JP2003232252A - 予混合圧縮自着火エンジン及びその起動運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、予混合圧縮自着火エンジン
において、簡単な構成で、強制着火運転から高効率且つ
高出力の定常運転にスムーズに移行することができる起
動運転技術を提供する点にある。 【解決手段】 起動時において、加熱された混合気を燃
焼室において圧縮して自着火させる強制着火運転の後
に、燃焼室に形成される混合気の温度を所定の低下量づ
つ低下させる毎に、ノッキングが検出されるまで、燃焼
室へ供給する燃料の流量を増加させる移行運転を行な
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室に酸素含有
ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室に形成された混合
気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンに
関し、特に、このような予混合圧縮自着火エンジンの安
定して起動させるための起動運転技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記の予混合圧縮自着火エンジンは、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、ディーゼルエンジンのよう
に燃焼室で圧縮された高圧空気中に燃料を噴射して燃焼
させるのではなく、主には、吸気行程において燃焼室に
混合気若しくは空気等の新気を吸気して燃焼室内に混合
気を形成し、圧縮行程において燃焼室に形成された混合
気を圧縮自着火させ、膨張行程において燃焼させ、排気
行程において燃焼室の排ガスを排気路に排出するように
構成され、圧縮比を増加させて効率の向上が可能である
と共に、燃料を希薄状態で燃焼させ低ＮＯｘ化が可能と
なる。特に、燃料が天然ガス系都市ガス等の気体燃料の
エンジンを構成する場合、ディーゼルエンジンとして構
成して気体燃料を高圧で噴射することが困難であるた
め、予混合圧縮自着火エンジンとして構成して混合気を
圧縮自着火して燃焼させるほうが容易である。

【０００３】このような予混合圧縮自着火エンジンで
は、圧縮による温度上昇によって燃料の自己着火を用い
て燃料を燃焼させるので、起動運転時において燃焼室の
壁温等がある一定の温度に達していないと、混合気を安
定して自着火させることが困難となる。このため、起動
運転時に予混合圧縮自着火エンジンを安定して運転する
ためには、ある一定時間の暖機運転を行って前記燃焼室
の壁温等を昇温する必要がある。そこで、このような問
題を解決するための予混合圧縮自着火エンジンの起動運
転方法として、吸気路に設けたバーナ装置で生成された
加熱ガスに燃料を供給して加熱予混合気を形成し、その
加熱予混合気を燃焼室で圧縮自着火させる強制自着火運
転を行なうことにより、燃焼室の壁面を充分に加熱する
暖機運転方法がある（特開２００１−２２１０７４号公
報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、予混合圧縮
自着火エンジンにおいて、燃焼室に吸気する混合気の温
度が低いほど、燃焼室への充填効率が向上すると共に、
混合気の当量比のノッキング限界値が向上するので、効
率及び出力を向上させることができる。そこで、前述の
予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の強制着火運
転において、加熱混合気が燃焼室において安定して自着
火燃焼するようになった後に、燃焼室に吸気される混合
気の温度をできるだけ低くして定常運転を行なうことが
好ましいが、予混合圧縮自着火エンジンにおいてむやみ
に混合気の温度を低下させると、燃焼室において混合気
の自着火が発生しない所謂失火が起こり燃焼室における
混合気の燃焼状態が不安定となり問題である。

【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において、簡単な構成
で、強制着火運転から高効率且つ高出力の定常運転にス
ムーズに移行することができる起動運転技術を提供する
点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの第一特徴構
成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、
燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室
に形成された混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮
自着火エンジンであって、前記燃焼室に吸気される酸素
含有ガス又は混合気を加熱量調整を伴って加熱可能な加
熱手段と、前記燃焼室への前記燃料の流量を調整可能な
燃料流量調整手段と、ノッキングを検出するノッキング
検出手段とを備え、起動時において、前記加熱手段によ
り加熱された混合気を前記燃焼室において圧縮して自着
火させる強制着火運転の後に、前記加熱手段の加熱量調
整により前記燃焼室に形成される混合気の温度を所定の
低下量づつ低下させる毎に、前記ノッキング検出手段に
よりノッキングが検出されるまで、前記燃料流量調整手
段により前記燃料の流量を増加させる移行運転を行なう
移行運転手段を備えた点にある。

【０００７】即ち、本発明に係る予混合圧縮自着火エン
ジンの上記第一の特徴構成によれば、例えば、加熱手段
により吸気路を流通する空気（酸素含有ガス）又は混合
気である新気を加熱すると共に、モータ又は他のエンジ
ン等の駆動源によりクランク軸の回転を維持して、燃焼
室に加熱された加熱混合気を形成し、燃焼室においてそ
の加熱混合気を圧縮する強制自着火運転を行なって、加
熱混合気を燃焼室で安定して自着火させることができる
ようになった後に、移行運転手段により移行運転を行な
うものであって、その移行運転手段は、混合気の温度及
び燃料の流量を適切なものに設定して、混合気の温度を
できるだけ低くして、高効率且つ高出力を実現して、定
常運転に移行することができる。

【０００８】詳しくは、強制自着火運転において加熱手
段により加熱された加熱混合気を燃焼室で安定して自着
火させることができるようになった後に、移行運転手段
は、移行運転において、加熱手段の加熱量を低下させて
混合気の温度を低下させるのであるが、混合気の温度を
大幅に低下させるのではなく、失火を回避することがで
きる程度の所定の低下量づつ低下させる。そして、移行
運転手段は、移行運転において、上記のように混合気の
温度を所定量づつ低下させる毎に、ノッキング検出手段
によりノッキングが検出されるまで、燃料流量調整手段
により燃焼の流量を、ノッキング限界付近まで増加させ
ることができる。

【０００９】よって、このような移行運転を行なうこと
で、混合気の当量比を高効率なノッキング限界付近に維
持したまま、混合気の温度をできるだけ低下させること
ができるので、燃焼状態を安定したものに維持したまま
高効率且つ高出力の定常運転にスムーズに移行すること
ができる。

【００１０】同第二特徴構成は、特許請求の範囲の欄の
請求項２に記載した如く、上記第一の特徴構成に加え
て、前記移行運転手段が、前記移行運転を行なうに、前
記混合気の温度を所定量低下させるステップと、前記燃
料の流量を前記ノッキング検出手段によりノッキングが
検出されるまで増加させるステップと、前記燃料の供給
量を所定量減少させてノッキングを回避するステップと
を、順番に前記混合気の温度が所定の下限界温度になる
まで繰り返すように構成されている点にある。

【００１１】即ち、上記第二の特徴構成によれば、移行
運転手段が、移行運転において、上記の各ステップを順
に実行し、さらに、それらのステップを混合気の温度が
所定の下限界温度となるまで繰り返し実行することで、
簡単に、燃焼室に吸気される混合気の温度をできるだけ
低下させ、且つ当量比をできるだけ増加させて、高効率
且つ高出力の定常運転に移行することができる。

【００１２】同第三特徴構成は、特許請求の範囲の欄の
請求項３に記載した如く、上記第一又は二の特徴構成に
加えて、前記燃焼室における前記自着火の発生を判定す
る自着火判定手段を備え、前記強制着火運転において、
前記自着火判定手段により前記自着火が発生したことを
判定するまで前記燃料の流量を所定の増加割合で増加さ
せる強制自着火運転手段を備えた点にある。

【００１３】即ち、上記第三の特徴構成によれば、吸気
路を流通する新気を加熱するなどして燃焼室に供給され
る混合気を加熱可能な加熱手段を働かせながら、モータ
又は他のエンジン等の駆動源によりクランク軸の回転を
維持することで、燃焼室において加熱混合気を圧縮する
強制自着火運転時において、強制自着火運転手段によ
り、自着火判定手段の判定結果に基づいて燃料流量調整
手段を働かせて、燃焼室において安定した自着火が発生
するように燃料の流量を設定することができる。

【００１４】詳しくは、強制自着火手段により、強制自
着火運転において、燃焼室へ供給される燃料の流量を設
定するに、強制自着火運転開始時に設定された過早発火
を防止することができる程度の比較的小さい燃料の初期
流量に対して、自着火判定手段で自着火が発生したこと
を判定するまで、燃料流量調整手段により、連続的又は
段階的に燃料の流量を増加させることで、燃焼室におい
て自着火が殆ど発生しない強制自着火運転開始時から時
間が経過するにつれて、スムーズに燃焼室において自着
火が発生するようになる。そして、燃焼室において自着
火が発生したときには、そのときに設定した燃料の流量
を保持し、さらに、一旦自着火が発生した燃焼室におい
て再度失火が発生したときには、一層燃料の流量を増加
することで、燃焼室において安定して自着火を発生させ
ることができる。よって、このような強制自着火運転を
行なうことで、燃焼室において加熱混合気を安定且つス
ムーズに自着火させることができ、例えば、燃焼室の壁
温等の状態を、迅速且つスムーズに、移行運転を開始す
ることができる。

【００１５】同第四特徴構成は、特許請求の範囲の欄の
請求項４に記載した如く、上記第一から三の何れかの特
徴構成に加えて、前記加熱手段が、吸気路の酸素の一部
を利用してバーナ用燃料を燃焼させて新気を加熱するこ
とで、前記混合気を加熱するバーナ装置である点にあ
る。

【００１６】即ち、上記第四の特徴構成によれば、加熱
手段としてのバーナ装置は、吸気路に噴出したバーナ用
燃料を新気に含まれる酸素の一部を利用して燃焼させ、
この燃焼排ガスを新気に混入させることで新気を加熱
し、この新気により形成される混合気を加熱することが
できる。また、バーナ装置は、吸気路の新気に含まれる
酸素の一部を利用してバーナ用燃料を燃焼させるので、
燃焼室においては、残部の酸素を利用して、燃料が圧縮
自着火燃焼することになる。よって、加熱手段をバーナ
装置により簡単に構成することができる。

【００１７】また、加熱手段をバーナ装置として構成す
る場合は、バーナ装置を、バーナ用燃料を間欠的に燃焼
させるパルスバーナ、若しくはバーナ燃料を互いに衝突
するように噴出して燃焼させるインパクトバーナとして
構成することができる。このようなパルスバーナ及びイ
ンパクトバーナは、燃焼量を変化させる幅（ＴＤＲ）
が、通常の例えばブンゼンバーナと比べて広いので、最
適な燃焼量を得ることが容易であり、好都合である。パ
ルスバーナは、バーナ用燃料を間欠的に燃焼させるた
め、その間欠燃焼時間を変化させることによって広いＴ
ＤＲを取ることができる。インパクトバーナはバーナ用
燃料を複数のノズルから噴出して互いに衝突させること
により、その衝突部に渦を発生させ、保炎を容易に行う
ことができるため、広いＴＤＲを取ることができる。

【００１８】この目的を達成するための本発明に係る予
混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の特徴構成は、
特許請求の範囲の欄の請求項５に記載した如く、燃焼室
に酸素含有ガスと燃料とを供給して、前記燃焼室に形成
された混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火
エンジンの起動運転方法であって、起動時において、加
熱された前記混合気を前記燃焼室において圧縮して自着
火させる強制着火運転の後に、前記燃焼室に形成される
混合気の温度を所定の低下量づつ低下させる毎に、ノッ
キングが検出されるまで、前記燃焼室へ供給する燃料の
流量を増加させる移行運転を行なう点にある。

【００１９】即ち、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、上記第一から四の何れかの特徴
構成を有する予混合圧縮自着火エンジンにより実行する
ことができ、上記第二の特徴構成と同様の作用効果を発
揮することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の予混合圧縮自着火
エンジン１に関する実施の形態を図面に基づいて説明す
る。図１に示す予混合圧縮自着火エンジン１は、吸気弁
５及び排気弁６を備えたシリンダ７と、このシリンダ７
内に収納されるピストン８を備えて構成されている。こ
のシリンダ７とピストン８との間に形成されている空間
が、燃焼室９である。ピストン８は連結棒１０によって
クランク軸１１に接続されており、ピストン８の往復動
は連結棒１０によってクランク軸１１の回転運動として
得られる。この構成により、吸気路１２の混合気は吸気
弁５を介し燃焼室９内へ吸気され、圧縮、膨張行程を経
た後、排ガスＥが排気弁６を介して排気路１３側へ排気
される。

【００２１】また、予混合圧縮自着火エンジン１は、ミ
キサ１５を備えており、ミキサ１５は、上流側から供給
される空気Ａに、天然ガスであるエンジン用燃料Ｇを遮
断弁２１及びＭＦＣ（マスフローコントローラ）２０を
介して供給することで、吸気路１２に混合気を形成する
ように構成されている。

【００２２】ＭＦＣ２０は、ＥＣＵ（エンジンコントロ
ールユニット）２２によって制御され、空気Ａへのエン
ジン用燃料Ｇの流量、即ち燃焼室９へのエンジン用燃料
Ｇの流量を調整可能な燃料流量調整手段として機能す
る。また、ＥＣＵ２０は、クランク軸１１の回転角度即
ちクランク角を検出可能なクランク角センサＳ１の出力
信号から、燃焼室９への空気Ａの流量を推測し、その空
気Ａの流量に基づいてＭＦＣ２０を働かせて、吸気路１
２に形成される混合気の当量比を設定可能に構成されて
いる。なお、ミキサ１５により形成された混合気は、吸
気路１２から燃焼室９に吸気される。

【００２３】予混合圧縮自着火エンジン１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４サイクルエンジンとして構成さ
れている。通常、４サイクルエンジンは、前記吸気行程
においては、吸気弁５のみが開状態とされて、吸気路１
２内の混合気の吸気が行われる。圧縮行程においては、
吸気弁５及び排気弁６が共に閉状態とされピストン８が
燃焼室９の容積を減少させる方向に移動し、燃焼室９内
において混合気の圧縮が起こる。この圧縮が完了する状
態におけるピストン８の位置が、上死点と呼ばれ、予混
合圧縮自着火エンジン１における混合気の圧縮自着火
は、この位置の近傍にピストン８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８が燃焼室９の容積を増加させる方向に移動
する行程である。この行程にあっても、吸気弁５及び排
気弁６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６のみが開状態とされ、ピストン８の燃焼
室９内空間を減少させる方向への移動に伴って燃焼室９
内の排ガスＥが排出される。基本的に予混合圧縮自着火
エンジン１も、着火形式が、予混合気を圧縮して、この
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。

【００２４】さらに、予混合圧縮自着火エンジン１は、
加熱手段３としてバーナ装置１４を備えており、このバ
ーナ装置１４の詳細について図２に基づいて説明する。
バーナ装置１４は、バーナ用燃料Ｇを互いに衝突するよ
うに噴出して燃焼させて、保炎を強化するように構成さ
れており、このことによって燃焼量の変化割合（ＴＤ
Ｒ）を大きく取ることができるインパクトバーナであ
る。バーナ装置１４は、両端が絞られたバーナ燃焼室４
９を規定し、両端に流入口４５と排出口４４とを有する
筒体４３と、流入口４５の外周部にフランジ４２と、排
出口４４の外周部にフランジ４１とを備えており、フラ
ンジ４２が内燃機関１において空気Ａが流入する側に接
続され、フランジ４１がミキサ１５及び予混合圧縮自着
火エンジン１側に接続されている。

【００２５】さらに、バーナ装置１４は、ＥＣＵ２２に
よって制御されるＭＦＣ１９を介してバーナ用燃料Ｇを
バーナ燃焼室４９に導くための管部材４６と、管部材４
６のバーナ燃焼室４９における端部にバーナノズル４６
ａと、バーナノズル４６ａの噴出方向の近傍に火花を発
生するスパークロット４８とを備えている。そして、Ｅ
ＣＵ２２によって、ＭＦＣ１９を働かせてバーナ用燃料
Ｇをバーナノズル４６に設けられた複数の噴孔（図示せ
ず）からバーナ燃焼室４９に互いに衝突させながら噴出
させるのと共に、スパークロット４８を働かせてこの噴
出したバーナ用燃料Ｇを着火することで、バーナ燃焼室
４９においてコンパクトな炎で燃焼させることができ
る。このバーナ装置１４により、吸気路１２を流通する
空気Ａに含有される酸素の一部を利用してバーナ用燃料
Ｇを燃焼させ、この高温の燃焼排ガスが混入され昇温し
た空気Ａを排出口４４から吸気路１２に排出することが
できる。また、このようなインパクトバーナは、通常の
バーナ例えばブンゼンバーナと比べて保炎性がよく、燃
焼量を変化できる幅（ＴＤＲ）が大きいため、最適な燃
焼量を取ることが容易である。また、バーナ燃焼室４９
には、フレームロット４７が備えられ、バーナ燃焼室４
９における火炎を検出して、ＥＣＵ２２に出力し、バー
ナ装置１４が正常に運転されているかを確認することが
できる。

【００２６】さらに、本実施形態の予混合圧縮自着火エ
ンジン１には、吸気路１２における吸気弁５付近の温度
（吸気温度）を検出する温度センサＴ１、排気路１７に
おける排気弁６付近の温度（排気温度）を検出する温度
センサＴ２、吸気路１２におけるミキサ１５出口付近の
温度（吸気温度）を検出する温度センサＴ３、燃焼室９
の壁部の温度（燃焼室温度）を検出する温度センサＴ
４、冷却水ジャケット１８から排出される冷却水の温度
（冷却水温度）を検出する温度センサＴ５等の温度セン
サが適宜設けられ、さらに、吸気路１２の圧力（吸気圧
力の一例）を検出する圧力センサＰ１、燃焼室９の圧力
（燃焼室圧力）を検出する圧力センサＰ２等の圧力セン
サが適宜設けられる。また、シリンダ７には振動レベル
を検出することによりノッキング強度を検出可能なノッ
キングセンサＮ１が設けられている。また、これらのセ
ンサの検出結果はＥＣＵ２２に入力される。

【００２７】次に、このように構成された予混合圧縮自
着火エンジン１の起動運転について説明する。尚、本実
施形態の予混合圧縮自着火エンジン１の仕様は、シリン
ダ７のボア径が１１０ｍｍ、ピストン８のストロークが
１０６ｍｍ、圧縮比が１８となっており、定常運転にお
いて、大気圧程度で当量比０．３程度の混合気を圧縮自
着火燃焼させ、回転数１２００ｐｐｍ程度でクランク軸
１１を回転させるように構成されている。尚、図３は、
本実施形態の予混合圧縮自着火エンジン１の起動運転さ
せたときに計測した、クランク軸１１の回転数、バーナ
用燃焼Ｇの流量、吸気温度、排気温度、エンジン用燃料
の流量、正味出力、正味熱効率の変化状態を示すグラフ
図である。

【００２８】先ず、予混合圧縮自着火エンジン１の運転
を開始する前に、ＥＣＵ２２に運転開始指令が入力され
る。しかし、その時点において予混合圧縮自着火エンジ
ン１の特に燃焼室壁９ａは未だ低温であり、定常運転と
同様に常温の予混合気を供給しても、完全に圧縮自着火
させることができない。

【００２９】そこで、本発明の予混合圧縮自着火エンジ
ン１においては、ＥＣＵ２２は、運転開始指令が入力さ
れた後に、例えばクランク軸１１をセルモータ２３によ
り１２００ｒｐｍ程度で回転させるモータリングを行な
った後に、バーナ装置１４を働かせて、ミキサ１５にお
いてエンジン用燃料Ｇを供給しない状態で、燃焼室９側
に高温の燃焼排ガスを供給して、予混合圧縮自着火エン
ジン１を暖機する暖機運転を行なう。このような暖機運
転は、温度センサＴ３により検知される吸気温度が所定
の目標値に昇温するまで行われる。

【００３０】また、この暖機運転において、ＥＣＵ２２
は、温度センサＴ３により検出された吸気温度が、目標
値に到達するまで、ＭＦＣ１９を働かせて、前記バーナ
装置１４における燃焼量、即ちバーナ装置１４へのバー
ナ用燃料Ｇの流量を所定の増加割合で増加させること
で、予混合圧縮自着火エンジン１の暖機を迅速に完了さ
せることができ、さらに、吸気温度が目標値に到達した
後はバーナ用燃料Ｇの流量を所定の減少割合で減少させ
る。

【００３１】詳しくは、ＥＣＵ２２は、暖機運転開始時
に、ＭＦＣ１９を働かせて、バーナ用燃料Ｇの流量を比
較的小さい初期流量としての例えば２．０Ｌ／ｍｉｎに
設定する。そして、吸気温度が目標値としての例えば２
１０℃未満の場合には、上記バーナ用燃料Ｇの流量を例
えば０．０１Ｌ／ｍｉｎづつ増加させ、吸気温度が目標
値以上の場合には、上記バーナ用燃料Ｇの流量を例えば
０．０５Ｌ／ｍｉｎづつ減少させる。

【００３２】尚、暖機運転において、本実施形態におい
て、バーナ装置１４は、バーナ用燃料Ｇを、吸気路１２
内の酸素の一部を利用して当量比０．１〜０．２程度の
範囲内で燃焼させるように構成されており、吸気温度の
目標値は２１０℃程度に設定され、実際の吸気温度は５
０℃程度から２５０℃程度となる。

【００３３】ＥＣＵ２２は、暖機運転を行なって吸気温
度が目標値に到達した後に、セルモータ２３によるクラ
ンク軸１１の回転及び加熱手段３による空気Ａの加熱を
維持したまま、ＭＦＣ２０によりミキサ１５におけるエ
ンジン用燃料Ｇの供給を開始して、燃焼室９に加熱され
た加熱混合気を吸気させる強制自着火運転を行なう強制
自着火運転手段２４として機能し、その強制自着火運転
について次に説明する。

【００３４】即ち、ＥＣＵ２２は、強制自着火運転にお
いて、バーナ装置１４を運転したまま、ＭＦＣ２０を働
かせてミキサ１５にエンジン用燃料Ｇを供給して、吸気
路１２の燃焼排ガスが混入されて昇温した空気Ａにエン
ジン用燃料Ｇを供給して、吸気路１２に例えば当量比
０．３程度の加熱された加熱混合気を形成する。なお、
当量比０．３程度のときのエンジン用燃料Ｇの流量は１
７．０Ｌ／ｍｉｎ程度となる。

【００３５】そして、その加熱混合気は吸気路１２から
燃焼室９に吸気される。尚、このときに、ＥＣＵ２２
は、温度センサＴ３等で混合気の温度を検出しながら、
バーナ装置１４における燃焼量を設定して、燃焼室９に
吸気される混合気の温度を、２００℃〜２５０℃程度の
範囲内に設定する。

【００３６】この強制自着火運転において、ＥＣＵ２２
は、燃焼室９における自着火の発生を判定する自着火判
定手段２３として機能するように構成されている。詳し
くは、自着火判定手段２３は、例えば、５〜２０秒間
隔、好ましくは１０〜１５秒間隔の所定の判定時間間隔
毎に、温度センサＴ２で検出された排気温度、圧力セン
サＰ２で検出された燃焼室圧力、及びノッキングセンサ
Ｎ１で検出された振動レベルを取り込み、それらが所定
の設定値以上となったときに、燃焼室９において加熱混
合気が自着火したと判断し、それら排気温度及び燃焼室
圧力及び振動レベルの何れか１つが設定値以下の場合に
は、燃焼室９において加熱混合気が自着火していないと
判断するように構成されている。

【００３７】なお、この自着火判定手段２３は、上記排
気温度を用いて自着火の発生を判定するように構成する
以外に、以下のように構成することもできる。即ち、自
着火判定手段２３は、温度センサＴ１，Ｔ３で検出され
る加熱混合気の温度が燃焼室９において自着火するに充
分な温度以上となった場合に、燃焼室９において自着火
が発生したと推定するように構成することができる。ま
た、自着火判定手段２３は、温度センサＴ４で検出され
る燃焼室９の壁部９ａの温度又は温度センサＴ５で検出
される冷却水の温度が、燃焼室９において自着火が発生
したと推定される設定値以上となった場合に、燃焼室９
において自着火が発生したと判断するように構成するこ
とができる。また、自着火判定手段２３は、ノッキング
センサＮ１で検出される振動レベルが燃焼室９において
自着火が発生したと推定される設定値以上となった場合
に、燃焼室９において自着火が発生したと判断するよう
に構成することができる。

【００３８】また、排気路１３に排出された排ガスＥの
運動エネルギを利用して吸気路１２の空気Ａを過給する
ターボ式過給機２５を備える場合において、このターボ
式過給機の運転状態は、運転開始時からの経過、言い換
えれば暖機の経過に伴って、起動初期から徐々に過給圧
を増加させるような状態となるので、自着火判定手段２
３を、圧力センサＰ１で検出される吸気圧力が燃焼室９
において自着火するに充分な圧力以上となった場合に、
燃焼室９において自着火が発生したと推定するように構
成することができる。また、自着火判定手段２３は、そ
れらのセンサの検出結果を総合的に監視して、燃焼室９
において自着火が発生しているかを判定することもでき
る。

【００３９】さらに、ＥＣＵ２２は、上記のような強制
自着火運転を行なうと共に、この強制自着火運転におい
て、自着火判定手段２３の判定結果に基づいてＭＦＣ２
０を働かせてエンジン用燃料Ｇの流量設定を行なう強制
自着火運転手段２４として機能するように構成されてい
る。

【００４０】即ち、強制自着火運転手段２４は、燃料流
量設定を行なうに、自着火判定手段２３により自着火が
発生したことを判定するまでエンジン用燃料Ｇの流量
を、所定の増加割合で増加させるように構成される。詳
しくは、強制自着火運転手段２４は、強制自着火運転開
始時に、ＭＦＣ２０を働かせて、エンジン用燃料Ｇの流
量を燃焼室９において加熱混合気の過早発火を防止する
ことができる程度の比較的小さい初期流量として、例え
ば２．０Ｌ／ｍｉｎに設定する。

【００４１】そして、強制自着火運転手段２４は、所定
の判定時間間隔（５〜２０秒間隔、好ましくは１０〜１
５秒間隔）毎に自着火の発生を判定する自着火判定手段
２３において自着火が発生しなかったと判断したときに
は、上記エンジン用燃料Ｇの流量を例えば０．５Ｌ／ｍ
ｉｎづつ増加させ、自着火判定手段２３において自着火
が発生したと判断したときには、上記エンジン用燃料Ｇ
の流量の増加を停止することで、燃焼室９において安定
して自着火を発生させることができる。従って、このよ
うな強制自着火運転手段２４により、強制自着火運転時
において、過早発火及び失火を抑制しながら、燃焼室９
において加熱混合気を安定且つスムーズに自着火させる
ことができる。

【００４２】また、強制自着火運転において、バーナ装
置１４へのバーナ用燃料Ｇの流量は、吸気温度に基づい
て調整されているので、自着火が発生して、エンジンの
暖機が進むにつれ自動的に減少する。また、このバーナ
装置１４へのバーナ用燃料Ｇの流量が、所定値以下とな
ったときには、このバーナ装置１４へのバーナ用燃料Ｇ
の供給を停止するように構成しても構わない。

【００４３】また、ＥＣＵ２２は、上記のような強制自
着火運転において自着火が発生した以降において、ノッ
キングセンサＮ１によりノッキングが発生したことを検
出したときに、ＭＦＣ２０によりエンジン用燃料Ｇを所
定の減少量減少させてノッキングを回避するように構成
されており、このような構成により、図３に示すよう
に、自着火が開始された後に、エンジン用燃料Ｇの流量
が若干低下することがある。

【００４４】自着火判定手段２３は、燃焼室９において
例えば１００秒間等の所定時間連続して自着火が発生し
た場合に、燃焼室９において自着火が安定して発生して
いると判断するように構成されており、ＥＣＵ２２は、
このように自着火判定手段２３により、燃焼室９におい
て自着火が安定して発生していると判断した後に、次の
移行運転を行なう移行運転手段２５として機能し、この
移行運転について次に説明する。

【００４５】即ち、ＥＣＵ２２の移行運転手段２５は、
移行運転において、ＭＦＣ１９を働かせてバーナ用燃料
Ｇの流量を減少させて、吸気温度を徐々に低下させると
共に、ノッキングセンサＮ１によりノッキング検出を行
ないながら、ＭＦＣ２０を働かせてエンジン用燃料Ｇの
流量をノッキング限界以下で徐々に増加させることで、
燃焼室９に吸気する混合気の当量比を高効率なノッキン
グ限界付近に維持したまま、混合気の温度をできるだけ
低下させ、燃焼状態を安定したものにして、高効率且つ
高出力の定常運転にスムーズに移行させるように構成さ
れている。

【００４６】詳しくは、図５（イ）に示す予混合圧縮自
着火エンジンにおける吸気温度と当量比とに対するノッ
キング発生領域及び不安定燃焼領域の状態、及び、図５
（ロ）に示す予混合圧縮自着火エンジンにおける吸気温
度と図示効率とに対するノッキング発生領域及び不安定
燃焼領域の状態のように、移行運転開始時（図５におい
て、「×」を付して示されている。）において、燃焼室
９へは２００℃程度の比較的高温の混合気が吸気されて
いるので、当量比及び図示効率が比較的低い状態となっ
ている。

【００４７】そして、移行運転手段２５は、吸気される
混合気の温度（吸気温度）をできるだけ低くして、燃焼
室９への充填効率を向上させると共に、混合気の当量比
のノッキング上限界を向上させることで効率及び出力を
向上させる。

【００４８】詳しくは、移行運転手段２５は、図４に示
すように、移行運転において、先ず、バーナ用燃料Ｇを
減少させて吸気温度の目標値を例えば５℃程度の所定の
低下量低下させる（＃１０１）。

【００４９】次に、移行運転手段２５は、温度センサＴ
３により吸気温度が目標値になったかを判定し（＃１０
２）、吸気温度が目標値になった時点で、ＭＦＣ２０を
働かせてエンジン用燃料Ｇの流量を、例えば５秒周期で
０．０３Ｌ／ｍｉｎ程度の所定の増加量づつ増加させる
（＃１０４）。

【００５０】そして、移行運転手段２５は、エンジン用
燃料Ｇを所定の増加量づつ増加させる毎に、ノッキング
センサ１により、ノッキングが発生しているかを判定し
（＃１０４）、ノッキングが発生していると判断したと
き（図５において、「◆」を付して示されている。）に
は、エンジン用燃料Ｇを例えば０．３ｌ／ｍｉｎ程度の
所定の減少量減少させて（＃１０６）、ノッキングを回
避した後に、吸気温度の目標値が例えば１８０℃程度の
所定の下限界値より大きいかを判定し（＃１０６）、吸
気温度が下限界値となるまで、上記＃１０１から＃１０
５の工程を繰り返し行ない、後に、次の定常運転が行わ
れる。尚、移行運転において、上記のエンジン用燃料Ｇ
の増加量、及びノッキング回避のためのエンジン用燃料
Ｇ減少量、及び温度の低下量は、適宜設定することが可
能であり、例えば、移行運転初期の吸気温度及び当量比
に対する安定運転領域が広い時期には、吸気温度の低下
量及びエンジン用燃料Ｇの減少量を大き目に設定すると
共に、吸気温度が目標値に近くなる移行運転後期の吸気
温度及び当量比に対する安定運転領域が狭い時期には、
それらを小さ目に設定しても構わない。

【００５１】このように移行運転手段２５により行われ
る移行運転が終了した（図５において、「○」を付して
示されている。）後に、定常運転を行なうことで、ノッ
キングを回避できる限界付近において、できるだけ吸気
温度が低く、エンジン用燃料Ｇの流量、即ち燃焼室９で
自着火燃焼する混合気の当量比が大きくして、高効率な
運転状態を実現することができ、図３及び図５（ロ）に
おいても、出力及び効率が移行運転から定常運転にかけ
て高くなる様子が確認できる。

【００５２】また、強制自着火運転、移行運転、定常運
転において、バーナ装置１４で生成される燃焼排ガスを
燃焼室９に吸気される混合気に混入させることは、排ガ
スを再循環させて燃焼室９における燃焼速度を緩慢にす
るＥＧＲと同様の低ＮＯｘ化の効果を得ることができる
が、移行運転及び定常運転にかけてバーナ用燃料Ｇの流
量低下により混合気への燃焼排ガスの混入量が低下する
ので、その燃焼排ガスの低下分に相当する排ガスを、Ｅ
ＧＲ流路を介して排気路１３から燃焼室９に再循環させ
るか、排気弁６の閉時期を進角化して燃焼室９に残留さ
せるように構成することが好ましい。

【００５３】〔別実施の形態〕 〈１〉 本願の予混合圧縮自着火エンジンに使用できる
エンジン用燃料及びバーナ用燃料としては、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。

【００５４】〈２〉 燃焼室に形成される混合気は、エ
ンジン用燃料とこのエンジン用燃料が燃焼するための酸
素を含有する酸素含有ガスを混合したものであり、例え
ば、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。

【００５５】〈３〉 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。

【００５６】〈４〉 上記の実施の形態において、ミキ
サ１５は、吸気路１２に流通する空気Ａにエンジン用燃
料Ｇを噴射して混合気を形成する燃料噴射弁としても構
わない。また、燃焼室９に混合気を形成するに、吸気路
１２に混合気を形成するのではなく、燃焼室９にエンジ
ン用燃料Ｇを直接噴射する燃料噴射弁を備え、吸気路１
２からは空気のみを吸気し、吸気行程若しくは圧縮行程
初期においてエンジン用燃料Ｇを噴射して燃焼室に混合
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す予混合圧縮自着火エ
ンジンの概略構成図

【図２】図１に示す予混合圧縮自着火エンジンに設けら
れたバーナ装置の拡大断面図

【図３】本実施形態の予混合圧縮自着火エンジン１の起
動運転させたときの各種変化状態を示すグラフ図

【図４】移行運転の流れを示すフロー図

【図５】吸気温度と当量比及び図示効率とに対するノッ
キング発生領域及び不安定燃焼領域の状態を示すグラフ
図

【符号の説明】

１：予混合圧縮自着火エンジン ３：加熱手段 ４：開閉タイミング可変機構 ５：吸気弁 ６：排気弁 ７：シリンダ ８：ピストン ９：燃焼室 ９ａ：燃焼室壁 １０：連結棒 １１：クランク軸 １２：吸気路 １３：排気路 １４：バーナ装置 ２２：ＥＣＵ ２３：自着火判定手段 ２４：制御手段 Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５：温度センサ Ｐ１，Ｐ２：圧力センサ Ｎ１：ノッキングセンサ Ｓ１：クランク角センサ Ａ：空気 Ｇ：燃料 Ｅ：排ガス

───────────────────────────────────────────────────── 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 41/06 ３８０ Ｆ０２Ｄ 41/06 ３８０Ｚ 41/38 41/38 Ｃ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｄ ３０１Ｐ Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｌ Ｕ ３０１ ３０１Ｌ 31/06 31/06 Ｚ (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 佐藤 裕紀 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） 3G084 AA05 BA08 BA11 BA26 BA29 CA01 DA09 DA10 EA11 EB12 EB16 FA02 FA11 FA20 FA21 FA22 FA25 FA27 3G092 AA00 AA05 AA08 AA18 AB06 AC08 BA05 BB01 DB03 DE04S DE09S DE11S DE15S EA01 EA09 EA22 EC03 EC08 FA31 GA01 HA04Z HA05Z HC01Z HC03Z HC05Z HD01Z HE08Z 3G301 HA00 HA22 JA00 JA22 JA23 KA01 LB03 LC01 MA11 ND04 NE03 PA07Z PA10Z PC01Z PC05Z PC08Z PD11Z PE08Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給し
   て、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火さ
   せる予混合圧縮自着火エンジンであって、 前記燃焼室に吸気される酸素含有ガス又は混合気を加熱
   量調整を伴って加熱可能な加熱手段と、 前記燃焼室への前記燃料の流量を調整可能な燃料流量調
   整手段と、 ノッキングを検出するノッキング検出手段とを備え、 起動時において、前記加熱手段により加熱された混合気
   を前記燃焼室において圧縮して自着火させる強制着火運
   転の後に、前記加熱手段の加熱量調整により前記燃焼室
   に形成される混合気の温度を所定の低下量づつ低下させ
   る毎に、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検
   出されるまで、前記燃料流量調整手段により前記燃料の
   流量を増加させる移行運転を行なう移行運転手段を備え
   た予混合圧縮自着火エンジン。
2. 【請求項２】 前記移行運転手段が、前記移行運転を行
   なうに、前記混合気の温度を所定量低下させるステップ
   と、前記燃料の流量を前記ノッキング検出手段によりノ
   ッキングが検出されるまで増加させるステップと、前記
   燃料の供給量を所定量減少させてノッキングを回避する
   ステップとを、順番に前記混合気の温度が所定の下限界
   温度になるまで繰り返すように構成されている請求項１
   に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
3. 【請求項３】 前記燃焼室における前記自着火の発生を
   判定する自着火判定手段を備え、 前記強制着火運転において、前記自着火判定手段により
   前記自着火が発生したことを判定するまで前記燃料の流
   量を所定の増加割合で増加させる強制自着火運転手段を
   備えた請求項１又は２に記載の予混合圧縮自着火エンジ
   ン。
4. 【請求項４】 前記加熱手段が、吸気路の酸素の一部を
   利用してバーナ用燃料を燃焼させて新気を加熱すること
   で、前記混合気を加熱するバーナ装置である請求項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。
5. 【請求項５】 燃焼室に酸素含有ガスと燃料とを供給し
   て、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火さ
   せる予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法であっ
   て、 起動時において、加熱された前記混合気を前記燃焼室に
   おいて圧縮して自着火させる強制着火運転の後に、前記
   燃焼室に形成される混合気の温度を所定の低下量づつ低
   下させる毎に、ノッキングが検出されるまで、前記燃焼
   室へ供給する燃料の流量を増加させる移行運転を行なう
   予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。