JP2013083212A - 内燃機関、それを備える車両、及び内燃機関の始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＭＥなどの液化ガス燃料を用いた内燃機関の燃焼室、及び吸気管へリークした燃料による初爆の異常燃焼を防止することができる内燃機関、それを備える車両、及び内燃機関の始動方法を提供する。
【解決手段】吸気管３中にリークされた液化ガス燃料を、エンジン１の始動時には、酸素濃度の低い吸気により酸素不足状態で燃焼させるように、吸気管３に吸気中の酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段１３を設けたバイパス通路１１を備えると共に、エンジン１の停止から始動までの間の吸気をバイパス通路１１に導く吸気管バルブ１２、バイパス第１バルブ１４ａ、及びバイパス第２バルブ１４ｂ（流路切換装置）を備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥという）などの液化ガス燃料を用いる内燃機関において、液化ガス燃料が低粘度のため発生する燃焼室、排気管、及びクランクケースなどへのリークによる異常燃焼を防止する内燃機関、それを備える車両、及び内燃機関の始動方法に関する。

現在、ディーゼルエンジンの代替燃料として、ＤＭＥなどの液化ガス燃料をエンジン（内燃機関）に用いることが注目されている。液化ガス燃料は、軽油と比較すると、例えばＤＭＥは含酸素燃料であり、エーテル結合を有するため、低速ではスモーク排出が無く燃料噴射量の増量が可能となり、低回転域のトルクを増大することができる。また、排出ガス中にＰＭ（微粒子物質）がなく、硫黄を含まないことからＳＯｘ（硫黄酸化物）を発生しない。加えて、スモークの排出が無いことから、ＥＧＲ（排ガス再利用循環システム）を利用することで、排出ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を大幅に低減することができる。さらに、軽油に比べてセタン価が高いという特徴も持つ。

しかしながら、液化ガス燃料は、軽油と比べて大幅に粘性が低いため、燃焼室へのリークの可能性が高く、その対策が必要となる。特に、ＤＭＥは常温大気圧下では気体となるので、長時間燃焼室内にリークすると、吸気管にまで燃料が至り、そのままエンジンを再始動すると初爆で異常燃焼を起こし、エンジンが故障する恐れがある。

上記の問題に対して、燃料噴射装置のニードル先端のシートを強固にして燃焼室へのリークを極力防ぐ対策を行うと共に、燃焼室にリークした液化ガス燃料を回収する手段を備えた装置がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、この装置では、リーク燃料を回収する手段が必要となり、構成が複雑化したり、コストが高くなったりするという問題が発生する。また、エンジンの停止から開始までの間は、リーク燃料を回収する手段は動作しておらず、再始動時に燃焼室と吸気管に拡散したリーク燃料による異常燃焼を防ぐことができない。

特開２００３−１２０４４３号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＤＭＥなどの液化ガス燃料を用いた内燃機関の燃焼室、及び吸気管へリークした燃料による初爆の異常燃焼を防止することができる内燃機関、それを備える車両、及び内燃機関の始動方法を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、液化ガス燃料を用いた内燃機関において、吸気管中にリークされた液化ガス燃料を、内燃機関の始動時には、酸素濃度の低い吸気により酸素不足状態で燃焼させるように、前記吸気管に吸気中の酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段を設けたバイパス通路を備えると共に、内燃機関の停止から始動までの間の吸気を前記バイパス通路に導く流路切換装置を備えて構成される。

この構成によれば、燃焼室及び吸気管中にリークされた液化ガス燃料と空気の混合気中の酸素濃度が低下した酸素不足（リッチ）状態で、燃焼することにより、燃料リークによる急激な燃焼を抑え、内燃機関の故障を防ぐことができる。

また、吸気管中にリークされた液化ガス燃料を再度液化して燃料タンクへ戻す従来のような複雑な構成ではなく、吸気中の酸素濃度を低下させるだけで、上記の作用効果を得ることができるので、製造コストを低減することができる。加えて、吸気管中にリークされた液化ガス燃料が無くなったことが確認できた後、複数の弁装置から構成される流路切換装置によって、吸気を通常の吸気管に戻して、通常運転を行うことができ、通常運転への悪影響を防ぐことができる。

また、上記の内燃機関において、前記酸素濃度低下手段が、酸素を吸着する酸素吸着物質を備える。この構成によれば、活性炭などの多孔質の酸素吸着物質で、酸素を吸着することができ、吸気を妨げることなく、吸気中の酸素濃度を低下することができる。

上記の問題を解決するための車両は、上記に記載の内燃機関を搭載して構成される。この構成によれば、液化ガス燃料のリークによる急激な燃焼を抑制し、内燃機関の故障を防ぐことができるので、軽油の代わりにＤＭＥやＬＰＧ（液化石油ガス）などの液化ガス燃料を用いることができる。

上記の問題を解決するための内燃機関の始動方法は、液化ガス燃料を用いた内燃機関の始動方法において、内燃機関の停止から始動までの間の吸気を、流路切換装置が吸気管に備えたバイパス通路へ導き、前記バイパス通路に備えた酸素濃度低下手段が吸気中の酸素濃度を低下させ、内燃機関の始動時に前記吸気管にリークされた液化ガス燃料を酸素不足状態で燃焼させることを特徴とする方法である。

この方法によれば、内燃機関の停止から始動までの間に、吸気中の酸素濃度を低下させ、吸気管中にリークされた液化ガス燃料と空気の混合気中の酸素濃度を低下することができる。そのため、酸素不足状態でリークされた液化ガス燃料を燃焼させることができ、急激な燃焼を防ぐことができる。

本発明によれば、ＤＭＥなどの液化ガス燃料を用いた内燃機関の燃焼室、及び吸気管へリークした燃料による初爆の異常燃焼を防止することができる。また、複雑な構成を用いることがないため、製造コストを低減することもできる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の停止から始動までの吸気の流れを示した図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の通常稼働時の吸気の流れを示した図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の始動方法を示したフローチャートである。 酸素濃度の低下が筒内圧に及ぼす影響を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関、それを備える車両、及び内燃機関の始動方法について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態では、直列４気筒のディーゼルエンジンを例に説明するが、これに限定されずに液化ガス燃料を用いる内燃機関であれば、本発明を適用することができる。

まず、本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成について、図１を参照しながら説明する。エンジン（内燃機関）１は、シリンダヘッド２へ吸気する吸気管３と、シリンダヘッド３から排気する排気管４を備え、それぞれをタービン５に接続する。また、吸気管３の途中にはインタークーラー６を備える。加えて、ＥＣＵ（制御装置）７と酸素濃度センサ（リーンセンサともいう）８も備える。

このエンジン１は燃料として液化ガス燃料を用いる。この実施の形態では、液化ガス燃料としてＤＭＥ（ジメチルエーテル）を用いるが、ＬＰＧ（液化石油ガス）などでもよい。このエンジン１は液化ガス燃料を燃料として用いることができればよく、上記の構成に限らず周知のエンジンを用いることができる。

ＥＣＵ７は、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置であり、電気回路によってエンジン１の制御を担当している電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラである。オートマチック車においては、ＥＣＵ７に全ての運転状態における最適制御値を記憶させ、その時々の状態をセンサで検出し、センサからの入力信号により、記憶しているデータの中から最適値を選出し各機構を制御している。

酸素濃度センサ８は、吸気中の酸素濃度を計測し、その情報をＥＣＵ７へと送信している。この酸素濃度センサ８で得られる情報から、ＥＣＵ７は、吸気管３中に液化ガス燃料がリークされているか否かを知ることができる。

このエンジン１は吸気に特徴があり、吸気管３の途中に、バイパス通路１１と吸気管バルブ１２を設ける。このバイパス通路１１は、吸気管３の途中から分岐し、再度吸気管３へ戻る配管であり、酸素を吸着する活性炭（酸素吸着物質）を備える酸素濃度低下手段１３を備え、酸素濃度低下手段１３の入口と出口にそれぞれバイパス第1バルブ１４ａとバイパス第２バルブ１４ｂとを備える。

吸気管バルブ１２、バイパス第１バルブ１４ａ、及びバイパス第２バルブ１４ｂは開閉することで、それぞれ吸気管３、又はバイパス通路１１を開放又は遮断して、吸気を導く流路切換装置である。これらの吸気管バルブ１２、バイパス第１バルブ１４ａ、及びバイパス第２バルブ１４ｂを、ＥＣＵ７によって制御している。また各バルブ１２、１４ａ、及び１４ｂは吸気管３又はバイパス通路１１を開放又は遮断することができればよく、周知のバルブを用いることができる。

本発明の実施の形態では、吸気管３に一つ、バイパス通路１１に二つのバルブを設けるが、吸気管３の途中に設けたバイパス通路１１に吸気を導くことができれば、上記の構成に限定しない。例えば、吸気管３からバイパス通路１１へ分岐する箇所に三方向バルブを用いてもよい。しかし、ガス流量と応答性の観点から考慮すると、上記のように吸気管３に一つ、バイパス通路１１に二つのバルブを設けることが好ましい。

特に、バイパス通路１１への入口と出口にそれぞれバイパス第１バルブ１４ａとバイパス第２バルブ１４ｂを設け、酸素濃度低下手段１３への出入り口を塞ぐことで、使用時以外の酸素濃度低下手段１３への流入を防ぐことができ、酸素濃度低下手段１３の劣化を抑えることができる。

活性炭を備える酸素濃度低下手段１３は、吸気を妨げずに吸気中の酸素濃度を低下させることができるものである。活性炭は、炭素系の物質を原料とし、気体の中で３００〜１０００℃の温度で賦活された多孔質の物質である。好ましくは二酸化炭素中又は真空中で賦活された活性炭を用いるとよい。

この活性炭をハニカム形状に形成して用い、吸気中の酸素をその活性炭が吸着することで、吸気中の酸素濃度を低下することができる。活性炭の他にも、疎水性ゼオライトをハニカム形状に形成してもよく、また、シリコンカーバイドやコージライトを基材に形成したハニカム構造体の壁面に酸化セシウムなどの触媒を担持したものを用いることもできる。

この酸素濃度低下手段１３は、吸気を妨げずに吸気中の酸素濃度を低下することができれば、上記の構成に限定しない。好ましくは多孔質のハニカム形状のもので、吸気中の酸素を吸着できる構成がよい。

上記の構成によれば、軽油に比べると粘性が大幅に低く、且つ常温で気体となる液化ガス燃料を用いたエンジン１で、燃焼室（図示しない）、吸気管３、及びクランクケース（図示しない）などにリークした液化ガス燃料を酸素濃度の低い状態で燃焼させることができるので、急激な燃焼を防ぐことができる。

また、複雑な構成、又は方法を用いることなく燃焼室、吸気管３、及びクランクケースなどにリークした液化ガス燃料を処理することができるため、製造コストを低減することができる。加えて、吸気管３中にリークされた液化ガス燃料が無くなったことを確認できた後、ＥＣＵ７が各バルブ１２、１４ａ、及び１４ｂを開閉することによって、吸気を通常の吸気管３に戻して、容易に通常運転を行うことができる。

次に本発明に係る実施の形態のエンジン１の動作について、図１、図２、及び図３のフローチャートを参照しながら説明する。図１にエンジン１の停止からエンジン１が始動して通常稼働するまでを示し、図２にエンジン１の通常稼働を示す。エンジン１を搭載した車両がキーオン状態になる（ステップＳ１１）と、ＥＣＵ７は各バルブ１２、１４ａ、及び１４ｂの開閉状態をチェックする（ステップＳ１２）。このときの各バルブ１２、１４ａ、及び１４ｂの正常な状態は、吸気管バルブ１２が閉じ、バイパス第１バルブ１４ａと１４ｂとが開いた状態である。

各バルブ１２、１４ａ、及び１４ｂの状態が異常であれば、ＥＣＵ７は、吸気管バルブ１２を閉じ、バイパス第１バルブ１４ａとバイパス第２バルブ１４ｂとを開ける（ステップＳ１３）。これにより、吸気をバイパス通路１１へと導くことができる。

この状態でエンジン１が始動する（ステップＳ１４）と吸気がバイパス通路１１へ導かれて、酸素濃度低下手段１３を通過する。このとき酸素濃度低下手段１３が吸気中の酸素を吸着して、吸気中の酸素濃度を低下させる。この酸素濃度を低下した状態で吸気が行われ、燃焼室及び吸気管３にリークされた液化ガス燃料と空気の混合気中の酸素濃度が低下する。この酸素濃度が低下した吸気と液化ガス燃料との混合気は、急激な燃焼をせずに、リークされた液化ガス燃料を燃焼する。

ここで、酸素濃度の低下が筒内圧に及ぼす影響について図４に示す。液化ガス燃料としてＤＭＥを用い、混合気中の濃度を１０％とし、エンジン１の回転速度が２５０ｒｐｍ、初期温度３００Ｋ、初期圧力１．０ａｔｍとして均一予混合燃焼させ、吸気中の酸素濃度を変化させた。図４より、吸気の酸素濃度を低下させることで、急激な圧力上昇を抑制できる、つまり急激な燃焼を抑制できることが分かる。酸素濃度を半分に低下させると最高圧力が３６％低下し、酸素濃度が四分の一まで低下すると最高圧力は５５％低下するという結果が出ている。

酸素濃度が低い状態で燃焼を続け、酸素濃度センサ８の情報よりＥＣＵ７が、吸気管３
中にリークされた液化ガス燃料の混入の有無を確認する（ステップＳ１５）。液化ガス燃料の混入が無い場合は、ＥＣＵ７は、図２に示すように、吸気管バルブ１２を開け、バイパス第１バルブ１４ａとバイパス第２バルブ１４ｂを閉じる（ステップＳ１６）。これにより、バイパス通路１１に導かれていた吸気を吸気管３へ戻すことができる。エンジン１が通常運転する（ステップＳ１７）ときは、このようにバイパス通路１１を通さないように、吸気を導いている。

リークされた液化ガス燃料が無くなったか否かは、この実施の形態では酸素濃度センサ８の情報から確認したが、リークされた液化ガス燃料が無くなったことを確認することができれば、その方法に限定しない。

次に、エンジン１が停止する（ステップＳ１８）と、ＥＣＵ７は、図１に示すように、吸気管バルブ１２を閉じ、バイパス第１バルブ１４ａとバイパス第２バルブ１４ｂとを開ける（ステップＳ１９）。これにより、吸気中の酸素濃度が低下して、停止時の急激な燃焼を抑制することができ、エンジン１の停止時に発生する騒音を低減することができる。また、酸素濃度が低い状態で燃焼させるため、軽油に比べて比較的排出量の少ないＮＯｘの排出量をさらに低減することができる。そして、車両がキーオフ状態になり（ステップＳ２０）、完了する。

上記の動作によれば、エンジン１の停止から開始（通常運転する）までの間の吸気中の酸素濃度を、酸素濃度低下手段１３によって低下することができる。そのため、特にエンジン１の始動時に、燃焼室及び吸気管３にリークされた液化ガス燃料による急激な燃焼を防止することができ、エンジン１の故障を防ぐことができる。軽油に比べると粘性が大幅に低く、且つ常温で気体となる液化ガス燃料は、エンジン１の停止から開始までの間に、燃焼室及び吸気管３へリークされ、再始動時の急激な燃焼を引き起こしており、上記のエンジン１の始動方法Ｓ１０を用いると、燃焼室及び吸気管３にリークした液化ガス燃料を酸素濃度の低い状態で燃焼させることができるので、急激が燃焼を防ぐことができる。

また、各バルブ１２、１４ａ、及び１４ｂを開閉するという単純な制御で、上記の作用効果を得ることができるため、複雑な構成、及び方法を用いることなく製造コストを低減することができる。

加えて、エンジン１の停止から始動までの間に、吸気管バルブ１２を閉じ、バイパス第１バルブ１４ａ、及びバイパス第２バルブ１４ｂを開けておくことで、停止中の吸気管３内への液化ガス燃料の流出先を酸素濃度が低濃度側にすることができる。

上記の動作を繰り返し行うことにより、酸素濃度低下手段１３の吸気中の酸素濃度を低下させる性能が低下する。この場合、酸素濃度低下手段１３を加熱することで性能を回復することができる。この実施の形態では酸素濃度低下手段１３として活性炭を用いているため、この活性炭を加熱して、吸着した酸素を一酸化炭素又は二酸化炭素として還元することで、活性炭の酸素吸着性能を回復させることができる。この酸素濃度低下手段１３の加熱方法としては、エンジン１からの排気を利用するなどの方法を用いることができる。この加熱方法は、酸素濃度低下手段１３の酸素吸着力を回復させることができればよく、上記の構成に限定しない。

上記に記載のエンジン１を搭載した車両は、液化ガス燃料が軽油に比べて低粘度が低いことを起因とする液化ガス燃料の燃焼室、吸気管３、及びクランクケースなどへのリークによって発生する、再始動時の急激な燃焼を防止することができるので、エンジン１の燃料に液化ガス燃料を用いることができる。

本発明の内燃機関は、液化ガス燃料の吸気管へのリークによる異常燃焼を防止して、内燃機関の故障を防ぐことができるので、特にＤＭＥなどの液化ガス燃料を用いた内燃機関を搭載した車両に適用することができる。

１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダヘッド
３ 吸気管
４ 排気管
５ タービン
６ インタークーラー
７ ＥＣＵ（制御装置）
８ 酸素濃度センサ（リーンセンサ）
１１ バイパス通路
１２ 吸気管バルブ
１３ 酸素濃度低下手段
１４ａ バイパス第１バルブ
１４ｂ バイパス第２バルブ

Claims (4)

1. 液化ガス燃料を用いた内燃機関において、吸気管中にリークされた液化ガス燃料を、内燃機関の始動時には、酸素濃度の低い吸気により酸素不足状態で燃焼させるように、前記吸気管に吸気中の酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段を設けたバイパス通路を備えると共に、内燃機関の停止から始動までの間の吸気を前記バイパス通路に導く流路切換装置を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記酸素濃度低下手段が、酸素を吸着する酸素吸着物質を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関を備えることを特徴とする車両。
4. 液化ガス燃料を用いた内燃機関の始動方法において、内燃機関の停止から始動までの間の吸気を、流路切換装置が吸気管に備えたバイパス通路へ導き、前記バイパス通路に備えた酸素濃度低下手段が吸気中の酸素濃度を低下させ、内燃機関の始動時に前記吸気管にリークされた液化ガス燃料を酸素不足状態で燃焼させることを特徴とする内燃機関の始動方法。