JP4070377B2 - 予混合圧縮自着火エンジンとその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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運転方法に関するものであり、このようなエンジンにおいて、好ましい運転状態を維持する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、大きく、火花点火エンジン（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するディーゼルエンジンに分けられるが、都市ガスを燃料とするガスエンジンでは、従来型のディーゼルエンジンの場合、噴射燃料の圧縮動力が大きく、機構も複雑になる為、圧倒的多数は、火花点火エンジン（以下ＳＩエンジンと記す）とされる。
【０００３】
最近、自然着火を積極的に利用する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、上死点付近の圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、ＳＩエンジンの様に空気と燃料の予混合気をシリンダに供給し、圧縮によって自然着火燃焼させ、回転を続ける。
この手法をガスエンジンに適用すれば、圧縮比を増大させ、高い効率を得ることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、エンジンの出力を調整する方法として、絞り弁等の開度を調整し、吸気圧力を変化させて吸入される予混合気量を調整する方法や、空気量を一定に保ち、燃料の供給量を変化させて空気比を調整する方法がある。
しかし、前述の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高出力を得る為に、例えば前者の方法で、吸気圧を増加させると、圧縮後の予混合気の圧力が増加し、着火時期が早くなり、また、後者の方法で、空気比を下げて理論空気比に近づけると、燃焼速度が早くなり、着火後の急激な圧力伝播の発生の原因となるので、どちらの方法を取っても、ノッキング発生の原因となり、好ましい運転状態に維持することは困難となる。特に、高出力を得る為に、予混合気の量を増加させたり、空気比を下げて理論空気比に近づけると、着火時期が早くなったり、燃焼速度が増大するので、ノッキング発生の原因となり、出力等を大幅に変化させることは困難であった。
よって、本発明は、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、動作状態にあわせてノッキングを抑制することで、特に、高出力運転等を行っても、ノッキングを発生させること無く、好ましい運転状態を維持する技術を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明による、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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の特徴構成は、前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造で、燃料供給手段により前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料が供給され、切換手段により前記吸気路において前記燃料供給手段の下流側の流路を第１流路と前記第１流路よりも距離が短い第２流路とに切り換え可能とされ、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第１流路を流通させて前記燃焼室に吸気し、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第２流路を流通させて前記燃焼室に吸気する。
【０００６】
圧縮自着火エンジンは、圧縮による予混合気の自然着火を利用するもので、着火状態は多数の部分で着火する多点着火である。このような多点着火において、圧縮自着火直後に、予混合気の圧縮自着火燃焼によって発生する圧力波が燃焼室の未燃焼部に急激に伝播し、この急激な圧力波によってノッキングが発生する虞がある。
一般的に、燃料の燃焼速度は、空気比が１の理論空気比付近を最高値とし、空気比が希薄側になるほど急激に減少するので、特に、エンジンの出力を上げる為に、空気比を下げて理論空気比に近づけると、予混合気の燃焼速度は増加し、ノッキングが発生しやすい状態となる。
【０００７】
通常、燃焼室に空気比が希薄側の燃料と空気を供給する際に、その燃焼室において、空気比が均一である場合と、不均一な場合は、不均一な場合のほうが、その淡部における燃焼速度の急激な低下により、全体的な燃焼速度は低下する。
そこで、本発明においては、エンジンの動作状態に合わせて、このようなノッキングを抑制する為に、ノッキング発生状態や、エンジンの出力若しくは予混合気の空気比等の動作条件に基づいて、自着火時点の予混合気の燃焼速度を調整し、ノッキングを回避することができる。
即ち、本発明において、ノッキングが発生しやすい動作状態においては、自着火時点の予混合気において、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散を抑制し、予混合気を不均一な混合状態とし、自着火時点の燃焼室において、空気比が低い部分（濃部）と高い部分（淡部）が存在するように吸気することができるので、圧縮行程において、予混合気は、まず最初に濃部において着火し、その火炎が、隣接している淡部に伝播することとなるが、その自着火直後の燃焼速度は、均一な拡散状態のときに比べて低下しており、結果、ノッキングを抑制することができる。
また、ノッキングが発生しない動作状態においては、自着火時点の予混合気において、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散を促進し、予混合気を均一な混合状態とすることができるので、自着火時点の燃料の拡散が促進され、燃料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上することができる。
よって、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ノッキングを回避しつつ、例えば出力を大幅に変化させることができる。
しかも、燃料が酸素含有ガスに供給されてから、燃焼室に吸入されるまでの流路を切り換え、この切り換えられる流路の長さを異なるものとすることで、燃焼室に吸入される予混合気における燃料の拡散状態を調整することができ、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
例えば、吸気路の酸素含有ガスに燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた場合は、酸素含有ガスの流れ方向に対する燃料噴射方向を変化させるように構成することもでき、燃料と酸素含有ガスの衝突状態が変化させることで、燃料を流れ方向に沿って噴射すると、燃料の拡散が抑制され、燃料を流れ方向と逆の方向に噴射すると、燃料の拡散が促成されることになり、燃料の拡散状態を調整することができる。
また、本発明による、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、クランク軸の回転を維持する別の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法の特徴構成は、前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造で、第１燃料供給手段により過給機を備えた前記吸気路において前記過給機の上流側に前記燃料が供給可能で、第２燃料供給手段により前記吸気路において前記過給機の下流側に前記燃料が供給可能とされ、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前記燃料を供給し、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃料を供給する。
この場合には、上記に示した本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。しかも、吸気路において燃料を供給する位置を過給機の上流側と下流側に切り換えることによって、例えば過給機の上流側の第１燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気が過給機のブロアによって拡散されて、結果拡散を促進した混合気を燃焼室に供給することができ、過給機の下流側の第２燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気がそのまま燃焼室に供給されるので、上記の上流側に供給する場合と比べて拡散が抑制された状態となる。よって、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
【０００８】
以上が、予混合圧縮自着火エンジンの運転方法に関するものであるが、このような予混合圧縮自着火エンジンは、以下のように構成することが好ましい。
即ち、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えると共に、前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡散状態調整手段を備え、前記動作状態検出手段によって検出された動作状態に基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を制御する制御手段を備え、前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気路において、前記燃料供給手段の下流側の流路を第１流路と、前記第１流路よりも距離が短い第２流路とに切り換える切換手段とを備え、前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第１流路を流通させて前記燃焼室に吸気し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第２流路を流通させて前記燃焼室に吸気する手段である。
【０００９】
このように構成することで、上記に示した本願の手法において、動作状態に合わせてノッキングを回避することができるので、例えば、空気比を１．０から５．０まで変化させて出力を大幅に変化させ、その出力範囲において良好な運転状態を維持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。
しかも、燃料が酸素含有ガスに供給されてから、燃焼室に吸入されるまでの流路を切り換え、この切り換えられる流路の長さを異なるものとすることで、燃焼室に吸入される予混合気における燃料の拡散状態を調整することができ、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
拡散状態調整手段として、例えば、吸気路の酸素含有ガスに燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた場合は、酸素含有ガスの流れ方向に対する燃料噴射方向を変化させるように構成することもでき、燃料と酸素含有ガスの衝突状態が変化させることで、燃料を流れ方向に沿って噴射すると、燃料の拡散が抑制され、燃料を流れ方向と逆の方向に噴射すると、燃料の拡散が促成されることになり、燃料の拡散状態を調整することができる。
また、本発明による別の予混合圧縮自着火エンジンは、以下のように構成することが好ましい。
即ち、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えると共に、前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡散状態調整手段を備え、前記動作状態検出手段によって検出された動作状態に基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を制御する制御手段を備え、前記吸気路に過給機を備え、前記吸気路の前記過給機の上流側に前記燃料を供給する第１燃料供給手段を備えると共に、前記吸気路の前記過給機の下流側に前記燃料を供給する第２燃料供給手段を備え、前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前記燃料を供給し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃料を供給する手段である。
この場合には、上記に示した本願の手法において、動作状態に合わせてノッキングを回避することができるので、例えば、空気比を１．０から５．０まで変化させて出力を大幅に変化させ、その出力範囲において良好な運転状態を維持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。しかも、吸気路において燃料を供給する位置を過給機の上流側と下流側に切り換えることによって、例えば過給機の上流側の第１燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気が過給機のブロアによって拡散されて、結果拡散を促進した混合気を燃焼室に供給することができ、過給機の下流側の第２燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気がそのまま燃焼室に供給されるので、上記の上流側に供給する場合と比べて拡散が抑制された状態となる。よって、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
【００１０】
更に、上記の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記動作状態検出手段が前記予混合気の空気比を検出するものであり、前記制御手段が、前記検出された空気比が低いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制し、前記検出された空気比が高いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を促進する手段であることができる。
【００１１】
このように、出力を変化させる為に、予混合気の空気比を変化させるエンジンにおいて、その空気比に基づいて、自着火時点の燃料の拡散状態を変化させることができ、本願手法によって、出力を変化させるべく、空気比を変化させても、ノッキングが発生を抑制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。
たとえば、空気比が４．０から５．０の場合の低出力運転時には、自着火時点の燃料の拡散状態を促進し、空気比が１．０から４．０の場合の高出力運転時には、自着火時点の燃料の拡散状態を抑制するように制御することで、空気比を１．０から５．０まで変化させてもノッキングを抑制しつつ、好ましい運転状態を維持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。
【００１２】
また、上記の構成とは別に、前記動作状態検出手段が前記エンジンの負荷を検出するものであり、
前記制御手段が、前記検出された負荷が低いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を促進し、前記検出された負荷が高いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制する手段であることもできる。
【００１３】
エンジンの負荷を検出する為に、例えば、クランク軸のトルク及び回転数等を検出し、この検出結果に基づいて、例えば吸気する予混合気の燃料の拡散状態を調整することができる。即ち、検出された負荷が小さい時は、ノッキングは比較的起こりにくい状態であるので、拡散状態を促進するように制御して、熱効率の向上を図り、負荷が大きくなり、ノッキングが発生しやすい動作条件となったときに、拡散状態を抑制するように制御して、着火後の燃焼速度を低下させることによって、ノッキングを回避することができ、エンジンの負荷に合わせて出力等を大幅に変化させてもノッキングが発生しない予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
【００１４】
さらにまた、上記の構成とは別に、前記動作状態検出手段が前記エンジンのノッキングを検出する手段であり、
前記制御手段が、前記検出されたノッキングに基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制する手段であることができる。
【００１５】
このように、直接ノッキングを検出するノッキングセンサ等によってエンジンのノッキングを検出し、ノッキングが発生したときに、自着火時点の燃料の拡散状態を抑制するように制御することで、例えば、環境等の変化によってノッキングが発生しやすい状態となっても、ノッキングを回避して、運転状態を好ましい状態とすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
〔基本形態〕
後に示す本願の予混合自着火エンジンの実施形態（実施の形態１及び実施の形態２）の理解を容易とするために予混合自着火エンジンの基本形態について、図１及び図２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とを備えたシリンダ３と、このシリンダ３内に収納されるピストン４を備えて構成されている。ピストン４の往復動は連結棒８によってクランク軸（図示せず）の回転運動として得られる。また、吸気弁１側において吸気路１３に接続され、排気弁２において排気路１４に接続される。
【００３３】
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、例えば予混合気の吸気が行われる。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１１空間を減少させる方向に移動し、燃焼室１１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、上死点と呼ばれ、圧縮自着火エンジンにおける予混合気の圧縮自着火は、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。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がシリンダ内空間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１１空間を減少させる方向への移動に伴って燃焼室１１の排ガスが排出される。
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、断熱圧縮に伴って発生される熱による予混合気の自然着火である以外、他のエンジンと変わるところはない。
【００３４】
このような、予混合圧縮自着火エンジン１００は、断熱圧縮による予混合気の自然着火を利用するものであるので、燃焼室１１の着火状態は多数の点で着火する多点着火である。このような多点着火において、圧縮自着火直後に、火炎が燃焼室１１の未燃焼部に急激に伝播することでノッキングが発生し、エンジン損傷等の問題を起こすことがある。特に、高出力を得る為に、空気比を例えば４．０以下程度に下げて、理論空気量に近づけると、予混合気の燃焼速度が増加し、このような、急激な燃焼伝播が起こりやすい。
【００３５】
そこで、基本形態においては、このようなノッキング発生時の諸問題を抑制するために、図１に示すように、吸気路１３の燃焼室から充分に遠い部分に備えられ、吸気路１３に流通する空気ａに燃料ｇを噴射することができる燃料噴射弁５１と、図２に示すように、燃焼室１１の天井部に設けられて燃焼室に直接燃料ｇを噴射することができる燃料噴射弁５２とを備え、それぞれの燃料噴射弁５１、５２は切換弁５０に接続され、流量調整弁５３によって流量を調節された燃料ｇを、切換弁５０によって切り換えて供給される構成となっている。
結果、図１に示すように、燃料噴射弁５１によって噴射された燃料ｇと吸気路１３の空気ａとは、吸気路１３を流通する間に充分に混合され、燃焼室１１に吸気されるときは、ほぼ均一な混合状態となり、自着火時点に予混合気において、燃料が充分に拡散した状態となる。
また、図２に示すように、燃料噴射弁５２によって直接燃焼室１１に噴射された燃料ｇは、燃焼室の空気ａと充分に混合することなく、圧縮行程を経て自着火するので、自着火時の燃料ｇと空気ａの混合状態は不均一な状態となり、自着火時点の予混合気においても燃料の拡散を抑制した状態となる。
このように、図１及び図２の状態を、切換弁５０によって切り換えて、自着火時点の予混合気における燃料の拡散状態を調整する手段を拡散状態調整手段Ａと呼ぶ。
【００３６】
所定量の燃料と空気を混合した予混合気の燃焼速度は、燃料が空気に対して充分に拡散した場合に最高値となり、燃料の拡散が不充分になるほど燃焼速度が低下する。
それは、予混合気において、空気比が１の理論空気比付近において燃焼速度が最大になり、空気比が理論空気量から離れるほど燃焼速度が低下し、特に希薄側になるほど燃焼速度は急激に低下するからである。
【００３７】
そこで本発明のエンジン１００は、制御装置２０によって、エンジンの動作状態にあわせて、拡散状態調整手段Ａを働かせて、自着火時の予混合気の燃焼速度を調整することができる。
即ち、制御装置２０には、例えば、エンジンの必要出力や必要回転数等の設定条件１６が入力され、その設定条件１６に基づいて、エンジンに供給するべく予混合気の空気比λを検知することができる。この空気比λと現状の回転数から算出できる空気量から、供給する燃料ｇの量を決定し、その決定された燃料ｇの量に基づいて流量調整弁５３を働かせて、燃料ｇの供給量を設定する。
さらに、制御装置２０は、ノッキングの発生が比較的少ない前記空気比λが４．０以上の時に、図１のように、燃料噴射弁５１によって燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が均一に拡散した状態の予混合気を供給するように制御することで、自着火時点の燃料ｇの拡散が促進され、燃料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上することができ、また、ノッキングが発生しやすい空気比λが４．０未満のときに、図２のように、燃料噴射弁５２によって燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が充分に拡散していない状態の予混合気を供給するように制御することで、自着火時点の予混合気において燃料の拡散が抑制され、その自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、急激な圧力伝播を抑制でき、ノッキングの発生を抑制することができる。
よって、空気比を例えば１．０から５．０程度の範囲内で変化させてもノッキングが発生しない予混合圧縮自着火エンジン１００を構成することができるのである。
このように、エンジンの動作状態としての空気比に基づいて、拡散状態調整手段Ａを働かせて、自着火時点の燃料ｇの拡散状態を調整する手段を制御手段Ｂと呼び、設定条件１６によって、吸気される予混合気の空気比λを検出する手段を動作状態検出手段Ｃと呼ぶ。
【００３８】
〔実施の形態１〕
次に、本発明の実施の形態として、図３及び図４に示す、予混合圧縮自着火エンジン２００について説明する。
エンジン２００は、吸気系の構成以外は、上記の基本形態と同様であるので省略するが、吸気路１１３から供給される空気ａに、燃料噴射弁１５１によって燃料を噴射され、その予混合気は、ダンパ１１０によって、燃焼室１１に迂回して流入する第１流路１１４と、直接燃焼室１１に流入する第２流路１１５とに切り換えられて燃焼室１１に吸気される。
このようにダンパ１１０によって、予混合気が流通する流路を変更することで、予混合気が燃焼室１１までに通る流路の距離及び容積を変更することができることになり、結果、図４に示すように、ダンパ１１０を切り換えて、予混合気を第１流路１１４に流通させる場合は、燃料ｇの拡散は促進され、燃料の拡散状態が均一になった予混合気３を燃焼室１１に吸気することができ、図３に示すように、ダンパ１１０を切り換えて、予混合気を流路１１５に流通させる場合は、燃料ｇの拡散は抑制され、予混合気は充分に混合されずに不均一のまま燃焼室１１に吸気されることになる。このようにダンパ１１０を切り換えて、予混合気が燃焼室１１に流入するまでの流路の距離及び容積を変化させ、予混合気の混合状態を設定する手段を拡散状態調整手段Ａ’と呼ぶ。
【００３９】
結果、制御手段２０は、例えば、空気比が１．５から４．０の場合は、予混合気の混合状態を不均一にするべく、ダンパ１１０を切り換えて、エンジン２００を図３に示す状態とし、予混合気を第２流路１１５側に流通させることで、自着火時点の予混合気における燃料の拡散を抑制した状態とし、自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、ノッキングを抑制することができ、空気比が４．０以上のノッキングの発生がほとんど無い場合に、エンジン２００を図４に示す状態とし、第１流路１１４に予混合気を流通させて、燃料ｇの拡散を促進させ、燃焼後の燃焼効率の向上を図ることができる。
このように、エンジンの動作状態としての空気比に基づいて、拡散状態調整手段Ａ’を働かせて、混合状態を設定する手段を制御手段Ｂ’と呼ぶ。
【００４０】
〔実施の形態２〕
次に、本発明の実施の形態として、図５及び図６に示す、予混合圧縮自着火エンジン３００について説明する。
エンジン３００は、吸気系の構成以外は、上記の基本形態と同様であるので省略するが、排気路２１４の排ガスの運動エネルギを利用して回転するタービン２２０ｂと、それと同期して回転して吸気路２１３に供給される空気ａを加圧するブロア２２０ａを有する過給機２２０を備えている。さらに、吸気路２１３において、過給機２２０の上流側に燃料ｇを供給する燃料噴射弁２５１と、過給機２２０の下流側に燃料ｇを供給する燃料噴射弁２５２とを備えており、それぞれの燃料噴射弁２５１、２５２は切換弁２５０に接続され、流量調整弁２５３によって流量を調節された燃料ｇを、切換弁２５０によって切り換えて供給される構成となっている。
【００４１】
結果、図５に示すように、燃料噴射弁２５１によって噴射された燃料ｇと吸気路１３の空気ａとは、ブロア２２０ａを流通することで充分に混合され、燃焼室１１に吸気されるときは、ほぼ均一な混合状態となり、自着火時点に予混合気において、燃料が充分に拡散した状態となる。
また、図６に示すように、燃料噴射弁２５２によってブロア２２０ａの下流側に供給された燃料ｇは、そのまま燃焼室１１に吸気されるので、燃料ｇと空気ａとが充分に混合されずに不均一のまま燃焼室１１に吸気されることになる。このように、図５及び図６の状態を、切換弁２５０によって切り換えて、自着火時点の予混合気における燃料の拡散状態を調整する手段を拡散状態調整手段Ａ”と呼ぶ。
【００４２】
結果、上記の基本形態と同様に、制御装置２０によって、エンジンの負荷が小さく、流量調整弁２５３を調整して、ノッキングの発生が比較的少ない空気比が４．０以上の予混合気を燃焼室に供給するときに、図５のように、燃料噴射弁２５１によって燃料ｇを噴射して、ブロア２２０ａによって燃料ｇの拡散を促進することで、自着火時点の燃料ｇの拡散が促進され、燃料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上することができる。また、エンジンの負荷が大きく、ノッキングが発生しやすい空気比が４．０未満の予混合気を燃焼室に供給するときに、図６のように、燃料噴射弁２５２によって燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が充分に拡散していない状態の予混合気を供給するように制御することで、自着火時点の予混合気において燃料の拡散が抑制され、その自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、急激な圧力伝播を抑制でき、ノッキングの発生を抑制することができる。
このように、エンジンの動作状態としての空気比に基づいて、拡散状態調整手段Ａ’を働かせて、混合状態を設定する手段を制御手段Ｂ”と呼ぶ。
【００４７】
〔別実施の形態〕
（イ） 上記の実施の形態において、拡散状態調整手段Ａ’，Ａ''，Ａ'''を設定するに、空気比λをエンジンの動作状態として検出する構成を説明したが、動作状態をノッキングの発生状態１７とし、例えば、エンジンのノッキングを検出するノッキングセンサを備え、ノッキングが発生した場合に、拡散状態調整手段Ａ’，Ａ''，Ａ'''を働かせ、自着火時点の予混合気における燃料ｇの拡散を抑制し、ノッキングを回避するように制御装置２０において制御することもできる。
また、別に、動作状態をエンジンの負荷情報１５とし、エンジンの負荷を検出するし、その負荷に基づいて、拡散状態調整手段Ａ’，Ａ''，Ａ'''を働かせることもでき、負荷が上昇し、ノッキングが発生しやすい状態になったときに、自着火時点の燃料ｇの拡散を抑制し、ノッキングを回避するように制御装置２０において制御することもできる。
【００４８】
（ロ） 本願の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、ガソリン、プロパン、メタノール、水素等、任意の炭化水素系燃料を使用することができる。
（ハ） 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。
（ニ） 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。
【発明の効果】
従って、上記手法により、圧縮自着火エンジンにおいて、簡単な構造で圧縮自着火燃焼によって発生する圧力波の衝撃的な伝播を緩和し、エンジンの動作状態を良好なものに維持したままエンジンの出力等を大幅に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 予混合圧縮自着火エンジンの基本形態を示す図
【図２】 図１に示すエンジンにおいて別の状態を示す図
【図３】 本発明の予混合圧縮自着火エンジンの実施の形態を示す図
【図４】 図３に示すエンジンにおいて別の状態を示す図
【図５】 本発明の予混合圧縮自着火エンジンの別の実施の形態を示す図
【図６】 図５に示すエンジンにおいて別の状態を示す図
【符号の説明】
１ 吸気弁
２ 排気弁
３ シリンダ
４ ピストン
５ 燃料噴射弁
８ 連結棒
１１ 燃焼室
１３ 吸気路
１４ 排気路
１００ エンジン
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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運転方法に関するものであり、このようなエンジンにおいて、好ましい運転状態を維持する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、大きく、火花点火エンジン（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するディーゼルエンジンに分けられるが、都市ガスを燃料とするガスエンジンでは、従来型のディーゼルエンジンの場合、噴射燃料の圧縮動力が大きく、機構も複雑になる為、圧倒的多数は、火花点火エンジン（以下ＳＩエンジンと記す）とされる。
【０００３】
最近、自然着火を積極的に利用する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、上死点付近の圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、ＳＩエンジンの様に空気と燃料の予混合気をシリンダに供給し、圧縮によって自然着火燃焼させ、回転を続ける。
この手法をガスエンジンに適用すれば、圧縮比を増大させ、高い効率を得ることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、エンジンの出力を調整する方法として、絞り弁等の開度を調整し、吸気圧力を変化させて吸入される予混合気量を調整する方法や、空気量を一定に保ち、燃料の供給量を変化させて空気比を調整する方法がある。
しかし、前述の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高出力を得る為に、例えば前者の方法で、吸気圧を増加させると、圧縮後の予混合気の圧力が増加し、着火時期が早くなり、また、後者の方法で、空気比を下げて理論空気比に近づけると、燃焼速度が早くなり、着火後の急激な圧力伝播の発生の原因となるので、どちらの方法を取っても、ノッキング発生の原因となり、好ましい運転状態に維持することは困難となる。特に、高出力を得る為に、予混合気の量を増加させたり、空気比を下げて理論空気比に近づけると、着火時期が早くなったり、燃焼速度が増大するので、ノッキング発生の原因となり、出力等を大幅に変化させることは困難であった。
よって、本発明は、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、動作状態にあわせてノッキングを抑制することで、特に、高出力運転等を行っても、ノッキングを発生させること無く、好ましい運転状態を維持する技術を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明による、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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の特徴構成は、前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造で、燃料供給手段により前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料が供給され、切換手段により前記吸気路において前記燃料供給手段の下流側の流路を第１流路と前記第１流路よりも距離が短い第２流路とに切り換え可能とされ、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第１流路を流通させて前記燃焼室に吸気し、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第２流路を流通させて前記燃焼室に吸気する。
【０００６】
圧縮自着火エンジンは、圧縮による予混合気の自然着火を利用するもので、着火状態は多数の部分で着火する多点着火である。このような多点着火において、圧縮自着火直後に、予混合気の圧縮自着火燃焼によって発生する圧力波が燃焼室の未燃焼部に急激に伝播し、この急激な圧力波によってノッキングが発生する虞がある。
一般的に、燃料の燃焼速度は、空気比が１の理論空気比付近を最高値とし、空気比が希薄側になるほど急激に減少するので、特に、エンジンの出力を上げる為に、空気比を下げて理論空気比に近づけると、予混合気の燃焼速度は増加し、ノッキングが発生しやすい状態となる。
【０００７】
通常、燃焼室に空気比が希薄側の燃料と空気を供給する際に、その燃焼室において、空気比が均一である場合と、不均一な場合は、不均一な場合のほうが、その淡部における燃焼速度の急激な低下により、全体的な燃焼速度は低下する。
そこで、本発明においては、エンジンの動作状態に合わせて、このようなノッキングを抑制する為に、ノッキング発生状態や、エンジンの出力若しくは予混合気の空気比等の動作条件に基づいて、自着火時点の予混合気の燃焼速度を調整し、ノッキングを回避することができる。
即ち、本発明において、ノッキングが発生しやすい動作状態においては、自着火時点の予混合気において、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散を抑制し、予混合気を不均一な混合状態とし、自着火時点の燃焼室において、空気比が低い部分（濃部）と高い部分（淡部）が存在するように吸気することができるので、圧縮行程において、予混合気は、まず最初に濃部において着火し、その火炎が、隣接している淡部に伝播することとなるが、その自着火直後の燃焼速度は、均一な拡散状態のときに比べて低下しており、結果、ノッキングを抑制することができる。
また、ノッキングが発生しない動作状態においては、自着火時点の予混合気において、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散を促進し、予混合気を均一な混合状態とすることができるので、自着火時点の燃料の拡散が促進され、燃料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上することができる。
よって、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ノッキングを回避しつつ、例えば出力を大幅に変化させることができる。
しかも、燃料が酸素含有ガスに供給されてから、燃焼室に吸入されるまでの流路を切り換え、この切り換えられる流路の長さを異なるものとすることで、燃焼室に吸入される予混合気における燃料の拡散状態を調整することができ、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
例えば、吸気路の酸素含有ガスに燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた場合は、酸素含有ガスの流れ方向に対する燃料噴射方向を変化させるように構成することもでき、燃料と酸素含有ガスの衝突状態が変化させることで、燃料を流れ方向に沿って噴射すると、燃料の拡散が抑制され、燃料を流れ方向と逆の方向に噴射すると、燃料の拡散が促成されることになり、燃料の拡散状態を調整することができる。
また、本発明による、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、クランク軸の回転を維持する別の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法の特徴構成は、前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造で、第１燃料供給手段により過給機を備えた前記吸気路において前記過給機の上流側に前記燃料が供給可能で、第２燃料供給手段により前記吸気路において前記過給機の下流側に前記燃料が供給可能とされ、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前記燃料を供給し、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃料を供給する。
この場合には、上記に示した本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。しかも、吸気路において燃料を供給する位置を過給機の上流側と下流側に切り換えることによって、例えば過給機の上流側の第１燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気が過給機のブロアによって拡散されて、結果拡散を促進した混合気を燃焼室に供給することができ、過給機の下流側の第２燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気がそのまま燃焼室に供給されるので、上記の上流側に供給する場合と比べて拡散が抑制された状態となる。よって、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
【０００８】
以上が、予混合圧縮自着火エンジンの運転方法に関するものであるが、このような予混合圧縮自着火エンジンは、以下のように構成することが好ましい。
即ち、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えると共に、前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡散状態調整手段を備え、前記動作状態検出手段によって検出された動作状態に基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を制御する制御手段を備え、前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気路において、前記燃料供給手段の下流側の流路を第１流路と、前記第１流路よりも距離が短い第２流路とに切り換える切換手段とを備え、前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第１流路を流通させて前記燃焼室に吸気し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第２流路を流通させて前記燃焼室に吸気する手段である。
【０００９】
このように構成することで、上記に示した本願の手法において、動作状態に合わせてノッキングを回避することができるので、例えば、空気比を１．０から５．０まで変化させて出力を大幅に変化させ、その出力範囲において良好な運転状態を維持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。
しかも、燃料が酸素含有ガスに供給されてから、燃焼室に吸入されるまでの流路を切り換え、この切り換えられる流路の長さを異なるものとすることで、燃焼室に吸入される予混合気における燃料の拡散状態を調整することができ、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
拡散状態調整手段として、例えば、吸気路の酸素含有ガスに燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた場合は、酸素含有ガスの流れ方向に対する燃料噴射方向を変化させるように構成することもでき、燃料と酸素含有ガスの衝突状態が変化させることで、燃料を流れ方向に沿って噴射すると、燃料の拡散が抑制され、燃料を流れ方向と逆の方向に噴射すると、燃料の拡散が促成されることになり、燃料の拡散状態を調整することができる。
また、本発明による別の予混合圧縮自着火エンジンは、以下のように構成することが好ましい。
即ち、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えると共に、前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡散状態調整手段を備え、前記動作状態検出手段によって検出された動作状態に基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を制御する制御手段を備え、前記吸気路に過給機を備え、前記吸気路の前記過給機の上流側に前記燃料を供給する第１燃料供給手段を備えると共に、前記吸気路の前記過給機の下流側に前記燃料を供給する第２燃料供給手段を備え、前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前記燃料を供給し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃料を供給する手段である。
この場合には、上記に示した本願の手法において、動作状態に合わせてノッキングを回避することができるので、例えば、空気比を１．０から５．０まで変化させて出力を大幅に変化させ、その出力範囲において良好な運転状態を維持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。しかも、吸気路において燃料を供給する位置を過給機の上流側と下流側に切り換えることによって、例えば過給機の上流側の第１燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気が過給機のブロアによって拡散されて、結果拡散を促進した混合気を燃焼室に供給することができ、過給機の下流側の第２燃料供給手段において燃料を供給した場合は、混合気がそのまま燃焼室に供給されるので、上記の上流側に供給する場合と比べて拡散が抑制された状態となる。よって、本願手法によって、動作状態に基づいて、燃料の拡散状態を変化させ、好ましい運転状態を維持することができる。
【００１０】
更に、上記の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記動作状態検出手段が前記予混合気の空気比を検出するものであり、前記制御手段が、前記検出された空気比が低いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制し、前記検出された空気比が高いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を促進する手段であることができる。
【００１１】
このように、出力を変化させる為に、予混合気の空気比を変化させるエンジンにおいて、その空気比に基づいて、自着火時点の燃料の拡散状態を変化させることができ、本願手法によって、出力を変化させるべく、空気比を変化させても、ノッキングが発生を抑制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。
たとえば、空気比が４．０から５．０の場合の低出力運転時には、自着火時点の燃料の拡散状態を促進し、空気比が１．０から４．０の場合の高出力運転時には、自着火時点の燃料の拡散状態を抑制するように制御することで、空気比を１．０から５．０まで変化させてもノッキングを抑制しつつ、好ましい運転状態を維持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。
【００１２】
また、上記の構成とは別に、前記動作状態検出手段が前記エンジンの負荷を検出するものであり、
前記制御手段が、前記検出された負荷が低いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を促進し、前記検出された負荷が高いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制する手段であることもできる。
【００１３】
エンジンの負荷を検出する為に、例えば、クランク軸のトルク及び回転数等を検出し、この検出結果に基づいて、例えば吸気する予混合気の燃料の拡散状態を調整することができる。即ち、検出された負荷が小さい時は、ノッキングは比較的起こりにくい状態であるので、拡散状態を促進するように制御して、熱効率の向上を図り、負荷が大きくなり、ノッキングが発生しやすい動作条件となったときに、拡散状態を抑制するように制御して、着火後の燃焼速度を低下させることによって、ノッキングを回避することができ、エンジンの負荷に合わせて出力等を大幅に変化させてもノッキングが発生しない予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
【００１４】
さらにまた、上記の構成とは別に、前記動作状態検出手段が前記エンジンのノッキングを検出する手段であり、
前記制御手段が、前記検出されたノッキングに基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制する手段であることができる。
【００１５】
このように、直接ノッキングを検出するノッキングセンサ等によってエンジンのノッキングを検出し、ノッキングが発生したときに、自着火時点の燃料の拡散状態を抑制するように制御することで、例えば、環境等の変化によってノッキングが発生しやすい状態となっても、ノッキングを回避して、運転状態を好ましい状態とすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
〔基本形態〕
後に示す本願の予混合自着火エンジンの実施形態（実施の形態１及び実施の形態２）の理解を容易とするために予混合自着火エンジンの基本形態について、図１及び図２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とを備えたシリンダ３と、このシリンダ３内に収納されるピストン４を備えて構成されている。ピストン４の往復動は連結棒８によってクランク軸（図示せず）の回転運動として得られる。また、吸気弁１側において吸気路１３に接続され、排気弁２において排気路１４に接続される。
【００３３】
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、例えば予混合気の吸気が行われる。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１１空間を減少させる方向に移動し、燃焼室１１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、上死点と呼ばれ、圧縮自着火エンジンにおける予混合気の圧縮自着火は、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。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がシリンダ内空間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１１空間を減少させる方向への移動に伴って燃焼室１１の排ガスが排出される。
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、断熱圧縮に伴って発生される熱による予混合気の自然着火である以外、他のエンジンと変わるところはない。
【００３４】
このような、予混合圧縮自着火エンジン１００は、断熱圧縮による予混合気の自然着火を利用するものであるので、燃焼室１１の着火状態は多数の点で着火する多点着火である。このような多点着火において、圧縮自着火直後に、火炎が燃焼室１１の未燃焼部に急激に伝播することでノッキングが発生し、エンジン損傷等の問題を起こすことがある。特に、高出力を得る為に、空気比を例えば４．０以下程度に下げて、理論空気量に近づけると、予混合気の燃焼速度が増加し、このような、急激な燃焼伝播が起こりやすい。
【００３５】
そこで、基本形態においては、このようなノッキング発生時の諸問題を抑制するために、図１に示すように、吸気路１３の燃焼室から充分に遠い部分に備えられ、吸気路１３に流通する空気ａに燃料ｇを噴射することができる燃料噴射弁５１と、図２に示すように、燃焼室１１の天井部に設けられて燃焼室に直接燃料ｇを噴射することができる燃料噴射弁５２とを備え、それぞれの燃料噴射弁５１、５２は切換弁５０に接続され、流量調整弁５３によって流量を調節された燃料ｇを、切換弁５０によって切り換えて供給される構成となっている。
結果、図１に示すように、燃料噴射弁５１によって噴射された燃料ｇと吸気路１３の空気ａとは、吸気路１３を流通する間に充分に混合され、燃焼室１１に吸気されるときは、ほぼ均一な混合状態となり、自着火時点に予混合気において、燃料が充分に拡散した状態となる。
また、図２に示すように、燃料噴射弁５２によって直接燃焼室１１に噴射された燃料ｇは、燃焼室の空気ａと充分に混合することなく、圧縮行程を経て自着火するので、自着火時の燃料ｇと空気ａの混合状態は不均一な状態となり、自着火時点の予混合気においても燃料の拡散を抑制した状態となる。
このように、図１及び図２の状態を、切換弁５０によって切り換えて、自着火時点の予混合気における燃料の拡散状態を調整する手段を拡散状態調整手段Ａと呼ぶ。
【００３６】
所定量の燃料と空気を混合した予混合気の燃焼速度は、燃料が空気に対して充分に拡散した場合に最高値となり、燃料の拡散が不充分になるほど燃焼速度が低下する。
それは、予混合気において、空気比が１の理論空気比付近において燃焼速度が最大になり、空気比が理論空気量から離れるほど燃焼速度が低下し、特に希薄側になるほど燃焼速度は急激に低下するからである。
【００３７】
そこで本発明のエンジン１００は、制御装置２０によって、エンジンの動作状態にあわせて、拡散状態調整手段Ａを働かせて、自着火時の予混合気の燃焼速度を調整することができる。
即ち、制御装置２０には、例えば、エンジンの必要出力や必要回転数等の設定条件１６が入力され、その設定条件１６に基づいて、エンジンに供給するべく予混合気の空気比λを検知することができる。この空気比λと現状の回転数から算出できる空気量から、供給する燃料ｇの量を決定し、その決定された燃料ｇの量に基づいて流量調整弁５３を働かせて、燃料ｇの供給量を設定する。
さらに、制御装置２０は、ノッキングの発生が比較的少ない前記空気比λが４．０以上の時に、図１のように、燃料噴射弁５１によって燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が均一に拡散した状態の予混合気を供給するように制御することで、自着火時点の燃料ｇの拡散が促進され、燃料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上することができ、また、ノッキングが発生しやすい空気比λが４．０未満のときに、図２のように、燃料噴射弁５２によって燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が充分に拡散していない状態の予混合気を供給するように制御することで、自着火時点の予混合気において燃料の拡散が抑制され、その自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、急激な圧力伝播を抑制でき、ノッキングの発生を抑制することができる。
よって、空気比を例えば１．０から５．０程度の範囲内で変化させてもノッキングが発生しない予混合圧縮自着火エンジン１００を構成することができるのである。
このように、エンジンの動作状態としての空気比に基づいて、拡散状態調整手段Ａを働かせて、自着火時点の燃料ｇの拡散状態を調整する手段を制御手段Ｂと呼び、設定条件１６によって、吸気される予混合気の空気比λを検出する手段を動作状態検出手段Ｃと呼ぶ。
【００３８】
〔実施の形態１〕
次に、本発明の実施の形態として、図３及び図４に示す、予混合圧縮自着火エンジン２００について説明する。
エンジン２００は、吸気系の構成以外は、上記の基本形態と同様であるので省略するが、吸気路１１３から供給される空気ａに、燃料噴射弁１５１によって燃料を噴射され、その予混合気は、ダンパ１１０によって、燃焼室１１に迂回して流入する第１流路１１４と、直接燃焼室１１に流入する第２流路１１５とに切り換えられて燃焼室１１に吸気される。
このようにダンパ１１０によって、予混合気が流通する流路を変更することで、予混合気が燃焼室１１までに通る流路の距離及び容積を変更することができることになり、結果、図４に示すように、ダンパ１１０を切り換えて、予混合気を第１流路１１４に流通させる場合は、燃料ｇの拡散は促進され、燃料の拡散状態が均一になった予混合気３を燃焼室１１に吸気することができ、図３に示すように、ダンパ１１０を切り換えて、予混合気を流路１１５に流通させる場合は、燃料ｇの拡散は抑制され、予混合気は充分に混合されずに不均一のまま燃焼室１１に吸気されることになる。このようにダンパ１１０を切り換えて、予混合気が燃焼室１１に流入するまでの流路の距離及び容積を変化させ、予混合気の混合状態を設定する手段を拡散状態調整手段Ａ’と呼ぶ。
【００３９】
結果、制御手段２０は、例えば、空気比が１．５から４．０の場合は、予混合気の混合状態を不均一にするべく、ダンパ１１０を切り換えて、エンジン２００を図３に示す状態とし、予混合気を第２流路１１５側に流通させることで、自着火時点の予混合気における燃料の拡散を抑制した状態とし、自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、ノッキングを抑制することができ、空気比が４．０以上のノッキングの発生がほとんど無い場合に、エンジン２００を図４に示す状態とし、第１流路１１４に予混合気を流通させて、燃料ｇの拡散を促進させ、燃焼後の燃焼効率の向上を図ることができる。
このように、エンジンの動作状態としての空気比に基づいて、拡散状態調整手段Ａ’を働かせて、混合状態を設定する手段を制御手段Ｂ’と呼ぶ。
【００４０】
〔実施の形態２〕
次に、本発明の実施の形態として、図５及び図６に示す、予混合圧縮自着火エンジン３００について説明する。
エンジン３００は、吸気系の構成以外は、上記の基本形態と同様であるので省略するが、排気路２１４の排ガスの運動エネルギを利用して回転するタービン２２０ｂと、それと同期して回転して吸気路２１３に供給される空気ａを加圧するブロア２２０ａを有する過給機２２０を備えている。さらに、吸気路２１３において、過給機２２０の上流側に燃料ｇを供給する燃料噴射弁２５１と、過給機２２０の下流側に燃料ｇを供給する燃料噴射弁２５２とを備えており、それぞれの燃料噴射弁２５１、２５２は切換弁２５０に接続され、流量調整弁２５３によって流量を調節された燃料ｇを、切換弁２５０によって切り換えて供給される構成となっている。
【００４１】
結果、図５に示すように、燃料噴射弁２５１によって噴射された燃料ｇと吸気路１３の空気ａとは、ブロア２２０ａを流通することで充分に混合され、燃焼室１１に吸気されるときは、ほぼ均一な混合状態となり、自着火時点に予混合気において、燃料が充分に拡散した状態となる。
また、図６に示すように、燃料噴射弁２５２によってブロア２２０ａの下流側に供給された燃料ｇは、そのまま燃焼室１１に吸気されるので、燃料ｇと空気ａとが充分に混合されずに不均一のまま燃焼室１１に吸気されることになる。このように、図５及び図６の状態を、切換弁２５０によって切り換えて、自着火時点の予混合気における燃料の拡散状態を調整する手段を拡散状態調整手段Ａ”と呼ぶ。
【００４２】
結果、上記の基本形態と同様に、制御装置２０によって、エンジンの負荷が小さく、流量調整弁２５３を調整して、ノッキングの発生が比較的少ない空気比が４．０以上の予混合気を燃焼室に供給するときに、図５のように、燃料噴射弁２５１によって燃料ｇを噴射して、ブロア２２０ａによって燃料ｇの拡散を促進することで、自着火時点の燃料ｇの拡散が促進され、燃料と酸素含有ガスの接触を強め、熱効率を向上することができる。また、エンジンの負荷が大きく、ノッキングが発生しやすい空気比が４．０未満の予混合気を燃焼室に供給するときに、図６のように、燃料噴射弁２５２によって燃料ｇを噴射して、燃焼室１１に燃料が充分に拡散していない状態の予混合気を供給するように制御することで、自着火時点の予混合気において燃料の拡散が抑制され、その自着火直後の予混合気の燃焼速度を低下させ、急激な圧力伝播を抑制でき、ノッキングの発生を抑制することができる。
このように、エンジンの動作状態としての空気比に基づいて、拡散状態調整手段Ａ’を働かせて、混合状態を設定する手段を制御手段Ｂ”と呼ぶ。
【００４７】
〔別実施の形態〕
（イ） 上記の実施の形態において、拡散状態調整手段Ａ’，Ａ''，Ａ'''を設定するに、空気比λをエンジンの動作状態として検出する構成を説明したが、動作状態をノッキングの発生状態１７とし、例えば、エンジンのノッキングを検出するノッキングセンサを備え、ノッキングが発生した場合に、拡散状態調整手段Ａ’，Ａ''，Ａ'''を働かせ、自着火時点の予混合気における燃料ｇの拡散を抑制し、ノッキングを回避するように制御装置２０において制御することもできる。
また、別に、動作状態をエンジンの負荷情報１５とし、エンジンの負荷を検出するし、その負荷に基づいて、拡散状態調整手段Ａ’，Ａ''，Ａ'''を働かせることもでき、負荷が上昇し、ノッキングが発生しやすい状態になったときに、自着火時点の燃料ｇの拡散を抑制し、ノッキングを回避するように制御装置２０において制御することもできる。
【００４８】
（ロ） 本願の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、ガソリン、プロパン、メタノール、水素等、任意の炭化水素系燃料を使用することができる。
（ハ） 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。
（ニ） 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。
【発明の効果】
従って、上記手法により、圧縮自着火エンジンにおいて、簡単な構造で圧縮自着火燃焼によって発生する圧力波の衝撃的な伝播を緩和し、エンジンの動作状態を良好なものに維持したままエンジンの出力等を大幅に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 予混合圧縮自着火エンジンの基本形態を示す図
【図２】 図１に示すエンジンにおいて別の状態を示す図
【図３】 本発明の予混合圧縮自着火エンジンの実施の形態を示す図
【図４】 図３に示すエンジンにおいて別の状態を示す図
【図５】 本発明の予混合圧縮自着火エンジンの別の実施の形態を示す図
【図６】 図５に示すエンジンにおいて別の状態を示す図
【符号の説明】
１ 吸気弁
２ 排気弁
３ シリンダ
４ ピストン
５ 燃料噴射弁
８ 連結棒
１１ 燃焼室
１３ 吸気路
１４ 排気路
１００ エンジン
Claims (7)
- 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、
前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造で、
燃料供給手段により前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料が供給され、
切換手段により前記吸気路において前記燃料供給手段の下流側の流路を第１流路と前記第１流路よりも距離が短い第２流路とに切り換え可能とされ、
前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第１流路を流通させて前記燃焼室に吸気し、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第２流路を流通させて前記燃焼室に吸気する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、
前記エンジンの動作状態を検出可能、且つ前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整可能な構造で、
第１燃料供給手段により過給機を備えた前記吸気路において前記過給機の上流側に前記燃料が供給可能で、第２燃料供給手段により前記吸気路において前記過給機の下流側に前記燃料が供給可能とされ、
前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前記燃料を供給し、前記検出された動作状態に基づいて前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃料を供給する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、
前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えると共に、
前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡散状態調整手段を備え、
前記動作状態検出手段によって検出された動作状態に基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を制御する制御手段を備え、
前記吸気路の酸素含有ガスに前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記吸気路において、前記燃料供給手段の下流側の流路を第１流路と、前記第１流路よりも距離が短い第２流路とに切り換える切換手段とを備え、
前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第１流路を流通させて前記燃焼室に吸気し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、切換手段を働かせ、前記予混合気を前記第２流路を流通させて前記燃焼室に吸気する手段である予混合圧縮自着火エンジン。 - 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給し、前記燃焼室において予混合気を圧縮して自着火させ、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、
前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備えると共に、
前記燃焼室の前記自着火時点における予混合気の、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する拡散状態を調整する拡散状態調整手段を備え、
前記動作状態検出手段によって検出された動作状態に基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を制御する制御手段を備え、
前記吸気路に過給機を備え、
前記吸気路の前記過給機の上流側に前記燃料を供給する第１燃料供給手段を備えると共に、前記吸気路の前記過給機の下流側に前記燃料を供給する第２燃料供給手段を備え、
前記拡散状態調整手段が、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を促進する場合は、前記第１燃料供給手段より前記燃料を供給し、前記酸素含有ガスに対する拡散状態を抑制する場合は、前記第２燃料供給手段より前記燃料を供給する手段である予混合圧縮自着火エンジン。 - 前記動作状態検出手段が前記予混合気の空気比を検出するものであり、
前記制御手段が、前記検出された空気比が低いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制し、前記検出された空気比が高いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を促進する手段である請求項３又は４に記載の予混合圧縮自着火エンジン。 - 前記動作状態検出手段が前記エンジンの負荷を検出するものであり、
前記制御手段が、前記検出された負荷が低いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を促進し、前記検出された負荷が高いときに、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制する手段である請求項３又は４に記載の予混合圧縮自着火エンジン。 - 前記動作状態検出手段が前記エンジンのノッキングを検出する手段であり、
前記制御手段が、前記検出されたノッキングに基づいて、前記拡散状態調整手段を働かせ、前記拡散を抑制する手段である請求項３又は４に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
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