JP2015230004A - 内燃機関の運転方法及びエンジン制御ユニット - Google Patents

内燃機関の運転方法及びエンジン制御ユニット Download PDF

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Abstract

【課題】船舶ディーゼル内燃機関を運転するための新規の方法を提供する。
【解決手段】船舶ディーゼル内燃機関、とりわけ重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関の運転方法であって、燃料供給システム、とりわけコモンレール式燃料供給システムのインジェクタ（１）により、燃料が船舶ディーゼル内燃機関のシリンダ内に噴射される、船舶ディーゼル内燃機関の運転方法において、インジェクタ（１）において直接的に、インジェクタ（１）に割り当てられた圧力センサ（１５）を用いて、各インジェクタ（１）について個別に圧力信号を測定技術的に検出し、また、インジェクタごとの各圧力信号から各インジェクタ（１）について個別に、噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの特性値を決定する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、請求項１のおいて書きにかかる、船舶ディーゼル内燃機関を運転するための方法、及び、前記方法を実行するためのエンジン制御ユニットに関する。
図１Ａ及び図１Ｂは、従来技術より知られている、船舶ディーゼル内燃機関のコモンレール式燃料供給システムの基本的な構造を示すものである。この構造は、特許文献１より知られている。図１Ａ及び図１Ｂのコモンレール式燃料供給システムは、シリンダごとにそれぞれ少なくとも一つのインジェクタ１（図１Ａ：圧力制御式インジェクション・バルブ、図１Ｂ：ストローク制御式リザーバインジェクタ）を有している。インジェクタ１を介して、シリンダのそれぞれに燃料を噴射可能である。コモンレール式燃料供給システムの低圧領域４から、コモンレール式燃料供給システムの高圧領域６へと燃料を送り込むために、コモンレール式燃料供給システムはさらに、ポンプ装置３を有しており、該ポンプ装置３は、少なくとも一つの低圧ポンプ５、少なくとも一つの高圧ポンプ２、及び高圧ポンプリザーバ８を有しており、高圧領域６においてポンプ装置３とインジェクタ１との間には常時高圧の蓄圧器システム７が設けられている。この常時高圧の蓄圧器システム７はコモンレールとも呼ばれ、複数の貯蔵ユニット９を有している。貯蔵ユニット９は、常時高圧の高圧ライン１０を介してポンプ装置３に、及び、互い同士に接続されている。
図１Ａ：さらに、蓄圧器７、つまり貯蔵ユニット９は、噴射サイクルに応じて時々高圧下にある高圧ライン１１を介してインジェクタ１に接続されている。インジェクタ１を貯蔵ユニット９に接続する、噴射サイクルに応じて時々高圧下にある高圧ライン１１には、切替弁１２が割り当てられており、これは、噴射サイクルに応じてインジェクタ１に燃料を供給する。蓄圧器７の貯蔵ユニット９の一つには、圧制御弁１３及びパージ弁１４が割り当てられている。
図１Ｂ：蓄圧器７、つまり貯蔵ユニット９とインジェクタ１は、常時高圧下にある高圧ライン１１を介してさらに接続されている。常時高圧下にあるインジェクタ１内には、切替弁１２が組み込まれており、これは、噴射サイクルに応じてノズル制御室２１の圧力を開放して噴射を起こす。蓄圧器７の貯蔵ユニット９の一つには、圧制御弁１３及びパージ弁１４が割り当てられている。
そのような船舶ディーゼル内燃機関の運転を正確に制御もしくは調整できるようにするためには、内燃機関の運転中におけるインジェクタのいわゆる噴射率もしくは噴射量を常に正確に求めることが重要である。これに関して、従来そのために知られているのは、インジェクタにニードルストローク・センサを割り当てることのみであり、これらニードルストローク・センサを用いてインジェクタのニードルの機械的なストロークを監視及び評価し、それによりインジェクタの噴射率及び／又は噴射量を求める。しかしながら、ニードルストローク・センサを使用しインジェクタに取り付けることは手間も多くてコストも高くなり、そのため、量産にとってはほとんど実用的ではない。その上、ニードルストローク・センサの耐用年数も内燃機関の運転状況により異なる。とりわけ、重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関においては、ニードルストローク・センサの耐用年数は大きく制限される。
そのため、船舶ディーゼル内燃機関のインジェクタのとりわけ噴射率及び／又は噴射量を低労力、低コスト、ならびに簡単で高信頼的に求めることができる、船舶ディーゼル内燃機関の運転方法、及び、その方法を実行するためのエンジン制御ユニットが必要とされている。
独国特許公報第１０１５７１３５号明細書
これから取り掛かり、本発明の課題は、船舶ディーゼル内燃機関を運転するための新規の方法を提供することである。この課題は、請求項１に記載の方法により解決される。
本発明においては、インジェクタにおいて直接的にインジェクタに割り当てられている圧力センサを用いて、各インジェクタについて個別に圧力信号を測定することによって検出し、インジェクタごとの各圧力信号から、各インジェクタについて個別に噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの特性値を決定する。
本発明の目的は、船舶ディーゼル内燃機関の燃料供給システムのインジェクタにおいて、インジェクタごとの圧力信号を測定技術的に検出することである。インジェクタごとの圧力信号から、各インジェクタについてインジェクタごとの噴射率、及び／又は、インジェクタごとの噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの個別の特性値を決定する。ニードルストローク・センサは、まったく使用しないこともできる。圧力センサを用いて圧力信号を求めることは、重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関においても、簡単に、コスト安に、及び高信頼的に行うことができる。インジェクタごとの圧力信号から、所望の特定の又は所望のそれぞれのパラメータ、つまり、噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値を簡単かつ高信頼的に決定することができる。
望ましくは、各インジェクタは、個別のインジェクタ・リザーバ容量を有しており、各インジェクタについての圧力センサを用いて、個別の圧力信号として、それぞれのインジェクタ・リザーバ容量のリザーバ圧力信号を測定技術的に検出し、また、インジェクタごとの各リザーバ圧力信号から、各インジェクタについて個別に噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値を決定する。
とりわけ、それぞれのインジェクタにおける圧力信号としてそれぞれのインジェクタのインジェクタ・リザーバ容量のリザーバ圧力信号を求めると、圧力信号から、特に好適に噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値が決定される。インジェクタごとのリザーバ圧力信号は、燃料供給システムのその他のコンポーネントの影響による影響を受けず、それにより、上記パラメータ、つまり噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値のうちの少なくとも一つを特に正確かつ高信頼的に求めることができる。
好適な発展形によると、測定技術的に測定された、インジェクタごとの圧力信号を時間に関して導きもしくは微分し、インジェクタごとの微分した圧力信号から、それぞれのインジェクタの噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値を決定する。このように、圧力信号を評価して噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値を決定することは、高信頼的、簡単、及び正確であるため、特に望ましい。
望ましくは、インジェクタごとの圧力信号から、それぞれのインジェクタの噴射率を以下の等式により求める：
ｄｍ／ｄｔ＝Ｖ×（ｄｐ／ｄｔ）／ｃ（ｐ）２
ここで、ｄｍ／ｄｔは噴射率、Ｖは個別のインジェクタ・リザーバ容量、ｄｐ／ｄｔは時間ｔに関して微分されたインジェクタごとの圧力信号、ｃ（ｐ）はインジェクタごとの圧力ｐに応じた音速である。それぞれのインジェクタの噴射率をこのように決定することは簡単、高信頼的、及び正確である。
望ましくは、インジェクタごとの圧力信号から、各インジェクタについて個別に、それぞれのインジェクタの噴射サイクルについての液圧ニードルストローク・タイミングの特性値として、噴射開始、及び／又は、液圧最大ストローク到達、及び／又は、液圧最大ストロークからの離脱、及び／又は、噴射終了を決定する。
ここで指摘しておくことは、液圧ニードルストローク・タイミングと、機械的ニードルストローク・タイミングとが異なることである。
液圧最大ストロークは、インジェクタのニードルシートの絞り効果が、それぞれのインジェクタのノズル孔もしくは噴射孔の絞り効果と同じか又はそれより小さい場合のニードルストロークに相当する。この時点からインジェクタのノズルの液圧ノズル流量は一定であるが、これに対して機械的最大ストロークはさらに増加する可能性がある。
機械的ニードルストローク・タイミングと液圧ニードルストローク・タイミングとの間のさらなる違いは、液圧最大ストロークを離脱するとインジェクタのノズル流量が低下すること、つまり、それぞれのインジェクタのニードルシートの絞り効果が、ノズル孔の絞り効果より大きいことである。これに対して、機械的最大ストロークの機械的離脱は、典型的にはその前に起こる。
本発明の望ましい発展形は、従属請求項及び以下の説明から理解できる。本発明の実施例について図を用いて詳しく説明するが、これに限定されるわけではない。
圧力制御式インジェクション・バルブ（インジェクタ１）を有する、内燃機関のコモンレール式燃料供給システム、及び、エンジン制御ユニットを図式的に表した図である。 ストローク制御式リザーバインジェクタ（インジェクタ１）を有する、内燃機関のコモンレール式燃料供給システム、及び、エンジン制御ユニットを図式的に表した図である。 船舶ディーゼル内燃機関の本発明による運転方法を明らかにするための第１ダイアグラムである。 船舶ディーゼル内燃機関の本発明による運転方法をさらに明らかにするための第２ダイアグラムである。 船舶ディーゼル内燃機関の本発明による運転方法をさらに明らかにするための第３ダイアグラムである。
本発明は、船舶ディーゼル内燃機関、とりわけ重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関の運転方法に関するものであり、そのような船舶ディーゼル内燃機関は、望ましくはコモンレール式燃料供給システムとして構成された燃料供給システムを有している。船舶ディーゼル内燃機関のそのようなコモンレール式燃料供給システムの基本的な構造は、すでに図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明されている。そのため、図１Ａ及び図１Ｂに関する前述の実施例を参照する。この点に関して念のためここで再度述べることは、そのような燃料供給システムがシリンダごとに少なくとも一つのインジェクタ１を有しており、インジェクタ１を介して船舶ディーゼル内燃機関のシリンダ内に燃料が噴射され得ることである。
図１Ａ及び図１Ｂによると、各インジェクタ１には、圧力センサ１５が割り当てられている。圧力センサ１５を用いて、インジェクタ１において直接的に、各インジェクタ１についての個別の圧力信号を測定技術的に検出する。
望ましくは、各インジェクタ１は、個別のインジェクタ・リザーバ容量（図示されず）を有しており、圧力センサ１５を用いて、各インジェクタ１について個別の圧力信号として、それぞれのインジェクタ１のそれぞれのインジェクタ・リザーバ容量のリザーバ圧力信号を測定技術的に検出する。
本発明によるインジェクタごとの各圧力信号から、各インジェクタ１について個別に、それぞれのインジェクタ１の噴射率、及び／又は、それぞれのインジェクタ１の噴射量、及び／又は、それぞれのインジェクタ１の液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの特性値を決定し、液圧ニードルストローク・タイミングの特性値としては、噴射開始、及び／又は、液圧最大ストローク到達、及び／又は、液圧最大ストローク離脱、及び／又は、噴射終了を決定する。
ここで指摘しておきたいのは、液圧ニードルストローク・タイミングと、機械的ニードルストローク・タイミングとが異なることである。それぞれのインジェクタ１のニードルシートの絞り効果は、それぞれのインジェクタ１のノズル孔もしくは噴射孔の絞り効果以下である場合にニードルストロークは液圧最大ストロークに到達し、このニードルストロークにおいて液圧ノズル流量は一定である。これに対して、機械的最大ストロークは、液圧最大ストロークよりさらに増加することができる。液圧最大ストロークから離脱するのは、それぞれのインジェクタのニードルシートの絞り効果がそれぞれのインジェクタのノズル孔の絞り効果より大きい場合であり、典型的には、機械的最大ストロークの離脱は、液圧最大ストロークより前に起こる。
望ましくは、測定技術的に検出したインジェクタごとの圧力信号、望ましくはインジェクタごとのリザーバ圧力信号は、時間ｔに関して導かれもしくは微分され、インジェクタごとの微分した圧力信号から、それぞれのインジェクタの噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値は、決定される。望ましくは、微分したリザーバ圧力信号であるインジェクタごとの微分した圧力信号から、それぞれのインジェクタの噴射率は、望ましくは以下の等式により決定される：
ｄｍ／ｄｔ＝Ｖ×（ｄｐ／ｄｔ）／ｃ（ｐ）２
ここでｄｍ／ｄｔは噴射率、Ｖは個別のインジェクタ・リザーバ容量、ｄｐ／ｄｔは時間ｔに関して微分されたインジェクタごとの圧力信号、ｃ（ｐ）はインジェクタごとの圧力ｐに応じた音速である。
このとき、圧力に応じた音速は、望ましくは、測定された、インジェクタごとの圧力に応じて特性曲線又は特性図に基づいて求められる。
上述の決定された噴射率から、噴射率を時間に関して積分することにより、それぞれのインジェクタ１の噴射量を求めることができる。
図２には、２つの信号曲線２０、２１が時間経過とともに図示されており、信号曲線２０は、インジェクタ１において圧力センサ１５を用いて測定したインジェクタごとの圧力信号、つまりインジェクタごとのリザーバ圧力信号である。信号曲線２１は、測定されたこの圧力信号の時間に関して導出したものもしくは時間に関する微分である。
前述の通り、望ましくは、インジェクタごとの微分した圧力信号２１から、先述の公式を用いてそれぞれのインジェクタ１について個別の噴射率を計算し、図４では、計算した噴射率を信号曲線２２により表現している。測定した噴射率である信号曲線２３と比較することにより、本発明による方法を用いて、インジェクタ１の噴射率を高信頼的かつ正確に決定できることが理解できる。図４では、信号曲線２２から計算したそれぞれのインジェクタの噴射量を時間に関して積分したものを、信号曲線２４により視覚化している。
図２に示されているように、微分したインジェクタごとの圧力信号からさらに、それぞれのインジェクタの液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの特性値を簡単及び高信頼的に求めることができる。すると、時点ｔ１は、噴射サイクルの噴射開始に対応し、時点ｔ４は、噴射終了に対応する。時点ｔ２では、液圧最大ストロークに到達し、これに対して、時点ｔ３では、液圧最大ストロークを離脱する。
これらの特性値から、図３の信号曲線２５により、それぞれのインジェクタ１のニードルのニードルストローク信号を計算することができ、その際、図３の時点ｔ１からｔ４は、図２の時点ｔ１からｔ４に対応する。したがって時点ｔ１は噴射開始に対応し、時点ｔ２で液圧最大ストロークに到達し、時点ｔ３で液圧最大ストロークを離脱し、時点ｔ４で噴射終了に到達する。
図３には、計算されたニードルストローク信号２５に、ニードルストローク・センサを用いて測定技術的に測定されたニードルストローク信号２６を対比させたものが図示されており、信号曲線２５及び２６の比較から、計算したニードルストローク信号と測定技術的に検出したニードルストローク信号とが良好に一致していることが見て取れる。
本発明により、船舶ディーゼル内燃機関の運転中に、インジェクタの噴射率、及び／又は、インジェクタの噴射量、及び／又は、インジェクタの液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの特性値を、簡単かつ高信頼的に求めることができる。
インジェクタごとの圧力信号から求められる上記のパラメータの少なくとも一つに基づいて、それぞれのインジェクタ１について機能診断及び／又は摩耗診断を実行することができる。例えば、時間と共に変化するインジェクタ１の噴射率から、インジェクタ１の摩耗を推量することができ、それにより適切な時期に部品保守もしくは部品交換を行う準備ができる。これは、本発明の方法を用いて船舶ディーゼル内燃機関の通常の運転中に行えるため、別個の測定テストベンチにおいて機能点検もしくは摩耗点検を行わずに済む。
本発明の方法を用いることにより、各シリンダについて個別に、例えば噴射率もしくは噴射量を正確に決定することができる。そのため、内燃機関の運転を、シリンダごとに制御することが可能である。この方法はとりわけ、重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関での使用に適している。
さらに、本発明は、この方法を実行するためのエンジン制御ユニット１６にも関する。図１Ａ及び図１Ｂは、そのようなエンジン制御ユニット１６を示しており、エンジン制御ユニット１６は、この方法を実行するための手段１７、１８、１９を有している。手段１７は、少なくとも一つのデータインターフェースであり、とりわけ圧力センサ１５とデータを交換するため、つまり圧力センサ１５から提供された圧力測定信号を読み取るためのものである。手段１８は、本発明の方法を実行するためのハードウェア側の手段であり、手段１９はソフトウェア側の手段である。ハードウェア側手段１８は、とりわけ、データを記憶するためのデータ記憶ユニット及びデータを処理するためのデータプロセッサである。ソフトウェア側手段１９は、本発明の方法を実行するためのプログラムモジュールである。
本発明の方法、ならびに本発明のエンジン制御ユニット１６を用いることにより、とりわけ重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関の通常運転中に、それぞれのインジェクタ１の噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの特性値を簡単かつ高信頼的に、ならびに自動的に決定することができる。そのために必要となるのは、それぞれのインジェクタ１、とりわけインジェクタごとのリザーバ容量について直接的に圧力測定信号を測定し、これを先述の方法で評価するだけである。
１ インジェクタ
２ 高圧ポンプ
３ ポンプ装置
４ 低圧領域
５ 低圧ポンプ
６ 高圧領域
７ 蓄圧器
８ 高圧ポンプリザーバ
９ 貯蔵ユニット
１０ 高圧ライン
１１ 高圧ライン
１２ 切替弁
１３ 圧制御弁
１４ パージ弁
１５ 圧力センサ
１６ エンジン制御ユニット
１７ インターフェース
１８ ハードウェア側手段
１９ ソフトウェア側手段
２０ 信号曲線
２１ 信号曲線
２２ 信号曲線
２３ 信号曲線
２４ 信号曲線
２５ 信号曲線
２６ 信号曲線

Claims (9)

  1. 船舶ディーゼル内燃機関、とりわけ重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関を運転するための方法であって、燃料供給システム、とりわけコモンレール式燃料供給システムのインジェクタ（１）を用いて、船舶ディーゼル内燃機関のシリンダに燃料を噴射する方法において、
    前記インジェクタ（１)において直接的に、前記インジェクタ（１）に割り当てられた圧力センサ（１５）を用いて各インジェクタ（１）について個別に圧力信号を測定技術的に検出し、
    インジェクタごとの各圧力信号から、各インジェクタ（１）について個別に噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの少なくとも一つの特性値を決定することを特徴とする方法。
  2. 各インジェクタ（１）が個別のインジェクタ・リザーバ容量を有しており、前記圧力センサ（１５）を用いて、各インジェクタ（１）について個別の圧力信号として、それぞれのインジェクタ・リザーバ容量のリザーバ圧力信号を測定技術的に検出し、
    インジェクタごとの各リザーバ圧力信号から、各インジェクタ（１）について個別に噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値を決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記測定技術的に検出するインジェクタごとの圧力信号を時間に関して導きもしくは微分し、
    インジェクタごとの微分した圧力信号から、それぞれのインジェクタ噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値を決定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
  4. インジェクタごとの前記微分した圧力信号から、それぞれのインジェクタの噴射率が以下の等式：
    ｄｍ／ｄｔ＝Ｖ×（ｄｐ／ｄｔ）／ｃ（ｐ）２
    を用いて決定され、
    上記等式においてｄｍ／ｄｔは噴射率、Ｖは個別のインジェクタ・リザーバ容量であり、ｄｐ／ｄｔは時間ｔに関して微分されたインジェクタごとの圧力信号であり、ｃ（ｐ）はインジェクタごとの圧力ｐに応じた音速であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 前記音速が、測定されたインジェクタごとの圧力に応じて特性曲線又は特性ダイアグラムから求められることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. それぞれのインジェクタの噴射量が、時間に関して噴射率を積分することにより求められることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
  7. 前記インジェクタごとの圧力信号から、各インジェクタ（１）について個別に、それぞれのインジェクタ（１）の噴射サイクルのための液圧ニードルストローク・タイミングの特性値として、噴射開始、及び／又は、液圧最大ストローク到達、及び／又は、液圧最大ストローク離脱、及び／又は、噴射終了が決定されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 噴射率、及び／又は、噴射量、及び／又は、液圧ニードルストローク・タイミングの特定の又はそれぞれの特性値に基づいて、機能診断試験及び／又は摩耗診断試験がそれぞれのインジェクタ（１）について実行されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 船舶ディーゼル内燃機関、とりわけ重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関のエンジン制御ユニット（１６）であって、前記内燃機関が燃料供給システム、とりわけコモンレール式燃料供給システムを有している、エンジン制御ユニット（１６）において、
    前記エンジン制御ユニット（１６）が、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実行するための手段（１７、１８、１９）を有していることを特徴とする、エンジン制御ユニット。
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