JP2006528299A - 内燃機関の低温始動用の電気式予熱装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、予熱段階又は始動段階中に、内燃機関の吸気管（１０）内の電気的に予熱可能な予熱要素（１２）を少なくとも１つ用いて、内燃機関（８）の吸気を予熱する方法に関する。エンジン電子回路の制御装置（１３）の発熱量は、内燃機関の運転データに基づいて制御される。本発明の方法は、予熱段階（１、２、３）中に、予熱要素が基準温度に到達するまで、予熱要素（１２）に電流（１）が供給され、一旦基準温度に到達した後始動段階まで、予熱後段階（２、３）が行われ、該段階において、予熱要素（１２）は少量の電力で一定の温度に保たれ、始動段階中、第１期間（４ａ）の間、予熱要素（１２）は作動停止され、内燃機関（８）の回転数が始動回転数まで上昇される第２期間（４ｂ）中、予熱要素（１２）は再び作動される。

Description

本発明は、請求項１の前段においてより詳細に定義されるタイプの、特に始動又は暖機運転段階の内燃機関用に吸気を予熱する方法に関する。

内燃機関の吸気の予熱は、特に始動又は暖機運転段階のディーゼルエンジンにおいて、様々な理由のため必要である。低い大気温とそれによる低い吸気温度では、特にディーゼルエンジンにおいては、不十分な圧縮後温度とそれにより増加する点火遅れが発生し、すなわち燃料の燃焼空間への進入と点火の間の時間が長くなり過ぎる。これに加えて、シリンダ内での急激な燃料混合の結果、低い吸気温度では、局部的な過剰濃縮、不完全燃焼、及び大きい圧力勾配が発生する。その結果として、大幅に増大された排気ガス中の二酸化炭素排出、ディーゼルエンジンのノッキング、及びこれによる環境汚染並びに駆動系部品の増大した負荷といった欠点のおそれがある。

ディーゼル内燃機関へ誘導する吸気管内の予熱用の予熱フランジは、特許文献１による一般の先行技術に記載されている。この文献にはさらに、制御装置を用いた予熱フランジの予熱要素の操作も記載されている。この場合の制御装置は予熱要素に流れる電流を一定値のままにし、投入される発熱量は予熱要素の作動時間のみによって決定される。ディーゼルエンジンが始動される際、車両電気系統からの利用可能なエネルギーをスターター用に十分なものにするために、予熱フランジ又は予熱要素は短時間の間作動を停止される。

本発明が由来する一般的な方法は、特許文献２に記載されている。これには、空気予熱器を用いたディーゼルエンジンの低温始動の支援が記載されており、空気は予熱期間及び後予熱期間を用いて予熱される。予熱期間及び後予熱期間は、スターターが作動された後ディーゼルエンジンが始動回転数へ増加するまでの始動行程によって中断される。始動行程中、予熱フランジにはエネルギーは供給されない。予熱フランジは、エンジン電子回路によって操作される。始動前に、予熱期間及び後予熱期間は、エンジン電子回路において大気データから計算される。低温始動前の気温及び冷媒温度がここで考慮される。予熱期間及び後予熱期間は、ここでは時間についてのみ制御され、つまりディーゼルエンジンの吸気管内の予熱要素の操作に関して電流の開ループ又は閉ループ制御は行われない。

今日、最新の直接噴射式ディーゼルエンジンは主に、電子的に制御された噴射システムを有する。電子的に制御されたディーゼルエンジンの低温始動は、−１５℃の大気温までは容易に可能である。始動支援装置を用いて吸気を予熱するような補足的手段は、この温度以下になるまでは必要ない。しかし、最新のディーゼルエンジンであっても、低温スターターを要する以下のような多数の使用例がある：
・ −１５℃未満の温度の場合、
・ ０℃未満で低セタン価の燃料を伴う場合、
・ 海抜１５００ｍを超えかつ０℃未満で使用する場合、
・ ０℃未満で固定負荷（駆動装置に固定的に結合された油圧装置）を伴う用途の場合、
・ ０℃未満の温度範囲における、移動クレーン、圧搾機、ピスト整備装置、又は建設機械等の、特殊な目的の車両の場合。

スキーゲレンデ整備車両におけるディーゼルエンジンと油圧駆動装置の組み合わせは、ディーゼルエンジンの低温始動の能力に対する特に極限の要求を示している。これらの装置の製造者は、十分な給気圧において最大出力を発揮する排気量の小さい高出力の直接噴射ディーゼルエンジンを多く使用しているので、比較的海抜が高い地域において低温始動する場合には、十分な給気圧が存在しないため、問題が発生する。このようなエンジンが、例えば海抜高度３０００ｍ、−１５℃で始動される場合、複雑な補助予熱システムを用いて冷媒温度によってエンジンが運転温度まで暖められない限り、今日知られている予熱装置では、不十分である。費用上の理由から、駆動装置を含む完全な予熱は、防寒での用途にのみ使用される。

独国特許出願公開第 １００ ２６ ３３９ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第 １９８ ５４ ０７７ Ａ１号明細書

上記の先行技術から、本発明の目的は、改良された作動により、既存の低温スターターの効果を向上させることである。

この目的は請求項１の特徴を有する方法を用いて達成される。本発明のさらなる好適な実施形態は、従属項及び図の記述に含まれる。

解決策は、一般的な大気条件に対する予熱フランジの可変出力調節を用いて達成される。予熱段階は、ここでは３つの段階、すなわち、最大電流の段階、予熱保持段階、及び始動待機段階、に分けられる。予熱保持段階では、予熱フランジの予熱要素は、予熱フランジが参照温度に保たれるように操作される。予熱後段階では、始動行程のための熱緩衝が生成される。最初の２つの予熱段階の後、発熱監視ランプは消灯し、消灯することで始動のための待機の信号を送る。その後始動待機段階が続く。始動待機段階中の予熱要素の冷却を防止するため、予熱要素始動待機段階中はさらに低減された電力で作動される。エンジンが所定の始動待機期間が過ぎた後も始動されない場合、予熱要素は作動停止される。

始動行程中、予熱フランジの加熱は短時間の間中断されるが、これは第１点火がエンジンをアイドリング回転数へ回転数を上昇させる支援をするまでである。第１点火が始まると直ちに、スターターは負荷から解放され、スターターに対する負荷の解放の結果利用可能となる車両電気系統のエネルギーは、予熱フランジの予熱要素を加熱するのに再び使用される。さらに進んだ予熱後段階によって、吸気の温度は、長期時間のエンジン回転の際にも冷却が防止される。

主に以下の利点は、本発明を用いて達成される。

電力制御される予熱期間は、従来の低温始動法の予熱期間の長さのわずか３分の１である。

後予熱は、本発明に従って、電力制御された方法で、冷媒温度と給気温度、エンジン回転数と空気質量に応じて実行される。その結果、後予熱段階で上昇したエンジン回転数において及び増大した空気流量において、電気発熱量は空気流量に適合されることが可能となるので、給気温度は低下せず、実際の回転はエンジンが低温の場合でも低下しない。後予熱期間中の発熱量の調節の結果、ディーゼルエンジンはより早い時点で負荷をかけることが可能となる。

始動行程中の発熱の中断をかなり短縮することが可能であった。中断は現在のエンジン回転数によって決定されるので、始動工程中の発熱の中断は、この時点で変動可能に調節が可能である。その結果、第１点火がエンジン回転数の上昇によって示される時に予熱が再び始まるので、後予熱段階をさらに始動段階へ延長することが可能である。ここでの予熱後の延長は車両電気系統電圧次第である。この進んだ後予熱期間により、ディーゼルエンジンがアイドリング回転数に到達するためのより良い回転数上昇支援がもたらされ、スターターによる比較的長い回転期間の場合でも給気温度の低下を防止する。

エンジン制御装置は、好ましくは予熱フランジを作動させるのに使用される。エンジン状態（エンジン静止、エンジン回転、スターター作動、スターター停止）、エンジン回転数、冷媒温度、冷媒温度、給気温度、給気圧力、算出空気質量、及び車両電気系統電圧に関する情報は、エンジン電子回路を用いて常に呼び出し可能である。エンジン電子回路で実施される修正方法を用いると、異なる高度において異なる効果を有する給気圧の上昇又は低下は、本発明による低温始動法において考慮されることが可能である。電力は高い高度において修正されることが可能なので、エンジンはそこに存在する低酸素濃度を最適に利用することができる。最初に予熱帯域が予熱期間中に最大電流を供給された後、及び参照温度に到達した後、予熱フランジの予熱帯域は低減された発熱量によって一定の運転温度に保たれる。これによりバッテリを保護し、予熱帯域を過負荷から保護する。

本発明による低温始動法は、予熱フランジ毎に１６リットルまでの排気量を有するエンジンに適している。エンジンの電子回路におけるアルゴリズムを制御する対応する用途では、本発明による低温始動法は、特殊な燃料で稼動するエンジン用として使用されることが可能である。例えば、灯油、バイオディーゼル等で稼動するエンジンがある。

以下、図を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明による低温始動法において発生する、車両電気系統電圧、電流変動率、給気温度、エンジン回転数及び運転ランプの作動の基本線図を示す。

点火装置の作動とスターターの作動の間の予熱段階１、２、３中に、予熱フランジの予熱要素へ供給された電流は、変動可能に制御される。第１期間１中、予熱要素には最初は、予熱フランジが参照温度に到達するまで、最大電流が供給される。参照温度に到達した後、予熱保持段階２及び始動待機段階３が始まり、その段階において、発熱量は、予熱フランジが一定の温度に保たれるように制御される。車両電気系統電圧の線図は、最大電流の供給１中に急激な低下を示すが、予熱保持段階２及び始動待機段階３の間に著しく回復する。予熱段階中、給気は未だ行われず、エンジンは未だ回転していない。内燃機関のスターターが作動されると、始動段階が始まる。始動段階の第１期間４ａで、内燃機関の回転数は、スターターの回転数のみによって決定される。従って、始動行程の第１段階中、エンジン回転数は、スターターによってもたらされた一定レベルの回転数のまま変化しない。この運転状態の間、車両の電気系統からスターター用にできるだけ多くのエネルギーが利用可能となるように、予熱が中断される。吸入給気は、暖められた予熱フランジによって加熱される。予熱保持段階２で内燃機関の吸気管内内に熱緩衝が生成されたので、発熱が停止されているにもかかわらず、吸入給気は、生成された蓄熱に応じて一定期間、予熱されることが可能である。内燃機関の第１点火が始まると直ちに、これらの第１点火は、エンジンの回転数の上昇を支援する。この始動段階の第２期間４ｂで、スターターは、増大し始めた点火の効果として、徐々に負荷から解放される。この時点での比較的低いスターターの電流消費は、車両電気系統電圧に上昇をもたらす。車両電気系統に対してこの時再び利用可能となったこのエネルギーは、第２期間４ｂ中、この時再開している予熱フランジの加熱用に使用されることが可能となる。その結果、スターターの比較的長い回転期間であっても、再開している予熱フランジの加熱を用いて吸入給気はできるだけ一定に保たれるので、内燃機関の回転数上昇が支援されることが可能となる。

アイドリング回転数に到達した後、後予熱段階５が始まる。この段階では、内燃機関は自身の動力で回転し、急速に加熱する。内燃機関の冷媒の加熱が増大するにつれ、予熱フランジの発熱量は、この後予熱段階で、徐々にさらに低減されることが可能である。その結果、車両電気系統電圧が徐々に上昇する。エンジンが予定された運転温度へ到達する前に、この後予熱段階で内燃機関の出力が要求される場合、吸入給気は、本発明による方法を用いて、内燃機関の回転数の上昇６中、増強された追加予熱を用いて一定の温度に保たれることが可能である。内燃機関又はこの場合の冷媒が、予定された運転温度へ到達すると直ちに、低温回転段階は終了する。そして予熱フランジは作動停止される。

図２は、それ自体は既知の通常の内燃機関の基本図を示す。本発明による低温始動法は、このタイプの内燃機関で使用されることが可能である。内燃機関、特に、例えば３本の燃焼シリンダ９を有するディーゼルエンジン８は、吸気管１０を用いて空気を吸入する。吸気管１０内へ突出した予熱要素１２を有する予熱フランジ１１は、吸気管１０内に配置される。電力制御及び予熱要素への電流の供給は、制御装置、特にエンジン制御装置、１３によって行われる。吸入給気、の温度レベルを調整するために、制御装置１３は、予熱要素の下流で燃焼シリンダへ進入する手前で吸気管内の気温を測定する温度センサ１４を備えている。始動行程は、スターター１５を作動させることで、制御装置１３によって開始される。スターター１５の小歯車は、それ自体は既知の方法で、ここで大歯車に噛合する。大歯車は、次に内燃機関のクランクシャフト１６へ連結され、スターターが作動される時に、クランクシャフトを回転させる。本発明による低温始動法は、このタイプの内燃機関で好適に使用されることが可能である。

本発明による低温始動法において発生する、車両電気系統電圧、電流変動率、給気温度、エンジン回転数及び運転ランプの作動の基本線図を示す。 既知の通常の内燃機関の基本図を示す。

Claims (6)

1. 予熱段階又は始動段階中に、内燃機関の吸気管（１０）内の電気的に加熱可能な予熱要素（１２）を少なくとも１つ用いて、内燃機関（８）の吸気を予熱する方法であって、発熱量は、エンジン電子回路の制御装置（１３）によって、前記内燃機関の運転データに応じて制御される方法において、
   前記予熱段階（１、２、３）中、前記予熱要素（１２）には、前記予熱要素が参照温度に到達するまで、最初に最大電流（１）が供給され、前記参照温度に到達した後前記始動段階まで、予熱保持段階（２、３）が始まり、該段階において前記予熱要素（１２）は比較的低い電力を用いて一定の温度に保たれ、
   前記始動段階中、第１期間（４ａ）において、前記予熱要素（１２）は作動停止され、
   前記内燃機関の回転数が前記始動回転数まで上げられる第２期間（４ｂ）中、前記予熱要素（１２）が再び作動される、ことを特徴とする内燃機関の吸気を予熱する方法。
2. 前記予熱要素（１２）がさらに低減された電力で作動される始動待機段階（３）が、前記予熱保持段階（２）の後に続くことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 後続の後予熱段階（５）は、アイドリング回転数に到達した後適切なエンジン温度に到達するまで、軽減された発熱量での後予熱が実行されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記後予熱段階（５）において、前記給気温度は、回転数の上昇（６）中、前記予熱要素（１２）を用いて一定に保たれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記後予熱期間は、前記始動行程の開始時に、前記冷媒温度又は前記給気温度に応じて決定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記予熱要素は、時間計測された又は温度制御された方法で、作動停止されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。

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