JPWO2010098370A1 - 副室式エンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

副燃焼室での失火を確実に防止することができる副室式エンジンの制御方法を提供する。吸気圧力及び吸気温度を検出する第１ステップと、主室空気過剰率を所定の式により算出する第２ステップと、主室空気過剰率から適正な副室燃料量を算出する第３ステップと、前記算出によって求めた副室燃料供給弁開期間と副室燃料量との関係式から副室燃料供給弁開期間を算出する第４ステップと、を有する。上記第１から第４ステップを連続的に実施する。

Description

本発明は、副燃焼室で電気着火を行う副室式エンジンの制御方法に関する。

従来、副室式エンジンでは副燃焼室内の空燃比の制御を行うことが点火プラグによる着火を良好に行うために必要であるため、副室式エンジンの制御方法の１つとして、副燃焼室を適正な空燃比に制御することが行われている（例えば、特許文献１参照）。ここで、空燃比とは、混合気における空気質量を燃料質量で割った値である。
副燃焼室が適正な空燃比になるように制御するのは、空気過剰と燃料過剰とのいずれの場合にもエンジンの失火に繋がるからである。なお、主燃焼室は副燃焼室とは異なり、空気過剰に制御することが排ガス上好ましい。

図５は、従来の副室式エンジンの一例を示している。図に示すように、ピストン１の上方には主燃焼室Ｓ１が形成され、シリンダ２のヘッド部には、先細り形状の副燃焼室部材３が設けられている。この副燃焼室部材３の内部には副燃焼室Ｓ２が形成されている。副燃焼室部材３の上部には、副燃焼室Ｓ２の燃料ガスに点火するための点火プラグ４が設けられている。また、副燃焼室部材３の上部には、副燃焼室Ｓ２に燃料ガスを送り込むための燃料ガス供給管５が設けられている。この燃料ガス供給管５には、副燃焼室Ｓ２への燃料ガスの量を調整するための副室燃料供給弁６が設けられている。

また、シリンダ２のヘッド部には、燃料ガスを主燃焼室Ｓ１に送り込むための吸気管７が接続されている。この吸気管７とシリンダ２のヘッド部との境には、吸気弁８が設けられている。吸気管７には、燃料ガスを吸気管７に流入させるための燃料ガス供給管９が接続されている。この燃料ガス供給管９には、主燃焼室Ｓ１への燃料ガスの量を調整するための主室燃料供給弁１０が設けられている。また、燃料ガス供給管９は、副燃焼室Ｓ２と接続された燃料ガス供給管５に連通している。すなわち、燃料ガス供給管が分岐して主燃焼室Ｓ１と副燃焼室Ｓ２とに燃料ガスを供給する構造になっている。

吸気管７を介して主燃焼室Ｓ１へ流入した燃焼ガスは、燃焼後にシリンダ２のヘッド部に接続された排気管１１から排気される。この排気管１１とシリンダ２のヘッド部との境には、排気弁１２が設けられている。
上記各種弁６、１０、などの制御はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１３によって行われる。
しかし、主燃焼室Ｓ１へ流入した主燃焼室用の空気過剰な混合気の一部は、圧縮行程中に副燃焼室Ｓ２に流入する。そして、適正な空燃比とするため、副室燃料供給弁６を通じ、燃料ガスを供給する。このため、副燃焼室Ｓ２での燃焼ガスの混合比の調整に各種の開発がなされてきた（例えば、特許文献２及び３参照）。

この開発に伴う、従来の副室式エンジンの制御方法の一例として、副燃焼室への燃料ガスの供給をエンジン負荷等の条件に応じて制御することが行われていた。しかし、急なエンジン負荷若しくは回転数の上昇が発生した場合などは、過渡的に主燃焼室の空燃比が燃料過剰になり、それに伴い副燃焼室も燃料過剰になるため、副燃焼室が失火するおそれがあった。

次に、従来の副室式エンジンでの失火の発生態様について説明する。
図６（ａ）は、エンジン回転数と副室空気過剰率（後述する実施形態で説明する）との関係を示している。図中、実線は、エンジンが準静的に昇速した場合のものである。この場合、エンジン回転数が増加しても副室空気過剰率は増減せず、平衡状態を保っている。そして、エンジン回転数が増加し、エンジンが急速に昇速した場合、図中、点Ａと点Ｂとを結ぶ線分が、点線で示すように下方に向けて弓形になる。この状態でも、点線は、失火域にかからない。しかし、さらにエンジンが急速に昇速した場合、図中、一点鎖線で示すような点Ａと点Ｃとを結ぶ線分が形成され、点Ｃにおいて失火域に入る。

次に、図６（ａ）のグラフをベースに図６（ｄ）ないし図６（ｅ）について説明する。図６（ｅ）は、エンジン回転数と主室燃料量との関係を示している。図中、実線（準静的に昇速した場合）はエンジン回転数の増加に伴って直線状に副室燃料量が増加しているが点線（急速に昇速した場合）は準静的に昇速した場合より主室燃料量は多くなるため空気過剰率は低下する。これより主燃焼室より副燃焼室に流入する混合気中に含まれる燃料量が増加するので、このとき図６（ｂ）のごとくエンジン回転数に対し直線的に副室燃料量を制御していると、図６（ａ）のように副室空気過剰率が低下する。さらに、急速に昇速した場合（一点鎖線）、前述の通り点Ｃにて失火が発生し図６（ｅ）に示すようにエンジン回転数が低下する。

失火が発生した場合、上記の通り回転数が低下するので、エンジン回転数にて主室燃料量をフィードバック制御を実施している場合においては、エンジン回転数低下に伴い主室燃料量が増加し、図６（ａ）に示す通りさらに失火が発生し易い条件となる。

特開２００７−１９８１４０号公報 特開平４−２５９６４０号公報 特開平４−２５９６５１号公報

しかし、従来の副室式エンジンの制御方法では、エンジンの運転条件により副室トーチジェットの強度を最適とする制御が実施されているが、主燃焼室の一時的な燃料過剰現象に於いても、副室燃料過剰となり副燃焼室が失火し、エンジン回転数若しくは出力が低下する。さらに、エンジン回転数若しくは出力にて主室燃料量をフィードバック制御している場合には、さらに主燃焼室は燃料過剰となって着火し難くなり、エンジンが停止するという問題が発生し得る。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、副燃焼室での失火を確実に防止することができる副室式エンジンの制御方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決する手段としてなされたものである。
本発明は、主燃焼室と副燃焼室とに燃料ガスを供給する副室式エンジンの制御方法であって、主室空気過剰率に対応させて副室燃料量を増減させ、副燃焼室の空燃比を適正に保つことを特徴とする。
かかる発明では、短い時間間隔でエンジン運転条件を測定して副燃焼室の空燃比を調整し、空燃比を適正に保つので、副燃焼室での失火が確実に防止される。

本発明は、さらに、主室燃料量の過渡的上昇時に前記副室燃料量を減じることを特徴とする。
かかる発明では、主燃焼室の混合気の空気過剰率が低下した場合に、副室用の燃料ガス供給管から副室に流入する副室燃料量を減じることにより副室内を適正な空燃比に保つことができる。

本発明は、さらに、吸気圧力、吸気温度及びエンジン回転数を検出する第１ステップと、前記主室空気過剰率を算出する第２ステップと、前記主室空気過剰率と前記副室燃料量との関係式から副室燃料量を算出する第３ステップと、前記副室燃料量から副室燃料供給弁開閉期間を算出して該開閉期間に基づいて副室燃料量を増減する第４ステップと、を有することを特徴とする。
かかる発明では、主室燃料供給弁の開期間はＥＣＵが指令した値であって分かっているため、主室空気過剰率と副室燃料量との関係の関係式を予め作成した上で吸気圧力、吸気温度及びエンジン回転数の検出を行うという簡易な方法により、エンジンの失火を防ぐことができる。

本発明では、吸気圧力、吸気温度及びエンジン回転数を連続的に繰り返して計測し、副室燃料供給弁開期間を連続的に出力可能なため、エンジン運転時の間、常に副燃焼室を適正な空燃比に保つことができる。

本発明の副室式エンジンの制御方法では、副燃焼室での失火を確実に防止することができる。

図１は、本発明の副室式エンジンの制御方法に用いる副室式エンジンの一実施形態を示す説明図である。 図２は、本発明の副室式エンジンの制御方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明の副室式エンジンの制御方法を用いた場合のエンジン回転数と各種パラメータとの関係を示すグラフである。図３（ａ）は、エンジン回転数と副室空気過剰率との関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、エンジン回転数と副室燃料量との関係を示すグラフである。図３（ｃ）は、エンジン回転数と空気流量との関係を示すグラフである。図３（ｄ）は、エンジン回転数と主室空気過剰率との関係を示すグラフである。図３（ｅ）は、エンジン回転数と主室燃料量との関係を示すグラフである。 図４は、主室空気過剰率と副式燃料量との関係を示すグラフである。 図５は、従来の副室式エンジンの一実施形態を示す説明図である。 図６は、従来の副室式エンジンの制御方法を用いた場合のエンジン回転数と各種パラメータとの関係を示すグラフである。図６（ａ）は、エンジン回転数と副室空気過剰率との関係を示すグラフである。図６（ｂ）は、エンジン回転数と副室燃料量との関係を示すグラフである。図６（ｃ）は、エンジン回転数と空気流量との関係を示すグラフである。図６（ｄ）は、エンジン回転数と主室空気過剰率との関係を示すグラフである。図６（ｅ）は、エンジン回転数と主室燃料量との関係を示すグラフである。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特に記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

図１は、本発明の副室式エンジンの制御方法を実施する副室式エンジンを示している。図に示すように、シリンダ２内を昇降するピストン１の上方には、ピストン上面とシリンダ内壁面とで閉鎖された空間、すなわち主燃焼室Ｓ１が形成されている。シリンダ２のヘッド部の中央には、先細り形状の副燃焼室部材３が先細り側をシリンダ２内に突出させる形で設けられている。この副燃焼室部材３の内部には副燃焼室Ｓ２が形成されている。副燃焼室部材３の上部には、副燃焼室Ｓ２の燃料ガスに点火するための点火プラグ４が設けられている。また、副燃焼室部材３の上部には、副燃焼室Ｓ２に燃料ガスを送り込むための燃料ガス供給管５が設けられている。この燃料ガス供給管５には、副燃焼室Ｓ２への燃料ガスの量を調整するための副室燃料供給弁６が設けられている。副室燃料供給弁６には、燃料ガスの量を連続的に調整できるように比例電磁弁が用いられている。

また、シリンダ２のヘッド部には、燃料ガスと空気の混合気を主燃焼室Ｓ１に送り込むための吸気管７が接続されている。この吸気管７とシリンダ２のヘッド部との境には、吸気弁８の傘部８ａが配設されている。この吸気弁８は、不図示のカムによってバネ力に抗して下方に押圧されたり、バネによる復元力で上方に付勢されたりすることで昇降する。吸気管７の途中には、燃料ガスを吸気管７に流入させるための燃料ガス供給管９が吸気管７に連通するように設けられている。この燃料ガス供給管９には、主燃焼室Ｓ１への燃料ガスの量を調整するための主室燃料供給弁１０が設けられている。主室燃料供給弁１０には、燃料ガスの量を連続的に調整できるように比例電磁弁が用いられている。
また、燃料ガス供給管９は、副燃焼室Ｓ２と接続された燃料ガス供給管５に連通している。すなわち、燃料ガス供給管が分岐して主燃焼室Ｓ１と副燃焼室Ｓ２とに燃料ガスを供給する構造になっている。

吸気管７を介して主燃焼室Ｓ１へ流入した燃料ガスと空気の混合気は上昇するピストン１に圧縮され、主燃焼室Ｓ１で燃焼してピストン１を押し下げた後に、クランク軸によって上昇するピストン１に押圧されて、シリンダ２のヘッド部に接続された排気管１１から排気される。この排気管１１とシリンダ２のヘッド部との境には、排気弁１２の傘部１２ａが配設されている。この排気弁１２も吸気弁８と同様にカムによってバネ力に抗して下方に押圧されたり、バネによる復元力で上方に付勢されたりすることで昇降する。ピストン１によって燃料ガスと空気の混合気が圧縮される際に副燃焼室Ｓ２に一部が流入するため、本実施形態では、副燃焼室Ｓ２での燃焼ガスの混合比の調整が、以下のように行われている。

本実施形態では、吸気管７に連接する不図示の給気室に圧力・温度センサが設けられており、吸気圧力及び吸気温度がＥＣＵ１３の吸気圧力温度検出手段１３１で測定される。また、回転数ピックアップ１３ａが設けられており、エンジン回転数がＥＣＵ１３のエンジン回転数検出手段１３２で測定される。
また、主室燃料供給弁１０はＥＣＵ１３の主室燃料供給弁開期間制御手段１３３によって制御されるため、ＥＣＵ１３によって主室燃料供給弁１０の開閉タイミングが把握されている。そのため、主室燃料供給弁１０がオープン状態になっていた期間、すなわち開期間が把握される。この吸気圧力、吸気温度、エンジン回転数、及び主室燃料供給弁１０の開期間を用いてＥＣＵ１３の主室空気過剰率算出手段１３４で後述する主室空気過剰率が算出される。
そして、この主室空気過剰率を用いて副燃焼室Ｓ２への燃料ガスの量が副室燃料算出手段１３５によって算出されて、この算出された副室燃料量を与える副室燃料供給弁開期間を副室燃料供給弁開期間算出手段１３６によって算出され、副室燃料供給弁６がこの開度に制御されて着火時に副燃焼室Ｓ２への燃料ガス量が制御される。この制御により、着火時に副燃焼室Ｓ２内の空燃費が正常に保たれる。

以下、具体的な副室燃料量の算出方法について説明する。図２は、本発明の副室式エンジンの制御方法のフローチャートである。図に示すように、先ず、ステップＳ１において、不図示の給気室の内壁に設けられた圧力・温度センサを用いて吸気圧力及び吸気温度を検出する（第１ステップ）。この際、瞬時に複数回測定し平均値を算出することが好ましい。ノイズなどの影響を低減させるためである。次いで、ステップＳ２において、主室空気過剰率を算出する（第２ステップ）。主室空気過剰率は、次式

で算出される。ここで、エンジン回転数が分子にあるのは、エンジン回転数と空気流量とが正比例の関係にあるからである（図３（ｃ）参照）。なお、本実施形態で空気流量とは質量流量をいう。
本式において、吸気圧力、吸気温度及びエンジン回転数にはステップＳ１における検出値を用いる。また、主室燃料供給弁１０の開期間はＥＣＵ１３の主室燃料供給弁開期間制御手段１３３からの指令であるためこの開期間には既知の値を用いる。なお、主室燃料供給弁１０の開期間と、主燃焼室Ｓ１側へ流れる燃料ガスの質量流量との関係を予め求めておく必要がある。燃料ガスの質量流量を弁の開期間で代用するためである。

次いで、ステップＳ３において、主室空気過剰率から適正な副室燃料量を算出する（第３ステップ）。この算出は、図４に示す校正式（関係式）を用いて行う。校正式は、予め失火の生じない適正な空燃費になるように、実験によって算出した式である。
次いで、ステップＳ４において、適正な副室燃料量を与える副室燃料供給弁開期間を算出する。これも実験により算出した式を用いる。

上記にて算出された副室燃料供給弁開期間にて副室燃料ガス供給弁を動作させることで、適正な副室空気過剰率を得る。
本ステップ１からステップ４は常にＥＣＵにて連続的に繰り返して実施されており、極めて高い応答性にて副室空気過剰率適正化制御を実施可能である。

例えば、主室燃料量の過渡的上昇時に副室燃料量を減じる。そして、上記ステップＳ１〜Ｓ４を連続的に行えば、図３（ｂ）に示すように、副室燃料量は、エンジン回転数との関係で下方に向けた弓形の曲線を描き、副室空気過剰率は図３（ａ）に示すようにエンジン回転数との関係でエンジン回転数の軸と並行になり、失火域に入らない。

本実施形態の副室式エンジンの制御方法では、短い時間間隔でエンジン運転条件を測定して副燃焼室Ｓ２内の空燃比を調整し、空燃比を適正に保つので、副燃焼室Ｓ２での失火が確実に防止される。より具体的には、主室燃料供給弁１０の開期間はＥＣＵ１３が指令した値であり既知の値であるため、主室空気過剰率と副室燃料量との関係を示す校正式を予め作成した上で吸気圧力、吸気温度及びエンジン回転数の検出を行うという簡易な方法により、エンジンの失火を防ぐことができる。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、燃料ガス供給管を主燃焼室Ｓ１側と副燃焼室Ｓ２側とに分岐させた例について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、分岐構造を採用せずに、主燃焼室Ｓ１側の燃料ガス供給管９と副燃焼室Ｓ２側の燃料ガス供給管５とを全く独立の配管にすることも可能である。この場合、燃料ガスの供給にあたり、主室燃料供給弁１０と副室燃料供給弁６とを同時に制御可能である。

本発明の副室式エンジンの制御方法では、副燃焼室での失火を確実に防止することができる。そして本発明は、例えば、副室式エンジンを搭載した発電セット、車両、航空機及び船舶などに適用することが可能である。

Claims (4)

1. 主燃焼室と副燃焼室とに燃料ガスを供給する副室式エンジンの制御方法であって、
   次式で定められる主室空気過剰率に対応させて副室燃料量を増減させ、副燃焼室の空燃比を適正に保つことを特徴とする副室式エンジンの制御方法。
   

   
2. 主室燃料量の過渡的上昇時に前記副室燃料量を減じることを特徴とする請求項１に記載の副室式エンジンの制御方法。
3. 吸気圧力、吸気温度及びエンジン回転数を検出する第１ステップと、
   前記主室空気過剰率を算出する第２ステップと、
   前記主室空気過剰率と前記副室燃料量との関係式から副室燃料量を算出する第３ステップと、
   前記副室燃料量から副室燃料供給弁開閉期間を算出して該開閉期間に基づいて副室燃料量を増減する第４ステップと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の副室式エンジンの制御方法。
4. 前記第１から第４ステップを連続的に繰り返して実施することを特徴とする請求項３に記載の副室式エンジンの制御方法。

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