JP6338362B2 - 予混合圧縮着火式エンジン及びその運転制御方法 - Google Patents
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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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火式エンジン及びその運転制御方法に関する。
低公害且つ高効率を実現し得るエンジンとして、空気と燃料とを予め混合した混合気を燃焼室に導入し、その混合気をピストンの断熱圧縮により自己着火させて燃焼させる所謂予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼を行う予混合圧縮着火式エンジンが知られている。
かかる予混合圧縮着火式エンジンは、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化が可能となり、特に、高圧噴射が困難でディーゼルエンジン用燃料としては不向きな天然ガス系都市ガス等の気体燃料を用いても、容易に混合気を圧縮着火させて燃焼させることができるというメリットを有する。
予混合圧縮着火式エンジンで安定した運転を維持し更には効率を向上させるためには、圧縮行程の後期の上死点近傍から膨張行程の初期にかけて適切な燃焼時期に燃焼室の各部において燃料を自己着火燃焼させることが重要である。即ち、膨張行程において着火反応による発熱よりも体積増加に伴う内部エネルギーの低下が上回ると、着火反応が停止して失火が発生する。
そこで、特許文献１及び２の予混合圧縮着火式エンジンでは、燃焼室に排ガスを再循環させるＥＧＲを行うと共に、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率調整手段を設けると共に、当該ＥＧＲ率調整手段を作動させてＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行して、膨張行程において適切な燃焼時期に混合気を確実且つ安定して自己着火燃焼させるように構成されている。
かかる予混合圧縮着火式エンジンは、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化が可能となり、特に、高圧噴射が困難でディーゼルエンジン用燃料としては不向きな天然ガス系都市ガス等の気体燃料を用いても、容易に混合気を圧縮着火させて燃焼させることができるというメリットを有する。
予混合圧縮着火式エンジンで安定した運転を維持し更には効率を向上させるためには、圧縮行程の後期の上死点近傍から膨張行程の初期にかけて適切な燃焼時期に燃焼室の各部において燃料を自己着火燃焼させることが重要である。即ち、膨張行程において着火反応による発熱よりも体積増加に伴う内部エネルギーの低下が上回ると、着火反応が停止して失火が発生する。
そこで、特許文献１及び２の予混合圧縮着火式エンジンでは、燃焼室に排ガスを再循環させるＥＧＲを行うと共に、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率調整手段を設けると共に、当該ＥＧＲ率調整手段を作動させてＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行して、膨張行程において適切な燃焼時期に混合気を確実且つ安定して自己着火燃焼させるように構成されている。
このような予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御で利用されるＥＧＲ率調整手段としては、内部ＥＧＲ率調整手段（例えば特許文献１を参照）や外部ＥＧＲ率調整手段（例えば特許文献２を参照）がある。尚、内部ＥＧＲ率調整手段は、排気弁を上死点よりも進角側又は遅角側で閉弁して燃焼室に排ガスを残留させる又は吸い戻す内部ＥＧＲを行う場合において、当該排気弁の閉弁タイミングを調整してＥＧＲ率を調整する手段である。一方、外部ＥＧＲ率調整手段は、排気路と吸気路とを接続するＥＧＲ路を介して燃焼室に排ガスを再循環させる外部ＥＧＲを行う場合において、当該ＥＧＲ路に設けられたＥＧＲ弁の開度を調整してＥＧＲ率を調整する手段である。
内部ＥＧＲでは、燃焼室に残留又は吸い戻される排ガスは非常に高温である。よって、内部ＥＧＲ率調整手段を用いた予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御では、ＥＧＲ率を増加させるほど、次の圧縮行程における圧縮前の混合気の温度が上昇するので、燃焼時期が進角側に調整されることになる。
一方、外部ＥＧＲでは、排気路からＥＧＲ路及び吸気路を介して燃焼室に再循環される排ガスは、比較的低温であるものの、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。よって、外部ＥＧＲ率調整手段を用いた予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御では、ＥＧＲ率を増加させるほど、次の圧縮行程における圧縮時の混合気の温度上昇速度が減少するので、燃焼時期が遅角側に調整されることになる。
内部ＥＧＲでは、燃焼室に残留又は吸い戻される排ガスは非常に高温である。よって、内部ＥＧＲ率調整手段を用いた予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御では、ＥＧＲ率を増加させるほど、次の圧縮行程における圧縮前の混合気の温度が上昇するので、燃焼時期が進角側に調整されることになる。
一方、外部ＥＧＲでは、排気路からＥＧＲ路及び吸気路を介して燃焼室に再循環される排ガスは、比較的低温であるものの、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。よって、外部ＥＧＲ率調整手段を用いた予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御では、ＥＧＲ率を増加させるほど、次の圧縮行程における圧縮時の混合気の温度上昇速度が減少するので、燃焼時期が遅角側に調整されることになる。
ＥＧＲ率調整手段を利用した予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御において、ＥＧＲ率を増加させると、混合気中の酸素濃度の低下を招き、混合気の着火性が悪化する。そして、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、混合気の着火性が空間的に不均一になることで、サイクル変動の悪化を招く場合がある。
更に、内部ＥＧＲ調整手段を利用した予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御では、連続する２つのサイクル間でのみＥＧＲが行われるため、燃焼室における混合気の着火性はサイクル変動の影響を強く受ける。つまり、内部ＥＧＲを行う際に、燃焼が活発で酸素濃度が比較的低い排ガスを生成するサイクルの次のサイクルでは、酸素濃度が低い排ガスが燃焼室に残留又は吸い戻されることで、次のサイクルにおける燃焼が緩慢となる。逆に、内部ＥＧＲを行う際に、燃焼が緩慢で酸素濃度が比較的高い排ガスを生成するサイクルの次のサイクルでは、酸素濃度が高い排ガスが燃焼室に残留又は吸い戻されることで、次のサイクルにおける燃焼が活発になる。即ち、内部ＥＧＲを行うことで、燃焼室における酸素濃度が時間的に不均一になり、結果、混合気の着火性が時間的に不均一になることで、サイクル変動の悪化を招く場合がある。
即ち、予混合圧縮着火式エンジンの燃焼時期制御において、外部ＥＧＲ率調整手段及び内部ＥＧＲ率調整手段の何れを利用しても、ＥＧＲ率の増加により、混合気の着火性の不均一が生じ、サイクル変動が悪化すると言える。
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、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、ＥＧＲ率調整手段を用いた燃焼時期制御を行うにあたり、合理的な構成で、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制する技術を提供する点にある。
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、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、ＥＧＲ率調整手段を用いた燃焼時期制御を行うにあたり、合理的な構成で、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制す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予混合圧縮着火式エンジンは、
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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火式エンジンであって、
その特徴構成は、
燃焼室における混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出手段と、
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、
前記燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期になるように前記ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行する運転制御手段と、を備え、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加による酸素濃度の不均一化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。
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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火式エンジンであって、
その特徴構成は、
燃焼室における混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出手段と、
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、
前記燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期になるように前記ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行する運転制御手段と、を備え、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加による酸素濃度の不均一化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、燃焼時期制御を実行して、混合気の燃焼時期が目標燃焼時期になるようにＥＧＲ率を制御するにあたり、ＥＧＲ率の増加によりサイクル変動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率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制することができる。
即ち、本特徴構成によれば、燃焼時期制御を実行して、混合気の燃焼時期が目標燃焼時期になるようにＥＧＲ率を制御するにあたり、ＥＧＲ率の増加によりサイクル変動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率の増加に伴うサイクル変動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、混合気の着火性の不均一化が抑制され、結果、サイクル変動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。
従って、本発明により、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、ＥＧＲ率調整手段を用いた燃焼時期制御を行うにあたり、合理的な構成で、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制する技術を提供することができる。
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。
従って、本発明により、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、ＥＧＲ率調整手段を用いた燃焼時期制御を行うにあたり、合理的な構成で、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制する技術を提供することができる。
本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンの更なる特徴構成は、
排気弁を上死点よりも進角側又は遅角側で閉弁して燃焼室に排ガスを残留させる又は吸い戻す内部ＥＧＲを行うと共に、前記ＥＧＲ率調整手段が、バルブタイミング可変機構により排気弁の閉弁タイミングを調整して前記ＥＧＲ率を調整する内部ＥＧＲ率調整手段であり、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御において、前記燃焼時期の進角側への調整に対して前記ＥＧＲ率を増加させる形態で、前記内部ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する点にある。
排気弁を上死点よりも進角側又は遅角側で閉弁して燃焼室に排ガスを残留させる又は吸い戻す内部ＥＧＲを行うと共に、前記ＥＧＲ率調整手段が、バルブタイミング可変機構により排気弁の閉弁タイミングを調整して前記ＥＧＲ率を調整する内部ＥＧＲ率調整手段であり、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御において、前記燃焼時期の進角側への調整に対して前記ＥＧＲ率を増加させる形態で、前記内部ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する点にある。
本特徴構成によれば、内部ＥＧＲを行えば、非常に高温の排ガスが燃焼室に残留又は吸い戻されることになる。よって、このような内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整する内部ＥＧＲ率調整手段を利用した燃焼時期制御では、ＥＧＲ率を増加させるほど、次の圧縮行程における圧縮前の混合気の温度が上昇するので、燃焼時期を進角側に調整することができ、逆に、ＥＧＲ率を減少させるほど、次の圧縮行程における圧縮前の混合気の温度が低下するので、燃焼時期を遅角側に調整することができる。
そして、燃焼時期制御によるＥＧＲ率の増加によりサイクル変動が悪化する傾向にあったとしても、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、サイクル変動の悪化を抑制することができる。
そして、燃焼時期制御によるＥＧＲ率の増加によりサイクル変動が悪化する傾向にあったとしても、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、サイクル変動の悪化を抑制することができる。
本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンの更なる特徴構成は、
排気路と吸気路とを接続するＥＧＲ路を介して燃焼室に排ガスを再循環させる外部ＥＧＲを行うと共に、前記ＥＧＲ率調整手段が、当該ＥＧＲ路に設けられたＥＧＲ弁の開度を調整して前記ＥＧＲ率を調整する外部ＥＧＲ率調整手段であり、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御において、前記燃焼時期の進角側への調整に対して前記ＥＧＲ率を減少させる形態で、前記外部ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する点にある。
排気路と吸気路とを接続するＥＧＲ路を介して燃焼室に排ガスを再循環させる外部ＥＧＲを行うと共に、前記ＥＧＲ率調整手段が、当該ＥＧＲ路に設けられたＥＧＲ弁の開度を調整して前記ＥＧＲ率を調整する外部ＥＧＲ率調整手段であり、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御において、前記燃焼時期の進角側への調整に対して前記ＥＧＲ率を減少させる形態で、前記外部ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する点にある。
本特徴構成によれば、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低温の排ガスを燃焼室に再循環させることになる。よって、このような外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整する外部ＥＧＲ率調整手段を利用した燃焼時期制御では、ＥＧＲ率を増加させるほど、次の圧縮行程における圧縮時の混合気の温度上昇速度が減少するので、燃焼時期を遅角側に調整することができ、逆に、ＥＧＲ率を減少させるほど、次の圧縮行程における圧縮時の混合気の温度上昇速度が増加するので、燃焼時期を進角側に調整することができる。
そして、燃焼時期制御によるＥＧＲ率の増加によりサイクル変動が悪化する傾向にあったとしても、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、サイクル変動の悪化を抑制することができる。
そして、燃焼時期制御によるＥＧＲ率の増加によりサイクル変動が悪化する傾向にあったとしても、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、サイクル変動の悪化を抑制することができる。
本発明に係る予混合圧縮着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。
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、燃焼時期の調整状態やそれに伴って変動される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率の増加に伴うサイクル変動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、サイクル変動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、サイクル変動の悪化を抑制することができる。
本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンの更なる特徴構成は、
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る点にある。
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る点にある。
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。
この目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法であって、
その特徴構成は、
前記予混合圧縮着火式エンジンに、
燃焼室における混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出手段と、
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、
前記燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期になるように前記ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行すると共に、当該燃焼時期制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加による酸素濃度の不均一化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。
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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法であって、
その特徴構成は、
前記予混合圧縮着火式エンジンに、
燃焼室における混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出手段と、
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、
前記燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期になるように前記ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行すると共に、当該燃焼時期制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加による酸素濃度の不均一化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、上記予混合圧縮着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予混合圧縮着火式エンジンと同様に、燃焼時期検出手段、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、燃焼時期制御に加えて、特定炭化水素含有率調整制御を実行するので、当該本発明に係る予混合圧縮着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。
〔第一の実施形態〕
本発明に係る予混合圧縮着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で圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着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。
本発明に係る予混合圧縮着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で圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着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ＨＣＣＩ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等が設けられている。
また、一般的なＨＣＣＩ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、混合気Ｍが断熱圧縮により昇温して、主燃料の酸化反応が進み、温度が連鎖分岐反応の発生する主燃料の着火温度まで上昇すると、自己着火が発生し混合気Ｍが燃焼する、所謂ＨＣＣＩ燃焼が行われる。
圧縮行程に続く膨張行程では、混合気Ｍの燃焼に伴う燃焼室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。
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、混合気Ｍが断熱圧縮により昇温して、主燃料の酸化反応が進み、温度が連鎖分岐反応の発生する主燃料の着火温度まで上昇すると、自己着火が発生し混合気Ｍが燃焼する、所謂ＨＣＣＩ燃焼が行われる。
圧縮行程に続く膨張行程では、混合気Ｍの燃焼に伴う燃焼室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に高温の排ガスを残留又は吸い戻すと、燃焼室１０では、その高温の排ガスが次の吸気行程で吸気された混合気Ｍに混入され、混合気Ｍの圧縮前の温度が高温の排ガスの混入により上昇することになる。即ち、内部ＥＧＲ率調整手段４０により内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整することで、圧縮前の混合気Ｍの温度を調整することができる。例えば、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して燃焼室１０に排ガスを残留させる形態で内部ＥＧＲを行う場合には、その上死点に対する排気弁３０の閉弁タイミングの進角幅を増加させることで、ＥＧＲ率が増加して、圧縮前の混合気Ｍの温度が上昇する。一方、排気弁３０の閉タイミングを下死点よりも遅角した時点に設定して排気路３１から燃焼室１０に排ガスを吸い戻す形態で内部ＥＧＲを行う場合には、その上死点に対する排気弁３０の閉弁タイミングの遅角幅を増加させることで、ＥＧＲ率が増加して、圧縮前の混合気Ｍの温度が上昇する。
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に高温の排ガスを残留又は吸い戻すと、燃焼室１０では、その高温の排ガスが次の吸気行程で吸気された混合気Ｍに混入され、混合気Ｍの圧縮前の温度が高温の排ガスの混入により上昇することになる。即ち、内部ＥＧＲ率調整手段４０により内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整することで、圧縮前の混合気Ｍの温度を調整することができる。例えば、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して燃焼室１０に排ガスを残留させる形態で内部ＥＧＲを行う場合には、その上死点に対する排気弁３０の閉弁タイミングの進角幅を増加させることで、ＥＧＲ率が増加して、圧縮前の混合気Ｍの温度が上昇する。一方、排気弁３０の閉タイミングを下死点よりも遅角した時点に設定して排気路３１から燃焼室１０に排ガスを吸い戻す形態で内部ＥＧＲを行う場合には、その上死点に対する排気弁３０の閉弁タイミングの遅角幅を増加させることで、ＥＧＲ率が増加して、圧縮前の混合気Ｍの温度が上昇する。
更に、圧縮前の混合気Ｍの温度は、燃焼室１０における混合気Ｍの燃焼位相に影響を与える運転条件であることから、内部ＥＧＲを実行することにより、燃焼室１０における圧縮前の混合気Ｍの温度を上昇させて、その混合気Ｍの燃焼時期を進角側に移行させることができ、内部ＥＧＲ率調整手段４０により内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を変化させることで、燃焼室１０における混合気Ｍの燃焼時期を進角側へ調整可能となる。
具体的に、図２に示すように、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が増加すると、圧縮前の混合気Ｍの温度が上昇することから、その混合気Ｍの燃焼時期の進角側への調整幅が増加し、逆に、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が減少すると、圧縮前の混合気Ｍの温度が低下することから、その混合気Ｍの燃焼時期の進角側への調整幅が減少することになる。
具体的に、図２に示すように、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が増加すると、圧縮前の混合気Ｍの温度が上昇することから、その混合気Ｍの燃焼時期の進角側への調整幅が増加し、逆に、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が減少すると、圧縮前の混合気Ｍの温度が低下することから、その混合気Ｍの燃焼時期の進角側への調整幅が減少することになる。
図１に示すように、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、燃焼室１０における混合気Ｍの燃焼時期を検出する燃焼時期検出手段５１、燃焼時期検出手段５１で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期になるように内部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率を制御する燃焼時期制御を実行する運転制御手段５２として機能する。
上記燃焼時期検出手段５１が実行する燃焼時期検出処理では、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の変化状態を分析して、燃焼質量割合５０％時期（５０％の主燃料の燃焼が完了した時期）や熱発生率の重心時期又は最大熱発生時期などの燃焼時期に関する状況を求め、かかる状況から混合気Ｍの燃焼時期を検出する。
上記運転制御手段５２が実行する燃焼時期制御では、燃焼時期検出手段５１で検出された燃焼室１０における燃焼時期が、上死点近傍の目標燃焼時期範囲（例えば、６°ＡＴＤＣ〜１０°ＡＴＤＣの範囲）に対して進角側に乖離した場合には、バルブタイミング可変機構４１により排気弁３０の閉弁タイミングを調整してＥＧＲ率を減少させて、燃焼室１０における圧縮前の混合気Ｍの温度を低下させる。すると、混合気Ｍの温度低下により、燃焼室１０における燃焼時期が遅角側に移行して燃焼時期が上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。更に、燃焼時期制御では、燃焼時期検出手段５１で検出された燃焼室１０における燃焼時期が、上記目標燃焼時期範囲に対して遅角側に乖離した場合には、バルブタイミング可変機構４１により排気弁３０の閉弁タイミングを調整してＥＧＲ率を増加させて、燃焼室１０における圧縮前の混合気Ｍの温度を上昇させる。すると、混合気Ｍの温度上昇により、燃焼室１０における燃焼時期が進角側に移行して上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。
上記燃焼時期検出手段５１が実行する燃焼時期検出処理では、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の変化状態を分析して、燃焼質量割合５０％時期（５０％の主燃料の燃焼が完了した時期）や熱発生率の重心時期又は最大熱発生時期などの燃焼時期に関する状況を求め、かかる状況から混合気Ｍの燃焼時期を検出する。
上記運転制御手段５２が実行する燃焼時期制御では、燃焼時期検出手段５１で検出された燃焼室１０における燃焼時期が、上死点近傍の目標燃焼時期範囲（例えば、６°ＡＴＤＣ〜１０°ＡＴＤＣの範囲）に対して進角側に乖離した場合には、バルブタイミング可変機構４１により排気弁３０の閉弁タイミングを調整してＥＧＲ率を減少させて、燃焼室１０における圧縮前の混合気Ｍの温度を低下させる。すると、混合気Ｍの温度低下により、燃焼室１０における燃焼時期が遅角側に移行して燃焼時期が上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。更に、燃焼時期制御では、燃焼時期検出手段５１で検出された燃焼室１０における燃焼時期が、上記目標燃焼時期範囲に対して遅角側に乖離した場合には、バルブタイミング可変機構４１により排気弁３０の閉弁タイミングを調整してＥＧＲ率を増加させて、燃焼室１０における圧縮前の混合気Ｍの温度を上昇させる。すると、混合気Ｍの温度上昇により、燃焼室１０における燃焼時期が進角側に移行して上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。
更に、運転制御手段５２は、上記燃焼時期制御と同時に、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ＨＣＣＩ燃焼に適した燃料リーンな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。
そして、運転制御手段５２は、上記空燃比制御において空燃比を一定の目標空燃比に制御しながら、スロットルバルブ２２の開度を変化させて、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの混合気Ｍの供給量（即ち吸気量）を調整する形態で、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行する。即ち、吸気量を増加させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が増加して、エンジン出力が上昇し、逆に、吸気量を減少させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が減少して、エンジン出力が低下する。
尚、上記空燃比制御における目標空燃比を所定の設定範囲内において変化させて燃焼室１０で自己着火燃焼する混合気Ｍの当量比を調整する形態で、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行しても構わない。即ち、混合気Ｍの当量比を増加させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が増加して、エンジン出力が上昇し、逆に、混合気Ｍの当量比を減少させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が減少して、エンジン出力が低下する。
そして、運転制御手段５２は、上記空燃比制御において空燃比を一定の目標空燃比に制御しながら、スロットルバルブ２２の開度を変化させて、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの混合気Ｍの供給量（即ち吸気量）を調整する形態で、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行する。即ち、吸気量を増加させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が増加して、エンジン出力が上昇し、逆に、吸気量を減少させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が減少して、エンジン出力が低下する。
尚、上記空燃比制御における目標空燃比を所定の設定範囲内において変化させて燃焼室１０で自己着火燃焼する混合気Ｍの当量比を調整する形態で、燃焼室１０に対する１サイクルあたりの燃料供給量を調整してエンジン出力を制御する出力制御を実行しても構わない。即ち、混合気Ｍの当量比を増加させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が増加して、エンジン出力が上昇し、逆に、混合気Ｍの当量比を減少させれば、燃焼室１０に対する燃料供給量が減少して、エンジン出力が低下する。
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を用いた燃焼時期制御を行うにあたり、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動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、燃焼時期制御の制御状態に基づいて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。
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。
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４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４（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４（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４（ｂ））については、プロパン（図４（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。
図４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４（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４（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４（ｂ））については、プロパン（図４（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、燃焼時期制御を実行して、混合気Ｍの燃焼時期が目標燃焼時期になるように混合気Ｍの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率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制する。
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、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の増加を伴う燃焼時期の進角側への調整に対しては、ＥＧＲ率の増加に対して略比例的に特定炭化水素含有率を増加させることで、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制し、逆に、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の減少を伴う燃焼時期の遅角側への調整に対しては、ＥＧＲ率の減少に対して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。
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、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の増加を伴う燃焼時期の進角側への調整に対しては、ＥＧＲ率の増加に対して略比例的に特定炭化水素含有率を増加させることで、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制し、逆に、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の減少を伴う燃焼時期の遅角側への調整に対しては、ＥＧＲ率の減少に対して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５３として機能する。
上記サイクル変動検出手段５３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５３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、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の増加により燃焼時期を進角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５３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の着火性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。
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５３として機能する。
上記サイクル変動検出手段５３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５３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、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の増加により燃焼時期を進角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５３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の着火性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〕
本発明に係る予混合圧縮着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３、図５及び図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５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予混合圧縮着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率調整手段として、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、燃焼室１０では、その排ガスが混合気Ｍに混入され、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が減少することになる。即ち、外部ＥＧＲ率調整手段４２により外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整することで、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度を調整することができる。例えば、ＥＧＲ弁４４の開度を拡大することで、ＥＧＲ率が増加して、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が減少する。
本発明に係る予混合圧縮着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３、図５及び図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５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予混合圧縮着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率調整手段として、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、燃焼室１０では、その排ガスが混合気Ｍに混入され、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が減少することになる。即ち、外部ＥＧＲ率調整手段４２により外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を調整することで、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度を調整することができる。例えば、ＥＧＲ弁４４の開度を拡大することで、ＥＧＲ率が増加して、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が減少する。
更に、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度は、燃焼室１０における混合気Ｍの燃焼位相に影響を与える運転条件であることから、外部ＥＧＲを実行することにより、燃焼室１０における圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度を減少させて、その混合気Ｍの燃焼時期を遅角側に移行させることができ、外部ＥＧＲ率調整手段４２により外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を変化させることで、燃焼室１０における混合気Ｍの燃焼時期を遅角側へ調整可能となる。
具体的に、図６に示すように、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が増加すると、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が減少することから、その混合気Ｍの燃焼時期の遅角側への調整幅が増加し、逆に、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が減少すると、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が増加することから、その混合気Ｍの燃焼時期の遅角側への調整幅が減少することになる。
具体的に、図６に示すように、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が増加すると、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が減少することから、その混合気Ｍの燃焼時期の遅角側への調整幅が増加し、逆に、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率が減少すると、圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度が増加することから、その混合気Ｍの燃焼時期の遅角側への調整幅が減少することになる。
そして、上記運転制御手段５２が実行する燃焼時期制御では、燃焼時期検出手段５１で検出された燃焼室１０における燃焼時期が、上死点近傍の目標燃焼時期範囲（例えば、６°ＡＴＤＣ〜１０°ＡＴＤＣの範囲）に対して進角側に乖離した場合には、ＥＧＲ弁４４の開度を拡大してＥＧＲ率を増加させて、燃焼室１０における圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度を減少させる。すると、混合気Ｍの温度上昇速度の減少により、燃焼室１０における燃焼時期が遅角側に移行して燃焼時期が上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。更に、燃焼時期制御では、燃焼時期検出手段５１で検出された燃焼室１０における燃焼時期が、上記目標燃焼時期範囲に対して遅角側に乖離した場合には、ＥＧＲ弁４４の開度を縮小してＥＧＲ率を減少させて、燃焼室１０における圧縮時の混合気Ｍの温度上昇速度を増加させる。すると、混合気Ｍの温度上昇速度の増加により、燃焼室１０における燃焼時期が進角側に移行して上記目標燃焼時期範囲内に復帰することになる。
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では、図３のグラフ図に示すように、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の増加を伴う燃焼時期の遅角側への調整に対しては、ＥＧＲ率の増加に対して略比例的に特定炭化水素含有率を増加させることで、ＥＧＲ率の増加に伴うサイクル変動の悪化を抑制し、逆に、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率の減少を伴う燃焼時期の進角側への調整に対しては、ＥＧＲ率の減少に対して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。
〔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、特定炭化水素含有率調整手段６０を、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６１として構成したが、例えば、特定炭化水素含有率調整手段６０を、燃焼室１０に供給される主燃料から分離量調整を伴って特定炭化水素を分離することで、燃焼室１０における混合気Ｍの特定炭化水素含有率の調整を行っても構わない。
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、特定炭化水素含有率調整手段６０を、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６１として構成したが、例えば、特定炭化水素含有率調整手段６０を、燃焼室１０に供給される主燃料から分離量調整を伴って特定炭化水素を分離することで、燃焼室１０における混合気Ｍの特定炭化水素含有率の調整を行っても構わない。
（２）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。
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。
（３）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。
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。
（４）上記実施形態では、本発明に係る予混合圧縮着火式エンジンを、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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着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
２１ ：吸気路
３０ ：排気弁
３１ ：排気路
４０ ：内部ＥＧＲ率調整手段（ＥＧＲ率調整手段）
４１ ：バルブタイミング可変機構
４２ ：外部ＥＧＲ率調整手段（ＥＧＲ率調整手段）
４３ ：ＥＧＲ路
４４ ：ＥＧＲ弁
５１ ：燃焼時期検出手段
５２ ：運転制御手段
５３ ：サイクル変動検出手段
６０ ：特定炭化水素含有率調整手段
６１ ：特定炭化水素添加部（特定炭化水素添加手段）
６２ ：特定炭化水素添加量調整弁（特定炭化水素添加手段）
Ｍ ：混合気
１０ ：燃焼室
２１ ：吸気路
３０ ：排気弁
３１ ：排気路
４０ ：内部ＥＧＲ率調整手段（ＥＧＲ率調整手段）
４１ ：バルブタイミング可変機構
４２ ：外部ＥＧＲ率調整手段（ＥＧＲ率調整手段）
４３ ：ＥＧＲ路
４４ ：ＥＧＲ弁
５１ ：燃焼時期検出手段
５２ ：運転制御手段
５３ ：サイクル変動検出手段
６０ ：特定炭化水素含有率調整手段
６１ ：特定炭化水素添加部（特定炭化水素添加手段）
６２ ：特定炭化水素添加量調整弁（特定炭化水素添加手段）
Ｍ ：混合気
Claims (6)
- 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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火式エンジンであって、
燃焼室における混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出手段と、
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、
前記燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期になるように前記ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行する運転制御手段と、を備え、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加による酸素濃度の不均一化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予混合圧縮着火式エンジン。 - 排気弁を上死点よりも進角側又は遅角側で閉弁して燃焼室に排ガスを残留させる又は吸い戻す内部ＥＧＲを行うと共に、前記ＥＧＲ率調整手段が、バルブタイミング可変機構により排気弁の閉弁タイミングを調整して前記ＥＧＲ率を調整する内部ＥＧＲ率調整手段であり、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御において、前記燃焼時期の進角側への調整に対して前記ＥＧＲ率を増加させる形態で、前記内部ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジン。 - 排気路と吸気路とを接続するＥＧＲ路を介して燃焼室に排ガスを再循環させる外部ＥＧＲを行うと共に、前記ＥＧＲ率調整手段が、当該ＥＧＲ路に設けられたＥＧＲ弁の開度を調整して前記ＥＧＲ率を調整する外部ＥＧＲ率調整手段であり、
前記運転制御手段が、前記燃焼時期制御において、前記燃焼時期の進角側への調整に対して前記ＥＧＲ率を減少させる形態で、前記外部ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジン。 - 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１〜３の何れか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジン。 - 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る請求項１〜４の何れか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジン。
- 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自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法であって、
前記予混合圧縮着火式エンジンに、
燃焼室における混合気の燃焼時期を検出する燃焼時期検出手段と、
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、
前記燃焼時期検出手段で検出される燃焼時期が所定の目標燃焼時期になるように前記ＥＧＲ率調整手段を作動させて前記ＥＧＲ率を制御する燃焼時期制御を実行すると共に、当該燃焼時期制御に加えて、前記ＥＧＲ率の増加による酸素濃度の不均一化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予混合圧縮着火式エンジンの運転制御方法。
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| JP2013250220A JP6338362B2 (ja) | 2013-12-03 | 2013-12-03 | 予混合圧縮着火式エンジン及びその運転制御方法 |
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