JP2010048094A - 予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機を持たない天然ガス予混合圧縮自着火エンジンにつき火花点火方式によるノッキングを回避した好適な始動を簡素で安価な構成により達成すること。
【解決手段】各気筒2A,2Bに供給される空気と燃料の混合気を圧縮により自着火させるエンジン１において、その始動に際し、スタータ21を動作させ、電子制御装置30は、スロットル弁13をアイドル時の吸気圧力が「30.5〜45.0（kPa）」の範囲の所定値となる状態に、燃料弁15をアイドル時の空気過剰率が「1.0〜2.0」の範囲の所定値となる状態に各々設定し、クランク角度センサ32で検出される回転数が「0〜1000（rpm）」となる範囲では、回転数増加に伴い混合気の点火時期を「8〜14（°BTDC）」の範囲で徐々に増加させ、回転数が「1000（rpm）」に達した後は、回転数が所定のアイドル回転数となるまで点火時期を滑らかに変化させるように回転数に基づき点火装置17を制御して点火プラグ16を動作させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、天然ガスを燃料としたコージェネレーション用エンジンに係り、定格負荷運転までは気筒に空気と燃料からなる混合気を供給して圧縮し、高温高圧化して自着火させて運転する予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置に関する。

従来より、天然ガスを燃料とする予混合圧縮自着火エンジンは、コージェネレーション設備等への使用が期待されており、火花点火エンジンに比べて高効率で低ＮＯｘなことが特徴として知られている。その一方で、予混合圧縮自着火エンジンは、火花点火エンジンに比べてエンジンの燃焼状態が吸気温度、吸気圧力及び燃料組成による影響を受けやすく、燃焼制御が難しいとも言われている。

予混合圧縮自着火エンジンにおいて、燃料の燃焼を安定的に実施するには、吸気を加熱する必要があることから、冷間時の始動が困難となっていた。そこで、冷間時には、エンジン外部の熱源により吸気を加熱するか、予混合圧縮自着火以外の燃焼方法で始動させる必要があった。ここで、外部熱源を使う方法として、下記の特許文献１には、天然ガスをバーナで加熱して始動時の吸気を加熱する技術が記載されるが、外部熱源が必要になる分だけ小型化の要請に反していた。また、予混合圧縮自着火以外の燃焼方法を使う技術として、油燃料を用いるディーゼル着火方式が考えられるが、２種類の燃料を持たなければならないデメリットがある。

ここで、火花点火方式で予混合圧縮自着火エンジンを始動させる方法が有望である。しかし、高圧縮比に設定した予混合圧縮自着火エンジンに火花点火方式の始動を採用すると、始動時にノッキングを回避することが課題となる。ここで、火花点火方式によりノッキングを回避しながら始動を行う技術として、特許文献２〜４には、過給機付き予混合圧縮自着火エンジンにおいて、燃焼圧センサの検出信号に基づき吸気圧を減少させたり、吸気温度を下げたり、点火時期を１０〜５０（°ATDC）に調整したりすることが記載されている。

特許第４０１０８２２号公報 特開２０００−２２０４８３号公報 特開２０００−２２０４８４号公報 特開２００１−１４０６８１号公報

ところが、特許文献２〜４に記載の技術では、いずれも過給機付きの予混合圧縮自着火エンジンであることから、過給機を持たない予混合圧縮自着火エンジンに採用することができなかった。特に、特許文献４の技術を過給機を持たない予混合圧縮自着火エンジンに採用した場合、出力が不足して始動、アイドリングが困難になるおそれがある。また、高価な燃焼圧センサを使うことから、安価な小型エンジンには、実用上適さない。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、過給機を持たない予混合圧縮自着火エンジンにつき火花点火方式によるノッキングを回避した好適な始動を燃焼圧センサを持たない簡素で安価な構成により達成することを可能とした予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させて運転する予混合圧縮自着火エンジンにおいて、吸気圧力を吸気圧力調整手段により調整し、燃料供給量を燃料供給量調整手段により調整し、混合気を火花点火させる点火時期を火花点火手段により調整してクランキングによりエンジンを始動し、その後アイドル運転に移行する予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、燃料を天然ガスとし、エンジンの始動に際して、吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３０.５〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、燃料供給量調整手段を、アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜２.０の範囲の所定値となる状態に設定し、設定された吸気圧力調整手段及び燃料供給量調整手段の状態をエンジンがアイドル運転に移行するまで変化させないように固定し、点火時期については、エンジンの回転数が０〜１０００（rpm）となる範囲では、回転数の増加に伴い８〜１４（°BTDC）の範囲で徐々に増加させるように火花点火手段により調整し、回転数が１０００（rpm）に達した後は、回転数が所定のアイドル回転数となるまで点火時期を所定値まで滑らかに変化させるように火花点火手段により調整することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、気筒に空気と天然ガスの燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させて運転する予混合圧縮自着火エンジンにおいて、吸気圧力を吸気圧力調整手段により調整し、燃料供給量を燃料供給量調整手段により調整し、前記混合気を火花点火させる点火時期を火花点火手段により調整してクランキングによりエンジンを始動し、その後アイドル運転に移行するようにしている。ここで、エンジンの始動に際して、吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３０.５〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、燃料供給量調整手段を、アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜２.０の範囲の所定値となる状態に設定し、設定された吸気圧力調整手段及び燃料供給量調整手段の状態をエンジンがアイドル運転に移行するまで変化させないように固定し、混合気を火花点火させ、点火時期については、エンジンの回転数が０〜１０００（rpm）となる範囲では、回転数の増加に伴い８〜１４（°BTDC）の範囲で徐々に増加させるように火花点火手段により調整し、回転数が１０００（rpm）に達した後は、回転数が所定のアイドル回転数となるまで点火時期を所定値まで滑らかに変化させるように火花点火手段により調整するようにしている。従って、始動時にノッキングが発生するような燃焼圧力及び燃焼温度となる条件を避けて混合気を点火させることが可能となる。また、ノッキングを回避するために高価な燃焼圧センサを使う必要がない。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、エンジンの始動に際して、吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３５.０〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、燃料供給量調整手段を、アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜１.３の範囲の所定値となる状態に設定し、設定された吸気圧力調整手段及び燃料供給量調整手段の状態をエンジンがアイドル運転に移行するまで変化させないように固定することが好ましい。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させて運転する予混合圧縮自着火エンジンにおいて、吸気圧力、燃料供給量、混合気を火花点火させる点火時期をそれぞれ調整してクランキングによりエンジンを始動し、その後アイドル運転に移行する予混合圧縮自着火エンジンの制御装置であって、吸気圧力を調整するための吸気圧力調整手段と、燃料供給量を調整するための燃料供給量調整手段と、混合気を火花点火させるための火花点火手段と、エンジンをクランキングするためのクランキング手段と、エンジンの回転数を検出するための回転数検出手段と、エンジンの始動を指示するために操作される始動操作手段と、吸気圧力調整手段、燃料供給量調整手段及び火花点火手段を制御するための制御手段とを備え、燃料を天然ガスとし、始動操作手段によりエンジンの始動が指示されたとき、クランキングを行うためにクランキング手段を動作させ、制御手段は、吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３０.５〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、燃料供給量調整手段を、アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜２.０の範囲の所定値となる状態に設定し、設定された吸気圧力調整手段及び燃料供給量調整手段の状態をエンジンがアイドル運転に移行するまで変化させないように制御すると共に、点火時期については、検出される回転数が０〜１０００（rpm）となる範囲では、回転数の増加に伴い８〜１４（°BTDC）の範囲で徐々に増加させ、検出される回転数が１０００（rpm）に達した後は、回転数が所定のアイドル回転数となるまで点火時期を所定値まで滑らかに変化させるように検出される回転数に基づいて火花点火手段を制御することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、始動操作手段によりエンジンの始動が指示されると、クランキング手段が動作してエンジンのクランキングが行われ、吸気圧力調整手段が、アイドル運転時の吸気圧力が３０.５〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定され、燃料供給量調整手段が、アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜２.０の範囲の所定値となる状態に設定され、設定された吸気圧力調整手段及び燃料供給量調整手段の状態がエンジンがアイドル運転に移行するまで変化させないように固定され、混合気が火花点火手段により火花点火させられる。ここで、回転数が０〜１０００（rpm）となる範囲では、回転数の増加に伴い火花点火手段による点火時期が８〜１４（°BTDC）の範囲で徐々に増加させられ、回転数が１０００（rpm）に達した後は、回転数が所定のアイドル回転数となるまで火花点火手段による点火時期が所定値まで滑らかに変化させられる。従って、始動時にノッキングが発生するような燃焼圧力及び燃焼温度となる条件を避けて混合気を点火させることが可能となる。また、ノッキングを回避するために高価な燃焼圧センサを使う必要がない。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明において、エンジンの始動に際して、制御手段は、吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３５.０〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、燃料供給量調整手段を、アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜１.３の範囲の所定値となる状態に設定し、設定された吸気圧力調整手段及び燃料供給量調整手段の状態をエンジンがアイドル運転に移行するまで変化させないように制御することが好ましい。

請求項１又は２に記載の発明によれば、過給機を持たない予混合圧縮自着火エンジンにつき火花点火方式によるノッキングを回避した好適な始動を燃焼圧センサを持たない簡素で安価な構成により達成することができる。

請求項３又は４に記載の発明によれば、過給機を持たない予混合圧縮自着火エンジンにつき火花点火方式によるノッキングを回避した好適な始動を燃焼圧センサを持たない簡素で安価な構成により達成することができる。

以下、本発明における予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置を具体化した一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態における予混合圧縮自着火エンジンの制御装置を概略構成図により示す。エンジン１は、２つの気筒２Ａ，２Ｂを有するレシプロ方式の４サイクル小型エンジンである。この実施形態のエンジン１は、その諸元の一例として、「７８（φ）×７２（mm）」のボアストロークと、「２９.０」の圧縮比と、「６８８（cc）」の排気量と、「３６.９（％：LHV）」の熱効率を有する。各気筒２Ａ，２Ｂの吸気ポート３ａには、吸気マニホールド４が接続される。吸気マニホールド４には、吸気パイプ５が接続される。これら吸気マニホールド４及び吸気パイプ５により、各気筒２Ａ，２Ｂに空気を供給する吸気通路が構成される。各気筒２Ａ，２Ｂの排気ポート３ｂには、排気マニホールド６が接続される。排気マニホールド６には、排気パイプ７が接続される。これら排気マニホールド６及び排気パイプ７により、各気筒２Ａ，２Ｂから排ガスを排出する排気通路が構成される。

周知のようにレシプロ方式のエンジン１は、各気筒２Ａ，２Ｂに設けられたピストン８の往復運動をクランクシャフト９の回転運動に変換して動力を得るものである。各気筒２Ａ，２Ｂの吸気ポート３ａには、同ポート３ａを開閉するためにクランクシャフト９及びカムシャフト（図示略）の回転に連動して開閉駆動される吸気弁（図示略）が設けられる。同じく、各気筒２Ａ，２Ｂの排気ポート３ｂには、同ポート３ｂを開閉するためにクランクシャフト９及びカムシャフトの回転に連動して開閉駆動される排気弁（図示略）が設けられる。各気筒２Ａ，２Ｂの吸気弁及び排気弁は、クランクシャフト９の回転角度（クランク角度）及びカムシャフトの回転角度（カム角度）の変化に対応した所定のタイミングで開閉駆動するようになっている。エンジン１に設けられるスタータ２１は、エンジン１の始動に際してエンジン１をクランキングするために使用され、本発明のクランキング手段に相当する。スタータ２１は、クランクシャフト９に設けられたフライホイール２２に駆動連結される。

吸気パイプ５と排気パイプ７との間には、ＥＧＲパイプ１０が設けられる。ＥＧＲパイプ１０には、ＥＧＲ弁１１が設けられる。周知のようにＥＧＲパイプ１０は、排気パイプ７を流れる排気ガスの一部を吸気パイプ５へ再循環させるための通路であり、ＥＧＲ弁１１は、同パイプ１０を流れる排気ガスの量を調整するためのものである。吸気パイプ５へ排気ガスの一部を再循環させることにより、各気筒２Ａ，２Ｂに供給される空気（混合気）を加熱することができる。ＥＧＲ弁１１は、アクチュエータ（図示略）によりその開度が調整されるようになっている。

吸気パイプ５には、ＥＧＲパイプ１０との合流部より下流にミキサ１２が設けられ、ミキサ１２の上流には、スロットル弁１３が設けられる。ミキサ１２には、燃料パイプ１４を通じて天然ガスが燃料として供給されるようになっている。燃料パイプ１４には、天然ガスの供給量を調整するための燃料弁１５が設けられる。燃料弁１５は、アクチュエータ（図示略）によりその開度（燃料弁開度θｆ）が調整されるようになっている。ミキサ１２及び燃料弁１５は、各気筒２Ａ，２Ｂに対する燃料供給量を調整するための本発明の燃料供給量調整手段に相当する。スロットル弁１３は、アクチュエータ（図示略）によりその開度（スロットル開度θth）が調整されるようになっている。スロットル開度θthを調整することにより、吸気マニホールド４及び吸気パイプ５における吸気圧力Ｐinが調整される。スロットル弁１３は、本発明の吸気圧力調整手段に相当する。

各気筒２Ａ，２Ｂには、点火プラグ１６がそれぞれ設けられる。各点火プラグ１６は、各気筒２Ａ，２Ｂに供給される混合気を火花点火させるものである。各点火プラグ１６は、点火装置１７に接続され、点火装置１７から出力される高電圧に基づき動作するようになっている。点火装置１７は、各点火プラグ１６を所要のタイミング（点火時期θig）により動作させるために制御されるようになっている。各点火プラグ１６及び点火装置１７は、各気筒２Ａ，２Ｂにて混合気を火花点火させるための本発明の火花点火手段に相当する。この実施形態では、冷間始動時にエンジン１を予混合圧縮自着火運転させることが困難なことから、始動時に火花点火運転を行うために点火プラグ１６及び点火装置１７が設けられる。

この他、吸気パイプ５の入口には、空気を清浄化するエアフィルタ１８と、消音のためのサイレンサ１９が設けられる。排気パイプ７の出口には、消音のためのマフラ２０が設けられる。

ここで、上記したエンジン１につき、その回転数Ｎｅがアイドル回転数Ｎｅ-idleに相当する「１８００（rpm）」となるときのスロットル開度θthと吸気圧力Ｐinとの関係を図２にグラフにより示す。このグラフから明らかなように、スロットル開度θthが「０〜８（％）」の範囲で増加することにより、吸気圧力Ｐinが「３０〜４６（kPa）」の範囲で増加することが分かる。

また、上記したエンジン１につき、その回転数Ｎｅがアイドル回転数Ｎｅ-idleに相当する「１８００（rpm）」となるときであって、スロットル開度θthが「０.０（％），４.０（％），６.０（％），７.５（％）」となるときの燃料弁開度θｆと空気過剰率λとの関係を図３にグラフにより示す。このグラフから明らかなように、燃料弁開度θｆが「０〜１００（％）」の範囲で増加することにより、空気過剰率λは「１.９５〜１」の範囲で低減する方向へ変化することが分かる。

この実施形態で、吸気マニホールド４の入口には、各気筒２Ａ，２Ｂに吸入される空気の温度（吸気温度）Ｔinを検出するための吸気温度センサ３１が設けられる。エンジン１には、クランク角度を検出するためのクランク角度センサ３２が設けられる。クランク角度センサ３２は、エンジン１の回転数Ｎｅを検出するための本発明の回転数検出手段に相当する。また、エンジン１には、カム角度を検出するためのカム角度センサ３３が設けられる。更に、排気マニホールド６の出口には、各気筒２Ａ，２Ｂから排出される排気ガス中の酸素濃度Ｏｘを検出するための酸素センサ３４が設けられる。これらセンサ３１〜３４は、エンジン１の運転状態を検出するための運転状態検出手段に相当する。

この実施形態では、エンジン１の運転を制御するために電子制御装置（ＥＣＵ）３０が設けられる。ＥＣＵ３０には、ＥＧＲ弁１１、スロットル弁１３、燃料弁１５及び点火装置１７がそれぞれ接続される。また、ＥＣＵ３０には、吸気温度センサ３１、クランク角度センサ３２、カム角度センサ３３及び酸素センサ３４がそれぞれ接続される。ＥＣＵ３０には、エンジン１の運転を制御するための制御プログラムが格納される。ＥＣＵ３０は、この制御プログラムに基づきＥＧＲ弁１１、スロットル弁１３、燃料弁１５及び点火装置１７を制御するようになっている。ＥＣＵ３０は、本発明の制御手段に相当する。

電源スイッチ３６と始動スイッチ３７は、エンジン１の始動に際して操作される。電源スイッチ３６は、その一端がバッテリ２３に接続され、その他端がＥＣＵ３０に接続される。始動スイッチ３７は、その一端がバッテリ２３に接続され、その他端がスタータ２１に接続される。この始動スイッチ３７は、エンジン１の始動を指示するために操作される本発明の始動操作手段に相当する。

ここで、エンジン１を制御するための運転状態の指標となるのは、回転数Ｎｅ、吸気温度Ｔｉ及び酸素濃度Ｏｘ等である。ＥＣＵ３０は、クランク角度センサ３２により検出される信号を回転数Ｎｅとして読み込む。また、ＥＣＵ３０は、エンジン１を制御するための物理量を決定する。この実施形態で、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲ弁１１の開度（ＥＧＲ弁開度）、スロットル開度θth、燃料弁開度θｆ、各気筒２Ａ，２Ｂの点火時期θigを決定する。ＥＣＵ３０は、エンジン１の始動、アイドル運転及び予混合圧縮自着火運転に係る物理量（ＥＧＲ弁開度、スロットル開度θth、燃料弁開度θｆ及び点火時期θig）を制御するためのロジックを、制御プログラムとして予め記憶している。特に、この実施形態では、上記制御プログラムの中に、エンジン１の始動時にノッキングを回避するための制御プログラムが含まれる。

次に、始動時及びアイドル運転時にＥＣＵ３０が実行する制御内容を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。

先ず、ＥＣＵ３０は、ステップ１００及びステップ１１０で、電源スイッチ３６及び始動スイッチ３７がそれぞれＯＮされるのを待ち、両スイッチ３６，３７が共にＯＮされると、処理をステップ１２０へ移行する。

ステップ１２０では、始動スイッチ３７のＯＮ操作に伴いスタータ２１がＯＮする。これにより、エンジン１のクランキングが開始される。スタータ２１のＯＮ状態は、その後所定時間だけ継続するようになっている。

次に、ステップ１３０で、ＥＣＵ３０は、始動条件を設定する。すなわち、ＥＣＵ３０は、スロットル開度θth及び燃料弁開度θｆをそれぞれ所定の初期値に設定する。また、ＥＣＵ３０は、アイドル回転数Ｎｅ-idle及び点火時期θigをそれぞれ所定の初期値に設定する。ここで、スロットル開度θthの初期値は、アイドル運転時の吸気圧力Ｐinが「３０.５〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となる値、好ましくは「３５.０〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となる値に相当する。また、燃料弁開度θｆの初期値は、アイドル運転時の空気過剰率λが「１.０〜２.０」の範囲の所定値となる値、好ましくは「１.０〜１.３」の範囲の所定値となる値に相当する。これら設定された初期値はエンジン１がアイドル運転に移行するまで変化させないように固定される。

次に、ステップ１４０〜ステップ１６０で、ＥＣＵ３０は、エンジン１の始動準備を行う。すなわち、ステップ１４０で、ＥＣＵ３０は、スロットル弁１３を上記設定された初期値のスロットル開度θthに基づき開く。すなわち、ＥＣＵ３０は、アイドル運転時の吸気圧力Ｐinが「３０.５〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となる状態、好ましくは「３５.０〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となる状態に、スロットル弁１３を制御する。続いて、ステップ１５０で、ＥＣＵ３０は、燃料弁１５を上記設定された初期値の燃料弁開度θｆに基づき開く。すなわち、ＥＣＵ３０は、アイドル運転時の空気過剰率λが「１.０〜２.０」の範囲の所定値となる状態、好ましくは「１.０〜１.３」の範囲の所定値となる状態に、燃料弁１５を制御する。これにより、ミキサ１２に所定量の天然ガスが供給される。次に、ステップ１６０で、ＥＣＵ３０は、点火装置１７に電源を投入する。これにより、点火プラグ１６への高電圧の供給準備が整えられる。

その後、ステップ１７０で、ＥＣＵ３０は、クランク角度センサ３２からの検出信号に基づき回転数Ｎｅを読み込む。

次に、ステップ１８０で、ＥＣＵ３０は、読み込まれた回転数Ｎｅが、所定のアイドル回転数Ｎｅ-idleよりも小さいか否かを判断する。ここで、アイドル回転数Ｎｅ-idleを、例えば「１８００ｒｐｍ」とすることができる。この判断結果が肯定となる場合、すなわち回転数Ｎｅがアイドル回転数Ｎｅ-idleより低い場合、ＥＣＵ３０は、処理をステップ１９０へ移行する。

そして、ステップ１９０で、ＥＣＵ３０は、読み込まれた回転数Ｎｅに基づき各気筒２Ａ，２Ｂに対応した点火時期θigを算出する。ＥＣＵ３０は、この算出を、図５に示すマップ（関数データ）を参照することで行う。図５のマップには、ノッキングを回避することのできる回転数Ｎｅと点火時期θigとの関係が設定される。図５のマップでは、回転数Ｎｅが「０〜１０００（rpm）」となる範囲では、回転数Ｎｅの増加に伴い混合気の点火時期θigを「８〜１４（°BTDC）」の範囲で徐々に増加させ、回転数Ｎｅが「１０００（rpm）」に達した後は、回転数Ｎｅが所定のアイドル回転数Ｎｅ-idleとなるまで点火時期θigを所定値まで滑らかに変化させるように設定される。図５には、アイドル回転数Ｎｅ-idleでのアイドル点火時期θig-idleを「２６（°BTDC）」とした場合のマップを破線で示し、アイドル点火時期θig-idleを「１０（°BTDC）」とした場合のマップを実線で示す。前者のマップの特徴は、回転数Ｎｅが「１０００（rpm）」に達した後の点火時期θigが、回転数Ｎｅの増加に伴い「２６（°BTDC）」まで増加するタイプである。後者のマップの特徴は、回転数Ｎｅが「１０００（rpm）」に達した後の点火時期θigが、回転数Ｎｅの増加に伴い緩やかに減少に転じて「１０（°BTDC）」まで減少するタイプである。この実施形態では、例えば、後者の実線のマップを参照するものとする。

そして、ステップ２００で、ＥＣＵ３０は、算出された点火時期θigに基づき点火装置１７を制御することにより、点火プラグ１６を火花点火させる。これにより、ＥＣＵ３０は、回転数Ｎｅに応じて点火時期θigを変化させる。

この間、スロットル弁１３と燃料弁１５はそれぞれ初期値のまま固定される。これにより、スロットル弁１３はほぼ全閉状態に保たれる。また、燃料弁１５により所定量の天然ガスがミキサ１２に供給される。その後、ＥＣＵ３０は、ステップ１８０の判断に戻る。従って、回転数Ｎｅが所定のアイドル回転数Ｎｅ-idleに達するまでは、ＥＣＵ３０は、図５のマップに示すように点火時期θigを変化させながら、ステップ１８０〜ステップ２００の処理を繰り返す。

すなわち、この実施形態では、エンジン１の始動に際して、スロットル弁１３を、アイドル運転時の吸気圧力Ｐinが「３０.５〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値、好ましくは「３５.０〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となる状態に設定し、燃料弁１５を、アイドル運転時の空気過剰率λが「１.０〜２.０」の範囲の所定値。好ましくは「１.０〜１.３」の範囲の所定値となる状態に設定し、設定されたスロットル弁１３及び燃料弁１５の状態をエンジン１がアイドル運転に移行するまで変化させないように固定し、点火時期θigについては、回転数Ｎｅが「０〜１０００（rpm）」となる範囲では、回転数Ｎｅの増加に伴い「８〜１４（°BTDC）」の範囲で徐々に増加させるように点火プラグ１６及び点火装置１７により調整し、回転数Ｎｅが「１０００（rpm）」に達した後は、回転数Ｎｅが所定のアイドル回転数Ｎｅ-idleとなるまで点火時期θigを所定値まで滑らかに変化させるように点火プラグ１６及び点火装置１７により調整するような方法によりエンジン１の始動時の運転を制御してしている。

一方、ステップ１８０の判断結果が否定となる場合、すなわち回転数Ｎｅがアイドル回転数Ｎｅ-idleに達すると、ステップ２１０で、ＥＣＵ３０は、クランク角度センサ３２で検出される回転数Ｎｅが所定のアイドル回転数Ｎｅ-idleとなるようにスロットル弁１３をＰＩＤ制御する。このとき、ＥＣＵ３０は、吸気圧力Ｐinを「３５.０〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値に調整するためにスロットル弁１３を制御する。このときのスロットル開度θthは、回転数Ｎｅの変動に合わせて多少変動することとなる。

次に、ステップ２２０で、ＥＣＵ３０は、燃料弁１５と点火装置１７をそれぞれ所定値に基づき制御する。すなわち、ＥＣＵ３０は、燃料弁開度θｆ及び点火時期θigを、それぞれ一つの値に固定する。このとき、ＥＣＵ３０は、空気過剰率λを「１.０〜１.３」の範囲の所定値に調整するために、燃料弁１５を所定値に基づき制御する。その後、ＥＣＵ３０は、エンジン１を予混合圧縮自着火運転へ移行するために別の処理へ移行する。

以上説明したこの実施形態の予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置によれば、エンジン１の始動に際して、電源スイッチ３６及び始動スイッチ３７がともにＯＮされてエンジン１の始動が指示されると、スタータ２１が動作してエンジンのクランキングが行われ、スロットル弁１３が、アイドル運転時の吸気圧力Ｐinが「３０.５〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となる状態、好ましくは「３５.０〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となる状態に設定され、燃料弁１５が、アイドル運転時の空気過剰率λが「１.０〜２.０」の範囲の所定値となる状態、好ましくは「１.０〜１.３」の範囲の所定値となる状態に設定され、設定されたスロットル弁１３及び燃料弁１５の状態がエンジン１がアイドル運転に移行するまで変化させないように固定され、混合気が点火プラグ１６等により火花点火させられる。ここで、エンジン１の回転数Ｎｅが「０〜１０００（rpm）」となる範囲では、回転数Ｎｅの増加に伴い点火プラグ１６等による点火時期θigが「８〜１４（°BTDC）」の範囲で徐々に増加させられ、回転数Ｎｅが「１０００（rpm）」に達した後は、回転数Ｎｅが所定のアイドル回転数Ｎｅ-idleとなるまで点火プラグ１６等による点火時期θigが所定値まで滑らかに変化させられる。従って、エンジン１の始動時にノッキングが発生するような燃焼圧力及び燃焼温度となる条件を避けて、各気筒２Ａ，２Ｂ内にて、混合気を点火させることが可能となる。また、この実施形態では、スロットル弁１３、燃料弁１４、点火プラグ１６、点火装置１７、スタータ２１及びクランク角度センサ３２等、エンジン制御で一般的に使用される機器を使用すればよく、ノッキングを回避するために、従来例のような高価な燃焼圧センサを使う必要がない。このため、過給機を持たない小型のエンジン１につき、火花点火方式によるノッキングを回避した好適な始動を燃焼圧センサを持たない簡素で安価な構成により達成することができる。

また、この実施形態では、回転数Ｎｅが所定のアイドル回転数Ｎｅ-idle（例えば、１８００（rpm））となったとき、すなわち、エンジン１がアイドル運転時となったとき、吸気圧力Ｐinが「３５.０〜４５.０（kPa）」の範囲の所定値となるようにスロットル弁１３の開度が調整され、空気過剰率λが「１.０〜１.３」の範囲の所定値となるように燃料弁１５の開度が調整される。このため、アイドル運転時には、各気筒２Ａ，２Ｂ内における混合気の燃焼効率が良好となる。このため、アイドル運転時におけるエンジン１の排気エミッションを低減することができる。

図６に、アイドル運転時における吸気圧力Ｐin、空気過剰率λ及び排気ガス中のＮＯｘの関係をグラフに示す。図７に、アイドル運転時における吸気圧力Ｐin、空気過剰率λ及び排気ガス中の未燃成分（ＴＨＣ）の関係をグラフに示す。図８に、アイドル運転時における吸気圧力Ｐin、空気過剰率λ及び排気ガス中のＣＯの関係をグラフに示す。これらのグラフは、エンジン１の回転数Ｎｅをアイドル回転数Ｎｅ-idleである「１８００（rpm）」に、吸気温度Ｔinを「４８℃」に、圧縮比εを「２９」にそれぞれ設定してなされた実験結果を示すものである。これらのグラフ中の異なる曲線は、それぞれ吸気圧力Ｐinを「３０.５（kPa）」、「３５.０（kPa）」、「４０.０（kPa）」及び「４５.０（kPa）」に設定した場合の結果をそれぞれ示す。図６のグラフから明らかなように、空気過剰率λが「１.０〜１.３」となる範囲では、吸気圧力Ｐinが「３５.０（kPa）」、「４０.０（kPa）」及び「４５.０（kPa）」となるときに、ＮＯｘが「約２００（ppm）」以下と少なくなることが分かる。図７のグラフから明らかなように、空気過剰率λが「１.０〜１.３」となる範囲では、吸気圧力Ｐinが「３０.５（kPa）」から「４５.０（kPa）」となる全ての場合で、ＴＨＣが「１２５０（ppmC）」以下と少なくなることが分かる。図８のグラフから明らかなように、空気過剰率λが「１.０５〜１.３」となる範囲では、吸気圧力Ｐinが「３０.５（kPa）」から「４５.０（kPa）」となる全ての場合で、ＣＯが「１５００（ppmC）」以下と少なくなることが分かる。これらのことから、アイドル運転時に排気エミッションを低減できることが分かる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、本発明を２気筒の小型エンジン１に具体化したが、３気筒以上のエンジンに具体化することもできる。

予混合圧縮自着火エンジンの制御装置を示す概略構成図。 スロットル開度θthと吸気圧力Ｐinとの関係を示すグラフ。 燃料弁開度θｆと空気過剰率λとの関係を示すグラフ。 始動時及びアイドル運転時の制御内容を示すフローチャート。 エンジン回転数Ｎｅと点火時期θigとの関係を示すマップ。 アイドル運転時における吸気圧力Ｐin、空気過剰率λ及び排気ガス中のＮＯｘの関係を示すグラフ。 アイドル運転時における吸気圧力Ｐin、空気過剰率λ及び排気ガス中のＴＨＣの関係を示すグラフ。 アイドル運転時における吸気圧力Ｐin、空気過剰率λ及び排気ガス中のＣＯの関係を示すグラフ。

符号の説明

１ エンジン
２Ａ 気筒
２Ｂ 気筒
１３ スロットル弁（吸気圧力調整手段）
１５ 燃料弁（燃料供給量調整手段）
１６ 点火プラグ（火花点火手段）
１７ 点火装置（火花点火手段）
２１ スタータ（クランキング手段）
３０ ＥＣＵ（制御手段）
３２ クランク角度センサ（回転数検出手段）
３７ 始動スイッチ（始動操作手段）

Claims (4)

1. 気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させて運転する予混合圧縮自着火エンジンにおいて、吸気圧力を吸気圧力調整手段により調整し、燃料供給量を燃料供給量調整手段により調整し、前記混合気を火花点火させる点火時期を火花点火手段により調整してクランキングによりエンジンを始動し、その後アイドル運転に移行する予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、
   前記燃料を天然ガスとし、前記エンジンの始動に際して、前記吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３０.５〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、前記燃料供給量調整手段を、前記アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜２.０の範囲の所定値となる状態に設定し、前記設定された前記吸気圧力調整手段及び前記燃料供給量調整手段の状態を前記エンジンが前記アイドル運転に移行するまで変化させないように固定し、
   前記点火時期については、前記エンジンの回転数が０〜１０００（rpm）となる範囲では、前記回転数の増加に伴い８〜１４（°BTDC）の範囲で徐々に増加させるように前記火花点火手段により調整し、前記回転数が１０００（rpm）に達した後は、前記回転数が所定のアイドル回転数となるまで前記点火時期を所定値まで滑らかに変化させるように前記火花点火手段により調整することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
2. 前記エンジンの始動に際して、前記吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３５.０〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、前記燃料供給量調整手段を、前記アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜１.３の範囲の所定値となる状態に設定し、前記設定された前記吸気圧力調整手段及び前記燃料供給量調整手段の状態を前記エンジンが前記アイドル運転に移行するまで変化させないように固定することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
3. 気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させて運転する予混合圧縮自着火エンジンにおいて、吸気圧力、燃料供給量、前記混合気を火花点火させる点火時期をそれぞれ調整してクランキングによりエンジンを始動し、その後アイドル運転に移行する予混合圧縮自着火エンジンの制御装置であって、
   前記吸気圧力を調整するための吸気圧力調整手段と、
   前記燃料供給量を調整するための燃料供給量調整手段と、
   前記混合気を火花点火させるための火花点火手段と、
   前記エンジンをクランキングするためのクランキング手段と、
   前記エンジンの回転数を検出するための回転数検出手段と、
   前記エンジンの始動を指示するために操作される始動操作手段と、
   前記吸気圧力調整手段、前記燃料供給量調整手段及び前記火花点火手段を制御するための制御手段と
   を備え、前記燃料を天然ガスとし、前記始動操作手段により前記エンジンの始動が指示されたとき、前記クランキングを行うために前記クランキング手段を動作させ、
   前記制御手段は、前記吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３０.５〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、前記燃料供給量調整手段を、前記アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜２.０の範囲の所定値となる状態に設定し、前記設定された前記吸気圧力調整手段及び前記燃料供給量調整手段の状態を前記エンジンが前記アイドル運転に移行するまで変化させないように制御すると共に、前記点火時期については、前記検出される回転数が０〜１０００（rpm）となる範囲では、前記回転数の増加に伴い８〜１４（°BTDC）の範囲で徐々に増加させ、前記検出される回転数が１０００（rpm）に達した後は、前記回転数が所定のアイドル回転数となるまで前記点火時期を所定値まで滑らかに変化させるように前記検出される回転数に基づいて前記火花点火手段を制御することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
4. 前記エンジンの始動に際して、前記制御手段は、前記吸気圧力調整手段を、アイドル運転時の吸気圧力が３５.０〜４５.０（kPa）の範囲の所定値となる状態に設定し、前記燃料供給量調整手段を、前記アイドル運転時の空気過剰率が１.０〜１.３の範囲の所定値となる状態に設定し、前記設定された前記吸気圧力調整手段及び前記燃料供給量調整手段の状態を前記エンジンが前記アイドル運転に移行するまで変化させないように制御することを特徴とする請求項３に記載の予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。

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