料によって出力増加をする形態を示して
いる。図１と異なる部分を主体として構成及び作用を説
明する。

【００５９】図４において、混合気Ｇｐを導入する吸気
管４Ｅに第１及び第２の吸気ポート５Ｅ、６Ｅが連結さ
れている。

【００６０】第１及び第２の吸気ポート５Ｅ、６Ｅは、
機関本体３の気筒３ａに図示しない吸気弁を介して連通
されている。

【００６１】気筒３ａに図示しない排気弁を介して排気
ポート１３及び１４が連通され、これらが排気管１２Ａ
で結合され、図示しない排気マニホールド、マフラ等を
介して外部に連通されるよう構成されている。

【００６２】気筒３ａに筒内圧を検出する圧力センサ１
６、気筒３ａの振動加速度を検出する加速度センサ１７
及び応力を検出するロードワッシャ１８が装着され、そ
れぞれが多重信号線２１Ｅによって制御装置１５Ｅに接
続されている。

【００６３】第２の吸気ポート６Ｅに熱交換器３２が装
着され、熱交換器３２には制御弁３７を介装した管３６
と管３８が取りつけられている。

【００６４】管３６、３８は、図示しない流体冷熱源に
連通されている。流体熱源は機関の冷却水であってもよ
いし、外気であってもよい。流量制御バルブの制御弁３
７は、制御線２４Ｅによって制御装置１５Ｅに連通され
ている。

【００６５】第２の吸気ポート６Ｅに、付加燃料を供給
するインジェクタ８Ｅが取りつけられ、インジェクタ８
Ｅに弁９Ｅを伴った管１０Ｅが連通されている。に

【００６６】制御装置１５Ｅは、機関本体３の出力およ
び燃焼状態を前記圧力センサ１６、加速度センサ１７及
びロードワッシャ１８からの出力信号を受信し、予め内
蔵してあるこの機関本体３に固有な性能特性マップを参
照して、所期の燃焼状態とするように混合気Ｇｐを冷却
制御し、また、付加燃料ｆの供給量を制御する機能を有
して構成されている。

【００６７】上記構成の予混合圧縮自着火機関１Ｅの作
用を説明する。吸気管４Ｅから導入された予混合気Ｇｐ
は、第１及び第２の吸気ポート５Ｅ及び６Ｅを介して気
筒３ａに導かれる。この段階の混合気Ｇｐは、空気Ａｉ
ｒと燃料Ｆｇとの混合が均一な温度状態に形成されてい
る。この温度状態分布を不均一にして、緩慢な燃焼をさ
せるようにする。

【００６８】まず、第２の吸気ポート６Ｅを通過する混
合気Ｇｐを熱交換器３２によって冷却し、温度分布を不
均一にして燃焼状態を緩慢にさせ、ノック等の異常燃焼
を生じさせないようにする。

【００６９】緩慢燃焼による出力減少を補い、さらに出
力増加をはかるために電磁弁９Ｅの開度を広げて付加燃
料ガスｆの供給量を増加させる。

【００７０】上記の燃焼状態を圧力センサ１６、加速度
センサ１７及びロードワッシャ１８からの出力信号で確
認し、所期の状態にない場合は、制御装置１５Ｅからの
制御信号によって制御弁３７の開度制御をして筒内混合
気の温度ばらつきを操作し、緩慢燃焼をさせるとともに
電磁弁９Ｅの開度調整をして出力の制御操作をする。第
５の実施形態を示す図５は、混合気Ｇｐの一部を冷却し
て温度分布を不均一にし燃焼を緩慢化させ、また付加燃
料によって出力増加をする別の形態を示している。図１
と異なる部分を主体として構成及び作用を説明する。

【００７１】図５において、混合気Ｇｐを導入する吸気
管４Ｇに分岐部４Ｇａで分岐する第１及び第２の吸気ポ
ート５Ｇ、６Ｇが連結されている。

【００７２】第１及び第２の吸気ポート５Ｇ、６Ｇは、
機関本体３の気筒３ａに図示しない吸気弁を介して連通
されている。

【００７３】気筒３ａに図示しない排気弁を介して排気
ポート１３及び１４が連通され、これらが排気管１２Ａ
で結合され、図示しない排気マニホールド、マフラ等を
介して外部に連通されるよう構成されている。

【００７４】気筒３ａに筒内圧を検出する圧力センサ１
６、気筒３ａの振動加速度を検出する加速度センサ１７
及び応力を検出するロードワッシャ１８が装着され、そ
れぞれが多重信号線２１Ｇによって制御装置１５Ｇに接
続されている。

【００７５】第１の吸気ポート５Ｇに電冷素子であるペ
ルチェ・クーラ３２Ｇが装着され、クーラ３２Ｇには電
力制御装置３６Ｇを介装した電線３５Ｇが取りつけられ
ている。

【００７６】電線３３Ｇ及び３５Ｇは、図示しない電源
に連通されている。電力制御装置３６Ｇは、制御線１５
Ｇによって制御装置１５Ｇに連通されている。

【００７７】制御装置１５Ｇは、機関本体３Ｇの出力お
よび燃焼状態を前記圧力センサ１６、加速度センサ１７
及びロードワッシャ１８からの出力信号を受信し、予め
内蔵してあるこの機関本体３Ｇに固有な性能特性マップ
を参照して、所期の燃焼状態とするように混合気Ｇｐを
冷熱制御し、また、付加燃料を供給して出力増加させる
機能を有して構成されている。

【００７８】第２の吸気ポート６Ｇに、付加燃料を供給
するインジェクタ８Ｇが取りつけられ、インジェクタ８
Ｇは弁９Ｇを伴った管１０Ｇに連通されている。

【００７９】上記構成の予混合圧縮自着火機関１Ｇの作
用を説明する。吸気管４Ｇから導入された予混合気Ｇｐ
は、第１及び第２の吸気ポート５Ｇ及び６Ｇを介して気
筒３Ｇａに導かれる。この段階の混合気Ｇｐは、空気Ａ
ｉｒと燃料Ｆｇとの混合が均一な温度状態に形成されて
いる。この温度状態を変えて、緩慢な燃焼をさせるよう
にする。

【００８０】まず、混合気Ｇｐをクーラ３２Ｇによって
冷却し、温度分布を不均一にして燃焼状態を緩慢にさ
せ、ノック等の異常燃焼を生じさせないようにする。

【００８１】緩慢燃焼による出力減少を補い、さらに出
力増加をはかるために電磁弁９Ｇの開度を広げて付加燃
料ガスｆの供給量を増加させる。

【００８２】上記の燃焼状態を圧力センサ１６、加速度
センサ１７及びロードワッシャ１８からの出力信号で確
認し、所期の状態にない場合は、制御装置１５Ｇからの
制御信号によって電力制御装置３６Ｇによる電流制御を
して筒内混合気の温度分布を不均一にし、緩慢燃焼をさ
せるとともに電磁弁９Ｇの開度調整をして出力の制御操
作をする。

【００８３】第６の実施形態を示す図６及び図７は、図
１〜図５の燃焼制御機能を有する複数気筒機関の燃焼を
気筒ごとのばらつきをなくして、統一的に緩慢化させか
つ、出力増加する形態を示している。図６はその構成を
示し、図７は作用方法を示している。図1〜図５と異な
る部分を主体として構成及び作用を説明する。

【００８４】図６において、吸入空気Ａｉｒを導入する
吸気管Ａ４に開閉弁Ｖ２を介装した燃料管Ａ２で構成さ
れるミキサＭｘが連結され、その吸気管Ａ４は吸気マニ
ホールドＩｍに連通されている。

【００８５】吸気マニホールドＩｍは、気筒ごとの２つ
の吸気ポートによって複数の気筒３１ａ、３２ａ、３３
ａ、・・３ｎａに連通されている。図６においては、符
号５１、５２、５３・・５ｎが各気筒３１ａ、３２ａ、
３３ａ、・・３ｎａに通じる第１の吸気ポートを構成し
ている。

【００８６】各気筒３１ａ、３２ａ、３３ａ、・・３ｎ
ａは、気筒ごとの２つの排気ポートで排気マニホールド
Ｅｍに連通され、排気管Ａ１２から図示のないマフラ等
を介して外部に連通されるよう構成されている。

【００８７】各気筒３１ａ、３２ａ、３３ａ、・・３ｎ
ａにそれぞれの筒内圧を検出する圧力センサ１６１、気
筒の振動加速度を検出する加速度センサ及び応力を検出
するロードワッシャが装着され、それぞれが多重信号線
２１１によって制御装置１５１、１５２、１５３、・・
１５ｎに接続されている。

【００８８】各気筒の第１の吸気ポート５１、５２、５
３、・・５ｎに不活性ガス供給機構のインジェクタ８
１、８２、８３、・・８ｎが装着され、図示しない不活
性ガス源に電磁弁９１、９２、９３、・・９ｎを介した
管１０１、・・が連通されている。

【００８９】電磁弁９１は、制御線２２１によって制御
装置１５１に連通されている。電磁弁９２、９３等も同
様に各制御線によって各制御装置１５２、１５３等に連
通されている。

【００９０】気筒本体３１において、不活性ガスＮｇの
供給管１０１に、付加燃料ｆを供給する管１１１が弁１
２１を伴って取りつけられ、図示のない供給源に連通さ
れている。同様に、各気筒本体３２、３３、・・３ｎに
も不活性ガスＮｇの供給管に付加燃料ｆの供給及び制御
手段が設けられている。

【００９１】なお、図示の例では不活性ガス供給手段と
してインジェクタ８１、・・が吸気ポート５１、・・に
装着されているが、不活性ガスの不均一分布による燃焼
緩慢を前提にすれば、符号のない第２の吸気ポートにも
装着されてもよいし、インジェクタ８１、・・を気筒３
１ａ、・・内に直接噴射するよう装着されてもよいし、
またこれらの組み合わせであってもよい。

【００９２】また、図示では、燃焼緩慢化の手段として
図３の不活性ガス供給手段を示したが、図１〜図５のい
ずれの手段であってもよい。

【００９３】制御装置１５１は、気筒３１ａの出力およ
び燃焼状態を前記圧力センサ１６１、加速度センサ及び
ロードワッシャからの出力信号を受信し、予め内蔵して
あるこの気筒３１ａに固有な機関本体３１ａの性能特性
マップを参照して、所期の燃焼状態とするように不活性
ガスＮｇおよび付加燃料ｆの供給を制御する機能を有し
て構成されている。

【００９４】他の制御装置１５２、１５３、・・１５ｎ
も同様に、それぞれの気筒３２ａ、３３ａ、・・３ｎａ
の出力および燃焼状態を前記圧力センサ１６１、加速度
センサ及びロードワッシャからの出力信号を受信し、予
め内蔵してあるそれぞれの気筒に固有な機関本体の性能
特性マップを参照して、所期の燃焼状態に制御する機能
を有して構成されている。

【００９５】上記構成の予混合圧縮自着火機関ＡＡ１の
作用を図７のフローチャートによって説明する。ステッ
プＳ１においては、各気筒３１ａ、３２ａ等の燃焼状態
を検出する。即ち、各気筒３１ａ、３２ａ等に設けられ
た圧力センサ１６１、加速度センサ及びロードワッシャ
からの出力信号によって、燃焼状態を検出する。これ
が、燃焼状態を検出する工程である。

【００９６】ステップＳ２においては、各気筒３１ａ、
３２ａ等それぞれが有する図１〜図８の手段を制御パラ
メータとする固有の特性マップにもとづいて、燃焼状態
に応じた緩慢燃焼化及び出力増加の制御をする。そし
て、各気筒としての性能が所定値となるようにする。こ
れが、制御パラメータを制御する工程である。

【００９７】ステップ３においては、ステップＳ２の制
御が各気筒すべてにおいて終了しているかを確認し、未
了であればステップＳ１にもどし、完了であれば終了す
る。このようにして、全気筒に緩慢燃焼をさせる。

【００９８】第７の実施形態を示す図８及び図９は、図
１〜図５の燃焼制御機能を有する複数気筒機関の燃焼を
気筒ごとのばらつきをなくして、統一的に緩慢化させか
つ、出力増加する別の形態を示している。図８はその構
成を示し、図９は作用方法を示している。図1〜図５と
異なる部分を主体として構成及び作用を説明する。

【００９９】図８において、吸入空気Ａｉｒを導入する
吸気管Ａ４に燃料弁Ｖ２を介装した燃料管Ａ２で構成さ
れるミキサＭｘが連結され、その吸気管Ａ４は吸気マニ
ホールドＩｍに連通されている。

【０１００】吸気マニホールドＩｍは、気筒ごとの２つ
の吸気ポートによって複数の気筒３１ａ、３２ａ、３３
ａ、・・３ｎａに連通されている。図８においては、符
号５１、５２、５３・・５ｎが各気筒３１ａ、３２ａ、
３３ａ、・・３ｎａに通じる第１の吸気ポートを構成し
ている。

【０１０１】各気筒３１ａ、３２ａ、３３ａ、・・３ｎ
ａは、気筒ごとの２つの排気ポートで排気マニホールド
Ｅｍに連通され、排気管Ａ１２から図示のないマフラ等
を介して外部に連通されるよう構成されている。

【０１０２】各気筒３１ａ、３２ａ、３３ａ、・・３ｎ
ａにそれぞれの筒内圧を検出する圧力センサ１６１、気
筒の振動加速度を検出する加速度センサ及び応力を検出
するロードワッシャが装着され、それぞれが多重信号線
２１１によって制御装置１５１Ａ、１５２Ａ、１５３
Ａ、・・１５ｎＡに接続されている。

【０１０３】各気筒の第１の吸気ポート５１、５２、５
３、・・５ｎに不活性ガス供給機構のインジェクタ８
１、８２、８３、・・８ｎが装着され、図示しない不活
性ガス源に電磁弁９１、９２、９３、・・９ｎを介した
管１０１、・・が連通されている。

【０１０４】電磁弁９１は、制御線２２１によって制御
装置１５１に連通されている。電磁弁９２、９３等も同
様に各制御線によって各制御装置１５２、１５３等に連
通されている。

【０１０５】気筒本体３１において、不活性ガスＮｇの
供給管１０１に、付加燃料ｆを供給する管１１１が弁１
２１を伴って取りつけられ、図示のない供給源に連通さ
れている。同様に、各気筒本体３２、３３、・・３ｎに
も不活性ガスＮｇの供給管に付加燃料ｆの供給及び制御
手段が設けられている。

【０１０６】なお、図示の例では不活性ガス供給手段と
してインジェクタ８１、・・が吸気ポート５１、・・に
装着されているが、不活性ガスの不均一分布による燃焼
緩慢を前提にすれば、符号のない第２の吸気ポートにも
装着されてもよいし、インジェクタ８１、・・を気筒３
１ａ、・・内に直接噴射するよう装着されてもよいし、
またこれらの組み合わせであってもよい。

【０１０７】また、図示では、燃焼緩慢化の手段として
図３の不活性ガス供給手段を示したが、図１〜図５のい
ずれの手段であってもよい。

【０１０８】制御装置１５１Ａは、気筒３１ａの出力お
よび燃焼状態を前記圧力センサ１６１、加速度センサ及
びロードワッシャからの出力信号を受信し、予め内蔵し
てあるこの気筒３１ａに固有な機関本体３１ａの性能特
性マップを参照して、所期の燃焼状態とするように不活
性ガスＮｇおよび付加燃料ｆの供給を制御する機能を有
して構成されている。

【０１０９】他の制御装置１５２Ａ、１５３Ａ、・・１
５ｎＡも同様に、それぞれの気筒３２ａ、３３ａ、・・
３ｎａの出力および燃焼状態を前記圧力センサ１６１、
加速度センサ及びロードワッシャからの出力信号を受信
し、予め内蔵してあるそれぞれの気筒に固有な機関本体
の性能特性マップを参照して、所期の燃焼状態に制御す
る機能を有して構成されている。

【０１１０】制御装置１５１Ａと制御装置１５２Ａは信
号線１５２ａによって連結され、制御装置１５１Ａと制
御装置１５３Ａは信号線１５３ａによって連結され、同
様に各制御装置はそれぞれ信号線によって制御装置１５
１Ａに連結されている。この信号線によって、代表気筒
３１ａの燃焼状態を各制御装置１５２Ａ、１５３Ａ、・
・が検知できるよう構成されている。

【０１１１】上記構成の予混合圧縮自着火機関ＡＡ２の
作用を図９のフローチャートによって説明する。ステッ
プＳ１１においては、各気筒３１ａ、３２ａ・・の燃焼
状態を検出する。即ち、各気筒３１ａ、３２ａ・・に設
けられた圧力センサ１６１、加速度センサ及びロードワ
ッシャからの出力信号によって、燃焼状態を検出する。
これが、燃焼状態を検出する工程である。

【０１１２】ステップＳ１２においては、この場合の代
表気筒である気筒３１ａの燃焼状態を、図１〜図５の各
手段をパラメータとする固有の特性マップにもとづい
て、所期の状態とするよう制御する。これが、代表気筒
の制御パラメータを制御する工程である。

【０１１３】ステップＳ１３においては、代表気筒３１
ａとその他の気筒との燃焼状態との差異を、各気筒に設
けられた物理量計測の圧力センサ１６１、加速度センサ
及びロードワッシャからの出力信号によって偏差として
決定する。これが、偏差を決定する工程である。

【０１１４】ステップＳ１４においては、代表気筒３１
ａ以外の各気筒３２ａ、３３ａ、・・がそれぞれの偏差
を低減するよう図１〜図５の任意の手段をパラメ−タと
して制御する。これが、偏差が低減するように制御パラ
メータを制御する工程である。

【０１１５】ステップＳ１５においては、上記偏差低減
の効果を、燃焼状態を検出して確認する。

【０１１６】ステップＳ１６においては、それぞれの偏
差が許容な所定値以内にあるかを確認する。ＮＯであれ
ばステップＳ１４にもどり、ＹＥＳであればステップＳ
１７に進む。

【０１１７】ステップＳ１７では、各気筒すべての偏差
が所定値内にあり、機関全体としての性能が所定値にあ
るかを確認する。ＮＯであれば、ステップＳ１１にもど
り、ＹＥＳであれば制御を終了する。

【０１１８】図示の実施形態はあくまでも例示であり、
本発明の技術的範囲を減縮する趣旨の記述ではない。換
言すれば、図示の実施形態は、本発明の技術的範囲内
で、各種の変形や変更が可能である旨を付記する。

【０１１９】

【発明の効果】本発明の作用効果を、以下に列記する。（１）ミキサによって吸気管以前に予混合された予混
合気に、排気ガス還流（ＥＧＲ）または不活性ガスの供
給によって、筒内混合気の燃料分布を不均一にして異常
燃焼のない緩慢燃焼にし、付加燃料の供給による燃料供
給量の増加をするので、機関本体に損傷のない出力増加
ができる。（２）吸気系の吸気ポートに混合気の一部を冷却させ
て、筒内混合気を不均一にして緩慢燃焼させ、付加燃料
の供給による燃料供給量の増加をするので、機関本体に
損傷のない出力増加ができる。（３）燃焼状態を、機関本体に設けた圧力センサ、加
速度センサ、ロードワッシャによって検知し、緩慢燃焼
を確認し、供給燃料を増量するので、確実な制御ができ
る。（４）複数気筒の機関では、各筒ごとに上記制御をパ
ラメータとして制御し、気筒間のばらつきのない機関全
体として所期の性能を得ることができる。（５）複数気筒の機関で、代表とする気筒を前記制御
によって所期の性能を得て、他の気筒は代表気筒の発生
する筒内圧、振動、応力等の物理量にするよう偏差を制
御して、機関全体として所期の性能を得ることができ
る。機関形式によっては最も制御が簡単である。（６）吸気マニホールドの上流にミキサまたは、大型
インジェクタを設け、かつ各気筒の吸気ポートにミキサ
またはインジェクタを設ければ、正確な燃料供給量に制
御ができて各気筒間の偏差を少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第1実施形態の構成を示す図。

【図２】第２実施形態の構成を示す図。

【図３】第３実施形態の構成を示す図。

【図４】第４実施形態の構成を示す図。

【図５】第５実施形態の構成を示す図。

【図６】第６実施形態の構成を示す図。

【図７】図６の機関の作用フローチャートを示す図。

【図８】第７実施形態の構成を示す図。

【図９】図８の機関の作用フローチャートを示す図。

【図１０】従来の予混合圧縮自着火機関の構成を示す
図。

【図１１】従来の機関における燃焼状態を示す図。

【符号の説明】

Ａｉｒ・・吸入空気Ｆｇ・・燃料ｆ・・・付加燃料Ｇｐ・・予混合気１・・・予混合圧縮自着火機関２・・・燃料管３・・・機関（または気筒）本体４・・・吸気管４ａ・・分岐部５・・・第１の吸気ポート６・・・第２の吸気ポート８
・・・インジェクタ９・・・制御弁１０・・燃料管１１
・・還流管１１ｖ・・還流弁１３・・第１の排気ポート
１４・・第２の排気ポート１５・・制御装置１６・・圧
力センサ１７・・加速度センサ１８・・ロードワッシャ
２１・・多重信号線２２・・制御線

───────────────────────────────────────────────────── 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 25/00 Ｆ０２Ｍ 25/00 ＬＨ 25/07 25/07 Ａ５５０５５０Ｇ５８０５８０Ｄ 31/20 31/20 Ｂ (72)発明者森本智史東京都港区海岸一丁目５番20号東京瓦斯株式会社内 (72)発明者川端康晴東京都港区海岸一丁目５番20号東京瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 3G062 AA03 BA04 DA01 EA10 ED04 FA06 FA11 GA00 GA20 3G084 AA00 AA05 BA01 BA11 BA20 DA01 DA28 DA38 DA39 EB08 EB11 FA19 FA21 FA25 3G092 AA00 AA05 AA17 AB06 AB11 AB20 DC08 DE02S EA01 EA02 EC01 EC10 FA00 FA01 FA15 FA16 HB01X HB01Z HC00X HC00Z HC01X HC01Z HC04X HC04Z HC05X HC05Z HD07X HD07Z 3G301 HA00 HA13 HA22 HA24 JA01 JA22 JA37 LB05 NA08 NC04 ND01 NE01 NE02 PC00A PC00Z PC01A PC01Z PC06A PC06Z PC08A PC08Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気及び燃料を気筒内へ供給し、気筒内
の空気及び燃料の混合気を圧縮して自着火せしめる予混
合圧縮自着火機関において、気筒内の燃焼を緩慢化する
様に構成されていると共に、燃料の供給量を増加する制
御を行なう様に構成されていることを特徴とする予混合
圧縮自着火機関。
【請求項２】還流ガス供給ライン上に燃料供給機構を
有する請求項１の予混合圧縮自着火機関。
【請求項３】気筒内に燃料及び空気の混合気を供給す
る吸気系に、不活性ガスを供給する機構を有している請
求項１の予混合圧縮自着火機関。
【請求項４】気筒に供給される空気及び燃料の混合気
を冷却する予混合気冷却手段を設け、該予混合気冷却手
段を設けた吸気系を介して気筒に供給される燃料供給量
を増加する様に構成されている請求項１の予混合圧縮自
着火機関。
【請求項５】複数気筒を有する請求項１−４の予混合
圧縮自着火機関の運転制御方法において、各気筒の燃焼
状態を検出する工程と、制御パラメータと燃焼状態との
特性マップに基づいて各気筒の燃焼状態の検出結果から
当該制御パラメータを制御する工程、とを有することを
特徴とする運転制御方法。
【請求項６】複数気筒を有する請求項１−４の予混合
圧縮自着火機関の運転制御方法において、各気筒の燃焼
状態を検出する工程と、制御パラメータと燃焼状態との
特性マップに基づいて複数気筒中の代表気筒における燃
焼状態の検出結果から当該代表気筒の制御パラメータを
制御する工程と、その他の気筒と代表気筒との燃焼状態
における偏差を決定する工程と、当該偏差が低減する様
に制御パラメータを制御する工程、とを有することを特
徴とする運転制御方法。