JP3969915B2 - 予混合圧縮自着火エンジン及びその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジン及びその予混合圧縮自着火エンジンの運転方法に関す。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、空気（酸素含有ガスの一例）と燃料との予混合気を燃焼室へ供給し、ピストンを上昇させて圧縮した後に点火プラグより火花点火して運転する火花点火式エンジン（オットーサイクルエンジン）と、圧縮空気中に液体燃料を噴射して自着火燃焼させて運転するディーゼルエンジンに大きく分けられるが、天然ガス等の気体燃料を利用するガスエンジンでは、従来型のディーゼルエンジンを構成する場合、気体燃料を圧縮して噴射するために大きな動力が必要となり、機構も複雑になる為、圧倒的多数は、火花点火式エンジンとされている。
【０００３】
ところで、エンジンは、圧縮比を増大させる程効率が増大することが分かっているが、火花点火エンジンでは、圧縮比を増大させると、ノッキングが発生し、その為、通常、圧縮比は１０程度に抑えられる。ノッキングとは、火花点火された燃焼波が、シリンダ全域に拡がる前に、未燃部が自然着火して燃焼して、衝撃波を発生する現象であり、この自然着火条件の成立は、温度依存性が極めて高い。
また、圧縮比を増大させると、ノッキングが発生し易くなるのは、圧縮比増大とともに、未燃部の温度が増大するためである。
【０００４】
最近、自然着火を積極的に利用する予混合圧縮自着火エンジンのコンセプトが話題になっている。これは、元々、燃料噴射ディーゼルのパティキュレートを防止する目的で考え出されたものであるが、ディーゼルエンジンのように燃焼室の圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、火花点火エンジンのように空気と燃料の予混合気をシリンダに供給し、燃焼室の予混合気を圧縮して昇温させ、自然着火燃焼させて、クランク軸の回転を維持する。
この手法をガスエンジンに適用すれば、ノッキングの問題を避けつつ、圧縮比を増大させ、高い効率を得ることが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記予混合圧縮自着火エンジンを実現するための大きな課題の一つは、圧縮着火のタイミングの制御である。
火花点火エンジンでは、火花点火時期によって、燃料噴射ディーゼルエンジンでは燃料噴射時期によって着火のタイミングを制御できるが、予混合圧縮自着火エンジンの場合、そのままでは（圧縮自着火のタイミングの制御を適正に行わないと）、燃焼室に吸気される予混合気の温度、シリンダの温度、エンジンの負荷等の変化により、自着火が起こるタイミングが変わり運転を継続できなくなる。
従って、本発明の目的は、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、その圧縮自着火のタイミングを適切なものとして、安定した運転状態を得ることができる技術を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための、本発明に係る第１の特徴構成は、シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法に関し、請求項１に記載されているように、前記予混合気に混合され前記圧縮自着火前に蒸発する液体に、前記予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解したコントロール液体を、混合量制御を伴って前記予混合気に混合して、前記圧縮自着火のタイミングを制御する点にある。
【０００７】
予混合圧縮自着火エンジンの運転にあっては、圧縮自着火のタイミングが重要である。即ち、ピストンが上死点付近にある、圧縮行程の最終段階、若しくは膨張行程の初期段階において、このような圧縮自着火が発生するのが好ましい。
本手法にあっては、上記のようにコントロール液体を生成して、予混合気に混合するように構成されている。
コントロール液体の主成分である液体は、予混合気に混合されて圧縮自着火前に蒸発するので、この液体を予混合気内で蒸発させてその潜熱により予混合気を冷却して、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができ、その供給量を制御することで、圧縮自着火のタイミングを制御することができる。
さらに、コントロール液体に混合された非燃焼性ガスは、コントロール液体が蒸発することによって予混合気に混合され、予混合気よりも比熱比が小さいので、燃焼室に供給され圧縮自着火する予混合気全体としての比熱比を小さくすることができ、燃焼室において圧縮時の昇温を抑制して、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができ、その供給量を制御することで、圧縮自着火のタイミングを制御することができる。
【０００８】
このように本手法においては、予混合気に供給され、その供給量に対応して圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる液体及び非燃焼性ガスの両方を含有するコントロール液体を、予混合圧縮自着火エンジンの燃焼室に供給される予混合気に混合するので、液体若しくは非燃焼性ガスの単独を混合する場合と比べて、広範囲且つ容易に圧縮自着火のタイミングを変化させることができ、適切な圧縮自着火タイミングよりも早いタイミングで自着火している予混合気に対して、コントロール液体を混合し、予混合気を冷却することで、自着火のタイミングを好ましいタイミングにすることができる。
また本手法において、このようなコントロール液体を生成するべく、予混合気に混合され圧縮自着火前に蒸発する液体に、予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解してコントロール液体を生成するように構成することもできる。
【０００９】
また、本発明に係る第２の特徴構成は、請求項２に記載されているように、上記第１の特徴構成に加えて、エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出可能な構造とし、
前記検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記予混合気に混合される前記コントロール液体の混合量を制御する点にある。
【００１０】
まず、エンジンの動作サイクル中における圧縮自着火の実際のタイミングを検出する、即ち、エンジンの動作サイクルにおける時間軸上で、どのタイミングで自着火が発生しているかを検出する。
このような検出は、例えば、燃焼室の内圧の変化を、クランク軸の角度に関連付けて検出することにより、行うことができる。
そして本願にあっては、検出される自着火のタイミングに基づいて、このコントロール液体の混合量を調整して、圧縮自着火のタイミングを調整し、常に自着火のタイミングを望ましいものに調整することができる。
また、コントロール液体の混合量の調整は、例えば、吸気路若しくは燃焼室に設けた噴霧ノズル等でコントロール液体を供給して、その供給量を調整することで可能となる。
【００１１】
さらに、上記の目的を達成する為の、本発明に係る第３の特徴構成は、上記第１の特徴構成による予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施可能な予混合圧縮自着火エンジンに関し、請求項３に記載されているように、シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記予混合気に混合され前記圧縮自着火前に蒸発する液体に、前記予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解したコントロール液体を、混合量制御を伴って前記予混合気に混合するコントロール液体混合手段を備えた点にある。
【００１２】
このように構成することにより、例えば、予混合気に混合され圧縮自着火前に蒸発する液体に、予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解してコントロール液体を生成するコントロール液体生成手段を備え、このように生成されたコントロール液体を、コントロール液体混合手段により、適切な圧縮自着火タイミングよりも早いタイミングで自着火する予混合気に混合し、その混合量を制御することで、広範囲で圧縮自着火のタイミングを制御することができるので、容易に圧縮自着火のタイミングを好ましいものとすることができる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
さらに、この特徴構成により、上記の第１の特徴構成の本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施することができるため、上記第１の特徴構成の作用効果を発揮することができる。
【００１３】
また、本発明に係る第４の特徴構成は、上記第２の特徴構成による予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施可能な予混合圧縮自着火エンジンに関し、請求項４に記載されているように、上記第３の特徴構成に加えて、エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出する圧縮自着火タイミング検出手段と、
前記圧縮自着火タイミング検出手段の検出結果に基づいて、前記コントロール液体混合手段を働かせ、前記予混合気に混合される前記コントロール液体の混合量を制御する制御手段を備える点にある。
【００１４】
即ち、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、圧縮自着火タイミング検出手段により、エンジン動作サイクル内における経時的な圧縮自着火のタイミングが検出され、制御手段に出力される。一方、コントロール液体混合手段により予混合気に混合されるコントロール液体は、気化することで予混合気の潜熱を奪い、さらに予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスの作用により圧縮行程における予混合気の昇温が抑制されるので、結果として圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる。よって、制御手段において、検出される自着火のタイミングに基づいて、コントロール液体混合手段を働かせ、コントロール液体の混合量を調整することで、圧縮後の予混合気の温度を制御することができ、結果的に、自着火のタイミングを望ましいものとすることもできる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
さらに、この特徴構成により、上記の第２の特徴構成の本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施することができるため、上記第２の特徴構成の作用効果を発揮することができる。
【００１５】
また、本発明に係る第５の特徴構成は、請求項５に記載されているように、上記第３又は第４の特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記圧縮自着火タイミング検出手段により検出される情報に従って、圧縮自着火が起こるべきクランク軸角度タイミングに対する、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、
前記実際の圧縮自着火のタイミングに遅れがある場合に、前記コントロール液体の前記混合量を減少側に制御し、前記実際の圧縮自着火のタイミングに早まりがある場合に、前記コントロール液体の前記混合量を増加側に制御する手段である点にある。
【００１６】
さて、本発明の予混合圧縮自着火エンジンには、制御手段が備えられ、この制御手段により前記圧縮自着火タイミング検出手段によって検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、コントロール液体混合手段から予混合気へのコントロール液体の混合量を制御して、圧縮自着火のタイミングを変更、制御することができ、例えば、これを好ましい状態とすることができる。
【００１７】
即ち、予混合圧縮自着火エンジンにおいては、クランク軸の角度との関係で、圧縮自着火のタイミングとして好ましいタイミングが、特定される。即ち、ピストンが上死点にあるタイミングの近傍に、圧縮自着火のタイミングが来ていることが好ましく、このような理想的なタイミングは、エンジンの仕様、動作状態が特定されると、ほぼ一意的に決まる。これが、圧縮自着火が起こるべきクランク軸角度タイミングである。よって、このような情報を予め求めておき、制御手段により、このタイミングに対して、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出することが可能であり、これを、好ましいタイミングに持っていこうとすると、制御手段による制御を働かせて、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れに対しては、予混合気に混合するコントロール液体の混合量を減少側に制御し、実際の圧縮自着火のタイミングの早まりに対しては、圧縮自着火前の予混合気に混合するコントロール液体の混合量を増加側に制御することで、理想的な圧縮自着火のタイミングを維持するように制御することができる。
【００１８】
また、本発明に係る第６の特徴構成は、請求項６に記載されているように、上記第３から第５の何れかの特徴構成に加えて、前記圧縮自着火前に蒸発する液体が、水、メタノール、エタノール、軽油、ジメチルエーテル、若しくはプロピルアルコールである点にある。
【００１９】
上記の液体は、予混合気に混合され気化し予混合気の潜熱を奪いやすいので、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおけるコントロール液体を構成する液体に利用することで、好適に予混合気の冷却ができ、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができ、適正な圧縮自着火のタイミングに制御できる予混合圧縮自着火エンジンを簡単に構成することができる。
【００２０】
また、本発明に係る第７の特徴構成は、請求項７に記載されているように、上記第３から第６の何れかの特徴構成に加えて、前記非燃焼性ガスが、炭酸ガス若しくは水蒸気である点にある。
【００２１】
例えば、天然ガスを主成分とするエンジンにおいては、炭酸ガス及び水蒸気は予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスとして使用でき、さらに、このような炭酸ガス及び水蒸気は、エンジンの排ガス中に存在しているので、上記液体中に排ガスを流通させることで、液体に上記非燃焼性ガスを溶解させることができ、別に非燃焼性ガスを用意すること無く、効率よく圧縮自着火タイミングを制御することができる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
【００２２】
また、本発明に係る第８の特徴構成は、請求項８に記載されているように、上記第３から第７の何れかの特徴構成に加えて、前記コントロール液体混合手段が、前記燃焼室に前記コントロール液体を直接供給する手段であり、前記コントロール液体の供給時期が、圧縮行程中の前記クランク軸角度が３０°ＢＴＤＣ以前の時期に設定されている点にある。
【００２３】
このように、例えば燃焼室内に噴射弁等のコントロール液体混合手段を備え、コントロール液体を直接燃焼室に供給するように構成することで、予混合気にコントロール液体を混合することができ、上記のように圧縮行程中、所謂吸気弁や吸気ポートが閉状態となっている間で予混合気が自着火するまでの間に、このコントロール液体を供給することで、コントロール液体は、燃焼室外部に流れ出ることが無いので、供給するコントロール液体すべてを効率よく予混合気に混合することができ、さらに、上記のように、クランク軸角が３０°ＢＴＤＣまでは、燃焼室内は比較的低圧であるので、コントロール液体混合手段は、コントロール液体を高圧で噴射する必要が無く、低圧のままで供給することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本願の予混合圧縮自着火エンジン１００の構造を図１に基づいて説明する。
エンジン１００は、吸気弁１及び排気弁２を備えたシリンダ３と、このシリンダ３内に収納されるピストン４を備えたエンジン本体５を備えて構成されている。ピストン４は連接棒８によってクランク軸９に接続されており、ピストン４の往復動に従ってクランク軸９に回転出力を得られる。この構成により、燃料として天然ガスと空気との予混合気ｍは、吸気路１３、吸気弁１を介し、シリンダ３に包囲される燃焼室３０へ導かれ、圧縮・膨張行程を経た後、排気弁２、排気路１４を介して排気側へ排気される。
【００２５】
エンジンの動作サイクルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を経て、一サイクルを完了する。
通常、前記吸気行程においては、吸気弁１のみが開状態とされて、予混合気ｍの吸気が行われる。圧縮行程においては、吸気弁１及び排気弁２が共に閉状態とされピストン４が燃焼室３０の容積を減少させる方向に移動し、燃焼室３０のガスの圧縮が起こる。この圧縮が完了する状態におけるピストン４の位置が、上死点位置（ＴＤＣ）と呼ばれ、本願における圧縮自着火は、この位置の近傍にピストン４があるタイミングで起こることが好ましい。膨張行程は、燃焼によって発生する高圧ガスによりピストン４が燃焼室３０の容積を増加する方向に移動する行程である。この行程にあっても、吸気弁１及び排気弁２が共に閉状態とされる。さらに、排気行程においては、排気弁２のみが開状態とされ、ピストン４の燃焼室３０の容積を減少させる方向への移動に伴って燃焼室３０の排ガスｅが排出される。
以上の行程は、４サイクルエンジンが普通に備える行程であり、基本的に予混合圧縮自着火エンジンも、着火が、圧縮に伴って発生される熱によって起こる以外、他のエンジンと変わるところはない。
【００２６】
以下 本願の特徴構成に関して説明する。
図１に示すエンジン１００には、燃焼室３０の内圧を検出するための内圧センサ１０が備えられるとともに、クランク軸９の角度を検出するためのクランク角センサ１１が備えられている。内圧センサ１０からの出力情報は予め設定されている設定値と比較され、その比較結果、及び検出されたクランク角が、エンジンに備えられる制御装置１２に送られる。従って、制御装置１２においては、各時点において、クランク角と設定値に対して燃焼室３０の内圧がどのような状態にあるかの情報を得ることができる。燃焼室３０の内圧が設定値を越えるタイミングが実際の自着火のタイミングである。このように、エンジンの動作サイクルにおける圧縮自着火のタンミングを検出する手段を、圧縮自着火タイミング検出手段Ａと呼ぶ。
ここで、この圧縮自着火タイミング検出手段Ａにおいては、クランク軸角度が動作サイクルの時間軸に代わる情報として認識され、クランク軸角がどの角度にあるタイミングで、圧縮自着火が起こったかを検出して、自着火のタイミングが特定される。
【００２７】
一方、本発明に係るエンジン１００には、排気路１４にコントロール液体生成装置２１が備えられ、コントロール液体生成装置２１は、予混合気ｍに混合され、圧縮自着火前に蒸発する液体としてジメチルエーテル（以下、ＤＭＥ）２５に、排気路１４中の排ガスｅ中に存在するＣ０２及び水蒸気等の、天然ガスと空気との予混合気ｍよりも比熱比が低く燃焼室３０において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解させて、この溶解されたＤＭＥをコントロール液体２４として排出するように構成されており、このようにして生成されたコントロール液体２４は一旦貯蔵タンク２３に貯蔵される。
また、２０℃大気圧の環境下において、ＤＭＥ２５の量と、それに溶解させることができるＣＯ2の量の関係を図２に示すが、このように、ＤＭＥ２５は容易にＣＯ2を溶解させることができ、このように、ＣＯ2を効率よくＤＭＥ２５に溶解させる為には、排ガスｅを冷却器（図示せず）等によって冷却した後に、コントロール液体生成装置２１に供給するように構成することが好ましい。コントロール液体生成装置２１のように、予混合気ｍに混合され、圧縮自着火前に蒸発するＤＭＥ２５に、予混合気ｍよりも比熱比が小さく燃焼室３０において燃焼しない非燃焼性ガスのＣＯ2若しくは水蒸気を溶解してコントロール液体２４を生成する手段をコントロール液体生成手段と呼ぶ。
【００２８】
さらに、本発明に係るエンジン１００には、燃焼室３０に噴霧ノズル２０を有す噴霧器２２を備えており、この噴霧器２２は、燃焼室３０の圧縮自着火前の予混合気ｍに、貯蔵タンク２３にあるコントロール液体２４を混合するために、コントロール液体２４を噴霧ノズル２０を介して直接燃焼室３０に供給量設定を伴って供給するように構成されており、その供給量は制御装置１２により制御される。噴霧器２２のように、コントロール液体２４を、混合量制御を伴って予混合気ｍに混合する手段をコントロール液体混合手段と呼ぶ。
さらに、このコントロール液体２４の燃焼室３０へ供給する供給時期は、制御装置１２によって、圧縮行程中の吸気弁１が閉状態となっている間で、クランク軸角が３０°ＢＴＤＣ以前の時期に設定されている。このような時期は、燃焼室３０が比較的低圧であるのでコントロール液体２４を低圧で燃焼室３０に供給することができ、さらに、燃焼室３０が密閉されているので、効率よくコントロール液体２４を予混合気ｍに供給することができる。
【００２９】
以上のような構成によって、予混合気ｍに混合されたコントロール液体２４中のＤＭＥ２５を圧縮自着火までに蒸発させて、その潜熱により予混合気ｍを冷却することができ、予混合気ｍの圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる。
さらに、コントロール液体２４に溶解された非燃焼性ガスのＣＯ2等は、コントロール液体２４が予混合気ｍ内で蒸発することによって予混合気ｍに混合され、この非燃焼性ガスは予混合気ｍよりも比熱比が小さいので、燃焼室３０に供給され圧縮自着火する予混合気ｍの比熱比を小さくすることができ、燃焼室３０において圧縮時の昇温を抑制し、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる。
【００３０】
このように、コントロール液体２４は、予混合気ｍに供給され、供給量に対応して圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる液体及び非燃焼性ガスの両方を含んでおり、噴霧器２２を調整してコントロール液体２４の供給量を変化させることで、広範囲且つ容易に圧縮自着火のタイミングを変化させることができ、適切な圧縮自着火タイミングよりも早いタイミングで自着火している予混合気ｍに対して、コントロール液体２４を混合し、予混合気ｍを冷却することで、自着火のタイミングを好ましいタイミングにすることができる。
【００３１】
上記構成により、制御装置１２には、エンジン１００の一動作サイクル内における実際の自着火のタイミング情報（実際は、各クランク角においてシリンダ内圧力が設定値に対して、これを越えたクランク角情報）が、入力される。
一方、この制御装置１２は、内部に記憶手段１２０を備えており、運転条件に対応して、圧縮自着火が起こるべきタイミング（特定のクランク角）情報を備えている。このような好ましい自着火のタイミングは、エンジンの仕様が固定されている場合、経験的に判明しており、予め記憶しておくことができる。
そして、制御装置１２内では、エンジン動作時における、圧縮自着火タイミング検出手段Ａによって検出された実際の自着火タイミング（シリンダ内圧が前記設定値を越えるシリンダ角）と、前記好ましい自着火のタイミング（好ましいシリンダ角）との、比較をおこなう。このようにすることで、実際の自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを判断する。この結果に基づいて、制御装置１２にあっては、予め記憶させておいたコントロール液体２４の供給量を決定し、混合手段Ｂを働かせ、噴霧ノズル２０よりコントロール液体２４を圧縮自着火前の予混合気ｍに噴霧して混合する。
外気温度が４０℃の環境下において、コントロール液体２４の燃焼室３０への供給量と、圧縮自着火のタイミングの変化量の関係を図３に示す。このように、コントロール液体２４を０〜２５０ｍｌ程度の範囲で調整して噴霧することで、圧縮自着火のタイミングをクランク軸の角度で２５°程度の広範囲で調整できる。
【００３２】
このように、圧縮自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従って、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、噴霧器２２を働かせ、圧縮自着火前の予混合気ｍに噴霧するコントロール液体２４の噴霧量を制御する手段を制御手段Ｂと呼び、この制御手段Ｂにより、圧縮自着火前の予混合気ｍが好ましい状態で圧縮自着火する温度となり、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとすることができる。
【００３３】
さて、制御装置１２には、上記のような内圧センサ１０及びクランク角センサ１１からの検出情報の他に、エンジンに係る負荷情報、及びエンジンの周囲環境の温度情報が入力されるようにシステムが構成されている。そして、これらの入力情報に基づいて、噴霧器２２を働かせ、予混合気ｍに対するコントロール液体２４の混合量を制御して、圧縮自着火のタイミングの制御が行える構造が採用されている。この構成に関して、以下に説明する。
エンジン負荷に関しては、エンジンの必要回転数等をモニターするエンジン負荷検出センサ１７（手段の一例）が備えられる構成が採用されており、検出される負荷の変動に対して制御装置１２は、エンジン負荷検出手段１７により検出されるエンジン負荷が増大する場合にはコントロール液体２４の混合量を増加側に制御して、圧縮自着火のタイミングを遅らせ、エンジン負荷が減少する場合には混合量を減少側に制御して圧縮自着火のタイミングを早める構成が採用されている。
結果、エンジン負荷に対しても本願の自着火エンジンは良好に対応できる。
さらに環境温度に関しては、環境温度を検出する温度センサ１８（環境温度検出手段の一例）が備えられている。この環境温度検出手段１８により検出される環境温度が上昇する場合にはコントロール液体２４の混合量を増加側に制御して圧縮自着火のタイミングを遅らせ、環境温度が下降する場合には混合量を減少側に制御して圧縮自着火のタイミングを早める構成が採用されており、詳しくは、図４に示すように予め記憶手段１２０に記憶している、環境温度と、自着火タイミングを上死点位置に制御する為のコントロール液体２４の供給量との関係に基づいて、コントロール液体２４の混合量を決定し、噴霧器２２を働かせて、決定された混合量のコントロール液体２４を燃焼室３０に供給する。
結果、環境温度等の変動に対しても、自着火のタイミングを好ましいタイミングに設定することができる。
ここで、負荷センサや環境温度センサのような、エンジンの動作条件を検出する手段を、動作条件検出手段Ｃと称する。
【００３４】
〔別実施の形態〕
（イ） 本願の予混合圧縮自着火エンジンに使用できる燃料としては、都市ガス等が好適であるが、ガソリン、プロパン、メタノール、水素等、任意の燃料を使用することができる。
（ロ） 予混合気を生成するにあたっては、燃料とこの燃料の燃焼のための酸素を含有するガスとを混合すればよいが、例えば、燃焼用酸素含有ガスとして空気を使用することが一般的である。しかしながら、このようなガスとしては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高い酸素富化ガス等を使用することが可能である。
（ハ） 上記の実施の形態において、好適な実施例として予混合気に混合する液体にＤＭＥ（ジメチルエーテル）を使用した例を示したが、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）の他に、水、メタノール、エタノール、軽油、若しくはプロピルアルコール等の予混合気に混合されて気化して予混合気の潜熱を奪う液体であれば本発明に係るエンジンを構成することが可能である。
また、上記の実施の形態において、燃料として天然ガスを使用し、その天然ガスの予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスとして、排ガス中のＣＯ2若しくは水蒸気を利用する構成を示したが、予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室内において燃焼しない非燃焼性ガスを使用することで本発明に係るエンジンを構成することができる。
（ニ） 上記の実施の形態例において、自着火のタイミングの検出にあたっては、燃焼室内圧が所定の設定値を越えるタイミングとして捕らえたが、自着火の発光を検出するフォトセンサによる方法もあり、さらに、ノッキングセンサをシリンダに取りつけておいて、このセンサの信号から検出するようにしてもよい。
さらに、動作サイクルにおけるタイミングの特定は、クランク軸角との関係で特定したが、時間軸において、このタイミングを特定してもよい。
（ホ） 上記の実施の形態例においては、エンジンの動作条件として、エンジン負荷、環境温度の場合を主に説明したが、これら、自着火に影響を与える動作条件としては、環境湿度、環境気圧、起動からの経過時間、空気比、過給圧、燃料ガス組成等もある。従って、これらの状態を検出するセンサを設け、このセンサの出力に従って制御をすることが好ましい。
例えば、環境湿度の上昇に対してはコントロール液体の混合量を減少させ、環境湿度の降下に対してはコントロール液体の混合量を増加させる。
起動からの経過時間に関しては、この経過時間が短い場合はコントロール液体の混合量を比較的減少させて維持し、経過時間が所定の定常運転時間に達した段階で、初期におけるコントロール液体の混合量より増加側に調整するように構成することが好ましい。
（ヘ） 上記の実施の形態例においては、所謂、４サイクルエンジンに関連して、説明したが、本願は、２サイクルエンジンにおいても適応可能である。
（ト） 上記の実施の形態例においては、図１に示すようにコントロール液体混合手段として噴霧器２２を燃焼室３０に直接設けた構成を示したが、この噴霧器２２を吸気路１３に設け、吸気路１３中の予混合気ｍにコントロール液体を供給することもできる。
（チ） 上記の実施の形態例においては、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気である予混合気を燃焼室内に吸気する構造のものを示したが、燃料及び燃焼酸素含有ガスを別々に、例えば、圧縮行程の初期段階で燃焼室内に供給して、予混合気を形成して、これを圧縮自着火する構造のものにおいても、本願の発明は適応できる。この場合は燃料酸素含有ガスの流路又は燃焼室内にコントロール液体混合手段として噴霧器等を設置することで可能である。
【００３５】
【発明の効果】
従って、上記手法により、簡単な構成で予混合圧縮自着火エンジンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における予混合圧縮自着火エンジンの構成を示す図
【図２】ＤＭＥに対するＣＯ2の溶解量を示すグラフ図
【図３】コントロール液体の混合量に対する圧縮自着火のタイミングの変化量を示すグラフ図
【図４】環境温度に対する自着火タイミングを上死点位置に制御する為のコントロール液体の混合量を示すグラフ図
【符号の説明】
３ シリンダ
４ ピストン
９ クランク軸
１２ 制御装置
２０ 噴霧ノズル
２１ コントロール液体生成装置
２２ 噴霧器（コントロール液体混合手段）
２５ ＤＭＥ（液体）
２４ コントロール液体
３０ 燃焼室
１００ 圧縮自着火エンジン
ｍ 予混合気
Ａ 圧縮自着火タイミング検出手段
Ｂ 制御手段
Ｃ 動作条件検出手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジン及びその予混合圧縮自着火エンジンの運転方法に関す。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、空気（酸素含有ガスの一例）と燃料との予混合気を燃焼室へ供給し、ピストンを上昇させて圧縮した後に点火プラグより火花点火して運転する火花点火式エンジン（オットーサイクルエンジン）と、圧縮空気中に液体燃料を噴射して自着火燃焼させて運転するディーゼルエンジンに大きく分けられるが、天然ガス等の気体燃料を利用するガスエンジンでは、従来型のディーゼルエンジンを構成する場合、気体燃料を圧縮して噴射するために大きな動力が必要となり、機構も複雑になる為、圧倒的多数は、火花点火式エンジンとされている。
【０００３】
ところで、エンジンは、圧縮比を増大させる程効率が増大することが分かっているが、火花点火エンジンでは、圧縮比を増大させると、ノッキングが発生し、その為、通常、圧縮比は１０程度に抑えられる。ノッキングとは、火花点火された燃焼波が、シリンダ全域に拡がる前に、未燃部が自然着火して燃焼して、衝撃波を発生する現象であり、この自然着火条件の成立は、温度依存性が極めて高い。
また、圧縮比を増大させると、ノッキングが発生し易くなるのは、圧縮比増大とともに、未燃部の温度が増大するためである。
【０００４】
最近、自然着火を積極的に利用する予混合圧縮自着火エンジンのコンセプトが話題になっている。これは、元々、燃料噴射ディーゼルのパティキュレートを防止する目的で考え出されたものであるが、ディーゼルエンジンのように燃焼室の圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、火花点火エンジンのように空気と燃料の予混合気をシリンダに供給し、燃焼室の予混合気を圧縮して昇温させ、自然着火燃焼させて、クランク軸の回転を維持する。
この手法をガスエンジンに適用すれば、ノッキングの問題を避けつつ、圧縮比を増大させ、高い効率を得ることが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記予混合圧縮自着火エンジンを実現するための大きな課題の一つは、圧縮着火のタイミングの制御である。
火花点火エンジンでは、火花点火時期によって、燃料噴射ディーゼルエンジンでは燃料噴射時期によって着火のタイミングを制御できるが、予混合圧縮自着火エンジンの場合、そのままでは（圧縮自着火のタイミングの制御を適正に行わないと）、燃焼室に吸気される予混合気の温度、シリンダの温度、エンジンの負荷等の変化により、自着火が起こるタイミングが変わり運転を継続できなくなる。
従って、本発明の目的は、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、その圧縮自着火のタイミングを適切なものとして、安定した運転状態を得ることができる技術を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための、本発明に係る第１の特徴構成は、シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法に関し、請求項１に記載されているように、前記予混合気に混合され前記圧縮自着火前に蒸発する液体に、前記予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解したコントロール液体を、混合量制御を伴って前記予混合気に混合して、前記圧縮自着火のタイミングを制御する点にある。
【０００７】
予混合圧縮自着火エンジンの運転にあっては、圧縮自着火のタイミングが重要である。即ち、ピストンが上死点付近にある、圧縮行程の最終段階、若しくは膨張行程の初期段階において、このような圧縮自着火が発生するのが好ましい。
本手法にあっては、上記のようにコントロール液体を生成して、予混合気に混合するように構成されている。
コントロール液体の主成分である液体は、予混合気に混合されて圧縮自着火前に蒸発するので、この液体を予混合気内で蒸発させてその潜熱により予混合気を冷却して、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができ、その供給量を制御することで、圧縮自着火のタイミングを制御することができる。
さらに、コントロール液体に混合された非燃焼性ガスは、コントロール液体が蒸発することによって予混合気に混合され、予混合気よりも比熱比が小さいので、燃焼室に供給され圧縮自着火する予混合気全体としての比熱比を小さくすることができ、燃焼室において圧縮時の昇温を抑制して、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができ、その供給量を制御することで、圧縮自着火のタイミングを制御することができる。
【０００８】
このように本手法においては、予混合気に供給され、その供給量に対応して圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる液体及び非燃焼性ガスの両方を含有するコントロール液体を、予混合圧縮自着火エンジンの燃焼室に供給される予混合気に混合するので、液体若しくは非燃焼性ガスの単独を混合する場合と比べて、広範囲且つ容易に圧縮自着火のタイミングを変化させることができ、適切な圧縮自着火タイミングよりも早いタイミングで自着火している予混合気に対して、コントロール液体を混合し、予混合気を冷却することで、自着火のタイミングを好ましいタイミングにすることができる。
また本手法において、このようなコントロール液体を生成するべく、予混合気に混合され圧縮自着火前に蒸発する液体に、予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解してコントロール液体を生成するように構成することもできる。
【０００９】
また、本発明に係る第２の特徴構成は、請求項２に記載されているように、上記第１の特徴構成に加えて、エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出可能な構造とし、
前記検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記予混合気に混合される前記コントロール液体の混合量を制御する点にある。
【００１０】
まず、エンジンの動作サイクル中における圧縮自着火の実際のタイミングを検出する、即ち、エンジンの動作サイクルにおける時間軸上で、どのタイミングで自着火が発生しているかを検出する。
このような検出は、例えば、燃焼室の内圧の変化を、クランク軸の角度に関連付けて検出することにより、行うことができる。
そして本願にあっては、検出される自着火のタイミングに基づいて、このコントロール液体の混合量を調整して、圧縮自着火のタイミングを調整し、常に自着火のタイミングを望ましいものに調整することができる。
また、コントロール液体の混合量の調整は、例えば、吸気路若しくは燃焼室に設けた噴霧ノズル等でコントロール液体を供給して、その供給量を調整することで可能となる。
【００１１】
さらに、上記の目的を達成する為の、本発明に係る第３の特徴構成は、上記第１の特徴構成による予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施可能な予混合圧縮自着火エンジンに関し、請求項３に記載されているように、シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記予混合気に混合され前記圧縮自着火前に蒸発する液体に、前記予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解したコントロール液体を、混合量制御を伴って前記予混合気に混合するコントロール液体混合手段を備えた点にある。
【００１２】
このように構成することにより、例えば、予混合気に混合され圧縮自着火前に蒸発する液体に、予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解してコントロール液体を生成するコントロール液体生成手段を備え、このように生成されたコントロール液体を、コントロール液体混合手段により、適切な圧縮自着火タイミングよりも早いタイミングで自着火する予混合気に混合し、その混合量を制御することで、広範囲で圧縮自着火のタイミングを制御することができるので、容易に圧縮自着火のタイミングを好ましいものとすることができる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
さらに、この特徴構成により、上記の第１の特徴構成の本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施することができるため、上記第１の特徴構成の作用効果を発揮することができる。
【００１３】
また、本発明に係る第４の特徴構成は、上記第２の特徴構成による予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施可能な予混合圧縮自着火エンジンに関し、請求項４に記載されているように、上記第３の特徴構成に加えて、エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出する圧縮自着火タイミング検出手段と、
前記圧縮自着火タイミング検出手段の検出結果に基づいて、前記コントロール液体混合手段を働かせ、前記予混合気に混合される前記コントロール液体の混合量を制御する制御手段を備える点にある。
【００１４】
即ち、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、圧縮自着火タイミング検出手段により、エンジン動作サイクル内における経時的な圧縮自着火のタイミングが検出され、制御手段に出力される。一方、コントロール液体混合手段により予混合気に混合されるコントロール液体は、気化することで予混合気の潜熱を奪い、さらに予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスの作用により圧縮行程における予混合気の昇温が抑制されるので、結果として圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる。よって、制御手段において、検出される自着火のタイミングに基づいて、コントロール液体混合手段を働かせ、コントロール液体の混合量を調整することで、圧縮後の予混合気の温度を制御することができ、結果的に、自着火のタイミングを望ましいものとすることもできる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
さらに、この特徴構成により、上記の第２の特徴構成の本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施することができるため、上記第２の特徴構成の作用効果を発揮することができる。
【００１５】
また、本発明に係る第５の特徴構成は、請求項５に記載されているように、上記第３又は第４の特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記圧縮自着火タイミング検出手段により検出される情報に従って、圧縮自着火が起こるべきクランク軸角度タイミングに対する、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、
前記実際の圧縮自着火のタイミングに遅れがある場合に、前記コントロール液体の前記混合量を減少側に制御し、前記実際の圧縮自着火のタイミングに早まりがある場合に、前記コントロール液体の前記混合量を増加側に制御する手段である点にある。
【００１６】
さて、本発明の予混合圧縮自着火エンジンには、制御手段が備えられ、この制御手段により前記圧縮自着火タイミング検出手段によって検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、コントロール液体混合手段から予混合気へのコントロール液体の混合量を制御して、圧縮自着火のタイミングを変更、制御することができ、例えば、これを好ましい状態とすることができる。
【００１７】
即ち、予混合圧縮自着火エンジンにおいては、クランク軸の角度との関係で、圧縮自着火のタイミングとして好ましいタイミングが、特定される。即ち、ピストンが上死点にあるタイミングの近傍に、圧縮自着火のタイミングが来ていることが好ましく、このような理想的なタイミングは、エンジンの仕様、動作状態が特定されると、ほぼ一意的に決まる。これが、圧縮自着火が起こるべきクランク軸角度タイミングである。よって、このような情報を予め求めておき、制御手段により、このタイミングに対して、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出することが可能であり、これを、好ましいタイミングに持っていこうとすると、制御手段による制御を働かせて、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れに対しては、予混合気に混合するコントロール液体の混合量を減少側に制御し、実際の圧縮自着火のタイミングの早まりに対しては、圧縮自着火前の予混合気に混合するコントロール液体の混合量を増加側に制御することで、理想的な圧縮自着火のタイミングを維持するように制御することができる。
【００１８】
また、本発明に係る第６の特徴構成は、請求項６に記載されているように、上記第３から第５の何れかの特徴構成に加えて、前記圧縮自着火前に蒸発する液体が、水、メタノール、エタノール、軽油、ジメチルエーテル、若しくはプロピルアルコールである点にある。
【００１９】
上記の液体は、予混合気に混合され気化し予混合気の潜熱を奪いやすいので、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおけるコントロール液体を構成する液体に利用することで、好適に予混合気の冷却ができ、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができ、適正な圧縮自着火のタイミングに制御できる予混合圧縮自着火エンジンを簡単に構成することができる。
【００２０】
また、本発明に係る第７の特徴構成は、請求項７に記載されているように、上記第３から第６の何れかの特徴構成に加えて、前記非燃焼性ガスが、炭酸ガス若しくは水蒸気である点にある。
【００２１】
例えば、天然ガスを主成分とするエンジンにおいては、炭酸ガス及び水蒸気は予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスとして使用でき、さらに、このような炭酸ガス及び水蒸気は、エンジンの排ガス中に存在しているので、上記液体中に排ガスを流通させることで、液体に上記非燃焼性ガスを溶解させることができ、別に非燃焼性ガスを用意すること無く、効率よく圧縮自着火タイミングを制御することができる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
【００２２】
また、本発明に係る第８の特徴構成は、請求項８に記載されているように、上記第３から第７の何れかの特徴構成に加えて、前記コントロール液体混合手段が、前記燃焼室に前記コントロール液体を直接供給する手段であり、前記コントロール液体の供給時期が、圧縮行程中の前記クランク軸角度が３０°ＢＴＤＣ以前の時期に設定されている点にある。
【００２３】
このように、例えば燃焼室内に噴射弁等のコントロール液体混合手段を備え、コントロール液体を直接燃焼室に供給するように構成することで、予混合気にコントロール液体を混合することができ、上記のように圧縮行程中、所謂吸気弁や吸気ポートが閉状態となっている間で予混合気が自着火するまでの間に、このコントロール液体を供給することで、コントロール液体は、燃焼室外部に流れ出ることが無いので、供給するコントロール液体すべてを効率よく予混合気に混合することができ、さらに、上記のように、クランク軸角が３０°ＢＴＤＣまでは、燃焼室内は比較的低圧であるので、コントロール液体混合手段は、コントロール液体を高圧で噴射する必要が無く、低圧のままで供給することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本願の予混合圧縮自着火エンジン１００の構造を図１に基づいて説明する。
エンジン１００は、吸気弁１及び排気弁２を備えたシリンダ３と、このシリンダ３内に収納されるピストン４を備えたエンジン本体５を備えて構成されている。ピストン４は連接棒８によってクランク軸９に接続されており、ピストン４の往復動に従ってクランク軸９に回転出力を得られる。この構成により、燃料として天然ガスと空気との予混合気ｍは、吸気路１３、吸気弁１を介し、シリンダ３に包囲される燃焼室３０へ導かれ、圧縮・膨張行程を経た後、排気弁２、排気路１４を介して排気側へ排気される。
【００２５】
エンジンの動作サイクルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を経て、一サイクルを完了する。
通常、前記吸気行程においては、吸気弁１のみが開状態とされて、予混合気ｍの吸気が行われる。圧縮行程においては、吸気弁１及び排気弁２が共に閉状態とされピストン４が燃焼室３０の容積を減少させる方向に移動し、燃焼室３０のガスの圧縮が起こる。この圧縮が完了する状態におけるピストン４の位置が、上死点位置（ＴＤＣ）と呼ばれ、本願における圧縮自着火は、この位置の近傍にピストン４があるタイミングで起こることが好ましい。膨張行程は、燃焼によって発生する高圧ガスによりピストン４が燃焼室３０の容積を増加する方向に移動する行程である。この行程にあっても、吸気弁１及び排気弁２が共に閉状態とされる。さらに、排気行程においては、排気弁２のみが開状態とされ、ピストン４の燃焼室３０の容積を減少させる方向への移動に伴って燃焼室３０の排ガスｅが排出される。
以上の行程は、４サイクルエンジンが普通に備える行程であり、基本的に予混合圧縮自着火エンジンも、着火が、圧縮に伴って発生される熱によって起こる以外、他のエンジンと変わるところはない。
【００２６】
以下 本願の特徴構成に関して説明する。
図１に示すエンジン１００には、燃焼室３０の内圧を検出するための内圧センサ１０が備えられるとともに、クランク軸９の角度を検出するためのクランク角センサ１１が備えられている。内圧センサ１０からの出力情報は予め設定されている設定値と比較され、その比較結果、及び検出されたクランク角が、エンジンに備えられる制御装置１２に送られる。従って、制御装置１２においては、各時点において、クランク角と設定値に対して燃焼室３０の内圧がどのような状態にあるかの情報を得ることができる。燃焼室３０の内圧が設定値を越えるタイミングが実際の自着火のタイミングである。このように、エンジンの動作サイクルにおける圧縮自着火のタンミングを検出する手段を、圧縮自着火タイミング検出手段Ａと呼ぶ。
ここで、この圧縮自着火タイミング検出手段Ａにおいては、クランク軸角度が動作サイクルの時間軸に代わる情報として認識され、クランク軸角がどの角度にあるタイミングで、圧縮自着火が起こったかを検出して、自着火のタイミングが特定される。
【００２７】
一方、本発明に係るエンジン１００には、排気路１４にコントロール液体生成装置２１が備えられ、コントロール液体生成装置２１は、予混合気ｍに混合され、圧縮自着火前に蒸発する液体としてジメチルエーテル（以下、ＤＭＥ）２５に、排気路１４中の排ガスｅ中に存在するＣ０２及び水蒸気等の、天然ガスと空気との予混合気ｍよりも比熱比が低く燃焼室３０において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解させて、この溶解されたＤＭＥをコントロール液体２４として排出するように構成されており、このようにして生成されたコントロール液体２４は一旦貯蔵タンク２３に貯蔵される。
また、２０℃大気圧の環境下において、ＤＭＥ２５の量と、それに溶解させることができるＣＯ2の量の関係を図２に示すが、このように、ＤＭＥ２５は容易にＣＯ2を溶解させることができ、このように、ＣＯ2を効率よくＤＭＥ２５に溶解させる為には、排ガスｅを冷却器（図示せず）等によって冷却した後に、コントロール液体生成装置２１に供給するように構成することが好ましい。コントロール液体生成装置２１のように、予混合気ｍに混合され、圧縮自着火前に蒸発するＤＭＥ２５に、予混合気ｍよりも比熱比が小さく燃焼室３０において燃焼しない非燃焼性ガスのＣＯ2若しくは水蒸気を溶解してコントロール液体２４を生成する手段をコントロール液体生成手段と呼ぶ。
【００２８】
さらに、本発明に係るエンジン１００には、燃焼室３０に噴霧ノズル２０を有す噴霧器２２を備えており、この噴霧器２２は、燃焼室３０の圧縮自着火前の予混合気ｍに、貯蔵タンク２３にあるコントロール液体２４を混合するために、コントロール液体２４を噴霧ノズル２０を介して直接燃焼室３０に供給量設定を伴って供給するように構成されており、その供給量は制御装置１２により制御される。噴霧器２２のように、コントロール液体２４を、混合量制御を伴って予混合気ｍに混合する手段をコントロール液体混合手段と呼ぶ。
さらに、このコントロール液体２４の燃焼室３０へ供給する供給時期は、制御装置１２によって、圧縮行程中の吸気弁１が閉状態となっている間で、クランク軸角が３０°ＢＴＤＣ以前の時期に設定されている。このような時期は、燃焼室３０が比較的低圧であるのでコントロール液体２４を低圧で燃焼室３０に供給することができ、さらに、燃焼室３０が密閉されているので、効率よくコントロール液体２４を予混合気ｍに供給することができる。
【００２９】
以上のような構成によって、予混合気ｍに混合されたコントロール液体２４中のＤＭＥ２５を圧縮自着火までに蒸発させて、その潜熱により予混合気ｍを冷却することができ、予混合気ｍの圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる。
さらに、コントロール液体２４に溶解された非燃焼性ガスのＣＯ2等は、コントロール液体２４が予混合気ｍ内で蒸発することによって予混合気ｍに混合され、この非燃焼性ガスは予混合気ｍよりも比熱比が小さいので、燃焼室３０に供給され圧縮自着火する予混合気ｍの比熱比を小さくすることができ、燃焼室３０において圧縮時の昇温を抑制し、圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる。
【００３０】
このように、コントロール液体２４は、予混合気ｍに供給され、供給量に対応して圧縮自着火のタイミングを遅らせることができる液体及び非燃焼性ガスの両方を含んでおり、噴霧器２２を調整してコントロール液体２４の供給量を変化させることで、広範囲且つ容易に圧縮自着火のタイミングを変化させることができ、適切な圧縮自着火タイミングよりも早いタイミングで自着火している予混合気ｍに対して、コントロール液体２４を混合し、予混合気ｍを冷却することで、自着火のタイミングを好ましいタイミングにすることができる。
【００３１】
上記構成により、制御装置１２には、エンジン１００の一動作サイクル内における実際の自着火のタイミング情報（実際は、各クランク角においてシリンダ内圧力が設定値に対して、これを越えたクランク角情報）が、入力される。
一方、この制御装置１２は、内部に記憶手段１２０を備えており、運転条件に対応して、圧縮自着火が起こるべきタイミング（特定のクランク角）情報を備えている。このような好ましい自着火のタイミングは、エンジンの仕様が固定されている場合、経験的に判明しており、予め記憶しておくことができる。
そして、制御装置１２内では、エンジン動作時における、圧縮自着火タイミング検出手段Ａによって検出された実際の自着火タイミング（シリンダ内圧が前記設定値を越えるシリンダ角）と、前記好ましい自着火のタイミング（好ましいシリンダ角）との、比較をおこなう。このようにすることで、実際の自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを判断する。この結果に基づいて、制御装置１２にあっては、予め記憶させておいたコントロール液体２４の供給量を決定し、混合手段Ｂを働かせ、噴霧ノズル２０よりコントロール液体２４を圧縮自着火前の予混合気ｍに噴霧して混合する。
外気温度が４０℃の環境下において、コントロール液体２４の燃焼室３０への供給量と、圧縮自着火のタイミングの変化量の関係を図３に示す。このように、コントロール液体２４を０〜２５０ｍｌ程度の範囲で調整して噴霧することで、圧縮自着火のタイミングをクランク軸の角度で２５°程度の広範囲で調整できる。
【００３２】
このように、圧縮自着火タイミング検出手段Ａにより検出される情報に従って、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、噴霧器２２を働かせ、圧縮自着火前の予混合気ｍに噴霧するコントロール液体２４の噴霧量を制御する手段を制御手段Ｂと呼び、この制御手段Ｂにより、圧縮自着火前の予混合気ｍが好ましい状態で圧縮自着火する温度となり、圧縮自着火のタイミングを適切なタイミングとすることができる。
【００３３】
さて、制御装置１２には、上記のような内圧センサ１０及びクランク角センサ１１からの検出情報の他に、エンジンに係る負荷情報、及びエンジンの周囲環境の温度情報が入力されるようにシステムが構成されている。そして、これらの入力情報に基づいて、噴霧器２２を働かせ、予混合気ｍに対するコントロール液体２４の混合量を制御して、圧縮自着火のタイミングの制御が行える構造が採用されている。この構成に関して、以下に説明する。
エンジン負荷に関しては、エンジンの必要回転数等をモニターするエンジン負荷検出センサ１７（手段の一例）が備えられる構成が採用されており、検出される負荷の変動に対して制御装置１２は、エンジン負荷検出手段１７により検出されるエンジン負荷が増大する場合にはコントロール液体２４の混合量を増加側に制御して、圧縮自着火のタイミングを遅らせ、エンジン負荷が減少する場合には混合量を減少側に制御して圧縮自着火のタイミングを早める構成が採用されている。
結果、エンジン負荷に対しても本願の自着火エンジンは良好に対応できる。
さらに環境温度に関しては、環境温度を検出する温度センサ１８（環境温度検出手段の一例）が備えられている。この環境温度検出手段１８により検出される環境温度が上昇する場合にはコントロール液体２４の混合量を増加側に制御して圧縮自着火のタイミングを遅らせ、環境温度が下降する場合には混合量を減少側に制御して圧縮自着火のタイミングを早める構成が採用されており、詳しくは、図４に示すように予め記憶手段１２０に記憶している、環境温度と、自着火タイミングを上死点位置に制御する為のコントロール液体２４の供給量との関係に基づいて、コントロール液体２４の混合量を決定し、噴霧器２２を働かせて、決定された混合量のコントロール液体２４を燃焼室３０に供給する。
結果、環境温度等の変動に対しても、自着火のタイミングを好ましいタイミングに設定することができる。
ここで、負荷センサや環境温度センサのような、エンジンの動作条件を検出する手段を、動作条件検出手段Ｃと称する。
【００３４】
〔別実施の形態〕
（イ） 本願の予混合圧縮自着火エンジンに使用できる燃料としては、都市ガス等が好適であるが、ガソリン、プロパン、メタノール、水素等、任意の燃料を使用することができる。
（ロ） 予混合気を生成するにあたっては、燃料とこの燃料の燃焼のための酸素を含有するガスとを混合すればよいが、例えば、燃焼用酸素含有ガスとして空気を使用することが一般的である。しかしながら、このようなガスとしては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高い酸素富化ガス等を使用することが可能である。
（ハ） 上記の実施の形態において、好適な実施例として予混合気に混合する液体にＤＭＥ（ジメチルエーテル）を使用した例を示したが、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）の他に、水、メタノール、エタノール、軽油、若しくはプロピルアルコール等の予混合気に混合されて気化して予混合気の潜熱を奪う液体であれば本発明に係るエンジンを構成することが可能である。
また、上記の実施の形態において、燃料として天然ガスを使用し、その天然ガスの予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスとして、排ガス中のＣＯ2若しくは水蒸気を利用する構成を示したが、予混合気よりも比熱比が小さく燃焼室内において燃焼しない非燃焼性ガスを使用することで本発明に係るエンジンを構成することができる。
（ニ） 上記の実施の形態例において、自着火のタイミングの検出にあたっては、燃焼室内圧が所定の設定値を越えるタイミングとして捕らえたが、自着火の発光を検出するフォトセンサによる方法もあり、さらに、ノッキングセンサをシリンダに取りつけておいて、このセンサの信号から検出するようにしてもよい。
さらに、動作サイクルにおけるタイミングの特定は、クランク軸角との関係で特定したが、時間軸において、このタイミングを特定してもよい。
（ホ） 上記の実施の形態例においては、エンジンの動作条件として、エンジン負荷、環境温度の場合を主に説明したが、これら、自着火に影響を与える動作条件としては、環境湿度、環境気圧、起動からの経過時間、空気比、過給圧、燃料ガス組成等もある。従って、これらの状態を検出するセンサを設け、このセンサの出力に従って制御をすることが好ましい。
例えば、環境湿度の上昇に対してはコントロール液体の混合量を減少させ、環境湿度の降下に対してはコントロール液体の混合量を増加させる。
起動からの経過時間に関しては、この経過時間が短い場合はコントロール液体の混合量を比較的減少させて維持し、経過時間が所定の定常運転時間に達した段階で、初期におけるコントロール液体の混合量より増加側に調整するように構成することが好ましい。
（ヘ） 上記の実施の形態例においては、所謂、４サイクルエンジンに関連して、説明したが、本願は、２サイクルエンジンにおいても適応可能である。
（ト） 上記の実施の形態例においては、図１に示すようにコントロール液体混合手段として噴霧器２２を燃焼室３０に直接設けた構成を示したが、この噴霧器２２を吸気路１３に設け、吸気路１３中の予混合気ｍにコントロール液体を供給することもできる。
（チ） 上記の実施の形態例においては、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気である予混合気を燃焼室内に吸気する構造のものを示したが、燃料及び燃焼酸素含有ガスを別々に、例えば、圧縮行程の初期段階で燃焼室内に供給して、予混合気を形成して、これを圧縮自着火する構造のものにおいても、本願の発明は適応できる。この場合は燃料酸素含有ガスの流路又は燃焼室内にコントロール液体混合手段として噴霧器等を設置することで可能である。
【００３５】
【発明の効果】
従って、上記手法により、簡単な構成で予混合圧縮自着火エンジンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における予混合圧縮自着火エンジンの構成を示す図
【図２】ＤＭＥに対するＣＯ2の溶解量を示すグラフ図
【図３】コントロール液体の混合量に対する圧縮自着火のタイミングの変化量を示すグラフ図
【図４】環境温度に対する自着火タイミングを上死点位置に制御する為のコントロール液体の混合量を示すグラフ図
【符号の説明】
３ シリンダ
４ ピストン
９ クランク軸
１２ 制御装置
２０ 噴霧ノズル
２１ コントロール液体生成装置
２２ 噴霧器（コントロール液体混合手段）
２５ ＤＭＥ（液体）
２４ コントロール液体
３０ 燃焼室
１００ 圧縮自着火エンジン
ｍ 予混合気
Ａ 圧縮自着火タイミング検出手段
Ｂ 制御手段
Ｃ 動作条件検出手段
Claims (8)
- シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法であって、
前記予混合気に混合され前記圧縮自着火前に蒸発する液体に、前記予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解したコントロール液体を、混合量制御を伴って前記予混合気に混合して、前記圧縮自着火のタイミングを制御する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出可能な構造とし、
前記検出された圧縮自着火のタイミングに基づいて、前記予混合気に混合される前記コントロール液体の混合量を制御する請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - シリンダとピストンによって包囲された燃焼室で、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記予混合気に混合され前記圧縮自着火前に蒸発する液体に、前記予混合気よりも比熱比が小さく前記燃焼室において燃焼しない非燃焼性ガスを溶解したコントロール液体を、混合量制御を伴って前記予混合気に混合するコントロール液体混合手段を備えた予混合圧縮自着火エンジン。 - エンジン動作サイクルにおける前記圧縮自着火のタイミングを検出する圧縮自着火タイミング検出手段と、
前記圧縮自着火タイミング検出手段の検出結果に基づいて、前記コントロール液体混合手段を働かせ、前記予混合気に混合される前記コントロール液体の混合量を制御する制御手段を備えた請求項３に記載の予混合圧縮自着火エンジン。 - 前記制御手段が、前記圧縮自着火タイミング検出手段により検出される情報に従って、圧縮自着火が起こるべきクランク軸角度タイミングに
対する、実際の圧縮自着火のタイミングの遅れ若しくは早まりを検出し、
前記実際の圧縮自着火のタイミングに遅れがある場合に、前記コントロール液体の前記混合量を減少側に制御し、前記実際の圧縮自着火のタイミングに早まりがある場合に、前記コントロール液体の前記混合量を増加側に制御する手段である請求項４に記載の予混合圧縮自着火エンジン。 - 前記圧縮自着火前に蒸発する液体が、水、メタノール、エタノール、軽油、ジメチルエーテル、若しくはプロピルアルコールである請求項３から５の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
- 前記非燃焼性ガスが、炭酸ガス若しくは水蒸気である請求項３から６の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
- 前記コントロール液体混合手段が、前記燃焼室に前記コントロール液体を直接供給する手段であり、前記コントロール液体の供給時期が、圧縮行程中の前記クランク軸角度が３０°ＢＴＤＣ以前の時期に設定されている請求項３から６の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
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