JP2005307759A - 予混合圧縮自着火機関の運転方法及び予混合圧縮自着火機関 - Google Patents

Abstract

【課題】出力変更をする際にノッキングや失火が生じるのを抑制することができるとともに、所定の条件で運転中に何らかの原因で負荷や空燃比の変動が生じてもノッキングや失火が生じるのを抑制することができる予混合圧縮自着火機関の運転方法を提供する。
【解決手段】予混合圧縮自着火機関の運転方法において、空燃比を把握し、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な空燃比と吸気温度との関係を示すマップに基づいて空燃比がノッキング又は失火の発生する可能性がある変動をしているか否かを判断する。そして、空燃比がノッキング又は失火の発生する可能性がある変動をしている場合は、その値が目標機関回転速度で安定運転可能な範囲から逸脱するのを防止するため、前記マップに基づいて、吸気温度を調整する吸気温度調整手段を制御して吸気温度を調整する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、予混合圧縮自着火機関の運転方法及び予混合圧縮自着火機関に係り、詳しくはノッキングや失火の発生を抑制して安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼運転を行うことができる予混合圧縮自着火機関の運転方法及び予混合圧縮自着火機関に関する。

従来の内燃機関は大きく分けると、ＳＩ（Spark Ignition）エンジンと、ディーゼルエンジンの２つである。しかし、ＳＩエンジンはリーン化で熱効率向上が可能だが、火炎伝播可能な当量比に限界があるため、スロットルによる空気量の調整が必要で熱効率はディーゼルエンジンより劣る。また、ディーゼルエンジンは熱効率は良いが十分な混合がなされないため、局所高温燃焼によりＮＯｘが発生し易く、局所リッチで煤が発生し易い。

これらのエンジンと比較して、予混合圧縮自着火機関は予混合するため、局所の高温やリッチが発生する可能性が小さく、低ＮＯｘで煤の発生はほとんど無い。また、化学変化による着火のため、当量比に対する依存度がＳＩエンジンよりも少ないため、大幅なリーン化が可能でありディーゼルエンジン並の熱効率を得ることができる。これらの長所を備えた予混合圧縮自着火機関が注目されている。予混合圧縮自着火燃焼は、熱が十分すぎると急激な燃焼となり、逆に、熱が足りないと失火してしまうため、現行のエンジンと比較して失火やノック・過早着火等が発生し易くなり、運転可能範囲が狭くなり易いという問題がある。

また、予混合圧縮自着火機関は、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、所謂ノッキングが発生する。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に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機関において、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。この問題を解消する方法として、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、機関（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、機関の出力を上昇させる予混合圧縮自着火機関の運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、燃料供給手段から供給される燃料の供給量を設定して予混合気の当量を設定する手段と、燃焼室に供給される給気の温度を設定する給気温度設定手段と、ノッキングを検出するノッキング検出手段とを備えた予混合圧縮自着火機関が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この予混合圧縮自着火機関は、前記ノッキング検出手段の検出結果に基づいて前記両設定手段により前記当量比及び給気の温度を調整し、出力を設定する出力設定手段を備えている。
特開２００２−１８８４８８号公報（明細書の段落［００１８］〜［００２３］、図１，２） 特開２００１−２２１０７５号公報（明細書の段落［００２４］、図１）

特許文献１及び特許文献２では、出力を調整する際にノッキングを検出して、ノッキングを検出すると新気や給気の温度を調整してノッキングが継続するのを防止している。即ち、前記従来技術では、ノッキングが発生する前にノッキングを回避する制御を行うことはできず、機関の耐久性に悪影響を与える。

また、要求負荷に対応して安定した予混合圧縮自着火燃焼となる運転条件で運転を行っている状態で、何らかの原因で負荷や空燃比に変動が生じ、その運転条件で運転を継続すると、ノッキングが発生したり、失火したりする場合がある。しかし、前記特許文献１及び特許文献２ではそのような現象に対しては配慮がされていない。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、出力を変更をする際にノッキングや失火が生じるのを抑制することができるとともに、所定の条件で運転中に何らかの原因で負荷や空燃比の変動が生じてもノッキングや失火が生じるのを抑制することができる予混合圧縮自着火機関の運転方法を提供することにある。また、第２の目的は前記運転方法を実施することができる予混合圧縮自着火機関を提供することにある。

第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関の運転方法である。この運転方法では、空燃比又は機関負荷を把握し、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な空燃比又は機関負荷と吸気温度との関係を示すマップ又は関係式に基づいて予混合圧縮自着火燃焼運転が可能な領域であるか否かを判断する。そして、前記空燃比又は機関負荷がノッキングの発生する可能性がある変動をしている場合は、その値が目標機関回転速度で安定運転可能な範囲から逸脱するのを防止するため、前記マップ又は関係式に基づいて、前記吸気温度を調整する吸気温度調整手段を制御して吸気温度が低くなるように調整する。また、前記空燃比又は機関負荷が失火の発生する可能性がある変動をしている場合は、その値が目標機関回転速度で安定運転可能な範囲から逸脱するのを防止するため、前記マップ又は関係式に基づいて、前記吸気温度を調整する吸気温度調整手段を制御して吸気温度が高くなるように調整する。ここで、「吸気」とは、燃焼室に接続された吸気ポートから燃焼室に供給される気体を意味し、空気等の含有酸素ガスに限らず、それらと燃料ガスとの混合気をも含む。また、「空燃比」とは、含有酸素ガスが空気の場合は空気と燃料との比を意味するが、含有酸素ガスが空気以外の場合（例えば、空気に酸素を混合して酸素の割合を高めたガスの場合）は、含有酸素ガスと燃料との比を意味する。

従って、この発明では、空燃比を変更して出力変更をする際、運転状態がノッキングの発生する状態や失火の発生する状態となるのを抑制することができる。また、所定の条件で運転中に何らかの原因で負荷や空燃比の変動が生じてもノッキングや失火が生じるのを抑制することができる。

第２の目的を達成するため、請求項２に記載の発明は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関である。そして、空燃比又は機関負荷を把握する負荷対応値把握手段と、吸気温度調整手段と、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な空燃比又は機関負荷と吸気温度との関係を示すマップ又は関係式が記憶された記憶装置とを備えている。また、吸気温度が、前記負荷対応値把握手段により把握された空燃比又は機関負荷における予混合圧縮自着火燃焼運転の可能な吸気温度の値域の上限値を上回った場合には、吸気温度を低くするように前記吸気温度調整手段を制御し、前記値域における下限値を下回った場合には、吸気温度を高くするように前記吸気温度調整手段を制御する制御手段を備えている。

この発明では、混合圧縮自着火機関の運転中、負荷対応値把握手段により空燃比又は機関負荷が把握される。制御手段は、空燃比又は機関負荷がノッキングの発生する値になるように変動している場合は、吸気温度を低くするように吸気温度調整手段を制御してノッキングが発生するのを抑制する。また、制御手段は、空燃比又は機関負荷が失火の発生する値になるように変動している場合は、吸気温度を高くするように吸気温度調整手段を制御して失火が発生するのを抑制する。従って、請求項１に記載の発明の運転方法を実施することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記マップは、予混合圧縮自着火燃焼が可能な吸気温度と、空燃比又は機関負荷との関係を示す領域の境界が安全度を見込んで設定されている。従って、この発明では、運転条件を変更する際に、前記境界に沿って運転条件を連続的に変更しても、安定して予混合圧縮自着火燃焼を継続することができる。「安全度」は機関の大きさや運転状態によって異なり一概に決められないが、例えば、前記領域における吸気温度の幅の１０％を見込んで設定される。

本発明によれば、出力変更をする際にノッキングや失火が生じるのを抑制することができるとともに、所定の条件で運転中に何らかの原因で負荷や空燃比の変動が生じてもノッキングや失火が生じるのを抑制することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を定置式の予混合圧縮自着火機関に具体化した一実施形態を図１〜図５に従って説明する。図１は予混合圧縮自着火機関の概略構成図である。図２は予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ）可能な範囲を機関の回転速度及び負荷との関係で示すマップ、図３はＨＣＣＩ可能な範囲を吸気温度と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係で示すマップ、図４はＨＣＣＩ可能な範囲を吸気温度が１４０℃、１６０℃、１８０℃の場合の冷却水温及び空燃比との関係で示すマップである。図５は予混合圧縮自着火機関の運転制御を説明するフローチャートである。

図１に示すように、予混合圧縮自着火機関１０（以下、単に機関と称す場合もある。）は、機関本体１１と、予混合圧縮自着火機関１０を電子制御する制御装置１２とを備えている。

機関本体１１は、複数のシリンダ１３ａ（図１では１個のみ図示）が形成されたシリンダブロック１３と、シリンダヘッド１４とを備えている。各シリンダ１３ａ内にはピストン１５が往復動可能に設けられている。ピストン１５と、シリンダ１３ａ及びシリンダヘッド１４によって気筒に燃焼室１６が形成されている。ピストン１５は燃焼室１６での吸気・圧縮後の爆発燃焼から得られる推進力によってシリンダ１３ａ内を往復運動し、ピストン１５の往復運動がコンロッド１７を介して出力軸としてのクランクシャフト１８の回転運動に変換されて出力が得られる。機関本体１１は４サイクル内燃機関である。

シリンダヘッド１４には吸気ポート１９を開閉する吸気弁２０と、排気ポート２１を開閉する排気弁２２とが設けられている。吸気弁２０及び排気弁２２は、それぞれ可変動弁機構２３，２４により、開弁時期及び閉弁時期を変更可能かつ、独立して開閉駆動可能になっている。可変動弁機構２３，２４は、例えば、電磁駆動装置又は油圧アクチュエータで構成されている。また、シリンダヘッド１４には、点火装置としての点火プラグ４２がその点火部を燃焼室１６に露出させた状態で設けられている。

シリンダヘッド１４には吸気ポート１９に繋がる吸気通路２５と、排気ポート２１に繋がる排気通路２６とがそれぞれ接続されている。吸気通路２５の途中には燃料噴射ノズル２７が設けられ、燃料噴射ノズル２７は管路２８を介して図示しない燃料タンクに接続されている。管路２８の途中には燃料供給量を制御する電磁制御弁２９が設けられている。この実施形態では燃料として天然ガスが使用されている。また、吸気通路２５の燃料噴射ノズル２７より上流にはエアクリーナ３０及びスロットルバルブ３１が設けられている。スロットルバルブ３１はスロットルモータ（電動モータ）３２によって作動される電動式であり、スロットルバルブ３１を開度調整することにより、燃焼室１６内に導入される吸入空気の流量が調整される。

吸気通路２５の途中には吸気を加熱する加熱手段３３が設けられている。この実施形態では、加熱手段３３は、排気ガスと吸気との間で熱交換を行う熱交換器で構成されている。排気通路２６は途中で２経路に分岐され、一方の分岐路２６ａは加熱手段３３に接続され、排気ガスが吸気と熱交換を行った後、大気に放出されるようになっている。他方の分岐路２６ｂを通過する排気ガスは直接大気に放出されるようになっている。排気通路２６の分岐部には電磁式の三方弁３４が設けられ、加熱手段３３に接続された分岐路２６ａへの排気ガスの流量が０〜１００％の範囲で調整可能になっている。即ち、三方弁３４により排気通路２６から排気される排気ガスは、分岐路２６ａ及び加熱手段３３を経ずに全て分岐路２６ｂから排気される状態から、全ての排気ガスが分岐路２６ａを通過して排気される状態の間の任意の量の排気ガスが分岐路２６ａを通過可能に調整される。三方弁３４として、例えばスプール弁を使用できる。加熱手段３３及び三方弁３４により吸気温度を調整する吸気温度調整手段が構成されている。

吸気通路２５には加熱手段３３より下流側で燃料噴射ノズル２７より上流側に、吸気通路２５内の温度を検出する温度センサ３５と、吸気流量を検出するエアフローメータ３６とが設けられている。

予混合圧縮自着火機関１０の運転を制御する制御装置１２は、出力設定手段３７により設定された負荷及び回転速度の要求を満たした状態で機関１０が運転されるように、可変動弁機構２３，２４、電磁制御弁２９、スロットルモータ３２、三方弁３４及び点火プラグ４２を制御する。

制御装置１２はマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と称す）３８を内蔵する。マイコン３８は記憶装置としてのメモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭ）３９を備える。温度センサ３５、エアフローメータ３６、機関本体１１における水温を検出する水温センサ４０、機関本体１１の回転速度、即ちクランクシャフト１８の回転速度を検出する回転速度センサ４１は、制御装置１２の入力側（入力インタフェイス）にそれぞれ電気的に接続されている。可変動弁機構２３，２４、電磁制御弁２９、スロットルモータ３２、三方弁３４及び点火プラグ４２は、制御装置１２の出力側（出力インタフェイス）にそれぞれ電気的に接続されている。

制御装置１２は、各センサ類から出力される検出信号に基づいて予混合圧縮自着火機関１０の運転状態を判断し、所定の運転状態となるように可変動弁機構２３，２４、電磁制御弁２９、スロットルモータ３２、三方弁３４及び点火プラグ４２を制御する。制御装置１２は、エアフローメータ３６の検出信号及び電磁制御弁２９の開度に基づいて空燃比を演算する。即ち、エアフローメータ３６及び制御装置１２は空燃比を把握する負荷対応値把握手段を構成する。

メモリ３９には、温度センサ３５、エアフローメータ３６、水温センサ４０及び回転速度センサ４１の検出信号から把握される運転状態に基づいて、予混合圧縮自着火機関１０の制御のために指令すべき各種指令値（制御値）の決定に用いられるマップ、式等が記憶されている。前記マップ式等には、例えば燃料噴射量、スロットル開度、点火時期等を決めるマップ、式等が含まれる。

メモリ３９には、予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップが記憶されている。前記マップには図２に示すように、予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲が、負荷とクランクシャフト１８の回転速度との関係として表されているマップＭ１がある。また、図３に示すように、予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲を吸気温度と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係で示すマップＭ２や、図４に示すように、予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲を吸気温度が１４０℃、１６０℃、１８０℃の場合の冷却水温及び空燃比との関係で示すマップＭ３もある。マップＭ３においては、所定の吸気温度毎に冷却水温と空燃比との関係が示されており、冷却水温が低く、空燃比が高く（大きく）なると失火が発生し易くなり、冷却水温が高く、空燃比が低く（小さく）なるとノッキングが発生し易くなることを表している。メモリ３９には予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップの他に、火花点火燃焼運転用のマップ（図示せず）も記憶されている。

マップＭ２は、目標回転速度毎に設けられ、予混合圧縮自着火燃焼が可能な吸気温度と、空燃比との関係を示す領域Ａ１の境界が安全度を見込んで設定されている。試験により求められた予混合圧縮自着火燃焼が可能な領域は、図３に実線で示す領域Ａ１より広い鎖線で示す領域となるが、安全度を見込んで、実線で示す領域Ａ１が後記する制御の基準となる。この実施形態では安全度として鎖線で示す領域における吸気温度の幅Ｗの１０％を見込んで設定されている。前記領域のＡ／Ｆの値が大きい側の端部における吸気温度の値が、例えば１２０〜２２０℃の場合、吸気温度の幅Ｗは約１００℃のため、安全度は上下それぞれ約１０℃となる。

制御装置１２は、前記マップＭ１に基づいて要求負荷及び回転速度に対応して予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かを判断する。制御装置１２はマップＭ２に基づいて、空燃比がノッキングの発生する可能性がある変動をしているか否かと、空燃比が失火の発生する可能性がある変動をしているか否かとの判断を行う。「空燃比がノッキングの発生する可能性がある変動をしている」とは、空燃比の値が図３に示すマップＭ２における領域Ａ１の上側の境界線を超えるような変化をしていることを意味する。「空燃比が失火の発生する可能性がある変動をしている」とは、空燃比の値が図３に示すマップＭ２における領域Ａ１の下側の境界線を超えるような変化をしていることを意味する。

制御装置１２は、空燃比を把握し、空燃比がノッキングの発生する値になるのを防止するため、マップＭ２に基づいて、吸気温度を低くするように吸気温度調整手段、即ち加熱手段３３及び三方弁３４を制御する。また、制御装置１２は、空燃比を把握し、空燃比が失火の発生する値になるのを防止するため、マップＭ２に基づいて、吸気温度を高くするように加熱手段３３及び三方弁３４を制御する。即ち、制御装置１２は、負荷対応値把握手段により空燃比を把握し、空燃比がノッキングの発生する値あるいは失火の発生する値になるのを防止するためマップＭ２に基づいて吸気温度調整手段を制御する制御手段を構成する。

次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
制御装置１２は、水温センサ４０及び回転速度センサ４１等の検出信号から機関本体１１の運転状態を把握する。そして、出力設定手段３７で設定された要求回転速度及び負荷を満たす状態で、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かを判断し、その判断結果に従って予混合圧縮自着火燃焼運転あるいは火花点火燃焼運転を行うように、目標回転速度及び負荷を演算する。そして、予混合圧縮自着火燃焼運転の場合は、その目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となるように、空燃比、吸気の加熱状態となるように、電磁制御弁２９、スロットルモータ３２及び三方弁３４を制御する。また、火花点火燃焼運転の場合は、目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となるように、空燃比、吸気の加熱状態及び点火時期となるように、電磁制御弁２９、スロットルモータ３２、三方弁３４及び点火プラグ４２を制御する。制御装置１２は、予混合圧縮自着火機関１０の運転に際して、予混合圧縮自着火燃焼運転を優先的に行うように運転を行うが、要求負荷及び機関回転速度が予混合圧縮自着火燃焼が可能な範囲にない場合は、火花点火燃焼運転を行う。また、制御装置１２は、暖機完了までは火花点火燃焼運転を行う。

予混合圧縮自着火機関１０の運転は図５のフローチャートに従って行われる。先ずステップＳ１で、暖機運転が行われる。制御装置１２はメモリ３９に記憶されている火花点火燃焼運転用のマップ（ＳＩ基本マップ）により、暖機運転の条件を満たす空燃比になるように、電磁制御弁２９及びスロットルモータ３２に指令信号を出力する。また、制御装置１２は、暖機運転の条件を満たす火花点火燃焼を行うのに適したバルブタイミング及び点火時期となるように、可変動弁機構２３，２４及び点火プラグ４２に指令信号を出力し、暖機運転の条件を満たす吸気の加熱状態となるように三方弁３４に指令信号を出力する。

次に制御装置１２はステップＳ２で、水温センサ４０の検出信号に基づき、暖機が完了したか否かを判断する。即ち、水温センサ４０の検出温度が暖機が完了した状態の温度以上か否かを判断し、暖機が完了していればステップＳ３に進み、暖機が完了していなければステップＳ１に戻る。暖機が完了した状態の温度は、予め試験により求められてメモリ３９に記憶されている。

制御装置１２はステップＳ３で、要求回転速度及び負荷に対して冷却水温が規定値より大きいか否かをマップＭ３に基づいて判断する。そして、冷却水温がマップＭ３に示される規定値より大きければステップＳ４に進み、冷却水温が規定値以下であればステップＳ５に進む。前記規定値は、要求回転速度及び負荷に対応して予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ）運転を安定して行うことが、加熱手段３３による加熱条件を調整することで対処できる状態の機関本体１１の温度を予め試験で確認して設定されたものであり、メモリ３９に記憶されている。

制御装置１２はステップＳ４で、要求回転速度及び負荷に対する予混合圧縮自着火燃焼運転可能領域を図２のマップＭ１から判断し、要求回転速度及び負荷に対する予混合圧縮自着火燃焼運転可能であればステップＳ６に進み、予混合圧縮自着火燃焼運転可能でなければステップＳ５に進む。制御装置１２はステップＳ５で、現在の水温において、要求回転速度及び負荷に対応する火花点火燃焼運転に適した空燃比となるように電磁制御弁２９及びスロットルモータ３２に指令信号を出力し、適切な吸気の加熱状態となるように三方弁３４に指令信号を出力した後、ステップＳ３に進む。その結果、予混合圧縮自着火機関１０は要求回転速度及び負荷を満たすように火花点火燃焼で運転される。

制御装置１２はステップＳ６で、要求回転速度及び負荷に対応する目標回転速度及び負荷に対する目標吸気温度及び空燃比をマップに基づいて演算し、その目標吸気温度及び空燃比となるように、三方弁３４、電磁制御弁２９及びスロットルモータ３２に指令信号を出力する。その結果、予混合圧縮自着火機関１０は要求回転速度及び負荷を満たすように予混合圧縮自着火燃焼で運転される。

制御装置１２はステップＳ６を実行した後、ステップＳ７に進む。制御装置１２はステップＳ７で、空燃比及び吸気温度を把握するとともに、目標回転速度での吸気温度と空燃比とのマップＭ２に基づき、現状の運転を継続するとノッキング（ノック）が発生する可能性があるか否かの判断を行う。詳述すると、制御装置１２は、把握した空燃比及び吸気温度が安定した予混合圧縮自着火燃焼が可能な領域Ａ１のどこに位置するかを確認する。そして、前回の判断時と今回の判断時でその位置に変動があり、かつその変動がノッキングの発生する可能性がある変動か否かを判断する。制御装置１２は、ステップＳ７でノッキングの発生する可能性があると判断したときはステップＳ８に進み、可能性がないと判断したときはステップＳ９に進む。

制御装置１２は、ステップＳ９で空燃比及び吸気温度を把握するとともに、目標回転速度での吸気温度と空燃比とのマップＭ２に基づき、現状の運転を継続すると失火が発生する可能性があるか否かの判断を行う。詳述すると、制御装置１２は、把握した空燃比及び吸気温度が安定した予混合圧縮自着火燃焼が可能な領域Ａ１のどこに位置するかを確認する。そして、前回の判断時と今回の判断時でその位置に変動があり、かつその変動が失火の発生する可能性がある変動か否かを判断する。制御装置１２は、ステップＳ９で失火の発生する可能性があると判断したときはステップＳ８に進み、可能性がないと判断したときはステップＳ３に進む。

制御装置１２はステップＳ８で、目標回転速度での吸気温度及び空燃比のマップに基づき、吸気温度をノッキングあるいは失火の可能性のある変動が継続しないように吸気温度を調整する。例えば、ステップＳ７からステップＳ８に進んだ場合は、制御装置１２はステップＳ８で、ノッキングの可能性のある変動が継続しないように、即ち吸気温度を低下させるように三方弁３４に指令信号を出力する。また、ステップＳ９からステップＳ８に進んだ場合は、制御装置１２はステップＳ８で、失火の可能性のある変動が継続しないように、即ち吸気温度を上昇させるように三方弁３４に指令信号を出力する。そして、制御装置１２は、ステップＳ８を実行した後、ステップＳ３に進む。

即ち、制御装置１２は、空燃比を把握し、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な空燃比と吸気温度との関係を示すマップＭ２に基づいて空燃比がノッキングの発生する可能性がある変動をしているか否かを判断する。そして、空燃比がノッキングの発生する可能性がある変動をしている場合は、その値が目標機関回転速度で安定運転可能な範囲から逸脱するのを防止するため、マップＭ２に基づいて、吸気温度調整手段を制御して吸気温度が低くなるように調整する。また、制御装置１２は、空燃比が失火の発生する可能性がある変動をしている場合は、その値が目標機関回転速度で安定運転可能な範囲から逸脱するのを防止するため、マップＭ２に基づいて、吸気温度調整手段を制御して吸気温度が高くなるように調整する。

従って、要求回転速度及び負荷が変わらず、予混合圧縮自着火燃焼が安定している状態では、制御装置１２は、ステップＳ３、ステップＳ４、ステップＳ６、ステップＳ７、ステップＳ９を繰り返し、要求回転速度及び負荷に対応する所定の吸気温度及び空燃比で予混合圧縮自着火燃焼運転が継続される。

定置式の予混合圧縮自着火機関１０では、自動車のエンジンの場合と異なり、要求回転速度及び負荷が頻繁に変更されることは少ない。しかし、要求回転速度及び負荷を大幅に変更する場合もある。例えば、図３のマップＭ２において、現在の運転状態に対応する吸気温度と空燃比との関係が点Ｐ１で示され、変更後の要求回転速度及び負荷に対応する吸気温度と空燃比との関係が点Ｐ２で示される場合、制御装置１２は目標回転速度及び負荷を点Ｐ２における回転速度及び負荷に徐々に近づくように変更しながら運転を継続する。その際、点Ｐ１及びＰ２が領域Ａ１の境界線近くに存在する場合において、吸気温度と空燃比とを同時に変更して、吸気温度と空燃比との関係が、点Ｐ１及び点Ｐ２を結ぶ直線上を移動するように変更しても、ステップＳ３〜ステップＳ９が適宜実行されて安定した予混合圧縮自着火燃焼が継続されつつ点Ｐ２と対応する運転条件に変更される。

運転条件の変更方法として、吸気温度及び空燃比の一方をＡ１の境界線より離れる状態に変更し、次に他方を変更することにより、吸気温度と空燃比との関係が、階段状に変化する方法を採用してもよい。

この実施形態では以下の効果を有する。
（１）予混合圧縮自着火機関１０は、空燃比を把握する負荷対応値把握手段と、吸気温度調整手段と、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な空燃比と吸気温度との関係を示すマップＭ２が記憶されたメモリ３９とを備えている。そして、負荷対応値把握手段により空燃比を把握し、空燃比がノッキングの発生する値になるのを防止するため、前記マップに基づいて、吸気温度を低くするように吸気温度調整手段を制御装置１２で制御する。また、空燃比が失火の発生する値になるのを防止するため、前記マップに基づいて、吸気温度を高くするように吸気温度調整手段を制御装置１２で制御する。従って、空燃比を変更して出力変更をする際、運転状態がノッキングの発生する状態や失火の発生する状態となるのを抑制することができる。また、所定の条件で運転中に何らかの原因で負荷や空燃比の変動が生じてもノッキングや失火が生じるのを抑制することができる。

（２）前記マップＭ２は、予混合圧縮自着火燃焼が可能な吸気温度と、空燃比との関係を示す領域Ａ１の境界が安全度を見込んで設定されている。従って、運転条件を変更する際に、前記境界に沿って運転条件を連続的に変更しても、安定して予混合圧縮自着火燃焼を継続することができる。

（３）前記安全度は、前記マップＭ２におけるある空燃比に対応する吸気温度の範囲の１０％となるように設定されている。従って、運転条件が予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲からの逸脱をより抑制することができる。

（４）加熱手段３３は、排気ガスと吸気との間で熱交換を行う熱交換器である。従って、予混合圧縮自着火機関１０の運転により発生する熱が有効に利用され、他の加熱手段を設ける場合に比較して、エネルギー消費が少なくなる。

（５）加熱手段３３は、吸気として混合気ではなく燃料と混合される前の空気（酸素含有ガス）を加熱する。空気の熱伝導率は混合気より高いため、熱交換器における熱交換が混合気を加熱する場合に比較して効率良く行われる。

（６）燃焼室１６には点火プラグ４２が装備され、火花点火燃焼運転も可能に構成されている。従って、暖機運転を円滑に行うことができるとともに、火花点火燃焼運転ができない予混合圧縮自着火機関に比較して、高回転速度及び高負荷の要求に対応することができる。

（７）メモリ３９には予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップの他に、火花点火燃焼運転用のマップを備えている。従って、予混合圧縮自着火燃焼運転では要求負荷及び回転速度に対応できない場合、要求負荷及び回転速度に対応する火花点火燃焼運転に容易に切り替えることができる。

（８）可変動弁機構２３，２４は電磁駆動装置又は油圧アクチュエータで構成されている。従って、排気弁２２の閉弁時期を自由に変更することができるため、予混合圧縮自着火燃焼と火花点火燃焼とを円滑に行う制御が容易になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 予混合圧縮自着火機関１０は、必ずしも火花点火装置を備えず、予混合圧縮自着火燃焼のみを行う構成であってもよい。

○ 火花点火装置を備えない予混合圧縮自着火機関１０の場合、暖機運転時のみ、燃料を圧縮自着火し易い燃料とし、暖機完了後に通常運転時の燃料に切り替える構成としてもよい。

○ 火花点火装置（点火プラグ４２）を備えた予混合圧縮自着火機関１０において、暖機運転のときのみ火花点火燃焼で運転を行い、暖機完了後は予混合圧縮自着火燃焼でのみ運転を行う構成としてもよい。この場合、要求負荷及び回転速度が予混合圧縮自着火燃焼可能な領域にない場合、予混合圧縮自着火燃焼可能な領域において、要求負荷及び回転速度に近い負荷及び回転速度に対応する空燃比、吸気の加熱状態となる条件で予混合圧縮自着火機関１０の運転を行うのが好ましい。

○ 加熱手段３３は排気ガスを熱源として熱交換を行う熱交換器に限らず、機関本体１１の冷却水を熱源として熱交換を行う熱交換器としてもよい。しかし、排気ガスの方が冷却水に比較して温度が高いため、排気ガスを熱源とした熱交換器の方が加熱効率が高い。また、排気ガスを熱源として熱交換を行う熱交換器と、機関本体１１の冷却水を熱源として熱交換を行う熱交換器との両方を設けてもよい。また、機関オイル（エンジンオイル）を熱源とした熱交換器としてもよい。

○ 加熱手段３３が吸気を加熱する構成としては、燃料と混合される前の空気を加熱する代わりに、空気と燃料とが混合された混合気を加熱する構成としてもよい。また、空気及び混合気の両方を加熱する構成としてもよい。

○ 加熱手段３３として、排気ガス又は機関本体１１の冷却水を熱源として熱交換を行う熱交換器に代えて又は該熱交換器に加えて、吸気を加熱する電気ヒータを備えた構成としてもよい。予混合圧縮自着火機関１０が火花点火装置を装備しない構成の場合、加熱手段３３として電気ヒータを装備していれば、排気ガスの温度や冷却水の温度が低い暖機運転時に、前記電気ヒータで吸気を加熱することにより、短時間で吸気を必要温度に加熱することができ、暖機運転を安定して行うことができる。また、暖機後の予混合圧縮自着火燃焼運転時においても、短時間で吸気を加熱したい場合に有効である。

○ 吸気温度調整手段として加熱手段３３のみを設ける構成に代えて、加熱手段３３に加えて冷却手段を備えた構成としてもよい。冷却手段としては、例えば、空冷された後の機関冷却水又は機関冷却水とは別の冷却水と、吸気との間で熱交換を行う熱交換器や、吸気通路に外気を送風する送風機が採用される。吸気温度の調整を行う場合、加熱手段３３による加熱を中止すれば吸気温度が下がるが、冷却手段を設けた場合は、短時間で吸気を必要温度に冷却することができる。

○ 前記マップＭ２において、予混合圧縮自着火燃焼が可能な吸気温度と、空燃比との関係を示す領域Ａ１の境界を設定する際の安全度は、領域Ａ１における吸気温度の幅Ｗの１０％に限らず、例えば、５％であってもよいし、１０％より大きくてもよい。

○ 負荷対応値としての空燃比を把握する方法として、制御装置１２がエアフローメータ３６の検出信号と、電磁制御弁２９の開度とから空燃比を演算する代わりに、負荷対応値把握手段として空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）を設けてもよい。Ａ／Ｆセンサとしては、例えば、排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度とから空燃比を検出するものが使用される。

○ マップＭ１において、負荷を直接表す代わりに、負荷に相当する他の値、例えば、図示平均有効圧力（ＩＭＦＰ）を採用したり、要求負荷を設定する設定手段の操作量を採用してもよい。

○ マップＭ２において、吸気温度と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係で安定な予混合圧縮自着火燃焼範囲を示す代わりに、機関負荷を表す値として空燃比に代えて図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）を使用してもよい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０の燃料は天然ガスに限らず、ガソリン、プロパンガス、メタノール、ジメチルエーテル、水素の他、ディーゼルエンジンで使用される燃料等任意の燃料を使用してもよい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０は４サイクル機関に限らず２サイクル機関であってもよい。
○ 混合気は燃料が気体である必要はなく、霧状の液体であってもよい。

○ 燃料と混合する酸素含有ガスは空気に限らず、燃料を燃焼させるのに必要な酸素を含む酸素含有ガスであればよい。例えば、空気に酸素を混合して酸素濃度を高めたガスを使用してもよい。

○ 吸気通路２５内に燃料を噴射して燃料と酸素含有ガスとを混合した混合気を燃焼室１６へ吸入する構成に限らず、燃料を吸気行程中に燃焼室１６に噴射する構成としてもよい。また、燃料はキャブレターやミキサー等で混合してもよい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０はシリンダ（気筒）を複数備えた構成に限らず、単気筒であってもよい。
○ 可変動弁機構２３，２４としては、カムシャフトを使用してカムにより又はロッカアームを介して吸気弁あるいは排気弁を開閉作動させる公知のバルブタイミング可変機構を使用してもよい。なお、予混合圧縮自着火燃焼と火花点火燃焼とを円滑に行う制御が容易な予混合圧縮自着火機関であれば、可変動弁機構２３，２４がない構造であってもよい。

○ 分岐路２６ａ側へ流れる排気ガスの量を調整する構成として、分岐部に三方弁３４を設ける構成に代えて、各分岐路２６ａ，２６ｂにそれぞれ流量調整弁を設けて、制御装置１２が該流量調整弁を制御する構成としてもよい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０は定置式のものに限らず、自動車のエンジンに適用してもよい。その場合は、予混合圧縮自着火燃焼運転と火花点火燃焼運転とに切替え可能な構成とする必要がある。

○ マップＭ１に代えて予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲を機関の回転速度及び負荷との関係で示す関係式を使用し、マップＭ２に代えて予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲を吸気温度と空燃比との関係で示す関係式を使用し、Ｍ３に代えて予混合圧縮自着火燃焼時の吸気温度、冷却水温及び空燃比との関係で示す関係式を使用してもよい。各関係式はそれぞれメモリ３９に記憶される。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項３に記載の発明において、前記安全度は、前記マップにおけるある空燃比又は機関負荷に対応する吸気温度の範囲の１０％となるように設定されている。

（２）請求項２、請求項３及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記加熱手段は、排気ガス、機関冷却水及び機関オイルの少なくとも一つと、吸気との間で熱交換を行う熱交換器である。

（３）請求項２、請求項３及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、前記吸気は燃料と混合される前の酸素含有ガスである。
（４）請求項２、請求項３及び前記技術的思想（１）〜（３）のいずれか一項に記載の発明において、前記燃焼室には点火装置が装備され、前記記憶装置には予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップの他に、火花点火燃焼運転用のマップを備え、予混合圧縮自着火燃焼運転では要求負荷及び回転速度に対応できない場合は、火花点火燃焼運転が行われる。

（５）前記技術的思想（４）に記載の予混合圧縮自着火機関の運転方法であって、機関の暖機完了までは、火花点火燃焼運転を行い、その後、要求負荷及び回転速度が予混合圧縮自着火燃焼可能な領域にある場合に予混合圧縮自着火燃焼運転を行う予混合圧縮自着火機関の運転方法。

一実施形態の予混合圧縮自着火機関の概略構成図。 ＨＣＣＩ可能な範囲を機関の回転速度及び負荷との関係で示すマップ。 ＨＣＣＩ可能な範囲を吸気温度と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係で示すマップ。 ＨＣＣＩ時の吸気温度が１４０℃、１６０℃、１８０℃の場合の冷却水温及び空燃比との関係で示すマップ。 予混合圧縮自着火機関の運転制御を説明するフローチャート。

符号の説明

Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…マップ、Ａ１…領域、１０…予混合圧縮自着火機関、１２…負荷対応値把握手段及び制御手段を構成する制御装置、１５…ピストン、１６…燃焼室、１８…出力軸としてのクランクシャフト、３３…吸気温度調整手段を構成する加熱手段、３４…同じく三方弁、３６…負荷対応値把握手段を構成するエアフローメータ、３９…記憶装置としてのメモリ。

Claims (3)

1. 燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関の運転方法であって、
   空燃比又は機関負荷を把握し、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な空燃比又は機関負荷と吸気温度との関係を示すマップ又は関係式に基づいて予混合圧縮自着火燃焼運転が可能な領域であるか否かを判断し、前記空燃比又は機関負荷がノッキングの発生する可能性がある変動をしている場合は、その値が目標機関回転速度で安定運転可能な範囲から逸脱するのを防止するため、前記マップ又は関係式に基づいて、前記吸気温度を調整する吸気温度調整手段を制御して吸気温度が低くなるように調整し、前記空燃比又は機関負荷が失火の発生する可能性がある変動をしている場合は、その値が目標機関回転速度で安定運転可能な範囲から逸脱するのを防止するため、前記マップ又は関係式に基づいて、前記吸気温度を調整する吸気温度調整手段を制御して吸気温度が高くなるように調整する予混合圧縮自着火機関の運転方法。
2. 燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関であって、
   空燃比又は機関負荷を把握する負荷対応値把握手段と、
   吸気温度調整手段と、
   安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な空燃比又は機関負荷と吸気温度との関係を示すマップ又は関係式が記憶された記憶装置と、
   吸気温度が、前記負荷対応値把握手段により把握された空燃比又は機関負荷における予混合圧縮自着火燃焼運転の可能な吸気温度の値域の上限値を上回った場合には、吸気温度を低くするように前記吸気温度調整手段を制御し、前記値域における下限値を下回った場合には、吸気温度を高くするように前記吸気温度調整手段を制御する制御手段と
   を備えた予混合圧縮自着火機関。
3. 前記マップは、予混合圧縮自着火燃焼が可能な吸気温度と、空燃比又は機関負荷との関係を示す領域の境界が安全度を見込んで設定されている請求項２に記載の予混合圧縮自着火機関。

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