JP4225672B2 - Premixed compression auto-ignition engine - Google Patents

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料供給手段から供給される燃料と酸素含有ガスとの予混合気を燃焼室において圧縮して自着火燃焼させて、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。着火形式は、ディーゼルエンジンと同様に、断熱圧縮を利用した自然着火形式であるが、圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、火花点火式のエンジンのように空気(酸素含有ガスの一例)と燃料の予混合気を燃焼室に形成し、その予混合気を断熱圧縮して自然着火燃焼させ、クランク軸の回転を続ける。
この手法をガスエンジンに適用すれば、圧縮比を増大させると共に超希薄な予混合気を圧縮自着火させ、高熱効率及び低NOxが可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、予混合気を断熱圧縮によって昇温させ自着火させるので、エンジンの起動からの経過時間、エンジンの周囲環境(温度、湿度等)、若しくはエンジン出力等のエンジン動作状態が変化した場合、吸気路や燃焼室の壁面温度が変化するので、予混合気の自着火タイミングが変化したり、自着火が発生しなくなり、エンジンの熱効率低下若しくはエンジンの運転停止の原因となる。
エンジンの動作状態としての起動からの経過時間が変化する場合、言換えればエンジンの暖機状態が変化する場合、特に、エンジンの起動時においては、吸気路及び燃焼室の壁面温度が低く、予混合気を自着火するのに必要な温度に達するまで断熱圧縮することができない。よって、予混合圧縮自着火エンジンを起動するに、エンジンを何らかの手法によって暖機し予混合気を圧縮自着火させながら起動することは困難であるので、従来の予混合圧縮自着火エンジンは、エンジンを火花点火エンジンとして起動して充分に暖機した後、若しくは何らかの暖機手段によってエンジンを充分に暖機した後に、予混合気を圧縮自着火させる運転を行う必要があり、エンジンが複雑化する上に、スムーズな起動運転を実現できなかった。
また、エンジンの動作状態としてのエンジンの出力を変更する場合、燃焼室に吸気する予混合気の当量比を変化させるのであるが、当量比を広く変化させ出力設定範囲を拡大しながら、定格負荷から部分負荷に渡って高い熱効率を維持するための有効な技術は無かった。
従って、本発明は、上記問題点を解消し、高熱効率且つ低NOxの予混合圧縮自着火エンジンにおいて、エンジンの動作状態が変化しても高い図示熱効率を維持することができる技術を得ることを目的とする。
【0004】
【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は、請求項1に記載したごとく、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ともに、
前記燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定して前記予混合気の当量比を設定する当量比設定手段と、前記自着火前の前記燃焼室の圧力を調整して、前記燃焼室における実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段を備え、
前記動作状態検出手段が、前記動作状態としての前記エンジンの設定出力を検出する手段であり、
予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比との前記設定出力に関する関係に基づいて、前記当量比及び前記実圧縮比を制御するに、前記設定出力の増加に伴って、前記当量比を増加させると共に前記実圧縮比を減少させ、前記設定出力の減少に伴って、前記当量比を減少させると共に前記実圧縮比を増加させる制御手段を備えることを特徴とする。
【0005】
〔作用効果〕
本構成のごとく、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、前記動作状態検出手段によって、燃焼室における圧縮自着火のタイミング、エンジンの起動からの経過時間、エンジンの周囲環境(温度、湿度等)、若しくはエンジンの設定出力等のエンジンの動作状態を検出可能であると共に、前記当量比設定手段によって、例えば燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定して、予混合気の当量比を設定可能、且つ、前記実圧縮比設定手段によって、例えば圧縮行程における吸気弁の閉タイミングを変化させ調整する、若しくは新気の過給圧を調整して、自着火前の燃焼室の圧力を調整し、燃焼室における実圧縮比を設定可能に構成されている。
そして、前記制御手段によって、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比との前記動作状態に関する関係、即ち予め実験等によって求めて記憶しておいた、検出される動作状態に対して常に高い図示熱効率を実現することができる当量比及び圧縮比の夫々の値の関係に基づいて、当量比及び実圧縮比を制御するので、動作状態が変化しても常に高い図示熱効率を維持することができる。詳しくは、エンジン動作状態が、燃焼室において予混合気を自着火させ難い状態である場合、言換えれば燃焼室において予混合気を断熱圧縮しても自着火が好ましい時点より遅れて発生する、若しくは自着火が発生しない状態である場合、実圧縮比を高い側に調整すると共に、実圧縮比の増加に伴って発生するノッキング等を回避するために、予混合気の当量比を低い側に調整することで、エンジンを好ましい状態で運転して、高い熱効率を維持することができる。
さらに、エンジンの設定出力、言換えれば要求されるエンジンの出力は、手動で、若しくはエンジンのクランク軸にかかる負荷を検出して設定されるのであるが、本構成のごとく、動作状態検出手段を、前記設定出力を検出する手段として構成し、制御手段によって、その検出された設定出力に基づいて、当量比と実圧縮比を制御して、エンジンの出力を変更しながら、前記エンジンの熱効率を好ましいものに維持することができる。
即ち、前記制御手段によって、前記予め記憶している当量比及び実圧縮比のその設定出力に関する関係、即ち、熱効率を高く維持するための当量比と実圧縮比の関係に基づいて、エンジンの設定出力を増加させるに、当量比を増加させながら、実圧縮比を減少させ、逆にエンジンの設定出力を減少させるに、当量比を減少させながら、実圧縮比を増加させる。
よって、出力を大幅に変更しても、ノッキング等を回避してエンジンの熱効率を常に高いものに維持することができる予混合圧縮自着火エンジンを実現することができる。
【0010】
〔構成
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項に記載したごとく、上記構成1の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記燃焼室に吸気される新気の温度を設定する新気温度設定手段を備え、
前記制御手段が、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比と前記新気の温度との前記動作状態に関する関係に基づいて、前記当量比設定手段及び前記実圧縮比設定手段及び前記新気温度設定手段を働かせて、前記当量比及び前記実圧縮比及び前記新気の温度を制御することを特徴とする。
【0011】
〔作用効果〕
本構成のごとく、制御手段を、前記当量比と前記実圧縮比とを制御すると共に、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比と前記新気の温度との前記動作状態に関する関係に基づいて、前記新気温度設定手段を働かせて燃焼室に吸気される新気の温度を制御するように構成することができる。詳しくは、エンジンの出力を変化させる場合、予混合気の当量比を高い側に設定するのであるが、その時にエンジン動作状態としてはノッキング等が発生しやすい状態となる。そこで、その当量比増加と合わせて実圧縮比及び新気の温度を制御するのであるが、具体的には、出力増加に伴って、実圧縮比を減少させると共に、前記新気の温度を減少させ、ノッキングを回避することができる。よって、出力等を大幅に変更しても常に高い熱効率を維持することができる予混合圧縮自着火エンジンを実現することができる。
【0012】
〔構成
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項に記載したごとく、上記構成1又は2の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記実圧縮比設定手段が、吸気弁を吸気行程後の下死点時期よりも早く若しくは遅く閉じ、前記下死点時期と前記吸気弁の閉時期との差を調整することによって、前記燃焼室に吸気される新気の量を設定して前記実圧縮比を設定する手段であることを特徴とする。
【0013】
〔作用効果〕
本構成のごとく、例えば、吸気行程において開状態となっている吸気弁を下死点時期よりも早く若しくは遅く閉状態とする所謂ミラーサイクル方式で運転することで、その吸気弁の閉時期における燃焼室の容積分しか新規を吸気できないので、下死点時点で閉状態したときよりも実圧縮比は小さくなる。即ち、下死点時期と吸気弁の閉時期の差を調整することにより、燃焼室に吸気される新気の量を調整することができ、これにより実圧縮比を任意に調整することができる。よって、この実圧縮比設定手段を働かせることで、実圧縮比を任意に設定することができ、このような簡単な構成で、動作状態が変化しても常に高い図示熱効率を維持することができる本発明の予混合圧縮自着火エンジンを実現することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の予混合圧縮自着火エンジン100に関する実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、予混合圧縮自着火エンジン100は、過給機17によって加圧され吸気路11に流通する空気に、燃料ノズル8によって燃料としての天然ガス系都市ガスを供給して予混合気を形成し、形成された予混合気を、吸気弁1を介してシリンダ3内に形成された燃焼室7に供給し、燃焼室7において予混合気を圧縮して自着火燃焼させて、ピストン4の往復運動を、連結棒5を介してクランク軸6の回転として出力するものである。また、燃焼後の排ガスは、燃焼室7から排気弁2を介して排気路12へ排出される。
【0015】
さらに、本発明の予混合圧縮自着火エンジン100は、燃料ノズル8から供給される燃料の供給量を調整する制御弁9と、クランク軸6の回転数を検出するクランク角センサ10とを備えており、夫々が制御装置20に接続されている。制御装置20は、クランク角センサ10の出力信号によって検出されるクランク軸6の回転数から、吸気される空気量を算出することができる。よって、制御装置20、その算出される空気量に基づいて燃料の供給量を決定し、制御弁9を働かせて決定された供給量の燃料を吸気路11の空気に供給し、形成される予混合気の当量比を設定することができる。このように、制御弁9を働かせて予混合気の当量比を設定する手段を当量比設定手段Aと呼ぶ。
【0016】
また、吸気弁1及び排気弁2は開閉タイミング設定機構19に接続され、任意のタイミングで開閉動作可能となっている。
そこで、本発明に係る予混合圧縮自着火エンジン100の吸気弁1の開閉状態は、図2に示すように、下死点よりも遅れて閉になるタイミングを有し、吸気弁1が下死点時期から閉になる時間Tを設定可能となっている。このことにより、吸気行程において燃焼室7に一旦吸気した予混合気の内、圧縮行程において時間Tの間に動いたピストン4の軌跡分の予混合気を、吸気路13側に吹き戻すことが可能である。これによって、燃焼室7に吸気する予混合気は、吸気弁1が閉状態となるタイミングの燃焼室7の容積分に相当し、この時間Tを調整することで燃焼室7に吸気される予混合気の量を調整することができ、よって、実圧縮比を調整することができる。このように、吸気弁1の下死点よりも遅い閉時期を調整することによって実圧縮比を調整する手段を実圧縮比設定手段Bと呼ぶ。
【0017】
また、エンジン100には、燃焼室7の内圧を検出するための内圧センサ21が備えられている。内圧センサ21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20に送られる。従って、制御装置20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7の内圧がどのような状態にあるかの情報を得て、実際の圧縮自着火のタイミングである燃焼室7の内圧が設定値を越えるタイミングを検出することができる。また、内圧センサ21のように、エンジンの動作状態としての自着火タイミングを検出する手段を動作状態検出手段Cと呼ぶ。
【0018】
制御装置20には、エンジン100の一動作サイクル内における実際の圧縮自着火のタイミング情報(実際は、各クランク角において燃焼室7の内圧が設定値に対して、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20は、内部に記憶手段200を備えており、実際の圧縮自着火のタイミングの好ましい圧縮自着火のタイミングに対する早遅情報(動作状態の一例)に対して、好ましい圧縮自着火タイミングに維持するための当量比及び実圧縮比の関係を記憶手段200に記憶しており、実際の圧縮自着火のタイミングを検出しながら記憶しているその関係に基づいて、前記当量比設定手段A及び前記実圧縮比設定手段Bを働かせて、予混合気の当量比及び実圧縮比を制御し、熱効率が高い状態に維持しながら、エンジン100を運転することができ、このように、予め記憶している実際の圧縮自着火のタイミングの好ましい圧縮自着火のタイミングに対する早遅情報に対する当量比及び実圧縮比の関係に基づいて、当量比及び実圧縮比を制御する手段を制御手段Dと呼ぶ。
【0019】
さて、予混合圧縮自着火エンジンは上記の構成でほぼ好ましい運転状態を確保できるが、前記動作状態検出手段Cとしての内圧センサ21の代わりに、例えば、制御装置20に設けられたタイマ201によって検出されるエンジンの起動からの経過時間(動作状態の一例)、吸気路11に設けられた温度センサ15によって検出される吸気路11内の温度、排気路12に設けられた温度センサ16によって検出される排気路12内の温度、エンジンの周囲温度若しくは湿度等(動作状態の一例)22等の変化に対して、当量比及び圧縮比を適切に制御し、好ましい運転状態を得ることが好ましい場合もある。
上記のタイマ201によって検出される運転開始からの経過時間が短く、エンジンが充分に暖機されていないとき、吸気路11の温度若しくは排気路12の温度が低いとき、又は前記エンジン周囲温度が低いとき、前記エンジン周囲湿度が高いときにおいて、燃焼室7における自着火のタイミングは好ましい自着火タイミングよりも遅い若しくは自着火が起こらない状態となる。
そこで、制御手段Dによって、そのような動作状態を検出した場合に、実圧縮比設定手段Bを働かせて実圧縮比を高い側に調整すると共に、実圧縮比の増加に伴って発生するノッキング等を回避するために、当量比設定手段Aを働かせて予混合気の当量比を低い側に調整することで、エンジンを好ましい状態で運転して、高い熱効率を維持することができる
特にエンジン起動運転においては、運転開始時に当量比を低く設定すると共に実圧縮比を高く設定してエンジンの運転を開始し、エンジンの暖機が進行するに連れて、当量比を増加させながら実圧縮比を減少させ、定格運転に移行することができ、起動運転時においても常に高い熱効率を維持することができる。
【0020】
次に、本発明の予混合圧縮自着火エンジン100において、出力を変化させる場合の制御手段Dの構成について以下に説明する。
制御装置20の記憶手段200には、前記当量比と前記実圧縮比との出力所謂図示有効圧(動作状態の一例)に関する関係が記憶されている。
この関係は、図3に示すように、予め実験等で求められた実圧縮比及び当量比に対する出力所謂図示有効圧の関係により、夫々の出力値に対して最も図示熱効率を高く維持することができる当量比及び実圧縮比の値である。
【0021】
そして、予混合圧縮自着火エンジン100は、動作状態検出手段Cとして、制御装置20に入力される出力設定指令の設定出力を検出して、予混合圧縮自着火エンジン100の出力を設定する。
即ち、記憶手段200に記憶されている上記の当量比及び実圧縮比の好ましい値に基づいて、当量比設定手段A及び実圧縮比設定手段Bを働かせて当量比及び実圧縮比を連続的若しくは段階的に調整し、例えば、当量比が0.20から0.27程度の値であるときは実圧縮比を19、当量比が0.27から0.32程度の値であるときは実圧縮比を18、当量比が0.32から0.40程度の値であるときは実圧縮比を17と調整して、図示有効圧を0.27MPaから0.68MPaまで変化させ、最小値に対して2倍以上変化幅で出力を変化させることができ、図4からもわかるように、ほとんどの当量比において図示熱効率を45%程度に維持させることができる。これは、当量比に対して圧縮比を好ましい値に設定することで、図示有効圧力の上昇の増加率を、ノッキングの発生限界以下、且つ燃焼室7において予混合気を完全に自着火に至らせることができる温度以上に設定することができ、図示熱効率を高く維持できるからである。このように制御手段Dは、記憶手段200において記憶されているそれぞれの動作状態としての設定出力に対する相関関係に基づいて当量比及び実圧縮比を調整して出力を設定するように構成されている。
なお、図3及び4に示すデータは、新気の温度、即ち温度センサ15による検出温度が150℃、過給機7による過給圧、即ち吸気路11に設けられた圧力計18の検出圧力が75kPa、クランク軸6の回転数が1200rpmの条件におけるものである。
【0022】
また、予混合圧縮自着火エンジン100は、エンジン100は、吸気路11における過給機17の下流側に、クーリングタワー(図示せず)によって空冷された冷却水と吸気路11に流通する新気との熱交換を行う熱交換器13を備え、過給機17によって加圧されて昇温した新気を冷却することができる。さらに、熱交換器13を流通する冷却水の流量を調整する制御弁14を備えており、制御装置20は、温度センサ15の検出信号に基づいて、制御弁14の開度を制御して、吸気路11内の空気の温度を設定することができ、結果、燃焼室7に供給される予混合気(新気)の温度を設定することができる。このように、燃焼室7に供給される新気の冷却量を調整して、新気の温度を設定する手段を新気温度設定手段Eと呼ぶ。
【0023】
そして、記憶手段200は、圧力計18によって検出された新気の圧力に対応した、当量比と実圧縮比と新気温度との出力に関する関係を記憶している。即ち、圧力計18によって検出された吸気の圧力に対して、熱効率を高く維持できる好ましい新気の温度を上記新気温度設定手段Eで設定して、その設定された新気温度と前記新気の圧力に対する当量比及び実圧縮比の出力所謂図示有効圧に関する予め記憶しておいた関係に基づいて、当量比及び実圧縮比を設定する。
よって、例えばクランク軸6の回転数が変化して、排気路12内を流通する排ガスの速度が変化し、過給機17のタービン(図示せず)の回転数が変化することで吸気の圧力が変化しても、その圧力と新規の温度にあった好ましい値に当量比及び実圧縮比を設定することができ、それぞれ図示熱効率を高いものに維持しながら出力等を変化させて設定することができる。
【0024】
〔別実施の形態〕
〈1〉 本発明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。
【0025】
〈2〉 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良いが、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。
【0026】
〈3〉 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。
【0027】
〈4〉 上記の実施の形態において、燃焼室7で圧縮自着火燃焼する予混合気を、吸気路11において形成する構成を示したが、別に、燃料を燃焼室7に直接噴射する燃料噴射弁を備え、空気のみを吸気し、吸気行程若しくは圧縮行程初期において燃料を噴射して燃焼室に予混合気を形成し、この予混合気を圧縮して自着火させるように構成することもできる。
【0028】
〈5〉 上記の実施の形態で、実圧縮比設定手段Bを、吸気弁1を下死点よりも遅い時期に閉状態とし、吸気弁1が下死点時期から閉になる時間Tを設定することで、実圧縮比を設定するように構成したが、別に、実圧縮比設定手段Bを、図5に示すように、吸気弁1を下死点よりも早い時期に閉状態とし、吸気弁1が閉状態となってから下死点時期になるまでの時間Tを設定することで、実圧縮比を設定するように構成することもできる。
また、実圧縮比設定手段Bを、吸気路に設けられたロータリーバルブ若しくはバタフライバルブ等の絞り弁によって構成することもできる。即ち、その絞り弁の開度を変更して、空気若しくは予混合気の新気が燃焼室に吸気されるときの圧損を変更し、自着火前の燃焼室の圧力を調整して、燃焼室における実圧縮比を設定することができる。詳しくは、絞り弁の開度を減少側に設定することで、吸気路の新気が燃焼室に吸気されるときの圧損が増加し、実圧縮比を減少側に設定することができる。
【0029】
〈6〉 上記の実施の形態で説明した予混合圧縮自着火エンジン100において、過給機17の過給状態を検出するに吸気路11の圧力を検出する圧力計18を設けたが、別に、過給機17の回転数を検出して過給状態を検出することもできる。この場合は、記憶手段200には、過給機17のそれぞれの回転数に対応した当量比及び吸気の温度の設定値を記憶させることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの実施の形態を示す概略構成図
【図2】予混合圧縮自着火エンジンの吸気弁の開閉状態とピストンの位置を示す図
【図3】予混合圧縮自着火エンジンの当量比及び実圧縮比に対する図示平均有効圧を示すグラフ図
【図4】予混合圧縮自着火エンジンの当量比及び実圧縮比に対する図示熱効率を示すグラフ図
【図5】予混合圧縮自着火エンジンの吸気弁の開閉状態とピストンの位置を示す図
【符号の説明】
1 吸気弁
2 排気弁
4 ピストン
6 クランク軸
7 燃焼室
8 燃料ノズル(燃料供給手段)
17 過給機
18 圧力計
19 開閉タイミング設定機構
21 内圧センサ
100 予混合圧縮自着火エンジン
A 当量比設定手段
B 実圧縮比設定手段
C 動作状態検出手段
D 制御手段
E 新気温度設定手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a premixed compression self-ignition engine that maintains the rotation of a crankshaft by compressing a premixed mixture of fuel and oxygen-containing gas supplied from a fuel supply means in a combustion chamber to cause self-ignition combustion.
[0002]
[Prior art]
Recently, the concept of a premixed compression auto-ignition engine that actively uses spontaneous ignition has become a hot topic. This type of premixed compression auto-ignition engine was developed for the purpose of preventing the particulates of diesel engines, and has just begun. The ignition type is a natural ignition type using adiabatic compression, similar to a diesel engine, but it does not inject fuel into compressed air, but mainly air (oxygen-containing) like a spark ignition type engine. An example of gas) and a fuel premixed gas are formed in the combustion chamber, the premixed gas is adiabatically compressed and spontaneously ignited and combusted, and the crankshaft continues to rotate.
If this method is applied to a gas engine, the compression ratio is increased and the ultra-lean premixed gas is compressed and ignited, thereby enabling high thermal efficiency and low NOx.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a premixed compression self-ignition engine, the temperature of the premixed gas is increased by adiabatic compression and self-ignition is performed, so that the engine elapsed time, ambient environment (temperature, humidity, etc.), engine output, etc. When the operating state changes, the wall temperature of the intake passage and combustion chamber changes, so the self-ignition timing of the premixed gas changes, or self-ignition does not occur, causing a decrease in engine thermal efficiency or engine shutdown It becomes.
When the elapsed time from start-up as an engine operating state changes, in other words, when the engine warm-up state changes, especially during engine start-up, the wall temperature of the intake passage and the combustion chamber is low and the Adiabatic compression is not possible until the temperature necessary to auto-ignite the mixture is reached. Therefore, since it is difficult to start the premixed compression self-ignition engine by warming up the engine by some method and causing the premixed gas to start by compression autoignition, the conventional premixed compression self-ignition engine is After the engine is started as a spark ignition engine and warmed up sufficiently, or after the engine is sufficiently warmed up by some warming-up means, it is necessary to perform an operation of compressing and pre-igniting the premixed gas, which complicates the engine. Above, smooth start-up operation could not be realized.
In addition, when changing the engine output as the engine operating state, the equivalence ratio of the pre-mixed gas that is sucked into the combustion chamber is changed. There was no effective technique to maintain high thermal efficiency over to partial load.
Therefore, the present invention eliminates the above problems and obtains a technique capable of maintaining high indicated thermal efficiency even when the engine operating state changes in a high thermal efficiency and low NOx premixed compression auto-ignition engine. Objective.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
[Configuration 1]
The premixed compression self-ignition engine according to the present invention includes an operation state detection means for detecting an operation state of the engine as described in claim 1,
Equivalence ratio setting means for setting an equivalence ratio of the premixed gas by setting a supply amount of fuel supplied from the fuel supply means; and adjusting a pressure of the combustion chamber before the self-ignition to adjust the combustion chamber and a actual compression ratio setting means for setting the actual compression ratio in,
The operating state detecting means is means for detecting a setting output of the engine as the operating state,
In order to control the equivalence ratio and the actual compression ratio based on the relationship between the equivalence ratio and the actual compression ratio stored in advance, the equivalence ratio is increased as the set output increases. Control means is provided for increasing and decreasing the actual compression ratio, and decreasing the equivalent ratio and increasing the actual compression ratio as the set output decreases .
[0005]
[Function and effect]
As in the present configuration, the premixed compression auto-ignition engine of the present invention uses the operation state detection means to detect the timing of compression auto-ignition in the combustion chamber, the elapsed time since the start of the engine, the ambient environment (temperature, humidity, etc.) of the engine. Alternatively, the engine operating state such as the engine setting output can be detected, and the equivalence ratio setting means sets the supply amount of fuel supplied from, for example, the fuel supply means to Adjustable by adjusting the closing timing of the intake valve in the compression stroke, for example, or adjusting the supercharging pressure of fresh air by the actual compression ratio setting means, and adjusting the pressure of the combustion chamber before self-ignition The actual compression ratio in the combustion chamber can be set.
Then, the control means always relates to the relation between the equivalence ratio stored in advance and the actual compression ratio regarding the operation state, that is, the detected operation state obtained and stored in advance through experiments or the like. Since the equivalent ratio and the actual compression ratio are controlled based on the relationship between the equivalent ratio and the compression ratio that can achieve high indicated thermal efficiency, the indicated indicated thermal efficiency is always maintained even when the operating state changes. Can do. Specifically, when the engine operating state is a state in which it is difficult to self-ignite the premixed gas in the combustion chamber, in other words, even if the premixed gas is adiabatically compressed in the combustion chamber, autoignition occurs later than the preferred time point. Alternatively, when autoignition does not occur, adjust the actual compression ratio to the higher side and reduce the equivalent ratio of the premixed gas to the lower side in order to avoid knocking that occurs with an increase in the actual compression ratio. By adjusting, the engine can be operated in a preferable state and high thermal efficiency can be maintained.
Furthermore, the engine setting output, in other words, the required engine output is set manually or by detecting the load applied to the crankshaft of the engine. And configured as means for detecting the set output, and the control means controls the equivalence ratio and the actual compression ratio based on the detected set output, thereby changing the engine output and increasing the thermal efficiency of the engine. It can be maintained at a preferable level.
That is, the control means sets the engine setting based on the relationship between the pre-stored equivalence ratio and the actual compression ratio regarding the set output, that is, the relation between the equivalence ratio and the actual compression ratio for maintaining high thermal efficiency. In order to increase the output, the actual compression ratio is decreased while increasing the equivalent ratio, and conversely, to decrease the set output of the engine, the actual compression ratio is increased while decreasing the equivalent ratio.
Therefore, it is possible to realize a premixed compression self-ignition engine capable of avoiding knocking or the like and maintaining the engine's thermal efficiency always high even if the output is greatly changed.
[0010]
[Configuration 2 ]
HCCI engine according to the present invention, as set forth in claim 2, in addition to the above configuration 1 of the premixed compression ignition engines, to set the temperature of the fresh air to be sucked into the combustion chamber Equipped with fresh air temperature setting means,
The control means is based on a relationship relating to the operating state among the equivalent ratio, the actual compression ratio, and the fresh air temperature stored in advance, and the equivalent ratio setting means, the actual compression ratio setting means, and the new compression ratio. The air temperature setting means is operated to control the equivalent ratio, the actual compression ratio, and the temperature of the fresh air.
[0011]
[Function and effect]
As in this configuration, the control means controls the equivalence ratio and the actual compression ratio, and at the same time, stores the equivalence ratio, the actual compression ratio, and the fresh air temperature in relation to the operation state. Based on this, the fresh air temperature setting means can be operated to control the temperature of fresh air taken into the combustion chamber. Specifically, when changing the output of the engine, the equivalence ratio of the premixed gas is set to a higher side, but at that time, the engine operation state is likely to cause knocking or the like. Therefore, the actual compression ratio and the fresh air temperature are controlled together with the increase in the equivalent ratio. Specifically, the actual compression ratio is decreased and the fresh air temperature is decreased as the output increases. And knocking can be avoided. Therefore, it is possible to realize a premixed compression auto-ignition engine that can always maintain high thermal efficiency even if the output or the like is significantly changed.
[0012]
[Configuration 3 ]
HCCI engine according to the present invention, as set forth in claim 3, in addition to the above configuration 1 or 2 of the premixed compression ignition engine, said actual compression ratio setting means, the intake intake valve The amount of fresh air taken into the combustion chamber is set by closing earlier or later than the bottom dead center timing after the stroke, and adjusting the difference between the bottom dead center timing and the closing timing of the intake valve. It is a means for setting the actual compression ratio.
[0013]
[Function and effect]
As in this configuration, for example, by operating the intake valve that is open in the intake stroke in a so-called Miller cycle method that closes earlier or later than the bottom dead center timing, combustion at the closing timing of the intake valve is performed. Since only the volume of the chamber can be inhaled, the actual compression ratio is smaller than when it is closed at the bottom dead center. That is, by adjusting the difference between the bottom dead center timing and the closing timing of the intake valve, the amount of fresh air taken into the combustion chamber can be adjusted, and thereby the actual compression ratio can be arbitrarily adjusted. . Therefore, by operating this actual compression ratio setting means, the actual compression ratio can be arbitrarily set, and with such a simple configuration, it is possible to always maintain high illustrated thermal efficiency even if the operating state changes. The premixed compression auto-ignition engine of the present invention can be realized.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the premixed compression self-ignition engine 100 of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the premixed compression auto-ignition engine 100 supplies a natural gas city gas as fuel by a fuel nozzle 8 to the air pressurized by the supercharger 17 and circulated through the intake passage 11. An air-fuel mixture is formed, and the formed pre-air mixture is supplied to the combustion chamber 7 formed in the cylinder 3 via the intake valve 1, and the pre-air mixture is compressed and self-ignited in the combustion chamber 7. The reciprocating motion of the piston 4 is output as the rotation of the crankshaft 6 through the connecting rod 5. Further, the exhaust gas after combustion is discharged from the combustion chamber 7 through the exhaust valve 2 to the exhaust passage 12.
[0015]
Further, the premixed compression self-ignition engine 100 of the present invention includes a control valve 9 that adjusts the amount of fuel supplied from the fuel nozzle 8 and a crank angle sensor 10 that detects the rotational speed of the crankshaft 6. Each of them is connected to the control device 20. The control device 20 can calculate the intake air amount from the rotational speed of the crankshaft 6 detected by the output signal of the crank angle sensor 10. Therefore, the control device 20 determines the fuel supply amount based on the calculated air amount, and operates the control valve 9 to supply the determined supply amount of fuel to the air in the intake passage 11 to be formed. The equivalence ratio of the gas mixture can be set. The means for setting the equivalence ratio of the premixed gas by operating the control valve 9 in this way is referred to as equivalence ratio setting means A.
[0016]
The intake valve 1 and the exhaust valve 2 are connected to an opening / closing timing setting mechanism 19 and can be opened / closed at an arbitrary timing.
Therefore, the open / close state of the intake valve 1 of the premixed compression self-ignition engine 100 according to the present invention has a timing of closing after the bottom dead center, as shown in FIG. It is possible to set a time T that is closed from the point time. As a result, the premixed gas once taken into the combustion chamber 7 in the intake stroke and the premixed gas for the locus of the piston 4 that moved during the time T in the compression stroke can be blown back to the intake passage 13 side. Is possible. As a result, the premixed air sucked into the combustion chamber 7 corresponds to the volume of the combustion chamber 7 at the timing when the intake valve 1 is closed, and by adjusting this time T, the premixed air is preliminarily sucked into the combustion chamber 7. The amount of air-fuel mixture can be adjusted, and therefore the actual compression ratio can be adjusted. The means for adjusting the actual compression ratio by adjusting the closing timing later than the bottom dead center of the intake valve 1 is referred to as the actual compression ratio setting means B.
[0017]
Further, the engine 100 is provided with an internal pressure sensor 21 for detecting the internal pressure of the combustion chamber 7. The output information from the internal pressure sensor 21 is compared with a preset set value, and the comparison result and the detected crank angle are sent to the control device 20 provided in the engine. Therefore, the control device 20 obtains information on the state of the internal pressure of the combustion chamber 7 with respect to the crank angle and the set value at each time point, and the combustion chamber is the timing of the actual compression auto-ignition. The timing at which the internal pressure of 7 exceeds the set value can be detected. Further, a means for detecting the self-ignition timing as the engine operating state, such as the internal pressure sensor 21, is referred to as an operating state detecting means C.
[0018]
The control device 20 has actual compression auto-ignition timing information within one operation cycle of the engine 100 (actually, crank angle information in which the internal pressure of the combustion chamber 7 exceeds the set value at each crank angle). Is entered. On the other hand, the control device 20 includes a storage unit 200 therein, and preferable compression auto-ignition with respect to early / late information (an example of an operation state) with respect to the preferred compression auto-ignition timing of the actual compression auto-ignition timing. The relationship between the equivalence ratio and the actual compression ratio for maintaining the timing is stored in the storage means 200, and the equivalent ratio setting means is based on the relationship stored while detecting the actual compression ignition timing. A and the actual compression ratio setting means B are operated to control the equivalence ratio and the actual compression ratio of the premixed gas, so that the engine 100 can be operated while maintaining a high thermal efficiency. Based on the relationship between the equivalent compression ratio and the actual compression ratio to the early / late information for the preferred compression ignition timing of the actual compression ignition timing stored, and the equivalent compression ratio and actual compression ratio It means for controlling is called control unit D.
[0019]
The premixed compression self-ignition engine can secure a substantially preferable operation state with the above-described configuration, but is detected by, for example, a timer 201 provided in the control device 20 instead of the internal pressure sensor 21 as the operation state detection means C. The time elapsed since the start of the engine (an example of the operating state), the temperature in the intake passage 11 detected by the temperature sensor 15 provided in the intake passage 11, and the temperature sensor 16 provided in the exhaust passage 12 are detected. In some cases, it is preferable to appropriately control the equivalence ratio and the compression ratio to obtain a preferable operating state with respect to changes in the temperature in the exhaust passage 12, the ambient temperature or humidity of the engine (an example of the operating state) 22, etc. is there.
The elapsed time from the start of operation detected by the timer 201 is short, the engine is not sufficiently warmed up, the temperature of the intake passage 11 or the temperature of the exhaust passage 12 is low, or the ambient temperature of the engine is low. When the engine ambient humidity is high, the self-ignition timing in the combustion chamber 7 is later than the preferred self-ignition timing or no self-ignition occurs.
Therefore, when such an operating state is detected by the control means D, the actual compression ratio setting means B is operated to adjust the actual compression ratio to the higher side, and knocking that occurs as the actual compression ratio increases, etc. In order to avoid this, the equivalence ratio setting means A is operated to adjust the equivalence ratio of the premixed gas to a low side, so that the engine can be operated in a preferable state and high thermal efficiency can be maintained. , Set the equivalence ratio low at the start of operation and set the actual compression ratio high to start the engine operation, and decrease the actual compression ratio while increasing the equivalence ratio as the engine warms up Therefore, the operation can be shifted to the rated operation, and high thermal efficiency can always be maintained even during the start-up operation.
[0020]
Next, the configuration of the control means D when changing the output in the premixed compression self-ignition engine 100 of the present invention will be described below.
The storage unit 200 of the control device 20 stores the relationship between the equivalent ratio and the actual compression ratio regarding the output so-called illustrated effective pressure (an example of an operating state).
As shown in FIG. 3, this relationship can maintain the highest indicated thermal efficiency for each output value by the relationship of the output so-called indicated effective pressure with respect to the actual compression ratio and equivalent ratio obtained in advance by experiments or the like. It is the value of the equivalent ratio and the actual compression ratio that can be made.
[0021]
The premixed compression self-ignition engine 100 detects the setting output of the output setting command input to the control device 20 as the operation state detection means C, and sets the output of the premixed compression self-ignition engine 100.
That is, based on the preferred values of the above-described equivalent ratio and actual compression ratio stored in the storage means 200, the equivalent ratio and actual compression ratio are continuously set by operating the equivalent ratio setting means A and the actual compression ratio setting means B. For example, when the equivalence ratio is about 0.20 to 0.27, the actual compression ratio is 19, and when the equivalence ratio is about 0.27 to 0.32, the actual compression ratio is adjusted. When the ratio is 18 and the equivalence ratio is about 0.32 to 0.40, the actual compression ratio is adjusted to 17, and the effective pressure shown in the figure is changed from 0.27 MPa to 0.68 MPa. As shown in FIG. 4, the output thermal efficiency can be maintained at about 45% for most of the equivalent ratios. This is because, by setting the compression ratio to a preferable value with respect to the equivalent ratio, the rate of increase in the illustrated effective pressure is less than the knock generation limit, and the premixed gas is completely self-ignited in the combustion chamber 7. This is because the temperature can be set to be higher than the temperature at which heat treatment can be performed and the illustrated thermal efficiency can be maintained high. As described above, the control unit D is configured to adjust the equivalence ratio and the actual compression ratio based on the correlation with the set output as each operation state stored in the storage unit 200 and set the output. .
The data shown in FIGS. 3 and 4 indicate that the fresh air temperature, that is, the detected temperature by the temperature sensor 15 is 150 ° C., the supercharging pressure by the supercharger 7, that is, the detected pressure of the pressure gauge 18 provided in the intake passage 11. Is 75 kPa and the rotation speed of the crankshaft 6 is 1200 rpm.
[0022]
In addition, the premixed compression self-ignition engine 100 includes the cooling air cooled by a cooling tower (not shown) on the downstream side of the supercharger 17 in the intake passage 11 and fresh air flowing through the intake passage 11. The heat exchanger 13 that performs the heat exchange is provided, and the fresh air that has been pressurized by the supercharger 17 and raised in temperature can be cooled. Furthermore, the control valve 14 which adjusts the flow volume of the cooling water which distribute | circulates the heat exchanger 13 is provided, and the control apparatus 20 controls the opening degree of the control valve 14 based on the detection signal of the temperature sensor 15, The temperature of the air in the intake passage 11 can be set, and as a result, the temperature of the premixed gas (fresh air) supplied to the combustion chamber 7 can be set. The means for setting the temperature of fresh air by adjusting the amount of fresh air supplied to the combustion chamber 7 in this way is called fresh air temperature setting means E.
[0023]
And the memory | storage means 200 memorize | stores the relationship regarding the output of the equivalence ratio, the actual compression ratio, and the fresh air temperature corresponding to the fresh air pressure detected by the pressure gauge 18. That is, a preferable fresh air temperature capable of maintaining high thermal efficiency with respect to the intake air pressure detected by the pressure gauge 18 is set by the fresh air temperature setting means E, and the set fresh air temperature and the fresh air are set. The equivalent ratio and the actual compression ratio are set based on the relationship stored in advance regarding the output of the equivalent ratio to the pressure and the actual compression ratio, that is, the so-called illustrated effective pressure.
Therefore, for example, the rotational speed of the crankshaft 6 changes, the speed of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 12 changes, and the rotational speed of the turbine (not shown) of the supercharger 17 changes to change the pressure of the intake air. Even if the pressure changes, the equivalence ratio and actual compression ratio can be set to the preferred values for the pressure and the new temperature, and each can be set by changing the output while maintaining the indicated thermal efficiency high. Can do.
[0024]
[Another embodiment]
<1> As the fuel that can be used in the premixed compression auto-ignition engine of the present invention, city gas is suitable, but any fuel such as gasoline, propane, methanol, hydrogen, and the like can be used.
[0025]
<2> In producing the premixed gas, it is sufficient to mix the fuel and a gas containing oxygen for combustion of the fuel. For example, it is common to use air as the oxygen-containing gas for combustion. It is. However, as such a gas, for example, an oxygen-enriched gas having an oxygen component content higher than that of air can be used.
[0026]
<3> Although the above embodiment has been described in relation to a so-called four-cycle engine, the present application can also be applied to a two-cycle engine.
[0027]
<4> In the above-described embodiment, the configuration in which the premixed gas that undergoes compression self-ignition combustion in the combustion chamber 7 is formed in the intake passage 11, but separately, a fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber 7 It is also possible to take in only air, inject fuel in the initial stage of the intake stroke or compression stroke to form a premixed gas in the combustion chamber, and compress the premixed gas to cause self-ignition.
[0028]
<5> In the above embodiment, the actual compression ratio setting means B is closed at a time later than the bottom dead center of the intake valve 1, and the time T when the intake valve 1 is closed from the bottom dead center is set. Thus, the actual compression ratio is set, but the actual compression ratio setting means B is closed at a time earlier than the bottom dead center as shown in FIG. The actual compression ratio can also be set by setting the time T from when the valve 1 is closed until the bottom dead center timing is reached.
The actual compression ratio setting means B can also be configured by a throttle valve such as a rotary valve or a butterfly valve provided in the intake passage. That is, by changing the opening of the throttle valve, changing the pressure loss when fresh air or premixed air is drawn into the combustion chamber, adjusting the pressure of the combustion chamber before self-ignition, The actual compression ratio can be set. Specifically, by setting the opening of the throttle valve to the decreasing side, the pressure loss when fresh air in the intake passage is sucked into the combustion chamber increases, and the actual compression ratio can be set to the decreasing side.
[0029]
<6> In the premixed compression auto-ignition engine 100 described in the above embodiment, the pressure gauge 18 for detecting the pressure of the intake passage 11 is provided to detect the supercharging state of the supercharger 17, It is also possible to detect the supercharging state by detecting the rotational speed of the supercharger 17. In this case, it is preferable to store in the storage means 200 the set values of the equivalence ratio and the intake air temperature corresponding to the respective rotational speeds of the supercharger 17.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a premixed compression auto-ignition engine according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing an open / close state of an intake valve and a piston position of the premixed compression auto-ignition engine. FIG. 4 is a graph showing the indicated mean effective pressure with respect to the equivalent ratio and the actual compression ratio of the premixed compression auto-ignition engine. FIG. 4 is a graph showing the indicated thermal efficiency with respect to the equivalent ratio and the actual compression ratio of the premixed compression auto-ignition engine. The figure which shows the opening and closing state of the intake valve and the position of the piston of the premixed compression auto-ignition engine
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Intake valve 2 Exhaust valve 4 Piston 6 Crankshaft 7 Combustion chamber 8 Fuel nozzle (fuel supply means)
17 Supercharger 18 Pressure gauge 19 Open / close timing setting mechanism 21 Internal pressure sensor 100 Premixed compression auto-ignition engine A Equivalent ratio setting means B Actual compression ratio setting means C Operating state detection means D Control means E Fresh air temperature setting means

Claims (3)

燃料供給手段から供給される燃料と酸素含有ガスとの予混合気を燃焼室において圧縮して自着火燃焼させて、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、
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ともに、
前記燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定して前記予混合気の当量比を設定する当量比設定手段と、前記自着火前の前記燃焼室の圧力を調整して、前記燃焼室における実圧縮比を設定する実圧縮比設定手段を備え、
前記動作状態検出手段が、前記動作状態としての前記エンジンの設定出力を検出する手段であり、
予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比との前記設定出力に関する関係に基づいて、前記当量比及び前記実圧縮比を制御するに、前記設定出力の増加に伴って、前記当量比を増加させると共に前記実圧縮比を減少させ、前記設定出力の減少に伴って、前記当量比を減少させると共に前記実圧縮比を増加させる制御手段を備える予混合圧縮自着火エンジン。
A premixed compression self-ignition engine that maintains the rotation of a crankshaft by compressing a premixed mixture of fuel and oxygen-containing gas supplied from a fuel supply means in a combustion chamber and performing self-ignition combustion,
With an operating state detecting means for detecting the operating state of the engine,
Equivalence ratio setting means for setting an equivalence ratio of the premixed gas by setting a supply amount of fuel supplied from the fuel supply means; and adjusting the pressure of the combustion chamber before the self-ignition, and and a actual compression ratio setting means for setting the actual compression ratio in,
The operating state detecting means is means for detecting a setting output of the engine as the operating state;
In order to control the equivalent ratio and the actual compression ratio based on the relationship between the equivalent ratio and the actual compression ratio stored in advance, the equivalent ratio is increased as the set output increases. A premixed compression auto-ignition engine comprising control means for increasing and decreasing the actual compression ratio and decreasing the equivalent ratio and increasing the actual compression ratio as the set output decreases .
前記燃焼室に吸気される新気の温度を設定する新気温度設定手段を備え、
前記制御手段が、予め記憶している前記当量比と前記実圧縮比と前記新気の温度との前記動作状態に関する関係に基づいて、前記当量比設定手段及び前記実圧縮比設定手段及び前記新気温度設定手段を働かせて、前記当量比及び前記実圧縮比及び前記新気の温度を制御する請求項1に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
A fresh air temperature setting means for setting a temperature of fresh air sucked into the combustion chamber;
The control means is based on the relation regarding the operating state among the equivalence ratio, the actual compression ratio, and the fresh air temperature stored in advance, and the equivalence ratio setting means, the actual compression ratio setting means, and the new compression ratio. and exercising air temperature setting means, wherein the equivalence ratio and the actual compression ratio and homogeneous charge compression ignition engine according to claim 1 for controlling the temperature of the fresh air.
前記実圧縮比設定手段が、吸気弁を吸気行程後の下死点時期よりも早く若しくは遅く閉じ、前記下死点時期と前記吸気弁の閉時期との差を調整することによって、前記燃焼室に吸気される新気の量を設定して前記実圧縮比を設定する手段である請求項1又は2に記載の予混合圧縮自着火エンジン。The actual compression ratio setting means closes the intake valve earlier or later than the bottom dead center timing after the intake stroke, and adjusts the difference between the bottom dead center timing and the closing timing of the intake valve. The premixed compression self-ignition engine according to claim 1 or 2, which is a means for setting the actual compression ratio by setting the amount of fresh air to be taken in.
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