JP4190298B2 - 予混合圧縮着火エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気路を流通する排ガスにより駆動されるタービンと、給気路を流通する新気を加圧するコンプレッサと、前記タービンと前記コンプレッサとを同軸回転自在に連結する回転軸とからなるターボ過給機を備え、前記ターボ過給機により加圧した新気を前記燃焼室に給気し、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を希薄状態で高圧縮して自己着火燃焼させることで高効率化及び低ＮＯｘ化を実現可能なエンジンとして、燃料の自己着火を積極的に利用する予混合圧縮着火エンジンがある。
かかる予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンの様に圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンの様に空気と燃料との混合気を燃焼室に供給し、その混合気を高圧縮し混合気の発火点まで昇温させて、自己着火燃焼させるように構成されている。また、このような予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンの様に燃料を高圧縮して燃焼室に噴射する必要がないので、天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。
【０００３】
また、予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室において混合気を圧縮することで発火点まで昇温させて自己着火させる所謂予混合圧縮着火運転を行うので、シリンダ等の温度が比較的低く、エンジンが未だ暖機されていない起動時等においては、混合気を圧縮しても十分に発火点まで昇温させることができず、失火等の発生により安定した予混合圧縮着火運転を維持することができないことがある。
【０００４】
そこで、予混合圧縮着火エンジンにおいて、起動・暖機を良好に行うために、燃焼室に点火プラグを設け、エンジンが未暖機状態の期間には、過給機の過給圧可変機構により過給圧を低下させると共に、燃焼室に火花点火可能な空燃比の混合気を供給し、燃焼室において混合気を点火プラグにより火花点火する所謂火花点火運転を行い、エンジンの暖機が完了した後に、前述の予混合圧縮着火運転に移行する場合がある（例えば、特許文献１−３参照。）。
ところで、火花点火運転と予混合圧縮着火運転との違いは、前者では、ノッキングを防止する為、給気温度を低くする必要があるのに対し、後者では、自己着火を促す為、高い着火温度を必要とすることであるが、圧縮着火によっても温度が高すぎると過早着火となり、やはりうまく運転できない場合がある。また、予混合圧縮着火運転と火花点火運転では、必要空気比も異なる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１４０６８１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２７１６７１号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２０４８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術では、予混合圧縮着火運転に移行する際の運転手法として、ヒータ等の加熱手段により新気を加熱する手法、過給圧を上げて圧縮熱を得る手法、及び、それらを組み合わせた手法が提案されている。しかし、新気を加熱する手法では、ヒータ設備がコスト高の要因となり、一方、過給圧を上げる手法では、必要最適な圧力を常に得られるとは限らない。何故なら、通常のターボ過給機では、過給圧力は排気とのバランスで決定されるのにもかかわらず、予混合圧縮着火運転に移行する過程での排気の圧力は、自己着火を安定して行える圧力とは異なるからである。
【０００７】
一方、過給圧を例えばエンジン回転数とスロットル開度等から決定された目標過給圧となるように調整可能な過給圧可変機構を設けたターボ過給機が知られている。
かかる過給圧可変機構付きのターボ過給機としては、タービンの入口に可変ノズルを設け、その可変ノズルの開度調整により、タービンに供給される排ガスの流速を変化させる構成のものや、排気路を流通する排ガスの一部をタービンに供給せずに迂回させるウェストゲートバルブを設け、ウェストゲートバルブの開度調整により、タービンに供給される排ガスの流速を変化させる構成のものがある。しかし、かかる過給圧可変機構は、過給圧を調整するために排ガスがタービンに与える動力を調整するので、排ガスのエネルギが充分得られない状態では必要な過給圧を得ることができない。
【０００８】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、排ガスのエネルギを十分に得られない状態において、ターボ過給機の過給圧を十分に上昇させて安定した予混合圧縮着火運転を行うことができる予混合圧縮着火エンジンを提供することを目的とする。
【０００９】
【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予混合圧縮着火エンジンの第一特徴構成は、排気路を流通する排ガスにより駆動されるタービンと、給気路を流通する新気を加圧するコンプレッサと、前記タービンと前記コンプレッサとを同軸回転自在に連結する回転軸とからなるターボ過給機を備え、前記ターボ過給機により加圧した新気を前記燃焼室に給気し、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンであって、
前記燃焼室を夫々形成する複数の気筒からなる多気筒エンジンとして構成され、
前記ターボ過給機の回転軸に対して動力を授受可能な発電電動機と、
前記発電電動機の動力を調整して前記コンプレッサの過給圧を調整可能な過給
圧調整手段と、
前記予混合圧縮着火運転時に、前記過給圧調整手段を働かせて、前記燃焼室において混合気が自己着火するように、前記コンプレッサの過給圧を制御する制御手段と、
前記コンプレッサをバイパスして前記燃焼室に新気を給気可能なバイパス路と、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火手段と、
エンジン起動時に、前記バイパス路を介して前記燃焼室に新気を給気し、前記燃焼室において混合気を前記点火手段により火花点火して火花点火運転を実行した後に、前記予混合圧縮着火運転に移行する起動運転手段とを備え、
前記給気路は、前記コンプレッサの下流側において、夫々の気筒に接続される給気路に分岐され、分岐された夫々の給気路には、前記コンプレッサとの間の連通状態を開閉可能な開閉弁が設けられ、
前記バイパス路は、下流側において、分岐された夫々の給気路の前記開閉弁の出口部に接続されるバイパス路に分岐され、分岐された夫々のバイパス路には、前記給気路に過給圧がかかった場合に、空気の逆流を阻止する逆止弁が設けられ、
前記起動運転手段が、前記複数の気筒の一部ずつを、前記火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に移行させ、且つ、前記複数の気筒の一部ずつを前記火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に移行させるに当たり、前記予混合圧縮着火運転に移行させる気筒に対応する前記給気路の前記開閉弁を開状態とし、前記火花点火運転を行う気筒に対応する前記給気路の前記開閉弁を閉状態に維持させる点にある。
【００１０】
即ち、上記第一特徴構成によれば、予混合圧縮着火エンジンに設けられたターボ過給機に、同期発電機又は誘導発電機等からなる上記発電電動機と、その発電電動機を電動機又は発電機として働かせるためのインバータ回路等からなる上記過給圧調整手段とを備えることで、排ガスにより駆動されるタービンの駆動力が所定の目標過給圧を発生させるための駆動力よりも小さい場合には、上記電動発電機を電動機として働かせて回転軸に動力を付加し、逆に、タービンの駆動力が上記目標過給圧を発生させるための駆動力よりも大きい場合には、上記発電電動機を発電機として働かせて回転軸からその駆動力の一部を取り出して発電することができる。
【００１１】
従って、排ガスの圧力状態とは独立にコンプレッサの過給圧を制御可能な上記制御手段により、予混合圧縮着火運転時に、上記発電電動機によりターボ過給機の回転軸に授受する動力を調整して、排ガスのエネルギの程度に関係なく、ターボ過給機の過給圧を、例えば予め設定しておいた燃焼室において混合気を安定して自己着火できる目標過給圧に制御することができ、失火又はエンジン停止を防止した安定した運転状態を維持することができると共に、排ガスのエネルギに余剰がある場合でも、そのエネルギを電力として取り出して利用することができる。
上記起動運転手段により、エンジン起動時に、コンプレッサにより過給されない冷たい新気を上記バイパス路から燃焼室に給気すると共に、燃焼室の混合気を点火手段により火花点火して燃焼させる所謂火花点火運転をノッキングを避けつつ実行して、エンジンが十分に暖機された後に、上記パイパス流路を閉鎖して、ターボ過給機に設けた電動発電機により動力が付与されて十分な過給圧と給気温度を発生させることができるターボ過給機により新気を燃焼室に過給して、燃焼室により混合気を安定して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火運転に移行することができる。尚、予混合圧縮着火運転においては、新気を過給して大量の空気を燃焼室に供給できるので、燃料に対する空気比を火花点火運転よりも高く維持することができる。
従って、上記火花点火運転から上記予混合圧縮着火運転に移行した直後でも、ターボ過給機の過給圧を十分に上昇させて、安定した予混合圧縮着火運転を維持することができる。
しかも、多気筒エンジンとして構成された予混合圧縮着火エンジンにおいて、上記起動運転手段により、エンジン起動時に、複数の気筒において火花点火運転を実行して、エンジンが十分に暖機された後に、複数の気筒の一部ずつを、順に予混合圧縮着火運転に移行させることで、その移行時において、移行前又は移行してから一定時間経過して安定した運転状態を維持している他の気筒により、予混合圧縮着火運転に移行された一部の気筒の運転状態が安定するまで、クランク軸の回転を安定したものに維持して、全ての気筒をスムーズに予混合圧縮着火運転に移行させることができる。
また、このように火花点火運転から予混合圧縮着火運転に移行することで、ターボ過給機に導入される排ガスのエネルギを、移行後の気筒が増えるに従って、徐々に増加させることができるので、ターボ過給機の発電電動機における消費電力を節約することができる。更に、移行途中においても発電電動機で発電できるので、その発電電力によってターボ過給機を駆動することができる。即ち、他の商用電源のない状態でもエンジンを予混合圧縮着火運転に移行させることができる。
【００１２】
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記予混合圧縮着火運転時の前記燃焼室における失火を検出する失火検出手段を備え、
前記制御手段が、前記予混合圧縮着火運転時に、前記失火検出手段における失火の検出を回避するように、前記コンプレッサの過給圧を制御する点にある。
【００１３】
即ち、上記第二特徴構成によれば、燃焼室の圧力、新気温度、排ガス温度等を測定し、その測定結果が燃焼室において失火が発生する程度となっているか否かにより、予混合圧縮着火運転時の燃焼室における失火を検出するように構成された失火検出手段を備えることで、上記燃焼制御手段は、予混合圧縮着火運転時において、その失火検出手段により失火が検出されず、自己着火が確実に発生するように、上記過給圧調整手段を働かせてターボ過給機の過給圧をフィードバック制御して、一層安定した運転状態を維持することができる。
【００１８】
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第三特徴構成は、上記第一又は第二特徴構成に加えて、前記コンプレッサが遠心式コンプレッサであり、前記コンプレッサの過給圧が所定値以上になったときに、前記コンプレッサから吐出された新気の一部を前記コンプレッサの入口側又は排気路側に排出する点にある。
即ち、遠心式コンプレッサの過給圧を所定値未満に抑えることにより、全気筒が予混合圧縮着火運転に移行する以前に、遠心式コンプレッサからの吐出流量が少な過ぎることによりサージングが発生するのを防止することができる。
【００１９】
【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に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示す予混合圧縮着火エンジン１００には、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に給気弁７を介して接続された給気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。
【００２１】
ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸（図示せず）の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。
【００２２】
予混合圧縮着火エンジン１００には、排気路１３を流通する排ガスＥにより駆動されるタービン４２と、給気路１２を流通する空気Ａ（新気）を加圧するコンプレッサ４１と、タービン４２とコンプレッサ４１とを同軸回転自在に連結する回転軸４３とからなるターボ過給機４０が設けられている。
【００２３】
よって、給気路１２を流通する空気Ａは、ターボ過給機４０のコンプレッサ４１によって加圧された後に、給気路１２に配置されたミキサ１４によって、天然ガス系都市ガスの燃料Ｇが供給され、ミキサ１４において形成された混合気が、燃焼室２に給気される。
【００２４】
そして、予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室２に給気された混合気を、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気が自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料を燃焼させるように構成されている。
また、ミキサ１４に供給する燃料Ｇは、制御装置２５によって制御される流量調整弁１７によって流量を制御され、夫々の燃焼室２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。
【００２５】
このような予混合圧縮着火エンジン１００は、前述のように、燃焼室２において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行って燃料Ｇを燃焼させるため、例えば圧縮比を１５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。
【００２６】
しかし、このような予混合圧縮着火エンジン１００は、起動時等の未だ十分に暖機されていない時には、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、自己着火のタイミングが変化したり、混合気を自己着火させることができず、安定して予混合圧縮着火運転を行うことができない場合がある。
【００２７】
そこで、予混合圧縮着火エンジン１００のターボ過給機４０には、回転軸４３に対して動力を授受可能な発電電動機４５と、発電電動機４５が回転軸４３に授受する動力を調整してコンプレッサ４１の過給圧を調整可能なインバータ回路として構成された回路部２６（過給圧調整手段の一例）とが設けられている。また、上記発電電動機４５は、回転軸４３に取付けられた回転子４６と、その回転子４６の周囲を回転自在に取付けられたステータ４７とからなる公知の同期電動機又は誘導電動機等で構成されている。
【００２８】
そして、制御装置２５は、予混合圧縮着火運転時に、上記回路部２６を働かせて、燃焼室２において混合気が自己着火が維持されるように、コンプレッサ４１の空気Ａに対する過給圧を制御する制御手段２５ａとして機能するように構成されている。
【００２９】
詳しくは、給気路１２のコンプレッサ４１の下流側には、過給圧を検出可能な圧力センサ２２が設けられ、制御手段２５ａは、圧力センサ２２で検出される過給圧が、そのときの運転状態に対して燃焼室２で混合気を自己着火させることができる目標過給圧となるように、発電電動機４５の動力を増減させるように構成されている。
【００３０】
よって、ターボ過給機４０において、排ガスＥにより駆動されるタービン４２の駆動力が上記目標過給圧を発生させるための駆動力よりも小さい場合には、上記電動発電機４５は電動機として働いて、バッテリや商用電源等である電源２７から供給される電力を消費して回転軸４３に動力を付加し、逆に、タービン４２の駆動力が上記目標過給圧を発生させるための駆動力よりも大きい場合には、上記発電電動機４５は発電機として働いて、回転軸４３からその駆動力の一部を取り出して発電して電源２７側に電力を供給することができる。
【００３１】
従って、上記制御手段２５ａにより、予混合圧縮着火運転時に、上記発電電動機４５によりターボ過給機４０の回転軸４３に授受する動力を調整して、排ガスＥのエネルギの程度に関係なく、ターボ過給機４５の過給圧を目標過給圧に制御することができ、失火又はエンジン停止を防止した安定した運転状態を維持することができると共に、排ガスＥのエネルギに余剰がある場合でも、そのエネルギを電力として取り出して利用することができる。
【００３２】
更に、予混合圧縮着火エンジン１００には、予混合圧縮着火運転時の燃焼室２における失火を検出する失火検出手段として、排気路１３に排ガスＥの温度を検出可能な温度センサ２３が設けられている。即ち、温度センサ２３により検出される排ガスＥの温度が、所定の温度以下となった場合に、燃焼室２において失火が発生したことを認識することができる。
そして、上記制御手段２５ａは、実際の過給圧が、上記温度センサ２３で検出される排ガスＥの温度から認識した上記燃焼室２で混合気が良好に自己着火するような上記目標過給圧となるように、電動発電機４５の動力を調整することができる。
尚、上記失火検出手段は、別に、燃焼室２の圧力や温度が、燃焼室２において失火が発生したときの圧力又は温度であるかを検出するように構成したり、燃焼室２に給気される新気の圧力又は温度が燃焼室２において失火が発生し得る圧力又は温度であるかを検出するように構成することもできる。
【００３３】
さらに、予混合圧縮着火エンジン１００には、給気路１２においてコンプレッサ４１をバイパスするバイパス路１９と、バイパス路１９を開閉自在なバイパス弁２０とが設けられている。
また、燃焼室２には、燃焼室２に給気された混合気を火花点火可能な点火プラグ２８（点火手段の一例）が設けられている。
【００３４】
そして、制御装置２５は、予混合圧縮着火エンジン１００の起動時に、バイパス弁２０を開状態として、バイパス路１９を介して、燃焼室２に無加圧の冷たい空気Ａを給気し、燃焼室２においてノッキングを回避しながら混合気を点火プラグ２８により火花点火する火花点火運転を実行し、予混合圧縮着火エンジン１００の暖機が完了してから、バイパス弁２０を閉状態として、ターボ過給機４０により加圧した空気Ａを給気し、燃焼室２において混合気を安定して自己着火させる予混合圧縮着火運転に移行する起動運転手段２５ｂとして機能する。
【００３５】
尚、上記予混合圧縮着火エンジン１００の暖機の完了は、温度センサ２３により検出される排ガスＥの温度や、燃焼室２に給気される新気の温度や、シリンダ５又は冷却水温度等が、所定の温度以上になったか否かにより検出することができる。
本基本形態においては、エンジン１００が予混合圧縮着火運転に移行する過程で、エンジン１００のクランク軸に連結された発電電動機等の手段を用いて、一定回転数を維持するように構成しても構わない。
【００３６】
〔実施形態〕
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの実施形態を、図２に基づいて説明する。
【００３７】
図２に示す予混合圧縮着火エンジン２００は、前述の基本形態と同様の構成については説明を割愛するが、夫々が起動時における火花点火運転及び予混合圧縮着火運転を実行可能な複数の気筒ａ，ｂを備えた多気筒エンジンとして構成されており、図面において、上記基本形態と同様の部位については、同じ符号を付し、また、上記気筒ａ，ｂ毎に設けられているものについては、その符号の後にａ又はｂを付している。
【００３８】
また、予混合圧縮着火エンジン２００の給気路１２は、ターボ過給機４５のコンプレッサ４１の下流側において、夫々の気筒ａ，ｂに接続される２つの給気路１２ａ，１２ｂに分岐されている。夫々の給気路１２ａ，１２ｂには、コンプレッサ４１との間の連通状態を開閉可能な開閉弁１５ａ，１５ｂが設けられている。
【００３９】
また、予混合圧縮着火エンジン２００のバイパス路１９は、下流側において、夫々の給気路１２ａ，１２ｂの開閉弁１５ａ，１５ｂの出口部に接続される２つのバイパス路１９ａ，１９ｂに分岐されている。夫々のバイパス路１９ａ，１９ｂには、給気路１２ａ，１２ｂの開閉弁１５ａ，１５ｂが開状態となり、給気路１２ａ，１２ｂに過給圧がかかった場合に、空気Ａの逆流を阻止することができる逆止弁２１ａ，２１ｂが設けられている。
【００４０】
そして、本実施形態における予混合圧縮着火エンジン２００は、基本形態とは異なる起動運転方法を実行するように構成されており、その構成について説明する。
【００４１】
即ち、起動運転手段２５ｂは、夫々の気筒ａ，ｂに対して、起動時に、開閉弁１５ａ，１５ｂを閉状態として、バイパス路１９ａ，１９ｂを介して、燃焼室２ａ，２ｂに無加圧の冷たい空気Ａを給気し、燃焼室２ａ，２ｂにおいて混合気を点火プラグ２８ａ，２８ｂにより火花点火する火花点火運転を実行し、夫々の気筒ａ，ｂの暖機が完了した後に、開閉弁１５ａ，１５ｂを開状態として、ターボ過給機４０により加圧し温度が高くなった空気Ａを給気し、燃焼室２ａ，２ｂにおいて混合気を安定して自己着火させる予混合圧縮着火運転に移行するように構成されている点においては、前述の基本形態と同様である。
【００４２】
更に、起動運転手段２５ｂは、上記全ての気筒ａ，ｂで火花点火運転を行っている状態から、全ての気筒ａ，ｂで予混合圧縮着火運転を行う状態に移行するときに、複数の気筒ａ，ｂの一部ずつを、火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に順に移行させるように構成されている。
即ち、起動運転手段２５ａは、暖機が完了したときに、先ず、一方側の開閉弁１５ｂを閉状態に維持して気筒ｂの火花点火運転を継続したまま、他方側の開閉弁１５ａを開状態として、ターボ過給機４０で加圧された空気Ａの燃焼室２ａへの給気を開始して、気筒ａの予混合圧縮着火運転を開始させる。
【００４３】
このときに、予混合圧縮着火運転に移行直後の気筒ａにおいて混合気の自己着火が不安定であっても、気筒ｂの安定した火花点火運転によりクランク軸の回転は安定なものに維持されて、エンジン停止等が回避され、上記気筒ａにおいて予混合圧縮着火運転を安定させることができる。
【００４４】
そして、気筒ａにおける予混合圧縮着火運転が安定なものとなったときに、気筒ａの安定的な予混合圧縮着火運転によりクランク軸の回転が安定なものに維持しながら、上記開閉弁１５ｂを開状態として、ターボ過給機４０で加圧された空気Ａの燃焼室２ｂへの給気を開始して、他の気筒ｂの予混合圧縮着火運転を開始させ、全ての気筒ａ，ｂを安定した予混合圧縮着火運転にスムーズに移行させることができる。
【００４５】
また、このような多気筒の予混合圧縮着火エンジン２００において、予混合圧縮着火運転への移行途中に、排気路１３に排出される排ガスＥのエネルギがターボ過給機４０における目標過給圧に対して不足している場合でも、発電電動機４５が回転軸４３に授受する動力を調整して、ターボ過給機４５の過給圧を目標過給圧とすることができる。
尚、自然吸引状態で火花点火運転を行っている気筒がある場合、その火花点火運転を行っている気筒の排ガスの排出を容易にするため、ターボ過給機４０のタービン４２にバイパスを設けて、タービンの前流圧力を低く維持することは、一向に構わない。
【００４６】
また、本実施形態では、コンプレッサ４１が遠心式コンプレッサである場合に、コンプレッサ４１の過給圧が所定値以上になったときに、コンプレッサ４１から吐出された空気Ａの一部をコンプレッサ４１の入口側又は排気路１３側に排出することで、遠心式コンプレッサの過給圧を所定値未満に抑えてサージングの発生を防止することもできる。
【００４７】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈１〉 上記実施形態の予混合圧縮着火エンジンの安定的な運転を確保するために、火花点火運転から予混合圧縮着火運転の移行時に、クランク軸にある程度の負荷をかけておくことができる。
【００４８】
〈２〉 本願発明の予混合圧縮着火エンジンにおいては、天然ガス、ガソリン、メタノール、水素、軽油等の任意の炭化水素系燃料を使用することができる。
【００４９】
〈３〉 予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃料の燃焼のための酸素含有ガスとしては、空気を用いるのが一般的であるが、空気の代わりに、酸素成分含有割合が空気に対して高い酸素富化ガス等を用いることもできる。
【００５０】
〈４〉 上記実施形態において、燃料と空気との混合気を給気路に設けたミキサにおいて形成する構成を説明したが、別に、燃焼室に燃料及び空気を別々に供給して、燃焼室で混合気を形成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基本形態の予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【図２】 実施形態の予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【符号の説明】
２：燃焼室
３：ピストン
４：連結棒
５：シリンダ
７：吸気弁
８：排気弁
１２：給気路
１３：排気路
１４：ミキサ
１５ａ，１５ｂ：開閉弁
１６：燃料供給路
１７：燃料制御弁
１９：バイパス路
２０：バイパス弁
２１ａ，２１ｂ：逆止弁
２２：圧力センサ
２３：温度センサ（失火検出手段）
２５：制御装置
２５ａ：制御手段
２５ｂ：起動運転手段
２６：回路部（過給圧調整手段）
２７：電源
２８：点火プラグ
３０：発電電動機
３１：ロータ
３２：ステータ
４０：ターボ過給機
４１：コンプレッサ
４２：タービン
４３：回転軸
４５：発電電動機
４６：回転子
４７：ステータ
２００：予混合圧縮着火エンジン
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気路を流通する排ガスにより駆動されるタービンと、給気路を流通する新気を加圧するコンプレッサと、前記タービンと前記コンプレッサとを同軸回転自在に連結する回転軸とからなるターボ過給機を備え、前記ターボ過給機により加圧した新気を前記燃焼室に給気し、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を希薄状態で高圧縮して自己着火燃焼させることで高効率化及び低ＮＯｘ化を実現可能なエンジンとして、燃料の自己着火を積極的に利用する予混合圧縮着火エンジンがある。
かかる予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンの様に圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンの様に空気と燃料との混合気を燃焼室に供給し、その混合気を高圧縮し混合気の発火点まで昇温させて、自己着火燃焼させるように構成されている。また、このような予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンの様に燃料を高圧縮して燃焼室に噴射する必要がないので、天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。
【０００３】
また、予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室において混合気を圧縮することで発火点まで昇温させて自己着火させる所謂予混合圧縮着火運転を行うので、シリンダ等の温度が比較的低く、エンジンが未だ暖機されていない起動時等においては、混合気を圧縮しても十分に発火点まで昇温させることができず、失火等の発生により安定した予混合圧縮着火運転を維持することができないことがある。
【０００４】
そこで、予混合圧縮着火エンジンにおいて、起動・暖機を良好に行うために、燃焼室に点火プラグを設け、エンジンが未暖機状態の期間には、過給機の過給圧可変機構により過給圧を低下させると共に、燃焼室に火花点火可能な空燃比の混合気を供給し、燃焼室において混合気を点火プラグにより火花点火する所謂火花点火運転を行い、エンジンの暖機が完了した後に、前述の予混合圧縮着火運転に移行する場合がある（例えば、特許文献１−３参照。）。
ところで、火花点火運転と予混合圧縮着火運転との違いは、前者では、ノッキングを防止する為、給気温度を低くする必要があるのに対し、後者では、自己着火を促す為、高い着火温度を必要とすることであるが、圧縮着火によっても温度が高すぎると過早着火となり、やはりうまく運転できない場合がある。また、予混合圧縮着火運転と火花点火運転では、必要空気比も異なる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１４０６８１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２７１６７１号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２０４８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術では、予混合圧縮着火運転に移行する際の運転手法として、ヒータ等の加熱手段により新気を加熱する手法、過給圧を上げて圧縮熱を得る手法、及び、それらを組み合わせた手法が提案されている。しかし、新気を加熱する手法では、ヒータ設備がコスト高の要因となり、一方、過給圧を上げる手法では、必要最適な圧力を常に得られるとは限らない。何故なら、通常のターボ過給機では、過給圧力は排気とのバランスで決定されるのにもかかわらず、予混合圧縮着火運転に移行する過程での排気の圧力は、自己着火を安定して行える圧力とは異なるからである。
【０００７】
一方、過給圧を例えばエンジン回転数とスロットル開度等から決定された目標過給圧となるように調整可能な過給圧可変機構を設けたターボ過給機が知られている。
かかる過給圧可変機構付きのターボ過給機としては、タービンの入口に可変ノズルを設け、その可変ノズルの開度調整により、タービンに供給される排ガスの流速を変化させる構成のものや、排気路を流通する排ガスの一部をタービンに供給せずに迂回させるウェストゲートバルブを設け、ウェストゲートバルブの開度調整により、タービンに供給される排ガスの流速を変化させる構成のものがある。しかし、かかる過給圧可変機構は、過給圧を調整するために排ガスがタービンに与える動力を調整するので、排ガスのエネルギが充分得られない状態では必要な過給圧を得ることができない。
【０００８】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、排ガスのエネルギを十分に得られない状態において、ターボ過給機の過給圧を十分に上昇させて安定した予混合圧縮着火運転を行うことができる予混合圧縮着火エンジンを提供することを目的とする。
【０００９】
【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予混合圧縮着火エンジンの第一特徴構成は、排気路を流通する排ガスにより駆動されるタービンと、給気路を流通する新気を加圧するコンプレッサと、前記タービンと前記コンプレッサとを同軸回転自在に連結する回転軸とからなるターボ過給機を備え、前記ターボ過給機により加圧した新気を前記燃焼室に給気し、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンであって、
前記燃焼室を夫々形成する複数の気筒からなる多気筒エンジンとして構成され、
前記ターボ過給機の回転軸に対して動力を授受可能な発電電動機と、
前記発電電動機の動力を調整して前記コンプレッサの過給圧を調整可能な過給
圧調整手段と、
前記予混合圧縮着火運転時に、前記過給圧調整手段を働かせて、前記燃焼室において混合気が自己着火するように、前記コンプレッサの過給圧を制御する制御手段と、
前記コンプレッサをバイパスして前記燃焼室に新気を給気可能なバイパス路と、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火手段と、
エンジン起動時に、前記バイパス路を介して前記燃焼室に新気を給気し、前記燃焼室において混合気を前記点火手段により火花点火して火花点火運転を実行した後に、前記予混合圧縮着火運転に移行する起動運転手段とを備え、
前記給気路は、前記コンプレッサの下流側において、夫々の気筒に接続される給気路に分岐され、分岐された夫々の給気路には、前記コンプレッサとの間の連通状態を開閉可能な開閉弁が設けられ、
前記バイパス路は、下流側において、分岐された夫々の給気路の前記開閉弁の出口部に接続されるバイパス路に分岐され、分岐された夫々のバイパス路には、前記給気路に過給圧がかかった場合に、空気の逆流を阻止する逆止弁が設けられ、
前記起動運転手段が、前記複数の気筒の一部ずつを、前記火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に移行させ、且つ、前記複数の気筒の一部ずつを前記火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に移行させるに当たり、前記予混合圧縮着火運転に移行させる気筒に対応する前記給気路の前記開閉弁を開状態とし、前記火花点火運転を行う気筒に対応する前記給気路の前記開閉弁を閉状態に維持させる点にある。
【００１０】
即ち、上記第一特徴構成によれば、予混合圧縮着火エンジンに設けられたターボ過給機に、同期発電機又は誘導発電機等からなる上記発電電動機と、その発電電動機を電動機又は発電機として働かせるためのインバータ回路等からなる上記過給圧調整手段とを備えることで、排ガスにより駆動されるタービンの駆動力が所定の目標過給圧を発生させるための駆動力よりも小さい場合には、上記電動発電機を電動機として働かせて回転軸に動力を付加し、逆に、タービンの駆動力が上記目標過給圧を発生させるための駆動力よりも大きい場合には、上記発電電動機を発電機として働かせて回転軸からその駆動力の一部を取り出して発電することができる。
【００１１】
従って、排ガスの圧力状態とは独立にコンプレッサの過給圧を制御可能な上記制御手段により、予混合圧縮着火運転時に、上記発電電動機によりターボ過給機の回転軸に授受する動力を調整して、排ガスのエネルギの程度に関係なく、ターボ過給機の過給圧を、例えば予め設定しておいた燃焼室において混合気を安定して自己着火できる目標過給圧に制御することができ、失火又はエンジン停止を防止した安定した運転状態を維持することができると共に、排ガスのエネルギに余剰がある場合でも、そのエネルギを電力として取り出して利用することができる。
上記起動運転手段により、エンジン起動時に、コンプレッサにより過給されない冷たい新気を上記バイパス路から燃焼室に給気すると共に、燃焼室の混合気を点火手段により火花点火して燃焼させる所謂火花点火運転をノッキングを避けつつ実行して、エンジンが十分に暖機された後に、上記パイパス流路を閉鎖して、ターボ過給機に設けた電動発電機により動力が付与されて十分な過給圧と給気温度を発生させることができるターボ過給機により新気を燃焼室に過給して、燃焼室により混合気を安定して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火運転に移行することができる。尚、予混合圧縮着火運転においては、新気を過給して大量の空気を燃焼室に供給できるので、燃料に対する空気比を火花点火運転よりも高く維持することができる。
従って、上記火花点火運転から上記予混合圧縮着火運転に移行した直後でも、ターボ過給機の過給圧を十分に上昇させて、安定した予混合圧縮着火運転を維持することができる。
しかも、多気筒エンジンとして構成された予混合圧縮着火エンジンにおいて、上記起動運転手段により、エンジン起動時に、複数の気筒において火花点火運転を実行して、エンジンが十分に暖機された後に、複数の気筒の一部ずつを、順に予混合圧縮着火運転に移行させることで、その移行時において、移行前又は移行してから一定時間経過して安定した運転状態を維持している他の気筒により、予混合圧縮着火運転に移行された一部の気筒の運転状態が安定するまで、クランク軸の回転を安定したものに維持して、全ての気筒をスムーズに予混合圧縮着火運転に移行させることができる。
また、このように火花点火運転から予混合圧縮着火運転に移行することで、ターボ過給機に導入される排ガスのエネルギを、移行後の気筒が増えるに従って、徐々に増加させることができるので、ターボ過給機の発電電動機における消費電力を節約することができる。更に、移行途中においても発電電動機で発電できるので、その発電電力によってターボ過給機を駆動することができる。即ち、他の商用電源のない状態でもエンジンを予混合圧縮着火運転に移行させることができる。
【００１２】
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記予混合圧縮着火運転時の前記燃焼室における失火を検出する失火検出手段を備え、
前記制御手段が、前記予混合圧縮着火運転時に、前記失火検出手段における失火の検出を回避するように、前記コンプレッサの過給圧を制御する点にある。
【００１３】
即ち、上記第二特徴構成によれば、燃焼室の圧力、新気温度、排ガス温度等を測定し、その測定結果が燃焼室において失火が発生する程度となっているか否かにより、予混合圧縮着火運転時の燃焼室における失火を検出するように構成された失火検出手段を備えることで、上記燃焼制御手段は、予混合圧縮着火運転時において、その失火検出手段により失火が検出されず、自己着火が確実に発生するように、上記過給圧調整手段を働かせてターボ過給機の過給圧をフィードバック制御して、一層安定した運転状態を維持することができる。
【００１８】
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの第三特徴構成は、上記第一又は第二特徴構成に加えて、前記コンプレッサが遠心式コンプレッサであり、前記コンプレッサの過給圧が所定値以上になったときに、前記コンプレッサから吐出された新気の一部を前記コンプレッサの入口側又は排気路側に排出する点にある。
即ち、遠心式コンプレッサの過給圧を所定値未満に抑えることにより、全気筒が予混合圧縮着火運転に移行する以前に、遠心式コンプレッサからの吐出流量が少な過ぎることによりサージングが発生するのを防止することができる。
【００１９】
【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に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示す予混合圧縮着火エンジン１００には、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に給気弁７を介して接続された給気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。
【００２１】
ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸（図示せず）の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。
【００２２】
予混合圧縮着火エンジン１００には、排気路１３を流通する排ガスＥにより駆動されるタービン４２と、給気路１２を流通する空気Ａ（新気）を加圧するコンプレッサ４１と、タービン４２とコンプレッサ４１とを同軸回転自在に連結する回転軸４３とからなるターボ過給機４０が設けられている。
【００２３】
よって、給気路１２を流通する空気Ａは、ターボ過給機４０のコンプレッサ４１によって加圧された後に、給気路１２に配置されたミキサ１４によって、天然ガス系都市ガスの燃料Ｇが供給され、ミキサ１４において形成された混合気が、燃焼室２に給気される。
【００２４】
そして、予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室２に給気された混合気を、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気が自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料を燃焼させるように構成されている。
また、ミキサ１４に供給する燃料Ｇは、制御装置２５によって制御される流量調整弁１７によって流量を制御され、夫々の燃焼室２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。
【００２５】
このような予混合圧縮着火エンジン１００は、前述のように、燃焼室２において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行って燃料Ｇを燃焼させるため、例えば圧縮比を１５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。
【００２６】
しかし、このような予混合圧縮着火エンジン１００は、起動時等の未だ十分に暖機されていない時には、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、自己着火のタイミングが変化したり、混合気を自己着火させることができず、安定して予混合圧縮着火運転を行うことができない場合がある。
【００２７】
そこで、予混合圧縮着火エンジン１００のターボ過給機４０には、回転軸４３に対して動力を授受可能な発電電動機４５と、発電電動機４５が回転軸４３に授受する動力を調整してコンプレッサ４１の過給圧を調整可能なインバータ回路として構成された回路部２６（過給圧調整手段の一例）とが設けられている。また、上記発電電動機４５は、回転軸４３に取付けられた回転子４６と、その回転子４６の周囲を回転自在に取付けられたステータ４７とからなる公知の同期電動機又は誘導電動機等で構成されている。
【００２８】
そして、制御装置２５は、予混合圧縮着火運転時に、上記回路部２６を働かせて、燃焼室２において混合気が自己着火が維持されるように、コンプレッサ４１の空気Ａに対する過給圧を制御する制御手段２５ａとして機能するように構成されている。
【００２９】
詳しくは、給気路１２のコンプレッサ４１の下流側には、過給圧を検出可能な圧力センサ２２が設けられ、制御手段２５ａは、圧力センサ２２で検出される過給圧が、そのときの運転状態に対して燃焼室２で混合気を自己着火させることができる目標過給圧となるように、発電電動機４５の動力を増減させるように構成されている。
【００３０】
よって、ターボ過給機４０において、排ガスＥにより駆動されるタービン４２の駆動力が上記目標過給圧を発生させるための駆動力よりも小さい場合には、上記電動発電機４５は電動機として働いて、バッテリや商用電源等である電源２７から供給される電力を消費して回転軸４３に動力を付加し、逆に、タービン４２の駆動力が上記目標過給圧を発生させるための駆動力よりも大きい場合には、上記発電電動機４５は発電機として働いて、回転軸４３からその駆動力の一部を取り出して発電して電源２７側に電力を供給することができる。
【００３１】
従って、上記制御手段２５ａにより、予混合圧縮着火運転時に、上記発電電動機４５によりターボ過給機４０の回転軸４３に授受する動力を調整して、排ガスＥのエネルギの程度に関係なく、ターボ過給機４５の過給圧を目標過給圧に制御することができ、失火又はエンジン停止を防止した安定した運転状態を維持することができると共に、排ガスＥのエネルギに余剰がある場合でも、そのエネルギを電力として取り出して利用することができる。
【００３２】
更に、予混合圧縮着火エンジン１００には、予混合圧縮着火運転時の燃焼室２における失火を検出する失火検出手段として、排気路１３に排ガスＥの温度を検出可能な温度センサ２３が設けられている。即ち、温度センサ２３により検出される排ガスＥの温度が、所定の温度以下となった場合に、燃焼室２において失火が発生したことを認識することができる。
そして、上記制御手段２５ａは、実際の過給圧が、上記温度センサ２３で検出される排ガスＥの温度から認識した上記燃焼室２で混合気が良好に自己着火するような上記目標過給圧となるように、電動発電機４５の動力を調整することができる。
尚、上記失火検出手段は、別に、燃焼室２の圧力や温度が、燃焼室２において失火が発生したときの圧力又は温度であるかを検出するように構成したり、燃焼室２に給気される新気の圧力又は温度が燃焼室２において失火が発生し得る圧力又は温度であるかを検出するように構成することもできる。
【００３３】
さらに、予混合圧縮着火エンジン１００には、給気路１２においてコンプレッサ４１をバイパスするバイパス路１９と、バイパス路１９を開閉自在なバイパス弁２０とが設けられている。
また、燃焼室２には、燃焼室２に給気された混合気を火花点火可能な点火プラグ２８（点火手段の一例）が設けられている。
【００３４】
そして、制御装置２５は、予混合圧縮着火エンジン１００の起動時に、バイパス弁２０を開状態として、バイパス路１９を介して、燃焼室２に無加圧の冷たい空気Ａを給気し、燃焼室２においてノッキングを回避しながら混合気を点火プラグ２８により火花点火する火花点火運転を実行し、予混合圧縮着火エンジン１００の暖機が完了してから、バイパス弁２０を閉状態として、ターボ過給機４０により加圧した空気Ａを給気し、燃焼室２において混合気を安定して自己着火させる予混合圧縮着火運転に移行する起動運転手段２５ｂとして機能する。
【００３５】
尚、上記予混合圧縮着火エンジン１００の暖機の完了は、温度センサ２３により検出される排ガスＥの温度や、燃焼室２に給気される新気の温度や、シリンダ５又は冷却水温度等が、所定の温度以上になったか否かにより検出することができる。
本基本形態においては、エンジン１００が予混合圧縮着火運転に移行する過程で、エンジン１００のクランク軸に連結された発電電動機等の手段を用いて、一定回転数を維持するように構成しても構わない。
【００３６】
〔実施形態〕
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの実施形態を、図２に基づいて説明する。
【００３７】
図２に示す予混合圧縮着火エンジン２００は、前述の基本形態と同様の構成については説明を割愛するが、夫々が起動時における火花点火運転及び予混合圧縮着火運転を実行可能な複数の気筒ａ，ｂを備えた多気筒エンジンとして構成されており、図面において、上記基本形態と同様の部位については、同じ符号を付し、また、上記気筒ａ，ｂ毎に設けられているものについては、その符号の後にａ又はｂを付している。
【００３８】
また、予混合圧縮着火エンジン２００の給気路１２は、ターボ過給機４５のコンプレッサ４１の下流側において、夫々の気筒ａ，ｂに接続される２つの給気路１２ａ，１２ｂに分岐されている。夫々の給気路１２ａ，１２ｂには、コンプレッサ４１との間の連通状態を開閉可能な開閉弁１５ａ，１５ｂが設けられている。
【００３９】
また、予混合圧縮着火エンジン２００のバイパス路１９は、下流側において、夫々の給気路１２ａ，１２ｂの開閉弁１５ａ，１５ｂの出口部に接続される２つのバイパス路１９ａ，１９ｂに分岐されている。夫々のバイパス路１９ａ，１９ｂには、給気路１２ａ，１２ｂの開閉弁１５ａ，１５ｂが開状態となり、給気路１２ａ，１２ｂに過給圧がかかった場合に、空気Ａの逆流を阻止することができる逆止弁２１ａ，２１ｂが設けられている。
【００４０】
そして、本実施形態における予混合圧縮着火エンジン２００は、基本形態とは異なる起動運転方法を実行するように構成されており、その構成について説明する。
【００４１】
即ち、起動運転手段２５ｂは、夫々の気筒ａ，ｂに対して、起動時に、開閉弁１５ａ，１５ｂを閉状態として、バイパス路１９ａ，１９ｂを介して、燃焼室２ａ，２ｂに無加圧の冷たい空気Ａを給気し、燃焼室２ａ，２ｂにおいて混合気を点火プラグ２８ａ，２８ｂにより火花点火する火花点火運転を実行し、夫々の気筒ａ，ｂの暖機が完了した後に、開閉弁１５ａ，１５ｂを開状態として、ターボ過給機４０により加圧し温度が高くなった空気Ａを給気し、燃焼室２ａ，２ｂにおいて混合気を安定して自己着火させる予混合圧縮着火運転に移行するように構成されている点においては、前述の基本形態と同様である。
【００４２】
更に、起動運転手段２５ｂは、上記全ての気筒ａ，ｂで火花点火運転を行っている状態から、全ての気筒ａ，ｂで予混合圧縮着火運転を行う状態に移行するときに、複数の気筒ａ，ｂの一部ずつを、火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に順に移行させるように構成されている。
即ち、起動運転手段２５ａは、暖機が完了したときに、先ず、一方側の開閉弁１５ｂを閉状態に維持して気筒ｂの火花点火運転を継続したまま、他方側の開閉弁１５ａを開状態として、ターボ過給機４０で加圧された空気Ａの燃焼室２ａへの給気を開始して、気筒ａの予混合圧縮着火運転を開始させる。
【００４３】
このときに、予混合圧縮着火運転に移行直後の気筒ａにおいて混合気の自己着火が不安定であっても、気筒ｂの安定した火花点火運転によりクランク軸の回転は安定なものに維持されて、エンジン停止等が回避され、上記気筒ａにおいて予混合圧縮着火運転を安定させることができる。
【００４４】
そして、気筒ａにおける予混合圧縮着火運転が安定なものとなったときに、気筒ａの安定的な予混合圧縮着火運転によりクランク軸の回転が安定なものに維持しながら、上記開閉弁１５ｂを開状態として、ターボ過給機４０で加圧された空気Ａの燃焼室２ｂへの給気を開始して、他の気筒ｂの予混合圧縮着火運転を開始させ、全ての気筒ａ，ｂを安定した予混合圧縮着火運転にスムーズに移行させることができる。
【００４５】
また、このような多気筒の予混合圧縮着火エンジン２００において、予混合圧縮着火運転への移行途中に、排気路１３に排出される排ガスＥのエネルギがターボ過給機４０における目標過給圧に対して不足している場合でも、発電電動機４５が回転軸４３に授受する動力を調整して、ターボ過給機４５の過給圧を目標過給圧とすることができる。
尚、自然吸引状態で火花点火運転を行っている気筒がある場合、その火花点火運転を行っている気筒の排ガスの排出を容易にするため、ターボ過給機４０のタービン４２にバイパスを設けて、タービンの前流圧力を低く維持することは、一向に構わない。
【００４６】
また、本実施形態では、コンプレッサ４１が遠心式コンプレッサである場合に、コンプレッサ４１の過給圧が所定値以上になったときに、コンプレッサ４１から吐出された空気Ａの一部をコンプレッサ４１の入口側又は排気路１３側に排出することで、遠心式コンプレッサの過給圧を所定値未満に抑えてサージングの発生を防止することもできる。
【００４７】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈１〉 上記実施形態の予混合圧縮着火エンジンの安定的な運転を確保するために、火花点火運転から予混合圧縮着火運転の移行時に、クランク軸にある程度の負荷をかけておくことができる。
【００４８】
〈２〉 本願発明の予混合圧縮着火エンジンにおいては、天然ガス、ガソリン、メタノール、水素、軽油等の任意の炭化水素系燃料を使用することができる。
【００４９】
〈３〉 予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃料の燃焼のための酸素含有ガスとしては、空気を用いるのが一般的であるが、空気の代わりに、酸素成分含有割合が空気に対して高い酸素富化ガス等を用いることもできる。
【００５０】
〈４〉 上記実施形態において、燃料と空気との混合気を給気路に設けたミキサにおいて形成する構成を説明したが、別に、燃焼室に燃料及び空気を別々に供給して、燃焼室で混合気を形成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基本形態の予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【図２】 実施形態の予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【符号の説明】
２：燃焼室
３：ピストン
４：連結棒
５：シリンダ
７：吸気弁
８：排気弁
１２：給気路
１３：排気路
１４：ミキサ
１５ａ，１５ｂ：開閉弁
１６：燃料供給路
１７：燃料制御弁
１９：バイパス路
２０：バイパス弁
２１ａ，２１ｂ：逆止弁
２２：圧力センサ
２３：温度センサ（失火検出手段）
２５：制御装置
２５ａ：制御手段
２５ｂ：起動運転手段
２６：回路部（過給圧調整手段）
２７：電源
２８：点火プラグ
３０：発電電動機
３１：ロータ
３２：ステータ
４０：ターボ過給機
４１：コンプレッサ
４２：タービン
４３：回転軸
４５：発電電動機
４６：回転子
４７：ステータ
２００：予混合圧縮着火エンジン
Claims (3)
- 排気路を流通する排ガスにより駆動されるタービンと、給気路を流通する新気を加圧するコンプレッサと、前記タービンと前記コンプレッサとを同軸回転自在に連結する回転軸とからなるターボ過給機を備え、前記ターボ過給機により加圧した新気を前記燃焼室に給気し、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンであって、
前記燃焼室を夫々形成する複数の気筒からなる多気筒エンジンとして構成され、
前記ターボ過給機の回転軸に対して動力を授受可能な発電電動機と、
前記発電電動機の動力を調整して前記コンプレッサの過給圧を調整可能な過給圧調整手段と、
前記予混合圧縮着火運転時に、前記過給圧調整手段を働かせて、前記燃焼室において混合気が自己着火するように、前記コンプレッサの過給圧を制御する制御手段と、
前記コンプレッサをバイパスして前記燃焼室に新気を給気可能なバイパス路と、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火手段と、
エンジン起動時に、前記バイパス路を介して前記燃焼室に新気を給気し、前記燃焼室において混合気を前記点火手段により火花点火して火花点火運転を実行した後に、前記予混合圧縮着火運転に移行する起動運転手段とを備え、
前記給気路は、前記コンプレッサの下流側において、夫々の気筒に接続される給気路に分岐され、分岐された夫々の給気路には、前記コンプレッサとの間の連通状態を開閉可能な開閉弁が設けられ、
前記バイパス路は、下流側において、分岐された夫々の給気路の前記開閉弁の出口部に接続されるバイパス路に分岐され、分岐された夫々のバイパス路には、前記給気路に過給圧がかかった場合に、空気の逆流を阻止する逆止弁が設けられ、
前記起動運転手段が、前記複数の気筒の一部ずつを、前記火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に移行させ、且つ、前記複数の気筒の一部ずつを前記火花点火運転から前記予混合圧縮着火運転に移行させるに当たり、前記予混合圧縮着火運転に移行させる気筒に対応する前記給気路の前記開閉弁を開状態とし、前記火花点火運転を行う気筒に対応する前記給気路の前記開閉弁を閉状態に維持させる予混合圧縮着火エンジン。 - 前記予混合圧縮着火運転時の前記燃焼室における失火を検出する失火検出手段を備え、
前記制御手段が、前記予混合圧縮着火運転時に、前記失火検出手段における失火の検出を回避するように、前記コンプレッサの過給圧を制御する請求項１に記載の予混合圧縮着火エンジン。 - 前記コンプレッサが遠心式コンプレッサであり、前記コンプレッサの過給圧が所定値以上になったときに、前記コンプレッサから吐出された新気の一部を前記コンプレッサの入口側又は排気路側に排出する請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火エンジン。
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