〔予混合圧縮自着火式エンジンの概要〕
 図1は、本発明の実施形態に係る予混合圧縮 自着火式エンジン11の概略断面図、図2は、同 概略平面図である。本実施形態の予混合圧縮 自着火式エンジン11は、4気筒(No.1~No.4)の4サイ クルエンジンであり、シリンダブロック12、� ��リンダヘッド15、及びクランクケース18によ って構成されたエンジン本体11Aを備えている 。シリンダブロック12内には、複数(4つ)のシ� ��ンダ13が設けられ、各シリンダ13内には、ピ ストン14が摺動自在に嵌合されている。シリ� ��ダヘッド15には、吸気ポート16及び排気ポー ト17が設けられ、吸気ポート16及び排気ポー� �17は、それぞれ吸気弁19及び排気弁20によっ� �開閉される。吸気弁19及び排気弁20は、動弁� ��置21,22によって駆動される。

 吸気ポート16には吸気管24が接続され、排 気ポート17には排気マニホールド25を有する� �気管26が接続されている。吸気管24は、図2に 示すように、主吸気管27と、該主吸気管27に� �続された吸気サージタンク28と、該吸気サー ジタンク28から各シリンダ13に接続された複� �の分岐吸気管29とを有している。

 図1に示すように、主吸気管27には、スロ� ��トルバルブ31と、ミキサ33と、加熱装置(調� �装置)35とが設けられている。主吸気管27に導 入された空気は、スロットルバルブ31によっ� ��流量が調節され、燃料制御弁(A/Fバルブ)32を 通じて供給された燃料とミキサ33で混合され� ��。燃料制御弁32では、燃料と空気との比率� �すなわち空気過剰率が設定される。

 空気と燃料との混合気は、加熱装置35に� �って加熱されて吸気サージタンク28に流入し 、各分岐吸気管29から吸気ポート16を経て各� �リンダ13内の燃焼室に吸気される(吸気行程)� ��吸気行程で燃焼室内に供給された混合気は� ��圧縮行程で圧縮され、ピストン14が上死点� �近にきたときに自着火し、これによりピス� �ン14が押し下げられる(膨張行程)。燃焼ガス� ��、排気行程で排気ポート17から排気管26を介 して排出される。

 加熱装置35は、図2に示すように、2経路に 分岐した主吸気管27の一方の経路38に設けら� �た熱交換器40を備えている。熱交換器40は、� ��ンジン冷却水を熱交換媒体とするものであ� ��、シリンダブロック12及びシリンダヘッド15 (図1)を循環した冷却水が流路41を介して熱交� ��器40に供給されると共に、流路42を介して冷 却器(図示略)に戻されるようになっている。� ��吸気管27の双方の経路38,39には、それぞれ調 量弁43,44が設けられている。

 主吸気管27の他方の経路39には熱交換器40� ��設けられておらず、この経路39を通る混合� �は加熱されることなくそのまま吸気サージ� �ンク28に導入される。調量弁43,44は、主吸気� ��27の各経路38,39への混合気の流入量を調整(� �止を含む)するものであり、例えば、一方の� ��量弁43のみを開いて経路38のみに混合気を通 すことで、急速に混合気を加熱することがで き、他方の調量弁44のみを開いて経路39のみ� �混合気を通すことで、混合気を加熱しない� �うにする(相対的に冷却する)ことができる。 また、双方の調量弁43,44を開くことによって� ��加熱された混合気と加熱されていない混合� ��とを混合して、細かな温度制御を行うこと� ��できるようになっている。

 なお、加熱装置35の熱交換媒体としては� �潤滑油や排気ガスを利用することができる� �また、加熱装置35として、電熱ヒータを用い ることもできる。さらに、上記のように主吸 気管27を分岐せずに1経路として、加熱装置35� ��設けることもできる。

 図1に示すように、エンジン11は、コント� ��ーラ45を備えており、該コントローラ45によ って、スロットルバルブ31、燃料制御弁32、� �熱装置35等が制御されるようになっている。 また、エンジン11には、冷却水温度センサ47� �吸気温度センサ48、気筒内圧力センサ49、機� ��回転数センサ50、トルクセンサ51、空気過剰 率センサ52等が設けられており、各種センサ� ��検出信号は、前記コントローラ45に入力さ� �るようになっている。

 なお、本実施形態では、気筒内圧センサ4 9によって各シリンダ13内の圧力を検出し、そ の検出値を解析して燃焼質量割合を求めるよ うになっている。また、燃焼質量割合が50%と なったときを圧縮自着火時期とするようにな っている。

 エンジン11のシリンダヘッド15には点火プ ラグ37が設けられている。点火プラグ37は、� �2に示すように、ハイテンションコード54を� �してイグニッションコイル55に接続されてお り、点火プラグ37、ハイテンションコード54� �びイグニッションコイル55によって火花点火 装置53が構成されている。火花点火装置53の� �グニッションコイル55への通電は、コントロ ーラ45によって動作制御される。

〔予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法〕
 本来、予混合圧縮自着火式エンジン11は、� �花点火を行うことなく混合気を圧縮自着火(H CCI)させて運転を行うものである。しかし、� �実施形態の予混合圧縮自着火エンジン11では 、エンジン11の始動時と、エンジン11を始動� �たあと圧縮自着火運転を行うまでの過渡期� �運転に火花点火を用いている。

 ここで、エンジン始動時の運転は、火花� ��火によって混合気を燃焼させる、所謂火花� ��火運転(SI運転)である。過渡期の運転は、火 花点火運転ではなく、補助的に火花点火装置 53を用いた圧縮自着火運転となっている。本� ��細書では、この過渡期の運転を点火補助圧� ��自着火運転と称している、また、火花点火� ��用いない本来の圧縮自着火運転を、無点火� ��縮自着火運転と称している。

 点火補助圧縮自着火運転は、無点火圧縮� ��着火運転が困難な運転条件で、火花点火に� ��って圧縮自着火を誘発する運転であり、火� ��点火を行うことにより、その火花や点火後� ��伝播火炎により圧縮状態にある混合気に自� ��火を行わせる運転である。

 図3は、予混合圧縮自着火式エンジン11の� ��ルクと吸気温度との関係で、火花点火運転� ��、点火補助圧縮自着火運転と、無点火圧縮� ��着火運転とが可能な運転範囲をそれぞれ示� ��グラフである。Z1は、火花点火運転が可能� �範囲を示し、Z2は点火補助圧縮自着火運転が 可能な範囲を示し、Z3は無点火圧縮自着火運� ��が可能な範囲を示している。そして、本実� ��形態は、吸気温度がある程度上昇するまで� ��、火花点火運転(Z1)を行い、その後、吸気温 度が所定T1にまで上昇すると、矢印Y3で示す� �うに、吸気温度を維持しつつ点火補助圧縮� �着火運転(Z2)に移行し、その後無点火圧縮自� ��火運転(Z3)を行うようになっている。以下、 詳細に説明する。

 エンジン11の始動時は冷えた状態(冷態)に あり、当然に吸気温度も低くなっている。し たがって、点火補助圧縮自着火運転(Z2)も無� �火圧縮自着火運転(Z1)も困難な状態である。� ��たがって、範囲Z1に示すように、混合気を� �花点火によって燃焼させる火花点火運転を� �う。この際、燃料制御弁32(図1)により空気過 剰率を低く(燃料リッチに)設定しておく。火� ��点火運転を行うと次第にエンジン冷却水の� ��度が上昇するため、加熱装置35(図2)によっ� �吸気温度を上昇させることが可能となる。

 吸気温度が、無点火圧縮自着火運転(Z3)に よって最大のトルクTr1を発生させることがで きる温度T1にまで達すると、加熱装置35によ� �て吸気温度をT1に維持する。そして、負荷を 投入し、火花点火運転(Z1)から点火補助圧縮� �着火運転(Z2)に移行する。この際、燃料制御� ��32によって空気過剰率を徐々に上昇させる(� ��料リーンにする)。その後、最大トルクがTr1 に近づき、範囲Z3に入ったときに火花点火を� ��め、無点火圧縮自着火運転に移行するよう� ��なっている。

 図4(A)は、トルクと吸気温度との関係を示 すグラフ、(B)は、トルクと空気過剰率との関 係を示すグラフである。本発明を実線で示し 、従来技術(点火補助圧縮自着火運転を行わ� �、図3の矢印Y2の条件で無点火圧縮自着火運� �を行う場合)を一点鎖線で示している。

 本実施形態は、吸気温度をT1に維持した� �態で、空気過剰率を徐々に上げていき、火� �点火運転から点火補助圧縮自着火運転を経� �無点火圧縮自着火運転に移行している。従� �技術では、吸気温度をT2からT1へ次第に下げ� ��がら、スロットルバルブを全開にした状態� ��空気過剰率を徐々に下げて無点火圧縮自着� ��運転を行っている。

 したがって、本実施形態では、従来技術� ��ように吸気温度をT2とT1との間で変化させて おらず、吸気温度変化に必要な時間を要する ことなくトルクを増大することができるよう になっている。

 トルクが最大となった状態から負荷を遮� ��し、トルクを下げる場合は、図3のY3の逆の� ��過で運転を行う。すなわち、無点火圧縮自� ��火運転(Z3)から点火補助圧縮自着火運転(Z2)� �経て火花点火運転(Z1)に移行する。この場合� ��、吸気温度を略一定にすることができるの� ��、迅速に負荷を遮断することができる。

 図5(A)は、実験においてエンジン11を暖ま� ��た状態(暖態)から始動した場合の時間の経� �に伴う機関回転数の変化を示し、図5(B)は、� ��じく吸気温度の変化を示し、図5(C)は、同じ く負荷投入時のトルクの変化を示している。 図5(A)及び(B)において、機関回転数は、エン� �ン始動から短時間で定格付近にまで上昇し� �吸気温度も、ほぼ同時期からT1の状態に維持 されている。図5(C)において、トルクは、機� �回転数及び吸気温度が略一定になったとき� �ら短時間で上昇させることが可能となって� �る。また、負荷を遮断し、トルクが0(アイド リング状態)になるまでにかかる時間も短く� �ることが可能となっている。

 なお、上記において、点火補助圧縮自着� ��運転や無点火圧縮自着火運転を行う際には� ��燃料制御弁32の開度を一定にしておくこと� �可能である。

(点火補助圧縮自着火運転における圧縮自着� �時期の調整)
 図6は、点火補助圧縮自着火運転を行う場合 において、火花点火時期と、圧縮自着火時期 との関係を示すグラフである。図6から、火� �点火の時期が進角側から遅角側へ遅くなっ� �いくと、それに伴って圧縮自着火時期も進� �側から遅角側へ遅くなっていることが分か� �。

 そして、本実施形態では、火花点火時期� ��調整することによって、圧縮自着火時期を� ��整するようになっている。

 さらに、図6からは、火花点火時期が、あ る時期t1よりも進角側になると、それ以上進� ��させても圧縮自着火時期は進角しなくなっ� ��いることが分かる。逆に、火花点火時期が� ��る時期t2よりも遅角側になると、それ以上� �角させても、圧縮自着火時期がほとんど遅� �しなくなっていることが分かる。これは、� �に、自然に圧縮自着火が始まっているから� �考えられる。

 本実施形態では、このような特性にも着� ��し、上記t1を火花点火の進角側の限界時期(� ��角限界)に設定するとともにt2を遅角側の限� ��時期(遅角限界)に設定し、両限界時期t1,t2の 間に火花点火を行うように火花点火装置53(図 2)を動作制御するようになっている。これに� ��り、火花点火を行うことによって圧縮自着� ��を確実に誘発することが可能となる。

 火花点火時期の調整は、次の方法で、図2 に示した火花点火装置53のイグニッションコ� ��ル55への通電をコントローラ45で制御するこ とにより行うことができる。

 まず、例えば、熱効率や、排気ガスに含� ��れる大気汚染物質(有害成分)の排出量等の� �ランスを取ることが可能な、目標圧縮自着� �時期を予め設定しておく。実際の自着火時� �は、前述の如く気筒内圧センサ49(図1)の検出 値から求める。そして、目標圧縮自着火時期 と実際の圧縮自着火時期とを比較し、この比 較に基づいて、実際の圧縮自着火時期が目標 圧縮自着火時期となるように、火花点火時期 を調整する。すなわち、目標圧縮自着火時期 と実際の圧縮自着火時期との比較から、火花 点火時期をフィードバック制御するようにな っている。

 図7のグラフは、火花点火時期と吸気温度 との関係で圧縮自着火時期の変化を示してい る。このグラフでは、目標圧縮自着火時期(� �えば、クランク角がTDC+6°の時期)をWで示し� �ある。このグラフによれば、例えば、吸気� �度がTaのとき、火花点火時期をtaに調整すれ� ��、実際の圧縮自着火時期を目標圧縮自着火� ��期に調整できることが分かる。

 大気汚染物質であるNOxは着火時期が早い� ��増大する傾向にあり、THC(未燃炭化水素)やCO (一酸化炭素)は、着火時期が遅いと増大する� ��向にあるので、目標圧縮自着火時期は、例� ��ば、これらの排出がバランス良く低減させ� ��ことができる時期に設定することができる� ��

 また、本実施形態のような多気筒エンジ� ��11の場合、各気筒の放熱性の違いに起因す� �圧縮端温度の違いにより、圧縮自着火時期� �異なる。したがって、各気筒の火花点火時� �を調整することによって、圧縮自着火時期� �揃えることも可能になる。圧縮自着火時期� �揃えると、サイクル効率及び熱効率を向上� �ることができる。

(圧縮自着火時期調整の例外)
 図3に示すように、矢印Y3において、火花点� ��運転(Z1)から点火補助圧縮自着火運転(Z2)に� �行してすぐの状態であって、トルクが小さ� �とき(負荷が小さいとき)は、ノイズの割合が 高くなるために気筒内圧センサ49(図1)による� ��力の検出が困難となる。したがって、その� ��出値から燃焼質量割合(すなわち、圧縮自着 火時期)を正確に求めることができない。そ� �ため、上記のようなフィードバック制御を� �うと、かえって運転の安定性が阻害される� �能性がある。特に、負荷を投入し始めたと� �に、火花点火時期が進角限界t1にまで進み、 ノッキングを生じやすい状態となる。

 そのため、負荷が所定以下の場合(すなわ ち、本実施形態では、図4(B)の如く空気過剰� �が所定以下のとき)には、上記フィードバッ� ��制御を行わず、次のようなマップを用いた� ��画制御を行うことによって、運転の安定性� ��確保している。

 すなわち、吸気温度等の運転条件との関� ��で目標圧縮自着火時期を実現できる火花点� ��時期をマッピングした、火花点火時期マッ� ��を作成し、該火花点火時期マップをコント� ��ーラ45のメモリー(図示略)に記憶しておく。 そして、当該運転状況を検出するとともに、 火花点火時期マップを参照してその検出値に 対応する火花点火時期を選定し、該火花点火 時期に火花点火が行われるように、火花点火 装置53を制御する。

 このような計画制御を行うことによって� ��低負荷でも安定した圧縮自着火時期の制御( 火花点火時期の制御)を行うことができる。

(冷態からの暖機方法)
 上記では、図3及び図4において、吸気温度� �T1に上昇させた状態から負荷を投入、遮断す るまでの時間を短縮できることについて説明 した。次に、エンジン11を冷えた状態(冷態)� �ら火花点火運転により始動し、吸気温度がT1 に達するまでの時間、或いは、点火補助圧縮 自着火運転が可能になるまでの時間を短縮す ることについて説明する。

 図8(A)は、エンジン11を冷態から始動した� ��合の、時間の経過に伴うトルクの変化を示� ��、図8(B)は、同じく吸気温度の変化を示し、 図8(C)は、同じく冷却水温度の変化を示し、� �8(D)は、同じく潤滑油温度の変化を示してい� ��。また、比較として従来技術の場合も同時� ��示している。

 図8(A)に示すように、従来技術は、始動直 後から負荷をかけないで(トルクを0にして)運 転を行っている。それにより、図8(C)、(D)に� �すように、冷却水温度や潤滑油温度が徐々� �上昇している。冷却水温度の上昇に伴い、� �8(B)に示すように、加熱装置35(図2)により吸� �温度も上昇している。そして、図8(A)に示す� ��うに、始動からしばらくたってから負荷を� ��け、トルクを最大にすることができるよう� ��なっている。これに対して、本発明では、� ��ンジン始動直後から負荷を投入し、最大ト� ��クよりも小さい(図例では約半分の)トルク� �発生した状態で運転している。これによっ� �、図8(B)~(D)に示すように、従来よりも早期に 吸気温度、冷却水温度及び潤滑油温度が上昇 していることが分かる。そして、図8(A)に示� �ように、従来よりも早期に最大の負荷をか� �得る状態になっている。

 本実施形態では、エンジン始動直後から� ��荷を投入するため、燃料制御弁32(図1)の開� �を調整して空気過剰率を小さく(燃料リッチ� ��)設定し、それに応じて、ノッキングが生じ ないようにスロットルバルブ31(図1)の開度を� ��さくなるように調整している。負荷の大き� ��は、ノッキングが生じることがない最大の� ��荷としている。その後、負荷をかけた運転� ��態を維持するために、時間の経過に伴い燃� ��制御弁及びスロットルバルブの開度を適宜� ��整しつつ、空気過剰率を圧縮自着火が可能� ��値まで高めていくようになっている。

 さらに、本実施形態では、図9に示すよう にして吸気温度を更に早期に高めることを可 能にしている。図9(A)は、エンジン11を冷態か ら始動した場合の、時間の経過に伴う出力の 変化を示し、図9(B)は、同じく吸気温度の変� �を示し、図9(C)は、同じく機関回転数の変化� ��示し、図9(D)は同じく軸トルクの変化を示し ている。実線は本発明を示し、点線は従来技 術を示す。

 本発明の場合、エンジン始動直後から、� ��トルクに対応して機関回転数を定格回転数� ��上に上昇し、出力を定格出力まで上昇させ� ��いる。これによって、吸気温度が早期に上� ��していることが分かる。また、エンジン11� �より発電機を駆動する場合には、機関回転� �が定格よりも上昇することによって周波数� �変動しないように、インバーターによって� �力制御を行う。

(高負荷時の機関回転数の調整)
 点火補助圧縮自着火運転や無点火圧縮自着� ��運転を行う場合、燃料制御弁32(図1)の開度� �一定にして負荷を高めていき、スロットル� �ルブ31(図1)の開度を大きくすることによって 機関回転数を一定に調整する(ガバニング)す� ��ことが可能である。図10は、この場合の、� �ロットルバルブ31の開度に対するトルク及び 燃料制御弁32の開度の変化を示すグラフであ� ��、本発明を実線で示し、従来技術を2点鎖線 で示している。同図において、従来技術では 、高負荷域でスロットルバルブ31を開いても� ��ルク(出力)がさほど上昇しなくなっている� �とが分かる。そのため、高い負荷を投入す� �ことができなくなっている。

 これに対して、本発明では、スロットル� ��ルブ31の開度が所定以上に高くなると、燃� �制御弁32を一定の状態から開く方向に調整す るようになっている。これによってトルクを 増大することができるようになっている。

 この場合、燃料制御弁32は、次のように� �御される。すなわち、スロットルバルブ31が 所定以上に開いたときに、その開度の増量に 応じた燃料制御弁32の開度の増量を予め設定� ��たマップを作成し、該マップをコントロー� ��45のメモリーに記憶しておく。そして、ス� �ットルバルブ31が所定以上開いたときに、そ の増量からマップを参照して燃料制御弁32の� ��度の増量を選択し、コントローラ45によっ� �燃料制御弁32を開くようになっている。

 図11(A)は、上記の場合における、出力と� �ロットルバルブ31の開度との関係を示すグラ フ、図11(B)は、同じく出力と燃料制御弁32の� �度との関係を示すグラフである。

 図11(A)(B)からも、スロットルバルブ31が所 定以上に開くと、燃料制御弁32が開き、出力� ��上昇していることが分かる。

 (排気ガス触媒の浄化率向上)
 図1に示すように、排気管26には、排気ガス� ��に含まれる大気汚染物質を浄化する排気触� ��60が設けられている。一般に、図12(A)に示す ように、排気温度はトルクが上昇するに従っ て上昇する。一方、排気ガスに含まれるCO排� ��量は、図12(B)に示すように、触媒通過前は� �ルクの増大に従って徐々に減少し、触媒通� �後は、高トルク域では0近くにまで低減され� ��いるものの、低トルク域、すなわち、排気� ��度が低い領域ではさほど低減されない。

 このような状況に鑑み、本実施形態では� ��低トルク域で排気温度を上昇することによ� ��、触媒による大気汚染物質の浄化を促進す� ��ようになっている。具体的には、機関回転� ��のガバニング方法に応じて、以下の方法を� ��いる。

(1)燃料制御弁32(図1)によって機関回転数を調� ��(ガバニング)する場合
 図1に示すように、排気温度を検出する排気 温度センサ61を排気管26に設けておき、低負� �のため、排気温度センサ61の検出値が予め設 定された限界温度を下回った場合に、スロッ トルバルブ31を閉じる方向に調整する。スロ� ��トルバルブ31が閉じる方向に調整されると� �質的な燃料供給量が減少することになるが� �その減少を補って機関回転数を維持するよ� �に燃料制御弁32は開く方向に調整される。そ して、燃料制御弁32が開く方向に調整される� ��空気過剰率が小さくなるので、排気温度が� ��昇する。したがって、低負荷であっても触� ��による大気汚染物質の浄化率を高めること� ��できる。

 図13(A)は、上記(1)の制御を行った場合の� �ルクとスロットルバルブの開度との関係を� �すグラフ、図13(B)は、同じくトルクと燃料制 御弁32の開度との関係を示すグラフである。� ��た、図14(A)は、上記制御を行った場合のト� �クと排気温度の関係を示すグラフであり、� �14(B)は、同じくトルクと触媒通過後のCO排出� ��との関係を示すグラフである。以上のグラ� ��から、上記各制御方法が有効であることが� ��かる。

(2)スロットルバルブ31によって機関回転数を� ��整(ガバニング)する場合
 低負荷のため、排気温度センサ61の検出値� �予め設定された限界温度を下回る場合に、� �料制御弁32を開く方向に調整する。燃料制御 弁32が開く方向に調整されると、空気過剰率� ��小さくなるので、排気温度が上昇する。こ� ��によって、触媒による大気汚染物質の浄化� ��を高めることができる。また、空気過剰率� ��小さくなっても実質的な燃料供給量が増大� ��ないように、スロットルバルブ31は閉じる� �向に調整され、機関回転数は維持される。

 上記(2)の制御を行うことによって、図14� �示すような結果を得ることができる。

 本発明は、上記実施形態に限定されるこ� ��なく適宜設計変更可能である。例えば、上� ��実施形態では4気筒の予混合圧縮自着火式エ ンジン11を例示したが、気筒数は何ら限定さ� ��るものではない。