JP2014519575A - 内燃エンジンの始動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に定置ガスエンジンである内燃エンジン（１）の始動方法であって、内燃エンジン（１）は、少なくとも一つのスタータ（始動モータ）（２）によって駆動される。スタータ（２）の始動後、内燃エンジン（１）の角加速度（α）が所定の加速度値以下のままである場合、および／または所定の第１の時間（ｔ_Ａ）内に実際の回転速度（ｎ）が所定の回転速度閾値（ｎ_Ａ）以下のままである場合、および／または所定の第２の時間内に内燃エンジン（１）の平均回転速度が所定の第２の回転速度閾値以下のままである場合には、始動プロセスが遮断される。スタータ（２）は、空気圧式スタータの（２）の形態であり、その圧縮空気供給は、完全開位置と完全閉位置との間で切り替えできる圧縮空気バルブ（３）によって制御され、空気圧式スタータ（２）は、完全に開かれた圧縮空気バルブ（３）によって始動される。
【選択図】図５

Description

本発明は、特に定置ガスエンジンである内燃エンジンの始動方法に関する。

この内燃エンジンは、少なくとも一つのスタータ（始動モータ）によって駆動されるものであり、内燃エンジンの角加速度が所定の加速度値以下のままである場合、および／または所定の第１の時間内に実際の回転速度が所定の第１の回転速度の閾値以下のままである場合、および／または所定の第２の時間内に内燃エンジンの平均回転速度が所定の第２の回転速度の閾値以下のままである場合、スタータの始動後に始動プロセスが遮断される。

本発明は、さらに、特にエネルギーがエネルギー源によって供給できる少なくとも一つのスタータを備えた定置ガスエンジンである内燃エンジンの始動システムにも関する。このスタータは、内燃エンジンの駆動シャフトに接続でき、それによって駆動シャフトは駆動可能であり、この制御装置が内燃エンジンの実際の回転速度および／または角速度および／または角加速度をモニターし、この制御装置が、実際の回転速度および／または角速度および／または角加速度に応じて、少なくとも一つのスタータへのエネルギー供給を停止または作動させる。

内燃エンジンの回転速度が始動プロセスの遮断の基準として利用される内燃エンジンの始動方法は既に知られている（例えば特許文献１、特許文献２および特許文献３）。

エンジンが定置されているとき、内燃エンジン内で水が１以上のシリンダの燃焼チャンバへと浸透すると、非圧縮性の水は内燃エンジンの従来式の始動プロセスにおいて接続ロッドおよび／またはピストンを損傷させる可能性がある。内燃チャンバに浸透する水は、例えば、漏冷却水導管からの冷却水である。内燃エンジンが部分的に浸水したシリンダの状態で完全に始動させようとすると、いわゆる水ハンマー現象が発生するであろう。この場合には、問題のピストンは、非圧縮性の水によって圧縮サイクルの上方位置にて突然減速し、エンジンに損傷を与える可能性がある。内燃エンジンのシリンダ内の水または湿気を検出するため、例えば湿気センサが利用できる。しかしながら、そのようなセンサは、排気設備の煙突効果による、大型の定置内燃エンジンの場合に発生することがある通常の凝縮水と、シリンダの危険な浸水とを区別できない。

シリンダ内の水による増加した抵抗レベルの結果、シリンダ内の水は、その少なくとも一つのスタータによって作動されると、通常の状態よりもさらにゆっくりと加速する内燃エンジンによって検出できる。よって、始動プロセス中に、内燃エンジンの実際の回転速度および／または角速度および／または角加速度は測定でき、所定の制限値との比較によって違いが検出できる。

したがって、内燃エンジンの測定された角加速度が所定の加速度値以下、および／または所定の第１の時間内で実際の回転速度が所定の第１の回転速度制限値および／または所定の第２の時間内で内燃エンジンの平均回転速度が所定の第２の回転速度制限値以下のままである場合、内燃エンジンが水ハンマー現象による損傷を受ける前に始動操作が遮断される。

独国特許第１０２４５６４０Ｂ３号明細書 仏国特許出願公開第２９２７３０１Ａ１号明細書 特開２００６−０６３８６７Ａ号公報

本発明の目的は、改良方法と改良された始動システムの提供である。特に本発明は、簡易で安価な方法と始動システムによる内燃エンジンの始動を追及する。

本明細書の当初部分で解説した方法では、この目的は、スタータが、その圧縮空気供給が圧縮空気バルブによって制御される空気圧式スタータの形態として達成できる。この圧縮空気バルブは、完全開位置と完全閉位置との間で切り替えができ、空気圧式スタータの始動は圧縮空気バルブを完全に開くことで実行される。

本明細書の当初部分で解説した一般的な種類の始動システムの場合には、この目的は、圧縮空気源による圧縮空気によって駆動可能な空気圧式スタータの形態である少なくとも一つのスタータによって達成され、圧縮空気バルブは圧縮空気源とスタータとの間に提供されている。圧縮空気バルブは、完全開位置と完全閉位置との間で切り替えができる。圧縮空気供給を停止させるため、制御装置は、圧縮空気バルブを完全閉位置に切り替える。圧縮空気供給を作動させるため、制御装置は、圧縮空気バルブを完全開位置に切り替える。

その圧縮空気供給が圧縮空気バルブによって制御され、圧縮空気バルブが、完全開位置と完全閉位置との間で切り替えできる空気圧式スタータの利用は、高価な調節バルブまたは圧縮空気スロットルを使用しない簡易で安価な方法と始動システムを提供する。

好適には、スタータの始動後、始動プロセスは、実際の回転速度が３秒以内に８ｒｐｍ以下のままである場合に遮断される。

始動プロセスは、以下のステップを含んでいる。

ａ）圧縮空気バルブを完全に開き、内燃エンジンを加速させるステップ。

ｂ）圧縮空気バルブを完全に閉じ、実際の回転速度が所定の最大回転速度に到達したらすぐに実際の回転速度を低下させるステップ。

ｃ）実際の回転速度が所定の閾値回転速度に到達したらすぐに圧縮空気バルブを完全に開くステップ。

ｄ）圧縮空気バルブを完全に開いたにもかかわらず、実際の回転速度が、内燃エンジンの所定の最小回転速度以下に落ちるか、および／または角加速度が所定の加速値以下のままである場合に、始動プロセスを遮断するステップ。

ａ）からｄ）のステップが２回以上、好適には４回実行されると特に有利であることが分かっている。これはスタータへの圧縮空気供給が、完全開位置または完全閉位置のみを有することが可能である簡易な非調節式二方圧縮空気バルブによって実行された場合に特に有利である。本発明の方法は、したがって、始動システムの安価な部品を使用して、内燃エンジンの水ハンマー現象による損傷を回避させる。内燃エンジンは、当初、相対的に低い最大速度で加速され、圧縮空気バルブは、完全開位置から完全閉位置へと切り替えられるため、スタータへのエネルギー供給を高価な調節バルブまたは圧縮空気スロットルを使用せずに低下させることができる。

好適には所定の最大回転速度は、せいぜい３０ｒｐｍ、好適には２０ｒｐｍであり、所定の閾値回転速度範囲は、１２ｒｐｍから１８ｒｐｍの間であり、好適には１５ｒｐｍである。特にシリンダ内の水による回転速度落下を検出するため、所定の最小回転速度は、１０ｒｐｍ未満であり、好適には８ｒｐｍ以下である。

一般的に、完全に開いた状態の圧縮空気バルブは、スタータへのエネルギー供給を制限するよう、たとえば２秒間から３秒間である所定の最大時間までだけ、完全開位置に保持される。

本発明のさらなる詳細および利点は、以下の図面と詳細な説明によって解説される。

図１は、電動スタータを備えた始動システムの一実施例の概略図である。 図２は、空気圧式スタータを備えた、本発明の始動システムの一実施例の概略図である。 図３は、制御バルブを備えた本発明の始動システムの別実施例の概略図である。 図４は、複数のスタータを備えた図３に示す如きの概略的構造を示している。 図５は、本発明の方法の変形における、内燃エンジンの実際の回転速度の時間に対する変化を示す概略図である。 図６は、内燃エンジンの実際の回転速度の時間に対する変化を示す概略図であり、少なくとも一つのシリンダが部分的に浸水している。

図１は、駆動シャフト５と、そこに配置されたリングギヤ８とを有する内燃エンジン１を概略的に示している。内燃エンジン１を始動させるため、スタータ２に接続されたスタータピニオン７は、噛合機構１１（ここでは図示せず）によって知られた形態で噛合し、このようにして内燃エンジン１のリングギヤ８と係合する（図３参照）。この場合にはスタータ２は、電圧源１４の形態である電源によって電圧または電流が供給される電動スタータである。制御装置６によって作動可能なスイッチ１３が、電圧源１４とスタータ２との間に提供された電動スタータ２に供給される電圧供給を制御する。

内燃エンジン１の駆動シャフト５の回転速度ｎおよび／または角速度ωおよび／または角加速度αは、測定装置９によって検出され、制御装置９に信号が送信される。測定装置９は、例えばリングギヤ８の歯部に配置できる誘導ピックアップでよい。高レベルの測定精度を達成するため、リングギヤ８は、例えば３００個以上の多くの歯部を有することができる。測定装置９の信号に応じて、制御装置６は、スイッチ１３を開閉させ、よって電圧源１４から電動スタータ２へのエネルギー供給を作動または停止させる。

図２は、図１に示すものの概略的構造であり、この場合にはスタータ２は圧縮空気源４の形態のエネルギー源によって供給される空気圧式スタータである。圧縮空気源４とスタータ２との間には、二方バルブの形態であり、完全開位置または完全閉位置のみを有することができる圧縮空気バルブ３が配置されている。図面では、圧縮空気バルブ３は、完全閉位置にあり、すなわち圧縮空気源４からスタータ２への圧縮空気の供給は遮断されており、スタータ２は、内燃エンジン１の駆動シャフト５を駆動しない。測定装置９からの信号に応じて、制御装置６が、例えば電動式、磁力式または空気圧式作動バルブの形態である圧縮空気バルブ３を完全開作動または完全閉作動させる。

図３は、図２に示すものの構造を示しており、本実施例では空気作動式二方バルブの形態である圧縮空気バルブ３の作動のために別の制御バルブ１２が提供されている。圧縮空気源４に接続された、例えばソレノイドバルブの形態である始動バルブ１０は、始動プロセスを始動させるよう開かれる。この結果、スタータ２の一部でありえる空気噛合機構１１が、圧縮空気源４からの圧縮空気で作動される。よって、噛合機構１１は、スタータ２のスタータピニオン７を内燃エンジン１の駆動シャフト５のリングギヤ８と係合させる。これは、例えば、スタータピニオン７の歯部とリングギヤ８の歯部とが互いに対応して係合するよう、スタータピニオン７の変位移動によって実行できる。このプロセスは、噛合機構１１からスタータピニオン７への点線矢印によって示されている。

噛合機構１１に供給される圧縮空気は、さらに噛合機構１１を通って制御バルブ１２へと送られる。測定装置９の信号によって、制御装置６が制御バルブ１２を開閉させる。制御バルブ１２の位置に応じて、圧縮空気源４から圧縮空気をスタータ２に供給するように、圧縮空気バルブ３が完全に開かれるか、またはスタータ２への圧縮空気供給を遮断するように完全に閉じられる。始動バルブ１０、制御バルブ１２および圧縮空気バルブ３は、この図ではそれらの開位置にあり、すなわちスタータ２は、圧縮空気源４からの圧縮空気で作動され、スタータピニオン７とリングギヤ８によって内燃エンジン１の駆動シャフト５を駆動する。

図４は、図３に示すような本発明の始動システムの一実施例であり、本実施例では、それぞれがその上流に接続された圧縮空気バルブ３を有する３つのスタータ２が提供されている。始動バルブ１０、制御バルブ１２および圧縮空気バルブ３は、この図ではそれらの閉位置にあり、すなわち、圧縮空気源４からスタータ２への圧縮空気供給は、それぞれの場合において遮断され、スタータ２は、内燃エンジン１の駆動シャフト５を駆動しない。

本発明の方法の変形例を、図４を参照して解説する。

圧縮空気源４に接続された始動バルブ１０を開けることによる始動プロセスの作動後、噛合機構１１（ここでは図示せず）が、スタータ２のスタータピニオン７を内燃エンジン１の駆動シャフト５のリングギヤ８と知られた形態で係合させるか、またはそれと噛合させる（図３参照）。この場合には、噛合状態は破線で示されている。

制御装置６が制御バルブ１２を開けることによって、さらに圧縮空気バルブ３も完全に開かれる。この結果、スタータ２に圧縮空気源４から圧縮空気が供給され、スタータピニオン７とリングギヤ８とを含むそれぞれの接続部を介して、内燃エンジン１の駆動シャフト５を駆動できる。測定装置９によって測定され、制御装置６によってモニターされた実際の回転速度ｎが、例えば２０ｒｐｍである最大回転速度ｎ_ｍａｘに到達するとすぐに、制御装置６が制御バルブ１２を閉じ、それとともに空気バルブ３の閉鎖も完了させる。この結果、スタータ２への圧縮空気供給が遮断され、よって内燃エンジン１の実際の回転速度ｎが低下する。実際の回転速度ｎが、例えば１５ｒｐｍである閾値回転速度ｎ_ｓに到達するとすぐに、制御装置６が制御バルブ１２を開く。この結果、圧縮空気バルブ３がそれらの完全開位置へと移動され、スタータ２が圧縮空気源４からの圧縮空気によって再び作動される。

システム関連の遅延によって（例えば回転部品または移動部品の慣性による）、圧縮空気バルブ３の開動作後に実際の回転速度ｎがさらに短時間低下できるよう、通常は実際の回転速度ｎは直ちには増加しない。しかし、抵抗が非常に大きい場合には、内燃エンジン１の少なくとも一つのシリンダの部分的な浸水の結果として、圧縮空気バルブ３の開動作にもかかわらず、実際の回転速度ｎは、例えば８ｒｐｍである最小回転速度ｎ_ｍｉｎ以下に落ち、これは制御装置６によって検出され、始動プロセスが遮断される。回転速度が所定の最小回転速度ｎ_ｍｉｎ以下に落ちない場合、始動プロセスは継続できる。

最大回転速度ｎ_ｍａｘへの加速、その後の閾値回転速度ｎ_ｓへの回転速度の減速、およびその後の圧縮空気バルブ３の再度の開動作並びに、内燃エンジン１の加速が関与する工程は、好適には複数回、特に好適には４回実行される。この工程が所定の時間（例えば１０秒間）または複数の、好適には２回のクランクシャフト回転の間に繰り返され、最小回転速度ｎ_ｍｉｎ未満の実際の回転速度ｎが関与する回転速度落下が検出されるとすぐに、または内燃エンジン１の平均回転速度が所定の時間内か、または所定数のクランクシャフト回転間に所定の回転速度値に到達しない場合には始動プロセスが遮断される。

図５は、図２に示す装置による本発明の方法の変形実施例における、内燃エンジン１の実際の回転速度ｎのそれぞれの時間に対する変化を概略的に示している。時間ｔ_０で、圧縮空気バルブ３は完全に開かれ、よって空気圧式スタータ２への圧縮空気供給が作動される。内燃エンジン１が加速し、内燃エンジン１の駆動シャフト５の実際の回転速度ｎが測定装置９によって検出され、制御装置６へ評価信号が送信される。

内燃エンジン１の実際の回転速度ｎが、例えば３秒以内である所定の第１の時間ｔ_Ａ内に、例えば８ｒｐｍである所定の第１の回転速度制限値ｎ_Ａに到達しない場合には、内燃エンジン１への損傷を防止するため、始動プロセスが遮断される。しかし、図示の実施例では、第１の時間ｔ_Ａの終了後の実際の回転速度ｎは、始動プロセスがその基準ベースで遮断されないよう、第１の回転速度制限値ｎ_Ａよりも大きい。

時間ｔ_１で実際の回転速度ｎが所定の最大回転速度ｎ_ｍａｘ（例えば２０ｒｐｍ）に到達すると、空気圧式スタータ２への圧縮空気供給を遮断させるよう、圧縮空気バルブ３が制御装置６によって完全に閉鎖される。この構造物の回転または移動部品の慣性によって、システム関連の遅延に関与してのみ、実際の回転速度ｎが低下する。これは、時間ｔ_１後の実際の回転速度ｎの短時間のさらなる増加で表される。

実際の回転速度ｎが所定の閾値回転速度ｎ_ｓ（例えば１５ｒｐｍなど）（本実施例では時間ｔ_２）に到達すると、制御装置６が圧縮空気バルブ３を完全に開く。慣性によって、実際の回転速度ｎの増加が遅延に関するものでのみ再び発生する。実際の回転速度ｎが最大回転速度ｎ_ｍａｘ（時間ｔ_１、ｔ_３、ｔ_６およびｔ_７）に到達したときの圧縮空気バルブ３の閉鎖と、実際の回転速度ｎが閾値回転速度ｎ_ｓ（時間ｔ_２、ｔ_４、ｔ_５およびｔ_８）に到達したときの圧縮空気バルブ３の開動作が、図示の実施例において全部で４回実施される。この工程の間に速度落下は検出されなかったため、内燃エンジン１は、エンジン１が自動的に運転し続けるまでスタータ２によって加速される。スタータピニオン７の不噛合によってスタータ２の切断が、例えば２００ｒｐｍの実際の回転速度ｎまたは一定時間（例えば１０秒）後に実行される。

図６は、図５に示す工程間の実際の回転速度ｎの各時間に対する変化を概略的に示しており、この場合には、内燃エンジン１の少なくとも一つのシリンダが少なくとも部分的に浸水している。時間ｔ_２で圧縮空気バルブ３が完全に開かれた後、実際の回転速度ｎが、例えば１５ｒｐｍである所定の閾値回転速度ｎ_ｓに到達するとすぐに、圧縮空気バルブ３を完全に開いても、非圧縮性の水の抵抗の増加によって回転速度の落下が発生する。したがって時間ｔ_ｓにて、回転速度は、例えば８ｒｐｍである所定の最小回転速度ｎ_ｍｉｎ以下に落ち、例えば圧縮空気バルブ３を閉じることで始動プロセスが遮断される。

一般的に、本発明の方法は、さらに長い時間に対して実施可能である。例えば本発明の方法は、内燃エンジンが１２時間以上停止した状態の場合にのみ利用可能である。始動プロセスの遮断後に、認知されるべき故障信号を発生させることができる。始動の試行が複数回（例えば３回）失敗すると、認知されるべき故障信号をさらに発生させることができる。始動プロセスの試行が複数回失敗すると、例えば３０分間の圧縮空気蓄積時間を圧縮空気源に提供できる。

特に、エンジン出力が５ＭＷ以上の定置ガスエンジンに適している上述の方法は、エンジンシリンダの部分的な浸水による内燃エンジンの加速時間の損傷の回避には限定されない。よって、本方法は、摩擦値を増加させ、加速への抵抗レベルを増加させる損傷または摩耗したベアリングによる損傷を防止するためにも利用できる。一般的に本発明の方法は、内燃エンジンの加速への異常または許容できない抵抗を検出するために利用でき、エンジンへの損傷を回避させるよう、内燃エンジンの始動プロセスを遮断させることができる。

Claims (8)

1. 定置ガスエンジンである内燃エンジン（１）の始動方法であって、
   本内燃エンジン（１）は、少なくとも一つのスタータ（始動モータ）（２）によって駆動されるものであり、前記スタータ（２）の始動後、前記内燃エンジン（１）の角加速度（α）が所定の加速度値以下のままである場合、および／または所定の第１の時間（ｔ_Ａ）内に実際の回転速度（ｎ）が所定の第１の回転速度閾値（ｎ_Ａ）以下のままである場合、および／または所定の第２の時間内に本内燃エンジン（１）の平均回転速度が所定の第２の回転速度閾値以下のままである場合には、始動プロセスが遮断され、前記スタータ（２）は、その圧縮空気供給が圧縮空気バルブ（３）によって制御される、空気圧式スタータ（２）の形態であり、前記圧縮空気バルブ（３）は、完全開位置と完全閉位置との間で切り替えでき、前記空気圧式スタータ（２）の始動は、前記圧縮空気バルブ（３）を完全に開くことで実行されることを特徴とする内燃エンジン（１）の始動方法。
2. 前記スタータ（２）の始動後、前記始動プロセスは、前記実際の回転速度（ｎ）が３秒以内に８ｒｐｍ以下のままである場合に遮断されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記始動プロセスは、
   ａ）前記圧縮空気バルブ（３）を完全に開き、前記内燃エンジン（１）を加速させるステップと、
   ｂ）前記圧縮空気バルブ（３）を完全に閉じ、前記実際の回転速度（ｎ）が所定の最大回転速度（ｎ_ｍａｘ）に到達したらすぐに前記実際の回転速度（ｎ）を低下させるステップと、
   ｃ）前記実際の回転速度（ｎ）が所定の閾値回転速度（ｎ_ｓ）に到達したらすぐに前記圧縮空気バルブ（３）を完全に開くステップと、
   ｄ）前記圧縮空気バルブ（３）を完全に開いたにもかかわらず、前記実際の回転速度（ｎ）が、前記内燃エンジン（１）の所定の最小回転速度（ｎ_ｍｉｎ）以下に落ちるか、および／または前記角加速度（α）が所定の加速度値以下のままである場合に、前記始動プロセスを遮断するステップと、
   を含んでいることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記所定の最大回転速度（ｎ_ｍａｘ）は、せいぜい３０ｒｐｍ、好適には２０ｒｐｍであることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記所定の閾値回転速度範囲（ｎ_ｓ）は、１２ｒｐｍから１８ｒｐｍの間であり、好適には１５ｒｐｍであることを特徴とする請求項３または４記載の方法。
6. 前記所定の最小回転速度（ｎ_ｍｉｎ）は、１０ｒｐｍ未満であり、好適には８ｒｐｍ以下であることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の方法。
7. ａ）からｄ）のステップが２回以上、好適には４回実行されることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の方法。
8. エネルギーがエネルギー源によって供給できる少なくとも一つのスタータ（２）を備えた、特に定置ガスエンジンである内燃エンジン（１）の始動システムであって、前記スタータ（２）は、前記内燃エンジン（１）の駆動シャフト（５）に接続でき、それによって前記駆動シャフト（５）は、駆動可能であり、制御装置（６）が前記内燃エンジン（１）の実際の回転速度（ｎ）および／または角速度（ω）および／または角加速度（α）をモニターし、前記制御装置（６）が、前記実際の回転速度（ｎ）および／または前記角速度（ω）および／または前記角加速度（α）に応じて、前記少なくとも一つのスタータ（２）へのエネルギー供給を停止または作動させ、前記少なくとも一つのスタータ（２）は、圧縮空気源（４）による圧縮空気によって駆動可能な空気圧式スタータ（２）の形態であり、圧縮空気バルブ（３）は、前記圧縮空気源（４）と前記スタータ（２）との間に提供されており、前記圧縮空気バルブ（３）は、完全開位置と完全閉位置との間で切り替えでき、前記制御装置（６）は、前記空気供給を停止するために、前記圧縮空気バルブ（３）を完全閉位置に切り替え、前記圧縮空気供給を作動するために、前記圧縮空気バルブ（３）を完全開位置に切り替えることを特徴とする始動システム。

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