JP4408561B2 - 予混合圧縮自着火エンジン及びその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジン及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、上記の予混合圧縮自着火エンジンのように、自然着火を積極的に利用するエンジンのコンセプトが話題になっている。これは、元々、燃料噴射ディーゼルのパティキュレートを防止する目的で考え出されたものであるが、ディーゼルエンジンのように燃焼室において圧縮された高圧空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、吸気行程において燃焼室に混合気若しくは空気等の新気を吸気して燃焼室内に混合気を形成し、圧縮行程において燃焼室に形成された混合気を圧縮自着火させ、膨張行程において燃焼させ、排気行程において燃焼室の排ガスを排気路に排出するように構成され、圧縮比を増加させて効率の向上が可能であると共に、燃料を希薄状態で燃焼させ低ＮＯｘ化が可能となる。
特に、燃料が天然ガス系都市ガス等の気体燃料のエンジンを構成する場合、ディーゼルエンジンとして構成して気体燃料を高圧で噴射することが困難であるため、予混合圧縮自着火エンジンとして構成して混合気を圧縮自着火して燃焼させるほうが容易である。
【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は、出力を調整するために混合気の当量比を大幅に変化させると、安定した圧縮自着火燃焼を得ることができなくなる。例えば、当量比を上昇させすぎて燃焼室の有効圧が上昇しすぎると、燃焼室における圧力波の伝播速度が音速を超えて衝撃音等が発生する所謂ノッキングが発生してしまう。また逆に、当量比を低下させすぎて燃焼室における有効圧が低下しすぎると、混合気を完全に自着火に至らせることができず混合気を完全燃焼させることができないために熱効率が低下してしまう。よって従来の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高い効率を維持したまま出力を調整して運転することは困難であった。
従って、本発明は、上記問題点を解消し、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に調整す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の運転方法は、請求項１に記載したごとく、前記新気の温度を一定に保ちながら前記混合気の当量比を上昇させる当量比上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程を実行し、前記エンジンの出力を上昇させることを特徴とする。
【０００５】
〔構成２〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項２に記載したごとく、前記新気の温度を低下させながら前記混合気の当量比を上昇させる当量比上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程、又は前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を上昇させることを特徴とする。
【０００６】
〔作用効果〕
本構成の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、予混合圧縮自着火エンジンの出力を上昇させるときに実施されるものである。
即ち、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記当量比上昇工程を実行し、予混合圧縮自着火エンジンの燃焼室に形成され後に圧縮自着火される混合気の当量比を上昇させる。このような当量比上昇工程においては、当量比の上昇に伴って混合気の燃焼速度が上昇しノッキングが発生する。そして、そのノッキング開始が検出される毎に、前記新気温度低下工程を実行して、ノッキングが若干発生している予混合圧縮自着火エンジンにおいて、燃焼室に吸気される新気の温度を、予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させる。すると、新気の温度低下及び圧縮自着火される混合気の温度低下によって、ノッキングは発生しなくなり、引き続き、前記当量比上昇工程を行って、当量比を上昇させて予混合圧縮自着火エンジンの出力を上昇させることができるのである。
よって、予混合圧縮自着火エンジンを運転するに、前記当量比上昇工程において、前記新気温度低下工程を実行することで、ノッキング開始が検出される付近の状態で、エンジンの出力を上昇させることができるので、高効率を維持することができる。
また、前記当量比上昇工程において、繰り返し前記新気温度低下工程を実行することで、予混合圧縮自着火エンジンを高効率に保ちながら、徐々に当量比を上昇させて、大幅に出力を上昇させることができる。
【０００７】
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、前記当量比上昇工程において、新気の温度を若干低下させながら、当量比を上昇させて、当量比のみを上昇させるときと比較して、ノッキングの発生を遅らせることができる。また、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法における前記当量比上昇工程においては、後に必ずノッキングが発生するように行われ、詳しくは、当量比上昇工程において、新気温度の低下によりノッキングが発生する当量比の上限界値は上昇するので、当量比の上昇量を、新気温度の低下量に対する前記上限界値の上昇量よりも大きく設定するのである。
そして、さらに、このような当量比上昇工程を実行して、出力の上昇を行う間において、前記ノッキング開始が検出される毎に、前記新気温度低下工程、又は当量比を予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させる当量比低下工程を実行する。すると、新気の温度低下、又は混合気の当量比低下によって、ノッキングは発生しなくなり、引き続き、前記当量比上昇工程を行って、新気温度を低下させながら当量比を上昇させて、前のノッキングが発生したときよりも更に新気温度を低下させることにより当量比を上昇させることができ、予混合圧縮自着火エンジンの出力を上昇させることができるのである。
また、このように、前記当量比上昇工程において新気の温度を低下させながら、当量比を上昇させることで、予混合圧縮自着火エンジンの出力を目標の出力まで早期に上昇させることができる。また、ノッキング開始を検出する毎に、前記当量比低下工程を行う場合は、当量比上昇工程における当量比の上昇量が、前記当量比低下工程における当量比の低下量よりも大きくなるように、夫々の量及び当量比上昇工程における新気の温度の低下量が調整される。
従って、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法により、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に上昇させることができる。
【０００８】
〔構成３〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項３に記載したごとく、前記混合気の当量比を一定に保ちながら、前記新気の温度を上昇させる新気温度上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を低下させることを特徴とする。
【０００９】
〔構成４〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項４に記載したごとく、前記混合気の当量比を低下させながら、前記新気の温度を上昇させる新気温度上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程、又は前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を低下させることを特徴とする。
【００１０】
〔作用効果〕
本構成の混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、予混合圧縮自着火エンジンの出力を低下させるときに実施されるものである。
即ち、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記新気温度上昇工程を実行し、予混合圧縮自着火エンジンの燃焼室に吸気される新気の温度即ち圧縮自着火される混合気の温度を上昇させる。このような新気温度上昇工程においては、新気の温度上昇に伴って混合気が圧縮自着火するタイミングが早くなり、ノッキングが発生する。そして、そのノッキング開始が検出される毎に、前記当量比低下工程を実行して、ノッキングが若干発生している予混合圧縮自着火エンジンにおいて、燃焼室に形成され後に圧縮自着火される混合気の当量比を、予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させて前記予混合圧縮自着火エンジンの出力を低下させることができる。
よって、予混合圧縮自着火エンジンを運転するに、前記新気温度上昇工程において、前記当量比低下工程を実行することで、ノッキング開始が検出される付近の状態で、エンジンの出力を低下させることができるので、高効率を維持することができる。
また、前記新気温度上昇工程において、繰り返し前記当量比低下工程を実行することで、予混合圧縮自着火エンジンを高効率に保ちながら、徐々に当量比を低下させて、大幅に出力を低下させることができる。
【００１１】
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、前記新気温度上昇工程において、当量比を若干低下させながら、新気の温度を上昇させて、新気の温度のみを上昇させるときと比較して、ノッキングの発生を遅らせることができる。また、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法における前記新気温度上昇工程においては、後に必ずノッキングが発生するように行われ、詳しくは、新気温度上昇昇工程において、新気温度の上昇によりノッキングが発生する当量比の上限界値は低下するので、当量比の低下量を、新気温度の上昇量に対する前記上限界値の低下量よりも小さく設定するのである。
そして、さらに、このような新気温度上昇工程を実行して、出力の上昇を行う間において、前記ノッキング開始が検出される毎に、前記当量比低下工程、又は新気の温度を予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させる新気温度低下工程を実行する。すると、当量比低下、又は新気の温度低下によって、ノッキングは発生しなくなり、引き続き、前記新気温度上昇工程を行って、新気温度を上昇させながら当量比を低下させて、予混合圧縮自着火エンジンの出力を低下させることができるのである。
また、このように、前記新気温度上昇工程において当量比を低下させながら、新気の温度を上昇させることで、予混合圧縮自着火エンジンの出力を目標の出力まで早期に低下させることができる。また、ノッキング開始を検出する毎に、前記新気温度低下工程を行う場合は、新気温度上昇工程における新気の温度の上昇量が、前記新気温度低下工程における新気の温度の低下量よりも大きくなるように、夫々の量及び新気温度上昇工程における当量比の低下量が調整される。
従って、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法により、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に低下させることができる。
【００１２】
〔構成５〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項５に記載したごとく、吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記新気の温度を調整可能な新気温度調整手段と、
前記混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段と、
前記エンジンのノッキングの発生を検出するノッキング検出手段とを備え、
前記新気温度調整手段及び前記当量比調整手段を働かせ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出されるまで、前記混合気の当量比のみを上昇させ、又は前記新気の温度の低下を伴って前記混合気の当量比を上昇させ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記新気の温度を所定量低下させて、出力を上昇させる、或いは、前記新気温度調整手段及び前記当量比調整手段を働かせ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出されるまで、前記新気の温度のみを上昇させ、又は前記混合気の当量比の低下を伴って前記新気の温度を上昇させ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記混合気の当量比を所定量低下させて、出力を低下させる出力調整手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、本構成のごとく、過給機によって圧縮され温度上昇した新気を冷却する冷却器若しくは新気を加熱する加熱器等の新気の冷却若しくは加熱量を調整するように構成された前記新気温度調整手段と、吸気路若しくは燃焼室に燃料を供給する燃料供給手段等の前記燃料の供給量を調整するように構成された前記当量比調整手段とが設けられ、さらに、当量比の過剰上昇若しくは新気温度の過剰上昇により発生するノッキングを検出するノッキング検出手段が設けられている。
そして、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、エンジンの出力を調整する前記出力調整手段が設けられており、前記出力調整手段により、ノッキングを検出するタイミングで、前記当量比の上昇及び前記新気温度の低下、又は前記新気温度の上昇及び前記当量比の低下を交互に実行して、エンジンの出力を上昇若しくは低下させることができる。即ち、出力調整手段は、前記出力を上昇させるに、前記ノッキング検出手段により前記ノッキング開始が検出されるまで、当量比のみを上昇させ、又は新気温度の若干の低下を伴って当量比を上昇させ、ノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記新気温度調整手段により前記新気の温度を所定量低下させる。逆に、出力調整手段は、前記出力を低下させるに、前記ノッキング検出手段により前記ノッキング開始が検出されるまで、新気温度のみを上昇させ、又は当量比の若干の低下を伴って新気温度を上昇させ、ノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記当量比調整手段により前記当量比を所定量低下させる。このような出力調整手段によりエンジンの出力を調整することで、高効率であるノッキングが発生する直前の状態で、徐々に当量比を上昇若しくは低下させて、大幅に出力を調整することができる。
従って、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に調整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。
尚、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、前記構成１から４の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施することができるので、同様の作用効果を発揮することができる。
【００１４】
〔構成６〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項６に記載したごとく、上記構成５の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記当量比調整手段が、間欠的に行われる燃料供給のデューティー比調整を行う手段であることを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの当量比調整手段は、前記出力調整手段により調整され、当量比を段階的に上昇若しくは低下させるものであるが、吸気路若しくは燃焼室に燃料を供給する燃料供給手段等の燃料の供給を連続的なものとして、その燃料の流量を段階的に調整するように構成すると、燃料流量を上昇若しくは低下させて、瞬時に且つ安定して、当量比を目標値に調整することが困難であり、例えば出力を上昇させるためにノッキングが検出されるまで当量比を上昇させるとき、ノッキングが検出されても当量比がそれ以上に上昇してノッキングがさらに悪化し、エンジンの効率低下の原因となる。
そこで、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、前記当量比調整手段を本構成のごとく構成することで、燃料を間欠的に供給する燃料供給手段等に対して、そのデューティー比を調整することで、前記当量比を安定して調整することができ、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ノッキングの発生を抑制しながら高効率で出力を調整することができる。
【００１６】
〔構成７〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項７に記載したごとく、上記構成５又は６の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記新気温度調整手段が、間欠的に行われる新気に対する加熱又は冷却のデューティー比調整を行う手段であることを特徴とする。
【００１７】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの新気温度調整手段は、前記出力調整手段により調整され、新気の温度を段階的に上昇若しくは低下させるものであるが、過給機によって圧縮され温度上昇した新気を冷却する冷却器若しくは新気を加熱する加熱器等の冷却若しくは加熱を連続的なものとして、その冷却量若しくは加熱量を段階的に調整するように構成すると、新気の温度を上昇若しくは低下させて、瞬時に且つ安定して、新気の温度を目標値に調整することが困難となり、例えば出力を低下させるためにノッキングが検出されるまで新気の温度を上昇させるとき、ノッキングが検出されても新気の温度がそれ以上に上昇してノッキングがさらに悪化し、エンジンの効率低下の原因となる。
そこで、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、前記新気温度調整手段を本構成のごとく構成することで、新気を間欠的に冷却若しくは加熱する冷却器若しくは加熱器等に対して、そのデューティー比を調整することで、前記新気の温度を安定して調整することができ、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ノッキングの発生を抑制しながら高効率で出力を調整することができる。
【００１８】
【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及びその運転方法に関する実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す予混合圧縮自着火エンジン１００は、過給機１８によって圧縮され吸気路１１を流れる空気に、燃料供給手段としての燃料ノズル１５によって天然ガス系都市ガスである燃料ガスを供給して混合気を形成し、形成された混合気を吸気弁１を介してシリンダ３内に形成された燃焼室７に吸気し、燃焼室７において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（図示せず）の回転出力として得るものである。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。
【００１９】
燃料ノズル１５は、燃料ガスの流路を周期的に開閉し、吸気路１１の空気に燃料ガスを間欠的に供給するものであり、制御装置３０には当量比調整手段３２が設けられ、当量比調整手段３２は、クランク軸の回転数等から吸気路に流通する空気流量を検出しながら、燃料ノズル１５のデューティー比を調整して、燃焼室７に吸気される混合気の当量比を調整可能に構成されている。
【００２０】
また、予混合圧縮自着火エンジン１００には、吸気路１１の過給機１８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に流通する空気との熱交換を行い圧縮され昇温した空気を冷却する冷却器１６が設けられている。さらに、冷却器１６に流通する冷却水の流路を周期的に開閉する開閉弁１７が設けられており、開閉弁１７により冷却器１６に冷却水が間欠的に供給され、吸気路１１の空気は間欠的に冷却される。そして、制御装置３０には新気温度調整手段３１が設けられ、新気温度調整手段３１は、開閉弁１７の開閉動作のデューティー比を調整して、吸気路１１の空気の温度を調整可能に構成されている。
【００２１】
また、予混合圧縮自着火エンジン１００の燃焼室７の上方には、燃焼室７の圧力を検出する圧力センサ２０が設けられている。そして、制御装置３０にはノッキング検出手段３４が設けられ、ノッキング検出手段３４は、圧力センサ２０により検出される燃焼室７の圧力波形に、高周波数の振動成分が付加されたときに、ノッキングの発生を検出するように構成されている。
【００２２】
さらに、制御装置３０には本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の特徴構成の１つである出力調整手段３３が設けられており、出力調整手段３３は、ノッキング検出手段３４によりノッキングを検出しながら、新気温度調整手段３１及び当量比調整手段３２を働かせ、空気の温度及び混合気の当量比を交互に上昇若しくは低下させ、エンジン１００の出力を調整するように構成されている。
【００２３】
即ち、本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の運転方法は、図２に示すように、出力調整手段３３により当量比を初期当量比から目標当量比まで上昇させ出力を上昇させる場合、先ず出力調整手段３３は、当量比上昇工程を実行し、ノッキング検出手段３４によりエンジン１００のノッキング開始が検出されるまで、当量比調整手段３２を働かせて、前記燃料ノズル１５のデューティー比を増加させ、燃焼室７に吸気される混合気の当量比を上昇させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００は若干ノッキングが発生している状態となる。
次に、出力調整手段３３は、新気温度低下工程を実行し、新気温度調整手段３１を働かせて、開閉弁１７の開閉動作のデューティー比を予め設定してある所定量増加させ、冷却器１６における空気の冷却量を増加させて、後に燃料ガスが供給され燃焼室７に吸気される空気の温度を低下させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００はノッキングを発生せずに高効率で運転することになる。
そして、当量比が目標当量比となるまで上記の当量比上昇工程及び新気温度低下工程とを繰り返して実行するのである。
このように予混合圧縮自着火エンジン１００において出力を上昇させることで、エンジンの状態をノッキングが発生する直前の高効率状態に維持しながら、燃焼室７に吸気される混合気の温度を低下させて一層効率を向上させることができる。
【００２４】
また、このように出力を上昇させるべく、上記の当量比上昇工程において当量比を上昇させるときに、前記新気温度調整手段３１により燃焼室７に吸気される空気の温度を若干量低下させても構わず、目標当量比までの時間を短縮することができる。このように当量比上昇工程において空気の温度も低下させる場合において、空気の温度の低下量が当量比の上昇量と比較して大きすぎると、ノッキング開始を検出することができず、さらに、混合気の不完全燃焼の原因となるので、このときの空気の温度の低下量は、後にノッキングが発生する程度に比較的小さく設定される。
【００２５】
一方、本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の運転方法は、図３に示すように、出力調整手段３３により当量比を初期当量比から目標当量比まで低下させ出力を低下させる場合、先ず出力調整手段３３は、新気温度上昇工程を実行し、ノッキング検出手段３４によりエンジン１００のノッキング開始が検出されるまで、新気温度調整手段３１を働かせて、開閉弁１７の開閉動作のデューティー比を減少させ、冷却器１６における空気の冷却量を減少させて、燃焼室７に吸気される空気の温度を上昇させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００は若干ノッキングが発生している状態となる。
次に、出力調整手段３３は、当量比低下工程を実行し、当量比調整手段３２を働かせて、前記燃料ノズル１５のデューティー比を減少させ、燃焼室７に吸気される混合気の当量比を低下させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００はノッキングを発生せずに高効率で運転することになる。
そして、当量比が目標当量比となるまで上記の新気温度上昇工程及び当量比低下工程とを繰り返して実行するのである。
このように予混合圧縮自着火エンジン１００において出力を低下させることで、エンジンの状態をノッキングが発生する直前の高効率状態に維持しながら高効率で運転することができる。
【００２６】
また、このように出力を低下させるべく、上記の新気温度上昇工程において、新気温度を上昇させるときに、前記当量比調整手段３２により燃焼室７に形成される混合気の当量比を若干量低下させても構わず、目標当量比までの時間を短縮することができる。このように新気温度上昇工程において当量比も低下させる場合において、当量比の低下量が新気温度の上昇量と比較して大きすぎると、ノッキング開始を検出することができず、さらに、混合気の不完全燃焼の原因となるので、このときの当量比の低下量は、後にノッキングが発生する程度に比較的小さく設定される。
【００２７】
次に、上記の実施の形態で説明してきた本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの図示効率及び出力の変化範囲（当量比の変化範囲）を実験により求めた結果を以下に示す。
尚、本実験で使用した本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の仕様は、以下の通りである。
シリンダ内径：１１０ｍｍ
ピストンストローク：１０６ｍｍ
気筒数：１
圧縮比：１７
過給圧：１２５〜１５０ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ）
燃料：都市ガス１３Ａ
【００２８】
本実験の結果、本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいては、当量比が０．２６程度（新気温度１７０℃程度）から０．４６程度（新気温度１００℃程度）までの広範囲において、出力を変化させることができ、このときの図示熱効率は４７％（当量比０．２６）から５０％（当量比０．４６）と高効率であることが確認でき、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に調整することができるといえる。
【００２９】
〔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。
【００３０】
〈２〉 前記混合気を形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含有ガス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。
【００３１】
〈３〉 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混合気を、吸気路１１において、燃料ノズル１５により空気に燃料ガスを供給し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、空気のみを燃焼室に吸気し、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混合気を形成し、この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。
【００３２】
〈４〉 上記の実施の形態において、本発明の予混合圧縮自着火エンジンを所謂、４サイクルエンジンとして構成したが、勿論本発明の予混合圧縮自着火エンジンは２サイクルエンジンとしての構成することができる。
【００３３】
〈５〉 上記の実施の形態において、前記新気温度調整手段３１を冷却器１６の冷却量を調整して新気（空気）の温度を調整する構成を説明したが、別に、吸気路１１に排ガスの熱若しくは電力によって新気を加熱するヒータを設け、新気温度調整手段をそのヒータの新気の加熱量を調整し、新気の温度を調整するように構成しても構わない。
【００３４】
〈６〉 上記の実施の形態において、当量比調整手段３２及び新気温度調整手段３１を、燃料ノズル１５及び開閉弁１７の間欠動作のデューティー比を調整して当量比及び新気温度を調整するように構成したが、別に燃料ノズル１５を開閉弁１７を燃料及び冷却水の流量を連続的に調整可能に構成し、その流量を調整することで、前記当量比及び新気温度を調整しても構わない。
【００３５】
【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】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法の当量比及び新気温度の調整状態を示すグラフ図
【図３】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法の当量比及び新気温度の調整状態を示すグラフ図
【符号の説明】
１ 吸気弁
２ 排気弁
３ シリンダ
４ ピストン
５ 連結棒
７ 燃焼室
１１ 吸気路
１２ 排気路
１５ 燃料ノズル
１６ 冷却器
１７ 開閉弁
１８ 過給機
２０ 圧力センサ
３０ 制御装置
３１ 新気温度調整手段
３２ 当量比調整手段
３３ 出力調整手段
３４ ノッキング検出手段
１００ 予混合圧縮自着火エンジン
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジン及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、上記の予混合圧縮自着火エンジンのように、自然着火を積極的に利用するエンジンのコンセプトが話題になっている。これは、元々、燃料噴射ディーゼルのパティキュレートを防止する目的で考え出されたものであるが、ディーゼルエンジンのように燃焼室において圧縮された高圧空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、吸気行程において燃焼室に混合気若しくは空気等の新気を吸気して燃焼室内に混合気を形成し、圧縮行程において燃焼室に形成された混合気を圧縮自着火させ、膨張行程において燃焼させ、排気行程において燃焼室の排ガスを排気路に排出するように構成され、圧縮比を増加させて効率の向上が可能であると共に、燃料を希薄状態で燃焼させ低ＮＯｘ化が可能となる。
特に、燃料が天然ガス系都市ガス等の気体燃料のエンジンを構成する場合、ディーゼルエンジンとして構成して気体燃料を高圧で噴射することが困難であるため、予混合圧縮自着火エンジンとして構成して混合気を圧縮自着火して燃焼させるほうが容易である。
【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は、出力を調整するために混合気の当量比を大幅に変化させると、安定した圧縮自着火燃焼を得ることができなくなる。例えば、当量比を上昇させすぎて燃焼室の有効圧が上昇しすぎると、燃焼室における圧力波の伝播速度が音速を超えて衝撃音等が発生する所謂ノッキングが発生してしまう。また逆に、当量比を低下させすぎて燃焼室における有効圧が低下しすぎると、混合気を完全に自着火に至らせることができず混合気を完全燃焼させることができないために熱効率が低下してしまう。よって従来の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高い効率を維持したまま出力を調整して運転することは困難であった。
従って、本発明は、上記問題点を解消し、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に調整す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の運転方法は、請求項１に記載したごとく、前記新気の温度を一定に保ちながら前記混合気の当量比を上昇させる当量比上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程を実行し、前記エンジンの出力を上昇させることを特徴とする。
【０００５】
〔構成２〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項２に記載したごとく、前記新気の温度を低下させながら前記混合気の当量比を上昇させる当量比上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程、又は前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を上昇させることを特徴とする。
【０００６】
〔作用効果〕
本構成の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、予混合圧縮自着火エンジンの出力を上昇させるときに実施されるものである。
即ち、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記当量比上昇工程を実行し、予混合圧縮自着火エンジンの燃焼室に形成され後に圧縮自着火される混合気の当量比を上昇させる。このような当量比上昇工程においては、当量比の上昇に伴って混合気の燃焼速度が上昇しノッキングが発生する。そして、そのノッキング開始が検出される毎に、前記新気温度低下工程を実行して、ノッキングが若干発生している予混合圧縮自着火エンジンにおいて、燃焼室に吸気される新気の温度を、予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させる。すると、新気の温度低下及び圧縮自着火される混合気の温度低下によって、ノッキングは発生しなくなり、引き続き、前記当量比上昇工程を行って、当量比を上昇させて予混合圧縮自着火エンジンの出力を上昇させることができるのである。
よって、予混合圧縮自着火エンジンを運転するに、前記当量比上昇工程において、前記新気温度低下工程を実行することで、ノッキング開始が検出される付近の状態で、エンジンの出力を上昇させることができるので、高効率を維持することができる。
また、前記当量比上昇工程において、繰り返し前記新気温度低下工程を実行することで、予混合圧縮自着火エンジンを高効率に保ちながら、徐々に当量比を上昇させて、大幅に出力を上昇させることができる。
【０００７】
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、前記当量比上昇工程において、新気の温度を若干低下させながら、当量比を上昇させて、当量比のみを上昇させるときと比較して、ノッキングの発生を遅らせることができる。また、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法における前記当量比上昇工程においては、後に必ずノッキングが発生するように行われ、詳しくは、当量比上昇工程において、新気温度の低下によりノッキングが発生する当量比の上限界値は上昇するので、当量比の上昇量を、新気温度の低下量に対する前記上限界値の上昇量よりも大きく設定するのである。
そして、さらに、このような当量比上昇工程を実行して、出力の上昇を行う間において、前記ノッキング開始が検出される毎に、前記新気温度低下工程、又は当量比を予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させる当量比低下工程を実行する。すると、新気の温度低下、又は混合気の当量比低下によって、ノッキングは発生しなくなり、引き続き、前記当量比上昇工程を行って、新気温度を低下させながら当量比を上昇させて、前のノッキングが発生したときよりも更に新気温度を低下させることにより当量比を上昇させることができ、予混合圧縮自着火エンジンの出力を上昇させることができるのである。
また、このように、前記当量比上昇工程において新気の温度を低下させながら、当量比を上昇させることで、予混合圧縮自着火エンジンの出力を目標の出力まで早期に上昇させることができる。また、ノッキング開始を検出する毎に、前記当量比低下工程を行う場合は、当量比上昇工程における当量比の上昇量が、前記当量比低下工程における当量比の低下量よりも大きくなるように、夫々の量及び当量比上昇工程における新気の温度の低下量が調整される。
従って、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法により、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に上昇させることができる。
【０００８】
〔構成３〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項３に記載したごとく、前記混合気の当量比を一定に保ちながら、前記新気の温度を上昇させる新気温度上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を低下させることを特徴とする。
【０００９】
〔構成４〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項４に記載したごとく、前記混合気の当量比を低下させながら、前記新気の温度を上昇させる新気温度上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程、又は前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を低下させることを特徴とする。
【００１０】
〔作用効果〕
本構成の混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、予混合圧縮自着火エンジンの出力を低下させるときに実施されるものである。
即ち、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、前記新気温度上昇工程を実行し、予混合圧縮自着火エンジンの燃焼室に吸気される新気の温度即ち圧縮自着火される混合気の温度を上昇させる。このような新気温度上昇工程においては、新気の温度上昇に伴って混合気が圧縮自着火するタイミングが早くなり、ノッキングが発生する。そして、そのノッキング開始が検出される毎に、前記当量比低下工程を実行して、ノッキングが若干発生している予混合圧縮自着火エンジンにおいて、燃焼室に形成され後に圧縮自着火される混合気の当量比を、予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させて前記予混合圧縮自着火エンジンの出力を低下させることができる。
よって、予混合圧縮自着火エンジンを運転するに、前記新気温度上昇工程において、前記当量比低下工程を実行することで、ノッキング開始が検出される付近の状態で、エンジンの出力を低下させることができるので、高効率を維持することができる。
また、前記新気温度上昇工程において、繰り返し前記当量比低下工程を実行することで、予混合圧縮自着火エンジンを高効率に保ちながら、徐々に当量比を低下させて、大幅に出力を低下させることができる。
【００１１】
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、前記新気温度上昇工程において、当量比を若干低下させながら、新気の温度を上昇させて、新気の温度のみを上昇させるときと比較して、ノッキングの発生を遅らせることができる。また、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法における前記新気温度上昇工程においては、後に必ずノッキングが発生するように行われ、詳しくは、新気温度上昇昇工程において、新気温度の上昇によりノッキングが発生する当量比の上限界値は低下するので、当量比の低下量を、新気温度の上昇量に対する前記上限界値の低下量よりも小さく設定するのである。
そして、さらに、このような新気温度上昇工程を実行して、出力の上昇を行う間において、前記ノッキング開始が検出される毎に、前記当量比低下工程、又は新気の温度を予め設定された所定量又はノッキングが検出されなくなるまでの所定量低下させる新気温度低下工程を実行する。すると、当量比低下、又は新気の温度低下によって、ノッキングは発生しなくなり、引き続き、前記新気温度上昇工程を行って、新気温度を上昇させながら当量比を低下させて、予混合圧縮自着火エンジンの出力を低下させることができるのである。
また、このように、前記新気温度上昇工程において当量比を低下させながら、新気の温度を上昇させることで、予混合圧縮自着火エンジンの出力を目標の出力まで早期に低下させることができる。また、ノッキング開始を検出する毎に、前記新気温度低下工程を行う場合は、新気温度上昇工程における新気の温度の上昇量が、前記新気温度低下工程における新気の温度の低下量よりも大きくなるように、夫々の量及び新気温度上昇工程における当量比の低下量が調整される。
従って、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法により、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に低下させることができる。
【００１２】
〔構成５〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項５に記載したごとく、吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記新気の温度を調整可能な新気温度調整手段と、
前記混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段と、
前記エンジンのノッキングの発生を検出するノッキング検出手段とを備え、
前記新気温度調整手段及び前記当量比調整手段を働かせ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出されるまで、前記混合気の当量比のみを上昇させ、又は前記新気の温度の低下を伴って前記混合気の当量比を上昇させ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記新気の温度を所定量低下させて、出力を上昇させる、或いは、前記新気温度調整手段及び前記当量比調整手段を働かせ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出されるまで、前記新気の温度のみを上昇させ、又は前記混合気の当量比の低下を伴って前記新気の温度を上昇させ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記混合気の当量比を所定量低下させて、出力を低下させる出力調整手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、本構成のごとく、過給機によって圧縮され温度上昇した新気を冷却する冷却器若しくは新気を加熱する加熱器等の新気の冷却若しくは加熱量を調整するように構成された前記新気温度調整手段と、吸気路若しくは燃焼室に燃料を供給する燃料供給手段等の前記燃料の供給量を調整するように構成された前記当量比調整手段とが設けられ、さらに、当量比の過剰上昇若しくは新気温度の過剰上昇により発生するノッキングを検出するノッキング検出手段が設けられている。
そして、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、エンジンの出力を調整する前記出力調整手段が設けられており、前記出力調整手段により、ノッキングを検出するタイミングで、前記当量比の上昇及び前記新気温度の低下、又は前記新気温度の上昇及び前記当量比の低下を交互に実行して、エンジンの出力を上昇若しくは低下させることができる。即ち、出力調整手段は、前記出力を上昇させるに、前記ノッキング検出手段により前記ノッキング開始が検出されるまで、当量比のみを上昇させ、又は新気温度の若干の低下を伴って当量比を上昇させ、ノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記新気温度調整手段により前記新気の温度を所定量低下させる。逆に、出力調整手段は、前記出力を低下させるに、前記ノッキング検出手段により前記ノッキング開始が検出されるまで、新気温度のみを上昇させ、又は当量比の若干の低下を伴って新気温度を上昇させ、ノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記当量比調整手段により前記当量比を所定量低下させる。このような出力調整手段によりエンジンの出力を調整することで、高効率であるノッキングが発生する直前の状態で、徐々に当量比を上昇若しくは低下させて、大幅に出力を調整することができる。
従って、高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に調整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。
尚、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、前記構成１から４の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法を実施することができるので、同様の作用効果を発揮することができる。
【００１４】
〔構成６〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項６に記載したごとく、上記構成５の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記当量比調整手段が、間欠的に行われる燃料供給のデューティー比調整を行う手段であることを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの当量比調整手段は、前記出力調整手段により調整され、当量比を段階的に上昇若しくは低下させるものであるが、吸気路若しくは燃焼室に燃料を供給する燃料供給手段等の燃料の供給を連続的なものとして、その燃料の流量を段階的に調整するように構成すると、燃料流量を上昇若しくは低下させて、瞬時に且つ安定して、当量比を目標値に調整することが困難であり、例えば出力を上昇させるためにノッキングが検出されるまで当量比を上昇させるとき、ノッキングが検出されても当量比がそれ以上に上昇してノッキングがさらに悪化し、エンジンの効率低下の原因となる。
そこで、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、前記当量比調整手段を本構成のごとく構成することで、燃料を間欠的に供給する燃料供給手段等に対して、そのデューティー比を調整することで、前記当量比を安定して調整することができ、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ノッキングの発生を抑制しながら高効率で出力を調整することができる。
【００１６】
〔構成７〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項７に記載したごとく、上記構成５又は６の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記新気温度調整手段が、間欠的に行われる新気に対する加熱又は冷却のデューティー比調整を行う手段であることを特徴とする。
【００１７】
〔作用効果〕
本発明の予混合圧縮自着火エンジンの新気温度調整手段は、前記出力調整手段により調整され、新気の温度を段階的に上昇若しくは低下させるものであるが、過給機によって圧縮され温度上昇した新気を冷却する冷却器若しくは新気を加熱する加熱器等の冷却若しくは加熱を連続的なものとして、その冷却量若しくは加熱量を段階的に調整するように構成すると、新気の温度を上昇若しくは低下させて、瞬時に且つ安定して、新気の温度を目標値に調整することが困難となり、例えば出力を低下させるためにノッキングが検出されるまで新気の温度を上昇させるとき、ノッキングが検出されても新気の温度がそれ以上に上昇してノッキングがさらに悪化し、エンジンの効率低下の原因となる。
そこで、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいては、前記新気温度調整手段を本構成のごとく構成することで、新気を間欠的に冷却若しくは加熱する冷却器若しくは加熱器等に対して、そのデューティー比を調整することで、前記新気の温度を安定して調整することができ、本発明の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ノッキングの発生を抑制しながら高効率で出力を調整することができる。
【００１８】
【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及びその運転方法に関する実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す予混合圧縮自着火エンジン１００は、過給機１８によって圧縮され吸気路１１を流れる空気に、燃料供給手段としての燃料ノズル１５によって天然ガス系都市ガスである燃料ガスを供給して混合気を形成し、形成された混合気を吸気弁１を介してシリンダ３内に形成された燃焼室７に吸気し、燃焼室７において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（図示せず）の回転出力として得るものである。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。
【００１９】
燃料ノズル１５は、燃料ガスの流路を周期的に開閉し、吸気路１１の空気に燃料ガスを間欠的に供給するものであり、制御装置３０には当量比調整手段３２が設けられ、当量比調整手段３２は、クランク軸の回転数等から吸気路に流通する空気流量を検出しながら、燃料ノズル１５のデューティー比を調整して、燃焼室７に吸気される混合気の当量比を調整可能に構成されている。
【００２０】
また、予混合圧縮自着火エンジン１００には、吸気路１１の過給機１８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に流通する空気との熱交換を行い圧縮され昇温した空気を冷却する冷却器１６が設けられている。さらに、冷却器１６に流通する冷却水の流路を周期的に開閉する開閉弁１７が設けられており、開閉弁１７により冷却器１６に冷却水が間欠的に供給され、吸気路１１の空気は間欠的に冷却される。そして、制御装置３０には新気温度調整手段３１が設けられ、新気温度調整手段３１は、開閉弁１７の開閉動作のデューティー比を調整して、吸気路１１の空気の温度を調整可能に構成されている。
【００２１】
また、予混合圧縮自着火エンジン１００の燃焼室７の上方には、燃焼室７の圧力を検出する圧力センサ２０が設けられている。そして、制御装置３０にはノッキング検出手段３４が設けられ、ノッキング検出手段３４は、圧力センサ２０により検出される燃焼室７の圧力波形に、高周波数の振動成分が付加されたときに、ノッキングの発生を検出するように構成されている。
【００２２】
さらに、制御装置３０には本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の特徴構成の１つである出力調整手段３３が設けられており、出力調整手段３３は、ノッキング検出手段３４によりノッキングを検出しながら、新気温度調整手段３１及び当量比調整手段３２を働かせ、空気の温度及び混合気の当量比を交互に上昇若しくは低下させ、エンジン１００の出力を調整するように構成されている。
【００２３】
即ち、本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の運転方法は、図２に示すように、出力調整手段３３により当量比を初期当量比から目標当量比まで上昇させ出力を上昇させる場合、先ず出力調整手段３３は、当量比上昇工程を実行し、ノッキング検出手段３４によりエンジン１００のノッキング開始が検出されるまで、当量比調整手段３２を働かせて、前記燃料ノズル１５のデューティー比を増加させ、燃焼室７に吸気される混合気の当量比を上昇させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００は若干ノッキングが発生している状態となる。
次に、出力調整手段３３は、新気温度低下工程を実行し、新気温度調整手段３１を働かせて、開閉弁１７の開閉動作のデューティー比を予め設定してある所定量増加させ、冷却器１６における空気の冷却量を増加させて、後に燃料ガスが供給され燃焼室７に吸気される空気の温度を低下させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００はノッキングを発生せずに高効率で運転することになる。
そして、当量比が目標当量比となるまで上記の当量比上昇工程及び新気温度低下工程とを繰り返して実行するのである。
このように予混合圧縮自着火エンジン１００において出力を上昇させることで、エンジンの状態をノッキングが発生する直前の高効率状態に維持しながら、燃焼室７に吸気される混合気の温度を低下させて一層効率を向上させることができる。
【００２４】
また、このように出力を上昇させるべく、上記の当量比上昇工程において当量比を上昇させるときに、前記新気温度調整手段３１により燃焼室７に吸気される空気の温度を若干量低下させても構わず、目標当量比までの時間を短縮することができる。このように当量比上昇工程において空気の温度も低下させる場合において、空気の温度の低下量が当量比の上昇量と比較して大きすぎると、ノッキング開始を検出することができず、さらに、混合気の不完全燃焼の原因となるので、このときの空気の温度の低下量は、後にノッキングが発生する程度に比較的小さく設定される。
【００２５】
一方、本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の運転方法は、図３に示すように、出力調整手段３３により当量比を初期当量比から目標当量比まで低下させ出力を低下させる場合、先ず出力調整手段３３は、新気温度上昇工程を実行し、ノッキング検出手段３４によりエンジン１００のノッキング開始が検出されるまで、新気温度調整手段３１を働かせて、開閉弁１７の開閉動作のデューティー比を減少させ、冷却器１６における空気の冷却量を減少させて、燃焼室７に吸気される空気の温度を上昇させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００は若干ノッキングが発生している状態となる。
次に、出力調整手段３３は、当量比低下工程を実行し、当量比調整手段３２を働かせて、前記燃料ノズル１５のデューティー比を減少させ、燃焼室７に吸気される混合気の当量比を低下させる。このとき、予混合圧縮自着火エンジン１００はノッキングを発生せずに高効率で運転することになる。
そして、当量比が目標当量比となるまで上記の新気温度上昇工程及び当量比低下工程とを繰り返して実行するのである。
このように予混合圧縮自着火エンジン１００において出力を低下させることで、エンジンの状態をノッキングが発生する直前の高効率状態に維持しながら高効率で運転することができる。
【００２６】
また、このように出力を低下させるべく、上記の新気温度上昇工程において、新気温度を上昇させるときに、前記当量比調整手段３２により燃焼室７に形成される混合気の当量比を若干量低下させても構わず、目標当量比までの時間を短縮することができる。このように新気温度上昇工程において当量比も低下させる場合において、当量比の低下量が新気温度の上昇量と比較して大きすぎると、ノッキング開始を検出することができず、さらに、混合気の不完全燃焼の原因となるので、このときの当量比の低下量は、後にノッキングが発生する程度に比較的小さく設定される。
【００２７】
次に、上記の実施の形態で説明してきた本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの図示効率及び出力の変化範囲（当量比の変化範囲）を実験により求めた結果を以下に示す。
尚、本実験で使用した本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００の仕様は、以下の通りである。
シリンダ内径：１１０ｍｍ
ピストンストローク：１０６ｍｍ
気筒数：１
圧縮比：１７
過給圧：１２５〜１５０ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ）
燃料：都市ガス１３Ａ
【００２８】
本実験の結果、本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいては、当量比が０．２６程度（新気温度１７０℃程度）から０．４６程度（新気温度１００℃程度）までの広範囲において、出力を変化させることができ、このときの図示熱効率は４７％（当量比０．２６）から５０％（当量比０．４６）と高効率であることが確認でき、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは高い熱効率を維持した状態で出力を大幅に調整することができるといえる。
【００２９】
〔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。
【００３０】
〈２〉 前記混合気を形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含有ガス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。
【００３１】
〈３〉 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混合気を、吸気路１１において、燃料ノズル１５により空気に燃料ガスを供給し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、空気のみを燃焼室に吸気し、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混合気を形成し、この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。
【００３２】
〈４〉 上記の実施の形態において、本発明の予混合圧縮自着火エンジンを所謂、４サイクルエンジンとして構成したが、勿論本発明の予混合圧縮自着火エンジンは２サイクルエンジンとしての構成することができる。
【００３３】
〈５〉 上記の実施の形態において、前記新気温度調整手段３１を冷却器１６の冷却量を調整して新気（空気）の温度を調整する構成を説明したが、別に、吸気路１１に排ガスの熱若しくは電力によって新気を加熱するヒータを設け、新気温度調整手段をそのヒータの新気の加熱量を調整し、新気の温度を調整するように構成しても構わない。
【００３４】
〈６〉 上記の実施の形態において、当量比調整手段３２及び新気温度調整手段３１を、燃料ノズル１５及び開閉弁１７の間欠動作のデューティー比を調整して当量比及び新気温度を調整するように構成したが、別に燃料ノズル１５を開閉弁１７を燃料及び冷却水の流量を連続的に調整可能に構成し、その流量を調整することで、前記当量比及び新気温度を調整しても構わない。
【００３５】
【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】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法の当量比及び新気温度の調整状態を示すグラフ図
【図３】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの運転方法の当量比及び新気温度の調整状態を示すグラフ図
【符号の説明】
１ 吸気弁
２ 排気弁
３ シリンダ
４ ピストン
５ 連結棒
７ 燃焼室
１１ 吸気路
１２ 排気路
１５ 燃料ノズル
１６ 冷却器
１７ 開閉弁
１８ 過給機
２０ 圧力センサ
３０ 制御装置
３１ 新気温度調整手段
３２ 当量比調整手段
３３ 出力調整手段
３４ ノッキング検出手段
１００ 予混合圧縮自着火エンジン
Claims (7)
- 吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法であって、
前記新気の温度を一定に保ちながら前記混合気の当量比を上昇させる当量比上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程を実行し、前記エンジンの出力を上昇させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - 吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法であって、
前記新気の温度を低下させながら前記混合気の当量比を上昇させる当量比上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程、又は前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を上昇させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - 吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法であって、
前記混合気の当量比を一定に保ちながら、前記新気の温度を上昇させる新気温度上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を低下させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - 吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法であって、
前記混合気の当量比を低下させながら、前記新気の温度を上昇させる新気温度上昇工程において、前記エンジンのノッキング開始の検出毎に、前記新気の温度を所定量低下させる新気温度低下工程、又は前記混合気の当量比を所定量低下させる当量比低下工程を実行し、前記エンジンの出力を低下させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。 - 吸気路の新気を燃焼室に吸気し、前記燃焼室に形成された混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火エンジンであって、
前記新気の温度を調整可能な新気温度調整手段と、
前記混合気の当量比を調整可能な当量比調整手段と、
前記エンジンのノッキングの発生を検出するノッキング検出手段とを備え、
前記新気温度調整手段及び前記当量比調整手段を働かせ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出されるまで、前記混合気の当量比のみを上昇させ、又は前記新気の温度の低下を伴って前記混合気の当量比を上昇させ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記新気の温度を所定量低下させて、出力を上昇させる、或いは、前記新気温度調整手段及び前記当量比調整手段を働かせ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出されるまで、前記新気の温度のみを上昇させ、又は前記混合気の当量比の低下を伴って前記新気の温度を上昇させ、前記ノッキング検出手段によりノッキング開始が検出される毎に、少なくとも前記混合気の当量比を所定量低下させて、出力を低下させる出力調整手段を備えた予混合圧縮自着火エンジン。 - 前記当量比調整手段が、間欠的に行われる燃料供給のデューティー比調整を行う手段である請求項５に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
- 前記新気温度調整手段が、間欠的に行われる新気に対する加熱又は冷却のデューティー比調整を行う手段である請求項５又は６に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
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