JP2004278454A - エンジン及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジンにおいて、火花点火運転を行った後に予混合圧縮着火運転に切り換える際に、安定した運転状態を維持することができる運転技術を実現することを目的とする。
【解決手段】燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、運転状態に応じて、複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、複数の火花点火プラグの全てを働かせて燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備える。
【選択図】 図２
【解決手段】燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、運転状態に応じて、複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、複数の火花点火プラグの全てを働かせて燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備える。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジン及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を希薄状態で高圧縮して自己着火燃焼させることで高効率化及び低ＮＯｘ化を実現可能なエンジンとして、燃料の自己着火を積極的に利用する予混合圧縮着火エンジンがある。
かかる予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンのように空気と燃料との混合気を燃焼室に供給し、その混合気を高圧縮し混合気の発火点まで昇温させて、自己着火燃焼させるように構成されている。また、このような予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように燃料を高圧縮して燃焼室に噴射する必要がないので、天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。
【０００３】
また、予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室において混合気を圧縮することで発火点まで昇温させて自己着火させる所謂予混合圧縮着火運転を行うので、シリンダ温度等の機関温度が比較的低く、エンジンが未だ暖機されていない起動時等においては、混合気を圧縮しても十分に発火点まで昇温させることができず、失火等の発生により安定した予混合圧縮着火運転を維持することができないことがある。
【０００４】
そこで、予混合圧縮着火エンジンにおいて、起動・暖機を良好に行うために、燃焼室に１つの点火プラグを設け、機関温度が低くい低機関温度域においては、過給機の過給圧可変機構により過給圧を低下させると共に、燃焼室に火花点火可能な当量比の混合気を供給し、燃焼室において混合気を点火プラグにより火花点火する所謂火花点火運転を行い、機関温度が高い高機関温度域においては、過給圧を上昇させたり新気の加熱を開始したりして、燃焼室に形成される混合気の温度を上昇させて、前述の予混合圧縮着火運転に移行する場合がある（例えば、特許文献１−３参照。）。
また、このように点火プラグを設けて火花点火運転可能とされた特許文献１−３に記載の予混合圧縮着火エンジンは、高機関負荷域において、比較的多くの燃料を燃焼させることができる火花点火運転を選択して実行して、低機関負荷域においては、燃料を希薄状態で燃焼させることができる予混合圧縮着火運転を選択して実行することで、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながら、広い機関負荷域において安定して運転可能となる。
【０００５】
一方、燃焼室において混合気を火花点火して運転する火花点火エンジンとして、複数の点火プラグを備え、その点火プラグの全てを働かせる全点火運転を実行可能で、この全点火運転において、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることができるエンジンが知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１４０６８１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２７１６７１号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２０４８４号公報
【特許文献４】
特開平５−１４１３３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の特許文献１−３に記載の予混合圧縮着火エンジンでは、火花点火運転を行う際には、燃焼室において火花点火される混合気の当量比を、火花点火可能範囲内とする必要があるが、予混合圧縮着火運転を行う際には、過早着火によるノッキングの回避のために、自己着火する混合気の当量比を、上記火花点火範囲内よりも小さい希薄範囲内とする必要があった。よって、上記火花点火運転から上記予混合圧縮着火運転に切り換える際に、燃焼室において混合気の自己着火が開始されると同時に、上記当量比を大幅に低下させる必要があるが、初期の自己着火は安定したものでないので、当量比の大幅な低下により混合気が自己着火しなくなり、運転を維持することができなくなることがある。
尚、燃焼室における当量比とは、燃焼室に形成される混合気の燃空比を、理論燃空比で割ったもので、それが１より小さい場合は空気過剰、１より大きい場合は燃料過剰である。
【０００８】
また、前述の特許文献４に記載の火花点火エンジンでは、その点火プラグの全てを働かせる全点火運転を実行することにより、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることができるものの、上記予混合圧縮着火運転に相当する程度まで燃料を希薄化することは、ノッキングの制約により不可能であり、更に、この火花点火エンジンでは、混合気を圧縮して自己着火させるような運転に切り換えるように構成することは想定されていなかった。
【０００９】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジンにおいて、火花点火運転を行った後に予混合圧縮着火運転に切り換える際に、安定した運転状態を維持することができる運転技術を実現することを目的とする。
【００１０】
【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エンジンの第一特徴構成は、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジンであって、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、
運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備えた点にある。
【００１１】
また、この目的を達成するための本発明に係るエンジンの運転方法の第一特徴構成は、上記第一特徴構成を有するエンジンにより実行可能で、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能に構成され、且つ、前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置したエンジンにおいて、
機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に可逆的に切り換える点にある。
【００１２】
即ち、上記エンジン及びその運転方法の第一特徴構成によれば、運転状態に応じて上記全点火運転及び上記予混合圧縮着火運転を択一的に切り換える上記制御手段を設けることで、安定した運転状態を維持して起動可能、且つ、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながら広い機関負荷域において安定運転可能となる。
【００１３】
即ち、起動時又は比較的高い機関負荷域において上記全点火運転を実行しているときに、運転条件としての機関負荷が所定値よりも低下した場合、又は、運転条件としての機関温度が所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの全てを休止して、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。逆に、上記予混合圧縮着火運転を実行しているときに、機関負荷が所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が所定値よりも低下した場合においては、全点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら比較的高い出力を発生させることができる。
【００１４】
更に、全点火運転においては、複数の点火プラグの全てを働かせているので、混合気の当量比を比較的低くして、燃料を希薄状態としても、良好な着火性能を確保することができるので、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換える際には、混合気の当量比を比較的小さい幅で低下させるだけで、予混合圧縮着火運転への切り換え直後におけるノッキング発生を抑制することができ、安定して運転の切り換えを行うことができる。
【００１５】
本発明に係る予混合圧縮着火の第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、前記全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換えるように構成されている点にある。
【００１６】
また、本発明に係るエンジンの運転方法の第二特徴構成は、上記第二特徴構成を有するエンジンにより実行可能で、機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転から前記全点火運転に、更に、前記全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に、可逆的に切り換える点にある。
【００１７】
即ち、上記エンジン及びその運転方法の第二特徴構成によれば、運転状態に応じて上記部分点火運転、上記全点火運転、及び、上記予混合圧縮着火運転を択一的且つ記載の順に切り換える上記制御手段を設けることで、より一層安定した運転状態を維持して起動可能、且つ、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながらより一層広い機関負荷域において安定運転可能となる。
【００１８】
即ち、起動時又は比較的高機関負荷域において上記部分点火運転を実行しているときに、運転条件としての機関負荷が第一の所定値よりも低下した場合、又は、運転条件としての機関温度が第一の所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの一部を休止して、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることで比較的高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる全点火運転に切り換えることができる。また、起動時からある程度の時間が経過した時又は中機関負荷域において上記全点火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第一の所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が上記第一の所定値よりも低下した場合においては、部分点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら比較的高い出力を発生させ、一方、上記全点火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第一の所定値よりも低い第二の所定値よりも低下した場合、又は、機関温度が上記第一の所定値よりも低い第二の所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの全てを休止して、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。また、起動時から充分な時間が経過した時又は低機関負荷域において上記予混合圧縮着火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第二の所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が上記第二の所定値よりも低下した場合においては、全点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら高い出力を発生させることができる。
【００１９】
本発明に係る予混合圧縮着火の第三特徴構成は、上記第二特徴構成に加えて、前記燃焼室に形成される混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段を備え、
前記制御手段が、前記当量比調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、前記全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の当量比を、前記部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定する点にある。
【００２０】
即ち、上記エンジンの第三特徴構成によれば、予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、予混合圧縮着火運転において燃料を希薄状態で燃焼させて、高効率化及び低ＮＯｘ化が実現される。更に、全点火運転における混合気の当量比を、部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、特に、全点火運転と予混合圧縮着火運転との切り換え時の当量比の変化幅をできるだけ小さくして、切り換え時における燃焼安定性を確保することができる。また、上記のように部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転の夫々における混合気の当量比を、記載の順に小さくなるように設定することで、広い機関負荷域における運転が可能となる。
【００２１】
本発明に係る予混合圧縮着火の第四特徴構成は、上記第二乃至第三特徴構成に加えて、前記点火プラグによる点火タイミングを調整可能な点火タイミング調整手段を備え、
前記制御手段が、前記全点火運転における点火タイミングを、前記全点火運転における点火タイミングよりも遅角したタイミングに設定する点にある。
【００２２】
即ち、上記エンジンの第四特徴構成によれば、上記全点火運転において、上記部分点火運転における点火タイミングよりも遅角した点火タイミングで、混合気を火花点火することで、全点火運転における混合気の温度や圧力等を、予混合圧縮着火運転時に近い比較的高い値に設定しても、ノッキングを回避した運転を維持することができ、更に、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換えるときには、混合気の自己着火が上記全点火運転における点火タイミングよりも早く発生するようにして、点火プラグの火花点火を継続しながらスムーズに予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。よって、全点火運転と予混合圧縮着火運転とを切り換える際に、混合気の温度や圧力を大幅に変更する必要が無くなり、安定した運転状態を維持したスムーズな切り換えを行うことができる。
【００２３】
本発明に係る予混合圧縮着火の第五特徴構成は、上記第二乃至第四特徴構成に加えて、前記燃焼室に形成される混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段を備え、
前記制御手段が、前記混合気温度調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、前記全点火運転における混合気の温度よりも高く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の温度を、前記部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定する点にある。
【００２４】
即ち、上記エンジンの第五特徴構成によれば、予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、全点火運転における混合気の温度よりも高く設定することで、予混合圧縮着火運転において燃料を良好に自己着火させて安定した運転状態を維持することができる。更に、全点火運転における混合気の温度を、部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定することで、全点火運転における混合気の温度や圧力等を予混合圧縮着火運転時に近い比較的高い値に設定して全点火運転と予混合圧縮着火運転との切り換えをスムーズなものとし、更に、部分点火運転においては、混合気の温度を比較的低いものとして、混合気の充填効率を向上し、高機関負荷域で運転することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るエンジンの実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１に示すエンジン１００には、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に吸気弁７を介して接続された吸気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。
【００２７】
ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸（図示せず）の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。
【００２８】
吸気路１２を流通する空気ａ（新気）は、適宜過給機等により過給された後に、後述のアフタークーラ１５を通過し、ミキサ１８において天然ガス系都市ガスの燃料ｇが供給されて混合気となり、燃焼室２に吸気される。
【００２９】
そして、エンジン１００は、燃焼室２に吸気された混合気を、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気が自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料を燃焼させるように構成されている。
【００３０】
エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０が設けられ、ＥＣＵ３０は、エンジンの起動運転制御や負荷制御等の各種制御を行うように構成されている。
【００３１】
吸気路１２に設けられたアフタークーラ１５は、シリンダ５等を冷却して高温となった冷却水、又は、燃焼室２から排出された高温の排ガスｅ等の温媒体ｈとの熱交換により、吸気路１２を流通する空気ａを加熱可能に構成されている。
更に、温媒体量調整弁１６は、アフタークーラ１５への温媒体ｈの供給量を調整して、吸気路１２を流通する空気ａの温度を調整するように構成され、ＥＣＵ３０により、吸気路１２の吸気弁７近傍に設けられた温度センサ２４の検出結果に基づいて、温媒体量調整弁１６によりアフタークーラ１５への温媒体の供給量を調整することで、吸気路１２を流通する混合気の温度（即ち、吸気温度）を所定の目標温度に調整可能に構成されている。
尚、上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等のように、吸気温度を所定の目標温度に調整可能な手段は、燃焼室２における混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段Ａといえる。
【００３２】
また、ミキサ１８に供給される燃料ｇは、燃料量調整弁１９により流量調整可能に構成されて、ＥＣＵ３０により、例えば、排気路１３に設けられ、排ガスｅの酸素濃度を検出可能な酸素センサ２５の検出結果に基づいて、燃料ｇの供給量を調整することで、燃焼室２における混合気の当量比を所定の目標当量比に調整可能に構成されている。
尚、上記燃料量調整手段１９及びＥＣＵ３０等のように、燃焼室２に形成される混合気の当量比を調整可能な手段を当量比調整手段Ｂと呼ぶ。
【００３３】
また、エンジン１００の燃焼室２には、燃焼室２に吸気された混合気を火花点火可能な２つの点火プラグ２６がシリンダ５軸心を中心に対象配置されており、夫々の点火プラグ２６は、点火タイミング可変機構２７により、点火タイミングの調整をもなって、１サイクルにおける所定の点火タイミングに電圧が印加されて燃焼室２に火花発生するように構成されている。
そして、ＥＣＵ３０により、点火タイミング可変機構２７を働かせることにより、夫々の点火プラグ２６の点火タイミングを各別に調整可能に構成されている。
尚、上記点火タイミング可変機構２７及びＥＣＵ３０のように、点火プラグ２６による点火タイミングを調整可能な手段を点火タイミング調整手段Ｃと呼ぶ。
【００３４】
また、エンジン１００の吸気弁７及び排気弁８は、ＥＣＵ３０により制御されるバルブタイミング可変機構２８により、その開閉タイミングが調整可能に構成されている。
更に、ＥＣＵ３０により、圧縮行程における上記吸気弁７の閉タイミングを、下死点又はその下死点よりも遅角したタイミングに設定すると共に、その遅角量を調整することにより、圧縮比（吸気弁７の閉タイミングにおける燃焼室容量／最小燃焼室容量）を例えば１０〜２０程度の範囲内で調整可能に構成されている。
尚、上記バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等のように、圧縮比を調整可能な手段は、燃焼室２における混合気の圧力を調整可能な混合気圧力調整手段Ｄといえる。
【００３５】
このようなエンジン１００のＥＣＵ３０は、図２に示すように、シリンダ５温度や冷却水温度等から認識可能な機関温度や、燃焼室２への燃料供給量を調整するためのスロットル開度やクランク軸回転トルク又は回転数等から認識可能な機関負荷等の運転状態に応じて、２つの火花点火プラグ２６の全てを働かせて燃焼室２において混合気を火花点火する全点火運転と、燃焼室２において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段として機能する。
更に、このＥＣＵ３０が機能する制御手段は、上記運転状態に応じて、上記全点火運転と上記予混合圧縮着火運転に加えて、２つの火花点火プラグ２６の内の１つ（一部）を働かせて燃焼室２において混合気を火花点火する部分点火運転に切り換え自在に構成されており、その詳細について以下に説明する。
【００３６】
ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動してから充分に暖機された時期のように、機関温度が充分に高い高機関温度域、又は、機関負荷が充分に低い低機関負荷域では、燃焼室２において当量比が非常に低い混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行する。よって、予混合圧縮着火運転を実行することで、燃料ｇを希薄状態で燃焼させるため、高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００３７】
更に、ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動時の暖機されていない時期のように、上記機関温度が非常に低い低機関温度域、又は、上記機関負荷が充分に高い高機関負荷域では、燃焼室２において混合気を複数の点火プラグ２６の内の１つ（一部）を働かせて火花点火する部分点火運転を実行する。よって、部分点火運転を実行することで、燃焼室で、当量比が火花点火可能範囲内である混合気を燃焼させることができるので、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら、高機関負荷に合わせて非常に高い出力を発生させることができる。
【００３８】
また更に、ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動時からある程度暖機が進行した時期のように、上記低機関温度域と上記高機関温度域との中間である中機関温度域、又は、上記低機関負荷域と上記高機関負荷域との中間である中機関負荷域では、燃焼室２において混合気を、全ての点火プラグ２６を働かせて火花点火する全点火運転を実行する。よって、全点火運転を実行することで、予混合圧縮着火運転よりも、当量比が理論当量比に近い混合気を安定して燃焼させることができるので、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら、中機関負荷に合わせて比較的高い出力を発生させることができ、一方、部分点火運転よりも、燃料ｇを希薄状態で燃焼させることができるので、比較的高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００３９】
次に、上記部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転の夫々における圧縮比、新規温度、当量比、点火タイミング等の各種状態について、図３に基づいて説明する。
【００４０】
部分点火運転を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の内の１つを作動させながら、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を比較的低い圧縮比範囲であるＰ１以上且つＰ２未満の範囲（例えば、１０程度以上且つ１２程度未満の範囲）内に設定し、例えば温媒体量調整弁１６を閉状態としてアフタークーラ１５に熱媒体ｈを供給せずに、吸気路１２に流通する混合気温度（吸気温度）を、比較的低い温度であるＴ１（℃）（例えば、外気温度程度）に設定し、上記燃料量調整手段１９により、燃焼室２に吸気される混合気の当量比を理論当量比付近の比較的高い当量比範囲であるＥ３以上且つＥ４以下の範囲（例えば、０．６７程度以上且つ０．８３程度以下の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、作動中の点火プラグ２６の点火タイミングを比較的早いタイミングであるＳｔ２（°ＢＴＤＣ）（例えば、４０°ＢＴＤＣ）に設定する。
【００４１】
また、全点火運転を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の全てを作動させながら、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を、上記部分点火運転時よりは高い圧縮比範囲であるＰ２以上且つＰ３未満の範囲（例えば、１２程度以上且つ２０程度未満の範囲）内に設定し、例えば温媒体量調整弁１６の開度調整により、吸気温度を、上記部分点火運転時よりも高い吸気温度範囲であるＴ１（℃）以上且つＴ２（℃）未満の範囲（例えば、外気温度程度以上且つ１５０℃程度未満の範囲）内に設定し、上記燃料量調整手段１９により、混合気の当量比を上記部分点火運転時よりも低い当量比範囲であるＥ２以上且つＥ３未満の範囲（例えば、０．５６程度以上且つ０．６７程度未満の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、全ての点火プラグ２６の点火タイミングを、上記部分点火運転時よりも遅いタイミングであるＳｔ１（°ＢＴＤＣ）（例えば、２０°ＢＴＤＣ）に設定する。
【００４２】
更にまた、予混合圧縮着火を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を、上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりは高い圧縮比であるＰ３（例えば、２０程度）に設定し、例えば温媒体量調整弁１６を全開に近い状態として、吸気温度を、上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりも高い吸気温度であるＴ２（℃）（例えば、１５０℃程度）に設定し、上記燃料量調整手段１９により、混合気の当量比を上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりも低い当量比範囲であるＥ１以上且つＥ２未満の範囲（例えば、０．４０程度以上且つ０．５６程度未満の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、例えば、燃焼室２において自己着火が発生していると判断したときに、部分点火運転において作動されていた１つの点火プラグ２６の点火タイミングを例えば更に遅角化させた後に全ての点火プラグ２６を休止させる。
【００４３】
尚、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換える際に、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の内の１つを一旦休止させて、その休止させた点火プラグ２６の電極間におけるイオン電流の発生状態に基づいて、燃焼室２における燃焼状態を検出することにより、燃焼室２において混合気が安定して自己着火している状態であるかを判断することができる。
【００４４】
上記のように部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転を切り換えることで、例えば、部分点火運転においては、高機関負荷に対して定格出力を発生し、全点火運転においては、希薄燃焼により低ＮＯｘ化を図りながら上記定格出力に対して３０〜６０％程度の出力を発生し、予混合圧縮着火運転においては、更なる希薄燃焼により一層の低ＮＯｘ化を図りながら上記定格出力に対して３０％以下程度の出力を発生するように、エンジンの運転を行うことができる。
【００４５】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４６】
〈１〉 上記実施の形態においては、混合気温度調整手段Ａを、アフタークーラ１５の上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等で構成したが、別に、混合気温度調整手段Ａを、混合気を加熱量調整を伴って加熱する電気ヒータで構成することもでき、更に、バルブタイミング可変機構２８で構成することもできる。
即ち、バルブタイミング可変機構２８は、排気弁８の開閉タイミングを調整可能に構成され、その排気弁８の閉タイミングの上死点に対する進角量の調整により、燃焼室２に残留する高温の排ガス量を調整し、前記混合気温度を調整することができる。
【００４７】
〈２〉 上記実施の形態においては、混合気圧力調整手段Ｄを、上記バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等で構成したが、別に、混合気圧力調整手段Ｄを、吸気路２４に設けられた過給機又はスロットルバルブ等により構成することができる。即ち、吸気路２４に設けられた過給機の過給圧を調整する、又は、吸気路１２に設けたスロットルバルブ開度調整により吸気負圧を調整することで、燃焼室２における混合気の圧力を調整することができる。
【００４８】
〈３〉 上記実施の形態においては、アフタークーラ１５の上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等で構成される混合気温度調整手段Ａと、バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等で構成される混合気圧力調整手段Ｄとの両方を設けたが、混合気圧力調整手段Ａのみにより、燃焼室２における混合気を自己着火させるまで混合気の圧力を上昇させることができれば、上記混合気温度調整手段Ａを省略しても構わず、逆に、混合気温度調整手段Ａにより、燃焼室２における混合気を自己着火させるまで混合気の温度を上昇させることができれば、上記混合気圧力調整手段Ｄを省略しても構わない。
【００４９】
〈４〉上記実施の形態では、本発明に係るエンジンを単気筒型に構成した例を説明したが、別に、多気筒型のエンジンに対しても本発明を実施することができる。また、多気筒型のエンジンにおいては、複数の気筒の一部ずつを順に、運転を切り換えることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジンの実施の形態を示す概略構成図
【図２】図１に示すエンジンが運転状態に応じて各運転に切り換えることを説明する図
【図３】図１に示すエンジンの各運転における各種条件の変更状態を示す図
【符号の説明】
２：燃焼室
７：吸気弁
８：排気弁
１２：吸気路
１３：排気路
１５：アフタークーラ
１６：温媒体量調整弁
１８：ミキサ
１９：燃料量調整弁
２６：点火プラグ
２７：点火タイミング可変機構
２８：バルブタイミング可変機構
３０：エンジン・コントロール・ユニット（制御手段）
１００：エンジン
ａ：空気（新気）
ｇ：燃料
ｅ：排ガス
ｈ：温媒体
Ａ：混合気温度調整手段
Ｂ：当量比調整手段
Ｃ：点火タイミング調整手段
Ｄ：混合気圧力調整手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジン及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を希薄状態で高圧縮して自己着火燃焼させることで高効率化及び低ＮＯｘ化を実現可能なエンジンとして、燃料の自己着火を積極的に利用する予混合圧縮着火エンジンがある。
かかる予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンのように空気と燃料との混合気を燃焼室に供給し、その混合気を高圧縮し混合気の発火点まで昇温させて、自己着火燃焼させるように構成されている。また、このような予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように燃料を高圧縮して燃焼室に噴射する必要がないので、天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。
【０００３】
また、予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室において混合気を圧縮することで発火点まで昇温させて自己着火させる所謂予混合圧縮着火運転を行うので、シリンダ温度等の機関温度が比較的低く、エンジンが未だ暖機されていない起動時等においては、混合気を圧縮しても十分に発火点まで昇温させることができず、失火等の発生により安定した予混合圧縮着火運転を維持することができないことがある。
【０００４】
そこで、予混合圧縮着火エンジンにおいて、起動・暖機を良好に行うために、燃焼室に１つの点火プラグを設け、機関温度が低くい低機関温度域においては、過給機の過給圧可変機構により過給圧を低下させると共に、燃焼室に火花点火可能な当量比の混合気を供給し、燃焼室において混合気を点火プラグにより火花点火する所謂火花点火運転を行い、機関温度が高い高機関温度域においては、過給圧を上昇させたり新気の加熱を開始したりして、燃焼室に形成される混合気の温度を上昇させて、前述の予混合圧縮着火運転に移行する場合がある（例えば、特許文献１−３参照。）。
また、このように点火プラグを設けて火花点火運転可能とされた特許文献１−３に記載の予混合圧縮着火エンジンは、高機関負荷域において、比較的多くの燃料を燃焼させることができる火花点火運転を選択して実行して、低機関負荷域においては、燃料を希薄状態で燃焼させることができる予混合圧縮着火運転を選択して実行することで、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながら、広い機関負荷域において安定して運転可能となる。
【０００５】
一方、燃焼室において混合気を火花点火して運転する火花点火エンジンとして、複数の点火プラグを備え、その点火プラグの全てを働かせる全点火運転を実行可能で、この全点火運転において、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることができるエンジンが知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１４０６８１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２７１６７１号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２０４８４号公報
【特許文献４】
特開平５−１４１３３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の特許文献１−３に記載の予混合圧縮着火エンジンでは、火花点火運転を行う際には、燃焼室において火花点火される混合気の当量比を、火花点火可能範囲内とする必要があるが、予混合圧縮着火運転を行う際には、過早着火によるノッキングの回避のために、自己着火する混合気の当量比を、上記火花点火範囲内よりも小さい希薄範囲内とする必要があった。よって、上記火花点火運転から上記予混合圧縮着火運転に切り換える際に、燃焼室において混合気の自己着火が開始されると同時に、上記当量比を大幅に低下させる必要があるが、初期の自己着火は安定したものでないので、当量比の大幅な低下により混合気が自己着火しなくなり、運転を維持することができなくなることがある。
尚、燃焼室における当量比とは、燃焼室に形成される混合気の燃空比を、理論燃空比で割ったもので、それが１より小さい場合は空気過剰、１より大きい場合は燃料過剰である。
【０００８】
また、前述の特許文献４に記載の火花点火エンジンでは、その点火プラグの全てを働かせる全点火運転を実行することにより、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることができるものの、上記予混合圧縮着火運転に相当する程度まで燃料を希薄化することは、ノッキングの制約により不可能であり、更に、この火花点火エンジンでは、混合気を圧縮して自己着火させるような運転に切り換えるように構成することは想定されていなかった。
【０００９】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジンにおいて、火花点火運転を行った後に予混合圧縮着火運転に切り換える際に、安定した運転状態を維持することができる運転技術を実現することを目的とする。
【００１０】
【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エンジンの第一特徴構成は、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジンであって、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、
運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備えた点にある。
【００１１】
また、この目的を達成するための本発明に係るエンジンの運転方法の第一特徴構成は、上記第一特徴構成を有するエンジンにより実行可能で、燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能に構成され、且つ、前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置したエンジンにおいて、
機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に可逆的に切り換える点にある。
【００１２】
即ち、上記エンジン及びその運転方法の第一特徴構成によれば、運転状態に応じて上記全点火運転及び上記予混合圧縮着火運転を択一的に切り換える上記制御手段を設けることで、安定した運転状態を維持して起動可能、且つ、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながら広い機関負荷域において安定運転可能となる。
【００１３】
即ち、起動時又は比較的高い機関負荷域において上記全点火運転を実行しているときに、運転条件としての機関負荷が所定値よりも低下した場合、又は、運転条件としての機関温度が所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの全てを休止して、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。逆に、上記予混合圧縮着火運転を実行しているときに、機関負荷が所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が所定値よりも低下した場合においては、全点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら比較的高い出力を発生させることができる。
【００１４】
更に、全点火運転においては、複数の点火プラグの全てを働かせているので、混合気の当量比を比較的低くして、燃料を希薄状態としても、良好な着火性能を確保することができるので、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換える際には、混合気の当量比を比較的小さい幅で低下させるだけで、予混合圧縮着火運転への切り換え直後におけるノッキング発生を抑制することができ、安定して運転の切り換えを行うことができる。
【００１５】
本発明に係る予混合圧縮着火の第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、前記全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換えるように構成されている点にある。
【００１６】
また、本発明に係るエンジンの運転方法の第二特徴構成は、上記第二特徴構成を有するエンジンにより実行可能で、機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転から前記全点火運転に、更に、前記全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に、可逆的に切り換える点にある。
【００１７】
即ち、上記エンジン及びその運転方法の第二特徴構成によれば、運転状態に応じて上記部分点火運転、上記全点火運転、及び、上記予混合圧縮着火運転を択一的且つ記載の順に切り換える上記制御手段を設けることで、より一層安定した運転状態を維持して起動可能、且つ、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながらより一層広い機関負荷域において安定運転可能となる。
【００１８】
即ち、起動時又は比較的高機関負荷域において上記部分点火運転を実行しているときに、運転条件としての機関負荷が第一の所定値よりも低下した場合、又は、運転条件としての機関温度が第一の所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの一部を休止して、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることで比較的高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる全点火運転に切り換えることができる。また、起動時からある程度の時間が経過した時又は中機関負荷域において上記全点火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第一の所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が上記第一の所定値よりも低下した場合においては、部分点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら比較的高い出力を発生させ、一方、上記全点火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第一の所定値よりも低い第二の所定値よりも低下した場合、又は、機関温度が上記第一の所定値よりも低い第二の所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの全てを休止して、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。また、起動時から充分な時間が経過した時又は低機関負荷域において上記予混合圧縮着火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第二の所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が上記第二の所定値よりも低下した場合においては、全点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら高い出力を発生させることができる。
【００１９】
本発明に係る予混合圧縮着火の第三特徴構成は、上記第二特徴構成に加えて、前記燃焼室に形成される混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段を備え、
前記制御手段が、前記当量比調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、前記全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の当量比を、前記部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定する点にある。
【００２０】
即ち、上記エンジンの第三特徴構成によれば、予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、予混合圧縮着火運転において燃料を希薄状態で燃焼させて、高効率化及び低ＮＯｘ化が実現される。更に、全点火運転における混合気の当量比を、部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、特に、全点火運転と予混合圧縮着火運転との切り換え時の当量比の変化幅をできるだけ小さくして、切り換え時における燃焼安定性を確保することができる。また、上記のように部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転の夫々における混合気の当量比を、記載の順に小さくなるように設定することで、広い機関負荷域における運転が可能となる。
【００２１】
本発明に係る予混合圧縮着火の第四特徴構成は、上記第二乃至第三特徴構成に加えて、前記点火プラグによる点火タイミングを調整可能な点火タイミング調整手段を備え、
前記制御手段が、前記全点火運転における点火タイミングを、前記全点火運転における点火タイミングよりも遅角したタイミングに設定する点にある。
【００２２】
即ち、上記エンジンの第四特徴構成によれば、上記全点火運転において、上記部分点火運転における点火タイミングよりも遅角した点火タイミングで、混合気を火花点火することで、全点火運転における混合気の温度や圧力等を、予混合圧縮着火運転時に近い比較的高い値に設定しても、ノッキングを回避した運転を維持することができ、更に、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換えるときには、混合気の自己着火が上記全点火運転における点火タイミングよりも早く発生するようにして、点火プラグの火花点火を継続しながらスムーズに予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。よって、全点火運転と予混合圧縮着火運転とを切り換える際に、混合気の温度や圧力を大幅に変更する必要が無くなり、安定した運転状態を維持したスムーズな切り換えを行うことができる。
【００２３】
本発明に係る予混合圧縮着火の第五特徴構成は、上記第二乃至第四特徴構成に加えて、前記燃焼室に形成される混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段を備え、
前記制御手段が、前記混合気温度調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、前記全点火運転における混合気の温度よりも高く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の温度を、前記部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定する点にある。
【００２４】
即ち、上記エンジンの第五特徴構成によれば、予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、全点火運転における混合気の温度よりも高く設定することで、予混合圧縮着火運転において燃料を良好に自己着火させて安定した運転状態を維持することができる。更に、全点火運転における混合気の温度を、部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定することで、全点火運転における混合気の温度や圧力等を予混合圧縮着火運転時に近い比較的高い値に設定して全点火運転と予混合圧縮着火運転との切り換えをスムーズなものとし、更に、部分点火運転においては、混合気の温度を比較的低いものとして、混合気の充填効率を向上し、高機関負荷域で運転することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るエンジンの実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１に示すエンジン１００には、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に吸気弁７を介して接続された吸気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。
【００２７】
ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸（図示せず）の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。
【００２８】
吸気路１２を流通する空気ａ（新気）は、適宜過給機等により過給された後に、後述のアフタークーラ１５を通過し、ミキサ１８において天然ガス系都市ガスの燃料ｇが供給されて混合気となり、燃焼室２に吸気される。
【００２９】
そして、エンジン１００は、燃焼室２に吸気された混合気を、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気が自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料を燃焼させるように構成されている。
【００３０】
エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０が設けられ、ＥＣＵ３０は、エンジンの起動運転制御や負荷制御等の各種制御を行うように構成されている。
【００３１】
吸気路１２に設けられたアフタークーラ１５は、シリンダ５等を冷却して高温となった冷却水、又は、燃焼室２から排出された高温の排ガスｅ等の温媒体ｈとの熱交換により、吸気路１２を流通する空気ａを加熱可能に構成されている。
更に、温媒体量調整弁１６は、アフタークーラ１５への温媒体ｈの供給量を調整して、吸気路１２を流通する空気ａの温度を調整するように構成され、ＥＣＵ３０により、吸気路１２の吸気弁７近傍に設けられた温度センサ２４の検出結果に基づいて、温媒体量調整弁１６によりアフタークーラ１５への温媒体の供給量を調整することで、吸気路１２を流通する混合気の温度（即ち、吸気温度）を所定の目標温度に調整可能に構成されている。
尚、上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等のように、吸気温度を所定の目標温度に調整可能な手段は、燃焼室２における混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段Ａといえる。
【００３２】
また、ミキサ１８に供給される燃料ｇは、燃料量調整弁１９により流量調整可能に構成されて、ＥＣＵ３０により、例えば、排気路１３に設けられ、排ガスｅの酸素濃度を検出可能な酸素センサ２５の検出結果に基づいて、燃料ｇの供給量を調整することで、燃焼室２における混合気の当量比を所定の目標当量比に調整可能に構成されている。
尚、上記燃料量調整手段１９及びＥＣＵ３０等のように、燃焼室２に形成される混合気の当量比を調整可能な手段を当量比調整手段Ｂと呼ぶ。
【００３３】
また、エンジン１００の燃焼室２には、燃焼室２に吸気された混合気を火花点火可能な２つの点火プラグ２６がシリンダ５軸心を中心に対象配置されており、夫々の点火プラグ２６は、点火タイミング可変機構２７により、点火タイミングの調整をもなって、１サイクルにおける所定の点火タイミングに電圧が印加されて燃焼室２に火花発生するように構成されている。
そして、ＥＣＵ３０により、点火タイミング可変機構２７を働かせることにより、夫々の点火プラグ２６の点火タイミングを各別に調整可能に構成されている。
尚、上記点火タイミング可変機構２７及びＥＣＵ３０のように、点火プラグ２６による点火タイミングを調整可能な手段を点火タイミング調整手段Ｃと呼ぶ。
【００３４】
また、エンジン１００の吸気弁７及び排気弁８は、ＥＣＵ３０により制御されるバルブタイミング可変機構２８により、その開閉タイミングが調整可能に構成されている。
更に、ＥＣＵ３０により、圧縮行程における上記吸気弁７の閉タイミングを、下死点又はその下死点よりも遅角したタイミングに設定すると共に、その遅角量を調整することにより、圧縮比（吸気弁７の閉タイミングにおける燃焼室容量／最小燃焼室容量）を例えば１０〜２０程度の範囲内で調整可能に構成されている。
尚、上記バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等のように、圧縮比を調整可能な手段は、燃焼室２における混合気の圧力を調整可能な混合気圧力調整手段Ｄといえる。
【００３５】
このようなエンジン１００のＥＣＵ３０は、図２に示すように、シリンダ５温度や冷却水温度等から認識可能な機関温度や、燃焼室２への燃料供給量を調整するためのスロットル開度やクランク軸回転トルク又は回転数等から認識可能な機関負荷等の運転状態に応じて、２つの火花点火プラグ２６の全てを働かせて燃焼室２において混合気を火花点火する全点火運転と、燃焼室２において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段として機能する。
更に、このＥＣＵ３０が機能する制御手段は、上記運転状態に応じて、上記全点火運転と上記予混合圧縮着火運転に加えて、２つの火花点火プラグ２６の内の１つ（一部）を働かせて燃焼室２において混合気を火花点火する部分点火運転に切り換え自在に構成されており、その詳細について以下に説明する。
【００３６】
ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動してから充分に暖機された時期のように、機関温度が充分に高い高機関温度域、又は、機関負荷が充分に低い低機関負荷域では、燃焼室２において当量比が非常に低い混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行する。よって、予混合圧縮着火運転を実行することで、燃料ｇを希薄状態で燃焼させるため、高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００３７】
更に、ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動時の暖機されていない時期のように、上記機関温度が非常に低い低機関温度域、又は、上記機関負荷が充分に高い高機関負荷域では、燃焼室２において混合気を複数の点火プラグ２６の内の１つ（一部）を働かせて火花点火する部分点火運転を実行する。よって、部分点火運転を実行することで、燃焼室で、当量比が火花点火可能範囲内である混合気を燃焼させることができるので、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら、高機関負荷に合わせて非常に高い出力を発生させることができる。
【００３８】
また更に、ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動時からある程度暖機が進行した時期のように、上記低機関温度域と上記高機関温度域との中間である中機関温度域、又は、上記低機関負荷域と上記高機関負荷域との中間である中機関負荷域では、燃焼室２において混合気を、全ての点火プラグ２６を働かせて火花点火する全点火運転を実行する。よって、全点火運転を実行することで、予混合圧縮着火運転よりも、当量比が理論当量比に近い混合気を安定して燃焼させることができるので、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら、中機関負荷に合わせて比較的高い出力を発生させることができ、一方、部分点火運転よりも、燃料ｇを希薄状態で燃焼させることができるので、比較的高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００３９】
次に、上記部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転の夫々における圧縮比、新規温度、当量比、点火タイミング等の各種状態について、図３に基づいて説明する。
【００４０】
部分点火運転を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の内の１つを作動させながら、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を比較的低い圧縮比範囲であるＰ１以上且つＰ２未満の範囲（例えば、１０程度以上且つ１２程度未満の範囲）内に設定し、例えば温媒体量調整弁１６を閉状態としてアフタークーラ１５に熱媒体ｈを供給せずに、吸気路１２に流通する混合気温度（吸気温度）を、比較的低い温度であるＴ１（℃）（例えば、外気温度程度）に設定し、上記燃料量調整手段１９により、燃焼室２に吸気される混合気の当量比を理論当量比付近の比較的高い当量比範囲であるＥ３以上且つＥ４以下の範囲（例えば、０．６７程度以上且つ０．８３程度以下の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、作動中の点火プラグ２６の点火タイミングを比較的早いタイミングであるＳｔ２（°ＢＴＤＣ）（例えば、４０°ＢＴＤＣ）に設定する。
【００４１】
また、全点火運転を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の全てを作動させながら、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を、上記部分点火運転時よりは高い圧縮比範囲であるＰ２以上且つＰ３未満の範囲（例えば、１２程度以上且つ２０程度未満の範囲）内に設定し、例えば温媒体量調整弁１６の開度調整により、吸気温度を、上記部分点火運転時よりも高い吸気温度範囲であるＴ１（℃）以上且つＴ２（℃）未満の範囲（例えば、外気温度程度以上且つ１５０℃程度未満の範囲）内に設定し、上記燃料量調整手段１９により、混合気の当量比を上記部分点火運転時よりも低い当量比範囲であるＥ２以上且つＥ３未満の範囲（例えば、０．５６程度以上且つ０．６７程度未満の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、全ての点火プラグ２６の点火タイミングを、上記部分点火運転時よりも遅いタイミングであるＳｔ１（°ＢＴＤＣ）（例えば、２０°ＢＴＤＣ）に設定する。
【００４２】
更にまた、予混合圧縮着火を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を、上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりは高い圧縮比であるＰ３（例えば、２０程度）に設定し、例えば温媒体量調整弁１６を全開に近い状態として、吸気温度を、上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりも高い吸気温度であるＴ２（℃）（例えば、１５０℃程度）に設定し、上記燃料量調整手段１９により、混合気の当量比を上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりも低い当量比範囲であるＥ１以上且つＥ２未満の範囲（例えば、０．４０程度以上且つ０．５６程度未満の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、例えば、燃焼室２において自己着火が発生していると判断したときに、部分点火運転において作動されていた１つの点火プラグ２６の点火タイミングを例えば更に遅角化させた後に全ての点火プラグ２６を休止させる。
【００４３】
尚、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換える際に、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の内の１つを一旦休止させて、その休止させた点火プラグ２６の電極間におけるイオン電流の発生状態に基づいて、燃焼室２における燃焼状態を検出することにより、燃焼室２において混合気が安定して自己着火している状態であるかを判断することができる。
【００４４】
上記のように部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転を切り換えることで、例えば、部分点火運転においては、高機関負荷に対して定格出力を発生し、全点火運転においては、希薄燃焼により低ＮＯｘ化を図りながら上記定格出力に対して３０〜６０％程度の出力を発生し、予混合圧縮着火運転においては、更なる希薄燃焼により一層の低ＮＯｘ化を図りながら上記定格出力に対して３０％以下程度の出力を発生するように、エンジンの運転を行うことができる。
【００４５】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４６】
〈１〉 上記実施の形態においては、混合気温度調整手段Ａを、アフタークーラ１５の上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等で構成したが、別に、混合気温度調整手段Ａを、混合気を加熱量調整を伴って加熱する電気ヒータで構成することもでき、更に、バルブタイミング可変機構２８で構成することもできる。
即ち、バルブタイミング可変機構２８は、排気弁８の開閉タイミングを調整可能に構成され、その排気弁８の閉タイミングの上死点に対する進角量の調整により、燃焼室２に残留する高温の排ガス量を調整し、前記混合気温度を調整することができる。
【００４７】
〈２〉 上記実施の形態においては、混合気圧力調整手段Ｄを、上記バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等で構成したが、別に、混合気圧力調整手段Ｄを、吸気路２４に設けられた過給機又はスロットルバルブ等により構成することができる。即ち、吸気路２４に設けられた過給機の過給圧を調整する、又は、吸気路１２に設けたスロットルバルブ開度調整により吸気負圧を調整することで、燃焼室２における混合気の圧力を調整することができる。
【００４８】
〈３〉 上記実施の形態においては、アフタークーラ１５の上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等で構成される混合気温度調整手段Ａと、バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等で構成される混合気圧力調整手段Ｄとの両方を設けたが、混合気圧力調整手段Ａのみにより、燃焼室２における混合気を自己着火させるまで混合気の圧力を上昇させることができれば、上記混合気温度調整手段Ａを省略しても構わず、逆に、混合気温度調整手段Ａにより、燃焼室２における混合気を自己着火させるまで混合気の温度を上昇させることができれば、上記混合気圧力調整手段Ｄを省略しても構わない。
【００４９】
〈４〉上記実施の形態では、本発明に係るエンジンを単気筒型に構成した例を説明したが、別に、多気筒型のエンジンに対しても本発明を実施することができる。また、多気筒型のエンジンにおいては、複数の気筒の一部ずつを順に、運転を切り換えることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジンの実施の形態を示す概略構成図
【図２】図１に示すエンジンが運転状態に応じて各運転に切り換えることを説明する図
【図３】図１に示すエンジンの各運転における各種条件の変更状態を示す図
【符号の説明】
２：燃焼室
７：吸気弁
８：排気弁
１２：吸気路
１３：排気路
１５：アフタークーラ
１６：温媒体量調整弁
１８：ミキサ
１９：燃料量調整弁
２６：点火プラグ
２７：点火タイミング可変機構
２８：バルブタイミング可変機構
３０：エンジン・コントロール・ユニット（制御手段）
１００：エンジン
ａ：空気（新気）
ｇ：燃料
ｅ：排ガス
ｈ：温媒体
Ａ：混合気温度調整手段
Ｂ：当量比調整手段
Ｃ：点火タイミング調整手段
Ｄ：混合気圧力調整手段
Claims (7)
- 燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能なエンジンであって、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、
運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備えたエンジン。 - 前記制御手段が、前記運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、前記全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換えるように構成されている請求項１に記載のエンジン。
- 前記燃焼室に形成される混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段を備え、
前記制御手段が、前記当量比調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、前記全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の当量比を、前記部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定する請求項２に記載のエンジン。 - 前記点火プラグによる点火タイミングを調整可能な点火タイミング調整手段を備え、
前記制御手段が、前記全点火運転における点火タイミングを、前記全点火運転における点火タイミングよりも遅角したタイミングに設定する請求項２又は３に記載のエンジン。 - 前記燃焼室に形成される混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段を備え、
前記制御手段が、前記混合気温度調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、前記全点火運転における混合気の温度よりも高く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の温度を、前記部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定する請求項２から４の何れか１項に記載のエンジン。 - 燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能に構成され、且つ、前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置したエンジンにおいて、
機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に可逆的に切り換えるエンジンの運転方法。 - 機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転から前記全点火運転に、更に、前記全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に、可逆的に切り換える請求項６に記載のエンジンの運転方法。
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