JP4225809B2 - Engine and operation method thereof - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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実行可能なエンジン及びその運転方法に関する。
【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よう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よう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よう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、シリンダ温度等の機関温度が比較的低く、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１つの点火プラグを設け、機関温度が低くい低機関温度域においては、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当量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、機関温度が高い高機関温度域においては、過給圧を上昇させたり新気の加熱を開始したりして、燃焼室に形成される混合気の温度を上昇させて、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。）。
また、このように点火プラグを設けて火花点火運転可能とされた特許文献１−３に記載の予混合圧縮着火エンジンは、高機関負荷域において、比較的多くの燃料を燃焼させることができる火花点火運転を選択して実行して、低機関負荷域においては、燃料を希薄状態で燃焼させることができる予混合圧縮着火運転を選択して実行することで、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながら、広い機関負荷域において安定して運転可能となる。
【０００５】
一方、燃焼室において混合気を火花点火して運転する火花点火エンジンとして、複数の点火プラグを備え、その点火プラグの全てを働かせる全点火運転を実行可能で、この全点火運転において、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることができるエンジンが知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【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
【特許文献４】
特開平５−１４１３３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の特許文献１−３に記載の予混合圧縮着火エンジンでは、火花点火運転を行う際には、燃焼室において火花点火される混合気の当量比を、火花点火可能範囲内とする必要があるが、予混合圧縮着火運転を行う際には、過早着火によるノッキングの回避のために、自己着火する混合気の当量比を、上記火花点火範囲内よりも小さい希薄範囲内とする必要があった。よって、上記火花点火運転から上記予混合圧縮着火運転に切り換える際に、燃焼室において混合気の自己着火が開始されると同時に、上記当量比を大幅に低下させる必要があるが、初期の自己着火は安定したものでないので、当量比の大幅な低下により混合気が自己着火しなくなり、運転を維持することができなくなることがある。
尚、燃焼室における当量比とは、燃焼室に形成される混合気の燃空比を、理論燃空比で割ったもので、それが1より小さい場合は空気過剰、1より大きい場合は燃料過剰である。
【０００８】
また、前述の特許文献４に記載の火花点火エンジンでは、その点火プラグの全てを働かせる全点火運転を実行することにより、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることができるものの、上記予混合圧縮着火運転に相当する程度まで燃料を希薄化することは、ノッキングの制約により不可能であり、更に、この火花点火エンジンでは、混合気を圧縮して自己着火させるような運転に切り換えるように構成することは想定されていなかった。
【０００９】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、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実行可能なエンジンにおいて、火花点火運転を行った後に予混合圧縮着火運転に切り換える際に、安定した運転状態を維持することができる運転技術を実現することを目的とする。
【００１０】
【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エンジンの第一特徴構成は、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実行可能なエンジンであって、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、
前記燃焼室に形成される混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段を備え、
運転状態に応じて、前記当量比調整手段により混合気の当量比を設定し、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備え、
前記制御手段が、前記部分点火運転から前記予混合圧縮着火運転に運転を切り換える際に、前記全点火運転を介して切り換えるように構成されている点にある。
【００１１】
また、この目的を達成するための本発明に係るエンジンの運転方法の第一特徴構成は、上記第一特徴構成を有するエンジンにより実行可能で、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実行可能に構成され、且つ、前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置したエンジンにおいて、
機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記燃焼室に形成される混合気の当量比を設定し、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転から前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転に、更に、前記全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に、可逆的に切り換える点にある。
【００１２】
即ち、上記エンジン及びその運転方法の第一特徴構成によれば、運転状態に応じて、当量比調整手段により混合気の当量比を設定し、上記部分点火運転、上記全点火運転及び上記予混合圧縮着火運転を択一的且つ記載の順に切り換える上記制御手段を設けることで、安定した運転状態を維持して起動可能、且つ、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながら広い機関負荷域において安定運転可能となる。
【００１３】
即ち、起動時又は比較的高い機関負荷域において上記部分点火運転を実行しているときに、運転条件としての機関負荷が第一の所定値よりも低下した場合、又は、運転条件としての機関温度が第一の所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの全てを働かせて、燃料を比較的希薄状態で燃焼させることで比較的高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる全点火運転に切り換えることができる。また、起動時からある程度の時間が経過した時又は中機関負荷域において上記全点火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第一の所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が上記第一の所定値よりも低下した場合においては、部分点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら高い出力を発生させ、一方、上記全点火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第一の所定値よりも低い第二の所定値よりも低下した場合、又は、機関温度が上記第一の所定値よりも高い第二の所定値よりも上昇した場合においては、点火プラグの全てを休止して、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現することができる予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。また、起動時から充分な時間が経過した時又は低機関負荷域において上記予混合圧縮着火運転を実行しているときに、機関負荷が上記第二の所定値よりも上昇した場合、又は、機関温度が上記第二の所定値よりも低下した場合においては、全点火運転に切り換えることで、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら比較的高い出力を発生させることができる。
【００１４】
更に、全点火運転においては、複数の点火プラグの全てを働かせているので、混合気の当量比を比較的低くして、燃料を希薄状態としても、良好な着火性能を確保することができるので、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換える際には、混合気の当量比を比較的小さい幅で低下させるだけで、予混合圧縮着火運転への切り換え直後におけるノッキング発生を抑制することができ、安定して運転の切り換えを行うことができる。
【００１５】
本発明に係る予混合圧縮着火の第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記当量比調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、前記全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の当量比を、前記部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定する点にある。
【００１７】
即ち、上記エンジンの第二特徴構成によれば、予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、予混合圧縮着火運転において燃料を希薄状態で燃焼させて、高効率化及び低ＮＯｘ化が実現される。更に、全点火運転における混合気の当量比を、部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、特に、全点火運転と予混合圧縮着火運転との切り換え時の当量比の変化幅をできるだけ小さくして、切り換え時における燃焼安定性を確保することができる。また、上記のように部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転の夫々における混合気の当量比を、記載の順に小さくなるように設定することで、広い機関負荷域における運転が可能となる。
【００１９】
本発明に係る予混合圧縮着火の第三特徴構成は、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実行可能なエンジンであって、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、
運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備え、
前記燃焼室に形成される混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段を備え、
前記制御手段が、前記当量比調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、前記全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の当量比を、前記部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定する点にある。
【００２０】
即ち、上記エンジンの第三特徴構成によれば、運転状態に応じて上記部分点火運転、上記全点火運転及び上記予混合圧縮着火運転を択一的且つ記載の順に切り換える上記制御手段を設けることで、安定した運転状態を維持して起動可能、且つ、高効率化及び低ＮＯｘ化を実現しながら広い機関負荷域において安定運転可能となる。
さらに、予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、予混合圧縮着火運転において燃料を希薄状態で燃焼させて、高効率化及び低ＮＯｘ化が実現される。更に、全点火運転における混合気の当量比を、部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定することで、特に、全点火運転と予混合圧縮着火運転との切り換え時の当量比の変化幅をできるだけ小さくして、切り換え時における燃焼安定性を確保することができる。また、上記のように部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転の夫々における混合気の当量比を、記載の順に小さくなるように設定することで、広い機関負荷域における運転が可能となる。
【００２１】
本発明に係る予混合圧縮着火の第四特徴構成は、上記第一乃至第三特徴構成に加えて、前記点火プラグによる点火タイミングを調整可能な点火タイミング調整手段を備え、
前記制御手段が、前記全点火運転における点火タイミングを、前記部分点火運転における点火タイミングよりも遅角したタイミングに設定する点にある。
【００２２】
即ち、上記エンジンの第四特徴構成によれば、上記全点火運転において、上記部分点火運転における点火タイミングよりも遅角した点火タイミングで、混合気を火花点火することで、全点火運転における混合気の温度や圧力等を、予混合圧縮着火運転時に近い比較的高い値に設定しても、ノッキングを回避した運転を維持することができ、更に、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換えるときには、混合気の自己着火が上記全点火運転における点火タイミングよりも早く発生するようにして、点火プラグの火花点火を継続しながらスムーズに予混合圧縮着火運転に切り換えることができる。よって、全点火運転と予混合圧縮着火運転とを切り換える際に、混合気の温度や圧力を大幅に変更する必要が無くなり、安定した運転状態を維持したスムーズな切り換えを行うことができる。
【００２３】
本発明に係る予混合圧縮着火の第五特徴構成は、上記第一乃至第四特徴構成に加えて、前記燃焼室に形成される混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段を備え、
前記制御手段が、前記混合気温度調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、前記全点火運転における混合気の温度よりも高く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の温度を、前記部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定する点にある。
【００２４】
即ち、上記エンジンの第五特徴構成によれば、予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、全点火運転における混合気の温度よりも高く設定することで、予混合圧縮着火運転において燃料を良好に自己着火させて安定した運転状態を維持することができる。更に、全点火運転における混合気の温度を、部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定することで、全点火運転における混合気の温度や圧力等を予混合圧縮着火運転時に近い比較的高い値に設定して全点火運転と予混合圧縮着火運転との切り換えをスムーズなものとし、更に、部分点火運転においては、混合気の温度を比較的低いものとして、混合気の充填効率を向上し、高機関負荷域で運転することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るエンジンの実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１に示すエンジン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に吸気弁７を介して接続された吸気路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。
【００２７】
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。
【００２８】
吸気路１２を流通する空気ａ（新気）は、適宜過給機等により過給された後に、後述のアフタークーラ１５を通過し、ミキサ１８において天然ガス系都市ガスの燃料ｇが供給されて混合気となり、燃焼室２に吸気される。
【００２９】
そして、エンジン１００は、燃焼室２に吸気された混合気を、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。
【００３０】
エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０が設けられ、ＥＣＵ３０は、エンジンの起動運転制御や負荷制御等の各種制御を行うように構成されている。
【００３１】
吸気路１２に設けられたアフタークーラ１５は、シリンダ５等を冷却して高温となった冷却水、又は、燃焼室２から排出された高温の排ガスｅ等の温媒体ｈとの熱交換により、吸気路１２を流通する空気ａを加熱可能に構成されている。
更に、温媒体量調整弁１６は、アフタークーラ１５への温媒体ｈの供給量を調整して、吸気路１２を流通する空気ａの温度を調整するように構成され、ＥＣＵ３０により、吸気路１２の吸気弁７近傍に設けられた温度センサ２４の検出結果に基づいて、温媒体量調整弁１６によりアフタークーラ１５への温媒体の供給量を調整することで、吸気路１２を流通する混合気の温度（即ち、吸気温度）を所定の目標温度に調整可能に構成されている。
尚、上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等のように、吸気温度を所定の目標温度に調整可能な手段は、燃焼室２における混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段Ａといえる。
【００３２】
また、ミキサ１８に供給される燃料ｇは、燃料量調整弁１９により流量調整可能に構成されて、ＥＣＵ３０により、例えば、排気路１３に設けられ、排ガスｅの酸素濃度を検出可能な酸素センサ２５の検出結果に基づいて、燃料ｇの供給量を調整することで、燃焼室２における混合気の当量比を所定の目標当量比に調整可能に構成されている。
尚、上記燃料量調整手段１９及びＥＣＵ３０等のように、燃焼室２に形成される混合気の当量比を調整可能な手段を当量比調整手段Ｂと呼ぶ。
【００３３】
また、エンジン１００の燃焼室２には、燃焼室２に吸気された混合気を火花点火可能な２つの点火プラグ２６がシリンダ５軸心を中心に対象配置されており、夫々の点火プラグ２６は、点火タイミング可変機構２７により、点火タイミングの調整をもなって、１サイクルにおける所定の点火タイミングに電圧が印加されて燃焼室２に火花発生するように構成されている。
そして、ＥＣＵ３０により、点火タイミング可変機構２７を働かせることにより、夫々の点火プラグ２６の点火タイミングを各別に調整可能に構成されている。
尚、上記点火タイミング可変機構２７及びＥＣＵ３０のように、点火プラグ２６による点火タイミングを調整可能な手段を点火タイミング調整手段Ｃと呼ぶ。
【００３４】
また、エンジン１００の吸気弁７及び排気弁８は、ＥＣＵ３０により制御されるバルブタイミング可変機構２８により、その開閉タイミングが調整可能に構成されている。
更に、ＥＣＵ３０により、圧縮行程における上記吸気弁７の閉タイミングを、下死点又はその下死点よりも遅角したタイミングに設定すると共に、その遅角量を調整することにより、圧縮比（吸気弁７の閉タイミングにおける燃焼室容量／最小燃焼室容量）を例えば１０〜２０程度の範囲内で調整可能に構成されている。
尚、上記バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等のように、圧縮比を調整可能な手段は、燃焼室２における混合気の圧力を調整可能な混合気圧力調整手段Ｄといえる。
【００３５】
このようなエンジン１００のＥＣＵ３０は、図２に示すように、シリンダ５温度や冷却水温度等から認識可能な機関温度や、燃焼室２への燃料供給量を調整するためのスロットル開度やクランク軸回転トルク又は回転数等から認識可能な機関負荷等の運転状態に応じて、２つの火花点火プラグ２６の全てを働かせて燃焼室２において混合気を火花点火する全点火運転と、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とを切り換える制御手段として機能する。
更に、このＥＣＵ３０が機能する制御手段は、上記運転状態に応じて、上記全点火運転と上記予混合圧縮着火運転に加えて、２つの火花点火プラグ２６の内の１つ（一部）を働かせて燃焼室２において混合気を火花点火する部分点火運転に切り換え自在に構成されており、その詳細について以下に説明する。
【００３６】
ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動してから充分に暖機された時期のように、機関温度が充分に高い高機関温度域、又は、機関負荷が充分に低い低機関負荷域では、燃焼室２において当量比が非常に低い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実行する。よって、予混合圧縮着火運転を実行することで、燃料ｇを希薄状態で燃焼させるため、高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００３７】
更に、ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動時の暖機されていない時期のように、上記機関温度が非常に低い低機関温度域、又は、上記機関負荷が充分に高い高機関負荷域では、燃焼室２において混合気を複数の点火プラグ２６の内の１つ（一部）を働かせて火花点火する部分点火運転を実行する。よって、部分点火運転を実行することで、燃焼室で、当量比が火花点火可能範囲内である混合気を燃焼させることができるので、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら、高機関負荷に合わせて非常に高い出力を発生させることができる。
【００３８】
また更に、ＥＣＵ３０は、図２に示すように、起動時からある程度暖機が進行した時期のように、上記低機関温度域と上記高機関温度域との中間である中機関温度域、又は、上記低機関負荷域と上記高機関負荷域との中間である中機関負荷域では、燃焼室２において混合気を、全ての点火プラグ２６を働かせて火花点火する全点火運転を実行する。よって、全点火運転を実行することで、予混合圧縮着火運転よりも、当量比が理論当量比に近い混合気を安定して燃焼させることができるので、ノッキングを回避した安定運転を維持しながら、中機関負荷に合わせて比較的高い出力を発生させることができ、一方、部分点火運転よりも、燃料ｇを希薄状態で燃焼させることができるので、比較的高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００３９】
次に、上記部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転の夫々における圧縮比、新規温度、当量比、点火タイミング等の各種状態について、図３に基づいて説明する。
【００４０】
部分点火運転を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の内の１つを作動させながら、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を比較的低い圧縮比範囲であるＰ１以上且つＰ２未満の範囲（例えば、１０程度以上且つ１２程度未満の範囲）内に設定し、例えば温媒体量調整弁１６を閉状態としてアフタークーラ１５に熱媒体ｈを供給せずに、吸気路１２に流通する混合気温度（吸気温度）を、比較的低い温度であるＴ１（℃）（例えば、外気温度程度）に設定し、上記燃料量調整手段１９により、燃焼室２に吸気される混合気の当量比を理論当量比付近の比較的高い当量比範囲であるＥ３以上且つＥ４以下の範囲（例えば、０．６７程度以上且つ０．８３程度以下の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、作動中の点火プラグ２６の点火タイミングを比較的早いタイミングであるＳｔ２（°ＢＴＤＣ）（例えば、４０°ＢＴＤＣ）に設定する。
【００４１】
また、全点火運転を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の全てを作動させながら、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を、上記部分点火運転時よりは高い圧縮比範囲であるＰ２以上且つＰ３未満の範囲（例えば、１２程度以上且つ２０程度未満の範囲）内に設定し、例えば温媒体量調整弁１６の開度調整により、吸気温度を、上記部分点火運転時よりも高い吸気温度範囲であるＴ１（℃）以上且つＴ２（℃）未満の範囲（例えば、外気温度程度以上且つ１５０℃程度未満の範囲）内に設定し、上記燃料量調整手段１９により、混合気の当量比を上記部分点火運転時よりも低い当量比範囲であるＥ２以上且つＥ３未満の範囲（例えば、０．５６程度以上且つ０．６７程度未満の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、全ての点火プラグ２６の点火タイミングを、上記部分点火運転時よりも遅いタイミングであるＳｔ１（°ＢＴＤＣ）（例えば、２０°ＢＴＤＣ）に設定する。
【００４２】
更にまた、予混合圧縮着火を実行する場合において、ＥＣＵ３０は、バルブタイミング可変機構２８により、圧縮比を、上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりは高い圧縮比であるＰ３（例えば、２０程度）に設定し、例えば温媒体量調整弁１６を全開に近い状態として、吸気温度を、上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりも高い吸気温度であるＴ２（℃）（例えば、１５０℃程度）に設定し、上記燃料量調整手段１９により、混合気の当量比を上記部分点火運転時及び上記全点火運転時よりも低い当量比範囲であるＥ１以上且つＥ２未満の範囲（例えば、０．４０程度以上且つ０．５６程度未満の範囲）内に設定し、点火タイミング可変機構２７により、例えば、燃焼室２において自己着火が発生していると判断したときに、部分点火運転において作動されていた１つの点火プラグ２６の点火タイミングを例えば更に遅角化させた後に全ての点火プラグ２６を休止させる。
【００４３】
尚、全点火運転から予混合圧縮着火運転に切り換える際に、ＥＣＵ３０は、２つの点火プラグ２６の内の１つを一旦休止させて、その休止させた点火プラグ２６の電極間におけるイオン電流の発生状態に基づいて、燃焼室２における燃焼状態を検出することにより、燃焼室２において混合気が安定して自己着火している状態であるかを判断することができる。
【００４４】
上記のように部分点火運転、全点火運転、及び、予混合圧縮着火運転を切り換えることで、例えば、部分点火運転においては、高機関負荷に対して定格出力を発生し、全点火運転においては、希薄燃焼により低ＮＯｘ化を図りながら上記定格出力に対して３０〜６０％程度の出力を発生し、予混合圧縮着火運転においては、更なる希薄燃焼により一層の低ＮＯｘ化を図りながら上記定格出力に対して３０％以下程度の出力を発生するように、エンジンの運転を行うことができる。
【００４５】
〔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。
【００４６】
〈１〉 上記実施の形態においては、混合気温度調整手段Ａを、アフタークーラ１５の上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等で構成したが、別に、混合気温度調整手段Ａを、混合気を加熱量調整を伴って加熱する電気ヒータで構成することもでき、更に、バルブタイミング可変機構２８で構成することもできる。
即ち、バルブタイミング可変機構２８は、排気弁８の開閉タイミングを調整可能に構成され、その排気弁８の閉タイミングの上死点に対する進角量の調整により、燃焼室２に残留する高温の排ガス量を調整し、前記混合気温度を調整することができる。
【００４７】
〈２〉 上記実施の形態においては、混合気圧力調整手段Ｄを、上記バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等で構成したが、別に、混合気圧力調整手段Ｄを、吸気路２４に設けられた過給機又はスロットルバルブ等により構成することができる。即ち、吸気路２４に設けられた過給機の過給圧を調整する、又は、吸気路１２に設けたスロットルバルブ開度調整により吸気負圧を調整することで、燃焼室２における混合気の圧力を調整することができる。
【００４８】
〈３〉 上記実施の形態においては、アフタークーラ１５の上記温媒体量調整弁１６及びＥＣＵ３０等で構成される混合気温度調整手段Ａと、バルブタイミング可変機構２８及びＥＣＵ３０等で構成される混合気圧力調整手段Ｄとの両方を設けたが、混合気圧力調整手段Ａのみにより、燃焼室２における混合気を自己着火させるまで混合気の圧力を上昇させることができれば、上記混合気温度調整手段Ａを省略しても構わず、逆に、混合気温度調整手段Ａにより、燃焼室２における混合気を自己着火させるまで混合気の温度を上昇させることができれば、上記混合気圧力調整手段Ｄを省略しても構わない。
【００４９】
〈４〉上記実施の形態では、本発明に係るエンジンを単気筒型に構成した例を説明したが、別に、多気筒型のエンジンに対しても本発明を実施することができる。また、多気筒型のエンジンにおいては、複数の気筒の一部ずつを順に、運転を切り換えることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジンの実施の形態を示す概略構成図
【図２】図１に示すエンジンが運転状態に応じて各運転に切り換えることを説明する図
【図３】図１に示すエンジンの各運転における各種条件の変更状態を示す図
【符号の説明】
２：燃焼室
７：吸気弁
８：排気弁
１２：吸気路
１３：排気路
１５：アフタークーラ
１６：温媒体量調整弁
１８：ミキサ
１９：燃料量調整弁
２６：点火プラグ
２７：点火タイミング可変機構
２８：バルブタイミング可変機構
３０：エンジン・コントロール・ユニット（制御手段）
１００：エンジン
ａ：空気（新気）
ｇ：燃料
ｅ：排ガス
ｈ：温媒体
Ａ：混合気温度調整手段
Ｂ：当量比調整手段
Ｃ：点火タイミング調整手段
Ｄ：混合気圧力調整手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an engine capable of executing a premixed compression ignition operation in which an air-fuel mixture is compressed and self-ignited in a combustion chamber, and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
There is a premixed compression ignition engine that actively uses self-ignition of fuel as an engine that can achieve high efficiency and low NOx by high-compression and self-ignition combustion of fuel in a lean state.
Such a premixed compression ignition engine does not inject fuel into compressed air as in a diesel engine, but supplies a mixture of air and fuel to a combustion chamber as in a spark ignition engine to increase the mixture. It is configured to compress and elevate the temperature to the ignition point of the air-fuel mixture, and perform self-ignition combustion. Also, such a premixed compression ignition engine does not need to be highly compressed and injected into the combustion chamber like a diesel engine, so it can be easily applied to a gas engine using a gaseous fuel such as natural gas. Can do.
[0003]
Further, in the premixed compression ignition engine, so-called premixed compression ignition operation is performed in which the air-fuel mixture is compressed in the combustion chamber to raise the temperature to the ignition point and self-ignite, so the engine temperature such as the cylinder temperature is relatively low, When the engine is not yet warmed up, it is not possible to sufficiently raise the temperature to the ignition point even if the air-fuel mixture is compressed, and a stable premixed compression ignition operation is maintained due to the occurrence of misfire etc. May not be possible.
[0004]
Therefore, in a premixed compression ignition engine, in order to perform start-up and warm-up well, a single spark plug is provided in the combustion chamber, and the supercharging pressure of the supercharger can be varied in a low engine temperature range where the engine temperature is low. The mechanism lowers the supercharging pressure by the mechanism, supplies an air-fuel mixture with an equivalent ratio capable of spark ignition to the combustion chamber, performs a so-called spark ignition operation in which the air-fuel mixture is sparked by a spark plug in the combustion chamber, and the engine temperature is high. In the engine temperature range, increase the supercharging pressure or start heating fresh air to increase the temperature of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber and shift to the above-mentioned premixed compression ignition operation (For example, refer to Patent Documents 1-3.)
Further, the premixed compression ignition engine described in Patent Documents 1-3 provided with the ignition plug and capable of performing the spark ignition operation as described above is a spark capable of burning a relatively large amount of fuel in a high engine load region. High efficiency and low NOx are achieved by selecting and executing ignition operation and selecting and executing premixed compression ignition operation that can burn fuel in a lean state in low engine load range However, stable operation is possible in a wide engine load range.
[0005]
On the other hand, as a spark ignition engine that operates by spark-igniting an air-fuel mixture in the combustion chamber, it is possible to perform all-ignition operation with multiple spark plugs and use all of the spark plugs. An engine that can be burned in an extremely lean state is known (see, for example, Patent Document 4).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-140681
[Patent Document 2]
JP 2001-271671 A
[Patent Document 3]
JP 2000-220484 A
[Patent Document 4]
JP-A-5-141336
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the premixed compression ignition engine described in Patent Documents 1-3 described above, when performing the spark ignition operation, the equivalence ratio of the air-fuel mixture that is spark-ignited in the combustion chamber needs to be within the spark-ignitable range. However, when performing premixed compression ignition operation, the equivalence ratio of the self-ignited mixture needs to be within a lean range smaller than the above spark ignition range in order to avoid knocking due to premature ignition. was there. Therefore, when switching from the spark ignition operation to the premixed compression ignition operation, it is necessary to significantly reduce the equivalence ratio at the same time as the self-ignition of the air-fuel mixture is started in the combustion chamber. Is not stable, the air-fuel mixture may not self-ignite due to a significant decrease in the equivalence ratio, and operation may not be maintained.
The equivalence ratio in the combustion chamber is the fuel / air ratio of the air / fuel mixture formed in the combustion chamber divided by the stoichiometric fuel / air ratio. Excessive.
[0008]
Further, in the spark ignition engine described in Patent Document 4 described above, the fuel can be burned in a relatively lean state by executing a full ignition operation in which all of the spark plugs are operated, but the premixed compression ignition is performed. It is impossible to dilute the fuel to the extent corresponding to operation due to knocking restrictions, and this spark ignition engine is configured to switch to operation that compresses the mixture and self-ignites. Was not expected.
[0009]
Therefore, in view of the above circumstances, the present invention is a premixed compression ignition operation after performing a spark ignition operation in an engine capable of performing a premixed compression ignition operation in which a mixture is compressed and self-ignited in a combustion chamber. An object is to realize an operation technique capable of maintaining a stable operation state when switching.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve this object, the first characteristic configuration of the engine according to the present invention is an engine capable of performing a premixed compression ignition operation in which a mixture is compressed and self-ignited in a combustion chamber,
  A plurality of spark plugs capable of spark ignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber;
  Equivalent ratio adjusting means capable of adjusting the equivalent ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber,
  Depending on the driving condition,A partial ignition operation in which an equivalence ratio of an air-fuel mixture is set by the equivalence ratio adjusting means, and a part of the plurality of spark ignition plugs is operated to spark-ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber;Control means for switching between the all-ignition operation in which all of the plurality of spark ignition plugs are operated to spark-ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber and the premixed compression ignition operation,
  The control means is configured to switch through the full ignition operation when switching from the partial ignition operation to the premixed compression ignition operation.In the point.
[0011]
  In addition, the first characteristic configuration of the engine operating method according to the present invention for achieving this object can be executed by the engine having the first characteristic configuration, and the mixture is compressed and self-ignited in the combustion chamber. In an engine that is configured to be able to perform a mixed compression ignition operation and that has a plurality of spark plugs capable of spark-igniting an air-fuel mixture in the combustion chamber,
  As the engine load decreases or the engine temperature increases,From the partial ignition operation in which an equivalence ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber is set and a part of the plurality of spark ignition plugs is operated to spark-ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber.All ignition operation in which all of the plurality of spark ignition plugs are operated to spark-ignite the air-fuel mixture in the combustion chamberFurther, the all ignition operationTo the premixed compression ignition operation in a reversible manner.
[0012]
  That is, according to the first characteristic configuration of the engine and the operation method thereof, according to the operation state,The equivalence ratio of the air-fuel mixture is set by the equivalence ratio adjusting means, the partial ignition operation,Alternative to all ignition operation and premixed compression ignition operationAnd the order of descriptionBy providing the control means for switching to, the engine can be started while maintaining a stable operation state, and can be stably operated in a wide engine load range while realizing high efficiency and low NOx.
[0013]
  That is, at startup or at a relatively high engine load rangeWhen the partial ignition operation is being performed, when the engine load as the operating condition is lower than the first predetermined value, or when the engine temperature as the operating condition is higher than the first predetermined value Can be switched to a full ignition operation in which relatively high efficiency and low NOx can be realized by operating all of the spark plugs and burning the fuel in a relatively lean state. Further, when a certain amount of time has elapsed since the start or when the all-ignition operation is being executed in the middle engine load range, when the engine load rises above the first predetermined value, or the engine temperature In the case of lower than the first predetermined value, by switching to partial ignition operation, high output is generated while maintaining stable operation avoiding knocking,When the above ignition operation is being executedThe machineSeki load isA second lower than the first predetermined valueWhen it falls below a predetermined value, orThe machineSeki temperature isA second higher than the first predetermined valueWhen the temperature rises above a predetermined value, all of the spark plugs can be stopped and switched to a premixed compression ignition operation that can achieve high efficiency and low NOx.Also, when sufficient time has elapsed since startup or in a low engine load rangeWhen the premixed compression ignition operation is executed, the engine load isSecond aboveIf the engine temperature rises above the specified value, or the engine temperatureSecond aboveWhen the voltage falls below the predetermined value, by switching to the full ignition operation, a relatively high output can be generated while maintaining a stable operation avoiding knocking.
[0014]
Furthermore, in all ignition operation, since all of the plurality of spark plugs are working, it is possible to ensure good ignition performance even if the equivalence ratio of the air-fuel mixture is made relatively low and the fuel is in a lean state. When switching from full ignition operation to premixed compression ignition operation, it is possible to suppress the occurrence of knocking immediately after switching to premixed compression ignition operation by simply reducing the equivalence ratio of the air-fuel mixture within a relatively small range. The operation can be switched stably.
[0015]
  In addition to the first characteristic configuration described above, the second characteristic configuration of the premixed compression ignition according to the present invention includes the control means described above.The equivalence ratio adjusting means sets the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be lower than the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the all-ignition operation, and the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the all-ignition operation is Set lower than the equivalent ratio of the air-fuel mixture in partial ignition operationThere is in point.
[0017]
  That is, the engineNAccording to the second feature configuration,By setting the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be lower than the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the all ignition operation, the fuel is burned in a lean state in the premixed compression ignition operation, so that the efficiency is improved and the low NOx conversion is realized. Furthermore, by setting the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the full ignition operation to be lower than the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the partial ignition operation, the change in the equivalence ratio at the time of switching between the full ignition operation and the premixed compression ignition operation in particular. The width can be made as small as possible to ensure combustion stability at the time of switching. In addition, by setting the equivalence ratio of the air-fuel mixture in each of the partial ignition operation, the full ignition operation, and the premixed compression ignition operation as described above so as to decrease in the stated order, the operation in a wide engine load range can be achieved.It becomes possible.
[0019]
  The third characteristic configuration of the premixed compression ignition according to the present invention is:An engine capable of performing a premixed compression ignition operation in which an air-fuel mixture is compressed and self-ignited in a combustion chamber,
  A plurality of spark plugs capable of spark ignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber;
  Depending on the operating state, a partial ignition operation in which a part of the plurality of spark ignition plugs is operated to spark-ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber, and all of the plurality of spark ignition plugs are operated in the combustion chamber. Control means for switching between the all ignition operation for spark ignition of the air-fuel mixture and the premixed compression ignition operation,
  Equivalent ratio adjusting means capable of adjusting the equivalent ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber,
  The control means sets the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be lower than the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the all-ignition operation by the equivalence ratio adjusting means, and the air-fuel mixture in the all-ignition operation. Is set to be lower than the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the partial ignition operation.
[0020]
  That is, according to the third characteristic configuration of the engine,By providing the control means for selectively switching the partial ignition operation, the full ignition operation and the premixed compression ignition operation in the order described according to the operation state, it is possible to start while maintaining a stable operation state, and Thus, stable operation is possible in a wide engine load range while realizing high efficiency and low NOx.
  further,By setting the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be lower than the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the all ignition operation, the fuel is burned in a lean state in the premixed compression ignition operation, so that the efficiency is improved and the low NOx conversion is realized. Furthermore, by setting the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the full ignition operation to be lower than the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the partial ignition operation, the change in the equivalence ratio at the time of switching between the full ignition operation and the premixed compression ignition operation in particular. The width can be made as small as possible to ensure combustion stability at the time of switching. In addition, by setting the equivalence ratio of the air-fuel mixture in each of the partial ignition operation, the full ignition operation, and the premixed compression ignition operation as described above so as to decrease in the stated order, the operation in a wide engine load range can be achieved. It becomes possible.
[0021]
  The fourth characteristic configuration of the premixed compression ignition according to the present invention is the above-described first feature.oneIn addition to the third feature configuration, comprising ignition timing adjusting means capable of adjusting the ignition timing by the ignition plug,
  The control means, the ignition timing in the all ignition operation,portionThe timing is set to be delayed from the ignition timing in the ignition operation.
[0022]
That is, according to the fourth characteristic configuration of the engine, in the full ignition operation, the air-fuel mixture is spark-ignited at an ignition timing that is retarded from the ignition timing in the partial ignition operation. Even if the temperature, pressure, etc. are set to a relatively high value close to that during premixed compression ignition operation, the operation avoiding knocking can be maintained, and when switching from full ignition operation to premixed compression ignition operation Thus, it is possible to smoothly switch to the premixed compression ignition operation while continuing the spark ignition of the spark plug so that the self-ignition of the air-fuel mixture occurs earlier than the ignition timing in the all ignition operation. Therefore, when switching between the full ignition operation and the premixed compression ignition operation, it is not necessary to significantly change the temperature and pressure of the air-fuel mixture, and smooth switching can be performed while maintaining a stable operation state.
[0023]
  A fifth characteristic configuration of the premixed compression ignition according to the present invention is the above-described first feature.oneIn addition to the fourth feature configuration, the apparatus further comprises a mixture temperature adjusting means capable of adjusting the temperature of the mixture formed in the combustion chamber,
  The control means sets the temperature of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be higher than the temperature of the air-fuel mixture in the all-ignition operation by the air-fuel mixture temperature adjusting means. The temperature is set higher than the temperature of the air-fuel mixture in the partial ignition operation.
[0024]
That is, according to the fifth characteristic configuration of the engine, the temperature of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation is set higher than the temperature of the air-fuel mixture in the all ignition operation, so that the fuel is excellent in the premixed compression ignition operation. It is possible to maintain a stable driving state by self-ignition. Furthermore, by setting the temperature of the air-fuel mixture in the full ignition operation higher than the temperature of the air-fuel mixture in the partial ignition operation, the temperature or pressure of the air-fuel mixture in the full ignition operation is relatively high close to that in the premixed compression ignition operation. The value is set to smooth the switching between the full ignition operation and the premixed compression ignition operation, and in the partial ignition operation, the mixture temperature is made relatively low to improve the charging efficiency of the mixture. Can operate in high engine load range.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of an engine according to the present invention will be described based on the drawings.
[0026]
The engine 100 shown in FIG. 1 includes a combustion chamber 2 defined by the inner surface of a cylinder 5 and the top surface of a piston 3, an intake passage 12 connected to the combustion chamber 2 via an intake valve 7, and a combustion chamber 2. And an exhaust passage 13 connected through an exhaust valve 8.
[0027]
The piston 3 is swingably connected to the connecting rod 4, and the reciprocating motion of the piston 3 is obtained as a rotational movement of one crankshaft (not shown) by the connecting rod 4. There is no place to change.
[0028]
The air a (fresh air) flowing through the intake passage 12 is appropriately supercharged by a supercharger or the like, then passes through an aftercooler 15 described later, and the fuel g of natural gas city gas is supplied in the mixer 18. It becomes a mixture and is sucked into the combustion chamber 2.
[0029]
The engine 100 compresses the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber 2 by raising the piston 3 and raises the temperature to the ignition point, so that the air-fuel mixture self-ignites and burns so-called premixed compression ignition operation. Configured to go and burn the fuel.
[0030]
The engine 100 is provided with an engine control unit (hereinafter referred to as an ECU) 30 comprising a computer, and the ECU 30 is configured to perform various controls such as engine start-up operation control and load control.
[0031]
The aftercooler 15 provided in the intake passage 12 is cooled by cooling the cylinder 5 and the like, or heat exchange with a hot medium h such as high-temperature exhaust gas e discharged from the combustion chamber 2 or a high-temperature exhaust gas e discharged from the combustion chamber 2. The air a flowing through the intake passage 12 is configured to be heated.
Further, the temperature medium amount adjusting valve 16 is configured to adjust the supply amount of the temperature medium h to the aftercooler 15 and adjust the temperature of the air a flowing through the intake passage 12. The ECU 30 controls the intake passage 12. Based on the detection result of the temperature sensor 24 provided in the vicinity of the intake valve 7, the supply amount of the warm medium to the aftercooler 15 is adjusted by the warm medium amount adjustment valve 16, so that the air-fuel mixture flowing through the intake passage 12 is adjusted. The temperature (that is, the intake air temperature) can be adjusted to a predetermined target temperature.
Note that means that can adjust the intake air temperature to a predetermined target temperature, such as the temperature medium amount adjusting valve 16 and the ECU 30, can be said to be mixture temperature adjusting means A that can adjust the temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber 2. .
[0032]
Further, the fuel g supplied to the mixer 18 is configured such that the flow rate can be adjusted by the fuel amount adjusting valve 19, and the oxygen sensor 25 is provided in the exhaust passage 13 by the ECU 30 and can detect the oxygen concentration of the exhaust gas e. The equivalence ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber 2 can be adjusted to a predetermined target equivalence ratio by adjusting the supply amount of the fuel g based on the detection result.
A means capable of adjusting the equivalence ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber 2 such as the fuel amount adjusting means 19 and the ECU 30 is referred to as an equivalence ratio adjusting means B.
[0033]
Further, in the combustion chamber 2 of the engine 100, two spark plugs 26 capable of spark ignition of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber 2 are arranged around the cylinder 5 axis, and each spark plug 26 is The ignition timing variable mechanism 27 adjusts the ignition timing so that a voltage is applied at a predetermined ignition timing in one cycle and a spark is generated in the combustion chamber 2.
The ECU 30 is configured so that the ignition timing of each ignition plug 26 can be adjusted individually by operating the ignition timing variable mechanism 27.
A means capable of adjusting the ignition timing by the spark plug 26, such as the ignition timing variable mechanism 27 and the ECU 30, is referred to as an ignition timing adjusting means C.
[0034]
Further, the intake valve 7 and the exhaust valve 8 of the engine 100 are configured such that the opening / closing timing thereof can be adjusted by a valve timing variable mechanism 28 controlled by the ECU 30.
Furthermore, the ECU 30 sets the closing timing of the intake valve 7 in the compression stroke to the bottom dead center or a timing delayed from the bottom dead center, and adjusts the amount of the retard so that the compression ratio (intake (Combustion chamber capacity / minimum combustion chamber capacity at the closing timing of the valve 7) can be adjusted within a range of about 10 to 20, for example.
Note that the means capable of adjusting the compression ratio, such as the variable valve timing mechanism 28 and the ECU 30, can be said to be the mixture pressure adjusting means D capable of adjusting the pressure of the mixture in the combustion chamber 2.
[0035]
As shown in FIG. 2, the ECU 30 of the engine 100 has a throttle opening and a crank for adjusting the engine temperature that can be recognized from the cylinder 5 temperature, the coolant temperature, and the like, and the fuel supply amount to the combustion chamber 2. All-ignition operation for spark-igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber 2 by operating all of the two spark ignition plugs 26 according to the operating condition such as the engine load that can be recognized from the shaft rotational torque or the rotational speed, and the combustion chamber 2 Functions as control means for switching between premixed compression ignition operation in which the air-fuel mixture is compressed and self-ignited.
In addition to the all ignition operation and the premixed compression ignition operation, the control means in which the ECU 30 functions makes one (part) of the two spark ignition plugs 26 work. Thus, the combustion chamber 2 is configured to be switched to a partial ignition operation in which the air-fuel mixture is spark-ignited, and details thereof will be described below.
[0036]
As shown in FIG. 2, the ECU 30 is in a high engine temperature range where the engine temperature is sufficiently high or a low engine load range where the engine load is sufficiently low, such as when the engine is sufficiently warmed up after starting. In the combustion chamber 2, a premixed compression ignition operation is performed in which an air-fuel mixture having a very low equivalence ratio is compressed and self-ignited. Therefore, by performing the premixed compression ignition operation, the fuel g is burned in a lean state, so that high efficiency and low NOx can be realized.
[0037]
Further, as shown in FIG. 2, the ECU 30 has a low engine temperature range where the engine temperature is very low, or a high engine load range where the engine load is sufficiently high, such as when the engine is not warmed up. Then, the partial ignition operation is performed in which the air-fuel mixture is spark-ignited by causing one (a part) of the plurality of spark plugs 26 to work in the combustion chamber 2. Therefore, by performing the partial ignition operation, it is possible to burn the air-fuel mixture whose equivalence ratio is within the spark ignition possible range in the combustion chamber. Therefore, while maintaining stable operation avoiding knocking, the engine load is increased. In combination, a very high output can be generated.
[0038]
Furthermore, as shown in FIG. 2, the ECU 30 has a middle engine temperature range that is intermediate between the low engine temperature range and the high engine temperature range, such as when warming up to some extent since startup, or In the middle engine load region, which is intermediate between the low engine load region and the high engine load region, a full ignition operation is performed in which the air-fuel mixture is spark-ignited by operating all the spark plugs 26 in the combustion chamber 2. Therefore, by performing the full ignition operation, it is possible to stably burn the air-fuel mixture whose equivalence ratio is close to the theoretical equivalence ratio, compared to the premixed compression ignition operation, while maintaining stable operation that avoids knocking. Can produce a relatively high output according to the load of the medium engine, while fuel g can be burned in a leaner state than the partial ignition operation, achieving relatively high efficiency and low NOx can do.
[0039]
Next, various states such as a compression ratio, a new temperature, an equivalence ratio, and an ignition timing in each of the partial ignition operation, the full ignition operation, and the premixed compression ignition operation will be described with reference to FIG.
[0040]
When executing the partial ignition operation, the ECU 30 operates the valve timing variable mechanism 28 while operating one of the two spark plugs 26, so that the compression ratio is not less than P1 which is a relatively low compression ratio range and less than P2. (For example, a range of about 10 or more and less than about 12), for example, the heat medium amount adjusting valve 16 is closed, and the heat medium h is not supplied to the aftercooler 15 and flows into the intake passage 12. The air-fuel mixture temperature (intake air temperature) is set to a relatively low temperature T1 (° C.) (for example, about the outside air temperature), and the equivalent ratio of the air-fuel mixture taken into the combustion chamber 2 by the fuel amount adjusting means 19 Is set within a range of E3 or more and E4 or less (for example, a range of about 0.67 or more and about 0.83 or less), which is a relatively high equivalence ratio range near the theoretical equivalence ratio. Accordingly, a relatively early timing is St2 (° BTDC) the ignition timing of the spark plug 26 during operation (e.g., 40 ° BTDC) is set to.
[0041]
Further, when executing the full ignition operation, the ECU 30 causes the compression ratio to be higher than that during the partial ignition operation by the valve timing variable mechanism 28 while operating all the two ignition plugs 26. Set within a range of P2 or more and less than P3 (for example, a range of about 12 or more and less than about 20), for example, by adjusting the opening of the heating medium amount adjusting valve 16, the intake air temperature is higher than that during the partial ignition operation. The intake air temperature range is set within a range of T1 (° C.) or higher and lower than T2 (° C.) (for example, a range of about the outside air temperature or higher and lower than about 150 ° C.). The ratio is set within the range of E2 or more and less than E3 (for example, the range of about 0.56 or more and less than about 0.67), which is a lower equivalence ratio range than that during the partial ignition operation. The ring variable mechanism 27, the ignition timing of all of the spark plugs 26 is set to a timing later than the time of the partial ignition operation St1 (° BTDC) (e.g., 20 ° BTDC).
[0042]
Furthermore, when executing the premixed compression ignition, the ECU 30 causes the variable valve timing mechanism 28 to change the compression ratio to P3 (for example, 20%) that is higher than that during the partial ignition operation and during the full ignition operation. The temperature of the intake air is set to T2 (° C.) (for example, 150 ° C.) that is higher than that during the partial ignition operation and during the full ignition operation. And the fuel amount adjusting means 19 sets the equivalence ratio of the air-fuel mixture to a range equal to or higher than E1 and lower than E2 that is lower than the equivalence ratio range during the partial ignition operation and the full ignition operation (for example, When the ignition timing variable mechanism 27 determines that, for example, self-ignition is occurring in the combustion chamber 2, it is set within a range of about 0.40 or more and less than about 0.56. Halting all the spark plugs 26 of one ignition timing of the spark plug 26 which has been operated in a partial ignition operation after example is further retarded.
[0043]
When switching from the full ignition operation to the premixed compression ignition operation, the ECU 30 temporarily stops one of the two spark plugs 26 and generates an ionic current between the electrodes of the stopped spark plug 26. By detecting the combustion state in the combustion chamber 2 based on the state, it can be determined whether the air-fuel mixture is in a stable self-ignition state in the combustion chamber 2.
[0044]
By switching the partial ignition operation, the full ignition operation, and the premixed compression ignition operation as described above, for example, in the partial ignition operation, a rated output is generated for a high engine load, and in the full ignition operation, Generates an output of about 30-60% of the above rated output while reducing NOx by lean combustion. In premixed compression ignition operation, the above rated output is achieved while further reducing NOx by further lean combustion. The engine can be operated so that an output of about 30% or less is generated.
[0045]
[Another embodiment]
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0046]
<1> In the above embodiment, the mixture temperature adjusting means A is configured by the temperature medium amount adjusting valve 16 of the aftercooler 15 and the ECU 30. It can also be configured by an electric heater that is heated with adjustment of the heating amount, and further can be configured by a valve timing variable mechanism 28.
That is, the variable valve timing mechanism 28 is configured to be able to adjust the opening / closing timing of the exhaust valve 8, and by adjusting the advance amount with respect to the top dead center of the closing timing of the exhaust valve 8, the high-temperature exhaust gas remaining in the combustion chamber 2 The amount of the mixture can be adjusted to adjust the mixture temperature.
[0047]
<2> In the embodiment described above, the mixture pressure adjusting means D is configured by the valve timing variable mechanism 28 and the ECU 30, but separately, the mixture pressure adjusting means D is provided in the intake passage 24. It can be constituted by a feeder or a throttle valve. That is, by adjusting the supercharging pressure of the supercharger provided in the intake passage 24 or adjusting the intake negative pressure by adjusting the throttle valve opening degree provided in the intake passage 12, the mixture gas in the combustion chamber 2 is adjusted. The pressure can be adjusted.
[0048]
<3> In the above embodiment, the mixture temperature adjusting means A configured by the temperature medium amount adjusting valve 16 and the ECU 30 of the aftercooler 15, the valve timing variable mechanism 28 and the ECU 30, etc. Although both the pressure adjusting means D are provided, the mixture temperature adjusting means A can be used if only the mixture pressure adjusting means A can raise the pressure of the mixture until the mixture in the combustion chamber 2 is self-ignited. On the contrary, if the temperature of the mixture can be raised by the mixture temperature adjusting means A until the mixture in the combustion chamber 2 is self-ignited, the mixture pressure adjusting means D is omitted. It doesn't matter.
[0049]
<4> In the above embodiment, an example in which the engine according to the present invention is configured as a single cylinder type has been described. However, the present invention can also be implemented for a multi-cylinder engine. In a multi-cylinder engine, it is preferable to switch the operation of a plurality of cylinders in order.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an engine according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining that the engine shown in FIG. 1 switches to each operation according to the operation state;
FIG. 3 is a diagram showing a change state of various conditions in each operation of the engine shown in FIG.
[Explanation of symbols]
2: Combustion chamber
7: Intake valve
8: Exhaust valve
12: Air intake path
13: Exhaust path
15: After cooler
16: Temperature control valve
18: Mixer
19: Fuel amount adjustment valve
26: Spark plug
27: Ignition timing variable mechanism
28: Variable valve timing mechanism
30: Engine control unit (control means)
100: Engine
a: Air (fresh air)
g: Fuel
e: exhaust gas
h: Hot medium
A: Mixture temperature adjustment means
B: Equivalent ratio adjusting means
C: Ignition timing adjusting means
D: Mixture pressure adjusting means

Claims (6)

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実行可能なエンジンであって、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、
前記燃焼室に形成される混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段を備え、
運転状態に応じて、前記当量比調整手段により混合気の当量比を設定し、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備え、
前記制御手段が、前記部分点火運転から前記予混合圧縮着火運転に運転を切り換える際に、前記全点火運転を介して切り換えるように構成されているエンジン。An engine capable of performing a premixed compression ignition operation in which an air-fuel mixture is compressed and self-ignited in a combustion chamber,
A plurality of spark plugs capable of spark ignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber;
Equivalent ratio adjusting means capable of adjusting the equivalent ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber,
A partial ignition operation in which an equivalence ratio of the air-fuel mixture is set by the equivalence ratio adjusting means according to an operating state, and a part of the plurality of spark ignition plugs is operated to spark-ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber; A control means for switching between a pre-compression compression ignition operation and an all-ignition operation in which all of the plurality of spark ignition plugs work to spark-ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber ;
An engine configured to switch through the full ignition operation when the control means switches the operation from the partial ignition operation to the premixed compression ignition operation . 前記制御手段が、前記当量比調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、前記全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の当量比を、前記部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定する請求項１に記載のエンジン。The control means sets the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be lower than the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the all-ignition operation by the equivalence ratio adjusting means, and the air-fuel mixture in the all-ignition operation. equivalent amount ratio engine according to claim 1 to set lower than the equivalent ratio of the mixture in the portion ignition operation. 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実行可能なエンジンであって、
前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置し、
運転状態に応じて、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転と、前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転と、前記予混合圧縮着火運転とを切り換える制御手段を備え、
前記燃焼室に形成される混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段を備え、
前記制御手段が、前記当量比調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の当量比を、前記全点火運転における混合気の当量比よりも低く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の当量比を、前記部分点火運転における混合気の当量比よりも低く設定するエンジン。 An engine capable of performing a premixed compression ignition operation in which an air-fuel mixture is compressed and self-ignited in a combustion chamber,
A plurality of spark plugs capable of spark ignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber;
Depending on the operating state, a partial ignition operation in which a part of the plurality of spark ignition plugs is operated to spark-ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber, and all of the plurality of spark ignition plugs are operated in the combustion chamber. Control means for switching between the all ignition operation for spark ignition of the air-fuel mixture and the premixed compression ignition operation,
Equivalent ratio adjusting means capable of adjusting the equivalent ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber,
The control means sets the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be lower than the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the all-ignition operation by the equivalence ratio adjusting means, and the air-fuel mixture in the all-ignition operation. the equivalent ratio of the equivalent ratio set to Rue engine lower than of the mixture in the portion ignition operation. 前記点火プラグによる点火タイミングを調整可能な点火タイミング調整手段を備え、
前記制御手段が、前記全点火運転における点火タイミングを、前記部分点火運転における点火タイミングよりも遅角したタイミングに設定する請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。Ignition timing adjustment means capable of adjusting the ignition timing by the ignition plug,
The engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit sets an ignition timing in the full ignition operation to a timing delayed from an ignition timing in the partial ignition operation. 前記燃焼室に形成される混合気の温度を調整可能な混合気温度調整手段を備え、
前記制御手段が、前記混合気温度調整手段により、前記予混合圧縮着火運転における混合気の温度を、前記全点火運転における混合気の温度よりも高く設定すると共に、前記全点火運転における混合気の温度を、前記部分点火運転における混合気の温度よりも高く設定する請求項１から４の何れか１項に記載のエンジン。An air-fuel mixture temperature adjusting means capable of adjusting the temperature of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber;
The control means sets the temperature of the air-fuel mixture in the premixed compression ignition operation to be higher than the temperature of the air-fuel mixture in the all-ignition operation by the air-fuel mixture temperature adjusting means. The engine according to any one of claims 1 to 4, wherein a temperature is set to be higher than a temperature of an air-fuel mixture in the partial ignition operation. 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実行可能に構成され、且つ、前記燃焼室において混合気を火花点火可能な点火プラグを複数配置したエンジンにおいて、
機関負荷の低下又は機関温度の上昇に伴って、前記燃焼室に形成される混合気の当量比を設定し、前記複数の火花点火プラグの内の一部を働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する部分点火運転から前記複数の火花点火プラグの全てを働かせて前記燃焼室において混合気を火花点火する全点火運転に、更に、前記全点火運転から前記予混合圧縮着火運転に、可逆的に切り換えるエンジンの運転方法。In an engine configured to perform a premixed compression ignition operation in which a mixture is compressed and self-ignited in a combustion chamber, and a plurality of spark plugs capable of spark ignition of the mixture in the combustion chamber are arranged.
As the engine load decreases or the engine temperature increases, an equivalence ratio of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber is set, and a part of the plurality of spark ignition plugs is operated to cause the air-fuel mixture to be mixed in the combustion chamber. Reversible from partial ignition operation for spark ignition to full ignition operation for spark-igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber by operating all of the plurality of spark ignition plugs , and further from the full ignition operation to the premixed compression ignition operation Engine operation method to switch to.
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