JP6245965B2

JP6245965B2 - 火花点火式エンジン及びその運転制御方法

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Publication number: JP6245965B2
Application number: JP2013250221A
Authority: JP
Inventors: 大樹田中; 俊介染澤; 孝弘佐古
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: JP2015108298A

Description

本発明は、燃焼室に吸気される新気に炭化水素系の主燃料を混合して混合気を形成し、当該混合気を燃焼室で圧縮して点火プラグにより火花点火し燃焼させる火花点火式エンジン及びその運転制御方法に関する。

火花点火式エンジンの燃焼室では、ピストンの上昇により圧縮された混合気中で燃焼室の略中央に配置された点火プラグにより火花放電が行われることで火炎核が形成され、その火炎核を源とした火炎帯が混合気中を伝播し燃焼が進行する。このような火花点火による火炎伝播型の燃焼形態においては、火炎帯が比較的低温のシリンダ壁面に近づく火炎伝播後期において、当該シリンダ壁面の冷却作用により火炎帯が消炎することがある。更に、膨張行程では、体積増加に伴い燃焼室内の内部エネルギーが低下するために火炎帯の伝播が抑制される傾向にある。そのために、上記火炎伝播後期における火炎帯の消炎が助長される場合がある。そして、このような火炎伝播後期における火炎帯の消炎は、燃焼状態を不安定にしてエンジンのサイクル変動の悪化につながる。一方で、火炎伝播後期において、火炎帯の伝播方向前方の末端にある未燃混合気が急速に圧縮されて、火炎帯が到達する前に自己着火することによりノッキングが発生することがある。このようなノッキングが発生した際に生じる圧力波は構成部品の損傷の要因となる。

一方で、火花点火式エンジンにおいて、ＮＯｘ低減及び熱効率向上の目的で、燃焼室に排ガスを再循環させるＥＧＲを採用する場合がある（例えば、特許文献１及び２を参照。）。ＥＧＲを行えば、混合気の比熱が上昇するので、燃焼温度の上昇が抑制され、ＮＯｘの排出量が低減する。また、燃焼温度が低下すれば、シリンダ壁からの伝熱による熱損失が低減されるので、熱効率が向上する。また、このようなＥＧＲにおいて、エンジン負荷などの運転条件に基づいて燃焼室への排ガスの再循環率であるＥＧＲ率を制御する場合がある。

特開２００９−２９９６６４号公報特開平１０−３１８００５号公報

ＥＧＲを採用した火花点火式エンジンにおいて、ＥＧＲ率を制御するにあたり、ＥＧＲ率が増大しすぎると、大量の排ガスが新気に混入することで混合気中の酸素濃度が低下し、燃焼速度が低下する。燃焼速度の低下は、火炎伝播を不安定にし、エンジンのサイクル変動の悪化や失火につながる。特に、混合気に再循環される排ガスの分散状態によっては、燃焼室における混合気中の酸素濃度が空間的に不均一になり、結果、混合気の燃焼速度が空間的に不均一になって、燃焼室における燃焼状態が悪化する。そこで、従来技術では、ＥＧＲを行うにあたり、スワール、タンブル、スキッシュといった燃焼室の新気の流動に着目し、新気の流動を強化することで、燃焼速度の低下を抑制することが提案されているが、流動強化により点火プラグの冷却や火花放電の不安定化等の問題があり、その効果は限定的である。
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、ＥＧＲを採用した火花点火式エンジンにおいて、ＥＧＲ率調整手段を用いたＥＧＲ率制御を行うにあたり、合理的な構成で、ＥＧＲ率の増加に伴う燃焼状態の悪化を抑制することができる技術を提供する点にある。

この目的を達成するための本発明に係る火花点火式エンジンは、
燃焼室に吸気される新気に炭化水素系の主燃料を混合して混合気を形成し、当該混合気を燃焼室で圧縮して点火プラグにより火花点火し燃焼させる火花点火式エンジンであって、
その特徴構成は、
燃焼室への排ガスの再循環率であるＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ率調整手段と、
温度と着火遅れ時間との相関関係において酸素濃度の変動の影響がメタン及びブタンよりも少ないエタン及びプロパンの一方又は両方からなる特定炭化水素の混合気中の含有率である特定炭化水素含有率を調整可能な特定炭化水素含有率調整手段と、
運転条件に基づいて前記ＥＧＲ率調整手段を作動させてＥＧＲ率を制御するＥＧＲ率制御を実行する運転制御手段と、を備え、
前記特定炭化水素含有率調整手段が、燃焼室に対して添加量調整を伴って特定炭化水素を添加可能な特定炭化水素添加手段であり、
前記運転制御手段が、前記ＥＧＲ率制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加に伴って前記特定炭化水素含有率を増加させる形態で、前記ＥＧＲ率調整手段の状態に応じて前記特定炭化水素含有率調整手段を作動させて前記特定炭化水素含有率を変動させる特定炭化水素含有率制御を実行する点にある。

炭化水素系燃料の温度と着火遅れ時間は、通常、温度が低くなるほど着火遅れ時間が長くなるという相関関係を有するが、本発明者らは、炭化水素系燃料のうち、温度と着火遅れ時間との相関関係において酸素濃度の変動の影響がメタン及びブタンよりも少ないエタン及びプロパンの一方又は両方からなる特定炭化水素、より好ましくはエタンが、メタンやブタンなどの他の炭化水素と比較して、その温度と着火遅れ時間との相関関係において酸素濃度の変動の影響をほとんど受けないという特性を発見し、その特性を利用して本発明を完成するに至った。
即ち、本特徴構成によれば、ＥＧＲ率制御を実行して、エンジン負荷などの運転条件に基づいてＥＧＲ率を制御するにあたり、ＥＧＲ率の増加により燃焼状態が悪化する傾向にあったとしても、ＥＧＲ率の増加に伴う混合気中の酸素濃度の不均一化の影響をほとんど受けない特定炭化水素の混合気中の含有率である特定炭化水素含有率、より好ましくはエタンの混合気中の含有率であるエタン含有率を、ＥＧＲ率の増加に応じて増加させることで、ＥＧＲ率の増加に伴う燃焼状態の悪化を抑制することができる。
具体的には、ＥＧＲ率の増加に伴って特定炭化水素含有率を増加させる形態で、ＥＧＲ率調整手段の状態に応じて特定炭化水素含有率調整手段を作動させて特定炭化水素含有率を変動させる。すると、ＥＧＲ率を増加させた場合には、混合気中の特定炭化水素含有率が増加することから、混合気の燃焼速度の不均一化が抑制され、結果、燃焼状態の悪化を抑制することができる。
一方、ＥＧＲ率が減少又はＥＧＲの実行が停止された場合には、特定炭化水素含有率が減少することから、混合気中の特定炭化水素含有率を増加するためのコストを節約することができる。
更に、本特徴構成によれば、上記特定炭化水素添加手段により、燃焼室に対して特定炭化水素を添加すると共にその添加量を調整する形態で、燃焼室における混合気中の特定炭化水素含有率を調整することができる。
従って、本発明により、ＥＧＲを採用した火花点火式エンジンにおいて、ＥＧＲ率調整手段を用いたＥＧＲ率制御を行うにあたり、合理的な構成で、ＥＧＲ率の増加に伴う燃焼状態の悪化を抑制することができる技術を提供することができる。

本発明に係る火花点火式エンジンの更なる特徴構成は、
サイクル変動の悪化を検出するサイクル変動検出手段を備え、
前記運転制御手段が、前記特定炭化水素含有率制御において、前記サイクル変動検出手段で検出されるサイクル変動の悪化が抑制されるように前記特定炭化水素含有率調整手段を作動させて前記特定炭化水素含有率を変動させる形態で、前記特定炭化水素含有率を変動させる点にある。

本特徴構成によれば、特定炭化水素含有率制御において、ＥＧＲ率を直接把握して特定炭化水素含有率を変動させるのではなく、サイクル変動検出手段で検出されるサイクル変動の悪化を抑制する形態で特定炭化水素含有率を変動させることでも、ＥＧＲ率の増加に伴う燃焼状態の悪化を抑制することができる。
即ち、サイクル変動検出手段でサイクル変動の悪化を検出すれば、ＥＧＲ率が増加したと判断して、特定炭化水素含有率制御により混合気中の特定炭化水素含有率を増加させることで、燃焼状態の悪化を抑制することができる。

本発明に係る火花点火式エンジンの更なる特徴構成は、
前記運転制御手段が、前記ＥＧＲ率制御において、エンジン負荷に基づいて前記ＥＧＲ率を変動させる点にある。

本特徴構成によれば、ＥＧＲ率制御では、エンジン負荷に基づいてＥＧＲ率を変動させて、ＮＯｘ低減及び熱効率向上を図ることができる。
具体的には、要求トルクの増加等に伴って運転条件としてエンジン負荷を増加させる場合には、ＥＧＲ率を増加させることでエンジン負荷の増加による燃焼温度の過剰な上昇を抑制して、ＮＯｘの生成を抑制することができる。逆に、要求トルクの減少等に伴ってエンジン負荷を減少させる場合には、ＥＧＲ率を減少させることでエンジン負荷の減少による燃焼温度の過剰な低下を抑制して、熱効率の低下を抑制することができる。
また、エンジン負荷を減少させる場合に、ＥＧＲ率を増加させることで、吸入混合気量を増加させ、それに伴ってスロットルバルブの開度を拡大させて、ポンプ損失の低減を図ることもできる。

この目的を達成するための本発明に係る火花点火式エンジンの運転制御方法は、
燃焼室に吸気される新気に炭化水素系の主燃料を混合して混合気を形成し、当該混合気を燃焼室で圧縮して点火プラグにより火花点火し燃焼させる火花点火式エンジンの運転制御方法であって、
その特徴構成は、
前記火花点火式エンジンに、
燃焼室への排ガスの再循環率であるＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ率調整手段と、
温度と着火遅れ時間との相関関係において酸素濃度の変動の影響がメタン及びブタンよりも少ないエタン及びプロパンの一方又は両方からなる特定炭化水素の混合気中の含有率である特定炭化水素含有率を調整可能な特定炭化水素含有率調整手段と、を設け、
前記特定炭化水素含有率調整手段が、燃焼室に対して添加量調整を伴って特定炭化水素を添加可能な特定炭化水素添加手段であり、
運転条件に基づいて前記ＥＧＲ率調整手段を作動させてＥＧＲ率を制御するＥＧＲ率制御を実行すると共に、当該ＥＧＲ率制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加に伴って前記特定炭化水素含有率を増加させる形態で、前記ＥＧＲ率調整手段の状態に応じて前記特定炭化水素含有率調整手段を作動させて前記特定炭化水素含有率を変動させる特定炭化水素含有率制御を実行する点にある。

即ち、上記火花点火式エンジンの運転制御方法によれば、上述した本発明に係る火花点火式エンジンと同様に、ＥＧＲ率調整手段、及び、特定炭化水素含有率調整手段を設けた上で、ＥＧＲ率制御に加えて、特定炭化水素含有率調整制御を実行するので、当該本発明に係る火花点火式エンジンで説明したものと同様の作用効果を奏することができる。

第１実施形態の火花点火式エンジンの概略構成図ＥＧＲ率制御におけるＥＧＲ率の調整状態を示すグラフ図ＥＧＲ率に対する特定炭化水素含有率の関係を示すグラフ図特定炭化水素含有率制御におけるサイクル変動の悪化に対する特定炭化水素含有率の調整状態を示すグラフ図炭化水素系燃料の着火遅れ時間を示すグラフ図第２実施形態の火花点火式エンジンの概略構成図

〔第一の実施形態〕
本発明に係る火花点火式エンジン及びその運転制御方法の第１実施形態について、図１〜図４に基づいて説明する。
図１に示すエンジン１は、燃焼室１０に吸気される新気に炭化水素系の主燃料を混合して混合気Ｍを形成し、当該混合気Ｍを燃焼室１０で圧縮して点火プラグ１１により火花点火し燃焼させる火花点火燃焼を行う火花点火式エンジンとして構成されている。
燃焼室１０は、シリンダ２の内面と、シリンダ２の上部に連結されたシリンダヘッド３の下面と、シリンダ２内において連結棒を介しクランク軸６に連結されて往復移動自在に収容されたピストン４の頂面とで形成されている。
そして、燃焼室１０には、吸気路２１及び排気路３１が開口され、燃焼室１０の吸気路２１側には吸気弁２０が、燃焼室１０の排気路３１側には排気弁３０が設けられている。

吸気路２１には、吸気路２１を流通する新気（空気）に、外部から供給されたメタンを主成分とする天然ガス系都市ガス１３Ａである主燃料を、主燃料供給弁２４による供給量調整を伴って混合して、混合気Ｍを形成するミキサ２３が設けられている。また、吸気路２１におけるミキサ２３の下流側には、開度調整により燃焼室１０への混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットルバルブ２２が設けられている。そして、このスロットルバルブ２２を通過した混合気Ｍが燃焼室１０に吸気される。
また、一般的な火花点火式エンジンと同様に、各種センサとして、クランク軸６の角度であるクランク角を計測するクランク角センサ７や、燃焼室１０の圧力である筒内圧を計測する筒内圧力センサ８や、シリンダ２の振動状態を検出する加速度センサ９等が設けられている。

エンジン１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の順に各行程を行う一連の動作を繰り返し行う。
詳しくは、吸気弁２０を開動作させた状態でピストン４が上死点から下降することにより、吸気路２１から燃焼室１０に混合気Ｍを吸気する吸気行程が行われ、次に、吸気弁２０を閉動作させた状態でピストン４が上昇することにより、燃焼室１０の混合気Ｍを圧縮する圧縮行程が行われる。
この圧縮行程の後期では、予め設定された所望の点火時期（例えば、ピストン４が上死点に達する直前）に、点火プラグ１１が火花放電を行い燃焼室１０の混合気Ｍが点火され、火炎核が形成される。
圧縮行程に続く膨張行程では、火炎核を源とした火炎帯が伝播することで燃焼室１０の混合気Ｍが燃焼され、燃焼室１０の容積増加によりピストン４が降下し、それに続く排気行程では、排気弁３０を開動作させた状態でピストン４が上昇することにより、燃焼室１０の排ガスが排気路３１に排出される。

エンジン１は、燃焼室１０に排ガスを再循環させるＥＧＲとして、排気弁３０を上死点よりも進角側又は遅角側で閉弁して燃焼室１０に排ガスを残留させる又は吸い戻す内部ＥＧＲを行う。そして、その内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整手段として、当該排気弁３０の閉弁タイミングを調整してＥＧＲ率を調整する内部ＥＧＲ率調整手段４０が設けられている。また、内部ＥＧＲ率調整手段４０は、吸気弁２０及び排気弁３０の開閉時期を調整可能なバルブタイミング可変機構４１で構成されており、このバルブタイミング可変機構４１は、クランク角センサ７によるクランク軸６のクランク角検出を伴って制御されて、吸気弁２０及び排気弁３０の開閉タイミングをクランク角に対する所定の時期に設定することができる。
即ち、排気弁３０の閉タイミングを下死点よりも進角した時点に設定する形態で内部ＥＧＲを行えば、燃焼室１０に排ガスを残留させることができ、一方、排気弁３０の閉時期を下死点よりも遅角した時点に設定する形態で内部ＥＧＲを行えば、排気路３１から燃焼室１０に排ガスを吸い戻すことができる。
このように内部ＥＧＲにより燃焼室１０に排ガスを残留又は吸い戻すと、燃焼室１０では、新気（空気）と比べて比熱が大きい二酸化炭素や水分が多く含まれている排ガスが、燃焼室１０に再循環されることになる。
このように内部ＥＧＲにより比熱が大きい排ガスを燃焼室１０に再循環させると、燃焼室１０では、その排ガスが混合気Ｍに混入され、膨張行程における火花点火後の燃焼温度の上昇が抑制され、ＮＯｘの排出量が低減することになる。また、燃焼温度が低下すれば、シリンダ２壁からの伝熱による熱損失が低減されるので、熱効率が向上することになる。

エンジン１の各種制御は、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）５０によって行われ、かかるＥＣＵ５０は、所定のコンピュータープログラムを実行することにより、サイクル変動の悪化を検出するサイクル変動検出手段５１、エンジン１の運転制御を実行する運転制御手段５２等として機能する。

運転制御手段５２は、後述するＥＧＲ率制御及び特定炭化水素含有率制御を実行すると共に、クランク角センサ７で検出されるクランク角を参照しながら所望のタイミングで点火プラグ１１に火花放電をさせる点火制御や、酸素センサ（図示省略）で検出された排ガスの酸素濃度に基づいて主燃料供給弁２４の開度を制御することによって、ミキサ２３で生成される混合気Ｍの当量比（空燃比）を火花点火燃焼に適した理論当量比近傍の所望の目標当量比に維持する空燃比制御や、クランク角センサ７の検出結果から求められるクランク軸６の回転速度が所望の回転速度に維持されるようにスロットルバルブ２２の開度を制御する回転速度維持制御などの各種制御を実行するように構成されている。

更に、運転制御手段５２は、エンジン負荷などの運転条件に基づいて内部ＥＧＲ率調整手段４０として機能するバルブタイミング可変機構４１を作動させてＥＧＲ率を変動させる形態で、ＥＧＲ率を制御するＥＧＲ制御を実行する。
具体的には、図２に示すように、運転制御手段５２によるＥＧＲ制御では、エンジン負荷の増加を伴う要求トルクの増加に対して、ＥＧＲ率を増加させる形態で、ＥＧＲ率を制御する。
即ち、要求トルクの増加等に伴って運転条件としてエンジン負荷を増加させる場合には、ＥＧＲ制御によりＥＧＲ率を増加させる。すると、エンジン負荷の増加による燃焼温度の過剰な上昇が抑制されて、ＮＯｘの生成が抑制される。逆に、要求トルクの減少等に伴ってエンジン負荷を減少させる場合には、ＥＧＲ制御によりＥＧＲ率を減少させる。すると、エンジン負荷の減少による燃焼温度の過剰な低下が抑制されて、熱効率の低下が抑制される。

以上がエンジン１の基本構成であるが、更に、このエンジン１は、内部ＥＧＲ率調整手段４０を用いたＥＧＲ制御を行うにあたり、ＥＧＲ率の変動に伴う燃焼状態の悪化を抑制するために、燃焼室１０における混合気Ｍの特定炭化水素含有率を調整可能な特定炭化水素含有率調整手段６０を備えると共に、運転制御手段５２が、ＥＧＲ率制御に加えて、燃焼室１０における混合気Ｍの燃焼状態に基づいて特定炭化水素含有率調整手段６０を作動させて特定炭化水素含有率を制御する特定炭化水素含有率制御を実行するように構成されている。
以下、その詳細構成について説明を加える。

図１に示すように、特定炭化水素含有率調整手段６０は、燃焼室１０に対して添加量調整を伴って特定炭化水素を添加可能な特定炭化水素添加部（特定炭化水素添加手段の一例）６１で構成されている。
具体的に、天然ガスの蒸留過程などで得られたエタンやプロパンの少なくとも一方の特定炭化水素が可搬式の高圧ガス容器６３に加圧状態で蓄えられており、この特定炭化水素添加部６１は、その高圧ガス容器６３に貯留されている特定炭化水素を、ミキサ２３に供給される主燃料に対して、特定炭化水素添加量調整弁６２による添加量調整を伴って混合するように構成されている。
そして、運転制御手段５２は、特定炭化水素含有率制御において特定炭化水素含有率を変動させるにあたり、混合気Ｍの特定炭化水素含有率を増加させる場合には特定炭化水素添加量調整弁６２の開度を拡大させ、混合気Ｍの特定炭化水素含有率を減少させる場合には特定炭化水素添加量調整弁６２の開度を縮小させる。

このような特定炭化水素としてのエタンやプロパンは、メタンやブタンなどの他の炭化水素と比較して、その温度と着火遅れ時間との相関関係において酸素濃度の変動の影響が少ないという特性を有しており、その特定について以下に説明を加える。
図５は、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、イソブタン（ｉｓｏ−Ｃ₄Ｈ₁₀）、及びノルマルブタン（ｎ−Ｃ₄Ｈ₁₀）の夫々の炭化水素系燃料について、密閉定容系の詳細化学反応計算により、着火遅れ時間の酸素濃度依存性について解析した結果を示している。
特定炭化水素としてのエタンやプロパン以外の炭化水素系燃料（図５（ａ）、（ｄ）、及び（ｅ）参照）については、酸素濃度が１０．５％、２１％、及び４２％の順に増加するほど、温度上昇に対する着火遅れ時間の短縮度合いが増加している。一方、エタンやプロパン（図５（ｂ）、（ｃ）参照）については、酸素濃度が１０．５％、２１％、及び４２％と変化した場合でも、温度上昇に対する着火遅れ時間の短縮度合いが略一定である。即ち、この解析結果から、炭化水素系燃料のうち、エタンやプロパンが、他の炭化水素と比較して、着火遅れ時間に対する酸素濃度の変動の影響が少ないことがわかる。即ち、エタンやプロパンは、混合気中の酸素濃度が不均一になった場合でも、その影響をあまり受けることなく着火すると言える。
更に、エタン（図５（ｂ））については、プロパン（図５（ｃ））と比較しても、着火遅れ時間が酸素濃度の変動の影響をほとんど受けないことがわかる。よって、エタンは、混合気中の酸素濃度が不均一になった場合でも、その影響をほとんど受けることなく着火すると言える。

そして、運転制御手段５２は、ＥＧＲ率制御を実行して、要求トルクに連動するエンジン負荷などの運転条件に基づいてＥＧＲ率を制御するにあたり、ＥＧＲ率の増加により混合気Ｍの酸素濃度が不均一になってサイクル変動が悪化する傾向にあったとしても、そのＥＧＲ率の増加に伴ってエタンやプロパンの混合気中の含有率である特定炭化水素含有率を増加させる形態で、内部ＥＧＲ率調整手段４０の状態に応じて特定炭化水素含有率調整手段６０を作動させて特定炭化水素含有率を変動させることで、ＥＧＲ率の増加に伴う燃焼状態の悪化を抑制する。
具体的に、特定炭化水素含有率制御では、図３のグラフ図に示すように、要求トルクの増加等に伴う内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の増加に対しては、略比例的に特定炭化水素含有率を増加させることで、ＥＧＲ率の増加に伴う燃焼状態の悪化を抑制し、逆に、要求トルクの増加等に伴う内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の減少に対しては、略比例的に特定炭化水素含有率を減少させることで、特定炭化水素の消費を節約することができる。

更に、運転制御手段５２は、特定炭化水素含有率制御を実行するにあたり、燃焼時期の調整のために変更されるＥＧＲ率に基づいて特定炭化水素含有率を決定するように構成しても構わないが、本実施形態では、燃焼時期の調整に伴って変化するサイクル変動の状態に基づいて特定炭化水素含有率を決定するように構成される。以下、その詳細について説明を加える。
ＥＣＵ５０は、サイクル変動の悪化を検出するサイクル変動検出手段５１として機能する。
上記サイクル変動検出手段５１は、クランク角センサ７で検出されるクランク角を参照しながら筒内圧力センサ８で検出された筒内圧力を分析して、図示平均有効圧力を算出し、その図示平均有効圧力の標準偏差を同圧力の平均値で除算した値を、所定のサイクル数における変動係数ＣＯＶとして求め、その変動係数ＣＯＶが許容範囲を超えて増大した状態を、サイクル変動の悪化として検出する。
そして、運転制御手段５２は、特定炭化水素含有率制御において、サイクル変動検出手段５１で検出されるサイクル変動の悪化が抑制されるように特定炭化水素含有率調整手段６０により特定炭化水素含有率を変動させる形態で、混合気Ｍの特定炭化水素含有率を変動させる。
具体的に、要求トルクの増加等に伴って内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を増加側へ調整することで、燃焼室１０における酸素濃度が時間的に不均一になり、サイクル変動検出手段５１でサイクル変動の悪化が検出される。この場合、特定炭化水素含有率制御により混合気Ｍの特定炭化水素含有率を増加させることで、混合気Ｍの燃焼速度に対する酸素濃度の不均一化の影響が小さくなり、結果、サイクル変動の悪化が抑制されることになる。

〔第２実施形態〕
本発明に係る火花点火式エンジン及びその運転制御方法の第２実施形態について、図６に基づいて説明する。尚、上記第１実施形態と同様の構成については、説明を割愛する場合がある。
図６に示すエンジン１００は、ＥＧＲの形態並びにＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整手段以外の構成において、第１実施形態と略同様の基本構成を有する火花点火式エンジンとして構成されている。
即ち、エンジン１００は、燃焼室１０に排ガスを再循環させるＥＧＲとして、排気路３１と吸気路２１とを接続するＥＧＲ路４３を介して燃焼室１０に排ガスを再循環させる外部ＥＧＲを行う。そして、その外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整手段といて、当該ＥＧＲ路４３に設けられたＥＧＲ弁４４の開度を調整してＥＧＲ率を調整する外部ＥＧＲ率調整手段４２が設けられている。
即ち、ＥＧＲ弁４４を開弁する形態で外部ＥＧＲを行えば、新気（空気）と比べて比熱が大きい二酸化炭素や水分が多く含まれている排ガスが、排気路３１からＥＧＲ路４３に取り出され、吸気路２１を通流してある程度冷却された後に、燃焼室１０に再循環されることになる。
このように外部ＥＧＲにより比熱が大きく比較的低温の排ガスを燃焼室１０に再循環させると、上記第１実施形態と同様に、ＮＯｘの排出量の低減と熱効率の向上が実現される。
よって、上記運転制御手段５２が実行するＥＧＲ制御では、上記第１実施形態と同様に、図２に示すように、エンジン負荷の増加を伴う要求トルクの増加に対して、ＥＧＲ率を増加させる形態で、ＥＧＲ率を制御する。
更に、上記運転制御手段５２が実行する特定炭化水素含有率制御においても、上記第１実施形態と同様に、図３及び図４に示すように、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を増加したとき、又は、サイクル変動検出手段５１でサイクル変動の悪化を検出したときには、混合気Ｍの特定炭化水素含有率を増加させることで、サイクル変動の悪化を抑制することができ、逆に、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を減少したとき、又は、サイクル変動検出手段５１でサイクル変動の悪化を検出しなくなったときには、混合気Ｍの特定炭化水素含有率を減少させることで、特定炭化水素の消費を節約することができる。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記実施形態では、特定炭化水素添加部６１は、高圧ガス容器６３に蓄えられた特定炭化水素を添加するように構成したが、主燃料即ち天然ガスの一部を取り出し、その天然ガスから、公知の酸化カップリング法（例えば特開平０５−０７０３７２号公報参照）や、膜分離法及び加圧凝縮法などの精製法（例えば特開２００９−１６７４１１号公報参照）などにより特定炭化水素を分離して、特定炭化水素添加部６１に供給するように構成しても構わない。
また、主燃料以外の原料を外部から供給し、その原料を合成して特定炭化水素を得るように構成しても構わない。尚、この場合、原料としてのエチレンの水素化反応により特定炭化水素としてのエタンを得ることができ、更に、そのエチレンをエタノールの脱水処理により得ることもできる。

（２）上記実施形態では、図３に示すように、特定炭化水素含有率制御において、ＥＧＲ率の増減に対して略比例的に特定炭化水素含有率を増減させたが、別に、ＥＧＲ率の増減に対して例えば特定炭化水素含有率を段階的に増減させるなど、特定炭化水素含有率の増減方法については適宜変更可能である。
例えば、ＥＧＲ率が０を含む所定値を超えた場合には、燃焼室１０に対する特定炭化水素の添加を実行して、所定の特定炭化水素含有率の混合気Ｍを燃焼室１０に吸気し、ＥＧＲ率が所定値以下になった場合には、燃焼室１０に対する特定炭化水素の添加を停止して、特定炭化水素が添加されていない混合気Ｍ、即ち特定炭化水素含有率が０の混合気Ｍを燃焼室１０に吸気するように構成しても構わない。

（３）上記実施形態では、ＥＧＲ率制御において、エンジン負荷が増加した場合にＥＧＲ率を増加することで、ＮＯｘの生成を抑制するように構成したが、逆に、エンジン負荷が減少した場合にＥＧＲ率を増加することで、吸入混合気量を増加させ、それに伴ってスロットルバルブの開度を拡大させて、ポンプ損失の低減を図るように構成することもできる。
また、このようにエンジン負荷の減少に伴ってＥＧＲ率を増加させる場合においても、そのようなＥＧＲ率の増加に伴って混合気中の特定炭化水素含有率を増加させることで、ＥＧＲ率増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制することができる。

（４）上記実施形態では、本発明に係る火花点火式エンジンを、単気筒型に構成したが、当然多気筒型に構成しても構わない。

本発明は、燃焼室に吸気される新気に炭化水素系の主燃料を混合して混合気を形成し、当該混合気を燃焼室で圧縮して点火プラグにより火花点火し燃焼させる火花点火式エンジン及びその運転制御方法として好適に利用可能である。

１，１００：エンジン
１０：燃焼室
１１：点火プラグ
４０：内部ＥＧＲ率調整手段（ＥＧＲ率調整手段）
４２：外部ＥＧＲ率調整手段（ＥＧＲ率調整手段）
５１：サイクル変動検出手段
５２：運転制御手段
６０：特定炭化水素含有率調整手段
１００：エンジン
Ｍ：混合気

Claims

燃焼室に吸気される新気に炭化水素系の主燃料を混合して混合気を形成し、当該混合気を燃焼室で圧縮して点火プラグにより火花点火し燃焼させる火花点火式エンジンであって、
燃焼室への排ガスの再循環率であるＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ率調整手段と、
温度と着火遅れ時間との相関関係において酸素濃度の変動の影響がメタン及びブタンよりも少ないエタン及びプロパンの一方又は両方からなる特定炭化水素の混合気中の含有率である特定炭化水素含有率を調整可能な特定炭化水素含有率調整手段と、
運転条件に基づいて前記ＥＧＲ率調整手段を作動させてＥＧＲ率を制御するＥＧＲ率制御を実行する運転制御手段と、を備え、
前記特定炭化水素含有率調整手段が、燃焼室に対して添加量調整を伴って特定炭化水素を添加可能な特定炭化水素添加手段であり、
前記運転制御手段が、前記ＥＧＲ率制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加に伴って前記特定炭化水素含有率を増加させる形態で、前記ＥＧＲ率調整手段の状態に応じて前記特定炭化水素含有率調整手段を作動させて前記特定炭化水素含有率を変動させる特定炭化水素含有率制御を実行する火花点火式エンジン。
サイクル変動の悪化を検出するサイクル変動検出手段を備え、
前記運転制御手段が、前記特定炭化水素含有率制御において、前記サイクル変動検出手段で検出されるサイクル変動の悪化が抑制されるように前記特定炭化水素含有率調整手段を作動させて前記特定炭化水素含有率を変動させる形態で、前記特定炭化水素含有率を変動させる請求項１に記載の火花点火式エンジン。
前記運転制御手段が、前記ＥＧＲ率制御において、エンジン負荷に基づいて前記ＥＧＲ率を変動させる請求項１又は２に記載の火花点火式エンジン。
燃焼室に吸気される新気に炭化水素系の主燃料を混合して混合気を形成し、当該混合気を燃焼室で圧縮して点火プラグにより火花点火し燃焼させる火花点火式エンジンの運転制御方法であって、
前記火花点火式エンジンに、
燃焼室への排ガスの再循環率であるＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ率調整手段と、
温度と着火遅れ時間との相関関係において酸素濃度の変動の影響がメタン及びブタンよりも少ないエタン及びプロパンの一方又は両方からなる特定炭化水素の混合気中の含有率である特定炭化水素含有率を調整可能な特定炭化水素含有率調整手段と、を設け、
前記特定炭化水素含有率調整手段が、燃焼室に対して添加量調整を伴って特定炭化水素を添加可能な特定炭化水素添加手段であり、
運転条件に基づいて前記ＥＧＲ率調整手段を作動させてＥＧＲ率を制御するＥＧＲ率制御を実行すると共に、当該ＥＧＲ率制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加に伴って前記特定炭化水素含有率を増加させる形態で、前記ＥＧＲ率調整手段の状態に応じて前記特定炭化水素含有率調整手段を作動させて前記特定炭化水素含有率を変動させる特定炭化水素含有率制御を実行する前記火花点火式エンジンの運転制御方法。