JP2005105944A - 予混合圧縮着火エンジン及びその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、燃焼室１０に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジン１００において、簡単且つ小型化が可能な構成で燃焼状態を適正な状態とすることが可能、適正な燃焼状態を維持しつつ広い出力調整範囲で運転可能、更には、適正な燃焼状態を維持しつつ安定して起動可能な運転制御技術を実現することを目的とする。
【解決手段】 燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段Ａと、燃焼室に発生する新気流の大きさを調整する新気流調整手段Ｂと、燃焼状態検出手段Ａで検出される燃焼状態が適正な状態となるように、新気流調整手段Ｂにより新気流の大きさを制御する運転制御手段Ｃとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジン及びその運転制御方法に関する。

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自己着火温度まで昇温させて、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。

上記予混合圧縮着火エンジンを実現するための大きな課題の一つは、自己着火タイミングの制御である。
ＳＩエンジンでは、火花点火時期を調整することによって、燃料噴射ディーゼルでは燃料噴射時期を調整することによって、自己着火タイミングを適正なタイミングに制御できるが、予混合圧縮着火エンジンの場合、混合気を高圧縮し混合気の自己着火温度まで昇温させて自己着火燃焼させるので、起動運転開始時からの経過時間、エンジン負荷、空気比等の変化により、自己着火タイミングが変化しやすく、自己着火の起こる自己着火タイミングの制御を適正に行わないと、ノッキングや失火が発生したり、更には、運転を継続できなくなる場合がある。
特に、多気筒型の予混合圧縮着火エンジンでは、各気筒におけるシリンダ内温度や圧力履歴などの条件が若干異なることから、各気筒毎に自己着火タイミングが異なり、各気筒において各別に自己着火タイミングを適正な状態とする必要がある。

そして、このように自己着火タイミング等の燃焼状態を適正な状態とする技術として、主に用いられる天然ガス等の主燃料と、その燃料よりも着火性が高いｎ−ブタン等のコントロール燃料とを準備し、主燃料とコントロール燃料とを混合したものを、燃焼室に供給すると共に、上記コントロール燃料の燃焼室への供給量を調整することで、燃焼室における混合気の自己着火タイミングを制御するものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０００−２７４２８５号公報

しかし、上記特許文献１の予混合圧縮着火エンジンでは、上記コントロール燃料を主燃料とは別に貯え供給する機構、若しくは、主燃料を改質して上記コントロール燃料を生成し供給する機構を備える必要がある。そして、このような機構を備えた予混合圧縮着火エンジンは、装置構成が煩雑且つ大型化し、特に家庭用コージェネレーションシステムの発電機駆動用に採用する場合において、問題となる。

更に、予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室において混合気は多点着火するので、混合気の当量比を増加させ出力を増加させようとすると、ノッキングが発生しやすくなるため、そのノッキングを回避できなければ、出力調整範囲が狭い範囲に制限されてしまう。

更に、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して自己着火温度まで昇温させて自己着火させる必要があるが、例えば、燃料としてセタン価が低い天然ガスを使用した場合や、シリンダ温度が比較的低い起動運転時などにおいては、混合気をそのまま圧縮しても自己着火温度まで昇温させることが困難であり、失火等の発生により安定した運転維持することができないことがある。

従って、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単且つ小型化が可能な構成で燃焼状態を適正な状態とすることが可能、適正な燃焼状態を維持しつつ広い出力調整範囲で運転可能、更には、適正な燃焼状態を維持しつつ安定して起動可能な予混合圧縮着火エンジンの運転制御技術を実現することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火エンジンは、燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンであって、その第１特徴構成は、燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼室に発生する新気流の大きさを調整する新気流調整手段と、
前記燃焼状態検出手段で検出される前記燃焼状態が適正な状態となるように、前記新気流調整手段により前記新気流の大きさを制御する運転制御手段とを備えた点にある。

また、上記目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの運転制御方法の特徴構成は、燃焼状態が適正な状態となるように、前記燃焼室に発生する新気流の大きさを制御する点にある。

つまり、本発明者らは、燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃焼室に発生するスワール流等の新気流の大きさを変化させると、新気流が大きいほど自己着火タイミングが遅くなる状態で、燃焼室における燃焼状態が変化するという新知見を見出し、本発明を完成するに至った。
また、予混合圧縮着火エンジンにおいて、新気流の大きさが燃焼状態に影響を与える理由は、新気流の大きさが変化することにより、燃焼室におけるガスの混合状態（燃料と空気との混合状態、或いは、混合気と再循環排ガスとの混合状態等）が変化することや、燃焼室の平均ガス温度が変化することに加えて燃焼室壁面の温度境界層の厚みが変化するなとが考えられる。また、新気流が大きいほど自己着火タイミングが遅くなる理由は、新気流が大きいほど燃焼室壁面による混合気の冷却損失が増加して燃焼室の平均ガス温度が低下することや、新気流が大きいほど混合気の混合が促進されることなどにより混合気の濃度及び温度が均質化し、燃焼室の最高濃度及び最高温度が低下することなどが考えられる。

即ち、上記予混合圧縮着火エンジンの第１特徴構成及びその制御方法によれば、上記運転制御手段により、燃焼状態検出手段の検出結果に基づいて前記新気流調整手段を働かせて新気流の大きさを制御することで、起動からの経過時間、エンジン負荷、空気比等が変化しても、燃焼室における燃焼状態を適正な状態に維持することができる。
また、燃焼状態に基づいて新気流の大きさを制御することで、適正な燃焼状態を維持することができるので、高出力運転時に発生しやすいノッキングや低出力運転時に発生しやすい失火等を良好に抑制することができ、広い出力調整範囲で運転可能となる。

上記目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第２特徴構成は、前記燃焼室に発生する新気流の大きさを調整ことで、前記燃焼室における自己着火タイミングを調整可能な新気流調整手段を備えたことを特徴とする。

上記第２特徴構成によれば、上記新気流調整手段により新気流の大きさを調整することで、予混合圧縮着火エンジンにおいて直接的には調整することが困難であった上記自己着火タイミングを、例えば出力等の運転条件や燃焼室における燃焼状態等に応じて、簡単な構成で調整することができる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、前記燃焼室における自己着火タイミングを燃焼状態として検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼状態検出手段が、前記燃焼状態としての前記燃焼室における自己着火タイミングを検出する手段であり、
前記運転制御手段が、前記自己着火タイミングを早める場合には前記新気流を減少させ、前記自己着火タイミングを遅める場合には前記新気流を増加させる形態で、前記自己着火タイミングが適正なタイミングになるように、前記新気流の大きさを制御する運転制御手段とを備えた点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記燃焼状態検出手段により、直接的又はノッキングや失火状態により間接的に、燃焼状態としての自己着火タイミングを検出し、新気流が大きいほど自己着火タイミングが遅くなる傾向にあることにより、上記運転制御手段により、自己着火タイミングを早める場合には新気流を減少させ、逆に、自己着火タイミングを遅める場合には新気流を増加させる形態で、新気流を制御することで、自己着火タイミングを確実に適正なタイミングに維持することができる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第４特徴構成は、上記第１から第３の何れかの特徴構成に加えて、起動運転時には、前記新気流調整手段により前記新気流を最小とするように構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、起動運転開始時或いはそれから一定時間が経過するまでの起動運転時においては、シリンダ温度が比較的低い状態であり混合気が自己着火しにくい状態であることから、上記運転制御手段により、その起動運転時には、新気流を最小に設定して確実に混合気を自己着火させ、その後、新気流の大きさを、起動運転時から変化する燃焼状態に基づいて制御して、安定した運転にスムーズに移行することができる。
尚、新気流を最小とするとは、新気流を発生させない状態とすることも含まれる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第５特徴構成は、上記第１から第４の何れかの特徴構成に加えて、前記新気流調整手段が、前記新気流としてのスワール流の大きさを調整する手段である点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記新気流調整手段を、新気流としてのスワール流の大きさを調整するスワール調整弁等として構成することにより、簡単且つ迅速にスワール流の大きさを制御して、燃焼室における燃焼状態等を確実に適正な状態とすることができる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジン１００の実施の形態を図１に基づいて説明する。

図１に示す予混合圧縮着火エンジン１００には、シリンダ３の内面とピストン４の頂面とで規定される燃焼室１０と、燃焼室１０に吸気弁１を介して接続された吸気路１３と、燃焼室１０に排気弁２を介して接続された排気路１４とが設けられている。

ピストン４は連結棒８に揺動自在に連結されており、ピストン４の往復動は連結棒８によって１つのクランク軸９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ない。

天然ガス系都市ガスの燃料と空気とは、ミキサ２１において混合され、その混合気は、過給機２２によって加圧された状態で吸気路１３を流通し、新気として燃焼室１０に吸気される。

そして、予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室１０に吸気された混合気を、ピストン４の上昇により圧縮して自己着火温度まで昇温させることで、その混合気を自己着火燃焼させるように構成されている。

コンピュータからなる制御装置４０は、ミキサ２１により空気への燃料供給量を制御して、燃焼室１０に吸気される混合気の当量比が目標出力に合った当量比に設定するように構成されている。

このような予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室１０において混合気を圧縮して自己着火燃焼させるため、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、更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。

予混合圧縮着火エンジン１００には、燃焼室１０の圧力を測定することにより燃焼状態としての実際の自己着火タイミングを検出可能な圧力センサ１７、燃焼状態としてのノッキングの発生を検出可能なノッキングセンサ１８、クランク軸９の回転角度を測定することにより燃焼状態としてのクランク軸９の回転数を検出可能なクランク角センサ１９等が、燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段Ａとして設けられている。

また、予混合圧縮着火エンジン１００には、燃焼室１０に発生する新気流の大きさを調整する新気流調整手段Ｂとして、図２も参照して、吸気路１３から燃焼室１０への新気の流入方向を調整することで、燃焼室１０に発生するスワール流の大きさを調整するスワール調整弁２０が設けられている。尚、このスワール調整弁２０としては、公知の構成のものを利用することができ、更に、複数の吸気ポートの内、スワール流を発生させるスワールポートに流入する新気の量を調整することで、スワール流の大きさを調整する構成のものも利用することができる。

予混合圧縮着火エンジン１００において、上記のように、スワール調整弁２０により燃焼室１０に発生するスワール流の大きさを変化させると、スワール流が大きいほど燃焼室１０における混合気の自己着火タイミングが遅くなる状態で、燃焼室１０における混合気の燃焼状態が変化することが実験により確認することができ、更に、このようなスワール流の増加による自己着火タイミングの遅角化の影響は、混合気の当量比が低いほど、即ち、混合気が希薄なほど、大きくなることも確認することができる。

即ち、上記スワール調整弁２０により、燃焼室１０におけるスワール流の大きさを調整することで、予混合圧縮着火エンジン１００の自己着火タイミングを調整することができる。
即ち、スワール流を減少させることにより、自己着火タイミングを進角側に調整することができ、逆に、スワール流を増加させることにより、自己着火タイミングを遅角側に調整することができる。

また、予混合圧縮着火エンジン１００の制御装置４０は、上記燃焼状態検出手段Ａの検出結果に基づいて、上記スワール調整弁２０により燃焼室１０におけるスワール流の大きさを制御する運転制御手段Ｃとして機能するように構成されている。

即ち、圧力センサ１７で検出された実際の自己着火タイミングが、適正な自己着火タイミングでない場合には、上記制御装置４０は、圧力センサ１７で検出された実際の自己着火タイミングが適正な自己着火タイミングとなるように、上記スワール調整弁２０により燃焼室１０におけるスワール流の大きさを制御する。

また、制御装置４０は、ノッキングセンサ１８の検出結果によりノッキングの発生を認識した場合には、上記スワール調整弁２０により燃焼室１０におけるスワール流を増加させて、自己着火タイミングを遅角側に調整することにより、ノッキングを回避することができる。

また、制御装置４０は、クランク角センサ１９により検出されるクランク軸９の回転数や出力のトルク変動、又は、圧力センサ１７の検出結果により、燃焼室１０における失火の発生を認識した場合には、上記スワール調整弁２０により燃焼室１０におけるスワール流を減少させて、自己着火タイミングを進角側に調整することにより、失火を回避することができる。

また、制御装置４０は、予混合圧縮着火エンジン１００の起動運転時においては、スワール調整弁２０によりスワール流を最小にするように構成されており、このように、起動運転時にスワール流が最小とされると、シリンダ３温度が比較的低い状態であっても、混合気を確実に自己着火させることができる。
また、このように予混合圧縮着火エンジン１００の起動運転を行った後には、これまで説明してきたように、燃焼室１０における燃焼状態に基づいてスワール流の大きさを制御することにより、適正な燃焼状態が維持され、更に、シリンダ３の温度が上昇するのに従ってスワール流の大きさが徐々に増加されて、ポンピングロスが抑制された良好な運転に移行されることになる。

〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。
〈１〉上記実施の形態で説明した予混合圧縮着火エンジン１００の新気流調整手段Ｂは、スワール流以外の新気流の大きさを調整するように構成しても構わない。例えば、新気流としてタンブル流を調整するべく、複数の吸気ポートの内、タンブル流を発生させるタンブルポートに流入する新気の量を調整することで、タンブル流の大きさを調整するようにも構成することができる。

〈２〉上記実施の形態では、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンを単気筒型に構成した例を説明したが、別に、多気筒型の予混合圧縮着火エンジンに対しても本発明を実施することができる。

〈３〉上記実施の形態で説明した予混合圧縮着火エンジン１００の燃焼状態検出手段Ａは、燃焼室１０に設けられた一対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における自己着火タイミング等の燃焼状態を検出するように構成しても構わない。また、この一対の電極として、燃焼室１０に設けられた点火プラグの電極を利用することができ、このような点火プラグは、理論当量比等の混合気を火花点火して燃焼させる火花点火運転のために用いられ、この火花点火運転は、予混合圧縮着火エンジン１００の起動運転時等における暖機のために実施される。

〈４〉上記実施の形態では、運転制御手段Ｃは、燃焼状態検出手段Ａの検出結果に基づいて、上記スワール調整弁２０により燃焼室１０における新気流であるスワール流の大きさを制御したが、別に、目標出力等の運転条件に応じて新気流の大きさを設定しても構わない。
例えば、高出力運転時には、そのときに発生しやすいノッキングを回避するために新気流を大きめに設定し、一方、低出力運転時には、そのときに発生しやすい失火を回避するために新気流を小さめに設定することで、広い出力範囲の運転が可能となる。

〈５〉本願発明の予混合圧縮着火エンジンにおいては、天然ガス、ガソリン、メタノール、水素、軽油等の任意の炭化水素系燃料を使用することができる。

〈６〉予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃料の燃焼のための酸素含有ガスとしては、空気を用いるのが一般的であるが、空気の代わりに、酸素成分含有割合が空気に対して高い酸素富化ガス等を用いることもできる。

予混合圧縮着火エンジンの実施の形態を示す概略側断面図 図１に示す予混合圧縮着火エンジンの概略平断面図

符号の説明

１０：燃焼室
１７：圧力センサ
１８：ノッキングセンサ
１９：クランク角センサ
２０：スワール調整弁
２１：ミキサ
４０：制御装置
１００：予混合圧縮着火エンジン
Ａ：燃焼状態検出手段
Ｂ：新気流調整手段
Ｃ：運転制御手段

Claims (6)

1. 燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンであって、
   燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
   前記燃焼室に発生する新気流の大きさを調整する新気流調整手段と、
   前記燃焼状態検出手段で検出される前記燃焼状態が適正な状態となるように、前記新気流調整手段により前記新気流の大きさを制御する運転制御手段とを備えた予混合圧縮着火エンジン。
2. 燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンであって、
   前記燃焼室に発生する新気流の大きさを調整ことで、前記燃焼室における自己着火タイミングを調整可能な新気流調整手段を備えた予混合圧縮着火エンジン。
3. 前記燃焼室における自己着火タイミングを燃焼状態として検出する燃焼状態検出手段と、
   前記自己着火タイミングを早める場合には前記新気流を減少させ、前記自己着火タイミングを遅める場合には前記新気流を増加させる形態で、前記自己着火タイミングが適正なタイミングになるように、前記新気流の大きさを制御する運転制御手段とを備えた請求項２に記載の予混合圧縮着火エンジン。
4. 起動運転時には、前記新気流調整手段により前記新気流を最小とするように構成されている請求項１から３の何れか１項に記載の予混合圧縮着火エンジン。
5. 前記新気流調整手段が、前記新気流としてのスワール流の大きさを調整する手段である請求項１から４の何れか１項に記載の予混合圧縮着火エンジン。
6. 燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンの運転制御方法であって、
   燃焼状態が適正な状態となるように、前記燃焼室に発生する新気流の大きさを制御する予混合圧縮着火エンジンの運転制御方法。
   

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