JP2014169664A - 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】着火促進剤の噴射により混合気の自着火を誘発させる予混合圧縮着火エンジンにおいて、着火促進剤噴射手段の作動不良が発生した場合でも、合理的な構成を採用しながら要求出力を満たして安定した運転状態を維持することができる技術を提供する。
【解決手段】着火促進剤噴射手段４０の動作不良の発生を判定する動作不良判定手段５１を備え、制御手段５２が、動作不良判定手段５１で動作不良が発生すると判定された場合には、空燃比制御において目標空燃比を燃料リッチ側に移行させて、混合気Ｍの自己着火燃焼による運転を継続させる運転継続処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室で圧縮される混合気に対して当該混合気の着火を促進させる着火促進剤を噴射する着火促進剤噴射手段とを備え、
前記燃焼室で圧縮される混合気の空燃比を燃料リーンな所定の目標空燃比に制御する空燃比制御を実行する制御手段を備えた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。

低公害且つ高効率を実現し得るエンジンとして、空気と主燃料とを予め混合した混合気を燃焼室に導入し、その混合気をピストンの断熱圧縮により自己着火させて燃焼させる所謂予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼を行う予混合圧縮着火式エンジンが知られている。かかる予混合圧縮着火式エンジンは、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。

予混合圧縮着火エンジンとしては、燃焼室における混合気の安定した自己着火を実現するために、燃焼室において圧縮された混合気に対して、混合気の着火を促進させる着火促進剤として、主燃料（ガソリン等）よりも着火性が高い着火燃料（軽油等）を噴射し、その着火燃料の酸化反応熱により混合気の自己着火を誘発させるように構成されたものがある（特許文献１を参照）。
また、このような予混合圧縮着火エンジンでは、着火燃料を噴射するための着火促進剤噴射手段に作動不良が発生して、着火燃料を噴射できなくなると、燃焼室において混合気の自己着火が安定して発生しなくなってしまい、熱効率低下や失火等が発生するという問題がある。

そこで、このような着火促進剤噴射手段の作動不良に対応する従来の技術として、着火促進剤噴射手段の作動不良が発生した気筒を特定して当該特定した気筒への主燃料の供給を停止して他の気筒での燃焼により運転を継続するもの（特許文献２を参照）、別途準備しておいたバックアップ用の着火促進剤噴射手段を作動させるもの（特許文献３を参照）が知られている。

特開２０１１−１５７９４１号公報 特開２０１１−１２２４６０号公報 特開２００５−３０７９７７号公報

予混合圧縮着火エンジンにおいて、上記特許文献２に記載の技術を採用した場合には、着火促進剤噴射手段の作動不良が発生した気筒への主燃料の供給を停止するために、要求出力に対して出力不足が生じるという問題があった。
また、上記特許文献３に記載の技術を採用した場合には、バックアップ用の着火促進剤噴射手段を常備しておく必要があるために、構造が煩雑になり装置コストが増加するという問題がある。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、着火促進剤の噴射により混合気の自着火を誘発させる予混合圧縮着火エンジンにおいて、着火促進剤噴射手段の作動不良が発生した場合でも、合理的な構成を採用しながら要求出力を満たして安定した運転状態を維持することができる技術を提供する点にある。

この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、
主燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室で圧縮される混合気に対して当該混合気の着火を促進させる着火促進剤を噴射する着火促進剤噴射手段とを備え、
前記燃焼室で圧縮される混合気の空燃比を燃料リーンな所定の目標空燃比に制御する空燃比制御を実行する制御手段を備えた予混合圧縮着火エンジンであって、
その第１特徴構成は、
前記着火促進剤噴射手段の動作不良の発生を判定する動作不良判定手段を備え、
前記制御手段が、前記動作不良判定手段で前記動作不良が発生すると判定された場合には、前記空燃比制御において前記目標空燃比を燃料リッチ側に移行させて、前記混合気の自己着火燃焼による運転を継続させる運転継続処理を実行する点にある。

上記予混合圧縮着火エンジンの第１特徴構成によれば、上記動作不良判定手段で着火促進剤噴射手段の動作不良が発生すると判定された場合には、上記空燃比制御において空燃比が燃料リッチ側に移行された混合気が燃焼室において圧縮されることになる。
すると、この混合気の着火性が空燃比の燃料リッチ側への移行により向上していることから、着火促進剤の噴射が不十分である又は停止している場合でも、当該混合気の自己着火が安定して発生する。更には、混合気の空燃比の燃料リッチ側への移行により、着火促進剤不足による出力低下が補われることになる。
従って、本発明により、バックアップ用の着火促進剤噴射手段を備える必要がない合理的な構成で、着火促進剤噴射手段の作動不良が発生した場合でも、要求出力を満たして安定した運転状態を維持することができる予混合圧縮着火エンジンを実現することができる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記制御手段が、前記動作不良判定手段で前記動作不良が発生すると判定された場合には、前記着火促進剤噴射手段の動作を停止して、前記運転継続処理を実行する点にある。

上記予混合圧縮着火エンジンの第２特徴構成によれば、上記動作不良判定手段で着火促進剤噴射手段の動作不良が発生すると判定された場合に、着火促進剤噴射手段の動作を停止することで、その着火促進剤噴射手段による不安定な着火促進剤の噴射に起因したサイクル変動の悪化を回避することができる。よって、同時に運転継続処理を実行して燃料リッチの混合気を、着火促進剤の噴射に頼ることなく自己着火させるにあたり、その自己着火を安定して発生させることができ、安定した運転状態を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３特徴構成は、上記第１乃至第２特徴構成の何れかに加えて、
前記動作不良判定手段が、サイクル変動の悪化及び燃焼室温度の低下の少なくとも一方を前記動作不良の発生として認識する点にある。

上記予混合圧縮着火エンジンの第３特徴構成によれば、サイクル変動の悪化及び燃焼室温度の低下の少なくとも一方が検出された場合には、上記着火促進剤噴射手段の動作不良が発生している可能性が高いことから、そのサイクル変動の悪化又は燃焼室温度の低下を当該動作不良の発生として認識することができる。
即ち、制御手段は、サイクル変動の悪化及び燃焼室温度の低下の少なくとも一方が検出された場合には、運転継続処理を実行して、空燃比制御で制御される混合気の目標空燃比を燃料リッチ側に移行させて、サイクル変動の悪化による失火やストールを事前に回避することができる。
また、動作不良判定手段は、サイクル変動の悪化及び燃焼室温度の低下の双方が発生する状態を、上記着火促進剤噴射手段の動作不良として検出するように構成すれば、当該動作不良の発生をより正確に認識することができる。

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乃至第３特徴構成の何れかに加えて、
前記動作不良判定手段が、前記着火促進剤の供給停止を前記動作不良の発生として認識する点にある。

上記予混合圧縮着火エンジンの第４特徴構成によれば、例えば着火促進剤容器の着火促進剤の貯留量が下限界値を下回った場合などにおいて、着火促進剤噴射手段への着火促進剤の供給が停止する供給停止が検出された場合には、上記着火促進剤噴射手段による着火促進剤の噴射が停止することから、その着火促進剤の供給停止を当該動作不良の発生として認識することができる。
即ち、制御手段は、着火促進剤の供給停止が検出された場合には、空燃比制御において混合気の目標空燃比を燃料リッチ側に移行させて、当該混合気の自己着火燃焼による運転を継続させる運転継続処理を実行し、着火促進剤の供給停止による失火やストールを事前に回避することができる。

この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は、
主燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室で圧縮される混合気に対して当該混合気の着火を促進させる着火促進剤を噴射する着火促進剤噴射手段とを備えた予混合圧縮自着火エンジンにおいて、
前記燃焼室で圧縮される混合気の空燃比を燃料リーンな所定の目標空燃比に制御する空燃比制御を実行する運転制御方法であって、
その特徴構成は、
前記着火促進剤噴射手段の動作不良が発生すると判定した場合には、前記空燃比制御において前記目標空燃比を燃料リッチ側に移行させて、前記混合気の自己着火燃焼による運転を継続させる運転継続処理を実行する点にある。

上記予混合圧縮着火エンジンの運転制御方法の特徴構成によれば、上述した本発明に係る予混合圧縮着火エンジンと同様に、着火促進剤噴射手段の動作不良が発生すると判定した場合に運転継続処理を実行するので、当該本発明に係る予混合圧縮着火エンジンで説明したものと同様の作用効果を奏することができる。

実施形態の予混合圧縮着火式エンジンの概略構成図 圧縮・膨張行程における燃焼室での状態変化を示す説明図 別実施形態の予混合圧縮着火式エンジンの概略構成図

本発明に係る予混合圧縮着火式エンジン及びその運転制御方法の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１に示す予混合圧縮着火式エンジン（以下、単に「エンジン」と略称する。）１は、シリンダ２と、シリンダ２の上部に連結されたシリンダヘッド３とを有し、シリンダ２内には、連結棒５を介しクランク軸６に連結されたピストン４が往復移動自在に収容されている。そして、ピストン４の頂面と、シリンダ２の内面と、シリンダヘッド３の下面とによって燃焼室１０が形成されている。そして、燃焼室１０には、吸気路２１及び排気路３１が開口され、燃焼室１０の吸気路２１側には吸気弁２０が、燃焼室１０の排気路３１側には排気弁３０が設けられている。

エンジン１の吸気路２１には、吸気路２１を流通する空気に、外部から供給されたメタンを主成分とする天然ガスである主燃料を、燃料供給弁２４による供給量調整を伴って混合して、混合気Ｍを形成するミキサ２３が設けられている。また、吸気路２１におけるミキサ２３の下流側には、開度調整により燃焼室１０への混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットル弁２２が設けられている。

そして、吸気弁２０を開動作させた状態でピストン４が上死点から下降することにより、吸気路２１から燃焼室１０に混合気Ｍを吸気する吸気行程が行われ、次に、吸気弁２０を閉動作させた状態でピストン４が上昇することにより、燃焼室１０の混合気Ｍを圧縮する圧縮行程が行われる。
この圧縮行程の後期では、図２に示すように、混合気Ｍが断熱圧縮により昇温して、主燃料の酸化反応が進み、温度が連鎖分岐反応の発生する主燃料の着火温度まで上昇すると、自己着火が発生し混合気Ｍが燃焼する、所謂ＨＣＣＩ燃焼が行われる。
そして、圧縮行程に続く膨張行程では、排気弁３０を開動作させた状態でピストン４が上昇することにより、燃焼室１０の排ガスＥを排気路３１に排出する排気行程が行われる。
このようにして、エンジン１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の順に各行程を行う一連の動作を繰り返し行うように構成されている。

エンジン１には、一般的なＨＣＣＩ式エンジンと同様に、各種センサとして、燃焼室１０の圧力（以下「筒内圧力」と呼ぶ。）を検出する筒内圧力センサ８や、燃焼室１０の温度を検出する温度センサ９や、クランク軸６の角度（以下「クランク角」と呼ぶ。）を検出するクランク角センサ７等が設けられている。

更に、このエンジン１のシリンダヘッド３には、燃焼室１０で圧縮される混合気Ｍに対して、当該混合気Ｍの着火を促進させる着火促進剤として、主燃料である天然ガスよりも着火性が高い軽油などの着火燃料を噴射する着火燃料噴射弁４０（着火促進剤噴射手段の一例）が設けられている。
この着火燃料噴射弁４０は、図２に示すように、燃焼室１０に直接着火燃料を圧縮行程における所定のタイミングで噴射可能に構成されており、具体的には、ＥＣＵ５０により開閉制御が行われることで、圧縮行程における上死点よりも前のタイミングで、着火燃料を複数回（例えば３回）に亘って間欠的に噴射する。
すると、圧縮されて比較的高温となった燃焼室１０において、噴射された着火燃料の酸化反応が進み、その反応熱により燃焼室１０に存在する混合気Ｍの自己着火が誘発される。
即ち、その着火燃料噴射のタイミングを適切なものに設定すれば、それよりも一定間隔遅れた所定のタイミングで、混合気Ｍを安定して自己着火させることができるようになる。

エンジン１の各種制御は、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）５０によって行われ、かかるＥＣＵ５０は、所定のコンピュータープログラムを実行することにより、着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生を判定する動作不良判定手段５１、エンジン１の運転制御を実行する制御手段５２等として機能する。

上記動作不良判定手段５１は、サイクル変動の悪化と燃焼室温度の低下の両方が発生する状態を着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識する手段として構成されている。
具体的に、上記動作不良判定手段５１は、クランク角センサ７で検出されるクランク角を参照しながら筒内圧力センサ８で検出された筒内圧力を分析して、図示平均有効圧力を算出し、その図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）の標準偏差を同圧力の平均値で除算した値を、所定のサイクル数における変動率ＣＯＶとして求め、その変動率ＣＯＶが許容範囲を超えて増大した状態を、サイクル変動の悪化として検出する。更に、動作不良判定手段５１は、クランク角センサ７で検出されるクランク角を参照しながら温度センサ９で検出される燃焼室温度を分析して、圧縮行程における上死点時の燃焼室１０のガス温度を上死点時燃焼室温度として検出する。
そして、着火燃料噴射弁４０の動作不良が発生して、着火燃料の噴射が停止又は不安定な状態となっている場合には、燃焼温度の低下と共に燃焼重心位置（ＣＡ５０）が遅れて変動率ＣＯＶが増大する。
そこで、この動作不良判定手段５１は、変動率ＣＯＶが設定値（例えば３％）以上に増大したことを検出し、且つ、上死点時燃焼室温度が設定値以下に低下したことを検出した場合には、上述した着火燃料噴射弁４０による着火燃料の噴射が停止又は不安定な状態となっている可能性が高いと判断し、その状態を着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識する。

制御手段５２は、酸素センサ３２で検出された排ガスＥの酸素濃度に基づいて燃料供給弁２４の開度を制御することによって、ミキサ２３で生成される混合気Ｍの空燃比をＨＣＣＩ燃焼に適した燃料リーン（例えば、当量比で０．３０〜０．３３の範囲内）な所望の目標空燃比に維持する空燃比制御や、クランク角センサ７の検出結果から求められるクランク軸６の回転速度が所望の回転速度に維持されるようにスロットル弁２２の開度を制御する回転速度維持制御などの各種制御を実行するように構成されている。

以上がエンジン１の基本構成であるが、更に、エンジン１は、着火燃料噴射弁４０の作動不良が発生した場合でも、合理的な構成を採用しながら要求出力を満たして安定した運転状態を維持するための構成として、ＥＣＵ５０が機能する制御手段５２が、後述する所定の運転継続処理を実行するように構成されている。
以下、その詳細構成について説明を加える。

本実施形態のエンジン１においては、ＥＣＵ５０が機能する制御手段５２は、運転継続処理を実行するにあたり、動作不良判定手段５１でサイクル変動の悪化と燃焼室温度の低下の双方が検出され、それが着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識された場合には、空燃比制御において目標空燃比を燃料リッチ（例えば、当量比で０．３５〜０．４０の範囲内）側に移行させることで、混合気Ｍの自己着火燃焼による運転を継続させる。
具体的に、運転継続処理では、上述した動作不良判定手段５１でサイクル変動の悪化と燃焼室温度の低下の双方が検出された場合に、着火燃料噴射弁４０による着火燃料の噴射動作を停止して、着火燃料噴射弁４０による不安定な着火燃料の噴射に起因したサイクル変動の悪化等を回避した上で、同時に、燃料供給弁２４の開度を拡大側に移行させて、燃焼室１０に吸気される混合気Ｍの空燃比を、燃焼重心時期が適切な目標範囲内になるように、燃料リッチ側に移行させる。
すると、燃焼室１０で圧縮される混合気Ｍの着火性が空燃比の燃料リッチ側への移行により向上することで、混合気Ｍの自己着火が所望のタイミングで安定して発生することになると共に、着火燃料噴射弁４０による着火燃料噴射の停止による出力低下が混合気Ｍの空燃比の変更により補われることになり、結果、要求出力を満たして安定した運転状態が維持されることになる。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施形態では、動作不良判定手段５１が、サイクル変動の悪化と燃焼室温度の低下の双方を検出し、それを着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識するように構成したが、例えばサイクル変動の悪化及び燃焼温度の低下の何れか一方を、着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識しても構わない。
また、動作不良判定手段５１は、着火燃料噴射弁４０による着火燃料の供給停止を着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識することもできる。
以下、このように構成する場合の別実施形態について、図３に基づいて説明する。尚、上記実施形態と同様の構成については説明を割愛する。
図３に示すエンジン１は、軽油などの着火燃料を貯留する着火燃料容器（着火促進剤容器の一例）４２を備え、この着火燃料容器４２に貯留されている着火燃料がポンプ４１を介して着火燃料噴射弁４０に供給される。
また、この着火燃料容器４２には、貯留されている着火燃料のレベル（水位）が下限界値を下回ったときにＥＣＵ５０に所定の検出信号を出力するレベルセンサ４３が設けられている。
そして、ＥＣＵ５０が機能する動作不良判定手段５１は、レベルセンサ４３から検出信号が入力されて、着火燃料のレベルが下限界値を下回ったことを検出した場合に、着火燃料噴射弁４０への着火燃料の供給停止が発生すると判断し、その状態を着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識する。
そして、ＥＣＵ５０が機能する制御手段５２は、運転継続処理を実行するにあたり、動作不良判定手段５１で着火燃料噴射弁４０への着火燃料の供給停止が検出され、それが着火燃料噴射弁４０の動作不良の発生として認識された場合には、空燃比制御において目標空燃比を燃料リッチ側に移行させることで、混合気Ｍの自己着火燃焼による運転を継続させることができる。

（２）上記実施形態では、動作不良判定手段５１で動作不良が発生すると判定された場合には、着火燃料噴射弁４０の動作を停止した上で、運転継続処理を実行するように構成したが、別に、着火燃料噴射弁４０の動作を停止することなく、運転継続処理を実行しても構わない。

（３）上記実施形態では、主燃料を天然ガスとした場合に、燃焼室１０で圧縮される混合気Ｍに対して、天然ガスよりも着火性が高い軽油などの着火燃料を、混合気Ｍの着火を促進させる着火促進剤として噴射する構成を採用したが、着火燃料が主燃料よりも着火性が高いという条件で、主燃料と着火燃料とを別の燃料としても構わない。例えば、主燃料が天然ガスやガソリンの場合には、着火燃料としては、軽油や、それ以外に、重油、灯油、アルコール等を採用することができる。また、着火燃料の代わりに、水素、オゾン、その他活性種などの着火促進剤を噴射する構成を採用することもできる。

本発明は、主燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室で圧縮される混合気に対して当該混合気の着火を促進させる着火促進剤を噴射する着火促進剤噴射手段とを備え、前記燃焼室で圧縮される混合気の空燃比を燃料リーンな所定の目標空燃比に制御する空燃比制御を実行する制御手段を備えた予混合圧縮着火エンジン及びその運転制御方法として好適に利用可能である。

１ ：予混合圧縮着火エンジン
１０ ：燃焼室
４０ ：着火燃料噴射弁（着火促進剤噴射手段）
４２ ：着火燃料容器（着火促進剤容器）
５１ ：動作不良判定手段
５２ ：制御手段
Ｍ ：混合気

Claims (5)

1. 主燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室で圧縮される混合気に対して当該混合気の着火を促進させる着火促進剤を噴射する着火促進剤噴射手段とを備え、
   前記燃焼室で圧縮される混合気の空燃比を燃料リーンな所定の目標空燃比に制御する空燃比制御を実行する制御手段を備えた予混合圧縮着火エンジンであって、
   前記着火促進剤噴射手段の動作不良の発生を判定する動作不良判定手段を備え、
   前記制御手段が、前記動作不良判定手段で前記動作不良が発生すると判定された場合には、前記空燃比制御において前記目標空燃比を燃料リッチ側に移行させて、前記混合気の自己着火燃焼による運転を継続させる運転継続処理を実行する予混合圧縮着火エンジン。
2. 前記制御手段が、前記動作不良判定手段で前記動作不良が発生すると判定された場合には、前記着火促進剤噴射手段の動作を停止して、前記運転継続処理を実行する請求項１に記載の予混合圧縮着火エンジン。
3. 前記動作不良判定手段が、サイクル変動の悪化を前記動作不良の発生として認識する請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火エンジン。
4. 前記動作不良判定手段が、前記着火促進剤の供給停止を前記動作不良の発生として認識する請求項１〜３の何れか１項に記載の予混合圧縮着火エンジン。
5. 主燃料と空気との混合気を圧縮して自己着火燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室で圧縮される混合気に対して当該混合気の着火を促進させる着火促進剤を噴射する着火促進剤噴射手段とを備えた予混合圧縮自着火エンジンにおいて、
   前記燃焼室で圧縮される混合気の空燃比を燃料リーンな所定の目標空燃比に制御する空燃比制御を実行する運転制御方法であって、
   前記着火促進剤噴射手段の動作不良が発生すると判定した場合には、前記空燃比制御において前記目標空燃比を燃料リッチ側に移行させて、前記混合気の自己着火燃焼による運転を継続させる運転継続処理を実行する予混合圧縮着火エンジンの運転制御方法。

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