JP4484809B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される混合気が流通する吸気路と、前記吸気路に燃料ガスを所定の供給圧で供給して前記混合気を形成する混合部とを備えたエンジンに関する。

燃料として気体の燃料ガスを用いたエンジンにおいて、吸気路において脈動している空気に対して、混合部から所定の供給圧で燃料ガスを供給することにより、吸気路に、高当量比の濃混合気と、低当量比の淡混合気とからなる濃淡分布が形成される。

即ち、吸気路において空気の流れが停止している時期、即ち吸気行程以外の時期に、混合部から吸気路に燃料ガスが供給されると、空気に対する燃料ガスの供給量が多くなることから上記濃混合気が形成され、一方、吸気路において空気が流れている時期、即ち吸気行程の時期に、混合部から吸気路に燃料ガスが供給されると、空気に対する燃料ガスの供給量が少なくなることから上記淡混合気が形成される。結果、吸気路には、燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積に相当する間隔で、上記濃混合気と上記淡混合気とからなる濃淡分布が出現する状態となる（例えば、特許文献１を参照。）。

従来、燃焼室において、上部の点火プラグ付近の点火領域には濃混合気を存在させ、その他の否点火領域には淡混合気を存在させて、点火領域の濃混合気を点火プラグにより容易に点火して燃焼させ、その安定した燃焼により淡混合気を燃焼させる所謂成層燃焼を行うエンジンが知られている。
かかる成層燃焼を行うエンジンは、例えば燃焼室で燃焼される混合気の全体的な当量比を低くした場合において、濃混合気の安定した燃焼により、確実に淡混合気を燃焼させて、安定した燃焼状態を実現でき、ＣＯ（一酸化炭素）及びＴＨＣ（未燃炭化水素）の排出を抑制することができる。

また、従来、燃焼室全体に、当量比が略均質な均質混合気を存在させ、その均質混合気を点火プラグにより点火して燃焼させる所謂均質燃焼を行うエンジンが知られている。
かかる均質燃焼を行うエンジンは、例えば燃焼室で燃焼される混合気の全体的な当量比を高くした場合において、一部の混合気の当量比が過剰に高くなることを防止して、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出を抑制することができる。

特開２００４−２９３３００号公報

しかしながら、燃料として天然ガス等の気体の燃料ガスを用い、吸気路に濃淡分布を有する混合気が形成されるエンジンにおいて、その濃淡分布を良好に維持すると共に濃混合気を燃焼室上部の点火領域に偏在させる状態で、その混合気を燃焼室に吸気して、成層燃焼を行うための簡単且つ適当な技術は確立されていない。
また、同エンジンにおいて、その濃淡分布を解消して均質化した状態で、燃焼室に混合気を吸気して、均質燃焼を行うための簡単且つ適当な技術についても確立されていない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料として気体の燃料ガスを用いたエンジンにおいて、脈動している空気に対して混合部から所定の供給圧から前記吸気路に燃料ガスを供給することにより、吸気路に濃淡分布を有する混合気を形成する場合において、その濃淡分布の状態を簡単且つ適切にコントロールした状態で、その混合気を燃焼室に吸気して、適宜、上述した成層燃焼や上述した均質燃焼を行うことができる技術を確立する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される混合気が流通する吸気路と、前記吸気路に燃料ガスを所定の供給圧で供給して前記混合気を形成する混合部とを備えたエンジンであって、その第１特徴構成は、前記吸気路において前記混合部から前記燃焼室の入口までの容積を混合気経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記混合気経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を吸気経路割合とし、
前記混合部として、前記吸気経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２未満の範囲内となる成層燃焼用混合部を備え、前記成層燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して成層燃焼を行うように構成された点にある。

上記第１特徴構成によれば、吸気路において、上記のような吸気経路割合を有する成層燃焼用混合部を設け、その成層燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給することで、その濃淡分布を良好に維持すると共に濃混合気を燃焼室上部の点火領域に偏在させる状態で、その混合気を燃焼室に吸気して、成層燃焼を行い、安定した燃焼状態を実現でき、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。

即ち、上記吸気経路割合が、０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２未満の範囲内である成層燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給すると、吸気路において空気の流れが停止している時期、即ち吸気行程以外の時期に、混合部付近に形成された混合気の濃淡分布における濃混合気の多くは、新気流の影響が比較的少ない吸気行程の後期に燃焼室に吸気されることになるので、その濃混合気の拡散を抑制した状態でその混合気を燃焼室に吸気すると共に、吸気行程の後期に燃焼室に吸気される濃混合気を燃焼室上部の点火領域に偏在させることができる。
よって、例えば燃焼室で燃焼される混合気の全体的な当量比を低くした場合でも、点火領域の濃混合気を点火プラグにより容易に点火して燃焼させ、その安定した燃焼により淡混合気を燃焼させる所謂成層燃焼を行って、安定した燃焼状態を実現でき、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。

また、成層燃焼用混合部の吸気経路割合を０．５以上且つ１．０未満の範囲内とすれば、成層燃焼用混合部付近に形成された混合気の濃淡分布における濃混合気の多くを、次の吸気行程という非常に短い時間で燃焼室に吸気することができるので、吸気路において濃混合気の拡散を一層抑制して、良好な成層燃焼を実現することができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記燃焼室から排出される排ガスを前記成層燃焼用混合部に供給される燃料ガスに混合するＥＧＲ手段を備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記ＥＧＲ手段により、燃焼室から排出される排ガスを、吸気路又は燃焼室に対して直接供給するのではなく、成層燃焼用混合部により吸気路に供給される前の燃料ガスに混合することから前記吸気路に燃料ガスと共に排ガスが高濃度な濃混合気と燃料ガスと共に排ガスが低濃度な淡混合気とからなる濃淡分布を有する混合気を、その濃混合気の拡散を抑制した状態で燃焼室に吸気して、燃焼室上部の点火領域に多くの排ガスが混合された濃混合気を偏在させることができる。
そして、このような混合気を成層燃焼させることで、点火領域に偏在する濃混合気に多くの排ガスが混合されているので、その濃混合気の比熱を増加させて燃焼温度の上昇を抑制し、ＮＯｘの排出を抑制することができ、一方、淡混合気には排ガスがあまり混合されていないので、その淡混合気の燃焼が排ガスにより阻害されることを抑制して、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、前記吸気路において前記混合部から前記燃焼室の入口までの容積を混合気経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記混合気経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を吸気経路割合とし、
前記混合部として、前記吸気経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２以上の範囲内となる均質燃焼用混合部を備え、前記均質燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して均質燃焼を行うように構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、吸気路において、上記のような吸気経路割合を有する均質燃焼用混合部を設け、その均質燃焼用混合部から吸気路に燃料ガスを供給することで、その濃淡分布を解消して均質化した状態で、燃焼室に混合気を吸気して、均質燃焼を行い、ＮＯｘの排出を抑制することができる。

即ち、上記吸気経路割合が０．５未満の範囲内又は１．０以上且つ１．５未満の範囲内である均質燃焼用混合部から吸気路に燃料ガスを供給すると、吸気路において空気の流れが停止している時期、即ち吸気行程以外の時期に、混合部付近に形成された混合気の濃淡分布における濃混合気の多くは、新気流の影響が比較的大きい吸気行程の初期に燃焼室に吸気されることになるので、その新気流により濃混合気の拡散が促進され、混合気を均質化した状態でその混合気を燃焼室に吸気することができる。
また、上記吸気経路割合が２．０以上の範囲内である均質燃焼用混合部から吸気路に燃料ガスを供給すると、均質燃焼用混合部付近に形成された混合気の濃淡分布における濃混合気の多くを、３サイクル以上先の吸気行程という非常に長い時間で燃焼室に吸気することができるので、吸気路において濃混合気の拡散を一層促進して、混合気を均質化した状態でその混合気を燃焼室に吸気することができる。
よって、例えば燃焼室で燃焼される混合気の全体的な当量比を高くした場合でも、その均質混合気を点火プラグにより点火して燃焼させる所謂均質燃焼を行って、一部の混合気の当量比が過剰に高くなることを防止して、ＮＯｘの排出を抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、前記燃焼室から排出される排ガスを前記均質燃焼用混合部に供給される燃料ガスに混合するＥＧＲ手段を備えた点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記ＥＧＲ手段により、燃焼室から排出される排ガスを、吸気路又は燃焼室に対して直接供給するのではなく、均質燃焼用混合部により吸気路に供給される前の燃料ガスに混合することから前記吸気路に燃料ガスと共に排ガスが高濃度な濃混合気と燃料ガスと共に排ガスが低濃度な淡混合気とからなる濃淡分布を有する混合気を、その濃混合気の拡散を促進して均質化した状態で燃焼室に吸気して、燃焼室に燃料ガスと共に排ガスが均質な混合気を形成することができる。
そして、このような混合気を均質燃焼させることで、燃焼室に存在する混合気に均質に排ガスが混合されているので、一部の混合気に混合される排ガスが過剰に薄くなることを防止して、ＮＯｘの排出を抑制しながら、一部の混合気に混合される排ガスが過剰に濃くなることを防止して、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、前記吸気路において前記混合部から前記燃焼室の入口までの容積を混合気経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記混合気経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を吸気経路割合とし、
前記混合部として、前記吸気経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２未満の範囲内となる成層燃焼用混合部と、前記吸気経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２以上の範囲内となる均質燃焼用混合部とを備え、
前記成層燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して成層燃焼を行う成層燃焼運転モードと、前記均質燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して均質燃焼を行う均質燃焼運転モードとを切り換える運転モード切換手段を備え、
前記燃焼室で燃焼する混合気の当量比に基づいて前記運転モード切換手段を制御する制御手段を備えた点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記成層燃焼用混合部と上記均質燃焼用混合部とを設けることから、上記第１乃至第４特徴構成と同様の作用効果を発揮することができ、更に、上記制御手段により、燃焼室で燃焼する混合気の当量比に基づいて運転モード切換手段を制御して上記成層燃焼運転モードと上記均質燃焼運転モードとを切り換えることで、当量比に合わせて適切な運転モードで運転を行うことができる。

本発明に係るエンジンの第６特徴構成は、上記第５特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記当量比が低い場合には前記運転状態切換手段を前記成層燃焼運転モードとし、前記当量比が高い場合には前記運転状態切換手段を前記均質燃焼運転モードとする点にある。

上記第６特徴構成によれば、上記制御手段は、燃焼室で燃焼される混合気の当量比が例えば設定値よりも低い場合には、上記運転モード切換手段により成層燃焼運転モードに切り換えて成層燃焼を行い、安定した燃焼状態を実現し、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。一方、上記制御手段は、燃焼室で燃焼される混合気の当量比が例えば設定値よりも高い場合には、上記運転モード切換手段により均質燃焼運転モードに切り換えて均質燃焼を行い、一部の混合気の当量比が過剰に高くなることを防止して、ＮＯｘの排出を抑制することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
エンジンには、図１等に示すように、シリンダ３の内面とシリンダヘッド４の下面とピストン５の頂面とで規定され、上部に点火プラグ２を有する燃焼室１と、吸気弁６を介して接続され、燃焼室１に吸気される混合気Ｍが流通する吸気路８と、燃焼室１に排気弁７を介して接続され、燃焼室１から排出された排ガスＥが流通する排気路９とが設けられている。

また、ピストン５は、連結棒（図示せず）に揺動自在に連結されており、ピストン５の往復動はその連結棒によって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。

吸気路８を流通する空気Ａは、適宜過給機等により過給された後に、混合部１１により天然ガス等の気体の燃料ガスＧが供給されて混合気Ｍが形成され、その混合気Ｍが燃焼室１に吸気される。

そして、燃焼室１に吸気された混合気Ｍは、ピストン５の上昇により圧縮された後に、点火プラグ２により火花点火されて燃焼する。

混合部１１は、燃料ガス供給路１２から所定の供給圧で供給された燃料ガスＧを、吸気路８における空気Ａの流れ方向に直交する方向に供給する開口部として形成されている。尚、上記燃料ガスＧの供給圧は、吸気路８の圧力よりも若干高い圧力として設定される。

更に、吸気路８には、該吸気路８を縮径させたベンチュリ構造を有するミキサ１０が設けられ、そのミキサ１０に混合部１１が設けられている。即ち、吸気路８を流通する空気Ａが上記ミキサ１０を高速で通過することで、そのミキサ１０に設けられた混合部１１においてベンチュリ効果としての安定した圧力低下現象が発生することから、そのミキサ１０を通過する空気Ａに混合部１１から良好に燃料ガスＧを供給して、混合気Ｍを形成し易くなる。

一方、吸気路８を流通する空気Ａの流通状態は、吸気弁６の開閉動作に伴って、サイクル周期で周期的に変動する。即ち、吸気路８において、吸気弁６が開状態となる吸気行程においては、空気Ａが燃焼室１に吸い込まれて圧力が低下し、それ以外の行程においては、空気Ａが吸い込まれずに圧力が低下しないという、脈動が発生する。

よって、混合部１１付近の圧力は、上記吸気路８における空気Ａの脈動と同期して変化し、具体的には、最も空気Ａの流速が大きい吸気行程の中期において、上記混合部１１付近の圧力が最も低下することになる。

そして、上記混合部１１から吸気路８への燃料ガスＧの供給量は、上記のような空気Ａの脈動により、サイクル周期で周期的に変化することになる。特に、吸気弁６が閉状態となり吸気路８における空気Ａの流れが停止した瞬間には、燃料ガスＧの流れにおける慣性により、空気Ａに対して多くの燃料ガスＧが供給されることになる。よって、吸気路８には、前記吸気路８に燃料ガスＧが他の部分よりも濃い高当量比の濃混合気Ｒと、その濃混合気よりも燃料ガスＧが薄い低当量比の淡混合気Ｌとが、流れ方向に沿って燃焼室１における１サイクルあたりの吸気容積に相当する間隔で交互に発現する所謂濃淡分布を有する混合気が形成されることになる。そして、吸気路８の次の吸気行程において燃焼室１に吸気される混合気Ｍが存在する吸気領域ＩＡの一部には、１つの濃混合気Ｒが偏在することになる。

更に、このエンジンは、詳細については後述するが、混合部１１として、吸気路８において適切に配置された成層燃焼用混合部１１Ａや均質燃焼用混合部１１Ｂを設けて、成層燃焼用混合部１１Ａから吸気路８に燃料ガスＧを供給して成層燃焼を行うように構成したり、均質燃焼用混合部１１Ｂから吸気路８に燃料ガスＧを供給して均質燃焼を行うように構成されている。
以下、成層燃焼を行う場合のエンジン構成としての第１及び第２実施形態、及び、均質燃焼を行う場合のエンジン構成としての第３及び第４及び第５実施形態について説明する。
尚、以下の説明において、吸気路８において混合部１１から燃焼室１の入口までの容積を混合気経路容積（ＶＬ）、燃焼室１における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積（ＶＧ）、その混合気経路容積（ＶＬ）の１サイクル吸気容積（ＶＧ）に対する割合を吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）と呼ぶ。また、上記１サイクル吸気容積（ＶＧ）は、吸気路８の次の吸気行程において燃焼室１に吸気される混合気Ｍが存在する吸気領域ＩＡの容積に相当し、エンジンの排気量（燃焼室の最大容積と最小容積との差）と充填効率との積として求められる。

〔第１実施形態〕
第１実施形態として、図１に示す成層燃焼を行う場合のエンジン構成について説明する。

図１に示すエンジンは、混合部１１として、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内となる成層燃焼用混合部１１Ａを備え、その成層燃焼用混合部１１Ａから吸気路８に燃料ガスＧを供給して吸気路８に濃淡分布を有する混合気Ｍを形成するように構成されている。

即ち、図１（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃混合気Ｒの位置が、上記のように設定された成層燃焼用混合部１１Ａの位置、即ち、次の吸気行程で吸気される混合気Ｍが存在する吸気領域ＩＡの後端側の位置となる。
そして、その濃混合気Ｒは、図１（ｂ）に示すように、空気Ａの流れが強くなる吸気行程の中間時期（９０°ＡＴＤＣ）においては未だ燃焼室１に吸気されず、図１（ｃ）に示すように、空気Ａの流れが弱くなる吸気行程の終了時期（ＢＤＣ）よりも少し前の時期に燃焼室１に吸気されることになる。
よって、濃混合気Ｒの拡散が抑制され、燃焼室１上部の点火領域に濃混合気Ｒを偏在させた状態で、混合気Ｍは燃焼室１に吸気されることになる。
即ち、その点火領域に偏在する濃混合気Ｒを点火プラグ２により容易に点火して燃焼させて、その安定した燃焼により濃混合気Ｒの周辺に存在する淡混合気Ｌを燃焼させる所謂成層燃焼を行うことができ、例えば燃焼室１で燃焼される混合気Ｍの全体的な当量比を低くした場合においても、安定した燃焼状態を実現できる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態として、図２に示す成層燃焼を行う場合のエンジン構成について説明する。
図２に示すエンジンは、混合部１１として、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．５以上且つ２．０未満の範囲内となる成層燃焼用混合部１１Ａを備え、その成層燃焼用混合部１１Ａから前記吸気路８に燃料ガスＧを供給して吸気路８に濃淡分布を有する混合気Ｍを形成するように構成されている。

即ち、図２（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃混合気Ｒの位置が、上記のように設定された成層燃焼用混合部１１Ａの位置となることから、２サイクル先の吸気行程の開始時期には、上記第１実施形態と同様に、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内となる位置、即ち、即ち吸気領域ＩＡの後端側の位置となる。

よって、図２に示すエンジンにおいても、濃混合気Ｒの拡散が抑制され、燃焼室１上部の点火領域に濃混合気Ｒを偏在させた状態で、混合気Ｍは燃焼室１に吸気されることになるので、成層燃焼を行うことができる。

上記第１及び第２実施形態のエンジンのＮＯｘ排出量及び燃焼安定度について、図３及び図４に基づいて説明する。
図３を参照して、当量比が０．６２５程度と比較的低い場合（言い換えれば、空気比が１．６程度と比較的高い場合）には、上記第１及び第２実施形態のエンジンの如く、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２未満の範囲内となる成層燃焼用混合部１１Ａから吸気路８に燃料ガスＧを供給して成層燃焼を行うことで、当量比が低いことからＮＯｘの排出量を許容範囲内（図に示す二重線部以下（例えば５００ｐｐｍ以下））に抑制しながら、成層燃焼を行うことにより燃焼安定度を許容範囲内（図に示す二重線部以下（例えば平均有効圧力の変動率（ＣＯＶ）が３％以下））に抑制することができる。

更に、第１実施形態のエンジンと第２実施形態のエンジンとを比較すると、第１実施形態のエンジンの方が、成層燃焼用混合部１１Ａの位置が燃焼室１に近いことから、濃混合気Ｒの拡散を一層抑制でき好ましい成層燃焼を実現できると考えられる。
即ち、図４を参照して、当量比を０．５８８程度と更に低くする場合（言い換えれば、空気比を１．７程度と更に高くする場合）には、上記第１実施形態の如く、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内となる成層燃焼用混合部１１Ａから吸気路８に燃料ガスＧを供給して成層燃焼を行うことで、好ましい成層燃焼を行うことにより燃焼安定度を許容範囲内に抑制することができる。

また、これら第１及び第２実施形態の成層燃焼を行うエンジンには、排気路９と燃料ガス供給路１２とを接続するＥＧＲ路１５Ａが設けられている。

即ち、このＥＧＲ路１５Ａは、燃焼室１から排出される排ガスＥの一部を吸気路８に還流するＥＧＲ手段として機能すると共に、排ガスＥを成層燃焼用混合部１１Ａに供給される燃料ガスＧに混合するように構成される。
よって、成層燃焼用混合部１１Ａに形成された濃混合気Ｒは、燃料ガスＧと共に排ガスＥが高濃度な状態となり、一方、淡混合気Ｌは燃料ガスＧと共に排ガスＥが低濃度な状態となる。

そして、このような混合気Ｍを燃焼室において成層燃焼させることで、濃混合気Ｒにおいては、高濃度の燃料ガスＧの燃焼による温度上昇を高濃度の排ガスＥにより十分に抑制して、濃混合気Ｒの燃焼によるＮＯｘの排出を抑制することができ、一方、淡混合気Ｌにおいては、低濃度の燃料ガスＧの燃焼を排ガスＥにより阻害される抑制して安定したものとすることができる。
また、ＥＧＲ路１５ＡにはＥＧＲ量調整弁１６Ａが設けられており、ＥＧＲ量調整弁１６Ａの開度を調整して燃料ガス供給路１２への排ガスＥの供給量であるＥＧＲ量を制御することができる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態として、図５に示す均質燃焼を行う場合のエンジン構成について説明する。
図５に示すエンジンは、混合部１１として、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が２．０以上の範囲内となる均質燃焼用混合部１１Ｂを備え、その均質燃焼用混合部１１Ｂから前記吸気路８に燃料ガスＧを供給して吸気路８に濃淡分布を有する混合気Ｍを形成するように構成されている。

即ち、図５（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃混合気Ｒの位置が、上記のように設定された均質燃焼用混合部１１Ｂの位置、即ち燃焼室１から十分に離間した位置となる。
そして、その濃混合気Ｒは、吸気路８において、３サイクル以上先の吸気行程の開始時期までに十分に拡散が促進されて、吸気領域ＩＡに到達することになるので、吸気領域ＩＡには比較的均質な混合気Ｍが存在することになる。よって、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、その均質な混合気Ｍが燃焼室１に吸気されることになる。
即ち、燃焼室１全体に、その均質な混合気Ｍを点火プラグ２により点火して燃焼させる所謂均質燃焼を行うことができ、例えば燃焼室１で燃焼される混合気Ｍの全体的な当量比を高くした場合においても、一部の混合気Ｍの当量比が過剰に高くなることによるＮＯｘの排出を抑制することができる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態として、図６に示す均質燃焼を行う場合のエンジン構成について説明する。
図６に示すエンジンは、混合部１１として、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５未満の範囲内となる均質燃焼用混合部１１Ｂを備え、その均質燃焼用混合部１１Ｂから前記吸気路８に燃料ガスＧを供給して吸気路８に濃淡分布を有する混合気Ｍを形成するように構成されている。

即ち、図６（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃混合気Ｒの位置が、上記のように設定された均質燃焼用混合部１１Ｂの位置、即ち、吸気領域ＩＡの前端側の位置となる。

そして、その濃混合気Ｒは、図６（ｂ）に示すように、空気Ａの流れが強くなる吸気行程の中間時期（９０°ＡＴＤＣ）において燃焼室１に吸気されて、その空気Ａの流れにより拡散を促進させることができるので、図６（ｃ）に示すように、燃焼室１に均質な混合気Ｍを吸気することができる。
即ち、上記第３実施形態と同様に、燃焼室１全体に、その均質な混合気Ｍを点火プラグ２により点火して燃焼させる所謂均質燃焼を行うことができる。

また、混合部１１として、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．０以上且つ１．５未満の範囲内となる均質燃焼用混合部１１Ｂを備え、その均質燃焼用混合部１１Ｂから前記吸気路８に燃料ガスＧを供給して吸気路８に濃淡分布を有する混合気Ｍを形成するように構成した場合でも、２サイクル先の吸気行程の開始時期には、上記第４実施形態と同様に、濃混合気Ｒの位置が吸気領域ＩＡの前端側の位置となることから、燃焼室１に均質な混合気Ｍを吸気して均質燃焼を行うことができる。

上記第３及び第４実施形態のエンジンのＮＯｘ排出量及び燃焼安定度について、図７に基づいて説明する。
図７を参照して、当量比が０．７１４程度と比較的高い場合（言い換えれば、空気比が１．４程度と比較的低い場合）には、上記第３及び第４実施形態のエンジンの如く、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２以上の範囲内となる均質燃焼用混合部１１Ｂから吸気路８に燃料ガスＧを供給して均質燃焼を行うことで、当量比が高いことから燃焼安定度を許容範囲内（図に示す二重線部以下（例えば平均有効圧力の変動率（ＣＯＶ）が３％以下））に抑制しながら、均質燃焼を行うことによりＮＯｘの排出量を許容範囲内（図に示す二重線部以下（例えば５００ｐｐｍ以下））に抑制することができる。

更に、第３実施形態のエンジンと第４実施形態のエンジンとを比較すると、第３実施形態のエンジンの方が、均質燃焼用混合部１１Ｂの位置が燃焼室１から遠いことから、濃混合気Ｒの拡散を一層促進でき好ましい均質燃焼を実現できると考えられる。

〔第５実施形態〕
第５実施形態として、図８に示す均質燃焼を行う場合のエンジン構成について説明する。
上述した第２実施形態のエンジン（図２を参照。）では、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．５以上且つ２．０未満の範囲内となる混合部１１が、成層燃焼用混合部１１Ａとして機能する場合について説明したが、このように吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１以上である混合部１１については、図８に示すように、吸気路８における混合部１１の下流側にスロットルバルブ１４などの濃混合気Ｒの拡散を促進するものが設置されている場合には、上記第２実施形態のような成層燃焼用混合部１１Ａではなく、上述した第３及び第４実施形態のように、燃焼室１全体に均質な混合気Ｍを形成するための均質燃焼用混合部１１Ｂとして機能する場合がある。

即ち、その均質燃焼用混合部１１Ｂから吸気路８に燃料ガスＧを供給して吸気路８に濃淡分布を有する混合気Ｍが形成される。そして、図８（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃混合気Ｒの位置が、上記のように設定された均質燃焼用混合部１１Ｂの位置、即ち燃焼室１から１．５サイクル以上離間した位置となる。
更に、この濃混合気Ｒは、吸気路８によりスロットルバルブ１４により縮径された部位を通過することで拡散が促進された状態（図８において濃混合気Ｒの範囲が拡大すると共にその濃度が薄くなる状態）で吸気領域ＩＡに到達することになるので、吸気領域ＩＡには比較的均質な混合気Ｍが存在することになる。よって、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、その均質な混合気Ｍが燃焼室１に吸気されることになる。
即ち、燃焼室１全体に、その均質な混合気Ｍを点火プラグ２により点火して燃焼させる所謂均質燃焼を行うことができ、例えば燃焼室１で燃焼される混合気Ｍの全体的な当量比を高くした場合においても、一部の混合気Ｍの当量比が過剰に高くなることによるＮＯｘの排出を抑制することができる。

また、これら第３及び第４及び第５実施形態の均質燃焼を行うエンジンには、排気路９と燃料ガス供給路１２とを接続するＥＧＲ路１５Ｂが設けられている。

即ち、このＥＧＲ路１５Ｂは、燃焼室１から排出される排ガスＥの一部を吸気路８に還流するＥＧＲ手段として機能すると共に、排ガスＥを均質燃焼用混合部１１Ｂに供給される燃料ガスＧに混合するように構成される。
よって、均質燃焼用混合部１１Ｂに形成された濃混合気Ｒは、燃料ガスＧと共に排ガスＥが高濃度な状態となり、一方、淡混合気Ｌは燃料ガスＧと共に排ガスＥが低濃度な状態となる。

しかしながら、上記濃混合気Ｒは燃焼室１に吸気されるまでにその拡散が促進されることから、燃焼室１に燃料ガスＧと共に排ガスＥが均質な混合気Ｍが形成される。
よって、この混合気Ｍを均質燃焼させることで、一部の混合気Ｍに混合される排ガスＥが過剰に薄くなることを防止して、ＮＯｘの排出を抑制しながら、一部の混合気Ｍに混合される排ガスＥが過剰に濃くなることを防止して、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。
また、ＥＧＲ路１５ＢにはＥＧＲ量調整弁１６Ｂが設けられており、ＥＧＲ量調整弁１６Ｂの開度を調整して燃料ガス供給路１２への排ガスＥの供給量であるＥＧＲ量を制御することができる。

上記実施形態では、成層燃焼と均質燃焼との何れかを行うようにエンジンを構成したが、成層燃焼と均質燃焼との両方を択一的に行うようにエンジンを構成しても構わない。以下、このように、成層燃焼と均質燃焼との両方を択一的に行うように構成したエンジン構成として、第６実施形態について説明する。

〔第６実施形態〕
図９に示すエンジンは、混合部１１として、上記第１実施形態のエンジンと同様に、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内となる成層燃焼用混合部１１Ａと、第３実施形態のエンジンと同様に、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が２．０以上の範囲内となる均質燃焼用混合部１１Ｂとを備える。

尚、成層燃焼用混合部１１Ａとして、第２実施形態のエンジンと同様に、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．５以上且つ２．０未満の範囲内となる成層燃焼用混合部１１Ａを備えても構わない。また、均質燃焼用混合部１１Ｂとして、第４実施形態のエンジンと同様に、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０以上且つ０．５未満の範囲内となる均質燃焼用混合部１１Ｂを備えても構わない。また、均質燃焼用混合部１１Ｂの直下流側にスロットルバルブが設けられている場合には、その均質燃焼用混合部１１Ｂとして、第５実施形態のエンジンと同様に、吸気経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．５以上且つ２．０未満の範囲内となる均質燃焼用混合部１１Ｂを備えても構わない。

更に、成層燃焼用混合部１１Ａに通じる燃料ガス供給路１２には、その成層燃焼用混合部１１Ａへの燃料ガスＧの供給を断続する開閉弁１３Ａが設けられ、一方、均質燃焼用混合部１１Ｂに通じる燃料ガス供給路１２には、その均質燃焼用混合部１１Ｂへの燃料ガスＧの供給を断続する開閉弁１３Ｂが設けられている。

そして、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は、開閉弁１３Ａを開状態とし開閉弁１３Ｂを閉状態として、成層燃焼用混合部１１Ａから吸気路８に燃料ガスＧを供給して成層燃焼を行う成層燃焼運転モードとし、一方、開閉弁１３Ａを閉状態とし開閉弁１３Ｂを開状態として、均質燃焼用混合部１１Ｂから吸気路８に燃料ガスＧを供給して均質燃焼を行う均質燃焼運転モードとする形態で、成層燃焼運転モードと均質燃焼運転モードとを切り換える運転モード切換手段３１として機能し、更に、燃焼室１で燃焼する混合気Ｍの当量比に基づいて運転モード切換手段３１を制御する制御手段３２として機能するように構成されている。

即ち、制御手段３２は、排気路９を流通する排ガスＥの酸素濃度を計測する酸素濃度センサ２０の計測結果から、上記燃焼室１で燃焼される混合気Ｍの全体的な当量比を検出し、その当量比が０．６等に設定された設定値未満と低い場合には、上記運転モード切換手段３１により成層燃焼運転モードに切り換えて成層燃焼を行って安定した燃焼状態を実現し、その当量比が上記設定値以上と高い場合には、上記運転モード切換手段３１により均質燃焼運転モードに切り換えて均質燃焼を行ってＮＯｘの排出を抑制するように構成されている。

尚、上記実施の形態では、成層燃焼用混合部１１Ａと均質燃焼用混合部１１Ｂとを別の混合部１１として設けたが、１つの混合部１１の位置を調整することにより、その混合部１１を成層燃焼用混合部１１Ａと均質燃焼用混合部１１Ｂとに択一的に機能させるように構成しても構わない。

尚、上記の実施の形態では、燃料ガスＧとして天然ガス系都市ガスを用いたが、燃料ガスＧとしては、天然ガス系都市ガス以外の気体燃料等を用いることもできる。

第１実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第２実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第１及び第２実施形態のエンジンのＮＯｘ排出量及び燃焼安定度を示す図 第１及び第２実施形態のエンジンのＮＯｘ排出量及び燃焼安定度を示す図 第３実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第４実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第３及び第４実施形態のエンジンのＮＯｘ排出量及び燃焼安定度を示す図 第５実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第６実施形態のエンジン構成を示す概略図

符号の説明

１：燃焼室
２：点火プラグ
６：吸気弁
８：吸気路
１１：混合部
１１Ａ：成層燃焼用混合部
１１Ｂ：均質燃焼用混合部
１５Ａ，１５Ｂ：ＥＧＲ路（ＥＧＲ手段）
３１：運転モード切換手段
３２：制御手段
Ｍ：混合気
Ｅ：排ガス

Claims (6)

1. 上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される混合気が流通する吸気路と、前記吸気路に燃料ガスを所定の供給圧で供給して前記混合気を形成する混合部とを備えたエンジンであって、
   前記吸気路において前記混合部から前記燃焼室の入口までの容積を混合気経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記混合気経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を吸気経路割合とし、
   前記混合部として、前記吸気経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２未満の範囲内となる成層燃焼用混合部を備え、前記成層燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して成層燃焼を行うように構成されたエンジン。
2. 前記燃焼室から排出される排ガスを前記成層燃焼用混合部に供給される燃料ガスに混合するＥＧＲ手段を備えた請求項１に記載のエンジン。
3. 上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される混合気が流通する吸気路と、前記吸気路に燃料ガスを所定の供給圧で供給して前記混合気を形成する混合部とを備えたエンジンであって、
   前記吸気路において前記混合部から前記燃焼室の入口までの容積を混合気経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記混合気経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を吸気経路割合とし、
   前記混合部として、前記吸気経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２以上の範囲内となる均質燃焼用混合部を備え、前記均質燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して均質燃焼を行うように構成されているエンジン。
4. 前記燃焼室から排出される排ガスを前記均質燃焼用混合部に供給される燃料ガスに混合するＥＧＲ手段を備えた請求項３に記載のエンジン。
5. 上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される混合気が流通する吸気路と、前記吸気路に燃料ガスを所定の供給圧で供給して前記混合気を形成する混合部とを備えたエンジンであって、
   前記吸気路において前記混合部から前記燃焼室の入口までの容積を混合気経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記混合気経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を吸気経路割合とし、
   前記混合部として、前記吸気経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２未満の範囲内となる成層燃焼用混合部と、前記吸気経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２以上の範囲内となる均質燃焼用混合部とを備え、
   前記成層燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して成層燃焼を行う成層燃焼運転モードと、前記均質燃焼用混合部から前記吸気路に燃料ガスを供給して均質燃焼を行う均質燃焼運転モードとを切り換える運転モード切換手段を備え、
   前記燃焼室で燃焼する混合気の当量比に基づいて前記運転モード切換手段を制御する制御手段を備えたエンジン。
6. 前記制御手段が、前記当量比が低い場合には前記運転状態切換手段を前記成層燃焼運転モードとし、前記当量比が高い場合には前記運転状態切換手段を前記均質燃焼運転モードとする請求項５に記載のエンジン。

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