JP4615491B2 - 予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は予混合圧縮自着火式（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジンの運転方法に関する。

この種のエンジンとして、例えば、特許文献１には、空気と燃料とを予め混合した混合気をシリンダ内の燃焼室に供給し、該混合気を圧縮することによって自着火させる予混合圧縮式自着火式エンジンが開示されている。また、特許文献１には、圧縮自着火運転が困難なエンジンの始動時に火花点火運転（ＳＩ運転）を行うことが開示されている。

この予混合圧縮式自着火式エンジンは、いわゆる火花点火式のエンジンと比較して、高い圧縮比で運転可能なため熱効率が高いという利点がある。また、燃焼温度を低くすることができるので、ＮＯｘの生成を抑制することも可能である。しかし、混合気を自然に着火するものであるため、着火時期の制御が非常に困難である。

混合気の圧縮自着火は、エンジンのトルクと混合気の吸気温度に大きく左右される。例えば、図３は、エンジンのトルクと混合気の吸気温度との関係で、火花点火運転や圧縮自着火運転が可能な運転範囲を示すグラフであり、Ｚ１は、一般的な火花点火運転（ＳＩ運転）が可能な運転範囲を示し、Ｚ３は、圧縮自着火運転（ＨＣＣＩ運転）が可能な運転範囲を示している。

図３において、火花点火運転によりエンジンを始動し、圧縮自着火運転に移行するには、まず、矢印Ｙ１で示すように吸気温度を高める必要がある。そして、圧縮自着火運転可能な運転範囲Ｚ３にまで吸気温度（Ｔ２）が高まると、負荷を投入し、トルク（出力）を上げることができるが、トルクを上げるには、矢印Ｙ２で示すように、再び吸気温度を低下させなければ、圧縮自着火運転を維持することができない。また、最大の負荷をかけた後、負荷を遮断してトルクを下げるには、再び吸気温度を上げなければ圧縮自着火運転を維持することができない。

したがって、吸気温度が高まった後、負荷を投入するまで又は投入した負荷を完全に遮断するまでに、吸気温度を低下又は上昇させるための長い時間が必要であり、これが実用上問題となっている。

ところで、従来の予混合圧縮自着火式エンジンでは、スロットルバルブを全開にした状態で、負荷に応じて燃料制御弁（エア／フューエルバルブ）を調整し、燃料濃度を変えることによって機関回転数を調整（ガバニング）していた。そのため、図３の矢印Ｙ３で示すような吸気温度設定で負荷の投入・遮断を行う場合、燃料制御弁によるガバニングでは低負荷時に燃料濃度が薄くなり、自着火が生じないという問題が生じる。一方、燃料制御弁を一定にし、スロットルバルブを調整することによって機関回転数を調整する方法もあるが、この場合、負荷が高くなるとスロットルを全開付近まで開くことになり、スロットル開度を変更しても混合気量がほとんど変化せず、調速機能が十分に働かないという問題が生じる。

また、エンジンの排気管には、通常、排気ガスに含まれる有害成分（大気汚染物質）を浄化するための排気触媒が設けられている。図１２（Ｂ）に示すように、排気ガスに含まれる大気汚染物質（例えば、ＣＯ）は、負荷が高いときは、触媒を通過することによって適切に浄化されるが、負荷が小さいときは、さほど浄化されていないことが分かる。これは図１２（Ａ）に示す通り、負荷が小さいときには排気温度が低く、大気汚染物質を浄化するための化学反応が進行しないことが原因である。したがって、負荷が小さいときにも排気温度を高く保ち、適切に大気汚染物質を浄化することが重要である。
特開２００５−６９０９７号公報

本発明は、上記の実情に鑑み、火花点火運転と圧縮自着火運転との間で、火花点火を補助的に用いた圧縮自着火運転を行うことによって、負荷の投入時間及び遮断時間を短縮し、十分に実用に耐えうる予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、燃料と空気とを予め混合した混合気を燃焼室内で圧縮自着火させて燃焼する、予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法であって、混合気に火花点火を行う火花点火装置を備えており、混合気の吸気温度を調温装置によって略一定に維持するとともに、負荷の大きさに応じて、火花点火運転と、火花点火を補助的に用いた点火補助圧縮自着火運転と、火花点火を用いない無点火圧縮自着火運転とを切り換えて行うことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、点火補助圧縮自着火運転において、目標となる圧縮自着火時期を予め設定しておき、また、目標圧縮自着火時期を実現できる火花点火時期を記録した火花点火時期マップを予め備えておき、エンジン始動後、負荷が所定以下のときは、運転条件から火花点火時期マップを参照して選択した火花点火時期で火花点火を行い、負荷が所定以上のときは、目標圧縮自着火時期と実際の圧縮自着火時期とを比較するとともに、該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ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、エンジンを冷態から始動した直後に、空気過剰率を低くして火花点火運転を行うことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、エンジンを冷態から始動した直後に、エンジン出力が定格となるように機関回転数を定格回転数以上に上昇することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、点火補助圧縮自着火運転及び無点火圧縮自着火運転の際に、機関回転数を維持するべくスロットルバルブの開度を調整するように構成し、スロットルバルブの開度が所定以上のときに、その開度に応じて、空気過剰率を低下させることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記エンジンの排気通路に、排気ガスに含まれる有害成分を浄化する触媒を備えており、前記エンジンが低負荷のとき又は排気温度が所定よりも低いときに、機関回転数を維持しつつ排気温度を上昇するべく、空気過剰率を低下すると共に混合気流量を減少させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、火花点火を補助的に用いた点火補助圧縮自着火運転を利用することによって、吸気温度を略一定にした状態で負荷の大きさに応じて火花点火運転と圧縮自着火運転（無点火圧縮自着火運転）とをスムーズに且つ短時間に移行することができる。また、点火補助圧縮自着火運転を行うことで、実質的に圧縮自着火による運転範囲を拡大することができる。

請求項２の発明によれば、負荷が所定以上のときは、実際の圧縮自着火時期と目標圧縮自着火時期との比較に基づいたフィードバック制御を行うことによって、適切な時期に火花点火時期を調整することができる。一方、負荷が所定以下のときは、実際の圧縮自着火時期を検出し難く、上記のようなフィードバック制御を行うと火花点火時期がばらついてノッキング等を生じやすくなるため、火花点火時期マップから選択された時期に火花点火を行うことで、より安定した火花点火を行うことができる。

請求項３の発明によれば、エンジンを冷態から暖態に素早く暖めることができる。したがって、エンジン冷却水等を利用して吸気温度を素早く高め、負荷を投入可能な状態にすることができる。

請求項４の発明によれば、エンジンを冷態から暖態により素早く暖めることができ、吸気温度を素早く高めて負荷を投入可能な状態にすることができる。

請求項５の発明によれば、高負荷時等に、スロットルバルブの開度が所定より大きくなっても、該スロットルバルブによって機関回転数の調整（ガバニング）が可能となる。

請求項６の発明によれば、低負荷運転の場合など、排気温度が低く、触媒の浄化性能が十分に発揮できないときに、機関回転数を維持しつつ排気温度を上昇して触媒の浄化率を高めることができる。

〔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、シリンダヘッド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）のシリンダ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。シリンダヘッド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及び排気ポート１７は、それぞれ吸気弁１９及び排気弁２０によって開閉される。吸気弁１９及び排気弁２０は、動弁装置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を有する排気管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に接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に接続された複数の分岐吸気管２９とを有している。

図１に示すように、主吸気管２７には、スロットルバルブ３１と、ミキサ３３と、加熱装置（調温装置）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によって流量が調節され、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で混合される。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によ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を経て各シリンダ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が上死点付近にきたときに自着火し、これによりピストン１４が押し下げられる（膨張行程）。燃焼ガスは、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に設けられた熱交換器４０を備えている。熱交換器４０は、エンジン冷却水を熱交換媒体とするものであり、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を介して熱交換器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。主吸気管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は設けられておらず、この経路３９を通る混合気は加熱されることなくそのまま吸気サージタンク２８に導入される。調量弁４３，４４は、主吸気管２７の各経路３８，３９への混合気の流入量を調整（停止を含む）するものであり、例えば、一方の調量弁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のみに混合気を通すことで、混合気を加熱しないようにする（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気とを混合して、細かな温度制御を行うことが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を設けることもできる。

図１に示すように、エンジン１１は、コントローラ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、加熱装置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や吸気温度センサ４８、気筒内圧力センサ４９、機関回転数センサ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、各種センサの検出信号は、前記コントローラ４５に入力され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４９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、図２に示すように、ハイテンションコード５４を介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及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のイ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、火花点火を行うことなく混合気を圧縮自着火（ＨＣＣＩ）させて運転を行うものである。しかし、本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を始動したあと圧縮自着火運転を行うまでの過渡期の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、火花点火によって混合気を燃焼させる、所謂火花点火運転（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。本明細書では、この過渡期の運転を点火補助圧縮自着火運転と称している、また、火花点火を用いない本来の圧縮自着火運転を、無点火圧縮自着火運転と称している。

点火補助圧縮自着火運転は、無点火圧縮自着火運転が困難な運転条件で、火花点火によって圧縮自着火を誘発する運転であり、火花点火を行うことにより、その火花や点火後の伝播火炎により圧縮状態にある混合気に自着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のトルクと吸気温度との関係で、火花点火運転と、点火補助圧縮自着火運転と、無点火圧縮自着火運転とが可能な運転範囲をそれぞれ示すグラフである。Ｚ１は、火花点火運転が可能な範囲を示し、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転が可能な範囲を示している。そして、本実施形態は、吸気温度がある程度上昇するまでは、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で示すように、吸気温度を維持しつつ点火補助圧縮自着火運転（Ｚ２）に移行し、その後無点火圧縮自着火運転（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）も無点火圧縮自着火運転（Ｚ１）も困難な状態である。したがって、範囲Ｚ１に示すように、混合気を火花点火によって燃焼させる火花点火運転を行う。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。火花点火運転を行うと次第にエンジン冷却水の温度が上昇するため、加熱装置３５（図２）によって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によって吸気温度をＴ１に維持する。そして、負荷を投入し、火花点火運転（Ｚ１）から点火補助圧縮自着火運転（Ｚ２）に移行する。この際、燃料制御弁３２によって空気過剰率を徐々に上昇させる（燃料リーンにする）。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止め、無点火圧縮自着火運転に移行するようになっている。

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ず、図３の矢印Ｙ２の条件で無点火圧縮自着火運転を行う場合）を一点鎖線で示している。

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

したがって、本実施形態では、従来技術のように吸気温度を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断し、トルクを下げる場合は、図３のＹ３の逆の経過で運転を行う。すなわち、無点火圧縮自着火運転（Ｚ３）から点火補助圧縮自着火運転（Ｚ２）を経て火花点火運転（Ｚ１）に移行する。この場合も、吸気温度を略一定にすることができるので、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を暖まった状態（暖態）から始動した場合の時間の経過に伴う機関回転数の変化を示し、図５（Ｂ）は、同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、エンジ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、機関回転数及び吸気温度が略一定になったときから短時間で上昇させることが可能となっている。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することが可能となっている。

なお、上記において、点火補助圧縮自着火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も可能である。

（点火補助圧縮自着火運転における圧縮自着火時期の調整）
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、火花点火の時期が進角側から遅角側へ遅くなっていくと、それに伴って圧縮自着火時期も進角側から遅角側へ遅くなっていることが分かる。

そして、本実施形態では、火花点火時期を調整することによって、圧縮自着火時期を調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、それ以上進角させても圧縮自着火時期は進角しなくなっていることが分かる。逆に、火花点火時期がある時期ｔ２よりも遅角側になると、それ以上遅角させても、圧縮自着火時期がほとんど遅角しなくなっていることが分かる。これは、既に、自然に圧縮自着火が始まっているからと考えられる。

本実施形態では、このような特性にも着目し、上記ｔ１を火花点火の進角側の限界時期（進角限界）に設定するとともにｔ２を遅角側の限界時期（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。これにより、火花点火を行うことによって圧縮自着火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イル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、排気ガスに含まれる大気汚染物質（有害成分）の排出量等のバランスを取ることが可能な、目標圧縮自着火時期を予め設定しておく。実際の自着火時期は、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（例えば、クランク角がＴＤＣ＋６°の時期）をＷで示してある。このグラフによれば、例えば、吸気温度がＴａのとき、火花点火時期をｔａに調整すれば、実際の圧縮自着火時期を目標圧縮自着火時期に調整できることが分かる。

大気汚染物質であるＮＯｘは着火時期が早いと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傾向にあるので、目標圧縮自着火時期は、例えば、これらの排出がバランス良く低減させる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ン１１の場合、各気筒の放熱性の違いに起因する圧縮端温度の違いにより、圧縮自着火時期が異なる。したがって、各気筒の火花点火時期を調整することによって、圧縮自着火時期を揃えることも可能になる。圧縮自着火時期を揃えると、サイクル効率及び熱効率を向上することができる。

（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、火花点火運転（Ｚ１）から点火補助圧縮自着火運転（Ｚ２）に移行してすぐの状態であって、トルクが小さいとき（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）による圧力の検出が困難となる。したがって、その検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。そのため、上記のようなフィードバック制御を行うと、かえって運転の安定性が阻害される可能性がある。特に、負荷を投入し始めたときに、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）の如く空気過剰率が所定以下のとき）には、上記フィードバック制御を行わず、次のようなマップを用いた計画制御を行うことによって、運転の安定性を確保している。

すなわち、吸気温度等の運転条件との関係で目標圧縮自着火時期を実現できる火花点火時期をマッピングした、火花点火時期マップを作成し、該火花点火時期マップをコントローラ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、吸気温度を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）か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場合の、時間の経過に伴うトルクの変化を示し、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、図８（Ｄ）は、同じく潤滑油温度の変化を示している。また、比較として従来技術の場合も同時に示している。

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）に示すように、冷却水温度や潤滑油温度が徐々に上昇している。冷却水温度の上昇に伴い、図８（Ｂ）に示すように、加熱装置３５（図２）により吸気温度も上昇している。そして、図８（Ａ）に示すように、始動からしばらくたってから負荷をかけ、トルクを最大にすることができるようになっている。これに対して、本発明では、エンジン始動直後から負荷を投入し、最大トルクよりも小さい（図例では約半分の）トルクを発生した状態で運転している。これによって、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）に示すように、従来よりも早期に最大の負荷をかけ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負荷を投入するため、燃料制御弁３２（図１）の開度を調整して空気過剰率を小さく（燃料リッチに）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）の開度を小さくなるように調整している。負荷の大きさは、ノッキングが生じることがない最大の負荷としている。その後、負荷をかけた運転状態を維持するために、時間の経過に伴い燃料制御弁及びスロットルバルブの開度を適宜調整しつつ、空気過剰率を圧縮自着火が可能な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化を示し、図９（Ｃ）は、同じく機関回転数の変化を示し、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、軸トルクに対応して機関回転数を定格回転数以上に上昇し、出力を定格出力まで上昇させている。これによって、吸気温度が早期に上昇していることが分かる。また、エンジン１１により発電機を駆動する場合には、機関回転数が定格よりも上昇することによって周波数が変動しないように、インバーターによって出力制御を行う。

（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火運転を行う場合、燃料制御弁３２（図１）の開度を一定にして負荷を高めていき、スロットルバルブ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）することが可能である。図１０は、この場合の、スロットルバルブ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り、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を開いてもトルク（出力）がさほど上昇しなくなっていることが分かる。そのため、高い負荷を投入することができなくなっている。

これに対して、本発明では、スロットルバルブ３１の開度が所定以上に高くなると、燃料制御弁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、次のように制御される。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したマップを作成し、該マップをコントローラ４５のメモリーに記憶しておく。そして、スロットルバルブ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の開度の増量を選択し、コントローラ４５によって燃料制御弁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、出力とスロットルバルブ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の開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、出力が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、排気ガス中に含まれる大気汚染物質を浄化する排気触媒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排出量は、図１２（Ｂ）に示すように、触媒通過前はトルクの増大に従って徐々に減少し、触媒通過後は、高トルク域では０近くにまで低減されているものの、低トルク域、すなわち、排気温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り、触媒による大気汚染物質の浄化を促進するようになっている。具体的には、機関回転数のガバニング方法に応じて、以下の方法を用いる。

（１）燃料制御弁３２（図１）によって機関回転数を調整（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、低負荷のため、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。スロットルバルブ３１が閉じる方向に調整されると実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うに燃料制御弁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と空気過剰率が小さくなるので、排気温度が上昇する。したがって、低負荷であっても触媒による大気汚染物質の浄化率を高めることができる。

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

（２）スロットルバルブ３１によって機関回転数を調整（ガバニング）する場合
低負荷のため、排気温度センサ６１の検出値が予め設定された限界温度を下回る場合に、燃料制御弁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、空気過剰率が小さくなるので、排気温度が上昇する。これによって、触媒による大気汚染物質の浄化率を高めることができる。また、空気過剰率が小さくなっても実質的な燃料供給量が増大しないように、スロットルバルブ３１は閉じる方向に調整され、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に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となく適宜設計変更可能である。例えば、上記実施形態では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れるものではない。

本発明の実施形態に係る予混合圧縮自着火式エンジンの概略断面図である。 予混合圧縮自着火エンジンの概略平面図である。 予混合圧縮自着火式エンジンのトルクと吸気温度との関係で、火花点火運転と、点火補助圧縮自着火運転と、無点火圧縮自着火運転とが可能な運転範囲をそれぞれ示すグラフである。 （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。 （Ａ）は、エンジンを暖態から始動した場合の、時間の経過に伴う機関回転数の変化を示すグラフ、（Ｂ）は、同じく時間の経過に伴う吸気温度の変化を示すグラフ、（Ｃ）は、同じく時間の経過に伴う負荷投入時のトルクの変化を示すグラフである。 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。 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すグラフである。 （Ａ）は、エンジンを冷態から始動した場合の、時間の経過に伴うトルクの変動を示すグラフ、（Ｂ）は、同じく吸気温度の変化を示すグラフ、（Ｃ）は、同じく冷却水温度の変化を示すグラフ、（Ｄ）は、同じく潤滑油温度の変化を示すグラフである。 （Ａ）は、エンジンを冷態から始動した場合の、時間の経過に伴う出力に変化を示すグラフ、（Ｂ）は、同じく吸気温度の変化を示すグラフ、（Ｃ）は、同じく機関回転数の変化を示すグラフ、（Ｄ）は同じく軸トルクの変化を示すグラフである。 スロットルバルブの開度に対する、トルクの変化及び燃料制御弁の開度の変化を示すグラフである。 （Ａ）は、出力とスロットルバルブの開度との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、出力と燃料制御弁との関係を示すグラフである。 （Ａ）は、トルクと排気温度との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、トルクとＣＯ排出量との関係を示すグラフである。 （Ａ）は、トルクとスロットルバルブの開度との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、同じくトルクと燃料制御弁の開度との関係を示すグラフである。 （Ａ）は、トルクを排気温度の関係を示すグラフ、（Ｂ）は、同じくトルクと触媒通過後のＣＯ排出量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１ 予混合圧縮自着火エンジン
１３ シリンダ
１４ ピストン
３１ スロットルバルブ
３２ 燃料制御弁
３５ 調温装置
４５ コントローラ

Claims (6)

1. 燃料と空気とを予め混合した混合気を燃焼室内で圧縮自着火させて燃焼する、予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法であって、
   混合気に火花点火を行う火花点火装置を備えており、
   混合気の吸気温度を調温装置によって略一定に維持するとともに、負荷の大きさに応じて、火花点火運転と、火花点火を補助的に用いた点火補助圧縮自着火運転と、火花点火を用いない無点火圧縮自着火運転とを切り換えて行うことを特徴とする、予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法。
2. 点火補助圧縮自着火運転において、目標となる圧縮自着火時期を予め設定しておき、また、目標圧縮自着火時期を実現できる火花点火時期を記録した火花点火時期マップを予め備えておき、
   エンジン始動後、負荷が所定以下のときは、運転条件から火花点火時期マップを参照して選択した火花点火時期で火花点火を行い、負荷が所定以上のときは、目標圧縮自着火時期と実際の圧縮自着火時期とを比較するとともに、該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ことを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法。
3. エンジンを冷態から始動した直後に、空気過剰率を低くして火花点火運転を行うことを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法。
4. エンジンを冷態から始動した直後に、エンジン出力が定格となるように機関回転数を定格回転数以上に上昇することを特徴とする、請求項３記載の予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法。
5. 点火補助圧縮自着火運転及び無点火圧縮自着火運転の際に、機関回転数を維持するべくスロットルバルブの開度を調整するように構成し、
   スロットルバルブの開度が所定以上のときに、その開度に応じて、空気過剰率を低下させることを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法。
6. 前記エンジンの排気通路に、排気ガスに含まれる有害成分を浄化する触媒を備えており、
   前記エンジンが低負荷のとき又は排気温度が所定よりも低いときに、機関回転数を維持しつつ排気温度を上昇するべく、空気過剰率を低下すると共に混合気流量を減少させることを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法。
   

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