JP2005105945A - 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１０から排出された排ガスを燃焼室１０へ再循環させると共に、燃焼室１０への排ガス再循環タイミングを調整可能なＥＧＲ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、ＥＧＲ手段Ｂにより排ガス再循環タイミング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、
前記燃焼室から排出された排ガスを前記燃焼室へ再循環させると共に、前記燃焼室への排ガス再循環タイミングを調整するＥＧＲ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ＥＧＲ手段により前記排ガス再循環タイミング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、前記燃焼室への排ガス再循環タイミングを制御する制御する点にある。

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、燃焼室へ排ガスを再循環させる際に、その排ガス再循環タイミングを変化させると、再循環タイミングが早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、排ガス再循環タイミングが燃焼状態に影響を与える理由は、排ガス再循環タイミングが変化することにより、混合気が自己着火するまでの新気と排ガスとの混合時間が変化して、排ガス再循環により混合気の燃焼が緩慢にされる影響が変化することなとが考えられる。

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ＥＧＲ手段を働かせて排ガス再循環タイミングを制御することで、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排ガス再循環タイミングを制御することで、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、前記燃焼室から排出された排ガスを前記燃焼室へ再循環させると共に、前記燃焼室への排ガス再循環タイミングを調整することで、前記燃焼室における自己着火タイミングを調整可能なＥＧＲ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ＥＧＲ手段により排ガス再循環タイミングを調整することで、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、
前記自己着火タイミングを早める場合には前記排ガス再循環タイミングを遅め、前記自己着火タイミングの遅める場合には前記排ガス再循環タイミングを早める形態で、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、前記排ガス再循環タイミング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、排ガス再循環タイミングが遅いほど自己着火タイミングが早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排ガス再循環タイミングを遅め、逆に、自己着火タイミングを遅める場合には排ガス再循環タイミングを早める形態で、排ガス再循環タイミングを制御することで、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又は第３の何れかの特徴構成に加えて、起動運転時には、前記ＥＧＲ手段により、前記排ガス再循環タイミングを最も遅くする、又は、前記燃焼室への排ガスの再循環を停止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、排ガス再循環タイミングを排ガス再循環タイミングの調整範囲における最も遅いタイミングに設定して、排ガス再循環による燃焼緩慢化の影響を少なくして、確実に混合気を自己着火させ、その後、排ガス再循環タイミングを、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。

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、排気路１４の過給機２２の上流側と吸気路１３の過給機２２の下流側とを接続するＥＧＲ流路２１が設けられており、燃焼室１０から排気路２２に排出された排ガスを、排気路２２に発生する背圧を利用して、ＥＧＲ流路２１及び吸気路１３を通じて燃焼室１０に再循環可能に構成されている。
更に、このＥＧＲ流路２１の吸気路１３側には、制御装置４０の指令によりＥＧＲ流路２１を開閉可能なＥＧＲ弁２０が設けられており、吸気弁１が開状態である吸気行程におけるＥＧＲ弁２０の開タイミングを調整することにより、燃焼室１０への排ガス再循環タイミングを調整可能に構成されている。
即ち、上記ＥＧＲ流路２１及びＥＧＲ弁２０が、燃焼室１０から排出された排ガスを燃焼室１０へ再循環させると共に、燃焼室１０への排ガス再循環タイミングを調整可能なＥＧＲ手段Ｂとして機能する。

また、上記のようなＥＧＲ弁２０は、その開閉タイミングを正確に調整するために、燃料噴射弁のような、電磁式アクチュエータにより開閉する開閉弁で構成することが好ましい。

予混合圧縮着火エンジン１００において、上記のように、ＥＧＲ手段ＢのＥＧＲ弁２０により排ガス再循環タイミングを変化させると、排ガス再循環タイミングが早いほど燃焼室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る。

即ち、上記ＥＧＲ弁２０により、吸気行程における排ガス再循環タイミングを調整することで、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、排ガス再循環タイミングを遅角側に変化させることにより、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、排ガス再循環タイミングを進角側に変化させることにより、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ＥＧＲ弁２０により燃焼室１０における排ガス再循環タイミング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ＥＧＲ弁２０により排ガス再循環タイミングを制御する。

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ＥＧＲ弁２０により排ガス再循環タイミングを進角側に変化させて、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ＥＧＲ弁２０により排ガス再循環タイミングを遅角側に変化させて、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、ＥＧＲ弁２０により排ガス再循環タイミングを最も遅角側に設定する、又は、ＥＧＲ弁を全閉状態として排ガス再循環を停止するように構成されており、このように、起動運転時に排ガス再循環タイミングが最も遅角側に設定されたり排ガス再循環が停止されると、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排ガス再循環タイミング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排ガス再循環タイミングが徐々に進角側されて、燃焼が緩慢となりノッキング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図面に基づいて説明する。
〈１〉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。また、多気筒型の予混合圧縮着火エンジンとする場合には、排ガス再循環タイミングを各気筒毎に制御するために、上記ＥＧＲ流路２１及びＥＧＲ弁２０で構成されるＥＧＲ手段Ｂを、各気筒毎に設ける必要がある。

〈２〉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ＥＧＲ弁２０により排ガス再循環タイミングを制御したが、別に、目標出力等の運転条件に応じて排ガス再循環タイミング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排ガス再循環タイミングを遅角側に設定し、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排ガス再循環タイミングを進角側に設定することで、広い出力範囲の運転が可能となる。

〈３〉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。

〈４〉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

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：ＥＧＲ弁
２１：ＥＧＲ流路
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：ＥＧＲ手段
Ｃ：運転制御手段

Claims (5)

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、
   前記燃焼室から排出された排ガスを前記燃焼室へ再循環させると共に、前記燃焼室への排ガス再循環タイミングを調整するＥＧＲ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ＥＧＲ手段により前記排ガス再循環タイミング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、
   前記燃焼室から排出された排ガスを前記燃焼室へ再循環させると共に、前記燃焼室への排ガス再循環タイミングを調整することで、前記燃焼室における自己着火タイミングを調整可能なＥＧＲ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排ガス再循環タイミングを遅め、前記自己着火タイミングの遅める場合には前記排ガス再循環タイミングを早める形態で、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、前記排ガス再循環タイミング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ＥＧＲ手段により、前記排ガス再循環タイミングを最も遅くする、又は、前記燃焼室への排ガスの再循環を停止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. 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、前記燃焼室への排ガス再循環タイミング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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