JP4190130B2 - 予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内に形成される燃焼室において、燃料と酸素含有ガスの混合気を圧縮して自己着火させる圧縮自着火運転を行う予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。この種の予混合圧縮自着火エンジンは、ディーゼルエンジンのパティキュレートを防止する目的で開発されたものであって、研究開発の端緒についたところである。予混合圧縮自着火エンジンは、ディーゼルエンジンと同様に、断熱圧縮を利用した自己着火を行うものであるが、燃焼室の圧縮空気中に燃料を噴射して自己着火させるのではなく、主には、火花着火エンジンのように燃料と空気（酸素含有ガスの一例）の混合気を燃焼室に形成し、燃焼室においてその混合気をピストンによって圧縮することで燃料の発火点まで昇温させて自己着火させる圧縮自着火運転（以下、圧縮自着火運転と呼ぶ。）を行って燃料を燃焼させる。
この手法をガスエンジンに適用すれば、圧縮比を増大させると共に超希薄な混合気を圧縮自着火させて燃焼させ、高効率及び低ＮＯｘ運転が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
予混合圧縮自着火エンジンでは、着火形式が上記圧縮自着火形式であるので、例えば運転開始時において燃焼室温及び燃焼室壁温がある一定の温度に達していない場合、混合気の圧縮自着火は確実には起こらない。また、この種の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転については、従来有効な技術が確立されていない。
【０００４】
また、従来の起動運転方法として、専らクランク軸を他の動力機等で回転させて定格回転速度に維持しながら、燃焼室に吸気される混合気若しくは空気をヒータ等によって加熱することにより圧縮自着火運転に移行する方法を挙げることができるが、例えば、予混合圧縮自着火エンジンを発電機の駆動源として利用する場合、他の動力機等を利用することができないので、何らかの別の起動運転方法を取らなければならない。また、発電機を誘導発電機とし、インバータを利用して誘導発電機を誘導モータとして働かせて起動させ、インバータから無効電力を供給しつつそのまま発電に移行する方法（特開平７−２３１５７０号公報）があるが、インバータ及び誘導発電機を合わせた発電ロスが大きくなり、さらに起動に必要な電力が用意できない場合は利用できない。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、予混合圧縮自着火エンジンの起動運転をスムーズに行うことができる技術を提供するところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法、前記予混合圧縮自着火エンジンを複数の前記気筒を設けた多気筒エンジンとして構成し、
前記複数の気筒内に形成される夫々の燃焼室において、圧縮された混合気に火花を発生して着火する火花着火運転、若しくは酸素含有ガスを圧縮し圧縮された酸素含有ガスに燃料を噴射して自己着火させる噴射着火運転を行って、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始する強制運転工程と、
前記火花着火運転若しくは前記噴射着火運転を行う前記夫々の燃焼室の一部ずつを、前記圧縮自着火運転に移行させる移行工程とを順に実行し、
前記予混合圧縮自着火エンジンが、系統側電力線に接続されて発電を行う発電機の駆動源であり、
前記系統側電力線に接続する前に、前記強制運転工程を行い、前記系統側電力線に接続した後に、前記移行工程を行うことを特徴とする。
【０００７】
〔作用効果〕
予混合圧縮自着火エンジンは、着火形式が上記予混合圧縮自着火形式であるので、着火時期を急激に変更することができず、このままでは火花着火形式等で自在に着火時期をコントロールできる従来のエンジンのように、セルモータ等でクランク軸を回転させて低い回転速度で立ち上げ、速やかに定格回転速度に移行することは極めて困難であった。そこで、本発明者らは、予混合圧縮自着火エンジンの起動方法において、先ず、燃焼室において混合気を圧縮して火花着火燃焼させる火花着火運転（以下、火花着火運転と呼ぶ。）、若しくは空気若しくは混合気（酸素含有ガス）を圧縮して圧縮され高温の空気若しくは混合気に燃料を噴射して自己着火燃焼させる噴射自着火運転（以下、噴射着火運転と呼ぶ。）で燃料を燃焼させ、予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始させる強制運転工程を実行し、所定の暖機運転の後に圧縮自着火運転に移行する方法を思案した。しかし、この手法において、予混合圧縮自着火エンジンの着火形式が上述のように予め決定しづらい圧縮自着火形式であるので、移行時に安定して燃料を圧縮自着火運転で燃焼させることは困難であり、少なくとも一定時間定格速度で他の動力源等によって強制的にクランク軸を回転させると共に、好ましいクランク角で自己着火するように、給気温度の調整等を行う必要が有り、上記移行時に火花着火運転若しくは噴射着火運転から圧縮自着火運転へ瞬時に切り換えることは極めて困難であった。
【０００８】
そこで、本構成のごとく、予混合圧縮自着火エンジンを複数の気筒を有する多気筒型のエンジンとして構成し、前記予混合圧縮自着火エンジンを起動させるに、先ず、上記強制運転工程を行い、予混合圧縮自着火エンジンにおいて複数の気筒の暖機を行う。夫々の燃焼室において混合気を圧縮自着火して燃焼させる圧縮自着火運転を行うことができるまで暖機が進んだら、次に前記移行工程を実行する。このような暖機完了の確認は、温度センサ等でシリンダ温度若しくは排ガス温度若しくは冷却水温度を検出したり、予め実験等で求めておいた暖機が完了するまでの必要時間の経過をタイマー等で検出することで行うことができる。
【０００９】
移行工程においては、例えば、複数の気筒の全て若しくは一部の暖機が完了してから、充分に暖機された１つずつ若しくは所定のグループずつを、火花着火運転若しくは噴射着火運転から圧縮自着火運転に移行させる。すると、この移行工程初期において、圧縮自着火運転に移行直後の気筒は不安定な運転状態であるが、移行前の安定した運転状態である火花着火運転若しくは噴射着火運転の気筒によって、移行直後気筒が安定した圧縮自着火運転となるまで、クランク軸の回転を維持することができる。よって、移行工程後期において、安定した圧縮自着火運転を行う気筒によりクランク軸の回転を維持しながら、未だ移行されていない１つ若しくは１グループの気筒を圧縮自着火運転に移行させて安定したものにすることができ、すべての気筒において圧縮自着火運転を行うことができる。尚、圧縮自着火運転が安定して行われるかは、燃焼室において圧縮自着火の時期が安定してＴＤＣ付近にきているかを検出することで確認でき、着火時期の検出は、クランク角センサ等でクランク軸の回転角度を検出しながら圧力センサ等で燃焼室の圧力を検出することで容易に行える。
従って、予混合圧縮自着火エンジンにおいてスムーズな起動運転を実現することができる。
しかも、系統側電力線に接続されて発電を行う発電機の駆動源として予混合圧縮自着火エンジンを利用する場合、強制運転工程を系統側電力線に接続する前に実行して、セルモータ等でクランク軸を回転させて低い回転速度で立ち上げ速やかに所定の回転速度に移行させ、系統側電力線の周波数に対応した所定の回転速度に到達した後に、系統側電力線に接続させて系統側からの同期化力によりクランク軸の回転速度を一定に維持させた状態で、移行工程を実行することができるので、移行工程において移行直後の不安定な運転状態の気筒が存在してもクランク軸を一定回転速度に維持させる事が容易であり、また、有効電力を自由に変更することができるので、移行工程の操作が容易になる。
従って、発電機の駆動源とした予混合圧縮自着火エンジンを簡単な構成でスムーズに起動させることができる。
【００１２】
〔構成２〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法は、上記構成１の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の構成に加えて、前記予混合圧縮自着火エンジンを、前記夫々の燃焼室における給気温度を各別に設定可能、前記夫々の燃焼室における当量比を各別に設定可能に構成し、
前記夫々の燃焼室において、前記火花着火運転時若しくは前記噴射着火運転時の給気温度を、前記圧縮自着火運転時の給気温度よりも低く設定すると共に、前記火花着火運転時若しくは前記噴射着火運転時の当量比を、前記圧縮自着火運転時の当量比よりも高く設定することを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
例えば予混合圧縮自着火エンジンにおいて、火花着火運転若しくは噴射自着火運転を行う強制運転工程を実行する場合、当量比を燃焼範囲内の例えば１．０〜０．６に設定することで安定した運転状態を得ることができ、給気温度を低く設定してノッキングを防止することができる。一方、圧縮自着火運転においては、当量比を０．４以下の希薄状態に設定することで、高効率且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
そこで本構成のごとく、火花着火運転若しくは噴射着火運転における給気温度を、圧縮自着火運転における給気温度よりも低く設定すると共に、火花着火運転若しくは噴射着火運転における当量比を、圧縮自着火運転における当量比よりも高く設定し、移行時において当量比及び給気温度の上記諸条件を切り換えるように構成することで、起動時においてノッキングを回避しながら安定した火花着火運転若しくは噴射着火運転で予混合圧縮自着火エンジンを立ち上げて、充分に暖機された気筒の１つずつ若しくは所定のグループずつを、上記諸条件を切り換えて圧縮自着火運転に移行させて、高効率及び低ＮＯｘの定格運転に移行することができる。
従って、安定した状態で予混合圧縮自着火エンジンを立ち上げスムーズに定格運転に移行することができる。
尚、上記のように火花着火運転若しくは噴射着火運転における当量比を燃焼範囲内に設定するのは、燃料を火炎伝播させて燃焼させる為であるが、このような燃焼範囲の当量比は、燃料の種類によって決まっており、例えば燃焼範囲の当量比の値は、燃料が天然ガス系都市ガスの場合は０．５〜１．８５であり、燃料がガソリンの場合は０．５８〜３．７であり、燃料が水素の場合は０．０９９〜７．１４である。
【００１４】
〔構成３〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法は、上記構成１又は２の何れかの予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の構成に加えて、前記火花着火運転時の前記火花の発生時期、若しくは前記噴射着火運転時の前記燃料の噴射の時期を、クランク角で１０°ＡＴＤＣ以降４０°ＡＴＤＣ以前に設定することを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
予混合圧縮自着火エンジンは、混合気を圧縮自着火させる着火形式であるために、ＢＤＣ（下死点）での気筒内容積と、ＴＤＣ（上死点）における気筒内容積との比である圧縮比は例えば２１程度と高く設定されている。
このような予混合圧縮自着火エンジンにおいて火花着火運転若しくは噴射着火運転で運転を行う場合は、当量比が燃焼範囲内であるために、ＴＤＣ付近で上記火花を発生させる若しくは燃料を噴射すると、平均有効圧力がノッキング限界を越えノッキングが発生する虞がある。
そこで、本構成のごとく、強制運転工程において、火花着火運転で予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始する場合は火花発生の時期を、噴射着火運転で予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始する場合は燃料の噴射の時期を、クランク角でＴＤＣ（上死点）よりも遅い１０°ＡＴＤＣ以降に設定することで、強制運転工程において、気筒内の圧力がＴＤＣよりも低下したときに燃料を燃焼させることができるので、平均有効圧力をノッキング限界以下に設定してノッキングを回避しながら強制運転工程を行うことができる。
また、上記火花発生若しくは燃料噴射の時期をクランク角で４０°ＡＴＤＣ以前に設定することで、クランク軸の回転を維持して暖機運転を充分にできる程度の平均有効圧力を発生させて強制運転工程を行うことができる。
従って、スムーズな起動運転を実現することができる予混合圧縮自着火エンジンにおいて、強制運転工程を行うに、火花着火運転若しくは噴射着火運転における運転状態を好ましいものに維持することができる。
【００１６】
〔構成４〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法は、上記構成１から３の何れかの予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の構成に加えて、前記予混合圧縮自着火エンジンが、天然ガス系都市ガスを燃料とするエンジンであることを特徴とする。
【００１７】
〔作用効果〕
このような予混合圧縮自着火エンジンにおいては、予め形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる圧縮自着火形式であるので、燃料を高圧噴射する必要が無く、例えば給気路若しくは圧縮行程初期の気筒内に燃料を定圧で供給する構成を採用することができるので、本構成のごとく、燃料として、気体燃料である天然ガス系都市ガスを簡単な構成で利用して、高効率且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
また、このような天然ガス系都市ガスを利用する場合、火花着火運転若しくは噴射自着火運転で運転する起動運転時において安定的に燃焼させる当量比は１．０から０．６程度の範囲内であり、一方、移行後の圧縮自着火運転で運転する定格運転における当量比は０．４から０．３以下程度の希薄状態に設定することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジン１００の起動運転方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００１９】
〔予混合圧縮自着火エンジン〕
予混合圧縮自着火エンジン１００は、２つの気筒１ａ，１ｂを設けた多気筒エンジンとして構成されており、夫々の気筒１ａ，１ｂにおいて、給気路１０ａ，１０ｂに給気弁１６ａ，１６ｂと排気路１８ａ，１８ｂに排気弁１７ａ，１７ｂと設けられ、気筒１ａ，１ｂと共に燃焼室２ａ，２ｂを形成するピストン３ａ，３ｂとが設けられている。ピストン３ａ，３ｂは連結棒４ａ，４ｂに回転自由に接続されており、ピストン３ａ，３ｂの往復動は連結棒４ａ，４ｂによって１つのクランク軸５の回転運動として得られ、このような構成は通常の多気筒エンジンと変わるところが無い。
【００２０】
また、予混合圧縮自着火エンジン１００は、空気ａを過給機のタービン６によって加圧して給気路１０に送ると共に、給気路１０から分岐した夫々の給気路１０ａ，１０ｂに設けられたミキサ１１ａ，１１ｂにおいて、天然ガス系都市ガスの燃料ｇ１を空気ａに供給して混合気を形成し、夫々の燃焼室２ａ，２ｂにおいてその混合気をピストン３ａ，３ｂによって圧縮することで燃料ｇ１の発火点まで昇温させて自己着火させる圧縮自着火運転を行って燃料を燃焼させるエンジンである。
また、夫々のミキサ１１ａ，１１ｂに供給する燃料ｇ１は、制御装置２０によって制御される流量調整弁１３ａ，１３ｂによって流量を制御され、夫々の燃焼室２ａ，２ｂに給気される混合気の当量比を各別に制御することができる。
【００２１】
また、このような圧縮自着火運転において、給気の温度即ち燃焼室２に供給される空気ａの温度が変化すると圧縮自着火のタイミングが変化し、例えば給気温度が高くなると圧縮自着火のタイミングは速くなり、給気温度が低くなると圧縮自着火のタイミングは遅くなるので、給気温度を好ましいものに制御する必要が有る。
そこで、予混合圧縮自着火エンジン１００においては、給気路１０に、タービン６によって加圧され昇温した空気ａを冷却水との熱交換によって冷却するアフタークーラ７が設けられており、制御装置２０は、上記圧縮自着火運転において、燃焼室２内の圧力を検出する圧力センサ１４ａ，１４ｂと、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ１５の検出結果に基づいて、実際の上記圧縮自着火のタイミングを検出し、その圧縮自着火のタイミングが例えばＴＤＣ付近と好ましいものになるように、温度センサ９によって空気ａの温度を検出しながらアフタークーラ７に流通する冷却水の流量を調整する流量調整弁８を制御して、燃焼室２に供給される空気ａの温度を制御するように構成されている。
【００２２】
このような予混合圧縮自着火エンジン１００は、上述のように、燃焼室２において混合気を圧縮して自着火する圧縮自着火運転を行って燃料ｇ１を燃焼させるものであるため、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、さら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。
しかし、このような予混合圧縮自着火エンジンは、起動時の未だ気筒１等が暖機されていない起動運転時において、混合気を燃焼室２において圧縮しても充分に昇温させることができないので、圧縮自着火のタイミングが変化したり、混合気を圧縮自着火させることができず、安定して圧縮自着火運転を行うことができない。よって、エンジン１００を充分に暖機した後に上記の圧縮自着火運転を行う必要がある。
【００２３】
そこで、予混合圧縮自着火エンジン１００を充分に暖機運転を行い、すべての気筒１において圧縮自着火運転を行う定格運転にスムーズに移行して、予混合圧縮自着火エンジンを起動させることができる手法について以下に説明する。
【００２４】
〔基本形態１〕
後に示す本願の予混合自着火エンジンの実施の形態の理解を容易とするために、予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の基本形態１を以下に説明する。
まず、予混合圧縮自着火エンジン１００は、夫々の燃焼室２ａ，２ｂに、軽油である燃料ｇ２を直接高圧噴射する噴射ノズル１２ａ，１２ｂを備え、燃焼室２において都市ガスである燃料ｇ１と空気ａとの混合気を圧縮し、燃料ｇ２を噴射ノズル１２から燃焼室２の圧縮された混合気に噴射して自己着火させる噴射着火運転可能に構成されている。
【００２５】
図２に示すように、まず、運転開始指令が制御装置２０に入力され、制御装置２０は予混合圧縮自着火エンジン１００を起動運転させる。
制御装置２０は、入力される運転開始指令に基づいて、予混合圧縮自着火エンジン１００を起動させるのであるが、先ず、後述の強制運転工程（ｓｔ１）を実行する。
即ち、強制運転工程（ｓｔ１）を実行するに、制御装置２０は、クランク軸５をセルモータ（図示せず）等で回転させて、ミキサ１１ａ，１１ｂにおいて生成される混合気を燃焼室２ａ，２ｂに給気すると共に、夫々の燃料噴射ノズル１２ａ，１２ｂを働かせて、夫々の燃焼室２ａ，２ｂにおいて圧縮され昇温した混合気に燃料ｇ２を噴射して自己着火させる噴射着火運転を行う。このような噴射着火運転は、燃料ｇ２を噴射するタイミングで着火のタイミングを調整することができるので、運転状態は安定したものとなり、クランク軸５の回転を維持して夫々の気筒１ａ，２ｂ等を暖機することができる。
【００２６】
次に、制御装置２０は、気筒１の温度２１、気筒１を冷却する冷却水温度２２、若しくは排ガス温度２３を検出したり、または予め実験等で求めておいた暖機が完了するまでの必要時間の経過２４をタイマー等で検出することで、暖機が充分に行われたことを確認した後に、噴射着火運転の夫々の燃焼室２ａ，２ｂの一つずつを、圧縮自着火運転に移行させる移行工程（ｓｔ２）を行う。
即ち、移行工程（ｓｔ２）において、制御装置２０は、先ず、燃焼室２ｂにおいて噴射着火運転を維持してクランク軸５の回転を維持したまま、燃焼室１ａにおいて燃料噴射ノズル１２ａの燃料ｇ２の噴射量を減少させると共に、燃料ｇ２の噴射時期を１０°ＡＴＤＣ程度に遅らせ、同時に、ミキサ１１ａにおける燃料ｇ１の供給量を増加させる。さらに、燃料ｇ１の都市ガスの発火点は燃料ｇ２の軽油よりも高いので、ミキサ１１ａにおいて供給される燃料ｇ１と空気ａの混合気がＴＤＣ付近で圧縮自着火するように、流量調整弁８の開度を絞ってアフタークーラ７の冷却能力を低下させ空気ａの温度を増加させる。
【００２７】
すると、燃焼室２ａの圧力の変化状態は、初期においては、図３の（イ）に示すように、ミキサ１１ａにおいて供給された燃料ｇ１がＴＤＣ付近で圧縮自着火せずに、燃料ｇ２が１０°ＡＴＤＣ程度で噴射された燃料が着火する状態であるが、ミキサ１１ａからの燃料ｇ１の供給量を増加させていくと徐々に、図３（ロ）に示すように、ミキサ１１ａにおいて供給された燃料ｇ１が燃焼室２ａにおいて圧縮自着火し、さらに燃料ｇ２が１０°ＡＴＤＣ程度で噴射され着火する状態となる。
このような、圧縮自着火の検出は、圧力センサ１４ａによってＴＤＣ付近の圧力上昇を検出することで行うことができ、制御装置２０は、圧力センサ１４ａにおいて圧縮自着火を検出したとき、好ましいタイミングで圧縮自着火が発生するように、流量調整弁８を制御して燃焼室２に供給される空気ａの温度を制御し、連続して圧縮自着火を検出した時点で、燃焼室１ｂの噴射着火運転から圧縮自着火運転への移行制御を行う。
即ち、この時点では、燃焼室２ａにおいては圧縮自着火運転を、燃焼室２ｂにおいては噴射着火運転を行っているのであるが、次に、制御装置２０は、燃焼室２ａと同様に、燃焼室２ｂを噴射着火運転から圧縮自着火運転に移行させ、すべての燃焼室１ａ，２ａにおいて圧縮自着火運転を行う定格運転に移行する。また燃焼室２ｂを圧縮自着火運転に移行するときは、燃焼室１ａにおいて安定した圧縮自着火運転が行われているので、クランク軸５の回転は安定して維持されている。
【００２８】
〔基本形態２〕
次に、予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の基本形態２を以下に説明する。
図４の予混合圧縮自着火エンジン１００は、上記の基本形態１と同様の構成については説明を省略するが、夫々の給気路１０ａ，１０ｂのミキサ１１ａ，１１ｂの上流側にアフタークーラ７ａ，７ｂを設け、アフタークーラ７ａ，７ｂに流通する冷却水の流量を調整する流量調整弁８ａ，８ｂを調整して、夫々の燃焼室２ａ，２ｂに供給される空気ａの温度を調整するように構成されている。
【００２９】
また、給気路１０と夫々の給気路１０ａ，１０ｂのミキサ１１ａ，１１ｂの下流側とを接続する副給気路２９ａ，２９ｂと、その副給気路２９ａ，２９ｂの夫々に制御装置２０によって制御される開閉弁２８ａ，２８ｂとが夫々設けられており、夫々の開閉弁２８ａ，２８ｂを開閉動作によって、燃焼室２に給気される空気ａの量を増減させることができる。
さらに、夫々の燃焼室２ａ，２ｂには、燃焼室２内に火花を発生させる点火プラグ２７ａ，２７ｂが設けられている。この点火プラグ２７ａ，２７ｂには、希薄混合気を着火させるに充分な容量を有しているものを使用する。
よって、予混合圧縮自着火エンジン１００は、夫々の燃焼室２ａ，２ｂにおいて、混合気を圧縮し、点火プラグ２７によって火花を発生して着火する火花着火運転可能に構成されている。
【００３０】
次に、このような予混合圧縮自着火エンジン１００において、起動運転を行う場合について、以下に説明する。
先ず、強制運転工程（ｓｔ１）において、制御装置２０は、クランク軸５をセルモータ （図示せず）等で回転させて、燃焼室２ａ，２ｂにおいて火花着火運転を行う。
この火花着火運転においては、開閉弁２８を閉状態として燃焼室２に供給される空気ａの量を低下させるとともに、流量調整弁８ａ，８ｂの開度を大きく設定してアフタークーラ７ａ，７ｂにおいて給気温度を充分に低下させ、ノッキングを回避している。
このような火花着火運転は、点火プラグ２７の火花発生タイミングを調整することで着火タイミングを調整することができるので、安定した運転状態であり、クランク軸５の回転を維持して夫々の気筒１ａ，２ｂ等を暖機することができる。
【００３１】
次に、制御装置２０は、上記の基本形態１と同様の方法で、暖機が充分に行われたことを確認した後に、火花着火運転の夫々の燃焼室２ａ，２ｂの一つずつを、圧縮自着火運転に移行させる移行工程（ｓｔ２）を行う。
即ち、移行工程（ｓｔ２）において、制御装置２０は、先ず、燃焼室２ｂにおいては火花着火運転を維持してクランク軸５の回転を維持したまま、一方の点火プラグ２７ａによる火花着火のタイミングを５°ＡＴＤＣ程度に遅らせ、同時に、開閉弁２８ａの開度を増加させ、さらに、流量調整弁８ａ，の開度を徐々に小さくして給気温度を大きくする。
すると、初期においては、燃焼室２ａにおいて燃料ｇ１がＴＤＣ付近で圧縮自着火せずに８°ＡＴＤＣ程度で火花着火する状態となるが、徐々に、燃料ｇ１が圧縮自着火するようになり、安定した圧縮自着火を検出した時点で、次の制御を行う。
この時点で、燃焼室２ａにおいては圧縮自着火運転を、燃焼室２ｂにおいては火花着火運転を行っているのであるが、次に、制御装置２０は、燃焼室２ａと同様に、燃焼室２ｂを火花着火運転から圧縮自着火運転に移行させ、すべての燃焼室１ａ，２ａにおいて圧縮自着火運転を行う定格運転に移行することができる。
また燃焼室２ｂを圧縮自着火運転に移行するときは、燃焼室１ａにおいて安定した圧縮自着火運転が行われているので、クランク軸５の回転は安定して維持されている。
【００３２】
また、上記の基本形態２において、点火着火運転よりも圧縮自着火運転において燃焼室２に供給される空気ａの量を点火着火運転に対して多くするために、点火着火運転時には副給気路２９に設けた開閉弁２８を閉状態として、圧縮自着火運転時に開状態とする構成を説明したが、別に、副給気路と燃焼室とを給気弁１６とは別の副給気弁を介して直接接続し、その副給気弁を、点火着火運転時には閉状態として、圧縮自着火運転時に開状態とするように構成することもできる。
【００３３】
〔実施形態〕
次に、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法の実施形態を以下に説明する。
図５の予混合圧縮自着火エンジン１００は、上記の基本形態２で説明した副給気路２９ａ，２９ｂ及び開閉弁２８ａ，２８ｂの代わりに、吸気路１０ａ，１０ｂにおいてミキサ１１ａ，１１ｂの下流側に開度調整可能なスロットル３０ａ，３０ｂとが設けられており、制御装置２０による夫々のスロットル３０ａ，３０ｂの開度調整によって、燃焼室２に給気される混合気の量を増減させることができる。
【００３４】
また、この予混合圧縮自着火エンジン１００は、電力系統５７に連系して発電を行う発電機５１の駆動源である。
詳しくは、クランク軸５が励磁装置５２及び発電機５１に接続され、励磁装置５２から接続端子５３を介して発電機５１の回転子に励磁電流が送られる。また、ＡＶＲ（自動電圧調整装置）５４は励磁装置５２と電磁的に結合されており、制御装置２０によりＡＶＲ５４を調整し、励磁装置５２の界磁電流を調整して発電機５１によって発電される電力の電圧を調整するように構成されている。
また、発電機５１は、発電機側電力線５８に接続され、さらに遮断自動閉そく装置５６を介して系統側電力線５７に接続されており、発電機側電力線の電圧を検出する電圧トランスデューサ５４と、系統側電力線５７の電圧及び電流を検出するワットトランスデューサ５５とが設けられ、夫々の出力信号が、制御装置２０に送られる。
【００３５】
次に、このような予混合圧縮自着火エンジン１００において、起動運転を行う場合について、以下に説明する。
先ず、強制運転工程（ｓｔ１）において、制御装置２０は、クランク軸５をセルモータ （図示せず）等で回転させて、燃焼室２ａ，２ｂにおいて火花着火運転を行う。尚、このときは、系統側電力線５７と発電機側電力線５８は未だ接続されていない。
この火花着火運転においては、スロットル３０ａ，３０ｂをある程度絞った状態で、燃焼室２ａ，２ｂに供給される混合気の量を低下させるとともに、流量調整弁８ａ，８ｂの開度を大きく設定してアフタークーラ７ａ，７ｂにおいて給気温度を充分に低下させ、ノッキングを回避しながら、夫々の気筒１ａ，２ｂ等を暖機する。
【００３６】
また、強制運転工程（ｓｔ１）において、制御装置２０は、電圧トランスデューサ５４によって発電機側電力線５８の電圧及び周波数を検出し、所定の周波数になるように、スロットル３０ａ，３０ｂを調整してクランク軸５の回転数を調整し、さらに所定の電圧になるようにＡＶＲ５４を調整する。
さらに、発電機側電力線５８の電圧及び周波数が、ワットトランスデューサ５５によって検出される系統側電力線５８の電圧及び周波数と一致するように、ＡＶＲ５４とスロットル３０ａ，３０ｂを調整し、夫々が一致した段階で、次の工程を実行する。
【００３７】
次に、制御装置２０は、上記の基本形態１及び２と同様の方法で、火花着火運転の夫々の燃焼室２ａ，２ｂの一つずつを、圧縮自着火運転に移行させる移行工程（ｓｔ２）を行うのであるが、その前に、遮断自動閉そく装置５６を働かせて、発電機側電力線５８と系統側電力線５７を接続する。
接続後は電圧及び周波数は一定となり、クランク軸５の回転速度を一定の回転速度に維持させることができる。
その後に、上記移行工程（ｓｔ２）を実行し、制御装置２０は、先ず、燃焼室２ｂにおいては火花着火運転を維持したまま、スロットル３０ａを開き、流量調整弁８ａ，の開度を徐々に小さくして給気温度を大きくし、さらに、出力が大きくなりすぎないように、流量調整弁１３ａを絞って燃焼室２ａに供給される混合気の空気比を上昇させ、燃焼室２ａを圧縮自着火運転に移行させる。
この時点で、燃焼室２ａにおいては圧縮自着火運転を、燃焼室２ｂにおいては火花着火運転を行っているのであるが、次に、制御装置２０は、燃焼室２ａと同様に、燃焼室２ｂを火花着火運転から圧縮自着火運転に移行させ、すべての燃焼室１ａ，２ａにおいて圧縮自着火運転を行う定格運転に移行することができる。
また、この移行行程（ｓｔ２）を行う間は、電力系統からの同期化力により、クランク軸５の回転速度を一定の保つことができるので、安定して強制着火運転から圧縮自着火運転に移行することができる。
また、定格運転において、スロットル３０を調整することで有効電力を、ＡＶＲ５４を調整することで無効電力を調整することができる。
【００３８】
〔別実施の形態〕
〈１〉 上記の実施の形態において、予混合圧縮自着火エンジンの安定的な運転を確保するために、移行工程時に、クランク軸にある程度の電力負荷等の負荷を与えておくことができる。
【００３９】
〈２〉 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、天然ガス、ガソリン、プロパン、メタノール、水素、軽油等、任意の炭化水素系燃料を使用することができる。
【００４０】
〈３〉 この燃料の燃焼のための酸素含有ガスとしては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。
【００４１】
〈４〉 上記の実施の形態においては、圧縮自着火運転を行う場合、燃料と空気との混合気を給気路のミキサにおいて形成する構成を説明したが、燃焼室に燃料及び空気を別々に、例えば、給気路から空気のみを給気すると共に、圧縮行程初期の燃焼室に燃料を直接噴射して混合気を形成し、その予混合気を圧縮自着火させる圧縮自着火運転を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基本形態１における予混合圧縮自着火エンジンの構成を示す概略図
【図２】 予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法を説明するフローチャート
【図３】 移行工程時の燃焼室の圧力変化を示すグラフ図
【図４】 基本形態２における予混合圧縮自着火エンジンの構成を示す概略図
【図５】 本発明の実施形態における予混合圧縮自着火エンジンの構成を示す概略図
【符号の説明】
１ 気筒
２ 燃焼室
３ ピストン
４ 連結棒
５ クランク軸
６ タービン
７ アフタークーラ
８ 流量調整弁
９ 温度センサ
１０ 給気路
１１ ミキサ
１２ 燃料噴射ノズル
１３ 流量調整弁
１４ 圧力センサ
１５ クランク角センサ
１６ 給気弁
１７ 排気弁
１８ 排気路
２０ 制御装置
２７ 点火プラグ
５１ 発電機
５７ 系統側電力線
１００ 予混合圧縮自着火エンジン
ｇ 燃料
ａ 空気

Claims (4)

1. 気筒内に形成される燃焼室において、燃料と酸素含有ガスの混合気を圧縮して自己着火させる圧縮自着火運転を行う予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法であって、
   前記予混合圧縮自着火エンジンを複数の前記気筒を設けた多気筒エンジンとして構成し、
   前記複数の気筒内に形成される夫々の燃焼室において、圧縮された混合気に火花を発生して着火する火花着火運転、若しくは酸素含有ガスを圧縮し圧縮された酸素含有ガスに燃料を噴射して自己着火させる噴射着火運転を行って、前記予混合圧縮自着火エンジンの運転を開始する強制運転工程と、
   前記火花着火運転若しくは前記噴射着火運転を行う前記夫々の燃焼室の一部ずつを、前記圧縮自着火運転に移行させる移行工程とを順に実行し、
   前記予混合圧縮自着火エンジンが、系統側電力線に接続されて発電を行う発電機の駆動源であり、
   前記系統側電力線に接続する前に、前記強制運転工程を行い、前記系統側電力線に接続した後に、前記移行工程を行う予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。
2. 前記予混合圧縮自着火エンジンを、前記夫々の燃焼室における給気温度を各別に設定可能、前記夫々の燃焼室における当量比を各別に設定可能に構成し、
   前記夫々の燃焼室において、前記火花着火運転時若しくは前記噴射着火運転時の給気温度を、前記圧縮自着火運転時の給気温度よりも低く設定すると共に、前記火花着火運転時若しくは前記噴射着火運転時の当量比を、前記圧縮自着火運転時の当量比よりも高く設定する請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。
3. 前記火花着火運転時の前記火花の発生時期、若しくは前記噴射着火運転時の前記燃料の噴射の時期を、クランク角で１０°ＡＴＤＣ以降４０°ＡＴＤＣ以前に設定する請求項１又は２に記載の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。
4. 前記予混合圧縮自着火エンジンが、天然ガス系都市ガスを燃料とするエンジンである請求項１から３の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジンの起動運転方法。

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